JP2007046830A

JP2007046830A - 冷却庫

Info

Publication number: JP2007046830A
Application number: JP2005231182A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Shiromizu; 敏行白水
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2005-08-09
Filing date: 2005-08-09
Publication date: 2007-02-22

Abstract

【課題】除霜能力が高く、かつ、異常通電時にも冷却室内の温度が過度に上昇することが抑制された冷却庫を提供する。
【解決手段】スターリング冷却庫は、冷却室を有する冷却庫本体と、冷却室内を冷却するための低温側蒸発器１１と、低温側蒸発器１１の除霜を行なうヒータ１１Ａとを備える。ヒータ１１Ａは、低温側蒸発器１１と離間して設けられたガラス管ヒータ１１１Ａと、低温側蒸発器１１近傍に設けられたＰＴＣヒータ１１２Ａとを有し、ＰＴＣヒータ１１２Ａは、該ヒータが所定の温度に達した時に、その出力を抑制する機能（自己温度制御機能）を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、冷却庫に関し、特に、除霜機能を有する冷却庫に関する。

冷却庫の除霜に用いられる除霜ヒータが従来から知られている。
たとえば、特開２００４−３４０４０２号公報（特許文献１）においては、ガラス管内部に設置された金属抵抗体からなるヒータ線と、ガラス管を覆う管体とを備えた除霜ヒータが開示されている。該除霜ヒータは、その輻射熱が指向性を有するように形成されている。
特開２００４−３４０４０２号公報

除霜ヒータを用いて冷却器の除霜を行なう場合、異常によりヒータが連続通電状態となった場合にも冷却室内の温度が異常に上昇することを抑制する必要がある。このため、ヒータ出力を十分に高く設定することができない場合がある。この結果、除霜処理に比較的長い時間を要し、除霜時に冷却室の温度を十分に低く保てない場合がある。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、除霜能力が高く、かつ、異常通電時にも冷却室内の温度が過度に上昇することを抑制する冷却庫を提供することにある。

本発明に係る冷却庫は、冷却室を有する冷却庫本体と、冷却室内を冷却するための冷却器と、冷却器の除霜を行なうヒータとを備え、ヒータは、冷却器と離間して設けられた第１ヒータと、冷却器近傍に設けられた第２ヒータとを有し、第２ヒータは自己温度制御機能を有する。

ここで、自己温度制御機能とは、ヒータが所定の温度に達した時に、その出力を抑制する機能を意味する。

上記構成によれば、冷却器と離間した第１ヒータからの輻射熱によって冷却器およびその周辺の部材に付着した霜を融解するとともに、冷却器近傍の第２ヒータから冷却器への熱伝導によって冷却器に付着した霜を効率よく融かすことができる。したがって、高い除霜能力が得られる。そして、除霜時間が短縮され、除霜時に冷却室内の温度を十分に低く保つことができる。一方で、異常によりヒータが連続通電状態となった場合、自己温度制御機能を有する第２ヒータの出力が抑制されるので、冷却庫内の温度が過度に上昇することを抑制することができる。

上記冷却庫は、好ましくは、高温部と低温部とを有するスターリング機関と、スターリング機関の低温部に設けられ、内部の冷媒を凝縮させる凝縮器と、凝縮器において凝縮した冷媒を蒸発させる蒸発器とをさらに備える、そして、上記冷却器としてこの蒸発器が用いられる。

