(57)【要約】【課題】複雑な熱交換サイクルを必要とすることなく、効率的な冷却効果を得ることができるスターリング冷凍機を備えた冷蔵庫を提供する。【解決手段】外側壁に形成したダクト（８）中に冷気の循環ファン（１８）を有する冷却貯蔵室（４）と、この冷却貯蔵室（４）の室外に配設したスターリング冷凍機（１２）と、このスターリング冷凍機（１２）のコールドヘッド（１２ａ）に装着して冷却される熱交換フィン（２０）とからなり、前記熱交換フィン（２０）を前記冷却貯蔵室（４）への吹出口（６ａ）近傍のダクト（８）中に配置するとともに、前記熱交換フィン（２０）に近接したダクト（８）の冷却貯蔵室（４）への吹出口（６ａ）近傍に送風ファン（２２）を配置したことを特徴とする。【選択図】        図１
2005257210.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外側壁に形成したダクト中に冷気の循環ファンを有する冷却貯蔵室と、この冷却貯蔵室の室外に配設したスターリング冷凍機と、このスターリング冷凍機のコールドヘッドに装着して冷却される熱交換フィンとからなり、前記熱交換フィンを前記冷却貯蔵室への吹出口近傍のダクト中に配置するとともに、前記熱交換フィンに近接したダクトの冷却貯蔵室への吹出口近傍に送風ファンを配置したことを特徴とする冷蔵庫。
【請求項２】
スターリング冷凍機はコールドヘッドを上部にして直立させ、コールドヘッドに装着した熱交換フィンの直上に回転中心部から吸込み外周部へ吐出するシロッコファンを設置したことを特徴とする請求項１記載の冷蔵庫。
【請求項３】
スターリング冷凍機の冷凍能力を上げた際には送風ファンの回転数を増大させるとともに、冷気の循環ファンも送風ファンの回転数に比例させて運転するようにしたことを特徴とする請求項１または２記載の冷蔵庫。
【請求項４】
除霜時にはスターリング冷凍機および送風ファンを停止するとともに、循環ファンのみを回転させるようにしたことを特徴とする請求項１または２記載の冷蔵庫。
【請求項５】
熱交換フィンは基部とフィン部とから形成され、前記基部は銅で構成され、前記基部上面より立設する前記フィン部はアルミニウムで構成されたものであることを特徴とする前記１または２記載の冷蔵庫。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スターリング冷凍機を備えた冷蔵庫に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の冷蔵庫は冷媒圧縮式の冷凍サイクルによって貯蔵室内の冷却がなされ、その冷凍サイクルには、フロン系冷媒や炭化水素系冷媒が主として用いられている。しかし、フロン系冷媒はオゾン層破壊や地球温暖化の原因となるため、地球環境への配慮から全世界的にその使用が制限されている。また、炭化水素系冷媒はオゾン層破壊の影響がなく、地球温暖化への影響も少ないが、可燃性であることから、冷凍サイクルより漏れ出した場合、電気部品の接点から生じる火花などから引火して火災に発展する可能性があった。
【０００３】
一方、冷媒圧縮式の冷凍サイクルに代わる技術として、スターリングサイクルを用いたスターリング冷凍機およびこれを用いた冷蔵庫の研究開発が進められている。このスターリング冷凍機では冷媒としてヘリウムや窒素などの不活性ガスを用いるため、前記のようなフロン系冷媒や炭化水素系冷媒の有する問題はない。
【０００４】
スターリング冷凍機は、ピストンとディスプレーサを収納するシリンダに冷媒を充填し密閉する構造となっており、外部動力によりピストンとディスプレーサとが互いに位相差をもって往復運動するように稼働させ、シリンダ内部の一方の端部近傍の膨張空間では冷媒の膨張を繰り返し、シリンダ内部の他方の端部近傍の圧縮空間では冷媒の圧縮を繰り返すことで、膨張空間が低温、圧縮空間が高温となり、膨張空間内に設けられた蓄冷器を通じてコールドヘッドより膨張空間で発生する冷熱を得るものである。
