冷蔵庫内の相変化材料としてのKNO3、KCl、NaClの利用による省エネ効果

なぜ冷蔵庫の“見えない冷気”が重要か

家庭用冷蔵庫は昼夜を問わず静かに稼働し、熱い台所に置かれることも多く、家庭全体の電力消費に意外と大きな割合を占めます。本研究は単純だが潜在力の大きいアイデアを探ります：薄い相変化材料パックを冷凍室の下に挿入し、冷気を蓄えて温度変動をやり過ごすというものです。蓄えた冷気をうまく使うことで、庫内温度を安定させ、短い停電をしのぎ、使い方を変えずに電気代を削減できる可能性があります。

バッテリーのように冷気を蓄える

研究者たちは“相変化”材料に着目しました。これは氷が融解・凝固する際のように、大量の熱を吸収または放出する物質です。冷蔵庫を根本的に設計し直す代わりに、冷凍室の蒸発器コイルの下に収まる薄いステンレス製容器を作り、棚スペースを奪わないようにしました。このパックには純水のみ、または身近な塩類を少量（重量比10％）溶かした水――硝酸カリウム（KNO3）、塩化ナトリウム（NaCl）、塩化カリウム（KCl）――を充填しました。これらの混合物は通常の冷凍庫温度に近い0℃前後で凍結・融解するため、冷蔵庫のサイクルに合わせて静かに冷気を蓄えたり放出したりできます。

高温環境での実地試験

この隠れた冷気貯蔵がどのくらい効果をもたらすかを調べるため、チームは一般的な冷媒（R-134a）を用いた標準的な289リットルの片開き冷蔵庫を試験しました。試験は室温32℃、中程度の湿度に保たれた制御チャンバーで行い、暑い夏の台所を模擬しました。フリーザー、食品室、野菜室、ドア、凝縮器とコンプレッサーの表面など多数箇所の温度を精密センサーで追跡し、電力消費と冷却回路内の圧力も測定しました。比較したのは、相変化材料なし、水のみ、そして3種類の塩水混合物で、それぞれ容器内に1リットルと1.5リットルの2量を試した合計8シナリオです。

より冷たく、安定した食品温度と機器への優しさ

相変化パックは明確に温度変動を抑えました。冷凍室ではすべての塩混合物がパックなしよりも空気を低く、より安定して保ち、冷蔵庫全体でも平均で約1〜3℃低下しました。野菜室はベースラインに比べ最大で約22％の冷却改善を示し、鮮度保持に有益です。パックは冷凍室の下に置かれているにもかかわらず、熱の突発を吸収して冷気をゆっくり放出することで、冷蔵室やドア部分の温度も間接的に冷やし平滑化しました。同時に、凝縮器の中間点やコンプレッサー表面温度が数度下がり、装置がより軽い負荷で稼働し熱ストレスが緩和されている兆候が見られました。

エネルギー節約と停電時の耐性

相変化材料が冷却負荷の一部を吸収したため、コンプレッサーはより頻繁に停止できました。最も効果の高かったケースでは、1リットルのKNO3混合物の使用により1日のコンプレッサー稼働時間が7.1％短縮されました。これは、パックなしの運転に比べて電力消費が8.6％減少することに相当します。KClやNaClの混合物もエネルギーを節約しましたがやや効果は小さく、水のみのケースではわずかな改善にとどまりました。模擬1時間停電試験では、パックを入れた冷蔵庫は冷凍室を約30分間0℃以下に保ち、冷蔵室は未改造機よりも最大で約2℃低く保てたため、食品が温まるまでの猶予が増えました。

どの混合物が最適か、そしてそれがなぜ重要か

試験した選択肢の中で、1リットルのKNO3溶液が全体として最もバランスの良い結果を示しました：性能係数（COP）を約12％向上させ、最大のエネルギー節約をもたらしました。容量を1.5リットルに増やすと庫内温度の均一性はさらに改善されましたが、完全に融解または凝固した後は余分な材料が熱的な負担になり、電力使用の改善効果はそれほど大きくなりませんでした。一般の読者への要点は明快です：冷凍室付近に薄く適切に選ばれた冷気蓄積パックを組み込むことで、普通の冷蔵庫は庫内をより冷たく保ち、停電時に食品を守り、運転コストを下げることができます。本研究は、メーカーが安価な塩類を用いたこうしたパックを採用することで家庭のエネルギー需要削減に寄与し、より広範な省エネ・気候目標の支援につながる可能性を示唆しています。

引用: Samir, S., Salem, M., Mohamed, A.S.A. et al. Utilizing of KNO₃, KCl, and NaCl as phase change materials within the refrigerator for energy saving. Sci Rep 16, 9815 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41662-5

キーワード: 省エネ冷蔵庫, 相変化材料, 蓄熱, 家庭用冷却, 電力節約