JP2014213609A - 車両用熱管理装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】熱媒体流通機器における熱媒体の温度分布を抑制する。熱媒体を循環させるために消費される動力を低減する。
【解決手段】熱媒体を吸入して吐出するポンプ11と、ポンプ11から吐出された熱媒体と冷凍サイクル20の低圧側冷媒とを熱交換させて低圧側冷媒を蒸発させるとともに熱媒体を冷却する熱媒体冷却器14と、熱媒体冷却器14で熱交換された熱媒体が流通し、熱媒体が顕熱変化にて吸熱する熱媒体流通機器16と、熱媒体流通機器16にて熱媒体が吸熱する熱量Qが所定の熱量を上回ると判断される場合、熱媒体流通機器16を流れる熱媒体の流量を増加させる熱媒体流量制御手段40aとを備える。
【選択図】図8
【解決手段】熱媒体を吸入して吐出するポンプ11と、ポンプ11から吐出された熱媒体と冷凍サイクル20の低圧側冷媒とを熱交換させて低圧側冷媒を蒸発させるとともに熱媒体を冷却する熱媒体冷却器14と、熱媒体冷却器14で熱交換された熱媒体が流通し、熱媒体が顕熱変化にて吸熱する熱媒体流通機器16と、熱媒体流通機器16にて熱媒体が吸熱する熱量Qが所定の熱量を上回ると判断される場合、熱媒体流通機器16を流れる熱媒体の流量を増加させる熱媒体流量制御手段40aとを備える。
【選択図】図8
Description
本発明は、車両に用いられる熱管理装置に関する。
従来、冷凍サイクルの低圧側冷媒(低温冷媒)で車室内への送風空気を冷却する車両用空調装置が広く用いられている。
この従来技術では、冷凍サイクルの蒸発器が、低圧側冷媒と車室内への送風空気とを熱交換させ、低圧側冷媒を蒸発させるとともに送風空気を冷却する。すなわち、蒸発器では、冷媒の潜熱変化にて送風空気から吸熱する。
この従来技術では、送風空気の冷却負荷が高くなると、冷凍サイクルを循環する冷媒の流量が増加するように冷凍サイクルの圧縮機を制御している。これにより、送風空気の冷却負荷の上昇に応じて送風空気の冷却能力を高めるようになっている。
一方、特許文献1には、冷凍サイクルの低圧側冷媒(低温冷媒)で熱媒体を冷却し、冷凍サイクルの低圧側冷媒(低温冷媒)で冷却された熱媒体で車室内への送風空気を冷却する車両用空調装置が記載されている。
この従来技術では、冷凍サイクルの蒸発器が、低圧側冷媒と熱媒体とを熱交換させ、低圧側冷媒を蒸発させるとともに熱媒体を冷却する。そして、室内熱交換器が、熱媒体と車室内への送風空気とを熱交換させ、送風空気を冷却する。
室内熱交換器では、熱媒体が送風空気から吸熱しても熱媒体が液相のままで相変化しない。すなわち、室内熱交換器では、熱媒体の顕熱変化にて送風空気から吸熱する。
この従来技術においても、送風空気の冷却負荷が高くなると、冷凍サイクルを循環する冷媒の流量が増加するように冷凍サイクルの圧縮機を制御している。これにより、送風空気の冷却負荷の上昇に応じて送風空気の冷却能力を高めるようになっている。
前者の従来技術では、蒸発器において冷媒の潜熱変化にて送風空気から吸熱するのに対し、後者の従来技術では、室内熱交換器において熱媒体の顕熱変化にて送風空気から吸熱する。
そのため、後者の従来技術では、室内熱交換器を流れる熱媒体の流量を一定にした場合、送風空気の冷却負荷が高くなって、冷却水が室内熱交換器を流れる間に送風空気から得る熱量が増加すると、室内熱交換器における熱媒体の温度分布が大きくなってしまう。これは、以下の数式F1から明らかである。
Q=Cp・Gw・(Two−Twi) …F1
Qは、冷却水が室内熱交換器を流れる間に送風空気から得る熱量、Cpは冷却水の比熱、Gwは冷却水の質量流量、Twoは室内熱交換器から流出した冷却水の温度、Twiは室内熱交換器に流入する冷却水の温度である。
Q=Cp・Gw・(Two−Twi) …F1
Qは、冷却水が室内熱交換器を流れる間に送風空気から得る熱量、Cpは冷却水の比熱、Gwは冷却水の質量流量、Twoは室内熱交換器から流出した冷却水の温度、Twiは室内熱交換器に流入する冷却水の温度である。
すなわち、冷却水が室内熱交換器を流れる間に送風空気から得る熱量Qの増加に比例して、室内熱交換器から流出した冷却水の温度Twoと室内熱交換器に流入する冷却水の温度Twiとの温度差(Two−Twi)が増加する。その結果、室内熱交換器で加熱された送風空気の温度分布も大きくなってしまい、乗員の空調感が損なわれてしまう。
また、後者の従来技術では、送風空気の冷却負荷が低くなって、冷却水が室内熱交換器を流れる間に送風空気から得る熱量Qが減少すると、室内熱交換器から流出した冷却水の温度Twoと室内熱交換器に流入する冷却水の温度Twiとの温度差(Two−Twi)が必要以上に小さくなる。換言すれば、冷却水の質量流量Gwが冷却負荷に対して相対的に過剰になり、結果として冷却水を循環させるための動力を過剰に消費してしまう。
この問題は、室内熱交換器のみならず、熱媒体が顕熱変化にて吸熱する熱媒体流通機器(例えば、電池を冷却する電池冷却器)においても同様に発生する。
本発明は上記点に鑑みて、熱媒体流通機器における熱媒体の温度分布を抑制することを目的とする。
本発明は上記点に鑑みて、熱媒体を循環させるために消費する動力を低減することを他の目的とする。
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、
熱媒体を吸入して吐出するポンプ(11)と、
ポンプ(11)から吐出された熱媒体と冷凍サイクル(20)の低圧側冷媒とを熱交換させて低圧側冷媒を蒸発させるとともに熱媒体を冷却する熱媒体冷却器(14)と、
熱媒体冷却器(14)で熱交換された熱媒体が流通し、熱媒体が顕熱変化にて吸熱する熱媒体流通機器(16)と、
熱媒体流通機器(16)にて熱媒体が吸熱する熱量(Q)が所定の熱量を上回ると判断される場合、熱媒体流通機器(16)を流れる熱媒体の流量を増加させる熱媒体流量制御手段(40a)とを備えることを特徴とする。
熱媒体を吸入して吐出するポンプ(11)と、
