JP6211832B2 - 冷蔵庫 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、冷蔵庫に関する。

少なくとも圧縮機、凝縮器、キャピラリチューブ、冷却器を備え、これらを順次冷媒配管によって接続した冷凍サイクルにおいて、圧縮機を駆動させた状態から停止させた場合には、圧縮機運転時の惰性により冷媒が配管に送られ、その流速は圧縮機の駆動時に比して遅くなる。このため、キャピラリチューブを通過しても液体冷媒が適切に減圧されず、温度の低下も適切に引き起こされないため、温度の高い冷媒が冷却器に流れ込むことになり、冷却器の温度が上昇し、冷蔵庫内の温度が上昇するという問題があった。

この問題を解決するために冷凍サイクルの凝縮器とキャピラリチューブの間の配管に弁を設け、圧縮機の運転停止時に弁を閉じることで、冷媒を弁から先の冷媒配管に送らない構成が提案されている。

しかしながら、弁を閉じることで圧縮機出口側の圧力が圧縮機入口側の圧力に比べて高くなり、圧縮機の駆動時に入口側と出口側との間に圧力差が生じるため、起動時に圧縮機にかかるトルクが大きくなり、トルク不足による起動不良を引き起こしていた。

特開２００５−３３７６７７号公報

本発明は上記の問題を考慮してなされたものであり、圧縮機停止中の冷却器の温度上昇を最小限に留め、且つ、圧縮機の起動不良を防止する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、本実施形態の冷蔵庫は、冷媒を圧縮する圧縮機と、この圧縮機で圧縮した冷媒を凝縮させて放熱する凝縮器と、この凝縮器で凝縮した冷媒を減圧する第一キャピラリチューブと、この第一キャピラリチューブで減圧した冷媒を蒸発させる冷却器と、この冷却器の冷媒出口と前記圧縮機との間の冷媒流路に設けられ前記冷却器への冷媒の逆流を防止する逆止弁と、前記凝縮器と前記第一キャピラリチューブとの間の冷媒流路に設けられ冷媒の流路を切り換えるとともに冷媒の流量を調節する冷媒調節機構を有する切換弁と、この切換弁と前記圧縮機入口とを接続するバイパス配管とを備え、前記圧縮機の運転停止中に冷媒を前記バイパス配管に流すように前記切換弁の制御を行うものであって、前記切換弁を前記冷却器側に前記冷媒を流さない全閉状態にした後に、前記圧縮機を停止させるとともに前記切換弁から前記冷媒を前記バイパス配管に流す。

第一実施形態の冷蔵庫全体の概略構成を示す縦断面図である。 図１の冷蔵庫における冷凍サイクルを示す模式図である。 三方弁の断面図である。 図１の冷蔵庫における制御装置のブロック図である。 圧縮機と切換弁の制御のタイミングチャート図である。

以下、実施形態を図面に基づき説明する。

冷蔵庫の概略的な全体構成である図１に示すように、冷蔵庫本体１は、鋼板製の外箱２ａと合成樹脂製の内箱２ｂとの間隙にウレタンフォームなどの断熱材２ｃを発泡充填することで、前面が開口し内部を貯蔵空間とした縦長の断熱箱体２を形成しており、貯蔵空間を上方の冷蔵貯蔵空間と下方の冷凍貯蔵空間とに断熱区画している。

単一の内箱２ｂで形成された冷蔵貯蔵空間には、冷蔵室３と貯蔵容器である下部ケースと上部ケースを備えた野菜室４とを隣接状態で上下に区分配置している。

野菜室４の下方には断熱壁を介して、図示しない製氷室と、小冷凍室５とを左右に併置するとともに、最下段には、貯蔵容器を備えた主冷凍室６を配置して−１８〜−２０℃に冷却する冷凍貯蔵空間としている。

各貯蔵室の前面開口部は独立した断熱扉で閉塞されており、冷蔵室３の前面開口部は左右両側の上下部に設けたヒンジにより回動自在に支承された観音開き式の扉が設けられている。野菜室４および製氷室と小冷凍室５、主冷凍室６は、それぞれの貯蔵容器を扉に連結保持し、貯蔵室内に設けたレール機構により引き出し式で閉塞されている。

