JP2017138053A - 電池冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸発器内でドライアウトが生じることが抑制された電池冷却装置を提供することである。【解決手段】電池冷却装置は、圧縮機と、圧縮機に接続された凝縮器と、凝縮器に接続された膨張弁と、膨張弁に接続された蒸発器４とを含み、第１冷媒Ｃ１が循環する第１冷媒Ｃ１回路と、蒸発器４が内部に収容されると共に気体状の第２冷媒Ｃ２が循環する循環管と、循環管内に設けられた電池と送風機とを含む第２冷媒Ｃ２回路とを備える。上記蒸発器４は、第１冷媒Ｃ１が供給される供給部と、複数の第１冷却管２３を含む第１プレート２３と、複数の第１冷却管２３が接続されたタンクと、タンクに接続されると共に複数の第１冷却管２３よりも第２冷媒Ｃ２の流通方向上流側に配置されると共に流通方向に配列する複数の第２冷却管２４を含む第２プレート２４とを含む。【選択図】図７

Description

本発明は、電池冷却装置に関する。

従来から電池を冷却する冷却装置について各種提案されている。たとえば、特開２０１４−１６０５９４号公報に記載された電池冷却装置は、蒸発器を含み、冷媒が循環する冷凍サイクルと、蒸発器および電池が内部に配置され、冷却用空気が循環する循環用通風路とを備える。

特開２０１４−１６０５９４号公報 特開２０１４−１９６０１８号公報

特開２０１４−１６０５９４号公報には、蒸発器の詳細な構成について記載されていないが、一般的に、サーペンタイン式の蒸発器が採用されることが多い。

このサーペンタイン式の蒸発器は、蛇行する複数のマイクロ配管と、このマイクロ配管に取り付けられた複数の放熱フィンとを含む。マイクロ配管は、周囲の冷却用空気の流通方向に配列するように複数形成されている。

そして、マイクロ配管内を流れる冷媒は、周囲の冷却用空気から熱を吸熱して気体状になると共に、周囲の冷却用空気を冷却する。ここで、複数のマイクロ配管のうち、冷却用空気の流通方向上流側に位置するマイクロ配管には、高温の冷却用空気が吹き付けられる。その一方で、冷却用空気の流通方向下流側に位置する冷却用配管には、比較的低温の冷却用空気が吹き付けられる。

その結果、上流側に配置されたマイクロ配管内において、蒸発器から排出されるまでの間に、冷媒の乾き度が１に非常に近くなるおそれがある。マイクロ配管内で冷媒の乾き度が１に近くなると、マイクロ配管の内表面に付着している液体状の冷媒の液膜が消失してドライアウトが生じる。その結果、蒸発器の冷却効率が低下する。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、蒸発器内でドライアウトが生じることが抑制された電池冷却装置を提供することである。

本発明に係る電池冷却装置は、１つの局面では、圧縮機と、前記圧縮機に接続された凝縮器と、前記凝縮器に接続された膨張弁と、前記膨張弁に接続された蒸発器とを含み、第１冷媒が循環する第１冷媒回路と、前記蒸発器が内部に収容されると共に気体状の第２冷媒が循環する循環管と、前記循環管内に設けられた電池と、前記第２冷媒を前記蒸発器に向けて送風する送風機とを含む第２冷媒回路とを備える。上記蒸発器は、前記第１冷媒が供給される供給部と、前記供給部に接続されると共に前記第２冷媒の流通方向に配列する複数の第１冷却管を含む第１プレートと、前記複数の第１冷却管が接続されると共に前記複数の第１冷却管から供給される前記第１冷媒が導入されるタンクと、前記タンクに接続されると共に前記複数の第１冷却管よりも前記第２冷媒の流通方向上流側に配置されると共に前記流通方向に配列する複数の第２冷却管を含む第２プレートとを含む。

