JPH05346246A - 蓄熱式空気調和機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は蓄熱式空気調和機の氷蓄熱槽を有す
るサイクルに関するもので、高効率で、高い負荷追従性
の蓄熱槽を備えた空調機を提供することを目的とする。 【構成】 蓄熱槽ＳＴＲ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、蓄熱槽内の１次側伝熱管Ｐ１、及び２次側伝熱管Ｐ
２を水平設置し、各々に対して直角に設置した同一のフ
ィンＦを介して構成される熱交換ブロックＢＬを、フィ
ンＦが千鳥状に位置するように設置したものである。こ
れにより、夜間電力を利用した製氷（蓄熱）により冷房
（暖房）運転が行え、電力利用の平準化が図れるだけで
なく、高速で多くの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。

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】従来の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６
２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内の伝熱管の周囲に氷として蓄冷
される。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。

【０００６】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。

【０００７】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。

【０００８】

【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
しているため効率が悪く、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ＯＡ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。

【０００９】そこで、本発明は、高効率で、かつ安全性
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。

【００１０】

【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、蓄熱槽内の１次側伝熱管、及び２次側伝熱管を水
平設置し、各々に対して直角に設置した同一のフィンを
介して構成される熱交換ブロックを、フィンが千鳥状に
位置するように設置したものである。

【００１１】

【作用】この技術的手段による作用は次のようになる。

【００１２】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次側伝熱管とを連通した１次側冷凍サイクル
において、まず、夜間に安価な夜間電力を利用して冷媒
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１次側伝熱管に対
して直角に設置した熱交換ブロックを介して蓄熱材であ
る水に製氷運転、または蓄熱運転を行う。

【００１３】この場合、蓄熱槽内の水平設置された伝熱
管に対してフィンを直角に設置した熱交換ブロックを、
フィンが千鳥状に位置するように配列することにより、
伝熱面積が増加するだけでなく、かつ蓄熱槽内に生じる
自然対流に対するフィン先端部における境界層前縁効果
により、熱交換ブロックにおける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水との間の
熱交換量を増加させることができる。

【００１４】一方、昼間運転において、１次側冷凍サイ
クルにおいて切替弁の制御により蓄熱槽の１次側伝熱管
を使用しない状態で運転し、蓄熱槽内の蓄冷熱に加え
て、冷媒対冷媒熱交換器を介して１次側冷凍サイクルに
おける蒸発・凝縮能力を２次側冷凍サイクル内の冷媒へ
熱交換する２次側冷凍サイクルの運転を行う。

【００１５】即ち、蓄熱槽内に蓄冷熱として蓄えられた
蓄熱材と冷媒との間で、蓄熱槽内のフィンと２次側伝熱
管を介して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、または暖房）する。

【００１６】これにより、夜間電力を利用した蓄冷熱に
より昼間に暖房、または冷房運転が行えるだけでなく、
蓄熱槽内の２次側伝熱管の周囲に１次側伝熱管と熱的に
導通した同一のフィンを複数設置することにより、伝熱
面積の増加、及び表面熱伝達率の向上が図れるだけでな
く、特に１次側伝熱管周囲に着氷した氷の解氷運転の場
合、フィンを介した１次側伝熱管と２次側伝熱管間の熱
伝導により熱交換量を増加させるでき、冷房時の室内熱
負荷に対する応答性が高まる。

【００１７】また、蓄熱槽内の熱交換ブロックを、フィ
ンが千鳥状に位置するように配列することにより、夜間
運転時と同様に、伝熱面積が増加するだけでなく、かつ
蓄熱槽内に生じる自然対流に対するフィン先端部におけ
る境界層前縁効果により、熱交換ブロックにおける表面
熱伝達率が向上し、従って、２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。

【００１８】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、電力利用の平
準化が図れるだけでなく、蓄熱槽内の１次側伝熱管、２
次側伝熱管及びフィンより構成される熱交換ブロック
を、蓄熱槽の垂直方向に対してフィンが千鳥状に位置す
るように配列して熱交換効率の向上を図ることにより、
１次側冷凍サイクルから２次側冷凍サイクルへの熱交換
量増大が図れ、かつ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。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の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。

