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JP2012072963A - 蓄熱装置及び該蓄熱装置を備えた空気調和機 - Google Patents

蓄熱装置及び該蓄熱装置を備えた空気調和機 Download PDF

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JP2012072963A
JP2012072963A JP2010218188A JP2010218188A JP2012072963A JP 2012072963 A JP2012072963 A JP 2012072963A JP 2010218188 A JP2010218188 A JP 2010218188A JP 2010218188 A JP2010218188 A JP 2010218188A JP 2012072963 A JP2012072963 A JP 2012072963A
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Tomoki Morikawa
智貴 森川
Kensho Yamamoto
憲昭 山本
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Abstract

【課題】圧縮機で発生した熱を蓄積する蓄熱材を効率的に熱交換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。
【解決手段】圧縮機6を囲むように配設され、圧縮機6で発生した熱を蓄積するための蓄熱装置を、圧縮機6で発生した熱を蓄積する蓄熱材を収容する蓄熱槽32と、その周囲に設けられた断熱材58と、蓄熱槽32に収容された蓄熱熱交換器34とで構成し、断熱材58の高さ方向の重心位置を蓄熱槽32の高さ方向の中心位置よりも下方に設定した。
【選択図】図6

Description

本発明は、圧縮機を囲むように配置され圧縮機で発生した熱を蓄積する蓄熱材を収容する蓄熱装置及びこ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による暖房運転時、室外熱交換器に着霜した場合には、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る。
そこで、室外機に設けられた圧縮機に蓄熱装置を設け、暖房運転中に蓄熱槽に蓄えられた圧縮機の廃熱を利用して除霜するようにしたものが提案されており、このとき、蓄熱槽に蓄えられた廃熱を出来る限り漏らさないように断熱材の使用が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特開昭63−204072号公報
特許文献1に記載の蓄熱装置においては、断熱材を圧縮機と蓄熱槽の周囲に配設するという提案がなされている。しかしながらその詳細については記載されておらず、実際に使用するには不十分であり、工夫の余地がある。つまり、蓄熱槽から外部への熱の漏洩は一様ではなく、場所によりその程度が大きい部分もあれば小さい部分もあるため、単純に断熱材を圧縮機と蓄熱槽の周囲に配設すれば良いのではなく、その配設方法が重要となってくる。
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、圧縮機で発生した熱を効率的に蓄積する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に、本発明は、圧縮機を囲むように配設され、圧縮機で発生した熱を蓄積するための蓄熱装置であって、圧縮機で発生した熱を蓄積する蓄熱材と、蓄熱材を収容する蓄熱槽と、蓄熱槽に設けられた断熱材とを備え、断熱材の高さ方向の中心位置を蓄熱槽の高さ方向の中心位置よりも下方に設定している。
上記構成の蓄熱装置において、蓄熱材に蓄積された熱は、とりわけ温度の低い地面もしくはその近傍へと漏洩しやすいが、本発明では、断熱材が熱が漏洩しやすい蓄熱槽の下方を中心に配設されているので、効率よく断熱することができる。
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 圧縮機とアキュームレータを取り付けた状態の本発明に係る蓄熱装置の斜視図 図4の蓄熱装置の分解斜視図 断熱材配設時の斜視図 図4の蓄熱装置の斜視図 図7における線VII−VIIに沿った断面図 図7における線VIII−VIIIに沿った断面図
本発明は、圧縮機を囲むように配設され、圧縮機で発生した熱を蓄積するための蓄熱装置であって、圧縮機で発生した熱を蓄積する蓄熱材と、蓄熱材を収容する蓄熱槽と、蓄熱槽に設けられた断熱材とを備え、断熱材の高さ方向の中心位置を蓄熱槽の高さ方向の中心位置よりも下方に設定している。
この構成により、蓄熱槽に収容された蓄熱材の熱の漏洩を効率よく抑えることができる。
具体的には、蓄熱材に蓄積された熱は外気により徐々に温度が下がっていく。とりわけ、地面、もしくはその近傍へと奪われる熱量が大きく、そのため断熱材をより低部へ配置することがその防止に効果的となる。
