JPH0336468A

JPH0336468A - 冷却庫

Info

Publication number: JPH0336468A
Application number: JP16967289A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Kagawa; 香川　澄
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-06-30
Filing date: 1989-06-30
Publication date: 1991-02-18
Anticipated expiration: 2013-02-16
Also published as: JP2714155B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】Ｃ発明の目的コ（産業上の利用分野）この発明は、庫内を冷却する冷却庫に関する。

（従来の技術）従来より、冷蔵庫、冷凍庫（いずれも冷却庫に相当）は
、フロン系の冷媒を用いた蒸気圧縮式の冷凍サイクルを
使用して、庫内を冷却している。

（発明が解決しようとする課題）ところで、冷蔵庫および冷凍庫は、小型、低騒音、低振
動、さらには高冷却効率が要求される。

ところが、蒸気圧縮式の冷凍サイクルは、モータ等の駆
動源をもつ圧縮機、凝縮器、膨脹弁（あるいは絞り装置
ｉｌ）　、蒸発器を構成要素とするために、小型化が難
しく、冷凍庫、冷蔵庫、特に小型のものには不向きであ
る。しかも、冷媒は液体、気体、液体と気体の二相の様
々な状態で、閉ループのサイクルを流れるために大きな
音圧の気流音が多く発生する。具体的には、圧縮器の騒
音よりも大きいレベルの気流音が発生することがあった
。

そのうえ、冷蔵庫および冷凍庫に主に用いられるフロン
系の冷媒は、近時、オゾン層の破壊といった環境汚染を
もたらすということで、フロン規制の対象となっており
、将来は使用できなくなる。

各メーカーは新たな冷媒を探すべく、さかんに開発を行
っているが、現在使用されている冷媒より優れた成績係
数（サイクル効率）を有する、また′は置き換えるもの
はなく、安全で最適な冷媒を探し出すのには、未だかな
りの時間がかかるとされている。

こうした状況の中で上記要求を満たすことができるよう
にした冷凍庫、冷蔵庫が要望されている。

この発明はこのような事情に着目してなされたもので、
その目的とするところはフロン系の冷媒を用いずに冷却
運転を行うことができ、かつ小型化、低騒音化、低振動
化、さらには高冷却効率化に優れる冷却庫を提供するこ
とにある。

［発明の構成コ（課題を解決するための手段）上記目的を達成するために、この発明の冷却庫は、冷却
装置を、内部にディスプレーサ−およびピストンが順に
直列に配置されたシリンダと、このシリンダの後部に設
けたモータと、このモータの出力軸に連結されモータの
出力で前記ディスプレーサ−およびピストンを所定の位
相差で往復動させる往復機構と、前記シリンダの頭部側
に設けられ前記ディスプレーサとシリンダ頭部との間の
空間に連通する低温側熱交換器と、前記シリンダの後部
側に設けられ前記ディスプレーサ−とピストンとの間の
空間に連通する高温側熱交換器と、前記シリンダの胴部
に設けられ前記高温側熱交換器と前記低温側熱交換器と
を連通する再生器と、前記ディスプレーサとシリンダ頭
部との間の空間、前記低温側熱交換器内、前記再生器内
、前記高温側熱交換器内および前記ディスプレーサとシ
リンダ頭部との間の空間に渡って充填され前記ディスプ
レーサ−およびピストンの往復動を受けて逆スターリン
グサイクルを構成する作動流体とを有したスターリング
機械から構威し、前記低温側熱交換器を庫内に配置して
スターリング機械を設置するようにする。

（作　用）この発明の冷却庫によると、モータを励磁するε、スタ
ーリング機械のディスプレーサ−ピストンが所定の位相
差でシリンダ内を往復動じていく。

これにより、等温圧縮、等容冷却、等温膨脹、等容膨脹
の各過程を繰り返す逆スターリングサイクルが構成され
ていく。そして、この逆スターリングサイクルで発生す
る低温側熱交換器の冷熱で庫内が冷却されていく。

ここで、逆スターリングサイクルはフロン規制の対象と
なるフッ素系の冷媒を用いず、空気あるいはチッ素ガス
、ヘリウムガス等といった作動流体で成立するので、環
境汚染の心配はない。

