JP2011240735A - 車両の熱管理システム - Google Patents

Abstract

【課題】熱搬送先の如何に依らず、高い効率で熱を搬送することのできる車両の熱管理システムを提供する。
【解決手段】熱搬送媒体の循環を通じて車内に設置された複数の熱搬送先（６，７，９，１０，１１）に熱を供給するとともに、それら複数の熱搬送先の中から熱を搬送する熱搬送先を選択的に切り替え可能な車両の熱管理システムにおいて、熱の搬送を休止する熱搬送先に熱搬送媒体を貯蔵することで、システム全体の熱搬送媒体の循環量を調節するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両の熱管理システムに係り、詳しくは熱分配効率の向上に係るシステムの改良に関するものである。

近年、更なる環境性能の向上等を目的として、車両で発生する熱の利用効率の向上が求められている。そして従来、特許文献１に見られるような、排気熱回収器を備える車両の熱管理システムが提案されている。

同文献１に記載の車両の熱管理システムは、エンジンの排気菅からその内部を流れる排気の熱を、沸騰潜熱を利用して回収する排気熱回収器を備えている。そして水などの流体を熱搬送媒体として車両各部に搬送することで、回収した熱を、エンジン等の暖機や車室内の暖房などに利用するようにしている。

特開２００８−２３０４２２号公報

ところで、熱搬送先によっては、温度や熱交換性能が異なっており、それぞれの熱搬送先毎に、熱輸送性能を高く維持することのできる熱搬送媒体の循環量が異なっている。したがって、熱搬送先を切り替え可能な熱管理システムでは、熱を供給する熱搬送先の組み合せによって、熱搬送媒体の循環量に過不足が生じ、熱輸送性能が低下してしまうことがある。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、熱搬送先の如何に依らず、高い効率で熱を搬送することのできる車両の熱管理システムを提供することにある。

本願請求項１に記載の発明は、熱搬送媒体の循環を通じて車内に設置された複数の熱搬送先に熱を供給するとともに、複数の熱搬送先の中から熱を搬送する熱搬送先を選択的に切り替え可能な車両の熱管理システムをその前提とするものとなっている。そして上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、熱の搬送を休止する熱搬送先に熱搬送媒体を貯蔵することで、熱搬送媒体の循環量を調節するようにしている。

上記構成では、熱の搬送を休止する熱搬送先に熱搬送媒体を貯蔵することで、システム全体の熱搬送媒体の循環量が調節されるようになる。そのため、システム全体の熱搬送媒体の循環量を、熱を供給中の熱搬送先の温度や熱交換性能に合せて最適化することが可能となる。したがって上記構成によれば、熱搬送先の如何に依らず、高い効率で熱を搬送することができるようになる。

なお、システム全体の熱搬送媒体の循環量を正確にコントロールするには、休止中の熱搬送先の熱搬送媒体の貯蔵量を把握する必要がある。各熱搬送先における熱搬送媒体の貯蔵量は、例えば請求項２によるように、当該熱搬送先内の熱搬送媒体の圧力より推定したり、請求項３によるように、当該熱搬送先内の熱搬送媒体の温度より推定したり、することができる。

なお、こうした本発明の熱管理システムは、熱搬送先に供給される熱を回収する回収器が、熱搬送媒体に熱を与えて同熱搬送媒体を気化させる沸騰器として構成され、各熱搬送先が、熱搬送媒体から熱を奪って同熱搬送媒体を液化させる凝縮器として構成された、請求項４に記載のようなシステムに適用可能である。この場合の熱搬送媒体としては、請求項５によるように、水を使用することが可能である。またこの場合の回収器としては、請求項６によるように、エンジンの排気から熱を回収するものを使用することができる。

本発明の一実施形態に係る車両の熱管理システムの全体構成を模式的に示す略図。 同実施形態の熱管理システムの制御系の構成を模式的に示す略図。 （ａ）〜（ｃ）同実施形態の熱管理システムにおける熱搬送媒体の貯蔵動作を示す略図。 同実施形態に採用される熱搬送媒体の貯蔵制御ルーチンのフローチャート。 同実施形態の制御態様の一例を示すタイムチャート。

