JP5949668B2 - 車両用熱管理システム - Google Patents

Description

本発明は、車両に用いられる熱管理システムに関する。

従来、特許文献１には、冷凍サイクルの低圧側冷媒と外気とを熱交換させる室外熱交換器と、冷凍サイクルの高圧側冷媒と車室内への送風空気とを熱交換させる室内凝縮器とを備える車両用空調装置が記載されている。

この従来技術では、室外熱交換器において冷凍サイクルの低圧側冷媒が外気から吸熱し、室内凝縮器において冷凍サイクルの高圧側冷媒が車室内への送風空気に放熱する。これにより、外気の熱を汲み上げて車室内への送風空気を加熱することができる。すなわち、ヒートポンプサイクルによって暖房を行うことができる。

特開２０１３−０５２８７７号公報

上記従来技術では、室内凝縮器において冷凍サイクルの高圧側冷媒と車室内への送風空気とを熱交換させるので、室内凝縮器で冷媒が漏れると車室内にも冷媒が漏れてしまう。

また、上記従来技術では、室外熱交換器に外気を導入する必要があるため、室外熱交換器が車両最前部に配置されている。そのため、車両が軽度な衝突事故を起こしただけで室外熱交換器が破壊されて冷媒が大気に放出されてしまうことがある。

そこで、本出願人は、冷凍サイクルの低圧側冷媒と冷却水とを熱交換させて冷却水を冷却する室外蒸発器と、室外蒸発器で冷却された冷却水が循環する第１冷却水回路と、冷凍サイクルの高圧側冷媒と冷却水とを熱交換させて冷却水を加熱する室外凝縮器と、室外凝縮器で加熱された冷却水が循環する第２冷却水回路と、第１冷却水回路を循環する冷却水と外気とを熱交換させて外気から冷却水に吸熱させる室外熱交換器と、第２冷却水回路を循環する冷却水と車室内への送風空気とを熱交換させて車室内への送風空気を加熱するヒータコアとを備える車両用熱管理システム（以下、検討例と言う。）を検討している。

この検討例では、冷却水として、エチレングリコール系の不凍液（ＬＬＣ）が用いられている。

この検討例によると、冷凍サイクルの高圧側冷媒は、室外凝縮器において冷却水と熱交換するので、室外凝縮器で冷媒が漏れた場合、車室内に冷媒が漏れることを防止できる。また、室外熱交換器では冷凍サイクルの冷却水と外気とが熱交換するので、車両の衝突事故等によって室外熱交換器が破壊された場合、冷媒が大気に放出されることを防止できる。

しかしながら、この検討例では、室外蒸発器で冷却される冷却水が外気の温度以下になることがある。冷却水が外気の温度以下になると冷却水の粘度が顕著に上昇するので、冷却水の圧力損失が増大し、ひいては冷却水の流量が減少する。

冷却水の流量が減少すると、冷却水の温度のさらなる低下を招いてしまう（詳細は後述）。このとき、冷却水の流量を維持しようとすれば、冷却水を循環させるための動力の増大を招く。

また、室外蒸発器で冷却される冷却水の温度が氷点未満になると、室外熱交換器で外気中の水分が凝固して着霜（フロスト）が生じる。本出願人が実験を通じて見出した知見によると、室外熱交換器において着霜が進行すると、冷却水の温度のさらなる低下を招くことがわかった。

冷却水の温度のさらなる低下を招くと、最悪の場合、冷却水の温度が凝固点を下回って冷却水が凝固してしまうおそれがある。

このような問題は、冷却水の代わりに種々の熱媒体を用いる場合にも同様に起こり得る。

本発明は上記点に鑑みて、熱媒体の温度が必要以上に低下することを抑制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、
冷凍サイクル（２０）の低圧側冷媒と熱媒体とを熱交換させて熱媒体を冷却する蒸発器（１４）と、
蒸発器（１４）で冷却された熱媒体が循環する第１熱媒体回路（Ｃ１）と、
冷凍サイクル（２０）の高圧側冷媒と熱媒体とを熱交換させて熱媒体を加熱する凝縮器（１５）と、
凝縮器（１５）で加熱された熱媒体が循環する第２熱媒体回路（Ｃ２）と、
第１熱媒体回路（Ｃ１）を流れる熱媒体の温度（ＴＷ１）が第１所定温度（Ｔｉ）を下回っている場合、第１熱媒体回路（Ｃ１）と第２熱媒体回路（Ｃ２）とが連結される連結モードに切り替え、第１熱媒体回路（Ｃ１）を流れる熱媒体の温度（ＴＷ１）が第２所定温度（Ｔｉｉ）以上である場合、第１熱媒体回路（Ｃ１）と第２熱媒体回路（Ｃ２）とが連結されない非連結モードに切り替える切替手段（３５、３６、３７、３８、４０ｅ、５１、５２）とを備えることを特徴とする。

これによると、第１熱媒体回路（Ｃ１）を流れる熱媒体の温度（ＴＷ１）が第１所定温度（Ｔｉ）を下回っている場合、凝縮器（１５）で加熱された熱媒体を第１熱媒体回路（Ｃ１）に流入させて第１熱媒体回路（Ｃ１）を流れる熱媒体の温度（ＴＷ１）を上昇させることができる。

このため、第１熱媒体回路（Ｃ１）を流れる熱媒体の温度（ＴＷ１）を第１所定温度（Ｔｉ）以上に保つことができるので、熱媒体の温度が必要以上に低下することを抑制できる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、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。

第１実施形態における車両用熱管理システムの全体構成図であり、非連結モードを示している。 第１実施形態における車両用熱管理システムの全体構成図であり、連結モードを示している。 第１実施形態における車両用熱管理システムの電気制御部を示すブロック図である。 第１実施形態における車両用熱管理システムの制御処理を説明するフローチャートである。 第１実施形態における車両用熱管理システムの制御処理で用いられる制御特性図である。 冷却水の温度と冷却水の粘度との関係を示すグラフである。 冷却水の温度と冷却水ポンプの最大効率との関係を示すグラフである。 第２実施形態における車両用熱管理システムの全体構成図である。

