| 【発明の名称】 |
冷蔵庫 |
| 【発明者】 |
【氏名】西本 貴志
【氏名】チン イ
【氏名】増田 雅昭
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| 【要約】 |
【課題】スターリング冷凍機への負荷を軽減して庫内を効率よく冷却する。
【解決手段】断熱箱体２の内部に仕切壁４を設けて仕切られて成る冷凍室１ａ及び冷蔵室１ｂと、前記冷凍室１ａ内を冷却するための冷凍用熱交換器１０と、前記冷蔵室１ｂ内を冷却するための冷蔵用熱交換器１１とを備えた冷蔵庫１において、逆スターリングサイクルを利用してコールドヘッド６２から熱を吸熱するスターリング冷凍機６を備え、前記スターリング冷凍機６の前記コールドヘッド６２を前記冷凍用熱交換器１０に装着して前記冷凍用熱交換器１０を冷却し、前記スターリング冷凍機６の前記コールドヘッド６２と前記冷蔵用熱交換器１１とをヒートパイプ１３を介して熱交換させることにより前記冷蔵用熱交換器１１を冷却するようにしたことを特徴とする。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 断熱箱体の内部に仕切壁を設けて仕切られて成る冷凍室及び冷蔵室と、前記冷凍室内を冷却するための冷凍用熱交換器と、前記冷蔵室内を冷却するための冷蔵用熱交換器とを備えた冷蔵庫において、逆スターリングサイクルを利用して吸熱部から熱を吸熱するスターリング冷凍機を備え、前記スターリング冷凍機の前記吸熱部を前記冷凍用熱交換器に装着して前記冷凍用熱交換器を冷却し、前記スターリング冷凍機の前記吸熱部と前記冷蔵用熱交換器とをヒートパイプを介して熱交換させることにより前記冷蔵用熱交換器を冷却するようにしたことを特徴とする冷蔵庫。
【請求項２】 断熱箱体の内部に仕切壁を設けて仕切られて成る冷凍室及び冷蔵室と、前記冷凍室内を冷却するための冷凍用熱交換器と、前記冷蔵室内を冷却するための冷蔵用熱交換器とを備えた冷蔵庫において、逆スターリングサイクルを利用して吸熱部から熱を吸熱するスターリング冷凍機を備え、前記スターリング冷凍機の前記吸熱部を前記冷凍用熱交換器に装着して前記冷凍用熱交換器を冷却し、前記冷凍用熱交換器と前記冷蔵用熱交換器とをヒートパイプを介して熱交換させることにより前記冷蔵用熱交換器を冷却するようにしたことを特徴とする冷蔵庫。
【請求項３】 前記ヒートパイプを複数設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の冷蔵庫。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、逆スターリングサイクルを用いたスターリング冷凍機を備えた冷蔵庫に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】一般に、家庭用冷蔵庫等の冷凍サイクル装置では、冷媒にフロンを用いた蒸気圧縮式の冷凍サイクルが採用されている。このフロン冷媒は、オゾン破壊係数が大きく、環境問題の点で世界的に使用が規制される趨勢にあることは周知の通りである。
【０００３】近年、蒸気圧縮式の冷凍サイクルに代わる新しい冷凍技術として、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の研究が進められている。このスターリング冷凍機は、作動媒体にヘリウム等の不活性ガスを使用しているため、地球環境に悪い影響を及ぼすことなく、効率よく極低温を得ることができる。
【０００４】逆スターリングサイクルは、クランク機構等の外部動力でピストン及びディスプレーサを所定の位相差を維持してで反復運動させることにより、圧縮空間内で圧縮された作動媒体を膨張空間側に移動させ、膨張空間内で作動媒体が膨張される際に熱が吸熱される密閉サイクルである。そして、このサイクルが繰り返されることにより、膨張空間の一端側に配されたコールドヘッドが低温に冷却される。
