JP2011163664A - 蓄熱装置及び該蓄熱装置を備えた空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機で発生した熱を蓄積する蓄熱材を効率的に熱交換可能な蓄熱装置及びこの蓄熱装置を用いた空気調和機を提供すること。
【解決手段】圧縮機を囲むように配設され、圧縮機で発生した熱を蓄積するための蓄熱装置を、圧縮機で発生した熱を蓄積する蓄熱材を収容する蓄熱槽３２と、蓄熱槽３２に収容された蓄熱熱交換器３４とで構成し、蓄熱熱交換器３４の高さ方向の重心位置を蓄熱槽３２の高さ方向の中心位置よりも上方に設定した。
【選択図】図７

Description

本発明は、圧縮機を囲むように配置され圧縮機で発生した熱を蓄積する蓄熱材を収容する蓄熱装置及びこの蓄熱装置を備えた空気調和機に関する。

従来、ヒートポンプ式空気調和機による暖房運転時、室外熱交換器に着霜した場合には、暖房サイクルから冷房サイクルに四方弁を切り替えて除霜を行っている。この除霜方式では、室内ファンは停止するものの、室内機から冷気が徐々に放出されることから暖房感が失われるという欠点がある。

そこで、室外機に設けられた圧縮機に蓄熱装置を設け、暖房運転中に蓄熱槽に蓄えられた圧縮機の廃熱を利用して除霜するようにしたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図９及び図１０は、従来の蓄熱装置の一例を示す断面図である。図９及び図１０において、蓄熱装置１００は、発熱体としての圧縮機１０２を取り巻くように設けられ、蓄熱材１０４を充填した略中空円筒状の蓄熱用密封パック１０６と、蓄熱用密封パック１０６内に収容された蓄熱及び放熱用の熱交換器１０８等とから構成されている。

蓄熱用密封パック１０６は、図９の線Ｘ−Ｘに沿った断面図である図１０に示されるように、例えばアルミ薄板製の外板１１０を上端部で密封して略中空円筒状に形成し、外板１１０の内部に蓄熱材１０４を充填した構造を有している。また、熱交換器１０８は、例えば冷媒通路用パイプ１１２に、同じくアルミ製のフィン１１４を固着して形成される。

上記構成の蓄熱装置１００では、圧縮機１０２の運転中、圧縮機１０２から発生する熱はシリコン油１１６を介して蓄熱用密封パック１０６に伝わり、蓄熱用密封パック１０６内の蓄熱材１０４に蓄えられる。

実開平２−１２８０６５号公報

特許文献１に記載の蓄熱装置１００においては、図１０に示されるように、冷媒通路用パイプ１１２は、蓄熱装置１００の上端近傍から下端近傍の広範囲にわたって蓄熱装置１００の内部に配設されている。しかしながら、蓄熱材１０４の温度分布は均一ではなく、高温部分もあれば低温部分もあることから、上述した構成の蓄熱装置１００は効率的に熱交換できないという問題点がある。

本発明は、従来技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたものであり、圧縮機で発生した熱を蓄積する蓄熱材を効率的に熱交換可能な蓄熱装置及びこの蓄熱装置を用いた空気調和機を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は、圧縮機を囲むように配設され、圧縮機で発生した熱を蓄積するための蓄熱装置を、圧縮機で発生した熱を蓄積する蓄熱材を収容する蓄熱槽と、蓄熱槽に収容された蓄熱熱交換器とで構成し、蓄熱熱交換器の高さ方向の重心位置又は蓄熱熱交換器の全管長の中心位置を蓄熱槽の高さ方向の中心位置よりも上方に設定している。

上記構成の蓄熱装置において、圧縮機からの熱は蓄熱材に蓄積されるが、蓄熱槽の上方の蓄熱材の方が下方の蓄熱材よりも高温になる。本発明では、蓄熱熱交換器は、その重心位置が蓄熱槽の高さ方向の中心位置よりも上方に設定されているので、蓄熱熱交換器は、相対的に高温の蓄熱材と効率的に熱交換を行うことができる。

