JP7243863B2 - 車両用冷却装置 - Google Patents

Description

この発明は、車室空調装置が水冷式コンデンサを備え、車室空調装置の熱量を冷却水回路中のラジエータを介して放熱する車両用冷却装置に関する。

車両は、一般に、車室内を冷房するために、冷媒の冷凍サイクルを利用した車室空調装置を備えている。内燃機関を走行駆動源とする車両にあっては、多くの場合、内燃機関によって機械的にコンプレッサが駆動され、コンデンサとしては外気との間で熱交換を行う空冷式のコンデンサが用いられている。

特許文献１には、このような車室空調装置を備えた内燃機関を走行駆動源とする車両において、アクセルペダルが踏み込まれた加速時に、内燃機関の出力軸とコンプレッサとの間の電磁クラッチを開放して内燃機関の負荷を軽減し、加速性能を向上させる技術が開示されている。

しかしながら、この技術は、水冷式コンデンサを用いた場合の冷却水回路における水温ないし熱量に着目したものではない。

特開２００６－２９８０４２号公報

この発明に係る車両用冷却装置は、
車両駆動源の冷却に寄与する水冷式の冷却デバイスと、
車室空調装置の冷媒を冷却する水冷式コンデンサと、
上記冷却デバイスと上記水冷式コンデンサとを含む冷却水回路と、
この冷却水回路を循環する冷却水と外気との間で熱交換を行うラジエータと、
所定の車両加速条件が成立したときに、上記水冷式コンデンサにおける上記冷媒の流れを一時的に停止させる制御部と、
を備える。

冷却デバイスとしては、例えば、車両駆動源としての内燃機関の冷却系、電動車両の場合のモータやインバータの冷却系、過給エンジンにおける水冷式インタークーラ、などを挙げることができる。

所定の車両加速条件が成立したときに、水冷式コンデンサにおける冷媒の流れを一時的に停止することで、水冷式コンデンサから冷却水回路の冷却水に伝わる熱量が減少する。そのため、冷却デバイスに流入する冷却水の温度が低下し、冷却デバイスの冷却効率が向上する。これにより、駆動源の出力が一時的に高くなる。

冷却デバイスが例えば内燃機関の冷却系であれば、冷却水温度が低下することでノッキングの抑制や吸気温低下等に寄与し、出力増加が図れる。電動車両におけるモータやインバータの冷却系であれば、冷却水温度が低下することで、モータの出力増加が可能となる。過給エンジンにおける水冷式インタークーラであれば、冷却水温度が低下することで、吸気温が低くなり、出力増加が図れる。換言すれば、冷却デバイスとは、冷却作用により車両駆動源の出力に有効な影響が生じるものを広く包含する。

一実施例の冷却装置を備えたシリーズハイブリッド車の駆動システムを示す説明図。 一実施例の第１の冷却水回路の回路図。 第２の冷却水回路の回路図。 車室空調装置の冷媒回路の回路図。 車両前部における熱交換器の配置を示す車両側方から見た概略図。 車両加速時の各部の挙動を示すタイムチャート。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。以下の実施例は、車両としてシリーズハイブリッド車に適用したものであり、特に、前輪と後輪とを個々に駆動し得る四輪駆動型のシリーズハイブリッド車を例にしている。

