JP2005172329A - 冷却庫 - Google Patents

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Abstract

【課題】 スターリング冷凍エンジンを備えた冷却庫において、スターリング冷凍エンジンの放熱効率を高め、冷凍能力を十分に発揮させられるようにする。
【解決手段】 スターリング冷凍エンジン３０の低温部に装着した低温側熱交換器４１に庫内冷却用熱交換器４２を接続し、低温側冷媒循環回路４０を形成する。スターリング冷凍エンジン３０の高温部には第１高温側熱交換器５１と第２高温側熱交換器６１を装着する。第１高温側熱交換器５１には放熱用熱交換器５２を接続し、第１高温側冷媒循環回路５０を形成する。第２高温側熱交換器６１にはドレンの蒸発促進のための熱交換部６２と冷却庫壁の結露防止のための熱交換部６３とを接続し、第２高温側冷媒循環回路６０を形成する。第１高温側冷媒循環回路５０は自然循環で冷媒の循環を行う。第２高温側冷媒循環回路６０には冷媒を強制循環させる循環ポンプ６４が設けられている。
【選択図】 図２

Description

本発明はスターリングエンジンにより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保存のために「庫内」と呼称される密閉空間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」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）が冷媒として使用されている。これらの冷媒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。
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エンジンが脚光を浴びている。スターリング冷凍エンジン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、低温部（コールドセクション）と高温部（ウォームセクション）を形成する。そして低温部で庫内から吸熱を行い、高温部で周囲環境に放熱を行うものである。スターリング冷凍エンジンを用いた冷却庫は、特許文献１にその例に見ることができる。
特開平３−３６４６８号公報（第３−５頁、図１）
スターリング冷凍エンジンは構成がコンパクトであり、低温部、高温部ともに冷凍能力に比較して表面積が小さい。そのため、吸熱と放熱をいかに効率良く行うかが冷却庫の性能に大きな影響を及ぼす。特許文献１記載の冷却庫では、放熱ファンが気流を形成する放熱路にスターリング冷凍エンジンの高温側熱交換器を置き、強制空冷で高温側熱交換器から熱を逃がすようにしている。
前述のように構成される強制空冷方式では、伝熱面積の小さい高温部から十分な熱を奪うためには多数のフィンを高密度に配置したラジエータを高温部に取り付ける必要がある。また大量の冷却空気をラジエータに吹き付ける必要がある。このような構造には、放熱フィンの間にゴミが詰まる、送風による騒音が大きい、あるいは送風ファンが大量の電力を消費するといった問題が伴う。
加えて、空冷方式はそもそも熱抵抗が大きく、熱を奪いにくい。そのため高温部と周囲環境との温度差がなかなか縮まらず、スターリング冷凍エンジンのＣＯＰ(coefficient of performance) が向上しないという問題がある。
また冷却庫では、扉に設けたガスケット、あるいはガスケットで囲まれる冷却庫壁に庫内の低温空気が接触する。そのため、ガスケットの外面、あるいはその周囲で庫外に面した冷却庫壁から熱が奪われ、空気中の水分が結露する。結露すると水滴が垂れて床を濡らすほか、鋼板に塗装を施してある冷却庫壁に錆が発生する。これを防止するため、従来の冷却庫ではガスケット近傍の壁内に電熱ヒーターを配置して結露を防止しており、電力消費が多くなるという問題があった。
さらに、冷却庫の庫内冷却用の熱交換器には不可避的に霜がつく。霜がついたままだと冷却能力が低下するので、時々除霜して冷却能力を回復する必要がある。霜が溶けて、あるいはその他の原因で発生したドレンはドレンパンに受けられる。ドレンパンを一々取り外してドレンを捨てるという面倒さをなくすため、ドレンパンに熱を加えてドレンの蒸発を促進するという手法が一般的に採用される。コンプレッサで冷媒を圧縮する従来型の冷却庫では、冷媒圧縮に伴う熱を利用してドレンパンを加熱することができる。ところがスターリング冷凍エンジンを用いる冷却庫は従来のコンプレッサに相当する要素を備えておらず、ドレンパンの加熱に電熱ヒーターを用いる必要があり、これまた電力消費を多くする要因となっていた。
また、庫内冷却用熱交換器を加熱して除霜するのにも従来は電熱ヒーターが用いられており、それだけ電力消費が多くなっていた。
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、スターリング冷凍エンジンにより庫内冷却を行う冷却庫において、スターリング冷凍エンジンの放熱効率を高め、スターリング冷凍エンジンの冷凍能力を十分に発揮させられるようにすることにある。また、スターリング冷凍エンジンの高温部の発する熱を冷却庫の機能向上に役立て、同時に電力消費量を低減できるようにすることにある。
上記課題を解決するため、本発明では冷却庫を次のように構成する。
（１）スターリング冷凍エンジンにより庫内冷却を行う冷却庫において、前記スターリング冷凍エンジンの高温部の熱を気液二相の冷媒に伝え、ドレンの蒸発促進、冷却庫壁の結露防止、及び庫内冷却用熱交換器の除霜の少なくとも一つに利用する。
（２）スターリング冷凍エンジンにより庫内冷却を行う冷却庫において、前記スターリング冷凍エンジンの高温部の熱を庫外に放熱する第１高温側冷媒循環回路と、前記高温部の熱をドレンの蒸発促進、冷却庫壁の結露防止、及び庫内冷却用熱交換器の除霜の少なくとも一つに利用する第２高温側冷媒循環回路とを形成する。
（３）前述のように構成される冷却庫において、前記第１高温側冷媒循環回路と前記第２高温側冷媒循環回路とを互いに独立させる。
（４）前述のように構成される冷却庫において、前記第１高温側冷媒循環回路では自然循環により冷媒を循環させ、前記第２高温側冷媒循環回路では強制循環により冷媒を循環させる。
（５）スターリング冷凍エンジンにより庫内冷却を行う冷却庫において、前記スターリング冷凍エンジンの高温部に設けた高温側熱交換器と、庫外環境に放熱を行うための放熱用熱交換器と、前記高温側熱交換器と放熱用熱交換器との間に形成されたループ状サーモサイフォンである第１高温側冷媒循環回路と、前記高温部の熱をドレンの蒸発促進、冷却庫壁の結露防止、及び庫内冷却用熱交換器の除霜の少なくとも一つに利用する第２高温側冷媒循環回路と、前記高温側熱交換器内の冷媒を前記第２高温側冷媒循環回路に送り出す循環ポンプとを備える。
（６）スターリング冷凍エンジンにより庫内冷却を行う冷却庫において、前記スターリング冷凍エンジンの高温部の熱を庫外に放熱する第１高温側冷媒循環回路と、前記高温部の熱をドレンの蒸発促進、冷却庫壁の結露防止、及び庫内冷却用熱交換器の除霜の少なくとも一つに利用する第２高温側冷媒循環回路とを形成するとともに、前記第１高温側冷媒循環回路と第２高温側冷媒循環回路を、前記高温部に設けた共通の高温側熱交換器に互いに並列に接続する。
（７）前述のように構成される冷却庫において、前記高温側熱交換器を複数個設けるとともに、第１高温側冷媒循環回路と第２高温側冷媒循環回路を、前記複数個の高温側熱交換器のそれぞれに対して互いに並列に接続する。
そして、前記複数個の高温側熱交換器のすべてより、第１高温側冷媒循環回路と第２高温側冷媒循環回路に冷媒の供給が行われ、また、複数個の高温側熱交換器のすべてに対し、第１高温側冷媒循環回路と第２高温側冷媒循環回路から冷媒が還流する。
更に、第１高温側冷媒循環回路をループ状サーモサイフォンとして構成するとともに、第２高温側冷媒循環回路に対しては、高温側熱交換器内の冷媒を第２高温側冷媒循環回路に送り出す循環ポンプを設ける。
また、前記循環ポンプを第２高温側冷媒循環回路の最上流部に配置する。
（８）前述のように構成される冷却庫において、前記第１高温側冷媒循環回路の還流用冷媒配管を前記循環ポンプの吸込側に接続する。
