JP2011240735A - 車両の熱管理システム - Google Patents
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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
【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。
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。
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。
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。
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。
(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、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、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)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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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