JP3626950B2 - 冷蔵庫 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可燃性冷媒と能力可変型圧縮機を用いて冷媒量削減と高効率化を図った冷蔵庫に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図９に従来の冷却サイクル並びに冷蔵庫の一例の概略図を示す。
【０００３】
１は一定速圧縮機、２は凝縮器、３は冷蔵室４内に配設された第一の蒸発器であり、５は冷凍室６内に配設された第二の蒸発器である。
【０００４】
７は冷蔵室冷却用である第一の蒸発器３の冷媒回路上流側に配設された第一のキャピラリであり、８は冷凍室冷却用である第二の蒸発器５の冷媒回路上流側に配設された第二のキャピラリであり、９は冷凍室冷却用である第二の蒸発器５の下流側に設けた逆止弁である。
【０００５】
１０は第一の蒸発器３の冷媒回路下流側に配設された第一の開閉弁であり、１１は第二のキャピラリ８の冷媒回路上流側に設けられた第二の開閉弁である。
【０００６】
以上のように構成された従来例の冷蔵庫について、以下その動作を説明する。
【０００７】
冷凍サイクルの運転は以下のように行われる。まず圧縮機１により圧縮された冷媒が凝縮器２で凝縮液化される。凝縮された冷媒は第一のキャピラリ７もしくは第二のキャピラリ８で減圧されて、それぞれ第一の蒸発器３、第二の蒸発器５へ流入、蒸発気化された後、再び圧縮機１へと吸入される。
【０００８】
冷媒が蒸発気化することにより比較的低温となった第一の蒸発器３、第二の蒸発器５と冷蔵室４、冷凍室６の空気が熱交換することにより各室が冷却される。
【０００９】
冷凍冷蔵庫の冷却運転は図示しない各室の温度検知手段と制御手段により以下のように行われる。
【００１０】
冷蔵室４、冷凍室６の各温度検知手段が所定値以上の温度上昇を検知すると圧縮機１が起動し、冷凍サイクルの運転が行われる。冷蔵室４の温度検知手段が所定値以下となるまで第一の開閉弁１０が開放となり、第二の開閉弁１１は閉止となる。
【００１１】
これにより冷媒は第二の蒸発器５には流入することなく、第一の蒸発器３へのみ流れる。このときの蒸発温度の設定は、冷蔵室４の温度設定が５℃程度に対して０〜−５℃であり、通常の−２５〜−３０℃の蒸発温度に対して２〜２．５倍の成績係数で圧縮機の運転が可能である。
【００１２】
冷蔵室４が冷却されて温度が低下し、温度検知手段が所定値以下を検知すると、第一の開閉弁１０が閉止し、第二の開閉弁１１が開放となる。
【００１３】
これにより冷媒は第二の蒸発器５へと流入し、冷凍室６の冷却が行われる。このときの冷凍サイクルの蒸発温度は冷凍室の温度設定が−１８℃程度に対し通常の蒸発温度で冷却される。
【００１４】
以上のように冷蔵室４と冷凍室６とを蒸発器への冷媒供給時間を分配して、交互に繰り返し冷却するので、冷蔵室４冷却時は独立的に冷媒を第一の蒸発器へと循環させることで低圧圧力調整弁が不要で高蒸発温度（０〜−５℃）が可能であり、圧縮機１の圧縮比を小さくでき、高い成績係数で運転を行い効率化を図るものである。
【００１５】
さらに、逆止弁９は冷蔵室４冷却中の蒸発温度が高いので、第二の蒸発器５に冷媒が流れ込むのを防止するものである。
【００１６】
また、冷凍室６の冷却を行う場合、冷蔵室４の冷却中に比較して冷媒量が少なくてすむので、通常は冷媒量過多となる。しかしながら第一の開閉弁１０が第一の蒸発器３の下流側に設けてあり、これを閉止するので第一の蒸発器３に冷媒を溜め込むことが可能であり、冷媒量調節ができる（例えば、特許文献１参照。）。
【００１７】
【特許文献１】
特公昭６２−２２３９６号公報
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記のような冷蔵庫にあっては、冷蔵庫で通常使われているロータリータイプやレシプロタイプの圧縮機の特性を鑑みれば、高蒸発温度で運転するほど圧縮比の低減により成績係数は向上し、高効率な冷凍サイクルが期待できるが、同時に高蒸発温度化による吸込み冷媒比体積の減少により圧縮機１の冷凍能力が非常に増大することが問題である。
【００１９】
では冷凍能力が増大することによってどのような問題が生じるのか以下説明する。
【００２０】
従来例において、通常の蒸発温度とされる−２５〜−３０℃から０〜−５℃へと蒸発温度を引き上げることで圧縮機の成績係数が２〜２．５倍程度となるが、同時に圧縮機の冷凍能力は３〜５倍となる。
【００２１】
この３〜５倍となる圧縮機の冷凍能力を効果的に冷蔵室４の冷却に用いなければ高効率化はできないのである。
【００２２】
圧縮機１の冷凍能力を冷蔵室４の冷却に効果的に用いるためには第一の蒸発器３と冷蔵室４空気との熱交換能力を拡大する必要がある。
【００２３】
蒸発器の熱交換能力は熱貫流率と熱交換面積と熱交換温度差（蒸発温度と空気温度との差）の積により表せられるが、比較的高蒸発温度とすること自体、熱交換温度差の元となる蒸発温度と冷蔵室設定温度との差が３０〜３５ｄｅｇから５〜１０ｄｅｇと非常に減少し第一の蒸発器３の熱交換能力が低下することとなる。加えて圧縮機１の冷凍能力が３〜５倍増大することに対処すると、９〜３０倍程度の熱交換能力が要求される。
【００２４】
このように非常に大きな熱交換器が必要となり冷蔵庫の収納スペースを減少させる無効容積の増大となる。
【００２５】
さらには、高能力で大きな熱交換器が必要となれば、必要な冷媒量も増大し、可燃性冷媒を用いるにあっては冷媒漏洩時の危険性が大きくなる問題がある。
【００２６】
また、冷凍室６冷却時には前述の理由から冷蔵室４冷却時に比べて冷媒量が少なくてすむので、第一の蒸発器３に冷媒を溜め込み冷媒余剰量を調節しているが、これも封入冷媒量が増大することとなる。
【００２７】
また、圧縮機１の起動時には冷媒が蒸発器に安定的に供給されるまで圧縮機１の入力に見合った出力が得られない運転ロスの大きい過渡期が生じる。さらに、冷蔵室４と冷凍室６の冷却切り替え時にも同様の運転ロスの大きい過渡期が生じる。
【００２８】
増大した圧縮機１の冷凍能力を切り替え時間の分配率で調節すると、冷蔵室４の冷却時間が大幅に短縮される。
【００２９】
このとき運転ロスの大きい過渡期が短縮されることがないので結果として安定した冷却時間に対する過渡期の時間比率が高まることとなり、効率低下となる。
【００３０】
さらに、一日あたりの圧縮機起動及び冷蔵室４と冷凍室６の冷却運転切り替え回数が増加することになり効率低下となる。
【００３１】
冷蔵室４の温度調節幅をより低い温度まで広げることにより対応することも考えられるが、食品保鮮上、温度の変動が大きいことは好ましくなく、さらには冷蔵室４においては温度低下しすぎると氷結し、収納食品にダメージを与えることとなる。
【００３２】
一方、圧縮機の小型化により、３〜５倍程度の冷凍能力を抑制するためには、非常に小型の圧縮機を用いる必要があり、冷蔵庫４冷却時に圧縮機の冷凍能力は確保できるものの、冷凍室６冷却時には圧縮機の冷凍能力が不足し温度が維持できなくなる問題がある。
【００３３】
また、冷媒回路の接続箇所が多くあるので冷媒リークの可能性が比較的高いという問題がある。
【００３４】
本発明は、以上のような従来の課題を解決するもので、可燃性冷媒の冷媒量削減により可燃性冷媒使用時の安全性を高める冷却サイクル及び冷蔵庫を提供することを目的とする。
【００３５】
また、密閉空間内への配管接続箇所削減による可燃性冷媒リーク時の安全性を高める冷却サイクル及び冷蔵庫を提供することを目的とする。
【００３６】
また、成績係数の向上と過渡特性改善による効率向上による省エネルギ化を図る冷却サイクル及び冷蔵庫を提供することを目的とする。
【００３７】
無効容積である冷却サイクルの容量を削減することで収納スペースの拡大を図る冷却サイクル及び冷蔵庫を提供することを目的とする。
