JP4549296B2 - 冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷却ファンによる冷気循環により、被冷却物を冷却させる冷却装置に関し、特に食材の冷凍保存に用いる冷却装置に関する。

冷凍庫等の冷却装置では、冷却方式として冷気強制循環方式が用いられている。冷気強制循環方式によれば、冷却コイルによって冷却した空気を冷却ファンによって、冷却室内で強制的に循環できるので、冷却室内の温度ムラが少なく、冷却時間も短いという利点がある。
例えば、下記特許文献１に記載された冷凍冷蔵庫では、冷凍室背面に冷却器とファンとが配置され、冷凍室下部に設けられた吸込口から吸い込まれた冷蔵室及び冷凍室からの環流空気は、冷却器を通過して熱交換し、ファンの送風により再び冷凍室に吹き出される。このような冷気強制循環方式では、冷却器における熱交換の際に、環流空気に含まれる水分が固化し冷却器に着霜することになる。特許文献１に係る発明は、冷蔵室からの環流空気と冷凍室からの環流空気とを、冷却器に至る前に合流させて、冷却器への着霜量を減少させるようにしている。
また、下記特許文献２、３に記載された冷凍庫は、冷凍室背面に冷却器が配置され、冷却器の前面に設けたファンから吹き出した冷気により庫内が冷却される。この構成は、冷却器を通過させた環流空気をファン後方に導く専用の風路は形成されていない。また、冷却器前面にファンが設けられているので、冷凍庫からファン後方に回り込んだ還流空気を、冷却器を経由させることなく流動させることも可能になり、冷却器への着霜量を減少させることができる。
［特許文献１］
特開昭６２−１６９９８８号公報
［特許文献２］
特開平６−２７３０３０号公報
［特許文献３］
特許第３３６６９７７号公報
しかしながら、前記特許文献１に記載の冷凍冷蔵庫では、庫内からの環流空気を、冷却器を通過させてファンに導くという一方向の空気の流れを実現するために、成形部品等で形成された専用の風路が必要であり、部品点数が多くなり構造も複雑であった。また、この構成は冷凍室から環流する低温空気を用いて冷蔵室からの環流空気による冷却器への着霜は減少させるというものであり、冷凍室からの環流空気による冷却器への着霜までも減少させることができるというものではなかった。
また、前記特許文献２、３に記載の冷凍庫は、冷却器への着霜量を減少させることができるが、冷却器の前面側にファンを設ける必要があるので、奥行き方向の寸法が大きくなり、小型化の実現に適した構成ではなく、省スペース化が困難であった。
本発明は前記のような従来の問題を解決するものであり、簡単な構造で冷却性能に優れ、冷却コイルへの着霜量を低減でき、かつ小型化を実現できる冷却装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために本発明の冷却装置は、断熱箱体により形成された室内の少なくとも−側壁側に設けられた冷却器と、前記冷却器の前方の冷却室と、前記冷却室の空気を流動させるファンとを備えた冷却装置であって、前記冷却器と前記冷却室とは、前記冷却器に冷気が溜まるように、仕切り板で区画されており、前記ファンは、前記仕切り板より前記冷却器側に配置されており、前記ファンの前方の前記仕切り板には開口を備え、前記開口の大きさは、前記ファンの径より大きく、前記ファンを前記ファンの回転軸方向に見たときに、前記ファンは前記開口内に配置されており、前記ファンの外側には開放空間があり、前記ファンの回転によって、前記冷却器から前記開口を経て前記冷却室に吹き出される冷気の吐出流と、前記冷却室から前記開口を経て前記冷却器に吸引される冷気の吸引流とが生じ、前記吐出流と前記吸引流とがぶつかり合って、冷気の流動速度が抑えられ、前記冷却器の着霜を抑えるように、前記冷却室の冷気と前記冷却器に溜まった冷気とを入れ替えることを特徴とする。
本発明の冷却装置によれば、通常の冷気強制循環方式に比べ、構造が簡単でありながら、同等の冷却性能を発揮でき、しかも冷却器への着霜量も少なくすることができる。