【０００５】
しかし、スターリング冷凍機は、その構造上、コールドヘッドの伝熱面積の大きさが制限されるため、冷蔵庫の冷凍機としてスターリング冷凍機を用いる場合は、小さな伝熱面積のコールドヘッドから冷熱を効率よく冷蔵庫内の空気に伝搬する必要があり、その手段として、二次冷媒を用いた熱交換器を備えることが一般的である（例えば、特許文献１）。
【０００６】
図４は冷蔵庫用の二次冷媒を用いた熱交換器（５２）を備えるスターリング冷凍サイクル（５０）を示す概略構成図であり、スターリング冷凍機（５１）とともに、そのコールドヘッド（５１ａ）に装着されるコールドヘッド側熱交換器（５２ａ）と庫内の空気を冷却する庫内側熱交換器（５２ｂ）とを循環パイプ（５２ｃ）で連結して、その内部に二次冷媒を封入し、循環パイプ（５２ｃ）中に設けられた循環ポンプ（５２ｄ）の駆動によって二次冷媒を循環させ、コールドヘッド（５１ａ）の冷熱を庫内側熱交換器（５２ａ）へ伝搬して、貯蔵室内を冷却する構成となっている。
【特許文献１】特開２００３−３１４９３７公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記構成のスターリング冷凍サイクル（５０）では、小さな伝熱面積のコールドヘッド（５１ａ）からの冷熱を効率よく庫内空気へ伝達するために、二次冷媒を循環させる循環パイプ（５２ｃ）や循環ポンプ（５２ｄ）などの熱交換サイクルが必要であり、その構造は複雑なものとなることから、コストアップの原因となり問題であった。
【０００８】
本発明は、上記問題を考慮してなされたものであり、複雑な熱交換サイクルを必要とすることなく、効率的な冷却効果を得ることができるスターリング冷凍機を備えた冷蔵庫を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の冷蔵庫は、外側壁に形成したダクト中に冷気の循環ファンを有する冷却貯蔵室と、この冷却貯蔵室の室外に配設したスターリング冷凍機と、このスターリング冷凍機のコールドヘッドに装着して冷却される熱交換フィンとからなり、前記熱交換フィンを前記冷却貯蔵室への吹出口近傍のダクト中に配置するとともに、前記熱交換フィンに近接したダクトの冷却貯蔵室への吹出口近傍に送風ファンを配置したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ダクト中に設けた冷気を循環させるための循環ファンに加え、熱交換フィンの近傍に送風ファンを配置し運転することで、ダクト内の圧力損失をなくすことができるため、複雑な熱交換サイクルを必要とすることなく、効率的な冷却効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施形態を図１〜３に基づき説明する。図１は冷蔵庫（１）の縦断面図であり、前面が開口した断熱箱体（２）によって、その内部に貯蔵空間である冷却貯蔵室（４）を形成している。冷却貯蔵室（４）の前面開口は扉（４ａ）によって閉塞されており、冷却貯蔵室（４）の背面には、上部に吹出口（６ａ）および下部に吸込口（６ｂ）を開口させた冷気を循環させるダクト（８）を設け、ダクト（８）の後方上部には機械室（１０）が設けられている。
【００１２】
スターリング冷凍機（１２）は、図２に示すように、密閉されたシリンダー（３１）内に、ディスプレーサ（３２）とピストン（３３）が配設され、膨張空間（３４）と圧縮空間（３５）とが形成されており、これらと再生器（３６）により閉空間を構成し、この閉空間にはヘリウムや窒素などの冷媒が充填されている。
【００１３】
ピストン（３３）はリニアモータ（３７）などの外部動力によってシリンダー（３１）の軸方向に摺動する。ディスプレーサ（３２）の下部にはピストン（３３）を貫通するディスプレーサロッド（３２ａ）が設けられており、このディスプレーサロッド（３２ａ）がピストン（３３）の動作によるバウンス空間（３８）の圧力変動の影響を受けて、ピストン（３３）に対し所定の位相差をもって往復動作する。
