WO2012042691A1

WO2012042691A1 - 蓄熱装置およびこれを用いた空気調和機

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Publication number: WO2012042691A1
Application number: PCT/JP2011/001135
Authority: WO
Inventors: 井上　茂之; 栗須谷　広治; 今坂　俊之; 清水　昭彦; 憲昭山本
Original assignee: パナソニック株式会社
Priority date: 2010-10-01
Filing date: 2011-02-28
Publication date: 2012-04-05
Also published as: KR20130110174A; JP2012078010A; EP2623912A1; CN103124892B; EP2623912A4; CN103124892A; EP2623912B1; JP5182346B2

Abstract

　液体で構成され、熱源からの熱を蓄熱する蓄熱材と、蓄熱材を内部に保持する蓄熱槽２と、蓄熱槽の外殻を形成する壁部であって、熱源と蓄熱材との間の伝熱を担う伝熱部４と、を備え、蓄熱槽２は、蓄熱槽２の上端が伝熱部４の上端よりも高い位置にあるとしたことで、蓄熱材の容量の増大を可能ならしめると同時に、対流熱伝達により伝熱部４に接しない蓄熱材までをも効率的に昇温させることが可能となる。

Description

蓄熱装置およびこれを用いた空気調和機

　本発明は、熱源に当接して用いられる蓄熱装置とこれを用いた空気調和機に関するものである。

　従来、ヒートポンプ式空気調和機による暖房運転では、室外熱交換器の除霜を行うために、四方弁により冷媒の流れを暖房サイクルから冷房サイクルに切替え、高温高圧の冷媒を室外熱交換器に流すことが一般的である。この除霜方式では室内に振り向けていた熱量を室外熱交換器の除霜に振り向けるため暖房効果を損なうという欠点がある。また暖房運転では、充分加熱された室内機からの吹出し気流を確保するために、室内機の配管温度を一定温度まで昇温させた後に室内の送風を開始するので、始動時から送風開始まで遅延時間があり、この点もヒートポンプ式空気調和機の欠点と言える。

　これらの欠点を補うために、蓄熱装置を冷凍サイクルに組み込むことにより、暖房運転中に、蓄熱装置に蓄えられた圧縮機の廃熱を除霜や立上り特性の改善に利用する技術がよく用いられる（例えば、特許文献１参照）。

　また、図７は従来の蓄熱装置の縦断面図である。図７において、蓄熱装置１００は、圧縮機１０２の隔壁１０４の外周面に固設されている。また、蓄熱装置１００は、アルミ箔板や銅板等から構成され得る金属部材１０６を有しており、この金属部材１０６は、隔壁１０４の外周面に当接するように巻回されている。

　蓄熱装置１００の内部には、圧縮機１０２で発生した熱を隔壁１０４および金属部材１０６を介して蓄積する蓄熱材１０８が収容されており、この蓄熱材１０８は、縦断面形状がコ字状の収容部材１１０と上述した金属部材１０６とで形成された空間部に充填されている。この空間部中には、蓄熱材１０８と共に、流入した冷媒を加熱する加熱配管１１２が配設されている。

特許第２７０５７３４号公報

　上述したように、図７に示される従来の蓄熱装置では、収容部材１１０は、圧縮機１０２の周囲に巻回されているが、モーター部と圧縮部に挟まれているので、蓄熱材１０８の容量、ひいては蓄熱容量が小さくなるという課題がある。

　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、熱源に当接して用いられる蓄熱装置において、蓄熱材の容量を増大させ、蓄熱容量を効率的に増大させることが可能な蓄熱装置及びこの蓄熱装置を用いた空気調和機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、本発明に係る蓄熱装置は、液体で構成され、熱源からの熱を蓄熱する蓄熱材と、蓄熱材を内部に保持する蓄熱槽と、蓄熱槽の外殻を形成する壁部であって、熱源と蓄熱材との間の伝熱を担う伝熱部と、を備え、蓄熱槽は、蓄熱槽の上端が伝熱部の上端よりも高い位置にあるとしたものである。

