JP4862465B2

JP4862465B2 - 蓄熱型熱交換器および空調システム

Info

Publication number: JP4862465B2
Application number: JP2006111373A
Authority: JP
Inventors: 賢二坪根
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-04-13
Filing date: 2006-04-13
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2026-04-13
Also published as: JP2007285550A

Description

この発明は、冷媒などの熱搬入媒体と蓄熱材（蓄冷材を含む）およびブラインなどの熱搬出媒体との間で熱交換を行う蓄熱型の熱交換器、およびその熱交換器を使用した空調システムに関するものである。

圧縮式のヒートポンプが車両に搭載されていることは周知のとおりである。そのヒートポンプの動力源は、走行用の動力源を兼ねている内燃機関やモータであり、そのため、車両の走行のための駆動力に大きい動力を必要とする場合には、ヒートポンプで使用できる動力が制約され、また反対に走行のために要求される動力が小さい場合には、ヒートポンプなどに使用できるいわゆる余剰動力が大きくなる。このような動力の変動とヒートポンプに要求される動力とは必ずしも一致しないので、ヒートポンプを駆動して得られた熱を蓄熱もしくは蓄冷しておくことが好ましい。

このようにすれば、動力源で発生する余剰の動力を、蓄熱もしくは蓄冷の形で回収することができ、また冷房や暖房のために要求されるヒートポンプの駆動力が不足する場合には、蓄熱材に蓄えた熱エネルギを利用して冷房もしくは暖房を行うことができる。また、このように構成した場合には、冷凍サイクルにおける凝縮器から外部に放出していた熱を回収できるので、エネルギ効率を向上させ、ひいては車両の燃費を向上させることができる。

上記のような蓄熱（以下、蓄冷を含めて蓄熱という）を行う場合、全体としての構成を簡素化するなどのために、蓄熱機能と併せて、熱搬入媒体と熱搬出媒体との間で熱交換を行わせる機能を備えた蓄熱型熱交換器を使用することが好ましい。このような機能を備えた熱交換器が特許文献１に記載されている。この特許文献１に記載された熱交換器は、熱源流体を流す第１流路と、熱回収流体を流す第２流路とを、両者を区画する隔壁を介して密着した状態に形成し、これら一体化した二つの流路を蓄熱材の内部に貫通させ、その蓄熱材の内部における第１流路の全流域で、熱源流体から熱回収流体に熱を伝達すると同時に、熱源流体から蓄熱材に熱を伝達するように構成されている。

特開２００３−３３６９７４号公報

上述した特許文献１に記載されている熱交換器では、熱源流体は、蓄熱材の内部を流れる全域で、熱回収媒体との間および蓄熱材との間で直接熱交換を行うようになっている。そのために、熱回収流体が停止しているなどのことに伴って蓄熱を優先的に行う場合であっても、隔壁を介して接触している熱回収媒体に過剰に熱を伝達し、その分、蓄熱量が少なくなり、もしくは蓄熱効率が低下する可能性がある。また、熱源流体を十分に流動させることができないなどのいわゆる入熱が少なく、それに伴って熱回収流体が蓄熱材から熱を受け取って冷房や暖房を行う場合、熱回収流体が蓄熱材から熱を受け取るいわゆる受熱面積が小さく、蓄熱材からの熱の放出効率や蓄熱材を熱源として冷房や暖房の効率が低下する可能性があった。

