JP5270523B2

JP5270523B2 - 冷凍冷蔵庫

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Publication number: JP5270523B2
Application number: JP2009276795A
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Inventors: 張　　恒良
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Priority date: 2009-12-04
Filing date: 2009-12-04
Publication date: 2013-08-21
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Also published as: JP2011117685A

Description

本発明は冷凍冷蔵庫に関する。

冷凍冷蔵庫の冷凍サイクルとして一般的に用いられているのは、圧縮機を１台備えた単一冷凍サイクルである。単一冷凍サイクルを搭載した冷凍冷蔵庫は、殆どの場合、冷凍・冷蔵共用の蒸発器で生成した冷気を冷気ダクトで冷凍室と冷蔵室に送風し、冷気の分配を加減することにより冷凍室温度と冷蔵室温度を得る構成となっている。単一冷凍サイクルの例を特許文献１に見ることができる。

冷凍冷蔵庫の中には、二段圧縮システムの採用で効率向上を図ったものもある。特許文献２にその例を見ることができる。特許文献２記載の冷凍冷蔵庫は、冷凍室用に低段側圧縮機と低段側蒸発器を備え、冷蔵室用に高段側圧縮機と高段側蒸発器を備えている。

特開平８−２４７６２５号公報特開２００１−２０１２３５号公報

蒸発器を１台しか備えない単一冷凍サイクルを搭載した冷凍冷蔵庫の場合、冷凍室温度（例えばマイナス２０℃）を得るための冷気で冷蔵室温度（例えば０〜５℃）を得ることになる。しかしながら、冷蔵室温度を得るには冷蔵室温度より数度低い冷気で十分であり、冷凍室温度を得るための冷気は、冷蔵室にとっては過剰に低温ということになる。同量の冷熱を生成する場合、冷気温度を低くするほど冷熱生成に必要なエネルギー量が多くなるので、冷凍冷蔵庫への単一冷凍サイクルの搭載は省エネルギーという点で問題がある。

本発明は、冷凍冷蔵庫に二元冷凍サイクルを搭載して冷凍冷蔵庫の効率向上を図ることを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、冷蔵室と冷凍室を有する冷凍冷蔵庫において、当該冷凍冷蔵庫の冷凍サイクルは、前記冷蔵室を冷却するための高温サイクル圧縮機及び高温サイクル蒸発器を有する高温サイクルと、前記冷凍室を冷却するための低温サイクル圧縮機及び低温サイクル蒸発器を有する低温サイクルにより構成され、前記高温サイクルには当該高温サイクル内の高温冷媒と低温冷媒とを熱交換させる高温サイクル内部熱交換器が設けられ、前記低温サイクルには当該低温サイクル内の高温冷媒と低温冷媒とを熱交換させる低温サイクル内部熱交換器が設けられ、前記高温サイクルと前記低温サイクルの間には、前記低温サイクルの放熱を前記高温サイクルに吸収させる中間熱交換器と、前記高温サイクルの前記高温冷媒と前記低温サイクルの前記低温冷媒とを熱交換させるサイクル間内部熱交換器が設けられることを特徴としている。

この構成によると、冷蔵室を冷却する高温サイクル蒸発器の蒸発温度と、冷凍室を冷却する低温サイクル蒸発器の蒸発温度を、冷蔵室と冷凍室のそれぞれの設定温度に合わせることが容易になる。また、中間熱交換器を設けたことにより、高温サイクル圧縮機と低温サイクル圧縮機の圧縮比を、いずれも従来サイクルのそれよりも小さくすることができ、これにより圧縮効率が高くなり、省エネルギー性に優れた冷凍冷蔵庫とすることができる。

また、高温サイクル内部熱交換器、低温サイクル内部熱交換器、及びサイクル間内部熱交換器の配置により、冷凍サイクルの冷凍能力を大きくすることができるとともに、高温サイクル圧縮機と低温サイクル圧縮機が吸い込む冷媒の温度を周囲温度に近い温度に維持できるから、熱損失を抑え、より合理的な冷凍サイクルとすることができる。

また本発明は、上記構成の冷凍冷蔵庫において、前記高温サイクルに高温サイクル放熱器が設けられ、当該高温サイクルを流れる冷媒は、前記高温サイクル放熱器から流出した冷媒である高温冷媒と、前記中間熱交換器から流出した冷媒である低温冷媒が、前記高温サイクル内部熱交換器で熱交換することを特徴としている。

