JP2005257236A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 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手段を設けた場合、いずれの温度帯においても、その効率を落とすことなく高効率の運転を可能にした冷凍装置を提供する。
【解決手段】 圧縮機１、放熱器２、減圧装置３、気液分離器４を備え、この気液分離器４で分離されたガス冷媒を上記圧縮機１の中間圧部に導入可能な手段６，７を備えると共に、上記気液分離器４で分離された液冷媒を循環させる低圧側回路９を備え、この低圧側回路９には選択的に異なる温度帯で機能する吸熱手段１０を備え、選択された吸熱手段１０を経た冷媒を上記圧縮機１の吸込部に戻すように構成した。
【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に関する。

一般に、圧縮機、放熱器、減圧装置、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といった効果が得られる。
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、その効率を落とすことなく高効率で運転することが重要になる。

そこで、本発明の目的は、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、その効率を落とすことなく高効率の運転を可能にした冷凍装置を提供することにある。

本発明は、圧縮機、放熱器、減圧装置、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と共に、上記気液分離器で分離された液冷媒を循環させる低圧側回路を備え、この低圧側回路には選択的に異なる温度帯で機能する吸熱手段を備え、選択された吸熱手段を経た冷媒を上記圧縮機の吸込部に戻すように構成したことを特徴とする。

この場合において、上記吸熱手段が互いに異なる温度帯で機能する複数の吸熱器を備え、夫々の吸熱器が選択的に機能し、当該吸熱器を経た冷風を、夫々対応する温度帯に制御される室に導く手段を備えていてもよい。また、上記吸熱器が夫々対応する温度帯に制御される室に設置されていてもよい。さらに、上記吸熱手段が選択的に異なる温度帯で機能する一つの吸熱器を備え、この吸熱器を経た冷風を、夫々異なる温度帯に制御される複数の室に切換ダンパを介して選択的に導く手段を備えていてもよい。この場合、吸熱器が低い温度帯に制御される室に設置されていてもよい。

また、上記すべての場合において、運転中に高圧側が超臨界圧力となる二酸化炭素冷媒等の冷媒を封入してもよい。

本発明では、気液分離器で分離された液冷媒を循環させる低圧側回路を備え、この低圧側回路に選択的に異なる温度帯で機能する吸熱手段を備えたため、夫々の温度帯において、高効率の運転が可能になる。

以下、本発明の実施の形態を、図面に基づき説明する。

図１は、本発明の一実施形態を示す冷媒回路図である。この冷凍装置３０は、圧縮機１、放熱器２、減圧装置３、並びに気液分離器４を順に備えて構成される。この圧縮機１から、放熱器２を経て減圧装置３の入口に至るまでの冷媒回路が高圧側回路を構成する。上記減圧装置３は、例えば、絞りの開度を可変可能に構成される。この絞りの程度を変えることで、気液分離器４に至るまでに、圧力を低下し、多くの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。上記圧縮機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。８は逆止弁である。また、この冷凍装置３０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との間に導入可能な導入手段５を備える。ここでの圧縮機１は、２段圧縮機に限定するものではなく、それが、例えば、１段圧縮機であれば、導入手段５は１段圧縮機の中間圧部に戻せばよい。この導入手段５は、ガス管６と、このガス管６に設けられた開閉弁７とで構成され、この開閉弁７が開かれると、ガス管６を経て、気液分離器４で分離されたガス冷媒がガス管６内の差圧によって、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、この冷凍装置３０は、気液分離器４で分離された液冷媒を循環させるための低圧側回路９が設けられ、この低圧側回路９には、選択的に異なる温度帯で機能する吸熱手段１０が設けられる。この吸熱手段１０は、三方弁１１と、第１キャピラリーチューブ１２と、これと並列に設けられた第２キャピラリーチューブ１３と、一つの吸熱器１４とを備えて構成される。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、三方弁１１の切り換えによって、第１キャピラリーチューブ１２に冷媒を流すと共に、上記圧縮機１の運転周波数を低減させると、一つの吸熱器１４に流れる流量が減って、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。また、第２キャピラリーチューブ１３に冷媒を流すと共に、上記圧縮機１の運転周波数を増大させると、一つの吸熱器１４に流れる流量が増して、蒸発温度が低くなり、冷凍運転が行われる。この吸熱器１４を経た冷媒は、上述の減圧装置３の近くに設置された熱交換部１５を経由し、この熱交換部１５で熱交換して暖められた後、逆止弁８を経て、圧縮機１の吸込部に戻される。

