JP2021092329A

JP2021092329A - 冷却器

Info

Publication number: JP2021092329A
Application number: JP2019221563A
Authority: JP
Inventors: 正人河内; Masato Kawachi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-12-06
Filing date: 2019-12-06
Publication date: 2021-06-17

Abstract

【課題】出口の側が下がる方向に傾いたときに、出口が冷媒液で塞がり難く、且つ、入口側で液枯れが起きにくい冷却器を提供する。【解決手段】冷却器１０は、長手方向の一端側に設けられた冷媒液の入口１１と、長手方向の他端側の入口１１よりも高い位置に設けられた冷媒ガスの出口１２と、冷却対象に接触する部位であって、冷却対象からの吸熱により冷媒液から冷媒ガスへの相変化が起きる蒸発部１４と、入口１１に接続され、入口１１から供給された冷媒液を蒸発部１４へ分配する分配部１３と、出口１２に接続され、蒸発部１４で発生した冷媒ガスを収集して出口１２へ導く集合部１５とを備える。集合部１５は、分配部１３が接続される下側部分１５Aと、出口１２が接続され、外輪郭の内側の前面投影面積に対する実容積の比が下側部分１５Aよりも小さい上側部分１５Ｂとからなる。【選択図】図５

Description

本発明はループ型サーモサイフォン型の冷却装置、特に、電池冷却装置に用いて好適な冷却器に関する。

特許文献１には、ループ型サーモサイフォン型の冷却装置で用いられる従来の冷却器（蒸発器）の構造の一例が開示されている。特許文献１に開示された従来の冷却器は、薄い長方形の板状であり、その一方の端部に冷媒液の入口が設けられ、他方の端部に冷媒液の気化により生成された冷媒ガスの出口が設けられている。冷媒液の入口は、冷却器の底部に近い位置に設けられているのに対し、冷媒ガスの出口は、冷却液の天井部に近い位置に設けられている。

国際公開第２０１８／０７０１１５号

図９に示すように、従来の冷却器１００は、出口１０２の側が下がる方向に大きく傾くと、出口１０２を冷媒液で塞がれてしまう。この場合、冷媒ガスが出口１０２から抜けなくなるため、ループ型サーモサイフォンにおける冷媒の循環が止まり、冷却対象を冷却できなくなってしまう。

そこで、本発明の創案過程では、図１１に示す構造の冷却器１１０が検討された。この冷却器１１０は、出口１１２の側の容積が拡大され、出口１１２の高さを従来よりも高くされている。しかし、このような構造では、多量の冷媒液が出口１１２の側に流れるために、入口１１１の側で冷媒液の枯渇、つまり、液枯れが起きてしまう。液枯れが起きた部位では冷却対象を冷却することができない。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、出口の側が下がる方向に傾いたときに、出口が冷媒液で塞がりにくく、且つ、入口側で液枯れが起きにくい冷却器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る冷却器は、長手方向の一端側に設けられた冷媒液の入口と、長手方向の他端側の入口よりも高い位置に設けられた冷媒ガスの出口と、冷却対象に接触する部位であって、冷却対象からの吸熱により冷媒液から冷媒ガスへの相変化が起きる蒸発部と、入口に接続されて入口から供給された冷媒液を蒸発部へ分配する分配部と、出口に接続されて蒸発部で発生した冷媒ガスを収集して出口へ導く集合部とを備える。集合部は、蒸発部が接続される下側部分と、出口が接続されて外輪郭の内側の前面投影面積に対する実容積の比が下側部分よりも小さい上側部分とからなる。

冷却器が出口側に傾いたときには、冷媒液が蒸発部を抜けて集合部まで流出する。しかし、本発明に係る冷却器では、出口は集合部の上側部分に設けられているので、冷媒液で出口が塞がれてしまうことは起きにくい。また、本発明に係る冷却器では、集合部の上側部分は、外輪郭の内側の前面投影面積に対する実容積の比が下側部分よりも小さくされているので、集合部に冷媒液が流れることでその液面レベルが大きく低下することは抑えられる。つまり、蒸発部の入口側が液枯れすることも起きにくい。

