WO2020100846A1 - 熱管理システム - Google Patents

Abstract

エネルギー消費を抑制して暖房性能を向上する。　熱管理システム（１）は、熱媒体と室外の空気との間で熱交換を行う室外熱交換器（２）と、室外熱交換器（２）により熱交換が行われた熱媒体を圧縮する圧縮機（５）と、圧縮機（５）で圧縮された熱媒体と室内の空気との間で熱交換を行う室内熱交換器（６）と、室外熱交換器（２）と圧縮機（５）との間に設けられ外部機器（４０）が発生した熱と熱媒体との間で熱交換を行う外部機器熱交換器（３）と、を備える。

Description

熱管理システム

　本発明は、熱管理システムに関する。

　近年、例えば車両用などの空気調和装置として、ヒートポンプ方式の冷凍回路を備える空気調和装置（以下「ヒートポンプ方式の空気調和装置」ともいう。）が用いられている。ヒートポンプ方式の空気調和装置は、空気調和の対象である室内の外部の空気と熱媒体（冷媒）との間で熱交換を行うことにより、空気調和に必要な熱を上記外部の空気から得ている。このため、ヒートポンプ方式の空気調和装置は、電力を用いて空気を加熱している電気式ヒータ、例えばＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）ヒータを用いる場合と比較して、空気調和、特に暖房時に用いるエネルギーを抑えられる（例えば、特許文献１乃至３参照）。

特開平９－１５６３５１号公報 特開２０１１－１５２８０８号公報 特開２０１３－１９５００２号公報

　上述のようなヒートポンプ方式の空気調和装置は、空気を加熱するために熱源を必要としない。このため、ヒートポンプ方式の空気調和装置は、電気自動車や燃料電池自動車といった暖房時の熱源として利用可能な内燃機関を有しない車両、あるいはハイブリッド自動車やプラグインハイブリッド自動車といった内燃機関が常時稼働していない車両に用いられる空気調和装置として有用である。

　しかしながら、ヒートポンプ方式の空気調和装置は、その原理として空気からの熱を暖房時の熱源として用いる。このため、従来のヒートポンプ方式の空気調和装置は、寒冷時のように、熱媒体の温度と外気温度との温度差が小さいまたは生じない場合には、十分に室内の温度が暖めにくいという課題が生じていた。

　このようなヒートポンプ方式の空気調和装置における寒冷時の昇温の課題について、例えばヒートポンプに上述のＰＴＣヒータのような電気式ヒータを組み合わせる、あるいはガスインジェクション式ヒートポンプを用いるといった対策が知られている。

　しかし、電気式ヒータとヒートポンプ方式の空気調和装置とを組み合わせた場合には、電気式ヒータが電力を消費してしまうため、暖房時のエネルギー消費量が増加していた。特に、電気式ヒータとヒートポンプとを組み合わせて電気自動車の空気調和装置として用いた場合には、電気式ヒータが車両に搭載している走行用バッテリを消費してしまうため、航続距離が減少してしまうという課題が生じていた。また、ガスインジェクション式ヒートポンプを用いる空気調和装置であっても、例えば極寒地のように、外気温度が熱媒体の最低温度を下回る環境においては、十分に室内の温度が暖めにくいという課題が生じていた。

　本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、エネルギー消費を抑制して暖房性能を向上することができる熱管理システムを提供することにある。

　上記目的を達成するために、本発明に係る熱管理システムは、室内の熱管理を行う熱管理システムであって、熱媒体と室外の空気との間で熱交換を行う室外熱交換器と、前記室外熱交換器により熱交換が行われた前記熱媒体を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された前記熱媒体と前記室内の空気との間で熱交換を行う室内熱交換器と、前記室外熱交換器と前記圧縮機との間に設けられ外部機器が発生した熱と前記熱媒体との間で熱交換を行う外部機器熱交換器と、を備える。

　本発明の一態様に係る熱管理システムにおいて、前記室外熱交換器は、前記室外の空気から受熱して前記熱媒体に放熱し、前記外部機器熱交換器は、前記外部機器から受熱して前記熱媒体に放熱し、前記圧縮機は、前記室外熱交換器及び前記外部機器熱交換器から受熱した前記熱媒体を圧縮して昇温し、前記室内熱交換器は、前記圧縮機により昇温された前記熱媒体により前記室内の空気を昇温する。

　本発明の一態様に係る熱管理システムにおいて、前記外部機器熱交換器は、前記外部機器が発生した熱を蓄熱し、前記熱媒体との間で熱交換を行う。

　本発明の一態様に係る熱管理システムにおいて、前記外部機器熱交換器は、前記外部機器が発生した熱を放熱する放熱部と、前記放熱部が放熱した熱を蓄熱する蓄熱部と、前記蓄熱部が蓄熱した熱を前記熱媒体に受熱させる受熱部と、を備える。

　本発明の一態様に係る熱管理システムにおいて、前記外部機器熱交換器は、前記蓄熱部を加熱する電熱部を備える。

　本発明によれば、エネルギー消費を抑制して暖房性能を向上することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る熱管理システムの概略構成を示すための、機能ブロック図である。 図１に示す熱管理システムが備える外部機器熱交換器の概略構成を示すための、模式図である。 図１に示す熱管理システムが備える外部機器熱交換器の概略構成を示すための、断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る熱管理システムの概略構成を示すための、機能ブロック図である。 第２の実施の形態に係る熱管理システムの動作を示すための、フローチャートである。 第２の実施の形態に係る熱管理システムにおける暖房運転開始直後の動作を示すための、機能ブロック図である。 第２の実施の形態に係る熱管理システムにおいて外部機器熱交換器による熱交換の動作を示すための、機能ブロック図である。 第２の実施の形態に係る熱管理システムにおいて外部機器熱交換器及び冷却用熱交換器による熱交換の動作を示すための、機能ブロック図である。 第２の実施の形態に係る熱管理システムにおける冷房運転時の動作を示すための、機能ブロック図である。 第２の実施の形態に係る熱管理システムにおける蓄電池の充電時の動作を示すための、フローチャートである。 本発明の第３の実施の形態に係る熱管理システムの概略構成を示すための、機能ブロック図である。

