JP5078829B2 - 冷蔵庫 - Google Patents

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本発明は冷蔵庫に関し、特に、冷却器の着霜状態の検知に関するものである。
一般に、冷凍冷蔵機器は、冷却器で熱交換し冷却された空気が食品の貯蔵室となる冷蔵室、冷凍室、製氷室、野菜室などに送風され、保存している食品や貯蔵室全体を冷却することで加温された空気が再び冷却器に戻り冷却される、という循環形態で冷却されている。冷却器から供給された冷気は非常に低湿であるが、貯蔵室で様々な食品や冷蔵庫の扉開閉による外気由来の水分により加湿される。この加温加湿された空気が冷却器に戻り冷却された際に水分が霜となって冷却器に付着することは周知の事実である。霜は空気に比べ熱伝導率が非常に小さく、大きな熱抵抗となる。また、冷却器表面にはほぼ常に水分が供給されるために成長した霜が冷却器のフィンや配管の隙間を塞いで通風抵抗となるため、冷却器の熱交換性能が大きく低下するという問題点があった。
このため、従来より冷却器に付着した霜を取り除くための様々な方法が提案されてきた。最も一般的に使われている方法は、タイマーを用いたもので、圧縮機の稼働時間を積算し、その積算値が一定値以上になったとき、着霜量によらず除霜運転に入る。除霜は冷却器表面又は冷却器下に設置されたヒータによる加熱で霜を融解することによってなされる。このとき、着霜が多いにもかかわらず除霜運転に入らないと冷却器の熱交換効率が悪い状態での運転が続くため、圧縮機が過剰な能力で動くことになり、無駄な消費電力がかかる。また、着霜量が少ない状態で除霜運転に入ると、貯蔵室への冷気が遮蔽されたり霜取後の温まった空気が貯蔵室へ流れ込んだりして、貯蔵している食品の品質を低下させる要因ともなる。
このため、着霜量に応じたタイミングでの除霜運転を行えるようにすることが必要になってくる。そのためには着霜量を正確に検知できるセンサが必要となる。このようなセンサとして、冷却器の着霜状態による静電容量の変化を検知する方法がある。
例えば、一方の電極を冷媒に直接又は間接的に接触させた電極とこれに対向した電極との間に空気コンデンサを形成し、静電容量の変化による着霜検知と除霜制御を行う冷蔵庫がある(特許文献1参照)。
また、冷却フィンをシールド電極と検知電極とすることによる冷却器の霜、氷、水分の検知装置及び霜取装置とするものがある(特許文献2参照)。
また、電極間に樹脂などを封入し霜を付着させない基準コンデンサの静電容量と、冷却フィン間に着霜可能な検知コンデンサの静電容量との比較によって霜の付着状態を検知する装置がある(特許文献3参照)。
特開平2−13774号公報(第4図参照) 特開2001−264446号公報(図3参照) 特開昭59−153083号公報(第1図参照)
しかし、特許文献1の方法では、電極間の隙間は非常に狭く、この電極間に汚れが付着した場合には大きな誤差要因となるが、その回避手段についての記載がない。風が入りにくい構造なので、水分供給が少なく、冷却器の着霜と相関が得られるような着霜が得られない可能性や、除霜タイミングとなる電極間の水滴発生による絶縁破壊状態が発生しない可能性がある。
また、特許文献2の方法では、シールド電極と検知電極とが配管に接触しないように冷却フィンを組み立てる必要があるため、配管との間には絶縁部材が設けられている。しかし、この構造では熱伝導率を向上させるフィンとしての役目を成立させられず非現実的な構造である。また、シールド電極と検知電極とが接触しないように冷却フィンを組み立てる必要がある。しかし、冷却フィン自体非常に薄い金属で形成する必要があり、若干の曲がりやゆがみが生じるおそれがあり、検知電極と接触する恐れがある。さらに、冷却器の着霜状態に偏りがあった場合には、複数のシールド電極と検知電極を冷却器フィンに設置する必要があり、配線を複数本引き出す必要性がある。このため、冷却器の組立て手順が煩雑になり現実的ではない。さらに、必要な配線分のコストアップにつながる。
また、特許文献3の方法では、検知電極と冷却フィンが接触しないように冷却フィンを組み立てる必要がある。しかし、冷却フィン自体非常に薄い金属で若干の曲がりやゆがみが生じるおそれがあり、検知電極と接触する恐れがある。さらにこのとき、基準コンデンサを挿入するための隙間が十分取れない、または隙間が大きすぎて基準コンデンサと冷却フィンの間に隙間ができ、その隙間に着霜が生じて基準が異なってしまう可能性があるが、これを回避する手段の記載がなく、現実的ではない。また、特許文献3には除霜運転終了となる除霜状態の検知については何ら記載がなく、このため、その開示された内容を除霜制御に適用することはできなかった。
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、冷却器の伝熱阻害要因や風路圧損にならず、不要なコストをかけることなく、正確に着霜・除霜状態を検知できる着霜検知装置を備えた冷蔵庫を提供することを目的とする。
本発明に係る冷蔵庫は、圧縮機及び冷却器を備えた冷凍サイクルと、前記冷却器の着霜状態を検知する着霜検知装置と、前記冷却器表面に付着する霜を除去する除霜手段と、前記着霜検知装置の判定結果に基づいて前記除霜手段を制御する制御手段とを備えた冷蔵庫において、前記着霜検知装置は、前記冷却器に対向して配置された導電部材からなる電極、及び正弦波を発振し前記電極の一端に抵抗を介して前記正弦波を印加する正弦波発信器を備え、前記電極が周期的な放電を繰り返すことによって、前記電極の周囲に存在する物質を電極間物質とする仮想的なコンデンサを構成し、前記電極と対になる電極を必要とせずに、前記電極の周囲の静電容量を検出し、前記冷却器の着霜状態に応じた出力をする電界センサと、前記電界センサの出力に基づいて着霜状態を判定する判定手段とを備えたものである。
本発明によれば、前記電界センサの出力に基づいて着霜状態を判定するようにしたので、冷却器の伝熱阻害要因や風路圧損にならず、不要なコストをかけることなく、正確に着霜・除霜状態を検知できる。
実施の形態1.
