JP2004322914A - 複合サイクル用熱交換器 - Google Patents
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Abstract
【課題】蒸気圧縮式冷凍サイクルとランキンサイクルとを有する複合サイクルにおいて、熱交換器の設置性を向上させる。
【解決手段】放熱器と凝縮器とを一体化してプランジャ３５を変位させることにより、放熱コア部３３のうち放熱器２として機能する部分と凝縮器１２として機能する部分との割合を変化させる。これにより、複合サイクルの放熱器を搭載するために多くのスペースを必要としない。また、放熱コア部３３のうち放熱器２として機能する部分と凝縮器１２として機能する部分とが１つの熱交換器３０内において分離されるので、蒸気圧縮式冷凍サイクルの高圧側冷媒圧力がランキンサイクルの凝縮圧力側に上昇して両圧力が均圧してしまうといったことは原理的に発生しない。したがって、圧縮機１の吐出圧が上昇して圧縮機１での消費動力が増大してしまうといった問題が発生しないので、蒸気圧縮式冷凍サイクルの成績係数が悪化してしまうことを防止できる。
【選択図】 図２
【解決手段】放熱器と凝縮器とを一体化してプランジャ３５を変位させることにより、放熱コア部３３のうち放熱器２として機能する部分と凝縮器１２として機能する部分との割合を変化させる。これにより、複合サイクルの放熱器を搭載するために多くのスペースを必要としない。また、放熱コア部３３のうち放熱器２として機能する部分と凝縮器１２として機能する部分とが１つの熱交換器３０内において分離されるので、蒸気圧縮式冷凍サイクルの高圧側冷媒圧力がランキンサイクルの凝縮圧力側に上昇して両圧力が均圧してしまうといったことは原理的に発生しない。したがって、圧縮機１の吐出圧が上昇して圧縮機１での消費動力が増大してしまうといった問題が発生しないので、蒸気圧縮式冷凍サイクルの成績係数が悪化してしまうことを防止できる。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸気圧縮式冷凍サイクルとランキンサイクルとを有する複合サイクルに適用される熱交換器に関するもので、車両用冷凍機に適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術】
従来の車両用冷凍機では、走行用の内燃機関（エンジン）の排熱にて生成された過熱蒸気を圧縮機に供給して圧縮機を膨脹機として稼動させることより廃熱から動力を回収している（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
しかし、特許文献１に記載の発明では、圧縮機に過熱蒸気を供給して圧縮機を膨脹機として稼動させているので、夏場等の蒸気圧縮式冷凍サイクルを稼動させているときは、圧縮機を膨脹機として稼動させることができず、廃熱から動力を回収することができない。
【０００４】
これに対して、蒸気圧縮式冷凍サイクルとは別に廃熱から動力を回収するランキンサイクルを設け、このランキンサイクルにて回収した動力を蒸気圧縮式冷凍サイクルの圧縮機に与える複合サイクルがある（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特許第２５４０７３８号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開昭５５−９９５６１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献２に記載の発明では、ランキンサイクルと蒸気圧縮式冷凍サイクルとを同時運転することができるものの、蒸気圧縮式冷凍サイクル用の放熱器とランキンサイクル用の凝縮器とを必要とするので、放熱用熱交換器の設置スペースが増大してしまう。
【０００８】
このため、自動車等の設置スペースが限られたものには、複合サイクルを搭載することが難しい。
【０００９】
また、一般的に、ランキンサイクルの凝縮圧力は、蒸気圧縮式冷凍サイクルの高圧側冷媒圧力よりも高いので、ランキンサイクル用の循環流体を蒸気圧縮式冷凍サイクル用の冷媒と同種の流体を用いて、蒸気圧縮式冷凍サイクル用の放熱器２とランキンサイクル用の凝縮器と共用化すると、蒸気圧縮式冷凍サイクルの高圧側冷媒圧力がランキンサイクルの凝縮圧力側に上昇して両圧力が均圧してしまう。
【００１０】
このため、圧縮機の吐出圧が上昇して圧縮機での消費動力が増大してしまうので、蒸気圧縮式冷凍サイクルの成績係数が悪化してしまい、蒸気圧縮式冷凍サイクルで十分な冷凍能力が発揮されないおそれがある。
【００１１】
本発明は、上記点に鑑み、第１には、従来と異なる新規な熱交換器を提供し、第２には、複合サイクル用熱交換器の設置性を向上させることを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、低圧の冷媒を蒸発させる蒸発器（５）、及び圧縮機（１）から吐出した高圧冷媒を冷却する放熱器（２）を有し、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍サイクル（１〜５）と、過熱蒸気を膨脹させてエネルギを取り出すとともに、膨脹を終えた蒸気を冷却して凝縮させる凝縮器（１２）を有するランキンサイクル（１０〜１５）と備える複合サイクルに用いられる熱交換器であって、流体が流通する放熱コア部（３３）、並びに放熱コア部（３３）のうち圧縮機（１）から吐出した高圧冷媒を流通させて放熱器（２）として機能させる部分と、放熱コア部（３３）のうち膨脹を終えた蒸気を流通させて凝縮器（１２）として機能させる部分との割合を変化させる機能割合変更手段（３５〜３７）を備えることを特徴とする。
【００１３】
これにより、放熱器（２）と凝縮器（１２）とを一体化して機能割合変更手段にて放熱コア部（３３）のうち放熱器（２）として機能する部分と凝縮器（１２）として機能する部分との割合を変化させるので、複合サイクルの放熱器を搭載するために多くのスペースを必要としない。
【００１４】
また、放熱コア部（３３）のうち放熱器（２）として機能する部分と凝縮器（１２）として機能する部分とが１つの熱交換器内において分離されるので、蒸気圧縮式冷凍サイクルの高圧側冷媒圧力がランキンサイクルの凝縮圧力側に上昇して両圧力が均圧してしまうといったことは原理的に発生しない。
【００１５】
したがって、圧縮機（１）の吐出圧が上昇して圧縮機（１）での消費動力が増大してしまうといった問題が発生しないので、蒸気圧縮式冷凍サイクルの成績係数が悪化してしまうことを防止して、蒸気圧縮式冷凍サイクルで十分な冷凍能力が発揮さることができる。
【００１６】
請求項２に記載の発明では、低圧の冷媒を蒸発させる蒸発器（５）、及び圧縮機（１）から吐出した高圧冷媒を冷却する放熱器（２）を有し、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍サイクル（１〜５）と、過熱蒸気を膨脹させてエネルギを取り出すとともに、膨脹を終えた蒸気を冷却して凝縮させる凝縮器（１２）を有するランキンサイクル（１０〜１５）と備える複合サイクルに用いられる熱交換器であって、流体が流通する複数本のチューブ（３１）を有して構成された放熱コア部（３３）、チューブ（３１）の長手方向と直交する方向に延びて複数本のチューブ（３１）と連通するヘッダタンク（３４）、並びにヘッダタンク（３４）に設けられ、放熱コア部（３３）のうち圧縮機（１）から吐出した高圧冷媒を流通させて放熱器（２）として機能させる部分と、放熱コア部（３３）のうち膨脹を終えた蒸気を流通させて凝縮器（１２）として機能させる部分との割合を変化させる機能割合変更手段（３５〜３７）を備えることを特徴とする。
【００１７】
これにより、放熱器（２）と凝縮器（１２）とを一体化して機能割合変更手段にて放熱コア部（３３）のうち放熱器（２）として機能する部分と凝縮器（１２）として機能する部分との割合を変化させるので、複合サイクルの放熱器を搭載するために多くのスペースを必要としない。
【００１８】
また、放熱コア部（３３）のうち放熱器（２）として機能する部分と凝縮器（１２）として機能する部分とが１つの熱交換器内において分離されるので、蒸気圧縮式冷凍サイクルの高圧側冷媒圧力がランキンサイクルの凝縮圧力側に上昇して両圧力が均圧してしまうといったことは原理的に発生しない。
【００１９】
したがって、圧縮機（１）の吐出圧が上昇して圧縮機（１）での消費動力が増大してしまうといった問題が発生しないので、蒸気圧縮式冷凍サイクルの成績係数が悪化してしまうことを防止して、蒸気圧縮式冷凍サイクルで十分な冷凍能力が発揮さることができる。
