JP2012077935A - 蓄熱装置およびこれを用いた空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄熱槽の小型化と熱源と蓄熱槽との接触面積の極大化を両立し、熱源からの伝熱効率を向上させることが可能な蓄熱装置を提供する。
【解決手段】熱源５８からの熱を蓄熱する蓄熱材４と、蓄熱材４を内部に保持する蓄熱槽２と、蓄熱槽２の外殻を形成する壁部であって、熱源５８と蓄熱材４との間の伝熱を担う伝熱部８と、を備え、伝熱部８の熱源側を伝熱面７とした場合において、伝熱面７に直交する蓄熱槽２の水平断面における伝熱面の線長が、伝熱面７に平行な任意の面９の線長以上としたもので、伝熱面を極大化させることにより、限られた空間において蓄熱槽の小型化と伝熱効率の向上を図ることが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱源からの熱を蓄積す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から構成され得る金属部材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および金属部材１０６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、収容部材１１０は、圧縮機１０２の周囲に巻回されているが、モーター部や圧縮部などが密に配置される空間においては、コンプレッサー１０２の圧縮部やモーター部の配置や、それらの寸法を限定することにつながり、収容部材１１０の容積の確保や、コンプレッサー１０２と金属部材１０６との伝熱に必要な接触面積の確保が困難になるという課題がある。

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、限られた空間でも蓄熱装置の小型化と伝熱面積の確保を両立させる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、熱源からの熱を蓄熱する蓄熱材
と、蓄熱材を内部に保持する蓄熱槽と、蓄熱槽の外殻を形成する壁部であって、熱源と蓄熱材との間の伝熱を担う伝熱部と、を備え、伝熱部の熱源側を伝熱面とした場合において、伝熱面に直交する蓄熱槽の水平断面における伝熱面の線長が、伝熱面に平行な任意の面の線長以上である伝熱部ことを特徴とする。

また、伝熱部は、壁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。

さらに、蓄熱材に浸漬するように配置され、蓄熱材と熱媒体との間で熱交換を行わせる蓄熱熱交換器を備える。

そして、本発明に係る空気調和機は、上記の蓄熱装置を備えることを特徴とする。

本発明によれば、蓄熱槽の壁面を介して熱源からの熱を蓄積する蓄熱装置において、伝熱面を極大化させることにより、限られた空間において蓄熱槽の小型化と伝熱効率の向上を図ることが可能となる。

本発明の実施の形態１に係る蓄熱装置の特徴を示す模式図 本発明の実施の形態１に係る蓄熱装置および圧縮機の見取り図 本発明に係る蓄熱装置を用いた空気調和機の構成図 図３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３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 従来の蓄熱装置の断面図

本発明に係る蓄熱装置は、熱源からの熱を蓄熱する蓄熱材と、蓄熱材を内部に保持する蓄熱槽と、蓄熱槽の外殻を形成する壁部であって、熱源と蓄熱材との間の伝熱を担う伝熱部と、を備え、伝熱部の熱源側を伝熱面とした場合において、伝熱面に直交する蓄熱槽の水平断面における伝熱面の線長が、伝熱面に平行な任意の面の線長以上であることを特徴とする。

また、前記伝熱部は、前記壁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。これにより、伝熱部の強度と伝熱効率を確保することが可能になる。

さらに、蓄熱材に浸漬するように配置され、蓄熱材と熱媒体との間で熱交換を行わせる蓄熱熱交換器を備える。これにより、蓄熱材に蓄えられた熱を効率的に冷凍サイクルに取り込むことができる。

そして、本発明に係る空気調和機は、上記の蓄熱装置を備えることを特徴とする。

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。なお、この実施の携帯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）
本発明に係る蓄熱装置の特徴を示す模式図を図１に示す。図１は本発明の実施の形態１に係る蓄熱装置と圧縮機の水平断面を示す。蓄熱装置は蓄熱槽２と蓄熱材４と伝熱部８とから成り、圧縮機５８に対して伝熱面を介して当接していることを示す。便宜的に示した実線７は、それぞれ前記伝熱面を示す。さらに便宜的に示した破線９は、蓄熱槽２の断面
上に存在し、且つ前記伝熱面に並行な任意の面を示す。本発明において示す蓄熱装置の特徴は、前記破線９の線長が前記実線７の線長を上回ることがないように前記蓄熱槽２の水平断面形状が限定されるという点である。この特徴により形成された蓄熱槽２は常にその内容積に比して最大限の伝熱面積を確保することができ、伝熱効率を向上させることが可能となる。

