JP5585348B2 - 蓄熱装置及び該蓄熱装置を備えた空気調和機 - Google Patents

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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。また、冬季における暖房運転開始時には、所定の暖房温度に到達するまでに時間が掛かるという課題があった。
そのため、空気調和機の冷凍サイクルに、電気ヒータや圧縮機の熱など利用して蓄熱される蓄熱装置を組み込み、その蓄熱エネルギーを用いて暖房運転特性を改善することが行われている。このような蓄熱装置の蓄熱材はパラフィン等が用いられていたが、これらは蓄熱容量が小さいため所要の蓄熱容量を確保するには大型の蓄熱装置を備えなければならず、蓄熱装置の空気調和機への収納性が困難になるとか、コスト高になるという問題があった。
そこで、蓄熱容量が大きく低コストの水を主成分とする蓄熱材を有する蓄熱容器を備えた大気開放型の蓄熱装置が提案されている(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。図10において、蓄熱装置150は、蓄熱槽154と蓋体151とで構成されており、蓄熱槽154には、水を主成分とした蓄熱材155と、放熱用熱交換器115と、吸熱用熱交換器118とが収納されている。そして、蓄熱材155の蒸発を防ぐとともに、蒸発蒸気による蓄熱槽内部の圧力を逃がすためにキャピラリーチューブ152が設けられている。
特開平10−288359号公報
しかしながら、前記従来の構成では蓄熱装置を搭載した空気調和機の室外機が、運搬時や据え置き時などに傾いたときに蓄熱材が漏れるという課題があった。このため、キャピラリーチューブの先端開口部を室外機の重心方向とは反対方向に向くように配置する提案がなされているが、一方向の傾きに対する対応であり、例えば室外機が室外機の重心位置とは反対の方向に傾いた場合には蓄熱材が漏れるという課題があった。また、これに対処するためフロートを設けるという提案がなされているが、構造が複雑になりコストアップにもなる。
本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、大気開放型の蓄熱装置において、蓄熱材の蒸発抑制と内部圧力の低減を図るとともに、蓄熱装置を前後左右いずれの方向に傾けても蓄熱材の漏れを防止することができる蓄熱装置を低コストで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、大気開放型の蓄熱装置であって、圧縮機の外周表面と接するように馬蹄形に構成された蓄熱槽と、蓄熱槽に収納された蓄熱材とを備え、蓄熱槽の上部に蓄熱槽の外周に沿って、前記外周の全周長の8割以上の長さに渡り溝もしくはキャピラリーチューブを配設して、一方の端を蓄熱槽の内部に開口し、他方の端を大
気中に開口させ、一方の端の開口から他方の端の開口までを密封し、前記溝もしくはキャピラリーチューブを通して前記蓄熱槽の内部と大気中とを連通させ、前記一方の端の開口と前記他方の端の開口とは前記蓄熱槽の馬蹄形状の一方の端に設けたものである。これによって、蓄熱槽の内部で発生する蓄熱材の蒸気による圧力上昇を低減させるとともに、溝もしくはキャピラリーチューブの開口面積を小さく設定することで蒸気が過度に大気へ出ないようにしている。さらに、溝もしくはキャピラリーチューブを蓄熱槽の上部で且つ槽の外周に沿って略全周に渡り配設しているため、蓄熱装置が前後左右いずれかの方向に傾き、蓄熱材が溝もしくはキャピラリーチューブ内へ浸入した場合でも、溝もしくはキャピラリーチューブ内の蓄熱材の液面は蓄熱槽内部の液面といずれかの位置で物理的にバランスされるため、液面が溝もしくはキャピラリーチューブの大気への開口部まで到達せず、蓄熱材が外部へ漏れることはない。従って、この蓄熱装置を空気調和機に組付けする時や、空気調和機を運搬したり、据付したりするときに蓄熱装置が傾いても蓄熱材の漏洩を防ぐことができる。また、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できる。
また、本発明は、蓄熱槽に設けた蓋もしくは蓄熱槽のどちらかに勘合溝を設けて勘合するとともに、この勘合溝に上記溝を配設して、且つ、溝を設ける方の部材を樹脂で成型することにより、蓄熱装置を低コストで提供できる。
本発明によれば、蓄熱材の蒸発抑制と内部圧力の低減を図るとともに、蓄熱装置を前後左右いずれの方向に傾けても蓄熱材の漏れを防止することができる蓄熱装置を低コストで実現できる。
