JP7287204B2 - 車両の熱交換システム - Google Patents
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Description
本開示は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、発熱体の冷却と車室内の空調とが可能な構成でありながら、構成を簡素化することが可能な車両の熱交換システムを提供することにある。
図1に示されるように、本実施形態の熱交換モジュール20は、車両10のボンネット11の上部に配置されている。本実施形態の車両10は、モータジェネレータの動力により走行する、いわゆる電気自動車である。したがって、車両は、モータジェネレータに電力を供給するためのバッテリや、バッテリに充電されている直流電力を交流電力に変換するインバータ装置等を備えている。熱交換モジュール20には、車両10の走行風が外気として導入される。熱交換モジュール20は、バッテリやインバータ装置等を冷却するための冷却水を放熱させるラジエータとしての機能と、車室内の空調を行う空調空気を生成する熱交換器としての機能とを有している。
図2に示されるように、熱交換モジュール20は、ケース21と、冷却側熱交換部22と、第1送風装置23と、第1空調側熱交換部24と、第2空調側熱交換部25と、第2送風装置26とを備えている。なお、図中の矢印Aで示される方向は外気の流れ方向を示している。
冷却側熱交換部22及び第1送風装置23は冷却通路211に配置されている。第1送風装置23は、外気流れ方向Aにおいて冷却側熱交換部22よりも下流側に配置されている。第1送風装置23は、冷却通路211を流れる空調空気を冷却側熱交換部22に送風する軸流式の送風装置である。なお、第1送風装置23としては、軸流式の送風装置に限らず、任意の送風装置を用いることが可能である。冷却側熱交換部22の内部には冷却水が流れている。この冷却水は、車両10のモータジェネレータやバッテリ、インバータ装置等の発熱体を循環することにより、発熱体を冷却する。冷却側熱交換部22は、その内部を流れる冷却水と、その外部を流れる空調空気との間で熱交換を行うことにより冷却水を放熱して冷却する、いわゆるラジエータとして主に機能する。
図3に示されるように、熱交換システム30は、車両10のモータジェネレータやバッテリ、インバータ装置等を発熱体41とするとき、発熱体41を冷却するための冷却システム40と、車両10の空調装置に用いられるヒートポンプシステム50とを備えている。
第1空調側熱交換部24では、第1膨張弁53から吐出される低圧の液相熱媒体と空調空気との間で熱交換が行われることにより、熱媒体が空調空気の熱を吸収して空調空気が冷却される。空調空気の熱を吸収することにより蒸発した低温の気相熱媒体は、第1空調側熱交換部24から圧力調整弁51に流れることにより圧力が調整された後、コンプレッサ52に吸入される。
一方、ヒートポンプシステム50には、環状流路W50における第1水熱媒体熱交換部61の下流側の部分とコンプレッサ52の上流側の部分とを接続するようにバイパス流路W51が設けられている。バイパス流路W51には第2膨張弁54及び第2水熱媒体熱交換部62が設けられている。環状流路W50とバイパス流路W51との2箇所の接続部分には、それらの流路W50,W51の接続状態を切り替える三方弁等の切替弁550,551が設けられている。切替弁550,551は、例えばバイパス流路W51に熱媒体が流れずに、且つ環状流路W50のみに熱媒体が流れるような流路を構成する。これにより、上述のようにヒートポンプシステム50は冷凍サイクルとして駆動することが可能である。
このような流路が形成された場合、第2膨張弁54は、第1水熱媒体熱交換部61から吐出される高圧の液相熱媒体を膨張させて減圧させる。第2膨張弁54により減圧させられた低圧の液相熱媒体はバイパス流路W51を通じて第2水熱媒体熱交換部62に流入する。
