JP5983187B2 - 車両用熱管理システム - Google Patents

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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、電気自動車のモータジェネレータ、インバータ、バッテリおよび車室を冷却する熱制御装置が記載されている。
この従来技術の熱制御装置は、モータジェネレータおよびインバータの冷却に用いられる冷却水を循環させる冷却回路と、バッテリおよび車室の冷却に用いられる冷却水を循環させる第1循環回路と、室外熱交換器を通過して外気との間で熱交換が行われる冷却水を循環させる第2循環回路とを備えている。
さらに熱制御装置は、冷却回路と第1循環回路との断接を行う第1バルブ、冷却回路を第1循環回路及び第2循環回路のいずれかに接続する第2バルブ、及び冷却回路と第2循環回路との断接を行う第3バルブを備え、それら各バルブの制御を通じて冷却回路の接続先を第1循環回路と第2循環回路との間で切り換えるようにしている。
第2循環回路を循環する冷却水と第1循環回路を循環する冷却水との間では、熱移動装置による熱の移動を行うことが可能となっている。この熱移動装置は、第1循環回路の冷却水と第2循環回路の冷却水との間で、低温の冷却水から高温の冷却水への熱の移動を行う。
そして、第1循環回路の冷却水の熱を熱移動装置によって第2循環回路の冷却水へ移動させ、第2循環回路の冷却水の熱を室外熱交換器で外気に放熱することによって、バッテリおよび車室を冷却することができる。
また、冷却回路を第1〜第3バルブで第1循環回路または第2循環回路に接続して、冷却回路の冷却水の熱を第2循環回路の室外熱交換器で外気に放熱することによって、モータジェネレータおよびインバータを冷却することができる。
特開2011−121551号公報
上記従来技術によると、モータジェネレータ、インバータ、バッテリおよび車室といった複数個の冷却対象機器を冷却する冷却システムにおいて、室外熱交換器が1つだけで済むという利点があるものの、全体の回路構成が複雑になるという問題がある。この問題は、冷却対象機器の個数が多くなるほど顕著になる。
例えば、モータジェネレータ、インバータ、バッテリの他にも冷却を必要とする冷却対象機器としてオイルクーラやインタークーラなどがあり、それらの冷却対象機器は、要求される冷却温度が互いに異なる。
そのため、各冷却対象機器を適切に冷却すべく各冷却対象機器に循環する冷却水(熱媒体)を切り替え可能にしようにすると、冷却対象機器の個数に応じて循環回路(流路)の個数が増え、それに伴って各循環回路と冷却回路との断接を行うバルブの個数も増えるので、各循環回路と冷却回路との接続構成が非常に複雑になってしまう。
本発明は上記点に鑑みて、多数本の流路に循環する熱媒体を切り替えることのできる車両用熱管理システムの構成を簡素化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、
熱媒体を吸入して吐出する第1ポンプ(23)および第2ポンプ(24)と、
熱媒体と熱交換を行うことによって熱媒体の温度を変化させる第1熱交換器(26)および第2熱交換器(31)と、
熱媒体によって温度が調整される1つ以上の温度調整対象機器(32、33、34、35、36、37)と、
熱媒体が流通する流路であって、第1ポンプ(23)が配置された第1ポンプ配置流路(11)、第2ポンプ(24)が配置された第2ポンプ配置流路(12)、および1つ以上の温度調整対象機器(32〜37)のうち何れかの温度調整対象機器が配置された温度調整対象機器配置流路(13、14、15、16)を含む多数個の流路(11、12、13、14、15、16)と、
多数個の流路(11〜16)の一端側が接続され、多数個の流路(11〜16)同士を選択的に連通させる切替手段(21)と、
多数個の流路(11〜16)の他端側が互いに並列に接続され、多数個の流路(11〜16)同士を連通させる連通流路(22)とを備え、
第1ポンプ配置流路(11)、温度調整対象機器配置流路(13〜16)および第2ポンプ配置流路(12)は、連通流路(22)に対して、連通流路(22)の一端側から他端側に向かってこの順番に接続され、
第1熱交換器(26)は、多数個の流路(11〜16)のうち、第2熱交換器(31)が配置されている流路(12)よりも第1ポンプ配置流路(11)側の位置で連通流路(22)に接続されている流路(11)に配置され、
切替手段(21)は、多数個の流路(11〜16)のうち最も一端側の位置で連通流路(22)に接続された流路(11)から、多数個の流路(11〜16)のうち一端側から数えて任意番目に連通流路(22)に接続された流路までの複数個の流路同士が連通するように作動することを特徴とする。
これによると、切替手段(21)と連通流路(22)との間に多数本の流路(11〜16)を並列に接続するという簡素な構成によって、多数本の流路(11〜16)に循環する熱媒体を切り替えることができる。
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る。 第1実施形態における冷凍サイクル等の構成図である。 図1の切替弁を示す断面図である。 図3の弁体を示す斜視図である。 図1の切替弁を示す斜視図である。 図1の車両用熱管理システムにおける電気制御部を示すブロック図である。 図1の車両用熱管理システムの第1作動モードを示す全体構成図である。 図1の車両用熱管理システムの第2作動モードを示す全体構成図である。 図1の車両用熱管理システムの第3作動モードを示す全体構成図である。 図1の車両用熱管理システムの第4作動モードを示す全体構成図である。 図1の車両用熱管理システムの第5作動モードを示す全体構成図である。 図1の車両用熱管理システムの第6作動モードを示す全体構成図である。 図1の車両用熱管理システムの第7作動モードを示す全体構成図である。 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。 第3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。 第4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。 第5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。 図17の第1、第2ラジエータの車両搭載状態を示す模式図である。 第6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。 第7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。 第8実施形態における切替弁を示す断面図である。
(第1実施形態)
以下、第1実施形態を説明する。図1に示す車両用熱管理システム10は、車両が備える各種温度調整対象機器(冷却または加熱を要する機器)を適切な温度に冷却するために用いられる。
本実施形態では、熱管理システム10を、エンジン(内燃機関)および走行用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、車両の走行負荷や電池の蓄電残量等に応じてエンジンを作動あるいは停止させて、エンジンおよび走行用電動モータの双方から駆動力を得て走行する走行状態(HV走行)や、エンジン10を停止させて走行用電動モータのみから駆動力を得て走行する走行状態(EV走行)等を切り替えることができる。これにより、車両走行用の駆動源としてエンジンのみを有する車両と比較して燃費を向上させることができる。
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、走行用モータのみならず、冷却システム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、熱管理システム10は、多数個の流路11〜16、切替弁21、集合分配用流路22(連通流路)、第1ポンプ23、第2ポンプ24およびラジエータ26(第1熱交換器)を備えている。
多数個の流路11〜16は、冷却水が流れる冷却水流路である。多数個の流路11〜16は、樹脂材(ナイロン、ポリフタルアミド等)、金属材(SUS)等のソリッド配管、およびゴム材(EPDM)のホース配管等によって形成されている。
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またはナノ流体を含む液体が用いられている。
多数個の流路11〜16は、一端側が切替弁21に互いに並列に接続され、他端側が集合分配用流路22に互いに並列に接続されている。
切替弁21は、冷却水が流入する第1入口21aおよび第2入口21bと、冷却水が流出する第1出口21c、第2出口21d、第3出口21eおよび第4出口21fを有している。切替弁21は、第1、第2入口21a、21bと第1〜第4出口21c〜21fとの連通状態を切り替える切替手段である。
第1入口21aには、多数個の流路11〜16のうち第1流路11の一端側が接続されている。第2入口21bには、多数個の流路11〜16のうち第2流路12の一端側が接続されている。
第1出口21cには、多数個の流路11〜16のうち第3流路13の一端側が接続されている。第2出口21dには、多数個の流路11〜16のうち第4流路14の一端側が接続されている。第3出口21eには、多数個の流路11〜16のうち第5流路15の一端側が接続されている。第4出口21fには、多数個の流路11〜16のうち第6流路16の一端側が接続されている。