本発明の代表的なものを実施の形態1として説明する。
図1は、本発明の実施の形態1における冷蔵庫の断面図である。
図1において、1は冷蔵庫本体である。この冷蔵庫本体1は、冷蔵庫本体1の最上部に開閉ドアを備えて配置される冷蔵室100と、冷蔵室100の下方に冷凍温度帯(−18℃)から冷蔵、野菜、チルド、ソフト冷凍(−7℃)などの温度帯に切り替えることのできる引き出しドアを備える切替室200と、切替室200と並列に配置され、引き出しドアを備える製氷室500と、最下部に配置され、引き出しドアを備えた冷凍室300と、この冷凍室300と切替室200、製氷室500との間に配置され、引き出しドアを備えた野菜室400とを備えている。冷蔵室100の扉上には各室の温度や設定を調節する操作スイッチやそのときの各室の温度を表示する液晶表示部などから構成される操作パネル5が設置されている。なお、操作パネル5は冷蔵庫の中、例えば冷蔵室100の側面に設置されていても構わない。
冷蔵室100には食品を凍結温度以上で保存できる最低温度(0℃)に設定されるチルド室101があり、冷蔵室100の下部に専用の収納ケースがある。冷凍室300には収納ケース301が設置されており食品を収納することができる。切替室200にも収納ケース201が設置されており、食品を収納することができる。野菜室400にも同様に収納ケース401が設置されており、食品を収納することができる。なお、ケース数は1個でもよいが、冷蔵庫全体の容量からして整理性などが向上する場合には2個以上あっても構わない。
また、図1において、10は圧縮機、3は冷却器、2は冷却器3により冷却された冷気を冷蔵庫内の各部屋へ送風する送風ファン、4は冷却器3により冷却された冷気を各部屋へ導入するための風路である。この風路4で、送風ファン2より下流側(または送風ファン2の上側)を送風風路4a、冷却器3より上流側(または冷却器3の下側)を帰還風路4bとする。冷却器3の下には、霜取制御時にのみ動作する霜取ヒータ(除霜手段)6が設けられている。7は電界センサ34(後述の図2、図3参照)の電極であり、この例では金属棒から構成されており、風路4を介して冷却器3に対向して水平に設置されている。電極7は、高い検知精度で利用するために、風路4内にむき出しにして配置されている。8は電界センサ35(後述の図2、図3参照)の電極を構成するものであり、本実施の形態においてはダミー電極と称するものとし、電極7と同じ温湿度、特に同一温度の環境に設置し、環境変化による電界センサ34の出力変動を補正する基準電極となるものである。電極7及びダミー電極8は、例えば銅、アルミ、SUS、導電プラスチックなど、導電体であれば良い。
なお、上記の電界センサの動作原理の概要については後述する(図2参照)。
図1の冷蔵庫において、冷却器3で冷却された冷気は送風風路4aを通り、冷凍室300、切替室200、冷蔵室100、製氷室500へと送風され各部屋を冷却する。冷凍室300、切替室200、製氷室500に吹き出し、各部屋を冷却した空気は各部屋に設けられた吸込口より帰還風路4bを通って冷却器3の下側に戻ってくる。なお、図1においては省略したが、冷蔵庫本体1は熱交換器(凝縮器)及び減圧手段を更に備えており、圧縮機10、凝縮器、減圧手段及び冷却器(蒸発器)3が環状に接続されて冷媒が循環する冷凍サイクルが構成されている。
野菜室400は冷蔵室100の戻り冷気を冷蔵室用帰還風路より循環させて冷却され、そして、野菜室用帰還風路より冷却器3に戻される。各部屋の温度は、各部屋に設置された図示しないサーミスタにより検知される。基本的には、冷凍室300のサーミスタの出力に基づいて圧縮機10の出力及び送風ファン2の送風量を調整し、他の部屋はあらかじめ設定された温度になるように、送風風路4aに設置された図示しないダンパの開度を変えることで制御される。ただし、冷凍室300以外の部屋が非常に負荷が高い、例えば急速冷凍が設定された場合などはその制御に従って圧縮機10や送風ファン2が動作し、冷凍室300の温度もダンパ開度の変化により制御される。
上記の動作を繰り返す過程で、各部屋の扉開閉や収納食品からの水分蒸発・昇華によって発生する水分は、吸込口より帰還風路4bを通って冷却器3へ戻る空気とともに移動し、風路4において最も低温である冷却器3に着霜する。霜は冷却器3の下の風路4bの戻り口近傍から成長していく。冷風は、最初は冷却器3のフィン間を抜けていくが、そこが成長した霜でふさがると冷却器3の周囲に形成されたバイパス風路を通って冷却器3上部の着霜していない部分に着霜して成長する。このようにして霜は冷却器3の下側から成長していき、冷却性能が低下する。
