JP2021154822A - 車両用冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ラジエータに生じる冷熱ひずみを抑制する車両用冷却装置を提供する。【解決手段】エンジン１を冷却する冷却水Ｗが循環する冷却回路１１を備え、この冷却回路１１が内部を通過する冷却水Ｗを冷却するラジエータ２０を有する車両用冷却装置１０において、ラジエータ２０を加熱する加熱装置３０と、加熱装置３０を制御する制御装置３２と、を備え、制御装置３２は冷却水Ｗがラジエータ２０の内部を通過する前にラジエータ２０の温度を冷却水Ｗの温度Ｔｗに近づけるように、加熱装置３０によりラジエータ２０を加熱する制御を行う構成である。【選択図】図１

Description

本開示は車両用冷却装置に関し、より詳細には冷却回路がエンジンを冷却する冷却水が内部を通過するラジエータを有する車両用冷却装置に関する。

冷却媒体の一部をヒータコアに循環させる装置において、ラジエータの入口側タンクを第一室と第二室とに区画し、第二室の内部に冷却媒体を加熱する加熱手段を備えた装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−２６０６３９号公報

ところで、エンジンの始動時においてラジエータの温度は外気温度に応じた温度になっている場合がある。エンジンが始動して８０度程度に昇温した冷却水がそのラジエータの内部を流れると、ラジエータが外気温度からその冷却水の温度まで急激に昇温することになる。このようなラジエータの急激な昇温はラジエータに冷熱ひずみが生じる原因となっている。

上記の特許文献１に記載の装置は、ラジエータからヒータコアに流れる冷却媒体を加熱するものであり、エンジンの始動時においては前述したように冷えたラジエータに昇温された冷却水が流れることになる。それ故、ラジエータに冷熱ひずみが発生していた。

本開示の目的は、ラジエータに生じる冷熱ひずみを抑制する車両用冷却装置を提供することである。

上記の目的を達成する本発明の一態様の車両用冷却装置は、エンジンを冷却する冷却水が循環する冷却回路を備え、この冷却回路が内部を通過する前記冷却水を冷却するラジエータを有する車両用冷却装置において、前記ラジエータを加熱する加熱装置と、前記加熱装置を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は前記冷却水が前記ラジエータの内部を通過する前に前記ラジエータの温度を前記冷却水の温度に近づけるように、前記加熱装置により前記ラジエータを加熱する制御を行う構成にしたことを特徴とする。

本発明の一態様によれば、冷却水がラジエータの内部を通過する前に加熱装置によるラジエータの加熱によりラジエータと冷却水との温度差を小さくすることができる。これにより、温度差に起因してラジエータに生じる冷熱ひずみを抑制することができる。

実施形態の車両用冷却装置を例示する構成図である。 図１のラジエータと加熱装置とを例示する斜視図である。 実施形態の車両用冷却装置の制御方法を例示するフロー図である。

以下に、本開示における車両用冷却装置の実施形態について説明する。図中において、Ｘ方向を車両の前後方向でラジエータ２０を通過する冷却風の流れる方向とし、Ｙ方向を車両の幅方向とし、Ｚ方向を鉛直方向とする。なお、白抜き矢印は冷却風の流れを示し、塗り潰し矢印は冷却水Ｗの流れを示すものとする。

図１に例示するように、実施形態の車両用冷却装置１０はエンジン１を冷却する装置であり、冷却水Ｗがエンジン１の冷却器２を通過して冷却対象機器と熱交換を行うことで、冷却対象機器を冷却している。本開示において、冷却器２としては、ウォータジャケット、インタークーラ、再循環排気用のクーラが例示される。

車両用冷却装置１０は、冷却水Ｗが循環する冷却回路１１を備え、冷却回路１１がウォータポンプ１２、冷却器２、サーモスタット１３、ラジエータ２０が介設された冷却路１４およびその冷却路１４を迂回する迂回路１５を有する。冷却回路１１において、冷却水Ｗは、ウォータポンプ１２、冷却器２、サーモスタット１３、ラジエータ２０が介設された冷却路１４およびその冷却路１４を迂回する迂回路１５、並びにウォータポンプ１２の順に循環するように構成される。また、車両用冷却装置１０は、冷却ファン１６を備える。

