JP2006090684A - 冷蔵庫 - Google Patents

Abstract

【課題】スターリング冷凍機から発生する冷熱を有効に利用することで、冷却ムラを抑えた極低温による急速冷凍が可能な冷蔵庫を提供する。
【解決手段】 冷凍サイクル（２０）と吸熱部（２３ａ）に熱的に結合された熱交換器（３１）を有するスターリング冷凍機（２３）とを備え、
前記冷凍サイクル（２３）により冷凍室（５）および冷蔵室（７）を冷却するとともに、冷却媒体を封入して閉ループ状をなし、前記スターリング冷凍機（２３）の吸熱部（２３ａ）と熱的に結合された熱交換器（３１）と熱的に結合された冷媒循環パイプ（４３）の一部を延出して冷凍室（５）を冷却する冷蔵庫（１）において、前記熱交換器（３１）と熱的に接続された冷媒循環パイプ（４３）の熱交換流路（３９）に高低差を設け、冷媒循環パイプ（４３）を冷凍室内における前記熱交換器（３１）より低い位置に配置した冷却板（４７）に延設して冷却媒体を循環させたことを特徴とする。
【選択図】 図５

Description

本発明は、冷媒圧縮式冷凍サイクルを有する冷蔵庫に関し、特に補助冷凍機としてスターリング冷凍機を備える冷蔵庫に関するものである。

従来の冷蔵庫はコンプレッサを用いた冷凍サイクルが採用されているのが一般的である。この冷凍サイクルは冷媒であるフロンの凝縮および蒸発を繰り返すことにより所定の冷却能力を得るものであるが、フロンはオゾン層を破壊する危険性があるため、その使用が制限されている。そこで、近年、フロンに代わる冷媒としてイソブタンなどの炭化水素系冷媒が使用されている。

しかしながら、このようなコンプレッサによる冷凍サイクルを使用した冷蔵庫では、例えば食材を急速冷凍する場合、それに必要な冷却能力を得るために大型のコンプレッサが必要となり、消費電力が増加してランニングコストがかかり問題である。また、冷蔵庫内温度を−３０℃以下の極低温にする必要がある場合には、前記冷媒圧縮式のコンプレッサによる冷凍サイクルの冷却能力では対応することが困難である。

そこで、上記した冷凍サイクルに代えて、逆スターリングサイクルを利用したスターリング冷凍機を用いた冷蔵庫が提案されている（例えば、特許文献１）。

スターリング冷凍機は、オゾン層を破壊することのないヘリウムなどの不活性ガスを作動媒体としており、外部動力によりディスプレーサとピストンを作動させることによって作動媒体の圧縮・膨張を繰り返すことで、発熱・吸熱を行うものである。

このスターリング冷凍機は、コールドヘッドと呼ばれる吸熱部から約−５０℃の極低温の冷熱を得ることができるが、該冷凍機の内部に設けられた内部熱交換器の形状と大きさの制限により、吸熱部の表面積が限られているため、これを冷熱源とする冷気の吐出では冷蔵庫内を急冷することが困難である。

また、コンプレッサを用いた冷凍サイクルとスターリング冷凍機のそれぞれが有する欠点を解決するものとして、冷凍サイクルとスターリング冷凍機とを兼ね備えた冷蔵庫が開示されている（例えば、特許文献２）。

この冷蔵庫は、冷凍室を冷却するスターリング冷凍機と、冷凍室および冷蔵室を冷却するコンプレッサを用いた冷凍サイクルを備えており、冷凍室を通常の冷凍温度（例えば、−１８℃）に冷却保持する場合は、冷凍サイクルによって該冷凍温度まで冷却した後、スターリング冷凍機によりその温度の維持を行う。一方、冷凍室を−３０℃以下の極低温に冷却保持する場合は、冷凍サイクルによって冷凍室内を通常の冷凍温度まで予備冷却した後、スターリング冷凍機を始動させ、通常の冷凍温度から−３０℃以下の温度まで冷却しその温度の維持を行う。

しかしながら、食品の美味しさを逃さず保存する手段として、食品を素早く冷凍することが知られているが、このような場合に上記構成の冷蔵庫では、常温から食品が凍結する冷凍温度までの冷却は冷媒圧縮式冷凍サイクルのみによって行われることになり、−３０℃以下の冷熱を発生し得るスターリング冷凍機の能力は有効に活用されていなかった。