本発明の第１の実施形態に係る冷却器の正面図である。本発明の第１の実施形態に係る冷却器のＡ−Ａ線断面図である。本発明の第１の実施形態に係る冷却器のＢ−Ｂ線断面図である。本発明の第１の実施形態に係る冷却器の正面断面図である。本発明の第１の実施形態に係る冷却器の出口側に傾いた状態での正面断面図である。本発明の第２の実施形態に係る冷却器の正面図である。本発明の第２の実施形態に係る冷却器のＣ−Ｃ線断面図である。本発明の第２の実施形態に係る冷却器のＤ−Ｄ線断面図である。本発明の第２の実施形態に係る冷却器の出口側に傾いた状態での正面断面図である。従来の冷却器の出口側に傾いた状態での正面断面図である。本発明の創案過程で検討された冷却器の出口側に傾いた状態での正面断面図である。

１．第１の実施形態
本発明の第１の実施形態に係る冷却器は、ループ型サーモサイフォン型の電池冷却装置に用いられる冷却器である。図１は、第１の実施形態に係る冷却器１０の正面図である。図２は、図１に示す冷却器１０のＡ−Ａ線断面図である。図３は、図１に示す冷却器１０のＢ−Ｂ線断面図である。図４は、図１に示す冷却器１０の正面断面図である。以下、図１乃至図４を参照しながら冷却器１０の構成について説明する。

冷却器１０は、板状の中空構造体であり、その長手方向の一端に入口１１を備え、その長手方向の他端に出口１２を備えている。冷却器１０は、図２及び図３の断面図に示すような一定厚さの構造体でもよいし、プレス加工された２枚の板を溶接等により張り合わせることによって形成されてもよい。入口１１からは液相の冷媒、つまり冷媒液が供給される。出口１２からは気相の冷媒、つまり冷媒ガスが排出される。冷媒としては、例えば、自動車用エアコンに用いられているＲ１３４やＲ１２３４ｙｆが使用される。

冷却器１０は、大きく分けて３つの部位から構成される。１つ目の部位は、冷却対象である電池に接し、電池との間で熱交換が行われる蒸発部１４である。蒸発部１４では、電池からの吸熱により冷媒液から冷媒ガスへの相変化が起きる。蒸発部１４は、上下方向に形成された複数の仕切壁１４ｂにより、上下方向に延びる複数の流路１４ａに区分けされている。

２つ目の部位は、蒸発部１４の下方に位置し、冷却器１０の底部を形成する分配部１３である。分配部１３は、冷却器１０の長手方向の一端から他端まで延びる流路１３ａを有している。分配部１３の流路１３ａには、冷却器１０の底部付近に設けられた入口１１が接続されている。流路１３ａは、蒸発部１４の各流路１４ａの下側開口に接続され、各流路１４ａに冷媒液を分配する。

３つ目の部位は、下側部分１５Ａと上側部分１５Ｂとからなる集合部１５である。下側部分１５Ａは、蒸発部１４の上方に位置して冷却器１０の長手方向の一端から他端まで延びる流路１５ａを有している。集合部１５の下側部分１５Ａの流路１５ａは、蒸発部１４の各流路１４ａの上側開口に接続されている。

集合部１５の上側部分１５Ｂは、入口１１から遠ざかるにつれて高さが高くなる直角三角形状の外形を有している。上側部分１５Ｂは、冷却器１０の天井部を形成している。上側部分１５Ｂは、中央部に設けられた直角三角形状の容積低減部分１６と、容積低減部分１６によって分けられた２つの流路１５ｂ，１５ｃとを有する。容積低減部分１６は、図２乃至図４の断面図に示すように流体が流れない中実部分として形成され、上側部分１５Ｂの実容積を低減させている。なお、プレス加工された２枚の板を溶接等により張り合わせることによって冷却器１０を形成する場合には、集合部１５の上側部分１５Ｂの中央部を直角三角形状に内側に凹むようにプレス加工し、その内側に凹んだ直角三角形状の部分を張り合わせることで、容積低減部分１６を形成することができる。

第１の流路１５ｂは、冷却器１０の直角三角形状外形の対辺にあたる流路であって、下側部分１５Ａの流路１５ａの末端から上方に延びている。第１の流路１５ｂの上端には出口１２が接続されている。入口１１が接続された流路１３ａよりも高い位置に流路１５ａがあり、流路１５ａから上方に延びた流路１５ｂの上端に出口１２が接続されていることから、出口１２は入口１１よりも高い位置に位置している。第２の流路１５ｃは、冷却器１０の直角三角形状外形の斜辺にあたる流路であって、下側部分１５Ａの流路１５ａの途中から分岐して出口１２に向かって斜め上に延びている。

