JP2005257237A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 選択的に異なる温度帯で機能する吸熱手段を、冷凍サイクル中に設けた場合、いずれの温度帯においても、その効率を落とすことなく高効率の運転を可能にした冷凍装置を提供する。
【解決手段】 圧縮機１、放熱器２、減圧装置３、気液分離器４、並びに互いに異なる温度帯で選択的に機能する複数の吸熱器５７，５８を備えた冷凍装置である。気液分離器４で分離されたガス冷媒を圧縮機１の中間圧部に導入可能な手段５を備えると共に、気液分離器４で分離された液冷媒を循環させる低圧側回路９を備え、この低圧側回路９には複数の吸熱器５７，５８の内、少なくとも低い温度帯で機能する吸熱器５８を備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、気液分離器で分離されたガス冷媒を圧縮機の中間圧部に導入可能な手段を備える冷凍装置に関する。

一般に、圧縮機、放熱器、減圧装置、気液分離器を備え、この気液分離器で分離されたガス冷媒を、上記圧縮機の中間圧部に導入可能な手段を備える冷凍装置が知られている（特許文献１参照）。この種の冷凍装置では、上記気液分離器で分離されたガス冷媒を、ガスの状態のまま、上記圧縮機の中間圧部に導入するため、当該圧縮機における効率を向上させることができるといった効果が得られる。
特開２００３−１０６６９３号公報

ところで、この種の従来の冷凍装置において、冷凍サイクル中に選択的に異なる温度帯で機能する吸熱器を含む吸熱手段を設ける場合がある。

例えば、これを冷蔵室、冷凍室を備える冷蔵庫に適用する場合、冷凍サイクル中に冷蔵用、或いは冷凍用として機能する吸熱器を配置し、いずれか一の吸熱器の機能を利用して冷蔵、或いは冷凍運転を行うことになるが、この場合には、いずれの運転時にも、その効率を落とすことなく高効率で運転することが重要になる。

そこで、本発明の目的は、選択的に異なる温度帯で機能する吸熱手段を、冷凍サイクル中に設けた場合、いずれの温度帯においても、その効率を落とすことなく高効率の運転を可能にした冷凍装置を提供することにある。

本発明は、圧縮機、放熱器、減圧装置、気液分離器、並びに互いに異なる温度帯で選択的に機能する複数の吸熱器を備えた冷凍装置において、前記気液分離器で分離されたガス冷媒を前記圧縮機の中間圧部に導入可能な手段を備えると共に、前記気液分離器で分離された液冷媒を循環させる低圧側回路を備え、この低圧側回路には前記複数の吸熱器の内、少なくとも低い温度帯で機能する吸熱器を備えたことを特徴とする。

この場合において、前記低圧側回路には、前記すべての吸熱器を並列に備えていてもよい。また、前記減圧装置、前記気液分離器、並びに前記低い温度帯で機能する吸熱器をバイパスするバイパス回路を備え、このバイパス回路には高い温度帯で機能する吸熱器を備えていてもよい。さらに、前記減圧装置と前記気液分離器との間に高い温度帯で機能する吸熱器を備えていてもよい。また、上記すべての場合において、冷媒回路中に、運転中に高圧側が超臨界圧力となる冷媒を封入してもよい。

本発明では、気液分離器で分離された液冷媒を循環させる低圧側回路を備え、この低圧側回路には複数の吸熱器の内、少なくとも低い温度帯で機能する吸熱器を備えたため、装置全体として、高効率の運転が可能になる。

以下、本発明の実施の形態を、図面に基づき説明する。

図１は、本発明の一実施形態を示す冷媒回路図である。この冷凍装置３０は、圧縮機１、放熱器２、減圧装置３、並びに気液分離器４を順に備えて構成される。この圧縮機１から、放熱器２を経て減圧装置３の入口に至るまでの冷媒回路が高圧側回路を構成する。上記減圧装置３は、例えば、絞りの程度を可変に構成される。この絞りの程度を変えることで、気液分離器４に至るまでに、所定の圧力に低下させ、多くのガス冷媒を発生させ、その状態で、気液分離器４に入れることにより、当該気液分離器４での分離効率を変えることが可能になる。上記圧縮機１は２段圧縮機であり、１段圧縮部１Ａと、２段圧縮部１Ｂとを含み、１段圧縮部１Ａと、２段圧縮部１Ｂとの間に中間冷却器１Ｃを備える。８は逆止弁である。また、この冷凍装置３０は、気液分離器４で分離されたガス冷媒を、圧縮機１の中間圧部、即ち、中間冷却器１Ｃと２段圧縮部１Ｂとの間に導入可能な導入手段５を備える。ここでの圧縮機１は、２段圧縮機に限定するものではなく、それが、例えば、１段圧縮機であれば、導入手段５は１段圧縮機の中間圧部に戻せばよい。この導入手段５は、ガス管６と、このガス管６に設けられた開閉弁７とで構成され、この開閉弁７が開かれると、ガス管６を経て、気液分離器４で分離されたガス冷媒がガス管６内の差圧によって、破線矢印で示すように、圧縮機１の中間圧部に導入される。

