JP2020047559A

JP2020047559A - 冷却器

Info

Publication number: JP2020047559A
Application number: JP2018177463A
Authority: JP
Inventors: 森本　正和; Masakazu Morimoto; 正和森本; 憲志郎村松; Kenshiro Muramatsu; 雅貴内山; Masaki Uchiyama
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2018-09-21
Filing date: 2018-09-21
Publication date: 2020-03-26
Also published as: WO2020059511A1

Abstract

【課題】組電池を構成する各単電池をより均一に冷却することの可能な冷却器を提供する。【解決手段】冷却器１０は、Ｘ軸方向に並べて配置される複数の単電池を組み合わせることで構成される組電池を冷却する。冷却器１０は、組電池においてＸ軸方向及び鉛直方向Ｚを含む面に平行な外面を組電池の側面とするとき、組電池の側面に接触するように配置され、内部を流れる冷媒と組電池との間で熱交換を行うことにより組電池を冷却する熱交換部１１を備える。熱交換部１１の内部には、鉛直方向上方Ｚ１に向かって冷媒の流れる冷媒流路１１０が形成されている。【選択図】図３

Description

本開示は、組電池を冷却する冷却器に関する。

この種の冷却器としては、下記の特許文献１に記載の冷却器がある。特許文献１に記載の冷却器は、鉛直方向に並べて配置される２つの組電池の間に挟まれるように配置されている。冷却器は、鉛直方向の厚さが薄く形成された板状の部材からなる。冷却器には、冷却流体が流れる内部流路が水平方向に延びるように形成されている。冷却器において内部流路の一端部にあたる部分には、冷却流体が流入する流入口が形成されている。冷却器において内部流路の他端部にあたる部分には、冷却流体が排出される流出口が形成されている。この冷却器は、内部流路を流れる冷却流体と、組電池との間で熱交換を行うことにより、組電池を冷却する。

特開２０１３−５３９８９９号公報

ところで、特許文献１に記載の冷却器では、流入口から内部流路に流入した冷却流体が組電池と熱交換を行うことにより、その温度が徐々に上昇する。すなわち、内部流路では、流出口に近づくほど、冷却流体の温度が上昇する。そのため、冷却流体の温度が最も低い流入口付近では、組電池を的確に冷却することが可能である一方、冷却流体の温度が最も上昇する流出口付近では、組電池を冷却することが難しくなる。このように組電池において冷却の不均一が生じると、組電池を構成する複数の単電池のうち、冷却の困難が部分に配置されている単電池の寿命が短くなったりする等の不都合が生じる可能性がある。

本開示は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、組電池を構成する各単電池をより均一に冷却することの可能な冷却器を提供することにある。

上記課題を解決する冷却器（１０）は、鉛直方向に交差する所定方向に並べて配置される複数の単電池を組み合わせることで構成される組電池（２０，３０）を冷却する。冷却器は、組電池において所定方向及び鉛直方向を含む面に平行な外面を組電池の側面とするとき、組電池の側面に接触するように配置され、内部を流れる冷媒と組電池との間で熱交換を行うことにより組電池を冷却する熱交換部（１１）を備える。熱交換部の内部には、鉛直方向上方に向かって冷媒の流れる冷媒流路（１１０）が形成されている。

この構成のように、冷媒が熱交換部の冷媒流路内を鉛直方向に向かって流れる構成であれば、冷媒流路を流れる冷媒と組電池との熱交換により、熱交換部には、鉛直方向において、鉛直方向上方に向かうほど温度が上昇するような高低差の大きい温度分布が形成される。これに対し、熱交換部には、所定方向において高低差のほとんどない温度分布、あるいは鉛直方向よりも高低差の小さい温度分布が形成される。よって、所定方向に並べて配置される各単電池をより均一に冷却することが可能となる。

なお、上記手段、特許請求の範囲に記載の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

本開示によれば、組電池を構成する各単電池をより均一に冷却することの可能な冷却器を提供できる。

図１は、車両の冷凍サイクル装置の概略構成を示すブロック図である。図２は、第１実施形態の冷却器及び組電池の位置関係を模式的に示す斜視図である。図３は、第１実施形態の冷却器の正面構造を示す正面図である。図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面構造を示す断面図である。図５は、第１実施形態の冷却器の正面構造を示す正面図である。図６は、第１実施形態のオフセットフィンの斜視構造を示す斜視図である。図７は、図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った断面構造を示す断面図である。図８は、第１実施形態の冷却器の正面構造を示す正面図である。図９は、比較例の冷却器の正面構造を示す正面図である。図１０は、比較例の冷却器の正面構造を示す正面図である。図１１は、第１実施形態のオフセットフィンに対する冷媒の流れ方向を模式的に示す図である。図１２は、第２実施形態の冷却器の正面構造を示す正面図である。図１３は、図１２のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線に沿った断面構造を示す断面図である。図１４は、第２実施形態の冷却器における凹部周辺の断面構造を示す断面図である。図１５は、第３実施形態のコルゲートフィンの斜視構造を示す斜視図である。図１６は、第３実施形態のコルゲートフィンの斜視構造を示す斜視図である。図１７は、他の実施形態の冷却器及び組電池の位置関係を模式的に示す斜視図である。

