JP2006336974A - 冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】 熱交換器を流れる冷却水の過冷却を防止し、熱交換器や配管の破損を未然に防ぐ。
【解決手段】 熱源ユニット１と熱交換器３とを配管５，７によって接続して冷却水が循環する循環回路を構成し、配管５，７を流れる冷却水によって熱源ユニット１を冷却し、熱源ユニット１で加熱された冷却水を熱交換器３で冷却して放熱する。熱交換器３の出口温度を水温センサ１９または２１で検出し、この検出温度がしきい値より低いときに、三方弁１１，１３を切り替えて、熱交換器３を流れる冷却水の流れ方向を逆転させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、熱源と熱交換器とを配管によって接続して冷却媒体が循環する循環回路を構成し、この循環回路を流れる冷却媒体によって熱源を冷却し、熱源で加熱された冷却媒体を熱交換器で冷却して放熱する冷却システムに関する。

従来の冷却システムとしては、例えば下記特許文献１に記載のものがある。この特許文献１に記載のものは、冷却水により冷却する燃料電池と、燃料電池で受熱した冷却水の熱を放熱させる熱交換器とを、冷却水循環回路で接続するとともに、冷却水を熱交換器に対してバイパスして流すバイパス通路を設け、冷却水をその温度に応じて熱交換器とバイパス通路とのいずれに流すかを切り替える切替手段を設けている。

そして、少なくとも燃料電池とバイパス通路と切替手段とこれらを通って冷却水を循環させるバイパス循環回路とを収納するボックスを設けている。

従来の冷却システムでは、上記のように構成することで、燃料電池の暖機運転時に、切替手段によって冷却水がバイパス通路に流れるように切り替え、暖機時間を短縮することができる。また、収納ボックスにバイパス循環回路を収納することで、熱が収納ボックスの外部に放熱されることを防ぎ、暖機をさらに促進させることができる。
特開２００４−１５８２７９号公報

しかしながら、上記した従来の冷却システムにおいては、暖機を促進させるべく冷却水をバイパス通路に流す際には、熱交換器を流れる冷却水の量が減少するため、熱交換器部分の冷却水は、過冷却され、場合によっては凍結してしまい、熱交換器あるいはその近傍の配管を破損する恐れがある。

そこで、本発明は、熱交換器を流れる冷却水の過冷却を防止し、熱交換器や配管の破損を未然に防ぐことを目的としている。

本発明は、熱源と熱交換器とを配管によって接続して冷却媒体が循環する循環回路を構成し、この循環回路を流れる冷却媒体によって前記熱源を冷却し、前記熱源で加熱された冷却媒体を前記熱交換器で冷却して放熱させる冷却システムにおいて、前記配管に冷却媒体の流れる経路を切り替える切替手段を設け、この切替手段の切り替えにより、前記熱交換器内の冷却媒体の流れ方向を変更することを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、外気温が低く熱交換器出口温度が低下し、熱交換器内の冷却水が過冷却して凍結する恐れがある場合には、切替手段によって熱交換器内を流れる冷却水の流れ方向を変更することで、冷却水温度が低下し凍結する恐れのある熱交換器出口側には、熱源に対する冷却によって暖められた冷却水が流入するので、熱交換器や配管の凍結による破損を防止することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態を示す冷却システムの全体構成図である。この冷却システムは、例えば車両に搭載する燃料電池などの熱源である熱源ユニット１と熱交換器３とを一対の配管５，７で接続し、冷却媒体としての冷却水が循環する循環回路を構成している。そして、この循環回路を流れる冷却水によって熱源ユニット１を冷却し、熱源ユニット１で加熱された冷却水を熱交換器３で冷却して放熱させる。上記した熱交換器３は、中央の放熱コア３ａの両側にタンク３ｂ，３ｃをそれぞれ備えている。

熱源ユニット１から冷却水が流出する側の配管５には、熱源ユニット１側から冷却水ポンプ９，第１三方弁１１を順次設置する。一方、熱源ユニット１へ冷却水が流入する側の配管７には第２三方弁１３を設置する。

また、一方の三方弁となる第１三方弁１１と、他の三方弁となる第２三方弁１３の熱交換器３側の配管７とを、第１切替用配管１５で接続するとともに、第２三方弁１３と、第１三方弁１１の熱交換器３側の配管５とを、第２切替用配管１７で接続する。

