JP2009024885A - 冷蔵庫 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の冷蔵庫と比較して成績係数（ＣＯＰ）が高く、冷凍室の断熱材を厚くする断熱対策が不要で、同一の冷凍能力を有する冷凍機が使用できる冷蔵庫を提供すること。
【解決手段】 冷蔵室４と、冷凍室５に夫々設けられ、室内を冷却するスターリング冷凍機２、３（蓄冷型冷凍機）を備える冷蔵庫１であって、冷凍室５は冷蔵室４の中に設置され、冷凍室５と冷蔵室４の間には、冷蔵室４の室内温度で冷凍室５を囲む隙間６を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、蓄冷型冷凍機により冷却され、庫内温度が異なる複数の保管庫を備えた冷蔵庫に関する。

従来の複数台のスターリング冷凍機（蓄冷型冷凍機）を用いた冷蔵庫は、冷蔵室（庫内温度の高い保管庫）と冷凍室（庫内温度の低い保管庫）を冷却するにあたり、スターリング冷凍機の寿命延長のため２台のスターリング冷凍機と二次冷媒で接続された１つの冷却器から構成され、冷風の流路を切り替えることで２つの保管庫の温度制御をしている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００５−３２１１４８号公報

しかしながら、従来の冷蔵庫では、１つの冷却器で温度の異なる２室を冷却するため、スターリング冷凍機のコールドヘッドの温度は、低い冷凍室の温度に合わせなければならない。スターリング冷凍機はコールドヘッドの温度が低いほど冷凍サイクルの経済性を表す成績係数（ＣＯＰ）が低くなり（図３）、冷蔵庫の消費電力が増大する要因となる。また、冷蔵室と冷凍室の夫々にスターリング冷凍機を設けた場合でも、低温である冷凍室の断熱は熱侵入を防ぐため冷蔵室より断熱材を厚くなどの断熱対策が必要で、また冷蔵室と冷凍室で異なる冷凍能力のスターリング冷凍機が必要になる。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、従来の冷蔵庫と比較してＣＯＰが高く、冷凍室の断熱材を厚くする断熱対策が不要で、同一の冷凍能力を有する蓄冷型冷凍機が使用できる冷蔵庫を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、庫内温度が異なる複数の保管庫と、前記保管庫毎に設けられ夫々の庫内を冷却する蓄冷型冷凍機と、を備える冷蔵庫であって、庫内温度の低い前記保管庫は、庫内温度の高い保管庫の中に設置され、庫内温度の低い前記保管庫と庫内温度の高い前記保管庫の間には、庫内温度の高い前記保管庫の庫内温度で庫内温度の低い前記保管庫を囲む隙間を備える。

また、請求項２に記載の発明は、庫内温度の低い前記保管庫および庫内温度の高い前記保管庫の少なくとも１つは前記蓄冷型冷凍機で冷却された冷媒が流動する二次冷媒回路を備え、前記二次冷媒回路を流動する前記冷媒で前記保管庫を冷却する。

また、請求項３に記載の発明は、庫内温度の低い前記保管庫と庫内温度の高い前記保管庫を冷却する夫々の前記蓄例型冷凍機は、同一の冷凍能力である。

また、請求項４に記載の発明は、庫内温度の低い前記保管庫と庫内温度の高い前記保管庫の間の前記隙間に、熱伝導体を設ける。

また、請求項５に記載の発明は、前記熱伝導体は、庫内温度の高い前記保管庫を冷却する前記二次冷媒回路と熱接触する。

請求項１に記載の発明では、庫内温度の低い保管庫は、庫内温度の高い保管庫の中に設置され、隙間により庫内温度の高い保管庫の庫内温度で囲まれるため、庫内温度の低い保管庫への侵入熱量は減少する。蓄冷型冷凍機のＣＯＰはコールドヘッドの温度が低くなるほど低下する（図３）ため、侵入熱量が減少するとＣＯＰの低い庫内温度の低い保管庫を冷却する蓄冷型冷凍機の冷凍機入力は減少する。この場合、庫内温度の高い保管庫を冷却する蓄冷型冷凍機の冷凍機入力は増大するが、蓄冷型冷凍機のＣＯＰは蓄冷型冷凍機のコールドヘッドの温度が高いほど良好（図３）なため、冷蔵庫全体の全冷凍機入力（消費電力）は減少する。また庫内温度の低い保管庫への侵入熱量は減少するため、庫内温度の低い保管庫の断熱材を庫内温度の高い前記保管庫の断熱材と同程度以下の厚さにでき、庫内温度の低い保管庫の庫内スペースの確保と、冷蔵庫の量産によるコスト低減が可能になる。

