JP4802703B2 - 車両用機器の暖機装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両に搭載された機器を暖機する暖機装置に関するもので、特に、燃料電池車における燃料電池の暖機に好適なものである。

水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池は、発電に伴い内部で発生した水分が低温環境下で凍結してしまい、燃料電池が始動しないあるいは出力が低下するという問題がある。このため、低温起動時には、加熱器で加熱された熱媒体（例えば温水）を燃料電池に循環させ、燃料電池を暖機するようにしている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１９２９５９号公報

しかしながら、加熱器は圧力損失が大きいため、燃料電池に必要な流量が流せない、または、熱媒体の流れを発生させるポンプの動力が大きくなるという問題が発生する。そして、燃料電池に必要流量が流せない場合、燃料電池内の温度が均一になりにくく、燃料電池の性能や信頼性を確保することが困難である。また、燃料電池の暖機に限らず、車両に搭載された他の機器を暖機する場合にも、加熱器の圧力損失が大きいことに基づいて、同様の問題が発生する。

本発明は上記点に鑑みて、加熱器を備える車両用機器の暖機装置において、ポンプ動力の増加を抑制しつつ、機器に必要な流量を確保可能にすることを目的とする。

本発明は、車両に搭載された機器（１０）と熱交換する熱媒体を循環させる主循環回路（２０）中に、熱媒体を冷却するラジエータ（２２）および熱媒体を加熱する加熱器（２３）を備える車両用機器の暖機装置において、加熱器（２３）をバイパスして主循環回路（２０）に接続されたバイパス循環回路（２４）と、このバイパス循環回路（２４）中に設けられた固定絞り（２６、２６ａ、２６ｂ）とを備え、主循環回路（２０）は、ラジエータ（２２）が配置された第１主循環回路（２０ａ）と、加熱器（２３）が配置された第２主循環回路（２０ｂ）とに分岐され、バイパス循環回路（２４）は、加熱器（２３）よりも上流側で第２主循環回路（２０ｂ）から分岐されるとともに加熱器（２３）よりも下流側で第２主循環回路（２０ｂ）に接続され、第１主循環回路（２０ａ）と第２主循環回路（２０ｂ）が合流する部位に、第１主循環回路（２０ａ）を流れる熱媒体と第２主循環回路（２０ｂ）を流れる熱媒体の流量比を調整する流量調整器（２８）が設けられ、流量調整器（２８）は、機器（１０）が低温環境下であるときに、第１主循環回路（２０ａ）には熱媒体を流さず、第２主循環回路（２０ｂ）およびバイパス循環回路（２４）には熱媒体を流すように制御されることを特徴とする。

このようにすれば、熱媒体は、加熱器（２３）が配置された主循環回路（２０）およびバイパス循環回路（２４）の両方を流れるため、加熱器（２３）が配置された主循環回路（２０）のみを熱媒体が流れる場合よりも圧力損失が小さくなる。したがって、ポンプ動力の増加を抑制しつつ、機器（１０）に必要な流量を確保することができる。

また、バイパス循環回路（２４）を設けたことに伴い加熱器（２３）を流れる熱媒体の流量が大幅に減少してしまうと、加熱器（２３）の出口での熱媒体温度が沸騰温度に到達して加熱器（２３）の性能や信頼性を低下させる虞があるが、固定絞り（２６、２６ａ、２６ｂ）の通路面積の適合により加熱器（２３）に必要な熱媒体の流量を確保することができるため、加熱器（２３）の性能や信頼性の低下を防止することができる。

この場合、固定絞り（２６）が形成された絞り部材（２７）を、バイパス循環回路（２４）中に挿入することができる。このようにすれば、絞り部材（２７）を取り替えるのみで、加熱器（２３）を流れる熱媒体と固定絞り（２６）を流れる熱媒体の流量比を調整することができる。また、固定絞り（２６）が形成された絞り部材（２７）を円筒形状にすれば、絞り部材（２７）を容易に製作することができる。

固定絞り（２６ａ）は、バイパス循環回路（２４）を構成する配管に一体に形成することができる。このようにすれば、部品点数の増加を抑制することができる。

固定絞り（２６ｂ）は、主循環回路（２０）とバイパス循環回路（２４）とを接続するジョイント（２５）に一体に形成することができる。このようにすれば、部品点数の増加を抑制することができる。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した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ものである。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。図１は第１実施形態に係る車両用機器の暖機装置を適用した加熱冷却システムの構成図である。

図１に示すように、加熱冷却システムは、電気自動車の電源となる燃料電池１０に熱媒体を循環させるための主循環回路２０を備えている。なお、熱媒体としては、一般的な不凍液冷却水を用いることができる。また、燃料電池１０は、車両に搭載された機器に相当する。

