JP6390223B2 - 車両用温度調整装置 - Google Patents
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Description
熱媒体が循環する熱媒体回路(10)を備え、
熱媒体回路(10)は、
熱媒体を吸入して吐出するポンプ(11、12)と、
熱媒体を冷却または加熱する熱媒体冷却加熱器(14、15)と、
熱媒体を熱交換させる熱媒体熱交換器(13、16、17)と、
熱媒体が流通する熱媒体流通機器(18、19、20、21)とを有し、
熱媒体冷却加熱器(14、15)および熱媒体流通機器(18、19、20、21)は、熱媒体の流れにおいて、互いに並列に配置されており、
熱媒体冷却加熱器(14、15)および熱媒体熱交換器(13、16、17)は、熱媒体の流れにおいて、互いに直列に配置されており、
熱媒体回路(10)は、
ポンプ(11、12)から吐出された熱媒体が熱媒体冷却加熱器(14、15)へ流れる主流路(41、42)と、
ポンプ(11、12)から吐出された熱媒体が熱媒体冷却加熱器(14、15)をバイパスして熱媒体流通機器(18、19、20、21)へ流れる分岐流路(51、52)とを有しており、
ポンプは、互いに独立して熱媒体を吸入して吐出する第1ポンプ(11)および第2ポンプ(12)であり、
熱媒体冷却加熱器は、第1ポンプ(11)から吐出された熱媒体を冷却する熱媒体冷却器(14)、および第2ポンプ(12)から吐出された熱媒体を加熱する熱媒体加熱器(15)であり、
主流路は、第1ポンプ(11)から吐出された熱媒体が熱媒体冷却器(14)へ流れる第1主流路(41)、および第2ポンプ(12)から吐出された熱媒体が熱媒体加熱器(15)へ流れる第2主流路(42)であり、
分岐流路は、第1ポンプ(11)から吐出された熱媒体が熱媒体冷却器(14)をバイパスして流れる第1分岐流路(51)、および第2ポンプ(12)から吐出された熱媒体が熱媒体加熱器(15)をバイパスして流れる第2分岐流路(52)であり、
熱媒体冷却器(14)の熱媒体出口側、熱媒体加熱器(15)の熱媒体出口側、第1分岐流路(51)の熱媒体出口側、第2分岐流路(52)の熱媒体出口側、熱媒体熱交換器(13、16、17)の熱媒体入口側、および熱媒体流通機器(18、19、20、21)の熱媒体入口側が接続され、熱媒体熱交換器(13、16、17)に、熱媒体冷却器(14)から流出した熱媒体が流入する状態と、熱媒体熱交換器(13、16、17)に、熱媒体加熱器(15)から流出した熱媒体が流入する状態とを切り替える切替手段(22、24)を備え、
切替手段(22、24)は、熱媒体流通機器(18、19、20、21)に、第1分岐流路(51)から流出した熱媒体が流入する状態と、熱媒体流通機器(18、19、20、21)に、第2分岐流路(52)から流出した熱媒体が流入する状態とを切り替えることを特徴とする。
図1に示す車両用温度調整装置1は、車両が備える各種機器や車室内を適切な温度に調整するために用いられる。本実施形態では、車両用温度調整装置1を、エンジン(内燃機関)および走行用電動モータ(モータージェネレータ)から車両走行用駆動力を得るハイブリッド自動車に適用している。
TAO=Kset×Tset−Kr×Tr−Kam×Tam−Ks×Ts+C …F1
この数式において、Tsetは車室内温度設定スイッチによって設定された車室内の目標温度であり、Trは内気温度センサ71によって検出された内気温度であり、Tamは外気温度センサ72によって検出された外気温度であり、Tsは日射センサ73によって検出された日射量である。Kset、Kr、Kam、Ksは制御ゲインであり、Cは補正用の定数である。
Ti_in=[ΔTi×(Qi/QL)+(Tcond_in+ΔTcond+ΔThe)×(Qj/QL)]×(1−Qi/QL) ・・・(F2)
ΔTiは、インバータ19における冷却水の温度上昇量である。Qiは、インバータ19を流れた冷却水の流量である。QLは、第2ポンプ12から吐出された冷却水の流量である。Qjは、冷却水加熱器15およびヒータコア17を流れた冷却水の流量である。
Ti_in=Tcond_out=Twp_out ・・・(F3)
第2ポンプ12の発熱分の冷却水伝熱を無視すると、第2ポンプ12に吸入される冷却水の温度Twp_inは、第2ポンプ12から吐出される冷却水の温度Twp_outと等しくなる。
Twp_in=Twp_out ・・・(F4)
第2ポンプ12に吸入される冷却水は、インバータ19から流出した冷却水と、ヒータコア17から流出した冷却水とが混合された冷却水である。したがって、第2ポンプ12に吸入される冷却水の温度Twp_inは、次の数式F5で表される。