【００３８】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載の発明は、圧縮機と、凝縮器と、流路制御手段と、第一の減圧手段と、第一の蒸発器と、第二の減圧手段と、第二の蒸発器と、可燃性冷媒を封入してなる冷却サイクルと、冷蔵室と、冷凍室とを備えたものであって、前記冷蔵室に高温側の冷却器として前記第一の蒸発器を設け、前記冷凍室に低温側の冷却器として前記第二の蒸発器を設け、前記圧縮機と凝縮器と第一の減圧手段と第一の蒸発器とで第一の冷却サイクルを形成するとともに、前記第一の減圧手段と第一の蒸発器に並列となるように前記第二の減圧手段と第二の蒸発器とを第二の冷却サイクルとして接続し、前記流路制御手段を第一の減圧手段と第二の減圧手段の入口側に配設して前記第一の冷却サイクルと前記第二の冷却サイクルへの冷媒供給を並行して行わず交互に切り替えて運転時の必要冷媒量を少量化し、かつ前記圧縮機を低圧容器型とすることで運転中の冷凍機油への冷媒溶け込み量が軽減されることと前記圧縮機を能力可変圧縮機として運転中の前記第一の冷却サイクルと前記第二の冷却サイクルとの必要冷凍能力の差を冷媒循環量の増減で補うことを見込んで、前記冷却サイクルへの前記可燃性冷媒の封入量を予め少冷媒化したことを特徴とする。
【００３９】
以上の構成により、可燃性冷媒を用いる冷却サイクルにあって、圧縮機には低圧容器型を用いるので、圧縮機の運転中に容器内のガス冷媒比体積が大きくなり容器内冷媒量を削減できる。
【００４０】
また、第一の蒸発器と第二の蒸発器を交互に切り替えて冷却を行うので、一つの蒸発器で冷却を行う冷凍システムや、複数の蒸発器に平行して冷媒を流して冷却を行う冷凍システムに比べて、冷却システムの配管容量が削減でき、冷媒量が削減可能となる。
【００４１】
また、第一の蒸発器で冷却を行う場合の蒸発温度と第二の蒸発器で冷却を行う場合の蒸発温度が異なり、負荷に応じて圧縮機能力で冷却能力の調節を行うので、各々の蒸発器で低圧縮比化による高効率な冷凍サイクル運転が可能である。
【００４３】
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、可燃性冷媒としてイソブタンを用い、圧縮機容器内の冷凍機油に前記イソブタンに対して相溶性のある鉱油を用いることを特徴とするので、低温高圧になると冷媒の溶解度が増加する相溶性のある冷凍機油を用いる場合には、圧縮機運転中に容器内圧力が低くなることで冷凍機油への冷媒溶け込みを軽減することができ、冷媒量を削減することができる。
【００４４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図１〜図８を用いて説明する。従来例と同一構成についてはその詳細な説明を省略し、同一符号を付す。
【００４５】
（実施の形態１）
図１と図２は、本発明の一実施の形態による冷却サイクル概略図である。
【００４６】
低圧容器型である能力可変型圧縮機１２と凝縮器２と流路制御手段である電動三方弁１３と第一の減圧手段であるキャピラリ７と第一の蒸発器３と第二の減圧手段であるキャピラリ８と第二の蒸発器５とを備え、能力可変型圧縮機１２と凝縮器２と第一のキャピラリ７と第一の蒸発器３とで閉ループを形成するとともに、第一のキャピラリ７と第一の蒸発器３に並列となるように第二のキャピラリ８と第二の蒸発器５とを接続してある。
【００４７】
電動三方弁１３は第一のキャピラリ７と第二のキャピラリ８の入口側に設けられている。
【００４８】
また、冷媒として例えば地球温暖化係数の低いＨＣ冷媒（プロパン、イソブタン）の可燃性冷媒を封入している。
【００４９】
以上の構成により、可燃性冷媒を用いる冷却サイクルにあって、圧縮機１２には低圧容器型を用いるので、圧縮機１２の運転中に容器内のガス冷媒比体積が大きくなり容器内冷媒量を削減できる。
【００５０】
さらに、例えばイソブタンと鉱油の組み合わせのように、相溶性のある冷凍機油を用いる場合には低温高圧になると冷媒の溶解度が増加する。圧縮機１２容器内には多量の冷凍機油が存在しており、圧縮機１２運転中に容器内圧力が低くなることで冷凍機油への冷媒とけ込みを軽減することができ、冷媒量の削減となる。非相溶の冷凍機油を用いるならばさらによい。
【００５１】
また、例えば区画の異なる被冷却物に対して、ダクト及び送風装置で冷却を行うのではなく、各々専用に蒸発器を配置し冷却を行うシステムであり、区画が分離している場合など、熱搬送時のエネルギ損失が少なく効率的である。
【００５２】
以下この冷却サイクルの動作について説明を行う。
【００５３】
能力可変型圧縮機１２を作動することにより高温高圧の冷媒が吐出され、凝縮器２により凝縮液化する。
【００５４】
液化した冷媒は、第一のキャピラリ７と第二のキャピラリ８のいずれかに流れ込むように電動三方弁１３により切り替えられる。
【００５５】
冷媒は第一のキャピラリ７もしくは第二のキャピラリ８で減圧された後、第一の蒸発器３もしくは第二の蒸発器５へと流入し、蒸発気化することで被冷却物の温度を下げる。気化した冷媒は、再び、圧縮機１２に吸入される。
【００５６】
第一の蒸発器３と第二の蒸発器５は冷却が必要である間、電動三方弁１３により交互に冷媒を供給されて、交互に冷却を行う。
【００５７】
冷却の停止は圧縮機１２の停止により行われる。
【００５８】
交互に冷却を行うために、被冷却物の冷却負荷量が同等であるとすると、一つの蒸発器の冷却時間の比率は最大でも５０％となるので、一定速の圧縮機で最大負荷を基準に冷却サイクルの設計を行うと通常負荷の場合は冷凍能力が大きくなり運転時間が短くなり、従来と同様の問題が生じるが、能力可変型圧縮機１２を用い、負荷に応じて圧縮機能力で冷却能力の調節を行うものである。
【００５９】
圧縮能力可変はインバーター等の回転数制御や、リニア圧縮機等のピストンストローク制御により行われる。
【００６０】
二つの蒸発器を交互に切り替えて冷却を行い、負荷に応じて圧縮機能力で冷却能力の調節を行うので、一つの蒸発器で冷却を行う冷却システムや、複数の蒸発器に平行して冷媒を流して冷却を行う冷却システムに比べて、冷却システムの配管容量が削減でき、冷媒量が削減可能となる。
【００６１】
なお、流路制御手段１３は電動三方弁としたが、二つの二方弁を第一、第二のキャピラリの入口側に設置しても同等の効果が得られる。
【００６２】
またなお、流路制御手段１３は各々減圧手段の入口側としたが、図２に示すように、第一の減圧手段７と第二の減圧手段８とを一つにまとめて減圧手段１４とし、減圧手段１４の出口側に流路制御手段１３を設けるならば、冷媒減圧後の回路切り替えとなるので流路制御手段１３の作動圧力差が小さく、小トルクでよいので小型化が可能であり、消費電力量の低減にもなる。
【００６３】
なお、第一の蒸発器３で冷却を行う場合の蒸発温度と第二の蒸発器５で冷却を行う場合の蒸発温度を異ならせることで、被冷却物の設定温度が異なる場合や、特に冷却スピードが要求され蒸発温度を下げたい場合など、各々の蒸発器で適正化を図ることができる。設定温度が異なる場合には各々の温度に見合って蒸発温度を上昇させて、低圧縮比化による高効率な冷却サイクル運転を行い、冷却スピードが要求される場合には冷却を行う蒸発温度を下げることで可能となる。
【００６４】
またなお、第一の蒸発器３が高温側で第二の蒸発器５が低温側であり、第二の蒸発器５出口に冷媒逆流防止手段である逆止弁９を設けたので、各々の蒸発器に温度差が生じて第二の蒸発器５に冷媒が流入することがなく、第一の蒸発器３での冷却運転中に冷媒が第二の蒸発器５に寝込むことがないので冷媒量を低く押さえることができる。
【００６５】
さらになお、電動三方弁１３を圧縮機１２停止中は第二の蒸発器５への冷媒回路を閉止させるならば、圧縮機１２停止中に凝縮器２にあった高温のガス冷媒が第二の蒸発器５へ流入することがなく、熱負荷の流入がない。
【００６６】
また、停止中に冷却システムの圧力が低くバランスするので圧縮機１２起動時の圧力差が小さく、圧縮機モーターの低トルク化による低コスト、小型化が可能である。
【００６７】
また、次回起動時に第一の蒸発器３から運転する場合は、冷媒が使用しない第二の蒸発器５内にはほとんどなく、使用する第一の蒸発器３内に存在しているので、すぐに使用する第一の蒸発器３の温度が低下し、冷却ロスが少ない。
【００６８】
さらに、電動三方弁１３は二回路切替のためソレノイド作動タイプであり、通電されると第一の蒸発器３へ冷媒を流す方向に回路を切り替え、通電されない時は第二の蒸発器５へと冷媒を流す方向に回路を切り替えるものでありシンプルで低コストな構成が可能である。また、停止時に通電停止とするので消費電力量低減になる。
【００６９】
なお、電動三方弁１３は構造と制御が簡易であり低コストなソレノイド駆動タイプとしたが、自己保持型の例えばパルスモータなどのモータ駆動タイプとするならば、電力消費を流路切り替え動作時のみとし、特に省エネルギ面で効果があり、プランジャの衝突音が無いので低騒音である。
