JP2015219006A - 冷蔵庫 - Google Patents

Abstract

【課題】食品の凍結の完了を防止することができる冷蔵庫を提供する。【解決手段】冷蔵庫は、被冷却物が収容される貯蔵室と、貯蔵室内へ冷気を供給する冷却手段と、冷却手段を制御し、第１の時間の間、貯蔵室内の温度を被冷却物の凍結点よりも低い第１の温度まで低下させる第１の工程と、第２の時間の間、貯蔵室内の温度を被冷却物の凍結点よりも高い第２の温度まで上昇させる第２の工程と、を繰り返し実施する制御装置と、を備え、貯蔵室内の温度が被冷却物の凍結点よりも低く且つ被冷却物の温度が凍結点で一定となっている間における、凍結点と貯蔵室内の温度との差の時間積分値と、貯蔵室内の温度が被冷却物の凍結点よりも高く且つ被冷却物の温度が凍結点で一定となっている間における、貯蔵室内の温度と凍結点との差の時間積分値とが等しいものである。【選択図】図７

Description

本発明は、冷蔵庫に関するものである。

一般に、食品を保存する際には、できるだけ低い温度でかつ凍結させずに維持することが、品質維持のために望ましいとされている。このような高品質な保存を実現するものとして、凍結点以下でありながら凍らない状態である、過冷却状態を利用する手段が考案されている。しかしながら、保存温度を０℃以下、特に食品の凍結点以下にした場合、過冷却状態が解除され氷結晶が生成される可能性がある。過冷却解除後にこの状態を放置すると、食品の凍結が進み細胞損傷が起きて、食品の品質が低下してしまう。

このような問題を回避するため、周期的に温度を変更し、過冷却状態が解除されて生じた氷結晶を融解させる方法が提案されている。例えば、特許文献１の技術は、冷却手段の稼働と停止とが１回以上繰り返されたときを契機として過冷却運転を開始するものである。よって、特許文献１の技術は、過冷却温度帯での運転終了後、通常の冷蔵運転での温度設定値による冷却手段の稼働と停止とが１回以上繰り返されたときを契機として過冷却運転を開始する。このため、凍結が進み出した食品があったとしても、通常の冷蔵運転でのサイクルを１回でも行うことにより、確実に凍結を防止している。

また、特許文献２の技術は、過冷却解除した場合に生成された氷結晶を確実に融解させ、かつ、食品の品質を維持することを目的として、負荷量による昇温速度の差異を考慮して昇温工程時間を設定し、予め定めたタイミングにより低温工程から昇温工程に工程を遷移させ、昇温制御している。これにより、特許文献２の技術は、食品の凍結が開始した場合でも、食品を過冷却状態に復帰させるので、食品の過冷却状態を安定的に維持している。

特許第４６４７０４７号公報（請求項１） 特許第４９４８５６２号公報（段落［００２９］）

しかしながら、特許文献１に記載の技術は、冷却手段の稼働と停止とが１回以上繰り返されたときを契機として過冷却運転を開始するものであり、過冷却温度帯における運転時間を考慮していない。

また、特許文献２に記載の技術は、過冷却温度帯における運転時間を考慮しているが、発生した氷結晶を完全に融解させることを目的として、熱量バランスと運転時間とが考慮されている。よって、凍結進行中に水から奪われる潜熱と、解凍進行中に氷に与える熱との他に、水から氷に変化する際に放出される潜熱も考慮されている。よって、昇温工程時間である高温温度帯が長くなるため、食品の保存期間における平均温度が結果的に高くなっている。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、過冷却状態が解除しても、食品に悪影響を与えることなく、食品の凍結が完了することを防止することができる冷蔵庫を提供することを目的とするものである。

本発明に係る冷蔵庫は、被冷却物が収容される貯蔵室と、貯蔵室内へ冷気を供給する冷却手段と、冷却手段を制御し、第１の時間の間、貯蔵室内の温度を被冷却物の凍結点よりも低い第１の温度まで低下させる第１の工程と、第２の時間の間、貯蔵室内の温度を被冷却物の凍結点よりも高い第２の温度まで上昇させる第２の工程と、を繰り返し実施する制御装置と、を備え、貯蔵室内の温度が被冷却物の凍結点よりも低く且つ被冷却物の温度が凍結点で一定となっている間における、凍結点と貯蔵室内の温度との差の時間積分値と、貯蔵室内の温度が被冷却物の凍結点よりも高く且つ被冷却物の温度が凍結点で一定となっている間における、貯蔵室内の温度と凍結点との差の時間積分値とが等しいものである。

本発明によれば、貯蔵室内の温度が被冷却物の凍結点よりも低く且つ被冷却物の温度が凍結点で一定となっている間における、凍結点と貯蔵室内の温度との差の時間積分値と、貯蔵室内の温度が被冷却物の凍結点よりも高く且つ被冷却物の温度が凍結点で一定となっている間における、貯蔵室内の温度と凍結点との差の時間積分値とが等しいことにより、氷結晶を完全に融解させなくても食品を過冷却状態に復帰させると共に、食品の保存期間における平均温度を低下させることができる。したがって、食品に悪影響を与えることなく、食品の凍結が完了することを防止することができる。

