JP6358170B2 - 車両用冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両用冷却装置に関するものである。

従来より、車両のエンジンを冷却する冷却水はラジエータにて冷却されており、車両の空調装置の冷媒はコンデンサにて冷却されている。そしてラジエータやコンデンサは、通常、車両の走行時に車両前方から取り入れた空気流にて冷却されるように配置されている。

しかし、渋滞によって走行による空気流が不足する場合等を考慮して、一般的には、ラジエータやコンデンサの背面には、走行による空気流と同一方向の空気流を発生可能な冷却ファンが設けられている。そして、当該冷却ファンの空気流を効率よく利用するためにファンシュラウドが設けられ、当該ファンシュラウドにラジエータ、コンデンサ、冷却ファン等が収容されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１４−１０１８７０号公報

上記特許文献１に記載された冷却装置は、車両が停車している場合でも、冷却ファンによる送風によりラジエータやコンデンサが冷却される。また、車両の走行時には、更に、車両前方から取り入れられる走行風すなわち車速風が加わってラジエータやコンデンサが冷却され、冷却装置の冷却性能が向上するようになっている。

ところが、上記冷却装置は、車両の走行時に冷却ファン自体が冷却用空気の抵抗となってしまうため、車速風を十分に取り込むことができなくなってしまうといった問題がある。このように、車速風を十分に取り込むことができなくなくなると、冷却装置の放熱性能の向上の妨げとなる。

本発明は上記問題に鑑みたもので、車両の走行時における放熱性能を向上することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、車両に搭載され、通過する空気と熱媒体の熱交換を行う熱交換器（２０）と、熱交換器を通過した空気を通す開口孔（３２３）を有するダクト（３０）と、を備え、ダクトは、熱交換器を通過した空気を開口孔へと導く導風部（３１）と、ダクトの開口孔を通過する空気流れ方向に対して、交差する方向から開口孔の内周面に沿うように送風空気を流入させる送風通路（３２１、３２２）を有し、該送風通路より開口孔の内周面に沿うように流入した送風空気により開口孔を通過する空気に渦が生じて開口孔の内部が負圧となるよう構成されていることを特徴としている。

このような構成によれば、ダクトは、熱交換器を通過した空気を開口孔へと導く導風部（３１）と、ダクトの開口孔を通過する空気流れ方向に対して、交差する方向から開口孔の内周面に沿うように送風空気を流入させる送風通路（３２１、３２２）を有し、該送風通路より開口孔の内周面に沿うように流入した送風空気により開口孔を通過する空気に渦が生じて開口孔の内部が負圧となるよう構成されているので、車両の走行時における車速風の取り込みが促進され、車両の走行時における放熱性能を向上することができる。

なお、この欄および特許請求の範囲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。

本発明の第一実施形態に係る冷却装置を搭載した自動車の前端部を示した図である。 自動車に搭載された冷却装置の構成を示した図である。 図２中のIII−III線に沿った断面図である。 冷却装置の外観図である。 冷却装置の外観図である。 開閉ドアを開いた状態と開閉ドアを閉じた状態の車速風の流速と放熱量・発熱量との関係を示す特性図である。 停車時の圧力分布について説明するための図である。 高速走行時の圧力分布について説明するための図である。 変形例について示した図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る冷却装置の構成について図１〜図５を参照して説明する。図１は、本冷却装置２を搭載した自動車（車両）の前端部を示した図である。また、図１において左右矢印は、車両幅方向を示している。

本冷却装置２は、自動車のエンジンルーム内に搭載されている。エンジンルームは、自動車のボデーで周囲を囲まれて、エンジン（図示せず）等の主要の走行用駆動源が収納される空間である。

自動車のフロントグリル７１には、フロントグリル開口部７２およびフォグランプグリル開口部７３等が設けられている。フロントグリル開口部７２およびフォグランプグリル開口部７３は、それぞれフロントグリル７１において車両進行方向前側に開口するように形成されている。自動車の走行に伴う車速風がフロントグリル開口部７２およびフォグランプグリル開口部７３から車両のエンジンルーム内に取り込まれるようになっている。本冷却装置２は、フロントグリル開口部７４に対して車両進行方向後側に配置されている。