集合分配用流路22は、冷却水が流出する第1出口22aおよび第2出口22bと、冷却水が流入する第1入口22c、第2入口22d、第3入口22eおよび第4入口22fを有している。集合分配用流路22は、第1、第2出口22a、22bおよび第1〜第4入口22c〜22fが互いに連通するように形成されている。
第1出口22aは、集合分配用流路22の一端部に形成されている。第2出口22bは、集合分配用流路22の他端部に形成されている。集合分配用流路22の中間部には、集合分配用流路22の一端部(第1出口22a側)から他端部(第2出口22b側)に向かって、第1入口22c、第2入口22d、第3入口22e、第4入口22fがこの順番で形成されている。
第1出口22aには、多数個の流路11〜16のうち第1流路11の他端側が接続されている。第2出口22bには、多数個の流路11〜16のうち第2流路12の他端側が接続されている。
第1入口22cには、多数個の流路11〜16のうち第3流路13の他端側が接続されている。第2入口22dには、多数個の流路11〜16のうち第4流路14の他端側が接続されている。第3入口22eには、多数個の流路11〜16のうち第5流路15の他端側が接続されている。第4入口22fには、多数個の流路11〜16のうち第6流路16の他端側が接続されている。
第1ポンプ23および第2ポンプ24は、冷却水を吸入して吐出する電動ポンプである。第1ポンプ23は第1流路11(第1ポンプ配置流路)に配置され、第2ポンプ24は第2流路12(第2ポンプ配置流路)に配置されている。
第1ポンプ23および第2ポンプ24はいずれも、冷却水を集合分配用流路22側から吸入して切替弁21側に吐出するように配置されている。
ラジエータ26は、冷却水と車室外空気(以下、外気と言う。)とを熱交換することによって冷却水の熱を外気に放熱させる放熱用熱交換器(空気熱媒体熱交換器)である。ラジエータ26は、第1流路11のうち第1ポンプ23と集合分配用流路22との間の部位に配置されている。
図示を省略しているが、ラジエータ26は車両の最前部に配置されている。ラジエータ26への外気の送風は室外送風機27によって行われる。車両の走行時にはラジエータ26に走行風が当たるようになっている。
第1流路11のうちラジエータ26よりも集合分配用流路22側の部位には、バイパス流路28の一端側が三方弁29(弁手段)を介して接続されている。第1流路11のうちラジエータ26よりも切替弁21側の部位にはバイパス流路28の他端側が接続されている。三方弁29は、第1流路11の冷却水がラジエータ26に流れる場合とバイパス流路28に流れる場合とを切り替える。
第1流路11のうちラジエータ26と第1ポンプ23との間にはリザーブタンク30が配置されている。リザーブタンク30は、冷却水を貯留する密閉式の容器(熱媒体貯留手段)である。リザーブタンク30に余剰冷却水を貯留しておくことによって、各流路を循環する冷却水の液量の低下を抑制することができる。リザーブタンク30は、冷却水中に混入した気泡を気液分離する機能を有している。
リザーブタンク30のキャップ部30aには、負圧弁および加圧弁が設けられている。負圧弁は、タンク内圧力が大気圧以下になると開弁する。加圧弁は、タンク内圧力が大気圧以上の設定圧になると開弁する。これにより、タンク内圧力を大気圧以上、設定圧以下に維持することができる。
第2流路12には、チラー31(第2熱交換器)が配置されている。チラー31は、冷凍サイクル40の低圧冷媒(低温冷媒)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冷却水冷却用熱交換器(熱媒体冷却手段)である。
第3流路13(温度調整対象機器配置流路)には、温度調整対象機器であるコンデンサ32およびヒータコア33が互いに直列に配置されている。コンデンサ32は、冷凍サイクルの高圧冷媒(高温冷媒)と冷却水とを熱交換させることによって冷却水を加熱する冷却水加熱用熱交換器(熱媒体加熱手段)である。ヒータコア33は、コンデンサ32で加熱された冷却水と車室内への送風空気とを熱交換させて送風空気を加熱する空気加熱用熱交換器(空気熱媒体熱交換器)である。
第4流路14(温度調整対象機器配置流路)には、温度調整対象機器であるオイル熱交換器34が配置されている。オイル熱交換器34は、エンジンオイル(エンジンに使用される潤滑油)やATFオイル等のオイルと冷却水とを熱交換してオイルを冷却または加熱するオイル温度調整用熱交換器(オイル温度調整手段)である。
第5流路15(温度調整対象機器配置流路)には、温度調整対象機器であるインバータ35が配置されている。インバータ35は、電池から供給された直流電力を交流電力に変換して走行用モータに出力する電力変換装置であり、パワーコントロールユニットを構成している。
パワーコントロールユニットは、走行用モータを駆動させるために電池の出力を制御する部品であり、インバータ35の他にも、電池の電圧を上げる昇圧コンバータ等を有している。
インバータ35の内部には、冷却水が流れる冷却水流路が形成されており、この冷却水流路に冷却水が流れることによってインバータ35が冷却される。インバータ35の許容温度(インバータ35を流通する冷却水の上限温度)は、内部の半導体素子の熱害や劣化防止等の理由から50℃に設定されている。
第6流路16(温度調整対象機器配置流路)には、温度調整対象機器である電池用熱交換器36(電池冷却手段)および過冷却熱交換器37が互いに直列に配置されている。電池用熱交換器36は、冷却水(熱媒体)と空気とを熱交換させる熱交換器であり、電池用熱交換器36で熱交換された空気が電池に導風されることによって電池が冷却または加熱されるようになっている。電池用熱交換器36の許容温度(電池用熱交換器36を流通する冷却水の上限温度)は、電池の出力低下、充電効率低下および劣化防止等の理由から40℃に設定されている。
電池は断熱材で覆われているので、電池内部の熱(温熱および冷熱)が外に逃げることを防止できる。プラグインハイブリッド車や電気自動車は、走行可能距離を長く確保できるように多量の電池が搭載されていることから、電池全体の熱容量が大きく、ひいては多量の熱(温熱および冷熱)を蓄えることができる。したがって、電池は、温熱を蓄える蓄熱手段を構成しているとともに、冷熱を蓄える蓄冷手段を構成している。
電池用熱交換器36の代わりに、電池自体が第6流路16に配置されていて、電池の内部に形成された冷却水流路(電池冷却手段)に冷却水が流れることによって電池が冷却されるようになっていてもよい。
過冷却熱交換器37は、コンデンサ32で冷却された冷媒と冷却水とを熱交換することによって冷媒を更に冷却して冷媒の過冷却度を高める冷媒過冷却用熱交換器(冷媒熱媒体熱交換器)である。
本例では、第3〜第6流路13〜16に配置されている温度調整対象機器32〜37の許容温度の大小関係は次のようになっている。第3流路13に配置されている温度調整対象機器32、33の許容温度は、第4流路14に配置されている温度調整対象機器34の許容温度以上になっており、第4流路14に配置されている温度調整対象機器34の許容温度は、第5流路15に配置されている温度調整対象機器35、36の許容温度以上になっており、第5流路15に配置されている温度調整対象機器35、36の許容温度は、第6流路16に配置されている温度調整対象機器36の許容温度以上になっている。
換言すれば、第3〜第6流路13〜16に配置されている温度調整対象機器32〜37の許容温度は、集合分配用流路22の一端側(第3流路13側)から他端側(第6流路16側)に向かって同等以下になっている。
図2に示すように、冷凍サイクル40は、低圧側熱交換器であるチラー31、高圧側熱交換器であるコンデンサ32および過冷却熱交換器37の他、圧縮機41、チラー用膨張弁42、蒸発器用膨張弁43および蒸発器44を有している。
冷凍サイクル40は、蒸気圧縮式冷凍機である。本例では、冷凍サイクル40の冷媒としてフロン系冷媒が用いられているので、冷凍サイクル40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。
圧縮機41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であり、気相冷媒を吸入して圧縮して吐出する。圧縮機41は、プーリー、ベルト等を介してエンジンにより回転駆動されるようになっていてもよい。圧縮機41から吐出された高温高圧の気相冷媒は、コンデンサ32で冷却水と熱交換することによって吸熱されて凝縮する。
チラー用膨張弁42は、過冷却熱交換器37で過冷却された液相冷媒を減圧膨張させる減圧手段である。チラー用膨張弁42で減圧膨張された冷媒は、チラー31で冷却水と熱交換することによって冷却される。チラー31で冷却水から吸熱して蒸発した気相冷媒は圧縮機41に吸入されて圧縮される。
蒸発器用膨張弁43および蒸発器44は、冷凍サイクル40において、チラー用膨張弁42およびチラー31に対して並列に配置されている。蒸発器用膨張弁43は、過冷却熱交換器37で過冷却された液相冷媒を減圧膨張させる減圧手段である。
蒸発器44は、蒸発器用膨張弁43で減圧膨張された冷媒と車室内への送風空気とを熱交換することによって送風空気を冷却する空気冷却用熱交換器である。蒸発器44で冷却水から吸熱して蒸発した気相冷媒は圧縮機41に吸入されて圧縮される。
