JP2018512553A - 電動車両又はハイブリッド車両のバッテリー用の熱交換器及び熱管理設備 - Google Patents

電動車両又はハイブリッド車両のバッテリー用の熱交換器及び熱管理設備 Download PDF

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Abstract

本発明は、第１の熱伝導流体の入口（３）及び第１の熱伝導流体の出口（４）を含む第１の熱伝導流体のための循環装置（２）を含む熱交換器（１；１’）に関し、第１の熱伝導流体の入口（３）と第１の熱伝導流体の出口（４）との間で第１の熱伝導流体が流れるように設けられ、それは第１の熱伝導流体のための循環装置（２）を収容するハウジング（５）を含み、ハウジング（５）は、− 第１の熱伝導流体のための循環装置（２）の第１の熱伝導流体の入口及び出口（３、４）によって横切られるように設けられた少なくとも１つの開口部（７）と、− その間を第２の熱伝導流体が流れるように設けられた第２の熱伝導流体の入口（８）及び第２の熱伝導流体の出口（９）と、を含むことを特徴とする。また本発明は電動車両又はハイブリッド車両のバッテリーのための熱管理設備（１００）に関する。

Description

本発明は、電動車両（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅｓ）又はハイブリッド車両（ｈｙｂｒｉｄ ｖｅｈｉｃｌｅｓ）のバッテリー用の熱交換器及び熱管理設備に関する。
特に自動車の分野において、バッテリーの熱調節は、厳密に制御されなければならない。実際、低温にさらされる場合、バッテリーのレンジは大幅に減少する可能性がある。さらに、バッテリーが過度に高温にさらされる場合、損傷を引き起こす可能性がある。
バッテリーの温度を調整するために、バッテリーと直接接触する熱伝導流体を使用する熱交換器を使用するのが一般的である。そのため熱伝導流体は、例えば１つ又は複数の他の熱交換器を介し、１又は複数のバッテリーによって放出される熱を吸収して、それを冷却して前記熱を取り除くことができる。
デュアルフロー流体熱交換器と呼ばれるいくつかの熱交換器は、互いに接触して交互に積み重ねられた第１のチューブ及び第２のチューブを有する。
第１の熱伝導流体が第１のチューブ内を流れ、第２の熱伝導流体が第２のチューブ内を流れる。それにより熱交換器は、第１の熱伝導流体、通常は冷却剤、と、冷却水などの第２の熱伝導流体との間の複数のチューブを介し、熱交換を可能にする。
しかしながら、熱交換の効率は、第１のチューブ及び第２のチューブの共通の交換表面によって制限される。
さらに、第１のチューブ及び第２のチューブの壁の集合体の厚さは、熱交換を制限する顕著な熱抵抗をもたらす。
さらに、そのような熱交換器は、非常に重く且つ高価となりうる。
したがって本発明の目的の１つは、改良された熱交換器及び改良された熱管理設備を提案することによって、従来技術における欠点を少なくとも部分的に克服することである。
この目的のために、本発明は、第１の熱伝導流体の入口及び第１の熱伝導流体の出口を含む第１の熱伝導流体のための循環装置を含む熱交換器であって、第１の熱伝導流体の入口と第１の熱伝導流体の出口との間で第１の熱伝導流体が流れるように設けられており、それは、第１の熱伝導流体のための循環装置を含むハウジングを含み、ハウジングは、
− 第１の熱伝導流体のための循環装置の第１の熱伝導流体の入口及び出口によって横切られるように設けられた少なくとも１つの開口部と、
− 第２の熱伝導流体が第２の熱伝導流体の入口と第２の熱伝導流体の出口との間で流れるように設けられている第２の熱伝導流体の入口及び第２の熱伝導流体の出口とを含む、熱交換器に関する。
このように、第１の熱伝導流体の循環装置は、第２の熱伝導流体に浸漬される。このように熱交換面が増大される。第２の熱伝導流体と第１の熱伝導流体の循環装置との間の熱抵抗が低減される。さらに、熱交換器の容積、重量、構成部品数及びコストがすべて低減される。
個々に見られる又は組み合わせられる熱交換器の１つ又は複数の特徴によれば、
