JP7073863B2 - 車両用熱管理システム - Google Patents
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Description
本発明は、車両用熱管理システムに関するもので、電気自動車に用いて好適である。
従来、特許文献1に、車両走行用の駆動力を走行用電動モータから得る電気自動車に適用された車両用空調装置が開示されている。
特許文献1の車両用空調装置は、車室内へ送風される送風空気の加熱あるいは冷却を行う冷凍サイクル装置を備えている。さらに、この冷凍サイクル装置は、冷媒回路を切替可能に構成されている。そして、この冷凍サイクル装置は、外気から吸熱した熱を熱源として送風空気を加熱する暖房モード時に、いわゆるガスインジェクションサイクルを構成する冷媒回路に切り替えられる。
ガスインジェクションサイクルは、圧縮機にて圧縮過程の冷媒にサイクル内で生成された中間圧気相冷媒を合流させるサイクル構成になっている。これにより、ガスインジェクションサイクルでは、圧縮機の圧縮効率を向上させて、サイクルの成績係数(COP)を向上させることができる。
つまり、特許文献1の車両用空調装置では、低外気温時のように高い暖房能力が要求される暖房モードであっても、冷凍サイクル装置をガスインジェクションサイクルに切り替えることによって、空調のために消費される電気エネルギの増加を抑制しようとしている。これにより、一回の充電当たりの電気自動車の走行距離が短くなってしまうことを抑制しようとしている。
ところで、電気自動車は、バッテリ、充電発電機、電力制御ユニット、走行用電動モータ等のように、作動時に発熱を伴う車載機器を備えている。しかしながら、特許文献1では、これらの車載機器の排熱を車室内の暖房等に有効に利用する点について記載されていない。換言すると、特許文献1には、車載機器の排熱を有効に利用可能な車両用熱管理システムについて開示されていない。
さらに、これらの車載機器の性能を充分に発揮させるためには、それぞれの車載機器の温度を適切な温度範囲(すなわち、使用可能温度帯)内に維持しておく必要がある。このため、この種の車両用熱管理システムには、車載機器の排熱を有効に利用する機能のみならず、排熱を利用できない運転条件時等に、排熱を外気に放熱させて車載機器の温度を適切な温度範囲内に維持する温度調整機能も求められる。
本発明は、上記点に鑑み、作動時に発熱を伴う車載機器の排熱を有効に利用可能であるとともに、車載機器の適切な温度調整を実現可能な車両用熱管理システムを提供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に記載の発明は、作動時に発熱を伴う車載機器(50~53)の排熱を加熱用冷媒に吸熱させて循環させる加熱用冷媒循環回路(5)と、加熱用冷媒が有する熱をサイクル用冷媒に吸熱させて熱交換対象流体を加熱する熱源として利用可能なヒートポンプサイクル(2、102)と、加熱用冷媒が有する熱を熱排出用冷媒に吸熱させて外気に放熱させる熱排出用冷媒循環回路(3)と、を備え、
加熱用冷媒循環回路は、排熱を吸熱した加熱用冷媒を流通させる加熱用流通部(61b)を有し、ヒートポンプサイクルは、サイクル用冷媒を流通させる回収用流通部(61a)を有し、熱排出用冷媒循環回路は、熱排出用冷媒を流通させる熱排出用流通部(61c)を有し、
加熱用流通部、回収用流通部、および熱排出用流通部は、少なくともサイクル用冷媒と加熱用冷媒との間の熱移動、および熱排出用冷媒と加熱用冷媒との間の熱移動が可能な複合型熱交換器(61、611)として一体的に構成されており、
さらに、加熱用冷媒、サイクル用冷媒、および熱排出用冷媒は、いずれも熱輸送時に相変化を伴う熱媒体である車両用熱管理システムである。
加熱用冷媒循環回路は、排熱を吸熱した加熱用冷媒を流通させる加熱用流通部(61b)を有し、ヒートポンプサイクルは、サイクル用冷媒を流通させる回収用流通部(61a)を有し、熱排出用冷媒循環回路は、熱排出用冷媒を流通させる熱排出用流通部(61c)を有し、
加熱用流通部、回収用流通部、および熱排出用流通部は、少なくともサイクル用冷媒と加熱用冷媒との間の熱移動、および熱排出用冷媒と加熱用冷媒との間の熱移動が可能な複合型熱交換器(61、611)として一体的に構成されており、
さらに、加熱用冷媒、サイクル用冷媒、および熱排出用冷媒は、いずれも熱輸送時に相変化を伴う熱媒体である車両用熱管理システムである。
これによれば、複合型熱交換器(61)にて、加熱用冷媒とサイクル用冷媒とを熱交換させることができる。従って、加熱用冷媒が車載機器(50~53)から吸熱した排熱をサイクル用冷媒に吸熱させることによって、ヒートポンプサイクル(2、102)のCOPを向上させるために有効に利用することができるとともに、加熱用冷媒が車載機器(50~53)から吸熱した排熱を熱交換対象流体を加熱するための熱源として有効に利用することができる。
さらに、複合型熱交換器(61)にて、加熱用冷媒と熱排出用冷媒とを熱交換させることができる。従って、加熱用冷媒が車載機器(50~53)から吸熱した排熱を熱排出用冷媒に吸熱させて、加熱用冷媒が車載機器(50~53)から吸熱した排熱を外気に放熱させることができる。
これに加えて、加熱用冷媒、サイクル用冷媒、および熱排出用冷媒として、いずれも熱輸送時に相変化を伴う熱媒体を採用しているので、冷媒同士を熱交換させる際に、潜熱変化による効率的、かつ、速やかな熱移動を実現することができる。
従って、車載機器(50~53)の排熱を、熱交換対象流体を加熱するための熱源として、有効に利用できるだけでなく、熱交換対象流体を加熱するために利用する必要のない残余の排熱を、速やかに外気へ放熱させることができ、高い応答性で車載機器(50~53)の温度上昇を抑制することができる。
すなわち、請求項1に記載の発明によれば、作動時に発熱を伴う車載機器の排熱を有効に利用可能であるとともに、車載機器の適切な温度調整を実現可能な車両用熱管理システムを提供することができる。
なお、この欄および特許請求の範囲に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一例である。
(第1実施形態)
図1~図14を用いて、本発明の第1実施形態について説明する。本実施形態では、本発明に係る車両用熱管理システム1を、走行用の駆動力を走行用電動モータ53から得る電気自動車に適用している。車両用熱管理システム1は、電気自動車において、車室内の空調を行う機能を果たすとともに、作動時に発熱を伴う各種の車載機器50~53の排熱を外気に放熱させる機能を果たす。
図1~図14を用いて、本発明の第1実施形態について説明する。本実施形態では、本発明に係る車両用熱管理システム1を、走行用の駆動力を走行用電動モータ53から得る電気自動車に適用している。車両用熱管理システム1は、電気自動車において、車室内の空調を行う機能を果たすとともに、作動時に発熱を伴う各種の車載機器50~53の排熱を外気に放熱させる機能を果たす。
車両用熱管理システム1は、車室内の空調を行う空調用の運転モードとして、冷房モード、エアミックスモード、除湿暖房モード、低温暖房モードを切り替えることができる。
冷房モードは、送風空気を冷却して車室内へ吹き出す運転モードである。エアミックスモードは、送風空気の冷却空気と加熱空気とを同時に作り出し二つの空気の混合仕方と混合割合を変化させて車室内に吹出す空気温度を任意に変化する運転モードである。より詳細には、エアミックスモードは、冷却された送風空気(冷却空気)と加熱された送風空気(加熱空気)とを混合させて車室内へ吹き出す運転モードであって、冷却空気と加熱空気との混合割合を変化させることによって車室内へ吹き出される送風空気の温度を所望の温度に調整する運転モードである。除湿暖房モードは、冷却して除湿された送風空気を再加熱して車室内へ乾いた空気を吹き出す運転モードである。低温暖房モードは、送風空気を加熱して車室内へ吹き出す運転モードであって、外気温が低温になっていても高い送風空気の加熱能力(すなわち、暖房能力)を発揮できる運転モードである。
車両用熱管理システム1は、図1に示すように、ヒートポンプサイクル2、熱排出用冷媒循環回路3、加熱用冷媒循環回路5、室内空調ユニット30等を備えている。なお、図1では、図示の明確化のために、ヒートポンプサイクル2の一部の構成機器の図示を省略している。
ヒートポンプサイクル2は、空調対象空間である車室内へ送風される送風空気の温度を調整する蒸気圧縮式の冷凍サイクル装置である。従って、本実施形態の車両用熱管理システム1の熱交換対象流体は、送風空気である。ヒートポンプサイクル2は、上述した車両用熱管理システム1の空調用の運転モードに応じて冷媒回路を切り替えることができる。
ヒートポンプサイクル2では、冷媒としてHFC系冷媒(具体的には、R134a)を採用しており、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。以下の説明では、説明の明確化のために、ヒートポンプサイクル2を循環する冷媒をサイクル用冷媒と記載する。さらに、サイクル用冷媒には、圧縮機11を潤滑するための冷凍機油が混入されており、冷凍機油の一部はサイクル用冷媒とともにサイクルを循環している。
次に、図2を用いて、ヒートポンプサイクル2の詳細構成を説明する。圧縮機11は、ヒートポンプサイクル2において、サイクル用冷媒を圧縮して吐出する二段昇圧式の電動圧縮機である。圧縮機11は、その外殻を形成するハウジングの内部に、低段側圧縮機構と高段側圧縮機構との2つの圧縮機構、および双方の圧縮機構を回転駆動する電動モータを収容して構成されたものである。圧縮機11は、後述する制御装置90から出力される制御信号によって、その作動が制御される。
圧縮機11には、吸入ポート11a、中間圧ポート11b、吐出ポート11cが設けられている。吸入ポート11aは、ハウジングの外部から低段側圧縮機構へ低圧のサイクル用冷媒を吸入するための吸入口である。吐出ポート11cは、高段側圧縮機構から吐出された高圧のサイクル用冷媒をハウジングの外部へ吐出させる吐出口である。
中間圧ポート11bは、ハウジングの外部から中間圧のサイクル用冷媒を流入させて、低圧から高圧へ圧縮過程のサイクル用冷媒に合流させるための中間圧吸入口である。つまり、中間圧ポート11bは、ハウジングの内部で低段側圧縮機構の吐出口側および高段側圧縮機構の吸入口側に接続されている。
圧縮機11の吐出ポート11cには、室内凝縮器12の冷媒入口側が接続されている。室内凝縮器12は、後述する室内空調ユニット30のケーシング31内に配置されている。室内凝縮器12は、少なくともエアミックスモード時、除湿暖房モード時、および低温暖房モード時に高圧高温冷媒となっているサイクル用冷媒と、後述する室内蒸発器23を通過した送風空気とを熱交換させて、送風空気を加熱する加熱用熱交換器である。
室内凝縮器12の冷媒出口側には、高圧制御弁13の入口側が接続されている。高圧制御弁13は、室内凝縮器12にて加熱空気を所定の温度に加熱できるように、高圧側のサイクル用冷媒の圧力を略一定に維持するためのものである。より具体的には、高圧制御弁13は、変位することによって絞り通路面積を変化させる弁体と、この弁体を変位させる電動アクチュエータ(具体的には、ステッピングモータ)とを有して構成される電気式の可変絞り機構である。
さらに、ヒートポンプサイクル2では、後述するように、冷房用膨張弁22を備えている。冷房用膨張弁22の基本的構成は、高圧制御弁13と同様である。高圧制御弁13および冷房用膨張弁22は、弁開度を全開にすることで流量調整作用および冷媒減圧作用を殆ど発揮することなく単なる冷媒通路として機能する全開機能、および弁開度を全閉にすることで冷媒通路を閉塞する全閉機能を有している。
高圧制御弁13および冷房用膨張弁22は、全開機能および全閉機能によって、上述した各運転モードに応じた冷媒回路を切り替える。つまり、高圧制御弁13および冷房用膨張弁22は、ヒートポンプサイクル2の冷媒回路切替部としての機能を兼ね備えている。高圧制御弁13および冷房用膨張弁22は、制御装置90から出力される制御信号(具体的には、制御パルス)によって、その作動が制御される。
高圧制御弁13の出口側には、気液分離器14の流入ポート14aが接続されている。気液分離器14は、高圧あるいは高圧制御弁13にて減圧されて準高圧となったサイクル用冷媒の気液を分離する気液分離部である。本実施形態では、気液分離器14として、遠心力の作用によって冷媒の気液を分離する遠心分離方式のものであって、分離された冷媒を殆ど内部に蓄えることなく外部へ流出させる比較的内容積の小さいものを採用している。
気液分離器14には、高圧制御弁13から流出した高圧あるいは準高圧の冷媒を流入させる流入ポート14a、分離された気相冷媒を流出させる気相流出ポート14b、分離された液相冷媒を流出させる第1液相流出ポート14cおよび第2液相流出ポート14dが設けられている。
気相流出ポート14bには、準高圧気相冷媒通路15aが接続されている。準高圧気相冷媒通路15aには、中間圧固定絞り17bが接続されている。中間圧固定絞り17bは、準高圧気相冷媒通路15aを流通するサイクル用冷媒を減圧させる減圧部であるとともに、この冷媒の流量を調整する流量調整部である。このような中間圧固定絞り17bとしては、オリフィス、キャピラリチューブ、ノズル等を採用することができる。
第1液相流出ポート14cには、準高圧液相冷媒通路15fが接続されている。準高圧液相冷媒通路15fには、回収用膨張弁60が接続されている。回収用膨張弁60は、後述する複合型熱交換器61の回収用流通部61aの出口側のサイクル用冷媒(すなわち、圧縮機11の中間圧ポート11bへ流入するサイクル用冷媒)の過熱度が予め定めた基準過熱度に近づくように絞り開度を変化させる可変絞り機構である。
このような回収用膨張弁60としては、回収用流通部61aの出口側のサイクル用冷媒の温度および圧力に応じて変形する変形部材(具体的には、ダイヤフラム)を有する感温部と、変形部材の変形に連動して絞り開度を変化させる機械的機構とを備える温度式膨張弁を採用することができる。
回収用膨張弁60の絞り通路にて減圧されたサイクル用冷媒は、少量の気相冷媒を含む比較的乾き度の低い液相冷媒となる。回収用膨張弁60にて減圧された冷媒は、中間圧液相冷媒通路15bを介して、複合型熱交換器61の回収用流通部61a側へ流出する。
複合型熱交換器61の回収用流通部61aは、サイクル用冷媒を流通させる複数の冷媒チューブ(以下、回収用チューブ72と記載する。)によって構成されている。複合型熱交換器61の詳細構成については後述する。
中間圧固定絞り17bの出口側には、中間圧気相冷媒通路15gが接続されている。中間圧気相冷媒通路15gの出口側および中間圧液相冷媒通路15bの出口側には、合流部15cが接続されている。合流部15cは、中間圧気相冷媒通路15gから流出したサイクル用冷媒の流れと中間圧液相冷媒通路15bから流出したサイクル用冷媒の流れとを合流させるものである。
合流部15cは、互いに連通する3つの流入出口を有する三方継手構造のものである。そして、合流部15cでは、3つの流入出口のうち2つを冷媒流入口とし、残りの1つを冷媒流出口としている。
合流部15cの冷媒流出口には、入口側中間圧冷媒通路15dが接続されている。入口側中間圧冷媒通路15dには、回収用開閉弁16aが配置されている。回収用開閉弁16aは、入口側中間圧冷媒通路15dを開閉する電磁弁である。回収用開閉弁16aは、制御装置90から出力される制御電圧によって、その作動が制御される。
ここで、前述の如く、回収用膨張弁60では、回収用流通部61aの出口側のサイクル用冷媒の過熱度が基準過熱度に近づくように絞り開度を変化させる。このため、入口側中間圧冷媒通路15dを流通するサイクル用冷媒は、液相状態あるいは比較的乾き度の低い気液二相状態となる。従って、回収用開閉弁16aは、液相状態あるいは気液二相状態のサイクル用冷媒が流通する冷媒通路に配置されている。
さらに、ヒートポンプサイクル2では、後述するように、低圧側開閉弁16bおよび冷房用開閉弁16cを備えている。低圧側開閉弁16bおよび冷房用開閉弁16cの基本的構成は、回収用開閉弁16aと同様である。
そして、回収用開閉弁16a、低圧側開閉弁16b、および冷房用開閉弁16cは、冷媒通路を開閉することによって、上述した各運転モードに応じた冷媒回路を切り替える。つまり、回収用開閉弁16a、低圧側開閉弁16b、および冷房用開閉弁16cは、高圧制御弁13および冷房用膨張弁22とともに、ヒートポンプサイクル2の冷媒回路切替部としての機能を果たす。
入口側中間圧冷媒通路15dの出口側には、回収用流通部61aの冷媒入口側が接続されている。さらに、回収用流通部61aの冷媒出口には、出口側中間圧冷媒通路15eを介して、圧縮機11の中間圧ポート11b側が接続されている。
また、気液分離器14の第2液相流出ポート14dには、低段側固定絞り17aを介して、空調用室外熱交換器20の冷媒入口側が接続されている。低段側固定絞り17aは、第2液相流出ポート14dから流出したサイクル用冷媒を減圧させる減圧部であるとともに、この冷媒の流量を調整する流量調整部である。低段側固定絞り17aの基本的構成は、中間圧固定絞り17bと同様である。
さらに、第2液相流出ポート14dには、気液分離器14にて分離された液相のサイクル用冷媒を、低段側固定絞り17aを迂回させて空調用室外熱交換器20の冷媒入口側へ導く固定絞り迂回通路18が接続されている。固定絞り迂回通路18には、固定絞り迂回通路18を開閉する低圧側開閉弁16bが配置されている。
ここで、第2液相流出ポート14dから流出したサイクル用冷媒が低圧側開閉弁16bを通過する際に生じる圧力損失は、サイクル用冷媒が低段側固定絞り17aを通過する際に生じる圧力損失に対して極めて小さい。
従って、制御装置90が低圧側開閉弁16bを開いた際には、第2液相流出ポート14dから流出したサイクル用冷媒のほぼ全流量が、固定絞り迂回通路18を介して空調用室外熱交換器20へ流入する。一方、制御装置90が低圧側開閉弁16bを閉じた際には、第2液相流出ポート14dから流出したサイクル用冷媒は、低段側固定絞り17aにて減圧されて空調用室外熱交換器20へ流入する。
空調用室外熱交換器20は、内部を流通するサイクル用冷媒と外気ファン21から送風された外気とを熱交換させる熱交換器である。空調用室外熱交換器20は、少なくとも冷房モード時には、高圧高温冷媒となっているサイクル用冷媒を放熱させる放熱器として機能し、少なくとも除湿暖房モード時および低温暖房モード時には、低圧低温冷媒となっているサイクル用冷媒を蒸発させる蒸発器として機能する熱交換器である。
外気ファン21は、空調用室外熱交換器20へ向けて外気を送風する電動送風機である。外気ファン21は、制御装置90から出力される制御電圧によって、回転数(すなわち、送風能力)が制御される。外気ファン21は、空調用室外熱交換器20へ外気を送ることができれば、吸込方式のものであってもよいし、吹出方式のものであってもよい。
空調用室外熱交換器20の冷媒出口には、冷房用膨張弁22を介して、室内蒸発器23の冷媒入口側が接続されている。冷房用膨張弁22は、少なくとも冷房モード時に、空調用室外熱交換器20から流出したサイクル用冷媒を低圧となるまで減圧させる電気式の可変絞り機構である。
室内蒸発器23は、室内空調ユニット30のケーシング31内であって、室内凝縮器12の送風空気流れ上流側に配置されている。室内蒸発器23は、少なくとも冷房モード時、エアミックスモード時、および除湿暖房モードに、低温低圧冷媒となっているサイクル用冷媒と空調用送風機32から送風された送風空気とを熱交換させ、サイクル用冷媒を蒸発させて吸熱作用を発揮させることによって、送風空気を冷却する冷却用熱交換器である。
室内蒸発器23の冷媒出口には、アキュムレータ24の入口側が接続されている。アキュムレータ24は、内部に流入したサイクル用冷媒の気液を分離して、サイクルの余剰冷媒を液相冷媒として蓄える低圧側気液分離器である。アキュムレータ24の気相冷媒出口には、圧縮機11の吸入ポート11aが接続されている。