　これにより、蓄熱材の容量の増大を可能ならしめると同時に、対流熱伝達により伝熱部に接しない蓄熱材までをも効率的に昇温させることが可能となる。また、伝熱部よりも蓄熱槽の上端を高い位置にすることにより、蓄熱を利用して熱媒を加熱するための熱交換器も高さ方向に大型化したものを収容するが可能となり、蓄熱材に蓄えられた熱を効率的に利用することができる。

　本発明によれば、伝熱部よりも蓄熱槽の上端を高い位置にすることにより、蓄熱材の容量の増大を可能ならしめると同時に、対流熱伝達により伝熱部に接しない蓄熱材までをも効率的に昇温させることが可能となる。

図１は本発明の実施の形態１に係る蓄熱装置における蓄熱槽の見取り図図２は本発明の実施の形態１に係る蓄熱装置および圧縮機の見取り図図３は本発明の実施の形態１における蓄熱装置の断面図図４は本発明に係る蓄熱装置を用いた空気調和機の構成図図５は図４の空気調和機の通常暖房時の動作および冷媒の流れを示す模式図図６は図４の空気調和機の除霜・暖房時の動作および冷媒の流れを示す模式図図７は従来の蓄熱装置の断面図

　本発明は、液体で構成され、熱源からの熱を蓄熱する蓄熱材と、蓄熱材を内部に保持する蓄熱槽と、蓄熱槽の外殻を形成する壁部であって、熱源と蓄熱材との間の伝熱を担う伝熱部と、を備え、蓄熱槽は、蓄熱槽の上端が伝熱部の上端よりも高い位置にあるとしたものである。

　これにより、蓄熱材の容量の増大を可能ならしめると同時に、対流熱伝達により伝熱部に接しない蓄熱材までをも効率的に昇温させることが可能となる。また、蓄熱を利用して熱媒を加熱するための熱交換器も高さ方向に大型化したものを収容するが可能となり、蓄熱材に蓄えられた熱を効率的に利用することができる。

　また、本発明は、蓄熱槽の内部に、蓄熱材と熱交換を行わせる熱交換器を備えて熱交換器の上端が伝熱部の上端よりも高い位置にあるとしたものある。

　また、蓄熱槽の下端が前記熱源の下端よりも高い位置にあるとしたもので、冬季などにおいて蓄熱槽が熱源以外の低温部と熱的に絶縁され、熱損失を低減することができる。

　以下、本発明に係る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）
　本発明の実施の形態１に係る蓄熱装置の見取り図を図１に示す。本発明の実施の形態１に係る蓄熱装置１は、空気調和装置の圧縮機の外殻に当接して用いられ、圧縮機の廃熱を蓄積し利用するためのもので、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂から成形された蓄熱槽２および蓋部３と、それらに囲まれる空間に封入された蓄熱熱交換器５からなり、蓄熱槽内に没入した接続配管６８によって空気調和機の冷媒配管に連結されている。蓄熱材は液体で構成され、本実施の形態では水を含有するエチレングリコール溶液が充填されている。蓄熱熱交換器５は蓄熱材から得られる熱を利用して冷媒の加熱に用いられる。

　図１において便宜的に斜破線で表記した部分は本実施の形態における伝熱部４を示す。伝熱部４は、蓄熱槽２を構成する外殻（隔壁）の一部であり、蓄熱槽２と同様の材質で一体的に成形されている。蓄熱装置１において熱源である圧縮機の外殻と当接し、熱源との熱の授受に供せられる。伝熱部４の上端は、図１に示されるように蓄熱装置１の上端よりも低い位置に置かれている。

