JP2005257246A

JP2005257246A - 冷蔵庫

Info

Publication number: JP2005257246A
Application number: JP2004073550A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Noguchi; 義之野口
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Consumer Marketing Corp; Toshiba Home Appliances Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Consumer Marketing Corp; Toshiba Lifestyle Products and Services Corp
Priority date: 2004-03-15
Filing date: 2004-03-15
Publication date: 2005-09-22

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、食品の美味しさを逃さない極低温による急速冷凍を可能とする冷蔵庫を提供する。
【解決手段】冷媒圧縮機（１７）、凝縮器、減圧装置および蒸発器（１１）からなる冷凍サイクル（２０）の前記蒸発器（１１）で生成した冷気を送風ファン（１３）で強制循環させることで冷凍室（７）および冷蔵室（５）を冷却するとともに、本体の一部にスターリング冷凍機（２３）を設置し、このスターリング冷凍機（２３）のコールドヘッド（２３ａ）と熱交換関係に配置した閉ループ状の冷媒循環パイプ（２７）を冷凍室内に延出して冷却パイプ棚（３１）を形成したことを特徴とする。
【選択図】図１

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ーを用いた冷媒圧縮式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フロン系冷媒や炭化水素系冷媒が使用されており、これら冷媒の凝縮および蒸発により冷気を生成して貯蔵室内を冷却するものであるが、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、フロン系冷媒や炭化水素系冷媒による冷媒圧縮式冷凍サイクルの冷却能力では対応することが困難であった。

一方、冷媒圧縮式冷凍サイクルに変わる技術として、スターリング冷凍機およびこれを用いた冷蔵庫の研究開発が進められいる。

このスターリング冷凍機は、ピストンとディスプレーサを収納するシリンダに冷媒を充填し密閉する構造となっており、外部動力によりピストンとディスプレーサとが互いに位相差をもって往復運動するように稼働させ、シリンダ内部の一方の端部近傍の膨張空間では冷媒の膨張を繰り返し、シリンダ内部の他方の端部近傍の圧縮空間では冷媒の圧縮を繰り返すことで、膨張空間は低温、圧縮空間は高温となり、膨張空間内に設けられた蓄冷器を通じてコールドヘッドより膨張空間で発生する−３０℃〜−５０℃の冷熱を得ることができるが、スターリング冷凍機は、その構造上、コールドヘッドの伝熱面積の大きさが制限されているため、これを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った。

また、冷媒圧縮式冷凍サイクルとスターリング冷凍機とが、それぞれ有する上記欠点を解決するものとして、冷媒圧縮式冷凍サイクルとスターリング冷凍機とを備えた冷蔵庫が開示されている（例えば、特許文献１）。

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冷媒圧縮式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、冷媒圧縮式冷凍サイクルにより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、冷媒圧縮式冷凍サイクルにより、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。
特開２０００−３３７７４７号公報

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。

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、スターリング冷凍機から発生する−３０℃以下の冷熱を有効に利用することで、食品の美味しさを逃さない極低温による急速冷凍を可能とする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からなる冷凍サイクルの前記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、本体の一部にスターリング冷凍機を設置し、このスターリング冷凍機のコールドヘッドと熱交換関係に配置し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ことを特徴とする。

本発明によれば、スターリング冷凍機のコールドヘッド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循環パイプ内を流通することにより、小さな伝熱面積のコールドヘッド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。

以下、本発明の一実施形態を図１〜４に基づき説明する。図１は本実施形態の冷蔵庫（１）の縦断面図であり、前面が開口した断熱箱体（３）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（７）と冷蔵室（５）をそれぞれ配設している。

各貯蔵室の前面開口部には各専用の開閉扉を設けて閉塞するとともに、冷凍空間の背面に設置した蒸発器（１１）およびその上部近傍に設けた送風ファン（１３）と、冷蔵空間および冷凍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）によって冷気を循環させ、各貯蔵室を冷却する。

冷蔵室（５）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、冷媒圧縮式冷凍サイクル（２０）を構成している。

冷蔵庫（１）の後部上方には冷凍機室（２１）が設けられ、その内部にスターリング冷凍機（２３）が配置されている。

このスターリング冷凍機（２３）は、図２に示すように、本体ケース内に設けた密閉されたシリンダー（３７）の内部に、ディスプレーサ（３８）とピストン（３９）を上下に配設し、ディスプレーサ（３８）の上部には膨張空間（４０）、下部には圧縮空間（４１）を形成している。膨張空間（４０）と圧縮空間（４１）との間には、それぞれ熱交換器（４５）（４６）を介在して再生器（４２）を設けており、これらの閉空間にはヘリウムや窒素などの冷媒が充填されている。

ピストン（３９）はリニアモータ（４３）などの外部動力によってシリンダー（３７）内を軸方向に摺動するものであり、ディスプレーサ（３８）の下部にはピストン（３９）を貫通するディスプレーサロッド（３８ａ）を設けており、このディスプレーサロッド（３８ａ）がピストン（３９）の動作によるバウンス空間（４４）の圧力変動の影響を受けて、ピストン（３９）に対し所定の位相差をもって往復動作する。

このピストン（３９）とディスプレーサ（３８）の往復運動により、冷媒が再生器（４２）を通じて膨張空間（４０）と圧縮空間（４１）を行き来し、膨張空間（４０）では膨張を繰り返すことで−３０℃〜−５０℃の低温を得ることができ、膨張空間（４０）で得られる冷熱は、膨張空間（４０）内に設けられた低温側熱交換器（４５）を介してコールドヘッド（２３ａ）へ伝達され、これを冷却する。

