JP2012052681A - 蓄熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱源からの熱を蓄熱材に効率的に蓄積することが可能で、耐久性をも兼ね備えた蓄熱装置を提供すること。
【解決手段】蓄熱材と、蓄熱材を内部に保持し、熱源に当接した蓄熱槽３と、熱源に当接する位置における蓄熱槽の壁面部に設けられ、熱源と蓄熱材との間の伝熱を行う伝熱手段と４を備え、伝熱手段４には蓄熱材側に凹凸が設けて不均一な厚みを有するとしたことで、比較的厚みのある部分において、伝熱手段の強度を確保し、その他の比較的薄い部分で伝熱効率を上げることができる。
【選択図】図５

Description

本発明は、熱源に当接して用いられる蓄熱装置とこれを用いた空気調和機に関するものである。

従来、ヒートポンプ式空気調和機による暖房運転では、室外熱交換器の除霜を行うために、四方弁により冷媒の流れを暖房サイクルから冷房サイクルに切替え、高温高圧の冷媒を室外熱交換器に流すことが一般的である。この除霜方式では室内に振り向けていた熱量を室外熱交換器の除霜に振り向けるため暖房効果を損なうという欠点がある。また暖房運転では、充分加熱された室内機からの吹出し気流を確保するために、室内機の配管温度を一定温度まで昇温させた後に室内の送風を開始するので、始動時から送風開始まで遅延時間があり、この点もヒートポンプ式空気調和機の欠点と言える。

これらの欠点を補うために、蓄熱装置を冷凍サイクルに組み込むことにより、暖房運転中に、蓄熱装置に蓄えられた圧縮機の廃熱を除霜や立上り特性の改善に利用する技術がよく用いられる。

特許文献１はこのような従来の蓄熱装置の一例である。図６は従来の蓄熱装置の縦断面図である。図６において、蓄熱装置１００は、圧縮機１０２の隔壁１０４の外周面に固設されている。また、蓄熱装置１００は、アルミ箔板や銅板等の金属部材１０６を有しており、この金属部材１０６は、隔壁１０４の外周面に当接するように巻回されている。

蓄熱装置１００の内部には、圧縮機１０２で発生した熱を隔壁１０４を介して蓄積する蓄熱材１０８が収容されており、この蓄熱材１０８は、縦断面形状がコ字状の収容部材１１０と上述した金属部材１０６とで形成された空間部に充填されている。この空間部中には、蓄熱材１０８と共に、流入した冷媒を加熱する加熱配管１１２が配設されている。

特許第２７０５７３４号公報

上述したように、図６に示される従来の蓄熱装置では、金属部材１０６は、圧縮機１０２の隔壁１０４に当接するように巻回されている。しかし実際には、金属部材１０６と隔壁１０４の間に、製造の際に発生する金属粉等が所々に付着し、隙間が生じることなく蓄積装置を巻回させることは難しい。このため多くの場合、金属部材１０６と隔壁１０４との間には隙間が生じてしまう。このような隙間には熱伝導率の低い空気層が存在することになり、圧縮機１０２からの熱を蓄熱材１０８に効率的に蓄積することができなくなるという問題点があった。

また、この金属部材１０６にアルミ箔板を用いた場合には、圧縮機の振動によりアルミ箔板が破損したり、蓄熱槽の強度不足から騒音を引き起こすという課題があった。

そこで本発明は、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、熱源からの熱を蓄熱材に効率的に蓄積することが可能で、耐久性をも兼ね備えた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、本発明に係る蓄熱装置は、蓄熱材と、蓄熱材を内部に保持し、熱源に当接した蓄熱槽と、熱源に当接する位置における蓄熱槽の壁面部に設けられ、熱源と前記蓄熱材との間の伝熱を行う伝熱手段と、を備えた蓄熱装置であって、伝熱手段は、蓄熱材側に凹凸が設けられることで不均一な厚みを有する構成とした。これによって、不均一な厚みを有するため、比較的厚みのある部分において、伝熱手段の強度を確保し、その他の比較的薄い部分で伝熱効率を上げることができる。

本発明によれば、熱源に当接した伝熱手段が、不均一な厚みを有するため、比較的厚みのある部分において、伝熱手段の強度を確保し、その他の比較的薄い部分で伝熱効率を上げることができ、伝熱性能と耐久性を兼ね備えた蓄熱装置を提供することが可能となる。

