JP3056588B2 - 蓄熱式空気調和機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、空気を熱源とする空気
調和機において、夜間電力を利用するための蓄熱機能、
及びその制御機能を備えた蓄熱式空気調和機に関する。

【０００２】

【従来の技術】蓄熱式空気調和機については、既にさま
ざまな開発がなされており、例えば、冷凍・第６２巻第
７１４号（昭和６２年４月号）Ｐ３５８に示されている
ような蓄熱式空気調和機がある。

【０００３】その基本的な技術について述べると、図３
に示すように、空冷ヒ−トポンプ１は、圧縮機２，四方
弁３，室外側熱交換器４，室外側膨張弁５，フロン対ブ
ライン熱交換器６を環状に順次接続して冷凍サイクルＡ
を形成し、一方、フロン対ブライン熱交換器６，ブライ
ン対水熱交換器７，蓄熱槽８，ブラインポンプ９を環状
に順次接続してブライン循環サイクルＢを形成してい
る。

【０００４】また、負荷側についてはブライン対水熱交
換器７，蓄熱槽８，冷温水ポンプ１０，室内機１２を環
状に順次接続して冷温水循環サイクルＣを形成してい
る。

【０００５】この蓄熱式空気調和機において夜間運転
は、冷凍サイクルＡにおいて四方弁３によって製氷運
転，蓄熱運転が切り替えられ、製氷運転時は図中の実線
矢印の方向に冷媒が流れて冷房サイクルが形成され、フ
ロン対ブライン熱交換器６を介してブライン循環サイク
ルＢにおける蓄熱槽８内の熱交換部の周囲に氷として蓄
冷される。

【０００６】また、蓄熱運転時には図中の破線方向に冷
媒が流れて暖房サイクルが形成され、同じくフロン対ブ
ライン熱交換器６を介してブライン循環サイクルＢにお
ける蓄熱槽８内に温水として蓄熱される。この場合、ブ
ライン対水熱交換器７は使用されない。

【０００７】一方、昼間運転は、冷温水循環サイクルＣ
において蓄熱槽８内の冷温水を冷温水ポンプ１０により
室内機１２へ送り、冷暖房を行う。この際、冷温水循環
サイクルＣでの効率を高めるべく、冷凍サイクルＡ、ブ
ライン循環サイクルＢを冷房、あるいは暖房モ−ドで運
転して、ブライン対水熱交換器７を介して冷温水循環サ
イクルＣ内の冷温水の予冷、あるいは予熱を行う。

【０００８】以上のように、夜間の余剰電力エネルギー
を熱に変換して蓄熱しておき、昼間にその電力を利用す
ることにより、昼間の高負荷時刻における電力ピークを
抑え、電力利用の平準化が可能である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
従来例では、熱源側と負荷側との間に熱交換器２台を介
しているため効率の低下を招き、また負荷側へは冷温水
を直接搬送するため、水漏れ事故が生じた場合、近年Ｏ
Ａ化が進展したオフィス内のＯＡ機器への水損は避けら
れないという欠点を有していた。

【００１０】そこで、本発明は、高効率で、安全性が高
く、かつ負荷追従性の高い蓄熱式空気調和機を提供する
ことを目的とするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の技術的手段は、蓄熱槽を介して１次側冷凍サイクル
と２次側冷凍サイクルとからなる蓄熱式空気調和機にお
いて、蓄熱槽を伝熱管とフィンとからなる１次側熱交換
部、及び２次側熱交換部とより構成し、かつ蓄熱槽内の
１次側熱交換部の伝熱管と２次側熱交換部の伝熱管とを
共通のフィンに挿通し、かつ、蓄熱槽内の１次側熱交換
部の伝熱管を正三角形状に配列し、２次側熱交換部の伝
熱管を１次側熱交換部の正三角形状に配列された伝熱管
の中心に位置するように配列したものである。