本発明の冷却装置においては、前記ファンは、前記冷却器の上部に配置されていることが好ましい。この構成によれば、奥行き寸法を特別に大きくする必要がなく、小型化に有利となる。
また、前記ファンと前記開口との組み合わせが複数であることが好ましい。この構成によれば、冷却性能の向上が図れる。
また、前記仕切り板のうち、前記冷却器と対向する部分又は前記冷却器の下部にスリットが形成されていることが好ましい。この構成によれば、冷却性能の調整を図ることができ、設計の自由度も高めることができる。
また、前記開口の面積をＳ、前記ファンの直径をＲとすると、
１．５×π（Ｒ／２）^２≦Ｓ≦２×π（Ｒ／２）^２
の関係を満足していることが好ましい。この構成によれば、開口を介した空気の流出と流入との双方の作用をしつつ、冷却室への吐出流の流速を弱める作用の実現に適している。
以下に、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る冷却装置の垂直断面図である。
図２は、図１に示した冷却装置本体の正面図である。
図３は、図１に示した冷却装置の水平断面図である。
図４は、本発明の一実施形態に係る開口の正面図である。
図５は、本発明の一実施形態に係る冷却装置のファン近傍の主要部の水平断面図、比較例に係る冷却装置のファン近傍の主要部の水平断面図及び開口の内周部をファンの外周と隣接させた構成をそれぞれ示す図である。
図６は、比較例に係る冷却装置の垂直断面図及びこの冷却装置のファン近傍の正面図をそれぞれ示す図である。
発明を実施するための好ましい形態
図１は、本実施の形態に係る冷却装置の垂直方向（高さ方向）の断面図である。冷却装置の本体１は、外箱２と内箱３との間に断熱材４を充填することにより形成されている。扉５も同様に扉パネル６内に断熱材４が充填されている。
冷却装置の本体１及び扉５で形成された断熱箱体内の空間は、仕切り板７によって、背面側の冷却器室９と、その前方の冷凍室である冷却室１０とに区画されている。冷却器室９には、冷却器８が立設している。冷却器８は、例えばフインチューブ方式の冷却コイルである。仕切り板７の配置によって、冷却器８に冷気が溜まることが可能になる。冷却器８の上側にはファン組立体２０が配置されている。ファン組立体２０は、駆動用のモータ１２の回転軸１３にファン１１が取り付けられたものである。
図示は省略しているが、冷却器８には圧縮機、凝縮器等が配管を介して接続され、圧縮機から供給された液体冷媒が冷却器８で蒸発し、この冷媒は圧縮機で高温高圧に圧縮され、凝縮器を経て液化された後、再び冷却器８に供給されることになる。
図１は概略図のため細部は図示していないが、前記の圧縮機を設置する機械室を、例えば本体１の背面側の下部に設ける必要がある。また、前記の凝縮器は、外箱２に当接させて断熱材４に埋没させて設けることができる。
また、図１は本体１を冷凍庫とした例で図示しているが、さらに冷凍室とは別に独立した冷蔵室等の冷却室を追加した構成としてもよい。この場合、例えば追加した冷却室に専用の冷却器、ファン等の冷却部品を設ければ、各室を独立して冷却することが可能になる。また、冷却室１０内には、食品載置用のトレイを設けてもよい。
図２は、図１に示した本体１の正面図であり、扉５を外した状態において、図１の冷却室１０を矢印Ａ方向から見た図である。仕切り板７には、略四角形の開口１４が形成されている。開口１４の辺の長さ（Ｂ寸法、Ｃ寸法）はいずれもファンの直径よりも大きくしている。
図３は、図１に示した冷却装置の水平方向（横方向）の断面図である。ファン１１は、冷却器室９内に収まっている。本図の例では、ファン１１の最先端部は、仕切り板７の裏面より寸法Ｄ分だけ内側（冷却室１０と反対側）に配置されている。なお、ファン１１の最先端部とは、ファン１１の回転羽根部分の回転軸方向における最先端部のことであり、ファン１１中央部のボス部分の最先端部のことではない。