【０００５】従来のスターリング冷凍機６を搭載した冷蔵庫の一例を図５に示す。アルミ等の金属から成る熱交換器３０をコールドヘッド６２に装着し、低温のコールドヘッド６２で熱交換器３０を冷却するようにしている。そして、ファン３３の回転によって庫内の空気は、熱交換器３０を通過する際に熱交換され、庫内を矢印のように循環して冷却する。
【０００６】ところで、熱交換器３０の表面及び内部は、低温になるコールドヘッド６２の近傍では比較的温度が低く、コールドヘッド６２から遠ざかるにつれて温度は高くなっており、熱交換器３０の奥行き方向で温度に格差が生じてしまう。従って、庫内の奥壁に近いところを通る冷気ｆ１は熱交換によって充分冷却されるのに対し、ダクト３２の仕切壁３１に近いところを通る冷気ｆ２は熱交換されにくく、あまり冷却されない。
【０００７】そして、これらの冷気ｆ１，ｆ２は熱交換器３０の下流側で合流した後、ファン３３の回転によって庫内に送り出されるので、庫内を充分に冷却するには相当の時間を要し、熱交換器３０から所望の熱交換性能を得ることができなかった。
【０００８】また、特開平７−１８０９２１号公報には、図６に示すように、冷媒ガスが封入された複数のヒートパイプ２９の一端側をスターリング冷凍機６のコールドヘッド６２に埋設し、その他端側を庫内に延長配置して熱交換器３０を構成した冷蔵庫が開示されている。
【０００９】ヒートパイプ２９の両端に温度差が存在すると、低温側の一端部で凝縮・液化した冷媒ガスが、高温側の他端部で蒸発し、周辺の空気から気化熱を吸熱する。この冷蔵庫の場合は、コールドヘッド６２側がヒートパイプ２９の低温端となり、庫内側が高温端となる。従って、ファン３３の回転によって庫内の空気は熱交換器３０を通過する際に熱交換され、庫内を矢印のように循環して冷却する。
【００１０】しかしながら、ヒートパイプ２９から所望の熱交換性能を得るためには、ヒートパイプ２９の両端に相当の温度差が必要であるため、スターリング冷凍機６への入力を上げて、コールドヘッド６２を庫内の設定温度よりかなり低温まで冷却してやる必要があり、スターリング冷凍機６の成績係数が低くなるという問題があった。
【００１１】このような問題点は、庫内空間が小さな小型冷蔵庫であれば、庫内を循環させる空気も少ないので、格別大きな問題とはならない。しかしながら、庫内容積の大きな大型冷蔵庫では、一台のスターリング冷凍機６によって庫内全体の冷却を賄わねばならないため、循環する庫内の空気から熱の吸熱を大きくすることが急務である。
【００１２】本発明者らは、大型冷蔵庫の庫内空間を冷凍室、冷蔵室又は野菜室等の設定温度の異なる複数の冷却室に限界し、庫内を循環させる空気を各冷却室の容積にまで分割すれば、熱交換器を増設することにより、スターリング冷凍機への負荷を軽減できることに着目し、本発明をなすに至った。
【００１３】
【課題を解決するための手段】即ち本発明は、断熱箱体の内部に仕切壁を設けて仕切られて成る冷凍室及び冷蔵室と、前記冷凍室内を冷却するための冷凍用熱交換器と、前記冷蔵室内を冷却するための冷蔵用熱交換器とを備えた冷蔵庫において、逆スターリングサイクルを利用して吸熱部から熱を吸熱するスターリング冷凍機を備え、前記スターリング冷凍機の前記吸熱部を前記冷凍用熱交換器に装着して前記冷凍用熱交換器を冷却し、前記スターリング冷凍機の前記吸熱部と前記冷蔵用熱交換器とをヒートパイプを介して熱交換させることにより前記冷蔵用熱交換器を冷却するようにしたことを特徴とする。
【００１４】この構成によると、スターリング冷凍機の駆動により吸熱部に装着された冷凍用熱交換器が冷却されるとともに、ヒートパイプを介して吸熱部と熱交換されることにより冷蔵用熱交換器が冷却される。
【００１５】また本発明は、断熱箱体の内部に仕切壁を設けて仕切られて成る冷凍室及び冷蔵室と、前記冷凍室内を冷却するための冷凍用熱交換器と、前記冷蔵室内を冷却するための冷蔵用熱交換器とを備えた冷蔵庫において、逆スターリングサイクルを利用して吸熱部から熱を吸熱するスターリング冷凍機を備え、前記スターリング冷凍機の前記吸熱部を前記冷凍用熱交換器に装着して前記冷凍用熱交換器を冷却し、前記冷凍用熱交換器と前記冷蔵用熱交換器とをヒートパイプを介して熱交換させることにより前記冷蔵用熱交換器を冷却するようにしたことを特徴とする。