【００２０】
請求項３に記載の発明では、機能割合変更手段は、ヘッダタンク（３４）の長手方向と直交する方向に変位してヘッダタンク（３４）内を複数の空間に仕切る場合と仕切らない場合とを変更することにより、放熱器（２）として機能させる部分と凝縮器（１２）として機能させる部分との割合を変化させることを特徴とするものである。
【００２１】
請求項４に記載の発明では、機能割合変更手段は、貫通穴（３８ａ）が設けられた弁体（３８）をヘッダタンク（３４）内で回転させてヘッダタンク（３４）内を複数の空間に仕切る場合と仕切らない場合とを変更することにより、放熱器（２）として機能させる部分と凝縮器（１２）として機能させる部分との割合を変化させることを特徴とするものである。
【００２２】
請求項５に記載の発明では、機能割合変更手段は、バタフライ方式の弁体（４０）をヘッダタンク（３４）内で回転させてヘッダタンク（３４）内を複数の空間に仕切る場合と仕切らない場合とを変更することにより、放熱器（２）として機能させる部分と凝縮器（１２）として機能させる部分との割合を変化させることを特徴とするものである。
【００２３】
請求項６に記載の発明では、低圧の冷媒を蒸発させる蒸発器（５）、及び圧縮機（１）から吐出した高圧冷媒を冷却する放熱器（２）を有し、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍サイクル（１〜５）と、過熱蒸気を膨脹させてエネルギを取り出すとともに、膨脹を終えた蒸気を冷却して凝縮させる凝縮器（１２）を有するランキンサイクル（１０〜１５）と備える複合サイクルに用いられる熱交換器であって、流体が流通する複数本のチューブ（３１）を有して構成された放熱コア部（３３）、チューブ（３１）の長手方向と直交する方向に延びて複数本のチューブ（３１）と連通するヘッダタンク（３４）、並びにヘッダタンク（３４）内にてその長手方向に変位し、放熱コア部（３３）のうち圧縮機（１）から吐出した高圧冷媒を流通させて放熱器（２）として機能させる部分と、放熱コア部（３３）のうち膨脹を終えた蒸気を流通させて凝縮器（１２）として機能させる部分との割合を変化させる機能割合変更手段（４１〜４３）を備えることを特徴とする。
【００２４】
これにより、放熱器（２）と凝縮器（１２）とを一体化して機能割合変更手段にて放熱コア部（３３）のうち放熱器（２）として機能する部分と凝縮器（１２）として機能する部分との割合を変化させるので、複合サイクルの放熱器を搭載するために多くのスペースを必要としない。
【００２５】
また、放熱コア部（３３）のうち放熱器（２）として機能する部分と凝縮器（１２）として機能する部分とが１つの熱交換器内において分離されるので、蒸気圧縮式冷凍サイクルの高圧側冷媒圧力がランキンサイクルの凝縮圧力側に上昇して両圧力が均圧してしまうといったことは原理的に発生しない。
【００２６】
したがって、圧縮機（１）の吐出圧が上昇して圧縮機（１）での消費動力が増大してしまうといった問題が発生しないので、蒸気圧縮式冷凍サイクルの成績係数が悪化してしまうことを防止して、蒸気圧縮式冷凍サイクルで十分な冷凍能力が発揮さることができる。
【００２７】
因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００２８】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本実施形態は、本発明に係る熱交換器を車両用複合サイクルに適用したものであって、図１は車両用複合サイクルを用いた車両用空調装置の模式図である。
【００２９】
圧縮機１は冷媒を吸入圧縮するもので、放熱器２は圧縮機１から吐出した冷媒の熱を大気中に放冷する高圧側熱交換器であり、本実施形態では、冷媒としてフロン（Ｒ１３４ａ等）を用いているので、放熱器２内で冷媒は気相から液相に相変化して凝縮しながらそのエンタルピを低下させる。
【００３０】
レシーバ３は放熱器２から流出する冷媒を液相冷媒と気相冷媒とに分離して液相冷媒を余剰冷媒として蓄える気液分離器であり、膨脹弁４はレシーバ３から供給される高圧の液相冷媒を減圧するもので、本実施形態では、膨脹弁４として、圧縮機１に吸引される冷媒の過熱度が所定値となるように絞り開度が制御される、いわゆる温度式膨脹弁を採用している。
【００３１】
蒸発器５は減圧された低圧の冷媒と室内に吹き出す空気とを熱交換して液相冷媒を蒸発させることにより室内に吹き出す空気を冷却する低圧側熱交換器である。
【００３２】
そして、本実施形態では、圧縮機１、放熱器２、レシーバ３、膨脹弁４及び蒸発器５にて低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍サイクルが構成されている。
【００３３】
なお、ヒータ６は走行用の内燃機関（エンジン）２０等の車両で発生する廃熱にて加熱された温水を熱源として室内に吹き出す空気を加熱するもので、本実施形態では、ヒータ６を迂回して下流側に流れる冷風とヒータ６により加熱された温風との風量割合をエアミックスドア７により調節することにより室内に吹き出す空気の温度を調節する。
【００３４】
また、膨脹機１０は過熱蒸気を膨脹させて機械的エネルギを取り出すエネルギ回収手段であり、本実施形態では、膨脹機１０で回収された機械的エネルギ、つまり回転エネルギを電磁クラッチ１１等の動力を断続的に伝達する動力伝達装置を介して圧縮機１に伝達している。
【００３５】
凝縮器１２は膨脹機１０で膨脹を終えた蒸気と外気とを熱交換して蒸気を凝縮させる放熱器であり、レシーバ１３は凝縮器１２から流出する作動流体を液相流体と気相流体とに分離して液相流体を余剰流体として蓄える気液分離器である。
【００３６】
ポンプ１４はレシーバ１３から液相流体を吸引して送り出す電動ポンプであり、加熱器１５はポンプ１４から吐出された流体を加熱する過熱蒸気生成手段であり、本実施形態に係る加熱器１５は、エンジン２０等の車両で発生する廃熱にて加熱された温水を熱源として流体を加熱して過熱蒸気を生成する。
【００３７】
そして、本実施形態では、膨脹機１０、凝縮器１２、レシーバ１３、ポンプ１４及び加熱器１５により廃熱から動力を回収するランキンサイクルが構成されている。因みに、後述するように、本実施形態では、凝縮器１２と放熱器２とが一体化され、かつ、凝縮器１２内に蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒が流れるので、作動流体は蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒と同一の流体を採用している。
【００３８】
なお、ラジエータ２１は、エンジン２０から流出したエンジン冷却水、つまり温水と大気とを熱交換してエンジン冷却水を冷却する熱交換器であり、サーモスタット２２は、ラジエータ２１を流れるエンジン冷却水量及びラジエータ２１を迂回して流れるエンジン冷却水量とを調節することによりエンジン冷却水温度、つまりエンジン２０の温度を所定温度範囲に維持する温度調整手段である。
【００３９】
ポンプ２３はエンジン冷却水を循環させるもので、本実施形態では、エンジン２０から動力を得て稼動する、いわゆるメカポンプを採用しているが、電動式のポンプを採用してもよいことは言うまでもない。
【００４０】
また、バルブ２４は、エンジン２０から流出した高温のエンジン冷却水を加熱器１５に流す場合と流さない場合とを切り換える三方弁であり、このバルブ２４は、ポンプ１４と電気的に連動して稼動する。
【００４１】
ところで、放熱器２と凝縮器１２とは、図２（ａ）に示すように、一体化されて１台の熱交換器３０となっており、この熱交換器３０は、流体が流通する複数本のチューブ３１及びチューブ３１の外表面に接合されて空気との伝熱面積を増大させる波状のフィン３２等からなる放熱コア部３３、並びにチューブ３１の長手方向と直交する方向に延びて複数本のチューブ３１と連通するヘッダタンク３４等からなる、いわゆるマルチフロー型の熱交換器である。
【００４２】
そして、ヘッダタンク３４の長手方向略中央部には、図２（ｂ）に示すように、ヘッダタンク３４の長手方向と直交する方向に変位してヘッダタンク３４内を複数（本実施形態では、上下２つ）の空間に仕切る場合と仕切らない場合とプランジャ３５が設けられており、本実施形態では、コイルバネ３６等の弾性手段及び励磁コイル３７によりプランジャ３５を変位させる。
【００４３】