【００７０】
またなお、凝縮器は電動ファンにより強制冷却されるものであるならば凝縮能力の向上がはかれて、凝縮器の配管容量削減できるので、冷媒量削減に効果がある。
【００７１】
さらになお、蒸発器は電動ファンにより強制的に空気を循環させて被冷却物を冷却しても同様の効果が得られる。
【００７２】
（実施の形態２）
図３は本発明の他の実施の形態による流路制御弁の概略図である。
【００７３】
流路制御手段１３が第一の蒸発器３への冷媒回路を開放する第一の位置１５と第二の蒸発器５への冷媒回路を開放する第二の位置１６と冷媒回路を遮断する第三の位置１７とを備えている。
【００７４】
また、回転軸１８に偏芯して固定されたシール部材１９がシリンダ２０内を回転移動し、第一、第二、第三の位置にそれぞれ停止することで各位置に接続された配管を閉止するものである。回転は図示しない駆動手段と伝達手段により行われる。各位置への位置決めは、例えばパルスモーターの駆動パルス数により制御される。
【００７５】
なお、リミットスイッチ等の位置検出手段によって位置決め図ってもよい。
【００７６】
以上のような流路制御手段１３により、各々蒸発器を切り替える場合は流路制御弁１３の第一の位置１５と第二の位置１６で行い、圧縮機１２停止時は第三の位置１７で高低圧ガスカットを行うので、停止中にいずれの蒸発器にも冷媒をため込まないので、次回圧縮機１２起動時に第一の蒸発器３、第二の蒸発器５のいずれにもすぐに冷媒供給が可能であり、起動ロスが少ない。
【００７７】
また、停止中に高温のガス冷媒がいずれの蒸発器へも流入しないので熱負荷の流入を防止できる。
【００７８】
（実施の形態３）
図４は、本発明の他の実施の形態による冷蔵庫の概略図、図５は同実施の形態によるタイムチャートである。
【００７９】
２１は冷凍冷蔵庫箱体であり、上方部に比較的高温の室である冷蔵室４を、下方部に比較的低温の冷凍室６を配置してあり、例えばウレタンのような断熱材で周囲と断熱して構成している。食品等の収納物の出し入れは図示しない断熱ドアを介して行われる。
【００８０】
冷蔵室４は冷蔵保存のために通常３〜５℃で設定されているが、保鮮性向上のため若干低めの温度、例えば０〜−３℃で設定されることもあり、収納物によって、使用者が自由に上記のような温度設定を切り替えることを可能としている場合もある。また、ワインや根野菜等の保鮮のために、例えば１０℃前後の若干高めの温度設定とする場合もある。
【００８１】
冷凍室６は冷蔵室４に比べて低い温度設定としており、通常は冷凍保存のために−１８〜−２２℃で設定されている。また、保鮮性向上のためより低温の温度、例えば−２５〜−３０℃で設定されることもある。
【００８２】
冷却サイクル２２は能力可変型圧縮機１２と凝縮器２と第一の減圧手段であるキャピラリ７と第一の蒸発器３とで閉ループを構成し、第二の減圧手段であるキャピラリ８と第二の蒸発器５と逆流防止手段である逆止弁９を第一のキャピラリ７と第一の蒸発器３に並列となるように接続してある。
【００８３】
流路制御手段である電動三方弁１３は第一のキャピラリ７と第二のキャピラリ８の入口側に設けられている。
【００８４】
電動三方弁１３はソレノイド作動タイプであり、通電されると第一の蒸発器３へ冷媒を流す方向に回路を切り替え、通電されない時は第二の蒸発器５へと冷媒を流す方向に回路を切り替えるものである。
【００８５】
第一の蒸発器３は冷蔵室４内の、例えば冷蔵室４奥面に配設されており、近傍には冷蔵室４の室内空気を第一の蒸発器３に通過させて循環させる第一の電動ファン２３が設けてある。
【００８６】
また、第二の蒸発器５は冷凍室６内の、例えば冷凍室６奥面に配設されており、近傍には冷凍室６の室内空気を第二の蒸発器５を通過させて循環させる第二の電動ファン２４が設けてある。
【００８７】
圧縮機１２と凝縮器２と電動三方弁１３と逆止弁９とは可燃性冷媒使用での安全性向上の面から冷凍冷蔵庫箱体２１内での配管接続箇所削減のために機械室２５に配設されている。
【００８８】
圧縮機１２は可燃性冷媒使用量削減のために低圧容器型とし、各蒸発器から戻ってくる冷媒は圧縮機吸入管２６を通って、圧縮機１２内空間へと放出された後、圧縮機構部２７に吸入され圧縮機吐出管２８を通じて吐出される構成である。
【００８９】
さらに圧縮機１２は例えばインバーターによる回転数制御で冷媒循環量を制御し冷凍能力を変化させることができる能力可変型としてある。
【００９０】
また、冷蔵室４と冷凍室６には図示しない室内温度を検知する、例えばサーミスタである温度検知手段を設けてあり、能力可変型圧縮機１２と電動三方弁１３と第一の電動ファン２３と第二の電動ファン２４とを制御する図示しない制御手段とを備えている。
【００９１】
以上のように構成された冷蔵庫について、その動作を説明する。
【００９２】
冷蔵室４の温度が上昇すると、冷蔵室の温度検知手段が、所定の温度（ｔ１ｕ）を超えることを検知する。制御手段はこの信号を受けて、圧縮機１２と第一の電動ファン２３とを作動し、電動三方弁１３の通電を行う。
【００９３】
圧縮機１２の動作により吐出された高温高圧の冷媒は、凝縮器２により凝縮液化し、電動三方弁１３により、第一のキャピラリ７で減圧されて第一の蒸発器３へと流入する。
【００９４】
このとき制御手段により圧縮機１２は比較的低い冷凍能力となる低回転運転（ｒ１）となるようインバーター制御される。
【００９５】
第一の電動ファン２３の作動により冷蔵室４内の空気が積極的に第一の蒸発器３と熱交換することで、冷媒は第一の蒸発器３内で蒸発気化する。気化した冷媒は、再び、圧縮機１２に吸入される。熱交換された空気はより低温の空気となり、室内の温度を下げる。
【００９６】
冷蔵室４内の温度が低下し、温度検知手段が所定の温度（ｔ１ｌ）より低くなることを検知すると制御手段により圧縮機１２と第一の電動ファン２３とを停止し、電動三方弁１３を通電停止とする。
【００９７】
例えば３℃の比較的高温に設定された冷蔵室４をより高い成績係数で運転可能な高蒸発温度で冷却を行うものであるが、圧縮機１２の能力可変により適度な冷凍能力での高蒸発温度化が可能である。
【００９８】
また、蒸発温度の設定は圧縮機１２の能力可変幅により決定し、可変幅が大きいほどより高蒸発温度化が可能である。
【００９９】
従来例では０℃〜−５℃の蒸発温度で冷却を行っているが、あまりに圧縮機１２の可変幅が大きくなるため、圧縮機可変幅全域で高効率を維持することが難しく、また、コスト、信頼性の面でも不利である。
【０１００】
そこで、圧縮機１２の可変幅として２〜３倍程度として、蒸発温度は低温側で−３０℃程度、高温側で−１０℃〜−１５℃程度の設定とする。
【０１０１】
また、冷凍室６の温度が上昇すると、冷凍室の温度検知手段が、所定の温度（ｔ２ｕ）を超えることを検知する。制御手段はこの信号を受けて、圧縮機１２と第二の電動ファン２４とを作動し、電動三方弁１３の通電停止を行う。
【０１０２】
このとき制御手段により圧縮機１２は比較的高い冷凍能力となる高回転運転（ｒ２）となるようインバーター制御される。
【０１０３】
冷媒は電動三方弁１３により、第二のキャピラリ８で減圧されて第二の蒸発器５へと流入する。
【０１０４】
第二の電動ファン２３の作動により冷凍室６が冷却されて、温度検知手段が所定の温度（ｔ２ｌ）より低くなることを検知すると制御手段により圧縮機１２と第二の電動ファン２４とを停止する。
【０１０５】
以上の動作を繰り返して温度調節を行うものである。
【０１０６】
次に、冷蔵室４と冷凍室６との冷却タイミングについて図３のタイムチャートを元に説明する。
【０１０７】
冷蔵室の温度検知手段が冷蔵室の温度上昇を検知し、前述のように冷却を開始する（Ｔ１）。
【０１０８】
冷凍室の温度検知手段が冷凍室６の温度上昇を検知しても、冷蔵室４が所定の温度（ｔ１ｌ）に達するまで優先的に冷却を行う（Ｔ２）。
【０１０９】
冷蔵室の温度検知手段が所定の温度（ｔ１ｌ）以下となったことを検知し、かつ、このとき冷凍室の温度検知手段が所定の温度（ｔ２ｕ）以上であることを検知したならば、制御手段により冷凍室６の冷却に切り替える。
【０１１０】