製氷室と小冷凍室５と主冷凍室６に亙る背部には冷却器７が配設されるとともに、この冷却器７の上方には送風機８が配設される。冷却器７と送風機８の前方には断熱された冷却器カバー９が備えられ、この冷却器カバー９によって冷凍室の貯蔵空間と冷却器７および送風機８を備えた冷却器室１０とを区画している。冷却器カバー９において送風機８の前方には、冷凍室内に冷気を吹き出す冷凍室吹き出し口１１を配設している。冷却器カバー９の下部における冷却器７の下部より冷却器室１０の底面に至る下方空間の前方領域には、冷凍室６内を循環した冷気を冷却器室１０内に吸い込む冷凍室吸い込み口１２を設けている。また、冷凍室吹き出し口１１の開口を冷凍室側から覆うように冷凍室ダンパ１３を配設している。

冷蔵室３と野菜室４に跨る冷蔵貯蔵空間の背部には、冷却器室１０と冷蔵室３とを連通する冷蔵室ダクト１４が設けられ、この冷蔵室ダクト１４には、上下方向に適当な間隔をおいて冷気の吹き出し口が穿設される。さらに、冷蔵室ダクト１４の冷却器室１０側には冷蔵室ダンパ１５を配設している。

冷却器７の周囲には、冷却器７の除霜を行う除霜ヒータ２１を備え、冷却器７の下方には除霜ヒータ２１によって融解した除霜水を受けて外部の蒸発皿に導くための樋２２を設けている。

断熱箱体２の背面下部の外側には内方に凹陥する機械室２３を形成し、冷凍サイクルの一環をなす圧縮機２４や凝縮器２５、放熱ファン、除霜水を蒸発させる蒸発皿を配設している。

また機械室２３の上部には、冷蔵庫の運転を制御するマイコンなどを実装した制御装置２６を設置している。

制御装置２６には、冷蔵室３と主冷凍室６の各室内に設けた庫内温度センサ２７、２８からの検出信号と、冷蔵室３や主冷凍室６の扉開閉を検出する各検出スイッチからの検出信号が入力される。また、冷蔵室３の扉前面に設置した図示しない操作パネルへの使用者の操作による冷却モードの切換えなどの信号が入力され、制御プログラムに基づき、圧縮機２４、送風機８の駆動や冷凍サイクルの冷媒切り換え、操作パネル部の表示などの制御を行う。

次に、冷凍サイクルについて説明する。冷凍サイクルの模式図である図２に示すように、圧縮機２４を起動することで冷媒が圧縮され、高温高圧となったガス冷媒は凝縮器２５に送られ、高温高圧のガス冷媒は凝縮器２５でその熱を放出させながら液化する。液化した冷媒は機械室２３に位置する三方弁（切換弁）４０に導かれ、制御装置２６の指令に基づき、この三方弁４０によって第一キャピラリチューブ３１と、第二キャピラリチューブ３３を有するバイパス配管３２とのそれぞれに冷媒流路を切換える。この第二キャピラリチューブ３３は三方弁４０や圧縮機２４と同じく、機械室２３内に配設される。

第一キャピラリチューブ３１を通過することで減圧された冷媒は冷蔵庫奥面に配される冷却器７へと向かい、冷却器７で気化することで気化熱によって冷却器７を低温化し、冷気を生成して冷却器室１０内を冷却する。熱交換により気化した冷媒は、その後、第一キャピラリチューブ３１と熱交換しながら、サクションパイプ３４を通って再び圧縮機２４に吸入され、一連の冷凍サイクルが繰り返される。なお、冷却器７の出口側の配管には逆止弁３５が接続され、バイパス配管３２を通り第二キャピラリチューブ３３を通過した圧力の高い冷媒が、圧力の低い冷却器７内に逆流することを防止している。

冷凍サイクルに用いる三方弁４０について図３に基づき説明する。三方弁４０は、弁ケース４１の底部に設けられた弁座４２と、この弁座４２の上部に配置される弁体４３とを有している。

弁座４２には、冷却器７側へ冷媒が流れ出る冷却器側出口４２ａと、バイパス配管３２側へ冷媒が流れ出るバイパス側出口４２ｂと、凝縮器２５から入口配管を介して冷媒が流れ込む流入口４４とが形成されている。

弁体４３は、弁座４２に形成された冷却器側出口４２ａ及びバイパス側出口４２ｂを覆うように弁座４２の上部に配置され、パルス制御されるステッピングモータ（不図示）によって角度制御可能に回動される。また、弁体４３には、冷却器側溝４３ａ及びバイパス側溝４３ｂが、互いに回転軸４５からの距離を相違させ、かつ、周方向の位置をずらして肉厚段部４６の下面に形成されている。