また、請求項２に記載の発明では、保管庫は二次冷媒回路を介して冷媒で冷却されるため、蓄冷型冷凍機を保管庫から離れた場所に設置でき、冷蔵庫の設計の自由度が向上する。

また、請求項３に記載の発明では、庫内温度の低い保管庫への侵入熱量は減少するため、庫内温度の高い保管庫と同一の冷凍能力で同一機種の蓄冷型冷凍機を使用することが可能になる。冷凍能力の高い蓄冷型冷凍機を用いた場合と比べて設置スペースが少なく、また冷蔵庫の量産によるコスト低減が可能になる。

また、請求項４に記載の発明では、庫内温度の高い保管庫の庫内温度とほぼ等しい温度の熱伝導体で庫内温度の低い保管庫を囲むため、庫内温度の低い保管庫への侵入熱量を減少できる。庫内温度の低い保管庫と庫内温度の高い前記保管庫の間に隙間を大きく設けることが困難な場合に有効である。

また、請求項５に記載の発明では、熱伝導体と庫内温度の高い保管庫を冷却する二次冷媒回路を伝熱可能に熱接触することで、冷蔵庫の扉を開けた場合等の急な熱負荷の増大に対応できる。

以下に本発明の実施例を図面を参照しつつ詳細に説明する。

（第１実施例）
図１は、本発明の第１実施例の冷蔵庫１の断面構造を模式的に示した図である。冷蔵庫１の上部には、同一の冷凍能力で同一機種のスターリング冷凍機２、３（蓄冷型冷凍機）が設置される。冷蔵庫１は、室内温度の高い冷蔵室４（庫内温度の高い保管庫）と、冷蔵室４の中に設置され冷蔵室４よりも低い室内温度の冷凍室５（庫内温度の低い保管庫）を備える。冷蔵室４と冷凍室５の間には、冷蔵室４の室内の冷気で冷凍室５を囲むように隙間６が設けられる。冷蔵室４と冷凍室５は、図示しない扉により閉じられた状態である。

冷蔵室４は二次冷媒回路７を備える。二次冷却回路７を流動する冷媒は、スターリング冷凍機２のコールドヘッド９で冷却される。コールドヘッド９で冷却された冷媒は、冷蔵室４に送られ、冷蔵室４を冷却する。冷凍室５は二次冷媒回路８を備える。二次冷却回路８を流動する冷媒は、スターリング冷凍機３のコールドヘッド１０で冷却される。コールドヘッド１０で冷却された冷媒は、冷凍室５に送られ、冷凍室５を冷却する。

冷蔵室４は断熱材１１により断熱され、冷凍室５は断熱材１２により断熱される。

図２は、本発明の原理を模式的に表した図で、冷凍室５の従来の二重断熱なしの場合と、本発明の二重断熱ありの場合（図１）の温度勾配及び侵入熱量を示すものである。冷蔵庫１の周辺温度をＴｏ、冷凍室５の室内温度をＴｉ、冷凍室５を囲む冷蔵室４の室内温度をＴｍ、冷蔵室４の断熱材１１の厚さをＬ１、冷凍室５の断熱材１２の厚さをＬ２、断熱材１１、１２の熱伝導率をｋ、断熱材１１、１２の伝熱面積（熱侵入面積）をｓとする。

二重断熱なしの場合、冷蔵庫１の周辺からの冷凍室５へ侵入する侵入熱量Ｑは数１となる。

（数１）
Ｑ＝ｋ・ｓ・（Ｔｏ−Ｔｉ）／（Ｌ１＋Ｌ２）
二重断熱ありの場合、冷蔵庫１の周辺から冷蔵室４へ侵入する侵入熱量Ｑ１は数２となる。

（数２）
Ｑ１＝ｋ・ｓ・（Ｔｏ−Ｔｍ）／Ｌ１
また、二重断熱ありの場合、冷蔵室４から冷凍室５へ侵入する侵入熱量Ｑ２は数３となる。

（数３）
Ｑ２＝ｋ・ｓ・（Ｔｍ−Ｔｉ）／Ｌ２
このとき侵入熱量Ｑ、Ｑ１、Ｑ２の関係は数４となり、二重断熱なしの場合と二重断熱ありの場合の侵入熱量の総量は等しい。

（数４）
Ｑ＝Ｑ１＋Ｑ２
このとき、ＱとＱ１の温度勾配を比較すると数５となり、冷蔵室４の断熱材１１に侵入する侵入熱量は、二重断熱なしの場合より二重断熱ありの場合の方が大きい。