　以下、本発明の実施の形態に係る熱管理システムについて図面を参照しながら説明する。熱管理システムは、例えば車両や建築物などの室内の熱管理を行う。以下の記載において、熱管理システムは、熱管理を行う対象である所定の空間として、電気自動車の車室内の空気調和を行うために電気自動車に搭載される、空気調和装置としての例について説明する。

　［第１の実施の形態］
　まず、本発明の第１の実施の形態に係る熱管理システムについて説明する。

　図１は、本発明の第１の実施の形態に係る熱管理システム１の概略構成を示すための、機能ブロック図である。第１の実施の形態において、熱管理システム１は、本発明に係る熱管理システムの基本的な構成を説明するものである。本実施の形態において、熱管理システム１は、車室内の温度を上昇させるために、その室内の外部にある空気熱を熱源として利用するヒートポンプ方式の暖房システムの一例である。

　図１に示すように、本実施の形態に係る熱管理システム１は、熱媒体と室外の空気との間で熱交換を行う室外熱交換器２と、室外熱交換器２により熱交換が行われた熱媒体を圧縮する圧縮機５と、圧縮機５で圧縮された熱媒体と室内の空気との間で熱交換を行う室内熱交換器６と、室外熱交換器２と圧縮機５との間に設けられ外部機器４０が発生した熱と熱媒体との間で熱交換を行う外部機器熱交換器３と、を備える。以下、熱管理システム１の構造及び動作を具体的に説明する。

　熱管理システム１において、室外熱交換器２、外部機器熱交換器３、圧縮機５、及び室内熱交換器６の間には、熱媒体を循環可能な熱媒体回路ＨＭが形成されている。熱媒体は、通常の空気調和装置において、一般に冷媒と称されるものと同様のものを用いることができる。熱媒体回路ＨＭは、流路ＨＭ１１～ＨＭ１４により構成されている。流路ＨＭ１１は、室外熱交換器２と外部機器熱交換器３との間を接続している。流路ＨＭ１２は、外部機器熱交換器３と圧縮機５との間を接続している。流路ＨＭ１３は、圧縮機５と室内熱交換器６との間を接続している。流路ＨＭ１４は、室内熱交換器６と室外熱交換器２との間を接続している。熱管理システム１は、熱媒体回路ＨＭにより、室外熱交換器２、外部機器熱交換器３、圧縮機５、及び室内熱交換器６が順に接続されることで、ヒートポンプ方式の冷凍回路を構成している。

　外部機器４０は、電気自動車の動力用モータ、あるいはモータの制御に用いられるインバータなど、熱管理システム１の外部に設けられている各種熱源である。一般に、電気自動車のモータやインバータの冷却には、外部機器熱交換器３と外部機器４０との間に設けられているモータ、インバータ、あるいは走行用バッテリなどの外部機器４０を冷却するためのＬＬＣ（Long Life Coolant）などの冷却液が用いられている。このため、外部機器４０は、外部機器冷却システム４に組み込まれている。外部機器冷却システム４は、冷却液を循環可能な冷却液回路ＣＬと、外部機器４０と外部機器熱交換器３との間で冷却液を循環させるためのポンプＰと、外部機器４０と外部機器熱交換器３との間の冷却液の流量を制御するためのバルブＶとを備える。

　室外熱交換器２は、膨張弁ＴＶにより膨張された熱媒体が流れ込み、熱媒体と室外の空気との間で熱交換を行う。熱管理システム１において、室外熱交換器２は、具体的には室外の空気から熱媒体に対して吸熱する蒸発器として機能する。

　図１に示すように、外部機器熱交換器３は、熱媒体回路ＨＭにおいて、室外熱交換器２と室内熱交換器６との間の流路ＨＭ１２に設けられている。

　図２は、熱管理システム１が備える外部機器熱交換器３の概略構成を示すための、模式図である。図２に示すように、外部機器熱交換器３は、熱交換器本体３１と、電熱ヒータ３５と、断熱部３６と、冷却液配管３７と、熱媒体配管３８とを備える。

　図３は、熱管理システム１が備える外部機器熱交換器３の概略構成を示すための、断面図である。図３に示すように、熱交換器本体３１は、外部機器冷却システム４からの冷却液を媒体として外部機器冷却システム４からの熱を放熱する放熱部３２と、を備える。また、熱交換器本体３１は、放熱部３２が放熱した外部機器冷却システム４からの熱を熱媒体に受熱させる受熱部３３と、放熱部３２と受熱部３３との間に設けられている蓄熱部３４とを備える。

　放熱部３２は、外部機器冷却システム４からの冷却液により外部機器冷却システム４からの熱を効率よく放熱できるように、例えばステンレススチール（ＳＵＳ３１６あるいはＳＵＳ３０４）やアルミニウムなどの高い熱伝導率を有する素材により構成されている。放熱部３２は、冷却液配管３７から流れ込む冷却液を漏出することなく熱交換を行うことができるように、冷却液を流すための流路３２１が設けられた上でロウ付けなどの適宜な手法により密封されている。放熱部３２は、１つの外部機器熱交換器３に対して、１組又は２以上の複数組が備えられている。

　受熱部３３は、蓄熱部３４を介して伝熱された放熱部３２からの熱を効率よく熱媒体に受熱させることができるように、放熱部３２と同じく例えばステンレススチール（ＳＵＳ３１６あるいはＳＵＳ３０４）やアルミニウムなどの高い熱伝導率を有する素材により構成されている。受熱部３３は、熱媒体を漏出することなく熱交換を行うことができるように、放熱部３２と同じく熱媒体を流すための流路３３１が設けられた上でロウ付けなどの適宜な手法により密封されている。受熱部３３は、１つの外部機器熱交換器３に対して、１組又は２以上の複数組が備えられている。

