JP4201011B2

JP4201011B2 - 蓄熱装置

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Publication number: JP4201011B2
Application number: JP2006085761A
Authority: JP
Inventors: 賢二坪根
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-03-27
Filing date: 2006-03-27
Publication date: 2008-12-24
Anticipated expiration: 2026-03-27
Also published as: CN101410260B; EP1998967A1; DE602007003202D1; JP2007263401A; US8220284B2; EP1998967B1; US20100175413A1; WO2007110724A1; CN101410260A

Description

この発明は、冷媒などの媒体の有する熱（もしくは冷熱）を一時的に蓄える蓄熱装置に関するものである。

従来、熱機器の一例として圧縮式のヒートポンプが知られている。その基本的な構造は、冷媒をコンプレッサーによって加圧圧縮し、その冷媒から放熱させて凝縮させ、ついで断熱膨張させるとともに、外部から吸熱して気化させ、その冷媒ガスを再度加圧圧縮するように構成されている。したがって、例えば車両の空調を行う場合には、冷媒が熱を吸収する作用を利用して車室内の空気を冷却し、冷房を行っている。

車両では、エンジンなどの走行用の動力源を使用してヒートポンプを駆動する。したがって、車両が停止している場合には、エンジンのアイドリング回転数を上げてコンプレッサーを駆動することになる。また一方、車両が比較的高速で惰性走行している場合、コンプレッサーを過剰に駆動する事態も生じる。さらに、冷房に伴って生じる熱、すなわち加圧圧縮した冷媒の有する熱を外部に放出している。このように、動力源が主として走行のための動力を出力するものであって、ヒートポンプにとっては動力が不安定なものとなるために、エネルギの損失が多くなり、ひいては車両の燃費が悪化する可能性がある。

従来、エネルギの有効利用を図るために、加圧した冷媒を凝縮させるコンデンサおよび断熱膨張させた冷媒を気化させるエバポレータのそれぞれに蓄熱器を付設した空調装置が特許文献１によって提案されている。この空調装置は、コンデンサから放出された熱を蓄熱材に蓄える一方、その蓄熱材と室内熱交換器や暖房用のパネルヒータなどの放熱部との間でブライン（熱媒体）を選択的に循環させることにより、蓄熱材の熱を暖房に使用するようになっている。また、エバポレータが蓄冷材から熱を吸収することにより蓄冷材の温度を低下させておき、その蓄冷材と室内熱交換機との間で他のブライン（熱媒体）を選択的に循環させることにより、蓄冷材によって冷房を行うようになっている。

また、特許文献２には、蓄冷用熱交換器と蓄熱用熱交換器とを備えた空気調和機であって、家屋用などのいわゆる定置式のものに適した空気調和機が記載されている。さらに、特許文献３には、蓄熱型熱交換器が記載されており、この熱交換器は、熱源流体と熱回収流体とを壁面を介して接触させるとともに、それぞれの流体の流通する流路の周囲に蓄熱材を配置して構成されている。

なお、特許文献４には、熱電素子を用いて熱を電力に変換し、かつ充電する技術が開示されている。また、特許文献５には、熱媒体を介した無駄な放熱もしくは吸熱を防止するために、熱交換が不要な場合には、車内側熱交換器の熱媒体を抜いてしまう技術が開示されている。

特開平５−２８６３５０号公報特開平７−４６８６号公報特開２００３−３３６９７４号公報特開平６−２２５７２号公報特開平１−２４７９３２号公報

上述した特許文献１ないし３に記載されているように、蓄熱もしくは蓄冷を行うことのできる蓄熱材を使用すれば、熱を無駄に放散させることなく、熱回収あるいはエネルギ回収を行うことができるので、車両においては燃費を向上させることが可能になる。しかしながら、冷凍サイクルで循環している冷媒と、室内熱交換器との間で空調のために循環しているブライン（熱媒体）とは、それぞれの要求に応じて循環させているので、蓄熱型熱交換器における冷媒とブライン（熱媒体）あるいは蓄熱材との熱交換の時間や熱交換面積などが制約を受け、必ずしも十分には蓄熱あるいは蓄冷を行うことができない可能性がある。また、蓄熱材にも蓄熱量の制約があるから、回収可能な熱を十分に回収できない可能性がある。そのような場合、蓄熱器で冷媒が充分に放熱して過冷却状態にならず、冷媒による熱輸送量が相対的に少なくなり、あるいは冷媒ガスがそのまま蓄冷器に供給され、それに伴って冷凍サイクルでの熱効率が低下する可能性がある。

この発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであり、熱源となる媒体との間で必要十分に熱交換してその熱（もしくは冷熱）を蓄えることのできる蓄熱装置を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するため請求項１の発明は、熱搬送媒体から熱を受けて蓄熱する蓄熱材もしくは前記熱搬送媒体に熱を与えることにより冷熱を蓄える冷熱蓄熱材と、これら蓄熱材もしくは冷熱蓄熱材と熱要求部との間で熱媒体を循環させることにより前記熱搬送媒体もしくは蓄熱材あるいは冷熱蓄熱材の有する熱を輸送する第１の循環路とを備えた蓄熱装置において、前記熱搬送媒体との間で熱交換した前記熱媒体を、前記熱搬送媒体との間で熱交換する箇所と、前記蓄熱材もしくは冷熱蓄熱材との間で熱交換可能なように前記蓄熱材もしくは冷熱蓄熱材との間を貫通する箇所との間で、かつ前記熱要求部を経由せずに、循環させる第２の循環路と、前記熱媒体を前記第１の循環路に流通させる状態と前記第２の循環路に流通させる状態に切り替える切替手段とを備えていることを特徴とするものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記切替手段は、前記熱要求部による熱要求がない場合に、前記熱媒体を前記第２の循環路に流通させる手段を含むことを特徴とする蓄熱装置である。

