(57)【要約】【課題】本発明は、冷凍システム配管内に残留する空気の影響を低減することで冷凍サイクル効率を向上させ、その結果、省エネ性能を向上させることを目的とする。【解決手段】この目的を達成するために、本発明は、少なくとも能力可変型圧縮機と、膨張弁と、凝縮器を含む冷凍サイクルを有し、前記凝縮器の出口の乾き度を前記膨張弁の絞り量によって制御するとともに前記膨張弁の上流にガスレシーバを配設したものであり、これにより、残留空気による凝縮器出口の温度すべりへの影響を抑制することができるため、冷凍サイクル効率の向上による省エネ性の高い冷蔵庫を提供することができる。加えて、冷凍サイクルに影響を及ぼす残留空気の影響を抑制できるため、膨張弁をより精度よく制御できるとともに、圧縮機の耐久性低下を抑制することができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも能力可変型圧縮機と、膨張弁と、凝縮器を含む冷凍サイクルを有し、前記凝縮器の出口の乾き度を前記膨張弁の絞り量によって制御するとともに前記膨張弁の上流にガスレシーバを配設することを特徴とする冷蔵庫。
【請求項２】
前記ガスレシーバは、流れ方向を上から下として配設することを特徴とする請求項１に記載の冷蔵庫。
【請求項３】
前記流れ方向を垂直方向の上から下とする請求項２記載の冷蔵庫。
【請求項４】
前記ガスレシーバは、レシーバ本体と、このレシーバ本体の上部から挿入された入口配管と、前記レシーバ本体の下部に設けた出口配管と、前記入口配管および前記出口配管の間の、前記レシーバ本体の内部に設置されたメッシュからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の冷蔵庫。
【請求項５】
前記凝縮器の下流に設けて前記凝縮器の出口の乾き度を検知する検知手段をさらに有し、前記検知手段は、配管の上流と下流に配置された複数の温度センサと、前記上流および前記下流の温度センサ間に設けた微小抵抗からなり、前記検知手段が検知する前記上流と下流との検知温度差、および、予め設定された温度差の所定値を比較し、前記検知温度差が前記所定値に近づくように前記膨張弁を制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の冷蔵庫。
【請求項６】
前記検知手段が検知する検知温度差と前記所定値を比較し、前記検知温度差と前記所定値との差分温度に基づいて目標値である前記所定値を修正するとともに修正された所定値に基づき前記膨張弁の開度を調節することを特徴とする請求項５に記載の冷蔵庫。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絞り量を可変する膨張弁を搭載した冷蔵庫に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
省エネルギーの観点から、絞り量を可変する膨張弁を搭載した冷凍システム及び冷蔵庫がある。
【０００３】
以下、図面を参照しながら従来の冷凍システムを説明する。
【０００４】
図８は従来の冷凍システムの模式図、図９は従来の冷凍システムの膨張弁の制御方法を示した図である。
【０００５】
図８において、冷凍システム１４０は、圧縮機１４１、凝縮器１４２、レシーバ１４３、膨張弁１４４、キャピラリーチューブ１４５、蒸発器１４６、吸入管１４７、内部熱交換部１４８、吸入管温度センサ１４９を有する。
【０００６】
ここで、レシーバ１４３は冷凍システム１４０内を循環する冷媒を液状態で貯留するものであり、膨張弁１４４の絞りを可変した際にレシーバ１４３内の液冷媒量が変動することで、凝縮器１４２や蒸発器１４６内部の冷媒量を適正に維持しながら、膨張弁１４４に流入する冷媒の過冷却度を略一定に保つ作用を有する。
【０００７】
また、膨張弁１４４とキャピラリーチューブ１４５を直列に配置して、冷凍システム１４０の絞りを構成することにより、キャピラリーチューブ１４５と吸入管１４７を熱交換する内部熱交換部１４８を実現することができ、吸入管１４７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１４０の効率を向上することができる。
【０００８】
また、吸入管温度センサ１４９は内部熱交換部１４８を通過した後の吸入管１４７の温度を検知するものであり、吸入管温度センサ１４９が検知する温度に基づいて、膨張弁１４４の絞り量を可変することができる。
【０００９】
以上のように構成された従来の冷凍システムについて以下にその動作を説明する。
【００１０】
