JP6862879B2 - 冷熱生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷熱を生成する冷熱生成装置に関する。

従来より、内燃機関や燃料電池等のエネルギ変換機器の排熱を有効利用し、システムを高効率化することが知られている。排熱の有効利用としては、例えば排熱で冷凍機を駆動して排熱を冷熱に変換し、冷熱を空調等に利用する冷熱生成装置がある。これによれば、排熱の一部が廃棄されることなく有効利用され、システムの高効率化が可能となる。

排熱によって駆動可能な冷熱生成装置としては、吸収式冷凍機が知られている。一般的な吸収式冷凍機は、少なくとも気液相変化が可能な被吸収媒体を吸収可能な吸着材と、作動媒体を気化させて蒸発潜熱を取り出す蒸発部と、気化した作動媒体を凝縮させる凝縮部とを備えている（例えば、特許文献１参照）。

このような吸収式冷凍機においては、吸着材に排熱を入力して再生し、蒸発部から冷熱を出力する。また、凝縮部から放出される熱は、高温熱である排熱と低温熱である冷熱の間の温度の中温熱であり、利用しにくい。このため、凝縮部から放出される中温熱を放熱器で放熱している。

特開２０１６−１６１１５０号公報

しかしながら、吸収式冷凍機から放出される中温熱は多量であり、かつ、外気との温度差が小さいため、放熱器の大型化を招いていた。

本発明は上記点に鑑み、高温熱の入力によって低温熱を生成する際に中温熱が発生する冷熱生成装置において、中温熱を放熱するための放熱器を小型化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、外部から入力される高温熱に基づいて高温熱より低温の低温熱を生成し、低温熱の生成に基づいて高温熱と低温熱の間の温度の中温熱を排熱として発生する冷熱生成部（２０）と、中温熱を大気中に放出する放熱器（４０）と、冷熱生成部で発生した中温熱を貯蔵する蓄熱モードと、貯蔵された熱を放出する放熱モードとで作動することが可能な蓄熱器（４２）とを備え、冷熱生成部の排熱量をＱｍとし、蓄熱器の蓄熱量をΔＨとした場合に、放熱器の放熱量は、蓄熱モード時には＋Ｑｍ−ΔＨとなり、放熱モード時には＋Ｑｍ＋ΔＨとなることを特徴とする。

本発明によれば、冷熱生成部の排熱を貯蔵可能な蓄熱器を設けることで、放熱器での放熱量の変動を抑制できる。これにより、冷熱生成部の排熱量が大きい場合には、放熱器での放熱量を冷熱生成部の排熱量から蓄熱器の蓄熱量分だけ削減することができる。このため、放熱器は蓄熱器によって削減された放熱量に応じて設計すればよく、放熱器の小型化を図ることができる。

なお、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ものである。

第１実施形態に係る冷熱生成装置の構成を示した図である。 第１実施形態の冷熱生成装置における冷房負荷の変動、蓄熱器の動作モード、放熱器の放熱量の関係を示す図である。 第２実施形態に係る冷熱生成装置の構成を示した図である。 第２実施形態の制御装置の構成を示した図である。 第２実施形態の蓄熱モードと放熱モードの切り替え制御を示すフローチャートである。 第２実施形態の冷熱生成装置における冷房負荷の変動、蓄熱器の動作モード、放熱器の放熱量、ヒータコアの上流側温度、ヒータコアの下流側温度の関係を示す図である。

（第１実施形態）
以下、本発明を適用した第１実施形態の冷熱生成装置について図を参照して説明する。図１に示すように、冷熱生成装置は、エネルギー変換部１０、冷熱生成部２０、室内熱交換器３０および放熱器４０を備えて構成されている。

エネルギー変換部１０は、エネルギー源を他の形態のエネルギーに変換し、エネルギーの変換と同時に熱媒体を介して熱を放出するものである。例えば車両の場合、エネルギー変換部１０として車両エンジン（すなわち内燃機関）や燃料電池等を用いることができる。エネルギー源は燃料であり、他の形態のエネルギーは駆動力や電力等である。熱媒体は、エンジン冷却水や排気ガス等である。本実施形態では、エネルギー変換部１０を車両エンジンとし、熱媒体をエンジン冷却水としている。

エネルギー変換部１０の排熱は、第１熱媒体流路１１を循環する第１熱媒体（エンジン冷却水）によってエネルギー変換部１０から排出される。第１熱媒体は、第１循環ポンプ１２によって第１熱媒体流路１０を循環する。第１熱媒体流路１１には、排熱回収器１３が設けられている。排熱回収器１３は、エネルギー変換部１０の排熱を回収するための熱交換器である。

