JP7131500B2 - heat exchanger cooler - Google Patents
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Description
本発明は、熱交換器冷却装置に関する。 The present invention relates to heat exchanger cooling devices.
下記特許文献1には、熱交換器の前面に水を散布してその水の蒸発時の蒸発潜熱を利用して当該熱交換器を冷却する装置に関する技術が開示されている。簡単に説明すると、特許文献1の図1に示されるように、この先行技術では、メインタンクと、メインタンクよりも小容量のサブタンクと、を備える共に、メインタンク内の水を散布装置へ向けて圧送する第1散布用ポンプと、サブタンク内の水を、三方弁を介してメインタンク又は散布装置へ向けて圧送する第2散布用ポンプと、を備えている。 Patent Literature 1 listed below discloses a technique related to an apparatus for spraying water on the front surface of a heat exchanger and utilizing latent heat of vaporization when the water evaporates to cool the heat exchanger. Briefly, as shown in FIG. 1 of Patent Document 1, this prior art includes a main tank and a sub-tank having a smaller capacity than the main tank, and directs the water in the main tank to the spraying device. and a second spraying pump for pressure-feeding the water in the sub-tank toward the main tank or the spraying device via the three-way valve.
しかしながら、上記先行技術では、メインタンク内の水を散布装置へ向けて圧送するポンプが第1散布用ポンプのみであるので、例えばメインタンクの容量が大きい場合にメインタンク内の水を充分に用いつつポンプの数を増やさないで第1散布用ポンプの過剰な使用を抑える点で改善の余地がある。 However, in the above prior art, the pump for pressure-feeding the water in the main tank toward the spraying device is only the first spraying pump. However, there is room for improvement in terms of suppressing excessive use of the first spray pump without increasing the number of pumps.
本発明は、上記事実を考慮して、メインタンク内の水を充分に用いつつポンプの数を抑えながら、メインタンク内の水を水吐出部に送る専用ポンプの過剰な使用を抑えることができる熱交換器冷却装置を得ることが目的である。 In consideration of the above facts, the present invention is capable of suppressing the excessive use of dedicated pumps for sending the water in the main tank to the water discharge part while suppressing the number of pumps while sufficiently using the water in the main tank. It is an object to obtain a heat exchanger cooling device.
請求項1に記載する本発明の熱交換器冷却装置は、熱交換器に向けて水を吐出する水吐出部と、前記水吐出部に供給する水を貯留するメインタンクと、前記メインタンクよりも小容量とされて水を貯留するサブタンクと、前記メインタンクの第一流出口と前記水吐出部とを接続する第一流路と、前記メインタンクの流入口と前記水吐出部とを接続する第二流路と、前記メインタンクの第二流出口と前記サブタンクの流出口とを接続する第三流路と、前記第二流路と前記第三流路とを接続する連結流路と、前記第一流路に設けられて前記水吐出部に水を送る第一ポンプと、前記連結流路に設けられて前記第二流路の側に水を送る第二ポンプと、前記連結流路と前記第二流路との接続部に設けられ、前記第二ポンプと前記メインタンクとを連通させる状態と、前記第二ポンプと前記水吐出部とを連通させる状態と、に切り替える第一の三方弁と、前記第三流路と前記連結流路との接続部に設けられ、前記サブタンクと前記第二ポンプとを連通させる状態と、前記メインタンクと前記第二ポンプとを連通させる状態と、に切り替える第二の三方弁と、を有する。 The heat exchanger cooling device of the present invention described in claim 1 comprises a water discharge section for discharging water toward a heat exchanger, a main tank for storing water supplied to the water discharge section, and a sub-tank that has a small capacity to store water; a first flow path that connects the first outlet of the main tank and the water discharge section; and a second flow path that connects the inlet of the main tank and the water discharge section. two flow paths, a third flow path connecting the second outlet of the main tank and the outlet of the sub-tank, a connecting flow path connecting the second flow path and the third flow path, a first pump provided in the first flow path for sending water to the water discharge part; a second pump provided in the connecting flow path for sending water to the second flow path; A first three-way valve provided at a connection portion with a second flow path and switching between a state in which the second pump and the main tank are communicated and a state in which the second pump and the water discharge portion are communicated. and a state in which the sub-tank and the second pump are communicated with each other, and a state in which the main tank and the second pump are communicated with each other. and a switching second three-way valve.
