JP2012072958A - 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】圧縮機の熱を利用して蓄熱する蓄熱装置において、吸熱効率と保温効率の高い蓄熱性能に優れた蓄熱装置を提供すること。
【解決手段】圧縮機６と外接するように配置された蓄熱装置３１において、圧縮機６で発生した熱を蓄熱する蓄熱材３６と、蓄熱材３６を充填した蓄熱槽３２とを備え、蓄熱槽３２を樹脂で形成し、少なくとも圧縮機６と接する伝熱部５４は高熱伝導性樹脂もしくは金属板で構成することで、吸熱効率と保温効率の高い蓄熱性能に優れた蓄熱装置を実現する。
【選択図】図５

Description

本発明は空気調和機の暖房運転時に、蓄えた熱を利用することにより除霜運転時における室温低下の抑制や暖房立ち上がり特性の改善を図ることができる蓄熱装置と、そ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では、暖房運転時に室外熱交換器に霜が付着した場合には、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った。そこで、室外機に設けられた圧縮機に蓄熱装置を配設して、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１０は、従来の蓄熱装置の一例を示す図である。従来例として、圧縮機１０２の周囲に金属製容器を配設し、圧縮機１０２と金属製容器との隙間にはシリコン系充填材１０４を充填し、金属製容器の中には蓄熱材１０３を充填して、さらに、金属製容器の外表面で、圧縮機１０２と接していない部分には、断熱材１０５を配設した蓄熱装置がある。

特許第１８７３５９８号公報

しかしながら、前記従来の構成においては、圧縮機から発生する熱の吸収を良くするため、例えば熱伝導性に優れた銅材などを用いて金属製容器を構成しているが、一方で放熱し易いため金属製容器の表面に断熱材を設けるなどの放熱抑制手段を講じなければならなかった。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、吸熱効率と保温効率の高い蓄熱性能に優れた蓄熱装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、圧縮機と外接するように配置された蓄熱装置であって、圧縮機で発生した熱を蓄熱する蓄熱材と、蓄熱材を充填した蓄熱槽とを備え、蓄熱槽を樹脂で形成し、少なくとも圧縮機と接する伝熱部は高熱伝導性樹脂もしくは金属板で構成したものであり、蓄熱槽を樹脂で形成して、熱伝導率の高い金属製のものに比べて放熱し難くすることで保温効率を高めている。また、圧縮機と接する伝熱部は高熱伝導性樹脂もしくは金属板で構成して吸熱効率を高めている。

本発明によれば、圧縮機の熱を利用して蓄熱する蓄熱装置において、吸熱効率と保温効率の高い蓄熱性能に優れた蓄熱装置が実現できる。

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 本発明に係る蓄熱装置を圧縮機に取り付けた状態を示した斜視図 本発明に係る蓄熱装置を圧縮機に取り付ける直前の状態を示した斜視図 本発明に係る蓄熱装置の構成例を示す斜視図 本発明に係る蓄熱装置の溝の構成例を示す斜視図 本発明に係る蓄熱装置の蓋と蓄熱槽との勘合部の構成例を示す断面図 本発明に係る蓄熱装置の蓋と蓄熱槽との勘合部の他の構成例を示す断面図 従来の蓄熱装置の断面図

第１の発明は、圧縮機と外接するように配置された蓄熱装置であって、圧縮機で発生した熱を蓄熱する蓄熱材と、蓄熱材を充填した蓄熱槽とを備え、蓄熱槽を樹脂で形成し、少なくとも圧縮機と接する伝熱部は高熱伝導性樹脂もしくは金属板で構成したものであり、蓄熱槽を樹脂で形成して、熱伝導率の高い金属製のものに比べて放熱し難くすることで保温効率を高めている。また、圧縮機と接する伝熱部は高熱伝導性樹脂もしくは金属板で構成して吸熱効率を高めたものである。