以下、本発明の車両の熱管理システムを具体化した一実施の形態を、図１〜図５を参照して詳細に説明する。本熱管理システムは、熱の搬送媒体として水を用い、気化した水（蒸気）を供給することで車両各部の熱搬送先に熱を搬送するように構成されている。

図１は、本実施の形態の車両の熱管理システムの全体構成を示している。同図に示すように、この熱管理システムは、エンジン１の排気管２を流れる排気の熱を回収する排気熱回収器３を備えている。排気熱回収器３は、排気と熱搬送媒体との熱交換を行うとともに、液体として導入された熱搬送媒体をその熱交換を通じて沸騰させて蒸気として排出する沸騰器となっている。排気熱回収器３には、熱搬送媒体の蒸気を送り出すための蒸気配管４と、液体の熱搬送媒体を導入するための液体配管５とが接続されている。

一方、この熱管理システムには、排気熱回収器３の回収した熱搬送先として、ヒーター６、エンジンウォーマー７、ミッションウォーマー９、蓄熱器１０及びランキンサイクルシステム１１を備えている。

ヒーター６は、蒸気と熱搬送媒体との熱交換により、車室に送風される空気を温める熱交換器となっている。なおこの管理システムの適用される車両には、エンジン冷却水の熱で車室に送風される空気を温める、もう一つのヒーター１２が設けられている。

エンジンウォーマー７は、熱搬送媒体の蒸気とエンジン１の壁面との熱交換を通じてエンジン１を暖機する熱交換器となっている。またミッションウォーマー９は、熱搬送媒体の蒸気とトランスミッション８の壁面との熱交換を通じてトランスミッション８を暖機する熱交換器となっている。

一方、蓄熱器１０は、断熱容器とその内部に収容された蓄熱媒体とを備え、供給された熱がその内部に蓄えられるようになっている。またランキンサイクルシステム１１は、熱搬送媒体の蒸気から動力を取り出すシステムであって、熱搬送媒体の蒸気の断熱可逆膨張により動力を発生する膨張器１３、熱搬送媒体の蒸気を凝縮して液体とする凝縮器１４、液体となった熱搬送媒体の断熱可逆圧縮を行うポンプ１５を備えている。

なお、これらの熱搬送先はいずれも、熱搬送媒体から熱を奪って同熱搬送媒体を液化させる凝縮器としても機能する。また、各熱搬送先（６，７，９，１０，１１）には、閉弁により蒸気配管４と熱搬送先との接続を遮断するＩＮバルブ６ｉ，７ｉ，９ｉ，１０ｉ，１１ｉと、閉弁により液体配管５と熱搬送先との接続を遮断するＯＵＴバルブ６ｏ，７ｏ，９ｏ，１０ｏ，１１ｏがそれぞれ設けられている。

図２は、こうした車両の熱管理システムの制御系の構成を示している。同図に示すように、熱管理システムの制御系は、電子制御ユニット１６を中心に構成されている。
電子制御ユニット１６は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、読込専用メモリー（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリー（ＲＡＭ）、入出力ポート（Ｉ／Ｏ）を備えている。ここでＣＰＵは、熱管理システムの制御に係る各種演算処理を実施し、ＲＯＭは、制御用のプログラムやデータを記憶する。またＲＡＭは、ＣＰＵの演算結果やセンサーの検出結果等を一時的に記憶し、Ｉ／Ｏは、外部との信号の授受を媒介するインターフェイスとして機能する。