上記構成によれば、熱交換器に向けて水吐出部が水を吐出する。水吐出部に供給する水をメインタンクが貯留し、メインタンクの第一流出口と水吐出部とは第一流路によって接続され、第一流路に設けられた第一ポンプによって水吐出部に水が送られる。一方、メインタンクの流入口と水吐出部とは第二流路によって接続され、メインタンクの第二流出口とサブタンクの流出口とは第三流路によって接続され、第二流路と第三流路とは連結流路によって接続される。連結流路に設けられた第二ポンプは第二流路の側に水を送る。また、連結流路と第二流路との接続部に設けられた第一の三方弁は、第二ポンプとメインタンクとを連通させる状態と、第二ポンプと水吐出部とを連通させる状態と、に切り替える。さらに、第三流路と連結流路との接続部に設けられた第二の三方弁は、サブタンクと第二ポンプとを連通させる状態と、メインタンクと第二ポンプとを連通させる状態と、に切り替える。 According to the above configuration, the water discharge section discharges water toward the heat exchanger. The main tank stores the water to be supplied to the water discharge part, the first outlet of the main tank and the water discharge part are connected by the first flow path, and the water is supplied to the water discharge part by the first pump provided in the first flow path. Sent. On the other hand, the inlet of the main tank and the water discharge part are connected by a second channel, the second outlet of the main tank and the outlet of the sub-tank are connected by a third channel, and the second channel and the third The channels are connected by connecting channels. A second pump provided in the connecting channel sends water to the side of the second channel. In addition, the first three-way valve provided at the connecting portion between the connecting flow path and the second flow path has a state in which the second pump and the main tank are communicated, and a state in which the second pump and the water discharge portion are communicated. and switch to Furthermore, the second three-way valve provided at the connecting portion between the third flow path and the connecting flow path has a state in which the sub-tank and the second pump are communicated, and a state in which the main tank and the second pump are communicated. switch to
上記により、第二の三方弁によってサブタンクと第二ポンプとを連通させると共に、第一の三方弁によって第二ポンプとメインタンクとを連通させ、さらに第二ポンプを作動させると、サブタンクからメインタンクに水が送られる。また、第二の三方弁によってメインタンクと第二ポンプとを連通させると共に、第一の三方弁によって第二ポンプと水吐出部とを連通させ、さらに第二ポンプを作動させると、メインタンクから水吐出部へ水が送られる。これにより、メインタンク内の水を充分に用いつつポンプの数を抑えながら、第一ポンプの過剰な使用を抑えることが可能となる。 As described above, the second three-way valve allows communication between the sub-tank and the second pump, and the first three-way valve allows communication between the second pump and the main tank. water is sent to Further, the second three-way valve communicates the main tank and the second pump, the first three-way valve communicates the second pump and the water discharge section, and the second pump is operated. Water is sent to the water discharge part. As a result, it is possible to suppress the excessive use of the first pump while suppressing the number of pumps while sufficiently using the water in the main tank.
以上説明したように、本発明の熱交換器冷却装置によれば、メインタンク内の水を充分に用いつつポンプの数を抑えながら、メインタンク内の水を水吐出部に送る専用ポンプである第一ポンプの過剰な使用を抑えることができるという優れた効果を有する。 As described above, according to the heat exchanger cooling device of the present invention, a dedicated pump is provided to send the water in the main tank to the water discharge part while sufficiently using the water in the main tank and reducing the number of pumps. It has an excellent effect of suppressing excessive use of the first pump.
