JP2006183950A

JP2006183950A - 冷凍装置及び冷蔵庫

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Publication number: JP2006183950A
Application number: JP2004378860A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Sai; 博之斎; Hiroshi Mukoyama; 洋向山; Satoru Imai; 悟今井; Masahisa Otake; 雅久大竹
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2004-12-28
Filing date: 2004-12-28
Publication date: 2006-07-13
Also published as: EP1684027A3; US20060137386A1; EP1684027A2; US7331196B2; CN1796899A

Abstract

【課題】選択的に異なる温度帯で機能する吸熱手段を冷凍サイクル中に設けた場合、いずれの温度帯においても効率の低下を抑制して高効率の運転を可能にした冷凍装置を提供することを目的とする。
【解決手段】冷凍装置３０は、圧縮機１と、放熱器２と、第１の吸熱手段１０と、この第１の吸熱手段１０と並列に設けられた第２の吸熱手段１１と、を備え、前記第１の吸熱手段１０は、第１の減圧手段１２、６５と、第１の吸熱器５７と、この第１の吸熱器５７から出た冷媒を前記第１の減圧手段１２を流れる冷媒と熱交換可能に構成した第１の熱交換器１７と、を備え、前記第２の吸熱手段１１は、第２の減圧手段１３、６６と、第２の吸熱器５８と、この第２の吸熱器５８から出た冷媒を前記第２の減圧手段１３を流れる冷媒と熱交換可能に構成した第２の熱交換器１８と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、気液分離器で分離されたガス冷媒を圧縮機の中間圧部に導入可能な手段を備える冷凍装置及びこの冷凍装置を備えた冷蔵庫に関する。

一般に、圧縮機、放熱器、減圧器、気液分離器を備え、この気液分離器で分離されたガス冷媒を、上記圧縮機の中間圧部に導入可能な手段を備える冷凍装置が知られている（特許文献１参照）。この種の冷凍装置では、上記気液分離器で分離されたガス冷媒を、ガスの状態のまま、上記圧縮機の中間圧部に導入するため、当該圧縮機における効率を向上させることができる。
特開２００３−１０６６９３号公報

ところで、この種の従来の冷凍装置において、冷凍サイクル中に選択的に異なる温度帯で機能する吸熱器を含む吸熱手段を設ける場合がある。

例えば、これを冷蔵室、冷凍室を備える冷蔵庫に適用する場合、冷凍サイクル中に冷蔵用、或いは冷凍用として機能する吸熱器を配置し、いずれか一の吸熱器の機能を利用して冷蔵、或いは冷凍運転を行うことになるが、この場合には、いずれの運転時にも、その効率の低下を最小限に抑えて高効率で運転することが必要になる。

そこで、本発明は、選択的に異なる温度帯で機能する吸熱手段を、冷凍サイクル中に設けた場合、いずれの温度帯においても、その効率の低下を抑制して高効率の運転を可能にした冷凍装置及びこの冷凍装置を備えた冷蔵庫を提供することを目的とする。

本発明の冷凍装置は、圧縮機と、この圧縮機の吐出側に接続される放熱器と、この放熱器の出口側に接続される第１の吸熱手段と、この第１の吸熱手段と並列に設けられた第２の吸熱手段と、を備え、前記第１の吸熱手段及び前記第２の吸熱手段の出口側が前記圧縮機の吸い込み側に接続される冷凍装置において、前記第１の吸熱手段は、第１の減圧手段と、第１の吸熱器と、この第１の吸熱器から出た冷媒を前記第１の減圧手段を流れる冷媒と熱交換可能に構成した第１の熱交換器と、を備え、前記第２の吸熱手段は、第２の減圧手段と、第２の吸熱器と、この第２の吸熱器から出た冷媒を前記第２の減圧手段を流れる冷媒と熱交換可能に構成した第２の熱交換器と、を備えることを特徴とする。

請求項２に記載の冷凍装置は、請求項１に記載の発明において、前記圧縮機は中間圧部を有すると共に、前記第２の吸熱手段は前記放熱器と前記第２の減圧手段との間に、減圧器と、気液分離器と、を更に備え、該気液分離器で分離されたガス冷媒を前記中間圧部に導入する冷媒導入管を備えたことを特徴とする。

