JP6819522B2 - 熱交換システム - Google Patents

Description

本開示は、車両に搭載される熱交換システムに関する。

車両の前方側部分に設けられたエンジンルームには、熱交換システムが搭載される。熱交換システムは、空気と熱媒体（例えば空調用の冷媒等）との間で熱交換を行うためのものである。熱交換システムは、例えば、単一又は複数の熱交換器に、空気を送り出すためのファン等を組み合わせてモジュール化したもの、として構成される。

下記特許文献１に記載されている熱交換システムのファンは、車両前方の外気開口から後方のエンジン側へ向かって外気を送り出す第１動作モードと、後方のエンジン側から前方の外気開口へ向かって空気を送り出す第２動作モードと、を実行することが可能となっている。

第２動作モードにおいては、外気よりも高温で乾燥している空気が、エンジン側から熱交換器へと供給される。このため、熱交換器を凍結させることなく、空気からの熱を効率的に回収することが可能となる。

特開２０１５−１０１３３３号公報

熱交換システムのファンは、車両の前方側から後方側に向けて空気を送り出すような方向に回転したときに、送り出される空気の流量が最適となるように設計されるのが一般的である。このため、上記の第２動作モードのように、後方側から前方側に向けて空気を送り出すような方向にファンが回転したときには、熱交換器を通過する空気の流量が小さくなってしまう。その結果、熱交換器における空気からの熱の回収が効率的には行われず、熱媒体を循環させるためのコンプレッサの負荷が大きくなってしまう可能性がある。

本開示は、車両の後方側から前方側に向けて空気を送り出すようにファンが動作するときに、熱交換器を通過する空気の流量が低下してしまうことを防止することのできる熱交換システム、を提供することを目的とする。

本開示に係る熱交換システムは、車両（ＶＣ）に搭載される熱交換システム（１０）であって、空気と熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器（１００）と、熱交換器を通過するように空気を送り出すファン（３００）と、熱交換器の一部である被閉鎖部に空気が流入する状態と、被閉鎖部に空気が流入しない状態と、を切り換える開閉機構（４００）と、ファン及び開閉機構の動作を制御する制御装置（７００）と、を備える。ファンは、車両の後方側に向けて空気を送り出す正回転動作と、車両の前方側に向けて空気を送り出す逆回転動作と、のいずれをも行うことが可能となっている。制御装置は、ファンが逆回転動作を行う際には、被閉鎖部に空気が流入しない状態となるように開閉機構を動作させる。

このような構成の熱交換システムでは、ファンが逆回転動作を行う際に、被閉鎖部に空気が流入しない状態となるように制御装置が開閉機構を動作させる。当該状態においては、熱交換器のうち被閉塞部を通過する空気の流量は０となるのであるが、その分、被閉塞部以外の部分を通過する空気の流量は増加する。このため、ファンから送り出される空気の流量が低下しても、熱交換器のうち被閉塞部以外の部分には十分な流量の空気が供給される。

例えば、熱交換器の一部が所謂「サブクール部」として構成されている場合には、熱交換器が凝縮器として機能する際にはサブクール部を冷媒が流れる一方で、熱交換器が蒸発器として機能する際にはサブクール部を冷媒が流れない。このため、サブクール部が上記の被閉塞部に含まれるように構成すれば、熱交換の性能を犠牲にすることなく、空気の流量を十分に確保することができる。

本開示によれば、車両の後方側から前方側に向けて空気を送り出すようにファンが動作するときに、熱交換器を通過する空気の流量が低下してしまうことを防止することのできる熱交換システム、が提供される。

図１は、本実施形態に係る熱交換システムが車両に搭載されている状態を模式的に示す図である。 図２は、本実施形態に係る熱交換システムが車両に搭載されている状態を模式的に示す図である。 図３は、熱交換システムの制御装置によって実行される処理の流れを示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照しながら本実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