　図２は、蓄熱装置１を伝熱部４において、圧縮機５８と当接させて用いる場合の圧縮機５８と蓄熱装置１との位置関係を示す見取り図である。また、図２においては、本実施の形態にかかる蓄熱装置１において、蓄熱材の液面１２の位置を明示するため、蓄熱装置１において、蓄熱槽２から蓋部３を外している。また、図３は本発明の蓄熱装置１の断面図を示している。

　ここで、蓄熱装置１には、内部に充填された蓄熱材を撹拌するための撹拌手段は設けられておらず、蓄熱材の温度分布は均一ではないことから、本発明においては、図３に示すように、効率的な熱交換を考慮して、蛇行するように折曲された蓄熱熱交換器５を蓄熱槽２の上部に配置している。

　すなわち、蓄熱熱交換器５の内部を通過する冷媒と、冷媒と熱交換を行う蓄熱材は、温度差が大きいほど熱交換量が大きくなり、除霜時間も短くなるが、高温の蓄熱材は蓄熱槽２内の上方に集まり、低温の蓄熱材は蓄熱槽２内の下方に集まることから、図３に示されるように、屈曲部５ａと、屈曲部５ａの両端より上方に直線状に延びる直線部５ｂを有する蓄熱熱交換器５は、屈曲部５ａの全体が蓄熱槽２の上部の所定の範囲で蓄熱槽２の内壁面に沿うように湾曲して配置されている。

　蓄熱槽２の底面からの高さをＨ１、蓄熱槽２の底面からの高さ方向の中心位置をＨ２（Ｈ２＝Ｈ１／２）、蓄熱槽２の底面からの蓄熱熱交換器５の屈曲部５ａの下端の高さをＨ３、蓄熱槽２の上面からの蓄熱熱交換器５の屈曲部４ａの上端までの距離をＨ４とすると、本実施の形態では、Ｈ３及びＨ４を所定の高さあるいは距離に設定している。

　蓄熱熱交換器５の高さ方向の重心位置ＣｏＢは蓄熱槽２の高さ方向の中心位置Ｈ２よりも上方に設定される。なお、蓄熱熱交換器５の高さ方向の重心位置ＣｏＢは、蓄熱熱交換器５の屈曲部５ａと直線部５ｂを合わせた部分の重心位置のことである。ここで、蓄熱装置１において、圧縮機５８からの熱は蓄熱材に蓄積されるが、蓄熱槽２の上方の蓄熱材の方が下方の蓄熱材よりも高温になる。本蓄熱装置１では、蓄熱熱交換器５の重心位置が蓄熱槽２の高さ方向の中心位置よりも上方に設定することで、蓄熱熱交換器５は、主として、蓄熱材において相対的に高温部分と効率よく熱交換を行う。

　一方、蓄熱槽２の上面からの蓄熱熱交換器５の屈曲部５ａの上端までの距離Ｈ４は、蓄熱槽２の傾斜を考慮して決定される。すなわち、圧縮機５８や蓄熱槽２は通常室外機５６に収容され、室外機５６は傾いた状態で室外に設置されることがある。このような傾きを想定して、蓋部３が蓄熱材の液面１２に浸からない程度に、蓄熱材を蓄熱槽２に入れた場合に、蓄熱槽２が所定の角度（例えば、設置面に対し約７°）まで傾斜しても、蓄熱熱交換器５の屈曲部５ａが常に蓄熱材に浸漬するように、蓄熱熱交換器５の屈曲部５ａの上端が、蓄熱槽２の上面から所定の距離Ｈ４だけ下方に位置するように、蓄熱熱交換器５は蓄熱槽２の内部に設置される。

　本実施の形態においては、伝熱部４の上端は、図１に示されるように蓄熱装置１の上端よりも低い位置に置かれているために、図２に示すとおり蓄熱材の液面１２を伝熱部４の上端よりも高い位置に保持することが可能になる。

