JP2015222150A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄熱部を備える熱交換器において、放熱時において蓄熱部から伝熱対象への熱抵抗を低減しつつ、蓄熱時の過冷却を抑制する。【解決手段】車室内空気が流通する空気流路４５と、空気流路４５と熱的に接続されるとともに冷熱を蓄える蓄熱部４１と、空気流路４５および蓄熱部４１の双方と熱的に接続されるとともに、冷媒が流通する冷媒流路４６とを備え、車室内空気と冷媒との間で熱交換を行う熱交換器において、蓄熱部４１は、当該蓄熱部４１の温度が相転移温度以下である場合に固体状の第１相状態に変化するとともに、当該蓄熱部４１の温度が相転移温度を上回った場合に固体状の第２相状態に変化するように構成されており、さらに、蓄熱部４１は、第１相状態と第２相状態との間の相変化により蓄熱または放熱するように構成されており、冷媒流路４６は、蓄熱部４１内に一体的に形成されている。【選択図】図３

Description

本発明は、熱交換器に関し、冷凍サイクル装置に用いられる蓄冷熱交換器に適用して有効である。

従来、空調装置には、冷凍サイクル装置が用いられている。この冷凍サイクル装置が停止している状態においても、限定された冷房を提供する試みがなされている。例えば、車両用空調装置では、走行用エンジンによって冷凍サイクル装置の圧縮機が駆動される。このため、車両が一時的に停車している間にエンジンが停止すると、冷凍サイクル装置が停止する。

このような一時的な停車中に、限定された冷房を提供するために、冷凍サイクル装置の蒸発器に冷熱を蓄える蓄冷材を付加した熱交換器が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載の熱交換器では、蓄冷材として、固液相変化潜熱蓄熱材を用いている。

特開２０１４−２０７５８号公報

しかしながら、蓄熱材として固液相変化潜熱蓄熱材を用いた場合、液体状態の蓄熱材が流出しないようにするために、熱交換器を構成する構成部材（チューブ、フィンおよびタンク等）とは別に蓄熱材を収容するケースを設ける必要がある。

また、固体および液体間の相変化時には、蓄熱材の密度変化が大きいので、ケース内における蓄熱材の体格変化が大きくなる。このため、ケース内を蓄熱材で完全に満たすのではなく、蓄熱材の相変化による体格変化分の空間を空けておく必要がある。

したがって、蓄熱材から伝熱対象である空気流路へ冷熱を放出させる際には、蓄熱材、ケース、冷媒流路、空気流路の順に熱が伝わることとなり、蓄熱材−ケース間、および、ケース−チューブ（冷媒流路）間の２つの大きな熱抵抗が生じる。このため、熱交換器全体として放熱時の熱抵抗が大きくなるという問題がある。

また、蓄熱材として固液相変化潜熱蓄熱材を用いた場合、蓄熱材に蓄冷する際に、相変化において過冷却が生じる可能性がある。このため、想定している相変化温度（平衡融点）にて蓄冷した場合であっても、過冷却により蓄冷材が凝固しないときが多い。この結果、蓄熱材に充分に冷熱を蓄えることができないという問題がある。

本発明は上記点に鑑みて、蓄熱部を備える熱交換器において、放熱時において蓄熱部から伝熱対象への熱抵抗を低減しつつ、蓄熱時の過冷却を抑制することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、第１流体が流通する第１流路（４５）と、第１流路（４５）と熱的に接続されるとともに、温熱または冷熱を蓄える蓄熱部（４１）と、第１流路（４５）および蓄熱部（４１）の双方と熱的に接続されるとともに、第２流体が流通する第２流路（４６）とを備え、第１流体と第２流体との間で熱交換を行う熱交換器において、蓄熱部（４１）は、当該蓄熱部（４１）の温度が相転移温度以下である場合に固体状の第１相状態に変化するとともに、当該蓄熱部（４１）の温度が相転移温度を上回った場合に固体状の第２相状態に変化するように構成されており、さらに、蓄熱部（４１）は、第１相状態と第２相状態との間の相変化により蓄熱または放熱するように構成されており、第２流路（４６）は、蓄熱部（４１）内に一体的に形成されていることを特徴とする。

これによれば、蓄熱部（４１）を、固体状の第１相状態と固体状の第２相状態との間の相変化により蓄熱または放熱するように構成することで、蓄熱時に蓄熱部（４１）が液体から固体へ相変化することがなくなる。このため、蓄熱時の過冷却を抑制することが可能となる。

また、蓄熱部（４１）を、固体状の第１相状態と固体状の第２相状態との間の相変化により蓄熱または放熱するように構成することで、第１相状態および第２相状態の双方において、蓄熱部（４１）は固体状となっている。このため、第２流路（４６）を蓄熱部（４１）内に一体的に形成することができる。