以下、冷却器の一実施形態について図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
＜第１実施形態＞
図１に示される本実施形態の冷却器１０は、車両の冷凍サイクル装置１を循環する冷媒を利用して、車両に搭載された組電池２０を冷却する。

冷凍サイクル装置１は、車両の空調ダクト６内を流れる空調空気を冷却するための装置である。冷凍サイクル装置１により冷却された空調空気が空調ダクト６を通じて車室内に供給されることにより、車室内を冷房することが可能となっている。冷凍サイクル装置１は、コンプレッサ２と、コンデンサ３と、第１エキスパンションバルブ４と、エバポレータ５とを備えている。これらの要素は流路により環状に連結されており、各要素を冷媒が循環している。

コンプレッサ２は、エバポレータ５から冷媒を吸引して圧縮するとともに、圧縮した冷媒をコンデンサ３に吐出する。コンデンサ３は、コンプレッサ２により圧縮された高温及び高圧の冷媒と車室外の空気との間で熱交換を行うことにより、高温の冷媒を冷却して凝縮させる。第１エキスパンションバルブ４は、コンデンサ３にて冷却された冷媒を膨張させて減圧させる。エバポレータ５は、第１エキスパンションバルブ４により減圧された低温及び低圧の冷媒と空調ダクト６内の空調空気との間で熱交換を行うことにより冷媒を蒸発させるとともに、その蒸発潜熱により空調空気を冷却する。

冷凍サイクル装置１には、第１エキスパンションバルブ４及びエバポレータ５に対して並列に接続されるように第２エキスパンションバルブ７及び冷却器１０が設けられている。第２エキスパンションバルブ７は、コンデンサ３にて冷却された冷媒を膨張させて減圧させる。第２エキスパンションバルブ７により減圧された低温及び低圧の冷媒は冷却器１０に流入する。

図２に示されるように、冷却器１０には、組電池２０が接触して配置されている。組電池２０は、充電及び放電の可能な蓄電池からなる単電池２１を図中のＸ軸方向に複数組み合わせることにより構成されている。Ｘ軸方向は水平方向である。本実施形態では、Ｘ軸方向が所定方向に相当する。組電池２０は、車両において発電される電力を蓄えるとともに、車両に搭載される各種機器に電力を供給する。組電池２０により電力の供給される車載機器は、例えば車両の走行用の動力を生成する電動機である。

以下では、水平方向の直交する２軸成分をＸ軸方向及びＹ軸方向で示す。また、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の両方に直交する方向、すなわち鉛直方向をＺ軸方向で示す。さらに、鉛直方向上方を「Ｚ１」で示し、鉛直方向下方を「Ｚ２」で示す。
冷却器１０は、組電池２０の側面２００に接触している。組電池２０の側面２００は、組電池２０においてＸ軸方向及びＺ軸方向を含む面に平行な外面である。冷却器１０は、その内部を流れる冷媒と組電池２０との間で熱交換を行うことにより組電池２０を冷却する。

次に、冷却器１０の具体的な構造について説明する。
図３に示されるように、冷却器１０は、熱交換部１１と、第１タンク部１２と、第２タンク部１３とを備えている。冷却器１０は、アルミニウム等の金属材料により形成されている。

熱交換部１１は、Ｙ軸方向の厚さが薄く形成された一枚のプレート部材からなる。図４に示されるように、熱交換部１１には、冷媒流路１１０が鉛直方向Ｚに貫通するように形成されている。冷媒流路１１０は、Ｘ軸方向における熱交換部１１の一端部から他端部までの全領域にわたって設けられる単一の流路として形成されている。図５に示されるように、Ｙ軸方向における熱交換部１１の一方の側壁部１１２の外面には、図２に示される組電池２０の側面２００、換言すれば各単電池２１の側面が接触している。

