(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷蔵庫キャビネット（３）と、冷蔵庫キャビネットドアと、スターリングヒートポンプ（２）と、互いに平行に隣接し接続された複数の側面を有していて前記スターリングヒートポンプ（２）に適した熱交換器（１）であって、添加剤を保持する水又はその他の任意の流体が前記熱交換器（１）内を流れ、通路によって集められて前記スターリングヒートポンプ（２）の低温側に向けて供給される、熱交換器（１）とを備えた冷蔵庫において、
前記ヒートポンプの最大運転容量を、前記冷蔵庫キャビネットドアを開ける／閉じることにより且つ前記冷蔵庫キャビネット（３）内に新たな物を入れることにより発生される熱利得を連続的運転の熱利得に加えることにより、計算し、
前記熱交換器（１）は、熱成形またはプラスチック射出成形され、前記低温側にて使用される前記熱交換器（１）が前記キャビネット（３）の内側ライナーと一体に製造されるとともに、熱伝導率が従来のポリウレタンよりも小さい真空保温パネル（８）が前記熱交換器（１）の後側部に配置され、前記熱交換器（１）内の流体が並列に流れ、並列に流れるいずれの流路を通っても前記熱交換器（１）の入口から出口までの距離が略等しくなるように構成されたことを特徴とする、冷蔵庫。
【請求項２】
請求項１に記載の冷蔵庫において、前記熱交換器（１）の通路は、正方形の断面を有することを特徴とする、冷蔵庫。
【請求項３】
請求項１に記載の冷蔵庫において、前記熱交換器（１）の通路は、矩形の断面を有することを特徴とする、冷蔵庫。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の冷蔵庫において、前記熱交換器（１）は、前記冷蔵庫の後壁を覆うように製造されたことを特徴とする、冷蔵庫。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれかに記載の冷蔵庫において、前記熱交換器（１）は、熱伝導表面積を増大させることにより前記熱交換器（１）内の前記流体の温度を上昇させ得るように前記冷蔵庫の側壁及び後壁を覆い、これにより前記ヒートポンプ（２）の性能を向上させ且つエネルギ消費量を減少させるように製造されたことを特徴とする、冷蔵庫。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の冷蔵庫において、前記熱交換器（１）によって前記キャビネット（３）内の空気から吸収された熱エネルギが前記低温側に運ばれ、温暖側の熱エネルギが別個の流体回路によって外部の熱交換器に運ばれて、外部環境に放散され得るようにし、更に、外側に取り付けられた１つ以上の熱交換器から成ることを特徴とする、冷蔵庫。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の冷蔵庫の動作方法において、前記熱交換器（１）内を流れて循環する流体の入口温度と出口温度との間の最大差が１℃であることを特徴とする、冷蔵庫の動作方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、冷蔵庫の冷却チャンバから外部環境に熱エネルギを除去するため、熱交換器が使用される、スターリングサイクルヒートポンプを備える冷蔵庫に関する。
【０００２】
冷蔵庫及び空調機のような冷却用途にて永年に亙って使用されている、コンプレッサを備える冷却システムは、主として、４つの装置、すなわち、コンプレッサと、冷却した冷蔵庫のキャビネットから熱エネルギを吸引するために使用される蒸発器と、熱エネルギを排出するために使用される凝縮器と、システム内を循環する流体の流れを高圧から低圧に調節する絞り弁又はキャピラリチューブとから成っている。かかる従来のシステムが使用される家庭用冷蔵庫において、熱エネルギを冷蔵庫キャビネット内部の冷却空気から吸引する働きをする、一般に、蒸発器と称される熱交換器は、その機能上の特徴に依存して色々な直径の金属管から製造されている。冷蔵庫キャビネット内の冷却空気から吸引された熱エネルギは、蒸発器から去る冷媒をコンプレッサにより高圧力に圧縮した後、凝縮器と称される、熱交換器を通じて外部環境に運ばれる。システム内でのコンプレッサの機能は、蒸発器から去る間、低圧力及び低温度の冷媒を高圧力まで圧縮することである（図１）。
【０００３】