上記した第１，第２各三方弁１１，１３および第１，第２各切替用配管１５，１７により切替手段を構成している。

そして、熱交換器３の各配管５，７の接続部近傍には、温度検出手段としての第１水温センサ１９，第２水温センサ２１をそれぞれ設置する。これら各水温センサ１９，２１の検出温度は、コントローラ２３が取り込み、コントローラ２３は、検出温度に基づいて、第１，第２各三方弁１１，１３を駆動制御する。

次に、前記図１に示した冷却システムの作用を、コントローラ２３の制御動作を示す図２のフローチャートに基づき説明する。

通常時は、冷却水ポンプ９の作動により、冷却水が、冷却水ポンプ９から実線の矢印で示すように、第１三方弁１１，第１水温センサ１９，熱交換器３，第２水温センサ２１，第２三方弁１３，熱源ユニット１を経て冷却水ポンプ９に戻る経路を流れるよう、第１，第２各三方弁１１，１３を設定する。

すなわち、上記した通常時は、第１，第２各三方弁１１，１３が、冷却水が一方の配管５から熱交換器３を経て他方の配管７に向けて流れる第１の状態に設定されている。

この際、熱源ユニット１によって暖められた冷却水は、熱交換器３によって冷却されて外気に放熱する。外気温が低いときに、上記した実線矢印で示す第１の状態での冷却水の流れを継続した場合、熱交換器３の出口側となるタンク３ｃ近傍の冷却水温度が低下し、冷却水が凍結し熱交換器３が破損する可能性がある。

そこで、第２水温センサ２１の検出温度Ｔ２を取り込み（ステップ２０１）、この検出温度Ｔ２をしきい値Ｔｃと比較する（ステップ２０３）。ここで、検出温度Ｔ２がしきい値Ｔｃより高ければ、第１，第２各三方弁１１，１３に対する切り替え制御を行って、冷却水の流れが前記した第１の状態となるようにする（ステップ２０５）。

一方、検出温度Ｔ２がしきい値Ｔｃ以下の場合には、第１水温センサ１９の検出温度Ｔ１を取り込み（ステップ２０７）、検出温度Ｔ１と前記したしきい値Ｔｃとを比較する（ステップ２０９）。ここで、検出温度Ｔ１がしきい値Ｔｃより高ければ、第１，第２各三方弁１１，１３に対する切り替え制御を行って第２の状態とする（ステップ２１１）。

この第２の状態は、冷却水ポンプ９の作動により、冷却水が、冷却水ポンプ９から破線の矢印で示すように、第１三方弁１１，第１切替用配管１５，第２水温センサ２１，熱交換器３，第１水温センサ１９，第２切替用配管１７，第２三方弁１３，熱源ユニット１を経て冷却水ポンプ９に戻る経路を流れる場合である。

すなわち、上記した第２の状態は、冷却水が一方の配管５および第１切替用配管１５から熱交換器３を経て、第２切替用配管１７および他方の配管７に向けて流れる場合に相当する。

これにより、熱交換器３を流れる冷却水の流れ方向が前記した通常時（第１の状態）に対して変更されて逆転し、前記実線矢印のように冷却水が流れていた状態では凍結する可能性があった熱交換器３の出口側のタンク３ｃが、熱源ユニット１によって暖められた冷却水が流入する熱交換器３の入口側となり、このタンク３ｃ近傍の熱交換器３や配管７の凍結を防止してその破損を未然に防ぐことができる。

一方、前記ステップ２０９で検出温度Ｔ１がしきい値Ｔｃ以下の場合は、第１，第２各三方弁１１，１３に対する切り替え制御を行って冷却水が実線矢印ように流れる前記した第１の状態とする（ステップ２０５）。

以上のようにして、二つの三方弁１１，１３の切り替え動作を、熱交換器３の出口側の温度に基づき繰り返すことによって、熱交換器３内を流れる冷却水の凍結を防止することができる。

なお、しきい値Ｔｃについては、冷却水など冷却媒体の種類によって適宜設定するが、温度に代えて圧力を検出し、これを基に二つの三方弁１１，１３を切り替えるようにしてもよい。

