JPH07117302B2 - 氷蓄熱式空気調和装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、蓄熱媒体を貯留する蓄熱槽を備えた氷蓄熱式
空気調和装置に係り、特に、蓄熱槽内の冷媒流通対策に
関する。

（従来の技術） 従来より、冷房負荷のピーク時における電力需要の軽減
並びにオフピーク時における電力需要の拡大を図る手段
として、冷媒負荷のオフピーク時に蓄熱媒体に冷熱を蓄
え、ピーク時にはその冷熱を冷房運転に寄与せしめるよ
うにした蓄熱式空気調和装置の開発が進んでいる。

そして、この蓄熱式空気調和装置の一例として例えば、
特開昭61-125551号公報に開示されているような装置が
ある。該公報に示されているものは、圧縮機、室外熱交
換器、室内熱交換器、冷房運転用減圧機構、解氷冷房運
転用減圧機構、蓄熱槽に収納された製氷用熱交換器およ
び複数の切換電磁弁を冷媒配管によって接続して構成さ
れており、上記切換電磁弁を切換えることで所望の運転
状態とするようになっている。即ち、製氷運転時には、
圧縮機、室外熱交換器、冷房運転用減圧機構、蓄熱槽の
順で冷媒を流し、製氷用熱交換器の冷却管内において冷
媒を蒸発させて該冷媒と蓄熱槽内に貯留されていると水
との間で熱交換を行わせて水を冷却氷化し、冷却管表面
に該氷を付着生成して該蓄熱槽内に冷媒を蓄えている。
一方、解氷冷房運転時には、圧縮機、室外熱交換器、蓄
熱槽、解氷冷房運転用減圧機構、室内熱交換器の順で冷
媒を流し、冷却管表面に付着されている氷と冷媒との間
で熱交換させ、氷を融解して冷媒を冷却し、冷熱を冷媒
配管中に取出して室内熱交換器に供給し、該冷熱を冷房
運転に寄与させている。

（発明が解決しようとする課題） しかし、上述したようなこれまでの装置にあっては、製
氷運転時と解氷冷房運転時において接続回路が切換えら
れるのは蓄熱槽の下流側であることから、蓄熱槽内の製
氷用熱交換器での冷媒の流通方向が同方向となってお
り、そのために以下のような課題を有していた。

即ち、製氷運転時には製氷用熱交換器の冷媒入口側より
冷媒が製氷用熱交換器の下流側に流れるに従って圧力損
失が生じ、該圧力損失に伴い蒸発温度が低くなることに
よって、蓄熱媒体との間で充分な熱交換が行われ、多量
の氷が生成される。従って、蓄冷熱運転終了時には第５
図（ａ）に示すように製氷用熱交換器（ａ）の冷却管
（ｂ）において冷媒の上流側から下流側に向うに従って
（冷媒の流通方向を矢印Ａで示す）氷（Ｉ）の生成付着
量が増大することになる。

そして、この製氷運転の後、解氷冷房運転が行われる場
合、上記製氷運転時と同方向に熱交換器に流通される冷
媒はその流通に従って、氷により冷却されて低温状態に
されるために、該熱交換器の上流側で熱交換量が多く、
下流側では少なくなる。このために、第５図（ｂ）に示
すように、上流側では氷（Ｉ）の融解量が多いが、下流
側では融解量が僅かとなっている。このようにして、製
氷運転と解氷冷房運転が繰返されると、熱交換器の冷媒
下流側にあっては、製氷量が多いのに対し、氷の融解量
が僅かであるために、この下流側において氷の成長が著
しく、第５図（ｃ）に示すように、最下流端において成
長した氷（Ｉ）は複数の氷同士が結合（ブロッキング現
象）し、この両氷間に閉じ込められた水（Ｗ）が氷化し
た場合には、その体積膨張により熱交換器や蓄熱槽に荷
重が掛る場合があり、該熱交換器や蓄熱槽の変形或いは
破損に繋っていた。

そこで、本発明は製氷運転時と、解氷冷房運転時におけ
る製氷用冷媒の流通方向を反対方向とすることにより、
製氷運転時に氷が多量生成される冷媒下流側で解氷冷房
運転時に氷の融解量を多くすることで氷の成長を抑制す
る氷蓄熱式空気調和装置を得ることを目的とする。