本構成では、吸熱器１４を経た冷風を、夫々異なる温度帯に制御される複数の室（冷蔵室２１、冷凍室２２）に選択的に導く手段２３を備えて構成される。この手段２３は、送風ダクト２４、並びに切換ダンパ２５を含み、この切換ダンパ２５には、コントローラ２６が接続されている。そして、このコントローラ２６は、上述した三方弁１１に接続されており、例えば、冷凍室２２の負荷が増大した場合、三方弁１１の切り換えによって、抵抗値の小さい第２キャピラリーチューブ１３、一つの吸熱器１４の順に冷媒を流し、吸熱器１４での蒸発温度を低くすると共に、切換ダンパ２５を、図示の位置に倒し、冷風を、冷凍室２２に導く。また、冷蔵室２１の負荷が増大した場合、三方弁１１の切り換えによって、抵抗値の大きい第１キャピラリーチューブ１２、一つの吸熱器１４の順に冷媒を流し、吸熱器１４での蒸発温度を高くすると共に、切換ダンパ２５を、図示の位置と反対の位置に倒し、冷風を、冷蔵室２１に導く。

上述した冷媒回路内には、運転中に高圧側が超臨界圧力となる冷媒、例えば、二酸化炭素冷媒が封入されている。図２は、本構成における２段圧縮を含む冷凍サイクルのエンタルピ・圧力（ｐｈ）線図であり、本構成では、例えば、夏場で、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。高圧側回路内が超臨界圧力で運転される冷媒には、ほかに、例えばエチレン、ディボラン、エタン、酸化窒素等が挙げられる。

図２及び図３を参照し、圧縮機１は２段圧縮である。

「イ」は、１段圧縮部１Ａの吸い込み、「ロ」は、１段圧縮部１Ａの吐出、「ハ」は、中間冷却器１Ｃの出口、「ニ」は、２段圧縮部１Ｂの吸い込み、「ホ」は、２段圧縮部１Ａの吐出状態である。圧縮機１から吐出された冷媒は、放熱器２を通って循環し冷却される。「ヘ」は、放熱器２の出口、「ト」は、減圧装置３の入口、「チ」は、減圧装置３の出口状態であり、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、「チ」〜「リ」の線分（ガス）の長さと、「チ」〜「カ」の線分（液体）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。「カ」は、気液分離器４の出口状態であり、この出口を経た冷媒は、「ニ」の２段圧縮部１Ｂの吸い込みに至り、２段圧縮部１Ａで圧縮される。一方、上述の気液分離器４で分離された液冷媒は低圧側回路９を循環する。「リ」は、気液分離器４の出口、「ヌ」は、第１キャピラリーチューブ１２、又は、第２キャピラリーチューブ１３のいずれか一方の入口、「ル」は、同いずれか一方の出口、「ヲ」は、吸熱器１４の出口状態である。この吸熱器１４に入った液冷媒は、蒸発して熱を吸収する。「ワ」は、熱交換部１５の出口状態であり、ここでのガス相の冷媒は、上述した逆止弁８を経て、「イ」の１段圧縮部１Ａの吸い込みに戻される。

上記構成において、気液分離器４で分離されたガス冷媒は、これを低圧側回路９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。

本構成では、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、本実施形態では、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（「チ」〜「リ」の線分）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、より高い効率向上が図られる。

本実施形態では、選択的に異なる温度帯で機能する吸熱手段１０の全て、即ち、三方弁１１、第２、第２キャピラリーチューブ１２，１３、及び吸熱器１４が、気液分離器４で分離された液冷媒を循環させるための低圧側回路９に設けられているため、例えば、冷蔵運転を行う場合も、或いは冷凍運転を行う場合も、その効率を落とすことなく、きわめて高効率な運転を行うことが可能になる。

