JP2013148245A - 冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】電動ポンプを用いた場合であっても、効率良く熱交換ユニットを冷却することが可能な冷却システムを提供する。
【解決手段】冷却システム１００は、熱交換ユニット１に冷媒を循環させる循環流路１０と、当該循環流路１０から分岐し、熱交換ユニット１と並列に設けられるサブ熱交換ユニット２に冷媒を流通させた後、循環流路１０に合流する分岐流路２０と、当該分岐流路２０に設けられ、当該分岐流路２０に流通する冷媒の流量を設定するバルブ５０と、循環流路１０及び分岐流路２０に冷媒を供給する電動ポンプ６０と、バルブ５０の開度を示す開度情報に基づいて電動ポンプ６０をＤＵＴＹ制御で駆動する制御部８０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の熱交換ユニットを冷却する冷却システムに関する。

従来、複数の熱交換ユニットを効率良く冷却する方法として、冷却回路を切り替える方法が利用されてきた。この種の方法においては、冷媒を流通させるポンプとしてメカポンプが用いられてきたが、近年、電動ポンプも利用することがある。このような技術として下記に出典を示す特許文献１及び２に記載の技術がある。

特許文献１に記載のハイブリッド車両用冷却装置は、エンジンと駆動用モータとを有するハイブリッド車に備えられ、第１冷却回路、第２冷却回路、及び第３冷却回路を備えて構成される。第１冷却回路はエンジンのシリンダヘッドと駆動用モータとを選択的、あるいは同時に冷却する。第２冷却回路はエンジンのシリンダブロックを冷却する。第３冷却回路は強電系コントロールユニットを冷却する。

特許文献２に記載の車両用冷却装置は、第１の冷却回路、第２の冷却回路、第３の冷却回路、第４の冷却回路、及び第５の冷却回路を備えて構成される。第１の冷却回路は、内燃機関を通過した冷却水を、第１の熱交換手段に流通させて、内燃機関に循環させる。第２の冷却回路は、内燃機関を通過した冷却水を、第１の熱交換手段をバイパスさせて、内燃機関に循環させる。第３の冷却回路は、内燃機関を通過した冷却水を、第１の熱交換手段をバイパスさせるとともに、第２の熱交換手段、第３の熱交換手段の順番で通過させて、内燃機関に循環させる。第４の冷却回路は、内燃機関を通過した冷却水を、第１の熱交換手段、第２の熱交換手段の順番で通過させて、内燃機関に循環させる。第５の冷却回路は、内燃機関を通過した冷却水を、第１の熱交換手段、第２の熱交換手段、第３の熱交換手段の順番で通過させて、内燃機関に循環させる。このように構成された冷却回路には、一つの循環手段により冷却水が供給される。

特開２０００−７３７６３号公報 特開２００８−１９６４２４号公報

しかしながら、特許文献１及び２に記載の技術において、電動ポンプから見て圧力が高くなるように冷却回路を切り替えると、電動ポンプの許容流量は指数関数的に減少するので、ロスが大きくなってしまう。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、電動ポンプを用いた場合であっても、効率良く熱交換ユニットを冷却することが可能な冷却システムを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る冷却システムの特徴構成は、
熱交換ユニットに冷媒を循環させる循環流路と、
前記循環流路から分岐し、前記熱交換ユニットと並列に設けられるサブ熱交換ユニットに冷媒を流通させた後、前記循環流路に合流する分岐流路と、
前記分岐流路に設けられ、当該分岐流路に流通する前記冷媒の流量を設定するバルブと、
前記循環流路及び前記分岐流路に前記冷媒を供給する電動ポンプと、
前記バルブの開度を示す開度情報に基づいて前記電動ポンプをＤＵＴＹ制御で駆動する制御部と、
を備えている点にある。