図２は、本発明の実施の形態１に係る蓄熱装置および圧縮機の見取り図であり、本来は蓄熱装置における伝熱部８において互いに当接して用いられるが、便宜的に切り離して示したものである。本発明の実施の形態１に係る蓄熱装置は、空気調和装置の圧縮機５８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、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂から成形された蓄熱槽２と、それらに囲まれる空間に封入された熱交換器からなり、蓄熱槽内に没入した接続配管６８によって空気調和機の冷媒配管に連結されている。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。伝熱部８は、蓄熱槽２を構成する外殻の一部であり、ステンレス薄板とＰＰＳ薄膜を積層させたラミネートで構成され、ＰＰＳ薄膜を蓄熱槽２に溶着させることにより蓄熱槽２と一体的に成形されている。伝熱部８は、本実施の形態１に係る蓄熱装置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。

なお、本実施の形態では、伝熱部８が熱源である圧縮機５８と当接する例について説明したが、圧縮機５８と蓄熱槽２の伝熱面７との間に、柔軟性を有して変形しやすいシート部材である、伝熱シートを挟む構成としても良い。これによって、熱源である圧縮機５８や蓄熱槽２の製造上のばらつきが生じた場合でも、圧縮機５８と蓄熱槽２の密着性を確保することができる。さらに、組み付け時に生じる気泡の噛み込みを防ぐため、伝熱シートに通気穴を設けた場合には、蓄熱材４への蓄熱性能をさらに向上させることができる。

また、圧縮機５８は、接続配管２６と２８により冷凍サイクルの構成要素に接続されているが、その詳細については後に示す。

言うまでもなく、本発明の実施の形態１において伝熱部８および蓄熱槽２の水平断面形状は、前記図１に示した特徴を満たしている。このことにより、伝熱部８は蓄熱槽２に大きく陥没する形状となり、より多くの蓄熱材が直接伝熱部８と直接接触することとなり伝熱効率を向上させることが可能になる。

図３に、本発明に係る蓄熱装置１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とを接続する第一配管２６と、圧縮機５８の冷媒吸入口と四方弁２５とを接続する第二配管２８と、四方弁２５と室外熱交換器２０とを接続する第三配管６６と、室外熱交換器２０と四方弁２５とを接続する第四配管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。

第五配管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。第六配管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、第一配管２６と第四配管６４とを接続する第七配管４０と、配管４０に設置された第一電磁弁４２と、第二配管２８と第五配管６２とを接続する第八配管６８と、第八配管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１は、第八配管６８上にあり、第八配管６８は蓄熱装置１内部に没入し、熱交換器である所の蛇管に接続されている。また蓄熱装置１は図２に示したように圧縮機５８に密着し、第二配管２８と第二電磁弁４４との間に配置されている。

尚、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４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、第一配管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１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。蓄熱の際、第一電磁弁４２と第二電磁弁４４は閉制御されている。

図５は、図３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５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５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３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３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３で蓄熱材から吸熱し蒸発、気相化させることを可能ならしめるものである。

本発明は、限られた空間において蓄熱槽の小型化と伝熱効率の向上を図ることができるため、蓄熱材に蓄えられた熱を回収する蓄熱装置とこれを用いた空気調和機に利用可能である。

１ 蓄熱装置、２ 蓄熱槽、３ 蓄熱熱交換器、４ 蓄熱材、７ 伝熱面、８ 伝熱部、９ 伝熱面に並行な任意の平面、１４ 室内機、２０ 室外熱交換器、
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、１００ 従来の技術に係る蓄熱装置、
１０２ 従来の技術に係る蓄熱装置および圧縮機、
１０４ 従来の技術に係る圧縮機外殻、１０６ 従来の技術に係る伝熱部、
１０８ 従来の技術に係る蓄熱材、１１０ 従来の技術に係る蓄熱槽、
１１２ 従来の技術に係る冷媒配管

Claims (4)

1. 熱源からの熱を蓄熱する蓄熱材と、
   前記蓄熱材を内部に保持する蓄熱槽と、
   前記蓄熱槽の外殻を形成する壁部であって、前記熱源と前記蓄熱材との間の伝熱を担う伝熱部と、を備え、
   前記伝熱部の前記熱源側を伝熱面とした場合において、前記伝熱面に直交する前記蓄熱槽の水平断面における前記伝熱面の線長が、前記伝熱面に平行な任意の面の線長以上であることを特徴とする蓄熱装置。
2. 前記伝熱部は、前記壁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１記載の蓄熱装置。
3. 前記蓄熱材に浸漬するように配置され、前記蓄熱材と熱媒体との間で熱交換を行わせる蓄熱熱交換器を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の蓄熱装置。
4. 請求項１〜３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。