JP5162930B2 - 冷蔵庫 - Google Patents

Description

本発明は冷凍システムの高効率化と省エネルギー化並びに可燃性冷媒の漏洩防止を図った冷蔵庫に関するものである。

近年、冷蔵庫は地球環境保護の観点から更なる省エネルギー化が求められている。

従来この種の冷蔵庫は、凝縮器出口部に切替弁を設け、この切替弁と圧縮機の吸込配管とを接続するバイパス回路を設け、適宜この切替弁により冷媒の流れを制御するという方法がとられていた（例えば、特許文献１参照）。

図５は、特許文献１に記載された従来の冷蔵庫の冷凍サイクルの構成図である。

図５に示すように、サイクル構成機器であるシェル内低圧型の圧縮機３１と凝縮器３２と冷凍室用減圧装置３３ａと冷凍室用蒸発器３４ａおよび逆止弁４１を直列接続した第一回路３５に対して、冷蔵室用減圧装置３３ｂと冷蔵室用蒸発器３４ｂを直列接続した第二回路３６の入口側を凝縮器出口部に切替弁３７を介して接続し、出口側を冷凍室用減圧装置３３ａの出口側に接続する。さらに切替弁３７から圧縮機３１の吸込配管３８を連通するバイパス回路３９を設けた。

さらに圧縮機３１起動制御においては、圧縮機３１停止後、第一回路３５、第二回路３６及びバイパス回路３９すべてを閉鎖し、起動直前の所定時間だけバイパス回路３９を開放し、圧縮機３１の高低圧力差を低減した状態で、バイパス回路３９を閉鎖、第一回路３５を開放し、圧縮機３１を起動させた。

これにより、起動時の圧縮機３１内部における均圧化が図れ、圧縮機３１の起動停止による庫内温度上昇が抑制される。

さらに、蒸発器３４の除霜制御においては、通常、蒸発器３４内部に貯留する冷媒のサーモサイフォン現象を利用して除霜効率を高めるべく、圧縮機３１停止時に切替弁３７を第一回路３５もしくは第二回路３６を開放して冷媒を蒸発器３４へ環流させる。

これにより、除霜時における蒸発器３４における熱伝導が促進され、除霜時間が短縮され、熱負荷も減少し、冷却効率が改善される。
特開２００３−３５４６２号公報

しかしながら、上記従来の構成では、バイパス回路３９出口は、蒸発器３４と圧縮機３１の途中である吸入配管３８であることから、バイパス回路３９が開放されたときに高温液冷媒が圧縮機３１へ流入すると同時に蒸発器３４へも流入することから、蒸発器３４での熱負荷が増大し、停止時の蒸発器３４並びに庫内温度が上昇し、冷却効率が低下し消費電力量が増加する可能性があるといった課題があった。

また、上記従来の構成では、蒸発器３４の除霜制御において、圧縮機３１停止時に切替弁３７を第一回路３５もしくは第二回路３６を開放して冷媒を蒸発器３４へ環流させるが、蒸発器３４は高温高圧液冷媒が流入するため、圧力が上昇し、蒸発器３４の配管接続箇所から漏洩し、発火・火災の危険性が増大する可能性があるという課題があった。

また、吸入配管３８内に冷凍機油（図示せず）が滞留することにより、圧縮機３１起動時や液バック時等の過渡条件において、冷凍機油（図示せず）が圧縮機３１内部に大量流入した場合、圧縮機３１内部のバルブ（図示せず）が液圧縮により破壊する可能性があるといった課題があった。