また、この冷凍装置３０は、気液分離器４で分離された液冷媒を循環させるための低圧側回路９が設けられ、この低圧側回路９には、選択的に異なる温度帯で機能する吸熱手段１０が設けられる。この吸熱手段１０は、三方弁１１と、第１キャピラリーチューブ１２と、第１キャピラリーチューブ１２に直列に設けられた冷蔵用の吸熱器５７と、これらと並列に設けられた第２キャピラリーチューブ１３と、第２キャピラリーチューブ１３に直列に設けられた冷凍用の吸熱器５８とを備えて構成される。５９は逆止弁である。

第１キャピラリーチューブ１２の抵抗値は、第２キャピラリーチューブ１３の抵抗値よりも大きく設定される。そのために、三方弁１１の切り換えによって、第１キャピラリーチューブ１２に冷媒を流すと共に、圧縮機１の運転周波数を低減させると、吸熱器５７に流れる流量が減って、ここでの蒸発温度が高くなり、冷蔵運転が行われる。運転周波数が固定で、キャピラリーチューブの抵抗値だけが大きくなると、蒸発温度が低くなるからである。また、三方弁１１の切り換えによって、第２キャピラリーチューブ１３に冷媒を流すと共に、圧縮機１の運転周波数を増大させると、吸熱器５８に流れる流量が増して、ここでの蒸発温度が低くなり、冷凍運転が行われる。この吸熱器５８を経た冷媒は、逆止弁５９を経た後に、また、上記吸熱器５７を経た冷媒はそのまま、上述の減圧装置３の近くに設置された熱交換部１５を経由し、この熱交換部１５で熱交換して暖められた後に、逆止弁８を経て、圧縮機１の吸込部に戻される。

本構成では、吸熱器５７を経た冷風が、ダクト５７Ａを経て冷蔵室２１に送られ、吸熱器５８を経た冷風が、ダクト５８Ａを経て冷凍室２２に送られる。

上述した冷媒回路内には、運転中に高圧側が超臨界圧力となる冷媒、例えば、二酸化炭素冷媒が封入されている。図２は、本構成における２段圧縮を含む冷凍サイクルのエンタルピ・圧力（ｐｈ）線図であり、本構成では、例えば、夏場で、外気温度が３０℃以上になった場合、或いは、負荷が大きくなった場合等の条件によって、図３のエンタルピ・圧力（ｐｈ）線図に示すように、高圧側回路内が運転中に超臨界圧力で運転される。高圧側回路内が超臨界圧力で運転される冷媒には、ほかに、例えばエチレン、ディボラン、エタン、酸化窒素等が挙げられる。

図２及び図３を参照し、圧縮機１は２段圧縮である。

「イ」は、１段圧縮部１Ａの吸い込み、「ロ」は、１段圧縮部１Ａの吐出、「ハ」は、中間冷却器１Ｃの出口、「ニ」は、２段圧縮部１Ｂの吸い込み、「ホ」は、２段圧縮部１Ａの吐出状態である。圧縮機１から吐出された冷媒は、放熱器２を通って循環し冷却される。「ヘ」は、放熱器２の出口、「ト」は、減圧装置３の入口、「チ」は、減圧装置３の出口状態であり、この状態では、ガス／液体の２相混合体になる。ここでのガスと液体の比率は、「チ」〜「リ」の線分（ガス）の長さと、「チ」〜「カ」の線分（液体）の長さとの比に相当する。この冷媒は２相混合体の状態で気液分離器４に入る。そして、ここで分離されたガス冷媒は、圧縮機１の中間圧部、即ち、中間冷却器１Ｃと２段圧縮部１Ｂとの間に導入される。「カ」は、気液分離器４の出口状態であり、この出口を経た冷媒は、「ニ」の２段圧縮部１Ｂの吸い込みに至り、２段圧縮部１Ａで圧縮される。一方、上述の気液分離器４で分離された液冷媒は低圧側回路９を循環する。「リ」は、気液分離器４の出口、「ヌ」は、第１キャピラリーチューブ１２、又は、第２キャピラリーチューブ１３のいずれか一方の入口、「ル」は、同いずれか一方の出口、「ヲ」は、吸熱器１４の出口状態である。この吸熱器１４に入った液冷媒は、蒸発して熱を吸収する。「ワ」は、熱交換部１５の出口状態であり、ここでのガス相の冷媒は、上述した逆止弁８を経て、「イ」の１段圧縮部１Ａの吸い込みに戻される。

