JP6652719B2 - 温度制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、温度制御装置に係り、特に、冷却媒体の温度を制御して冷却対象の負荷装置に送り出す温度制御装置に関するものである。

開発・製造された供試エンジンが所定の性能を備えているかを試験するエンジン試験装置として、エンジンベンチが知られている。エンジンベンチは、エンジンの出力軸にダイナモメータを接続し、このダイナモメータによってエンジンの負荷を制御しながら試験を行う装置であり、エンジンの回転数やトルク、燃焼ガス等の計測が行われる。

また、近年では、試験時のエンジンの温度を正確に制御することが要求されている。そして、これら試験に際して、供試エンジンを実車に搭載したときの運転状態を忠実に模擬するには、ダイナモメータの動力吸収性能を高めるのは勿論、供試エンジンの冷却水温度が燃費等に影響することも知られている。そこで、近年では、エンジンベンチに熱交換器を設け、この熱交換器によって温度調節した冷却水をエンジンに循環させながら試験を行っている（例えば、特許文献１参照）。

図２は、エンジン１０１の温度を調節して試験を行うエンジン試験システム１００に用いられている、従来における温度制御装置１０２の一例を示した概略構成図である。

図２のエンジン試験システム１００は、試験対象であるエンジン１０１の性能を測定・評価するシステムであり、試験対象の負荷装置であるエンジン１０１と、エンジン１０１に供給する冷却水２０１の温度を調整する温度制御装置１０２等を示している。

エンジン１０１の出力軸には、シャフト１０４を介してダイナモメータ１０３が接続される。ダイナモメータ１０３は、エンジン１０１に所定の負荷トルクを与える機器であり、電流・電圧を可変させることで負荷トルクを設定できるようになっている。

また、エンジン１０１は、その周囲がジャケット（不図示）で覆われており、ジャケットの内部をエンジン冷却液である冷却水２０１が流れることにより、エンジン１０１が冷却するように構成されている。エンジン１０１の内部にはポンプ１０５（以下、「内蔵ポンプ１０５」という）が設けられており、内蔵ポンプ１０５を駆動することによってジャケット内の冷却水２０１を強制的に循環させることができる。この内蔵ポンプ１０５は、通常、エンジン１０１の回転数に応じて吐出量が変動し、エンジン１０１の回転数が増加するに伴って吐出量が増加するようになっている。

エンジン１０１には、温度制御装置１０２が接続されており、この温度制御装置１０２からエンジン１０１のジャケット内に冷却水２０１が供給される。ここでの温度制御装置１０２は、冷熱源２０２に工業用水を使用し、この冷熱源２０２で冷却水２０１を冷却する熱交換器１０７を備えている。

熱交換器１０７は、一次冷媒流路１０７ａと二次冷媒流路１０７ｂとを有している。熱交換器１０７の一次冷媒流路１０７ａには、工業用水配管１０８が接続されており、この工業用水配管１０８を介して、冷熱源２０２が熱交換器１０７の一次冷媒流路１０７ａに流される。一方、熱交換器１０７の二次冷媒流路１０７ｂには、冷却水配管１０９が接続されており、この冷却水配管１０９を介してエンジン１０１のジャケット内から流出された冷却水２０１が熱交換器１０７の二次冷媒流路１０７ｂに流される。そして、熱交換器１０７では、冷熱源２０２と冷却水２０１が熱交換することによって、冷却水２０１が冷却されてエンジン１０１のジャケット内に循環供給される。

冷却水配管１０９のうち、エンジン１０１のジャケット出口１０１ａの近傍には、センサ１１０が配設されており、このセンサ１１０によって、エンジン１０１から流出した直後の冷却水２０１の温度が測定される。センサ１１０は、温度制御装置１０２の温度制御部１０２aに接続されており、測定値の信号が温度制御部１０２ａに出力される。一方、エンジン１０１のジャケット入口１０１ｂの近傍には、ヒータ１１１が配設されており、このヒータ１１１によって、熱交換器１０７から流出してジャケット入口１０１ｂからエンジン１０１のジャケット内に流入する直前の冷却水２０１の温度が略一定に調節される。