本発明の一実施形態に係る熱交換器冷却装置について図1~図6を用いて説明する。図1には、本実施形態に係る熱交換器冷却装置30を含む燃料電池システム10の構成が模式的な車両側面視の図で示されている。図1に示される燃料電池システム10は、電気自動車に搭載され、燃料電池12を有している。
A heat exchanger cooling device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 6. FIG. FIG. 1 schematically shows the configuration of a
燃料電池12には、空気通路14を介して酸素を含む空気が供給され、水素通路15を介して水素が供給される。燃料電池12は、出力時(発電の際)に熱を発生すると共に水分を含む排気ガスを生成する。燃料電池システム10には、燃料電池12の温度を所定の許容範囲内に維持するために、冷却水回路18が設けられている。
Air containing oxygen is supplied to the
冷却水回路18は、冷却水循環流路20、ウォータポンプ22、熱交換器としてのラジエータ24及び送風ファン26を有している。冷却水循環流路20は、燃料電池12とラジエータ24とを経由して循環するように構成されている。ウォータポンプ22は、冷却水循環流路20に設けられ、冷却水を送り出すことで冷却水を循環させる。ラジエータ24は、その熱交換部の内部を流通する冷却水と、電気自動車の車両前方側から車両後方側へ(矢印D方向参照)流れる空気と、を熱交換させることで、燃料電池12で発生した熱を放出させる。ラジエータ24の車両後方側には、送風ファン26が配置されている。送風ファン26は、車両前方側から車両後方側への空気流を生成している。
The
また、燃料電池システム10には、空気通路14における燃料電池12の下流側に気液分離器16が設けられている。気液分離器16は、燃料電池12の出力時に発生した水分を含む排気ガスを回収したうえでガスと水とに分離し、温度が下げられた状態の水を内部に貯える。なお、気液分離器16内に貯えられる水は非常に純度が高い。気液分離器16は、送液路28を介してサブタンク36に接続されており、気液分離器16内に貯えられた水がサブタンク36に供給される構成になっている。サブタンク36は、燃料電池12から発生した排気ガス中の排水を回収するので、排水性の観点、及び省動力化の観点(つまり排気ガスの圧力をサブタンク36への液送動力として利用する観点)から燃料電池12の直下又は略直下が好ましく、搭載の自由度の観点から大型化を避けることが求められている。
Further, the
一方、ラジエータ24の上部に対して車両前方側には、ラジエータ24に向けて水W(液水)を吐出する水吐出部32が配置されている。水吐出部32は、車両幅方向に延在されて水が流入可能な筒状の筐体を有し、その筐体においてラジエータ24の上部側を向く部位には、吐出用の多数の貫通孔が形成されている。そして、水吐出部32から吐出(噴射ともいう)された水Wが車両前方側から車両後方側への空気流に乗る等してラジエータ24の熱交換部における放熱面に散布されるように構成されている。
On the other hand, a
水吐出部32には、メインタンク34及び前述したサブタンク36が接続されている。メインタンク34は、水吐出部32に供給する水を貯留する。メインタンク34の上部には、後述する流入口34Bの他に、図示しない注水口が設けられており、この注水口からメインタンク34内に水を補給することができるようになっている。また、サブタンク36は、前述した気液分離器16から送液路28を通って供給された水を貯留する。このサブタンク36は、メインタンク34よりも小容量とされている。
A
熱交換器冷却装置30は、メインタンク34の下部の第一流出口34Aと水吐出部32とを接続する第一流路40を有すると共に、メインタンク34の上部の流入口34Bと水吐出部32とを接続する第二流路42を有する。第一流路40の下流部と第二流路42の下流部とは、両者を兼ねた合流流路部43とされる。また、一例として、メインタンク34の第一流出口34Aに逆流防止用の逆止弁(図示省略)が設けられている。第一流路40には、水吐出部32に水を送る第一ポンプ50が設けられている。第一ポンプ50は、電動式ポンプとされ、一例としてインバータによって変速運転が可能とされている。
The heat
熱交換器冷却装置30は、メインタンク34の下部の第二流出口34Cとサブタンク36の流出口36Aとを接続する第三流路44を有すると共に、第二流路42と第三流路44とを接続する連結流路46を有する。また、一例として、メインタンク34の第二流出口34C及びサブタンク36の流出口36Aにそれぞれ逆流防止用の逆止弁(図示省略)が設けられている。連結流路46には、第二流路42の側に水を送る第二ポンプ52が設けられている。第二ポンプ52は、第一ポンプ50と同様に電動式ポンプとされ、一例としてインバータによって変速運転が可能とされている。
The heat
連結流路46と第二流路42との接続部には、第一の三方弁54が設けられている。第一の三方弁54は、第二ポンプ52とメインタンク34とを連通させる状態と、第二ポンプ52と水吐出部32とを連通させる状態と、に切り替える。
A first three-
第三流路44と連結流路46との接続部には、第二の三方弁56が設けられている。第二の三方弁56は、サブタンク36と第二ポンプ52とを連通させる状態と、メインタンク34と第二ポンプ52とを連通させる状態と、に切り替える。
