JP2005331187A - 冷蔵庫 - Google Patents

Abstract

【課題】 可燃性冷媒を使用した冷凍サイクルにおいて、ガスセンサーなどの高価な冷媒漏れ検出機器を使用することなく、また、他の要因による挙動変化を冷媒漏れと誤検知することなく、可燃性冷媒の漏れを検出できるようにした冷蔵庫を提供する。
【解決手段】 能力可変圧縮機12と、この圧縮機からの吐出ガスを受ける凝縮器の出口側に設けられた冷媒流路を切り替える切替弁16と、この切替弁からそれぞれ減圧機構17、19を介して接続された冷凍用冷却器７および冷蔵用冷却器９とから構成された可燃性冷媒を封入した冷凍サイクル11の前記各冷却器で生成された冷気を冷凍空間および冷蔵空間にそれぞれ供給するファン８，10を備えた冷蔵庫において、前記圧縮機の負荷変動の変化率から検知される冷凍サイクル内の圧力変動と、圧縮機負荷の絶対値から検知される冷凍サイクル内圧力と、圧縮機の異常運転信号とによって冷凍サイクル低圧側の冷媒漏れを検出することを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は冷蔵庫に係り、特に炭化水素系など可燃性冷媒を使用した冷凍サイクルにおける冷媒漏れを検出する制御装置に関する。

近年、フロンガスによるオゾン層破壊や地球温暖化などに対する環境保護の観点から、冷蔵庫の冷凍サイクルに使用する冷媒は、これまでのＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）から、オゾン層の破壊がなく、地球温暖化係数の低いハイドロカーボンなどの炭化水素系冷媒（以下、「ＨＣ冷媒」という。）への切り替え採用が拡大している。

しかしながら、このＨＣ冷媒は可燃性冷媒であることから、冷媒漏れを生じて引火した場合には火災に発展する可能性がある。

したがって、ＨＣ冷媒を使用する場合は、冷蔵庫の製造時の不具合や搬送時における衝撃によって、たとえ冷媒漏れが発生したとしても、火災などの問題のない安全性を確保する必要があり、冷却器の入口と出口に温度センサーあるいは圧力センサーを配置して、双方の温度差あるいは圧力差とあらかじめ設定記憶された値との比較から冷媒漏れの有無を判断する構成（例えば、特許文献１参照）や、冷却器周辺に冷媒漏れ検出機器を設け、冷媒漏れの際には除霜水の排水を兼ねた連通孔を通して漏れた冷媒を空気とともに強制的に外部に排出する構成（特許文献２参照）などが考えられている。

上記の場合は、冷媒漏れを検出する機器が必要となってコストが高くなり、また、冷媒が漏れてしまった後の事後処理にしかならないものであることから、これに代わる構成として、冷凍サイクルを構成する冷却器などの構成要素や接続配管が損傷により孔があいた場合に、冷媒が漏れることによる冷凍サイクルの圧力変動や圧縮機の負荷の変化などから、冷媒漏れを検知するようにした構成（特許文献３参照）が提案されている。
特開平９−１４８１１号公報 特開平９−３２９３８６号公報 特開２００３−１３９４４６号公報

しかしながら、上記特許文献３に記載された発明によれば、冷媒漏れの検出する専用機器は不要となるが、圧縮機の負荷変動や負荷の変化のみで冷媒漏れと判断することは、食品の出し入れや冷蔵庫周辺の環境変化によって発生する挙動変化との判別が困難であり、これらの挙動変化を冷媒漏れと混同し誤検知する問題を生じていた。

本発明は上記点を考慮してなされたものであり、可燃性であるＨＣ冷媒を使用した冷凍サイクルにおいて、ガスセンサーなどの高価な冷媒漏れ検出機器を使用することなく、また、他の要因による挙動変化を冷媒漏れと誤検知することなく、冷凍サイクルからの可燃性冷媒の漏れを検出できるようにした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、本発明による冷蔵庫は、能力可変圧縮機と、この圧縮機からの吐出ガスを受ける凝縮器の出口側に設けられた冷媒流路を切り替える切替弁と、この切替弁からそれぞれ減圧機構を介して接続された冷凍用冷却器および冷蔵用冷却器とから構成された可燃性冷媒を封入した冷凍サイクルの前記各冷却器で生成された冷気を冷凍空間および冷蔵空間にそれぞれ供給するファンを備えた冷蔵庫において、前記圧縮機の負荷変動の変化率から検知される冷凍サイクル内の圧力変動と、圧縮機負荷の絶対値から検知される冷凍サイクル内圧力と、圧縮機の異常運転信号とによって冷凍サイクル低圧側の冷媒漏れを検出することを特徴とするものである。