（ａ）本発明の実施の形態１に係る蓄熱装置における蓄熱槽の見取り図、（ｂ）Ａ−Ａ’断面図、（ｃ）Ｂ−Ｂ’断面図 本発明に係る蓄熱装置を用いた空気調和機の構成図 図２の空気調和機の通常暖房時の動作および冷媒の流れを示す模式図 図２の空気調和機の除霜・暖房時の動作および冷媒の流れを示す模式図 本発明の実施の形態２に係る蓄熱装置の断面図 従来の蓄熱装置の断面図

第１の発明は、蓄熱材と、蓄熱材を内部に保持し、熱源に当接した蓄熱槽と、熱源に当接する位置における蓄熱槽の壁面部に設けられ、熱源と蓄熱材との間の伝熱を行う伝熱手段と、を備えた蓄熱装置であって、伝熱手段は、蓄熱材側に凹凸が設けられることで不均一な厚みを有するとしたものである。これによって、比較的厚みのある部分において、伝熱手段の強度を確保し、その他の比較的薄い部分で伝熱効率を上げることができる。

第２の発明は、第１の発明において伝熱手段は、蓄熱槽の壁面部に設けられた複数の開口部と、開口部を閉塞する閉塞手段からなるとしたもので、熱源との密着性を高めることができる。

また、第３の発明は、特に第２の発明において、開口部の個々の開口部は、各々の配置位置によって開口面積が異なるとしたもので、応力集中に対して強度を保つことが可能である。

また、第４の発明は、特に第２または第３の発明において、閉塞手段が蓄熱槽の内圧に応じて変形自在であるとしたもので、熱源との密着性をより高めることが可能である。

また、第５の発明は、壁面部は樹脂で形成され、閉塞手段は、壁面部に接合される樹脂層と、樹脂層に積層される金属層とを備えるとしたもので、伝熱性と密着性を向上することが可能である。

以下、本発明に係る実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態において、本発明について図面を用いて説明するが、本発明はこれらに限定することを意図しない。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る蓄熱装置（図示せず）は、空気調和装置の圧縮機の外殻に当接して用いられ、圧縮機を熱源として圧縮機の廃熱を蓄積し利用するためのもので、蓄熱材と共に熱交換器が内部に封入されている。蓄熱材としては水を含有するエチレングリコール溶液が充填されており、前記熱交換器は接続配管によって空気調和機の冷媒配管に連結されており、蓄熱材から得られる熱を利用して冷媒の加熱に用いられる。

図１（ａ）は、本実施の形態１に係る蓄熱装置において蓄熱材と共に熱交換器が封入される蓄熱槽２の見取り図である。便宜的に破線で表記した部分が、本実施の形態における伝熱手段４を示している。

本実施の形態１に係る蓄熱装置は、伝熱手段４において、熱源である圧縮機の外殻と当接し、熱源との熱の授受に供せられる。蓄熱槽２は、その外殻にポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂を用い、光造形により伝熱手段４は蓄熱槽２と一体的に成形されている。

図１（ｂ）は伝熱手段４のＡ−Ａ’断面である。この図１（ｂ）の断面図が示すとおり、伝熱手段４は蓄熱材側の面にリブ６を備え、リブ６以外の部分は、他の蓄熱槽外殻の肉厚よりも相対的に薄く成形されている。

図１（ｃ）は伝熱手段４のＢ−Ｂ’断面である。この図１（ｃ）に示されるＢ−Ｂ’断面は図１（ｂ）に示されたＡ−Ａ’断面同様、蓄熱材側の面にリブ８を備え、リブ以外の部分は、他の蓄熱槽外殻の肉厚よりも相対的に薄く成形されている。

これらの断面図が示すとおり、本実施の形態１に係る蓄熱槽２の伝熱手段４は、格子状のリブを備え、リブ６、リブ８で囲まれた部分（熱窓）は蓄熱槽外殻の肉圧よりも薄型化が図られている。この格子状のリブにより、伝熱手段４が蓄熱材から受ける内圧をより均一化し、伝熱手段４の熱窓における応力集中を防ぐことができる。このため伝熱手段４の耐久性を向上させると同時に、熱窓の薄型化を図ることができる。このように熱窓の薄型化によって、伝熱効率を向上させることができる。

また、図１（ｃ）に示すとおり、リブ８は蓄熱槽２の上方に向かってリブ間の間隔が拡大するように配置されている。すなわち、伝熱手段４において格子状のリブに囲まれた熱窓は、蓄熱槽２の上方へ向かってその面積を拡大させている。このことによって、蓄熱材から伝熱手段４が受ける内圧が比較的低い蓄熱槽２の上方においては、伝熱面積が蓄熱槽下方よりも拡大され、伝熱効率を向上させることができる。