Twp_in=Ti_out×(Qi/QL)+The_out×(Qj/QL) ・・・(F5)
The_outは、ヒータコア17から流出した冷却水の温度である。
Ti_out=Ti_in+ΔTi ・・・(F6)
ヒータコア17から流出した冷却水の温度The_outは、次の数式F7で表される。
The_out=The_in+ΔThe=Tcond_in+ΔTcond+ΔThe ・・・(F7)
以上の数式F2〜F7から次の数式F8が導かれる。
Ti_in=(Ti_in+ΔTi)×(Qi/QL)+(Tcond_in+ΔTcond+ΔThe)×(Qj/QL) ・・・(F8)
したがって、上述の数式F2が導かれる。
Ti_in=[ΔTi×(Qi/QL)+(Tcond_in+ΔTcond+ΔThe)×(Qj/QL)+ΔTcond]×(1−Qi/QL) ・・・(F9)
この数式F9は、次のようにして求められる。
The_in=Ti_in=Tcond_out ・・・(F10)
第2ポンプ12の発熱分の冷却水伝熱を無視すると、第2ポンプ12に吸入される冷却水の温度Twp_inは、第2ポンプ12から吐出される冷却水の温度Twp_outと等しくなる。
Twp_in=Twp_out ・・・(F11)
第2ポンプ12に吸入される冷却水は、インバータ19から流出した冷却水と、ヒータコア17から流出した冷却水とが混合された冷却水である。したがって、第2ポンプ12に吸入される冷却水の温度Twp_inは、次の数式F12で表される。
Twp_in=Ti_out×(Qi/QL)+The_out×(Qj/QL) ・・・(F12)
冷却水加熱器15から流出した冷却水の温度Tcond_outは、次の数式F13で表される。
Tcond_out=Tcond_in+ΔTcond ・・・(F13)
インバータ19から流出した冷却水の温度Ti_outは、次の数式F14で表される。
Ti_out=Ti_in+ΔTi ・・・(F14)
ヒータコア17から流出した冷却水の温度The_outは、次の数式F15で表される。
The_out=The_in+ΔThe=Tcond_in+ΔTcond+ΔThe ・・・(F15)
以上の数式F10〜F15から次の数式F16が導かれる。
Ti_in=(Ti_in+ΔTi)×(Qi/QL)+(Tcond_in+ΔTcond+ΔThe)×(Qj/QL)+ΔTcond ・・・(F16)
したがって、上述の数式F9が導かれる。
Ti_in_pal=Ti_in_ser−ΔTcond ・・・(F17)
したがって、並列配置構成では、直列配置構成と比較して、インバータ19に流入する冷却水の温度が低くなる。
ΔPi+ΔPval=ΔPhe+ΔPcond_pal ・・・(F18)
ΔPiは、インバータ19における圧力損失である。ΔPvalは、並列機器側分配弁24における圧力損失である。ΔPheは、ヒータコア17における圧力損失である。ΔPcond_palは、並列配置構成での冷却水加熱器15における圧力損失である。
HP=ΔPi+ΔPval=ΔPhe+ΔPcond_pal ・・・(F19)
第2ポンプ12の仕事量LPは、必要揚程HPと流量QLとの積に比例する。したがって、第2ポンプ12の仕事量LPは、次の数式F20で表される
(数20)
LP=(ΔPhe+ΔPcond_pal)×QL×α ・・・(F20)
αは比例係数である。
ΔPi=ΔPhe ・・・(F21)
インバータ19を流れた冷却水の流量Qi、および冷却水加熱器15およびヒータコア17を流れた冷却水の流量Qjが所定値となるように、流路径を予め決めておく。
HP=ΔPi+ΔPcond_ser=ΔPhe+ΔPcond_ser ・・・(F22)
ΔPcond_serは、直列配置構成での冷却水加熱器15における圧力損失である。
LP=(ΔPhe+ΔPcond_ser)×QL×β ・・・(F23)
βは比例係数である。
ΔPcond_ser=ΔPcond_pal×(QL/Qj)^1.75 ・・・(F24)
すなわち、直列配置構成時の冷却水加熱器15における圧力損失は、並列配置構成時の冷却水加熱器15における圧力損失の(QL/Qj)^1.75倍になる。したがって、並列配置構成では、直列配置構成に比べて第2ポンプ12の消費動力を低減できる。
本実施形態では、図5に示すように、直列機器側分配弁22と並列機器側分配弁24とが一体化されて1つの分配弁26を構成し、直列機器側集合弁23と並列機器側集合弁25とが一体化されて1つの集合弁27を構成している。