　さらに、蓄熱材の液面１２を伝熱部４の上端よりも高い位置に保持できるが故に、蓄熱材の液面１２に近い位置まで、蓄熱熱交換器５を配置することが可能になる。

　蓄熱材の液面１２を伝熱部４の上端よりも高い位置に保持することにより、自然対流によって熱源の熱が伝わりやすい領域に蓄熱材の容量を拡大させることが可能になる。さらには、その領域まで蓄熱熱交換器５を拡張することによって、熱源の熱が伝わりやすい領域にまで熱交換面積をより増大させることが可能となる。

　また、本実施の形態においては、蓄熱槽２の下端に接して設けられた台座９により、蓄熱槽２の下端および、伝熱部４の下端が圧縮機５８の下端よりも高い位置になる。このことにより、特に冬季において蓄熱槽２は熱源以外の低温部と熱的に絶縁され、熱損失を低減することができる。

　図４に、本発明に係る蓄熱装置１を備えた空気調和機の構成を示す。本発明に係る空気調和機は、室外機５６と室内機１４とそれらを接続する冷媒配管から構成される。

　室外機５６は圧縮機５８と四方弁２５と膨張弁２４と室外熱交換器２０が配置され、さらに圧縮機５８の冷媒吐出口と四方弁２５とを接続する第一配管２６と、圧縮機５８の冷媒吸入口と四方弁２５とを接続する第二配管２８と、四方弁２５と室外熱交換器２０とを接続する第三配管６６と、室外熱交換器２０と膨張弁２４とを接続する第四配管６４とを備える。

　室内機１４は室内熱交換器２２と、送風ファン（図示せず）と送風方向を制御するルーバー（図示せず）とを備える。

　第五配管６２は膨張弁２４と室内熱交換器２２との間に設置され、室外機５６と室内機１４とを接続する。第六配管６０は、室内熱交換器２２と四方弁２５の間に設置され、室外機５６と室内機１４とを接続する。

　さらに室外機５６においては、第一配管２６と第四配管６４とを接続する第七配管４０と、配管４０に設置された第一電磁弁４２と、第二配管２８と第五配管６２とを接続する第八配管６８と、第八配管６８に設置された第二電磁弁４４とを備える。

　本発明に係る蓄熱装置１は、第八配管６８上にあり、第八配管６８は蓄熱装置１内部に没入し、熱交換器である所の蛇管に接続されている。また蓄熱装置１は図２に示したように圧縮機５８に密着し、第二配管２８と第二電磁弁４４との間に配置されている。

　尚、圧縮機５８、送風ファン、ルーバー、四方弁２５、膨張弁２４、第一電磁弁４２、第二電磁弁４４は制御装置（図示せず、例えばマイコン）と電気的に接続され、制御装置により制御される。

　図５は、本発明に係る空気調和機の通常暖房時の動作および冷媒の流れを示す模式図である。圧縮機５８の吐出口から吐出された冷媒は、第一配管２６、四方弁２５を経由して室内熱交換器２２に至る。室内熱交換器２２において冷媒より低温の室内空気と熱交換して凝縮した冷媒は、配管６２を経て膨張弁２４に至る。膨張弁２４において減圧した冷媒は配管６４を通って室外熱交換器２０に至る。室外熱交換器２０において冷媒より高温の室外空気と熱交換して蒸発した冷媒は配管６６と四方弁２５と配管２８を経て圧縮機５８の吸入口に戻る。

　本発明に係る蓄熱装置１は、圧縮機５８に密着して設置され、圧縮機５８で発生した熱を蓄熱材に蓄積する。蓄熱の際、第一電磁弁４２と第二電磁弁４４は閉制御されている。

　図６は、図４に示した空気調和機の構成における除霜暖房時の動作及び冷媒の流れを示す模式図である。以下、図６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、破線矢印は除霜に供する冷媒の流れを示している。