ここで、循環流路の圧力は、電動ポンプを定速運転している場合には、分岐流路に設けられるバルブの開度に応じて変化する。そこで、本特徴構成によれば、分岐流路に設けられるバルブの開度により電動ポンプの回転数が制御されるので、バルブの開度に拘らず、循環流路に流通する冷媒の流通量を一定に維持することができる。また、分岐流路に設けられるバルブが開状態にされた場合でも、当該バルブの開度に応じて分岐流路に冷媒を供給することもできる。したがって、電動ポンプの無駄な仕事を無くすことができるので、効率良く熱交換ユニット及びサブ熱交換ユニットを冷却することが可能となる。

また、前記制御部は、前記サブ熱交換ユニットの温度に基づいて前記バルブの開度を決定すると好適である。

このような構成とすれば、サブ熱交換ユニットの温度が上昇した場合には、バルブの開度を大きくしつつ、電動ポンプの回転数を上げることができるので、熱交換ユニットに供給する冷媒の量を維持したままで、サブ熱交換ユニットに流通する冷媒の量を増やすことができる。したがって、熱交換ユニット及びサブ熱交換ユニットを適切に冷却することが可能となる。一方、サブ熱交換ユニットの温度が低下した場合には、バルブの開度を小さくしつつ、電動ポンプの回転数を下げることができるので、熱交換ユニットに供給する冷媒の量を維持したままで、サブ熱交換ユニットに流通する冷媒の量を減らすことができる。したがって、電動ポンプの無駄な仕事を減らすことが可能となる。

また、前記制御部は、前記開度情報と前記電動ポンプの回転数との関係を規定するマップに基づき前記ＤＵＴＹ制御を行うと好適である。

このような構成とすれば、バルブの開度が変更された場合でも、電動ポンプの回転数を一義的に設定し易くなる。したがって、演算処理負荷を軽減することが可能となる。

また、前記分岐流路及びバルブが、複数組設けられていると好適である。

このように分岐流路が複数組設けられる場合であっても、循環流路の上流側及び下流側の少なくとも一方の圧力を予め設定された所定値に維持することにより、電動ポンプの無駄な仕事を無くすことができる。

本発明に係る冷却システムの構成を模式的に示す図である。 圧力と流量との関係を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。本発明に係る冷却システム１００は、複数の流路の夫々に設けられる熱交換ユニットを効率良く冷却することが可能なように構成されている。以下、図面を用いて説明する。

図１は、冷却システム１００の構成を模式的に示したブロック図である。図１に示されるように、冷却システム１００は、循環流路１０、分岐流路２０、バルブ５０、電動ポンプ６０、制御部８０を備えて構成される。特に、制御部８０はＣＰＵを中核部材として熱交換ユニットを効率良く冷却する種々の処理を行うためにハードウェア又はソフトウェア或いはその両方で構築されている。

ここで、本実施形態では、冷却システム１００はハイブリッド車両に備えられ、当該ハイブリッド車両の各機能部を冷却するのに用いられるとして説明する。循環流路１０は、熱交換ユニット１に冷媒を流通させる。ここで、後述するように本実施形態では、熱交換ユニット１とサブ熱交換ユニット２とを挙げて説明する。また、サブ熱交換ユニット２は、複数から構成される。したがって、理解を容易にするために、以下では熱交換ユニット１を第１熱交換ユニット１として説明する。

ここで、図１に示されるように、循環流路１０には電動ポンプ６０が設けられるが、流量を制御するバルブ５０が備えられていない。このため、循環流路１０には電動ポンプ６０の始動に伴い、冷媒が供給される。したがって、電動ポンプ６０の始動に伴い、第１熱交換ユニット１に冷媒を供給することが可能となる。このような第１熱交換ユニット１はハイブリッド車両のエンジン又はモータの始動後、必ず冷媒を供給する必要がある装置が相当する。具体的には、例えば電気系の装置であるバッテリやインバータとすることができる。

分岐流路２０は、循環流路１０から分岐し、熱交換ユニット１と並列に設けられるサブ熱交換ユニット２に冷媒を流通させた後、循環流路１０に合流する。すなわち、分岐流路２０は循環流路１０から分岐した後、循環流路１０に合流する。したがって、分岐流路２０は、循環流路１０の一部と並列に設けられることになる。このような並列になる位置に、サブ熱交換ユニット２が設けられる。なお、サブ熱交換ユニット２は、分岐流路２０に設けられるものであって、熱交換ユニット１を補助するものではない。

