JP7010063B2

JP7010063B2 - 車両用冷却装置

Info

Publication number: JP7010063B2
Application number: JP2018037404A
Authority: JP
Inventors: 一稔若月; 秀之幸光
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-03-02
Filing date: 2018-03-02
Publication date: 2022-01-26
Anticipated expiration: 2038-03-02
Also published as: JP2019151198A

Description

本発明は、車両用冷却装置に関する。

下記特許文献１には、燃料電池の排水をポンプにより散布用通路に供給し、排水を散布用通路の先端のノズルから熱交換器（ラジエータ）に吹き付ける構造を備えた熱交換装置が開示されている。なお、熱交換器に水を吹き付ける噴射装置と、熱交換器の下方に設けられて噴射した水を回収する受け皿とを設ける構造として、特許文献２に記載されたものがある。また、ラジエータにおける冷却水の流出口に近い側に水を散水する散水装置を配置した構造として、特許文献３に記載されたものがある。

特開２００２－３７２３８５号公報特開平０７－２７９６６９号公報特開２０１７－１２８１９７号公報

上記特許文献１に記載の構造では、高負荷走行時においては、必要とされる熱交換器の冷却性能に対して、吹き付ける水の量が不足する恐れがある。また、必要な水量を確保するために、凝縮装置を別に設けてもよいが、コストが上昇すると共に、搭載スペースを確保する必要があり、改善の余地がある。

本発明は上記事実を考慮し、ラジエータに吹き付けるための水量を確保することができる車両用冷却装置を得ることが目的である。

第１態様に係る車両用冷却装置は、ラジエータの車両前後方向後側に設けられ、燃料電池スタックの排気ガスの圧力を駆動源として動力回収が可能に構成されたラジエータファンと、前記ラジエータファンの駆動により凝縮された水を回収する貯水タンクと、前記貯水タンクに溜まった水を前記ラジエータの車両前後方向前側から前記ラジエータに吹き付ける噴射装置と、を有する。

第１態様に係る車両用冷却装置によれば、ラジエータの車両前後方向後側にラジエータファンが設けられており、燃料電池スタックの排気ガスの圧力を駆動源として動力回収されることにより、ラジエータファンが駆動される。ラジエータファンの駆動によりラジエータを通過する空気流が発生し、この空気流によりラジエータが冷却される。その際、ラジエータファンの駆動に伴って排気ガスから動力が回収され、排気ガスの温度が低下して水蒸気が凝縮されることで、液化した水が貯水タンクに回収される。さらに、貯水タンクに溜まった水は、噴射装置によりラジエータに車両前後方向前側から吹き付けられる。そして、吹き付けられた水がラジエータの表面で蒸発することで、水の蒸発潜熱によりラジエータの温度が低下する。これによって、ラジエータによる冷却能力が向上する。

上記の車両用冷却装置では、燃料電池スタックの排気ガスを駆動源として動力回収されることにより、ラジエータファンが駆動されるため、ラジエータファンを駆動するための電力の削減を図ることが可能となる。さらに、ラジエータファンの駆動に伴って凝縮された水を貯水タンクに回収することで、ラジエータに吹き付けるための水量を確保することが可能となる。

本発明に係る車両用冷却装置によれば、ラジエータに吹き付けるための水量を確保することができる。

第１実施形態に係る車両用冷却装置を示す側面図である。第２実施形態に係る車両用冷却装置を示す側面図である。第３実施形態に係る車両用冷却装置を示す側面図である。第４実施形態に係る車両用冷却装置を示す側面図である。第５実施形態に係る車両用冷却装置を示す側面図である。

本発明の実施の形態について、図面を基に詳細に説明する。なお、これらの図において適宜示される矢印ＦＲは車両前方側を示しており、矢印ＵＰは車両上方側を示している。

〔第１実施形態〕
第１実施形態に係る車両用冷却装置について、図１を用いて説明する。図１には、本実施形態に係る車両用冷却装置が模式的な側面図にて示されている。

図１に示されるように、車両用冷却装置２０が搭載された車両（より具体的には自動車）１０の前部１１には、駆動源として燃料電池スタック１２が搭載されている。燃料電池スタック１２は、水素及び空気が供給されることによって発電する電池とされる。燃料電池スタック１２は、電池の最小単位であるセルを複数枚直列に積層して結合した構造体を備えている。燃料電池スタック１２には、燃料電池スタック１２の発電に伴って生成された排気ガス（水蒸気を含む排気ガス）が排出される流路管２４が接続されている。流路管２４は、燃料電池スタック１２の下壁部に接続されている。