（課題を解決するための手段） 次に、上記目的を達成するために本発明が講じた手段に
ついて述べる。

先ず、請求項（１）記載の発明は、第１図に示すよう
に、圧縮機（２）、熱源側の第１熱交換器（３）、冷媒
を減圧する第１減圧機構（４）および負荷側の第２熱交
換器（５）を冷媒配管（６）で接続すると共に、蓄熱媒
体（Ｗ）を貯留する蓄熱槽（９）を配設してなる氷蓄熱
式空気調和装置を前提としている。そして、上記冷媒配
管（６）に介設されて製氷運転時に冷媒を減圧する第２
減圧機構（12）と、上記冷媒管（６）に両端が接続され
ていて、蓄熱槽（９）内において冷媒との熱交換により
蓄熱媒体（Ｗ）に冷熱を付与して蓄熱媒体（Ｗ）を氷化
する製氷管（10a）を備えた製氷用熱交換器（10）と、
一端が該製氷用熱交換器（10）における第１熱交換器側
端部（10b）近傍に、他端が上記圧縮機（２）吸込側の
冷媒配管（６）に夫々接続された短絡管（13）とが設け
られている。更に、製氷運転時には、冷媒を第２減圧機
構（12）より製氷用熱交換器（10）に第２熱交換器側端
部（10c）から流すことにより、蓄熱槽（９）内の蓄熱
媒体（Ｗ）を冷却して製氷用熱交換器（10）の製氷管
（10a）の外周面に氷を付着生成させ、その後、冷媒を
短絡管（13）を介して圧縮機（２）の吸込側に流す一
方、解氷冷房運転時には、第３図に示すように、冷媒
を、第１熱交換器（３）より製氷用熱交換器（10）に第
１熱交換器側端部（10b）から流すことにより氷を融解
しながら冷媒を冷却し、その後、該冷媒を第２熱交換器
（５）に供給するように回路接続を切換える回路切換手
段（15）とが設けられて構成されている。

また、請求項（２）記載の発明は、上記請求項（１）記
載の氷蓄熱式空気調和装置において、同じく第１図に示
すように、第２減圧機構は流量制御可能な第２電子膨張
弁（12）で構成され、該第２電子膨張弁（12）と並列に
製氷用熱交換器（10）が接続されている。一方、上記回
路切換手段（15）は、製氷用熱交換器（10）における第
１熱交換器側端部（10b）と、該製氷用熱交換器（10）
に対する短絡管（13）の接続位置との間に介設された第
１開閉弁（11）と、短絡管（13）に介設された第２開閉
弁（14）と、製氷運転時に第１減圧機構（４）および第
１開閉弁（11）を全閉に、第２開閉弁（14）を全開に制
御すると共に、第２電子膨張弁（12）を冷媒が減圧可能
に開閉制御する一方、解氷冷房運転時には、第１開閉弁
（11）を全開に、第２開閉弁（14）を全閉に制御する一
方、第１減圧機構（４）を冷媒が減圧可能に、第２電子
膨張弁（12）を流量調整可能に夫々開閉制御する開閉制
御手段（16）とより構成されている。

（作用） 次に、上記構成による本発明の作用を述べる。

請求項（１）記載の発明においては、製氷運転時には、
回路切換手段（15）により回路接続を切換えると共に、
第２減圧機構（12）の開度を制御して、第１図の矢印に
示すように圧縮機（２）、第１熱交換器（３）を経た冷
媒を第２減圧機構（12）によって減圧させた後、第２熱
交換器側端部（10c）より製氷用熱交換器（10）の製氷
管（10a）内に供給する。この製氷管（10a）内に供給さ
れた冷媒は該製氷管（10a）内で蒸発することで蓄熱槽
（９）内の蓄熱媒体（Ｗ）を冷却して、該製氷管（10
a）の外周面に氷（Ｉ）を付着生成し、蓄熱槽内に冷熱
を蓄える。

