JP2006501612A - 熱管理システム - Google Patents

Abstract

熱管理システムは、異なる動作温度を有する熱発生コンポーネントの温度を調節するための高温熱伝導回路と低温熱伝導回路とを有する。熱伝導回路は流体で連通し、相互依存しており、それによって単一の循環ポンプは両回路を介して液体の熱伝導媒体をポンプ駆動するために使用されることができる。一方の熱伝導回路は連続的なループを具備し、他方の熱伝導回路は第１の熱伝導回路と流体で連通している第１の端部および第２の端部を有する開ループを具備している。各熱伝導回路には熱伝導媒体の温度を調節するための熱交換装置が設けられている。

Description

本発明は異なる動作温度を有する少なくとも２つの熱発生コンポーネントの温度を変調するシステムに関する。

異なる温度で動作する熱発生コンポーネントを含んだシステムが多数知られている。このタイプのシステムの例は、静止または可動で、温度変調を必要とする複数の熱発生コンポーネントを含んでいる燃料電池システムである。典型的な燃料電池システムの幾つかの熱発生コンポーネントはビークル応用において、燃料電池、燃料発生システム、補助燃料電池温度調節装置、牽引モータを含んでいる。燃料発生システムのタイプには、水酸化ホウ素ナトリウムシステム、電気分解装置、燃料改質システムを含んでいる。補助燃料電池温度調節装置は、燃料電池スタックに入る陽極および陰極流の湿度および温度の制御装置、電子装置またはパワーエレクトロニクスモジュール、コンデンサ、熱い空気を冷却するための給気冷却装置、燃料蓄積システムおよびバッテリー調節装置を含んでいる。これらの幾つかのコンポーネントは異なる動作温度を有し、それ故異なる温度変調要求を有する。

これらの異なる要求を満たすために、燃料電池システムは典型的に２以上の独立した熱伝導回路を設けられる。各回路はその固有のポンプ手段と、冷却材温度を調整するための熱交換手段とを有し、他の熱伝導回路とは異なる熱伝導流体を有することができる。このような燃料電池システムの１例は米国特許第5,537,956号明細書（Rennfeld等）に記載されており、これは少なくとも２つの別々の冷却回路の使用によってビークルコンポーネントを冷却するための構造に関する。Rennfeld等によるシステムでは、各回路はその固有のポンプとラジエータ／ファンを有し、第１の回路は燃料電池ユニットを含み、第２の回路は電気駆動モータおよびパワー制御装置を含んでいる。２つの回路は熱交換連通しているが、２つの回路間には流体の連通はない。

米国特許第6,370,903号明細書（Wlech）は燃料電池で付勢されるビークルで使用するための熱ポンプタイプの空調および加熱システムを開示している。Wlechにより記載されているシステムは２つの別々の冷却材回路と冷凍回路を有している。冷却材回路は別々のポンプで動作し、別々のラジエータにより冷却され、好ましくは熱交換連通することができる。しかしながら、種々の加熱および／または冷却回路間に流体の連通は存在しない。

Skalaの米国特許第6,360,835号明細書は高温および低温の熱伝導回路を有する燃料電池で付勢される電気ビークルを開示している。高温の熱伝導回路は熱を発生する燃料プロセッサ、吸熱装置、第１の循環ポンプを含んでいる。低温熱伝導回路は燃料電池、吸引モータ、パワー電子装置、ラジエータ、第２のポンプを含んでいる。同じ熱伝導流体は高温と低温回路の両者で使用される。１対の導管を通して２つの回路間には幾らかの流体の連通が存在し、その流動はバルブにより制御されている各導管を介して流れる。

別々の配管、ポンプおよび温度変調手段を有する多数の熱伝導回路を設けることによって燃料電池のパワープラントまたはその他の動作システムのコスト、複雑性、重量は著しく増加する。したがって、さらに簡単で効率的な熱管理システムの要求は満たされていない。

