JP6034043B2 - 自動車用の廃熱利用システム及び自動車 - Google Patents

Description

本発明は、自動車におけるモータなど熱源から熱を効率よく回収し、車内空調に利用する廃熱利用システム及び自動車に関する。

従来、車内の暖房を行うためには、車内に噴出するエア等を加熱する加熱手段が必要となる。例えば、暖房装置内を循環する熱媒体をヒータ等で加熱して、高温の熱媒体とエアとを熱交換させながら、温風を車内に送風する。

このような暖房システムにおいては、エンジン等の熱源からの熱を回収して利用する技術が提案されている。例えば、特許文献１には、冷却液循環サイクルと熱媒体循環サイクルとの間に中間熱交換器を設け、冷却液の熱を熱媒体（暖房側）へ伝える熱管理システムが開示されている。また、特許文献２には、エンジン廃熱をヒートパイプにより暖房システムに側へ輸送し、蓄熱材にて一時蓄熱しておき、自動車室内の即暖に利用する自動車用の蓄熱装置が開示されている。このように、熱源からの熱を利用することでヒータ等によって熱媒体を加熱するための熱量を抑制することができる。

特開２００９−２９１００８号公報 特開平０５−５０８４１号公報

しかしながら、上述の特許文献１の熱管理システムでは車両が走行してから冷却水が温まるまでの時間、暖房利用ができず、むしろ暖房側から冷却水側へ熱移動してしまい、暖房効率が悪くなることが懸念される。また、特許文献２では、蓄熱した熱を車内の即暖に利用するが、廃熱部と放熱部の中間に蓄熱材が配置されるため、走行中蓄熱しながら空調に利用することとなり、廃熱利用効率が走行中に低下してしまうという問題がある。

一方、近年は電気自動車が増加しており、例えば、駆動源として、化石燃料を燃焼するエンジンに代わってモータが用いられる場合がある。このようなモータが発する熱量は、従来のエンジンよりも少ないため、暖房用のエアを加熱するためには、より効率よく廃熱を回収し、車内の空調に利用する方法が要求される。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、駆動部等の熱源側から効率良く熱を回収し、車内空調に利用可能な自動車用の廃熱利用システム等を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するため、第１の発明は、自動車の駆動源である熱源を冷却する熱源側冷却経路と、自動車室内との熱交換を行うための車内熱交換経路と、前記熱源側冷却経路上に配置され、前記熱源側冷却経路を流れる熱媒体と熱交換を行う第１熱交換器と、前記車内熱交換経路上に配置され、前記車内熱交換経路を流れる熱媒体と熱交換を行う第２熱交換器と、前記第２熱交換器に一方の面が接するように設けられたペルチェ素子と、前記ペルチェ素子の他方の面に一方の端部が接続されるとともに、前記第１熱交換器に他方の端部が接続され、前記第１熱交換器側の熱を前記第２熱交換器側へ移動させることが可能な第１熱輸送手段と、前記ペルチェ素子の熱移動の方向を切り替える制御部と、を備え、前記ペルチェ素子を介さずに前記第２熱交換器に一方の端部が接続され、前記第１熱交換器に他方の端部が接続される第２熱輸送手段を更に備え、前記制御部は、車両走行中において、前記第１熱輸送手段から前記車内熱交換経路に熱を移動させることが可能であることを特徴とする自動車用の廃熱利用システムである。

第１の発明によれば、熱源側冷却経路の熱を車内熱交換経路に伝達する第１熱輸送手段の一端にペルチェ素子が設けられているため、ペルチェ素子の吸熱動作によって車両の駆動装置等の熱源から発生する熱を積極的に回収し、車内熱交換経路に放熱することができる。このため、熱源の廃熱を有効に利用することができる。さらに、２系統の熱輸送手段を設け、第１系統の熱輸送手段（第１熱輸送手段）がペルチェ素子を介して第２熱交換器と接続され、第２系統の熱輸送手段（第２熱輸送手段）がペルチェ素子を介さずに第２熱交換器と直接接続されることにより、ペルチェ素子を駆動しない場合でも第２系統の熱輸送手段の端部の温度差で熱輸送が可能となり、消費電力を低減できる。また、ペルチェ素子により熱源側冷却回路から吸熱し、蓄熱部材に蓄熱できる。例えば、一時的な走行停止中に、廃熱を蓄熱しつつ、第２熱交換器（車内熱交換経路）へも伝達して車内空調に使用することができる。

また、第１の発明において、前記第１熱輸送手段の前記ペルチェ素子に接続される端部に接触するように蓄熱部材を設けることが望ましい。

これにより、走行開始直後にペルチェ素子によって蓄熱部材に蓄熱された熱を吸熱し、車内熱交換経路の熱媒体へ放熱することができる。熱源側冷却経路を循環する熱媒体が温まっていない走行開始直後であっても蓄熱部材の熱を利用して即時に車内熱交換経路の熱媒体を温めることができる。

