JP2003172552A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被冷却液に対する冷却性能を可及的に高める
ことのできる冷却装置を提供する。 【解決手段】 被冷却液の熱を外気中に放散させること
により、被冷却液を冷却する第１の熱交換器２を有する
冷却装置において、外気との温度差に基づいて降温され
る冷媒が流れる冷媒流路Ｄ１と、降温された冷媒と第１
の熱交換器２で冷却された被冷却液との間で熱交換をお
こなわせることにより、被冷却液を再度冷却する第２の
熱交換器１５とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、被冷却液を冷却
する冷却装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、車両などに搭載されている各種
の機器は、その温度により機能が変化する特性を有して
いる。このため、その機器の機能を所定の状態に維持す
るためには、その機器の過熱を抑制する必要があり、機
器の熱をラジエータにより空気中に放散する冷却装置が
知られている。このような冷却装置の一例が、特開平１
０−３４０７３４号公報に記載されている。この公報に
は燃料電池の温度調節装置が記載されている。この温度
調節装置は冷却水路を有し、冷却水路には、燃料電池と
冷却水ポンプとラジエータとが設けられている。また、
冷却水路における燃料電池の入口側および出口側には、
温度センサがそれぞれ設けられている。さらに、ラジエ
ータは冷却ファンを有している。

【０００３】上記構成の温度調節装置においては、冷却
水ポンプの駆動力により、冷却水が冷却水路内を循環す
る。そして、燃料電池の内部を冷却水が通過する際に、
燃料電池の熱が冷却水に伝達されて、冷却水が昇温す
る。昇温した冷却水がラジエータに至ると、冷却水の熱
が空気中に放散されて冷却水が冷却される。冷却された
冷却水は、冷却水ポンプの吸込口に流れ込む。さらに、
２つの温度センサの検知結果に基づいて、燃料電池の内
部温度を判断し、その判断結果に基づいて、冷却水ポン
プの駆動電圧を制御するものとされている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】燃料電池は燃料ガスと
空気とを反応させて、電力を得る発電装置であり、所定
温度範囲内である場合に、その発電効率が高まるという
特性を備えている。例えば、固体高分子型の燃料電池で
あれば、所定温度は８０℃付近である。したがって、燃
料電池用の冷却装置には、燃料電池を前記温度付近に維
持することができるような高い冷却性能が要求される。
しかしながら、上記公報に記載されている燃料電池の冷
却方法においては、冷却水と冷却水路外の外気との間
で、ラジエータにより１工程のみで熱交換がおこなわれ
るため、冷却水が充分降温されない可能性があった。

【０００５】この発明は、被冷却液に対する冷却性能を
可及的に高めることのできる冷却装置を提供することを
目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段およびその作用】上記目的
を達成するため請求項１の発明は、被冷却液の熱を外気
中に放散させることにより、前記被冷却液を冷却する第
１の熱交換器を有する冷却装置において、外気との温度
差に基づいて降温される冷媒が流れる冷媒流路と、降温
された冷媒と前記第１の熱交換器で冷却された被冷却液
との間で熱交換をおこなわせることにより、前記被冷却
液を再度冷却する第２の熱交換器とを有することを特徴
とするものである。

【０００７】請求項１の発明によれば、被冷却液が、第
１の熱交換器および第２の熱交換器で２回に亘って冷却
される。また、被冷却液と外気との熱交換は、第１の熱
交換器で１回おこなわれるだけであり、第２の熱交換器
では、被冷却液の熱は外気には伝達されない。さらに、
被冷却液用の配管系統が１系統で済む。

【０００８】請求項２の発明は、被冷却液の熱をラジエ
ータにより外気中に放散させることにより、前記被冷却
液を冷却する冷却装置において、外気と冷媒との温度差
により冷媒を冷却し、かつ、凝縮する凝縮器と、この凝
縮器により凝縮された冷媒を減圧する減圧器と、前記ラ
ジエータにより冷却された被冷却液の熱を、前記減圧器
により減圧された冷媒に伝達させることにより被冷却液
を冷却し、かつ、前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、この
蒸発器により蒸発された冷媒を圧縮して凝縮器に送る圧
縮器とを有することを特徴とするものである。