本実施形態では、図１に示されるように、分岐流路２０が、複数設けられる。特に、本実施形態では分岐流路２０は、２つ設けられるとして説明する。このため、理解を容易にするために一方の分岐流路２０を第１分岐流路２１とし、他方の分岐流路２０を第２分岐流路２２として説明する。特に区別する必要が無い場合には、単に分岐流路２０として説明する。

上述のように、分岐流路２０にはサブ熱交換ユニット２が設けられる。以下の説明では、第１分岐流路２１に設けられるサブ熱交換ユニット２を第２熱交換ユニット２Ａとし、第２分岐流路２２に設けられるサブ熱交換ユニット２を第３熱交換ユニット２Ｂとして説明する。このような第２熱交換ユニット２Ａ及び第３熱交換ユニット２Ｂは、夫々が並列になるように設けられると共に、第１熱交換ユニット１に対しても並列に設けられる。

バルブ５０は、分岐流路２０に設けられ、当該分岐流路２０に流通する冷媒の量を設定する。本実施形態では、分岐流路２０は第１分岐流路２１及び第２分岐流路２２から構成される。バルブ５０は、第１分岐流路２１及び第２分岐流路２２の夫々に設けられる。したがって、本実施形態では、分岐流路２０及びバルブ５０が、複数組設けられることになる。本実施形態では、分岐流路２０及びバルブ５０は、２組設けられる。以下の説明では、第１分岐流路２１に設けられるバルブ５０を第１バルブ５１とし、第２分岐流路２２に設けられるバルブ５０を第２バルブ５２として説明する。

第１バルブ５１及び第２バルブ５２は、独立して開閉を行うことが可能である。また、本実施形態では、第１バルブ５１及び第２バルブ５２は、開度調整が可能なリニア弁であっても良いし、開弁又は閉弁の２つの状態でのみ切替え可能な開閉弁であっても良い。その開度に応じて、第２熱交換ユニット２Ａ及び第３熱交換ユニット２Ｂに流通する冷媒の量を決定することが可能である。したがって、第１バルブ５１及び第２バルブ５２を開弁状態にすることにより、電動ポンプ６０が第１分岐流路２１及び第２分岐流路２２の夫々に冷媒を供給することが可能となる。

第２熱交換ユニット２Ａ及び第３熱交換ユニット２Ｂは、冷媒を供給するタイミングが異なる装置とすることが可能である。また、必要に応じて冷媒の供給量が変更される装置とすることも可能である。具体的には、第２熱交換ユニット２Ａは、例えばエンジン系の装置であるインタクーラやＥＧＲ装置とすることができる。また、第３熱交換ユニット２Ｂは、その他の熱の回収を行う装置や、例えばハイブリッド車両の始動時のみ冷媒を供給することが必要な装置とすることができる。第１バルブ５１及び第２バルブ５２は、夫々、後述する制御部８０により開度が決定される。

制御部８０は、バルブ５０の開度を示す開度情報に基づいて電動ポンプ６０をＤＵＴＹ制御で駆動する。本実施形態では、バルブ５０は第１バルブ５１及び第２バルブ５２である。ここで、本実施形態では、第１バルブ５１及び第２バルブ５２は、夫々、下流側に設けられる第２熱交換ユニット２Ａ及び第３熱交換ユニット２Ｂの温度に基づいて後述する制御部８０により開度が決定される。第２熱交換ユニット２Ａ及び第３熱交換ユニット２Ｂの温度は、温度情報として第２熱交換ユニット２Ａ及び第３熱交換ユニット２Ｂから夫々伝達される。制御部８０は、このような温度情報に基づき、第１バルブ５１及び第２バルブ５２の開度を調整する。この開度調整は、制御部８０から伝達される開度情報に基づき行われる。

