JP2002071285A - 蓄冷熱交換器及び車両用空調装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】蓄冷材の体積膨張に起因する破損を防止する蓄
冷熱交換器を提供すること。 【解決手段】二重管をなす外管（３２）と内管（３１）
の間に凝固する際に体積膨張する蓄冷材（３５）を封入
し、前記蓄冷材（３５）の中に収縮可能なチューブ（３
６）を挿入し、前記チューブ（３６）により前記蓄冷材
（３５）の体積膨張を吸収する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、空調装置等に用い
られる蓄冷熱交換器、及び蓄冷を利用した車両用空調装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】（第１の従来例）従来、蓄冷熱交換器と
して、例えば特開平６−１４７４６３号公報に開示され
ている装置がある。この装置は、外管内を内管が貫装す
る２重管構造をなし、内管内に冷媒を通し、内管と外管
の間に蓄冷材を充填する構造をなす蓄冷熱交換器であ
る。

【０００３】（第２の従来例）従来、蓄冷熱交換器を備
えた車両用空調装置として、例えば特開平６−２５５３
５０号公報に開示されている装置がある。この装置は、
送風通路内の一部を仕切壁により２通路に仕切り、一方
の通路に蓄冷及び蓄熱熱交換器を配設し、各蓄冷、蓄熱
熱交換器の上流側と下流側にそれぞれ切替扉を設け、冬
季や夏季のエンジン始動時に急速暖房または急速冷房を
可能にしたものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】（第１の従来例の問題
点）上記第１の従来例では、蓄冷熱交換器の小型化を図
ることはできるが、蓄冷材としての水などを凍結させて
潜熱を利用する場合、その凍結の際の体積膨張（水の場
合では約１０％膨張）により外管または内管に亀裂が入
り、蓄冷熱交換器が破損するという問題がある。

【０００５】（第２の従来例の問題点）上記第２の従来
例では、蓄冷、蓄熱した熱を急速暖房や急速冷房等、い
っときに大量の熱が必要な時までそのまま保持しておく
必要があるため、なるべく熱を逃がさないよう熱交換器
の上流側と下流側それぞれに切替扉を設けている。しか
し、車両が信号で一時停車し圧縮機運転に代えて蓄冷材
の冷熱を利用した蓄冷運転をする場合等、頻繁にかつ短
い時間に冷房をする場合には、必ずしも蓄冷熱交換器の
上流側と下流側の両方に切替扉（ダンパ）を設ける必要
はない。

【０００６】本発明の第１の目的は、蓄冷材の体積膨張
に起因する破損を防止する蓄冷熱交換器を提供すること
にある。

【０００７】本発明の第２の目的は、蓄冷熱交換器の上
流側と下流側の両方に切替扉を設ける必要のない車両用
空調装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決し目的を
達成するために、本発明の蓄冷熱交換器及び車両用空調
装置は以下の如く構成されている。

【０００９】（１）本発明の蓄冷熱交換器は、二重管を
なす外管と内管の間に凝固する際に体積膨張する蓄冷材
を封入し、前記蓄冷材の中に収縮可能なチューブを挿入
し、前記チューブにより前記蓄冷材の体積膨張を吸収す
る。

【００１０】（２）本発明の車両用空調装置は、冷房用
蒸発器の上流の通風路の一部を二つの通風路に分岐し、
前記二つの通風路のうち一方の通風路内に蓄冷型熱交換
器を設置し、その上流側に、前記二つの通風路のいずれ
か一方を選択して送風をするための切換扉を設け、前記
冷房用蒸発器を、常に送風空気の流れる通路内に設置し
た。

【００１１】

【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）図１は、本
発明の第１の実施の形態に係る蓄冷熱交換器の構成を示
す図、図２は図１におけるＩ−Ｉ断面図である。

【００１２】図１において、蓄冷熱交換器８は２重管構
造をなしており、内管３１は断面が円形（または楕円
形）のチューブを蛇行状に曲げた形状をなし、その直線
部分は外管３２の内部を貫通している。内管３１には、
入口部３１ａから冷媒が供給され、出口部３１ｂから冷
媒が流出する。

【００１３】外管３２は、断面が円形（または楕円形）
のチューブであり、内管３１の直線部分の外側に複数本
設置されており、その外表面には空気冷却用の複数の板
状伝熱フィン３３が付けられている。外管３２の内部に
おける内管３１の外側には蓄冷材（水等）３５が封入さ
れ、蓄冷材３５中には、樹脂製チューブ３６が挿入され
ている。

