JP2020128838A - 熱輸送システム - Google Patents
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Abstract
【課題】熱輸送システムにおいて、熱輸送媒体の低温での粘度増大を抑制し、さらに熱輸送媒体の低導電性を確保する。【解決手段】冷媒が循環する冷凍サイクル装置10と、熱輸送媒体が循環する熱輸送媒体回路30と、冷媒と熱輸送媒体を熱交換し、熱輸送媒体を冷却する熱交換器15と、熱輸送媒体回路に設けられ、熱輸送媒体に吸熱される電気機器33〜35とを備える。熱輸送媒体は水を含まない無水系液体であり、無水系液体は水より極性が低い物質からなる。無水系液体としては、無水アルコール系液体、無水アミド系液体、無水エステル系液体、無水シリコーン系液体、無水フッ素系液体のいずれかを用いることができる。【選択図】図1
Description
本発明は、熱輸送媒体によって熱を輸送する熱輸送システムに関する。
特許文献1には、チラーによって冷凍サイクルの冷媒と低温冷却水回路の低温冷却水とを熱交換し、低温冷却水を冷却する装置が記載されている。この装置では、低温冷却水として、エチレングリコール水溶液などが用いられている。
しかしながら、エチレングリコール水溶液は低温時に粘度が高くなるため、低温冷却水回路の圧力損失が大きくなる。このため、低温冷却水を循環させるためのポンプ動力の増大を招く。また、エチレングリコール水溶液は使用によって導電率が上昇するため、電池のような電気機器で発生する熱の輸送に用いる場合には、漏電を防止するために大がかりな絶縁対策が必要となる。
本発明は上記点に鑑み、熱輸送システムにおいて、熱輸送媒体の低温での粘度増大を抑制し、さらに熱輸送媒体の低導電性を確保することを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、冷媒が循環する冷凍サイクル装置(10)と、熱輸送媒体が循環する熱輸送媒体回路(30)と、冷媒と熱輸送媒体を熱交換し、熱輸送媒体を冷却する熱交換器(15)と、熱輸送媒体回路に設けられ、熱輸送媒体に吸熱される電気機器(33〜35)と備える。熱輸送媒体は水を含まない無水系液体であり、無水系液体は水より極性が低い物質からなることを特徴とする。無水系液体としては、無水アルコール系液体、無水アミド系液体、無水エステル系液体、無水シリコーン系液体、無水フッ素系液体のいずれかを用いることができる。
これにより、低温における熱輸送媒体の低粘度を確保できる。このため、低温環境下においても、熱輸送媒体回路における圧力損失の増大を抑制でき、ポンプ動力の増大を抑制できる。
また、水を含まない無水系液体を熱輸送媒体として用いることで、使用によって熱輸送媒体の導電性が上昇することを抑制できる。この結果、熱輸送システムに大がかりな絶縁対策を施す必要がなくなる。
また、熱輸送媒体が絶縁性を備えていることで、熱輸送媒体と電気機器を直接接触させ、熱輸送媒体によって電気機器を直接冷却することができる。これにより、電気機器と低温側熱輸送媒体との熱交換効率を向上させることができ、熱の移動抵抗を低減することができる。
なお、上記各構成要素の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
以下、本発明の熱輸送システムを適用した最も好適な実施形態について図面に基づいて説明する。
本実施形態の熱輸送システム1は、走行用電動モータから車両走行用の駆動力を得る電気自動車に搭載されている。熱輸送システム1は、エンジン(換言すれば内燃機関)および走行用電動モータから車両走行用の駆動力を得るハイブリッド自動車に搭載されていてもよい。本実施形態の熱輸送システム1は、車室内空間の温度調整を行う空調装置として機能し、車両に搭載された電池33等の温度調整を行う温調装置としても機能する。