請求項３に記載の冷凍装置は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記第１の減圧手段はキャピラリチューブと膨張弁を備え、前記第２の減圧手段はキャピラリチューブを備えることを特徴とする。

請求項４に記載の冷凍装置は、請求項１乃至請求項３に記載の発明において、前記第１の吸熱手段と前記第２の吸熱手段とは選択的に異なる温度帯で機能することを特徴とする。

請求項５に記載の冷凍装置は、請求項４に記載の発明において、前記第１の吸熱手段よりも前記第２の吸熱手段の方が低い温度帯で機能することを特徴とする。

本発明の冷蔵庫は、請求項１乃至請求項５に記載の冷凍装置を備えることを特徴とする。

請求項７に記載の冷蔵庫は、請求項６に記載の発明において、冷蔵室と、この冷蔵室よりも低い温度で運転される冷凍室と、を備え、前記第１の吸熱手段により前記冷蔵室を冷却し、前記第２の吸熱手段により前記冷凍室を冷却することを特徴とする。

請求項８に記載の冷蔵庫は、請求項７に記載の発明において、前記冷蔵室及び／又は前記冷凍室が所定の温度以上である場合には、前記第１の吸熱手段及び前記第２の吸熱手段に冷媒を流通させることを特徴とする。

請求項９に記載の冷凍装置及び冷蔵庫は、請求項１乃至請求項８に記載の発明において、冷媒として二酸化炭素を用いたことを特徴とする。

本発明では、選択的に異なる温度帯で機能する吸熱手段を備えたことにより、高効率の運転が可能になる。更に本発明では、吸熱器前後の冷媒を熱交換可能に構成したことにより、冷凍サイクル効率の向上が可能となる。

以下、本発明の冷凍装置及び当該冷凍装置を備えた冷蔵庫の好適な実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

本発明の一実施例を図面に基づき詳述する。図１は、本発明の一実施例としての冷凍装置３０の冷媒回路図を示している。この冷凍装置３０は、圧縮機１と、この圧縮機１の吐出側に接続される放熱器２と、この放熱器２の出口側に接続される第１の吸熱手段１０と、この第１の吸熱手段１０と並列に設けられた第２の吸熱手段１１と、を備え、第１の吸熱手段１０及び第２の吸熱手段１１の出口側が圧縮機１の吸い込み側に接続され冷凍サイクルが構成されている。

第１の吸熱手段１０と第２の吸熱手段１１とは、互いに選択的に異なる温度帯で機能するものであり、上述した如く放熱器２からの冷媒配管が、分岐点９Ａにて分岐し、一方が第１の吸熱手段１０、他方が第２の吸熱手段１１として夫々が並列に備えられ、圧縮機１の吸い込み手前の合流点９Ｂにて再び合流する。

第１の吸熱手段１０は、分岐点９Ａからの冷媒が流通する第１キャピラリーチューブ１２と、第１キャピラリーチューブ１２に直列に設けられた第１膨張弁６５と、冷蔵用の吸熱器５７と、この吸熱器５７から出た冷媒と第１キャピラリチューブ１２付近の冷媒とを熱交換可能に設けられた第１熱交換器１７と、逆止弁５１と、を含む。また、第２の吸熱手段１１は、前記第１の吸熱手段１０と並列に設けられ、減圧器３と、気液分離器４と、この気液分離器４からの冷媒が流通する第２キャピラリーチューブ１３と、この第２キャピラリーチューブ１３に直列に設けられた第２膨張弁６６と、冷凍用の吸熱器５８と、この吸熱器５８から出た冷媒と第２キャピラリチューブ１３付近の冷媒とを熱交換可能に設けられた第２熱交換器１８と、逆止弁５２と、上記気液分離器４と圧縮機１の中間圧部とを接続する冷媒導入管６と、この冷媒導入管６に設けられた逆止弁７と、を含む。