【００１４】
このピストン（３３）とディスプレーサ（３２）の往復運動により冷媒が再生器（３６）を通じて膨張空間（３４）と圧縮空間（３５）を行き来し、膨張空間（３４）で低温、膨張空間（３５）で高温を得ることができる。
【００１５】
このように膨張空間（３４）で得られる冷熱は、膨張空間（３４）内に設けられた低温側熱交換器（３９）を介してコールドヘッド（１２ａ）へ伝達され、圧縮空間（３５）で得られる温熱は、圧縮空間（３５）内に設けられてた高温側熱交換器（４０）を介してウォームヘッド（１２ｂ）へ伝達されて、スターリング冷凍機（１２）で発生した冷熱および温熱が取り出される。
【００１６】
このスターリング冷凍機（１２）は、シリンダー（３１）の軸方向が冷蔵庫（１）の底面と直交する直立状態で機械室（１０）内部に配され、ダクト（８）と機械室（１０）を仕切っている仕切り壁（１４）に設けた貫通孔より、コールドヘッド（１２ａ）がダクト（８）内へ突出するように設置される。そして、機械室（１０）に配設された放熱ファン（１６）によって、ウォームヘッド（１２ｂ）および不図示の制御用インバータ基板を冷却するようになっている。
【００１７】
ダクト（８）の経路内には、吸込口（６ｂ）側から順に、循環ファン（１８）、コールドヘッド（１２ａ）に装着された熱交換フィン（２０）、送風ファン（２２）を配し、循環ファン（１８）は熱交換フィン（２０）の上流側の近傍に、送風ファン（２２）はシロッコファンであって熱交換フィン（２０）直上に配設されいる。
【００１８】
スターリング冷凍機（１２）が駆働すると、コールドヘッド（１２ａ）の温度は−２０℃〜−５０℃に低下し、その冷熱を受けた熱交換フィン（２０）は−１０℃〜−１５℃の温度に冷却されると同時に、送風ファン（２２）および循環ファン（１８）が回転する。
【００１９】
冷却された熱交換フィン（２０）と熱交換を行った空気は、熱交換フィン（２０）の上部近傍に配設されているシロッコファンの回転中心部から外周部へ吐出され、吹出口（６ａ）より冷却貯蔵室（４）内に吹き出し、冷却貯蔵室（４）を冷却した後、冷却貯蔵室（４）の背面下部に設けられた吸込口（６ｂ）からダクト（８）内に取り込まれ上昇することで、冷却貯蔵室（４）内が冷却される。
【００２０】
冷却貯蔵室（４）の冷却能力を変化させるために、スターリング冷凍機（１２）の冷凍能力の変更させる場合は、その変更に合わせて、送風ファン（２２）および循環ファン（１８）の回転数を変化させる。具体的には、冷却貯蔵室（４）の冷却能力を上げる場合、スターリング冷凍機（１２）内部に設けられているリニアモータ（３７）を制御してピストン（３３）の振幅を大きくすることで、コールドヘッド（１２ａ）の温度を低下させるとともに、送風ファン（２２）の回転数を増加させて熱交換フィン（２０）を通過する風を増加させ、送風ファン（２２）の回転数を増加させたことに伴うダクト（８）内部の圧力損失を補償するために循環ファン（１８）の回転数も増加させる運転を行う。また、冷却能力を下げる場合は、ピストン（３３）の振幅を小さく制御するとともに、送風ファン（２２）および循環ファン（１８）の回転数を減少させる運転を行う。
【００２１】
図３は本実施形態の冷蔵庫に用いられる熱交換フィン（２０）の断面図である。この熱交換フィン（２０）は、銅などの良熱伝導体で形成された板状の基部（２０ａ）の下面に円筒状のキャップ部（２０ｄ）を有するとともに、基部（２０ａ）の上面に、アルミニウム製のフィンを多数立設させているフィン部（２０ｂ）をボルトなどにより取り付けている。基部（２０ａ）とフィン部（２０ｂ）の接合面には熱伝導性の高いシリコングリス（２０ｃ）を充填し、基部（２０ａ）とフィン部（２０ｂ）間の熱伝導を高く保持させている。そして、基部（２０ａ）に設けられた円筒状のキャップ部（２０ｄ）に、コールドヘッド（１２ａ）が嵌入され当接固定されることで、コールドヘッドからの冷熱を熱交換フィン（２０）に伝導させる。なお、熱伝導性を高めるためにキャップ部（２０ｄ）とコールドヘッド（１２ａ）の当接面にシリコングリスを充填しても良い。