冷凍システム１４０を稼動させて冷却運転を行う際には、圧縮機１４１を運転する。圧縮機１４１で圧縮された冷媒は凝縮器１４２で放熱して凝縮し、レシーバ１４３に貯留される。そして、レシーバ１４３に滞留する液冷媒が膨張弁１４４とキャピラリーチューブ１４５で減圧された後、蒸発器１４６に供給されて蒸発し、吸入管１４７を介して圧縮機１４１へ還流する。このとき、蒸発器１４６で発生する冷熱を利用して冷却が行われる。
【００１１】
ここで、冷凍システム１４０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、蒸発器１４６から供給する冷熱が余剰となり、吸入管１４７内に蒸発できなかった液冷媒が混入して、吸入管１４７の温度が低下していく。このとき、吸入管１４７内を還流する低温冷媒のエンタルピーを回収する内部熱交換部１４８を通過した後も吸入管１４７の温度が十分上昇せず、蒸発器１４６の温度に近づいていく。
【００１２】
この結果、利用されなかった蒸発器１４６で発生する冷熱が圧縮機１４１に還流することで、冷凍システム１４０の効率が低下するとともに、この状態が持続すると、液冷媒が還流して圧縮機１４１の耐久性が低下する可能性があるため、吸入管温度センサ１４９が検知する温度に基づいて、膨張弁１４４の絞り量を制御する。
【００１３】
次に、図９に基づいて従来の冷凍システムの膨張弁の制御方法について説明する。
【００１４】
図９の横軸は膨張弁１４４の絞り量に応じて発生する圧力損失であり、縦軸は吸入管温度センサ１４９が検知する吸入管１４７の温度Ｒである。前記したように、冷凍システム１４０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き、蒸発器１４６から供給する冷熱が余剰となって吸入管１４７の温度が低下してＲ１を下回った場合、膨張弁１４４の絞り量を所定量増大させる。この結果、蒸発器１４６の蒸発温度が低下して冷媒循環量を小さくなり蒸発器１４６から供給する冷凍能力を低下させるとともに、吸入管１４７へ流出していた液冷媒を余剰冷媒としてレシーバ１４３に回収することで吸入管１４７の温度を上昇させるものである。
【００１５】
一方、吸入管１４７の温度が上昇してＲ２を上回った場合、膨張弁１４４の絞り量を所定量減少させる。この結果、蒸発器１４６の蒸発温度が上昇して冷媒循環量を大きくなり蒸発器１４６から供給する冷凍能力を増大させるとともに、レシーバ１４３に回収していた余剰冷媒を蒸発器１４６に供給することで吸入管１４７の温度を下降させるものである。
【００１６】
このように膨張弁１４４の絞り量を制御することにより、吸入管１４７の温度ＲをＲ１からＲ２の間に維持することができ、冷凍システム１４０の効率低下や圧縮機１４１の耐久性低下を抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開平５−１９６３２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
この膨張弁の制御は、凝縮器出口における乾き度（過冷却度）がゼロとなるように目指して制御することが望ましいが、筐体の外郭から自然対流で放熱する凝縮器を使用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、凝縮器出口を所定の過冷却度に保つことが困難である。凝縮器出口における過冷却度をゼロに近づけていくということは凝縮器出口における気相成分を消失させていくこととなるが、このとき配管内に、実際に残留している空気の影響が気相成分の消失と共に大きくなるため、凝縮器出口で大きな温度すべりとして生じてしまう。
【００１９】
そこで本発明は、残留空気の影響を低減することで温度すべりを低減させ、その結果、冷凍サイクル効率を向上、ひいては、省エネ性能を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記目的を達成するために、本発明は、少なくとも能力可変型圧縮機と、膨張弁と、凝縮器を含む冷凍サイクルを有し、前記凝縮器の出口の乾き度を前記膨張弁の絞り量によって制御するとともに前記膨張弁の上流にガスレシーバを配設したものである。
【００２１】
これによって、冷凍サイクル内に残留している空気をガスレシーバに保持することができるため、残留空気によって凝縮器の出口に発生する温度すべりへの影響を低減することができ、その結果、冷凍サイクル効率を向上させ、ひいては、省エネ性能を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の冷蔵庫は、冷凍サイクル効率を向上させ、省エネ性能を向上させることができることに加え、冷凍サイクルに影響を及ぼす空気の影響を抑制できるため、膨張弁をより精度よく制御できるとともに、圧縮機の耐久性低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態における冷蔵庫の正面図
