JP2005233526A

JP2005233526A - 冷却庫

Info

Publication number: JP2005233526A
Application number: JP2004044004A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Miyamura; 博士宮村
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2004-02-20
Filing date: 2004-02-20
Publication date: 2005-09-02

Abstract

【課題】高温側凝縮器自体の高さのため、機械室を縦に大きく設計しなければならず、貯蔵室内の有効内容積が狭くなる。
【解決手段】直方体形状の本体７と、前記本体７内に断熱材１７によって区画した貯蔵室１２と、前記本体７の天井部の後部に区画した機械室８と、前記機械室８内に設置されたスターリング冷凍機２と、前記スターリング冷凍機２の高温部２ａで生じた熱を高温側の二次冷媒によって搬送するためのループ状の熱搬送システム３とを備えた冷却庫１において、
前記熱搬送システム３は、ループ状管路３ｃと、前記スターリング冷凍機２の高温部２ａに設置される高温側蒸発器３ａと、前記ループ状管路３ｃの最上部であって冷却庫本体７の天井壁の上面に設置される高温側凝縮器３ｂとを備え、
前記高温側凝縮器３ｂは、水平面に対して緩やかな勾配θを有する平面Ｐ内で蛇行させた蛇管部３ｃ'と、前記蛇管部３ｃ'に取り付けられた複数の平板フィン３ｄとから構成されることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、スターリング冷凍機を備えた冷蔵庫、冷凍庫、冷凍冷蔵庫などの冷却庫に関するものである。

特許文献１には、冷蔵庫本体の天井壁の上に凝縮器を配置した冷蔵庫が開示されている。この凝縮器は、冷蔵庫本体の天井壁の上面に巡らせた冷媒パイプを金属製の平板状の放熱カバーで覆う構成である。この構成により、冷蔵庫の扉のヒンジ装置又は扉の高さ以下に収まるように凝縮器を冷蔵庫本体の上面に平坦状に配置することが可能となることが記載されている。

この冷蔵庫は、圧縮機によって強制的に冷媒を循環させるものである。従って、凝縮器が圧縮機よりも相当高い位置に配置されていても、また凝縮器を構成する冷媒パイプが上記のように平面的に巡らされていても、安定して冷媒を循環させることができる。
特開２００１−２８０８０４号公報（第００１５、００１６段落及び第２図参照）

これに対し、スターリング冷凍機を備えた冷却庫では、スターリング冷凍機２の駆動により発生する温熱を放熱させるために、図８、図９に示すように、サーモサイフォン（自然循環）を利用した熱搬送システム３を採用することが検討されている。この熱搬送システム３は、ループ状管路３ｃの内部に冷媒を封入しスターリング冷凍機２で生じた熱を冷媒の循環によって搬送するためのものであり、機械室８内の上部であってスターリング冷凍機２よりも高い位置に配置される。

この熱搬送システム３は、ループ状管路３ｃと、スターリング冷凍機２の高温部２ａに装着される高温側蒸発器３ａと、ループ状管路３ｃの最上部に設置される高温側凝縮器３ｂとを備えている。ループ状管路３ｃの高温側凝縮器３ｂを構成する部分は、サーモサイフォン（自然循環）を利用するため、縦方向に蛇行する複数の蛇管で構成している。従って、高温側凝縮器３ｂ自体の高さのため、機械室８を縦に大きく（Ｈ１）設計しなければならず、貯蔵室１２内の有効内容積が狭くなる問題があった。また、熱搬送システム３に対して上記特許文献１の技術を適用し、機械室８内から高温側凝縮器３ｂを冷却庫本体７の天井壁の上面に出した場合、サーモサイフォン（自然循環）を利用するため冷媒の循環がスムーズに行われない。

上記課題を解決するために本発明は、本体と、前記本体内に断熱材によって区画した貯蔵室と、前記本体の天井壁後部に区画した機械室と、該機械室に設置されたスターリング冷凍機と、前記スターリング冷凍機の高温部で生じた熱を高温側の二次冷媒によって搬送するためのループ状の熱搬送システムとを備えた冷却庫において、
前記熱搬送システムは、ループ状管路と、前記スターリング冷凍機の高温部に装着される高温側蒸発器と、前記ループ状管路の最上部であって前記本体の天井壁上面に設置される高温側凝縮器とを備え、
前記高温側凝縮器は、水平面に対して勾配を有する平面内で蛇行させた蛇管部と、該蛇管部に取り付けられた複数の平板フィンとから構成されることを特徴とする。この構成によると、高温側凝縮器は全体として扁平な構造を取ることができて、冷却庫本体の天井壁の上面に広く配置することができ、サーモサイフォンによる冷媒循環がスムーズに行われる熱搬送システムに寄与するものとなる。