− 第１の熱伝導流体のための循環装置は、少なくとも２つの重ねられた熱交換チューブを有し、
− 熱交換チューブは、少なくとも半回転を形成し、
− 第１の熱伝導流体が重ねられた熱交換チューブ内で平行に流れるように設けられ、
− 熱交換チューブは平らであり、
− 第１の熱伝導流体のための循環装置は、第１の熱伝導流体のための循環装置の２つの重ねられた熱交換チューブ間に介在された少なくとも１つのインサートを有し、
− 第１の熱伝導流体のための循環装置は、１つの熱交換チューブとハウジングのカバーとの間に介在された少なくとも１つのインサートを有し、
− 第１の熱伝導流体のための循環装置は、１つの熱交換チューブとハウジングの底部との間に介在された少なくとも１つのインサートを有し、
− インサートは全体として波形形状を有し、
− インサートは、複数の直線状の平行なラインに沿って下方及び／又は上方の熱交換チューブと接触し、
− 第１の熱伝導流体の入口及び／又は出口によって横切られるように設けられた少なくとも１つの開口部は、第２の熱伝導流体の入口及び／又は出口が配置される側面に垂直なハウジングの一面に配置され、
− 第２の熱伝導流体の入口及び出口は、ハウジングの側面に対向して配置される。そのため、第２の熱伝導流体は、第２の熱伝導流体の入口から、それに向かい合う第２の熱伝導流体の出口に、自然に流れる。それにより、第２の熱伝導流体の圧力降下が低減される。
− 第２の熱伝導流体の入口及び出口は、ハウジングの単一の側面に配置される。第２の熱伝導流体の流れは、自然ではなくなり、Ｕ形状に強制される。これは、ハウジング内の第２の熱伝導流体の流れ時間を増加させ、それは第１の熱伝導流体のための循環装置との熱交換を増大させる。
− ハウジングは、相補的な取付手段がそれぞれ設けられたカバー及び底部を有し、
− 相補的な取付手段はスナップ式フィット手段であり、
− 熱交換器は、ハウジングの底部とカバーとの間に介在する第１のリングシールを含み、
−ハウジングの一方の部分、底部かそれともカバー、は、Ｕ形状の周辺端部を有し、そのＵの第１のアームは取付手段を担持し、第１のリングシールは、そのＵの第２のアームと相補的取付手段を担持するハウジングの他方の部分の周辺端部との間に介在され、
− 熱交換器は、ハウジングにおける開口部と、第１の熱伝導流体のための循環装置の第１の熱伝導流体の入口及び出口との間に介在する第２のリングシールを有する。
本発明はまた、電動車両又はハイブリッド車両のバッテリー用の熱管理設備に関し、それが上述のような熱交換器を含むことを特徴とし、
− 第１の熱伝導流体の入口及び出口は空調回路に接続され、
− 第２の熱伝導流体の入口及び出口は、バッテリーを冷却するための冷却水回路に接続される。
本発明の他の特徴及び利点は、非限定的な例として提示された以下の説明、及び添付の図面を読むことで、より明確に明らかになるであろう。
図１は、組み立てられた状態の熱交換器の第１の例示的な実施形態の概略斜視図である。 図２は、垂直面（Ｌ、Ｖ）に沿った、図１の熱交換器の断面図である。 図３は、図１の熱交換器の概略分解図である。 図４は、第１の熱伝導流体のための循環装置の例示的な実施形態を示す。 図５は、インサートのない、図４の第１の熱伝導流体のための循環装置を示す。 図６は、図１の熱交換器の詳細の拡大断面を示す。 図７は、電動車両又はハイブリッド車両のバッテリー用の温度管理設備の概略図である。 図８は、組み立てられた状態の熱交換器の第２の実施形態の概略斜視図である。 図９は、垂直面（Ｌ、Ｖ）に沿った、図８の熱交換器の断面図である。 図１０は、図８の熱交換器の概略分解図である。
これらの図において、同一の要素は同じ参照符合を用いて示されている。
本明細書の残りの部分では、熱交換器１、１’に対して静止している軸Ｌ、Ｖ、Ｔによって図１に示される縦方向、垂直方向及び横方向が、本発明を限定することなく、使用される。
図１から図３は、例えば、電動車両又はハイブリッド車両のバッテリーからの熱を冷却及び除去するように設けられた熱交換器１の第１の実施形態を示す。