【００１４】樹脂製チューブ３６は細長い形状をなし、
外管３２の左端３２ａから右端３２ｂの全長にわたって
挿入され、その両端３６ａ、３６ｂは外管３２の左端３
２ａから外管３２の外側に出ている。樹脂製チューブ３
６の両端３６ａ、３６ｂを外管３２の外側に出している
のは、両端３６ａ、３６ｂの開口部から樹脂製チューブ
３６の中に蓄冷材が侵入することを防止するためであ
る。

【００１５】図1では、1本の外管３２の中に1本の樹脂
製チューブ３６が挿入されているが、複数本の樹脂製チ
ューブを挿入してもよい。また、樹脂製チューブ３６の
両端３６ａ、３６ｂが、外管３２の左端３２ａから外管
３２の外側に出ているが、左端３６ａを外管３２の左端
３２ａから外側に出し、右端３６ｂを外管３２の右端３
２ｂから外に出してもよい。

【００１６】外管３２の左端３２ａでは、樹脂製チュー
ブ３６と外管３２の隙間が、接着剤等（図示せず）で接
着されて密封されており、外管３２の右端３２ｂも閉鎖
されているため、外管３２の内部は密封されている。

【００１７】図１、図２には１列（横方向の内管３１の
数）３段（縦方向の内管３１の数）の例を示したが、列
数、段数ともこれに限らず、任意の複数列、複数段で構
成できる。また、１枚のフィン３３を１本の外管３２に
対応させた場合を示したが、１枚のフィン３３を複数
列、複数段の外管３２に対応させるようにしてもよい。

【００１８】図３は、上記蓄冷熱交換器８に挿入する樹
脂製チューブの詳細を示す図である。図３において、樹
脂製チューブ３６は、柔らかく変形自在な材質（シリコ
ン等）で内部は中空である。樹脂製チューブ３６の両端
３６ａ、３６ｂは通常開口しているが、閉塞されて内部
が密封された構造をなしてもよい。閉塞されて内部が密
封された構造の樹脂製チューブ３６の場合、その端部を
外管３２の外に取り出す必要はなく、蓄冷材３５と一緒
に外管３２の内部に封入しておいてもよい。

【００１９】樹脂製チューブ３６は、外側から圧力が加
わると変形し、内部の空気３７が両端３６ａ、３６ｂの
開口部から外部に排出されて、体積が収縮する。両端３
６ａ、３６ｂが閉塞されている場合は、外側から圧力が
加わると樹脂製チューブ３６が変形し、内部に密封され
た空気３７は圧縮される。

【００２０】蓄冷運転の場合、内管３１には入口部３１
ａから低温の冷媒が供給され、内管３１の外側と外管３
２の内側に封入された蓄冷材３５と熱交換し、蓄冷材３
５を冷却する。蓄冷材３５に水を使用した場合は、水は
冷媒に冷やされて氷となる。この時、氷は１０％体積膨
張するが、この体積膨張により樹脂チューブ３６に外側
から圧力が加わり、内部の空気３７が両端３６ａ、３６
ｂの開口部から外部に排出される（樹脂チューブ３６の
両端３６ａ、３６ｂの開口部が外部に開口されている場
合）。これにより、樹脂チューブ３６は収縮し、氷の体
積膨張を吸収し、過大な圧力が内管３１及び外管３２に
加わることを防ぐことができる。

【００２１】また樹脂チューブ３６の両端３６ａ、３６
ｂが閉塞されている場合は、樹脂チューブ３６の変形に
より内部の空気３７が圧縮され、樹脂チューブ３６は収
縮し、氷の体積膨張を吸収し、過大な圧力が内管３１お
よび外管３２に加わることを防ぐことができる。ただ
し、この場合には氷の体積膨張による内部の空気３７の
圧力上昇が、樹脂チューブ３６の強度に対し過度になら
ないよう、樹脂チューブ３６の内径、本数を決定する必
要がある。

【００２２】以上により、過大な圧力が内管３１および
外管３２に加わることを防ぐことができるので、外管３
２または内管３１に亀裂が入ることがなく、蓄熱熱交換
器が破損することもなくなる。

【００２３】放冷運転時には、内管３１内に低温冷媒は
供給されなくなり、外管３２の周りの空気は外管３２お
よびフィン３３を通して外管３２の内側にある蓄冷材３
５と熱交換し、冷やされる。蓄冷材３５が氷の場合に
は、氷が水になり、水の温度が周囲の空気の温度に近く
なるまで、周囲の空気を冷却することができる。氷が水
になる時、水の体積は減少するが、この水の体積減少分
だけ樹脂チューブ３６が膨張し元の状態に戻る。