次に、上記のようにして冷却器3に付着した霜を検知するための電界センサについてその概要を説明する。
図2は電界センサの動作原理を示した図である。
電界センサは、図2(a)に示すように、電圧Vの正弦波(例えば120kHz)を発信する正弦波発信器32aが抵抗32bを介して分岐点32gに接続し、その分岐点32gから分岐された一方には、交流を直流に変換する検波器32d、不要な高周波ノイズをカットするローパスフィルタ32e及び電圧を測定する電圧計32fが接続され、その他方には電極32cが接続されている。なお、検波器32d及びローパスフィルタ32eが本発明の霜検知手段又は基準検知手段を構成している。
ここで、電極32cは、周期的な放電を繰り返すことによって、電極32cの周囲に存在する物体Mを電極間物質とする仮想的なコンデンサを構成し、その仮想的なコンデンサは電極32cに係る電気エネルギーによる充電と自然放電を繰り返す。電極32cに係る電気エネルギーによって充放電する物体Mは、電極32cから、減衰や導体による消滅によって形成される電圧0Vとなる仮想的なグランドまでの範囲に存在する物体を合成したものとなり、別途電極32cと対となる電極が必要でないものである。
次に、電界センサの動作について説明する。
正弦波発信器32aより発信された電圧Vの正弦波(交流電力)は、抵抗32b及び分岐点32gを通過して、電極32cに至り、電極32cの周囲に放射される。これにより、この電極32cから仮想的なグランドまでの範囲に存在する物体Mは、電極32cに係る電気エネルギーによる充電と自然放電を繰り返す。また、分岐点32gの電圧Vgは、検波器32dによって直流(直流電力)に変換され、更にローパスフィルタ32eによって不要なノイズをカットした後、電圧計32fにて検出される。ここで、分岐点32gの電圧Vgは、抵抗32bによるインピーダンスをZb、電極32cから仮想的なグランドまでの電波の流れにくさをインピーダンスZcとすると、次式(1)で与えられる。
Vg=VZc/(Zc+Zb) …(1)
抵抗32bによるインピーダンスZb及び正弦波発信器32aの電圧Vは固定値となることから、分岐点32gの電圧Vgは、電極32cによるインピーダンスZcが増加すると高くなり、インピーダンスZcが減少すると低くなる。ここで、抵抗32bは電極32cによるインピーダンスZcを検出し易い値にする為に設けたものであり、抵抗32bが無い構成でも良い。
次に、インピーダンスZcは、電極32cから仮想的なグランドまでの電波の流れにくさを示すものであるので、電極32cから放射する電波によって形成される電波放射範囲に介在する物体MのキャパシタンスCによるインピーダンスと考えることができる。したがって、電極32cのインピーダンスZcは、次式(2)で与えられる。
Zc=1/jωC …(2)
ここで、物体MのキャパシタンスCは、電波放射範囲に介在する物体Mの比誘電率k[−]、電極32cの面積S[m2]及び電極間(電極32cから仮想的なグランド間)の距離d[m]とすると、次式(3)で与えられる。
C=k・ε0・S/d …(3)
ε0:真空誘電率8.85×10-12[F/m]
ここで、電波放射範囲における電極の面積S及び電極間の距離dは数値化することが難しいが、一度電極32cを設置してしまえば変更されるものでは無いので定数と考えることが出来る。したがって、(3)式は以下のように変形することが出来る。
C∝k …(3)’
したがって、物体Mの比誘電率が増加するとキャパシタンスCが増加し、キャパシタンスCが増加するとインピーダンスZcが減少し、インピーダンスZcが減少すると分岐点32gの電圧Vgが低下する。
次に、冷却器3に霜が着いた時の、電界センサの動作について図2(b)を用いて説明する。
