JP2006189209A - 冷却庫 - Google Patents

Abstract

【課題】 スターリング冷凍機の生成する冷熱を利用して、マイナス４０℃以下の極低温と、マイナス１８℃程度の通常の冷凍温度帯との２種類の冷凍室を形成でき、しかもその形成にあたり特別な仕掛けを必要としない冷却庫を提供する。
【解決手段】 冷却庫１はスターリング冷凍機５０を冷熱源として庫内を冷却する。庫内には冷蔵室２０と第１冷凍室３０Ｌ及び第２冷凍室３０Ｒが設けられている。スターリング冷凍機５０の吸熱部５２には二次冷媒循環回路７０を介して低温側蒸発器７２が接続されており、低温側蒸発器７２の冷熱により生成された冷気は冷却ファン装置８３により第１冷凍室３０Ｌに直接吹き込まれる。第２冷凍室３０Ｒは、仕切壁３２を介して伝達される第１冷凍室３０Ｌの冷熱により冷却される。
【選択図】 図２

Description

本発明はスターリング冷凍機の吸熱部で発生した冷熱によって庫内の冷却を行う冷却庫に関する。「冷却庫」とは、食品その他の物品の温度を下げる装置全般を指す概念であり、「冷蔵庫」「冷凍庫」「冷凍冷蔵庫」「ショーケース」といった商品としての名称を問わない。

冷却庫の冷凍サイクルには特定フロン（CFC:chlorofluorocarbon）や代替フロン（HCFC:hydrochlorofluorocarbon、HFC:hydrofluorocarbon）が冷媒として使用されている。これらの冷媒のうちＣＦＣとＨＣＦＣは大気中に放出されると程度の差こそあれオゾン層の破壊につながるので、その生産及び使用は国際的な規制の対象となっている。また、オゾン層を破壊しないＨＦＣにも地球温暖化への寄与が大きいという問題がある。

そこで、冷媒としてオゾン破壊物質を使用しないスターリング冷凍機が脚光を浴びている。スターリング冷凍機ではヘリウム等の不活性ガスを作動媒体として使用し、外部動力によりピストンとディスプレーサを動作させて作動媒体の圧縮・膨張を繰り返し、放熱部（ウォームヘッド）の温度を高めるとともに吸熱部（コールドヘッド）の温度を下げる。そして放熱部で周囲環境に放熱を行い、吸熱部で庫内から吸熱を行うものである。

近年では冷却庫の断熱層として真空断熱材が多く用いられるようになっている。真空断熱材を用いた場合、熱の侵入が少ないので庫内温度をこれまでより低く保つことができる。このような断熱材にスターリング冷凍機を組み合わせると、従来では考えられなかった極低温を家庭用の冷却庫でも容易に得ることができるようになる。これもスターリング冷凍機が注目を集める理由である。

スターリング冷凍機の生成する冷熱で庫内冷却を行う冷却庫の例を特許文献１、２に見ることができる。特許文献２には放熱部の温熱を冷媒配管により冷却室の開口部に伝えてこの箇所に結露が生じるのを防ぎ、さらにはその温熱をドレンの蒸発促進や庫内冷却用熱交換器の除霜にも利用する構成が示されている。また特許文献３には、冷却通路を流れる冷気の冷熱を、その冷却通路を形成する部材より放出する冷蔵庫の構成が開示されている。
特開２００２−２２１３８４号公報（第４頁−第５頁、図１−図２） 特開２００４−２００５６号公報（第５頁−第１２頁、図１−図７） 特開２００１−６６０４０号公報（第４頁−第６頁、［００３１］、図１−図９）

スターリング冷凍機を使用すると、マイナス４０℃以下の冷凍温度を得ることができる。このような低温で長期に冷凍保存すると、家庭用冷蔵庫の冷凍温度として一般的なマイナス１８℃で冷凍保存する場合に比べ、食品の変質をはるかに低く抑えることができる。しかしながらすべての冷凍食品をそこまで低温にする必要もない。スーパーマーケットやコンビニエンスストアで購入してきた冷凍食品を、食卓に載せるまで１日か２日保存すれば良いのであれば、一般的なマイナス１８℃の冷凍室があれば十分である。

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、スターリング冷凍機の生成する冷熱を利用して、マイナス４０℃以下の極低温と、マイナス１８℃程度の通常の冷凍温度帯との２種類の冷凍室を形成でき、しかもその形成にあたり特別な仕掛けを必要としない冷却庫を提供することを目的とする。また、極低温の冷凍室につきまとう着霜の問題を解決できる冷却庫を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、スターリング冷凍機の吸熱部の冷熱により庫内の冷却を行う冷却庫において、庫内には上段に冷蔵室、下段に仕切壁を隔てて隣接する第１冷凍室と第２冷凍室を設け、前記第１冷凍室には前記スターリング冷凍機の吸熱部の冷熱により生成した冷気を直接吹き込む冷却ファン装置が設けられるとともに、前記第２冷凍室には、前記仕切壁を介して前記第１冷凍室の冷熱を伝達することを特徴としている。

