JP2012111486A - 冷媒蒸発器装置を備えた冷却装置、及び、並行した空気及びバッテリ接触冷却のための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒蒸発器装置を備えた冷却装置、及び、並行した空気及びバッテリ接触冷却のための方法を提供する。
【解決手段】本発明は、冷媒圧縮機（６）及び凝縮器（７）を有する、並行した空気及びバッテリ接触冷却のための冷媒蒸発器装置を備えた冷却装置であって、空気冷却用の組み込まれた制御可能の膨張機構（２）を備えた蒸発器（１）及びバッテリ冷却用の組み込まれた制御可能の膨張機構（４）を備えたバッテリ接触冷却器としての蒸発器（３）が設けられており、蒸発器（３）と組み込まれた制御可能の膨張機構（４）のタップ（８）との間に絞り機構（５）が配設されていることを特徴とする冷却装置に関する。さらに、本発明は、冷却装置の駆動方法に関する。
【選択図】図１

Description

本発明は、並行した空気及びバッテリ接触冷却に好適である冷媒蒸発器装置を備えた冷却装置、及び、この冷却装置の運転方法に関する。

本発明の好ましい利用分野は、自動車のバッテリ又は蓄電池の冷却の課題と組み合わせた自動車冷却及び空気調和の分野にある。電気自動車又はハイブリッド車両の開発の枠組の中で、好適な利用に向けて一定の動作温度に達するための冷却を必要とする自動車における効率の良いバッテリ運転の傾向と必要性がある。

バッテリが一般的に及び高性能の自動車バッテリが特に好適な動作温度を有し、可能な限り均一な温度分布を全電池にわたって必要とすることが知られている。従って、先行技術による技術的解決の試みは、冷媒直接冷却又は接触冷却を利用して、直接冷媒蒸発器によって自動車のバッテリを冷却することにある。この冷媒蒸発器は、客室の空気調和のために自動車の冷却装置の中に組み込まれている。

特許文献１（独国特許出願公開第１０２００９０２９６２９Ａ１号明細書）から、同時に自動車内のバッテリユニットの保持として形成された車両バッテリの温度調節のための熱交換器が読み取れる。この場合、冷却面の表面温度は、多孔管の通路を通る冷媒の適切な案内によって可能な限り均一なレベルに保持される。

さらに、特許文献２（独国特許出願公開第１０２００８０３５４００Ａ１号明細書）から、自動車の熱源の冷却のための装置が読み取れる。冷却体は複数の前方流動フラッド及び複数の後方流動フラッドを有し、並置されるフラッドの往流及び還流によって冷却板の表面温度の均一化が達成される。

以下、バッテリ冷却器又は接触冷却器とも呼ぶバッテリの冷却のための蒸発器は、先行技術により、空気冷却器とも呼ぶ内部空間蒸発器と並列に冷却サイクルの中に組み込まれている。それによって、バッテリ冷却器の出口での圧力レベルは内部空間蒸発器の出口での圧力レベルに相当する。そこから、バッテリ冷却器の温度レベルは内部空間蒸発器の温度レベルに相当する結果になる。バッテリ冷却器内の冷媒質量流量は、内部空間蒸発器におけると全く同様に、サーモスタット式膨張弁を利用して制御される。サーモスタット式膨張弁は、空気冷却器ならびにバッテリ冷却器の出口での一定の過熱が調整されるように質量流量を制御する。

先行技術には複数の欠点がある。蒸発器に供給される冷媒質量流量の分配は、個々の流路の流れ抵抗の中の小さい差に基づき対称構造の場合でさえ質量流量分布内の僅かな不均一性をもたらした。この場合、より小さい質量流量割合をもつ流路内の冷媒は、別の流路内の冷媒よりも多少過熱される。しかしながら、この過熱によって上記流路内の流れ抵抗が上昇する。この効果は、さらに部分質量流量の混合後の蒸発器の出口での一定の過熱の制御によって増強される。

蒸発器の入口に、通常低い蒸気割合をもつ二相混合物が存在する。しかしながら、この場合、蒸気割合は、流れ断面にわたって均一には分配されない。従って、複数の流路内に分配する場合、各部分質量流量の蒸気割合に僅かな差が発生する。この場合、少ない蒸気割合をもつ流路は、他の流路よりも多少過熱される。上述したように、この効果は、部分質量流量のより高い流れ抵抗によって増強される。