（９）前述のように構成される冷却庫において、前記第１高温側冷媒循環回路と第２高温側冷媒循環回路の一方又は双方において、冷媒を気液二相の形で用いる。
（１０）スターリング冷凍エンジンにより庫内冷却を行う冷却庫において、ドレンの蒸発促進のために設けられる熱交換部と、冷却庫壁の結露防止のために設けられる熱交換部とを並列接続し、この並列接続構造を前記スターリング冷凍エンジンの高温部に設けられる熱交換器に直列接続して高温側冷媒循環回路を形成する。
（１１）スターリング冷凍エンジンにより庫内冷却を行う冷却庫において、前記スターリング冷凍エンジンの高温部に設けられる熱交換器と、ドレンの蒸発促進のために設けられる熱交換部と、冷却庫壁の結露防止のために設けられる熱交換部とを直列接続して高温側冷媒循環回路を形成する。
（１２）前述のように構成される冷却庫において、前記スターリング冷凍エンジンの低温部に設けた熱交換器と庫内冷却用熱交換器とを含む低温側冷媒循環回路を形成するとともに、前記庫内冷却用熱交換器に対し除霜用熱交換部を設け、この除霜用熱交換部と前記スターリング冷凍エンジンの高温部に設けられる熱交換器とを含む高温側冷媒循環回路を形成する。
（１３）前述のように構成される冷却庫において、前記除霜用熱交換部と前記スターリング冷凍エンジンの高温部に設けられる熱交換器とを含む高温側冷媒循環回路中に蓄熱部を設ける。
（１）スターリング冷凍エンジンにより庫内冷却を行う冷却庫において、スターリング冷凍エンジンの高温部の熱を気液二相の冷媒に伝え、ドレンの蒸発促進、冷却庫壁の結露防止、及び庫内冷却用熱交換器の除霜の少なくとも一つに利用するから、スターリング冷凍エンジンの高温部の放熱をドレンの蒸発促進、冷却庫壁の結露防止、庫内冷却用熱交換器の除霜といった仕事に有効活用できる。これによりドレンのメンテナンスフリー化を図ることができる。また電熱ヒーターを用いずに冷却庫壁の結露を防止し、庫内冷却用熱交換器の除霜を行うことができ、冷却庫の機能あるいは使い勝手が向上するとともに、加熱を電熱ヒーターにより行う場合に比べ、消費電力を抑えることができる。
またドレン水、結露懸念部、あるいは庫内冷却用熱交換器から周囲環境より温度の低い冷熱を回収してスターリング冷凍エンジンの高温部を冷却するので、放熱システム全体の放熱効率が向上する。スターリング冷凍エンジンのＣＯＰも向上し、冷却庫の電力消費量を低減できる。
そして、冷媒を気液二相の形で用いるから、冷媒の蒸発・凝縮という、潜熱が熱交換に利用されることになり、熱抵抗を小さく抑えることができ、放熱効率が高まる。これにより熱交換効率が飛躍的に高まり、スターリング冷凍エンジンの効率が向上し、消費電力を低減できる。
（２）スターリング冷凍エンジンにより庫内冷却を行う冷却庫において、スターリング冷凍エンジンの高温部の熱を庫外に放熱する第１高温側冷媒循環回路を設けることにより、高温部の熱を安定して放熱できる。加えて、高温部の熱をドレンの蒸発促進、冷却庫壁の結露防止、及び庫内冷却用熱交換器の除霜の少なくとも一つに利用する第２高温側冷媒循環回路を設けるので、スターリング冷凍エンジンの高温部の放熱をドレンの蒸発促進、冷却庫壁の結露防止、庫内冷却用熱交換器の除霜といった仕事に有効活用できる。これによりドレンのメンテナンスフリー化を図ることができる。また電熱ヒーターを用いずに冷却庫壁の結露を防止し、庫内冷却用熱交換器の除霜を行うことができ、冷却庫の機能あるいは使い勝手が向上するとともに、加熱を電熱ヒーターにより行う場合に比べ、消費電力を抑えることができる。
またドレン水、結露懸念部、あるいは庫内冷却用熱交換器から周囲環境より温度の低い冷熱を回収してスターリング冷凍エンジンの高温部を冷却するので、放熱システム全体の放熱効率が向上する。スターリング冷凍エンジンのＣＯＰも向上し、冷却庫の電力消費量を低減できる。
（３）前述のように構成される冷却庫において、第１高温側冷媒循環回路と第２高温側冷媒循環回路とを互いに独立させるから、第１高温側冷媒循環回路により放熱を確保しつつ、第２高温側冷媒循環回路を機動的に活用し、ドレンの蒸発促進、冷却庫壁の結露防止、あるいは庫内冷却用熱交換器の除霜を必要に応じて実施できる。これは、第２高温側冷媒循環回路内の循環ポンプを常時運転するのでなく、ドレンの蒸発促進や扉周辺の結露防止が必要となったときのみ運転すればよいということを意味する。これにより、循環ポンプの電力消費を節約し、循環ポンプの稼働寿命を延ばすことができる。また扉周辺を必要以上に長く加熱しないので、冷却庫の熱負荷を低減し、消費電力を抑制することができる。
（４）前述のように構成される冷却庫において、第１高温側冷媒循環回路では自然循環により冷媒を循環させ、第２高温側冷媒循環回路では強制循環により冷媒を循環させるから、第１高温側冷媒循環回路では人工的なエネルギーを使用することなく恒常的な放熱を図ることができる。他方第２高温側冷媒循環回路では、必要時機動的に冷媒を強制循環させて放熱あるいは冷熱回収を図ることができる。これにより、不必要にエネルギーを消費することなく効率的に冷却を行うことができる。
（５）スターリング冷凍エンジンにより庫内冷却を行う冷却庫において、スターリング冷凍エンジンの高温部に設けた高温側熱交換器と、庫外環境に放熱を行うための放熱用熱交換器との間にループ状サーモサイフォンである第１高温側冷媒循環回路を形成するから、高温側熱交換器より、第１高温側冷媒循環回路を用いて、人工的なエネルギーを使用することなく熱をくみ出すことができる。他方第２高温側冷媒循環回路では、循環ポンプにより冷媒を送り、前記高温部の熱をドレンの蒸発促進、冷却庫壁の結露防止、及び庫内冷却用熱交換器の除霜の少なくとも一つに確実に利用することができる。
（６）スターリング冷凍エンジンにより庫内冷却を行う冷却庫において、スターリング冷凍エンジンの高温部の熱を庫外に放熱する第１高温側冷媒循環回路と、高温部の熱をドレンの蒸発促進、冷却庫壁の結露防止、及び庫内冷却用熱交換器の除霜の少なくとも一つに利用する第２高温側冷媒循環回路とを形成するとともに、第１高温側冷媒循環回路と第２高温側冷媒循環回路とを、高温部に設けた共通の高温側熱交換器に互いに並列に接続するから、第１高温側冷媒循環回路と第２高温側冷媒循環回路の一方において何らかの原因により回路が使用不可となったとしても、他方の回路により高温部からの放熱を続けることができる。このため、スターリング冷凍エンジンが放熱不良でダメージを被るといった事態を回避しやすくなる。
（７）前述のように構成される冷却庫において、高温側熱交換器を複数個設けるとともに、第１高温側冷媒循環回路と第２高温側冷媒循環回路を、複数個の高温側熱交換器のそれぞれに対して互いに並列に接続するから、どの高温側熱交換器を取り上げても高温側冷媒循環回路が複数個確保されることになり、回路閉塞による冷媒循環停止といった事態を回避しやすくなる。
そして、複数個の高温側熱交換器のすべてより、第１高温側冷媒循環回路と第２高温側冷媒循環回路に冷媒の供給が行われ、複数個の高温側熱交換器のすべてに対し、第１高温側冷媒循環回路と第２高温側冷媒循環回路から冷媒が還流するものとしたから、複数個の高温側熱交換器をすべて外部への熱供給に関与させることができる。
更に、第１高温側冷媒循環回路をループ状サーモサイフォンとして構成するから、高温側熱交換器より、第１高温側冷媒循環回路を用いて、人工的なエネルギーを使用することなく熱をくみ出すことができる。また第２高温側冷媒循環回路では、循環ポンプにより冷媒を送り、前記高温部の熱をドレンの蒸発促進、冷却庫壁の結露防止、及び庫内冷却用熱交換器の除霜の少なくとも一つに確実に利用することができる。
また、循環ポンプを第２高温側冷媒循環回路の最上流部に配置するから、高温側熱交換器から循環ポンプまでの管路抵抗が少なく、冷媒はスムーズに循環ポンプに流れ込む。循環ポンプに冷媒を供給する管路の抵抗が大きいと、循環ポンプの吸込側にキャビテーションが生じて冷媒が不必要に蒸発し、循環効率を損なうことがある。循環ポンプを第２高温側冷媒循環回路の最上流部に配置しておけば、そのような事態を避けることができる。