A second three-
図2には、本実施形態に係る燃料電池システム10の制御系の一部がブロック図で示されている。図2に示されるように、燃料電池システム10は、制御装置60を有する。制御装置60は、CPU、RAM、ROM及び入出力インタフェース部(I/O)を備え、これらがバスを介して互いに通信可能に接続されている。また、前記入出力インタフェース部は外部機器との通信を行う。
FIG. 2 shows a block diagram of part of the control system of the
図2に示されるように、制御装置60には、燃料電池12及び水温センサ62が接続されている。水温センサ62は、冷却水循環流路20(図1参照)に設けられている。制御装置60は、燃料電池12の出力及び冷却水循環流路20の冷却水の温度を取得することができるようになっている。
As shown in FIG. 2, the
また、制御装置60には、ウォータポンプ22、送風ファン26、第一ポンプ50、第二ポンプ52、第一の三方弁54及び第二の三方弁56等の制御対象機器が接続されている。制御装置60は、制御プログラムがROMから読み出されてRAMに展開され、RAMに展開された制御プログラムがCPUによって実行されることで、制御部として機能し、各制御対象機器の作動を制御するようになっている。
Control target devices such as the
また、制御装置60は、タイマー60Tを有している。タイマー60Tは、第一ポンプ50の運転状態(作動状態)では第一ポンプ50の連続運転時間を計測し、第二ポンプ52の運転状態(作動状態)では第二ポンプ52の連続運転時間を計測している。また、タイマー60Tは、第一ポンプ50の停止時に第一ポンプ50の連続運転時間の値をリセットし、第二ポンプ52の停止時に第二ポンプ52の連続運転時間の値をリセットする。また、制御装置60には、第一ポンプ50及び第二ポンプ52のそれぞれについての連続運転を許容する時間の上限値(以下、「連続運転時間の上限値」と略す)が予め記憶されている。
The
次に、燃料電池システム10の作動について、図1等に示される熱交換器冷却装置30の作動を主として説明する。
Next, regarding the operation of the
メインタンク34に水を貯留する場合には、図3に二点鎖線の矢印で示したように水を流動させる。すなわち、まず、燃料電池12の出力時に生成される水を、気液分離器16、送液路28の順に通過させてサブタンク36に貯留する。次に、第二の三方弁56によってサブタンク36と第二ポンプ52とを連通させると共に、第一の三方弁54によって第二ポンプ52とメインタンク34とを連通させ、さらに第二ポンプ52を作動させる。これにより、サブタンク36からメインタンク34に水が送られる。
When water is stored in the
メインタンク34から水吐出部32へ水を送る場合には、図4に二点鎖線の矢印で示したように水を流動させる第一モードと、図5に二点鎖線の矢印で示したように水を流動させる第二モードと、を採り得る。図4に示される第一モードでは、第一ポンプ50を作動させる。図5に示される第二モードでは、第二の三方弁56によってメインタンク34と第二ポンプ52とを連通させると共に、第一の三方弁54によって第二ポンプ52と水吐出部32とを連通させ、さらに第二ポンプ52を作動させる。
When sending water from the
以下にメインタンク34から水吐出部32へ水を送る場合に実行される制御処理の一例について説明する。
An example of control processing executed when water is sent from the
まず、図1等に示される熱交換器冷却装置30に通常の冷却能力(冷却負荷)が要求されている状態の場合(例えば、図2に示される水温センサ62の温度が予め設定された範囲の温度である場合)、制御装置60のCPUは、上述した図4に示される第一モードが実行されるように制御する。そして、図2に示されるタイマー60Tで計測された第一ポンプ50の連続運転時間が、予め設定された第一ポンプ50の連続運転時間の上限値を超えた場合、制御装置60のCPUは、第一ポンプ50の運転を停止させるように制御すると共に、上述した図5に示される第二モードに切り替えるように制御する。
First, when the normal cooling capacity (cooling load) is required for the heat
その後、図2に示されるタイマー60Tで計測された第二ポンプ52の連続運転時間が、予め設定された第二ポンプ52の連続運転時間の上限値を超えた場合、制御装置60のCPUは、第二ポンプ52の運転を停止させるように制御すると共に、上述した図4に示される第一モードに切り替えるように制御する。
After that, when the continuous operation time of the
以下、図2に示される制御装置60のCPUは、上記の制御処理を繰り返すように、図5に示される第二モードと図4に示される第一モードとが交互に実行されるように制御する。そして、図2に示される制御装置60のCPUは、所定の終了条件を満たした場合(例えば、メインタンク34内の水が所定量未満となった場合又は水温センサ62の温度が前記予め設定された範囲の下限を下回った場合)に、一例として、第一ポンプ50及び第二ポンプ52の両方が一旦停止されるように、制御する。なお、その後、制御装置60のCPUは、一例として、図3に示されるメインタンク34内に所定量の水が貯えられるまでサブタンク36からメインタンク34に水が送られるように制御する。