また、前記制御部は、車両走行停止時において、前記ペルチェ素子の熱移動の方向を反転させ、前記車内熱交換経路の熱を前記蓄熱部に蓄熱することが望ましい。

これにより、走行停止直後の、温まった冷却水及び暖房水の熱をペルチェ素子により強制的に吸熱し、蓄熱部材へ蓄熱することができる。したがって、熱の無駄をなくすことができる。

また、前記第１及び第２の熱輸送手段は、ヒートパイプであることが望ましい。熱輸送手段がヒートパイプであれば、熱を効率良く伝達することができる。

また、自動車の現在位置情報を取得する位置情報取得手段と、場所に関する情報を含む地図情報を記憶する記憶部と、を更に備え、前記制御部は、前記位置情報取得手段によって車両が走行を停止した位置情報を取得し、取得した位置情報に関連付けられている場所情報を前記地図情報から取得し、取得した場所情報に応じて、車両走行停止時において、前記ペルチェ素子の動作を制御することが望ましい。

これにより現在の駐車場所に応じてペルチェ素子の動作を切り替え、蓄熱するか否かを切り替えることができる。これにより、ユーザが特に意識しなくても停車中に効率よく熱利用することが可能となる。

第２の発明は、第１の発明に係る廃熱利用システムを搭載した自動車である。

第２の発明により、熱源から効率良く熱を回収して車内の空調に利用可能な自動車を提供することができる。

本発明によれば、自動車の駆動部等の熱源側から効率良く熱を回収し、車内空調に利用可能な自動車用の廃熱利用システム等を提供することができる。

本発明に係る廃熱利用システム１の構成を示すシステム構成図。 廃熱利用システム１の熱交換装置４の内部構成を示す図。 廃熱利用システム１の制御フローを示すフローチャート。 自動車の走行状態に応じた熱移動の方向を示す図。 自動車の走行状態と蓄熱材、冷却水、暖房水の各温度変化を示す図。 熱交換装置４ａの内部構成を示す図。 図６の熱交換装置４ａを別の方向から見た透視図。 廃熱利用システム１ｂの構成を示すシステム構成図。 廃熱利用システム１ｂの制御フローを示すフローチャート。

以下、本発明の第１の実施の形態にかかる廃熱利用システム１について説明する。図１は廃熱利用システム１の全体構成を示すシステム構成図、図２は廃熱利用システム１の熱交換装置４の内部構成を示す図である。図１に示すように、廃熱利用システム１は、主に、熱源側冷却経路２、車内熱交換経路３、熱交換装置４、制御部５等を備える。廃熱利用システム１は、自動車用の廃熱利用システムである。

熱源側冷却経路２は、例えばエンジンやモータなどの自動車の駆動部を冷却する経路である。熱源側冷却経路２には、モータ６、ポンプ８ａ、外気熱交換器７等が設けられ、熱媒体として冷却水等が循環する。また、熱源側冷却経路２の循環方向（図中矢印Ａ方向）に対して、モータ６と外気熱交換器７との間に熱交換装置４の第１熱交換器４１（図２参照）が接続される。

モータ６は、自動車の駆動部であり、熱源となる部位である。なお、本実施形態においては、熱源がモータ６のみである電気自動車の例を示すが、本発明はこれに限られない。例えば、熱源として、通常のエンジンであっても良く、その両者が配置されても良い。また、熱源としては、駆動部のみに限られず、自動車の走行等において発熱する部位であればよい。

ポンプ８ａは、熱源側冷却経路２内の熱媒体（冷却水）を循環させるものである（図中矢印Ａ方向）。外気熱交換器７はラジエータ等であり、モータ６により加熱された熱源側冷却経路２内の熱媒体（冷却水）を冷却する部位であり、熱を外部に放出する。

車内熱交換経路３は、車内熱交換経路３内を循環する熱媒体と、車内を暖房するためのエアとを熱交換するための経路である。車内熱交換経路３には、車内熱交換器９、ポンプ８ｂ等が設けられ、熱媒体として水等が循環する。また、車内熱交換経路３の循環方向（図中矢印Ｂ方向）に対して、車内熱交換器９の上流側に熱交換装置４の第２熱交換器４２（図２参照）が接続される。

ポンプ８ｂは、車内熱交換経路３内の熱媒体（以下、本明細書において暖房水ともいう）を循環させるものである（図中矢印Ｂ方向）。車内熱交換器９は、車内熱交換経路３内を循環する熱媒体の熱と車内を暖房するためのエアの熱を熱交換し、エアを車内に送り込む。

熱交換装置４は、熱源側冷却経路２を循環する熱媒体（以下、本明細書において冷却水ともいう）の熱を取り込み、車内熱交換経路３を循環する熱媒体（暖房水）との間で熱交換するものである。また、熱交換装置４は制御部５に接続される。