この発明は上記の課題に着目してなされたものであり、蓄熱材に対する入熱および蓄熱材からの熱の放出を効率良く行うことができるとともに、熱搬入媒体と熱搬出媒体との間で効率良く熱交換させることのできる蓄熱型熱交換器およびその蓄熱型熱交換器を使用した空調システム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、蓄熱材と、その蓄熱材との間で熱交換する熱搬入媒体と、前記蓄熱材及び熱搬入媒体との間で熱交換する熱搬出媒体とを備えた蓄熱型熱交換器において、前記熱搬入媒体と前記熱搬出媒体とが前記蓄熱材を介して熱交換を行う第１間接熱交換部と、前記熱搬入媒体と前記熱搬出媒体とがそれぞれの媒体の流路を形成している隔壁を介して熱交換する第１直接熱交換部と、前記第１直接熱交換部より下流側の前記熱搬入媒体と前記第１直接熱交換部より上流側の熱搬出媒体が前記蓄熱材を介して熱交換する第２間接熱交換部と、その第２間接熱交換部より下流側の前記熱搬入媒体と前記第２間接熱交換部より下流側の前記熱搬出媒体とがそれぞれの流路を形成している隔壁を介して熱交換する第２直接熱交換部とを備え、前記熱搬入媒体と前記熱搬出媒体とがそれぞれの流路を前記第１間接熱交換部から第１直接熱交換部に向けて流れるように構成され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に記載された蓄熱型熱交換器における前記熱搬出媒体を室内熱交換器に循環流動させる第１循環流路と、冷凍サイクルによって圧縮・膨張させられる冷媒を前記熱搬入媒体として前記蓄熱型熱交換器に循環流動させる第２循環流路とを備えていることを特徴とする空調システムである。

請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記第１循環流路から分岐して形成され、かつ前記熱搬出媒体を前記室内熱交換器を経由させずに前記蓄熱材の内部に繰り返し循環させる第３循環流路と、前記熱搬出媒体を前記第１循環流路と第３循環流路とに切り替えて流す切換弁とを備えていることを特徴とする空調システムである。

請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記熱搬出媒体を一時的に貯留する貯留器が、前記第１循環流路と第３循環流路とに共通の流路の部分に設けられていることを特徴とする空調システムである。

請求項５の発明は、車両に搭載されていることを特徴とする請求項２ないし４のいずれかの空調システムである。

請求項１の発明によれば、熱搬入媒体は蓄熱材に流入した当初、十分な熱量（冷熱量を含む。以下同じ）を有しており、その状態で、先ず、第１間接熱交換部において蓄熱材の間で熱交換し、併せて蓄熱材を介して熱搬出媒体との間で熱交換する。したがって、蓄熱材に充分、熱を伝達して蓄熱することができる。また、熱搬入媒体の下流側における第１直接熱交換部では、熱量を幾分放出した熱搬入媒体と、熱量を幾分受け取った熱搬出媒体とが、それぞれの流路を区画している隔壁を介して熱交換する。その場合には、蓄熱材が介在しないので、各媒体の間の熱伝達量もしくは熱伝達効率を良好なものとすることができる。その結果、熱搬入媒体が有する熱を、蓄熱材に充分蓄熱でき、また熱搬出媒体に対して効率良く熱を伝達することができる。また、熱搬入媒体による熱の搬出が停止している場合であっても、第１間接熱交換部において蓄熱材に熱を充分伝達できるので、熱搬入媒体が持ち去ってしまう熱量を少なくでき、蓄熱効率を良好なものとすることができる。

また、請求項１の発明によれば、熱搬入媒体の蓄熱材の内部における上流側と下流側、換言すれば熱搬出媒体の蓄熱材の内部における下流側と上流側とに、上述した間接熱交換と直接熱交換部とが一対ずつ設けられているので、熱搬入媒体と熱搬出媒体との間の熱交換効率や蓄熱効率を向上させることができる。

請求項２の発明によれば、冷凍サイクルで発生する熱および／または冷熱を効率良く蓄えることができるとともに、蓄熱材の有する熱によって冷房および／または暖房を効率良く行うことができる。

請求項３の発明によれば、熱搬出媒体を室内熱交換器に循環させない場合には、蓄熱材に対して繰り返し循環させるので、蓄熱材と熱搬出媒体との熱交換時間を長くして両者の間の熱交換量を多くすることができる。

請求項４の発明によれば、熱搬出媒体を第３循環流路で循環流動させる場合、第３循環流路の全体としての容積が貯留器によって、第２循環流路と同程度に増大させられているので、第３循環流路の全長を短くすることができる。

