JP2019098881A - エネルギー回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両の制動時に生じる摩擦熱の熱エネルギーを車室の暖房に有効活用する。
【解決手段】エネルギー回収装置１は、車両１０の制動時に、車輪と一体的に回転する回転体に摩擦部材が押し付けられることで生じる摩擦熱の熱エネルギーを回収するものであって、熱輸送手段６と第一熱交換器７と第二熱交換器８とを備えている。熱輸送手段６は、摩擦部材を支持する非回転体に設けられ、熱エネルギーを集めて輸送する。第一熱交換器７は、熱輸送手段６で輸送された熱エネルギーを冷媒に伝達する。第二熱交換器８は、第一熱交換器７を通過した冷媒の流路１２と車室空調用の空気の流路１３とに接続され、冷媒から空気に熱エネルギーを伝達する。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両の制動時に発生する摩擦熱の熱エネルギーを有効に活用するためのエネルギー回収装置に関する。

従来、車両のブレーキ装置で車輪と一体的に回転する回転体（ディスクロータ，ブレーキドラム）に摩擦部材が押し付けられることで生じる摩擦熱の熱エネルギーを回収し、これを利用するようにした種々の技術が知られている。例えば特許文献１，２には、ブレーキ装置に取り付けたヒートパイプで回収された熱エネルギーを電気エネルギーに変換したうえで、車載のバッテリーに蓄電するようにした技術が開示されている。これらの技術によれば、車両の制動時に発生した摩擦熱の熱エネルギーを、車両の走行用あるいは車載機器の駆動用の電力に利用できるとされている。

特開平11-220804号公報 特開2011-131797号公報

ところで、熱源として機能しうるエンジンを備えない電気自動車では、車室の暖房に電気ヒータが用いられる。この電気ヒータは車載のバッテリーの電力で作動することから、電気自動車で車室の暖房を行うとバッテリーの蓄電量が減少し、車両の航続距離が短縮される虞がある。

これに対し、特許文献１，２に記載されるようにブレーキ装置で生じた摩擦熱の熱エネルギーを電気エネルギーに変換すれば、この電気エネルギーを電気ヒータの駆動に利用可能となるため、航続距離の短縮が抑制されうる。しかし、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する際は少なからずエネルギー損失が生じる。このため、特許文献１，２の技術は、摩擦熱の熱エネルギーを車室の暖房に有効に活用するという点において改善の余地がある。

本件のエネルギー回収装置は、前述したような課題に鑑み創案されたものであり、車両の制動時に生じる摩擦熱の熱エネルギーを車室の暖房に有効活用することを目的の一つとする。

ここで開示するエネルギー回収装置は、車両の制動時に、車輪と一体的に回転する回転体に摩擦部材が押し付けられることで生じる摩擦熱の熱エネルギーを回収するものであって、前記摩擦部材を支持する非回転体に設けられ、前記熱エネルギーを集めて輸送する熱輸送手段と、前記熱輸送手段で輸送された前記熱エネルギーを冷媒に伝達する第一熱交換器と、前記第一熱交換器を通過した前記冷媒の流路と車室空調用の空気の流路とに接続され、前記冷媒から前記空気に前記熱エネルギーを伝達する第二熱交換器と、を備えたことを特徴としている。

これにより、車両の制動時に発生した熱エネルギーが、熱輸送手段及び冷媒を介して車室空調用の空気に伝達され、車室の暖房に活用される。

開示のエネルギー回収装置によれば、車両の制動時に生じる摩擦熱の熱エネルギーを車室の暖房に有効活用することができる。

実施形態に係るエネルギー回収装置が適用された車両のブロック構成図である。 図１の車両に搭載されたブレーキ装置の斜視図である。 変形例に係る熱輸送手段が取り付けられたブレーキ装置の斜視図（図２と同様の図）である。

図面を参照して、実施形態としてのエネルギー回収装置について説明する。以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。本実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。また、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることができる。

［１．構成］
本実施形態に係るエネルギー回収装置１は、図１に示す車両１０に適用されている。車両１０は、図示しない車載バッテリーに蓄電された電力で走行する電気自動車である。車両１０には、車輪の回転を制動するブレーキ装置２と、ブレーキ装置２を作動させるための油圧システム３を制御する制御装置４とが設けられている。