【００１２】

【作用】この技術的手段による作用は次のようになる。

【００１３】圧縮機、四方弁、室外側熱交換器、膨張
弁、切替弁、冷媒対冷媒熱交換器の１次側熱交換部、蓄
熱槽内の１次側熱交換部とを連通した１次側冷凍サイク
ルにおいて、夜間に冷媒対冷媒熱交換器を使用しない状
態で、切替弁、及び膨張弁の制御により、蓄熱槽内のフ
ィンを有した１次側熱交換部、即ち、フィン、及び伝熱
管を介して蓄熱材に蓄冷、または蓄熱しておく。

【００１４】この１次側熱交換部の周囲にフィンを設置
することにより、伝熱面積が増加し、かつ表面熱伝達率
が向上し、従って、１次側冷凍サイクル内の冷媒と蓄熱
材との間の熱交換量を増加させることができる。

【００１５】一方、昼間は１次側冷凍サイクルでの蓄冷
運転、または蓄熱運転を停止して、蓄熱槽内の２次側熱
交換部、冷媒搬送ポンプ、室内側熱交換器からなる２次
側冷凍サイクルの運転を行う。

【００１６】蓄熱槽内の２次側熱交換部の周囲に１次側
熱交換部と熱的に導通したフィンを設置し、かつ１次側
熱交換部の伝熱管を正三角形状に配列し、２次側熱交換
部の伝熱管を１次側熱交換部の正三角形状に配列された
伝熱管の中心（正三角形の頂点と等距離に位置する点）
に配列しているため、伝熱面積の増加が図れ、１次側伝
熱管と蓄熱材間、２次側伝熱管と蓄熱材間の熱移動量が
増加し、熱通過率が高まると共に、夜間運転にて蓄熱槽
内の１次側熱交換部周辺、即ち、フィンを含む伝熱管周
囲に着氷した冷熱を昼間冷房運転において利用する場
合、２次側熱交換部の伝熱管は、その周囲にある着氷し
た１次側熱交換部の伝熱管からフィンを介して均等に冷
却される。

【００１７】即ち、蓄熱槽内に冷熱として蓄えられた氷
水である蓄熱材と２次側熱交換部の 伝熱管内冷媒との間
で、高速に熱交換が行われ、その熱交換された冷媒を冷
媒搬送ポンプにて室内側熱交換器へ搬送して室内空気と
熱交換（冷房）する。

【００１８】従って、夜間電力を利用した、負荷応答性
の高い冷房運転を昼間に行えることになる。

【００１９】以上の作用により、夜間電力を利用した蓄
冷熱により昼間の冷房・暖房運転が行えるだけでなく、
蓄熱槽内の熱交換器を１次側熱交換部、及び２次側熱交
換部の伝熱管の配列、及びフィン設置による高効率化を
図ることにより、高速で蓄冷熱を取出すことが可能にな
り、負荷応答性が向上する。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の一実施例を添付図面に基づい
て説明を行うが、従来と同一構成については同一符号を
付し、その詳細な説明を省略する。

【００２１】図１は本発明の一実施例の蓄熱式空気調和
機の冷凍サイクル図、図２は図１中の蓄熱槽の断面図で
ある。

【００２２】この実施例の蓄熱式空気調和機は、室外ユ
ニット１１と室内ユニット１２とからなり、室外ユニッ
ト１１は、圧縮機２、四方弁３、室外側熱交換器４、膨
張弁５、三方弁ＫＶ１、１次側熱交換部１４ａと２次側
熱交換部１４ｂとからなる冷媒対冷媒熱交換器ＨＥＸ、
蓄熱材である水１６と熱交換器１３からなる蓄熱槽ＳＴ
Ｒ、及び冷媒搬送ポンプＰＭとから構成されている。

【００２３】また、室内ユニット１２は、室内側熱交換
器１７から構成されている。更に、蓄熱槽ＳＴＲの熱交
換器１３は１次側熱交換部である１次側伝熱管Ｐ１、２
次側熱交換部である２次側伝熱管Ｐ２、及び複数の平板
フィンＦから構成されている。