主循環回路２０中には、熱媒体の流れを発生させる電動式のポンプ２１が配置されており、ポンプ２１の作動により、熱媒体が図中の矢印Ａの向きに流れるようになっている。

主循環回路２０は、途中で分岐された第１主循環回路２０ａおよび第２主循環回路２０ｂを有している。具体的には、主循環回路２０は、空気と熱交換して熱媒体を冷却するラジエータ２２が配置された第１主循環回路２０ａと、熱媒体を加熱する加熱器２３が配置された第２主循環回路２０ｂとに分岐されている。この主循環回路２０は、ゴムホース、樹脂配管、または金属配管で構成されている。なお、加熱器２３は、例えばニクロム線やセラミックを用いた電気ヒータ、燃焼式ヒータ、ヒートポンプ等を用いることができる。

第２主循環回路２０ｂには、加熱器２３をバイパスするバイパス循環回路２４が接続されている。第２主循環回路２０ｂとバイパス循環回路２４は、樹脂製のジョイント２５にて接続されている。バイパス循環回路２４は、ゴムホース、樹脂配管、または金属配管で構成されている。

バイパス循環回路２４には、固定絞り２６が設けられている。具体的には、図２に示すように、固定絞り２６は絞り部材２７に形成されており、この絞り部材２７がバイパス循環回路２４に挿入されている。絞り部材２７は、樹脂または金属製で、円筒状に形成されており、バイパス循環回路２４を構成するホースまたは配管に圧入されている。

図１に戻り、第１主循環回路２０ａと第２主循環回路２０ｂが合流する部位には、ラジエータ２２を流れる熱媒体と加熱器２３および固定絞り２６を流れる熱媒体の流量比を調整する流量調整器２８が設けられている。この流量調整器２８は、例えばステップモータにてロータリ弁を駆動して流量比を調整するものを用いることができる。

加熱冷却システムは、図示しないＥＣＵを備え、そのＥＣＵには、燃料電池１０の温度を検出する図示しない温度センサからの信号が入力されるようになっている。そして、ＥＣＵは、燃料電池１０の温度に応じて、ポンプ２１、加熱器２３および流量調整器２８を以下のように制御する。

まず、燃料電池１０を低温環境下で起動させる時には、ポンプ２１を作動させて熱媒体を循環させるとともに、加熱器２３を作動させて熱媒体を加熱する。このとき、ラジエータ２２が配置された第１主循環回路２０ａには熱媒体を流さない状態に流量調整器２８を制御する。このため、熱媒体は、加熱器２３が配置された第２主循環回路２０ｂおよび絞り部材２７が挿入されたバイパス循環回路２４を流れる。そして、加熱器２３で加熱された熱媒体が燃料電池１０に循環し、熱媒体と燃料電池１０との間で熱交換して燃料電池１０が暖機される。

次に、燃料電池１０の発電に伴って発生する熱および熱媒体の熱により燃料電池１０の温度が上昇すると、加熱器２３による熱媒体の加熱を中止するとともに、ラジエータ２２が配置された第１主循環回路２０ａにも熱媒体が流れる状態に流量調整器２８を制御する。これにより、ラジエータ２２に流れた熱媒体が空気と熱交換し、燃料電池１０で発生した熱がラジエータ２２で放熱される。

燃料電池１０の温度がさらに上昇すると、ラジエータ２２が配置された第１主循環回路２０ａに全ての熱媒体が流れ、加熱器２３が配置された第２主循環回路２０ｂおよび絞り部材２７が挿入されたバイパス循環回路２４には熱媒体が流れない状態に、流量調整器２８を制御する。これにより、ラジエータ２２での空気と熱媒体との熱交換を促進して冷却能力を高める。

本実施形態では、加熱器２３が配置された第２主循環回路２０ｂを熱媒体が流れる時には、絞り部材２７が挿入されたバイパス循環回路２４も熱媒体が流れるため、第２主循環回路２０ｂのみを熱媒体が流れる場合よりも圧力損失が小さくなる。したがって、ポンプ２１の動力の増加を抑制しつつ、燃料電池１０に必要な流量を確保することができる。

また、バイパス循環回路２４を設けたことに伴い加熱器２３を流れる熱媒体の流量が大幅に減少してしまうと、加熱器２３の出口での熱媒体温度が沸騰温度に到達して加熱器２３の性能や信頼性を低下させる虞があるが、固定絞り２６の通路面積の適合により加熱器２３に必要な熱媒体の流量を確保することができるため、加熱器２３の性能や信頼性の低下を防止することができる。

さらに、バイパス循環回路２４を構成するホースまたは配管と絞り部材２７は別体であるため、絞り部材２７を取り替えるのみで、加熱器２３を流れる熱媒体と固定絞り２６を流れる熱媒体の流量比を調整することができる。また、絞り部材２７を取り替えることで加熱器２３を改良することなく主循環回路２０およびバイパス循環路２４を流れる熱媒体の総流量を調整することができるため、複数の異なる車種間で一種類の加熱器２３を共通使用することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。図３は第２実施形態に係る車両用機器の要部の断面図である。

図３に示すように、本実施形態は、バイパス循環回路２４を樹脂配管または金属配管で構成し、その配管の内径を部分的に小さくして固定絞り２６ａを形成している。このようにすれば、絞り部材２７（図２参照）が不要であり、部品点数の増加を抑制することができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。図４は第３実施形態に係る車両用機器の要部の断面図である。

