JP6380481B2 - 車両用熱管理装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両に用いられる熱管理装置に関する。

従来、特許文献１には、温度調整対象機器に循環する冷却水を切り替えることによって、温度調整対象機器を適切に温度調整する車両用熱管理システムが記載されている。

この従来技術では、温度調整対象機器、第１ポンプおよび第２ポンプが第１切替弁と第２切替弁との間に並列に接続されている。第１切替弁および第２切替弁は、第１ポンプが吸入して吐出した冷却水が温度調整対象機器に循環する場合と、第２ポンプが吸入して吐出した冷却水が温度調整対象機器に循環する場合とを切り替える。

具体的には、第１切替弁および第２切替弁は、温度調整対象機器と第１ポンプとで冷却水回路が形成される場合と、温度調整対象機器と第２ポンプとで冷却水回路が形成される場合とを切り替える。

温度調整対象機器は、吸気冷却器、排気ガス冷却器、電池冷却器、インバータ、モータ冷却器、ＣＶＴウォーマ、クーラコア等である。

特開２０１４−２１８２３７号公報

例えば、スロットルや水冷オルタネータのような機器では、要求される熱量が微少である。そのため、要求される熱量が微少な機器に対しては、循環する冷却水の流量が少なくても当該機器を十分に加熱・冷却することができる。

しかるに、上記従来技術において、要求される熱量が微少な機器を温度調整対象機器として第１切替弁と第２切替弁との間に配置した場合、当該機器に冷却水が必要以上に流れてしまうので圧力損失が無駄に増加してしまうという問題がある。

本発明は上記点に鑑みて、機器によって生じる圧力損失を低減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に記載の車両用熱管理装置では、
熱媒体が循環する第１熱媒体流路を有する第１熱媒体回路（１１）と、
熱媒体が循環する第２熱媒体流路を有する第２熱媒体回路（１２）と、
第１熱媒体回路（１１）および第２熱媒体回路（１２）で熱媒体が互いに独立して循環する独立モードと、第１熱媒体回路（１１）と第２熱媒体回路（１２）との間で熱媒体が循環する連携モードとを切り替える切替部（４０）と、
熱媒体の流れにおいて切替部（４０）と並列に配置され、第１熱媒体回路（１１）および第２熱媒体回路（１２）とを連通させる連通部（４３）と、
連通部（４３）に配置された機器（４４）とを備え、
連通部（４３）の流路断面積は、第１熱媒体流路のうち連通部（４３）が接続されている部位の流路断面積よりも小さく、かつ第２熱媒体流路のうち連通部（４３）が接続されている部位の流路断面積よりも小さくなっている。

これによると、連通部（４３）の流路断面積が小さいので、連通部（４３）を流れる熱媒体の流量が少なくなる。そのため、機器（４４）を流れる熱媒体の流量を少なくできるので、機器（４４）による圧力損失を低減できる。

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。

一実施形態における車両用熱管理装置を示す全体構成図であり、独立モード時の作動状態を示している。 一実施形態における車両用熱管理装置を示す全体構成図であり、連携モード時の作動状態を示している。

以下、実施形態について図に基づいて説明する。図１に示す車両用熱管理装置１０は、エンジン冷却回路１１およびコンデンサ回路１２を備えている。エンジン冷却回路１１およびコンデンサ回路１２は、冷却水が循環する冷却水流路を有する冷却水回路である。

冷却水は、熱媒体としての流体である。例えば、冷却水は、少なくともエチレングリコール、ジメチルポリシロキサンもしくはナノ流体を含む液体、または不凍液体である。

エンジン冷却回路１１は、熱媒体が循環する第１熱媒体流路を有する第１熱媒体回路である。コンデンサ回路１２は、熱媒体が循環する第２熱媒体流路を有する第２熱媒体回路である。