図４は、冷蔵庫への適用例を示す。

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。この冷凍室４２の奥部には、庫内仕切り壁４３が設けられ、この庫内仕切り壁４３で仕切られた風路４４内には、上述した吸熱器１４が設置されている。上記風路４４の入口Ａには、第１切換ダンパ４５が配置され、この第１切換ダンパ４５は、風路４４の入口Ａを閉じる位置（破線位置）と、開く位置（実線位置）との間において切り換えられる。また、冷蔵庫４０の背壁４７には、背側風路４６が形成され、第１切換ダンパ４５が、破線位置に切り換えられた場合、この背側風路４６を介して、風路４４の入口Ａと冷蔵室４１とが連通する。また、上記風路４４の出口Ｂには、ファン４８と第２切換ダンパ４９が配置され、この第２切換ダンパ４９は、風路４４の出口Ｂを閉じる位置（破線位置）と、開く位置（実線位置）との間で切り換えられ、この実線位置では、第２切換ダンパ４９が中間仕切り壁５０の開口５１を塞ぐ。

図５は、冷却例１を示す。

最初〜ａ点までは、冷凍運転中であり、図４を参照し（ダンパ４５，４９は実線位置）、吸熱器１４で冷却された冷風は風路４４内を循環して、冷凍室４２に送られ、これによって、冷凍室４２の温度は徐々に下降する一方で、冷風が送られない冷蔵室４１の温度は徐々に上昇する。この間、圧縮機１がオンし、ファン４８がオンし、各ダンパ４５，４９が実線位置に切り換えられ、三方弁１１の切り換えにより、第２キャピラリーチューブ１３に冷媒が流され、開閉弁７が開かれる。ａ点〜ｂ点までは、運転停止中である。この間、冷蔵室４１、冷凍室４２のいずれにも冷風が送られず、各室４１，４２の温度は徐々に上昇する。即ち、圧縮機１がオフし、ファン４８がオフすると共に、各ダンパ４５，４９が実線位置に維持され、三方弁１１が全閉とされ、開閉弁７が閉じられる。ｂ点〜ｃ点までは、冷蔵運転中であり、図４を参照し（ダンパ４５，４９は破線位置）、冷蔵室４１内の空気が、背側風路４６を介して循環し、吸熱器１４で冷却された冷風は、中間仕切り壁５０の開口５１を通じて、冷蔵室４１に送られる。これによって、冷蔵室４１の温度は下降に転じ、冷風が送られない冷凍室４２の温度は上昇を継続する。この間、圧縮機１がオンし、ファン４８がオンし、各ダンパ４５，４９が破線位置に切り換えられ、三方弁１１の切り換えにより、第１キャピラリーチューブ１２に冷媒が流される。なお、冷蔵運転を開始する場合、開閉弁７は、圧縮機１の運転開始時における、開閉弁７を通じた冷媒のショートカットを防止するため、所定時間だけ遅延させて開かれる。以降、ｄ点〜ｉ点も同様に、この制御が繰り返される。

図６は、冷却例２を示す。

ｌ点〜ｍ点までは、冷凍運転中であり、図４を参照し（ダンパ４５，４９は実線位置）、吸熱器１４で冷却された冷風は風路４４内を循環して、冷凍室４２に送られ、これによって、冷凍室４２の温度は徐々に下降する一方で、冷風が送られない冷蔵室４１の温度は徐々に上昇する。この間、圧縮機１がオンし、ファン４８がオンし、各ダンパ４５，４９が実線位置に切り換えられ、三方弁１１の切り換えにより、第２キャピラリーチューブ１３に冷媒が流され、開閉弁７が開かれる。ｍ点〜ｎ点までは、冷蔵運転中であり、図４を参照し（ダンパ４５，４９は破線位置）、冷蔵室４１内の空気が、背側風路４６を介して循環し、吸熱器１４で冷却された冷風は、中間仕切り壁５０の開口５１を通じて、冷蔵室４１に送られる。これによって、冷蔵室４１の温度は下降に転じ、冷風が送られない冷凍室４２の温度は上昇に転じる。この間、圧縮機１、ファン４８共にオンが維持され、各ダンパ４５，４９が破線位置に切り換えられ、三方弁１１の切り換えにより、第１キャピラリーチューブ１２に冷媒が流される。ｎ点〜ｏ点までは、運転停止中である。この間、冷蔵室４１、冷凍室４２のいずれにも冷風が送られず、各室４１，４２の温度は徐々に上昇する。即ち、圧縮機１がオフし、ファン４８がオフする。各ダンパ４５，４９は切り換えられず、破線位置に維持され、三方弁１１が全閉とされ、開閉弁７が閉じられる。以降、ｐ点〜ｓ点も同様に、この制御が繰り返される。