しかも、逆スターリングサイクルは従来の蒸気圧縮式の
冷凍サイクルと略同じ成績係数を得ることができる。

そのうえ、スターリング機械は、モータが取付くシリン
ダ内にディスプレーサ−ピストン、往復機構を設け、シ
リンダ外に低温側熱交換器、再生器、高温側熱交換器を
設けるｌシリンダ形の簡単な構造である上、従来の蒸気
圧縮式の冷凍サイクルのサイクルの最高圧、並びに充填
圧力に比べて、かなり作動流体の圧力が小さく耐圧構造
が簡易ですむ構造なので、小型・軽量である。

加えて、スターリング機械で構成される逆スターリング
サイクルは、従来の蒸発圧縮式の冷凍サイクルとは違っ
て、サイクル行程中、相変化を伴わず、常時、気体であ
るために、気流音が少なく、騒音、振動共、小さい。

つまり、フロン系の冷媒を用いずに、要求される各種の
条件を満たした冷却庫を実現できる。

（実施例）以下、この発明を第１図ないし第６図に示す一実施例に
もとづいて説明する。

第１図は、この発明を適用した例えば家庭用の凍冷蔵庫
（冷却庫に相当）を示し、１は冷凍冷蔵庫の本体である
。本体１内の上部には冷凍室２が設けられている。また
本体１内の中央から下部には冷蔵室３が設けられている
。

また冷凍室２の背部に形成された冷気供給通路４には、
スターリング機構５が冷却装置として設置されている。

このスターリング機械５の構造が第２図に示されている
。

スターリング機械５について説明すれば、６はシリンダ
、７はそのシリンダ６の開放端に連結されたモータであ
る。モータ７は、シリンダ６の開放端にケーシング８を
連結し、このケーシング８内に上記シリンダ６と同軸を
なして、ステータ９およびロータ１０を設けた構造とな
っている。そして、ロータ１０に連結された出力軸部１
０ｍの先端部がシリンダ６内に延びている。

またシリンダ６内には、頭部側からディスプレーサ−１
１および低温ピストン１２が順に直列をなして配置され
ている。これらディスプレーサ−１１および低温ピスト
ン１２は、いずれもシリンダ６の内周面に刻設したシリ
ンダ６の軸心に沿うガイド溝１３の規制を受けて、回転
せずに往復できるようになっている。そして、これらデ
ィスプレーサ−１１および低温ピストン１２が、例えば
円筒カム構造で構成される往復機構１４を介して上記出
力軸部１０ａの先端部に連結されている。

ここで、往復機構１４について説明すれば、１５は出力
軸部１０ａの先端部に同軸で一体に連結された円筒体で
ある。円筒体１５の外周面には、２つの山および谷を有
するサインカーブを描いてカム溝１６が周方向沿いに刻
設されている。このカム溝１６内の例えばｒ９０’Ｊ位
相した２つの地点には、それぞれカムローラ１７．１７
が設けられている。そして、カムローラ１７．１７のう
ち、例えば進み側にあるカムローラ１７はカムレバー１
８および低温ピストン１２を摺動自在に貫通した軸状の
アーム１９を介してディスプレーサ−１１に連結されて
いる。またもう一方のカムローラ１７は、カムレバー２
０を介して低圧ピストン１２に連結されている。これに
より、出力軸部１０ａの回転に伴ない、ディスプレーサ
−１１と低温ピストン１２とを所定の位相差で同期しな
がら往復動させることができるようにしている。

一方、シリンダ６の頭部側の胴部分には再生器２１が設
けられている。そして、この再生器２１からシリンダ６
の頭部部分との間には、略Ｊ字状に形成した複数本の細
径な熱交換パイプ２１ａが連通接続されていて、シリン
ダ６の頭部に低温側熱交換器２２を構成している。また
ディスプレーサ−１１および低温ピストン１２間の空間
と対応するシリンダ６の胴部分と再生器２１との間には
、略Ｕ字状に形成した複数本の細径な熱交換バイブ２３
ａが連通接続されていて、シリンダ６の後部側に高温側
熱交換器２３を構成している。そして、シリンダ６の頭
部とディスプレーサ−１１との間のシリンダ空間、低圧
側熱交換器２２内、再生器２１内、高温側熱交換器２３
内、ディスプレーサ−１１と低温ピストン１２との間の
シリンダ空間で構成される作動空間に、空気、チッ素ガ
ス、ヘリウムガスなどの作動流体が充填され、ディスプ
レーサ−１１と低温ピストン１２との往復動を利用して
、逆スターリングサイクルを構成できるようにしている
。むろん、作動流体はフロン系ではない。