チラー31では冷凍サイクル40の低圧冷媒によって冷却水を冷却するので、外気によって冷却水を冷却するラジエータ26と比較して冷却水を低い温度まで冷却することが可能である。
具体的には、ラジエータ26では冷却水を外気の温度よりも低い温度まで冷却することができないのに対し、チラー31では冷却水を外気の温度よりも低い温度まで冷却することが可能である。
蒸発器44およびヒータコア33は、室内空調ユニットのケーシング45の内部に形成された空気通路に配置されている。具体的には、ケーシング45内の空気通路において、ヒータコア33が蒸発器44よりも空気流れ下流側に配置されている。
ケーシング45内の空気通路には、室内送風機46によって送風された送風空気が流れる。ケーシング45の内部において蒸発器44とヒータコア33との間には、エアミックスドア47が配置されている。エアミックスドア47は、ヒータコア33を通過する送風空気と蒸発器44をバイパスして流れる送風空気との風量割合を調整する風量割合調整手段である。
ケーシング45の内部においてヒータコア33の空気流れ下流側には、PTCヒータ48が配置されている。PTCヒータ48は、PTC素子(正特性サーミスタ)を有し、このPTC素子に電力が供給されることによって発熱して、ヒータコア33通過後の空気を加熱する補助加熱手段としての電気ヒータである。
次に、切替弁21の詳細を図3〜図5に基づいて説明する。図3に示すように、切替弁21は、内部に冷却水流路が形成されたハウジング211と、ハウジング211に収容された弁体212と、弁体212に固定された回転軸213とを有している。
図4に示すように、弁体212は、ハウジング211の内部空間を2つの空間に仕切る板状に形成されている。図5に示すように、回転軸213は、ハウジング211の外部に突出し、歯車機構214および電動アクチュエータ215に連結されている。
電動アクチュエータ215の回転駆動力が歯車機構214を介して回転軸213に伝達されることによって、弁体212が回転軸213周りに回転駆動される。歯車機構214の代わりに、プーリ機構、クランク機構やリンク機構等が用いられていてもよい。
弁体212の回転角は、ポテンショメータ等の回転角検出装置216によって検出されるようになっている。本例では、回転角検出装置216が歯車機構214の回転角を検出することによって、弁体212の回転角の回転角を検出できるようになっている。
ハウジング211には、第1入口21a、第1出口21c、第2出口21d、第3出口21e、第4出口21f、第2入口21bが、この順番で弁体212の回転方向に並んで形成されている。したがって、弁体212の回転操作位置によって、第1、第2入口21a、21bと第1〜第4出口21c〜21fとの連通状態が切り替えられる。例えば、弁体212が図3に示す位置に回転操作された場合、第1入口21aと第1、第2出口21c、21dとが連通し、第2入口21bと第3、第4出口21e、21fとが連通する。
図4に示すように、弁体212には、切替弁21の内部における冷却水漏れを防止するシール部材217が設けられている。回転軸213には、ハウジング211外部への冷却水漏れを防止するOリング218が配置されている。
シール部材217およびOリング218は、冷却水に対して耐性のあるゴム部材(エチレン・プロピレン・ジエン共重合ゴム(EPDM)、フッ素ゴム、シリコンゴム等)で形成されている。シール部材217およびOリング218は、弁体212の回転による摩擦を考慮して表面処理が実施されている。
次に、熱管理システム10の電気制御部を図6に基づいて説明する。制御装置50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23、第2ポンプ24、圧縮機41および切替弁21の電動アクチュエータ215等の作動を制御する制御手段である。
制御装置50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。
本実施形態では、特に切替弁21の電動アクチュエータ215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)を切替弁制御手段50aとする。もちろん、切替弁制御手段50aを制御装置50に対して別体で構成してもよい。
制御装置50の入力側には、内気温度センサ51、外気温度センサ52、日射センサ53、内気湿度センサ54および冷却水温度センサ55等の検出信号が入力される。
内気温度センサ51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。外気温度センサ52は、外気温を検出する検出手段(外気温度検出手段)である。日射センサ53は、車室内の日射量を検出する検出手段(日射量検出手段)である。内気湿度センサ54は、車室内の湿度を検出する検出手段(湿度検出手段)である。
冷却水温度センサ55は、第1流路11(第1ポンプ配置流路)における冷却水の温度を検出する検出手段(温度検出手段)である。本例では、図1に示すように、冷却水温度センサ55は、第1流路11のうち第1ポンプ23の吐出側の部位に配置されている。
制御装置50の入力側には、車室内前部の計器盤付近に配置された操作パネル58に設けられた各種空調操作スイッチからの操作信号が入力される。操作パネル58に設けられた各種空調操作スイッチとしては、エアコンスイッチ、オートスイッチ、風量設定スイッチ、車室内温度設定スイッチ等が設けられている。
エアコンスイッチは、空調(冷房または暖房)の作動・停止(オン・オフ)を切り替えるスイッチである。オートスイッチは、空調の自動制御を設定または解除するスイッチである。風量設定スイッチは、室内送風機の風量を設定するスイッチである。車室内温度設定スイッチは、乗員の操作によって車室内目標温度を設定する目標温度設定手段である。
次に、上記構成における作動を説明する。制御装置50が切替弁21用の電動アクチュエータ215の作動を制御することによって、各種作動モードに切り替えられる。
具体的には、第1流路11と第3〜第6流路13〜16のうち少なくとも1つの流路とで第1冷却水循環回路(第1熱媒体回路)が形成され、第2流路12と第3〜第6流路13〜16のうち残余の流路とで第2冷却水循環回路(第2熱媒体回路)が形成される。
第3〜第6流路13〜16のそれぞれについて、第1冷却水循環回路に接続される場合と、第2冷却水循環回路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、各温度調整対象機器を適切な温度に調整することができる。
なお、第3〜第6流路13〜16のうち一部の流路を第1冷却水循環回路および第2冷却水循環回路の両方に接続して、第1冷却水循環回路の冷却水と第2冷却水循環回路の冷却水とを混合して流通させるようにしてもよい。
また、第1冷却水循環回路および第2冷却水循環回路のうち一方の冷却水循環回路のみが形成されるようにしてもよい。
図7に示す第1作動モードは、冷却水温度センサ55で検出された冷却水温度が電池用熱交換器36の許容温度(40℃)未満の場合に実施される。すなわち、外気温が比較的高くない場合(例えば10〜30℃)に実施される。
第1作動モードでは、切替弁21の弁体212が、第4出口21fと第2入口21bとの間の位置に回転操作される。これにより、第1、第3、第4、第5、第6流路11、13、14、15、16が互いに連通して、図7の太実線に示す第1冷却水循環回路が形成される。第2流路12は、他の流路と連通しないので、第2冷却水循環回路は形成されない。そのため、第2ポンプ24は停止される。
第1冷却水循環回路では、ラジエータ26、コンデンサ32、ヒータコア33、オイル熱交換器34、インバータ35および電池用熱交換器36の間で冷却水が循環するので、コンデンサ32、オイル熱交換器34、インバータ35および電池用熱交換器36の廃熱を冷却水で回収してラジエータ26で外気に放熱することができる。
図8に示す第2作動モードは、冷却水温度センサ55で検出された冷却水温度が電池用熱交換器36の許容温度(40℃)以上、インバータ35の許容温度(50℃)未満の場合に実施される。
第2作動モードでは、切替弁21の弁体212が、第3出口21eと第4出口21fとの間の位置に回転操作される。これにより、第1、第3、第4、第5流路11、13、14、15が互いに連通して、図8の太実線に示す第1冷却水循環回路が形成され、第2、第6流路12、16が互いに連通して、図8の太一点鎖線に示す第2冷却水循環回路が形成される。
図8の破線に示すように、集合分配用流路22のうち第3入口22eと第4入口22fとの間の部位は、第1冷却水循環回路と第2冷却水循環回路とを連通する連通部Rを形成している。この連通部Rに冷却水が定常的に流れることはない。以下、その理由を説明する。
連通部Rに冷却水が定常的に流れると仮定した場合、連通部Rを流れた冷却水が戻ってくる経路(帰還経路)が必要であるが、連通部R以外では第1冷却水循環回路と第2冷却水循環回路とが連通していないので、連通部Rを流れた冷却水は戻ってくることができない。よって、連通部Rに冷却水が定常的に流れることはない。
ただし、第1ポンプ23、第2ポンプ23の作動開始時等の過渡的な段階においては、両冷却水循環回路の圧力均圧化現象によって連通部Rに冷却水が若干量流れることはある。