これにより、除霜能力が高く、かつ、異常通電時にも冷却室内の温度が過度に上昇することが抑制されたスターリング冷却庫が得られる。

本発明によれば、異常によりヒータが連続通電状態となった場合にも冷却室内の温度が過度に上昇することを抑制しながら、ヒータによる除霜能力を向上させることができる。

以下に、本発明に基づく冷却庫の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。

本願明細書において、「冷却庫」とは、「冷蔵庫」、「冷凍庫」および「冷凍冷蔵庫」の全てを含む概念である。

図１は、本発明の１つの実施の形態に係る冷却庫の一例としてのスターリング冷却庫の配管系統図である。

スターリング冷却庫１は、図１に示すように、高温部２と低温部３とを有するスターリング冷凍機４（スターリング機関）と、高温部２に取付けられた高温側蒸発器５、高温側凝縮器７およびパイプ２Ａ，２Ｂを含む第１高温側循環回路（第１循環回路）と、高温側蒸発器５、循環ポンプ６、発露防止パイプ９およびパイプ２Ｃ〜２Ｅを含む第２高温側循環回路（第２循環回路）と、低温部３に取付けられた低温側凝縮器１０、低温側蒸発器１１およびパイプ３Ａ，３Ｂを含む低温側循環回路とを備える。第１高温側循環回路は、スターリング冷凍機４の高温部２の冷却を行ない、第２高温側循環回路は、発露防止パイプ９に熱を供給する。また、低温側循環回路は、低温側蒸発器１１を介して冷却庫内の空気とスターリング冷凍機４の低温部３との熱交換を行なう。

第１と第２高温側循環回路内には水（Ｈ₂Ｏ）などが冷媒として封入されている。高温
側蒸発器５において蒸発した冷媒はパイプ２Ａ（高温側導管）を介して高温側凝縮器７に達する（図１中の破線矢印）。高温側凝縮器７において外気との熱交換が行なわれることで冷媒が凝縮し液化する。この熱交換を促進するために、高温側凝縮器７近傍に気流を生じさせるファン８が設けられている。液化した冷媒は、パイプ２Ｂ（高温側戻り管）を介して高温側蒸発器５に戻る。第１高温側循環回路においては、このように、冷媒の蒸発と凝縮とによる自然循環を利用して、高温部２で発生した熱を高温側凝縮器７に伝達することができるように、高温側凝縮器７は高温側蒸発器５より上方に配置されている。また、冷媒の沸点を調整するために、循環回路系内の圧力が調整（大気圧よりも減圧）されている。

一方、高温側蒸発器５の下部には、パイプ２Ｃが接続されている。高温側蒸発器５からパイプ２Ｃに液相の冷媒が流入する。パイプ２Ｃに流入した冷媒は、スターリング冷凍機４よりも下方に位置する循環ポンプ６に達する。循環ポンプ６から吐出された冷媒は、パイプ２Ｄを介して発露防止パイプ９に送られる。発露防止パイプ９内を流れた冷媒は、パイプ２Ｅを介して高温側蒸発器５内に戻る。このように、第２高温側循環回路においては、循環ポンプ６による強制循環が行なわれている。

ここで、発露防止パイプ９内を流れる冷媒は、スターリング冷凍機４の高温部２から与えられた熱により比較的高温に保たれている。したがって、発露防止パイプ９を冷却庫の前面開口部に配置することで、ドア部等における発露を抑制することができる。

また、低温側循環回路内には二酸化炭素や炭化水素などが冷媒として封入されている。低温側凝縮器１０において液化した冷媒はパイプ３Ａ（低温側導管）を介して低温側蒸発器１１に達する。低温側蒸発器１１において冷媒が蒸発することで熱交換が行なわれる。この熱交換を促進するために、低温側蒸発器１１近傍に気流を生じさせるファン１２が設けられている。熱交換の後、気化された冷媒は、パイプ３Ｂ（低温側戻り管）を介して低温側凝縮器１０に戻る。低温側循環回路においては、このように、冷媒の蒸発と凝縮とによる自然循環を利用して、低温部３で発生した冷熱を低温側蒸発器１１に伝達することができるように、低温側蒸発器１１は低温側凝縮器１０より下方に配置されている。また、冷媒の沸点を調整するために、循環回路系内の圧力が調整されている。

スターリング冷凍機４を作動させると、該冷凍機４の高温部２で発生した熱は、高温側凝縮器７を介して外気と熱交換される。一方、スターリング冷凍機４の低温部３で発生した冷熱は、低温側蒸発器１１を介して冷却庫内の空気と熱交換される。冷却庫内からの暖かくなった気流は、再び低温側蒸発器１１近傍に送られ、繰り返し冷却される。

上述した冷却サイクルの実施に伴い、低温側蒸発器１１に着霜が生じる。スターリング冷却庫１においては、除霜用のヒータ１１Ａが設けられている。ヒータ１１Ａの構成および動作については後述する。

