JP5879039B2 - 温調システム - Google Patents
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Description
また、寒冷地においては座席等が冷えてしまっている。
そこで、温度が低下している二次電池を温めて良好な放電温度特性を得ることでスムーズな始動や走行を図ったり、快適な環境下で走行等できるように冷えた座席等を温めることが考えられる。
また、コンパクト化のため、自動車内部における触媒ヒーターの占めるスペースの割合を小さくすることができることから、自動車のデザインの自由度を高めることができる。
このようなものであれば、走行時における酸化性ガスの供給のため、供給用ファンの回転に要する二次電池等の電力の消費を極力抑えることができる。そのため、航続距離の長距離化や、電池のライフの延長を図ることができる。
このようなものであれば、熱電素子により発電された電力を他の二次電池に蓄え、各種機器の電源として利用することが可能であり、その分、二次電池等の電力の消費を抑え、航続距離の長距離化や、電池のライフの延長を図ることができる。
触媒ヒーターの燃料としてメタノールはよく用いられており、入手もしやすい。
このようなフィルターを備えることで、効率的に燃料を気化させて触媒に供給することができる。また、触媒に対して均一に燃料を供給し易くなる。
このように、フィルター等に対して、燃料供給管から燃料を重力により滴下して供給するものであれば、フィルター等への燃料の供給にあたって電気モーター等を必要とせず、二次電池等の電力を消費させることがないため好ましい。
触媒ヒーターの触媒として白金やパラジウムはよく用いられている。触媒反応における作用温度等に応じて使い分けたり同時に用いたりすることができる。
また、同種の触媒が並列に配置されていれば、一方の触媒が劣化した場合、他方の触媒に酸化性ガスと燃料を供給するように切り換えることができる。
並列に配置される場合でも、ガスの循環の際に、一方の触媒上での反応後のガスの温度等に応じて、他方のより作用温度の高い触媒上に選択的に供給することで効率良く熱を発生させることができる。ガス温度等に応じて触媒を適切に使いわけることで、触媒が劣化するのを抑えることができる。
このように触媒ヒーターと液媒体だけで自動車各部の温度を簡便に調節することができる。
熱交換器を備えることで触媒ヒーターからの熱を効率良く液媒体に伝えて自動車各部の温度を調節することができる。
このように触媒ヒーターからの熱によって暖められ、触媒への循環からはずれたガスを自動車各部の温度調節のために用いることができる。なお、上記の液媒体による温度調節と組み合わすことによって、液媒体で回収しきれなかったガス中の熱量を余すことなく温度調節のために用いることが可能になる。
このようにヒートポンプ方式によって、車室内の空気を冷やすこともできるため、気温の高い地域であっても車室内の環境を快適に保つことができる。しかも触媒ヒーターからの熱によるものなので、冷房のために二次電池等の電力を消費することもない。
このようなものであれば、車室内の暖房も行うことができ、寒冷地等であっても車室内の環境を快適に保つことができる。しかも触媒ヒーターからの熱によるものなので、暖房のために二次電池等の電力を消費することもない。
図1に本発明の温調システム1の一例の概略を示す。なお、図1では、本発明の温調システム1が組み込まれた自動車2を合わせて図示している。
また、ここでは自動車2は二次電池を搭載した電気自動車を例に挙げて説明するが、その他ハイブリッド車(特には電気で駆動させる割合が高いもの)、燃料電池(および二次電池)を搭載した燃料電池自動車とすることもできる。
なお、図1では、モーター室4は自動車2の下部に設けられているが、これに限定されず、他の条件に応じて適切な位置に設けることができる。
送液管8は環状になっており、温調する自動車各部(二次電池6や座席12(図7、8参照)等)を経由して配設されている。該送液管8内には液媒体11が収容されており、送液管8を通じて、ポンプ9によって温調される自動車各部を液媒体11が循環可能になっている。
図2は、触媒ヒーターから発生する熱を利用して液媒体を加温する仕組みの一例を示すものである。
まず、触媒ヒーター10についてさらに説明する。
また、形状も特に限定されないが、表面積を大きくし、反応効率を上げるために、例えば1〜100nmの微粒子のものを用いると好ましい。
また、形状も特に限定されないが、例えば、効率を考慮してハニカム状のものを用いることができる。
まず、図3(A)に示すように直列に配置されている場合、触媒体14a、14bが同種のものであれば、循環による効果に加えて、さらに酸化性ガスと燃料の触媒上での反応を一循環中に繰り返して行うことができるため、未反応の酸化性ガスと燃料の割合をさらに減少させることができる。したがって、一層効率良く、酸化性ガスと燃料を反応させ、熱を発生させることが可能である。