　蓄熱部３４は、１組の放熱部３２と受熱部３３との間において、放熱部３２から受熱して、その熱を受熱部３３に受熱させることができるように、例えば放熱部３２と受熱部３３との間を蓄熱材料により充填するようにして設けられている。蓄熱部３４は、放熱部３２及び受熱部３３との間において効率よく伝熱することができるように、放熱部３２及び受熱部３３との必要な接触面積が確保されている。蓄熱部３４は、例えば二酸化バナジウム（ＶＯ_２）系の蓄熱材料を用いることができる。なお、蓄熱部３４は、上述の二酸化バナジウム系の蓄熱材料以外の蓄熱材料を用いてもよい。

　電熱ヒータ３５は、放熱部３２、受熱部３３、及び蓄熱部３４を覆うように設けられている。電熱ヒータ３５は、例えば走行用バッテリの充電時に外部から供給される電力を利用して蓄熱部３４を加熱する。つまり、電熱ヒータ３５は、電熱部として機能する。蓄熱部３４は、電熱ヒータ３５により加熱された熱を蓄熱することができる。電熱ヒータ３５は、蓄熱部３４を加熱することができるように、少なくとも蓄熱部３４を覆っていればよい。断熱部３６は、電熱ヒータ３５と断熱部３６との間に設けられている。断熱部３６は、熱交換器本体３１と電熱ヒータ３５とを外側から覆っている。冷却液配管３７は、外部機器冷却システム４と放熱部３２の流路３２１との間で冷却液を循環させるために、冷却液回路ＣＬに接続されている管路である。熱媒体配管３８は、外部機器熱交換器３及びＨＶＡＣユニット６０などの熱管理システム１０における空気調和装置の構成要素と受熱部３３の流路３３１との間で熱媒体を循環させるために、熱媒体回路ＨＭに接続されている管路である。

　図４に示すように、圧縮機５は、熱管理システム１の熱媒体の流路において、外部機器熱交換器３の後段であり室内熱交換器６の前段に設けられている。圧縮機５は、動力源として電力を用いる。圧縮機５は、外部機器熱交換器３を経由した熱媒体を圧縮する。

　室内熱交換器６は、熱管理システム１の熱媒体の流路において、熱媒体回路ＨＭの流れにおいて圧縮機５の後段であり膨張弁ＴＶの前段に設けられている。室内熱交換器６は、具体的には熱管理システム１の熱管理の対象である室内に面していて、熱媒体が保持している熱を室内の空気に放熱する凝縮器として機能する。

　膨張弁ＴＶは、室内熱交換器６と室外熱交換器２との間を接続している熱媒体回路ＨＭ１４に設けられている。膨張弁ＴＶは、室内熱交換器６を通過した熱媒体を蒸発しやすい状態に減圧膨張し、蒸発器内部の最適流量を確保する。

　次いで、以上構造を説明した熱管理システム１の動作について説明する。
　室外熱交換器２は、液体の熱媒体が室外の空気から熱を奪うことにより、通過させる熱媒体の温度を上昇させる。室外熱交換器２を通過した熱媒体は、液体から気体に変化する。

　外部機器熱交換器３は、外部機器冷却システム４の冷却液を介して外部機器４０からの排熱を受熱する。外部機器熱交換器３は、この外部機器４０からの排熱を熱媒体に受熱させることにより、熱媒体の温度をさらに上昇させる。また、外部機器熱交換器３は、放熱部３２と受熱部３３との間に設けられている蓄熱部３４に冷却液からの熱を保持させた後、熱媒体に渡している。つまり、外部機器熱交換器３は、外部機器４０が発生した熱を蓄熱して熱媒体との間で熱交換を行う。

　圧縮機５は、室外熱交換器２及び外部機器熱交換器３により温度が上昇した熱媒体を圧縮して、さらに熱媒体を昇温させる。

　室内熱交換器６は、圧縮機５により温度が上昇した熱媒体を凝縮させて、熱媒体が保持している熱を室内の空気に放熱して、室内の空気を昇温する。熱管理システム１０において、放熱した熱媒体は、液化して膨張弁ＴＶにより膨張されて室外熱交換器２に入る。熱管理システム１は、以上のステップを１サイクルとして、このサイクルを繰り返す。

　以上のように構成された熱管理システム１は、圧縮機５と室内熱交換器６との間に外部機器熱交換器３を設けることにより、外部機器冷却システム４の冷却液から熱を受け取ることができる。以上のように構成された熱管理システム１０によれば、低温時に圧縮機５に流れる熱媒体を温めることにより、ガスとしての熱媒体の流量を増やしている。そして、以上のように構成された熱管理システム１によれば、外部機器４０からの熱を受熱して熱媒体を昇温させることができる。従って、熱管理システム１によれば、例えば外気温度が－１０℃以下といった室外熱交換器２によっては熱媒体の昇温ができない場合であっても、空気を暖めるためのエネルギー消費量が少ないヒートポンプ方式を用いて車室内の温度を上昇させることができる。

　熱管理システム１によれば、外部機器熱交換器３において、放熱部３２と受熱部３３との間に蓄熱部３４が設けられているため、放熱部３２を介して外部機器４０が発した熱を受熱し所定時間保持して熱媒体の昇温に利用することができる。従って、熱管理システム１によれば、例えば電気自動車の走行中に走行用モータ、インバータ、あるいは走行用バッテリなどの外部機器４０から発した熱を蓄熱部３４が保持して始動時に熱媒体の昇温に用いる。熱管理システム１によれば、蓄熱部３４が外部機器冷却システム４を備えることにより、始動直後の熱媒体の昇温を早めることができる。