熱交換器１は、第１の熱伝導流体の入口３及び第１の熱伝導流体の出口４を含む第１の熱伝導流体のための循環装置２を含み、第１の熱伝導流体の入口３と第１の熱伝導流体の出口４との間で第１の熱伝導流体が流れるように設けられている。
熱交換器１はまた、例えばプラスチック製の、ハウジング５を含む。
ハウジング５は、本質的には中空であり、第１の熱伝導流体のための循環装置２を受けるように設けられるシートを形成する。ハウジングは、例えば平行六面体である。
例示的な一実施形態によれば、ハウジング５は、２つのハウジング部品：実質的に長手方向中央の垂直面に沿って一緒に組み立てられるカバー５ａ及び底部５ｂ、によって形成される。
またハウジング５は、第１の熱伝導流体の入口及び出口３、４によって横切られるように設けられた少なくとも１つの開口部７と、第２の熱伝導流体の入口８及び第２の熱伝導流体の出口９とを含み、第２の熱伝導流体の入口８と第２の熱伝導流体の出口９との間で第２の熱伝導流体が流れるように設けられている。
第１の熱伝導流体は、１，１，１，２−テトラフルオロエタン（１，１，１，２−Ｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈａｎｅ）（Ｒ１３４ａとしても知られている）のようなハロゲン化炭化水素などの冷却剤である。第１の熱伝導流体は、例えば約４バール又は５バールの圧力の下で、例えば、液相又は気相、又は液相及び気相の両方の混合物である。
第２の熱伝導流体は、例えば、沸騰温度及び／又は凍結耐性を増大させるように意図されたエチレングリコールやプロピレングリコールのような添加剤を含み得る水などの、冷却剤である。
これにより、第１の熱伝導流体のための循環装置２が第２の熱伝導流体に浸漬される。それにより熱交換面は増加する。第１の熱伝導流体の循環装置２と第２の熱伝導流体との間の熱抵抗は低減される。さらに、熱交換器１の容積、重量、部品点数及びコストのすべてが低減される。
図２〜図５においてより明瞭に示されるように、第１の熱伝導流体のための循環装置２は、例えばいくつかの重ねられた熱交換チューブ１０（例では２つ）を含み、それらの熱交換チューブは例えば同一である。第１の熱伝導流体は、重ねられた複数の熱交換チューブ１０内で平行に流れるように設けられている。
より具体的には、熱交換チューブ１０は中間入口及び中間出口を有し、その中間入口とその中間出口との間で第１の熱伝導流体が流れるように設けられる。第１の熱交換流体入口３は、それらの熱交換チューブ１０の中間入口に接続されている。第１の熱伝導流体の出口４は、それらの熱交換チューブ１０の中間出口に接続されている。
一実施形態によれば、熱交換チューブ１０は、第１の熱伝導流体が各熱交換チューブ１０においてＵ形状又は交互に連続する複数のＵ形状に流れるように、少なくとも半回転を形成する。したがって、図５に示す例では、重ねられた複数の熱交換チューブ１０はＵ状であり、中間入口及び中間出口は熱交換チューブ１０の片側に配置されている。
例示的な実施形態によれば、熱交換チューブ１０は平らであり、それは、より大きな交換面で空間を節約するのに役立つ。熱交換チューブは、例えば、一緒に組み立てられた２つのプレス加工されたプレートから形成され、それらのプレートはそれぞれ全体として矩形状を有する。例えばプレス加工されたプレートから形成されたＵ形状熱交換チューブ１０は、中間入口を中間出口から分離する長手方向Ｌへの少なくとも１つの中央ギャップ１１を含む。
第１の熱伝導流体のための循環装置２は、重ねられた熱交換チューブ１０間、第１の熱交換チューブ１０とハウジング５の底部５ｂとの間、及び最後の熱交換チューブ１０とハウジング５のカバー５ａとの間、に介在する複数のインサート１３を含んでもよい。
インサート１３は、２つの隣接する重ねられた熱交換チューブ１０の間に３次元空間を形成し、その中を第２の熱伝導流体が流れることができる。インサート１３の高さｈ（又は２つの熱交換チューブ１０の間の距離）は、例えば、０．８ｍｍ〜１ｍｍの水力直径（ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｄｉａｍｅｔｅｒ）を形成するように、２ｍｍ〜４ｍｍであってもよい（図４）。