そして、前記高温側凝縮器の側部及び上部を覆う上板と、前記機械室の上面及び背面を覆うカバーと、前記上板前部に設けた吸気口と、前記カバーの前記機械室背面部に設けた排気口と、前記機械室内に設けた放熱ファンとを備え、
前記高温側凝縮器は、前記蛇管部が冷却庫幅の内側で折り返し、前記平板フィンが冷却庫の奥行き方向に延びて配置されていることを特徴とする。この構成によると、上板の両脚板の間にできる空間は平板フィンによって仕切られ、通風路となる。従って、放熱ファンを運転すると、吸気口から本体の上部前方の外部空気が吸い込まれ、通風路内を平板フィンの長手方向に沿って流れた後、機械室内を通って排気口から本体の上部後方に排出される空気の流れが形成される。

前記ループ状管路の蒸気側管路を、凝縮液側管路よりも前記放熱ファンによる空気流の上流側に配置することにより、高温側凝縮器の高温になる部分に、より低温の空気を供給することができ、熱交換による放熱を効率良く行うことができる。前記平板フィンは、所定ピッチごとに板厚の厚めのものを使用することで、高温側凝縮器の強度が増し、上板上に物が置かれた場合でも、荷重に耐えることができるようになる。また、前記上板の前面部を前記本体の前面よりも前方に延設し、冷却庫扉の上端面と対峙する位置に前記吸気口を設けると、冷却庫本体の正面側から吸気口が見えることがなく、外観性が向上する。そして、前記吸気口に着脱式のフィルターを設けると、フィルターに埃等が溜まっても容易に交換できる。

本発明によると、冷熱搬送システムのループ状管路の高温側凝縮器を構成する蛇管部において、冷媒蒸気が流入する入口側と冷媒凝縮液が流出する出口側との間に、所定の高低差が形成され、ループ状管路内で冷媒の自然循環が行えるとともに、高温側凝縮器は全体として扁平な構造を取ることができて、高温側凝縮器全体を傾斜させる場合に比べ冷却庫本体の実質上の背の高さアップを抑えることができ、冷却庫本体の天井壁上面に高温側凝縮器を広く配置することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。図１及び図２は、それぞれ本発明の実施の形態における冷却庫の背面側から見た冷却庫上部の分解斜視図及び側面断面図である。

図１及び図２を参照して、冷却庫１は、本体７と、スターリング冷凍機２と、熱搬送システム３と、冷熱搬送システム４とを主に有している。本体７は箱体に構成され、その内部に貯蔵室１２が形成されている。本体７のすぐ下にはドレン皿１０が配置されている。貯蔵室１２の背壁の裏側には、断熱材１７との間に冷気戻りダクト１５及び冷気送りダクト１６が鉛直方向に形成されている。冷気戻りダクト１５と冷気送りダクト１６は、冷気通路を形成している。冷気送りダクト１６内には、冷却ファン６が配設されている。貯蔵室１２の下部後方には冷気戻りダクト１５の冷気戻り口１５ａが設けられている。貯蔵室１２の背壁天井部と所定の高さ位置には、冷気送りダクト１６の冷気送り口１６ａが設けられている。冷気戻りダクト１５は、低温側蒸発器４ａの下方で漏斗形状の斜面に形成され、その下端部から断熱材１７を下方に貫いてドレンパイプ９が設けられ、ドレンパイプ９の下端はドレン皿１０の上方に位置している。

１８は、貯蔵室１２の前面を開閉する扉である。貯蔵室１２の上部奥壁は部分的に手前へ出っ張り、その分奥行きが狭くなっており、その後方、すなわち本体７の上背部には、上面及び背面が開放された機械室８が区画形成されている。機械室８の上面には、上面カバー５が取り付けられ、機械室８の背面には、背面カバー１１が取り付けられる。背面カバー１１には、矩形の排気口１４が二つ設けられ、そこに放熱ファン１３が設けられている。本体７の天井部には上板２０が取り付けられる。機械室８内にスターリング冷凍機２がその軸心を水平かつ冷却庫１の背面と平行にして、製品幅のほぼ中央部に配置されている。これにより、製品全体の重心が製品幅のほぼ中央に位置し、製品安定性が良くなり、転倒の危険が無く安全性が向上する。

スターリング冷凍機２は、図３に示すように、内部に封入された作動媒体（例えばヘリウム）の膨張過程で吸熱して冷熱を発生する低温部２ｂと、作動媒体の膨張過程で温熱を発生する高温部２ａとを有する。