請求項３の発明は、熱搬送媒体から熱を受けて蓄熱する蓄熱材と、この蓄熱材と熱要求部との間で熱媒体を循環させることにより前記熱搬送媒体もしくは蓄熱材の有する熱を輸送する第１の循環路とを備えた蓄熱装置において、前記第１の循環路と一部を共有しかつ前記熱要求部を経由せずに、前記熱搬送媒体との間で熱交換する部位に対して前記熱媒体を繰り返し供給するよう前記熱媒体を循環させる他の循環路と、これら第１の循環路と他の循環路との共有部分に介装された、前記熱媒体を貯留するタンクと、前記熱媒体を前記第１の循環路に流通させる状態と前記他の循環路に流通させる状態に切り替える切替手段とを備えていることを特徴とするものである。

請求項４の発明は、請求項１ないし３のいずれかの発明において、前記蓄熱材もしくは冷熱蓄熱材の内部で、前記熱搬送媒体と前記熱媒体とが隔壁を介して熱交換する熱交換器を更に備えていることを特徴とする蓄熱装置である。

請求項５の発明は、請求項１ないし４のいずれかの発明において、前記熱搬送媒体は、加圧された後放熱して内部エネルギを低下させるとともに断熱膨張した後吸熱して内部エネルギを増大させる、冷凍サイクルにおける冷媒を含むことを特徴とする蓄熱装置である。

請求項１および２の発明によれば、熱搬送媒体と蓄熱材もしくは冷熱蓄熱材との温度差が小さくなるなど両者の間の熱交換効率が低下した場合、切替手段を切替動作させて、熱搬送媒体を、熱搬送媒体との熱交換箇所と蓄熱材もしくは冷熱蓄熱材を貫通する箇所との間で循環させて熱搬送媒体と蓄熱材もしくは冷熱蓄熱材との間で熱交換させ、熱（もしくは冷熱）を蓄えることができる。したがって、熱搬送媒体の有する熱を必要十分に蓄熱材もしくは冷熱蓄熱材に移動させて蓄え、また熱搬送媒体の温度を低下させることができる。さらに、熱搬送媒体から蓄熱材で十分に熱を受け取り、熱搬送媒体の温度を低下させることができる場合には、熱搬送媒体から熱要求部に対して熱（もしくは冷熱）を輸送しないので、エネルギを不必要に消費する事態を回避できる。

請求項３の発明によれば、熱要求部で熱を必要としない場合、熱媒体を熱要求部に対して循環させないので、熱搬送媒体と熱要求部との間の熱交換が生じないが、その場合であっても熱媒体がタンクとの間で流動させられて熱輸送媒体の熱がタンクに蓄えられる。

請求項４の発明によれば、熱搬送媒体と熱媒体とを隔絶する隔壁は、その目的を達成する範囲で薄くすることができるので、これらの間の熱交換効率を向上させることができる。

請求項５の発明によれば、冷凍サイクルにおける冷媒から十分に熱を奪って蓄熱できるので、無駄に熱を放散することがないことに加えて、冷媒を確実に液化できるので、冷凍サイクルの熱効率を向上させることができる。また、蓄冷する場合には、冷媒に十分に熱を与えて蓄冷できることに加え、冷媒を蒸発させて全体としての熱効率を向上させることができる。

つぎにこの発明をより具体的に説明する。図１に示す例は、冷凍サイクルで動作するヒートポンプにおけるコンデンサおよびエバポレータにこの発明を適用した例であり、先ず、その冷凍サイクルについて説明すると、エンジンや電動機（それぞれ図示せず）などの動力源によって駆動されるコンプレッサー１は、冷媒を加圧圧縮するように構成された公知のものであり、その吐出部にこの発明の蓄熱装置に相当する蓄熱型凝縮器（コンデンサー）２が接続されている。この蓄熱型凝縮器２は、加圧圧縮されて温度の上昇した冷媒の有する熱を蓄熱材３によって奪うことにより冷媒を液化させるように構成されている。その蓄熱材３がこの発明の第１の蓄熱材に相当し、この蓄熱材３としては顕熱蓄熱材や潜熱蓄熱材を使用することができ、好ましくは冷凍サイクルの動作温度範囲で状態変化して潜熱として熱を蓄える蓄熱材を使用する。

上記の蓄熱型凝縮器２の出力側にレシーバタンク４と膨張弁５とが順に接続されている。レシーバタンク４は、放熱して液化した冷媒（液冷媒）を一時的に貯留するためのものであり、併せて液冷媒とガス冷媒とを分離する機能を備えている。このレシーバタンク４と前記蓄熱型凝縮器２との間の管路には、温度センサ６と圧力センサ７とが介装されている。また、膨張弁５は、冷媒を断熱膨張させてその圧力を低下させる弁であって、絞り弁やキャピラリーチューブなどの従来知られているものを使用することができる。

断熱膨張させた冷媒に熱を与えて気化させるための蓄冷型蒸発器（エバポレータ）８が設けられている。この蓄冷型蒸発器８は、顕熱もしくは潜熱を冷媒に与えることによりいわゆる冷熱を蓄える蓄熱材９を備えた蓄熱装置であり、好ましくは冷凍サイクルの動作温度範囲で状態変化することにより潜熱として冷熱を蓄える蓄熱材９を備えている。前記膨張弁５とこの蓄冷型蒸発器８との間の管路には、断熱膨張した冷媒の圧力を検出する圧力センサ１０と温度センサ１１とが介装されている。そして、蓄冷型蒸発器８の出力側が前記コンプレッサー１の吸入部に接続されている。

