特許 7607192 冷凍サイクル装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-19

(45)【発行日】2024-12-27

(54)【発明の名称】冷凍サイクル装置

(51)【国際特許分類】

   F25B 1/00 20060101AFI20241220BHJP

   F25B 49/02 20060101ALI20241220BHJP

   F25D 11/00 20060101ALI20241220BHJP

【ＦＩ】

F25B1/00 385Z

F25B1/00 381D

F25B1/00 383

F25B49/02 510C

F25D11/00 101B

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2021023032

(22)【出願日】2021-02-17

(65)【公開番号】P2022125447

(43)【公開日】2022-08-29

【審査請求日】2023-12-01

(73)【特許権者】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100106116

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 健司

(74)【代理人】

【識別番号】100151378

【弁理士】

【氏名又は名称】宮村 憲浩

(74)【代理人】

【識別番号】100157484

【弁理士】

【氏名又は名称】廣田 智之

(72)【発明者】

【氏名】中村 智裕

(72)【発明者】

【氏名】堀尾 好正

(72)【発明者】

【氏名】柿田 健一

【審査官】庭月野 恭

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１９／１１１７７１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１４－０２５６０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－２９４０４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－０１４３１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特許第６５４０８７２（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】特開平０９－０８９４３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０５９０４０４９（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２５Ｂ １／００

Ｆ２５Ｂ ４９／０２

Ｆ２５Ｄ １１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも、圧縮機と、凝縮器と、絞り手段と、蒸発器とを有する冷凍サイクル装置で、前記凝縮器と前記絞り手段との間の冷媒の温度を検知する複数の温度センサを備え、前記温度センサの検知温度差に応じて、冷媒循環量を制御する冷媒循環量制御手段を備え、前記冷媒循環量制御手段は前記蒸発器で生成された冷気を庫内に循環させる冷却ファンの回転数を制御することであり、前記温度センサの検知温度差が上限閾値を下回るように前記冷却ファンの回転数を増加させ、前記温度センサの検知温度差が下限閾値を下回った場合、前記冷却ファンの回転数を減少させることを特徴とする冷凍サイクル装置。

【請求項2】

少なくとも、圧縮機と、凝縮器と、絞り手段と、蒸発器とを有する冷凍サイクル装置で、前記凝縮器と前記絞り手段との間の冷媒の温度を検知する複数の温度センサを備え、前記温度センサの検知温度差に応じて、冷媒循環量を制御する冷媒循環量制御手段を備え、前記冷媒循環量制御手段は、前記凝縮器の凝縮器用送風機の回転数を制御することであり、前記温度センサの検知温度差が上限閾値を下回るように前記凝縮器用送風機の回転数を増加させ、前記温度センサの検知温度差が下限閾値を下回った場合、前記凝縮器用送風機の回転数を減少させることを特徴とする冷凍サイクル装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、冷媒配管の２点間の温度差を用いて冷凍サイクルを制御する、冷蔵庫等の冷凍サイクル装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、冷凍サイクル装置の一つである冷蔵庫では、貯蔵室の庫内温度と設定温度の差に基づいて、圧縮機の回転数及び冷却ファンの回転数を制御している（例えば、特許文献１参照）。

【0003】

図６は、特許文献１に記載された従来の冷凍サイクルの圧縮機及び冷却ファンの制御方法を示した図である。

【0004】

図６に示すように、庫内温度検出回路１５１は、貯蔵室内に設置された庫内温度センサ１５０により、貯蔵室内の庫内温度を検出し、制御手段１５２にその温度データを出力するものである。制御手段１５２では、貯蔵室の温度データと設定温度の差に基づいて、圧縮機１４１の回転数及び冷却ファン１４２の回転数を決定し、これに対応した制御指令信号を圧縮機駆動回路１５３及び冷却ファン駆動回路１５４に出力して、圧縮機１４１の回転数及び冷却ファン１４２の回転数を制御している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開平１－３３４８５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、前記従来の構成では、庫内の空気温度と設定温度の差に基づいて圧縮機や冷却ファンの回転数を制御しているため、冷媒側の冷却効率などが考慮できておらず、冷蔵庫の周囲温度や庫内の収納量の変動、扉開閉に伴う庫外空気の侵入など、使用環境や使い方によっては、冷媒の冷却効率が低下してしまうという課題を有していた。

【0007】

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、冷媒の冷却効率を向上させる冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