エネルギー回収装置１は、ブレーキ装置２により車輪の運動エネルギーが熱エネルギーに変換されることで生じる摩擦熱を回収し、この摩擦熱を車両１０の車室５の暖房に利用するものである。エネルギー回収装置１は、ブレーキ装置２で発生した摩擦熱の熱エネルギーを集めて輸送するヒートパイプ６と、ヒートパイプ６で輸送された熱エネルギーを冷媒に伝達する第一熱交換器７と、冷媒の熱エネルギーを車室５の空調に用いられる空気（空調風）に伝達する第二熱交換器８とを備えている。ヒートパイプ６と第一熱交換器７とは、ブレーキ装置２に取り付けられる。一方、第二熱交換器８は、車両１０のボディー側に設けられる。なお、第一熱交換器７は、ブレーキ装置２の形態に応じて複数設けられてもよい。

図２に示すように、本実施形態のブレーキ装置２は、車輪と一体的に回転する円盤状のロータ（回転体）２１を備えたディスクブレーキである。ブレーキ装置２は、ロータ２１の回転を摩擦で制動する摩擦部材（図示略）が取り付けられた一対のパッド２２と、パッド２２のそれぞれをロータ２１に押し付けるためのキャリパ２３と、キャリパ２３を支持するトルクメンバ２４とを備えている。

各パッド２２は、車輪に対して回転しない非回転体であって、ロータ２１の回転を制動するための摩擦部材を支持する。一対のパッド２２は、ロータ２１の一部をロータ２１の軸方向の両側から挟むように対向配置される。以下、一対のパッド２２のうち、ロータ２１よりも車輪側（図２では右側）に配置される一方をアウタパッド２２Ａともいい、ロータ２１よりもボディー側（図２では左側）に配置される他方をインナパッド２２Ｂともいう。なお、摩擦部材は、各パッド２２において、ロータ２１に対向する面に取り付けられる。

キャリパ２３は、車輪に対して回転しない非回転体であって、一対のパッド２２をロータ２１の軸方向の両側から囲むようなＵ字型に形成される。具体的には、キャリパ２３は、アウタパッド２２Ａよりも車輪側に配置される外壁部２３ａと、インナパッド２２Ｂよりもボディー側に配置される内壁部２３ｂと、ロータ２１及びパッド２２よりもロータ２１の径方向の外側に配置され、外壁部２３ａ及び内壁部２３ｂを繋ぐ中間壁部２３ｃとを有する。外壁部２３ａは、アウタパッド２２Ａに当接した状態で配置され、アウタパッド２２Ａを支持する。すなわち、外壁部２３ａは、アウタパッド２２Ａを介して、アウタパッド２２Ａに取り付けられた摩擦部材を支持する。一方、内壁部２３ｂは、インナパッド２２Ｂから離隔して設けられる。

本実施形態のキャリパ２３は、浮動式（片押し式）のものであって、内壁部２３ｂとインナパッド２２Ｂとの間に介装されたピストン２５を有する。ピストン２５は、油圧システム３から供給される作動油に応じてロータ２１の軸方向に沿って往復運動するように構成される。キャリパ２３は、ピストン２５の位置に応じて、一対のパッド２２の各摩擦部材をロータ２１に密着させることでロータ２１の回転を制動する。

キャリパ２３は、スライドピン２６により、トルクメンバ２４に対してロータ２１の軸方向にスライド自在に取り付けられる。また、トルクメンバ２４は、ロータ２１の一部を跨ぐように設けられ、各パッド２２をロータ２１の軸方向に沿って揺動自在に保持した状態でボディーに固定される。

車両１０を制動させる場合、油圧によりピストン２５が車輪側へ移動させられることでインナパッド２２Ｂの摩擦部材がロータ２１に押し付けられるとともに、この反力によってキャリパ２３がボディー側へ移動することでアウタパッド２２Ａの摩擦部材がロータ２１に押し付けられる。このように、ブレーキ装置２では、回転するロータ２１が一対のパッド２２の摩擦部材で挟持されることによってロータ２１の運動エネルギーが熱エネルギーに変換される。すなわち、ブレーキ装置２の作動時は、ロータ２１とパッド２２の摩擦部材との摺接面に摩擦熱が発生する。