上記の冷凍サイクルで生成される熱および冷熱は、熱エネルギとして使用することができ、一例として車両における車室の空気調和に使用される。そのために、前記加圧圧縮された冷媒の有する熱あるいは蓄熱型凝縮器２の有する熱によって車室内の空気を加熱し、また断熱膨張した冷媒もしくは蓄冷型蒸発器８の冷熱によって車室内の空気を冷却する車室内熱交換器１２が設けられている。この車室内熱交換器１２に暖房のための熱を供給するための構成について説明すると、蓄熱型凝縮器２と車室内熱交換器１２との間で暖房用熱媒体（ブライン）を循環させる第１循環路１３が設けられている。

この暖房用熱媒体と前記冷媒との間の熱交換は、蓄熱型凝縮器２の内部で行うように構成されており、そのための熱交換器１４の一例を図２に模式図で示してある。蓄熱型凝縮器２における蓄熱材３に埋没した状態に冷媒流路１５と熱媒体流路１６とが設けられており、これらの流路１５，１６は隔壁１７によって隔絶されている。また、各流路１５，１６には、互いに逆方向に冷媒および暖房用熱媒体が流れるようになっている。さらに、各流路１５，１６と蓄熱材３とは、流路１５，１６を構成している隔壁を介して接している。したがって、冷媒の有する熱が暖房用熱媒体および蓄熱材３に伝達され、また熱媒体には冷媒および蓄熱材３から熱が伝達されるようになっている。なお、各流路１５，１６の外周側には、蓄熱材３の内部に延びるフィンを設けてもよい。

前記第１循環路１３のうち蓄熱型凝縮器２から車室内熱交換器１２に暖房用熱媒体が流れるいわゆる往路には、ポンプ１８および温度センサ１９が介装されている。また、車室内熱交換器１２から蓄熱型凝縮器２に暖房用熱媒体が流れるいわゆる復路には、逆止弁２０および温度センサ２１が介装されている。逆止弁２０は、車室内熱交換器１２から蓄熱型凝縮器２に向けたいわゆる順方向への暖房用熱媒体の流動を許容し、これとは反対のいわゆる逆方向の流動を阻止する弁である。

さらに、前記蓄熱材３との熱交換が可能なように蓄熱材３を貫通した第２循環路２２が設けられている。この第２循環路２２は、暖房用熱媒体を前記車室内熱交換器１２を経由させずに蓄熱材３の内部を循環させるための流路であり、この第２循環路２２に熱媒体を流すための三方弁２３が、前述した第１循環路１３におけるいわゆる往路のうち前記ポンプ１８の吐出側に介装されている。また、この第２循環路２２の他方の端部には、他の逆止弁２４が設けられ、その逆止弁２４の吐出側が前記第１循環路１３におけるいわゆる復路のうち前記逆止弁２０と温度センサ２１との間に接続されている。この逆止弁２４は、蓄熱材３の内部を通過した熱媒体が第１循環路１３におけるいわゆる復路に向けて流れるように設定されている。

上記の蓄熱型凝縮器２における蓄熱材３は、暖房用熱媒体以外の流体からの熱回収や加熱を行うように構成されている。例えば、エンジン冷却水管路２５や自動変速機オイル（ＡＴＦ−ＯＩＬ）冷却水管路２６が蓄熱材３との間で熱交換できるように蓄熱材３を貫通して配置されている。それぞれの管路２５，２６には、温度センサ２７，２８およびポンプ２９，３０が介装されている。

また、冷房を行うために、蓄冷型蒸発器８と車室内熱交換器１２との間で冷房用熱媒体（ブライン）を選択的に循環させる第３循環路３１が設けられている。この第３循環路３１は、蓄冷型蒸発器８の内部で冷媒および蓄熱材９と冷房用熱媒体との間で熱交換が生じるように構成されており、その熱交換器としては前述した図２に示す構成と同様のものを採用することができる。また、第３循環路３１において冷房用熱媒体を蓄冷型蒸発器８から車室内熱交換器１２に向けて流すいわゆる往路には、ポンプ３２および温度センサ３３が介装されている。また、車室内熱交換器１２から蓄冷型蒸発器８に冷房用熱媒体を流すいわゆる復路には温度センサ３４が介装されている。なお、蓄熱材３の温度を検出する温度センサ３５と、蓄冷型蒸発器８の温度を検出する温度センサ３６と、車室内熱交換器１２における空気の吹き出し温度を検出する温度センサ３７とが設けられている。

上記のコンプレッサー１や各ポンプは、電気的に制御されて駆動・停止するようになっている。そのための制御装置３８が設けられている。この制御装置３８は、一例としてマイクロコンピュータを主体として構成されたものであって、前述した各温度センサや圧力センサで検出された温度情報や圧力情報が入力され、また図示しない冷房要求信号や暖房要求信号などの他の信号が入力されている。

つぎに上述した装置の作用について説明する。先ず、冷凍サイクルの作用について簡単に説明すると、冷房の要求に基づきコンプレッサー１が駆動され、ガス冷媒が加圧されて圧縮される。圧力の上昇と共に温度が高くなって過熱蒸気となった冷媒は、蓄熱型凝縮器２において放熱し、図２に示す熱交換器１４において暖房用熱媒体および蓄熱材３に熱を与える。その結果、冷媒の温度（冷媒の内部エネルギ）が低下して次第に凝縮する。その状態の冷媒の温度が温度センサ６によって検出され、また圧力が圧力センサ７によって検出される。その温度や圧力は、冷媒が過冷却されていないと、設計上定まる所定値より高くなる。

