JP2004069162A - スターリング冷蔵庫 - Google Patents

Abstract

【課題】冷蔵室内に貯蔵されている食品の乾燥を抑止することができる、スターリング冷蔵庫を提供する。
【解決手段】本発明のスターリング冷蔵庫１は、スターリング冷凍機３と、仕切られた冷蔵室８と、スターリング冷凍機３によって冷却された冷媒の冷熱を冷蔵室８内に与えるための冷蔵室専用冷却器６と、スターリング冷凍機３によって冷却された冷媒の流量のうち、冷蔵室専用冷却器６へ流す流量を制御するための流量制御弁５とを備える。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スターリング冷凍機を備えたスターリング冷蔵庫に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、冷凍冷蔵庫などの冷却手段として、冷媒にフロンを用いた蒸気圧縮式冷凍サイクルが一般に用いられている。このフロン冷媒はオゾン破壊係数が大きいため、近年、フロンのうち特定フロンを対象として使用と生産とが規制されてきている。このため、特定フロンを用いなくてもすむ技術として、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などの研究が進められている。
【０００３】
スターリング冷凍機は、外部動力によってディスプレーサピストンを駆動させて冷媒を圧縮、膨張させ、それを繰り返すことにより放熱、吸熱を行う。冷媒にヘリウムガスなどの不活性ガスを利用するため、地球環境に影響を及ぼすことなく有効に低温を得ることができる。
【０００４】
特開平７−１８０９２１号公報に開示された冷蔵庫では、スターリング冷凍機で発生した冷熱を２次冷媒を介して庫内の空気と熱交換させている。図７はこの冷蔵庫の構成を示す概略図である。図７を参照して、スターリング冷蔵庫本体２００の庫内には庫内の空気を冷却する冷却器２０１が設けられており、機械室２０２内にはスターリング冷凍機２０３が設けられている。スターリング冷凍機２０３のフィン２１４を含む低温部２０４と冷却器２０１とは、２次冷媒が充填された配管２１３によって接続されている。これにより、膨張空間を含む低温部２０４の冷熱が配管２１３を介して冷却器２０１に伝えられ、冷却器２０１により庫内に放出されることにより、庫内を冷却している。また、スターリング冷凍機には、圧縮空間２１５を含む高温部が設けられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記構成の従来技術で冷蔵室を冷却する場合、スターリング冷凍機の出力を変化させることのみによって冷蔵室に必要な冷熱量の変化に対応することになる。しかし、外気温の低い時には、冷蔵室の室内温度と冷蔵室の基準温度との差が小さくなり、冷蔵室に必要な冷熱量も小さくなる。このような場合に、スターリング冷凍機２０３が出力する冷熱量は冷蔵室に必要な冷熱量に比べて大きすぎるため、冷蔵室が過度に冷却されてしまう。そしてその結果、冷蔵室の基準温度よりも冷蔵室の室内温度は極端に低くなってしまう。冷蔵室の室内温度が極端に低い温度になると、特に温度の低い冷却器２０１付近に霜が発生しやすくなる。これにより、冷蔵庫内の湿度が低下し、貯蔵されている食品が乾燥するという問題があった。
【０００６】
そこで本発明は、冷蔵室内に貯蔵されている食品の乾燥を抑止することができる、スターリング冷蔵庫を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のスターリング冷蔵庫は、スターリング冷凍機と、仕切られた冷蔵室と、スターリング冷凍機によって冷却された冷媒の冷熱を冷蔵室内に与えるための冷蔵室用冷却器と、スターリング冷凍機によって冷却された冷媒の流量のうち、冷蔵室用冷却器へ流す流量を制御するための流量制御弁とを備えている。
【０００８】