第1水熱媒体熱交換部61では、コンプレッサ52から吐出される高温及び高圧の気相熱媒体と、冷却システム40の第2バイパス流路W42を流れる冷却水との間で熱交換が行われることにより、熱媒体の熱が冷却水に吸収される。この熱媒体の熱を吸収した冷却水を、冷却システム40の第2空調側熱交換部25に流すことにより、第2空調側熱交換部25において空調空気を加熱することが可能となる。
図4に示されるように、熱交換システム30は、各システム40,50を制御する制御装置70を備えている。制御装置70は、CPUやメモリ等を有するマイクロコンピュータを中心に構成されている。制御装置70は、メモリに予め記憶されているプログラムを実行することにより、各システム40,50を制御するための各種処理を実行する。
発熱体冷却モードは、発熱体41の冷却を行うモードである。例えば、制御装置70は、発熱体41の温度が所定温度以上になることに基づいて、各システム40,50を発熱体冷却モードで動作させる。発熱体冷却モードでは、各システム40,50において図5に示されるような冷却水の流路及び熱媒体の流路が形成される。
<発熱体冷却・冷房モード>
発熱体冷却・冷房モードは、発熱体41の冷却及び車室内の冷房を行うモードである。例えば、制御装置70は、発熱体41の温度が所定温度以上であって、且つ操作部73により車室内の冷房が選択されている場合に、各システム40,50を発熱体冷却・冷房モードで動作させる。なお、制御装置70は、車室内の温度と、操作部73により設定される車室内の目標温度との偏差等に基づいて、車室内の冷房を自動的に実行する際に、各システム40,50を発熱体冷却・冷房モードで動作させてもよい。発熱体冷却・冷房モードでは、各システム40,50において図7に示されるような冷却水及び熱媒体の流路が形成される。
<暖房モード>
暖房モードは、車室内の暖房を行うモードである。例えば、制御装置70は、操作部73により車室内の暖房が選択されている場合に、各システム40,50を暖房モードで動作させる。なお、制御装置70は、車室内の温度と、操作部73により設定される車室内の目標温度との偏差等に基づいて、車室内の暖房を自動的に実行する際に、各システム40,50を発熱体冷却・冷房モードで動作させてもよい。暖房モードでは、各システム40,50において図9に示されるような冷却水及び熱媒体の流路が形成される。
<着霜抑制モード>
着霜抑制モードは、暖房モードで動作している際に冷却側熱交換部22への霜の付着を未然に防止するためのモードである。例えば、制御装置70は、暖房モードで動作している際に温度センサ72により冷却側熱交換部22の温度を監視しており、冷却側熱交換部22の温度が第1所定温度以下になることに基づいて暖房モードから着霜抑制モードに移行する。第1所定温度は、冷却側熱交換部22に実際に霜が付着する温度よりも若干高い温度に設定されている。本実施形態では、温度センサ72が、冷却側熱交換部22の着霜状態を検出するための着霜状態検出部に相当する。また、制御装置70は、着霜抑制モードを実行した後、冷却側熱交換部22の温度が第2所定温度よりも高くなることに基づいて、あるいは着霜抑制モードを所定時間だけ実行することに基づいて、着霜抑制モードから暖房モードに移行する。第2所定温度は第1所定温度よりも高い温度である。このように、着霜抑制モードは、暖房モードの実行時に冷却側熱交換部22への霜の付着の可能性が高くなった際に実行される。着霜抑制モードでは、各システム40,50において図11に示されるような冷却水及び熱媒体の流路が形成される。
以上説明した本実施形態の車両10の熱交換システム30によれば、以下の(1)~(6)に示される作用及び効果を得ることができる。
次に、第1実施形態の熱交換システム30の変形例について説明する。