さらに、空調用室外熱交換器20のサイクル用冷媒の出口には、空調用室外熱交換器20から流出したサイクル用冷媒を、冷房用膨張弁22および室内蒸発器23を迂回させて、アキュムレータ24の入口側へ導く蒸発器迂回通路25が接続されている。蒸発器迂回通路25には、蒸発器迂回通路25を開閉する冷房用開閉弁16cが配置されている。
次に、熱排出用冷媒循環回路3について説明する。熱排出用冷媒循環回路3は、車載機器50~53の排熱を冷媒に吸熱させて外気に放熱させるためのサーモサイフォンである。熱排出用冷媒循環回路3では、冷媒としてヒートポンプサイクル2を循環する冷媒と同種の冷媒(本実施形態では、R134a)を採用している。以下の説明では、説明の明確化のために、熱排出用冷媒循環回路3を循環する冷媒を熱排出用冷媒と記載する。
ここで、サーモサイフォンは、冷媒を蒸発させる蒸発部と冷媒を凝縮させる凝縮部とを有し、蒸発部と凝縮部とを閉ループ状に(すなわち、環状に)接続することによって構成されている。そして、蒸発部における冷媒の温度と凝縮部における冷媒の温度との温度差によって回路内の冷媒に比重差を生じさせ、重力の作用によって冷媒を自然循環させて、冷媒とともに熱を輸送する熱輸送回路である。
熱排出用冷媒循環回路3では、図1に示すように、複合型熱交換器61の熱排出用流通部61cと熱排出用室外熱交換器63との間で熱排出用冷媒を循環させる。さらに、熱排出用室外熱交換器63は、複合型熱交換器61の熱排出用流通部61cよりも上方側に配置されている。
複合型熱交換器61の熱排出用流通部61cは、熱排出用冷媒を流通させる複数の冷媒チューブ(以下、熱排出用チューブ75と記載する。)によって構成されている。熱排出用流通部61cは、熱排出用冷媒循環回路3において、熱排出用冷媒を蒸発させる蒸発部としての機能を果たす。
熱排出用室外熱交換器63は、内部を流通する熱排出用冷媒と、外気ファン67から送風された外気とを熱交換させる熱交換器である。熱排出用室外熱交換器63は、熱排出用冷媒の有する熱を外気に放熱させて凝縮させる熱交換器である。さらに、熱排出用室外熱交換器63は、熱排出用冷媒循環回路3において、熱排出用冷媒を凝縮させる凝縮部としての機能を果たす。
外気ファン67は、熱排出用室外熱交換器63へ向けて外気を送風する電動送風機である。外気ファン67の基本的構成は、空調用室外熱交換器20へ向けて外気を送風する外気ファン21と同様である。外気ファン67は、制御装置90から出力される制御電圧によって、回転数(すなわち、送風能力)が制御される。
また、熱排出用室外熱交換器63および熱排出用流通部61cは、熱排出用気相配管62および熱排出用液相配管64によって接続されている。
熱排出用気相配管62は、熱排出用流通部61cの冷媒出口側と熱排出用室外熱交換器63の冷媒入口側とを接続する冷媒配管である。熱排出用気相配管62には、熱排出用流通部61cにて蒸発した気相状態の熱排出用冷媒が流通する。熱排出用気相配管62の出口部は、熱排出用気相配管62の入口部よりも上方側に配置されている。
熱排出用液相配管64は、熱排出用室外熱交換器63の冷媒出口側と熱排出用流通部61cの冷媒入口側とを接続する冷媒配管である。熱排出用液相配管64には、熱排出用室外熱交換器63で凝縮した液相状態あるいは比較的乾き度の低い気液二相状態の熱排出用冷媒が流通する。熱排出用液相配管64の出口部は、熱排出用液相配管64の入口部よりも下方側に配置されている。
熱排出用液相配管64の液相状態の熱排出用冷媒が流通する部位には、熱排出用開閉弁65が配置されている。熱排出用開閉弁65は、熱排出用室外熱交換器63熱排出用液相配管64を閉じることによって、熱排出用冷媒循環回路3における熱排出用冷媒の循環を遮断する熱排出用循環遮断部である。熱排出用開閉弁65は、制御装置90から出力される制御電圧によって、その作動が制御される電磁弁である。
次に、加熱用冷媒循環回路5について説明する。加熱用冷媒循環回路5は、車載機器50~53の排熱を冷媒に吸熱させて循環させるためのサーモサイフォンである。加熱用冷媒循環回路5では、冷媒としてヒートポンプサイクル2を循環する冷媒と同種の冷媒(本実施形態では、R134a)を採用している。以下の説明では、説明の明確化のために、加熱用冷媒循環回路5を循環する冷媒を加熱用冷媒と記載する。
加熱用冷媒循環回路5では、図1に示すように、複合型熱交換器61の加熱用流通部61bと車載機器50~53に形成された冷媒通路50a~53aとの間で加熱用冷媒を循環させる。さらに、複合型熱交換器61の加熱用流通部61bは、車載機器50~53に形成された冷媒通路50a~53aよりも上方側に配置されている。
複合型熱交換器61の加熱用流通部61bは、加熱用冷媒を流通させる複数の冷媒チューブ(以下、加熱用チューブ78と記載する。)によって構成されている。加熱用流通部61bは、加熱用冷媒循環回路5において、加熱用冷媒を放熱させて凝縮させる凝縮部としての機能を果たす。
車載機器50~53に形成された冷媒通路50a~53aは、各車載機器の構成部材を収容するケース内や取付用の基台に形成されている。これらの冷媒通路50a~53aは、各車載機器が発生させた排熱を加熱用冷媒に吸熱させる加熱用吸熱部である。これらの冷媒通路50a~53aは、加熱用冷媒循環回路5において、加熱用冷媒を蒸発させる蒸発部としての機能を果たす。
より具体的には、車載機器50~53の内部には、発熱部等が収容される収容空間と加熱用冷媒が流通する冷媒通路50a~53aとを仕切る隔壁が配置されている。隔壁は伝熱性に優れる金属(本実施形態では、アルミニウム)で形成されている。このため、冷媒通路50a~53aを流通する加熱用冷媒は、隔壁を介して、それぞれの車載機器の発熱部が発生させた熱を吸熱して蒸発する。さらに、冷媒通路50a~53aの内部に、車載機器の発熱部と加熱用冷媒との熱交換を促進する熱交換フィン等を配置してもよい。
また、本実施形態の加熱用冷媒循環回路5には、車載機器として、バッテリ50、充電発電機51、電力制御ユニット52、走行用電動モータ53が配置されている。つまり、本実施形態の車載機器は、電気自動車に搭載されて電力が供給されることによって作動し、作動時に発熱を伴う電気式の車載機器である。
バッテリ50は、充放電が可能な二次電池(本実施形態では、リチウムイオン電池)である。バッテリ50は、充電された電力を走行用電動モータ53等の電気式の車載機器に供給する。
ここで、この種のバッテリ50では、低温になると化学反応が進みにくく充放電の関して充分な性能を得にくい。一方、高温になると劣化が進行しやすくなる。そこで、本実施形態では、バッテリ50の使用可能温度帯を、バッテリ50が充分な性能を発揮できる温度帯として、10℃~40℃に設定している。従って、本実施形態のバッテリ50の使用可能温度帯の最高温度は40℃に設定されている。
充電発電機51は、発電した電力をバッテリ50へ充電する充電装置である。充電発電機51についても充分な性能を発揮可能な使用可能温度帯が設定されている。充電発電機51の使用可能温度帯の最高温度は、バッテリ50の使用可能温度帯の最高温度よりも高い値に設定されている。
電力制御ユニット52は、バッテリ50から各種電気式の車載機器へ供給される電力の分配を司る電力分配装置である。電力制御ユニット52についても充分な性能を発揮可能な使用可能温度帯が設定されている。電力制御ユニット52の使用可能温度帯の最高温度は、充電発電機51の使用可能温度帯の最高温度よりも高い値に設定されている。
走行用電動モータ53は、車両走行用の駆動力を出力するものである。走行用電動モータ53についても充分な性能を発揮可能な使用可能温度帯が設定されている。走行用電動モータ53の使用可能温度帯の最高温度は、電力制御ユニット52の使用可能温度帯の最高温度よりも高い値に設定されている。
さらに、本実施形態では、各車載機器50~53に形成された冷媒通路50a~53aが、直列的に接続されている。より具体的には、加熱用冷媒が、走行用電動モータ53に形成された冷媒通路53a→電力制御ユニット52に形成された冷媒通路52a→充電発電機51に形成された冷媒通路51a→バッテリ50に形成された冷媒通路50aの順で流れるように接続されている。
ここで、加熱用冷媒が各冷媒通路50a~53aを流通する際には、圧力損失が生じる。このため、各冷媒通路50a~53aが直列的に接続されていると、冷媒流れ下流側に配置された冷媒通路における冷媒蒸発温度が低下する。従って、本実施形態では、バッテリ50に形成された冷媒通路50aにおける冷媒蒸発温度を最も低い冷媒蒸発温度とすることができる。
そこで、本実施形態では、バッテリ50の温度(後述する管理用車載機器温度Tep、管理用車載機器温度センサ91hによって検出された)が、バッテリ50の使用可能温度帯の範囲内に維持されている際には、その他の車載機器51~53の温度がそれぞれの使用可能温度帯に範囲に維持されるように、それぞれの冷媒通路50a~53aの圧力係数(通路抵抗)が設定されている。
また、加熱用流通部61bおよび車載機器50~53に形成された冷媒通路は、加熱用液相配管54および加熱用気相配管55によって接続されている。
加熱用気相配管55は、車載機器50~53に形成された冷媒通路の最下流側(本実施形態では、バッテリ50に形成された冷媒通路の出口側)と加熱用流通部61bの冷媒入口側とを接続する冷媒配管である。加熱用気相配管55には、車載機器50~53に形成された冷媒通路50a~53aにて蒸発した気相状態の加熱用冷媒が流通する。加熱用気相配管55の出口部は、加熱用気相配管55の入口部よりも上方側に配置されている。
加熱用液相配管54は、加熱用流通部61bの冷媒出口側と車載機器50~53に形成された冷媒通路の最上流側(本実施形態では、走行用電動モータ53に形成された冷媒通路の入口側)とを接続する冷媒配管である。加熱用液相配管54には、加熱用流通部61bにて凝縮した液相状態あるいは比較的乾き度の低い気液二相状態の熱排出用冷媒が流通する。加熱用液相配管54の出口部は、加熱用液相配管54の入口部よりも下方側に配置されている。
加熱用液相配管54の液相状態の加熱用冷媒が流通する部位には、加熱用開閉弁68が配置されている。加熱用開閉弁68は、加熱用液相配管54を閉じることによって、加熱用冷媒の循環を遮断する加熱用循環遮断部である。加熱用開閉弁68の基本的構成は、熱排出用冷媒循環回路3の熱排出用開閉弁65と同様である。
次に、図3~図11を用いて、複合型熱交換器61の詳細構成について説明する。なお、各図面における上下の各矢印は、車両用熱管理システム1を電気自動車に搭載した状態における上下の各方向を示している。
複合型熱交換器61は、ヒートポンプサイクル2の回収用流通部61a、加熱用冷媒循環回路5の加熱用流通部61b、および熱排出用冷媒循環回路3の熱排出用流通部61cを一体的に構成した熱交換器である。複合型熱交換器61では、少なくともサイクル用冷媒と加熱用冷媒との間の熱移動(すなわち、熱交換)、および熱排出用冷媒と加熱用冷媒との間の熱移動が可能となっている。
より具体的には、複合型熱交換器61は、図3、図4に示すように、回収用チューブ72、加熱用チューブ78、および熱排出用チューブ75を予め定めた方向に積層配置することによって構成された、いわゆる積層型の熱交換器構造のものである。この種の積層型の熱交換器では、異なる熱媒体を流通させるチューブ同士を隣接配置することによって、チューブを介して、異なる熱媒体間での熱移動を可能としている。
そこで、複合型熱交換器61では、少なくとも一部の回収用チューブ72と加熱用チューブ78とを隣接配置することによって、サイクル用冷媒と加熱用冷媒との間の熱移動を可能としている。さらに、少なくとも一部の熱排出用チューブ75と加熱用チューブ78とを隣接配置することによって、熱排出用冷媒と加熱用冷媒との間の熱移動を可能としている。
回収用チューブ72は、図5、図6に示すように、板面に凹凸部が形成された一対の金属製の板状部材(本実施形態では、第1板状部材72aおよび第2板状部材72b)を貼り合わせることによって形成された、いわゆるプレートチューブである。回収用チューブ72は、長手方向に垂直な断面が扁平形状に形成されている。回収用チューブ72の内部には、上下方向に延びる断面扁平形状の冷媒通路が、2列形成されている。
本実施形態では、図5に示すように、回収用チューブ72の内部に形成される冷媒通路のうち、冷媒流れ上流側を形成して、サイクル用冷媒を上方側から下方側へ流す部位を上流側通路部72cとする。また、回収用チューブ72の内部に形成される冷媒通路のうち、冷媒流れ下流側を形成して、サイクル用冷媒を下方側から上方側へ流す部位を下流側通路部72dとする。上流側通路部72cと下流側通路部72dは、下方側で連通している。
また、上流側通路部72cおよび下流側通路部72dの内部には、インナープレート72eが配置されている。インナープレート72eは、断面が方形波状に折り曲げられた金属製の板状部材である。インナープレート72eは、サイクル用冷媒が上流側通路部72cおよび下流側通路部72d内を均等に流れるように冷媒通路を複数の細管通路に区画する機能、熱伝達表面の面積を増やし熱交換性能を高める機能、さらに、回収用チューブ72の強度を向上させる機能等を果たす。
回収用チューブ72の上流側通路部72cを形成する部位の上方側には、回収用チューブ72へサイクル用冷媒を流入させる入口部が形成されている。複数の回収用チューブの入口部には、図3、図4に示すように、回収用分配パイプ70が接続される。回収用分配パイプ70は、複数の回収用チューブ72に対してサイクル用冷媒の分配を行うタンク部としての機能を果たす。
回収用分配パイプ70は、回収用チューブ72の積層方向に延びる有底筒状の金属で形成されている。それぞれの回収用チューブ72の入口部は、回収用分配パイプ70の側面に接続されている。回収用分配パイプ70の長手方向一端部に形成された冷媒入口70aには、ヒートポンプサイクル2の回収用開閉弁16aの出口側が接続されている。
回収用チューブ72の下流側通路部72dを形成する部位の上方側には、回収用チューブ72からサイクル用冷媒を流出させる出口部が形成されている。複数の回収用チューブの出口部には、図3、図4に示すように、回収用集合パイプ71が接続される。回収用集合パイプ71は、複数の回収用チューブ72から流出したサイクル用冷媒の集合を行うタンク部としての機能を果たす。
回収用集合パイプ71の基本的構成は、回収用分配パイプ70と同様である。それぞれの回収用チューブ72の出口部は、回収用分配パイプ70の側面に接続されている。回収用集合パイプ71の長手方向一端部に形成された冷媒出口71aには、ヒートポンプサイクル2の圧縮機11の中間圧ポート11b側が接続されている。
従って、回収用流通部61aでは、回収用分配パイプ70にて分配されたサイクル用冷媒が、各回収用チューブ72の上流側通路部72cへ流入する。上流側通路部72cへ流入したサイクル用冷媒は、上方側から下方側へ流れる。上流側通路部72cを流通したサイクル用冷媒は、回収用チューブ72の下方側で流れ方向を転向させて(すなわち、Uターンさせて)、下流側通路部72dへ流入する
下流側通路部72dへ流入したサイクル用冷媒は、下流側通路部72dを下方側から上方側へ流れる。下流側通路部72dから流出したサイクル用冷媒は、回収用集合パイプ71内に集合する。回収用冷媒は、上流側通路部72cおよび下流側通路部72dを流通する際に、加熱用チューブ78を流通する加熱用冷媒と熱交換する。
下流側通路部72dへ流入したサイクル用冷媒は、下流側通路部72dを下方側から上方側へ流れる。下流側通路部72dから流出したサイクル用冷媒は、回収用集合パイプ71内に集合する。回収用冷媒は、上流側通路部72cおよび下流側通路部72dを流通する際に、加熱用チューブ78を流通する加熱用冷媒と熱交換する。
熱排出用チューブ75は、回収用チューブ72と同様のプレートチューブである。熱排出用チューブ75は、図7、図8に示すように、板面に凹凸部が形成された一対の金属製の板状部材(本実施形態では、第1板状部材75aおよび第2板状部材75b)を貼り合わせることによって形成されている。熱排出用チューブ75は、長手方向に垂直な断面が扁平形状に形成されている。
熱排出用チューブ75の内部には、図7に示すように、上下方向に延びる断面扁平形状の冷媒通路75cが形成されている。この冷媒通路75cは、熱排出用冷媒を下方側から上方側へ流すように形成されている。冷媒通路75cには、回収用チューブ72と同様にインナープレート75eが配置されている。
熱排出用チューブ75の下方側には、熱排出用チューブ75へ熱排出用冷媒を流入させる入口部が形成されている。複数の熱排出用チューブ75の入口部には、図3、図4に示すように、熱排出用分配パイプ73が接続されている。熱排出用分配パイプ73は、複数の熱排出用チューブ75に対して熱排出用冷媒の分配を行うタンク部としての機能を果たす。
熱排出用分配パイプ73の基本的構成は、回収用分配パイプ70と同様である。熱排出用分配パイプ73の長手方向一端部に形成された冷媒入口73aには、熱排出用室外熱交換器63の冷媒出口側が接続されている。
熱排出用チューブ75の上方側には、熱排出用チューブ75から熱排出用冷媒を流出させる出口部が形成されている。複数の熱排出用チューブ75の出口部には、熱排出用集合パイプ74が接続されている。熱排出用集合パイプ74は、複数の熱排出用チューブ75から流出した熱排出用冷媒の集合を行うタンク部としての機能を果たす。
熱排出用集合パイプ74の基本的構成は、熱排出用分配パイプ73と同様である。熱排出用集合パイプ74の長手方向一端部に形成された冷媒出口74aには、熱排出用室外熱交換器63の冷媒入口側が接続されている。
従って、熱排出用流通部61cでは、熱排出用分配パイプ73にて分配された熱排出用冷媒が、各熱排出用チューブ75へ流入する。熱排出用チューブ75へ流入した熱排出用冷媒は、下方側から上方側へ流れて、熱排出用集合パイプ74内に集合する。熱排出用冷媒は、熱排出用チューブ75の冷媒通路75cを流通する際に、加熱用チューブ78を流通する加熱用冷媒と熱交換する。
加熱用チューブ78は、回収用チューブ72および熱排出用チューブ75と同様のプレートチューブである。加熱用チューブ78は、図9、図10に示すように、板面に凹凸部が形成された一対の金属製の板状部材(本実施形態では、第1板状部材78aおよび第2板状部材78b)を貼り合わせることによって形成されている。加熱用チューブ78の基本的構成は、熱排出用チューブ75と同様である。
従って、加熱用チューブ78の内部には、図9に示すように、上下方向に延びる冷媒通路78cが形成されている。この冷媒通路78cは、加熱用冷媒を上方側から下方側へ流すように形成されている。冷媒通路78cには、回収用チューブ72と同様にインナープレート78eが配置されている。
複数の加熱用チューブ78の上方側の入口部には、図3、図4に示すように、加熱用分配パイプ76が接続されている。加熱用分配パイプ76の基本的構成は、熱排出用分配パイプ73と同様である。加熱用分配パイプ76の長手方向他端部に形成された冷媒入口76aには、加熱用冷媒循環回路5の車載機器50~53に形成された冷媒通路の最下流側(本実施形態では、バッテリ50に形成された冷媒通路の出口側)が接続されている。
複数の加熱用チューブ78の下方側の出口部には、加熱用集合パイプ77が接続されている。加熱用集合パイプ77の基本的構成は、熱排出用集合パイプ74と同様である。加熱用集合パイプ77の長手方向他端部に形成された冷媒出口77aには、加熱用冷媒循環回路5の車載機器50~53に形成された冷媒通路の最上流側(本実施形態では、走行用電動モータ53に形成された冷媒通路の入口側)が接続されている。
従って、加熱用流通部61bでは、加熱用分配パイプ76にて分配された加熱用冷媒が、各加熱用チューブ78へ流入する。加熱用チューブ78へ流入した加熱用冷媒は、上方側から下方側へ流れて、加熱用集合パイプ77内に集合する。加熱用冷媒は、加熱用チューブ78を流通する際に、回収用チューブ72を流通する回収用冷媒、あるいは、熱排出用チューブ75を流通する熱排出用冷媒と熱交換する。
さらに、本実施形態の複合型熱交換器61では、図11に示すように、積層方向両端部を除くと、…回収用チューブ72→加熱用チューブ78→熱排出用チューブ75→加熱用チューブ78→回収用チューブ72→加熱用チューブ78→熱排出用チューブ75→加熱用チューブ78→回収用チューブ72→加熱用チューブ78…の順が繰り返されるように、回収用チューブ72、熱排出用チューブ75、および加熱用チューブ78が規則的に積層配置されている。
