JP2714155B2

JP2714155B2 - 冷却庫

Info

Publication number: JP2714155B2
Application number: JP1169672A
Authority: JP
Inventors: 澄香川
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-06-30
Filing date: 1989-06-30
Publication date: 1998-02-16
Anticipated expiration: 2013-02-16
Also published as: JPH0336468A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（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）、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、圧縮機の騒
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。

この発生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］（課題を解決するための手段）上記目的を達成するために、本発明に係る冷却庫は、
内部に被冷却物を収容する収容部と該収容部を介して冷
気を循環させるための通路となる冷気通路とを備えると
ともに表層部が金属材で形成された冷却庫本体と、この
冷却庫本体の表層部を形成している前記金属材に高温側
熱交換器を接続するとともに前記冷気通路内に低温側熱
交換器を位置させて設けられたスターリング冷凍機とを
具備してなることを特徴としている。

なお、前記冷却庫本体は前面部に開閉扉を有するとと
もに上記開閉扉から奥行き方向に順に前記収容部と前記
冷気通路とを備えており、前記スターリング冷凍機は上
記冷気通路と上記冷却庫本体の背面との間に設けられて
いることが好ましい。

また、前記スターリング冷凍機は、シリンダと、この
シリンダ内に頭部側から順に配置されたディスプレーサ
ーおよびピストンと、前記シリンダの後部に設けられた
モータと、この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動機構
と、一端側が前記シリンダの頭部と前記ディスプレーサ
ーとの間の空間に通じた低温側熱交換器と、一端側が前
記ディスプレーサーと前記ピストンとの間の空間に通じ
た高温側熱交換器と、この高温側熱交換器の他端側と前
記低温側熱交換器の他端側との間に接続された再生器
と、前記ディスプレーサーとシリンダ頭部との間の空
間、前記低温側熱交換器、前記再生器、前記高温側熱交
換器および前記ディスプレーサーと前記ピストンとの間
の空間に充填された作動流体とで構成されているものが
好ましい。

（作用）スターリング冷凍機を駆動開始すると、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、スターリング冷凍機は、モータが取付くシ
リンダ内にディスプレーサー、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１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、スターリング冷凍機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。

また、本発明では、冷却庫本体の表層部を金属材で形
成し、この金属材に高温側熱交換器が接続されるように
スターリング冷凍機を設けているので、冷却庫本体の表
層部を形成している金属材を放熱板として有効に利用で
き、放熱系の構成を簡単化できる。

（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冷凍冷
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、スターリング冷凍機５が冷却装置として設置されて
いる。このスターリング冷凍機５の構造が第２図に示さ
れている。

スターリング冷凍機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10
a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ー
11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ー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
ーサー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「90°」位相のずれた
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18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
スプレーサー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20を介して低温ピストン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、ディスプレーサー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
プレーサー11と低温ピストン12との間に存在する空間と
再生器21との間には、略Ｕ字状に形成した複数本の細径
な熱交換パイプ23a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ー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、ディスプレーサー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
プレーサー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冷凍機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22を冷気供給通路４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４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は冷気供給通路４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４と連
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４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、上記スターリング冷凍
機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ので出口側
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32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34の構造が第３図に示されている。

除霜装置34を説明すれば、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39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35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23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にカムローラ17,17に
よって、往復動に変換されていく。

これにより、ディスプレーサー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「Ａ→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および該熱交換器23が接続されている
冷却庫本体１の表層材、すなわち表層を形成している金
属材の表面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ー11が下降する「Ｂ→
Ｃ」の行程で、再生器21を通過してディスプレーサー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「Ｃ→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、ディスプーレー
サー11が上昇する「Ｄ→Ａ」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
に送風、ダンバー装置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、ディスプレーサー11、低温ピストン12のボア
を「約40mm」、同ストロークを「約16mm」、作動流体に
充填圧力「5kg f/cm²」の「チッ素ガス」を使用し、低
温側熱交換壁温度を「−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
「1500rpm」では「60W」程度、「3000rpm」で「100W」
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
「０〜10kg f/cm²」で上記したと同様な結果が得られ
た。

つまり、スターリング冷凍機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/cm²」に、回転数を「3000rpm以下」に
した運転条件で、「100W」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、スターリング冷凍機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「10kg f」位の重
量があるが、スターリング冷凍機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「3.5kg
f」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「12kg f/cm²」であるが、
スターリング冷凍機５は半分の「6kg f/cm²」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、スターリング冷凍機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。

また、冷却庫本体１の表層部を金属材で形成し、この
金属材に高温側熱交換器23が接続されるようにスターリ
ング冷凍機５を設けているので、冷却庫本体１の表層部
を形成している金属材を放熱板として有効に利用でき、
放熱系の構成を簡単化できる。

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51,5
1を双方の凹部50,50同志が対向するように、接着、ある
いはろう付け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、ヒートパイプ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、ディスプレーサー、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、スターリング冷凍機は簡単、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、スターリング冷凍機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。

また、特に冷却庫本体の表層部を金属材で形成し、こ
の金属材に高温側熱交換器が接続されるようにスターリ
ング冷凍機を設けているので、冷却庫本体の表層部を形
成している金属材を放熱板として有効に利用でき、放熱
系の構成を簡単化できる。

【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図はスターリング冷凍機を示す側断面図、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−Ｓ
線図、第６図はスターリング冷凍機の性能を示す線図、
第７図はこの発明の他の実施例の要部の高温側熱交換器
の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
ーリング冷凍機、６……シリンダ、７……モータ、11…
…ディスプレーサー、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

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】内部に被冷却物を収容する収容部と該収容
部を介して冷気を循環させるための通路となる冷気通路
とを備えるとともに表層部が金属材で形成された冷却庫
本体と、この冷却庫本体の表層部を形成している前記金
属材に高温側熱交換器を接続するとともに前記冷気通路
内に低温側熱交換器を位置させて設けられたスターリン
グ冷凍機とを具備してなることを特徴とする冷却庫。
【請求項２】前記冷却庫本体は前面部に開閉扉を有する
とともに上記開閉扉から奥行き方向に順に前記収容部と
前記冷気通路とが形成されており、前記スターリング冷
凍機は上記冷気通路と上記冷却庫本体の背面との間に設
けられていることを特徴とする請求項１に記載の冷却
庫。
【請求項３】前記スターリング冷凍機は、シリンダと、
このシリンダ内に頭部側から順に配置されたディスプレ
ーサーおよびピストンと、前記シリンダの後部に設けら
れたモータと、この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動
機構と、一端側が前記シリンダの頭部と前記ディスプレ
ーサーとの間の空間に通じた低温側熱交換器と、一端側
が前記ディスプレーサーと前記ピストンとの間の空間に
通じた高温側熱交換器と、この高温側熱交換器の他端側
と前記低温側熱交換器の他端側との間に接続された再生
器と、前記ディスプレーサーとシリンダ頭部との間の空
間、前記低温側熱交換器、前記再生器、前記高温側熱交
換器および前記ディスプレーサーと前記ピストンとの間
の空間に充填された作動流体とで構成され、逆スターリ
ングサイクルで運転されることを特徴とする請求項１ま
たは２に記載の冷却庫。