【０００９】請求項２の発明によれば、被冷却液が、ラ
ジエータおよび蒸発器で２回に亘って冷却される。ま
た、被冷却液と外気との熱交換は、ラジエータで１回お
こなわれるだけであり、蒸発器では、被冷却液の熱は外
気には伝達されない。さらに、被冷却液用の配管系統が
１系統で済む。

【００１０】

【発明の実施の形態】つぎに、この発明を図に示す具体
例に基づいて説明する。図１は、この発明を、車両用の
燃料電池の冷却に用いる場合の一例を示す概念図であ
る。図１において、燃料電池１は、電解質（図示せず）
と空気極（図示せず）と燃料極（図示せず）とを有する
公知のものである。また、空気極および燃料極には外部
回路が接続される。燃料電池１としては、りん酸型燃料
電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体電解質型燃料電池、
固体高分子型燃料電池などが挙げられる。この燃料電池
１には、空気供給経路２および燃料ガス供給経路３が接
続されている。燃料ガス供給経路３には高圧タンク４が
接続されており、燃料ガス供給経路３であって、高圧タ
ンク４と燃料電池１との間には、各種のバルブ５および
レギュレータ６が設けられている。

【００１１】つぎに、燃料電池１を冷却する冷却装置Ａ
１について説明する。冷却装置Ａ１は、燃料電池１との
間で熱伝達をおこなう冷却水が流れる冷却水経路（冷却
水配管）Ｂ１を有している。冷却水経路Ｂ１には、ラジ
エータ２が設けられている。ラジエータ２は、例えば、
車両のエンジンルームの前方に配置されている。また、
ラジエータ２は、車両の前後方向に空気が流通する通気
路（図示せず）を有している。ラジエータ２は、冷却水
が流通する通路を有し、この通路に接続する入口部６お
よび出口部７が設けられている。

【００１２】さらに、燃料電池１は、冷却水が流通する
配管を有し、その配管に接続する出口部２２および入口
部２３が設けられている。前記冷却水経路Ｂ１であっ
て、燃料電池１の出口部２２とラジエータ２の入口部６
との間と、燃料電池１の入口部２３とラジエータ２の出
口部７との間とを接続するバイパス経路Ｃ１が設けられ
ている。さらにまた、燃料電池１の入口部２３とラジエ
ータ２の出口部７との間と、バイパス経路Ｃ１との接続
部分には、切り換えバルブ８が設けられている。また、
冷却水経路Ｂ１であって、燃料電池１の入口部２３と切
り換えバルブ８との間には、ポンプ９が設けられてい
る。

【００１３】一方、前記ラジエータ２の後方（車両の前
後方向における後方、言い換えれば、空気の流通方向に
おける後方）には、高温凝縮器（言い換えれば、コンデ
ンサ）１０が設けられている。また、高温凝縮器１０の
入口部１１と、コンプレッサ１２の出口部１３とが、配
管により接続されている。なお、コンプレッサ１２を駆
動する電動機（図示せず）が設けられている。また、高
温凝縮器１０の出口部１４と、二重管式熱交換器（エバ
ポレータ）１５の入口部１６とが、配管により接続され
ている。

【００１４】さらに、二重管式熱交換器１５の出口部１
７と、コンプレッサ１２の入口部１８とが、配管により
接続されている。このようにして、コンプレッサ１２、
高温凝縮器１０、二重管式熱交換器１５とを接続する冷
媒流路Ｄ１が形成されている。冷媒流路Ｄ１は環状に構
成され、冷媒流路Ｄ１内には冷媒としてのフロンガスが
封入されている。なお、冷媒流路Ｄ１であって、高温凝
縮器１０の出口部１４と、二重管式熱交換器１５の入口
部１６との間には、膨張弁（減圧器）１８が設けられて
いる。

