JP2010169353A - 冷蔵庫 - Google Patents

Abstract

【課題】通常運転時と過負荷運転時で冷媒流路を切換えることで消費電力量の削減を図る冷蔵庫に関し、不使用の冷媒回路に冷媒が滞留して冷媒量不足になる問題を解消するとともに、可変速圧縮機を使用した場合でも適正な効果を得る冷蔵庫を提供することを目的とする。
【解決手段】流路切換機構４の下流側にレシーバ５と補助凝縮器８を備え、使用しない常用膨張機構６あるいは過負荷用膨張機構９を介して滞留冷媒を低圧側に回収するとともに、可変速圧縮機２を備え、可変速圧縮機２が所定値以上に増速した場合にも、過負荷運転状態と判断して流路切換機構４を適正に切換えるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、蒸気圧縮式冷凍システムを搭載した冷蔵庫において、通常運転時と過負荷運転時で、冷媒流路を切換えることで消費電力量の削減を図る冷蔵庫に関するものである。

家庭用冷蔵庫においては主として可変速圧縮機が使用される。これによって、通常運転時は低速運転することで省エネや静音が得られ、過負荷運転時は高速運転することで大きな冷凍能力が得られるものである。しかし、上記効果を十分得るには、圧縮機以外の冷凍システム部品も最適に能力制御する必要がある。ここで、一定速型圧縮機を利用した冷凍システムの膨張機構の流路抵抗を制御する方法として、流路抵抗の異なる複数のキャピラリチューブ（以下キャピラリという）を切換える方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。一定速型圧縮機を使用した特許文献１の例では、過負荷運転時に凝縮圧力が高くなると吸入圧力が過大となる可能性があるので、過負荷運転時に流路抵抗の大きいキャピラリに切換えるが、可変速圧縮機を使用した場合は、通常運転時の低速運転に合わせた流路抵抗の大きい膨張機構を常用し、過負荷運転時に膨張機構の流路抵抗を小さくして冷凍能力を増大するように切換えることが望ましい。また、冷凍システムの膨張機構の流路抵抗と凝縮器の容量を独立して制御する方法として、キャピラリと凝縮器配管をそれぞれ独立して切換える方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２の例では、特許文献１と同様に過負荷運転時に流路抵抗の大きいキャピラリに切換えるとともに、凝縮器の容量を増大して放熱能力を向上させている。

以下、図面を参照しながら従来の冷蔵庫を説明する。

図３は、従来の冷蔵庫の冷媒回路図である。

図３において、２０は冷凍システム、２１は圧縮機、２２は下部凝縮器、２３は壁面凝縮器、２４は開口縁凝縮器、２５は凝縮器切換バルブ、２６は膨張機構、２７は流路切換バルブ、２８は蒸発器である。ここで、膨張機構２６は、流路抵抗の大きいキャピラリ２６ａと、流路抵抗の小さいキャピラリ２６ｂと、からなり、流路切換バルブ２７を用いて、通常運転時はキャピラリ２６ｂを使用し、過負荷運転時はキャピラリ２６ａを使用するように流路を切換える。また、凝縮器切換バルブ２５を用いて、通常運転時は下部凝縮器２２と壁面凝縮器２３を使用し、過負荷運転時は下部凝縮器２２、壁面凝縮器２３、および開口縁凝縮器２４を使用するように流路を切換える。

以上のように構成された従来の冷蔵庫について、以下にその動作を説明する。

比較的外気温度の低い通常運転時は、圧縮機２１から吐出された冷媒は下部凝縮器２２と壁面凝縮器２３で凝縮した後、キャピラリ２６ｂで減圧され、蒸発器２８に供給される。そして、蒸発器２８で蒸発した冷媒は圧縮機２１へ還流する。この結果、通常運転時に合った流路抵抗のキャピラリ２６ｂを適正に使用することができる。

一方、比較的外気温度の高い過負荷運転時は、圧縮機２１から吐出された冷媒は下部凝縮器２２、壁面凝縮器２３、および開口縁凝縮器２４で凝縮した後、キャピラリ２６ａで減圧され、蒸発器２８に供給される。そして、蒸発器２８で蒸発した冷媒は圧縮機２１へ還流する。この結果、過負荷運転時に合った流路抵抗のキャピラリ２６ａを適正に使用することができるとともに、開口縁凝縮器２４を加えた分だけ放熱能力を高めることができる。また、開口縁凝縮器２４の温度が上昇することで、比較的外気温度の高い場合に問題となる冷蔵庫開口部（図示せず）の結露を防ぐことができる。