【００２４】（第２の実施の形態）図４は、本発明の第
２の実施の形態に係る車両用空調装置の構成を示す図で
ある。この車両用空調装置は、上記第１の実施の形態に
示した蓄冷熱交換器８を用いている。

【００２５】図４において、圧縮機１は電磁クラッチ２
を介して車両用エンジン（図示せず）で駆動される。凝
縮器３は、圧縮機１で圧縮された冷媒ガスを凝縮液化
し、レシーバ４は液化された冷媒を貯める。

【００２６】冷房用蒸発器５は流入する空気を冷却・除
湿し、第１の膨張弁６は冷房用蒸発器５への冷媒供給量
を調節する。第１の電磁弁７は、開弁によりレシーバ４
から第１の膨張弁６を介して冷房用蒸発器５に冷媒を供
給し、閉弁により冷房用蒸発器５への冷熱の供給を遮断
する。

【００２７】蓄冷熱交換器８は、冷媒回路の構成上、上
記冷房用蒸発器５に並列に設けられており、構造の詳細
は後述する。第２の膨張弁９は蓄冷型熱交換器８への冷
媒供給量を調節し、第２の電磁弁１０は開弁によりレシ
ーバ４から第２の膨張弁９を介して蓄冷熱交換器８に冷
媒を供給し、閉弁により蓄冷熱交換器８への冷媒の供給
を遮断する。

【００２８】以上に説明した圧縮機１、凝縮器３、レシ
ーバ４、冷房用蒸発器５、蓄冷型熱交換器８、第１の膨
張弁６、第２の膨張弁９等の機器により、車両用の冷凍
サイクルが構成される。

【００２９】次に、Ａは車両用空調装置の室内ユニット
で、１２は外気吸込口、１３は内気吸込口、１４は外
気、内気の吸込口を切換える吸込口切換ダンパである。
送風用ブロア１５は、外気吸込口１２または内気吸込口
１３から空気を吸込んで、室内ユニットＡの送風通路Ｂ
に送風し、吹出口１６及び１７から車室内（図示せず）
に空調された空気を吹出す。

【００３０】送風通路Ｂは、送風用ブロア１５の下流の
Ｃ部で、仕切壁Ｇにより主送風通路Ｄと分岐送風通路Ｅ
に仕切って分岐し、分岐送風通路Ｅには蓄冷熱交換器８
が設置される。分岐送風通路Ｅの入口部には送風通路切
換ダンパ（切換扉）１８が設置され、主送風通路Ｄまた
は分岐送風通路Ｅのいずれかに送風を切換える。

【００３１】分岐送風通路Ｅは蓄冷熱交換器８の下流の
Ｆ部で主送風通路Ｄと合流する。常に送風空気の流れる
Ｆ部の下流には、冷房用蒸発器５が設置される。冷房用
蒸発器５の下流にはエンジン冷却水を熱源とするヒータ
コア１９が設置され、ヒータコア１９の入口部にはヒー
タコア１９を通過する温風とバイパスする冷風との風量
割合を調節するエアミックスダンパ２０が設置される。

【００３２】次に、本第２の実施の形態の作用を説明す
る。

【００３３】車両が走行中、電磁クラッチ２が接続状態
になると、車両エンジンにより圧縮機１が回転し、冷媒
ガスが圧縮される。圧縮された冷媒ガスは、凝縮器３で
凝縮液化された後、レシーバ４に貯えられる。

【００３４】この時、第１の電磁弁７と第２の電磁弁１
０は、交互に開弁と閉弁を繰り返す。一例として、４５
秒間は、第１の電磁弁７が開弁で第２の電磁弁１０が閉
弁、次の１５秒間は、第１の電磁弁７が閉弁で第２の電
磁弁１０が開弁となり、圧縮機１の運転中はこのパター
ンが繰り返される。

【００３５】このため、第１の電磁弁７が開弁の間、レ
シーバ４に貯えられた液化冷媒は、第１の電磁弁６で減
圧された後、冷房用蒸発器５内において蒸発する。この
時、第２の電磁弁１０は閉弁しているため、冷媒は蓄冷
型熱交換器８へは供給されない。

【００３６】その後、第２の電磁弁１０が開弁になる
と、レシーバ４に貯えられた液化冷媒は、第２の膨張弁
９で減圧された後、蓄冷熱交換器８内において蒸発す
る。この時、第１の電磁弁７は閉弁しているため、冷媒
は冷房用蒸発器５へは供給されない。