図２は、自動車に搭載された冷却装置２の構成を示した図である。図２において上下矢印は車両の上下方向を示しており、左右矢印は車両の前後方向を示している。本冷却装置２は、熱交換器２０およびダクト３０から構成されている。熱交換器２０は、通過する空気と熱媒体の熱交換を行うものである。本実施形態における熱交換器２０は、コンデンサ２１およびラジエータ２２から構成されている。本冷却装置２は、支持部材７６を介して自動車のエンジンルーム内に固定されている。

コンデンサ２１は、図示しない車両用冷凍サイクル（空調装置）に用いられる冷媒を冷却するものである。コンデンサ２１は、冷媒が流通する複数本のチューブ及びフィン（いずれも図示せず）を備えて冷媒と空気とを熱交換させるコンデンサコア２１１と、コンデンサコア２１１の両端に設けられ、冷媒が流出入するコンデンサタンク２１２とを備えている。コンデンサ２１は、コンデンサコア２１１のチューブ内を流通する冷媒とコンデンサコア２１１のチューブの間を通過する空気とを熱交換させて冷媒を冷却するようになっている。

ラジエータ２２は、エンジン（図示せず）を冷却する冷却水（液体）を冷却するものである。ラジエータ２２は、冷却水が流通する複数本のチューブからなるラジエータコア２２１、ラジエータコア２２１の上部に配設されてチューブに連通するラジエータ上部タンク２２２、ラジエータコア２２１の下部に配設されてチューブに連通するラジエータ下部タンク２２３等から構成されている。コンデンサ２１は、ラジエータコア２２１のチューブ内を流通する冷却水とラジエータコア２２１のチューブの間を通過する空気とを熱交換させて冷却水を冷却する。

コンデンサコア２１１およびラジエータコア２２１は、冷却用空気を通過させる空気通過部である。コンデンサ２１およびラジエータ２２は、自動車の走行風（冷却用空気）が空気通過部（コンデンサコア２１１およびラジエータコア２２１）を通過するようフロントグリル開口部７４に対して車両進行方向後側に配置されている。

ラジエータ２２の車両進行方向後側には、ダクト３０が設けられている。ダクト３０は、導風部３１、コア部３２、ガイド３３および開閉ドア３４を備えている。導風部３１、コア部３２およびガイド３３は、それぞれ樹脂により構成されている。

導風部３１は、熱交換器２０より車両後方側に配置されている。導風部３１は、熱交換器２０を通過した空気を集合してコア部３２の開口孔３２３（図３参照）へ導くカバー部材である。熱交換器２０を通過した空気は、導風部３１により集合されてコア部３２の開口孔３２３へ導かれるようになっている。

図３は、図２中のIII−III線に沿った断面図である。コア部３２は、熱交換器２０を通過した空気を通す断面円形状の開口孔３２３と、この開口孔３２３を通過する空気流れ方向に対して、交差する方向から開口孔３２３の内周面に沿うように送風空気を送風する送風通路３２１、３２２と、を有している。

具体的には、送風通路３２１および送風通路３２２は、コア部３２の開口孔３２３を通過する空気流れ方向に対して、直交する方向から開口孔３２３の内周面に沿うように送風空気を流入させる。

コア部３２の開口孔３２３の空気流れ下流側からコア部３２見て、コア部３２の下端の長手方向をコア部３２の左右方向としたとき、送風通路３２１は、コア部３２の左上側に設けられ、送風通路３２２は、コア部３２の右下側に設けられている。送風通路３２１および送風通路３２２は、それぞれ熱交換器２０の中心、すなわち、コア部３２の開口孔３２３の中心からオフセットした位置に設けられている。

送風通路３２１は、送風空気を取り入れる開口部３２１ａとコア部３２の開口孔３２３の上端部を連通するよう形成されている。開口部３２１ａには、ホースを介して送風手段としての送風ファン（いずれも図示せず）が接続される。

送風通路３２１は、開口部３２１ａに接続された送風ファンから取り入れた送風空気をコア部３２の開口孔３２３の上部の内面に沿って送風するよう形成されている。すなわち、開口部３２１ａに接続された送風ファンから送風通路３２１を介してコア部３２の開口孔３２３に導入された空気は、図３中矢印Ａ１に示すように、開口孔３２３の内壁に沿って周回するように流れる。