図２に示すように、熱交換装置４は、第１熱交換器４１、第２熱交換器４２、ペルチェ素子４３、ヒートパイプ４４、蓄熱材４５等を備える。第１熱交換器４１は熱源側冷却経路２に接続される。また、第２熱交換器４２は車内熱交換経路３に接続される。ペルチェ素子４３は、第２熱交換器４２に片面が接続され、反対面がヒートパイプ４４の一端に接続される。つまりヒートパイプ４４は、一端側でペルチェ素子４３を介して第２熱交換器４２と接続される。また、ヒートパイプ４４の他端側は第１熱交換器４１と接続される。蓄熱材４５は、ヒートパイプ４４のペルチェ素子４３に接続される端部に熱的に接続される。

ヒートパイプ４４は、熱輸送を行うことができる手段（熱輸送デバイス）であればいずれの形態でも構わないが、好ましくはヒートパイプである。ヒートパイプは、たとえば、端部を密閉した金属の内部に、溶媒を配置して、溶媒の蒸発と凝縮により熱を伝達することができる。主に銅の内部に水を入れたヒートパイプが多く用いられている。このため、電源を用いなくても熱伝達を行うことができ、また、密閉されているので水が減少することもないのでメンテナンス性にも優れる。なお、さらに好ましくはサーモサイフォン型のヒートパイプであることが望ましい。

第１熱交換器４１は、熱源側冷却経路２内の熱媒体（冷却水）とヒートパイプ４４の一方の端部（下端部）との間で熱交換を行うものである。第１熱交換器４１は、例えば、内部にフィン４１１が設けられた中空の熱伝導体４１２により構成され、熱源側冷却経路２内を循環する熱媒体（冷却水）を取り込み、フィン４１１及び熱伝導体４１２を介して熱媒体（冷却水）とヒートパイプ４４との間で熱交換を行う。第１熱交換器４１は、熱源側冷却経路２内の熱媒体の循環方向に対して、モータ６から外気熱交換器７までの間に配置される。モータ６から熱を受けた直後の、より高温の熱媒体と熱交換を行わせるためである。

また、第２熱交換器４２は、ペルチェ素子４３を介して接続されたヒートパイプ４４の他方の端部（上端部）と車内熱交換経路３内の熱媒体（暖房水）との間で熱交換を行うものである。ここで、第２熱交換器４２は、第１熱交換器４１よりも高い位置に配置される。したがって、第１及び第２熱交換器４１、４２と接続されるヒートパイプ４４は、一方の端部に対して他方の端部が高い位置となるように配置される。

第２熱交換器４２は、第１熱交換器４１と同様に、例えば、内部にフィン４２１が設けられた中空の熱伝導体４２２により構成され、車内熱交換経路３内を循環する熱媒体（暖房水）を取り込み、フィン４２１及び熱伝導体４２２を介して熱媒体（暖房水）とペルチェ素子４３との間で熱交換を行う。ペルチェ素子４３は後述するように、所定の電圧を印加すると一方の面で吸熱し、反対面で放熱する。このようなペルチェ素子４３の特性を利用して、ヒートパイプ４４の上端部の熱を吸熱し、第２熱交換器４２内部の熱媒体を加温する。

熱源側冷却経路２を循環する熱媒体（冷却水）がモータ６により加熱され、第１熱交換器４１がヒートパイプ４４の作動温度以上となると、ヒートパイプ４４内部の作動液が蒸発して、当該部位の熱を奪い、蒸気が第２熱交換器４２側に輸送される。低温部である第２熱交換器４２では、蒸気が凝縮して熱を放出する。放出された熱は、第２熱交換器４２により車内熱交換経路３を流れる熱媒体に伝達される。

第２熱交換器４２側で凝縮した作動液は、ヒートパイプ４４の内面を伝わり、重力によってより低い位置にある第１熱交換器４１側に移動する。以上を繰り返すことで、熱源側冷却経路２の熱が、車内熱交換経路３側に伝達される。

なお、ヒートパイプ４４がサーモサイフォン型のヒートパイプであれば、第１熱交換器４１が低温部となり、第２熱交換器４２側が高温部となると、ヒートパイプ４４の作動液は、第１熱交換器４１側に溜まった状態となり、ヒートパイプ４４は、熱輸送を行うことがない。したがって、車内熱交換経路３内の熱媒体の熱が、熱源側冷却経路２側に逃げることがない。

すなわち、ヒートパイプ４４は、熱源側冷却経路２から車内熱交換経路３側に熱を輸送するが、車内熱交換経路３から熱源側冷却経路２への熱の輸送を行うことがない。なお、このような効果をより高めるためには、ヒートパイプ４４を略鉛直方向に配置することが望ましい。