【００２２】
熱交換フィン（２０）の基部（２０ａ）は良熱伝導性の銅で構成されているため、伝熱面積の小さいコールドヘッド（１２ａ）からの冷熱を受けた基部（２０ａ）を素早く均熱化することができ、そのため、基部（２０ａ）の冷熱を接合面全面からフィン部（２０ｂ）へ効率的に熱伝達することができる。
【００２３】
更に、フィン部（２０ｂ）は良熱伝導性のアルミニウムで構成されているため、大きな伝熱面積をもつ多数立設したフィン部（２０ｂ）全体を均一に冷却することができ、そのため、流下する冷気への冷熱の伝達効率を向上させることができる。また、基部（２０ａ）とフィン部（２０ｂ）を銅によって一体に構成することも可能であるが、このような銅で一体に構成するに比べ、フィン部（２０ｂ）をアルミニウムで構成することにより、低コスト化を図ることができる。
【００２４】
ところで、スターリング冷凍機（１２）を連続して高負荷運転した場合には、熱交換フィン（２０）におけるフィン部（２０ｂ）の先端温度は−１０℃〜−１５℃となるため、スターリング冷凍機（１２）の運転が連続すると、冷却貯蔵室（４）内を循環する空気中に含まれる水分が熱交換フィン（２０）のフィン部（２０ｂ）表面に霜となって付着する。着霜した場合は、フィン間隔が狭くなり、送風ファン（２２）および循環ファン（１８）より送風される空気の流れが悪くなり、さらに、空気とフィン部（２０ｂ）との接触面積が著しく小さくなり、熱交換効率を下げて冷却性能が低下することとなるため、必要に応じて熱交換フィン（２０）の除霜処理を行う。
【００２５】
除霜の際は、スターリング冷凍機（１２）の運転を停止させるとともに、循環ファン（１８）を回転させ、熱交換フィン（２０）に直接風を当てるようにする。これにより、循環冷気を熱交換フィン（２０）との熱交換によって、熱交換フィン（２０）に付着した霜を効率よく除霜することができるとともに、霜と熱交換して低温となった冷気が、冷却貯蔵室（４）に再び吐出循環するので、冷却貯蔵室（４）内の温度上昇を効果的に抑制することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明は、スターリング冷凍機を採用した冷蔵庫の熱交換サイクル構成として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施形態における冷蔵庫の縦断面構造図である。
【図２】図１に用いられるスターリング冷凍機の断面図である。
【図３】図１に用いられる熱交換フィンの断面図である。
【図４】従来の冷蔵庫に用いられていたスターリング冷凍サイクルの概略構成図である。
【符号の説明】
【００２８】
１    冷蔵庫                  ４    冷却貯蔵室          ６ａ  吹出口
６ｂ  吸込口                  ８    ダクト            １０    機械室
１２    スターリング冷凍機    １２ａ  コールドヘッド    １８    循環ファン
２０    熱交換フィン          ２０ａ  基部              ２０ｂ  フィン部
２２    送風ファン
【図１】
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【図２】
2005257210.tif 000004
【図３】
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【図４】
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