JP2001033139A - 冷蔵庫 - Google Patents

冷蔵庫

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型で軽量かつエネルギー効率の高い冷蔵庫
を提供する。 【解決手段】 周囲が断熱部材で囲んでなる冷凍キャビ
ネット３の一側部にスターリング冷凍機１を取り付け、
この冷気をサーマルサイフォン２を介してキャビネット
３内を冷却可能とするものである。スターリング冷凍機
１の吸熱部４ｃにサーマルサイフォン２を構成する凝縮
器部２ａを巻回し、その両端の液体ライン２ｃ及び気体
ライン２ｄはキャビネット３の壁部を通って、収納部の
壁面に沿って配設してある蒸発器部２ｂと連結してあ
る。サーマルサイフォン２内には冷媒としてのＣＯ2等
の流体が充填してあり、これらの冷媒がサーマルサイフ
ォン内を循環する際に相変化することによりキャビネッ
ト内を冷却可能である。小型かつ軽量で電力の消費が極
めて少ないので、車載用として座席に隣接して設置可能
かつ運搬容易であるので野外レジャー用としても重宝で
ある。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば車の座席の
脇など狭い設置スペースに設置可能かつこれを取り外し
て携帯用とすることも可能にした小型の冷蔵庫に関する
ものである。
【０００２】
【従来の技術】冷蔵庫や冷凍庫など、壁で囲まれた内部
の冷却手段としては、冷媒を圧縮・膨張させる過程にお
いて吸熱作用を起こさせ、これを熱交換することにより
周囲を冷却するいわゆるランキンサイクルコンプレッサ
冷凍機（以下「ランキンサイクル」という）が知られて
いる。このランキンサイクルは、圧縮・膨脹等をさせる
ためのコンプレッサやコンデンサ等が冷凍庫等の外部に
備え付けられており、これらの各サイクルをモータの回
転により行うものである。
【０００３】ランキンサイクルの冷蔵庫は、車載用の冷
蔵庫としては広い設置場所が取り難く、廃熱の処理など
の問題があることから、その設置は敬遠されている。車
内への設置の要望が強い場合には、トランクルームなど
座席から離れた取り扱いの面倒な場所へ設置する場合に
のみ採用可能となっているのが現状である。
【０００４】また、最近ではペルチエ素子を用いて車載
用冷蔵庫や自動販売機等の冷蔵手段に適用されるように
なって来ている。ペルチエ素子を利用した冷蔵庫は、コ
ンプレッサやコンデンサを設ける必要がなく、従ってフ
ッ素ガスなどの有害物質も用いない上に、小型化が進ん
でいるため、遅転席の隣りや後部座席間に設けることが
可能となっていることから、かなりの数の乗用車等に採
用されつつある。
【０００５】さらにまた、最近提案されたスターリング
クーリングシステムを利用した冷凍機（以下「スターリ
ング冷凍機」という）は、携帯可能かつ外部にコンプレ
ッサやコンデンサ等を備えていない自己冷却型の冷凍シ
ステムであり、小型で低消費電力かつ高エネルギー効率
性を有するものであるため自動車の車内に搭載したり、
携帯用として野外で生鮮食品等の冷蔵に使用可能とした
ものとして注目されている。
【０００６】スターリング冷凍機による冷却効率は例え
ば、３０リットルの携帯用冷蔵庫の場合の消費電力は５
Ｗ以下であり、２００リットルの単温度ユニットでは８
Ｗ以下となっている。このことは小さなソーラーシステ
ムやバッテリーの電力により使用可能とするものであ
る。さらに騒音が少なく冷媒として大気に有害なフッ素
ガスを用いず、微量のへリウム（Ｈｅ）を使用するだけ
なので、地球環境に優しいものとなっている。ここでは
スターリング冷凍機１による冷却効果を熱伝導性の高い
金属でしかも比重の小さいアルミニウム材を介して、キ
ャビネット内を冷却させるようにしてある。
【０００７】図３は、上記のスターリング冷凍機を採用
した冷蔵庫の冷却原理を示すものである。スターリング
冷凍機１は小さな径で示してある部分にピストンやディ
スプレイサー及びリニアモータなどの冷媒を循環させる
ための要素が収納されており、その基部が放熱部４ａと
なっている。ここには銅板製のフィン４ｂが取り付けて
ある。この小さな径で示してある部分の先端部（上端）
が吸熱部４ｃとなっている。