このような燃料供給管17を備え、弁等を用いて滴下量を調節しつつ、重力により燃料の滴下を行うものであれば、燃料供給にあたって電気モーター等を用いる必要性をなくすことができ、二次電池等の電力を使用することもなく好ましい。
このように滴下された燃料を浸透させやすく、通風により気化させやすいものであれば好ましく、その材料、形状、数等は特に限定されない。
そして、図4のような配置であれば、暖められて循環するガスが受け皿18の上方のみならず下方も通過することができ、それによって受け皿18の下方からも受け皿18中の燃料を温めることができ、燃料がより一層気化しやすくなり効率的である。
もちろん、燃料の供給方式、気化方式はこれらに限定されない。燃料タンクから触媒に燃料を供給して反応させることができれば、どのような方式でも採用することができる。
図5に示す回転の仕組みは、供給用ファン21の他、外気用ファン22と、該外気用ファン22が内部に配設された外気用ダクト23を有している。外気用ダクト23は車外につながっており、外気が内部を通過可能になっている。また、外気用ファン22は、傘歯車等を用いて自身の回転を供給用ファン21に伝達する機構を有している。
すなわち、走行時には外気が外気用ダクト23内に入り込み、外気用ダクト23内を通過し、内部の外気用ファン22がラム圧によって回転し、この外気用ファン22の回転が伝達機構で伝達されることで、供給用ファン21が回転する仕組みになっている。
例えば、図5では単純に傘歯車を用いて外気用ファン22の回転を供給用ファン21に伝達している。また、供給用ファン21および外気用ファン22は共に水車状のファンであり、互いに軸心を共有した同軸とすることもできる。すなわち、外気用ファン22がラム圧で回転することで、同軸の供給用ファン21が回転可能な機構である。
当然、これらに限定されず、その都度、適切な回転機構を用意することができる。
液媒体11は、例えば、シリコーンオイル、フッ素系オイル、エチレングリコール等が挙げられるが、これらに限定されない。凝固等しにくく、効率良く、触媒ヒーター10により発生する熱を受け取り、自動車各部に伝えることができるものであれば良い。
送液管8は、温度調節が必要な自動車各部に配設されていれば良く、その形状、本数等は特に限定されない。どこに送液管8を配設するかは、適宜決定することができる。
図2に示す形態では、送液管8は、ダクト19の環状部19cのうち触媒体14の下流付近を巻回するように設けられている。あるいは逆に、送液管8に対してダクト19を巻回することもできる。
このようにして加温された液媒体11が自動車各部へと送液されることにより、自動車各部を温め、温度調節することができる。
そこで、本発明の温調システム1における触媒ヒーター10では、上述したように、ダクト19が環状部19cを有しているため、発生した熱によって暖められた空気のうち少なくとも一部を触媒13に循環して供給することができる。そのため、触媒13上での反応後のガスの中の、未反応の空気や燃料を循環させて触媒13に繰り返して供給することができ、そこで改めて反応させることが可能である。
このとき、同様に暖められた未反応の空気や燃料を循環させることができるので、熱伝導体をより効率良く高温にすることが可能である。
図7に二次電池を温める仕組みの一例を示す。また、図8に座席を温める仕組みの一例を示す。いずれも液媒体11が収容された送液管8が配設されており、加温された液媒体11によって二次電池6や座席12を温めることが可能である。
図9に示すように、例えば熱電素子をさらに備えたものとすることができる。なお、この熱電素子26自体は特に限定されず、従来のもの等を使用することができる。
熱電素子26は、温調システムのうち、例えば触媒ヒーター10のダクト19において、触媒体14付近と、環状部19cのそれより下流の位置(すなわち、暖められたガスが流れる箇所)に接続することができる。メタノールを燃料とし、白金やパラジウム等の触媒を用いた場合を例に挙げると、それら2点間の温度差は200℃程度とすることができる(触媒体付近が200℃程度、下流の位置(ガス温度)で400℃以上)。このように本発明では大きな温度差を生じることができるため、熱電素子26によって発電を行うことが可能である。
図8に示す座席12内には、送液管8の他、上記温調用ダクト27が配設されている様子の一例が示されている。
図10に、触媒ヒーターから発生する熱を利用して空調を行う仕組みの一例を示す
自動車2内に空調用ダクト28と空調用ファン29が配設されている。車室3には、車室3内の空気を吸気するための吸気口30や、車室3内に空気を送風するための送風口31が形成されており、これらの吸気口30や送風口31は空調用ダクト28とつながっている。
このような仕組みにより、車室3内の空気を循環することができる。