また、解氷冷房運転時には、回路切換手段（15）により
回路接続を切換えると共に、第１および第２減圧機構
（４），（12）の開度を制御して、第３図の矢印に示す
ように圧縮機（２）、第１熱交換器（３）を経た冷媒を
第２減圧機構（12）によって、第１熱交換器側端部（10
b）から製氷用熱交換器（10）へ供給される冷媒の流量
を制御する。そして、製氷用熱交換器（10）へ供給され
た冷媒は蓄熱槽（９）内に貯留されている氷（Ｉ）が融
解することによって冷却され、第２熱交換器側端部（10
c）より第１減圧機構（４）に導かれ、該第１減圧機構
（４）から第２熱交換器（５）へ導入されて、該第２熱
交換器（５）内で蒸発することによって室内の冷房に寄
与する。

従って、製氷運転時と解氷冷房運転時との製氷用熱交換
器（10）内の冷媒の流通方向は反対方向になっているた
めに、製氷運転時に冷媒の蒸発温度が低く製氷量の多い
第１熱交換器側端部（10b）に近接した製氷箇所へ解氷
冷房運転時には高温の冷媒が流通することにより、氷
（Ｉ）の融解量が増加し、両運転を繰返し行った場合の
氷（Ｉ）の異常成長が抑制されて、氷のブロッキングに
よる製氷用熱交換器（10）や蓄熱槽（９）の変形および
破損が抑制される。

一方、請求項（２）記載の発明においては、回路切換手
段（15）の開閉制御手段（16）により、製氷運転時には
第１減圧機構（４）および第１開閉弁（11）を全閉に、
第２開閉弁（14）を全開に制御すると共に、第２電子膨
張弁（12）を冷媒が減圧可能に開閉制御する一方、解氷
冷房運転時には、第１開閉弁（11）を全開に、第２開閉
弁（14）を全閉に制御する一方、第１減圧機構（４）を
冷媒が減圧可能に、第２電子膨張弁（12）を流量調整可
能に夫々開閉制御することで所定の回路接続を構成し、
各運転が行われる。この際、第２電子膨張弁（12）の減
圧作用により、製氷用熱交換器（10）の第１熱交換器側
端部（10b）と第２熱交換器側端部（10c）との間に差圧
が生じ、これによって、製氷用熱交換器（10）の製氷管
（10a）内での冷媒流速が十分に得られる。

（実施例） 次に、本発明における一実施例を図面に沿って説明す
る。

第１図は本例に係る空気調和装置の全体構成を示し、
（２）は圧縮機、（３）は該圧縮機（２）からの吐出ガ
スを凝縮する熱源側熱交換器としての室外熱交換器、
（４）は該室外熱交換器（３）で凝縮された冷媒を減圧
する第１減圧機構である第１電子膨張弁、（５）は冷媒
を蒸発させるための負荷側熱交換器としての室内熱交換
器であって、上記各機器（２）〜（５）は冷媒配管
（６）によって冷媒の流通可能に順次接続され、室内熱
交換器（５）で室内空気との熱交換により得た熱を室外
熱交換器（３）で外気に放出するヒートポンプ機能を有
する主冷媒回路（１）が構成されている。

そして、この主冷媒回路（１）には付属機器として、室
外熱交換器（３）の下流側には冷媒を一時貯留するため
のレシーバ（７）が、圧縮機（２）の上流側には該圧縮
機（２）への吸入ガス中の液冷媒を分離するためのアキ
ュームレータ（８）が夫々介設されている。また、上記
第１電子膨張弁（４）の上流側およびアキュームレータ
（８）の上流側には各々サーミスタ（Th1），（Th2）が
配置されており、各冷媒配管（６）内の温度を検知する
一方、上記アキュームレータ（８）の上流側には圧力セ
ンサ（Ps）が配設され、圧縮機（２）上流側の冷媒配管
（６）内の圧力を検出しており、冷媒温度および冷媒圧
により両膨張弁の開度およびインバータ制御による圧縮
機（２）の容量を制御している。