ポンプ(11)から吐出された熱媒体と冷凍サイクル(20)の低圧側冷媒とを熱交換させて低圧側冷媒を蒸発させるとともに熱媒体を冷却する熱媒体冷却器(14)と、
熱媒体冷却器(14)で熱交換された熱媒体が流通し、熱媒体が顕熱変化にて吸熱する熱媒体流通機器(16)と、
熱媒体流通機器(16)にて熱媒体が吸熱する熱量(Q)が所定の熱量を上回ると判断される場合、熱媒体流通機器(16)を流れる熱媒体の流量を増加させる熱媒体流量制御手段(40a)とを備えることを特徴とする。
これによると、熱媒体流通機器(16)にて熱媒体が吸熱する熱量(Q)が所定の熱量を上回ると判断される場合、熱媒体流通機器(16)を流れる熱媒体の流量を増加させるので、上述の数式F1から明らかなように、熱媒体流通機器(16)から流出した熱媒体の温度(Two)から熱媒体流通機器(16)に流入する熱媒体の温度(Twi)を減じた温度差(Two−Twi)を低減できる。その結果、熱媒体流通機器(16)における熱媒体の温度分布を抑制できる。
上記他の目的を達成するため、請求項2に記載の発明では、
冷凍サイクル(20)の低圧側冷媒と熱媒体とを熱交換させて低圧側冷媒を蒸発させるとともに熱媒体を冷却する熱媒体冷却器(14)と、
熱媒体冷却器(14)で熱交換された熱媒体が流通し、熱媒体が顕熱変化にて吸熱する熱媒体流通機器(16)と、
熱媒体流通機器(16)にて熱媒体が吸熱する熱量(Q)が所定の熱量を下回ると判断される場合、熱媒体流通機器(16)を流れる熱媒体の流量を低下させる熱媒体流量制御手段(40a)とを備えることを特徴とする。
冷凍サイクル(20)の低圧側冷媒と熱媒体とを熱交換させて低圧側冷媒を蒸発させるとともに熱媒体を冷却する熱媒体冷却器(14)と、
熱媒体冷却器(14)で熱交換された熱媒体が流通し、熱媒体が顕熱変化にて吸熱する熱媒体流通機器(16)と、
熱媒体流通機器(16)にて熱媒体が吸熱する熱量(Q)が所定の熱量を下回ると判断される場合、熱媒体流通機器(16)を流れる熱媒体の流量を低下させる熱媒体流量制御手段(40a)とを備えることを特徴とする。
これによると、熱媒体流通機器(16)にて熱媒体が吸熱する熱量(Q)が所定の熱量を下回ると判断される場合、熱媒体流通機器(16)を流れる熱媒体の流量を低下させるので、熱媒体流通機器(16)を流れる冷却水の流量が、熱媒体流通機器(16)にて熱媒体が吸熱する熱量(Q)に対して相対的に過剰になって、熱媒体を循環させるための動力を過剰に消費してしまうことを抑制できる。したがって、熱媒体を循環させるために消費する動力を低減できる。
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
以下、実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
(第1実施形態)
以下、第1実施形態を図1〜図9に基づいて説明する。図1に示す車両用熱管理装置10は、車両が備える各種機器や車室内を適切な温度に調整するために用いられる。本実施形態では、車両用熱管理装置10を、エンジン(内燃機関)および走行用電動モータから車両走行用の駆動力を得るハイブリッド自動車に適用している。
以下、第1実施形態を図1〜図9に基づいて説明する。図1に示す車両用熱管理装置10は、車両が備える各種機器や車室内を適切な温度に調整するために用いられる。本実施形態では、車両用熱管理装置10を、エンジン(内燃機関)および走行用電動モータから車両走行用の駆動力を得るハイブリッド自動車に適用している。
本実施形態のハイブリッド自動車は、車両停車時に外部電源(商用電源)から供給された電力を、車両に搭載された電池(車載バッテリ)に充電可能なプラグインハイブリッド自動車として構成されている。電池としては、例えばリチウムイオン電池を用いることができる。
エンジンから出力される駆動力は、車両走行用として用いられるのみならず、発電機を作動させるためにも用いられる。そして、発電機にて発電された電力および外部電源から供給された電力を電池に蓄わえることができ、電池に蓄えられた電力は、走行用電動モータのみならず、車両用熱管理装置10を構成する電動式構成機器をはじめとする各種車載機器に供給される。
図1に示すように、車両用熱管理装置10は、第1ポンプ11、第2ポンプ12、ラジエータ13、冷却水冷却器14、冷却水加熱器15およびクーラコア16を備えている。
第1ポンプ11および第2ポンプ12は、冷却水(熱媒体)を吸入して吐出する電動ポンプである。冷却水は、熱媒体としての流体である。本実施形態では、冷却水として、少なくともエチレングリコール、ジメチルポリシロキサンもしくはナノ流体を含む液体、または不凍液体が用いられている。
ラジエータ13、冷却水冷却器14、冷却水加熱器15およびクーラコア16は、冷却水が流通する冷却水流通機器(熱媒体流通機器)である。
ラジエータ13は、冷却水と外気(車室外空気)とを熱交換して、冷却水の熱を外気に放熱させる放熱器(熱媒体外気熱交換器)である。ラジエータ13には、室外送風機(図示せず)によって外気が送風される。ラジエータ13および室外送風機は車両の最前部に配置されている。このため、車両の走行時にはラジエータ13に走行風を当てることができる。
冷却水冷却器14は、冷凍サイクル20の低圧側冷媒と冷却水とを熱交換させることによって冷却水を冷却する低圧側熱交換器(熱媒体冷却器)である。冷却水冷却器14では冷却水を外気の温度よりも低温まで冷却することができる。
冷却水加熱器15は、冷凍サイクル20の高圧側冷媒と冷却水とを熱交換させることによって高圧側冷媒を冷却する高圧側熱交換器(冷媒冷却器)である。
冷凍サイクル20は、圧縮機21、冷却水加熱器15、膨張弁22および冷却水冷却器14を備える蒸気圧縮式冷凍機である。本実施形態の冷凍サイクル20では、冷媒としてフロン系冷媒を用いており、高圧側冷媒圧力が冷媒の臨界圧力を超えない亜臨界冷凍サイクルを構成している。
圧縮機21は、電池から供給される電力によって駆動される電動圧縮機、またはベルトによって駆動される可変容量圧縮機であり、冷凍サイクル20の冷媒を吸入して圧縮して吐出する。冷却水加熱器15は、圧縮機21から吐出された高圧側冷媒と冷却水とを熱交換させることによって高圧側冷媒を凝縮させる凝縮器である。