ここで減圧器３は、例えば、絞りの程度を可変に構成される。この絞りの程度を変えることで、冷媒が気液分離器４に至るまでに所定の圧力に低下させ、ガス冷媒を発生させ、その状態で、気液分離器４に入れることにより、当該気液分離器４での分離効率を変えることが可能になる。また、第１膨張弁６５と第２膨張弁６６も減圧器３と同様に絞りの程度を可変に構成される。

圧縮機１は２段圧縮機であり、１段圧縮部１Ａと、２段圧縮部１Ｂとを含み、１段圧縮部１Ａと、２段圧縮部１Ｂとの間に中間冷却器１Ｃを備える。また、冷媒導入管６は、気液分離器４で分離されたガス冷媒を、圧縮機１の中間圧部、即ち中間冷却器１Ｃと２段圧縮部１Ｂとの間に導入可能に接続される。尚、気液分離器４で分離されたガス冷媒は同冷媒導入管６内の差圧により破線矢印で示すように圧縮機１の中間圧部に導入される。また、この圧縮機１は、２段圧縮機に限定するものではなく、例えば、１段圧縮機であれば、冷媒導入管６は１段圧縮機の中間圧部に戻せばよい。

そして、各吸熱手段１０、１１は上述の如き構成を備えるため、例えば減圧器３を全閉して第１膨張弁６５を開いた場合には第１キャピラリチューブ１２側、即ち第１の吸熱手段１０にのみ冷媒が流通し、その逆に第１膨張弁６５を全閉して減圧器３及び第２膨張弁６６とを開いた場合には第２キャピラリチューブ側、即ち第２の吸熱手段１１にのみに冷媒が流通する。

また、第１キャピラリーチューブ１２の抵抗値は、第２キャピラリーチューブ１３の抵抗値よりも大きく設定される。そのために、第１キャピラリーチューブ１２に冷媒を流すと共に圧縮機１の運転周波数を低減させると、吸熱器５７に流れる流量が減って、ここでの蒸発温度が高くなり冷蔵運転が行われる。運転周波数が固定で、キャピラリーチューブの抵抗値だけが大きくなると、蒸発温度が低くなるからである。そして吸熱器５７を経た冷媒は、上述の第１キャピラリチューブ１２の付近に設置された第１熱交換器１７を経由し、この第１熱交換器１７で熱交換して暖められた後に、逆止弁５１を経て、圧縮機１の吸い込み部に戻される。

他方、第２キャピラリーチューブ１３に冷媒を流すと共に圧縮機１の運転周波数を増大させると、吸熱器５８に流れる流量が増して、ここでの蒸発温度が低くなり冷凍運転が行われる。そしてこの場合には吸熱器５８を経た冷媒は、上述の第２キャピラリチューブ１３の付近に設置された第２熱交換器１８を経由し、この第２熱交換器１８で熱交換して暖められた後に、逆止弁５２を経て、圧縮機１の吸い込み部に戻される。

更に本実施例では、吸熱器５７を経た冷風が、ダクト５７Ａを経て冷蔵室２１に送られ、吸熱器５８を経た冷風が、ダクト５８Ａを経て冷凍室２２に送られる。

ここで、本実施例の冷凍装置３０には冷媒として地球環境にやさしく、可燃性及び毒性等を考慮して自然冷媒である二酸化炭素冷媒（ＣＯ₂）を使用しており、圧縮機２の潤滑油としてのオイルは、例えば鉱物油（ミネラルオイル）、アルキルベンゼン油、エーテル油、エステル油、ＰＧＡ（ポリアルキレングリコール）、ＰＯＥ（ポリオールエステル）等が使用される。

以上の構成により、本実施例における冷凍装置３０の動作について、図１、図２及び図３を参照して説明する。

図２は、本実施例における冷凍サイクルのエンタルピ・圧力（ｐｈ）線図である。尚、本実施例では二酸化炭素冷媒を用いているので、例えば、夏場などで外気温度が３０℃以上になった場合、或いは、負荷が大きくなった場合等の条件によって、図３のエンタルピ・圧力（ｐｈ）線図に示すように、高圧側回路内が運転中に超臨界圧力で運転される。

