JP2020128839A - 熱輸送システム - Google Patents

Abstract

【課題】熱輸送システムにおいて、熱輸送媒体の低温での粘度増大を抑制し、さらに熱輸送媒体の冷却性能を確保する。【解決手段】冷媒が循環する冷凍サイクル装置１０と、熱輸送媒体が循環する熱輸送媒体回路３０と、冷媒と熱輸送媒体を熱交換し、熱輸送媒体を冷却する冷却用熱交換器１５と、熱輸送媒体回路に設けられ、熱輸送媒体に吸熱される電気機器３３〜３５と備える。熱輸送媒体はカルボン酸塩を水に溶解させたカルボン酸塩水溶液である。カルボン酸塩を構成するカルボン酸は、ギ酸、酢酸、プロピオン酸の少なくともいずれかである。カルボン酸塩を構成する金属は、カリウムまたはナトリウムの少なくともいずれかである。【選択図】図１

Description

本発明は、熱輸送媒体によって熱を輸送する熱輸送システムに関する。

特許文献１には、チラーによって冷凍サイクルの冷媒と低温冷却水回路の低温冷却水とを熱交換し、低温冷却水を冷却する装置が記載されている。この装置では、低温冷却水として、エチレングリコール水溶液などが用いられている。

特開２０１７−１１０８９８号公報

しかしながら、エチレングリコール水溶液は低温時に粘度が高くなるため、低温冷却水回路の圧力損失が大きくなる。このため、低温冷却水を循環させるためのポンプ動力の増大を招く。また、低温冷却水によって電池等の電気機器を冷却する場合には、漏電を防止するために電気機器をケースに収納するといった被水対策を行うことがある。このような被水対策を行う場合には、熱の移動抵抗が大きくなり、低温冷却水の冷却性能が不足するおそれがある。

本発明は上記点に鑑み、熱輸送システムにおいて、熱輸送媒体の低温での粘度増大を抑制し、さらに熱輸送媒体の冷却性能を確保することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、冷媒が循環する冷凍サイクル装置（１０）と、熱輸送媒体が循環する熱輸送媒体回路（３０）と、冷媒と熱輸送媒体を熱交換し、熱輸送媒体を冷却する冷却用熱交換器（１５）と、熱輸送媒体回路に設けられ、熱輸送媒体に吸熱される電気機器（３３〜３５）と備える。熱輸送媒体は、カルボン酸塩を水に溶解させたカルボン酸塩水溶液である。

このように、熱輸送媒体としてカルボン酸塩水溶液を用いることで、低温における低粘度を確保できる。このため、低温環境下においても、熱媒体回路での圧力損失の増大を抑制でき、ポンプ動力の増大を抑制できる。

また、カルボン酸塩水溶液は熱交換効率が高いので、熱輸送媒体の冷却性能を向上させることができる。このため、電気機器が隔壁を介して熱輸送媒体と熱交換するような熱の移動抵抗が大きくなる構成においても、必要な冷却能力を確保することができる。

なお、上記各構成要素の括弧内の符号は、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ものである。

本発明に係る実施形態の熱輸送システムの構成を示す図である。 電池と冷却器との配置関係を示す図である。 カルボン酸塩水溶液の熱交換効率を示すグラフである。

以下、本発明の熱輸送システムを適用した最も好適な実施形態について図面に基づいて説明する。

本実施形態の熱輸送システム１は、走行用電動モータから車両走行用の駆動力を得る電気自動車に搭載されている。熱輸送システム１は、エンジン（換言すれば内燃機関）および走行用電動モータから車両走行用の駆動力を得るハイブリッド自動車に搭載されていてもよい。本実施形態の熱輸送システム１は、車室内空間の温度調整を行う空調装置として機能し、車両に搭載された電池３３等の温度調整を行う温調装置としても機能する。