第２の発明は、伝熱部を構成する高熱伝導性樹脂に、カーボンや金属粉を含有することで、より熱伝導性に優れたものにしたものである。

第３の発明は、上記に記載の蓄熱装置を、空気調和機の室外機に設けた圧縮機に外接するように配置したものであり、圧縮機の廃熱を蓄熱装置に蓄熱して、その蓄熱エネルギーを用いて空気調和機の暖房運転特性を改善するものである。

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。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
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。なお、合流する場所はアキュームレータ２６と圧縮機６の間でも良く、その場合、アキュームレータ２６自身が持つ熱容量によって熱を奪われること避けることができる。

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は、蓄熱装置３１を圧縮機６に取付けた状態を示しており、蓄熱装置３１はバンド３３で圧縮機６に密着固定されている。また、図５に示すように、蓄熱槽３２の伝熱部５４と圧縮機６との密着性を良くするため、弾性があり伝熱性能に優れた樹脂製（例えばシリコンなど）のシート３５を蓄熱槽３２と圧縮機６との間に介在させている。

図６は蓄熱装置３１を示した図で、蓄熱装置３１は、蓄熱槽３２と、この蓄熱槽３２の上方開口部を閉塞する蓋４８と、蓄熱槽３２内部には、例えば銅管などを蛇行状に折曲させた蓄熱熱交換器３４と、水を成分とした蓄熱材３６（例えば、エチレングリコール水溶液など）とを収納している。また、蓄熱熱交換器３４の両端部はシール部材５０を介して蓋４８との気密性を保ちながら支持固定されている。尚、蓄熱材３６は、常温で蓄熱槽３２の最大容積の８割程度の量を充填している。

蓄熱槽３２は、圧縮機６の外周表面と接する形状で形成してあり、樹脂材で成型したものである。

また、蓋４８も樹脂材で成型してあり、図８に示すように、蓋４８には勘合溝４９が蓋４８の外周に沿って全周に渡り形成されていて、勘合溝４９にパッキン３７を設けて蓄熱槽３２と勘合して気密性を確保している。また、蓋４８の外周に設けた勘合溝４９には溝５２を配設している。この溝５２の長さは、蓄熱槽３２の全周長の８割以上で構成されていて、この溝５２の一方の端は蓄熱槽３２の内部に開口され、他方の端は大気中に開口している（図７参照）。

次に、上記構成の蓄熱装置の作用を説明する。
上述したように、蓄熱装置３１は、暖房運転時に圧縮機６で発生した熱を蓄熱材３６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、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が、蓄熱熱交換器３４で蓄熱材３６から吸熱し蒸発、気相化するためのものであることから、圧縮機６で発生した熱の吸熱効率および保温効率が高いほど好ましい。

本発明に係る蓄熱装置３１においては、蓄熱槽３２を樹脂で形成しているため、熱伝導率の高い金属製のものに比べて放熱しにくく保温効率を高めることができる。また、吸熱効率を高めるために、圧縮機６と蓄熱槽３２との間には伝熱性能に優れたシート３５を介在させて密着させている。

さらに、蓄熱槽３２の伝熱部５４（図５参照）をカーボン、金属粉などを含有した熱伝導率の高い樹脂で形成すると蓄熱装置３１の吸熱効率をさらに高めることができる。この場合、蓄熱槽３２は、伝熱部５４を高熱伝導性樹脂で１次成型し、その後、高熱伝導性ではない一般的な樹脂で２次成型して形成してもよいし、蓄熱槽３２全体を一般的な樹脂で１次成型して、同時に、伝熱部５４にのみカーボンや金属粉などを混入させる方法で形成しても構わない。また、伝熱部５４を熱伝導率の高い金属板で構成しても同様の効果を得ることができる。このように一体成型が可能であるため、伝熱性を確保しつつ放熱を抑制して、かつ強度面の信頼性を高めることが可能である。

また、本発明に係る蓄熱装置３１のように、水を成分とした蓄熱材３６を用いた場合、水の蒸発抑制と同時に、蒸気による蓄熱槽３２の内部圧力の上昇に対する処置が必要となる。