本発明の冷蔵庫によれば、専用の漏れ冷媒検知装置を使用することなく、冷凍サイクルの亀裂などによる冷媒漏れの発生を検出することができる。また、冷蔵庫内の負荷変動に影響されたり、負荷変動と混同して誤検知することのない冷媒漏れ検出によって火災に発展する可能性のない安全な制御構成を提供することができる。

以下、図面に基づき本発明の一実施形態について説明する。図１は、冷蔵庫の扉を除去した正面図であり、断熱箱体で形成された冷蔵庫本体（１）の内部を貯蔵空間として最上部に冷蔵室（２）、その下方に野菜室（３）、最下部には冷凍室（４）をそれぞれ独立して配置し、この冷凍室（４）と野菜室（３）との間には断熱仕切壁を介して自動製氷室（５）と、多温度切替室（６）とを左右に併置しており、各貯蔵室の前面開口には図示しないが各々専用の扉を設けて開閉自在に室内を閉塞している。

冷凍室（４）の背面には、冷凍室や製氷室などの冷凍空間用の冷却器（７）および冷却ファン（８）を配置し、野菜室（３）の背面には冷蔵室（２）と野菜室（３）とを冷却する冷蔵温度用の冷却器（９）および冷却ファン（10）を設け、本体下部の機械室に設置した冷媒圧縮機（12）の駆動により、前記冷凍用冷却器（７）および冷蔵用冷却器（９）で冷却された冷気を冷却ファン（８）（10）の回転で各室に送風してそれぞれの貯蔵室を所定温度に冷却制御するものである。

前記各貯蔵室は、図２に示すように、周波数により能力を変化できる圧縮機（12）からの高温高圧の冷媒ガスを吐出パイプ（13）に吐出し、冷蔵庫本体周縁に配設した防露用の放熱パイプ（14）および凝縮器（15）に導入して放熱液化し、冷媒流路を切り替える三方弁（16）から、低温側絞り装置（17）と低温側である冷凍用冷却器（７）および吸込みパイプ（18）とを直列に接続して前記圧縮機（12）に戻す回路を形成するとともに、前記三方弁（16）から前記低温側絞り装置（17）と並列に高温側絞り装置（19）と高温側の冷蔵用冷却器（20）を連結し冷凍用冷却器（７）の入口部に接続して形成した冷凍サイクル（11）により冷却されるものであり、この冷凍サイクルの各配管は、前記圧縮機（12）を設置した機械室内においてそれぞれを接続してサイクルを形成するとともに、冷媒としてオゾン層の破壊がなく地球温暖化係数も低いが可燃性であるイソブタンなどのＨＣ冷媒を封入している。

そして、冷蔵庫は、図３に概略をブロック図で示す制御回路（21）により制御されるものであり、制御装置（22）による三方弁（16）の流路の切り替えで冷媒を高温側冷却器（20）あるいは低温側冷却器（７）に交互に供給し、冷気循環ファン（８）（10）の回転駆動によって、高温側である冷蔵室（２）や野菜室（３）、あるいは低温側である冷凍室（４）や自動製氷室（５）などを所定温度に冷却制御するものであり、冷蔵温度帯と冷凍温度帯双方の貯蔵室が所定温度まで冷却された場合には、圧縮機（12）を停止し、その後貯蔵室内温度の上昇により、いずれかの貯蔵室温が設定温度より高くなった場合は、ふたたび圧縮機および冷気循環ファンを起動させて、該当する貯蔵室を冷却する。

前記圧縮機（12）は、圧縮機駆動装置（23）により運転され、その運転状態は、電流値などの情報から運転検知回路（24）を介して監視されている。また、圧縮機駆動装置（23）は、運転検知回路（24）を通して得られた電流値などのデータから圧縮機（12）の負荷を測定しており、制御装置（22）はその情報から圧縮機（12）の負荷の変動を監視しているものであるが、本発明の１実施例において使用する負荷変動率は、
「負荷変動率＝基準点と現時点での電力の差／基準点での電力の絶対値×１００（％）」
のように定義し、圧縮機（12）の運転中は、電力値を上式に当てはめて冷凍サイクル（11）の負荷変動を監視している。

上記式中の基準点は、冷蔵庫制御での圧縮機（12）の運転周波数変更や三方弁（16）の切り替えによる冷凍サイクル（11）の圧力変化の影響を受けないように、前記冷蔵庫制御を実施した後の時点でそれぞれ決定する。すなわち、冷蔵側冷却から冷凍側冷却へ運転を移行するために三方弁（16）の冷媒流路方向を切り替えたようなときには、切り替え前の基準値は破棄して、切り替え後１分の時点での電力値を基準値とするものである。