熱交換器３内の冷却水の流れ方向を変更して逆転させても、熱交換器３内を流れる冷却水流量も、放熱コア３ａを通過する風速も、同一条件であれば変化しないため、熱交換器３の性能は変わらず、冷却システム全体が影響を受けることはない。

図３は、本発明の第２の実施形態を示す冷却システムの全体構成図である。この実施形態は、第１の実施形態における熱交換器３に代えて、Ｕターン型の熱交換器２５を使用している。

Ｕターン型の熱交換器２５は、互いに平行に配置した二つの放熱コア２５ａ，２５ｂの一方の端部を、中間タンク２５ｃで接続してＵ字形状とし、放熱コア２５ａ，２５ｂのそれぞれの他方の端部に、タンク２５ｄ，２５ｅを設けている。

冷却水が熱源ユニット１から流出しかつ熱交換器２５のタンク２５ｄに流入する側の配管５には、第１の実施形態と同様に、熱源ユニット１側から冷却水ポンプ９，三方弁２７を順次設置する。そして、三方弁２７には切替用配管２８の一端を接続し、切替用配管２８の他端を中間タンク２５ｃに接続する。また、冷却水が熱源ユニット１に流入する側の配管７の上流側端部は、熱交換器２５のタンク２５ｅに接続する。

そして、配管７の熱交換器２５近傍には、温度検出手段としての水温センサ２９を設置する。水温センサ２９の検出温度は、コントローラ２３が取り込み、コントローラ２３は、検出温度に基づいて、前記した三方弁２７を駆動制御する。

上記した三方弁２７および切替用配管２８により切替手段を構成している。

次に、前記図３に示した冷却システムの作用を、コントローラ２３の制御動作を示す図４のフローチャートに基づき説明する。

通常時は、冷却水ポンプ９の作動により、冷却水が、冷却水ポンプ９から実線の矢印で示すように、三方弁２７，タンク２５ｄ，放熱コア２５ａ，中間タンク２５ｃ，放熱コア２５ｂ，タンク２５ｅ，水温センサ２９，熱源ユニット１を経て冷却水ポンプ９に戻る経路を流れるよう、三方弁２７を設定する。

すなわち、上記した通常時は、三方弁２７が、冷却水が熱交換器２５の入口側に接続される配管５を経て熱交換器２５に流れる際に、この熱交換器２５内で冷却水がＵターン形状となる第１の状態に設定されている。

この際、熱源ユニット１によって暖められた冷却水は、熱交換器２５によって冷却されて外気に放熱する。外気温が低いときに、上記した実線矢印で示す第１の状態での冷却水の流れを継続した場合、熱交換器２５の出口側となる中間タンク２５ｃあるいはタンク２５ｅ近傍の冷却水温度が低下し、冷却水が凍結し熱交換器３が破損する可能性がある。

そこで、水温センサ２９の検出温度Ｔを取り込み（ステップ４０１）、この検出温度Ｔをしきい値Ｔｃと比較する（ステップ４０３）。ここで、検出温度Ｔがしきい値Ｔｃより高ければ、三方弁２７に対する切り替え制御を行って、冷却水の流れが前記した第１の状態となるようにする（ステップ４０５）。

一方、検出温度Ｔがしきい値Ｔｃ以下の場合には、三方弁２７に対する切り替え制御を行って第２の状態とする（ステップ４０７）。この第２の状態は、冷却水ポンプ９の作動により、前記第１の状態での実線矢印の流れに加え、冷却水が、冷却水ポンプ９から破線の矢印で示すように、三方弁２７から切替用配管２８に分流させた場合である。

すなわち、上記した第２の状態は、第１の状態に加え、冷却水の一部が切替用配管２８を経て中間タンク２５ｃに向けて流れる状態に相当する。

上記分流させる際の三方弁２７の開度は、双方に適度な冷却水が流れるように調整する。

これにより、冷却水の一部はタンク２５ｄから、同他の一部は中間タンク２５ｃから、それぞれ熱交換器２５に流れ込む。タンク２５ｄから流入した冷却水は、放熱コア２５ａを流れる際に冷却されるが、切替用配管２８を経て中間タンク２５ｃに流入する冷却水によって暖められるので、中間タンク２５ｃやそれより下流のタンク２５ｅ近傍での冷却水の凍結を防止し、中間タンク２５ｃおよびタンク２５ｅ近傍の熱交換器２５や配管７の凍結を防止してその破損を防止することができる。