【図２】本発明の実施の形態における冷蔵庫の縦断面図
【図３】本発明の実施の形態における冷蔵庫の冷凍システムの構成図
【図４】本発明の実施の形態における冷凍システムの膨張弁の制御方法を示した図
【図５】本発明の実施の形態における冷凍システムの膨張弁制御センサの出力と冷媒流速との相関を示した図
【図６】（ａ）（ｂ）ともに、本発明の実施の形態における冷蔵庫の膨張弁の制御方法を示した図
【図７】本発明の実施の形態における冷蔵庫のガスレシーバの模式図
【図８】従来の冷凍サイクル構成図
【図９】従来の冷凍システムの膨張弁の制御方法を示した図
【発明を実施するための形態】
【００２４】
第１の発明は、少なくとも能力可変型圧縮機と、膨張弁と、凝縮器を含む冷凍サイクルを有し、前記凝縮器の出口の乾き度を前記膨張弁の絞り量によって制御するとともに前記膨張弁の上流にガスレシーバを配設したものである。
【００２５】
これによって、冷凍サイクル内に残留している空気をガスレシーバに保持することができるので凝縮器出口の空気による温度すべりへの影響を抑制でき、その結果、冷凍サイクル効率を向上させ、ひいては、省エネ性能を向上させることができる。
【００２６】
また、冷凍サイクルに影響を及ぼす空気の影響を抑制できるため、膨張弁をより精度よく制御できるとともに、圧縮機の耐久性低下を抑制することができる。
【００２７】
第２の発明は、第１の発明において、ガスレシーバは、流れ方向を上から下として配設したものである。
【００２８】
これによって、冷媒に対し比重の軽い残留空気を、ガスレシーバの上部に効果的に滞留させることができる。そのため冷凍システム内を、冷媒と共に空気が循環することを抑制できるため、非圧縮ガスによる効率低下や冷却能力低下を改善でき、省エネ性の高い冷蔵庫を提供することができる。
【００２９】
第３の発明は、第２の発明において、流れ方向を垂直方向の上から下として配設したものである。
【００３０】
これによって、冷媒に対し比重の軽い残留空気を、ガスレシーバの上部により効果的に滞留させることができる。そのため冷凍システム内を、冷媒と共に空気が循環することを抑制できるため、非圧縮ガスによる効率低下や冷却能力低下を改善でき、省エネ性の高い冷蔵庫を提供することができる。
【００３１】
第４の発明は、第１から第３のいずれか一つの発明において、ガスレシーバは、レシーバ本体と、このレシーバ本体の上部から挿入された入口配管と、前記レシーバ本体の下部に設けた出口配管と、前記入口配管および前記出口配管の間の、前記レシーバ本体の内部に設置されたメッシュからなることを特徴とするものである。
【００３２】
これによって、メッシュを通過する際に液冷媒と残留空気の分離が促進され、比重の軽い残留空気をレシーバ上部空間に効率的に保持させることができる。
【００３３】
一般に冷凍サイクル内に空気が残留している場合、圧縮機によって圧縮される冷媒に空気が入っていることとなるが、空気のような非圧縮性ガスを圧縮するに際し、入力が増加することとなり増エネとなる。冷蔵庫は、工場での生産時の冷媒封入前には冷凍サイクル内を真空引きし所定真空度となった後に冷媒を封入するが、限られた時間内での真空引きであることと、配管内側への空気の付着によって、僅かながらも残留しているのが現状である。
【００３４】
ガスレシーバによって僅かながらも冷凍サイクル内に残留している空気を、実際に循環する冷凍サイクルから隔離することで、真空に近い状態で運転することができるため、無駄な電力を消費することも無く高効率で冷却することが可能となり省エネ性の高い冷蔵庫を提供することができる。
【００３５】
第５の発明は、第１から第４のいずれか一つの発明において、前記凝縮器の下流に設けて前記凝縮器の出口の乾き度を検知する検知手段をさらに有し、前記検知手段は、配管の上流と下流に配置された複数の温度センサと、前記上流および前記下流の温度センサ間に設けた微小抵抗からなり、前記検知手段が検知する前記上流と下流との検知温度差、および、予め設定された温度差の所定値を比較し、前記検知温度差が前記所定値に近づくように前記膨張弁を制御することを特徴とするものである。
【００３６】
圧縮機の起動時には、膨張弁の絞り量を最小にして起動し、その後、検知手段から得られる検知温度差を膨張弁の絞り量を最小にした時に予測される凝縮器出口の状態に基づいた所定値に近づけるように、膨張弁を徐々に絞るように制御させる。