図２に、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。本発明に係る空気調和機は、室外機５６と室内機１４とそれらを接続する冷媒配管から構成される。

室外機５６は圧縮機５８と四方弁２５と膨張弁２４と室外熱交換器２０が配置され、さらに圧縮機５８の冷媒吐出口と四方弁２５とを接続する配管２６と、圧縮機５８の冷媒吸入口と四方弁２５とを接続する配管２８と、四方弁２５と室外熱交換器２０とを接続する配管６６と、室外熱交換器２０と四方弁２５とを接続する配管６４とを備える。

室内機１４は室内熱交換器２２と、送風ファン（図示せず）と送風方向を制御するルーバー（図示せず）とを備える。

配管６２は膨張弁２４と室内熱交換器２２との間に設置され、室外機５６と室内機１４とを接続する。配管６０は、室内熱交換器２２と四方弁２５の間に設置され、室外機５６と室内機１４とを接続する。

さらに室外機においては、配管２６と配管６４とを接続する配管４０と、配管４０に設置された第一電磁弁４２と、配管２８と配管６２とを接続する配管６８と、配管６８に設置された第二電磁弁４４とを備える。

本発明に係る蓄熱装置は、配管６８上にあり、蓄熱熱交換器１が配管６８に接続されている。また蓄熱装置は圧縮機５８に密着し、配管２８と第二電磁弁４４との間に配置されている。

なお、圧縮機５８、送風ファン、ルーバー、四方弁２５、膨張弁２４、第一電磁弁４２、第二電磁弁４４は制御装置（図示せず、例えばマイコン）と電気的に接続され、制御装置により制御される。

図３は、本発明に係る空気調和機の通常暖房時の動作および冷媒の流れを示す模式図である。圧縮機５８の吐出口から吐出された冷媒は、配管２６、四方弁２５を経由して室内熱交換器２２に至る。室内熱交換器２２において冷媒より低温の室内空気と熱交換して凝縮した冷媒は、配管６２を経て膨張弁２４に至る。膨張弁２４において減圧した冷媒は配管６４を通って室外熱交換器２０に至る。室外熱交換器２０において冷媒より高温の室外空気と熱交換して蒸発した冷媒は配管６６と四方弁２５と配管２８を経て圧縮機５８の吸入口に戻る。

本発明に係る蓄熱装置は、圧縮機５８に密着して設置され、圧縮機５８で発生した熱を蓄熱材に蓄積する。第一電磁弁４２と第二電磁弁４４は閉制御されている。また、圧縮機５８の温度の上下に伴い、蓄熱装置の内部においても内圧の変動が生じるが、内圧調整手段５は蓄熱槽の耐圧強度よりも小さい所定の圧力で開口するので、耐圧容器でなくとも蓄熱槽を形成することができる。

図４は、図１に示した空気調和機の構成における除霜暖房時の動作及び冷媒の流れを示す模式図である。以下、図４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、破線矢印は除霜に供する冷媒の流れを示している。

上述の通常暖房運転時に室外熱交換器２０に着霜し、着霜した霜が成長すると、室外熱交換器２０の通風抵抗が増加して風量が減少し、室外熱交換器２０において蒸発温度が低下する。図４に示されるように、室外熱交換器２０の配管温度を検出する温度センサ７０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７０で検出すると、制御装置により、通常暖房運転から除霜暖房運転へ制御信号が切り替わる。除霜暖房運転へ切り替わると、第一電磁弁４２と第二電磁弁４４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５８の吐出口から出た気相冷媒の一部は配管４０と第一電磁弁４２を通り配管６４を通る冷媒に合流して室外熱交換器２０を加熱、凝縮した後、配管６６、四方弁２５、配管２８、アキュムレータ７２を介して圧縮機５８の吸入口へ至る。

また配管６２から分岐した液相冷媒の一部は、配管６８と第二電磁弁４４を経て、蓄熱熱交換器１で蓄熱材から吸熱して蒸発気化し、配管６８から配管２８に合流し圧縮機５８の吸入口へと戻る。

アキュムレータ７２に戻る冷媒には室外熱交換器２０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１から戻ってくる高温の気相冷媒を混合することにより、液相冷媒の蒸発が促進され、アキュムレータ７２を通過して液相冷媒が圧縮機５８に戻ることがなくなり、圧縮機５８の信頼性を向上させることができる。