バッテリ冷却器及び車両冷却器の並行した運転時のもう１つの不利な効果は、駆動バッテリの動的冷却時に電気的損失による定常冷却負荷と比較してはるかにより高い冷却出力が必要となることにある。この場合、動的冷却出力は定常冷却負荷の２倍以上になり得る。動的バッテリ冷却の場合の高い冷却出力は、電池内の比較的粗悪な熱伝導によってバッテリセル内に望ましくない高い温度傾斜を生じさせる。この高い温度傾斜は、バッテリセルの寿命を不利に損なう。

さらに、バッテリ冷却器の出口での過熱は、冷媒温度の上昇と、それによってバッテリ冷却器の表面で不均一な温度分布とを引き起こす。この温度分布における不均一性は、バッテリセル内の粗悪な熱伝導によって同様にセル内に再び現れる。

独国特許出願公開第１０２００９０２９６２９Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１０２００８０３５４００Ａ１号明細書

本発明の課題は、バッテリセル内の温度分布の改善を実現する冷却装置及び方法を提供することにある。

この課題は、独立請求項に記載の冷却装置及び方法によって解決される。更なる実施形態は、従属請求項に記載されている。

特に、本発明の課題は、冷媒圧縮機と、凝縮器と、を有し、並行した空気及びバッテリ接触冷却のための冷媒蒸発器装置を備えた冷却装置であって、組み込まれた制御可能な膨張機構を備えた空気冷却用の蒸発器と、バッテリ冷却のための組み込まれた制御可能な膨張機構を備えたバッテリ接触冷却器としての蒸発器と、を備えた並行した空気及びバッテリ接触冷却のための冷媒蒸発器装置を備えた冷却装置によって解決される。本発明により、バッテリ冷却用の蒸発器と組み込まれた制御可能な膨張機構のタップとの間には、絞り機構が配設されている。

本発明によれば、冷媒の絞りはバッテリ冷却器の後でバッテリ冷却器内の液体の冷媒の滞留をもたらす。この結果、冷媒の均一な分布となり、析出効果は有利に影響する。

驚くべきことに、特に有利には、バッテリ冷却のための動的冷却出力の低減と同時のバッテリ接触冷却器の表面温度の均一化によって温度分布の改善が行われることが明らかとなった。

バッテリ冷却器の出口での適切な絞りによって、特に冷媒Ｒ１３４ａ又はＲ１２３４ｙｆの使用時に、ほぼ完全に蒸発した二相混合物が完全に蒸発され、又は過熱される。絞りの後に配設されたサーモスタット式膨張弁は、絞りの後に要求された過熱が調整されるように質量流量を制御する。しかしながら、本来の蒸発器の領域に過熱は生じない。蒸発器の表面は、圧力損失がより少なく過熱がないことによって非常に均一な温度分布にとどまり、これが本発明の特に有利な作用である。本発明の本質は、いまやサーモスタット式膨張弁を通る入口又はタップの前のバッテリ接触冷却の蒸発器からの冷媒質量流量の適切な絞りによって、バッテリ冷却器内の蒸発が空気調和装置の内部空間蒸発器内の蒸発よりも高い温度レベルで生じることが達成されることにある。

冷却される表面と冷却する媒体である冷媒との間で推進する温度ポテンシャルが低減され、それによって、増大した動的負荷が低減される。それによって過熱の発生が回避され、又は過熱が短時間のみ発生し、バッテリ冷却器の表面での温度が非常に均一にとどまる。

さらに、絞りによってバッテリ冷却器を通る冷媒質量流量が動的冷却過程中に制限される。

本発明の好ましい態様によれば、バッテリ冷却用の蒸発器の後の冷媒流を絞るため絞り機構は、固定絞りとして形成されている。

もう１つの有利かつ付加的な措置は、バッテリ冷却のために設けられた冷媒質量流量の冷媒蒸気割合が均一に冷媒の部分質量流量にわたって分布しているように形成かつ配設された冷媒液及び冷媒蒸気の均質化のための手段を設けることにある。