ヒートパイプ６は、アウタパッド２２Ａの熱エネルギーを集めて、この熱エネルギーを第一熱交換器７へ送るものである。ヒートパイプ６は、ブレーキ装置２のうち、車輪とともに回転しない箇所に取り付けられる。本実施形態のヒートパイプ６は、一端部がアウタパッド２２Ａに凹設された溝に嵌合した状態で配置されるとともに、他端部が第一熱交換器７に接続されている。本実施形態のヒートパイプ６は、アウタパッド２２Ａの熱エネルギーだけでなく、キャリパ２３の外壁部２３ａに伝達された熱エネルギーも集めて、これらの熱エネルギーを第一熱交換器７へ送る。

なお、ヒートパイプ６は、周知のとおり、吸熱側の一端部から放熱側の他端部へと熱を輸送するものであり、例えばアルミニウムやステンレス製のパイプ部材にフロンやアンモニア等の熱媒体を封入して構成される。ここでは、二つのヒートパイプ６がアウタパッド２２Ａに当接した状態で取り付けられている場合を例示する。各ヒートパイプ６においてアウタパッド２２Ａに当接する部位は、ロータ２１の外縁に沿う円弧状に形成されている。

第一熱交換器７は、ブレーキ装置２のうち、車輪とともに回転しない箇所に取り付けられる。本実施形態の第一熱交換器７は、トルクメンバ２４に取り付けられている。第一熱交換器７は、アウタパッド２２Ａの揺動を許容するために、トルクメンバ２４に対してスライド機構を介し、あるいは柔軟性を持って取り付けられる。なお、第一熱交換器７の支持剛性が不足する場合は、アウタパッド２２Ａと第一熱交換器７とを繋ぐ支持部材を追加してもよい。

第一熱交換器７には、冷媒の流路をなす二つのホース１４，１４が接続される。第一熱交換器７は、一方のホース１４から流入してくる冷媒に、ヒートパイプ６により輸送された熱エネルギーを伝達する。言い換えると、第一熱交換器７は、ヒートパイプ６と冷媒との熱交換を行う。

図１に示すように、本実施形態の車両１０には、冷媒の流路として、第一熱交換器７が介装された第一流路１１と、第二熱交換器８が介装された第二流路１２との二つの流路が設けられている。第一流路１１及び第二流路１２は、冷媒を一時的に貯留するタンク９を介して互いに接続されている。

また、車両１０には、空調風の流路として、第二熱交換器８が介装された第三流路１３と、電気ヒータが介装された第四流路（図示略）とが設けられている。ブレーキ装置２で発生した摩擦熱の熱エネルギーを用いて車室５の暖房を行う場合は、第三流路１３を流れる空調風が車室５へと供給される。一方、従来と同様に、電気ヒータを用いて車室５の暖房を行う場合は、第四流路を流れる空調風が車室５へと供給される。なお、図１には、冷媒の流路１１，１２を破線で示し、空調風の流路１３を一点鎖線で示している。

第一流路１１は、第一熱交換器７とタンク９との間で冷媒を循環させるための流路である。第一流路１１には、冷媒を圧送する第一ポンプ１５が設けられる。第一流路１１における冷媒の単位時間当りの流量は、第一ポンプ１５の作動状態に応じたものとなる。一方、第二流路１２は、第二熱交換器８とタンク９との間で冷媒を循環させるための流路である。第二流路１２では、第一熱交換器７を通過してからタンク９に貯留されていた冷媒が流れる。第二流路１２には、冷媒を圧送する第二ポンプ１６が設けられる。第二流路１２における冷媒の単位時間当りの流量は、第二ポンプ１６の作動状態に応じたものとなる。第一ポンプ１５及び第二ポンプ１６の各作動状態は、制御装置４で制御される。

第三流路１３は、第二熱交換器８と車室５との間で空調風を循環させるための流路である。第三流路１３には、車室５へ向けて空調風を送るためのファン１７が介装される。第三流路１３における空調風の単位時間当りの流量は、ファン１７の作動状態に応じたものとなる。ファン１７の作動状態は、制御装置４で制御される。

