JP2005214522A - 冷蔵庫 - Google Patents

Abstract

【課題】 圧縮機の回転数を給油限界回転数以下まで低下させても、給油不足による圧縮機電動機の摩耗の発生を防ぎ、冷蔵庫の信頼性を確保して寿命を長期に保つとともに、圧縮機の連続運転を継続して消費電力の低減を可能にした冷蔵庫を提供する。
【解決手段】 インバータ駆動による能力可変の圧縮機９と、この圧縮機からの吐出ガスを受ける凝縮器10の出口側に設けられた冷媒流路とともに流量を制御する切替弁11と、この切替弁からそれぞれ減圧装置12、13を介して接続された冷凍用冷却器４および冷蔵用冷却器５とから冷凍サイクルを形成した冷蔵庫において、起動時には前記圧縮機を給油可能な回転数で駆動し、所定時間経過後は給油限界Ａ以下まで回転数を低下させて駆動することを特徴とする。
【選択図】 図４

Description

本発明は、能力可変圧縮機を用いた冷蔵庫に係り、特に冷凍サイクルの省エネルギー運転を図ったものに関する。

近年、冷蔵庫は、インバータ制御による能力可変の圧縮機を搭載したものが多く、その冷凍能力を可変することにより、負荷に対応する冷却性能を得るとともに消費電力の低減をはかるようにしている。

家庭用として普及している冷蔵庫は、−１８〜−２０℃程度に冷却される冷凍空間と、＋１〜＋５℃程度に保持する冷蔵や野菜保存空間を有するものが一般的であり、単一の冷却器により双方の空間を冷却するものにおいては、ダンパーなどにより冷凍および冷蔵空間への冷気流の分配を制御し、全体の負荷に応じて圧縮機を駆動あるいは停止している。また、冷凍および冷蔵空間のそれぞれに冷却器を備えたタイプにおいては、冷媒の流路を切り替えることにより前記各冷却空間に配置した冷却器への冷媒流を分配制御し、冷却空間全体の温度や温度差などの負荷に応じて圧縮機を制御している。

インバータ制御によるものは、さらに圧縮機の回転数を制御することによって省電力をはかりながら双方の貯蔵空間を所定の温度に保持しているが、その最低回転数は、図７に示すように、圧縮機内における給油ポンプを構成する摺動部への給油が常時可能な給油限界回転数として設定されていた（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−６４９９２公報（段落［００２０］［００７１］）

しかしながら、上記特許文献１記載の圧縮機制御では、設置している周囲温度が低い場合や扉の開閉頻度が少ない等冷蔵庫の使用条件負荷が軽い場合は、庫内温度は短時間の冷却運転で所定の目標温度に到達するため、最低回転数による運転でも冷凍能力が余剰を来たし、圧縮機の運転を停止せざるを得なくなるものであり、その場合、圧縮機は運転停止を繰り返すことになり、オンオフ運転にともなう冷凍サイクルのロスを招いて、結果として消費電力が大きくなる弊害を生じていた。

また、電力消費を低くするために圧縮機を連続運転する場合は、圧縮機の回転数をさらに低下させる必要があるが、回転数の低下は圧縮機内の給油ポンプの揚程の低下につながり、圧縮機のシリンダーなど摺動部への給油が不可能になるものであり、この給油限界以下となる回転数での圧縮機の運転を継続すると、上部への潤滑油の供給ができないため圧縮部シリンダーやピストンが摩耗し、圧縮機の破損に発展する問題がある。

本発明は上記点を考慮してなされたものであり、圧縮機の回転数を給油限界回転数以下まで低下させても、給油不足による圧縮機電動機の摩耗の発生を防ぎ、冷蔵庫の信頼性を確保して寿命を長期に保つとともに、圧縮機の連続運転を継続して消費電力の低減を可能にした冷蔵庫を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の冷蔵庫は、インバータ駆動による能力可変の圧縮機と、この圧縮機からの吐出ガスを受ける凝縮器の出口側に設けられた冷媒流路とともに流量を制御する切替弁と、この切替弁からそれぞれ減圧装置を介して接続された冷凍用冷却器および冷蔵用冷却器とから冷凍サイクルを形成した冷蔵庫において、起動時には前記圧縮機を給油可能な回転数で駆動し、所定時間経過後は給油限界以下まで回転数を低下させて駆動することを特徴とするものである。