まず冷凍運転（例えば、−２６℃付近）につき、図２及び図３にて夫々実線で示されるサイクルを用いて説明する。尚、この冷凍運転とは、上述した第２キャピラリチューブ１３側、即ち第２の吸熱手段１１に冷媒を流通させる場合である。本実施例において圧縮機１が運転されると、圧縮機１から吐出された冷媒は、放熱器２で放熱して冷却される。即ち、まず冷媒は（１）１段圧縮部１Ａの吸い込み、（２）１段圧縮部１Ａの吐出、（３）中間冷却器１Ｃの出口且つ２段圧縮部１Ｂの吸い込み、（４）２段圧縮部１Ｂの吐出、の順に流通される。その後冷媒は、（５）減圧器３の入口、（６）減圧器３の出口に至り、この状態ではガス／液体の２相混合体になる。

ここでのガスと液体の比率は、Ｌ１（ガス）の線分の長さと、Ｌ２（液体）の線分の長さとの比に相当する。この冷媒は２相混合体の状態で気液分離器４に入る。そして、ここで分離されたガス冷媒は、圧縮機１の中間圧部、即ち中間冷却器１Ｃと２段圧縮部１Ｂとの間に導入される。（２１）は気液分離器４の出口であり、ここを経た冷媒は、（３）の２段圧縮部１Ｂの吸い込みに至り、２段圧縮部１Ｂで圧縮される。一方、気液分離器４で分離された液冷媒は第２キャピラリチューブ１３に至ることになる。（７）は気液分離器４の出口であり、第２キャピラリチューブ１３の入口、（８）は第２膨張弁６６の出口、（２２）は吸熱器５８の出口である。吸熱器５８に入った液冷媒は、蒸発して周囲から熱を吸収した後、第２熱交換器１８で第２キャピラリチューブ１３付近の冷媒と熱交換した後、（１）の１段圧縮部１Ａの吸い込みに戻る。

これに対し、冷蔵運転時（例えば、−５℃付近）には、図２及び図３にて夫々破線で示すサイクルが形成される。尚、この冷蔵運転とは、上述した第１キャピラリチューブ１２側、即ち第１の吸熱手段１０に冷媒を流通させる場合である。この場合も圧縮機１が運転されると、圧縮機１から吐出された冷媒は、放熱器２で放熱して冷却される。即ち冷媒は、（９）１段圧縮部１Ａの吸い込み、（１０）１段圧縮部１Ａの吐出、（１１）中間冷却器１Ｃの出口であり、２段圧縮部１Ｂの吸い込み、（１２）２段圧縮部１Ｂの吐出、の順に流通される。その後冷媒は、（５）第１キャピラリチューブ１２の入口、（１５）第１膨張弁６５の出口、の順に流通し、吸熱器５７に至る。吸熱器５７に入った冷媒は、蒸発して周囲から熱を吸収した後、第１熱交換器１７で第１キャピラリチューブ１２付近の冷媒と熱交換した後、（９）１段圧縮部１Ａの吸い込みに戻る。冷凍運転時、冷蔵運転時共に以上の如く冷媒が循環して状態が変化し、冷凍サイクルが形成される。

また、上記冷凍運転において、気液分離器４で分離されたガス冷媒は、これを第２キャピラリチューブ１３等の吸熱手段１０に循環させたとしても、冷却に使用することができず、これを１段圧縮部１Ａの吸い込みに戻すことは、圧縮機１における圧縮効率を低下させる。

そこで、本実施例では、気液分離器４で分離されたガス冷媒を、圧縮機１の中間圧部、即ち、中間冷却器１Ｃと２段圧縮部１Ｂとの間に導入するため、圧縮機１における圧縮効率を向上させることができる。特に、本実施例では、冷媒回路内に二酸化炭素冷媒が封入されているため、気液分離器４で分離されるガス及び液体の比率において、フロン系冷媒に比べ、ガス分（線分Ｌ１）が多くなり、その多くのガス分を、圧縮機１の中間圧部に導入することで、より高い効率向上を図ることができるようになる。