本発明のスターリング冷蔵庫によれば、冷蔵室の室内温度と冷蔵室の基準温度との差、言いかえれば冷蔵室に必要な冷熱量に応じて、冷蔵室用冷却器へ供給される冷媒の流量が流量制御弁により制御される。したがって、冷蔵室の室内温度と冷蔵室の基準温度との差が小さいときには、スターリング冷凍機の出力が抑えられるとともに、流量制御弁により冷蔵室用冷却器へ供給される冷媒の流量を少なく抑えることが可能となる。これにより、冷蔵室が過度に冷却されることはなくなり、霜の発生による冷蔵室内の湿度の低下が抑止され、冷蔵室内に貯蔵されている食品の乾燥が抑止される。
【０００９】
上記本発明のスターリング冷蔵庫において好ましくは、断熱仕切壁によって冷蔵室から仕切られた冷凍室と、スターリング冷凍機によって冷却された冷媒の冷熱を冷凍室内に与えるための冷凍室用冷却器とがさらに備えられている。
【００１０】
通常、冷蔵室および冷凍室の各々で必要な冷熱量は異なるが、この構成により、冷蔵室および冷凍室の各々での必要な冷熱量の割合に応じて、流量制御弁により冷蔵室用冷却器および冷凍室用冷却器へ供給される各々の冷媒の流量が制御される。また、冷蔵庫全体で必要な冷熱量に応じてスターリング冷凍機の出力が調節される。したがって、冷蔵室および冷凍室の室内温度が独立に制御可能となる。
【００１１】
上記本発明のスターリング冷蔵庫において好ましくは、スターリング冷凍機は、冷蔵室用冷却器と冷凍室用冷却器よりも上方に配置されている。
【００１２】
この構成により、スターリング冷凍機で冷却された冷媒は、冷却により比重が大きくなっているため自然降下し、スターリング冷凍機よりも下方にある冷蔵室用冷却器または冷凍室用冷却器に到達し、そこで冷熱を放出する。冷熱を放出することにより冷媒の比重は小さくなるため、冷媒は管路内を自然上昇し、各冷却器より上方にあるスターリング冷凍機に戻ってくる。このようにスターリング冷凍機と各冷却器との位置関係を設定することで冷媒の循環が促進される。
【００１３】
上記本発明のスターリング冷蔵庫において好ましくは、冷蔵室用冷却器は、蛇行したフィンなしの管より構成されており、かつスターリング冷蔵庫の背面の壁内に配置されている。
【００１４】
この構成により冷蔵室用冷却器はフィンを有さない簡易な構成となり、かつ冷蔵室の壁内に配置されるため、冷蔵室のスペースをより大きくとることができる。ここでフィンなしの管とは、フィンを持たず、内部に冷媒が充填可能な通常の管のみから構成されるものを意味する。また、背面とは冷蔵室の扉を設ける部分を前面としたときの反対側の面を意味する。
【００１５】
上記本発明のスターリング冷蔵庫において好ましくは、冷媒は二酸化炭素である。
【００１６】
二酸化炭素はオゾン層を破壊しない物質であり、地球環境への影響がほとんどないので好ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるスターリング冷蔵庫の断面図である。
【００１８】
図１を参照して、スターリング冷蔵庫１は、冷蔵庫本体２と、スターリング冷凍機３と、断熱仕切壁４と、流量制御弁５と、冷蔵室専用冷却器６と、冷凍室専用冷却器７と、冷蔵室専用冷気循環ファン１１と、冷凍室専用冷気循環ファン１２とを主に有している。
【００１９】
冷蔵庫本体２は、断熱仕切壁４によって上部空間と下部空間とに分けられている。上部空間は冷蔵室８であり、下部空間は冷凍室９である。冷蔵室８は扉８ａを有していて、これにより冷蔵室８の前面が開閉される。冷凍室９は扉９ａを有していて、これにより冷凍室９の前面が開閉される。
【００２０】
冷蔵室８の庫内背面には冷蔵室専用冷却器６と冷蔵室専用冷気循環ファン１１とが設けられている。冷凍室９の庫内背面には冷凍室専用冷却器７と冷凍室専用冷気循環ファン１２とが設けられている。冷蔵室専用冷却器６および冷凍室専用冷却器７は、冷蔵室専用冷気循環ファン１１および冷凍室専用冷気循環ファン１２によって冷熱の放出が促進される。
【００２１】
スターリング冷凍機３は、冷蔵室８の後方上部に設けられたスターリング冷凍機室１０に配置されている。また、スターリング冷凍機３は、吸熱部３ａと放熱部３ｂとを有している。冷蔵室専用冷却器６および冷凍室専用冷却器７と流量制御弁５とは、配管１３により閉回路で各々接続されていて、かつ配管１３は、スターリング冷凍機３の吸熱部３ａで冷熱を受け取るように配置されている。
【００２２】