上記構成において、気液分離器４で分離されたガス冷媒は、これを低圧側回路９に循環させたとしても、冷却に使用することができず、これを１段圧縮部１Ａの吸い込みに戻すことは、圧縮機１における圧縮効率を低下させる。

本構成では、気液分離器４で分離されたガス冷媒を、圧縮機１の中間圧部、即ち、中間冷却器１Ｃと２段圧縮部１Ｂとの間に導入するため、圧縮機１における圧縮効率を向上させることができる。特に、本実施形態では、冷媒回路内に二酸化炭素冷媒が封入されているため、気液分離器４で分離されるガス及び液体の比率において、フロン系冷媒に比べ、ガス分（「チ」〜「リ」の線分）が多くなり、その多くのガス分を、圧縮機１の中間圧部に導入することで、より高い効率向上が図られる。

また、冷凍運転の場合、冷蔵運転と比較して、気液分離器４で分離されるガス冷媒量が多くなる。従って、本実施形態では、少なくとも低い温度帯で機能する吸熱器５８が、低圧側回路９に設けられたため、高効率な冷凍運転を行うことが可能になる。また、これに加えて、本実施形態では、高い温度帯で機能する吸熱器５７も、気液分離器４で分離された液冷媒を循環させるための低圧側回路９に設けられているため、冷凍運転時ばかりでなく、冷蔵運転時にも、きわめて高効率な運転を行うことが可能になる。

図４は、冷蔵庫への適用例を示す。この冷蔵庫４０は、上段に冷蔵室４１を備え、下段に冷凍室４２を備えて構成されている。そして、各室４１，４２の奥部には、夫々庫内仕切り壁６１，６２が設けられ、この庫内仕切り壁６１，６２で仕切られた風路４４内には、上述した吸熱器５７，５８、並びにファン６３，６４が設置される。本構成では、冷蔵運転、及び冷凍運転のサーモオン、サーモオフに従い、三方弁１１を切り換え、いずれか一方の吸熱器５７，５８に冷媒を流し、それに対応したファン６２，６３を駆動する。吸熱器５７に冷媒が流れる場合、冷蔵室４１に冷風が供給され、吸熱器５８に冷媒が流れる場合、冷凍室４２に冷風が供給される。図５は、別の構成を示す。図４と比較した場合、吸熱手段１０の構成が相違している。この吸熱手段１０は、三方弁が省略される一方で、各キャピラリーチューブ１２，１３に直列に電動弁６５，６６が接続される。６７は電動弁である。この構成では、冷蔵運転、及び冷凍運転のサーモオン、サーモオフに従い、上記電動弁６５，６６をオン、又はオフさせ、いずれか一方の吸熱器５７，５８に選択的に冷媒を流すと共に、それに対応したファン６２，６３を駆動する。これによっても、略同様の作用効果を得ることができる。

図６は、別の実施形態を示す。この実施形態では、図１に示す冷媒回路と異なり、三方弁７１を介して、減圧装置３、気液分離器４、並びに低い温度帯で機能する吸熱器５８をバイパスするバイパス回路７２が設けられ、このバイパス回路７２には、上記と同様の第１キャピラリーチューブ１２と、この第１キャピラリーチューブ１２に直列に設けられた冷蔵用の吸熱器５７とが接続される。７３は開閉弁である。本実施形態では、低圧側回路９に、少なくとも低い温度帯で機能する吸熱器５８が設けられているため、低い温度帯の冷凍運転を高効率に行うことが可能になる。また、本構成では、冷蔵運転時において、開閉弁７３が閉じられる。そして、圧縮機１から吐出された冷媒は、放熱器２、減圧装置３、三方弁７１を経てバイパス回路７２に至り、そこから第１キャピラリーチューブ１２、吸熱器５７、熱交換部１５を経由し、逆止弁８を経て、圧縮機１の吸込部に戻される。従って、冷蔵運転時には、気液分離器４で分離されたガス冷媒を、圧縮機１の中間圧部に導入する導入手段５の機能が停止される。この冷蔵運転時には、冷凍運転時に比較して、気液分離器４におけるガス冷媒の発生量が少ないため、導入手段５の動作を停止したとしても、運転効率の低下が抑制される。