そこで、本出願人は、冷凍サイクルの蒸発器で生成した冷気をファンで強制循環させることで冷凍室および冷蔵室を冷却するとともに、スターリング冷凍機の吸熱部と熱的に結合された閉ループ状の冷媒循環パイプを冷凍室内に延出して載置棚を形成した冷蔵庫を先に提案している（特願２００４−７３５５０号）。

この冷蔵庫は、冷凍室を冷凍サイクルによって冷却するのに加え、スターリング冷凍機の吸熱部と熱交換して冷却された二次冷媒が、冷凍室内空間に延設した冷媒循環パイプ内を二次冷媒の温度差による比重の変化を利用して自然循環することで、小さな表面積のスターリング冷凍機の吸熱部から発生する冷熱を冷凍室内へ効率的に伝達可能となり、冷凍室内に極低温空間を形成することができるため、冷凍室内の食品を急速に冷凍することができる。
特開平７−１８０９２１号公報 特開２０００−３３７７４７号公報

しかしながら、上記構成の冷蔵庫では、冷凍サイクルの蒸発器で生成した冷気は冷凍室の奥側から手前側に向かって吹き出すため、また、冷凍室扉の開閉によって高温の外気が手前側から冷凍室内に進入するため、冷凍室に収納された食材などは、奥側に置かれたものほど早く冷凍される、いわゆる冷却ムラが生じる問題があった。特に、上記構成の冷蔵庫では、二次冷媒の循環方向が定まっていないため、スターリング冷凍機で冷却された二次冷媒の循環経路が一定せず冷却ムラを抑える制御も困難であった。

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、食材などの冷却ムラを抑えた急速冷凍が可能な冷蔵庫を提供することを目的とする。

本発明の冷蔵庫は、冷媒圧縮機、凝縮器、減圧装置および蒸発器を環状に接続した冷凍サイクルと吸熱部に熱的に結合された熱交換器を有するスターリング冷凍機とを備え、
前記冷凍サイクルにより冷凍室および冷蔵室を冷却するとともに、冷却媒体を封入して閉ループ状をなし、前記スターリング冷凍機の吸熱部と熱的に結合された熱交換器と熱的に結合された冷媒循環パイプの一部を延出して冷凍室を冷却する冷蔵庫において、前記熱交換器と熱的に接続された冷媒循環パイプの熱交換流路に高低差を設け、冷媒循環パイプを冷凍室内における前記熱交換器より低い位置に配置した冷却板に延設して冷却媒体を循環させたことを特徴とする。

本発明の冷蔵庫では、冷媒循環パイプの熱交換流路に高低差を設けて熱交換器と接続するとともに、下方に配された熱交換流路から冷凍室へ延出する冷媒循環パイプ部分を前記熱交換器より下方となる冷却板部に設けて該パイプに高低差を設けることで、内部に封入された冷却媒体の循環方向を一定にして安定的な自然循環をさせることができる。これにより、スターリング冷凍機の吸熱部から発生する約−５０℃の冷熱をスムーズに冷凍室内へ伝達可能となり、上記したような冷却ムラを抑えた急速冷凍が可能となる。

本発明の冷蔵庫において、冷却板の裏面は冷凍室の手前側から奥側にかけて高くなるように傾斜し、熱交換器と低い位置で接続された冷却媒体の循環経路が冷凍室の手前側から奥側へ横方向に蛇行しながら循環するように配設されていることが好ましい。

このように、熱交換器と低い位置で接続された冷却媒体の循環経路が、冷凍室の手前側から奥側にかけて漸次高い位置になるように冷凍室内に配されているため、熱交換器で冷却された冷却媒体は、冷蔵庫の手前側から奥側へ流れて冷熱が奪われる。そのため、手前側が奥側より早く冷却されることとなり、上記したような冷却ムラをうち消すことができる。しかも、冷熱を奪われ比重が小さくなった冷却媒体は高い位置に配された奥側の冷媒循環パイプへスムーズに流れる。

本発明によれば、スターリング冷凍機の熱交換器で冷却された極低温の冷却媒体を該熱交換器より下方に配された冷却板部へ流下させてその流れを付勢して一定方向にスムーズに循環させることができ、また、冷却媒体を冷凍室の手前側から奥側へ循環させることができるため、冷凍室に収納された食材などの冷却ムラを抑えて急速冷凍ができる。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施形態に係る冷蔵庫（１）の縦断面図、図２はスターリング冷凍機（２３）を冷凍機室（２１）に取り付けた状態を示す断面図、図３は熱交換器（３１）の分解斜視図、図４は熱交換器（３１）を吸熱部（２３ａ）に取り付け状態を示す断面図、図５は冷媒循環パイプ（４３）に封入された冷却媒体の循環を示すの冷凍室（５）の斜視図である。