低温側蒸発器１１の除霜を実施することで、除霜水が発生する。除霜水は、ドレンパイプ１２Ａを介して、冷却庫本体底面の下部に設置されたドレンパン１２Ｂ（蒸発皿）に導かれる。ドレンパン１２Ｂの上部には、ファン１２Ｃが設けられており、ファン１２Ｃによってドレンパン１２Ｂ内に溜まった除霜水表面近傍に気流が形成され、比較的乾いた空気が除霜水上に供給されことにより、除霜水の蒸発が促進される。

次に、図２を用いて、スターリング冷凍機４の構造の一例およびその動作について説明する。

図２に示すように、本実施の形態のスターリング冷凍機４は、フリーピストン型のスターリング機関であって、ケーシング３０と、該ケーシング３０に組付けられたシリンダ１３と、シリンダ１３内で往復動するピストン１４およびディスプレーサ１５と、再生器１６と、圧縮空間１７Ａと膨張空間１７Ｂとを含む作動空間１７と、高温部２と、低温部３と、ピストン駆動手段としてのリニアモータ２３と、ピストンスプリング２４と、ディスプレーサスプリング２５と、ディスプレーサロッド２６と、背圧空間２７とを備える。

図２の例では、スターリング冷凍機４の外殻体（外壁）は、単一の容器で構成されず、背圧空間２７側に位置するケーシング３０（ベッセル部分）と、作動空間１７側に位置する高温部２、チューブ１８Ａおよび低温部３とで主に構成される。ケーシング３０は、背圧空間２７を規定する。ケーシング３０には、シリンダ１３、リニアモータ２３、ピストンスプリング２４およびディスプレーサスプリング２５をはじめとする種々の部品が組付けられる。上記外殻体の内部には、ヘリウムガスや水素ガス、窒素ガスなどの作動媒体が充填される。

シリンダ１３は、略円筒状の形状を有し、内部にピストン１４とフリーピストンとしてのディスプレーサ１５とを往復動可能に受け入れる。シリンダ１３内において、ピストン１４とディスプレーサ１５とは同軸上に間隔をあけて配置され、このピストン１４およびディスプレーサ１５によってシリンダ１３内の作動空間１７が圧縮空間１７Ａと膨張空間１７Ｂとに区画される。より詳しくは、作動空間１７は、ピストン１４におけるディスプレーサ１５側の端面よりもディスプレーサ１５側に位置する空間であり、ピストン１４とディスプレーサ１５との間に圧縮空間１７Ａが形成され、ディスプレーサ１５と低温部３との間に膨張空間１７Ｂが形成される。圧縮空間１７Ａは主に高温部２によって囲まれ、膨張空間１７Ｂは主に低温部３によって囲まれている。

圧縮空間１７Ａと膨張空間１７Ｂとの間には、シリンダ１３の外周面上に所定の隙間を有しながらフィルムが巻回されてなる再生器１６が配設されており、この再生器１６を介して圧縮空間１７Ａと膨張空間１７Ｂとが連通する。それにより、スターリング冷凍機４内に閉回路が構成される。この閉回路内に封入された作動媒体が、ピストン１４およびディスプレーサ１５の動作に合わせて流動することにより、後述する逆スターリングサイクルが実現される。

シリンダ１３の外側に位置する背圧空間２７にはリニアモータ２３が配設される。リニアモータ２３は、インナーヨーク２０と、可動マグネット部２１と、アウターヨーク２２およびコイルとを有し、このリニアモータ２３によって、シリンダ１３の軸方向にピストン１４が駆動される。

ピストン１４の一端は、板バネなどで構成されるピストンスプリング２４と接続される。該ピストンスプリング２４は、ピストン１４に弾性力を付与する弾性力付与手段として機能する。該ピストンスプリング２４による弾性力を付加することにより、シリンダ１３内でピストン１４をより安定して周期的に往復動させることが可能となる。ディスプレーサ１５の一端は、ディスプレーサロッド２６を介してディスプレーサスプリング２５と接続される。ディスプレーサロッド２６はピストン１４を貫通して配設され、ディスプレーサスプリング２５は板バネなどで構成される。該ディスプレーサスプリング２５の周縁部と、ピストンスプリング２４の周縁部は、リニアモータ２３からピストン１４の背圧空間２７側（以下、後方と称する場合がある。）に延びる支持部材により支持される。