これは、複数の熱交換チューブ１０及び複数のインサート１３の交互の積み重ねを形成する。したがって、図２に示す例では、熱交換器１は、ハウジング５ｂの底部５ｂとカバー５ａとの間で交互に配置された２つの熱交換チューブ１０及び３つのインサート１３を含む。
インサート１３は、例えば、複数の直線状の平行なラインに沿って下方及び／又は上方の熱交換チューブ１０と接触している。その複数のラインは、図２及び図３に示される例における場合のように、流体の流れの長手方向Ｌに延びてもよく、或いは、前記長手方向Ｌと垂直な横方向Ｔに延びていてもよく、それは、熱交換時間の更なる増大を促進し、したがって熱交換性能の増大を促進する。
インサート１３は、例えば、全体的に波状の形状を有する。インサート１３は、例えば波形の頂部で熱交換チューブ１０に取り付けられている。
熱交換チューブ１０及びインサート１３は、第１の熱伝導流体の圧力に耐えるように、例えば金属、例えばアルミニウム合金、で作られている。熱交換チューブ１０及びインサート１３は、例えば一緒にろう付けされている。
第２の熱伝導流体が流れることを可能にすることに加え、インサート１３は、第１の熱伝導流体のための循環装置２を流れる第１の熱伝導流体とハウジング５を流れる第２の熱伝導流体との間の熱交換面を増大させることを促進している。またインサート１３は、第２の熱伝導流体の入口８から第２の熱伝導流体の出口９に向かう第２の熱伝導流体の流れをガイドする。
一旦、熱交換チューブ１０及びインサート１３が一緒に組み立てられると、その後、第１の熱伝導流体のための循環装置２は一体部品であり、そのため、ハウジング５において取り扱われることが可能であり容易に組み立てられることができる（図４）。
第１の熱伝導流体の入口及び出口３、４によって横断されるように設けられたハウジング５の開口部７は、例えば長方形である。第１の熱伝導流体の入口及び出口３、４は、例えば相補形状の一体型基部６内に配置されている。
開口部７は、例えば、第の２熱伝導流体の入口及び出口８、９が配置された側面に垂直なハウジング５の一面（カバー５ａ又は底部５ｂ）に配置されている。
第２の熱伝導流体の入口及び出口８、９は、ハウジング５の対向する側面に配置されてもよい（図１）。これにより、第２の熱伝導流体は、第２の熱伝導流体の入口８から、それに向かい合うように配置された第２の熱伝導流体の出口９に、自然に流れる。それにより、第２の熱伝導流体の圧力降下が低減される。
第２の熱伝導流体の入口及び出口８、９は、例えば、カバー５ａや底部５ｂといったハウジングの一部分を有する単一部品として形成される。
第２の熱伝導流体の入口及び出口８、９は、例えば、第２の熱伝導流体の供給及び逆流のためのパイプの弾性変形によって、油圧配管に挿入されるように設けられたそれぞれのノズルを有する。
例示的な実施形態によれば、カバー５ａ及び底部５ｂには、それぞれ、例えばカバー５ａの下方取付部分によって及び底部５ｂの上方取付部分によって担持される、相補的な取付手段が設けられる。
相補的な取付手段は、例えば、ハウジング５の底部５ｂにカバー５ａを横方向に留めるための、ねじ止め手段又はスナップ式フィット手段である。
１つの例示的な実施形態によれば、相補的なスナップ式フィット手段は、弾性横方向の相互係合によって相互に取り付けることを可能にするように協働する横方向に突出するラグ（ｌｕｇｓ）１４及び相補的なノッチ１５を含む（スナップ式フィット手段とも呼ばれる）。
相補的な取付手段は、ハウジング５の長さに沿ってのみ配置されてもよい。例えば、ハウジング５の各長さに７つの相補的な取付手段を設けることができる（図１及び図３）。
また、熱交換器１は、ハウジング５の底面５ｂとカバー５ａとの間に介装された第１のリングシール１６を含む。
例示的な実施形態によれば、ハウジングの一部、底部５ｂ又はカバー５ａのいずれかは、Ｕ形状の周辺端部を有する。Ｕの第１のアームは取付手段を持つ。第１のリングシール１６は、Ｕの第２のアームと、マッチング取付手段を有するハウジングの他の部分の周辺端部との間に介装されている。
