JP2019127186A - 熱交換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱源との間で熱交換される第１流体の冷却に散布装置から散布される第２流体を有効に活用できる熱交換装置を得る。【解決手段】本熱交換装置１０では、メインラジエータ１２のチューブ列の間を通ってメインラジエータ１２の車両後側へ飛翔した生成水Ｗｐ、メインラジエータ１２のチューブ及び放熱フィンへ付着した生成水Ｗｐのうち、気化せずにメインラジエータ１２の車両後側へ飛翔した生成水Ｗｐは、車両後側へ移動しながら車両下側へ落下してサブラジエータ２６に降りかかりサブラジエータ２６を流れる冷却液を冷却する。【選択図】図１

Description

本発明は、熱源を通る第１流体と第２流体との間で熱が交換される熱交換装置に関する。

例えば、下記特許文献１に開示された車両用ラジエータ装置では、ラジエータの車両前側に散水装置が配置されており、散水装置からの水がラジエータに掛けられることによってラジエータが冷却され、これによって、ラジエータを通る発熱源冷却用の冷却水が冷却される。しかしながら、散水装置からの水がラジエータに付着せずにラジエータを通抜けたり、散水装置からの水がラジエータに付着しても水が気化せずにラジエータの散水装置とは反対側へ飛翔したりすることによって散水装置からの水をラジエータの冷却、ひいては、発熱源冷却用の冷却水の冷却に効果的に用いることができない。

特開２００２−３７２３８５号公報

本発明は、上記事実を考慮して、熱源との間で熱交換される第１流体の冷却に散布装置から散布される第２流体を有効に活用できる熱交換装置を得ることが目的である。

請求項１に記載の熱交換装置は、熱源との間で第１流体が循環されると共に、前記熱源の熱を吸収した前記第１流体が流れる第１熱交換器と、前記第１熱交換器を車両前側から車両後側へ通過する気流を形成する気流形成装置と、前記第１熱交換器を車両前側から液状の第２流体を散布する散布装置と、前記第１熱交換器の車両後下側における前記第１熱交換器を通過して落下する前記第２流体を受けることが可能な位置に配置されると共に前記熱源との間で第１流体が循環されると共に、前記熱源の熱を吸収した前記第１流体が流れる第２熱交換器と、を備えている。

請求項１に記載の熱交換装置では、第２熱交換器が熱源と第１熱交換器、第２熱交換器との間を循環している状態で、気流形成装置及び散布装置が作動されると、散布装置から散布された第２流体が気流形成装置によって形成された気流に誘導されて第１熱交換器を通過する。これによって、第１熱交換器において第１流体と第２流体との間で熱交換され、第１流体が冷却される。

また、第１熱交換器を通過した第２流体は、第１熱交換器の車両後側で落下される。ここで、第２熱交換器は、第１熱交換器の車両後下側における第１熱交換器を通過して落下する第２流体を受けることが可能な位置に配置される。このため、第１熱交換器を通過して落下した第２流体が第２熱交換器に受けられると、第２熱交換器において第１流体と第２流体との間で熱交換され、第１流体が冷却される。これによって、第１流体を効果的に冷却でき、しかも、散布装置から散布される第２流体を有効に活用できる。

以上、説明したように、請求項１に記載の熱交換装置では、第１流体の冷却に第２流体を有効に活用できる。

本発明の一実施の形態に係る熱交換装置のシステムを車幅方向左側から見た図である。

次に、本発明の一実施の形態について説明する。なお、図１において矢印ＦＲは、本発明の実施の形態に係る熱交換装置１０が適用された車両の前側（車両前後方向前側）を示し、矢印ＵＰは、車両上側（車両上下方向上側）を示す。

＜本実施の形態の構成＞
図１に示されるように、本実施の形態に係る熱交換装置１０は、第１熱交換器としてのメインラジエータ１２を備えている。メインラジエータ１２は、例えば、複数のチューブ列を備えている。これらのチューブ列は、車幅方向に所定の間隔をおいて配置されている。また、チューブ列は、複数本のチューブを備えている。チューブの長手方向は、車両上下方向とされ、１つのチューブ列には、複数本のチューブが車両前後方向に所定の間隔をおいて設けられている。各チューブ列の間には放熱フィンが設けられている。放熱フィンは、車幅方向両側の各チューブ列のチューブへ当接されており、チューブの熱を放熱フィンへ伝えることができる。また、放熱フィンが設けられた各チューブ列の間には空隙が形成されており、空気等は、各チューブ列の間を車両前後方向に通ることができる。

