JP6610800B2 - 機器温調装置 - Google Patents

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Description

関連出願への相互参照
本出願は、2016年9月9日に出願された日本特許出願番号2016−176785号に基づくもので、ここにその記載内容が参照により組み入れられる。
本開示は、対象機器の温度を調整する機器温調装置に関するものである。
この種の機器温調装置として、例えば特許文献1に記載された冷却装置が従来から知られている。この特許文献1に記載された冷却装置は、作動流体を、受熱部、放熱経路、放熱部、帰還経路、受熱部の順に循環させて熱の移動を行う。具体的には、半導体スイッチング素子から受熱部の受熱板へ伝わった熱が、受熱板上に供給された液状の作動流体を加熱し、瞬時に気化させる。そして、その受熱板から気化潜熱を奪った蒸気は、受熱部の排出口から放熱経路へと流れ、放熱部で凝縮することにより熱を外気へ放出する。
また、放熱部は車両前面に配置されており、走行風によって作動流体を冷却し凝縮させる。
特開2013−32904号公報
上述した特許文献1の冷却装置のように作動流体が走行風によって冷却される場合、例えば夏期においては外気温度が高いため、放熱部の放熱性能低下により、冷却装置の冷却性能が悪化する。逆に冬期においては外気温度が低いため、冷却の対象である対象機器(例えば、電池、半導体スイッチング素子など)が必要以上に冷却されてしまう。要するに、その対象機器が過剰に冷却される。発明者らの詳細な検討の結果、以上のようなことが見出された。
本開示は上記点に鑑みて、夏期における冷却性能の向上を図ると共に冬期における対象機器の過剰な冷却を抑制することができる機器温調装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本開示の1つの観点によれば、機器温調装置は、
車両に搭載され、作動流体が循環し、その作動流体の液相と気相との相変化によって対象機器の温度を調整する機器温調装置であって、
対象機器から作動流体に吸熱させることによりその作動流体を蒸発させる吸熱部と、
その吸熱部よりも上方に配置され、作動流体から放熱させることによりその作動流体を凝縮させる放熱部と、
その放熱部から吸熱部へ作動流体を流す往路流通路が形成された往路部と、
吸熱部から放熱部へ作動流体を流す復路流通路が形成された復路部とを備え、
放熱部は、温度調整された空気を車室内へ吹き出す空調ユニットが行う車室内空調の際に内気が流通する内気流通経路に配置される。
上述のように、放熱部は、温度調整された空気を車室内へ吹き出す空調ユニットが行う車室内空調の際に内気が流通する内気流通経路に配置される。ここで、夏期であれば空調ユニットの冷房運転により車室内の冷房された冷風がその内気流通経路に流れ、冬期であれば空調ユニットの暖房運転により暖房された温風がその内気流通経路に流れる。
これに対し、特許文献1の冷却装置では、作動流体の冷却は常に、外気である走行風によって行われる。すなわち、上述の本開示による機器温調装置では、夏期において、特許文献1の冷却装置に比してより低温の冷風(すなわち、内気)を放熱部に流すことが可能となる。それに加え、冬期において、特許文献1の冷却装置に比してより高温の温風を放熱部に流すことが可能となる。その結果、夏期における機器温調装置の冷却性能の向上を図ると共に、冬期における対象機器の過剰な冷却を抑制することが可能である。
第1実施形態において機器温調装置の概略構成を示した模式図である。 第1実施形態において機器温調装置を搭載する車両を模式的に示した模式図である。 第1実施形態において、機器温調装置の凝縮器が配置される空調ユニットの概略構成を示した模式的な断面図である。 第2実施形態において、機器温調装置の凝縮器が配置される空調ユニットの概略構成を示した模式的な断面図である。 第3実施形態において、機器温調装置が有する制御部の電気的な接続を示したブロック図である。 第3実施形態において制御部が実行する制御処理を示したフローチャートである。
以下、図面を参照しながら、本開示の実施形態を説明する。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に示す本実施形態の機器温調装置10は、図2に示すように電気自動車やハイブリッド車などの電動車両90に搭載される。そして、本実施形態では、機器温調装置10は、その電動車両90に搭載される二次電池12(以下、単に「電池12」とも呼ぶ)を冷却する冷却装置として機能する。すなわち、機器温調装置10が冷却する対象機器はその電池12である。
機器温調装置10を搭載する電動車両90(以下、単に「車両90」とも呼ぶ)では、二次電池12を主要構成部品として含む蓄電装置(言い換えれば、電池パック)に蓄えた電気エネルギーがインバータなどを介してモータに供給され、それによって車両90は走行する。電池12は車両走行中など車両使用時に自己発熱する。そして、電池12が過度に高温になると、その電池12を構成する電池セル121の劣化が促進されることから、自己発熱が少なくなるように電池セル121の出力および入力に制限を設ける必要がある。そのため、電池セル121の出力および入力を確保するためには、電池12を所定の温度以下に維持するための冷却装置が必要となる。
また、車両走行中だけでなく夏季の駐車放置中などにも電池温度は上昇する。また、蓄電装置は車両90の床下やトランクルーム下などに配置されることが多く、電池12に与えられる単位時間当たりの熱量は小さいものの、長時間の放置により電池温度は徐々に上昇する。電池12を高温状態で放置すると電池12の寿命が大幅に低下するので、車両90の放置中も電池12を冷却するなど電池温度を低温に維持することが望まれている。
更に、電池12は、図1および図2に示すように、複数の電池セル121を含む組電池として構成されているが、各電池セル121の温度にばらつきがあると電池セル121の劣化に偏りが生じ、蓄電装置の性能が低下してしまう。これは、最も劣化した電池セル121の特性に合わせて蓄電装置の入出力特性が決まることによる。そのため、長期間にわたって蓄電装置に所望の性能を発揮させるためには、複数の電池セル121相互間の温度ばらつきを低減させる均温化が重要となる。