　熱管理システム１は、上述のように動作する外部機器熱交換器３を備えることにより、一般のヒートポンプ方式の空気調和装置と比較して熱媒体の昇温に用いられる圧縮機５の仕事量を削減することができる。従って、熱管理システム１によれば、熱管理に用いられるエネルギー消費量を抑制することができる。

　［第２の実施の形態］
　次いで、本発明の第２の実施の形態に係る熱管理システムについて説明する。

　図４は、本発明の第２の実施の形態に係る熱管理システム１０の概略構成を示すための、機能ブロック図である。第２の実施の形態において、熱管理システム１０は、本発明に係る熱管理システムについて、より具体的な構成を説明するものである。本実施の形態において、熱管理システム１０は、先に説明した熱管理システム１と同様に、その室内の外部にある空気熱を熱源として利用するヒートポンプ方式の空気調和装置である。熱管理システム１０は、暖房のみならず冷房の機能も有し、車室内の温度を上昇または下降させて所望の温度に調整するものである点が上述の熱管理システム１と相違する。なお、本実施の形態において、先に説明した熱管理システム１と同様の構成については説明を省略する。

　図４に示すように、熱管理システム１０は、その主要な構成要素として、室外熱交換器２と、外部機器熱交換器３と、外部機器冷却システム４と、圧縮機５と、ＨＶＡＣ（Heating, Ventilation, and Air Conditioning）ユニット６０と、制御部７とを備える。熱管理システム１０の構成について、冷却液を循環させて熱交換を行う冷却液回路と、熱媒体を循環させて熱交換を行う熱媒体回路とに分けて説明する。その上で、本実施の形態では、冷却液と熱媒体との間で熱交換を行う際の熱管理システム１０の動作について説明する。

　冷却液回路には、外部機器熱交換器３、及び、外部機器冷却システム４が接続されている。

　冷却液回路ＣＬに接続されている外部機器冷却システム４は、先に説明した通り、電気自動車の走行用のモータ４１、モータ４１の制御用のインバータ４２、あるいは不図示の走行用バッテリなどの外部機器を冷却するためのシステムである。外部機器冷却システム４は、モータ４１などの外部機器のＬＬＣ（Long Life Coolant）などの冷却液を放熱する冷却用熱交換器４３を備える。また、外部機器冷却システム４は、外部機器と冷却用熱交換器４３との間で冷却液を循環可能な冷却液回路ＣＬを構成する流路ＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ５，ＣＬ６と、冷却用熱交換器４３から外部機器に冷却液を送るために流路ＣＬ５に設けられているポンプＰとを備える。

　外部機器冷却システム４の流路ＣＬ１、流路ＣＬ３、及び流路ＣＬ５の間には、モータ４１やインバータ４２などの外部機器、外部機器熱交換器３、及び冷却用熱交換器４３との間において、外部機器、外部機器熱交換器３、及び冷却用熱交換器４３に流入する冷却液の流路と流量とを制御する四方弁Ｖ１が設けられている。また、外部機器冷却システム４の流路ＣＬ２、流路ＣＬ４、及び流路ＣＬ６の間には、外部機器、外部機器熱交換器３、及び冷却用熱交換器４３から流出する冷却液の流路と流量とを制御するために四方弁Ｖ２が設けられている。四方弁Ｖ１と四方弁Ｖ２との間には、四方弁Ｖ１と四方弁Ｖ２とを接続する流路であるバイパス路ＢＰが設けられている。外部機器冷却システム４における冷却液流路ＣＬは、四方弁Ｖ１、四方弁Ｖ２、及びバイパス路ＢＰを備えることにより、冷却液がモータ４１やインバータ４２などの外部機器の間を循環する経路を形成することができる。

　熱媒体回路ＨＭには、室外熱交換器２と、圧縮機５と、ＨＶＡＣユニット６０と、外部機器熱交換器３とが接続されている。熱媒体回路ＨＭは、流路ＨＭ２２～ＨＭ２５により構成されている。

　室外熱交換器２は、先に説明した通り、熱媒体と室外の空気との間で熱交換を行う。室外熱交換器２は、熱媒体から室外の空気に対して放熱する凝縮器、及び室外の空気から熱媒体に対して吸熱する蒸発器として機能する。室外熱交換器２の外側には、室外熱交換器２、及び外部機器冷却システム４の冷却用熱交換器４３に対して送風するファン２３が設けられている。

　圧縮機５も、先に説明した通り、室外熱交換器２及び外部機器熱交換器３により温度が上昇した熱媒体を圧縮して、さらに熱媒体を昇温させる。圧縮機５の前段には、気液分離器５１が設けられていてもよい。気液分離器５１は、蒸発器６２によって蒸発されなかった液体状の冷媒を圧縮機５によって圧縮（液圧縮）してしまうことを防ぐために設けられている。気液分離器５１は、蒸発器６２から流れ込む冷媒を気体と液体とに分離して圧縮機５に気体の冷媒のみを送る。

　ＨＶＡＣユニット６０は、ブロワ６１と、蒸発器６２と、凝縮器６３と、風路調整部６４と、筐体６５と、ダクト６６とを備える。

　ブロワ６１は、筐体６５の内部において蒸発器６２及び凝縮器６３に向けて送風する。蒸発器６２は、流路ＨＭ２２により室外熱交換器２と接続し、流路ＨＭ２３により圧縮機５と接続している。蒸発器６２と外部機器熱交換器３との間の流路ＨＭ２２には、蒸発器６２への熱媒体の流量を制御する三方弁Ｖ７が設けられている。また、蒸発器６２と圧縮機５との間の流路ＨＭ２３には、蒸発器６２への熱媒体の流量を制御する三方弁Ｖ８が設けられている。

　凝縮器６３は、流路ＨＭ２４により圧縮機５と接続し、流路ＨＭ２５により室外熱交換器２と接続している。風路調整部６４は、凝縮器６３を通過する風の量を調整する。筐体６５はＨＶＡＣユニット６０の構成要素を収容する。ダクト６６は、凝縮器６３を通過した風と凝縮器６３を通過しない風とを分離して車室内に風を送り出す。