熱搬送システム３はスターリング冷凍機２の高温部２ａより上方に位置している。この熱搬送システム３は、ループ状管路の内部に冷媒を封入しスターリング冷凍機２で生じた熱を冷媒の循環によって搬送するためのものである。熱搬送システム３は、ループ状管路３ｃと、スターリング冷凍機２の高温部２ａに装着される高温側蒸発器３ａと、ループ状管路３ｃの最上部に設置される高温側凝縮器３ｂとを備えている。

ループ状管路３ｃは、図４に示すように、それ自体が高温側凝縮器３ｂの一部を構成している。すなわち、ループ状管路３ｃは部分的に蛇行成形されており、高温側凝縮器３ｂは、その蛇行した蛇管部３ｃ'と、該蛇管部３ｃ'に取り付けられた複数の平板フィン３ｄとから構成されている。蛇管部３ｃ'は、図５に示すように、水平面に対して緩やかな勾配（θ）を有する平面（Ｐ）内で蛇行しており、冷媒蒸気側（入口側）の管路が冷媒凝縮液側（出口側）の管路より高くなり、両者の間には、所定の高低差（ｈ）が形成され、該高低差及び冷媒蒸気と凝縮液の重力差を利用して冷媒の自然循環がスムーズに行える。従って、高温側凝縮器３ｂは全体として扁平な構造を取ることができ、図１に示すように、高温側凝縮器３ｂを本体７の天井壁の上面に広く配置することができる。このとき、蛇管部３ｃが冷却庫の製品幅内側で折り返し、平板フィン３ｄが冷却庫１の奥行き方向に延びて配置される。

これによって、冷媒蒸気は、高温側凝縮器３ｂの最も高い位置から蛇管部３ｃ'に流入し、自然流下しながら凝縮する。そして、冷媒凝縮液は、高温側凝縮器３ｂの最も低い位置から蛇管部３ｃ'を出る。また、図１、図２に示すように、高温側凝縮器３ｂを機械室８の外に配置したことにより、図８、図９に示す従来の構造に比し、機械室８の高さ（Ｈ２）を低くすることができ、その差分（Ｈ２−Ｈ１）だけ機械室８の底壁を持ち上げることができる。この結果、貯蔵室１２内の有効内容積を大きくすることができる。

図６に示すように、上板２０の立体形状は、底面及び背面が開放された箱形状である。上板２０の平面形状は矩形であり、その矩形の幅方向の寸法は、本体７の天井壁の幅（すなわち、冷却庫製品幅）よりも若干長く設定され、奥行き方向の寸法は、機械室８の分だけ短くなった本体７の天井壁の奥行きよりも若干長く設定されている。上板２０の左右側壁の内側には、脚板２１が側壁に対して平行に設けられている。上板２０は上面カバー５と一体で本体７の上部のカバーをなし、両脚板２１及び天井壁で高温側凝縮器３ｂの側部及び上部を覆うように本体７の天井壁の上面に載せられ、設置される。

上記のように上板２０の奥行き方向の寸法は、機械室８の分だけ短くなった本体７の天井壁の奥行きよりも若干長く設定されているため、図７に示すように、上板２０の前壁が、扉１８の前面と略面一となる位置まで、上板２０の前面部は本体７の前面よりも前方に延設されている。上板２０は、本体７の前面よりも前に位置する部分が、底面が一段高くなっており、扉１８の上端面と対峙する位置に吸気口１９が形成される。従って、吸気口１９と扉１８の上端面との間に隙間が形成され、この隙間を介して吸気口１９より本体７の外部の空気が吸い込まれることになる。また、本体７の正面側から吸気口１９が見えることがなく、外観性が向上する。更に、吸気口１９には、着脱式のフィルター２２が取り付けられており、フィルター２２に埃等が溜まっても容易に交換できるようになっている。

図６に示すように、脚板２１の高さ（Ｌ１）は、平板フィン３ｄの高さ（Ｌ２）より若干長い寸法である。従って、各平板フィン３ｄの下端面は、本体７の天井壁の上面に接触し、各平板フィン３ｄの上端面は上板２０の天井壁の内面に近接した形で、脚板２１間の空間に収容される。従って、上板２０の両脚板２１の間にできる空間は平板フィン３ｄによって仕切られ、通風路となる。従って、放熱ファン１３を運転すると、図２の矢印で示すように、吸気口１９から本体７の上部前方の外部の空気が吸い込まれ、通風路内を平板フィン３ｄの長手方向に沿って流れた後、機械室８内を通って排気口１４から本体７の上部後方に排出される空気流が形成される。ループ状管路３ｃの冷媒蒸気側の管路は、凝縮液側の管路よりも空気流の上流側に配置される。なお、脚板２１の高さ（Ｌ１）と平板フィン３ｄの高さ（Ｌ２）を略同一として、各平板フィン３ｄの上端面及び下端面をそれぞれ本体７の天井壁の上面及び上板２０の天井壁の下面に接触させてもよい。