こうした電子制御ユニット１６の出力ポートには、各熱搬送先（６，７，９，１０，１１）のＩＮバルブ６ｉ，７ｉ，９ｉ，１０ｉ，１１ｉ及びＯＵＴバルブ６ｏ，７ｏ，９ｏ，１０ｏ，１１ｏがそれぞれ接続されており、それらの開閉が電子制御ユニット１６により制御されている。また電子制御ユニット１６の入力ポートには、各熱搬送先に設けられた圧力センサー６ｓ，７ｓ，９ｓ，１０ｓ，１１ｓが接続されており、それらの検出結果が電子制御ユニット１６に入力されている。なおこれらの圧力センサー６ｓ，７ｓ，９ｓ，１０ｓ，１１ｓは、熱搬送先内の熱搬送媒体の圧力を検出するセンサーとなっている。

さて、以上のように構成された本実施の形態の車両の熱管理システムでは、熱搬送媒体の循環を通じて車内に設置された複数の熱搬送先に熱を供給するとともに、複数の熱搬送先の中から熱を搬送する熱搬送先を状況に応じて選択的に切り替えるようにしている。そして、熱の搬送を休止する熱搬送先において熱搬送媒体を貯蔵することで、システム全体における熱搬送媒体の循環量を調節するようにしている。

こうした本実施の形態での熱搬送媒体の貯蔵は、次の態様で行われる。
図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、熱搬送先である凝縮器２０は、蒸気管路２１、ＩＮバルブ２２を介して蒸気配管４に接続されるとともに、液体管路２３、ＯＵＴバルブ２４を介して液体配管５に接続されている。図３（ａ）の状態では、ＩＮバルブ２２、ＯＵＴバルブ２４が共に開き、蒸気配管４から熱搬送媒体の蒸気が凝縮器２０に導入されている。すなわち、このときには、凝縮器２０への熱の供給が行われている。

ここで、図３（ｂ）に示すように、ＩＮバルブ２２のみを閉じると、凝縮器２０への蒸気の流入が遮断され、熱供給が停止される。この状態を暫く放置すると、蒸気管路２１や凝縮器２０に残留する蒸気の温度が下って凝縮するようになる。その結果、凝縮器２０内の圧力は下がることになり、図３（ｃ）に示すように、開いているＯＵＴバルブ２４を通じて液体配管５から液体管路２３に液体の熱搬送媒体が流入するようになる。そこで、適切な量の熱搬送媒体が流入した時点でＯＵＴバルブ２４を閉じれば、必要な量の熱搬送媒体を凝縮器２０に貯蔵することができるようになる。

図４は、こうした本実施の形態に適用される熱搬送媒体の貯蔵制御ルーチンのフローチャートを示している。本ルーチンの処理は、熱搬送先（６，７，９，１０，１１）のそれぞれについて個別に実行されるものとなっており、電子制御ユニット１６によって所定の制御周期毎に実行されている。

さて本ルーチンが開始されると、電子制御ユニット１６は、まずステップＳ１００において、当該熱搬送先が熱搬送の対象外となっているか否かを、すなわちその熱搬送先への熱供給が休止されているか否かを判定する。ここで、当該熱搬送先が熱搬送の対象となっていれば（Ｓ１００：ＮＯ）、電子制御ユニット１６は、ステップＳ１０１において、ＩＮバルブ、ＯＵＴバルブを共に開いた後、今回の本ルーチンの処理を終了する。

一方、当該熱搬送先が熱搬送の対象外であれば（Ｓ１００：ＹＥＳ）、電子制御ユニット１６は、ステップＳ１０２において、目標媒体貯蔵量Ｑｄを、当該熱搬送先に貯蔵する熱搬送媒体の量の目標値として算出する。そして電子制御ユニット１６は、続くステップＳ１０３において、ＩＮバルブを閉じるとともに、ＯＵＴバルブを開くようにする。

こうしてＯＵＴバルブのみが開いた状態とすると、凝縮器内に気体として存在する熱搬送媒体が凝縮し、凝縮器内の圧力Ｐｌが低下するようになる。そしてそれにより、開いたＯＵＴバルブを通じて液体配管５の熱搬送媒体（液体）が凝縮器側に吸入されるようになる。