（８）前述のように構成される冷却庫において、第１高温側冷媒循環回路の還流用冷媒配管を前記循環ポンプの吸込側に接続するから、第２高温側冷媒循環回路を流れる冷媒に、第１高温側冷媒循環回路を流れた飽和温度の冷媒を合流させて、第２高温側冷媒循環回路を流れる冷媒の総熱量を増大させることができる。これにより、スターリング冷凍エンジンの発生する熱の利用効率を高めることができる。
（９）前述のように構成される冷却庫において、第１高温側冷媒循環回路と第２高温側冷媒循環回路の一方又は双方において、冷媒を気液二相の形で用いるから、冷媒の蒸発・凝縮という、潜熱が熱交換に利用されることになり、熱抵抗を小さく抑えることができ、放熱効率が高まる。これにより熱交換効率が飛躍的に高まり、スターリング冷凍エンジンの効率が向上し、消費電力を低減できる。
（１０）スターリング冷凍エンジンにより庫内冷却を行う冷却庫において、ドレンの蒸発促進のために設けられる熱交換部と、冷却庫壁の結露防止のために設けられる熱交換部とを並列接続し、この並列接続構造をスターリング冷凍エンジンの高温部に設けられる熱交換器に直列接続して高温側冷媒循環回路を形成するから、スターリング冷凍エンジンの高温部の放熱をドレンの蒸発促進及び冷却庫壁の結露防止に有効活用できる。これによりドレンのメンテナンスフリー化を図ることができる。また電熱ヒーターを用いずに冷却庫壁の結露を防止することができ、冷却庫の機能あるいは使い勝手が向上するとともに、電熱ヒーターを用いる場合に比べ、消費電力を抑えることができる。
そして熱交換に冷媒の蒸発・凝縮という、潜熱を利用するので、熱抵抗を小さく抑えることができ、放熱効率が高まる。これによりスターリング冷凍エンジンの効率が向上し、消費電力を低減できる。
またドレン水及び結露懸念部から周囲環境より温度の低い冷熱を回収してスターリング冷凍エンジンの高温部を冷却するので、放熱システム全体の放熱効率が向上する。スターリング冷凍エンジンのＣＯＰも向上し、冷却庫の電力消費量を低減できる。
ドレンの蒸発促進のために設けられる熱交換部と冷却庫壁の結露防止のために設けられる熱交換部とを並列接続したので、冷媒の流動抵抗を低くできる。冷媒の流動抵抗が低いので、循環ポンプを用いる場合、その消費電力を大幅に削減できる。
前記並列構造部において、ドレンの蒸発促進のために設けられる熱交換部と、冷却庫壁の結露防止のために設けられる熱交換部とにそれぞれ弁を直列接続することとすれば、その時点で冷媒を流す必要のない側の熱交換部は冷媒の流れを止めることができ、循環ポンプの負荷を減らすことにより、その消費電力を削減できる。また扉周辺を必要以上に長く加熱することがないので、冷却庫の熱負荷を低減し、消費電力を抑制することができる。
（１１）スターリング冷凍エンジンにより庫内冷却を行う冷却庫において、スターリング冷凍エンジンの高温部に設けられる熱交換器と、ドレンの蒸発促進のために設けられる熱交換部と、冷却庫壁の結露防止のために設けられる熱交換部とを直列接続して高温側冷媒循環回路を形成するから、スターリング冷凍エンジンの高温部の放熱をドレンの蒸発促進及び冷却庫壁の結露防止に有効活用できる。これによりドレンのメンテナンスフリー化を図ることができる。また電熱ヒーターを用いずに冷却庫壁の結露を防止することができ、冷却庫の機能あるいは使い勝手が向上するとともに、電熱ヒーターを用いる場合に比べ、消費電力を抑えることができる。
スターリング冷凍エンジンの高温部に設けられる熱交換器と、ドレンの蒸発促進のために設けられる熱交換部と、冷却庫壁の結露防止のために設けられる熱交換部とは直列接続なので、配管構成が簡単であり、組立工数が少なくて済む。
（１２）前述のように構成される冷却庫において、スターリング冷凍エンジンの低温部に設けた熱交換器と庫内冷却用熱交換器とを含む低温側冷媒循環回路を形成するとともに、庫内冷却用熱交換器に対し除霜用熱交換部を設け、この除霜用熱交換部と前記スターリング冷凍エンジンの高温部に設けられる熱交換器とを含む高温側冷媒循環回路を形成するから、除霜用の電熱ヒーターを使わないで霜取りを行うことができる。霜の持つ冷熱を回収して高温部を冷やすので、放熱システムの熱負荷が軽減され、放熱システム全体の放熱効率も向上する。
（１３）前述のように構成される冷却庫において、除霜用熱交換部とスターリング冷凍エンジンの高温部に設けられる熱交換器とを含む高温側冷媒循環回路中に蓄熱部を設けるから、スターリング冷凍エンジンが停止していても蓄熱部に蓄えた熱を利用して霜取りを行うことができる。霜の持つ冷熱が蓄熱部に回収され、通常運転時に高温部を冷やすのに使われるので、放熱システムの熱負荷が軽減され、放熱システム全体の放熱効率も向上する。これによりスターリング冷凍エンジン３０の作動ＣＯＰが向上し、消費電力を低減できる。
以下、本発明の実施形態を図に基づき説明する。
図１は冷却庫の断面を示している。冷却庫１は食品保存用であり、断熱構造のハウジング１０を備える。ハウジング１０には上下３段の冷却室１１、１２、１３が設けられている。冷却室１１、１２、１３はそれぞれハウジング１０の正面側（図１において左側）に開口部を有し、この開口部を開閉自在な断熱扉１４、１５、１６が閉ざす。断熱扉１４、１５、１６の裏面には冷却室１１、１２、１３の開口部をそれぞれ囲む形のガスケット１７が装着されている。冷却室１１、１２、１３の内部には収納する食品の種類に適合した棚１８を適宜設置する。
ハウジング１０の上面から背面、さらには下面にかけて、スターリング冷凍エンジンを中心的要素とする冷却システム及び放熱システムが設置される。図１（断面図）及び図２（配管構成図）に示すのはその第１実施形態である。
ハウジング１０の上面と背面の角に収納スペース１９が設けられ、ここにスターリング冷凍エンジン３０が設置される。スターリング冷凍エンジン３０の一部は低温部となり、ここに低温側熱交換器４１が取り付けられる。冷却室１３の奥には庫内冷却用熱交換器４２が設置される。低温側熱交換器４１と庫内冷却用熱交換器４２とは冷媒配管で接続され、低温側冷媒循環回路４０を構成する（図２参照）。低温側冷媒循環回路４０にはＣＯ2などの自然冷媒を封入する。低温側熱交換器４１の内部には多数のフィンが設けられ、冷媒との間で効率よく熱交換を行えるようになっている。
ハウジング１０の内部には庫内冷却用熱交換器４２により熱を奪われた空気を冷却室１１、１２、１３に分配するダクト２０が設けられている。ダクト２０は冷却室１１、１２、１３に連通する冷気吹出口２１を適所に有する。ダクト２０の内部には冷気を強制的に送気するための送風ファン２２が適所に設置される。
図示しないが、冷却室１１、１２、１３から空気を回収するダクトもハウジング１０に設けられている。このダクトは庫内冷却用熱交換器４２の下方に吹出口を有し、冷却されるべき空気を図１の破線矢印のように庫内冷却用熱交換器４２に供給する。
庫内冷却用熱交換器４２の下にドレン受け樋２５が設けられる。ドレン受け樋２５は庫内冷却用熱交換器４２から滴り落ちるドレンを集め、ハウジング１０の底面に設けられたドレンパン２６に流し出す。
スターリング冷凍エンジン３０の他の一部は高温部となり、ここに高温側熱交換器が取り付けられる。第１実施形態の場合、高温側熱交換器はリングを半割にした形状の第１高温側熱交換器５１と第２高温側熱交換器６１からなる。第１高温側熱交換器５１と第２高温側熱交換器６１の内部にはそれぞれ多数のフィンが設けられ、冷媒との間で効率よく熱交換を行えるようになっている。
高温側熱交換器が単一リングの形状であると、スターリング冷凍エンジン３０の高温部にしっかり接触させるためには、形状を厳しく管理してはめ合い精度を確保することが必要になる。しかしながら本実施形態の場合、第１高温側熱交換器５１と第２高温側熱交換器６１はリングを半割にした形状なので、両者間にスターリング冷凍エンジン３０の高温部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、高温部との接触圧のコントロールが可能である。すなわち形状誤差により接触圧が不十分となり、高温部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。
第１高温側熱交換器５１を含む形で第１高温側冷媒循環回路５０が構成され、第２高温側熱交換器６１を含む形で第２高温側冷媒循環回路６０が構成される。