【００２４】即ち、図２に示すように、１次側伝熱管Ｐ
１、及び２次側伝熱管Ｐ２は平板フィンＦに対して直角
方向に挿通されており、かつ水平に設置されており、１
次側伝熱管Ｐ１は平板フィンＦに対して直角方向の断面
配列が正三角形状であり、その正三角形状に配列された
伝熱管Ｐ１の中心（正三角形の頂点と等距離に位置する
点）に伝熱管Ｐ２が配列されている。

【００２５】そして、１次側伝熱管Ｐ１、及び２次側伝
熱管Ｐ２は平板フィンＦを介して熱的に導通している。

【００２６】室外ユニット１１において、圧縮機２と、
四方弁３と、室外側熱交換器４と、膨張弁５とを順次連
通し、さらに三方弁ＫＶ１を介して冷媒対冷媒熱交換器
ＨＥＸの１次側熱交換部１４ａと、蓄熱槽ＳＴＲ内の１
次側熱交換部である伝熱管Ｐ１とを並列に連通して１次
側冷凍サイクルを形成している。

【００２７】一方、蓄熱槽内ＳＴＲの２次側熱交換部で
ある伝熱管Ｐ２と、冷媒対冷媒熱交換器ＨＥＸの２次側
熱交換部１４ｂと、可逆式冷媒搬送ポンプＰＭと、室内
側熱交換器１７とを順次連通してなる２次側冷凍サイク
ルを形成している。

【００２８】次に、この−実施例の構成における作用を
説明する。（表１）は本実施例における各場合の四方弁
３、膨張弁５、三方弁ＫＶ１の開閉状態、及び各熱交換
器の作用状態（蒸発器、あるいは凝縮器）を示す。以
下、（表１）を参照にして説明する。

【００２９】

【表１】

【００３０】まず、夜間の製氷・蓄熱運転（１次側冷凍
サイクル）について説明する。１次側冷凍サイクルにお
いて、蓄熱槽ＳＴＲが作用し、冷媒対冷媒熱交換器ＨＥ
Ｘは作用しないように三方弁ＫＶ１を切替え、２次側冷
凍サイクル内の冷媒搬送ポンプＰＭは停止している。こ
の場合の１次側冷凍サイクルの作用を以下説明してい
く。

【００３１】尚、四方弁３のモ−ドについては、圧縮機
２吐出側と室外側熱交換器４とを、かつ、圧縮機２吸入
側と蓄熱槽ＳＴＲとを連通する場合を冷房モ−ド、圧縮
機２吐出側と蓄熱槽ＳＴＲとを、かつ、圧縮機２吸入側
と室外側熱交換器４とを連通する場合を暖房モ−ドと定
義する。

【００３２】また、三方弁ＫＶ１については１次側冷凍
サイクル内にて蓄熱槽ＳＴＲと膨張弁５とを連通する設
定を第１モ−ド，冷媒対冷媒熱交換器ＨＥＸと膨張弁５
とを連通する設定を第２モ−ドと定義する。

【００３３】夜間製氷運転； 四方弁３を冷房モ−ド，膨張弁５を所定の開度，三方弁
ＫＶ１を第１モ−ドとする。この時、圧縮機２から送ら
れる高温高圧の冷媒は、室外側熱交換器４にて凝縮し、
膨張弁５で減圧されて液あるいは二相状態となり、蓄熱
槽ＳＴＲ内の１次側伝熱管Ｐ１の管内にて蒸発して蓄熱
材である水１６から吸熱した後、圧縮機２へ戻る。

【００３４】これにより、正三角形状に配列された１次
側伝熱管Ｐ１の管外側、及びフィンに比較的均一に氷が
生成されていく。

【００３５】夜間蓄熱運転； 四方弁３を暖房モ−ド，膨張弁５を所定の開度，三方弁
ＫＶ１を第１モ−ドとする。この時、圧縮機２から送ら
れる高温高圧の冷媒は、蓄熱槽ＳＴＲ内の１次側熱交換
部１３ａの管内にて凝縮して蓄熱材である水１６へ放熱
した後、膨張弁５で減圧されて液あるいは二相状態とな
り、室外側熱交換器４の管内にて蒸発して室外から吸熱
した後、圧縮機２へ戻る。