　熱媒体回路ＨＭにおいて、ＨＶＡＣユニット６０の凝縮器６３と外部機器熱交換器３との間には、熱媒体回路ＨＭをバイパスする、上述の膨張弁と同様の暖房用の膨張弁ＴＶ１が設けられている。膨張弁ＴＶ１には、膨張弁ＴＶ１への熱媒体の流量を調整する三方弁Ｖ９，Ｖ１０が設けられている。また、熱媒体回路において、室外熱交換器２と外部機器熱交換器３の三方弁Ｖ４の間には、熱媒体回路ＨＭをバイパスするように冷房用の膨張弁ＴＶ２が設けられている。膨張弁ＴＶ２には、膨張弁ＴＶ２の熱媒体の流量を調整する三方弁Ｖ５，Ｖ６が設けられている。

　外部機器熱交換器３は、先に説明した通り、冷却液を介して外部機器冷却システム４が発生した熱を受熱し、熱媒体との間で熱交換を行う。外部機器熱交換器３は、外部機器冷却システム４の冷却液から受熱するために、流路ＣＬ４が外部機器冷却システム４の流路ＣＬ２と流路ＣＬ６との間の四方弁Ｖ２に接続されている。また、外部機器熱交換器３は、冷却液を外部機器冷却システム４に戻すために、流路ＣＬ３が外部機器冷却システム４の流路ＣＬ１と流路ＣＬ５との間の四方弁Ｖ１に接続されている。四方弁Ｖ１，Ｖ２に接続されていることにより、外部機器熱交換器３は、冷却液回路ＣＬからの冷却液を取り入れることが可能である。また、外部機器熱交換器３は、外部機器冷却システム４から受熱した熱を熱媒体に受熱させるために、室外熱交換器２からＨＶＡＣユニット６０に向かう熱媒体回路ＨＭに設けられている三方弁Ｖ３，Ｖ４に接続されている。三方弁Ｖ３，Ｖ４に接続されていることにより、外部機器熱交換器３は、熱媒体回路ＨＭの熱媒体を取り入れることが可能である。外部機器熱交換器３は、冷却液を流す放熱部３２と、熱媒体を流す受熱部３３と放熱部３２と受熱部３３との間に設けられている蓄熱部３４とを有する熱交換器本体３１と、電熱ヒータ３５と、断熱部３６とを備える。熱管理システム１では、以上の構成により、放熱部３２からの熱を蓄熱部３４が蓄熱して受熱部３３に受熱させる。

　制御部７には、モータ４１の冷却液温度を測定する温度計Ｔ１と、外部機器熱交換器３の蓄熱部３４の温度を測定する温度計Ｔ２と、室外熱交換器２の冷却液温度を測定する温度計Ｔ３と、電気自動車の車室内の気温を測定する温度計Ｔ４とが接続されている。制御部７は、温度計Ｔ１～Ｔ４の実測温度と、モータ４１の冷却液温度、外部機器熱交換器３の蓄熱部３４の温度、室外熱交換器２の冷却液温度、及び車室内の気温それぞれの閾値（設定温度）とを比較して、熱管理システム１の動作を制御する。具体的には、制御部７は、温度計Ｔ１～Ｔ３の実測温度とモータ４１、外部機器熱交換器３、室外熱交換器２、それぞれの冷却液温度、及び車室内の温度の閾値（設定温度）とを比較して、外部機器熱交換器３の冷却液の四方弁Ｖ１及び四方弁Ｖ２と、熱媒体の三方弁Ｖ３及び三方弁Ｖ４とを含む、四方弁Ｖ１，Ｖ２、及び三方弁Ｖ３～Ｖ１０の開閉制御を行う。熱管理システム１における四方弁Ｖ１，Ｖ２、及び三方弁Ｖ３～Ｖ１０の開閉制御については後述する。また、制御部７は、外部機器熱交換器３が備える蓄熱部３４について、後述する充電時の電源オン及びオフの制御を行う。なお、制御部７は、ＨＶＡＣユニット６０の動作制御、圧縮機５の動作制御など、熱管理システム１０に関する各種制御を行ってもよい。

　［熱管理システムの動作］
　次いで、以上説明した熱管理システム１０の動作について説明する。

　図５は、第２の実施の形態に係る熱管理システムの動作を示すための、フローチャートである。以下、図４及び図５を参照しつつ、熱管理システム１０の運転時における制御部７の動作について説明する。

　熱管理システム１０は、このシステムが搭載されている電気自動車の電源が投入される、あるいはこのシステムの電源が投入されると、空調運転をスタートする（Ｓ１００）。

　制御部７は、車室内の温度計Ｔ４の実測温度と車室内の設定温度とを比較して、温度計Ｔ４の実測温度が設定温度より低いか否かを判断する（Ｓ１０１）。温度計Ｔ４の実測温度が設定温度より低い場合（Ｓ１０１：ＹＥＳ）、制御部７は、熱管理システム１０によるヒートポンプ方式の暖房運転を実行する（Ｓ１０２）。ここで、Ｓ１０１の判断に用いられる、温度計Ｔ４の実測温度と比較する設定温度は、暖房運転が必要か否かの判断基準となる気温（例えば２０℃）である。