【００３７】
これによって、冷蔵庫の運転状態によって変化する乾き度を、微小抵抗を含んだ検知手段で検知した乾き度によって膨張弁を制御し絞り変化させることで、乾き度をゼロに近づくように制御できるため、冷凍能力の最適化を精度よく実現できるため、省エネルギー化を図るとともに、圧縮機の耐久性低下を抑制することができる。
【００３８】
第６の発明は、第５の発明において、前記検知手段が検知する検知温度差と前記所定値を比較し、前記検知温度差と前記所定値との差分温度に基づいて目標値である前記所定値を修正するとともに修正された所定値に基づき前記膨張弁の開度を調節することを特徴としたものである。
【００３９】
検知手段が検知する検知温度差を△Ｔ１とし、狙いとする所定の温度差を△Ｔ２とすると、冷凍サイクル内に空気が残留していない場合は△Ｔ１＝△Ｔ２であり、膨張弁の絞りを大きくしていくと乾き度はゼロに近づいていく。しかしながら、残留空気がある場合は、予め△Ｔ１が高く、△Ｔ１＞△Ｔ２の関係となっている。そのため膨張弁の絞りを大きくしていくと、乾き度の温度差は残留空気がない場合に比べて、早くゼロに到達することとなる。早期にゼロに到達した後は過冷却となるため、膨張弁を絞り続けると凝縮器出口温度が低下し冷却能力が低下するとともに、凝縮器温度も低下するため冷蔵庫の表面温度も低下し露点温度以下となりうる。その結果、増エネとなるだけでなく、表面に結露するといった品質面の低下も起こりうる。そのため、検知手段が検知する温度差△Ｔ１の結果と狙いとする所定の温度差△Ｔ２とを比較し、差分の乖離温度に基づいて目標値である所定の温度差を修正すると共に、修正した所定の温度差に基づき膨張弁の絞り量を修正することで残留空気の影響によって膨張弁の絞りすぎを抑制し過冷却へ入ることを防止することができる。
【００４０】
これによって、冷蔵庫の生産時に残留している残留空気の影響を考慮した上で、膨張弁の絞り過ぎによって発生する過冷却化を防止することができるため、冷却能力の低下や凝縮温度低下による結露等の品質劣化を抑制することができると共に、空気が残留している場合でも乾き度をゼロに近づくように制御できるため、冷凍能力の最適化を精度よく実現でき、高い省エネ性の冷蔵庫を提供することができる。
【００４１】
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この発明が限定されるものではない。
【００４２】
図１は本実施の形態による冷蔵庫の正面図、図２は本実施の形態による冷蔵庫の縦断面図、図３は本実施の形態による冷蔵庫の冷凍システムの構成図である。
【００４３】
図１から図３に示すように、冷蔵庫本体３０は、前方に開口する金属製（例えば鉄板）の外箱（図示せず）と硬質樹脂製（例えばＡＢＳ）の内箱（図示せず）と、外箱と内箱の間に発泡充填された硬質ウレタンフォーム（図示せず）からなる断熱本体で、この冷蔵庫本体３０の上部に設けられた冷蔵室３１と、冷蔵室３１の下に設けられた上段冷凍室３２と、冷蔵室３１の下で上段冷凍室３２に並列に設けられた製氷室３３と、本体下部に設けられた野菜室３５と、並列に設置された上段冷凍室３２及び製氷室３３と野菜室３５の間に設けられた下段冷凍室３４で構成されている。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（図示せず）により開閉自由に閉塞されると共に、冷蔵室３１の前面は、例えば観音開き式の扉（図示せず）により開閉自由に閉塞される。
【００４４】
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℃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。
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、たとえば−３０から−２５℃の低温で設定されることもある。
【００４５】
冷蔵室３１や野菜室３５は庫内をプラス温度で設定されるので、冷蔵温度帯を呼ばれる。また、上段冷凍室３２や下段冷凍室３４や製氷室３３は庫内をマイナス温度で設定されるので、冷凍温度帯を呼ばれる。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しても良い。
【００４６】