図１に示すように、熱輸送システム１は、冷凍サイクル装置１０と、高温媒体回路２０と、低温媒体回路３０とを有している。高温媒体回路２０及び低温媒体回路３０では、熱輸送媒体による熱の輸送が行われる。低温媒体回路３０の熱輸送媒体は、高温媒体回路２０の熱輸送媒体よりも低温となっている。このため、高温媒体回路２０の熱輸送媒体を高温側熱輸送媒体ともいい、低温媒体回路３０の熱輸送媒体を低温側熱輸送媒体ともいう。なお、低温媒体回路３０が本発明の熱輸送媒体回路に相当している。

冷凍サイクル装置１０は蒸気圧縮式冷凍機であり、冷媒が循環する冷媒循環流路１１を有している。冷凍サイクル装置１０は、低温媒体回路３０の低温側熱輸送媒体の熱を冷媒に汲み上げるヒートポンプとして機能する。

本実施形態の冷凍サイクル装置１０では、冷媒としてフロン系冷媒を用いており、高圧側冷媒圧力が冷媒の臨界圧力を超えない亜臨界冷凍サイクルを構成している。冷媒循環流路１１には、圧縮機１２、凝縮器１３、膨張弁１４および熱輸送媒体用蒸発器１５が配置されている。なお、凝縮器１３が本発明の加熱用熱交換器に相当し、熱輸送媒体用蒸発器１５が本発明の冷却用熱交換器に相当している。

圧縮機１２は、電池３３から供給される電力によって駆動される電動圧縮機であり、冷媒を吸入して圧縮して吐出する。凝縮器１３は、圧縮機１２から吐出された高圧側冷媒と高温媒体回路２０の熱輸送媒体とを熱交換させることによって高圧側冷媒を凝縮させる高圧側熱交換器である。凝縮器１３では、冷凍サイクル装置１０の高圧側冷媒によって高温媒体回路２０の熱輸送媒体が加熱される。

膨張弁１４は、凝縮器１３から流出した液相冷媒を減圧膨張させる減圧部である。膨張弁１４は、感温部を有し、ダイヤフラム等の機械的機構によって弁体を駆動する機械式の温度式膨張弁である。

熱輸送媒体用蒸発器１５は、膨張弁１４を流出した低圧冷媒と低温媒体回路３０の熱輸送媒体とを熱交換させることによって低圧冷媒を蒸発させる低圧側熱交換器である。熱輸送媒体用蒸発器１５で蒸発した気相冷媒は圧縮機１２に吸入されて圧縮される。

熱輸送媒体用蒸発器１５は、冷凍サイクル装置１０の低圧冷媒によって低温媒体回路３０の熱輸送媒体を冷却するチラーである。熱輸送媒体用蒸発器１５では、低温媒体回路３０の熱輸送媒体の熱が冷凍サイクル装置１０の冷媒に吸熱される。

高温媒体回路２０は、高温側熱輸送媒体が循環する高温側循環流路２１を有している。高温側熱輸送媒体として、エチレングリコール系の不凍液（ＬＬＣ）等を用いることができる。高温側熱輸送媒体は、高温側循環流路２１を構成する配管内に封入されている。本実施形態の高温媒体回路２０は、高温側熱輸送媒体の圧力が所定値を上回った場合に開放する圧力調整弁が設けられていない密閉式となっている。

高温側循環流路２１には、高温側ポンプ２２、ヒータコア２３および凝縮器１３が配置されている。

高温側ポンプ２２は、高温側循環流路２１を循環する熱輸送媒体を吸入して吐出する。高温側ポンプ２２は電動式のポンプである。高温側ポンプ２２は、高温媒体回路２０を循環する熱輸送媒体の流量を調整する。

ヒータコア２３は、高温媒体回路２０の熱輸送媒体と車室内へ送風される空気とを熱交換させて車室内へ送風される空気を加熱する空気加熱用熱交換器である。ヒータコア２３では、熱輸送媒体によって車室内へ送風される空気が加熱される。