　図６は、第２の実施の形態に係る熱管理システム１０における暖房運転開始直後の動作を示すための、機能ブロック図である。暖房運転の開始が判断されると、制御部７は、冷却液回路ＣＬの熱が熱媒体回路ＨＭを循環するように、四方弁Ｖ１，Ｖ２、及び三方弁Ｖ３～Ｖ１０を制御する。制御部７は、三方弁Ｖ３～Ｖ１０の開閉状態を、室外熱交換器２から流出した熱媒体が気液分離器５１、圧縮機５、凝縮器６３、及び暖房用膨張弁ＴＶ１を経由し、冷房用膨張弁ＴＶ２、外部機器熱交換器３、及び蒸発器６２を経由しないように制御する。つまり、暖房運転開始直後において、熱媒体回路ＨＭは、図６において太実線と矢印とで示すように、室外熱交換器２から、流路ＨＭ２１、流路ＨＭ２２、流路ＨＭ２３、気液分離器５１、圧縮機５、流路ＨＭ２４、凝縮器６３、流路ＨＭ２５、暖房用膨張弁ＴＶ１の順に循環する経路となる。また、暖房運転開始直後において、冷却液回路ＣＬは、図６において破線と矢印とで示すように、流路ＣＬ５、ポンプＰ、モータ４１及びインバータ４２、流路ＣＬ６の順に循環する経路となる。

　制御部７は、モータ４１の冷却液の温度計Ｔ１の実測温度とモータ４１の冷却液の設定温度とを比較して、温度計Ｔ１の実測温度が第１の設定温度（設定温度１）より高いか否かを判断する（Ｓ１０３）。ここで、冷却液の第１の設定温度は、外部機器冷却システム４の冷却液を外部機器熱交換器３に流入させるか否かの閾値となる冷却液の温度である。温度計Ｔ１の実測温度が設定温度１より高い場合（Ｓ１０３：ＹＥＳ）、制御部７は、熱管理システム１０の四方弁Ｖ１と四方弁Ｖ２とを操作して、外部機器熱交換器３に冷却液を流入及び流出させる（Ｓ１０４）。

　一方、温度計Ｔ１の実測温度が設定温度１より低い場合（Ｓ１０３：ＮＯ）、制御部７は、外部機器熱交換器３の蓄熱部３４の温度を測定する温度計Ｔ２の実測温度と蓄熱部３４の設定温度とを比較して、温度計Ｔ２の実測温度が設定温度より高いか否かを判断する（Ｓ１０５）。ここで、蓄熱部３４の設定温度は、熱媒体を外部機器熱交換器３に流入させるか否かの閾値となる温度である。温度計Ｔ２の実測温度が設定温度より高い場合（Ｓ１０５：ＹＥＳ）、制御部７は、熱管理システム１０の三方弁Ｖ３と三方弁Ｖ４とを操作して、外部機器熱交換器３に対して熱媒体を流入及び流出させるようにする（Ｓ１０６）。図７は、第２の実施の形態に係る熱管理システム１０において外部機器熱交換器３による熱交換の動作を示すための、機能ブロック図である。つまり、熱管理システム１０において、Ｓ１０６の処理が行われるときは、外部機器熱交換器３により冷却液と熱媒体との間で熱交換が可能である。ここで、熱媒体回路ＨＭは、図７において太実線と矢印とで示すように、室外熱交換器２から、流路ＨＭ２１、外部機器熱交換器３、流路ＨＭ２２、流路ＨＭ２３、気液分離器５１、圧縮機５、流路ＨＭ２４、凝縮器６３、流路ＨＭ２５、暖房用膨張弁ＴＶ１の順に循環する経路となる。また、冷却液回路ＣＬは、図７において破線と矢印とで示すように、外部機器熱交換器３から、流路ＣＬ３、流路ＣＬ５、ポンプＰ、モータ４１及びインバータ４２、流路ＣＬ６、流路ＣＬ４の順に循環する経路となる。一方、温度計Ｔ２の実測温度が設定温度より低い場合（Ｓ１０５：ＮＯ）、制御部７は、Ｓ１０３の判断処理に戻る。

　制御部７は、モータ４１の冷却液の温度計Ｔ１の実測温度とモータ４１の冷却液の設定温度とを比較して、温度計Ｔ１の実測温度が第２の設定温度（設定温度２）より高いか否かを判断する（Ｓ１０７）。ここで、冷却液の第２の設定温度は、外部機器冷却システム４の冷却液を冷却用熱交換器４３に流入させて放熱させるか否かの閾値となる冷却液の温度である。温度計Ｔ１の実測温度が設定温度２より高い場合（Ｓ１０７：ＹＥＳ）、制御部７は、熱管理システム１０の四方弁Ｖ１と四方弁Ｖ２とを操作して、外部機器熱交換器３に加えて冷却用熱交換器４３に対しても冷却液を流入及び流出させるようにする（Ｓ１０８）。図８は、第２の実施の形態に係る熱管理システム１０において外部機器熱交換器３及び冷却用熱交換器４３による熱交換の動作を示すための、機能ブロック図である。熱管理システム１０において、Ｓ１０８の処理が行われるときは、外部機器熱交換器３により冷却液と熱媒体との間で熱交換を行うとともに、冷却用熱交換器４３により冷却液と外部の空気との間で熱交換を行う。図８において破線と矢印とで示すように、冷却液回路ＣＬにおいて、外部機器に冷却液を流入させる流路ＣＬ５には、外部機器熱交換器３からの流路ＣＬ３と冷却用熱交換器４３からの流路ＣＬ１とからの冷却液が流入する。また、冷却液回路ＣＬにおいて、外部機器からの冷却液を流出させる流路ＣＬ６には、外部機器熱交換器３への流路ＣＬ４と冷却用熱交換器４３への流路ＣＬ２とに、冷却液が流出する。なお、熱媒体回路ＨＭは、図７と同様に、室外熱交換器２から、流路ＨＭ２１、外部機器熱交換器３、流路ＨＭ２２、流路ＨＭ２３、気液分離器５１、圧縮機５、流路ＨＭ２４、凝縮器６３、流路ＨＭ２５、暖房用膨張弁ＴＶ１の順に循環する経路となる。