以下、実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
図１に示す車両用熱管理システム１０は、車両が備える各種機器や車室内を適切な温度に調整するために用いられる。本実施形態では、車両用熱管理システム１０を、エンジン（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適用している。

本実施形態のハイブリッド自動車は、車両停車時に外部電源（商用電源）から供給された電力を、車両に搭載された電池（車載バッテリ）に充電可能なプラグインハイブリッド自動車として構成されている。電池としては、例えばリチウムイオン電池を用いることができる。

エンジンから出力される駆動力は、車両走行用として用いられるのみならず、発電機を作動させるためにも用いられる。そして、発電機にて発電された電力および外部電源から供給された電力を電池に蓄わえることができ、電池に蓄えられた電力は、走行用電動モータのみならず、車両用熱管理システム１０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。

図１に示すように、車両用熱管理システム１０は、第１ポンプ１１、第２ポンプ１２、ラジエータ１３、冷却水冷却器１４、冷却水加熱器１５およびヒータコア１６を備えている。

第１ポンプ１１および第２ポンプ１２は、冷却水（熱媒体）を吸入して吐出する冷却水ポンプであり、電動ポンプで構成されている。冷却水は、熱媒体としての流体である。本実施形態では、冷却水として、少なくともエチレングリコール、ジメチルポリシロキサンもしくはナノ流体を含む液体、または不凍液体が用いられている。

ラジエータ１３、冷却水冷却器１４、冷却水加熱器１５およびヒータコア１６は、冷却水が流通する冷却水流通機器（熱媒体流通機器）である。

ラジエータ１３は、冷却水と外気（車室外空気）とを熱交換する冷却水外気熱交換器（熱媒体外気熱交換器）である。ラジエータ１３には、室外送風機１７によって外気が送風される。室外送風機１７は、ラジエータ１３に外気を送風する送風手段である。室外送風機１７は、送風ファンを電動モータ（ブロワモータ）にて駆動する電動送風機である。

ラジエータ１３および室外送風機１７は車両の最前部に配置されている。このため、車両の走行時にはラジエータ１３に走行風を当てることができる。

冷却水冷却器１４は、冷凍サイクル２０の低圧側冷媒と冷却水とを熱交換させることによって冷却水を冷却する低圧側熱交換器（熱媒体冷却器）である。冷却水冷却器１４では冷却水を外気の温度よりも低温まで冷却することができる。

冷却水加熱器１５は、冷凍サイクル２０の高圧側冷媒と冷却水とを熱交換させることによって高圧側冷媒を冷却する高圧側熱交換器（冷媒冷却器）である。

冷凍サイクル２０は、圧縮機２１、冷却水加熱器１５、膨張弁２２および冷却水冷却器１４を備える蒸気圧縮式冷凍機である。本実施形態の冷凍サイクル２０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。

圧縮機２１は、電池から供給される電力によって駆動される電動圧縮機、またはベルトによって駆動される可変容量圧縮機であり、冷凍サイクル２０の冷媒を吸入して圧縮して吐出する。冷却水加熱器１５は、圧縮機２１から吐出された高圧側冷媒と冷却水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凝縮器である。

膨張弁２２は、冷却水加熱器１５から流出した液相冷媒を減圧膨張させる減圧手段である。冷却水冷却器１４は、膨張弁２２で減圧膨張された低圧冷媒と冷却水とを熱交換させることによって低圧冷媒を蒸発させる蒸発器である。冷却水冷却器１４で蒸発した気相冷媒は圧縮機２１に吸入されて圧縮される。

ヒータコア１６は、冷却水と車室内への送風空気とを熱交換させて車室内への送風空気を加熱する加熱用熱交換器（空気加熱器）である。ヒータコア１６には、室内送風機１８によって内気、外気、または内気と外気との混合空気が送風される。

室内送風機１８は、車室内へ向けて空気を送風する送風手段である。室内送風機１８は、遠心多翼ファン（シロッコファン）を電動モータ（ブロワモータ）にて駆動する電動送風機である。

ヒータコア１６および室内送風機１８は、車両用空調装置の室内空調ユニット３０のケーシング３１に収容されている。室内空調ユニット３０は、車室内最前部の計器盤（インストルメントパネル）の内側に配置されている。ケーシング３１は、室内空調ユニットの外殻を形成している。

ケーシング３１は、車室内へ送風される送風空気の空気通路を形成しており、ある程度の弾性を有し、強度的にも優れた樹脂（例えば、ポリプロピレン）にて成形されている。

第１ポンプ１１、ラジエータ１３および冷却水冷却器１４は、第１冷却水回路Ｃ１（第１熱媒体回路）に配置されている。第１冷却水回路Ｃ１は、冷却水（第１熱媒体）が第１ポンプ１１→冷却水冷却器１４→ラジエータ１３→第１ポンプ１１の順に循環するように構成されている。

第２ポンプ１２、冷却水加熱器１５およびヒータコア１６は、第２冷却水回路Ｃ２（第２熱媒体回路）に配置されている。第２冷却水回路Ｃ２は、冷却水（第２熱媒体）が第２ポンプ１２→ヒータコア１６→冷却水加熱器１５→第２ポンプ１２の順に循環するように構成されている。

第１冷却水回路Ｃ１および第２冷却水回路Ｃ２には、第１連結流路３２および第２連結流路３３が接続されている。

第１連結流路３２の一端は、第１冷却水回路Ｃ１のうちラジエータ１３の冷却水出口側かつ第１ポンプ１１の冷却水吸入側の部位に接続されている。第１連結流路３２の他端は、第２冷却水回路Ｃ２のうち冷却水加熱器１５の冷却水出口側かつ第２ポンプ１２の冷却水吸入側の部位に接続されている。