図１、２を参照しながら、本実施形態に係る熱交換システム１０の構成について説明する。熱交換システム１０は、車両ＶＣの前方側部分（図１では左側部分）に設けられたエンジンルームのうち、エンジンＥＧよりも前方側となる位置に搭載されている。尚、本実施形態においては、車両ＶＣは、エンジンＥＧ及び回転電機（不図示）のそれぞれの駆動力によって走行し得るハイブリッド車両として構成されている。

熱交換システム１０は、熱交換器１００と、ラジエータ２００と、ファン３００と、開閉機構４００と、シャッター装置６００と、制御装置７００と、を備えており、これらの全体が一つのモジュールとして構成されたものとなっている。尚、制御装置７００は、上記モジュールとは離れた位置に配置されていてもよい。

熱交換器１００は、外側を流れる空気と、内側を流れる空調用の冷媒（熱媒体）との間で熱交換を行うための熱交換器である。熱交換器１００は、車両ＶＣに設けられた空調装置（全体は不図示）の一部となっている。当該空調装置はヒートポンプシステムとして構成されている。車室内の冷房が行われる際には、熱交換器１００は、冷媒を凝縮させるための凝縮器として機能する。車室内の暖房が行われる際には、熱交換器１００は、冷媒を蒸発させるための蒸発器として機能する。このように、本実施形態に係る熱交換システム１０は、ヒートポンプシステムの「室外機」として機能するものである。

熱交換器１００は、冷媒が通る複数本のチューブ（不図示）を、間にフィン（不図示）を挟んだ状態で上下方向に積層した構成となっている。それぞれのチューブ間を空気が通過する方向は、車両ＶＣの前後方向に沿っている。尚、このような熱交換器の構成としては公知のものを採用し得るので、その具体的な図示や説明については省略する。

熱交換器１００のうち下方側の部分のチューブは、熱交換器１００が凝縮器として機能する際に、空気との熱交換によって液相となった冷媒を更に冷却するためのサブクール部として用いられる。当該部分のことを、以下では「サブクール部１２０」とも表記する。また、熱交換器１００のうちサブクール部１２０よりも上方側の部分のことを、以下では「熱交換コア部１１０」とも表記する。

熱交換器１００が凝縮器として機能する際には、熱交換コア部１１０及びサブクール部１２０のいずれにおいても、チューブを冷媒が流れる。熱交換コア部１１０においては、空気との熱交換によって冷媒が冷却されて凝縮し、気相から液相へと変化する。これにより、冷媒から空気へと熱が放出される。サブクール部１２０においては、熱交換コア部１１０を通って液相となった冷媒が、空気との熱交換によって更に冷却される。これにより、冷媒の過冷却が行われる。

熱交換器１００が蒸発器として機能する際には、熱交換コア部１１０のチューブを冷媒が流れる一方で、サブクール部１２０のチューブには冷媒が流れない状態とされる。このような冷媒の流路の切り換えは、不図示の弁の動作によって実現される。熱交換コア部１１０においては、空気との熱交換によって冷媒が加熱されて蒸発し、液相から気相へと変化する。これにより、空気から冷媒へと熱が回収される。

ラジエータ２００は、エンジンＥＧ等を循環する冷却水を、空気との熱交換によって冷却するための熱交換器である。ラジエータ２００は、熱交換器１００よりも車両ＶＣの後方側となる位置に配置されている。ラジエータ２００は、第１ラジエータ２１０と第２ラジエータ２２０とを有している。

第１ラジエータ２１０は、エンジンＥＧに供給される冷却水を冷却するための熱交換器である。第２ラジエータ２２０は、インバータ（不図示）等の補機類に供給される冷却水を冷却するための熱交換器である。第１ラジエータ２１０及び第２ラジエータ２２０は、図１に示されるように上下方向に並ぶように配置されている。

ファン３００は、熱交換器１００及びラジエータ２００のそれぞれを通過するように空気を送り出す送風機である。ファン３００は、ラジエータ２００よりも車両ＶＣの後方側となる位置に設けられている。ファン３００は、後方側のエンジンＥＧに向けて空気を送り出す正回転動作と、前方側の熱交換器１００等に向けて空気を送り出す逆回転動作と、のいずれをも行うことが可能となっている。尚、図１にはファン３００が正回転動作を行っているときの状態が示されており、図２にはファン３００が逆回転動作を行っているときの状態が示されている。ファン３００の動作は、後述の制御装置７００によって制御される。