ピストン１４に対しディスプレーサ１５と反対側には、ケーシング３０によって囲まれた背圧空間２７が配設されている。背圧空間２７は、ケーシング３０内でピストン１４の周囲に位置する外周領域と、ケーシング３０内でピストン１４よりもピストンスプリング
２４側（後方側）に位置する後方領域とを含む。この背圧空間２７内にも、作動媒体が存在する。

高温部２は、ベース部材３０Ａを介してケーシング３０に取付けられる。高温部２と低温部３とは、チューブ１８Ａを介して接続される。高温部２、低温部３の内周面上には、それぞれ内部熱交換器１８と内部熱交換器１９とが設けられる。内部熱交換器１８，１９は、それぞれ、圧縮空間１７Ａ，膨張空間１７Ｂと高温部２，低温部３との間の熱交換を行なう。

ケーシング３０の後方側には、板バネ２８を介してバランスマス２９が取付けられている。バランスマス２９は、ピストン１４やディスプレーサ１５が振動することによって生じるケーシング３０の振動を吸収する質量部材である。具体的には、ピストン１４やディスプレーサ１５が振動することによってケーシング３０に振動が生じた場合に、このケーシング３０の振動に対して追従するようにバランスマス２９が振動することにより、スターリング冷凍機４の振動が低減される。

次に、このスターリング冷凍機４の動作について説明する。
まず、リニアモータ２３を作動させてピストン１４を駆動する。リニアモータ２３によって駆動されたピストン１４は、ディスプレーサ１５に接近し、圧縮空間１７Ａ内の作動媒体（作動ガス）を圧縮する。

ピストン１４がディスプレーサ１５に接近することにより、圧縮空間１７Ａ内の作動媒体の温度は上昇するが、高温部２によってこの圧縮空間１７Ａ内に発生した熱が外部へと放出される。そのため、圧縮空間１７Ａ内の作動媒体の温度はほぼ等温に維持される。すなわち、本過程は、逆スターリングサイクルにおける等温圧縮過程に相当する。

ピストン１４がディスプレーサ１５に接近した後にディスプレーサ１５は低温部３側に移動する。他方、ピストン１４によって圧縮空間１７Ａ内において圧縮された作動媒体は再生器１６内に流入し、さらに膨張空間１７Ｂへと流れ込む。その際、作動媒体の持つ熱が再生器１６に蓄熱される。すなわち、本過程は、逆スターリングサイクルの等容冷却過程に相当する。

膨張空間１７Ｂ内に流入した高圧の作動媒体は、ディスプレーサ１５がピストン１４側（後方側）へ移動することにより膨張する。このようにディスプレーサ１５が後方側へ移動するのに伴い、ディスプレーサスプリング２５の中央部も後方側に突出するように変形する。

上記のように膨張空間１７Ｂ内で作動媒体が膨張することにより、膨張空間１７Ｂ内の作動媒体の温度は下降するが、低温部３によって外部の熱が膨張空間１７Ｂ内へと伝達されるため、膨張空間１７Ｂ内はほぼ等温に保たれる。すなわち、本過程は、逆スターリングサイクルの等温膨張過程に相当する。

その後、ディスプレーサ１５がピストン１４から遠ざかる方向（前方側）に移動し始める。それにより、膨張空間１７Ｂ内の作動媒体は再生器１６を通過して再び圧縮空間１７Ａ側へと戻る。その際に再生器１６に蓄熱されていた熱が作動媒体に与えられるため、作動媒体は昇温する。すなわち、本過程は、逆スターリングサイクルの等容加熱過程に相当する。

この一連の過程（等温圧縮過程−等容冷却過程−等温膨張過程−等容加熱過程）が繰り返されることにより、逆スターリングサイクルが構成される。この結果、低温部３は徐々に低温になり、極低温（たとえば−５０℃程度）を有するに至る。一方で、高温部２は徐々に高温（たとえば６０℃程度）になる。上述したように、低温部３における冷熱は、低温側循環回路を介して冷却庫内に供給され、高温部２における熱は、第１と第２高温側循環回路を介して冷却庫外に放出される。