また、メインラジエータ１２は、第１タンク及び第２タンクを備えている。第１タンクは、上述したチューブ列の車両上側に配置されており、各チューブ列の各チューブの車両上側端が第１タンクに接続されている。また、第１タンクには、第１流体としての冷却液が貯留されており、第１タンク内の冷却液は、各チューブ列の各チューブへ流れることができる。一方、第２タンクは、上述したチューブ列の車両下側に配置されている、第２タンクには、各チューブ列の各チューブの車両下側端が接続されており、各チューブ列の各チューブを流れた冷却液は、第２タンクに貯留される。

以上のような構成のメインラジエータ１２は、例えば、車両のエンジンルーム内におけるフロントグリルの車両後側に配置される。これによって、車両が走行することによって生じた走行風Ｗｒが、フロントグリルを通ってエンジンルーム内に入ると、走行風Ｗｒがメインラジエータ１２のチューブ列の間を通る。

また、メインラジエータ１２の車両後側には、気流形成装置としてのファン１４が配置されている。ファン１４は、ファンモータの出力軸へ機械的に連結されており、ファンモータの駆動力によって回転される。ファン１４が回転されることによって、ファン１４の車両前側で負圧が生じる。これによって、メインラジエータ１２の車両前側からメインラジエータ１２を通ってメインラジエータ１２の車両後側へ流れる気流が発生する。

また、熱交換装置１０は、冷却液循環路１６を備えている。冷却液循環路１６は、第１流路１８を備えている。第１流路１８の一端は、メインラジエータ１２の第２タンクに接続されている。これに対して、第１流路１８の他端は、熱源としての燃料電池２０へ接続されている。さらに、第１流路１８の一端と他端との間には、第１ウォータポンプ２２が設けられており、第１ウォータポンプ２２が作動されると、メインラジエータ１２の第２タンクに貯留された冷却液が、第１流路１８の一端から他端へ流れて燃料電池２０へ供給される。

燃料電池２０は、燃料電池スタックを備えており、燃料電池スタックは、複数のセルを備えている。水素がセルの正極（アノード、燃料極）と正極側のセパレータとの間を流れ、酸素を含む空気がセルの負極（カソード、空気極）と負極側のセパレータとの間を流れることによって発電される。燃料電池スタックは、車両に搭載された駆動ドライバを介して駆動装置としてのモータへ電気的に接続されており、燃料電池スタックからモータへ電力が供給されることによってモータが駆動される。モータの出力軸は、車両の駆動輪へ機械的に接続されており、モータの駆動力が駆動輪へ伝わることによって車両は、走行できる。一方、燃料電池スタックにおいて発電される際には、燃料電池スタックが発熱する。第１流路１８から燃料電池２０へ供給された冷却水は、燃料電池２０内を流れることによって、燃料電池スタックにて生じた熱を吸収する。

また、冷却液循環路１６は、第２流路２４を備えている。第２流路２４の一端は、燃料電池２０へ接続されており、第２流路２４の他端は、メインラジエータ１２の第１タンクへ接続されている。燃料電池２０内を流れた冷却液は、第２流路２４へ送られ、冷却液は、第２流路２４を流れることによってメインラジエータ１２の第１タンクへ流れ、第１タンクに貯留される。

さらに、本熱交換装置１０は、第２熱交換器としてのサブラジエータ２６を備えている。サブラジエータ２６は、ファン１４の車両後下側に設けられている。サブラジエータ２６は、例えば、メインラジエータ１２と同様にチューブによって構成されたチューブ列、フィン、第１タンク、第２タンク等によって構成されている。但し、サブラジエータ２６のチューブの長手方向は、車両前後方向とされ、サブラジエータ２６の第１タンクは、チューブ列の車両前後方向一方の側に設けられ、サブラジエータ２６の第２タンクは、チューブ列の車両前後方向他方の側に設けられる。

サブラジエータ２６の第１タンクには、冷却液循環路１６を構成する第３流路２８の一端が接続されている。第３流路２８の他端は、冷却液循環路１６の第２流路２４の一端と他端との間の中間部に接続されており、燃料電池２０から第２流路２４へ送られた冷却水の一部は、第２流路２４の中間部から第３流路２８に流れてサブラジエータ２６の第１タンクに送られる。

