JP3129409U - エネルギー効率の良い電子冷蔵庫 - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギー効率が良く、冷却能力の高い電子冷蔵庫を提供する。
【解決手段】電子冷蔵庫などにおいて多段ペルチェモジュールを用いて１段あたりの冷却温度を小さくすればＣＯＰの高いところでペルチェモジュールを運転することができる。これに放熱能力の高いヒートパイプ放熱器によって放熱すればエネルギー効率がさらに高くなる。そこで多段ペルチェモジュールとヒートパイプ放熱器を組み合わせる。
【選択図】図６

Description

本考案は、エネルギー効率が高く、冷却の温度範囲を広く取れる電子冷蔵庫および電子冷凍庫および電子冷温蔵庫に関するものである。

図１に従来の電子冷蔵庫の断面図の例を示す。図１の電子冷温庫は、庫内２と外部を断熱する断熱材１と、庫内と外部間の熱流路となる熱伝プレート３と、熱伝プレート３に取り付けられたペルチェモジュール４と、ペルチェモジュール４に取り付けられた金属ヒートシンク５と、放熱ファン６と、ペルチェモジュール４および放熱ファン６に電気を供給する電源７からなる。

冷蔵庫は庫内温度を庫外温度から２５℃程度下げる必要があるが、１段のペルチェモジュールで２５℃という温度差を実現させるにはペルチェモジュールへの電流が大きい運転点で運転しなければならない。ところがペルチェモジュールは電流が大きくなればなるほどＣＯＰが小さくなり、冷却効率が悪くなる。また冷凍庫は庫内温度を庫外温度から４５℃程度下げる必要があるが１段のペルチェモジュールでこの４５℃の温度差を実現させることは困難であった。

従来のペルチェモジュールを使って冷却を行う冷蔵庫や冷凍庫や冷温蔵庫は、ペルチェモジュールをその高温面と低温面の温度差が大きくなる大電流域で使用していた。またペルチェモジュールの高温面からの放熱に放熱能力の不十分な金属ヒートシンク（図２）を使用していた。このため冷却に要する消費電力が大きく、冷却能力も小さかった。

ペルチェモジュールを使って冷却を行う冷蔵庫や冷凍庫や冷温蔵庫において次に示す方法１と方法２を組み合わせて適用すれば冷却能力を向上させることができる。さらに以下に示す方法３を組み合わせると省エネルギー効果を大きくすることができる。

方法１ 図３はペルチェモジュールに使用されている熱電素子エリメントにおける熱流を示したものである。次式は前記熱電素子エリメントの吸収熱を表したものである。この式から分かるように、ペルチェ効果による熱輸送分 αＩＴ_１ は電流に比例し、ジュール熱 Ｉ^２Ｒ は電流の２乗に比例する。したがって電流が大きくなればなるほど熱輸送効率は悪くなる。各段にそれぞれに必要な電流を供給できる多段ペルチェモジュール１０を用い、指示する冷却温度を各段に分担させ、それぞれ電流の低い範囲で使用すればエネルギー効率が良くなる。図４に示す２段ペルチェモジュールは前記多段ペルチェモジュール１０の１例である。また前記多段ペルチェモジュール１０を使用する場合のエネルギー効率よりは劣るが、複数枚のペルチェモジュールを重ねて使っても１枚のペルチェモジュールで同じ温度を冷却する場合よりもはるかに良いエネルギー効率が得られる。
Ｑ_１ ＝ αＩＴ_１ − ｋ（Ｔ_２−Ｔ_１） − Ｉ^２Ｒ
α： 熱電素子のゼーベック係数
Ｉ： 熱電素子を流れる電流
Ｔ_１： 熱電素子の低温面の温度
Ｔ_２： 熱電素子の高温面の温度
ｋ： サーマルコンダクタンス
Ｒ： 熱電素子の抵抗
Ｑ_１： 熱電素子の低温面に吸収される熱量
特開２００３−２０４０８７

方法２ 図５はヒートパイプ放熱器９の例で、放熱フィン１３と受熱部１１がヒートパイプ１２で結合されていて、受熱部１１で受熱した熱をヒートパイプ１２で放熱フィン１３に輸送し、放熱フィンから放熱する。図２に示すような金属ヒートシンク５を通してペルチェモジュールから受熱する熱を放熱する場合、熱は熱伝導によってヒートシンク中に拡散されそして放熱される。これに対して、前記ヒートパイプ放熱器９をペルチェモジュールからの熱の放熱に使うと、前記金属ヒートシンクを使った場合に比べて高速に熱がペルチェモジュールから離れた位置にある放熱フィン１３に輸送されるため、ペルチェモジュールの高温サイドの熱流面の温度を前記金属ヒートシンクを使った場合に比べて低くできる。したがってヒートパイプ放熱器９をペルチェモジュールの冷却に使えば熱輸送を増加させ、冷却能力を増大させる。

方法３ 多段ペルチェモジュール１０の各段、または複数枚重ねたペルチェモジュールのそれぞれに、温度コントローラをつけ、それらの温度コントローラの温度設定を、各段のペルチェモジュールの熱負荷の負担が同じになるようにすれば、熱負荷の負担に差がある場合に比べて消費電力を少なくすることができる。