これにより、蓄熱材を収容するためのケースが不要となるので、放熱時において、蓄熱部（４１）から伝熱対象である第１流路（４５）へ直接熱を伝えることができる。したがって、放熱時に、蓄熱部（４１）−ケース間、および、ケース−第２流路（４６）間の熱抵抗をなくすことができる。このため、放熱時において蓄熱部（４１）から伝熱対象への熱抵抗を低減することが可能となる。

なお、本発明における「蓄熱」とは、温熱を蓄えることのみを意味するものではなく、冷熱を蓄えることをも含む意味である。また、本発明における「放熱」とは、温熱を放出することのみを意味するものではなく、冷熱を放出することをも含む意味である。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した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ものである。

第１実施形態における車両用空調装置を構成する冷凍サイクル装置の構成図である。 第１実施形態における蒸発器を示す平面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。 アイドルストップ時間と吹出温度との関係を示す特性図である。 第２実施形態における蓄熱部近傍を示す拡大断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図１〜図４に基づいて説明する。本発明の実施形態となる車両用空調装置を構成する冷凍サイクル装置の構成を図１に示す。この空調装置を構成する冷凍サイクル装置１は、圧縮機１０、放熱器２０、減圧器３０、および蒸発器（エバポレータ）４０を有する。これら構成部品は、配管によって環状に接続され、冷媒循環路を構成する。

圧縮機１０は、車両の走行用の動力源２である内燃機関（あるいは電動機等）によって駆動される。動力源２が停止すると、圧縮機１０も停止する。圧縮機１０は、蒸発器４０から冷媒を吸引し、圧縮し、放熱器２０へ吐出する。放熱器２０は、高温冷媒を冷却する。放熱器２０は、凝縮器とも呼ばれる。減圧器３０は、放熱器２０によって冷却された冷媒を減圧する。

蒸発器４０は、減圧器３０によって減圧された冷媒を蒸発させ、車室内空気を冷却する。すなわち、蒸発器４０は、車室内空気と冷媒との間で熱交換を行うことで車室内空気を冷却する熱交換器である。したがって、車室内空気が本発明の第１流体に相当し、冷媒が本発明の第２流体に相当している。

また、蒸発器４０は、蒸発器４０にて冷媒を蒸発させて吸熱作用を発揮させる際に蓄熱部４１（図２参照）に冷熱を蓄え、圧縮機１０の停止時、すなわち動力源の停止時に蓄えられた冷熱を放冷する蓄冷熱交換器である。

蒸発器４０は、図２に示すように、複数の蓄熱部４１と、隣り合う蓄熱部４１の間に接合されるフィン４２とが交互に積層配置されたコア部４３、および、コア部４３の両端部に組み付け配置される一対のヘッダタンク４４を備えている。そして、隣り合う蓄熱部４１の間、すなわちフィン４２が設けられている部位に、車室内空気が流通する第１流路としての空気流路４５が形成されている。蓄熱部４１と空気流路４５とは熱的に接続されている。

蓄熱部４１は、車室内空気の流れ方向（以下、空気流れ方向という）が長径方向と一致するように扁平状に形成されている。また、蓄熱部４１は、その長手方向が水平方向に一致するように垂直方向に複数本平行に配置されている。

図３に示すように、蓄熱部４１は、当該蓄熱部４１の温度が相転移温度以下である場合に固体状の第１相状態に変化するとともに、当該蓄熱部４１の温度が相転移温度を上回った場合に固体状の第２相状態に変化するように構成されている。すなわち、蓄熱部４１は、第１相状態および第２相状態の双方で固体となる材質により構成されている。本実施形態の蓄熱部４１は、第１相状態と第２相状態との間の相変化により蓄冷または放冷するように構成されている。この蓄熱部４１の構成材料の詳細については後述する。

蓄熱部４１の内部には、冷媒が流通する第２流路としての冷媒流路４６が複数設けられている。複数の冷媒流路４６は、蓄熱部４１内に一体的に形成されている。冷媒と車室内空気との間で熱交換が行われる際には、この冷媒流路４６において冷媒が蒸発する。

本実施形態では、冷媒流路４６は、蓄熱部４１に貫通孔を開けることにより形成されている。また、複数の冷媒流路４６は、蓄熱部４１のうち空気流路４５に隣接する部位に、空気流れ方向に並んで配置されている。すなわち、冷媒流路４６は、蓄熱部４１のうち、蓄熱部４１の積層方向（以下、蓄熱部積層方向という）の両端部において、空気流れ方向に並んで配置されている。また、複数の冷媒流路４６は、それぞれ、断面矩形状に形成されている。