開閉機構４００は、熱交換器１００の一部に対する空気の流入を、必要に応じて一時的に抑制するために設けられた機構である。開閉機構４００は熱交換器１００の前方側となる位置に配置されており、板状部４１０と回転軸４２０とを有している。板状部４１０は矩形の板状部材であって、その端部が回転軸４２０に固定されている。回転軸４２０は、車両ＶＣの左右方向（図１では紙面奥行方向）に沿って伸びる棒状の部材である。回転軸４２０が配置されている位置の高さは、熱交換器１００の下端部の高さに概ね等しい。

回転軸４２０は、不図示のアクチュエータによって、その中心軸周りに回転する。これにより、熱交換器１００の一部が板状部４１０によって前方側から覆われている状態（図２）と、熱交換器１００の当該部分が板状部４１０によって覆われていない状態（図１）と、を切り換えることが可能となっている。

熱交換器１００のうち、図２の状態において開閉機構４００によって覆われる（閉鎖される）部分のことを、以下では「被閉鎖部」とも表記する。本実施形態では、図２の状態における板状部４１０の上端の高さが、サブクール部１２０の上端の高さに等しい。このため、本実施形態では、サブクール部１２０の全体が上記の被閉鎖部に含まれている。このような態様に換えて、サブクール部１２０の一部のみが上記の被閉鎖部に含まれているような態様としてもよい。

図１のように、板状部４１０が水平面に対して平行となっている状態においては、空気は被閉鎖部に流入する。一方、図２のように、板状部４１０が水平面に対して垂直となっている状態においては、空気は板状部４１０によって妨げられるので被閉鎖部には流入しない。このように、開閉機構４００は、熱交換器１００の一部である被閉鎖部に空気が流入する状態と、被閉鎖部に空気が流入しない状態と、を切り換えるための機構となっている。開閉機構４００の動作は制御装置７００によって制御される。

シャッター装置６００は、車両ＶＣの外部から熱交換器１００に向けて空気が流入する経路、具体的には、フロントグリルに形成された開口ＯＰを通った空気が熱交換器１００に到達する経路、の開閉を切り換える装置である。本実施形態におけるシャッター装置６００は、熱交換器１００よりも前方側となる位置に設けられている。

シャッター装置６００は、板状の部材であるブレード６１０を複数枚有しており、これらが上下方向に沿って並んでいる。それぞれのブレード６１０は、不図示のアクチュエータからの駆動力により、左右方向（図１では紙面奥行方向）に沿った回転軸の周りに回転することができる。これにより、図１のようにシャッター装置６００が開かれている状態と、図２のようにシャッター装置６００が閉じられている状態と、を切り換えることができる。シャッター装置６００の動作は制御装置７００によって制御される。

シャッター装置６００が開かれている状態（図１）においては、それぞれのブレード６１０が互いに離間しており、ブレード６１０間に隙間が形成されている状態となる。このとき、開口ＯＰからの空気はブレード６１０間の上記隙間を通過し、熱交換器１００に到達する。

シャッター装置６００が閉じられている状態（図２）においては、それぞれのブレード６１０が互いに当接しており、ブレード６１０間に隙間が形成されていない状態となる。このとき、開口ＯＰからの空気は各ブレード６１０によって遮られるため、熱交換器１００には到達しない。

制御装置７００は、熱交換システム１０の全体の動作を制御するための装置である。制御装置７００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有するコンピュータシステムとして構成されている。既に述べたように、制御装置７００は、ファン３００、開閉機構４００、シャッター装置６００、のそれぞれの動作を制御する。

制御装置７００は、空調装置の制御を司る不図示の空調ＥＣＵから送信される制御信号に基づいて、熱交換システム１０の各部の動作を制御する。このような態様に換えて、制御装置７００が空調ＥＣＵの一部として構成されているような態様であってもよい。