第2作動モードは、具体的には以下のような場合に実施される。例えば、夏季等の外気温が高い状態において冷房のために冷凍サイクル40が作動される場合にコンデンサ32の放熱量が多くなる場合や、高負荷走行でインバータ35やオイル熱交換器34の放熱量が多くなる場合等、第1冷却水循環回路の冷却水温度が電池用熱交換器36の許容温度(40℃)を超えることがある。
その場合、第2作動モードを実施して、電池用熱交換器36をチラー31と連通させれば、電池用熱交換器36を許容温度以下に維持することができる。電池用熱交換器36を外気温度以下に冷却することもできる。
第2作動モードでは、第2ポンプ23の流量を調整することによって、電池の冷却に必要な冷却水流量を調整するのが好ましい。
また、外部電源(商用電源)から供給された電力で電池を充電しているときに第2作動モードを実施すれば、充電中に電池に冷熱を蓄えておくことができる。そして、走行開始後に電池に蓄えられた冷熱を利用して過冷却熱交換器37で冷媒を過冷却すれば、冷凍サイクル40の運転効率が飛躍的に向上し、省エネ冷房が可能になる。
電池に蓄えられた冷熱を利用して過冷却熱交換器37で冷媒を過冷却している場合、チラー用膨張弁42を全閉にしてチラー31に冷媒が流れないようにするのが好ましい。
図9に示す第3作動モードは、冷却水温度センサ55で検出された冷却水温度がインバータ35の許容温度(50℃)以上の場合に実施される。
第3作動モードでは、切替弁21の弁体212が、第1出口21cと第2出口21dとの間の位置に回転操作される。これにより、第1、第3流路11、13が互いに連通して、図9の太実線に示す第1冷却水循環回路が形成され、第2、第4、第5、第6流路12、14、15、16が互いに連通して、図9の太一点鎖線に示す第2冷却水循環回路が形成される。
これにより、インバータ35およびオイル熱交換器34をチラー31と連通させて、インバータ35を許容温度以下に維持することができる。インバータ35を外気温度以下に冷却することもできる。
インバータ35を流れる冷却水温度を低くするほどインバータ35を小型化することができる。以下、その理由を説明する。
インバータ35内部の電力制御素子のサイズを小型化するほど、発熱密度が上がる為に素子の温度が上昇する。素子の劣化や熱害を防止するため、素子の熱を冷却水で奪う水冷方式を採用することで空冷方式よりも素子の放熱性能が向上する。ここで、冷却水温度が低いほど、素子との温度差が確保可能で、熱の移動量を向上させることに繋がるため、インバータ35を流れる冷却水温度を低くするほどインバータ35内部の電力制御素子のサイズを小型化することが可能となる。
図10に示す第4作動モードは、冬季等、暖房が必要な場合に実施される。第4作動モードでは、上記第3モードに対して三方弁29の作動が異なる。具体的には、第1流路11の熱媒体がラジエータ26に流れず、バイパス流路28に流れるように三方弁29が切り替えられる。
これにより、オイル熱交換器34、インバータ35および電池用熱交換器36の廃熱をチラー31で回収し、冷凍サイクル40のヒートポンプ運転によってコンデンサ32側へ熱を汲み上げ、コンデンサ32から冷却水へと伝熱し、ヒータコア33にて車室内空気と冷却水が熱交換し、車室内を暖房する。
ここで、商用電源で電池に充電可能なプラグインハイブリッド車や電気自動車において、充電時に所定の外気温以下の場合や、充電後に暖房が必要であると判定される場合、充電中に電池に温熱を蓄える作動を行う。
充電後に暖房が必要か否かの判定は、例えば次のように行うことができる。ネットワークに接続可能な装置を車両や充電器に搭載し、ネットワークから天気予報の情報を取得し、取得した天気予報情報に基づいて充電後の外気温条件を予測する手段を備えることによって、充電後に暖房が必要か否かを判定することができる。また、外気温の変化や日時から充電後の外気温条件を予測するロジックを車両側に持たせることによって、充電後に暖房が必要か否かを判定することができる。
電池に温熱を蓄えておくことによって、走行中に電池に蓄えた温熱をチラー31で回収してコンデンサ32で放熱するヒートポンプサイクルを実施することが可能となる。この場合、チラー31における冷却水の温度が高くなるので、非常に効率の良い冷凍サイクル運転が可能となる。その結果、省エネ暖房が可能となるので、電池のみで走行可能な距離を大幅に延ばすことができる。
電池に蓄えた温熱を使い果たした後も、オイル熱交換器34やインバータ35の廃熱を汲み上げるヒートポンプ暖房が可能であるので、電気ヒータのみで暖房する場合と比較して省エネ暖房となる。暖房負荷が高いために暖房に必要な熱量をオイル熱交換器34やインバータ35の廃熱で補うことができない場合には、PTCヒータ48に通電することによって暖房に必要な熱量を確保することができる。
図11に示す第5作動モードは、コンデンサ32の放熱量が多く、インバータ35の放熱量が少ない場合に実施される。コンデンサ32の放熱量が多く、インバータ35の放熱量が少ない場合としては、例えば冷房負荷が高く、車両走行負荷が低い場合が挙げられる。
第5作動モードでは、切替弁21の弁体212が、第3出口21eを小開度にする位置に回転操作される。これにより、第1、第3、第4、第5流路11、13、14、15が互いに連通して、図11の太実線に示す第1冷却水循環回路が形成され、第2、第6流路12、16が互いに連通して、図11の太一点鎖線に示す第2冷却水循環回路が形成される。
第3出口21eが小開度になっているので、第1冷却水循環回路において、第5流路15における冷却水流量が少なくなり、その分、第3流路13、14における冷却水流量が多くなる。したがって、放熱量が少ないインバータ35では冷却水流量が少なくなり、放熱量が多いコンデンサ32では冷却水流量が多くなる。
このため、第1ポンプ23の動力を増加させることなく放熱量に応じた冷却水流量を確保できるので、省動力化を図ることができる。
図12に示す第6作動モードは、第2ポンプ24が故障した場合(換言すれば、第2ポンプ24に異常が発生していると推定または判定された場合)に実施される。
ここで、第2ポンプ24の故障の判定は、第2ポンプ24自身が備える故障検知手段によって行うことができる。第2ポンプ24自身が故障検知手段を備えていない場合、ポンプ故障を検知できるロジックを制御装置50等が備えることによって、第2ポンプ24の故障を判定することができる。
第6作動モードでは、切替弁21の弁体212が、上記第1作動モードと同じ位置に回転操作される。これにより、全ての温度調整対象機器32〜36が第1冷却水循環回路に接続されるので、故障していない第1ポンプ23によって、ラジエータ26および全ての温度調整対象機器32〜36に冷却水を循環させることができる。
その結果、全ての温度調整対象機器32〜36に対して最低限の冷却を継続することができるので、車両を安全な場所へ待避させたり、修理工場等へ搬入させたりするための最低限の待避走行が可能になる。
図13に示す第7作動モードは、第1ポンプ23が故障した場合(換言すれば第1ポンプ23に異常が発生していると推定または判定された場合)に実施される。
ここで、第1ポンプ23の故障の判定は、第1ポンプ23自身が備える故障検知手段によって行うことができる。第1ポンプ23自身が故障検知手段を備えていない場合、ポンプ故障を検知できるロジックを制御装置50等が備えることによって、第1ポンプ23の故障を判定することができる。
第7作動モードでは、切替弁21の弁体212が、第1入口21aと第2入口21bとの間以外の位置に回転操作される。これにより、全ての流路11〜16が互いに連通すので、故障していない第2ポンプ24によって、ラジエータ26および全ての温度調整対象機器32〜36に冷却水を循環させることができる。
その結果、全ての温度調整対象機器32〜36に対して最低限の冷却を継続することができるので、車両を安全な場所へ待避させたり、修理工場等へ搬入させたりするための最低限の待避走行が可能になる。
本実施形態によると、切替弁21と集合分配用流路22との間に多数本の流路11〜16を並列に接続するという簡素な構成によって、多数本の流路11〜16に循環する冷却水を切り替えることができる。
そして、冷却水の温度等、種々の条件に応じて切替弁21の作動を制御して温度調整対象機器32〜37に循環する冷却水を切り替えることによって、温度調整対象機器32〜37を種々の条件に応じて適切な温度に調整することができる。
例えば、図7に示すように第1ポンプ24とラジエータ26と電池用熱交換器36とが連通することによって第1冷却水循環回路が形成されている場合において、第1冷却水循環回路における冷却水温度が電池用熱交換器36の許容温度を超えると、図8に示すように第2ポンプ24とチラー31と電池用熱交換器36とが連通して第2冷却水循環体回路が形成されるので、種々の条件によって第1冷却水循環回路び冷却水温度が変動しても電池用熱交換器36を許容温度以下に維持することができる。
(第2実施形態)
本第2実施形態では、図14に示すように、上記第1実施形態に対して、流路11〜16に配置される機器を変更している。
第1流路11には、第1ポンプ23、温度調整対象機器であるエンジン60およびエンジン用ラジエータ61が互いに並列に配置されている。第1ポンプ23、エンジン60およびエンジン用ラジエータ61は、図14の太実線に示すエンジン冷却系回路を構成している。
エンジン冷却系回路には、ラジエータバイパス流路62およびサーモスタット63が配置されている。ラジエータバイパス流路62は、エンジン用ラジエータ61をバイパスして冷却水が流れる流路である。サーモスタット63は、冷却水の温度に応じて、冷却水がエンジン用ラジエータ61を流れる場合と、ラジエータバイパス流路62を流れる場合とを切り替える。