従来のシステム内で使用される蒸発器の寸法は、キャビネットの熱利得、キャビネット内の所望の空気温度、冷媒の蒸発温度、熱伝導及び対流係数に従って必要な表面積を計算した後に、決定される。かかる具体化において、制限された熱伝導表面積は大きい温度差を必要とする一方、かかる大きい温度差における熱伝導は、不可逆性を増す一方、このことは、システムの性能係数を低下させることになる。色々な機関により行われた研究開発の結果、かかるシステム内で使用されるコンプレッサの効率は上限値に近付いていることが分かる。しかし、コンプレッサを有する冷蔵庫内で使用される冷媒又は冷却流体はオゾン層を破壊し且つ地球温暖化を生じさせることも既知である。
【０００４】
１９３０年代以降、低い運転温度の状態で使用されているエレクトロニクス装置を冷却するために使用される別の熱力学的サイクルは、スターリングサイクルである。米国特許第４，８５８，４４２号、米国特許第４，８７７，４３４号、米国特許第５，０５６，３１７号、米国特許第５，０８８，２８８号は、エレクトロニクス装置を冷却し且つ低い運転温度の状態にてスターリングサイクルを使用することを記載している。機械式駆動装置を有する、一般に使用されているスターリングヒートポンプに加えて、米国特許第４，１８３，２１４号、米国特許第４，４０４，８０２号、米国特許第４，８８８，９５１号、米国特許第５，６４２，６２２号には、自由ピストン原理に基づくスターリングヒートエンジン及びヒートポンプの開発が開示されている。
【０００５】
現在、その高効率のため、自由ピストンを有するスターリングヒートポンプは、従来のシステムの重要な代替品となっている。
スターリング型ヒートポンプは、外部からの熱エネルギを吸収する、空気に露呈された低温表面と、熱を空気に対して放散する温い温暖表面と、モータにより駆動されて、予め選択した周期にて揺動するヒートポンプ内にてガスを圧縮し且つ膨張させるためのピストン変位機構とから成るシステムである。リニア電気モータによって駆動されるピストンは、ヒートポンプ内のガスを圧縮する一方、温暖表面から外部環境への熱伝導に起因して等温圧縮が実現され、また、ガスの温度は一定のままである。一方、スターリングヒートポンプの低温側にて、ヒートポンプ内でガスが膨張する間、低温表面を使用することにより熱エネルギが外部から吸引されると、等温膨張が生じ、ガスの温度は一定のままである。上述した熱力学的サイクルの範囲内にて、スターリングヒートポンプは、外部から熱エネルギを吸収することのできる低温表面と、熱エネルギを外部に放散することのできる温暖表面とを有している。
【０００６】
スターリングヒートポンプが使用される一般的な技術状態において、低温側及び温暖側熱交換器とも称することのできる熱交換器は、上述した冷温表面及び温暖表面上に配置される。従来のコンプレッサに代えてスターリングヒートポンプが使用される場合において、空気中の熱エネルギを低温表面まで運ぶため熱交換器を冷蔵庫キャビネット内に配置しなければならず、また、この熱交換器は、低温側熱交換器に接続し、二次的循環回路を形成しなければならない。二次的循環回路内にて循環する、水及び添加剤を保持する流体は、内部に取り付けた熱交換器を通って流れることにより冷蔵庫キャビネット内の空気から熱エネルギを吸収する。この熱を運ぶ流体は、スターリングヒートポンプ上に配置された低温側熱交換器に達する。なお、スターリングヒートポンプ内のガス（通常、ヘリウム又は窒素）は、上述した理由のため、二次的循環回路内を流れる流体から熱エネルギを吸収し且つキャビネット内の空気から上記の流体により吸収された熱エネルギを冷温側熱交換器によりスターリングヒートポンプに伝導する。キャビネット上に取り付けられた熱交換器とスターリングヒートポンプ上に取り付けられた低温側熱交換器との間に提供されるものと同様の循環を外部の熱交換器とスターリングヒートポンプ上の温暖側熱交換器との間にも提供し、冷蔵庫が完全に、冷却機能を果たすことができるようにしなければならない。
【０００７】
この場合、スターリングヒートポンプ内で形成された熱力学的サイクルのため、温暖側熱交換器が設置される部分にて一定の温度で圧縮される冷却流体は、冷蔵庫キャビネット内にて空気から吸収された熱エネルギを温暖側熱交換器の支援によって、冷蔵庫に対して外部に取り付けられた外側熱交換器回路内を循環する、水から成る二次的流体に伝導する。二次的流体により吸収された熱エネルギを熱交換器を通じて外部環境に放散したときに、サイクルは完了する。