このように、流路切換バルブ２７と凝縮器切換バルブ２５を用いて流路を切換えることにより、膨張機構２６の流路抵抗と凝縮能力を適正に切換えることができる。
特開昭５８−８０４６９号公報 特開平１１−２１１２４１号公報

しかしながら、上記従来の構成では、通常運転時に使用しない開口縁凝縮器２４内に滞留する冷媒量が安定せず、冷凍システム２０の冷媒量が不足するという問題があった。これは、凝縮器切換バルブ２５を用いて開口縁凝縮器２４を閉空間としても、その可動部分（図示せず）のシール面から冷媒が漏れることにより、開口縁凝縮器２４内に徐々に冷媒が滞留することで、冷凍システム２０内で循環する冷媒量が減少していくためである。

また、上記従来の構成では、外気温度の高低により通常運転時と過負荷運転時を判断しているため、冷蔵庫の扉開閉や食品の投入などによる過負荷に対応できないという問題があった。これは、可変速圧縮機を使用した場合、外気温度によらず前記負荷の投入などによって高速回転して過負荷運転状態となるためである。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、簡単な構成で通常運転時に使用しない凝縮器への冷媒滞留の問題を解消するとともに、可変速圧縮機を使用した場合でも適正な効果を得ることができる冷蔵庫を提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明の冷蔵庫は、流路切換機構の下流側にレシーバと補助凝縮器を備え、通常運転時にはレシーバに余剰冷媒を滞留させながら、使用しない膨張機構を介して補助凝縮器内の滞留冷媒を低圧側に回収するものである。これによって、適正な冷媒量を維持しながら使用しない補助凝縮器内へ冷媒が滞留し続ける問題を解消することができる。

また、上記従来の課題を解決するために、本発明の冷蔵庫は、可変速圧縮機を備え、圧縮機が所定値以上に増速した場合にも過負荷運転状態と判断するものである。これによって、可変速圧縮機を使用した場合でも適正な効果を得ることができる。

本発明の冷蔵庫は、可変速圧縮機を使用した場合でも、放熱能力と膨張機構を適正に切換えることにより、通常運転時は低速運転することで省エネや静音が得られ、過負荷運転時は高速運転することで大きな冷凍能力が得られるものである。

請求項１に記載の発明は、圧縮機と凝縮器とレシーバと常用膨張機構と蒸発器とからなる冷凍システムと、前記レシーバおよび前記常用膨張機構と並列に接続された補助凝縮器および過負荷用膨張機構と、前記補助凝縮器および前記レシーバの上流側に設置された流路切換機構と、を有し、前記流路切換機構を切換えることで、通常運転時には、前記凝縮器から前記流路切換機構、前記レシーバ、前記常用膨張機構の順に冷媒を流し、過負荷運転時には、前記凝縮器から前記流路切換機構、前記補助凝縮器、前記過負荷用膨張機構の順に冷媒を流すことにより、通常運転時には、レシーバに余剰冷媒を滞留させながら、使用しない過負荷用膨張機構を介して補助凝縮器内の滞留冷媒を低圧側に回収することができ、適正な冷媒量を維持しながら、使用しない補助凝縮器内へ冷媒が滞留し続ける問題を解消することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記補助凝縮器は、外箱内面に密着固定された冷媒配管からなることにより、埃付着などによる経年劣化が少ない構造の補助凝縮器を使用することとなり、過負荷運転時に確実に放熱することができるとともに、通常運転時は補助凝縮器を使用しないことで冷蔵庫の外表面温度が低下して吸熱負荷量を低減することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記圧縮機は可変速圧縮機であって、前記可変速圧縮機が基準値Ａ以上に増速した場合には、過負荷運転と判断して前記流路切換機構を切換え、前記可変速圧縮機が基準値Ｂ以下に減速した場合には、通常運転と判断して前記流路切換機構を切換えることにより、圧縮機として可変速圧縮機を使用した場合でも適正な効果を得ることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の発明において、前記圧縮機の内部が低圧であり、前記圧縮機の停止時には、前記流路切換機構を切換えて凝縮器出口を閉塞するとともに、外気温度が基準値Ｃ以上で過負荷運転と判断し、外気温度が基準値Ｃ未満で通常運転と判断して、前記流路切換機構を切換えた後に前記圧縮機を起動することにより、レシーバあるいは補助凝縮器に滞留する冷媒を圧縮機の停止時に低圧となる圧縮機などに回収することができ、使用しないレシーバあるいは補助凝縮器に滞留する冷媒を圧縮機の起動時に回収するまでの間に発生する冷媒量不足状態を解消することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記流路切換機構から前記圧縮機の内部までを連通するバイパス回路を設け、前記圧縮機の起動に先立って、前記流路切換機構を切換えて、所定時間、前記バイパス回路を開放することで、前記凝縮器と前記圧縮機の内部の圧力をバランスさせることにより、レシーバと常用膨張機構あるいは補助凝縮器と過負荷用膨張機構に比べて、比較的流路抵抗の小さいバイパス回路を介して冷凍システムの高低圧を速やかにバランスさせることができ、低温に保たれた蒸発器に冷凍システム内の冷媒が凝縮することによる熱負荷を最小限に留めることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、従来例と同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における冷蔵庫の冷媒回路図、図２は、本発明の実施の形態１における冷蔵庫の運転状態判定の模式図である。