１特徴では、本発明は、第１の温度で動作する第１の熱発生コンポーネントと、第１の温度と異なっている第２の温度で動作する第２の熱発生コンポーネントの温度を変調する熱管理システムを提供し、そのシステムは、（ａ）第１の熱発生コンポーネントに関係する熱交換において熱伝導媒体を循環し、第１の熱伝導回路で循環する熱伝導媒体の温度を調節するための第１の熱交換装置を含んでいる第１の熱伝導回路と、（ｂ）第２の熱発生コンポーネントに関係する熱交換で熱伝導媒体を循環し、第２の熱伝導回路で循環する熱伝導媒体の温度を調節するための第２の熱交換装置を含んでいる第２の熱伝導回路を具備し、第１および第２の熱伝導回路は相互に流体が連通しており、さらに（ｃ）第１および第２の両者の熱伝導回路を通って熱伝導媒体を循環する循環ポンプを具備し、第１の熱伝導回路と第２の熱伝導回路のうちの一方は連続的なループを形成し、他方は回路が流体が連通している第１の端部および第２の端部を有している。

本発明の好ましい実施形態を添付図面を参照して、例示として説明する。
本発明による好ましい熱管理システムを添付図面を参照して以下説明し、それにおいて同一の符号はシステムの種々の実施形態の類似の部分を示すことに使用されている。好ましい実施形態は燃料電池システムに関連して説明されているが、本発明は例えばハイブリッドビークル動作システム、内燃エンジンまたは電子装置の熱処理のためのその他の応用にも適用されることができることが認識されるであろう。

図１は燃料電池のパワープラントの複数のコンポーネントの温度を調節するための第１の好ましい熱管理システム10を示している。図面は燃料電池のパワープラントの全てのコンポーネントを示しておらず、本発明を理解するのに必要であるコンポーネントだけを含んでいることが認識されるであろう。図１に示されている燃料電池のパワープラントのコンポーネントは燃料電池12と、これらは全て大部分の動作状態で発熱性である１対のコンポーネント14および16とである。ここでは一般的に“熱発生コンポーネント”として呼ばれているコンポーネント14と16は先に定義したように、燃料発生モジュールまたは補助燃料電池温度調節装置である。コンポーネント14および16の特別な識別は本発明の理解には必要ではないが、以下の特定された例では、コンポーネント14および16は補助燃料電池温度調節装置である。コンポーネント12はここでは“燃料電池”として示されているが、このコンポーネントは代わりに燃料電池の熱交換装置で構成されることができることが認識されるであろう。

熱管理システム10は２つの相互接続された熱伝導回路、即ち燃料電池12に関係する熱交換で液体の熱伝導媒体を循環させる第１の熱伝導回路18と、熱発生コンポーネント14と16の一方または両者に関連する熱交換で同じ液体の熱伝導媒体を循環させる第２の熱伝導回路20とを具備している。第２の熱伝導回路20はただ１つのみの熱発生コンポーネントだけを含むことができ、あるいはコンポーネントに加えて熱発生コンポーネントも含むことができることが認識されるであろう。第１の熱伝導回路18は、前述したように燃料電池の熱交換装置を具備することができる燃料電池12に加えて１以上の熱発生コンポーネントを含むことができることも認識されるであろう。

第１の熱伝導回路18は第１および第２の熱伝導回路の両者を通って熱伝導媒体を循環させるために単一速度、多速度または可変速度のポンプであることが好ましい循環ポンプ22も含んでいる。さらに好ましくは、ポンプ22は多速度または可変速度のポンプであり、図１に示されている好ましい実施形態では、ポンプ22は第１の熱伝導回路18中に位置されている。しかしながらポンプ22は第２の熱伝導回路20に位置されることができることが認識されるであろう。