上記実施形態を適宜組み合わせ可能である。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。
11 第1ポンプ(ポンプ)
12 第2ポンプ(ポンプ)
14 冷却水冷却器(熱媒体冷却加熱器)
15 冷却水加熱器(熱媒体冷却加熱器)
16 クーラコア(熱媒体熱交換器)
17 ヒータコア(熱媒体熱交換器)
18 冷却水冷却水熱交換器(熱媒体流通機器)
19 インバータ(熱媒体流通機器)
20 電池用熱交換器(熱媒体流通機器)
21 オイル熱交換器(熱媒体流通機器)
41 第1ポンプ用流路(主流路)
42 第2ポンプ用流路(主流路)
51 第1低温側並列流路(分岐流路)
52 第1高温側並列流路(分岐流路)
Claims (14)
- 熱媒体が循環する熱媒体回路(10)を備え、
前記熱媒体回路(10)は、
前記熱媒体を吸入して吐出するポンプ(11、12)と、
前記熱媒体を冷却または加熱する熱媒体冷却加熱器(14、15)と、
前記熱媒体を熱交換させる熱媒体熱交換器(13、16、17)と、
前記熱媒体が流通する熱媒体流通機器(18、19、20、21)とを有し、
前記熱媒体冷却加熱器(14、15)および前記熱媒体流通機器(18、19、20、21)は、前記熱媒体の流れにおいて、互いに並列に配置されており、
前記熱媒体冷却加熱器(14、15)および前記熱媒体熱交換器(13、16、17)は、前記熱媒体の流れにおいて、互いに直列に配置されており、
前記熱媒体回路(10)は、
前記ポンプ(11、12)から吐出された前記熱媒体が前記熱媒体冷却加熱器(14、15)へ流れる主流路(41、42)と、
前記ポンプ(11、12)から吐出された前記熱媒体が前記熱媒体冷却加熱器(14、15)をバイパスして前記熱媒体流通機器(18、19、20、21)へ流れる分岐流路(51、52)とを有しており、
前記ポンプは、互いに独立して前記熱媒体を吸入して吐出する第1ポンプ(11)および第2ポンプ(12)であり、
前記熱媒体冷却加熱器は、前記第1ポンプ(11)から吐出された前記熱媒体を冷却する熱媒体冷却器(14)、および前記第2ポンプ(12)から吐出された前記熱媒体を加熱する熱媒体加熱器(15)であり、
前記主流路は、前記第1ポンプ(11)から吐出された前記熱媒体が前記熱媒体冷却器(14)へ流れる第1主流路(41)、および前記第2ポンプ(12)から吐出された前記熱媒体が前記熱媒体加熱器(15)へ流れる第2主流路(42)であり、
前記分岐流路は、前記第1ポンプ(11)から吐出された前記熱媒体が前記熱媒体冷却器(14)をバイパスして流れる第1分岐流路(51)、および前記第2ポンプ(12)から吐出された前記熱媒体が前記熱媒体加熱器(15)をバイパスして流れる第2分岐流路(52)であり、
前記熱媒体冷却器(14)の熱媒体出口側、前記熱媒体加熱器(15)の熱媒体出口側、前記第1分岐流路(51)の熱媒体出口側、前記第2分岐流路(52)の熱媒体出口側、前記熱媒体熱交換器(13、16、17)の熱媒体入口側、および前記熱媒体流通機器(18、19、20、21)の熱媒体入口側が接続され、前記熱媒体熱交換器(13、16、17)に、前記熱媒体冷却器(14)から流出した前記熱媒体が流入する状態と、前記熱媒体熱交換器(13、16、17)に、前記熱媒体加熱器(15)から流出した前記熱媒体が流入する状態とを切り替える切替手段(22、24)を備え、
前記切替手段(22、24)は、前記熱媒体流通機器(18、19、20、21)に、前記第1分岐流路(51)から流出した前記熱媒体が流入する状態と、前記熱媒体流通機器(18、19、20、21)に、前記第2分岐流路(52)から流出した前記熱媒体が流入する状態とを切り替えることを特徴とする車両用温度調整装置。 - 前記熱媒体冷却器(14)および前記熱媒体加熱器(15)は、冷凍サイクル(31)の冷媒と前記熱媒体とを熱交換させることを特徴とする請求項1に記載の車両用温度調整装置。
- 前記熱媒体熱交換器(13、16、17)は、空気と前記熱媒体とを熱交換させ、
前記熱媒体熱交換器(13、16、17)は、前記熱媒体の流れにおいて、前記熱媒体冷却器(14)および前記熱媒体加熱器(15)の下流側に配置されていることを特徴とする請求項1または2に記載の車両用温度調整装置。 - 前記熱媒体熱交換器(13、16、17)は、車室内へ送風される空気と前記熱媒体とを熱交換させることを特徴とする請求項3に記載の車両用温度調整装置。