膨張弁22は、冷却水加熱器15から流出した液相冷媒を減圧膨張させる減圧手段である。冷却水冷却器14は、膨張弁22で減圧膨張された低圧冷媒と冷却水とを熱交換させることによって低圧冷媒を蒸発させる蒸発器である。冷却水冷却器14で蒸発した気相冷媒は圧縮機21に吸入されて圧縮される。
クーラコア16は、冷却水と車室内への送風空気とを熱交換させて車室内への送風空気を冷却する冷却用熱交換器(空気冷却器)である。クーラコア16では、冷却水が顕熱変化にて送風空気から吸熱する。すなわち、クーラコア16では、冷却水が送風空気から吸熱しても冷却水が液相のままで相変化しない。クーラコア16には、室内送風機25によって内気、外気、または内気と外気との混合空気が送風される。
第1ポンプ11、冷却水冷却器14およびクーラコア16は、第1冷却水回路C1(第1熱媒体回路)に配置されている。第1冷却水回路C1は、冷却水(第1熱媒体)が第1ポンプ11→冷却水冷却器14→クーラコア16→第1ポンプ11の順に循環するように構成されている。
第2ポンプ12、ラジエータ13および冷却水加熱器15は、第2冷却水回路C2(第2熱媒体回路)に配置されている。第2冷却水回路C2は、冷却水(第2熱媒体)が第2ポンプ12→ラジエータ13→冷却水加熱器15→第2ポンプ12の順に循環するように構成されている。
図2に示すように、クーラコア16および室内送風機25は、車両用空調装置の室内空調ユニット30のケーシング31に収容されている。室内空調ユニット30は、車室内最前部の計器盤(インストルメントパネル)の内側に配置されている。ケーシング31は、室内空調ユニット30の外殻を形成している。
ケーシング31は、車室内に送風される車室内送風空気の空気通路を形成しており、ある程度の弾性を有し、強度的にも優れた樹脂(例えば、ポリプロピレン)にて成形されている。
ケーシング31内の車室内送風空気流れ最上流側には、内外気切替装置32が配置されている。内外気切替装置32は、ケーシング31に車室内空気(内気)と外気とを切替導入する内外気導入手段である。
内外気切替装置32には内気導入口32aおよび外気導入口32bが形成されている。内気導入口32aは、ケーシング31内に内気を導入させる内気導入手段である。外気導入口32bは、ケーシング31内に外気を導入させる外気導入手段である。
内外気切替装置32の内部には内外気切替ドア33が配置されている。内外気切替ドア33は、内気導入口32aおよび外気導入口32bの開口面積を調整して、内気の風量と外気の風量との風量割合を変化させる内外気切替手段である。
ケーシング31内において内外気切替装置32の空気流れ下流側には室内送風機25が配置されている。室内送風機25は、車室内へ向けて空気を送風する送風手段である。室内送風機25は、遠心多翼ファン(シロッコファン)を電動モータ(ブロワモータ)にて駆動する電動送風機である。
ケーシング31内において室内送風機25の空気流れ下流側にはクーラコア16が配置されている。ケーシング31内においてクーラコア16の空気流れ下流側にはヒータコア34が配置されている。ヒータコア34は、エンジン冷却水と車室内送風空気とを熱交換させて車室内送風空気を加熱する加熱用熱交換器である。
ケーシング31内においてクーラコア16の空気流れ下流側、かつヒータコア34の空気流れ上流側にはエアミックスドア35が配置されている。エアミックスドア35は、クーラコア16通過後の送風空気のうち、ヒータコア34を通過させる風量割合を調整する風量割合調整手段である。エアミックスドア35は、例えばサーボモータ(図示せず)によって駆動される。
ケーシング31内においてヒータコア34の空気流れ下流側には、ヒータコア34にて冷媒と熱交換して加熱された送風空気と、ヒータコア34を迂回してヒータコア34で加熱されていない送風空気とを混合させる混合空間31aが設けられている。
ケーシング31の空気流れ最下流部には、デフロスタ開口部31b、フェイス開口部31cおよびフット開口部31dが形成されている。デフロスタ開口部31b、フェイス開口部31cおよびフット開口部31dは、混合空間31aにて混合された空調風を、冷却対象空間である車室内へ吹き出す吹出手段である。
デフロスタ開口部31bは、車両前面窓ガラス内側面に向けて空調風を吹き出すための開口部である。フェイス開口部31cは、車室内の乗員の上半身に向けて空調風を吹き出すための開口部である。フット開口部31dは、乗員の足元に向けて空調風を吹き出すための開口部である。
デフロスタ開口部31bの空気流れ下流側は、空気通路を形成するダクトを介して、車室内に設けられたデフロスタ吹出口(図示せず)に接続されている。フェイス開口部31cの空気流れ下流側は、空気通路を形成するダクトを介して、車室内に設けられたフェイス吹出口(図示せず)に接続されている。フット開口部31dの空気流れ下流側は、空気通路を形成するダクトを介して、車室内に設けられたフット吹出口(図示せず)に接続されている。
エアミックスドア35が、ヒータコア34を通過させる風量の割合を調整することによって、混合空間31aにて混合された空調風の温度が調整され、各開口部31b、31c、31dから吹き出される空調風の温度が調整される。つまり、エアミックスドア35は、車室内へ送風される空調風の温度を調整する温度調整手段である。
ケーシング31内においてデフロスタ開口部31bの空気流れ上流側にはデフロスタドア36が配置されている。デフロスタドア36は、デフロスタ開口部31bの開口面積を調整するデフロスタ開口面積調整手段である。
ケーシング31内においてフェイス開口部31cの空気流れ上流側にはフェイスドア37が配置されている。フェイスドア37は、フェイス開口部31cの開口面積を調整するフェイス開口面積調整手段である。
ケーシング31内においてフット開口部31dの空気流れ上流側にはフットドア38が配置されている。フットドア38は、フット開口部31dの開口面積を調整するフット開口面積調整手段である。