例えば、図６においてより明確に示されるように、カバー５ａは、Ｕ形状の周辺端部を有する。外側アーム１７ａは、取付手段、例えば複数のノッチ１５、を具備する。第１のリングシール１６は、ラグ１４を具備する底部５ｂの周辺端部と内側アーム１７ｂとの間に介在されている。
ラグ１４を具備する側壁の後部は、第１のリングシール１６のトロイダル（ｔｏｒｏｉｄａｌ）形状に対して部分的に嵌合するように設けられた内面を有することができる。
例示的な実施形態によれば、熱交換器１は、ハウジング５の開口部７と第１の熱伝導流体の入口及び出口３、４との間に介在する第２のリングシール１８を有する。
開口部７は、例えば、垂直に突出した縁部１９を有する。環状スロット２０が、縁部１９に形成され、第１の熱伝導流体の入口及び出口３、４の基部６の周りに配置された第２のリングシール１８を受けてもよい。
ハウジング５はまた、例えばねじを用いて、熱交換器１を取り付けるために、例えば穴が設けられた、取付ブラケット２１を有することができる。
図７に概略的に示される例示的な実施形態によれば、熱交換器１は、電動車両又はハイブリッド車両のバッテリー用の熱管理設備１００に組み込まれる。第１の熱伝導流体の入口及び出口３、４は空調回路１０１に接続され、第の２熱伝導流体の入口及び出口８、９はバッテリーを冷却するための冷却水回路１０２に接続される。
作動時に、熱交換器１は、第１の熱伝導流体と第２の熱伝導流体との間で熱を交換することを可能にする。その例では、空調回路の冷却材が冷却水を冷却し、それにより、蒸発による第１の熱伝導流体の相変化に必要な熱を取り込んでバッテリーを冷却する。
図８〜図１０は、第２の実施形態を示す。
熱交換器１’は、第の２熱伝導流体の入口及び出口８、９がハウジング５の単一側面に配置されている点で、上述のものとは異なる。
複数のインサート１３は、第２の熱伝導流体の入口８から第２の熱伝導流体の出口９に向かう第２の熱伝導流体の流れを案内する。
このように、第２の熱伝導流体の流れは自然な流れではなく、Ｕ形状に強制される。これにより、ハウジング５内の第２の熱伝導流体８の流動時間が長くなり、それは第１の熱伝導流体のための循環装置２との熱交換を増大させる。逆に、圧力降下は、第１の実施形態におけるよりも、最適化されない。
このようにハウジング５は、あるモジュール性を、熱交換器１、１’に付与する。実際には、特に、圧力降下の制限を優先するように又は熱性能を優先するように、第２の熱伝導流体に利用可能な圧力を考慮して、設置制約を満足するように適合されたハウジング５が選択されてもよい。

Claims (16)

  1. 第１の熱伝導流体の入口（３）と第１の熱伝導流体の出口（４）とを含む第１の熱伝導流体のための循環装置（２）を備える熱交換器（１；１’）であって、第１の熱伝導流体の入口（３）と第１の熱伝導流体の出口（４）との間に第１の熱伝導流体が流れるように設けられ、熱交換器（１；１’）は、第１の熱伝導流体のための循環装置（２）を収容するハウジング（５）を含み、ハウジング（５）は、
    −第１の熱伝導流体のための循環装置（２）の第１の熱伝導流体の入口及び出口（３、４）によって横切られるように設けられた少なくとも１つの開口部（７）と、
    − 第２の熱伝導流体の入口（８）及び第２の熱伝導流体の出口（９）であって、第２の熱伝導流体の入口（８）と第２の熱伝導流体の出口（９）との間に第２の熱伝導流体が流れるように設けられた第２の熱伝導流体の入口（８）及び第２の熱伝導流体の出口（９）と、
    を含むことを特徴とする熱交換器（１；１’）。
  2. 第１の熱伝導流体のための循環装置（２）は、少なくとも２つの重ねられた熱交換チューブ（１０）を有することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器（１；１’）。