また、電池12を冷却する他の冷却装置として、これまでブロワによる送風や、冷凍サイクルを用いた空冷、水冷、あるいは冷媒直接冷却方式が一般的となっているが、ブロワは車室内の空気を送風するだけなので、ブロワの冷却能力は低い。また、ブロワによる送風では空気の顕熱で電池12を冷却するので、空気流れの上流と下流との間で温度差が大きくなり、電池セル121間の温度ばらつきを十分に抑制できない。また、冷凍サイクル方式では冷却能力は高いが、電池セル121との熱交換部は空冷または水冷の何れでも顕熱冷却であるので、同じく、電池セル121間の温度ばらつきを十分に抑制できない。更には、駐車放置中に冷凍サイクルのコンプレッサや冷却ファンを駆動させることは、電力消費の増大や騒音などの原因となるので好ましくない。
これらの背景から、本実施形態の機器温調装置10では、コンプレッサを用いず冷媒の自然循環で電池12を冷却するサーモサイフォン方式が採用されている。
具体的に、機器温調装置10は、図1に示すように、電池冷却器14と、凝縮器16と、往路部としての往路配管18と、復路部としての復路配管20とを備えている。そして、その凝縮器16と往路配管18と電池冷却器14と復路配管20は環状に連結され、機器温調装置10の作動流体としての冷媒が循環する流体循環回路26を構成する。
すなわち、その流体循環回路26は、冷媒の蒸発および凝縮により熱移動を行うヒートパイプである。そして、流体循環回路26は、ガス状の冷媒が流れる流路と液状の冷媒が流れる流路とが分離されたループ型のサーモサイフォン(言い換えれば、サーモサイフォン回路)となるように構成されている。なお、図1では、電池冷却器14と、電池冷却器14への各配管18、20の接続部分とが断面図示されている。また、図1および図2において矢印DR1、DR2は、機器温調装置10を搭載する車両90の向きを示す。すなわち、矢印DR1は車両上下方向DR1を示し、矢印DR2は車両前後方向DR2を示している。
流体循環回路26内には冷媒が封入充填されている。そして、流体循環回路26内はその冷媒で満たされている。その冷媒は流体循環回路26を循環し、機器温調装置10は、その冷媒の液相と気相との相変化によって電池12の温度を調整する。詳細には、その冷媒の相変化によって電池12を冷却する。
流体循環回路26内に充填されている冷媒は、例えば、HFO−1234yfまたはHFC−134aなどのフロン系冷媒である。
図1および図2に示すように、機器温調装置10の電池冷却器14は、電池12から冷媒に吸熱させる吸熱部である。言い換えれば、電池冷却器14は、電池12から冷媒へ熱移動させることにより電池12を冷却する。電池冷却器14は、例えば熱伝導性の高い金属製である。
詳細には、電池冷却器14の内部には、液相冷媒が溜まる冷却器室14aが形成されている。そして、電池冷却器14は、その冷却器室14a内の冷媒に電池12から吸熱させることにより、その冷媒を蒸発させる。
また、電池冷却器14が冷却する電池12は、直列に電気接続された複数の電池セル121を含んでいる。その複数の電池セル121は電池積層方向DRbに積層されており、その電池積層方向DRbは、車両90が水平に配置された車両水平状態では、水平方向になる。
また本実施形態では、電池12は、車両90の床下に配置されている。そのため、電池冷却器14も車両90の床下に配置されている。なお、確認的に述べるが、図2は模式図であり、電池冷却器14と凝縮器16とのそれぞれにおいて各配管18、20の具体的な接続箇所を示してはいない。
電池冷却器14は例えば直方体形状の箱状を成し、電池積層方向DRbへ延びるように形成されている。また、電池冷却器14は、その電池冷却器14の上面141aが形成された上面部141を有している。すなわち、その上面部141の上面141a側とは反対側には、冷却器室14aの上側を形成する上側内壁面141bが形成されている。
流体循環回路26内への冷媒の充填量は、冷却器室14aに溜まった液相冷媒が冷媒沸騰等による気泡を含まない場合に、車両水平状態で冷却器室14aが液相冷媒で満たされる量とされている。そのため、液相冷媒の液面は、往路配管18内と復路配管20内とに形成され、電池冷却器14の上側内壁面141bよりも上方に位置する。図1では、往路配管18内の液相冷媒の液面位置SF1は破線SF1で示され、復路配管20内の液相冷媒の液面位置SF2は破線SF2で示されている。
複数の電池セル121はそれぞれ電池冷却器14の上面141aの上に並べて配置されている。そして、複数の電池セル121はそれぞれ、電池冷却器14の上面部141との間で熱伝導可能なようにその上面部141に接続されている。これにより、電池冷却器14の上面141aは、電池12を冷却する電池冷却面として機能し、電池冷却器14の上面部141は、その電池冷却面を形成する冷却面形成部として機能する。
電池冷却器14には流入口14bと流出口14cとが形成されている。その流入口14bは、往路配管18の内部に形成された往路流通路18aを電池冷却器14内(すなわち、冷却器室14a)へ連通させている。従って、流体循環回路26を冷媒が循環すると、往路流通路18aの冷媒は電池冷却器14の流入口14bを介して冷却器室14aに流入する。その往路流通路18aは、凝縮器16から電池冷却器14へ冷媒を流す冷媒流路である。電池冷却器14の流入口14bは例えば、電池積層方向DRbにおける電池冷却器14の一方側の端部に設けられている。
また、電池冷却器14の流出口14cは、復路配管20の内部に形成された復路流通路20aを電池冷却器14内へ連通させている。従って、流体循環回路26を冷媒が循環すると、冷却器室14aの冷媒は電池冷却器14の流出口14cを介して復路流通路20aへ流出する。その復路流通路20aは、電池冷却器14から凝縮器16へ冷媒を流す冷媒流路である。電池冷却器14の流出口14cは例えば、電池積層方向DRbにおける電池冷却器14の他方側の端部に設けられている。なお、電池冷却器14は、冷却器室14aの気相冷媒を流入口14bと流出口14cとのうち専ら流出口14cから流出させる不図示の構造を備えている。
機器温調装置10の凝縮器16は、凝縮器16内の冷媒から受熱流体へ放熱させる放熱部である。詳細に言えば、凝縮器16には復路配管20から気相の冷媒が流入し、凝縮器16は、冷媒から放熱させることによりその冷媒を凝縮させる。凝縮器16内の冷媒と熱交換させられる受熱流体は、本実施形態では、後述するように空気である。
また、凝縮器16は電池冷却器14よりも上方に配置されている。そして、凝縮器16のうち下方寄りの部位に往路配管18が接続され、凝縮器16のうち上方寄りの部位に復路配管20が接続されている。要するに、往路配管18は、復路配管20よりも下方にて凝縮器16に接続されている。そのため、凝縮器16で凝縮した冷媒すなわち凝縮器16内の液相冷媒は、重力によって、凝縮器16内から往路流通路18aへと流れる。