なお、励磁コイル３７に通電しないときは、コイルバネ３６の弾性力によりプランジャ３５が放熱コア部３３側に変位してヘッダタンク３４内を上下２つの空間に区画し、励磁コイル３７に通電したときは、誘起される磁界による吸引力により、プランジャ３５はコイルバネ３６を押し縮めながら放熱コア部３３と反対側に変位してヘッダタンク３４内を１つの空間として連通させる。
【００４４】
次に、本実施形態に係る複合サイクル及び熱交換器３０の特徴的作動を述べる。
【００４５】
１．蒸気圧縮式冷凍サイクル及びランキンサイクルを同時に稼動させる場合
励磁コイル３７への通電を遮断して、図２（ｂ）に示すように、ヘッダタンク３４内を上下２つの空間に区画した状態で圧縮機１及びポンプ１４を稼動させるとともに、加熱器１５に高温のエンジン冷却水を循環させる。
【００４６】
これにより、圧縮機１から吐出した冷媒が、例えば放熱コア部３３のうち下半分内を流れ、一方、膨脹機１０から流出した冷媒が、例えば放熱コア部３３のうち上半分内を流れる。
【００４７】
なお、本実施形態では、放熱コア部３３のうち下半分に圧縮機１から吐出した冷媒を流通させ、放熱コア部３３のうち上半分に膨脹機１０から流出した冷媒を流通させたが、本実施形態は、これに限定されるものではなく、例えばこれとは逆に、放熱コア部３３のうち上半分に圧縮機１から吐出した冷媒を流通させ、放熱コア部３３のうち下半分に膨脹機１０から流出した冷媒を流通させてもよいことは言うまでもない。
【００４８】
つまり、ヘッダタンク３４内を上下２つの空間に区画した状態では、放熱コア部３３の略半分が放熱器２として機能し、残り半分が凝縮器１２として機能する。
【００４９】
したがって、蒸気圧縮式冷凍サイクル側では、圧縮機１→熱交換器３０（放熱器２）→レシーバ３→膨脹弁４→蒸発器５→圧縮機１の順で冷媒が循環するので、蒸発器５にて室内に吹き出す空気から吸熱して蒸発した冷媒は、放熱器２にて凝縮しながら大気中に吸熱した熱を放出する。
【００５０】
一方、ランキンサイクル側では、加熱器１５にて生成された過熱蒸気が、膨脹機１０にて等エントロピ的に減圧膨脹して、その低下した分のエンタルピに対応するエネルギを機械的エネルギを出力する。
【００５１】
このとき、膨脹機１０の出力軸は電磁クラッチ１１を介して圧縮機１に回転軸に繋がっているので、膨脹機１０にて回収された動力は、圧縮機１に与えられる。
【００５２】
なお、本実施形態に係る圧縮機１は、電磁クラッチ等の動力を断続可能な動力伝達装置を介してエンジン２０からも動力を得ることが可能であるので、膨脹機１０にて回収された動力のみにて必要な冷凍能力を得ることができる程度に圧縮機１を稼動させることができるときには、エンジン２０から圧縮機１に伝達される動力を遮断してもよい。
【００５３】
２．蒸気圧縮式冷凍サイクルのみ稼動させる場合（図３参照）
励磁コイル３７に通電してヘッダタンク３４内を１つの空間として連通させ、かつ、電磁クラッチ１１を切った状態で圧縮機１を稼動させる。
【００５４】
これにより、放熱コア部３３全域に圧縮機１から吐出された高圧冷媒が流れるので、放熱コア部３３全域が放熱器２として機能する。
【００５５】
したがって、蒸気圧縮式冷凍サイクル側では、圧縮機１→熱交換器３０（放熱器２）→レシーバ３→膨脹弁４→蒸発器５→圧縮機１の順で冷媒が循環するので、蒸発器５にて室内に吹き出す空気から吸熱して蒸発した冷媒は、放熱器２にて凝縮しながら大気中に吸熱した熱を放出する。
【００５６】
３．ランキンサイクルのみ稼動させる場合（図４参照）
励磁コイル３７に通電してヘッダタンク３４内を１つの空間として連通させ、かつ、電磁クラッチ１１を切った状態でポンプ１４を稼動させる。
【００５７】
これにより、放熱コア部３３全域に膨脹機１０から流出した冷媒が流れるので、放熱コア部３３全域が凝縮器１２として機能する。
【００５８】
したがって、ランキンサイクル側では、加熱器１５にて生成された過熱蒸気が、膨脹機１０にて等エントロピ的に減圧膨脹して、その低下した分のエンタルピに対応するエネルギを機械的エネルギを出力する。
【００５９】
なお、蒸気圧縮式冷凍サイクルが停止しているので、本実施形態では、膨脹機１０にて回収した動力にて発電機（図示せず。）を稼動させ、回収した動力を電力としてバッテリ（図示せず）に蓄える。
【００６０】
以上の作動説明からも明らかなように、本実施形態では、プランジャ３５、コイルバネ３６及び励磁コイル３７により、特許請求の範囲に記載された「放熱コア部（３３）のうち前記圧縮機（１）から吐出した高圧冷媒を流通させて前記放熱器（２）として機能させる部分と、前記放熱コア部（３３）のうち膨脹を終えた蒸気を流通させて前記凝縮器（１２）として機能させる部分との割合を変化させる機能割合変更手段」が構成される。
【００６１】
次に、本実施形態の作用効果を述べる。
【００６２】
本実施形態では、放熱器２と凝縮器１２とを一体化してプランジャ３５を変位させることにより、放熱コア部３３のうち放熱器２として機能する部分と凝縮器１２として機能する部分との割合を変化させるので、複合サイクルの放熱器を搭載するために多くのスペースを必要としない。
【００６３】
また、放熱コア部３３のうち放熱器２として機能する部分と凝縮器１２として機能する部分とが１つの熱交換器３０内において分離されるので、蒸気圧縮式冷凍サイクルの高圧側冷媒圧力がランキンサイクルの凝縮圧力側に上昇して両圧力が均圧してしまうといったことは原理的に発生しない。
【００６４】
したがって、圧縮機１の吐出圧が上昇して圧縮機１での消費動力が増大してしまうといった問題が発生しないので、蒸気圧縮式冷凍サイクルの成績係数が悪化してしまうことを防止して、蒸気圧縮式冷凍サイクルで十分な冷凍能力が発揮さることができる。
【００６５】
（第２実施形態）
第１実施形態では、スライド変位するプランジャ３５にてヘッダタンク３４内を複数（本実施形態では、上下２つ）の空間に仕切る場合と仕切らない場合とを切り換えたが、本実施形態は、図５、６に示すように、貫通穴３８ａが設けられた球状の弁体３８を、サーボモータやステップモータ等のアクチュエータ３９にてヘッダタンク３４内で回転させてヘッダタンク３４内を複数（本実施形態では、２つ）の空間に仕切る場合と仕切らない場合とを切り換えるものである。
【００６６】
そして、蒸気圧縮式冷凍サイクル及びランキンサイクルを同時に稼動させる場合には、図６に示すように、貫通穴３８ａがヘッダタンク３４の長手方向に対して略直交するように弁体３８を回転させてヘッダタン３４内を上下２つの空間に区画した状態で圧縮機１及びポンプ１４を稼動させるとともに、加熱器１５に高温のエンジン冷却水を循環させる。
【００６７】
これにより、圧縮機１から吐出した冷媒が、例えば放熱コア部３３のうち下半分内を流れ、一方、膨脹機１０から流出した冷媒が、例えば放熱コア部３３のうち上半分内を流れるので、放熱コア部３３の略半分が放熱器２として機能し、残り半分が凝縮器１２として機能する。
【００６８】
したがって、蒸気圧縮式冷凍サイクル側では、圧縮機１→熱交換器３０（放熱器２）→レシーバ３→膨脹弁４→蒸発器５→圧縮機１の順で冷媒が循環するので、蒸発器５にて室内に吹き出す空気から吸熱して蒸発した冷媒は、放熱器２にて凝縮しながら大気中に吸熱した熱を放出する。
【００６９】
一方、ランキンサイクル側では、加熱器１５にて生成された過熱蒸気が、膨脹機１０にて等エントロピ的に減圧膨脹して、その低下した分のエンタルピに対応するエネルギを機械的エネルギを出力する。
【００７０】
また、蒸気圧縮式冷凍サイクルのみ稼動させる場合には、図７、８に示すように、貫通穴３８ａをヘッダタンク３４の長手方向と一致させてヘッダタンク３４内を１つの空間として連通させ、かつ、電磁クラッチ１１を切った状態で圧縮機１を稼動させる。
【００７１】
これにより、放熱コア部３３全域に圧縮機１から吐出された高圧冷媒が流れるので、放熱コア部３３全域が放熱器２として機能する。
【００７２】
したがって、蒸気圧縮式冷凍サイクル側では、圧縮機１→熱交換器３０（放熱器２）→レシーバ３→膨脹弁４→蒸発器５→圧縮機１の順で冷媒が循環するので、蒸発器５にて室内に吹き出す空気から吸熱して蒸発した冷媒は、放熱器２にて凝縮しながら大気中に吸熱した熱を放出する。
【００７３】
また、ランキンサイクルのみ稼動させる場合には、図９、１０に示すように、貫通穴３８ａをヘッダタンク３４の長手方向と一致させてヘッダタンク３４内を１つの空間として連通させ、かつ、電磁クラッチ１１を切った状態でポンプ１４を稼動させる。
【００７４】
これにより、放熱コア部３３全域に膨脹機１０から流出した冷媒が流れるので、放熱コア部３３全域が凝縮器１２として機能する。