上記のとおり、集合部１５の下側部分１５Aは流路１５ａで構成されているのに対し、上側部分１５Ｂは容積低減部分１６と２つの流路１５ｂ，１５ｃとで構成されている。ここで、図４において一点鎖線で囲まれている領域の面積を、各部位の外輪郭の内側の前面投影面積と定義する。下側部分１５Aの場合、流路１５ａの面積のみが外輪郭の内側の前面投影面積に含まれる。一方、上側部分１５Ｂの場合、２つの流路１５ｂ，１５ｃの面積と容積低減部分１６の面積とが外輪郭の内側の前面投影面積に含まれる。

また、各部位において実際に流体が流れうる部分の容積を、各部位の実容積と定義する。下側部分１５Aの場合、流路１５ａの容積が下側部分１５Aの実容積である。一方、上側部分１５Ｂの場合、２つの流路１５ｂ，１５ｃの容積の和が上側部分１５Ｂの実容積である。外輪郭の内側の前面投影面積に対する実容積の比について比較した場合、上側部分１５Ｂには容積低減部分１６が設けられているため、上側部分１５Ｂの前記比は下側部分１５Aの前記比よりも小さい。

次に、上記のように構成された冷却器１０の効果について説明する。冷却器１０が水平な状態での内部の様子は図４に示される。冷却器１０が水平な状態では、冷媒液は蒸発部１４で気化し、集合部１５には冷媒ガスが集められる。集合部１５に集められた冷媒ガスは、集合部１５の上側部分１５Ｂに接続された出口１２から排出される。詳しくは、蒸発部１４の各流路１４ａで発生した冷媒ガスは、集合部１５の下側部分１５Ａの流路１５ａに集められ、上側部分１５Ｂの２つの流路１５ｂ，１５ｃを通って出口１２へと導かれる。

冷却器１０が出口１２の側に傾いたときには、冷媒液が蒸発部１４を抜けて集合部１５まで流出する。このときの集合部１５内の冷媒液の液面レベルが高く、冷媒液が出口１２を塞いでしまうと、冷媒の循環が止まって電池の冷却ができなくなる。逆に、蒸発部１４内の冷媒液の液面レベルが低く、蒸発部１４の一部で冷媒液の液枯れが起きると、その液枯れした部分では電池の冷却ができなくなる。この点に関し、第１の実施形態に係る冷却器１０によれば、以下の効果が得られる。

図５は、冷却器１０が出口側に傾いた状態での内部の様子を示す正面断面図である。第１の実施形態に係る冷却器１０では、出口１２は集合部１５の上側部分１５Ｂに設けられているので、冷却器１０が出口１２の側に傾いたときに冷媒液で出口１２が塞がれてしまうことは起きにくい。また、第１の実施形態に係る冷却器１０では、集合部１５の上側部分１５Ｂは、外輪郭の内側の前面投影面積に対する実容積の比が下側部分１５Ａよりも小さくされている。このため、集合部１５に冷媒液が流れたときに蒸発部１４内の液面レベルが大きく低下することは抑えられる。ゆえに、第１の実施形態に係る冷却器１０によれば、出口１２の側が下がる方向に傾いたときに、出口１２が冷媒液で塞がりにくいだけでなく、蒸発部１４の入口１１の側で液枯れすることも起きにくい。

２．第２の実施形態
本発明の第２の実施形態に係る冷却器は、第１の実施の形態と同じく、ループ型サーモサイフォン型の電池冷却装置に用いられる冷却器である。図６は、第２の実施形態に係る冷却器２０の正面図である。図７は、図６に示す冷却器２０のＣ−Ｃ線断面図である。図８は、図６に示す冷却器２０のＤ−Ｄ線断面図である。以下、図６乃至図８を参照しながら冷却器１０の構成について説明する。

冷却器２０は、板状の中空構造体であり、その長手方向の一端に冷媒液の入口２１を備え、その長手方向の他端に冷媒ガスの出口２２を備えている。冷却器２０は、大きく分けて３つの部位から構成される。１つ目の部位は、冷却対象である電池に接し、電池との間で熱交換が行われる蒸発部２４である。蒸発部２４は、上下方向に形成された複数の仕切壁２４ｂにより、上下方向に延びる複数の流路２４ａに区分けされている。

