JP6043512B2 - 車両の蓄熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両の蓄熱装置に係り、より詳しくは、冷却水の温度が高い場合にはこれを相変化物質に保存し、冷却水の温度が低い場合には相変化物質に保存された熱を利用して冷却水を加熱する車両の蓄熱装置に関する。

一般的に、車両における冷却水の熱エネルギーは、ラジエータを介して外部に排出されるが、全体エネルギーの約３０％のエネルギーが熱エネルギーによって浪費され、燃料消耗を増加させて環境を破壊する。

したがって、車両から発生する熱エネルギーを保存し、再び排出する車両の蓄熱システムが研究されている。

車両蓄熱システムは、体積、複雑性、重量、熱保存量などを考慮すれば、顕熱の保存は容易ではない。また、事故時に流出の危険があるため、化学蓄熱方法は除外される。

潜熱蓄熱方式において、氷蓄熱方法は、重量および体積が大きく、保存時間が短く、高熱を発生させる車両には適さない。

したがって、相対的に熱保存量が高い変化物質を利用した潜熱蓄熱方法に対する研究が活発に行われている。（例えば特許文献１参照。）

特開平６−１０８０４３号公報

本発明は前記のような点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、冷却水の温度が低い場合には相変化物質に保存された熱エネルギーを利用して冷却水を効果的に温め、相変化物質の過熱や異常高圧のような故障モード状態に効果的に対処することができる車両の蓄熱装置を提供することにある。

上記のような目的を達成するための本発明に係る車両の蓄熱装置は、流路入口と流路出口が形成される断熱容器、前記流路入口と前記流路出口を貫通して配置され、一端はエンジンの冷却水排出口に連結し、他端はエンジンの冷却水流入口に連結して冷却水が循環する冷却水流路、前記断熱容器内部で前記冷却水流路上に形成される冷却フィンで構成される熱交換機、前記断熱容器内部に充填され、前記冷却水流路を流れる冷却水と前記冷却フィンを介して熱を交換する相変化物質、前記断熱容器内部の充填した相変化物質の温度を感知する相変化物質温度センサ、前記断熱容器内部の温度を感知する圧力センサ、前記エンジンを循環する冷却水の温度を感知するエンジン冷却水温度センサ、および前記エンジンの運転条件と前記冷却水の温度に応じて前記冷却水流路を介して冷却水を循環させ、前記冷却水と前記相変化物質が熱交換を互いに行うようにする制御部を含むことを特徴とする。

前記冷却水流路から分岐し、前記冷却水が前記断熱容器をバイパスさせるバイパスラインが形成され、前記バイパスラインと前記冷却水流路が分岐する部分と合流する部分にはそれぞれ入口バルブと出口バルブがそれぞれ設置されることを特徴とする。

前記出口バルブの後端部には、前記断熱容器の流路出口を介して排出する冷却水の温度を感知する出口温度センサが配置され、前記入口バルブの前端部には、前記断熱容器の前記流路入口を介して流入する冷却水の温度を感知する入口温度センサが配置されることを特徴とする。

前記冷却水流路を流れる冷却水を利用して室内を温めるヒータコア、および前記ヒータコアに冷却水を供給するために、前記冷却水流路から前記ヒータコアに冷却水を選択的に供給するヒータコア供給バルブをさらに含むことを特徴とする。

前記制御部は、前記エンジン冷却水温度センサで感知される前記エンジンの冷却水温度が第１設定値未満であれば冷却状態として判断し、前記ヒータコア供給バルブを閉じ、前記入口バルブと前記出口バルブを制御することによって前記冷却水流路の冷却水が前記熱交換機を流れるようにし、前記冷却水流路の冷却水が前記相変化物質によりも温められるようにすることを特徴とする。

前記制御部は、前記エンジン冷却水温度センサで感知される前記エンジンの冷却水温度が第１設定値と第２設定値の間であればウォームアップ中間状態として判断し、前記ヒータコア供給バルブを開け、前記入口バルブと前記出口バルブを制御することによって前記ヒータコアの熱を利用して冷却水を温めることを特徴とする。