ウォータポンプ１２は機械式であって、エンジン１のクランクシャフト３からの回転動力が無端状のベルトやギア機構などの動力伝達機構４を介して伝達され、その回転動力により駆動される。ウォータポンプ１２の回転速度はエンジン１の回転速度に依存するが、動力伝達機構４を制御することでその回転速度を調節することが可能な構成にしてもよい。また、ウォータポンプ１２は電動モータからの回転動力により駆動される電動式のウォータポンプで構成してもよい。

サーモスタット１３は冷却器２を通過後の冷却路１４および迂回路１５の分岐点に配置される。サーモスタット１３は冷却水Ｗの温度上昇に伴って膨張し、冷却水Ｗの温度低下に伴って収縮する性質を有する熱膨張体により伸縮動作するリフタ（図示しない）を有して、冷却水Ｗの温度に応じてそのリフタが伸縮することで、冷却路１４および迂回路１５に流れる冷却水Ｗの流量を調節する。サーモスタット１３は全開状態で冷却水Ｗを冷却路１４のみに流し、全閉状態で冷却水Ｗを迂回路１５のみに流すように構成される。なお、サーモスタット１３はリフトを電熱により強制的に伸縮動作させる電熱式サーモスタットで構成してもよい。

本実施形態において、冷却回路１１は冷却器２を通過後でラジエータ２０が介在する冷却路１４および迂回路１５を通過前の流路にサーモスタット１３が配置された出口制御式である。出口制御式の冷却回路１１は、エア抜き性を向上でき、かつキャビテーションの発生を抑制できるので耐久性の向上に有利になり、特に、トラックなどの大型車両には好適である。なお、冷却回路１１としては、出口制御式に代えて、ラジエータ２０を通過後で冷却器２を通過する前の流路にサーモスタット１３が配置された入口制御式でもよい。入口制御式の冷却回路は出口制御式の冷却回路１１と比較して冷却水Ｗの温度調整の面で有利になる。

ラジエータ２０はエンジン１が搭載された車両の前方側（図１の左側）に配置されて、ラジエータ２０の後方側には冷却ファン１６が配置される。ラジエータ２０は車速風と後続の冷却ファン１６による冷却風とを利用して内部を通過する冷却水Ｗを冷却する熱交換器である。

ラジエータ２０は入口タンク２１と出口タンク２２と熱交換コア２３とを有して構成される。本実施形態のラジエータ２０は入口タンク２１および出口タンク２２がＺ方向上下に配置されて、冷却水Ｗが熱交換コア２３をＺ方向上方から下方に向かって流れるダウンフロー式のラジエータで構成される。ラジエータ２０は、入口タンク２１および出口タンク２２がＹ方向左右に配置されて、冷却水Ｗが熱交換コア２３をＹ方向に流れるクロスフロー式のラジエータでもよい。

冷却路１４はその中途位置にラジエータ２０が設けられて冷却水Ｗがラジエータ２０により冷却される流路である。迂回路１５は冷却路１４を迂回して冷却水Ｗがラジエータ２０により冷却されない流路である。

冷却ファン１６は機械式であって、エンジン１のクランクシャフト３からの回転動力がファンクラッチ１７を介して伝達され、その回転動力により駆動される。冷却ファン１６はファンクラッチ１７により駆動する温度帯が調節される。例えば、エンジン１の暖機時にファンクラッチ１７により冷却ファン１６の駆動が停止される。冷却ファン１６の回転速度はエンジン１の回転速度に依存するが、ファンクラッチ１７を制御することでその回転速度を調節することが可能な構成にしてもよい。

本実施形態の車両用冷却装置１０は、加熱装置３０、温度取得装置３１、および、制御装置３２を備えて、制御装置３２がラジエータ２０の内部を冷却水Ｗが通過する前にラジエータ２０の温度Ｔｒを冷却水Ｗの温度Ｔｗに近づけるように、加熱装置３０によりラジエータ２０を加熱する制御を行う構成である。また、車両用冷却装置１０は、その加熱する制御を冷却水Ｗがラジエータ２０を通過する前に行う構成である。