図３は、低温側蒸発器１１の除霜機構を説明する図である。図３を参照して、低温側蒸発器１１の除霜機構は、ヒータ１１Ａと「温度センサ」としての除霜サーミスタ１１Ｂとを含んで構成される。ヒータ１１Ａは、ガラス管ヒータ１１１ＡとＰＴＣ（ＰｏｓｉｔｉｖｅＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）ヒータ１１２Ａとを有する。

ガラス管ヒータ１１１Ａは、低温側蒸発器１１の下方に位置し、低温側蒸発器１１と離間して設けられている。そして、ガラス管ヒータ１１１Ａ上には、ヒータカバー１１１Ｂが設けられている。一方、ＰＴＣヒータ１１２Ａは、低温側循環回路における２次冷媒用配管に取付けられている。より具体的には、ＰＴＣヒータ１１２Ａは、低温側蒸発器１１の下部に取付けられている。ただし、ＰＴＣヒータ１１２Ａの取付け位置は、図３に示される位置に限定されない。ＰＴＣヒータ１１２Ａは、低温側蒸発器１１の近傍に設けられている限り、該低温側蒸発器１１と若干離間して設けられていてもよい。

図３に示される除霜機構によれば、低温側蒸発器１１と離間したガラス管ヒータ１１１Ａからの輻射熱によって低温側蒸発器１１およびその周辺の部材に付着した霜を融解するとともに、低温側蒸発器１１近傍のＰＴＣヒータ１１２Ａから低温側蒸発器１１への熱伝導によって冷却器に付着した霜を効率よく融かすことができる。したがって、高い除霜能力が得られる。そして、除霜時間が短縮され、除霜時に冷却室内の温度を十分に低く保つことができる。

図４は、図３に示される除霜機構の正常時の動作を説明するタイミングチャートである。図４を参照して、ガラス管ヒータ１１１ＡおよびＰＴＣヒータ１１２Ａへの通電が開始され、それらがＯＮされる（出力：１００Ｗ）ことにより、低温側蒸発器１１の除霜が開始される。なお、図４の例では、ガラス管ヒータ１１１ＡおよびＰＴＣヒータ１１２Ａが同時にＯＮされているが、ガラス管ヒータ１１１ＡがＯＮされた後にＰＴＣヒータ１１２ＡがＯＮされてもよいし、ＰＴＣヒータ１１２ＡがＯＮされた後にガラス管ヒータ１１１ＡがＯＮされてもよい。また、図４の例では、ガラス管ヒータ１１１Ａおよびガラス管ヒータ１１２Ａの出力は１００Ｗとされているが、該出力は１００Ｗに限定されず、たとえば１５０Ｗや１７０Ｗであってもよい。また、ガラス管ヒータ１１１Ａの出力とＰＴＣヒータ１１２Ａの出力とが異なっていてもよい。

図４に示すように、ガラス管ヒータ１１１ＡおよびＰＴＣヒータ１１２ＡがＯＮされた後、除霜サーミスタ１１Ｂにより検知される温度は上昇する。これは、ガラス管ヒータ１１１ＡおよびＰＴＣヒータ１１２Ａにより、低温側蒸発器１１およびその周囲が加熱され、除霜が行なわれていることを意味する。そして、除霜サーミスタ１１Ｂにより検知される温度が予め設定された所定の温度（図４の例では１５℃）に達したときに、ガラス管ヒータ１１１ＡおよびＰＴＣヒータ１１２Ａへの通電が中止される。これにより、除霜運転が終了する。その後、除霜サーミスタ１１Ｂにより検知される温度は低下する。以上の除霜運転は、予め設定された所定の時間毎に実施される。