前記従来の課題を解決するために、本発明の冷凍サイクル装置は、少なくとも、圧縮機と、凝縮器と、絞り手段と、蒸発器とを有する冷凍サイクル装置で、前記凝縮器と前記絞り手段との間の冷媒の温度を検知する複数の温度センサを備え、前記温度センサの検知温度差に応じて、冷媒循環量を制御する冷媒循環量制御手段を備えたことを特徴としたものである。

【発明の効果】

【0009】

本発明の冷凍サイクル装置は、冷媒の冷却効率を高め、省エネルギー性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施の形態１における冷凍サイクル装置としての冷蔵庫の正面図

【図2】実施の形態１における冷蔵庫の縦断面図

【図3】実施の形態１における冷蔵庫のサイクル構成図

【図4】実施の形態１における冷凍サイクルの冷却ファンの制御方法を示した図

【図5】実施の形態１における冷凍サイクルの冷媒制御センサの出力と冷媒循環量との相関を示した図

【図6】従来の冷凍サイクルの冷却ファンの制御方法を示した図

【発明を実施するための形態】

【0011】

第１の発明は、少なくとも、圧縮機と、凝縮器と、絞り手段と、蒸発器とを有する冷凍サイクル装置で、前記凝縮器と前記絞り手段との間の冷媒の温度を検知する複数の温度センサを備え、前記温度センサの検知温度差に応じて、冷媒循環量を制御する冷媒循環量制御手段を備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置である。

【0012】

これによって、凝縮器出口の冷媒配管の検知温度差から凝縮器出口の冷媒の乾き度を推定することができ、検知温度差を設定温度差に近づけるように冷媒循環量を制御して、凝縮器出口の冷媒の乾き度をゼロに近づけることができる。これにより、冷凍システムの冷却効率が増加するため、冷凍能力を最大化することができ、省エネルギー性を高めることができる。

【0013】

第２の発明は、前記冷媒循環量制御手段は、前記蒸発器で生成された冷気を庫内に循環させる冷却ファンの回転数を制御することであることを特徴とする第１の発明に記載の冷凍サイクル装置である。

【0014】

これによって、凝縮器出口の冷媒の乾き度をゼロに近づけるように前記冷却ファンの回転数を制御することができる。これにより、冷凍システムの冷却効率が増加するため、冷凍能力を最大化することができ、省エネルギー性を高めることができる。

【0015】

第３の発明は、前記冷媒循環量制御手段は、前記凝縮器にて冷媒の凝縮を促進させるために備えられる凝縮器ファンの回転数を制御することであることを特徴とする第１の発明に記載の冷凍サイクル装置である。

【0016】

これによって、凝縮器出口の冷媒の乾き度をゼロに近づけるように前記凝縮器ファンの回転数を制御することができる。これにより、冷凍システムの冷却効率が増加するため、冷凍能力を最大化することができ、省エネルギー性を高めることができる。

【0017】

第４の発明は、前記冷媒循環量制御手段は、前記圧縮機の回転数制御であることを特徴とする第１の発明に記載の冷凍サイクル装置である。

【0018】

これによって、凝縮器出口の冷媒の乾き度をゼロに近づけるように前記圧縮機の回転数を制御することができる。これにより、冷凍システムの冷却効率が増加するため、冷凍能力を最大化することができ、省エネルギー性を高めることができる。

【0019】

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって、本発明が限定されるものではない。

【0020】

（実施の形態１）
以下、冷凍サイクル装置の実施の形態として冷蔵庫を例にして図１～図５を用いて説明する。

【0021】

図１は本発明の実施の形態による冷凍サイクル装置としての冷蔵庫の正面図、図２は同実施の形態１による冷蔵庫の縦断面図、図３は同実施の形態１による冷蔵庫のサイクル構成図である。図４は冷凍サイクルの冷却ファンの制御方法を示した図、図５は冷凍サイクルの冷媒制御センサの出力と冷媒循環量との相関を示した図である。

【0022】

図１から図３に示すように、この冷蔵庫は、前方に開口する金属製（例えば鉄板）の外箱と、硬質樹脂製（例えばＡＢＳ）の内箱と、前記外箱と内箱との間に発泡充填した硬質ウレタンフォーム等の断熱材とからなる断熱性の冷蔵庫本体３０を備えている。冷蔵庫本体３０内には、冷蔵室３１、冷蔵室３１の下に上段冷凍室３２及びその横に並設した製氷室３３と、並設した上段冷凍室３２及び製氷室３３の下方に下段冷凍室３４、下段冷凍室３４の下方に野菜室３５が設けてある。そして、冷蔵室３１の前面は、例えば観音開き式の扉により開閉自由に閉塞されるとともに、上段冷凍室３２と製氷室３３と下段冷凍室３４と野菜室３５の前面部は引き出し式の扉により開閉自由に閉塞される。