　図９は、第２の実施の形態に係る熱管理システムにおける冷房運転時の動作を示すための、機能ブロック図である。温度計Ｔ４の実測温度が設定温度より高い場合（Ｓ１０１：ＮＯ）、制御部７は、熱管理システム１０によるヒートポンプ方式の冷房運転を実行する（Ｓ１０９）。冷房運転の開始が判断されると、制御部７は、熱管理システム１０の熱媒体回路ＨＭに設けられている三方弁Ｖ３～Ｖ１０の開閉状態を、室外熱交換器２から流出した冷却液が気液分離器５１、圧縮機５、蒸発器６２、及び凝縮器６３を経由するように制御する。また、冷房運転の開始が判断されると、制御部７は、三方弁Ｖ３～Ｖ１０の開閉状態を、暖房用膨張弁ＴＶ１、外部機器熱交換器３、及び蒸発器６２を経由しないように制御する（Ｓ１１０）。つまり、冷房運転時において、熱媒体回路ＨＭは、室外熱交換器２から、流路ＨＭ２１、冷房用膨張弁ＴＶ２、流路ＨＭ２２、蒸発器６２、気液分離器５１、圧縮機５、流路ＨＭ２４、凝縮器６３、流路ＨＭ２５の順に循環する経路となる。Ｓ１１０の処理後、制御部７は、Ｓ１０８の処理に進み、冷却用熱交換器４３に対して冷却液を流入及び流出させるようにする。つまり、冷房運転時において、冷却液回路ＣＬは、冷却用熱交換器４３から、流路ＣＬ１、流路ＣＬ５、ポンプＰ、外部機器、流路ＣＬ６、流路ＣＬ２の順に循環する経路となる。熱管理システム１０において、冷房運転を行うと、上述した暖房運転の場合とは逆のサイクルで運転する。すなわち、熱管理システム１０の冷房運転は、蒸発器６２が室内の熱を受熱し、室外熱交換器２が凝縮器として機能して室内の熱を室外に放熱する。

　制御部７は、空調運転が終了したか否かを確認する（Ｓ１１１）。制御部７は、空調運転が終了するまでの間（Ｓ１１１：ＮＯ）は、上述のＳ１０１からＳ１１０までの処理を繰り返す。一方、空調運転が終了した場合には（Ｓ１１１：ＹＥＳ）、制御部７は、上述の処理を終了する。なお、除湿暖房運転時において、熱管理システム１０は、蒸発器６２で外気を冷却することにより外気に含まれる水蒸気を凝集して排除し、水蒸気を排除した空気を凝縮器６３で温めて室内に送る。この場合において、熱管理システム１０の制御部７は、室内の温度に応じて外部機器熱交換器３により熱媒体回路ＨＭを流れる熱媒体の加温を行うか否かの判断を行う。

　以上説明したように、本実施の形態に係る熱管理システム１０によれば、外部機器熱交換器３に流れる冷却液及び熱媒体を制御する制御部７を備える。このため、本実施の形態に係る熱管理システム１０によれば、室内、冷却液、及び熱媒体の温度に応じて適切に外部機器熱交換器３を動作制御することにより、エネルギー消費を抑制して暖房性能を向上することができる。

　［充電時の動作］
　次いで、以上説明した熱管理システム１０が電気自動車に搭載されている場合において、電気自動車の走行用バッテリ（蓄電池）を充電する際の熱管理システム１０の動作について説明する。

　図１０は、第２の実施の形態に係る熱管理システムにおける蓄電池の充電時の動作を示すための、フローチャートである。図１０に示すように、制御部７は、蓄電池の充電が開始されると（Ｓ２００）、蓄熱部３４の温度を測定する温度計Ｔ２の実測温度と蓄熱部３４の設定温度とを比較して、温度計Ｔ２の実測温度が設定温度より高いか否かを判断する（Ｓ２０１）。

　温度計Ｔ２の実測温度が設定温度より低い場合（Ｓ２０１：ＹＥＳ）、制御部７は、電熱ヒータ３５が発する熱を蓄熱部３４に蓄熱させることができると判断し、電熱ヒータ３５の電源のスイッチをＯＮにする（Ｓ２０２）。電熱ヒータ３５の電源をＯＮにした後、制御部７は、Ｓ２０１の処理を繰り返し、蓄熱部３４に蓄熱可能か否かを判断し続ける。

　一方、温度計Ｔ２の実測温度が設定温度より高い場合（Ｓ２０１：ＮＯ）、制御部７は、電熱ヒータ３５が発する熱を蓄熱部３４に蓄熱させることができないと判断し、電熱ヒータ３５の電源のスイッチをＯＦＦにする（Ｓ２０３）。電熱ヒータ３５の電源のスイッチをＯＦＦにした後、制御部７は、蓄電池の充電が終了したときに処理を終了する（Ｓ２０４）。

　以上説明したように、本実施の形態に係る熱管理システム１０によれば、外部機器冷却システム４の蓄熱部３４を加熱することができる電熱ヒータ３５を備える。このため、熱管理システム１０によれば電気自動車における走行用バッテリの充電時など、外部からのエネルギーの供給を受けて熱エネルギーを蓄えることができる。つまり、熱管理システム１０によれば、システムの始動直後などに素早く熱エネルギーを得ることで、暖房性能を向上することができる。

　［第３の実施の形態］
　次いで、本発明の第３の実施の形態に係る熱管理システムについて説明する。

　図１１は、本発明の第３の実施の形態に係る熱管理システムの概略構成を示すための、機能ブロック図である。第３の実施の形態において、熱管理システム１００は、本発明に係る熱管理システムの他の実施の形態の構成を説明するものである。本実施の形態において、熱管理システム１００は、インジェクション回路７０を備える点が、先に説明した熱管理システム１０と相違する。

　なお、本実施の形態に係る熱管理システム１００において、上述したインジェクション回路７０及びその周辺の構成以外は、先に説明した熱管理システム１，１０の構成と同様であるため、説明を省略する。

