JP3695438B2

JP3695438B2 - 移動体の冷却システム

Info

Publication number: JP3695438B2
Application number: JP2002300283A
Authority: JP
Inventors: 美光井上
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-10-15
Filing date: 2002-10-15
Publication date: 2005-09-14
Anticipated expiration: 2022-10-15
Also published as: DE10346975A1; JP2004131034A; US20040069012A1; US7059147B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両等の移動体に搭載された発熱体を冷却するための冷却システムに関するもので、例えば走行用駆動源として内燃機関（エンジン）と電動モータとを切り替えて走行するハイブリッド自動車のバッテリ冷却に用い有効である。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来、走行用電動モータに電力を供給するバッテリを冷却するに当たっては、室内に吹き出された空調風の一部を専用の送風機にて吸引してバッテリに供給していた。
【０００３】
しかし、室内に吹き出される空調風は、エンジン又は電動モータ等の動力源にて圧縮機を稼動させて冷却された空気であるので、空調風を用いてバッテリを冷却すると、空調装置の消費動力が増大し、車両燃費が悪化するおそれが高い。
【０００４】
本発明は、上記点に鑑み、第１には、従来と異なる新規な冷却システムを提供し、第２には、冷却システムを稼動させるに必要なエネルギを低減することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、移動体に搭載された第１発熱体（１）から吸熱し、その吸熱した熱により稼働する冷凍機（６）によって、移動体に搭載された第２発熱体（３）を冷却することを特徴とする。
【０００６】
これにより、空調風を用いてバッテリを冷却する場合に比べて、第２発熱体（３）の冷却システムを稼動させるに必要なエネルギを大幅に低減することが可能となる。
【０００７】
また、請求項１に記載の発明では、冷凍機（６）は、第１発熱体（１）に加熱された流体を高速で噴射させ、この高速で噴射する流体の巻き込み作用により冷媒を循環させるエジェクタポンプ（８）と、エジェクタポンプ（８）から吐出する冷媒を冷却する放熱器（９）と、冷媒を蒸発させて冷凍能力を発生させる蒸発器（１１）と、移動体外の空気の温度と移動体内の空気の温度とを比較し、温度の低い空気を放熱用空気として放熱器（９）に供給する冷却空気切替手段（１０）とを有して構成されていることを特徴とする。
【０００９】
これにより、第２発熱体（３）の冷却システムを稼動させるに必要なエネルギを更に低減しつつ、第２発熱体（３）の冷却能力を向上させることができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明では、第２発熱体（３）への送風量を増加させて第２発熱体（３）を冷却するための冷却能力を増加させる冷却風増加モード、放熱用空気の量を増加させて第２発熱体（３）を冷却するための冷却能力を増加させる放熱用空気増加モードの順で実行する冷却モードを選択実行する冷却モード選択手段を有することを特徴とする。
【００１１】
これにより、第２発熱体（３）の冷却に必要なエネルギが増大することを抑制しつつ、第２発熱体（３）を冷却することができる。
【００１２】
請求項３に記載の発明では、第２発熱体（３）には、蒸発器（１１）を通過した空気が送風され、さらに、冷却モード選択手段は、放熱用空気を送風する送風機（１５）を停止させた状態から冷却風増加モードを実行し始めることを特徴とする。
【００１３】
これにより、第２発熱体（３）の冷却に必要なエネルギが増大することを抑制しつつ、第２発熱体（３）を冷却することができる。
【００１４】
請求項４に記載の発明では、冷却モード選択手段は、放熱用空気切替モードを実行した後、冷却気切替手段（１０）を作動させることを特徴とする。