この構成によると、第１冷凍室にあっては、スターリング冷凍機の吸熱部の冷熱により生成した冷気を直接吹き込むことにより、マイナス４０℃以下の極低温を容易に得ることができる。他方第２冷凍室にあっては、冷気の吹き込みは行わず、隣の第１冷凍室から仕切壁を介して冷熱が伝達されることにより冷却が行われるのであるが、第１冷凍室の温度が極低温であるため、マイナス１８℃程度の通常の冷凍温度に簡単に到達することができる。

また本発明は、上記構成の冷却庫において、前記仕切壁の前記第２冷凍室に面する側に、第２冷凍室の室内に開口する入口と出口を備えたダクトが設けられ、このダクトには前記入口から出口に向かう空気流を生成するファン装置が設けられていることを特徴としている。

この構成によると、仕切壁の壁面に沿って流れる気流を積極的に形成することにより、第１冷凍室の冷熱が仕切壁を介して気流に伝達されるのを助長し、第２冷凍室を迅速に冷却することができる。

また本発明は、上記構成の冷却庫において、前記スターリング冷凍機の吸熱部より冷熱を供給される冷却器が前記第１冷凍室の背面側に設置されるとともに、前記冷却器と前記冷蔵室とを結ぶ冷気戻りダクトが、前記第２冷凍室の背面側に設置されていることを特徴としている。

この構成によると、冷気戻りダクトと第２冷凍室との間の断熱材の厚さを薄くできる。

また本発明は、上記構成の冷却庫において、前記スターリング冷凍機の発生した温熱により前記第２冷凍室の冷え過ぎを防止する二次冷媒循環回路を備えることを特徴としている。

この構成によると、スターリング冷凍機の発生する温熱を利用して第２冷凍室の冷え過ぎを緩和できる。

前記二次冷媒循環回路に循環ポンプを設け、この循環ポンプを前記第２冷凍室に設けられた温度センサの検知結果に基づき制御することとすれば、第２冷凍室の温度を正確に目標値に一致させることができる。

また本発明は、上記構成の冷却庫において、前記冷却ファン装置のファン回転数が、第１冷凍室の扉開閉後所定時間は通常よりも高く保たれることを特徴としている。

第１冷凍室の中に水分が持ち込まれると、その水分はすぐに霜となって第１冷凍室の内部に付着する。本発明の構成によれば、第１冷凍室の扉が開いて外部から水分が持ち込まれたとき、冷却ファン装置が通常よりも多くの風を送り込み、昇華能力を高めるので、無着霜状態に早期に復帰できる。

前記冷却ファン装置の回転数が高く保たれる間、前記冷蔵室に冷気を送るダクトがダンパにより閉ざされることとすれば、第１冷凍室内の昇華能力を高める必要があるときは冷蔵室へ向かう冷気が止まり、第１冷凍室に冷気が集中するので、目的通り昇華能力を向上させることができる。

また、前記冷却ファン装置のファン回転数が高く保たれる間、前記冷蔵室に冷気を送る送風装置を停止することとすれば、第１冷凍室内の昇華能力を高める必要があるときは冷蔵室への冷気の分配が止まり、第１冷凍室に冷気が集中するので、目的通り昇華能力を向上させることができる。

また、前記第１冷凍室の扉に除霜ヒータを内蔵させ、第１冷凍室の扉開閉後所定時間この除霜ヒータに通電することとすれば、第１冷凍室の扉に付着する霜を確実に除去することができる。

また、外部の気温を測定する温度センサと外部の湿度を測定する湿度センサを設け、これら温度センサ及び湿度センサの測定結果に基づき前記所定時間の長さを調節することとすれば、着霜しやすい環境であるかどうかを考慮して制御パラメータを変化させ、無駄のない除霜動作を行うことができる。

本発明によると、第１冷凍室に対してはスターリング冷凍機の吸熱部の冷熱により生成した冷気を直接吹き込むことにより、マイナス４０℃以下の極低温を容易に得ることができる。第１冷凍室に隣接する第２冷凍室に対しては冷気の吹き込みは行わず、第１冷凍室から仕切壁を介して冷熱が伝達されることにより冷却が行われるのであるが、第１冷凍室の温度が極低温であるため、マイナス１８℃程度の通常の冷凍温度に冷却することができる。従って家庭用の冷却庫であってもマイナス４０℃以下の極低温の冷凍室とマイナス１８℃程度の通常の冷凍室とを安価に提供することができ、使用者は食品の種類あるいは保存目的に応じた冷凍保存を行うことができる。

