JP2015116910A - 熱交換システム - Google Patents

Abstract

【課題】省動力で熱源を効率よく冷却可能な熱交換システムを提供する。【解決手段】熱交換システム１は、熱源としての電池１０と、外気に熱を放出する空冷ヘッダ３０と、熱交換ヘッダ４０とを備えている。熱交換ヘッダ４０は、電池１０を冷却する冷却用冷媒、空冷ヘッダ３０を通過して流れる放熱用冷媒、および空調用冷媒の間で、熱交換を行なう。電池１０の冷却目標温度が外気温以上の場合、熱交換ヘッダ４０において、冷却用冷媒と放熱用冷媒とが熱交換する。電池１０の冷却目標温度が外気温より低い場合、熱交換ヘッダ４０において、冷却用冷媒と空調用冷媒とが熱交換する。【選択図】図１

Description

本発明は、熱交換システムに関し、特に、三流体熱交換器を備える熱交換システムに関する。

従来の熱交換システムに関し、特開２０１３−１３９２５１号公報（特許文献１）には、空調装置における冷凍サイクルにおいて冷房時放熱作用、暖房時吸熱作用をなす第１熱交換器から流れ込む第１冷却液と、熱源を冷却する第２冷却液と、空気流との間において同時に熱交換する三流体熱交換器が開示されている。

特開２０１３−１３９２５１号公報

熱源の冷却目標温度が外気温以上の場合には、熱源を冷却した冷媒と外気との間で熱交換することにより、熱源の冷却が成立する。特許文献１に記載の技術では、三流体を同時に三流体熱交換器に供給するために、本来不要な圧縮機を駆動することになり、無駄な電力損失が生じてしまう。また、熱源の冷却目標温度が外気温よりも低い場合には、熱源を冷却する第２冷却液が外気の熱を吸熱してしまい、冷却効率が低下してしまう。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、省動力で熱源を効率よく冷却可能な、熱交換システムを提供することである。

本発明に係る熱交換システムは、熱源と、外気に熱を放出する空冷ヘッダと、熱交換ヘッダとを備えている。熱交換ヘッダは、熱源を冷却する冷却用冷媒、空冷ヘッダを通過して流れる放熱用冷媒、および空調用冷媒の間で、熱交換を行なう。熱源の冷却目標温度が外気温以上の場合、熱交換ヘッダにおいて、冷却用冷媒と放熱用冷媒とが熱交換する。熱源の冷却目標温度が外気温より低い場合、熱交換ヘッダにおいて、冷却用冷媒と空調用冷媒とが熱交換する。

このように構成された熱交換システムによれば、熱源の冷却目標温度が外気温以上の場合、冷却用冷媒から放熱用冷媒への熱伝達が行なわれ、放熱用冷媒は空冷ヘッダにおいて外気へ熱を放出する。空調用冷媒を利用せずに熱源が冷却できるため、空調回路に冷媒を循環させるための圧縮機の駆動は必要なく、電力損失を抑制できるので、省動力で熱源を冷却することができる。熱源の冷却目標温度が外気温より低い場合には、冷却用冷媒から低温の空調用冷媒への熱伝達によって、熱源が冷却される。温度の高い外気との熱交換を伴わないため、外気からの吸熱による冷却効率低下を抑制でき、熱源を効率よく冷却することができる。

本発明の熱交換システムによると、省動力で熱源を効率よく冷却することができる。

実施の形態に係る熱交換システムの概略構成を示す模式図である。

以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。

図１は、実施の形態に係る熱交換システム１の概略構成を示す模式図である。図１に示す熱交換システム１は、たとえば走行用モータを走行用駆動源として備えている電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＶ）、あるいはプラグインハイブリッド自動車（ＰＨＶ）などの車両に搭載され得る。熱交換システム１は、走行用モータを駆動するための電力を蓄える電池１０の冷却を行なう。電池１０は、充放電に伴って発熱する機器であり、本実施の形態においては、熱源としての機能を有している。電池１０は、複数の電池セル１１が積層されて形成されている。

熱交換システム１は、空調回路２０を備えている。空調回路２０は、室内の冷房または暖房を行なうための熱サイクルである。空調回路２０は、図示しない圧縮機、室外熱交換器、減圧器、および室内熱交換器などを有している。圧縮機が駆動することにより、空調用冷媒が空調回路を循環して流れる。

熱交換システム１は、空冷ヘッダ３０を備えている。空冷ヘッダ３０は、平行に配置された複数のフィン３２を有している。隣接するフィン３２の間の隙間を経由して、外気が流れる。外気よりも温度の高い放熱用冷媒が空冷ヘッダ３０に流入すると、放熱用冷媒から空冷ヘッダ３０へ熱伝達され、さらに熱がフィン３２に到達する。フィン３２から外気への放熱によって、空冷ヘッダ３０に形成された管路３１内を通過して流れる放熱用冷媒が冷却される。