本発明に係る蓄熱装置を備えた空気調和機の構成を示す図 図１の空気調和機の通常暖房時の動作及び冷媒の流れを示す模式図 図１の空気調和機の除霜・暖房時の動作及び冷媒の流れを示す模式図 圧縮機とアキュームレータを取り付けた状態の本発明に係る蓄熱装置の斜視図 図４の蓄熱装置の分解斜視図 図４の蓄熱装置の斜視図 図６における線VII-VIIに沿った断面図 図６における線VIII-VIIIに沿った断面図 従来の蓄熱装置の横断面図 図９における線Ｘ−Ｘに沿った断面図

本発明は、圧縮機を囲むように配設され、圧縮機で発生した熱を蓄積するための蓄熱装置であって、圧縮機で発生した熱を蓄積する蓄熱材を収容する蓄熱槽と、蓄熱槽に収容された蓄熱熱交換器とを備え、蓄熱熱交換器の高さ方向の重心位置又は該蓄熱熱交換器の全管長の中心位置を蓄熱槽の高さ方向の中心位置よりも上方に設定している。

この構成により、蓄熱槽に収容された蓄熱材の温度分布が均一でなくても、蓄熱熱交換器は高温の蓄熱材と効率的に熱交換を行うことができる。

また、蓄熱熱交換器は、屈曲部と屈曲部から直線状に延びる直線部とを有し、屈曲部の下端を、蓄熱槽の高さ方向の中心位置よりも下方で、中心位置の近傍に位置するように設定するのが好ましい。これにより、蓄熱熱交換器のすべてをできるだけ高温の蓄熱材に接触させることができる。

また、具体的には、蓄熱槽が傾斜しても、蓄熱熱交換器の屈曲部が常に蓄熱材に浸漬するように、蓄熱熱交換器の屈曲部の上端を位置設定する。これにより、蓄熱熱交換器の屈曲部が常に蓄熱材と接触することになり、効率的な熱交換を行うことができる。

また、本発明の他の態様は、圧縮機と、圧縮機を囲むように配設された上述した構成の蓄熱装置と、を備える空気調和機である。

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。
図１は、本発明に係る蓄熱装置を備えた空気調和機の構成を示しており、空気調和機は、冷媒配管で互いに接続された室外機２と室内機４とで構成されている。

図１に示されるように、室外機２の内部には、圧縮機６と四方弁８とストレーナ１０と膨張弁１２と室外熱交換器１４とが設けられ、室内機４の内部には、室内熱交換器１６が設けられ、これらは冷媒配管を介して互いに接続されることで冷凍サイクルを構成している。

さらに詳述すると、圧縮機６と室内熱交換器１６は、四方弁８が設けられた第１配管１８を介して接続され、室内熱交換器１６と膨張弁１２は、ストレーナ１０が設けられた第２配管２０を介して接続されている。また、膨張弁１２と室外熱交換器１４は第３配管２２を介して接続され、室外熱交換器１４と圧縮機６は第４配管２４を介して接続されている。

第４配管２４の中間部には四方弁８が配置されており、圧縮機６の冷媒吸入側における第４配管２４には、液相冷媒と気相冷媒を分離するためのアキュームレータ２６が設けられている。また、圧縮機６と第３配管２２は、第５配管２８を介して接続されており、第５配管２８には第１電磁弁３０が設けられている。

さらに、圧縮機６の周囲には蓄熱槽３２が設けられ、蓄熱槽３２の内部には、蓄熱熱交換器３４が設けられるとともに、蓄熱熱交換器３４と熱交換するための蓄熱材（例えば、エチレングリコール水溶液）３６が充填されており、蓄熱槽３２と蓄熱熱交換器３４と蓄熱材３６とで蓄熱装置を構成している。