エネルギー変換部１０から放出される排熱は、第１熱媒体を介して冷熱生成部２０に入力する。本実施形態では、エネルギー変換部１０の排熱のうち排熱回収器１３で回収された残りの熱が冷熱生成部２０への入熱となる。冷熱生成部２０への入熱は、高温熱である。冷熱生成部２０に流入する第１熱媒体の温度（すなわち、冷熱生成部２０の入熱温度）は、例えば９５℃程度となっている。なお、図１では、冷熱生成部２０への入熱量を＋Ｑｈとしている。

冷熱生成部２０は、エネルギー変換部１０の排熱を駆動源として作動する排熱駆動装置であり、具体的にはエネルギー変換部１０の排熱を利用して冷熱を生成する。冷熱生成部２０で生成する冷熱は、エネルギー変換部１０からの入熱よりも温度が低い低温熱である。なお、図１では、冷熱生成部２０で生成する冷熱量を−Ｑｃとしている。

冷熱生成部２０として、例えば、吸着材に作動媒体を吸着及び脱離させることで冷熱を生成する吸着式冷凍機や熱音響現象を利用して熱エネルギーと音響エネルギーの間でエネルギー変換を行うことで冷熱を生成する熱音響冷凍機を用いることができる。本実施形態では、冷熱生成部２０として吸着式冷凍機を用いている。吸着式冷凍機では、エネルギー変換部１０の排熱を利用して吸着材の再生を行い、気相の作動媒体を凝縮させた凝縮熱を排熱として放出する。

冷熱生成部２０で生成した冷熱は、第２熱媒体流路３１を循環する第２熱媒体（例えば冷却水）によって室内熱交換器３０に供給される。第２熱媒体は、第２循環ポンプ３２によって第２熱媒体流路３１を循環する。

室内熱交換器３０は、車室内への送風空気と第２熱媒体とを熱交換させることによって、送風空気を冷却する冷却用熱交換器である。室内熱交換器３０は、車室内を冷房するために用いられる熱交換器であり、送風空気が流通する図示しない空調ダクト内に設けられている。

室内熱交換器３０は、冷熱生成部２０で生成した冷熱を利用する装置であり、冷熱生成部２０で生成した冷熱は車室内の冷房に用いられる。冷熱生成部２０から流出する第２熱媒体の温度（すなわち、冷熱生成部２０の冷熱温度）は、例えば５℃程度となっている。

冷熱生成部２０で生成する冷熱量は、室内熱交換器３０の冷房負荷に応じて調整すればよい。室内熱交換器３０の冷房負荷が大きく場合には、冷熱生成部２０で生成する冷熱量を増大させ、室内熱交換器３０の冷房負荷が小さい場合には、冷熱生成部２０で生成する冷熱量を減少させればよい。

冷熱生成部２０で生成する冷熱量は、冷熱生成部２０への入熱量によって調整することで行うことができる。冷熱生成部２０への入熱量は、エネルギー変換部１０から冷熱生成部２０に循環する第１熱媒体の流量によって調整することができる。

第１熱媒体の流量を増大させ、冷熱生成部２０への入熱量を増大させることで、冷熱生成部２０で生成する冷熱量を増大させることができる。第１熱媒体の流量を減少させ、冷熱生成部２０への入熱量を減少させることで、冷熱生成部２０で生成する冷熱量を減少させることができる。

冷熱生成部２０で生成した排熱は、第３熱媒体流路４１を循環する第３熱媒体（例えば冷却水）を介して放熱器４０に放出される。第３熱媒体は、第３循環ポンプ４２によって第３熱媒体流路４１を循環する。放熱器４０は、第３熱媒体と大気とを熱交換する熱交換器であり、冷熱生成部２０の排熱を大気中（つまり系外）に放出する。

冷熱生成部２０から流出する第３熱媒体の温度（すなわち、冷熱生成部２０の排熱温度）は、例えば４０℃程度となっている。冷熱生成部２０の排熱は、冷熱生成部２０の入熱（つまり高温熱）と冷熱生成部２０の冷熱（つまり低温熱）との間の中温熱となっている。なお、図１では、冷熱生成部２０の排熱量を＋Ｑｍとしている。

第３熱媒体流路４１には、蓄熱器４３が設けられている。蓄熱器４３は、冷熱生成部２０の排熱を貯蔵するための機器である。蓄熱器４３は、例えば容器に封入された蓄熱材と第３熱媒体とを熱交換可能な構成とすることができる。蓄熱材としては、所定温度で固相と液相に相変化可能な固液相変化材（例えばパラフィン）を用いることができる。