これに対して、サブラジエータ２６の第２タンクには、冷却液循環路１６を構成する第４流路３０の一端が接続されている。第４流路３０の他端は、冷却液循環路１６の第１流路１８の一端と第１ウォータポンプ２２との間に接続されている。このため、第１ウォータポンプ２２が作動されると、サブラジエータ２６の第２タンクに貯留された冷却液が、第４流路３０を流れて第１流路１８に入り、更に、第１流路１８を流れて燃料電池２０へ供給される。

さらに、本熱交換装置１０は、散布装置３２を備えている。散布装置３２は、生成水貯留タンク３４を備えている。生成水貯留タンク３４の一端には、生成水流路３６を構成する第５流路３８の一端が接続されている。第５流路３８の他端は、燃料電池２０に設けられた生成水回収機構に接続されている。燃料電池２０の燃料電池スタックでは、水素と、空気中の酸素との電気化学反応によって発電される。このような水素と酸素との電気化学反応によって水が生成される。燃料電池２０の生成水回収機構は、燃料電池スタックにおける水素と酸素との電気化学反応によって生成された水である生成水Ｗｐを回収して、生成水流路３６の第５流路３８へ流す。このようにして第５流路３８を流れた生成水Ｗｐは、生成水貯留タンク３４に貯留される。

また、生成水貯留タンク３４の一端には、生成水流路３６を構成する第６流路４０の一端が接続されている。第６流路４０の一端と他端との間の中間部には、第２ウォータポンプ４２が設けられており、第２ウォータポンプ４２が作動されると、生成水貯留タンク３４に貯留された生成水Ｗｐが、第６流路４０に吸込まれ、第６流路４０の一端から他端へ流れる。さらに、第６流路４０の他端には、散布ノズル４４が接続されている。散布ノズル４４は、メインラジエータ１２と車両のフロントグリルとの間に配置されており、第６流路４０から流れた生成水Ｗｐを車両後側（車両後斜め上側、車両後斜め下側を含む）へ噴射できる。

このため、散布ノズル４４から噴射された生成水Ｗｐは、メインラジエータ１２のチューブ列のチューブ及び放熱フィンに噴掛けられる。ここで、メインラジエータ１２の各チューブ列の間には空隙が形成されており、空気等は、各チューブ列の間を車両前後方向に通ることができる。このため、走行風Ｗｒ及びファンによって形成された気流によって、車両後側へ飛翔する生成水Ｗｐは、メインラジエータ１２の各チューブ列の間を抜けてメインラジエータ１２及びファン１４の車両後側へ移動することがある。

一方で、散布ノズル４４から噴射された生成水Ｗｐは、重力によって落下する。すなわち、散布ノズル４４から噴射された生成水Ｗｐは、走行風Ｗｒ及びファンによって形成された気流によって車両後側へ移動しながら落下する。ここで、メインラジエータ１２からメインラジエータ１２の車両後側へ移動された生成水Ｗｐが、車両下側の所定部位に着水するまでの生成水Ｗｐの車両後側への移動距離は、生成水Ｗｐの車両後側への移動速度に比例する。さらに、この車両下側の所定部位に着水するまでの生成水Ｗｐの車両後側への移動距離の二乗は、車両の所定部位までの生成水Ｗｐの落下距離に比例する。

生成水Ｗｐの移動速度は、車両の走行速度及びファン１４によって生じた気流の速度に関係する。ファン１４によって生じた気流の速度が一定であれば、車両の走行速度が大きいほど生成水Ｗｐの移動速度が大きくなり、車両下側の所定部位に着水するまでの生成水Ｗｐの車両後側への移動距離が大きくなる。また、車両下側の所定部位への生成水Ｗｐの落下距離が大きいほど車両下側の所定部位に着水するまでの生成水Ｗｐの車両後側への移動距離が大きくなる。このため、メインラジエータ１２における生成水Ｗｐの通過部分おいて最も車両上側を通過した生成水Ｗｐが、車両下側の所定部位へ着水するまでに最も車両後側へ移動される。