燃料電池スタック１２の車両前後方向の前方側には、外気との熱交換により冷却水を冷却するラジエータ（熱交換器）２２が設けられている。図示を省略するが、ラジエータ２２には、燃料電池スタック１２との間で冷却水が循環される冷却水循環路が接続されており、冷却水循環路に設けられたポンプが駆動されることで、ラジエータ２２と燃料電池スタック１２との間で冷却水が循環されるようになっている。

車両用冷却装置２０は、ラジエータ２２の車両前後方向後側に配置されたラジエータファンとしてのファン２８と、流路管２４に流れる排気ガスの圧力（ガス圧）によってファン２８を駆動するエアモータ３０と、を備えている。ファン２８は、回転軸２８Ａと、回転軸２８Ａから半径方向外側に延出された複数の羽根２８Ｂと、を備えている。エアモータ３０は、回転軸２８Ａに接続されている。本実施形態では、ファン２８は、エアモータ３０を用いることで、燃料電池スタック１２の排気ガスを駆動源として動力回収が可能な構成とされている。ファン２８は、回転することで車両前方側から車両後方側へ流れる空気流を生成するようになっている。

エアモータ３０は、図示を省略するが、一例として、数個のベーンが組み込まれたロータとハウジングから構成されたエアモータ部と、エアモータ部の出力をシャフトに伝達する伝達装置と、を備えている。エアモータ部では、流路管２４を介してエア供給口から供給された圧縮空気が、ベーンで区切られた室に入り、ロータを回転させ、圧縮空気は排気口を通じて排気されるようになっている。エアモータ３０の出力がシャフトを介して回転軸２８Ａに伝達されることで、ファン２８が回転する。

ファン２８の半径方向外側には、ファン２８の外周を囲むように配置されたファンシャラウド３２が設けられている。ファンシャラウド３２は、ラジエータ２２に取り付けられており、ラジエータ２２の取付部からファン２８の外周を囲む位置まで延在されている。

流路管２４は、側面視にて略Ｓ字状に湾曲した形状とされている。より具体的には、流路管２４は、燃料電池スタック１２の下壁部から下方側に延びた縦流路部２４Ａと、縦流路部２４Ａの下端部から屈曲されて略車両前方側に延びた横流路部２４Ｂと、を備えている。さらに、流路管２４は、横流路部２４Ｂの前端部から略車両上方側に屈曲されると共に燃料電池スタック１２の前側からファン２８の後側に向かって略逆Ｕ字状に湾曲された湾曲流路部２４Ｃと、を備えている。湾曲流路部２４Ｃは、燃料電池スタック１２の前壁部の前側に回り込むように配置されており、湾曲流路部２４Ｃの前端部２４Ｄは、略車両上下方向に沿って配置されている。エアモータ３０は、ファン２８の後側の流路管２４の前端部２４Ｄに設けられている。

車両用冷却装置２０は、流路管２４のエアモータ３０より流れ方向下流側に配置された流路管３４と、流路管３４の流れ方向下流側の端部に接続された貯水タンク３６と、を備えている。流路管３４は、エアモータ３０の下側に略車両上下方向に沿って配置されており、流路管３４の下端部が貯水タンク３６の上壁部３６Ａに接続（連結）されている。車両用冷却装置２０では、エアモータ３０の駆動により排気ガス中の水蒸気が凝縮されることで、液化した水（液水）が流路管３４を流下して貯水タンク３６に回収されるようになっている。

車両用冷却装置２０は、貯水タンク３６に溜まった水をラジエータ２２に吹き付ける噴射装置４０を備えている。言い換えると、貯水タンク３６は、噴射装置４０に供給する水を貯留している。噴射装置４０は、貯水タンク３６の前壁部３６Ｂ（車両前後方向前側の側壁部）の下部に一端部が接続された配管４２と、配管４２の他端部に設けられた噴射用のノズル部４４と、を備えている。配管４２は、貯水タンク３６の前壁部３６Ｂからラジエータ２２の車両前後方向前側に向かって略Ｌ字状に配置されている。ノズル部４４は、ラジエータ２２の車両前後方向前側であって、ラジエータ２２の下部と対向する位置に配置されている。ノズル部４４は、ラジエータ２２の前側からラジエータ２２の側を向く噴射口（図示省略）を備えている。図示を省略するが、ノズル部４４の噴射口は、一例として、車両幅方向に沿って複数並んで配置されている。ノズル部４４は、ラジエータ２２の前側からラジエータ２２の側に向かって斜め上方向に水Ｗを噴射するように設定されている。