電極32cは冷却器3に対向する位置に設置されているので、電極32cによる電波放射範囲はおよそ冷却器3の周囲となる。この電波放射範囲に介在する物体Mは、冷却器3に霜が付いていない場合は基本的に空気のみとなるが、例えば冷却器3に霜が付いていくと水や氷の割合が増加していく。ここで、それぞれの比誘電率は、空気が1であるのに対し、水は80、氷は3.2であり、水や氷の比誘電率は空気よりも高い。したがって、冷却器3に霜が付き始めると、物体MのキャパシタンスCは増加し、それに応じて電圧計32fで測定される電圧Vgは低下する。これにより、冷却器3への霜付着の有無だけでなく付着する霜の量も検知することが出来る。また、電極32cから電波を放射する方式にすることにより、先行技術である空気コンデンサを用いた方式よりも電極32cと冷却器3との間隔を大きく取ることができるので、例えばフィンを有する複雑な冷却器3構成であっても確実に冷却器3に付着する霜を検知することが出来ることに加え、霜が電極32cに着くことによる故障の発生や、電極32cによる冷却器3の圧力損失増加を抑制することが出来る。また、冷却器3と回路的に絶縁できているので、冷却器3上に流れるノイズを拾うことなく霜の付着状態を検知することが出来る。
また、実施の形態1では冷却器3に付く霜を検知する方法として、分岐点32gの電圧Vgを検出する構成であるが、霜を検知する方法はこれに限ったものではなく、例えば回路を流れる電流から検知したり、回路の共振周波数から検知する方法を用いても良い。
次に、上記の電界センサが組み込まれた冷蔵庫の制御装置について説明する。なお、制御装置は冷蔵庫内に設置される制御基板に取り付けられる。
図3は、冷蔵庫の制御装置及びそれに関連した装置の構成を示したブロック図である。なお、図3は後述の霜取り制御に関連した構成部分を抽出した図示したものである。
制御部40は、例えばマイクロコンピュータ等から構成されるものであり、その入力側には、冷凍室300に設けられたサーミスタ31、電界センサ34及び電界センサ35の出力がそれぞれ接続されている。電界センサ34は、電極7及び霜検知手段32を備えており、電界センサ35はダミー電極8及び基準検知手段33を備えている。電界センサ34及び電界センサ35は、図2(a)(b)に示された構成からなるものであり、電界センサ34はその電極32cとして電極7を用い、電界センサ35はその電極32cとしてダミー電極8を用いている。なお、制御部40は、本発明の判定手段及び制御手段をそれぞれ構成している。
制御部40の出力側には、駆動回路41〜駆動回路44、駆動回路45a〜45dが接続されている。駆動回路41は霜取ヒータ6を駆動するものであり、駆動回路42は圧縮機10の駆動モータ10aを駆動するものである。駆動回路43は、送風ファン2を駆動するものであり、駆動回路44は冷凍室300に対応して配置されたダンパ50を駆動するものである。駆動回路45a〜45dは、冷凍室300以外、即ち、冷蔵室100、切替室200、野菜室400及び製氷室500に対応してそれぞれ配置されたダンパ51a〜51dを駆動するものである。なお、図3の駆動回路45a〜45dを総称するときは駆動回路45と、ダンパ51a〜51dを総称するときはダンパ51と称するものとする。
次に、上記の制御部40の霜取り制御の動作を説明する。
図4は霜取り制御の処理過程を示したフローチャートである。
まず、冷却器3の霜取が不要な状態での制御について述べる。
冷蔵庫本体1の電源を投入すると、制御部40は、駆動回路42を介して駆動モータ10aを駆動することにより圧縮機10を駆動させるとともに、駆動回路43を介して送風ファン2を駆動させる。また、制御部40は、駆動回路44を介して冷凍室300のダンパ50を開く。このとき、他の部屋(100、200、400、500)のダンパ51についても開く。これにより、冷蔵庫の各部屋があらかじめ定められた設定温度に冷えていく(ステップ1)。
次に、冷却器3の着霜状態に基づいて変化する電界センサ34の出力Vsが、制御部40に予め実験などから設定された、霜取開始タイミングとなるVs_set1以上であれば、まだ冷却器3の冷却性能は十分確保できる程度の着霜しかないものとみなし、通常の温度制御動作を行う(ステップ2)。冷凍室300のサーミスタ31の検出温度Tfが、冷蔵庫使用者により操作パネル5で設定された温度Tsetよりも高い場合には、ステップ1に戻り、検出温度TfがTsetよりも低い場合には次のステップに移る(ステップ3)。