図７は、別の実施形態を示す。本構成では、図４と比較した場合、風路４４の出入口におけるダンパ構成が相違する。入口Ａのダンパが、２つのダンパ１４５Ａ，１４５Ｂで構成され、出口Ｂのダンパが、２つのダンパ１４９Ａ，１４９Ｂで構成される。また、図８は、さらに別の実施形態を示す。図４と比較した場合、吸熱手段１０の構成が相違している。即ち、吸熱手段１０は、第４キャピラリーチューブ５５と、これと直列に設けられた電動弁５６とを備えて構成される。５４は電動弁である。第４キャピラリーチューブ５５は、抵抗値が固定であって、これと電動弁５６の弁開度の調整によって、全体の抵抗値が可変となり、冷蔵、或いは冷凍運転が可能になる。いずれの実施形態であっても、上記実施形態と略同様の作用効果を得ることができる。

図９は、別の冷媒回路の構成を示す。

本構成では、図１と比較した場合、吸熱手段１０の構成が相違している。この吸熱手段１０は、三方弁１１と、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冷蔵用の吸熱器５７と、これらと並列に設けられた第２キャピラリーチューブ１３と、第２キャピラリーチューブ１３に直列に設けられた冷凍用の吸熱器５８とを備えて構成される。５９は逆止弁である。本実施形態であっても、上記実施形態と略同様の作用効果を得ることができる。

図１０は、冷蔵庫への適用例を示す。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が設置されている。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、三方弁１１を切り換えて、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６２，６３を駆動する。図１１は、別の構成を示す。図１０と比較した場合、吸熱手段１０の構成が相違している。この吸熱手段１０は、三方弁が省略される一方で、各キャピラリーチューブ１２，１３に直列に電動弁６５，６６が接続される。６７は電動弁である。この構成では、冷蔵運転、及び冷凍運転のサーモオン、サーモオフに従い、上記電動弁６５，６６をオン、又はオフさせ、いずれか一方の吸熱器５７，５８に選択的に冷媒を流すと共に、それに対応したファン６２，６３を駆動する。これら実施形態であっても、上記実施形態と略同様の作用効果を得ることができる。

以上、一実施形態に基づいて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、上記構成では、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。

本発明に係る冷凍装置の一実施の形態を示す冷媒回路図である。 冷凍サイクルのエンタルピ・圧力線図である。 超臨界サイクルのエンタルピ・圧力線図である。 冷蔵庫への適用例を示す図である。 冷却例を示す図である。 冷却例を示す図である。 冷蔵庫への適用例を示す図である。 冷蔵庫への適用例を示す図である。 別の実施の形態を示す冷媒回路図である。 冷蔵庫への適用例を示す図である。 冷蔵庫への適用例を示す図である。

符号の説明

１ 圧縮機
２ 放熱器
３ 減圧装置
４ 気液分離器
５ 導入手段
７ 開閉弁
８ 逆止弁
１０ 吸熱手段
１１ 三方弁
１２ 第１キャピラリーチューブ
１３ 第２キャピラリーチューブ
１４ 吸熱器
１５ 熱交換部
２１ 冷蔵室
２２ 冷凍室
２５ 切換ダンパ
３０ 冷凍装置

Claims (6)

1. 圧縮機、放熱器、減圧装置、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前記圧縮機の中間圧部に導入可能な手段を備えると共に、前記気液分離器で分離された液冷媒を循環させる低圧側回路を備え、この低圧側回路には選択的に異なる温度帯で機能する吸熱手段を備え、選択された吸熱手段を経た冷媒を前記圧縮機の吸込部に戻すように構成したことを特徴とする冷凍装置。
2. 前記吸熱手段が互いに異なる温度帯で機能する複数の吸熱器を備え、夫々の吸熱器が選択的に機能し、当該吸熱器を経た冷風を、夫々対応する温度帯に制御される室に導く手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の冷凍装置。
3. 前記吸熱器が夫々対応する温度帯に制御される室に設置されていることを特徴とする請求項２記載の冷凍装置。
4. 前記吸熱手段が選択的に異なる温度帯で機能する一つの吸熱器を備え、この吸熱器を経た冷風を、夫々異なる温度帯に制御される複数の室に切換ダンパを介して選択的に導く手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の冷凍装置。
5. 前記吸熱器が低い温度帯に制御される室に設置されていることを特徴とする請求項４記載の冷凍装置。
6. 運転中に高圧側が超臨界圧力となる冷媒を封入したことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項記載の冷凍装置。

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