上記の電池冷却装置においては、第１冷媒循環回路によって、蒸発器に低温低圧の第１冷媒が供給される。

複数の第１冷却管のうち、第２冷媒の流通方向の上流側に配置された第１冷却管には、比較的高温の第２冷媒が吹き付けられる。第２冷媒の下流側に配置された第１冷却管は、比較低低温の第１冷媒が吹き付けられる。

そのため、上流側配置された第１冷却管内を流れる第２冷媒が比較的早期に蒸発しやすくなる。その一方で、各第１冷却管は、タンクに接続されるため、上流側の第１冷却管内を流れてきた第１冷媒も、下流側の第１冷却管を流れてきた第１冷媒もタンク内に導入され、互いに混合され、乾き度が平準化される。そして、乾き度が平準化された第１冷媒は、その後、第２冷却管を流通する。

このように、第１冷却管内においてドライアウトが生じる前に第１冷媒の乾き度を平準化し、その後、第２冷却管に第１冷媒を供給することができるので、蒸発器内でドライアウトが生じることを抑制することができる。

本発明に係る電池冷却装置によれば、蒸発器内でドライアウトが生じることを抑制することができる。

実施の形態に係る電池冷却装置１０を示す回路図である。 蒸発器４を示す平面図である。 図２に示すＩＩＩ方向から見たときの平面図である。 図３に示すＩＶ−ＩＶ線におけるプレート２３の断面図である。 図２のＶ−Ｖ線における断面図である。 図５のＶＩ−ＶＩ線におけるプレート２４の断面図である。 図２に示すＶＩＩ方向からみたときの平面図である。 ヘッドタンク２１の近傍におけるプレート２３の断面図である。 図８に示す位置よりも、ヘッドタンク２１から離れた位置におけるプレート２３の断面図である。 図９に示す位置よりも、さらに、冷媒Ｃ２の流通方向の下流側におけるプレート２３の断面図である。 ヘッドタンク４２近傍におけるプレート２４の断面図である。 図１１における位置から冷媒Ｃ２の流通方向下流側における断面図である。 ヘッドタンク２１の排出タンク４１の近傍におけるプレート２４の断面図である。 冷媒Ｃ２の温度変化を示すグラフである。 実施の形態に係る蒸発器４の温度効率と、比較例に係る蒸発器４Ａの温度効率のグラフである。 比較例に係る蒸発器４Ａを示す平面図である。 図１６に示すＸＶＩＩ線から視たときの平面図である。 変形例に係る蒸発器４Ｂを示す平面図である。 図１８に示すＸＩＸの方向から見たときの平面図である。 図１８のＸＸ方向から見たときの平面図である。

図１は、実施の形態に係る電池冷却装置１０を示す回路図である。この図１に示すように、電池冷却装置１０は、冷媒Ｃ１が循環する第１冷媒回路１００と、気体状の冷媒Ｃ２が循環する第２冷媒回路２００とを備える。

第１冷媒回路１００は、圧縮機１と、凝縮器２と、膨張弁３と、蒸発器４と、配管５とを含む。配管５は、圧縮機１と凝縮器２と膨張弁３と蒸発器４とを順次接続し、冷媒Ｃ１は圧縮機１、凝縮器２、膨張弁３および蒸発器４を順次循環する。冷媒Ｃ１としては、たとえば、フロンなどが採用される。圧縮機１において、冷媒Ｃ１は、圧縮されて高温となる。凝縮器２において、圧縮された高温の冷媒Ｃ１は外気で冷却される。膨張弁３において、冷媒Ｃ１を膨張させて低温および低圧にする。蒸発器４において、低温低圧の冷媒Ｃ１と、冷媒Ｃ２とを熱交換させる。この際、冷媒Ｃ１は蒸発して、冷媒Ｃ２から熱を吸収し、冷媒Ｃ２を冷却する。

第２冷媒回路２００は、蒸発器４が内部に配置された循環路１２と、循環路１２内に収容された電池１１と、循環路１２内で冷媒Ｃ２を循環させる送風機６とを含む。循環路１２は、電池１１が収容されている電池収容室１３を含む。