その他の構成について説明する。車両ＶＣの内部のうち、熱交換器１００よりも下方側となる位置には、アンダーダクト５００が設けられている。アンダーダクト５００は、熱交換器１００が配置されている空間と、エンジンＥＧよりも後方側の空間と、の間を繋ぐ流路として設けられたものである。アンダーダクト５００のうち前方側の端部には開口５１０が形成されており、後方側の端部には開口５２０が形成されている。アンダーダクト５００は、熱交換システム１０の一部を成すものである。

図１のように、板状部４１０が水平面に対して平行となっている状態においては、エンジンルームの底部から立ち上がる隔壁ＷＬ１と板状部４１０とによって、アンダーダクト５００の開口５１０側が塞がれた状態となる。一方、図２のように、板状部４１０が水平面に対して垂直となっている状態においては、熱交換器１００の空気が、開口５１０を通じてアンダーダクト５００内に流入し得る状態となる。

熱交換システム１０の動作について説明する。車室内の冷房が行われる際には、既に述べたように熱交換器１００が凝縮器として機能する。図１には、熱交換器１００が凝縮器として機能する際の状態が示されている。当該状態においては、シャッター装置６００は開かれた状態となっており、ファン３００は正回転動作を行っている。このため、熱交換器１００やラジエータ２００には、開口ＯＰから流入した空気が前方側から供給される。図１には、このような空気の流れが複数の矢印で示されている。

ファン３００は、車両の前方側から後方側に向けて空気を送り出すような方向に回転するとき、すなわち正回転動作を行っているときに、送り出される空気の流量が最適となるように設計されている。このため、図１に示される状態においては、十分な流量の空気が熱交換コア部１１０及びサブクール部１２０のそれぞれに供給される。

また、図１のように被閉鎖部（本実施形態ではサブクール部１２０）に空気が流入する状態となっているときには、アンダーダクト５００の開口５１０が開閉機構４００によって塞がれた状態となっている。このため、開口ＯＰから流入した空気はアンダーダクト５００に流入することなく、その全てが熱交換器１００に供給されて熱交換に供される。

車室内の暖房が行われる際には、既に述べたように熱交換器１００が蒸発器として機能する。図２には、熱交換器１００が蒸発器として機能する際の状態が示されている。当該状態においては、シャッター装置６００は閉じられた状態となっており、ファン３００は逆回転動作を行っている。このため、熱交換器１００やラジエータ２００には、後方のエンジンＥＧの周囲から、前方に向かって流れる空気が供給される。

また、図２のようにファン３００が逆回転動作を行っている際には、板状部４１０が水平面に対して垂直となるように、制御装置７００が開閉機構４００を動作させる。このため、熱交換器１００の被閉鎖部には空気が流入しない状態となる。

この状態においては、熱交換器１００のうち被閉塞部を通過する空気の流量は０となるのであるが、その分、被閉塞部以外の部分（本実施形態では熱交換コア部１１０）を通過する空気の流量は増加する。このため、ファン３００から送り出される空気の流量は逆回転動作によって低下しているのであるが、熱交換コア部１１０には十分な流量の空気が供給される。これにより、熱交換器１００においては十分な熱交換が行われ、空調装置において冷媒を循環させるためのコンプレッサ（不図示）の動作負荷が小さくなるので、車両ＶＣの燃費性能を向上させることができる。

既に述べたように、図２のように熱交換器１００が蒸発器として機能しているときには、サブクール部１２０のチューブには冷媒が流れない。このため、サブクール部１２０は開閉機構４００によって閉鎖されてはいるが、これにより熱交換器１００の熱交換性能が犠牲になってしまうことはない。

熱交換器１００の熱交換コア部１１０を通過した空気は、閉じられた状態のシャッター装置６００に沿って下方側に向かって流れる。その後、開口５１０からアンダーダクト５００の内部に流入し、アンダーダクト５００によってエンジンＥＧよりも後方側の空間へと導かれる。当該空気は、エンジンＥＧによって加熱された後、再び熱交換器１００へと供給され、冷媒との熱交換に供される。図２には、以上のような空気の流れが複数の矢印で示されている。

