JP7375486B2 - 車両の熱交換システム - Google Patents
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Description
なお、このような課題は、除霜運転の際に送風装置を駆動させる熱交換システムに限らず、室外熱交換器とラジエータとの間で熱交換を行う際に送風装置を駆動させる熱交換システムに共通する課題である。
また、上記課題を解決する熱交換システム(10)は、熱交換器(35)と、ラジエータ(25)と、連結部材(50)と、シャッタ装置(60)と、制御部(61)と、を備える。熱交換器は、車両の空調装置の熱交換サイクルサイクル(30)に用いられて空気から吸熱又は空気に放熱する熱交換器であって、熱交換サイクルを循環する熱媒体と、車両の前方からエンジンルーム内に導入される空気との間で熱交換を行う。ラジエータは、車両の発熱源を冷却する冷却システム(20)に用いられ、車両に搭載される発熱源を冷却するための冷却水と、車両の前方からエンジンルーム内の導入される空気との間で熱交換を行う。連結部材は、熱交換器とラジエータとを熱的に連結する。シャッタ装置は、熱交換器及びラジエータよりも空気流れ方向の上流側に設けられ、熱交換器及びラジエータへの空気の供給及び遮断を切り替え可能である。制御部は、シャッタ装置の開閉を制御する。制御部は、車室外の温度である外気温と、車室内の温度である内気温とに基づいて目標冷媒圧力を設定し、熱交換器を流れる熱媒体の圧力が目標冷媒圧力よりも大きい場合には、シャッタ装置の開度を閉じる方向に調整する。
<第1実施形態>
はじめに、図1に示される車両の熱交換システム10の第1実施形態について説明する。なお、本実施形態の熱交換システム10が搭載される車両は、電動発動機の動力に基づいて走行する電気自動車やプラグインハイブリッド車等である。図1に示されるように、本実施形態の車両の熱交換システム10は、冷却システム20と、ヒートポンプサイクル30とを備えている。
インバータ23は、バッテリ22に充電されている直流電力を交流電力に変換して電動発動機21に供給する。また、インバータ23は、電動発動機21の回生発電により生成される交流電力を直流電力に変換してバッテリ22に充電する。
図2に示されるように、ラジエータ25は、車両の前方に設けられるグリル開口部41からエンジンルーム42に延びる空気通路Waの途中に配置されている。ラジエータ25は、その内部を流れる冷却水と、グリル開口部41からエンジンルーム42内に導入される空気との間で熱交換を行うことにより、冷却水の熱を空気に放出して冷却水を冷却する部分である。
室内放熱器32は、ヒートポンプサイクル30が暖房モードで動作している際に、圧縮機31から吐出される熱媒体の熱を空調空気に放出することにより、空調空気を加熱する部分である。室内放熱器32を通過した熱媒体は、第1三方弁33に流入する。
流路W11を流れることにより第1膨張弁34を通過した熱媒体、あるいはバイパス流路W12を流れることにより第1膨張弁34を迂回した熱媒体は、室外熱交換器35に流入する。図2に示されるように、室外熱交換器35は、ラジエータ25と同様に、グリル開口部41からエンジンルーム42に延びる空気通路Waの途中に配置されている。室外熱交換器35は、ラジエータ25よりも空気流れ方向Daの下流側に配置されている。図1に示されるようにヒートポンプサイクル30が冷房モードで動作している場合、室外熱交換器35は、その内部を流れる熱媒体と空気との間で熱交換を行うことにより、熱媒体の熱を空気に放熱して熱媒体を冷却する凝縮器として機能する。また、図3に示されるように、ヒートポンプサイクル30が暖房モードで動作している場合、室外熱交換器35は、その内部を流れる熱媒体と空気との間で熱交換を行うことにより、空気の熱を熱媒体に吸収させて熱媒体を加熱する蒸発器として機能する。室外熱交換器35を通過した熱媒体は、第2三方弁36に流入する。
図1に示されるように、ヒートポンプサイクル30では、冷房モードで動作している場合、熱媒体が、「圧縮機31→室内放熱器32→室外熱交換器35→第2膨張弁37→蒸発器38→圧縮機31」の順で循環する。この場合、ヒートポンプサイクル30では、圧縮機31から吐出される高温及び高圧の熱媒体が室内放熱器32に流入する。この際、空調装置では、室内放熱器32に空調空気が流れないようになっているため、室内放熱器32を流れる熱媒体は空調空気と熱交換を行うことなく室外熱交換器35に流入する。