第２連結流路３３の一端は、第１冷却水回路Ｃ１のうち冷却水冷却器１４の冷却水出口側かつラジエータ１３の冷却水入口側の部位に接続されている。第２連結流路３３の他端は、第２冷却水回路Ｃ２のうちヒータコア１６の冷却水出口側かつ冷却水加熱器１５の冷却水入口側の部位に接続されている。

第１連結流路３２には、第３ポンプ３４が配置されている。第３ポンプ３４は、第１連結流路３２の冷却水（熱媒体）を吸入して吐出する冷却水ポンプであり、電動ポンプで構成されている。

第１連結流路３２と第１冷却水回路Ｃ１との接続部には、第１開閉弁３５が配置されている。第１連結流路３２と第２冷却水回路Ｃ２との接続部には、第２開閉弁３６が配置されている。第２連結流路３３と第１冷却水回路Ｃ１との接続部には、第３開閉弁３７が配置されている。第２連結流路３３と第２冷却水回路Ｃ２との接続部には、第４開閉弁３８が配置されている。

第１〜第４開閉弁３５〜３８は、第１連結流路３２および第２連結流路３３を開閉する開閉手段であり、例えば電磁弁で構成されている。第１〜第４開閉弁３５〜３８は、図１に示す非連結モードと、図２に示す連結モードとを切り替える切替手段を構成している。

非連結モードでは、第１〜第４開閉弁３５〜３８は第１連結流路３２および第２連結流路３３を閉じる。これにより、第１冷却水回路Ｃ１と第２冷却水回路Ｃ２とが連結されない。

連結モードでは、第１〜第４開閉弁３５〜３８は第１連結流路３２および第２連結流路３３を開ける。これにより、第１冷却水回路Ｃ１と第２冷却水回路Ｃ２とが連結される。

さらに、連結モードでは、第１ポンプ１１および第２ポンプ１２を停止させ、第３ポンプ３４を作動させる。これにより、冷却水は、第３ポンプ３４→冷却水加熱器１５およびヒータコア１６（並列流れ）→ラジエータ１３および冷却水冷却器１４（並列流れ）→第３ポンプ３４の順に循環する。

図３に示す制御装置４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭ等を含む周知のマイクロコンピュータとその周辺回路から構成され、そのＲＯＭ内に記憶された空調制御プログラムに基づいて各種演算、処理を行い、出力側に接続された第１ポンプ１１、第２ポンプ１２、室外送風機１７、室内送風機１８、圧縮機２１、第３ポンプ３４、第１〜第４開閉弁３５〜３８等の作動を制御する制御手段である。

制御装置４０は、その出力側に接続された各種制御対象機器を制御する制御手段が一体に構成されたものであるが、それぞれの制御対象機器の作動を制御する構成（ハードウェアおよびソフトウェア）が、それぞれの制御対象機器の作動を制御する制御手段を構成している。

制御装置４０のうち第１ポンプ１１の作動を制御する構成（ハードウェアおよびソフトウェア）は、第１冷却水流量制御手段４０ａ（第１熱媒体流量制御手段）を構成している。

制御装置４０のうち第２ポンプ１２の作動を制御する構成（ハードウェアおよびソフトウェア）は、第２冷却水流量制御手段４０ｂ（第２熱媒体流量制御手段）を構成している。

制御装置４０のうち圧縮機２１の作動を制御する構成（ハードウェアおよびソフトウェア）は、冷媒流量制御手段４０ｃを構成している。

制御装置４０のうち第３ポンプ３４の作動を制御する構成（ハードウェアおよびソフトウェア）は、第３冷却水流量制御手段４０ｄ（第３熱媒体流量制御手段）を構成している。

制御装置４０のうち第１〜第４開閉弁３５〜３８の作動を制御する構成（ハードウェアおよびソフトウェア）は、切替制御手段４０ｅを構成している。切替制御手段４０ｅは、非連結モードと連結モードとを切り替える切替手段を構成している。

第１冷却水流量制御手段４０ａ、第２冷却水流量制御手段４０ｂ、冷媒流量制御手段４０ｃ、第３冷却水流量制御手段４０ｄおよび切替制御手段４０ｅは、制御装置４０に対して別体で構成されていてもよい。

制御装置４０の入力側には、内気センサ４１、外気センサ４２、第１水温センサ４３、第２水温センサ４４、冷媒温度センサ４５等のセンサ群の検出信号が入力される。

内気センサ４１は、内気温（車室内温度）を検出する検出手段（内気温度検出手段）である。外気センサ４２は、外気温（車室外温度）を検出する検出手段（外気温度検出手段）である。

第１水温センサ４３は、第１冷却水回路Ｃ１を流れる冷却水の温度（例えば第１ポンプ１１に吸入される冷却水の温度）を検出する検出手段（第１熱媒体温度検出手段）である。

第２水温センサ４４は、第２冷却水回路Ｃ２を流れる冷却水の温度（例えば第２ポンプ１２に吸入される冷却水の温度）を検出する検出手段（第２熱媒体温度検出手段）である。

冷媒温度センサ４５は、冷凍サイクル２０の冷媒温度（例えば圧縮機２１から吐出される冷媒の温度）を検出する検出手段（冷媒温度検出手段）である。

内気温、外気温、冷却水温度および冷媒温度を、種々の物理量の検出値に基づいて推定するようにしてもよい。

制御装置４０の入力側には、エアコンスイッチ４８からの操作信号が入力される。エアコンスイッチ４８は、エアコンのオン・オフ（換言すれば冷房のオン・オフ）を切り替えるスイッチであり、車室内の計器盤付近に配置されている。

次に、上記構成における作動を説明する。車両用熱管理システム１０を起動すると、制御装置４０は、図１に示す非連結モードになるように第１〜第４開閉弁３５〜３８の作動を制御するとともに、第１ポンプ１１、第２ポンプ１２および圧縮機２１を作動させる。これにより、冷凍サイクル２０に冷媒が循環し、第１冷却水回路Ｃ１に冷却水が循環し、第２冷却水回路Ｃ２に冷却水が循環する。