（数５）
Ｑの温度勾配＜Ｑ１の温度勾配
また、ＱとＱ２の温度勾配を比較すると数６となり、冷凍室５の断熱材１２に侵入する侵入熱量は、二重断熱なしの場合より二重断熱ありの場合の方が少ない。

（数６）
Ｑの温度勾配＞Ｑ２の温度勾配
図３は、スターリング冷凍機２、３のコールドヘッド９、１０の温度とＣＯＰの関係を示すグラフである。ＣＯＰはコールドヘッド９、１０の温度が低いほど低下する。二重断熱ありの場合、冷蔵室４を冷却するスターリング冷凍機２の冷凍機入力が増大するが、スターリング冷凍機２は冷凍室５を冷却するスターリング冷凍機３よりＣＯＰが良く、冷蔵庫１の全冷凍機入力（消費電力）は減少する。

図４は、本発明の二重断熱ありの冷蔵庫（タイプ１）と、従来の二重断熱なしの冷蔵庫（タイプ２、３）を模式的に比較した図である。タイプ１の冷蔵庫の冷蔵室の断熱材厚さは０．０５ｍ、冷凍室の断熱材厚さは０．０３ｍである。タイプ２の冷蔵室の断熱材厚さは０．０５ｍ、冷凍室の断熱材厚さは０．０５ｍである。タイプ３の冷蔵室の断熱材厚さは０．０５ｍ、冷凍室の断熱材厚さは０．０８ｍである。冷凍室の断熱材厚さはタイプ１が０．０３ｍと最も少ない。タイプ１〜３はいずれも、外気温度を３０℃、冷蔵室の室内温度０℃、冷凍室の室内温度−２５℃、断熱材の熱伝導率を０．０２Ｗ／ｍＫとする。

図５のグラフは図４のタイプ１〜３における冷蔵室、冷凍室の夫々の、侵入熱量Ｑａ、Ｑｂ、冷凍機入力Ｗａ、Ｗｂ（消費電力）及び全冷凍機入力Ｗ（全消費電力）を比較したものである。本発明のタイプ１とタイプ３の全冷凍機入力Ｗに対して、タイプ２の全冷凍機入力Ｗが大きい。これは冷凍室への侵入熱量Ｑｂが多いためで、冷凍室を冷却するスターリング冷凍機３の冷凍機入力Ｗｂが増大したことによる。

本発明のタイプ１とタイプ３では全冷凍機入力Ｗは同等であるが、タイプ３は冷凍室を冷却するスターリング冷凍機３の冷凍機入力Ｗｂが、冷蔵室を冷却するスターリング冷凍機２の冷凍機入力Ｗａに比べて大きい。これはＣＯＰの低い冷凍室への侵入熱量がタイプ１の二重断熱ありの方がタイプ３の二重断熱なしに比べ少ないことによる。また、タイプ１の冷蔵庫では、冷蔵室の冷凍機入力Ｗａと冷凍室の冷凍機入力Ｗｂがほぼ等しいため、冷蔵室と冷凍室の夫々に同一の冷凍能力を有するスターリング冷凍機２、３を使用できる。

（第２実施例）
図６は、本発明の第２実施例の冷蔵庫２０の断面構造を模式的に示した図である。なお図中の図１の第１実施例と同一または相当する構成部分を示すものについては、同一符号の用いてその詳細な説明を省略し、主に相違点について説明する。

冷蔵庫２０は、冷蔵室４と冷凍室５の間の隙間６に、銅材から成る熱伝導体２１を備える。本実施例では熱伝導体２１に銅材を使用したが、鉄、アルミ、炭素繊維などの熱伝導率の高い他の材料でもよい。

熱伝導体２１の上部２１ａは冷蔵室４に入り込んで、冷蔵室４の室内温度に冷却される。上部２１ａで冷却された冷気は、冷蔵室４と冷凍室５の間の囲み部２１ｂに熱伝導で伝熱され、第１実施例の隙間６と同様に、冷凍室５への侵入熱量を低減する。冷蔵室４と冷凍室５の間に隙間６を設けることが困難な場合等に有効である。

（第３実施例）
図７は、本発明の第３実施例の冷蔵庫３０の断面構造を模式的に示した図である。冷蔵庫３０は、図６の第２実施例と同様に冷蔵室４と冷凍室５の間に、銅材から成る熱伝導体３１を備える。図６の第２実施例との違いは、熱伝導体３１は、冷蔵室４を冷却する二次冷媒回路３２と、熱接触部３１ａで伝熱可能に熱接触することである。