第二熱交換器８は、第二流路１２と第三流路１３との双方に接続されている。第二熱交換器８は、第二流路１２を流れる冷媒の熱エネルギーを、第三流路１３を流れる空調風に伝達する。すなわち、第二熱交換器８は、冷媒と空調風との熱交換を行う。

第一熱交換器７には、第一熱交換器７内の冷媒の温度T1を検出する第一センサ１８が設けられる。また、タンク９には、タンク９内の冷媒の温度T2を検出する第二センサ１９が設けられる。各センサ１８，１９は、検出した温度T1，T2を制御装置４に伝達する。

制御装置４は、例えばマイクロプロセッサやＲＯＭ，ＲＡＭ等を集積したＬＳＩデバイスや組み込み電子デバイスとして構成された電子制御装置である。制御装置４は、第一センサ１８で検出された温度T1が第一所定温度T_th1以上（T1≧T_th1）である場合に第一ポンプ１５を作動させ、第一センサ１８で検出された温度T1が第一所定温度T_th1よりも低い（T1＜T_th1である）場合に第一ポンプ１５を停止させる。ここで、第一所定温度T_th1は、例えば空調風を十分に温められる冷媒の温度の下限値とされる。

また、制御装置４は、車室５の暖房要求があり、且つ、タンク９の温度T2が第二所定温度T_th2以上（T2≧T_th2）である場合に、第二ポンプ１６とファン１７とを作動させる。また、制御装置４は、車室５の暖房要求がない場合、あるいは、車室５の暖房要求はあるもののタンク９の温度T2が第二所定温度T_th2よりも低い（T2＜T_th2である）場合に、第二ポンプ１６とファン１７とを停止させる。ここで、第二所定温度T_th2は、例えば空調風を温められる冷媒の温度の下限値であって、第一所定温度T_th1よりも低い値（T_th2＜T_th1）とされる。

なお、制御装置４は、例えば、車室５内に装備された暖房スイッチがオンされた場合や、車室５の現在の温度が目標温度よりも低い場合に暖房要求があると判断し、それ以外の場合に暖房要求がないと判断する。暖房要求はあるもののタンク９の温度T2が第二所定温度T_th2よりも低い場合は、前述した第四流路の電気ヒータで温められた空調風が車室５に供給される。

［２．作用］
図１に太矢印で示すように、ブレーキ装置２の作動時に発生する摩擦熱の熱エネルギーは、ヒートパイプ６を通じて第一熱交換器７へと輸送される。そして、この熱エネルギーは、第一熱交換器７により、ヒートパイプ６から第一流路１１を流れる冷媒に伝達される。言い換えると、第一熱交換器７では、ヒートパイプ６で輸送された熱エネルギーによって第一流路１１内の冷媒が温められる。続いて、熱エネルギーは、冷媒とともにタンク９へと輸送されてタンク９内に一時的に貯留される。

タンク９内の冷媒の熱エネルギーが車室５の暖房に使われる場合は、この熱エネルギーが第二流路１２を流れる冷媒とともに第二熱交換器８へと輸送される。そして、熱エネルギーは、第二熱交換器８により、冷媒から空調風に伝達される。言い換えると、第二熱交換器８では、第二流路１２内の冷媒とともに輸送された熱エネルギーによって第三流路１３内の空調風が温められる。その後、この空調風が車室５へ送られることで、車室５の暖房が行われる。

［３．効果］
エネルギー回収装置１によれば、ブレーキ装置２で発生した摩擦熱の熱エネルギーが、電気エネルギーへと変換されることなく、熱エネルギーのまま空調風に伝達されることから、エネルギーが変換されることによるエネルギー損失を抑えることができる。よって、車両１０の制動により生じる摩擦熱の熱エネルギーを車室５の暖房に有効に活用することができる。これにより、車室５の暖房で消費される電力量が低減されるため、車両１０の航続距離の延長に寄与することができる。

また、ブレーキ装置２からの熱エネルギーの輸送に空気を用いる場合は、この空気とともにブレーキダストが車室５へ向けて輸送される虞があるのに対し、前述したエネルギー回収装置１では熱エネルギーの輸送にヒートパイプ６が用いられるため、ブレーキダストが車室５へ向けて輸送されることを防止できる。

