JPH07104064B2 - 蓄熱式冷暖房装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、主として家庭用，小型業務用，ビル用等の空
調に利用される蓄熱式冷暖房装置に関するものである。

従来の技術 省エネルギー性あるいは暖房立上り速度の上昇等を目的
として蓄熱（蓄冷も含む）機能を付加した冷暖房機に関
しては数多くの提案があり、一部実用化もされている
が、その蓄熱形態は顕熱または潜熱を利用したものであ
り、化学反応熱を利用したものはいまだ実用に供されて
いない現状である。たとえば顕熱であればその代表は水
であり、その他として土，小石，金属，有機熱媒体，溶
融塩等が蓄熱材料として用いられている。また潜熱蓄熱
材としては、固体，シャーベット状の氷や酢酸塩，硫酸
塩，硝酸塩，チオ硫酸塩，塩酸塩等の各種溶融塩および
それらの混合物，パラフィン等が通常用いられている。
そしてこれらの潜熱蓄熱材料を用いたときには、蓄熱密
度が数十kcal/kgと比較的大きく、放熱あるいは放冷時
に一定温度が得られるという特長がある。

発明が解決しようとする問題点 顕熱蓄熱の場合には一般に蓄熱密度が小さい（たとえば
比熱の最も大きい水を用い温度差10degをとったとして
も10kcal/kg）ため、蓄熱容器の大型化が必至であり、
蓄熱密度を大きくするために温度巾を大きくする方策は
蓄熱中の熱ロスの増大を招くため蓄熱容器の十分な断熱
施工が必要であり、いずれも容器のコストアップの要因
となり、また容器表面積も大きくなるため熱ロスも大き
くなるという問題点があった。

一方潜熱蓄熱の場合には、蓄熱密度という観点からは顕
熱蓄熱に比べ大部改善（〜50kcal/kg）されてはいる
が、まだ十分とは言えず、また蓄熱を蓄暖熱と蓄冷熱と
に分けて考えた場合には、その融点が決まっているため
に、蓄冷暖熱装置として両方の要求を十分に満たすこと
ができない。たとえば氷を用いた場合で言えば、蓄冷熱
という目的のためには、それなりに機能を発揮すること
ができるが、それを蓄暖熱に利用するためには、温度を
上げて水の顕熱を利用するか、または０℃の温度から融
解潜熱分を無理やり高温に汲み上げるか、の二つの方法
がある。前者の方法は、前述した顕熱蓄熱一般の問題が
喚起され、後者の方法では、低温から熱を汲み上げるた
め、冷暖房回路における蒸発器の温度をさらにそれ以下
の温度にする必要があるため高低温の温度差が大きくな
り、これは高低圧の圧力比の上昇を招き圧縮機の負荷の
増大、効率の低下に継ながるため得策とは言えない。よ
って通常は蓄冷熱器と蓄暖熱器の二つを備えておく必要
があり、これは、設備コストの上昇、設備利用効率の低
下、冷媒回路の複雑化等の要因となり、いずれにしても
前述した数々の問題点を含むものであった。

問題点を解決するための手段 本発明はこのような数々の問題点を解決するためになさ
れたものであり、冷媒回路には少なくとも圧縮機，減圧
器，目的に応じて凝縮器または蒸発器となる室内外熱交
換器，四方弁を備えた冷暖房装置にして、室外熱交換器
と室内熱交換器との間の分岐部から分岐し圧縮機に通じ
る冷媒バイパス回路を設け、このバイパス回路には、回
路内の冷媒と隔離してかつ回路内の冷媒と熱交換可能の
空間を有する容器Ａと、必要に応じて開閉弁，減圧器と
を設け、室外熱交換器近傍には容器Ａと同様な方法で容
器Ｂを設け、容器Ａと容器Ｂは開閉弁を介して両空間を
連通させるとともに、容器Ｂの空間内には容器Ａの空間
内との移動が可能で、温度変化に応じて容器Ａの空間の
反応物質と可逆反応をする作動媒体を封入したものであ
る。そして、このときの可逆反応は、吸着，吸収，収着
およびそれらの再生による可逆現象を含めた化学反応で
あるというものである。