【0023】

冷蔵室３１は冷蔵保存のために凍らない温度を下限に通常１～５℃で設定されている。野菜室３５は冷蔵室３１と同等もしくは若干高い温度設定の２℃～７℃に設定されており、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。上段冷凍室３２と下段冷凍室３５は冷凍保存のために通常－２２から－１８℃で設定されているが、冷凍保存状態の向上のために、例えば－３０から－２５℃の低温で設定されることもある。

【0024】

また、上段冷凍室３２は切替室として、ダンパ機構等を用いることで、冷蔵温度帯から冷凍温度帯まで選択可能な部屋とすることもある。

【0025】

冷蔵庫本体３０には、前記冷蔵室３１、上段冷凍室３２、製氷室３３、下段冷凍室３４
、野菜室３５を冷却する冷凍システム１０が設けてあり、その冷凍システム１０の冷媒を圧縮する能力可変型の圧縮機１１が天面後部の機械室４７に設けられ、冷却器となる蒸発器１６が背面部の冷却室４８に設けてある。

【0026】

上記冷凍システム１０の冷媒としては、地球環境保全の観点から地球温暖化係数が小さい可燃性冷媒であるイソブタンを使用している。この炭化水素であるイソブタンは空気と比較して常温、大気圧下で約２倍の比重である（２．０４、３００Ｋにおいて）。これにより従来に比して冷媒充填量を低減でき、低コストであると共に、可燃性冷媒が万が一に漏洩した場合の漏洩量が少なくなり安全性をより向上できる。

【0027】

次に、上記冷凍システム１０の構成を、図３を用いて説明する。

【0028】

冷凍システム１０は、圧縮機１１、凝縮器１２、ドライヤ１３、絞り手段となる、キャピラリーチューブ１５、蒸発器１６、アキュームレータ１７、吸入管１８、内部熱交換部１９を接続して構成してある。また、この冷凍システム１０には、微小抵抗２０、上流温度センサ２１及び下流温度センサ２２からなる冷媒制御センサ２３が設けてある。

【0029】

上記冷媒制御センサ２３を構成する微小抵抗２０は、長さ２５０ｍｍの細径管からなり、直列配置された微小抵抗２０とキャピラリーチューブ１５の全抵抗の約５％に相当する抵抗を有する。全抵抗に対する微小抵抗２０の比率は、１～２０％が望ましい。１％未満では内部を流れる冷媒の状態変化を測定することが困難となる。２０％超では内部熱交換部１９の熱交換が不十分となり、冷凍システムの効率が低下する。なお、上記全抵抗に対する微小抵抗２０の比率は、それぞれの抵抗を同じ内径のキャピラリーチューブ１５で代替した時の長さの比率で示したものである。

【0030】

ここで、上記冷媒制御センサ２３を構成する上流温度センサ２１及び下流温度センサ２２は、微小抵抗２０の内部を流れる冷媒の状態変化に応じて変化する微小抵抗２０の上流側と下流側の温度を測定し、その温度差が設定温度差に近づくように冷媒循環量を可変し、冷凍システム１０を所定の状態に制御する構成となっている。

【0031】

なお、上記冷凍システム１０において、ドライヤ１３は、冷凍システム１０内を循環する冷媒を乾燥するものであり、液冷媒と効率よく接触するために凝縮器１２の下流に配置している。

【0032】

また、アキュームレータ１７は、安定状態における余剰冷媒を貯留するものであり、蒸発器１６と略同一の温度に保持するために蒸発器１６の下流に配置してある。冷凍システム１０を用いて冷却する対象物（図示せず）の温度が上昇すると、アキュームレータ１７に貯留される余剰冷媒量が減少して冷凍システム１０内の冷媒循環量が増大することで冷凍能力を増加させる。

【0033】

一般に、冷蔵庫本体３０等の筐体の外郭から自然対流で放熱する家庭用冷蔵庫など環境条件によって放熱能力が大きく変化する冷凍システムでは、レシーバを用いて冷凍システムの高圧側に余剰冷媒を貯留することができないので、本実施の形態１のように、アキュームレータ１７を用いて冷凍システムの低圧側に余剰冷媒を貯留する。また、アキュームレータ１７に貯留する余剰冷媒量は冷凍システム内の全冷媒量の１０～３０％程度としてあり、比較的少量で冷凍能力を調整する機能が得られるので、全冷媒量を抑制するために有効である。