図５は、本発明の第３の実施形態を示す冷却システムの全体構成図である。この実施形態は、前記図３に示した第２の実施形態と同様に、Ｕターン型の熱交換器２５を使用している。

第２の実施形態と異なる点は、熱源ユニット１から冷却水が流出する側の配管５に設けた上流側三方弁３１を、上流側三方弁３１からタンク２５ｄに冷却水が流れる実線矢印で示す状態と、上流側切替用配管となる切替用配管２８を経て中間タンク２５ｃに冷却水が流れる破線矢印で示す状態とのいずれかの状態となるように切り替えるようにする点と、熱源ユニット１に冷却水が流入する側の配管７に下流側三方弁３３を設け、この下流側三方弁３３とタンク２５ｄとを下流側切替用配管３５を介して接続した点である。

上流側三方弁３１および下流側三方弁３３は、第１の状態として、前記図３の三方弁２７の第１の状態と同様に、図５中の実線矢印で示すように冷却水が流れる。すなわち、冷却水ポンプ９の作動により、冷却水が、冷却水ポンプ９から、上流側三方弁３１，タンク２５ｄ，放熱コア２５ａ，中間タンク２５ｃ，放熱コア２５ｂ，タンク２５ｅ，下流側三方弁３３，水温センサ２９，熱源ユニット１を経て冷却水ポンプ９に戻る経路を流れる。

そして、外気温が低く、冷却水が凍結する恐れがある場合は、上流側三方弁３１および下流側三法弁３３を、冷却水が破線矢印のように流れる第２の状態に切り替える。この第２の状態では、冷却水ポンプ９から吐出されて上流側三方弁３１に達した冷却水は、切替用配管２８および中間タンク２５ｃから放熱コア２５ａ，２５ｂを並行して流れ、タンク２５ｄ，２５ｅにそれぞれ達した後、一方はタンク２５ｄから下流側切替用配管３５を経て下流側三方弁３３に、他方はタンク２５ｅから配管７に直接流れ込む。

すなわち、上記した第２の状態では、冷却水が、上流側切替用配管２８を経て中間タンク２５ｃに向けて流れるとともに、熱交換器２５内をＵターン形状に冷却水が流れる際の熱交換器２５の上流側端部（タンク２５ｄ）から、下流側切替用配管３５を経て熱交換器２５の出口側に接続される配管７に流れかつ、熱交換器２５内をＵターン形状に冷却水が流れる際の熱交換器２５の下流側端部（タンク２５ｅ）から熱交換器２５の出口側に接続される配管７に流れる状態に相当する。

なお、この場合のコントローラ２３の制御動作は、前記図４に示したものと同様に、水温センサ２９の検出温度Ｔをしきい値Ｔｃと比較することによって、上流側および下流側の各三方弁３１および３３を、第１の状態と第２の状態とのいずれかの状態となるよう切り替えればよい。

上記した第３の実施形態においては、冷却水を熱交換器２５内で放熱コア２５ａ，２５ｂに並行して流すよう分配することで、それぞれの放熱コア２５ａ，２５ｂで冷やされる冷却水の温度は、通常の流れ方（第１の状態）で冷却水を流しているときに比べ、熱交換器２５内での冷却水の流れる距離が短くなることから高くなるので、冷却水の凍結を防止することができる。

本発明の第１の実施形態を示す冷却システムの全体構成図である。 図１に示した冷却システムにおけるコントローラの制御動作を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施形態を示す冷却システムの全体構成図である。 図３に示した冷却システムにおけるコントローラの制御動作を示すフローチャートである。 本発明の第３の実施形態を示す冷却システムの全体構成図である。