図１において、１は冷凍システム、２はシェル内低圧の可変速圧縮機、３は凝縮器、４は流路切換機構、５はレシーバ、６は常用膨張機構、７は蒸発器、８は補助凝縮器、９は過負荷用膨張機構、１０はバイパス回路である。ここで、流路切換機構４は、凝縮器３から流入する冷媒をレシーバ５、補助凝縮器８あるいはバイパス回路１０のいずれか一つに供給する切換機能を有するとともに、凝縮器３の出口を閉塞する機能を有する。

バイパス回路１０は、流路切換機構４と可変速圧縮機２のシェル内とを連通する。このバイパス回路１０は、冷凍システム１内の圧力を短時間でバランスするために冷媒を流通させる配管であり、例えば、キャピラリチューブよりも太い内径１〜４ｍｍの銅管で構成される。高圧の液冷媒が滞留する凝縮器３の出口部に接続された流路切換機構４と、低圧部で最も容積の大きい可変速圧縮機２のシェル内とをバイパス回路１０を用いて連通する本発明の方法は、圧縮機の吐出配管と吸入配管を直結してガス冷媒を流通させて圧力バランスを促進する一般的な方法に比べて、より細い配管を用いて数秒の短時間でバランスすることができる。

レシーバ５は、所定量の液冷媒を貯留するものであり、例えば、他の冷媒配管よりも太い内径２０〜１００ｍｍの銅管で構成される。凝縮器出口に設置される一般のレシーバは過冷却の液冷媒を貯留し、入口配管より下方に出口配管を設置して液冷媒のみを膨張機構に供給するものであるが、本発明のレシーバ５は、比較的負荷の小さい通常運転時のみに使用されるため、二相域の冷媒が流通する場合が多いので入口配管と出口配管を略同一高さに設置することが望ましい。

また、補助凝縮器８は、冷蔵庫の外箱内面に密着固定された冷媒配管（図示せず）からなり、固体熱伝導により冷媒配管の表面から冷蔵庫の外箱表面に伝熱された凝縮熱が、自然対流で外気へ放出されるものである。この補助凝縮器８は、より具体的には、冷媒配管のみからなるものであり、冷媒配管の周囲には、フィンなどは設けられていないものである。この構成により、補助凝縮器８はフィンアンドチューブ型熱交換器やスパイラルフィン型熱交換器に比べて、埃の蓄積などによる経年劣化が少なく、放熱能力を長期間確保でき、信頼性が高い。一方、補助凝縮器８を用いることで、使用時に冷蔵庫の外箱表面の温度を上昇させるため、冷蔵庫内部への熱侵入によって冷凍システム１の冷凍負荷が若干増大する。従って、補助凝縮器８は必要ない場合には使用せず、放熱量が不足する過負荷運転時のみ使用することが望まれる。

また、常用膨張機構６は可変速圧縮機２の低速運転に合わせた比較的大きい流路抵抗のキャピラリであり、過負荷用膨張機構９は可変速圧縮機２の高速運転に合わせた比較的小さい流路抵抗のキャピラリである。これは、一般に冷蔵庫に使用される可変速圧縮機２は３倍程度の回転数変化が可能であり、この冷媒循環量の変化に合わせるために、過負荷用膨張機構９の冷媒流量を常用膨張機構６より大きくすることが望まれるためである。一般的には、低速時の回転数は、２０〜４０ｒｐｓであり、高速時の回転数は、４０〜８０ｒｐｓである。