また、ファン組立体２０の固定は、例えばモータ１２を保持したブラケット部材（図示せず）を仕切り板７に取り付ければよい。また、ブラケット部材を、後壁面に取り付けてもよい。
冷却器室９内の主要部品は、冷却器８とファン組立体２０であり、これら以外に各部品の取付け部品、配線、配管等が配置されているが、冷却器８とファン１１との間を空気が流通する風路を構成する専用のダクト等の部品は設けていない。例えば、ファン１１後方に直接空気を導くような専用のダクトはなく、ファン１１の外周を囲むような環状部分や筒状の部品もない。また、ファン１１の左右の冷却器８上部の空間１５、１６にも、配線、配管等が配置されるに止まり、冷却器室９の冷気を、ファン１１に直接導くような専用部品は配置されていない。このため、ファン１１の径方向の外側には開放空間があることになる。
図４は、開口１４の正面図を示している。本図の例では開口１４は、網目状に形成されたネット１７で塞がれており、ファン１１への人体や食品の接触を防止している。ネット１７は、仕切り板７に追加して固定してもよく、仕切り板７と−体に形成してもよい。また、網目状部材に限るものではなく、例えば多数のスリットを形成したものでもよい。また、仕切り板７と略同一平面上にあるものに限らず、冷却室１０側に延出した立体状部材に、網目状部材やスリットを形成してもよい。
前記のような冷却装置の具体例として、後に説明する実施例１の構成が一例として挙げられる。実施例１では、内容積１６８Ｌとし、ファン１１の直径を１１５ｍｍ、開口１４の横寸法（図２のＣ寸法）を１４２ｍｍ、開口１４の縦寸法（図２のＢ寸法）を１３５ｍｍ、仕切り板７からのファン１１先端の変位（図３のＤ寸法）を５ｍｍとした。また、入力電源はＡＣ２２０Ｖ、６０Ｈｚとし、出力４２２Ｗの圧縮機を用い、入力電源ＤＣ１２Ｖ、出力５５Ｗのファンモータを用いた。また、冷媒はＨＦＣ−１３４ａとし、充填量は１６５ｇとした。
以下、本実施の形態に係る冷却装置の動作について、図５を参照しながら説明する。図５の（Ａ）は、本実施の形態に係る冷却装置の主要部の水平断面図であり、図５の（Ｂ）、（Ｃ）は、比較例に係る冷却装置の主要部の水平断面図である。図５の（Ｂ）の比較例に係る構成は、仕切り板の配置は冷却器８との対向部分で止まり、冷却器８の上部には、仕切り板は配置されていない。このため、図５の（Ａ）の構成では、ファン１１の左右部は、後壁面と仕切り板７とで挟まれた空間を形成しているのに対して、図５の（Ｂ）の比較例に係る構成では、このような空間はない。
図５の（Ｂ）の構成では、ファン１１を、ファン１１後方の空気をファン１１前方に導くように正転させた場合、冷却器室９の空気は、冷却室１０側に吹き出される。また、ファン１１の後方のみならず、ファン１１の前方の冷却室１０の空気もファン１１の回転により吸引され、ファン１１の前方に吹き出されることになる。
これに対して、図５の（Ａ）の構成では、開口１４の内径は、ファン１１の外径より大きく、かつファン１１は回転軸１３方向において開口１４内にはなく、ファン１１の回転軸１３方向の先端は冷却器室９内にある。このため、開口１４の内周近傍において、ファン１１の吸引力により、冷却室１０の空気が吸引されて冷却器室９側に流動する空間がある。
したがって、開口１４においては、冷却器室９から冷却室１０に吹き出される流れと、冷却室１０から冷却器室９に吸引される流れとの２方向の空気の流れが生じる。このように限られた開口１４において、２方向の流れが生じると、図５（Ａ）の破線で示したように、冷却室１０に吹き出される吐出流と、冷却器室９に吸引される吸引流とがぶつかり合う現象も生じる。
このため、図５の（Ｂ）のように、空気の流れは、吐出流と吸引流とが明確に分離した状態にはならず、吐出流と吸引流とがぶつかりあって、乱流状態が形成され冷却室１０への吐出流の流速が弱められることになる。すなわち、図５の（Ａ）の構成は、開口１４を介した空気の流出と流入との双方の作用をしつつ、冷却室１０への吐出流の流速を弱める作用があるといえる。