また、図４、図６において平板フィン３ｄの輪郭線を所定ピッチごとに太く示すように、平板フィン３ｄを所定ピッチごとに板厚の厚めのものを使用している。このようにすることで、高温側凝縮器３ｂの強度が増し、上板２０上に物が置かれた場合でも、荷重に耐えることができるようになる。

冷熱搬送システム４はスターリング冷凍機２の低温部２ｂより下方に位置している。この冷熱搬送システム４は、ループ状管路の内部に冷媒を通すものであり、かつスターリング冷凍機２で生じた冷熱を冷媒によって搬送するためのものである。冷熱搬送システム４は、ループ状管路４ｃと、ループ状管路４ｃの最下部に設置される低温側蒸発器４ａと、スターリング冷凍機２の低温部２ｂに装着される低温側凝縮器４ｂとを備えている。ループ状管路４ｃは、低温側凝縮器４ｂから鉛直下方に延び機械室８の底壁後方の断熱材１７を貫き、冷気送りダクト１６内に達している。低温側蒸発器４ａは、冷気送りダクト１６内に配置される。これにより、低温側凝縮器４ｂと低温側蒸発器４ａとの高低差を確保することができる。

低温側蒸発器４ａの冷熱が庫外へ出るのを防ぎ、かつ高温側凝縮器３ｂの熱が庫内に入るのを防ぐように、本体７が断熱材１７で覆われている。極低温となる低温側蒸発器４ａは、貯蔵室１２の内容積を大きく取るため、貯蔵室１２の背面部であって冷気送りダクト１６内に配置される。また、外気温より高温になる高温側凝縮器３ｂは、熱損失を低減するため、本体７の天井壁の上面上に配置される。低温側蒸発器４ａの下方には、除霜により落下するドレンを受けて庫外へ流出させるドレンパイプ９が設置され、更にその下方にドレンを溜めるドレン皿１０が設置されている。

上記構成によると、スターリング冷凍機２の上下に冷却庫１の高さを有効利用して、スターリング冷凍機の熱搬送システムおよび冷熱搬送システム３，４を好適に配置することができる。

熱搬送システム３のループ状管路３ｃには冷媒として、たとえば水とエタノール（Ｃ₂Ｈ₅ＯＨ）の混合物が充填されている。冷熱搬送システム４のループ状管路４ｃには冷媒として、たとえば二酸化炭素（ＣＯ₂）が充填されている。ここで、ループ状管路３ｃ，４ｃにそれぞれ充填される冷媒としては、作動環境によって凝結しない物質であって、潜熱が利用可能な物質が適している。潜熱が利用可能な物質とは、高温側凝縮器３ｂまたは低温側凝縮器４ｂで凝縮し、高温側蒸発器３ａおよび低温側蒸発器４ａで蒸発するような沸点を有する物質である。潜熱が利用可能な冷媒によって、より大量の熱および冷熱の運搬が可能となる。

スターリング冷凍機２で発生した熱および冷熱は、以下の原理によって自然循環する冷媒によって搬送され、放出される。すなわち、図２及び図３において、スターリング冷凍機２の高温部２ａの熱は高温側蒸発器３ａへ伝えられる。ループ状管路３ｃに充填されている冷媒は、高温側蒸発器３ａへ伝えられた熱によって凝縮液から蒸気に変化する。蒸気となった冷媒は凝縮液との重量差を利用してループ状管路３ｃ内を上昇し、高温側凝縮器３ｂへ移動する。高温側凝縮器３ｂでは、冷媒は平板フィン３ｄを介して外部の空気と熱交換して蒸気から凝縮液に変化し、凝縮熱を上板２０内の通風路の空気へ放出する。放熱ファン１３を駆動すると、吸気口１９から庫外の空気が機械室８内に吸い込まれ、排気口１４から再び庫外へ排出される。これにより、高温側凝縮器３ｂによる放熱が促進される。ループ状管路３ｃの冷媒蒸気側の管路は、凝縮液側の管路よりも空気流の上流側に配置されるため、高温側凝縮器３ｂの高温になる部分に、より低温の空気を供給することができ、熱交換による放熱を効率良く行うことができる。凝縮液となった冷媒は蒸気との重量差を利用してループ状管路３ｃ内を下降し、再び高温側蒸発器３ａへ移動し、熱を受け取る。なお、本実施の形態では、高温側凝縮器３ｂからの熱の放出は放熱ファンによる強制対流により行われる。

