JP5452063B2

JP5452063B2 - 冷蔵庫

Info

Publication number: JP5452063B2
Application number: JP2009098006A
Authority: JP
Inventors: 淳二吉田; 睦加藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-04-14
Filing date: 2009-04-14
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2029-04-14
Also published as: CN101865590B; CN101865590A; JP2010249376A; TWI398611B; SG166049A1; TW201040474A

Description

本発明は冷蔵庫に関し、冷却器に付着する霜の形または霜層の厚さを制御し、着霜時の性能を向上させ、省エネを図るようにしたものである。

従来の冷蔵庫において、冷却器に用いるフィンには着霜時の性能を向上させるための表面処理を実施しているものはあるが、冷却器周囲の形状は、着霜時の性能の向上に見合ったものになっていなかったため、着霜の少ない状態での性能は向上しないままであった（例えば、特許文献１参照）。
冷却器への着霜は、冷媒と空気との熱交換の妨げとなるもので、着霜量が増加すると、冷却器の熱抵抗が増加し、熱交換性能が低下し、冷却効率が悪化する。
更に、着霜量が増加すると、庫内ファンの作用により冷却器周囲を流れる空気の流通抵抗が増え、風量が低下し、冷蔵庫本体が規定の冷却能力を維持することができなくなり、庫内温度が上昇してしまう。
そうなると、食品の品質保持面での問題があるため、冷蔵庫には除霜手段が設けられている。風量低下の遅延という目的で断熱箱体に設けられ、冷却器と断熱箱体との間に凹部が設けられており、一定量の霜を堆積させることができるようになっている。５００リットルクラスの冷蔵庫であると、５００ｃｃ程度の着霜量までは庫内温度維持できるような容積が必要である。

特開２００１−３１７８５４号公報（第１頁、図１）

特許文献１に記載の従来の冷蔵庫では、冷却器に用いるフィンには、着霜時の性能を向上させるための表面処理を行っていたが、冷却器周囲の形状は、着霜時の性能の向上に見合ったものになっていなかったため、着霜量の少ないときの性能は向上しないままであった。

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、きれいな霜層が形成され、風路圧損が小さくなり、着霜時の性能が向上し、省エネとなる冷蔵庫を得ることを目的とする。

本発明に係る冷蔵庫は、断熱材が充填され、開口を有する断熱箱体で構成された冷蔵庫本体が、圧縮器、凝縮器、膨張手段、冷却器を配管にて接続し、配管の内部に冷媒を流通させて構成した冷凍サイクルと、冷却器で生成された冷気を送出する送風手段とを備えた冷蔵庫において、冷却器のフィン及び伝熱管の外表面のほぼ全面に複数の細孔を設け、細孔は、フィンの表面及び伝熱管の外表面に均一な大きさの水滴が生成されるように、等価直径または最短辺の長さが１００ｎｍ〜０．１ｍｍであるとともに隣接する細孔間の距離が２０ｎｍ〜１００ｎｍであり、フィン及び伝熱管において保水される水分量が多くなるように深さが１０μｍ以上であり、断熱箱体には、冷却器の対向位置に、冷却器の容積の１％〜０．５％の凹部が形成されている。

本発明に係る冷蔵庫においては、冷凍サイクルの冷却器のフィン又は伝熱管の表面のほぼ全面に多数の細孔を設けたので、フィン又は伝熱管の表面に空気中の水分が凝縮して生成された水滴が合体して大きな水滴になるのを起き難くし、凝固が起きる際の水滴を小さくし、きれいな霜層を形成し、風路圧損を小さくして、着霜時の性能を向上させることができる。