車両用冷却装置２０は、貯水タンク３６の後壁部３６Ｃ（車両前後方向後側の側壁部）の上部に一端部が接続された排気管４８と、排気管４８の流路途中に設けられた調圧バルブ５０と、を備えている。調圧バルブ５０により、排気管４８を介して貯水タンク３６の内部の圧力（ガス圧）が調整される。排気管４８の流れ方向下流側の端部は、車両１０の外部の大気中に開口されている。調圧バルブ５０により排気管４８が完全に開放（全開）され、又は調圧バルブ５０により排気管４８の開放状態が調整されることで、貯水タンク３６の上部に導入された排気ガスは、排気管４８から大気中に排出されるようになっている。

また、例えば、調圧バルブ５０により排気管４８が閉止され、又は調圧バルブ５０により排気管４８が閉じられる方向に調整されることで、貯水タンク３６から噴射装置４０の配管４２に水Ｗが供給され、ノズル部４４からラジエータ２２の側に向かって水Ｗが噴射されるようになっている。例えば、調圧バルブ５０により貯水タンク３６の内部の圧力が１気圧（大気圧）より大きな圧力に調整されることで、貯水タンク３６から配管４２に水Ｗが供給され、ノズル部４４から水Ｗが噴射されるようになっている。

調圧バルブ５０の動作タイミングは、調圧バルブ５０に電気的に接続された制御装置（図示省略）によって制御されている。制御装置は、噴射装置４０により水Ｗを噴射したいタイミング（例えば、高負荷走行時など）で、調圧バルブ５０により排気管４８を閉止する。これにより、噴射装置４０により水Ｗがラジエータ２２に噴射される。

また、制御装置は、例えば、冬場などの冷間時には、調圧バルブ５０により排気管４８を完全に開放（全開）する。例えば、冬場などは、暖房が必要であり、ラジエータ２２の冷却水の温度を上げたいため、調圧バルブ５０により排気管４８を完全に開放（全開）することで、排気ガスが排気管４８から大気中に排出され、噴射装置４０により水Ｗが噴射されない。

次に、上記実施形態の作用及び効果について説明する。

車両用冷却装置２０では、燃料電池スタック１２から排出された高圧の排気ガスが流路管２４を通ってエアモータ３０に流入する。これにより、排気ガスの圧力（ガス圧）がエアモータ３０の回転力に変換され、ファン２８が回転する。ファン２８は、回転することで車両前方側から車両後方側へ流れる空気流を生成する。この空気流がラジエータ２２を通過することで、ラジエータ２２が冷却される。

また、上記のように排気ガスの圧力（ガス圧）がエアモータ３０の回転力に変換されることで、排気ガスの温度が低下する。排気ガスの温度の低下により、排気ガス中の水蒸気が凝縮され、液水として流路管３４を通って貯水タンク３６に流入する。貯水タンク３６に流入した水Ｗ（液水）と排気ガスとは、重力により貯水タンク３６の下側と上側に分離される。これにより、エアモータ３０の回転によって凝縮された水Ｗが貯水タンク３６に溜められる。

例えば、調圧バルブ５０により排気管４８が完全に開放（全開）され、又は調圧バルブ５０により排気管４８の開放状態が調整されることで、貯水タンク３６の上側の排気ガスは排気管４８から大気中に放出される。

また、例えば、調圧バルブ５０により排気管４８が閉止され、又は調圧バルブ５０により排気管４８が閉じられる方向に調整されることで、貯水タンク３６の内部の圧力が調整される。調圧バルブ５０による圧力調整により、貯水タンク３６の下側の水Ｗは、噴射装置４０の配管４２を通ってノズル部４４から冷却用の水Ｗとしてラジエータ２２の側に噴射される（吹き付けられる）。ラジエータ２２に噴射された水Ｗがラジエータ２２の表面で蒸発することで、水の蒸発潜熱によりラジエータ２２の温度が低下する。これによって、ラジエータ２２による冷却能力が向上する。

上記の車両用冷却装置２０では、燃料電池スタック１２の排気ガスの圧力がエアモータ３０の回転力に変換され、ファン２８が駆動されることで、ファン２８を駆動するための電動モータが不要となる。このため、ファン２８を駆動するための電力の削減を図ることができる。したがって、燃料電池スタック１２の発電負荷が軽減され、発熱量を低減することができる。