例えば、螺旋形の入れ子、ふるい又はシャワーのような適切な組込体によって、蒸発器の入口での流れを均質化し、同じ蒸気割合をもつ流路の中への均一な分配を実現する。

冷却装置の効率の上昇のためのもう１つの構造的及び有利な措置は、バッテリ冷却用の蒸発器の前に液体分離器を設けることにある。

蒸発器の入口での液体分離器、例えば遠心分離器の導入によって、蒸発器の入口での流れが純液体及び純蒸気状の流れに分割される。冷媒液が蒸発器に供給され、蒸発器の対応する流路の中へ分配される。冷媒蒸気は、バイパス内の適切な絞りの後に案内されるが、バッテリ冷却器の出口で、ただしサーモスタット式膨張弁のタップの前で、再び過熱された冷媒に供給される。

本発明の有利な態様は、バッテリ冷却用の蒸発器が並列に接続された複数の個々の蒸発器から形成されていることにある。

上記冷却装置による同時の空気及びバッテリ接触冷却のための本発明による方法は、
冷媒質量流量を冷却装置の凝縮器の後で分配し、
冷媒質量部分流量を、膨張機構を利用して空気冷却用の冷却装置の蒸発器の前で空気冷却のための低い蒸発圧力ｐ_LKに絞り、かつそれと並行し、
冷媒質量流量を、膨張機構を利用してバッテリ接触冷却用の蒸発器の前でより高い蒸発圧力ｐ_BKに絞り、それによって冷媒液を蒸発器の中でせき止め、
冷媒質量部分流量を、バッテリ接触冷却のために蒸発器の後で絞り機構を利用してまたより低い蒸発圧力ｐ_LKに絞り、冷媒質量部分流量を最後に集結するように構成されている。

絞りを含むバッテリ冷却器が１．０〜２．０ｂａｒの圧力損失を有し、圧力損失の絞りの割合が好ましくは少なくとも０．５ｂａｒになるように、バッテリ冷却のための冷媒質量部分流量の絞り用の絞り機構を設計することが有利であることが実証されている。

本発明による方法は、好ましくは、冷媒蒸気及び冷媒液の均質化によってバッテリ接触冷却器の流路へ冷媒質量流量を分配する前に蒸気割合の均一化のために発展的に形成されている。

さらに、本発明による方法の変形例として、バッテリ接触冷却用の蒸発器の前で冷媒蒸気及び冷媒液を分離し、冷媒液を蒸発器内で蒸発させ、それに対して冷媒蒸気を絞り、蒸発器の出口で過熱された蒸気に再び供給する。

最後に、本発明による方法の更なる他の変形例として、バッテリ冷却用の蒸発器の前でまず冷媒蒸気及び冷媒液が、例えば、遠心分離機等の液体分離器を用いて分離され、個々の流路内の均等に分配された蒸気割合の確保のために蒸発器内の入口の前で混合が行われることにある。

このように、冷却装置及び提案された方法は、バッテリ冷却の蒸発器の表面で特に有利な均一な温度分布を達成する。これは、バッテリセルのより少ない負荷及びより少ない老朽化をもたらす。そこから、寿命、及び特にＬｉイオンバッテリセルの寿命の有利な増大が導き出される。

さらに、有利にも、バッテリ冷却器に必要な冷媒質量流量が低減され、そこからバッテリの冷却に対して、より少ないエネルギーコストが生じることに注目すべきである。これは、さらに同じバッテリ容量で電気的に駆動される自動車のより長い到達距離をもたらす。

提案された手段によって、過熱制御された冷媒蒸発器におけるバッテリ接触冷却器の過熱区域の進展の技術的に重要な問題を、これらの過熱区域を低減させることによって解決できた。

本発明の特に強調するべき長所として、さらに過熱制御された蒸発器の過熱区域の低減、並列に接続された蒸発器及びこの蒸発器の内部の流路への均一な冷媒分配及び多重蒸発器装置における様々な蒸発温度の発生が挙げられる。

本発明の実施形態の詳細、特徴及び長所は、添付図面を参照して、以下の実施例の記載から明らかである。

冷却装置の概略的な回路図である。 バッテリ冷却器の概略図である。 冷却プロセスのｐ−ｈ線図である。 従来の冷却装置の時間−温度線図である。 本発明による冷却装置の時間−温度線図である。 種々の圧力損失における時間に応じたバッテリ冷却器の温度差を示す図である。