第１高温側冷媒循環回路５０は、第１高温側熱交換器５１と、ハウジング１０の上面に設置された放熱用熱交換器５２と、これらを閉ループ状に接続する冷媒配管により構成される。放熱用熱交換器５２は庫外環境に放熱を行うものであり、送風ファン５３が設けられている。第１高温側冷媒循環回路５０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。第１高温側冷媒循環回路５０はループ状サーモサイフォンとして機能し、冷媒が自然循環する。
第２高温側冷媒循環回路６０は、第２高温側熱交換器６１と、熱交換部６２、６３と、冷媒強制循環用の循環ポンプ６４と、これらを接続する冷媒配管により構成される。第２高温側冷媒循環回路６０には水などの自然冷媒を封入する。なお、本明細書では、第２高温側熱交換器６１の冷媒吐出側を第２高温側冷媒回路６０の「最上流部」と表現する。循環ポンプ６４はこの最上流部に配置されている。
熱交換部６２は配管の一部をジグザグ状にしたものであり、ドレンパン２４の下に配置され、冷媒の持つ温熱でドレンパン２４に溜まったドレンを加熱してその蒸発を促進するという役割を担う。
熱交換部６３は配管の一部を冷却室１１、１２、１３の開口部に引き回したものであり、冷媒の持つ温熱でこの箇所を加熱することにより、結露が生じるのを防ぐという役割を担う。
続いて冷却庫１の動作を説明する。
スターリング冷凍エンジン３０を駆動すると、その低温部は冷え、高温部は温度が上昇する。低温側熱交換器４１は熱を奪われ、内部の冷媒は凝縮状態で低温側冷媒循環回路４０を通って庫内冷却用熱交換器４２に流れ込む。
庫内冷却用熱交換器４２に流れ込んだ冷媒は庫内冷却用熱交換器４２で蒸発し、庫内冷却用熱交換器４２の表面温度を下げる。庫内冷却用熱交換器４２を通り抜ける空気は熱を奪われて冷気となり、ダクト２０の冷気吹出口２１から冷却室１１、１２、１３に吹き出し、冷却室１１、１２、１３の温度を下げる。その後空気は図示しないダクトを通って庫内冷却用熱交換器４２に還流する。
蒸発した冷媒は低温側冷媒循環回路４０を通って低温側熱交換器４１に還流し、熱を奪われて凝縮する。そして再び庫内冷却用熱交換器４２へと流れて行く。
スターリング冷凍エンジン３０が仕事をすることにより生じる熱、また低温部が庫内から回収した熱は高温部から放熱される。この熱により、第１高温側熱交換器５１及び第２高温側熱交換器６１が加熱される。
第１高温側熱交換器５１が加熱されると内部の冷媒が蒸発し、放熱用熱交換器５２に流れ込む。送風ファン５３が放熱用熱交換器５２の表面に空気を吹き付けており、冷媒は熱を奪われて凝縮する。凝縮した冷媒は第１高温側熱交換器５１に還流し、再び蒸発する。このようにして、冷媒がスターリング冷凍エンジン３０の高温部から熱を受け取って蒸発し、放熱用熱交換器５２でそれを冷却用空気に伝えて凝縮するというサイクルが繰り返される。
第１高温側冷媒循環回路５０では冷媒を気相と液相が混在する気液二相の形で用いる。気液二相の相変化を伴う熱交換では、冷媒を蒸発／凝縮させ、潜熱を利用して行う。このため、相変化を伴わない熱交換に比べ、熱伝達率が飛躍的に向上する。
上記を説明する。スターリング冷凍エンジン３０の放熱量Ｑは次式で表される。
Ｑ＝ｈ・Ａ・ΔＴｍ
ここで
ｈ ：熱伝達率
Ａ ：伝熱面積
ΔＴｍ：温度差
従って熱伝達率ｈが高いほどスターリング冷凍エンジン３０の高温部温度を下げることができ、ＣＯＰを向上できる。
一般的に、相変化を伴わないブライン方式の冷媒利用では、熱伝達率は数百〜１０００ｗ／ｍ２ｋとなる。しかも熱伝達率はブラインを循環させるためのポンプの消費電力に比例する。
これに対し気液二相の相変化を伴う熱交換では、冷媒の蒸発／凝縮過程の潜熱を利用するため、３０００〜１００００ｗ／ｍ２ｋの熱伝達率を得ることができる。この熱伝達率の値は、ブライン方式の場合の数倍〜１０数倍に達する。
第１高温側冷媒循環回路５０では冷媒を上記のような気液二相流として循環させるので効率良く熱を交換できる。熱交換時に生じる熱抵抗が極めて低く、同様条件（同等の環境温度、同等の放熱量）であってもスターリング冷凍エンジン３０の高温部がより低温に保たれる。これによりスターリング冷凍エンジン３０の作動ＣＯＰが向上し、消費電力を低減できる。
第２高温側熱交換器６１が加熱されると冷媒が蒸発する。ここでも冷媒は気液二相の形で用いられる。この気液二相の冷媒を循環ポンプ６４が熱交換部６２、６３へと送り出す。
冷媒はまず熱交換部６２を流れ、その上のドレンパン２６に熱を伝える。これによりドレンパン２６の中のドレンは、電熱ヒーターを用いるまでもなく温度上昇し、蒸発が促進される。従ってドレンパン２６に溜まったドレンを捨てる作業が不要になり、ドレンのメンテナンスフリー化が図れる。
続いて冷媒は熱交換部６３を流れ、冷却室１１、１２、１３の開口部の周囲を加熱する。ガスケット１７がハウジング１０に接するあたりの箇所、すなわち庫内と庫外の境界領域には結露が生じやすいのであるが、このように冷媒を通すことにより、冷却庫壁の外気に接する箇所の温度が露点温度以上に保たれ、電熱ヒーターを用いるまでもなく結露が防止される。
冷媒は熱交換部６２でドレンから冷熱を回収し、熱交換部６３でハウジング１０から冷熱を回収する。このように冷熱を回収した冷媒は、気相であったものが液相に戻り、液相の単相の形で第２高温側熱交換器６１に流れ込む。そして気相と接触することにより気相を液化させて蒸気圧を低下させ、これにより蒸発を促進させて再び気液二相を回復する。このようにして、冷媒がスターリング冷凍エンジン３０の高温部から熱を受け取って蒸発し、熱交換部６２、６３で凝縮して放熱し、冷熱を回収するというサイクルが繰り返される。循環ポンプ６４の運転を停止すれば、このサイクルは中断する。
冷媒はドレンに対し、また冷却室１１、１２、１３の開口部近傍に対し、温熱を供給し、代わりに環境より低い温度帯の冷熱を回収してスターリング冷凍エンジン３０の高温部を冷やす。このため、放熱システムの熱負荷が軽減され、放熱システム全体の放熱効率も向上する。これによりスターリング冷凍エンジン３０の作動ＣＯＰが向上し、消費電力を低減できる。
第１高温側冷媒循環回路５０と第２高温側冷媒循環回路６０とは互いに独立しており、並列に設けられている。このため、第１高温側冷媒循環回路５０による放熱と第２高温側冷媒循環回路６０による放熱とは相互に依存することなく独立して行うことができる。このことは、冷却庫１の熱負荷状態をふまえた個別の運転制御が可能となるということを意味する。例えば、循環ポンプ６４を常時運転するのでなく、ドレンの蒸発促進や扉周辺の結露防止が必要となったときのみ運転することとすることができる。これにより、循環ポンプ６４の電力消費を節約し、循環ポンプ６４の稼働寿命を延ばすことができる。
また循環ポンプ６４は第２高温側冷媒循環回路６０の最上流部に配置されているので、第２高温側熱交換器６１から循環ポンプ６４までの管路抵抗が少なく、冷媒はスムーズに循環ポンプ６４に流れ込む。循環ポンプ６４に冷媒を供給する管路の抵抗が大きいと、循環ポンプ６４の吸込側にキャビテーションが生じて冷媒が不必要に蒸発し、循環効率を損なうことがあるが、このように循環ポンプ６４が第２高温側冷媒循環回路６０の最上流部に配置されていれば、そのような事態を避けることができる。
気液二相に関して言えば、第２高温側冷媒循環回路６０において、熱交換部６２、６３でドレン処理と結露防止を行うあたりでは冷媒が液相のみであっても構わない。その冷媒が第２高温側熱交換器６１に還流した時点では、その還液と冷媒蒸気との潜熱熱交換となるため、ここで高い熱交換効率が得られる。
続いて、第２実施形態以下の実施形態を図３以下の図に基づき説明する。図３〜図１７はいずれも配管構成図であり、そこに示された配管が図１の冷却庫１の中で実現されているものとする。第１実施形態と共通する構成要素については第１実施形態の説明で使用した符号をそのまま使用し、説明は省略する。
本発明冷却庫の第２実施形態を図３に示す。ここではドレンの蒸発促進のための熱交換部６２と冷却庫壁の結露防止のための熱交換部６３とを並列接続し、この並列接続構造を第２高温側熱交換器６１及び循環ポンプ６４に直列接続する。循環ポンプ６４はここでも第２高温側冷媒循環回路６０の最上流部に配置される。そして前記並列接続構造の内部において、熱交換部６２の上流側に弁６５を直列接続し、熱交換部６３の上流側に弁６６を直列接続する。