また、第２配管２０と蓄熱熱交換器３４は第６配管３８を介して接続され、蓄熱熱交換器３４と第４配管２４は第７配管４０を介して接続されており、第６配管３８には第２電磁弁４２が設けられている。

室内機４の内部には、室内熱交換器１６に加えて、送風ファン（図示せず）と上下羽根（図示せず）と左右羽根（図示せず）とが設けられており、室内熱交換器１６は、送風ファンにより室内機４の内部に吸込まれた室内空気と、室内熱交換器１６の内部を流れる冷媒との熱交換を行い、暖房時には熱交換により暖められた空気を室内に吹き出す一方、冷房時には熱交換により冷却された空気を室内に吹き出す。上下羽根は、室内機４から吹き出される空気の方向を必要に応じて上下に変更し、左右羽根は、室内機４から吹き出される空気の方向を必要に応じて左右に変更する。

なお、圧縮機６、送風ファン、上下羽根、左右羽根、四方弁８、膨張弁１２、電磁弁３０，４２等は制御装置（図示せず、例えばマイコン）に電気的に接続され、制御装置により制御される。

上記構成の本発明に係る冷凍サイクル装置において、各部品の相互の接続関係と機能とを、暖房運転時を例にとり冷媒の流れとともに説明する。

圧縮機６の吐出口から吐出された冷媒は、第１配管１８を通って四方弁８から室内熱交換器１６へと至る。室内熱交換器１６で室内空気と熱交換して凝縮した冷媒は、室内熱交換器１６を出て第２配管２０を通り、膨張弁１２への異物侵入を防止するストレーナ１０を通って、膨張弁１２に至る。膨張弁１２で減圧した冷媒は、第３配管２２を通って室外熱交換器１４に至り、室外熱交換器１４で室外空気と熱交換して蒸発した冷媒は、第４配管２４と四方弁８とアキュームレータ２６を通って圧縮機６の吸入口へと戻る。

また、第１配管１８の圧縮機６吐出口と四方弁８の間から分岐した第５配管２８は、第１電磁弁３０を介して第３配管２２の膨張弁１２と室外熱交換器１４の間に合流している。

さらに、内部に蓄熱材３６と蓄熱熱交換器３４を収納した蓄熱槽３２は、圧縮機６に接して取り囲むように配置され、圧縮機６で発生した熱を蓄熱材３６に蓄積し、第２配管２０から室内熱交換器１６とストレーナ１０の間で分岐した第６配管３８は、第２電磁弁４２を経て蓄熱熱交換器３４の入口へと至り、蓄熱熱交換器３４の出口から出た第７配管４０は、第４配管２４における四方弁８とアキュームレータ２６の間に合流する。

次に、図１に示される空気調和機の通常暖房時の動作及び冷媒の流れを模式的に示す図２を参照しながら通常暖房時の動作を説明する。

通常暖房運転時、第１電磁弁３０と第２電磁弁４２は閉制御されており、上述したように圧縮機６の吐出口から吐出された冷媒は、第１配管１８を通って四方弁８から室内熱交換器１６に至る。室内熱交換器１６で室内空気と熱交換して凝縮した冷媒は、室内熱交換器１６を出て、第２配管２０を通り膨張弁１２に至り、膨張弁１２で減圧した冷媒は、第３配管２２を通って室外熱交換器１４に至る。室外熱交換器１４で室外空気と熱交換して蒸発した冷媒は、第４配管２４を通って四方弁８から圧縮機６の吸入口へと戻る。

また、圧縮機６で発生した熱は、圧縮機６の外壁から蓄熱槽３２の外壁を介して蓄熱槽３２の内部に収容された蓄熱材３６に蓄積される。

次に、図１に示される空気調和機の除霜・暖房時の動作及び冷媒の流れを示す模式的に示す図３を参照しながら除霜・暖房時の動作を説明する。図中、実線矢印は暖房に供する冷媒の流れを示しており、破線矢印は除霜に供する冷媒の流れを示している。