熱交換部１１の冷媒流路１１０内には、図６及び図７に示されるオフセットフィン１４が配置されている。オフセットフィン１４は、熱交換部１１と同様に、アルミニウム等の金属材料により形成されている。オフセットフィン１４は、鉛直方向Ｚに山部１４０及び谷部１４１が交互に連なる波形状を有し、且つＸ軸方向に隣り合う山部１４０，１４０同士が鉛直方向Ｚにオフセットするように配置された部材からなる。

図３に示されるように、各タンク部１２，１３は、Ｘ軸方向に延びるように形成された筒状の部材からなる。第１タンク部１２は、熱交換部１１の鉛直方向下方Ｚ２の部分に接続されている。第２タンク部１３は、熱交換部１１の鉛直方向上方Ｚ１の部分に接続されている。第１タンク部１２のＸ軸方向の一端部１２０には、冷媒が流入する流入口１２１が形成されている。第１タンク部１２の一端部１２０と同一方向に配置される第２タンク部１３の一端部１３０には、冷媒を排出するための流出口１３１が形成されている。

次に、本実施形態の冷却器１０の動作例について説明する。
図３に矢印Ｗ１０で示されるように、冷却器１０の流入口１２１には、図１に示される第２エキスパンションバルブ７により減圧された冷媒、より詳しくは気相及び液相が混合した冷媒が流入する。流入口１２１に流入した液相冷媒は、その慣性力により第１タンク部１２の一端部１２０から他端部１２２まで矢印Ｗ１１で示されるように流れる。すなわち、第１タンク部１２の全体に液相冷媒が流れる。第１タンク部１２に流入した気相冷媒及び液相冷媒は、熱交換部１１に流入して、矢印Ｗ１２に示されるように熱交換部１１の冷媒流路１１０を鉛直方向上方Ｚ１に向かって流れる。この際、冷媒流路１１０を流れる気相冷媒及び液相冷媒と組電池２０との間で熱交換が行われることにより、組電池２０が冷却される。熱交換部１１を流れた冷媒は、第２タンク部１３で集められた後、矢印Ｗ１３で示されるように流出口１３１に向かって流れ、矢印Ｗ１４で示されるように流出口１３１から排出される。

組電池２０との熱交換により冷媒流路１１０を流れる冷媒の温度が上昇するため、冷媒流路１１０を流れる冷媒には、鉛直方向Ｚにおいて、鉛直方向上方Ｚ１に向かうほど温度が上昇するような高低差の大きい温度分布が形成される。これに対し、Ｘ軸方向においては、高低差のほとんどない温度分布、あるいは鉛直方向Ｚよりも高低差の小さい温度分布が形成される。結果的に、図８に示されるように、冷媒流路１１０の鉛直方向下方Ｚ２には、気相及び液相が混合した低温冷媒が存在する２相領域ＣＬが形成される一方、冷媒流路１１０の鉛直方向上方Ｚ１には、高温の気相冷媒のみが存在する高温領域ＳＨが形成される。なお、図８に示される二点鎖線ＢＬは、２相領域ＣＬと高温領域ＳＨとの境界を示している。

図８に示されるような温度分布が熱交換部１１に形成されることにより、全ての単電池２１の鉛直方向下方Ｚ２の部分を低温の２相領域ＣＬに接触させることができるため、各単電池２１を均一に冷却することが可能となる。
ところで、組電池２０との熱交換により熱交換部１１に形成される温度分布は、流入口１２１に供給される冷媒の流量に応じて異なる。

具体的には、流入口１２１に供給される冷媒の流量が少ない場合には、液相冷媒に作用する慣性力が小さくなるため、流入口１２１から第１タンク部１２の内部に流入した液相冷媒が奥側の端部１２２まで到達し難い。そのため、熱交換部１１の冷媒流路１１０において流入口１２１に近い部分では液相冷媒の流量が多くなる。結果的に、熱交換部１１には図９に示されるような温度分布が形成される。すなわち、熱交換部１１には、流入口１２１に近づくほど、温度の低い２相領域ＣＬが拡大する一方、流入口１２１から離間するほど、温度の高い高温領域ＳＨが拡大するといった温度分布が形成される。

また、流入口１２１に供給される冷媒の流量が多い場合には、液相冷媒に作用する慣性力が大きくなるため、流入口１２１から第１タンク部１２の内部に流入した液相冷媒が奥側の端部１２２まで到達し易くなる。そのため、熱交換部１１の冷媒流路１１０において流入口１２１とは反対の部分では液相冷媒の流量が多くなる。結果的に、熱交換部１１には図１０に示されるような温度分布が形成される。すなわち、熱交換部１１には、流入口１２１に近づくほど、温度の高い高温領域ＳＨが拡大する一方、流入口１２１から離間するほど、温度の低い２相領域ＣＬが拡大するといった温度分布が形成される。