【００３７】この間、送風通路切換ダンパ１８は主送風
通路Ｄを全開とし、分岐送風通路Ｅを全閉としているた
め、送風用ブロア１５の送風空気は、冷房用蒸発器５に
おいて冷却されて冷風となり、蓄冷熱交換器８への送風
空気は遮断される。

【００３８】通常の冷房時は、エアミックスダンパ２０
は、ヒータコア１９への通風路を全閉にしているため、
冷房用蒸発器５で冷却された冷風はヒータコア１９をバ
イパスして吹出口１６及び１７から車室内（図示せず）
に吹出される。

【００３９】蓄冷熱交換器８では、第２の電磁弁１０が
開弁の間、内管３１に冷媒が供給されるため、内管３１
と外管３２の間に封入された蓄冷材３５が冷却される。

【００４０】ここで、蓄冷熱交換器８の交換熱量が冷房
用蒸発器５の交換熱量に比べて大幅に小さいうえ、送風
通路切換ダンパ１８により蓄冷熱交換器８へは風が遮断
されているため、第２の電磁弁１０が開弁時の蓄冷熱交
換器８の冷媒蒸発温度は、第１の電磁弁７が開弁時の冷
房用蒸発器５の冷媒蒸発温度（０℃程度）に比べて低く
なり、−１０℃程度まで低下する。これにより、冷媒蒸
発温度と蓄冷材（水）３５の凝固温度（０℃）の温度差
が大になるため、蓄冷材３５は急速に冷却されて凝固す
る。

【００４１】蓄冷材（水）３５は、凝固すると体積が約
１０％増加するため、蓄冷熱交換器８の内管３１、外管
３２及び樹脂製チューブ３６に圧力が加わる。これによ
り樹脂製チューブ３６は変形し、チューブ内の空気３７
が両端３６ａ，３６ｂの開口部から外部に排出されて、
体積が収縮する。このため、蓄冷材の体積増加が吸収さ
れて、蓄冷熱交換器８の内管３１、外管３２に加わる圧
力は緩和され、亀裂等の破損は起こらない。

【００４２】なお、第１の電磁弁７が開弁時には、逆止
弁１１によって、温度の高い冷房用蒸発器５から温度の
低い蓄冷熱交換器８への冷媒の逆流が阻止されるため、
この間、蓄冷熱交換器８内の冷媒は低温状態を保つ。

【００４３】蓄冷材３５は、内管３１と外管３２の隙間
に薄く封入されているため、以上のような冷媒の冷却作
用により短時間に潜熱を放出し、５分程度の走行時間中
に凝固して蓄冷が完了する。

【００４４】その後、交差点や踏切りで車両が一時停車
し、アイドリング運転またはエンジンを停止した時、電
磁クラッチ２を非接続状態として、圧縮機１を停止す
る。圧縮機１の停止中は、第１の電磁弁７と第２の電磁
弁１０は、閉弁とする。

【００４５】この時、送風通路切換ダンパ１８を、主送
風通路Ｄを全閉とし、分岐送風通路Ｅを全開とするよう
に切換えることにより、送風用ブロア１５の送風空気
は、蓄冷熱交換器８を通過する。蓄冷熱交換器８の外管
３２には板状伝熱フィン３３が付けられているため、送
風空気は、外管３２と内管３１の間に封入された蓄冷材
３５と熱交換し、蓄冷材３５の融解潜熱により即時に冷
却されて冷風となる。

【００４６】蓄冷熱交換器８を通過した冷風は、冷房用
蒸発器５を通過した後、ヒータコア１９をバイパスして
吹出口１６及び１７から車室内（図示せず）に吹出され
る。

【００４７】ここで、圧縮機１を停止した時、第１の電
磁弁７が閉弁され、レシーバ４から冷房用蒸発器５へ高
温冷媒（５５℃程度）が流れ込むことが防止されるた
め、冷房用蒸発器５が即時に温度上昇することは無い。
このため、圧縮機１の停止直前に低温状態（約０℃）で
あった冷房用蒸発器５は、その熱容量による蓄冷熱によ
り、通過する送風空気を更に冷却する。

【００４８】以上のような蓄冷熱交換器８による冷却作
用と冷房用蒸発器５の熱容量による冷却作用とにより、
吹出口１６及び１７から吹出される送風空気は、１分程
度の間、１５℃以下の低温を維持する。