上述した通常暖房運転中に室外熱交換器１４に着霜し、着霜した霜が成長すると、室外熱交換器１４の通風抵抗が増加して風量が減少し、室外熱交換器１４内の蒸発温度が低下する。本発明に係る空気調和機には、図３に示されるように、室外熱交換器１４の配管温度を検出する温度センサ４４が設けられており、非着霜時に比べて、蒸発温度が低下したことを温度センサ４４で検出すると、制御装置から通常暖房運転から除霜・暖房運転への指示が出力される。

通常暖房運転から除霜・暖房運転に移行すると、第１電磁弁３０と第２電磁弁４２は開制御され、上述した通常暖房運転時の冷媒の流れに加え、圧縮機６の吐出口から出た気相冷媒の一部は第５配管２８と第１電磁弁３０を通り、第３配管２２を通る冷媒に合流して、室外熱交換器１４を加熱し、凝縮して液相化した後、第４配管２４を通って四方弁８とアキュームレータ２６を介して圧縮機６の吸入口へと戻る。

また、第２配管２０における室内熱交換器１６とストレーナ１０の間で分流した液相冷媒の一部は、第６配管３８と第２電磁弁４２を経て、蓄熱熱交換器３４で蓄熱材３６から吸熱し蒸発、気相化して、第７配管４０を通って第４配管２４を通る冷媒に合流し、アキュームレータ２６から圧縮機６の吸入口へと戻る。

アキュームレータ２６に戻る冷媒には、室外熱交換器１４から戻ってくる液相冷媒が含まれているが、これに蓄熱熱交換器３４から戻ってくる高温の気相冷媒を混合することで、液相冷媒の蒸発が促され、アキュームレータ２６を通過して液相冷媒が圧縮機６に戻ることがなくなり、圧縮機６の信頼性の向上を図ることができる。

除霜・暖房開始時に霜の付着により氷点下となった室外熱交換器１４の温度は、圧縮機６の吐出口から出た気相冷媒によって加熱されて、零度付近で霜が融解し、霜の融解が終わると、室外熱交換器１４の温度は再び上昇し始める。この室外熱交換器１４の温度上昇を温度センサ４４で検出すると、除霜が完了したと判断し、制御装置から除霜・暖房運転から通常暖房運転への指示が出力される。

図４及び図５は蓄熱装置を示しており、蓄熱装置は、上述したように、蓄熱槽３２と蓄熱熱交換器３４と蓄熱材３６とで構成されている。なお、図４は、圧縮機６と、圧縮機６に組み付けられるアキュームレータ２６を蓄熱装置に取り付けた状態を示している。また、図５は蓄熱装置の分解斜視図である。

図５に示されるように、蓄熱槽３２は、側壁４６ａと底壁（図示せず）を有し上方が開口した樹脂製の蓄熱槽本体４６と、この蓄熱槽本体４６の上方開口部を閉塞する樹脂製の蓋体４８と、蓄熱槽本体４６と蓋体４８の間に介装されシリコンゴム等で作製されたパッキン５０とを備え、蓋体４８は蓄熱槽本体４６に螺着される。また、蓄熱槽本体４６の側壁４６ａの一部（つまり、側壁４６ａで圧縮機６と対向する部分）は開口しており、この開口部４６ｂの周縁には、圧縮機６の外周面と密着するための密着部材５２が接合される。

密着部材５２は、枠体５４とシート部材５６とで構成されており、全体として所定の直径の円筒の一部を切り欠いた形状を呈している。なお、密着部材５２の内側には、圧縮機６が収容されることから、取付公差等を考慮して密着部材５２の内径は圧縮機６の外径より僅かに大きく設定される。