また、上記従来の構成では、圧縮機３１起動制御において、起動直前の所定時間だけバイパス回路３９を開放し、圧縮機３１の高低圧力差を低減させたが、この所定時間が長すぎると、蒸発器３４における熱負荷が増大し、冷蔵庫の増電につながる、また短すぎると圧力が十分均圧されずに、圧縮機３１が始動するも、モータ（図示せず）のトルク不足により停止してしまう、あるいは、レシプロ圧縮機の場合、ピストン上死点端面に圧力荷重が発生し、ピストンが下死点まで移動し、コンロッド小端部とピストンを連結するピストンピンの摺動部に過度の荷重が発生する。その結果、摺動部の油膜が部分的に薄くなった状態で起動することから、摺動摩耗を引き起こし圧縮機３１停止の可能性があるという課題があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、凝縮器３２からの高温冷媒を蒸発器３４への流入を抑制することにより、蒸発器３２の熱負荷を低減させ、消費電力量の低い冷蔵庫を提供することを目的とする。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、凝縮器３２からの高温冷媒を蒸発器３４への流入を抑制することにより、蒸発器３４内部圧力上昇を低減させ、溶接箇所等のピンホールやクラックからの庫内冷媒漏洩を防止し、より安全性の高い冷蔵庫を提供することを目的とする。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、吸入配管３８内の冷凍機油（図示せず）の滞留を抑制し、冷凍機油（図示せず）が圧縮機３１へ流入するときの圧縮機３１破壊を防止し、信頼性の高い冷蔵庫を提供することを目的とする。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、凝縮器３２からバイパス回路を通じ直接圧縮機へ高温冷媒を流入させることにより、圧縮機内部圧力を上昇、均圧バランスさせて、摺動部摩耗による圧縮機停止を回避した信頼性の高い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、圧縮機と、凝縮器と、減圧装置と、蒸発器を直列に接続した冷媒回路を備えた冷蔵庫において、前記凝縮器と前記減圧装置の間に切替弁を設け、前記切替弁から前記圧縮機までを膨張機構を介さず連通するバイパス回路を設けたもので、前記切替弁は三方弁とし、前記バイパス回路の出口部は前記圧縮機の内部へ直接流入する冷媒注入配管に分岐して接続し、圧縮機起動前、高圧液冷媒が前記冷媒注入配管を
介して前記圧縮機へ直接流入開放し、前記蒸発器への熱負荷を低減することを特徴とする。

これによって、凝縮器における高温高圧液冷媒は、バイパス回路を通じて圧縮機内部へ直接開放流入されるため、圧縮機内部圧力を短時間で上昇、均圧バランスさせることにより、圧縮機摺動部の油膜厚さを確保し、摩耗による圧縮機停止を回避することができる。

また、圧縮機から蒸発器への環流は大幅に低減され、蒸発器での熱負荷は軽減されるため、消費電力量を大幅に低減することができる。同時に、蒸発器内部の圧力上昇は抑制されるため、溶接箇所等のピンホールやクラックからの庫内冷媒漏洩を防止し、冷蔵庫の安全性を確保できる。

また、吸入配管内に貯留する冷凍機油量を抑制し、過渡運転条件等による冷凍機油が圧縮機３１へ流入するときに発生する圧縮機破壊の危険性を低減し冷蔵庫の長期信頼性を確保できる。

本発明の冷蔵庫は、蒸発器の熱負荷を最小限に抑制し、消費電力量の低減を図り省エネ効果の極めて高い冷蔵庫を提供することができる。

また、蒸発器内部圧力上昇を抑制することにより溶接箇所等のピンホールやクラックから冷媒の庫内漏洩を防止し、より安全性の高い冷蔵庫を提供することができる。

また、吸入配管内の冷凍機油の滞留量を低減し、冷凍機油が圧縮機へ流入するときに発生する圧縮機破壊を防止し、信頼性の高い冷蔵庫を提供することができる。

また、圧縮機内部圧力を短期間で上昇、均圧バランスさせることにより、摺動部摩耗による圧縮機停止を回避した信頼性の高い冷蔵庫を提供することができる。

請求項１に記載の発明は、圧縮機と、凝縮器と、減圧装置と、蒸発器を直列に接続した冷媒回路を備えた冷蔵庫において、前記凝縮器と前記減圧装置の間に切替弁を設け、前記切替弁から前記圧縮機までを膨張機構を介さず連通するバイパス回路を設けたもので、前記切替弁は三方弁とし、前記バイパス回路の出口部は前記圧縮機の内部へ直接流入する冷媒注入配管に分岐して接続し、圧縮機起動前、高圧液冷媒が前記冷媒注入配管を介して前記圧縮機へ直接流入開放し、前記蒸発器への熱負荷を低減するものである。