Thereafter, the CPU of the
以上のように、図4及び図5に示される第一ポンプ50と第二ポンプ52とを交互に運転させながら、メインタンク34に貯留された水を水吐出部32から吐出することで、第一ポンプ50の運転のみで水吐出部32から水を吐出させていた場合と比べて、メインタンク34からの水を水吐出部32から連続的に(又はほぼ連続的に)吐出させる時間を長くすることができる。また、第一ポンプ50の連続運転時間が制限されることで第一ポンプ50の耐久性及び信頼性も向上する。
As described above, while alternately operating the
ここで、図6を参照しながら、第一ポンプ50及び第二ポンプ52の各連続運転時間が制限されることによる利点について補足説明する。
Here, with reference to FIG. 6, supplementary explanation will be given on the advantage of limiting the continuous operation time of each of the
図6は、第一ポンプ50及び第二ポンプ52に適用可能なポンプ70の一例が示されている。図6に示されるように、ポンプ70は、流路を形成するケーシング72と、ケーシング72の外に配置されて出力軸である軸シャフト75を有する電動モータ74と、ケーシング72内に収容されて軸シャフト75に固定された羽根車76と、ケーシング72と軸シャフト75との間の隙間をシールする筒状の軸シール78と、を含んで構成されている。そして、電動モータ74を駆動させると、羽根車76が回転し、ケーシング72の中の流体を移動させる(矢印A方向及び矢印B方向参照)ことができるようになっている。
FIG. 6 shows an example of a
一方でこのときに電動モータ74は発熱し、その熱は軸シャフト75を介して軸シール78に伝わる。そして、ポンプ70を高負荷連続作動させる場合に軸シール78が想定以上に受熱すると、軸シール78の耐久性の悪化に繋がりかねない。
On the other hand, the
しかしながら、本実施形態では、図4に示される第一モードと図5に示される第二モードとが交互に実行され、第一ポンプ50の連続運転時間も第二ポンプ52の連続運転時間も制限されているため、例えば、図6に示される軸シール78に相当する部分の耐久性への影響を抑えることができる。
However, in this embodiment, the first mode shown in FIG. 4 and the second mode shown in FIG. 5 are alternately executed, and the continuous operation time of the
一方、図1に示される熱交換器冷却装置30に通常の冷却能力(冷却負荷)を超える冷却能力が要求されている状態の場合(例えば、水温センサ62の温度が前記予め設定された範囲の上限を上回った場合)、図2に示される制御装置60のCPUは、図4に示される第一モード及び図5に示される第二モードの両方が実行されるように制御する。
On the other hand, when the heat
図4に示される第一モードと図5に示される第二モードとが同時に実行されれば、単位時間当たりの水の吐出量が増加するので、図4に示される第一モードのみが実行されていた場合と比較して冷却能力(kW)が向上する。見方を変えると、第一ポンプ50のみで冷却能力を上げようとする場合に比べて、第一ポンプ50の負荷を軽減することができて第一ポンプ50の寿命を延ばすことができる。
If the first mode shown in FIG. 4 and the second mode shown in FIG. 5 are executed simultaneously, the amount of water discharged per unit time increases, so only the first mode shown in FIG. 4 is executed. Cooling capacity (kW) is improved compared to the case where From a different point of view, the load on the
以上説明したように、本実施形態によれば、第一ポンプ50及び第二ポンプ52は、冷却負荷に応じて、交互運転、同時運転、及び停止のいずれかとされるように、制御される。これにより、メインタンク34内の水を充分に用いつつポンプの数を抑えながら、メインタンク34内の水を水吐出部32に送る専用ポンプである第一ポンプ50の過剰な使用を抑えることができる。
As described above, according to the present embodiment, the
なお、上記実施形態の変形例として、第一ポンプ50及び第二ポンプ52のそれぞれから水吐出部32までの圧力損失を調整して、第一ポンプ50の液送量と第二ポンプ52の液送量とに差を設定すると共に、図2に示される制御装置60のCPUが、要求される冷却能力に応じて、作動するポンプを切り替えるように制御する構成も採り得る。このような変形例では、ポンプの出力を制御するインバータを必要としないで吐出量の制御が可能となる。