請求項５の発明によれば、車両用の空調システムの熱効率を向上させることができ、特に車両の動力源から得られる空調用の動力の変動が大きい場合であっても、安定して空調を行うことができ、ひいては車両の燃費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。先ず、この発明に係る蓄熱型熱交換器１の一例を説明すると、図１において、符号２は潜熱蓄熱材を示し、第１蓄熱器２１、第２蓄熱器３８には、酢酸ナトリウム３水塩や硫酸ナトリウム１０水塩などからなる蓄熱材が用いられ、一方、蓄冷器２６には、水やエチルグリコール水溶液、塩化アンモニウム水溶液など融点が低く、融解熱が比較的大きい潜熱蓄熱材が用いられている。この蓄熱材２は断熱構造の筐体３の内部に収容されており、その蓄熱材２を貫通するように二本の流路が設けられている。

一方の流路は、冷媒などの熱搬入媒体４を流通させるための熱搬入流路５であり、図１に示す例では、この熱搬入流路５は、蓄熱材２に対して図１の左側下部から入り、蓄熱材２の内部で折り返して図１の左側上部で蓄熱材２から抜け出ている。他方の流路は、ブラインなどの熱搬出媒体６を流通させるための熱搬出流路７であり、この熱搬出流路７は、蓄熱材２に対して図１の右側上部から入り、蓄熱材２の内部で折り返して図１の右側下部で蓄熱材２から抜け出ている。

これらの流路５，７は、蓄熱材２の内部で、各媒体４，６と蓄熱材２との間で熱交換が生じるように構成されており、さらに各媒体４，６同士の間で直接熱交換が生じるように構成されている。具体的に説明すると、熱搬入流路５の上流側の部分すなわち熱搬入流路５のうちの入口側の部分と、熱搬出流路７の下流側の部分すなわち熱搬出流路７のうちの出口側に近い部分とが、蓄熱材２を挟んで互いに接近し、蓄熱材２を介して熱交換するように配置されている。このようにして第１間接熱交換部８が形成されている。

熱搬入流路５のうち前記第１間接熱交換部８より下流側の部分に、熱搬入媒体４と熱搬出媒体６とが直接熱交換する第１直接熱交換部９が形成されている。この第１直接熱交換部９は、第１間接熱交換部８を通過した熱搬入媒体４と熱搬出媒体６との間で、各流路５，７を区画する隔壁１０を介して熱交換を生じさせる部分である。したがって、この第１直接熱交換部９は、一方の流路５，７を他方の流路７，５に気密状態を維持して貫通させた構成とすることができ、あるいは気密状態に二つの流路を形成し、それぞれの流路に上記の熱搬入流路５および熱搬出流路７を接続した適宜の熱交換器によって構成することができる。

さらに、熱搬入流路５のうち上記の第１直接熱交換部９より下流側部分に、第２間接熱交換部１１が設けられている。この第２間接熱交換部１１は、上述した第１間接熱交換部８とほぼ同様の構成であって、熱搬入流路５のうち出口側に近い部分と、熱搬出流路７のうち最も上流側の部分すなわち入口側の部分とが、蓄熱材２を挟んで接近し、蓄熱材２を介して各媒体４，６との間で熱交換が生じるように構成されている。

そして、熱搬入流路５における前記第２間接熱交換部１１よりも下流側の部分すなわち出口側の部分に、熱搬入媒体４と熱搬出媒体６とが各流路５，７を区画する隔壁１０を介して直接熱交換する第２直接熱交換部１２が設けられている。この第２直接熱交換部１２は、前述した第１直接熱交換部９とほぼ同様の構成であって、一方の流路５，７を他方の流路７，５に気密状態を維持して貫通させた構成とすることができ、あるいは気密状態に二つの流路を形成し、それぞれの流路に上記の熱搬入流路５および熱搬出流路７を接続した適宜の熱交換器によって構成することができる。

したがって図１に示す蓄熱型熱交換器１は、熱搬入媒体４を、熱搬入流路５の図１における左側下部から供給し、左側上部から流出させ、また熱搬出媒体６を、熱搬出流路７の図１の右側上部から供給し、右側下部から流出させるようなっている。各媒体４，６がこのように流動する間に、各媒体４，６と蓄熱材２との三者の間もしくはいずれかの媒体４，６と蓄熱材２との間で熱交換が生じる。具体的に説明すると、先ず、第１間接熱交換部８では、熱搬入媒体４の有する熱がその周囲の蓄熱材２に伝達され、さらに熱搬出流路７の内部の熱搬出媒体６に伝達される。その場合、熱搬入媒体４の有する熱量が多いので、蓄熱材２に対して十分に熱伝達することができ、また熱搬出媒体６に対して間接的な熱伝達であっても十分に熱伝達することができる。