【０００８】スターリング冷凍機１の吸熱部４ｃは、ア
ルミニウム鋳物でキャビネット２１の底板部に対応する
ように成形してなる冷却部材２２の中央部に固定してあ
る。吸熱部４ｃと冷却部材２２とは、熱伝導性を低下さ
せないようにするために固く結合してある。さらに冷却
部材２２はキャビネットの底板部でキャビネットの内張
りを兼ねるアルミニウム板２３と当接して熱伝導効率の
向上を図ってある。キャビネットの外装２４は発泡スチ
ロールなど軽量かつ断熱性の高い部材を用い、さらに取
付や携帯に必要なバンド等が装着してある（図示略）。
スターリング冷凍機１は冷却効果を高くするために大き
な径で示してある部分の下端部にはファンが設けてある
が、スターリング冷凍機自体が小さいものであるので、
キャビネットに対してファンの比率は小さく全体的に軽
量化したものとなっている。ただ、スターリング冷凍機
がキャビネットの底部に縦に設置されるものであるた
め、全体の高さが高くなってしまう弱点がある。
【０００９】これに対しては、図４に示すように、スタ
ーリング冷凍機１をキャビネット３１の底部に横に取り
付けるようにすることも可能である。この場合には冷却
部材３２を底部から下方に突出した取付部３２ａを設
け、ここにスターリング冷凍機１の吸熱部４ｃを固定し
てある。キャビネットの内張り３３及び外装３４は図３
に準じたものとなっている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】上記したランキンサイ
クルシステムを利用した冷蔵庫については、冷媒の環境
に及ぼす影響などを考慮すると、上述の製造上の短所と
併せて、携帯用又は車載用の冷蔵庫としてこれ以上採用
を促進することには限界がある。
【００１１】これに対し、ペルチエ素子を利用した冷蔵
庫は小型化及び環境問題をクリアする長所を有するもの
であるといえる。しかしながら、ペルチエ素子は現在の
技術水準においては、冷凍効率が低く、小さな内容積の
冷蔵庫でも大きな電力を必要とするため、自動車の燃料
消費率が高くなり、エンジン停止時にはバッテリーが枯
渇してしまう問題がある。さらにエンジンのシリンダ容
積が１０００ｍ１未満のいわゆる軽自動車などでは、発
電能カが小さいためにこのような冷蔵庫は使用に耐えな
いものとなってしまう間題がある。
【００１２】また、アウトドアレジャーの普及に伴ない
戸外のバーベキューなどに冷たいビールやジュース等を
要望される場合などもあるが、このような場合には冷蔵
庫を携帯して屋外等において使用可能とすることが要求
される。しかし電力消費の大きいペルチエ素子利用の冷
蔵庫では、電力の供給が困難であるためこのような要求
には対応できない問題もある。
【００１３】そこで、電力消費の少ないスターリング冷
凍機の利用が検討され、これを利用するために、吸熱部
にファンで空気の流れを作って冷たい空気をキャビネッ
ト内部に送り込んだり、アルミニウムなどの直接伝導の
熱交換手段が用いられたりしている。
【００１４】上記したスターリング冷凍機は、小型かつ
高性能であるために携帯用あるいは車載用冷蔵庫の冷凍
システムとして好適なものであるが、これを採用する場
合には次のような問題が生じる。すなわち、スターリン
グ冷凍機は一端部に設けられた吸熱部で冷却するととも
に、機器本体の中央部近傍に設けられた放熱部で放熱す
る構成となっている。このため、吸熱部はキャビネット
内部に位置し、放熱部はキャビネット外部に位置してフ
ァンなどを用いて放熱効果を高くすることが求められて
いる。しかし、実際にこのような両者の関係を満足させ
るようにスターリング冷凍機をキャビネットに取り付け
ることは困難である。
【００１５】また、図３，４に示すような構成を採用す
るものにあっても熱交換作用が不十分であるため、十分
な冷却効率が得られない短所がある。その上にスターリ
ング冷凍機の構造上、その設置位置がどうしてもキャビ
ネットの下部とならざるを得ないため、全体の高さが大
きくなってしまう他、放熱性が不十分となっている問題
がある。
【００１６】そこで本発明の目的は、構成が簡単かつ高
いエネルギー効率でスターリング冷凍機を利用可能にし
た車載用又は携帯用あるいは狭いスペースにも設置可能