前記制御部は、前記エンジン冷却水温度センサで感知される前記エンジンの冷却水温度が第２設定値に到達すればウォームアップ状態として判断し、前記ヒータコア供給バルブを開け、前記入口バルブと前記出口バルブを制御することによって前記冷却水流路の冷却水が前記バイパスラインを流れるようにすることを特徴とする。

前記制御部は、前記エンジン冷却水温度センサで感知される前記エンジンの冷却水温度が前記第２設定値よりも高い第３設定値に到達すればオーバーウォームアップ状態として判断し、前記ヒータコア供給バルブを開け、前記入口バルブと前記出口バルブを制御することによって前記冷却水流路の冷却水が前記熱交換機を流れるようにし、前記冷却水流路の冷却水が前記相変化物質を温めることを特徴とする。

前記制御部は、前記エンジンが停止すれば、前記入口バルブと前記出口バルブを制御することにより、前記断熱容器内部に充填した相変化物質に保存された熱エネルギーが前記冷却水を介して外部に排出しないようにすることを特徴とする。

前記制御部は、前記入口温度センサで感知される冷却水温度と前記出口温度センサで感知される冷却水温度の差が前記相変化物質温度センサで感知される前記相変化物質の温度を基準として設定値よりも小さいときに、故障安全モードに進むことを特徴とする。

前記制御部は、前記相変化物質温度センサで感知される前記相変化物質の温度の上昇速度が設定値を超えたり、前記圧力センサで感知される相変化物質の圧力上昇速度が設定値を超えたりすれば、故障安全モードに進むことを特徴とする。

前記制御部は、前記相変化物質温度センサで感知される前記相変化物質の温度が設定値よりも低い場合には、故障安全モードに進むことを特徴とする。

前記制御部は、前記相変化物質温度センサで感知される前記相変化物質の温度が過度に変動したり、前記圧力センサで感知される前記相変化物質の圧力が過度に変動したりする場合、故障安全モードに進むことを特徴とする。

前記故障安全モードに進めば、前記制御部はクラスタに非常灯を点灯し、前記入口バルブと前記出口バルブを制御することにより、冷却水が前記断熱容器内部の前記冷却水流路に供給されずに前記バイパスラインを循環するようにすることを特徴とする。

このような目的を達成するための本発明は、エンジンをウォームアップすることによって室内を冷房するために損失される燃料消耗量を画期的に減らし、ＰＴＣヒータのような別途の暖房補助装置とウォームアップ付加装置を代替することができ、排気ガスの品質を急速に向上させることによって燃料消耗を減らし、環境規制を克服することに役立つ。

本発明の実施形態に係る冷却水の温度が低い状態における車両の蓄熱装置の作動状態を示す概略的な構成図である。 本発明の実施形態に係る冷却水の温度が高まる状態における車両の蓄熱装置の作動状態を示す概略的な構成図である。 本発明の実施形態に係る冷却水の温度が高まった状態における車両の蓄熱装置の作動状態を示す概略的な構成図である。 本発明の実施形態に係る冷却水の温度がさらに高まった状態における車両の蓄熱装置の作動状態を示す概略的な構成図である。 本発明の実施形態に係るエンジンが停止したときの車両の蓄熱装置の作動状態を示す概略的な構成図である。 本発明の実施形態に係るエンジンが故障安全モードに進んだときの車両の蓄熱装置の作動状態を示す概略的な構成図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る冷却水の温度が低い状態における車両の蓄熱装置の作動状態を示す概略的な構成図である。

図１を参照すれば、車両の蓄熱装置は、エンジン１００、相変化物質１０１、熱交換機１０２、断熱容器１０３、入口バルブ１０４ａ、出口バルブ１０４ｂ、ヒータコア供給バルブ１０４ｃ、バイパスライン１０５、ヒータコア１０６、冷却フィン１０７、流路入口１１０ａ、流路出口１１０ｂ、入口温度センサ１２０ａ、出口温度センサ１２０ｂ、相変化物質温度センサ１２０ｃ、エンジン冷却水温度センサ１２０ｄ、圧力センサ１３０ａ、熱保存制御部１４０ａ、エンジン制御部１４０ｂ、クラスタ１４０ｃ、冷却水排出ライン１５０、冷却水供給ライン１６０、冷却水排出口２０１、冷却水流入口２０２、第１ヒータコアライン２０５、および第２ヒータコアライン２０６を含む。