本実施形態の冷蔵庫（１）は、前面が開口した断熱箱体内部の貯蔵空間に断熱仕切板（４）を配することで、上下に冷凍室（５）と冷蔵室（７）をそれぞれ配設し、各貯蔵室の前面開口部に各専用の開閉扉（５ａ）（７ａ）を設けて閉塞している。

冷凍空間の背面に蒸発器（１１）と、その上部近傍に送風ファン（１３）がそれぞれ配設され、蒸発器（１１）から発生する冷気を送風ファン（１３）によって冷凍空間および冷蔵空間のそれぞれの背面上部と下部へ開口する吹出口（９ａ）（９ｃ）と吸込口（９ｂ）（９ｄ）とを設けたダクト（９）を介して冷凍空間および冷蔵空間を循環させることで冷却する。

冷蔵室（７）の背面下部には、機械室（１７）空間が形成されており、不図示の凝縮器とキャピラリーチューブを介して蒸発器（１１）へ冷媒を供給する冷媒圧縮機（１９）を設置し、冷凍サイクル（２０）を構成している。また、冷凍室（５）の背面における上方隅部には冷凍機室（２１）が設けられ、その内部に吸熱部（２３ａ）が上方を向くようにスターリング冷凍機（２３）が配置され、弾性支持部材（２５）により防振状態で支持されている。

図２に示すスターリング冷凍機（２３）は、例えば、ピストンとディスプレーサをシリンダ内部に収納し、該ピストンの駆動にリニアモータを用いるフリーピストン型スターリング冷凍機であって、リニアモータの駆動により、スターリング冷凍機（２３）の吸熱部（２３ａ）の温度が低くなり、排熱部（２３ｂ）の温度が高くなる。

排熱部（２３ｂ）は、放熱フィン（２７）と接続され、庫外ファン（２９）より送風される庫外空気と熱交換を行い排熱部（２３ｂ）を冷却するようになっている。吸熱部（２３ａ）は、熱交換器（３１）を介して熱的に結合された冷却媒体へ冷熱を伝達するようになっている。

この熱交換器（３１）は、図３に示すように、上側部材（３３）と下側部材（３５）を備え、Ｕ字管型の熱交換流路（３９）を挟持するようになっている。詳細には、下側部材（３５）の上面は、傾斜面であって同一高さ方向に延びる嵌合溝（３５ａ）が異なる高さで２本設けらており、熱交換流路（３９）を保持するようになっている。また、上側部材（３３）の下面、すなわち下側部材（３５）との合わせ面にも、下側部材（３５）に設けられた嵌合溝（３５ａ）と対応した位置に嵌合溝（３３ａ）が設けられており、これにより、上側部材（３３）と下側部材（３５）は高低差を設けて面接触状態で熱交換流路（３９）を挟持し、熱的に結合される。

下側部材（３５）の下面には、スターリング冷凍機（２３）の吸熱部（２３ａ）と適度な隙間を有して嵌合する筒部（３７）が一体に設けられており、その下端から上方に延びる複数条の切欠溝（３７ａ）が設けられている。また筒部（３７）の外周面は、下方に行くほど径が細くなるテーパ状に設けられ、該テーパ部分にネジ溝（３７ｂ）が螺刻されている。

このような熱交換器（３１）は、図４に示すように、筒部（３７）にスターリング冷凍機（２３）の吸熱部（２３ａ）を嵌合させ、筒部（３７）下端側の外径と同一寸法のネジ孔を有しネジ溝（３７ｂ）と螺合するナット（４１）の締め付けによりスターリング冷凍機（２３）と密着して熱的に結合される。

その際、筒部（３７）には、テーパと合わせて切欠溝（３７ａ）を設けているため、
ナット（４１）の回転によって筒部（３７ａ）の締め付け圧力を周方向に均等に加えることができるため、締め付け圧力が局所的に加わり吸熱部（２３ａ）を変形させてスターリング冷凍機（２３）を破損することがない。さらに、ナット（４１）の回転量を調整することで筒部（３７）の締め付け圧力を容易に調整することができるため、ナット（４１）の回転量によって筒部（３７）の締め付け圧力を管理することが可能となり、締め付けが強すぎて吸熱部（２３ａ）を変形させてスターリング冷凍機（２３）を破損したり、あるいは締め付けが不十分で吸熱部（２３ａ）と熱交換器（３１）との熱抵抗が大きくなるなどの問題を容易に解消することができる。また、上記のようなナット（４１）の締め付けにより熱交換器（３１）をスターリング冷凍機（２３）に固着するため、固着後であっても容易に締め付け圧力を調整することができる。