図13に示されるように、本変形例の冷却システム40は、冷却水により冷却される発熱体として、第1発熱体41a及び第2発熱体41bを有している。第1発熱体41aは、モータジェネレータ等である。第2発熱体41bはバッテリである。このように冷却システム40が第1発熱体41a及び第2発熱体41bを有する場合、熱交換システム30を例えば図14~図21に示される各モードで動作させることが可能である。
<第1発熱体冷却モード>
このモードでは、制御装置70は、図14に実線で示されるように冷却システム40において冷却水を循環させる。これにより、冷却側熱交換部22及び第2空調側熱交換部25により冷却された冷却水が第1発熱体41aを循環することにより、第1発熱体41aが冷却される。
このモードでは、制御装置70は、図15に実線で示されるように各システム40,50において冷却水及び熱媒体を循環させる。これにより、第1水熱媒体熱交換部61では、冷却側熱交換部22及び第2空調側熱交換部25により冷却された冷却水と、コンプレッサ52から吐出される高温及び高圧の気相熱媒体との間で熱交換が行われることにより、熱媒体の熱が冷却水に吸収されて、熱媒体が凝縮する。また、第2水熱媒体熱交換部62では、第2膨張弁54により減圧された低圧の液相熱媒体と、冷却水との間で熱交換が行われることにより、冷却水が冷却される。したがって、ヒートポンプシステム50では、第1水熱媒体熱交換部61が実質的にコンデンサとして機能し、第2水熱媒体熱交換部62が実質的にエバポレータとして機能する。第2水熱媒体熱交換部62により冷却された冷却水が第2発熱体41bを循環することにより、第2発熱体41bが冷却される。
このモードでは、制御装置70は、図16に実線で示されるように各システム40,50において冷却水及び熱媒体を循環させる。図16に示されるように、本モードにおける冷却水及び熱媒体の流れ方は、図14に示される第1発熱体冷却モードにおける冷却水の流れ方と、図15に示される第2発熱体冷却モードにおける冷却水及び熱媒体の流れ方とを組み合わせたものとなっている。したがって、第1及び第2発熱体冷却モードでは、第1発熱体41a及び第2発熱体41bが共に冷却される。
このモードでは、制御装置70は、図17に実線で示されるように各システム40,50において冷却水及び熱媒体を循環させる。図17に示されるように、本モードにおける冷却水及び熱媒体の流れ方は、図16に示される第1及び第2発熱体冷却モードにおける冷却水及び熱媒体の流れ方に対して、更に第1空調側熱交換部24に熱媒体を流すようにしたものである。第1空調側熱交換部24に熱媒体が流れることにより、第1空調側熱交換部24がエバポレータとして機能するため、空調空気が冷却される。したがって、第1及び第2発熱体冷却・冷房モードは、第1発熱体41a及び第2発熱体41bが共に冷却され、更に車室内の冷房が行われるモードである。
このモードでは、制御装置70は、図18に実線で示されるように各システム40,50において冷却水及び熱媒体を循環させる。図18に示されるように、本モードにおける冷却水及び熱媒体の流れ方は、図9に示される暖房モードの流れ方と同一である。したがって、第1暖房モードは、外気の熱を利用して車室内の暖房が行われるモードである。
このモードでは、制御装置70は、図19に実線で示されるように各システム40,50において冷却水及び熱媒体を循環させる。図19に示されるように、本モードにおける冷却水及び熱媒体の流れ方は、図18に示される第1暖房モードの流れ方において、冷却側熱交換部22に代えて第2発熱体41bに冷却水を流すようにしたものとなっている。したがって、第2暖房モードは、第2発熱体41bの熱を利用して車室内の暖房が行われるモードである。
このモードでは、制御装置70は、図20に実線で示されるように各システム40,50において冷却水及び熱媒体を循環させる。図20に示されるように、本モードにおける冷却水及び熱媒体の流れ方は、図18に示される第1暖房モードの流れ方において、更に第1空調側熱交換部24に熱媒体を流すようにしたものである。第1空調側熱交換部24に熱媒体が流れることにより、第1空調側熱交換部24がエバポレータとして機能するため、空調空気が除湿される。したがって、第1暖房・除湿モードは、車室内の暖房及び除湿が行われるモードである。