熱伝導回路で循環する熱伝導媒体の温度を変調するために、第１の熱交換装置24と第２の熱交換装置26が第１の熱伝導回路18と第２の熱伝導回路20にそれぞれ設けられている。熱交換装置24と26には好ましくは熱伝導媒体の温度を正確に制御する手段が設けられている。

本発明によるシステムで使用される特定のタイプの熱交換装置は特に限定されてはいない。例えば熱交換装置24と26は好ましくは、熱伝導媒体の温度を制御する手段として、制御されるバイパスと組合わせた液体−液体熱交換装置を備えていることが好ましい。このようなシステムの使用は特に燃料電池により補助的な流体媒体へ発生される熱の幾らかを取戻すことが所望である応用で好ましい。別の例では、熱交換装置24と26は好ましくは制御されたバイパスが設けられていない液体−液体熱交換装置を具備していてもよい。むしろ補助的な流体媒体の流動は熱伝導媒体中で温度制御を行うために変化されることができる。これらのタイプのシステムの使用は燃料電池が比較的迅速にその動作温度になることを可能にする。

図１に示されている好ましいシステム10では、第１の熱交換装置24は熱伝導媒体の温度を制御するための手段として、サーモスタットで制御されるファン30を有するラジエータ28を具備し、ファン30の動作は温度制御装置32により制御される。同様に、第２の熱交換装置26はサーモスタットで制御されるファン36と温度制御装置38を有するラジエータ34を具備する。本願の発明者はラジエータ／ファンユニットの使用が迅速な温度制御を行うことを発見した。さらに、循環ポンプ22が可変速度のポンプである場合、これも熱伝導媒体の温度を制御する手段として、特に燃料電池温度またはスタックを横切る温度差を制御する好ましい手段として使用されることができる。

第１および第２の熱伝導回路18と20の弁別における確実性を大きくするために、第１の熱伝導回路18を有する導管は実線で示されており、第２の熱伝導回路20を有する導管は破線で示されている。第１の熱伝導回路18は連続的なループを形成し、熱は燃料電池12により熱伝導媒体へ与えられ、熱交換装置24により熱伝導媒体から除去されることが分かる。第２の熱伝導回路20は閉ループを形成せず、第２の熱伝導回路20が第１の熱伝導回路18と流体が連通する第１の端部40および第２の端部42を有する。

熱管理システム10が単一の循環ポンプにより制御可能な複数の相互依存した熱伝導回路を形成する限り、第１の熱伝導回路18または第２の熱伝導回路20のいずれか一方が連続的なループであることが認識されるであろう。第１の好ましい実施形態にしたがった好ましい熱管理システム10では、第２の熱伝導回路20は開回路であり、第１の熱伝導回路18と独立して動作されることができない点で、熱伝導回路18と20は相互に依存する。

第１の好ましい熱管理システム10では、第１の熱伝導回路18はそこで循環する熱伝導媒体が第２の熱伝導回路20で循環する熱伝導媒体以上の温度である高温の回路を有している。熱伝導回路18と20で循環する熱伝導媒体の温度は特別に限定されず、約４０℃から約２００℃の範囲内であることが好ましい。単なる例示の目的で、好ましい実施形態の説明は、熱伝導媒体の温度が通常約６０℃から約８０℃の温度範囲内である熱管理システムを示している。しかしながら、本発明による熱管理システムはこの狭い温度範囲内での動作に限定されない。

図１に示されている熱管理システム10では、第１の熱交換装置24は第１の熱伝導回路18の熱伝導媒体の温度を制御し、それによって熱伝導媒体の温度は燃料電池12と熱交換接触するときに約７０℃であり、第２の熱交換装置26は第２の熱伝導回路20の温度を制御し、それによって熱伝導媒体の温度は熱発生コンポーネント14と熱交換接触するときに約６０℃である。燃料電池12のすぐ下流の熱伝導媒体の温度は約８０℃であり、コンポーネント14のすぐ下のダウンストリームの熱伝導媒体の温度は約６５℃である。高温と低温のストリームは点42で混合され、第１の熱伝導回路18中の熱伝導媒体の温度を効率的に下げ、第１の熱交換装置24の必要とされる大きさを減少する。好ましくは、第１および第２の熱伝導回路18と20は平衡され、それによって第１および第２の熱交換器24と26は類似の寸法と熱交換容量である。

