JP5210803B2

JP5210803B2 - 車両用排気熱回収システム

Info

Publication number: JP5210803B2
Application number: JP2008283346A
Authority: JP
Inventors: 宏起吉岡
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Calsonic Kansei Corp
Priority date: 2008-11-04
Filing date: 2008-11-04
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2028-11-04
Also published as: JP2010111168A

Description

本発明は、車外に排気する送風からの熱を回収する車両用排気熱回収システムに関する。

例えば電気自動車やハイブリッド車には、走行駆動用のバッテリが搭載される。このバッテリは、走行時の充放電によって発熱し、この充放電を繰り返すことにより高温になる。バッテリ（リチウムイオンバッテリなど）は、一般的に所定以上の高温になると劣化や極間を形成する部材の剥離、不純物の析出などが生じ、結果的にバッテリ容量が減り、寿命低下の原因となる。

そこで、本出願人は、次のような技術を提案した。つまり、バッテリを冷却風によって冷却する。そして、冷房時においては、バッテリ排気風の温度が車室内温度より低い場合には、バッテリ排気風を車室内に戻し、車室内温度よりも高い場合には、バッテリ排気風を車室外に排出する。又、暖房時においては、バッテリ排気風の温度が車室内温度より高い場合には、バッテリ排気風を車室内に戻し、車室内温度よりも低い場合には、バッテリ排気風を車室外に排出する（特許文献１参照）。これにより、バッテリ排気風の熱の利用を図らんとするものである。
特開２００８−５５９９０号公報

しかしながら、前記従来例では、バッテリ排気風を単に車室内に戻しているに過ぎないため、バッテリ排気風の熱を有効に利用できない。つまり、バッテリ排気風の熱利用が空調風そのものとしての利用に限られ、しかも、バッテリ排気風は温度調整された空調風ではないため、空調風としては質が悪く、かえって車室内の空調空間を劣化させる恐れもある。以上より、バッテリ排気風の熱が有効に利用されていない。

そこで、本発明は、バッテリ排気風の熱を有効に利用できる車両用排気熱回収システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成する請求項１の発明は、バッテリを通過したバッテリ排気風の熱を吸熱する回収用熱交換器と、前記回収用熱交換器で回収した熱を放熱する還元用熱交換器とを有する排気熱回収サイクルを備えるとともに、車室内の空気である内気とバッテリを通過したバッテリ排気風とのいずれか一方を選択的に車室外に導く切替手段を備え、前記回収用熱交換器は、前記切替手段で選択された送風の熱を吸熱するよう構成されたことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１記載の車両用排気熱回収システムであって、前記回収用熱交換器は、車両用空気調和装置が外気を導入する外気導入モード時に、バッテリ排気風の熱を回収することを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の車両用排気熱回収システムであって、前記切替手段は、車両用空気調和装置が車室内の温度を暖める暖房時では、内気の温度がバッテリ排気風より高いときには、内気を前記回収用熱交換器側に導き、バッテリ排気風の温度が内気より高いときには、バッテリ排気風を前記回収用熱交換器側に導くよう切り替えたことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の車両用排気熱回収システムであって、前記切替手段は、車両用空気調和装置が車室内の温度を冷却する冷房時では、内気の温度がバッテリ排気風より低いときには、内気を前記回収用熱交換器側に導き、バッテリ排気風の温度が内気より低いときには、バッテリ排気風を前記回収用熱交換器側に導くよう切り替えたことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、バッテリ排気風の熱を回収用熱交換器で一旦吸熱し、還元用
熱交換器でバッテリ排気風の熱を放熱するため、バッテリ排気風の熱の放熱先を自由に選
択することができる。従って、バッテリ排気風の熱を有効に利用できる。また、請求項１の発明によれば、内気とバッテリ排気風のいずれかの熱を選択的に回収できるため、バッテリ排気風と内気の内で吸熱率の高い熱を回収することができる。

請求項２の発明によれば、請求項１の発明の効果に加え、バッテリへの冷却風としては内気を使用することから、外気導入モードでは、バッテリを通過したバッテリ排気風によって熱回収をしつつ車室内の換気を行うことができる。