ここで、上述したように、空気流路４５は、隣り合う蓄熱部４１の間に配置されている。すなわち、空気流路４５は、互いに間隔を設けて複数配置されている。そして、冷媒流路４６は蓄熱部４１内に一体的に形成されているので、冷媒流路４６は、隣り合う空気流路４５の間に配置されているといえる。このとき、冷媒流路４６は、空気流路４５および蓄熱部４１の双方と熱的に接続されている。

図２に戻り、フィン４２は、波状に成形されるとともに、蓄熱部４１の両側の扁平面に接合されている。このフィン４２により、車室内空気との伝熱面積を増大させて蓄熱部４１内の冷媒流路４６を流通する冷媒と車室内空気との熱交換を促進している。

ヘッダタンク４４は、蓄熱部４１の長手方向（以下、蓄熱部長手方向という）の両端部にて蓄熱部長手方向と直交する方向に延びて複数の蓄熱部４１内の冷媒流路４６と連通するものである。本実施形態では、ヘッダタンク４４は、蓄熱部４１の上下端に配置されており、水平方向に延びて複数の蓄熱部４１内の冷媒流路４６と連通している。

また、コア部４３おける蓄熱部積層方向の両端部には、コア部４３を補強するサイドプレート４７が設けられている。サイドプレート４７は、蓄熱部長手方向と平行に延びてその両端部がヘッダタンク４４に接続されている。

上述したように本実施形態の蒸発器４０は、冷熱を蓄える蓄熱部４１を備えている。このため、本実施形態の車両用空調装置は、蓄熱部４１に蓄えられた冷熱を冷却対象流体である車室内空気に与える放冷モードと、冷熱源である冷媒の有する冷熱を蓄熱部４１に蓄冷する蓄冷モードとを切替可能に構成されている。

車両の走行時には、車両走行用の動力源２によって冷凍サイクル装置の圧縮機１０が駆動される。そして、蒸発器４０において車室内空気が冷媒と熱交換することにより冷却され、車室内が冷房される。このとき、蓄冷モードが実行され、冷媒の有する冷熱が蓄熱部４１に蓄冷される。

一方、車両が一時的に停車している間に車両走行用の動力源２が停止すると、冷凍サイクル装置が停止する。このとき、放冷モードが実行され、蓄熱部４１に蓄えられた冷熱を車室内空気に与えることで、限定された冷房が提供される。

次に、本実施形態における蓄熱部４１の材質について詳細に説明する。蓄熱部４１は、構成する物質の電子間に働くクーロン相互作用が強い強相関電子系化合物から構成されている。

本実施形態では、蓄熱部４１を構成する強相関電子系化合物として、少なくとも遷移金属および酸素を含むもの、例えば二酸化バナジウムを採用している。また、蓄熱部４１を構成する強相関電子系化合物として、下記一般式（１）で表されるものを採用してもよい。

Ｍ_1-xＮ_xＯ_y （１）
但し、一般式（１）中、ＭおよびＮは互いに異なる遷移金属を表し、ＸおよびＹは、０＜Ｘ≦０．５、１．９＜ｙ＜２．１の関係を満たしている。

ここで、上記一般式（１）中のＭは、バナジウムを採用することができる。また、上記一般式（１）中のＮは、タングステン、レニウム、モリブデン、ルテニウム、ニオブおよびタンタルからなる群より選ばれた１種を採用することができる。このように、二酸化バナジウムに上述したようなタングステン等の金属元素を所定量付加することで、蓄熱部４１の相転移温度を所望の温度に設定することができる。

本実施形態のように、車室内空気と冷媒との間で熱交換を行うとともに、冷媒流路４６において冷媒が蒸発するように構成されている蒸発器４０では、蓄熱部４１を、上記一般式（１）中のＮがタングステンであるとともに、ＸおよびＹが０．０２＜Ｘ＜０．０３、１．９＜ｙ＜２．１の関係を満たすような強相関電子系化合物で構成することが望ましい。

以上説明したように、本実施形態では、蓄熱部４１を、固体状の第１相状態と固体状の第２相状態との間の相変化により蓄冷または放冷するように構成している。これによれば、蓄冷時に蓄熱部４１が液体から固体へ相変化することがなくなるため、蓄冷時の過冷却を抑制することが可能となる。

また、蓄熱部４１を、固体状の第１相状態と固体状の第２相状態との間の相変化により蓄冷または放冷するように構成することで、第１相状態および第２相状態の双方において、蓄熱部４１は固体状となっている。このため、冷媒流路４６を蓄熱部４１内に一体的に形成することができる。

これにより、蓄熱材を収容するためのケースが不要となるので、放冷時において、蓄熱部４１から伝熱対象である空気流路４５へ直接熱を伝えることができる。したがって、放冷時に、蓄熱部４１−ケース間、および、ケース−冷媒流路４６間の熱抵抗をなくすことができる。このため、放冷時において蓄熱部４１から伝熱対象への熱抵抗を低減することが可能となる。その結果、蓄熱部４１からの冷熱出力が向上し、蒸発器４０の吹出温度を低下させることができる。