【００７５】
したがって、ランキンサイクル側では、加熱器１５にて生成された過熱蒸気が、膨脹機１０にて等エントロピ的に減圧膨脹して、その低下した分のエンタルピに対応するエネルギを機械的エネルギを出力する。
【００７６】
（第３実施形態）
第１実施形態では、スライド変位するプランジャ３５にてヘッダタンク３４内を複数（本実施形態では、上下２つ）の空間に仕切る場合と仕切らない場合とを切り換えたが、本実施形態は、図１１、１２に示すように、円盤状のバタフライ方式の弁体４０をサーボモータやステップモータ等のアクチュエータ３９にてヘッダタンク３４内で回転させてヘッダタンク３４内を複数（本実施形態では、２つ）の空間に仕切る場合と仕切らない場合とを切り換えるものである。
【００７７】
そして、蒸気圧縮式冷凍サイクル及びランキンサイクルを同時に稼動させる場合には、図１２に示すように、弁体４０の平面部がヘッダタンク３４の長手方向に対して略直交するように弁体４０を回転させてヘッダタン３４内を上下２つの空間に区画した状態で圧縮機１及びポンプ１４を稼動させるとともに、加熱器１５に高温のエンジン冷却水を循環させる。
【００７８】
また、蒸気圧縮式冷凍サイクルのみ稼動させる場合には、図１３、１４に示すように、弁体４０の平面部がヘッダタンク３４の長手方向に対して略平行となるようにしてヘッダタンク３４の長手方向と一致させてヘッダタンク３４内を１つの空間として連通させ、かつ、電磁クラッチ１１を切った状態で圧縮機１を稼動させる。
【００７９】
また、ランキンサイクルのみ稼動させる場合には、図１５、１６に示すように、弁体４０の平面部がヘッダタンク３４の長手方向に対して略平行となるようにしてヘッダタンク３４の長手方向と一致させてヘッダタンク３４内を１つの空間として連通させ、かつ、電磁クラッチ１１を切った状態でポンプ１４を稼動させる。
【００８０】
（第４実施形態）
上述の実施形態では、放熱コア部３３の略全域を放熱器２若しくは凝縮器１２として機能させる場合、又は放熱コア部３３の略半分を放熱器２として機能させ、残り半分を凝縮器１２として機能させるものであったが、本実施形態は、放熱コア部３３のうち放熱器２として機能する部分と凝縮器１２として機能する部分と割合を０％から１００％まで連続的に変化させることができるようにしたものである。
【００８１】
具体的には、図１７、１８に示すように、ヘッダタンク３４内に移動可能に配置された永久磁石製の弁体４１、弁体４１をヘッダタンク３４外から囲むようにして吸引する円弧状の永久磁石４２、及び永久磁石４２をヘッダタンク３４の長手方向に変位させるモータ等のアクチュエータ４３等にて機能割合変更手段を構成したものである。
【００８２】
なお、本実施形態に係るアクチュエータ４３は、ヘッダタンク３４の外壁に設けられたラックに噛み合うピニオンを回転させることにより永久磁石４２をヘッダタンク３４の長手方向に変位させるものであるが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、例えばリニアモータにてアクチュエータ４３を構成してもよい。
【００８３】
そして、蒸気圧縮式冷凍サイクル及びランキンサイクルを同時に稼動させる場合には、図１７に示すように、弁体４１をヘッダタンク３４の長手方向中間部に位置させてヘッダタン３４内を上下２つの空間に区画した状態で圧縮機１及びポンプ１４を稼動させるとともに、加熱器１５に高温のエンジン冷却水を循環させる。
【００８４】
なお、弁体４１は、蒸気圧縮式冷凍サイクルでの熱負荷及びランキンサイクルで回収可能な動力等に基づいて放熱コア部３３のうち放熱器２として機能する部分と凝縮器１２として機能する部分と割合を連続的に変化させる。
【００８５】
また、蒸気圧縮式冷凍サイクルのみ稼動させる場合には、図１９に示すように、弁体４１をヘッダタンク３４の長手方向一端側まで移動させてヘッダタンク３４内を１つの空間として連通させ、かつ、電磁クラッチ１１を切った状態で圧縮機１を稼動させる。
【００８６】
また、ランキンサイクルのみ稼動させる場合には、図２０に示すように、弁体４１をヘッダタンク３４の長手方向他端側まで移動させてヘッダタンク３４内を１つの空間として連通させ、かつ、電磁クラッチ１１を切った状態でポンプ１４を稼動させる。
【００８７】
（その他の実施形態）
上述の実施形態では、車両用の複合サイクルに本発明を適用したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば定置置きの複合サイクルにも適用できる。
【００８８】
また、上述の実施形態では、蒸気圧縮式冷凍サイクルとして、膨脹弁にて冷媒を等エンタルピ的に減圧するものであったが、本発明はこれに限定されるものでなく、例えば膨脹機やエジェクタ等にて冷媒を等エントロピ的に減圧するものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る複合サイクルの模式図である。
【図２】（ａ）は本発明の第１実施形態に係る熱交換器の正面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ部詳細図である。
【図３】（ａ）は本発明の第１実施形態に係る熱交換器の正面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ部詳細図である。
【図４】（ａ）は本発明の第１実施形態に係る熱交換器の正面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ部詳細図である。
【図５】（ａ）は本発明の第２実施形態に係る熱交換器の正面図であり、（ｂ）は（ａ）の上面図である。
【図６】図５のＡ部詳細図である。
【図７】（ａ）は本発明の第２実施形態に係る熱交換器の正面図であり、（ｂ）は（ａ）の上面図である。
【図８】図７のＡ部詳細図である。
【図９】（ａ）は本発明の第２実施形態に係る熱交換器の正面図であり、（ｂ）は（ａ）の上面図である。
【図１０】図９のＡ部詳細図である。
【図１１】（ａ）は本発明の第３実施形態に係る熱交換器の正面図であり、（ｂ）は（ａ）の上面図である。
【図１２】図１１のＡ部詳細図である。
【図１３】（ａ）は本発明の第３実施形態に係る熱交換器の正面図であり、（ｂ）は（ａ）の上面図である。
【図１４】図１３のＡ部詳細図である。
【図１５】（ａ）は本発明の第３実施形態に係る熱交換器の正面図であり、（ｂ）は（ａ）の上面図である。
【図１６】図１５のＡ部詳細図である。
【図１７】（ａ）は本発明の第４実施形態に係る熱交換器の正面図であり、（ｂ）は（ａ）の上面図である。
【図１８】図１７のＡ部詳細図である。
【図１９】（ａ）は本発明の第４実施形態に係る熱交換器の正面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ部詳細図である。
【図２０】（ａ）は本発明の第４実施形態に係る熱交換器の正面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ部詳細図である。
【符号の説明】
３０…熱交換器、３１…チューブ、３２…フィン、
３３…放熱コア部、３４…ヘッダタンク、
３５…プランジャ、３６…コイルスプリング、３７…励磁コイル。
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸気圧縮式冷凍サイクルとランキンサイクルとを有する複合サイクルに適用される熱交換器に関するもので、車両用冷凍機に適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術】
従来の車両用冷凍機では、走行用の内燃機関（エンジン）の排熱にて生成された過熱蒸気を圧縮機に供給して圧縮機を膨脹機として稼動させることより廃熱から動力を回収している（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
しかし、特許文献１に記載の発明では、圧縮機に過熱蒸気を供給して圧縮機を膨脹機として稼動させているので、夏場等の蒸気圧縮式冷凍サイクルを稼動させているときは、圧縮機を膨脹機として稼動させることができず、廃熱から動力を回収することができない。
【０００４】