換言すると、本実施形態の複合型熱交換器61では、積層方向両端部に配置されるものを除いて、回収用チューブ72の積層方向両側に加熱用チューブ78が隣接配置されている。さらに、積層方向両端部に配置されるものを除いて、熱排出用チューブ75の積層方向両側に加熱用チューブ78が隣接配置されている。
このため、回収用チューブ72の数量は、加熱用チューブ78の数量以下になっている。より具体的には、加熱用チューブ78の数量は、回収用チューブ72の数量の約2倍になっている。さらに、熱排出用チューブの数量は、加熱用チューブ78の数量以下になっている。より具体的には、加熱用チューブ78の数量は、熱排出用チューブの数量の約2倍になっている。
また、複合型熱交換器61では、図3、図4に示すように、回収用チューブ72、熱排出用チューブ75、および加熱用チューブ78の積層方向両端部に、金属製のサイドプレート79が配置されている。サイドプレート79は、複合型熱交換器61全体としての強度を向上させる補強部材としての機能を果たす。
上述した複合型熱交換器61の各構成部品は、いずれも伝熱性に優れる同種の金属(本実施形態では、アルミニウム)で形成されている。そして、複合型熱交換器61は、これらの構成部材が、ロウ付け接合にて一体化されることによって製造される。
この際、回収用チューブ72、熱排出用チューブ75、および加熱用チューブ78は、それぞれの平坦面同士がロウ付け接合されている。このため、複合型熱交換器61では、それぞれのチューブを流通する冷媒同士が、複合型熱交換器61の内部で混ざり合ってしまうことなく、各チューブ72~78同士の接合面となる部位を介して熱交換を行うことができる。
次に、室内空調ユニット30について説明する。室内空調ユニット30は、車両用熱管理システム1において、ヒートポンプサイクル2によって温度調整された送風空気を車室内の適切な箇所へ吹き出すための空気通路を形成するものである。室内空調ユニット30は、図1、図2に示すように、その外殻を形成するケーシング31の内部に形成された空気通路に、空調用送風機32、室内蒸発器23、室内凝縮器12等を収容したものである。
ケーシング31は、車室内に送風される送風空気の空気通路を形成するもので、ある程度の弾性を有し、強度的にも優れた樹脂(具体的には、ポリプロピレン)にて成形されている。ケーシング31の送風空気流れ最上流側には、内外気切替装置33が配置されている。内外気切替装置33は、ケーシング31内へ内気(車室内空気)と外気(車室外空気)とを切替導入するものである。
内外気切替装置33は、ケーシング31内へ内気を導入させる内気導入口および外気を導入させる外気導入口の開口面積を、内外気切替ドアによって連続的に調整して、内気の導入風量と外気の導入風量との導入割合を変化させることができる。内外気切替ドアは、内外気切替ドア用の電動アクチュエータによって駆動される。この電動アクチュエータは、制御装置90から出力される制御信号によって、その作動が制御される。
内外気切替装置33の送風空気流れ下流側には、空調用送風機32が配置されている。空調用送風機32は、内外気切替装置33を介して吸入した空気を車室内へ向けて送風する機能を果たす。空調用送風機32は、遠心多翼ファンを電動モータにて駆動する電動送風機である。空調用送風機32は、制御装置90から出力される制御電圧によって、回転数(すなわち、送風能力)が制御される。
空調用送風機32の送風空気流れ下流側には、室内蒸発器23および室内凝縮器12が、送風空気の流れに対して、この順に配置されている。つまり、室内蒸発器23は、室内凝縮器12よりも送風空気流れ上流側に配置されている。また、ケーシング31内には、室内蒸発器23を通過した送風空気を、室内凝縮器12を迂回させて下流側へ流す冷風バイパス通路35が形成されている。
室内蒸発器23の送風空気流れ下流側であって、かつ、室内凝縮器12の送風空気流れ上流側には、エアミックスドア34が配置されている。エアミックスドア34は、室内蒸発器23を通過後の送風空気のうち、室内凝縮器12を通過させる風量と冷風バイパス通路35を通過させる風量との風量割合を調整するものである。
エアミックスドア34は、エアミックスドア駆動用の電動アクチュエータによって駆動される。この電動アクチュエータは、制御装置90から出力される制御信号によって、その作動が制御される。
室内凝縮器12の送風空気流れ下流側には、室内凝縮器12にて加熱された送風空気と冷風バイパス通路35を通過して室内凝縮器12にて加熱されていない送風空気とを混合させる混合空間36が設けられている。さらに、ケーシング31の送風空気流れ最下流部には、混合空間36にて混合された送風空気(空調風)を、車室内へ吹き出す開口穴が配置されている。
この開口穴としては、フェイス開口穴、フット開口穴、およびデフロスタ開口穴(いずれも図示せず)が設けられている。フェイス開口穴は、車室内の乗員の上半身に向けて空調風を吹き出すための開口穴である。フット開口穴は、乗員の足元に向けて空調風を吹き出すための開口穴である。デフロスタ開口穴は、車両前面窓ガラス内側面に向けて空調風を吹き出すための開口穴である。
これらのフェイス開口穴、フット開口穴、およびデフロスタ開口穴は、それぞれ空気通路を形成するダクトを介して、車室内に設けられたフェイス吹出口、フット吹出口およびデフロスタ吹出口(いずれも図示せず)に接続されている。
従って、エアミックスドア34が、室内凝縮器12を通過させる風量と冷風バイパス通路35を通過させる風量との風量割合を調整することによって、混合空間36にて混合される空調風の温度を調整することができる。そして、各吹出口から車室内へ吹き出される送風空気(空調風)の温度を調整することができる。
また、フェイス開口穴、フット開口穴、およびデフロスタ開口穴の送風空気流れ上流側には、それぞれ、フェイス開口穴の開口面積を調整するフェイスドア、フット開口穴の開口面積を調整するフットドア、デフロスタ開口穴の開口面積を調整するデフロスタドア(いずれも図示せず)が配置されている。
これらのフェイスドア、フットドア、デフロスタドアは、空調風が吹き出される吹出口を切り替える吹出モード切替装置を構成するものである。フェイスドア、フットドア、デフロスタドアは、リンク機構等を介して、吹出口モードドア駆動用の電動アクチュエータに連結されて連動して回転操作される。この電動アクチュエータは、制御装置90から出力される制御信号によって、その作動が制御される。
次に、電気自動車に搭載された際の車両用熱管理システム1の配置態様を説明する。本実施形態の電気自動車では、乗員が搭乗する車室80の前方に駆動用装置室81が配置されている。駆動用装置室81は、車両走行用の駆動力を出力する駆動用装置(例えば、走行用電動モータ53)の少なくとも一部が配置される車室外空間である。駆動用装置室81は、内燃機関(エンジン)から車両走行用の駆動力を得る通常のエンジン車両における、いわゆるエンジンルームに対応する。
車室80と駆動用装置室81は、隔壁82によって仕切られている。隔壁82は、通常のエンジン車両において、いわゆるダッシュパネル、あるいはファイアウォールと呼ばれる防音防火用の隔壁部材に対応する。
ヒートポンプサイクル2の室内凝縮器12、室内蒸発器23等を除く各構成機器、熱排出用冷媒循環回路3の各構成機器、および加熱用冷媒循環回路5の各構成機器は、駆動用装置室81内に配置されている。このうち、ヒートポンプサイクル2の空調用室外熱交換器20、および熱排出用冷媒循環回路3の熱排出用室外熱交換器63は、駆動用装置室81内の車両前方側に配置されている。
駆動用装置室81の車両最前部には、駆動用装置室81内に外気を導入するグリルが配置されている。このため、車両走行時には、空調用室外熱交換器20および熱排出用室外熱交換器63に対して、グリルを介して駆動用装置室81内へ流入した走行風(すなわち、外気)を当てることができる。
さらに、本実施形態の空調用室外熱交換器20および熱排出用室外熱交換器63は、外気の流れ方向に対して並列的に配置されている。図1では、空調用室外熱交換器20および熱排出用室外熱交換器63が、上下方向に並んで配置された例を模式的に図示しているが、空調用室外熱交換器20および熱排出用室外熱交換器63は、左右方向に配置されていてもよい。
室内空調ユニット30は、車室80内の最前部の計器盤(すなわち、インストルメントパネル)の内側に配置されている。このため、室内空調ユニット30のケーシング31内に収容されたヒートポンプサイクル2の室内凝縮器12、室内蒸発器23等も、車室80内に配置されている。
次に、図12を用いて、車両用熱管理システム1の電気制御部について説明する。制御装置90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ている。制御装置90は、ROMに記憶された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各種制御対象機器の作動を制御する。
制御装置90の入力側には、図12に示すように、内気温センサ91a、外気温センサ91b、日射センサ91c、高圧センサ91d、蒸発器温度センサ91e、空調風温度センサ91f、管理用車載機器温度センサ91h、熱排出用冷媒圧力センサ91g等の制御用のセンサ群が接続されている。制御装置90には、これらの制御用のセンサ群の検出信号が入力される。
内気温センサ91aは、車室内温度(内気温)Trを検出する内気温検出部である。外気温センサ91bは、車室外温度(外気温)Tamを検出する外気温検出部である。日射センサ91cは、車室内へ照射される日射量Asを検出する日射量検出部である。高圧センサ91dは、圧縮機11の吐出口側から高圧制御弁13または冷房用膨張弁22の入口側へ至る冷媒流路内のサイクル用冷媒の圧力である高圧側サイクル用冷媒圧力Pdを検出する冷媒圧力検出部である。
蒸発器温度センサ91eは、室内蒸発器23におけるサイクル用冷媒の冷媒蒸発温度(蒸発器温度)Tefinを検出する蒸発器温度検出部である。空調風温度センサ91fは、混合空間36から車室内へ送風される送風空気温度TAVを検出する空調風温度検出部である。
管理用車載機器温度センサ91hは、車載機器50~53のうち予め定めた管理用車載機器の温度である管理用車載機器温度Tepを検出する管理用車載機器温度検出部である。本実施形態では、車載機器50~53のうち使用可能温度帯の最高温度が最も低いバッテリ50を管理用車載機器としている。
より具体的には、管理用車載機器温度センサ91hは、管理用車載機器(本実施形態では、バッテリ50)の複数の箇所の温度を検出する複数の温度センサによって構成されている。さらに、制御装置90では、これらの複数の温度センサの検出値の平均値を、管理用車載機器温度Tepとしている。
熱排出用冷媒圧力センサ91gは、熱排出用冷媒循環回路3を循環する熱排出用冷媒の圧力である熱排出用冷媒圧力Prhを検出する熱排出用冷媒圧力検出部である。より具体的には、本実施形態の熱排出用冷媒圧力センサ91gは、熱排出用気相配管62を流通する気相状態の熱排出用冷媒の圧力を検出している。
さらに、制御装置90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92が接続されている。制御装置90には、操作パネル92に設けられた各種操作スイッチからの操作信号が入力される。
操作パネル92に設けられた各種操作スイッチとしては、空調作動スイッチ、風量設定スイッチ、温度設定スイッチ等がある。空調作動スイッチは、乗員が車室内の空調を行うことを要求するための空調作動要求部である。風量設定スイッチは、乗員が空調用送風機32の風量をマニュアル設定するための風量設定部である。温度設定スイッチは、車室内の設定温度Tsetを設定するための温度設定部である。
ここで、制御装置90は、出力側に接続された各種制御対象機器の作動を制御する制御部が一体的に構成されたものである。従って、制御装置90のうち、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部を構成している。
例えば、制御装置90のうち、ヒートポンプサイクル2の圧縮機11の作動を制御する構成(ハードウェアおよびソフトウエア)は、圧縮機制御部90aを構成している。また、熱排出用循環遮断部(本実施形態では、熱排出用開閉弁65)の作動を制御する構成は、熱排出用循環制御部90bを構成している。また、加熱用循環遮断部(本実施形態では、加熱用開閉弁68)の作動を制御する構成は、加熱用循環制御部90cを構成している。もちろん、これらの各制御部をそれぞれ別体の制御装置で構成してもよい。
次に、上記構成における本実施形態の車両用熱管理システム1の作動について説明する。前述の如く、車両用熱管理システム1は、電気自動車において、車室内の空調を行う機能を果たすとともに、作動時に発熱を伴う各種の車載機器50~53の排熱を外気に放熱させる機能を果たす。つまり、車両用熱管理システム1の制御装置90は、車室内の温度を乗員の所望の温度に調整するとともに、車載機器50~53の温度を使用可能温度帯の範囲内に維持するように各種制御対象機器の作動を制御している。
図13に、制御装置90が実行する制御フローの概略を示す。この制御フローでは、車両のシステム全体が起動(スタート)すると、初期化のために、ヒートポンプサイクル2の回収用開閉弁16aを閉じ、熱排出用冷媒循環回路3の熱排出用開閉弁65を閉じ、さらに、加熱用冷媒循環回路5の加熱用開閉弁68を閉じる(図13のステップS1)。
続いて、車両が起動時、アイドル時、あるいは走行時であるかといった現在の車両の運転状態を決定する(図13のステップS2)。このような車両の運転状態の決定は、制御装置90に接続された制御用のセンサ群の検出信号に基づいて行われる。続いて、空調装置として作動するか否か、すなわち、空調運転を行うか否かが判定される(図13のステップS3)。本実施形態では、操作パネル92の空調作動スイッチが投入(ON)されている場合に、空調運転を行うと判定する。
ステップS3にて空調運転を行うと判定された場合には、車室内の空調を行うための空調制御を実行する。この制御では、空調用の運転モードを選択し(図13のステップS4)、選択された運転モードに応じて、ヒートポンプサイクル2等の作動を制御する(図13のステップS5~S8)。
また、この制御フローでは、ステップS3の判定結果によらず、車載機器50~53の排熱を加熱用冷媒に吸熱させて回収する熱回収制御(図13のステップS9)、および回収した車載機器50~53の排熱を外気に排出するための熱廃棄制御(図13のステップS10)を並行して実行する。
熱回収制御では、バッテリ50の温度(すなわち、管理用車載機器温度センサ91hによって検出された管理用車載機器温度Tep)が、バッテリ50の使用可能温度帯に維持されるように、加熱用開閉弁68の開閉制御が行われる。熱廃棄制御では、熱排出用冷媒圧力センサ91gによって検出された熱排出用冷媒圧力Prhが予め定めた基準圧力範囲内に維持されるように、熱排出用開閉弁65の開閉制御が行われる。
そして、車両のシステム全体が停止されるまで、ステップS2に戻り、再び同様の制御フローが繰り返される。車両のシステム全体が停止された場合は、車両用熱管理システム1も停止する(図13のステップS11)。
次に、図13のステップS4~S8にて実行される空調制御について説明する。空調制御では、制御装置90が、制御用のセンサ群の検出信号および操作パネル92からの操作信号に基づいて、車室内へ送風される送風空気の目標吹出温度TAOを算出する。目標吹出温度TAOは、以下数式F1によって算出される。
TAO=Kset×Tset-Kr×Tr-Kam×Tam-Ks×As+C…(F1)
なお、Tsetは、温度設定スイッチによって設定された設定温度である。Trは、内気温センサ91aによって検出された内気温である。Tamは、外気温センサ91bによって検出された外気温である。Asは、日射センサ91cによって検出された日射量である。Kset、Kr、Kam、Ksは制御ゲインであり、Cは補正用の定数である。
TAO=Kset×Tset-Kr×Tr-Kam×Tam-Ks×As+C…(F1)
なお、Tsetは、温度設定スイッチによって設定された設定温度である。Trは、内気温センサ91aによって検出された内気温である。Tamは、外気温センサ91bによって検出された外気温である。Asは、日射センサ91cによって検出された日射量である。Kset、Kr、Kam、Ksは制御ゲインであり、Cは補正用の定数である。
さらに、制御装置90は、目標吹出温度TAO、検出信号、および操作信号に基づいて、運転モードを切り替える。
より具体的には、制御装置90は、夏季のように比較的外気温が高く、車室内を冷やす過程で冷房モードに切り替える。また、夏季に車室内温度を低下させた後の安定状態となっている場合や、春季あるいは秋季のように外気温が夏季と冬季との中間的温度となる中間期には、エアミックスモードに切り替える。また、中間期や冬季のように比較的に多湿で外気温がやや低い場合には、除湿暖房モードに切り替える。さらに、冬季の極低外気温時には、低温暖房モードに切り替える。以下に各運転モードにおける作動を説明する。
(a)冷房モード
冷房モードでは、制御装置90が、高圧制御弁13を全開状態とし、冷房用膨張弁22を冷媒減圧作用を発揮する絞り状態とする。さらに、制御装置90は、回収用開閉弁16aを開き、低圧側開閉弁16bを開き、冷房用開閉弁16cを閉じる。
冷房モードでは、制御装置90が、高圧制御弁13を全開状態とし、冷房用膨張弁22を冷媒減圧作用を発揮する絞り状態とする。さらに、制御装置90は、回収用開閉弁16aを開き、低圧側開閉弁16bを開き、冷房用開閉弁16cを閉じる。
これにより、冷房モードのヒートポンプサイクル2では、圧縮機11の吐出ポート11c(→室内凝縮器12→高圧制御弁13)→気液分離器14→中間圧固定絞り17bおよび回収用膨張弁60→回収用開閉弁16a→複合型熱交換器61の回収用流通部61a→圧縮機11の中間圧ポート11bの順にサイクル用冷媒が循環するとともに、気液分離器14→低圧側開閉弁16b→空調用室外熱交換器20→冷房用膨張弁22→室内蒸発器23→アキュムレータ24→圧縮機11の吸入ポート11aの順にサイクル用冷媒が循環するサイクルが構成される。
このサイクル構成で、制御装置90は、出力側に接続された各種制御対象機器へ出力される制御信号等を決定して、各種制御対象機器の作動を制御する。
例えば、制御装置90は、蒸発器温度センサ91eによって検出された冷媒蒸発温度Tefinが目標蒸発温度TEOとなるように圧縮機11へ出力される制御信号を決定する。目標蒸発温度TEOは、目標吹出温度TAOに基づいて、予め制御装置90に記憶された冷房モード用の制御マップを参照して決定される。
具体的には、この制御マップでは、空調風温度センサ91fによって検出された送風空気温度TAVが目標吹出温度TAOに近づくように、目標吹出温度TAOの上昇に伴って目標蒸発温度TEOを上昇させる。さらに、目標蒸発温度TEOは、室内蒸発器23の着霜を抑制可能な範囲(具体的には、1℃以上)の値に決定される。
また、制御装置90は、目標吹出温度TAOに基づいて、予め制御装置90に記憶された制御マップを参照して空調用送風機32へ出力される制御電圧を決定する。具体的には、この制御マップでは、目標吹出温度TAOの極低温域(最大冷房域)および極高温域(最大暖房域)で空調用送風機32の送風量を最大とし、中間温度域に近づくに伴って送風量を減少させる。
また、制御装置90は、冷房用膨張弁22へ流入する冷媒の過冷却度が、目標過冷却度に近づくように冷房用膨張弁22へ出力される制御信号を決定する。目標過冷却度は、サイクルの成績係数(COP)が極大値に近づくように決定される。
また、制御装置90は、冷風バイパス通路35を全開として室内凝縮器12側の通風路を閉塞するように、エアミックスドア駆動用の電動アクチュエータへ出力される制御信号を決定する。また、制御装置90は、予め定めた基準送風能力を発揮できるように、外気ファン21へ出力される制御電圧を決定する。また、制御装置90は、その他の各種制御対象機器へ出力される制御信号等を適宜決定する。この際、上述したステップS2で決定した車両の運転状態に応じて制御信号等が補正される。