本発明の実施の形態１に係る冷蔵庫の外観を示す正面図。同冷蔵庫の側断面図。同冷蔵庫の冷凍サイクルの冷媒回路図。同冷蔵庫の冷却器の無処理の冷却面における水滴の生成、成長、合体、凝固に関する説明図。同冷蔵庫の冷却器の冷却面への水滴（凝縮液滴）の生成に関する説明図。同冷蔵庫の冷却器の無処理の冷却面における水滴の生成、成長、合体、凝固に関する別の説明図。同冷蔵庫の冷却器の冷却面への水滴（凝縮液滴）の生成に関する別の説明図。同冷蔵庫の冷却器の冷却面への水滴（凝縮液滴）の生成に関するもう１つ別の説明図。同冷蔵庫の冷却器の構成を示す斜視図。同冷蔵庫の冷却器の表面を拡大した状態を示す斜視図。同冷蔵庫の冷却器及びその周辺を示す斜視図。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る冷蔵庫の外観を示す正面図、図２は同冷蔵庫の側断面図、図３は同冷蔵庫の冷凍サイクルの冷媒回路図である。
図１、図２において、冷蔵庫本体１は断熱材で充填され、開口を有する断熱箱体で構成されている。
その冷蔵庫本体１には、上から冷蔵室２、製氷室３、温度設定変更可能な切替室４、冷凍室５及び野菜室６が設けられている。それぞれの室は、それぞれの室の開口を開閉自在とする冷蔵室扉７、（図においては観音式扉７Ａ、７Ｂ）、製氷室扉８、切替室扉９、冷凍室扉１０、野菜室扉１１を有している。
冷蔵庫本体１の後方下部には圧縮機２１が配設されている。また、冷凍室５の背面には冷却器２２が配設されており、その冷却器２２の上方には庫内ファン２３が配設されている。また、冷却器２２の下部には霜取りヒータ１２が配設されている。

図３において、圧縮機２１、凝縮器２５、絞り装置２４、冷却器２２は配管で接続されており、冷凍サイクルの冷媒回路を構成している。この冷凍サイクルの作用により冷却器２２で生成された冷気は、庫内ファン２３により庫内へ循環させられる。
この冷凍サイクルの冷媒回路においては、圧縮機２１により圧縮され高温高圧になった冷媒は、凝縮器２５にて凝縮された後、絞り装置２４にて低温低圧冷媒になり、冷却器２２にて庫内ファン２３の作用によって蒸発した後、再び圧縮機２１へ戻る。
例えば、冷媒の蒸発温度は約−３０℃である場合、冷却器２２の配管およびフィンの表面温度は０℃以下であり、周囲空気温度よりも温度が低くかつ氷点下であるため、空気中の水蒸気が冷却器２２の周囲に霜となって堆積、すなわち着霜する。

冷却器２２への着霜は、冷媒と空気との熱交換の妨げとなる。着霜量が増加すると、冷却器２２の熱抵抗が増加し、熱交換性能が低下し、冷却効率が悪化する。
更に、着霜量が増加すると、庫内ファン２３の作用により冷却器２２の周囲を流れる空気の流通抵抗が増え、風量が低下し、冷蔵庫本体１が規定の冷却能力を維持することができなくなり、庫内温度が上昇してしまう。

そうなると、食品の品質保持面での問題があるため、冷蔵庫１には除霜手段が設けられている。図２に示す霜取りヒータ１２が除霜手段である。
この霜取りヒータ１２は風量低下の遅延という目的で断熱箱体３２に設けられ、冷却器２２と断熱箱体３２との間に凹部３１が設けられており、一定量の霜を堆積させることができるようになっている。
５００リットルクラスの冷蔵庫であると、５５０ｃｃ程度の着霜量までは庫内温度維持できるような容積が必要である。
図１１は本実施の形態１の冷蔵庫の冷却器及びその周辺を示す斜視図である。冷却器２２の表面処理がなされていない状態で、冷却器２２に設けられたフィンピッチが５ｍｍの場合、冷却器２２の下部が目詰まりするまでに冷却器２２の断面積と５ｍｍの積と凹部３１の容積の和が最短の目詰まりする着霜量である。例えば、冷却器２２の幅（Ｌ）が４０ｃｍ、奥行き（Ｗ）が７．５ｃｍの場合、約４００ｃｃが冷却器２２でホールドする着霜量であるため、１５０ｃｃの凹部３１の容積が必要である。

冷却器２２の表面に堆積する霜は氷と空気の多孔質層である。以下に、図４及び図５を用いて、冷却器周囲に霜ができる過程を説明する。
空気は、冷却面（冷却器表面）で冷やされ、露点（飽和温度）以下にまで冷却されると、冷却面近傍でミストができ、それが冷却面上に水滴（凝縮液滴）として析出し、冷却面に付着する。
冷却面に水滴が生成されると、それが核となり、水滴が成長し大きさが大きくなる。その際、図４のように、冷却面に特別な表面処理を施していない場合、水滴は、冷却面上の至る所に、任意に発生する（図４の（ａ）参照）。
そのため、水滴の間の距離が短い箇所と長い箇所が存在する。水滴が成長し、隣同士の水滴が接触する程の大きさになると、水滴同士が合体し大きな水滴となる（図４の（ｂ）、（ｃ）参照）。