【００１５】二重管式熱交換器１５は、外径が異なる内
管（図示せず）と外管（図示せず）を内外周に配置した
ものである。そして、内管の内部が冷却水経路Ｂ１の一
部を構成し、内管と外管との間の空間が、冷媒流路Ｄ１
の一部を構成している。さらに、内管は、熱伝導性に優
れた金属材料、例えば、アルミニウム、銅などにより構
成されている。なお、高温凝縮器１０の後方には、吸引
ファン１９が設けられている。この吸引ファン１９は、
車両用の駆動力源により駆動されるもの、または吸引フ
ァン専用の電動機により駆動されるもの、のいずれでも
よい。

【００１６】さらに、燃料電池１に電気的に接続された
インバータ２０が設けられている。また、図１に示すシ
ステム全体を制御するコントローラ２１が設けられてお
り、燃料電池１の発電に対応するインバータ２０の出
力、燃料電池１の温度、冷却水の温度などが、コントロ
ーラ２１により判断される。さらに、コントローラ２１
により、ポンプ９の吐出量の制御、切り換えバルブ８の
開閉の制御、コンプレッサ１２の圧縮力の制御、吸引フ
ァン１９の回転数の制御などがおこなわれる。

【００１７】つぎに、図１に示すシステムの作用を説明
する。ここでは、燃料電池１として、固体高分子型燃料
電池を用いた場合について説明する。まず、空気供給経
路２から燃料電池１に空気（酸素）が供給され、かつ、
燃料ガス供給経路３から燃料ガス（例えば、メタノール
を改質したガス）が供給される。すると、燃料極の表面
で水素が反応して水素イオンと電子となり、水素イオン
が電解質中を空気極に向かって移動する。空気極では、
前記水素イオンと、外部回路を移動してきた電子と、供
給された酸素とが反応し、水を生成する。このような作
用により起電力が得られる。燃料電池１は、発電に際し
て発熱するため、その熱を放熱して燃料電池１の運転温
度を所定温度範囲に保つことにより、その発電効率を高
めることができる。この実施例では、冷却装置Ａ１によ
り燃料電池１を冷却し、燃料電池１の運転温度を調整す
ることができる。

【００１８】まず、燃料電池１の温度が、比較的低温の
下限温度以下である場合、すなわち、燃料電池１の発電
効率が低い場合について説明する。この場合は、バイパ
ス経路Ｃ１をポンプ９側に接続するように、切り換えバ
ルブ８が制御される。すると、冷却水流通経路Ｂ１であ
って、ラジエータ２側の流通抵抗よりも、バイパス通路
Ｃ１の流通抵抗の方が低くなる。このため、燃料電池１
の出口部２２から流れ出た冷却水は、バイパス通路Ｃ１
を経由して燃料電池１の入口部２３に至る。このように
して、バイパス通路Ｃ１を含む冷却水経路Ｂ１内で冷却
水が循環している場合は、冷却水の熱が外気には伝達さ
れにくく、燃料電池１の温度が上昇する。すなわち、燃
料電池１が暖機される。

【００１９】これに対して、燃料電池１の温度が、所定
の上限温度に近づいた場合は、二重管式熱交換器１５と
ポンプ９との間を接続するするように、切り換えバルブ
８が制御される。すると、燃料電池１の出口部２２から
流れ出た冷却水は、ラジエータ２に流れ込む。このと
き、車両が走行中であれば、ラジエータ２の前方から後
方に向けて空気が流通する。そして、冷却水の熱がコア
を経由して外気に伝達（放散）され、冷却水が冷却され
る。

【００２０】また、車両が停止している場合、または、
ラジエータ２の通気路を通過する空気の流速が遅い場合
は、吸引ファン１９が駆動される。その結果、吸引ファ
ン１９の吸引力により、ラジエータ２の前方から後方に
向けて空気が流通して、空気の流速が高められる。