また本発明は、上記構成の冷凍冷蔵庫において、前記低温サイクルに低温サイクル放熱器が設けられ、当該低温サイクルを流れる冷媒は、前記低温サイクル放熱器から前記中間熱交換器を経て流出した冷媒である高温冷媒と、前記低温サイクル蒸発器から流出した冷媒である低温冷媒が、前記低温サイクル内部熱交換器で熱交換することを特徴としている。

また本発明は、上記構成の冷凍冷蔵庫において、前記高温サイクルの、前記高温サイクル内部熱交換器から流出した高温冷媒と、前記低温サイクルの、前記低温サイクル内部熱交換器から流出した低温冷媒が、前記サイクル間内部熱交換器で熱交換することを特徴としている。

このように高温サイクル内部熱交換器、低温サイクル内部熱交換器、及びサイクル間内部熱交換器で熱交換を行うことにより、高温サイクル圧縮機と低温サイクル圧縮機が吸い込む冷媒の温度を周囲温度に近くして、冷熱の損失を抑えることができる。また、低温サイクル圧縮機から吐出された冷媒の温度が周囲温度よりも高くなり、低温サイクル放熱器から周囲環境への放熱が可能になるから、冷凍サイクル全体の放熱レベルを下げることができ、冷凍サイクルの成績係数（ＣＯＰ）が向上する。

また本発明は、上記構成の冷凍冷蔵庫において、前記高温サイクルにキャピラリーチューブからなる高温サイクル減圧器が設けられ、前記高温サイクル減圧器は、前記高温サイクル内部熱交換器または前記サイクル間内部熱交換器の熱交換配管として機能することを特徴としている。

また本発明は、上記構成の冷凍冷蔵庫において、前記低温サイクルにキャピラリーチューブからなる低温サイクル減圧器が設けられ、前記低温サイクル減圧器は、前記低温サイクル内部熱交換器の熱交換配管として機能することを特徴としている。

この構成によると、高温サイクル内部熱交換器、低温サイクル内部熱交換器、及びサイクル間内部熱交換器における熱交換配管の役割をキャピラリーチューブに担わせることができ、部品コストを低減することができる。

本発明によると、冷蔵室と冷凍室にそれぞれ専用の蒸発器が割り当てられることになり、庫内冷気と蒸発器との伝熱温度差を小さくすることができるから、設定温度を得るのに必要な電力を削減できる。また、中間熱交換器を設けたことにより、高温サイクル圧縮機と低温サイクル圧縮機の圧縮比をともに小さくすることができ、圧縮効率が向上する。

高温サイクル内部熱交換器、低温サイクル内部熱交換器、及びサイクル間内部熱交換器を配置したことにより、冷凍サイクルの冷凍能力を大きくすることができる。また、高温サイクル圧縮機と低温サイクル圧縮機が吸い込む冷媒の温度を周囲温度近くに維持できるから、熱損失の少ない、合理的な冷凍サイクルとすることができる。

本発明に係る冷凍冷蔵庫の冷凍サイクルの構成図である。図１の冷凍サイクルの圧力−エンタルピー線図である。図１の冷凍サイクルにおける高温サイクル内部熱交換器とサイクル間内部熱交換器の実施形態を示す概要図である。

本発明に係る冷凍冷蔵庫は、言うまでもなく冷蔵室と冷凍室を備えるものであり、その冷蔵室と冷凍室を図１に示す冷凍サイクル１で冷却する。冷凍サイクル１は、冷蔵室を冷却するための高温サイクル２と、冷凍室を冷却するための低温サイクル３により構成される。なお、本明細書及び特許請求の範囲における「高温」「低温」の語は、比較対象となっている二者間の温度の違いを表現するものであり、特定の指標温度と比較して温度が高い、あるいは低いとする訳ではない。

高温サイクル２は高温サイクル圧縮機１０を有する。高温サイクル圧縮機１０の冷媒流出側は、高温サイクル放熱器１１に接続される。高温サイクル放熱器１１の冷媒流出側は、高温サイクル内部熱交換器１２の高温側熱交換配管１２ａに接続される。高温側熱交換配管１２ａの冷媒流出側は、高温サイクル２と低温サイクル３にまたがって設けられたサイクル間内部熱交換器３１の高温サイクル側熱交換配管３１ａに接続される。高温サイクル側熱交換配管３１ａの冷媒流出側は、キャピラリーチューブからなる高温サイクル減圧器１３に接続される。高温サイクル減圧器１３の冷媒流出側は、高温サイクル蒸発器１４に接続される。高温サイクル蒸発器１４は、冷蔵室の内部、または、それに空気を接触させて得た冷気を冷蔵室に供給できる箇所に配置されている。

