JP2014085021A - 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】高い蓄熱性能を有し、液体の蓄熱材の使用が可能な蓄熱装置を提供すること。
【解決手段】略円筒状の圧縮機６を囲むように配置され、前記圧縮機６で発生した熱を蓄積する蓄熱材３６と、前記蓄熱材３６に蓄熱した熱と冷媒との熱交換をするための蓄熱熱交換器３４とを収容した蓄熱装置であって、前記蓄熱装置の蓄熱槽３２は、前記圧縮機６の円筒状部分に面して接する伝熱面部５１のみを金属部材で構成し、前記伝熱面部５１以外の容器本体部４６は樹脂部材で構成し、かつ、前記伝熱面部５１と前記容器本体部４６との接合部分を熱溶着により接合している構成とした。
【選択図】図５

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、暖房運転から冷房運転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１１は、従来の蓄熱装置の一例を示す横断面図である。図１１において、蓄熱装置１００は、圧縮機１０１の外周にある円筒形状面に固設されている。また、蓄熱装置１００は、蓄熱槽１０２、蓄熱材１０３、熱交換器１０４からなり、蓄熱槽１０２の伝熱面部１０５は、圧縮機１０１の外周にある円筒形状面に接するように配置されており、これにより圧縮機の廃熱を蓄熱槽に蓄えている。

特開平３−３１６６６号公報

図１１に示される従来の蓄熱装置では、蓄熱槽１０２を単一材料で形成するのが一般的であるが、熱伝導率が高い材料で蓄熱槽１０２を形成すると、圧縮機１０１から蓄熱材１０３への熱抵抗が低減されるが、同時に蓄熱槽１０２から外雰囲気への放熱量も増加するため、十分な蓄熱量が得られない。一方、熱伝導率が低い材料で蓄熱槽１０２を形成すると、蓄熱槽１０２から外雰囲気への放熱量は減少するが、圧縮機１０１から蓄熱材１０３への熱抵抗が増加するため、やはり、十分な蓄熱性能が得られないということがあった。

また上記の課題に対して、蓄熱槽１０２の圧縮機１０１に面する伝熱面部を金属にする等が考えられるが、蓄熱槽本体と金属製の伝熱面部の接合が確実でない場合、蓄熱槽１０２の気密保持が確実でなく、液体である蓄熱材１０３を使用した場合、蓄熱材１０３が蓄熱槽１０２から漏れる等の課題を有していた。

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、圧縮機と蓄熱材との間の熱抵抗を低減しながら、蓄熱材から外雰囲気への放熱量を低減することにより高い蓄熱性能を有し、かつ、蓄熱槽の気密保持が確実で、液体の蓄熱材の使用が可能な蓄熱装置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、本発明の蓄熱装置は、略円筒状の圧縮機を囲むように配置され、前記圧縮機で発生した熱を蓄積する蓄熱材と、前記蓄熱材に蓄熱した熱と冷媒との熱交換をするための蓄熱熱交換器とを収容した蓄熱装置であって、前記蓄熱装置の蓄熱槽
は、前記圧縮機の円筒状部分に面して接する伝熱面部のみを金属部材で構成し、前記伝熱面部以外の容器本体部は樹脂部材で構成し、かつ、前記伝熱面部と前記容器本体部との接合部分を熱溶着により接合しているものである。

これによって、蓄熱槽内に充填された液体の蓄熱材が外部に漏洩することがなく、液体の蓄熱材を蓄熱槽内にて使用可能で、かつ、圧縮機に接する蓄熱槽の伝熱面部のみを樹脂部材より熱伝導率の高い金属部材とすることで、高い蓄熱性能を有する蓄熱装置とすることができる。