凝縮した冷媒は、レシーバタンク４に一時的に貯留される。その場合、凝縮していない冷媒が混入していれば、ここで気液分離が行われる。ついで、膨張弁５において冷媒が断熱膨張させられ、冷媒の一部が蒸発することにより液冷媒とガス冷媒とが混合した状態となる。その混合冷媒の圧力が圧力センサ１０によって検出され、また温度が温度センサ１１によって検出される。そして、混合冷媒は蓄冷型蒸発器８に送られ、その内部の冷熱蓄熱材９や冷房用熱媒体から熱を奪って蒸発する。したがって、蓄冷型蒸発器８にいわゆる冷熱が蓄えられ、また冷房用熱媒体が冷却される。こうして気化した冷媒は、再度コンプレッサー１によって加圧圧縮される。

なお、上述した蓄熱型凝縮器２における蓄熱材３とエンジン冷却水および自動変速機オイル冷却水との間で熱交換が生じるように構成されているので、これらの冷却水の温度が低い場合には、蓄熱材３の有する熱によって冷却水が加温され、いわゆる暖機が促進される。また、車両の運転を継続したことによりこれらの冷却水の温度が高くなった場合には、その冷却水の熱が蓄熱材３に伝達されて熱回収される。

上述したように冷媒の凝縮は、蓄熱材３や暖房用熱媒体が熱を奪うことによって行うが、図２に示す熱交換器１４における冷媒流路１５の周囲の蓄熱材３の温度が次第に上昇した場合や暖房用熱媒体が熱を輸送していない場合には、冷媒の冷却効率が低下し、冷媒を過冷却状態にまで冷却できない可能性がある。そこで、この発明では、冷媒を過冷却状態にまで確実に冷却するために、以下のように強制過冷却を行う。

図３はその過冷却操作を説明するためのフローチャートであって、先ず、蓄熱型凝縮器２とレシーバタンク４との間に設けられている圧力センサ７の検出値が読み込まれる（ステップＳ１）。その検出された圧力が予め設定した基準値α以上か否かが判断される（ステップＳ２）。この基準値αは、冷媒が過冷却状態になった場合に示す圧力もしくはそれに近似した圧力として設計上定めた圧力、もしくは実験的に求めた圧力である。このステップＳ２で否定的に判断された場合には、圧力が十分に低下していて冷媒が過冷却になっていると判断できるので、特に制御を行うことなく、図３に示す制御を終了する。なお、過冷却状態か否かの判断は、圧力に替えて温度に基づいて行うこととしてもよい。

ステップＳ２で肯定的に判断された場合には、凝縮していない冷媒の量が多く、過冷却していないと判断できるので、強制的に過冷却する操作が行われる。すなわち、前述した第１循環路１３の作動要求が有るか否かが判断される（ステップＳ３）。第１循環路１３は、暖房用熱媒体を循環させる管路であるから、ステップＳ３の判断は、暖房要求の有無の判断に置き換えることができる。このステップＳ３で肯定的に判断された場合には、特に制御をおこうなことなく図３の制御を終了する。すなわち、強制過冷却を行わない。暖房用熱媒体が蓄熱型凝縮器２と車室内熱交換器１２との間で循環させられて熱を車室内熱交換器１２に運んでいれば、冷媒から十分に熱が奪われるので、冷媒が過冷却状態となる。特に熱交換器１４が図２に示す構成であれば、冷媒と暖房用熱媒体とが隔壁１７を介して接しているので、両者の間の熱交換効率が良好であり、冷媒が必要十分に冷却される。なお、この状態では、前記三方弁２３が蓄熱型凝縮器２と車室内熱交換器１２とを連通させる状態に切り替えられており、ポンプ１８によって暖房用熱媒体が循環させられる。また、冷媒を蒸発させるための熱は、冷熱蓄熱材９から与えられ、したがって蓄冷型蒸発器８に冷熱が蓄えられる。

これとは反対に暖房要求がないことによりステップＳ３で否定的に判断されると、強制過冷却モードの判断が成立してその制御が開始される（ステップＳ４）。先ず、前記三方弁２３が切り替え動作させられ（ステップＳ５）、前述した第２循環路２２に暖房用熱媒体を循環させるように管路が切り替えられる。また、ポンプ１８が作動する（ステップＳ６）。したがって、暖房用熱媒体は静止していずに第２循環路２２を繰り返し循環流動するので、第２循環路２２の内部にある暖房用熱媒体の全体の温度が冷媒の温度になるまで、冷媒から熱を奪い、冷媒を冷却する。すなわち、暖房用熱媒体が蓄熱材として機能する。また、第２循環路２２を循環する暖房用熱媒体は、蓄熱材３を貫通する部分で蓄熱材３に熱伝達する。すなわち、冷媒流路１５の近傍の蓄熱材３は、冷媒から熱を受けて早期にその温度が上昇するのに対して、冷媒流路１５から離れている箇所の蓄熱材３の温度が相対的に低い場合があり、第２循環路２２を流動する暖房用熱媒体は、その温度の低い箇所の蓄熱材３に熱を運ぶことになる。

このように第２循環路２２を循環する暖房用熱媒体は、それ自体が蓄熱機能を奏するとともに、蓄熱材３に対する熱伝達を促進するので、冷媒を冷却する熱量が十分に確保され、冷媒を過冷却することができる。その結果、冷凍サイクル全体としての熱効率を向上させることができる。また、冷媒の凝縮のための熱や蒸発のための冷熱を蓄えておくことができるので、熱エネルギの有効利用を図り、ひいては車両の燃費を向上させることができる。