高温サイクル２と低温サイクル３の間には、サイクル間内部熱交換器３１の他、中間熱交換器３０が設けられている。中間熱交換器３０は、直列接続された高温サイクル側潜熱熱交換配管３０ａ１及び高温サイクル側顕熱熱交換配管３０ａ２と、同じく直列接続された低温サイクル側顕熱熱交換配管３０ｂ１及び低温サイクル側潜熱熱交換配管３０ｂ２の間で熱交換を行うという、いわゆるカスケード構成になっている。

高温サイクル蒸発器１４の冷媒流出側は、中間熱交換器３０の高温サイクル側潜熱熱交換配管３０ａ１に接続される。高温サイクル側潜熱熱交換配管３０ａ１の冷媒流出側は、高温サイクルレシーバー１５に接続される。高温サイクルレシーバー１５の冷媒流出側は、中間熱交換器３０の高温サイクル側顕熱熱交換配管３０ａ２に接続される。高温サイクル側顕熱熱交換配管３０ａ２の冷媒流出側は、高温サイクル内部熱交換器１２の低温側熱交換配管１２ｂに接続される。低温側熱交換配管１２ｂの冷媒流出側は、高温サイクル圧縮機１０の吸い込み配管１０ａに接続される。

以上をまとめると、高温サイクル２は、高温サイクル圧縮機１０→高温サイクル放熱器１１→高温サイクル内部熱交換器１２の高温側熱交換配管１２ａ→サイクル間内部熱交換器３１の高温サイクル側熱交換配管３１ａ→高温サイクル減圧器１３→高温サイクル蒸発器１４→中間熱交換器３０の高温サイクル側潜熱熱交換配管３０ａ１→高温サイクルレシーバー１５→中間熱交換器３０の高温サイクル側顕熱熱交換配管３０ａ２→高温サイクル内部熱交換器１２の低温側熱交換配管１２ｂ→高温サイクル圧縮機１０の吸い込み配管１０ａというループを描くものである。

低温サイクル３は低温サイクル圧縮機２０を有する。低温サイクル圧縮機２０の冷媒流出側は、低温サイクル放熱器２１に接続される。低温サイクル放熱器２１の冷媒流出側は、中間熱交換器３０の低温サイクル側顕熱熱交換配管３０ｂ１に接続される。低温サイクル側顕熱熱交換配管３０ｂ１の冷媒流出側は、低温サイクル側潜熱熱交換配管３０ｂ２に接続される。低温サイクル側潜熱熱交換配管３０ｂ２の冷媒流出側は、低温サイクル内部熱交換器２２の高温側熱交換配管２２ａに接続される。高温側熱交換配管２２ａの冷媒流出側は、キャピラリーチューブからなる低温サイクル減圧器２３に接続される。低温サイクル減圧器２３の冷媒流出側は、低温サイクル蒸発器２４に接続される。低温サイクル蒸発器２４は、冷凍室の内部、または、それに空気を接触させて得た冷気を冷凍室に供給できる箇所に配置されている。

低温サイクル蒸発器２４の冷媒流出側は、低温サイクルレシーバー２５に接続される。低温サイクルレシーバー２５の冷媒流出側は、低温サイクル内部熱交換器２２の低温側熱交換配管２２ｂに接続される。低温側熱交換配管２２ｂの冷媒流出側は、サイクル間内部熱交換器３１の低温サイクル側熱交換配管３１ｂに接続される。低温サイクル側熱交換配管３１ｂの冷媒流出側は、低温サイクル圧縮機２０の吸い込み配管２０ａに接続される。

以上をまとめると、低温サイクル３は、低温サイクル圧縮機２０→低温サイクル放熱器２１→中間熱交換器３０の低温サイクル側顕熱熱交換配管３０ｂ１→中間熱交換器３０の低温サイクル側潜熱熱交換配管３０ｂ２→低温サイクル内部熱交換器２２の高温側熱交換配管２２ａ→低温サイクル減圧器２３→低温サイクル蒸発器２４→低温サイクルレシーバー２５→低温サイクル内部熱交換器２２の低温側熱交換配管２２ｂ→サイクル間内部熱交換器３１の低温サイクル側熱交換配管３１ｂ→低温サイクル圧縮機２０の吸い込み配管２０ａというループを描くものである。