一方、送風通路３２２は、送風空気を取り入れる開口部３２２ａとコア部３２の開口孔３２３の下端部を連通するよう形成されている。開口部３２２ａには、ホースを介して送風手段としての送風ファン（いずれも図示せず）が接続される。

送風通路３２２は、開口部３２２ａに接続された送風ファンから取り入れた送風空気をコア部３２の開口孔３２３の下部の内面に沿って送風するよう形成されている。すなわち、開口部３２２ａに接続された送風ファンから送風通路３２２を介してコア部３２の開口孔３２３に導入された空気は、図３中矢印Ａ２に示すように、開口孔３２３の内壁に沿って周回するように流れる。

ガイド３３は、コア部３２の開口孔３２３の外周縁部より立設されたガイド部材である。ガイド３３は、樹脂により構成され、コア部３２の空気流れ下流側に向かって縮径する中空の円錐台形状を成している。

ガイド３３は、コア部３２の開口孔３２３を通過した空気を車両後方側へ導くとともに、送風通路３２１および送風通路３２２からコア部３２の開口孔３２３に送風された送風空気をガイド３３内に留まらせるよう機能する。

開閉ドア３４は、コア部３２の開口孔３２３を開閉する開閉手段である。開閉ドア３４は、コア部３２の開口孔３２３における熱交換器２０と反対側の面に設けられている。開閉ドア３４は、回転軸３４ａを回転中心として回動する片持ち式の板ドアにより構成されている。これらの開閉ドア３４は、図示しない電動アクチュエータにより回動制御される。なお、電動アクチュエータは、図示しない制御装置から出力される制御信号によって作動する。

図４は、車両が高速走行中の場合における開閉ドア３４の状態を示した図である。図に示すように、車両が高速走行中の場合、開閉ドア３４はコア部３２の開口孔３２３が開状態となるよう制御される。したがって、導風部３１により集合されてコア部３２の開口孔３２３へ導かれた車速風は、コア部３２の開口孔３２３で、開口部３２１ａおよび開口部３２２ａを介して各送風ファン（図示せず）から導入された送風空気と合流し、旋回流となって車両後方へと流出する。

図５は、車両が停車中、または車両が低速走行中の場合における開閉ドア３４の状態を示した図である。図に示すように、車両が停車中、または車両が低速走行中の場合には、開閉ドア３４はコア部３２の開口孔３２３が遮蔽状態となるよう制御される。開口部３２１ａおよび開口部３２２ａを介して各送風ファン（図示せず）からコア部３２の開口孔３２３に導入された送風空気は熱交換器２０を通過して熱交換器２０を冷却するようになっている。

ここで、冷却装置２の車速風の流速と放熱量について図６を参照して説明する。図６は、冷却装置より車両進行方向後側に燃料電池５０を配置したときの燃料電池５０の発熱量と冷却装置２の放熱量の特性を示した図である。図６中の符号Ｃ１は、図７（ａ）に示すように開閉ドア３４によりコア部３２の開口孔３２３を開状態にしたときの冷却装置２の放熱量（試算値）を示している。また、図６中の符号Ｃ２は、図８（ａ）に示すように開閉ドア３４によりコア部３２の開口孔３２３を遮蔽状態にしたときの冷却装置２の放熱量（試算値）を示している。なお、図７（ａ）、図８（ａ）において、各冷却装置と燃料電池５０の距離は１００ミリメートルとなっている。また、図６中の符号Ｅ１は、図７（ａ）、図８（ａ）中に示されている燃料電池５０の発熱量（試算値）を示している。図６中の符号Ｅ１に示すように、燃料電池５０の発熱量は、車速風が速くなるにつれて二次曲線的に増大する。

（Ａ）開閉ドア３４によりコア部３２の開口孔３２３が開状態となっている場合
図７（ａ）に示すように開閉ドア３４によりコア部３２の開口孔３２３が開状態となっている場合、自動車の走行に伴う車速風はフロントグリル開口部７２から車両のエンジンルーム内に取り込まれ、熱交換器２０の熱交換コア部を通過した後、導風部３１によりコア部３２の開口孔３２３に導入される。