第1流路11において、エンジン60の直ぐ下流側には冷却水温度センサ55が配置されている。第2流路12には、ラジエータ26が第2ポンプ24に対して直列に配置されている。第3流路13にはオイル熱交換器34が配置されている。第4流路14にはヒータコア33が配置されている。第5流路15には、温度調整対象機器であるインタークーラ64が配置されている。第6流路16にはインバータ35が配置されている。
インタークーラ64は、エンジン60の吸入空気(以下、吸気と言う。)を過給するターボチャージャ(過給機)で圧縮されて高温になった過給吸気と冷却水とを熱交換して過給吸気を冷却する吸気冷却器(吸気熱媒体熱交換器)である。過給吸気は例えば30℃程度まで冷却されるのが好ましい。
上記構成における作動を説明する。高負荷走行時(車速が早い場合等)、切替弁21の弁体212が、第1入口21aと第1出口21cとの間の位置に回転操作される。
これにより、エンジン冷却系回路でエンジン60を冷却することができるとともに、オイル熱交換器34、インタークーラ64およびインバータ35の廃熱をラジエータ26で放熱することによってオイル熱交換器34、インタークーラ64およびインバータ35を冷却することができる。
オイル熱交換器34、インタークーラ64およびインバータ35を冷却する冷却水循環回路をエンジン冷却系回路に対して独立させることができるので、高負荷走行時でもオイル熱交換器34、インタークーラ64およびインバータ35を冷却する冷却水の温度がエンジン60の廃熱によって上昇することを防止できる。このため、高負荷走行時でもオイル(エンジンオイルやギアオイル)の温度を低く保つことができるので、オイルの寿命向上やエンジン60の燃焼効率向上を図ることができる。
エンジン60の始動時、切替弁21の弁体212が、第2出口21dを全閉する位置に回転操作される。
これにより、オイル熱交換器34の廃熱を回収した冷却水がエンジン60へ流れ、ヒータコア33へは流れないので、オイル熱交換器34の廃熱を効率良く利用してエンジン60を早期に暖機できる。
冬季等、暖房が必要な場合、切替弁21の弁体212が、第2出口21dと第3出口21eとの間の位置に回転操作される。
これにより、エンジン60の廃熱を回収した冷却水がヒータコア33へ流れるので、エンジン60の廃熱を利用して暖房を行うことができる。
エンジン10を停止させて走行用電動モータのみから駆動力を得て走行するEV走行モード時、切替弁21の弁体212が、第4出口21fと第2入口21bとの間の位置に回転操作される。
これにより、インバータ35の廃熱を回収した冷却水がエンジン60へ流れるので、次回エンジン60を作動させる場合に備えて、インバータ35の廃熱を利用してエンジン60を暖機できる。
(第3実施形態)
本第3実施形態では、図15に示すように、上記第2実施形態に対して、流路11〜16に配置される機器を変更している。
第1流路11には、エンジン用ラジエータ61が配置されている。第2流路12には、第2ポンプ24およびラジエータ26が互いに直列に配置されている。第3流路13には、第1ポンプ23およびエンジン60が互いに直列に配置されている。第3流路13において、エンジン60の直ぐ下流側には冷却水温度センサ55が配置されている。第4流路14には、ヒータコア33およびオイル熱交換器34が互いに直列に配置されている。第5流路15には、インタークーラ64が配置されている。第6流路16にはインバータ35が配置されている。
上記構成における作動を説明する。EV走行モード時やエンジン始動直後、切替弁21の弁体212が、第1入口21aと第1出口21cとの間の位置に回転操作される。また、第1ポンプ23および第2ポンプ24を作動させる。
この作動モードによると、第1ポンプ23の発生差圧と第2ポンプ24の発生差圧とが相殺されるので、ラジエータ26には冷却水が流入しない。そのため、インバータ35の廃熱を効率良く利用してエンジン60を暖機できる。
この作動モードは、第1ポンプ23および第2ポンプ24のうちいずれかのポンプが故障した場合にも実施される。故障していない方のポンプを作動させることによって、全ての温度調整対象機器33〜35、60、64に対して最低限の冷却を継続することができるので、車両を安全な場所へ待避させたり、修理工場等へ搬入させたりするための最低限の待避走行が可能になる。
夏季等、暖房が不要な場合、切替弁21の弁体212が、第1出口21cと第2出口21dとの間の位置に回転操作される。
この作動モードによると、第1ポンプ23から吐出された冷却水がヒータコア33に流入しないので、第1ポンプ23の動力を低減できる。また、エンジン60の廃熱を回収した冷却水がオイル熱交換器34に流入しないので、オイル熱交換器34に流入する冷却水の温度を低下させてオイルの寿命を向上できる。
冬季等、暖房が必要な場合、切替弁21の弁体212が、第2出口21dと第3出口21eとの間の位置に回転操作される。
この作動モードによると、エンジン60の廃熱を回収した冷却水がヒータコア33へ流れるので、エンジン60の廃熱を利用して暖房を行うことができる。
第2ポンプ24が故障した場合、切替弁21の弁体212が、第4出口21fと第2入口21eとb間の位置に回転操作されてもよい。
この作動モードによると、第1ポンプ23を作動させることによって、全ての温度調整対象機器33〜35、60、64に対して最低限の冷却を継続することができるので、車両を安全な場所へ待避させたり、修理工場等へ搬入させたりするための最低限の待避走行が可能になる。
(第4実施形態)
本第4実施形態では、図16に示すように、上記第1実施形態に対して、第2、第4〜第6流路12、14〜16に配置される機器を変更している。
第2流路12には、第2ポンプ24および換気時排出熱回収熱交換器66が互いに直列に配置されている。第4流路13にはインバータ35が配置されている。第5流路15には電池用熱交換器36が配置されている。第6流路16にはチラー31が配置されている。
換気時排出熱回収熱交換器66は、換気のために車外に放出する車室内空気と冷却水とを熱交換して、換気に伴って排出される熱(以下、換気時排出熱と言う。)を冷却水に回収させる熱交換器である。図示を省略しているが、換気時排出熱回収熱交換器66は、車室内空気を車外に放出する換気口の近傍に配置されている。
上記構成における作動を説明する。暖房時または冷房時、切替弁21の弁体212が、第2出口21dと第3出口21eとの間の位置に回転操作される。
これによると、暖房時は、換気時排出熱回収熱交換器66で回収した換気時排出熱(温熱)をチラー31で吸熱し、冷凍サイクル40のヒートポンプ運転によってコンデンサ32側へ熱を汲み上げ、コンデンサ32から冷却水へと伝熱し、ヒータコア33にて車室内空気と冷却水が熱交換するので、換気時排出熱を利用して車室内を暖房することができる。
また、冷房時は、換気時排出熱回収熱交換器66で換気時排出熱(冷熱)を回収することによってチラー31の稼働率を下げることができる。
したがって、暖房時および冷房時に、換気時排出熱を利用して省動力化を図ることができる。
(第5実施形態)
本第5実施形態では、図17に示すように、上記第1実施形態に対して、流路11〜16に配置される機器を変更している。
第1流路11には、第1ポンプ23および第1ラジエータ71が互いに直列に配置されている。第1流路11において、第1ラジエータ71の直ぐ下流側には冷却水温度センサ55が配置されている。
第2流路12には、第2ポンプ24および第2ラジエータ72が互いに直列に配置されている。第2流路12のうち第2ラジエータ72よりも集合分配用流路22側の部位には、バイパス流路73の一端側が三方弁74を介して接続されている。第2流路12のうちラジエータ26よりも第2ポンプ24側の部位にはバイパス流路73の他端側が接続されている。三方弁74は、第2流路12の熱媒体が第2ラジエータ72に流れる場合とバイパス流路73に流れる場合とを切り替える。
第3流路13には、インタークーラ64が配置されている。第4流路14には、インバータ35が配置されている。第5流路15には、冷却水を加熱する加熱器75および電池用熱交換器36が互いに直列に配置されている。
第1ラジエータ71は、主にインタークーラ64を冷却するためのラジエータである。第2ラジエータ72は、主にインバータ35および電池用熱交換器36を冷却するためのラジエータである。
第2ラジエータ72は、第1ラジエータ71に対してラジエータ出口の水温を低くすることが可能となるように、第1ラジエータ71よりも車両前方に配置されている。換言すれば、第2ラジエータ72は、第1ラジエータ71に対してラジエータ出口の水温を低くすることが可能となるように、車両前面において、第1ラジエータ71よりも走行風を受けやすい位置に配置されている。例えば、車両形状にもよるが、一般的には車両前面の下部の方が走行風を受けやすいことから、第2ラジエータ72を第1ラジエータ71の鉛直下方に配置すれば、第2ラジエータ72の出口水温を第1ラジエータ71の出口水温よりも低くすることが可能となる。
第1ラジエータ71および第2ラジエータ72は車両の最前部に配置されている。図18に示すように、第1ラジエータ71および第2ラジエータ72は、外気の流れに対して互いに並列に配置されている。第1ラジエータ71は、空冷式コンデンサ76の外気流れ下流側かつ空冷式エンジン用ラジエータ77の外気流れ上流側に配置されている。第2ラジエータ72は、空冷式エンジン用ラジエータ77の外気流れ上流側に配置されている。