図4に示されるように、ラジエータ25は、扁平状の複数のチューブ250が所定の間隔を有して積層して配置された構造を有している。チューブ250は、アルミニウム合金等の金属により形成されている。チューブ250の内部には、冷却システム20を循環する冷却水の流路251が形成されている。隣り合うチューブ250,250の間に形成される隙間には、グリル開口部41から導入される空気が流れている。ラジエータ25では、各チューブ250の内部を流れる冷却水と、各チューブ250の外部を流れる空気との間で熱交換が行われる。
シャッタ装置60は、グリル開口部41に配置されている。したがって、シャッタ装置60は、ラジエータ25及び室外熱交換器35に対して空気流れ方向Daの上流側に配置されている。シャッタ装置60は、複数のブレードを有している。シャッタ装置60は、複数のブレードを開閉動作させることにより、グリル開口部41を開閉させる。シャッタ装置60が開状態である場合、車両の走行風によりグリル開口部41を通じてラジエータ25、室外熱交換器35、及びエンジンルーム42に空気が導入される。シャッタ装置60が閉状態である場合、グリル開口部41を通じたラジエータ25、室外熱交換器35、及びエンジンルーム42への空気の導入が遮断される。このように、シャッタ装置60は、ラジエータ25及び室外熱交換器35への空気の供給及び遮断を切り替え可能である。シャッタ装置60が閉状態になることにより、車両の空力性能を向上させることができるため、車両の燃費を改善することが可能となる。具体的には、シャッタ装置60が開状態である場合よりも、シャッタ装置60が閉状態である場合の方が、車両の空気抵抗が減少するため、車両の走行負荷が下がる。結果として、図5に示されるように、車両の走行負荷だけでなく、補機電力、PTCヒータ等の補助電源の電力、圧縮機31の電力、車両に搭載される電動発動機(MG)21やインバータ(INV)23の損失等を減らすことができる。
図6に示されるように、本実施形態の熱交換システム10は、冷却システム20を制御する冷却ECU(Electronic Control Unit)28と、車両の空調装置90を制御する空調ECU84と、ポンプ24を制御するポンプECU29と、シャッタ装置60を制御するシャッタECU61と、送風装置70を制御するファンECU71を備えている。各ECU28,29,61,71,84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おり、制御対象の装置を統括的に制御している。
次に、冷却ECU28及び空調ECU84により実行されるシャッタ装置60の開閉動作の要求処理の具体的な手順について説明する。はじめに、空調ECU84により実行される処理の手順について図7を参照して説明する。なお、空調ECU84は、ヒートポンプサイクル30が暖房モードで動作している際に、図7に示される処理を所定の周期で繰り返し実行している。
室外熱交換器35の実吸熱量Qaは、室外熱交換器35を流れる熱媒体の温度と外気温Tamとの偏差である温度差ΔT、及び室外熱交換器35に供給される空気量GAから演算式等を用いて演算することが可能である。そこで、本実施形態の空調ECU84は、外気温センサ81の出力信号に基づいて外気温Tamの情報を取得する。また、空調ECU84は、ヒートポンプサイクル30の制御として、圧縮機31の回転速度を制御しているため、圧縮機31の回転速度の情報を把握している。圧縮機31の回転速度と、室外熱交換器35の熱媒体の温度との間には相関関係がある。空調ECU84は、それらの相関関係を示す演算式やマップ等に基づいて、圧縮機31の回転速度から、室外熱交換器35の熱媒体の温度を演算する。空調ECU84は、演算された室外熱交換器35の熱媒体の温度と外気温Tamとの偏差である温度差ΔTを演算する。また、空調ECU84は、車速V、及びファンECU71から取得可能な送風装置70の回転速度Nfに基づいて、室外熱交換器35に送風されている空気量GAを演算する。空調ECU84は、演算された温度差ΔTと、室外熱交換器35に送風されている空気量GAとから演算式等を用いて室外熱交換器35の実吸熱量Qaを演算する。