【００３６】これにより、蓄熱槽ＳＴＲ内の１次側伝熱
管Ｐ１からフィンを介して放熱し、蓄熱槽ＳＴＲ内では
温水として蓄熱される。

【００３７】次に、昼間運転（２次側冷凍サイクル）に
ついて説明する。この場合、蓄熱槽ＳＴＲには蓄冷（蓄
熱）されており、１次側冷凍サイクルにおいて三方弁Ｋ
Ｖ１を第１モ−ドとして冷媒対冷媒熱交換器ＨＥＸの２
次側熱交換部１４ａを蒸発器（凝縮器）として作用させ
て運転を行う。

【００３８】同時に、２次側冷凍サイクルにおいて、冷
媒対冷媒熱交換器ＨＥＸの２次側熱交換部１４ｂを作用
させて運転を行う。

【００３９】この状態で、２次側冷凍サイクル内の冷媒
は、冷媒搬送ポンプＰＭにて、蓄熱槽ＳＴＲ内の２次側
伝熱管Ｐ２に送られ、蓄熱槽ＳＴＲ内の蓄熱材である水
１６と高速で熱交換される。

【００４０】冷房時は図１中の実線矢印のように冷媒は
流れ、蓄熱槽ＳＴＲ内の２次側伝熱管Ｐ２とフィンＦを
介して効率良く冷却された冷媒は、更に、冷媒対冷媒熱
交換器ＨＥＸの２次側熱交換部１４ｂへ送られ、１次側
冷凍サイクル内の冷媒対冷媒熱交換器ＨＥＸの２次側熱
交換部１４ａとの熱交換により冷却され液冷媒となる。

【００４１】その後、室内側熱交換器１７に送られ、そ
こで室内空気と熱交換して室内空気を冷却すると共に、
冷媒自身は高温のガス冷媒となって蓄熱槽ＳＴＲ内の２
次側伝熱管Ｐ２に戻るという作用を繰り返す。

【００４２】また、暖房時は図１中の破線矢印のように
冷媒は流れ、蓄熱槽ＳＴＲ内の２次側伝熱管Ｐ２とフィ
ンＦを介して効率良く加熱された冷媒は、更に、冷媒対
冷媒熱交換器ＨＥＸの２次側熱交換部１４ｂへ送られ、
１次側冷凍サイクル内の冷媒対冷媒熱交換器ＨＥＸの２
次側熱交換部１４ａとの熱交換により加熱されガス冷媒
となる。

【００４３】その後、可逆式冷媒搬送ポンプＰＭによ
り、室内側熱交換器１７に送られ、そこで室内空気と熱
交換して室内空気を加熱すると共に、冷媒自身は低温の
液冷媒となって可逆式冷媒搬送ポンプＰＭに戻るという
作用を繰り返す。

【００４４】このようにして、昼間の室内負荷が大きい
場合も対応ができ、室内機での冷房・暖房運転が行われ
る。

【００４５】以上のように、上記実施例では蓄熱槽を介
して１次側冷凍サイクルと２次側冷凍サイクルとからな
る蓄熱式空気調和機において、蓄熱槽ＳＴＲを伝熱管Ｐ
１，Ｐ２とフィンＦとから構成される１次側熱交換部、
及び２次側熱交換部とより構成している。

【００４６】また、蓄熱槽ＳＴＲ内の１次側熱交換部の
伝熱管Ｐ１と２次側熱交換部の伝熱管Ｐ２とを共通のフ
ィンＦに挿通し、更に、蓄熱槽ＳＴＲ内の１次側熱交換
部の伝熱管Ｐ１を正三角形状に配列し、２次側熱交換部
の伝熱管Ｐ２を１次側熱交換部の正三角形状に配列され
た伝熱管Ｐ１の中心に位置するように配列している。