図１では、関連性のある技術的な構成要素を備えた本発明による冷却装置の概略的な回路図が示されている。各冷却装置の主要部は、ガス状の冷媒を凝縮圧力に圧縮し、凝縮器７に送出する圧縮機６である。凝縮器７では、冷媒が、模式的に矢印で示すように、熱を解放する凝縮圧力レベルまで凝縮する。凝縮され、液化された冷媒は、分岐点に達し、そこで冷媒質量流量が客室を冷却するための冷媒部分質量流量と、バッテリを冷却するための冷媒部分質量流量とに分割される。

空気調和装置の蒸発器１は、空気冷却器、又は内部空間蒸発器とも呼ばれるが、組み込まれたサーモスタット式膨張弁２に接続されており、空気の冷却用に設けられた、膨張弁２の中で絞られた冷媒部分質量流量を受け取る。模式的に暗示した熱吸収下に客室の空気調和のために空気が冷却され、冷媒が蒸発する。多少過熱された冷媒は、蒸発器１を離れ、制御されたサーモスタット式膨張弁２の制御回路を閉じる膨張機構２のタップ８に到達する。

第２冷媒部分質量流量は、サーモスタット式膨張弁としても形成されている膨張機構４を介して、図示した実施例において並列に接続された２つの個々の蒸発器から構成されたバッテリ冷却器３に到達する。冷媒部分質量流量は、両方の蒸発器３に分配され、バッテリは、バッテリ接触冷却器３を利用して直接接触で冷却される。蒸発器３からの冷媒部分流量が集結し、固定絞りとして形成された絞り機構５の中で一緒に空気冷却器１の蒸発圧力ｐ_LKに弛緩される。それに続き、膨張機構４のタップ８は、サーモスタット式膨張弁４の制御のために行われ、バッテリ冷却及び空気冷却の多少過熱された冷媒質量部分流量が最後に一つにまとめられ、圧縮機６に供給される。それによって、この回路が閉じられる。

図２は、バッテリ接触冷却器３の概略図を示している。液体の冷媒は、バッテリ冷却器３の蒸発圧力ｐ_BKに弛緩される膨張機構４を介して冷媒蒸発器装置３の中に到達し、様々な流路に分配され、蒸発器３を貫流して方向転換され、個々の通路からまとめられて固定絞り５の中に到達し、そこで空気冷却器の蒸発圧力ｐ_LKまで圧力が低減される。

図３は、図１に示す冷却装置による冷却プロセスのｐ−ｈ線図を示し、この図では、２つの冷媒部分流量が、種々の蒸発圧力レベルで冷媒の二相領域内を通過している。空気冷却器用の冷却サイクルのプロセスは、符号１０で示されている。バッテリ冷却のプロセスは、符号１１で示されている。圧縮及び凝縮は、共通の冷媒質量流量として空気冷却とバッテリ冷却のために行われる。凝縮後のプロセスの左上角で冷媒質量流量が分配され、空気冷却のための冷媒質量流量は、蒸発圧力ｐ_LKまで下げられる。空気冷却用の冷媒部分質量流量の蒸発は、多少の過熱まで行われる。

バッテリ冷却のための冷媒部分質量流量の絞りは、凝縮後に、空気冷却ｐ_LKのための圧力レベルより上にあり、符号１１で中央の水平部として表示したバッテリ冷却の蒸発レベルｐ_BKまで行われる。蒸発後の二相領域の終端で、上記二相領域から多少の過熱までの第２の絞りと、共通の圧縮前の冷却プロセスの右下点で冷媒部分質量流量の集結とが行われる。

バッテリ冷却のための冷媒部分流量の第２の絞りは、部分的に線図の左に拡大して表示されている。

図４では、従来技術による冷却装置のバッテリ接触冷却器の表面温度の時間温度線図が示されており、比較的高い温度傾斜は、様々な、垂直方向に連続する個々の測定点の曲線推移によって様々なレベルで非常に明らかに識別できる。調整される蒸発温度レベルは、約８℃であり、従って好適なバッテリ冷却にとって比較的低い。