な冷蔵庫を安価に提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明の冷蔵庫は、スターリング冷凍機の吸熱部の
冷気を抽出してキャビネット内を冷却可能とするため
に、流体が循環可能な伝熱パイプからなるサーマルサイ
フォンを採用してある。
【００１８】サーマルサイフォンは、銅又はアルミニウ
ム管を実質的にエンドレス状につないだものに、二酸化
炭素（ＣＯ2）又はブタン（Ｃ4Ｈ10）等の冷媒ガスを充
填したものからなり、スターリング冷凍機の吸熱部にこ
のパイプを複数回きつく巻回してこれを凝縮器部とし、
パイプ中の流体を気体から液体に変化させる役割を果た
すようにしたものである。
【００１９】凝縮器部の一端は、小径の液体ラインを経
てキャビネット内に設けられた蒸発器部に移動し、キャ
ビネット内の温い温度によりパイプが温められて、液体
から気体に変化する。この時この相変化のために起る吸
熱作用によりキャビネット内が冷却される。ここで気体
に変化した流体は蒸発器部を通り、さらにそこから気体
ラインを経て凝縮器部へ戻り、再び液体に相変化するサ
イクルを順次繰り返すことによりキャビネット内の冷却
作用を続ける。
【００２０】キャビネットへのスターリング冷凍機の装
着に際しては、これを垂直かつ吸熱部が上になるように
取り付け、凝縮器部で液化した流体が高所から流出しや
すくしてある。これによりサーマルサイフォン内の液体
の循環を促進して熱交換作用の促進を図ってある。
【００２１】また、液体ラインは、高所に設けられた凝
縮器部の下端部と、低所に設けられた蒸発器部の下端部
とを落差を有するように結んで凝縮器部で液化した流体
が重力作用によって移動が容易になるようにしてある。
これとともに、流路面積を小さくして蒸発器部で蒸発し
た気体の逆流を困難としてある。
【００２２】気体ラインは、低所にある蒸発器部の上端
部と高所にある凝縮器部の上端部とを流体の上昇路とな
るように結んで蒸発器部で加熱されて気化された蒸気の
移動を容易にしてある。こうして上記の両ラインにより
サーマルサイフォンにおける流体の循環が円滑に行われ
るようにしてある。
【００２３】この手段によれば、スターリング冷凍機の
吸熱部をキャビネット内に位置させる必要がないので、
スターリング冷凍機をキャビネットの外部の任意の位置
に設置可能であり、スターリング冷凍機の放熱部の冷却
にも支障を生じない。
【００２４】
【発明の実施の形態】初めに本発明における冷凍システ
ムの原理について説明する。
【００２５】図１は、本発明に係る冷凍システムを概念
的に示したものであり、スターリング冷凍機１にサーマ
ルサイフォン２を設けることにより、冷蔵庫（キャビネ
ット）３内を冷却可能とするものである。
【００２６】スターリング冷凍機１は、既述したように
小型・軽量で高エネルギー効率を有する冷凍システムで
あり、３０リットルの容積を冷却する携帯用冷蔵庫で５
Ｗ以下の電力消費とする実績を有するものである。
【００２７】スターリング冷凍機１は、エネルギー効率
が高く、低騒音かつ軽量であるという特徴を有するもの
で、従来のランキンサイクルタイプの冷凍システムと比
較して桁違いの高性能を示すものである。このような高
性能化を実現した背景には、冷媒ガスを変化させる冷凍
サイクルをシリンダ内で行うようにしてあり、冷媒ガス
としては少量のヘリウム（Ｈｅ）を用い、ピストンの往
復移動の駆動源としてリニアモータを採用したことにあ
る。
【００２８】ここでスターリング冷凍機１の構成の概要
について説明する。図１に示すように、段差状の円筒体
からなるボディ４の中央部が放熱部４ａとなっており、
その周囲に銅製のフィン４ｂが設けてある。ボディの細
径になっている部分の上端部が吸熱部４ｃとなってお
り、この吸熱部は僅かの時間でマイナス２０℃程度に冷
却可能となっている。ボディ４の下端部には冷却ファン
４ｄが設けてあり、図示していないピストンやリニアモ
ータ等を冷却可能としてある。
【００２９】上記したように、スターリング冷凍機１
は、構成上コンプレッサもこれを駆動するモーターも、
さらにはコンデンサも不要である上に熱交換手段も不要
となるため、同じ冷却能力を得るためにはランキンサイ
クルの時の数分の１のスペースと僅かな消費電力で間に