しかし、冷却面上の水滴は、水滴の間の距離が短い箇所と長い箇所が存在するため、距離が短い箇所の水滴が合体し、大きな水滴が生成し易い。
水滴は更に冷却面で冷却されて凝固し、氷滴となり、その氷滴から針状に霜が生成し、霜層が形成されていく（図４の（ｄ）参照）。この際、着霜量が同じである場合、氷滴（または凝固直前の水滴）の大きさが大きいと、凹凸の大きい霜層となるため、霜層厚さの最大値が厚くなる。
冷却器２２の通風抵抗は、最大霜層厚さで決まるため、無処理のフィンで構成された冷却器は通風抵抗が大きくなり、冷却器として動作している冷却器２２に送風している庫内ファン２３の風量が低下し、冷却性能が悪化し易い。

一方、図５のように、冷却面の表面に細孔（小さい孔）があると、そこを核として水滴ができ易い（詳細説明は後述）。細孔が冷却面上に均一に配置されていると、水滴がほぼ均等な距離に生成されるため（図５の（ａ）参照）、水滴の合体が起き難く、小さい水滴が生成される（図５の（ｂ）、（ｃ）参照）。
水滴は更に冷却面で冷却されて凝固し、氷滴となり、その氷滴から針状に霜が生成し、霜層が形成されていく（図５の（ｄ）参照）。この際、着霜量が同じである場合、氷滴（または凝固直前の水滴）の大きさが小さいと、凸凹の小さい霜層となるため、霜層厚さの最大値が薄くなる。

冷却器２２の通風抵抗は、最大霜層厚さで決まるため、冷却面の表面に多数の細孔を持ったフィン４３で構成された冷却器２２は通風抵抗が小さくなり、動作している冷却器２２に送風している庫内ファン２３の送風量の低下を防ぎ、冷却器２２の冷却性能が悪化し難く、無処理の場合に比べて、省エネになる。
このように、多数の細孔を持った冷却器２２のフィン４３（冷却面）を用いると、大きさも形も一定したきれいな水滴、ひいては氷滴ができ、凹凸が小さい、最大霜層厚さが薄い霜層が生成され、風路圧損が小さく、冷却性能の低下が少なく、省エネとなる冷却器２２を構成することができる。

次に、冷却器２２のフィン４３（冷却面）の表面に細孔（小さい孔）があると、そこを核として水滴ができることについて、図６〜図８を用いて説明する。
空気は、冷却面で冷やされ、冷却面の近傍では過飽和空気になり、気流中に微小液滴が混在するミスト状になる。
そのミストの一部が気流により移流されて冷却面近傍から排出され、残りが冷却面上に水滴として凝縮する。
この際、冷却面のどこに初期の水滴（凝縮液滴）ができるかは、冷却面表面の部位によるミクロな状態での違い（微細な凹凸など）によって決まり、図６のような無処理の場合はどこに初期の水滴（凝縮液滴）ができるか分からない。
従って、無処理の場合は、水滴のできる位置が特定されていないため、ランダムに水滴が発生し、水滴間の距離が一定していないため、水滴の成長に伴う合体が起き易く、大きな水滴ができ易い。

一方、図７のように、冷却面に細孔があると、初期の水滴（凝縮液滴）は、細孔の稜線の位置にでき易い。細孔の大きさが水滴の大きさ又は水蒸気の振動振幅に対して小さい又は十分に大きくない場合は、細孔の上部の稜線に水滴ができる。
従って、冷却面に多数の細孔を一定間隔で配置しておけば、水滴の位置が一定間隔に特定されているため、水滴が合体して成長する過程において、均一な大きさの小さい水滴がたくさん生成されることになる。
また、図８のように、細孔が水滴の大きさ又は水蒸気の振動振幅よりも十分に大きい場合は、空気中の水分は孔の上部の稜線および孔の内部に生成される。この場合も、冷却面に多数の細孔を一定間隔で配置しておけば、水滴の位置が一定間隔に特定されているため、水滴が合体して成長する過程において、均一な大きさの小さい水滴がたくさん生成されることになる。

しかし、無処理の冷却面における水滴に対して、小さい水滴を生成させる必要があり、細孔間の距離は離れすぎていると、細孔間の無処理の冷却面にも凝縮して水滴ができてしまい、大きな水滴ができてしまうため、細孔間の距離はある程度小さくなければならない。後述の陽極酸化処理においては、細孔間の距離は約２０ｎｍ程度であるが、１００ｎｍ程度以下の細孔間距離であれば、初期の水滴に対して距離は十分に大きくなく、最も効果が高い。
また、細孔の大きさ（等価直径または最短辺の長さ）についても、同様のことが言え、最大で０．１ｍｍ（１００μｍ）程度までであれば小さな水滴の生成が可能であるが、１００ｎｍ程度以下の細孔の大きさであれば、初期の水滴に対して十分に大きくなく、最も効果が高い。