以上のように構成された図1の機器温調装置10では、例えば車両走行中など電池12が発熱し電池温度が高くなると、電池セル121の下面を通じて電池冷却器14の上面部141へ熱が伝わり、その熱によって電池冷却器14内の液相冷媒が沸騰する。その液相冷媒の沸騰による蒸発潜熱で各電池セル121は冷却される。また、電池冷却器14内で沸騰した冷媒はガス化して上方へ移動する。すなわち、そのガス化した冷媒(すなわち、気相冷媒)は、復路流通路20aを通って凝縮器16へ移動する。そうすると、その凝縮器16へ流入した気相冷媒は凝縮器16で冷却されて液化し、往路配管18を通って再び電池冷却器14に流入する。
要するに、機器温調装置10でサーモサイフォン現象が開始されると、流体循環回路26に冷媒が矢印ARcのように循環する。このように、機器温調装置10では、これらの作動がコンプレッサ等の駆動装置を必要とせずに、流体循環回路26に封入された冷媒の自然循環により行われる。
本実施形態の車両90は、一般的な車両と同様に、温度調整された空気を車室内へ吹き出す空調ユニット40を備えている。そして、図3に示すように、機器温調装置10の凝縮器16は、その空調ユニット40が行う車室内空調の際に内気が流通する内気流通経路42に配置されている。ここで、その「内気が流通する」とは、「実質的に内気のみが流通する」ということである。そして、その「実質的に内気のみが流通する」ということには、外気が微少量混入することが含まれる。更に、その混入する外気の微少量とは、当該微少量の外気が内気に混入したとしても、内気のみが流通する場合に比べて実質的な温度変化がない程度の少ない量である。
上記の凝縮器16の配置を説明するため、図3に示す空調ユニット40について説明する。
図3に示すように、空調ユニット40は、凝縮器16が設けられていることを除き、ほぼ一般的な車両用空調ユニットと同様である。
この図3の空調ユニット40は、例えば車室内最前部のインストルメントパネルの内側に配置されている。この空調ユニット40は、車室内の空気である内気と車室外の空気である外気との一方または両方を吸い込むと共にその吸い込んだ空気を調温して車室内へ吹き出す。空調ユニット40は、図3に示すように、空調ケース44、内外気切替ドア46、ブロワすなわち送風機48、エバポレータ50、空気加熱器52、エアミックスドア54、および、複数の吹出口切替ドア56a〜56d等を有している。その吹出口切替ドア56a〜56dは何れも、例えばバタフライドアである。
空調ケース44は空調ユニット40の筐体を成し、空調ケース44のうちの一方側には、空気導入口44a、44bが形成され、他方側には、車室内に向かう空気が通過する複数の吹出口が形成されている。そして、空調ケース44内には通風路44cが形成されており、その通風路44cは、その空気導入口44a、44bから吹出口へと送風空気を流す。
また、空調ケース44は、2つの空気導入口44a、44bが形成された空気吸込部441を、空調ケース44の上流側(すなわち一方側)に有している。その2つの空気導入口44a、44bのうちの一方は、内気を吸い込む内気導入口44aであり、他方は、外気を吸い込む外気導入口44bである。すなわち、空調ユニット40は、内気導入口44aから内気を吸い込み、外気導入口44bから外気を吸い込む。
内外気切替ドア46は、内気導入口44aの開度と外気導入口44bの開度とを増減する開閉装置である。内外気切替ドア46は、空気吸込部441内で回動動作し、サーボモータなどのアクチュエータによって駆動される。詳細には、内外気切替ドア46は、内気導入口44aと外気導入口44bとの一方を開くほど他方を閉じるように回動し、空気吸込部441内に流入する内気と外気との流量割合を調整する。なお、内気導入口44aの開度とは内気導入口44aの開き度合であり、外気導入口44bの開度とは外気導入口44bの開き度合である。
例えば、内外気切替ドア46は、空調ユニット40内へ専ら内気が導入される内気モードと、空調ユニット40内へ専ら外気が導入される外気モードとに、空調ユニット40を切り替える。その内気モードでは、内外気切替ドア46は、内気導入口44aを開く一方で外気導入口44bを閉じる。要するに、内外気切替ドア46は、内気導入口44aの開度を100%とし、外気導入口44bの開度を0%にする。
その一方で、外気モードでは、内外気切替ドア46は、内気導入口44aをほぼ閉じる一方で外気導入口44bを開く。要するに、内外気切替ドア46は、内気導入口44aの開度を0%に近い開度とし、外気導入口44bの開度をほぼ100%にする。すなわち、本実施形態の空調ユニット40は、外気モードでは、外気と共に内気も空調ユニット40内へ導入される半内気導入状態になる。
このように、空調ユニット40は、内外気切替ドア46を有することにより、内気モードと外気モードとに切替え可能となっている。
また、内気導入口44aも外気導入口44bもそれぞれ短いダクト形状を成している。内気導入口44aは、車室内空調の際に内気が通過する導入口であるので、内気流通経路42に含まれる。そして、その内気導入口44aには、機器温調装置10の凝縮器16が配置されている。従って、内気導入口44aが開かれている場合に内気導入口44aへ流入する内気は、凝縮器16で凝縮器16内の冷媒と熱交換してから、送風機48に吸い込まれる。
また、凝縮器16は、内外気切替ドア46に対し空気流れ上流側に配置されている。
送風機48は、空気吸込部441に流入した空気をエバポレータ50へ流しそのエバポレータ50を通過した空気を車室内へ流出させるように送風する。要するに、送風機48は、空調ユニット40内から車室内へ空気を流す。そのために、送風機48は、遠心式ファンである羽根車481と、その羽根車481を回転させる不図示のモータとを有している。
送風機48の羽根車481は、空調ケース44内の空気流れにおいて、空気吸込部441よりも下流側であって且つエバポレータ50よりも上流側に配置されている。
エバポレータ50は、空調ケース44内において送風機48の羽根車481に対し空気流れ下流側に配置されている。エバポレータ50は空気冷却用の熱交換器である。このエバポレータ50は、不図示の蒸気圧縮式冷凍サイクルの一部を構成している。そして、エバポレータ50は、その冷凍サイクルを循環する熱交換媒体と送風機48から送られる送風空気とを熱交換させ、その熱交換により熱交換媒体を蒸発気化させると共に送風空気を冷却する。