図8に示されるように、冷却ECU28は、まず、ステップS20の処理として、現在から所定時間経過後においてラジエータ25に流入する冷却水の推定温度である入口側水温の推定値TEinを演算する。具体的には、冷却ECU28は、現在から所定時間前までに入口側水温センサ26により検出された入口側水温Tinの複数の検出値に基づいて、単位時間当たりの入口側水温Tinの変化量を演算する。冷却ECU28は、演算された単位時間当たりの入口側水温Tinの変化量と、入口側水温センサ26により検出される現在の入口側水温Tinとに基づいて、所定時間経過後の入口側水温の推定値TEinを演算式により演算する。本実施形態では、この所定時間経過後の入口側水温の推定値TEinが、所定時間経過後のラジエータ25の温度に相当する。
一方、シャッタECU61は、空調ECU84から送信される第1要求フラグF1、及び冷却ECU28から送信される第2要求フラグF2に基づいて、シャッタ装置60の開閉状態を制御する。次に、シャッタECU61により実行される処理の手順について図9を参照して具体的に説明する。なお、シャッタECU61は、図9に示される処理を所定の周期で繰り返し実行する。
QC←QB-QA-α (f1)
なお、式f1において補正値αは、ラジエータ25からフィン50を介した室外熱交換器35への熱伝達の際に失われる熱量を示している。この補正値αには、例えばフィン50から空気に放出される熱量が含まれる。補正値αは、実験等により求められており、シャッタECU61のメモリに予め記憶されている。なお、補正値αが必要吸熱量QAや必要放熱量QBに対して無視できる程度に小さい場合には、補正値αが「0」に設定されていてもよい。
(1)ラジエータ25及び室外熱交換器35がフィン50を介して熱的に連結されているため、ラジエータ25と室外熱交換器35との間で熱を授受することが可能となる。したがって、ラジエータ25と室外熱交換器35との間で熱交換を行うために送風装置70を回転させる必要がある場合であっても送風装置の回転速度を遅くすることが可能である。また、条件次第では送風装置70を停止させることも可能である。よって、消費電力を低減することができる。
次に、熱交換システム10の第2実施形態について説明する。以下、第1実施形態の熱交換システム10との相違点を中心に説明する。
図11に示されるように、シャッタECU61は、ステップS37の処理でシャッタ装置60を開状態に設定した後、ステップS39の処理として、送風装置70の制御指令値をファンECU71に送信することにより送風装置70の駆動を制御する。ステップS39の処理は、次のように実行される。
以上説明した本実施形態の熱交換システム10によれば、以下の(5)に示される作用及び効果を更に得ることができる。
次に、熱交換システム10の第3実施形態について説明する。以下、第1実施形態の熱交換システム10との相違点を中心に説明する。
図1に破線で示されるように、本実施形態の熱交換システム10には、室外熱交換器35から流出する冷媒の圧力Paを検出する冷媒圧力センサ85が設けられている。本実施形態では、冷媒圧力センサ85が、室外熱交換器35を流れる冷媒の圧力を検出するセンサに相当する。図6に破線で示されるように、冷媒圧力センサ85の出力信号は空調ECU84に取り込まれている。空調ECU84は、冷媒圧力センサ85により検出される冷媒の圧力Pa、内気温センサ80により検出される内気温Tr、及び外気温センサ81により検出される外気温Tamに基づいて、図12に示される処理を実行する。
空調ECU84は、ステップS41に続くステップS42の処理として、実冷媒圧力Paが目標冷媒圧力PAよりも大きいか否かを判断する。空調ECU84は、実冷媒圧力Paが目標冷媒圧力PAよりも大きい場合には、ステップS42の処理で肯定判断して、続くステップS43の処理として、シャッタ装置60を閉状態に設定するようにシャッタECU61に対して指示する。一方、空調ECU84は、実冷媒圧力Paが目標冷媒圧力PA以下である場合には、ステップS42の処理で否定判断して、続くステップS44の処理として、シャッタ装置60を開状態にするようにシャッタECU61に対して指示する。シャッタECU61は、空調ECU84からの指示に基づいてシャッタ装置60を開閉させる。