作用 本発明はかかる手段にして、通常の蒸気圧縮式冷暖房装
置に、前述の意味での可逆的化学反応に伴なう吸発熱現
象を利用した蓄熱装置を付加した構成により、蓄暖熱，
蓄冷熱が適切な温度レベルに熱ロスも少ない状態で可能
となり、これらの熱の冷媒回路側との受授により様々な
効果的な機能が発揮されることになる。そこで前記可逆
反応として、吸着剤と作動媒体との吸脱着現象を利用し
た一例を取り上げその作用を簡易に説明する。すなわち
容器Ｂの空間には液体状の作動媒体が、容器Ａには吸着
剤がそれぞれ封入され両容器は開閉弁を介して空間が連
通するごとく構成されている。このとき開閉弁を閉止し
た状態が蓄熱状態となる。そしてこの後開閉弁を開放す
ると吸着剤の吸着能が作動媒体に作用し吸着が開始され
るため、作動媒体の蒸発が促進され容器Ａへ移動しつつ
吸着が行なわれる。このとき容器Ｂは作動媒体の蒸発潜
熱分の吸熱が行なわれるのでこれを冷熱として利用する
ことができる。一方容器Ａでは吸着による吸着熱が発生
するのでこれを暖熱として利用することができることに
なる。そして再生（吸着剤からの作動媒体の脱着）が前
述と逆の操作となるのでこれが蓄熱操作ということにな
る。この操作は冷暖房の冷媒回路を動作させ凝縮器側の
高温熱で吸着剤の入った容器Ａを加熱するとともに、蒸
発器側で容器Ｂを冷却することによって達成される。つ
まり容器Ａで加熱により脱着を促進すると同時に、容器
Ｂで発生する作動媒体の凝縮潜熱を奪い取ることにより
作動媒体の凝縮をも促進することになる。このように作
動媒体と吸着剤を分離する操作が蓄熱ということにな
り、逆の吸着操作でどちらの容器の熱を利用するかは自
在に選択可能であるので、一つの系で蓄冷熱も蓄暖熱も
可能であることになる。

ここでは吸着を例としてその作用を説明したが、当然こ
れに限るものではなく、吸収や収着を利用する方法も含
めた多くの化学反応の中から選択すれば良い。たとえ
ば、結晶水等の形で水和物を構成する化合物と水のペ
ア，アンモニア化物とアンモニア，金属水素化物と水
素、等々の系が可能であるが、目的とする温度レベル等
の条件に鑑み適切に選択することができる。また、通常
これら化学反応に伴う吸発熱の量は数十〜数百kcal/kg
の範囲にあるため蓄熱密度は大きくとれることになる。

実施例 本発明による一実施例の冷媒回路を第１図に示す。

１は圧縮機である。２は室外熱交換器、３は室内熱交換
器であり冷暖房等の運転モードの変更により凝縮器ある
いは蒸発器となる。4,5,6はそれぞれ減圧器a,b,cであ
り、ここではキャピラリチューブで構成されている。７
は第１四方弁、８は第２四方弁である。15はバイパス路
であり、分岐部９より分岐され第１四方弁７を介して圧
縮機１に通じている。10は容器Ａ、11は容器Ｂであり開
閉弁a12を介して両空間は連通されているが、この空間
は冷媒回路中の冷媒とは隔離された別の系を構成してい
る。しかしこの空間内と冷媒との熱交換は可能としてあ
り、空間内には蓄熱状態で容器B11にはアルコール系作
動媒体が、容器A10には吸着剤が封入されている。13,14
はそれぞれ開閉弁b,cであり、ここに用いた開閉弁は全
て電磁弁である。また、室外熱交換器２と容器B11は、
本実施例ではすぐ近傍に直列に別設しているが、これを
一体構成としても差支えない。

次に本実施例の動作について、各運転モードに基き順次
説明する。

まず通常の冷暖房運転であるが、これは従来の冷暖房機
と同じ動作となる。即ち、開閉弁a12,b13,c14は全て閉
止し、バイパス路15は用いず、容器A10,容器B11,開閉弁
a12、およびその内部に封入された反応物質，作動媒体
とから構成される蓄熱装置も作動しない。通常冷房運転
の場合には、第１四方弁7,第２四方弁８ともに実線の流
路とし、室外熱交換器２が凝縮器、室内熱交換器３が蒸
発器の役割を果たし室内に冷風を供給する。そして通常
暖房運転の場合には、第２四方弁８を切り換えて破線の
流路とし、室内熱交換器３を凝縮器、室外熱交換器２を
蒸発器とし、室内に暖風を供給することになる。尚、本
実施例では冷媒としてR22を用いている。