こうして熱量を低下させた熱搬入媒体４と、熱量を増やした熱搬出媒体６との間の熱交換が、第１直接熱交換部９で生じる。ここでは、各流路５，７を区画する隔壁１０のみを介したいわゆる直接熱交換によって各媒体４，６の間で熱交換されるので、熱搬入媒体４の熱量が上記のように幾分低下し、また熱搬出媒体６の熱量が増大しているとしても、すなわち各媒体５，７の熱量（温度）の差が少なくなっているとしても、効率良くかつ十分に熱伝達が行われる。このように、熱量の多い熱搬入媒体４と熱を受け取る熱搬出媒体６とが共に同方向に流動する構成であっても、上流側で蓄熱材２を介したいわゆる間接熱交換を行い、その下流側でいわゆる直接熱交換を行うようになっているので、蓄熱を効率良くかつ十分に行うことができるとともに、各媒体４，６の間で効率良くかつ十分に熱交換を生じさせることができる。

熱搬入流路５の相対的に上流側で熱搬入媒体４と熱搬出媒体６との間接的な熱交換を生じさせ、その下流側で両者の媒体４，６の直接的な熱交換を生じさせることは、上述した第２間接熱交換部１１および第２直接熱交換部１２とについても同様である。すなわち、先述した第１直接熱交換部９において熱搬出媒体６に熱を与えて熱量を低下させた熱搬入媒体４は、第２間接熱交換部１１において、蓄熱材２を介して、熱搬出媒体６との間で熱交換する。その場合、熱搬入媒体４の熱量が低下しているとしても、熱搬出媒体６の熱量が増大していないので、両者の間の熱量差（例えば温度差）が大きく、したがって熱搬入媒体４と熱搬出媒体６との間の熱交換効率を向上させ、必要十分な熱交換を生じさせることができる。

そして、第２直接熱交換部１２では、熱量が更に低下している熱搬入媒体４と、熱量が幾分増大している熱搬出媒体６との間で熱交換が生じる。その場合、熱搬入媒体４と熱搬出媒体６との熱量差（例えば温度差）が小さくなっているが、その熱交換は隔壁１０を介したいわゆる直接熱交換であるから、効率良く、また必要十分に熱交換することができる。

一方、熱搬出媒体６の流動が停止しているなどのことによって熱の搬出が止まっている場合、各直接熱交換部９，１２における熱搬入媒体４と熱搬出媒体６との間の熱量差が殆どなくなるので、熱搬出媒体６に対する熱伝達は殆ど生じない。これに対して、熱搬入流路５は、上記の各直接熱交換部９，１２を除いて、蓄熱材２の内部を貫通していて蓄熱材２との間で熱交換するようになっているので、熱搬入流路５と蓄熱材２との間の熱交換面積が広いことと相まって、効率良く、かつ十分に蓄熱材２に熱を与えて蓄熱することができる。このような事情は、熱搬入媒体４による熱の搬入がない状態で熱を搬出する場合も同様であり、熱搬出流路７は各直接熱交換部９，１２を除いて蓄熱材２と熱交換可能に接触している。そのため、蓄熱材２と熱搬出媒体６との間の熱交換面積が広く、蓄熱材２の有する熱を効率良く、かつ十分に熱搬出媒体６に伝達できる。

上述した熱搬入媒体４として冷凍サイクルで内部エネルギを低下させられた冷媒を連続的に循環流動させ、また熱搬出媒体として冷房用のブラインを連続的に循環流動させた場合の熱交換の状況を表１にまとめて示してある。

表１において、Ｔr-1，Ｔr-2，Ｔr-3，Ｔr-4は、順に、第１間接熱交換部８、第１直接熱交換部９、第２間接熱交換部１１、第２直接熱交換部１２における冷媒の温度を示し、Ｔb-1，Ｔb-2，Ｔb-3，Ｔb-4は、順に、第１間接熱交換部８、第１直接熱交換部９、第２間接熱交換部１１、第２直接熱交換部１２におけるブラインの温度を示している。この表１から知られるように、熱搬入流路５と熱搬出流路７との間に蓄熱材２が介在する間接熱交換の場合には、冷媒とブラインとの温度差が大きく、また反対に蓄熱材２が介在しない直接熱交換の場合には、冷媒とブラインとの間の温度差が小さくなる。その結果、蓄熱材２に対する蓄熱および冷媒とブラインとの間の熱交換を効率良く行うことができる。