これに対して、蒸気圧縮式冷凍サイクルとは別に廃熱から動力を回収するランキンサイクルを設け、このランキンサイクルにて回収した動力を蒸気圧縮式冷凍サイクルの圧縮機に与える複合サイクルがある（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特許第２５４０７３８号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開昭５５−９９５６１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献２に記載の発明では、ランキンサイクルと蒸気圧縮式冷凍サイクルとを同時運転することができるものの、蒸気圧縮式冷凍サイクル用の放熱器とランキンサイクル用の凝縮器とを必要とするので、放熱用熱交換器の設置スペースが増大してしまう。
【０００８】
このため、自動車等の設置スペースが限られたものには、複合サイクルを搭載することが難しい。
【０００９】
また、一般的に、ランキンサイクルの凝縮圧力は、蒸気圧縮式冷凍サイクルの高圧側冷媒圧力よりも高いので、ランキンサイクル用の循環流体を蒸気圧縮式冷凍サイクル用の冷媒と同種の流体を用いて、蒸気圧縮式冷凍サイクル用の放熱器２とランキンサイクル用の凝縮器と共用化すると、蒸気圧縮式冷凍サイクルの高圧側冷媒圧力がランキンサイクルの凝縮圧力側に上昇して両圧力が均圧してしまう。
【００１０】
このため、圧縮機の吐出圧が上昇して圧縮機での消費動力が増大してしまうので、蒸気圧縮式冷凍サイクルの成績係数が悪化してしまい、蒸気圧縮式冷凍サイクルで十分な冷凍能力が発揮されないおそれがある。
【００１１】
本発明は、上記点に鑑み、第１には、従来と異なる新規な熱交換器を提供し、第２には、複合サイクル用熱交換器の設置性を向上させることを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、低圧の冷媒を蒸発させる蒸発器（５）、及び圧縮機（１）から吐出した高圧冷媒を冷却する放熱器（２）を有し、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍サイクル（１〜５）と、過熱蒸気を膨脹させてエネルギを取り出すとともに、膨脹を終えた蒸気を冷却して凝縮させる凝縮器（１２）を有するランキンサイクル（１０〜１５）と備える複合サイクルに用いられる熱交換器であって、流体が流通する放熱コア部（３３）、並びに放熱コア部（３３）のうち圧縮機（１）から吐出した高圧冷媒を流通させて放熱器（２）として機能させる部分と、放熱コア部（３３）のうち膨脹を終えた蒸気を流通させて凝縮器（１２）として機能させる部分との割合を変化させる機能割合変更手段（３５〜３７）を備えることを特徴とする。
【００１３】
これにより、放熱器（２）と凝縮器（１２）とを一体化して機能割合変更手段にて放熱コア部（３３）のうち放熱器（２）として機能する部分と凝縮器（１２）として機能する部分との割合を変化させるので、複合サイクルの放熱器を搭載するために多くのスペースを必要としない。
【００１４】
また、放熱コア部（３３）のうち放熱器（２）として機能する部分と凝縮器（１２）として機能する部分とが１つの熱交換器内において分離されるので、蒸気圧縮式冷凍サイクルの高圧側冷媒圧力がランキンサイクルの凝縮圧力側に上昇して両圧力が均圧してしまうといったことは原理的に発生しない。
【００１５】
したがって、圧縮機（１）の吐出圧が上昇して圧縮機（１）での消費動力が増大してしまうといった問題が発生しないので、蒸気圧縮式冷凍サイクルの成績係数が悪化してしまうことを防止して、蒸気圧縮式冷凍サイクルで十分な冷凍能力が発揮さることができる。
【００１６】
請求項２に記載の発明では、低圧の冷媒を蒸発させる蒸発器（５）、及び圧縮機（１）から吐出した高圧冷媒を冷却する放熱器（２）を有し、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍サイクル（１〜５）と、過熱蒸気を膨脹させてエネルギを取り出すとともに、膨脹を終えた蒸気を冷却して凝縮させる凝縮器（１２）を有するランキンサイクル（１０〜１５）と備える複合サイクルに用いられる熱交換器であって、流体が流通する複数本のチューブ（３１）を有して構成された放熱コア部（３３）、チューブ（３１）の長手方向と直交する方向に延びて複数本のチューブ（３１）と連通するヘッダタンク（３４）、並びにヘッダタンク（３４）に設けられ、放熱コア部（３３）のうち圧縮機（１）から吐出した高圧冷媒を流通させて放熱器（２）として機能させる部分と、放熱コア部（３３）のうち膨脹を終えた蒸気を流通させて凝縮器（１２）として機能させる部分との割合を変化させる機能割合変更手段（３５〜３７）を備えることを特徴とする。
【００１７】
これにより、放熱器（２）と凝縮器（１２）とを一体化して機能割合変更手段にて放熱コア部（３３）のうち放熱器（２）として機能する部分と凝縮器（１２）として機能する部分との割合を変化させるので、複合サイクルの放熱器を搭載するために多くのスペースを必要としない。
【００１８】
また、放熱コア部（３３）のうち放熱器（２）として機能する部分と凝縮器（１２）として機能する部分とが１つの熱交換器内において分離されるので、蒸気圧縮式冷凍サイクルの高圧側冷媒圧力がランキンサイクルの凝縮圧力側に上昇して両圧力が均圧してしまうといったことは原理的に発生しない。
【００１９】
したがって、圧縮機（１）の吐出圧が上昇して圧縮機（１）での消費動力が増大してしまうといった問題が発生しないので、蒸気圧縮式冷凍サイクルの成績係数が悪化してしまうことを防止して、蒸気圧縮式冷凍サイクルで十分な冷凍能力が発揮さることができる。
【００２０】
請求項３に記載の発明では、機能割合変更手段は、ヘッダタンク（３４）の長手方向と直交する方向に変位してヘッダタンク（３４）内を複数の空間に仕切る場合と仕切らない場合とを変更することにより、放熱器（２）として機能させる部分と凝縮器（１２）として機能させる部分との割合を変化させることを特徴とするものである。
【００２１】
請求項４に記載の発明では、機能割合変更手段は、貫通穴（３８ａ）が設けられた弁体（３８）をヘッダタンク（３４）内で回転させてヘッダタンク（３４）内を複数の空間に仕切る場合と仕切らない場合とを変更することにより、放熱器（２）として機能させる部分と凝縮器（１２）として機能させる部分との割合を変化させることを特徴とするものである。
【００２２】
請求項５に記載の発明では、機能割合変更手段は、バタフライ方式の弁体（４０）をヘッダタンク（３４）内で回転させてヘッダタンク（３４）内を複数の空間に仕切る場合と仕切らない場合とを変更することにより、放熱器（２）として機能させる部分と凝縮器（１２）として機能させる部分との割合を変化させることを特徴とするものである。
【００２３】
請求項６に記載の発明では、低圧の冷媒を蒸発させる蒸発器（５）、及び圧縮機（１）から吐出した高圧冷媒を冷却する放熱器（２）を有し、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍サイクル（１〜５）と、過熱蒸気を膨脹させてエネルギを取り出すとともに、膨脹を終えた蒸気を冷却して凝縮させる凝縮器（１２）を有するランキンサイクル（１０〜１５）と備える複合サイクルに用いられる熱交換器であって、流体が流通する複数本のチューブ（３１）を有して構成された放熱コア部（３３）、チューブ（３１）の長手方向と直交する方向に延びて複数本のチューブ（３１）と連通するヘッダタンク（３４）、並びにヘッダタンク（３４）内にてその長手方向に変位し、放熱コア部（３３）のうち圧縮機（１）から吐出した高圧冷媒を流通させて放熱器（２）として機能させる部分と、放熱コア部（３３）のうち膨脹を終えた蒸気を流通させて凝縮器（１２）として機能させる部分との割合を変化させる機能割合変更手段（４１〜４３）を備えることを特徴とする。
【００２４】
これにより、放熱器（２）と凝縮器（１２）とを一体化して機能割合変更手段にて放熱コア部（３３）のうち放熱器（２）として機能する部分と凝縮器（１２）として機能する部分との割合を変化させるので、複合サイクルの放熱器を搭載するために多くのスペースを必要としない。
【００２５】
また、放熱コア部（３３）のうち放熱器（２）として機能する部分と凝縮器（１２）として機能する部分とが１つの熱交換器内において分離されるので、蒸気圧縮式冷凍サイクルの高圧側冷媒圧力がランキンサイクルの凝縮圧力側に上昇して両圧力が均圧してしまうといったことは原理的に発生しない。
【００２６】
したがって、圧縮機（１）の吐出圧が上昇して圧縮機（１）での消費動力が増大してしまうといった問題が発生しないので、蒸気圧縮式冷凍サイクルの成績係数が悪化してしまうことを防止して、蒸気圧縮式冷凍サイクルで十分な冷凍能力が発揮さることができる。