空気加熱器52は、空調ケース44内においてエバポレータ50に対し空気流れ下流側に配置されている。空気加熱器52は、空気加熱器52を通過する空気をエンジン冷却用のエンジン冷却水と熱交換させることにより加熱するヒータコアである。
空気加熱器52は、空調ケース44内においてエバポレータ50よりも空気流れ下流側で、通風路44cを部分的に横切るように配設されている。
エアミックスドア54は、空気加熱器52に対する空気流れ上流側で且つエバポレータ50に対する空気流れ下流側に配置されている。エアミックスドア54は、サーボモータなどのアクチュエータにより駆動されており、各吹出口から車室内に向けて、それぞれ吹き出される空調風の吹出温度を変更する。換言すると、エアミックスドア54は、そのエアミックスドア54の回動位置に応じて、エバポレータ50を通過し空気加熱器52を迂回して流れる冷風と、エバポレータ50を通過した後に空気加熱器52を通過する温風との風量比率を調整する。
空調ケース44は、デフロスタ開口部442、フェイス開口部443、前席フット開口部444、および後席フット開口部445を有している。それらの開口部442、443、444、445は、空調ケース44内の空気流れにおいて最も下流側の部位に配置されている。
そして、デフロスタ開口部442にはデフロスタダクト442aが接続されている。また、デフロスタ開口部442にはデフロスタドア56aが設けられており、そのデフロスタドア56aはデフロスタ開口部442を開閉する。デフロスタ開口部442は、デフロスタドア56aによって開かれていれば、デフロスタダクト442aを介して、車両90のフロントウインドゥの内面に向かって空気(例えば、主に温風)を吹き出す。
フェイス開口部443にはフェイスダクト443aが接続されている。また、フェイス開口部443にはフェイスドア56bが設けられており、そのフェイスドア56bはフェイス開口部443を開閉する。フェイス開口部443は、フェイスドア56bによって開かれていれば、フェイスダクト443aを介して、前席乗員の頭胸部に向かって空気(例えば、主に冷風)を吹き出す。
前席フット開口部444には前席フットダクト444aが接続されている。また、前席フット開口部444には前席フットドア56cが設けられており、その前席フットドア56cは前席フット開口部444を開閉する。前席フット開口部444は、前席フットドア56cによって開かれていれば、前席フットダクト444aを介して、前席乗員の足元部に向かって空気(例えば、主に温風)を吹き出す。
後席フット開口部445には後席フットダクト445aが接続されている。また、後席フット開口部445には後席フットドア56dが設けられており、その後席フットドア56dは後席フット開口部445を開閉する。後席フット開口部445は、後席フットドア56dによって開かれていれば、後席フットダクト445aを介して、後席乗員の足元部に向かって空気(例えば、主に温風)を吹き出す。
各吹出口切替ドア56a〜56dの開閉作動に応じて、空調ユニット40の吹出口モードが切り替えられる。例えば、その吹出口モードとしては、フェイスモード、バイレベルモード、フットモード、フットデフロスタモード、デフロスタモード等を挙げることができる。
上述したように、本実施形態によれば、機器温調装置10の凝縮器16は、空調ユニット40が行う車室内空調の際に内気が流通する内気流通経路42に配置されている。詳細には、その凝縮器16は、内気流通経路42のうち空調ユニット40の内気導入口44aに配置されている。
そして、内気導入口44aには、夏期であれば車室内の冷房された冷風が通過し、冬期であれば暖房された温風が通る。これに対し、特許文献1の冷却装置では、冷媒に相当する作動流体の冷却は常に、外気である走行風によって行われる。すなわち、本実施形態では、夏期において、特許文献1の冷却装置に比してより低温の冷風(すなわち、内気)を凝縮器16に流すことが可能となる。そして、本実施形態では、冬期において、特許文献1の冷却装置に比してより高温の温風を凝縮器16に流すことが可能となる。その結果、夏期における機器温調装置10の冷却性能の向上を図ると共に、冬期における電池12の過剰な冷却を抑制することが可能である。
夏期における作用について詳述すれば、内気導入口44aを通過する内気である冷風が凝縮器16に流れることで、特許文献1の冷却装置に対し、本実施形態の機器温調装置10では電池冷却器14と凝縮器16との温度差が大きくなる。流体循環回路26の冷媒の循環量はこの温度差にほぼ比例するため、その冷媒の循環量の増加とともに機器温調装置10の冷却性能も向上する。
ちなみに、夏期において空調ユニット40が外気モードに切り替えられることも想定されるが、本実施形態の空調ユニット40は、近年の空調ユニットと同様に省エネルギーを目的として、外気モードでは上記の半内気導入状態になる。そのため、空調ユニット40は、その空調ユニット40によるエアコン作動時には常時内気導入口44aに風(すなわち、内気)が流れる構造となっている。
また、冬期における作用について詳述すれば、内気導入口44aを通過する内気である温風が凝縮器16に流れることで、特許文献1の冷却装置に対し、本実施形態の機器温調装置10では電池冷却器14と凝縮器16との温度差が小さくなる。或いは、凝縮器16の方が電池冷却器14よりも高温になるというように、その温度差が逆転する。これにより、特許文献1の冷却装置に比して本実施形態の機器温調装置10では冷媒の循環量が減少し或いはその冷媒の循環が停止するので、冬期に電池12を過剰に冷却してしまうことを抑制することが可能である。
また、本実施形態によれば、凝縮器16に対する送風は空調ユニット40の送風機48によって行われる。そのため、凝縮器16に送風するための専用送風機を設ける必要がないというメリットがある。
また、本実施形態によれば、凝縮器16は空調ユニット40の内気導入口44aに配置されているので、凝縮器16は、空調ユニット40の占有スペース内に配置されることになる。従って、凝縮器16の搭載スペースを確保する必要がない。要するに、機器温調装置10の搭載性の向上を図ることが容易である。
また、特許文献1の冷却装置では、凝縮器16に相当する放熱部が車両前面に配置されているのに対し、本実施形態の機器温調装置10では、凝縮器16は空調ユニット40の内気導入口44aに配置されている。そして、電池12は、車両90の床下やトランクルーム下などに配置されることが多い。従って、特許文献1の冷却装置との比較で、本実施形態の機器温調装置10では、凝縮器16と電池冷却器14との間の距離を短くすることが可能である。そのため、例えば、各配管18、20における圧損や熱の授受に起因した冷却性能の悪化を抑制することが可能である。