次のステップ(ステップ4)では、制御部40は、検出温度Tfの検出値に基づき、圧縮機10と送風ファン2を停止させて、冷凍室300のダンパ50を閉じる。なお、他の部屋(100、200、400、500)のダンパ51は、駆動回路45を介して各部屋の温度に基づいて開閉される。ここで、ポイントCからステップ2に戻り、同様の検知と機器制御動作を繰り返すことで、冷凍室300の温度を一定に保つ。
次に、冷却器3の霜取が必要になった状態での制御について述べる。
ステップ2で、冷却器3の着霜状態に基づいて変化する電界センサ34の出力Vsが、霜取開始タイミングとなるVs_set1より低ければ、冷却器3の着霜は、冷却性能を阻害するほど大きくなったものとみなし、霜取制御に移る(ステップ2からポイントBに移行)。
まず、制御部40は圧縮機10と送風ファン2を停止して、各部屋のダンパ50,51を全て閉じる。これは、霜取中の暖気が各部屋に流れ込まないためである(ステップ5)。次に、駆動回路41を介して霜取ヒータ6を駆動し、冷却器3に付着した霜の融解を始める(ステップ6)。霜は徐々に解けていき、図示しない排水溝から冷蔵庫本体1の外へ排出され、電界センサ34の出力Vsが変化していく。電界センサ34の出力Vsが、制御部40にあらかじめ実験などから設定された、霜取終了タイミングとなるVs_set2以下であれば、霜取は不十分とみなしてステップ6を継続する。このVs_set2は、前述のVs_set1と同じ値でもよいし、水滴などの外乱を考慮した異なる値でも構わない。VsがVs_set2以上であれば、冷却器3の霜は十分に除去できたものとみなして、次のステップへ移る(ステップ7)。
次に、制御部40は、霜取ヒータ6をオフし(ステップ8)、圧縮機10と送風ファン2を駆動(ON)させる(ステップ9)。この段階では、風路4aにまだ暖気が残留している。但し、この暖気は除霜後の水分で高湿になっているので、ステップ9の開始により少し冷えた状態で冷蔵庫本体1の中で最も温度が高く維持されている冷蔵室100のダンパ51aを開き、高湿の空気を冷蔵室100に導入して収納されている食品の乾燥を抑制する(ステップ10)。その後、冷蔵室100のサーミスタの出力に基づいてダンパ51aを閉じるなど、十分に空気が冷却されたことを検知すると、冷蔵室以外のダンパ50、51b〜51dも、各部屋のサーミスタ検出温度に従い開閉し、ポイントCから通常の温度制御へと移行して霜取制御を終了する(ステップ11)。
次に、本実施の形態における霜取時の冷却器3に付着した霜の融解状態と電界センサ34の出力の変化に関する一例について、図5、図6及び図7を用いて説明する。
上記のように、冷却器3の下側には、それに対向するように電界センサ34の電極7として銅製の金属棒(又はアルミ、SUS、導電プラスチックなどの導電体)が設けられている。また、霜取時の温湿度変化による出力変動を補正するために、やはり銅製の金属棒(又はアルミ、SUS、導電プラスチックなどの導電体)からなるダミー電極8が設けられている。ダミー電極8は、庫内温湿度が電極7の設置位置とほぼ同等の温湿度でかつ着霜の影響を受けない場所に設ける。両者とも丸棒形状なので、誤検知要因となる霜取時のセンサ表面の結露が少なく、精度よく検知できる。なお、万が一そのような場所がない場合、湿度が異なっていても温度がほぼ同等の環境に設置すれば、同様の補正が可能である。なお、ダミー電極8の形状は電極7と同一の形状にすることで補正処理を簡単にすることができる。
図5は、このようにして配置した機器で冷却器3に着霜後、霜取制御を行ったときの電界センサ34と電界センサ(ダミー電極)35の出力の変化を示すとともに各種素材の比誘電率を表示したものである。横軸が、霜取開始直前から霜取終了直後までの経過時間、縦軸が電界センサ34、35の出力である(但し、前者は電界センサ出力、後者はダミー電極と表記してある。このことは図6においても同様である。)。この電界センサ34の出力は、冷却器3との間に霜が多くなる、すなわち静電容量が大きくなると低下し、冷却器3との間に霜が少なくなる、すなわち冷却器3との間の静電容量が小さくなると高くなる。
図5において、電界センサ34の出力のみでも冷却器3の着霜状態による時間変化は検知できる。しかし、経過時間0の着霜が殆どない状態から霜成長していく、すなわち冷却器3との間にあったものが空気のみから霜(氷)が増加する、つまり比誘電率の高いものが増加することで、電界センサ34の検知する静電容量が大きくなっているにもかかわらず、電界センサ34の出力は大きくなっている。すなわち静電容量が低下して出力が低下しているかのような傾向を示している。