ここで、電動ポンプ６０を定速度で駆動した場合、第１バルブ５１及び第２バルブ５２の開度により、第１熱交換ユニット１に供給される冷媒の流量が変化する。このため、制御部８０は、第１バルブ５１及び第２バルブ５２の開度が小さい場合には、電動ポンプ６０の回転速度を低くするように制御し、第１バルブ５１及び第２バルブ５２の開度が大きくなった場合には、電動ポンプ６０の回転速度が高くなるように制御する。これにより、第１バルブ５１及び第２バルブ５２の開度に拘らず、第１熱交換ユニット１に所期の冷媒を供給することが可能となる。制御部８０は、このような電動ポンプ６０の制御はＤＵＴＹ制御により行う。

ＤＵＴＹ制御は、公知であるので詳細な説明は省略するが、電動ポンプ６０に供給する電気エネルギーをＰＷＭ制御により駆動することである。したがって、制御部８０は、第１バルブ５１及び第２バルブ５２の開度に応じて、第１熱交換ユニット１からの要求流量の冷媒を供給できるように、電動ポンプ６０をＰＷＭ制御により駆動する。このような駆動は、制御部８０から電動ポンプ６０に伝達されるＤＵＴＹ制御信号により行われる。本実施形態では、制御部８０は、第１バルブ５１及び第２バルブ５２に伝達される開度情報と電動ポンプ６０の回転数との関係を規定したマップに基づきＤＵＴＹ制御を行う。このようなマップは、制御部８０に予め格納されている。

詳細は、後述するが、電動ポンプ６０を定回転で駆動した場合、電動ポンプ６０の吐出側の圧力は、第１バルブ５１及び第２バルブ５２の開弁状態よりも閉弁状態の方が高くなる。例えば、第１熱交換ユニット１に供給する冷媒が、第１バルブ５１及び第２バルブ５２の開弁状態の時の圧力に基づく流量で充足している場合には、当該圧力と第１バルブ５１及び第２バルブ５２の閉弁状態となった場合の圧力との差が無駄になる。

すなわち、電動ポンプ６０が無駄にエネルギーを消費していることになる。このため、制御部８０は、このような無駄なエネルギー消費を低減すべく、電動ポンプ６０のＤＵＴＹ制御により、すなわちＯＮ−ＤＵＴＹを短くして駆動する。本発明に係る冷却システム１００においては、電動ポンプ６０が無駄なエネルギーを消費している場合には、電動ポンプ６０の吐出側の圧力が上昇する。したがって、制御部８０が、第１バルブ５１及び第２バルブ５２の開度情報に基づきＤＵＴＹ制御することで、無駄なエネルギー消費を低減することができる。

すなわち、バルブ５０が閉弁された場合には、制御部８０がＯＮ−ＤＵＴＹを短くすることで、電動ポンプ６０の回転数が下がり、第１熱交換ユニット１に供給する冷媒の量を減らすことができる。したがって、無駄なエネルギー消費を低減することができる。一方、バルブ５０が開弁された場合には、制御部８０がＯＮ−ＤＵＴＹを長くすることで、電動ポンプ６０の回転数が上がり、第１熱交換ユニット１に供給する冷媒の量を増やすことができる。したがって、各流路の冷媒の量を適切に維持することができる。

なお、第１バルブ５１及び第２バルブ５２の開度情報に代えて、電動ポンプ６０の必要トルク（負荷状態）を電流値等に基づき算出し、ＤＵＴＹ制御しても良い。

以下、制御部８０のＤＵＴＹ制御について、図２を用いて説明する。図２では、縦軸が電動ポンプ６０の吐出側の圧力とし、横軸を電動ポンプ６０の吐出側の冷媒の流量としている。ここで、理解を容易にするために、循環流路１０、第１分岐流路２１、第２分岐流路２２の夫々は、同じ流路面積であるとする。

また、図２においてＡを付した線は、第１バルブ５１及び第２バルブ５２の双方が閉弁状態とされた場合の圧力と流量との関係を示す特性である。図２においてＢを付した線は、第１バルブ５１及び第２バルブ５２の一方が閉弁状態とされた場合の圧力と流量との関係を示す特性である。図２においてＣを付した線は、第１バルブ５１及び第２バルブ５２の双方が開弁状態とされた場合の圧力と流量との関係を示す特性である。