ステッピングモータによって弁体４３が、所定方向（本実施例では図３における矢印Ｋで示す時計回りの方向）へ所定角度回動することで、冷却器側溝４３ａ及び冷却器側出口４２ａ、または、バイパス側溝４３ｂ及びバイパス側出口４２ｂが上下に重なり連通したり、いずれのバイパス側溝４３ａ，冷却器側溝４３ｂもバイパス側出口４２ａ，冷却器側出口４２ｂに重なり合わずバイパス側出口４２ａ，バイパス側出口４２ｂが弁体４３によって閉鎖されたりする。

冷却器側溝４３ａと冷却器側出口４２ａとが連通すると、流入口４４から弁ケース４１内に流入した冷媒が、肉厚段部４６の開放端縁から冷却器側溝４３ａの内に進入し、冷却器側出口４２ａから流出して冷却器側出口配管を介して第一キャピラリチューブ３１及び冷却器７に導入される。

バイパス側溝４３ｂとバイパス側出口４２ｂとが連通すると、流入口４４から弁ケース４１内に流入した冷媒が、肉厚段部４６の開放端縁からバイパス側溝４３ｂの内に進入し、バイパス側出口４２ｂから流出してバイパス側出口配管３６及びバイパス配管３２を介して第二キャピラリチューブ３３に導入される。

バイパス側出口４２ｂ，冷却器側出口４２ａが弁体４３の肉厚段部４６によって閉鎖されると冷却器７への冷媒供給を遮断される。

さらに、冷却器側溝４３ａは、回転方向の前端から後端に向かうにしたがって断面積が漸次拡大するように形成されており、ステッピングモータによって弁体４３の回動角度を制御することで、冷却器側溝４３ａと冷却器側出口４２ａとが重なり合う面積を変更できる。これにより、冷却器側出口４２ａの開度を調整して冷却器７に供給する冷媒流量を、全閉から全開まで絞り調整できる。

上述したように、三方弁４０には冷媒流量を調節するための冷媒調節機構としての絞り機構が備えられ、庫内温度が所定温度以上であるなど、冷却器７の冷却能力を高くして、早く庫内を冷却したい場合には、圧縮機２４の周波数を高くするとともに、三方弁４０の絞り機構の制御により冷媒の流路を大きく確保することで冷媒流量を増加させ、冷却器７の冷却能力を高める。あるいは、外気温が低い場合など、冷凍サイクルの負荷が小さくなり、冷却器内の冷媒量が過剰気味になる場合には、冷媒の流路を絞って小さくすることで冷媒流量を減少させる制御を行い、冷却器７の冷却能力を最適化する。

次に、冷凍サイクルの冷却運転における制御機構について説明する。図４は、冷凍サイクルの運転制御機構のブロック図であって、制御装置２６には各庫内の温度センサ２７、２８が接続され、各検出信号が送られるとともに、制御対象である圧縮機２４と送風機８と三方弁４０及びダンパ１３、１５が接続されており、制御装置２６は、圧縮機２４と送風機８及び冷凍室と冷蔵室の各ダンパ１３、１５の運転制御を行う運転制御部５０と、冷媒流路及び冷媒流量を制御する三方弁４０の制御を行う冷媒制御部５１とを備えている。

冷蔵室３の庫内温度が設定された動作温度幅の上限であるオン点（例えば６℃）に達すると、運転制御部５０の制御により圧縮機２４を駆動し、三方弁４０の弁体４３を所定角度回動させて冷却器側溝４３ａと冷却器側出口４２ａとを連通させるとともに、バイパス側出口４２ｂを閉鎖することで、冷却器７に冷媒を供給する。こうして冷却器７によって冷気を生成するとともに、冷凍室ダンパ１３を閉じ、冷蔵室ダンパ１５を開いた上で、この冷気を送風機８の送風作用により冷蔵室３へ送風することで冷蔵室３内を冷却する。

冷蔵室３の庫内温度が設定された動作温度幅の下限であるオフ点（例えば２℃）に達すると、運転制御部５０の制御により圧縮機２４と送風機８の運転を停止し、開いていた冷蔵室ダンパ１５を閉じる。さらに、三方弁４０の弁体４３を回動して冷却器側出口４２ａを閉鎖するとともに、バイパス側溝４３ｂとバイパス側出口４２ｂを連通させバイパス配管３２に冷媒を流す。この時、冷媒調節機構である絞り機構によって冷媒流量を適切に調節することで、バイパス配管３２を流れた冷媒は、三方弁４０及び第二キャピラリチューブ３３によって減圧され、圧縮機２４の出口側に送られる。