上記構成における作動を説明する。冷却水温度センサ55で検出された温度、すなわち第1ラジエータ71を流出した冷却水の温度がインバータ35の許容温度(50℃)を超えている場合、または許容温度(50℃)を超えることが推定される場合、切替弁21の弁体212が、第1出口21cと第2出口21dとの間の位置に回転操作される。
これにより、インバータ35に流入する冷却水の温度を許容温度(50℃)以下にすることができるので、インバータ35を熱害から守ることができる。
なお、第1ラジエータ71を流出した冷却水の温度がインバータ35の許容温度(50℃)を超えている場合としては、例えば高負荷走行でインタークーラ64の放熱量が多くなる場合が挙げられる。
冷却水温度センサ55で検出された温度、すなわち第1ラジエータ71を流出した冷却水の温度がインバータ35の許容温度(50℃)以下である場合、または許容温度(50℃)以下であると推定される場合、切替弁21の弁体212が、第2出口21dと第3出口21eとの間の位置に回転操作される。
これにより、インバータ35の廃熱を、放熱性能の高い第1ラジエータ71で放熱することができるので、第1ポンプ23および第2ポンプ24の合計動力を低減することができる。
(第6実施形態)
本第6実施形態では、図19に示すように、上記第1実施形態に対して、流路11〜16に配置される機器を変更している。
第1流路11には、第1ポンプ23、コンデンサ32およびヒータコア33が互いに直列に配置されている。
第2流路12には、第2ポンプ24、チラー31およびクーラコア78が互いに直列に配置されている。クーラコア78は、チラー31で冷却された冷却水と車室内への送風空気とを熱交換させて送風空気を冷却する空気冷却用熱交換器(空気熱媒体熱交換器)である。
第3流路13には、第1シャット弁79が配置されている。第1シャット弁79は、第3流路13を開閉する開閉弁(流路開閉手段)である。
第4流路14には、ラジエータ26、第1温度調整対象機器80および第2温度調整対象機器81が互いに並列に配置されている。第4流路14のうちラジエータ26よりも切替弁21側の部位には、バイパス流路28の一端側が三方弁29を介して接続されている。第4流路14のうちラジエータ26よりも集合分配用流路22側の部位には、バイパス流路28の他端側が接続されている。
第5流路15には、第3温度調整対象機器82が配置されている。第3温度調整対象機器82の許容温度は、第1温度調整対象機器80および第2温度調整対象機器81の許容温度よりも低くなっている。
第6流路16には、第2シャット弁83が配置されている。第2シャット弁83は、第3流路13を開閉する開閉弁(流路開閉手段)である。
上記構成における作動を説明する。低外気温下での暖房時、切替弁21の弁体212が、第1出口21cと第2出口21dとの間の位置に回転操作され、第1シャット弁79が開弁され、第2シャット弁83が閉弁される。
これにより、第1〜第3温度調整対象機器80〜82の廃熱、およびラジエータ26で吸熱した外気の熱をチラー31で回収し、冷凍サイクル40のヒートポンプ運転によってコンデンサ32側へ熱を汲み上げ、コンデンサ32から冷却水へと伝熱し、ヒータコア33にて車室内空気と冷却水が熱交換し、車室内を暖房する。
第1流路11の冷却水の温度が第3温度調整対象機器82の許容温度よりも高い場合、切替弁21の弁体212が、第2出口21dと第3出口21eとの間の位置に回転操作され、第1シャット弁79が閉弁され、第2シャット弁83も閉弁される。
これにより、チラー31で冷却された冷却水によって第3温度調整対象機器82を冷却することができる。また、コンデンサ32、第1温度調整対象機器80および第2温度調整対象機器81の排熱をラジエータ26で放熱して、コンデンサ32、第1温度調整対象機器80および第2温度調整対象機器81を冷却することができる。
夏季等、冷房が必要な場合、切替弁21の弁体212が、第4出口21fと第2入口21bとの間の位置に回転操作され、第1シャット弁79が閉弁され、第2シャット弁83が開弁される。これにより、チラー31で冷却された冷却水によってクーラコア78を冷却することができるので、車室内を冷房することができる。
(第7実施形態)
本第7実施形態では、図20に示すように、上記第1実施形態に対してリザーブタンク85を追加している。
リザーブタンク85は、第1接続流路86を介して第1流路11および第2流路12と接続されている。第1接続流路86は、リザーブタンク85の反対側で2つに分岐して、第1流路11のうちラジエータ26と第1ポンプ23との間の部位と、第2流路12のうちチラー31と第2ポンプ24との間の部位に接続されている。
リザーブタンク85は、第2接続流路87を介して、第1流路11のうち第1ポンプ23と切替弁21との間の部位に接続されている。
リザーブタンク85は、冷却水を貯留する大気開放式の容器(熱媒体貯留手段)である。リザーブタンク85に余剰冷却水を貯留しておくことによって、各流路を循環する冷却水の液量の低下を抑制することができる。リザーブタンク85は、冷却水中に混入した気泡を気液分離する機能を有している。
第1接続流路86のうち2つに分岐している部位86a、86bにはそれぞれ負圧弁88が配置されている。第2接続流路87には加圧弁89が配置されている。
負圧弁88は、流路の内部圧力が大気圧以上の場合は閉弁し、流路の内部圧力が大気圧未満になると開弁する。したがって、第1冷却水循環回路の内部圧力が大気圧未満になると、リザーブタンク85の冷却水が第1冷却水循環回路に供給され、第2冷却水循環回路の内部圧力が大気圧未満になると、リザーブタンク85の冷却水が第2冷却水循環回路に供給される。
加圧弁89は、流路の内部圧力が、大気圧よりも大きい設定圧(本例では108kPa)未満の場合は閉弁し、流路の内部圧力が設定圧以上になると開弁する。したがって、第1冷却水循環回路の内部圧力が設定圧以上になると、第1冷却水循環回路の冷却水がリザーブタンク85へ排出される。
本実施形態によると、リザーブタンク85が負圧弁88を介して第1流路11に接続されているので、第1冷却水循環回路の冷却水の温度低下に伴って冷却水の体積が収縮して第1冷却水循環回路の圧力が第1所定圧力(本例では大気圧)未満になった場合、リザーブタンク85から第1冷却水循環回路に冷却水を供給することができる。
また、リザーブタンク85が加圧弁89を介して第1流路11に接続されているので、第1冷却水循環回路の冷却水の温度上昇に伴って冷却水の体積が膨張して第1冷却水循環回路の圧力が第2所定圧力(本例では大気圧より大きい設定圧)以上になった場合、第1冷却水循環回路の冷却水をリザーブタンク85に排出することができる。以上のことから、第1冷却水循環回路の圧力を適正範囲に維持することができる。
リザーブタンク85が、第2冷却水循環回路を形成する第2流路12と負圧弁88を介して接続されているので、第2冷却水循環回路の圧力が第1所定圧力(本例では大気圧)未満になった場合にリザーブタンク85から第2冷却水循環回路に冷却水を供給することができる。
リザーブタンク85は、第1冷却水循環回路において、ラジエータ26よりも冷却水流れ下流側、かつ第1ポンプ23の吸入側に接続されているので、第1ポンプ23の吸入側の圧力が大気圧程度となる。このため、第1ポンプ23の吸入側における圧力が負圧となってキャビテーションが発生したり冷却水ホースが潰れて圧力損失が増大することを防止できる。
リザーブタンク85は、第2冷却水循環回路において、チラー31よりも冷却水流れ下流側、かつ第2ポンプ24の吸入側に接続されているので、第2ポンプ24の吸入側の圧力が大気圧程度となる。このため、第2ポンプ24の吸入側における圧力が負圧となってキャビテーションが発生したり冷却水ホースが潰れて圧力損失が増大することを防止できる。
また、第2冷却水循環回路は、集合分配用流路22を介して第1冷却水循環回路と連通しているので、第2冷却水循環回路の冷却水の温度上昇に伴って冷却水の体積が膨張して第2冷却水循環回路の圧力が上昇した場合、第1冷却水循環回路の圧力も上昇する。その結果、第1冷却水循環回路の圧力が第2所定圧力(本例では大気圧より大きい設定圧)以上になった場合、第1冷却水循環回路の冷却水がリザーブタンク85に排出される。以上のことから、第2冷却水循環回路の圧力も適正範囲に維持することができる。
集合分配用流路22は、切替弁21よりも冷却水流れ下流側(ポンプ吸入側)に形成されているので、第1ポンプ23の揚程が第2ポンプ24の揚程よりも低くなる運転状況の場合、第2冷却水循環回路において負圧となる部位が生じることを防止できる。以下、その理由を説明する。
理解を容易にするために、ここでは、第1ポンプ23が停止して、第2ポンプ24が所定の揚程で稼動している運転状況を想定して説明する。
第1ポンプ23が停止している場合、第1冷却水循環回路には大気開放式のリザーブタンク85が接続されているので、第1冷却水循環回路はどこの圧力も大気圧程度となる。このとき、第1ポンプ23の揚程と第2ポンプ24の揚程とに差があるので、第1冷却水循環回路と第2冷却水循環回路とで圧力差が生じる。そのため、切替弁21において内部冷却水漏れが発生する。
切替弁21で内部冷却水漏れが発生すると、切替弁21において、第1冷却水循環回路と第2冷却水循環回路との間で、圧力が均等となる方向に冷却水の授受が発生する。