上記構成によれば、熱交換部６２、６３の箇所における冷媒の流動抵抗が第１実施形態の約半分になり、循環ポンプ６４の消費電力を大幅に削減できる。また熱交換部６２、６３に弁６５、６６を組み合わせたので、ドレンの蒸発促進と冷却庫壁の結露防止のいずれかが必要でなければ、必要でない側の弁を閉じて冷媒の流動を止めることができる。循環ポンプの負荷を減らすことにより、循環ポンプ６４の消費電力をさらに削減できる。
結露防止のため必要なとき以外は弁６６を閉じることとすれば、扉１４、１５、１６の周辺が必要以上に長く加熱されることがなくなる。これにより冷却室１１、１２、１３の熱負荷を低減し、消費電力を抑制することができる。
熱交換部６２、６３のそれぞれに専用の弁を設けるのでなく、共通の三方弁を設け、この三方弁の切り替え操作により「熱交換部６２、６３の両方に冷媒が通る」「熱交換部６２だけに冷媒が通る」「熱交換部６３だけに冷媒が通る」の３状態を選択するようにすることもできる。また自動制御を容易にするため、弁は電磁弁としておくのがよい。
なお第１高温側冷媒循環回路５０と第２高温側冷媒循環回路６０を流れる冷媒はいずれも気液二相である。
本発明冷却庫の第３実施形態を図４に示す。湿度の高い環境にあってはドレンの蒸発促進と冷却庫壁の結露防止を休みなく行わねばならないが、第３実施形態の配管構造はこのような場合に適するものである。
第３実施形態では、単一型の高温側熱交換器７１がスターリング冷凍エンジン３０の高温部に取り付けられている。第１高温側熱交換器５１及び第２高温側熱交換器６１と同様、高温側熱交換器７１の内部には多数のフィンが設けられ、冷媒との間で効率よく熱交換を行えるようになっている。高温側熱交換器７１には、冷媒の流れの上流側から順に、循環ポンプ６４、ドレンの蒸発促進用の熱交換部６２、冷却庫壁の結露防止用の熱交換部６３、及び放熱用熱交換器５２が直列回路をなすように接続され、高温側冷媒循環回路７０を構成する。
スターリング冷凍エンジン３０を駆動すると高温側熱交換器７１が加熱される。高温側熱交換器７１が加熱されると冷媒が蒸発し、気相と液相が混在する気液二相の形になる。高温側冷媒循環回路７０の最上流部に配置された循環ポンプ６４により、気液二相の冷媒が熱交換部６２へと送り出される。
気液二相の冷媒は熱交換部６２を流れ、ドレンパン２６に熱を伝えてドレンの蒸発を促進する。冷媒は続いて熱交換部６３を流れ、冷却庫壁の外気に接する箇所に熱を伝えてこの箇所の温度を露点温度以上に保つ。
熱交換部６２でドレンから冷熱を回収し、熱交換部６３でハウジング１０から冷熱を回収した冷媒は、気相であったものがかなり液相に戻った状態で放熱用熱交換器５２に流入する。送風ファン５３が放熱用熱交換器５２の表面に空気を吹き付けているので冷媒はさらに熱を奪われ、液化が進んで、ほぼ液相の単相の形で高温側熱交換器７１に還流する。そして一部が蒸発し、再び気液二相を回復する。このようにして、冷媒がスターリング冷凍エンジン３０の高温部から熱を受け取って蒸発し、熱交換部６２、６３で凝縮して放熱し、冷熱を回収するというサイクルが繰り返される。循環ポンプ６４の運転を停止すれば、このサイクルは中断する。
上記構成によれば、高温側冷媒循環回路７０の配管構造が簡単で、組立工数が少なくて済むというメリットがある。
熱交換部６２、６３の位置を逆転し、先に冷却庫壁を加熱し、次いでドレンパン２６を加熱するようにしてもよい。なお、気液二相の冷媒による熱搬送が望ましいが、液相のみのブライン方式による熱搬送も採用可能である。
本発明冷却庫の第４実施形態を図５に示す。第４実施形態においても、単一型の高温側熱交換器７１がスターリング冷凍エンジン３０の高温部に取り付けられている。高温側熱交換器７１の内部には多数のフィンが設けられ、冷媒との間で効率よく熱交換を行えるようになっている。高温側熱交換器７１の下流側には循環ポンプ６４が接続され、上流側には放熱用熱交換器５２が接続される。
循環ポンプ６４と放熱用熱交換器５２の間にドレンの蒸発促進用の熱交換部６２と冷却庫壁の結露防止用の熱交換部６３が配置される。熱交換部６２、６３は第３実施形態のような直列接続ではなく、第２実施形態と同じく並列接続となっている。この並列接続構造を高温側熱交換器７１及び循環ポンプ６４に直列接続する。そして前記並列接続構造の内部において、熱交換部６２の上流側に弁６５を直列接続し、熱交換部６３の上流側に弁６６を直列接続する。このようにして高温側冷媒循環回路７０が構成される。
スターリング冷凍エンジン３０を駆動すると高温側熱交換器７１が加熱される。高温側熱交換器７１が加熱されると内部の冷媒の一部が蒸発し、冷媒は気液二相の形になる。高温側冷媒循環回路７０の最上流部に配置された循環ポンプ６４により、気液二相の冷媒は熱交換部６２、６３へと送り出される。
冷媒は分流して熱交換部６２、６３を流れ、ドレンパン２６に熱を伝えてドレンの蒸発を促進し、また冷却庫壁の外気に接する箇所に熱を伝えてこの箇所の温度を露点温度以上に保つ。
熱交換部６２でドレンから冷熱を回収し、熱交換部６３でハウジング１０から冷熱を回収した冷媒は、気相であったものがかなり液相に戻った状態で放熱用熱交換器５２に流入する。送風ファン５３が放熱用熱交換器５２の表面に空気を吹き付けているので冷媒はさらに熱を奪われ、液化が進んで、ほぼ液相の単相の形で高温側熱交換器７１に還流する。そして一部が蒸発し、再び気液二相を回復する。このようにして、冷媒がスターリング冷凍エンジン３０の高温部から熱を受け取って蒸発し、熱交換部６２、６３で凝縮して放熱し、冷熱を回収するというサイクルが繰り返される。循環ポンプ６４の運転を停止すれば、このサイクルは中断する。
本発明冷却庫の第５実施形態を図６に示す。第２実施形態と同様、ドレンの蒸発促進のための熱交換部６２と冷却庫壁の結露防止のための熱交換部６３とを並列接続し、この並列接続構造を第２高温側熱交換器６１及び循環ポンプ６４に直列接続している。そして前記並列接続構造の内部において、熱交換部６２の上流側に弁６５が直列接続され、熱交換部６３の上流側に弁６６が直列接続されている。
第５実施形態では、熱交換部６２、６３の並列接続構造に除霜用冷媒循環回路８０が並列接続される。除霜用冷媒循環回路８０は除霜用熱交換器８１と、その上流側及び下流側に接続された弁８２、８３を含む。除霜用熱交換器８１は熱伝導又は対流により庫内冷却用熱交換器４２に熱を伝える。除霜用熱交換器８１と庫内冷却用熱交換器４２の間に送風ファンによる強制対流が生じるようにしてもよい。庫内冷却用熱交換器４２の一部を区画して除霜用熱交換器８１を構成することも可能である。
冷却室１１、１２、１３の冷却は、弁６５、６６を開き、弁８２、８３を閉じた状態で行う。スターリング冷凍エンジン３０を駆動すると、低温側熱交換器４１は熱を奪われ、内部の冷媒は凝縮状態で低温側冷媒循環回路４０を通って庫内冷却用熱交換器４２に流れ込む。
庫内冷却用熱交換器４２に流れ込んだ冷媒は庫内冷却用熱交換器４２を通り抜ける空気の熱で蒸発し、庫内冷却用熱交換器４２の表面温度を下げる。庫内冷却用熱交換器４２を通り抜ける空気は熱を奪われて冷気となり、ダクト２０の冷気吹出口２１から冷却室１１、１２、１３に吹き出し、冷却室１１、１２、１３の温度を下げる。その後空気は図示しないダクトを通って庫内冷却用熱交換器４２に還流する。
スターリング冷凍エンジン３０が仕事をすることにより生じる熱、また低温部が庫内から回収した熱は高温部から放熱されるべき熱となる。この熱により、第１高温側熱交換器５１及び第２高温側熱交換器６１が加熱される。
第１高温側熱交換器５１が加熱されると内部の冷媒の一部が蒸発し、冷媒は気液二相の形で放熱用熱交換器５２に流れ込む。送風ファン５３が放熱用熱交換器５２の表面に空気を吹き付けており、気相の冷媒は熱を奪われて凝縮する。凝縮し、液相となった冷媒は第１高温側熱交換器５１に還流し、再び蒸発する。このようにして、冷媒がスターリング冷凍エンジン３０の高温部から熱を受け取って蒸発し、放熱用熱交換器５２でそれを冷却用空気に伝えて凝縮するというサイクルが繰り返される。
第２高温側熱交換器６１が加熱されると内部の冷媒の一部が蒸発し、冷媒は気液二相の形になる。第２高温側冷媒循環回路６０の最上流部に配置された循環ポンプ６４により、気液二相の冷媒は熱交換部６２、６３へと送り出される。冷媒は分流して熱交換部６２、６３を流れ、ドレンパン２６に熱を伝えてドレンの蒸発を促進し、また冷却庫壁の外気に接する箇所に熱を伝えてこの箇所の温度を露点温度以上に保つ。