なお、三方弁４０の絞り機構のみで圧縮機２４の入り口側に供給される冷媒量を適切な量に制御できる場合には、第二キャピラリチューブ３３を設けず、三方弁４０による絞り機構のみで冷媒流量を調節してもよい。

同様に、主冷凍室６の庫内温度が設定された動作温度幅の上限であるオン点に達した場合には冷蔵室ダンパ１５を閉じ、冷凍室ダンパ１３を開くことで冷気を冷凍温度帯の各貯蔵室に送風し、主冷凍室６内を冷却する。この時、必要があれば、三方弁４０の絞り機構により冷媒流量を減少させることで、冷却器７の蒸発温度を低下させ、冷却器７の温度を主冷凍室６の目標温度以下の温度に制御する。

冷蔵室３と主冷凍室６の庫内温度がそれぞれ設定された動作温度幅内におさまるように、圧縮機２４と送風機８を運転するとともに、ダンパ１３、１５と三方弁４０を制御して、各貯蔵室の庫内温度を目標とする温度範囲内に保持する。

圧縮機２４と三方弁４０の制御のタイミングチャート図である図５を用いて、具体的に時系列に沿って圧縮機２４と三方弁４０の制御を説明する。

冷蔵庫内を冷却するために圧縮機２４を運転している間は、冷媒制御部５１により三方弁４０の制御を行い、冷媒の流路を絞ることなく大量の冷媒を送る全開状態と、冷媒の流路を絞ることで少量の冷媒を送る絞り状態とを使い分ける。具体的には、庫内温度を素早く下げる必要があるなど、圧縮機２４を高い周波数で運転する場合には三方弁４０を全開にする。一方、庫内温度が目標温度に近く、冷却器７内の冷媒が過剰気味になる場合には三方弁４０を絞り、冷媒流量を減らすことで冷却器７の能力を最大限引き出し、冷凍サイクルの効率を最適化する（Ｔ１）。

圧縮機２４を駆動させた状態から停止させる所定時間（例えば２分）前に、三方弁４０を制御し、冷却器７側には冷媒を流さない全閉状態にして、圧縮機２４から新たに冷媒を流さないことで、すでに冷凍サイクルの内部に送りこまれた冷媒を圧縮機２４の内部に回収するとともに、冷却器７内の冷媒をほぼ蒸発させて冷蔵庫内部の冷却を行う。この冷却器７側の全閉状態は実際に圧縮機２４が停止状態になるまでの間維持する（Ｔ２）。

圧縮機２４が停止した瞬間に三方弁４０のバイパス側を開いて絞り状態にし、圧縮機２４出口側から三方弁４０の入り口までの間にたまった圧力の高い冷媒をバイパス配管３２及び、第二キャピラリチューブ３３に冷媒を流すことで、三方弁４０と第二キャピラリチューブ３３とのそれぞれで通過した冷媒の圧力を低下させるとともに温度も低下させる。さらに、圧縮機２４の出口側と入口側をつなぐことで、圧縮機２４の出口側と入口側との圧力をほぼ同等にする（Ｔ３）。

三方弁４０のバイパス側を全開にした所定時間（例えば６分）後に、バイパス側を絞り状態から全閉にする。これによりバイパス配管３２を通じて多量の液冷媒が圧縮機２４に送り込まれてしまうことで生じる液バック現象を防止することができる。なお、このときの所定時間（例えば６分）は第二キャピラリチューブ３３の内径などに依存するが、圧縮機２４の出口側と入口側との圧力差がほぼ解消されるだけの時間全開にしておけばよく、実際に運転する冷凍サイクルに応じて適宜変更が必要である（Ｔ４）。

次に、圧縮機２４の起動とほぼ同時に三方弁４０の冷却器側を開く。この時、三方弁４０は絞り状態としたが、全開状態であってもよい。三方弁４０の冷却器側が開かれた状態で圧縮機２４を駆動することで、冷媒を冷却器７に供給し、庫内の冷却を開始する。三方弁４０を開くタイミングが圧縮機２４の起動に比べて早すぎる場合には、温度の高い冷媒が冷却器７に流れ込んでしまうため、圧縮機２４の起動から前後１０秒間程度の間に三方弁４０を開くことが望ましい。なお、本実施形態のように三方弁４０のバイパス側は全閉状態で圧縮機２４を運転する場合には必要ないが、圧縮機２４の起動時に三方弁４０のバイパス側が開いた状態である場合には、圧縮機２４の起動とほぼ同時にバイパス側を全閉にする。これにより、バイパス配管３２を通過して多量の液冷媒が圧縮機２４に送りこまれてしまうことで生じる液バック現象を防止する（Ｔ５）。