エンジン冷却回路１１は、エンジン２１を冷却水で冷却するための冷却水回路である。エンジン冷却回路１１は、エンジンポンプ２０およびエンジン２１を有している。

エンジンポンプ２０は、冷却水を吸入して吐出する電動ポンプである。エンジンポンプ２０は、車両用熱管理装置１０の第１ポンプである。エンジンポンプ２０は、エンジン２１の駆動力をベルトを介して動力伝達することによって駆動されるベルト駆動式ポンプであってもよい。

エンジン冷却回路１１は、図示しないエンジンラジエータ、および図示しないヒータコア等も有している。

エンジンラジエータは、冷却水と車室外空気（以下、外気と言う。）とを熱交換させる冷却水外気熱交換器である。

ヒータコアは、車室内へ送風される空気と冷却水とを熱交換させて車室内への送風空気を加熱する空気加熱用熱交換器である。ヒータコアは、車室内を暖房するために用いられる熱交換器である。

コンデンサ回路１２は、コンデンサポンプ３１およびコンデンサ３２を有している。コンデンサポンプ３１は、冷却水を吸入して吐出する電動ポンプである。コンデンサポンプ３１は、車両用熱管理装置１０の第２ポンプである。

コンデンサ３２は、冷凍サイクル５０の高圧側冷媒と冷却水とを熱交換させることによって冷却水を加熱する冷却水加熱用熱交換器である。

コンデンサ回路１２は、図示しないサブラジエータ、および図示しないハイブリッド機器等も有している。

サブラジエータは、冷却水と外気とを熱交換させる冷却水外気熱交換器である。ハイブリッド機器は、例えばインバータや電池等である。インバータは、電池から供給された直流電力を交流電力に変換して走行用モータに出力する電力変換部である。

冷凍サイクル５０は、圧縮機５１、コンデンサ３２、膨張弁５２および蒸発器５３を備える蒸気圧縮式冷凍機である。冷凍サイクル５０の冷媒はフロン系冷媒である。冷凍サイクル５０は、高圧側冷媒圧力が冷媒の臨界圧力を超えない亜臨界冷凍サイクルである。

圧縮機５１は、電池から供給される電力によって駆動される電動圧縮機であり、冷凍サイクル５０の冷媒を吸入して圧縮して吐出する。圧縮機５１は、エンジンの駆動力によってエンジンベルトで駆動される可変容量圧縮機であってもよい。

コンデンサ３２は、圧縮機５１から吐出された高圧側冷媒と冷却水とを熱交換させることによって高圧側冷媒を凝縮させる高圧側熱交換器である。

膨張弁５２は、コンデンサ３２から流出した液相冷媒を減圧膨張させる減圧部である。膨張弁５２は、蒸発器５３出口側冷媒の温度および圧力に基づいて蒸発器５３出口側冷媒の過熱度を検出する感温部を有する温度式膨張弁である。すなわち、膨張弁５２は、蒸発器５３出口側冷媒の過熱度が予め定めた所定範囲となるように機械的機構によって絞り通路面積を調節する温度式膨張弁である。膨張弁５２は、電気的機構によって絞り通路面積を調節する電気式膨張弁であってもよい。

蒸発器５３は、膨張弁５２で減圧膨張された低圧冷媒と車室内へ送風される空気とを熱交換させることによって低圧冷媒を蒸発させる低圧側熱交換器である。蒸発器５３は、車室内へ送風される空気を冷却する空気冷却用熱交換器である。蒸発器５３は、膨張弁５２で減圧膨張された低圧冷媒と冷却水とを熱交換させることによって低圧冷媒を蒸発させる冷媒冷却水熱交換器であってもよい。蒸発器５３で蒸発した気相冷媒は圧縮機５１に吸入されて圧縮される。

エンジン冷却回路１１およびコンデンサ回路１２は、切替弁４０に接続されている。切替弁４０は、エンジン冷却回路１１およびコンデンサ回路１２の流体的な接続状態を切り替える切替部である。切替弁４０は、エンジン冷却回路１１とコンデンサ回路１２との流体的な接続および遮断を切り替える。切替弁４０は、４つのポート４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄを有する四方弁である。