熱交換部６２でドレンから冷熱を回収し、熱交換部６３でハウジング１０から冷熱を回収した冷媒は、気相であったものの液化が進み、ほぼ液相の単相の形で第２高温側熱交換器６１に還流する。そして一部が蒸発し、再び気液二相を回復する。このようにして、冷媒がスターリング冷凍エンジン３０の高温部から熱を受け取って蒸発し、熱交換部６２、６３で凝縮して放熱し、冷熱を回収するというサイクルが繰り返される。弁８２、８３が閉じているため、冷媒の持つ温熱が庫内冷却用熱交換器４２に伝わることはない。循環ポンプ６４の運転を停止すれば、このサイクルは中断する。
庫内冷却用熱交換器４２の表面温度が下がると、庫内冷却用熱交換器４２を通り抜ける空気は熱を奪われて冷気となる。同時に、空気に含まれる水分、すなわち冷却室１１、１２、１３に侵入してきた水分や、冷却室内の貯蔵食品から奪われた水分が庫内冷却用熱交換器４２に霜となって付着する。霜がつくと、霜の断熱作用のため庫内冷却用熱交換器４２と空気の間の熱交換効率が低下する。また庫内冷却用熱交換器４２のフィンの隙間が霜により狭められ、通風量が低下する。これにより、冷却能力が一層低下する。
そこで、適当なタイミングで弁８２、８３を開き、第２高温側熱交換器６１から出た冷媒を除霜用熱交換器８１に流す。すると冷媒の持つ温熱が庫内冷却用熱交換器４２に伝わり、庫内冷却用熱交換器４２に付着している霜を溶かす。溶けた霜はドレンとなってドレンパン２６に流出する。
庫内冷却用熱交換器４２の持つ冷熱、主として霜の持つ冷熱は冷媒に回収される。冷熱を回収して温度低下し、液化が進んだ冷媒は第２高温側熱交換器６１に還流し、再び気液二相となる。霜取りの効率を高め、霜取り時間を短縮するため、除霜期間の間は弁６５、６６を閉じ、冷媒が除霜用熱交換器８１に集中して流れるようにするとよい。
この構成によれば、除霜用の電熱ヒーターを設けることなく庫内冷却用熱交換器４２の霜取りを行うことができる。また霜の持つ冷熱を回収してスターリング冷凍エンジン３０の高温部を冷やすので、放熱システムの熱負荷が軽減され、放熱システム全体の放熱効率も向上する。
第１高温側冷媒循環回路５０はループ状サーモサイフォンであるから、第１高温側熱交換器５１より、人工的なエネルギーを使用することなく熱をくみ出すことができる。他方第２高温側冷媒循環回路６０では、循環ポンプ６４により冷媒を送り、高温部の熱をドレンの蒸発促進、冷却庫壁の結露防止、及び庫内冷却用熱交換器の除霜の少なくとも一つに確実に利用することができる。
熱交換部６２、６３の並列接続構造に除霜用熱交換器８１を直列接続する構成とすることも可能である。この場合、弁８２、８３は不要となる。弁６５、６６を開いておいて循環ポンプ６４を運転すれば、ドレンの蒸発促進、冷却庫壁の加熱、及び霜取りが同時に行われる。弁６５を閉じればドレンの蒸発促進が休止状態となり、弁６６を閉じれば冷却庫壁の加熱が休止状態となる。循環ポンプ６４を停止すれば、熱交換部６２、６３、及び除霜用熱交換器８１の動作はすべて停止する。
本発明冷却庫の第６実施形態を図７に示す。第６実施形態は第５実施形態に次の要素を付加したものである。すなわち熱交換部６２、熱交換部６３、除霜用熱交換器８１の並列接続構造と第２高温側熱交換器６１との間に熱交換器型の蓄熱部９０を設けたものである。
弁６５、６６を開き、弁８２、８３を閉じた状態でスターリング冷凍エンジン３０を駆動すると、低温側熱交換器４１は熱を奪われ、内部の冷媒は凝縮状態で庫内冷却用熱交換器４２に流れ込む。庫内冷却用熱交換器４２に流れ込んだ冷媒は蒸発して庫内冷却用熱交換器４２の表面温度を下げる。これにより冷却室１１、１２、１３の冷却が行われる。
他方第１高温側熱交換器５１及び第２高温側熱交換器６１は加熱される。第１高温側熱交換器５１が加熱されると内部の冷媒の一部が蒸発し、冷媒は気液二相の形で放熱用熱交換器５２に流れ込む。送風ファン５３が放熱用熱交換器５２の表面に空気を吹き付けており、気相の冷媒は熱を奪われて凝縮する。凝縮し、液相となった冷媒は第１高温側熱交換器５１に還流し、再び蒸発する。このようにして、冷媒がスターリング冷凍エンジン３０の高温部から熱を受け取って蒸発し、放熱用熱交換器５２でそれを冷却用空気に伝えて凝縮するというサイクルが繰り返される。
第２高温側熱交換器６１が加熱されると内部の冷媒の一部が蒸発し、冷媒は気液二相の形になる。第２高温側冷媒循環回路６０の最上流部に配置された循環ポンプ６４により、気液二相の冷媒は熱交換部６２、６３へと送り出される。冷媒は分流して熱交換部６２、６３を流れ、ドレンパン２６に熱を伝えてドレンの蒸発を促進し、また冷却庫壁の外気に接する箇所に熱を伝えてこの箇所の温度を露点温度以上に保つ。
熱交換部６２、６３を出た冷媒は蓄熱部９０を通る。熱交換部６２、６３で放熱した後の余熱が蓄熱部９０に蓄積される。蓄熱部９０に余熱を与えた冷媒は、気相であったものの液化が進み、ほぼ液相の形で第２高温側熱交換器６１に還流する。そして一部が蒸発し、再び気液二相を回復する。このようにして、冷媒が高温部で熱を受け取って蒸発し、熱交換部６２、６３、及び蓄熱部９０で凝縮して放熱し、冷熱を回収するというサイクルが繰り返される。弁８２、８３が閉じているため、冷媒の持つ温熱が庫内冷却用熱交換器４２に伝わることはない。循環ポンプ６４の運転を停止すれば、このサイクルは中断する。
庫内冷却用熱交換器４２の霜取りを行う場合は、弁８２、８３を開き、第２高温側熱交換器６１から出た冷媒を除霜用熱交換器８１に流す。すると冷媒の持つ温熱が庫内冷却用熱交換器４２に伝わり、庫内冷却用熱交換器４２に付着している霜を溶かす。溶けた霜はドレンとなってドレンパン２６に流出する。
庫内冷却用熱交換器４２の持つ冷熱、主として霜の持つ冷熱は冷媒に回収される。冷熱を回収して温度低下した冷媒は蓄熱部９０を通る際に蓄熱部９０と熱交換する。冷熱を放出し、蓄熱部９０から温熱をもらって温度上昇した後、冷媒は第２高温側熱交換器６１に還流し、再び気液二相となる。霜取りの効率を高め、霜取り時間を短縮するため、除霜期間の間は弁６５、６６を閉じ、冷媒が除霜用熱交換器８１に集中して流れるようにしておく。
このように、霜取り工程中は霜からの冷熱が蓄熱部９０に蓄積されて行く。霜取り工程が終了し、通常運転に戻ると、蓄熱部９０は通過する冷媒に冷熱を伝え、スターリング冷凍エンジン３０の高温部を冷やす。代わりに蓄熱部９０は高温部からの熱を蓄積し、次回の霜取り工程に備える。
この構成によれば、除霜用の電熱ヒーターを設けることなく庫内冷却用熱交換器４２の霜取りを行うことができる。スターリング冷凍エンジン３０を停止したとしても、循環ポンプ６４を駆動しさえすれば、蓄熱部９０に蓄えた温熱で冷媒を加熱して霜取りを行うことができる。
第５実施形態と同様、霜の持つ冷熱を回収してスターリング冷凍エンジン３０の高温部を冷やすので、放熱システムの熱負荷が軽減され、放熱システム全体の放熱効率も向上する。これによりスターリング冷凍エンジン３０の作動ＣＯＰが向上し、消費電力を低減できる。
熱交換部６２、６３の並列接続構造に除霜用熱交換器８１を直列接続する構成とすることも可能である。この場合、弁８２、８３は不要となる。弁６５、６６を開いておいて循環ポンプ６４を運転すれば、ドレンの蒸発促進、冷却庫壁の加熱、及び霜取りが同時に行われる。弁６５を閉じればドレンの蒸発促進が休止状態となり、弁６６を閉じれば冷却庫壁の加熱が休止状態となる。循環ポンプ６４を停止すれば、熱交換部６２、６３、及び除霜用熱交換器８１の動作はすべて停止する。
本発明冷却庫の第７実施形態を図８に示す。第７実施形態は第２実施形態に対し高温側熱交換器が単一型になっている点が異なる。すなわち本実施形態では単一型の高温側熱交換器７１がスターリング冷凍エンジン３０の高温部に取り付けられている。高温側熱交換器７１の内部には多数のフィンが設けられ、冷媒との間で効率よく熱交換を行えるようになっている。
この高温側熱交換器７１を含む形で、第１高温側冷媒循環回路５０と第２高温側冷媒循環回路６０が構成されている。すなわち高温側熱交換器７１は第１高温側冷媒循環回路５０と第２高温側冷媒循環回路６０の双方に共通の高温側熱交換器であり、この共通の高温側熱交換器７１に第１高温側冷媒循環回路５０と第２高温側冷媒循環回路６０が互いに並列に接続された形になっている。