  3. 熱交換チューブ（１０）は少なくとも半回転を形成し、重ねられた熱交換チューブ（１０）において第１の熱伝導流体が平行に流れるように設けられることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器（１；１’）。
  4. 熱交換チューブ（１０）は平らであることを特徴とする請求項３に記載の熱交換器（１；１’）。
  5. 第１の熱伝導流体のための循環装置（２）は、少なくとも、
    − 第１の熱伝導流体のための循環装置（２）の２つの重ねられた熱交換チューブ（１０）間に介在する１つのインサート（１３）、及び／又は、
    − 熱交換チューブ（１０）とハウジング（５）のカバー（５ａ）又は底部（５ｂ）との間に介在する１つのインサート（１３）、
    を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱交換器（１；１’）。
  6. インサート（１３）は全体的に波状の形状を有することを特徴とする請求項５に記載の熱交換器（１；１’）。
  7. インサート（１３）は、複数の直線状の平行なラインに沿って、下方及び／又は上方の熱交換チューブ（１０）に接触することを特徴とする請求項５又は６に記載の熱交換器（１；１’）。
  8. 第１の熱伝導流体の入口及び出口（３、４）によって横切られるように設けられる少なくとも１つの開口部（７）は、第２の熱伝導流体の入口及び／又は出口（８、９）が配置される側面に垂直なハウジング（５）の一面に配置されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の熱交換器（１；１’）。
  9. 第２の熱伝導流体の入口及び出口（８、９）は、ハウジング（５）の対向する側面に配置されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の熱交換器（１）。
  10. 第２の熱伝導流体の入口及び出口（８、９）は、ハウジング（５）の単一側面に配置されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の熱交換器（１’）。
  11. ハウジング（５）はカバー（５ａ）及び底部（５ｂ）を有し、カバー（５ａ）及び底部（５ｂ）のそれぞれには相補的な取付手段が設けられていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の熱交換器（１；１’）。
  12. 相補的な取付手段はスナップ式フィット手段であることを特徴とする請求項１１に記載の熱交換器（１；１’）。
  13. ハウジングの底部（５ｂ）とカバー（５ａ）との間に介在する第１のリングシール（１６）を含むことを特徴とする請求項１１又は１２に記載の熱交換器（１；１’）。
  14. ハウジングの一部分、底部（５ｂ）又はカバー（５ａ）、は、Ｕ形状の周辺端部を有し、そのＵの第１のアームは取付手段を支持し、第１のリングシール１６は、そのＵの第２のアームと、相補的な取付手段を支持するハウジングの他の部分（５ａ、５ｂ）の周辺端部と、の間に介在することを特徴とする請求項１３に記載の熱交換器（１；１’）。
  15. 熱交換器（１；１’）は、ハウジング（５）における開口部（７）と、第１の熱伝導流体のための循環装置（２）の第１の熱伝導流体の入口及び出口（３、４）と、の間に介在する第２のリングシール（１８）を有することを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項に記載の熱交換器（１；１’）。
  16. 電動車両又はハイブリッド車両のバッテリー用の熱管理設備（１００）であって、熱管理設備（１００）は請求項１〜１５のいずれか一項に記載の熱交換器（１；１’）を含み、
    − 第１の熱伝導流体の入口及び出口（３、４）は、空調回路（１０１）に接続され、
    − 第２の熱伝導流体の入口及び出口（８、９）は、バッテリーを冷却するための冷却水回路（１０２）に接続される
    ことを特徴とする熱管理設備（１００）。
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