そして、制御装置90は、上記の如く決定された制御信号等を各種制御対象機器へ出力する。その後、空調運転の停止が要求されるまで、所定の制御周期毎に、上述の検出信号および操作信号の読み込み→目標吹出温度TAOの算出→各種制御対象機器へ出力される制御信号等の決定→制御信号等の出力といった制御ルーチンが繰り返される。なお、このような制御ルーチンの繰り返しは、他の運転モード時にも同様に行われる。
このため、冷房モードのヒートポンプサイクル2では、空調用室外熱交換器20を凝縮器として機能させ、室内蒸発器23を蒸発器として機能させるガスインジェクションサイクルが構成される。
より詳細には、冷房モードのヒートポンプサイクル2では、エアミックスドア34が室内凝縮器12側の通風路を閉塞し、高圧制御弁13が全開となっている。このため、圧縮機11の吐出ポート11cから気液分離器14を介して中間圧固定絞り17bおよび回収用膨張弁60の入口へ至る冷媒流路、並びに、圧縮機11の吐出ポート11c気液分離器14を介して冷房用膨張弁22の入口へ至る冷媒流路におけるサイクル用冷媒は、高圧高温冷媒となる。
また、中間圧固定絞り17bおよび回収用膨張弁60の出口から複合型熱交換器61の回収用流通部61aを介して圧縮機11の中間圧ポート11bへ至る冷媒流路におけるサイクル用冷媒は、中間圧冷媒となる。さらに、冷房用膨張弁22の出口から23を介して圧縮機11の圧縮機11の吸入ポート11aへ至る冷媒流路におけるサイクル用冷媒は、低圧低温冷媒となる。
そして、冷房モードのヒートポンプサイクル2では、室内蒸発器23にてサイクル用冷媒が蒸発する際に送風空気から吸熱した熱を空調用室外熱交換器20にて外気に放熱させる。これにより、送風空気を冷却することができる。従って、冷房モードでは、室内蒸発器23にて冷却された送風空気を車室内に吹き出すことによって、車室内の冷房を行うことができる。
また、冷房モードのヒートポンプサイクル2では、回収用開閉弁16aが開いている。従って、後述する熱回収制御によって、加熱用冷媒循環回路5の加熱用開閉弁68が開いている際には、回収用流通部61aを流通するサイクル用冷媒に、加熱用流通部61bを流通する加熱用冷媒の有する熱を吸熱させることができる。
これによれば、中間圧冷媒となっているサイクル用冷媒の圧力を上昇させて、中間圧ポート11bから吸入されるサイクル用冷媒の密度を上昇させることができる。従って、圧縮機11の回転数(冷媒吐出能力)を増加させることなく、サイクルの冷媒循環流量を増加させることができる。換言すると、本実施形態では、同一の冷房性能を発揮させるために必要な圧縮機11の回転数(冷媒吐出能力)を、複合型熱交換器61にてサイクル用冷媒が加熱用冷媒の有する熱を吸熱しないサイクルよりも低下させることができる。
つまり、加熱用冷媒が吸熱した車載機器50~53の排熱を圧縮機11の動力に変換することができ、圧縮機11の消費電力を低減させてサイクルのCOPを向上させることができる。
(b)エアミックスモード
エアミックスモードでは、制御装置90が、高圧制御弁13を絞り状態とし、冷房用膨張弁22を絞り状態とする。さらに、制御装置90は、回収用開閉弁16aを開き、低圧側開閉弁16bを開き、冷房用開閉弁16cを閉じる。
エアミックスモードでは、制御装置90が、高圧制御弁13を絞り状態とし、冷房用膨張弁22を絞り状態とする。さらに、制御装置90は、回収用開閉弁16aを開き、低圧側開閉弁16bを開き、冷房用開閉弁16cを閉じる。
これにより、エアミックスモードのヒートポンプサイクル2では、圧縮機11の吐出ポート11c→室内凝縮器12→高圧制御弁13→気液分離器14→中間圧固定絞り17bおよび回収用膨張弁60→回収用開閉弁16a→複合型熱交換器61の回収用流通部61a→圧縮機11の中間圧ポート11bの順にサイクル用冷媒が循環するとともに、気液分離器14→低圧側開閉弁16b→空調用室外熱交換器20→冷房用膨張弁22→室内蒸発器23→アキュムレータ24→圧縮機11の吸入ポート11aの順にサイクル用冷媒が循環するサイクルが構成される。
つまり、エアミックスモードのヒートポンプサイクル2では、実質的に、冷房モードと同様の順にサイクル用冷媒が循環するサイクルが構成される。
このサイクル構成で、制御装置90は、出力側に接続された各種制御対象機器へ出力される制御信号等を決定して、各種制御対象機器の作動を制御する。例えば、制御装置90は、圧縮機11へ出力される制御信号、冷房用膨張弁22へ出力される制御信号、および空調用送風機32へ出力される制御電圧等については、冷房モードと同様に決定する。
また、制御装置90は、高圧センサ91dによって検出された高圧側サイクル用冷媒圧力Pdが目標高圧PCOとなるように高圧制御弁13へ出力される制御信号を決定する。目標高圧PCOは、目標吹出温度TAOに基づいて、予め制御装置90に記憶されたエアミックスモード用の制御マップを参照して決定される。これにより、高圧側のサイクル用冷媒の圧力が略一定に維持される。
また、制御装置90は、冷風バイパス通路35および室内凝縮器12側の通風路の双方を開くように、エアミックスドア駆動用の電動アクチュエータへ出力される制御信号を決定する。本実施形態では、送風空気温度TAVが目標吹出温度TAOに近づくように、エアミックスドア34の開度が調整される。また、制御装置90は、その他の各種制御対象機器へ出力される制御信号等を適宜決定する。
このため、エアミックスモードのヒートポンプサイクル2では、室内凝縮器12および空調用室外熱交換器20を凝縮器として機能させ、室内蒸発器23を蒸発器として機能させるガスインジェクションサイクルが構成される。
より詳細には、エアミックスモードのヒートポンプサイクル2では、高圧制御弁13が絞り状態となっているので、圧縮機11の吐出ポート11cから高圧制御弁13の入口へ至る冷媒流路におけるサイクル用冷媒は、高圧高温冷媒となる。
また、高圧制御弁13の出口から気液分離器14を介して中間圧固定絞り17bおよび回収用膨張弁60の入口へ至る冷媒流路、並びに、気液分離器14を介して冷房用膨張弁22の入口へ至る冷媒流路におけるサイクル用冷媒は、高圧制御弁13にて減圧された準高圧冷媒となる。
また、中間圧固定絞り17bおよび回収用膨張弁60の出口から複合型熱交換器61の回収用流通部61aを介して圧縮機11の中間圧ポート11bへ至る冷媒流路におけるサイクル用冷媒は、冷房モードと同様に、中間圧冷媒となる。また、冷房用膨張弁22の出口から室内蒸発器23を介して圧縮機11の圧縮機11の吸入ポート11aへ至る冷媒流路におけるサイクル用冷媒は、冷房モードと同様に、低圧低温冷媒となる。
エアミックスモードのヒートポンプサイクル2では、室内蒸発器23にてサイクル用冷媒が蒸発する際に送風空気が冷却されて冷却空気が作り出される。さらに、室内蒸発器23にてサイクル用冷媒が蒸発する際に送風空気から吸熱した熱の一部、および複合型熱交換器61にてサイクル用冷媒が蒸発する際に加熱用冷媒から吸熱した熱を、室内凝縮器12にて冷却空気の一部に放熱させることによって、加熱空気が作り出される。
そして、エアミックスドア34の開度調整によって、冷却空気と加熱空気との混合割合を変化させ、所望の温度に調整された送風空気を車室内に吹き出すことができる。
また、エアミックスモードのヒートポンプサイクル2では、回収用開閉弁16aが開いているので、サイクル用冷媒に加熱用冷媒の有する熱を吸熱させることができる。これによれば、冷房モードと同様に、圧縮機11の消費電力を低減させてサイクルのCOPを向上させることができる。
さらに、エアミックスモードでは、室内蒸発器23にてサイクル用冷媒が送風空気から吸熱した熱および圧縮機11の圧縮仕事によって生じた熱に加えて、サイクル用冷媒が加熱用冷媒から吸熱した熱を、送風空気を加熱するための熱源として利用することもできる。つまり、車載機器50~53の排熱を熱源として送風空気を加熱することができる。従って、エアミックスモードでは、送風空気の加熱能力を向上させることができる。
(c)除湿暖房モード
除湿暖房モードでは、制御装置90が、高圧制御弁13を絞り状態とし、冷房用膨張弁22を全開状態とする。さらに、制御装置90は、回収用開閉弁16aを開き、低圧側開閉弁16bを閉じ、冷房用開閉弁16cを閉じる。
除湿暖房モードでは、制御装置90が、高圧制御弁13を絞り状態とし、冷房用膨張弁22を全開状態とする。さらに、制御装置90は、回収用開閉弁16aを開き、低圧側開閉弁16bを閉じ、冷房用開閉弁16cを閉じる。
これにより、除湿暖房モードのヒートポンプサイクル2では、圧縮機11の吐出ポート11c→室内凝縮器12→高圧制御弁13→気液分離器14→中間圧固定絞り17bおよび回収用膨張弁60→回収用開閉弁16a→複合型熱交換器61の回収用流通部61a→圧縮機11の中間圧ポート11bの順にサイクル用冷媒が循環するとともに、気液分離器14→低段側固定絞り17a→空調用室外熱交換器20(→冷房用膨張弁22)→室内蒸発器23→アキュムレータ24→圧縮機11の吸入ポート11aの順にサイクル用冷媒が循環するサイクルが構成される。
このサイクル構成で、制御装置90は、出力側に接続された各種制御対象機器へ出力される制御信号等を決定して、各種制御対象機器の作動を制御する。例えば、制御装置90は、圧縮機11へ出力される制御信号、冷房用膨張弁22へ出力される制御信号、空調用送風機32へ出力される制御電圧等については、エアミックスモードと同様に決定する。
また、制御装置90は、高圧側サイクル用冷媒圧力Pdが目標高圧PCOとなるように高圧制御弁13へ出力される制御信号を決定する。目標高圧PCOは、目標吹出温度TAOに基づいて、予め制御装置90に記憶された除湿暖房モード用の制御マップを参照して決定される。これにより、高圧側のサイクル用冷媒の圧力が略一定に維持される。
また、制御装置90は、冷風バイパス通路35を閉塞して室内凝縮器12側の通風路が全開となるように、エアミックスドア駆動用の電動アクチュエータへ出力される制御信号を決定する。また、制御装置90は、外気ファン21を停止させる。また、制御装置90は、その他の各種制御対象機器へ出力される制御信号等を適宜決定する。
このため、除湿暖房モードのヒートポンプサイクル2では、室内凝縮器12を凝縮器として機能させ、室内蒸発器23を蒸発器として機能させるガスインジェクションサイクルが構成される。
より詳細には、除湿暖房モードのヒートポンプサイクル2では、高圧制御弁13が絞り状態となっているので、圧縮機11の吐出ポート11cから高圧制御弁13の入口へ至る冷媒流路におけるサイクル用冷媒は、高圧高温冷媒となる。
また、高圧制御弁13の出口から気液分離器14を介して中間圧固定絞り17bおよび回収用膨張弁60の入口へ至る冷媒流路、並びに、気液分離器14を介して低段側固定絞り17aの入口へ至る冷媒流路におけるサイクル用冷媒は、高圧制御弁13にて減圧された準高圧冷媒となる。
また、中間圧固定絞り17bおよび回収用膨張弁60の出口から複合型熱交換器61の回収用流通部61aを介して圧縮機11の中間圧ポート11bへ至る冷媒流路におけるサイクル用冷媒は、冷房モード等と同様に、中間圧冷媒となる。低段側固定絞り17aの出口から空調用室外熱交換器20および室内蒸発器23を介して圧縮機11の圧縮機11の吸入ポート11aへ至る冷媒流路におけるサイクル用冷媒は、低圧低温冷媒となる。
除湿暖房モードのヒートポンプサイクル2では、室内蒸発器23にてサイクル用冷媒が蒸発する際に送風空気から吸熱した熱、および複合型熱交換器61にてサイクル用冷媒が蒸発する際に加熱用冷媒から吸熱した熱を、室内凝縮器12にて冷却空気に放熱させる。これにより、冷却して除湿された送風空気を再加熱して車室内へ乾いた加熱空気を吹き出すことができる。
また、除湿暖房モードのヒートポンプサイクル2では、回収用開閉弁16aが開いているので、サイクル用冷媒に加熱用冷媒の有する熱を吸熱させることができる。これによれば、冷房モードと同様に、圧縮機11の消費電力を低減させてサイクルのCOPを向上させることができる。
さらに、除湿暖房モードでは、室内蒸発器23にてサイクル用冷媒が送風空気から吸熱した熱および圧縮機11の圧縮仕事によって生じた熱に加えて、サイクル用冷媒が加熱用冷媒から吸熱した熱を、送風空気を加熱するための熱源として利用することもできる。つまり、車載機器50~53の排熱を熱源として送風空気を加熱することができる。従って、除湿暖房モードでは、暖房能力を向上させることができる。
(d)低温暖房モード
低温暖房モードでは、制御装置90が、高圧制御弁13を絞り状態とし、冷房用膨張弁22を全閉状態とする。さらに、制御装置90は、回収用開閉弁16aを開き、低圧側開閉弁16bを閉じ、冷房用開閉弁16cを開く。
低温暖房モードでは、制御装置90が、高圧制御弁13を絞り状態とし、冷房用膨張弁22を全閉状態とする。さらに、制御装置90は、回収用開閉弁16aを開き、低圧側開閉弁16bを閉じ、冷房用開閉弁16cを開く。
これにより、低温暖房モードのヒートポンプサイクル2では、圧縮機11の吐出ポート11c→室内凝縮器12→高圧制御弁13→気液分離器14→中間圧固定絞り17bおよび回収用膨張弁60→回収用開閉弁16a→複合型熱交換器61の回収用流通部61a→圧縮機11の中間圧ポート11bの順にサイクル用冷媒が循環するとともに、気液分離器14→低段側固定絞り17a→空調用室外熱交換器20→冷房用開閉弁16c→アキュムレータ24→圧縮機11の吸入ポート11aの順にサイクル用冷媒が循環するサイクルが構成される。
このサイクル構成で、制御装置90は、出力側に接続された各種制御対象機器へ出力される制御信号等を決定して、各種制御対象機器の作動を制御する。
例えば、制御装置90は、予め定めた低温暖房モード用の絞り開度となるように高圧制御弁13へ出力される制御信号を決定する。
また、制御装置90は、高圧側サイクル用冷媒圧力Pdが目標高圧PCOとなるように圧縮機11へ出力される制御信号を決定する。目標高圧PCOは、目標吹出温度TAOに基づいて、予め制御装置90に記憶された低温暖房モード用の制御マップを参照して決定される。これにより、高圧側のサイクル用冷媒の圧力が略一定に維持される。
また、空調用送風機32へ出力される制御電圧、エアミックスドア駆動用の電動アクチュエータへ出力される制御信号等については、除湿暖房モードと同様に決定する。また、制御装置90は、その他の各種制御対象機器へ出力される制御信号等を適宜決定する。
このため、低温暖房モードのヒートポンプサイクル2では、室内凝縮器12を凝縮器として機能させ、空調用室外熱交換器20を蒸発器として機能させるガスインジェクションサイクルが構成される。さらに、低温暖房モード時のヒートポンプサイクル2におけるサイクル用冷媒の状態は、図14の模式的なモリエル線図に示すように変化する。
より詳細には、圧縮機11から吐出されて高圧高温冷媒となったサイクル用冷媒(図14のa点)は、室内凝縮器12へ流入する。低温暖房モードでは、エアミックスドア34が室内凝縮器12側の通風路を全開としているので、室内凝縮器12へ流入したサイクル用冷媒は、空調用送風機32から送風された送風空気と熱交換し、放熱して凝縮する(図14のa点→b点)。これにより、送風空気が加熱される。
ここで、低温暖房モード時の室内凝縮器12におけるサイクル用冷媒の凝縮温度は、80℃程度まで上昇することがある。また、低温運転モードの送風空気の加熱能力Qhは、図14のa点における冷媒のエンタルピからb点における冷媒のエンタルピを減算したエンタルピ差を用いて表すことができる。
室内凝縮器12にて凝縮したサイクル用冷媒は、高圧制御弁13へ流入して準高圧冷媒となるまで減圧される(図14のb点→c点)。
高圧制御弁13から流出したサイクル用冷媒は、気液分離器14へ流入して気液分離される。気液分離器14の第1液相流出ポート14cから流出した液相状態のサイクル用冷媒は、回収用膨張弁60にて中間圧冷媒となるまで減圧される。この際、回収用膨張弁60の絞り開度は、回収用流通部61aの出口側のサイクル用冷媒(図14のe点)の過熱度が基準過熱度に近づくように調整される。
気液分離器14の気相流出ポート14bから流出した気相状態のサイクル用冷媒は、中間圧固定絞り17bにて中間圧冷媒となるまで減圧される。これにより、気相流出ポート14bから流出したサイクル用冷媒は、回収用膨張弁60から流出した冷媒と同等の圧力となる。
回収用膨張弁60から流出したサイクル用冷媒と中間圧固定絞り17bから流出したサイクル用冷媒は、合流部15cにて合流して、比較的乾き度の低い気液二相状態となる(図14のd点)。
なお、図14の破線は、気液分離器14の第1液相流出ポート14cから流出した液相状態のサイクル用冷媒が減圧する様子、および気相流出ポート14bから流出した気相状態のサイクル用冷媒が減圧する様子を模式的に示したものである。従って、実際の冷媒が破線に沿って減圧するものではない。
合流部15cから流出したサイクル用冷媒は、回収用流通部61aへ流入する。この際、回収用流通部61aを流通するサイクル用冷媒の圧力は、中間圧固定絞り17bおよび回収用膨張弁60の減圧作用によって、加熱用流通部61bを流通する加熱用冷媒の圧力よりも低くなる。すなわち、回収用流通部61aを流通するサイクル用冷媒の温度は、加熱用流通部61bを流通する加熱用冷媒の温度よりも低くなる。
従って、回収用流通部61aを流通するサイクル用冷媒は、加熱用流通部61bを流通する加熱用冷媒から吸熱して蒸発し、過熱度を有する気相冷媒となる(図14のd点→e点)。
ここで、低温暖房モード時の回収用流通部61aにおけるサイクル用冷媒の蒸発温度は、20℃~30℃程度となる。また、回収用流通部61aにてサイクル用冷媒が加熱用流通部61bを流通する加熱用冷媒から吸熱した排熱回収熱量Qreは、図14のe点における冷媒のエンタルピからd点における冷媒のエンタルピを減算したエンタルピ差を用いて表すことができる。
回収用流通部61aから流出したサイクル用冷媒は、圧縮機11の中間圧ポート11bから吸入される。圧縮機11の中間圧ポート11bから吸入されたサイクル用冷媒は、圧縮機11の低段側圧縮機構から吐出された中間圧冷媒と合流して(図14のf点)、高段側圧縮機構にて圧縮される(図14のf点→a点)。
一方、気液分離器14の第2液相流出ポート14dから流出した液相状態のサイクル用冷媒(図14のc1点)は、低段側固定絞り17aにて、低圧低温冷媒となるまで減圧される(図14のc1点→g点)。
低段側固定絞り17aから流出したサイクル用冷媒は、空調用室外熱交換器20へ流入する。空調用室外熱交換器20へ流入したサイクル用冷媒は、外気から吸熱して蒸発する(図14のg点→h点)。
ここで、低温暖房モード時の空調用室外熱交換器20におけるサイクル用冷媒の蒸発温度は、1℃以下に低下することがある。また、空調用室外熱交換器20にてサイクル用冷媒が外気から吸熱した外気吸熱量Qoutは、図14のh点における冷媒のエンタルピからg点における冷媒のエンタルピを減算したエンタルピ差を用いて表すことができる。
空調用室外熱交換器20から流出したサイクル用冷媒は、アキュムレータ24へ流入して気液分離される。アキュムレータ24にて分離された気相状態のサイクル用冷媒は、圧縮機11の吸入ポート11aから吸入される。圧縮機11の吸入ポート11aから吸入された冷媒は、低段側圧縮機構にて圧縮されて(図14のh点→i点)、中間圧ポート11bから流入した冷媒と合流する(図14のf点)。
従って、低温暖房モードのヒートポンプサイクル2では、室内凝縮器12にて加熱された送風空気を車室内に吹き出すことによって、車室内の暖房を行うことができる。
また、低温暖房モードのヒートポンプサイクル2では、回収用開閉弁16aが開いているので、サイクル用冷媒に加熱用冷媒の有する熱を吸熱させることができる。これによれば、冷房モードと同様に、圧縮機11の消費電力を低減させてサイクルのCOPを向上させることができる。
さらに、低温暖房モードでは、空調用室外熱交換器20にてサイクル用冷媒が外気から吸熱した熱および圧縮機11の圧縮仕事によって生じた熱に加えて、複合型熱交換器61にてサイクル用冷媒が加熱用冷媒から吸熱した熱を熱源として、送風空気を加熱することができる。