本発明冷却庫の第８実施形態を図９に示す。湿度の高い環境にあってはドレンの蒸発促進と冷却庫壁の結露防止を休みなく行わねばならないが、第８実施形態の配管構造はこのような場合に適するものである。
第８実施形態は第１実施形態に対し高温側熱交換器が単一型になっている点が異なる。すなわち本実施形態では単一型の高温側熱交換器７１がスターリング冷凍エンジン３０の高温部に取り付けられている。高温側熱交換器７１の内部には多数のフィンが設けられ、冷媒との間で効率よく熱交換を行えるようになっている。
この高温側熱交換器７１を含む形で、第１高温側冷媒循環回路５０と第２高温側冷媒循環回路６０が構成されている。すなわち高温側熱交換器７１は第１高温側冷媒循環回路５０と第２高温側冷媒循環回路６０の双方に共通の高温側熱交換器であり、この共通の高温側熱交換器７１に第１高温側冷媒循環回路５０と第２高温側冷媒循環回路６０が互いに並列に接続された形になっている。
上記構成によれば、高温側冷媒循環回路６０の配管構造が簡単で、組立工数が少なくて済むというメリットがある。
熱交換部６２、６３の位置を逆転し、先に冷却庫壁を加熱し、次いでドレンパン２６を加熱するようにしてもよい。
本発明冷却庫の第９実施形態を図１０に示す。第９実施形態は第８実施形態とほぼ同様の構成を備えるが、次の点が第８実施形態と異なる。すなわち第８実施形態の場合、第１高温側冷媒循環回路５０において高温側熱交換器７１に冷媒を還流させる働きをする還流用冷媒配管は高温側熱交換器７１に接続されていたが、第９実施形態ではその還流用冷媒配管が循環ポンプ６４の吸込側に接続されている。
この構成によれば、自然循環の形で高温側熱交換器７１から放熱用熱交換器５２に流れ込んだ冷媒は、放熱用熱交換器５２から還流する際、高温側熱交換器７１に直接入るのではなく、第２高温側冷媒循環回路６０を流れる冷媒に合流する。このため、高温側熱交換器７１から第２高温側冷媒循環回路６０に流れ出した冷媒の持つ熱量に、放熱用熱交換器５２から還流した飽和温度の冷媒の持つ熱量が加わり、第２高温側冷媒循環回路６０を流れる冷媒の総熱量が増大する。これにより、ドレンの蒸発促進用の熱交換部６２と冷却庫壁の結露防止用の熱交換部６３に与えられる熱量が増大し、スターリング冷凍エンジン３０の発生する熱の利用効率を高めることができる。
本発明冷却庫の第１０実施形態を図１１に示す。第１０実施形態は第５実施形態と同様の構成であるが、高温側熱交換器が単一型になっている点が第５実施形態と異なる。この構成により、第５実施形態同様に、除霜用の電熱ヒーターを設けることなく庫内冷却用熱交換器４２の霜取りを行うことができる。また霜の持つ冷熱を回収してスターリング冷凍エンジン３０の高温部を冷やすので、放熱システムの熱負荷が軽減され、放熱システム全体の放熱効率が向上する。
本発明冷却庫の第１１実施形態を図１２に示す。第１１実施形態は第６実施形態と同様の構成であるが、高温側熱交換器が単一型になっている点が第６実施形態と異なる。この構成により、第６実施形態同様に、除霜用の電熱ヒーターを設けることなく庫内冷却用熱交換器４２の霜取りを行うことができるうえ、スターリング冷凍エンジン３０を停止したとしても、循環ポンプ６４を駆動しさえすれば、蓄熱部９０に蓄えた温熱で冷媒を加熱して霜取りを行うことができる。
本発明冷却庫の第１２実施形態を図１３に示す。第１２実施形態は、第２実施形態の構成を次のように変更したものである。すなわち第２実施形態の場合、第１高温側熱交換器５１は第１高温側冷媒循環回路５０に専属し、第２高温側熱交換器６１は第２高温側冷媒循環回路６０に専属していた。第１２実施形態では、第１高温側熱交換器５１と第２高温側熱交換器６１の両方を、第１高温側冷媒循環回路５０と第２高温側冷媒循環回路６０で共通に使用する。
図１３に見られるように、第１高温側冷媒循環回路５０の冷媒配管は第１高温側熱交換器５１と第２高温側熱交換器６１の両方から並列に出、途中で合流して放熱用熱交換器５２に入る。放熱用熱交換器５２を出た冷媒配管は途中で分岐し、並列をなして第１高温側熱交換器５１と第２高温側熱交換器６１に戻る。
第２高温側冷媒循環回路６０の冷媒配管は第１高温側熱交換器５１と第２高温側熱交換器６１の両方から並列に出、途中で合流して循環ポンプ６４に入る。ドレンの蒸発促進のための熱交換部６２と冷却庫壁の結露防止のための熱交換部６３の並列接続構造を出た冷媒配管は途中で分岐し、並列をなして第１高温側熱交換器５１と第２高温側熱交換器６１に戻る。
別の言い方をすれば、第１高温側冷媒循環回路５０と第２高温側冷媒循環回路６０とは、第１高温側熱交換器５１と第２高温側熱交換器６１のそれぞれに対して、互いに並列に接続されている。
上記構成により、第１高温側熱交換器５１と第２高温側熱交換器６１の両方から、第１高温側冷媒循環回路５０と第２高温側冷媒循環回路６０に冷媒の供給が行われることになる。また第１高温側熱交換器５１と第２高温側熱交換器６１の両方に対し、第１高温側冷媒循環回路５０と第２高温側冷媒循環回路６０から冷媒が還流することになる。
この構成によれば、第１高温側冷媒循環回路５０と第２高温側冷媒循環回路６０を、第１高温側熱交換器５１と第２高温側熱交換器６１のそれぞれに対して互いに並列に接続するから、第１高温側熱交換器５１と第２高温側熱交換器６１のいずれを取り上げても高温側冷媒循環回路が複数個確保されることになる。このため、回路が使用不可となって冷媒循環が停止し、その結果スターリング冷凍エンジン３０が放熱不良でダメージを被るといった事態の回避が容易である。
加えて、第１高温側熱交換器５１と第２高温側熱交換器６１の両方が第１高温側冷媒循環回路５０と第２高温側冷媒循環回路６０に対し冷媒の供給及び還流を受け持つから、第１高温側熱交換器５１と第２高温側熱交換器６１を両方とも外部への熱供給と外部からの冷熱回収とに関与させることができる。
本発明冷却庫の第１３実施形態を図１４に示す。第１３実施形態は、第８実施形態の構成を次のように変更したものである。すなわち第８実施形態では単一型の高温側熱交換器７１を用いたが、第１３実施形態では分割型の高温側熱交換器、すなわち第１高温側熱交換器５１と第２高温側熱交換器６１が用いられている。
図１４に見られるように、第１高温側冷媒循環回路５０の冷媒配管は第１高温側熱交換器５１と第２高温側熱交換器６１の両方から並列に出、途中で合流して放熱用熱交換器５２に入る。放熱用熱交換器５２を出た冷媒配管は途中で分岐し、並列をなして第１高温側熱交換器５１と第２高温側熱交換器６１に戻る。
第２高温側冷媒循環回路６０の冷媒配管は第１高温側熱交換器５１と第２高温側熱交換器６１の両方から並列に出、途中で合流して循環ポンプ６４に入る。ドレンの蒸発促進のための熱交換部６２を経た後、冷却庫壁の結露防止のための熱交換部６３を出た冷媒配管は途中で分岐し、並列をなして第１高温側熱交換器５１と第２高温側熱交換器６１に戻る。
別の言い方をすれば、第１高温側冷媒循環回路５０と第２高温側冷媒循環回路６０とは、第１高温側熱交換器５１と第２高温側熱交換器６１のそれぞれに対して、互いに並列に接続されている。
上記構成により、第１高温側熱交換器５１と第２高温側熱交換器６１の両方から、第１高温側冷媒循環回路５０と第２高温側冷媒循環回路６０に冷媒の供給が行われることになる。また第１高温側熱交換器５１と第２高温側熱交換器６１の両方に対し、第１高温側冷媒循環回路５０と第２高温側冷媒循環回路６０から冷媒が還流することになる。
本発明冷却庫の第１４実施形態を図１５に示す。第１４実施形態は、第９実施形態の構成を次のように変更したものである。すなわち第９実施形態では単一型の高温側熱交換器７１を用いたが、第１３実施形態では分割型の高温側熱交換器、すなわち第１高温側熱交換器５１と第２高温側熱交換器６１が用いられている。
図１５に見られるように、第１高温側冷媒循環回路５０の冷媒配管は第１高温側熱交換器５１と第２高温側熱交換器６１の両方から並列に出、途中で合流して放熱用熱交換器５２に入る。放熱用熱交換器５２を出た還流用冷媒配管は循環ポンプ６４の吸込側に接続される。