仮に図９及び図１０に示されるような温度分布が熱交換部１１に形成された場合、各単電池２１を均一に冷却することが難しくなる。
この点、本実施形態の熱交換部１１にはオフセットフィン１４が配置されているため、図１１に示されるように、熱交換部１１内を矢印Ｗ２０で示されるように鉛直方向上方Ｚ１に向かって流れる液相冷媒がオフセットフィン１４の山部１４０に衝突する。そのため、液相冷媒の流れ方向を、図１１に矢印Ｗ２１で示される方向に、すなわちＸ軸方向に平行な方向に変化させることができる。また、オフセットフィン１４の隣り合う山部１４０，１４０間には隙間が形成されているため、その隙間を通じて液相冷媒は時間の経過に伴って鉛直方向上方Ｚ１に向かって流れる。

このような構成によれば、熱交換部１１では、液相冷媒が山部１４０に衝突することによりＸ軸方向に分配され易くなるため、図８に示されるような理想的な温度分布が熱交換部１１に形成され易くなる。よって、各単電池２１を均一に冷却することができる。このように、本実施形態では、オフセットフィン１４が、熱交換部１１において鉛直方向上方Ｚ１に向かう冷媒の流れを阻害する阻害部として機能する。

以上説明した本実施形態の冷却器１０によれば、以下の（１）〜（３）に示される作用及び効果を得ることができる。
（１）熱交換部１１の内部には、鉛直方向上方Ｚ１に向かって冷媒の流れる冷媒流路１１０が形成されている。これにより、熱交換部１１には、Ｘ軸方向において高低差のほとんどない温度分布、あるいは鉛直方向Ｚよりも高低差の小さい温度分布が形成される。これにより、Ｘ軸方向に並べて配置される各単電池２１をより均一に冷却することが可能となる。

（２）熱交換部１１は、鉛直方向Ｚに延びるように冷媒流路１１０が形成されるプレート部材からなる。熱交換部１１の鉛直方向下方Ｚ２の部分には第１タンク部１２が接続されている。熱交換部１１の鉛直方向上方Ｚ１の部分には第２タンク部１３が接続されている。そして、第１タンク部１２に流入した冷媒は、熱交換部１１、第２タンク部１３を順に流れる。このような構成によれば、鉛直方向上方Ｚ１に向かって冷媒の流れる冷媒流路１１０を有する熱交換部１１を容易に実現することができる。

（３）熱交換部１１には、冷媒流路１１０において鉛直方向上方に向かう冷媒の流れを阻害する阻害部として、オフセットフィン１４が設けられている。このような構成によれば、Ｘ軸方向における熱交換部１１の温度分布がより均一化され易くなるため、組電池２０の各単電池２１をより均一に冷却することが可能となる。

＜第２実施形態＞
次に、冷却器１０の第２実施形態について説明する。以下、第１実施形態の冷却器１０との相違点を中心に説明する。
図１２に示されるように、本実施形態の熱交換部１１には、オフセットフィン１４に代えて、複数の凹部１１１が形成されている。図１３に示されるように、凹部１１１は、Ｙ軸方向において互いに対向する熱交換部１１の両側壁部１１２，１１３のそれぞれの内面が互いに接触するように両側壁部１１２，１１３が共に凹状に変形させた部分からなる。あるいは、図１４に示されるように、凹部１１１は、熱交換部１１の一方の側壁部１１２が他方の側壁部１１３に接触するように一方の側壁部１１２が凹状に変形させた部分からなる。

このような構成によれば、熱交換部１１の冷媒流路１１０において鉛直方向上方Ｚ１に向かって流れる冷媒が凹部１１１に衝突することにより、その冷媒の流れを阻害することができる。すなわち、本実施形態では、凹部１１１が、熱交換部１１において鉛直方向上方Ｚ１に向かう冷媒の流れを阻害する阻害部として機能する。これにより、熱交換部１１にオフセットフィン１４を設ける場合と同一又は類似の作用及び効果を得ることができる。

＜第３実施形態＞
次に、冷却器１０の第３実施形態について説明する。以下、第１実施形態の冷却器１０との相違点を中心に説明する。
本実施形態の熱交換部１１には、オフセットフィン１４に代えて、図１５に示されるようなコルゲートフィン１５が用いられている。図１５に示されるように、コルゲートフィン１５は、鉛直方向Ｚに山部１５０及び谷部１５１が交互に連なるように波状に形成されている。コルゲートフィン１５における山部１５０及び谷部１５１の間の中間部分１５２には、鉛直方向Ｚに貫通するように直線状の切り込み１５３が形成されている。なお、切り込み１５３の形状は、直線状に限らず、例えば図１６に示されるような円形状であってもよい。