デフロスタドア36、フェイスドア37およびフットドア38は、吹出モードを切り替える吹出モード切替手段であり、リンク機構等を介してサーボモータ(図示せず)によって駆動される。
デフロスタドア36、フェイスドア37およびフットドア38によって切り替えられる吹出口モードとしては、フェイスモード、バイレベルモード、フットモード、フットデフロスタモードおよびデフロスタモードがある。
フェイスモードは、フェイス吹出口を全開してフェイス吹出口から車室内乗員の上半身に向けて空気を吹き出す吹出口モードである。バイレベルモードは、フェイス吹出口とフット吹出口の両方を開口して車室内乗員の上半身と足元に向けて空気を吹き出す吹出口モードである。
フットモードは、フット吹出口を全開するとともにデフロスタ吹出口を小開度だけ開口して、フット吹出口から主に空気を吹き出す吹出口モードである。フットデフロスタモードは、フット吹出口およびデフロスタ吹出口を同程度開口して、フット吹出口およびデフロスタ吹出口の双方から空気を吹き出す吹出口モードである。
デフロスタモードは、デフロスタ吹出口を全開してデフロスタ吹出口から車両フロント窓ガラス内面に空気を吹き出す吹出口モードである。
制御装置40は、CPU、ROMおよびRAM等を含む周知のマイクロコンピュータとその周辺回路から構成され、そのROM内に記憶された空調制御プログラムに基づいて各種演算、処理を行い、出力側に接続された第1ポンプ11、第2ポンプ12、圧縮機21、室内送風機25等の作動を制御する制御手段である。
制御装置40は、その出力側に接続された各種制御対象機器を制御する制御手段が一体に構成されたものであるが、それぞれの制御対象機器の作動を制御する構成(ハードウェアおよびソフトウェア)が、それぞれの制御対象機器の作動を制御する制御手段を構成している。
制御装置40のうち第1ポンプ11の作動を制御する構成(ハードウェアおよびソフトウェア)は、第1冷却水流量制御手段40a(第1熱媒体流量制御手段)を構成している。冷却水流量制御手段40aは、制御装置40に対して別体で構成されていてもよい。
制御装置40のうち第2ポンプ12の作動を制御する構成(ハードウェアおよびソフトウェア)は、第2冷却水流量制御手段40b(第2熱媒体流量制御手段)を構成している。第2冷却水流量制御手段40bは、制御装置40に対して別体で構成されていてもよい。
制御装置40のうち第2ポンプ12の作動を制御する構成(ハードウェアおよびソフトウェア)は、第2冷却水流量制御手段40b(第2熱媒体流量制御手段)を構成している。第2冷却水流量制御手段40bは、制御装置40に対して別体で構成されていてもよい。
制御装置40のうち圧縮機21の作動を制御する構成(ハードウェアおよびソフトウェア)は、冷媒流量制御手段40cを構成している。冷媒流量制御手段40cは、制御装置40に対して別体で構成されていてもよい。
制御装置40のうち室内送風機25の作動を制御する構成(ハードウェアおよびソフトウェア)は、空気流量制御手段40dを構成している。空気流量制御手段40dは、制御装置40に対して別体で構成されていてもよい。
制御装置40の入力側には、内気センサ41、外気センサ42、日射センサ43、圧縮機回転数センサ44、ブロワ電圧センサ45、クーラコア入口水温センサ46、クーラコア出口水温センサ47、クーラコア吹出空気温度センサ48、冷却水冷却器吹出空気温度センサ49等のセンサ群の検出信号が入力される。
内気センサ41は、内気温(車室内温度)を検出する検出手段(内気温度検出手段)である。外気センサ42は、外気温(車室外温度)を検出する検出手段(外気温度検出手段)である。日射センサ43は、車室内の日射量を検出する検出手段(日射量検出手段)である。
圧縮機回転数センサ44は、圧縮機21の回転数を検出する検出手段(回転数検出手段)である。ブロワ電圧センサ45は、室内送風機25の電動モータの電圧値を検出する検出手段(電圧検出手段)である。
クーラコア入口水温センサ46は、クーラコア16の冷却水入口部における冷却水温度を検出する検出手段(入口熱媒体温度検出手段)である。クーラコア出口水温センサ47は、クーラコア16の冷却水出口部における冷却水温度を検出する検出手段(出口熱媒体温度検出手段)である。
クーラコア吹出空気温度センサ48は、クーラコア16の吹出空気温度を検出する検出手段(出口空気温度検出手段)である。冷却水冷却器吹出空気温度センサ49は、冷却水冷却器14の吹出空気温度を検出する検出手段(出口空気温度検出手段)である。
なお、内気温、外気温、日射量、圧縮機回転数、ブロワ電圧値、クーラコア入口水温、クーラコア出口水温、クーラコア吹出空気温度および冷却水冷却器吹出空気温度を、種々の物理量の検出値に基づいて推定するようにしてもよい。
制御装置40の入力側には、空調操作パネル50の操作部材からの種々な空調操作信号が入力される。空調操作パネル50は、車室内の計器盤付近に配置されている。空調操作パネル50には、車室内の設定温度を設定する温度設定スイッチ、圧縮機21の作動・停止を切り替えるエアコンスイッチ、室内送風機25の風量を切り替える風量切替スイッチ等が設けられている。
次に、上記構成における作動を説明する。制御装置40が第1ポンプ11、第2ポンプ12、圧縮機21および室内送風機25等を作動させると、冷凍サイクル20に冷媒が循環し、第1冷却水回路C1に冷却水が循環し、第2冷却水回路C2に冷却水が循環する。
冷却水冷却器14では、冷凍サイクル20の冷媒が第1冷却水回路C1の冷却水から吸熱するので、第1冷却水回路C1の冷却水が冷却される。冷却水冷却器14で第1冷却水回路C1の冷却水から吸熱した冷凍サイクル20の冷媒は、冷却水加熱器15で第2冷却水回路C2の冷却水へ放熱する。これにより、第2冷却水回路C2の冷却水が加熱される。冷却水加熱器15で冷凍サイクル20の冷媒から放熱されて加熱された第2冷却水回路C2の冷却水は、ラジエータ13で外気に放熱する。