また冷凍運転の場合、冷蔵運転の場合と比較して、気液分離器４で分離されるガス冷媒量が多くなる。従って本実施例では冷凍運転時、冷蔵用の吸熱器５７よりも低い温度帯で機能する吸熱器５８を用いることにより、高効率な冷凍運転を行うことが可能になる。

尚、冷蔵運転時には第１の吸熱手段１０に冷媒を流通させる構成としたため、気液分離器４で分離されたガス冷媒を、圧縮機１の中間圧部に導入する冷媒導入管６の機能を利用できなくなる。しかしながら、この冷蔵運転時には、冷凍運転時に比較して気液分離器４におけるガス冷媒の発生量が少ないため、減圧器３及び冷媒導入管６等の動作を停止したとしても、運転効率の低下が抑制される。

更に本実施例では、上述した如く使用温度帯に基づき選択的に吸熱器５７及び５８を用いる構成としたことにより、温度帯の異なる冷凍運転及び冷蔵運転において、その温度に適した吸熱器を使用することができるようになり、各運転の運転効率の向上が期待できる。

また本実施例の冷凍装置３０は、冷蔵運転時には第１熱交換器１７により、第１キャピラリチューブ１２付近の冷媒を、吸熱器５７を出た後の冷媒と熱交換させた後第１膨張弁６５に導き絞り動作を行い吸熱器５７に導入し、また冷凍運転時には第２熱交換器１８により、第２キャピラリチューブ１３付近の冷媒を、吸熱器５８を出た後の冷媒と熱交換させた後第２膨張弁６６に導き絞り動作を行い吸熱器５８に導入する構成としたことにより、より一層の冷凍サイクル効率の向上が期待でき、更には圧縮機１の消費電力量の低減もできるようになる。

次に本実施例の冷凍装置３０の冷蔵庫への適用例について図４を参照して説明する。

図４は本実施例の冷凍装置３０を備えた冷蔵庫の概略構成図を示している。この冷蔵庫４０は、上段に冷蔵室４１を備え、下段に冷凍室４２を備えて構成されている。そして、各室４１、４２の奥部には、夫々庫内仕切り壁６１、６２が設けられ、この庫内仕切り壁６１、６２で仕切られた風路４４内には、上述した吸熱器５７、５８、並びにファン６３、６４が設置される。本構成では、冷蔵運転及び冷凍運転のサーモオン、サーモオフに従い、第１の吸熱手段１０及び第２の吸熱手段１１を上述した如く切り換え、いずれか一方の吸熱器５７、５８に冷媒を流し、それに対応したファン６３、６４を駆動する。吸熱器５７に冷媒が流れる場合には冷蔵室４１に冷風が供給され、吸熱器５８に冷媒が流れる場合には冷凍室４２に冷風が供給される。

尚、上述した如く、本実施例の冷凍装置３０では、冷凍運転時には第１膨張弁６５を全閉して減圧器３及び第２膨張弁６６とを開いて第２の吸熱手段１１に冷媒を流通させ、冷蔵運転時には減圧器３を全閉して第１膨張弁６５を開いて第１の吸熱手段１０に冷媒を流通させるものとしたが、これに限らず、例えば上記冷蔵庫４０において、冷蔵室４１及び冷凍室４２が常温時で急速に冷却が必要な場合、所謂プルダウン時や、圧縮機１が運転停止状態から運転開始される場合や高負荷時、更には冷蔵室４１及び冷凍室４２が所定の温度以上である場合又は冷蔵室４１又は冷凍室４２が所定の温度以上である場合等には、第１膨張弁６５、減圧器３及び第２膨張弁６６の全てを必要に応じた開度に開くことで、第１の吸熱手段１０及び第２の吸熱手段１１の両側に冷媒を流通させ、各室４１、４２内を急速に冷却することが可能となる。

次に図５及び図６を参照して、本発明の他の実施例を説明する。図５はこの場合の冷凍装置３０の冷媒回路図を示しており、図６はこの場合の冷凍装置３０を備えた冷蔵庫の概略構成図を示している。本実施例では、上記実施例１と比較した場合、第２の吸熱手段１１において第２膨張弁６６を有していない点が相違する。即ち、本実施例では冷凍運転時、第２キャピラリチューブ１３を出た冷媒が直接吸熱器５８に導入される。このように本実施例の冷凍装置３０及び冷蔵庫４０では、第２膨張弁６６を省略した構成としたことにより上記実施例１と比較してコスト削減効果が期待できる。