以上のように構成された本発明の実施の形態１における冷蔵庫について、以下その動作を説明する。

可変速圧縮機２の停止時には、速やかに流路切換機構４を切換えて凝縮器３の出口を閉塞する。このとき、運転中に使用していたレシーバ５あるいは補助凝縮器８内の滞留冷媒をそれぞれ常用膨張機構６あるいは過負荷用膨張機構９を介して、低圧に維持された可変速圧縮機２のシェル内あるいは蒸発器７に回収する。そして、可変速圧縮機２の起動の直前には、流路切換機構４を切換えて凝縮器３とバイパス回路１０を連通し、凝縮器３内に滞留する高圧の液冷媒を可変速圧縮機２のシェル内に開放することで、速やかに冷凍システム１の高低圧をバランスさせる。

ここで、可変速圧縮機２の停止時に流路切換機構４を切換えず、運転中の状態を維持した場合、直前の運転中に使用していたレシーバ５あるいは補助凝縮器８内に冷媒が滞留することとなり、起動時に運転状態が変更されて不使用となった際に、滞留冷媒を回収する間、冷凍システム１が冷媒量不足となり立ち上がりが遅延するなどの問題が生じる。

また、バイパス回路１０を使用せず、可変速圧縮機２の起動に先立って、当該運転状態に合わせて流路切換機構４を切換えて高低圧を連通した場合、常用膨張機構６あるいは過負荷用膨張機構９の流路抵抗が大きいことに加えて、その上流にあるレシーバ５あるいは補助凝縮器８の空間にトラップされて、凝縮器３内に滞留する高圧の液冷媒が蒸発器７と可変速圧縮機２まで到達するのに長い時間を要する。結果として、冷凍システム１の高低圧がバランスするまでの間、蒸発器７の温度が上昇して、冷蔵庫の熱負荷が増大する問題が生じる。

本実施の形態では、可変速圧縮機２の起動時には、外気温度の高低によって運転状態を判断し、通常運転状態では、流路切換機構４を切換えて凝縮器３とレシーバ５を連通し、過負荷運転状態では、流路切換機構４を切換えて凝縮器３と補助凝縮器８を連通する。

通常運転時は、可変速圧縮機２から吐出された冷媒は凝縮器３で凝縮した後、流路切換機構４とレシーバ５を介して、常用膨張機構６に供給されて減圧され、蒸発器７に供給される。そして、蒸発器７で蒸発した冷媒は可変速圧縮機２へ還流する。この結果、通常運転時に合った流路抵抗の常用膨張機構６を適正に使用することができる。また、過負荷運転時は、可変速圧縮機２から吐出された冷媒は凝縮器３で一部が凝縮した後、流路切換機構４を介して、補助凝縮器８でさらに凝縮する。そして、過負荷用膨張機構９に供給されて減圧され、蒸発器７に供給される。そして、蒸発器７で蒸発した冷媒は可変速圧縮機２へ還流する。この結果、過負荷運転時に合った流路抵抗の過負荷用膨張機構９を適正に使用するとともに、通常運転時に比べて補助凝縮器８を使用した分だけ放熱能力を向上することができる。

ここで、流路切換機構４の切換えによって不使用となるレシーバ５あるいは補助凝縮器８は、それぞれ常用膨張機構６あるいは過負荷用膨張機構９を介して低圧側に連通されるため、内部に滞留する冷媒は低圧側に回収される。この結果、冷凍システム１内の循環冷媒量は安定し冷媒量不足になることがない。また、通常運転時のレシーバ５の貯留冷媒量は、過負荷運転時の補助凝縮器８に存在する冷媒量と略同等になるようにレシーバ５を設計すれば、可変速圧縮機２や蒸発器７、凝縮器３に存在する冷媒量が大きく変化することがなく、余剰な液冷媒が可変速圧縮機２に還流する問題が回避できる。

次に、図２を用いて、運転状態判定の詳細を説明する。

図２において、基準値Ａは可変速圧縮機２の回転数の基準値であり、可変速圧縮機２が基準値Ａ以上に増速した場合に過負荷運転状態にあると判定する。また、基準値Ｂは可変速圧縮機２の回転数の基準値であり、可変速圧縮機２が基準値Ｂ以下に減速した場合に通常運転状態にあると判定する。

また、基準値Ｃは外気温度の基準値であり、可変速圧縮機２の起動時に外気温度が基準値Ｃ以上で過負荷運転状態にあると判定し、可変速圧縮機２の起動時に外気温度が基準値Ｃ未満で通常運転状態にあると判定する。すなわち、外気温度を運転状態の判定に用いるのは、起動時のみである。