図６は本考案の例で、前記方法１と前記方法２を組み合わせて使った冷蔵庫である。この冷蔵庫と、この冷蔵庫の多段ペルチェモジュール１０を単段のペルチェモジュールに変えた冷蔵庫の入力を比較したものを表１に示す。表１から分かるように、多段ペルチェモジュール１０を使った本考案の方がはるかに入力が少ない。

図７は本考案に使用する冷却機であるがこの冷却機の冷却能力と、この冷却機の多段ペルチェモジュール１０を単段のペルチェモジュールに変えた場合の冷却能力の比較を表２に示す。本考案の、多段ペルチェモジュールを使った場合の環境温度と熱伝プレート間の温度差は５４℃、単段のペルチェモジュールを使った場合の環境温度と熱伝プレート間の温度差は４２．１℃で本考案の方が冷却能力が高いことが分る。

図８（ａ）ヒートパイプ放熱機を使った冷却機と、図８（ｂ）金属ヒートシンクを使った冷却機を用いてヒートパイプ放熱機と金属ヒートシンク５の放熱能力を比較するための実験を行った。その結果を表３に示す。環境温度と熱伝プレート３間の温度差はヒートパイプ放熱機９を使った場合が４２．１℃、金属ヒートシンク５を使った場合が３０．３℃で、ヒートパイプ放熱機９を使った方が冷却能力が高いことが分る。

多段ペルチェモジュール１０のそれぞれの段に冷却温度を分担させるために温度コントローラを使う構造とした。またこのことによって温度設定域内の任意の温度に熱伝プレートの温度を設定することができる。

図６は、本考案の１つの実施例の断面図であって、冷蔵庫の上部に熱伝プレート３、２段ペルチェモジュール１０、ヒートパイプ放熱機９が取り付けられ、ヒートパイプ放熱機はファン６で冷却されている。２段ペルチェモジュール１０の１段目と２段目の間のセラミックプレートと、熱伝プレート３には温度センサ１４が取り付けられている。

コントローラ７には、２段ペルチェモジュールの１段目と２段目を温度制御する２台の温度コントローラと、それらの温度コントローラと２段ペルチェモジュール１０とファン６に電気を供給する電源と、前記温度コントローラへ温度を指示する指示回路が入っている。前記温度センサ１４は前記温度コントローラに接続されていて、前記温度コントローラはこれらの温度センサの温度が指示された値になるように温度を制御する。

実施例２も実施例１と同様の冷蔵庫である。実施例１では２段ペルチェモジュール１０の１段目および２段目の両方に温度コントローラを接続したが、実施例２では温度コントローラを１台で温度制御する工夫を行っている。図９は実施例２の冷却機である。実施例２では２段ペルチェモジュール１０の２段目に定電圧で電流を供給し、温度コントロールは熱伝プレートに取り付けた温度センサ１４の温度が設定値になるように１段目のペルチェモジュールに対して行われる。

本考案による電子冷蔵庫、電子冷凍庫、電子冷温庫は従来のものに比べて入力が小さく省エネルギーの点で優れている。したがって省エネルギータイプの電子冷蔵庫、電子冷凍庫、電子冷温庫に利用することができる。また冷却可能温度域も広いため低温域で冷却能力の高い電子冷蔵庫、電子冷凍庫、電子冷温庫に利用することができる。

従来の電子冷蔵庫の例 金属ヒートシンクの例 熱伝素子エリメントの熱流 本考案に使用する多段ペルチェモジュールの例 ヒートパイプ放熱器の例 本考案を使用した電子冷蔵庫の例（実施例１） 本考案に使用する冷却機の例 ヒートパイプ放熱器と金属ヒートシンクの放熱能力を比較する実験に使った冷却機 実施例２の冷却機

符号の説明

１ 断熱材
２ 庫内
３ 熱伝プレート
４ ペルチェモジュール
５ 金属ヒートシンク
６ ファン
７ コントローラ
８ 扉
９ ヒートパイプ放熱器
１０ 多段ペルチェモジュール
１１ ヒートパイプ放熱器の受熱部
１２ ヒートパイプ
１３ フィン
１４ 温度センサ

Claims (2)

1. ペルチェモジュールを用いて、冷却を行う冷蔵庫および冷凍庫、または加熱、冷却の両方を行う冷温蔵庫であって、これらの冷凍庫、冷蔵庫、冷温蔵庫の加熱用または冷却用の熱伝プレートに、複数枚の重ねたペルチェモジュール、または各段にそれぞれ別々に電気を供給できる電極を持った多段ペルチェモジュールの、一方の熱流面を接触させて取り付け、反対側の熱流面に、受熱部と放熱部をヒートパイプで結合したヒートパイプ放熱器の受熱部を接触させて取り付けたことを特徴とする冷凍庫および冷蔵庫および冷温蔵庫
2. 請求項１の冷凍庫、冷蔵庫、冷温蔵庫において、多段ペルチェモジュールの各段、または複数枚重ねたペルチェモジュールのそれぞれに、温度コントローラをつけ、それらの温度コントローラの温度設定を手動または自動で行う手段を備えたことを特徴とする冷凍庫および冷蔵庫および冷温蔵庫。