第２高温側冷媒循環回路６０の冷媒配管は第１高温側熱交換器５１と第２高温側熱交換器６１の両方から並列に出、途中で合流して循環ポンプ６４に入る。ドレンの蒸発促進のための熱交換部６２を経た後、冷却庫壁の結露防止のための熱交換部６３を出た冷媒配管は途中で分岐し、並列をなして第１高温側熱交換器５１と第２高温側熱交換器６１に戻る。
第１高温側冷媒循環回路５０が閉塞した場合、第２高温側冷媒循環回路６０によって第１高温側熱交換器５１と第２高温側熱交換器６１の冷媒循環を継続できることはもちろんであるが、逆に循環ポンプ６４が故障してそこから先に冷媒を遅れなくなった場合でも、第１高温側冷媒配管５０の冷媒循環は、第１高温側熱交換器５１と第２高温側熱交換器６１から循環ポンプ６４に向かう冷媒配管を逆流する形で継続される。このため、回路が使用不可となって冷媒循環が停止し、その結果スターリング冷凍エンジン３０が放熱不良でダメージを被るといった事態の回避が容易である。
本発明冷却庫の第１５実施形態を図１６に示す。第１５実施形態は、第５実施形態及び第１０実施形態と同じく、熱交換部６２、６３の並列接続構造に除霜用冷媒循環回路８０を並列接続した。除霜用冷媒循環回路８０は除霜用熱交換器８１と、その上流側及び下流側に接続された弁８２、８３を含む。除霜用熱交換器８１は熱伝導又は対流により、あるいは送風ファンによる強制対流により、庫内冷却用熱交換器４２に熱を伝える。
この構成によれば、除霜用の電熱ヒーターを設けることなく庫内冷却用熱交換器４２の霜取りを行うことができる。また霜の持つ冷熱を回収してスターリング冷凍エンジン３０の高温部を冷やすので、放熱システムの熱負荷が軽減され、放熱システム全体の放熱効率も向上する。これによりスターリング冷凍エンジン３０の作動ＣＯＰが向上し、消費電力を低減できる。
本発明冷却庫の第１６実施形態を図１７に示す。第１６実施形態は、第１５実施形態に次の要素を付加したものである。すなわち、熱交換部６２、熱交換部６３、除霜用熱交換器８１の並列接続構造と第１高温側熱交換器５１及び第２高温側熱交換器６１との間に、第６実施形態及び第１１実施形態と同じく熱交換器型の蓄熱部９０を設けたものである。
この構成によれば、除霜用の電熱ヒーターを設けることなく庫内冷却用熱交換器４２の霜取りを行うことができるうえ、スターリング冷凍エンジン３０を停止したとしても、循環ポンプ６４を駆動しさえすれば、蓄熱部９０に蓄えた温熱で冷媒を加熱して霜取りを行うことができる。
以上、本発明の各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であって、スターリング冷凍機を冷熱源とするもの全般に利用可能である。
冷却庫の断面図 本発明冷却庫の第１実施形態を示す配管構成図 本発明冷却庫の第２実施形態を示す配管構成図 本発明冷却庫の第３実施形態を示す配管構成図 本発明冷却庫の第４実施形態を示す配管構成図 本発明冷却庫の第５実施形態を示す配管構成図 本発明冷却庫の第６実施形態を示す配管構成図 本発明冷却庫の第７実施形態を示す配管構成図 本発明冷却庫の第８実施形態を示す配管構成図 本発明冷却庫の第９実施形態を示す配管構成図 本発明冷却庫の第１０実施形態を示す配管構成図 本発明冷却庫の第１１実施形態を示す配管構成図 本発明冷却庫の第１２実施形態を示す配管構成図 本発明冷却庫の第１３実施形態を示す配管構成図 本発明冷却庫の第１４実施形態を示す配管構成図 本発明冷却庫の第１５実施形態を示す配管構成図 本発明冷却庫の第１６実施形態を示す配管構成図
符号の説明
１ 冷却庫
１０ ハウジング
１１、１２、１３ 冷却室
１４、１５、１６ 断熱扉
１７ ガスケット
２６ ドレンパン
３０ スターリング冷凍エンジン
４０ 低温側冷媒循環回路
４１ 低温側熱交換器
４２ 庫内冷却用熱交換器
５０ 第１高温側冷媒循環回路
５１ 第１高温側熱交換器
５２ 放熱用熱交換器
５３ 送風ファン
６０ 第２高温側冷媒循環回路
６１ 第２高温側熱交換器
６２、６３ 熱交換部
６４ 循環ポンプ
６５、６６ 弁
７０ 高温側冷媒循環回路
７１ 高温側熱交換器
８０ 除霜用冷媒循環回路
８１ 除霜用熱交換器
８２、８３ 弁
９０ 蓄熱部

Claims (13)

  1. スターリング冷凍エンジンにより庫内冷却を行う冷却庫において、
    前記スターリング冷凍エンジンの高温部の熱を気液二相の冷媒に伝え、ドレンの蒸発促進、冷却庫壁の結露防止、及び庫内冷却用熱交換器の除霜の少なくとも一つに利用することを特徴とする冷却庫。
  2. スターリング冷凍エンジンにより庫内冷却を行う冷却庫において、
    前記スターリング冷凍エンジンの高温部の熱を庫外に放熱する第１高温側冷媒循環回路と、前記高温部の熱をドレンの蒸発促進、冷却庫壁の結露防止、及び庫内冷却用熱交換器の除霜の少なくとも一つに利用する第２高温側冷媒循環回路とを形成することを特徴とする冷却庫。
  3. 前記第１高温側冷媒循環回路と前記第２高温側冷媒循環回路とを互いに独立させることを特徴とする請求項２に記載の冷却庫。
  4. 前記第１高温側冷媒循環回路では自然循環により冷媒を循環させ、前記第２高温側冷媒循環回路では強制循環により冷媒を循環させることを特徴とする請求項２又は３に記載の冷却庫。
  5. スターリング冷凍エンジンにより庫内冷却を行う冷却庫において、
    前記スターリング冷凍エンジンの高温部に設けた高温側熱交換器と、庫外環境に放熱を行うための放熱用熱交換器と、前記高温側熱交換器と放熱用熱交換器との間に形成されたループ状サーモサイフォンである第１高温側冷媒循環回路と、前記高温部の熱をドレンの蒸発促進、冷却庫壁の結露防止、及び庫内冷却用熱交換器の除霜の少なくとも一つに利用する第２高温側冷媒循環回路と、前記高温側熱交換器内の冷媒を前記第２高温側冷媒循環回路に送り出す循環ポンプとを備えることを特徴とする冷却庫。
  6. スターリング冷凍エンジンにより庫内冷却を行う冷却庫において、
    前記スターリング冷凍エンジンの高温部の熱を庫外に放熱する第１高温側冷媒循環回路と、前記高温部の熱をドレンの蒸発促進、冷却庫壁の結露防止、及び庫内冷却用熱交換器の除霜の少なくとも一つに利用する第２高温側冷媒循環回路とを形成するとともに、前記第１高温側冷媒循環回路と第２高温側冷媒循環回路を、前記高温部に設けた共通の高温側熱交換器に互いに並列に接続することを特徴とする冷却庫。
  7. 前記高温側熱交換器を複数個設けるとともに、第１高温側冷媒循環回路と第２高温側冷媒循環回路を、前記複数個の高温側熱交換器のそれぞれに対して互いに並列に接続することを特徴とする請求項６に記載の冷却庫。
  8. 前記第１高温側冷媒循環回路の還流用冷媒配管を前記循環ポンプの吸込側に接続することを特徴とする請求項５に記載の冷却庫。
  9. 前記第１高温側冷媒循環回路と第２高温側冷媒循環回路の一方又は双方において、冷媒を気液二相の形で用いることを特徴とする請求項２〜８のいずれか１項に記載の冷却庫。
  10. スターリング冷凍エンジンにより庫内冷却を行う冷却庫において、
    ドレンの蒸発促進のために設けられる熱交換部と、冷却庫壁の結露防止のために設けられる熱交換部とを並列接続し、この並列接続構造を前記スターリング冷凍エンジンの高温部に設けられる熱交換器に直列接続して高温側冷媒循環回路を形成することを特徴とする冷却庫。
  11. スターリング冷凍エンジンにより庫内冷却を行う冷却庫において、
    前記スターリング冷凍エンジンの高温部に設けられる熱交換器と、ドレンの蒸発促進のために設けられる熱交換部と、冷却庫壁の結露防止のために設けられる熱交換部とを直列接続して高温側冷媒循環回路を形成することを特徴とする冷却庫。
  12. 前記スターリング冷凍エンジンの低温部に設けた熱交換器と庫内冷却用熱交換器とを含む低温側冷媒循環回路を形成するとともに、前記庫内冷却用熱交換器に対し除霜用熱交換部を設け、この除霜用熱交換部と前記スターリング冷凍エンジンの高温部に設けられる熱交換器とを含む高温側冷媒循環回路を形成することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の冷却庫。
  13. 前記除霜用熱交換部と前記スターリング冷凍エンジンの高温部に設けられる熱交換器とを含む高温側冷媒循環回路中に蓄熱部を設けることを特徴とする請求項１２に記載の冷却庫。
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