冷蔵庫本体３０の天面部は、冷蔵庫の背面方向に向かって階段状に凹みを設けて機械室４７があり、第一の天面部３７と第二の天面部３８で構成されている。この階段状の凹部に配置された圧縮機１１と、水分除去を行うドライヤ１３と、凝縮器１２と、放熱用の放熱パイプ（図示せず）と、キャピラリーチューブ１５と、蒸発器１６とを順次環状に接続してなる冷凍サイクル１０に冷媒を封入し、冷却運転を行う。前記冷媒には近年、環境保護のために可燃性冷媒を用いることが多い。本実施の形態では、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、安全性をより向上できる。
【００４７】
ここで冷凍サイクルの一構成例を、図３を用いて説明する。
【００４８】
冷凍システム１０は、圧縮機１１、凝縮器１２、ドライヤ１３、膨張弁１４、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を有する。また、冷凍システム１０は、微小抵抗２０、上流温度センサ２１及び下流温度センサ２２からなる膨張弁制御センサ２３（検知手段）を有する。
【００４９】
ここで、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の下流に配置する。
【００５０】
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の下流に配置する。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。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、本実施の形態と同様に、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％程度であり、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。
【００５１】
また、膨張弁１４とキャピラリーチューブ１５を直列に配置して、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を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。
【００５２】
また、膨張弁制御センサ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、膨張弁１４及び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検知することが困難となる。２０％超では内部熱交換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。ここで、全抵抗に対する微小抵抗２０の比率とは、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。
【００５３】
また、膨張弁制御センサ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、それぞれ微小抵抗２０の上流側の配管温度及び下流側の配管温度を検知するものであり、微小抵抗２０の内部を流れる冷媒の状態変化に応じて上流温度センサ２１と下流温度センサ２２が検知する温度の差が変化するものである。従って、上流温度センサ２１と下流温度センサ２２が検知する温度の差に基づいて膨張弁１４の絞り量を可変することにより、冷凍システム１０を所定の状態に制御することができる。
【００５４】
なお、膨張弁制御センサ２３は周囲温度よりも高温となる圧縮機１１や凝縮器１２からの廃熱影響を避けることが望ましい。本実施の形態では風路の上流側に配設している。
【００５５】
次に、基本の制御について説明する。
【００５６】
冷凍システム１０を稼動させて冷却運転を行う際には、膨張弁１４の絞り量を最小、すなわち膨張弁１４での冷媒循環量が最大とし圧縮機１１を運転する。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、膨張弁制御センサ２３を通過した後、膨張弁１４とキャピラリーチューブ１５で減圧された後、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。
【００５７】
ここで、膨張弁１４の絞り量を最小とし圧縮機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、膨張弁１４及び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。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。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。