図４に示すように、本実施形態は、第２主循環回路２０ｂとバイパス循環回路２４とを接続する樹脂製のジョイント２５に、固定絞り２６ｂを形成している。このようにすれば、絞り部材２７（図２参照）が不要であり、部品点数の増加を抑制することができる。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態について説明する。図５は第４実施形態に係る車両用機器の暖機装置を適用した加熱冷却システムの構成図である。第１実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。

第１実施形態では、加熱器２３および絞り部材２７をラジエータ２２に対して並列に配置して、燃料電池１０の温度が上昇した場合には加熱器２３および絞り部材２７には熱媒体が流れないようにしたが、本実施形態では、加熱器２３および絞り部材２７をラジエータ２２に対して直列に配置して、加熱器２３および絞り部材２７に常時熱媒体が流れるようにしたものである。

具体的には、図５に示すように、燃料電池１０の熱媒体出口側と、第１主循環回路２０ａおよび第２主循環回路２０ｂの分岐部との間に、加熱器２３および絞り部材２７を配置する。或いは、流量調整器２８の熱媒体出口側とポンプ２１の熱媒体入口側との間に、加熱器２３および絞り部材２７を配置してもよいし、さらには、ポンプ２１の熱媒体出口側と燃料電池１０の熱媒体入口側との間に、加熱器２３および絞り部材２７を配置してもよい。

（他の実施形態）
上記第１実施形態では、ラジエータ２２の熱媒体流れ下流側で、且つ加熱器２３および絞り部材２７の熱媒体流れ下流側に、流量調整器２８を配置したが、ラジエータ２２の熱媒体流れ上流側で、且つ加熱器２３および絞り部材２７の熱媒体流れ上流側に、流量調整器２８を配置してもよい。

また、上記各実施形態では、流量調整器２８としてステップモータにてロータリ弁を駆動して流量比を調整するものを用いたが、周知のサーモスタット弁を用いることができる。

本発明の第１実施形態に係る車両用機器の暖機装置を適用した加熱冷却システムの構成図である。 図１の絞り部材２７近傍の断面図である。 本発明の第２実施形態に係る車両用機器の要部の断面図である。 本発明の第３実施形態にに係る車両用機器の要部の断面図である。 本発明の第４実施形態に係る車両用機器の暖機装置を適用した加熱冷却システムの構成図である。

符号の説明

１０…燃料電池（機器）、２０…主循環回路、２１…ポンプ、２３…加熱器、２４…バイパス循環回路、２６、２６ａ、２６ｂ…固定絞り。

Claims (6)

1. 車両に搭載された機器（１０）と熱交換する熱媒体を循環させる主循環回路（２０）と、この主循環回路（２０）中に配置されて前記熱媒体の流れを発生させるポンプ（２１）と、前記主循環回路（２０）中に配置されて空気と熱交換して前記熱媒体を冷却するラジエータ（２２）と、前記主循環回路（２０）中に配置されて前記熱媒体を加熱する加熱器（２３）とを備える車両用機器の暖機装置において、
   前記加熱器（２３）をバイパスして前記主循環回路（２０）に接続されたバイパス循環回路（２４）と、このバイパス循環回路（２４）中に設けられた固定絞り（２６、２６ａ、２６ｂ）とを備え、
   前記主循環回路（２０）は、前記ラジエータ（２２）が配置された第１主循環回路（２０ａ）と、前記加熱器（２３）が配置された第２主循環回路（２０ｂ）とに分岐され、
   前記バイパス循環回路（２４）は、前記加熱器（２３）よりも上流側で前記第２主循環回路（２０ｂ）から分岐されるとともに前記加熱器（２３）よりも下流側で前記第２主循環回路（２０ｂ）に接続され、
   前記第１主循環回路（２０ａ）と前記第２主循環回路（２０ｂ）が合流する部位に、前記第１主循環回路（２０ａ）を流れる前記熱媒体と前記第２主循環回路（２０ｂ）を流れる前記熱媒体の流量比を調整する流量調整器（２８）が設けられ、
   流量調整器（２８）は、前記機器（１０）が低温環境下であるときに、前記第１主循環回路（２０ａ）には前記熱媒体を流さず、前記第２主循環回路（２０ｂ）およびバイパス循環回路（２４）には前記熱媒体を流すように制御されることを特徴とする車両用機器の暖機装置。
2. 前記固定絞り（２６）が形成された絞り部材（２７）が、前記バイパス循環回路（２４）中に挿入されていることを特徴とする請求項１に記載の車両用機器の暖機装置。
3. 前記絞り部材（２７）は円筒形状であることを特徴とする請求項２に記載の車両用機器の暖機装置。
4. 前記固定絞り（２６ａ）は、前記バイパス循環回路（２４）を構成する配管に一体に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の車両用機器の暖機装置。
5. 前記主循環回路（２０）と前記バイパス循環回路（２４）とを接続するジョイント（２５）を有し、
   前記固定絞り（２６ｂ）は前記ジョイント（２５）に一体に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の車両用機器の暖機装置。
6. 前記機器は燃料電池（１０）であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の車両用機器の暖機装置。

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