制御手段により、電動三方弁１３が切り替えられて、第二の蒸発器５に冷媒が供給され、第一の蒸発器３への冷媒供給が停止される。同時に第一の電動ファン２３は停止し、第二の電動ファン２４が作動する。圧縮機１２はインバーター制御により低回転数（ｒ１）から高回転数（ｒ２）へと冷凍能力を変化させる（Ｔ３）。
【０１１１】
冷凍室６の冷却中に、再び冷蔵室４が昇温し、冷蔵室の温度検知手段が所定の温度（ｔ１ｕ）以上を検知すると、制御手段により電動三方弁１３が通電され第一の蒸発器３に冷媒が供給され、第二の蒸発器５への冷媒供給が停止される。同時に第二の電動ファン２４は停止し、第一の電動ファン２３が作動する。圧縮機１２はインバーター制御により高回転数（ｒ２）から低回転数（ｒ１）へと冷凍能力を変化させる（Ｔ４）。
【０１１２】
冷蔵室４が所定の温度（ｔ１ｌ）に達するまで優先的に冷却を行い、冷蔵室の温度検知手段が所定の温度（ｔ１ｌ）以下を検知したならば、前述のように再度冷却の切り替えが行われ冷凍室６が冷却される（Ｔ５）。
【０１１３】
冷凍室６が冷却されて温度検知手段が所定の温度（ｔ２ｌ）以下を検知し、かつこのときの冷蔵室の温度検知手段が所定の温度（ｔ１ｕ）以下であることを検知したならば、制御手段により圧縮機１２、第二の電動ファン２３を停止し、電動三方弁１３を通電停止とする（Ｔ６）。
【０１１４】
再び各室の温度が上昇し、所定の温度以上（ｔ１ｕ、ｔ２ｕ）となると、同様に冷却が行われる。
【０１１５】
以上のことから、可燃性冷媒を用いる場合に、冷蔵室４と冷凍室６とを交互に冷却を行い、第一の蒸発器３と第二の蒸発器５とに交互に冷媒を供給するので、冷蔵室４の冷却時に比較的高い蒸発温度として、圧縮機１２の成績係数を向上させることができる。さらに、インバーター等の能力可変制御により、冷蔵室４の比較的高い蒸発温度で冷却時の圧縮機冷凍能力を低減することができるので、冷蔵室４冷却時に必要冷媒量が増加することがなく、冷媒封入量を低減することができる。
【０１１６】
冷凍冷蔵庫箱体２１を温度帯によって分割し、各温度帯を冷却する蒸発器に交互に冷媒を供給して冷却を行うので、従来の一つの蒸発器のみの冷却システムや、複数の蒸発器に平行して冷媒を流して冷却を行う冷却システムに比べて、小型冷凍庫と、小型冷蔵庫を併せたようなものであるので冷媒量の削減が可能となる。
【０１１７】
さらには圧縮機１２の能力可変により各室の冷凍能力差を抑えることができるので大きな冷媒余剰が発生することを抑制でき、余剰冷媒を蒸発器に貯留することがないので、冷媒量が削減可能である。
【０１１８】
また、高蒸発温度化による冷凍能力の増大を抑制できるので、第一の蒸発器３を極度に大型化することなく冷凍システムを構成できる。
【０１１９】
さらに、冷蔵室４の冷却に用いる冷凍能力が抑制できるので冷蔵室４の冷却時間が非常に短くなることがなく、圧縮機１４の起動ロスや冷却切り替えロスが比率的に低減でき効率低下を防止する。
【０１２０】
なお、冷蔵室４と冷凍室６の冷却タイミングについての説明において冷蔵室４の冷却を優先したが、冷凍室６の温度を優先して冷却しても同様の効果が得られる。
【０１２１】
またなお、冷凍サイクルの冷媒に可燃性自然冷媒Ｒ６００ａを用いることにより、通常使用されている冷媒Ｒ１３４ａと比べて同等冷凍サイクルにおける圧縮機冷凍能力を抑制することが可能である。
【０１２２】
圧縮機１２のインバーター能力可変制御において、可変幅を高回転側にシフトすることが可能であり、能力可変幅として極端に低能力域を使用することなく、回転数低下による効率低下や、給油量の低下による信頼性低下を防止できる。
【０１２３】
（実施の形態４）
図６と図７に本発明の他の実施の形態による冷蔵庫の断面概略図を示す。
【０１２４】
図６に示すように、第一の蒸発器３と圧縮機１２との間に接続された第一のサクションパイプ２９と第一の減圧手段であるキャピラリ７とを熱交換可能に断熱壁中に配設し、第二の蒸発器５と圧縮機１２との間に接続された第二のサクションパイプ３０と第二の減圧手段であるキャピラリ８とを熱交換可能に断熱壁中に配設する。
【０１２５】
逆流防止手段９は第二のサクションパイプ３０下流側に設けてあり、断熱材中に配置することがないので冷媒リーク時の安全性を向上させる。さらに、メンテナンス性についても向上させることができる。
【０１２６】
熱交換部は束ねてテープ等により密接させて断熱材が回り込まないようにしても良いが、半田付けにより熱伝達を向上させることが望ましい。
【０１２７】
また、十分に熱交換を行わさせるために熱交換距離を長くとるほうが有利であるが、長すぎるとサクションパイプ２１の圧損が大きくなり効率低下となるので１０００ｍｍから２０００ｍｍとする。
【０１２８】
これにより、第一の蒸発器３を出た冷媒が第一のサクションパイプ２９を通って圧縮機１２へと戻るまでに、冷媒が通過している第一のキャピラリ７と熱交換を行って、圧縮機吸い込み接続配管の温度を上昇させるので結露を防止でき、水たれ、錆を防止できる。
【０１２９】
また、第二の蒸発器５を出た冷媒も同様に第二のキャピラリ８と第二のサクションパイプ３０が熱交換を行うので圧縮機吸い込み接続配管の温度を上昇させる。
【０１３０】
また、キャピラリを冷却することから、凝縮器２で過冷却をとらなくても冷却サイクル２２の冷凍効果を増加させて冷却性能の向上を図ることが可能であり、過冷却をとる場合に比べて冷媒量の削減につながる。
【０１３１】
なお、図７に示す用に第一、第二のサクションパイプを一つにまとめたサクションパイプ３１が第一の蒸発器と第二の蒸発器の出口側合流後に位置しており、第一の減圧手段であるキャピラリ７と第二の減圧手段であるキャピラリ８とを熱交換可能に断熱壁中に配設してある。また、逆流防止手段９はサクションパイプ３１上流側に設けて断熱材中に配置してある。
【０１３２】
これにより、サクションパイプ３１とキャピラリの断熱材中の配管配設取り回しが簡易であり低コストとなる。
【０１３３】
また、常に閉止している回路側のキャピラリも予冷しているので、冷蔵室４と冷凍室６の冷却切り替え時にキャピラリの流量を確保でき切り替え性がよく、効率を向上させることができる。
【０１３４】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、可燃性冷媒の冷媒量削減により可燃性冷媒使用時の安全性を高めることが可能な冷却サイクル及び冷蔵庫を提供することができる。
【０１３５】
また、密閉空間内への配管接続箇所削減による可燃性冷媒リーク時の安全性を高めることが可能な冷却サイクル及び冷蔵庫を提供することができる。
【０１３６】
また、成績係数の向上と過渡特性改善による効率向上による省エネルギ化を図ることが可能な冷却サイクル及び冷蔵庫を提供することができる。
【０１３７】
無効容積である冷却サイクルの容量を削減することで収納スペースの拡大を図ることが可能な冷却サイクル及び冷蔵庫を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による冷却サイクル概略図
【図２】同実施の形態による冷却サイクル概略図
【図３】他の実施の形態による流路制御手段の概略図
【図４】他の実施の形態による冷蔵庫の概略図
【図５】他の実施の形態による冷蔵庫の運転タイムチャート
【図６】他の実施の形態による冷蔵庫の断面概略図
【図７】同実施の形態による冷蔵庫の断面概略図
【図８】従来の冷凍冷蔵庫の断面概略図
【符号の説明】
２ 凝縮器
３ 第一の蒸発器
４ 冷蔵室
５ 第二の蒸発器
６ 冷凍室
７ 第一の減圧手段
８ 第二の減圧手段
９ 逆流防止手段
１２ 低圧容器型の能力可変型圧縮機
１３ 流路制御手段
１４ 減圧手段
１５ 第一の位置
１６ 第二の位置
１７ 第三の位置
２５ 機械室
２９ 第一のサクションパイプ
３０ 第二のサクションパイプ
３１ サクションパイプ
【発明の属する技術分野】
本発明は、可燃性冷媒と能力可変型圧縮機を用いて冷媒量削減と高効率化を図った冷蔵庫に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図９に従来の冷却サイクル並びに冷蔵庫の一例の概略図を示す。
【０００３】
１は一定速圧縮機、２は凝縮器、３は冷蔵室４内に配設された第一の蒸発器であり、５は冷凍室６内に配設された第二の蒸発器である。
【０００４】
７は冷蔵室冷却用である第一の蒸発器３の冷媒回路上流側に配設された第一のキャピラリであり、８は冷凍室冷却用である第二の蒸発器５の冷媒回路上流側に配設された第二のキャピラリであり、９は冷凍室冷却用である第二の蒸発器５の下流側に設けた逆止弁である。