このままでは着霜量増加の現象と電界センサ34の出力との相関について原理的に説明できないおそれがある。しかし、ここでダミー電極8による電界センサ35の出力変化に着目することにより説明ができる。つまり、着霜とは無関係な出力を得られるダミー電極8による電界センサ35の出力も最初の約1時間は大きくなっている。従って、この出力の変化は静電容量の増加に伴うものではないことがわかる。電界センサ34、35の出力は、周囲環境の温湿度、特に温度によって変動する。このときの電極7による電界センサ34とダミー電極8による電界センサ35の出力の増加は、周囲環境の変化によるものであると考えられる。従って、より正確に着霜検知を行うためには、電極7による電界センサ34の出力とダミー電極8による電界センサ35の出力の差分を補正値として使うとよいことが分かる。これを図6及び図7に示す。
図6は、補正値(=電界センサ34の出力と電界センサ(ダミー電極)35の出力の差分)の時間変化を示したものであり、図7(1)〜図7(5)は、冷却器の着霜状態の時間変化を示したものである。図7の着霜状態の時間変化については、図7(1)スタート、図7(2)1時間後、図7(3)2.4時間後、図7(4)4.4時間後、及び図7(5)5.4時間後のそれぞれの状態を撮影したものが図示されている。
1時間後では、冷却器3に着霜が見られるものの、まだフィンや配管の間の隙間が残っているため(図7(2))、補正値の時間変化は緩やかである。この隙間が霜で埋められていくのに伴い、補正値は急激に小さくなっていく。
2.4時間後には冷却器3のほぼ隙間なく着霜し霜取制御が始まる(図7(3))。この後、少しずつ霜が融解し、霜と水が混在した状態になる。図5に示したように、水の比誘電率は氷の約29倍にもなるため、霜融解中も一定時間は静電容量が増加したものと考えられる。
その後ピークを過ぎ、4.4時間後には水滴が多く残るが霜はほとんど融けている(図7(4))。このときの補正値は、実験開始から1時間後とほぼ同等であるが、霜の付着量には肉眼で見て明らかに差異がある。これは、1時間後は冷却器3に水滴の付着はなく着霜のみであるのに対して4.4時間後はより比誘電率の高い水滴が多いので、補正値としては同一であっても外観上の差異があるものと考えられる。
5.4時間後には霜は完全に融解し、水滴もわずかに残るのみであり(図7(5))、補正値も実験開始時と同等である。この段階で霜取制御を終え、通常の冷却運転に戻るように制御できる。
なお、補正計算は、必ずしも電界センサ34と電界センサ35の出力の差分である必要はなく、周囲環境の変化に対応する電界センサ35の出力を基準として電界センサ34の出力を除した値でもよい。
以上のように本実施の形態においては、冷却器3に対向して配置された電極7を用いる電界センサ34を備え、前記冷却器3の着霜状態に応じて変化する静電容量の変化を検知するようにしたので、冷却器3の伝熱阻害要因や風路圧損にならず、不要なコストをかけることなく、正確に着霜・除霜状態を検知することができる。
また、電界センサ34(35)の電極7(ダミー電極8)を冷却器3の長さ相当としており、このため、冷却器3の着霜に偏りがあっても確実に着霜を検知できる。
また、電界センサ34(35)の電極7(ダミー電極8)を棒状導電部材としたので、除霜後の水滴付着による誤検知を抑制できる。
また、ダミー電極8を電極7及び冷却器3の近傍に配置し、ダミー電極8を電極として利用する電界センサ35により周囲環境の温湿度変化による出力変動を求めて電界センサ34の出力を補正するようにしたので、精度良く着霜状態を検知できる。
また、上記のように精度良く着霜状態を検知できる着霜検知装置を冷蔵庫に組み込んだので、冷却器に付着した霜量に応じた適切な除霜制御ができる。即ち、一般的な冷凍冷蔵庫の仕様を一部変更することで、冷却器3に伝熱阻害が生じるほどの着霜が生じることを検知して霜取制御を適正なタイミングで開始させ、かつ冷却器3の着霜が完全に除去されたことを検知して霜取制御を適正なタイミングで終了させることが可能であるため、不要な霜取をしなくて済み、省エネルギーでかつ食品の保存性を向上できる冷蔵庫を提供できる。
実施の形態2.