このような構成によれば、熱交換部１１内を鉛直方向上方Ｚ１に向かって流れる液相冷媒がコルゲートフィン１５に衝突することにより、その流れ方向をＸ軸方向に変化させることができる。すなわち、本実施形態では、コルゲートフィン１５が、熱交換部１１において鉛直方向上方Ｚ１に向かう冷媒の流れを阻害する阻害部として機能する。また、コルゲートフィン１５に形成された切り込み１５３を通じて冷媒を鉛直方向上方Ｚ１に向かって流すこともできる。これにより、オフセットフィン１４を用いた場合と略同一の温度分布、すなわち図８に示されるような理想的な温度分布を熱交換部１１に形成することができるため、上記の（３）に示される作用及び効果と同一又は類似の作用及び効果を得ることができる。

＜他の実施形態＞
なお、上記実施形態は、以下の形態にて実施することもできる。
・組電池２０を構成する複数の単電池２１の配置方向としては、Ｘ軸方向に限らず、鉛直方向Ｚに交差する方向であれば、任意の方向を採用することができる。

・図１７に示されるように、熱交換部１１の一方の側壁部１１２の外面だけでなく、熱交換部１１の他方の側壁部１１３の外面に、組電池２０とは別の組電池３０が接触していてもよい。このような構成によれば、冷却器１０により組電池３０の各単電池３１を更に冷却することが可能である。

・流入口１２１に流入する冷媒の流量によっては、熱交換部１１にオフセットフィン１４が設けられていない構造であっても、図８に示されるような理想的な温度分布、あるいはそれに近い温度分布を熱交換部１１に形成することが可能な場合もある。このような場合には、熱交換部１１からオフセットフィン１４を省略することも可能である。
・本実施形態はこの態様に限ることはない。例えば熱交換部１１と組電池２０，３０は、熱交換可能であれば直接接触する必要はなく、間接的に接触してもよい。

・本開示は上記の具体例に限定されるものではない。上記の具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素、及びその配置、条件、形状等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。

１０：冷却器
１１：熱交換部
１２：第１タンク部
１３：第２タンク部
１４：オフセットフィン（阻害部）
１５：コルゲートフィン（阻害部）
２０，３０：組電池
１１０：冷媒流路
１１１：凹部（阻害部）
１４０，１５０：山部
１４１，１５１：谷部
１５２：中間部分
１５３：切り込み

Claims

鉛直方向に交差する所定方向に並べて配置される複数の単電池を組み合わせることで構成される組電池（２０，３０）を冷却する冷却器（１０）であって、
前記組電池において前記所定方向及び鉛直方向を含む面に平行な外面を前記組電池の側面とするとき、
前記組電池の側面に接触するように配置され、内部を流れる冷媒と前記組電池との間で熱交換を行うことにより前記組電池を冷却する熱交換部（１１）を備え、
前記熱交換部の内部には、鉛直方向上方に向かって冷媒の流れる冷媒流路（１１０）が形成されている
冷却器。
前記熱交換部は、鉛直方向に延びるように前記冷媒流路が形成されるプレート部材からなり、
前記熱交換部の鉛直方向下方の部分に接続される第１タンク部（１２）と、
前記熱交換部の鉛直方向上方の部分に接続される第２タンク部（１３）と、を更に備え、
前記第１タンク部に流入した冷媒が、前記熱交換部、前記第２タンク部を順に流れる
請求項１に記載の冷却器。
前記冷媒流路には、鉛直方向上方に向かう冷媒の流れを阻害する阻害部（１４，１５，１１１）が設けられている
請求項１又は２に記載の冷却器。
前記阻害部は、鉛直方向に山部（１４０）及び谷部（１４１）が交互に連なるように波状に形成され、且つ前記所定方向に隣り合う山部同士が鉛直方向にオフセットするように配置されるオフセットフィン（１４）である
請求項３に記載の冷却器。
前記阻害部は、鉛直方向に山部及び谷部が交互に連なるように波状に形成されるコルゲートフィン（１５）であり、
前記コルゲートフィンにおける山部（１５０）及び谷部（１５１）の間の中間部分（１５２）には、前記鉛直方向に貫通するように切り込み（１５３）が形成されている
請求項３に記載の冷却器。