これに対し、図５によれば、垂直方向への個々の温度測定箇所の傾斜は明らかにより低く降下し、特に蒸発温度は約１７℃に上昇する本発明による冷却装置のバッテリ接触冷却器の表面温度の時間温度線図が示されている。

図４による蒸発プロセスにおいては、蒸発器出口で３Ｋの過熱によって、及び図５による還流絞りとも呼ばれる絞り機構の後で測定される。

図６によれば、バッテリ冷却器での温度差の線図は、図１による還流絞り５で様々に調整された圧力損失における時間にわたって示されている。絞りの欠如は、非常に大きい温度差をもたらし、高い絞りは最小の温度差をもたらすことがわかる。

１ 蒸発器、空気冷却器、内部空間蒸発器
２ 膨張機構、サーモスタット式膨張弁
３ 蒸発器、バッテリ冷却器、接触冷却器、バッテリ接触冷却器、冷媒蒸発器装置
４ 膨張機構、サーモスタット式膨張弁
５ 絞り機構、固定絞り、還流絞り
６ 冷媒圧縮機
７ 凝縮器
８ 膨張機構のタップ
９ 冷却管
１０ 冷却プロセス 空気冷却
１１ 冷却プロセス バッテリ冷却

Claims (10)

1. 冷媒圧縮機（６）及び凝縮器（７）を有する、並行した空気及びバッテリ接触冷却のための冷媒蒸発器装置を備えた冷却装置であって、
   空気冷却用の組み込まれた制御可能な膨張機構（２）を備えた蒸発器（１）と、バッテリ冷却用の組み込まれた制御可能な膨張機構（４）を備えたバッテリ接触冷却器としての蒸発器（３）と、を備え、この蒸発器（３）と上記組み込まれた制御可能な膨張機構（４）のタップ（８）との間には、絞り機構（５）が配設されていることを特徴とする冷却装置。
2. 上記絞り機構（５）は、固定絞りとして形成されている請求項１記載の冷却装置。
3. 冷媒蒸気割合が後続の冷媒質量流量の分配時に等しくなるように、蒸発器（３）の前に冷媒液及び冷媒蒸気の均質化のための手段が形成かつ配設されている請求項１又は２に記載の冷却装置。
4. 蒸発器（３）の前に液体分離器が配設されている請求項１乃至３の何れか１項に記載の冷却装置。
5. 蒸発器（３）が並列に接続された複数の蒸発器から形成されている請求項１乃至４の何れか１項に記載の冷却装置。
6. 請求項１乃至５の何れか１項に記載の冷却装置を用いた、同時の空気及びバッテリ接触冷却のための方法であって、
   冷媒質量流量を凝縮器（７）の後で分割し、
   冷媒質量部分流量を、膨張機構（２）を利用して蒸発器（１）の前で空気冷却のためのより低い蒸発圧力ｐ_LKに絞り、及びそれと並行し、
   冷媒質量部分流量を、膨張機構（４）を利用して蒸発器（３）の前でバッテリ接触冷却のためのより高い蒸発圧力ｐ_BKに絞り、それによって、冷媒液をせき止め、
   冷媒質量部分流量を、バッテリ接触冷却のために蒸発器（３）の後で絞り機構（５）を利用し、より低い蒸発圧力ｐ_LKに絞り、
   冷媒質量部分流量を集結することを特徴とする方法。
7. 絞り機構（５）を利用し、絞りを少なくとも０．５ｂａｒだけ行う請求項６に記載の方法。
8. 蒸発器（３）の前で冷媒蒸気及び冷媒液の均質化が流路内の冷媒質量流量の分配前の蒸気割合の均一化のために行われる請求項６又は７に記載の方法。
9. 蒸発器（３）の前で冷媒蒸気及び冷媒液の分離を行い、冷媒液を蒸発器（３）内で蒸発させ、冷媒蒸気を絞り、蒸発器（３）の出口で過熱された蒸気に再び供給する請求項６又は７に記載の方法。
10. 蒸発器（３）の前で冷媒蒸気及び冷媒液の分離を行い、蒸発器（３）への入口の前で混合を行う請求項６又は７に記載の方法。

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