図11に、触媒ヒーターを用いた車室内の暖房の仕組みの一例を示す。
図11に示すように、この例では、触媒ヒーター10はさらに熱伝導体25’を有しており、空調用ダクト28内に挿入されている。上記熱伝導体25’は材質や形状等、特に限定されず、触媒13上で発生した熱を効率良く空調用ダクト28内の空気に伝えることができるものを用いれば良い。
図12に示すように、自動車2には、冷媒32を収容する冷媒室33がさらに配設されており、該冷媒室33内を空調用ダクト28が挿通している。また、触媒ヒーター10が、冷媒室33の近傍に配置されている。
また、冷媒室33の大きさや形状、冷媒室33を挿通する空調用ダクト28の配置等は特に限定されないが、後述するように、ヒートポンプ方式によって空調用ダクト28内の空気が冷やされるように適宜決定することができる。
さらには、触媒ヒーター10の配置も特に限定されないが、例えば、冷媒32が溜まっている冷媒室33の底付近に配置することができる。このような位置であれば、触媒ヒーター10によって効率良く冷媒32を加熱し、気化させることができる。
なお、当然この例に限定されず、触媒ヒーター10を用いた他の冷房の仕組みとすることができる。
また、逆に、1つ(あるいは複数)の触媒ヒーター10を用意し、暖房用および冷房用として兼用して配設することも可能である。例えば、図11、12に示す例を組み合わせ、1つの触媒ヒーター10を、熱伝導体25’を介して空調用ダクト28内の空気を暖めるのに使用することができる一方で、冷媒32を加熱し、ヒートポンプ方式によって空調用ダクト28内の空気を冷やすのに使用することもできる。この場合、暖房とするか冷房とするかは、空調用ダクト28を分岐しておき、いずれのダクトを流通するかを切り換えるようにすれば良い。
さらには、触媒ヒーター10は、液媒体11を加温するのにも、空調用と兼用することも、別個独立して有するようにすることもできる。
触媒ヒーター10を用いるので、従来の電気自動車等のPTCヒーターのように二次電池6の電力を空調に消費させることを防ぎ、航続距離を従来に比べて格段に伸ばすことが可能である。したがって、二次電池の充電頻度を低減させることができ、電池自体のライフも延ばすことができる。
燃料電池自動車であれば、空調に費やす電力をなくすことができるので、車輪駆動以外のために燃料電池の燃料が減少するのを防ぎ、航続距離を伸ばすことができる。
図2に示すような触媒ヒーター10を有する本発明の温調システム1を用意し(なお、図8のように、別個に用意した座席12内に送液管8を通した)、このような本発明の温調システムを用い、外気0℃の環境下で、触媒ヒーター10において、空気と燃料を触媒13上で反応させるとともにそれらの一部を循環させ、熱を発生させて、送液管8や温調用ダクト27を介して二次電池6および座席12を温めるとともに、空調用ダクト28を介して車室と同程度の空間を所定時間暖房して一定温度(20℃)に保つ実験を行った(図10のようなシステム)。
また、触媒ヒーターの燃料としてメタノールを用い、重力によりフィルターに滴下して気化させて触媒に供給した。触媒として白金およびパラジウムを直列に配置した。
本発明の温調システムとは異なる温調システムを用意した。具体的には、図2に示すような触媒ヒーター10とは異なり、循環させるための環状部19cを有しておらず、触媒体の下流でそのまま温調用ダクトに接続されており、触媒体を一度通過したガスが触媒体に循環供給されることのない触媒ヒーターを用意した。
燃料の総量等は実施例1と同様にして、送液管、温調ダクト、空調用ダクトを介して二次電池、座席の温度調節、車室と同程度の空間の暖房を行った。
また、次の実施例2に示すように、実施例1の温調システムの触媒ヒーターでは、より高温のガスを得ることができるため、比較例1よりもすみやかに自動車各部、空調の温調を行うことができる。また、必要とあらば車室内や二次電池をさらに高温にできるし、外気温が0℃以下であっても十分に対応することができた。
実施例1と同様の設備に加え、さらに熱電素子26を配置した。
なお、熱電素子26は、図9に示すように触媒体14付近やその下流のダクト19に対して接続した。燃料であるメタノールを少量だけ供給し、システム稼働中での上記箇所の温度差によるゼーベック効果によって発電を試みた。
図13から分かるように、触媒体自体は200℃程度まで上昇した。一方、ガス温度は430℃程度まで上昇した。そして、これらの200℃以上もの温度差によって、熱電素子を介して蓄電池に効率良く蓄電することができ、供給用ファン等を回転駆動させるのに十分な蓄電量であった。
このように、熱電素子を配置することで、本発明により、自動車各部の温度調節、車室の空調に加えて発電も可能であることが分かった。
比較例1と同様の設備に加え、さらに熱電素子を配置した。それ以外は実施例2と同様にして発電を試みた。