また、春または秋などの中間期に電池12の冷却が必要であり且つ空調ユニット40の暖房運転も行いたいシーンでは、電池12の廃熱が凝縮器16にて内気に放熱されるので、その電池12の廃熱を車室内の暖房に利用することが可能である。
また、本実施形態によれば、複数の電池セル121はそれぞれ電池冷却器14の上面141aの上に並べて配置されている。すなわち、電池12の各電池セル121は、電池冷却器14の上面部141の上に載っている。ここで、例えば電池冷却器14の上面141aではなく側面に各電池セル121が接触する比較例を想定した場合、その比較例では、電池冷却器14と各電池セル121との間に、その両者の間の伝熱を促進するための或る程度の押付け荷重(例えば、拘束力)が必要となる。
これに対し、本実施形態の機器温調装置10では、上記のように各電池セル121は電池冷却器14の上に載っており、言い換えれば、電池セル121の側面ではなく下面に電池冷却器14が配置されている。そのため、電池セル121の自重で電池セル121と電池冷却器14との間に接触荷重を確保することが可能である。従って、本実施形態のように電池12の下側に電池冷却器14を配置する下面冷却方式の方が、上記比較例のような配置方式よりも、電池12を冷却する上で有利である。
(第2実施形態)
次に、第2実施形態について説明する。本実施形態では、前述の第1実施形態と異なる点を主として説明する。また、前述の実施形態と同一または均等な部分については省略または簡略化して説明する。このことは後述の第3実施形態でも同様である。
図4に示すように、本実施形態では、空調ユニット40と凝縮器16の配置とが前述の第1実施形態と異なっている。それ以外については、本実施形態は第1実施形態と同様である。
本実施形態の空調ユニット40は、外気が流れる外気通路44eと内気が流れる内気通路44dとが互いに並列に形成された内外気二層構造を有している。すなわち、その内気通路44dと外気通路44eは、通風路44cの一部として空調ケース44内に形成されている。
詳細には、空調ケース44は、エバポレータ50に対する空気流れ上流側において通風路44cを上下に仕切る仕切壁446を有している。そして、エバポレータ50に対する空気流れ上流側において、内気通路44dは仕切壁446の下側に形成され、外気通路44eは仕切壁446の上側に形成されている。
また、その内気通路44dは、車室内空調の際に内気が通過する通路であるので、内気流通経路42に含まれる。そして、その内気通路44dには、機器温調装置10の凝縮器16が配置されている。従って、内気導入口44aが開かれている場合には内気通路44dに内気が流れ、その内気通路44dを流れる内気は、凝縮器16で凝縮器16内の冷媒と熱交換してから、エバポレータ50へ流れる。
また、本実施形態の空調ユニット40は、第1実施形態の内外気切替ドア46に替えて、内気導入口ドア46aと外気導入口ドア46bとを有している。この内気導入口ドア46aは内気導入口44aを開閉し、外気導入口ドア46bは外気導入口44bを開閉する。本実施形態では、内気モードと外気モードとの何れでも、内気導入口44aの開度および外気導入口44bの開度はそれぞれ、各導入口ドア46a、46bの作動により、第1実施形態と同様に調整される。
また、本実施形態の送風機48は、第1実施形態の羽根車481に替えて、内気用羽根車481aと外気用羽根車481bとを有している。この内気用羽根車481aと外気用羽根車481bは何れも遠心式ファンである。
また、空調ケース44内の空気流れにおいて、内気用羽根車481aは内気導入口44aよりも下流側であって且つ内気通路44dよりも上流側に配置されている。外気用羽根車481bは外気導入口44bよりも下流側であって且つ外気通路44eよりも上流側に配置されている。そのため、内気用羽根車481aは、その内気用羽根車481aの回転に伴い、内気導入口44aから吸い込んだ内気を内気通路44dへ流す。また、外気用羽根車481bは、その外気用羽根車481bの回転に伴い、外気導入口44bから吸い込んだ外気を外気通路44eへ流す。また、送風機48は、内気用羽根車481aが送風する内気と外気用羽根車481bが送風する外気とが混ざり合わないように構成されている。
また、本実施形態の空調ユニット40は、第1実施形態のエアミックスドア54に替えて、第1エアミックスドア54aと第2エアミックスドア54bとを有している。この第1エアミックスドア54aと第2エアミックスドア54bはそれぞれ回動動作を行う。そして、第1エアミックスドア54aと第2エアミックスドア54bは、その両方の回動動作により、第1実施形態のエアミックスドア54と同様に、冷風と温風との風量比率を調整する。
また、本実施形態の空調ユニット40は、エバポレータ50に対して空気流れ下流側に配置された第1通風経路変更ドア58と第2通風経路変更ドア60とを有している。この2つの通風経路変更ドア58、60の回動動作により、エバポレータ50の空気流れ下流側における空気流れの経路が変更される。
本実施形態では、前述の第1実施形態と共通の構成から奏される効果を第1実施形態と同様に得ることができる。
また、本実施形態によれば、機器温調装置10の凝縮器16は空調ユニット40の内気通路44dに配置されている。従って、第1実施形態のようにその凝縮器16が空調ユニット40の内気導入口44aに配置されている場合と同様の効果を得ることが可能である。
(第3実施形態)
次に、第3実施形態について説明する。本実施形態では、前述の第1実施形態と異なる点を主として説明する。
本実施形態では、機器温調装置10は図5に示す制御部64を備え、その制御部64は図6の制御処理を実行する。この点において本実施形態は前述の第1実施形態と異なっている。それ以外については、本実施形態は第1実施形態と同様である。例えば、本実施形態の空調ユニット40は図3の通りである。
図5の制御部64は例えば、空調ユニット40の空調制御を実行する空調制御装置のうちの一機能部として構成されている。そして、その空調制御装置は、CPU、ROM、RAM等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路とから構成された電子制御装置である。従って、制御部64は、半導体メモリなどの非遷移的実体的記憶媒体に格納されたコンピュータプログラムを実行する。このコンピュータプログラムが実行されることで、コンピュータプログラムに対応する方法が実行される。