本第１の実施の形態では、図２に示すようにヒートパイプ４４を立設させ、上端部にペルチェ素子４３の片面を接続し、またペルチェ素子４３の他方の面に第２熱交換器４２を接続する。すなわち、ペルチェ素子４３を介してヒートパイプ４４の上端部と第２熱交換器４２とが接続される。ペルチェ素子４３は、所定電圧を印加すると一方の面が吸熱するとともに反対面が発熱し、印加電圧の極性を反転するとその関係が反転する特性を有する。

本第１の実施の形態のように、ペルチェ素子４３をヒートパイプ４４の上端部と第２熱交換器４２との間に介在させ、ペルチェ素子４３に所定の電圧を印加すると、ペルチェ素子４３によりヒートパイプ４４上端部の熱を吸熱し、反対面である第２熱交換器４２側へ放熱することができる。ペルチェ素子４３は制御部５に接続される。本実施の形態では、このようなヒートパイプ４４からの吸熱動作を行わせる際に、ペルチェ素子に正極性の電圧を印加するものとして説明する。

制御部５は、ペルチェ素子４３へ印加する電圧の極性を所定のタイミングで切り替える。例えば、制御部５は、車両走行中はペルチェ素子４３に吸熱動作を行わせる。これにより、積極的に第１熱交換器４１の熱をヒートパイプ４４を介して第２熱交換器４２へ輸送させる。また、車両が走行を停止すると、ペルチェ素子４３への電圧の印加を停止させる。或いは、ペルチェ素子４３に対し、逆極性の電圧を印加し、第２熱交換器４２の熱を蓄熱材４５側へ移動させる（蓄熱動作）。

蓄熱材４５は、ヒートパイプ４４や第２熱交換器４２から熱を受熱して蓄熱するものである。蓄熱材４５の材料は、一時的に熱を蓄えることができればよく、例えば、パラフィンや関東商事社製の「パッサーモ」（商品名）等を使用することができる。上記のような蓄熱材４５を用いることで、受熱部１９の熱変動を均一化（ダンパー効果）することができる。蓄熱材４５は周囲を断熱材４５１により覆うことが望ましい。

また、蓄熱材４５に、潜熱蓄熱材を用いることもできる。潜熱蓄熱材は、蓄熱材（酢酸ナトリウム３水塩や硫酸ナトリウム１０水塩）などを用い、物質の相変化に伴う潜熱を蓄熱することができる。特に、過冷却型蓄熱材は、凝固点温度以下になっても相変化（結晶化）が起きない状態を保ち、液体にある衝撃や振動や摩擦といったエネルギーを加えることで結晶の種を生成し、今まで不規則に浮遊していた分子やイオンが突如、種結晶に向かって結合（凝固）を始めて、一気に凝固熱を周囲に放出するものである。潜熱蓄熱材を用いれば、乗車開始時に、蓄熱された熱を一気に利用して、瞬時に暖房を利用可能とすることもできる。

次に、図３〜図５を参照して、廃熱利用システム１の機能及び制御について説明する。なお、図３のフローチャートの説明では、車両走行開始時において、蓄熱材４５は、前回の走行時に発生した熱等によって蓄熱されているものとする。

走行開始直後は、熱源側冷却経路２内を循環する熱媒体（冷却水）は低温であるため、ヒートパイプ４４の作動温度に達していない。そこで、熱源側冷却経路２内を循環する熱媒体（冷却水）が温まるまでの所定時間（例えば、５分間）は、ペルチェ素子４３に所定電圧を印加し、蓄熱材４５からの吸熱を行わせる（ステップＳ１０１）。これにより図４（Ａ）に示すように、ペルチェ素子４３が蓄熱材４５の熱を吸熱し、反対面の第２熱交換器４２に放熱する。こうして、第２熱交換器４２内に取り込まれている車内熱交換経路３内の熱媒体に熱が伝達される。

温められた熱媒体はポンプ８ｂによって車内熱交換経路３内を循環し（図１中矢印Ｂ方向）、車内熱交換器９にて外部から取り込まれたエア（不図示）を加熱する。これにより車内に暖気が送られる。このように、走行開始直後は、蓄熱材４５の熱を利用できるため、車両スタート時の即暖に効果がある。

また、車両が走行してしばらくすると、蓄熱材４５の熱は上述のペルチェ素子４３の吸熱により奪われる。一方、モータ６の駆動により生じた熱によって熱源側冷却経路２内を循環する熱媒体（冷却水）が徐々に加熱される。すると、図４（Ｂ）に示すように、熱源側冷却経路２内を循環する熱媒体（冷却水）は熱交換装置４の第１熱交換器４１に取り込まれ、その熱がヒートパイプ４４の下端部に伝達される。ヒートパイプ４４の一端（下端部）で受熱すると、ヒートパイプ４４は他端（上端部）へ熱を輸送する。さらに、ヒートパイプ４４の他端（上端部）の熱はペルチェ素子４３により吸熱され、反対面の第２熱交換器４２に効率よく放熱される。これにより、熱源側冷却経路２の熱（廃熱）を車内熱交換経路３内の熱媒体に伝達し、車内の暖房に利用することができる。