ここで、送風通路３２１および送風通路３２２を介して各送風ファンからコア部３２の開口孔３２３に送風空気が導入されると、これらの送風空気は導風部３１よりコア部３２の開口孔３２３に導入された空気と合流する。

これにより、導風部３１よりコア部３２の開口孔３２３に導入された空気は開口孔３２３の内周面に沿いながら車両後方側へ進む旋回流となり、この旋回流により自由渦と呼ばれる渦が生じる。このような自由渦は、渦の中心に近付くほど円周方向の流速は大きくなり、圧力は著しく低下するため、渦の中心は負圧となる。

図７（ｂ）は、図７（ａ）中のＦ−Ｆ線の沿った圧力（気圧）分布を示している。開閉ドア３４を制御してコア部３２の開口孔３２３を開状態にした場合、図７（ｂ）に示すように、図７（ａ）中のＦ−Ｆ線に沿った圧力は、大気圧Ｐ０よりも低くなる。また、コア部３２の開口孔３２３の中心に近付くほど圧力は低くなり、開口孔３２３を通過する空気の渦の中心部は負圧となる。

このように開口孔３２３を通過する空気の渦の中心部が負圧になると、ダクト３０に取り込まれる車速風の取り込み量が増大し、車両の走行時における車速風の取り込みが促進され、車両の走行時における放熱性能を向上することができる。なお、導風部３１よりコア部３２の開口孔３２３に車速風が導入されている場合、送風空気を送風する各送風ファンの風量が少量でもダクト３０に非常に多くの車速風を取り込むことが可能である。したがって、送風空気を送風する各送風ファンを小型化しても、ダクト３０に非常に多くの車速風を取り込むことが可能である。

（Ｂ）開閉ドア３４によりコア部３２の開口孔３２３が閉塞状態となっている場合
車両が停車中の場合、または車両が低速走行中の場合、フロントグリル開口部７２から車両のエンジンルーム内に自動車の走行に伴う十分な車速風が取り込まれなくなる。しかし、このような場合でも、熱交換器２０を冷却する必要がある。

そこで、車両が停車中の場合、または車両が低速走行中の場合には、図８（ａ）に示すように、開閉ドア３４はコア部３２の開口孔３２３が遮蔽状態となるよう制御される。これにより、送風通路３２１および送風通路３２２を介して各送風ファンからコア部３２の開口孔３２３に導入された送風空気が熱交換器２０を通過して、熱交換器２０が冷却される。

図８（ｂ）は、図８（ａ）中のＦ−Ｆ線の沿った圧力（気圧）分布を示している。図８（ｂ）に示すように、図８（ａ）中のＦ−Ｆ線に沿った圧力は、大気圧Ｐ０よりも高くなっている。このため、コア部３２の開口孔３２３から送風空気が熱交換器２０側へ押し出され、この送風空気により熱交換器２０が冷却される。

図６中の領域Ｄ１に示すように、車速風の風速が小さい領域では、図６中の符号Ｃ１、Ｃ２に示した各冷却装置の放熱量の方が図６中の符号Ｅ１に示される燃料電池の発熱量よりも大きくなっている。すなわち、図７（ａ）に示した状態の冷却装置でも、図８（ａ）に示した状態の冷却装置でも、燃料電池５０を十分に冷却することが可能である。

また、図６中の領域Ｄ２に示すように、車速風の風速が大きい領域では、図６中の符号Ｃ１に示した冷却装置の放熱量は、図６中の符号Ｅ１に示される燃料電池の発熱量よりも大きくなっている。すなわち、図７（ａ）に示した状態の冷却装置で燃料電池５０を十分に冷却することが可能である。

上記した構成によれば、ダクト３０は、熱交換器２０を通過した空気を開口孔３２３へと導く導風部３１と、ダクト３０の開口孔３２３を通過する空気流れ方向に対して、交差する方向から開口孔３２３の内周面に沿うように送風空気を流入させる送風通路３２１、３２２を有し、該送風通路３２１、３２２より開口孔３２３の内周面に沿うように流入した送風空気により開口孔３２３を通過する空気に渦が生じて開口孔３２３の内部が負圧となるよう構成されているので、車両の走行時における車速風の取り込みが促進され、車両の走行時における放熱性能を向上することができる。