【００５８】
そして、膨張弁制御センサ２３が検知する微小抵抗２０の前後の温度差が所定値あるいは、膨張弁１４の絞り量を最小に保った安定状態に比べて所定量変化するように、膨張弁１４の絞り量を制御する。この結果、凝縮器１２の出口冷媒の乾き度が減少することで、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。
【００５９】
次に、図４及び図５に基づいて本発明の実施の形態の冷凍システムの膨張弁１４の基本制御方法について説明する。
【００６０】
図４の横軸は膨張弁１４の絞り量に応じて発生する圧力損失であり、縦軸は膨張弁制御センサ２３が検知する微小抵抗２０の前後の温度差Ｓである。前記したように、膨張弁１４の絞り量を最小とし圧縮機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、膨張弁制御センサ２３の出力はＳ０を示す。そして、膨張弁制御センサ２３の出力がＳ２を下回るように膨張弁１４の絞り量を増加させる。この結果、凝縮器１２の出口冷媒の乾き度が減少することで、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。
【００６１】
一方、凝縮器１２の出口冷媒の乾き度が減少し続け、膨張弁制御センサ２３の出力がＳ１を下回った場合、膨張弁１４の絞り量を減少させる。この結果、膨張弁制御センサ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。膨張弁制御センサ２３の出力に下限値Ｓ１を設けたのは、膨張弁１４を絞り過ぎると凝縮器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。
【００６２】
図５の横軸は、図４の縦軸と同じ膨張弁制御センサ２３が検知する微小抵抗２０の前後の温度差Ｓであり、図５の縦軸は、微小抵抗２０内を通過する冷媒の流速Ｖである。前記したように、膨張弁制御センサ２３の出力がＳ０を示した状態から膨張弁１４の絞り量を増加させると、凝縮器１２の出口冷媒の乾き度が減少して微小抵抗２０内を通過する冷媒の流速Ｖが遅くなり、結果として、膨張弁制御センサ２３の出力がＳ０からＳ２へ低下する。同様に、膨張弁１４の絞り量を調整して膨張弁制御センサ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％）で安定し、冷媒の流速Ｖが最小値近傍で安定するものである。これは、冷凍システム１０が安定状態では冷媒循環量が略一定となるので、凝縮器１２の出口冷媒が液相になると微小抵抗２０内を通過する冷媒の流速Ｖが略最小となるとともに、凝縮器１２の出口冷媒の乾き度が増加するに従い、微小抵抗２０内を通過する冷媒の流速Ｖが増加するためである。また、一般に、液相に対する気相の比容積は５０倍程度と大きいため、乾き度が０〜１０重量％の微小抵抗２０内を通過する冷媒の流速Ｖの変化量が大きく、特にこの範囲では膨張弁制御センサ２３による凝縮器１２の出口冷媒の状態を検知しやすいといえる。
【００６３】
本実施の形態では、上記の制御を基本制御として行うことで高効率な冷却運転を行っている。なお、上記の制御は膨張弁制御センサ２３の検知結果に基づいて膨張弁１４を制御するが、微小抵抗２０の圧力差により発生する温度差を元に冷媒流量を制御すればよく、例えば冷媒流路を切替える切替弁においても同様の制御が可能である。この場合は、膨張弁制御センサ２３の出力範囲により、切替える流路を選択することで対応できる。このとき切替えた流路の先には内径や長さが異なることで抵抗値の違うキャピラリーに循環するとよい。
【００６４】
以上のように構成された冷蔵庫について、以下その動作、作用について説明する。
【００６５】
冷蔵庫は工場生産時において、冷媒を封入する際に予め真空引きを実施した後、冷媒封入を行い、配管を封止した状態で出荷される。一般的に、ユーザーの所で使用される冷蔵庫の実使用年数は１０年以上となり、この間、市場での使用状態は埃等の清掃を除きメンテナンスフリーの状態である。工場での冷蔵庫の真空引き時において、冷凍サイクル内を真空引きし所定真空度となるまで真空引きを行うが、限られた時間内で真空引きを行うことと、空気自体は短時間で吸引できるものの、配管内側に吸着している空気は冷媒運転した後でなければ離着しにくい。そのため工場での真空引き後でも配管に吸着したままの空気によって、僅かながらも残留しているのが現状である。また、工場での真空設備の性能や、冷蔵庫と真空設備の脱着時でも残留空気量に影響を及ぼす。この残留空気は、冷蔵庫の運転時には、冷媒と共に冷却配管内を循環することとなる。