そして、送風機６は、冷媒Ｃ２を蒸発器４に吹き付ける。冷媒Ｃ２は、蒸発器４によって冷却される。蒸発器４によって冷却された冷媒Ｃ２は、電池１１を冷却する。電池１１を冷却して、高温となった冷媒Ｃ２は、再度、蒸発器４によって冷却される。

図２は、蒸発器４を示す平面図である。蒸発器４は、コネクタ２０と、コネクタ２０に接続されたヘッドタンク２１と、プレート２３と、プレート２４とを含む。

コネクタ２０内には、コネクタ２０の内部を供給室３０および排出室３１に仕切る仕切板２８が設けられている。

ヘッドタンク２１内には、仕切板２２が設けられており、仕切板２２によって、ヘッドタンク２１は、供給タンク４０と、排出タンク４１とに仕切られている。供給タンク４０と供給室３０とは連通しており、排出室３１と排出タンク４１とは連通している。

なお、図２中の「Ｄ１」は、冷媒Ｃ２の流通方向を示す。
図３は、図２に示すＩＩＩ方向から見たときの平面図である。プレート２３は、アルミニウムや銅合金など金属によって形成されており、蛇行するように形成されている。プレート２３の一端は、供給タンク４０に接続されている。プレート２３の他方の端部は、ヘッドタンク４２に接続されている。蛇行するように形成されたプレート２３には、複数の冷却フィン２５が設けられている。冷却フィン２５は、アルミニウムや銅合金などの金属によって形成されており、プレート２３にロウ付けされている。なお、冷媒Ｃ２は、図３の紙面背面側から紙面表面側に向かう方向に流れる。

図４は、図３に示すＩＶ−ＩＶ線におけるプレート２３の断面図である。プレート２３は、内部に形成された複数のマイクロ流路３２を含む。なお、この図４に示す例においては、マイクロ流路３２ａ〜３２ｅが形成されており、複数のマイクロ流路３２ａ〜３２ｅのうち、マイクロ流路３２ａが最も冷媒Ｃ２の流通方向Ｄ１の上流側に配置されている。

図５は、図２のＶ−Ｖ線における断面図である。この図５に示すように、プレート２４も、プレート２３と同様に蛇行するように形成されている。プレート２４もアルミニウムや銅合金によって形成されている。プレート２４の一端は、ヘッドタンク４２に接続されており、プレート２４の他方の端部は、ヘッドタンク２１の排出タンク４１に接続されている。プレート２４にも、冷却フィン２５が設けられており、冷却フィン２５がプレート２４にロウ付けされている。

図６は、図５のＶＩ−ＶＩ線におけるプレート２４の断面図である。プレート２４にも、プレート２４内に形成された複数のマイクロ流路３３ａ〜３３ｅが形成されている。なお、複数のマイクロ流路３３ａ〜３３ｅのうち、マイクロ流路３３ａが最も、冷媒Ｃ２の流通方向Ｄ１の上流側に位置している。

図７は、図２に示すＶＩＩ方向からみたときの平面図である。この図７において、コネクタ２０の供給室３０には、供給口５０が形成されており、排出室３１には排出口５１が形成されている。

冷媒Ｃ１は、まず、コネクタ２０の供給室３０内に入り込み、その後、供給タンク４０に入り込む。供給タンク４０には、プレート２３のマイクロ流路３２が接続されており、冷媒Ｃ１は、各マイクロ流路３２に入り込み、マイクロ流路３２内を流れる。