そして、この空気調和装置には、蓄熱可能な蓄熱媒体と
しての水（Ｗ）を貯留する蓄熱槽（９）が備えられてい
て、該蓄熱槽（９）の内部には、冷媒と水（Ｗ）との熱
交換を行うための製氷用熱交換器（10）の冷却管（10
a）が配設されている。この冷却管（10a）は、上記主冷
媒回路（１）より分岐されて構成され、一端が上記レシ
ーバ（７）の下流側に連結された室外側連結端（10b）
となり、他端が上記第１電子膨張弁（４）の上流側に連
結された室内側連結端（10c）となっている。即ち、室
外側連結端（10b）は室内側連結端（10c）よりも室外熱
交換器（３）に近接した位置に配設されている。また、
この製氷用熱交換器（10）の両連結端（10b），（10c）
間の冷媒配管（６）には製氷運転時に冷媒の減圧を行う
第２電子膨張弁（12）が設けられている。即ち、上記冷
却管（10a）はこの第２電子膨張弁（12）と並列に配管
されていることになる。

そして、本発明の特徴として、上記製氷用熱交換器（1
0）における室外側連結端（10b）付近と圧縮機（２）の
上流側との間には両者を連結する短絡管（13）が配管さ
れている。また、本装置には各運転状態に応じて回路接
続を切換えるための回路切換手段（15）が設けられてい
る。この回路切換手段（15）は、第１開閉弁（11）、第
２開閉弁（14）および開閉制御手段（16）とより成り、
第１開閉弁（11）は製氷用熱交換器（10）における上記
室外側連結端（10b）と上記短絡管（13）の接続位置と
の間に介設され、一方、第２開閉弁（14）は上記短絡管
（13）に設けられている。また、開閉制御手段（16）は
装置の運転状態および各サーミスタ（Th1），（Th2）、
圧力センサ（Ps）からの信号に応じて、製氷運転時には
第１開閉弁（11）を閉状態に、第２開閉弁（14）を開状
態にすると共に、第１電子膨張弁（４）を全閉状態、第
２電子膨張弁（12）の開度を制御するようになっている
一方、解氷冷房運転時には、第１開閉弁（11）を開状
態、第２開閉弁（14）を閉状態とすると共に、第１電子
膨張弁（４）および第２電子膨張弁（12）の開度を制御
するようになっている。

次に、上記の如く構成された回路の各運転状態について
説明する。

先ず、解氷を伴わない通常冷房運転時には、第１および
第２開閉弁（11），（14）を閉状態とすると共に、第２
電子膨張弁（12）を全開状態とする。この状態において
圧縮機（２）で圧縮された冷媒は室外熱交換器（３）で
凝縮され後、第１電子膨張弁（４）で減圧されて、室内
熱交換器（５）に供給され、該室内熱交換器（５）内で
蒸発することによって周囲の熱を奪い、冷房に寄与せし
めた後、再び圧縮機（２）側に流通されて循環される。

また、製氷運転時には、回路切換手段（15）の開閉制御
手段（16）が作動することにより、第１開閉弁（11）を
閉状態に、第２開閉弁（14）を開状態にすると共に、第
１電子膨張弁（４）を全閉状態、第２電子膨張弁（12）
の開度をサーミスタ（Th1）と圧力センサ（Ps）との検
出信号に基づいて開閉制御手段（16）が適宜制御して、
第１図の矢印に示すように圧縮機（２）、室外熱交換器
（３）を経た冷媒を第２電子膨張弁（12）によって減圧
させた後、室内側連結端（10c）より冷却管（10a）内に
供給する。この冷却管（10a）内に供給された冷媒は該
冷却管（10a）内で蒸発して蓄熱槽（９）内の水（Ｗ）
との間で熱交換を行い、該冷却管（10a）の表面に氷
（Ｉ）を付着生成して冷熱を蓄える。このとき冷却管
（10a）に付着される氷（Ｉ）の量は第２図に示すよう
に、冷却管（10a）内の圧力損失に伴って、冷媒の下流
側（冷媒の流通方向を矢印Ｂで示す）即ち、室外側連結
端（10b）に向ってその生成付着量が増加している。