切替弁４０は、車両用熱管理装置１０の作動モードを、図１に示す独立モードと図２に示す連携モードとに切り替える。図１に示す独立モードでは、切替弁４０は、エンジン冷却回路１１とコンデンサ回路１２とを流体的に遮断する。すなわち、独立モードでは、エンジン冷却回路１１とコンデンサ回路１２とが互いに独立して冷却水を循環させる。

図２に示す連携モードでは、切替弁４０がエンジン冷却回路１１とコンデンサ回路１２とを流体的に接続する。すなわち、連携モードでは、エンジン冷却回路１１とコンデンサ回路１２とが互いに連通して冷却水を循環させる。

エンジン冷却回路１１の冷却水流路（換言すれば第１熱媒体流路）およびコンデンサ回路１２の冷却水流路（換言すれば第２熱媒体流路）には連通路４３が接続されている。連通路４３は、エンジン冷却回路１１とコンデンサ回路１２とを連通させる連通部である。連通路４３は、エンジン冷却回路１１とコンデンサ回路１２との圧力差を低減する。

連通路４３の流路断面積は、エンジン冷却回路１１の冷却水流路およびコンデンサ回路１２の冷却水流路の流路断面積よりもかなり小さくなっている。そのため、連通路４３の流路抵抗は、エンジン冷却回路１１の冷却水流路およびコンデンサ回路１２の冷却水流路の流路抵抗よりもかなり大きくなっている。例えば、連通部４３の流路断面積は、エンジン冷却回路１１の冷却水流路のうち連通部４３が接続されている部位の流路断面積よりも小さく、かつコンデンサ回路１２の冷却水流路のうち連通部４３が接続されている部位の流路断面積よりも小さくなっている。

したがって、連通路４３を流れる冷却水は、エンジン冷却回路１１およびコンデンサ回路１２の冷却水流路を流れる冷却水と比較して非常に少なくなる。換言すれば、エンジン冷却回路１１とコンデンサ回路１２との間における連通路４３を介した冷却水の出入りは非常に少なくなる。

連通路４３は、冷却水流れにおいて切替弁４０に対して並列に配置されている。連通路４３は、切替弁４０に近接配置されている。具体的には、連通路４３のうちエンジン冷却回路１１側の端部４３ａは、切替弁４０の４つのポートのうちエンジン冷却回路１１側の１つのポート４０ａに近接配置されている。連通路４３のうちコンデンサ回路１２側の端部４３ｂは、切替弁４０の４つのポートのうちコンデンサ回路１２側の１つのポート４０ｃに近接配置されている。

エンジン冷却回路１１側において、連通路４３の端部４３ａと切替弁４０のポート４０ａとの間には、冷却水配管や継手部材のような冷却水流路を形成する部材のみが設けられている。換言すれば、エンジン冷却回路１１側において、連通路４３の端部４３ａと切替弁４０のポート４０ａとの間には、圧力損失体が配置されていない。

したがって、エンジン冷却回路１１側において、連通路４３の端部４３ａと切替弁４０のポート４０ａとの間の圧力損失は非常に小さくなっている。エンジン冷却回路１１側において、連通路４３の端部４３ａは、切替弁４０のポート４０ａと、他の部材を介さずに直接接続されていてもよい。

コンデンサ回路１２側においても同様に、連通路４３の端部４３ｂと切替弁４０のポート４０ｃとの間には、冷却水配管や継手部材のような冷却水流路を形成する部材のみが設けられている。換言すれば、コンデンサ回路１２側において、連通路４３の端部４３ｂと切替弁４０のポート４０ｃとの間には、圧力損失体が配置されていない。

したがって、コンデンサ回路１２側において、連通路４３の端部４３ｂと切替弁４０のポート４０ｃとの間の圧力損失は非常に小さくなっている。コンデンサ回路１２側において、連通路４３の端部４３ｂは、切替弁４０のポート４０ｃと、他の部材を介さずに直接接続されていてもよい。

連通路４３と切替弁４０との間の圧力損失が非常に小さくなっているので、切替弁４０が図１に示す状態と図２に示す状態とを切り替えた際に微少な圧力差が過渡的に生じると、連通路４３の両端４３ａ、４３ｂ間にも微少な圧力差が生じて連通路４３に微少な冷却水流れが生じる。