また、図２においてＤ１を付した線は、電動ポンプ６０が所定のＤＵＴＹ：Ｄ１で駆動された場合の圧力と流量との関係を示す特性である。図２においてＤ２を付した線は、電動ポンプ６０がＤ１よりもＯＮ−ＤＵＴＹが短いＤＵＴＹ：Ｄ２で駆動された場合の圧力と流量との関係を示す特性である。図２においてＤ３を付した線は、電動ポンプ６０がＤ２よりもＯＮ−ＤＵＴＹが短いＤＵＴＹ：Ｄ３で駆動された場合の圧力と流量との関係を示す特性である。ここでは、Ｄ１はＤＵＴＹ：１００％、Ｄ２はＤＵＴＹ：８０％、Ｄ３はＤＵＴＹ：５０％とする。

例えば、ハイブリッド車両の始動時に、第１熱交換ユニット１には冷媒の流量がＬ１だけ必要であるとする。この場合の電動ポンプ６０の吐出側の圧力がＰ１であるとする。係る場合、第１バルブ５１及び第２バルブ５２の双方が閉弁状態の場合には、電動ポンプ６０をＤＵＴＹ：Ｄ１で駆動すると、ａを付した位置で駆動されるので、流量Ｌ１よりもかなり多くの冷媒が供給され、電動ポンプ６０の吐出側の圧力もＰ１よりも高くなる。一方、電動ポンプ６０をＤＵＴＹ：Ｄ２で駆動した場合でも、ｂを付した位置で駆動されるので、流量Ｌ１よりもかなり多くの冷媒が供給され、電動ポンプ６０の吐出側の圧力もＰ１よりも高くなる。このため、無駄なエネルギー消費が多くなる。したがって、制御部８０は、電動ポンプ６０の吐出側の圧力がＰ１になるように、ＤＵＴＹ：Ｄ３で駆動する。これにより、ｃの位置で駆動することができるので、無駄なエネルギー消費を低減できる。

その後、第１バルブ５１及び第２バルブ５２の一方が開弁状態とされ、電動ポンプ６０をＤＵＴＹ：Ｄ３で駆動を継続すると、電動ポンプ６０はｄを付した位置で駆動されるので、第１熱交換ユニット１及び上記開弁状態とされた第１バルブ５１及び第２バルブ５２の一方に備えられる第２熱交換ユニット２Ａ及び第３熱交換ユニット２Ｂの一方に供給される冷媒の流量が不足し、電動ポンプ６０の吐出側の圧力がＰ１よりも低くなる。したがって、制御部８０は、電動ポンプ６０の吐出側の圧力がＰ１になるように、ＤＵＴＹ：Ｄ２で駆動する。係る場合には、電動ポンプ６０の吐出側の冷媒の流量はＬ２（Ｌ１の２倍）となる。これにより、ｅの位置で駆動される。

更に、第１バルブ５１及び第２バルブ５２の双方が開弁状態とされ、電動ポンプ６０をＤＵＴＹ：Ｄ２で駆動を継続すると、電動ポンプ６０はｆを付した位置で駆動されるので、第１熱交換ユニット１、第２熱交換ユニット２Ａ、及び第３熱交換ユニット２Ｂに供給される冷媒の流量が不足し、電動ポンプ６０の吐出側の圧力がＰ１よりも低くなる。したがって、制御部８０は、電動ポンプ６０の吐出側の圧力がＰ１になるように、ＤＵＴＹ：Ｄ１で電動ポンプ６０を駆動する。係る場合には、電動ポンプ６０の吐出側の冷媒の流量はＬ３（Ｌ１の３倍）となる。これにより、ｇの位置で駆動される。したがって、第１熱交換ユニット１、第２熱交換ユニット２Ａ、及び第３熱交換ユニット２Ｂの夫々の冷媒を必要量の冷媒を供給することが可能となる。