このように、アンダーダクト５００は、ファン３００が逆回転動作を行っているときに、熱交換器１００を通過した空気をエンジンＥＧ側に導くためのものとして機能する。

尚、開閉機構４００は、上記のように熱交換器１００よりも前方側となる位置において被閉鎖部を覆う構成としてもよいが、熱交換器１００よりも後方側となる位置において被閉鎖部を覆う構成としてもよい。ただし、熱交換システム１０の前後方向における寸法をコンパクトなものとするためには、本実施形態のように熱交換器１００の前方側に開閉機構４００を配置する構成の方が好ましい。

制御装置７００によって実行される処理の流れについて、図３を参照しながら説明する。図３に示される一連の処理は、空調装置が動作している間において、所定の制御周期が経過する毎に制御装置７００によって繰り返し実行されるものである。

最初のステップＳ０１では、空調装置によって車室内の冷房が行われているか否かが判定される。冷房が行われている場合にはステップＳ０２に移行する。ステップＳ０２では、シャッター装置６００を図１のように開く処理が行われる。ステップＳ０２に続くステップＳ０３では、ファン３００に正回転動作を行わせる処理が行われる。ステップＳ０３に続くステップＳ０４では、開閉機構４００によって被閉鎖部を図１のように開放する処理が行われる。尚、以上のステップＳ０２からステップＳ０４までの処理は、上記とは異なる順序で行われてもよい。

ステップＳ０１において、車室内の冷房が行われていない場合、すなわち車室内の暖房が行われている場合には、ステップＳ０５に移行する。ステップＳ０５では、シャッター装置６００を図２のように閉じる処理が行われる。ステップＳ０５に続くステップＳ０６では、ファン３００に逆回転動作を行わせる処理が行われる。ステップＳ０６に続くステップＳ０７では、開閉機構４００によって被閉鎖部を図２のように閉鎖する処理が行われる。尚、以上のステップＳ０５からステップＳ０７までの処理は、上記とは異なる順序で行われてもよい。

以上、具体例を参照しつつ本実施形態について説明した。しかし、本開示はこれらの具体例に限定されるものではない。これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、条件、形状などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。

ＶＣ：車両
１０：熱交換システム
１００：熱交換器
３００：ファン
４００：開閉機構
７００：制御装置

Claims (5)

1. 車両（ＶＣ）に搭載される熱交換システム（１０）であって、
   空気と熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器（１００）と、
   前記熱交換器を通過するように空気を送り出すファン（３００）と、
   前記熱交換器の一部である被閉鎖部に空気が流入する状態と、前記被閉鎖部に空気が流入しない状態と、を切り換える開閉機構（４００）と、
   前記ファン及び前記開閉機構の動作を制御する制御装置（７００）と、を備え、
   前記ファンは、前記車両の後方側に向けて空気を送り出す正回転動作と、前記車両の前方側に向けて空気を送り出す逆回転動作と、のいずれをも行うことが可能となっており、
   前記制御装置は、
   前記ファンが前記逆回転動作を行う際には、前記被閉鎖部に空気が流入しない状態となるように前記開閉機構を動作させる熱交換システム。
2. 前記熱交換器には、
   空気との熱交換によって液相となった冷媒を更に冷却するためのサブクール部（１２０）が設けられており、
   前記サブクール部のうち少なくとも一部が前記被閉鎖部に含まれている、請求項１に記載の熱交換システム。
3. 前記開閉機構は、
   前記熱交換器よりも前記車両の前方側となる位置において前記被閉鎖部を覆うことにより、前記被閉鎖部に空気が流入しない状態とする、請求項１又は２に記載の熱交換システム。
4. 前記熱交換器よりも下方側となる位置には、
   前記ファンが前記逆回転動作を行っているときに、前記熱交換器を通過した空気をエンジン（ＥＧ）側に導くためのアンダーダクト（５００）が設けられている、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱交換システム。
5. 前記被閉鎖部に空気が流入する状態となっているときには、前記開閉機構によって前記アンダーダクトが塞がれた状態となるように構成されている、請求項４に記載の熱交換システム。

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