本発明の実施の形態１に係る冷蔵庫１の構成を示す正面図である。 本発明の実施の形態１に係る冷蔵庫１の構成を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態１に係る冷蔵庫１の冷蔵室１００の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る冷蔵庫１の機能ブロック図である。 本発明の実施の形態１に係る制御手段１００９の機能ブロック図である。 本発明の実施の形態１に係る冷蔵庫１において温度制御を実施した場合の低温室１３の設定温度及び庫内温度の経時変化を示すグラフである。 本発明の実施の形態１に係る冷蔵庫１において温度制御を実施した場合の低温室１３の設定温度及び庫内温度の経時変化と、被冷却物が放出する熱量ｑ１と、被冷却物に供給される熱量ｑ２とを示すグラフである。 低温設定温度θＬを−３℃とした場合において、被冷却物が過冷却解除された後に凍結進行した時間（凍結時間）と、当該被冷却物を切断したときの破断ピーク数との関係を示すグラフである。 図６及び７に示す温度制御を実施した際に被冷却物が過冷却解除されなかった場合の低温室１３の設定温度及び庫内温度の経時変化を示すグラフである。 図６及び７に示す温度制御を実施した際に被冷却物が過冷却解除された場合の低温室１３の設定温度及び庫内温度の経時変化を示すグラフである。 熱量ｑ１＞熱量ｑ２となるように低温工程時間ΔＴＬ及び昇温工程時間ΔＴＨが設定された冷蔵庫１において温度制御を実施した場合の低温室１３の設定温度及び庫内温度の経時変化と、被冷却物が放出する熱量ｑ１と、被冷却物に供給される熱量ｑ２とを示すグラフである。 熱量ｑ１＜熱量ｑ２となるように低温工程時間ΔＴＬ及び昇温工程時間ΔＴＨが設定された冷蔵庫１において温度制御を実施した場合の低温室１３の設定温度及び庫内温度の経時変化と、被冷却物が放出する熱量ｑ１と、被冷却物に供給される熱量ｑ２とを示すグラフである。 本発明の実施の形態１に係る冷蔵庫１の制御装置７で実行される処理の一例を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２に係る冷蔵庫１の冷蔵室１００の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態２に係る冷蔵庫１の機能ブロック図である。

実施の形態１．
（冷蔵庫１の構成）
図１は、本発明の実施の形態１に係る冷蔵庫１の構成を示す正面図である。図２は、本発明の実施の形態１に係る冷蔵庫１の構成を示す縦断面図である。なお、図１及び図２を含む以下の図面では、各構成部材の寸法の関係や形状等が実際のものとは異なる場合がある。また、明細書中における各構成部材同士の位置関係（例えば、上下関係等）は、原則として、冷蔵庫１を使用可能な状態に設置したときのものである。

冷蔵庫１は、周期的に温度を変更することで食品を過冷却状態に維持することにより食品の品質を維持するものであり、後述するように、例えば、熱量バランスを考慮して１つの周期における各工程の時間が決められている。

図１の冷蔵庫１は、図２に示すように、前面（正面）が開口されて内部に貯蔵空間が形成された断熱箱体９０を有している。断熱箱体９０は、鋼鉄製の外箱と、樹脂製の内箱と、外箱と内箱との間の空間に充填された断熱材と、を有している。断熱箱体９０の内部に形成された貯蔵空間は、１つ又は複数の仕切り部材により、食品を保存する複数の貯蔵室に区画されている。

本例の冷蔵庫１は、複数の貯蔵室として、最上段に配置された冷蔵室１００と、冷蔵室１００の下方に配置された切替室２００と、切替室２００の側方に隣接して切替室２００と並列に配置された製氷室３００と、切替室２００及び製氷室３００の下方に配置された冷凍室４００と、冷凍室４００の下方に配置された最下段の野菜室５００と、を備えている。

切替室２００は、冷凍温度帯（例えば−１８℃程度）、冷蔵温度帯（例えば３℃程度）、チルド温度帯（例えば０℃程度）、ソフト冷凍温度帯（例えば−７℃程度）等の各種温度帯に、保冷温度帯を切り換えることができるようになっている。

冷蔵室１００の前面に形成された開口部には、当該開口部を開閉する回転式の扉８が設けられている。本例の扉８は両開き式（観音開き式）であり、右扉８ａ及び左扉８ｂにより構成されている。冷蔵庫１の前面となる扉８（例えば、左扉８ｂ）の外側表面には、操作パネル６が設けられている。操作パネル６は、各貯蔵室の保冷温度等の設定を調整するための操作スイッチ（図４に示す操作部１００３）と、各貯蔵室の温度や庫内の在庫情報などを表示する液晶表示部（図４に示す表示部１００１）と、を備えている。また、操作パネル６は、操作部１００３と表示部１００１を兼ねるタッチパネルを備えていてもよい。冷蔵室１００内の構成については後述する。

冷蔵室１００以外の各貯蔵室（切替室２００、製氷室３００、冷凍室４００、野菜室５００）は、それぞれ引出し式の扉によって開閉されるようになっている。これらの引出し式の扉は、扉に固定して設けられたフレームを各貯蔵室の左右の内壁面に水平に形成されたレールに対してスライドさせることにより、冷蔵庫１の奥行方向（前後方向）に開閉できるようになっている。野菜室５００には、食品等を内部に収納できる収納ケース５０１が引出し自在に格納されている。収納ケース５０１は、扉のフレームによって支持されており、扉の開閉に連動して前後方向にスライドするようになっている。同様に、切替室２００及び冷凍室４００には、食品等を内部に収納できる収納ケース２０１、４０１がそれぞれ引出し自在に格納されている。各貯蔵室に設けられる収納ケースの数はそれぞれ１つであってもよいが、冷蔵庫１全体の容量を考慮して整理性などが向上する場合には２つ以上であっても構わない。

（冷却機構）
冷蔵庫１の背面側には、各貯蔵室内を冷却する冷却機構として、圧縮機２と、冷却器３（蒸発器）と、送風ファン４と、風路５と、が設けられている。圧縮機２及び冷却器３は、不図示の凝縮器及び膨張装置と共に、冷凍サイクルを構成するものである。圧縮機２及び冷却器３により作り出された冷気は、送風ファン４によって送風され、冷蔵庫１の背面の風路５を通って冷凍室４００、切替室２００、製氷室３００及び冷蔵室１００に供給される。野菜室５００には、冷蔵室１００からの戻り冷気が冷蔵室用帰還風路（図示せず）を介して供給される。野菜室５００に供給された冷気は、野菜室用帰還風路（図示せず）を通って冷却器３に戻される。各貯蔵室の温度は、各貯蔵室内に設置されたサーミスタ（図示せず）により検知され、予め設定された温度になるように、風路５に設置されたダンパ（図示せず）の開度、圧縮機２の出力及び送風ファン４の送風量などを調整することで制御される。

制御装置７は、ＣＰＵ、メモリ、入出力部、タイマー等を備えたマイコンであり、冷蔵庫１の圧縮機２、送風ファン４及びダンパ等の動作を制御するものである。メモリには、冷蔵庫１の動作プログラム等が格納されている。

