JP2015175534A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力などのエネルギーを消費せずに発熱体を冷却可能な冷却装置を提供する。【解決手段】稼働により熱を発生する発熱体と、内部に冷媒が封入され前記発熱体を前記冷媒の蒸発による気化熱によって冷却する受熱部と、前記受熱部で気化した前記冷媒の熱を放熱することで前記冷媒を冷却液化させ前記受熱部に戻す凝縮器と、前記凝縮器との間で前記冷媒が移動可能に接続され予め所定量の液冷媒が封入されたリザーバタンクをと有する。【選択図】図１

Description

本発明は、発熱体を冷却する冷却装置に関する。

内部に冷媒が封入され発熱体を冷媒の気化熱によって冷却する受熱部と、受熱部で気化した冷媒を冷却液化させ受熱部に戻す凝縮器と、凝縮器の周囲に冷却風を発生させる送風機とを有する冷却装置が特許文献１に開示されている。

特開平８−８６５５号公報

一般的に、送風機はモータによりファンを回転させることで空気流れを発生させており、モータを駆動するために電力を消費してしまう。

特に、電気自動車などのバッテリを冷却するために上記従来技術を用いた場合、バッテリの寿命の延長あるいは放充電の効率向上に寄与する一方、バッテリに蓄えられた電力を消費することにより車両の走行距離が短くなるという問題がある。

本発明はこのような問題点を解決する為に発明されたもので、発熱体の冷却のために電力などのエネルギーを消費しない冷却装置を提供することを目的とする。

発明を解決するための手段

本発明のある態様に係る冷却装置は、稼働することにより熱を発生する発熱体と、内部に冷媒が封入され発熱体を冷媒の蒸発による気化熱によって冷却する受熱部と、受熱部で気化した冷媒の熱を外気へ放熱することで冷媒を冷却液化させ受熱部に戻す凝縮器と、凝縮器との間で冷媒が移動可能に接続され予め所定量の液冷媒が封入されたリザーバタンクをと備える。

この様態によれば、受熱部で気化した冷媒の熱を外気に放熱するため、電力などのエネルギーを消費することなく発熱体を冷却できる。また、外気の対流が少ないなど、凝縮器の効率が低下する状況であっても、電力などのエネルギーを消費することなく発熱体を冷却できる。

本発明の第１実施形態の冷却装置の概略図である。 本発明の第１実施形態の冷却装置を搭載した車両の状態に応じた冷却装置の動作を示した概略図である。 本発明の第２実施形態の冷却装置の概略図である。 本発明の第２実施形態の冷却装置を搭載した車両の状態に応じた冷却装置の動作を示した概略図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、実施形態は、一例として電気自動車やハイブリット車などに搭載されるバッテリを冷却するために、本発明が提供する冷却装置を適用した場合について説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態の冷却装置の概略図である。図２は、車両の状態に応じた冷却装置の動作を示した概略図である。図２（ａ）は、車両の走行中の状態、すなわちバッテリが稼働状態であり、かつ、走行風が発生している状態を示している。図２（ｂ）は、車両が一時停止にある状態、すなわちバッテリが稼働状態にあり、かつ、走行風が発生していない状態を示している。図２（ｃ）は、車両がバッテリを稼働させたまま長時間停止している状態、すなわち図２（ｂ）に示した状態のまま時間が経過した状態を示している。図２（ｄ）は、車両が走行を終了し、バッテリの稼働も終了した後の状態、すなわち車両のすべての電子機器が停止した後の状態を示している。なお、実線の矢印は液冷媒の流れを示し、点線の矢印はガス冷媒の流れを示している。

本実施形態の冷却装置１は、バッテリ１１と、受熱部２０と、凝縮器２１と、リザーバタンク２２とを備え、バッテリパック１０の内部に配置される。

バッテリ１１は、二次電池として車両に搭載されるもので、例えばリチウムイオン電池などが用いられる。バッテリ１１は、車両に搭載されるモータや電子機器に電力を供給している間、発熱を伴う。