冷却水冷却器１４では、冷凍サイクル２０の冷媒が第１冷却水回路Ｃ１の冷却水から吸熱するので、第１冷却水回路Ｃ１の冷却水が冷却される。冷却水冷却器１４で第１冷却水回路Ｃ１の冷却水から吸熱した冷凍サイクル２０の冷媒は、冷却水加熱器１５で第２冷却水回路Ｃ２の冷却水へ放熱する。これにより、第２冷却水回路Ｃ２の冷却水が加熱される。

冷却水加熱器１５で加熱された第２冷却水回路Ｃ２の冷却水は、ヒータコア１６において、室内送風機１８によって送風された送風空気に放熱する。したがって、車室内への送風空気が加熱される。

冷却水冷却器１４で冷却された第１冷却水回路Ｃ１の冷却水は、ラジエータ１３において、室外送風機１７によって送風された外気から吸熱する。したがって、外気の熱を汲み上げるヒートポンプ運転を実現できる。

このように非連結モードに切り替えられている状態において、制御装置４０は図４のフローチャートに示す制御処理を実施する。

ステップＳ１００では、第１冷却水回路Ｃ１を流れる冷却水の温度ＴＷ１が第１所定温度Ｔｉを下回っているか否かを検出する。第１所定温度Ｔｉは、予め制御装置４０に記憶された値である。

ステップＳ１００において、第１冷却水回路Ｃ１を流れる冷却水の温度ＴＷ１が第１所定温度Ｔｉを下回っていないと判定された場合、ステップＳ１００を繰り返す。したがって、非連結モードが維持される。

ステップＳ１００において、第１冷却水回路Ｃ１を流れる冷却水の温度ＴＷ１が、第１所定温度Ｔｉを下回っていると判定された場合、ステップＳ１１０へ進み、連結モードに切り替えてステップＳ１２０へ進む。連結モードでは、第１ポンプ１１および第２ポンプ１２を停止させ、第３ポンプ３４を作動させる。

これにより、第１冷却水回路Ｃ１と第２冷却水回路Ｃ２とが連結されて、第２冷却水回路Ｃ２の高温冷却水が第１冷却水回路Ｃ１に流入するので、第１冷却水回路Ｃ１を流れる冷却水の温度ＴＷ１が上昇する。

このとき、制御装置４０は、第２冷却水回路Ｃ２から第１冷却水回路Ｃ１に流入する冷却水の流量ＧＷを、図５に示す制御マップに基づいて制御する。

すなわち、第２冷却水回路Ｃ２を流れる冷却水の温度ＴＷ２から第１冷却水回路Ｃ１を流れる冷却水の温度ＴＷ１を減じた温度差ΔＴ＝ＴＷ２−ＴＷ１が大きいほど、第２冷却水回路Ｃ２から第１冷却水回路Ｃ１に流入する冷却水の流量ＧＷを小さくする。

これにより、非連結モードから連結モードに切り替えたときに第１冷却水回路Ｃ１に急に熱量負荷がかかって第１冷却水回路Ｃ１の構成機器に熱歪みが発生してしまうことを抑制できる。

冷却水流量ＧＷの制御は、例えば、第３ポンプ３４の回転数（冷却水吐出能力）の制御や、第１〜第４開閉弁３５〜３８の開度制御によって行うことができる。

なお、ステップＳ１１０において、第１ポンプ１１および第２ポンプ１２は、必ずしも停止させる必要はない。

ステップＳ１２０では、第１冷却水回路Ｃ１を流れる冷却水の温度ＴＷ１が第２所定温度Ｔｉｉ以上であるか否かを検出する。第２所定温度Ｔｉｉは、予め制御装置４０に記憶された値であって、第１所定温度Ｔｉよりも大きな値である。

ステップＳ１２０において、第１冷却水回路Ｃ１を流れる冷却水の温度ＴＷ１が第２所定温度Ｔｉｉ以上でないと判定された場合、ステップＳ１２０を繰り返す。したがって、連結モードが維持される。

ステップＳ１２０において、第１冷却水回路Ｃ１を流れる冷却水の温度ＴＷ１が第２所定温度Ｔｉｉ以上であると判定された場合、ステップＳ１３０へ進み、非連結モードに切り替える。これにより、第１冷却水回路Ｃ１と第２冷却水回路Ｃ２とが切り離されて、第２冷却水回路Ｃ２の高温冷却水が第１冷却水回路Ｃ１に流入しなくなるので、第１冷却水回路Ｃ１を流れる冷却水の温度ＴＷ１が低下する。

このように、第１冷却水回路Ｃ１を流れる冷却水の温度ＴＷ１に応じて非連結モードと連結モードとを切り替えることによって、第１冷却水回路Ｃ１を流れる冷却水の温度ＴＷ１を第１所定温度Ｔｉ以上、第２所定温度Ｔｉｉ以下の範囲に保つことができる。

ここで、冷却水の温度が必要以上に低下することによって発生する問題を説明する。図６は、冷却水がエチレングリコール系の不凍液（ＬＬＣ）である場合における冷却水の温度と冷却水の粘度との関係を示すグラフである。図６に示すように、冷却水の粘度は、冷却水の温度が低くなると顕著に上昇する。冷却水の粘度が上昇すると、冷却水の圧力損失が増大し、ひいては冷却水の流量が減少するという問題がある。このとき、冷却水の流量を維持しようとすれば、冷却水を循環させるための動力の増大を招いてしまう。

冷却水の流量が減少した場合、冷却水冷却器１４の挙動として、熱交換能力を維持するため、冷却水冷却器１４の入口冷却水温度Ｔｉｎと出口冷却水温度Ｔｏｕｔとの温度差が増加する方向でバランスすると考えられる。つまり、冷却水冷却器１４の出口冷却水温度Ｔｏｕｔが低くなると考えられる。このことは、次の数式から明らかである。
Ｑ＝ｃｐｗ・Ｇｗ・（Ｔｉｎ−Ｔｏｕｔ）
但し、Ｑは熱交換能力、ｃｐｗは冷却水の比熱、Ｇｗは冷却水の質量流量である。