これによって、凝縮器からの高温高圧液冷媒は圧縮機内部へ直接開放流入されるため、蒸発器への環流は、一旦、内容積のある圧縮機に入り、その後断面積の小さい吸入配管へ流入するため、冷媒流入量は大幅に減少し、蒸発器における熱負荷は軽減され、また蒸発器内部の圧力上昇も減少する。これにより蒸発器における冷媒漏洩を防止し、高い安全性を確保することができる。さらに、蒸発器の熱負荷を低減させ、消費電力量を低減させることができる。また、吸入配管内に滞留する冷凍機油も減少するため、起動時や液バック時における圧縮機への油流入が減少することができる。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明の冷蔵庫において、前記圧縮機はレシプロ方式の低圧タイプで、かつ前記圧縮機メカ部の吸入経路とケーシングの吸入配管が連通または部分的に開放する。

これにより、吸入配管が連通の場合、高温のケーシング内部雰囲気ガスから吸入ガスへの吸熱現象を抑制し、圧縮機シリンダへ流入する吸入ガス温度を大幅に低減させる。その結果、圧縮機の体積効率並びにＣＯＰが増大し、冷蔵庫の消費電力量低減を可能にする。一方、吸入配管が部分的に開放される場合、蒸発器における冷媒漏洩の可能性を低減するとともに、熱負荷量の低減が可能になる。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の発明の冷蔵庫において、前記制御装置は、前記圧縮機起動前の所定時間において、前記切替弁は、前記バイパス回路側を開放、前記減圧装置側を閉塞し、かつ前記圧縮機起動直後の所定時間経過後に前記切替弁のバイパス回路側を閉塞、前記減圧装置側を開放する。

これにより、圧縮機が起動し凝縮器内部に液冷媒が充満した状態で、切替弁を減圧装置側へ開放する制御をとる。その結果、通常断続運転直後もしくは除霜運転直後の起動時において、液冷媒は凝縮器から蒸発器へ短時間で到着することから、冷蔵庫運転開始時の冷却性能が向上し、消費電力量を著しく低減することができる。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の発明の冷蔵庫において、前記制御装置の前記切替弁は、除霜運転時において、前記バイパス回路側及び前記減圧装置側を閉塞することを特徴とする。

これにより、蒸発器に冷媒を極力滞留させない制御手段を講じ、さらに圧縮機に貯留する冷凍機油に蒸発器から環流してきた低温冷媒を溶解させることで、蒸発器内の冷媒量を削減することにより、除霜期間中、ヒータ等の熱源により蒸発器は加熱された際、蒸発器内に滞留する冷媒量が少量のためサーモサイフォン効果が得られず、蒸発器内部の圧力は上昇しない。その結果、蒸発器の配管継ぎ目・溶接箇所等のピンホールやクラックからの冷媒漏洩の可能性が低減でき、発火や火災の未然防止を図り、より高い安全性の確保が可能である。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における冷蔵庫の概略断面図を示すものであり、図２は同実施の形態の冷蔵庫の圧縮機の要部断面図を示すものであり、図３は同実施の形態の冷蔵庫の運転タイムチャートである。

なお、背景技術と同一構成については同一符号を付す。

図１において、例えば硬質発泡ウレタンなどの断熱材で周囲と断熱して構成されている冷蔵庫１０１は複数の断熱区画に区分されており、冷蔵室１０５、引出しタイプの冷凍室１０６、野菜室１０７、製氷室１０８、切替室１０９の構成となっている。

最上部に設けられて、最も使用頻度の高い冷蔵室１０５は、冷蔵保存のために凍らない温度を下限に通常１〜５℃でＰＣＣセンサー１１３により設定されている。野菜室１０７は冷蔵室１０５と同等もしくは若干高い温度設定の２℃〜７℃とすることが多い。低温にすれば葉野菜の鮮度を長期間維持することが可能である。

冷凍室１０６は冷凍保存のために通常−２２から−１８℃でＦＣＣセンサー１１４により設定されているが、冷凍保存状態の向上のために、たとえば−３０から−２５℃の低温で設定されることもある。