【０００５】
１０は第一の蒸発器３の冷媒回路下流側に配設された第一の開閉弁であり、１１は第二のキャピラリ８の冷媒回路上流側に設けられた第二の開閉弁である。
【０００６】
以上のように構成された従来例の冷蔵庫について、以下その動作を説明する。
【０００７】
冷凍サイクルの運転は以下のように行われる。まず圧縮機１により圧縮された冷媒が凝縮器２で凝縮液化される。凝縮された冷媒は第一のキャピラリ７もしくは第二のキャピラリ８で減圧されて、それぞれ第一の蒸発器３、第二の蒸発器５へ流入、蒸発気化された後、再び圧縮機１へと吸入される。
【０００８】
冷媒が蒸発気化することにより比較的低温となった第一の蒸発器３、第二の蒸発器５と冷蔵室４、冷凍室６の空気が熱交換することにより各室が冷却される。
【０００９】
冷凍冷蔵庫の冷却運転は図示しない各室の温度検知手段と制御手段により以下のように行われる。
【００１０】
冷蔵室４、冷凍室６の各温度検知手段が所定値以上の温度上昇を検知すると圧縮機１が起動し、冷凍サイクルの運転が行われる。冷蔵室４の温度検知手段が所定値以下となるまで第一の開閉弁１０が開放となり、第二の開閉弁１１は閉止となる。
【００１１】
これにより冷媒は第二の蒸発器５には流入することなく、第一の蒸発器３へのみ流れる。このときの蒸発温度の設定は、冷蔵室４の温度設定が５℃程度に対して０〜−５℃であり、通常の−２５〜−３０℃の蒸発温度に対して２〜２．５倍の成績係数で圧縮機の運転が可能である。
【００１２】
冷蔵室４が冷却されて温度が低下し、温度検知手段が所定値以下を検知すると、第一の開閉弁１０が閉止し、第二の開閉弁１１が開放となる。
【００１３】
これにより冷媒は第二の蒸発器５へと流入し、冷凍室６の冷却が行われる。このときの冷凍サイクルの蒸発温度は冷凍室の温度設定が−１８℃程度に対し通常の蒸発温度で冷却される。
【００１４】
以上のように冷蔵室４と冷凍室６とを蒸発器への冷媒供給時間を分配して、交互に繰り返し冷却するので、冷蔵室４冷却時は独立的に冷媒を第一の蒸発器へと循環させることで低圧圧力調整弁が不要で高蒸発温度（０〜−５℃）が可能であり、圧縮機１の圧縮比を小さくでき、高い成績係数で運転を行い効率化を図るものである。
【００１５】
さらに、逆止弁９は冷蔵室４冷却中の蒸発温度が高いので、第二の蒸発器５に冷媒が流れ込むのを防止するものである。
【００１６】
また、冷凍室６の冷却を行う場合、冷蔵室４の冷却中に比較して冷媒量が少なくてすむので、通常は冷媒量過多となる。しかしながら第一の開閉弁１０が第一の蒸発器３の下流側に設けてあり、これを閉止するので第一の蒸発器３に冷媒を溜め込むことが可能であり、冷媒量調節ができる（例えば、特許文献１参照。）。
【００１７】
【特許文献１】
特公昭６２−２２３９６号公報
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記のような冷蔵庫にあっては、冷蔵庫で通常使われているロータリータイプやレシプロタイプの圧縮機の特性を鑑みれば、高蒸発温度で運転するほど圧縮比の低減により成績係数は向上し、高効率な冷凍サイクルが期待できるが、同時に高蒸発温度化による吸込み冷媒比体積の減少により圧縮機１の冷凍能力が非常に増大することが問題である。
【００１９】
では冷凍能力が増大することによってどのような問題が生じるのか以下説明する。
【００２０】
従来例において、通常の蒸発温度とされる−２５〜−３０℃から０〜−５℃へと蒸発温度を引き上げることで圧縮機の成績係数が２〜２．５倍程度となるが、同時に圧縮機の冷凍能力は３〜５倍となる。
【００２１】
この３〜５倍となる圧縮機の冷凍能力を効果的に冷蔵室４の冷却に用いなければ高効率化はできないのである。
【００２２】
圧縮機１の冷凍能力を冷蔵室４の冷却に効果的に用いるためには第一の蒸発器３と冷蔵室４空気との熱交換能力を拡大する必要がある。
【００２３】
蒸発器の熱交換能力は熱貫流率と熱交換面積と熱交換温度差（蒸発温度と空気温度との差）の積により表せられるが、比較的高蒸発温度とすること自体、熱交換温度差の元となる蒸発温度と冷蔵室設定温度との差が３０〜３５ｄｅｇから５〜１０ｄｅｇと非常に減少し第一の蒸発器３の熱交換能力が低下することとなる。加えて圧縮機１の冷凍能力が３〜５倍増大することに対処すると、９〜３０倍程度の熱交換能力が要求される。
【００２４】
このように非常に大きな熱交換器が必要となり冷蔵庫の収納スペースを減少させる無効容積の増大となる。
【００２５】
さらには、高能力で大きな熱交換器が必要となれば、必要な冷媒量も増大し、可燃性冷媒を用いるにあっては冷媒漏洩時の危険性が大きくなる問題がある。
【００２６】
また、冷凍室６冷却時には前述の理由から冷蔵室４冷却時に比べて冷媒量が少なくてすむので、第一の蒸発器３に冷媒を溜め込み冷媒余剰量を調節しているが、これも封入冷媒量が増大することとなる。
【００２７】
また、圧縮機１の起動時には冷媒が蒸発器に安定的に供給されるまで圧縮機１の入力に見合った出力が得られない運転ロスの大きい過渡期が生じる。さらに、冷蔵室４と冷凍室６の冷却切り替え時にも同様の運転ロスの大きい過渡期が生じる。
【００２８】
増大した圧縮機１の冷凍能力を切り替え時間の分配率で調節すると、冷蔵室４の冷却時間が大幅に短縮される。
【００２９】
このとき運転ロスの大きい過渡期が短縮されることがないので結果として安定した冷却時間に対する過渡期の時間比率が高まることとなり、効率低下となる。
【００３０】
さらに、一日あたりの圧縮機起動及び冷蔵室４と冷凍室６の冷却運転切り替え回数が増加することになり効率低下となる。
【００３１】
冷蔵室４の温度調節幅をより低い温度まで広げることにより対応することも考えられるが、食品保鮮上、温度の変動が大きいことは好ましくなく、さらには冷蔵室４においては温度低下しすぎると氷結し、収納食品にダメージを与えることとなる。
【００３２】
一方、圧縮機の小型化により、３〜５倍程度の冷凍能力を抑制するためには、非常に小型の圧縮機を用いる必要があり、冷蔵庫４冷却時に圧縮機の冷凍能力は確保できるものの、冷凍室６冷却時には圧縮機の冷凍能力が不足し温度が維持できなくなる問題がある。
【００３３】
また、冷媒回路の接続箇所が多くあるので冷媒リークの可能性が比較的高いという問題がある。
【００３４】
本発明は、以上のような従来の課題を解決するもので、可燃性冷媒の冷媒量削減により可燃性冷媒使用時の安全性を高める冷却サイクル及び冷蔵庫を提供することを目的とする。
【００３５】
また、密閉空間内への配管接続箇所削減による可燃性冷媒リーク時の安全性を高める冷却サイクル及び冷蔵庫を提供することを目的とする。
【００３６】
また、成績係数の向上と過渡特性改善による効率向上による省エネルギ化を図る冷却サイクル及び冷蔵庫を提供することを目的とする。
【００３７】
無効容積である冷却サイクルの容量を削減することで収納スペースの拡大を図る冷却サイクル及び冷蔵庫を提供することを目的とする。
【００３８】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載の発明は、圧縮機と、凝縮器と、流路制御手段と、第一の減圧手段と、第一の蒸発器と、第二の減圧手段と、第二の蒸発器と、可燃性冷媒を封入してなる冷却サイクルと、冷蔵室と、冷凍室とを備えたものであって、前記冷蔵室に高温側の冷却器として前記第一の蒸発器を設け、前記冷凍室に低温側の冷却器として前記第二の蒸発器を設け、前記圧縮機と凝縮器と第一の減圧手段と第一の蒸発器とで第一の冷却サイクルを形成するとともに、前記第一の減圧手段と第一の蒸発器に並列となるように前記第二の減圧手段と第二の蒸発器とを第二の冷却サイクルとして接続し、前記流路制御手段を第一の減圧手段と第二の減圧手段の入口側に配設して前記第一の冷却サイクルと前記第二の冷却サイクルへの冷媒供給を並行して行わず交互に切り替えて運転時の必要冷媒量を少量化し、かつ前記圧縮機を低圧容器型とすることで運転中の冷凍機油への冷媒溶け込み量が軽減されることと前記圧縮機を能力可変圧縮機として運転中の前記第一の冷却サイクルと前記第二の冷却サイクルとの必要冷凍能力の差を冷媒循環量の増減で補うことを見込んで、前記冷却サイクルへの前記可燃性冷媒の封入量を予め少冷媒化したことを特徴とする。
【００３９】