上述した例は、蓄熱のために第２の熱媒体を設けた例であるが、この発明では冷熱を蓄えるための第２の熱媒体を設けた構成とすることができる。その例を図４に示してあり、ここに示す例は、冷房用熱媒体を循環させる循環路を蓄冷型蒸発器８側に設け、またレシーバタンク４に替えてアキュムレータを用いた例である。具体的に説明すると、第３循環路３１のうち蓄冷型蒸発器８から車室内熱交換器１２に向けて冷房用熱媒体を流動させるいわゆる往路でポンプ３２と温度センサ３３との間に、三方弁３９が介装されている。この三方弁３９で分岐された第４循環路４０に逆止弁４１が介装され、さらにその逆止弁４１の吐出側が、第３循環路３１のうち車室内熱交換器１２から蓄冷型蒸発器８に向けて冷房用熱媒体を流動させるいわゆる復路で温度センサ３４の上流側に連通されている。さらに、その復路における前記第４循環路４０の接続部より上流側に他の逆止弁４２が介装されている。そして、これらの各逆止弁４１，４２は、冷房用熱媒体が蓄冷型蒸発器８の流入部に向けて流れる方向で開き、これとは反対方向には閉じるように構成されている。

他方、冷凍サイクルを構成している管路のうち、コンプレッサー１の吸入側にアキュムレータ４３が接続され、さらにそのアキュムレータ４３より上流側に、圧力センサ１０および温度センサ１１が順に配置されている。他の構成は、図１に示す構成と同様であるから、図１と同様の部分には図１と同様の符号を図４に付してその説明を省略する。

図４に示すように構成した場合には、冷房用熱媒体を冷熱蓄熱材９と併用される他の蓄冷材として機能させることができる。そのための操作の例を図５にフローチャートで示してある。先ず、蓄冷型蒸発器８とアキュムレータ４３との間に設けられている圧力センサ１０の検出値が読み込まれる（ステップＳ１１）。その検出された圧力が予め設定した基準値β以下か否かが判断される（ステップＳ１２）。この基準値βは、冷媒が十分に気化した場合に示す圧力もしくはそれに近似した圧力として設計上定めた圧力、もしくは実験的に求めた圧力である。このステップＳ１２で否定的に判断された場合には、冷媒が十分に気化していて圧力が高くなっていると判断できるので、特に制御を行うことなく、図５に示す制御を終了する。なお、冷媒が十分に気化した状態か否かの判断は、圧力に替えて温度に基づいて行うこととしてもよい。

ステップＳ１２で肯定的に判断された場合には、気化していない冷媒の量が多く、混合冷媒の状態になっていると判断できるので、強制的に過熱させる操作が行われる。すなわち、前述した第３循環路３１の作動要求が有るか否かが判断される（ステップＳ１３）。第３循環路３１は、冷房用熱媒体を循環させる管路であるから、ステップＳ１３の判断は、冷房要求の有無の判断に置き換えることができる。このステップＳ１３で肯定的に判断された場合には、特に制御をおこうなことなく図５の制御を終了する。すなわち、強制過熱を行わない。冷房用熱媒体が蓄冷型蒸発器８と車室内熱交換器１２との間で循環させられて熱を車室内熱交換器１２に運んでいれば、冷媒に十分に熱を供給できるので、冷媒が過熱状態となる。なお、この状態では、前記三方弁３９が蓄冷型蒸発器８と車室内熱交換器１２とを連通させる状態に切り替えられており、ポンプ３２によって冷房用熱媒体が循環させられる。また、冷媒を凝縮させるための熱は、蓄熱材３によって奪われ、したがって蓄熱型凝縮器２に熱が蓄えられる。

これとは反対に冷房要求がないことによりステップＳ１３で否定的に判断されると、強制過熱モードの判断が成立してその制御が開始される（ステップＳ１４）。先ず、前記三方弁３９が切り替え動作させられ（ステップＳ１５）、前述した第４循環路４０に冷房用熱媒体を循環させるように管路が切り替えられる。また、ポンプ３２が作動する（ステップＳ１６）。したがって、冷房用熱媒体は静止していずに第４循環路４０を繰り返し循環流動するので、第４循環路４０の内部にある冷房用熱媒体の全体の温度がガス冷媒の温度になるまで、冷媒に熱を与え、冷媒を過熱する。すなわち、冷房用熱媒体が冷熱蓄熱材として機能する。

このように第４循環路４０を循環する冷房用熱媒体は、それ自体が蓄熱機能（蓄冷機能）を奏するので、冷媒を過熱する熱量が十分に確保され、冷媒を気化させることができる。その結果、冷凍サイクル全体としての熱効率を向上させることができる。また、冷媒の凝縮のための熱や蒸発のための冷熱を蓄えておくことができるので、熱エネルギの有効利用を図り、ひいては車両の燃費を向上させることができる。

ところで、前述した図１に示す例は、暖房用熱媒体が冷媒の熱を受けて熱を蓄える機能と、蓄熱材３に熱を運ぶ機構とを奏するように構成されているが、この発明では、暖房の要求がない場合に、暖房用熱媒体が蓄熱機能のみを果たすように構成することもできる。その例を図６に示してある。この図６に示す例では、前述した各冷却水を加温し、また各冷却水から熱を受けて蓄熱する蓄熱器４４が、蓄熱型凝縮器２とは別に設けられている。そして、第１循環路１３は、これら蓄熱型凝縮器２と蓄熱器４４とを通って暖房用熱媒体を循環させるように構成されている。これに対して第２循環路２２は、蓄熱型凝縮器２と蓄熱器４４との間で第１循環路１３から分岐しており、かつ第１循環路１３におけるいわゆる復路のうち車室内熱交換器１２と温度センサ２１との間に接続されている。そして、その接続部には、三方弁４５が介装され、その三方弁４５によって、第１循環路１３を連通させた状態と、第２循環路２２を連通させた状態とに切り替えるようになっている。