しかして、図４は、冷凍サイクル（11）における低圧側、すなわち、低温側および高温側絞り装置（17）（19）から圧縮機（12）の吸込口（12ａ）までの間のサイクル配管に生じたピンホールや亀裂から冷媒が漏洩した場合の冷蔵庫の各運転挙動を示す波形グラフである。

これに対して、図５は、冷蔵庫の正常な運転状況を示すグラフであり、この図４と図５との比較からも理解されるように、低圧側サイクル配管中に損傷が発生した場合、孔あき部から大気がサイクル配管中に吸引され始めるが、当初はサイクル配管内が低圧であることに対して外気の圧力が大きいのでその圧力差によって吸込み量が多く、急激に冷凍サイクルの負荷、すなわち圧縮機（12）の電力値変動率が増大する（Ａ部参照）。

外気を吸い込み続けるとサイクル配管内外の圧力差が小さくなっていくので、吸い込み量は時間経過とともに徐々に減少し、孔の大きさにも関係するが約１０分程度でバランスして外気の吸込みはなくなり、内部圧力が大気圧以上になった時点で、冷媒が外方に漏出するものである。

なお、冷凍サイクル（11）の高圧側、すなわち、圧縮機（12）の吐出口（12ｂ）から低温側および高温側の絞り装置（17）（19）までの間で冷媒漏れが発生する可能性のある配管箇所は、冷蔵庫本体外の機械室内に配設されており、漏れた冷媒のガス濃度が燃焼下限以上に達すると、機械室内に設置されている圧縮機の始動リレーなどの電気接点が開閉動作した際に、引火する可能性がある。しかしながら、機械室においては、圧縮機（12）の運転中は空冷ファンが駆動しており、たとえ冷媒漏れが発生しても外気中に拡散するため引火する危険はきわめて少ないものであり特に問題とはならない。また、その他のサイクル配管は冷蔵庫本体（１）の断熱材層の内部に埋設されており、冷媒が滞留することがなく引火する可能性はほとんどないため、本発明の対象からは除外する。

そして、図５のように、冷凍サイクル中に孔あきなどが存在しない正常な冷却運転中においても、貯蔵室扉の開放や食材の出し入れなど貯蔵室内状態の変化によって冷凍サイクル（11）の負荷がＢ部に示すように、変動し増大するが、この場合の電力値変動率は、前記式によれば、３０％程度であるのに対し、サイクル配管の孔あき損傷発生時には、９０％程度まで上昇するものであり、電力値変動率には明確な相違を生じる。

なお、電力値の変動率は、冷凍側冷却運転か冷蔵側冷却運転かなど貯蔵室内冷却運転状態の違いや、冷凍サイクル中の損傷孔の大きさなどによって差があり一定値ではない。すなわち、サイクルの損傷孔は、孔径の大きな方が一度に吸い込む外気量が多いため負荷が急激に上昇して電力変動の増加率が高くなり、また、冷蔵側冷却の場合は冷凍側冷却に比べ、冷凍サイクル（11）内の圧力が低いので、同じ孔径でも冷蔵側冷却時の方が負荷の増加率が高くなるのはいうまでもない。

したがって、上記事情を考慮すれば、上記式で求められる電力値変動率のみを冷媒漏れの判別基準とすることは適切ではない。

そこで、上記電力値変動率の増加による判定を一次判定として、さらに、負荷電力の絶対値を冷媒漏れ検出判定の条件とする。すなわち、電力値変動率が冷媒漏れの可能性が大きい５０％を越えたかどうかを検知し、電力値変動率が図４のＡ部のように５０％を越えた場合は、二次判定として、電力の絶対値を抽出する。

電力値は、冷凍サイクルや圧縮機に異常がなければ、圧縮機（12）の運転周波数や冷凍側冷却か冷蔵側冷却かの三方弁（16）の切り替え方向に対して安定した値を示すが、冷凍サイクル（11）の低圧側で冷媒漏れが発生した場合は、孔あき部から外気を吸い込んでいき、負荷の増大により値が大きくなる。そこで、正常な運転では、この電力の絶対値がほとんど超過しないような値を基準値とし、電力値が基準値以上となるか否かを検知するようにする。

この二次判定の電力値の検知は、圧縮機（12）の周波数や三方弁（16）の切り替え方向など種々の条件を考慮した最大の値、例えば１５０Ｗを基準値として求めておき、冷凍運転の間に電力値が１５０Wを越えた場合（Ｃ部参照）には冷媒漏れがあると判定する。