図１は、実施例のシリーズハイブリッド車の駆動システムを示している。このシリーズハイブリッド車は、主に発電機として動作する発電用モータジェネレータ１と、この発電用モータジェネレータ１を電力要求に応じて駆動する発電用内燃機関として用いられる内燃機関２と、主にモータとして動作して前輪３および後輪４をそれぞれ駆動する前輪用モータジェネレータ５および後輪用モータジェネレータ６と、発電した電力を一時的に蓄えるバッテリ７と、を備えている。モータジェネレータ１，５，６の各々は、バッテリ７との間で電力変換を行うインバータユニット８，９，１０をそれぞれ備えている。これらのインバータユニット８，９，１０は、モータジェネレータ１，５，６と実質的に一体に構成されている。内燃機関２は、ギアトレイン１１を介して発電用モータジェネレータ１に接続されている。前輪用モータジェネレータ５および後輪用モータジェネレータ６は、それぞれディファレンシャルギアを含むギアトレイン１２，１３を介して前輪３および後輪４を駆動するように構成されている。内燃機関２が発電用モータジェネレータ１を駆動することによって得られた電力は、インバータユニット８を介してバッテリ７に蓄えられる。前輪用モータジェネレータ５および後輪用モータジェネレータ６は、バッテリ７の電力を用いてインバータユニット９，１０を介して駆動制御される。前輪用モータジェネレータ５および後輪用モータジェネレータ６の回生時の電力は、やはりインバータユニット９，１０を介してバッテリ７に蓄えられる。

また、図１に示すように、この車両の車室空調装置は、冷凍サイクルを構成するコンプレッサとして電動コンプレッサ１４を備えており、この電動コンプレッサ１４は、インバータユニット１５を介してやはりバッテリ７の電力でもって駆動される。

図１の実施例では、前輪用モータジェネレータ５および後輪用モータジェネレータ６が直接的な車両駆動源となる。また、バッテリ７の容量は比較的小さく、多くのシチュエーションでは前輪用モータジェネレータ５および後輪用モータジェネレータ６の最大出力が内燃機関２および発電用モータジェネレータ１による発電量に依存するので、内燃機関２が間接的な車両駆動源といえる。内燃機関２は、ターボチャージャや機械式過給機などからなる過給機１６を備えている。

実施例のシリーズハイブリッド車は、冷却水を用いた冷却系統として、図２に示す第１の冷却水回路２１と、図３に示す第２の冷却水回路２２と、を備えている。第１の冷却水回路２１の冷却水（第１の冷却水）の温度は、基本的に、第２の冷却水回路２２の冷却水（第２の冷却水）の温度に比較して相対的に低い温度に制御される。

第１の冷却水回路２１が請求項１の冷却水回路に相当するものであり、図２に示すように、２段に配置された電動ウォータポンプ２３，２４を有し、この電動ウォータポンプ２３，２４によって矢印に示すように冷却水が循環する。第１の冷却水回路２１は、放熱部として電動ウォータポンプ２３，２４の下流側に、外気との間で熱交換を行うサブラジエータ２５を備えている。サブラジエータ２５の出口側（入口側であってもよい）にバイパスバルブ２６が設けられており、冷却水温度が設定温度（第１の冷却水回路２１の設定温度）よりも低いときはサブラジエータ２５をバイパスして冷却水が流れる構成となっている。電動ウォータポンプ２３，２４の上流側には、リザーバタンク２７を備えている。

第１の冷却水回路２１は、冷却対象として、前輪用モータジェネレータ５および付随のインバータユニット９を冷却する前輪側パワートレイン冷却部３１と、後輪用モータジェネレータ６および付随のインバータユニット１０を冷却する後輪側パワートレイン冷却部３２と、車室空調装置の冷凍サイクルにおいて冷媒を凝縮する水冷式コンデンサ３３と、内燃機関２の吸気系に配置される低温側水冷式インタークーラ３４と、を含んでいる。前輪側パワートレイン冷却部３１および後輪側パワートレイン冷却部３２は、例えば、モータジェネレータとインバータユニットとを収容したハウジングの中を通流する冷却水通路として構成される。

水冷式コンデンサ３３は、例えば、冷却水が通流するハウジングの中に、冷媒が通流するコアを収容した構成であって、冷却水と気相冷媒との熱交換により冷媒を凝縮するものである。この水冷式コンデンサ３３は、凝縮した液相冷媒を一時的に蓄えるリキッドタンク（図示せず）を備えている。低温側水冷式インタークーラ３４は、内燃機関２と過給機１６との間の吸気通路中に配置されるものであり、過給吸気と冷却水との熱交換により過給吸気を冷却する。