（冷蔵室１００の構成）
図３は、本発明の実施の形態１に係る冷蔵庫１の冷蔵室１００の構成を示す断面図である。図３に示すように、冷蔵室１００は、扉８の開閉状態を検知する扉開閉検知スイッチ９と、扉８の庫内側に設けられた１つ又は複数の扉ポケット１０と、冷蔵室１００内を複数段の空間に仕切る１つ又は複数の棚１１と、を備えている。冷蔵室１００内の下方の一部は、０℃以上に維持されるチルド室１２を備える上段部と、食品を凍結点以下の温度で凍らせずに保存する低温室１３を備える下段部と、を有する上下二段構成となっている。

冷蔵室１００の背面側の風路５は、冷蔵室１００及びチルド室１２に冷気を送風する風路５ａと、低温室１３に冷気を送風する風路５ｂと、に分割されている。風路５ａには冷蔵室ダンパ１６が設けられており、風路５ｂには低温室ダンパ１７が設けられている。冷蔵室１００の背面には冷蔵室サーミスタ１４が設けられており、低温室１３の背面には低温室サーミスタ１５が設けられている。冷蔵室１００の温度は、冷蔵室サーミスタ１４によって検知され、冷蔵室ダンパ１６の開度調整により制御される。低温室１３の温度は、低温室サーミスタ１５によって検知され、低温室ダンパ１７の開度調整により制御される。

（冷蔵庫１の機能ブロック）
図４は、本発明の実施の形態１に係る冷蔵庫１の機能ブロック図である。図１〜図３に示した構成要素と同一の構成には同一の符号を付している。図４に示すように、制御装置７は、例えば制御手段１００９及び記憶手段１００５を備えている。制御手段１００９の機能構成は、マイコン等のハードウェア上でプログラムを実行させることにより、構築されるものである。記憶手段１００５は、上記で説明したメモリのことであり、例えば半導体素子で構築されるものである。

制御装置７は、冷蔵室サーミスタ１４及び低温室サーミスタ１５からそれぞれ冷蔵室１００及び低温室１３の温度を取得する。制御装置７は、冷蔵室１００内及び低温室１３内がそれぞれ設定された温度に維持されるように、記憶手段１００５に予め記憶された動作プログラムに従って、冷却手段１００７等を制御する。冷却手段１００７は、例えば、圧縮機２、送風ファン４、冷蔵室ダンパ１６、及び低温室ダンパ１７を備えている。また、制御装置７は、操作パネル６の操作部１００３から操作信号を入力するとともに、操作パネル６の表示部１００１に表示信号を出力する。また、制御装置７には、扉開閉検知スイッチ９からの検知信号等も入力される。

（制御装置７の機能ブロック）
図５は、本発明の実施の形態１に係る制御手段１００９の機能ブロック図である。図６は、本発明の実施の形態１に係る冷蔵庫１において温度制御を実施した場合の低温室１３の設定温度及び庫内温度の経時変化を示すグラフである。

図５に示すように、制御手段１００９は、第１処理手段１１０１、第２処理手段１１０３、及び計時手段１１０５を備え、低温工程時間と、昇温工程時間とを有する周期を繰り返すことにより、低温工程における設定温度の制御と、昇温工程における設定温度の制御とを繰り返すものである。詳細について後述するが、低温工程は、導入工程及び低温維持工程を含む。

図５の第１処理手段１１０１は、低温工程時間、導入工程時間、低温維持工程時間、設定温度、及び低温設定温度に基づいて、制御指令を生成するものである。図５の第２処理手段１１０３は、昇温工程時間、設定温度、及び昇温設定温度に基づいて、制御指令を生成するものである。図５の計時手段１１０５は、第１処理手段１１０１及び第２処理手段１１０３で利用する各時間、例えば、低温工程時間、導入工程時間、低温維持工程時間、昇温工程時間を計時するものである。第１処理手段１１０１は、導入手段１２０１及び維持手段１２０３を備えている。導入手段１２０１は、導入工程時間、設定温度、及び低温設定温度に基づいて、低温工程のうち、導入工程における制御指令を生成する。維持手段１２０３は、低温維持工程時間、設定温度、及び低温設定温度に基づいて、低温工程のうち、低温維持工程における制御指令を生成する。

（温度制御）
例えば、図６に示すように、１周期は、上記で説明した低温工程及び昇温工程を含む。つまり、低温室１３の温度制御は、第１工程（例えば低温工程）と、第２工程（例えば昇温工程）とを含む周期ごとに、設定温度を低温設定温度又は昇温設定温度に設定することにより庫内温度を制御するものである。これにより、低温室１３の庫内温度は周期的に変更される。制御手段１００９は、低温工程の終了とともに昇温工程が開始され、昇温工程の終了とともに低温工程が開始されるように、圧縮機２、送風ファン４、低温室ダンパ１７等の冷却手段１００７を制御する。

低温室１３の設定温度は、低温工程及び昇温工程のそれぞれで変更される。低温工程では、設定温度は低温設定温度に設定される。低温設定温度は、食品等のような被冷却物の凍結点よりも低い温度である。昇温工程では、設定温度は昇温設定温度に設定される。昇温設定温度は、食品等のような被冷却物の凍結点よりも高い温度である。

低温設定温度をθＬとし、昇温設定温度をθＨとし、θＨ＞θＬとする。また、低温工程時間をΔＴＬとし、昇温工程時間をΔＴＨとする。図５の第１処理手段１１０１の導入手段１２０１は、低温工程を開始すると、図６に示すように、導入工程を開始し、予め設定された時間ごとに設定温度を段階的に下げて低温室１３を冷却し、時刻ＴＬ１までに、設定温度が低温設定温度θＬまで到達すると、低温維持工程へ遷移する。図５の第１処理手段１１０１の維持手段１２０３は、図６に示すように、低温維持工程において、時刻ＴＬに到達するまで、すなわち、低温工程開始から低温工程時間ΔＴＬが経過したら、低温工程を終了し、昇温工程に遷移する。