熱交換システム１は、熱交換ヘッダ４０を備えている。熱交換ヘッダ４０は、矩形箱状の形状を有している。熱交換ヘッダ４０には、熱交換ヘッダ４０を貫通する複数の管路４１が形成されている。管路４１は、図中幅方向に延びており、平行に並べられて形成されている。電池１０を冷却する冷却用冷媒は、管路４１を経由して流れる。

入口管１４は、電池セル１１の上面に接続されている。電池セル１１に隣接する伝熱管を流れるとき電池セル１１から熱を伝達されて加熱された冷却用冷媒は、入口管１４を経由して、管路４１へ流入する。管路４１を流れる冷却用冷媒が放熱することにより、冷却用冷媒は冷却される。出口管１６は、電池セル１１の下面に接続されている。熱交換ヘッダ４０において冷却された冷却用冷媒は、出口管１６を経由して、電池１０へ戻る。電池セル１１が冷却用冷媒に放熱することにより、電池セル１１は冷却される。

熱交換ヘッダ４０には、熱交換ヘッダ４０を貫通する複数の管路４２が形成されている。管路４２は、管路４１に直交する図中奥行き方向に延びており、平行に並べられて形成されている。空冷ヘッダ３０を通過して流れる放熱用冷媒は、管路４２を経由して流れる。

放熱用冷媒は、管路４２を流れるとき、管路４１を流れる冷却用冷媒からの伝熱を受けて、加熱される。熱交換ヘッダ４０において加熱された放熱用冷媒は、出口管３６を経由して、空冷ヘッダ３０へ流れ、管路３１へ流入する。空冷ヘッダ３０において、放熱用冷媒から外気への放熱が行なわれ、放熱用冷媒は冷却される。冷却された放熱用冷媒は、入口管１４を経由して、熱交換ヘッダ４０へ戻る。

熱交換ヘッダ４０には、熱交換ヘッダ４０を貫通する複数の管路４３が形成されている。管路４３は、管路４２と平行に図中奥行き方向に延びており、平行に並べられて形成されている。管路４３は、複数の管路４２によって挟まれるように、隣接する管路４２の間に形成されている。空調回路２０を循環して流れる空調用冷媒は、管路４３を経由して流れる。

空調回路２０の、膨張弁、キャピラリーチューブなどの減圧器において、空調用冷媒は減圧され、その温度も低下する。低温低圧の空調用冷媒は、入口管２４を経由して、熱交換ヘッダ４０に形成された管路４３に流入する。空調用冷媒は、管路４３を流れるとき、管路４１を流れる冷却用冷媒からの伝熱を受けて、加熱される。熱交換ヘッダ４０において加熱された空調用冷媒は、出口管２６を経由して空調回路２０の圧縮機上流側へ戻り、圧縮機において圧縮される。空調用冷媒は、圧縮機により駆動力を与えられて、空調回路２０と熱交換ヘッダ４０とを循環して流れる。

熱交換ヘッダ４０には、冷却用冷媒、放熱用冷媒、および空調用冷媒が流れる。熱交換ヘッダ４０において、冷却用冷媒、放熱用冷媒、および空調用冷媒の間での熱交換が行なわれ、これにより冷却用冷媒は冷却される。

熱交換ヘッダ４０の周囲には断熱材４９が設けられている。断熱材４９によって熱交換ヘッダ４０の周囲を覆うことにより、熱交換ヘッダ４０から外部への放熱が抑制される。これにより、熱交換ヘッダ４０における冷媒間の熱交換の効率が向上されている。

電池１０は、熱交換ヘッダ４０よりも、鉛直方向において低い位置に配置されている。熱交換ヘッダ４０は、空冷ヘッダ３０よりも、鉛直方向において低い位置に配置されている。鉛直方向において、高い側から低い側へ向かって順に、空冷ヘッダ３０、熱交換ヘッダ４０、電池１０の順に配置されている。

電池１０から熱交換ヘッダ４０へ向かう入口管１４内における冷却用冷媒の流れは、上昇流である。熱交換ヘッダ４０から電池１０へ向かう出口管１６内における冷却用冷媒の流れは、下降流である。空冷ヘッダ３０から熱交換ヘッダ４０へ向かう入口管３４内における放熱用冷媒の流れは、下降流である。熱交換ヘッダ４０から空冷ヘッダ３０へ向かう出口間３６内における放熱用冷媒の流れは、上昇流である。

電池１０、入口管１４、熱交換ヘッダ４０、および出口管１６は、電池１０を加熱部とし熱交換ヘッダ４０を冷却部とする、ループ式ボトムヒート型ヒートパイプを構成している。空冷ヘッダ３０、入口管３４、熱交換ヘッダ４０、および出口管３６は、熱交換ヘッダ４０を加熱部とし空冷ヘッダ３０を冷却部とする、ループ式ボトムヒート型ヒートパイプを構成している。