合うことになる。
【００３０】サーマルサイフォン２は、銅又はアルミニ
ウム製のパイプを実質的にエンドレスにつなぎ、パイプ
中に冷媒ガスとして二酸化炭素（ＣＯ2）又はブタン
（Ｃ4Ｈ 10）を充填したものからなる。サーマルサイフ
ォン２はスターリング冷凍機１の吸熱部４ｃにきつく巻
回してなる凝縮器部２ａと、キャビネット３内にて蛇行
状に配管してなる蒸発器部２ｂ及び凝縮器部から蒸発器
部へ液体を輸送する小径管からなる液体ライン２ｃと、
蒸発器部から凝縮器部へ気体を帰還させる気体ライン２
ｄとによって構成されている。冷媒ガスとしては上記の
他、アセトン、エタノール等も採用可能である。
【００３１】凝縮器部２ａは、吸熱部４ｃにより冷却さ
れて、冷媒ガスが凝縮して気体から液体に相変化し、相
変化により容積が減少した液体がサーマルサイフォンの
液体ライン２ｃを通って蒸発器部２ｂへ移動する。
【００３２】蒸発器部２ｂでは、パイプの蛇行している
部分がキャビネット内部の温度により外から加熱され
て、冷媒を液体から気体に相変化させる。ここでは相変
化のために大量の気化熱を要するため、吸熱作用が起き
てキャビネット内が冷却される。蒸発器部２ｂで気化し
た流体（冷媒）は気体ライン２ｄを通って凝縮器部２ａ
に戻る。凝縮器部２ａでは冷媒が再び冷却され、凝縮に
より容積が減少して負圧となり、気体ライン２ｄ内の流
体を吸引することによりサーマルサイフォン内の流れに
方向性を与える。
【００３３】また、液体ライン２ｃは細径として流路面
積を小さくしてあるが、これは蒸発器部で気化した気体
の逆流を困難にする働きをするものである。細径にして
も凝縮器部２ａでは、流体が冷却により液化して容積が
減少しているため液体の流通には支障を生じない。な
お、液体ライン２ｃの流路面積は、サーマルサイフォン
の全体を同一内径のパイプで構成し、パイプ内に部分的
に芯を通して流路面積を小さくするようにしてもよい。
【００３４】こうして、サーマルサイフォン２は、パイ
プ内の流体の温度・圧力及び容積変化により流体を循環
させ、凝縮と蒸発との相変化のサイクルを繰り返すこと
によりキャビネット３内の温度を低下可能とするもので
ある。
【００３５】図２は、本発明に係る冷蔵庫の外観を示し
ている。図２に示すように、スターリング冷凍機１をキ
ャビネット３の一側部に、バンドなどの装着手段を用い
て吸熱部４ｃが上になるように取り付けてある。収納部
３ａには、温度変化を電流値の変化によって測定する温
度計（図示略）が設けてあり、温度測定のデータはキャ
ビネットの外側部に設けてある制御盤（図示略）に出力
可能としてある。この制御盤には、電源スイッチや温度
調整用つまみ及び冷却温度表示窓が設けてあり、収納部
３ａ内の温度を表示可能としてある。
【００３６】吸熱部４ｃに巻回されたサーマルサイフォ
ン２の液体ライン２ｃ及び気体ライン２ｄは、キャビネ
ット３の一側部を貫通してキャビネットの収納部３ａ内
に配設してある蒸発器部２ｂ（図１参照）と連結してあ
る。収納部３ａ内に導かれた気体ライン２ｃは、収納部
の底部近くまで垂下して蒸発器部２ｂと連結してある。
蒸発器部２ｂは、キャビネットの内周部に沿って２〜３
周した後、気体ライン２ｄの下端部と連結してある。気
体ライン２ｄは垂直に立ち上げられて、上記したよう
に、その上端部がキャビネット３の一側部を貫通して凝
縮機部２ａと連結してある。
【００３７】収納部３ａの内周部には、アルミニウム薄
板からなる内張り３ｂがしてあり、サーマルサイフォン
の損傷を防ぐとともにジュースなどの出し入れの際に手
などが触れることを防止可能としてある。収納部３ａは
蓋３ｃにより開閉自在としてある。
【００３８】従来の冷蔵庫をアウトドア用として車に取
り付ける場合には、トランクや後部バッゲージ内に限定
されていたが、本発明による冷蔵庫を車載用として採用
すれば、小型・軽量かつ低騒音であるために後部座席の
シート間や、運転席と助手席との間等の狭いスペースに
も設置可能となる。また、本発明における冷蔵庫は、低
エネルギー消費、例えば通常の車載用の場合で３〜４Ｗ
で十分な冷却効果が得られるので、車のバッテリーの負
担を著しく軽減可能となる。さらには従来の冷蔵庫では
電力消費量が大きいために小型車には採用できなかった