なお、２４はモータ７のケーシング８内に貯溜された冷
凍機油である。

そして、こうしたスターリング機械５が冷凍室２の背部
壁を貫通して設置され、先端側となる低温側熱交換器２
２を冷気供給通路５内に突出させている。これにより、
逆スターリングサイクルで得られる冷熱を庫内に供給で
きるようになっている。さらに述べれば、冷気供給通路
５の出口側には、冷凍室２の背部壁に埋設したファンモ
ータ２６にプロペラファンを直結してなる庫内循環ファ
ン２７が設けられていて、冷気を冷凍室２内に循環でき
るようにしている。なお、２５は冷気供袷通路５内に上
記低温側熱交換器２２と連結して配設された熱交換フィ
ンである。

また冷蔵室３の背部側の上段には冷気供給通路５ε連通
する通路２８が、該通路２８を開閉制御するダンパー装
置２９と共に設けられている。さらにまた冷蔵室３の上
部壁にも、上記冷気供給通路５に連通する通路３０が設
けられていて、冷蔵室３内にも冷気を循環できるように
している。

他方、冷凍室２の背部壁には、上記スターリング機械５
の高温側熱交換器２３の部分を露出させるように、下部
側を入口とし、上部側を出口としたＶ字状の放熱路３１
が設けられている。そして、放熱路３１のうち入口側は
本体１の後方に開放している。また放熱路３１の出口側
は、冷凍室２の背部壁に設けた上下方向の通路３２を介
して本体１の上方に開放している。そして、この通路３
２には、上記ファンモータ２６に横流ファンを直結して
なる放熱ファン３３が配設され、空冷で高温側熱交換器
２３から発生する熱を逃がすようにしている。なお、本
実施例では、本体１の外表面を熱伝導の良い金属板など
から構成し、この外表面に高温側熱交換器２３を接触あ
るいは連結させて、高温側熱交換器２３の放熱効果を高
めるようにもしている。

また通路３０には除霜装置３４が設けられている。この
除霜装置１３４の構造が第３図に示されている。

除霜装置３４に説明すれば、３５は冷気供給通路４と放
熱路３１とを仕切る壁部分３６に、内外を連通するよう
に設けられた複数の円形な透孔である。透孔３５は、シ
リンダ６が貫通する貫通部３５ａの周囲部分にシリンダ
６の軸心を中心とした同一円上に所定の間隔で配置され
ている。そして、これら透孔群と重なるようして、シリ
ンダ６の胴部分に、通気制御用の環状板３７が回転自在
に支持されている。環状板３７は、板面に上記透孔３５
と同じ形状および同じ配置の透孔３８を有し、外周面に
ギヤ部３９を有した構造となっている。

一方、この環状板３７のギヤ部３つの位置に対応して壁
部分３６には、モータ４０が埋設されている。このモー
タ４０の出力軸に、上記ギヤ部３９と噛み合う歯車４１
が設けられている。さらにモータ４０には駆動回路を介
して制御部（いずれも図示しない）が接続されている。

そして、制御部の制御により、常時は本体１側の透孔３
５と環状板３７の透孔３８との位置を異ならせて内外を
遮断し、図示しない操作部（あるいは着霜を検知するセ
ンサー）から信号が入力されることにより、両者の透孔
３５．３８が合致するように環状板３７を回動するよう
になっている。つまり、合致すれば、高温側熱交換器２
３の熱が低温側熱交換器２２に導かれ、同低温側熱交換
器２２および熱交換フィン２５に着いた霜を溶かすよう
にしている。

なお、図中４５は冷凍室２を開閉する扉、４６は冷蔵室
３を開閉する扉である。

つぎに、このように構成された冷凍冷蔵庫の作用につい
て説明する。

図示しない電源プラグをコンセントに差し込んで、冷凍
冷蔵庫に電源を投入する。これにより、モータ７が励磁
され、ロータ１０が出力軸部１０ａと共に回転していく
。すると、円筒体１５が回転していく。そして、この回
転が、カム溝１６を移動する所定位置のカムローラ１７
，１７によって、往復動に変換されていく。

これにより、ディスプレーサ−１１および低温ピストン
１２が所定の位相差でシリンダ６内を往復動し、第４図
および第５図に示されるような逆スターリングサイクル
を構成していく。