工業用水配管１０８には、熱交換器１０７の手前に２方制御弁１１２が配設されており、この２方制御弁１１２を制御することによって、熱交換器１０７の一次冷媒流路１０７ａを流れる冷熱源２０２の流量が調整される。２方制御弁１１２はバルブコントローラ１１３に接続されており、このバルブコントローラ１１３によって２方制御弁１１２の開度が調節される。

このように構成された温度制御装置１０２によれば、熱交換器１０７内で冷却水２０１が冷熱源２０２と熱交換して冷却される。そして、冷却された冷却水２０１が、ジャケット入口１０１ｂからエンジン１０１のジャケット内に供給されることにより、エンジン１０１が冷却される。

特開２０１１−１２７９０４号公報

図２に示すような温度制御装置１０２では、エンジン１０１側の冷却水２０１は熱交換器１０７とヒータ１１１を使用して温度制御をしているが、冷熱源２０２側は２方制御弁１１２を使用し、熱交換器１０７内で冷却水２０１の出口温度を制御している。しかしながら、エンジン１０１側の冷却水２０１は、運転状態よりエンジン１０１の負荷と流量が変化し、また温度も変化する。一方、冷熱源２０２側は、客先支給の場合があり、２方制御弁１１２の開度など、客先が接続している他の設備の使用状況によって冷熱源２０２の温度及び流量が変化する。そのため、エンジン１０１側における冷却水２０１の高精度な温度制御は困難で、また応答速度が遅いという問題点があった。

そこで、エンジンなどの負荷装置側における循環冷媒の温度管理の応答性と温度管理の精度を向上させることができるようにした温度制御装置を提供するために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明はこの課題を解決することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項１に記載の発明は、負荷装置の出口より排出されて入口から再び前記負荷装置内に供給される循環冷媒の温度を調整する温度制御装置であって、前記負荷装置の外側に設けられた一次冷媒流路と二次冷媒流路を有し、前記二次冷媒流路内を通って前記負荷装置の前記入口に向かう第１の循環冷媒の熱と前記一次冷媒流路内を通る冷熱媒体の熱との間で熱交換をして、前記第１の循環冷媒の温度を調整する熱交換器と、前記負荷装置の前記出口より排出された前記循環冷媒のうち、前記熱交換器の前記二次冷媒流路内を通った前記第１の循環冷媒と前記熱交換器をバイパスして前記負荷装置の前記入口に向かう第２の循環冷媒とを混合する第１の３方制御弁と、前記熱交換器の前記一次冷媒流路側に、前記一次冷媒流路を流れる前記冷熱媒体のうち、前記一次冷媒流路内で熱交換された第１の冷熱媒体と新たに外部から供給された第２の冷熱媒体とを混合する第２の３方制御弁と、前記第１の３方制御弁で分流された第１の循環冷媒が混合された前記第２の循環冷媒の温度を調整するヒータと、前記第２の３方制御弁で分流された第１の冷熱媒体が混合された前記第２の冷熱媒体を前記一次冷媒流路へ向けて強制的に流すポンプと、を備える温度制御装置を提供する。

この構成によれば、熱交換器の二次冷媒流路側に第１の３方制御弁を設けるとともに、熱交換器の一次冷媒流路側に第２の３方制御弁を設けている。そして、熱交換器の一次冷媒流路側では、第２の３方制御弁により、一次冷媒流路を流れる前記冷熱媒体のうち、一次冷媒流路内で熱交換された第１の冷熱媒体と新たに外部から供給された第２の冷熱媒体とを混合することにより、熱交換器の一次冷媒流路を流れる冷熱媒体の温度を、熱交換器の二次冷媒流路内を通る第１の循環冷媒との熱交換に適した所定の温度に高精度に調整することができる。一方、熱交換器の二次冷媒流路側では、第１の３方制御弁により、負荷装置の出口より排出された循環冷媒のうち、熱交換器の二次冷媒流路内を通って適正温度に熱交換された第１の循環冷媒と熱交換器（二次冷媒流路）をバイパスして負荷装置の入口に向かう第２の循環冷媒とを混合し、負荷装置に対して適切な温度を有する循環冷媒に調節し、再び負荷装置に流すことができる。これにより、負荷装置の出口温度を高精度に調整することができる。