前記エンジン１００には前記冷却水排出口２０１と前記冷却水流入口２０２が形成され、前記冷却水排出口２０１には冷却水系統の冷却水排水ライン１５０が接続され、前記冷却水流入口２０２に冷却水系統の冷却水供給ライン１６０が接続される。

前記冷却水排出口２０１が前記冷却水排出ライン１５０の開始点となり、前記ヒータコア１０６に冷却水を供給するための前記第１ヒータコアライン２０５が前記冷却水排出ライン１５０から分岐する。

前記第１ヒータコアライン２０５が分岐する部分には、前記ヒータコア供給バルブ１０４ｃが設置される。前記ヒータコア供給バルブ１０４ｃは、前記冷却水排出ライン１５０を流れる冷却水を前記ヒータコア１０６に選択的に供給する。同時に、前記ヒータコア１０６を経た冷却水が再び前記冷却水流路に復帰するように、前記第２ヒータコアライン２０６が形成される。

前記断熱容器１０３には前記流路入口１１０ａと前記流路出口１１０ｂが形成され、前記流路入口１１０ａには前記冷却水排水ライン１５０が、前記流路出口１１０ｂには前記冷却水供給ライン１６０が接続され、前記断熱容器１０３内を冷却水が貫流する。

前記断熱容器１０３内部には、前記断熱容器１０３内を貫流する冷却水流路の外周面上に前記冷却フィン１０７が配置され、前記断熱容器１０３内部と前記冷却フィン１０７の間には前記相変化物質１０１が隙間なく充填される。ここで、前記冷却フィン１０７は、前記断熱容器１０３内を貫流する冷却水と前記断熱容器１０３内部に充填した前記相変化物質１０１との熱交換を効果的に行う。

前記断熱容器１０３には、前記相変化物質１０１の温度を感知する前記相変化物質温度センサ１２０ｃが配置され、前記相変化物質１０１の圧力を感知する前記圧力センサ１３０ａが配置される。同時に、前記エンジン１００には、前記エンジン１００を循環する冷却水の温度を感知するエンジン冷却水温度センサ１２０ｄが配置される。

前記断熱容器１０３の流路入口１１０ａ前端部において前記バイパスライン１０５が前記冷却水排水ライン１５０から分岐し、前記バイパスライン１０５が前記流路出口１１０ｂの後端部で前記冷却水供給ライン１６０に合流する。

前記冷却水排水ライン１５０から前記バイパスライン１０５が分岐する地点に前記入口バルブ１０４ａが配置され、前記バイパスライン１０５が前記冷却水供給ライン１６０に合流する地点に前記出口バルブ１０４ｂが配置される。

前記入口バルブ１０４ａの前端部である前記冷却水排水ライン１５０には、前記断熱容器１０３の中に入る冷却水の温度を感知する前記入口温度センサ１２０ａが配置され、前記出口バルブ１０４ｂの後端部である前記冷却水供給ライン１６０には、前記断熱容器１０３外部に排出する冷却水の温度を感知する前記出口温度センサ１２０ｂが配置される。

前記熱保存制御部１４０ａは、前記エンジン冷却水温度センサ１２０ｄ、前記入口温度センサ１２０ａ、前記圧力センサ１３０ａ、前記相変化物質温度センサ１２０ｃ、および前記出口温度センサ１２０ｂなどで感知される冷却水温度を利用することにより、前記ヒータコア供給バルブ１０４ｃ、前記入口バルブ１０４ａ、前記出口バルブ１０４ｂを制御する。

本発明の実施形態では、既に公知された構成として、ラジエータおよびサーモスタットについての詳細な説明は省略する。さらに、本発明で説明されていない他の車両の構成については、既に公知された技術を参照する。