これに加えて、除湿暖房モードのように、室内蒸発器23にて送風空気が冷却されてしまうことがないので、送風空気の加熱能力が相殺されてしまうことがない。従って、低温暖房モードでは、除湿暖房モードよりも、送風空気の加熱能力を大きく向上させることができる。
次に、図13のステップS9にて実行される熱回収制御について説明する。熱回収制御では、制御装置90が、制御用のセンサ群の検出信号に基づいて、加熱用冷媒循環回路5の加熱用開閉弁68の開閉制御を行う。
より具体的には、制御装置90は、管理用車載機器温度Tepが予め定めた基準上限温度KTep1以上となった際に、加熱用開閉弁68を開く。さらに、管理用車載機器温度Tepが予め定めた基準下限温度KTep2以下となった際に、加熱用開閉弁68を閉じる。
これにより、熱回収制御では、管理用車載機器温度Tep(本実施形態では、バッテリ50の温度)が、バッテリ50の使用可能温度帯に維持されるようにしている。さらに、基準上限温度KTep1と基準下限温度KTep2との温度差は、制御ハンチングを防止するためのヒステリシス幅になっている。
管理用車載機器温度Tepが基準上限温度KTep1以上となり、制御装置90が加熱用開閉弁68を開くと、加熱用冷媒循環回路5では、液相状態あるいは気液二相状態の熱排出用冷媒が、車載機器50~53の冷媒通路50a~53aへ流入する。
車載機器50~53の冷媒通路50a~53aへ流入した加熱用冷媒は、車載機器50~53が発生させた熱を吸熱して蒸発する。これにより、車載機器50~53が冷却される。冷媒通路50a~53aにて蒸発した加熱用冷媒は、複合型熱交換器61の加熱用流通部61bへ流入する。
加熱用流通部61bへ流入した気相状態の加熱用冷媒は、熱排出用流通部61cを流通する熱排出用冷媒に放熱して凝縮する。これにより、熱排出用冷媒が吸熱して蒸発するので、熱排出用冷媒圧力Prhが上昇する。さらに、加熱用流通部61bへ流入した気相状態の加熱用冷媒は、回収用流通部61aを流通するサイクル用冷媒に放熱して凝縮する。
加熱用流通部61bにて凝縮した液相冷媒あるいは気液二相状態の加熱用冷媒は、加熱用開閉弁68が開いている際には、重力の作用によって再び車載機器50~53の冷媒通路50a~53aへ流入する。そして、管理用車載機器温度Tepが基準下限温度KTep2以下になると、制御装置90が加熱用開閉弁68を閉じる。これにより、加熱用冷媒循環回路5における加熱用冷媒の循環が遮断される。
従って、熱回収制御では、管理用車載機器温度Tepが基準上限温度KTep1以上となった際には、それぞれの冷媒通路50a~53aにて、加熱用冷媒の相変化を利用して、車載機器50~53の排熱を加熱用冷媒に効率的に吸熱させて回収することができる。そして、加熱用冷媒に吸熱させた排熱を、複合型熱交換器61にて、加熱用冷媒の相変化を利用して、熱排出用冷媒あるいはサイクル用冷媒へ効率的に放熱させることができる。
また、管理用車載機器温度Tepが基準下限温度KTep2以下となった際には、加熱用冷媒循環回路5における加熱用冷媒の循環を遮断して、加熱用冷媒の有する熱が熱排出用冷媒あるいはサイクル用冷媒へ放熱されてしまうことを抑制することができる。従って、熱回収制御を実行することによって、それぞれの車載機器50~53の温度を、それぞれの使用可能温度帯内に維持することができる。
次に、図13のステップS10にて実行される熱廃棄制御について説明する。熱廃棄制御では、制御装置90が、制御用のセンサ群の検出信号に基づいて、熱排出用冷媒循環回路3の熱排出用開閉弁65の開閉制御を行う。
より具体的には、制御装置90は、熱排出用冷媒圧力Prhが予め定めた基準上限圧力KPrh1以上となった際に、熱排出用開閉弁65を開くとともに、予め定めた送風能力を発揮するように外気ファン67を作動させる。さらに、熱排出用冷媒圧力Prhが予め定めた基準下限圧力KPrh2以下となった際に、熱排出用開閉弁65を閉じるとともに、外気ファン67を停止させる。
これにより、熱廃棄制御では、熱排出用冷媒圧力Prhが予め定めた基準圧力範囲内に維持されるようにしている。さらに、基準上限圧力KPrh1と基準下限圧力KPrh2との圧力差は、制御ハンチングを防止するためのヒステリシス幅になっている。外気ファン67は、車両のシステム全体の起動後から常時作動させるようにしてもよい。
熱排出用冷媒圧力Prhが基準上限圧力KPrh1以上となり、制御装置90が熱排出用開閉弁65を開くと、熱排出用冷媒循環回路3では、液相状態あるいは気液二相状態の熱排出用冷媒が、複合型熱交換器61の熱排出用流通部61cへ流入する。
この際、熱排出用流通部61cへ流入した熱排出用冷媒が加熱用流通部61bを流通する冷媒から吸熱して蒸発すると、蒸発した熱排出用冷媒が熱排出用室外熱交換器63へ流入する。熱排出用室外熱交換器63へ流入した気相状態の熱排出用冷媒は、外気ファン67から送風された外気に放熱して凝縮する。
これにより、熱排出用冷媒が加熱用冷媒から吸熱した熱(すなわち、車載機器50~53の排熱)が外気へ放熱される。熱排出用室外熱交換器63にて凝縮した液相状態あるいは気液二相状態の熱排出用冷媒は、重力の作用によって再び熱排出用流通部61cへ流入する。
一方、熱排出用流通部61cへ流入した熱排出用冷媒が加熱用流通部61bを流通する冷媒から吸熱することなく、熱排出用冷媒圧力Prhが基準下限圧力KPrh2以下に低下すると、制御装置90が熱排出用開閉弁65を閉じる。これにより、熱排出用冷媒循環回路3における熱排出用冷媒の循環が遮断される。
従って、熱廃棄制御では、熱排出用冷媒圧力Prhが基準上限圧力KPrh1以上となった際には、複合型熱交換器61にて、熱排出用冷媒の相変化を利用して、加熱用冷媒の有する熱(すなわち、車載機器50~53の排熱)を熱排出用冷媒に吸熱させることができる。そして、熱排出用冷媒に吸熱させた排熱を、熱排出用室外熱交換器63にて、熱排出用冷媒の相変化を利用して、外気へ効率的に放熱させることができる。
また、熱排出用冷媒圧力Prhが基準下限圧力KPrh2以下となった際には、熱排出用冷媒循環回路3における熱排出用冷媒の循環を遮断して、車載機器50~53の排熱が不必要に外気へ放熱されてしまうこと抑制することができる。
本実施形態の車両用熱管理システム1は、上記の如く作動するので、以下に記載するような優れた効果を得ることができる。
すなわち、本実施形態の車両用熱管理システム1によれば、いずれの運転モードにおいても、複合型熱交換器61にて、加熱用冷媒とサイクル用冷媒とを熱交換させることができる。従って、季節によらず、オールシーズンに亘って、加熱用冷媒が車載機器50~53から吸熱した排熱を、ヒートポンプサイクル2のCOPを向上させるために有効に利用することができる。
これに加えて、低温暖房モード時、エアミックスモード時、除湿暖房モード時には、加熱用冷媒が車載機器50~53から吸熱した排熱を、送風空気を加熱するための熱源として有効に利用することができる。従って、低温暖房モード時、エアミックスモード時、除湿暖房モード時には、高い送風空気の加熱能力(すなわち、高い暖房能力)を発揮することができる。
このことを加熱能力向上効果を最も高く得られる低温暖房モードを例として、より詳細に説明すると、従来技術のように回収用流通部61aを有していない一般的なヒートポンプサイクルでは、送風空気を加熱する熱源として、外気から吸熱した熱(図14では、Qoutに対応)、および圧縮機11の圧縮仕事による熱(図14では、Qcompに対応)を利用することしかできない。このことは、ガスインジェクションサイクルを構成するサイクルであったとしても同様である。
これに対して、本実施形態のヒートポンプサイクル2では、空調用室外熱交換器20にて外気から吸熱した熱(図14では、Qoutに対応)、および圧縮機11の圧縮仕事による熱(図14のQcompに対応)に加えて、回収用流通部61aにて加熱用流通部61bを流通する加熱用冷媒から吸熱した熱(図14では、Qreに対応)を、送風空気を加熱する熱源として利用することができる。
この際、サイクル用冷媒が外気から吸熱した熱(図14では、Qoutに対応)と加熱用冷媒から吸熱した熱(図14では、Qreに対応)は、互いに相殺されることのない、独立した熱源として利用することができる。
つまり、本実施形態のヒートポンプサイクル2の第2暖房モード時における送風空気の加熱能力(すなわち、暖房能力)Qhは、以下数式F2で表すことができる。
Qh=Qout+Qre+Qcomp…(F2)
従って、本実施形態の車両用熱管理システム1によれば、低温暖房モード時に、車載機器50~53の排熱を、送風空気を加熱するための熱源として有効に利用することができる。そして、低温暖房モード時に、高い暖房能力を発揮することができる。
Qh=Qout+Qre+Qcomp…(F2)
従って、本実施形態の車両用熱管理システム1によれば、低温暖房モード時に、車載機器50~53の排熱を、送風空気を加熱するための熱源として有効に利用することができる。そして、低温暖房モード時に、高い暖房能力を発揮することができる。
さらに、本発明者らの検討によれば、本実施形態の車両用熱管理システム1では、冬季の極低外気温時(例えば、外気温が-15℃程度となる運転条件時)であっても、車室内の充分な暖房を実現できることが確認されている。
また、低温暖房モード時の回収用流通部61aにおけるサイクル用冷媒の蒸発温度は20℃~30℃程度となるので、加熱用流通部61bから流出する加熱用冷媒の温度も同程度となる。従って、加熱用冷媒循環回路5では、加熱用流通部61bにて冷却された加熱用冷媒を車載機器50~53の冷却に用いることで、車載機器50~53をマイルドに冷却することができる。
つまり、加熱用流通部61bにて冷却された20℃~30℃程度の加熱用冷媒を、車載機器50~53の冷媒通路50a~53aに流通させることで、車載機器50~53の温度が使用可能温度帯より下回ってしまうことを抑制することができる。従って、車載機器50~53の急激な温度変化(いわゆる、ヒートショック)や結露の発生を抑制することができ、車載機器50~53の長寿命化、高性能化、高出力化を図ることができる。
さらに、本実施形態の車両用熱管理システム1によれば、複合型熱交換器61にて、加熱用冷媒と熱排出用冷媒とを熱交換させることができるので、熱排出用室外熱交換器63にて、加熱用冷媒が吸熱した排熱を外気に放熱させて廃棄することができる。
従って、空調運転の停止時や、送風空気を加熱するために車載機器50~53の排熱を利用する必要のない場合には、車載機器50~53の排熱を外気に放熱させて廃棄することができる。また、低温暖房モード時にも、車載機器50~53の排熱が、複合型熱交換器61にてサイクル用冷媒に吸熱させる排熱回収熱量Qreよりも多い場合には、余剰の排熱を外気に廃棄することができる。
これに加えて、本実施形態の車両用熱管理システム1では、加熱用冷媒、サイクル用冷媒、および熱排出用冷媒として、いずれも熱輸送時に相変化を伴う熱媒体を採用しているので、冷媒同士を熱交換させる際に、潜熱変化による効率的、かつ、速やかな熱移動を実現することができる。従って、車載機器50~53の排熱を、速やかに外気へ放熱させることができ、高い応答性で車載機器50~53の温度上昇を抑制することができる。
さらに、熱排出用冷媒として、熱輸送時に相変化を伴う熱媒体を採用しているので、車載機器50~53の冷媒通路50a~53b同士を、液相状態あるいは気液二相状態の加熱用冷媒を流通させる冷媒配管で接続することができる。この冷媒配管としては、車載機器50~53の周囲に空気を循環送風して車載機器50~53の温度調整をする場合に用いられるダクト等に対して、径の細いものを採用することができる。
従って、車両における車載機器50~53の搭載レイアウトによらず、車載機器50~53の冷媒通路50a~53b同士を接続しやすい。その結果、車両用熱管理システム1全体の車両への搭載性を向上させることができる。しかも、径の細い冷媒配管は外表面積も小さくなるので、加熱用冷媒の有する熱が不必要に外気に放熱されてしまうことを抑制して、加熱用冷媒の有する熱を有効に利用しやすい。
すなわち、本実施形態の車両用熱管理システム1によれば、作動時に発熱を伴う車載機器50~53の排熱を、送風空気を加熱するための熱源として、有効に利用することができる。さらに、送風空気を加熱するために利用する必要のない残余の排熱を、速やかに外気へ放熱させることができ、高い応答性で車載機器50~53の温度上昇を抑制して、車載機器50~53の適切な温度調整を実現することができる。
従って、本実施形態の車両用熱管理システム1を電気自動車に適用することで、車室内の空調のために消費される電気エネルギを低減させることができ、一回の充電当たりの走行距離を延ばすことができる。
また、本実施形態の車両用熱管理システム1では、として、いずれの運転モードにおいても、ガスインジェクションサイクルを構成するヒートポンプサイクル2が採用されている。従って、いずれの運転モードにおいても、圧縮機にて圧縮過程の冷媒に中間圧冷媒を合流させない通常の蒸気圧縮式の冷凍サイクルよりも送風空気の加熱能力もしくはCOPを向上させることができる。
さらに、運転モードの切り替え時に、通常の冷凍サイクルとガスインジェクションサイクルとを切り替えないので、サイクルの一時的な停止を招かない。従って、乗員に違和感を覚えさせることなく、スムーズに運転モードを切り替えることができる。
また、本実施形態の車両用熱管理システム1では、複合型熱交換器61として、回収用流通部61aを構成する複数の回収用チューブ72、熱排出用流通部61cを構成する複数の熱排出用チューブ75、および加熱用流通部61bを構成する複数の加熱用チューブ78を積層配置した、積層型の熱交換器構造のものを採用している。
そして、少なくとも一部の回収用チューブ72と加熱用チューブ78とを、サイクル用冷媒と加熱用冷媒との間の熱移動が可能となるように隣接配置している。さらに、少なくとも一部の熱排出用チューブ75と加熱用チューブ78と、熱排出用冷媒と加熱用冷媒との間の熱移動が可能となるように隣接配置している。
具体的には、回収用チューブ72と加熱用チューブ78とをロウ付け接合するとともに、熱排出用チューブ75と加熱用チューブ78とをロウ付け接合している。これによれば、冷媒同士を熱交換させる際に、伝熱性に優れる金属製のチューブの接合面を介して間接的に熱交換させることができるので、冷媒同士の熱交換効率を向上させることができる。
また、本実施形態の複合型熱交換器61では、回収用チューブ72の数量が加熱用チューブ78の数量以下であり、熱排出用チューブ75の数量が加熱用チューブ78の数量以下になっている。つまり、加熱用チューブ78の数量が、回収用チューブ72の数量および熱排出用チューブ75の数量よりも多くなっている。
従って、加熱用冷媒が吸熱した車載機器50~53の排熱を、サイクル用冷媒および熱排出用冷媒の双方に放熱させやすい。さらに、車載機器50~53の排熱の利用態様に応じて、回収用チューブ72および熱排出用チューブ75の数量を調整することで、サイクル用冷媒への放熱量と熱排出用冷媒への放熱量との割合を調整しやすい。
例えば、本実施形態の車両用熱管理システム1のように、車載機器50の排熱のうち、送風空気を加熱するために利用される熱量と外気に廃棄される熱量が同程度になると想定される場合には、回収用チューブ72の数量および熱排出用チューブ75の数量をいずれも、加熱用チューブ78の数量の半分程度にすればよい。
また、本実施形態の複合型熱交換器61では、サイクル用冷媒が上下方向に流れるように回収用チューブ72を配置している。さらに、回収用チューブ72では、冷媒通路を2列に形成し、サイクル用冷媒の流れ方向を転向させている。
これによれば、冷媒通路を1列に形成する場合よりも回収用チューブ72の通路断面積を低減させることができるので、サイクル用冷媒の流速を増加させて熱交換能力を向上させることができるとともに、回収用チューブ72内に冷凍機油が滞留してしまうことを抑制することができる。
さらに、加熱用冷媒が上方側から下方側へ向かって流れるように加熱用チューブ78を配置している。加熱用チューブ78は、サーモサイフォンの凝縮部としての機能を果たす。従って、加熱用冷媒循環回路5では、加熱用冷媒を上方側から下方側へ流すように加熱用チューブ78を配置することで、加熱用冷媒の密度差を利用して、加熱用冷媒を循環させることができる。その結果、加熱用冷媒が加熱用冷媒循環回路5を循環する際の圧力損失を低減させることができる。
さらに、熱排出用冷媒が下方側から上方側へ向かって流れるように熱排出用チューブ75を配置している。熱排出用チューブ75は、サーモサイフォンの蒸発部としての機能を果たす。従って、熱排出用冷媒循環回路3では、熱排出用冷媒を下方側から上方側へ流すように熱排出用チューブ75を配置することで、熱排出用冷媒の密度差を利用して、熱排出用冷媒を循環させることができる。その結果、熱排出用冷媒が熱排出用冷媒循環回路3を循環する際の圧力損失を低減させることができる。
これに加えて、本実施形態の複合型熱交換器61では、全ての冷媒チューブ72、75、78における冷媒の流れ方向が上下方向となっているので、それぞれの冷媒の流れ方向を対向流れあるいは並行流れとすることができる。従って、それぞれの冷媒同士における熱交換性能を調整しやすい。
また、本実施形態の車両用熱管理システム1では、管理用車載機器であるバッテリ50の管理用車載機器温度Tepを検出する管理用車載機器温度センサ91hを備え、管理用車載機器温度Tepが予め定めた使用可能温度帯内に維持されるように、制御装置90(具体的には、加熱用循環制御部90c)が加熱用開閉弁68の開閉作動を制御している。すなわち、熱回収制御を行っている。
これによれば、複雑な制御を必要とすることなく、加熱用開閉弁68を開閉作動させることで、バッテリ50の温度をバッテリ50の使用可能温度帯に維持することができる。さらに、それぞれの冷媒通路50a~53aの圧力係数が適切に設定されていることによって、他の車載機器51~53の温度についても、それぞれの使用可能温度帯に維持することができる。
また、本実施形態の車両用熱管理システム1では、熱排出用冷媒の熱排出用冷媒圧力Prhを検出する熱排出用冷媒圧力センサ91gを備え、熱排出用冷媒圧力Prhが予め定めた基準圧力範囲内に維持されるように、制御装置90(具体的には、熱排出用循環制御部90b)が熱排出用開閉弁65の開閉作動を制御している。すなわち、熱廃棄制御を行っている。
これによれば、複雑な制御を必要とすることなく、熱排出用開閉弁65を開閉作動させることで、加熱用冷媒の有する余剰の排熱を熱排出用冷媒に吸熱させて、熱排出用室外熱交換器63にて外気に放熱させることができる。
さらに、制御装置90では、熱回収制御および熱廃棄制御を並行して実行するので、複合型熱交換器61にて、加熱用冷媒が車載機器50~53から吸熱した熱を、サイクル用冷媒あるいは熱排出用冷媒に放熱する放熱モードを容易に切り替えることができる。
具体的には、加熱用開閉弁68を開いて加熱用冷媒を加熱用流通部61bに流通させ、熱排出用開閉弁65を閉じ、回収用開閉弁16aを開いてサイクル用冷媒を回収用流通部61aに流通させることによって、加熱用冷媒が車載機器50~53から吸熱した熱をサイクル用冷媒のみに放熱する第1放熱モードに切り替えることができる。
また、加熱用開閉弁68を開いて加熱用冷媒を加熱用流通部61bに流通させ、熱排出用開閉弁65を開いて熱排出用冷媒を熱排出用流通部61cに流通させ、回収用開閉弁16aを閉じることによって、加熱用冷媒が車載機器50~53から吸熱した熱を熱排出用冷媒のみに放熱する第2放熱モードに切り替えることができる。
また、加熱用開閉弁68を開いて加熱用冷媒を加熱用流通部61bに流通させ、熱排出用開閉弁65を開いて熱排出用冷媒を熱排出用流通部61cに流通させ、回収用開閉弁16aを開いてサイクル用冷媒を回収用流通部61aに流通させることによって、加熱用冷媒が車載機器50~53から吸熱した熱をサイクル用冷媒および熱排出用冷媒の双方へ放熱する第3放熱モードに切り替えることができる。
さらに、加熱用開閉弁68を閉じることによって、加熱用冷媒が車載機器50~53から吸熱した熱を、サイクル用冷媒および熱排出用冷媒のいずれにも放熱しない非放熱モードに切り替えることができる。