上記構成によれば、起動時に給油可能な回転数で所定時間圧縮機を回転させることによって、その後は給油限界回転数を下回っても給油不足とならない運転を所定時間に亙って継続できるため、圧縮機のオイル潤滑を保持して摺動部の摩耗を防ぐことができ、金属接触によるかじりを防止して冷蔵庫としての信頼性を確保できるとともに、低回転数での運転の継続によりサイクル効率を向上させ、消費電力の低減をはかることができる。

以下、図面に基づき本発明の１実施形態について説明する。図２に縦断面図を示す冷蔵庫本体（１）は、断熱箱体の内部に貯蔵空間を形成し、仕切壁により冷凍室や製氷室の冷凍空間（２）、冷蔵室や野菜室の冷蔵空間（３）など複数の貯蔵室に区分している。

各貯蔵室は、冷凍空間や冷蔵空間毎に配置した冷凍用冷却器（４）と冷蔵用冷却器（５）、および冷気循環ファン（６）（７）によってそれぞれ所定の設定温度に冷却保持されるものであり、各冷却器（４）（５）は、本体背面下部の機械室（８）に設置した圧縮機（９）から供給される冷媒によって冷却される。

図１は、上記本発明の冷蔵庫における冷凍サイクルを示すものであり、前記圧縮機（９）、凝縮器（10）、この凝縮器（10）の出口側に設けられて冷却器側への冷媒流路切り替えとともに流量を制御する三方弁である切替弁（11）、および並列に接続した前記冷凍用および冷蔵用冷却器（４）（５）を環状に連結している。前記凝縮器（10）は、平板状にして前記機械室（８）の前方における冷蔵庫本体（１）の外底面空間に配設されており、凝縮器（10）で液化した冷媒は切替弁（11）を介してそれぞれ減圧装置である毛細管（12）（13）を経由して冷凍用冷却器（４）あるいは冷蔵用冷却器（５）に供給され、蒸発することで冷却器を低温化し、ファン（６）（７）による循環によって貯蔵室内を所定の空気温度に冷却するものであり、蒸発気化した冷媒は、アキュムレータ（14）を介して再び圧縮機（９）に戻るよう構成されている。

しかして、圧縮機（９）は、その詳細を図３に示すように、圧縮要素が低段側圧縮部（９ａ）と高段側圧縮部（９ｂ）により構成されたレシプロ式の二段圧縮機であり、密閉ケース（９ｃ）内に収納した電動機構（９ｄ）の回転軸（９ｅ）の回転で偏心して回転する偏心軸（９ｆ）によってコンロッド（９ｇ）を往復運動させるよう構成している。

コンロッド（９ｇ）の先端にはボールジョイント（９ｈ）でピストン（９ｉ）が嵌め固定されており、シリンダー（９ｊ）内のピストン（９ｉ）の往復運動によって前記低段側圧縮部（９ａ）と高段側圧縮部（９ｂ）に対して交互に冷媒を吸い込み、圧縮して吐出するものである。

密閉ケース（９ｃ）の底部には、２５０ｇ程度の潤滑油（20）を貯留している。そして、回転軸（９ｅ）の内部には軸心から偏心させて、給油機構（21）の一部である給油通路（21ａ）を設け、この通路上部の開口（21ｂ）から上方の外周面に螺旋状の溝（21ｃ）を設けて回転軸（９ｅ）の回転より潤滑油（20）が遠心力によって上方に流れるようにしており、さらに上部開口（21ｅ）まで導く給油通路（21ｄ）に連通させている。

これらの構成により、回転軸（９ｅ）が所定の回転数以上で回転すると、遠心力によって潤滑油（20）は下面から上部に吸い上げられ、回転軸（９ｅ）の上面開口（21ｅ）から飛散して圧縮部（９ａ）（９ｂ）などに給油するように構成されている。