第１の冷却水回路２１においては、図２に示すように、前輪側パワートレイン冷却部３１と水冷式コンデンサ３３と後輪側パワートレイン冷却部３２との三者に並列に冷却水が通流する。そして、低温側水冷式インタークーラ３４は、後輪側パワートレイン冷却部３２の下流側に、該後輪側パワートレイン冷却部３２と直列に冷却水が通流するように配置されている。換言すれば、互いに並列となる水冷式コンデンサ３３用の流路３６と後輪側パワートレイン冷却部３２用の流路３７とは、分岐点３８において分岐し、かつ合流点３９において再び合流するが、後輪側パワートレイン冷却部３２と合流点３９との間に低温側水冷式インタークーラ３４が位置している。実際の車両においては、サブラジエータ２５や前輪側パワートレイン冷却部３１等が車両前部に位置するのに対し、後輪側パワートレイン冷却部３２は車両後部に位置するので、流路３７は車両後方へと延びており、再び車両前部において低温側水冷式インタークーラ３４を経由してから合流点３９で合流する形となっている。

第２の冷却水回路２２は、図３に示すように、内燃機関２の出力によって駆動される機械式あるいは電動式のウォータポンプ４１を有し、このウォータポンプ４１によって矢印に示すように冷却水（第２の冷却水）が循環する。第２の冷却水回路２２は、放熱部としてウォータポンプ４１の上流側に、外気との間で熱交換を行うメインラジエータ４２を備えている。メインラジエータ４２の出口側（入口側であってもよい）にバイパスバルブ４３が設けられており、冷却水温度が設定温度（第２の冷却水回路２２の設定温度）よりも低いときはメインラジエータ４２をバイパスして冷却水が流れる構成となっている。メインラジエータ４２の上流側にはリザーバタンク４４を備えている。

前述したように、第２の冷却水回路２２における冷却水温度と第１の冷却水回路２１における冷却水温度とは異なっており、第１の冷却水回路２１を循環する冷却水の方が相対的に低温となる。例えば、第２の冷却水回路２２を流れる第２の冷却水が８０℃（メインラジエータ４２出口温度）を目標温度として７０～９０℃程度に制御されるのに対し、第１の冷却水回路２１を流れる第２の冷却水は、サブラジエータ２５出口温度として５０～５５℃程度に制御される。

第２の冷却水回路２２は、図３に示すように、冷却対象として、内燃機関２の吸気系に配置される高温側水冷式インタークーラ４５と、内燃機関２と、を含んでいる。内燃機関２は、冷却水が通流するウォータジャケットを有し、主にこのウォータジャケットを冷却水が流れることによって冷却される。

高温側水冷式インタークーラ４５は、内燃機関２と過給機１６との間の吸気通路中に低温側水冷式インタークーラ３４と並んで配置されるものであり、過給吸気と冷却水との熱交換により過給吸気を冷却する。特に吸気通路における吸気の流れの方向に関して、高温側水冷式インタークーラ４５が相対的に上流側に、低温側水冷式インタークーラ３４が相対的に下流側に、それぞれ位置するように配置されている。一つの例では、高温側水冷式インタークーラ４５および低温側水冷式インタークーラ３４は、吸気が通流する一つのハウジングの中に直列に配置された２つのコアとして構成され、各々のコアを第２の冷却水および第１の冷却水が通流するように構成される。勿論、高温側水冷式インタークーラ４５と低温側水冷式インタークーラ３４とが個々のハウジングを有する独立した構成であってもよい。

上述したように、高温側水冷式インタークーラ４５には、相対的に高温である第２の冷却水が通流し、低温側水冷式インタークーラ３４には、相対的に低温に維持される第１の冷却水が通流する。従って、過給により高温となった過給吸気は、上流側の高温側水冷式インタークーラ４５によってある程度冷却された後に、下流側の低温側水冷式インタークーラ３４によってさらに冷却される。すなわち、２ステージ型水冷式インタークーラとなる。なお、第１の冷却水および第２の冷却水としては、適宜な添加剤を含むエチレングリコール水溶液などが用いられるが、両者が同じものであってもよく、あるいは成分や濃度等が互いに異なるものであってもよい。