すなわち、第２の３方制御弁で熱交換器の一次冷媒流路を通る冷熱媒体にふさわしい冷熱媒体温度に調節し、第１の３方制御弁で、熱交換器の二次冷媒流路を通って来た第１の循環冷媒と熱交換器の二次冷媒流路をバイパスして来た第２循環冷媒とを混合して適正な温度をした循環冷媒に調節して、この調整後の循環冷媒を負荷装置の入口から流すことにより、負荷装置の出口温度を常に一定温度にするなど、高精度に調整することができる。また、冷熱媒体及び循環媒体は、それぞれ直接混合をするので、熱交換器の熱容量に左右されずに応答速度を高めて迅速に調整することができる。これにより、負荷装置の発熱量の変動に応じた温度管理を行うことができる。さらに、第２の３方制御弁で分流された第１の冷熱媒体が混合された第２の冷熱媒体を前記一次冷媒流路へ向けて強制的に流すポンプを設けることにより、供給側の流量が変化しても、熱交換器での流量は一定となり安定した運転ができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の構成において、前記負荷装置が、エンジンであり、前記循環冷媒が前記エンジンを冷却するエンジン冷却液である、温度制御装置を提供する。

この構成によれば、応答性が良く、エンジン冷却水の温度を精度良く管理可能な温度制御装置が得られる。

発明によれば、第１の３方制御弁と第２の３方制御弁を設け、第２の３方制御弁で冷熱媒体の温度を、熱交換器の一次冷媒流路を通る冷熱媒体の温度として好適な温度に調節するとともに、第１の３方制御弁で、熱交換器の二次冷媒流路を通って来た第１の循環冷媒と熱交換器の二次冷媒流路をバイパスして来た第２循環冷媒とを混合して適正な温度をした循環冷媒に調節し、更に調整後の循環冷媒を負荷装置の入口から流すようにしているので、負荷装置の出口温度を常に一定温度にするなど、高精度に調整することができる。また、冷熱媒体及び循環媒体は、それぞれ直接混合をするので、熱交換器の熱容量に左右されずに応答速度を高めて迅速に調整することができる。これにより、負荷装置の発熱量の変動に応じた温度管理を行うことができ、温度管理の応答性と温度管理の精度を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る温度制御装置の概略構成を示す図である。 従来におけるエンジン試験システムに用いられている温度制御装置の一概略構成例を示す図である。

本発明は、エンジンなどの負荷装置側における循環冷媒の温度管理の応答性と温度管理の精度を向上させることができるようにした温度制御装置を提供するという目的を達成するために、負荷装置の出口より排出されて入口から再び前記負荷装置内に供給される循環冷媒の温度を調整する温度制御装置であって、前記負荷装置の外側に設けられた一次冷媒流路と二次冷媒流路を有し、前記二次冷媒流路内を通って前記負荷装置の前記入口に向かう第１の循環冷媒の熱と前記一次冷媒流路内を通る冷熱媒体の熱との間で熱交換をして、前記第１の循環冷媒の温度を調整する熱交換器と、前記負荷装置の前記出口より排出された前記循環冷媒のうち、前記熱交換器の前記二次冷媒流路内を通った前記第１の循環冷媒と前記熱交換器をバイパスして前記負荷装置の前記入口に向かう第２の循環冷媒とを混合する第１の３方制御弁と、前記熱交換器の前記一次冷媒流路側に、前記一次冷媒流路を流れる前記冷熱媒体のうち、前記一次冷媒流路内で熱交換された第１の冷熱媒体と新たに外部から供給された第２の冷熱媒体とを混合する第２の３方制御弁と、を備えることにより実現した。

以下、本発明を実施するための形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明に係る温度制御装置１２の概略構成を示すものである。なお、実施例では、エンジン試験システム１０に適用した場合を一例としているが、本発明はエンジン試験システム１０に限定されるものではなく、広く一般の温度制御装置に適用することができるものである。