また、車両が走行を停止した場合（ステップＳ１０２；Ｙｅｓ）、走行停止した直後は、車内熱交換経路３内の熱媒体は上述したように車内の暖気によって温められている。熱源側冷却経路２内の熱媒体もモータ６の発熱により温められている。そこで、制御部５はペルチェ素子４３に逆極性の電圧を印加するよう切り替える（ステップＳ１０３）。すると、図４（Ｃ）に示すように、ペルチェ素子４３は、第１熱交換器４１及び第２熱交換器４２に取り込まれている熱媒体から熱を吸熱し、蓄熱材４５に放熱する。これにより蓄熱材４５が蓄熱される。蓄熱材４５に蓄えられた熱は、次回走行開始時の即暖に利用可能である。

その後、車両が走行を再開した場合は（ステップＳ１０４；Ｙｅｓ）、ステップＳ１０１へ戻る。制御部５、ペルチェ素子４３に正電圧を印加し、蓄熱材４５及びヒートパイプ４４から吸熱する。

車両が走行を開始しない場合（ステップＳ１０４；Ｎｏ）、すなわち、駐車した場合等は、所定時間経過後、ペルチェ素子４３の駆動を停止する（ステップＳ１０５）。

図５は、図３の手順で行われた動作における蓄熱材４５、熱源側冷却経路２内を循環する熱媒体（冷却水）、車内熱交換経路３内を循環する熱媒体（暖房水）の温度変化を示すグラフである。また、図５のグラフの下にはペルチェ素子４３に印加する電圧の極性を示している。図５のグラフの横軸は車両走行開始からの時間（分）、縦軸は温度（°Ｃ）を示す。また、図５のグラフにおいて、太い破線は蓄熱材の温度変化を示し、細い実線は熱源側冷却経路２内を循環する熱媒体（冷却水）の温度変化を示し、太い実線は車内熱交換経路３内を循環する熱媒体（暖房水）の温度変化を示している。

図５に示すように、車両走行開始直後は、蓄熱材４５の温度は６０°Ｃに保たれ、冷却水及び暖房水の温度は外気温と同程度（１０°Ｃ）とする。車両走行開始とともに、ペルチェ素子４３に正電圧が印加される。これにより、ペルチェ素子４３は蓄熱材４５から吸熱するため、蓄熱材４５の温度が下がる。一方、ペルチェ素子４３は第２熱交換器４２側に放熱するため暖房水の温度が上昇する。また、モータ６が駆動されて発熱するため冷却水の温度が上昇する。

蓄熱材４５の温度は徐々に下がる一方、暖房水の温度は上昇し、走行開始後５分程経過すると、ペルチェ素子４３による蓄熱材４５から暖房水への熱の輸送効率が低下し、暖房水の温度が低下を始める。一方、冷却水の温度は走行開始後から単調に上昇し、冷却水の温度がペルチェ素子のヒートパイプ側の温度を超えた時点からヒートパイプ４４が作動を開始する。ヒートパイプ４４の作動により、冷却水の熱を暖房水へ伝え、暖房水の温度の低下は抑えられる（図５では４５℃）。その後、ヒートパイプ４４の熱輸送によって暖房水及び冷却水が所定の温度差を保ちながら保温状態となる。

車両が走行を停止すると、ペルチェ素子４３に印加する電圧が負電圧に切り替えられる。すると、ペルチェ素子４３は、暖房水の熱を吸熱し、蓄熱材４５側に放熱（蓄熱）する。また、冷却水の熱は、ヒートパイプ４４が作動している間、ヒートパイプ４４を介して蓄熱材４５に輸送される。暖房水は次第に温度が下降するため、暖房水の温度が所定温度以下となった時点で、ペルチェ素子４３への電圧印加を停止する。尚、停止時に蓄熱材４５に冷却水及び暖房水の熱を吸熱させる際には、ポンプ８ａ及び８ｂを動作させ、熱媒体を循環させることも廃熱の利用に有効である。

以上説明したように、本発明の第１の実施の形態の廃熱利用システム１によれば、熱源側冷却経路２の熱を車内熱交換経路３に伝達するヒートパイプ４４（熱輸送手段）の車内熱交換経路３側に接続される端部にペルチェ素子４３を設けることにより、モータ６のような駆動部等の熱源から発生する熱を積極的に回収し、車内熱交換経路３に伝えることができる。特に、ペルチェ素子４３によってヒートパイプ４４の一方の端部から積極的に熱を奪うため、ヒートパイプ４４の両端における温度差を確保することができる。このため、ヒートパイプ４４を効率良く動作させることができる。したがって、熱源の廃熱を有効に利用することができる。