また、上記の車両用冷却装置２０では、エアモータ３０の回転力への変換により、排気ガス中の水蒸気が液化することで、貯水タンク３６に貯留される水Ｗの量が増加する。このため、ラジエータ２２に吹き付けるための水量を確保することができる。したがって、ラジエータ２２に必要な量の水Ｗを吹き付けることで、水Ｗの蒸発潜熱によりラジエータ２２の放熱量が上昇し、ラジエータ２２の冷却性能を向上させることができる。

さらに、上記の車両用冷却装置２０では、調圧バルブ５０により圧力調整を行うことで、配管４２に水Ｗの噴射のための水噴射ポンプを設ける必要がなくなる。このため、車両用冷却装置２０の軽量化が可能となる共に、車両用冷却装置２０を安価に製造することができる。

〔第２実施形態〕
次に、図２を用いて、第２実施形態の車両用冷却装置７０について説明する。なお、前述した第１実施形態と同一構成部分については、同一番号を付してその説明を省略する。

図２に示されるように、車両用冷却装置７０には、燃料電池スタック１２とエアモータ３０とを連結する流路管２４の流路途中に調圧バルブ７２が設けられている。調圧バルブ７２により流路管２４の開放状態を調整することで、燃料電池スタック１２の内部の圧力が制御されると共に、排気ガスの圧力によりエアモータ３０によるファン２８の送風量が制御される。

上記の車両用冷却装置７０では、第１実施形態の車両用冷却装置２０（図１参照）と同じ構成による効果に加えて、調圧バルブ７２により、燃料電池スタック１２による発電量とラジエータ２２による冷却量とを最適化することができる。

〔第３実施形態〕
次に、図３を用いて、第３実施形態の車両用冷却装置８０について説明する。なお、前述した第１及び第２実施形態と同一構成部分については、同一番号を付してその説明を省略する。

図３に示されるように、車両用冷却装置８０は、ラジエータ２２に水Ｗを噴射する噴射装置８２を備えている。噴射装置８２は、貯水タンク３６とノズル部４４との間の配管４２の流路途中に配置された噴射用のポンプ８４を備えている。ポンプ８４は、作動することで、貯水タンク３６内の水Ｗをノズル部４４に供給するようになっている。ノズル部４４に供給された水Ｗは、ノズル部４４からラジエータ２２に噴射される。また、貯水タンク３６と接続される排気管４８には、調圧バルブは設けられていない。

上記の車両用冷却装置８０では、第１実施形態の車両用冷却装置２０（図１参照）と同じ構成による効果に加えて、以下の効果が得られる。車両用冷却装置７０では、ポンプ８４により貯水タンク３６内の水Ｗをノズル部４４に供給することで、第１実施形態の車両用冷却装置２０（図１参照）と比較して、貯水タンク３６内の排気ガス（エア）の圧縮収縮によるノズル部４４の噴射のタイムラグが軽減される。このため、噴射装置８２による水Ｗの噴射精度を向上させることができる。

〔第４実施形態〕
次に、図４を用いて、第４実施形態の車両用冷却装置９０について説明する。なお、前述した第１～第３実施形態と同一構成部分については、同一番号を付してその説明を省略する。

図４に示されるように、車両用冷却装置９０は、エアモータ３０の上流側の流路管２４の流路途中とエアモータ３０の下流側の流路管３４の流路途中とを連通するバイパス管９２と、バイパス管９２に設けられた調圧バルブ９４と、を備えている。バイパス管９２は、流路管２４の横流路部２４Ｂの流れ方向下流側の端部（車両前後方向の前端部）の延長線上に繋がるように接続されている。これにより、流路管２４を流れる排気ガスがバイパス管９２に流入しやすい構成とされている。

車両用冷却装置９０では、調圧バルブ９４によりバイパス管９２を完全に開放（全開）することで、湾曲流路部２４Ｃの入口側（流路管２４におけるバイパス管９２との分岐部の下流側）の圧力と、流路管３４の出口側（流路管３４におけるバイパス管９２との合流部の上流側）の圧力とがほぼ同じになる。これにより、燃料電池スタック１２からの排気ガスが流路管２４の横流路部２４Ｂからバイパス管９２に流れ、湾曲流路部２４Ｃ（エアモータ３０の側）への排気ガスの流れを停止することができる。このため、ファン２８の回転を停止するような制御を行うことができる。

また、車両用冷却装置９０では、調圧バルブ９４により流路管２４の開放状態を調整することで、エアモータ３０の出力を制御することができる。例えば、調圧バルブ９４の開放状態の調整により、湾曲流路部２４Ｃ（エアモータ３０の側）の排気ガスの流れを約５０％とし、バイパス管９２の排気ガスの流れを約５０％とすることで、エアモータ３０の出力を約半分に落とすことができる。