本発明の実施形態において、前記熱保存制御部１４０ａと前記エンジン制御部１４０ｂを１つの制御部として説明する。

前記制御部１４０ａ、１４０ｂは、前記エンジン１００を循環する冷却水の温度が第１設定値未満と判断すれば、前記ヒータコア１０６に冷却水を供給しない。その理由は、前記ヒータコア１０６に熱エネルギーが放出されることを防ぐためである。

同時に、前記制御部１４０ａ、１４０ｂは、前記入口バルブ１０４ａと前記出口バルブ１０４ｂを制御することにより、冷却水が前記断熱容器１０３内部に供給されるようにし、前記バイパスライン１０５には循環しないようにする。

前記入口バルブ１０４ａを介して前記断熱容器１０３内部に入った冷却水は、前記冷却フィン１０７を介して前記相変化物質１０１から熱エネルギーを吸収し、前記冷却水供給ライン１６０を介して前記エンジン１００に供給する。

図２は、本発明の実施形態に係る冷却水の温度が高まる状態における車両の蓄熱装置の作動状態を示す概略的な構成図である。

図２を参照すれば、前記制御部１４０ａ、１４０ｂは、前記エンジン１００を循環する冷却水の温度が前記第１設定値よりも高くなり、第２設定値未満と判断すれば、前記ヒータコア供給バルブ１０４ｃを開け、前記ヒータコア１０６に冷却水を供給することにより、室内の熱エネルギーを冷却水路に供給したり室内を暖房したりする。

図３は、本発明の実施形態に係る冷却水の温度が高まった状態における車両の蓄熱装置の作動状態を示す概略的な構成図である。

図３を参照すれば、前記制御部１４０ａ、１４０ｂは、前記エンジン１００を循環する冷却水の温度が前記第２設定値に到達すれば、前記エンジン１００がウォームアップした状態として判断し、前記入口バルブ１０４ａと前記出口バルブ１０４ｂを制御することにより、前記冷却水が前記断熱容器１０３内部の冷却水流路に供給されず、前記バイパスライン１０５を介して循環する。このとき、前記相変化物質１０１の温度は、前記冷却水の温度よりも低い状態となる。

図４は、本発明の実施形態に係る冷却水の温度がさらに高まった状態における車両の蓄熱装置の作動状態を示す概略的な構成図である。

図４を参照すれば、前記制御部１４０ａ、１４０ｂは、前記エンジン１００を循環する冷却水の温度が前記第３設定値に到達したり、サーモスタットが作動してラジエータファンが作動したりすれば、前記エンジン１００がオーバーウォームアップ（過熱）した状態として判断し、前記入口バルブ１０４ａと前記出口バルブ１０４ｂを制御することにより、前記冷却水が前記断熱容器１０３内部の冷却水流路に供給されるようにし、前記バイパスライン１０５を介して循環できないようにする。

したがって、過熱した冷却水の熱エネルギーを前記相変化物質に効果的に保存する状態になる。

図５は、本発明の実施形態に係るエンジンが停止したときの車両の蓄熱装置の作動状態を示す概略的な構成図である。

図５を参照すれば、エンジン１００が停止すれば、前記制御部１４０ａ、１４０ｂは前記入口バルブ１０４ａと前記出口バルブ１０４ｂを制御することにより、前記断熱容器１０３を介して冷却水が循環できないようにし、前記相変化物質１０１に保存した熱エネルギーが外部に流出することを防ぐ。

図６は、本発明の実施形態に係るエンジンが故障安全モードに進んだときの車両の蓄熱装置の作動状態を示す概略的な構成図である。

前記入口温度センサ１２０ａで感知される冷却水温度と前記出口温度センサ１２０ｂで感知される冷却水温度の差が前記相変化物質温度センサ１２０ｃで感知される前記相変化物質１０１の温度を基準として過度に小さいときに故障安全モードに進み、前記クラスタ１４０ｃに警告灯を点灯する。