さらには、蓄熱槽に圧縮機よりも上方もしくは下方に延在する延在部を設け、断熱材を圧縮機の周囲には配設せずに延在部の周囲にのみ配設することにより、断熱材の使用量を低減できるだけでなく、特に夏場の外気温の高い状態において、圧縮機の放熱を妨げないようにできる。
またさらには、断熱材を少なくとも蓄熱槽の底面に配設することにより、温度の低い地面への熱の漏洩を防ぐことができる。
さらに、この断熱材として断熱効率の良い真空方式のものを用いることにより、その容積が小さくてすむため、室外機内の断熱材に使用されるスペースの削減、しいては室外機サイズの小型化につながる。
また、本発明の他の態様は、圧縮機と、圧縮機を囲むように配設された上述した構成の蓄熱装置と、を備える空気調和機である。
さらに、この蓄熱装置を備えた空気調和機において、圧縮機の立ち上がり時において蓄熱熱交換器に冷媒を流すことにより、この蓄熱装置も熱源となり、冷媒が奪える熱量が多くなるため、冷凍サイクルが不安定になりがちな圧縮機の立ち上がり時においても、その性能を確保できる。
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。
(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2
0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及び図5は蓄熱装置を示しており、蓄熱装置は、上述したように、蓄熱槽32と蓄熱熱交換器34と蓄熱材36とで構成されている。なお、図4は、圧縮機6と、圧縮機6に組み付けられるアキュームレータ26を蓄熱装置に取り付けた状態を示している。また、図5は蓄熱装置の分解斜視図である。
図5に示されるように、蓄熱槽32は、側壁46aと底壁(図示せず)を有し上方が開口した樹脂製の蓄熱槽本体46と、この蓄熱槽本体46の上方開口部を閉塞する樹脂製の蓋体48と、蓄熱槽本体46と蓋体48の間に介装されシリコンゴム等で作製されたパッキン50とを備え、蓋体48は蓄熱槽本体46に螺着される。また、蓄熱槽本体46の側壁46aの一部(つまり、側壁46aで圧縮機6と対向する部分)は開口しており、この開口部46bの周縁には、圧縮機6の外周面と密着するための密着部材52が接合される。
密着部材52は、枠体54とシート部材56とで構成されており、全体として所定の直径の円筒の一部を切り欠いた形状を呈している。なお、密着部材52の内側には、圧縮機6が収容されることから、取付公差等を考慮して密着部材52の内径は圧縮機6の外径より僅かに大きく設定される。
また、枠体54には、上下方向の中間部から下部にかけて開口部54aが形成されており、この開口部54aを閉塞するようにシート部材56は枠体54に接合される。
蓄熱槽32はバンド33で圧縮機6に密着固定されている。
また、図5では側壁46aに開口部46bがある例で説明したが、本発明はこの構成に限定されるものではなく、このような開口部46bがないものであっても良い。この場合、蓄熱槽32の伝熱部と圧縮機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)のシート部材を蓄熱槽32と圧縮機6との間に介在させると良い。
蓄熱熱交換器34は、例えば銅管等を蛇行状に折曲したもので、蓄熱槽本体46の内部に収容されており、蓄熱熱交換器34の両端は蓋体48から上方に延出され、一端は第6配管38(図1参照)に接続される一方、他端は第7配管40(図1参照)に接続される。また、蓄熱熱交換器34が収容され、側壁46aと底壁と密着部材52で囲繞された蓄熱槽本体46の内部空間には、蓄熱材36が充填される。
図6は、蓄熱槽32を囲むように配設された断熱材58の様子を表している。この断熱材58は、蓄熱槽32の外周方向に位置する蓄熱槽外周断熱材58aと、蓄熱槽32の下方に位置する蓄熱槽底面断熱材58bと、で形成される。暖房運転時の外気は温度が低く、蓄熱材36の温度が低下しにくいように配設しているのであるが、室外においてはとりわけ地面の温度が低く、蓄熱槽32の下方への熱の漏洩が大きいため、このように断熱材58を蓄熱槽32の下部を中心に配設しているのである。
図6に付与した記号を参照しながらさらに詳述すると、断熱材58の底面からの高さをT1,蓄熱槽32の底面からの高さをT2としたとき、本発明においてはT1/2をT2/2よりも下方に位置させている。あるいは、断熱材58の高さ方向の重心位置P1(図示せず)、蓄熱槽32の高さ方向の重心位置をP2(図示せず)としたとき、P1をP2よりも下方に位置させてもよい。
なお、図6に示すように蓄熱槽底面断熱材58bを配設するとより効果的ではあるものの、蓄熱槽外周断熱材58aのみでも蓄熱材36の保温効果は十分に得られ、効果的である。
さらに、本発明における断熱材58には、その搭載スペースを極力小さくするために、断熱性能の高い真空断熱材を使用している。
ここで、蓄熱装置には、内部に充填された蓄熱材36を撹拌するための撹拌手段は設けられておらず、蓄熱材36の温度分布は均一ではないことから、本発明においては、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34を蓄熱槽32の上部に配置している。