受熱部２０は、複数のバッテリ１１の間に挟持される状態で配置され、受熱部２０の内部には、バッテリ１１の熱によって気化し、その際の気化熱によってバッテリを冷却する冷媒が封入されている。

凝縮器２１は、バッテリ１１および受熱部２０の上方に配置され、バッテリパック１０の壁面を介して外気と熱交換可能に配置されている。また、凝縮器２１と受熱部２０とは、アッパーホース３０とロアホース３１とによって接続されている。アッパーホース３０は凝縮器２１と受熱部２０との上方側同士を接続し、ロアホース２２は凝縮器２１と受熱部２０との下方側同士を接続している。これにより、受熱部で気化したガス冷媒の熱が凝縮器２１によって外気へと放熱され、冷媒の温度が低下し、液化した液冷媒が凝縮器２１の下方へと流下し、ロアホース３１を介して受熱部２０へと還流する。

リザーバタンク２２は、オーバーフローパイプ３２によって凝縮器２１に接続されている。リザーバタンク２２には、予め所定の量の液冷媒が封入されている。そして、オーバーフローパイプ３２は封入された液冷媒中に開口するように配置されている。また、オーバーフローパイプ３２の途中には制御弁４０が設けられている。制御弁４０は凝縮器２１とリザーバタンク２２との圧力差が所定の値を超えた場合に開弁する。

次に、第１実施形態の作用について説明する。

車両が走行しているとき、バッテリ１１はモータや電子機器などに電力を供給し、バッテリ１１の温度が上昇する。

図２（ａ）に示したように、受熱部２０に封入された液冷媒は、バッテリ１１の熱によって気化し、アッパーホース３０を介して凝縮器２１に流入する。この際、冷媒がバッテリ１１の熱を奪うため、バッテリ１１は冷却され温度が低下する。

凝縮器２１に流入したガス冷媒の熱は、バッテリパック１０の壁面を介して外気へと放熱され、冷媒の温度が低下し液化される。この際、車両は走行中であるため、走行により発生する走行風によって凝縮器２１は十分に冷却され、凝縮器２１に流入したガス冷媒のほとんどが冷却液化される。

凝縮器２１によって液化した液冷媒は、ロアホース３１を介して受熱部２０へと戻り、再度バッテリ１１の熱によって気化することになり、一連のサイクルを繰り返す。

図２（ｂ）に示したように、車両が信号などにより一時停止を行うと、走行風が得られなくなり、凝縮器２１によるガス冷媒の放熱効率が低下する。この際、走行を停止してもバッテリ１１の温度はすぐには低下しない。このため、受熱部２０内では冷媒が気化し続け、ガス冷媒は凝縮器２１に流入し続ける。

凝縮器２１にガス冷媒が流入し続けると、凝縮器２１内部の圧力が上昇し、リザーバタンク２２内部の圧力よりも高くなる。凝縮器２１の内部とリザーバタンク２２の内部との圧力差が所定の値を超えると、制御弁４０が開き、凝縮器２１内部のガス冷媒がリザーバタンク２２へと流入する。ガス冷媒の移動によって凝縮器２１内部の圧力が低下し、リザーバタンク２２内部との圧力差が所定の値以下になると、制御弁４０が閉じ、冷媒の移動が規制される。

リザーバタンク２２内に流入したガス冷媒は、予めリザーバタンク２２内に封入されている液冷媒によって冷却液化され、リザーバタンク２２内に貯留される。

これにより凝縮器２１および受熱部２０の内部の圧力上昇が抑制される。つまり、冷媒に掛かる圧力の上昇が抑制されているため、受熱部２０内部で冷媒が気化することができ、バッテリ１１の冷却が継続される。