加熱装置３０はラジエータ２０の熱交換コア２３を直に加熱する装置であり、電熱線３３で構成される。加熱装置３０はバッテリ６にスイッチを介して接続される。このバッテリ６はエンジン１のクランクシャフト３からの回転動力が無端状のベルトやギア機構などの動力伝達機構７を介して伝達され、その回転動力により駆動される発電機８により充電される。

図２に例示するように、ラジエータ２０は熱交換コア２３が複数の連通管２４と冷却フィン２５とから構成される。複数の連通管２４のそれぞれは一端が入口タンク２１に連通し、他端が出口タンク２２に連通して、その内部を冷却水Ｗが通過する管である。連通管２４としてはアルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、その管厚が薄いチューブが例示される。複数の連通管２４は少なくともＹ方向に配列されていればよく、本実施形態において複数の連通管２４はＸ方向およびＹ方向に配列される。なお、熱交換コア２３のＹ方向左右端は枠組みやブラケットで構成される。

冷却フィン２５は連通管２４どうしの間に配置される。冷却フィン２５としては隣り合う連通管２４の両方に接するようにジグザク状を成すコルゲートフィンや複数の連通管２４の全てが貫通するプレートフィンが例示される。

本実施形態の加熱装置３０はラジエータ２０の熱交換コア２３を直に加熱する構成であることが望ましく、加熱装置３０は熱交換コア２３を構成する複数の連通管２４を直に加熱する構成であることがより望ましい。

電熱線３３は連通管２４の外面に直に接するように配置され、加熱装置３０は連通管２４を直に加熱するように構成される。電熱線３３は連通管２４の外面に直に接すればよく、連通管２４のＸ方向表面または裏面、Ｙ方向両側面のうちの一方の側面のいずれに配置してもよい。また、電熱線３３は連通管２４の内面に直に接するように、連通管２４の内部に配置してもよい。

本実施形態の電熱線３３は冷熱ひずみによりＹ方向外側にたわむように変形する連通管２４に配置される。具体的に、電熱線３３は熱交換コア２３のＹ方向両端部２３ａに配置された連通管２４に配置される。本開示において熱交換コア２３のＹ方向は熱交換コア２３を通過する冷却水Ｗの流れる方向であるＺ方向と、熱交換コア２３を通過する空気の流れる方向であるＸ方向との両方に直交する方向である。また、本開示において熱交換コア２３のＹ方向両端部２３ａとは熱交換コア２３の中央部を除く部位であり、Ｙ方向両端から中央部に向かって所定の本数（例えば、３〜７本）の連通管２４を含む部位である。

加熱装置３０の加熱時の温度は熱交換コア２３の表面に付着した付着物が燃焼しない温度に設定されることが望ましく、例えば、２００℃未満の温度に設定される。また、加熱装置３０の加熱時の温度は冷却水Ｗが到達する最高温度よりも高い温度に設定することで、ラジエータ２０を迅速に昇温するには有利になる。

図１に例示するように、温度取得装置３１は冷却水Ｗの温度Ｔｗを取得する装置であり、冷却器２およびサーモスタット１３の間の流路に配置される。

制御装置３２は加熱装置３０の駆動の制御を行う装置であり、加熱装置３０の駆動を制御するスイッチ、温度取得装置３１、イグニッションスイッチ９に電気的に接続される。

制御装置３２は各種情報処理を行う中央演算装置（ＣＰＵ）、その各種情報処理を行うために用いられるプログラムや情報処理結果を読み書き可能な内部記憶装置、及び各種インターフェースなどから構成されるハードウェアである。

制御装置３２は、設定温度Ｔａが予め内部記憶装置に設定される。また、制御装置３２は、加熱装置３０の駆動を判定する機能要素を有する。機能要素は、プログラムとして内部記憶装置に記憶されていて、適時、中央演算装置により実行されている。なお、機能要素としては、プログラムの他に独立して機能するプログラマブルコントローラ（ＰＬＣ）や電気回路で構成されてもよい。

設定温度Ｔａは予め実験、試験、あるいはシミュレーションにより求められた値である。設定温度Ｔａはサーモスタット１３から冷却水Ｗが冷却路１４を流れる始めるときを判定可能に設定され、より具体的にサーモスタット１３が全閉の状態から開き始めた状態になるときを判定可能な値に設定される。