以上の構成により、可燃性冷媒を用いる冷却サイクルにあって、圧縮機には低圧容器型を用いるので、圧縮機の運転中に容器内のガス冷媒比体積が大きくなり容器内冷媒量を削減できる。
【００４０】
また、第一の蒸発器と第二の蒸発器を交互に切り替えて冷却を行うので、一つの蒸発器で冷却を行う冷凍システムや、複数の蒸発器に平行して冷媒を流して冷却を行う冷凍システムに比べて、冷却システムの配管容量が削減でき、冷媒量が削減可能となる。
【００４１】
また、第一の蒸発器で冷却を行う場合の蒸発温度と第二の蒸発器で冷却を行う場合の蒸発温度が異なり、負荷に応じて圧縮機能力で冷却能力の調節を行うので、各々の蒸発器で低圧縮比化による高効率な冷凍サイクル運転が可能である。
【００４３】
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、可燃性冷媒としてイソブタンを用い、圧縮機容器内の冷凍機油に前記イソブタンに対して相溶性のある鉱油を用いることを特徴とするので、低温高圧になると冷媒の溶解度が増加する相溶性のある冷凍機油を用いる場合には、圧縮機運転中に容器内圧力が低くなることで冷凍機油への冷媒溶け込みを軽減することができ、冷媒量を削減することができる。
【００４４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図１〜図８を用いて説明する。従来例と同一構成についてはその詳細な説明を省略し、同一符号を付す。
【００４５】
（実施の形態１）
図１と図２は、本発明の一実施の形態による冷却サイクル概略図である。
【００４６】
低圧容器型である能力可変型圧縮機１２と凝縮器２と流路制御手段である電動三方弁１３と第一の減圧手段であるキャピラリ７と第一の蒸発器３と第二の減圧手段であるキャピラリ８と第二の蒸発器５とを備え、能力可変型圧縮機１２と凝縮器２と第一のキャピラリ７と第一の蒸発器３とで閉ループを形成するとともに、第一のキャピラリ７と第一の蒸発器３に並列となるように第二のキャピラリ８と第二の蒸発器５とを接続してある。
【００４７】
電動三方弁１３は第一のキャピラリ７と第二のキャピラリ８の入口側に設けられている。
【００４８】
また、冷媒として例えば地球温暖化係数の低いＨＣ冷媒（プロパン、イソブタン）の可燃性冷媒を封入している。
【００４９】
以上の構成により、可燃性冷媒を用いる冷却サイクルにあって、圧縮機１２には低圧容器型を用いるので、圧縮機１２の運転中に容器内のガス冷媒比体積が大きくなり容器内冷媒量を削減できる。
【００５０】
さらに、例えばイソブタンと鉱油の組み合わせのように、相溶性のある冷凍機油を用いる場合には低温高圧になると冷媒の溶解度が増加する。圧縮機１２容器内には多量の冷凍機油が存在しており、圧縮機１２運転中に容器内圧力が低くなることで冷凍機油への冷媒とけ込みを軽減することができ、冷媒量の削減となる。非相溶の冷凍機油を用いるならばさらによい。
【００５１】
また、例えば区画の異なる被冷却物に対して、ダクト及び送風装置で冷却を行うのではなく、各々専用に蒸発器を配置し冷却を行うシステムであり、区画が分離している場合など、熱搬送時のエネルギ損失が少なく効率的である。
【００５２】
以下この冷却サイクルの動作について説明を行う。
【００５３】
能力可変型圧縮機１２を作動することにより高温高圧の冷媒が吐出され、凝縮器２により凝縮液化する。
【００５４】
液化した冷媒は、第一のキャピラリ７と第二のキャピラリ８のいずれかに流れ込むように電動三方弁１３により切り替えられる。
【００５５】
冷媒は第一のキャピラリ７もしくは第二のキャピラリ８で減圧された後、第一の蒸発器３もしくは第二の蒸発器５へと流入し、蒸発気化することで被冷却物の温度を下げる。気化した冷媒は、再び、圧縮機１２に吸入される。
【００５６】
第一の蒸発器３と第二の蒸発器５は冷却が必要である間、電動三方弁１３により交互に冷媒を供給されて、交互に冷却を行う。
【００５７】
冷却の停止は圧縮機１２の停止により行われる。
【００５８】
交互に冷却を行うために、被冷却物の冷却負荷量が同等であるとすると、一つの蒸発器の冷却時間の比率は最大でも５０％となるので、一定速の圧縮機で最大負荷を基準に冷却サイクルの設計を行うと通常負荷の場合は冷凍能力が大きくなり運転時間が短くなり、従来と同様の問題が生じるが、能力可変型圧縮機１２を用い、負荷に応じて圧縮機能力で冷却能力の調節を行うものである。
【００５９】
圧縮能力可変はインバーター等の回転数制御や、リニア圧縮機等のピストンストローク制御により行われる。
【００６０】
二つの蒸発器を交互に切り替えて冷却を行い、負荷に応じて圧縮機能力で冷却能力の調節を行うので、一つの蒸発器で冷却を行う冷却システムや、複数の蒸発器に平行して冷媒を流して冷却を行う冷却システムに比べて、冷却システムの配管容量が削減でき、冷媒量が削減可能となる。
【００６１】
なお、流路制御手段１３は電動三方弁としたが、二つの二方弁を第一、第二のキャピラリの入口側に設置しても同等の効果が得られる。
【００６２】
またなお、流路制御手段１３は各々減圧手段の入口側としたが、図２に示すように、第一の減圧手段７と第二の減圧手段８とを一つにまとめて減圧手段１４とし、減圧手段１４の出口側に流路制御手段１３を設けるならば、冷媒減圧後の回路切り替えとなるので流路制御手段１３の作動圧力差が小さく、小トルクでよいので小型化が可能であり、消費電力量の低減にもなる。
【００６３】
なお、第一の蒸発器３で冷却を行う場合の蒸発温度と第二の蒸発器５で冷却を行う場合の蒸発温度を異ならせることで、被冷却物の設定温度が異なる場合や、特に冷却スピードが要求され蒸発温度を下げたい場合など、各々の蒸発器で適正化を図ることができる。設定温度が異なる場合には各々の温度に見合って蒸発温度を上昇させて、低圧縮比化による高効率な冷却サイクル運転を行い、冷却スピードが要求される場合には冷却を行う蒸発温度を下げることで可能となる。
【００６４】
またなお、第一の蒸発器３が高温側で第二の蒸発器５が低温側であり、第二の蒸発器５出口に冷媒逆流防止手段である逆止弁９を設けたので、各々の蒸発器に温度差が生じて第二の蒸発器５に冷媒が流入することがなく、第一の蒸発器３での冷却運転中に冷媒が第二の蒸発器５に寝込むことがないので冷媒量を低く押さえることができる。
【００６５】
さらになお、電動三方弁１３を圧縮機１２停止中は第二の蒸発器５への冷媒回路を閉止させるならば、圧縮機１２停止中に凝縮器２にあった高温のガス冷媒が第二の蒸発器５へ流入することがなく、熱負荷の流入がない。
【００６６】
また、停止中に冷却システムの圧力が低くバランスするので圧縮機１２起動時の圧力差が小さく、圧縮機モーターの低トルク化による低コスト、小型化が可能である。
【００６７】
また、次回起動時に第一の蒸発器３から運転する場合は、冷媒が使用しない第二の蒸発器５内にはほとんどなく、使用する第一の蒸発器３内に存在しているので、すぐに使用する第一の蒸発器３の温度が低下し、冷却ロスが少ない。
【００６８】
さらに、電動三方弁１３は二回路切替のためソレノイド作動タイプであり、通電されると第一の蒸発器３へ冷媒を流す方向に回路を切り替え、通電されない時は第二の蒸発器５へと冷媒を流す方向に回路を切り替えるものでありシンプルで低コストな構成が可能である。また、停止時に通電停止とするので消費電力量低減になる。
【００６９】
なお、電動三方弁１３は構造と制御が簡易であり低コストなソレノイド駆動タイプとしたが、自己保持型の例えばパルスモータなどのモータ駆動タイプとするならば、電力消費を流路切り替え動作時のみとし、特に省エネルギ面で効果があり、プランジャの衝突音が無いので低騒音である。
【００７０】
またなお、凝縮器は電動ファンにより強制冷却されるものであるならば凝縮能力の向上がはかれて、凝縮器の配管容量削減できるので、冷媒量削減に効果がある。
【００７１】
さらになお、蒸発器は電動ファンにより強制的に空気を循環させて被冷却物を冷却しても同様の効果が得られる。
【００７２】
（実施の形態２）
図３は本発明の他の実施の形態による流路制御弁の概略図である。
【００７３】
流路制御手段１３が第一の蒸発器３への冷媒回路を開放する第一の位置１５と第二の蒸発器５への冷媒回路を開放する第二の位置１６と冷媒回路を遮断する第三の位置１７とを備えている。
【００７４】