図１のエンジン試験システム１０は、試験対象の負荷装置であるエンジン１１の性能を測定・評価するシステムであり、試験対象の負荷装置であるエンジン１１と、エンジン１１に供給する冷却水２４の温度を調整する温度制御装置１２で構成される。

エンジン１１の出力軸には、シャフト１４を介してダイナモメータ１３が接続される。ダイナモメータ１３は、エンジン１１に所定の負荷トルクを与える機器であり、電流・電圧を可変させることで負荷トルクを設定できるようになっている。ダイナモメータ１３としては、低慣性ダイナモを用いて、低速回転から高速回転までの急激な回転数の変化においても安定した出力が得られるようになっている。

また、エンジン１１は、その周囲がジャケット（不図示）で覆われており、ジャケットの内部にエンジン冷却液である冷却水２４を流すことによりエンジン１１が冷却するように構成されている。エンジン１１の内部にはポンプ１５（以下、「内蔵ポンプ１５」という）が設けられており、内蔵ポンプ１５を駆動することによってジャケット内の冷却水２４を強制的に循環させることができる。この内蔵ポンプ１５は、通常、エンジン１１の回転数に応じて吐出量が変動し、エンジン１１の回転数が増加するに伴って吐出量が増加するようになっている。

エンジン１１には、温度制御装置１２が接続されており、この温度制御装置１２からエンジン１１のジャケット内に冷却水２４が供給される。温度制御装置１２の構成は、特に限定するものではないが、例えば冷熱媒体である冷熱源２５に工業用水を使用し、この冷熱源２５で冷却水２４を冷却する熱交換器１７を備える。

熱交換器１７は、一次冷媒流路１７ａと二次冷媒流路１７ｂとを有している。熱交換器１７の一次冷媒流路１７ａには、工業用水配管１８が接続されており、この工業用水配管１８を介して冷熱源２５が熱交換器１７の一次冷媒流路１７ａに流される。一方、熱交換器１７の二次冷媒流路１７ｂには、冷却水配管１９が接続されており、この冷却水配管１９を介してエンジン１１のジャケット内で昇温して流出されて来る冷却水２４が熱交換器１７の二次冷媒流路１７ｂに流される。そして、熱交換器１７では、冷熱源２５と冷却水２４が熱交換することによって、冷却水２４が冷却されてエンジン１１のジャケット内に循環供給される。

冷却水配管１９のうち、エンジン１１内を通る冷却水２４が流出するジャケット出口１１ａの近傍にはセンサ２０が配設され、冷却水２４が流入するジャケット入口１１ｂの近傍にはヒータ２１が配設されている。さらに、冷却水配管１９において、熱交換器１７の手前には第１の３方制御弁２２が配設されている。

センサ２０では、エンジン１１のジャケット出口１１ａから流出した直後の冷却水２４の温度が測定される。そのセンサ２０は、温度制御装置１２の温度制御部１２ａに接続されており、測定値の信号が温度制御部１２ａに出力される。

ヒータ２１は、温度制御装置１２の温度制御部１２ａに接続されており、温度制御部１２ａの制御により、エンジン１１のジャケット出口１１ａから流出する冷却水２４の温度を略一定の温度に調節する。

第１の３方制御弁２２は、エンジン１１のジャケット出口１１ａから流出した冷却水２４を、熱交換器１７の二次冷媒流路１７ｂを流れる第１の循環冷媒２４ａと、熱交換器１７の二次冷媒流路１７ｂをバイパスして流れる第２の循環冷媒２４ｂとに分流させ、その後、第１の循環冷媒２４ａと第２の循環冷媒２４ｂとを混合し、ヒータ２１を通ってエンジン１１のジャケット入口１１ｂに流す制御を行うものである。そして、第１の３方制御弁２２において第１の循環冷媒２４ａと第２の循環冷媒２４ｂの流量及び混合割合とヒータ２１での加熱量を細かく制御することにより、エンジン１１のジャケット入口１１ｂからジャケット内に流入する冷却水（冷媒）の温度が調整される。