図５は、図３に示される除霜機構の異常時の動作を説明するタイミングチャートである。ここでは、ヒータ１１Ａ（ガラス管ヒータ１１１ＡおよびＰＴＣヒータ１１２Ａ）が異常により連続通電状態となった場合を想定している。図５を参照して、ヒータ１１Ａが連続通電状態となることにより、除霜サーミスタ１１Ｂにより検知される温度は、予め設定された所定の温度（図５の例では１５℃）以上に上昇する。このような状態が続いた場合、冷却室内の温度が異常に上昇することが懸念される。

これに対し、本実施の形態に係るスターリング冷却庫１においては、自己温度制御機能を有するＰＴＣヒータ１１２Ａを用いている。すなわち、ＰＴＣヒータ１１２Ａは、キューリー温度（たとえば４０℃〜６０℃程度、図５の例では６０℃）以上になると、急激に抵抗が増大し、出力がほぼゼロになるという性質を有する。したがって、ガラス管ヒータ１１１ＡおよびＰＴＣヒータ１１２Ａが連続通電状態となった場合においても、一定の温度以上では、ＰＴＣヒータ１１２Ａの出力が抑制され、ガラス管ヒータ１１１Ａのみの出力となり、冷却室内が以上に温度上昇することが抑制される。図５の例では、除霜サーミスタ１１Ｂにより検知される温度は、７０℃程度に収束している。

上述した内容について要約すると、以下のようになる。すなわち、本実施の形態に係るスターリング冷却庫１は、冷却室を有する冷却庫本体と、冷却室内を冷却するための「冷却器」としての低温側蒸発器１１と、低温側蒸発器１１の除霜を行なうヒータ１１Ａとを備える。ヒータ１１Ａは、低温側蒸発器１１と離間して設けられた「第１ヒータ」としてのガラス管ヒータ１１１Ａと、低温側蒸発器１１近傍に設けられた「第２ヒータ」としてのＰＴＣヒータ１１２Ａとを有し、ＰＴＣヒータ１１２Ａは、該ヒータが所定の温度に達した時に、その出力を抑制する機能（自己温度制御機能）を有する。

さらに具体的には、スターリング冷却庫１は、高温部２と低温部３とを有する「スターリング機関」としてのスターリング冷凍機４と、スターリング冷凍機４の低温部３に設けられ、内部の冷媒を凝縮させる低温側凝縮器１０と、低温側凝縮器１０において凝縮した冷媒を蒸発させる低温側蒸発器１１とを備えている。そして、低温側蒸発器１１が、冷却室内を冷却する「冷却器」として用いられている。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

本発明の１つの実施の形態に係る冷却庫の一例の配管系統図である。図１に示されるスターリング冷却庫におけるスターリング冷凍機を示した断面図である。図１に示されるスターリング冷却庫における低温側蒸発器の除霜機構を説明する図である。図３に示される除霜機構の正常時の動作を説明するタイミングチャートである。図３に示される除霜機構の異常時の動作を説明するタイミングチャートである。

符号の説明

１スターリング冷却庫、２高温部、２Ａ〜２Ｅパイプ（高温側循環回路）、３低温部、３Ａ，３Ｂパイプ（低温側循環回路）、４スターリング冷凍機、５高温側蒸発器、６循環ポンプ、７高温側凝縮器、８ファン、９発露防止パイプ、１０低温側凝縮器、１１低温側蒸発器、１１Ａヒータ、１１Ｂ除霜サーミスタ、１２ファン、１２Ａドレンパイプ、１２Ｂドレンパン、１２Ｃファン、１１１Ａガラス管ヒータ、１１１Ｂヒータカバー、１１２ＡＰＴＣヒータ。

Claims

冷却室を有する冷却庫本体と、
前記冷却室内を冷却するための冷却器と、
前記冷却器の除霜を行なうヒータとを備え、
前記ヒータは、
前記冷却器と離間して設けられた第１ヒータと、
前記冷却器近傍に設けられた第２ヒータとを有し、
前記第２ヒータは自己温度制御機能を有する、冷却庫。
高温部と低温部とを有するスターリング機関と、
前記スターリング機関の低温部に設けられ、内部の冷媒を凝縮させる凝縮器と、
前記凝縮器において凝縮した前記冷媒を蒸発させる蒸発器とをさらに備え、
前記冷却器として前記蒸発器が用いられる、請求項１に記載の冷却庫。