第２の熱伝導回路20に示されている矢印の方向で示されているように、熱伝導媒体は第２の熱伝導回路20の第１の端部40から第２の端部へ流れ、第２の熱交換装置26と熱発生コンポーネント14と16の一方または両者を通過する。流体をコンポーネント14と16へ誘導するための図１に示されている手段はバルブ44を具備し、これは好ましくはアクチブ制御バルブまたは多位置のダイバータバルブで構成されることができる。しかしながら、システムの要求にしたがって、モジュール14と16へ流体を誘導する他の手段が好ましい可能性があることが認識されるであろう。このような代わりの手段にはスロットルバルブおよび受動的オリフィスプレートが含まれている。システム内の燃料電池コンポーネントの計略的な配置により熱伝導媒体の流れを制御することも可能である。

第１の熱伝導回路18で循環する熱伝導媒体の制御された部分が第２の熱伝導回路20の第１の端部40に入ることが図１から認められる。第２の熱伝導回路20に入る熱伝導媒体の流れは好ましくはバルブおよび／または較正されたオリフィス、さらに好ましくはアクチブ制御バルブ、多位置のダイバータバルブ、スロットルバルブ、受動的オリフィスプレートにより制御されることができる。図１に示されている好ましい実施形態では、第２の熱伝導回路20の第１の端部40に入る熱伝導媒体の流動は多位置の３方バルブ46により制御される。第２の熱伝導回路20を通って流れる全ての熱伝導媒体は第２の熱伝導回路20の第２の端部42を通って第１の熱伝導回路18に流れることも認識されるであろう。

したがって、第１の熱伝導回路18を通る流体の一部分は第２の熱伝導回路20の第１の端部40に導かれて、第２の熱伝導回路20の第２の端部42を通って第１の熱伝導回路18に再度入る。第２の熱伝導回路20の第１の端部40に入る熱伝導媒体は最初に約７０℃の温度であり、熱発生コンポーネント14および／または16を通過する前に約６０℃に冷却される。コンポーネント14と16を出て第２の熱伝導回路20の第２の端部42に流れる熱伝導媒体は約６５℃の温度である。この約６５℃の熱伝導媒体は約８０℃の燃料電池12を出る熱伝導媒体と混合され、混合後の熱伝導媒体の温度は約７０から７５℃である。この熱伝導媒体はその後、第１の熱交換装置24により約７０℃まで冷却される。第１および第２の熱伝導回路18、20の両者では、熱交換装置24と26により除去される熱量はサーモスタットで温度制御装置32と38により制御され、これらは熱発生コンポーネント12、14、16のすぐ上流に位置されている。したがってコンポーネント12、14、16の臨界的な動作温度は正確に制御される。

本発明による第２の好ましい熱管理システム50が図２に示されている。第１の好ましいシステム10のように、熱管理システム50は燃料電池12と熱発生コンポーネント14および16を含んでいる。さらに第２の好ましい熱管理システム50はまた補助燃料電池の温度調節装置または燃料発生システムを具備できる付加的な熱発生コンポーネント52の温度を変調する。以下説明する特定の例では、コンポーネント52は補助燃料電池温度調節装置である。熱管理システム50は燃料電池12と熱発生コンポーネント16の温度を変調するための第１の熱交換装置24を有する第１の熱伝導回路54を具備し、また熱発生コンポーネント14と52の温度を変調する第２の熱交換装置26を有する第２の熱伝導回路58を含んでいる、図１のように、第１の熱伝導回路54を形成する導管は実線で示され、第２の熱伝導回路58を具備する導管は破線で示されている。