【００２１】さらに、冷却水がラジエータ２側に流れる
場合は、コンプレッサ１２により冷媒が圧縮されて、そ
の冷媒が高温・高圧となり、高温凝縮器１０に送られ
る。そして、高温凝縮器１０の周囲の外気と冷媒との温
度差に基づいて、冷媒が冷却されて、冷媒が中温・高圧
な液体となる。すなわち、冷媒が凝縮される。このよう
にして凝縮された冷媒は、膨張弁１８で減圧されて膨張
し、冷媒は低圧な液体となる。なお、冷媒の一部は低圧
なガスとなる。液化した冷媒は、二重管式熱交換器５に
流れ込む。

【００２２】この二重管式熱交換器１５においては、冷
却水の潜熱が冷媒に伝達されて、冷却水がさらに冷却さ
れるとともに、液化している冷媒が蒸発してガス化す
る。蒸発した冷媒は、コンプレッサ１２に流れ込み、再
び圧縮される。なお、二重管式熱交換器１５において冷
却された冷却水は、ポンプ９により再び燃料電池１側に
送られる。このように、図１に示す冷却装置Ａ１は、冷
媒の圧縮、凝縮、減圧、蒸発（吸熱）を繰り返すことに
より、冷却水の温度を所定温度範囲（例えば８０℃付
近）に調整する、いわゆる蒸気圧縮式の冷凍サイクルを
構成している。

【００２３】また、図１の実施例においては、冷却水経
路Ｂ１を流れる冷却水の熱が、ラジエータ２を通過する
第１次工程、および二重管式熱交換器１５を通過する第
２次工程の、合計２工程において放熱される。したがっ
て、冷却水に対する冷却装置Ａ１の冷却性能が向上す
る。さらに、２回目の放熱を支配する二重管式熱交換器
１５では、冷却水の熱が空気中には放散されない。

【００２４】このため、例えば、二重管式熱交換器１５
を吸引ファン１９の後方に配置したとしても、冷却液か
ら冷媒に伝達される熱の熱伝達率が低下することを抑制
できる。したがって、車両の前後方向（通風方向）に、
ラジエータ２、吸引ファン１９、二重管式熱交換器１５
を配置した場合でも、冷却装置Ａ１の冷却性能を向上さ
せることができる。言い換えれば、車両の幅方向または
高さ方向に、ラジエータ２と二重管式熱交換器１５とを
配置する必要性はなく、他の装置と二重管式熱交換器１
５との配置レイアウトの自由度が増す。

【００２５】ところで、燃料電池１の温度上昇サイクル
と、冷却水の温度上昇サイクルとには、時間的な遅れが
発生する。このため、出口部２２における冷却水の温度
を検知して、その検知結果に基づいて、切り換えバルブ
８の状態を制御したのでは、燃料電池１の運転温度を、
高効率の温度範囲に調整できない可能性がある。そこ
で、燃料電池１の出力に基づいて燃料電池１の温度（言
い換えれば、出口部２２における冷却水温度）を推定
し、その推定結果に基づいて、切り換えバルブ８の状態
を制御すれば、冷却水温度が高温となる前に、冷却装置
Ａ１を作動させて、燃料電池１の温度上昇に対する冷却
装置Ａ１の冷却制御の応答遅れを抑制することができ
る。なお、図２に、燃料電池１の出力と、出口部２２に
おける冷却水温度との対応関係を示すマップの一例を示
す。このマップに示すように、燃料電池１の出力が増加
するほど、冷却水温度が上昇する。このマップを用い
て、上記の制御をおこなうことができる。