前記圧縮機（９）の低段側圧縮部（９ａ）の吸込み口（９ｋ）には、前記冷凍用冷却器（４）からアキュムレータ（14）を介して連結した吸込み管（15）の端部を接続しており、圧縮した冷媒ガスを吐出する吐出口（９ｍ）を密閉ケース（９ｃ）内に開口させ、高段側圧縮部（９ｂ）の吐出口（９ｎ）は、凝縮器（10）への吐出管（16）に接続している。

前記冷蔵用冷却器（５）からの吸込み管（17）は密閉ケース（９ｃ）内の中間圧となる空間部に導入するよう接続している。

したがって、冷蔵用冷却器（５）からの吸込み冷媒は、低圧の圧縮機シリンダー（９ｊ）に流入しないため、冷蔵用冷却器（５）での蒸発温度を冷蔵空間（３）の冷却温度に近づけて高くすることができ、その分圧縮機入力が小さくなるのでサイクル効率を向上させることができる。

冷蔵用冷却器側の吸込み管（17）から吸い込まれた冷媒ガスは、前記低段側圧縮部（９ａ）の吐出口（９ｍ）から吐出される冷媒ガスとともに連通する高段側圧縮部（９ｂ）の吸込み口（９ｐ）に吸い込まれ圧縮されるように構成している。

前記圧縮機（９）は、インバータ制御により能力可変となっており、冷凍および冷蔵空間の検出温度や目標設定温度との差、温度変化率などに基づいて、例えば、３０〜７０Ｈｚ間で回転周波数を決定し、マイコンなどから構成される制御装置によって運転される。

切替弁（11）における弁の開放制御は、冷凍用冷却器（４）と冷蔵側冷却器（５）への弁の開口度を双方とも全開、あるいは全閉、および冷凍側弁開口を絞って冷蔵側を全開したり、あるいは冷蔵側の弁開口を絞って冷凍側を全開するなど種々のパターンを選択できるが、本実施例では、冷凍用冷却器（４）と冷蔵用冷却器（５）とを並列に接続しており、冷却制御は冷凍冷蔵側の同時冷却と冷凍側のみ冷却の２通りとしている。

冷凍側の弁口から流出した冷媒は、冷凍空間（２）における冷却温度に即した蒸発温度になるよう設定した毛細管（12）を通過し減圧されて冷凍用冷却器（４）において−２５℃程度で蒸発し、冷蔵用弁口からも同様に、冷蔵空間（３）での冷却温度に近似する−５℃程度の蒸発温度になるよう設定した冷蔵用毛細管（13）を介して冷蔵用冷却器（５）に冷媒が送られ蒸発することで低温化し、冷却された空気を各ファン（６）（７）で貯蔵室に吹き出し循環させるものである。

そして、電源投入によって圧縮機（９）が駆動されると、圧縮され高温高圧となった冷媒ガスは吐出管（16）から凝縮器（10）に吐出されて切替弁（11）に至る。切替弁（11）は前記のように種々のパターン設定が可能であるが、前記電源投入の際には、冷凍、冷蔵空間（２）（３）とも未冷却の状態であるので、冷凍側および冷蔵側の各弁口は全開状態になり、冷媒は冷凍用および冷蔵用毛細管（12）（13）に流入して減圧され冷凍用および冷蔵用冷却器（４）（５）にそれぞれ流入して各蒸発温度で蒸発し、各冷却器を所定温度に冷却する。

上記により、冷凍空間（２）および冷蔵空間（３）のそれぞれの設定温度に合わせた蒸発温度になるように毛細管（12）（13）を備えた冷凍および冷蔵用冷却器（４）（５）を運転制御することで、効率のよい圧縮機の運転をおこなうことができる。