図７は、冷蔵庫への適用例を示す。この冷蔵庫４０は、上段に冷蔵室４１を備え、下段に冷凍室４２を備えて構成されている。そして、各室４１，４２の奥部には、夫々庫内仕切り壁６１，６２が設けられ、この庫内仕切り壁６１，６２で仕切られた風路４４内には、上述した吸熱器５７，５８、並びにファン６３，６４が設置される。本構成では、冷蔵運転、及び冷凍運転のサーモオン、サーモオフに従い、三方弁７１を切り換え、いずれか一方の吸熱器５７，５８に冷媒を流し、それに対応したファン６２，６３を駆動する。吸熱器５７に冷媒が流れる場合、冷蔵室４１に冷風が供給され、吸熱器５８に冷媒が流れる場合、冷凍室４２に冷風が供給される。

図８は、別の構成を示す。図７と比較した場合、吸熱手段１０の構成が相違している。この吸熱手段１０は、三方弁７１が省略される一方で、各キャピラリーチューブ１２，１３に直列に電動弁６５，６６が接続される。６７は電動弁であり、この場合、開閉弁７３も省略される。この構成では、冷蔵運転、及び冷凍運転のサーモオン、サーモオフに従い、上記電動弁６５，６６をオン、又はオフさせ、いずれか一方の吸熱器５７，５８に選択的に冷媒を流すと共に、それに対応したファン６２，６３を駆動する。これによっても、略同様の作用効果を得ることができる。

図９は、更に別の実施形態を示す。

本実施形態では、図１と比較した場合、吸熱手段１０の構成が相違する。即ち、低い温度帯で機能する吸熱器５８が、上記構成と同様に、気液分離器４を経た後の低圧側回路９に配置される一方で、高い温度帯で機能する吸熱器５７が、減圧装置３と気液分離器４との間に配置される。本構成では、低圧側回路９に、低い温度帯で機能する吸熱器５８が設けられるため、低い温度帯の冷凍運転を高効率に行うことが可能になる。また、本構成では、冷蔵運転時において、気液分離前に熱交換するため、その分、冷蔵効率が低下することとなるが、冷蔵運転時の効率低下はそれほど大きくなく、全体効率を向上させることができる。また、本構成では、冷蔵運転時に、減圧装置３が機能するため、第１キャピラリーチューブ１２の省略が可能になる。

以上、一実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、種々の変更実施が可能である。例えば、上記構成では、冷媒回路中に二酸化炭素冷媒を封入しているが、これに限定されるものではなく、それ以外のフロン系冷媒等を封入したものにも適用可能なことは云うまでもない。

本発明に係る冷凍装置の一実施の形態を示す冷媒回路図である。 冷凍サイクルのエンタルピ・圧力線図である。 超臨界サイクルのエンタルピ・圧力線図である。 冷蔵庫への適用例を示す図である。 冷蔵庫への適用例を示す図である。 別の実施の形態を示す冷媒回路図である。 冷蔵庫への適用例を示す図である。 冷蔵庫への適用例を示す図である。 別の実施の形態を示す冷媒回路図である。

符号の説明

１ 圧縮機
２ 放熱器
３ 減圧装置
４ 気液分離器
５ 導入手段
７ 開閉弁
８ 逆止弁
１０ 吸熱手段
１１ 三方弁
１２ 第１キャピラリーチューブ
１３ 第２キャピラリーチューブ
１４ 吸熱器
１５ 熱交換部
２１ 冷蔵室
２２ 冷凍室
３０ 冷凍装置

Claims (5)

1. 圧縮機、放熱器、減圧装置、気液分離器、並びに互いに異なる温度帯で選択的に機能する複数の吸熱器を備えた冷凍装置において、
   前記気液分離器で分離されたガス冷媒を前記圧縮機の中間圧部に導入可能な手段を備えると共に、前記気液分離器で分離された液冷媒を循環させる低圧側回路を備え、この低圧側回路には前記複数の吸熱器の内、少なくとも低い温度帯で機能する吸熱器を備えたことを特徴とする冷凍装置。
2. 前記低圧側回路には、前記すべての吸熱器を並列に備えたことを特徴とする請求項１記載の冷凍装置。
3. 前記減圧装置、前記気液分離器、並びに前記低い温度帯で機能する吸熱器をバイパスするバイパス回路を備え、
   このバイパス回路には高い温度帯で機能する吸熱器を備えたことを特徴とする請求項１記載の冷凍装置。
4. 前記減圧装置と前記気液分離器との間に高い温度帯で機能する吸熱器を備えたことを特徴とする請求項１記載の冷凍装置。
5. 運転中に高圧側が超臨界圧力となる冷媒を封入したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項記載の冷凍装置。

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