また、枠体５４には、上下方向の中間部から下部にかけて開口部５４ａが形成されており、この開口部５４ａを閉塞するようにシート部材５６は枠体５４に接合される。

蓄熱熱交換器３４は、例えば銅管等を蛇行状に折曲したもので、蓄熱槽本体４６の内部に収容されており、蓄熱熱交換器３４の両端は蓋体４８から上方に延出され、一端は第６配管３８（図１参照）に接続される一方、他端は第７配管４０（図１参照）に接続される。また、蓄熱熱交換器３４が収容され、側壁４６ａと底壁と密着部材５２で囲繞された蓄熱槽本体４６の内部空間には、蓄熱材３６が充填される。

ここで、蓄熱装置には、内部に充填された蓄熱材３６を撹拌するための撹拌手段は設けられておらず、蓄熱材３６の温度分布は均一ではないことから、本発明においては、効率的な熱交換を考慮して、蛇行するように折曲された蓄熱熱交換器３４を蓄熱槽３２の上部に配置している。

すなわち、蓄熱熱交換器３４の内部を通過する冷媒と、冷媒と熱交換を行う蓄熱材３６は、温度差が大きいほど熱交換量が大きくなり、除霜時間も短くなるが、高温の蓄熱材３６は蓄熱槽３２内の上方に集まり、低温の蓄熱材３６は蓄熱槽３２内の下方に集まることから、図６乃至図８に示されるように、屈曲部３４ａと、屈曲部３４ａの両端より上方に直線状に延びる直線部３４ｂを有する蓄熱熱交換器３４は、屈曲部３４ａの全体が蓄熱槽３２の上部の所定の範囲で蓄熱槽本体４６の内壁面に沿うように湾曲して配置されている。

図７を参照しながらさらに詳述すると、蓄熱槽３２の底面からの高さをＨ１、蓄熱槽３２の底面からの高さ方向の中心位置をＨ２（Ｈ２＝Ｈ１／２）、蓄熱槽３２の底面からの蓄熱熱交換器３４の屈曲部３４ａの下端の高さをＨ３、蓄熱槽３２の上面からの蓄熱熱交換器３４の屈曲部３４ａの上端までの距離をＨ４とすると、本発明においては、Ｈ３及びＨ４を所定の高さあるいは距離に設定している。

蓄熱熱交換器３４の高さ方向の重心位置ＣｏＢは蓄熱槽３２の高さ方向の中心位置Ｈ２よりも上方に設定される。なお、蓄熱熱交換器３４の高さ方向の重心位置ＣｏＢは、蓄熱交換器３４の屈曲部３４ａと直線部３４ｂを合わせた部分の重心位置のことである。ここで、蓄熱装置において、圧縮機６からの熱は蓄熱材３６に蓄積されるが、蓄熱槽３２の上方の蓄熱材３６の方が下方の蓄熱材３６よりも高温になる。本蓄積装置では、蓄熱熱交換器３４の重心位置が蓄熱槽３２の高さ方向の中心位置よりも上方に設定されているので、蓄熱熱交換器３４は、主として、蓄熱材３６において相対的に高温部分と熱交換を行う。言い換えると、本蓄熱熱交換器３４は、蓄熱材３６と効率的に熱交換を行うことができる。

また、本実施形態では、蓄熱熱交換器３４の下端の高さＨ３は、蓄熱槽３２の高さ方向の中心位置Ｈ２よりも下方で、中心位置Ｈ２の近傍に位置するように設定している。その結果、蓄熱熱交換器３４のすべてができるだけ高温の蓄熱材３６に接触するようになる。これにより、蓄熱熱交換器３４は、蓄熱材３６とより効率的に熱交換を行うことができる。