【0034】

また、キャピラリーチューブ１５を用いて、冷凍システム１０の絞りを構成することにより、キャピラリーチューブ１５と吸入管１８との間で熱交換する内部熱交換部１９を実現することができ、吸入管１８内を還流する低温冷媒のエンタルピーを回収して冷凍システム１０の効率を向上することができる。

【0035】

以上のように構成された冷蔵庫について、以下その作用、動作について、図３から図５を用いて説明する。

【0036】

本冷蔵庫は、冷却運転を行う際には、圧縮機１１で圧縮された冷媒は凝縮器１２で放熱して凝縮した後、ドライヤ１３で乾燥される。そして、冷媒制御センサ２３を通過した後、キャピラリーチューブ１５で減圧され、その後、蒸発器１６に供給されて蒸発し、吸入管１８を介して圧縮機１１へ還流する。このとき、蒸発器１６で発生する冷熱を利用して冷却が行われる。

【0037】

ここで、圧縮機１１を運転した状態で、対象物（図示せず）の温度が低下して安定状態に近づくと、凝縮器１２の出口冷媒は２相状態（望ましくは、乾き度３～１０重量％）となる。これは、冷却する対象物（図示せず）の温度が上昇して、アキュームレータ１７に貯留される余剰冷媒量が減少し冷凍システム１０内の冷媒循環量が増大した場合でも、凝縮器１２の出口冷媒が過冷却とならないように、直列配置された微小抵抗２０とキャピラリーチューブ１５の全抵抗と冷凍システム１０内の全冷媒量を設計しているためである。

【0038】

一般に、筐体の外郭から自然対流で放熱する家庭用冷蔵庫など環境条件によって放熱能力が大きく変化する冷凍システムにおいて、凝縮器の出口冷媒が過冷却になるように設計すると、環境条件によって放熱能力が増大した際に冷凍システム内のほぼすべての冷媒が凝縮器に滞留して、冷媒循環量が異常に低下する懸念が生じる。

【0039】

また、環境条件によって放熱能力が減少した際に凝縮器で凝縮できなかった余剰冷媒がアキュームレータ１７に貯留しきれなくなって吸入管１８から圧縮機１１へ還流することで、圧縮機１１の耐久性が低下する懸念が生じる。

【0040】

そのため、本発明の冷凍システム１０では前記したように、凝縮器１２の出口冷媒が過冷却とならないよう、直列配置された微小抵抗２０とキャピラリーチューブ１５の全抵抗と冷凍システム１０内の全冷媒量を設計しているのである。

【0041】

２相状態となった前記凝縮器１２からの冷媒は、微小抵抗２０を通過する際、上流温度センサ２１と下流温度センサ２２で微小抵抗２０の上流側と下流側の温度が検出される。そして、検出された微小抵抗２０前後の温度差が所定値になるように、冷媒循環量を制御する。その結果、凝縮器１２の出口冷媒の乾き度が減少していき、冷凍効果が増大して冷凍システム１０の効率を向上することができる。

【0042】

次に、図４及び図５に基づいて冷媒循環量の制御方法について説明する。

【0043】

図４の横軸は蒸発器１６で生成された冷気を庫内に循環させる冷却ファン４５の回転数であり、縦軸は冷媒制御センサ２３が測定する微小抵抗２０の前後の温度差Ｓである。

【0044】

前記したように、圧縮機１１を運転した状態で、冷凍システム１０を用いて冷却する対象物（図示せず）の温度が低下して安定状態に近づくと、凝縮器１２の出口冷媒は２相状態となる。このとき、冷媒制御センサ２３の出力はＳ０を示す。そして、冷媒制御センサ２３の出力がＳ２を下回るように冷却ファン４５の回転数を増加させる。この結果、凝縮器１２の出口冷媒の乾き度が減少していき、冷凍効果が増大して冷凍システム１０の効率が向上する。

【0045】

一方、凝縮器１２の出口冷媒の乾き度が減少し続け、冷媒制御センサ２３の出力がＳ１を下回った場合、冷却ファン４５の回転数を減少させる。この結果、冷媒制御センサ２３の出力がＳ１からＳ２を示す状態に安定させることができる。

【0046】

冷媒制御センサ２３の出力に下限値Ｓ１を設けたのは、冷却ファン４５の回転数を増大させ過ぎると凝縮器１２の出口冷媒が過冷却状態となり、冷凍システム１０内のほぼすべての冷媒が凝縮器１２に滞留して、冷媒循環量が異常に低下する懸念が生じるためである。このような場合、冷却能力が不足し、冷蔵庫としては鈍冷となる恐れがあるため避ける必要があるのである。