【０００８】
スターリングヒートポンプ内にて冷却流体として窒素又はヘリウムが使用され、また、二次的回路内で殆ど水が使用されるため、この技術は、環境に対し何ら悪影響を与えない。自由ピストン技術が使用される場合、横方向負荷、従って摩擦が減少し、その結果、ヒートポンプの性能は向上する一方、冷蔵庫のエネルギ消費量は減少する。これらの有利な点に加えて、スターリングヒートポンプが使用される冷却システムにおいて、従来技術の場合のように、管状の熱交換器を使用することが熱伝導表面積を制限するため、スターリングヒートポンプの性能はその他の場合に得られる値以下のままである。更に、二次的循環回路内にて大部分、水が使用されるため、内部及び外部の熱交換器内での熱伝導係数が減少する一方、このことは、必要とされる熱伝導面積を増加させることになる。この場合、色々な直径の金属管にて製造された熱交換器は不利益であるように思われる。
【０００９】
本発明の目的は、スターリングサイクルにより作動するヒートポンプに従って、熱エネルギを冷却した容積から吸収し且つ吸収した熱エネルギを外部環境に放散させるために使用される熱交換器の構造を提供することである。
【００１０】
冷蔵庫に一体化され且つスターリング型ヒートポンプに適した熱交換器の実施の形態が添付図面に図示されている。
熱交換器（１）内の通路を通って流れる流体の流れ特性、すなわち、流れが層状であるか又は乱流であるかは、上記熱交換器（１）の性質及び通路の寸法を決定する上で重要である。
【００１１】
熱交換器（１）は、正方形又は矩形の断面を有する平行な通路で出来ている。通路の寸法は、２×２ｍｍ乃至２０×２０ｍｍの範囲内にて相違する（図４）。
４ｃｍの従来のポリウレタンにて保温された単一の温度区画のみを有する１５０×５０×５０ｃｍ冷蔵庫の安定状態の熱利得は、新しい物が内部に配置されず、また、ドアが開き／閉じられていないときの時間の間、＋５℃乃至＋２５℃の運転状態にて約２５Ｗである。
【００１２】
従来のコンプレッサ（４）と相違して、スターリングヒートポンプ（２）は、容量を調節することを可能にし、また、この理由のため、内部の熱交換器（１）を製造するときに考慮すべき値は、連続運転時の熱利得である。ドアを開け／閉じ又は冷蔵庫キャビネット内に新しい物を入れる場合、スターリングヒートポンプ（２）は、追加された熱負荷に適合するようにより高容量にて作動することができ、また、熱利得が連続的運転のレベルに達したとき、ヒートポンプ（２）の冷凍容量は通常の値まで減少する。冷蔵庫内の食物が十分に短時間にて冷却されるようにするため、これらの熱負荷を連続的運転の熱利得に加えることが必要である。ドアを開け／閉じることにより又は新しい物を冷蔵庫キャビネット内に入れることにより発生した熱利得を連続運転の熱利得に加えることにより、熱交換器（１）の最大の運転効率が得られる。
【００１３】
寸法１５０×５０×５０ｃｍの冷蔵庫の場合、ドアを開け／閉じ又は冷蔵庫キャビネット内に新しい物を入れることに起因する平均的熱負荷を連続的運転の熱負荷に加えることにより得られる、最大の低温側熱交換器（１）の容量は、約４０Ｗである。
【００１４】
熱交換器（１）を設計するために考慮すべき別の因子は、熱交換器（１）内を流れる流体の入口温度と出口温度との間の差である。この差が大きい場合、温暖部分からより低温部分までの熱交換器（１）内の熱伝導は増大し、このことは、キャビネット（３）からの熱吸収過程に悪影響を与える。この問題点は、冷却流体の蒸発温度を蒸発器内で略一定に保つことにより解決され、これにより、従来のコンプレッサが使用される冷蔵庫内の空気から熱を吸収することが可能となる。この問題点は、熱交換器（１）内を流れる流体の入口温度と出口温度との差を最大で１℃に保つことにより、スターリングヒートポンプ（２）と適合する熱交換器にて回避される。その最大熱負荷が４０Ｗとして決定された寸法１５０×５０×５０ｃｍの冷蔵庫において、使用される流体の流量は、上記１℃の温度差を実現し得るように、その比熱に依存して略９乃至１０ｇ／ｓでなければならない。冷蔵庫の容積がより多く又はより低温度の冷却が望まれるならば、この値は２５ｇ／ｓまで増加する。
【００１５】