そこで電子制御ユニット１６は、ステップＳ１０４において、凝縮器内の圧力Ｐｌから、同凝縮器内に貯蔵された熱搬送媒体の量（媒体貯蔵量Ｑｍ）を算出し、続くステップＳ１０５においてこれを目標媒体貯蔵量Ｑｄと比較する。ここで媒体貯蔵量Ｑｍが目標媒体貯蔵量Ｑｄに達していなければ（Ｓ１０５：ＮＯ）、電子制御ユニット１６はステップＳ１０３に戻り、現状を維持したまま待機する。一方、媒体貯蔵量Ｑｍが目標媒体貯蔵量Ｑｄと等しくなれば（Ｓ１０５：ＹＥＳ）、電子制御ユニット１６はステップＳ１０６にて、ＩＮバルブ及びＯＵＴバルブを共に閉じ、今回の本ルーチンの処理を終了する。

図５は、こうした本実施の形態の制御態様の一例を示している。同図に示される例では、排気熱回収器３が回収した熱を、まずミッションウォーマー９に送ってトランスミッション８の暖機を行った後、その熱をエンジンウォーマー７に送ってエンジン１の暖機を行うようにしている。

時刻ｔ０にトランスミッション８の暖機が開始されると、ミッションウォーマー９のＩＮバルブ９ｉ、ＯＵＴバルブ９ｏが開かれる。このとき、それ以外の熱搬送先は、ＯＵＴバルブのみが開かれた状態となり、これにより熱搬送先への熱搬送媒体の貯蔵が開始される。そして時刻ｔ１において、必要量の熱搬送媒体の貯蔵が完了し、システム全体の熱搬送媒体の循環量が調整されると、ミッションウォーマー９以外の熱搬送先のＯＵＴバルブが閉じられる。

その後の時刻ｔ２においては、トランスミッション８の暖機が完了し、その代りにエンジン１の暖機が開始されている。そのため、エンジンウォーマー７のＩＮバルブ７ｉ及びＯＵＴバルブ７ｏは、この時刻ｔ２に開かれる。一方、エンジンウォーマー７以外の熱搬送先は、ＯＵＴバルブのみが開かれた状態となり、これにより熱搬送先への熱搬送媒体の貯蔵が開始される。そして時刻ｔ３において、必要量の熱搬送媒体の貯蔵が完了し、システム全体の熱搬送媒体の循環量が調整されると、エンジンウォーマー７以外の熱搬送先のＯＵＴバルブが閉じられる。以後、この状態がエンジン１の暖機が完了するまで継続される。

以上説明した本実施の形態の車両の熱管理システムによれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）本実施の形態では、熱の搬送を休止する熱搬送先に熱搬送媒体を貯蔵することで、システム全体の熱搬送媒体の循環量を調節するようにしている。そのため、システム全体の熱搬送媒体の循環量を、熱を供給中の熱搬送先の温度や熱交換性能に合せて最適化することが可能となる。したがって本実施の形態によれば、熱搬送先の如何に依らず、高い効率で熱を搬送することができるようになる。

（２）本実施の形態では、循環量調整のための熱搬送媒体の貯蔵を、熱搬送先で行っているため、貯蔵用の格別な容器等を設ける必要がない。したがって、状況に応じた熱搬送媒体の循環量の調整を簡易な構成で行うことができるようになる。

なお、上記実施の形態は、以下のように変更して実施することもできる。
・上記実施の形態では、ヒーター６、エンジンウォーマー７、ミッションウォーマー９、蓄熱器１０及びランキンサイクルシステム１１を熱搬送先として備える熱管理システムを説明したが、本発明は熱搬送先の組み合わせの異なる熱管理システムにも同様に適用することが可能である。