閉回路を構成する配管１３は次の５つの部分に分けられる。すなわち、吸熱部３ａから延び流量制御弁５に接続された第１配管１３ａ、流量制御弁５で第１配管１３ａから分岐して流量制御弁５と冷蔵室専用冷却器６とを接続している第２配管１３ｂ、流量制御弁５で第１配管１３ａから分岐して流量制御弁５と冷凍室専用冷却器７とを接続している第３配管１３ｃ、冷蔵室専用冷却器６と第５配管１３ｅの途中部分とを接続している第４配管１３ｄ、冷凍室専用冷却器７に接続され吸熱部３ａへ延びる第５配管１３ｅである。配管１３の中にはたとえば二酸化炭素などの２次冷媒が充填されている。
【００２３】
本発明において最も注目すべきは、流量制御弁５が設置されていることである。この流量制御弁５は、スターリング冷凍機３によって冷却された２次冷媒の流量のうち冷蔵室専用冷却器６へ流す流量を制御するためのものである。
【００２４】
図２は本発明の実施の形態１におけるスターリング冷蔵庫に用いられる流量制御弁の構成を示す概略断面図である。
【００２５】
図２を参照して、流量制御弁５には３つの配管が接続されている。すなわちスターリング冷凍機３の吸熱部３ａから延びる配管１３ａと、冷蔵室専用冷却器６へ接続されている配管１３ｂと、冷凍室専用冷却器７へ接続されている配管１３ｃとである。また、流量制御弁５は、２次冷媒を通すことのできる内部空間１５を有し、その内部空間１５内に弁板１４を備えている。弁板１４は冷蔵室８および冷凍室９の各々での必要な冷熱量の割合に応じて図中上下方向に移動可能である。具体的には、冷蔵室８に必要な冷熱量が小さい場合には弁板１４は図中下方へ移動する。これにより冷蔵室専用冷却器６に接続されている配管１３ｂへの流路が狭まり、冷蔵室専用冷却器６へ供給される２次冷媒の流量が減少し、冷凍室専用冷却器７へ供給される２次冷媒の流量が増加する。また、冷蔵室８に必要な冷熱量が大きい場合には弁板１４は図中上方へ移動する。これにより冷蔵室専用冷却器６に接続されている配管１３ｂへの流路が広がり、冷蔵室専用冷却器６へ供給される２次冷媒の流量が増加し、冷凍室専用冷却器７へ供給される２次冷媒の流量が減少する。
【００２６】
なお、図１に示すスターリング冷凍機３には、例えば図３に示すようなフリーピストン型のスターリング冷凍機が用いられる。
【００２７】
図３を参照して、フリーピストン型のスターリング冷凍機３では、一端がケーシング１１３で密閉されたシリンダ１０１内に、ディスプレーサ１０３とピストン１０２とが配設されており、これらによって圧縮空間１０８と膨張空間１０９とが形成されている。そして、これらと再生器１０５により閉回路が構成され、この閉回路の作動空間にはヘリウムなどの作動ガスが充填されている。ピストン１０２はスプリング１１９を介して接続されており、リニアモータなどの外部動力によってシリンダ１０１の軸方向に振動可能とされている。ディスプレーサ１０３は、ディスプレーサロッド１０４を介してスプリング１０６に接続され、自由に往復運動することが可能である。
【００２８】
このフリーピストン型のスターリング冷凍機３の動作においては、ピストン１０２により圧縮された圧縮空間１０８内の作動ガスが、シリンダ通気口１１８、流路１１２、高温側熱交換器１１０を通過し、再生器１０５で予冷されて、低温側熱交換器１１４を経由して膨張空間１０９へ移動する。このとき、圧縮空間１０８で生じた熱は高温側熱交換器１１０を介して放熱器１１１から放熱部３ｂ（図１）に放出される。大部分の作動ガスが膨張空間１０９に流入すると、膨張空間１０９の圧力は上昇し、作動ガスはディスプレーサ１０３を押し上げるようにして膨張を始める。そして、ある程度膨張すると、ピストン１０２の復元力によりディスプレーサ１０３は逆に押し上げられ、圧力の低くなった膨張空間１０９内の作動ガスが再び圧縮空間１０８へ移動する。このときに、膨張空間１０９で生じた冷熱は低温側熱交換器１１４を介して吸熱器１１７から吸熱部３ａ（図１）に放出される。そして、大部分の作動ガスが圧縮空間１０８へ移動すると、再びピストン１０２に圧縮されて次のサイクルに移行する。以上のような一連のサイクルが連続的に繰り返されることにより、極低温の冷熱が取り出される。
【００２９】
続いて、本実施の形態のスターリング冷蔵庫における２次冷媒の流れについて説明する。
【００３０】