ここで、本実施の形態では、サブラジエータ２６の車両後側端部の位置は、車両の高速走行状態（例えば、車両の走行速度が時速８０ｋｍの状態）での生成水Ｗｐの車両後側への移動速度と、サブラジエータ２６からメインラジエータ１２の車両上側端部までの車両上下方向長さとに基づいて設定されている。

＜本実施の形態の作用、効果＞
本実施の形態に係る熱交換装置１０では、第１ウォータポンプ２２が作動されると、メインラジエータ１２の第２タンクに貯留された冷却液が、第１流路１８の一端から他端へ流れて燃料電池２０へ供給される。また、この状態では、サブラジエータ２６の第２タンクに貯留された冷却液が、第４流路３０へ流れ、第４流路３０を流れた冷却液は、第１流路１８でメインラジエータ１２の第２タンクから流れた冷却液に合流されて燃料電池２０へ供給される。

この状態で、燃料電池２０が作動され、燃料電池２０の燃料電池スタックにおいて発電されると、燃料電池スタックが発熱する。このようにして燃料電池スタックにおいて生じた熱は、第１流路１８から燃料電池２０へ供給された冷却水によって吸収され、これによって、燃料電池スタックが冷却される。

燃料電池スタックの熱を吸収した冷却水は、第２流路２４へ送られる。第２流路２４を流れる冷却液は、メインラジエータ１２の第１タンクに供給され、メインラジエータ１２の第１タンクに貯留される。また、第２流路２４を流れる冷却液の一部は、第４流路３０へ流れ、第４流路３０からサブラジエータ２６の第１タンクに供給される。これによって、第２流路２４を流れる冷却液の一部は、サブラジエータ２６の第１タンクに貯留される。

メインラジエータ１２の第１タンクに貯留された冷却液は、メインラジエータ１２のチューブ列のチューブの車両上側端から車両下側端へ流れる。この状態で、冷却液の熱は、チューブへ伝えられる。さらに、チューブには、メインラジエータ１２の放熱フィンが当接されているため、チューブへ伝えられた冷却液の熱は、更に、放熱フィンへ伝えられる。この状態で、車両が走行していると、走行風Ｗｒがメインラジエータ１２のチューブ列の間を通る。また、この状態でファン１４が作動していると、メインラジエータ１２の車両前側から車両後側へ流れる気流が生じ、この気流がメインラジエータ１２のチューブ列の間を通る。

さらに、この状態で第２ウォータポンプ４２が作動されていると、燃料電池２０にて生成されて生成水貯留タンク３４に貯留された生成水Ｗｐが、第６流路４０を通って散布ノズル４４から車両後側（車両後斜め上側、車両後斜め下側を含む）へ噴射される。このようにして散布ノズル４４から噴射された生成水Ｗｐは、走行風Ｗｒやファン１４による気流によって飛翔してメインラジエータ１２のチューブ列のチューブ及び放熱フィンへ付着する。メインラジエータ１２のチューブ及び放熱フィンへ付着した生成水Ｗｐが気化（蒸発）される際には、メインラジエータ１２のチューブ及び放熱フィンの熱が生成水Ｗｐに吸収される。これによって、メインラジエータ１２のチューブ及び放熱フィンが冷却され、メインラジエータ１２のチューブを通る冷却液が冷却される。

一方、散布ノズル４４から生成水Ｗｐの一部は、メインラジエータ１２のチューブ列の間を通ってメインラジエータ１２の車両後側へ飛翔する。また、メインラジエータ１２のチューブ及び放熱フィンへ付着した生成水Ｗｐのうち、気化しなかった生成水Ｗｐが走行風Ｗｒやファン１４による気流によって車両後側へ移動して、メインラジエータ１２のチューブ及び放熱フィンから離れると、再度、車両後側へ飛翔する。このように、メインラジエータ１２の車両後側へ飛翔した生成水Ｗｐは、車両後側へ移動しながら車両下側へ落下する。

ここで、サブラジエータ２６は、ファン１４の車両後下側に設けられており、サブラジエータ２６の車両後側端部の位置は、車両の高速走行状態（例えば、車両の走行速度が時速８０ｋｍの状態）での生成水Ｗｐの車両後側への移動速度と、サブラジエータ２６からメインラジエータ１２の車両上側端部までの車両上下方向長さとに基づいて設定されている。このため、例えば、車両の高速走行状態で生成水Ｗｐのメインラジエータ１２の車両上側端部近傍からメインラジエータ１２の車両後側へ飛ばされても、この生成水Ｗｐは、重力により落下することで、サブラジエータ２６に降りかかる。このように、サブラジエータ２６に降りかかった生成水Ｗｐが気化されることによってサブラジエータ２６のチューブ列のチューブを流れる冷却液の熱を吸収でき、冷却液を冷却できる。