図４は、車室空調装置の冷媒回路の概略を示している。車室空調装置は、気相冷媒を圧縮する前述した電動コンプレッサ１４と、加圧されて高温高圧となった気相冷媒を冷却して凝縮するコンデンサ５１と、液化した冷媒を膨張させることで車室内等の冷却を行う膨張弁を含むエバポレータ５２と、を含んで構成されている。

ここで、この実施例においては、コンデンサ５１が、前述した水冷式コンデンサ３３と外気との間で熱交換を行う空冷式コンデンサ５３とを組み合わせた構成となっている。一実施例では、水冷式コンデンサ３３が冷媒の流れについて相対的に上流側に位置しており、冷媒の凝縮は、主にこの水冷式コンデンサ３３においてなされる。空冷式コンデンサ５３は相対的に下流側に位置し、この空冷式コンデンサ５３は、液化した冷媒をさらに過冷却させるサブクール部を構成している。コンデンサ５１として必要な熱交換量のかなりの部分を水冷式コンデンサ３３が負担するので、空冷式コンデンサ５３は比較的小型のものとなる。

電動コンプレッサ１４は、制御部の一部となる空調装置コントローラ５４によって、その動作が制御される。空調装置コントローラ５４は、車両全体の駆動システムの制御を行うＨＥＶコントローラや内燃機関２を制御するエンジンコントローラ（いずれも図示せず）などと例えばＣＡＮ通信を介して接続されており、後述するように、車両側で所定の加速要求があったと判断されたときに、ＨＥＶコントローラからコンプレッサ停止指令を受け、これに応答して電動コンプレッサ１４を停止させるように構成されている。なお、図示せぬＨＥＶコントローラやエンジンコントローラも制御部の一部を構成している。

また、エバポレータ５２は、冷媒チューブに隣接して蓄冷材を配したいわゆる蓄冷式エバポレータであり、電動コンプレッサ１４の停止後もある程度の時間、車室内へ冷気を供給することができる。

外気との間で熱交換を行うサブラジエータ２５、メインラジエータ４２および空冷式コンデンサ５３は、いずれも車両走行風を受けうるように車両前部に配置されている。図５は、車体６１に対する３つの熱交換器（メインラジエータ４２、サブラジエータ２５、空冷式コンデンサ５３）の配置を示している。車体６１は、前端面のバンパー６２よりも上側に、車両走行風をエンジンルーム内に取り込むためのグリル開口部６３を備えているとともに、バンパー６２の下側部分に、同じく車両走行風を取り込むためのバンパー開口部６４を備えている。メインラジエータ４２は、グリル開口部６３およびバンパー開口部６４の双方から取り込まれる車両走行風を受けるように、これら２つの開口部６３，６４の後方に配置されている。空冷式コンデンサ５３は、主にバンパー開口部６４を通した車両走行風を受けるように、メインラジエータ４２の前方に該メインラジエータ４２の下部領域と重なるように配置されている。サブラジエータ２５は、主にグリル開口部６３を通した車両走行風を受けるように、メインラジエータ４２の前方に該メインラジエータ４２の上部領域と重なるように配置されている。サブラジエータ２５と空冷式コンデンサ５３は、メインラジエータ４２と平行な一つの平面に沿うようにして、互いに上下方向に並んで配置されている。なお、サブラジエータ２５を下部に、空冷式コンデンサ５３を上部に、それぞれ配置するようにしてもよい。メインラジエータ４２の後方には、電動ファン６６がシュラウド６７とともに配置されている。この電動ファン６６は、主に車両低速時など車両走行風が十分に得られないときに作動し、強制的に冷却風を生成する。