【００６６】
この結果、冷凍サイクル内に空気が残留している場合、圧縮機１１によって圧縮される冷媒に空気が入っていることとなり、空気のような非圧縮性ガスを圧縮するに際し、入力が増加することとなり増エネとなる。更に、気液２相である凝縮器でも空気により流速が増加する。その結果、圧力損失が生まれることとなり、ドライヤ温度が低下する温度すべりが発生する。
【００６７】
図４、図５に基づいて冷蔵庫を運転するが、実際は冷却システム内に残留する空気の影響により、膨張弁制御センサ２３の出力値は空気が残留していない場合と残留している場合で誤差が生じることとなる。
【００６８】
ここで、空気が残留している場合の膨張弁制御センサ２３が検知する出力温度差をＴとする。残留空気がある実際の出力をＴ１とし、狙いとする所定の出力をＴ０とすると、冷凍サイクル内に空気が残留していない場合はＴ１＝Ｔ０であり、膨張弁１４の絞りを大きくしていくと出力温度差はゼロに近づいていく。しかしながら、残留空気がある場合は、温度すべりにより予めＴ１が高く、Ｔ１＞Ｔ０の関係となっている。そのため膨張弁１４の絞りを大きくしていくと、出力温度差は、残留空気がない場合に比べて早くゼロに到達することとなる。早期にゼロに到達した後は過冷却となるため、膨張弁１４を絞り続けると凝縮器出口温度が低下し冷却能力が低下するとともに、凝縮器温度も低下するため冷蔵庫の表面温度も低下し露点温度以下となりうる。その結果、増エネとなるだけでなく、表面に結露するといった品質面の低下も起こりうる。また、過冷却の状態では冷媒は主に凝縮器１２に滞留しているため、冷凍サイクル内を循環する冷媒量が不足し冷えにくくなるだけでなく、蒸発器入口の極端な温度低下をもたらすこととなる。そのため、膨張弁制御センサが検知する出力Ｔ１の結果と、狙いとする所定の出力Ｔ０とを比較し、差分の乖離温度に基づいて目標値である前記所定値を修正すると共に、膨張弁１４の絞り量を修正することで残留空気の影響によって膨張弁１４の絞りすぎを抑制し過冷却へ入ることを防止することができる。
【００６９】
すなわち、△Ｔ＝Ｔ１−Ｔ０の分を補正値とし、基本制御の出力Ｓ１／Ｓ２を補正するのである。その結果、図６のように、Ｓの制御範囲下限はＳ１‘＝Ｓ１＋△Ｔ、Ｓの制御範囲上限はＳ２‘＝Ｓ２＋△Ｔとなる。これによって、冷蔵庫の生産時に残留している残留空気の影響を考慮した上で、膨張弁１４の絞り過ぎによって発生する過冷却化を防止することができるため、冷却能力の低下や凝縮温度低下による結露等の品質劣化を抑制することができると共に、空気が残留している場合でも乾き度をゼロに近づくように制御できるため、高い省エネ性の冷蔵庫を提供できる。
【００７０】
なお、実際の出力した検知温度差Ｔ１、狙いとする所定の出力値Ｔ０の差を算出するときは、例えば電源投入時のプルダウン冷却時や除霜後などの圧縮機回転数が一定もしくは予め分かっている場合で連続運転の場合がよい。状態変化が小さく検出し易いためである。
【００７１】
また、冷蔵庫内が十分冷却されて冷却運転が安定した後、膨張弁の絞りすぎによる蒸発器出口温度の急昇温や過冷却を検知した場合には、膨張弁制御センサの出力値を更に補正する。
【００７２】
また、本実施の形態では、残留空気が冷凍サイクル内に還流しないように貯留させるため、図７に示すガスレシーバを配設している。
【００７３】
ガスレシーバ２４は、冷凍サイクル１０の中で凝縮器１２の下流側に配置され、上流温度センサ２１よりも上流側に配置されている。すなわち、凝縮器出口、ガスレシーバ２４、膨張弁制御センサ２３、膨張弁１４、ドライヤ１３、キャピラリーチューブ１５の順である。
【００７４】
ガスレシーバ２４は、レシーバ本体２５、入口パイプ２６、出口パイプ２８、入口パイプ２６と出口パイプ２８の間に配設された内部メッシュ２９から成る。ガスレシーバ２４は、流れ方向を垂直上から下として配設している。単に流れ方向を上から下として配設することも可能であるが、垂直方向に上から下として配設することで、後述する、残留空気の貯留スペースの観点からより効果的に貯留することができる。入口パイプ２６はガスレシーバ２４の上部から挿入され、下部から出口パイプ２８が出ている。ガスレシーバ内で、入口パイプ２６と出口パイプ２８の間には内部メッシュ２９を配設しており、メッシュ２９を通過する際に液冷媒と残留空気の分離が促進され、比重の軽い残留空気をレシーバ上部空間に効率的に保持させることができるとともに、メッシュの大きさはΦ０．１６ｍｍと非常に細かいため配管中を通過する冷媒に混じった不純物も除去することができる。