【００１６】この構成によると、スターリング冷凍機の駆動により吸熱部に装着された冷凍用熱交換器が冷却されるとともに、ヒートパイプを介して冷凍用熱交換器と熱交換されることにより冷蔵用熱交換器が冷却される。
【００１７】この場合、前記ヒートパイプを複数設けると、前記冷蔵用熱交換器の冷却を効率よく行える。
【００１８】
【発明の実施の形態】＜第１の実施形態＞本発明の第１の実施形態について図１〜図３を参照して説明する。図１は、本発明に係る冷蔵庫の概略的な側面断面図、図２は本実施形態に係る冷蔵庫における冷凍用熱交換器及び冷蔵用熱交換器の配置関係を示す斜視図、図３はそのｘ−ｘ線断面図である。
【００１９】冷蔵庫本体１の上部奥方の断熱材２で囲まれた機械室５内には、スターリング冷凍機６が配されている。このスターリング冷凍機６のＬ字状に形成されたシリンダ２１の内部は、ディスプレーサ２３が設けられた膨張空間２５と、ピストン２２が設けられた圧縮空間２４として構成されている。
【００２０】往復機構２７は、駆動モータ（図示せず）によって回転動力が与えられる回転体３５に、所定角度偏位したディスプレーサロッド３７と、ピストンロッド３６とが連結されてなる。従って、ディスプレーサ２３とピストン２２は往復機構２７により所定の位相差で往復運動される。
【００２１】また、膨張空間２５と圧縮空間２４とは蓄冷器２６を介して連通するとともに、作動媒体が充填された閉回路２８を形成している。シリンダ２１の膨張空間２５側の端部は吸熱して冷却されるコールドヘッド６２で、一方、圧縮空間２４側は放熱して熱を外部に逃がすウォームヘッド６１となっている。ウォームヘッド６１には放熱を促進するためのフィンからなる高温側熱交換器７が設けられいる。
【００２２】以上のように構成されたスターリング冷凍機６の往復機構２７が駆動されると、ディスプレーサ２３とピストン２２が所定の位相差で往復運動し、膨張空間２５では作動媒体が膨張され、コールドヘッド６２から吸熱して後述する冷凍用熱交換器１０を冷却する一方、圧縮空間２４では作動媒体が圧縮され、ウォームヘッド６１から温熱が放熱される。このようにディスプレーサ２３とピストン２２の往復運動が繰り返されることにより、作動媒体は蓄冷器２６にて蓄冷・熱回収を伴って閉回路２８内を循環することとなる。
【００２３】また、３は開閉扉、４は庫内空間を上方から順に冷凍室１ａ、冷蔵室１ｂ及び野菜室１ｃに仕切る断熱材の充填された仕切板、５は本体１の上部に形成され本体１の外部と連通した機械室、６は機械室５の内部に配設されたスターリング冷凍機である。また、スターリング冷凍機６のウォームヘッド６１には高温側交換器７が取り付けられており、ウォームヘッド６１で発生した温熱は、高温側熱交換器７を介して冷却ファン８により冷蔵庫外へ強制的に排出されるようになっている。
【００２４】９ａ，９ｂは、それぞれ冷凍室１ａ，冷蔵室１ｂの背面側に略平行な仕切壁９によって区画された互いに独立な冷気ダクトである。１０は冷気ダクト９ａ内に配されスターリング冷凍機６のコールドヘッド６２に装着された冷凍用熱交換器であり、１１は冷気ダクト９ｂ内に配された冷蔵用熱交換器である。尚、冷蔵室１ｂと野菜室１ｃは仕切板４に設けた通風口１４により一部連通しており、冷蔵室１ｂ内を循環する冷気の一部が通風口１４を通過して野菜室１ｃ内に導入されるようになっている。
【００２５】スターリング冷凍機６のコールドヘッド６２は、断熱材２を貫通して冷気ダクト９ａ内に臨んでおり、その先端には冷凍用熱交換器１０が装着されている。冷凍用熱交換器１０周辺の構成を図２の斜視図に示すと、冷凍用熱交換器１０はアルミニウムや銅等の熱伝導性に優れた材料からなる基板部１０１と、該基板部１０１の一方の面に取り付けられた複数枚のフィン１０２とからなるものである。尚、冷蔵用熱交換器１１についても、基本的には冷凍用熱交換器１０と同様の構成であり、基板部１１１と、複数枚のフィン１１２とからなる。