【0047】

図５の横軸は、図４の縦軸と同じ冷媒制御センサ２３が測定する微小抵抗２０の前後の温度差Ｓであり、図５の縦軸は、微小抵抗２０内を通過する冷媒循環量Ｑである。

【0048】

前記したように、冷媒制御センサ２３の出力がＳ０を示した状態から冷却ファン４５の回転数を増加させると、蒸発器１６において、空気と冷媒の熱交換が促進され、冷媒の蒸発温度が上昇し、冷媒循環量が増加する。それに伴い、凝縮器１２の出口冷媒の乾き度が減少して、冷媒制御センサ２３の出力がＳ０からＳ２へ低下する。同様に、冷却ファン４５の風量を調整して冷媒制御センサ２３の出力がＳ１からＳ２を示す状態に安定させると、凝縮器１２の出口冷媒の乾き度がゼロ近傍（望ましくは、乾き度０～１重量％）で安定する。

【0049】

前記したように、冷媒循環量が増大した場合でも凝縮器１２の出口冷媒が過冷却とならないように、微小抵抗２０とキャピラリーチューブ１５の全抵抗を設計しているため、冷媒循環量が減少した場合は、微小抵抗２０とキャピラリーチューブ１５の全抵抗が不足する。不足分の抵抗を補うために、凝縮器１２の出口冷媒の乾き度が増加し、それに従い冷媒の流速が増大する。

【0050】

それにより、微小抵抗２０とキャピラリーチューブ１５内を通過する冷媒の抵抗が増大するため、不足分の抵抗を補うことができる。冷媒循環量が大きい場合は凝縮器１２の出口冷媒の乾き度はゼロ近傍であり、冷媒循環量の減少に従い、凝縮器１２の出口冷媒の乾き度は増加するものである。

【0051】

このように冷媒制御センサ２３の出力、つまり検知温度差に応じて、これが設定温度差に近づくように冷却ファン４５の風量を制御することにより、凝縮器１２の出口冷媒の乾き度をゼロ近傍（望ましくは、乾き度０～１重量％）で安定させ、冷凍効果を増大して冷凍システム１０の効率を向上することができる。

【0052】

つまり、上述した冷蔵庫本体３０は、微小抵抗２０とその前後の温度差を測定する温度センサからなる冷媒制御センサ２３を用いて凝縮器出口の乾き度をゼロに近づけるように冷却ファン４５を制御することにより、凝縮器出口にレシーバを有しない冷凍システムにおいて冷却ファン４５を用いて冷凍能力を最大化することができ、高効率な冷却運転を行うことができる。

【0053】

以上のように、本発明において開示する技術の例示として、実施の形態１を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。

【0054】

そこで、以下、他の実施の形態を例示する。

【0055】

実施の形態１では、冷媒制御センサ２３の出力に応じて、冷却ファン４５を制御することで、冷凍能力を最大化していたが、これは、凝縮器１２にて冷媒の凝縮を促進させるために備えられる凝縮器ファン４６の回転数を制御する方法でもよい。

【0056】

凝縮器ファン４６の回転数を増加させると、凝縮器１２において、空気と冷媒の熱交換が促進され、冷媒の凝縮温度が低下し、圧縮機の体積効率が向上することに伴い、冷媒循環量が増加する。よって、冷却ファン４５の回転数を増大させた場合と同様の効果を得られる。

【0057】

また、冷媒制御センサ２３の出力に応じて、圧縮機１１の回転数を制御する方法でもよい。圧縮機１１の回転数を増加させると、冷媒循環量が増加するため、冷却ファン４５、凝縮器ファン４６の風量を増大させた場合と同様の効果を得られる。

【産業上の利用可能性】

【0058】

以上のように、本発明にかかる冷凍システム装置は、冷媒の冷却効率を高め、省エネルギー性を向上させることが可能となるので、例えば、家庭用又は業務用冷蔵庫等の冷凍冷蔵応用商品はもちろん、冷凍サイクルを搭載する空調機器や厨房機器等の冷凍サイクル装置として幅広く適用できる。

【符号の説明】

【0059】

１１ 圧縮機
１２ 凝縮器
１５ キャピラリーチューブ（絞り手段）
１６ 蒸発器
２０ 微小抵抗
２１ 上流温度センサ
２２ 下流温度センサ
２３ 冷媒制御センサ
３０ 冷蔵庫本体
４５ 冷却ファン
４６ 凝縮器ファン

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】