冷却水冷却器14で冷却された第1冷却水回路C1の冷却水は、クーラコア16で車室内への送風空気から吸熱する。したがって、クーラコア16で車室内への送風空気が冷却される。
制御装置40は、吸込口モードを車室内吹出空気の目標吹出温度TAOに基づいて決定する。吸込口モードとは、内外気切替ドア33の切替状態のことである。
目標吹出温度TAOは、以下の数式F2により算出される。
TAO=Kset×Tset−Kr×Tr−Kam×Tam−Ks×Ts+C …F2
Tsetは車室内温度設定スイッチによって設定された車室内設定温度、Trは内気センサ41によって検出された車室内温度(内気温)、Tamは外気センサ42によって検出された外気温、Tsは日射センサ43によって検出された日射量である。Kset、Kr、Kam、Ksは制御ゲインであり、Cは補正用の定数である。
TAO=Kset×Tset−Kr×Tr−Kam×Tam−Ks×Ts+C …F2
Tsetは車室内温度設定スイッチによって設定された車室内設定温度、Trは内気センサ41によって検出された車室内温度(内気温)、Tamは外気センサ42によって検出された外気温、Tsは日射センサ43によって検出された日射量である。Kset、Kr、Kam、Ksは制御ゲインであり、Cは補正用の定数である。
目標吹出温度TAOは、車室内を所望の温度に保つために車両用空調装置が生じさせる必要のある熱量に相当するもので、車両用空調装置に要求される空調熱負荷(冷房負荷および暖房負荷)として捉えることができる。すなわち、車両用空調装置に要求される冷房負荷が高い場合、目標吹出温度TAOは低温域になり、車両用空調装置に要求される暖房負荷が高い場合、目標吹出温度TAOは高温域になる。
制御装置40は、吸込口モードとして、基本的に外気を導入する外気モードを優先して選択するが、目標吹出温度TAOが極低温域となって高い冷房性能を得たい場合等には内気を導入する内気モードを選択する。
制御装置40は、吹出口モードを目標吹出温度TAOに基づいて決定する。吹出口モードとはフェイスドア24a、フットドア25a、デフロスタドア26aの切替状態のことである。
例えば、目標吹出温度TAOが低温域から高温域へと上昇するにつれて吹出口モードをフェイスモード→バイレベルモード→フットモードへと順次切り替える。したがって、夏季は主にフェイスモードが選択されやすくなり、春秋季は主にバイレベルモードが選択されやすくなり、冬季は主にフットモードが選択されやすくなる。
制御装置40は、室内送風機25の送風能力(具体的には、室内送風機25の電動モータに印加する電圧)を以下のように決定する。
まず、制御装置40は、図3に示す制御マップを参照してブロワレベルBLVを決定する。図3に示す制御マップは、予め制御装置40に記憶されている。制御マップは、車室内吹出空気の目標吹出温度TAOに対するブロワレベルBLVの値がバスタブ状の曲線を描くように構成されている。
すなわち、目標吹出温度TAOの低温域および高温域では、室内送風機25の風量が最大風量付近となるようにブロワレベルBLVを高レベルに上昇させる。目標吹出温度TAOが低温域から中間温度域に向かって上昇すると、目標吹出温度TAOの上昇に応じて室内送風機25の送風量が減少するように、ブロワレベルBLVを減少させる。目標吹出温度TAOが高温域から中間温度域に向かって低下すると、目標吹出温度TAOの低下に応じて、室内送風機25の風量が減少するようにブロワレベルBLVを減少させる。そして、目標吹出温度TAOが中間温度域内に入ると、室内送風機25の風量が最低風量となるようにブロワレベルBLVを低レベルに低下させる。これにより、空調熱負荷に応じたブロワレベルBLVが算出される。
このように、ブロワレベルBLVは、目標吹出温度TAOに基づいて決定される値である。換言すれば、ブロワレベルBLVは、車室内設定温度Tset、内気温Tr、外気温Tam、日射量Tsに基づいて決定される値に基づいて決定されている。
そして、制御装置40は、決定したブロワレベルBLVに基づいて送風機電圧(ブロワモータ電圧)を決定する。具体的には、ブロワレベルBLVの上昇に応じて送風機電圧を上昇させ、ブロワレベルBLVの低下に応じて送風機電圧を低下させる。
吹出口モードがフェイスモードまたはバイレベルモードの場合、制御装置40は、図4に示す制御マップを参照してブロワレベルBLVの日射補正を行う。
すなわち、日射センサ43によって検出された日射量Tsが少ない領域では、ブロワレベルBLVを低レベルに低下させ、日射量Tsが多い領域では、ブロワレベルBLVを高レベルに上昇させ、日射量Tsが少ない領域から多い領域に向かって上昇すると、日射量Tsの上昇に応じてブロワレベルBLVを上昇させる。
そして、日射量Tsに基づいて決定したブロワレベルBLVの値と、目標吹出温度TAOに基づいて決定したブロワレベルBLVの値とを比較して、大きい方の値を選択する。
これにより、日射量が多い場合に室内送風機25の送風能力(送風量)を大きくできるので、乗員の冷房感を向上させることができる。
エンジンが始動して間もないウォームアップ時には、制御装置40は、図5に示す制御マップを参照してブロワレベルBLVのウォームアップ補正を行う。
すなわち、エンジン冷却水温度TWの低温域では、ブロワレベルBLVを低レベルに低下させ、エンジン冷却水温度TWの高温域では、ブロワレベルBLVを高レベルに上昇させ、エンジン冷却水温度TWが低温域から高温域に向かって上昇すると、エンジン冷却水温度TWの上昇に応じてブロワレベルBLVを上昇させる。図5に示す制御マップでは、制御ハンチング防止のためのヒステリシス幅が設定されている。
そして、エンジン冷却水温度TWに基づいて決定したブロワレベルBLVの値と、目標吹出温度TAOに基づいて決定したブロワレベルBLVの値とを比較して、小さい方の値を選択する。
これにより、エンジン冷却水温度TWが十分に高くなっていないウォームアップ時に室内送風機25の送風能力(送風量)を小さくできるので、十分に加熱されていない吹出空気が吹き出されて乗員の寒さ感が強められてしまうことを抑制できる。