冷却水冷却器１４の出口冷却水温度Ｔｏｕｔが低くなると、冷却水の温度のさらなる低下を招いてしまう。

ラジエータ１３を流れる冷却水の温度が氷点未満になると、ラジエータ１３で外気中の水分が凝固して着霜（フロスト）が生じる。本出願人が実験を通じて見出した知見によると、ラジエータ１３において着霜が進行するにつれて冷却水の温度のさらなる低下を招くことがわかった。

冷却水の温度のさらなる低下を招くと、最悪の場合、冷却水の温度が凝固点を下回って冷却水が凝固するという問題がある。特に冷却水ポンプを停止すると、冷却水に圧力がかからなくなるため冷却水が凝固しやすくなる。そのため、冷却水ポンプの再始動時に冷却水が流動しないという事態が起こり得る。

また、図６、図７に示すように、冷却水の温度が低くなると、冷却水の粘度が上昇することによって、冷却水ポンプの効率悪化を招くという問題がある。

特に、冷却水がエチレングリコール系の不凍液（ＬＬＣ）である場合、着霜の影響で冷却水温度が容易に-２０℃以下となり、この温度帯では図６から明らかなように冷却水の粘度が顕著に高くなる。その結果、上述の問題が顕著になってしまう。

本実施形態によると、第１冷却水回路Ｃ１を流れる冷却水の温度ＴＷ１を第１所定温度Ｔｉ以上に保つことができるので、冷却水の温度が必要以上に低下することを防止できる。そのため、上述の問題が発生することを抑制できる。

本実施形態では、第１〜第４開閉弁３５、３６、３７、３８および制御装置４０（切替制御手段４０ｅ）は、第１冷却水回路Ｃ１を流れる冷却水の温度ＴＷ１が所定温度Ｔｉ以下である場合、第１冷却水回路Ｃ１と第２冷却水回路Ｃ２とが連結される連結モードに切り替え、第１冷却水回路Ｃ１を流れる冷却水の温度ＴＷ１が所定温度Ｔｉ以上である場合、第１冷却水回路Ｃ１と第２冷却水回路Ｃ２とが連結されない非連結モードに切り替える。

これによると、第１冷却水回路Ｃ１を流れる冷却水の温度ＴＷ１が所定温度Ｔｉ以下である場合、第２冷却水回路Ｃ２の冷却水（冷却水加熱器１５で加熱された冷却水）を第１冷却水回路Ｃ１に流入させて第１冷却水回路Ｃ１を流れる冷却水の温度ＴＷ１を上昇させることができる。

このため、第１冷却水回路Ｃ１を流れる冷却水の温度ＴＷ１を所定温度Ｔｉ以上に保つことができるので、冷却水の温度が必要以上に低下することを抑制できる。

本実施形態では、連結モードの場合、第２冷却水回路Ｃ２から蒸発器１４に冷却水が流れる。これによると、蒸発器１４を流れる冷却水の温度を上昇させることができるので、蒸発器１４で冷却された冷却水の粘度が上昇したり、蒸発器１４で冷却水が凝固したりすることを抑制できる。

本実施形態では、連結モードの場合、第２冷却水回路Ｃ２からラジエータ１３に冷却水が流れる。これによると、ラジエータ１３を流れる冷却水の温度を上昇させることができるので、ラジエータ１３を流れる冷却水の粘度が上昇して第１冷却水回路Ｃ１における冷却水の圧力損失が増大することを抑制できる。

本実施形態では、連結モードの場合、冷却水加熱器１５から第１冷却水回路Ｃ１に冷却水が流れる。これによると、冷却水加熱器１５で加熱された高温の冷却水が第１冷却水回路Ｃ１を流れるので、第１冷却水回路Ｃ１を流れる冷却水の温度を効果的に上昇させることができる。

本実施形態では、連結モードの場合、ヒータコア１６から第１冷却水回路Ｃ１に冷却水が流れる。これによると、第２冷却水回路Ｃ２の高温の冷却水が第１冷却水回路Ｃ１を流れるので、第１冷却水回路Ｃ１を流れる冷却水の温度を上昇させることができる。

本実施形態では、第２冷却水回路Ｃ２を流れる冷却水の温度ＴＷ２から第１冷却水回路Ｃ１を流れる冷却水の温度ＴＷ１を減じた温度差ΔＴが大きいほど、第２冷却水回路Ｃ２から第１冷却水回路Ｃ１に流入する冷却水の流量を小さくする。

これにより、第１冷却水回路Ｃ１に急に熱量負荷がかかって第１冷却水回路Ｃ１の構成機器に熱歪みが発生してしまうことを抑制できる。

冷却水がエチレングリコール系の不凍液である場合、上述の作用効果は顕著になる。

（第２実施形態）
上記実施形態では、第１〜第４開閉弁３５〜３８によって連結モードと非連結モードとを切り替えるが、本実施形態では、図８に示すように、第１切替弁５１および第２切替弁５２によって連結モードと非連結モードとを切り替える。

本実施形態では、車両用熱管理システム１０は発熱機器５３を備えている。発熱機器５３は、作動に伴って発熱する発熱機器である。発熱機器５３は、冷却水が流通する流路を有し、冷却水との間で熱授受が行われる機器（温度調整対象機器）である。

発熱機器５３の例としては、インバータ、電池、走行用電動モータ、エンジン、燃料電池などが挙げられる。インバータは、電池から供給された直流電力を交流電圧に変換して走行用電動モータに出力する電力変換装置である。

第１切替弁５１および第２切替弁５２は、冷却水の流れを切り替える切替手段（熱媒体流れ切替手段）である。

第１切替弁５１は、冷却水の入口または出口を構成する多数個のポート（第１切替弁ポート）を有する多方弁である。具体的には、第１切替弁５１は、冷却水の入口として第１入口５１ａおよび第２入口５１ｂを有し、冷却水の出口として第１〜第４出口５１ｃ〜５１ｆを有している。