が、本発明の冷蔵庫は容積が１０００ｍ１未満の軽車両
でも十分に使用可能である。
【００３９】上記したように、本発明の冷蔵庫は小型か
つ軽量である上に低エネルギー消費の性能を有するため
車載用として優れた性質を備える他、携帯や狭いスペー
スへの設置に便利である。また、車載用の他マリーンス
ポーツ用の船舶や航空機への搭載用としての用途にも十
分に採用可能なものである。また、このような低エネル
ギー消費性能を有する故に太陽電池利用のソーラシステ
ムとの結合性がよく、小さなソーラパネルと電圧制御装
置とを備えるだけで長時間の運転が可能となるので、こ
の冷蔵庫と発電システムとを同時に運搬容易であるた
め、アウトドア用品としての用途拡大が期待できるもの
である。
【００４０】
【発明の効果】本発明によれば、上記のような優れた性
能を有ずるスターリング冷凍機と冷蔵庫のキャビネット
とをサーマルサイフォンによって結合してあるため、簡
単な構造でしかも冷却能率の高い冷蔵庫とすることが可
能となる。
【００４１】本発明は、冷蔵庫の冷凍システムとしてエ
ネルギー効率に秀れ、小型で軽量なスターリング冷凍機
を採用してあるため、車載用としてどのような車体にも
搭載可能であることは元より、車内の座席の横等狭いス
ペースにも設置可能となるので非常に便利なものとな
る。
【００４２】また、消費電力が小さいため、ソーラシス
テムとの結合性にも適しているので携帯性に優れてお
り、車外に持ち出して野外パーティーなどをする場合に
も十分に役立つので、これからのレジャー用品として好
適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例の構成を示す概略図
である。
【図２】同、全体の外観を示す斜視図である。
【図３】スターリング冷凍機を採用した従来例の要部を
示す断面図である。
【図４】スターリング冷凍機を採用した他の従来例の要
部を示す断面図である。
【符号の説明】
１ スターリング冷凍機 ２ サーマルサイフォン ２ａ 凝縮器部 ２ｂ 蒸発器部 ２ｃ 液体ライン ２ｄ 気体ライン ３ キャビネット ４ｃ 吸熱部

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 冷凍キャビネットの一側部にいわゆるス
    ターリング冷凍機が固定してあり、 上記スターリング冷凍機の一端に設けられた吸熱部には
    実質的にエンドレスパイプからなるサーマルサイフォン
    の特定の範囲が複数回に巻回してなる凝縮器部が設けて
    あり、 上記冷凍キャビネットの内部には上記サーマルサイフォ
    ンの他の特定の範囲が当該キャビネットの内周部に沿っ
    て複数周するように配設してなる蒸発器部が設けてあ
    り、 上記凝縮器部と上記蒸発器部とは上記凝縮器部で液化し
    た流体の通路となる液体ラインを介してつながってお
    り、 上記蒸発器部と上記凝縮器部とは上記蒸発器部で気化し
    た流体が上記凝縮器部に帰還する通路となる気体ライン
    を介してつながっており、 上記サーマルサイフォン内を循環する上記流体の相変化
    のサイクルを繰り返すことにより上記キャビネットの内
    部を冷却可能としてあることを特徴とする冷蔵庫。
  2. 【請求項２】 請求項１において、上記スターリング冷
    凍機は上記キャビネットの一側部に垂直かつ上記吸熱部
    が上に位置するように装着してあることを特徴とする冷
    蔵庫。
  3. 【請求項３】 請求項１又は２において、上記サーマル
    サイフォンの上記液体ラインは上記凝縮器部の下端部か
    ら上記蒸発器部の下端部を結んで落差を有するように設
    けてあり、上記気体ラインは上記蒸発器部の上端部から
    上記凝縮器部の上端部に上記流体が上昇可能に設けてあ
    ることを特徴とする冷蔵庫。
  4. 【請求項４】 請求項１乃至３のいずれかにおいて、上
    記サーマルサイフォンの上記液体ラインの流路面積は蒸
    発器部の流路面積よりも小さくしてあることを特徴とす
    る冷蔵庫。
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