図９は本実施の形態１の冷蔵庫の冷却器の構成を示す斜視図である。
図９において、冷却器２２は、フィンチューブ式で、フィン４５と伝熱管４６で構成されており、フィン４５は多数の細孔５１ａを持つような処理が施されている。
フィン４５は、アルミニウム、伝熱管は銅であることが多いが、これに限るものではなく、熱伝導率のよい材料であれば、どんなものでもよい。例えば、伝熱管として、フィン材と同じアルミニウムを用いた熱交換器とし、フィン表面および伝熱管表面の両方に細孔を施すようにすれば、より省エネ効果が大きくなる。

また、冷却器の種類はこれに限るものではなく、例えば、扁平の伝熱管を用いフィンを具備することなしに伝熱性能を向上させた熱交換器を用いてもよく、この場合は、伝熱管の外表面に多数の細孔処理を施すことになる。このタイプの冷却器は、アルミニウムにより製作されることが多い。
なお、冷却器２２の強度面より、細孔５１ａはフィン表面に貫通しない形で設ける方が好ましいが、フィンを貫通した細孔５１ａにしてもよく、小さな水滴を生成するという効果は変わらない。

冷却器２２の冷却面であるフィン４５の表面へ細孔５１ａを付ける方法としては、例えば陽極酸化（アノード酸化）による方法がある。図１０は冷却器の陽極酸化を施したフィンの表面を拡大した状態を示す斜視図である。
陽極酸化（アノード酸化）は、フィン表面に両面同時に細孔を形成することができる。フィン（アルミニウム）を陽極として、硫酸、シュウ酸、リン酸、クロム酸などの酸性溶液中、リン酸ナトリウムなどのアルカリ性溶液中などの環境で直流電解を行うと、フィン（アルミニウム）から溶解したアルミニウムイオン（Ａｌ³⁺）と水（Ｈ₂Ｏ）とが反応し、酸化アルミニウム（アルミナ）の皮膜（アノード酸化皮膜）が素地金属であるアルミニウム上に生成される。

陽極酸化皮膜５０は、垂直な細孔５１ａが形成された多孔質層５１と素地金属５３と接する底壁部分のバリヤ層５２からなり、いわゆる六角セル構造を有している。細孔５１ａを形成する際、基本的にバリヤ層５２の厚さは一定に形成されるため、細孔５１ａの深さ制御は実質的に皮膜の厚さを制御することで行う。
また、陽極酸化皮膜５０の形成速度と厚さは供給する両極間の電流または電位及び陽極酸化時間に依存するため、所定の深さの細孔５１ａを形成するときには供給する両極間の電流または電位及び陽極酸化時間を制御する。
また、単位面積当たりの細孔数（密度）及び細孔径は両極間の電位に依存するため、所定の数及び細孔径を形成するためには、両極間の電位を制御する。

また、細孔５１ａの間隔に合わせて突起が形成されたモールド（金型など）を、フィン４５となるアルミニウム表面に押しつけて表面に規則的な窪みを形成する。その後に陽極酸化を行うと、その窪み部分を中心として細孔５１ａが形成され、細孔５１ａの配列を規則正しく行うことができ、密度の面において高い制御を行うことができる。
さらに、陽極酸化により形成された細孔５１ａが空気中の水分と反応して閉塞するのを防ぐため、細孔形成後に直ちに１００〜２００℃程度の温風でフィン４５を加熱して皮膜に含まれる水分を除去し、安定な酸化物に変える操作を行う。
以上のようにして形成したフィン４５の複数の貫通穴に伝熱管４６を通し、熱交換器である冷却器２２を形成する。

細孔５１ａの径が微細な孔の中では、水分が凍結するために多大なエネルギーが必要となり、孔が小さければ小さいほど、水分の過冷却度が増加する。すなわち、その分、着霜が遅延され、除霜間隔を長くすることができ、省エネになる。
細孔５１ａの深さが深い方が、孔内に保水される水分量が多くなるため、着霜遅延効果、省エネ効果が、より大きくなる。細孔５１ａの深さは、例えば１０μｍ以上あると、十分な保水量が得られ、省エネ効果が大きい。