層状流れ状態において、通路の寸法がより小さくなり且つ流れ断面積がより狭小になるに伴い、特定の流量に対する熱伝導係数が増大し、このため、粘性摩擦が減少する結果、より容易な流れが実現され、熱伝導率は有利な影響を受ける。乱流流れの場合、断面積が縮小することは熱伝導率に有利な影響を与え、また、摩擦損失に不利益な影響を与える。更に、層状流の場合、特定の幾何学的形態に対して摩擦率及び圧力降下は、流量が増すに伴い、減少し、また、乱流流れの場合は、その逆となる。
【００１６】
１５０×５０×５０ｃｍの冷蔵庫において、最大熱容量４０Ｗとなるように設計された熱交換器（１）内の流量が９乃至１０ｇ／ｓの場合、四角形の断面の通路が利用されるとき、流れは２．３乃至２．５ｍｍの側部長さにて層状の特徴となり、また、より小さい断面の通路にて、この層状の特徴が失われ、乱流が開始する。冷蔵庫の容積が増大し又はより低温度の冷却が望まれる場合、１００Ｗの熱負荷となるために要求される２５ｇ／ｓの値に対するこの限界値は約６ｍｍである。換言すれば、６ｍｍ以上の断面の通路を通る流れは層状となり、６ｍｍ以下の通路を通る流れは乱流となる。
【００１７】
異なる容積及び異なる保温材料を有する冷蔵庫を使用するならば、通路部分の寸法は相違する。この理由のため、通路の断面を決定するには、詳細な解析が必要とされる。
【００１８】
流れ特徴に加えて幾何学的形状、すなわち、流れ通路が四角形又は矩形であるかは製造方法及びコストの条件に関して重要な役割を果たす。１０×１０ｍｍの四角形、又は１０×４０ｍｍの矩形断面の通路が、寸法１５０×５０×５０ｃｍの冷蔵庫内で空気から４０Ｗの熱エネルギを吸収する設計とされた熱交換器内で９乃至１０ｇ／ｓの流量に対して使用される場合、通路内で９．５ｃｍ／ｓ及び２．３ｃｍ／ｓの流量がそれぞれ得られる。
【００１９】
熱交換器（１）内の流体（水＋添加剤）とキャビネット（３）内の空気との間の熱抵抗が同一の負荷値にて双方の型式の通路について計算されたとき、略同様の値が得られる。その理由は、キャビネット（３）の内側ライナーとキャビネット（３）内部の空気との間の熱伝導係数が熱抵抗に対して重要な役割りを果たすからである。
【００２０】
熱交換器（１）を家庭用冷蔵庫に適用する場合、添加剤を保持する水又は任意のその他の流体は、直列的に又は並列的に通路を通って流れ且つ収集器によって集められ、その用途の容量（粘性摩擦）に依存して、スターリング冷却器の低温側に向けられる（図５ａ、図５ｂ）。四角形又は矩形の断面の通路から成る熱交換器（１）は、その用途の容量に依存して、冷蔵庫の後壁を覆い又は側壁と後壁を覆うように製造する。これら作動の全ては、二次的回路内の流れる流体から環境への熱伝導を可能にする、外部に取り付けた熱交換器（１）に対し及びキャビネット（３）内部で空気から熱エネルギを吸収し得るように製造された熱交換器（１）に対しても有効である。上記の複数の熱交換器（１）の内、低温側にて使用される熱交換器は、キャビネット（３）の内側ライナーと共に製造し又は、別個に製造した後、上記内側ライナーに付着することができる。
【００２１】
スターリングヒートポンプ（２）は、低温側にて外部から熱エネルギを吸収し且つ温暖側にて熱エネルギを外部環境に放散する能力を有している。キャビネット（３）の内側ライナーと共に製造された熱交換器（１）により、キャビネット（３）内の空気から吸収された熱エネルギはスターリングヒートポンプ（２）の低温側に運ばれる。温暖側にてヒートポンプ（２）の外部に放散されたこの熱エネルギは、この熱交換器（１）の助けにより、外部環境に運び得るように別個の流体回路により外部に取り付けた熱交換器（１）まで運ばれる。
【００２２】
スターリングヒートポンプ（２）と適合可能な熱交換器（１）が冷蔵庫内にて使用される場合、キャビネット（３）内の空気と二次的回路内を循環する流体との間の温度差が小さいとき、熱エネルギを吸収するのに必要な熱伝導表面積が提供される。温度差が小さいときに実現される熱伝導は不可逆性を減少させ、これにより、そのエネルギ消費量を減少させつつ、ヒートポンプ（２）及び冷蔵庫の冷却性能を向上させる。冷蔵庫の後面を完全に覆うように、熱交換器（１）の形態を改変して熱交換器（１）を配置することができるため、冷蔵庫キャビネット（３）内でより均一な温度分布状態を提供することができる。熱交換器（１）が冷蔵庫キャビネット（３）の内側ライナーと一体化されたものとして製造される場合、冷蔵庫の製造コストが削減される。熱成形又はプラスチック射出成形法を利用することにより熱交換器が製造される。