すなわち、低温ピストン１２が上昇するｒＡ−Ｂ」の行
程で、作動流体が圧縮され、該圧縮により発生した熱が
高温側熱交換器２３から”大気に放熱されていく　（等
温圧縮過程）。

そして、つぎのディスプレーサ−１１が下降するｒＢ−
ＣＪの行程で、再生器２１を通過してディスプレーサ−
１１の下部の作動流体が上方に移る。この際、作動流体
が再生器２１に蓄えられている冷熱により冷却されてい
く（等容冷却過程）。

続いて、低温ピストン１２が下降するｒＣ−Ｄ・」の行
程で、作動流体が膨脹していく。つまり、冷凍作用が生
じる。この際、作動流体は外部からの熱で等温に保たれ
ていく（等温膨脹過程）。

そして、等温膨脹過程が終了すると、ディスブーレーサ
ー１１が上昇するｒＤ−ＡＪの行程で、冷却された作動
流体が低温側熱交換器２２および再生器２１に導かれて
いく（等容加熱過程）。

これにより、低温側熱交換器２２では等温膨脹行程によ
る吸熱が行われ、高温側熱交換器２３では等温圧縮行程
による放熱がなされていく。つまり、逆スターリングサ
イクルの運転で発生する低温側熱交換器２２の冷熱が庫
内に供給されていく。

そして、この冷熱が庫内循環ファン２７の送風、ダンパ
ー装置２９の開閉動により、冷凍室２内。

冷蔵室３内を循環していく。

なお、高温側熱交換器２３から放熱された熱は放熱ファ
ン・３３の送風により、通路３２を通じて本体１の上方
に排出されていく。但し、一部は本体１の外表面から大
気に放熱されていく。

ここで、ディスプレーサ−１１、低温ピストン１２のボ
アを「約４０　ｍｍ　Ｊ　、同ストロークを「約１６ｍ
ｍ」、作動流体に充填圧力ｒ５ｋｇｆ／ｃｄＪの「チッ
素ガス」を使用し、低温側熱交換壁温度をｒ−３０℃」
　（一般の冷蔵庫に使用される温度）に、高温側交換壁
温度を「＋３０℃」に設定して、モータ７で駆動した結
果、第６図に示されるようにｒ１５００ｒｐｍＪではｒ
６０ＷＪ程度、ｒ３０００ｒｐｍＪでｒ１００ＷＪ程度
の吸熱能力が得られた。また成績効率から見ると、従来
の圧縮機式の冷凍サイクルの成績係数に近い数値である
「約０．４〜０．８」の成績係数が得られた。

また作動流体に空気、ヘリウムガスなどを用いて実験し
た結果（低温側熱交換壁温度を「−３０℃」、高温側交
換壁温度を「＋３０℃」に設定）、いずれも充填圧力が
「Ｏ〜１０）ｃｇｆ／ｃｊＪで上記したと同様な結果が
得られた。

つまり、スターリング機械５は、空気あるいはチッ素ガ
ス、ヘリウムガスなどを用い、そのときの充填圧力を「
０〜１０ｋｇ　ｆ　／　ｃｊ　Ｊに、回転数をｒ３００
０　ｒ　ｐｍ以下」にした運転条件で、ｒ１００ＷＪ程
度の吸熱能力を得るように設定することにより、冷凍庫
、冷蔵庫の用途に合った最適な能力を発揮できることが
わかった。

かくして、フロン規制の対象となるフロン系の冷媒を用
いずに、冷凍庫、冷蔵庫に合った冷却運転がなされる冷
凍冷蔵庫を実現することができる。

しかも、スターリング機械５は、従来の蒸発圧縮式の冷
凍サイクルに比べ、はるかに小型・軽量ですむ。

具体的には従来の冷凍冷蔵庫に採用されている冷凍サイ
クルのシステムでは凝縮器などの大形の部品、さらには
重量の有る部品を必要とするためにｒｌＯｋｇｆＪ位の
重量があるが、スターリング機械５はこうした部品を必
要としない１シリンダ構造の上、約半分以下のｒ３．５
）ｃｇｆＪ程度の重量ですんだ。しかも、冷凍サイクル
のシステムではサイクルの最高圧がｒ　１２ｋｇ　ｆ　
／ｃＪＪであるが、スターリング機械５は半分のｒ　６
　ｋｇ　ｆ　／　ｃｊ　Ｊの圧力ですむので、耐圧構造
も簡易となり、その分、小型・軽量化を図ることができ
る。