上述の通り、高温サイクル２と低温サイクル３は、中間熱交換器３０とサイクル間内部熱交換器３１により熱的に連結されている。

高温サイクル内部熱交換器１２、低温サイクル内部熱交換器２２、中間熱交換器３０、及びサイクル間内部熱交換器３１は、いずれも、内部を冷媒が流れる熱交換配管の壁を通して熱交換を行うものである。

冷凍サイクル１の動作は次の通りである。停止状態から運転を開始する場合、冷凍冷蔵庫の図示しない制御装置は、最初に高温サイクル圧縮機１０を起動する。高温サイクル２内の冷媒は、高温サイクル圧縮機１０で圧縮された後、高温サイクル放熱器１１に流入し、ここで周囲の空気に熱を奪われて凝縮する。凝縮により液化した冷媒は、高温サイクル内部熱交換器１２の高温側熱交換配管１２ａに流入する。高温側熱交換配管１２ａの中の冷媒（ここでは高温冷媒ということになる）は、中間熱交換器３０の高温サイクル側顕熱熱交換配管３０ａ２から流出して高温サイクル内部熱交換器１２の低温側熱交換配管１２ｂに流入した冷媒（ここでは低温冷媒ということになる）に熱を奪われる。

高温サイクル内部熱交換器１２の高温側熱交換配管１２ａから流出した冷媒は、サイクル間内部熱交換器３１の高温サイクル側熱交換配管３１ａに流入する。高温サイクル側熱交換配管３１ａの中の冷媒（ここでも高温冷媒ということになる）は、低温サイクル３が稼働状態であれば、低温サイクル内部熱交換器２２の低温側熱交換配管２２ｂから流出してサイクル間内部熱交換器３１の低温サイクル側熱交換配管３１ｂに流入した冷媒（ここでは低温冷媒ということになる）に、さらに熱を奪われる。

サイクル間内部熱交換器３１で冷却されて過冷却度が大きくなった高温サイクル２内の液体状態の冷媒は、高温サイクル減圧器１３に導かれる。冷媒は高温サイクル減圧器１３で減圧されて膨張し、乾き度が低い低温の湿り蒸気となる。低温の湿り蒸気となった冷媒は高温サイクル蒸発器１４に流入し、ここで周囲の空気から熱を奪って蒸発する。高温サイクル蒸発器１４により熱を奪われた冷気が冷蔵室を冷却する。蒸発した冷媒は、より乾き度の高い湿り蒸気となる。

乾き度の高い湿り蒸気状態の冷媒は中間熱交換器３０の高温サイクル側潜熱熱交換配管３１ａ１に導かれる。高温サイクル側潜熱熱交換配管３１ａ１に流入した冷媒は、低温サイクル側潜熱熱交換配管３０ｂ２内の冷媒から、主に凝縮熱を奪うことにより蒸発して高温サイクルレシーバー１５に流入する。高温サイクルレシーバー１５で気液分離が行われ、液体の冷媒は高温サイクルレシーバー１５に溜まり、冷媒蒸気は高温サイクル側顕熱熱交換配管３０ａ２に流入する。冷媒蒸気は低温サイクル側顕熱熱交換配管３０ｂ１内の冷媒から、主に顕熱を奪い、過熱蒸気となる。過熱状態となった冷媒蒸気は高温サイクル内部熱交換器１２の低温側熱交換配管１２ｂに流入する。

高温サイクル内部熱交換器１２の低温側熱交換配管１２ｂに流入した冷媒蒸気は、ここでは低温冷媒としてふるまい、高温側熱交換配管１２ａの中の高温冷媒から熱を奪う。その後、冷媒蒸気は吸い込み配管１０ａを経て高温サイクル圧縮機１０に吸い込まれる。

高温サイクル圧縮機１０の起動後、中間熱交換器３０の高温サイクル側潜熱熱交換配管３０ａ１または高温サイクル側顕熱熱交換配管３０ａ２の温度がチェックされる。その温度が下がった後、前記制御装置は低温サイクル圧縮機２０を起動する。低温サイクル３内の冷媒は、低温サイクル圧縮機２０で圧縮された後、低温サイクル放熱器２１に流入し、ここで周囲の空気に放熱して温度が下がる。低温サイクル放熱器２０で放熱した冷媒は中間熱交換器３０の低温サイクル側顕熱熱交換配管３０ｂ１に流入する。低温サイクル側顕熱熱交換配管３０ｂ１に流入した冷媒は、高温サイクル側顕熱熱交換配管３０ａ２を流れる高温サイクル２の冷媒に、主に顕熱を奪われ、冷却される。