【００２０】図１は本発明の第一の実施例の蓄熱式空気
調和機の冷凍サイクル図である。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ＳＴＲ、及び冷媒搬送ポンプＰＭとから
構成されており、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。

【００２１】また、図２に蓄熱槽ＳＴＲの断面図、図３
に図２中のＡ−Ａ断面図を示す。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。

【００２２】図２に示すように、１次側伝熱管Ｐ１、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
設置されており、かつ水平に設置されており、１次側伝
熱管Ｐ１は図３に示すように、平板フィンＦに対する直
角方向の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。

【００２３】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。
蓄熱槽ＳＴＲ内の伝熱管Ｐ１，Ｐ２を３〜４段ずつ同一
の平板フィンＦに設置して熱交換ブロックＢＬを構成
し、それらを垂直方向に設置し、熱交換ブロックＢＬは
図３に示すように、平板フィンＦが千鳥状に位置するよ
うに設置されている。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】

【表１】

【００２８】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。

【００２９】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
義し、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。

【００３０】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。

【００３１】このとき、正三角形状に配列された１次側
伝熱管Ｐ１の管外側、及び平板フィンＦに比較的均一に
氷が生成されていく。また、蓄熱槽ＳＴＲ内に生じる自
然対流に対する平板フィンＦ先端部における境界層前縁
効果により、熱交換ブロックＢＬにおける表面熱伝達率
が向上し、従って、１次側冷凍サイクル内の冷媒と水１
６との間の熱交換量を増加させることができる。

【００３２】この場合、１次側伝熱管Ｐ１の管外側、及
び平板フィンＦに着氷が生じるため、垂直方向において
隣合う平板フィンＦにおける着氷によりフィンＦ間が閉
塞する可能性があるが、それはフィンピッチ（水平方向
のフィン間隔）を大きくすることにより防止できる。

【００３３】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。

【００３４】このとき、蓄熱槽ＳＴＲ内の１次側伝熱管
Ｐ１から平板フィンＦを介して放熱し、蓄熱槽ＳＴＲ内
では温水として蓄熱される。この場合も、蓄熱槽ＳＴＲ
内に生じる自然対流に対する平板フィンＦ先端部におけ
る境界層前縁効果により、熱交換ブロックＢＬにおける
表面熱伝達率が向上し、従って、１次側冷凍サイクル内
の冷媒と水１６との間の熱交換量を増加させることがで
きる。

【００３５】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には製氷（蓄
熱）されているが、１次側冷凍サイクルにおいて三方弁
ＫＶ１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。同時に、２次側冷凍サイクルにおいて
三方弁ＫＶ２を第４モ−ドとして、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。

【００３６】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と熱交換される。

【００３７】この時、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おり、
かつ正三角形状に配列された１次側伝熱管Ｐ１の中心
（正三角形の頂点と等距離に位置する点）に２次側伝熱
管Ｐ２は配列されているため周囲の伝熱管Ｐ１と均等に
熱交換する。また、平板フィンＦが垂直方向に対して千
鳥状に配置されているため、蓄熱槽ＳＴＲ内に生じる自
然対流に対する平板フィンＦ先端部における境界層前縁
効果が生じ、熱交換ブロックＢＬにおける表面熱伝達率
が向上し、従って、１次側冷凍サイクル内の冷媒と水１
６との間の熱交換量を増加させることができる。

【００３８】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と平板フィン
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
り、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。

【００３９】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と平板
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
冷媒となり、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。

【００４０】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、室内ユニット１２での冷房・暖房運
転が行われる。

【００４１】また、図４は本発明の他の実施例の蓄熱槽
の断面図、図５は図４中の蓄熱槽の上面図である。

【００４２】蓄熱槽ＳＴＲ内の伝熱管Ｐ１，Ｐ２を３〜
４段ずつ同一の平板フィンＦに設置して熱交換ブロック
ＢＬを構成するのは第一の実施例と同様である。この熱
交換ブロックを水平方向に設置し、熱交換ブロックＢＬ
は図５に示すように、平板フィンＦが千鳥状に位置する
ように設置されている。