ここで、第1冷却水循環回路と第2冷却水循環回路とが集合分配用流路22で連通していない場合を考えると、第1冷却水循環回路および第2冷却水循環回路の圧力は、冷却水の授受量の最も多い切替弁21において均等化されることとなる。上述のごとく第1冷却水循環回路には大気開放式のリザーブタンク85が接続されているので、第1ポンプ23が停止している場合、第1冷却水循環回路はどこの圧力も大気圧程度となる。そのため、第2冷却水循環回路の圧力は、切替弁21での圧力が大気圧程度となるので、第2ポンプ24の吐出側での圧力も大気圧程度となる。
そうすると、第2ポンプ24の吸入側における圧力は、第2ポンプ24の吐出側における圧力からポンプ揚程分を差し引いた圧力となることから、第2ポンプ24の吸入側における圧力が負圧となる。
このように、第1冷却水循環回路と第2冷却水循環回路とが集合分配用流路22で連通していない場合、第1ポンプ23の揚程と第2ポンプ24の揚程とに差があると、第2ポンプ24の吸入側における圧力が負圧となってキャビテーションが発生したりする可能性がある。
その点、本実施形態では、切替弁21よりも冷却水流れ下流側(ポンプ吸入側)に形成された集合分配用流路22で第1冷却水循環回路と第2冷却水循環回路とが連通しているので、第1冷却水循環回路と第2冷却水循環回路との間の冷却水の授受量は集合分配用流路22で最も多くなる。
このため、第1冷却水循環回路および第2冷却水循環回路の圧力は、冷却水の授受量が最も多い集合分配用流路22において均等化されることとなる。その結果、第2冷却水循環回路の圧力は、第2切替弁22での圧力が大気圧程度となるので、第2ポンプ24の吸入側での圧力も大気圧程度となる。よって、第2ポンプ24の吸入側における圧力が負圧となることを回避できる。
(第8実施形態)
上記第1実施形態では、切替弁21の弁体212が回転駆動されるようになっているが、本第8実施形態では、図21に示すように、切替弁21の弁体212が直線駆動されるようになっている。
弁体212には、シャフト217が固定されている。シャフト217は、ハウジング211の外部に突出し、ラック218およびピニオン219に連結されている。ピニオン219は、電動アクチュエータによって回転駆動される。
電動アクチュエータの回転駆動力がラック218およびピニオン219によって直線駆動力に変換されてシャフト217に伝達されることによって、弁体212が直線駆動される。
ハウジング211には、第1入口21a、第1出口21c、第2出口21d、第3出口21e、第4出口21f、第2入口21bが、この順番で弁体212の駆動方向に並んで形成されている。したがって、弁体212の操作位置によって、第1、第2入口21a、21bと第1〜第4出口21c〜21fとの連通状態が切り替えられる。
例えば、弁体212が図3に示す位置に回転操作された場合、第1入口21aと第1、第2出口21c、21dとが連通し、第2入口21bと第3、第4出口21e、21fとが連通する。
(他の実施形態)
本発明は上記実施形態に限定されることなく、以下のように種々変形可能である。
(1)温度調整対象機器として種々の機器を用いることができる。例えば、乗員が着座するシートに内蔵されて冷却水によりシートを冷却・加熱する熱交換器を温度調整対象機器として用いてもよい。温度調整対象機器の個数は、複数個(2個以上)であるならば何個でもよい。
(2)上記各実施形態において、温度調整対象機器に冷却水を間欠的に循環させることによって温度調整対象機器に対する熱交換能力を制御するようにしてもよい。
(3)上記実施形態では、冷却水を冷却する冷却手段として、冷凍サイクル40の低圧冷媒で冷却水を冷却するチラー31を用いているが、ペルチェ素子を冷却手段として用いてもよい。
(4)上記各実施形態では、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。
(5)冷却水(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。ナノ粒子を冷却水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、冷却水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、および極低温での冷却水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冷却水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、冷却水の熱容量を増加させることができるので、冷却水自体の蓄冷熱量(顕熱による蓄冷熱)を増加させることができる。
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)上記各実施形態の冷凍サイクル40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、上記各実施形態の冷凍サイクル40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)上記各実施形態では、本発明の車両用冷却システム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や、燃料電池を走行用エネルギー発生手段とする燃料電池自動車等に本発明を適用してもよい。
(8)上記各実施形態では、切替弁21の弁体212としてドア式の弁体が用いられている例を説明したが、切替弁21の弁体としてロータリバルブやバタフライ式等の弁体が用いられていてもよい。
(9)上記各実施形態では、切替弁21は、第1、第2入口21a、21bと第1〜第4出口21c〜21fとの連通状態を弁体212の移動によって切り替えるようになっているが、切替弁21は、第1、第2入口21a、21bおよび第1〜第4出口21c〜21fを個別に開閉する多数個の開閉弁を有していて、多数個の開閉弁の開閉作動によって第1、第2入口21a、21bと第1〜第4出口21c〜21fとの連通状態を切り替えるようになっていてもよい。
(10)上記第1実施形態では、冷却水温度センサ55で検出された冷却水温度に基づいて作動モードを切り替えるが、第1冷却水循環回路における冷却水温度の推定温度または予測温度に基づいて作動モードを切り替えるようにしてもよい。
11〜16 第1〜第5流路(多数本の流路)
21 切替弁(切替手段)
22 集合分配用流路(連通流路)
23 第1ポンプ
24 第2ポンプ
26 ラジエータ(第1熱交換器、空気熱媒体熱交換器)
31 チラー(第2熱交換器)
32 コンデンサ(温度調整対象機器)
33 ヒータコア(温度調整対象機器)
34 オイル熱交換器(温度調整対象機器)
35 インバータ(温度調整対象機器)
36 電池用熱交換器(温度調整対象機器)

Claims (15)

  1. 熱媒体を吸入して吐出する第1ポンプ(23)および第2ポンプ(24)と、
    前記熱媒体と熱交換を行うことによって前記熱媒体の温度を変化させる第1熱交換器(26)および第2熱交換器(31)と、
    前記熱媒体によって温度が調整される1つ以上の温度調整対象機器(32、33、34、35、36、37)と、
    前記熱媒体が流通する流路であって、前記第1ポンプ(23)が配置された第1ポンプ配置流路(11)、前記第2ポンプ(24)が配置された第2ポンプ配置流路(12)、および前記1つ以上の温度調整対象機器(32〜37)のうち何れかの温度調整対象機器が配置された温度調整対象機器配置流路(13、14、15、16)を含む多数個の流路(11、12、13、14、15、16)と、
    前記多数個の流路(11〜16)の一端側が接続され、前記多数個の流路(11〜16)同士を選択的に連通させる切替手段(21)と、
    前記多数個の流路(11〜16)の他端側が互いに並列に接続され、前記多数個の流路(11〜16)同士を連通させる連通流路(22)とを備え、
    前記第1ポンプ配置流路(11)、前記温度調整対象機器配置流路(13〜16)および前記第2ポンプ配置流路(12)は、前記連通流路(22)に対して、前記連通流路(22)の一端側から他端側に向かってこの順番に接続され、
    前記第1熱交換器(26)は、前記多数個の流路(11〜16)のうち、前記第2熱交換器(31)が配置されている流路(12)よりも前記第1ポンプ配置流路(11)側の位置で前記連通流路(22)に接続されている流路(11)に配置され、
    前記切替手段(21)は、前記多数個の流路(11〜16)のうち最も前記一端側の位置で前記連通流路(22)に接続された流路(11)から、前記多数個の流路(11〜16)のうち前記一端側から数えて任意番目に前記連通流路(22)に接続された流路までの複数個の流路同士が連通するように作動す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(21)は、前記複数個の流路に前記第1ポンプ配置流路(11)が含まれ、前記多数個の流路(11〜16)のうち前記複数個の流路以外の流路に前記第2ポンプ配置流路(12)が含まれるように作動す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. 前記温度調整対象機器配置流路(13、14、15、16)を複数個備え、
    前記温度調整対象機器(32、33、34、35、36、37)は、前記温度調整対象機器配置流路(13、14、15、16)のそれぞれに配置され、