顕熱を奪われて温度の下がった冷媒は低温サイクル側潜熱熱交換配管３０ｂ２に流入する。低温サイクル側潜熱熱交換配管３０ｂ２に流入した冷媒は、高温サイクル側潜熱熱交換配管３０ａ１を流れる高温サイクル２の冷媒に凝縮熱を奪われ、凝縮する。凝縮した冷媒は低温サイクル内部熱交換器２２の高温側熱交換配管２２ａに流入する。高温側熱交換配管２２ａ中の冷媒（ここでは高温冷媒ということになる）は、低温サイクルレシーバー２５から流出して低温サイクル内部熱交換器２２の低温側熱交換配管２２ｂに流入した冷媒（ここでは低温冷媒ということになる）に熱を奪われる。

低温サイクル内部熱交換器２２で冷却されて過冷却度が大きくなった液体状態の冷媒は、低温サイクル減圧器２３に導かれる。冷媒は低温サイクル減圧器２３で減圧されて膨張し、低温の湿り蒸気となる。低温の湿り蒸気となった冷媒は低温サイクル蒸発器２４に流入し、ここで周囲の空気から熱を奪って蒸発する。低温サイクル蒸発器２４により熱を奪われた冷気が冷凍室を冷却する。

低温サイクル蒸発器２４から流出した冷媒は低温サイクルレシーバー２５に流入する。低温サイクルレシーバー２５で気液分離が行われ、液体の冷媒は低温サイクルレシーバー２５に溜まり、冷媒蒸気は低温サイクル内部熱交換器２２の低温側熱交換配管２２ｂに流入する。

低温サイクル内部熱交換器２２の低温側熱交換配管２２ｂに流入した冷媒蒸気は、ここでは低温冷媒としてふるまい、高温側熱交換配管２２ａの中の高温冷媒から熱を奪う。その後、冷媒蒸気はサイクル間内部熱交換器３１の低温サイクル側熱交換配管３１ｂに流入する。低温サイクル側熱交換配管３１ｂに流入した冷媒蒸気はここでも低温冷媒としてふるまい、高温サイクル側熱交換配管３１ａの中の高温冷媒から熱を奪う。低温サイクル側熱交換配管３１ｂで高温サイクル２の冷媒から熱を奪って過熱蒸気となった冷媒蒸気は、吸い込み配管２０ａを経て低温サイクル圧縮機２０に吸い込まれる。

このように低温サイクル３では、低温サイクル圧縮機２０を駆動して冷媒を循環させると、冷媒は低温サイクル放熱器２１で周囲の空気に対して放熱を行い、また中間熱交換器３０で高温サイクル２の冷媒に対して放熱を行い、低温化する。低温化した冷媒が低温サイクル蒸発器２４で蒸発し、冷凍室を冷却するものである。

図２は冷凍サイクル１の圧力−エンタルピー線図（Ｐ−ｈ線図）である。図２の中の、アルファベットを付した各ポイントは、図１の中の、アルファベットを付した各ポイントに対応している。高温サイクル２ではＡ−Ｂ−Ｃ−Ｃ´−Ｄ−Ｅ−Ｅ´−Ｆ−Ｆ´−Ａとポイントがループを描き、低温サイクル３ではａ−ｂ−ｂ´−ｂ´´−ｃ−ｄ−ｅ−ｆ−ｆ´−ａとポイントがループを描く。

高温サイクル２のループで、Ａ−Ｂは高温サイクル圧縮機１０における圧縮過程を、Ｂ−Ｃは高温サイクル放熱器１１における放熱過程を、Ｃ−Ｃ´は高温サイクル内部熱交換器１２における放熱過程を、Ｃ´−Ｄはサイクル間内部熱交換器３１の高温サイクル側熱交換配管３１ａにおける放熱過程を、Ｄ−Ｅは高温サイクル減圧器１３における膨張過程を、Ｅ−Ｅ´は高温サイクル蒸発器１４における蒸発過程を、Ｅ´−Ｆ−Ｆ´は中間熱交換器３０の高温サイクル２側における吸熱過程を、Ｆ´−Ａは高温サイクル内部熱交換器１２における吸熱過程を、それぞれ表すものである。