図３に示すように、スターリング冷凍機のコールドヘッド（２３ａ）は、容器体の熱交換ジャケット部（２５）の下面に設けられた円筒状のキャップ部（２５ａ）内へ面接触状態に嵌入し、ボルトなどによって着脱可能に固定されている。

熱交換ジャケット部（２５）の内部は、対向面から複数のフィン（２５ｂ）が交互に突出して蛇行状の流路（２５ｃ）を形成するとともに、流路（２５ｃ）の両端部に循環パイプ（２７）を接続して、その内部に二次冷媒として二酸化炭素などの炭酸ガスや、イソブタンなどの炭化水素を封入することで、閉ループ状の冷気循環サイクル（２９）を構成している。

この循環パイプ（２７）の一部は、図４に示すように、冷凍室（７）内空間に延設して蛇行させた冷却パイプ棚（３１）を形成しており、冷凍室（７）底面を構成している断熱仕切板（４）から離間し、且つ、吹出口（９ｃ）より低い空間位置に水平状態で配されている。

冷却パイプ棚（３１）上には、銅またはアルミニウムなどの良熱伝導性の材料からなる直冷板（３５）を載置し、下面に設けた支持用金具でネジ止めなどによって固定されている。

本発明の冷蔵庫（１）において、食品の急速冷凍を行わずに、冷蔵室（５）を冷蔵温度、例えば、＋１℃に冷却し、冷凍室（７）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、冷媒圧縮式冷凍サイクル（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（７）内に吹き出して室内を冷却し、吸込口（９ｄ）から蒸発器に戻るように循環する。また、冷蔵室（５）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（５）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コールドヘッド（２３ａ）に装着された熱交換ジャケット部（２５）へ伝達され、二次冷媒が熱交換ジャケット部（２５）の内部に形成された蛇行状の流路（２５ｃ）を時間をかけて移動することで、低温のコールドヘッド（２３ａ）と充分熱交換を行い、循環パイプ（２７）をコールドヘッド（２３ａ）とほぼ等しい温度まで低温化する。

なお、流路（２５ｃ）は蛇行状に限定されず、熱交換ジャケット部（２５）内部を二次冷媒が時間をかけて移動する構造であればよい。

上記のように、熱交換ジャケット部（２５）において低温化した二次冷媒は、液化してその比重が大きくなるため、循環パイプ（２７）内を下降するように流れ、冷凍室（７）内に延出した冷却パイプ棚（３１）へ移動することで、冷却パイプ棚（３１）と接する直冷板（３５）と熱交換し蒸発することで、これを低温に冷却する。そして、直冷板（３５）へ冷熱を放出した二次冷媒は、気化することによってその比重が小さくなるため、循環パイプ（３７）内を上昇し、再び熱交換ジャケット部（２５）へ流入し、再びコールドヘッド（２３ａ）で冷却される循環を繰り返す。

このように、冷媒圧縮式冷凍サイクル（２０）の運転による冷蔵室（５）および冷凍室（７）の冷却に加え、スターリング冷凍機（２３）による冷却力で二次冷媒が循環パイプ（２７）内を自然循環することで、冷却パイプ棚（３１）および直冷板（３５）から冷凍室（７）内部へ冷熱を放出し室内を冷却するとともに、低温の直冷板（３５）の上に食品を置くことで、直接的な熱交換により、食品を急速に冷凍することができる。

更に、冷気パイプ棚（３１）を断熱仕切板（４）から離れ、吹出口（９ｃ）より低い位置に配設することで、循環パイプ（２７）の冷熱が断熱仕切板（４）を介して冷凍室（７）外部へ熱リークすることを低減することができるとともに、吹出口（９ｃ）より吹出す冷風によって冷却を促進させることができ、より効率的に冷凍室内の食品を急速に冷却することができる。

本発明は、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おける冷蔵庫の縦断面構造図である。図１に用いられるスターリング冷凍機の断面図である。スターリング冷凍機へ取り付けた熱交換ジャケット部の断面図である。図１に用いられるスターリング冷凍機の冷却循環サイクルの斜視図である。

符号の説明

１冷蔵庫５冷蔵室
７冷凍室９ダクト
９ａ、９ｃ吹出口９ｂ，９ｄ吸込口
１１蒸発器１３送風ファン
２０冷媒圧縮式冷凍サイクル２３スターリング冷凍機
２３ａコールドヘッド２５熱交換ジャケット部
２７循環パイプ２９冷気循環サイクル
３１冷却パイプ棚３５直冷板

Claims

冷媒圧縮機、凝縮器、減圧装置および蒸発器からなる冷凍サイクルの前記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、本体の一部にスターリング冷凍機を設置し、このスターリング冷凍機のコールドヘッドと熱交換関係に配置し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ことを特徴とする冷蔵庫。
スターリング冷凍機のコールドヘッドと熱交換関係に熱交換ジャケットを配置し、この熱交換ジャケットのコールドヘッドの上部における容器体内に蛇行状流路を形成するとともに、蛇行状流路の両端部に冷媒循環パイプを接続して閉ループ状に形成したことを特徴とする請求項１記載の冷蔵庫。
冷凍室内における冷媒循環パイプは、冷凍室底面から離間して配設するとともに、前記冷媒循環パイプ上に良熱伝導棚板を水平に設置したことを特徴とする請求項１または２記載の冷蔵庫。
冷凍室内へのファンからの冷気吹出口は、冷凍室内における冷媒循環パイプの上部に配置したことを特徴とする請求項３記載の冷蔵庫。