また、車両用冷却装置９０では、調圧バルブ９４によりバイパス管９２を閉止することで、燃料電池スタック１２からの排気ガスを湾曲流路部２４Ｃ（エアモータ３０の側）へ流すことができる。

上記の車両用冷却装置９０では、第１実施形態の車両用冷却装置２０（図１参照）と同じ構成による効果に加えて、冬場などのラジエータ２２の冷却低減時にエアモータ３０への排気ガスの流れを停止し、ファン２８の回転を停止する制御を行うことができる。また、調圧バルブ９４により流路管２４の開放状態を調整することで、エアモータ３０の出力を変えてファン２８の送風量を調整することができる。

〔第５実施形態〕
次に、図５を用いて、第５実施形態の車両用冷却装置１００について説明する。なお、前述した第１～第４実施形態と同一構成部分については、同一番号を付してその説明を省略する。

図５に示されるように、車両用冷却装置１００は、エアモータ３０の上流側の流路管２４の流路途中と排気管４８の調圧バルブ５０より下流側の流路途中とを連通するバイパス管１０２と、バイパス管１０２に設けられた調圧バルブ１０４と、を備えている。バイパス管１０２は、燃料電池スタック１２の下方側であって、流路管２４の縦流路部２４Ａの流れ方向下流側の端部（車両上下方向の下端部）の延長線上に繋がるように接続されている。これにより、流路管２４を流れる排気ガスがバイパス管１０２に流入しやすい構成とされている。

車両用冷却装置１００では、調圧バルブ１０４によりバイパス管１０２を完全に開放（全開）することで、燃料電池スタック１２からの排気ガスが流路管２４の縦流路部２４Ａからバイパス管１０２に流れ、流路管２４のエアモータ３０の側への排気ガスの流れが停止される。これにより、ファン２８の回転を停止するような制御を行うことができる。また、バイパス管１０２に導入された排気ガスは、排気管４８から大気中に放出される。

また、車両用冷却装置１００では、調圧バルブ１０４によりバイパス管１０２を閉止し、調圧バルブ５０により排気管４８を閉止することで、燃料電池スタック１２からの排気ガスが流路管２４のエアモータ３０の側に流れ、ファン２８が回転する。さらに、噴射装置４０により水Ｗがラジエータ２２に噴射される。調圧バルブ５０により排気管４８が閉止されているため、排気ガスは、排気管４８から排出されない。

また、車両用冷却装置１００では、調圧バルブ１０４によりバイパス管１０２を閉止し、調圧バルブ５０により排気管４８を完全に開放（全開）することで、燃料電池スタック１２からの排気ガスが流路管２４のエアモータ３０の側に流れ、ファン２８が回転する。また、貯水タンク３６の排気ガスは排気管４８から大気中に排出され、噴射装置４０からは水Ｗが噴射されない。このため、ファン２８だけを回転するような制御を行うことができる。

上記の車両用冷却装置１００では、第１実施形態の車両用冷却装置２０（図１参照）と同じ構成による効果に加えて、冬場などのラジエータ２２の冷却低減時にエアモータ３０への排気ガスの流れを停止し、ファン２８の回転を停止する制御を行うことができる。また、バイパス管１０２は、流路管２４の縦流路部２４Ａの流れ方向下流側の延長線上に繋がるように接続されており、燃料電池スタック１２の出口側の流路の圧力損失を低減することができる。

なお、上記第１～第５実施形態において、燃料電池スタック１２の位置、流路管２４の形状、貯水タンク３６の位置などは、変更可能である。

また、本発明を特定の実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施形態が可能であることは当業者にとって明らかである。

１０車両
１２燃料電池スタック
２０車両用冷却装置
２２ラジエータ
２８ファン（ラジエータファン）
３６貯水タンク
４０噴射装置
７０車両用冷却装置
８０車両用冷却装置
８２噴射装置
９０車両用冷却装置
１００車両用冷却装置
Ｗ水

Claims

ラジエータの車両前後方向後側に設けられ、燃料電池スタックの排気ガスの圧力を駆動源として動力回収が可能に構成されたラジエータファンと、
前記ラジエータファンの駆動により凝縮された水を回収する貯水タンクと、
前記貯水タンクに溜まった水を前記ラジエータの車両前後方向前側から前記ラジエータに吹き付ける噴射装置と、
を有する車両用冷却装置。