第２切替弁５２は、冷却水の入口または出口を構成する多数個のポート（第２切替弁ポート）を有する多方弁である。具体的には、第２切替弁５２は、冷却水の出口として第１出口５２ａおよび第２出口５２ｂを有し、冷却水の入口として第１〜第４入口５２ｃ〜５２ｆを有している。

第１切替弁５１の第１入口５１ａには、第１流路５４の一端が接続されている。第１流路５４の他端は、第２切替弁５２の第１出口５２ａに接続されている。第１流路５４には、第１ポンプ１１およびラジエータ１３が配置されている。

第１切替弁５１の第２入口５１ｂには、第２流路５５の一端が接続されている。第２流路５５の他端は、第２切替弁５２の第２出口５２ｂに接続されている。第２流路５５には、第２ポンプ１２が配置されている。

第１切替弁５１の第１出口５１ｃには、第３流路５６の一端が接続されている。第３流路５６の他端は、第２切替弁５２の第１入口５２ｃに接続されている。第３流路５６には、冷却水冷却器１４が配置されている。

第１切替弁５１の第２出口５１ｄには、第４流路５７の一端が接続されている。第４流路５７の他端は、第２切替弁５２の第２入口５２ｄに接続されている。第４流路５７には、冷却水加熱器１５が配置されている。

第１切替弁５１の第３出口５１ｅには、第５流路５８の一端が接続されている。第５流路５８の他端は、第２切替弁５２の第３入口５２ｅに接続されている。第５流路５８には、ヒータコア１６が配置されている。

第１切替弁５１の第４出口５１ｆには、第６流路５９の一端が接続されている。第６流路５９の他端は、第２切替弁５２の第４入口５２ｆに接続されている。第６流路５９には、発熱機器５３が配置されている。

第１切替弁５１は、各入口５１ａ、５１ｂと各出口５１ｃ〜５１ｆとの連通状態を任意または選択的に切り替え可能な構造になっている。第２切替弁５２も、各出口５２ａ、５２ｂと各入口５２ｃ〜５２ｆとの連通状態を任意または選択的に切り替え可能な構造になっている。

具体的には、第１切替弁５１は、冷却水冷却器１４、冷却水加熱器１５ヒータコア１６および発熱機器５３のそれぞれについて、第１ポンプ１１から吐出された冷却水が流入する状態と、第２ポンプ１２から吐出された冷却水が流入する状態と、第１ポンプ１１から吐出された冷却水および第２ポンプ１２から吐出された冷却水が流入しない状態とを切り替える。

第２切替弁５２は、冷却水冷却器１４、冷却水加熱器１５ヒータコア１６および発熱機器５３のそれぞれについて、第１ポンプ１１へ冷却水が流出する状態と、第２ポンプ１２へ冷却水が流出する状態と、第１ポンプ１１および第２ポンプ１２へ冷却水が流出しない状態とを切り替える。

第１切替弁５１および第２切替弁５２の構造例を簡単に説明すると、第１切替弁５１および第２切替弁５２は、外殻をなすケースと、ケースに収容された弁体とを備え、ケースの所定の位置に冷却水の入口および出口が形成され、弁体が回転操作されることによって冷却水の入口と出口との連通状態が変化するようになっている。

第１切替弁５１の弁体および第２切替弁５２の弁体は、別個の電動モータによって独立して回転駆動される。第１切替弁５１用の電動モータおよび第２切替弁５２用の電動モータの作動は、制御装置４０によって制御される。第１切替弁５１の弁体および第２切替弁５２の弁体は、共通の電動モータによって連動して回転駆動されるようになっていてもよい。

制御装置４０が第１切替弁５１用の電動モータおよび第２切替弁５２用の電動モータの作動を制御することによって、種々の作動モードに切り替えられる。

例えば、非連結モードでは、第１流路５４と第３〜第６流路５６〜５９のうち少なくとも１つの流路とで第１冷却水回路Ｃ１（第１熱媒体回路）が構成され、第２流路５５と第３〜第６流路５６〜５９のうち少なくとも他の１つの流路とで第２冷却水回路Ｃ２（第２熱媒体回路）が構成される。

第３〜第６流路５６〜５９のそれぞれについて、第１冷却水回路Ｃ１に接続される場合と、第２冷却水回路Ｃ２に接続される場合とを状況に応じて切り替えることによって、冷却水冷却器１４、冷却水加熱器１５、ヒータコア１６および発熱機器５３を状況に応じて適切な温度に調整できる。

図８に示すように、冷却水冷却器１４とラジエータ１３とが第１冷却水回路Ｃ１に接続され、冷却水加熱器１５とヒータコア１６とが第２冷却水回路Ｃ２に接続されている場合、冷凍サイクル２１のヒートポンプ運転によって車室内を暖房できる。

すなわち、第１冷却水回路Ｃ１では、冷却水冷却器１４で冷却された冷却水がラジエータ１３を流れるので、ラジエータ１３で冷却水が外気から吸熱する。そして、ラジエータ１３にて外気から吸熱した冷却水は、冷却水冷却器１４で冷凍サイクル２１の冷媒と熱交換して放熱する。したがって、冷却水冷却器１４では、冷凍サイクル２１の冷媒が冷却水を介して外気から吸熱する。

冷却水冷却器１４にて外気から吸熱した冷媒は、冷却水加熱器１５にて第２冷却水回路Ｃ２の冷却水と熱交換して放熱する。したがって、冷却水加熱器１５では冷却水が加熱される。冷却水加熱器１５で加熱された冷却水は、ヒータコア１６にて車室内への送風空気と熱交換して放熱する。したがって、ヒータコア１６では車室内への送風空気が加熱される。