低温サイクル３のループで、ａ−ｂは低温サイクル圧縮機２０における圧縮過程を、ｂ−ｂ´は低温サイクル放熱器１１における放熱過程を、ｂ´−ｂ´´−ｃは中間熱交換器３０の低温サイクル３側における放熱過程を、ｃ−ｄは低温サイクル内部熱交換器２２における放熱過程を、ｄ−ｅは低温サイクル減圧器２３における膨張過程を、ｅ−ｆは低温サイクル蒸発器２４における蒸発過程を、ｆ−ｆ´は低温サイクル内部熱交換器２２における吸熱過程を、ｆ´−ａはサイクル間内部熱交換器３１の低温サイクル側熱交換配管３１ｂにおける吸熱過程を、それぞれ表すものである。

図２では、高温サイクル２と低温サイクル３に同じ冷媒（例えばイソブタン）が封入されるものとして、Ｐ−Ｈ線図上での温度関係や圧力関係を分かりやすくしている。例えば、高温サイクル２の蒸発圧力Ｐ_Aは低温サイクル３の凝縮圧力Ｐ_bよりも若干低くなっていることを図２から読み取ることができる。これは高温サイクル２が低温サイクル３から熱を奪うためである。

図２を参照しつつ、冷凍サイクル１の効率について説明する。冷媒は、湿り蒸気の領域では、圧力と温度は比例する。従って、図２に示した圧力で温度のあらましを説明することができる。従来の単一冷凍サイクルの場合、冷凍室の温度設定が冷凍サイクル１と同程度であるとすれば、蒸発器の蒸発温度は図２のｅ−ｆに対応する温度と同程度になる。高温サイクル蒸発器１４の蒸発温度はＥ−Ｅ´に対応しており、ｅ−ｆに対応する温度よりも高い。これにより、冷蔵室の設定温度と、冷蔵室を冷却する高温サイクル蒸発器１４の蒸発温度との温度差が格段に小さくなる（おおよそ２０℃の温度差が５℃以下に縮まる）。このため、冷蔵室の冷却に無駄なエネルギーを使うことがなくなり、効率の高い冷凍冷蔵庫を提供できる。

また、従来の単一冷凍サイクルの場合、温度の設定条件が冷凍サイクル１と同じであれば、凝縮圧力がＰ_Bとなり、蒸発圧力がＰ_aとなる。圧縮機の圧縮比はＰ_B／Ｐ_aとなる。冷凍サイクル１では、高温サイクル圧縮機１０の圧縮比はＰ_B／Ｐ_Aとなり、低温サイクル圧縮機２０の圧縮比はＰ_b／Ｐ_aとなる。いずれも、従来の単一冷凍サイクルの圧縮比より大幅に小さい。

圧縮機の圧縮比が小さくなると、圧縮機の容積効率が向上し、圧縮機の断熱圧縮効率も高くなる。例えば、周囲温度が３０℃、冷蔵室温度が４℃、冷凍室温度が−１８℃で、冷媒が現今の冷凍冷蔵庫に多用されるイソブタンであるといった条件の場合、従来の単一冷凍サイクルであれば、圧縮機の圧縮比は８程度となる。冷凍サイクル１の高温サイクル圧縮機１０と低温サイクル圧縮機２０の圧縮比はそれぞれ２〜３程度となる。このように圧縮比が小さいため、高温サイクル圧縮機１０と低温サイクル圧縮機２０はそれぞれ高い効率を保つ。

次に、高温サイクル内部熱交換器１２、低温サイクル内部熱交換器２２、及びサイクル間内部熱交換器３１の役割について説明する。

高温サイクル２では、高温サイクル内部熱交換器１２での冷熱回収により、中間熱交換器３０から流出した冷媒が、図２の吸熱過程Ｆ´−Ａで周囲温度程度まで加熱される。このため、高温サイクル圧縮機１０の吸い込み配管１０ａによる熱損失を抑えることができる。

蒸発熱の発生量が高温サイクル２より少ない低温サイクル３は、冷媒流量が高温サイクル２より少ないが、それでも、中間熱交換器３０で低温サイクル３の冷媒から高温サイクル２の冷媒が熱を奪うと、高温サイクル２の冷媒温度は周囲温度より１０℃以上低くなることが多い。従って、高温サイクル内部熱交換器１２が存在していなかったとすると、機械室に設置される高温サイクル圧縮機１０の吸い込み配管１０ａが周囲温度よりも低温になるため、熱損失が生じることになる。