【００１５】
これにより、第２発熱体（３）の冷却に必要なエネルギが増大することを抑制しつつ、第２発熱体（３）を冷却することができる。
【００１６】
請求項５に記載の発明では、冷却モード選択手段は、放熱用空気として移動体外の空気を放熱器（９）に供給し得る状態として、冷却風増加モード又は放熱用空気増加モードを実行することを特徴とする。
【００１７】
これにより、空調装置の熱負荷に影響を与える、つまり第２発熱体（３）を冷却するために車室内空気の温度が上昇変化してしまうことを最小限に止めつつ、第２発熱体（３）を冷却することができる。
【００１８】
請求項６に記載の発明では、冷却風増加モード及び放熱用空気切替モードのうち少なくとも一方のモードにおいて、送風量は、可能最大送風量未満の範囲で制御されることを特徴とする。
【００１９】
これにより、送風に伴う騒音が大きくなってしまうことを抑制しつつ、第２発熱体（３）を冷却することができる。
【００２０】
請求項７に記載の発明では、冷却モード選択手段は、移動体外の空気の温度と移動体内の空気の温度とを比較して温度の低い空気を放熱器（９）に供給するとともに、放熱器（９）及び第２発熱体（３）への送風量を可能最大送風量とする緊急冷却モードを有することを特徴とする。
【００２１】
これにより、通常運転時には、送風に伴う騒音が大きくなってしまうことを抑制しながら第２発熱体（３）を冷却することができ、また、異常温度上昇時にあっては速やかに第２発熱体（３）の温度を低下させることができる。
【００２２】
因みに、上記各手段の括弧内の符号は、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。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本実施形態は、本発明に係る移動体の冷却システムをハイブリッド自動車のバッテリ冷却装置に適用したものであり、図１は本実施形態に係るバッテリ冷却装置の模式図である。
【００２４】
エンジン１は走行用駆動源をなす内燃機関であり、電動モータ２はエンジン１と共に走行用駆動源を構成し、車両の運転状況に応じてエンジン１及び電動モータ２の出力を制御する。
【００２５】
バッテリ３は主に電動モータ２に電力を供給する二次電池であり、ラジエータ４はエンジン１を冷却する冷却水と外気とを熱交換させて冷却水を冷却する熱交換器であり、ヒータ５は冷却水を熱源として室内に吹き出す空気を加熱する加熱器である。
【００２６】
なお、バイパス回路４ａはエンジン１から流出した冷却水をラジエータ４を迂回させてエンジン１に戻すことによりエンジン１か過冷却されてしまうことを防止するものであり、サーモスタット４ｂはラジエータ４を流れる冷却水量とバイパス回路４ａを流れる冷却水量とを調節することによりエンジン１の温度が所定範囲となるようにする流量制御弁であり、ウォータポンプ１ａは冷却水を循環させるものである。
【００２７】
また、一点鎖線で囲まれた部分は、エンジン１の廃熱により稼動する冷凍機６、つまりランキンサイクル方式の熱サイクルであり、以下、冷凍機６について述べる。
【００２８】
廃熱回収器７は冷却水と冷媒とを熱交換することにより、第１発熱体をなすエンジン１から廃熱を回収する熱交換器であり、エジェクタ８は、廃熱回収器７に加熱されて過熱蒸気となった冷媒を高速で噴射させ、この高速で噴射する流体の巻き込み作用により冷媒を循環させるポンプ（ＪＩＳＺ８１２６番号２．１．２．３等参照）である。
【００２９】
なお、エジェクタ８は、流入する高圧冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を等エントロピ的に減圧膨張させるノズル、ノズルから噴射する高い速度の冷媒流の巻き込み作用により蒸発した気相冷媒を吸引しながら、ノズルから噴射する冷媒流とを混合する混合部、及びノズルから噴射する冷媒と蒸発器３０から吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させるディフューザ等からなるものである。
【００３０】
このとき、混合部においては、ノズルから噴射する駆動流の運動量と吸引される吸引流の運動量との和が保存されるように駆動流と吸引流とが混合するので、混合部においても冷媒の圧力が（静圧）が上昇する。一方、ディフューザにおいては、通路断面積を徐々に拡大することにより、冷媒の速度エネルギ（動圧）を圧力エネルギ（静圧）に変換するので、エジェクタ８においては、混合部及びディフューザの両者にて冷媒圧力を昇圧する。