しかして、冬季など外気温が低い場合や各扉の開閉頻度が少なく冷蔵庫が軽負荷状態にあるときは、圧縮機（９）の冷凍能力が余ることから、従来制御では、圧縮機運転により短時間で所定温度に到達した時点で後の回転を停止するが、本発明の場合は、このような軽負荷状態を検知することにより、前記圧縮機（９）を、図４に示す基本パターンで運転するものであり、起動時にはその回転数を、通常の制御で設定される回転数以上の、図４中の点線で示す給油限界回転数（Ａ）以上に上げて所定時間運転し、その後周波数を下げて給油限界（Ａ）以下の回転数まで圧縮機の回転を落とすように制御する。

したがって、起動時における給油限界（Ａ）以上の回転数による運転によって、圧縮機（９）の摺動機構部には給油装置（21）からの油が供給されるものであり、その時間はきわめて短時間、例えば３０秒から１分程度で前記圧縮部（９ａ）（９ｂ）など摺動機構部への給油は可能であり、給油後は、給油限界（Ａ）以下の回転数による運転が継続しても少なくとも１０分程度の間は油膜が途切れる可能性は少ない。

運転継続による油膜の維持は、圧縮機の摺動部の材質や面仕上げ精度によっても異なるが、出願人による実験の結果によれば、３０分間に亙る低回転数での運転で油膜剥がれの発生は認められなかった。

また、圧縮機をオイルレス状態で運転してもロックを発生せずに運転を３時間継続した実験結果もあることから、給油限界（Ａ）以下に回転数を落とした状態で３０分以上運転を継続しても油膜が剥がれて摺動部が摩耗する恐れはほとんどないものであり、給油不足によって圧縮機の摺動部分が摩耗し、金属間の接触によって発生する圧縮機の破損を防ぐことができ、冷蔵庫の信頼性を確保して寿命を長期に保つことができる。

さらに、低周波数での低速度回転によって圧縮機の連続運転をより長く継続することができ、消費電力の低減をはかることができる。前記給油限界回転数（Ａ）は、圧縮機（９）の給油機構（21）や能力によって相違するが、本実施例では周波数を３０Ｈｚに設定しており、起動時に給油を確保する比較的高回転数による運転の後は、３０Ｈｚより低い２５Ｈｚで３０分間程度運転を継続するものであって、その間に冷却負荷が増えれば負荷検知によって、図４の２点鎖線に示すように、再び周波数を上げて運転を継続し、負荷の増加がなければ停止するように制御することで、低周波数での電動機回転によりＣＯＰ（圧縮機の成績係数）は約２％向上して省電力になるとともに、圧縮機（９）の運転が連続し、あるいはオンオフ回数が少なくなることから、従来の断続運転と比較して起動時の損失がなくなりさらに消費電力の低減効果を得ることができる。

上記においては、回転周波数の低下度を５Ｈｚとしたが、より低くすれば省電力効果はさらに大きくすることができるものであり、特に、本実施例のように、二段圧縮機による冷却制御の場合は、圧縮機（９）の中間圧部分に蒸発冷媒ガスを吸い込む冷蔵側の冷却については、冷蔵用冷却器（５）の蒸発温度が従来の一段圧縮機による−１５℃から−３．５℃に上昇させることができるため、上記したように圧縮機入力が小さくなってＣＯＰが３５％向上し、大きな省エネルギーとなる。

図５は他の実施例を示す圧縮機の運転パターンであり、給油可能な回転数での圧縮機（９）の駆動を起動時と停止直前の所定時間に実施し、その間は給油限界（Ａ）以下の回転数によって運転するようにしたものである。

これにより、圧縮機（９）の停止前に給油装置（21）による給油ができ、潤滑が必要な摺動部（９ａ）（９ｂ）に油が行き渡って、停止後の再起動時における圧縮電動部の駆動を滑らかにおこなうことができる。

さらに、他の実施例である図６に示す運転パターンによれば、給油可能な回転数での圧縮機（９）の駆動を起動時に所定時間実施するとともに、さらに、起動からと停止までの間に複数回実施するようにしたものであり、起動後における給油限界（Ａ）以下の回転数での運転時間が長くなることによる摺動機構部の油切れの発生を防ぐため、給油限界回転数（Ａ）以下の運転の間に給油可能な回転数による１分程度の運転を挿入するようにしたものである。