【００２６】そして、冷凍用熱交換器１０は、基板部１０１が鉛直方向となるような状態で冷気ダクト９ａ（図１参照）内に配置されている。一方、冷蔵用熱交換器１１は、基板部１１１が鉛直方向となるような状態で冷気ダクト９ｂ（図１参照）内に配置されている。冷却ファン１２ａ，１２ｂはそれぞれ独立した制御が行われ、食品を収容した冷凍室１ａ，冷蔵室１ｂの負荷状態に応じて適当な風量に調整される。
【００２７】基板部１０１のフィン１０２に相対する面の二箇所にはネジ穴１０１ａ，１０１ａが開けられている。これらのネジ穴１０１ａ，１０１ａの位置は、コールドヘッド６２の先端部の二箇所に設けたネジ固定部６２ａ，６２ａに対応している。従って、コールドヘッド６２の先端面が充分な圧力を持って密着するようにネジ固定部６２ａ及びネジ穴１０１ａを通したネジ１６を締め付けて冷凍用熱交換器１０をスターリング冷凍機６に固定できる。
【００２８】このとき、その接着面には熱伝導性に優れたシリコン油やシリコンゴムシート等からなる密着材１５を介在させており、コールドヘッド６２と基板部１０１との密着性をいっそう高めている。これにより、コールドヘッド６２からの吸熱が促進され、基板部１０１を効率よく冷却することができる。
【００２９】また、コールドヘッド６２の外周面の一部には、シリンダ２１の軸線に対し垂直な方向に略平行、かつ、等間隔な複数の溝部６２ｂが凹設されてりる。そして、図３に示すように、複数のヒートパイプ１３の一端側が溝部６２ｂに圧入等の手段により圧接し、コールドヘッド６２に巻き付けられている。
【００３０】一方、冷蔵用熱交換器１１の基板部１１１のフィン１１２に相対する面には、前記ヒートパイプ１３の本数と等しい数の溝部１１１ａが鉛直方向に延びて略平行、かつ、等間隔に陥没形成されている。そして、図２に示すように、ヒートパイプ１３の他端側が仕切壁４（図１参照）を貫通して溝部１１１ａに圧入されている。
【００３１】尚、ヒートパイプ１３の冷媒としては、冷蔵庫に利用される０〜−４０℃の範囲で有効であり、オゾン層を破壊する心配がなく地球温暖化係数が低いことから、二酸化炭素等の炭酸ガス、プロパン、ブタン、ペンタン等の炭化水素ガス、又はアンモニア等が採用される。
【００３２】次に、以上のように構成される冷蔵庫の使用形態について図１及び図２を参照して説明する。スターリング冷凍機６に入力を与えてピストン２２及びディスプレーサ２３を駆動させると、上記の原理に従ってコールドヘッド６２が低温に冷却される。更にコールドヘッド６２は冷凍用熱交換器１０の基板部１０１を冷却し、表面積の大きなフィン１０２を介して空気から熱を吸熱して冷却する。
【００３３】ファン１２ａの回転によってダクト９ａ内に吸い込まれた空気は、フィン１０２を通過する際に熱交換され、矢印のように冷凍室１ａ内に送出され、冷凍室１ａ内を循環して冷却した後、再び冷気ダクト９ａ内に吸い込まれ、冷凍用熱交換器１０の上流側に戻っていく。そして、上記と同様に冷気が繰り返し循環することで冷凍室１ａ内が速やかに設定温度まで冷却される。
【００３４】また、ヒートパイプ１３の上端部でコールドヘッド６２により冷却され液化したガス冷媒は、冷蔵用熱交換器１１の基板部１１１に接続された下端側に移動し、表面積の大きなフィン１１２を介して空気から気化熱を吸熱して冷却する。これにより、ガス冷媒は蒸発して気体となり、ヒートパイプ１３内を自然に上昇し、上端のコールドヘッド６２側へ移動し、再び液化して熱交換に寄与することとなる。
【００３５】ファン１２ｂの回転によってダクト９ｂ内に吸い込まれた空気は、フィン１１２を通過する際に熱交換されて、矢印のように冷蔵室１ｂ内に送出され、冷蔵室１ｂ及び野菜室１ｃ内を循環して冷却した後、再び冷気ダクト９ｂ内に吸い込まれ、冷蔵用熱交換器１１の上流側に戻っていく。そして、上記と同様に冷気が繰り返し循環することで冷蔵室１ｂ及び野菜室１ｃ内が速やかに設定温度まで冷却される。