請求項３の発明によれば、請求項１又は請求項２の発明の効果に加え、暖房時にあって、バッテリ排気風と内気の内で高温の方の温熱を回収するため、熱回収効率を向上させることができる。

請求項４の発明によれば、請求項１乃至請求項３の発明の効果に加え、冷房時にあって、バッテリ排気風と内気の内で低温の方の冷熱を回収するため、熱回収効率を向上させることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１〜図７は本発明の一実施形態を示し、図１は車両用排気熱回収システムと車両用空気調和装置の概略構成図、図２は車両用排気熱回収システムの制御系の概略回路ブロック図、図３は暖房時における車両用排気熱回収システムの動作フローチャート、図４は冷房時における車両用排気熱回収システムの動作フローチャート、図５は内気の熱を回収する場合の第１及び第２切替ドアの位置を示す要部構成図、図６はバッテリ排気風の熱を回収する場合の第１及び第２切替ドアの位置を示す要部構成図、図７は各空調モードの各部の状態と熱回収の状態を示す図である。

図１に示すように、自動車は、車両走行用のバッテリ１０を搭載した電気自動車又はハイブリッド車であり、車両用排気熱回収システム１と車両用空気調和装置２０を備えている。

車両用排気熱回収システム１は、排気熱回収用ダクト２を有する。排気熱回収用ダクト２は、換気用通路３とバッテリ冷却用通路４とこれらを途中で連通させる連通路５とを有する。

換気用通路３の最上流位置には、内気導入口６が形成されている。内気導入口６は、車室内に開口されている。換気用通路３の最下流は車外に開口されている。換気用通路３内で、且つ、連通路５の開口位置より下流には、回収用熱交換器３２が配置されている。回収用熱交換器３２は排気熱回収サイクル１３の構成要素であり、排気熱回収サイクル１３については、下記に説明する。

バッテリ冷却用通路４の最上流には、内気導入口７が形成されている。内気導入口７は、車室内に開口されている。バッテリ冷却用通路４の最下流は、車室外であるトランクルーム（図示せず）に開口されている。バッテリ冷却用通路４には、バッテリ用送風機８とバッテリ冷却用熱交換器９とバッテリ１０がこの順に配置されている。バッテリ用送風機８の吸引力によって車室内の空気である内気を内気導入口７よりバッテリ冷却用通路４内に吸引する。バッテリ冷却用熱交換器９は、送風（内気）と冷媒との間で熱交換することによって送風を冷却する。バッテリ１０は、例えば、リチウムイオンを極間で交換して充電や放電を行うリチウムイオンバッテリである。バッテリ用送風機８とバッテリ冷却用熱交換器９とバッテリ１０は、制御部４０（図２に示す）によって駆動等が制御される。

又、換気用通路３とバッテリ冷却用通路４には、切替手段である第１切替ドア１１及び第２切替ドア１２がそれぞれ設けられている。第１切替ドア１１は、図１のａ位置とｂ位置の間を移動し、換気用通路３の開閉を行う。第２切替ドア１２は、図１のｃ位置とｄ位置の間を移動し、バッテリ排気風の送風方向をバッテリ冷却用通路４側と換気用通路３（連通路５）側に切り替える。第１切替ドア１１と第２切替ドア１２は、制御部４０によって切替位置が制御される。つまり、第１切替ドア１１と第２切替ドア１２は、車室内の空気である内気とバッテリ１０を通過したバッテリ排気風とのいずれか一方を選択的に回収用熱交換器３２側に導き、その後、車室外に導くことができる。

また、換気用通路３の連通路５よりも上流位置には、内気温度センサＳ１が設けられている。内気温度センサＳ１は、車室内の空気温度を検知する。バッテリ冷却用通路４のバッテリ１０より下流位置には、バッテリ排気風温度センサＳ２が設けられている。バッテリ排気風温度センサＳ２は、バッテリ１０を通過したバッテリ排気風の温度を検知する。又、車外には、車外の外気温度を検知する外気温度センサＳ３が設けられている。