本実施形態の制御部64は、種々の制御信号を空調ユニット40の各アクチュエータに対して出力する。例えば、制御部64は、制御信号を出力することにより、内外気切替ドア46、送風機48、エアミックスドア54、および、複数の吹出口切替ドア56a〜56dの各作動を制御することができる。
次に、図6の制御処理について説明する。図6は、本実施形態の制御部64が実行する制御処理を示したフローチャートである。制御部64は、図6の制御処理を周期的に繰り返し実行する。
図6に示すように、制御部64は、まず、ステップS101にて、車両90の運転が終了したか否かを判定する。その車両90の運転終了は、イグニッションスイッチ66(図5参照)のオンオフに基づいて判定される。すなわち、イグニッションスイッチ66がオンであれば車両90の運転は終了していないと判定され、イグニッションスイッチ66がオフになれば車両90の運転が終了したと判定される。
図6のステップS101において、車両90の運転が終了したと判定された場合には、ステップS102へ進む。その一方で、車両90の運転が未だ終了していないと判定された場合には、このステップS101の処理を繰り返す。すなわち、ステップS102以降の処理は、車両90の運転終了後に実行される。
ステップS102では、制御部64は、電池12の電池残量SOCを取得する。そして、その取得後に、制御部64は、その電池残量SOCが所定の電池残量閾値SOC1以上であるか否かを判定する。その電池残量閾値SOC1は、後述のステップS106で送風機48を作動させるために電池残量SOCが十分であることを確認できるように予め実験的に定められている。
ステップS102において、電池残量SOCが電池残量閾値SOC1以上であると判定された場合には、ステップS103へ進む。その一方で、電池残量SOCが電池残量閾値SOC1未満であると判定された場合には、図6の制御処理が再びステップS101から開始される。
ステップS103では、制御部64は、内気の温度である内気温度と、電池12の温度である電池温度とをそれぞれ取得する。具体的には、制御部64は、内気導入口44aに吸い込まれる内気の温度すなわち内気吸込み温度を、その内気温度として取得する。その内気吸込み温度は、例えば、内気導入口44aのうち凝縮器16の空気流れ上流側に配置された内気温度センサによって検出され、制御部64は、その内気温度センサの検出信号により内気吸込み温度を取得する。なお、制御部64は、内気温度センサの温度検出のために必要に応じて送風機48に一時的に微風を送風させてもよい。
また、制御部64は、例えば各電池セル121の温度(すなわち、電池セル温度)のうちの最大値を電池温度として取得する。その電池セル温度はそれぞれ、電池セル121の各々に設けられた電池セル温度センサによって検出され、制御部64は、その電池セル温度センサの検出信号により各電池セル温度を取得する。
そして、ステップS103では、制御部64は、電池温度および内気温度の取得後に、その電池温度が内気温度よりも高いか否かを判定する。
ステップS103において、電池温度が内気温度よりも高いと判定された場合には、ステップS104へ進む。その一方で、電池温度が内気温度以下であると判定された場合には、図6の制御処理が再びステップS101から開始される。
ステップS104では、制御部64は、空調ユニット40が外気モードであるか否かを判定する。具体的には、内外気切替ドア46のドア回動位置に基づき、空調ユニット40が外気モードであるか又は内気モードであるかが判定される。
ステップS104において、空調ユニット40が外気モードであると判定された場合には、ステップS105へ進む。その一方で、空調ユニット40が外気モードではないと判定された場合には、空調ユニット40は既に内気モードになっているので、ステップS106へ進む。
ステップS105では、制御部64は、内外気切替ドア46を作動させることにより、空調ユニット40を内気モードへ切り替える。ステップS105の次はステップS106へ進む。
ステップS106では、制御部64は、送風機48を作動させる。すなわち、送風機48をオンにする。この送風機48のオンは、後述のステップS109で送風機48がオフにされるまで継続する。例えば、このときの送風機48の回転数は、凝縮器16で冷媒を凝縮させるのに足る送風量を生じ且つ出来るだけ低い回転数となるように予め実験的に設定されている。
なお、このステップS106で開始される送風機48の送風中には、何れの開口部442〜445から送風空気が吹き出されてもよい。但し、本実施形態では、制御部64は、各吹出口切替ドア56a〜56dを作動させることにより、空調ユニット40の吹出口モードを、複数の開口部442〜445のうち専らフット開口部444、445から空気が吹き出されるフットモードにする。ステップS106の次はステップS107へ進む。
ステップS107では、制御部64は、電池12の電池残量SOCを取得する。その電池残量SOCはステップS102と同様にして検出され取得されるが、その検出時期がステップS102とは異なる。
そして、制御部64は、上述のステップS102と同様に、電池残量SOCが所定の電池残量閾値SOC1以上であるか否かを判定する。
ステップS107において、電池残量SOCが電池残量閾値SOC1以上であると判定された場合には、ステップS108へ進む。その一方で、電池残量SOCが電池残量閾値SOC1未満であると判定された場合には、ステップS109へ進む。
ステップS108では、制御部64は、内気温度と電池温度とをそれぞれ取得する。その内気温度と電池温度はステップS103と同様にして検出され取得されるが、その検出時期がステップS103とは異なる。
そして、ステップS108では、制御部64は、電池温度および内気温度の取得後に、その電池温度が内気温度よりも低くなったか否かを判定する。
ステップS108において、電池温度が内気温度よりも低くなったと判定された場合には、ステップS109へ進む。その一方で、電池温度が内気温度以上であると判定された場合には、ステップS107へ進む。
ステップS109では、制御部64は、送風機48を停止させる。すなわち、送風機48をオフにする。
このようにして、制御部64は、電池残量SOCを監視しつつ、車両90の運転終了後において電池温度が内気温度よりも高い場合には、空調ユニット40を内気モードに切り替えると共に、送風機48を作動させる。すなわち、制御部64は、その送風機48の作動によって内気流通経路42(具体的には、内気導入口44a)に内気を流通させる。