また、図１より、冷凍サイクル部品として、まず冷蔵庫上部背面に区画される機械室１２０に配置される圧縮機１３１、凝縮器１３２、機械室ファン（図示せず）、減圧装置１３３として本実施の形態においてはキャピラリーを用いる。さらに切替弁１３７、ドライヤ（図示せず）が配置される。また、切替弁１３７と圧縮機１３１の冷媒注入配管１４０を連通するバイパス配管１３９が構成される。

凝縮器１３２は強制対流方式のものに加えて、冷蔵庫１０１の周囲鋼板を利用して自然放熱するための配管や、各室断熱扉体間の仕切りに配設して防滴防止を行うための配管を組み合わせてもよい。

更に、図２より圧縮機１３１について説明すると、本実施の形態の圧縮機１３１は、低圧タイプで、かつケーシング１６３の吸入配管１３８とメカ部１６０の吸入経路１６１開口部１６２は、対向して連続的な流れを形成する位置関係にあるが部分的に圧縮機１３１内部に開放されている。さらに、バイパス回路１３９の出口部は、冷媒注入配管１４０のＹ型配管の片側に連結される、また吐出管はメカ部１６０からケーシング１６３に配設され、シリンダ（図示せず）からの加圧冷媒を凝縮器１３２へ流出させる。

また、冷凍サイクルの構成機器である蒸発器１３４は庫内ファン１５１と共に、中段に位置する野菜室１０７の後方背面部に設けられている。これにより最下段の貯蔵室である冷凍室１０６の内容積と奥行きを最大限に大きくすることが可能である。

なお、中段の野菜室１０７と最下段の冷凍室１０６は逆の構成となれば、野菜室の内容積と奥行きを最大限に大きくすることが可能となる。

以上のように構成された冷蔵庫について、以下その動作、作用を説明する。

まず、冷凍サイクルの動作について説明する。庫内の設定された各温度に応じて制御手段により冷凍サイクルが動作して冷却運転が行われる。まず圧縮機１３１の起動により吐出された高温高圧冷媒は、凝縮器１３２にて放熱して凝縮液化し、キャピラリーである減圧装置１３３に至る。その後、減圧装置１３３ではサクションライン１３８と熱交換しながら減圧されて低温低圧の液冷媒となって蒸発器１３４に至る。

庫内ファン１５１の動作により、庫内の空気と熱交換されて蒸発器１３４内の冷媒は蒸発気化する。低温の冷気をダンパ（図示なし）などで分配することで各室の冷却を行う。

尚、複数の蒸発器を用いる場合は流路制御手段により各蒸発器へ冷媒が供給される。

次に、蒸発器１３４を出た冷媒はサクションライン１３８を経て圧縮機１３１へと吸い込まれる。以上の閉回路である第一回路１３５を冷媒が循環して冷蔵庫の冷却運転を可能にする。

図３について、各記号を説明すると、Ｔ１は、圧縮機運転開始時刻、Ｔ２は、冷凍運転（冷蔵室以外）開始時刻、Ｔ３は、圧縮機停止時刻を示す。また、Ｔ４は、圧縮機停止からバイパス回路を開放させるまでの時間、Ｔ５は、圧縮機起動からバイパス回路を封鎖するまでの時間である。さらに、ＴＰ１は、ＰＣＣセンサーの上限温度、ＴＰ２は、ＰＣＣセンサーの下限温度、ＴＦ１は、ＦＣＣセンサーの上限温度、ＴＦ２は、ＦＣＣセンサーの下限温度である。