以上の構成を備えている熱交換システム１の動作について説明する。電池１０からの放熱は、常時、ループ式ボトムヒート型ヒートパイプで、熱交換ヘッダ４０へ送られる。

電池１０の冷却目標温度が外気温以上の場合、熱交換ヘッダ４０において、管路４１内を流れる冷却用冷媒と管路４２を流れる放熱用冷媒とが熱交換する。これにより、冷却用冷媒から放熱用冷媒へ熱が伝達され、放熱用冷媒が加熱される一方、冷却用冷媒は冷却される。熱交換ヘッダ４０から、ループ式ボトムヒート型ヒートパイプを経由して、空冷ヘッダ３０へ熱が伝達される。熱は、空冷ヘッダ３０において、外気へ放出される。

このとき、空調回路２０の圧縮機を停止する、または入口管２４につながる経路に設けられた弁を全閉にする、などの制御が行なわれる。その結果、空調用冷媒は、熱交換ヘッダ４０を流れていない。そのため、冷却用冷媒または放熱用冷媒と、空調用冷媒との間の熱交換は行なわれない。

電池１０の冷却目標温度が外気温よりも低い場合、外気温よりも温度の低い空調用冷媒が熱交換ヘッダに供給される。熱交換ヘッダ４０は、管路４３を流れる空調用冷媒によって冷却され、管路４１を流れる冷却用冷媒もまた冷却される。熱交換ヘッダ４０において、冷却用冷媒と空調用冷媒とが熱交換し、冷却用冷媒から空調用冷媒へ熱が伝達されて、冷却用冷媒が外気温よりも低い温度まで冷却される。

このとき、管路４２内の放熱用冷媒もまた空調用冷媒によって冷却される。熱交換ヘッダ４０の温度が空冷ヘッダ３０よりも低くなり、管路４２内の放熱用冷媒の温度が管路３１内の放熱用冷媒の温度よりも低くなると、空冷ヘッダ３０および熱交換ヘッダ４０によって構成されるヒートパイプは、トップヒートになるため、自然に循環を停止する。そのため、空調用冷媒および冷却用冷媒よりも温度の高い放熱用冷媒が管路４２を流れることがなく、空調用冷媒または冷却用冷媒と、放熱用冷媒との間の熱交換は行なわれない。

以上説明した通り、本実施の形態の熱交換システム１においては、熱源の冷却目標温度が外気温以上の場合、熱交換ヘッダ４０において、冷却用冷媒と放熱用冷媒とが熱交換し、熱源の冷却目標温度が外気温よりも低い場合、熱交換ヘッダ４０において、冷却用冷媒と空調用冷媒とが熱交換する。

電池１０を外気温以上の温度にまで冷却することが求められている場合には、外気への放熱によって電池１０の冷却が成立する。安価な空冷効果を利用して電池１０を冷却するため、熱交換ヘッダ４０へ空調用冷媒を流す必要がない。そのため、不要な圧縮機の駆動などによる電力損失を抑制できる。熱交換ヘッダ４０から空冷ヘッダ３０への熱伝達は、ボトムヒート型ヒートパイプを利用した放熱用冷媒の自然循環によって行なわれ、放熱用冷媒を駆動するためのポンプなどの動力源は不要である。したがって、熱交換システム１のコスト低減を実現でき、省動力で電池１０を冷却することができる。

電池１０を外気温より低い温度にまで冷却する必要がある場合には、空調用冷媒が熱交換ヘッダ４０へ供給され、空調用冷媒への放熱によって電池１０の冷却が成立する。これにより、外気温よりも低い目標温度にまで電池１０を確実に冷却することができる。このとき、ループ式ヒートパイプがトップヒートの構成となるために、放熱用冷媒の自然循環は自然に停止する。そのため、温度の高い放熱用冷媒から空調用冷媒または冷却用冷媒への熱伝達を防止できる。冷却用冷媒が放熱用冷媒から吸熱して温度上昇することを回避できるので、効率よく電池１０を冷却することが可能になる。

以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 熱交換システム、１０ 電池、１１ 電池セル、１４，２４，３４ 入口管、１６，２６，３６ 出口管、２０ 空調回路、３０ 空冷ヘッダ、３１，４１，４２，４３ 管路、３２ フィン、４０ 熱交換ヘッダ、４９ 断熱材。

Claims (1)

1. 熱源と、
   外気に熱を放出する空冷ヘッダと、
   前記熱源を冷却する冷却用冷媒、前記空冷ヘッダを通過して流れる放熱用冷媒、および空調用冷媒の間で熱交換を行なう、熱交換ヘッダとを備え、
   前記熱源の冷却目標温度が外気温以上の場合、前記熱交換ヘッダにおいて、前記冷却用冷媒と前記放熱用冷媒とが熱交換し、
   前記熱源の冷却目標温度が外気温より低い場合、前記熱交換ヘッダにおいて、前記冷却用冷媒と前記空調用冷媒とが熱交換する、熱交換システム。

Images