図２（ｃ）に示したように、車両が停止したまま長時間が経過すると、バッテリ１１の温度が低下し、受熱部２０でのガス冷媒の発生量も次第に減少する。この際、凝縮器２１内部の圧力は、凝縮器２１内部のガス冷媒の熱が外気への自然放熱により冷却液化されることと、ガス冷媒が凝縮器２１からリザーバタンク２２に移動したこととにより、リザーバタンク２２の内部の圧力よりも低くなる。

凝縮器２１の内部とリザーバタンク２２の内部との圧力差が所定の値を超えると、制御弁４０が開弁し、リザーバタンク２２に貯留された液冷媒は凝縮器２１へと流入し、ロアホース３１を介して受熱部２０へと戻る。液冷媒の移動によってリザーバタンク２２内部の圧力が低下し、凝縮器２１内部との圧力差が所定の値以下になると、制御弁４０が閉じ、冷媒の移動が規制される。

これにより、凝縮器２１からリザーバタンク２２へ移動したガス冷媒がリザーバタンク２２内で液冷媒となり、再度受熱部２０に貯留されることで、走行再開によるバッテリ１１の温度上昇に備えることができる。

図２（ｄ）に示したように、走行が終了し、全ての電子機器が停止すると、バッテリ１１の温度は冷媒が蒸発しない温度以下に低下し、受熱部２０でガス冷媒が発生しなくなる。

その後、冷却装置１全体の温度が自然放熱により低下し、凝縮器２１内部に残留していたガス冷媒の温度も低下し、液化する。そのため、凝縮器２１内部の圧力が低下し、リザーバタンク２２内部の圧力よりも低くなる。リザーバタンク２２の内部と凝縮器２１の内部との圧力差が所定の値を超えると、制御弁４０が開弁し、リザーバタンク２２に貯留された液冷媒は凝縮器２１へと流入し、ロアホース３１を介して受熱部２０へと戻る。液冷媒の移動によってリザーバタンク２２内部の圧力が低下し、凝縮器２１内部との圧力差が所定の値以下になると、制御弁４０が閉じ、冷媒の移動が規制される。

これにより、車両の一時停止中に凝縮器２１からリザーバタンク２２に冷媒が移動していても、受熱部２０内部の液冷媒量が回復され、次の走行によるバッテリ１１の温度上昇に備えることができる。

次に、第１実施形態の効果について説明する。

凝縮器２１を外気との熱交換が可能に配置しているため、電力を消費することなくバッテリ１１を冷却できる。

また、凝縮器２１とリザーバタンク２２とをオーバーフローパイプ３２および制御弁４０を介して接続したことにより、凝縮器２１の放熱効率が低下した場合でも、バッテリ１１の冷却を継続できる。また、受熱部２０内に貯留される液冷媒の量が少なくなる場合でも、リザーバタンク２２に貯留されている液冷媒が受熱部２０に供給されるため、受熱部２０内の液冷媒不足によりバッテリ１１の冷却が出来なくなることがない。

また、オーバーフローパイプ３２がリザーバタンク２２に貯留された液冷媒中に開口しているため、リザーバタンク２２内にガス冷媒が流入した場合は速やかにガス冷媒を液冷媒で冷却液化し、リザーバタンク２２から凝縮器２１に液冷媒を供給する場合は確実に液冷媒が供給できる。

＜第２実施形態＞
図３は、本発明の第２実施形態の冷却装置の概略図である。図４は、車両の状態に応じた冷却装置の動作を示した概略図である。図４（ａ）〜図４（ｄ）に示した車両の各状態は第１実施形態と同一である。なお、以下の実施形態では第１実施形態と同じ機能を果たす構成には同一の符号を付し、重複する記載を適宜省略して説明する。

第２実施形態の冷却装置１００は、凝縮器２１とリザーバタンク２２とが後述するガス冷媒配管１３２と液冷媒配管１３３とによって接続した点が第１実施形態と異なる。また、ロアホース３１の途中に逆止弁が配置されている点が第１実施形態と異なる。