図５の第２処理手段１１０３は、図６に示すように、昇温工程では、低温室１３の設定温度を昇温設定温度θＨに切り換え、昇温工程時間ΔＴＨの間、設定温度を昇温設定温度θＨに維持する。図５の第２処理手段１１０３は、図６に示すように、時刻ＴＨに到達し、昇温工程時間ΔＴＨが経過したら、昇温工程を終了する。つまり、図６に示すように、低温工程を開始してから昇温工程を終了するまでを１周期とし、図５の第１処理手段１１０１及び第２処理手段１１０３は、計時手段１１０５で各時間を計時しながらこの一連の温度制御を繰り返す。

次に、低温工程時間ΔＴＬ及び昇温工程時間ΔＴＨについて具体的に説明する。図７は、本発明の実施の形態１に係る冷蔵庫１において温度制御を実施した場合の低温室１３の設定温度及び庫内温度の経時変化と、被冷却物が放出する熱量ｑ１と、被冷却物に供給される熱量ｑ２とを示すグラフである。

図７に示すように、低温工程において、庫内温度θ（Ｔ）が食品等のような被冷却物の凍結点θｆに到達する時刻をＴｆ１とする。また、昇温工程において、庫内温度θ（Ｔ）が食品等のような被冷却物の凍結点θｆに到達する時刻をＴｆ２とする。また、次の周期の低温工程において、庫内温度θ（Ｔ）が食品等のような被冷却物の凍結点θｆに到達する時刻をＴｆ３とする。また、昇温工程が開始されてから食品等のような被冷却物の凍結点θｆに庫内温度θ（Ｔ）が到達するまでの時間をΔＴｆ２とする。また、次の周期の低温工程が開始されてから食品等のような被冷却物の凍結点θｆに庫内温度θ（Ｔ）が到達するまでの時間をΔＴｆ１とする。

庫内温度θ（Ｔ）が凍結点θｆよりも低い時間ΔＴ１の間に、すなわち、Ｔｆ２−Ｔｆ１の間に、温度が凍結点θｆで一定となっている被冷却物が放出する熱量をｑ１とする。また、庫内温度θ（Ｔ）が凍結点θｆよりも高い時間ΔＴ２の間に、すなわち、Ｔｆ３−Ｔｆ２の間に、温度が凍結点θｆで一定となっている被冷却物に供給される熱量をｑ２とする。熱量ｑ１は、図７の斜線部の面積のうち、Ｔｆ１からＴｆ２の間のθｆと、庫内温度θ（Ｔ）との間の斜線部に相当し、次の式（１）のように表される。熱量ｑ２は、図７の斜線部の面積のうち、Ｔｆ２からＴｆ３の間のθｆと、庫内温度θ（Ｔ）との間の斜線部に相当し、次の式（２）のように表される。

熱量ｑ１と熱量ｑ２との関係が、ｑ１＝ｑ２を満たすように、低温工程時間ΔＴＬと、昇温工程時間ΔＴＨとが求められる。つまり、第１の熱量である熱量ｑ１と、第２の熱量である熱量ｑ２とが均衡した状態となるように、低温工程時間ΔＴＬと、昇温工程時間ΔＴＨとが求められて設定される。

次に、低温工程時間ΔＴＬ及び昇温工程時間ΔＴＨについてさらに具体的に説明する。低温工程時間ΔＴＬは、簡易的な実験から設定された条件下で任意に設定されるものであるのに対し、昇温工程時間ΔＴＨは、式（１）及び（２）を満たすように決定されるものである。

まず、導入工程における冷却速度は、食品等のような被冷却物を過冷却状態に突入させることができる条件に設定される。例えば、低温設定温度θＬを−３℃とした場合において、１℃当たりの冷却時間を３５分以上とすると、食品等のような被冷却物が極めて高い確率で過冷却状態に突入することが実験からわかっている。

そこで、このような条件を満たすように、導入工程の冷却速度が任意に設定されると、図７に示すように、低温工程を開始してから、すなわち、導入工程を開始してから凍結点θｆに到達するまでの時間ΔＴｆ１と、導入工程を終了するまでの時刻ＴＬ１とは決定される。また、低温工程時間ΔＴＬは、時刻ＴＬ１＜時刻ＴＬとなるように設定する必要がある。さらに、低温工程時間ΔＴＬは、図８を用いて後述するように、簡易的な実験から明らかなように、凍結が認知される前の時間以内に設定される必要がある。例えば、低温設定温度θＬを−３℃とした場合、低温工程時間ΔＴＬは８時間以下に設定する。

ここで、低温工程時間ΔＴＬを凍結が認知される前の時間以内に設定する理由について説明する。図８は、低温設定温度θＬを−３℃とした場合において、被冷却物が過冷却解除された後に凍結進行した時間（凍結時間）と、当該被冷却物を切断したときの破断ピーク数との関係を示すグラフである。

過冷却解除後、食品中で氷結晶の生成、成長が進むと、食品の触感は変化してしまう。触ったときの硬さや、切断時に氷粒が破断するじゃりじゃり感などが、食品が凍ったと人が認知する変化として挙げられる。しかし、過冷却解除後の数時間は、氷結晶が生成しても微細かつ微量であるため、食品の触感はほとんど変化しないことが、実験よりわかった。

さらに、生成した氷結晶をすべて融解させなくても、過冷却解除の直後、もしくは数時間以内の状態にまで復帰させることにより、実質的には非凍結状態と同等の状態を維持することができることがわかった。図８の破断ピーク数は、切断開始から切断終了までの切断荷重の時間変化波形における極大点の個数であり、氷粒が破断するじゃりじゃり感を表している。また、図８は、凍結時間に対応した破断ピーク数を示すものであり、偏差もグラフ上に表している。図８の結果より、非凍結状態（凍結時間０時間）と凍結状態との境界が凍結時間８時間にあることがわかった。そのため、凍結開始したこと又は凍ったことが認知される状態となる前に氷結晶を融解させるためには、低温工程時間ΔＴＬを８時間以下に設定することが望ましい。

つまり、上記８時間のように、食品等のような被冷却物が非凍結状態から凍結状態に至るまでの時間である許容凍結時間以内に低温工程時間ΔＴＬが設定されれば、昇温工程において、発生した氷結晶を確実に融解する熱量は必要がなく、凍結をこれ以上進行させないように、低温工程と昇温工程とで熱量のバランスがとれていればよいこととなる。つまり、上記許容凍結時間以内に低温工程時間ΔＴＬが設定されれば、熱量ｑ１と、熱量ｑ２とを均衡させた状態にすればよくなるため、昇温工程時間ΔＴＨは、従来のように氷結晶を確実に融解させる場合よりも短くなる。なお、上記８時間というのは一例であって、機体に応じて変わるものである。