冷媒Ｃ１がマイクロ流路３２内を流れる過程において、冷媒Ｃ１は冷媒Ｃ２と熱交換する。そのため、液体状の冷媒Ｃ１は、徐々に蒸発する。

図８は、ヘッドタンク２１の近傍におけるプレート２３の断面図である。ヘッドタンク２１の近傍においては、マイクロ流路３２ａ〜３２ｅ内を流れる冷媒Ｃ１は、いずれも乾き度の小さな状態である。そして、図９は、図８に示す位置よりも、ヘッドタンク２１から離れた位置におけるプレート２３の断面図である。この図９に示すように、複数のマイクロ流路３２ａ〜３２ｅ内を流れる冷媒Ｃ１のうち、まず、マイクロ流路３２ａ内を流れる冷媒Ｃ１内の液体が蒸発して乾き度が増加し始める。複数のマイクロ流路３２ａ〜３２ｅのうち、マイクロ流路３２ａが最も、流通方向Ｄ１の上流側に位置しており、冷媒Ｃ２から多くの熱を吸熱するためである。そして、マイクロ流路３２ｂ〜３２ｅの順に、冷媒Ｃ１が蒸発して、乾き度が増加し始める。

図１０は、図９に示す位置よりも、さらに、冷媒Ｃ１の流通方向の下流側におけるプレート２３の断面図である。この図１０に示す位置においては、マイクロ流路３２ａ内を流れる冷媒Ｃ１の大部分が蒸発しており、マイクロ流路３２ａの内表面は薄い冷媒Ｃ１の膜が形成されている。

液体状の冷媒Ｃ１の熱伝達効率は、気体状の冷媒Ｃ１の熱伝達率よりも高いため、マイクロ流路３２ａの内表面に残留する気体状の冷媒Ｃ１に良好に冷媒Ｃ２からの熱が伝達される。そして、残留する液体状の冷媒Ｃ１が蒸発するときの潜熱によって、冷媒Ｃ２が冷却される。

複数のマイクロ流路３２ａ〜３２ｅにおいて、マイクロ流路３２ａ、３２ｂ、２３ｃ、３２ｄ、３２ｅに順次向かうにつれて、液体状の冷媒Ｃ１が残留する残留量が多くなる。

そのため、各マイクロ流路３２ｂ〜３２ｅにおいても、冷媒Ｃ１によって冷媒Ｃ２を冷却することは可能な状態になっている。

そして、図１０に示す位置から直ぐに、図７に示すヘッドタンク４２に各マイクロ流路３２が接続されている。

ヘッドタンク４２内においては、各マイクロ流路３２ａ〜３２ｅから冷媒Ｃ１が供給される。マイクロ流路３２ａから供給される冷媒Ｃ１の乾き度は高い一方で、マイクロ流路３２ｅなどから供給される冷媒Ｃ１の乾き度は低い。

ヘッドタンク４２内においては、各マイクロ流路３２ａ〜３２ｅから供給される冷媒Ｃ１が混ざり合う。そして、ヘッドタンク４２内において、冷媒Ｃ１の乾き度が均等化される。

乾き度が均等化された冷媒Ｃ１は、ヘッドタンク４２に接続されたプレート２４のマイクロ流路３３ａ〜３３ｅ内に入り込む。

図１１は、ヘッドタンク４２近傍におけるプレート２４の断面図である。この図１１に示すように、ヘッドタンク４２の近傍においては、各マイクロ流路３３ａ〜３３ｅ内を流れる冷媒Ｃ１の乾き度は、略均等化されている。

その一方で、複数のマイクロ流路３３ａ〜３３ｅのうち、マイクロ流路３３ａが最もＣ２の流通方向Ｄ１の上流側に位置しているため、マイクロ流路３３ａ内を流れる冷媒Ｃ１が最も蒸発し易くなっている。

図１２は、図１１における位置から冷媒Ｃ１の流通方向下流側における断面図である。この図１２に示すように、マイクロ流路３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄに順次向かうにつれて、冷媒Ｃ１の蒸発量は少なくなっており、マイクロ流路３３ａ内の冷媒Ｃ１が最も多く蒸発する。

図１３は、ヘッドタンク２１の排出タンク４１の近傍におけるプレート２４の断面図である。この図１３に示すように、マイクロ流路３３ａ内の冷媒Ｃ１の大部分は蒸発している一方で、マイクロ流路３３ａの内表面に沿って、冷媒Ｃ１が残留している。そのため、このマイクロ流路３３ａにおいても、冷媒Ｃ２を冷却する冷却能力は維持されている。