以上をもとに、本実施の形態における冷蔵庫１０１の運転パターンにおいて冷凍室冷却開始Ｔ２から順次説明すると、圧縮機１３１運転が開始した後、ＰＣＣセンサー１１３温度がＴＰ２以下となったため、冷蔵室ダンパー（図示せず）が閉じて、冷凍室１０６、切替室１０９、製氷室１０８、野菜室１０７の専用冷却運転となる。次に、Ｔ３では、ＦＣＣセンサー１１４温度がＴＦ２以下となったら、圧縮機１３１の運転は停止され、同時に庫内ファン１５１停止、切替弁１３７は、第一回路１３５並びにバイパス回路１３９を閉鎖する。圧縮機停止期間中、庫内温度はほとんど上昇しない。一方、切替弁１３７は、圧縮機１３１停止後からＴ４時間経過後に、バイパス回路１３９を開放すると同時に第一回路１３５を閉鎖する。その結果、高圧液冷媒は冷媒注入配管１４０を介して圧縮機１３１へ直接流入開放される。したがって、圧縮機１３１内部圧力が上昇し、圧縮機１３１高圧側圧力とバランスし、圧力が数十秒から数分程度で均圧する。次に、Ｔ１では、ＦＣＣセンサー１１４温度がＴＦ１以上となったため、圧縮機１３１運転を再開する。このとき、まだバイパス回路１３９のみを開放した状態のため、減圧装置（キャピラリー）１３３から蒸発器１３４への冷媒流入はなく、逆に蒸発器１３４から圧縮機１３１への冷媒吸入が行なわれる。この状態をＴ５時間、たとえば数秒から数十秒程度行なった後、切替弁１３７の第一回路１３５を開放し、かつバイパス回路１３９を閉鎖、同時に冷蔵室ダンパー（図示せず）を開放し、全室冷却運転とする。以上のＴ１からＴ３における一連の冷却パターンを順次繰り返すことにより、冷却運転を可能にする。

圧縮機１３１起動前、高温高圧液冷媒は凝縮器１３２から圧縮機１３１内部へ直接開放流入される。このとき、圧縮機１３１から蒸発器１３４への冷媒流入量に関して、一端、冷却システムの中で突出した体積、例えば１．５Ｌを有する圧縮機１３１に入り、次に管内径の小さい、例えば内径φ５．３ｍｍの吸入配管１３８へ流入しようとした場合、流路抵抗が大きく作用し、冷媒流入量は大幅に減少し、蒸発器１３４における熱負荷は軽減されるとともに、蒸発器１３４内部の圧力上昇も減少する。これにより蒸発器１３４における冷媒漏洩を防止し、高い安全性を確保することができる。さらに、蒸発器１３４の熱負荷を低減させることにより、圧縮機起動時における蒸発器１３４の冷却性能が増加し、消費電力量の低減を図り省エネ効果の極めて高い冷蔵庫を提供することができる。

また、吸入配管１３８内に滞留する冷凍機油（図示せず）も減少するため、起動時や液バック時における圧縮機１３１への油流入が減少することができ、圧縮機１３１バルブの破損を防止し、信頼性の高い冷蔵庫１０１を実現することができる。

更に、圧縮機１３１起動制御に関して、圧縮機１３１が起動し凝縮器１３２内部に液冷媒が充満した状態で、切替弁１３７を減圧装置１３３側へ開放することから、断続運転直後もしくは除霜運転直後の起動時において、蒸発器１３４に液冷媒が短時間で充満することから、蒸発器１３４の冷え出し遅れを防止し、冷蔵庫１０１運転開始時の冷却性能が向上し、消費電力量を著しく低減することができる。

また、従来例の蒸発器２基に対して、本実施の形態は１基としたことから、蒸発器１３４及び周辺部品が不要となる分、収納容量をおおよそ５Ｌ程度増大させることができる。また、コストの観点から、従来例の中における蒸発器及び周辺部品、さらには逆止弁を省くことができることから、大幅な合理化が可能になる。

尚、本実施の形態の機械室は、冷蔵庫背面上部に設置したが、冷蔵庫背面下部においても、切替弁を含めた構成が同じになることより、同様の効果が得られる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２における冷蔵庫の圧縮機の要部断面図を示すものである。なお、背景技術と同一構成については同一符号を付す。

図４より圧縮機２３１について説明すると、本実施の形態の圧縮機２３１は、低圧タイプで、かつ圧縮機２３１の吸入配管２３８とメカ部２６０の吸込経路２６１開口部２６２は、連結され連続的に冷媒をシリンダ（図示せず）へ供給する。さらに、バイパス回路２３９の出口部は、冷媒注入配管２４０のＹ型配管の片側に連結される。