このモードでは、制御装置70は、図21に実線で示されるように各システム40及び50において冷却水及び熱媒体を循環させる。図21に示されるように、本モードにおける冷却水及び熱媒体の流れ方は、図19に示される第2暖房モードの流れ方において、更に第1空調側熱交換部24に熱媒体を流すようにしたものである。第1空調側熱交換部24に熱媒体が流れることにより、第1空調側熱交換部24がエバポレータとして機能するため、空調空気が除湿される。したがって、第1暖房・除湿モードは、車室内の暖房及び除湿が行われるモードである。
なお、上記実施形態は、以下の形態にて実施することもできる。
・暖房モード時において、冷却側車室内連通口215aに代えて冷却側車室外連通口214aを開口することにより、冷却側熱交換部22が外気から吸熱してもよい。また、冷却側熱交換部22は、冷却側車室外連通口214aに代えて冷却側外気導入口210aを開口することにより、冷却側外気導入口210aから導入される外気から吸熱してもよい。具体的には、制御装置70は、暖房モード時に、冷却側外気導入口210a、空調側外気導入口210b、冷却側車室外連通口214a、及び空調側車室内連通口215bを開状態にするとともに、空調側車室外連通口214b、冷却側車室内連通口215a、及び連通路216を閉状態にする。これにより、冷却通路211では、冷却側外気導入口210aから冷却側車室外連通口214aに向かって流れる外気から冷却側熱交換部22が吸熱することが可能となる。また、空調通路212では、空調側外気導入口201bから導入される外気が第2空調側熱交換部25により加熱された後に空調側車室内連通口215bに流れることにより、車室内の暖房が可能となる。同様に、着霜抑制モード時において、冷却側熱交換部22は内気に代えて外気から吸熱してもよい。
・ケース21には、冷却側外気導入口210aと空調側外気導入口210bとが分離して設けられていてもよい。また、ケース21には、冷却通路211と空調通路212とが分離して設けられていてもよい。熱交換モジュール20は、冷却通路211に対応した冷却ユニットと、空調通路212に対応した空調ユニットとが独立して配置された構造からなるものであってもよい。
・車室外連通口214は、車室外とは別の場所、例えばモータジェネレータが設けられるモータルームや、内燃機関が設けられるエンジンルーム等に空気を排出する部分であってもよい。
・熱交換モジュール20は、冷却通路211及び空調通路212に共通する一つの送風装置を有するものであってもよい。
・ヒータコアとして機能する第2空調側熱交換部25に代えて、空気加熱式PTC(Positive Temperature Coefficient)ヒータを用いてもよい。
・熱交換モジュール20は、車両10の走行風を外気として導入するものに限らず、例えば車両10が充電している状態や信号待ちしている状態等、車両10の停車中に送風装置23,26を駆動させることにより外気を導入するものであってもよい。
22:冷却側熱交換部
23:送風装置
24:第1空調側熱交換部
25:第2空調側熱交換部
30:熱交換システム
41:発熱体
41a:第1発熱体
41b:第2発熱体
50:ヒートポンプシステム
61:水熱媒体熱交換部
62:第2水熱媒体熱交換部
72:温度センサ(着霜状態検出部)
210a:冷却側外気導入口
211:冷却通路
212:空調通路
214a:冷却側車室外連通口
214b:空調側車室外連通口
215a:冷却側車室内連通口
460:ドア部材(第1開閉部)
560:ドア部材(第2開閉部)
Claims (6)
- 車両(10)の発熱体(41,41a,41b)を冷却するための冷却水が内部を流れ、冷却通路(211)を流れる空気と冷却水との間で熱交換を行う冷却側熱交換部(22)と、
