JP7291511B2 - 熱輸送システム - Google Patents

Description

本発明は、熱輸送媒体によって熱を輸送する熱輸送システムに関する。

特許文献１には、チラーによって冷凍サイクルの冷媒と低温冷却水回路の低温冷却水とを熱交換し、低温冷却水を冷却する装置が記載されている。この装置では、低温冷却水として、エチレングリコール水溶液などが用いられている。

特開２０１７－１１０８９８号公報

しかしながら、エチレングリコール水溶液は低温時に粘度が高くなるため、低温冷却水回路の圧力損失が大きくなる。このため、低温冷却水を循環させるためのポンプ動力の増大を招く。

ところで、特許文献１の装置において、熱負荷により低温冷却水が加熱されると、低温冷却水が沸騰して、低温冷却水回路の一部に液相の低温冷却水が存在しない状態（すなわちドライアウト）が発生するおそれがある。この場合、チラーにおいて、冷媒と低温冷却水との熱交換が安定的に行われない可能性がある。

本発明は上記点に鑑みて、熱輸送システムにおいて、熱輸送媒体の低温での粘度増大を抑制し、さらに熱輸送媒体の沸騰を抑制することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、冷媒が循環する冷凍サイクル装置（１０）と、熱輸送媒体が循環する熱輸送媒体回路（３０）と、冷媒と熱輸送媒体を熱交換し、熱輸送媒体を冷却する冷却用熱交換器（１５）と、熱輸送媒体回路に設けられ、熱輸送媒体に吸熱される電気機器（３３～３５）と、を備え、熱輸送媒体は、メタノール、水および沸点上昇剤を含むメタノール水溶液であり、沸点上昇剤は、水およびメタノールの双方に相溶性を有し、かつ、水およびメタノールの混合物よりも沸点が高い物質である熱輸送システムである。

このように、熱輸送媒体としてメタノール、水および沸点上昇剤を含むメタノール水溶液を用いることで、低温環境下での粘度増大を抑制でき、さらに熱輸送媒体の沸騰を抑制できる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

一実施形態に係る熱輸送システムの構成を示す図である。 一実施形態における第２冷却器を示す正面図である。 第２冷却器内部の温度状態を示す説明図である。 実施例および比較例１～３における凝固点および沸点を示す説明図である。

以下、本発明の熱輸送システムを適用した最も好適な実施形態について図面に基づいて説明する。

本実施形態の熱輸送システムは、走行用電動モータから車両走行用の駆動力を得る電気自動車に搭載されている。熱輸送システムは、エンジン（換言すれば内燃機関）および走行用電動モータから車両走行用の駆動力を得るハイブリッド自動車に搭載されていてもよい。本実施形態の熱輸送システムは、車室内空間の温度調整を行う空調装置として機能し、車両に搭載された電池３３等の温度調整を行う温調装置としても機能する。

図１に示すように、熱輸送システムは、冷凍サイクル装置１０と、高温側熱輸送媒体回路である高温媒体回路２０と、熱輸送媒体回路である低温媒体回路３０と、を備えている。高温媒体回路２０及び低温媒体回路３０では、熱輸送媒体による熱の輸送が行われる。低温媒体回路３０の熱輸送媒体は、高温媒体回路２０の熱輸送媒体よりも低温となっている。このため、高温媒体回路２０の熱輸送媒体を高温側熱輸送媒体ともいい、低温媒体回路３０の熱輸送媒体を低温側熱輸送媒体ともいう。

冷凍サイクル装置１０は蒸気圧縮式冷凍機であり、冷媒が循環する冷媒循環流路１１を有している。冷凍サイクル装置１０は、低温媒体回路３０の低温側熱輸送媒体の熱を冷媒に汲み上げるヒートポンプとして機能する。

本実施形態の冷凍サイクル装置１０では、冷媒としてフロン系冷媒を用いており、高圧側冷媒圧力が冷媒の臨界圧力を超えない亜臨界冷凍サイクルを構成している。冷媒循環流路１１には、圧縮機１２、加熱用熱交換器である凝縮器１３、膨張弁１４、および冷却用熱交換器である熱輸送媒体用蒸発器１５が配置されている。

圧縮機１２は、電池３３から供給される電力によって駆動される電動圧縮機であり、冷媒を吸入して圧縮して吐出する。凝縮器１３は、圧縮機１２から吐出された高圧側冷媒と高温媒体回路２０の熱輸送媒体とを熱交換させることによって高圧側冷媒を凝縮させる高圧側熱交換器である。凝縮器１３では、冷凍サイクル装置１０の高圧側冷媒によって高温媒体回路２０の熱輸送媒体が加熱される。