以上、各実施例により本発明を説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、種々の変更実施が可能である。例えば、上記各実施例では、冷媒回路中に二酸化炭素冷媒を封入しているが、これに限定されるものではなく、それ以外のフロン系冷媒等を封入したものにも適用可能なことは云うまでもない。

本発明の冷凍装置の一実施形態を示す冷媒回路図である。本発明の冷凍装置の一実施形態における冷凍サイクルのエンタルピ・圧力線図である。本発明の冷凍装置の一実施形態における超臨界冷凍サイクルのエンタルピ・圧力線図である。本発明の一実施形態における冷凍装置の冷蔵庫への適用例を示す概略構成図である。本発明の冷凍装置の別の実施形態を示す冷媒回路図である。本発明の別の実施形態における冷凍装置の冷蔵庫への適用例を示す概略構成図である。

符号の説明

１圧縮機
２放熱器
３減圧器
４気液分離器
６冷媒導入管
７、５１、５２逆止弁
１０第１の吸熱手段
１１第２の吸熱手段
１２第１キャピラリチューブ
１３第２キャピラリチューブ
１７第１熱交換器
１８第２熱交換器
２１、４１冷蔵室
２２、４２冷凍室
３０冷凍装置
４０冷蔵庫
５７、５８吸熱器
６３、６４ファン
６５第１膨張弁
６６第２膨張弁

Claims

圧縮機と、この圧縮機の吐出側に接続される放熱器と、この放熱器の出口側に接続される第１の吸熱手段と、この第１の吸熱手段と並列に設けられた第２の吸熱手段と、を備え、前記第１の吸熱手段及び前記第２の吸熱手段の出口側が前記圧縮機の吸い込み側に接続される冷凍装置において、
前記第１の吸熱手段は、第１の減圧手段と、第１の吸熱器と、この第１の吸熱器から出た冷媒を前記第１の減圧手段を流れる冷媒と熱交換可能に構成した第１の熱交換器と、を備え、前記第２の吸熱手段は、第２の減圧手段と、第２の吸熱器と、この第２の吸熱器から出た冷媒を前記第２の減圧手段を流れる冷媒と熱交換可能に構成した第２の熱交換器と、を備えることを特徴とする冷凍装置。
前記圧縮機は中間圧部を有すると共に、前記第２の吸熱手段は前記放熱器と前記第２の減圧手段との間に、減圧器と、気液分離器と、を更に備え、
該気液分離器で分離されたガス冷媒を前記中間圧部に導入する冷媒導入管を備えたことを特徴とする冷凍装置。
前記第１の減圧手段はキャピラリチューブと膨張弁を備え、前記第２の減圧手段はキャピラリチューブを備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の冷凍装置。
前記第１の吸熱手段と前記第２の吸熱手段とは選択的に異なる温度帯で機能することを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の冷凍装置。
前記第１の吸熱手段よりも前記第２の吸熱手段の方が低い温度帯で機能することを特徴とする請求項４に記載の冷凍装置。
請求項１乃至請求項５に記載の冷凍装置を備えることを特徴とする冷蔵庫。
冷蔵室と、この冷蔵室よりも低い温度で運転される冷凍室と、を備え、
前記第１の吸熱手段により前記冷蔵室を冷却し、前記第２の吸熱手段により前記冷凍室を冷却することを特徴とする請求項６に記載の冷蔵庫。
前記冷蔵室及び／又は前記冷凍室が所定の温度以上である場合には、前記第１の吸熱手段及び前記第２の吸熱手段に冷媒を流通させることを特徴とする請求項７に記載の冷蔵庫。
冷媒として二酸化炭素を用いたことを特徴とする請求項１乃至請求項５に記載の冷凍装置及び請求項６乃至請求項８に記載の冷蔵庫。