ヒートポンプシステム(50)においてエバポレータとして動作し、車室内の空調を行うための空調空気と、前記ヒートポンプシステムを循環する熱媒体との間で熱交換を行うことにより空調空気を冷却することが可能な第1空調側熱交換部(24)と、
前記ヒートポンプシステムにおいてコンデンサとして動作し、前記ヒートポンプシステムを循環する熱媒体と冷却水との間で熱交換を行うことにより熱媒体を冷却する水熱媒体熱交換部(61)と、
前記水熱媒体熱交換部において熱媒体から熱を吸収した冷却水が流れ、冷却水と空調空気との間で熱交換を行うことにより空調空気を加熱することが可能な第2空調側熱交換部(25)と、
前記第1空調側熱交換部、及び前記第2空調側熱交換部が配置され、前記第1空調側熱交換部、及び前記第2空調側熱交換部を通過した空調空気を車室内に導く空調通路(212)と、を備え、
前記空調通路における前記第2空調側熱交換部の下流側には、前記第2空調側熱交換部を通過した空気を車室外に導く車室外連通口(214b)が設けられ、
前記発熱体を冷却するための冷却水が前記第2空調側熱交換部を流れるとともに、前記第2空調側熱交換部を通過した空気が前記車室外連通口を通じて車室外に排出され、
前記水熱媒体熱交換部を第1水熱媒体熱交換部とするとき、
前記発熱体を冷却するための冷却水と、前記ヒートポンプシステムを循環する熱媒体との間で熱交換を行うことにより熱媒体を加熱する第2水熱媒体熱交換部(62)を更に備え、
前記ヒートポンプシステムにおいて前記第1空調側熱交換部がエバポレータとして動作しておらず、且つ前記第2水熱媒体熱交換部がエバポレータとして動作している場合には、前記第1水熱媒体熱交換部において熱媒体の熱を吸収した冷却水が前記第2空調側熱交換部に流れる
車両の熱交換システム。 - 前記冷却側熱交換部の着霜状態を検出するための着霜状態検出部(72)を更に備え、
前記ヒートポンプシステムでは、前記冷却側熱交換部の着霜状態に応じて、前記第1空調側熱交換部をエバポレータとして動作させる状態と、前記第2水熱媒体熱交換部をエバポレータとして動作させる状態とが切り替えられ、
前記第1空調側熱交換部がエバポレータとして動作している場合には、前記第1水熱媒体熱交換部がコンデンサとして動作することにより、前記第1水熱媒体熱交換部において熱媒体の熱を吸収した冷却水が前記第2空調側熱交換部に流れるとともに、前記発熱体と前記冷却側熱交換部との間を冷却水が循環する
請求項1に記載の車両の熱交換システム。 - 前記冷却通路における前記冷却側熱交換部よりも上流側には、車両の外部の空気である外気を前記冷却通路に導入する冷却側外気導入口(210a)が形成され、
前記車室外連通口を空調側車室外連通口とするとき、
前記冷却通路における前記冷却側熱交換部よりも下流側には、車室外に連通される冷却側車室外連通口(214a)と、車室内に連通される冷却側車室内連通口(215a)とが形成され、
前記冷却通路には、前記冷却側外気導入口から前記冷却側車室外連通口に向かう方向の空気の流れを形成する送風装置(23)が配置され、
前記送風装置は、前記冷却側外気導入口から前記冷却側車室外連通口に向かう方向の空気の流れを形成する際の回転方向と逆方向に回転することにより、車室内の空気である内気を前記冷却側車室内連通口から前記冷却通路に導入する
請求項1~2のいずれか一項に記載の車両の熱交換システム。 - 前記冷却側外気導入口を開閉する第1開閉部(460)と、
前記冷却側車室外連通口を開閉する第2開閉部(560)と、を更に備える
請求項3に記載の車両の熱交換システム。 - 前記冷却側車室内連通口から前記冷却通路に導入された内気は、前記冷却側熱交換部を通過した後、前記第2空調側熱交換部に流れる
請求項3又は4に記載の車両の熱交換システム。 - 前記冷却側車室内連通口から前記冷却通路に導入された内気は、前記冷却側熱交換部を通過した後に車室外に排出される
請求項3又は4に記載の車両の熱交換システム。
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