図３に例示するように、車両用冷却装置１０の制御方法について制御装置３２の機能として説明する。この制御方法はエンジン１の冷間始動時に行われるものである。本開示において、冷間始動時はラジエータ２０の熱交換コア２３が外気温度と同等の状態、あるいは、その外気温度よりも低い温度になっている状態からの始動を示すものとする。

この制御方法は、冷却水Ｗがラジエータ２０の熱交換コア２３を通過する前に加熱装置３０によりラジエータ２０を昇温して、ラジエータ２０の温度を冷却水Ｗの温度Ｔｗに近づける方法である。

この制御方法は、イグニッションスイッチ９によりエンジン１が始動すると開始される。制御方法が開始すると、制御装置３２は加熱装置３０を駆動して、ラジエータ２０を加熱する制御を行う（Ｓ１１０）。ついで、制御装置３２は温度取得装置３１を介して冷却水Ｗの温度Ｔｗを取得する（Ｓ１２０）。ついで、制御装置３２は取得した温度Ｔｗが設定温度Ｔａ以上か否かを判定する（Ｓ１３０）。温度Ｔｗが設定温度Ｔａを下回る場合にサーモスタット１３は全閉の状態であり、冷却水Ｗは冷却路１４を流れずに迂回路１５のみを流れる。一方で、温度Ｔｗが設定温度Ｔａ以上（温度Ｔｗが設定温度Ｔａに等しい場合も含む）の場合にサーモスタット１３は全閉の状態から開き始め、冷却水Ｗの一部は迂回路１５を流れ、残りは冷却路１４を流れる。

温度Ｔｗが設定温度Ｔａを下回ると判定すると（Ｓ１３０：ＮＯ）、制御装置３２は加熱装置３０の駆動を維持して、ラジエータ２０の加熱を継続する。一方、温度Ｔｗが設定温度Ｔａ以上と判定すると（Ｓ１３０：ＹＥＳ）、制御装置３２は加熱装置３０の駆動を停止して、この制御方法は終了する。

本開示の車両用冷却装置１０は、エンジン１の冷間始動時にラジエータ２０の内部を冷却水Ｗが通過する前に加熱装置３０を駆動してラジエータ２０を加熱して昇温する。それ故、本開示の車両用冷却装置１０によれば、加熱装置３０によるラジエータ２０の加熱により、サーモスタット１３が開いて実際にラジエータ２０の内部を冷却水Ｗが通過し始めても、ラジエータ２０とその冷却水Ｗとの温度差を小さくすることができる。これにより、温度差に起因してラジエータ２０に生じる冷熱ひずみを抑制することができる。

車両用冷却装置１０の加熱装置３０によりラジエータ２０を加熱する制御は、イグニッションスイッチ９によるエンジン１の冷間始動時に限定されるものではない。本開示の加熱する制御はラジエータ２０の内部を冷却水Ｗが通過していない状態から冷却水Ｗが通過する前に行えばよい。

具体的に、加熱する制御は冷却水Ｗの温度Ｔｗが設定温度Ｔａを下回る場合に行い、その温度Ｔｗが設定温度Ｔａ以上となる場合に停止するとよい。そこで、上記の制御方法の開始を、イグニッションスイッチ９によるエンジン１の始動に代えて、イグニッションスイッチ９によりアクセサリ電源が通電可能な状態になり、温度取得装置３１が取得した温度Ｔｗが設定温度Ｔａを下回ると判定したときにしてもよい。

また、加熱する制御は、ラジエータ２０と冷却水Ｗとの温度差が生じている場合に行うようにしてもよい。例えば、ラジエータ２０の温度を直に取得するセンサを追加して、ラジエータ２０の温度が冷却水Ｗの温度Ｔｗよりも低い場合に、上記の制御方法を開始するようにしてもよい。

また、加熱する制御は、例えば、エンジン１の運転を停止した状態の惰性走行時にラジエータ２０の熱交換コア２３が外気温度と同等あるいはその外気温度よりも低い温度になった場合に行ってもよい。その場合に、制御装置３２はエンジン１の運転を停止した状態の惰性走行の走行時間に基づいて加熱する制御を行うか否かを判定してもよい。