図1に示すように、熱輸送システム1は、冷凍サイクル装置10と、高温媒体回路20と、低温媒体回路30とを有している。高温媒体回路20及び低温媒体回路30では、熱輸送媒体による熱の輸送が行われる。低温媒体回路30の熱輸送媒体は、高温媒体回路20の熱輸送媒体よりも低温となっている。このため、高温媒体回路20の熱輸送媒体を高温側熱輸送媒体ともいい、低温媒体回路30の熱輸送媒体を低温側熱輸送媒体ともいう。なお、低温媒体回路30が本発明の熱輸送媒体回路に相当している。
冷凍サイクル装置10は蒸気圧縮式冷凍機であり、冷媒が循環する冷媒循環流路11を有している。冷凍サイクル装置10は、低温媒体回路30の低温側熱輸送媒体の熱を冷媒に汲み上げるヒートポンプとして機能する。
本実施形態の冷凍サイクル装置10では、冷媒としてフロン系冷媒を用いており、高圧側冷媒圧力が冷媒の臨界圧力を超えない亜臨界冷凍サイクルを構成している。冷媒循環流路11には、圧縮機12、凝縮器13、膨張弁14および熱輸送媒体用蒸発器15が配置されている。
圧縮機12は、電池33から供給される電力によって駆動される電動圧縮機であり、冷媒を吸入して圧縮して吐出する。凝縮器13は、圧縮機12から吐出された高圧側冷媒と高温媒体回路20の熱輸送媒体とを熱交換させることによって高圧側冷媒を凝縮させる高圧側熱交換器である。凝縮器13では、冷凍サイクル装置10の高圧側冷媒によって高温媒体回路20の熱輸送媒体が加熱される。
膨張弁14は、凝縮器13から流出した液相冷媒を減圧膨張させる減圧部である。膨張弁14は、感温部を有し、ダイヤフラム等の機械的機構によって弁体を駆動する機械式の温度式膨張弁である。
熱輸送媒体用蒸発器15は、膨張弁14を流出した低圧冷媒と低温媒体回路30の熱輸送媒体とを熱交換させることによって低圧冷媒を蒸発させる低圧側熱交換器である。熱輸送媒体用蒸発器15で蒸発した気相冷媒は圧縮機12に吸入されて圧縮される。
熱輸送媒体用蒸発器15は、冷凍サイクル装置10の低圧冷媒によって低温媒体回路30の熱輸送媒体を冷却するチラーである。熱輸送媒体用蒸発器15では、低温媒体回路30の熱輸送媒体の熱が冷凍サイクル装置10の冷媒に吸熱される。なお、熱輸送媒体用蒸発器15が本発明の熱交換器に相当している。
高温媒体回路20は、高温側熱輸送媒体が循環する高温側循環流路21を有している。高温側熱輸送媒体として、エチレングリコール系の不凍液(LLC)等を用いることができる。高温側熱輸送媒体は、高温側循環流路21を構成する配管内に封入されている。本実施形態の高温媒体回路20は、高温側熱輸送媒体の圧力が所定値を上回った場合に開放する圧力調整弁が設けられていない密閉式となっている。
高温側循環流路21には、高温側ポンプ22、ヒータコア23および凝縮器13が配置されている。
高温側ポンプ22は、高温側循環流路21を循環する熱輸送媒体を吸入して吐出する。高温側ポンプ22は電動式のポンプである。高温側ポンプ22は、高温媒体回路20を循環する熱輸送媒体の流量を調整する。
ヒータコア23は、高温媒体回路20の熱輸送媒体と車室内へ送風される空気とを熱交換させて車室内へ送風される空気を加熱する空気加熱用熱交換器である。ヒータコア23では、熱輸送媒体によって車室内へ送風される空気が加熱される。
ヒータコア23で加熱された空気は車室内に供給され、車室内の暖房が行われる。ヒータコア23による暖房は、主に冬季に行われる。本実施形態の熱輸送システムでは、低温媒体回路30の低温側熱輸送媒体に吸熱された外気の熱が冷凍サイクル装置10によって高温媒体回路20の高温熱輸送媒体に汲み上げられ、室内の暖房に用いられる。
低温媒体回路30は、低温側熱輸送媒体が循環する低温側循環流路31を有している。低温側熱輸送媒体は、低温側循環流路31を構成する配管内に封入されている。本実施形態の低温媒体回路30は、低温側熱輸送媒体の圧力が所定値を上回った場合に開放する圧力調整弁が設けられていない密閉式となっている。なお、低温側熱輸送媒体については後述する。