【００３６】これによると、庫内の空気から熱を吸熱する有効吸熱面積が増大し、冷凍室１ａ内を冷凍用熱交換器１０によって効率よく冷却できるとともに、コールドヘッド６２と冷蔵室１ｂの温度差を利用してヒートパイプ１３を作動させることで、冷蔵室１ｂ内を冷蔵用熱交換器１１によって効率よく冷却できる。従って、冷凍用熱交換器１０のみによって庫内全体の空気と熱交換して、庫内を冷却する場合に比し、スターリング冷凍機６への入力を削減でき、大幅な省エネが図られる。
【００３７】＜第２の実施形態＞本発明の第２の実施形態について図１及び図４を参照して説明する。尚、図４において、図２に示す上記第１の実施形態に係る冷蔵庫と共通の部材には同一の符号を附し、その詳細な説明を省略する。
【００３８】本実施形態に特徴的な構成は、冷凍用熱交換器１０の基板部１０１のフィン１０２に相対する面の一部に鉛直方向に延びて略平行、かつ、等間隔な複数の溝部１０１ｂを陥没形成するとともに、冷蔵用熱交換器１１の基板部１１１にも同様に、上記溝部１０１ｂに対応した複数の溝部１１１ａを形成し、複数本のヒートパイプをこれらの溝部１０１ｂ，１１１ａ内に圧入したことである。
【００３９】これによると、庫内の空気から熱を吸熱する有効吸熱面積が増大し、冷凍室１ａ内を冷凍用熱交換器１０によって効率よく冷却できるとともに、冷凍用熱交換器１０と冷蔵室１ｂの温度差を利用してヒートパイプ１３を作動させることで、冷蔵室１ｂ内を冷蔵用熱交換器１１によって効率よく冷却できる。従って、冷凍用熱交換器１０のみによって庫内全体の空気と熱交換して、庫内を冷却する場合に比し、スターリング冷凍機６への入力を削減でき、大幅な省エネが図られる。
【００４０】更に、スターリング冷凍機６のコールドヘッド６２部分の構造が簡略化され、省スペース化及び冷蔵庫のコストダウンが図られる。更に、ヒートパイプ１３の高い熱拡散性により、基板部１０１及び１１１はそれぞれに均温化されるため、熱交換効率が向上する。
【００４１】
【発明の効果】以上説明したように本発明によると、スターリング冷凍機の吸熱部を冷凍用熱交換器に装着して前記冷凍用熱交換器を冷却し、前記吸熱部又は前記冷凍用熱交換器と冷蔵用熱交換器とをヒートパイプを介して熱交換させることにより前記冷蔵用熱交換器を冷却するようにしたことにより、庫内の空気から熱を吸熱する有効吸熱面積が増大し、冷凍室内を冷凍用熱交換器によって効率よく冷却できるとともに、前記吸熱部又は前記冷凍用熱交換器と冷蔵室との温度差を利用してヒートパイプを作動させることで、冷蔵室内を冷蔵用熱交換器によって効率よく冷却できる。従って、冷凍用熱交換器のみによって庫内全体の空気と熱交換して、庫内を冷却する場合に比し、スターリング冷凍機への入力を削減でき、大幅な省エネが図られる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００５０４９
【氏名又は名称】シャープ株式会社
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| 【出願日】 |
平成１２年１１月２８日（２０００．１１．２８） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００８５５０１
【弁理士】
【氏名又は名称】佐野 静夫
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| 【公開番号】 |
特開２００２−１６２１５２（Ｐ２００２−１６２１５２Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１４年６月７日（２００２．６．７） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−３６０４８７（Ｐ２０００−３６０４８７） |
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