連通路４３には機器４３が配置されている。機器４３は、冷却水によって温度調整される温度調整対象機器である。機器４３を温度調整するために必要とされる熱量は、他の温度調整対象機器を温度調整するために必要とされる熱量と比較して微少である。機器４３は、例えばスロットルや水冷オルタネータ等である。他の温度調整対象機器は、例えばヒータコアやハイブリッド機器等である。

次に、車両用熱管理装置１０の電気制御部を説明する。制御装置６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭ等を含む周知のマイクロコンピュータとその周辺回路から構成されている。制御装置６０は、ＲＯＭ内に記憶された制御プログラムに基づいて各種演算、処理を行う。制御装置６０の出力側には各種制御対象機器が接続されている。制御装置６０は、各種制御対象機器の作動を制御する制御部である。

制御装置６０によって制御される制御対象機器は、エンジンポンプ２０、コンデンサポンプ３１、切替弁４０および圧縮機５１等である。

制御装置６０の入力側にはセンサ群の検出信号が入力される。センサ群は、エンジン水温センサ６１およびコンデンサ水温センサ６２等である。

エンジン水温センサ６１は、エンジン冷却回路１１の冷却水温度を検出する熱媒体温度検出部である。コンデンサ水温センサ６２は、コンデンサ回路１２の冷却水温度を検出する熱媒体温度検出部である。

制御装置６０は、エンジン水温センサ６１が検出した冷却水温度、およびコンデンサ水温センサ６２が検出した冷却水温度に基づいて切替弁４０の作動を制御する。

次に、上記構成における作動を説明する。エンジンポンプ２０およびコンデンサポンプ３１を作動させることによって、エンジン冷却回路１１およびコンデンサ回路１２に冷却水が循環する。

図１に示す独立モードでは、エンジン冷却回路１１とコンデンサ回路１２とが互いに独立して冷却水を循環させる。

例えば、エンジン冷却回路１１では、エンジン２１で加熱された冷却水がヒータコアを流れることによって、ヒータコアで車室内への送風空気を加熱できる。すなわち、車室内を暖房できる。エンジン冷却回路１１のエンジンラジエータでは、エンジン冷却回路１１の余剰熱を外気に放熱できる。

例えば、コンデンサ回路１２では、コンデンサ３２で加熱された冷却水がハイブリッド機器を流れることによって、ハイブリッド機器を加熱できる。コンデンサ回路１２のサブラジエータでは、コンデンサ回路１２の余剰熱を外気に放熱できる。

切替弁４０が図２に示す連携モードに切り替えると、エンジン冷却回路１１とコンデンサ回路１２との間で冷却水が流通するので、エンジン冷却回路１１とコンデンサ回路１２との間で熱がやり取りされる。

例えば、エンジン２１が停止していてエンジン２１で冷却水を加熱できない場合、エンジン冷却回路１１とコンデンサ回路１２との間で冷却水を流通させることによってコンデンサ回路１２からエンジン冷却回路１１に熱を供給できる。

例えば、コンデンサ３２で冷却水を十分に加熱できない場合、エンジン冷却回路１１とコンデンサ回路１２との間で冷却水を流通させることによってエンジン冷却回路１１からコンデンサ回路１２に熱を供給できる。

エンジン冷却回路１１およびコンデンサ回路１２は、連通路４３によって互いに連通している。そのため、エンジン冷却回路１１の冷却水圧力とコンデンサ回路１２の冷却水圧力とが均圧化される。

エンジン冷却回路１１の冷却水圧力とコンデンサ回路１２の冷却水圧力とが均圧化された定常状態では、連通路４３に冷却水流れが生じない。このとき、連通路４３に配置された機器４３にも冷却水流れが生じないので、機器４３は、静止した冷却水との熱伝導によって温度調整される。