この三方弁４５と蓄熱型凝縮器２との間の管路は、第１循環路１３と第２循環路２２とに共有されている部分であって、このいわゆる共有部分には、温度センサ２１と貯留タンク４６と、ポンプ１８と、逆止弁４７とが介装されている。この貯留タンク４６は、暖房用熱媒体を一時的に貯留するためのものであって、第１循環路１３と第２循環路２２とにおける暖房用熱媒体の量がその貯留タンクの容量分、増大させられている。なお、図６における符号４８は、蓄熱器４４に設けられた温度センサを示し、符号４９は、蓄熱器４４に内蔵された蓄熱材を示す。他の構成は、図１に示す構成と同様であるから、図１と同様の構成には図１と同様の符号を図６に付してその説明を省略する。

図６に示すように構成した場合、暖房要求がなければ、すなわち第１循環路１３の作動要求がなければ、三方弁４５が第２循環路２２を連通させる状態に切り替えられ、またポンプ１８が駆動される。したがって、暖房用熱媒体は蓄熱型凝縮器２において冷媒から熱を奪って冷媒を凝縮させ、その後、三方弁４５を経由して貯留タンク４６に送られる。貯留タンク４６を含む第２循環路２２の全体に封入されている暖房用熱媒体が、このように蓄熱型凝縮器２を通過するように繰り返し循環流動させられ、その結果、暖房用熱媒体の全体の温度が冷媒の温度程度に高くなるまで、暖房用熱媒体が冷媒を冷却する。また併せて、蓄熱型凝縮器２における蓄熱材３が冷媒から熱を奪って冷媒を冷却する。したがって、暖房用熱媒体が蓄熱材３と同様に蓄熱機能を果たし、しかも連続的に循環させられてその全体が蓄熱作用もしくは冷媒の冷却作用を行うので、冷媒を十分に過冷却することができる。なお、図６に示す例における他の作用は、図１に示すように構成した場合と同様である。

ここで、冷媒の強制過冷却を行う他の構成例を説明する。図７に示す例は、冷凍サイクルにおけるレシーバタンクに到る過程で冷媒の過冷却を強制的に行うように構成した例であり、凝縮器（コンデンサ）５０の下流側にレシーバタンク５１が管路５２によって接続されている。その凝縮器５０は、前述した蓄熱型凝縮器２と同様な構成とすることができる。レシーバタンク５１および管路５２の外周部には、過冷却材用ジャケット５３が設けられており、ここに過冷却材を流通させて冷却できるようになっている。その過冷却材としては、凝固点が−１０℃程度もしくはそれ以下のブラインを使用することができる。

その過冷却材を貯留するタンク５４が設けられており、このタンク５４と前記ジャケット５３とが循環管路５５によって連通されている。そして、ジャケット５３からタンク５４に到る管路に逆止弁５６とポンプ５７とが順に介装されている。さらに、凝縮器５０とレシーバタンク５１とを連通させている管路５２にその内部の圧力を検出する圧力センサ５８が付設されている。その圧力センサ５８は、ポンプ５７を制御する制御装置５９に電気的に接続されており、検出された圧力に基づいてポンプ５７の起動・停止の制御を行うように構成されている。

図７に示すように構成した場合、加圧圧縮されて温度の上昇したガス冷媒６０は、凝縮器５０において放熱して液化する。その液冷媒６１は管路５２を通ってレシーバタンク５１に送られるが、冷媒が十分に液化していない場合、すなわち過冷却されていない場合には、レシーバタンク５１で気液分離される。また、その場合、管路５２での圧力が高くなるので、その圧力信号に基づいてポンプ５７が制御装置５９からの指令信号によって駆動させられる。その結果、前述したジャケット５３に過冷却材が供給されて循環するので、冷媒が強制的に冷却され、過冷却状態となる。

このような制御例を図８にフローチャートで示してある。すなわち、前記圧力センサ５８による検出値が読み込まれる（ステップＳ２１）。その検出値が基準値α以上か否かが判断される（ステップＳ２２）。検出値が基準値α以上であることによりステップＳ２２で肯定的に判断された場合には、冷媒が過冷却状態になっていないと判断されるので、強制過冷却モードの判断が成立し、その制御が実行される（ステップＳ２３）。すなわちポンプ５７が起動されて過冷却材が前記ジャケット５３に供給される。一方、ステップＳ２２で否定的に判断された場合には、冷媒が過冷却されていると判断されるので、特に制御を行うことなく図８の制御を終了する。

ところで、前述した暖房用あるいは冷房用の熱媒体（ブライン）は熱伝導性を備えているから、熱媒体が前述した蓄熱材３や冷熱蓄熱材９に常時、熱伝達可能に接触していると、これらの蓄熱材３，９が有している熱もしくは冷熱が、熱媒体を介して放出されて失われる可能性がある。このような事態を防止もしくは抑制するためには、以下のように構成することが好ましい。図９は、蓄熱機能もしくは蓄冷機能のある蓄熱器７０を経由して熱媒体を循環させることにより蓄熱や蓄冷を行う前述した図１や図４に示すシステムにおいて、その冷凍サイクルが停止している状態では、蓄熱器７０から熱媒体を抜き取るように構成した例である。すなわち、熱媒体と蓄熱材（図示せず）との間で熱交換可能な蓄熱器７０の前後両側にレシーバタンク７１，７２が接続されており、上流側のレシーバタンク７１の流入側と、下流側のレシーバタンク７２における流出側とのそれぞれに逆止弁７３，７４が接続されている。