第１の３方制御弁２２は、温度制御装置１２の温度制御部１２ａで制御されるバルブコントローラ２３に接続されており、このバルブコントローラ２３によって第１の３方制御弁２２の開度が調節される。

工業用水配管１８のうち、熱交換器１７の一次冷媒流路１７aの上流側入口の近傍には、熱交換器１７側からセンサ２６とポンプ２７が順に配設され、一次冷媒流路１７aの下流側出口の近傍には第２の３方制御弁２８が配設されている。

センサ２６では、熱交換器１７の一次冷媒流路１７aに流入される直前の冷熱源２５の温度が、一次冷媒流路１７aの温度として測定される。そのセンサ２６は、温度制御装置１２の温度制御部１２ａに接続されており、測定値の信号が温度制御部１２ａに出力される。

ポンプ２７は、駆動することによって熱交換器１７の一次冷媒流路１７ａ側における冷熱源２５を循環させることができる。このポンプ２７は、通常、温度制御装置１２の起動に連動して駆動される。

第２の３方制御弁２８は、熱交換器１７の一次冷媒流路１７ａから流出した冷熱源２５の一部２５ａを外部に排出するとともに、残りの一部２５ｂ（以下「第１の冷熱媒体２５ｂ」という）を新たに外部から供給される冷熱源２５の一部２５ｃ（以下「第２の冷熱媒体２５ｃ」という）と混合し、ポンプ２７を通って熱交換器１７の一次冷媒流路１７ａに流す制御を行うものである。そして、第２の３方制御弁２８により、冷熱源２５の第１の冷熱媒体２５ｂと冷熱源２５の第２の冷熱媒体２５ｃの混合割合を細かく制御することによって、熱交換器１７の一次冷媒流路１７ａの入口から流入する冷熱源２５（２５ｂ＋２５ｃ）の温度も細かく調整される。第２の３方制御弁２８は、温度制御装置１２の温度制御部１２ａで制御されるバルブコントローラ２９に接続されており、このバルブコントローラ２９によって第２の３方制御弁２８の開度が調節される。

なお、本実施例における温度制御装置１２では、温度制御装置１２の温度制御部１２ａには、熱交換器１７の一次冷媒流路１７ａを流れる冷熱源２５と第２の３方制御弁２８の開度に関連したマップの他、第１の３方制御弁２２の開度と第１の循環冷媒２４ａと第２の循環冷媒２４ｂの流量と混合割合、及び、ヒータ２１での加熱量に関連したマップ等が備えられ、それらのマップに基づいて第１の３方制御弁２２及びヒータ２１と、第２の３方制御弁２８を制御する。

このように構成されたエンジン試験システムにおける温度制御装置１２によれば、熱交換器１７の二次冷媒流路１７ｂ側に第１の３方制御弁２２を設けるとともに、熱交換器１７の一次冷媒流路１７ａ側に第２の３方制御弁２８を設けている。そして、熱交換器１７の一次冷媒流路１７ａ側では、第２の３方制御弁２８により、一次冷媒流路１７ａ内で熱交換された冷熱源２５の第１の冷熱媒体２５ｂと新たに外部から供給される第２の冷熱媒体２５ｃとを混合し、熱交換器１７の一次冷媒流路１７ａを流れる冷熱媒体（２５ｂ＋２５ｃ）の温度を、熱交換器１７の二次冷媒流路１７ｂ内を通る第１の循環冷媒２４ａとの熱交換に適した所定の温度に、高精度に調整することができる。

一方、熱交換器１７の二次冷媒流路１７ｂ側では、負荷装置であるエンジン１１のジャケット出口１１ａより排出されたエンジン冷却液などである循環冷媒のうち、熱交換器の二次冷媒流路１７ｂ内を通って適正温度に熱交換された第１の循環冷媒２４ａと熱交換器１７の二次冷媒流路１７ｂをバイパスしてエンジン１１のジャケット入口１１ｂに向かう第２の循環冷媒２４ｂとを混合し、適切な温度をした循環冷媒（２４ａ＋２４ｂ）に調節してエンジン１１のジャケット内に流すことができる。これにより、エンジン１１のジャケット出口１１ａから流出する循環冷媒の温度を一定の温度にするなど、高精度に調整することができる。