【００３１】
因みに、本実施形態では、ノズルから噴出する冷媒の速度を音速以上まで加速するために、通路途中に通路面積が最も縮小した喉部を有するラバールノズル（流体工学（東京大学出版会）参照）を採用しているが、勿論、先細ノズルを採用してもよいことは言うまでもない。
【００３２】
また、放熱器９はエジェクタ８から流出した冷媒を冷却する熱交換器であり、冷却空気切替装置１０は、放熱器９に供給する放熱用空気として室内空気を供給する場合と室外空気とを供給する場合とを切り替える冷却空気切替手段である。
【００３３】
蒸発器１１はバッテリ３を冷却する冷却流体をなす冷却空気を冷却する冷却器であり、この蒸発器１１は減圧された液相冷媒と冷却空気とを熱交換させて液相冷媒を蒸発させることにより冷凍能力を発生させるものである。
【００３４】
絞り１２は蒸発器１１に流入する冷媒を減圧するものであり、本実施形態ではキャピラリーチューブやオリフィス等の絞り開度が固定された減圧手段を採用しているが、例えば温度式膨脹弁のごとく、蒸発器１１出口側の冷媒過熱度が所定値となるように絞り開度を可変制御するものであってもよい。
【００３５】
気液分離器１３は放熱器９から流出した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して余剰冷媒を蓄えるとともに、気相冷媒を廃熱回収器７側に供給し、液相冷媒を蒸発器１１側に供給するものである。
【００３６】
冷媒ポンプ１４は気液分離器１３から冷媒を吸引して廃熱回収器７に冷媒供給するもので、この冷媒ポンプ１４は廃熱回収器７で発生した過熱蒸気が気液分離器１３側に逆流しない程度の吐出圧を発生させるものである。
【００３７】
放熱器用送風機１５は放熱器９に放熱用空気を送風するもので、蒸発器用送風機１６は、蒸発器１１の空気流れ上流側に配置されて室内から空気を吸引してバッテリ３に冷却用空気を送風するものであり、両送風機１５、１６及び冷却空気切替装置１０等は、バッテリ３の温度を検出するバッテリ温度センサの検出温度が入力された電子制御装置により制御されている。
【００３８】
なお、両送風機１５、１６の送風能力は、停止状態から最大送風量までｏｆｆ、Ｌｏ、Ｍｅ、Ｈｉの４段階で制御される。
【００３９】
次に、冷凍機６の概略作動を述べる。
【００４０】
廃熱回収器７からノズルに流入した過熱蒸気によりエジェクタ８にポンプ作用が発生し、気液分離器１３→絞り１２→蒸発器１１→エジェクタ８→気液分離器１３順で循環する冷媒流れが発生するので、蒸発器１１にて冷却された冷却用空気がバッテリ３に送風される。
【００４１】
一方、冷媒ポンプ１４にて廃熱回収器７に送られた冷媒は、廃熱回収器７にて加熱されてエジェクタ８に流入する。なお、廃熱回収器７に供給する冷媒は、気相冷媒のみとすることが望ましいが、気液二相状態の冷媒を供給してもよい。
【００４２】
因みに、図２は、冷媒の種類及び廃熱温度をパラメータとする、放熱用空気の温度と蒸発器１１で発生する冷凍能力との関係を示すものである。
【００４３】
次に、バッテリ冷却装置の概略作動を図３に示すフローチャートに基づいて述べる。
【００４４】
この制御フローは車両の始動スイッチが投入されると同時に起動されるもので、始動スイッチが投入されると、両送風機１５、１６を停止状態とするとともに、冷却空気切替装置１０は外気を導入する外気導入モードとする（Ｓ１０）。
【００４５】
次に、電池温度（バッテリ温度センサの検出温度）Ｔｂが所定温度Ｔｏ以下か否かを判定し（Ｓ２０）、電池温度Ｔｂが所定温度Ｔｏより高いときには、蒸発器用送風機１６をＬｏで稼動させる（Ｓ３０）。なお、所定温度Ｔｏとは、バッテリ３を稼動させるに適切な温度（例えば、４０℃）である。
【００４６】
因みに、このとき、放熱器用送風機１５は停止しているので、蒸発器１１では殆ど冷凍能力が発生しないので、バッテリ３に供給される冷却風の温度は、室内空気温度の略等しい。
【００４７】
そして、Ｓ３０にて実行される冷却モードにて電池温度Ｔｂを所定温度Ｔｏ以下まで低下させることができないときには（Ｓ４０）、蒸発器用送風機１６をＭｅで稼動させてバッテリ３への冷却風量をそれ以前より増大させる（Ｓ５０)。