熱伝導体３１と冷蔵室４を冷却する二次冷媒回路３２を伝熱可能に熱接触することで、冷蔵庫３０の扉を開けた場合等の急な熱負荷の増大にも、二次冷媒回路３２で熱伝導体３１を直接冷却して対応できる。また、熱伝導体３１は二次冷媒回路３２で冷却されるため、図６のように熱伝導体２１の上部２１ａを冷蔵室４に入り込む構成は不要である。

（第４実施例）
図８は、本発明の第４実施例の冷蔵庫４０の断面構造を模式的に示した図である。本実施例では冷蔵室４の室外に圧縮機４５と蒸発器４１を備え、冷凍室５にスターリング冷凍機４２のコールドヘッド４３を備える。冷蔵室４、冷凍室５は、二次冷媒回路を備えておらず、蒸発器４１、スターリング冷凍機４２で夫々の室内を冷却する。冷蔵室４の室内は、隙間６に冷蔵室４の冷気を送るためのファン４４が設けてある。本実施例では隙間６を用いたが、第２、第３実施例のように、熱伝導体を使用してもよい。

冷蔵室４と冷凍室５は、パルス管冷凍機４１、スターリング冷凍機４２で直接室内を冷却するので、冷蔵庫４０の構成が簡単であり、冷蔵庫４０のコストを低減できる。また、ファン４４で冷蔵室４の冷気を隙間６に送るため、冷凍室５は隙間６を流れる冷気の対流により断熱効果が向上する。

尚、使用する冷凍機は、双方とも蓄冷型冷凍機であっても良いし、双方とも圧縮式冷凍機であっても良いし、蓄冷型冷凍機と圧縮式冷凍機の組み合わせであっても良い。保管庫４・５の温度も、双方とも冷蔵温度であっても良いし、双方とも冷凍温度であっても良い。

本発明の第１実施例の冷蔵庫の断面構造を模式的に示した図である。 本発明の原理を模式的に表したもので、二重断熱なしの場合と、二重断熱ありの場合の温度勾配及び侵入熱量を示す図である。 スターリング冷凍機のコールドヘッド温度とＣＯＰの関係を示すグラフである。 本発明の二重断熱ありの冷蔵庫と従来の二重断熱なしの冷蔵庫を模式的に比較した図である。 図４のタイプ１〜３における冷蔵室、冷凍室の、侵入熱量、冷凍機入力（消費電力）及び全冷凍機入力（全消費電力）を比較したものである。 本発明の第２実施例の冷蔵庫の断面構造を模式的に示した図である。 本発明の第３実施例の冷蔵庫の断面構造を模式的に示した図である。 本発明の第４実施例の冷蔵庫の断面構造を模式的に示した図である。

符号の説明

１ 冷蔵庫
２ スターリング冷凍機（第１蓄冷型冷凍機）
３ スターリング冷凍機（第２蓄冷型冷凍機）
４ 冷蔵室（第１保管庫）
５ 冷凍室（第２保管庫）
６ 隙間
７、８ 二次冷媒回路
９、１０ コールドヘッド

Claims (5)

1. 第１保管庫と、
   前記第１保管庫の庫内を冷却する第１蓄冷型冷凍機と、
   第２保管庫と、
   前記第２保管庫の庫内を冷却する第２蓄冷型冷凍機とを備え、前記第１保管庫の庫内温度が前記第２保管庫の庫内温度よりも高く設定された冷蔵庫であって、
   前記第２保管庫は、前記第１保管庫の中に設置され、
   前記第１保管庫と前記第２保管庫の間には隙間を設けて、前記第１保管庫の庫内温度で前記第２保管庫を囲む、ことを特徴とする冷蔵庫。
2. 前記第１保管庫及び前記第２保管庫の少なくとも１つは、対応する前記蓄冷型冷凍機で冷却された冷媒が流動する二次冷媒回路を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の冷蔵庫。
3. 前記第１蓄例型冷凍機及び前記第２蓄例型冷凍機は、同一の冷凍能力である、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。
4. 前記第１保管庫と前記第２保管庫間の前記隙間に、熱伝導体を設けた、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の冷蔵庫。
5. 前記熱伝導体は、前記第１保管庫を冷却する前記二次冷媒回路と熱接触する、ことを特徴とする請求項４に記載の冷蔵庫。

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