・上記実施の形態では、熱搬送先内の熱搬送媒体の圧力Ｐｌに基づいて媒体貯蔵量Ｑｍを求めるようにしていたが、これ以外のパラメーターの検出値から媒体貯蔵量Ｑｍを求めることもできる。例えば熱搬送先内の熱搬送媒体の温度が判れば、飽和水蒸気曲線から圧力を求めることができる。そのため、熱搬送先内の熱搬送媒体の温度からも媒体貯蔵量Ｑｍを求めることができる。

・上記実施の形態では、熱搬送を休止する熱搬送先のすべてにおいて、熱搬送媒体の貯蔵を行うようにしていたが、一部の熱搬送先のみでその貯蔵を行うようにしても良い。
・上記実施の形態では、熱搬送媒体として水を使用するようにしていたが、水以外の流体を熱搬送媒体として用いるようにしても良い。

・上記実施の形態では、エンジン１の排気から回収した熱を熱搬送先に供給するようにしていたが、熱搬送先に供給する熱として他の廃熱を用いるような熱管理システムにも、本発明は同様に適用することができる。

・上記実施の形態では、熱搬送先に熱搬送媒体の蒸気を送るとともに、熱搬送先にて熱搬送媒体を凝縮させ、液体として回収するようにしていた。すなわち、上記実施の形態では、熱搬送先に供給される熱を回収する回収器が、熱搬送媒体に熱を与えて同熱搬送媒体を気化させる沸騰器として構成され、熱搬送媒体から熱を奪って同熱搬送媒体を液化させる凝縮器として熱搬送先が構成されていた。もっとも、本発明は、熱搬送媒体を液体のまま、或いは気体のまま循環させる熱管理システムにも同様に適用することができる。

１…エンジン、２…排気管、３…排気熱回収器（沸騰器）、４…蒸気配管、５…液体配管、６…ヒーター（搬送先、凝縮器）、７…エンジンウォーマー（搬送先、凝縮器）、８…トランスミッション、９…ミッションウォーマー（搬送先、凝縮器）、１０…蓄熱器（搬送先、凝縮器）、１１…ランキンサイクルシステム（搬送先、凝縮器）、１２…ヒーター、１３…膨張器、１４…凝縮器、１５…ポンプ、１６…電子制御ユニット、６ｉ，７ｉ，９ｉ，１０ｉ，１１ｉ…ＩＮバルブ、６ｏ，７ｏ，９ｏ，１０ｏ，１１ｏ…ＯＵＴバルブ、６ｓ，７ｓ，９ｓ，１０ｓ，１１ｓ…圧力センサー、２０…凝縮器、２１…蒸気管路、２２…ＩＮバルブ、２３…液体管路、２４…ＯＵＴバルブ。

Claims (6)

1. 熱搬送媒体の循環を通じて車内に設置された複数の熱搬送先に熱を供給するとともに、複数の熱搬送先の中から熱を搬送する熱搬送先を選択的に切り替え可能な車両の熱管理システムにおいて、
   熱の搬送を休止する熱搬送先に前記熱搬送媒体を貯蔵することで、前記熱搬送媒体の循環量を調節するようにした
   ことを特徴とする車両の熱管理システム。
2. 前記熱搬送先における前記熱搬送媒体の貯蔵量を、当該熱搬送先内の前記熱搬送媒体の圧力より推定する
   請求項１に記載の車両の熱管理システム。
3. 前記熱搬送先における前記熱搬送媒体の貯蔵量を、当該熱搬送先内の前記熱搬送媒体の温度より推定する
   請求項１に記載の車両の熱管理システム。
4. 前記熱搬送先に供給される熱を回収する回収器は、前記熱搬送媒体に熱を与えて同熱搬送媒体を気化させる沸騰器として構成され、前記熱搬送先は、前記熱搬送媒体から熱を奪って同熱搬送媒体を液化させる凝縮器として構成されてなる
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の車両の熱管理システム。
5. 前記熱搬送媒体として、水を使用する
   請求項４に記載の車両の熱管理システム。
6. 前記回収器は、エンジンの排気から熱を回収するよう構成される
   請求項４又は５に記載の車両の熱管理システム。

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