その下流側の逆止弁７４に続けてポンプ７５が接続されており、そのポンプ７５の下流側には、アキュムレータタンク７６がバイパスして接続されている。そのアキュムレータタンク７６は蓄熱器７０から抜き取った熱媒体を収容できる容量を備えており、その吸入管７７が三方弁７８を介してポンプ７５の吐出側に接続されている。また、アキュムレータタンク７６の吐出管７９にポンプ８０が介装されており、さらにこの吐出管７９は他の三方弁８１を介して、前記三方弁７８より下流側に接続されている。

前記各ポンプ７５，８０に制御信号を出力し、また各三方弁７８，８１を切り替え動作させる制御信号を出力する制御装置８２が設けられている。この制御装置８２はマイクロコンピュータを主体として構成されており、制御情報として各種の情報が入力されている。すなわち、図９に示す例は車両に搭載されるシステムであり、したがって制御装置８２には、車速情報、エンジン回転数情報、サイドブレーキ情報、キーロック情報、着座センサ情報、蓄熱器情報などの情報が入力されている。

図１０は図９に示すシステムで実行される制御例を説明するためのフローチャートであって、この制御例は蓄熱材からの熱媒体を介した放熱あるいは吸熱を防止するための制御の例である。先ず、前述した各種の情報が読み込まれる（ステップＳ３１）。その読み込んだ情報に基づいて車両が停止しているか否かが判断される（ステップＳ３２）。具体的には車速がゼロであり、またサイドブレーキが引かれてブレーキが掛かっており、さらにキーロックされているなどのことに基づいて車両が停止していることを判断することができる。

このステップＳ３２で肯定的に判断された場合には、蓄熱器７０に熱が残っているか否かが判断される（ステップＳ３３）。すなわち、蓄熱器７０に放熱可能な熱量があるか否か、あるいは外部から熱を吸収できる程度に冷却されていて冷熱量を有しているか否かが判断される。このステップＳ３３で否定的に判断された場合には、蓄熱器７０と外部との熱授受が生じないので、このルーチンを一旦終了する。これとは反対にステップＳ３３で肯定的に判断された場合には、蓄熱器７０と外部との熱授受を抑制もしくは防止する必要があるので、そのための制御が実行される。すなわち、先ず、各三方弁７８，８１が切り替えられて、アキュムレータタンク７６の吸入管７７がポンプ７５に連通させられるとともに、吐出管７９が熱媒体の本来の流路に対して遮断される。この状態でポンプ７５が駆動させられる（ステップＳ３５）。その結果、熱媒体がアキュムレータタンク７６に送り込まれるので、蓄熱器７０から熱媒体が抜き取られる。そのため、蓄熱器７０が蓄熱残量を有しているとしても、熱媒体が蓄熱器７０に接触していないので、熱媒体が蓄熱器７０と外部との熱授受を媒介することがなく、したがって蓄熱器７０から不要な放熱あるいは冷熱の漏洩を防止もしくは抑制することができる。

一方、車両が走行していることによりステップＳ３２で否定的に判断された場合には、アキュムレータタンク７６の内部に熱媒体が残っているか否かが判断される（ステップＳ３６）。このステップＳ３６で肯定的に判断された場合には、アキュムレータタンク７６から熱媒体を排出するように各三方弁７８，８１が切り換えられ（ステップＳ３４）、かつポンプ８０が駆動させられる（ステップＳ３５）。すなわち、上流側の三方弁７８が熱媒体の本来の循環路に対して前記吸入管７７を遮断するように動作し、また下流側の三方弁８１がアキュムレータタンク７６を熱媒体の本来の循環路に連通させるように動作する。なお、ステップＳ３６で否定的に判断された場合には、特に制御することなくこのルーチンを終了する。したがって、車両が走行している場合には、熱媒体が蓄熱器７０を経由する循環路に戻される。

停止状態で蓄熱器もしくは蓄冷器からの放熱あるいは冷熱の放出を抑制するためには、熱媒体を抜き取る替わりに、熱媒体を蓄熱器もしくは蓄冷器の近傍で遮断してもよい。図１１はそのように構成した例を示している。蓄熱器７０の流入側には三方弁８３を介してバイパス路８４が接続されている。このバイパス路８４は逆止弁８５を有するとともに、下流側のポンプ７５と逆止弁７４との間に接続されている。すなわち、蓄熱器７０とその下流側のレシーバタンク７２とをバイパスするようになっている。

また、上流側のレシーバタンク７１の流入側には逆止弁に替えて開状態と閉状態とに切り替えられる電磁弁８６が介装されている。さらに、蓄熱器７０とその下流側のレシーバタンク７２との間には、開状態と閉状態とに切り替えられる電磁弁８７が介装されている。他の構成は図９に示す構成と同様であるから、図１１に図９と同様に符号を付してその説明を省略する。

上記の図１１に示す構成を対象とした制御の例を図１２にフローチャートで示してある。ここに示す制御例は、図１０に示す制御例とほぼ同様であり、システムを停止させる場合に前記各電磁弁８６，８７を閉じる点で相違する。すなわち、各情報が読み込まれた後（ステップＳ３１）、車両が停止しているか否かが判断され（ステップＳ３２）、停止している場合には、蓄熱残量があるか否かが判断される（ステップＳ３３）。蓄熱残量がない場合には、特に制御を行うことなくこのルーチンを一旦終了し、反対に蓄熱残量がある場合には、各電磁弁８６，８７を閉動作させる（ステップＳ３３−１）。その後、各三方弁８３，７８，８１を切り替え動作させる（ステップＳ３４）。具体的には、三方弁８３によって上流側のレシーバタンク７１をバイパス路８４に連通させ、三方弁７８によってポンプ７５を前記吸入管７７に連通させ、三方弁８１によって吐出管７９を遮断する。

