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技術 冷凍冷蔵庫

出願人 シャープ株式会社
発明者 張恒良
出願日 2009年12月4日 (11年0ヶ月経過) 出願番号 2009-276795
公開日 2011年6月16日 (9年6ヶ月経過) 公開番号 2011-117685
状態 特許登録済
技術分野 不可逆サイクルによる圧縮式冷凍機械 冷凍機械と関連した装置
主要キーワード 温度空間 熱交換配管 指標温度 放熱過程 放熱温度 温度関係 圧力関係 カスケード構成
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2011年6月16日)のものです。
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図面 (4)

課題

冷凍冷蔵庫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。

解決手段

冷凍冷蔵庫の冷凍サイクル1は、冷蔵室を冷却するための高温サイクル圧縮機10及び高温サイクル蒸発器14を有する高温サイクル2と、冷凍室を冷却するための低温サイクル圧縮機20及び低温サイクル蒸発器24を有する低温サイクル3により構成され、高温サイクル2には当該高温サイクル内の高温冷媒低温冷媒とを熱交換させる高温サイクル内部熱交換器12が設けられ、低温サイクル3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22が設けられ、高温サイクル2と低温サイクル3の間には、低温サイクル2の放熱を高温サイクル3に吸収させる中間熱交換器30と、高温サイクル2の高温冷媒と低温サイクル3の低温冷媒とを熱交換させるサイクル間内部熱交換器31が設けられる。

概要

背景

冷凍冷蔵庫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、冷凍冷蔵共用蒸発器で生成した冷気冷気ダクト冷凍室冷蔵室送風し、冷気の分配加減することにより冷凍室温度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、冷蔵室用高段側圧縮機高段側蒸発器を備えている。

概要

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る。冷凍冷蔵庫の冷凍サイクル1は、冷蔵室を冷却するための高温サイクル圧縮機10及び高温サイクル蒸発器14を有する高温サイクル2と、冷凍室を冷却するための低温サイクル圧縮機20及び低温サイクル蒸発器24を有する低温サイクル3により構成され、高温サイクル2には当該高温サイクル内の高温冷媒低温冷媒とを熱交換させる高温サイクル内部熱交換器12が設けられ、低温サイクル3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22が設けられ、高温サイクル2と低温サイクル3の間には、低温サイクル2の放熱を高温サイクル3に吸収させる中間熱交換器30と、高温サイクル2の高温冷媒と低温サイクル3の低温冷媒とを熱交換させるサイクル間内部熱交換器31が設けられる。

目的

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

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
1件

この技術が所属する分野

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請求項1

冷蔵室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する冷凍冷蔵庫。

請求項2

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する請求項1に記載の冷凍冷蔵庫。

請求項3

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する請求項1に記載の冷凍冷蔵庫。

請求項4

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する請求項1に記載の冷凍冷蔵庫。

請求項5

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から4のいずれか1項に記載の冷凍冷蔵庫。

請求項6

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から4のいずれか1項に記載の冷凍冷蔵庫。

技術分野

0001

本発明は冷凍冷蔵庫に関する。

背景技術

0002

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、冷凍冷蔵共用蒸発器で生成した冷気冷気ダクト冷凍室冷蔵室送風し、冷気の分配加減することにより冷凍室温度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。

0003

冷凍冷蔵庫の中には、二段圧縮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、冷蔵室用高段側圧縮機高段側蒸発器を備えている。

先行技術

0004

特開平8−247625号公報
特開2001−201235号公報

発明が解決しようとする課題

0005

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。

0006

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。

課題を解決するための手段

0007

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。

0008

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。

0009

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。

0010

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。

0011

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。

0012

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。

0013

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。

0014

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。

0015

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。

0016

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。

発明の効果

0017

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。

0018

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。

図面の簡単な説明

0019

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。

実施例

0020

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。

0021

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。

0022

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。

0023

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。

0024

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。

0025

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。

0026

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。

0027

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。

0028

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。

0029

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。

0030

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。

0031

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。

0032

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。

0033

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。

0034

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。

0035

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。

0036

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。

0037

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。

0038

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。

0039

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。

0040

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。

0041

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。

0042

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。

0043

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。

0044

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PAは低温サイクル3の凝縮圧力Pb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。

0045

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。

0046

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PBとなり、蒸発圧力がPaとなる。圧縮機の圧縮比はPB/Pa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PB/PAとなり、低温サイクル圧縮機20の圧縮比はPb/Pa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。

0047

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。

0048

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。

0049

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。

0050

蒸発熱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。

0051

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。

0052

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Tbは高温サイクル圧縮機10の吐出温度TB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。

0053

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。

0054

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。

0055

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。

0056

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。

0057

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。

0058

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。

0059

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。

0060

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、製造コスト引き下げることができる。

0061

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。

0062

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。

0063

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。

0064

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。

0065

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。

0066

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。

0067

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

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