図２に示したように、運転状態の判定は、可変速圧縮機２が起動した時（時刻ｐ、ｒ、ｔ）、可変速圧縮機２が基準値Ａ以上に増速した時（時刻ｑ，ｕ）、可変速圧縮機２が基準値Ｂ以下に減速した時（時刻ｓ、ｖ）に前記判定基準に基づいて行う。そして、直前の運転状態と異なる場合（時刻ｐ、ｑ、ｒ、ｔ、ｖ）は、運転状態が変化したと判定し、直前の運転状態と同じ場合（時刻ｓ、ｕ）は、その運転状態を維持する。

流路切換機構４の切換動作は、可変速圧縮機２の起動時（時刻ｐ、ｒ、ｔ）と、可変速圧縮機２の運転中に運転状態が変化したと判定した時（時刻ｑ、ｖ）に実施する。この結果、外気温度によらず、冷凍システムの冷凍負荷の変化によって可変速圧縮機２が減速した場合（時刻ｖ）でも、通常運転時に合った流路抵抗の常用膨張機構６を適正に使用することができる。また、冷凍システムの冷凍負荷の変化によって可変速圧縮機２が増速した場合（時刻ｑ）でも、過負荷運転時に合った流路抵抗の過負荷用膨張機構９を適正に使用するとともに、通常運転時に比べて補助凝縮器８を使用した分だけ放熱能力を向上することができる。

以上のように、本発明の冷蔵庫においては、流路切換機構の下流側にレシーバと補助凝縮器を備え、通常運転時にはレシーバに余剰冷媒を滞留させながら、使用しない過負荷用膨張機構を介して補助凝縮器内の滞留冷媒を低圧側に回収することにより、適正な冷媒量を維持しながら、使用しない補助凝縮器内へ冷媒が滞留し続ける問題を解消することができる。

また、本発明の冷蔵庫においては、可変速圧縮機の増減速に応じて過負荷運転状態あるいは通常運転と判断することにより、可変速圧縮機を使用した場合でも、放熱能力と膨張機構を適正に切換えることができ、通常運転時は低速運転することで省エネや静音が得られ、過負荷運転時は高速運転することで大きな冷凍能力が得られるものである。

以上のように、本発明にかかる冷蔵庫は、通常運転時と過負荷運転時で、簡易な構成を用いて冷媒流路を切換えることで、消費電力量の削減を図ることができるので、可変速圧縮機とキャピラリなどの固定抵抗の膨張機構を用いた他の冷凍システムにも適用できる。

本発明の実施の形態１における冷蔵庫の冷媒回路図 本発明の実施の形態１における冷蔵庫の運転状態判定の模式図 従来の冷蔵庫の冷媒回路図

１ 冷凍システム
２ 可変速圧縮機
３ 凝縮器
４ 流路切換機構
５ レシーバ
６ 常用膨張機構
７ 蒸発器
８ 補助凝縮器
９ 過負荷用膨張機構
１０ バイパス回路

Claims (5)

1. 圧縮機と凝縮器とレシーバと常用膨張機構と蒸発器とからなる冷凍システムと、前記レシーバおよび前記常用膨張機構と並列に接続された補助凝縮器および過負荷用膨張機構と、前記補助凝縮器および前記レシーバの上流側に設置された流路切換機構と、を有し、前記流路切換機構を切換えることで、通常運転時には、前記凝縮器から前記流路切換機構、前記レシーバ、前記常用膨張機構の順に冷媒を流し、過負荷運転時には、前記凝縮器から前記流路切換機構、前記補助凝縮器、前記過負荷用膨張機構の順に冷媒を流す冷蔵庫。
2. 前記補助凝縮器は、外箱内面に密着固定された冷媒配管からなる請求項１に記載の冷蔵庫。
3. 前記圧縮機は可変速圧縮機であって、前記可変速圧縮機が基準値Ａ以上に増速した場合には、過負荷運転と判断して前記流路切換機構を切換え、前記可変速圧縮機が基準値Ｂ以下に減速した場合には、通常運転と判断して前記流路切換機構を切換える請求項１または２に記載の冷蔵庫。
4. 前記圧縮機の内部が低圧であり、前記圧縮機の停止時には、前記流路切換機構を切換えて凝縮器出口を閉塞するとともに、外気温度が基準値Ｃ以上で過負荷運転と判断し、外気温度が基準値Ｃ未満で通常運転と判断して、前記流路切換機構を切換えた後に前記圧縮機を起動する請求項１から３のいずれか一項に記載の冷蔵庫。
5. 前記流路切換機構から前記圧縮機の内部までを連通するバイパス回路を設け、前記圧縮機の起動に先立って、前記流路切換機構を切換えて、所定時間、前記バイパス回路を開放することで、前記凝縮器と前記圧縮機の内部の圧力をバランスさせる請求項４に記載の冷蔵庫。