ここで、図５の（Ｃ）は、開口１４の内周部をファン１１の外周と隣接させた構成を図示している。この構成は、別途冷却室１０内の空気を冷却器室９側に吸い込む吸込口を設けており、ファン１１の外周と開口１４との間の隙間は、冷却器室９から吸引した空気を冷却室１０へ導く風路１８を構成している。風路１８は、冷却器室９から冷却室１０への空気の流れを促進することになり、図５の（Ａ）の構成とは異なり、冷却室１０の空気が冷却器室９に流動する余地がない。このことは、ファン１１の外周を円筒状部材で囲んだ場合も同様である。
以下、実験結果を説明しながら、図５の（Ａ）の構成における空気の流れについて、図４を参照しながら説明する。実験は、図５の（Ａ）の構成と同様の構成の冷凍庫（実施例１）を作成し、空気の流れを煙りの動きや、ファン１１の前方のネット１４に取付けた帯状の小片により確認した。また、ファン１１左右部の仕切り板を取り外した図５の（Ｂ）と同様の構成（比較例１）についても、同様の確認を行った。
実施例１では、図４において、ファン１１の回転領域３０内では、吐出流のみならず、吸引流も確認された。ファン１１外周と開口１４の内周との間の領域３１、３２、３３、３４でも、吸引流と吐出流とが混在していた。この領域においては、一端を固定した帯状の小片を垂直方向に配置した場合、他端部が前後に揺れる箇所が多く、吸引流か吐出流であるかを明確に確認できない部分も多かった。
これに対して、比較例１のように、ファン１１の周囲に仕切り板の配置されていない構成（図５の（Ｂ））では、ファン１１の回転領域（図４の回転領域３０に相当する領域）では吐出流が、ファン１１の外側では吸引流が確認され、これらは明確に区別できた。
実施例１では、ファン１１の前方に空気が吹き出す吐出流が確認できたが、比較例１の構成（図５の（Ｂ））と比べると、吹き出しの強さは大幅に弱くなっていた。例えば、比較例１では、ファン１１から強い勢いで吐出流が吹き出し、冷却室１０の前面部（扉部分）まで、空気は吹き出していることが確認できた。一方、実施例１では、冷却室の奥行き方向の略中央部までは、吐出流が吹き出していることは確認できたが、冷却室１０の前面部では、吹き出し方向の空気の流れは、明確には確認できなかった。
これらの実験結果をまとめてみると、実施例１は、開口１４を介して空気の流出及び流入の作用があること、及び冷却室１０内へ吐出流の風速を弱めることができることが分かる。また、ファン１１近傍の空気の流れは、比較例１が空気の流出及び流入が明確に区別できるのに対して、実施例１では、乱流状態の占める割合が大きいといえる。
本実施の形態の構成によれば、開口１４を介して、冷却室１０の冷気と冷却器室９に溜まった冷気とを入れ替えることができるので、冷却器８に溜まった冷気を冷却室１０内へ流動させることができ、かつ冷却室１０で温度上昇した冷気を冷却器８に環流させることができる。このため、開口１４とは別に専用の吸引口を設けていない構成であっても、冷却器８による熱交換が可能であるといえる。後に説明する実験によれば、実施例１に係る冷凍庫は冷凍庫としての冷却性能を発揮でき、開口１４を介しての空気の流出入により、冷却器８による熱交換は良好であった。
また、開口１４の面積は、大き過ぎると図５の（Ｂ）の構成の場合の作用に近づき、吐出流の風速を弱める作用が薄れ、小さ過ぎると、開口１４を介した空気の冷却器室９への流入の作用が薄れる。このため、開口１４の面積をＳ、ファン１１の直径をＲとすると、開口面積Ｓは、下記式（１）に示したように、ファン１１の面積（π（Ｒ／２）^２）の１．５倍以上２倍以下の範囲内であることが好ましい。
式（１） １．５×π（Ｒ／２）^２≦Ｓ≦２×π（Ｒ／２）^２
実施例１では、開口面積Ｓが１９１７０ｍｍ^２（１４２ｍｍ×１３５ｍｍ）、ファン面積が１０３８６．９ｍｍ^２（π×（１１５ｍｍ／２）^２）であるので、開口面積Ｓは、ファン面積の１．８５倍である。
また、実施例１では、仕切り板７からのファン１１先端の変位（図３のＤ寸法）を５ｍｍとしたが、ファン１１の直径に応じて、例えば５〜３０ｍｍの範囲としてもよい。