上述した実施形態によれば、バイパス配管３２を設け圧縮機２４の停止時に、三方弁４０により冷媒を冷却器７側には流さず、バイパス側に流すため、冷却器７に温度の高い冷媒が送られることがなく、冷却器７の温度上昇を抑えられ、冷蔵庫内の温度上昇を防止できる。それとともに、圧縮機２４の入り口側と出口側の圧力がほぼ等しくなるため、起動時に圧縮機２４にかかるトルクを低く抑えることができ、圧縮機２４のトルク不足による起動不良を防止できる。

バイパス配管３２に第二キャピラリチューブ３３を配するとともに三方弁４０による絞り機能を使用することで、圧縮機２４の起動時に一度に大量の液冷媒が圧縮機２４に吸いこまれることで故障することを防止し、圧縮機２４の信頼性を向上させる。

冷媒調節機構としての絞り機構を備えた三方弁４０を用いるため、バイパス配管３２を通過する冷媒の減圧及び、温度の低下を三方弁４０のみで十分に行える場合には、第二キャピラリチューブ３３なしに圧縮機２４の起動時に一度に大量の液冷媒が吸い込まれることで故障することを防止できるため、冷凍サイクルを簡素化できる。また、冷凍サイクルの運転中に庫内温度や圧縮機１８の運転周波数などの状況に応じて、冷媒の流量を調節して冷凍サイクルの運転効率を最適化できる。

変形例としては、三方弁４０を凝縮器２５と第一キャピラリチューブ３１との間に配するのではなく、例えば第一キャピラリチューブ３１と冷却器７との間に配してもよい。この場合、冷媒は必ず第一キャピラリチューブ３１を通ることとなるので、三方弁４０をバイパス側に切り替えた場合に全開の状態であっても、多量の液冷媒が圧縮機２４に送りこまれてしまうことで生じる液バック現象を防止できる。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

３は冷蔵室、４は野菜室、６は主冷凍室、７は冷却器、８は送風機、１３は冷凍室ダンパ、１５は冷蔵室ダンパ、２３は機械室、２４は圧縮機、２５は凝縮器、２６は制御装置、２７は冷蔵室温度センサ、２８は冷凍室温度センサ、３１は第一キャピラリチューブ、３２はバイパス配管、３３は第二キャピラリチューブ、３４はサクションパイプ、３５は逆止弁、４０は三方弁（切換弁）、４１は弁ケース、４２は弁座、４２ａは冷却器側出口、４２ｂはバイパス側出口、４３は弁体、４３ａは冷却器側溝、４３ｂはバイパス側溝、４４は流入口、４５は回転軸、４６は肉厚段部、５０は運転制御部、５１は冷媒制御部を示す。

Claims (5)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
   この圧縮機で圧縮した冷媒を凝縮させて放熱する凝縮器と、
   この凝縮器で凝縮した冷媒を減圧する第一キャピラリチューブと、
   この第一キャピラリチューブで減圧した冷媒を蒸発させる冷却器と、
   この冷却器の冷媒出口と前記圧縮機との間の冷媒流路に設けられ前記冷却器への冷媒の逆流を防止する逆止弁と、
   前記凝縮器と前記冷却器との間の冷媒流路に設けられ冷媒の流路を切り換えるとともに、冷媒の流量を調節する冷媒調節機構を有する切換弁と、
   この切換弁と前記圧縮機入口とを接続するバイパス配管とを備え、
   前記圧縮機の運転停止中に冷媒を前記バイパス配管に流すように前記切換弁の制御を行うものであって、前記切換弁を前記冷却器側に前記冷媒を流さない全閉状態にした後に、前記圧縮機を停止させるとともに前記切換弁から前記冷媒を前記バイパス配管に流す、
   冷蔵庫。
2. 前記バイパス配管は、冷媒を減圧する第二キャピラリチューブを備えた請求項１に記載の冷蔵庫。
3. 前記第二キャピラリチューブを機械室内に備える請求項２に記載の冷蔵庫。
4. 前記圧縮機の起動時に前記切換弁の制御により前記第一キャピラリチューブに冷媒を流す制御を行う請求項１に記載の冷蔵庫。
5. 前記圧縮機の運転中に前記切換弁の前記冷媒調節機構により冷媒流量を調節する請求項１乃至４に記載の冷蔵庫。