ヒータコア２３で加熱された空気は車室内に供給され、車室内の暖房が行われる。ヒータコア２３による暖房は、主に冬季に行われる。本実施形態の熱輸送システムでは、低温媒体回路３０の低温側熱輸送媒体に吸熱された外気の熱が冷凍サイクル装置１０によって高温媒体回路２０の高温熱輸送媒体に汲み上げられ、室内の暖房に用いられる。

低温媒体回路３０は、低温側熱輸送媒体が循環する低温側循環流路３１を有している。低温側熱輸送媒体は、低温側循環流路３１を構成する配管内に封入されている。本実施形態の低温媒体回路３０は、低温側熱輸送媒体の圧力が所定値を上回った場合に開放する圧力調整弁が設けられていない密閉式となっている。なお、低温側熱輸送媒体については後述する。

低温側循環流路３１には、低温側ポンプ３２、熱輸送媒体用蒸発器１５、電池３３、インバータ３４、モータジェネレータ３５および室外熱交換器３６が配置されている。図１に示す例では、低温側熱輸送媒体の流れ方向において、電池３３、インバータ３４、モータジェネレータ３５、室外熱交換器３６、低温側ポンプ３２の順に接続されているが、この接続順序に限定されるものではない。また、図１に示す例では、電池３３、インバータ３４、モータジェネレータ３５、室外熱交換器３６、低温側ポンプ３２が直列的に接続されているが、これらのうち１以上の機器を他の機器と並列的に接続してもよい。

低温側ポンプ３２は、低温側循環流路３１を循環する熱輸送媒体を吸入して吐出する。低温側ポンプ３２は電動式のポンプである。低温側ポンプ３２は、低温媒体回路３０を循環する熱輸送媒体の流量を調整する。

電池３３は、充放電可能な２次電池であり、例えばリチウムイオン電池を用いることができる。電池３３としては、複数個の電池セルで構成されている組電池を用いることができる。

電池３３は、車両停車時に外部電源（換言すれば商用電源）から供給された電力を充電可能となっている。電池３３に蓄えられた電力は、走行用電動モータのみならず、熱輸送システム１を構成する電動式構成機器をはじめとする各種車載機器に供給される。

インバータ３４は、電池３３から供給された直流電力を交流電力に変換してモータジェネレータ３５に出力する。モータジェネレータ３５は、インバータ３４から出力された電力を利用して走行用駆動力を発生するとともに、減速中や降坂中に回生電力を発生させる。

室外熱交換器３６は、低温媒体回路３０の熱輸送媒体と外気とを熱交換させる。室外熱交換器３６には、図示しない室外送風機によって外気が送風される。

電池３３、インバータ３４、モータジェネレータ３５は、電気を使用して作動する電気機器であり、作動時に発熱する。電池３３、インバータ３４、モータジェネレータ３５は、低温側熱輸送媒体によって冷却される冷却対象機器である。

本実施形態の低温側循環流路３１には、電気機器３３〜３５に対応して冷却器３７〜３９が設けられている。第１冷却器３７は電池３３に対応し、第２冷却器３８はインバータ３４に対応し、第３冷却器３９はモータジェネレータ３５に対応している。なお、第１冷却器３７が本発明の冷却器に相当している。

冷却器３７〜３９には、低温側熱輸送媒体が流通する。電気機器３３〜３５は、冷却器３７〜３９を流れる低温側熱輸送媒体によって冷却される。

第１冷却器３７及び第２冷却器３８では、他の熱輸送媒体を介さず低温側熱輸送媒体によって電池３３及びインバータ３４が冷却される。第３冷却器３９は、低温側熱輸送媒体によってオイル回路４０を循環するオイルを冷却するオイルクーラである。オイルは、モータジェネレータ３５の内部を流れることで、モータジェネレータ３５の潤滑と冷却を行う。

図２に示すように、電池３３及び第１冷却器３７はケース４１に収納されている。第１冷却器３７は、断熱材４２を介してケース４１の底面に配置されている。第１冷却器３７の上に電池３３が配置されている。

