JP2020079679A - 熱管理システム - Google Patents
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Abstract
【課題】エネルギー消費を抑制して暖房性能を向上する。【解決手段】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。【選択図】図1
Description
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)。
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。
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。
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(VO2)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。
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。
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。
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。
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。
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、本発明の概念及び特許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)
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。 - 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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