夏季のクールダウン時(冷房開始直後)には、制御装置40は、図6に示す制御マップを参照してブロワレベルBLVのクールダウン補正を行う。
すなわち、冷房を開始すると、まずブロワレベルBLVを0にし、その後、ブロワレベルBLVを低レベルにし、さらにその後、冷房開始後の経過時間teに応じてブロワレベルBLVを上昇させる。
そして、冷房開始後の経過時間teに基づいて決定したブロワレベルBLVの値と、目標吹出温度TAOに基づいて決定したブロワレベルBLVの値とを比較して、小さい方の値を選択する。
これにより、吹出空気温度が十分に低くなっていないクールダウン時に室内送風機25の送風能力(送風量)を小さくできるので、十分に冷却されていない吹出空気が吹き出されて乗員の熱さ感が強められてしまうことを抑制できる。
制御装置40は、圧縮機21の冷媒吐出能力(具体的には、圧縮機21の回転数)を、冷却水冷却器14の目標吹出温度TEOと吹出空気温度TEの差(TEO−TE)に基づいて決定する。具体的には、吹出空気温度TEが目標吹出温度TEOに近づくように圧縮機21の冷媒吐出能力を決定する。
したがって、冷房負荷が増加すると吹出空気温度TEが上昇し、目標吹出温度TEOと吹出空気温度TEの差(TEO−TE)も上昇するので、圧縮機21の回転数Ncを増加させる。
目標吹出温度TEOは、例えば2℃に設定されている。冷却水冷却器14に霜が付着することを防止するためである。
図7に示すように、クーラコア16において、送風空気から冷却水に熱量Qが与えられる。この熱量Qは、上述の数式F1で表される。
制御装置40は、クーラコア16において送風空気から冷却水に与えられる熱量Qに関連する物理量に応じて、第1ポンプ11の冷却水吐出能力(具体的には、第1ポンプ11の回転数)を決定する。
換言すれば、制御装置40は、クーラコア16における送風空気の冷却負荷に関連する物理量に応じて、第1ポンプ11の冷却水吐出能力(具体的には、第1ポンプ11の回転数)を決定する。
具体的には、制御装置40は、図8、図9に示す制御マップを参照して第1ポンプ11の回転数を決定する。
図8に示すように、ブロワレベルBLV(室内送風機25の送風能力)が第1所定値α1を上回っている場合、ブロワレベルBLVの上昇に応じて第1ポンプ11の回転数Nw1を上昇させる。これにより、クーラコア16を流れる冷却水の流量が増加する。
一方、ブロワレベルBLVが第2所定値α2を下回っている場合、ブロワレベルBLVの低下に応じて第1ポンプ11の回転数Nw1を低下させる。これにより、クーラコア16を流れる冷却水の流量が減少する。
第1所定値α1および第2所定値α2は、予め制御装置40に記憶されている。第2所定値α2は、第1所定値α1よりも小さい値である。
図8の横軸の括弧内に示すように、ブロワレベルBLVの代わりに、冷却水冷却器14の目標吹出温度TEOと吹出空気温度TEの差(TEO−TE)、圧縮機21の回転数Nc、クーラコア16の冷却水入口出口温度差(Two−Twi)、およびクーラコア16の空気入口出口温度差(Tao−Tai)に基づいて第1ポンプ11の回転数Nw1を決定してもよい。
クーラコア16の冷却水入口出口温度差(Two−Twi)は、クーラコア16から流出した冷却水の温度Twoからクーラコア16に流入する冷却水の温度Twiを減じた温度差である。
クーラコア16から流出した冷却水の温度Twoは、クーラコア出口水温センサ47によって検出される温度である。クーラコア16に流入する冷却水の温度Twiは、クーラコア入口水温センサ46によって検出される温度である。
クーラコア16の空気入口出口温度差(Tao−Tai)は、クーラコア16から流出した送風空気の温度Taoからクーラコア16に流入する送風空気の温度Taiを減じた温度差である。
クーラコア16から流出した送風空気の温度Taoは、クーラコア吹出空気温度センサ48によって検出される温度である。クーラコア16に流入する送風空気の温度Taiは、内気センサ41によって検出される内気温、外気センサ42によって検出される外気温、および内外気切替ドア33によって調整される内気と外気との風量割合から算出される温度である。
図9に示すように、目標吹出温度TAOが第1所定値β1を下回っている場合、目標吹出温度TAOの低下に応じて第1ポンプ11の回転数Nw1を上昇させる。これにより、クーラコア16を流れる冷却水の流量が増加する。
一方、目標吹出温度TAOが第2所定値β2を上回っている場合、目標吹出温度TAOの上昇に応じて第1ポンプ11の回転数Nw1を低下させる。これにより、クーラコア16を流れる冷却水の流量が減少する。
第1所定値β1および第2所定値β2は、予め制御装置40に記憶されている。第2所定値β2は、第1所定値β1よりも大きい値である。
図8、図9の縦軸の括弧内に示すように、第1ポンプ11の回転数Nw1を上昇させて、クーラコア16を流れる冷却水の流量を増加させる場合、圧縮機21の回転数Nc、第2ポンプ12の回転数Nw2、ブロワレベルBLVも増加させるようにしてもよい。
本実施形態によると、クーラコア16にて冷却水が吸熱する熱量Qが所定の熱量を上回ると判断される場合、クーラコア16を流れる冷却水の流量を増加させるので、上述の数式F1から明らかなように、クーラコア16から流出した冷却水の温度Twoからクーラコア16に流入する冷却水の温度Twiを減じた温度差(Two−Twi)を低減できる。その結果、クーラコア16における冷却水の温度分布を抑制できる。
本実施形態によると、クーラコア16にて冷却水が吸熱する熱量Qが所定の熱量を下回ると判断される場合、クーラコア16を流れる冷却水の流量を低下させるので、クーラコア16を流れる冷却水の流量が、クーラコア16にて冷却水が吸熱する熱量Qに対して相対的に過剰になって、冷却水を循環させるための動力を過剰に消費してしまうことを抑制できる。
本実施形態によると、制御装置40(冷却水流量制御手段40a)は、クーラコア16における送風空気の冷却負荷に関連する物理量に応じて冷却水の流量を制御するので、冷却水の流量を適切に制御して、クーラコア16における冷却水の温度分布の抑制と、冷却水を循環させるための動力の低減とを両立できる。