本発明によれば、圧縮機に接する蓄熱槽の伝熱面部のみを熱伝導率の高い金属部材で構成しているため、圧縮機からの廃熱を効率良く蓄熱材に蓄えることが可能となり、かつ、蓄熱槽の伝熱面部以外の本体部の外周面、すなわち外雰囲気と接する面を熱伝導率の低い樹脂材料で構成しているため、蓄えた熱の外雰囲気への放熱を最小限にとどめることができる。また、蓄熱槽の本体部と、圧縮機に接する金属部材で構成された伝熱面部とは、熱溶着により気密保持可能に接合しているため、蓄熱槽内に充填された液体の蓄熱材が外部に漏洩することがない。よって、高い蓄熱性能を有し、液体の蓄熱材の使用が可能な蓄熱装置とすることができる。

本発明の実施の形態１における蓄熱装置を備えた空気調和機の冷凍回路を示す図 同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 同空気調和機の除霜・暖房時の動作及び冷媒の流れを示す模式図 同圧縮機に取り付けた状態の蓄熱装置の斜視図 同蓄熱槽の分解斜視図 同図４におけるＶＩＩ-ＶＩＩ線に沿った蓄熱槽の要部断面図 本発明の実施の形態２における蓄熱槽の分解斜視図 同蓄熱槽の要部断面図 本発明の実施の形態３における蓄熱槽の要部断面図 本発明の実施の形態４における蓄熱槽の要部断面図 従来の蓄熱装置の横断面図

第１の発明は、略円筒状の圧縮機を囲むように配置され、前記圧縮機で発生した熱を蓄積する蓄熱材と、前記蓄熱材に蓄熱した熱と冷媒との熱交換をするための蓄熱熱交換器とを収容した蓄熱装置であって、前記蓄熱装置の蓄熱槽は、前記圧縮機の円筒状部分に面して接する伝熱面部のみを金属部材で構成し、前記伝熱面部以外の容器本体部は樹脂部材で構成し、かつ、前記伝熱面部と前記容器本体部との接合部分を熱溶着により接合していることにより、圧縮機に接する蓄熱槽の伝熱面部を樹脂部材より熱伝導率の高い金属部材とすることで、圧縮機からの廃熱を効率良く蓄熱材に蓄えることが可能となり、一方、蓄熱槽の伝熱面部以外の容器本体部の外周面、すなわち外雰囲気と接する面は熱伝導率の低い樹脂材料で構成することで、蓄えた熱の外雰囲気への放熱を最小限にとどめることができる。また、圧縮機に接する伝熱面部は蓄熱槽の容器本体部と熱溶着により気密保持可能に接合されているので、蓄熱槽内に充填された液体の蓄熱材が外部に漏洩することがない。よって、高い蓄熱性能を有し、液体の蓄熱材の使用が可能な蓄熱装置とすることができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の前記容器本体部の前記伝熱面部との接合部分に複数の溝部を設けたことにより、熱溶着面積が増え、伝熱面部と容器本体部との接合強度が増
し、接合部分の気密性をより高めて保持することが可能となるので、伝熱面部が容器本体部から外れることを確実に防止することができ、液体の蓄熱材の漏れを確実に防止することができる、信頼性の高い蓄熱装置とすることができる。

第３の発明は、特に、第１の発明の前記容器本体部の前記伝熱面部との接合部分に複数の突起部を設けたことにより、熱溶着面積が増え、伝熱面部と容器本体部との接合強度が増し、接合部分の気密性をより高めて保持することが可能となるので、伝熱面部が容器本体部から外れることを確実に防止することができ、液体の蓄熱材の漏れを確実に防止することができる、信頼性の高い蓄熱装置とすることができる。

第４の発明は、特に、第１〜３のいずれか１つの発明の前記伝熱面部の前記容器本体部に接合される側の表面に前記容器本体部と同一材料の樹脂シートを積層したことにより、伝熱面部と容器本体部との接合部分を同一の樹脂材料で構成することで、熱溶着により固定する両者の接合部分の接合強度をより強固にすることができ、接合部分の気密性をさらに高めて保持することが可能となるので、伝熱面部が容器本体部から外れることをより確実に防止することができ、液体の蓄熱材の漏れをより確実に防止することができる、信頼性の高い蓄熱装置とすることができる。