次に、図７に戻り、低温工程時間ΔＴＬから昇温工程時間ΔＴＨを求める説明をする。まず、昇温工程が開始してから庫内温度θ（Ｔ）が凍結点θｆに到達するまでの時間ΔＴｆは、昇温速度から求めることができる。昇温速度は、実験から明らかになるものである。次に、式（１）で表される熱量ｑ１は、図７の斜線部面積から、次の式（３）のように近似式で表される。また、式（２）で表される熱量ｑ２は、図７の斜線部面積から、次の式（４）のように近似式で表される。式（３）及び（４）より、熱量ｑ１＝ｑ２を満たすように、昇温工程時間ΔＴＨが求まり、時刻ＴＨは設定される。

換言すれば、低温工程時間ΔＴＬは、許容凍結時間と、熱量ｑ１と、熱量ｑ２とに基づいて求まるものであり、昇温工程時間ΔＴＨは、低温工程時間ΔＴＬと、熱量ｑ１と、熱量ｑ２とに基づいて求まるものである。そして、低温工程時間ΔＴＬ及び昇温工程時間ΔＴＨは、熱量ｑ１と、熱量ｑ２とが均衡した状態となるように設定されるものである。

つまり、低温工程時間ΔＴＬ及び昇温工程時間ΔＴＨは、低温工程時間ΔＴＬが、許容凍結時間以下であるという制約下で、熱量ｑ１と、熱量ｑ２とを均衡させた状態に基づいて求められたものである。

次に、各種温度制御について例示する。図９は、図６及び７に示す温度制御を実施した際に被冷却物が過冷却解除されなかった場合の低温室１３の設定温度及び庫内温度の経時変化を示すグラフである。食品等のような被冷却物が過冷却解除を起こさない場合、低温室１３の庫内温度の経時変化よりも時間は遅れるが、食品等のような被冷却物の温度は、その熱容量に応じて、低温設定温度θＬから昇温設定温度θＨまでの間を連続的に温度変化する。

図１０は、図６及び７に示す温度制御を実施した際に被冷却物が過冷却解除された場合の低温室１３の設定温度及び庫内温度の経時変化を示すグラフである。低温工程において、低温室１３内におかれた食品等のような被冷却物は、凍結点θｆ以下でも凍らない状態の過冷却状態となっているが、過冷却状態は、エネルギー的には不安定な状態である。よって、例えば、扉８の開閉等のような衝撃又は何らかの要因により、低温室１３内で急激な温度変化が起こった場合、過冷却状態が解除される可能性がある。食品等のような被冷却物の過冷却状態が解除されると、食品等のような被冷却物内部には略一様に微細氷結晶が生成し始め、凍結が開始される。

そこで、予め定められたタイミングで、又は食品等のような被冷却物の凍結開始を検知し、設定温度を昇温設定温度θＨに設定する昇温工程のように、高温温度帯へと昇温することにより、凍結の進行及び完了を回避し、氷結晶による食品等のような被冷却物の組織又は細胞等に損傷を与えることを防止することができる。高温温度帯への昇温制御の後、予め定められたタイミングで、設定温度を低温設定温度θＬに設定する低温工程のように、再び低温温度帯に戻すことにより、食品等のような被冷却物の品質低下を抑制することができる。

図１０においては、食品等のような被冷却物の温度が凍結点θｆ以下になった時刻Ｔｆにおいて、過冷却解除し、微細氷結晶が生成し凍結が開始されることを示している。次いで、時刻ＴＬにおいて、低温室１３の設定温度を昇温設定温度θＨに切り換えることで、食品等のような被冷却物内部の微細氷結晶の融解が開始され、昇温工程が終了した時刻ＴＨにおいて、食品等のような被冷却物は非凍結状態と同等の状態に復帰している。過冷却状態が発現した周期の次の周期では、食品等のような被冷却物の温度が凍結点θｆ以下になった時刻Ｔｆ１において、食品等のような被冷却物は過冷却状態に突入せずに凍結開始し、相変化状態となっている。

このとき、熱量ｑ１＝ｑ２を満たすように低温工程時間ΔＴＬ及び昇温工程時間ΔＴＨが設定されているため、凍結を進行させる熱量ｑ１と、氷結晶を融解する熱量ｑ２とが等しくなっている。そして、低温工程時間ΔＴＬが許容凍結時間以下に設定されている。よって、冷蔵庫１は、昇温工程を終了した時点における時刻ＴＨ＿２において、食品等のような被冷却物を、過冷却解除した直後、すなわち時刻Ｔｆ１及び凍結開始直後、すなわち時刻Ｔｆ１と同等の状態に復帰させることができる。

図１１は、熱量ｑ１＞熱量ｑ２となるように低温工程時間ΔＴＬ及び昇温工程時間ΔＴＨが設定された冷蔵庫１において温度制御を実施した場合の低温室１３の設定温度及び庫内温度の経時変化と、被冷却物が放出する熱量ｑ１と、被冷却物に供給される熱量ｑ２とを示すグラフである。

このとき、過冷却状態で生じた氷結晶が次第に成長して凍結が進行し、いずれ凍結が完了してしまう。食品等のような被冷却物の温度が凍結点θｆ以下になった時刻Ｔｆにおいて、被冷却物が過冷却解除し、微細氷結晶が生成し凍結が開始される。次いで、時刻ＴＬにおいて、低温室１３の設定温度を昇温設定温度θＨに切り換え、被冷却物内の微細氷結晶の融解が開始される。時刻Ｔｆから時刻ＴＬまでの時間が短い場合、昇温工程が終了した時点の時刻ＴＨにおいて、被冷却物は非凍結状態と同等の状態に復帰している。