    前記複数個の温度調整対象機器配置流路(13、14、15、16)のうち前記一端側に位置する温度調整対象機器配置流路に配置された前記温度調整対象機器の許容温度は、前記複数個の温度調整対象機器配置流路(13、14、15、16)のうち前記他端側に位置する温度調整対象機器配置流路に配置された前記温度調整対象機器の許容温度以上になっていることを特徴とする請求項1または2に記載の車両熱管理システム。
  4. 前記第1ポンプ(23)と前記第1熱交換器(26)と前記温度調整対象機器(32〜37)とが連通することによって前記複数個の流路が第1熱媒体回路を形成し、かつ前記多数個の流路(11〜16)のうち、前記複数個の流路以外の流路であって前記第2ポンプ配置流路(12)を含む2つ以上の流路同士が連通することによって第2熱媒体回路を形成している場合において、
    前記第1熱媒体回路における熱媒体の温度が所定温度を超えたことが検出または推定される場合、あるいは前記第1熱媒体回路における熱媒体の温度が所定温度を超えることが予測される場合、前記第2ポンプ(24)と前記第2熱交換器(31)と前記温度調整対象機器(32〜37)とが連通して第2熱媒体回路が形成されるように前記切替手段(2
    1)が作動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1つ以上の温度調整対象機器は、通電されると発熱する電気機器(35)を含み、
    前記第1熱交換器は、空気と前記熱媒体とを熱交換する空気熱媒体熱交換器(26)であることを特徴とする請求項4に記載の車両用熱管理システム。
  6. 前記1つ以上の温度調整対象機器は、電池を前記熱媒体で冷却するための電池冷却手段(36)を含み、
    前記第1熱交換器は、空気と前記熱媒体とを熱交換する空気熱媒体熱交換器(26)であり、
    前記第2熱交換器は、冷凍サイクル(40)の低圧冷媒と前記熱媒体とを熱交換させるチラー(31)であることを特徴とする請求項4に記載の車両用熱管理システム。
  7. 前記1つ以上の温度調整対象機器は、冷凍サイクル(40)の高圧冷媒と前記熱媒体とを熱交換させるコンデンサ(32)と、直流電力を交流電力に変換するインバータ(35)と、電池を前記熱媒体で冷却するための電池冷却手段(36)とを含み、
    前記第1熱交換器は、空気と前記熱媒体とを熱交換する空気熱媒体熱交換器(26)であり、
    前記空気熱媒体熱交換器(26)は、前記第1ポンプ配置流路(11)に配置され、
    前記第2熱交換器は、前記冷凍サイクル(40)の低圧冷媒と前記熱媒体とを熱交換させるチラー(31)であり、
    前記チラー(31)は、前記第2ポンプ配置流路(12)に配置され、
    前記多数個の流路(11〜16)のうち前記コンデンサ(32)が配置された流路をコンデンサ配置流路(13)とし、
    前記多数個の流路(11〜16)のうち前記インバータ(35)が配置された流路をインバータ配置流路(15)とし、
    前記多数個の流路(11〜16)のうち前記電池冷却手段(36)が配置された流路を電池冷却手段配置流路(16)としたとき、
    前記第1ポンプ配置流路(11)、前記コンデンサ配置流路(13)、前記インバータ配置流路(15)、前記電池冷却手段配置流路(16)および前記第2ポンプ配置流路(12)は、前記連通流路(22)の一端側から他端側に向かってこの順番で前記連通流路(22)に接続されてい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。
  8. 前記第1熱交換器は、空気と前記熱媒体とを熱交換する空気熱媒体熱交換器(26)であり、
    前記第1ポンプ(23)および前記第2ポンプ(24)のうち一方のポンプに異常が発生していると推定または判定された場合、前記温度調整対象機器(32〜37)が、前記第1ポンプ(23)および前記第2ポンプ(24)のうち他方のポンプ、および前記熱媒体空気熱交換器と連通するように前記切替手段(21)が作動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。
  9. 前記多数個の流路(11〜16)のうち前記第1熱交換器(26)が配置された流路に接続され、前記熱媒体が前記第1熱交換器(26)をバイパスして流れるバイパス流路(28)と、
    前記熱媒体が前記第1熱交換器(26)を流れる場合と、前記熱媒体が前記バイパス流路(28)を流れる場合とを切り替える弁手段(29)とを備え、
    前記1つ以上の温度調整対象機器(32〜37)は、前記冷凍サイクル(40)の高圧冷媒と前記熱媒体とを熱交換させるコンデンサ(32)と、前記熱媒体と車室内への送風
    空気とを熱交換するヒータコア(33)と、前記熱媒体によって冷却される冷却対象機器(34、35、36)とを含み、
    前記第1熱交換器は、空気と前記熱媒体とを熱交換する空気熱媒体熱交換器(26)であり、
    前記第2熱交換器は、前記冷凍サイクル(40)の低圧冷媒と前記熱媒体とを熱交換させるチラー(31)であり、
    前記チラー(31)と前記冷却対象機器(34、35、36)とが連通し、前記コンデンサ(32)と前記ヒータコア(33)と前記空気熱媒体熱交換器(26)とが連通するように前記切替手段(21)が作動するとともに、前記熱媒体が前記バイパス流路(28)を流れるように前記弁手段(29)が作動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。
  10. 前記1つ以上の温度調整対象機器は、内燃機関(60)と、オイルと前記熱媒体とを熱交換するオイル熱媒体熱交換器(34)と、車室内への送風空気と前記熱媒体とを熱交換して前記送風空気を加熱するヒータコア(33)と、前記内燃機関(60)に吸入される過給吸気と前記熱媒体とを熱交換するインタークーラ(64)と、直流電力を交流電力に変換するインバータ(35)とを含み、
    前記第1熱交換器(26)および前記第2熱交換器(31)は、前記熱媒体と外気とを熱交換するラジエータであ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。
  11. 前記1つ以上の温度調整対象機器は、前記冷凍サイクル(40)の高圧冷媒と前記熱媒体とを熱交換させるコンデンサ(32)と、車室内への送風空気と前記熱媒体とを熱交換して前記送風空気を加熱するヒータコア(33)と、直流電力を交流電力に変換するインバータ(35)と、電池を前記熱媒体で冷却するための電池冷却手段(36)と、換気のために車外に放出する車室内空気と前記熱媒体とを熱交換させる換気時排出熱回収熱交換器(66)とを含み、
    前記第1熱交換器は、前記熱媒体と外気とを熱交換するラジエータ(26)であり、
    前記第2熱交換器は、前記冷凍サイクル(40)の低圧冷媒と前記熱媒体とを熱交換させるチラー(31)であ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。
  12. 前記1つ以上の温度調整対象機器(32〜37)は、内燃機関に吸入される過給吸気と前記熱媒体とを熱交換するインタークーラ(64)と、直流電力を交流電力に変換するインバータ(35)と、電池を前記熱媒体で冷却するための電池冷却手段(36)とを含み、
    前記第1熱交換器は、外気と前記熱媒体とを熱交換する第1ラジエータ(71)であり、
    前記第2熱交換器は、外気と前記熱媒体とを熱交換する第2ラジエータ(72)であり、
    前記第2ラジエータ(72)は、前記第1ラジエータ(71)に対して外気流れ上流側、または前記第1ラジエータ(71)に対して鉛直下方側に配置されていることを特徴と
    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。
  13. 前記第1熱交換器は、外気と前記熱媒体とを熱交換するラジエータ(26)であり、
    前記温度調整対象機器配置流路(13〜16)には、前記温度調整対象機器(80、81)と前記ラジエータ(26)とが互いに並列に配置されてい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。
  14. 前記第1熱交換器は、前記熱媒体と外気とを熱交換するラジエータ(26)であり、
    前記第2熱交換器は、前記冷凍サイクル(40)の低圧冷媒と前記熱媒体とを熱交換させるチラー(31)であり、
    前記ラジエータ(26)は、前記第1ポンプ配置流路(11)に配置され、
    前記チラー(31)は、前記第2ポンプ配置流路(12)に配置されていることを特徴とする請求項13に記載の車両用熱管理システム。
  15. 前記切替手段(21)は、内部に冷却水流路が形成されたハウジング(211)と、前記ハウジング(211)に収容された弁体(212)と、前記弁体(212)に固定された回転軸(213)とを有し、
    前記弁体(212)は、前記ハウジング(211)の内部空間を2つの空間に仕切る板状の弁体、または前記ハウジング(211)の内部空間を2つの空間に仕切るロータリ式弁体であり、
    前記ハウジング(211)には、前記多数個の流路(11〜16)が前記弁体(212)の回転方向に並んで接続されていることを特徴とする請求項1ないし14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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