そこで、本発明に係る蓄熱装置３１においては、蓋４８の外周に設けた勘合溝４９内に溝５２を配設して、この溝５２の一方の端を蓄熱槽３２の内部に開口し、他方の端は大気中に開放しているため、蓄熱槽３２内の蒸発蒸気はこの溝５２を通り大気へ放出されて圧力上昇を抑えている。また、この溝５２の開口面積を小さく設定することで、蓄熱材３６の蒸発量を抑制している。

ここで、溝５２は蓄熱槽３２内部と大気（外部）とを連通させているため、例えば蓄熱装置３１が傾いた場合、蓄熱材３６が溝５２内へ浸入して外部へ漏れることとなる。しかしながら、本発明に係る蓄熱装置３１においては、溝５２を蓄熱槽３２の外周に沿って蓄熱槽３２の全周長の８割以上の長さで構成しており、蓄熱装置３１が傾き溝５２内へ蓄熱材３６が浸入しても何れかの位置で溝５２内の液面は、蓄熱槽３２内の液面と物理的にバランスするため、液面が溝５２の大気への開口部まで到達せず、蓄熱材３６は外部へ漏れることはない。尚、本実施の形態においては、蓄熱槽３２を馬蹄形で構成しているが、上記の考え方は蓄熱槽の形状には限られない。また、溝５２をキャピラリーチューブで構成して蓄熱槽３２の外周に沿って配設しても上記と同様の効果を得ることができる。

従って、蓄熱装置３１を空気調和機に組込むときや、空気調和機を運搬、据付したりす
るときに蓄熱装置３１が傾いた場合など、蓄熱材の漏洩を防ぐことができる。

また、上述したように、本発明に係る蓄熱装置３１は、蓋４８に勘合溝４９を形成して、この勘合溝４９に溝５２を配設し、勘合溝４９にパッキン３７を設けて蓄熱槽３２と勘合して気密性を確保している。このような構成では、溝５２の配設が容易にできると同時に、蓋の着脱が可能で蓄熱槽３２の組立性やサービス性を良くすることができる。さらに、蓋４８を樹脂材で成型することで、溝４８の加工が容易となり、蓄熱装置３１を低コストで実現できる。尚、本実施の形態では、蓋４８に勘合溝４９と溝５２を設けたが、蓄熱槽３２にこれらを設けても構わない。

また、図９に示したように、勘合溝４９の断面形状をパッキン３７の断面形状と合わせることにより、勘合溝４９とパッキン３７との間に隙間がなくなるため、溝５２の気密性が向上して勘合部からの蓄熱材の洩れを低減することができる。

本発明に係る蓄熱装置は、圧縮機で発生した廃熱を蓄熱材へ蓄積するのに関わるもので、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、 ３１ 蓄熱装置、３２ 蓄熱槽、
３３ バンド、 ３４ 蓄熱熱交換器、 ３５ シート、 ３６ 蓄熱材、
３７ パッキン、 ３８ 第６配管、 ４０ 第７配管、 ４２ 第２電磁弁、
４４ 温度センサ、 ４８ 蓋、 ４９ 勘合溝、 ５０ シール部材、 ５２ 溝、 ５４ 伝熱部

Claims (3)

1. 圧縮機と外接するように配置された蓄熱装置であって、前記圧縮機で発生した熱を蓄熱する蓄熱材と、前記蓄熱材を充填した蓄熱槽とを備え、前記蓄熱槽を樹脂で形成し、少なくとも圧縮機と接する伝熱部は高熱伝導性樹脂もしくは金属板で構成したことを特徴とする蓄熱装置。
2. 前記伝熱部を構成する高熱伝導性樹脂は、カーボン及び／又は金属粉を含有していることを特徴とする請求項１に記載の蓄熱装置。
3. 請求項１または２に記載の蓄熱装置を、空気調和機の室外機に設けた圧縮機に外接するように配置したことを特徴とする空気調和機。