これに対し、エンジン冷却回路１１の冷却水圧力とコンデンサ回路１２の冷却水圧力とが均圧化される前の過渡状態では、連通路４３に微少な冷却水流れが生じる。この微少な冷却水流れによって、連通路４３に配置された機器４３を温度調整できる。

例えば、切替弁４０が図１に示す状態と図２に示す状態とを切り替えて微少な圧力差が過渡的に生じると、連通路４３の両端４３ａ、４３ｂ間にも微少な圧力差が生じて連通路４３に微少な冷却水流れが生じる。

機器４３の温度調整のために必要とされる熱量は微少であるので、熱伝導や微少な冷却水流れによって機器４３を十分に温度調整できる。換言すれば、機器４３に冷却水が必要以上に流れることを抑制できるので、機器４３が必要以上に冷却・加熱されることを抑制できる。

機器４３を流れる冷却水の流量が微少であるので、機器４３によって生じる圧力損失を小さく抑えることができる。

本実施形態では、連通部４３は、第１冷却水回路１１および第２冷却水回路１２の冷却水流路よりも流路断面積が小さくなっている。機器４４は、連通部４３に配置されている。

これによると、連通部４３の流路断面積が小さいので、連通部４３を流れる冷却水の流量が少なくなる。そのため、機器４４を流れる冷却水の流量を少なくできるので、機器４４による圧力損失を低減できる。

本実施形態では、切替弁４０が独立モードと連携モードとを切り替えると連通部４３のうち第１冷却水回路１１側の端部と第２冷却水回路１２側の端部との間に圧力差が生じるように、連通部４３が切替弁４０に近接配置されている。

これによると、切替弁４０が独立モードと連携モードとを切り替えることによって連通部４３に冷却水を流すことができる。その結果、機器４４に冷却水を流して機器４４の温度を調整できる。

本実施形態では、制御装置６０は、第１冷却水回路１１および第２冷却水回路１２のうち少なくとも一方における冷却水の温度に基づいて切替弁４０の作動を制御する。

これによると、第１冷却水回路１１および第２冷却水回路１２のうち少なくとも一方における冷却水の温度に基づいて機器４４の温度を調整できる。

例えば、制御装置６０は、第１冷却水回路１１および第２冷却水回路１２のうち少なくとも一方における冷却水の温度が所定温度以下である場合、独立モードから連携モードに切り替わるように切替弁４０の作動を制御する。

これによると、第１冷却水回路１１および第２冷却水回路１２のうち少なくとも一方における冷却水の温度が低い場合、連通部４３に冷却水を流して機器４４の温度を調整できる。

（他の実施形態）
上記実施形態を例えば以下のように種々変形可能である。

（１）上記実施形態では、切替弁４０は四方弁であるが、四方弁の代わりに複数の二方弁や三方弁が用いられていてもよい。

（２）上記実施形態では、エンジン冷却回路１１およびコンデンサ回路１２の２つの冷却水回路を備えているが、３つ以上の冷却水回路を備えていてもよい。その場合、連通路４３を複数有していてもよい。

（３）上記各実施形態では、冷却水回路１１を循環する熱媒体として冷却水を用いているが、油などの各種媒体を熱媒体として用いてもよい。

熱媒体として、ナノ流体を用いてもよい。ナノ流体とは、粒子径がナノメートルオーダーのナノ粒子が混入された流体のことである。ナノ粒子を熱媒体に混入させることで、エチレングリコールを用いた冷却水（いわゆる不凍液）のように凝固点を低下させる作用効果に加えて、次のような作用効果を得ることができる。

すなわち、特定の温度帯での熱伝導率を向上させる作用効果、熱媒体の熱容量を増加させる作用効果、金属配管の防食効果やゴム配管の劣化を防止する作用効果、および極低温での熱媒体の流動性を高める作用効果を得ることができる。