【００２６】つぎに、コンプレッサ１２の駆動制御につ
いて説明する。ここで、冷却水の温度を目標温度に冷却
する場合に、“ラジエータ２の冷却能力では、約１０Ｋ
Ｗの冷却能力不足が発生する”と仮定する。すると、こ
の不足分の冷却能力（仕事量）を、二重管式熱交換器１
５の放熱機能により補うこととなる。蒸気圧縮式の冷凍
サイクルの成績係数ＣＯＰを約３と仮定すると、不足分
の冷却能力を補うために必要な動力の増加、すなわち、
コンプレッサ１２を駆動する電動機の動力増加は、約３
ＫＷ程度の増加となる。つまり、冷却能力不足となる出
力に対して、数パーセントの範囲であり、動力への影響
は少ない。さらに、冷却工程は２工程であるのに対し
て、冷却水用の配管は１系統で済み、部品点数の増加を
抑制できる。さらにまた、ラジエータ２および高温凝縮
器１０と外気との間で、強制対流を生じさせる吸引ファ
ン１９が共用化されているため、部品点数を一層削減で
きる。

【００２７】ここで、この実施例の構成と、この発明の
構成との対応関係を説明すれば、冷却水が、この発明の
被冷却液に相当し、ラジエータ２がこの発明の第１の熱
交換器に相当し、高温凝縮器１０が、この発明の凝縮器
に相当し、膨張弁１８がこの発明の減圧器に相当し、二
重管式熱交換器１５が、この発明の第２の熱交換器およ
び蒸発器に相当し、コンプレッサ１２が、この発明の圧
縮機に相当する。なお、この実施例では、冷却水により
冷却される発熱部が、燃料電池である場合について説明
したが、他の発熱部、例えば、車両用の駆動力源として
のエンジン、電動機などを冷却水により冷却する場合
に、この実施例の冷却装置を用いることもできる。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
よれば、被冷却液の冷却が、第１の熱交換器および第２
の熱交換器の２工程でおこなわれるため、冷却性能が向
上する。また、第２の熱交換器では、被冷却液の熱が外
気中には伝達されないため、第１の熱交換器と第２の熱
交換器との相対位置関係が制約されず、第１の熱交換器
と第２の熱交換器とのレイアウトの自由度が増す。さら
に、冷却水用の配管は１系統で済み、部品点数の増加を
抑制できる。

【００２９】請求項２の発明によれば、被冷却液の冷却
が、ラジエータおよび蒸発器の２工程でおこなわれるた
め、冷却性能が向上する。また、蒸発器では、被冷却液
の熱が外気中には伝達されないため、ラジエータと蒸発
器との相対位置関係が制約されず、ラジエータと蒸発器
とのレイアウトの自由度が増す。さらに、冷却水用の配
管は１系統で済み、部品点数の増加を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の一実施例を示す概念図である。

【図２】 この発明で用いるマップの一例である。

【符号の説明】

２…ラジエータ、 １０…高温凝縮器、 １２…コンプ
レッサ、 １５…二重管式熱交換器、 １８…膨張弁、
Ａ１…冷却装置、 Ｄ１…冷媒流路。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被冷却液の熱を外気中に放散させること
   により、前記被冷却液を冷却する第１の熱交換器を有す
   る冷却装置において、 外気との温度差に基づいて降温される冷媒が流れる冷媒
   流路と、 降温された冷媒と前記第１の熱交換器で冷却された被冷
   却液との間で熱交換をおこなわせることにより、前記被
   冷却液を再度冷却する第２の熱交換器とを有することを
   特徴とする冷却装置。
2. 【請求項２】 被冷却液の熱をラジエータにより外気中
   に放散させることにより、前記被冷却液を冷却する冷却
   装置において、外気と冷媒との温度差により冷媒を冷却
   し、かつ、凝縮する凝縮器と、 この凝縮器により凝縮された冷媒を減圧する減圧器と、 前記ラジエータにより冷却された被冷却液の熱を、前記
   減圧器により減圧された冷媒に伝達させることにより被
   冷却液を冷却し、かつ、前記冷媒を蒸発させる蒸発器
   と、 この蒸発器により蒸発された冷媒を圧縮して凝縮器に送
   る圧縮器とを有することを特徴とする冷却装置。