以上より、高温の圧縮機２３１内部雰囲気ガスから吸入ガスへの吸熱現象を抑制し、圧縮機２３１シリンダ（図示せず）へ流入する吸入ガス温度を大幅に低減させる。その結果、圧縮機２３１の体積効率並びにＣＯＰが増大し、冷蔵庫１０１の消費電力量低減を可能にする。

また、除霜運転時において、本実施の形態の制御装置である切替弁１３７は、バイパス回路２３９側及び減圧装置１３３側を閉塞する制御とした。

これにより、蒸発器１３４に冷媒を極力滞留させない制御手段を講じ、さらに圧縮機２３１に貯留する冷凍機油（図示せず）に蒸発器１３４から環流してきた低温冷媒を溶解させることで、更に蒸発器１３４内の冷媒量を削減することにより、除霜期間中、ヒータ等の熱源により蒸発器１３４は加熱された際、蒸発器１３４内に滞留する冷媒量が少量よりサーモサイフォン効果が得られず、蒸発器１３４内部の圧力は上昇しない。その結果、蒸発器１３４の配管継ぎ目等からの冷媒漏洩がなくなり、冷蔵庫１０１に関して高い安全性が確保できる。

尚、特に低温（−３０℃〜−８０℃）冷凍サイクルを実現する場合、通常冷凍運転（−３０℃〜−４０℃）に対して、蒸発器２３４の圧力が著しく低下することから、本実施の形態の効果が大きい。

尚、本実施の形態に関して、凝縮器を高元サイクルで冷却する二元冷凍の低元サイクルに利用しても同様の効果が得られる。

以上のように、本発明にかかる冷蔵庫は、冷凍システムの高効率化と省エネルギー化ならびに可燃性冷媒の漏洩防止を図ることが可能となるので、冷蔵庫や自動販売機を含む冷凍機器全般に適用できる。

本発明の実施の形態１における冷蔵庫の概略断面図 本発明の実施の形態１における冷蔵庫の圧縮機の要部断面図 本発明の実施の形態１における冷蔵庫の運転タイムチャート 本発明の実施の形態２における冷蔵庫の圧縮機の要部断面図 従来の冷蔵庫の冷凍サイクルの構成図

符号の説明

１０１ 冷蔵庫
１３１，２３１ 圧縮機
１３２ 凝縮器
１３３ 減圧装置
１３４ 蒸発器
１３７ 切替弁
１３８，２３８ 吸入配管
１３９，２３９ バイパス回路
１６０，２６０ メカ部
１６１，２６１ 吸入経路
１６３，２６３ ケーシング

Claims (4)

1. 圧縮機と、凝縮器と、減圧装置と、蒸発器を直列に接続した冷媒回路を備えた冷蔵庫において、前記凝縮器と前記減圧装置の間に切替弁を設け、前記切替弁から前記圧縮機までを膨張機構を介さず連通するバイパス回路を設けたもので、前記切替弁は三方弁とし、前記バイパス回路の出口部は前記圧縮機の内部へ直接流入する冷媒注入配管に分岐して接続し、圧縮機起動前、高圧液冷媒が前記冷媒注入配管を介して前記圧縮機へ直接流入開放し、前記蒸発器への熱負荷を低減することを特徴とする冷蔵庫。
2. 前記圧縮機はレシプロ方式の低圧タイプで、かつ前記圧縮機内部メカ部の吸入経路とケーシングの吸入配管が連通または部分的に開放することを特徴とした請求項１に記載の冷蔵庫。
3. 前記圧縮機起動前の所定時間において、前記切替弁は、前記バイパス回路側を開放、前記減圧装置側の冷媒回路を閉塞し、かつ前記圧縮機起動直後の所定時間経過後に前記切替弁のバイパス回路側を閉塞、前記減圧装置側の冷媒回路を開放する制御を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の冷蔵庫。
4. 前記切替弁は、除霜運転時において、前記バイパス回路側及び前記減圧装置側の冷媒回路を閉塞することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の冷蔵庫。