蓄熱器４３は、冷熱生成部２０の排熱を貯蔵する蓄熱モードと、貯蔵した熱を放出する放熱モードとを切り替えることができる。蓄熱器４３での熱の授受は、第３熱媒体を介して行われる。

蓄熱器４３は、冷熱生成部２０の排熱量Ｑｍが所定値を上回っている場合には蓄熱モードとなり、冷熱生成部２０の排熱量Ｑｍが所定値を下回っている場合には放熱モードとなる。具体的には、蓄熱器４３は、第３熱媒体が所定温度より高い場合には蓄熱モードとなり、第３熱媒体が所定温度より低い場合には放熱モードとなる。

次に、室内熱交換器３０の冷房負荷と放熱器４０の放熱量の関係について図２を用いて説明する。なお、図２の最下段のグラフは、実線が放熱器４０の放熱量を示し、破線が冷熱生成部２０の排熱量Ｑｍを示している。

図２に示すように、冷房負荷が高い場合には、冷熱生成部２０への入熱量Ｑｈが増大し、冷熱生成部２０の排熱量Ｑｍが増大するため、蓄熱器４３が蓄熱モードとなる。また、冷房負荷が低い場合には、冷熱生成部２０への入熱量Ｑｈが減少し、冷熱生成部２０の排熱量Ｑｍが減少するため、蓄熱器４３が放熱モードとなる。

蓄熱器４３による蓄熱量をΔＨとした場合、放熱器４０の放熱量は、蓄熱モード時には＋Ｑｍ−ΔＨとなり、放熱モード時には＋Ｑｍ＋ΔＨとなる。このため、冷房負荷が変動して冷熱生成部２０の排熱量が変動した場合においても、放熱器４０での放熱量の変動を抑制できる。

以上説明した本実施形態の冷熱生成装置では、冷熱生成部２０の排熱を貯蔵することが可能な蓄熱器４３を設けることで、放熱器４０での放熱量の変動を抑制できる。これにより、冷熱生成部２０の排熱量が大きい場合には、放熱器４０での放熱量を冷熱生成部２０の排熱量から蓄熱器４３の蓄熱量分だけ低減することができる。このため、放熱器４０は蓄熱器４３によって低減された放熱量に応じて設計すればよく、放熱器４０の小型化を図ることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。以下、上記第１実施形態と同様の部分については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

図２に示すように、本第２実施形態では、第１熱媒体流路１１における排熱回収器１３の下流側にヒータコア１４が設けられている。ヒータコア１４は、車室内への送風空気と第１熱媒体とを熱交換させることによって、送風空気を加熱する加熱用熱交換器である。ヒータコア１４は、車室内を暖房するために用いられる熱交換器である。

ヒータコア１４は、空調ダクト６０における室内熱交換器３０の空気流れ下流側に設けられている。空調ダクト６０には、車室内への空気の送風を行う送風ファン６１が設けられている。

第１熱媒体流路１１には、ヒータコア１４に流入する第１熱媒体の温度を検出する水温センサ１５が設けられている。

第３熱媒体流路４１には、第２熱媒体を蓄熱器４３をバイパスさせるバイパス流路４４が設けられている。第３熱媒体流路４１とバイパス流路４４との分岐点には、第２熱媒体の流路を第３熱媒体流路４１あるいはバイパス流路４４に切り替える流路切替弁４５が設けられている。

本第２実施形態の蓄熱器４３は、放熱モードにおいて、蓄熱モードで貯蔵した熱を第４熱媒体流路５１を循環する第４熱媒体（例えば冷却水）に放出し、蓄熱器４３で貯蔵された熱は第４熱媒体を介してサブヒータコア５０に供給される。第４熱媒体は、第４循環ポンプ５２によって第４熱媒体流路５１を循環する。

サブヒータコア５０は、車室内への送風空気と第４熱媒体とを熱交換させることによって、送風空気を加熱する補助加熱用熱交換器である。サブヒータコア５０は、ヒータコア１４による送風空気の加熱を補助するために用いられる。

サブヒータコア５０が利用する冷熱生成部２０の排熱（中温熱）は、ヒータコア１４が利用するエネルギー変換部１０の排熱（高温熱）より温度が低い。このため、サブヒータコア５０は、空調ダクト６０における室内熱交換器３０の空気流れ下流側であってヒータコア１４の空気流れ上流側に設けられている。