２つ目の部位は、蒸発部２４の下方に位置し、冷却器２０の底部を形成する分配部２３である。分配部２３は、冷却器２０の長手方向の一端から他端まで延びる流路２３ａを有している。冷媒液の入口２１は、分配部１３の流路２３ａに接続されている。流路２３ａは、蒸発部２４の各流路２４ａの下側開口に接続されている。

３つ目の部位は、下側部分２５Ａと上側部分２５Ｂとからなる集合部２５である。下側部分２５Ａは、蒸発部２４の上方に位置して冷却器２０の長手方向の一端から他端まで延びる流路２５ａを有している。集合部２５の下側部分２５Ａの流路２５ａは、蒸発部２４の各流路２４ａの上側開口に接続されている。

集合部２５の上側部分２５Ｂは、入口２１から遠ざかるにつれて高さが高くなる直角三角形状の外形を有している。上側部分２５Ｂは、冷却器２０の天井部を形成している。上側部分２５Ｂと下側部分２５Ａとの間には段差２６が設けられている。この段差２６が形成されることにより、上側部分２５Ｂは下側部分２５Ａよりも板厚が薄くなり、板厚が薄い分だけ内部の容積も低減されている。上側部分２５Ｂには、正面視において直角三角形状の流路２５ｂが形成されている。上側部分２５Ｂの流路２５ｂの底部と、下側部分２５Ａの流路２５ａの天井部とは連通している。図７及び図８に示すように、上側部分２５Ｂの流路２５ｂは、下側部分２５Ａの流路２５ａよりも狭い幅を有している。

ここで、図６において一点鎖線で囲まれている領域の面積を、各部位の外輪郭の内側の前面投影面積と定義する。また、各部位において実際に流体が流れうる部分の容積を、各部位の実容積と定義する。下側部分２５Ａの場合、流路２５ａの容積が下側部分２５Aの実容積である。一方、上側部分２５Ｂの場合、流路２５ｂの容積が上側部分２５Ｂの実容積である。外輪郭の内側の前面投影面積に対する実容積の比について検討すると、この比は流路の平均幅に相当する。下側部分２５Ａの流路２５ａと上側部分２５Ｂの流路２５ｂとでは、流路２５ｂのほうが流路２５ａよりも幅が狭いことから、外輪郭の内側の前面投影面積に対する実容積の比は上側部分２５Ｂのほうが下側部分２５Ａよりも小さい。

次に、上記のように構成された冷却器２０の効果について説明する。図９は、冷却器２０が出口側に傾いた状態での内部の様子を示す正面断面図である。第２の実施形態に係る冷却器２０では、出口２２は集合部２５の上側部分２５Ｂに設けられているので、冷却器２０が出口２２の側に傾いたときに冷媒液で出口２２が塞がれてしまうことは起きにくい。また、第２の実施形態に係る冷却器２０では、集合部２５の上側部分２５Ｂは、外輪郭の内側の前面投影面積に対する実容積の比が下側部分２５Ａよりも小さくされている。このため、集合部２５に冷媒液が流れたときに蒸発部２４内の液面レベルが大きく低下することは抑えられる。ゆえに、第２の実施形態に係る冷却器２０によれば、出口２２の側が下がる方向に傾いたときに、出口２２が冷媒液で塞がりにくいだけでなく、蒸発部２４の入口２１の側で液枯れすることも起きにくい。

１０冷却器
１１冷媒液の入口
１２冷媒ガスの出口
１３分配部
１４蒸発部
１５集合部
１５A 下側部分
１５B 上側部分
１６容積低減部分
２０冷却器
２１冷媒液の入口
２２冷媒ガスの出口
２３分配部
２４蒸発部
２５集合部
２５A 下側部分
２５B 上側部分
２６段差

Claims

長手方向の一端側に設けられた冷媒液の入口と、
長手方向の他端側の前記入口よりも高い位置に設けられた冷媒ガスの出口と、
冷却対象に接触する部位であって、前記冷却対象からの吸熱により前記冷媒液から前記冷媒ガスへの相変化が起きる蒸発部と、
前記入口に接続され、前記入口から供給された前記冷媒液を前記蒸発部へ分配する分配部と、
前記出口に接続され、前記蒸発部で発生した前記冷媒ガスを収集して前記出口へ導く集合部と、を備える冷却器において、
前記集合部は、
前記蒸発部が接続される下側部分と、
前記出口が接続され、外輪郭の内側の前面投影面積に対する実容積の比が前記下側部分よりも小さい上側部分と、からなる
ことを特徴とする冷却器。