また、蓄熱材４５を設けることで、走行開始直後にペルチェ素子４３によって蓄熱材４５に蓄熱された熱を吸熱し、車内熱交換経路３の熱媒体へ放熱することができる。このため、走行開始直後であっても即時に車内熱交換経路３内を循環する熱媒体を温めることができ、即暖に効果がある。

また、走行停止した直後の、温まった冷却水及び暖房水の熱をペルチェ素子４３により強制的に吸熱し、蓄熱材４５へ蓄熱することもできるため熱の無駄をなくすことができる。また、ヒートパイプを略鉛直に配置することにより、熱の冷却水側への移動を防止できる。

なお、図１の廃熱利用システム１において、車内熱交換経路３にヒータを設け、熱交換装置４による暖房水（車内熱交換経路３内の熱媒体）の加熱を補助するようにしてもよい。この場合はヒータの利用を抑制しつつ、暖房用のエアの加熱を更に即時に確実に行うことが可能となる。

次に、第２の実施形態に係る廃熱利用システム１について説明する。なお、第２の実施の形態において、図１に示す廃熱利用システム１と同様の機能を奏する構成については、図１と同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

第２の実施の形態の廃熱利用システム１は、第１の実施の形態の廃熱利用システム１と略同様の構成であるが、図６に示すように熱交換装置４ａが２系統のヒートパイプ４４Ａ、４４Ｂを有する点で異なる。熱交換装置４ａは、図１に示す熱交換装置４と同様に、熱源側冷却経路２を循環する熱媒体（冷却水）の熱を取り込み、車内熱交換経路３を循環する熱媒体（暖房水）との間で熱交換するものである。

図６、図７は、第２の実施の形態の熱交換装置４ａの内部構成を示す図であり、図７は、図６の左方向から熱交換装置４ａを眺めた透視図である。なお、図６において、ヒートパイプ４４Ｂはペルチェ素子に接触せず、第２熱交換器４２に直接接触するように配置されている。また、図７の４本のヒートパイプ４４ａ〜４４ｄは２本で１系統（４４ａ及び４４ｂ、４４ｃ及び４４ｄ）をなすものとし、図６では各系統のヒートパイプがそれぞれ１本で表されるように図示されている。また、図７では、紙面奥側から手前側に向かって、蓄熱材４５、ヒートパイプ４４ａ〜４４ｄ、ペルチェ素子４３、第１及び第２熱交換器４１、４２の順に配置されているものとする。なお、ヒートパイプの本数は図示した例に限られない。

上述したように、熱交換装置４ａには、２系統のヒートパイプ４４Ａ（ヒートパイプ４４ｃ、４４ｄ）、４４Ｂ（ヒートパイプ４４ａ、４４ｂ）が並設される。ヒートパイプ４４Ａは、第１の実施の形態のヒートパイプ４４と同様に、一端側（上端部）でペルチェ素子４３を介して第２熱交換器４２と接続され、他端側（下端部）で第１熱交換器４１と接続される。ヒートパイプ４４Ａのペルチェ素子４３に接続される端部側（上端部）には、蓄熱材４５が接触するように設けられる。

ヒートパイプ４４Ｂ（第２熱輸送手段）は、一端側（上端部）でペルチェ素子４３を介さずに第２熱交換器４２と接続され、他端側（下端部）で第１熱交換器４１と接続される。

第１の実施の形態と同様に、第２熱交換器４２は、第１熱交換器４１よりも高い位置に配置されるため、第１及び第２熱交換器４１、４２と接続されるヒートパイプ４４Ａ、４４Ｂはいずれも、一方の端部に対して他方の端部が高い位置となるように配置される。また、ヒートパイプ４４Ａ、４４Ｂを略鉛直方向に配置すれば、熱源側冷却経路２から車内熱交換経路３側に熱を輸送するが、車内熱交換経路３から熱源側冷却経路２への熱の輸送を行うことがなく、車内熱交換経路３内の熱媒体の熱が、熱源側冷却経路２側に逃げるのを防ぐことができる。

第２の実施の形態の熱交換装置４ａを用い、ペルチェ素子４３を動作させて蓄熱材４５に蓄熱を行おうとすると、ヒートパイプ４４Ａの上端部を加熱することになる。そうすると、ヒートパイプ４４Ａは、もはや動作しなくなる。これに対し、ペルチェ素子４３に接続されていないヒートパイプ４４Ｂではペルチェ素子４３を動作させても、熱を輸送できる。

この際、暖房水の上流側にヒートパイプ４４Ｂを配置し、下流側にペルチェ素子４３に接続されるヒートパイプ４４Ａを配置することで、上流側のヒートパイプ４４Ｂにより温められた直後の暖房水の熱を、ペルチェ素子４３を用いて吸熱し、蓄熱材４５を蓄熱することができる。このため、効率よく熱利用できる。