本第２実施形態の冷熱生成装置には、図４に示す制御装置１００が設けられている。制御装置１００は、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭ等を含む周知のマイクロコンピュータとその周辺回路から構成される。この制御装置１００は、そのＲＯＭ内に記憶された制御プログラムに基づいて各種演算、処理を行う。

制御装置１００の入力側には、水温センサ１５、外気温センサ１０１等が接続されている。外気温センサ１０１は、室外温度を検出するセンサである。制御装置１００の出力側には、循環ポンプ１２、２２、４２、５２、流路切替弁４４、送風ファン６１等が接続されており、これらの機器の作動を制御する。制御装置１００は、流路切替弁４４および第４循環ポンプ５２の作動を制御することで、蓄熱器４３を蓄熱モードと放熱モードに切り替えることができる。

図３において、蓄熱器４３周辺の実線矢印が蓄熱モード時の第３熱媒体および第４熱媒体の流れ方向を示し、蓄熱器４３周辺の破線矢印が放熱モード時の第３熱媒体および第４熱媒体の流れ方向を示している。

蓄熱モード時には、流路切替弁４４によって第３媒体の流れが蓄熱器４３側に切り替えられる。このため、第３熱媒体は冷熱生成部２０→蓄熱器４３→放熱器４０の順に流れ、冷熱生成部２０の排熱が蓄熱器４３に貯蔵される。蓄熱モード時には、第４循環ポンプ５２は作動しない。このため、蓄熱器４３で貯蔵された熱は第４熱媒体を介してサブヒータコア５０に供給されない。

放熱モード時には、流路切替弁４４によって第３媒体の流れがバイパス流路４４側に切り替えられる。このため、第３熱媒体は冷熱生成部２０→放熱器４０の順に流れる。放熱モード時には、第４循環ポンプ５２が作動し、第４熱媒体は蓄熱器４３→サブヒータコア５０の順に流れる。このため、蓄熱器４３に貯蔵された熱が第４熱媒体を介してサブヒータコア５０に供給される。

制御装置１００は、ヒータコア１４による送風空気の加熱量に基づいて蓄熱モードと放熱モードを切り替える。例えば、春や秋のような中間季に除湿運転を行う場合に、外気温が低いとヒータコア１４で外気をリヒートするために必要な熱量が大きくなる。除湿運転時に、室内熱交換器３０の冷房負荷が低いとエネルギー変換部１０の排熱量が小さくなり、ヒータコア１４によるリヒート時の熱不足が懸念される。このため、ヒータコア１４による送風空気の加熱量が不足する場合に放熱モードに切り替えることで、サブヒータコア５０によって送風空気を加熱する。

次に、制御装置１００による蓄熱モードと放熱モードの切り替えを図５のフローチャートを用いて説明する。

図５に示すように、Ｓ１０の処理で、現在のモードが蓄熱モードであるか否かを判定する。この結果、蓄熱モードであると判定された場合には、Ｓ１１の処理でヒータコア１４で送風空気を加熱するための熱量が不足するか否かを判定する。

Ｓ１１の判定処理でヒータコア１４の熱量が不足すると判定される場合とは、エネルギ−変換部１０の排熱量が所定値を下回ると判定される場合である。例えば、外気温センサ１０１で検出した外気温が所定温度を下回っている場合や水温センサ１５で検出した第１熱媒体温度が所定温度を下回っている場合に、ヒータコア１４の熱量が不足すると判定することができる。

Ｓ１１の判定処理の結果、ヒータコア１４の熱量が不足すると判定された場合には、Ｓ１２の処理で、蓄熱モードから放熱モードに切り替える。これにより、蓄熱器４３に貯蔵された熱を利用してサブヒータコア５０で車室内への送風空気を加熱することができる。

一方、Ｓ１１の判定処理の結果、ヒータコア１４の熱量が不足しないと判定された場合には、蓄熱モードのまま維持される。

また、Ｓ１０の判定処理で蓄熱モードでないと判定された場合には、現在のモードが放熱モードであり、Ｓ１３の処理でヒータコア１４で送風空気を加熱するための熱量が不足するか否かを判定する。

Ｓ１３の判定処理の結果、ヒータコア１４の熱量が不足しないと判定された場合には、Ｓ１４の処理で、放熱モードから蓄熱モードに切り替える。一方、Ｓ１３の判定処理の結果、ヒータコア１４の熱量が不足すると判定された場合には、放熱モードのまま維持される。