以下、本発明の一実施形態を図１−図７に基づき説明する。図１は冷却庫の垂直断面図、図２は扉を取り去った状態の冷却庫の正面略図、図３は冷却庫の水平断面図、図４は冷却サイクルの概略構成図、図５は二次冷媒の流れ方の説明図、図６は強制循環回路の配管経路を説明する斜視図、図７は動作タイミングチャートである。

冷却庫１は食品保存用であり、断熱筐体１０が本体を構成する。断熱筐体１０の内部は水平な仕切壁１１によって上下２段に仕切られており、上段は冷蔵室及び解凍室、下段は冷凍室という設定になっている。冷凍室は垂直な仕切壁３２により正面から見て左右に区分され、左側が第１冷凍室３０Ｌ、右側が第２冷凍室３０Ｒとなる。冷蔵室２０及び解凍室２５と、冷凍室３０Ｌ、３０Ｒは、共に正面（図１において左側）が食品を出し入れするための開口部となっており、この開口部を断熱扉２１、３１Ｌ、３１Ｒが閉ざす。

冷蔵室２０の内部には複数の棚板２２が設けられている。冷蔵室２０の最下部に隣接して断熱構造の解凍室２５がある。解凍室２５は、冷蔵室２０と断熱扉２１を共有する他、独自の断熱扉２６も備えている。

第１冷凍室３０Ｌと第２冷凍室３０Ｒにも食品を区分して保持するための手段を設ける。その手段は棚板であってもよく、引き出し式の冷凍容器であってもよい。

断熱筐体１０の背面部には機械室４０が形成される。機械室４０は板金製の部品を組み合わせて構成された直方体形状の構造物であり、背面側が開口している。この機械室４０の中にスターリング冷凍機５０が設置される。機械室４０は冷蔵室２０と第１冷凍室３０Ｌ、第２冷凍室３０Ｒとの間の高さに置かれている。

スターリング冷凍機５０を設置した後、機械室４０の背面側開口を蓋４４で閉ざす。蓋４４には、後述する高温側凝縮器を冷却する空気を取り入れるための通風口４５と、後述する空冷ダクトの出口を接続するための開口４７が形成されている。

スターリング冷凍機５０の一部は放熱部５１となり、ここに高温側蒸発器６１が取り付けられる（図２参照）。放熱部５１と高温側蒸発器６１は互いの間で熱を授受する状態、すなわち熱接続された状態にある。高温側蒸発器６１には２系統の二次冷媒循環回路が接続される。

高温側の第１の二次冷媒循環回路は、スターリング冷凍機５０の上に設置された高温側凝縮器６２と高温側蒸発器６１とを二次冷媒配管で接続して構成されるサーモサイフォン循環回路６０である。高温側の第２の二次冷媒循環回路は、断熱筐体１０の外壁内に配設された二次冷媒配管からなる強制循環回路１１０である。サーモサイフォン循環回路６０と強制循環回路１１０は並列関係にある。これらサーモサイフォン循環回路６０と強制循環回路１１０には水（水溶液を含む）あるいは炭化水素系の冷媒を密封する。

高温側蒸発器６１は中空リングを二つに割って合わせた形状であり、半割のリングのそれぞれの内部は互いに独立した蒸発室６１ａとなっている（図５参照）。このような形状にするのは次の理由による。すなわち高温側蒸発器６１が単一リングの形状であると、スターリング冷凍機５０の放熱部５１にしっかり接触させるためには、形状を厳しく管理して嵌め合い精度を確保することが必要になる。この点本実施形態のように高温側蒸発器６１を中空リングを半割にした形状にしておけば、半割リング間にスターリング冷凍機５０の放熱部５１を挟んで締め付けるときの締付圧を調節することにより、接触圧のコントロールが可能なので、形状誤差により接触圧が不十分となり、放熱部５１との間の熱伝達率が低下するといった事態に陥ることが少ない。リングをさらに多くのブロックに分割しても同じことが言える。

高温側凝縮器６２は、銅や銅合金、アルミなど熱伝導の良い金属からなるパイプを折り曲げ、これに同じく熱伝導の良い金属からなる多数の放熱フィン６３を取り付けた構造である。

図５に見られるように、高温側蒸発器６１の２個の蒸発室６１ａからはそれぞれサーモサイフォン循環回路６０の往路側二次冷媒配管６４が導出される。２本の往路側二次冷媒配管６４は高温側蒸発器６１の外で合流し、１本のパイプとなって高温側凝縮器６２に接続される。高温側凝縮器６２からは復路側二次冷媒配管６５が戻ってくるが、この復路側二次冷媒配管６５も高温側蒸発器６１の手前で分岐して２本のパイプとなり、そのパイプが１本ずつ蒸発室６１ａに接続される。