過冷却解除が発現した周期の次の周期では、非冷却物の温度が凍結点θｆ以下になった時刻Ｔｆ１において、被冷却物は過冷却状態に突入せずに凍結開始し、相変化状態になっている。このとき、低温工程時間ΔＴＬ及び昇温工程時間ΔＴＨは、熱量ｑ１＞ｑ２であるため、凍結を進行する熱量ｑ１は、氷結晶を融解する熱量ｑ２よりも小さくなり、凍結が進行し、凍結が完了することを回避することができない。つまり、熱量ｑ１＞ｑ２という条件下では、過冷却解除した被冷却物を再度過冷却状態に復帰させることは難しい。

図１２は、熱量ｑ１＜熱量ｑ２となるように低温工程時間ΔＴＬ及び昇温工程時間ΔＴＨが設定された冷蔵庫１において温度制御を実施した場合の低温室１３の設定温度及び庫内温度の経時変化と、被冷却物が放出する熱量ｑ１と、被冷却物に供給される熱量ｑ２とを示すグラフである。

図１２は、例えば、過冷却解除時に食品等のような被冷却物が放出する熱量ｑ０を考慮し、ｑ０＋ｑ１≦ｑ２となるように、低温工程時間ΔＴＬ及び昇温工程時間ΔＴＨが設定された場合を例示している。この場合、被冷却物が過冷却解除時に生成する氷結晶を全て融解させ、完全に非凍結状態となるまで復帰させることを目的としている。このため、次の周期でも必ず過冷却状態に突入することができるため、熱量ｑ１は、低温維持工程の期間において、温度が凍結点θｆで一定となっている非冷却物が放出する熱量となる。

このとき、昇温工程時間ΔＴＨは長くなるため、非冷却物の時間平均温度は、必然的に高くなる。よって、凍結の完了を回避させ、低温で食品の保存品質を維持するには、熱量ｑ１＝ｑ２であって、ｑ２＜ｑ０＋ｑ１となるように低温工程時間ΔＴＬ及び昇温工程時間ΔＴＨを設定しつつ、低温工程時間ΔＴＬを許容凍結時間以下に設定するのがよい。なお、厳密に熱量ｑ１＝ｑ２となる必要はなく、ｑ２＜ｑ０＋ｑ１となるようにすれば、ｑ１＜ｑ２であってもよい。

（冷蔵庫１の処理例）
図１３は、本発明の実施の形態１に係る冷蔵庫１の制御装置７で実行される処理の一例を示すフローチャートである。まず、冷蔵庫１に電源が投入されたとき、または操作パネル６により選択されたとき、温度制御が開始され、低温室サーミスタ１５により低温室１３の庫内温度θが検出される。

（ステップＳ１０１）
制御装置７は、庫内温度θが昇温設定温度θＨ（例えば１℃）以上である場合、ステップＳ１０２に進む。一方、制御装置７は、庫内温度θが昇温設定温度θＨ未満である場合、ステップＳ１１２に進む。

（ステップＳ１０２）
制御装置７は、タイマーＴ＝０に設定し、低温工程を開始する。

なお、低温工程の第１の小工程は、導入工程である。導入工程は、予め設定した時間ごとに設定温度を降下させて冷却するｎ段階（例えばｎ＝１２）の制御が実行される。つまり、制御装置７は、導入工程時間の間に低温設定温度θＬに至るまで、設定温度を段階的に低下させる。

（ステップＳ１０３）
制御装置７は、設定温度θｓ＝θＨ−Δθに設定する。

（ステップＳ１０４）
制御装置７は、ｉ＝０に設定する。

（ステップＳ１０５）
制御装置７は、タイマーＴ＝０に設定する。

つまり、制御装置７は、低温室１３の設定温度θｓを昇温設定温度θＨよりもΔθ（例えば０．３℃）低い温度に設定し、カウンターｉ＝０、タイマーＴ＝０に設定する。

（ステップＳ１０６）
制御装置７は、時間ｔ＝ΔＴであるか否かを判定する。制御装置７は、時間ｔ＝ΔＴである場合、ステップＳ１０７に進む。一方、制御装置７は、時間ｔ＝ΔＴではない場合、ステップＳ１０６に戻る。

（ステップＳ１０７）
制御装置７は、設定温度θｓ＝θｓ−Δθに設定する。

（ステップＳ１０８）
制御装置７は、ｉ＝ｉ＋１に設定する。

（ステップＳ１０９）
制御装置７は、ｉ≧ｎであるか否かを判定する。制御装置７は、ｉ≧ｎである場合、ステップＳ１１０に進む。一方、制御装置７は、ｉ≧ｎではない場合、ステップＳ１０５に戻る。

つまり、制御装置７は、予め設定された時間ΔＴ（例えば２０分）が経過したら、設定温度θｓをΔθ分だけ下げ、カウンターｉに１加算し、ｎ段階（例えばｎ＝１０）となるまで上記動作を繰り返す。

（ステップＳ１１０）
制御装置７は、設定温度θｓ＝θＬに設定する。つまり、制御装置７は、導入工程が終了したら、設定温度θｓを低温設定温度θＬ（例えば−３℃）に設定し、低温工程の第２の小工程である低温維持工程を開始する。

（ステップＳ１１１）
制御装置７は、時間Ｔ＝ΔＴＬであるか否かを判定する。制御装置７は、時間Ｔ＝ΔＴＬである場合、ステップＳ１１２に進む。一方、制御装置７は、時間Ｔ＝ΔＴＬではない場合、ステップＳ１１１に戻る。つまり、制御装置７は、低温工程開始から時間Ｔが予め設定された低温工程時間ΔＴＬ（例えば３００分）が経過したら、低温維持工程を終了し、昇温工程に遷移する。

（ステップＳ１１２）
制御装置７は、タイマーＴ＝０に設定する。

（ステップＳ１１３）
制御装置７は、設定温度θｓ＝θＨに設定する。

つまり、制御装置７は、昇温工程において、タイマーＴをリセットするとともに、低温室１３の設定温度θｓを昇温設定温度θＨに切り換え、昇温工程を開始する。

（ステップＳ１１４）
制御装置７は、時間Ｔ＝ΔＴＨであるか否かを判定する。制御装置７は、時間Ｔ＝ΔＴＨである場合、ステップＳ１０２に戻る。一方、制御装置７は、時間Ｔ＝ΔＴＨではない場合、ステップＳ１１４に戻る。