【００４８】
次に、Ｓ５０にて実行される冷却モードにて電池温度Ｔｂを所定温度Ｔｏ以下まで低下させることができないときには（Ｓ６０）、放熱器用送風機１５をＬｏで稼動させて蒸発器１１で冷凍能力を発生させてバッテリ３に供給する冷却風の温度をそれ以前より低下させる（Ｓ７０)。
【００４９】
そして、Ｓ７０にて実行される冷却モードにて電池温度Ｔｂを所定温度Ｔｏ以下まで低下させることができないときには（Ｓ８０）、放熱器用送風機１５をＭｅで稼動させて蒸発器１１で発生する冷凍能力を増大させてバッテリ３に供給する冷却風の温度をそれ以前より低下させる（Ｓ９０)。
【００５０】
次に、Ｓ９０にて実行される冷却モードにて電池温度Ｔｂを所定温度Ｔｏ以下まで低下させることができないときには（Ｓ１００）、室外空気の温度Ｔａｍと室内空気の温度Ｔｒとを比較して、温度の低い方の空気を放熱器９に導入する（１１０、Ｓ１２０）。
【００５１】
なお、本実施形態では、夏場等の比較的に外気温度が高い季節を想定して実施例を説明しているため、通常、室内空気が導入される内気導入モードが実行されるが、冬場等の外気温度が低い場合には、外気導入モードが実行され得る。
【００５２】
ところで、通常の使用状態においては、Ｓ１２０まで冷却モードにて電池温度Ｔｂを所定温度Ｔｏ以下まで低下させることができるように、冷凍機６や送風機１５、１６の能力が選定されているが、漏電等の不慮の事態が発生して電池温度Ｔｂが過度に上昇する場合がある得る。
【００５３】
そこで、本実施形態では、Ｓ１２０までの冷却モードにて電池温度Ｔｂを所定温度Ｔｏ以下まで低下させることができなかった場合には（Ｓ１３０）、緊急冷却モードとして、両送風機１５、１６を可能最大送風量、すなわちＨｉで稼動させる（Ｓ１４０）。
【００５４】
なお、緊急冷却モード時には、警告灯やブザー等の警告手段によりその旨を乗員に警告する。
【００５５】
次に、本実施形態の特徴を述べる。
【００５６】
本実施形態では、エンジン１の廃熱にて稼動する冷凍機６にて稼動する冷凍機６にてバッテリ３を冷却するので、空調風を用いてバッテリを冷却する場合に比べて、バッテリ３の冷却システムを稼動させるに必要なエネルギを大幅に低減することが可能となる。
【００５７】
また、室外空気の温度Ｔａｍと室内空気の温度Ｔｒとを比較して、温度の低い方の空気を放熱器９に供給するので、バッテリ３の冷却システムを稼動させるに必要なエネルギを更に低減しつつ、バッテリ３の冷却能力を向上させることができる。
【００５８】
また、放熱用空気として車室外空気を放熱器９に供給し得る状態、つまり外気導入モードとして、冷却風増加モード（Ｓ２０〜Ｓ５０）及び放熱用空気増加モード（Ｓ６０〜Ｓ９０）を実行するので、空調装置の熱負荷に影響を与える、つまりバッテリ３を冷却するために車室内空気の温度が上昇変化してしまうことを最小限に止めつつ、バッテリ３を冷却することができる。
【００５９】
また、冷却風増加モード、放熱用空気増加モードの順で冷却モードを切り替えた後、冷却空気切替装置１０を作動させるので、バッテリ冷却装置の消費エネルギが増大することを抑制しつつ、バッテリ３を冷却することができる。
【００６０】
また、冷却風増加モード及び放熱用空気増加モードの実行時には、両送風機１５、１６の送風能力を可能最大送風量未満の所定量としているので、送風に伴う騒音が大きくなってしまうことを抑制しつつ、バッテリ３を冷却することができる。
【００６１】
さらに、緊急冷却モードを有しているので、通常運転時には、送風に伴う騒音が大きくなってしまうことを抑制しながらバッテリ３を冷却することができ、また、異常温度上昇時にあっては速やかに電池温度Ｔｂを低下させることができる。
【００６２】
（その他の実施形態）
上述の実施形態では、外気導入モードとした状態で冷却システムを始動させたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば室外空気の温度Ｔａｍと室内空気の温度Ｔｒとを比較して、温度の低い方の空気を放熱器９に供給し得る状態としてから冷却システムを始動させてもよい。
【００６３】
また、上述の実施形態では、蒸発器用送風機１６は室内から空気を吸引して蒸発器１１に送風したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば室外から空気を吸引する、又は室外空気の温度Ｔａｍと室内空気の温度Ｔｒとを比較して温度の低い方の空気を吸引する等してもよい。