除霜暖房開始時に霜の付着により氷点下になった室外熱交換器２０の温度は、圧縮機５８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、除霜が終了すると、室外熱交換器２０の温度は再び上昇しはじめる。この室外熱交換器２０の温度上昇を温度センサ７０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。

上述のごとく、本発明に係る蓄熱装置は、空調装置において圧縮機５８に密着し、暖房運転時に圧縮機５８で発生した熱を蓄熱材に蓄積し、通常暖房運転から除霜暖房運転に移行したときに、室内熱交換器２２を経て配管６２から分流した液相冷媒の一部が、蓄熱熱交換器１で蓄熱材から吸熱し蒸発、気相化させる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る蓄熱装置（図示せず）は、実施の形態１と同様、空気調和装置の圧縮機の外殻に当接して用いられ、圧縮機の廃熱を蓄積し利用するためのもので、蓄熱材と共に蓄熱熱交換器１が内部に封入されている。蓄熱材としては水を含有するエチレングリコール溶液が充填されている。また、前記熱交換器は接続配管によって空気調和機の冷媒配管に連結されており、蓄熱材から得られる熱を利用して冷媒の加熱に用いられる。なお、実施の形態１と同じ部分については、説明を省略する。

図５に本発明の実施の形態２に係る蓄熱槽３の見取り図を示す。蓄熱槽３において、本発明に係る伝熱手段４は、蓄熱槽３に複数箇所にわたって開けられた開口部１０と、開口部１０を塞ぐ閉塞手段１２から成る。閉塞手段１２は、樹脂の薄膜とステンレスの薄膜とを貼り合わせた伝熱シートである。そして、この樹脂の薄膜は蓄熱槽と同じポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂であり、この樹脂層を介して蓄熱槽３の開口部に溶着されている。

さらには、開口部１０は、蓄熱材から受ける内圧に対して、応力集中の起こりやすい閉塞手段１２の周辺部において開口面積を縮小させるように、即ち、閉塞手段１２が溶着される蓄熱槽３の格子の配置密度が高くなるように穿たれ、閉塞手段１２の耐久性を増大させている。

また、前記閉塞手段１２は、蓄熱槽３に対して溶着されてない開口部の部分は、伝熱面の垂直方向に対して、溶着された部分よりも動きの自由度がある。従って、前記蓄熱槽３の内圧に応じて熱源であるところの圧縮機方向へ変形し、熱源との密着性を高める効果を有する。

本発明は、伝熱性能と耐久性を兼ね備えた蓄熱装置を提供することが可能であるので、蓄熱材に蓄えられた熱を熱交換器で回収する蓄熱装置とこれを用いた空気調和機等に利用可能である。

１ 蓄熱熱交換器
２、３ 蓄熱槽
４ 伝熱手段、
６、８ リブ
１０ 開口部
１２ 閉塞手段
１４ 室内機
２２ 室内熱交換器
２４ 膨張弁
２６、２８、４０、６０、６２、６４、６６、６８ 配管
４２ 第一電磁弁
４４ 第二電磁弁
５６ 室外機
５８ 圧縮機
７０ 温度センサ
７２ アキュムレータ

Claims (6)

1. 蓄熱材と、
   前記蓄熱材を内部に保持し、熱源に当接した蓄熱槽と、
   前記熱源に当接する位置における前記蓄熱槽の壁面部に設けられ、前記熱源と前記蓄熱材との間の伝熱を行う伝熱手段と、を備えた蓄熱装置であって、
   前記伝熱手段は、前記蓄熱材側に凹凸が設けられることで不均一な厚みを有することを特徴とする蓄熱装置。
2. 前記伝熱手段は、前記蓄熱槽の前記壁面部に設けられた複数の開口部と、前記開口部を閉塞する閉塞手段からなることを特徴とする請求項１記載の蓄熱装置。
3. 前記開口部の個々の開口部は、各々の配置位置によって開口面積が異なることを特徴とする請求項２記載の蓄熱装置。
4. 前記閉塞手段は、前記蓄熱槽の内圧に応じて変形自在であることを特徴とする請求項２または３に記載の蓄熱装置。
5. 前記壁面部は樹脂で形成され、前記閉塞手段は、前記壁面部に接合される樹脂層と、前記樹脂層に積層される金属層とを備えることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の蓄熱装置。
6. 請求項１〜５記載のいずれか１項に記載の蓄熱装置を備えることを特徴とする空気調和機。