次に、図６のタイムチャートを参照して上記実施例の冷却装置の作用を説明する。図６は、（ａ）車両のアクセル開度（アクセルペダルの踏込量）、（ｂ）前輪３が負担する駆動力の配分（割合）、（ｃ）後輪４が負担する駆動力の配分（割合）、（ｄ）低温側水冷式インタークーラ３４の入口部の水温、（ｅ）内燃機関２の吸気入口部での吸気温度、（ｆ）電動コンプレッサ１４のオン・オフ状態、（ｇ）蓄冷式エバポレータ５２の蓄冷量、（ｈ）空調装置の車室内への吹出口における吹出温度、の挙動ないし変化を示している。

最上部の（ｊ）欄は、車両の走行状態を模式的に示したものであり、高速道路など２車線道路において、自車１０１が先行車両１０２を追い越すときの様子を示している。先行車両１０２は、例えば、牽引車両１０３を牽引しながら走行車線１０４を比較的低速で走行している。符号１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ，１０１ｄ，１０１ｅは、いずれも自車１０１を示し、先行車両１０２に対する相対的な位置の変化を表している。先行車両１０２の後方を走行していた自車１０１（１０１ａ）は、先行車両１０２を追い越すためにアクセルペダルを踏み込んで加速しながら追い越し車線１０５へ移動し、先行車両１０２と並んだ付近から一定車速でもって先行車両１０２を追い越す。その後、減速しながら再び走行車線１０４へと戻る。つまり、（ｊ）欄に示す自車位置として、概ね、１０１ａ～１０１ｃ間は加速区間、１０１ｃ～１０１ｄ間は一定速区間、１０１ｄ～１０１ｅ間は減速区間となる。

（ａ）～（ｇ）欄に示す各々の挙動ないし変化は、このような車両の加速・追い越し・減速に対応している。初期の定常走行している状態では、電動コンプレッサ１４はオンであり、それまでの走行で蓄冷式エバポレータ５２の蓄冷量は最大となっている。また、前輪３側と後輪４側とで、５０：５０の割合（この数値は一例である）で駆動力が配分されている。

時間ｔ１においてアクセル開度の増加による加速が開始する。加速開始後、時間ｔ２においてアクセル開度が所定の閾値を越えると、所定の車両加速条件が成立したものとして、電動コンプレッサ１４がオフとなる。この電動コンプレッサ１４のオフは、時間ｔ４における減速（アクセル開度の減少）の開始後、時間ｔ５においてアクセル開度が所定の閾値以下となるまで継続される。時間ｔ５において、電動コンプレッサ１４は再びオンとなる。なお、加速開始から一定時間後あるいは一定区間走行後等に電動コンプレッサ１４の駆動を再開するようにしてもよい。

この電動コンプレッサ１４の停止に伴い、車室空調装置における冷媒の循環が停止する。つまり、水冷式コンデンサ３３における冷媒の流れが停止し、水冷式コンデンサ３３から第１の冷却水に与えられる熱量が低減する。また、空冷式コンデンサ５３における放熱量も少なくなる。

このように冷媒の循環が停止すると、冷凍サイクルが実質的に停止するが、エバポレータ５２が蓄冷式エバポレータであることから、蓄熱した冷熱によって（ｈ）欄に示すように車室内の温度上昇が抑制される。従って、蓄冷式エバポレータ５２における蓄冷量は、電動コンプレッサ１４の停止中、徐々に低下する。その後、時間ｔ５において電動コンプレッサ１４の駆動が再開すると、再び蓄冷が行われる。

電動コンプレッサ１４の停止ひいては水冷式コンデンサ３３から第１の冷却水へ放出される熱量が低減することで、第１の冷却水回路２１に含まれる低温側水冷式インタークーラ３４入口部の水温が低下する（（ｄ）欄参照）。なお、車両の加速（つまり車速の上昇）に伴い車両走行風が増加し、サブラジエータ２５の放熱量が増加するので、これも低温側水冷式インタークーラ３４入口部の水温低下に寄与する。

このように低温側水冷式インタークーラ３４入口部の水温低下に伴い、内燃機関２に吸入される吸気の温度が低下する（（ｅ）欄参照）。そのため、内燃機関２の出力が向上し、発電用モータジェネレータ１による発電量増大を介して、前輪用モータジェネレータ５および後輪用モータジェネレータ６による加速性能が向上する。