また、前記相変化物質温度センサ１２０ｃで感知される前記相変化物質１０１の温度が過度に上昇したり、前記圧力センサ１３０ａで感知される相変化物質１０１の圧力が過度に上昇したりすれば故障安全モードに進み、前記クラスタ１４０ｃに警告灯を点灯する。

また、前記相変化物質温度センサ１２０ｃで感知する前記相変化物質１０１の温度が過度に低い場合に故障安全モードに進み、前記クラスタ１４０ｃに警告灯を点灯する。

または、前記相変化物質温度センサ１２０ｃで感知する前記相変化物質１０１の温度が過度に変動したり、前記圧力センサ１３０ａで感知する前記相変化物質１０１の圧力が過度に変動したりする場合に故障安全モードに進み、前記クラスタ１４０ｃに警告灯を点灯する。

図６を参照すれば、上述したように前記故障安全モードに進むようになれば、図に示すように、前記入口バルブ１０４ａと前記出口バルブ１０４ｂを制御することにより、冷却水が前記断熱容器１０３内部に供給されないようにし、前記バイパスライン１０５を循環するようにする。

発明の実施形態に係る前記相変化物質は、ステアリン酸（ｓｔｅａｒｉｃ ａｃｉｄ）を含んでもよい。したがって、エンジンをウォームアップして室内を冷房するために損失される燃料消耗量を画期的に減らし、ＰＴＣヒータのような別途の暖房補助装置とウォームアップ付加装置を代替することができ、排気ガスの品質を急速に向上させることにより、燃料消耗を減らして環境規制を克服することに役立つ。

以上、本発明に関する好ましい実施形態を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、本発明の実施形態から当該発明が属する技術分野において通常の知識を有する者であれば、技術的範囲内において容易に変更することができる。

本発明は、相変化物質を用いた車両冷却水の蓄熱装置の分野に適用できる。

１００：エンジン
１０１：相変化物質
１０２：熱交換機
１０３：断熱容器
１０４ａ：入口バルブ
１０４ｂ：出口バルブ
１０４ｃ：ヒータコア供給バルブ
１０５：バイパスライン
１０６：ヒータコア
１０７：冷却フィン
１１０ａ：流路入口
１１０ｂ：流路出口
１２０ａ：入口温度センサ
１２０ｂ：出口温度センサ
１２０ｃ：相変化物質温度センサ
１２０ｄ：エンジン冷却水温度センサ
１３０ａ：圧力センサ
１４０ａ：熱保存制御部
１４０ｂ：エンジン制御部
１４０ｃ：クラスタ
１５０：冷却水排出ライン
１６０：冷却水供給ライン
２０１：冷却水排出口
２０２：冷却水流入口
２０５：第１ヒータコアライン
２０６：第２ヒータコアライン

Claims (11)