【００２７】
因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００２８】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本実施形態は、本発明に係る熱交換器を車両用複合サイクルに適用したものであって、図１は車両用複合サイクルを用いた車両用空調装置の模式図である。
【００２９】
圧縮機１は冷媒を吸入圧縮するもので、放熱器２は圧縮機１から吐出した冷媒の熱を大気中に放冷する高圧側熱交換器であり、本実施形態では、冷媒としてフロン（Ｒ１３４ａ等）を用いているので、放熱器２内で冷媒は気相から液相に相変化して凝縮しながらそのエンタルピを低下させる。
【００３０】
レシーバ３は放熱器２から流出する冷媒を液相冷媒と気相冷媒とに分離して液相冷媒を余剰冷媒として蓄える気液分離器であり、膨脹弁４はレシーバ３から供給される高圧の液相冷媒を減圧するもので、本実施形態では、膨脹弁４として、圧縮機１に吸引される冷媒の過熱度が所定値となるように絞り開度が制御される、いわゆる温度式膨脹弁を採用している。
【００３１】
蒸発器５は減圧された低圧の冷媒と室内に吹き出す空気とを熱交換して液相冷媒を蒸発させることにより室内に吹き出す空気を冷却する低圧側熱交換器である。
【００３２】
そして、本実施形態では、圧縮機１、放熱器２、レシーバ３、膨脹弁４及び蒸発器５にて低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍サイクルが構成されている。
【００３３】
なお、ヒータ６は走行用の内燃機関（エンジン）２０等の車両で発生する廃熱にて加熱された温水を熱源として室内に吹き出す空気を加熱するもので、本実施形態では、ヒータ６を迂回して下流側に流れる冷風とヒータ６により加熱された温風との風量割合をエアミックスドア７により調節することにより室内に吹き出す空気の温度を調節する。
【００３４】
また、膨脹機１０は過熱蒸気を膨脹させて機械的エネルギを取り出すエネルギ回収手段であり、本実施形態では、膨脹機１０で回収された機械的エネルギ、つまり回転エネルギを電磁クラッチ１１等の動力を断続的に伝達する動力伝達装置を介して圧縮機１に伝達している。
【００３５】
凝縮器１２は膨脹機１０で膨脹を終えた蒸気と外気とを熱交換して蒸気を凝縮させる放熱器であり、レシーバ１３は凝縮器１２から流出する作動流体を液相流体と気相流体とに分離して液相流体を余剰流体として蓄える気液分離器である。
【００３６】
ポンプ１４はレシーバ１３から液相流体を吸引して送り出す電動ポンプであり、加熱器１５はポンプ１４から吐出された流体を加熱する過熱蒸気生成手段であり、本実施形態に係る加熱器１５は、エンジン２０等の車両で発生する廃熱にて加熱された温水を熱源として流体を加熱して過熱蒸気を生成する。
【００３７】
そして、本実施形態では、膨脹機１０、凝縮器１２、レシーバ１３、ポンプ１４及び加熱器１５により廃熱から動力を回収するランキンサイクルが構成されている。因みに、後述するように、本実施形態では、凝縮器１２と放熱器２とが一体化され、かつ、凝縮器１２内に蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒が流れるので、作動流体は蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒と同一の流体を採用している。
【００３８】
なお、ラジエータ２１は、エンジン２０から流出したエンジン冷却水、つまり温水と大気とを熱交換してエンジン冷却水を冷却する熱交換器であり、サーモスタット２２は、ラジエータ２１を流れるエンジン冷却水量及びラジエータ２１を迂回して流れるエンジン冷却水量とを調節することによりエンジン冷却水温度、つまりエンジン２０の温度を所定温度範囲に維持する温度調整手段である。
【００３９】
ポンプ２３はエンジン冷却水を循環させるもので、本実施形態では、エンジン２０から動力を得て稼動する、いわゆるメカポンプを採用しているが、電動式のポンプを採用してもよいことは言うまでもない。
【００４０】
また、バルブ２４は、エンジン２０から流出した高温のエンジン冷却水を加熱器１５に流す場合と流さない場合とを切り換える三方弁であり、このバルブ２４は、ポンプ１４と電気的に連動して稼動する。
【００４１】
ところで、放熱器２と凝縮器１２とは、図２（ａ）に示すように、一体化されて１台の熱交換器３０となっており、この熱交換器３０は、流体が流通する複数本のチューブ３１及びチューブ３１の外表面に接合されて空気との伝熱面積を増大させる波状のフィン３２等からなる放熱コア部３３、並びにチューブ３１の長手方向と直交する方向に延びて複数本のチューブ３１と連通するヘッダタンク３４等からなる、いわゆるマルチフロー型の熱交換器である。
【００４２】
そして、ヘッダタンク３４の長手方向略中央部には、図２（ｂ）に示すように、ヘッダタンク３４の長手方向と直交する方向に変位してヘッダタンク３４内を複数（本実施形態では、上下２つ）の空間に仕切る場合と仕切らない場合とプランジャ３５が設けられており、本実施形態では、コイルバネ３６等の弾性手段及び励磁コイル３７によりプランジャ３５を変位させる。
【００４３】
なお、励磁コイル３７に通電しないときは、コイルバネ３６の弾性力によりプランジャ３５が放熱コア部３３側に変位してヘッダタンク３４内を上下２つの空間に区画し、励磁コイル３７に通電したときは、誘起される磁界による吸引力により、プランジャ３５はコイルバネ３６を押し縮めながら放熱コア部３３と反対側に変位してヘッダタンク３４内を１つの空間として連通させる。
【００４４】
次に、本実施形態に係る複合サイクル及び熱交換器３０の特徴的作動を述べる。
【００４５】
１．蒸気圧縮式冷凍サイクル及びランキンサイクルを同時に稼動させる場合
励磁コイル３７への通電を遮断して、図２（ｂ）に示すように、ヘッダタンク３４内を上下２つの空間に区画した状態で圧縮機１及びポンプ１４を稼動させるとともに、加熱器１５に高温のエンジン冷却水を循環させる。
【００４６】
これにより、圧縮機１から吐出した冷媒が、例えば放熱コア部３３のうち下半分内を流れ、一方、膨脹機１０から流出した冷媒が、例えば放熱コア部３３のうち上半分内を流れる。
【００４７】
なお、本実施形態では、放熱コア部３３のうち下半分に圧縮機１から吐出した冷媒を流通させ、放熱コア部３３のうち上半分に膨脹機１０から流出した冷媒を流通させたが、本実施形態は、これに限定されるものではなく、例えばこれとは逆に、放熱コア部３３のうち上半分に圧縮機１から吐出した冷媒を流通させ、放熱コア部３３のうち下半分に膨脹機１０から流出した冷媒を流通させてもよいことは言うまでもない。
【００４８】
つまり、ヘッダタンク３４内を上下２つの空間に区画した状態では、放熱コア部３３の略半分が放熱器２として機能し、残り半分が凝縮器１２として機能する。
【００４９】
したがって、蒸気圧縮式冷凍サイクル側では、圧縮機１→熱交換器３０（放熱器２）→レシーバ３→膨脹弁４→蒸発器５→圧縮機１の順で冷媒が循環するので、蒸発器５にて室内に吹き出す空気から吸熱して蒸発した冷媒は、放熱器２にて凝縮しながら大気中に吸熱した熱を放出する。
【００５０】
一方、ランキンサイクル側では、加熱器１５にて生成された過熱蒸気が、膨脹機１０にて等エントロピ的に減圧膨脹して、その低下した分のエンタルピに対応するエネルギを機械的エネルギを出力する。
【００５１】
このとき、膨脹機１０の出力軸は電磁クラッチ１１を介して圧縮機１に回転軸に繋がっているので、膨脹機１０にて回収された動力は、圧縮機１に与えられる。
【００５２】
なお、本実施形態に係る圧縮機１は、電磁クラッチ等の動力を断続可能な動力伝達装置を介してエンジン２０からも動力を得ることが可能であるので、膨脹機１０にて回収された動力のみにて必要な冷凍能力を得ることができる程度に圧縮機１を稼動させることができるときには、エンジン２０から圧縮機１に伝達される動力を遮断してもよい。
【００５３】
２．蒸気圧縮式冷凍サイクルのみ稼動させる場合（図３参照）
励磁コイル３７に通電してヘッダタンク３４内を１つの空間として連通させ、かつ、電磁クラッチ１１を切った状態で圧縮機１を稼動させる。
【００５４】
これにより、放熱コア部３３全域に圧縮機１から吐出された高圧冷媒が流れるので、放熱コア部３３全域が放熱器２として機能する。
【００５５】