熱交換流路（３９）の両端部（３９ａ）（３９ｂ）、すなわち、熱交換流路（３９）の入出口（３９ａ）（３９ｂ）は、冷媒循環パイプ（４３）と接続され、その内部に冷却媒体として二酸化炭素や炭化水素などの二次冷媒を封入することで、冷媒循環パイプ（４３）は、閉ループ状をなし、熱交換器（３１）と熱的に結合されている。

その際、熱交換流路（３９）の入出口（３９ａ）（３９ｂ）は冷蔵庫側面側から導出入する。このように、熱交換流路（３９）の入出口（３９ａ）（３９ｂ）を配することで、
冷凍機室（２１）内に配される冷媒循環パイプ（４３）を短距離に設けることができ、熱交換流路（３９）で冷却された冷却冷媒から冷熱が冷凍室空間以外へ熱リークすることを低減することができる。

この冷媒循環パイプ（４３）の一部は、図５に示すように、冷凍室（５）内空間に延設して冷却板部（４３ａ）を構成しており、前記熱交換器（３１）より下方であって冷凍室（５）底面から離間して配設され冷凍空間の中棚を形成する冷却板（４７）の裏面と接合されている。より詳細には、冷却板（４７）は、その裏面が冷凍室（５）の手前側（冷凍室扉（５ａ）側）から奥側にかけて高くなるように約５°程度の勾配で傾斜しており、熱交換流路（３９）の下側端部（３９ｂ）と接続された冷媒循環パイプ（４３）は、冷蔵庫の手前側から奥側へ横方向に蛇行しながら冷却板（４７）の裏面に接合された後、熱交換流路（３９）の上側端部（３９ａ）と接続されることで、冷媒循環パイプ（４３）は閉ループ状をなしている。

言い換えれば、冷却板部（４３ａ）の冷凍室（５）手前側と下側端部（３９ｂ）とが接続され、奥側と上側端部（３９ａ）とが接続されることで、熱交換器（３１）と低い位置で接続された冷却冷媒の循環経路は冷凍室（５）の手前側から奥側へ横方向に蛇行しながら循環するように配設されている。

なお、冷却板（４７）の表面は、図５に示すような水平面であっても、また冷却板（４７）の裏面と平行な面であってもよい。冷却板（４７）の表面が裏面と平行な面である場合、その勾配は５°程度であるため、載置された食品などが転げ落ちることはない。

また、冷却板（４７）を冷凍室（５）底面から離間した位置に配設することで、冷熱が冷凍室底面の断熱仕切板を（４）を介して外部へ熱リークすることも抑えることができる。

本実施形態の冷蔵庫（１）において、食品の急速冷凍を行わずに、冷蔵室（７）を冷蔵温度、例えば、＋１℃に冷却し、冷凍室（５）を冷凍温度、例えば、−１８℃に冷却保持する通常冷却運転を行う場合には、スターリング冷凍機（２３）を動作させずに、冷凍サイクル（２０）のみを運転する。

そして、冷却運転と同時に送風ファン（１３）を回転させることで、蒸発器（１１）で冷却された冷気は、吹出口（９ｃ）より冷凍室（５）内に吹き出して室内を冷却し、吸込口（９ｄ）から蒸発器（１１）に戻るように循環する。また、冷蔵室（７）については、冷蔵室用吹出口（９ａ）に設けられたダンパー（１０）を開閉制御することにより、蒸発器（１１）を通過した冷気の一部を冷蔵室（７）へ導入することで所定温度に冷却する。

一方、食品の急速冷凍を行う場合は、上記通常運転時の動作と同時に、スターリング冷凍機（２３）を動作させる。スターリング冷凍機（２３）から発生する冷熱は、吸熱部（２３ａ）に装着された熱交換器（３１）を介して冷媒循環パイプ（４３）に封入された冷却媒体へ伝達され、サーモサイフォン原理によって冷凍空間へ搬送する。

すなわち、スターリング冷凍機（２３）の吸熱部（２３ａ）に取り付けられた熱交換器（３１）を介して冷却された熱交換流路（３９）内の冷却媒体は、液化されその比重が大きくなることで熱交換流路（３９）の下側端部（出口）（３９ｂ）より流れ出て、冷凍室（５）の手前側から冷却板部（４３ａ）へ流入する。その際、冷却板部（４３ａ）が熱交換器（３１）より下方に配されているため、冷却媒体は自重によってスムーズに冷却板部（４３ａ）へ流入する。