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、大気開放型の蓄熱装置であって、圧縮機の外周表面と接するように馬蹄形に構成された蓄熱槽と、蓄熱槽に収納された蓄熱材とを備え、蓄熱槽の上部に蓄熱槽の外周に沿って、前記外周の全周長の8割以上の長さに渡り溝もしくはキャピラリーチューブを配設して、一方の端を蓄熱槽の内部に開口し、他方の端を大気中に開口させ、一方の端の開口から他方の端の開口までを密封し、前記溝もしくはキャピラリーチューブを通して前記蓄熱槽の内部と大気中とを連通させ、前記一方の端の開口と前記他方の端の開口とは前記蓄熱槽の馬蹄形状の一方の端に設けたものである。このように、溝もしくはキャピラリーチューブを蓄熱槽の上部で且つ槽の外周に沿って略全周に渡り配設しているため、蓄熱装置が前後左右いずれかの方向に傾き、蓄熱材が溝もしくはキャピラリーチューブ内へ浸入した場合でも、溝もしくはキャピラリーチューブ内の蓄熱材の液面は蓄熱槽内部の液面といずれかの位置で物理的にバランスされるため、液面が溝もしくはキャピラリーチューブの大気への開口部まで到達せず、蓄熱材が外部へ漏れることはない。
第2の発明は、大気開放型の蓄熱装置であって、蓄熱槽と、蓄熱槽に収納された蓄熱用熱交換器と蓄熱材と、蓄熱槽の上部開口部を塞ぐ蓋とを備え、蓄熱槽もしくは蓋のどちらか一方の外周部に勘合溝を形成し、勘合溝にパッキンを介して相手側となる蓋もしくは蓄
熱槽と勘合させるとともに、勘合溝内に前記溝を設けたことにより、溝の構成が容易にできると同時に、蓋の着脱が可能で蓄熱槽の組立性やサービス性を良くすることができる。
第3の発明は、勘合溝の断面形状をパッキンの断面形状に合わせたものであり、勘合溝とパッキンとの間に隙間がなくなるため、前記溝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。
第4の発明は、前記溝を設ける方の部材を樹脂で成型したものであり、樹脂成型することで溝を容易に加工できるため、低コストで蓄熱装置が提供できる。
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、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。ここで、シート52には複数の連通穴を設けることで、組み付け時に空気が噛み込みこんでも、これを排出して、熱伝導性が低下することを抑制できる。
尚、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。
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の略全周、好ましくは全周長の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 (4)

  1. 大気開放型の蓄熱装置であって、圧縮機の外周表面と接するように馬蹄形に構成された蓄熱槽と、前記蓄熱槽に収納された蓄熱材とを備え、前記蓄熱槽の上部に蓄熱槽の外周に沿って、前記外周の全周長の8割以上の長さに渡り溝もしくはキャピラリーチューブを配設して、前記溝もしくはキャピラリーチューブの一方の端を前記蓄熱槽の内部に開口し、他方の端を大気中に開口させ、一方の端の開口から他方の端の開口までを密封し、前記溝もしくはキャピラリーチューブを通して前記蓄熱槽の内部と大気中とを連通させ、前記一方の端の開口と前記他方の端の開口とは前記蓄熱槽の馬蹄形状の一方の端に設けたことを特徴とする蓄熱装置。
  2. 前記蓄熱槽は上部に開口部を有するとともに前記開口部を塞ぐ蓋を備え、前記蓄熱槽もしくは前記蓋のどちらか一方の外周部に勘合溝を形成し、前記勘合溝にパッキンを介して相手側となる前記蓋もしくは前記蓄熱槽と勘合させるとともに、前記勘合溝内に前記溝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. 前記勘合溝の断面形状を前記パッキンの断面形状に合わせたことを特徴とする請求項2に記載の蓄熱装置。
  4. 前記溝を設ける方の前記蓋もしくは前記蓄熱槽を樹脂で成型したことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の蓄熱装置。
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