第２実施形態の冷却装置１００は、凝縮器２１とリザーバタンク２２とがガス冷媒配管１３２と液冷媒配管１３３との２つの配管によって接続されている。ガス冷媒配管１３２と液冷媒配管１３３は、リザーバタンク２２内に予め封入された液冷媒中に開口している。また、ガス冷媒配管１３２の途中には加圧弁１４０が設けられ、液冷媒配管１３３の途中には負圧弁１４１が設けられている。加圧弁１４０と負圧弁１４１は、共に凝縮器２１の近傍に設けられる。

次に、第２実施形態の作用について説明する。

図４（ａ）に示す車両の走行時の作用は、第１実施形態と同様に、受熱部２０内の液冷媒がバッテリ１１の熱により気化し、その際の気化熱によりバッテリ１１を冷却する。気化したガス冷媒は、凝縮器により冷却液化され液冷媒となり、受熱部２０へと還流する。

図４（ｂ）に示したように、凝縮器２１によるガス冷媒の放熱効率が低下し、凝縮器２１内部の圧力がリザーバタンク２２内部の圧力よりも高くなる状況では、加圧弁１４０が開弁し、ガス冷媒が凝縮器２１からガス冷媒配管１３２を介してリザーバタンク２２へと流れる。ガス冷媒の移動によって凝縮器２１内部の圧力が低下し、凝縮器２１内部の圧力がリザーバタンク２２内部の圧力よりも低くなると、加圧弁１４０が閉じ、冷媒の移動が規制される。リザーバタンク２２に流入したガス冷媒は、リザーバタンク２２内部に予め封入された液冷媒によって冷却液化され、リザーバタンク２２内に貯留される。

図４（ｃ）に示したように、車両が停止したまま長時間が経過し、凝縮器２１内部の圧力がリザーバタンク２２内部の圧力よりも低くなる状況では、負圧弁１４１が開弁し、液冷媒がリザーバタンク２２から液冷媒配管１３３を介して凝縮器２１へと流れる。液冷媒の移動によってリザーバタンク２２内部の圧力が低下し、リザーバタンク２２内部の圧力が凝縮器２１内部の圧力よりも低くなると、負圧弁１４１が閉じ、冷媒の移動が規制される。凝縮器２１に流入した液冷媒は、ロアホース３１を介して受熱部２０へと戻る。この際、ロアホース３１の途中に逆止弁１５０が設けられているため、凝縮器２１の圧力が低下しても、受熱部２０内に貯留されている液冷媒が凝縮器２１に逆流することがない。

図４（ｄ）に示したように、走行が終了し、全ての電子機器が停止すると、凝縮器２１内部に残留していたガス冷媒が液化し、凝縮器２１内部の圧力がリザーバタンク２２内部の圧力よりも低くなる。この場合も図４（ｃ）に示した状態と同様に、負圧弁１４１が開弁し、液冷媒がリザーバタンク２２から、液冷媒配管１３３、凝縮器２１、ロアホース３１を介して受熱部２０へと戻る。

次に、第２実施形態の効果について説明する。

第２実施形態の冷却装置１００は、第１実施形態の冷却装置１と同様の効果を奏することに加え、以下の効果を奏する。

凝縮器２１とリザーバタンク２２とをガス冷媒配管１３２と液冷媒配管１３３との２つの配管によって接続し、それぞれの配管に加圧弁１４０と負圧弁１４１とを凝縮器２１の近傍に設けたことにより、凝縮器２１の圧力変動に応じてより正確に冷媒の移動が可能となる。

また、ロアホース３１の途中に逆止弁１５０を設けたため、凝縮器２１の圧力が低下しても、受熱部２０内に貯留されている液冷媒の逆流を防止できる。

なお、本実施形態の加圧弁１４０および負圧弁１４１の開閉は、凝縮器２１とリザーバタンク２２とに生じる圧力差として所定の値に応じて行ってもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定するものではない。