(第2実施形態)
本実施形態では、第1実施形態に対して、図15の全体構成図に示すように、熱排出用冷媒循環回路3、および加熱用冷媒循環回路5の構成を変更した例を説明する。なお、図15は、第1実施形態で説明した図1に対応する図面である。図15では、第1実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付している。このことは、以下の図面でも同様である。
本実施形態では、第1実施形態に対して、図15の全体構成図に示すように、熱排出用冷媒循環回路3、および加熱用冷媒循環回路5の構成を変更した例を説明する。なお、図15は、第1実施形態で説明した図1に対応する図面である。図15では、第1実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付している。このことは、以下の図面でも同様である。
具体的には、本実施形態の熱排出用冷媒循環回路3では、熱排出用開閉弁65に代えて、熱排出用流量調整弁65aおよび熱排出用貯留タンク64aを採用している。
熱排出用流量調整弁65aの基本的構成は、第1実施形態で説明した高圧制御弁13および冷房用膨張弁22と同様である。熱排出用流量調整弁65aは、全閉機能を有している。従って、熱排出用流量調整弁65aは、本実施形態における熱排出用循環遮断部である。
熱排出用貯留タンク64aは、熱排出用流量調整弁65aの冷媒流れ上流側に配置されている。熱排出用貯留タンク64aは、熱排出用室外熱交換器63から流出した熱排出用冷媒の気液を分離して、分離された液相状態の熱排出用冷媒を貯留する熱排出用貯液部である。
また、本実施形態の加熱用冷媒循環回路5では、加熱用開閉弁68に代えて、加熱用流量調整弁68aおよび加熱用貯留タンク54aを採用している。加熱用流量調整弁68aの基本的構成は、熱排出用流量調整弁65aと同様である。従って、加熱用流量調整弁68aは、本実施形態における加熱用循環遮断部である。
加熱用貯留タンク54aは、加熱用流量調整弁68aの冷媒流れ上流側に配置されている。加熱用貯留タンク54aは、複合型熱交換器61の加熱用流通部61bから流出した加熱用冷媒の気液を分離して、分離された液相状態の加熱用冷媒を貯留する加熱用貯液部である。
また、本実施形態の制御装置90には、制御用のセンサ群として、車載機器圧力センサ91iが接続されている。車載機器圧力センサ91iは、加熱用冷媒循環回路5において、加熱用冷媒流れ最下流側に配置された車載機器に形成された冷媒通路(本実施形態では、バッテリ50に形成された冷媒通路50a)から流出した加熱用冷媒の圧力である車載機器下流側圧力Pepを検出する車載機器圧力検出部である。その他の車両用熱管理システム1の構成は、第1実施形態と同様である。
次に、上記構成における本実施形態の作動について説明する。本実施形態の車両用熱管理システム1の空調制御における作動は、第1実施形態と同様である。
また、熱回収制御については、第1実施形態と同様に、管理用車載機器温度Tepがバッテリ50の使用可能温度帯内に維持されるように、制御装置90が加熱用流量調整弁68aの作動を制御する。これにより、それぞれの車載機器50~53の温度が、それぞれの使用可能温度帯内に維持される。
具体的には、制御装置90は、管理用車載機器温度Tepが基準上限温度KTep1以上となった際に、加熱用流量調整弁68aを開く。また、管理用車載機器温度Tepが基準下限温度KTep2以下となった際に、加熱用開閉弁68を全閉状態とする。
さらに、制御装置90は、車載機器50~53のうち、加熱用冷媒流れ最下流側に配置された車載機器に形成された冷媒通路(本実施形態では、バッテリ50に形成された冷媒通路50a)から流出した冷媒の過熱度が予め定めた基準過熱度(本実施形態では、0℃)に近づくように、制御装置90が加熱用流量調整弁68aの開度を制御する。換言すると、制御装置90は、加熱用流通部61bへ流入する冷媒の過熱度が基準過熱度に近づくように、加熱用流量調整弁68aの開度を制御する。
この際、制御装置90は、管理用車載機器温度Tepおよび車載機器下流側圧力Pepに基づいて、冷媒通路50aの出口側の加熱用冷媒の過熱度を検知している。
また、熱廃棄制御については、第1実施形態と同様に、熱排出用冷媒圧力Prhが基準圧力範囲内に維持されるように、制御装置90が熱排出用流量調整弁65aの作動を制御する。これにより、車載機器50~53の排熱を適切に外気へ放熱させている。
より具体的には、制御装置90は、熱排出用冷媒圧力Prhが基準上限圧力KPrh1以上となった際に、熱排出用流量調整弁65aを開く。また、熱排出用冷媒圧力Prhが基準下限圧力KPrh2以下となった際に、熱排出用流量調整弁65aを全閉状態とする。さらに、制御装置90は、熱排出用冷媒圧力Prhから基準上限圧力KPrh1を減算した値が増加するに伴って、制御装置90が熱排出用流量調整弁65aの開度を増加させる。
本実施形態の車両用熱管理システム1では、上記の如く作動するので、第1実施形態と同様に、作動時に発熱を伴う車載機器50~53の排熱を、送風空気を加熱するための熱源として、有効に利用することができる。さらに、送風空気を加熱するために利用する必要のない残余の排熱を、速やかに外気へ放熱させることができ、高い応答性で車載機器50~53の温度上昇を抑制することができる。
さらに、本実施形態の車両用熱管理システム1では、熱排出用冷媒循環回路3に、熱排出用流量調整弁65aを配置しているので、熱排出用冷媒循環回路3を循環する熱排出用冷媒の急激な流量変化を抑制することができる。これにより、オーバーシュートによる過敏な制御や応答遅れを抑制して、安定した流量制御を実現することができる。
これに加えて、熱排出用冷媒循環回路3に、熱排出用貯留タンク64aを配置しているので、熱排出用流量調整弁65aへ液相状態の熱排出用冷媒を流入させることができる。これによれば、液相冷媒中に気相冷媒の粒(すなわち、気泡)が混ざってしまうことを抑制して、より一層、安定した流量制御を実現することができる。
また、加熱用冷媒循環回路5に、加熱用流量調整弁68aおよび加熱用貯留タンク54aを配置しているので、熱排出用冷媒循環回路3と同様に、加熱用冷媒循環回路5を循環する加熱用冷媒の流量制御の安定性を向上させることができる。
また、本実施形態の車両用熱管理システム1では、バッテリ50に形成された冷媒通路50aの出口側の加熱用冷媒の過熱度が基準過熱度に近づくように、制御装置90が加熱用流量調整弁68aの開度を制御する。これによれば、全ての冷媒通路50a~53aにて、液相冷媒を蒸発させることができるので、加熱用冷媒に車載機器50~53の排熱を効率的に吸熱させて、車載機器50~53の冷却効率を向上させることができる。
また、本実施形態では、熱排出用貯留タンク64aおよび加熱用貯留タンク54aを採用しているので、これらの貯液部の出入口を閉塞するストップ弁を取り付けておくことで、予め規定量の冷媒を充填した状態の貯液部を車両に搭載することができる。これによれば、車両用熱管理システム1を車両に搭載する際の搭載性を向上させることができる。
(第3実施形態)
本実施形態では、第1実施形態に対して、図16の全体構成図に示すように、熱排出用冷媒循環回路3、および加熱用冷媒循環回路5の構成を変更するとともに、複合型熱交換器61に代えて、複合型熱交換器611を採用した例を説明する。
本実施形態では、第1実施形態に対して、図16の全体構成図に示すように、熱排出用冷媒循環回路3、および加熱用冷媒循環回路5の構成を変更するとともに、複合型熱交換器61に代えて、複合型熱交換器611を採用した例を説明する。
具体的には、本実施形態の熱排出用冷媒循環回路3では、熱排出用開閉弁65に代えて、熱排出用冷媒ポンプ65bおよび熱排出用貯留タンク64aを採用している。
熱排出用冷媒ポンプ65bは、熱排出用貯留タンク64aから流出した液相状態の熱排出用冷媒を複合型熱交換器61の熱排出用流通部61c側へ圧送する電動式のポンプである。熱排出用冷媒ポンプ65bは、制御装置90から出力される制御電圧によって、回転数(すなわち、圧送能力)が制御される。
熱排出用冷媒ポンプ65bは、停止時に熱排出用冷媒が内部を流通することを禁止する機能を有している。従って、熱排出用冷媒ポンプ65bは、熱排出用循環遮断部としての機能を兼ね備えている。熱排出用貯留タンク64aは、熱排出用室外熱交換器63の冷媒流れ最下流側に一体的に形成されている。
また、本実施形態の加熱用冷媒循環回路5では、加熱用開閉弁68に代えて、加熱用冷媒ポンプ68bおよび加熱用貯留タンク54aを採用している。
加熱用冷媒ポンプ68bは、加熱用貯留タンク54aから流出した液相状態の加熱用冷媒を車載機器50~53の冷媒通路50a~53aのうち、冷媒流れ最上流側に接続された冷媒通路(本実施形態では、走行用電動モータ53の冷媒通路53a)の入口側へ圧送する電動式のポンプである。
加熱用冷媒ポンプ68bの基本的構成は、熱排出用冷媒ポンプ65bと同様である。従って、加熱用冷媒ポンプ68bは、加熱用冷媒の循環を遮断する加熱用循環遮断部としての機能を兼ね備えている。さらに、本実施形態の車両用熱管理システム1では、加熱用貯留タンク54aが一体的に形成された複合型熱交換器611を採用している。
次に、図17~図19を用いて、加熱用貯留タンク54aが一体的に形成された本実施形態の複合型熱交換器611の詳細構成について説明する。
複合型熱交換器611は、第1実施形態と同様の回収用チューブ72、および熱排出用チューブ75を有している。さらに、複合型熱交換器611では、第1実施形態で説明した加熱用チューブ78を廃止して、それぞれの回収用チューブ72と熱排出用チューブとの間に、冷媒通路を形成する介在部材78fが配置されている。
介在部材78fは、図19に示すように、断面が方形波状に折り曲げられた金属製の板状部材であり、実質的に第1実施形態で説明したインナープレート78eと同様の形状のものである。介在部材78fの回収用チューブ72側に突出した面は、回収用チューブ72の平坦面にロウ付け接合されている。介在部材78fの熱排出用チューブ75側に突出した面は、熱排出用チューブ75の平坦面にロウ付け接合されている。
このため、回収用チューブ72と熱排出用チューブとの間には、回収用チューブ72の外表面、熱排出用チューブ75の外表面、および介在部材78fによって囲まれた複数の空間が形成される。複合型熱交換器611では、この冷媒通路を加熱用冷媒を上方側から下方側へ流す加熱用チューブとして用いている。換言すると、複合型熱交換器611では、回収用チューブ72の外表面、熱排出用チューブ75の外表面、および介在部材78fによって、加熱用チューブが形成されている。
さらに、複合型熱交換器611は、図17、図18に示すように、各チューブの積層方向および各チューブの長手方向(すなわち、冷媒の流れ方向)に対して平行に広がる金属薄板で形成されたパネル板79aを有している。パネル板79aは、各チューブが積層されることによって形成される両側の積層面にロウ付け接合されている。このため、加熱用チューブの積層面側を流通する加熱用冷媒が外部に漏れ出てしまうことはない。
また、複合型熱交換器611では、加熱用分配パイプ76、回収用分配パイプ70および回収用集合パイプ71が並行に配置され、加熱用分配パイプ76の筒状側面が、回収用分配パイプ70の筒状側面および回収用集合パイプ71の筒状側面の双方に接触するように配置されている。加熱用分配パイプ76は、回収用分配パイプ70と回収用集合パイプ71との間の上方側に配置されている。
加熱用分配パイプ76の筒状側面には、複数の分配孔76bが形成されている。分配孔76bは、加熱用分配パイプ76の冷媒入口76aから加熱用分配パイプ76の内部へ流入した加熱用冷媒を加熱用チューブ側へ流出させる冷媒流出口である。分配孔76bから流出した加熱用冷媒は、回収用分配パイプ70と回収用集合パイプ71との間を介して、それぞれの加熱用チューブへ分配される。
また、複合型熱交換器611では、回収用チューブ72、熱排出用チューブ75、および介在部材78fの下方側に、加熱用貯留タンク54aが配置されている。加熱用貯留タンク54aは、プレートヘッダ541およびタンクヘッダ542を有している。
プレートヘッダ541は、熱排出用チューブ75の下端部に接合されている。プレートヘッダ541には、加熱用チューブを流通した加熱用冷媒を流出させる複数のスリット孔541aが形成されている。タンクヘッダ542は、プレートヘッダ541と組み合わされることによって、内部に液相状態の加熱用冷媒を貯留する貯留空間を形成する空間形成部材である。
タンクヘッダ542とプレートヘッダ541が組み合われることによって形成される貯留空間は、回収用チューブ72、熱排出用チューブ75、および介在部材78fの積層方向に延びる形状に形成されている。このため、加熱用貯留タンク54aは、第1実施形態で説明した加熱用集合パイプ77と同様に、加熱用チューブから流出した冷媒を集合させるタンク部としての機能を果たす。
さらに、貯留空間は、タンクヘッダ542の長手方向他端部に形成された冷媒出口542aへ近づくに伴って深さ方向の寸法が深くなる形状に形成されている。また、加熱用貯留タンク54aの冷媒出口542aは、タンクヘッダ542の最下方側に配置されている。このため、加熱用貯留タンク54aでは、冷媒出口542aから確実に液相状態の加熱用冷媒を流出させるようにしている。
また、本実施形態の制御装置90には、制御用のセンサ群として、熱排出用液相冷媒温度センサ91j、上流側加熱用冷媒温度センサ91k、下流側加熱用冷媒温度センサ91mが接続されている。
熱排出用液相冷媒温度センサ91jは、熱排出用貯留タンク64aの出口から熱排出用冷媒ポンプ65bの吸入口へ至る冷媒流路を流通する液相状態の熱排出用冷媒の温度である熱排出用液相冷媒温度Trhrを検出する熱排出用液相冷媒温度検出部である。ここで、熱排出用液相冷媒温度Trhrは、熱排出用冷媒圧力Prhに相関を有する物理量である。従って、熱排出用液相冷媒温度センサ91jは、 熱排出用冷媒圧力検出部としての機能も果たしている。
上流側加熱用冷媒温度センサ91kは、車載機器50~53に形成された冷媒通路50a~53aのうち冷媒流れ最上流側に配置された冷媒通路(本実施形態では、走行用電動モータ53に形成された冷媒通路53a)へ流入する加熱用冷媒の温度である車載機器上流側温度TepUを検出する上流側加熱用冷媒温度検出部である。
下流側加熱用冷媒温度センサ91mは、車載機器50~53に形成された冷媒通路50a~53aのうち冷媒流れ最下流側に配置された冷媒通路(本実施形態では、バッテリ50に形成された冷媒通路50a)から流出した加熱用冷媒の温度である車載機器下流側温度TepLを検出する下流側加熱用冷媒温度検出部である。その他の車両用熱管理システム1の構成は、第1実施形態と同様である。
次に、上記構成における本実施形態の作動について説明する。本実施形態の車両用熱管理システム1の空調制御における作動は、第1実施形態と同様である。
また、熱回収制御については、車載機器下流側温度TepLがバッテリ50の使用可能温度帯内に維持されるように、制御装置90が加熱用冷媒ポンプ68bの作動を制御する。これにより、それぞれの車載機器50~53の温度が、それぞれの使用可能温度帯内に維持される。
より具体的には、制御装置90は、車載機器下流側温度TepLが基準上限温度KTep1以上となった際に、加熱用冷媒ポンプ68bを作動させる。さらに、車載機器下流側温度TepLが基準下限温度KTep2以下となった際に、加熱用冷媒ポンプ68bを停止させる。
さらに、制御装置90は、車載機器50~53の冷媒通路50a~53aのうち、冷媒流れ最下流側に接続された冷媒通路(本実施形態では、バッテリ50の冷媒通路50a)の出口側の加熱用冷媒の過熱度が予め定めた基準過熱度(本実施形態では、0℃)に近づくように、制御装置90が加熱用冷媒ポンプ68bの作動を制御する。換言すると、制御装置90は、加熱用流通部61bへ流入する冷媒の過熱度が基準過熱度に近づくように、加熱用流量調整弁68aの開度を制御する。
この際、制御装置90は、車載機器上流側温度TepUに基づいて、冷媒通路50a~53aのうち冷媒流れ最下流側に配置された冷媒通路へ流入する加熱用冷媒の飽和温度を検知している。また、制御装置90は、車載機器下流側温度TepLから車載機器上流側温度TepUを減算した温度差に基づいて、冷媒通路50a~53aのうち冷媒流れ最下流側に配置された冷媒通路から流出した加熱用冷媒の過熱度を検知している。
また、熱廃棄制御については、熱排出用液相冷媒温度Trhrが予め定めた基準温度範囲内に維持されるように、制御装置90が熱排出用冷媒ポンプ65bの作動を制御する。これにより、車載機器50~53の排熱を適切に外気へ放熱させている。
より具体的には、制御装置90は、熱排出用液相冷媒温度Trhrが予め定めた熱排出用基準上限温度KTrh1以上となった際に、熱排出用冷媒ポンプ65bを作動させる。また、熱排出用液相冷媒温度Trhrが熱排出用基準下限温度KTrh2以下となった際に、熱排出用冷媒ポンプ65bを停止させる。
さらに、制御装置90は、熱排出用液相冷媒温度Trhrから熱排出用基準上限温度KTrh1を減算した値が増加するに伴って、制御装置90が熱排出用冷媒ポンプ65bの圧送能力を増加させる。
ここで、熱排出用液相冷媒温度Trhrは、熱排出用冷媒圧力Prhに相関を有する物理量である。従って、本実施形態の熱廃棄制御では、実質的に、熱排出用冷媒圧力Prhが予め定めた基準圧力範囲内に維持されるように、制御装置90が熱排出用冷媒ポンプ65bの作動を制御している。
本実施形態の車両用熱管理システム1では、上記の如く作動するので、第1実施形態と同様に、作動時に発熱を伴う車載機器50~53の排熱を、送風空気を加熱するための熱源として、有効に利用することができる。さらに、送風空気を加熱するために利用する必要のない残余の排熱を、速やかに外気へ放熱させることができ、高い応答性で車載機器50~53の温度上昇を抑制することができる。
さらに、本実施形態の車両用熱管理システム1では、熱排出用冷媒循環回路3に、熱排出用冷媒ポンプ65bを配置しているので、熱排出用冷媒循環回路3を循環する熱排出用冷媒の急激な流量変化を抑制することができる。これにより、オーバーシュートによる過敏な制御や応答遅れを抑制して、安定した流量制御を実現することができる。
これに加えて、熱排出用冷媒ポンプ65bの冷媒圧送能力によって、熱排出用冷媒を強制的に循環させることができるので、熱排出用冷媒循環回路3を循環する熱排出用冷媒の循環流量を、より一層適切に調整することができる。
また、本実施形態の車両用熱管理システム1では、熱排出用冷媒循環回路3に、熱排出用貯留タンク64aを配置しているので、熱排出用冷媒ポンプ65bへ液相状態の熱排出用冷媒を流入させることができる。これによれば、液相冷媒中に気相冷媒の粒(すなわち、気泡)が混ざってしまうことを抑制して、熱排出用冷媒ポンプ65bの空転等を抑制することができるので、より一層、安定した流量制御を実現することができる。
また、加熱用冷媒循環回路5に、加熱用冷媒ポンプ68bおよび加熱用貯留タンク54aを配置しているので、熱排出用冷媒循環回路3と同様に、加熱用冷媒循環回路5を循環する加熱用冷媒の流量制御の安定性を向上させることができる。
また、本実施形態の車両用熱管理システム1では、バッテリ50に形成された冷媒通路50aの出口側の加熱用冷媒の過熱度が基準過熱度に近づくように、制御装置90が加熱用冷媒ポンプ68bの作動を制御する。これによれば、第2実施形態と同様に、車載機器50~53の冷却効率を向上させることができる。
また、本実施形態の車両用熱管理システム1では、熱排出用貯留タンク64aおよび加熱用貯留タンク54aを配置しているので、第2実施形態と同様に、車両用熱管理システム1を車両に搭載する際の搭載性を向上させることができる。さらに、加熱用貯留タンク54aが複合型熱交換器611に一体的に形成されているので、より一層、車両用熱管理システム1を車両に搭載する際の搭載性を向上させることができる。