このように、本実施の形態では、メインラジエータ１２で気化されなかった生成水Ｗｐがサブラジエータ２６のチューブ列のチューブを流れる冷却液の冷却に用いられる。このため、生成水Ｗｐによる冷却液の冷却効率を向上できる。しかも、サブラジエータ２６の車両後側端部の位置は、車両の高速走行状態（例えば、車両の走行速度が時速８０ｋｍの状態）での生成水Ｗｐの車両後側への移動速度と、サブラジエータ２６からメインラジエータ１２の車両上側端部までの車両上下方向長さとに基づいて設定されている。このため、例えば、車両の高速走行状態でメインラジエータ１２の車両後側へ移動された生成水Ｗｐがサブラジエータ２６の車両上側を通過することを抑制できる。これによって、生成水Ｗｐを効率よくサブラジエータ２６に降りかけることができ、生成水Ｗｐによる冷却液の冷却効率を更に向上できる。

また、生成水Ｗｐによる冷却液の冷却効率が向上するため、少ない生成水Ｗｐで冷却液を冷却できる。これによって、生成水貯留タンク３４に貯留しておく生成水Ｗｐの量を少なくできる。このため、生成水貯留タンク３４の大型化を抑制でき、熱交換装置１０の全体的な大型化を抑制できる。

さらに、上記のように、冷却液を生成水Ｗｐによって効率よく冷却できるので、メインラジエータ１２及びサブラジエータ２６の大型化を抑制でき、この意味でも熱交換装置１０の全体的な大型化を抑制できる。

なお、本実施の形態では、サブラジエータ２６の車両後側端部の位置を、車両の高速走行状態（例えば、車両の走行速度が時速８０ｋｍの状態）での生成水Ｗｐの車両後側への移動速度と、サブラジエータ２６からメインラジエータ１２の車両上側端部までの車両上下方向長さとに基づいて設定した。しかしながら、サブラジエータ２６は、メインラジエータ１２の車両後下側に配置される構成であれば、サブラジエータ２６の車両後側端部の位置に関しては特に限定されるものではない。

また、本実施の形態では、サブラジエータ２６は、第４流路３０を介して第１流路１８に接続され、第３流路２８を介して第２流路２４に接続された構成（換言すれば、メインラジエータ１２に対してサブラジエータ２６が回路的に並列に設けられる構成）であった。しかしながら、例えば、第１流路１８の一端と第１ウォータポンプ２２との間、又は第２流路１８の一端と他端との間にサブラジエータ２６を設ける構成が回路的に並列に設けられる構成（換言すれば、メインラジエータ１２に対してサブラジエータ２６が回路的に直列に設けられる構成）としてもよい。

さらに、本実施の形態では、燃料電池２０の燃料電池スタックにて生成された生成水Ｗｐを第２流体とした。しかしながら、例えば、生成水Ｗｐとは別の水等の液体を第２流体としてもよい。

また、本実施の形態は、燃料電池２０を熱源とした構成であった。しかしながら、例えば、熱源は、エンジンやモータ等、車両の駆動装置であってもよく、熱源に関しては特に限定されるものではない。

１０ 熱交換装置
１２ メインラジエータ（第１熱交換器）
１４ ファン（気流形成装置）
２０ 燃料電池（熱源）
２６ サブラジエータ（第２熱交換器）
３２ 散布装置
Ｗｐ 生成水（第２流体）

Claims (1)

1. 熱源との間で第１流体が循環されると共に、前記熱源の熱を吸収した前記第１流体が流れる第１熱交換器と、
   前記第１熱交換器を車両前側から車両後側へ通過する気流を形成する気流形成装置と、
   前記第１熱交換器を車両前側から液状の第２流体を散布する散布装置と、
   前記第１熱交換器の車両後下側における前記第１熱交換器を通過して落下する前記第２流体を受けることが可能な位置に配置されると共に前記熱源との間で第１流体が循環されると共に、前記熱源の熱を吸収した前記第１流体が流れる第２熱交換器と、
   を備える熱交換装置。