膨張弁１４は、凝縮器１３から流出した液相冷媒を減圧膨張させる減圧部である。膨張弁１４は、感温部を有し、ダイヤフラム等の機械的機構によって弁体を駆動する機械式の温度式膨張弁である。

熱輸送媒体用蒸発器１５は、膨張弁１４を流出した低圧冷媒と低温媒体回路３０の熱輸送媒体とを熱交換させることによって低圧冷媒を蒸発させる低圧側熱交換器である。熱輸送媒体用蒸発器１５で蒸発した気相冷媒は、圧縮機１２に吸入されて圧縮される。

熱輸送媒体用蒸発器１５は、冷凍サイクル装置１０の低圧冷媒によって低温媒体回路３０の熱輸送媒体を冷却するチラーである。熱輸送媒体用蒸発器１５では、低温媒体回路３０の熱輸送媒体の熱が冷凍サイクル装置１０の冷媒に吸熱される。

高温媒体回路２０は、高温側熱輸送媒体が循環する高温側循環流路２１を有している。高温側熱輸送媒体として、エチレングリコール系の不凍液（ＬＬＣ）等を用いることができる。高温側熱輸送媒体は、高温側循環流路２１を構成する配管内に封入されている。本実施形態の高温媒体回路２０は、高温側熱輸送媒体の圧力が所定値を上回った場合に開放する圧力調整弁が設けられていない密閉式となっている。すなわち、本実施形態の高温媒体回路２０は密閉されている。

高温側循環流路２１には、高温側ポンプ２２、ヒータコア２３および凝縮器１３が配置されている。

高温側ポンプ２２は、高温側循環流路２１を循環する熱輸送媒体を吸入して吐出する。高温側ポンプ２２は電動式のポンプである。高温側ポンプ２２は、高温媒体回路２０を循環する熱輸送媒体の流量を調整する。

ヒータコア２３は、高温媒体回路２０の熱輸送媒体と車室内へ送風される空気とを熱交換させて車室内へ送風される空気を加熱する空気加熱用熱交換器である。ヒータコア２３では、熱輸送媒体によって車室内へ送風される空気が加熱される。

ヒータコア２３で加熱された空気は車室内に供給され、車室内の暖房が行われる。ヒータコア２３による暖房は、主に冬季に行われる。本実施形態の熱輸送システムでは、低温媒体回路３０の低温側熱輸送媒体に吸熱された外気の熱が冷凍サイクル装置１０によって高温媒体回路２０の高温側熱輸送媒体に汲み上げられ、室内の暖房に用いられる。

低温媒体回路３０は、低温側熱輸送媒体が循環する低温側循環流路３１を有している。低温側熱輸送媒体は、低温側循環流路３１を構成する配管内に封入されている。本実施形態の低温媒体回路３０は、低温側熱輸送媒体の圧力が所定値を上回った場合に開放する圧力調整弁が設けられていない密閉式となっている。すなわち、本実施形態の低温媒体回路３０は密閉されている。なお、低温側熱輸送媒体については後述する。

低温側循環流路３１には、低温側ポンプ３２、熱輸送媒体用蒸発器１５、電池３３、インバータ３４、モータジェネレータ３５および室外熱交換器３６が配置されている。図１に示す例では、低温側熱輸送媒体の流れ方向において、電池３３、インバータ３４、モータジェネレータ３５、室外熱交換器３６、低温側ポンプ３２の順に接続されているが、この接続順序に限定されるものではない。また、図１に示す例では、電池３３、インバータ３４、モータジェネレータ３５、室外熱交換器３６、低温側ポンプ３２が直列的に接続されているが、これらのうち１以上の機器を他の機器と並列的に接続してもよい。

低温側ポンプ３２は、低温側循環流路３１を循環する熱輸送媒体を吸入して吐出する。低温側ポンプ３２は電動式のポンプである。低温側ポンプ３２は、低温媒体回路３０を循環する熱輸送媒体の流量を調整する。

電池３３は、充放電可能な２次電池であり、例えばリチウムイオン電池を用いることができる。電池３３としては、複数個の電池セルで構成されている組電池を用いることができる。

電池３３は、車両停車時に外部電源（換言すれば商用電源）から供給された電力を充電可能となっている。電池３３に蓄えられた電力は、走行用電動モータのみならず、熱輸送システムを構成する電動式構成機器をはじめとする各種車載機器に供給される。