そして、冷凍室（５）の手前側から冷却板部（４３ａ）に流入した冷却媒体は、冷却板部（４３ａ）と接合する冷却板（４７）と熱交換し蒸発することで、これを手前側から奥側へ漸次低温に冷却する。そして、冷却板（４７）へ冷熱を放出した冷却媒体は、気化することによってその比重が小さくなるため、冷媒循環パイプ（４３）内を上昇する流れを発生して熱交換流路（３９）の上側端部（入口）（３９ａ）より熱交換流路（３９）へ流入して、再び吸熱部（２３ａ）から発生する冷熱を受けて冷却される循環を繰り返す。

このように、スターリング冷凍機（２３）で冷却された冷媒循環パイプ（４３）内の冷却媒体が、冷凍室（５）内部を手前から奥側へ常に一定の方向へ流通して冷熱を放出するようになっているので、冷凍室扉（５ａ）の開閉などによって生じる冷凍室（５）手前側の温度が高くなるという温度ムラをうち消すことができる。また、冷却板（４７）の上に置かれた食品等も、手前側がより低温となって順次奥側へ熱交換が行われ、逆に蒸発器（１１）で生成した冷気が奥側から吹き出すことによって冷却ムラをなくすことができる。

なお、本実施形態において、冷媒循環パイプ（４３）の一部である冷却板部（４３ａ）を冷却板（４７）の裏面と接合しているが、本発明はこれに限定するものはなく、例えば、冷却板（４７）の裏面側に冷却媒体を流通させる流路を一体に設けたものであってもよい。

本発明は、冷却ムラを抑えた急速冷凍する構成を備えた冷蔵庫として有用である。

本発明の一実施形態に係る冷蔵庫の縦断面構造図である。 スターリング冷凍機の取り付け状態を示す断面構造図である。 熱交換器の分解斜視図である。 熱交換器の取り付け状態を示す断面図であって（ａ）は取り付け前、（ｂ）は取り付け後を示す図である。 冷却媒体の循環を示すの冷凍室の斜視図である。

符号の説明

１ 冷蔵庫 ５ 冷凍室
７ 冷蔵室 ９ ダクト
９ａ、９ｃ 吹出口 ９ｂ，９ｄ 吸込口
１１ 蒸発器 １９ 冷媒圧縮機
２０ 冷凍サイクル ２３ スターリング冷凍機
２３ａ 吸熱部 ３１ 熱交換器
３７ 筒部 ３７ａ 切欠
３７ｂ ネジ溝 ３９ 熱交換流路
３９ａ 上側端部（入口） ３９ｂ 下側端部（出口）
４１ ナット ４３ 冷媒循環パイプ
４３ａ 冷却板部 ４７ 冷却板

Claims (4)

1. 冷媒圧縮機、凝縮器、減圧装置および蒸発器を環状に接続した冷凍サイクルと吸熱部に熱的に結合された熱交換器を有するスターリング冷凍機とを備え、
   前記冷凍サイクルにより冷凍室および冷蔵室を冷却するとともに、冷却媒体を封入して閉ループ状をなし、前記スターリング冷凍機の吸熱部と熱的に結合された熱交換器と熱的に結合された冷媒循環パイプの一部を延出して冷凍室を冷却する冷蔵庫において、
   前記熱交換器と熱的に接続された冷媒循環パイプの熱交換流路に高低差を設け、冷媒循環パイプを冷凍室内における前記熱交換器より低い位置に配置した冷却板に延設して冷却媒体を循環させたことを特徴とする冷蔵庫。
2. 冷却板の裏面は冷凍室の手前側から奥側にかけて高くなるように傾斜し、熱交換器と低い位置で接続された冷却媒体の循環経路が冷凍室の手前側から奥側へ横方向に蛇行しながら循環するように配設されていることを特徴とする請求項１記載の冷蔵庫。
3. 熱交換器は底面から下方へ延出してスターリング冷凍機の吸熱部と嵌合する筒部を有し、その外周面には、下方に行くほど細くなるテーパーと外周面に複数条に設けた下端から上方に延びる切欠溝とネジ溝とが設けられており、該ネジ溝と螺合するナットの締め付けにより前記熱交換器がスターリング冷凍機の吸熱部に固着されていることを特徴とする請求項１または２記載の冷蔵庫。
4. スターリング冷凍機を冷凍室背面における上方隅部に吸熱部が上方を向くように配設し、熱交換流路の入出口を冷蔵庫側面側から導出入することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の冷蔵庫。
   

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