ここで、車両のアイドルストップ時間と蒸発器４０の吹出空気温度との関係を図４に示す。図４から明らかなように、蓄熱部４１を二酸化バナジウムで構成した本実施形態の蒸発器４０では、蓄冷材が設けられていない従来の蒸発器、および、蓄冷材としてパラフィンを用いた従来の蒸発器の双方と比較して、アイドルストップ時の吹出温度を低下させることができる。これにより、長時間にわたって吹出空気の温度上昇を抑制し、アイドルストップ時間を延長することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図５に基づいて説明する。図５に示すように、本実施形態の空気流路４５は、蓄熱部４１と一体的に形成されている。すなわち、蓄熱部４１に、冷媒流路４６および空気流路４５の双方が一体的に形成されている。具体的には、蓄熱部４１に、冷媒流路４６用の貫通孔および空気流路４５用の貫通孔を開けることにより、蓄熱部４１内に冷媒流路４６および空気流路４５が一体的に形成されている。

その他の構成は、第１実施形態と同様である。したがって、本実施形態の蒸発器４０によれば、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。

（１）上記実施形態では、冷媒流路４６を、断面矩形状に形成するとともに、蓄熱部４１のうち空気流路４５に隣接する部位に空気流れ方向に複数並んで配置した例について説明したが、冷媒流路４６の構成はこれに限定されない。例えば、冷媒流路４６を、断面円形状に形成してもよい。また、冷媒流路４６を、その断面が空気流れ方向に延びる長方形状となるように形成するとともに、蓄熱部４１のうち空気流路４５に隣接する部位に１つずつ配置してもよい。

（２）上記実施形態では、冷熱を蓄える蓄熱部４１を用いるとともに、蓄熱部４１に蓄えられた冷熱を車室内空気（第１流体）に与える放冷モードと、冷媒（第２流体）の有する冷熱を蓄熱部４１に蓄冷する蓄冷モードとを切替可能に構成した例について説明したが、これに限定されない。例えば、温熱を蓄える蓄熱部４１を用いるとともに、蓄熱部４１に蓄えられた温熱を第１流体に与える放熱モードと、第２流体の有する温熱を蓄熱部４１に蓄熱する蓄熱モードとを切替可能に構成してもよい。

４１ 蓄熱部
４５ 空気流路（第１流路）
４６ 冷媒流路（第２流路）

Claims (7)

1. 第１流体が流通する第１流路（４５）と、
   前記第１流路（４５）と熱的に接続されるとともに、温熱または冷熱を蓄える蓄熱部（４１）と、
   前記第１流路（４５）および前記蓄熱部（４１）の双方と熱的に接続されるとともに、第２流体が流通する第２流路（４６）とを備え、
   前記第１流体と前記第２流体との間で熱交換を行う熱交換器であって、
   前記蓄熱部（４１）は、当該蓄熱部（４１）の温度が相転移温度以下である場合に固体状の第１相状態に変化するとともに、当該蓄熱部（４１）の温度が前記相転移温度を上回った場合に固体状の第２相状態に変化するように構成されており、
   さらに、前記蓄熱部（４１）は、前記第１相状態と前記第２相状態との間の相変化により蓄熱または放熱するように構成されており、
   前記第２流路（４６）は、前記蓄熱部（４１）内に一体的に形成されていることを特徴とする熱交換器。
2. 前記第１流路（４５）は、前記蓄熱部（４１）と一体的に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記蓄熱部（４１）は、強相関電子系化合物から構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 前記強相関電子系化合物は、少なくとも遷移金属および酸素を含んでいることを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
5. 前記強相関電子系化合物は、下記一般式（１）で表されることを特徴とする請求項４に記載の熱交換器。
   Ｍ_1-xＮ_xＯ_y （１）
   但し、一般式（１）中、ＭおよびＮは互いに異なる遷移金属を表し、ＸおよびＹは、０＜Ｘ≦０．５、１．９＜ｙ＜２．１の関係を満たしている。
6. 前記一般式（１）中の前記Ｍは、バナジウムであり、
   前記一般式（１）中の前記Ｎは、タングステン、レニウム、モリブデン、ルテニウム、ニオブおよびタンタルからなる群より選ばれた１種であることを特徴とする請求項５に記載の熱交換器。
7. 前記第１流体は空気であり、
   前記第２流体は、冷凍サイクルの冷媒であり、
   前記第２流路（４６）において、前記第２流体が蒸発するように構成されており、
   前記一般式（１）中の前記Ｎは、タングステンであり、
   前記一般式（１）中の前記Ｘおよび前記Ｙは、０．０２＜Ｘ＜０．０３、１．９＜ｙ＜２．１の関係を満たしていることを特徴とする請求項６に記載の熱交換器。

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