つまり、制御装置７は、設定された昇温工程時間ΔＴＨ（例えば２４０分）が経過した場合、昇温工程を終了し、再び低温工程へ戻るような繰り返し制御を実施する。

なお、昇温工程では、低温室ダンパ１７を閉鎖することにより、冷気が低温室１３に流入する状態を停止させ、低温室１３の庫内温度を上昇させてもよい。また、昇温工程では、圧縮機２の停止時に送風ファン４を運転させ、低温室ダンパ１７を開いて冷蔵庫１内の空気を循環させることにより、低温室１３の庫内温度を上昇させてもよい。また、冷蔵室１００又は野菜室５００と低温室１３とを連通する風路と、その風路内に冷蔵室１００または野菜室５００と低温室１３との空気の流れを制御するダンパとを設け、低温室１３の昇温時に、そのダンパを開いて、冷蔵室１００または野菜室５００から、低温室１３よりも高い温度の空気を低温室１３に流入させてもよい。

（冷蔵庫１の効果）
以上、本実施の形態１において、冷蔵庫１は、予め定めた許容凍結時間以内に、熱量バランスを考慮して各工程の時間が設定された状態において、周期的に温度を変更する制御を行う。具体的には、低温工程時間が許容凍結時間以内に設定され、凍結を進行する熱量ｑ１と、氷結晶を融解する熱量ｑ２とを均衡させた状態となるように昇温工程時間が設定されている。これにより、氷結晶を完全に融解させなくても食品等のような被冷却物を過冷却状態に復帰させると共に、被冷却物の保存期間における平均温度を低下させることができる。したがって、冷蔵庫１は、被冷却物に悪影響を与えることなく、被冷却物の凍結が完了することを防止することができる。

実施の形態２．
（冷蔵庫１の構成）
本発明の実施の形態２に係る冷蔵庫１について説明する。図１４は、本発明の実施の形態２に係る冷蔵庫１の冷蔵室１００の構成を示す断面図である。図１５は、本発明の実施の形態２に係る冷蔵庫１の機能ブロック図である。

図１４及び図１５に示すように、低温室１３の下方（冷蔵室１００の床面）には、低温室１３を加熱して昇温させる加熱機構（加熱手段）として、ヒータ１８が埋設されている。ヒータ１８を低温室１３の下方に設置することにより、低温室１３を効率的に昇温することが可能である。制御装置７は、低温室サーミスタ１５から低温室１３内の温度を取得し、低温室１３の温度が予め設定された温度以下である場合、ヒータ１８を加熱状態に設定する。また、制御装置７は、低温室１３の温度が予め設定された温度以上になった場合、ヒータ１８を加熱状態から解除する。制御装置７は、低温室サーミスタ１５から低温室１３の温度を取得し、低温室１３内が設定された温度に維持されるよう、予め記憶手段１００５に記憶されたプログラムに従って、圧縮機２、送風ファン４、低温室ダンパ１７、ヒータ１８等の運転状態を制御する。

なお、上記の説明では、制御装置７が、昇温工程において、低温室ダンパ１７等の制御に加え、ヒータ１８を制御するものとして説明したが特にこれに限定しない。例えば、制御装置７は、昇温工程において、低温室ダンパ１７等を制御せず、ヒータ１８を制御することで低温室１３を昇温させてもよい。

（冷蔵庫１の効果）
以上、本実施の形態２において、冷蔵庫１は、昇温工程における昇温制御をヒータ１８を用いて実施することができる。よって、冷蔵庫１は、低温室１３を効率良く昇温することができる。

以上、上記実施の形態に係る冷蔵庫１は、被冷却物を保存する貯蔵室と、貯蔵室内を冷却する冷却手段１００７と、冷却手段１００７を制御する制御手段１００９と、を備え、制御手段１００９は、第１工程及び第２工程を有し、第１工程の終了とともに第２工程が開始されるように冷却手段１００７を制御するものであり、第１工程では、貯蔵室内の設定温度を被冷却物の凍結点よりも低い低温設定温度θＬに設定し、第２工程では、貯蔵室内の設定温度を被冷却物の凍結点よりも高い昇温設定温度θＨに設定し、第１工程及び第２工程の時間は、第１工程の時間が、被冷却物が非凍結状態から凍結状態に至るまでの時間である許容凍結時間以下である、という制約下で、貯蔵室内の温度が被冷却物の凍結点よりも低い間に、被冷却物が放出する熱量ｑ１と、貯蔵室内の温度が被冷却物の凍結点よりも高い間に、被冷却物に供給される熱量ｑ２とを、均衡させた状態に基づいて求められたものである。

なお、実施の形態１及び２において、被冷却物とは、食品だけでなく、食品用ではない小動物の生肉等のように、自然界から採取されるものであってもよく、クローン動物等のように実験用の動物の生肉等であってもよい。つまり、過冷却状態で保存するものであればよい。

１ 冷蔵庫、２ 圧縮機、３ 冷却器、４ 送風ファン、５、５ａ、５ｂ 風路、６ 操作パネル、７ 制御装置、８ 扉、８ａ 右扉、８ｂ 左扉、９ 扉開閉検知スイッチ、１０ 扉ポケット、１１ 棚、１２ チルド室、１３ 低温室、１４ 冷蔵室サーミスタ、１５ 低温室サーミスタ、１６ 冷蔵室ダンパ、１７ 低温室ダンパ、１８ ヒータ、９０ 断熱箱体、１００ 冷蔵室、２００ 切替室、２０１、４０１、５０１ 収納ケース、３００ 製氷室、４００ 冷凍室、５００ 野菜室、１００１ 表示部、１００３ 操作部、１００５ 記憶手段、１００７ 冷却手段、１００９ 制御手段、１１０１ 第１処理手段、１１０３ 第２処理手段、１１０５ 計時手段、１２０１ 導入手段、１２０３ 維持手段。

Claims (11)