また、ダクト３０は、開口孔３２３の外周縁部より立設されたガイド３３を有しているので、このガイド３３により開口孔３２３の内周面に沿うように流入した送風空気と開口孔を通過する空気の混合性を向上することができる。

また、ダクト３０は、開口孔３２３を開閉する開閉ドア３４を備えたので、開閉ドア３４により開口孔３２３を遮蔽状態にして開口孔３２３の内周面に沿うように流入した送風空気により熱交換器２０を冷却することが可能である。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態に係る冷却装置２の外観図を図９に示す。上記第１実施形態では、外部に設けられた送風ファンから送風通路３２１、３２２へ送風空気が送風される構成となっているが、本実施形態の冷却装置２は、送風通路３２１へ送風空気を送風する送風ファン３８ａおよび送風通路３２２へ送風空気を送風する送風ファン３８ｂを備えている。送風ファン３８ａおよび送風ファン３８ｂは、それぞれ小型のシロッコファンにより構成されている。このように、送風ファン３８ａおよび送風ファン３８ｂを備えた構成とすることもできる。

（他の実施形態）
（１）上記各実施形態では、２つの送風通路３２１、３２２を備えたダクト３０を備えた例を示したが、送風通路の数は１つであっても、３つ以上であってもよい。

（２）上記各実施形態では、片持ち式の板ドアにより構成された開閉ドア３４により開口孔３２３を開閉するよう構成したが、このような構成の開閉機構に限定されるものではなく、例えば、回転シャッター、スライドシャッター等により開口孔３２３を開閉するよう構成してもよい。

（３）上記各実施形態では、コンデンサ２１およびラジエータ２２から構成された熱交換器２０を冷却するよう構成されているが、コンデンサ２１およびラジエータ２２のいずれか一方を冷却するよう構成してもよい。また、コンデンサ２１およびラジエータ２２以外の熱交換器、例えば、燃料電池を冷却する冷却水を冷却するラジエータや、燃料電池本体を熱交換器２０として冷却するよう構成することもできる。

（４）上記各実施形態では、円形形状の開口孔３２３をダクト３０に形成するようにしたが、開口孔３２３の形状は必ずしも円形形状でなくてもよく、例えば、楕円形状の開口孔３２３をダクト３０に形成するようにしてもよい。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の材質、形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の材質、形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その材質、形状、位置関係等に限定されるものではない。

２０ 熱交換器
２１ コンデンサ
２２ ラジエータ
３０ ダクト
３１ 導風部
３２ コア部
３２３ 開口孔
３３ ガイド
３４ 開閉ドア
３８ａ、３８ｂ 送風ファン

Claims (5)

1. 車両に搭載され、通過する空気と熱媒体の熱交換を行う熱交換器（２０）と、
   前記熱交換器を通過した前記空気を通す開口孔（３２３）を有するダクト（３０）と、を備え、
   前記ダクトは、前記熱交換器を通過した前記空気を前記開口孔へと導く導風部（３１）と、前記ダクトの前記開口孔を通過する空気流れ方向に対して、交差する方向から前記開口孔の内周面に沿うように送風空気を流入させる送風通路（３２１、３２２）を有し、該送風通路より前記開口孔の内周面に沿うように流入した前記送風空気により前記開口孔を通過する前記空気に渦が生じて前記開口孔の内部が負圧となるよう構成されていることを特徴とする冷却装置。
2. 前記ダクトは、前記熱交換器より前記車両後方側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記ダクトは、前記開口孔の外周縁部より立設されたガイド部材（３３）を有することを特徴とする１または２に記載の冷却装置。
4. 前記送風通路から前記開口孔の内周面に沿うように送風空気を流入させる送風手段（３８ａ、３８ｂ）を備えたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の冷却装置。
5. 前記ダクトは、前記開口孔を開閉する開閉手段（３４）を備えたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の冷却装置。

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