低温サイクル３では、低温サイクル内部熱交換器２２及びサイクル間内部熱交換器３１での冷熱回収により、低温サイクルレシーバー２５から流出した冷媒が、図２の吸熱過程ｆ−ｆ´及びｆ´−ａで、周囲温度程度まで加熱される。このため、機械室に設置される低温サイクル圧縮機２０の吸い込み配管２０ａが周囲空気から熱を奪うことなく、熱損失を抑えることができる。また、低温サイクル圧縮機２０で圧縮された冷媒の温度が周囲温度よりも高くなり、図２の放熱過程ｂ−ｂ´で、低温サイクル放熱器２１より周囲に放熱することが可能になる。

冷凍サイクル１は、全体の放熱温度レベルが低い上、低温サイクル圧縮機２０の吐出温度Ｔ_bは高温サイクル圧縮機１０の吐出温度Ｔ_Bよりもさらに低い。そのため、低温サイクル内部熱交換器２２だけでは低温サイクル圧縮機２０に吸い込まれる冷媒の温度を十分に上げることができない。低温サイクル内部熱交換器２２に加えてサイクル間内部熱交換器３１が存在することにより、低温サイクル圧縮機２０に吸い込まれる冷媒の温度を、圧縮後の温度が周囲温度を上回る程度にまで上げることができる。これにより、図２の放熱過程ｂ−ｂ´で、低温サイクル放熱器２１より周囲に放熱することが可能になる。

このように、高温サイクル内部熱交換器１２、低温サイクル内部熱交換器２２、及びサイクル間内部熱交換器３１を設けることにより、冷熱回収で冷凍サイクル１の冷凍能力を高め、圧縮機の吸い込み配管による熱損失を低減し、また冷凍サイクル１全体の放熱レベルを低下させることができる。

高温サイクル減圧器１３がキャピラリーチューブであることを利用して、高温サイクル内部熱交換器１２とサイクル間内部熱交換器３１を図３のように構成することが可能である。

すなわち、高温サイクル減圧器１３を、高温サイクル内部熱交換器１２またはサイクル間内部熱交換器３１の熱交換配管とするのである。図３の構成では、高温サイクル減圧器１３が、高温サイクル内部熱交換器１２の高温側熱交換配管１２ａとなり、またサイクル間内部熱交換器３１の高温サイクル側熱交換配管３１ａともなっているが、どちらか一方に限定してもよい。

高温サイクル減圧器１３は、高温サイクル内部熱交換器１２では低温側熱交換配管１２ｂに密着させ、サイクル間内部熱交換器３１では低温サイクル側熱交換配管３１ｂに密着させる。半田付けなどで管同士を接合するのがよい。

高温サイクル減圧器１３に流入した高温サイクル２の高温高圧冷媒は、最初に高温サイクル内部熱交換器１２で、中間熱交換器３０より高温サイクル内部熱交換器１２に流入した高温サイクル２の低温低圧冷媒により熱を奪われる。

高温サイクル２の高温高圧冷媒は、続いてサイクル間内部熱交換器３１で、低温サイクル内部熱交換器２２よりサイクル間内部熱交換器３１に流入した低温サイクル３の低温低圧冷媒により熱を奪われる。

高温サイクル２の高温高圧冷媒は、このように高温サイクル内部熱交換器１２とサイクル間内部熱交換器３１で熱を奪われながら、膨張し、低温低圧の冷媒となる。

このように、キャピラリーチューブからなる高温サイクル減圧器１３を、高温サイクル内部熱交換器１２またはサイクル間内部熱交換器３１の熱交換配管として機能させることにより、部品点数を減らし、製造コストを引き下げることができる。

同様に、低温サイクル減圧器２３がキャピラリーチューブであることを利用して、低温サイクル減圧器２３を、低温サイクル内部熱交換器２２の高温側熱交換配管２２ａとして機能させることができる。低温サイクル減圧器２３は低温サイクル内部熱交換器２２の内部で低温側熱交換配管２２ｂに密着させ、半田付けなどで接合する。

低温サイクル減圧器２３に流入した低温サイクル３の高温高圧冷媒は、低温サイクル内部熱交換器２２で、低温サイクルレシーバー２５より低温サイクル内部熱交換器２２に流入した低温サイクル３の低温低圧冷媒により熱を奪われる。低温サイクル３の高温高圧冷媒は、低温サイクル内部熱交換器２２で熱を奪われながら、膨張し、低温低圧の冷媒となる。

このように、キャピラリーチューブからなる低温サイクル減圧器２３を、低温サイクル内部熱交換器２２の熱交換配管として機能させることにより、部品点数を減らし、製造コストを引き下げることができる。