そのうえ、スターリング機械５はサイクル行程中で相変
化を伴わない常時、気体であるために、気流音が少なく
、低騒音および低振動である。

加えて、低温側熱交換器２２に着霜が生じたならば、操
作部を操作すればよい。すなわち、環状板３７が当該透
孔３８と本体１側の透孔３５と連通するように所定の角
度回動していく。これにより、温側熱交換器２３から放
出される熱が低温側熱交換器２２に導かれていき、霜を
溶かすことになる。

また、第７図および第８図はこの発明の他の実施例を示
す。本実施例は、パイプから低温側熱交換器２２を構成
したのではなく、２枚の板の接合で構成したものである
。すなわち、押し型成形で、板面に通路用の凹部５０を
形成した一対のアルミ板などの伝熱性の良い板部材５１
．５１を双方の凹部５０．５０同志が対向するように、
接着、あるいはろう付は等で重合接合したものである。

こうした構造は、凹部５０，５０で形成される通路の断
面積および死容積を、先の一実施例のパイプ型の熱交換
器と同じままに、有効伝熱面積を数〜数十倍にすること
ができる利点がある。むろん、この構造を高温側熱交換
器に適用してもよい。

なお、先の一実施例では複数の透孔を板面に設けた環状
板を用いて除霜するようにしたが、これに限らず、除霜
時、ヒートバイブを用いて高温側熱交換器の熱を、着霜
した低温側熱交換器に伝えれ溶かすようにしてもよい。

また一実施例では往復機構に円筒カム構造を用いたが、
それ以外の構造を用いて、ディスプレーサ−１低温ピス
トンを所定の位相差で往復動させるようにしてもよい。

［発明の効果］以上説明したようにこの発明によれば、フロン系の冷媒
を用いずに冷却運転を行うことができる。

しかも、スターリング機械は簡単、かつ耐圧構造が簡易
ですむ１シリンダ構造なので、小型・軽量化に優れる。

そのうえ、スターリング機械は気流音が少ないので低騒
音化、低振動化に優れる。また成績係数も良く、高冷却
効率化にも優れる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第６図はこの発明の一実施例を示し、第１
図はこの発明を適用した冷凍冷蔵庫を示す側断面図、第
２図はスターリング機械を示す側断面図、第３図は除霜
装置を示す分解斜視図、第４図は逆スターリングサイク
ルを説明するためのＰ−ｖ線図、第５図はそのＴ−８線
図、第６図は構造を示す側断面図＼第８図はそのｘ−Ｘ
線に沿う断面図である。１・・・本体、２・・・冷凍室、３・・・冷蔵室、５・
・・スターリング機械、６・・・シリンダ、７・・・モ
ータ、１１・・・ディスプレーサ−１２・・・低温ピス
トン、１４・・・往復機構、１６・・・カム溝、１７・
・・カムローラ、２１・・・再生器、２２・・・低温側
熱交換器、２３・・・高温側熱交換器。

Claims

【特許請求の範囲】

冷却装置により庫内を冷却するようにした冷却庫におい
て、前記冷却装置は、内部にディスプレーサーおよびピ
ストンが順に直列に配置されたシリンダと、このシリン
ダの後部に設けたモータと、このモータの出力軸に連結
されモータの出力で前記ディスプレーサーおよびピスト
ンを所定の位相差で往復動させる往復機構と、前記シリ
ンダの頭部側に設けられ前記ディスプレーサとシリンダ
頭部との間の空間に連通する低温側熱交換器と、前記シ
リンダの後部側に設けられ前記ディスプレーサーとピス
トンとの間の空間に連通する高温側熱交換器と、前記シ
リンダの胴部に設けられ前記高温側熱交換器と前記低温
側熱交換器とを連通する再生器と、前記ディスプレーサ
とシリンダ頭部との間の空間、前記低温側熱交換器内、
前記再生器、前記高温側熱交換機内および前記ディスプ
レーサとシリンダ頭部との間の空間に渡って充填され前
記ディスプレーサーおよびピストンの往復動を受けて逆
スターリングサイクルを構成する作動流体とを有したス
ターリング機械から構成し、前記低温側熱交換器を庫内
に配置してスターリング機械を設置することを特徴とし
た冷却庫。