　インジェクション回路７０は、暖房用膨張弁ＴＶ１の流入用三方弁Ｖ１０と室外熱交換器２の流入口との間に設けられている。インジェクション回路７０は、冷却液の気液分離器７１を備える。気液分離器７１は、凝縮器６３から暖房用膨張弁ＴＶ１を経由して流入した熱媒体を気体と液体とに分離する。インジェクション回路７０では、気液分離器７１により分離された熱媒体のうち、気体成分のものを圧縮機５に送り込む。圧縮機５に送り込まれた熱媒体の気体成分は、再度圧縮されて凝縮器６３にて凝縮される。また、インジェクション回路７０では、気液分離器７１により分離された熱媒体のうち、液体成分のものを室外熱交換器２に送り込む。室外熱交換器２に送り込まれた熱媒体の液体成分は、室外の空気との間で熱交換が行われる。

　熱管理システム１００は、インジェクション回路７０により、圧縮機５により圧縮された気液混合の熱媒体から気体成分だけを分離し、再び圧縮機５に戻して圧縮する。これにより、熱管理システム１００では、熱媒体の流量を増やし熱媒体と空気との熱交換の効率を向上させている。また、熱管理システム１００は、インジェクション回路７０により、凝縮器６３に液体だけが流れるため、大気との間の熱交換効率も向上することができる。熱管理システム１００によれば、熱管理システム１０などと比較すると効率が向上し、暖房能力確保を確保することができる下限温度を拡大することができる。

　そして、熱管理システム１００は、熱管理システム１，１０と同様に、例えば極寒地のように、外気温度が熱媒体の最低温度を下回る環境のように外気温度と熱媒体の温度との差が小さいまたは差がない場合においても、短時間で室内の温度が暖めることができる。

　以上のように、熱管理システム１００によれば、外部機器熱交換器３を備えることにより、エネルギー消費を抑制して暖房性能を向上することができる。

　以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記本発明の実施の形態に係る熱管理システムに限定されるものではなく、本発明の概念及び請求の範囲に含まれるあらゆる態様を含む。また、上述した課題及び効果の少なくとも一部を奏するように、各構成を適宜選択的に組み合わせてもよい。例えば、上記実施の形態における、各構成の形状、材料、配置、サイズ等は、本発明の具体的使用態様によって適宜変更され得る。

　例えば、以上説明した実施の形態において、熱管理システムはいずれも電気自動車の空気調和装置として適用した例を説明したが、本発明はこれに限定されない。本発明は、例えば電気自動車以外にも、例えば燃料電池自動車のような暖房時の熱源として利用可能な内燃機関を有しない車両、あるいはハイブリッド自動車やプラグインハイブリッド自動車といった内燃機関が常時稼働していない車両に用いられる空気調和装置として有用である。また、本発明は、内燃機関を有する車両用の空気調和装置としても利用可能である。また、本発明は、例えば、列車など、自動車以外の車両の空気調和装置としても利用可能である。

　また、例えば、以上説明した実施の形態において、熱管理システムはいずれも車両用の空気調和装置として適用した例を説明したが、本発明はこれに限定されない。本発明は、例えば、船舶などの車両以外の移動他、あるいは建物用などの移動体以外の空気調和装置としても利用可能である。この場合、電熱ヒータ３５による蓄熱部３４の加熱は、熱管理システムに給電されている状態であれば常時行うことができる。

　さらに、例えば、以上説明した実施の形態において、熱管理システムはいずれも空気調和装置として適用した例を説明したが、本発明はこれに限定されない。本発明は、各種施設の加熱装置としても利用可能である。

１…熱管理システム、２…室外熱交換器、３…外部機器熱交換器、４…外部機器冷却システム、５…圧縮機、６…室内熱交換器、７…制御部、１０…熱管理システム、２３…ファン、３１…熱交換器本体、３２…放熱部、３３…受熱部、３４…蓄熱部、３５…電熱ヒータ、３６…断熱部、３７…冷却液配管、３８…熱媒体配管、４０…外部機器、４１…モータ、４２…インバータ、４３…冷却用熱交換器、５１…気液分離器、６０…ＨＶＡＣユニット、６１…ブロワ、６２…蒸発器、６３…凝縮器、６４…風路調整部、６５…筐体、６６…ダクト、７０…インジェクション回路、７１…気液分離器

Claims (5)

1. 　室内の熱管理を行う熱管理システムであって、
   　熱媒体と室外の空気との間で熱交換を行う室外熱交換器と、
   　前記室外熱交換器により熱交換が行われた前記熱媒体を圧縮する圧縮機と、
   　前記圧縮機で圧縮された前記熱媒体と前記室内の空気との間で熱交換を行う室内熱交換器と、
   　前記室外熱交換器と前記圧縮機との間に設けられ外部機器が発生した熱と前記熱媒体との間で熱交換を行う外部機器熱交換器と、
   　を備える、熱管理システム。
2. 　前記室外熱交換器は、前記室外の空気から受熱して前記熱媒体に放熱し、
   　前記外部機器熱交換器は、前記外部機器から受熱して前記熱媒体に放熱し、
   　前記圧縮機は、前記室外熱交換器及び前記外部機器熱交換器から受熱した前記熱媒体を圧縮して昇温し、
   　前記室内熱交換器は、前記圧縮機により昇温された前記熱媒体により前記室内の空気を昇温する、
   　請求項１に記載の熱管理システム。
3. 　前記外部機器熱交換器は、前記外部機器が発生した熱を蓄熱し、前記熱媒体との間で熱交換を行う、請求項１又は２に記載の熱管理システム。
4. 　前記外部機器熱交換器は、
   　前記外部機器が発生した熱を放熱する放熱部と、
   　前記放熱部が放熱した熱を蓄熱する蓄熱部と、
   　前記蓄熱部が蓄熱した熱を前記熱媒体に受熱させる受熱部と、
   　を備える、請求項３に記載の熱管理システム。
5. 　前記外部機器熱交換器は、
   　前記蓄熱部を加熱する電熱部を備える、
   　請求項４に記載の熱管理システム。

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