図４は、本発明の実施の形態１におけるスターリング冷蔵庫の冷凍サイクルを示す図である。図４中の矢印は２次冷媒の流れを示している。
【００３１】
図４を参照して、スターリング冷凍機３の吸熱部３ａで冷熱を得た２次冷媒は、比重が大きくなるため第１配管１３ａ内を自然降下し、流量制御弁５に到達する。流量制御弁５では冷蔵室８および冷凍室９の各々での必要な冷熱量の割合に応じて、冷蔵室専用冷却器６と冷凍室専用冷却器７とに供給される２次冷媒の流量が調節される。流量が調節された２次冷媒の一方は第２配管１３ｂ内を自然降下して冷蔵室専用冷却器６に到達し、その冷蔵室専用冷却器６にて冷熱を冷蔵室８内に放出する。また、流量が調節された２次冷媒の他方は第３配管１３ｃ内を自然降下して冷凍室専用冷却器７に到達し、その冷凍室専用冷却器７にて冷熱を冷凍室９内に放出する。次いで、冷蔵室専用冷却器６および冷凍室専用冷却器７で冷熱を放出した２次冷媒は、比重が小さくなるため、それぞれ第４配管１３ｄ内および第５配管１３ｅ内を自然上昇する。第４配管１３ｄは途中で第５配管１３ｅと合流しているので、２次冷媒は第５配管１３ｅ内を通って吸熱部３ａへ戻ってくる。これらの動作を繰り返すことにより、吸熱部３ａの冷熱が冷蔵室専用冷却器６および冷凍室専用冷却器７へ搬送可能となる。
【００３２】
本実施の形態においては、冷蔵室８および冷凍室９の各々での必要な冷熱量の割合に応じて、流量制御弁５により冷蔵室専用冷却器６および冷凍室専用冷却器７へ供給される各々の冷媒の流量が調節される。また、スターリング冷蔵庫１全体で必要な冷熱量に応じてスターリング冷凍機３の出力が調節される。したがって、冷蔵室８および冷凍室９の室内温度が独立に制御可能となる。
【００３３】
また、冷蔵室８の室内温度と冷蔵室８の基準温度との差が小さいときには、スターリング冷凍機３の出力が抑えられるとともに、流量制御弁５により冷蔵室専用冷却器６へ供給される冷媒の流量を少なく抑えることが可能となる。これにより、冷蔵室８が過度に冷却されることはなくなり、霜の発生による冷蔵室８内の湿度の低下が抑止され、冷蔵室８内に貯蔵されている食品の乾燥が抑止される。
【００３４】
また、本実施の形態においては、スターリング冷凍機３は、冷蔵室専用冷却器６および冷凍室専用冷却器７よりも上方に配置されている。これにより、スターリング冷凍機３の吸熱部３ａで冷却された２次冷媒は比重が大きくなるために配管１３内を自然降下し、冷蔵室専用冷却器６および冷凍室専用冷却器７で冷熱を放出する。そして冷熱を放出後、２次冷媒は比重が小さくなるために配管１３内を自然上昇する。したがって２次冷媒の循環が促進される。
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２におけるスターリング冷蔵庫の断面図である。
【００３５】
図５を参照して、本実施の形態における冷蔵室専用冷却器６は冷蔵室８内の背面の壁内に設置されている。この、冷蔵室専用冷却器６は、冷蔵室８内に冷熱が放出可能であれば、冷蔵庫本体２の背面部分に完全に埋め入れられる構成でもよいし、予め冷蔵庫本体２の背面側の壁に設けられた溝にはめ込まれる構成でもよい。
【００３６】
図６は本発明の実施の形態２におけるスターリング冷蔵庫に用いられる冷蔵室専用冷却器の構成を示す模式図である。図６を参照して、本実施の形態における冷蔵室専用冷却器６はフィンを持たず、内部に２次冷媒が充填可能な通常の管のみから構成されており、蛇行した形状を有している。
【００３７】
これにより、実施の形態１で示されていた冷蔵室専用冷却器６のスペースの分だけ冷蔵室内の容積効率が上がる。
【００３８】
なお、これ以外の構成については図１に示す実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、同一の部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００３９】
なお、実施の形態１および２では、配管内を２次冷媒が循環される場合について示したが、本発明は２次冷媒に限られるものではなく、たとえばスターリング冷凍機３内で圧縮と膨張とを繰り返す作動ガスの冷媒が循環される構成でもよい。
【００４０】