低温側循環流路31には、低温側ポンプ32、熱輸送媒体用蒸発器15、電池33、インバータ34、モータジェネレータ35および室外熱交換器36が配置されている。図1に示す例では、低温側熱輸送媒体の流れ方向において、電池33、インバータ34、モータジェネレータ35、室外熱交換器36、低温側ポンプ32の順に接続されているが、この接続順序に限定されるものではない。また、図1に示す例では、電池33、インバータ34、モータジェネレータ35、室外熱交換器36、低温側ポンプ32が直列的に接続されているが、これらのうち1以上の機器を他の機器と並列的に接続してもよい。
低温側ポンプ32は、低温側循環流路31を循環する熱輸送媒体を吸入して吐出する。低温側ポンプ32は電動式のポンプである。低温側ポンプ32は、低温媒体回路30を循環する熱輸送媒体の流量を調整する。
電池33は、充放電可能な2次電池であり、例えばリチウムイオン電池を用いることができる。電池33としては、複数個の電池セルで構成されている組電池を用いることができる。
電池33は、車両停車時に外部電源(換言すれば商用電源)から供給された電力を充電可能となっている。電池33に蓄えられた電力は、走行用電動モータのみならず、熱輸送システム1を構成する電動式構成機器をはじめとする各種車載機器に供給される。
インバータ34は、電池33から供給された直流電力を交流電力に変換してモータジェネレータ35に出力する。モータジェネレータ35は、インバータ34から出力された電力を利用して走行用駆動力を発生するとともに、減速中や降坂中に回生電力を発生させる。
室外熱交換器36は、低温媒体回路30の熱輸送媒体と外気とを熱交換させる。室外熱交換器36には、図示しない室外送風機によって外気が送風される。
電池33、インバータ34、モータジェネレータ35は、電気を使用して作動する電気機器であり、作動時に発熱する。電池33、インバータ34、モータジェネレータ35は、低温側熱輸送媒体によって冷却される冷却対象機器である。
本実施形態では、電池33は第1冷却容器37に収納されており、インバータ34は第2冷却容器38に収納されており、モータジェネレータ35は第3冷却容器39に収納されている。冷却容器37〜39の内部には、低温側循環流路31を循環する低温側熱輸送媒体が流通する。このため、電池33、インバータ34、モータジェネレータ35は、それぞれ冷却容器37〜39の内部で低温側熱輸送媒体に浸漬した状態となる。つまり、冷却容器37〜39は直冷式の冷却器であり、電池33、インバータ34、モータジェネレータ35に低温側熱輸送媒体が直接接触して熱交換する。
冷却容器37〜39では、冷却対象機器である電池33、インバータ34およびモータジェネレータ35から低温側熱輸送媒体への吸熱が行われる。室外熱交換器36では、外気から低温側熱輸送媒体への吸熱が行われる。つまり、電池33、インバータ34、モータジェネレータ35および室外熱交換器36は、低温側熱輸送媒体への吸熱を行う被吸熱機器である。
次に、低温側熱輸送媒体について説明する。低温側熱輸送媒体は、低温での粘性が低く、絶縁性が高いことが望ましい。また、低温側熱輸送媒体は、熱容量が大きく、沸点が使用環境での最高温度より高く、凝固点が使用環境での最低温度より低く、化学的安定性が高いことが望ましい。
本実施形態では、低温側熱輸送媒体として、水を含まない無水系液体であって、水よりも極性が低い物質を用いている。無水系液体としては、無水アルコール系液体、無水アミド系液体、無水エステル系液体、無水シリコーン系液体、無水フッ素系液体のいずれかを用いることができる。これらの無水系液体は、低温での粘性が低く、かつ、絶縁性が高いという性質を有している。
無水アルコール系液体、無水アミド系液体及び無水エステル系液体は、低温側熱輸送媒体として用いた場合に、粘性、熱容量、沸点、凝固点の点で特に優れている。無水シリコーン系液体及び無水フッ素系液体は、低温側熱輸送媒体として用いた場合に、化学的安定性、絶縁性の点で特に優れている。また、無水シリコーン系液体及び無水フッ素系液体は、潤滑性を備えている。
無水アルコール系液体としては、炭素数が1〜3のアルコールであるメタノール、エタノール、プロパノールのいずれかを用いることができる。プロパノールには、ノルマルプロパノール(NPA)及びイソプロパノール(IPA)が含まれる。