上述した蓄熱型熱交換器１は、車両に搭載される空調システムに使用することができる。その一例を図２に模式図で示してある。図２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、ならびにブラインと冷却水との熱交換部にこの発明を適用した例である。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２０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に係る第１蓄熱器２１が接続されている。この第１蓄熱器２１は前述した図１に示す構成を備えており、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２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。したがってこの第１蓄熱器２１は冷凍サイクルにおけるコンデンサー（凝縮器）に相当している。

上記の第１蓄熱器２１の出力側にレシーバタンク２２と膨張弁２３とが順に接続されている。レシーバタンク２２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２２と前記第１蓄熱器２１との間の管路には、温度センサ２４と圧力センサ２５とが介装されている。また、膨張弁２３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器（エバポレータ）２６が設けられている。この蓄冷器２６は、冷媒の有する冷熱を蓄熱材２やブラインに与えるように構成された蓄熱型熱交換器であり、前述した図１に示す構成を備えている。前記膨張弁２３とこの蓄冷器２６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２７と温度センサ２８とが介装されている。そして、蓄冷器２６の出力側が前記コンプレッサー２０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第１蓄熱器２１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器２６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２９が設けられている。この車室内熱交換器２９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、第１蓄熱器２１と車室内熱交換器２９との間で暖房用熱媒体（ブライン）を循環させる第１循環流路３０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、第１蓄熱器２１の内部で行うように構成されており、したがって第１循環流路３０は第１蓄熱器２１における図１に示す熱搬出流路７に相当する管路に接続されている。

前記第１循環流路３０のうち第１蓄熱器２１から車室内熱交換器２９に暖房用熱媒体が流れるいわゆる往路には、温度センサ３１が介装されている。また、車室内熱交換器２９から第１蓄熱器２１に暖房用熱媒体が流れるいわゆる復路には、三方弁３２と、温度センサ３３と、貯留タンク３４と、ポンプ３５と、逆止弁３６とが順に介装されている。三方弁３２は、上記の第１循環流路３０から分岐した第２循環流路３７を上記のいわゆる復路に選択的に連通させるための切換弁であり、電気信号によって切り替え動作するように構成されている。また、貯留タンク３４は、暖房用熱媒体を、前記車室内熱交換２９を経由させずに、第２循環流路３７に流す場合、第２循環流路３７自体の容積が第１循環流路３０の容積に比較して小さいために、余剰の暖房用熱媒体を一時的に貯留するために設けられている。さらに、逆止弁３６は車室内熱交換器２９から第１蓄熱器２１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。したがって、三方弁３２と、温度センサ３３と、貯留タンク３４と、ポンプ３５と、逆止弁３６は、第１循環流路３０と第２循環流路３７とのいわゆる共通部分に設けられている。

暖房用熱媒体以外の流体からの熱回収や加熱を行う第２蓄熱器３８が設けられている。この第２蓄熱器３８は、上記の第１蓄熱器２１と同様に蓄熱型熱交換器からなるものであって、熱搬入媒体として上記の冷媒に替えて、エンジン冷却水や自動変速機オイル（ＡＴＦ−ＯＩＬ）冷却水を流通させ、また、熱搬出媒体として前記暖房用熱媒体を流通させるように構成されている。また、エンジンや自動変速機オイル（ＡＴＦ−ＯＩＬ）の暖機を行なう場合は、前記暖房用熱媒体を流通させ、第１蓄熱器２１の熱を第２蓄熱器３８へ移動させ、エンジン冷却水や自動変速機オイル（ＡＴＦ−ＯＩＬ）冷却水を暖め暖機を促進させる。すなわち、第２蓄熱器３８は、熱搬入流路を備え、この熱搬入流路に第１循環流路３１が接続されている。また、二本の熱搬出流路を備えており、一方の熱搬出流路にエンジン冷却水管路３９が接続され、他方の熱搬出流路に自動変速機オイル冷却水管路４０が接続されている。そして、それぞれの管路３９，４０には、温度センサ４１，４２およびポンプ４３，４４が介装されている。