インバータ３４は、電池３３から供給された直流電力を交流電力に変換してモータジェネレータ３５に出力する。モータジェネレータ３５は、インバータ３４から出力された電力を利用して走行用駆動力を発生するとともに、減速中や降坂中に回生電力を発生させる。

室外熱交換器３６は、低温媒体回路３０の熱輸送媒体と外気とを熱交換させる。室外熱交換器３６には、図示しない室外送風機によって外気が送風される。

電池３３、インバータ３４、モータジェネレータ３５は、電気を使用して作動する電気機器であり、作動時に発熱する。電池３３、インバータ３４、モータジェネレータ３５は、低温側熱輸送媒体によって冷却される冷却対象機器である。

本実施形態の低温側循環流路３１には、電気機器３３～３５に対応して冷却器３７～３９が設けられている。第１冷却器３７は電池３３に対応し、第２冷却器３８はインバータ３４に対応し、第３冷却器３９はモータジェネレータ３５に対応している。

冷却器３７～３９には、低温側熱輸送媒体が流通する。電気機器３３～３５は、冷却器３７～３９を流れる低温側熱輸送媒体によって冷却される。

第１冷却器３７及び第２冷却器３８では、他の熱輸送媒体を介さず低温側熱輸送媒体によって電池３３及びインバータ３４が冷却される。第３冷却器３９は、低温側熱輸送媒体によってオイル回路４０を循環するオイルを冷却するオイルクーラである。オイルは、モータジェネレータ３５の内部を流れることで、モータジェネレータ３５の潤滑と冷却を行う。

冷却器３７～３９では、冷却対象機器である電池３３、インバータ３４およびモータジェネレータ３５から低温側熱輸送媒体への吸熱が行われる。室外熱交換器３６では、外気から低温側熱輸送媒体への吸熱が行われる。つまり、電池３３、インバータ３４、モータジェネレータ３５および室外熱交換器３６は、低温側熱輸送媒体への吸熱を行う被吸熱機器である。

次に、第２冷却器３８の具体的な構成について説明する。図２に示すように、本実施形態の第２冷却器３８は、インバータ３４を構成する複数の電子部品３４０を両面から冷却する積層型の熱交換器である。

本実施形態の電子部品３４０は、両面から放熱が行われる両面放熱構造を有している。電子部品３４０としては、ＩＧＢＴ等の半導体素子とダイオードとを内蔵した半導体モジュールを用いることができる。

第２冷却器３８は、流路管３８１と、連通部３８２と、を備えている。流路管３８１は、扁平形状に形成されるとともに、低温媒体回路３０の低温側熱輸送媒体を流通させる低温側熱輸送媒体流路を構成している。流路管３８１は、電子部品３４０を両面から挟持できるように複数個積層配置されている。

連通部３８２は、複数の流路管３８１同士を連通させる。連通部３８２は、流路管３８１の長手方向の両端部にそれぞれ接続されている。

本実施形態では、電子部品３４０は、流路管３８１における扁平面それぞれに対して２個ずつ設けられている。各扁平面に設けられた２つの電子部品３４０は、それぞれ低温側熱輸送媒体の流れ方向に直列に配置されている。

ここで、複数の流路管３８１のうち、積層方向最外側に配置される流路管３８１を外側流路管３８１０とする。第２冷却器３８における２つの外側流路管３８１０のうち、一方の外側流路管３８１０の長手方向両端部には、導入口３８３および排出口３８４がそれぞれ設けられている。

導入口３８３は、低温側熱輸送媒体を第２冷却器３８に導入する導入部である。排出口３８４は、低温側熱輸送媒体を第２冷却器３８から排出する排出部である。導入口３８３および排出口３８４は、ろう付けにより一方の外側流路管３８１０に接合されている。本実施形態の流路管３８１、連通部３８２、導入口３８３および排出口３８４は、それぞれ、アルミニウムにより構成されている。

導入口３８３から導入された低温側熱輸送媒体は、一方の連通部３８２を通って、流路管３８１の長手方向における一方の端部から各流路管３８１に流入し、各流路管３８１内を他方の端部に向かって流れる。そして、低温側熱輸送媒体は、他方の連通部３８２を通って排出口３８４から排出される。このように、低温側熱輸送媒体が流路管３８１内を流通する間に、低温側熱輸送媒体と電子部品３４０との間で熱交換が行われ、電子部品３４０が冷却される。

次に、低温側熱輸送媒体について説明する。低温側熱輸送媒体は、低温での粘性が低く、沸点が高いことが望ましい。

本実施形態では、低温側熱輸送媒体として、メタノール、水および沸点上昇剤を含むメタノール水溶液を用いている。本実施形態では、メタノール水溶液に占める沸点上昇剤の割合を５０％未満としている。