したがって、蒸気圧縮式冷凍サイクル側では、圧縮機１→熱交換器３０（放熱器２）→レシーバ３→膨脹弁４→蒸発器５→圧縮機１の順で冷媒が循環するので、蒸発器５にて室内に吹き出す空気から吸熱して蒸発した冷媒は、放熱器２にて凝縮しながら大気中に吸熱した熱を放出する。
【００５６】
３．ランキンサイクルのみ稼動させる場合（図４参照）
励磁コイル３７に通電してヘッダタンク３４内を１つの空間として連通させ、かつ、電磁クラッチ１１を切った状態でポンプ１４を稼動させる。
【００５７】
これにより、放熱コア部３３全域に膨脹機１０から流出した冷媒が流れるので、放熱コア部３３全域が凝縮器１２として機能する。
【００５８】
したがって、ランキンサイクル側では、加熱器１５にて生成された過熱蒸気が、膨脹機１０にて等エントロピ的に減圧膨脹して、その低下した分のエンタルピに対応するエネルギを機械的エネルギを出力する。
【００５９】
なお、蒸気圧縮式冷凍サイクルが停止しているので、本実施形態では、膨脹機１０にて回収した動力にて発電機（図示せず。）を稼動させ、回収した動力を電力としてバッテリ（図示せず）に蓄える。
【００６０】
以上の作動説明からも明らかなように、本実施形態では、プランジャ３５、コイルバネ３６及び励磁コイル３７により、特許請求の範囲に記載された「放熱コア部（３３）のうち前記圧縮機（１）から吐出した高圧冷媒を流通させて前記放熱器（２）として機能させる部分と、前記放熱コア部（３３）のうち膨脹を終えた蒸気を流通させて前記凝縮器（１２）として機能させる部分との割合を変化させる機能割合変更手段」が構成される。
【００６１】
次に、本実施形態の作用効果を述べる。
【００６２】
本実施形態では、放熱器２と凝縮器１２とを一体化してプランジャ３５を変位させることにより、放熱コア部３３のうち放熱器２として機能する部分と凝縮器１２として機能する部分との割合を変化させるので、複合サイクルの放熱器を搭載するために多くのスペースを必要としない。
【００６３】
また、放熱コア部３３のうち放熱器２として機能する部分と凝縮器１２として機能する部分とが１つの熱交換器３０内において分離されるので、蒸気圧縮式冷凍サイクルの高圧側冷媒圧力がランキンサイクルの凝縮圧力側に上昇して両圧力が均圧してしまうといったことは原理的に発生しない。
【００６４】
したがって、圧縮機１の吐出圧が上昇して圧縮機１での消費動力が増大してしまうといった問題が発生しないので、蒸気圧縮式冷凍サイクルの成績係数が悪化してしまうことを防止して、蒸気圧縮式冷凍サイクルで十分な冷凍能力が発揮さることができる。
【００６５】
（第２実施形態）
第１実施形態では、スライド変位するプランジャ３５にてヘッダタンク３４内を複数（本実施形態では、上下２つ）の空間に仕切る場合と仕切らない場合とを切り換えたが、本実施形態は、図５、６に示すように、貫通穴３８ａが設けられた球状の弁体３８を、サーボモータやステップモータ等のアクチュエータ３９にてヘッダタンク３４内で回転させてヘッダタンク３４内を複数（本実施形態では、２つ）の空間に仕切る場合と仕切らない場合とを切り換えるものである。
【００６６】
そして、蒸気圧縮式冷凍サイクル及びランキンサイクルを同時に稼動させる場合には、図６に示すように、貫通穴３８ａがヘッダタンク３４の長手方向に対して略直交するように弁体３８を回転させてヘッダタン３４内を上下２つの空間に区画した状態で圧縮機１及びポンプ１４を稼動させるとともに、加熱器１５に高温のエンジン冷却水を循環させる。
【００６７】
これにより、圧縮機１から吐出した冷媒が、例えば放熱コア部３３のうち下半分内を流れ、一方、膨脹機１０から流出した冷媒が、例えば放熱コア部３３のうち上半分内を流れるので、放熱コア部３３の略半分が放熱器２として機能し、残り半分が凝縮器１２として機能する。
【００６８】
したがって、蒸気圧縮式冷凍サイクル側では、圧縮機１→熱交換器３０（放熱器２）→レシーバ３→膨脹弁４→蒸発器５→圧縮機１の順で冷媒が循環するので、蒸発器５にて室内に吹き出す空気から吸熱して蒸発した冷媒は、放熱器２にて凝縮しながら大気中に吸熱した熱を放出する。
【００６９】
一方、ランキンサイクル側では、加熱器１５にて生成された過熱蒸気が、膨脹機１０にて等エントロピ的に減圧膨脹して、その低下した分のエンタルピに対応するエネルギを機械的エネルギを出力する。
【００７０】
また、蒸気圧縮式冷凍サイクルのみ稼動させる場合には、図７、８に示すように、貫通穴３８ａをヘッダタンク３４の長手方向と一致させてヘッダタンク３４内を１つの空間として連通させ、かつ、電磁クラッチ１１を切った状態で圧縮機１を稼動させる。
【００７１】
これにより、放熱コア部３３全域に圧縮機１から吐出された高圧冷媒が流れるので、放熱コア部３３全域が放熱器２として機能する。
【００７２】
したがって、蒸気圧縮式冷凍サイクル側では、圧縮機１→熱交換器３０（放熱器２）→レシーバ３→膨脹弁４→蒸発器５→圧縮機１の順で冷媒が循環するので、蒸発器５にて室内に吹き出す空気から吸熱して蒸発した冷媒は、放熱器２にて凝縮しながら大気中に吸熱した熱を放出する。
【００７３】
また、ランキンサイクルのみ稼動させる場合には、図９、１０に示すように、貫通穴３８ａをヘッダタンク３４の長手方向と一致させてヘッダタンク３４内を１つの空間として連通させ、かつ、電磁クラッチ１１を切った状態でポンプ１４を稼動させる。
【００７４】
これにより、放熱コア部３３全域に膨脹機１０から流出した冷媒が流れるので、放熱コア部３３全域が凝縮器１２として機能する。
【００７５】
したがって、ランキンサイクル側では、加熱器１５にて生成された過熱蒸気が、膨脹機１０にて等エントロピ的に減圧膨脹して、その低下した分のエンタルピに対応するエネルギを機械的エネルギを出力する。
【００７６】
（第３実施形態）
第１実施形態では、スライド変位するプランジャ３５にてヘッダタンク３４内を複数（本実施形態では、上下２つ）の空間に仕切る場合と仕切らない場合とを切り換えたが、本実施形態は、図１１、１２に示すように、円盤状のバタフライ方式の弁体４０をサーボモータやステップモータ等のアクチュエータ３９にてヘッダタンク３４内で回転させてヘッダタンク３４内を複数（本実施形態では、２つ）の空間に仕切る場合と仕切らない場合とを切り換えるものである。
【００７７】
そして、蒸気圧縮式冷凍サイクル及びランキンサイクルを同時に稼動させる場合には、図１２に示すように、弁体４０の平面部がヘッダタンク３４の長手方向に対して略直交するように弁体４０を回転させてヘッダタン３４内を上下２つの空間に区画した状態で圧縮機１及びポンプ１４を稼動させるとともに、加熱器１５に高温のエンジン冷却水を循環させる。
【００７８】
また、蒸気圧縮式冷凍サイクルのみ稼動させる場合には、図１３、１４に示すように、弁体４０の平面部がヘッダタンク３４の長手方向に対して略平行となるようにしてヘッダタンク３４の長手方向と一致させてヘッダタンク３４内を１つの空間として連通させ、かつ、電磁クラッチ１１を切った状態で圧縮機１を稼動させる。
【００７９】
また、ランキンサイクルのみ稼動させる場合には、図１５、１６に示すように、弁体４０の平面部がヘッダタンク３４の長手方向に対して略平行となるようにしてヘッダタンク３４の長手方向と一致させてヘッダタンク３４内を１つの空間として連通させ、かつ、電磁クラッチ１１を切った状態でポンプ１４を稼動させる。
【００８０】
（第４実施形態）
上述の実施形態では、放熱コア部３３の略全域を放熱器２若しくは凝縮器１２として機能させる場合、又は放熱コア部３３の略半分を放熱器２として機能させ、残り半分を凝縮器１２として機能させるものであったが、本実施形態は、放熱コア部３３のうち放熱器２として機能する部分と凝縮器１２として機能する部分と割合を０％から１００％まで連続的に変化させることができるようにしたものである。
【００８１】
具体的には、図１７、１８に示すように、ヘッダタンク３４内に移動可能に配置された永久磁石製の弁体４１、弁体４１をヘッダタンク３４外から囲むようにして吸引する円弧状の永久磁石４２、及び永久磁石４２をヘッダタンク３４の長手方向に変位させるモータ等のアクチュエータ４３等にて機能割合変更手段を構成したものである。
【００８２】
なお、本実施形態に係るアクチュエータ４３は、ヘッダタンク３４の外壁に設けられたラックに噛み合うピニオンを回転させることにより永久磁石４２をヘッダタンク３４の長手方向に変位させるものであるが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、例えばリニアモータにてアクチュエータ４３を構成してもよい。
【００８３】