【００４７】これにより、夜間電力を利用して冷房、暖
房運転が行えるだけでなく、蓄熱槽内の蓄冷熱を高速で
取出すことが可能になり、負荷応答性が向上する。

【００４８】

【発明の効果】以上のように本発明は、蓄熱槽を介して
１次側冷凍サイクルと、２次側冷凍サイクルとからなる
蓄熱式空気調和機において、蓄熱槽を伝熱管とフィンと
からなる１次側熱交換部、及び２次側熱交換部とより構
成し、かつ蓄熱槽内の１次側熱交換部の伝熱管と２次側
熱交換部の伝熱管とを共通のフィンに挿通し、かつ１次
側熱交換部の伝熱管を正三角形状に配列し、２次側熱交
換部の伝熱管を１次側熱交換部の正三角形状に配列され
た伝熱管の中心（正三角形の頂点と等距離に位置する
点）に配列しているため、以下の効果がある。

【００４９】即ち、伝熱面積の増加が図れ、１次側伝熱
管と蓄熱材間、２次側伝熱管と蓄熱材間の熱移動量が増
加し、熱通過率が高まると共に、夜間運転にて蓄熱槽内
の１次側熱交換部周辺、即ち、フィンを含む伝熱管周囲
に着氷した冷熱を昼間冷房運転において利用する場合、
２次側熱交換部の伝熱管は、その周囲にある着氷した１
次側熱交換部の伝熱管からフィンを介して均等に冷却さ
れ、熱交換量を最大限に引き上げることが可能になる。

【００５０】従って、夜間運転において蓄熱槽内に１次
側伝熱管により蓄えた冷熱を、昼間運転では２次側伝熱
管を介して高速で取り出すことができ、その結果、室内
の冷暖房負荷に対する応答性が高まる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による蓄熱式空気調和機の冷
凍システム図

【図２】本発明の一実施例における蓄熱槽内の熱交換器
の断面図

【図３】従来例を示す蓄熱式空気調和機の冷凍システム
図

【符号の説明】

２ 圧縮機 ３ 四方弁 ４ 室外側熱交換器 ５ 膨張弁 １３ａ 蓄熱槽の１次側熱交換部 １３ｂ 蓄熱槽の２次側熱交換部 １４ａ 冷媒対冷媒熱交換器の１次側熱交換部 １４ｂ 冷媒対冷媒熱交換器の２次側熱交換部 １７ 室内側熱交換器 ＳＴＲ 蓄熱槽 Ｆ フィン Ｐ１ １次側伝熱管 Ｐ２ ２次側伝熱管 ＨＥＸ 冷媒対冷媒熱交換器 ＰＭ 冷媒搬送ポンプ ＫＶ１ 三方弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 皓三 東京都千代田区内幸町１丁目１番３号 東京電力株式会社内 (72)発明者 杉田 吉秀 東京都千代田区内幸町１丁目１番３号 東京電力株式会社内 (56)参考文献 特開 平３−91658（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−46558（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F25B 13/00 351

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧縮機と、四方弁と、室外側熱交換器
   と、膨張弁と、切替弁とを直列に接続し、１次側熱交換
   部と２次側熱交換部とを有した冷媒対冷媒熱交換器、及
   び１次側熱交換部と２次側熱交換部とを有した蓄熱槽の
   各１次側熱交換部を並列に配置して前記切替弁により冷
   媒の流路を切替え可能にした１次側冷凍サイクルと、前
   記蓄熱槽内の２次側熱交換部と、冷媒対冷媒熱交換器の
   ２次側熱交換部と、冷媒搬送ポンプと、室内側熱交換器
   とを環状に接続した２次側冷凍サイクルとからなり、前
   記蓄熱槽を伝熱管とフィンとからなる１次側熱交換部、
   及び２次側熱交換部とより構成し、かつ前記蓄熱槽内の
   前記１次側熱交換部の伝熱管と前記２次側熱交換部の伝
   熱管とを共通のフィンに挿通し、かつ前記蓄熱槽内の前
   記１次側熱交換部の伝熱管を正三角形状に配列し、前記
   ２次側熱交換部の伝熱管を前記１次側熱交換部の正三角
   形状に配列された伝熱管の中心に位置するように配列し
   た蓄熱式空気調和機。