電池３３と第１冷却器３７との間には、隔壁４３が設けられている。隔壁４３は、電池３３と第１冷却器３７を隔てており、電池３３の被水対策のために設けられている。隔壁４３によって、低温側熱輸送媒体が第１冷却器３７から流出した場合であっても、低温側熱輸送媒体が電池３３に触れないようにすることできる。電池３３の熱は、隔壁４３を介して第１冷却器３７を流れる低温側熱輸送媒体に伝えられる。

冷却器３７〜３９では、冷却対象機器である電池３３、インバータ３４およびモータジェネレータ３５から低温側熱輸送媒体への吸熱が行われる。室外熱交換器３６では、外気から低温側熱輸送媒体への吸熱が行われる。つまり、電池３３、インバータ３４、モータジェネレータ３５および室外熱交換器３６は、低温側熱輸送媒体への吸熱を行う被吸熱機器である。

次に、低温側熱輸送媒体について説明する。低温側熱輸送媒体は、低温での粘性が低く、冷却性能が高いことが望ましい。

本実施形態では、低温側熱輸送媒体として、カルボン酸塩を水の溶解させたカルボン酸塩水溶液を用いている。本実施形態では、カルボン酸塩水溶液におけるカルボン酸塩と水の割合をカルボン酸塩：水＝２０：８０〜５０：５０としている。

カルボン酸塩を構成するカルボン酸として、ギ酸、酢酸、プロピオン酸の少なくともいずれかを用いることができる。カルボン酸塩を構成する金属として、アルカリ金属を用いることができる。アルカリ金属としては、ナトリウム及びカリウムの少なくともいずれかを用いることができる。カルボン酸塩としては、ギ酸カリウム、ギ酸ナトリウム、酢酸カリウム、酢酸ナトリウム、プロピオン酸カリウム、プロピオン酸ナトリウムを例示できる。これらのカルボン酸塩は、単独で用いてもよく、組み合わせて用いてもよい。

ギ酸カリウム水溶液（４５％）は、沸点が１１４℃であり、−２０℃での動粘度が５．２２ｍｍ²／ｓ、−３５℃での動粘度が１０．４ｍｍ²／ｓである。比較例としてのエチレングリコール系不凍液（ＬＬＣ）は、−２０℃での動粘度が２９．６ｍｍ²／ｓ、−３５℃での動粘度が８９．５ｍｍ²／ｓである。このように、カルボン酸塩水溶液は、低温における低粘度を確保することができる。

図３に示すように、カルボン酸塩水溶液は、比較例としてのエチレングリコール系不凍液（ＬＬＣ）よりも、高い熱交換効率が得られている。

以上説明した本実施形態によれば、低温側熱輸送媒体としてカルボン酸塩水溶液を用いることで、エチレングリコール系不凍液に比べて、低温環境下での粘度増大を抑制できる。このため、低温環境下においても、低温媒体回路３０で低温側熱輸送媒体が流れる際の圧力損失の増大を抑制でき、低温側ポンプ３２の動力増大を抑制できる。

また、低温媒体回路３０で低温側熱輸送媒体が流れる際の圧力損失の増大を抑制できることから、室外熱交換器３６では、低温側熱輸送媒体の流路を狭くするなどして小型化しやすくなり、設計の自由度を向上させることができる。さらに、室外熱交換器３６を通過する低温側熱輸送媒体の流速が上昇することから、室外熱交換器３６への着霜を抑制できる。

また、低温環境下での低温側熱輸送媒体の粘度増大を抑制できることから、エチレングリコール系不凍液に比べて、低温側熱輸送媒体の流量を増大させることができる。この結果、低温側熱輸送媒体の流速を上昇させることができ、低温側熱輸送媒体の熱伝達率をより向上させることができる。さらに、低温側熱輸送媒体の熱伝達率が向上することで、室外熱交換器３６を含む機器全体の熱通過率を向上させることができる。