これにより、車両90の運転終了後に車室内に残った冷風(具体的には、電池12よりも低温の内気)で電池12を冷却しておくことが可能である。その結果、例えば駐車放置中の電池12の平均温度を下げることができ、それにより、電池12の劣化抑制および寿命向上を図ることが可能である。
なお、上述した図6の各ステップでの処理は、それぞれの機能を実現する機能部を構成している。
また、本実施形態では、前述の第1実施形態と共通の構成から奏される効果を第1実施形態と同様に得ることができる。
なお、本実施形態は第1実施形態に基づいた変形例であるが、本実施形態を前述の第2実施形態と組み合わせることも可能である。
(他の実施形態)
(1)上述の各実施形態では図1に示すように、機器温調装置10が冷却する対象機器は二次電池12であるが、その対象機器に限定はない。例えば、その対象機器は、モータ、インバータ、充電器など二次電池12以外の電子機器であってもよいし、単なる発熱体であってもよい。また、その対象機器は車載機器に限らず、基地局など定置で冷却が必要な機器であってもよい。
(2)上述の各実施形態では、空気加熱器52はヒータコアであるが、冷凍サイクルの一部を構成する室内コンデンサであっても差し支えない。
(3)上述の各実施形態において、機器温調装置10の凝縮器16は、エバポレータ50よりも空気流れ上流側に配置されているが、これは一例である。例えば、その凝縮器16は、内気流通経路42に配置されていれば、エバポレータ50よりも空気流れ下流側に配置されていてもよい。
(4)上述の各実施形態において、内気流通経路42は空調ユニット40の内気導入口44aと内気通路44dとを含むが、空調ユニット40以外の部分を含んでも差し支えない。例えば、内気導入口44aに接続され内気導入口44aへ内気を導く通風ダクトが空調ユニット40の外部に設けられている場合には、内気流通経路42は、その通風ダクト内のダクト通路を含む。そして、機器温調装置10の凝縮器16は、そのダクト通路に配置されていてもよい。要するに、凝縮器16は、空調ユニット40の内外を問わず、内気流通経路42のどこに配置されても構わない。
(5)上述の第3実施形態において、図6のステップS102、S108で内気温度と比較される電池温度は、例えば、各電池セル121の温度のうちの最大値とされているが、これは一例である。例えば、その電池温度は、各電池セル121の温度の平均値として算出されてもよい。
(6)上述の第3実施形態において、図6のステップS102、S108では、内気吸込み温度が内気温度として取得されるが、内気吸込み温度に限らず、車室内の何れかの箇所で検出された室温が内気温度として取得されても差し支えない。
(7)上述の各実施形態において、空調ユニット40は、例えば車室内最前部に配置されるフロント空調ユニットであるが、これは一例である。例えば、機器温調装置10の凝縮器16が配置される空調ユニット40は、デュアルエアコンのうちのリヤ空調ユニットであってもよい。
(8)上述の各実施形態において、往路配管18は、機器温調装置10の往路部としてとして設けられているが、その往路部は配管部材で構成されている必要はない。例えば、ブロック状物内に形成された孔が往路流通路18aとして設けられている場合には、そのブロック状物のうち往路流通路18aを形成する部位が往路部に相当する。このことは、復路配管20に関しても同様である。
(9)上述の各実施形態では図1に示すように、凝縮器16は1つ設けられているが、凝縮器16は複数設けられていても差し支えない。そのように複数の凝縮器16が設けられている場合には、その複数の凝縮器16に、例えば、上述の各実施形態のように空気と流体循環回路26の冷媒とを熱交換させる熱交換器と、冷媒−冷媒熱交換器と、チラーとの何れかまたは全部が含まれていてもよい。その冷媒−冷媒熱交換器とは、エバポレータ50(図3参照)が属する冷凍サイクルとは別の冷凍サイクルの一部を構成し、その冷凍サイクルを循環する熱交換媒体を蒸発させることにより流体循環回路26の冷媒を冷却する熱交換器である。また、上記チラーとは、冷却水等の液媒体で流体循環回路26の冷媒を冷却する冷却装置である。
(10)上述の各実施形態において、流体循環回路26内に充填されている冷媒は、例えばフロン系冷媒であるが、その流体循環回路26内の冷媒はフロン系冷媒に限らない。例えば、その流体循環回路26内に充填されている冷媒として、プロパンまたはCOなどの他の冷媒や、相変化する他の媒体が用いられても差し支えない。
(11)上述の各実施形態では、機器温調装置10は電池12を冷却することで電池12の温度調整を行うが、機器温調装置10は、そのような冷却機能に加え、電池12を加熱する加熱機能を備えていても差し支えない。
(12)上述の第1実施形態では、図3に示すように空調ユニット40の空調ケース44は、通風路44cがおおよそ車両前後方向DR2へ延びるように形成されているが、これは一例である。その空調ケース44の形状および空調ケース44内の各機器の配置は、空調ユニット40が搭載される具体的な車両に応じて決まる。このことは、図4に示す第2実施形態の空調ユニット40についても同様である。
(13)上述の各実施形態において、空調ユニット40の空調ケース44は2つのフット開口部444、445を有しているが、その2つのフット開口部444、445のうちの一方が無い空調ケース44も想定できる。
(14)上述の第3実施形態において、図6のフローチャートに示す各ステップの処理はコンピュータプログラムによって実現されるものであるが、ハードロジックで構成されるものであっても差し支えない。
(15)上述の第3実施形態において、制御部64は例えば、空調ユニット40の空調制御装置のうちの一機能部として構成されているが、その空調制御装置とは別の制御装置として構成されていても差し支えない。
(16)上述の各実施形態では、機器温調装置10の凝縮器16は、図3および図4に示す空調ユニット40の内気流通経路42に配置されるが、その空調ユニット40以外の他の空調ユニットに設けられた内気流通経路42に配置されても差し支えない。
例えば、凝縮器16は、後席用クーラに設けられた内気流通経路42に配置されても差し支えない。この後席用クーラは、車室内のうち後席周りの空調を行う空調ユニットである。そして、この後席用クーラは車両のサイドトリムに配置され、内気導入口44aを備えているが、外気導入口44bを備えてはいない。