すなわち、蓄熱熱交換器34の内部を通過する冷媒と、冷媒と熱交換を行う蓄熱材36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36は蓄熱槽32内の上方に集まり、低温の蓄熱材36は蓄熱槽32内の下方に集まることから、図7乃至図9に示されるように、屈曲部34aと、屈曲部34aの両端より上方に直線状に延びる直線部34bを有する蓄熱熱交換器34は、屈曲部34aの全体が蓄熱槽32の上部の所定の範囲で蓄熱槽本体46の内壁面に沿うように湾曲して配置されている。
図8を参照しながらさらに詳述すると、蓄熱槽32の底面からの高さをH1、蓄熱槽32の底面からの高さ方向の中心位置をH2(H2=H1/2)、蓄熱槽32の底面からの蓄熱熱交換器34の屈曲部34aの下端の高さをH3、蓄熱槽32の上面からの蓄熱熱交換器34の屈曲部34aの上端までの距離をH4とすると、本発明においては、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34の高さ方向の重心位置CoBは蓄熱槽32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34の高さ方向の重心位置CoBは、蓄熱交換器34の屈曲部34aと直線部34bを合わせた部分の重心位置のことである。ここで、蓄熱装置において、圧縮機6からの熱は蓄熱材36に蓄積されるが、蓄熱槽32の上方の蓄熱材36の方が下方の蓄熱材36よりも高温になる。本蓄積装置では、蓄熱熱交換器34の重心位置が蓄熱槽32の高さ方向の中心位置よりも上方に設定されているので、蓄熱熱交換器34は、主として、蓄熱材36において相対的に高温部分と熱交換を行う。言い換えると、本蓄熱熱交換器34は、蓄熱材36と効率的に熱交換を行うことができる。
また、本実施形態では、蓄熱熱交換器34の下端の高さH3は、蓄熱槽32の高さ方向の中心位置H2よりも下方で、中心位置H2の近傍に位置するように設定している。その結果、蓄熱熱交換器34のすべてができるだけ高温の蓄熱材36に接触するようになる。これにより、蓄熱熱交換器34は、蓄熱材36とより効率的に熱交換を行うことができる。
一方、蓄熱槽32の上面からの蓄熱熱交換器34の屈曲部34aの上端までの距離H4は、蓄熱槽32の傾斜を考慮して決定される。すなわち、圧縮機6や蓄熱槽32は通常室外機2に収容され、室外機2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、蓋体48が蓄熱材36の液面に浸からない程度に、蓄熱材36を蓄熱槽32に入れた場合に、蓄熱槽32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34の屈曲部34aが常に蓄熱材36に浸漬するように、蓄熱熱交換器34の屈曲部34aの上端が、蓄熱槽32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34は蓄熱槽32の内部に設置される。なお、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。
なお、蓄熱熱交換器34の重心位置をH2より上方に配置せずとも、蓄熱熱交換器34の全管長の中心位置をH2よりも上方に配置しても構わない。
また、図4及び図7に示すように、蓄熱槽32を圧縮機6の上方にも延在させ、当該延在部にも蓄熱熱交換器34を設けることで、熱容量を確保することができる。
さらに、このように断熱材58を配設することにより、運転停止中も保温された蓄熱材36によって圧縮機6の温度低下も防ぐことができ、その結果、圧縮機6内の潤滑油の粘度を保てるため、冷凍サイクルが不安定になりがちなその立ち上がり時においても、性能を確保できる。その上で、蓄熱材36に蓄積された熱を利用するため、運転開始時に蓄熱熱交換器34に冷媒を流してもよい。
また、本実施の形態では、蓄熱装置を圧縮機6に対し着脱自在の構成としているが、圧縮機6の外殻と蓄熱槽本体46とを金属製とし、両者を溶接等で固着するようにしても構わない。このような固着タイプの蓄熱槽においても、断熱材58の配設位置を上述したように寸法設定することができる。
さらに、本実施の形態では、蓄熱熱交換器34は蓄熱槽32の内部に収容される場合について説明したが、圧縮機6の外周面に蓄熱熱交換器を直接巻きつけ、そのさらに周囲に断熱材を配設したものにおいても、本実施の形態と同様に寸法設定することができる。
本発明に係る蓄熱装置は、効率的な熱交換を考慮して、蓄熱槽内部における蓄熱熱交換器の設置位置を適宜設定しているので、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、 32 蓄熱槽、 34 蓄熱熱交換器、
34a 屈曲部、 34b 直線部、 36 蓄熱材、 38 第6配管、
40 第7配管、 42 第2電磁弁、 44 温度センサ、 46 蓄熱槽本体、
46a 側壁、 46b 側壁開口部、 48 蓋体、 50 パッキン、
52 密着部材、 54 枠体、 54a 開口部、 56 シート部材、
58 断熱材、 58a 蓄熱槽外周断熱材、58b 蓄熱槽底面断熱材