一方、蓄熱槽３２の上面からの蓄熱熱交換器３４の屈曲部３４ａの上端までの距離Ｈ４は、蓄熱槽３２の傾斜を考慮して決定される。すなわち、圧縮機６や蓄熱槽３２は通常室外機２に収容され、室外機２は傾いた状態で室外に設置されることがある。このような傾きを想定して、蓋体４８が蓄熱材３６の液面に浸からない程度に、蓄熱材３６を蓄熱槽３２に入れた場合に、蓄熱槽３２が所定の角度（例えば、設置面に対し約７°）まで傾斜しても、蓄熱熱交換器３４の屈曲部３４ａが常に蓄熱材３６に浸漬するように、蓄熱熱交換器３４の屈曲部３４ａの上端が、蓄熱槽３２の上面から所定の距離Ｈ４だけ下方に位置するように、蓄熱熱交換器３４は蓄熱槽３２の内部に設置される。

また、本実施の形態では、蓄熱装置を圧縮機６に対し着脱自在の構成としているが、圧縮機６の外殻と蓄熱槽本体４６とを金属製とし、両者を溶接等で固着するようにしても構わない。このような固着タイプの蓄熱槽においても、蓄熱熱交換器３４の取付位置を上述したように寸法設定することができる。

さらに、本実施の形態では、蓄熱熱交換器３４は蓄熱槽３２の内部に収容される場合について説明したが、圧縮機６の外周面に蓄熱熱交換器を直接巻きつけたものにおいても、本実施の形態と同様に寸法設定することができる。

また、本実施の形態では、蓄熱熱交換器３４の重心位置をＨ２より上方に配置していたが、これに限らず、蓄熱熱交換器３４の全管長の中心位置をＨ２よりも上方に配置しても構わない。

本発明に係る蓄熱装置は、効率的な熱交換を考慮して、蓄熱槽内部における蓄熱熱交換器の設置位置を適宜設定しているので、空気調和機、冷蔵庫、給湯器、ヒートポンプ式洗濯機等に有用である。

２ 室外機、 ４ 室内機、 ６ 圧縮機、 ８ 四方弁、 １０ ストレーナ、
１２ 膨張弁、 １４ 室外熱交換器、 １６ 室内熱交換器、 １８ 第１配管、
２０ 第２配管、 ２２ 第３配管、 ２４ 第４配管、 ２６ アキュームレータ、
２８ 第５配管、 ３０ 第１電磁弁、 ３２ 蓄熱槽、 ３４ 蓄熱熱交換器、
３４ａ 屈曲部、 ３４ｂ 直線部、 ３６ 蓄熱材、 ３８ 第６配管、
４０ 第７配管、 ４２ 第２電磁弁、 ４４ 温度センサ、 ４６ 蓄熱槽本体、
４６ａ 側壁、 ４６ｂ 側壁開口部、 ４８ 蓋体、 ５０ パッキン、
５２ 密着部材、 ５４ 枠体、 ５４ａ 開口部、 ５６ シート部材。

Claims (4)

1. 圧縮機を囲むように配設され、該圧縮機で発生した熱を蓄積するための蓄熱装置であって、
   前記圧縮機で発生した熱を蓄積する蓄熱材を収容する蓄熱槽と、該蓄熱槽に収容された蓄熱熱交換器とを備え、該蓄熱熱交換器の高さ方向の重心位置又は該蓄熱熱交換器の全管長の中心位置を前記蓄熱槽の高さ方向の中心位置よりも上方に設定したことを特徴とする蓄熱装置。
2. 前記蓄熱熱交換器は、屈曲部と該屈曲部から直線状に延びる直線部とを有し、前記屈曲部の下端を、前記蓄熱槽の高さ方向の中心位置よりも下方で、中心位置の近傍に位置するように設定したことを特徴とする請求項１に記載の蓄熱装置。
3. 前記蓄熱槽が傾斜しても、前記蓄熱熱交換器の前記屈曲部が前記蓄熱材に浸漬するように、前記蓄熱熱交換器の前記屈曲部の上端を位置設定したことを特徴とする請求項１あるいは２に記載の蓄熱装置。
4. 圧縮機と、該圧縮機を囲むように配設された請求項１乃至３のいずれか１項に記載の蓄熱装置と、を備えることを特徴とする空気調和機。

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