車両用空気調和装置２０は、車両の車室の前部に配置された空調ケース２１を有する。この空調ケース２１内には送風路２２が設けられている。この送風路２２の最上流部には、車室外の空気である外気を導入する外気導入口２３と、車室内の空気である内気を導入する内気導入口２４が設けられている。外気導入口２３と内気導入口２４は、インテークドア２５によって開閉される。インテークドア２５は、図１にて実線で示す外気導入位置と図１にて破線で示す内気導入位置との間を移動する。

送風路２２内には、送風機２６とエバポレータ（図示せず）とヒータコア（図示せず）がこの順に配置されいている。送風機２６の吸引力によって送風路２２に内気や外気が吸引される。送風路２２に吸引された送風は、エバポレータとヒータコアによって所望温度の空調風とされて車室内に吹き出される。

排気熱回収サイクル１３は、顕熱での熱交換を行う循環水を圧送するウォータポンプ３１と、前記した回収用熱交換器３２と、還元用熱交換器３３と、これらを接続する複数の配管３４とを備え、サイクル内を循環水が循環する。回収用熱交換器３２は、前記したように車両用排気熱回収システム１の換気用通路３に配置され、車外に排出される内気又はバッテリ排気風との間で熱交換することによって内気又はバッテリ排気風より吸熱する。還元用熱交換器３３は、車両用空気調和装置２０の外気導入口２３付近の送風路２２に配置され、導入外気との間で熱交換することによって導入外気に放熱する。

図２に示すように、制御部４０には、内気温度センサＳ１、バッテリ排気風温度センサＳ２、外気温度センサＳ３等の検知温度が入力されている。制御部４０は、これら検知温度情報等に基づいてインテークドア２５のインテークドア駆動部４１、第１切替ドア１１の第１切替ドア駆動部４２、第２切替ドア１２の第２切替ドア駆動部４３、バッテリ用送風機８、バッテリ冷却用熱交換器９、ウォータポンプ３１等の駆動を制御する。制御部４０は、車両用空気調和装置２０の暖房時及び冷房時には、車両用排気熱回収システム１に対し図４及び図５に示すフローを実行する。この制御内容については、下記に詳述する。

次に、上記構成における動作を、車両用排気熱回収システム１の動作を中心に説明する。図３及び図４に示すように、イグニッションキーのオン時で、且つ、車両用空気調和装置２０が駆動されている場合にあって（ステップＳＯ）、空調モードが暖房と冷房のいずれかを確認する（ステップＳ１）。

図３に示すように、暖房時には、先ず、外気導入モードか否かを確認する（ステップＳ２）。内気導入モードであれば、例えば第１切替ドア１１をａ位置、第２切替ドア１２をｄ位置とし、ウォータポンプ３１を駆動せず、熱回収は行わない（ステップＳ３）。

外気導入モードであれば、バッテリ用送風機８の駆動の有無を確認する（ステップＳ４）。バッテリ用送風機８が停止状態であれば、第１切替ドア１１をｂ位置、第２切替ドア１２をｃ位置とする（図５参照）。これにより、内気が回収用熱交換器３２側に供給され、内気からの熱回収が行われる（ステップＳ５）。

バッテリ用送風機８が駆動状態であれば、次に、バッテリ冷却用熱交換器９の駆動の有無を確認する（ステップＳ６）。バッテリ冷却用熱交換器９が停止状態であれば、第１切替ドア１１をｂ位置、第２切替ドア１２をｃ位置とする（図５参照）。これにより、内気が回収用熱交換器３２側に供給され、内気からの熱回収が行われる（ステップＳ７）。

バッテリ冷却用熱交換器９が駆動状態であれば、次に、空気温度（バッテリ排気風、内気等の温度）を確認する（ステップＳ８）。そして、バッテリ排気風の温度が内気より高ければ、第１切替ドア１１をａ位置、第２切替ドア１２をｄ位置とする（図６参照）。これにより、バッテリ排気風が回収用熱交換器３２側に供給され、バッテリ排気風からの熱回収が行われる（ステップＳ９）。バッテリ排気風の温度が内気の温度以下であれば、第１切替ドア１１をｂ位置、第２切替ドア１２をｃ位置とする（図５参照）。これにより、内気が回収用熱交換器３２側に供給され、内気からの熱回収が行われる（ステップＳ１０）。