同様に強制循環回路１１０も２個の蒸発室６１ａからそれぞれ導出された後に合流し、また戻ってきたときは高温側蒸発器６１の手前で分岐して２本のパイプとなり、そのパイプが１本ずつ蒸発室６１ａに接続される構成になっている。なお強制循環回路１１０の構成は後で詳しく説明する。

スターリング冷凍機５０には、冷熱を外部に伝える吸熱部５２が放熱部５１と対をなす形で設けられる。この吸熱部５２に低温側凝縮器７１が取り付けられる（図４参照）。吸熱部５２と低温側凝縮器７１は互いの間で熱を授受する状態、すなわち熱接続された状態にある。

第１冷凍室３０Ｌ及び第２冷凍室３０Ｒの奥には庫内を冷却する冷却器としての役割を果たす低温側蒸発器７２が配置される。低温側凝縮器７１と低温側蒸発器７２とは二次冷媒配管で接続され、低温側の二次冷媒循環回路７０を構成する。二次冷媒循環回路７０にはＣＯ₂などの自然冷媒を封入する。低温側凝縮器７１は単一の中空リング形状であり、内部は凝縮室７１ａとなっている（図５参照）。なお低温側蒸発器７２は、図２、３に見られるように第１冷凍室３０Ｌ側に偏倚していて、正面から見ると大半が第１冷凍室３０Ｌに重なり、第２冷凍室３０Ｒには少ししか重ならない。

低温側蒸発器７２も、高温側凝縮器６２と同様、銅や銅合金、アルミなど熱伝導の良い金属からなるパイプを折り曲げ、これに、同じく熱伝導の良い金属からなる多数の放熱フィン７３を取り付けた構造である。

断熱筐体１０の内部には、背面側の内壁に沿って垂直方向に延びる冷却ダクト８０、８１が設けられる。冷却ダクト８０は第１冷凍室３０Ｌ及び第２冷凍室３０Ｒの途中までの高さで終わり、冷却ダクト８１はそれに連続する形で冷蔵室２０の天井まで延びる。

冷却ダクト８０の下端には冷凍室３０から庫内空気を吸い込む吸気口８２が設けられる。吸気口８２の上方には低温側蒸発器７２が設置され、さらにその上方には、第１冷凍室３０Ｌに冷気を直接吹き込む冷却ファン装置８３が設けられる。冷却ダクト８１には冷却ダクト８０から冷気を送り込む冷却ファン装置及び冷気の流れを任意に遮断できるダンパ（いずれも図示せず）が設けられている。

解凍室２５は、冷凍食品の解凍に用いられるだけでなく、冷蔵室や冷凍室にも切換え使用可能である。このため解凍室２５は、ダンパ８６（図１参照）を介して冷却ダクト８１に連通しており、冷蔵室として使用するときは冷蔵温度を得るのに必要な量の冷気を冷却ダクト８１から取り入れ、冷凍室として使用するときは冷凍温度を得るのに必要な量の冷気を冷却ダクト８１から取り入れる仕組みになっている。

断熱筐体１０の内部には、冷蔵室２０及び解凍室２５から空気を回収する冷気戻りダクト８５も設けられている。冷気戻りダクト８５は低温側蒸発器７２と冷蔵室２０とを結ぶものであり、冷却ダクト８０の右側、正面から見ると第２冷凍室３０Ｒの背面側に設置される。冷蔵室２０及び解凍室２５から回収された空気は冷気戻りダクト８５から冷却ダクト８０の中に入り、低温側蒸発器７２の下側に供給されるものである。冷気戻りダクト８５は第２冷凍室３０Ｒの内壁に密着する形で延び、第２冷凍室３０Ｒの空気との間で冷熱の授受を行う。

スターリング冷凍機５０を運転すると、放熱部５１は高温となり、吸熱部５２は低温となる。放熱部５１の熱は外部に放熱すべき廃熱であるが、これはサーモサイフォン循環回路６０の二次冷媒に吸収された後、高温側凝縮器６２に伝えられる。吸熱部５２の冷熱は二次冷媒循環回路７０を介して低温側蒸発器７２に伝えられる。

ここで冷却ファン装置８３を運転すると、冷却ダクト８０の下端の吸気口８２から第１冷凍室３０Ｌの中の空気が吸い込まれ、低温側蒸発器７２を通過する。また冷気戻りダクト８５を通じ、冷蔵室２０及び解凍室２５の中の空気が冷却ダクト８０に吸い込まれ、低温側蒸発器７２を通過する。低温側蒸発器７２を通過する空気は冷却されて冷気となる。