ここで、循環流路１０の圧力は、電動ポンプ６０を定速運転している場合には、分岐流路２０に設けられるバルブ５０の開度に応じて変化する。そこで、本冷却システム１００によれば、分岐流路２０に設けられるバルブ５０の開度により電動ポンプ６０の回転数が制御されるので、バルブ５０の開度に拘らず、循環流路１０に流通する冷媒の流通量を一定に維持することができる。また、分岐流路２０に設けられるバルブ５０が開状態にされた場合でも、当該バルブ５０の開度に応じて分岐流路２０に冷媒を供給することもできる。したがって、電動ポンプ６０の無駄な仕事を無くすことができるので、効率良く熱交換ユニット１及びサブ熱交換ユニット２を冷却することが可能となる。このように、本冷却システム１００によれば、電動ポンプ６０の吐出側の圧力に基づき電動ポンプ６０の駆動をＤＵＴＹ制御するので、無駄なエネルギー消費を低減することが可能となる。

〔その他の実施形態〕
上記実施形態では、分岐流路２０及びバルブ５０が、２組設けられるとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。分岐流路２０及びバルブ５０を１組設けて構成することも可能であるし、３組以上設けて構成することも当然に可能である。更には、分岐流路２０が複数設ける場合には、少なくとも一つの分岐流路２０にバルブ５０を設けないように構成することも当然に可能である。

上記実施形態では、バルブ５０はリニア弁であるとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。バルブ５０を開閉弁で構成することも当然に可能である。

上記実施形態では、循環流路１０と、分岐流路２０（第１分岐流路２１及び第２分岐流路２２）とが、夫々同じ径で構成されるとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。循環流路１０及び分岐流路２０の夫々を異なる径で構成することも当然に可能である。

上記実施形態では、制御部８０は、サブ熱交換ユニット２の温度に基づいてバルブ５０の開度を決定するとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。サブ熱交換ユニット２に温度ではなく、例えばサブ熱交換ユニット２を流通後の冷媒の温度に基づいてバルブ５０の開度を調整することも可能である。

上記実施形態では、制御部８０は、開度情報と電動ポンプ６０の回転数との関係を規定するマップに基づきＤＵＴＹ制御を行うとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。マップを有さずに構成することも当然に可能である。係る場合、例えばバルブ５０の開度と電動ポンプ６０の回転数との関係を規定する演算式を用いてＤＵＴＹ制御することも可能であるし、バルブ５０の開度により一義的に電動ポンプ６０の回転数を規定した表のようなものを備えて構成することも当然に可能である。

本発明は、複数の熱交換ユニットを冷却する冷却システムに用いることが可能である。

１：第１熱交換ユニット（熱交換ユニット）
２：サブ熱交換ユニット
２Ａ：第２熱交換ユニット
２Ｂ：第３熱交換ユニット
１０：循環流路
２０：分岐流路
２１：第１分岐流路
２２：第２分岐流路
５０：バルブ
５１：第１バルブ
５２：第２バルブ
６０：電動ポンプ
８０：制御部
１００：冷却システム

Claims (4)

1. 熱交換ユニットに冷媒を循環させる循環流路と、
   前記循環流路から分岐し、前記熱交換ユニットと並列に設けられるサブ熱交換ユニットに冷媒を流通させた後、前記循環流路に合流する分岐流路と、
   前記分岐流路に設けられ、当該分岐流路に流通する前記冷媒の流量を設定するバルブと、
   前記循環流路及び前記分岐流路に前記冷媒を供給する電動ポンプと、
   前記バルブの開度を示す開度情報に基づいて前記電動ポンプをＤＵＴＹ制御で駆動する制御部と、
   を備える冷却システム。
2. 前記制御部は、前記サブ熱交換ユニットの温度に基づいて前記バルブの開度を決定する請求項１に記載の冷却システム。
3. 前記制御部は、前記開度情報と前記電動ポンプの回転数との関係を規定するマップに基づき前記ＤＵＴＹ制御を行う請求項１又は２に記載の冷却システム。
4. 前記分岐流路及びバルブが、複数組設けられている請求項１から３のいずれか一項に記載の冷却システム。

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