メタノールは、融点が−97℃、沸点が64.5℃である。エタノールは、融点が−114℃、沸点が78.3℃である。ノルマルプロパノールは、融点が−126℃、沸点が97.2℃である。イソプロパノールは、融点が−89.5℃、沸点が82.4℃である。
これら炭素数1〜3のアルコールのうち、使用環境等に応じて、適切な性質を有するアルコールを適宜選択すればよい。本実施形態の低温側熱輸送媒体としては、ノルマルプロパノールまたはイソプロパノールを好適に用いることができる。
無水アルコール系液体は、アルコールの炭素数の上限を3とすることで、低温での低粘性を確保することができる。メタノールは、−20℃での動粘度が1.35mm2/s、−35℃での動粘度が1.80mm2/sである。また、ノルマルプロパノールは、−20℃での動粘度が8.05mm2/s、−35℃での動粘度が13.1mm2/sである。比較例としてのエチレングリコール系不凍液(LLC)は、−20℃での動粘度が29.6mm2/s、−35℃での動粘度が89.5mm2/sである。このように、本実施形態の無水アルコール系液体は、低温における低粘度を確保することができる。
無水アミド系液体としては、例えばジメチルホルムアミド(DMF)を用いることができる。ジメチルホルムアミドは、融点が−61℃、沸点が153℃である。ジメチルホルムアミドは、−20℃での動粘度が1.63mm2/s、−35℃での動粘度が2.25mm2/sである。このように、本実施形態の無水アミド系液体は、低温における低粘度を確保することができる。
無水エステル系液体としては、例えば炭酸エステルやカルボン酸エステルを用いることができる。カルボン酸としては、例えばギ酸や酢酸を用いることができる。炭酸やカルボン酸と結合するアルコールとしては、例えば炭素数が1〜3のアルコール(つまり、メタノール、エタノール、プロパノール)を用いることができる。
無水シリコーン系液体としては、例えばシロキサン結合を有する直鎖状ポリマーであるシリコーンオイルを用いることができる。シリコーンオイルの中でも、低温熱輸送媒体としてジメチルシリコーンオイルを好適に用いることができる。シリコーンオイルは、化学的安定性及び絶縁性に優れている。また、シリコーンオイルは潤滑性を備えている。
無水フッ素系液体としては、例えばフルオロカーボンを用いることができる。フルオロカーボンは、炭化水素に含まれる水素の一部をフッ素に置き換えた物質であり、フロリナート(3M社の商標)が知られている。フルオロカーボンは、化学的安定性、絶縁性に優れている。また、フルオロカーボンは潤滑性を備えている。
以上説明した本実施形態によれば、低温側熱輸送媒体として無水系液体を用いることで、エチレングリコール系不凍液に比べて、低温環境下での粘度増大を抑制できる。このため、低温環境下においても、低温媒体回路30で低温側熱輸送媒体が流れる際の圧力損失の増大を抑制でき、低温側ポンプ32の動力増大を抑制できる。
また、低温媒体回路30で低温側熱輸送媒体が流れる際の圧力損失の増大を抑制できることから、室外熱交換器36では、低温側熱輸送媒体の流路を狭くするなどして小型化しやすくなり、設計の自由度を向上させることができる。さらに、室外熱交換器36を通過する低温側熱輸送媒体の流速が向上することから、室外熱交換器36への着霜を抑制できる。
また、低温環境下での低温側熱輸送媒体の粘度増大を抑制できることから、エチレングリコール系不凍液に比べて、低温側熱輸送媒体の流量を増大させることができる。この結果、低温側熱輸送媒体の流速を上昇させることができ、低温側熱輸送媒体の熱伝達率をより向上させることができる。さらに、低温側熱輸送媒体の熱伝達率が向上することで、室外熱交換器36を含む機器全体の熱通過率を向上させることができる。
また、水を含まない無水系液体を低温側熱輸送媒体として用いることで、使用によって低温側熱輸送媒体の導電性が上昇することを抑制できる。この結果、熱輸送システム1に大がかりな絶縁対策を施す必要がなくなる。