第１の好ましい熱管理システム10でのように、第１の熱交換装置24はラジエータ28、サーモスタットで制御されるファン30、温度制御装置32を具備し、一方、第２の熱交換装置26はラジエータ34、サーモスタットで制御されるファン36、温度制御装置38を具備している。

単一のポンプ22が熱管理システム50を通して熱伝導媒体を循環するために設けられている。第１の好ましいシステム10のように、第１の熱伝導回路54は連続的なループを形成し、一方、第２の熱伝導回路58は第１の回路54から熱伝導媒体を受取る第１の端部40と、第２の熱伝導回路58を通って循環する熱伝導媒体が第１の熱伝導回路54を通過して流れる熱伝導媒体と混合される第２の端部42を有する。

熱管理システム50と熱管理システム10との１つの違いは、熱発生コンポーネントの配置にある。熱管理システム50では、第２の熱伝導回路58は熱をコンポーネント14と52から除去し、コンポーネント14と52への流体はバルブまたは較正されたオリフィス44により制御される。また、第１の熱伝導回路54は燃料電池12と熱発生コンポーネント16を含み、これらのコンポーネントへの流体はバルブまたは較正されたオリフィス60により制御される。

システム50の第１の熱伝導回路54は高温回路であり、燃料電池12および／またはコンポーネント16に入る熱伝導媒体は約７０℃であり、燃料電池を出る熱伝導媒体の温度は約８０℃である。低温回路である第２の熱伝導回路58では、コンポーネント14またはコンポーネント52に入る熱伝導媒体の温度は約６０℃であり、コンポーネント14を出る熱伝導媒体の温度は約６５℃である。

熱管理システム50と熱管理システム10との別の違いは、第２の熱伝導回路58の熱交換装置24が燃料電池12とコンポーネント16の下流に位置され、第１および第２の回路54、58の熱伝導媒体の混合が行われるポイント42の上流に位置されていることである。それにもかかわらず、温度制御装置32が混合点42の下流に位置され、燃料電池12とコンポーネント16のすぐ上流に位置される事実により、この実施形態では正確な温度制御が可能である。

第２の熱伝導回路58のコンポーネント14と52に関する第２の熱交換装置26の位置は第１の熱管理システム10と同一である。

図３は本発明による第３の好ましい熱管理システム70を示している。熱管理システム70は各熱交換装置が相互に並列に配置されている複数のラジエータを具備している第２の好ましい熱管理システム50の変形として考えられることができる。第１の熱交換装置24はそれぞれサーモスタットで制御されるファン76および78を設けられた１対のラジエータ72、74を具備している。ファン76および78の動作は温度制御装置32によって制御される。ラジエータ72、74はそれぞれ本発明の第１および第２の好ましい実施形態で使用される大きいラジエータ28よりも低い熱交換容量を有する。本発明は、１つの大きいラジエータ24を並列に配置されている１対の小さいラジエータ72、74により置換することによってポンプの必要性を大幅に減少し、したがって熱管理システムの効率を強化することを発見した。

同様に、第３の好ましいシステム70の第２の熱交換装置26は好ましくは並列に配置されている１対のラジエータ82、84を具備し、それらのラジエータ82、84にはそれぞれサーモスタットで制御されるファン86、88が設けられている。熱制御装置38はファン86、88の両者の動作を制御する。

本発明をある好ましい実施形態と関連して説明したが、それに限定されない。むしろ本発明は特許請求の範囲内に入る全ての実施形態を含むことを意図している。

本発明にしたがった第１の好ましい熱管理システムの概略図。 本発明にしたがった第２の好ましい熱管理システムの概略図。 本発明にしたがった第３の好ましい熱管理システムの概略図。

Claims (16)