上述の実施の形態１では、冷却器２２のフィン４５の材料をアルミニウムであるものとして説明したが、材料をアルミニウムに限定するものではない。例えば、いわゆるバルブ金属（弁金属）をフィン４５の材料として用い、陽極酸化により表面に細孔５１ａを形成するようにしてもよい。
バルブ金属とは、アノード酸化法により電解整流作用を示す酸化皮膜を形成できる、アルミニウム、タンタル、ニオブ、チタン、ハフニウム、ジルコニウム、亜鉛、タングステン、ビスマス、アンチモン等の金属の総称である。
このうち、フィン４５として実用的に用いることができる金属は、例えば、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、ニオブ、タンタル等である。これらの金属を用いても、アルミニウムと同様の効果を得ることができる。

陽極酸化処理を施した後のフィン４５は、親水性にも撥水性にもなり得る。処理直後は、親水性（接触角５０°未満）になっており、時間が経つと撥水性（接触角５０°以上）になっている場合が一般的である。
しかし、フィン４５の表面にできる液滴、氷滴の大きさは、細孔５１ａの大きさ及び間隔によって決るため、親水性であっても撥水性であっても、効果にほとんど違いは無く、同様の効果を奏する。即ち、陽極酸化処理に基づく方法は、経年的に効果がほとんど変わらず、省エネ効果を持続させることができる。
なお、細孔５１ａが必要であることから一般のアルマイト処理における封孔処理は施すことは全くの逆効果となる。

着霜時の性能を向上するべく、上述のように表面処理された冷却器２２を用いることにより、目詰まりするときの着霜量は異なるものとなる。
例えば、冷却器２２の幅（Ｌ）が４０ｃｍ、奥行き（Ｗ）が７．５ｃｍ、高さ（Ｔ）が２０ｃｍ、フィンピッチ５ｍｍの冷却器２２の場合、目詰まりする最短の冷却器２２のホールドする着霜量は上述の表面処理されている場合、無処理の場合の２倍以上のため、８００ｃｃ以上になる。
したがって、５０ｃｃの凹部３１の容積まであれば十分である。この場合の凹部３１の容積は冷却器２２の容積の１％未満となるが、０．５％以上であれば十分である。

以上のように本実施の形態の冷蔵庫の冷凍サイクルの蒸発器として用いられる冷却器２２は、フィン４５又は伝熱管４６のほぼ全面に多数の細孔５１ａを設けることにより、表面に空気中の水分が凝縮して生成された水滴が合体して大きな水滴になるのを起き難くし、凝固が起きる際の水滴を小さくし、きれいな霜層を形成し、風路圧損を小さくして、着霜時の性能を向上し、かつ、冷却器２２と断熱箱体３２に設けられた凹部３１を小さくすることにより、省エネにできる。
なお、細孔５１ａを設ける手段は陽極酸化処理に限らず、べーマイト処理でも構わない。また親水性を獲得する手段には親水性塗料と撥水性塗料をブレンドしたものを用いても構わない。

１冷蔵庫本体、２冷蔵室、３製氷室、４切替室、５冷凍室、６野菜室、７冷蔵室扉、８製氷室扉、９切替室扉、１０冷凍室扉、１１野菜室扉、１２霜取りヒータ、２１圧縮機、２２冷却器、２３庫内ファン、２４絞り装置、２５凝縮器、３１凹部、３２断熱箱体、４５フィン、４６伝熱管、５０陽極酸化皮膜、５１多孔質層、５１ａ細孔、５２バリア層、５３素地金属。

Claims

断熱材が充填され、開口を有する断熱箱体で構成された冷蔵庫本体が、圧縮器、凝縮器、膨張手段、冷却器を配管にて接続し、配管の内部に冷媒を流通させて構成した冷凍サイクルと、前記冷却器で生成された冷気を送出する送風手段とを備えた冷蔵庫において、
前記冷却器のフィン及び伝熱管の外表面のほぼ全面に複数の細孔を設け、
前記細孔は、
前記フィンの表面及び前記伝熱管の外表面に均一な大きさの水滴が生成されるように、等価直径または最短辺の長さが１００ｎｍ〜０．１ｍｍであるとともに隣接する細孔間の距離が２０ｎｍ〜１００ｎｍであり、
前記フィン及び前記伝熱管において保水される水分量が多くなるように深さが１０μｍ以上であり、
前記断熱箱体には、
前記冷却器の対向位置に、前記冷却器の容積の１％〜０．５％の凹部が形成されている
ことを特徴とする冷蔵庫。
前記細孔は、前記フィン又は前記伝熱管に陽極酸化処理を施すことにより生成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の冷蔵庫。