なお、他のマイクロ流路３３ｂ〜３３ｅにおいても、液体状の冷媒Ｃ１が多く残っており、冷媒Ｃ２を冷却する冷却能力を有している。

このように、本実施の形態においては、蒸発器４内において、冷媒Ｃ１をヘッドタンク４２内で一度均等化し、その後、プレート２４に供給しており、蒸発器４内においてドライアウトが生じることが抑制されており、蒸発器４による冷却効率は高くなっている。

図７において、冷媒Ｃ１は、プレート２３内を流れた後に、プレート２４内を流れており、プレート２４内の冷媒Ｃ１が過熱された場合、プレート２３内の冷媒Ｃ１の温度よりも、プレート２４内の冷媒Ｃ１の温度の方が高い。

プレート２３は、プレート２４よりも冷媒Ｃ２の流通方向Ｄ１の下流側に配置されており、プレート２４は、プレート２３よりも流通方向Ｄ１の上流側に配置されている。プレート２４には、比較的、高温の冷媒Ｃ２が吹き付けられ、プレート２３には、プレート２４によって冷却された比較的低温の冷媒Ｃ２が吹き付けられる。

そのため、プレート２４内を流れる冷媒Ｃ１の温度が過熱されて比較的高くなったとしても、プレート２４に吹き付けられる冷媒Ｃ２の温度が高いため、冷媒Ｃ１および冷媒Ｃ２の温度差を確保でき、冷媒Ｃ２を良好に冷却することができる。

同様に、プレート２３内を流れる冷媒Ｃ１の温度はプレート２４内を流れる冷媒Ｃ１の過熱された部分に対し比較的低いため、比較的温度の高い冷媒Ｃ２がプレート２３に吹き付けられたとしても、冷媒Ｃ１および冷媒Ｃ２の温度差が確保されており、プレート２３によって良好に冷媒Ｃ２を冷却することができる。なお、冷却フィン２５には、穴部２５ａが複数形成されており、冷媒Ｃ１および冷媒Ｃ２の熱交換の促進が図られている。

図１４は、冷媒Ｃ２の温度変化を示すグラフである。この図１４に示すグラフの横軸は、冷媒Ｃ２の位置を示し、縦軸は、冷媒Ｃ１，Ｃ２の温度を示す。なお、横軸において、右側が蒸発器４よりも風上側であり、左側が蒸発器４の風下側である。

この図１４に示すように、冷媒Ｃ２が蒸発器４を通る間に良好に冷却されていることが分かる。

図１５は、実施の形態に係る蒸発器４の温度効率と、比較例に係る蒸発器４Ａの温度効率のグラフである。図１６は、比較例に係る蒸発器４Ａを示す平面図であり、図１７は、図１６に示すＸＶＩＩ線から視たときの平面図である。

図１６および図１７に示すように、蒸発器４Ａは、コネクタ２０Ａと、コネクタ２０Ａに接続されたヘッドタンク２１Ａと、ヘッドタンク２１Ａに接続されると共に蛇行状に延びるプレート６０と、プレート６０の端部に接続されたヘッドタンク４２Ａと、ヘッドタンク４２Ａが接続されたコネクタ２０Ｂとを含む。なお、この蒸発器４Ａにおいては、ヘッドタンク４２Ａにまで冷媒Ｃ２が流通すると、ヘッドタンク４２Ａから排出される。なお、プレート６０の幅は、本実施の形態に係るプレート２３およびプレート２４を合わせた幅となっている。プレート６０の長さは、プレート２３，２４の長さと同じである。

ここで、温度効率Ｅは、下記式で示すことができる。
Ｅ＝（Ｔａｉ−Ｔａｏ）／（Ｔａｉ−Ｔｒ）
「Ｔａｉ」は、蒸発器に吹き付けられる冷媒Ｃ２の温度である。「Ｔａｏ」は、蒸発器によって冷却された後の冷媒Ｃ２の温度である。「Ｔｒ」は、蒸発器に流入する冷媒Ｃ１の温度である。