図４に示すように、冷房時でも、先ず、外気導入モードか否かを確認する（ステップＳ１１）。内気導入モードであれば、例えば第１切替ドア１１をａ位置、第２切替ドア１２をｄ位置とし、ウォータポンプ３１を駆動せず、熱回収は行わない（ステップＳ１２）。

外気導入モードであれば、バッテリ用送風機８の駆動の有無を確認する（ステップＳ１３）。バッテリ用送風機８が停止状態であれば、第１切替ドア１１をｂ位置、第２切替ドア１２をｃ位置とする（図５参照）。これにより、内気が回収用熱交換器３２側に供給され、内気からの熱回収が行われる（ステップＳ１４）。

バッテリ用送風機８が駆動状態であれば、次に、バッテリ冷却用熱交換器９の駆動の有無を確認する（ステップＳ１５）。バッテリ冷却用熱交換器９が停止状態であれば、第１切替ドア１１をｂ位置、第２切替ドア１２をｃ位置とする（図５参照）。これにより、内気が回収用熱交換器３２側に供給され、内気からの熱回収が行われる（ステップＳ１６）。

バッテリ冷却用熱交換器９が駆動状態であれば、次に、空気温度（バッテリ排気風、内気等の温度）を確認する（ステップＳ１７）。そして、バッテリ排気風の温度が内気より高ければ、第１切替ドア１１をｂ位置、第２切替ドア１２をｃ位置とする（図５参照）。これにより、内気からの熱回収が行われる（ステップＳ１８）。バッテリ排気風の温度が内気の温度以下であれば、第１切替ドア１１をａ位置、第２切替ドア１２をｄ位置とする（図６参照）。これにより、バッテリ排気風が回収用熱交換器３２側に供給され、バッテリ排気風からの熱回収が行われる（ステップＳ１９）。尚、外気温度が内気とバッテリ排気風のいずれより低い場合には、熱回収を行わないようにする。

図７には、上記説明した熱回収の状態をも含め、各空調モードの各部の状態と熱回収の状態が示されている。

上記したように車両用排気熱回収システム１によって、暖房時には、内気又はバッテリ排気風の温熱を回収用熱交換器３２で回収し、この回収した温熱が還元用熱交換器３３で導入外気に放熱され、これにより温度上昇された外気が車両用空気調和装置２０に導入される。又、冷房時には、内気又はバッテリ排気風の冷熱を回収用熱交換器３２で回収し、この回収した冷熱が還元用熱交換器３３で導入外気に放熱され、これにより温度降下された外気が車両用空気調和装置２０に導入される。従って、車両用空気調和装置２０の空調効率が向上する。

以上説明したように、バッテリ１０を通過したバッテリ排気風の熱を吸熱する回収用熱交換器３２と、この回収用熱交換器３２で回収した熱を放熱する還元用熱交換器３３とを備えている。従って、バッテリ排気風の熱を回収用熱交換器３２で一旦吸熱し、還元用熱交換器３３でバッテリ排気風の熱を放熱するため、バッテリ排気風の熱の放熱先（この実施形態では、車両用空気調和装置２０の導入外気を放熱先としている。）を自由に選択することができる。従って、バッテリ排気風の熱を有効に利用できる。

回収用熱交換器３２は、車両用空気調和装置２０が外気を導入する外気導入モード時に、バッテリ排気風の熱を回収している。バッテリ１０への冷却風としては内気を使用することから、外気導入モードでは、バッテリ１０を通過したバッテリ排気風によって熱回収をしつつ車室内の換気を行うことができる。

車室内の空気である内気とバッテリ１０を通過したバッテリ排気風とのいずれか一方を選択的に車室外に導く第１及び第２切替ドア１１，１２を備え、回収用熱交換器３２は、第１及び第２切替ドア１１，１２で選択された送風の熱を吸熱するよう構成されている。従って、内気とバッテリ排気風のいずれかの熱を選択的に回収できるため、バッテリ排気風と内気の内で吸熱率の高い熱を回収可能である。