室外熱交換器35の冷媒圧力Paが低くなりすぎると室外熱交換器35が着霜してしまうため、外気温Tamに応じて目標冷媒圧力PAを設定するようにしている。一方、室外熱交換器35の冷媒圧力Paが上がりすぎると、室外熱交換器35において外気温Tamとの温度差が取れなくなるため、室外熱交換器35の吸熱量が下がる。外気からの室外熱交換器35の吸熱量が小さいと室外熱交換器35の冷媒圧力Paが下がり、外気からの室外熱交換器35の吸熱量が大きいと室外熱交換器35の冷媒圧力Paが上がる。つまり、シャッタ装置60が開状態になることにより室外熱交換器35に供給される外気の風速が速くなると、室外熱交換器35の冷媒圧力Paが上がる。このときに、室外熱交換器35の冷媒圧力Paが目標冷媒圧力PAよりも高いと、室外熱交換器35に供給される外気の風速を遅くする、すなわちシャッタ装置60を閉状態にすることができる。
本実施形態の熱交換システム10によれば、第1実施形態の熱交換システム10で用いられる熱量QA,Qa,QB,Qcを演算する必要がないため、演算処理を簡素化することが可能である。
なお、各実施形態は、以下の形態にて実施することもできる。
・各実施形態の熱交換システム10では、ラジエータ25と室外熱交換器35とを熱的に連結する連結部材として、フィン50に限らず、適宜の部材を用いることが可能である。
・冷却システム20が冷却対象とする発熱源としては、電動発動機21、バッテリ22、及びインバータ23に限らず、車両に搭載される任意の発熱源を用いることが可能である。
・本開示に記載のECU及びその制御方法は、コンピュータプログラムにより具体化された1つ又は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリを構成することによって提供された1つ又は複数の専用コンピュータにより、実現されてもよい。本開示に記載の制御装置及びその制御方法は、1つ又は複数の専用ハードウェア論理回路を含むプロセッサを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。本開示に記載の制御装置及びその制御方法は、1つ又は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリと1つ又は複数のハードウェア論理回路を含むプロセッサとの組み合わせにより構成された1つ又は複数の専用コンピュータにより、実現されてもよい。コンピュータプログラムは、コンピュータにより実行されるインストラクションとして、コンピュータ読み取り可能な非遷移有形記録媒体に記憶されていてもよい。専用ハードウェア論理回路及びハードウェア論理回路は、複数の論理回路を含むデジタル回路、又はアナログ回路により実現されてもよい。
・図13に示されるように、ラジエータ25は室外熱交換器35よりも空気流れ方向Daの下流側に配置されていてもよい。ところで、シャッタ装置60が閉状態の場合であっても、シャッタ装置60の複数のブレードの間には隙間が形成される可能性があるため、この隙間を通じてエンジンルーム42に微量の空気が流れるおそれがある。この空気の流れにより、図13に示される構成において仮にフィン50が設けられていない場合には、ラジエータ25の熱を室外熱交換器35に伝達することが難しくなる可能性がある。具体的には、図13に示されるようにラジエータ25が室外熱交換器35よりも空気流れ方向Daの下流側に配置されている場合には、ラジエータ25の熱を吸収した空気が室外熱交換器35を流れることなくエンジンルーム42へと流れる。そのため、フィン50が設けられていない場合には、ラジエータ25の熱を室外熱交換器35に伝達することが難しい。この点、図13に示されるようにラジエータ25及び室外熱交換器35がフィン50を介して熱的に連結されていれば、仮にシャッタ装置60が閉状態である状況で微量の空気がラジエータ25及び室外熱交換器35に流れている場合であっても、ラジエータ25の熱を室外熱交換器35にフィン50を介して伝達することが可能となる。
・本開示は上記の具体例に限定されるものではない。上記の具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素、及びその配置、条件、形状等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。
D2:第2減算値
QA:必要吸熱量
Qa:実吸熱量
QB:必要放熱量
QC:判定値
Qth:閾値
TEin:入口側水温の推定値(所定時間経過後のラジエータの温度)
Tth:所定温度
Wa:空気通路
α:補正値
10:熱交換システム
20:冷却システム
25:ラジエータ
30:ヒートポンプサイクル(熱交換サイクル)