　上述の通常暖房運転時に室外熱交換器２０に着霜し、着霜した霜が成長すると、室外熱交換器２０の通風抵抗が増加して風量が減少し、室外熱交換器２０において蒸発温度が低下する。図６に示されるように、室外熱交換器２０の配管温度を検出する温度センサ７０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７０で検出すると、制御装置により、通常暖房運転から除霜暖房運転へ制御信号が切り替わる。除霜暖房運転へ切り替わると、第一電磁弁４２と第二電磁弁４４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５８の吐出口から出た気相冷媒の一部は配管４０と第一電磁弁４２を通り配管６４を通る冷媒に合流して室外熱交換器２０を加熱、凝縮した後、配管６６、四方弁２５、配管２８、アキュムレータ７２を介して圧縮機５８の吸入口へ至る。

　また配管６２から分岐した液相冷媒の一部は、配管６８と第二電磁弁４４を経て、蓄熱熱交換器５で蓄熱材から吸熱して蒸発気化し、配管６８から配管２８に合流し圧縮機５８の吸入口へと戻る。

　アキュムレータ７２に戻る冷媒には室外熱交換器２０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５から戻ってくる高温の気相冷媒を混合することにより、液相冷媒の蒸発が促進され、アキュムレータ７２を通過して液相冷媒が圧縮機５８に戻ることがなくなり、圧縮機５８の信頼性を向上させることができる。

　除霜暖房開始時に霜の付着により氷点下になった室外熱交換器２０の温度は、圧縮機５８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、除霜が終了すると、室外熱交換器２０の温度は再び上昇しはじめる。この室外熱交換器２０の温度上昇を温度センサ７０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。

　上述のごとく、本発明に係る蓄熱装置は、空調装置において圧縮機５８に密着し、暖房運転時に圧縮機５８で発生した熱を蓄熱材に蓄積し、通常暖房運転から除霜暖房運転に移行したときに、室内熱交換器２２を経て配管６２から分流した液相冷媒の一部が、蓄熱熱交換器５で蓄熱材から吸熱し蒸発、気相化させることを可能ならしめるものである。

　本発明は、水を含む蓄熱材に蓄えられた熱を熱交換器で回収する蓄熱装置とこれを用いた空気調和機に利用可能である。

１　蓄熱装置、　２　蓄熱槽、　３　蓋部、　４　伝熱部、
５　蓄熱熱交換器、　９　台座、　１２　蓄熱材の液面、
１４　室内機、　２２　室内熱交換器、　２４　膨張弁、
２６　２８　４０　６０　６２　６４　６６　６８　配管、
４２　第一電磁弁、　４４　第二電磁弁、　５６　室外機、
５８　圧縮機、　７０　温度センサ、　７２　アキュムレータ、
１００　従来の技術に係る蓄熱装置、
１０２　従来の技術に係る蓄熱装置および圧縮機、
１０４　従来の技術に係る圧縮機外殻、
１０６　従来の技術に係る伝熱部、　１０８　従来の技術に係る蓄熱材、
１１０　従来の技術に係る蓄熱槽、　１１２　従来の技術に係る冷媒配管。

Claims

液体で構成され、熱源からの熱を蓄熱する蓄熱材と、前記蓄熱材を内部に保持する蓄熱槽と、前記蓄熱槽の外殻を形成する壁部であって、
　前記熱源と前記蓄熱材との間の伝熱を担う伝熱部と、を備え、前記蓄熱槽は、前記蓄熱槽の上端が前記伝熱部の上端よりも高い位置にあることを特徴とする蓄熱装置。
前記蓄熱槽の内部に、前記蓄熱材と熱交換を行わせる熱交換器を備え、前記熱交換器の上端が前記伝熱部の上端よりも高い位置にあることを特徴とする請求項１に記載の蓄熱装置。
前記蓄熱槽の下端が前記熱源の下端よりも高い位置にあることを特徴とする請求項１または２に記載の蓄熱装置。
請求項１～３のいずれか１項に記載の蓄熱装置を備えることを特徴とする空気調和機。