また、回転軸１８に偏芯して固定されたシール部材１９がシリンダ２０内を回転移動し、第一、第二、第三の位置にそれぞれ停止することで各位置に接続された配管を閉止するものである。回転は図示しない駆動手段と伝達手段により行われる。各位置への位置決めは、例えばパルスモーターの駆動パルス数により制御される。
【００７５】
なお、リミットスイッチ等の位置検出手段によって位置決め図ってもよい。
【００７６】
以上のような流路制御手段１３により、各々蒸発器を切り替える場合は流路制御弁１３の第一の位置１５と第二の位置１６で行い、圧縮機１２停止時は第三の位置１７で高低圧ガスカットを行うので、停止中にいずれの蒸発器にも冷媒をため込まないので、次回圧縮機１２起動時に第一の蒸発器３、第二の蒸発器５のいずれにもすぐに冷媒供給が可能であり、起動ロスが少ない。
【００７７】
また、停止中に高温のガス冷媒がいずれの蒸発器へも流入しないので熱負荷の流入を防止できる。
【００７８】
（実施の形態３）
図４は、本発明の他の実施の形態による冷蔵庫の概略図、図５は同実施の形態によるタイムチャートである。
【００７９】
２１は冷凍冷蔵庫箱体であり、上方部に比較的高温の室である冷蔵室４を、下方部に比較的低温の冷凍室６を配置してあり、例えばウレタンのような断熱材で周囲と断熱して構成している。食品等の収納物の出し入れは図示しない断熱ドアを介して行われる。
【００８０】
冷蔵室４は冷蔵保存のために通常３〜５℃で設定されているが、保鮮性向上のため若干低めの温度、例えば０〜−３℃で設定されることもあり、収納物によって、使用者が自由に上記のような温度設定を切り替えることを可能としている場合もある。また、ワインや根野菜等の保鮮のために、例えば１０℃前後の若干高めの温度設定とする場合もある。
【００８１】
冷凍室６は冷蔵室４に比べて低い温度設定としており、通常は冷凍保存のために−１８〜−２２℃で設定されている。また、保鮮性向上のためより低温の温度、例えば−２５〜−３０℃で設定されることもある。
【００８２】
冷却サイクル２２は能力可変型圧縮機１２と凝縮器２と第一の減圧手段であるキャピラリ７と第一の蒸発器３とで閉ループを構成し、第二の減圧手段であるキャピラリ８と第二の蒸発器５と逆流防止手段である逆止弁９を第一のキャピラリ７と第一の蒸発器３に並列となるように接続してある。
【００８３】
流路制御手段である電動三方弁１３は第一のキャピラリ７と第二のキャピラリ８の入口側に設けられている。
【００８４】
電動三方弁１３はソレノイド作動タイプであり、通電されると第一の蒸発器３へ冷媒を流す方向に回路を切り替え、通電されない時は第二の蒸発器５へと冷媒を流す方向に回路を切り替えるものである。
【００８５】
第一の蒸発器３は冷蔵室４内の、例えば冷蔵室４奥面に配設されており、近傍には冷蔵室４の室内空気を第一の蒸発器３に通過させて循環させる第一の電動ファン２３が設けてある。
【００８６】
また、第二の蒸発器５は冷凍室６内の、例えば冷凍室６奥面に配設されており、近傍には冷凍室６の室内空気を第二の蒸発器５を通過させて循環させる第二の電動ファン２４が設けてある。
【００８７】
圧縮機１２と凝縮器２と電動三方弁１３と逆止弁９とは可燃性冷媒使用での安全性向上の面から冷凍冷蔵庫箱体２１内での配管接続箇所削減のために機械室２５に配設されている。
【００８８】
圧縮機１２は可燃性冷媒使用量削減のために低圧容器型とし、各蒸発器から戻ってくる冷媒は圧縮機吸入管２６を通って、圧縮機１２内空間へと放出された後、圧縮機構部２７に吸入され圧縮機吐出管２８を通じて吐出される構成である。
【００８９】
さらに圧縮機１２は例えばインバーターによる回転数制御で冷媒循環量を制御し冷凍能力を変化させることができる能力可変型としてある。
【００９０】
また、冷蔵室４と冷凍室６には図示しない室内温度を検知する、例えばサーミスタである温度検知手段を設けてあり、能力可変型圧縮機１２と電動三方弁１３と第一の電動ファン２３と第二の電動ファン２４とを制御する図示しない制御手段とを備えている。
【００９１】
以上のように構成された冷蔵庫について、その動作を説明する。
【００９２】
冷蔵室４の温度が上昇すると、冷蔵室の温度検知手段が、所定の温度（ｔ１ｕ）を超えることを検知する。制御手段はこの信号を受けて、圧縮機１２と第一の電動ファン２３とを作動し、電動三方弁１３の通電を行う。
【００９３】
圧縮機１２の動作により吐出された高温高圧の冷媒は、凝縮器２により凝縮液化し、電動三方弁１３により、第一のキャピラリ７で減圧されて第一の蒸発器３へと流入する。
【００９４】
このとき制御手段により圧縮機１２は比較的低い冷凍能力となる低回転運転（ｒ１）となるようインバーター制御される。
【００９５】
第一の電動ファン２３の作動により冷蔵室４内の空気が積極的に第一の蒸発器３と熱交換することで、冷媒は第一の蒸発器３内で蒸発気化する。気化した冷媒は、再び、圧縮機１２に吸入される。熱交換された空気はより低温の空気となり、室内の温度を下げる。
【００９６】
冷蔵室４内の温度が低下し、温度検知手段が所定の温度（ｔ１ｌ）より低くなることを検知すると制御手段により圧縮機１２と第一の電動ファン２３とを停止し、電動三方弁１３を通電停止とする。
【００９７】
例えば３℃の比較的高温に設定された冷蔵室４をより高い成績係数で運転可能な高蒸発温度で冷却を行うものであるが、圧縮機１２の能力可変により適度な冷凍能力での高蒸発温度化が可能である。
【００９８】
また、蒸発温度の設定は圧縮機１２の能力可変幅により決定し、可変幅が大きいほどより高蒸発温度化が可能である。
【００９９】
従来例では０℃〜−５℃の蒸発温度で冷却を行っているが、あまりに圧縮機１２の可変幅が大きくなるため、圧縮機可変幅全域で高効率を維持することが難しく、また、コスト、信頼性の面でも不利である。
【０１００】
そこで、圧縮機１２の可変幅として２〜３倍程度として、蒸発温度は低温側で−３０℃程度、高温側で−１０℃〜−１５℃程度の設定とする。
【０１０１】
また、冷凍室６の温度が上昇すると、冷凍室の温度検知手段が、所定の温度（ｔ２ｕ）を超えることを検知する。制御手段はこの信号を受けて、圧縮機１２と第二の電動ファン２４とを作動し、電動三方弁１３の通電停止を行う。
【０１０２】
このとき制御手段により圧縮機１２は比較的高い冷凍能力となる高回転運転（ｒ２）となるようインバーター制御される。
【０１０３】
冷媒は電動三方弁１３により、第二のキャピラリ８で減圧されて第二の蒸発器５へと流入する。
【０１０４】
第二の電動ファン２３の作動により冷凍室６が冷却されて、温度検知手段が所定の温度（ｔ２ｌ）より低くなることを検知すると制御手段により圧縮機１２と第二の電動ファン２４とを停止する。
【０１０５】
以上の動作を繰り返して温度調節を行うものである。
【０１０６】
次に、冷蔵室４と冷凍室６との冷却タイミングについて図３のタイムチャートを元に説明する。
【０１０７】
冷蔵室の温度検知手段が冷蔵室の温度上昇を検知し、前述のように冷却を開始する（Ｔ１）。
【０１０８】
冷凍室の温度検知手段が冷凍室６の温度上昇を検知しても、冷蔵室４が所定の温度（ｔ１ｌ）に達するまで優先的に冷却を行う（Ｔ２）。
【０１０９】
冷蔵室の温度検知手段が所定の温度（ｔ１ｌ）以下となったことを検知し、かつ、このとき冷凍室の温度検知手段が所定の温度（ｔ２ｕ）以上であることを検知したならば、制御手段により冷凍室６の冷却に切り替える。
【０１１０】
制御手段により、電動三方弁１３が切り替えられて、第二の蒸発器５に冷媒が供給され、第一の蒸発器３への冷媒供給が停止される。同時に第一の電動ファン２３は停止し、第二の電動ファン２４が作動する。圧縮機１２はインバーター制御により低回転数（ｒ１）から高回転数（ｒ２）へと冷凍能力を変化させる（Ｔ３）。
【０１１１】
冷凍室６の冷却中に、再び冷蔵室４が昇温し、冷蔵室の温度検知手段が所定の温度（ｔ１ｕ）以上を検知すると、制御手段により電動三方弁１３が通電され第一の蒸発器３に冷媒が供給され、第二の蒸発器５への冷媒供給が停止される。同時に第二の電動ファン２４は停止し、第一の電動ファン２３が作動する。圧縮機１２はインバーター制御により高回転数（ｒ２）から低回転数（ｒ１）へと冷凍能力を変化させる（Ｔ４）。
【０１１２】
冷蔵室４が所定の温度（ｔ１ｌ）に達するまで優先的に冷却を行い、冷蔵室の温度検知手段が所定の温度（ｔ１ｌ）以下を検知したならば、前述のように再度冷却の切り替えが行われ冷凍室６が冷却される（Ｔ５）。