また、冷房を行うために、蓄冷器２６と車室内熱交換器２９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循環流路４５が設けられている。この第３循環流路４５は、蓄冷器２６の内部で冷媒および蓄熱材２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１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循環流路４５において冷房用熱媒体を蓄冷器２６から車室内熱交換器２９に向けて流すいわゆる往路には、ポンプ４６および温度センサ４７が介装されている。また、車室内熱交換器２９から蓄冷器２６に冷房用熱媒体を流すいわゆる復路には温度センサ４８が介装されている。なお、第１蓄熱器２１における蓄熱材２の温度を検出する温度センサ４９と、第２蓄熱器３８における蓄熱材２の温度を検出する温度センサ５０と、蓄冷器２６の温度を検出する温度センサ５１と、車室内熱交換器２９における空気の吹き出し温度を検出する温度センサ５２とが設けられている。

上記のコンプレッサー２０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５３が設けられている。この制御装置５３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２０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、第１蓄熱器２１において放熱し、暖房用熱媒体および蓄熱材２に熱を与える。その場合の蓄熱及び熱交換の状態は、図１を参照して説明したとおりである。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２４（圧力センサ２５の検出値から換算してもよい）によって検出され、また圧力が圧力センサ２５（温度センサ２４の検出値から換算してもよい）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２２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２３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２７（温度センサ２８の検出値から換算してもよい）によって検出され、また温度が温度センサ２８（圧力センサ２７の検出値から換算してもよい）によって検出される。そして、混合冷媒は蓄冷器２６に送られ、その内部の蓄熱材２や冷房用熱媒体から熱を奪って蒸発する。その場合の蓄冷は図１を参照して説明したように生じ、したがって、蓄冷器２６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２０によって加圧圧縮される。

なお、上述した第２蓄熱器３８における蓄熱材２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２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２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２や暖房用熱媒体が熱を奪うことによって行うが、蓄熱材２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、各種の情報が読み込まれる（ステップＳ１）。例えばコンプレッサー２０あるいは冷凍サイクルなどの作動要求信号や、各圧力センサからの情報および各温度センサからの情報などが読み込まれる。ついで、第１循環流路３０の暖房用熱媒体を流動させるポンプ３５が作動中か否かが判断される（ステップＳ２）。すなわち、暖房用熱媒体が第１循環流路３０の内部を流れていて蓄熱材２あるいは冷媒と熱交換しているか否かが判断される。このステップＳ２で肯定的に判断された場合には、特に制御を行うことなくこのルーチンを一旦終了する。

これとは反対にステップＳ２で否定的に判断された場合には、冷媒の強制離冷却が必要か否かが判断される（ステップＳ３）。暖房用熱媒体が循環しいない状態でコンプレッサー２０あるいは冷凍サイクルが動作していると、冷凍サイクルにおける凝縮器として機能する第１蓄熱器２１の蓄熱材２に熱が次第に蓄えられる。特に熱搬入流路５の周囲の蓄熱材２の温度が上昇すると、冷媒の凝縮が低調になって冷凍サイクルの熱効率が低下する。ステップＳ３ではそのような状況を判断しており、具体的には、マップに基づいて判断することができる。

図４にはそのマップの一例を示してあり、前記レシーバタンク２２の直前に設けられている圧力センサ２５の検出値（温度センサ２４の検出値でもよい）を横軸に採り、第１蓄熱器２１における蓄熱材２の温度を検出する温度センサ４９の検出値を縦軸に採り、これらの検出値によって領域を定めたマップである。ここに示すマップでは、圧力が予め定めた値以上でかつ蓄熱材２の温度が予め定めた所定温度以下の領域が、強制冷却作動域とされている。すなわち、冷媒の凝縮が不十分になると、その圧力が次第に高くなるので、第１蓄熱器２１によって冷媒を更に冷却する必要のあることが圧力によって判定することができる。またその場合、第１蓄熱器２１の温度が高くなることがあるが、その温度が所定値以上に高くなると、最早、冷媒から熱を受け取ることが困難になる。そこで、強制冷却作動域を所定温度以下の領域とし、それ以上に温度が高くなった場合には、システムを停止するなどの対策を採ることとすればよい。