前記基準値は、圧縮機（12）の各運転周波数と三方弁（16）による冷凍側あるいは冷蔵側の冷却方向で区分した各々の状態における値を決定しておき、現実の運転条件に沿った基準値により判定するようにすれば、精度の高い検知が早い段階でできる長所があり、負荷条件の少ない制御構成に適用すれば有効であるが、その反面、負荷条件の数に比例して制御が複雑になる難点がある。

したがって、圧縮機（12）の運転周波数や三方弁（16）の切り替え方向による種々の負荷条件がある場合には、冷蔵庫の運転中で最も負荷が大きくなる条件での最大の値を測定しておき、これを運転周波数や三方弁の動作に関係なく共通の基準値とすることによって、検知はやや遅くなるが、簡単な制御装置を実現することができる。この場合の最大負荷条件は、実験例によれば、冷蔵側冷却で圧縮機の運転周波数が最大の６３Ｈｚの場合であり、求められた電力基準値は１００Ｗであった。

上記説明において、電力値による負荷変動率を一次判定とし、電力の絶対値を二次判定とした理由は、冷媒漏洩に関係なく、例えば、圧縮機（12）自体がロック状態になるなど異常モードになった際にも電力の絶対値が基準値を超える場合があり、これを冷媒漏れと誤検知する可能性があるためである。

なお、前記圧縮機（12）のロック現象の際には電力の絶対値が突発的に増加するものであり、サイクルの低圧側に冷媒漏れが発生したときのように外気を徐々に吸い込むことにともなう圧縮機の負荷の増加形態とはならない。そして、圧縮機（12）がロックした場合は、圧縮機自体の異常モードとして、冷媒漏れと判定せず圧縮機を停止するように制御する。

上記によれば、一次判定として電力値変動率によって圧力変動の検知をおこない、電力値変動率が所定値以上であれば、二次判定として電力絶対値により冷凍サイクル内圧力の増大を検知することで、冷媒漏れの有無を検出するようにしているが、前記電力値変動率の基準値や電力基準値が冷蔵庫運転の全てのバラツキを網羅しているとは言い難いものである。そこで、冷媒漏れ検知の確率を向上するために、二次判定の後に三次判定として、圧縮機（12）の異常動作を監視する。

冷凍サイクル（11）においては、通常、圧縮機（12）の負荷が異常に大きくなって圧縮機のモータ電流が増加し電流値が３．５Ａを越えた場合には、過電流保護装置が動作して圧縮機を停止するように制御している。過電流保護装置の動作により、圧縮機（12）は一時停止するが、通常は所定時間後、例えば６分後には再起動（異常リトライ）させるように制御されており、この再起動制御を、例えば６回繰り返しても起動しない場合には、異常として圧縮機を永久停止させている。

そして、低圧側の冷媒漏れによって外気を吸い込み続けている冷凍サイクル（11）においても、外気を吸い込んだ場合は、冷凍サイクル内が１気圧になって圧縮機（12）の負荷が異常に大きくなり、過電流保護装置が動作するとともに再起動が不可能になるものである。したがって、再起動制御を繰り返しても起動しない場合（Ｄ部）は、上記のように永久停止モードとなるため、前記一次および二次判定を経由した第３段階で前記圧縮機の異常停止判定をおこなった場合には、サイクル低圧側の冷媒漏れと判定するものである。

また、冷媒漏れが発生した場合には、圧縮機（12）の過電流保護装置が動作する前に、圧縮機自体が故障に至る場合がある。すなわち、図６に示すように、孔あき部から外気を吸い込み続けたことによってサイクル内の圧力が上昇し、その結果、圧縮機（12）内の弁が破損したり、パッキンが外れてしまう不良が発生（Ｅ部）する。このようになった圧縮機（12）は、冷媒の圧縮ができず空転しているのみの状態となり、運転周波数の変化や三方弁（16）の切り替えに対して何の負荷変動も示さなくなるものである（Ｆ部参照）。

上記において、正常な冷凍サイクルでは、同じ周波数で運転していれば、冷凍側空間のより冷蔵側空間の冷却の方が冷媒の蒸発温度が高く電力値が大きいため、三方弁（16）の切り替え動作では１０Ｗ程度の差を生じる。そこで、基準値を５Ｗ以下に設定し、一次および二次判定を経由した後の時点で、三方弁（16）の切り替えを１回乃至数回繰り返した際に、冷蔵側冷却と冷凍側冷却との電力値の差が５Ｗ以下であれば、圧縮機（12）の異常と判定し、低圧側の冷媒漏れと判定するものである。