この状態でポンプ７５が駆動させられる（ステップＳ３５）。その結果、蓄熱器７０を挟んで配置されている各レシーバタンク７１，７２から熱媒体が抜き取られてアキュムレータタンク７６に移し替えられる。そのため、蓄熱器７０に熱媒体が残っているとしても、蓄熱器７０の前後両側からは熱媒体が抜き取られて遮断された状態になっているので、熱媒体を介した放熱や冷熱の放散が防止もしくは抑制される。

なお、車両が走行していることによりステップＳ３２で否定的に判断された場合には、アキュムレータタンク７６の内部に熱媒体が残っているか否かに応じて、前述した図１０に示す制御例と同様に制御が行われる。なお、その場合、各電磁弁８６，８７は開状態に制御する。

ここで上述した各具体例とこの発明との関係を簡単に説明すると、前述した冷媒がこの発明の熱搬送媒体に相当し、図１，４，６に示す三方弁２３，３９，４５がこの発明の切替手段に相当し、図２に示す熱交換器がこの発明における「熱搬送媒体と熱交換する箇所」に相当し、図１において第２循環路２２が蓄熱材３を貫通している部分がこの発明の「蓄熱材もしくは冷熱蓄熱材と熱交換する箇所」に相当する。また、前述した車室内熱交換器１２がこの発明の熱要求部に相当する。さらに、図６に示す貯留タンク４６がこの発明の「熱媒体を貯留するタンク」に相当する。

なお、この発明は上述した各具体例に限定されないのであって、車室内の空調を行うシステムに限らず、居室や貯蔵庫などの適宜の空間の冷暖房のためのシステムにも適用することができる。

この発明を冷凍サイクルに適用した例を示すブロック図である。その熱交換器の一例を模式的に示す図である。図１に示すシステムを対象とする制御の一例を説明するためのフローチャートである。この発明を冷凍サイクルに適用した他の例を示すブロック図である。図４に示すシステムを対象とする制御の一例を説明するためのフローチャートである。この発明を冷凍サイクルに適用した更に他の例を示すブロック図である。レシーバタンクで強制過冷却を行うように構成した一例を示すブロック図である。図７に示す装置を対象とした制御例を説明するためのフローチャートである。システムの停止時に蓄熱器から熱媒体を抜き取るように構成した装置の一例を示す部分的なブロック図である。図９に示す装置を対象とした制御の一例を説明するためのフローチャートである。システムの停止時に蓄熱器の前後両側から熱媒体を抜き取るように構成した装置の一例を示す部分的なブロック図である。図１１に示す装置を対象とした制御の一例を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１…コンプレッサー、２…蓄熱型凝縮器（コンデンサー）、３…蓄熱材、４…レシーバタンク、５…膨張弁、８…蓄冷型蒸発器（エバボレータ）、９…冷熱蓄熱材、１２…車室内熱交換器、１３…第１循環路、１４…熱交換器、１５…冷媒流路、１６…熱媒体流路、１７…隔壁、２２…第２循環路、２３…三方弁、３１…第３循環路、３８…制御装置、３９…三方弁、４０…第４循環路、４１，４２…逆止弁、４３…アキュムレータ、４４…蓄熱器、４５…三方弁、４６…貯留タンク、４９…蓄熱材。

Claims

熱搬送媒体から熱を受けて蓄熱する蓄熱材もしくは前記熱搬送媒体に熱を与えることにより冷熱を蓄える冷熱蓄熱材と、これら蓄熱材もしくは冷熱蓄熱材と熱要求部との間で熱媒体を循環させることにより前記熱搬送媒体もしくは蓄熱材あるいは冷熱蓄熱材の有する熱を輸送する第１の循環路とを備えた蓄熱装置において、
前記熱搬送媒体との間で熱交換した前記熱媒体を、前記熱搬送媒体との間で熱交換する箇所と、前記蓄熱材もしくは冷熱蓄熱材との間で熱交換可能なように前記蓄熱材もしくは冷熱蓄熱材との間を貫通する箇所との間で、かつ前記熱要求部を経由せずに、循環させる第２の循環路と、
前記熱媒体を前記第１の循環路に流通させる状態と前記第２の循環路に流通させる状態に切り替える切替手段と
を備えていることを特徴とする蓄熱装置。
前記切替手段は、前記熱要求部による熱要求がない場合に、前記熱媒体を前記第２の循環路に流通させる手段を含むことを特徴とする請求項１に記載の蓄熱装置。
熱搬送媒体から熱を受けて蓄熱する蓄熱材と、この蓄熱材と熱要求部との間で熱媒体を循環させることにより前記熱搬送媒体もしくは蓄熱材の有する熱を輸送する第１の循環路とを備えた蓄熱装置において、
前記第１の循環路と一部を共有しかつ前記熱要求部を経由せずに、前記熱搬送媒体との間で熱交換する部位に対して前記熱媒体を繰り返し供給するよう前記熱媒体を循環させる他の循環路と、
これら第１の循環路と他の循環路との共有部分に介装された、前記熱媒体を貯留するタンクと、
前記熱媒体を前記第１の循環路に流通させる状態と前記他の循環路に流通させる状態に切り替える切替手段と
を備えていることを特徴とする蓄熱装置。
前記蓄熱材もしくは冷熱蓄熱材の内部で、前記熱搬送媒体と前記熱媒体とが隔壁を介して熱交換する熱交換器を更に備えていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の蓄熱装置。
前記熱搬送媒体は、加圧された後放熱して内部エネルギを低下させるとともに断熱膨張した後吸熱して内部エネルギを増大させる、冷凍サイクルにおける冷媒を含むことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の蓄熱装置。