次に、本発明の実施の形態2について説明する。
図8は、本発明の実施の形態2に係る冷蔵庫の断面図である。図1と同一番号は同一部品を示しており、ここでは相違点を中心に説明する。
本実施の形態では、簡易的に電界センサ34の出力のみを用いており、その電極には薄い金属板7aを使っている。この形状は、丸棒型よりもセンサに使う金属量が少ないため安価にできること、シート状なので、冷却器3の周りの構造に応じて任意の形に整形・設置できるという利点がある。これを冷蔵庫の風路4に組み込んで、冷却器3に対してどのような位置に設置することが望ましいのかを評価検討した。なお、基本的な制御は図4に示したフローチャートに同じである。
図9は、通常の冷却運転時において圧縮機10の運転が停止しているときの電界センサ34の出力であり、図10は、霜取制御時の電界センサ出力及び冷蔵庫内温度の時間的な変化である。図9及び図10において、(1)は、冷却器3の下部で幅方向中央、すなわち冷却器3に最も早く着霜しかつ除霜されると考えられる位置に金属板7aを設置したものである。(2)は、冷却器3の中央部で幅方向中央、すなわち冷却器3で最も平均的に着霜しかつ除霜されると考えられる位置に金属板7aを設置したものである。(3)は、冷却器3の上下高さにほぼ等しく幅方向端、すなわち(2)と同様に冷却器3に平均的に着霜しかつ除霜されると考えられる位置に金属板7aを設置したものである。
図9は、上記のように圧縮機10の運転が停止しているときの電界センサ34の出力であるが、この運転停止時のデータだけを抽出したのは、この実験では、圧縮機10が運転しているときは電界センサ34の出力にノイズがのって、十分な変動が検出しづらかったためである。このとき、いずれの位置であっても着霜の進行に応じて出力が小さくなるが、特に(1)の位置に金属板7aの電界センサ34の出力が最も変化が大きく、着霜状態に追随していると考えられる。
図10の上図は、霜取制御時の電界センサ出力の時間変化であり、下図はそのときの冷蔵庫内各部屋の温度である。(1)〜(3)のいずれの位置にあっても、肉眼上冷却器3全体がほぼ除霜されたと考えられる約29分後には電界センサ34の出力は下降から上昇に転じて安定した値に落ち着いており、従来の温度検知による霜取制御に比べ早く霜取終了を検知できるため、消費電力を約30%削減できる。また、冷凍室300の温度上昇も約5K抑制できるため、保存中の食品温度上昇を抑制し保存品質を向上させることができる。これらのことから、電界センサ34の電極として機能する金属板7aは冷却器3に対向していればいずれの位置であってもセンサとして有効であると考えられるが、望ましくは冷却器3下側中央の帰還風路4bからの出口近傍であると考えられる。金属板7aをこのように冷却器3に対向しかつ戻り風路出口近傍に金属板7aを設置することで、冷却器3の風路を遮蔽するほどの着霜があっても的確に検知し、また、最も冷却器3全体の除霜完了を明確に検知できる。
なお、電界センサ34の金属板7a(又は電極7)は、むき出しで冷却器3と対向する構造をとっているが、組立て性を考慮して冷却器3との接触を回避するために、風路4及び風路4を形成するプラスチック板を介して設置してもよい。即ち、電極7a(又は電極7)を例えば風路を構成するプラスチック板などの絶縁体を介して冷却器3に対向することで、組立て後に冷却器に接触する心配のない構成にすることができる。
また、電界センサ34の電極7は、シート状の銅箔で形成してもよい。これにより、更なるセンサ材料費の削減が見込める。このようにシート状の導電部材とすることで、より設置条件を任意に選択できる電極形状を提供できる。
また、電界センサ34の電極は、冷却器3より大きい面積を有し、冷却器全体をカバーするものであっても構わない。これにより、冷却器3に偏った着霜または除霜状態が形成されても確実に検知することができる。
また、電界センサ34の電極としてシート状の金属板7aを用いて、ダミー電極8なしの着霜・除霜検知方法について説明したが、この形状であってもダミー電極8を用いてより精度の高い制御を行ってもよいし、上記の実施の形態1の電極7(金属棒)を用いて実施の形態2において提示された簡易的な方法で制御を行ってもよい。
また、霜取終了後の冷却器3には水滴が付着している場合がある。このようなときに、そのまま冷却を開始するとその水滴が氷として付着し、かつ着霜の核となり霜が成長しやすくなる可能性があり、冷却器3の冷却性能が速く落ちてしまう可能性がある。この可能性を回避するために、制御部40は乾燥工程を設ける。
その乾燥工程としては、例えばあらかじめ設定した一定の時間に霜取ヒータ6のオン時間を延長して冷却器3に付着した水滴を蒸発させ乾燥させる。また、霜取ヒータ6はオフして送風ファン2を稼動することにより、冷却器3の周囲およびフィンの間に空気を循環させることにより水分の蒸発を促進させることができる。このとき、冷却器3の周りの温度が一定以上に低い場合には、例えば冷蔵室100のダンパを開けて湿気を含んだ空気を冷蔵室100に導入すると、戻ってきた乾燥空気を冷却器3の周りに流すことができるので、水分を冷蔵庫内で無駄なく活用しつつより迅速に冷却器3を乾燥できる。また、外気を導入して冷却器3を乾燥し、その空気を再度外気へ放出するようにしてもよい。このようにすれば、冷却器3の周囲が高温であるうちに冷却器3の乾燥を促進できるので、霜取後から冷却運転開始までの時間を短縮できる。