また、第１の冷却水回路２１における第１の冷却水の温度低下は、第１の冷却水回路２１に含まれる前輪側パワートレイン冷却部３１および後輪側パワートレイン冷却部３２の冷却性能向上を招来し、前輪用モータジェネレータ５および後輪用モータジェネレータ６の出力向上に寄与する。これによっても、加速性能が向上する。

電力消費の観点でも、電動コンプレッサ１４を停止することで、前輪用モータジェネレータ５および後輪用モータジェネレータ６の電力確保ひいて出力向上の上で有利となり、加速性能向上に寄与する。

さらに、図示例では、制御部の一部をなすＨＥＶコントローラによって、加速時に前輪３側と後輪４側との駆動力の配分割合が変更される。具体的には、第１の冷却水回路２１において低温側水冷式インタークーラ３４の直前の上流位置にある後輪側パワートレイン冷却部３２による熱負荷を低減するように、加速に合わせて前輪３側の駆動力の割合が増加し、後輪４側の駆動力の割合が減少する。例えば、図示例では、９０：１０までの配分割合の変更が許容されており、アクセル開度の増加に伴って前輪３側の駆動力の配分が５０％から徐々に増加し、後輪４側の駆動力の配分が５０％から徐々に減少する。加速が終了した時間ｔ３の時点では、９０：１０の割合となっている。

このように後輪４側の駆動力を相対的に減少させることで、第１の冷却水回路２１において後輪側パワートレイン冷却部３２から第１の冷却水へ放出される熱量が相対的に抑制される。これによっても低温側水冷式インタークーラ３４入口部の水温が低下傾向となり、上述したように内燃機関２の出力向上を介して加速性能向上に寄与する。第１の冷却水回路２１において後輪側パワートレイン冷却部３２は低温側水冷式インタークーラ３４の直前に位置するので、仮に加速に伴い後輪側パワートレイン冷却部３２での放出熱量が増えると、低温側水冷式インタークーラ３４に流入する第１の冷却水の温度が高くなり、インタークーラとしての過給吸気冷却性能が低下してしまう。

時間ｔ４において減速（アクセル開度の減少）が開始すると、前輪３側と後輪４側との駆動力の配分は、定常状態における既定値である５０：５０へ向かって徐々に変化する。

以上、この発明を四輪駆動型のシリーズハイブリッド車に適用した一実施例を説明したが、この発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。

Claims (3)

1. 過給機を有する内燃機関によって発電機を駆動し、発電した電力でモータを駆動して走行するハイブリッド車における車両用冷却装置であって、
   上記内燃機関に供給される過給吸気を冷却する水冷式インタークーラと、
   電動コンプレッサを備えた車室空調装置の冷媒を冷却する水冷式コンデンサと、
   上記水冷式インタークーラと上記水冷式コンデンサとを含む冷却水回路と、
   この冷却水回路を循環する冷却水と外気との間で熱交換を行うラジエータと、
   所定の車両加速条件が成立したときに、上記電動コンプレッサを停止することで上記水冷式コンデンサにおける上記冷媒の流れを一時的に停止させる制御部と、
   を備えて構成されており、
   上記モータとして、前輪および後輪の一方を駆動する第１のモータと他方を駆動する第２のモータとを有し、
   上記第２のモータおよび付随するインバータユニットを冷却する第２のパワートレイン冷却部が上記冷却水回路において上記水冷式インタークーラの直前の上流側に位置しており、
   上記制御部は、所定の車両加速条件が成立したときに、上記冷媒の流れの停止に加えて、上記第２のモータが負担する駆動力配分を一時的に低下させる、
   車両用冷却装置。
2. 上記車室空調装置は、蓄冷式エバポレータを備える、請求項１に記載の車両用冷却装置。
3. 上記内燃機関のウォータジャケットを通流する第２の冷却水が第２のラジエータとの間で循環する第２の冷却水回路を備える、
   請求項１または２に記載の車両用冷却装置。

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