また、低温側熱輸送媒体が絶縁性を備えていることで、低温側熱輸送媒体と電気機器33〜35を直接接触させ、低温側熱輸送媒体によって電気機器33〜35を直接冷却することができる。これにより、電気機器33〜35と低温側熱輸送媒体との熱交換効率を向上させることができ、熱の移動抵抗を低減できる。
また、低温側熱輸送媒体として、無水アルコール系液体、無水アミド系液体又は無水エステル系液体を用いた場合には、粘性、熱容量、沸点、凝固点に優れた熱輸送媒体を提供できる。
また、低温側熱輸送媒体として、無水シリコーン系液体又は無水フッ素系液体を用いた場合には、化学的安定性、絶縁性に優れた熱輸送媒体を提供できる。
また、低温側熱輸送媒体として、潤滑性を備える無水シリコーン系液体や無水フッ素系液体を用いる場合には、低温側熱輸送媒体がモータジェネレータ35等の潤滑油を兼用することができる。
(他の実施形態)
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。また、上記各実施形態に開示された手段は、実施可能な範囲で適宜組み合わせてもよい。
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。また、上記各実施形態に開示された手段は、実施可能な範囲で適宜組み合わせてもよい。
例えば、上記実施形態では、電池33、インバータ34及びモータジェネレータ35をそれぞれ個別に冷却容器に収納したが、2以上の電気機器を同一の冷却容器に収納してもよい。
例えば、図2に示すように、電池33とインバータ34を同一の冷却容器37に収納してもよく、図3に示すように、インバータ34とモータジェネレータ35を同一の冷却容器38に収納してもよい。また、図4に示すように、電池33とインバータ34とモータジェネレータ35を同一の冷却容器37に収納してもよい。
15 熱輸送媒体用蒸発器(熱交換器)
30 低温媒体回路(熱輸送媒体回路)
33 電池(電気機器)
34 インバータ(電気機器)
35 モータジェネレータ(電気機器)
30 低温媒体回路(熱輸送媒体回路)
33 電池(電気機器)
34 インバータ(電気機器)
35 モータジェネレータ(電気機器)
Claims (12)
- 冷媒が循環する冷凍サイクル装置(10)と、
熱輸送媒体が循環する熱輸送媒体回路(30)と、
前記冷媒と前記熱輸送媒体を熱交換し、前記熱輸送媒体を冷却する熱交換器(15)と、
前記熱輸送媒体回路に設けられ、前記熱輸送媒体に吸熱される電気機器(33〜35)と、
備え、
前記熱輸送媒体は水を含まない無水系液体であり、前記無水系液体は水より極性が低い物質からなる熱輸送システム。 - 前記無水系液体は、無水アルコール系液体である請求項1に記載の熱輸送システム。
- 前記無水アルコール系液体は、炭素数が1〜3のアルコールである請求項2に記載の熱輸送システム。
- 前記無水系液体は、無水アミド系液体である請求項1に記載の熱輸送システム。
- 前記無水アミド系液体は、ジメチルホルムアミドである請求項4に記載の熱輸送システム。
- 前記無水系液体は、無水エステル系液体である請求項1に記載の熱輸送システム。
- 前記無水エステル系液体は、炭酸と炭素数が1〜3のアルコールが結合している炭酸エステル、又はカルボン酸と炭素数が1〜3のアルコールが結合しているカルボン酸エステルである請求項6に記載の熱輸送システム。
- 前記無水系液体は、無水シリコーン系液体である請求項1に記載の熱輸送システム。
- 前記無水シリコーン系液体は、ジメチルシリコーンオイルである請求項8に記載の熱輸送システム。
- 前記無水系液体は、無水フッ素系液体である請求項1に記載の熱輸送システム。
- 前記無水フッ素系液体は、フルオロカーボンである請求項10に記載の熱輸送システム。
- 前記電気機器は、前記熱輸送媒体と直接接触して熱交換する請求項1ないし11のいずれか1つに記載の熱輸送システム。
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