【００７５】
ここで、ガスレシーバ２４の内部容量は、入口パイプ先端部２７からレシーバ本体２５の内側上端までの空間として、５０ｍＬ以下が望ましい。本実施の形態では概ね２０ｍＬとしている。これは、冷蔵庫の冷凍サイクルを構成する圧縮機１１を除いた配管内部空間によるものの２％程度であると共に、配設するに際し小型で省スペースが実現できるためである。更に工場出荷時の残留空気の量は、概ね１％程度であり、バラツキ含めても２％以内に収まるとしている。
【００７６】
ガスレシーバ２４を設けることで、冷媒に対し比重の軽い残留空気を、ガスレシーバ２４の上部空間に効果的に残留空気を冷媒と分離し、貯留することで真空に近い状態で運転することができるため、無駄な電力を消費することも無く高効率で冷却することが可能となり省エネ性の高い冷蔵庫を提供することができる。
【００７７】
なお、ガスレシーバ２４の代わりにドライヤ１３またはストレーナで代用してもよい。この場合、内容量を確保するために外形寸法を大きくする必要があり、特にドライヤ１３の場合は内部に保留している乾燥剤のモレキュラーシーブの量を考慮する必要があるが、部品の兼用化によるコストダウンも図ることができる。
【００７８】
なお、本実施の形態では、ガスレシーバ２４は膨張弁１４の上流側に配設しているが、下流としても良い。この場合は、上流の場合に比べ、残留空気が貯留できるだけの十分循環した後に膨張弁制御を行うとともに十分貯留できるガスレシーバの容量を確保することで可能となる。
【００７９】
また、ガスレシーバ２４の代わりにアキュームレータ１７で代用することもできる。通常、冷却運転のあと庫内が十分に冷却されると圧縮機１１の運転が停止するが、この間、冷媒が低圧である蒸発器１６に高圧である凝縮器１２から移動してくるためアキュームレータ１７が満液となる。この場合も考慮して、過剰な冷媒量と残留空気が貯留できるだけのアキュームレータ１７の容量を大きくするとともにアキュームレータ１７の入口と出口の配管位置について一旦貯留した残留空気が漏出しないような配置をすればよい。
【００８０】
なお、工場内における残留空気量を低減するために、真空引きし冷媒封入したあとの運転後、再度、真空引きと行うことで配管に吸着している残留空気も減らすことができるため、高真空度の冷蔵庫となり、膨張弁制御センサ２３の出力を精度よく検出でき、膨張弁１４をより精度よく調整することができるため、省エネ性の高い冷蔵庫を提供できる。
【００８１】
なお、本実施の形態では長さ２５０ｍｍの細径管からなり、直列配置された微小抵抗２０、膨張弁１４及びキャピラリーチューブ１５の全抵抗の約５％となる微小抵抗２０を用いたが、全抵抗に対する微小抵抗２０の比率が１〜２０％であれば、細径管あるいは微小なオリフィスなどで微小抵抗２０を構成しても同様の効果を得ることができる。
【００８２】
以上のように、本実施の形態の冷蔵庫は、微小抵抗２０とその前後の温度差を検知する温度センサからなる膨張弁制御センサ２３を用いて凝縮器出口の状態を略一定に保つように膨張弁１４を制御する冷蔵庫で、膨張弁１４の上流にガスレシーバ２４を配設し、冷凍サイクル内に残留している残留空気をガスレシーバ２４に保持することで、残留空気による凝縮器出口の温度すべりへの影響を抑制することができるとともに、膨張弁制御センサ２３が検知する温度差の結果と所定値である狙いの温度差とを比較し、差分の乖離温度に基づいて所定値を修正し、この修正された所定値に基づき膨張弁１４の開度を修正調節するものである。
【００８３】
これによって、冷凍サイクルに影響を及ぼす残留空気の影響を抑制できるため、膨張弁の最適制御の実現や圧縮機の耐久性低下を抑制することができると共に、乾き度がゼロとなる最も高効率な冷凍サイクルで冷蔵庫を運転することができるため、省エネルギー性の高い冷蔵庫を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
本発明は、冷凍冷蔵商品全般に適用することができる。
【符号の説明】
【００８５】
１１    圧縮機
１４    膨張弁
１５    キャピラリーチューブ
２０    微小抵抗
２１    上流温度センサ
２２    下流温度センサ
２３    膨張弁制御センサ（検知手段）
２４    ガスレシーバ
２５    レシーバ本体
２６    入口配管
２８    出口配管
２９    内部メッシュ
３０    冷蔵庫
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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