第５の発明は、特に、第１〜４のいずれか１つの発明の蓄熱装置を備えた空気調和機とすることにより、高い蓄熱性能を有し、信頼性の高い蓄熱装置を備えた空気調和機とすることができる。

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、この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、本発明の第１の実施の形態における蓄熱装置を備えた空気調和機の冷凍回路を示す図である。図１に示すように、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。そして、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回路を構成している。

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）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。

なお、圧縮機６、送風ファン（図示せず）、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回路において、各部品の相互の接続関係と機能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の吐出口と四方弁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。なお、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の温度となった室外熱交換器１４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は圧縮機６に取り付けた状態の蓄熱装置の斜視図である。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とを蓄熱装置に取り付けた状態を示している。

図５は蓄熱槽３２の分解斜視図であり、図６は図４におけるＶＩＩ-ＶＩＩ線に沿った蓄熱槽３２の要部断面図である。

図５に示されるように、蓄熱槽３２は、側壁４６ａ、４６ｂと底壁（図示せず）を有し上方が開口した容器本体部４６と、この容器本体部４６の上方開口部を閉塞する樹脂製の蓋体４８と、容器本体部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を備え、蓋体４８はツメ部５０により容器本体部４６に固定される。また、容器本体部４６の側壁４６ｂの一部（容器本体部４６の圧縮機６と対向する部分）は開口しており、この開口部４６ｃに圧縮機６の外周面と密着する伝熱面部５１があてがわれる。伝熱面部５１としては、シート状の金属部材が用いられ、本実施の形態では、特に耐食性に優れたステンレスシートを採用している。そして、図６に示すように、金属製の伝熱面部５１は容器本体部４６に対して、両者の接合部分で熱溶着され、固定される。

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３２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、容器本体部４６と伝熱面部５１で囲まれた蓄熱槽３２の内部空間には、蓄熱材３６が充填される。

蓄熱槽３２は圧縮機６を抱くように横方向から密着させ、図４に示すように、バンド５２ａ、５２ｂにより、それぞれアキュームレータ２６、圧縮機６に上下で締結されることで、強固に固定される。

なお、図５において蓄熱熱交換器３４は省略しているが、蓄熱熱交換器３４は、蓋体４８を容器本体部４６に固定する前に蓋体４８に取り付けられ、蓄熱槽３２の内部に収容される。

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、蓄熱装置は、暖房運転時に圧縮機６で発生した熱を蓄熱材３６に蓄熱し、通常暖房運転から除霜・暖房運転に移行したときに、蓄熱熱交換器３４によって、その熱を取得し利用する。したがって、暖房運転時に霜が成長するよりも早く蓄熱材３６の温度を十分に上げられるよう、圧縮機６の外表面から蓄熱材３６に至る伝熱経路の伝熱性能が良く、かつ蓄熱材３６から外雰囲気への断熱性が高い程好ましい。

圧縮機６の外表面から蓄熱材３６に至る伝熱経路の伝熱性能は、伝熱面部５１と圧縮機６の密着度、および伝熱面部５１の熱伝導率に依存しており、蓄熱材３６から外雰囲気への断熱性は容器本体部４６の断熱性能に依存している。

そこで、本発明に係る蓄熱装置においては、伝熱面部５１にステンレスシートを、それ以外の容器本体部４６には成形精度の高い樹脂部材を採用している。これにより、蓄熱材３６から外雰囲気への放熱を防ぐと共に、伝熱面部５１の伝熱性能の確保が可能となる。

また容器本体部４６と伝熱面部５１とは熱溶着にて接合されているので、気密保持が可能となり、液体の蓄熱材３６の使用が可能となる。

（実施の形態２）
図７は、本発明の第２の実施の形態における蓄熱槽３２の分解斜視図である。図８は、蓄熱槽３２の要部断面図である。図７、図８に示すように、容器本体部４６の伝熱面部５１と接合される部分に溝部５４を複数設けている。なお、その他の構成については、第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。