沸点上昇剤としては、水およびメタノールの双方に相溶性を有し、かつ、水およびメタノールの混合物よりも沸点が高い物質を用いることができる。具体的には、沸点上昇剤としては、アルコール、アミン、エーテル、カルボン酸の少なくともいずれかを用いることができる。

アルコールとしては、水酸基が１個かつ炭素数が３以上のアルコール、および、水酸基が２個以上かつ炭素数が２以上のアルコールの少なくともいずれかを用いることができる。水酸基が２個以上かつ炭素数が２以上のアルコールとしては、例えば、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコールの少なくともいずれかを用いることができる。

アミンとしては、ホルムアミンおよびメチルアミンの少なくともいずれかを用いることができる。エーテルとしては、ジメチルエーテル、エチルメチルエーテル、ジエチルエーテル、グリコールエーテルの少なくともいずれかを用いることができる。カルボン酸としては、ギ酸および酢酸の少なくともいずれかを用いることができる。

図３に示すように、インバータ３４の電子部品３４０で発生した熱は、流路管３８１の内壁面３８１ａを介して、流路管３８１内を流れる低温側熱輸送媒体に伝達する。これにより、流路管３８１に流入した低温側熱輸送媒体の温度が上昇する。

このとき、流路管３８１内の低温側熱輸送媒体流路のうち、内壁面３８１ａに対向する部位の温度が、他の部位の温度よりも高くなる。すなわち、流路管３８１内の低温側熱輸送媒体流路のうち、内壁面３８１ａに対向する部位の温度が最も高くなる。このため、流路管３８１の内壁面３８１ａの温度が、事実上、低温側熱輸送媒体の最高温度となる。したがって、低温側熱輸送媒体の沸点を、流路管３８１の内壁面３８１ａの温度より高くすることにより、低温側熱輸送媒体が流路管３８１内において沸騰することを抑制できる。

特に、夏季のような高温環境下では、インバータ３４の温度が上昇しやすく、第２冷却器３８における流路管３８１の内壁面３８１ａの温度が高くなる。したがって、低温側熱輸送媒体の沸点は、夏季における流路管３８１の内壁面３８１ａの温度（本例では約９０℃）以上であることが望ましい。また、低温側熱輸送媒体の凝固点は、冬季のような低温環境下において凍結することを抑制するために、－３５℃以下であることが望ましい。

図４に示すように、比較例１としての無水メタノールは、凝固点が－９５℃であり、沸点が６５℃である。比較例２としてのメタノールおよび水を含むメタノール水溶液（メタノール：水＝３５：６５）では、凝固点が－３５℃であり、沸点が８２℃である。

これに対し、実施例としてのメタノール、水および沸点上昇剤を含むメタノール水溶液（メタノール：水：沸点上昇剤＝１０：５０：４０）では、凝固点が－３５℃であり、沸点が１００℃である。このように、メタノール、水および沸点上昇剤を含むメタノール水溶液は、高沸点および低凝固点を確保することができる。そして、実施例としてのメタノール、水および沸点上昇剤を含むメタノール水溶液を低温媒体回路３０に高圧で封入した場合、当該メタノール水溶液の沸点をさらに上昇させることができる。

なお、比較例３としてのエチレングリコール系不凍液（エチレングリコール：水＝５０：５０）は、凝固点が－３５℃であり、沸点が１０７℃である。しかしながら、エチレングリコール系不凍液は、－３５℃での動粘度がメタノール水溶液と比べて高いため、低温における低粘度を確保することができない。

本実施形態の低温側熱輸送媒体は、水、メタノールおよび沸点上昇剤に加え、防錆剤を含んでいる。防錆剤は、低温側熱輸送媒体が流れる配管の腐食を防ぐためのものである。低温側熱輸送媒体における防錆剤の濃度は適宜設定可能であるが、例えば数％とすることができる。

防錆剤としては、例えば脂肪族モノカルボン酸、芳香族モノカルボン酸、芳香族ジカルボン酸またはそれらの塩、ホウ酸塩、ケイ酸塩、ケイ酸、リン酸塩、リン酸、亜硝酸塩、硝酸塩、モリブデン酸塩、トリアゾール、及びチアゾールから選ばれる少なくとも一種を用いることができる。

以上説明したように、本実施形態では、低温側熱輸送媒体としてメタノール、水および沸点上昇剤を含むメタノール水溶液を用いている。これにより、エチレングリコール系不凍液に比べて、低温環境下での粘度増大を抑制できる。このため、低温環境下においても、低温媒体回路３０での圧力損失の増大を抑制でき、低温側ポンプ３２の動力増大を抑制できる。