また、凝縮器16は、シート用空調装置に設けられた内気流通経路42に配置されても差し支えない。このシート用空調装置は、車室内に配置された車両用シートに通風する空調ユニットである。そして、このシート用空調装置も内気導入口44aを備えているが、外気導入口44bを備えてはいない。
なお、本開示は、上述の実施形態に限定されることなく、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。
また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。
また、上記各実施形態において、構成要素等の材質、形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の材質、形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その材質、形状、位置関係等に限定されるものではない。
(まとめ)
上記各実施形態の一部または全部で示された第1の観点によれば、放熱部は、温度調整された空気を車室内へ吹き出す空調ユニットが行う車室内空調の際に内気が流通する内気流通経路に配置される。
また、第2の観点によれば、放熱部は内気導入口に配置される。従って、上記の第1の観点と同様に、夏期における機器温調装置の冷却性能の向上を図ると共に、冬期における対象機器の過剰な冷却を抑制することが可能である。更に、放熱部に対する送風は空調ユニットの送風機能によって為されることになるので、その放熱部に送風するための専用送風機を設ける必要がないというメリットがある。
また、放熱部は空調ユニットの占有スペース内に配置されることになるので、その放熱部の搭載スペースを確保する必要がない。要するに、機器温調装置の搭載性の向上を図ることが容易である。
また、機器温調装置による対象機器の冷却が行われ且つ空調ユニットの暖房運転も行われるシーンでは、対象機器の廃熱が放熱部にて内気に放熱されるので、その対象機器の廃熱を車室内の暖房に利用することが可能である。
また、第3の観点によれば、空調ユニットは、外気が流れる外気通路と内気が流れる内気通路とが互いに並列に形成された内外気二層構造を有する。そして、その内気通路は内気流通経路に含まれ、放熱部はその内気通路に配置される。従って、空調ユニットが内外気二層構造を有する場合に、上記の第2の観点と同様の効果を得ることができる。
また、第4の観点によれば、制御部は、車両の運転終了後において電池の温度が内気の温度よりも高い場合には、送風機を作動させ、その送風機の作動によって内気流通経路に前記内気を流通させる。これにより、車両の運転終了後に車室内に残った冷風(具体的には、電池よりも低温の内気)で電池を冷却しておくことが可能である。その結果、例えば駐車放置中の電池の平均温度を下げることができ、それにより、電池の劣化抑制および寿命向上を図ることが可能である。
また、第5の観点によれば、制御部は、車両の運転終了後において電池の温度が内気の温度よりも高い場合には、空調ユニットを内気モードに切り替えると共に、送風機を作動させる。従って、上記の第4の観点と同様の効果を得ることができる。

Claims (4)

  1. 車両(90)に搭載され、作動流体が循環し、該作動流体の液相と気相との相変化によって対象機器(12)の温度を調整する機器温調装置であって、
    前記対象機器から前記作動流体に吸熱させることにより該作動流体を蒸発させる吸熱部(14)と、
    該吸熱部よりも上方に配置され、前記作動流体から放熱させることにより該作動流体を凝縮させる放熱部(16)と、
    該放熱部から前記吸熱部へ前記作動流体を流す往路流通路(18a)が形成された往路部(18)と、
    前記吸熱部から前記放熱部へ前記作動流体を流す復路流通路(20a)が形成された復路部(20)と
    制御部(64)とを備え、
    前記放熱部は、温度調整された空気を車室内へ吹き出す空調ユニット(40)が行う車室内空調の際に内気が流通する内気流通経路(42)に配置され
    前記空調ユニットは、該空調ユニット内から車室内へ空気を流す送風機(48)を有し、
    前記対象機器は電池であり、
    前記制御部は、前記車両の運転終了後において前記電池の温度が前記内気の温度よりも高い場合には、前記送風機を作動させ、該送風機の作動によって前記内気流通経路に前記内気を流通させる機器温調装置。
  2. 車両(90)に搭載され、作動流体が循環し、該作動流体の液相と気相との相変化によって対象機器(12)の温度を調整する機器温調装置であって、
    前記対象機器から前記作動流体に吸熱させることにより該作動流体を蒸発させる吸熱部(14)と、
    該吸熱部よりも上方に配置され、前記作動流体から放熱させることにより該作動流体を凝縮させる放熱部(16)と、
    該放熱部から前記吸熱部へ前記作動流体を流す往路流通路(18a)が形成された往路部(18)と、
    前記吸熱部から前記放熱部へ前記作動流体を流す復路流通路(20a)が形成された復路部(20)と
    制御部(64)とを備え、
    前記放熱部は、温度調整された空気を車室内へ吹き出す空調ユニット(40)が行う車室内空調の際に内気が流通する内気流通経路(42)に配置され
    前記空調ユニットは、該空調ユニット内へ前記内気が導入される内気モードに切替え可能となっており、且つ、該空調ユニット内から車室内へ空気を流す送風機(48)を有し、
    前記対象機器は電池であり、
    前記制御部は、前記車両の運転終了後において前記電池の温度が前記内気の温度よりも高い場合には、前記空調ユニットを前記内気モードに切り替えると共に、前記送風機を作動させる機器温調装置。
  3. 前記空調ユニットは、該空調ユニットに形成された内気導入口(44a)から前記内気を吸い込むものであり、
    前記内気導入口は前記内気流通経路に含まれ、
    前記放熱部は前記内気導入口に配置される請求項1または2に記載の機器温調装置。
  4. 前記空調ユニットは、外気が流れる外気通路(44e)と前記内気が流れる内気通路(44d)とが互いに並列に形成された内外気二層構造を有し、
    前記内気通路は前記内気流通経路に含まれ、
    前記放熱部は前記内気通路に配置される請求項1または2に記載の機器温調装置。
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