冷気は冷却ファン装置８３により第１冷凍室３０Ｌに直接吹き込まれ、第１冷凍室３０Ｌを冷却する。冷気の一部は前述の図示しない冷却ファンとダンパを通じて冷却ダクト８１に送り込まれ、さらに冷却ダクト８１に設けられた吹出口８４を通じて冷蔵室２０に吹き込まれ、冷蔵室２０を冷却する。ダンパ８６が開いていれば解凍室２５にも冷気が送り込まれる。このようにして冷蔵室２０、解凍室２５、及び冷凍室３０にはそれぞれ所定量の冷気が送り込まれ（または送り込まれず）、冷蔵室２０、解凍室２５、及び冷凍室３０はそれぞれ所定の温度に冷却される。断熱筐体１０の背面上部に設置された制御部１５が上記の運転制御を司る。

高温側のサーモサイフォン循環回路６０は自然循環のみで十分に循環が成立するが、低温側の二次冷媒循環回路７０は自然循環だけでは必要な循環を得られないことがある。そのような場合には二次冷媒循環回路７０に循環ポンプを配置し、強制循環を行う。

スターリング冷凍機５０の運転効率を向上させるためには高温側凝縮器６２からの凝縮熱の放出を効率良く行う必要がある。この目的のため、空冷ダクト９０が高温側凝縮器６２に組み合わせられる。空冷ダクト９０は通風路の断面が矩形となった合成樹脂成型品であり、その入口部は高温側凝縮器６２の上面にあてがわれ、出口部は蓋４４の開口４７にあてがわれる。側面から見ると、空冷ダクト９０は入口部から出口部まで、水平に対し４５゜の角度をなして斜め上方に延びる形になっている。

空冷ダクト９０の中には高温側凝縮器６２を強制空冷するための送風機９１を挿入する。送風機９１はプロペラファンを２個、図１の奥行き方向に並べたものであり、送風方向は空冷ダクト９０の軸線に一致する。送風機９１は空冷ダクト９０の出口部から出し入れ可能であり、空冷ダクト９０の内面からダクト軸線と直交する形で突出する取付突部９３に図示しないビスで固定される。

送風機９１を運転すると、蓋４４の通風口４５から外部の空気が吸い込まれる。機械室４０に入った空気は高温側凝縮器６２を通り、高温側凝縮器６２が放出する凝縮熱を奪う。熱を奪った空気は空冷ダクト９０に吸い込まれ、さらに送風機９１に吸い込まれ、そこから機外へと斜め上方に向けて排出される。

機械室４０の蓋４４は単なる平板ではなく、中央が背面側に突き出し、その四周は斜面となった形状を有している。これらの斜面部のうち、斜め上を向いた斜面部に空冷ダクト９０の出口が開口する。このため、空冷ダクト９０の出口と冷却庫１を設置した部屋の壁面との間に一定以上の隙間が生じ、空気がスムーズに流れる。高温側凝縮器６２を空冷するためには大量の空気が必要であるが、その空気の排出経路がこのように確保されることにより、スターリング冷凍機５０を常に効率良く運転することができる。

放熱部５１の放熱する廃熱は冷蔵室２０、第１冷凍室３０Ｌ、及び第２冷凍室３０Ｒの開口部の結露防止にも利用される。これを実現するのが断熱筐体１０の外壁内に配設された強制循環回路１１０である。強制循環回路１１０の両端は、高温側蒸発器６１に接続する入口部１１０ａ及び出口部１１０ｂとなる。入口部１１０ａ及び出口部１１０ｂはいずれも、高温側蒸発器６１の２個の蒸発室６１ａから１本ずつ導出された２本のパイプにより構成される。なお図示実施形態では復路側二次冷媒配管６５が出口部１１０ｂに兼用されている。

入口部１１０ａを構成する２本のパイプは蒸発室６１ａを出てほどなく合流し、１本の強制循環回路１１０を構成する。１本化された強制循環回路１１０は断熱筐体１０の底部近くに配置された循環ポンプ１１１（図６参照）に接続される。循環ポンプ１１１は強制循環回路１１０内に二次冷媒を強制循環させるためのものである。

ポンプ１１１を出た強制循環配管１１０は、第１冷凍室３０Ｌ及び第２冷凍室３０Ｒの開口部下縁を通った後、断熱筐体１０の奥の分岐点１１２に到る。分岐点１１２以降、強制循環配管１１０は２通りの経路に分かれる。すなわち第１配管部１１０ｃと第２配管部１１０ｄである。第１配管部１１０ｃはスターリング冷凍機５０よりも低い部位、具体的には第１冷凍室３０Ｌ及び第２冷凍室３０Ｒの開口部の左縁及び上縁と、冷蔵室２０の開口部の下縁を主たる配管領域とする。第２配管部１１０ｄはスターリング冷凍機５０よりも高い部位、具体的には冷蔵室２０の開口部の右縁、上縁、及び左縁を主たる配管領域とする。