次に蓄熱運転について述べる。前述のように蓄暖熱か蓄
冷熱かは、使う場合にどちらを選択するかだけのことで
あるので、どちらを目的にする場合であっても蓄熱操作
としては同一のものとなる。即ち開閉弁a12,b13は開、c
14は閉とし、第1,第２四方弁7,8は破線の流路とする。
よって冷媒は圧縮機１から第１四方弁7,容器A10,開閉弁
b13,減圧器c6,a4,容器B11を通り、第２四方弁８から圧
縮機１に戻る回路を流れることになる。このとき室内外
熱交換器3,2は熱交換用のファン（図略）を停止し熱交
換しないようにし、容器A10部分で冷媒の凝縮が、容器B
11部分で冷媒の蒸発が行なわれるようにするため、容器
A10は高温に、容器B11は低温になる。よって容器A10の
空間内の吸着剤から作動媒体は脱離し気体状で容器B11
の空間に移動しそこで凝縮，貯留されることになる。す
なわち容器A10の空間内の吸着剤の再生が行なわれるこ
とになる。そして十分な再生が済んだ後に開閉弁a12は
閉じられ、圧縮機１を停止するか、他の運転モードに切
換えるか等の操作で蓄熱運転は完了し、蓄熱状態が作り
出されたことになる。この蓄熱運転は一般に冷暖房負荷
が無いかあるいは小さいときに適宜行なうのであるが、
低料金の深夜電力を用いた場合にはトータルのランニン
グコスト低減の観点から極めて有効な方策となる。

次に放冷運転について述べる。放冷の場合には容器B11
の空間内での作動媒体の蒸発潜熱を利用する形となる。
即ち、開閉弁a12は開、b13,c14は閉とし、第1,第２四方
弁7,8はどちらも実線流路とする。そうすると、容器B11
の空間内の作動媒体は容器A10の空間内の吸着剤に吸着
し易い状態となるため蒸発が促進され気体となって容器
A10の空間へと移動、そこで吸着が進行する。一方冷媒
回路での冷媒の流れは通常冷房運転と同じであるが、室
外熱交換器２での熱交換は停止するので、容器B11部分
が作動媒体の蒸発冷却によって凝縮器の役割を果し、そ
こで回収した冷熱を室内熱交換器３で室内に冷風として
供給することになる。このとき、冷媒回路の高温高圧側
は作動媒体の蒸発による効果的な冷却により、通常冷房
運転時よりも低温となるため、高圧側が下がり高低圧差
が小となり、圧縮機１の負荷は大巾に低減されることに
なる。

次に放（暖）熱運転について述べる。放熱の場合には容
器A10の空間内での作動媒体の吸着剤への吸着による吸
着熱を利用するという形となる。即ち、開閉弁a12,b13,
c14はいずれも開とし、第１四方弁７は実線、第２四方
弁８は破線の流路にそれぞれ設定する。よって冷媒は圧
縮機１から、第１四方弁7,第２四方弁8,室内熱交換器3,
減圧器b5,c6,開閉弁b13,容器A10,第１四方弁，開閉弁c1
4を通り圧縮機１に戻るという流れになる。このとき、
分岐部９から容器Ｂを介して圧縮機１に至る流路への冷
媒のリークによる熱ロスが無視できないようであるなら
ば、必要に応じてその流路中の適所に開閉弁を設け、リ
ークを無くするという方策を採用しても良い。このよう
な冷媒の流れによって、室内熱交換器３が凝縮器とな
り、容器A10部分が蒸発器となるため、容器A10の空間内
における吸着剤に対する作動媒体の吸着による吸着熱を
冷媒回路側に効果的に回収することが可能となり、それ
を室内熱交換器３から暖風として室内に供給することが
できる。また、低温低圧側は、吸着熱により高温側にシ
フトするため低圧側の圧力は上昇し高低圧差が小となる
ため、放冷のときと同様にこの場合にも、圧縮機１の負
荷は大巾に低減されることになる。

次にもうひとつの運転モードである大能力立上り急速冷
房運転について述べる。これは通常の冷房運転に放冷運
転を付加する形で達成されることになる。即ち、開閉弁
a12は開、b13,c14は閉、第1,第２四方弁はいずれも実線
流路とし、室内外熱交換器3,2の熱交換は通常冷房と同
様とするとともに、容器B11からの冷熱も回収する。こ
のことにより、室内熱交換器３から、通常冷房時の冷熱
に加え蓄冷熱も合わせて、室内へ冷風として供給するこ
とが可能となるため、特に冷房運転開始時に有効である
大能力急速冷房が達成されることになる。またこの運転
モードは、通常冷房時における冷房負荷の急増などにも
対応可能であることは言うまでもないことである。