1. 流路入口と流路出口が形成される断熱容器、
   前記流路入口と前記流路出口を貫通して配置され、一端はエンジンの冷却水排出口に連結し、他端はエンジンの冷却水流入口に連結して冷却水が循環する冷却水流路、
   前記断熱容器内部で前記冷却水流路上に形成される冷却フィンに構成される熱交換機、
   前記断熱容器内部に充填され、前記冷却水流路を流れる冷却水と前記冷却フィンを介して熱を交換する相変化物質、
   前記断熱容器内部の充填した相変化物質の温度を感知する相変化物質温度センサ、
   前記断熱容器内部の圧力を感知する圧力センサ、
   前記エンジンを循環する冷却水の温度を感知するエンジン冷却水温度センサ、および
   前記エンジンの運転条件と前記冷却水の温度に応じて前記冷却水流路を介して冷却水を循環させ、前記冷却水と前記相変化物質が熱交換を互いに行うようにする制御部、を含み、
   前記冷却水流路から分岐して前記冷却水が前記断熱容器をバイパスするようにするバイパスラインが形成され、
   前記バイパスラインと前記冷却水流路が分岐する部分と合流する部分には、入口バルブと出口バルブがそれぞれ設置され、
   前記出口バルブの後端部には、前記断熱容器の流路出口を介して排出する冷却水の温度を感知する出口温度センサが配置され、
   前記入口バルブの前端部には、前記断熱容器の前記流路入口を介して流入する冷却水の温度を感知する入口温度センサが配置され、
   前記制御部は、
   前記入口温度センサで感知される冷却水温度と前記出口温度センサで感知される冷却水温度の差が前記相変化物質温度センサで感知される前記相変化物質の温度を基準として設定値よりも小さいとき、故障安全モードに進む、
   ことを特徴とする、車両の蓄熱装置。
2. 前記冷却水流路を流れる冷却水を利用して室内を温めるヒータコア、および
   前記ヒータコアに冷却水を供給するために、前記冷却水流路から前記ヒータコアに冷却水を選択的に供給するヒータコア供給バルブ、をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の車両の蓄熱装置。
3. 前記制御部は、
   前記エンジン冷却水温度センサで感知される前記エンジンの冷却水温度が第１設定値未満であれば冷却状態として判断し、
   前記ヒータコア供給バルブを閉じ、前記入口バルブと前記出口バルブを制御することにより、前記冷却水流路の冷却水が前記熱交換機を流れるようにし、前記冷却水流路の冷却水が前記相変化物質によって温められるようにすることを特徴とする、請求項２に記載の車両の蓄熱装置。
4. 前記制御部は、
   前記エンジン冷却水温度センサで感知される前記エンジンの冷却水温度が第１設定値と第２設定値の間であればウォームアップ中間状態として判断し、
   前記ヒータコア供給バルブを開け、前記入口バルブと前記出口バルブを制御することにより、前記ヒータコアの熱を利用して冷却水を温めることを特徴とする、請求項２に記載の車両の蓄熱装置。
5. 前記制御部は、
   前記エンジン冷却水温度センサで感知される前記エンジンの冷却水温度が第２設定値に到達すればウォームアップ状態として判断し、
   前記ヒータコア供給バルブを開け、前記入口バルブと前記出口バルブを制御することにより、前記冷却水流路の冷却水が前記バイパスラインを流れるようにする、請求項２に記載の車両の蓄熱装置。
6. 前記制御部は、
   前記エンジン冷却水温度センサで感知される前記エンジンの冷却水温度が前記第２設定値よりも高い第３設定値に到達すればオーバーウォームアップ状態として判断し、
   前記ヒータコア供給バルブを開け、前記入口バルブと前記出口バルブを制御することにより、前記冷却水流路の冷却水が前記熱交換機を流れるようにし、前記冷却水流路の冷却水が前記相変化物質を温めることを特徴とする、請求項２に記載の車両の蓄熱装置。
7. 前記制御部は、
   前記エンジンが停止すれば、前記入口バルブと前記出口バルブを制御することにより、前記断熱容器内部に充填した相変化物質に保存された熱エネルギーが前記冷却水を介して外部に排出しないようにすることを特徴とする、請求項２に記載の車両の蓄熱装置。
8. 前記制御部は、
   前記相変化物質温度センサで感知される前記相変化物質の温度の上昇速度が設定値を超えたり、
   前記圧力センサで感知される相変化物質の圧力上昇速度が設定値を超えたりすれば、故障安全モードに進む、請求項１に記載の車両の蓄熱装置。
9. 前記制御部は、
   前記相変化物質温度センサで感知される前記相変化物質の温度が設定値よりも低い場合に、故障安全モードに進む、請求項１に記載の車両の蓄熱装置。
10. 前記制御部は、
    前記相変化物質温度センサで感知される前記相変化物質の温度が過度に変動したり、前記圧力センサで感知される前記相変化物質の圧力が過度に変動したりする場合、故障安全モードに進むことを特徴とする、請求項１に記載の車両の蓄熱装置。
11. 前記故障安全モードに進めば、
    前記制御部は、クラスタに非常灯を点灯し、前記入口バルブと前記出口バルブを制御することにより、冷却水が前記断熱容器内部の前記冷却水流路に供給されず、前記バイパスラインを循環するようにすることを特徴とする、請求項１又は請求項８ないし１０のいずれか１項に記載の車両の蓄熱装置。

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