この製氷運転の後、解氷冷房運転を行う際には、開閉制
御手段（16）の作動により第１開閉弁（11）を開状態、
第２開閉弁（14）を閉状態とすると共に、第１電子膨張
弁（４）の開度をサーミスタ（Th2）、圧力センサ（P
s）の検出信号に基づいて上記開閉制御手段（16）が制
御して、第３図の矢印に示すように圧縮機（２）、室外
熱交換器（３）を経た冷媒のうち主冷媒回路（１）を流
れる流通量を第２電子膨張弁（12）によって制御して、
室外側連結端（10b）から冷却管（10a）へ供給される冷
媒の流量を制御する。そして、冷却管（10a）へ供給さ
れた冷媒は蓄熱槽（９）内に貯留されている氷（Ｉ）と
の間で熱交換されて冷却され、室内側連結端（10c）よ
り第１電子膨張弁（４）に導かれ、該第１電子膨張弁
（４）の開度が制御されて、減圧された後、室内熱交換
器（５）へ導入されて、該室内熱交換器（５）内で蒸発
することで室内の冷房に寄与する。また、この際、第２
電子膨張弁（12）の減圧作用により、製氷用熱交換器
（10）の第２熱交換器側端部（10c）の圧力が第１熱交
換器側端部（10b）の圧力よりも低くなり、この差圧に
よって、製氷用熱交換器（10）の製氷管（10a）内で冷
媒流速が十分に得られ、効率良く冷熱が回収されること
になる。

このような解氷冷房運転においては上述したように、冷
却管（10a）内を流通する冷媒の流通方向は室外側連結
端（10b）から室内側連結端（10c）に向う方向であっ
て、上述した製氷運転時の流通方向とは反対方向になっ
ており（第４図矢印Ｃ）、製氷量の多い室外側連結端
（10b）に近接した冷却管（10a）に高温の冷媒が流入
し、氷（Ｉ）との間の熱交換量が多いために、この部分
で氷（Ｉ）の融解が促進されることになる。即ち、場所
による解氷量の大小と製氷量の大小が相殺され、残氷再
製氷を繰返しても着氷量の差の増大が殆どなく、設定量
までの製氷完了時点での着氷状態に再現性があり、氷充
填率の高い製氷設定量でも従来に比べ局所的なブロッキ
ングは起り難く、該ブロッキングによる冷却管（10a）
や蓄熱槽（９）の破損が制御されている。

尚、上述したものは蓄熱槽（９）に貯留される蓄熱媒体
として水（Ｗ）を単独で用いたが、その他、エチレング
リコール等を混入したブライン水溶液を採用してもよ
い。また、この開閉制御手段（16）として、上記第1,第
２電子膨張弁（４），（12）の各々の上流側に個別の開
閉弁を介設する場合もある。

更に、第１減圧機構は第１電子膨張弁（４）で構成した
が、該第１減圧機構は、電磁開閉弁とキャピラリを直列
に接続して構成してもよく、また、該キャピラリに代え
て感温筒を備えた温度式自動膨張弁を用い、電磁開閉弁
と該自動膨張弁とを直列に接続して構成してもよい。

また、製氷運転と解氷冷房運転とを常に同時運転する空
気調和装置にあっては、上記第１減圧機構は、電磁開閉
弁を省略し、キャピラリまたは温度式自動膨張弁で構成
してもよい。

（発明の効果） 上述の如く本発明は、以下に述べるような効果を有する
ものである。

先ず、請求項（１）記載の発明においては、回路切換手
段による回路接続を切換えることで、製氷運転時と解氷
冷房運転時とにおける製氷用熱交換器での冷媒の流通方
向を反対方向としたことにより、製氷運転時の冷媒下流
側で多量生成された氷の解氷冷房運転時における融解量
を多くすることで、製氷量の多い箇所と解氷量の多い箇
所とを一致させ、製氷管の全体に亘って着氷量の差の増
大が殆どなくなって、氷が局部的に成長することがなく
なり、氷同士のブロッキングを抑制し、該ブロッキング
による製氷管や蓄熱槽の破損が抑制されると共に、最適
な製氷が図れる。