また、加熱する制御はイグニッションスイッチ９によるエンジン１の始動が冷間始動か否かを判定してもよい。例えば、外気温度を取得するセンサを用いて、外気温度が所定の温度よりも低い場合に、イグニッションスイッチ９によるエンジン１を始動する場合を冷間始動と判定してもよい。

加熱する制御は冷却水Ｗの温度Ｔｗが設定温度Ｔａ以上となった場合、つまり、冷却水Ｗがラジエータ２０を通過する場合に停止する。これにより、ラジエータ２０による冷却水Ｗの冷却性能が加熱装置３０による加熱により低下する事態を回避することができる。

なお、加熱する制御はラジエータ２０の熱交換コア２３の温度が冷却水Ｗの温度Ｔｗになった場合に、熱交換コア２３の温度をそれ以上の温度に昇温させずに、維持するようにすることが好ましい。

本実施形態の車両用冷却装置１０は、加熱装置３０の電熱線３３が冷熱ひずみにより変形する連通管２４である熱交換コア２３のＹ方向両端部２３ａに配置された連通管２４に配置される。これにより、熱交換コア２３のＹ方向両端部２３ａに配置された連通管２４が冷熱ひずみによりＹ方向外側に向かってたわむことを防止することができる。

加熱装置３０の電熱線３３は熱交換コア２３のＹ方向両端部２３ａに配置された連通管２４のみに配置される構成に限定されない。例えば、電熱線３３は熱交換コア２３を構成する全ての連通管２４のそれぞれに配置されてもよい。電熱線３３が全ての連通管２４に配置されることで、熱交換コア２３の全体を迅速に加熱するには有利になる。一方で、電熱線３３を全ての連通管２４に配置すると、加熱時の消費電力が多くなる。そこで、電熱線３３は熱交換コア２３のＹ方向両端部２３ａに配置された連通管２４を少なくとも含む幾つかの連通管２４に配置されることが望ましい。

１ エンジン
１０ 車両用冷却装置
１１ 冷却回路
２０ ラジエータ
３０ 加熱装置
３１ 温度取得装置
３２ 制御装置

Claims (6)

1. エンジンを冷却する冷却水が循環する冷却回路を備え、この冷却回路が内部を通過する前記冷却水を冷却するラジエータを有する車両用冷却装置において、前記ラジエータを加熱する加熱装置と、前記加熱装置を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は前記冷却水が前記ラジエータの内部を通過する前に前記ラジエータの温度を前記冷却水の温度に近づけるように、前記加熱装置により前記ラジエータを加熱する制御を行う構成であることを特徴とする車両用冷却装置。
2. 前記ラジエータは入口タンクと出口タンクと熱交換コアとを有して構成され、
   前記加熱装置は前記熱交換コアを直に加熱する構成である請求項１に記載の車両用冷却装置。
3. 前記熱交換コアは一端が前記入口タンクに連通して他端が前記出口タンクに連通する複数の連通管とその連通管どうしの間に配置された冷却フィンとから構成され、
   前記加熱装置は前記複数の連通管のうちの少なくとも前記熱交換コアの前記冷却水が流れる方向と前記熱交換コアを通過する空気の流れる方向との両方に直行する方向の両端部に配置された連通管を含む幾つかの連通管を直に加熱する装置である請求項２に記載の車両用冷却装置。
4. 前記制御装置はイグニッションスイッチに接続されてなり、前記イグニッションスイッチにより前記エンジンが冷間始動する場合に前記加熱する制御を行う構成である請求項１〜３のいずれか１項に記載位の車両用冷却装置。
5. 前記冷却回路は前記ラジエータが介在する冷却路とこの冷却路を迂回する迂回路と前記冷却路および前記迂回路の分岐点または合流点のいずれかに配置されたサーモスタットとを有して構成され、前記冷却水の温度を取得する温度取得装置を備え、
   前記制御装置は前記温度取得装置が取得した前記冷却水の温度が前記サーモスタットにより前記冷却水が前記冷却路を流れることを判定可能に設定された設定温度以上の場合に前記加熱する制御を停止する構成である請求項１〜４のいずれか１項に記載の車両用冷却装置。
6. 前記制御装置は前記温度取得装置が取得した前記冷却水の温度が前記設定温度未満の場合に前記加熱する制御を行う構成である請求項５に記載の車両用冷却装置。

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