例えば、クーラコア16における送風空気の冷却負荷に関連する物理量として、ブロワレベルBLVのような、クーラコア16を流れる送風空気の流量に関連する物理量を用いることができる。
例えば、クーラコア16における送風空気の冷却負荷に関連する物理量として、圧縮機21の回転数Ncのような、冷却水冷却器14を流れる低圧側冷媒の流量に関連する物理量を用いることができる。
例えば、クーラコア16における送風空気の冷却負荷に関連する物理量として、クーラコア16から流出した冷却水の温度Twoからクーラコア16に流入する冷却水の温度Twiを減じた温度差(Two−Twi)に関連する物理量を用いることができる。
例えば、クーラコア16における送風空気の冷却負荷に関連する物理量として、クーラコア16から流出した空気の温度Taoからクーラコア16に流入する空気の温度Taiを減じた温度差(Tao−Tai)に関連する物理量を用いることができる。
本実施形態において、クーラコア16を流れる冷却水の流量を増加させた場合、冷却水冷却器14を流れる低圧側冷媒の流量を増加させるようにすれば、クーラコア16における熱交換効率を向上させることができる。
本実施形態において、クーラコア16を流れる冷却水の流量を増加させた場合、冷却水加熱器15を流れる冷却水の流量を増加させるようにすれば、クーラコア16における熱交換効率を向上させることができる。
本実施形態において、クーラコア16を流れる冷却水の流量を増加させた場合、クーラコア16を流れる送風空気の流量を増加させるようにすれば、クーラコア16における熱交換効率を向上させることができる。
(第2実施形態)
上記実施形態では、クーラコア16における送風空気の冷却負荷に関連する物理量(BLV、TEO−TE、Nc、Two−Twi、Tao−Tai、TAO)に応じて第1ポンプ11の回転数Nw1を比例的に上昇および低下させるが、本実施形態では、図10に示すように、クーラコア16における送風空気の冷却負荷に関連する物理量(BLV、TEO−TE、Nc、Two−Twi、Tao−Tai、TAO)に応じて第1ポンプ11の回転数Nw1を不連続的に上昇および低下させる。本実施形態においても、上記実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
上記実施形態では、クーラコア16における送風空気の冷却負荷に関連する物理量(BLV、TEO−TE、Nc、Two−Twi、Tao−Tai、TAO)に応じて第1ポンプ11の回転数Nw1を比例的に上昇および低下させるが、本実施形態では、図10に示すように、クーラコア16における送風空気の冷却負荷に関連する物理量(BLV、TEO−TE、Nc、Two−Twi、Tao−Tai、TAO)に応じて第1ポンプ11の回転数Nw1を不連続的に上昇および低下させる。本実施形態においても、上記実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
(他の実施形態)
上記実施形態を適宜組み合わせ可能である。上記実施形態を例えば以下のように種々変形可能である。
上記実施形態を適宜組み合わせ可能である。上記実施形態を例えば以下のように種々変形可能である。
(1)上記実施形態において、クーラコア16の代わりに、冷却水が顕熱変化にて吸熱する種々の冷却水流通機器(熱媒体流通機器)が設けられていてもよい。例えば、電池を冷却する電池冷却器が設けられていてもよい。
(2)上記実施形態において、冷却水加熱器15の代わりに、冷凍サイクル20の高圧側冷媒と外気とを熱交換させることによって高圧側冷媒の熱を外気に放熱する冷媒用放熱器が設けられていてもよい。
(3)上記実施形態において、第1冷却水回路C1および第2冷却水回路C2に、冷却水によって温度調整(冷却・加熱)される種々の温度調整対象機器(冷却対象機器・加熱対象機器)が配置されていてもよい。
さらに、第1冷却水回路C1および第2冷却水回路C2が切替弁を介して接続され、切替弁が、第1冷却水回路C1および第2冷却水回路C2に配置された複数個の熱媒体流通機器のそれぞれに対して、第1ポンプ11によって吸入・吐出される冷却水が循環する場合と、第2ポンプ12によって吸入・吐出される冷却水が循環する場合とを切り替えるようにしてもよい。
(4)上記実施形態では、クーラコア16を流れる熱媒体として冷却水を用いているが、油などの各種媒体を熱媒体として用いてもよい。
熱媒体として、ナノ流体を用いてもよい。ナノ流体とは、粒子径がナノメートルオーダーのナノ粒子が混入された流体のことである。ナノ粒子を熱媒体に混入させることで、エチレングリコールを用いた冷却水(いわゆる不凍液)のように凝固点を低下させる作用効果に加えて、次のような作用効果を得ることができる。
すなわち、特定の温度帯での熱伝導率を向上させる作用効果、熱媒体の熱容量を増加させる作用効果、金属配管の防食効果やゴム配管の劣化を防止する作用効果、および極低温での熱媒体の流動性を高める作用効果を得ることができる。
このような作用効果は、ナノ粒子の粒子構成、粒子形状、配合比率、付加物質によって様々に変化する。
これによると、熱伝導率を向上させることができるので、エチレングリコールを用いた冷却水と比較して少ない量の熱媒体であっても同等の冷却効率を得ることが可能になる。
また、熱媒体の熱容量を増加させることができるので、熱媒体自体の蓄冷熱量(顕熱による蓄冷熱)を増加させることができる。
蓄冷熱量を増加させることにより、圧縮機21を作動させない状態であっても、ある程度の時間は蓄冷熱を利用した機器の冷却、加熱の温調が実施できるため、車両用熱管理装置10の省動力化が可能になる。
ナノ粒子のアスペクト比は50以上であるのが好ましい。十分な熱伝導率を得ることができるからである。なお、アスペクト比は、ナノ粒子の縦×横の比率を表す形状指標である。