また、室外熱交換器３６では、低温側熱輸送媒体の流路を狭くするなどして小型化しやすくなり、設計の自由度を向上させることができる。さらに、室外熱交換器３６を通過する低温側熱輸送媒体の流速が向上することから、室外熱交換器３６への着霜を抑制できる。

また、低温環境下での低温側熱輸送媒体の粘度増大を抑制できることから、エチレングリコール系不凍液に比べて、低温側熱輸送媒体の流量を増大させることができる。この結果、低温側熱輸送媒体の流速を上昇させることができ、低温側熱輸送媒体の熱伝達率をより向上させることができる。さらに、低温側熱輸送媒体の熱伝達率が向上することで、室外熱交換器３６を含む機器全体の熱通過率を向上させることができる。

また、低温側熱輸送媒体に沸点上昇剤を含有させることで、低温側熱輸送媒体の沸点を上昇させることができる。これによれば、熱負荷により低温側熱輸送媒体が加熱されたとしても、低温媒体回路３０において低温側熱輸送媒体が沸騰することを抑制できる。このため、低温媒体回路３０の一部に液相の低温側熱輸送媒体が存在しない状態であるドライアウトの発生を抑制できる。これにより、熱輸送媒体用蒸発器１５において、低圧冷媒と低温側熱輸送媒体との熱交換を安定的に行うことができる。

また、本実施形態では、低温媒体回路３０を密閉式としている。これによれば、低温側熱輸送媒体を低温媒体回路３０に高圧で封入することができるので、低温側熱輸送媒体の沸点をさらに上昇させることができる。

また、本実施形態では、低温側熱輸送媒体に防錆剤を含有させている。これによれば、低温側熱輸送媒体が流れる配管の腐食を抑制できるので、熱輸送システムの耐久性を向上させることができる。さらに、沸点上昇効果により、低温側熱輸送媒体の沸点を上昇させることができる。

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。

例えば、上記実施形態では、メタノール、水および沸点上昇剤を含むメタノール水溶液を低温媒体回路３０の低温側熱輸送媒体に用いたが、これに限らず、当該メタノール水溶液を高温媒体回路２０の高温側熱輸送媒体に用いてもよい。この場合、高温媒体回路２０と低温媒体回路３０とで熱輸送媒体を共通化することができる。

１０ 冷凍サイクル装置
１５ 熱輸送媒体用蒸発器（冷却用熱交換器）
３０ 低温媒体回路（熱輸送媒体回路）
３３ 電池（電気機器）
３４ インバータ（電気機器）
３５ モータジェネレータ（電気機器）

Claims (7)

1. 冷媒が循環する冷凍サイクル装置（１０）と、
   熱輸送媒体が循環する熱輸送媒体回路（３０）と、
   前記冷媒と前記熱輸送媒体を熱交換し、前記熱輸送媒体を冷却する冷却用熱交換器（１５）と、
   前記熱輸送媒体回路に設けられ、前記熱輸送媒体に吸熱される電気機器（３３～３５）と、を備え、
   前記熱輸送媒体は、メタノール、水および沸点上昇剤を含むメタノール水溶液であり、
   前記沸点上昇剤は、水およびメタノールの双方に相溶性を有し、かつ、水およびメタノールの混合物よりも沸点が高い物質である熱輸送システム。
2. 前記沸点上昇剤は、アルコール、アミン、エーテル、カルボン酸の少なくともいずれかである請求項１に記載の熱輸送システム。
3. 前記メタノール水溶液に占める前記沸点上昇剤の割合が５０％未満である請求項１または２に記載の熱輸送システム。
4. 前記メタノール水溶液は、防錆剤を含む請求項１ないし３のいずれか１つに記載の熱輸送システム。
5. 前記熱輸送媒体回路は密閉されている請求項１ないし４のいずれか１つに記載の熱輸送システム。
6. 前記熱輸送媒体より高温の高温側熱輸送媒体が循環する高温側熱輸送媒体回路（２０）と、
   前記冷媒と前記高温側熱輸送媒体を熱交換し、前記高温側熱輸送媒体を加熱する加熱用熱交換器（１３）と、を備え、
   前記高温側熱輸送媒体は、前記メタノール水溶液である請求項１ないし５のいずれか１つに記載の熱輸送システム。
7. 前記高温側熱輸送媒体回路は密閉されている請求項６に記載の熱輸送システム。

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