本発明による冷凍サイクルは、冷蔵室の冷却と冷凍室の冷却にそれぞれ適切な温度レベルの冷熱を使用できること、中間熱交換器の設置により低圧縮比が実現できること、複数の内部熱交換器の設置による熱損失の低減、及び冷凍サイクル全体の放熱温度レベルの低下により、２台の圧縮機を使用するにもかかわらず、高い成績係数（ＣＯＰ）を実現できる。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、実施形態の開示はすべての点で例示であって、制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲に定められるが、特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲におけるすべての変更がその中に含まれる。

本発明は冷凍冷蔵庫をはじめとする、異なる温度空間を備える冷却装置に広く利用可能である。

１冷凍サイクル
２高温サイクル
３低温サイクル
１０高温サイクル圧縮機
１１高温サイクル放熱器
１２高温サイクル内部熱交換器
１３高温サイクル減圧器
１４高温サイクル蒸発器
２０低温サイクル圧縮機
２１低温サイクル放熱器
２２低温サイクル内部熱交換器
２３低温サイクル減圧器
２４低温サイクル蒸発器
３０中間熱交換器
３１サイクル間内部熱交換器

Claims

冷蔵室と冷凍室とを有する冷凍冷蔵庫において、
当該冷凍冷蔵庫の冷凍サイクルは、前記冷蔵室を冷却するための高温サイクル圧縮機、高温サイクル放熱器及び高温サイクル蒸発器を有する高温サイクルと、前記冷凍室を冷却するための低温サイクル圧縮機及び低温サイクル蒸発器を有する低温サイクルとにより構成され、
前記高温サイクルには当該高温サイクル内の高温冷媒と低温冷媒とを熱交換させる高温サイクル内部熱交換器が設けられ、
前記低温サイクルには当該低温サイクル内の高温冷媒と低温冷媒とを熱交換させる低温サイクル内部熱交換器が設けられ、
前記高温サイクルと前記低温サイクルとの間には、前記低温サイクルの放熱を前記高温サイクルに吸収させる中間熱交換器と、前記高温サイクルの高温冷媒と前記低温サイクルの低温冷媒とを熱交換させるサイクル間内部熱交換器が設けられ、
前記中間熱交換器から流出した前記高温サイクルの低温冷媒は、前記高温サイクル内部熱交換器で前記高温サイクル放熱器から流出した前記高温サイクルの高温冷媒と熱交換した後に前記高温サイクル圧縮機の吸い込み配管に流入するとともに、
前記低温サイクル蒸発器から流出した前記低温サイクルの低温冷媒は、前記低温サイクル内部熱交換器で前記低温サイクルの高温冷媒と熱交換した後に前記サイクル間内部熱交換器で前記高温サイクルの高温冷媒と熱交換してから前記低温サイクル圧縮機の吸い込み配管に流入することを特徴とする冷凍冷蔵庫。
前記高温サイクル内部熱交換器で前記高温サイクルの低温冷媒と熱交換した前記高温サイクルの高温冷媒が、前記サイクル間内部熱交換器で前記低温サイクルの低温冷媒と熱交換することを特徴とする請求項１に記載の冷凍冷蔵庫。
流入した冷媒を気液分離して液体の冷媒を内部に溜めるとともに気体の冷媒を外部へ流出させるレシーバーを備え、
前記高温サイクル蒸発器の冷媒流出側と前記高温サイクル内部熱交換器の冷媒流入側との間および前記低温サイクル蒸発器の冷媒流出側と前記低温サイクル内部熱交換器の冷媒流入側との間の少なくとも一方に前記レシーバーを配したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の冷凍冷蔵庫。
前記低温サイクルに低温サイクル放熱器が設けられ、
前記低温サイクルを流れる冷媒は、前記低温サイクル放熱器から前記中間熱交換器を経て流出した冷媒である高温冷媒と、前記低温サイクル蒸発器から流出した冷媒である低温冷媒とが、前記低温サイクル内部熱交換器で熱交換することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の冷凍冷蔵庫。
前記高温サイクルにキャピラリーチューブからなる高温サイクル減圧器が設けられ、
前記高温サイクル減圧器は、前記高温サイクル内部熱交換器または前記サイクル間内部熱交換器の熱交換配管として機能することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の冷凍冷蔵庫。
前記低温サイクルにキャピラリーチューブからなる低温サイクル減圧器が設けられ、
前記低温サイクル減圧器は、前記低温サイクル内部熱交換器の熱交換配管として機能することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の冷凍冷蔵庫。