第２図に、本発明による他のもうひとつの実施例の冷媒
回路を示す。第１図との相違点は、第１四方弁７および
開閉弁c14を無くし、開閉弁d22を設けたことであり、他
は第１図のものと共通である。通常の冷暖房については
ここでの説明は省略するが、蓄熱状態では容器A10には
再生済の吸着剤が、容器B11には作動媒体が貯留されて
いるのも第１図と同様である。これはたとえば夏場の電
力需要のピークカットに対応するための蓄冷ということ
を目的になされたものである。

蓄冷運転の場合には、四方弁８を破線流路とし開閉弁a1
2,b13,d22は開放し、室内外熱交換器3,2では熱交換を停
止することにより、容器A10の部分が凝縮器となり容器B
11の部分が蒸発器となるため、第１図の時と同様の現象
で作動媒体は容器B11に貯留されることになり蓄冷熱が
達成させられる。また、放冷運転時には、開閉弁b13,d2
2が閉じられ、四方弁８は実線流路となり、通常冷房運
転とほほ同じ冷媒流路となるが、開閉弁12の開放により
作動媒体の吸着が始まるので、その蒸発潜熱による冷熱
が容器B11で冷媒側に回収されるため、同部が凝縮器と
なる。そして回収された冷熱は室内熱交換器３によって
冷房に供されることになる。このとき室外熱交換器２の
熱交換は停止状態であり圧縮機１の負荷低減は、第１図
における実施例のときと同様である。また通常冷房運転
に放冷運転を付加して、大能力立上り急速冷房運転，通
常冷房運転時における冷房負荷の急増などに対応できる
ことも、第１図における実施例のときと同様である。

また、第１図，第２図どちらの実施例においても蓄熱に
吸着を利用した系について述べてきたが、本発明はこれ
に限定されるものでなく作用の項にも記述したように、
目的とする温度レベル，操作条件等に応じて、この種の
様々な反応系から自由に選択できるものである。

発明の効果 以上のように、本発明は吸着等を含む化学反応を利用し
た蓄熱装置とそれを冷媒回路に効果的に組み入れた独自
の構成および動作方法とにより、（イ）蓄熱密度が大で
あるために、従来の同種のものに比べて蓄熱装置の小型
化が可能であり、機器の省スペース化、設備コストの低
減が達成される、また（ロ）ひとつの蓄熱装置で蓄冷熱
と蓄暖熱の両方が可能であり、しかもどちらも蓄熱密度
を大きくとれるとともに、冷暖房それぞれの利用に応じ
た温度レベルでの放（冷，暖）熱が可能である、さらに
（ハ）蓄熱状態は、反応凍結状態であるため、蓄熱中の
放熱ロスは極少にでき、よって、常温蓄熱および長期蓄
熱が容器の外界との断熱なしで可能であり、蓄熱効率が
大となり、設備コストも断熱施工分さらに低減可能であ
る、また（ニ）夏場の電力需要のピークカットに極めて
効果的に適応可能な冷暖房機が提供できる等の様々な効
果を発揮することができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の蓄熱式冷暖房装置の回路構
成図、第２図は本発明の他の実施例の蓄熱式冷暖房装置
の回路構成図である。 １……圧縮機、２……室外熱交換器、３……室内熱交換
器、4,5,6……減圧器a,b,c、９……分岐部、10……容器
Ａ、11……容器Ｂ、12,13,14,22……開閉弁a,b,c,d、15
……バイパス路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中谷 和生 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭55−150463（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−57063（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも圧縮機，減圧器，室内および室
   外熱交換器，四方弁を備えた冷媒回路から成る冷暖房装
   置にして、前記室外熱交換器と前記室内熱交換器との間
   の減圧器を有する側の回路の分岐部から分岐し前記圧縮
   機に通じる冷媒バイパス路を設け、このバイパス路に
   は、容器Ａと必要に応じて開閉弁，減圧器とを設け、前
   記室外熱交換器近傍には前記容器Ａと容器Ｂを設け、容
   器Ａと容器Ｂは開閉弁を介して両空間を連通させるとと
   もに、容器Ｂの空間内には容器Ａの空間内との移動が可
   能で、温度変化に応じて容器Ａの空間内の反応物質と可
   逆反応をする作動媒体を封入したことを特徴とする蓄熱
   式冷暖房装置。
2. 【請求項２】可逆反応は、吸着，吸収，収着およびその
   再生による可逆現象を含めた化学反応であることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の蓄熱式冷暖房装置。