したがって、外気の熱を汲み上げて車室内への送風空気を加熱するヒートポンプ運転を実現できる。

連結モードでは、第１切替弁５１および第２切替弁５２は、第１冷却水回路Ｃ１と第２冷却水回路Ｃ２とを連結する。これにより、第２冷却水回路Ｃ２の高温冷却水が第１冷却水回路Ｃ１に流入するので、第１冷却水回路Ｃ１を流れる冷却水の温度ＴＷ１を上昇させることができる。

すなわち、非連結モードの場合、第１切替弁５１は、第２冷却水回路Ｃ２から第１冷却水回路Ｃ１に冷却水を流入させないように冷却水の流れを切り替え、第２切替弁５２は、第１冷却水回路Ｃ１から第２冷却水回路Ｃ２に冷却水を流入させないように冷却水の流れを切り替える。

一方、連結モードの場合、第１切替弁５１は、第２冷却水回路Ｃ２から第１冷却水回路Ｃ１に冷却水を流入させるように冷却水の流れを切り替え、第２切替弁５２は、第１冷却水回路Ｃ１から第２冷却水回路Ｃ２に冷却水を流入させるように冷却水の流れを切り替える。

これにより、第１切替弁５１および第２切替弁５２によって連結モードと非連結モードとを切り替えることができる。

図８に示す作動モードでは、発熱機器５３が第１冷却水回路Ｃ１に接続されている。これによると、第１冷却水回路Ｃ１を循環する冷却水が発熱機器５３の廃熱によって加熱される。そのため、第１冷却水回路Ｃ１を循環する冷却水の温度が必要以上に低下することを抑制できるとともに、第１冷却水回路Ｃ１を循環する冷却水で発熱機器５３を冷却できる。

（他の実施形態）
上記実施形態を適宜組み合わせ可能である。上記実施形態を例えば以下のように種々変形可能である。

（１）上記第１実施形態において、４つの開閉弁３５〜３８の代わりに４つの三方弁が配置されていてもよい。各三方弁は、３つのポート（冷却水の出入口）を有しており、３つのポートのうち２つのポートを連通させ、残余の１つのポートを閉じる。

４つの開閉弁３５〜３８の代わりに４つの三方弁が配置されている場合、連結モードでは、冷却水は、第３ポンプ３４→冷却水加熱器１５またはヒータコア１６→ラジエータ１３または冷却水冷却器１４→第３ポンプ３４の順に循環する。

すなわち、４つの開閉弁３５〜３８の代わりに４つの三方弁を配置すれば、連結モードにおいて、冷却水加熱器１５およびヒータコア１６のうちいずれか一方に冷却水が循環せず、ラジエータ１３および冷却水冷却器１４のうちいずれか一方に冷却水が循環しないようにすることができる。

連結モードにおいて、冷却水加熱器１５で加熱された冷却水が第１冷却水回路Ｃ１を流れないようにすれば、冷却水加熱器１５に冷却水の熱量を残すことができるので、その後、非連結モードに切り替えたときに冷凍サイクル２０が性能を速やかに発揮できる。

（２）上記第１実施形態において、第２冷却水回路Ｃ２に、冷却水がヒータコア１６をバイパスして流れるバイパス流路を設け、連結モード時に冷却水がバイパス流路を流れてヒータコア１６を流れないようにしてもよい。

これによると、連結モード時に、ヒータコア１６に残った冷却水の熱で車室内への送風空気を加熱しながら、冷却水加熱器１５で加熱された冷却水を第１冷却水回路Ｃ１に流すことができるので、車室内の暖房を止めることなく第１冷却水回路Ｃ１の冷却水の温度が必要以上に低下することを抑制できる。

（３）上記第２実施形態において、第１切替弁５１のポートの個数、第２切替弁５２のポートの個数、および第１、第２切替弁５１、５２に接続される流路の個数を適宜増減可能である。

（４）上記実施形態において、第２冷却水回路Ｃ２に蓄熱器が設けられていてもよい。蓄熱器は、第２冷却水回路Ｃ２を流れる冷却水の熱を蓄える蓄熱手段である。蓄熱器としては、例えば高温冷却水を貯める断熱容器や、熱容量の大きい部材等を用いることができる。

（５）上記実施形態では、ヒータコア１６を流れる熱媒体として冷却水を用いているが、油などの各種媒体を熱媒体として用いてもよい。

熱媒体として、ナノ流体を用いてもよい。ナノ流体とは、粒子径がナノメートルオーダーのナノ粒子が混入された流体のことである。ナノ粒子を熱媒体に混入させることで、エチレングリコールを用いた冷却水（いわゆる不凍液）のように凝固点を低下させる作用効果に加えて、次のような作用効果を得ることができる。

すなわち、特定の温度帯での熱伝導率を向上させる作用効果、熱媒体の熱容量を増加させる作用効果、金属配管の防食効果やゴム配管の劣化を防止する作用効果、および極低温での熱媒体の流動性を高める作用効果を得ることができる。

このような作用効果は、ナノ粒子の粒子構成、粒子形状、配合比率、付加物質によって様々に変化する。

これによると、熱伝導率を向上させることができるので、エチレングリコールを用いた冷却水と比較して少ない量の熱媒体であっても同等の冷却効率を得ることが可能になる。

また、熱媒体の熱容量を増加させることができるので、熱媒体自体の蓄冷熱量（顕熱による蓄冷熱）を増加させることができる。

蓄冷熱量を増加させることにより、圧縮機２１を作動させない状態であっても、ある程度の時間は蓄冷熱を利用した機器の冷却、加熱の温調が実施できるため、車両用熱管理システム１０の省動力化が可能になる。

ナノ粒子のアスペクト比は５０以上であるのが好ましい。十分な熱伝導率を得ることができるからである。なお、アスペクト比は、ナノ粒子の縦×横の比率を表す形状指標である。