Claims (6)

  1. 圧縮機を囲むように配設され、該圧縮機で発生した熱を蓄積するための蓄熱装置であって、
    前記圧縮機で発生した熱を蓄積する蓄熱材と、前記蓄熱材を収容する蓄熱槽と、前記蓄熱槽に設けられた断熱材とを備え、
    前記断熱材の高さ方向の中心位置を前記蓄熱槽の高さ方向の中心位置よりも下方に設定したことを特徴とする蓄熱装置。
  2. 前記蓄熱槽に前記圧縮機よりも上方もしくは下方に延在する延在部を設け、前記断熱材は前記延在部の周囲にのみ配設したことを特徴とする請求項1に記載の蓄熱装置。
  3. 前記断熱材は少なくとも前記蓄熱槽の底面に配設されていることを特徴とする請求項1もしくは2に記載の蓄熱装置。
  4. 前記断熱材に真空方式のものを用いたことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の蓄熱装置。
  5. 請求項1乃至4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。
  6. 前記蓄熱槽の内部に蓄熱熱交換器を設け、前記圧縮機の立ち上がり時に、前記蓄熱熱交換器に冷媒を流すように設定したことを特徴とする請求項5に記載の空気調和機。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014211283A (ja) * 2013-04-19 2014-11-13 株式会社東芝 冷凍サイクル装置

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JP2014211283A (ja) * 2013-04-19 2014-11-13 株式会社東芝 冷凍サイクル装置

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