すなわち、第１の３方制御弁２２と第２の３方制御弁２８とにより、それぞれ混合具合を調節して、適正な温度に調整された循環媒体（冷却水２４）をエンジン１１のジャケット入口１１ｂから流すことにより、エンジン１１のジャケット出口１１ａの温度を常に一定の温度にするなど、高精度に調整することができる。また、直接混合をするので、熱交換器１７の熱容量に左右されずに応答速度を高めて迅速に調整することができる。これにより、エンジン１１の発熱量の変動に応じた温度管理を行うことができる。

また、熱交換器１７の一次冷媒流路１７ａの上流側には冷熱源２５を一次冷媒流路１７ａへ向けて強制的に流すポンプ２７を設けている。したがって、冷熱源２５を供給する側の流量が変化しても、熱交換器１７での流量は一定となり、安定した運転ができる。また、ポンプ２７を設けていない場合では、冷熱源２５ｂの流れは下側から上側に向かって流れるが、ポンプ２７を設けた場合では、上側から下側に向かって強制的に流すことができる。

なお、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変を成すことができ、そして、本発明が該改変されたものに及ぶことは当然である。

１０ エンジン試験システム
１１ エンジン（負荷装置）
１１ａ ジャケット出口
１１ｂ ジャケット入口
１２ 温度制御装置
１２ａ 温度制御部
１３ ダイナモメータ
１４ シャフト
１５ ポンプ（内蔵ポンプ）
１７ 熱交換器
１７ａ 一次冷媒流路
１７ｂ 二次冷媒流路
１８ 工業用水配管
１９ 冷却水配管
２０ センサ
２１ ヒータ
２２ 第１の３方制御弁
２３ バルブコントローラ
２４ 冷却水（循環冷媒）
２４ａ 第１の循環冷媒
２４ｂ 第２の循環冷媒
２５ 冷熱源（冷熱媒体）
２５ａ 冷熱媒体戻り
２５ｂ 冷熱媒体の一部（第１の冷熱媒体）
２５ｃ 冷熱媒体の一部（第２の冷熱媒体）
２６ センサ
２７ ポンプ
２８ 第２の３方制御弁
２９ バルブコントローラ

Claims (2)

1. 負荷装置の出口より排出されて入口から再び前記負荷装置内に供給される循環冷媒の温度を調整する温度制御装置であって、
   前記負荷装置の外側に設けられた一次冷媒流路と二次冷媒流路を有し、前記二次冷媒流路内を通って前記負荷装置の前記入口に向かう第１の循環冷媒の熱と前記一次冷媒流路内を通る冷熱媒体の熱との間で熱交換をして、前記第１の循環冷媒の温度を調整する熱交換器と、
   前記負荷装置の前記出口より排出された前記循環冷媒のうち、前記熱交換器の前記二次冷媒流路内を通った前記第１の循環冷媒と前記熱交換器をバイパスして前記負荷装置の前記入口に向かう第２の循環冷媒とを混合する第１の３方制御弁と、
   前記熱交換器の前記一次冷媒流路側に、前記一次冷媒流路を流れる前記冷熱媒体のうち、前記一次冷媒流路内で熱交換された第１の冷熱媒体と新たに外部から供給された第２の冷熱媒体とを混合する第２の３方制御弁と、
   前記第１の３方制御弁で分流された第１の循環冷媒が混合された前記第２の循環冷媒の温度を調整するヒータと、
   前記第２の３方制御弁で分流された第１の冷熱媒体が混合された前記第２の冷熱媒体を前記一次冷媒流路へ向けて強制的に流すポンプと、
   を備えることを特徴とする温度制御装置。
2. 前記負荷装置が、エンジンであり、前記循環冷媒が前記エンジンを冷却するエンジン冷却液である、ことを特徴とする請求項１に記載の温度制御装置。