また、低温側熱輸送媒体としてカルボン酸塩水溶液を用いることで、低温側熱輸送媒体の熱交換効率を向上させることができ、冷却器３７〜３９の冷却性能を向上させることができる。このため、電池３３と第１冷却器３７の間に隔壁４３が設けられているような熱の移動抵抗が大きくなる構成においても、必要な冷却能力を確保することができる。あるいは、熱の移動抵抗が大きくなる構成を採用しない場合には、冷却器３７〜３９の小型化を図ることができる。

また、本実施形態では、カルボン酸塩水溶液に占める水の割合を５０％以上としている。カルボン酸塩水溶液は、エチレングリコール系不凍液に比べて、凝固点を低く維持しつつ、水の割合をより多くすることできる。このため、カルボン酸塩水溶液において、熱容量の大きい水の割合を多くすることで、低温側熱輸送媒体の熱容量を増大させることができ、熱伝導率をより向上させることができる。

また、カルボン酸塩水溶液における水の割合を多くすることで、低温側熱輸送媒体の粘度をより低くすることができる。さらにカルボン酸塩水溶液における水の割合を多くすることで、低温側熱輸送媒体のコストを低減できる。

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。また、上記各実施形態に開示された手段は、実施可能な範囲で適宜組み合わせてもよい。

例えば、上記実施形態の低温側熱輸送媒体において、酸化防止剤や防錆剤等の他の添加剤を必要に応じて含んでいてもよい。

また、上記実施形態では、電池３３と第１冷却器３７の間に隔壁４３を設けたが、隔壁４３を設けず、電池３３と第１冷却器３７が直接接触するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、カルボン酸塩水溶液を低温媒体回路３０の低温側熱輸送媒体に用いたが、これに限らず、カルボン酸塩水溶液を高温媒体回路２０の高温側熱輸送媒体に用いてもよい。この場合、高温媒体回路２０と低温媒体回路３０とで熱輸送媒体を共通化することができる。

１３ 凝縮器（加熱用熱交換器）
１５ 熱輸送媒体用蒸発器（冷却用熱交換器）
２０ 高温媒体回路（高温側熱輸送媒体回路）
３０ 低温媒体回路（熱輸送媒体回路）
３３ 電池（電気機器）
３４ インバータ（電気機器）
３５ モータジェネレータ（電気機器）
３７ 第１冷却器（冷却器）
４３ 隔壁

Claims (6)

1. 冷媒が循環する冷凍サイクル装置（１０）と、
   熱輸送媒体が循環する熱輸送媒体回路（３０）と、
   前記冷媒と前記熱輸送媒体を熱交換し、前記熱輸送媒体を冷却する冷却用熱交換器（１５）と、
   前記熱輸送媒体回路に設けられ、前記熱輸送媒体に吸熱される電気機器（３３〜３５）と、
   備え、
   前記熱輸送媒体はカルボン酸塩を水に溶解させたカルボン酸塩水溶液である熱輸送システム。
2. 前記カルボン酸塩を構成するカルボン酸は、ギ酸、酢酸、プロピオン酸の少なくともいずれかである請求項１に記載の熱輸送システム。
3. 前記カルボン酸塩を構成する金属は、アルカリ金属である請求項１または２に記載の熱輸送システム。
4. 前記アルカリ金属は、カリウムまたはナトリウムの少なくともいずれかである請求項３に記載の熱輸送システム。
5. 前記熱輸送媒体より高温の高温側熱輸送媒体が循環する高温側熱輸送媒体回路（２０）と、
   前記冷媒と前記高温側熱輸送媒体を熱交換し、前記高温側熱輸送媒体を加熱する加熱用熱交換器（１３）と、
   を備え、
   前記高温側熱輸送媒体は前記カルボン酸塩水溶液である請求項１ないし４のいずれか１つに記載の熱輸送システム。
6. 前記低温側熱輸送媒体が流通する冷却器（３７）と、
   前記電気機器と前記冷却器とを隔てる隔壁（４３）と、
   を備え、
   前記冷却器を流通する前記低温側熱輸送媒体は、前記隔壁を介して前記電気機器と熱交換する請求項１ないし５のいずれか１つに記載の熱輸送システム。

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