このように、除霜動作を終了した後に乾燥工程を設けることにより、除霜後の水滴が再凍結し冷却器性能低下を加速することを抑制することができる。
また、圧縮機10や送風ファン2などの回転数によっては電界センサ34(35)に制御上修正しきれないほどのノイズがのる場合がある。このようなときは、圧縮機10および送風ファン2が停止したときにのみ着霜量を検知するようにすればよい。
また、上記の実施の形態では霜取ヒータ6を冷却器3の下におく構造にしたが、冷却器3内にヒータを這わせるなど、別形態の構造でもよい。
また、上記の実施の形態では、冷凍サイクルを冷蔵庫に適用した形態について説明したが、冷却器に着霜するものであればなんでもよく、空調機や給湯器などの同様の構造にも適用される。
本発明の実施の形態1における冷蔵庫の断面図である。 電界センサの動作原理の説明図である。 本実施の形態1における冷蔵庫の制御装置の構成を示すブロック図である。 本実施の形態1における霜取制御の制御フローチャートである。 本実施の形態1における霜検知手段の出力の時間変化である。 本実施の形態1における補正値の時間変化である。 本実施の形態1における冷却器着霜状態の時間変化である(スタート)。 本実施の形態1における冷却器着霜状態の時間変化である(1Hr後)。 本実施の形態1における冷却器着霜状態の時間変化である(2.4Hr後)。 本実施の形態1における冷却器着霜状態の時間変化である(4.4Hr後)。 本実施の形態1における冷却器着霜状態の時間変化である(5.4Hr後)。 本実施の形態2における冷凍冷蔵庫の断面図である。 本実施の形態2における通常の冷却運転時の霜検知手段の出力の時間変化である。 本実施の形態2における霜取制御時の霜検知手段の出力及び冷蔵庫内温度の時間変化である。
符号の説明
1 冷蔵庫本体、 2 送風ファン、 3 冷却器、4 風路、 4a 送風風路、4b 帰還風路、 5 操作パネル、 6 霜取ヒータ、7 電極、7a 金属板、8 ダミー電極、10 圧縮機、10a 駆動モータ、31 サーミスタ、 32 霜検知手段、 33 基準検知手段、34 電界センサ、35 電界センサ、40 制御部、 41〜45 駆動回路、 50、51 ダンパ、100 冷蔵庫本体、101 チルド室、200 切替室、201 収納ケース、300 冷凍室、301 収納ケース、400 野菜室、401 収納ケース、500 製氷室。

Claims (10)

  1. 圧縮機及び冷却器を備えた冷凍サイクルと、
    前記冷却器の着霜状態を検知する着霜検知装置と、
    前記冷却器表面に付着する霜を除去する除霜手段と、
    前記着霜検知装置の判定結果に基づいて前記除霜手段を制御する制御手段と
    を備えた冷蔵庫において、
    前記着霜検知装置は、
    前記冷却器に対向して配置された導電部材からなる電極、及び正弦波を発振し前記電極の一端に抵抗を介して前記正弦波を印加する正弦波発信器を備え、
    前記電極が周期的な放電を繰り返すことによって、前記電極の周囲に存在する物質を電極間物質とする仮想的なコンデンサを構成し、前記電極と対になる電極を必要とせずに、前記電極の周囲の静電容量を検出し、前記冷却器の着霜状態に応じた出力をする電界センサと、
    前記電界センサの出力に基づいて着霜状態を判定する判定手段と、
    を備えたことを特徴とする冷蔵庫。
  2. 前記着霜検知装置は、前記圧縮機の運転停止時に、前記冷却器の着霜状態を検知することを特徴とする請求項1に記載の冷蔵庫。
  3. 前記電極は、その長さを前記冷却器の長さにほぼ相当する長さにしたことを特徴とする請求項1又は2に記載の冷蔵庫。
  4. 前記電極は、棒状導電部材から構成されていることを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の冷蔵庫。
  5. 前記電極は、シート状導電部材から構成されていることを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の冷蔵庫。
  6. 前記電極を、絶縁体を介して前記冷却器に対向して配置したことを特徴とする請求項1〜5の何れか一項に記載の冷蔵庫。
  7. 前記電極の近傍で、且つ前記冷却器の着霜状態の影響を受けない部位に配置された導電部材からなる基準電極と、
    該基準電極の周囲の静電容量によって変化する前記基準電極の出力から、前記基準電極の周囲の少なくとも温度変化を検知する基準検知手段と、
    を備え、
    前記判定手段は、前記着霜検知装置の出力を前記基準検知手段の出力に基づいて補正した後、前記冷却器の着霜状態を判定することを特徴とする請求項1〜6の何れか一項に記載の冷蔵庫。
  8. 前記基準電極は、前記電極と同一形状からなることを特徴とする請求項7に記載の冷蔵庫。
  9. 食品を貯蔵し、該食品を前記冷却器によって生成される冷気によって冷却保存する一つまたは複数の貯蔵室と、
    前記貯蔵室からの戻り空気を冷却器に戻す戻り風路出口を備え、
    前記電極を前記風路出口近傍に配置したことを特徴とする請求項1〜8の何れか一項に記載の冷蔵庫。
  10. 前記制御手段は、前記着霜検知装置の出力に基づいて前記除霜手段の動作を停止した後に、乾燥工程を設けることを特徴とする請求項1〜9の何れか一項に記載の冷蔵庫。
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