35:室外熱交換器
41:グリル開口部
42:エンジンルーム
50:フィン(連結部材)
60:シャッタ装置
61:シャッタECU(制御部)
70:送風装置
Claims (7)
- 車両の空調装置の熱交換サイクル(30)に用いられて空気から吸熱又は空気に放熱する熱交換器であって、前記熱交換サイクルを循環する熱媒体と、車両の前方からエンジンルーム内に導入される空気との間で熱交換を行う熱交換器(35)と、
前記車両の発熱源を冷却する冷却システム(20)に用いられ、前記車両に搭載される発熱源を冷却するための冷却水と、車両の前方から前記エンジンルーム内に導入される空気との間で熱交換を行うラジエータ(25)と、
前記熱交換器と前記ラジエータとを熱的に連結する連結部材(50)と、
前記熱交換器及び前記ラジエータへの空気の供給及び遮断を切り替え可能なシャッタ装置(60)と、
前記シャッタ装置の開閉を制御する制御部(61)と、を備え、
前記制御部は、前記熱交換サイクルにおいて必要とされる前記熱交換器の吸熱量を必要吸熱量(QA)とし、前記冷却システムにおいて必要とされる前記ラジエータの放熱量を必要放熱量(QB)とするとき、前記必要吸熱量を前記必要放熱量により補うことができる状況であるか否かを判定し、前記必要吸熱量を前記必要放熱量により補うことができる状況であると判定した場合には、前記シャッタ装置の開度を閉じる方向に調整する
熱交換システム。 - 前記制御部は、前記熱交換器の実際の吸熱量(Qa)が前記熱交換器の必要吸熱量以下であって、且つ所定時間経過後の前記ラジエータの温度(TEin)が所定温度(Tth)以上である場合、前記ラジエータの必要放熱量から前記熱交換器の必要吸熱量を減算することにより得られる判定値(QC)が予め定められた閾値(Qth)よりも大きいか否かを判断し、前記判定値が前記閾値よりも大きい場合には、前記必要吸熱量を前記必要放熱量により補うことができる状況であると判定して、前記シャッタ装置の開度を閉じる方向に調整する
請求項1に記載の熱交換システム。 - 前記制御部は、前記ラジエータの必要放熱量から前記熱交換器の必要吸熱量を減算した減算値から、前記連結部材の放熱量に基づく補正値(α)を更に減算することにより、前記判定値を演算する
請求項2に記載の熱交換システム。 - 前記熱交換器及び前記ラジエータに空気を送風する送風装置(70)を更に備え、
前記制御部は、前記判定値が前記閾値以下であると判断した場合には、前記シャッタ装置を開状態に設定するとともに、前記熱交換器の必要吸熱量から前記ラジエータ及び前記熱交換器の間の熱交換量を減算した第1減算値(D1)と、前記ラジエータの必要放熱量から前記ラジエータ及び前記熱交換器の間の熱交換量を減算した第2減算値(D2)とを演算し、前記第1減算値及び第2減算値のいずれか一方に基づいて前記送風装置の駆動を制御する
請求項2又は3に記載の熱交換システム。 - 車両の空調装置の熱交換サイクル(30)に用いられて空気から吸熱又は空気に放熱する熱交換器であって、前記熱交換サイクルを循環する熱媒体と、車両の前方からエンジンルーム内に導入される空気との間で熱交換を行う熱交換器(35)と、
前記車両の発熱源を冷却する冷却システム(20)に用いられ、前記車両に搭載される発熱源を冷却するための冷却水と、車両の前方から前記エンジンルーム内に導入される空気との間で熱交換を行うラジエータ(25)と、
前記熱交換器と前記ラジエータとを熱的に連結する連結部材(50)と、
前記熱交換器及び前記ラジエータへの空気の供給及び遮断を切り替え可能なシャッタ装置(60)と、
前記シャッタ装置の開閉を制御する制御部(61)と、を備え、
前記制御部は、車室外の温度である外気温と、車室内の温度である内気温とに基づいて目標冷媒圧力を設定し、前記熱交換器を流れる熱媒体の圧力が前記目標冷媒圧力よりも大きい場合には、前記シャッタ装置の開度を閉じる方向に調整する
熱交換システム。 - 前記シャッタ装置は、前記車両のグリル開口部(41)、又は前記グリル開口部から前記エンジンルーム(42)に延びる空気通路(Wa)に配置されている
請求項1~5のいずれか一項に記載の熱交換システム。 - 前記ラジエータは、前記熱交換器よりも空気流れ方向の上流側に配置されている
請求項1~6のいずれか一項に記載の熱交換システム。
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