この運転により、圧縮機（９）は低回転周波数による運転の継続で油切れを起こす前に再び給油され、必要な潤滑部に油が充分に行き渡ることによって、円滑な回転駆動をおこなうことができる。したがって、前記給油のための給油限界（Ａ）以上での圧縮機（９）の駆動回転は、１回に限らず適宜挿入すればよく、その間における給油限界（Ａ）以下での低周波数回転によって、圧縮機（Ａ）の連続運転を継続することにより、起動時の損失をなくしＣＯＰを向上して消費電力の低減をおこなうことができるものである。

なお、上記実施例における二段圧縮機（９）は、圧縮機ケース（９ｃ）内の圧力を中間圧としたもので説明したが、これに限らず、特に図示しないが、低圧ケースとして冷凍用冷却器からの吸込み管を圧縮機ケース内空間に連通させ、冷蔵用冷却器からの吸込み管は低段側圧縮部の吐出口と高段側圧縮部の吸込口との連結部に接続するようにしてもよい。 また同様に、高圧ケースとして、冷凍用冷却器からの吸込み管を低段側圧縮部の吸込み口に接続するとともに、冷蔵用冷却器からの吸込み管は低段側圧縮部の吐出口と高段側圧縮部の吸込口との連結部に接続し、高段側圧縮部からの吐出ガスを高圧ケース内から凝縮器への吐出管へ吐出するようにしてもよく、さらに、圧縮機は二段圧縮方式に限らず、一段圧縮方式のものでも、同様の省電力効果を得ることができる。

本発明によれば、インバータ制御により冷凍能力を可変するようにした冷蔵庫に利用することができる。

本発明の１実施形態を示す冷蔵庫の冷凍サイクル図である。 図１の冷凍サイクルを搭載した冷蔵庫の概略縦断面図である。 図１における二段圧縮機の詳細構成を示す縦断面図である。 本発明の１実施例を示す軽負荷時の圧縮機の運転パターン図である。 他の実施例を示す軽負荷時の運転パターン図である。 さらに他の実施例を示す軽負荷時の運転パターン図である。 図４に対する従来例を示す運転パターン図である。

符号の説明

１ 冷蔵庫本体 ２ 冷凍空間 ３ 冷蔵空間
４ 冷凍用冷却器 ５ 冷蔵用冷却器 ６、７ 冷却ファン
８ 機械室 ９ 二段圧縮機 ９ａ 低段圧縮部
９ｂ 高段圧縮部 ９ｃ ケース ９ｄ 電動機構
９ｅ 回転軸 ９ｆ 偏心軸 ９ｉ ピストン
９ｊ シリンダー 10 凝縮器 11 切替弁
12 冷凍用毛細管 13 冷蔵用毛細管 14 アキュムレータ
15 冷凍側吸込み管 16 吐出管 17 冷蔵側吸込み管
20 潤滑油 21 給油装置 21ａ、21ｄ 給油通路
21ｂ 開口 21ｃ 螺旋状溝 21ｅ 上部開口

Claims (4)

1. インバータ駆動による能力可変の圧縮機と、この圧縮機からの吐出ガスを受ける凝縮器の出口側に設けられた冷媒流路とともに流量を制御する切替弁と、この切替弁からそれぞれ減圧装置を介して接続された冷凍用冷却器および冷蔵用冷却器とから冷凍サイクルを形成した冷蔵庫において、起動時には前記圧縮機を給油可能な回転数で駆動し、所定時間経過後は給油限界以下まで回転数を低下させて駆動することを特徴とする冷蔵庫。
2. 給油可能な回転数での圧縮機の駆動を起動時と停止直前の所定時間に実施するようにしたことを特徴とする請求項１記載の冷蔵庫。
3. 給油可能な回転数での圧縮機の駆動を起動時および起動からと停止までの間に複数回実施するようにしたことを特徴とする請求項１記載の冷蔵庫。
4. 圧縮機の圧縮要素が低段側圧縮部と高段側圧縮部により構成された二段圧縮方式であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の冷蔵庫。
   

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