第１配管部１１０ｃは、分岐点１１２を出た後、断熱筐体１０の背面側壁内を左に進む。左側壁に達した後、向きを変え、前面方向に進む。第１冷凍室３０Ｌの開口部に到ったところで上方に向きを変え、仕切壁１１まで進む。仕切壁１１に到ったところで右に向きを変え、仕切壁１１の前縁を右に進む。仕切壁１１の右端に到ったところで左に折り返し、今来たルートの上を左に進む。仕切壁１１の左端に戻ったら向きを変えて上方に進む。少し上昇したところで背面側に向きを変え、冷蔵室２０の左側壁内を背面方向に進む。それから機械室４０に入る。

第２配管部１１０ｄは、分岐点１１２を出た後、断熱筐体１０の右側壁内を前面方向に進む。第２冷凍室３０Ｒの開口部に到ったところで上方に向きを変え、この開口部の右縁を少し上昇する。それから奥の方に向きを変え、第２冷凍室３０Ｒの右側壁内に設けられた補助放熱器６６に接続する。補助放熱器６６は、高温側凝縮器６２と同様、銅や銅合金、アルミなど熱伝導の良い金属からなるパイプを折り曲げ、これに同じく熱伝導の良い金属からなる多数の放熱フィン６３を取り付けた構造である。補助放熱器６６を出た第２配管部１１０ｄは第２冷凍室３０Ｒの開口部の右縁に戻り、冷蔵室２０の天井部の壁まで上昇する。そこで向きを変え、冷蔵室２０の開口部の上縁を左に進む。冷蔵室２０の左側壁に到ったら向きを変え、下方に進む。第１配管部１１０ｃに近づいたら向きを変え、冷蔵室２０の左側壁内を背面方向に進む。それから機械室４０に入る。

第１配管部１１０ｃと第２配管部１１０ｄは機械室４０に入った後に合流し、１本の強制循環配管１１０となる。合流後の強制循環配管１１０は出口部１１０ｂで再び分岐し、２本のパイプとなって２個の蒸発室６１ａに接続する。このようにして、高温側蒸発器６１を出発して冷却庫１の加温対象箇所を一巡し、高温側蒸発器６１に帰還する強制循環回路１１０が完成する。

制御部１５は、スターリング冷凍機５０の運転中、常時、あるいは所定のタイミングで循環ポンプ１１１を駆動する。循環ポンプ１１１が駆動されるとスターリング冷凍機５０の廃熱を吸収した二次冷媒が強制循環回路１１０の中を流れ、配管領域の筐体外壁を加熱して結露を防止する。

強制循環回路１１０は、冷却庫１の外壁の内面に対し要所に緩衝材１１３を介在させる状態で保持される。緩衝材１１３は図１に示すように強制循環回路１１０をぐるりと取り巻いており、強制循環回路１１０がどのように位置ずれしても、強制循環回路１１０が断熱筐体１０の外壁の内面に直接接触することのないようになっている。

このようにしておけば、万一強制循環回路１１０が振動したとしても、その振動は冷却庫１の断熱筐体１０には伝わらず、断熱筐体１０によって振動や騒音が増幅されることがない。緩衝材１１３は振動吸収と熱伝導を両立させる必要があるので、それを満たす材質及び形状のものを選択する。

冷却庫１の運転を続けていると、庫内の空気中の水分が霜となって低温側蒸発器７２に付着する。霜は低温側蒸発器７２の熱交換効率を低下させるので、制御部１５は適宜のタイミングで霜取りヒータ（図示せず）に通電し、低温側蒸発器７２の除霜を行う。霜が溶けた除霜水は冷却ダクト８０の底部の除霜水受け１２０に受けられ、そこから排水管１２１を通じて庫外に排水される。

断熱筐体１０の底壁の下には排水管１２１から滴下する除霜水を貯留する除霜水貯留容器１３０が設置される。除霜水貯留容器１３０は浅皿状であり、冷却庫１の前面側から引き出して中に溜まった除霜水を捨てることができる。

強制循環回路１１０の一部は除霜水貯留容器１３０の下に配管されている。強制循環回路１１０の中の二次冷媒が運んでくる温熱により除霜水貯留容器１３０に溜まった除霜水は加熱され、温度上昇する。このため、除霜水の蒸発が促進され、除霜水を捨てる手間を減らすことができる。

さて、低温側蒸発器７２を通過する空気はマイナス４０℃以下の冷気となる。この冷気が大量に吹き込まれる第１冷凍室３０Ｌはマイナス４０℃以下の極低温となる。第１冷凍室３０Ｌの極低温の冷熱は仕切壁３２を介して第２冷凍室３０Ｒに伝達される。仕切壁３２の熱伝達率を適切に設定することにより、第２冷凍室３０Ｒの冷凍温度は、冷気の吹き込みなしで、通常の冷凍温度帯であるマイナス１８℃程度に簡単に到達する。