【００４９】次に、本第２の実施の形態の効果を説明す
る。

【００５０】（１）車両の走行中に蓄冷熱交換器で蓄冷
することができるため、交差点や踏切りで一旦停車した
時に圧縮機の運転を停止して蓄冷熱による冷房を行なう
ことができる。これにより、冷房のために車両のエンジ
ンを運転する必要が無くなり、一旦停車時のエンジン停
止を行なうことにより、車両の燃費低減と排気ガスの削
減を図ることができる。最近は排気ガス削減のため、バ
ス等では信号で停車すると自動的にエンジンを停止する
ものが増えてきており、このような場合には特に有効と
なる。

【００５１】また、車両の一旦停車時にアイドリング運
転を行なう場合にも、圧縮機の停止により、車両のエン
ジン動力を低減して省燃費化を図ることができる。

【００５２】（２）２重管構造の熱交換器の外管と内管
の間の狭い隙間に蓄冷材を薄く封入する構造としたた
め、冷媒と蓄冷材の熱交換性能が向上し、５分程度の短
時間の蓄冷運転で蓄冷材を凝固させて蓄冷を完了するこ
とができる。

【００５３】（３）蓄冷材が凝固する際の体積増加を樹
脂製チューブの収縮により吸収できるため、蓄冷熱交換
器の内管及び外管に加わる圧力が緩和され、亀裂等の破
損を防止することができる。

【００５４】（４）２重管構造の熱交換器の外管と内管
の間の狭い隙間に蓄冷材を薄く封入し、外管の外表面に
伝熱フィンを付けた構造としたため、蓄冷材と通過空気
の熱交換性能が向上し、放冷時に大きな冷房能力を得る
ことができる。

【００５５】（５）放冷時、送風空気は蓄冷熱交換器を
通過した後に冷房用蒸発器を通過するため、蓄冷熱交換
器で冷却された後、更に冷房用蒸発器の熱容量による蓄
冷熱で冷却され、冷房能力が向上する。

【００５６】なお、本発明は上記各実施の形態のみに限
定されず、要旨を変更しない範囲で適時変形して実施で
きる。

【００５７】

【発明の効果】本発明の蓄冷熱交換器によれば、二重管
における外管と内管の間に、凝固する際に体積膨張する
ような蓄冷材を封入し、前記蓄冷材の中に収縮可能なチ
ューブを挿入することで、前記蓄冷材の体積膨張を吸収
し、前記外管と内管に過大な圧力がかかることを防ぐこ
とができるため、前記蓄冷材の体積膨張に起因する蓄冷
熱交換器の破損を防止することができる。

【００５８】本発明の車両用空調装置によれば、車両が
信号等で一旦停車してエンジンをストップした時に蓄冷
材の蓄冷熱で車室内を冷房するための空調装置におい
て、冷房用蒸発器上流の通風路を二分し、その一方の通
風路内に蓄冷熱交換器及びその上流側に通風路切替用の
切換扉を設けることで、蓄冷熱交換器の上流側と下流側
の両方に切替扉を設ける必要がなくなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る蓄冷熱交換器の構成
を示す図。

【図２】本発明の実施の形態に係る蓄冷熱交換器の構成
を示す断面図。

【図３】本発明の実施の形態に係る樹脂製チューブの詳
細を示す図。

【図４】本発明の実施の形態に係る車両用空調装置の構
成を示す図。

【符号の説明】

Ａ…室内ユニット １…圧縮機 ２…電磁クラッチ ３…凝縮器 ４…レシーバ ５…冷房用蒸発器 ６…第１の膨張弁 ７…第１の電磁弁 ８…蓄冷熱交換器 ９…第２の膨張弁 １０…第２の電磁弁 １１…逆止弁 １２…外気吸込口 １３…内気吸込口 １４…吸込口切換ダンパ １５…送風用ブロア １６、１７…吹出口 １８…送風通路切換ダンパ １９…ヒータコア ２０…エアミックスダンパ ３１…内管 ３１ａ…入口部 ３１ｂ…出口部 ３２…外管 ３３…フィン ３５…蓄冷材 ３６…樹脂製チューブ ３７…空気

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】二重管をなす外管と内管の間に凝固する際
   に体積膨張する蓄冷材を封入し、 前記蓄冷材の中に収縮可能なチューブを挿入し、 前記チューブにより前記蓄冷材の体積膨張を吸収するこ
   とを特徴とする蓄冷熱交換器。
2. 【請求項２】冷房用蒸発器の上流の通風路の一部を二つ
   の通風路に分岐し、 前記二つの通風路のうち一方の通風路内に蓄冷型熱交換
   器を設置し、 その上流側に、前記二つの通風路のいずれか一方を選択
   して送風をするための切換扉を設け、 前記冷房用蒸発器を、常に送風空気の流れる通路内に設
   置したことを特徴とする車両用空調装置。