次に、室内熱交換器３０の冷房負荷と放熱器４０の放熱量の関係について図６を用いて説明する。なお、図６の上から３段目のグラフは、実線が放熱器４０の放熱量を示し、破線が冷熱生成部２０の排熱量Ｑｍを示している。図６の上から４段目のグラフは、実線がサブヒータコア５０を用いた場合のヒータコア１４の下流側温度を示し、破線がサブヒータコア５０を用いない場合のヒータコア１４の下流側温度を示している。図６の一番下のグラフは、実線がサブヒータコア５０を用いた場合のヒータコア１４の上流側温度を示し、破線がサブヒータコア５０を用いない場合のヒータコア１４の上流側温度を示している。

図６に示すように、放熱器４０の放熱量は、蓄熱モード時には＋Ｑｍ−ΔＨとなる。このため、冷房負荷が変動して冷熱生成部２０の排熱量が変動した場合においても、放熱器４０での放熱量の最大値を低減することができる。また、放熱モード時には、サブヒータコア５０によってヒータコア１４の上流側で空気温度を上昇させることができ、ヒータコア１４の下流側で空気温度が低下することを抑制できる。

以上説明した本第２実施形態では、冷熱生成部２０の排熱を貯蔵する蓄熱器４３を設け、蓄熱器４３で蓄熱した熱を利用して車室内に送風される空気を加熱するサブヒータコア５０を設けている。そして、ヒータコア１３による送風空気の加熱量が不足する場合には、蓄熱器４３で貯蔵した熱を利用してサブヒータコア５０で送風空気を加熱している。これにより、ヒータコア１４によるリヒート時の熱不足を解消することができる。つまり、本第２実施形態では、放熱器４０の小型化を図ることができることに加え、冷熱生成部２０の排熱を有効利用することができる。

（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。また、上記各実施形態に開示された手段は、実施可能な範囲で適宜組み合わせてもよい。

（１）上記各実施形態では、第３熱媒体の流れ方向において、蓄熱器４３を放熱器４０よりも上流側に設けたが、これに限らず、蓄熱器４３を放熱器４０よりも下流側に設けてもよい。この場合には、冷熱生成部２０の排熱のうち放熱器４０で放熱した残りの熱を蓄熱器４３で貯蔵することができる。

（２）上記第２実施形態において、サブヒータコア５０で送風空気を加熱する必要がない場合には、上記第１実施形態と同様、蓄熱器４３で貯蔵した熱を放熱モードで第３熱媒体を介して放熱器４０で系外に放出するようにしてもよい。

１０ エネルギー変換部
１４ ヒータコア（加熱用熱交換器）
２０ 冷熱生成部
３０ 室内熱交換器（冷却用熱交換器）
４０ 放熱器
４３ 蓄熱器
５０ サブヒータコア（補助加熱用熱交換器）
１００ 制御装置（制御部）

Claims (3)

1. 外部から入力される高温熱に基づいて前記高温熱より低温の低温熱を生成し、前記低温熱の生成に基づいて前記高温熱と前記低温熱の間の温度の中温熱を排熱として発生する冷熱生成部（２０）と、
   前記中温熱を大気中に放出する放熱器（４０）と、
   前記冷熱生成部で発生した前記中温熱を貯蔵する蓄熱モードと、貯蔵された熱を放出する放熱モードとで作動することが可能な蓄熱器（４３）とを備え、
   前記冷熱生成部の排熱量をＱｍとし、前記蓄熱器の蓄熱量をΔＨとした場合に、前記放熱器の放熱量は、前記蓄熱モード時には＋Ｑｍ−ΔＨとなり、前記放熱モード時には＋Ｑｍ＋ΔＨとなる冷熱生成装置。
2. 前記低温熱を用いて室内へ送風される送風空気を冷却する冷却用熱交換器（３０）と、
   前記送風空気の流れ方向の前記冷却用熱交換器より下流側で、前記高温熱を用いて前記送風空気を加熱する加熱用熱交換器（１４）と、
   前記送風空気の流れ方向の前記冷却用熱交換器より下流側かつ前記加熱用熱交換器より上流側で、前記蓄熱器から放出された熱を用いて前記送風空気を加熱する補助加熱用熱交換器（５０）とを備える請求項１に記載の冷熱生成装置。
3. 前記蓄熱器が熱を貯蔵する蓄熱モードと、前記蓄熱器が熱を放出する放熱モードとを切り替える制御部（１００）を備え、
   前記制御部は、前記蓄熱モード時に前記加熱用熱交換器による前記送風空気の加熱量が不足すると判定された場合に、前記蓄熱モードから前記放熱モードに切り替え、
   前記補助加熱用熱交換器は、前記蓄熱器から放出された熱を用いて前記送風空気を加熱する請求項２に記載の冷熱生成装置。

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