ナノ粒子としては、Ａｕ、Ａｇ、ＣｕおよびＣのいずれかを含むものを用いることができる。具体的には、ナノ粒子の構成原子として、Ａｕナノ粒子、Ａｇナノワイヤー、ＣＮＴ（カーボンナノチューブ）、グラフェン、グラファイトコアシェル型ナノ粒子（上記原子を囲むようにカーボンナノチューブ等の構造体があるような粒子体）、およびＡｕナノ粒子含有ＣＮＴなどを用いることができる。

（６）上記実施形態の冷凍サイクル２０では、冷媒としてフロン系冷媒を用いているが、冷媒の種類はこれに限定されるものではなく、二酸化炭素等の自然冷媒や炭化水素系冷媒等を用いてもよい。

また、上記実施形態の冷凍サイクル２０は、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が、高圧側冷媒圧力が冷媒の臨界圧力を超える超臨界冷凍サイクルを構成していてもよい。

（７）上記実施形態では、車両用熱管理システム１０をハイブリッド自動車に適用した例を示したが、エンジンを備えず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等に車両用熱管理システム１０を適用してもよい。

１３ ラジエータ
１４ 冷却水冷却器（蒸発器）
１５ 冷却水加熱器（凝縮器）
１６ ヒータコア
２０ 冷凍サイクル
３５、３６、３７、３８ 第１〜第４開閉弁（切替手段）
４０ｄ 第３冷却水流量制御手段（流量制御手段）
４０ｅ 切替制御手段（切替手段）
Ｃ１ 第１冷却水回路（第１熱媒体回路）
Ｃ２ 第２冷却水回路（第２熱媒体回路）

Claims (8)

1. 冷凍サイクル（２０）の低圧側冷媒と熱媒体とを熱交換させて熱媒体を冷却する蒸発器（１４）と、
   前記蒸発器（１４）で冷却された前記熱媒体が循環する第１熱媒体回路（Ｃ１）と、
   前記冷凍サイクル（２０）の高圧側冷媒と前記熱媒体とを熱交換させて熱媒体を加熱する凝縮器（１５）と、
   前記凝縮器（１５）で加熱された前記熱媒体が循環する第２熱媒体回路（Ｃ２）と、
   前記第１熱媒体回路（Ｃ１）を流れる前記熱媒体の温度（ＴＷ１）が第１所定温度（Ｔｉ）を下回っている場合、前記第１熱媒体回路（Ｃ１）と前記第２熱媒体回路（Ｃ２）とが連結される連結モードに切り替え、前記第１熱媒体回路（Ｃ１）を流れる前記熱媒体の温度（ＴＷ１）が第２所定温度（Ｔｉｉ）以上である場合、前記第１熱媒体回路（Ｃ１）と前記第２熱媒体回路（Ｃ２）とが連結されない非連結モードに切り替える切替手段（３５、３６、３７、３８、４０ｅ、５１、５２）とを備えることを特徴とする車両用熱管理システム。
2. 前記切替手段は、
   前記連結モードの場合、前記第２熱媒体回路（Ｃ２）から前記第１熱媒体回路（Ｃ１）に前記熱媒体を流入させ、前記非連結モードの場合、前記第２熱媒体回路（Ｃ２）から前記第１熱媒体回路（Ｃ１）に前記熱媒体を流入させないように前記熱媒体の流れを切り替える第１切替弁（５１）と、
   前記連結モードの場合、前記第１熱媒体回路（Ｃ１）から前記第２熱媒体回路（Ｃ２）に前記熱媒体を流入させ、前記非連結モードの場合、前記第１熱媒体回路（Ｃ１）から前記第２熱媒体回路（Ｃ２）に前記熱媒体を流入させないように前記熱媒体の流れを切り替える第２切替弁（５２）とを有していることを特徴とする請求項１に記載の車両用熱管理システム。
3. 前記切替手段は、前記連結モードの場合、前記第２熱媒体回路（Ｃ２）から前記蒸発器（１４）に前記熱媒体が流れるように前記第１熱媒体回路（Ｃ１）と前記第２熱媒体回路（Ｃ２）とを連結することを特徴とする請求項１または２に記載の車両用熱管理システム。
4. 前記第１熱媒体回路（Ｃ１）に配置され、前記蒸発器（１４）で冷却された前記熱媒体と外気とを熱交換させるラジエータ（１３）を備え、
   前記切替手段は、前記連結モードの場合、前記第２熱媒体回路（Ｃ２）から前記ラジエータ（１３）に前記熱媒体が流れるように前記第１熱媒体回路（Ｃ１）と前記第２熱媒体回路（Ｃ２）とを連結することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の車両用熱管理システム。
5. 前記切替手段は、前記連結モードの場合、前記凝縮器（１５）から前記第１熱媒体回路（Ｃ１）に前記熱媒体が流れるように前記第１熱媒体回路（Ｃ１）と前記第２熱媒体回路（Ｃ２）とを連結することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の車両用熱管理システム。
6. 前記第２熱媒体回路（Ｃ２）に配置され、前記凝縮器（１５）で加熱された前記熱媒体と車室内への送風空気とを熱交換させるヒータコア（１６）を備え、
   前記切替手段は、前記連結モードの場合、前記ヒータコア（１６）から前記第１熱媒体回路（Ｃ１）に前記熱媒体が流れるように前記第１熱媒体回路（Ｃ１）と前記第２熱媒体回路（Ｃ２）とを連結することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の車両用熱管理システム。
7. 前記第２熱媒体回路（Ｃ２）を流れる前記熱媒体の温度（ＴＷ２）から前記第１熱媒体回路（Ｃ１）を流れる前記熱媒体の温度（ＴＷ１）を減じた温度差（ΔＴ）が大きいほど、前記第２熱媒体回路（Ｃ２）から前記第１熱媒体回路（Ｃ１）に流入する前記熱媒体の流量を小さくする流量制御手段（３４、３５、３６、３７、３８、４０ｄ、４０ｅ）とを備えることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の車両用熱管理システム。
8. 前記熱媒体は、エチレングリコール系の不凍液であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の車両用熱管理システム。

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