1. 第１の温度で動作する第１の熱発生コンポーネントと、第１の温度と異なっている第２の温度で動作する第２の熱発生コンポーネントの温度を変調する熱管理システムにおいて、
   （ａ）第１の熱発生コンポーネントに関する熱交換で熱伝導媒体を循環させ、第１の熱伝導回路で循環する熱伝導媒体の温度を調節するための第１の熱交換装置を含んでいる第１の熱伝導回路と、
   （ｂ）第２の熱発生コンポーネントに関する熱交換で熱伝導媒体を循環させ、第２の熱伝導回路で循環する熱伝導媒体の温度を調節するための第２の熱交換装置を含んでいる第２の熱伝導回路を具備し、第１および第２の熱伝導回路は相互の流体が連通しており、さらに、
   （ｃ）第１および第２の両者の熱伝導回路を通って熱伝導媒体を循環させる循環ポンプを具備し、
   第１の熱伝導回路と第２の熱伝導回路のうちの一方は連続的なループを形成し、他方は回路が流体を連通している第１の端部および第２の端部を有している熱管理システム。
2. 第１の熱発生コンポーネントは燃料電池または燃料電池の熱交換装置である請求項１記載の熱管理システム。
3. 第２の熱発生コンポーネントは燃料発生システムと補助燃料電池温度調節装置とを含むグループから選択されている請求項１または２記載の熱管理システム。
4. 第１の熱伝導回路は連続的なループを具備している請求項１乃至３のいずれか１項記載の熱管理システム。
5. 第１の温度は第２の温度よりも高く、それによって第１の熱伝導回路で循環する熱伝導媒体は第２の熱伝導回路で循環する熱伝導媒体以上の温度である請求項１乃至４のいずれか１項記載の熱管理システム。
6. 熱伝導媒体は第２の熱伝導回路の第１の端部と第２の端部との間を流れる請求項１乃至５のいずれか１項記載の熱管理システム。
7. 第１の熱伝導回路中で循環する熱伝導媒体の一部は第２の熱伝導回路の第１の端部に入る請求項６記載の熱管理システム。
8. 第２の熱伝導回路の熱伝導媒体は第２の熱伝導回路の第２の端部から第１の熱伝導回路中へ流れる請求項６記載の熱管理システム。
9. 第２の熱伝導回路の第１の端部は、第１の熱発生コンポーネントに関して上流である点において第１の熱伝導回路と流体が連通しており、第２の熱伝導回路の第２の端部は、第１の熱発生コンポーネントに関して下流である点において第１の熱伝導回路と流体が連通している請求項１乃至８のいずれか１項記載の熱管理システム。
10. 第１の熱伝導回路から第２の熱伝導回路の第１の端部までの熱伝導媒体の流れは、バルブおよび較正されたオリフィスを含むグループから選択された流体制御手段によって制御される請求項７記載の熱管理システム。
11. 各熱交換装置は１以上の温度制御される変調手段を具備し、各温度制御される変調手段はファン冷却されるラジエータと液体−液体熱交換装置を含むグループから選択される請求項１乃至１０のいずれか１項記載の熱管理システム。
12. １以上の温度制御された変調手段は、並列に配置されている複数のファンで冷却されるラジエータを具備している請求項１１記載の熱管理システム。
13. 各温度制御された変調手段はサーモスタット制御されるファンを設けられたラジエータを備えている請求項１１記載の熱管理システム。
14. 第２の熱伝導回路の熱交換装置は第２の熱発生コンポーネントの上流にある請求項１乃至１３のいずれか１項記載の熱管理システム。
15. 第１の熱伝導回路はさらに、熱発生モジュールと補助燃料電池の温度調節装置を含むグループから選択される付加的なコンポーネントを具備している請求項１乃至１４のいずれか１項記載の熱管理システム。
16. 付加的なコンポーネントは第１の熱発生コンポーネントと並列に配置され、流体調節装置は第１の熱発生コンポーネントおよび付加的なコンポーネントの上流に設けられ、流体調節手段はバルブおよび較正されたオリフィスを含むグループから選択されている請求項１５記載の熱管理システム。

Images