一方、スターリング冷凍機２の低温部２ｂの冷熱は低温側凝縮器４ｂへ伝えられる。ループ状管路４ｃに充填されている冷媒は、低温側凝縮器４ｂへ伝えられた冷熱によって蒸気から凝縮液に変化する。凝縮液となった冷媒は蒸気との重量差を利用してループ状管路４ｃ内を下降し、低温側蒸発器４ａへ移動する。低温側蒸発器４ａでは、冷媒は外部の空気と熱交換して凝縮液から蒸気に変化し、蒸発熱を奪って、冷熱を冷気送りダクト１６の内部へ放出する。蒸気となった冷媒は凝縮液との重量差を利用してループ状管路４ｃ内を上昇し、再び低温側凝縮器４ｂへ移動し、冷熱を受け取る。このように、低温側蒸発器４ａにより冷気送りダクト１６内で冷熱を放出することができる。また、上述の通り低温側凝縮器４ｂと低温側蒸発器４ａの高低差（Ｈ２）が大きく設定されているため、冷媒の凝縮液と蒸気の重力差による移動が容易となり、冷媒の循環が促進される。

次に、冷却ファン６の作用について説明する。図２を参照して、冷却ファン６は、庫内空気を図中の矢印のように循環させる。すなわち、低温側蒸発器４ａで冷却された戻りダクト１５内の空気を冷気送りダクト１６を通って貯蔵室１２内に送り込むことにより、貯蔵室１２内が冷却される。

以上の構成・動作により、冷媒の凝縮液と蒸気の重力差による自然循環を利用して、熱搬送システム３および冷熱搬送システム４により高温部２ａで発生した熱および低温部２ｂで発生した冷熱が搬送されるので省エネルギーとなる。

は、本発明の実施の形態における冷却庫の背面上部の分解斜視図である。は、その冷却庫の側面断面図である。は、熱搬送システム及び冷熱搬送システムを示す概念図である。は、高温側凝縮器の斜視図である。は、高温側凝縮器の側面図である。は、上記冷却庫の上部の正面断面図である。は、上記冷却庫の上部の拡大側断面図である。は、従来の冷却庫を背面側から見た上部分解斜視図である。は、その従来の冷却庫の側面断面図である。

符号の説明

１冷却庫
２スターリング冷凍機
２ａ高温部
２ｂ低温部
３熱搬送システム
３ａ高温側蒸発器
３ｂ高温側凝縮器
３ｃループ状管路
３ｃ' 蛇管部
３ｄ平板フィン
４冷熱搬送システム
４ａ低温側蒸発器
４ｂ低温側凝縮器
４ｃループ状管路
７本体
１２貯蔵室
１４排気口
１５冷気戻りダクト
１６冷気送りダクト
１９吸気口
２０上板

Claims

本体と、前記本体内に断熱材によって区画した貯蔵室と、前記本体の天井壁後部に区画した機械室と、該機械室に設置されたスターリング冷凍機と、前記スターリング冷凍機の高温部で生じた熱を高温側の二次冷媒によって搬送するためのループ状の熱搬送システムとを備えた冷却庫において、
前記熱搬送システムは、ループ状管路と、前記スターリング冷凍機の高温部に装着される高温側蒸発器と、前記ループ状管路の最上部であって前記本体の天井壁上面に設置される高温側凝縮器とを備え、
前記高温側凝縮器は、水平面に対して勾配を有する平面内で蛇行させた蛇管部と、該蛇管部に取り付けられた複数の平板フィンとから構成されることを特徴とする冷却庫。
前記高温側凝縮器の側部及び上部を覆う上板と、前記機械室の上面及び背面を覆うカバーと、前記上板前部に設けた吸気口と、前記カバーの前記機械室背面部に設けた排気口と、前記機械室内に設けた放熱ファンとを備え、
前記高温側凝縮器は、前記蛇管部が冷却庫幅の内側で折り返し、前記平板フィンが冷却庫の奥行き方向に延びて配置されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却庫。
前記ループ状管路の蒸気側管路は、凝縮液側管路よりも前記放熱ファンによる空気流の上流側に配置されることを特徴とする請求項２に記載の冷却庫。
前記平板フィンを所定ピッチごとに板厚の厚めのものを使用することを特徴とする請求項２又は３に記載の冷却庫。
前記上板の前面部を前記本体の前面よりも前方に延設し、冷却庫扉の上端面と対峙する位置に前記吸気口を設けたことを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の冷却庫。