第２冷凍室３０Ｒの中の空気に冷熱を効率良く伝えるため、仕切壁３２の第２冷凍室３０Ｒに面する側にダクト３３を設ける。ダクト３３は仕切壁３２に沿って垂直方向に延び、その下端近くには第２冷凍室３０Ｒの室内に開口する入口３４が、上端近くには同じく第２冷凍室３０Ｒの室内に開口する出口３５が、それぞれ形成されている。出口３５には斜め上を向くファン装置３６が設けられている。

ファン装置３６を運転すると、第２冷凍室３０Ｒの中の空気が入口３４からダクト３３に吸い込まれる。ダクト３３に入った空気は出口３５に向かって上昇し、その過程で第１冷凍室３０Ｌの冷熱が仕切壁３２を介して空気に伝達される。十分に冷えた空気はファン装置３６によって斜め上方に吹き出され、第２冷凍室３０Ｒの中に大きな空気の渦を形成する。これによって第２冷凍室３０Ｒの中の空気は攪拌され、温度分布の均一な冷気になる。

このように、ファン装置３６が仕切壁３２の壁面に沿って流れる気流を積極的に形成することにより、第１冷凍室３０Ｌの冷熱が仕切壁３２を介して気流に伝達されるのが助長され、第２冷凍室３０Ｒを迅速に冷却することができる。

第２冷凍室３０Ｒの温度は、環境温度が低い時や内部に入れられた食品の量が少ないときなど、目標とするマイナス１８℃より温度が下がってしまうことがある。第２冷凍室３０Ｒの冷え過ぎを防止するため、次のような温度調整手段が設けられている。

第１の温度調整手段は、第２冷凍室３０Ｒ内の空気と冷熱の授受を行うように配置された冷気戻りダクト８５である。第２冷凍室３０Ｒ内の空気は冷気戻りダクト８５を通る空気に冷熱を伝え、冷気戻りダクト８５を通る空気は第２冷凍室３０Ｒ内の空気に温熱を与える。このように、第２冷凍室３０Ｒよりも温度の高い冷蔵室２０からの戻り空気から温熱を取り出して、第２冷凍室３０Ｒの冷え過ぎを防止できる。冷気戻りダクト８５と第２冷凍室３０Ｒとの間の断熱材は厚さを薄くして熱伝導の向上を図るのがよい。

第２の温度調整手段は、第２冷凍室３０Ｒの右側壁の中に配置した補助放熱器６６である。スターリング冷凍機５０の発生した温熱が強制循環回路１１０を通じて補助放熱器６６に伝えられ、補助放熱器６６が第２冷凍室３０Ｒの中の空気に温熱を伝えることにより、第２冷凍室３０Ｒの冷え過ぎは防止される。

第２冷凍室３０Ｒには、室内温度を計測するための温度センサ１６が設けられている（図３参照）。制御部１５は温度センサ１６の温度測定結果に基づき循環ポンプ１１１を制御する。すなわち温度センサ１６の温度測定結果が第２冷凍室３０Ｒの冷え過ぎを示しているときには、循環ポンプ１１１が停止していれば運転を開始する、運転中であれば回転数を上げるなどして、補助放熱器６６を通じ十分な温熱が第２冷凍室３０Ｒに与えられるようにする。これにより、第２冷凍室３０Ｒの温度を正確に目標値に一致させることができる。

前述のように第１冷凍室３０Ｌの内部温度はマイナス４０℃以下の極低温であるため、第１冷凍室３０Ｌの中に水分が持ち込まれると、その水分はすぐに霜となって第１冷凍室３０Ｌの内部に付着する。霜が厚く付着すると除去に困るので、そうならないうちに除去するか、あるいは霜の付着そのものを予防する必要がある。そのため、次のような対策が施される。

第１の対策として、制御部１５は、第１冷凍室３０Ｌに冷気を吹き込む冷却ファン装置８３のファン回転数を、第１冷凍室３０Ｌの扉開閉後所定時間は通常よりも高く保つ。すなわち図７に見られるように、第１冷凍室３０Ｌの断熱扉３１Ｌが開いている間は冷却ファン装置８３は停止しているが、断熱扉３１Ｌが閉じると、通常の回転数（中速「Ｍ」）よりも高い回転数（高速「Ｈ」）で所定時間Ｔの間保たれる。

断熱扉３１Ｌが開いたということは、庫外の空気が第１冷凍室３０Ｌに入り込んだ、あるいは冷凍すべき食品が第１冷凍室３０Ｌに入れられたということであり、いずれにしても第１冷凍室３０Ｌに新たな水分が持ち込まれたということを意味する。第１冷凍室３０Ｌに持ち込まれたすぐに霜となって第１冷凍室の内部に付着する。しかしながら断熱扉３１Ｌが閉じた後、冷却ファン装置８３が高速回転して第１冷凍室３０Ｌに通常よりも多くの風を吹き込み、昇華能力を高めるので、無着霜状態に早期に復帰できる。