このような作用効果は、ナノ粒子の粒子構成、粒子形状、配合比率、付加物質によって様々に変化する。

これによると、熱伝導率を向上させることができるので、エチレングリコールを用いた冷却水と比較して少ない量の熱媒体であっても同等の冷却効率を得ることが可能になる。

また、熱媒体の熱容量を増加させることができるので、熱媒体自体の蓄冷熱量（すなわち顕熱による蓄冷熱）を増加させることができる。

蓄冷熱量を増加させることにより、圧縮機５１を作動させない状態であっても、ある程度の時間は蓄冷熱を利用した機器の冷却、加熱の温調が実施できるため、車両用熱管理装置１０の省動力化が可能になる。

ナノ粒子のアスペクト比は５０以上であるのが好ましい。十分な熱伝導率を得ることができるからである。なお、アスペクト比は、ナノ粒子の縦×横の比率を表す形状指標である。

ナノ粒子としては、Ａｕ、Ａｇ、ＣｕおよびＣのいずれかを含むものを用いることができる。具体的には、ナノ粒子の構成原子として、Ａｕナノ粒子、Ａｇナノワイヤー、ＣＮＴ、グラフェン、グラファイトコアシェル型ナノ粒子、およびＡｕナノ粒子含有ＣＮＴなどを用いることができる。ＣＮＴはカーボンナノチューブである。グラファイトコアシェル型ナノ粒子は、上記原子を囲むようにカーボンナノチューブ等の構造体があるような粒子体である。

（４）上記各実施形態の冷凍サイクル５０では、冷媒としてフロン系冷媒を用いているが、冷媒の種類はこれに限定されるものではなく、二酸化炭素等の自然冷媒や炭化水素系冷媒等を用いてもよい。

（５）上記各実施形態の冷凍サイクル５０は、高圧側冷媒圧力が冷媒の臨界圧力を超えない亜臨界冷凍サイクルを構成しているが、高圧側冷媒圧力が冷媒の臨界圧力を超える超臨界冷凍サイクルを構成していてもよい。

１１ エンジン回路（第１熱媒体回路）
１２ コンデンサ回路（第２熱媒体回路）
４０ 切替弁（切替部）
４３ 連通路（連通部）
４４ 機器
６０ 制御装置（制御部）

Claims (4)

1. 熱媒体が循環する第１熱媒体流路を有する第１熱媒体回路（１１）と、
   前記熱媒体が循環する第２熱媒体流路を有する第２熱媒体回路（１２）と、
   前記第１熱媒体回路（１１）および前記第２熱媒体回路（１２）で前記熱媒体が互いに独立して循環する独立モードと、前記第１熱媒体回路（１１）と前記第２熱媒体回路（１２）との間で前記熱媒体が循環する連携モードとを切り替える切替部（４０）と、
   前記熱媒体の流れにおいて前記切替部（４０）と並列に配置され、前記第１熱媒体回路（１１）および前記第２熱媒体回路（１２）とを連通させる連通部（４３）と、
   前記連通部（４３）に配置された機器（４４）とを備え、
   前記連通部（４３）の流路断面積は、前記第１熱媒体流路のうち前記連通部（４３）が接続されている部位の流路断面積よりも小さく、かつ前記第２熱媒体流路のうち前記連通部（４３）が接続されている部位の流路断面積よりも小さくなっている車両用熱管理装置。
2. 前記切替部（４０）が前記独立モードと前記連携モードとを切り替えると前記連通部（４３）のうち前記第１熱媒体回路（１１）側の端部と前記第２熱媒体回路（１２）側の端部との間に圧力差が生じるように、前記連通部（４３）が前記切替部（４０）に近接配置されている請求項１に記載の車両用熱管理装置。
3. 前記第１熱媒体回路（１１）および前記第２熱媒体回路（１２）のうち少なくとも一方における前記熱媒体の温度に基づいて前記切替部（４０）の作動を制御する制御部（６０）を備える請求項２に記載の車両用熱管理装置。
4. 前記制御部（６０）は、前記第１熱媒体回路（１１）および前記第２熱媒体回路（１２）のうち少なくとも一方における前記熱媒体の温度が所定温度以下である場合、前記独立モードから前記連携モードに切り替わるように前記切替部（４０）の作動を制御する請求項３に記載の車両用熱管理装置。

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