［４．変形例］
エネルギー回収装置１に設けられるヒートパイプの形状及び個数は特に限定されない。例えば図３に示すように、前述した二つのヒートパイプ６に代えて、第一熱交換器７から放射状に延びる四つのヒートパイプ６′を配設してもよい。このヒートパイプ６′は、キャリパ２３の中間壁部２３ｃのうちのパッド２２に近接する部位とアウタパッド２２Ａとにわたって設けられる。

このようにヒートパイプ６′の個数を増やしたり、その形状や配置を工夫したりすれば、パッド２２やキャリパ２３に伝達された摩擦熱の熱エネルギーをより集めやすくすることができる。この結果、空調風へ伝達される熱エネルギーが確保されやすくなるため、車室５の暖房で消費される電力量をより低減することができる。

エネルギー回収装置１は、前述した電気自動車に限らず、例えばエンジンの発熱量が比較的少ないハイブリッド車両や軽自動車に適用されてもよい。この場合も、前述したようにブレーキ装置２で発生した摩擦熱の熱エネルギーを車室５の暖房に活用することで、車室５の暖房の省エネルギー化を図ることができる。また、一般に路線バスは、停留所に頻繁に停車することと車体が比較的重いこととによりブレーキ装置で摩擦熱が生じやすいため、路線バスにエネルギー回収装置１を適用すれば、空調風へ伝達される熱エネルギーを確保することが容易であり、車室５の暖房の省エネルギー化を実現しやすくすることができる。

ヒートパイプ６，６′及び第一熱交換器７が取り付けられるブレーキ装置の種類は特に限定されない。ヒートパイプ６，６′及び第一熱交換器７は、ブレーキ装置の種類に関わらず、ブレーキ装置において車輪とともに回転しない非回転体に取り付けられればよい。例えば、車輪とともに回転するドラムを備えたドラムブレーキでは、ドラムに押し付けられる摩擦部材を支持するバックプレート（非回転体）にヒートパイプ及び第一熱交換器を取り付けることができる。

ブレーキ装置２の作動方式は、油圧式に限られず、例えば空圧式や電磁式であってもよい。また、キャリパは、浮動式に限られず、対向式であってもよい。
第一流路１１及び第二流路１２を流れる冷媒は、熱エネルギーを伝達できるものであればよく、その種類は特に限定されない。また、ポンプ１５，１６の駆動制御に用いられる第一所定温度T_th1及び第二所定温度T_th2は、予め設定される固定値であってもよいし、例えば車室５の目標温度に応じて変更される可変値であってもよい。

ポンプ１５，１６の各駆動量（冷媒の圧送量）は、冷媒の温度T1，T2に応じて変更されてもよい。具体的には、第一熱交換器７内の冷媒の温度T1が高いほど、第一ポンプ１５の駆動量を増大させてもよいし、タンク９内の冷媒の温度T2が高いほど、第二ポンプ１６の駆動量を増大させてもよい。このようにポンプ１５，１６の駆動量を制御すれば、ヒートパイプ６，６′で輸送された熱エネルギーを空調風までより効率よく伝達することが可能となる。

１ エネルギー回収装置
５ 車室
６，６′ ヒートパイプ（熱輸送手段）
７ 第一熱交換器
８ 第二熱交換器
１０ 車両
２１ ロータ（回転体）
２２ パッド（非回転体）
２３ キャリパ（非回転体）

Claims (1)

1. 車両の制動時に、車輪と一体的に回転する回転体に摩擦部材が押し付けられることで生じる摩擦熱の熱エネルギーを回収するエネルギー回収装置であって、
   前記摩擦部材を支持する非回転体に設けられ、前記熱エネルギーを集めて輸送する熱輸送手段と、
   前記熱輸送手段で輸送された前記熱エネルギーを冷媒に伝達する第一熱交換器と、
   前記第一熱交換器を通過した前記冷媒の流路と車室空調用の空気の流路とに接続され、前記冷媒から前記空気に前記熱エネルギーを伝達する第二熱交換器と、を備えた
   ことを特徴とするエネルギー回収装置。

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