以上に開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態ではなく、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すべての修正や変形を含むものと意図される。
【００４１】
【発明の効果】
以上のように、本発明のスターリング冷蔵庫によれば、冷蔵室の室内温度と冷蔵室の基準温度との差、言いかえれば冷蔵室に必要な冷熱量に応じて、冷蔵室用冷却器へ供給される冷媒の流量が流量制御弁により制御される。したがって、冷蔵室の室内温度と冷蔵室の基準温度との差が小さいときには、スターリング冷凍機の出力が抑えられるとともに、流量制御弁により冷蔵室用冷却器へ供給される冷媒の流量を少なく抑えることが可能となる。これにより、冷蔵室が過度に冷却されることはなくなり、霜の発生による冷蔵室内の湿度の低下が抑止され、冷蔵室内に貯蔵されている食品の乾燥が抑止される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１におけるスターリング冷蔵庫の断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１におけるスターリング冷蔵庫に用いられる流量制御弁の構成を示す概略断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１におけるスターリング冷蔵庫に用いられるフリーピストン型のスターリング冷凍機の断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１におけるスターリング冷蔵庫の冷凍サイクルを示す図である。
【図５】本発明の実施の形態２におけるスターリング冷蔵庫の断面図である。
【図６】本発明の実施の形態２におけるスターリング冷蔵庫に用いられる冷蔵室専用冷却器の構成を示す模式図である。
【図７】従来のスターリング冷蔵庫の構成を示す概略図である。
【符号の説明】
１　スターリング冷蔵庫、２，２００　冷蔵庫本体、３，２０３　スターリング冷凍機、３ａ　吸熱部、３ｂ　放熱部、４　断熱仕切壁、５　流量制御弁、６冷蔵室専用冷却器、７　冷凍室専用冷却器、８　冷蔵室、８ａ，９ａ　扉、９冷凍室、１０　スターリング冷凍機室、１１　冷蔵室専用冷気循環ファン、１２　冷凍室専用冷気循環ファン、１３，１３ａ〜１３ｅ，２１３　配管、１４　弁板、１５　内部空間、１０１　シリンダ、１０２　ピストン、１０３　ディスプレーサ、１０４　ディスプレーサロッド、１０５　再生器、１０６　スプリング、１０８　圧縮空間、１０９　膨張空間、１１０　高温側熱交換器、１１１　放熱器、１１２　流路、１１３　ケーシング、１１４　低温側熱交換器、１１７吸熱器、１１８　シリンダ通気口、１１９　スプリング、２０１　冷却器、２０２　機械室、２０４　低温部、２１４　フィン、２１５　高温部。

Claims (5)

1. スターリング冷凍機と、
   仕切られた冷蔵室と、
   前記スターリング冷凍機によって冷却された冷媒の冷熱を前記冷蔵室内に与えるための冷蔵室用冷却器と、
   前記スターリング冷凍機によって冷却された冷媒の流量のうち、前記冷蔵室用冷却器へ流す流量を制御するための流量制御弁とを備えた、スターリング冷蔵庫。
2. 断熱仕切壁によって前記冷蔵室から仕切られた冷凍室と、
   前記スターリング冷凍機によって冷却された冷媒の冷熱を前記冷凍室内に与えるための冷凍室用冷却器とをさらに備えた、請求項１に記載のスターリング冷蔵庫。
3. 前記スターリング冷凍機は、前記冷蔵室用冷却器と前記冷凍室用冷却器よりも上方に配置されていることを特徴とする、請求項２に記載のスターリング冷蔵庫。
4. 前記冷蔵室用冷却器は、蛇行したフィンなしの管より構成されており、かつスターリング冷蔵庫の背面の壁内に配置されることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載のスターリング冷蔵庫。
5. 前記冷媒は二酸化炭素である、請求項１から４のいずれかに記載のスターリング冷蔵庫。

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