1. 被冷却物が収容される貯蔵室と、
   前記貯蔵室内へ冷気を供給する冷却手段と、
   前記冷却手段を制御し、第１の時間の間、前記貯蔵室内の温度を前記被冷却物の凍結点よりも低い第１の温度まで低下させる第１の工程と、第２の時間の間、前記貯蔵室内の温度を前記被冷却物の凍結点よりも高い第２の温度まで上昇させる第２の工程と、を繰り返し実施する制御装置と、を備え、
   前記貯蔵室内の温度が前記被冷却物の凍結点よりも低く且つ前記被冷却物の温度が凍結点で一定となっている間における、前記凍結点と前記貯蔵室内の温度との差の時間積分値と、前記貯蔵室内の温度が前記被冷却物の凍結点よりも高く且つ前記被冷却物の温度が凍結点で一定となっている間における、前記貯蔵室内の温度と前記凍結点との差の時間積分値とが等しい冷蔵庫。
2. 被冷却物が収容される貯蔵室と、
   前記貯蔵室内へ冷気を供給する冷却手段と、
   前記冷却手段を制御し、第１の時間の間、前記貯蔵室内の温度を前記被冷却物の凍結点よりも低い第１の温度まで低下させる第１の工程と、第２の時間の間、前記貯蔵室内の温度を前記被冷却物の凍結点よりも高い第２の温度まで上昇させる第２の工程と、を繰り返し実施する制御装置と、を備え、
   前記第２の時間は、前記貯蔵室内の温度が前記被冷却物の凍結点よりも低く且つ前記被冷却物の温度が凍結点で一定となっている間における、前記凍結点と前記貯蔵室内の温度との差の時間積分値と、前記貯蔵室内の温度が前記被冷却物の凍結点よりも高く且つ前記被冷却物の温度が凍結点で一定となっている間における、前記貯蔵室内の温度と前記凍結点との差の時間積分値とが等しくなるような時間である冷蔵庫。
3. 被冷却物が収容される貯蔵室と、
   前記貯蔵室内へ冷気を供給する冷却手段と、
   前記冷却手段を制御し、第１の時間の間、前記貯蔵室内の温度を前記被冷却物の凍結点よりも低い第１の温度まで低下させる第１の工程と、第２の時間の間、前記貯蔵室内の温度を前記被冷却物の凍結点よりも高い第２の温度まで上昇させる第２の工程と、を繰り返し実施する制御装置と、を備え、
   前記貯蔵室内の温度が前記被冷却物の凍結点よりも低く且つ前記被冷却物の温度が凍結点で一定となっている間における第１の熱量が、前記貯蔵室内の温度が前記被冷却物の凍結点よりも高く且つ前記被冷却物の温度が凍結点で一定となっている間における第２の熱量未満であって、且つ前記第２の熱量が、前記第１の熱量と第３の熱量との合計値未満であり、
   前記第１の熱量は、前記貯蔵室内の温度が前記被冷却物の凍結点よりも低く且つ前記被冷却物の温度が凍結点で一定となっている間における、前記凍結点と前記貯蔵室内の温度との差の時間積分値であり、
   前記第２の熱量は、前記貯蔵室内の温度が前記被冷却物の凍結点よりも高く且つ前記被冷却物の温度が凍結点で一定となっている間における、前記貯蔵室内の温度と前記凍結点との差の時間積分値であり、
   前記第３の熱量は、前記被冷却物が過冷却解除時に放出するものである冷蔵庫。
4. 被冷却物が収容される貯蔵室と、
   前記貯蔵室内へ冷気を供給する冷却手段と、
   前記冷却手段を制御し、第１の時間の間、前記貯蔵室内の温度を前記被冷却物の凍結点よりも低い第１の温度まで低下させる第１の工程と、第２の時間の間、前記貯蔵室内の温度を前記被冷却物の凍結点よりも高い第２の温度まで上昇させる第２の工程と、を繰り返し実施する制御装置と、を備え、
   前記第２の時間は、前記貯蔵室内の温度が前記被冷却物の凍結点よりも低く且つ前記被冷却物の温度が凍結点で一定となっている間における第１の熱量が、前記貯蔵室内の温度が前記被冷却物の凍結点よりも高く且つ前記被冷却物の温度が凍結点で一定となっている間における第２の熱量未満であって、且つ前記第２の熱量が、前記第１の熱量と第３の熱量との合計値未満となるような時間であり、
   前記第１の熱量は、前記貯蔵室内の温度が前記被冷却物の凍結点よりも低く且つ前記被冷却物の温度が凍結点で一定となっている間における、前記凍結点と前記貯蔵室内の温度との差の時間積分値であり、
   前記第２の熱量は、前記貯蔵室内の温度が前記被冷却物の凍結点よりも高く且つ前記被冷却物の温度が凍結点で一定となっている間における、前記貯蔵室内の温度と前記凍結点との差の時間積分値であり、
   前記第３の熱量は、前記被冷却物が過冷却解除時に放出するものである冷蔵庫。
5. 前記第１の時間は、前記被冷却物の凍結が認識されるまでの許容凍結時間以下の時間である請求項１〜４の何れか一項に記載の冷蔵庫。
6. 前記許容凍結時間は、前記第１の温度に応じて予め定められるものである請求項５に記載の冷蔵庫。
7. 前記許容凍結時間は、前記第１の温度が−３℃に設定された場合、８時間である請求項６に記載の冷蔵庫。
8. 前記許容凍結時間は、前記被冷却物を切断した場合の破断ピーク数が凍結開始時に比べて多い時間である請求項５〜７の何れか一項に記載の冷蔵庫。
9. 前記第１の工程は、
   前記第１の温度に至るまで、前記貯蔵室内の設定温度を段階的に低下させる導入工程と、
   前記導入工程後に、前記貯蔵室内の設定温度を前記第１の温度に維持する低温維持工程と、を含む請求項１〜８の何れか一項に記載の冷蔵庫。
10. 前記冷却手段は、前記貯蔵室内に供給される冷気の風量を調整するダンパを備え、
    前記制御装置は、前記第２の工程において、前記ダンパを制御し、前記貯蔵室内の温度を前記第２の温度まで上昇させるものである請求項１〜９の何れか一項に記載の冷蔵庫。
11. 前記貯蔵室内を加熱する加熱手段をさらに備え、
    前記制御装置は、前記第２の工程において前記加熱手段を制御し、前記貯蔵室内の温度を前記第２の温度まで上昇させるものである請求項１〜９の何れか一項に記載の冷蔵庫。

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