【００４３】この場合、蓄熱槽ＳＴＲ内に生じる自然対
流の方向と平板フィンＦの端部の長手方向が平行になる
ため、第一の実施例に比べると小さいものの、フィン先
端部における境界層前縁効果により、熱交換ブロックＢ
Ｌにおける表面熱伝達率が向上し、従って、２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。

【００４４】以上のように、上記実施例では圧縮機２
と、四方弁３と、室外側熱交換器４と、膨張弁５と、三
方弁ＫＶ１とを直列に接続し、１次側熱交換部１４ａと
２次側熱交換部１４ｂとを有した冷媒対冷媒熱交換器Ｈ
ＥＸの１次側熱交換部１４ａ、及び１次側伝熱管Ｐ１と
２次側伝熱管Ｐ２と平板フィンＦとを有した蓄熱槽ＳＴ
Ｒの１次側伝熱管Ｐ１を並列に配置した１次側冷凍サイ
クルを構成している。

【００４５】また、蓄熱槽ＳＴＲ内の２次側伝熱管Ｐ２
と、冷媒対冷媒熱交換器ＨＥＸの２次側熱交換部１４ｂ
と、冷媒搬送ポンプＰＭと、室内側熱交換器１７とを環
状に接続して２次側冷凍サイクルを構成している。

【００４６】更に、蓄熱槽ＳＴＲ内の１次側伝熱管Ｐ
１、及び２次側伝熱管Ｐ２を水平設置し、各々に対して
直角に設置した同一の平板フィンＦを介して構成される
熱交換ブロックＢＬを、平板フィンＦが千鳥状に位置す
るように設置している。

【００４７】これにより、夜間電力を利用した製氷（蓄
熱）により冷房（暖房）運転が行え、電力利用の平準化
が図れるだけでなく、蓄熱槽ＳＴＲ内の１次側伝熱管Ｐ
１、２次側伝熱管Ｐ２、及び平板フィンＦからなる熱交
換ブロックＢＬの配列の工夫により高速で多くの蓄冷熱
を取出すことが可能になり、負荷応答性が向上する。

【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、前記蓄熱槽内の１次側伝熱
管、及び２次側伝熱管を水平設置し、各々に対して直角
に設置した同一のフィンを介して構成される熱交換ブロ
ックを、フィンが千鳥状に位置するように設置してい
る。

【００４９】これにより、夜間電力を利用した製氷（蓄
熱）により冷房（暖房）運転が行え、電力利用の平準化
が図れるだけでなく、蓄熱槽内の１次側伝熱管、２次側
伝熱管、及びフィンからなる熱交換ブロックの配列の工
夫により高速で多くの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。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例による蓄熱式空気調和機
の冷凍システム図

【図２】図１中における蓄熱槽の断面図

【図３】図２のＡ−Ａ線断面図

【図４】本発明の他の実施例による蓄熱式空気調和機の
蓄熱槽の断面図

【図５】同実施例の蓄熱槽の上面図

【図６】従来例を示すヒ−トポンプ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 １３ 蓄熱槽の熱交換部 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 平板フィン Ｐ１ １次側伝熱管 Ｐ２ ２次側伝熱管 ＢＬ 熱交換ブロック 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

Claims (3)

【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の１
   次側熱交換部、及び１次側伝熱管と２次側伝熱管とフィ
   ンとを有した蓄熱槽の１次側伝熱管を並列に配置した１
   次側冷凍サイクルと、前記冷媒対冷媒熱交換器の２次側
   熱交換部と、蓄熱槽内の２次側伝熱管とを並列に配置し
   て、冷媒搬送ポンプと室内側熱交換器とを接続した２次
   側冷凍サイクルとからなり、かつ、前記蓄熱槽内の１次
   側伝熱管、及び２次側伝熱管を水平設置し、各々に対し
   て直角に設置した同一のフィンを介して構成される熱交
   換ブロックを、前記フィンが千鳥状に位置するように設
   置した蓄熱式空気調和機。
2. 【請求項２】 熱交換ブロックを垂直方向に設置して、
   且つ前記フィンが千鳥状に位置するように設置した請求
   項１記載の蓄熱式空気調和機。
3. 【請求項３】 熱交換ブロックを水平方向に設置して、
   且つ前記フィンが千鳥状に位置するように設置した請求
   項１記載の蓄熱式空気調和機。