このように実施例2に比べて発生する熱量は小さかった。また温度差も小さく、熱電素子で効率的に発電を行うには不十分である。
5…車輪、 6…二次電池、 7…モーター、 8…送液管、
9…ポンプ、 10…触媒ヒーター、 11…液媒体、 12…座席、
13…触媒、 14、14a、14b…触媒体、 15…燃料タンク、
16…フィルター、 17…燃料供給管、 18…受け皿、
19…ダクト、 19a…供給口、 19b…排出口、 19c…環状部、
20…トラップ、 21…供給用ファン、 22…外気用ファン、
23…外気用ダクト、 24…熱交換器、 25、25’…熱伝導体、
26…熱電素子、 27…温調用ダクト、 28…空調用ダクト、
29…空調用ファン、 30…吸気口、 31…送風口、
32…冷媒、 33…冷媒室。
Claims (13)
- 少なくとも、車輪をモーターで駆動させるための二次電池または燃料電池を搭載したモーター室と、人が乗るための車室を備えた自動車において、該自動車に組み込まれ、自動車各部の温度を調節する温調システムであって、
前記温調システムは、少なくとも、触媒と該触媒に燃料を供給するための燃料タンクとを備えた1つ以上の触媒ヒーターを有しており、
前記触媒ヒーターは、前記触媒に酸化性ガスと前記燃料タンクからの燃料が供給されることで熱を発生させるものであり、前記触媒に供給されて発生した熱によって暖められたガスのうち少なくとも一部が前記触媒に循環して供給されており、
該触媒ヒーターにより発生する熱を利用して自動車各部の温度を調節するものであることを特徴とする温調システム。 - 前記温調システムは前記触媒に前記酸化性ガスを供給するための供給用ファンをさらに備えており、該供給用ファンは走行時のラム圧を利用して回転可能なものであることを特徴とする請求項1に記載の温調システム。
- 前記温調システムは熱電素子をさらに備えており、該熱電素子は温調システム内における温度差により発電を行うものであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の温調システム。
- 前記燃料はメタノールであることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の温調システム。
- 前記触媒ヒーターはフィルターをさらに備えており、該フィルターを介して前記燃料が浸透気化されて前記触媒に供給されるものであることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の温調システム。
- 前記燃料タンクには燃料供給管が接続されており、該燃料供給管から重力により滴下された燃料が前記フィルターを介して前記触媒に供給されるものであることを特徴とする請求項5に記載の温調システム。
- 前記触媒は白金および/またはパラジウムであることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の温調システム。
- 前記触媒ヒーターは前記触媒として同種または異種の複数の触媒を備えており、
該複数の触媒が直列に配置されており、前記酸化性ガスと前記燃料が前記複数の触媒に対して順に供給可能なものであるか、
前記複数の触媒が並列に配置されており、前記酸化性ガスと前記燃料が前記複数の触媒に対して別個に選択して供給可能なものであることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の温調システム。 - 前記温調システムは液媒体をさらに有しており、該液媒体が前記触媒ヒーターにより発生する熱を利用して加温されるとともに前記自動車各部に対して循環するものであることを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の温調システム。
- 前記触媒ヒーターにより発生する熱を前記液媒体に伝えるための熱交換器をさらに備えたものであることを特徴とする請求項9に記載の温調システム。
- 前記触媒に供給されて発生した熱によって暖められ、前記触媒に循環して供給されないガスが前記自動車各部に対して循環するものであることを特徴とする請求項1から請求項10のいずれか一項に記載の温調システム。
- 前記温調システムは前記車室内を冷房する機能を具備しており、前記触媒ヒーターにより発生する熱を利用して、ヒートポンプ方式によって、前記車室内の空気が冷やされるものであることを特徴とする請求項1から請求項11のいずれか一項に記載の温調システム。
- 前記温調システムは前記車室内を暖房する機能を具備しており、前記触媒ヒーターにより発生する熱を利用して、前記車室内の空気が暖められるものであることを特徴とする請求項1から請求項12のいずれか一項に記載の温調システム。
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