第２の対策として、制御部１５は、冷却ファン装置８３の回転数を高く保つ間、冷却ダクト８１に設けられた図示しないダンパを閉ざす。ダンパを遮断する時間は図７の時間Ｔである。これにより、第１冷凍室３０Ｌ内の昇華能力を高める必要があるときは冷蔵室２０へ向かう冷気が止まり、第１冷凍室３０Ｌに冷気が集中するので、目的通り昇華能力を向上させることができる。

第３の対策として、制御部１５は、冷却ファン装置８３の回転数を高く保つ間、冷蔵室２０に冷気を送る図示しない冷却ファン装置を停止する。冷却ファン装置の停止時間は図７の時間Ｔである。これにより、第１冷凍室内の昇華能力を高める必要があるときは冷蔵室２０への冷気の分配が止まり、第１冷凍室３０Ｌに冷気が集中するので、目的通り昇華能力を向上させることができる。

第４の対策として、断熱扉３１Ｌに除霜ヒータ１７を内蔵させる。除霜ヒータ１７は第２冷凍室３０Ｌに面する箇所を取り囲むように配置されている。制御部１５は、断熱扉３１Ｌの扉開閉後一定期間、除霜ヒータ１７に通電する。通電時間は図７の時間Ｔである。これにより、断熱扉３１Ｌに付着する霜を確実に除去することができる。

第５の対策として、庫外の気温を測定する温度センサ１８と外部の湿度を測定する湿度センサ１９を断熱筐体１０の外側に設ける。実施形態では、温度センサ１８と湿度センサ１９はいずれも断熱筐体１０の背面に配置されている。制御部１５は、温度センサ１８及び湿度センサ１９の測定結果に基づき図７の時間Ｔの長さを調節する。具体的には、温度または湿度が高いときにはＴを長くする。このように着霜しやすい環境であるかどうかを考慮して制御パラメータを変化させることにより、無駄のない除霜動作を行うことができる。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実施することができる。

本発明は家庭用又は業務用の冷却庫に広く利用可能である。

本発明の第１実施形態に係る冷却庫の垂直断面図 扉を取り去った状態の冷却庫の正面略図 冷却庫の水平断面図 冷却サイクルの概略構成図 二次冷媒の流れ方の説明図 強制循環回路の配管経路を説明する斜視図 動作タイミングチャート

符号の説明

１ 冷却庫
１０ 断熱筐体
１１ 仕切壁
１５ 制御部
１６ 温度センサ
１７ 除霜ヒータ
１８ 温度センサ
１９ 湿度センサ
２０ 冷蔵室
３０Ｌ 第１冷凍室
３０Ｒ 第２冷凍室
３２ 仕切壁
３３ ダクト
３４ 入口
３５ 出口
３６ ファン装置
４０ 機械室
５０ スターリング冷凍機
５１ 放熱部
５２ 吸熱部
６０ サーモサイフォン循環回路
６１ 高温側蒸発器
６２ 高温側凝縮器
６６ 補助放熱器
７０ 二次冷媒循環回路
７１ 低温側凝縮器
７２ 低温側蒸発器
８０ 冷却ダクト
８３ 冷却ファン装置
１１０ 強制循環回路
１１１ 循環ポンプ

Claims (5)

1. スターリング冷凍機の吸熱部の冷熱により庫内の冷却を行う冷却庫において、
   庫内には上段に冷蔵室、下段に仕切壁を隔てて隣接する第１冷凍室と第２冷凍室を設け、前記第１冷凍室には前記スターリング冷凍機の吸熱部の冷熱により生成した冷気を直接吹き込む冷却ファン装置が設けられるとともに、前記第２冷凍室には、前記仕切壁を介して前記第１冷凍室の冷熱を伝達することを特徴とする冷却庫。
2. 前記仕切壁の前記第２冷凍室に面する側に、第２冷凍室の室内に開口する入口と出口を備えたダクトが設けられ、このダクトには前記入口から出口に向かう空気流を生成するファン装置が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の冷却庫。
3. 前記スターリング冷凍機の吸熱部より冷熱を供給される冷却器が前記第１冷凍室の背面側に設置されるとともに、前記冷却器と前記冷蔵室とを結ぶ冷気戻りダクトが、前記第２冷凍室の背面側に設置されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却庫。
4. 前記スターリング冷凍機の発生した温熱により前記第２冷凍室の冷え過ぎを防止する二次冷媒循環回路を備えることを特徴とする請求項１に記載の冷却庫。
5. 前記冷却ファン装置のファン回転数が、第１冷凍室の扉開閉後所定時間は通常よりも高く保たれることを特徴とする請求項１に記載の冷却庫。

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