このように、容器本体部４６の伝熱面部５１との接合部分に溝部５４を設け、伝熱面部５１には容器本体部４６との接合部分に、容器本体部４６の溝部５４に勘合される突起部を設けることで、熱溶着面積が増え、伝熱面部５１と容器本体部４６との接合強度が増し、接合部分の気密性をより高めて保持することが可能となるので、伝熱面部５１が容器本体部４６から外れることを確実に防止することができ、液体の蓄熱材３６の漏れを確実に防止することができる、信頼性の高い蓄熱装置とすることができる。

（実施の形態３）
図９は、本発明の第３の実施の形態における蓄熱槽３２の要部断面図である。図９に示すように、容器本体部４６の伝熱面部５１と接合される部分に突起部５６を複数設けている。なお、その他の構成については、第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。

このように、容器本体部４６の伝熱面部５１との接合部分に突起部５６を設け、伝熱面
部５１には容器本体部４６との接合部分に、容器本体部４６の突起部５６に勘合される溝部を設けることで、熱溶着面積が増え、伝熱面部５１と容器本体部４６との接合強度が増し、接合部分の気密性をより高めて保持することが可能となるので、伝熱面部５１が容器本体部４６から外れることを確実に防止することができ、液体の蓄熱材３６の漏れを確実に防止することができる、信頼性の高い蓄熱装置とすることができる。

（実施の形態４）
図１０は、本発明の第４の実施の形態における蓄熱槽３２の要部断面図である。図１０に示すように、伝熱面部５１の内側（容器本体部４６との接触面）に樹脂シート５８を積層している。なお、その他の構成については、第２の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。

このように、伝熱面部５１の内側に樹脂シート５８を積層することにより、伝熱面部５１と容器本体部４６との接合部分を同一の樹脂材料で構成することで、熱溶着により固定する両者の接合部分の接合強度をより強固にすることができ、接合部分の気密性をさらに高めて保持することが可能となるので、伝熱面部５１が容器本体部４６から外れることをより確実に防止することができ、液体の蓄熱材３６の漏れをより確実に防止することができる、信頼性の高い蓄熱装置とすることができる。

本発明に係る蓄熱装置は圧縮機で発生した熱を蓄熱材に効率的に蓄積することができるので、空気調和機、冷蔵庫、給湯器、ヒートポンプ式洗濯機等の用途にも適用できる。

６ 圧縮機
３２ 蓄熱槽
３４ 蓄熱熱交換器
３６ 蓄熱材
４６ 容器本体部
５１ 伝熱面部
５４ 溝部
５６ 突起部
５８ 樹脂シート

Claims (5)

1. 略円筒状の圧縮機を囲むように配置され、前記圧縮機で発生した熱を蓄積する蓄熱材と、前記蓄熱材に蓄熱した熱と冷媒との熱交換をするための蓄熱熱交換器とを収容した蓄熱装置であって、前記蓄熱装置の蓄熱槽は、前記圧縮機の円筒状部分に面して接する伝熱面部のみを金属部材で構成し、前記伝熱面部以外の容器本体部は樹脂部材で構成し、かつ、前記伝熱面部と前記容器本体部との接合部分を熱溶着により接合していることを特徴とする蓄熱装置。
2. 前記容器本体部の前記伝熱面部との接合部分に複数の溝部を設けたことを特徴とする請求項１に記載の蓄熱装置。
3. 前記容器本体部の前記伝熱面部との接合部分に複数の突起部を設けたことを特徴とする請求項１に記載の蓄熱装置。
4. 前記伝熱面部の前記容器本体部に接合される側の表面に前記容器本体部と同一材料の樹脂シートを積層したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の蓄熱装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の蓄熱装置を備えた空気調和機。

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