【００２３】
熱交換器（１）の全体的な寸法は、スターリングヒートポンプにより優れた性能を得る上で重要な役割を果たす。高さ７５ｃｍ×幅４０ｃｍの熱交換器（１）は四角形又は矩形の断面の通路から成っており、寸法１５０×５０×５０ｃｍの冷蔵庫のキャビネット（３）の後壁に単一物として配置し又はそのキャビネット（３）の後壁及び側壁に３つの部分から成る物として配置することができる。
【００２４】
この場合、キャビネット（３）の後壁に単一物として配置された熱交換器（１）に対する熱伝導表面積は０．３ｍ2である一方、キャビネット（３）の後壁及び側壁に３つの部分から成る物として配置された熱交換器（１）に対する熱伝導表面積は０．９ｍ2である。流れ状態及び熱伝導特性は双方の形態にて同一であるため、キャビネット（３）内の空気と熱交換器（１）内の流体との間の必要な温度差は、キャビネット（３）の後壁に単一物として配置された熱交換器（１）の場合、約２２℃である一方、キャビネット（３）の後壁及び側壁に３つの部分から成る物として配置された熱交換器（１）の場合、この温度差は７．５℃である。
【００２５】
理論上、一般に使用されている対数平均温度差（ｌｍｔｄ）法が採用されるとき、熱交換器（１）内の流体の温度は、キャビネット（３）の後壁に単一物として配置された熱交換器（１）の場合、−１８℃である一方、キャビネット（３）の後壁及び側壁に３つの部分から成る物として配置された熱交換器（１）の場合、この温度は−３℃である。キャビネット（３）の後壁及び側壁に３つの部分から成る物として配置された熱交換器（１）は、熱伝導表面積を増大させることにより、熱交換器（１）内の上記流体の温度を上昇させ、これにより、ヒートポンプ（２）の性能を向上させ且つエネルギ消費量を減少させるべく使用される。
【００２６】
熱交換器（１）がキャビネット（３）の後壁にのみ配置される場合、熱エネルギをキャビネット（３）から吸収することを可能にする流体の温度は、コンプレッサを用いる用途にて使用される蒸発器内の冷媒の蒸発温度に略等しい。
【００２７】
熱交換器がキャビネット（３）の後壁及び側壁に３つの部分から成る物として配置されるとき、コストは増大するが、従来のシステムと実際的に比較しなければならない。しかし、エネルギ消費量をも考慮することにより、熱交換器（１）の表面積を最適なものにしなければならない。
【００２８】
冷蔵庫の後面の全体を覆うような仕方にてキャビネット（３）の内側ライナーと共に、キャビネットから熱エネルギを吸収すべく熱交換器を製造する結果、キャビネット（３）のライナーは通常の用途の場合よりもより低温となる。この場合、キャビネットから熱エネルギを吸収することを可能にする熱交換器は、同様に外側周囲、すなわちキャビネット（３）の環境からも特定量の熱エネルギを吸収し、このことは、冷蔵庫のエネルギ消費量を増すことに繋がる。これを回避するため、真空保温パネル（８）のような、従来の保温材料よりも熱伝導率が低い材料が熱交換器（１）の後側部に配置される（図７）。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来技術の冷却システムの全体図である。
【図２】  自由ピストン型スターリングヒートポンプの全体図である。
【図３】  スターリングヒートポンプを使用するシステムの全体図である。
【図４】  熱交換器の全体図である。
【図５】  ５ａは、熱交換器内の流体の並列流れ状態を示す図である。
５ｂは、熱交換器内の流体の直列流れ状態を示す図である。
【図６】  冷蔵庫内に取り付けられた熱交換器の図である。
【図７】  保温材料を有する熱交換器の図である。
１．熱交換器
２．スターリングヒートポンプ
３．キャビネット
４．コンプレッサ
５．凝縮器
６．蒸発器
７．絞り弁
８．真空絶縁パネル
９．低温表面
１０．温暖表面
１１．キャビネットの内側ライナー
１２．キャビネットの外側ライナー
１３．保温材、ポリウレタン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６】
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【図７】
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