【０１１３】
冷凍室６が冷却されて温度検知手段が所定の温度（ｔ２ｌ）以下を検知し、かつこのときの冷蔵室の温度検知手段が所定の温度（ｔ１ｕ）以下であることを検知したならば、制御手段により圧縮機１２、第二の電動ファン２３を停止し、電動三方弁１３を通電停止とする（Ｔ６）。
【０１１４】
再び各室の温度が上昇し、所定の温度以上（ｔ１ｕ、ｔ２ｕ）となると、同様に冷却が行われる。
【０１１５】
以上のことから、可燃性冷媒を用いる場合に、冷蔵室４と冷凍室６とを交互に冷却を行い、第一の蒸発器３と第二の蒸発器５とに交互に冷媒を供給するので、冷蔵室４の冷却時に比較的高い蒸発温度として、圧縮機１２の成績係数を向上させることができる。さらに、インバーター等の能力可変制御により、冷蔵室４の比較的高い蒸発温度で冷却時の圧縮機冷凍能力を低減することができるので、冷蔵室４冷却時に必要冷媒量が増加することがなく、冷媒封入量を低減することができる。
【０１１６】
冷凍冷蔵庫箱体２１を温度帯によって分割し、各温度帯を冷却する蒸発器に交互に冷媒を供給して冷却を行うので、従来の一つの蒸発器のみの冷却システムや、複数の蒸発器に平行して冷媒を流して冷却を行う冷却システムに比べて、小型冷凍庫と、小型冷蔵庫を併せたようなものであるので冷媒量の削減が可能となる。
【０１１７】
さらには圧縮機１２の能力可変により各室の冷凍能力差を抑えることができるので大きな冷媒余剰が発生することを抑制でき、余剰冷媒を蒸発器に貯留することがないので、冷媒量が削減可能である。
【０１１８】
また、高蒸発温度化による冷凍能力の増大を抑制できるので、第一の蒸発器３を極度に大型化することなく冷凍システムを構成できる。
【０１１９】
さらに、冷蔵室４の冷却に用いる冷凍能力が抑制できるので冷蔵室４の冷却時間が非常に短くなることがなく、圧縮機１４の起動ロスや冷却切り替えロスが比率的に低減でき効率低下を防止する。
【０１２０】
なお、冷蔵室４と冷凍室６の冷却タイミングについての説明において冷蔵室４の冷却を優先したが、冷凍室６の温度を優先して冷却しても同様の効果が得られる。
【０１２１】
またなお、冷凍サイクルの冷媒に可燃性自然冷媒Ｒ６００ａを用いることにより、通常使用されている冷媒Ｒ１３４ａと比べて同等冷凍サイクルにおける圧縮機冷凍能力を抑制することが可能である。
【０１２２】
圧縮機１２のインバーター能力可変制御において、可変幅を高回転側にシフトすることが可能であり、能力可変幅として極端に低能力域を使用することなく、回転数低下による効率低下や、給油量の低下による信頼性低下を防止できる。
【０１２３】
（実施の形態４）
図６と図７に本発明の他の実施の形態による冷蔵庫の断面概略図を示す。
【０１２４】
図６に示すように、第一の蒸発器３と圧縮機１２との間に接続された第一のサクションパイプ２９と第一の減圧手段であるキャピラリ７とを熱交換可能に断熱壁中に配設し、第二の蒸発器５と圧縮機１２との間に接続された第二のサクションパイプ３０と第二の減圧手段であるキャピラリ８とを熱交換可能に断熱壁中に配設する。
【０１２５】
逆流防止手段９は第二のサクションパイプ３０下流側に設けてあり、断熱材中に配置することがないので冷媒リーク時の安全性を向上させる。さらに、メンテナンス性についても向上させることができる。
【０１２６】
熱交換部は束ねてテープ等により密接させて断熱材が回り込まないようにしても良いが、半田付けにより熱伝達を向上させることが望ましい。
【０１２７】
また、十分に熱交換を行わさせるために熱交換距離を長くとるほうが有利であるが、長すぎるとサクションパイプ２１の圧損が大きくなり効率低下となるので１０００ｍｍから２０００ｍｍとする。
【０１２８】
これにより、第一の蒸発器３を出た冷媒が第一のサクションパイプ２９を通って圧縮機１２へと戻るまでに、冷媒が通過している第一のキャピラリ７と熱交換を行って、圧縮機吸い込み接続配管の温度を上昇させるので結露を防止でき、水たれ、錆を防止できる。
【０１２９】
また、第二の蒸発器５を出た冷媒も同様に第二のキャピラリ８と第二のサクションパイプ３０が熱交換を行うので圧縮機吸い込み接続配管の温度を上昇させる。
【０１３０】
また、キャピラリを冷却することから、凝縮器２で過冷却をとらなくても冷却サイクル２２の冷凍効果を増加させて冷却性能の向上を図ることが可能であり、過冷却をとる場合に比べて冷媒量の削減につながる。
【０１３１】
なお、図７に示す用に第一、第二のサクションパイプを一つにまとめたサクションパイプ３１が第一の蒸発器と第二の蒸発器の出口側合流後に位置しており、第一の減圧手段であるキャピラリ７と第二の減圧手段であるキャピラリ８とを熱交換可能に断熱壁中に配設してある。また、逆流防止手段９はサクションパイプ３１上流側に設けて断熱材中に配置してある。
【０１３２】
これにより、サクションパイプ３１とキャピラリの断熱材中の配管配設取り回しが簡易であり低コストとなる。
【０１３３】
また、常に閉止している回路側のキャピラリも予冷しているので、冷蔵室４と冷凍室６の冷却切り替え時にキャピラリの流量を確保でき切り替え性がよく、効率を向上させることができる。
【０１３４】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、可燃性冷媒の冷媒量削減により可燃性冷媒使用時の安全性を高めることが可能な冷却サイクル及び冷蔵庫を提供することができる。
【０１３５】
また、密閉空間内への配管接続箇所削減による可燃性冷媒リーク時の安全性を高めることが可能な冷却サイクル及び冷蔵庫を提供することができる。
【０１３６】
また、成績係数の向上と過渡特性改善による効率向上による省エネルギ化を図ることが可能な冷却サイクル及び冷蔵庫を提供することができる。
【０１３７】
無効容積である冷却サイクルの容量を削減することで収納スペースの拡大を図ることが可能な冷却サイクル及び冷蔵庫を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による冷却サイクル概略図
【図２】同実施の形態による冷却サイクル概略図
【図３】他の実施の形態による流路制御手段の概略図
【図４】他の実施の形態による冷蔵庫の概略図
【図５】他の実施の形態による冷蔵庫の運転タイムチャート
【図６】他の実施の形態による冷蔵庫の断面概略図
【図７】同実施の形態による冷蔵庫の断面概略図
【図８】従来の冷凍冷蔵庫の断面概略図
【符号の説明】
２ 凝縮器
３ 第一の蒸発器
４ 冷蔵室
５ 第二の蒸発器
６ 冷凍室
７ 第一の減圧手段
８ 第二の減圧手段
９ 逆流防止手段
１２ 低圧容器型の能力可変型圧縮機
１３ 流路制御手段
１４ 減圧手段
１５ 第一の位置
１６ 第二の位置
１７ 第三の位置
２５ 機械室
２９ 第一のサクションパイプ
３０ 第二のサクションパイプ
３１ サクションパイプ
Claims (2)
- 圧縮機と、凝縮器と、流路制御手段と、第一の減圧手段と、第一の蒸発器と、第二の減圧手段と、第二の蒸発器と、可燃性冷媒を封入してなる冷却サイクルと、冷蔵室と、冷凍室とを備えたものであって、前記冷蔵室に高温側の冷却器として前記第一の蒸発器を設け、前記冷凍室に低温側の冷却器として前記第二の蒸発器を設け、前記圧縮機と凝縮器と第一の減圧手段と第一の蒸発器とで第一の冷却サイクルを形成するとともに、前記第一の減圧手段と第一の蒸発器に並列となるように前記第二の減圧手段と第二の蒸発器とを第二の冷却サイクルとして接続し、前記流路制御手段を第一の減圧手段と第二の減圧手段の入口側に配設して前記第一の冷却サイクルと前記第二の冷却サイクルへの冷媒供給を並行して行わず交互に切り替えて運転時の必要冷媒量を少量化し、かつ前記圧縮機を低圧容器型とすることで運転中の冷凍機油への冷媒溶け込み量が軽減されることと前記圧縮機を能力可変圧縮機として運転中の前記第一の冷却サイクルと前記第二の冷却サイクルとの必要冷凍能力の差を冷媒循環量の増減で補うことを見込んで、前記冷却サイクルへの前記可燃性冷媒の封入量を予め少冷媒化したことを特徴とする冷蔵庫。
- 可燃性冷媒としてイソブタンを用い、圧縮機容器内の冷凍機油に前記イソブタンに対して相溶性のある鉱油を用いることを特徴とする請求項１記載の冷蔵庫。
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