上記実施形態では、凝縮器２１をバッテリパック１０の内部に配置したが、凝縮器２１はバッテリパック１０の外部に配置されていてもよい。

また、上記実施形態の制御弁４０および加圧弁１４０、負圧弁１４１は、機械式の弁体であっても、電動式の弁体であってもよい。電動式の弁体である場合は、凝縮器２１とリザーバタンク２２との圧力をセンサ等により検知して圧力差を算出し、制御装置からの信号で弁の開閉を制御してもよい。

また、本発明は、車両に搭載されるバッテリの冷却装置として好適であるが、燃料電池などの他の電力供給手段、あるいはモータやインバータなどの他の発熱体の冷却装置にも適応できる。冷媒の種類についても、発熱体の種類に応じて適宜選択可能である。また、本発明の冷却装置の冷媒回路は閉鎖回路であるため、回路内の圧力を予め調整し、冷媒の蒸発圧力を調整することも可能である。

１、１００ 冷却装置
１０ バッテリパック
１１ バッテリ
２０ 受熱部
２１ 凝縮器
２２ リザーバタンク
３０ アッパーホース
３１ ロアホース
３２ オーバーフローパイプ
４０ 制御弁
１３２ ガス冷媒配管
１３３ 液冷媒配管
１４０ 加圧弁
１４１ 負圧弁
１５０ 逆止弁

Claims (8)

1. 稼働することにより熱を発生する発熱体と、
   内部に冷媒が封入され前記発熱体を前記冷媒の蒸発による気化熱によって冷却する受熱部と、
   前記受熱部で気化した前記冷媒の熱を外気へ放熱することで前記冷媒を冷却液化させ前記受熱部に戻す凝縮器と、
   前記凝縮器との間で前記冷媒が移動可能に接続され予め所定量の液冷媒が封入されたリザーバタンクをと有することを特徴とする冷却装置。
2. 請求項１に記載の冷却装置であって、
   前記凝縮器と前記リザーバタンクとはオーバーフローパイプによって接続され、
   前記オーバーフローパイプの前記リザーバタンク内部に配される開口端部は、前記リザーバタンク内に予め封入された前記液冷媒内に配置されていることを特徴とする冷却装置。
3. 請求項２に記載の冷却装置であって、
   前記オーバーフローパイプには前記凝縮器と前記リザーブタンクとの冷媒の移動を制御する制御弁が配置されていることを特徴とする冷却装置。
4. 請求項１に記載の冷却装置であって、
   前記凝縮器と前記リザーバタンクとはガス冷媒配管と液冷媒配管とによって接続され、
   前記ガス冷媒配管と前記液冷媒配管との前記リザーバタンク内部に配される開口端部は、前記リザーバタンク内に予め封入された前記液冷媒内に配置されていることを特徴とする冷却装置。
5. 請求項４に記載の冷却装置であって、
   前記ガス冷媒配管に前記凝縮器から前記リザーバタンクへ流れる気体状の冷媒を制御する加圧弁を備え、
   前記液冷媒配管に前記リザーバタンクから前記凝縮器へ流れる液体状の冷媒を制御する負圧弁を備えたことを特徴とする冷却装置。
6. 請求項１から５のいずれか一つに記載の冷却装置であって、
   前記受熱部は前記凝縮器よりも下方に配置されていることを特徴とする冷却装置。
7. 請求項６に記載の冷却装置であって、
   前記受熱部と前記凝縮器とは互いにアッパーホースとロアホースによって接続され、
   前記アッパーホースは、前記受熱部と前記凝縮器との上部同士を接続し、
   前記ロアホースは、前記受熱部と前記凝縮器との下部同士を接続したことを特徴とする冷却装置。
8. 請求項７に記載の冷却装置であって、
   前記ロアホースに液冷媒の逆流を防止する逆止弁を設けたことを特徴とする冷却装置。
   
   

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