具体的には、第１及び第２切替ドア１１，１２は、車両用空気調和装置２０の暖房時では、内気の温度がバッテリ排気風より高いときには、内気を回収用熱交換器３２側に導き、バッテリ排気風の温度が内気より高いときには、バッテリ排気風を回収用熱交換器３２側に導くよう切り替えるので、暖房時にあって、バッテリ排気風と内気の内で高温の方の温熱を回収するため、熱回収効率を向上させることができる。

第１及び第２切替ドア１１，１２は、車両用空気調和装置２０の冷房時では、内気の温度がバッテリ排気風より低いときには、内気を回収用熱交換器３２側に導き、バッテリ排気風の温度が内気より低いときには、バッテリ排気風を回収用熱交換器３２側に導くよう切り替えたので、冷房時にあって、バッテリ排気風と内気の内で低温の方の冷熱を回収するため、熱回収効率を向上させることができる。

（変形例）
前記実施形態では回収用熱交換器３２で回収した熱を車両用空気調和装置２０の導入外気に放熱しているが、放熱先を自由に選択でき、座席シート、車両天井等の冷却、加熱に利用しても良い。又、回収した熱を快適な空調空間の形成ではなく、クーラボックスの補助冷房などに利用しても良い。

本発明の一実施形態を示し、車両用排気熱回収システムと車両用空気調和装置の概略構成図である。本発明の一実施形態を示し、車両用排気熱回収システムの制御系の概略回路ブロック図である。本発明の一実施形態を示し、暖房時における車両用排気熱回収システムの動作フローチャートである。本発明の一実施形態を示し、冷房時における車両用排気熱回収システムの動作フローチャートである。本発明の一実施形態を示し、内気の熱を回収する場合の第１及び第２切替ドアの位置を示す要部構成図である。本発明の一実施形態を示し、バッテリ排気風の熱を回収する場合の第１及び第２切替ドアの位置を示す要部構成図である。本発明の一実施形態を示し、各空調モードの各部の状態と熱回収の状態を示す図である。

符号の説明

１車両用排気熱回収システム
１０バッテリ
１１第１切替ドア（切替手段）
１２第２切替ドア（切替手段）
１３排気熱回収サイクル
２０車両用空気調和装置
３２回収用熱交換器
３３還元用熱交換器

Claims

バッテリ（１０）を通過したバッテリ排気風の熱を吸熱する回収用熱交換器（３２）と、前記回収用熱交換器（３２）で回収した熱を放熱する還元用熱交換器（３３）とを有する排気熱回収サイクル（１３）を備えるとともに、
車室内の空気である内気とバッテリ（１０）を通過したバッテリ排気風とのいずれか一方を選択的に車室外に導く切替手段（１１），（１２）を備え、
前記回収用熱交換器（３２）は、前記切替手段（１１），（１２）で選択された送風の熱を吸熱するよう構成されたことを特徴とする車両用排気熱回収システム（１）。
請求項１記載の車両用排気熱回収システム（１）であって、
前記回収用熱交換器（３２）は、車両用空気調和装置（２０）が外気を導入する外気導入モード時に、バッテリ排気風の熱を回収することを特徴とする車両用排気熱回収システム（１）。
請求項１又は請求項２に記載の車両用排気熱回収システム（１）であって、
前記切替手段（１１），（１２）は、車両用空気調和装置（２０）が車室内の温度を暖める暖房時では、内気の温度がバッテリ排気風より高いときには、内気を前記回収用熱交換器（３２）側に導き、バッテリ排気風の温度が内気より高いときには、バッテリ排気風を前記回収用熱交換器（３２）側に導くよう切り替えたことを特徴とする車両用排気熱回収システム（１）。
請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の車両用排気熱回収システム（１）であって、
前記切替手段（１１），（１２）は、車両用空気調和装置（２０）が車室内の温度を冷却する冷房時では、内気の温度がバッテリ排気風より低いときには、内気を前記回収用熱交換器（３２）側に導き、バッテリ排気風の温度が内気より低いときには、バッテリ排気風を前記回収用熱交換器（３２）側に導くよう切り替えたことを特徴とする車両用排気熱回収システム（１）。