符号の説明

１ 熱源ユニット（熱源）
３ 熱交換器
５ 配管（一方の配管，熱交換器の入口側に接続される配管）
７ 配管（他方の配管，熱交換器の出口側に接続される配管）
１１ 第１三方弁（一方の三方弁，切替手段）
１３ 第２三方弁（他方の三方弁，切替手段）
１５ 第１切替用配管（切替手段）
１７ 第２切替用配管（切替手段）
１９ 第１水温センサ（温度検出手段）
２１ 第２水温センサ（温度検出手段）
２５ Ｕターン型の熱交換器
２５ｃ 中間タンク
２７ 三方弁（切替手段）
２８ 切替用配管（上流側切替用配管，切替手段）
２９ 水温センサ
３１ 上流側三方弁（切替手段）
３３ 下流側三方弁（切替手段）
３５ 下流側切替用配管（切替手段）

Claims (8)

1. 熱源と熱交換器とを配管によって接続して冷却媒体が循環する循環回路を構成し、この循環回路を流れる冷却媒体によって前記熱源を冷却し、前記熱源で加熱された冷却媒体を前記熱交換器で冷却して放熱させる冷却システムにおいて、前記配管に冷却媒体の流れる経路を切り替える切替手段を設け、この切替手段の切り替えにより、前記熱交換器内の冷却媒体の流れ方向を変更することを特徴とする冷却システム。
2. 前記熱源と前記熱交換器とを一対の配管によって接続して前記循環回路を構成し、前記一対の配管に三方弁をそれぞれ設けるとともに、一方の三方弁と、他方の三方弁を設けた配管の前記熱交換器側とを第１切替用配管で接続し、前記他方の三方弁と、前記一方の三方弁を設けた配管の前記熱交換器側とを第２切替用配管で接続し、前記各三方弁および前記第１，第２各切替用配管により前記切替手段を構成したことを特徴とする請求項１に記載の冷却システム。
3. 前記各三方弁は、冷却媒体が一方の配管から前記熱交換器を経て他方の配管に向けて流れる第１の状態と、前記冷却媒体が一方の配管および前記第１切替用配管から前記熱交換器を経て、前記第２切替用配管および他方の配管に向けて流れる第２の状態とに切り替わることを特徴とする請求項２に記載の冷却システム。
4. 前記熱交換器を、冷却媒体の流れ方向の途中に中間タンクを備えるＵターン型とし、前記中間タンクと前記熱交換器の入口側に接続される配管とを切替用配管で接続するとともに、この接続部に三方弁を設け、前記切替用配管および前記三方弁により前記切替手段を構成したことを特徴とする請求項１に記載の冷却システム。
5. 前記三方弁は、冷却媒体が前記熱交換器の入口側に接続される配管を経て前記熱交換器に流れる際に、この熱交換器内でＵターン形状となる第１の状態と、この第１の状態に加え、前記冷却媒体の一部が前記切替用配管を経て前記中間タンクに向けて流れる第２の状態とに切り替わることを特徴とする請求項４に記載の冷却システム。
6. 前記熱交換器を、冷却媒体の流れ方向の途中に中間タンクを備えるＵターン型とし、前記中間タンクと、前記熱交換器の入口側に接続される配管とを上流側切替用配管で接続して、この接続部に上流側三方弁を設け、前記熱交換器内をＵターン形状に冷却媒体が流れる際の熱交換器の上流側端部と熱交換器の出口側に接続される配管とを下流側切替用配管で接続して、この接続部に下流側三方弁を設け、前記上流側切替用配管および前記上流側三方弁と、前記下流側切替用配管および前記下流側三方弁とにより、前記切替手段を構成したことを特徴とする請求項１に記載の冷却システム。
7. 前記上流側三方弁および前記下流側三方弁は、冷却媒体が前記熱交換器の入口側に接続される配管を経て熱交換器を流れる際に、この熱交換器内でＵターン形状となる第１の状態と、前記冷却媒体が、前記上流側切替用配管を経て前記中間タンクに向けて流れるとともに、前記熱交換器内をＵターン形状に冷却媒体が流れる際の熱交換器の上流側端部から、前記下流側切替用配管を経て前記熱交換器の出口側に接続される配管に流れかつ、前記熱交換器内をＵターン形状に冷却媒体が流れる際の熱交換器の下流側端部から前記熱交換器の出口側に接続される配管に流れる、第２の状態とに切り替わることを特徴とする請求項６に記載の冷却システム。
8. 前記熱交換器の冷却媒体出口側に温度検出手段を設け、この温度検出手段の検出温度に基づいて、前記切替手段を切り替えることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の冷却システム。

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