- 前記熱媒体流通機器は、電池から供給された直流電力を交流電圧に変換して走行用電動モータに出力するインバータ(19)であることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1つに記載の車両用温度調整装置。
- 前記熱媒体流通機器は、電池と熱交換可能な熱交換器(20)であることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1つに記載の車両用温度調整装置。
- 前記熱媒体加熱器(15)は、前記冷凍サイクル(31)の高圧側冷媒と前記熱媒体とを熱交換させて前記高圧側冷媒から前記熱媒体に放熱させる熱交換器であり、
前記熱媒体流通機器は、電気を使用して作動する電気機器(19)であることを特徴とする請求項2に記載の車両用温度調整装置。 - 前記熱媒体加熱器は、前記冷凍サイクル(31)の高圧側冷媒と前記熱媒体とを熱交換させて前記高圧側冷媒から前記熱媒体に放熱させることによって前記熱媒体を加熱する熱交換器であり、
前記熱媒体流通機器は、エンジンの吸気と前記熱媒体とを熱交換させる吸気熱媒体熱交換器(28)であることを特徴とする請求項2に記載の車両用温度調整装置。 - 前記熱媒体回路(10)は、前記熱媒体冷却器(14)から流出した前記熱媒体、および前記熱媒体加熱器(15)から流出した前記熱媒体が前記熱媒体熱交換器(13、16、17)をバイパスして流れるバイパス流路(50)を有していることを特徴とする請求項1ないし8のいずれか1つに記載の車両用温度調整装置。
- 前記熱媒体冷却器(14)は、前記冷凍サイクル(31)の低圧側冷媒と前記熱媒体とを熱交換させて前記熱媒体から前記低圧側冷媒に吸熱させることによって前記熱媒体を冷却する熱交換器であり、
前記熱媒体熱交換器は、車室内へ送風される空気と前記熱媒体とを熱交換させて前記空気を冷却する空気冷却用熱交換器(16)であること特徴とする請求項2に記載の車両用温度調整装置。 - 前記熱媒体冷却器(14)は、前記冷凍サイクル(31)の低圧側冷媒と前記熱媒体とを熱交換させて前記熱媒体から前記低圧側冷媒に吸熱させることによって前記熱媒体を冷却する熱交換器であり、
前記熱媒体加熱器(15)は、前記冷凍サイクル(31)の高圧側冷媒と前記熱媒体とを熱交換させて前記高圧側冷媒から前記熱媒体に放熱させることによって前記熱媒体を加熱する熱交換器であり、
前記熱媒体熱交換器は、車室外の空気と前記熱媒体とを熱交換させて前記熱媒体の温度を調整する熱媒体外気熱交換器(13)であり、
前記切替手段(22)は、前記熱媒体加熱器(15)から流出した前記熱媒体が前記熱媒体外気熱交換器(13)へ流れる状態と、前記熱媒体冷却器(14)から流出した前記熱媒体が前記熱媒体外気熱交換器(13)へ流れる状態とを選択的に切り替えることを特徴とする請求項1ないし9のいずれか1つに記載の車両用温度調整装置。 - 前記切替手段(22、24)は、前記熱媒体熱交換器(13、16、17)に流入する前記熱媒体の流量、および前記熱媒体流通機器(18、19、20、21)に流入する前記熱媒体の流量を制御することを特徴とする請求項1ないし9のいずれか1つに記載の車両用温度調整装置。
- 前記切替手段(22、24)は、
前記熱媒体流通機器(18、19、20、21)に前記熱媒体が流れる第1流通状態と、前記第1流通状態と比較して前記熱媒体流通機器(18、19、20、21)を流れる前記熱媒体の流量が減少する状態とを切り替える第1切替弁(24)と、
前記熱媒体熱交換器(13、16、17)に前記熱媒体が流れる第2流通状態と、前記第2流通状態と比較して前記熱媒体熱交換器(13、16、17)を流れる前記熱媒体の流量が減少する状態とを切り替える第2切替弁(22)とを有していることを特徴とする請求項12に記載の車両用温度調整装置。 - 前記熱媒体熱交換器は、車室外の空気と前記熱媒体とを熱交換させて前記熱媒体の温度を調整する熱媒体外気熱交換器(13)であり、
前記切替手段(22、24)は、
前記熱媒体外気熱交換器(13)に、前記熱媒体冷却器(14)から流出した前記熱媒体が流入し、かつ前記熱媒体流通機器(18、19、20、21)に、前記第1分岐流路(51)から流出した前記熱媒体が流入する状態と、
前記熱媒体外気熱交換器(13)に、前記熱媒体加熱器(15)から流出した前記熱媒体が流入し、かつ前記熱媒体流通機器(18、19、20、21)に、前記第2分岐流路(52)から流出した前記熱媒体が流入する状態とを切り替えることを特徴とする請求項1に記載の車両用温度調整装置。
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