そして、蒸気圧縮式冷凍サイクル及びランキンサイクルを同時に稼動させる場合には、図１７に示すように、弁体４１をヘッダタンク３４の長手方向中間部に位置させてヘッダタン３４内を上下２つの空間に区画した状態で圧縮機１及びポンプ１４を稼動させるとともに、加熱器１５に高温のエンジン冷却水を循環させる。
【００８４】
なお、弁体４１は、蒸気圧縮式冷凍サイクルでの熱負荷及びランキンサイクルで回収可能な動力等に基づいて放熱コア部３３のうち放熱器２として機能する部分と凝縮器１２として機能する部分と割合を連続的に変化させる。
【００８５】
また、蒸気圧縮式冷凍サイクルのみ稼動させる場合には、図１９に示すように、弁体４１をヘッダタンク３４の長手方向一端側まで移動させてヘッダタンク３４内を１つの空間として連通させ、かつ、電磁クラッチ１１を切った状態で圧縮機１を稼動させる。
【００８６】
また、ランキンサイクルのみ稼動させる場合には、図２０に示すように、弁体４１をヘッダタンク３４の長手方向他端側まで移動させてヘッダタンク３４内を１つの空間として連通させ、かつ、電磁クラッチ１１を切った状態でポンプ１４を稼動させる。
【００８７】
（その他の実施形態）
上述の実施形態では、車両用の複合サイクルに本発明を適用したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば定置置きの複合サイクルにも適用できる。
【００８８】
また、上述の実施形態では、蒸気圧縮式冷凍サイクルとして、膨脹弁にて冷媒を等エンタルピ的に減圧するものであったが、本発明はこれに限定されるものでなく、例えば膨脹機やエジェクタ等にて冷媒を等エントロピ的に減圧するものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る複合サイクルの模式図である。
【図２】（ａ）は本発明の第１実施形態に係る熱交換器の正面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ部詳細図である。
【図３】（ａ）は本発明の第１実施形態に係る熱交換器の正面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ部詳細図である。
【図４】（ａ）は本発明の第１実施形態に係る熱交換器の正面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ部詳細図である。
【図５】（ａ）は本発明の第２実施形態に係る熱交換器の正面図であり、（ｂ）は（ａ）の上面図である。
【図６】図５のＡ部詳細図である。
【図７】（ａ）は本発明の第２実施形態に係る熱交換器の正面図であり、（ｂ）は（ａ）の上面図である。
【図８】図７のＡ部詳細図である。
【図９】（ａ）は本発明の第２実施形態に係る熱交換器の正面図であり、（ｂ）は（ａ）の上面図である。
【図１０】図９のＡ部詳細図である。
【図１１】（ａ）は本発明の第３実施形態に係る熱交換器の正面図であり、（ｂ）は（ａ）の上面図である。
【図１２】図１１のＡ部詳細図である。
【図１３】（ａ）は本発明の第３実施形態に係る熱交換器の正面図であり、（ｂ）は（ａ）の上面図である。
【図１４】図１３のＡ部詳細図である。
【図１５】（ａ）は本発明の第３実施形態に係る熱交換器の正面図であり、（ｂ）は（ａ）の上面図である。
【図１６】図１５のＡ部詳細図である。
【図１７】（ａ）は本発明の第４実施形態に係る熱交換器の正面図であり、（ｂ）は（ａ）の上面図である。
【図１８】図１７のＡ部詳細図である。
【図１９】（ａ）は本発明の第４実施形態に係る熱交換器の正面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ部詳細図である。
【図２０】（ａ）は本発明の第４実施形態に係る熱交換器の正面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ部詳細図である。
【符号の説明】
３０…熱交換器、３１…チューブ、３２…フィン、
３３…放熱コア部、３４…ヘッダタンク、
３５…プランジャ、３６…コイルスプリング、３７…励磁コイル。
Claims (6)
- 低圧の冷媒を蒸発させる蒸発器（５）、及び圧縮機（１）から吐出した高圧冷媒を冷却する放熱器（２）を有し、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍サイクル（１〜５）と、
過熱蒸気を膨脹させてエネルギを取り出すとともに、膨脹を終えた蒸気を冷却して凝縮させる凝縮器（１２）を有するランキンサイクル（１０〜１５）と備える複合サイクルに用いられる熱交換器であって、
流体が流通する放熱コア部（３３）、並びに
前記放熱コア部（３３）のうち前記圧縮機（１）から吐出した高圧冷媒を流通させて前記放熱器（２）として機能させる部分と、前記放熱コア部（３３）のうち膨脹を終えた蒸気を流通させて前記凝縮器（１２）として機能させる部分との割合を変化させる機能割合変更手段（３５〜３７）を備えることを特徴とする複合サイクル用熱交換器。 - 低圧の冷媒を蒸発させる蒸発器（５）、及び圧縮機（１）から吐出した高圧冷媒を冷却する放熱器（２）を有し、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍サイクル（１〜５）と、
過熱蒸気を膨脹させてエネルギを取り出すとともに、膨脹を終えた蒸気を冷却して凝縮させる凝縮器（１２）を有するランキンサイクル（１０〜１５）と備える複合サイクルに用いられる熱交換器であって、
流体が流通する複数本のチューブ（３１）を有して構成された放熱コア部（３３）、
前記チューブ（３１）の長手方向と直交する方向に延びて前記複数本のチューブ（３１）と連通するヘッダタンク（３４）、並びに
前記ヘッダタンク（３４）に設けられ、前記放熱コア部（３３）のうち前記圧縮機（１）から吐出した高圧冷媒を流通させて前記放熱器（２）として機能させる部分と、前記放熱コア部（３３）のうち膨脹を終えた蒸気を流通させて前記凝縮器（１２）として機能させる部分との割合を変化させる機能割合変更手段（３５〜３７）を備えることを特徴とする複合サイクル用熱交換器。 - 前記機能割合変更手段は、前記ヘッダタンク（３４）の長手方向と直交する方向に変位して前記ヘッダタンク（３４）内を複数の空間に仕切る場合と仕切らない場合とを変更することにより、前記放熱器（２）として機能させる部分と前記凝縮器（１２）として機能させる部分との割合を変化させることを特徴とする請求項２に記載の複合サイクル用熱交換器。
- 前記機能割合変更手段は、貫通穴（３８ａ）が設けられた弁体（３８）を前記ヘッダタンク（３４）内で回転させて前記ヘッダタンク（３４）内を複数の空間に仕切る場合と仕切らない場合とを変更することにより、前記放熱器（２）として機能させる部分と前記凝縮器（１２）として機能させる部分との割合を変化させることを特徴とする請求項２に記載の複合サイクル用熱交換器。
- 前記機能割合変更手段は、バタフライ方式の弁体（４０）を前記ヘッダタンク（３４）内で回転させて前記ヘッダタンク（３４）内を複数の空間に仕切る場合と仕切らない場合とを変更することにより、前記放熱器（２）として機能させる部分と前記凝縮器（１２）として機能させる部分との割合を変化させることを特徴とする請求項２に記載の複合サイクル用熱交換器。
- 低圧の冷媒を蒸発させる蒸発器（５）、及び圧縮機（１）から吐出した高圧冷媒を冷却する放熱器（２）を有し、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍サイクル（１〜５）と、
過熱蒸気を膨脹させてエネルギを取り出すとともに、膨脹を終えた蒸気を冷却して凝縮させる凝縮器（１２）を有するランキンサイクル（１０〜１５）と備える複合サイクルに用いられる熱交換器であって、
流体が流通する複数本のチューブ（３１）を有して構成された放熱コア部（３３）、
前記チューブ（３１）の長手方向と直交する方向に延びて前記複数本のチューブ（３１）と連通するヘッダタンク（３４）、並びに
前記ヘッダタンク（３４）内にてその長手方向に変位し、前記放熱コア部（３３）のうち前記圧縮機（１）から吐出した高圧冷媒を流通させて前記放熱器（２）として機能させる部分と、前記放熱コア部（３３）のうち膨脹を終えた蒸気を流通させて前記凝縮器（１２）として機能させる部分との割合を変化させる機能割合変更手段（４１〜４３）を備えることを特徴とする複合サイクル用熱交換器。
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