ナノ粒子としては、Au、Ag、CuおよびCのいずれかを含むものを用いることができる。具体的には、ナノ粒子の構成原子として、Auナノ粒子、Agナノワイヤー、CNT(カーボンナノチューブ)、グラフェン、グラファイトコアシェル型ナノ粒子(上記原子を囲むようにカーボンナノチューブ等の構造体があるような粒子体)、およびAuナノ粒子含有CNTなどを用いることができる。
(5)上記実施形態の冷凍サイクル20では、冷媒としてフロン系冷媒を用いているが、冷媒の種類はこれに限定されるものではなく、二酸化炭素等の自然冷媒や炭化水素系冷媒等を用いてもよい。
また、上記実施形態の冷凍サイクル20は、高圧側冷媒圧力が冷媒の臨界圧力を超えない亜臨界冷凍サイクルを構成しているが、高圧側冷媒圧力が冷媒の臨界圧力を超える超臨界冷凍サイクルを構成していてもよい。
(6)上記実施形態では、車両用熱管理装置10をハイブリッド自動車に適用した例を示したが、エンジンを備えず走行用電動モータから車両走行用の駆動力を得る電気自動車等に車両用熱管理装置10を適用してもよい。
11 第1ポンプ(ポンプ)
14 冷却水冷却器(熱媒体冷却器)
15 冷却水加熱器(冷媒冷却器)
16 クーラコア(空気冷却器、熱媒体流通機器)
20 冷凍サイクル
40a 第1冷却水流量制御手段(熱媒体流量制御手段)
40b 第2冷却水流量制御手段(第2熱媒体流量制御手段)
40c 冷媒流量制御手段
40d 空気流量制御手段
14 冷却水冷却器(熱媒体冷却器)
15 冷却水加熱器(冷媒冷却器)
16 クーラコア(空気冷却器、熱媒体流通機器)
20 冷凍サイクル
40a 第1冷却水流量制御手段(熱媒体流量制御手段)
40b 第2冷却水流量制御手段(第2熱媒体流量制御手段)
40c 冷媒流量制御手段
40d 空気流量制御手段
Claims (10)
- 熱媒体を吸入して吐出するポンプ(11)と、
前記ポンプ(11)から吐出された前記熱媒体と冷凍サイクル(20)の低圧側冷媒とを熱交換させて前記低圧側冷媒を蒸発させるとともに前記熱媒体を冷却する熱媒体冷却器(14)と、
前記熱媒体冷却器(14)で熱交換された前記熱媒体が流通し、前記熱媒体が顕熱変化にて吸熱する熱媒体流通機器(16)と、
前記熱媒体流通機器(16)にて前記熱媒体が吸熱する熱量(Q)が所定の熱量を上回ると判断される場合、前記熱媒体流通機器(16)を流れる前記熱媒体の流量を増加させる熱媒体流量制御手段(40a)とを備えることを特徴とする車両用熱管理装置。 - 冷凍サイクル(20)の低圧側冷媒と熱媒体とを熱交換させて前記低圧側冷媒を蒸発させるとともに前記熱媒体を冷却する熱媒体冷却器(14)と、
前記熱媒体冷却器(14)で熱交換された前記熱媒体が流通し、前記熱媒体が顕熱変化にて吸熱する熱媒体流通機器(16)と、
前記熱媒体流通機器(16)にて前記熱媒体が吸熱する熱量(Q)が所定の熱量を下回ると判断される場合、前記熱媒体流通機器(16)を流れる前記熱媒体の流量を低下させる熱媒体流量制御手段(40a)とを備えることを特徴とする車両用熱管理装置。 - 前記熱媒体流通機器は、車室内に吹き出される空気と前記熱媒体とを熱交換して前記空気を冷却する空気冷却器(16)であり、
前記熱媒体流量制御手段(40a)は、前記空気冷却器(16)における前記空気の冷却負荷に関連する物理量(BLV、TEO−TE、Nc、Two−Twi、Tao−Tai、TAO)に応じて、前記熱媒体流通機器(16)を流れる前記熱媒体の流量を制御することを特徴とする請求項1または2に記載の車両用熱管理装置。 - 前記空気冷却器(16)を流れる前記空気の流量を前記冷却負荷に応じて制御する空気流量制御手段(40d)を備え、
前記熱媒体流量制御手段(40a)は、前記冷却負荷に関連する物理量として、前記空気冷却器(16)を流れる前記空気の流量に関連する物理量(BLV)を用いることを特徴とする請求項3に記載の車両用熱管理装置。 - 前記熱媒体冷却器(14)を流れる前記低圧側冷媒の流量を前記冷却負荷に応じて制御する冷媒流量制御手段(40c)を備え、
前記熱媒体流量制御手段(40a)は、前記冷却負荷に関連する物理量として、前記熱媒体冷却器(14)を流れる前記低圧側冷媒の流量に関連する物理量(Nc)を用いることを特徴とする請求項3に記載の車両用熱管理装置。 - 前記熱媒体流量制御手段(40a)は、前記冷却負荷に関連する物理量として、前記空気冷却器(16)から流出した前記熱媒体の温度(Two)から前記空気冷却器(16)に流入する前記熱媒体の温度(Twi)を減じた温度差(Two−Twi)に関連する物理量を用いることを特徴とする請求項3に記載の車両用熱管理装置。
- 前記熱媒体流量制御手段(40a)は、前記冷却負荷に関連する物理量として、前記空気冷却器(16)から流出した空気の温度(Tao)から前記空気冷却器(16)に流入する空気の温度(Tai)を減じた温度差(Tao−Tai)に関連する物理量を用いることを特徴とする請求項3に記載の車両用熱管理装置。
- 前記熱媒体流量制御手段(40a)が前記熱媒体流通機器(16)を流れる前記熱媒体の流量を増加させた場合、前記熱媒体冷却器(14)を流れる前記低圧側冷媒の流量を増加させる冷媒流量制御手段(40c)を備えることを特徴とする請求項1に記載の車両用熱管理装置。
- 前記冷凍サイクル(20)の高圧側冷媒と第2熱媒体とを熱交換させて前記高圧側冷媒を冷却する冷媒冷却器(15)と、
前記熱媒体流量制御手段(40a)が前記熱媒体流通機器(16)を流れる前記熱媒体の流量を増加させた場合、前記冷媒冷却器(15)を流れる前記第2熱媒体の流量を増加させる第2熱媒体流量制御手段(40b)とを備えることを特徴とする請求項1に記載の車両用熱管理装置。 - 前記熱媒体流通機器は、車室内に吹き出される空気と前記熱媒体とを熱交換して前記空気を空気冷却器(16)であり、
前記熱媒体流量制御手段(40a)が前記熱媒体流通機器(16)を流れる前記熱媒体の流量を増加させた場合、前記空気冷却器(16)を流れる前記空気の流量を増加させる空気流量制御手段(40d)を備えることを特徴とする請求項1に記載の車両用熱管理装置。
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