このように、本発明の第２の実施の形態の熱交換装置４ａは、２系統のヒートパイプ４４Ａ、４４Ｂを設け、第１系統のヒートパイプ４４Ａがペルチェ素子４３を介して第２熱交換器４２と接続される。このため、冷却水（熱源側冷却経路２）の熱を、ペルチェ素子４３を使用して蓄熱できる。また、第２系統のヒートパイプ４４Ｂがペルチェ素子４３を介さずに第２熱交換器４２と直接接続される。これにより、ペルチェ素子４３を逆駆動させて、車内熱交換経路３の熱を蓄熱材４５に蓄熱する際にも、ヒートパイプ４４Ｂにより熱源側冷却経路２からの熱輸送が可能となり、効率良く廃熱を利用することができる。

例えば、一時的な走行停止中に、冷却水の熱を蓄熱用に利用しつつ、暖房水側へも熱輸送できる。また、暖房水の上流側にヒートパイプ４４Ｂを配置することで、ヒートパイプ４４Ｂによって温められた暖房水の熱を、より効率よく蓄熱に利用できる。

次に、第３の実施形態に係る廃熱利用システム１ｂについて説明する。図８は、第３の実施の形態に係る廃熱利用システム１ｂの全体構成を示す図である。廃熱利用システム１ｂは、廃熱利用システム１または１ａの構成に加え、記憶部５１、現在位置取得部５２を備える。記憶部５１及び現在位置取得部５２は制御部５に接続される。

記憶部５１には、例えば、カーナビゲーションシステム等で利用される地図情報が格納されている。地図情報には、道路情報の他、場所に関する情報が含まれる。場所に関する情報とは、例えば、公園、ショッピングモール、コンビニエンスストア、自宅等といった場所の種別を表す情報である。また、記憶部５１には、場所の種別に応じて、短時間停車する場所か、１時間を超えるような駐車を行う場所であるかを定義したデータテーブルが格納される。現在位置取得部５２は、例えばＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）等であり、車両の現在位置を取得し、制御部５へ出力する。

第３の実施の形態において、制御部５は、現在位置取得部５２から現在位置情報を取得し、取得した位置情報に関連付けられている場所情報を記憶部５１の地図情報から取得し、取得した場所情報に応じて、ペルチェ素子４３の動作を切り替える。例えば、車両が走行を停止した位置がコンビニエンスストアの駐車場である場合は、停車時間が短いと推測されるため、暖房水から蓄熱材４５へ蓄熱するより、暖房水が温かいまま次の走行を再開する方が効率が良い。そのため、制御部５は、ペルチェ素子４３の駆動を停止するよう制御する。

一方、車両が停止した位置がショッピングモール等の駐車場である場合は、停車時間が長いと推測されるため、暖房水が自然放熱してしまう。そのため、暖房水の熱を吸熱して蓄熱材４５へ蓄熱する。そのため、制御部５はペルチェ素子４３に負電圧を印加するよう制御し、第２熱交換器４２から吸熱し、蓄熱材４５へ放熱させて蓄熱材４５を蓄熱する。

図９は、廃熱利用システム１ｂの制御フローを示すフローチャートである。第１の実施の形態と同様に、走行開始直後は、熱源側冷却経路２内を循環する熱媒体（冷却水）は低温であるため、ヒートパイプ４４の作動温度に達していない。そこで、熱源側冷却経路２内を循環する熱媒体（冷却水）が温まるまでの所定時間（例えば、５分間）は、ペルチェ素子４３に所定電圧を印加する（ステップＳ２０１）。これによりペルチェ素子４３が蓄熱材４５の熱を吸熱し、反対面の第２熱交換器４２に放熱する。

また、車両が走行してしばらくすると、蓄熱材４５の熱は上述のペルチェ素子４３の吸熱により奪われる。一方で、モータ６の駆動により生じた熱によって熱源側冷却経路２内を循環する熱媒体（冷却水）が徐々に加熱される。すると、熱源側冷却経路２内を循環する熱媒体（冷却水）は熱交換装置４の第１熱交換器４１に取り込まれ、その熱がヒートパイプ４４に伝達される。ヒートパイプ４４の一端（下端部）で受熱すると、ヒートパイプ４４は他端（上端部）へ熱を輸送する。さらに、ヒートパイプ４４の他端（上端部）の熱はペルチェ素子４３により吸熱され、反対面の第２熱交換器４２に効率よく放熱される。

また、車両が走行を停止した場合（ステップＳ２０２；Ｙｅｓ）、制御部５は、現在位置情報取得部２０３から現在位置情報を取得する（ステップＳ２０３）。
また制御部５は、記憶部５１に記憶されている地図情報から場所に関する情報を取得し、場所に関する情報に基づいて、短時間停車と推測されるか否かを判定する（ステップＳ２０４）。短時間停車と推測される場合は（ステップＳ２０４；短時間駐車場所）、ペルチェ素子４３の駆動を停止する（ステップＳ２０５）。これは、温まっている暖房水をそのまま次回走行に利用するためである。