強制冷却の必要な状況に到っていないことによりステップＳ３で否定的に判断された場合には、特に制御を行うことなくこのルーチンを一旦終了する。これとは反対に肯定的に判断された場合には、前記三方弁３２を作動させて（ステップＳ４）、第２循環流路３７を第１循環流路３０に連通させるとともに、前記ポンプ３５を作動させて（ステップＳ５）、暖房用熱媒体を車室内熱交換器２９を経由させずに第１蓄熱器２１に対して循環流動させる。第１蓄熱器２１は、図１に示すように、第１および第２の直接熱交換部９，１２を備えているから、冷媒から直接熱を受けた暖房用熱媒体が、各間接熱交換部８，１１において蓄熱材２に熱を伝達する。すなわち、暖房用熱媒体が冷媒と蓄熱材２との間の熱伝達を媒介し、その作用が繰り返し生じるので、冷媒の有する熱を蓄熱材２に効率良くかつ多量に伝達し、冷媒を過冷却状態にまで冷却することが可能になる。

このように第１蓄熱器２１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２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。

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。

この発明に係る蓄熱型熱交換器の一例を模式的に示す図である。その蓄熱型熱交換器を蓄熱器もしくは蓄冷器として用いた車両用空調システムの一例を示すブロック図である。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。その制御例において強制冷却の要否を判定するために使用するモップの一例を示す図である。

符号の説明

１…蓄熱型熱交換器、２…潜熱蓄熱材、４…熱搬入媒体、５…熱搬入流路、６…熱搬出媒体、７…熱搬出流路、８…第１間接熱交換部、９…第１直接熱交換部、１０…隔壁、１１…第２間接熱交換部、１２…第２直接熱交換部、２０…コンプレッサー、２１…第１蓄熱器、２９…車室内熱交換器、３０…第１循環流路、３４…貯留タンク、３７…第２循環流路、３８…第２蓄熱器、４５…第３循環流路、５３…制御装置。

Claims

蓄熱材と、その蓄熱材との間で熱交換する熱搬入媒体と、前記蓄熱材及び熱搬入媒体との間で熱交換する熱搬出媒体とを備えた蓄熱型熱交換器において、
前記熱搬入媒体と前記熱搬出媒体とが前記蓄熱材を介して熱交換を行う第１間接熱交換部と、前記熱搬入媒体と前記熱搬出媒体とがそれぞれの媒体の流路を形成している隔壁を介して熱交換する第１直接熱交換部と、前記第１直接熱交換部より下流側の前記熱搬入媒体と前記第１直接熱交換部より上流側の熱搬出媒体が前記蓄熱材を介して熱交換する第２間接熱交換部と、その第２間接熱交換部より下流側の前記熱搬入媒体と前記第２間接熱交換部より下流側の前記熱搬出媒体とがそれぞれの流路を形成している隔壁を介して熱交換する第２直接熱交換部とを備え、
前記熱搬入媒体と前記熱搬出媒体とがそれぞれの流路を前記第１間接熱交換部から第１直接熱交換部に向けて流れるように構成されていることを特徴とする蓄熱型熱交換器。
請求項１に記載された蓄熱型熱交換器における前記熱搬出媒体を室内熱交換器に循環流動させる第１循環流路と、
冷凍サイクルによって圧縮・膨張させられる冷媒を前記熱搬入媒体として前記蓄熱型熱交換器に循環流動させる第２循環流路と
を備えていることを特徴とする空調システム。
前記第１循環流路から分岐して形成され、かつ前記熱搬出媒体を前記室内熱交換器を経由させずに前記蓄熱材の内部に繰り返し循環させる第３循環流路と、前記熱搬出媒体を前記第１循環流路と第３循環流路とに切り替えて流す切換弁とを備えていることを特徴とする請求項２に記載の空調システム。
前記熱搬出媒体を一時的に貯留する貯留器が、前記第１循環流路と第３循環流路とに共通の流路の部分に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の空調システム。
車両に搭載されていることを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載の空調システム。