以下、通常の冷気強制循環方式の冷凍庫との比較実験について具体的に説明する。比較実験に用いた実施例は、前記の実施例１である。図６の（Ａ）は比較例２に係る装置の垂直断面図であり、図６の（Ｂ）は正面図である。
図６の（Ａ）に示した比較例２の構成は、冷気強制循環方式の典型例であり、冷却器４０下側の吸込口４１から吸引された冷却器４０内の冷気は、冷却器４０内を上側に流動し、ファン４２を有するファン組立体４３の周辺部を囲むように配置されたダクト４４を経て、吐出口４５から吐出されることになる。
この構成では、冷気が一方向に流動するように風路が形成されているので、吸込口４１における冷気の流れは、冷却室４６から冷却器４０へ向かう流れであり、吹出口４５における冷気の流れは、冷却器４０から冷却室４６へ向かう流れであり、この逆の流れは発生しない。
実施例１と比較例２とは、装置本体は同じものとしたので、冷却室容積は同じである。また、風路構成以外の部分は共通しており、冷却器、ファン、ファンモータ、圧縮機等の冷却システムに係る部品は同じものを用いた。
実験条件は統一し、周囲温度２０度、相対湿度６０％、冷却室内負荷１７００ｇとした。実験の結果、実施例１、比較例２のいずれについても、約４時間で約−２５℃の安定状態に達した。このことから、実施例１、比較例２の冷却性能はほぼ同じであることが確認できた。
ここで、実施例１と比較例２とでは風路構成が異なっているが、冷却器に空気を還流させ、冷却器の冷気を冷却室へ吐出させることは、双方共変わりない。実施例１では冷気の流動の速度が遅くなり、乱流状態が発生するものの、冷却器部及び冷却室の全体として見れば、冷却器室の冷気は冷却室へ運ばれ、冷却室の冷気は冷却器室に環流し、冷却器において熱交換が行われ、冷却能力を発揮できることになる。実験においては、冷却器入口と出口との温度（パイプ近傍温度）の差は、温度下降時において最大約１０℃、安定時において約４℃であり、十分な熱交換が行われていた。
一方、冷却器への着霜については、比較例２が冷却器全体に着霜したのに対して、実施例１では、冷媒の入口部分に着霜が少量見られたに止まった。比較例２では、冷却室４６で温度上昇した冷気は、吸込口４１を経て冷却器４０へ至る。また、冷却室４６の冷気の流動速度は実施例１に比べ速く、冷気の冷却室４６内の滞留時間も実施例１に比べ短い。したがって、比較例２の冷気の流動は、冷却室４６の水分を含んだ冷気が速い速度で、連続的に冷却器４０へ運ばれるので、冷却器４０への着霜を促進する流動であるといえる。
これに対して、実施例１では比較例２に比べ、冷気の流れが全体的に緩やかであり、冷却室１０内の冷気の滞留時間は比較例２に比べ長い。また、開口１４から吐出された冷気は、同じ開口１４に吸引されるので、冷却室１０内において、吐出流と吸引流とがぶつかり合って、合流する割合も高い。このため、水分量を含んだ冷気が冷却室１０内において緩やかに滞留している間に、この水分量が冷却室１０内において固化する作用も生じる。実施例１の着霜量が少ないのは、このことによるものであり、実施例１の冷気の流動は、冷却器８への着霜を抑える流動であるといえる。
また、本実施の形態では、前記のように、ファン１１は冷却器８の上部に配置しているので、奥行き寸法を特別に大きくする必要がなく、小型化に有利となる。さらに、冷却器８とファン１１との間を空気が流通する風路を構成する専用のダクトや、ファン１１から吹出口へと空気を導く専用のダクト等の部品は設ける必要がなく、構造を簡素化でき、部品点数を減らすことができる。
すなわち、本実施の形態によれば、通常の冷気強制循環方式に比べ、構造が簡単でありながら、同等の冷却性能を発揮でき、しかも冷却器への着霜量も少なくすることができる。このため、本実施の形態は、冷蔵庫、冷凍庫、冷凍装置、自動販売機用冷却装置、保冷庫、又は冷凍車に利用できる。また、業務用、家庭用に関係なく用いることができ、前記のように小型化に有利であるので、特に家庭用の冷凍庫、冷凍冷蔵庫に有用である。