１時間を超えるような長時間駐車と推測される場合は（ステップＳ２０４；長時間駐車場所）、制御部５はペルチェ素子４３に逆極性の電圧を印加するよう切り替える（ステップＳ２０６）。すると、ペルチェ素子４３は、図４（Ｃ）に示すように、第１熱交換器４１及び第２熱交換器４２に取り込まれている熱媒体から熱を吸熱し、蓄熱材４５に放熱する。これにより蓄熱材４５が蓄熱される。蓄熱材４５に蓄えられた熱は、次回走行開始時の即暖に利用可能である。

その後、車両が走行を開始した場合は（ステップＳ２０７；Ｙｅｓ）、ステップＳ２０１へ戻る。制御部５はペルチェ素子４３に正電圧を印加し、蓄熱材４５及びヒートパイプ４４から吸熱する。車両が走行を開始しない場合（ステップＳ２０７；Ｎｏ）、所定時間経過後、ペルチェ素子４３の駆動を停止する（ステップＳ２０８）。

以上により、例えばカーナビゲーションシステムで用いられる地図情報等を利用して、車両が停車した場所に応じてペルチェ素子４３の動作（吸熱、蓄熱）を切り替えることができる。これにより、ユーザが特に意識しなくても停車中に効率よく熱利用することが可能となる。

以上、添付図を参照しながら、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の技術的範囲は、前述した実施の形態に左右されない。

例えば、前述の各実施形態では、本発明の熱交換装置を自動車の暖房に適用する例を示したが、本発明は、熱源を冷却する経路と、熱を利用する経路とが存在すれば、他のシステムにも適用可能である。また、当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１…………廃熱利用システム
２…………熱源側冷却経路
３…………車内熱交換経路
４、４ａ…熱交換装置
４１………第１熱交換器
４２………第２熱交換器
４３………ペルチェ素子
４４、４４Ａ、４４Ｂ………ヒートパイプ（熱輸送手段）
４５………蓄熱材
５…………制御部
６…………モータ
７…………外気熱交換器
８ａ、８ｂ………ポンプ
９…………車内熱交換器

Claims (7)

1. 自動車の駆動源である熱源を冷却する熱源側冷却経路と、
   自動車室内との熱交換を行うための車内熱交換経路と、
   前記熱源側冷却経路上に配置され、前記熱源側冷却経路を流れる熱媒体と熱交換を行う第１熱交換器と、
   前記車内熱交換経路上に配置され、前記車内熱交換経路を流れる熱媒体と熱交換を行う第２熱交換器と、
   前記第２熱交換器に一方の面が接するように設けられたペルチェ素子と、
   前記ペルチェ素子の他方の面に一方の端部が接続されるとともに、前記第１熱交換器に他方の端部が接続され、前記第１熱交換器側の熱を前記第２熱交換器側へ移動させることが可能な第１熱輸送手段と、
   前記ペルチェ素子の熱移動の方向を切り替える制御部と、を備え、
   前記ペルチェ素子を介さずに前記第２熱交換器に一方の端部が接続され、前記第１熱交換器に他方の端部が接続される第２熱輸送手段を更に備え、
   前記制御部は、車両走行中において、前記第１熱輸送手段から前記車内熱交換経路に熱を移動させることが可能であることを特徴とする自動車用の廃熱利用システム。
2. 前記第１熱輸送手段の前記ペルチェ素子に接続される端部に接触するように蓄熱部材を設けることを特徴とする請求項１に記載の自動車用の廃熱利用システム。
3. 前記制御部は、車両走行停止時において、前記ペルチェ素子の熱移動の方向を反転させ、前記車内熱交換経路の熱を前記蓄熱部に蓄熱することを特徴とする請求項２に記載の自動車用の廃熱利用システム。
4. 前記第２熱輸送手段は、ヒートパイプであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の自動車用の廃熱利用システム。
5. 前記第１熱輸送手段は、ヒートパイプであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の自動車用の廃熱利用システム。
6. 自動車の現在位置情報を取得する位置情報取得手段と、
   場所に関する情報を含む地図情報を記憶する記憶部と、を更に備え、
   前記制御部は、前記位置情報取得手段によって車両が走行を停止した位置情報を取得し、取得した位置情報に関連付けられている場所情報を前記地図情報から取得し、取得した場所情報に応じて、車両走行停止時において、前記ペルチェ素子の動作を制御することを特徴とする請求項２から請求項５のいずれかに記載の自動車用の廃熱利用システム。
7. 請求項１から請求項６のいずれかに記載の自動車用の廃熱利用システムを搭載した自動車。

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