また、請求項（２）記載の発明においては、回路切換手
段は第１および第２開閉弁、開閉制御手段で構成されて
おり、簡単な構造でもって請求項（１）記載の発明の効
果を発揮させることができる。また、第２電子膨張弁と
製氷用熱交換器とが並列に接続されていることにより、
解氷冷房運転時において、第２電子膨張弁の減圧作用に
より、製氷用熱交換器の第２熱交換器側端部と第１熱交
換器側端部との差圧によって、製氷用熱交換器の製氷管
内での冷媒流速を十分に得ることができ、効率良く冷熱
を回収することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は本発明の一実施例を示し、第１図は製
氷運転状態を示す本装置の回路図、第２図はその時の製
氷状態を示す蓄熱槽の縦断面図、第３図は解氷冷房運転
状態を示す第１図相当図、第４図はその時の氷融解状態
を示す第２図相当図である。第５図は従来の製氷、融解
状態を示す第２図相当図である。 （２）……圧縮機、（３）……室外熱交換器（第１熱交
換器）、（４）……第１電子膨張弁（第１減圧機構）、
（５）……室内熱交換器（第２熱交換器）、（６）……
冷媒配管、（９）……蓄熱槽、（10）……製氷用熱交換
器、（10a）……製氷管、（10b）……室外側連結端（第
１熱交換器側端部）、（10c）……室内側連結端（第２
熱交換器側端部）、（11）……第１開閉弁、（12）……
第２電子膨張弁（第２減圧機構）、（13）……短絡管、
（14）……第２開閉弁、（15）……回路切換手段、（1
6）……開閉制御手段、（Ｗ）……水（蓄熱媒体）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧縮機（２）、熱源側の第１熱交換器
   （３）、冷媒を減圧する第１減圧機構（４）および負荷
   側の第２熱交換器（５）を冷媒配管（６）で接続すると
   共に、蓄熱媒体（Ｗ）を貯留する蓄熱槽（９）を配設し
   てなる氷蓄熱式空気調和装置において、 上記冷媒配管（６）に介設されて製氷運転時に冷媒を減
   圧する第２減圧機構（12）と、 上記冷媒配管（６）に両端が接続されていて、蓄熱槽
   （９）内において冷媒との熱交換により蓄熱媒体（Ｗ）
   に冷熱を付与して蓄熱媒体（Ｗ）を氷化する製氷管（10
   a）を備えた製氷用熱交換器（10）と、 一端が該製氷用熱交換器（10）における第１熱交換器側
   端部（10b）近傍に、他端が上記圧縮機（２）吸込側の
   冷媒配管（６）に夫々接続された短絡管（13）と、 製氷運転時には、冷媒を第２減圧機構（12）より製氷用
   熱交換器（10）に第２熱交換器側端部（10c）から流す
   ことにより、蓄熱槽（９）内の蓄熱媒体（Ｗ）を冷却し
   て製氷用熱交換器（10）の製氷管（10a）の外周面に氷
   を付着生成させ、その後、冷媒を短絡管（13）を介して
   圧縮機（２）の吸込側に流す一方、解氷冷房運転時に
   は、冷媒を、第１熱交換器（３）より製氷用熱交換器
   （10）に第１熱交換器側端部（10b）から流すことによ
   り氷を融解しながら冷媒を冷却し、その後、該冷媒を第
   ２熱交換器（５）に供給するように回路接続を切換える
   回路切換手段（15）とが設けられていることを特徴とす
   る氷蓄熱式空気調和装置。
2. 【請求項２】上記請求項（１）記載の氷蓄熱式空気調和
   装置において、 第２減圧機構は流量制御可能な第２電子膨張弁（12）で
   構成され、 該第２電子膨張弁（12）と並列に製氷用熱交換器（10）
   が接続される一方、 上記回路切換手段（15）は、 製氷用熱交換器（10）における第１熱交換器側端部（10
   b）と、該製氷用熱交換器（10）に対する短絡管（13）
   の接続位置との間に介設された第１開閉弁（11）と、 短絡管（13）に介設された第２開閉弁（14）と、 製氷運転時に第１減圧機構（４）および第１開閉弁（1
   1）を全閉に、第２開閉弁（14）を全開に制御すると共
   に、第２電子膨張弁（12）を冷媒が減圧可能に開閉制御
   する一方、解氷冷房運転時には、第１開閉弁（11）を全
   開に、第２開閉弁（14）を全閉に制御する一方、第１減
   圧機構（４）を冷媒が減圧可能に、第２電子膨張弁（1
   2）を流量調整可能に夫々開閉制御する開閉制御手段（1
   6）とより構成されていることを特徴とする氷蓄熱式空
   気調和装置。