しかして、図７のフローチャートで示すように、第１段階として電力値変動率によって圧力変動の検知をおこない、電力値変動率が５０％以上であれば、冷凍サイクル低圧側での冷媒漏れありとの一次判定（ステップ１）をおこない、第２段階で電力の絶対値が１５０Ｗ以上であれば冷凍サイクル内の圧力が冷媒漏れにより増大しているとの二次判定（ステップ２）をおこなう。

次に、第３段階として、圧縮機（12）の異常動作を監視し、圧縮機（12）の過電流保護装置の動作回数（異常リトライ）が６回以上であるか（ステップ３）、また、そうでなければ三方弁（16）の切り替え時の電力値の変動が５Ｗ以下であるか（ステップ４）を検知する。さらに、運転周波数を変更しても電力の変化がないか否か（ステップ５）を検知し、それぞれの検知に該当した場合には、冷凍サイクル（11）の低圧側配管において冷媒漏れが発生しているとの三次判定をおこなうものである。

冷媒が漏れている場合は、冷凍サイクルの冷却力が低下することになり、冷媒漏れ有りとの判定をおこなった際には、これを冷蔵庫扉の表示パネル面に表示したり、アラームなど警報音として使用者に報知するものである。

本発明は、可燃性冷媒を使用した冷蔵庫における冷媒漏れ検出制御構成として利用することができる。

本発明の１実施形態を示す冷蔵庫の扉を除去した正面図である。 図１に示す冷蔵庫の冷凍サイクル概略図である。 図１の冷蔵庫の制御回路を示すブロック図である。 図２の冷凍サイクルから冷媒漏れが発生した状態の運転挙動を示す波形グラフである。 正常な冷蔵庫の運転状況を示す図４と同一部分の波形グラフである。 圧縮機に故障が発生した状態を示す図４と同一部分の波形グラフである。 本件発明の１実施例を示す冷媒漏れ検出の制御フローチャートである。

符号の説明

１ 冷蔵庫本体 ２ 冷蔵室 ４ 冷凍室
７ 冷凍用冷却器 ８ 冷凍用ファン ９ 冷蔵用冷却器
10 冷蔵用ファン 11 冷凍サイクル 12 圧縮機
12ａ 吸込口 12ｂ 吐出口 16 三方弁
17 低温側絞り装置 18 吸込みパイプ 19 高温側絞り装置
21 冷蔵庫制御回路 22 制御装置 23 圧縮機駆動装置
24 運転検知装置

Claims (7)

1. 能力可変圧縮機と、この圧縮機からの吐出ガスを受ける凝縮器の出口側に設けられた冷媒流路を切り替える切替弁と、この切替弁からそれぞれ減圧機構を介して接続された冷凍用冷却器および冷蔵用冷却器とから構成された可燃性冷媒を封入した冷凍サイクルの前記各冷却器で生成された冷気を冷凍空間および冷蔵空間にそれぞれ供給するファンを備えた冷蔵庫において、前記圧縮機の負荷変動の変化率から検知される冷凍サイクル内の圧力変動と、圧縮機負荷の絶対値から検知される冷凍サイクル内圧力と、圧縮機の異常運転信号とによって冷凍サイクル低圧側の冷媒漏れを検出することを特徴とする冷蔵庫。
2. 圧縮機負荷変動の所定値以上の変化率により冷凍サイクル内の圧力変動を検知することを第１段階とした後に、圧縮機負荷の絶対量が基準値以上であった場合を第２段階と判定すること特徴とする請求項１記載の冷蔵庫。
3. 圧縮機負荷の絶対量が基準値以上であった場合を第２段階とした後、圧縮機の異常運転を検知した場合を第３段階として冷凍サイクル低圧側の冷媒漏れを検出することを特徴とする請求項２記載の冷蔵庫。
4. 圧縮機負荷の絶対量の基準値として、冷蔵庫の運転状況に応じた複数の基準値を持つことを特徴とする請求項１記載の冷蔵庫。
5. 圧縮機負荷の絶対量の基準値として、冷蔵庫の使用上最大となる負荷の値から単一の基準値を設定したことを特徴とする請求項１記載の冷蔵庫。
6. 過電流による異常停止を所定回数繰り返した場合を圧縮機の異常運転と判定することを特徴とする請求項２記載の冷蔵庫。
7. 切替弁の切り替えで圧縮機負荷が変化しない場合を圧縮機の異常運転と判定することを特徴とする請求項２記載の冷蔵庫。

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