In addition, as a modification of the above embodiment, the pressure loss from each of the
以上、本発明の一例について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。 An example of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to the above, and it goes without saying that it is possible to implement various modifications without departing from the gist of the present invention. .
24 ラジエータ(熱交換器)
30 熱交換器冷却装置
32 水吐出部
34 メインタンク
34A メインタンクの第一流出口
34B メインタンクの流入口
34C メインタンクの第二流出口
36 サブタンク
36A サブタンクの流出口
40 第一流路
42 第二流路
44 第三流路
46 連結流路
50 第一ポンプ
52 第二ポンプ
54 第一の三方弁
56 第二の三方弁
24 radiator (heat exchanger)
30 heat
Claims (1)
前記水吐出部に供給する水を貯留するメインタンクと、
前記メインタンクよりも小容量とされて水を貯留するサブタンクと、
前記メインタンクの第一流出口と前記水吐出部とを接続する第一流路と、
前記メインタンクの流入口と前記水吐出部とを接続する第二流路と、
前記メインタンクの第二流出口と前記サブタンクの流出口とを接続する第三流路と、
前記第二流路と前記第三流路とを接続する連結流路と、
前記第一流路に設けられて前記水吐出部に水を送る第一ポンプと、
前記連結流路に設けられて前記第二流路の側に水を送る第二ポンプと、
前記連結流路と前記第二流路との接続部に設けられ、前記第二ポンプと前記メインタンクとを連通させる状態と、前記第二ポンプと前記水吐出部とを連通させる状態と、に切り替える第一の三方弁と、
前記第三流路と前記連結流路との接続部に設けられ、前記サブタンクと前記第二ポンプとを連通させる状態と、前記メインタンクと前記第二ポンプとを連通させる状態と、に切り替える第二の三方弁と、
を有する熱交換器冷却装置。 a water discharge unit that discharges water toward the heat exchanger;
a main tank for storing water to be supplied to the water discharge part;
a sub-tank having a smaller capacity than the main tank and storing water;
a first flow path connecting the first outlet of the main tank and the water discharge part;
a second flow path connecting the inlet of the main tank and the water discharge part;
a third channel connecting the second outlet of the main tank and the outlet of the sub-tank;
a connecting channel that connects the second channel and the third channel;
a first pump that is provided in the first flow path and sends water to the water discharge section;
a second pump provided in the connecting channel for sending water to the second channel;
a state in which the second pump and the main tank are communicated with each other, and a state in which the second pump and the water discharge section are communicated with each other; a switching first three-way valve;
A second switch is provided at the connecting portion between the third flow path and the connecting flow path, and switches between a state in which the sub-tank and the second pump are communicated and a state in which the main tank and the second pump are communicated. two three-way valves;
A heat exchanger cooling device having a
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