図１５において、縦軸は、温度効率を示し、横軸は、圧縮機１の回転数を示す。図１５のグラフの実線Ｌ１は、実施の形態における温度効率を示し、破線Ｌ２は比較例における温度効率を示す。

この図１５に示すように、本実施の形態に係る蒸発器４の方が、比較例に係る蒸発器４Ａよりも温度効率が高いことが分かる。

なお、本実施の形態に係る蒸発器４として、図２などを用いて説明したが、蒸発器４の構成としては各種の構成を採用することができる。

図１８は、変形例に係る蒸発器４Ｂを示す平面図である。この図１８に示すように、蒸発器４Ｂは、ヘッドタンク２１Ｂ内に、仕切板２２Ｂが設けられており、仕切板２２Ｂによって、ヘッドタンク２１Ｂは、供給タンク４０Ｂおよび排出タンク４１Ｂに分割されている。そして、供給タンク４０Ｂに供給管５２が接続され、排出タンク４１Ｂに排出管５３が接続されている。

図１９は、図１８に示すＸＩＸの方向から見たときの平面図であり、供給タンク４０Ｂにプレート２３Ｂが接続されている。プレート２３Ｂは、蛇行するように形成されており、プレート２３Ｂの端部には、ヘッドタンク４２Ｂが接続されている。

図２０は、図１８のＸＸ方向から見たときの平面図であり、ヘッドタンク４２Ｂには、プレート２４Ｂが接続されており、プレート２４Ｂは、排出タンク４１Ｂに接続されている。このように、蒸発器において、コネクタ２０は必須の構成ではない。

以上、本発明に基づいた実施の形態について説明したが、今回開示された事項はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の技術的範囲は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。

本発明は、電池冷却装置に適用することができる。

１ 圧縮機、２ 凝縮器、３ 膨張弁、４，４Ａ，４Ｂ 蒸発器、５ 配管、６ 送風機、１０ 電池冷却装置、１１ 電池、１２ 循環路、１３ 電池収容室、２０ コネクタ、２１，２１Ａ，２１Ｂ，４２，４２Ａ，４２Ｂ ヘッドタンク、２２，２８，２８Ｂ 仕切板、２３，２３Ｂ，２４，２４Ｂ，６０ プレート、２５ 冷却フィン、３０ 供給室、３１ 排出室、３２，３２ａ，３２ｂ，３２ｅ，３３ａ，３３ｂ，３３ｅ マイクロ流路、４０，４０Ｂ 供給タンク、４１，４１Ｂ 排出タンク、５０ 供給口、５１ 排出口、５２ 供給管、５３ 排出管、１００ 第１冷媒回路、２００ 第２冷媒回路、Ｃ１，Ｃ２ 冷媒、Ｄ１ 流通方向、Ｅ 温度効率。

Claims (1)

1. 圧縮機と、前記圧縮機に接続された凝縮器と、前記凝縮器に接続された膨張弁と、前記膨張弁に接続された蒸発器とを含み、第１冷媒が循環する第１冷媒回路と、
   前記蒸発器が内部に収容されると共に気体状の第２冷媒が循環する循環管と、前記循環管内に設けられた電池と、前記第２冷媒を循環させる送風機とを含む第２冷媒回路と、
   を備え、
   前記蒸発器は、
   前記第１冷媒が供給される供給部と、
   前記供給部に接続されると共に前記第２冷媒の流通方向に配列する複数の第１冷却管を含む第１プレートと、
   前記複数の第１冷却管が接続されると共に前記複数の第１冷却管から供給される前記第１冷媒が導入されるタンクと、
   前記タンクに接続されると共に前記複数の第１冷却管よりも前記第２冷媒の流通方向上流側に配置されると共に前記流通方向に配列する複数の第２冷却管を含む第２プレートと、
   を含む、電池冷却装置。

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