なお、実施例１において、仕切り板７のうち冷却器８の下部に相当する部分に、仕切り板７を貫通する長穴状のスリットを形成したものについても、実験確認を行なったが、開口１４における空気の基本的な流動動作については、特に変化が見られなかった。
これは、以下のように考えられる。すなわち、実施例１は、前記のように、開口１４における空気の流れは一方向ではなく、空気の流入と流出の双方があり、冷却室１０への空気の吐出は比較例２の構成に比べ緩やかである。冷却器室９内においても、このことは同様であり、冷却器８が配置されている部分では、空気の流れは一方向ではなく、しかもその流れは緩やかである。このため、仕切り板１７のうち、冷却器８と対向する部分又は冷却器８の下部にスリットを形成しても、冷却室１０から冷却器室９へ空気が急激に流入することはなく、開口１４における空気の流動動作も、特別な変化が発生しないものと考えられる。
スリットの有無によって、開口１４における空気の基本的な流動動作には、変化はないが、冷却性能については、若干の変化が見られた。このため、スリットの有無やスリットの大きさによって、冷却性能の調整を図ることができ、設計の自由度も高めることができる。
また、前記実施の形態では、開口１４とファン１１との組み合わせが１組の例で説明したが、複数組として冷却性能を高めるようにしてもよい。また、冷却器を断熱箱体の背面に設けた例で説明したが、側面に設けてもよく、背面及び側面に設けてもよい。
また、前記実施例では、開口１４の形状が四角形の例で説明したが、これに限るものではなく、開口１４の径がファン１１の径より大きくなっていればよく、四角形以外の多角形や円形でもよく、これらに近似した形状でもよい。
また、仕切り板７は、１枚の板状部材で構成した例で説明したが、複数部材を組み立てて形成したものでもよい。例えば、開口１４を形成した部材と、冷却器８の前面に対応する部材とを組み合せたものでもよい。

以上のように、本発明に係る冷却装置によれば、通常の冷気強制循環方式に比べ、構造が簡単でありながら、同等の冷却性能を発揮でき、しかも冷却器への着霜量も少なくすることができる。

Claims (5)

1. 断熱箱体により形成された室内の少なくとも−側壁側に設けられた冷却器と、前記冷却器の前方の冷却室と、前記冷却室の空気を流動させるファンとを備えた冷却装置であって、
   前記冷却器と前記冷却室とは、前記冷却器に冷気が溜まるように、仕切り板で区画されており、
   前記ファンは、前記仕切り板より前記冷却器側に配置されており、
   前記ファンの前方の前記仕切り板には開口を備え、
   前記開口の大きさは、前記ファンの径より大きく、前記ファンを前記ファンの回転軸方向に見たときに、前記ファンは前記開口内に配置されており、前記ファンの外側には開放空間があり、
   前記ファンの回転によって、前記冷却器から前記開口を経て前記冷却室に吹き出される冷気の吐出流と、前記冷却室から前記開口を経て前記冷却器に吸引される冷気の吸引流とが生じ、前記吐出流と前記吸引流とがぶつかり合って、冷気の流動速度が抑えられ、
   前記冷却器の着霜を抑えるように、前記冷却室の冷気と前記冷却器に溜った冷気とを入れ替えることを特徴とする冷却装置。
2. 前記ファンは、前記冷却器の上部に配置されている請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記ファンと前記開ロとの組み合わせが複数である請求項１に記載の冷却装置。
4. 前記仕切り板のうち、前記冷却器と対向する部分又は前記冷却器の下部にスリットが形成されている請求項１に記載の冷却装置。
5. 前記開口の面積をＳ、前記ファンの直径をＲとすると、
   １．５×π（Ｒ／２）^２≦Ｓ≦２×π（Ｒ／２）^２
   の関係を満足している請求項１に記載の冷却装置。

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