また、本実施形態の複合型熱交換器611では、回収用チューブ72の外表面、熱排出用チューブ75の外表面、および介在部材78fによって、加熱用冷媒を上方側から下方側へ流す加熱用チューブが形成されている。これによれば、各冷媒同士の間に介在される金属の厚みが薄くなり、より一層、各冷媒同士の熱交換効率を向上させることができる。
(第4実施形態)
本実施形態では、第1実施形態に対して、図20の全体構成図に示すように、熱排出用冷媒循環回路3、および加熱用冷媒循環回路5の構成を変更した例を説明する。
本実施形態では、第1実施形態に対して、図20の全体構成図に示すように、熱排出用冷媒循環回路3、および加熱用冷媒循環回路5の構成を変更した例を説明する。
具体的には、本実施形態の熱排出用冷媒循環回路3では、熱排出用開閉弁65に代えて、熱排出用圧縮機65cおよび熱排出用膨張弁65dを採用している。さらに、第2実施形態と同様の熱排出用貯留タンク64aを採用している。
熱排出用圧縮機65cは、熱排出用流通部61cから流出した気相状態の熱排出用冷媒を圧縮して吐出する圧縮機である。熱排出用圧縮機65cは、単段昇圧式の電動圧縮機である。熱排出用圧縮機65cは、制御装置90から出力される制御信号によって、その作動が制御される。
熱排出用圧縮機65cは、停止時に熱排出用冷媒が内部を流通することを禁止する機能を有している。従って、熱排出用圧縮機65cは、熱排出用冷媒の循環を遮断する熱排出用循環遮断部としての機能を兼ね備えている。
熱排出用膨張弁65dは、熱排出用貯留タンク64aから流出した液相状態の熱排出用冷媒を減圧させる温度式膨張弁である。熱排出用膨張弁65dの基本的構成は、ヒートポンプサイクル2の回収用膨張弁60と同様である。熱排出用膨張弁65dは、熱排出用流通部61cの出口側の熱排出用冷媒の過熱度が予め定めた基準過熱度に近づくように絞り開度を変化させる。
つまり、本実施形態の熱排出用冷媒循環回路3では、熱排出用流通部61cにて熱排出用冷媒を蒸発させて加熱用冷媒から吸熱した熱を、熱排出用室外熱交換器63にて外気に放熱させて熱排出用冷媒を凝縮させる蒸気圧縮式の冷凍サイクルが構成されている。
また、本実施形態の加熱用冷媒循環回路5では、加熱用開閉弁68に代えて、加熱用圧縮機68cおよび加熱用膨張弁68dを採用している。さらに、第2実施形態と同様の加熱用貯留タンク54aを採用している。
加熱用圧縮機68cは、車載機器50~53に形成された冷媒通路50a~53aから流出した気相状態の加熱用冷媒を圧縮して吐出する圧縮機である。加熱用圧縮機68cの基本的構成は、熱排出用圧縮機65cと同様である。従って、加熱用圧縮機68cは、加熱用冷媒の循環を遮断する加熱用循環遮断部としての機能を兼ね備えている。
加熱用膨張弁68dは、加熱用貯留タンク54aから流出した液相状態の加熱用冷媒を減圧させる温度式膨張弁である。加熱用膨張弁68dの基本的構成は、熱排出用膨張弁65dと同様である。加熱用膨張弁68dは、加熱用圧縮機68cへ吸入される加熱用冷媒の過熱度が予め定めた基準過熱度に近づくように絞り開度を変化させる。
つまり、本実施形態の加熱用冷媒循環回路5では、車載機器50~53に形成された冷媒通路50a~53aにて加熱用冷媒を蒸発させて車載機器50~53から吸熱した熱を、加熱用流通部61bにて、サイクル用冷媒あるは熱排出用冷媒に放熱させて加熱用冷媒を凝縮させる蒸気圧縮式の冷凍サイクルが構成されている。
また、本実施形態の制御装置90には、制御用のセンサ群として、管理用車載機器温度センサ91hが廃止されて、第1~第4車載機器温度センサ91n~91qが接続されている。第1車載機器温度センサ91nは、バッテリ50の温度である第1車載機器温度Tep1を検出するバッテリ温度検出部である。従って、第1車載機器温度センサ91nは、実質的に第1実施形態で説明した管理用車載機器温度センサ91hと同様である。
第2車載機器温度センサ91oは、充電発電機51の温度である第2車載機器温度Tep2を検出する充電発電機温度検出部である。第3車載機器温度センサ91pは、電力制御ユニット52の温度である第3車載機器温度Tep3を検出する電力制御ユニット温度検出部である。第4車載機器温度センサ91qは、走行用電動モータ53の温度である第4車載機器温度Tep4を検出する走行用電動モータ温度検出部である。
第1~第4車載機器温度センサ91n~91qについては、管理用車載機器温度センサ91hと同様に複数の温度センサによって構成されていてもよい。その他の車両用熱管理システム1の構成は、第1実施形態と同様である。
次に、上記構成における本実施形態の作動について説明する。本実施形態の車両用熱管理システム1の空調制御における作動は、第1実施形態と同様である。
また、熱回収制御については、第1~第4車載機器温度センサ91n~91kによって検出された第1~第4車載機器温度Tve1~Tve4が、対応する車載機器50の使用可能温度帯の範囲内に維持されるように、制御装置90が加熱用圧縮機68cの作動を制御する。
具体的には、制御装置90は、第1~第4車載機器温度Tve1~Tve4の少なくとも1つが、対応する車載機器50~53の使用可能温度帯の範囲内で設定された基準上限温度よりも高くなった際に、加熱用圧縮機68cを作動させるようにすればよい。さらに、制御装置90は、第1~第4車載機器温度Tve1~Tve4の少なくとも1つが、対応する車載機器50~53の使用可能温度帯の範囲内で設定された基準下限温度よりも低くなった際に、加熱用圧縮機68cを停止させるようにすればよい。
また、熱廃棄制御については、加熱用圧縮機68cの作動の作動状態に連動して、制御装置90が熱排出用圧縮機65cを作動させる。
ここで、制御装置90が加熱用圧縮機68cを作動させている際には、車載機器50~53の排熱を加熱用冷媒に吸熱させて、加熱用冷媒に吸熱させた排熱を複合型熱交換器61にて、サイクル用冷媒あるいは熱排出用冷媒に放熱させなければならない。そこで、制御装置90は、加熱用圧縮機68cの作動時に、熱排出用圧縮機65cを作動させる。さらに、空調制御が第2暖房モードになっている際には、熱排出用圧縮機65cの冷媒吐出能力を低下させる。
本実施形態の車両用熱管理システム1では、上記の如く作動するので、第1実施形態と同様に、作動時に発熱を伴う車載機器50~53の排熱を、送風空気を加熱するための熱源として、有効に利用することができる。さらに、送風空気を加熱するために利用する必要のない残余の排熱を、速やかに外気へ放熱させることができ、高い応答性で車載機器50~53の温度上昇を抑制することができる。
また、本実施形態の車両用熱管理システム1では、加熱用冷媒循環回路5にて蒸気圧縮式の冷凍サイクルが構成されており、車載機器50~53に形成された冷媒通路50a~53aを蒸発器として機能させているので、車載機器50~53を確実に冷却することができる。さらに、車載機器50~53の発熱量に応じて、加熱用圧縮機68cの冷媒吐出能力を変化させることで、それぞれの車載機器50~53の温度を容易に使用可能温度帯の範囲内に維持することができる。
また、本実施形態の車両用熱管理システム1では、熱排出用冷媒循環回路3にて蒸気圧縮式の冷凍サイクルが構成されており、熱排出用流通部61cを蒸発器として機能させているので、車載機器50~53の排熱を加熱用冷媒から熱排出用冷媒に確実に吸熱させることができる。さらに、熱排出用圧縮機65cと加熱用圧縮機68cとを連動させる協調制御によって、車載機器50~53の排熱が不必要に外気へ放熱されてしまうこと抑制して、車載機器50~53の排熱を適切に外気に廃棄することができる。
(第5実施形態)
本実施形態では、第3実施形態に対して、図21の全体構成図に示すように、加熱用冷媒循環回路5の構成を変更した例を説明する。
本実施形態では、第3実施形態に対して、図21の全体構成図に示すように、加熱用冷媒循環回路5の構成を変更した例を説明する。
具体的には、本実施形態では、各車載機器50~53に形成された冷媒通路50a~53aが並列的に接続されている。それぞれの冷媒通路50a~53aの冷媒流れ上流側には、それぞれの冷媒通路50a~53aへ流入する加熱用冷媒を減圧させる加熱用減圧部としての固定絞り50b~53bが配置されている。このような固定絞り50b~53bとしては、オリフィス、キャピラリチューブ、ノズル等を採用することができる。
本実施形態では、バッテリ50の温度(すなわち、管理用車載機器温度Tep)が、管理用車載機器温度Tep(本実施形態では、バッテリ50の温度)が、バッテリ50の使用可能温度帯の範囲内に維持されている際には、その他の車載機器51~53の温度がそれぞれの使用可能温度帯に範囲に維持されるように、それぞれの固定絞り50b~53bの圧力係数(通路抵抗)が設定されている。
また、本実施形態の制御装置90には、制御用のセンサ群として、熱排出用液相冷媒温度センサ91jに加えて、熱排出用気相冷媒温度センサ91rが接続されている。熱排出用気相冷媒温度センサ91rは、熱排出用流通部61cの出口から熱排出用室外熱交換器63の冷媒入口へ至る冷媒流路を流通する気相状態の熱排出用冷媒の温度である熱排出用気相冷媒温度Trhgを検出する熱排出用気相冷媒温度検出部である。その他の車両用熱管理システム1の構成は、第3実施形態と同様である。
次に、上記構成における本実施形態の作動について説明する。本実施形態の車両用熱管理システム1の空調制御における作動は、第1実施形態と同様である。
また、熱回収制御については、管理用車載機器温度Tepがバッテリ50の使用可能温度帯に維持されるように、制御装置90が加熱用冷媒ポンプ68bの作動を制御する。これにより、それぞれの車載機器50~53の温度が、それぞれの使用可能温度帯内に維持される。
より具体的には、制御装置90は、管理用車載機器温度Tepが基準上限温度KTep1以上となった際に、加熱用冷媒ポンプ68bを作動させる。さらに、管理用車載機器温度Tepが基準下限温度KTep2以下となった際に、加熱用冷媒ポンプ68bを停止させる。さらに、制御装置90は、管理用車載機器温度Tepから基準上限温度KTep1を減算した値が増加するに伴って、加熱用冷媒ポンプ68bの冷媒圧送能力を増加させる。
また、熱廃棄制御については、第3実施形態と同様に、熱排出用液相冷媒温度Trhrが予め定めた基準温度範囲内に維持されるように、制御装置90が熱排出用冷媒ポンプ65bの作動を制御する。
さらに、制御装置90は、熱排出用流通部61cから流出した熱排出用冷媒の過熱度が予め定めた基準過熱度(本実施形態では、0℃)に近づくように、熱排出用冷媒ポンプ65bの作動を制御する。この際、制御装置90は、熱排出用液相冷媒温度Trhrおよび熱排出用気相冷媒温度Trhgに基づいて、熱排出用流通部61cから流出した熱排出用冷媒の過熱度を検知している。
本実施形態の車両用熱管理システム1では、上記の如く作動するので、第3実施形態と同様に、作動時に発熱を伴う車載機器50~53の排熱を、送風空気を加熱するための熱源として、有効に利用することができる。さらに、送風空気を加熱するために利用する必要のない残余の排熱を、速やかに外気へ放熱させることができ、高い応答性で車載機器50~53の温度上昇を抑制することができる。
さらに、本実施形態の車両用熱管理システム1では、熱排出用流通部61cから流出した熱排出用冷媒の過熱度が基準過熱度に近づくように、制御装置90が熱排出用冷媒ポンプ65bの作動を制御する。これによれば、熱排出用冷媒循環回路3を循環する熱排出用冷媒の流量を適切に調整して、車載機器50~53の排熱が不必要に外気へ放熱されてしまうこと抑制することができる。
また、本実施形態の車両用熱管理システム1では、それぞれの車載機器50~53に形成された冷媒通路50a~53aを並列的に接続し、それぞれの冷媒通路50a~53aの冷媒流れ上流側に、固定絞り50b~53bを配置している。これによれば、それぞれの車載機器50~53の発熱量に応じて、適切な流量の加熱用冷媒をそれぞれの冷媒通路50a~53aへ供給することができる。
(第6実施形態)
本実施形態では、第3実施形態に対して、図22の全体構成図に示すように、加熱用冷媒循環回路5の構成を変更した例を説明する。
本実施形態では、第3実施形態に対して、図22の全体構成図に示すように、加熱用冷媒循環回路5の構成を変更した例を説明する。
具体的には、本実施形態の走行用電動モータ53には、第1冷媒通路53a1および第2冷媒通路53a2の2つの冷媒通路が形成されている。第1冷媒通路53a1および第2冷媒通路53a2は、互いに並列的に接続されている。第1冷媒通路53a1および第2冷媒通路53a2の冷媒流れ上流側には、第1冷媒通路53a1および第2冷媒通路53a2へ流入する加熱用冷媒を減圧させる加熱用減圧部としての第1固定絞り53b1および第2固定絞り53b2が配置されている。
加熱用冷媒循環回路5において、走行用電動モータ53に形成された第1冷媒通路53a1および第2冷媒通路53a2の冷媒流れ下流側には、充電発電機51に形成された冷媒通路51aおよび電力制御ユニット52に形成された冷媒通路52aが接続されている。冷媒通路51aおよび冷媒通路52aは、互いに並列的に接続されている。このため、冷媒通路51aおよび冷媒通路52aは、第1冷媒通路53a1および第2冷媒通路53a2に対して、冷媒流れ下流側に直列的に接続されている。
加熱用冷媒循環回路5において、充電発電機51に形成された冷媒通路51aおよび電力制御ユニット52に形成された冷媒通路52aの下流側には、バッテリ50に形成された冷媒通路50aが接続されている。このため、バッテリ50に形成された冷媒通路50aは、冷媒通路51aおよび冷媒通路52aに対して、冷媒流れ下流側に直列的に接続されている。冷媒通路50a~52aの冷媒流れ上流側には、第5実施形態と同様の加熱用減圧部としての固定絞り50b~52bが配置されている。
本実施形態では、バッテリ50の温度(すなわち、管理用車載機器温度Tep)が、管理用車載機器温度Tep(本実施形態では、バッテリ50の温度)が、バッテリ50の使用可能温度帯の範囲内に維持されている際には、その他の車載機器51~53の温度がそれぞれの使用可能温度帯に範囲に維持されるように、それぞれの固定絞り50b~52b、53b1、53b2の圧力係数(通路抵抗)が設定されている。
また、本実施形態の制御装置90には、制御用のセンサ群として、熱排出用冷媒圧力センサ91g、および管理用車載機器温度センサ91h等が接続されている。その他の車両用熱管理システム1の構成は、第3実施形態と同様である。
次に、上記構成における本実施形態の作動について説明する。本実施形態の車両用熱管理システム1の空調制御における作動は、第1実施形態と同様である。
また、熱回収制御については、管理用車載機器温度Tepがバッテリ50の使用可能温度帯に維持されるように、制御装置90が加熱用冷媒ポンプ68bの作動を制御する。これにより、それぞれの車載機器50~53の温度が、それぞれの使用可能温度帯内に維持される。
より具体的には、制御装置90は、管理用車載機器温度Tepが基準上限温度KTep1以上となった際に、加熱用冷媒ポンプ68bを作動させる。さらに、管理用車載機器温度Tepが基準下限温度KTep2以下となった際に、加熱用冷媒ポンプ68bを停止させる。さらに、制御装置90は、管理用車載機器温度Tepから基準上限温度KTep1を減算した値が増加するに伴って、加熱用冷媒ポンプ68bの冷媒圧送能力を増加させる。
また、熱廃棄制御については、熱排出用冷媒圧力Prhが基準圧力範囲内に維持されるように、熱排出用開閉弁65の開閉制御が行われる。これにより、車載機器50~53の排熱を適切に外気へ放熱させている。
より具体的には、制御装置90は、熱排出用冷媒圧力Prhが基準上限圧力KPrh1以上となった際に、熱排出用冷媒ポンプ65bを作動させる。また、熱排出用冷媒圧力Prhが基準下限圧力KPrh2以下となった際に、熱排出用冷媒ポンプ65bを停止させる。さらに、制御装置90は、熱排出用冷媒圧力Prhから基準上限圧力KPrh1を減算した値が増加するに伴って、制御装置90が熱排出用冷媒ポンプ65bの圧送能力を増加させる。
本実施形態の車両用熱管理システム1では、上記の如く作動するので、第3実施形態と同様に、作動時に発熱を伴う車載機器50~53の排熱を、送風空気を加熱するための熱源として、有効に利用することができる。さらに、送風空気を加熱するために利用する必要のない残余の排熱を、速やかに外気へ放熱させることができ、高い応答性で車載機器50~53の温度上昇を抑制することができる。
さらに、本実施形態の車両用熱管理システム1では、それぞれの車載機器50~53に形成された冷媒通路50a~52a、53a1、53a2を並列的あるいは直列的に接続し、それぞれの冷媒通路50a~52a、53a1、53a2の冷媒流れ上流側に固定絞り50b~52b、53b1、53b2を配置している。
これによれば、充電発電機51に形成された冷媒通路51aおよび電力制御ユニット52に形成された冷媒通路52aのように、冷媒通路同士が並列的に接続される車載機器同士においては、それぞれの車載機器の発熱量に応じて、適切な流量の加熱用冷媒を冷媒通路へ供給することができる。
また、充電発電機51に形成された冷媒通路51aおよび電力制御ユニット52に形成された冷媒通路52aに対するバッテリ50に形成された冷媒通路50aのように、冷媒通路同士が直列的に接続される車載機器同士においては、下流側に接続される車載機器に形成された冷媒通路における冷媒蒸発温度を変化させることができる。
これによれば、それぞれの車載機器に対して適切な温度帯の加熱用冷媒を冷媒通路へ供給することができる。その結果、それぞれの車載機器50~53の温度を、より一層高い精度で、それぞれの使用可能温度帯内に調整することができる。
(第7実施形態)
本実施形態では、第6実施形態に対して、図23の全体構成図に示すように、加熱用冷媒循環回路5の構成を変更した例を説明する。
本実施形態では、第6実施形態に対して、図23の全体構成図に示すように、加熱用冷媒循環回路5の構成を変更した例を説明する。
具体的には、本実施形態の加熱用冷媒循環回路5では、第4実施形態と同様に、加熱用圧縮機68cおよび加熱用膨張弁68dを採用している。さらに、加熱用冷媒循環回路5には、加熱用膨張弁68dにて減圧された加熱用冷媒を、走行用電動モータ53に形成された加熱用吸熱部である第1冷媒通路53a1および第2冷媒通路53a2を迂回させる第1迂回通路56よび第2迂回通路57が接続されている。
第1迂回通路56は、加熱用膨張弁68dにて減圧された加熱用冷媒を、第1冷媒通路53a1および第2冷媒通路53a2を迂回させて、充電発電機51に形成された冷媒通路51aおよび電力制御ユニット52に形成された冷媒通路52aの入口側へ導く冷媒配管である。第1迂回通路56には、第1固定絞り56aが配置されている。
第2迂回通路57は、加熱用膨張弁68dにて減圧された加熱用冷媒を、第1冷媒通路53a1および第2冷媒通路53a2を迂回させて、バッテリ50に形成された冷媒通路50aの入口側へ導く冷媒配管である。第2迂回通路57には、第2固定絞り57aが配置されている。第1固定絞り56aおよび第2固定絞り57aの基本的構成は、固定絞り50b~53bと同様である。
本実施形態では、バッテリ50の温度(すなわち、管理用車載機器温度Tep)が、管理用車載機器温度Tep(本実施形態では、バッテリ50の温度)が、バッテリ50の使用可能温度帯の範囲内に維持されている際には、その他の車載機器51~53の温度がそれぞれの使用可能温度帯に範囲に維持されるように、それぞれの固定絞り50b~53b、56a、57aの圧力係数(通路抵抗)が設定されている。
また、本実施形態の制御装置90には、制御用のセンサ群として、および管理用車載機器温度センサ91h等が接続されている。その他の車両用熱管理システム1の構成は、第6実施形態と同様である。
次に、上記構成における本実施形態の作動について説明する。本実施形態の車両用熱管理システム1の空調制御における作動は、第1実施形態と同様である。
また、熱回収制御については、管理用車載機器温度Tepがバッテリ50の使用可能温度帯内に維持されるように、制御装置90が加熱用圧縮機68cの作動を制御する。また、熱廃棄制御については、第5実施形態と同様に、熱排出用液相冷媒温度Trhrが予め定めた基準温度範囲内に維持されるように、制御装置90が熱排出用冷媒ポンプ65bの作動を制御する。