【００６４】
また、上述の実施形態では、廃熱を利用した冷凍機６としてエジェクタ８を用いた蒸気圧縮式冷凍機であったが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば吸着式（吸収式）冷凍機等であってもよい。
【００６５】
また、冷凍機６の廃熱はエンジン１の廃熱に限定されるものではなく、インバータ等の電気機器から廃熱であってもよい。したがって、本発明の適用はハイブリッド自動車に限定されるものではない。
【００６６】
また、上述の実施形態では、両送風機１５、１６は４段階で送風能力が制御されるものであったが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００６７】
また、上述の実施形態では、バッテリ３に空気を送風してバッテリ３を冷却したが、本発明はこれに限定されるものではなく、水等の液体を循環させてバッテリ３を冷却してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態のバッテリ冷却システムを示す模式図である。
【図２】冷媒の種類及び廃熱温度をパラメータとする、放熱用空気の温度と蒸発器で発生する冷凍能力との関係を示すグラフである。
【図３】本発明の実施形態のバッテリ冷却システムを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１…エンジン、７…廃熱回収器、８…エジェクタ、９…放熱器、
１０…冷却空気切替装置、１１…蒸発器、１２…絞り、１３…気液分離器、
１４…冷媒ポンプ、１５…放熱器用送風機、１６…蒸発器用送風機。

Claims

移動体に搭載された第１発熱体（１）から吸熱し、その吸熱した熱により稼働する冷凍機（６）によって、前記移動体に搭載された第２発熱体（３）を冷却する移動体の冷却システムであって、
前記冷凍機（６）は、
前記第１発熱体（１）に加熱された流体を高速で噴射させ、この高速で噴射する流体の巻き込み作用により冷媒を循環させるエジェクタポンプ（８）と、
前記エジェクタポンプ（８）から吐出する冷媒を冷却する放熱器（９）と、
冷媒を蒸発させて冷凍能力を発生させる蒸発器（１１）と、
前記移動体外の空気の温度と前記移動体内の空気の温度とを比較し、温度の低い空気を放熱用空気として前記放熱器（９）に供給する冷却空気切替手段（１０）とを有して構成されていることを特徴とする移動体の冷却システム。
前記第２発熱体（３）への送風量を増加させて前記第２発熱体（３）を冷却するための冷却能力を増加させる冷却風増加モード、前記放熱用空気の量を増加させて前記第２発熱体（３）を冷却するための冷却能力を増加させる放熱用空気増加モードの順で実行する冷却モードを選択実行する冷却モード選択手段を有することを特徴とする請求１に記載の移動体の冷却システム。
前記第２発熱体（３）には、前記蒸発器（１１）を通過した空気が送風され、
さらに、前記冷却モード選択手段は、前記放熱用空気を送風する送風機（１５）を停止させた状態から前記冷却風増加モードを実行し始めることを特徴とする請求項２に記載の移動体の冷却システム。
前記冷却モード選択手段は、前記放熱用空気切替モードを実行した後、前記冷却気切替手段（１０）を作動させることを特徴とする請求項２又は３に記載の移動体の冷却システム。
前記冷却モード選択手段は、前記放熱用空気として前記移動体外の空気を前記放熱器（９）に供給し得る状態として、冷却風増加モード又は前記放熱用空気増加モードを実行することを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１つに記載の移動体の冷却システム。
前記冷却風増加モード及び前記放熱用空気切替モードのうち少なくとも一方のモードにおいて、送風量は、可能最大送風量未満の範囲で制御されることを特徴とする請求項２ないし５のいずれか１つに記載の移動体の冷却システム。
冷却モード選択手段は、前記移動体外の空気の温度と前記移動体内の空気の温度とを比較して温度の低い空気を前記放熱器（９）に供給するとともに、前記放熱器（９）及び前記第２発熱体（３）への送風量を可能最大送風量とする緊急冷却モードを有することを特徴とする請求項６に記載の移動体の冷却システム。