本実施形態の車両用熱管理システム1では、上記の如く作動するので、第6実施形態と同様に、作動時に発熱を伴う車載機器50~53の排熱を、送風空気を加熱するための熱源として、有効に利用することができる。さらに、送風空気を加熱するために利用する必要のない残余の排熱を、速やかに外気へ放熱させることができ、高い応答性で車載機器50~53の温度上昇を抑制することができる。
さらに、本実施形態の車両用熱管理システム1では、迂回通路56、57および固定絞り56a、57aを有しているので、それぞれの車載機器50~53に形成された冷媒通路50a~52a、53a1、53a2へ供給される冷媒流量を、より一層細かく調整することができる。その結果、それぞれの車載機器50~53の温度を、より一層高い精度で、それぞれの使用可能温度帯内に調整することができる。
(第8実施形態)
本実施形態では、第1実施形態に対して、ヒートポンプサイクル2の構成を変更した例を説明する。
本実施形態では、第1実施形態に対して、ヒートポンプサイクル2の構成を変更した例を説明する。
より具体的には、本実施形態では、図24の全体構成図に示すように、合流部15cの配置を変更している。本実施形態の合流部15cは、出口側中間圧冷媒通路15eであって、回収用膨張弁60の感温部60aよりもサイクル用冷媒流れ上流側に配置されている。従って、気液分離器14の気相流出ポート14bから流出した気相冷媒は、中間圧固定絞り17bにて減圧された後に、回収用流通部61aの冷媒流れ下流側に導かれる。
その他のヒートポンプサイクル2および車両用熱管理システム1の構成および作動は、第1実施形態と同様である。
従って、本実施形態の車両用熱管理システム1においても、第1実施形態と同様に、作動時に発熱を伴う車載機器50~53の排熱を、送風空気を加熱するための熱源として、有効に利用することができる。さらに、送風空気を加熱するために利用する必要のない残余の排熱を、速やかに外気へ放熱させることができ、高い応答性で車載機器50~53の温度上昇を抑制することができる。
さらに、本実施形態では、気液分離器14の気相流出ポート14bから流出した気相冷媒が回収用流通部61aの冷媒流れ下流側に導かれる。これにより、回収用流通部61aへ流入する液相冷媒に含まれる気泡を少なくすることができる。換言すると、回収用流通部61aへ流入するサイクル用冷媒の乾き度を減少させることができる。
従って、回収用流通部61aにてサイクル用冷媒が加熱用冷媒から吸熱する際の吸熱量を増大させることができる。さらに、乾き度の高い気液二相状態のサイクル用冷媒が回収用流通部61aを流通することによって生じ得る、冷媒通過音の増大、圧力損失の増大、およびサイクル挙動の不安定化等を抑制することができる。
(第9実施形態)
本実施形態では、第1実施形態に対して、ヒートポンプサイクルの構成を変更した例を説明する。具体的には、本実施形態では、図25の全体構成図に示すヒートポンプサイクル102を採用している。ヒートポンプサイクル102は、第1実施形態で説明したヒートポンプサイクル2と同様に、空調用の運転モードに応じて冷媒回路を切り替えることができる。
本実施形態では、第1実施形態に対して、ヒートポンプサイクルの構成を変更した例を説明する。具体的には、本実施形態では、図25の全体構成図に示すヒートポンプサイクル102を採用している。ヒートポンプサイクル102は、第1実施形態で説明したヒートポンプサイクル2と同様に、空調用の運転モードに応じて冷媒回路を切り替えることができる。
本実施形態のヒートポンプサイクル102では、ガスインジェクションサイクルが構成されない。このため、ヒートポンプサイクル102では、サイクル用冷媒を圧縮して吐出する圧縮機111として、単段昇圧式の電動圧縮機を採用している。圧縮機111の基本的構成は、第4実施形態で説明した熱排出用圧縮機65c、加熱用圧縮機68cと同様である。
圧縮機111の吐出ポート111cには、室内凝縮器12の冷媒入口側が接続されている。室内凝縮器12の冷媒出口側には、分岐部15iが接続されている。分岐部15iは、室内凝縮器12から流出した冷媒の流れを分岐するものである。分岐部15iは、第1実施形態で説明した合流部15cと同様の三方継手構造のものである。分岐部15iでは、3つの流入出口のうち1つを冷媒流入口とし、残りの2つを冷媒流出口としている。
分岐部15iの一方の冷媒流出口には、高圧制御弁13を介して、空調用室外熱交換器20の冷媒入口側が接続されている。空調用室外熱交換器20の冷媒出口には、冷房用膨張弁22を介して、室内蒸発器23の冷媒入口側が接続されている。室内蒸発器23の冷媒出口には、アキュムレータ24の入口側が接続されている。アキュムレータ24の気相冷媒出口には、圧縮機11の吸入ポート111aが接続されている。
さらに、空調用室外熱交換器20の冷媒出口には、空調用室外熱交換器20から流出したサイクル用冷媒を、冷房用膨張弁22および室内蒸発器23を迂回させて、アキュムレータ24の入口側へ導く蒸発器迂回通路25が接続されている。蒸発器迂回通路25には、冷房用開閉弁16cが配置されている。
分岐部15iの他方の冷媒流出口には、入口側分岐冷媒通路15gが接続されている。入口側分岐冷媒通路15gには、回収用開閉弁16aおよび回収用膨張弁60が配置されている。本実施形態では、図25に示すように、入口側分岐冷媒通路15gにおける冷媒流れ方向に対して、回収用開閉弁16a→回収用膨張弁60の順に配置しているが、逆に回収用膨張弁60→回収用開閉弁16aの順に配置されていてもよい。
回収用膨張弁60は、複合型熱交換器61の回収用流通部61aの出口側のサイクル用冷媒の過熱度が予め定めた基準過熱度に近づくように絞り開度を変化させる。入口側分岐冷媒通路15gの出口側には、回収用流通部61aの冷媒入口側が接続されている。さらに、回収用流通部61aの冷媒出口には、出口側分岐冷媒通路15hを介して、アキュムレータ24の入口側が接続されている。
また、ヒートポンプサイクル102では、第1実施形態で説明した気液分離器14、低圧側開閉弁16b、低段側固定絞り17a等が廃止されている。その他のヒートポンプサイクル102の構成は、第1実施形態で説明したヒートポンプサイクル2と同様である。
次に、上記構成における本実施形態の作動について説明する。まず、本実施形態の制御装置90が実行する車室内の空調制御について説明する。制御装置90は、第1実施形態と同様に、目標吹出温度TAO、検出信号、および操作信号に基づいて、各運転モードを切り替える。以下に、各運転モードにおける詳細作動を説明する。
(a)冷房モード
冷房モードでは、制御装置90が、高圧制御弁13を全開状態とし、冷房用膨張弁22を冷媒減圧作用を発揮する絞り状態とする。さらに、制御装置90は、回収用開閉弁16aを閉じ、冷房用開閉弁16cを閉じる。
冷房モードでは、制御装置90が、高圧制御弁13を全開状態とし、冷房用膨張弁22を冷媒減圧作用を発揮する絞り状態とする。さらに、制御装置90は、回収用開閉弁16aを閉じ、冷房用開閉弁16cを閉じる。
これにより、冷房モードのヒートポンプサイクル102では、圧縮機111の吐出ポート111c(→室内凝縮器12→分岐部15i→高圧制御弁13)→空調用室外熱交換器20→冷房用膨張弁22→室内蒸発器23→アキュムレータ24→圧縮機111の吸入ポート111aの順にサイクル用冷媒が循環するサイクルが構成される。
このサイクル構成で、制御装置90は、第1実施形態と同様に、出力側に接続された各種制御対象機器へ出力される制御信号等を決定して、各種制御対象機器の作動を制御する。
従って、冷房モードのヒートポンプサイクル102では、空調用室外熱交換器20を凝縮器として機能させ、室内蒸発器23を蒸発器として機能させる蒸気圧縮式の冷凍サイクルが構成される。そして、室内蒸発器23にて冷却された送風空気を車室内に吹き出すことによって、車室内の冷房を行うことができる。
(b)エアミックスモード
エアミックスモードでは、制御装置90が、高圧制御弁13を絞り状態とし、冷房用膨張弁22を絞り状態とする。さらに、制御装置90は、回収用開閉弁16aを開き、冷房用開閉弁16cを閉じる。
エアミックスモードでは、制御装置90が、高圧制御弁13を絞り状態とし、冷房用膨張弁22を絞り状態とする。さらに、制御装置90は、回収用開閉弁16aを開き、冷房用開閉弁16cを閉じる。
これにより、エアミックスモードのヒートポンプサイクル102では、圧縮機111の吐出ポート111c→室内凝縮器12→分岐部15i→高圧制御弁13→空調用室外熱交換器20→冷房用膨張弁22→室内蒸発器23→アキュムレータ24→圧縮機111の吸入ポート111aの順にサイクル用冷媒が循環するとともに、分岐部15i→回収用開閉弁16a→回収用膨張弁60→複合型熱交換器61の回収用流通部61a→アキュムレータ24→圧縮機111の吸入ポート111aの順にサイクル用冷媒が循環するサイクルが構成される。
つまり、エアミックスモードでは、サイクル用冷媒を蒸発させる室内蒸発器23および複合型熱交換器61の回収用流通部61aが冷媒流れに対して並列的に接続されるサイクルが構成される。
このサイクル構成で、制御装置90は、出力側に接続された各種制御対象機器へ出力される制御信号等を決定して、各種制御対象機器の作動を制御する。例えば、制御装置90は、圧縮機11へ出力される制御信号、冷房用膨張弁22へ出力される制御信号、および空調用送風機32へ出力される制御電圧等については、冷房モードと同様に決定する。
また、制御装置90は、高圧側サイクル用冷媒圧力Pdが目標高圧PCOとなるように高圧制御弁13へ出力される制御信号を決定する。これにより、高圧側のサイクル用冷媒の圧力が略一定に維持される。
また、制御装置90は、冷風バイパス通路35および室内凝縮器12側の通風路の双方を開くように、エアミックスドア駆動用の電動アクチュエータへ出力される制御信号を決定する。本実施形態では、送風空気温度TAVが目標吹出温度TAOに近づくように、エアミックスドア34の開度が調整される。また、制御装置90は、その他の各種制御対象機器へ出力される制御信号等を適宜決定する。
このため、エアミックスモードのヒートポンプサイクル102では、少なくとも室内凝縮器12を凝縮器として機能させ、室内蒸発器23を蒸発器として機能させる蒸気圧縮式の冷凍サイクルが構成される。
従って、室内蒸発器23にてサイクル用冷媒が蒸発する際に送風空気が冷却されて冷却空気が作り出される。さらに、室内蒸発器23にてサイクル用冷媒が蒸発する際に送風空気から吸熱した熱の一部、および複合型熱交換器61にてサイクル用冷媒が蒸発する際に加熱用冷媒から吸熱した熱を、室内凝縮器12にて冷却空気の一部に放熱させることによって、加熱空気が作り出される。
そして、エアミックスドア34の開度調整によって、冷却空気と加熱空気との混合割合を変化させ、所望の温度に調整された送風空気を車室内に吹き出すことができる。
また、エアミックスモードのヒートポンプサイクル102では、回収用開閉弁16aが開いているので、サイクル用冷媒に加熱用冷媒の有する熱を吸熱させることができる。これによれば、第1実施形態と同様に、圧縮機11の消費電力を低減させてサイクルのCOPを向上させることができる。
さらに、エアミックスモードでは、サイクル用冷媒が加熱用冷媒から吸熱した熱を、送風空気を加熱するための熱源として利用することもできる。従って、第1実施形態と同様に、送風空気の加熱能力を向上させることができる。
(c)除湿暖房モード
除湿暖房モードでは、制御装置90が、高圧制御弁13を絞り状態とし、冷房用膨張弁22を全開状態とする。さらに、制御装置90は、回収用開閉弁16aを開き、冷房用開閉弁16cを閉じる。
除湿暖房モードでは、制御装置90が、高圧制御弁13を絞り状態とし、冷房用膨張弁22を全開状態とする。さらに、制御装置90は、回収用開閉弁16aを開き、冷房用開閉弁16cを閉じる。
これにより、除湿暖房モードのヒートポンプサイクル102では、圧縮機111の吐出ポート111c→室内凝縮器12→分岐部15i→高圧制御弁13→空調用室外熱交換器20(→冷房用膨張弁22)→室内蒸発器23→アキュムレータ24→圧縮機111の吸入ポート111aの順にサイクル用冷媒が循環するとともに、分岐部15i→回収用開閉弁16a→回収用膨張弁60→複合型熱交換器61の回収用流通部61a→アキュムレータ24→圧縮機111の吸入ポート111aの順にサイクル用冷媒が循環するサイクルが構成される。
つまり、除湿暖房モードのヒートポンプサイクル102では、実質的に、エアミックスモードと同様の順にサイクル用冷媒が循環するサイクルが構成される。
このサイクル構成で、制御装置90は、出力側に接続された各種制御対象機器へ出力される制御信号等を決定して、各種制御対象機器の作動を制御する。例えば、制御装置90は、圧縮機11へ出力される制御信号、冷房用膨張弁22へ出力される制御信号、空調用送風機32へ出力される制御電圧等については、エアミックスモードと同様に決定する。
また、制御装置90は、高圧側サイクル用冷媒圧力Pdが目標高圧PCOとなるように高圧制御弁13へ出力される制御信号を決定する。目標高圧PCOは、目標吹出温度TAOに基づいて、予め制御装置90に記憶された除湿暖房モード用の制御マップを参照して決定される。これにより、高圧側のサイクル用冷媒の圧力が略一定に維持される。
また、制御装置90は、冷風バイパス通路35を閉塞して室内凝縮器12側の通風路が全開となるように、エアミックスドア駆動用の電動アクチュエータへ出力される制御信号を決定する。また、制御装置90は、その他の各種制御対象機器へ出力される制御信号等を適宜決定する。
従って、除湿暖房モードのヒートポンプサイクル102では、室内凝縮器12を凝縮器として機能させ、室内蒸発器23を蒸発器として機能させる蒸気圧縮式の冷凍サイクルが構成される。そして、除湿暖房モードでは、第1実施形態と同様に、室内蒸発器23にて冷却されて除湿された送風空気を、室内凝縮器12にて再加熱して車室内に吹き出すことによって、車室内の除湿暖房を行うことができる。
さらに、除湿暖房モードでは、室内蒸発器23にてサイクル用冷媒が送風空気から吸熱した熱および圧縮機11の圧縮仕事によって生じた熱に加えて、サイクル用冷媒が加熱用冷媒から吸熱した熱を、送風空気を加熱するための熱源として利用することもできる。つまり、車載機器50~53の排熱を熱源として送風空気を加熱することができる。従って、除湿暖房モードでは、暖房能力を向上させることができる。
(d)低温暖房モード
低温暖房モードでは、制御装置90が、加熱用冷媒循環回路5の加熱用開閉弁68を開く。また、低温暖房モードでは、制御装置90が、高圧制御弁13を絞り状態とし、冷房用膨張弁22を全閉状態とする。さらに、制御装置90は、回収用開閉弁16aを開き、冷房用開閉弁16cを開く。
低温暖房モードでは、制御装置90が、加熱用冷媒循環回路5の加熱用開閉弁68を開く。また、低温暖房モードでは、制御装置90が、高圧制御弁13を絞り状態とし、冷房用膨張弁22を全閉状態とする。さらに、制御装置90は、回収用開閉弁16aを開き、冷房用開閉弁16cを開く。
これにより、低温暖房モードのヒートポンプサイクル2では、圧縮機11の吐出ポート11c→室内凝縮器12→分岐部15i→高圧制御弁13→空調用室外熱交換器20→冷房用開閉弁16c→アキュムレータ24→圧縮機11の吸入ポート11aの順にサイクル用冷媒が循環するとともに、分岐部15i→回収用開閉弁16a→回収用開閉弁16a→回収用膨張弁60→複合型熱交換器61の回収用流通部61a→アキュムレータ24→圧縮機11の吸入ポート11aの順にサイクル用冷媒が循環するサイクルが構成される。
つまり、低温暖房モードのヒートポンプサイクル102では、空調用室外熱交換器20および回収用流通部61aが、サイクル用冷媒の流れに対して並列的に接続されたサイクルが構成される。
このサイクル構成で、制御装置90は、第1実施形態と同様に、出力側に接続された各種制御対象機器へ出力される制御信号等を決定して、各種制御対象機器の作動を制御する。
従って、本実施形態の低温暖房モードでは、室内凝縮器12を凝縮器として機能させ、空調用室外熱交換器20を蒸発器として機能させる蒸気圧縮式の冷凍サイクルが構成される。そして、室内凝縮器12にて加熱された送風空気を車室内に吹き出すことによって、車室内の暖房を行うことができる。
さらに、低温暖房モードでは、空調用室外熱交換器20および回収用流通部61aが並列的に接続されているので、サイクル用冷媒が空調用室外熱交換器20にて外気から吸熱した熱および圧縮機11の圧縮仕事によって生じた熱に加えて、複合型熱交換器61にてサイクル用冷媒が加熱用冷媒から吸熱した熱(すなわち、車載機器50~53の排熱)を熱源として送風空気を加熱することができる。
また、除湿暖房モードのように、室内蒸発器23にて送風空気が冷却されてしまうことがないので、送風空気の加熱能力が相殺されてしまうことがない。従って、低温暖房モードでは、除湿暖房モードよりも、送風空気の加熱能力を大きく向上させることができる。
その他の車両用熱管理システム1の構成および作動は、第1実施形態と同様である。すなわち、熱回収制御については、管理用車載機器温度Tepがバッテリ50の使用可能温度帯内に維持されるように、制御装置90が加熱用開閉弁68の開閉制御を行う。また、熱廃棄制御については、熱排出用冷媒圧力Prhが基準圧力範囲内に維持されるように、制御装置90が熱排出用開閉弁65の開閉制御を行う。
従って、ヒートポンプサイクル102を備える車両用熱管理システム1であっても、第1実施形態と同様に、車載機器50~53の排熱を、送風空気を加熱するために有効に利用することができる。さらに、送風空気を加熱するために利用する必要のない残余の排熱を、速やかに外気へ放熱させることができ、高い応答性で車載機器50~53の温度上昇を抑制することができる。
(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。
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。
(1)上述の実施形態では、車両用熱管理システム1を、電気自動車に適用した例を説明したが、車両用熱管理システム1の適用はこれに限定されない。車両用熱管理システム1は、通常のエンジン車両と比較して、走行用駆動源の発熱量が少なく、暖房用等の熱源を確保しにくい車両に適用して有効である。
例えば、内燃機関および走行用電動モータの双方から車両走行用の駆動力を得るハイブリッド車両(商用電源から充電可能な、いわゆるプラグインハイブリッド車両を含む。)や、燃料電池を搭載した燃料電池車両に適用して有効である。
また、上述の実施形態では、熱交換対象流体が送風空気である例について説明したが、熱交換対象流体はこれに限定されない。例えば、熱交換対象流体は、給湯水等であってもよい。
(2)上述の実施形態では、空調用の運転モードを切替可能に構成された車両用熱管理システム1について説明したが、車載機器の排熱を有効に利用するために空調用の運転モードの切り替えは必須ではない。
熱排出用冷媒循環回路3における熱廃棄制御および加熱用冷媒循環回路5における熱回収制御と並行して実行することで、車載機器50~53の排熱を有効に利用可能な運転モードを実行可能であればよい。例えば、低温暖房モードでの運転を実行可能であればよい。従って、ヒートポンプサイクル2、102は、冷媒回路を切替可能に構成されたものに限定されない。
さらに、ヒートポンプサイクル2、102は、上述の実施形態で説明した回路構成とは異なる回路構成に切り替えられるものであってもよい。例えば、第1実施形態の冷房モードに対して、回収用開閉弁16aを閉じることによって、通常の冷凍サイクルを構成する冷媒回路に切り替えて、単段圧縮式冷房モードとして車室内の冷房を行うようになっていてもよい。
また、第1実施形態の除湿暖房モードに対して、冷房用膨張弁22を絞り状態とし、回収用開閉弁16aを閉じることによって、通常の冷凍サイクルを構成する冷媒回路に切り替えて、単段圧縮式除湿暖房モードとして車室内の除湿暖房を行うようになっていてもよい。同様に、第9実施形態の除湿暖房モードにおいて、冷房用膨張弁22を絞り状態とし、回収用開閉弁16aを閉じてもよい。
また、第1実施形態の低温暖房モードに加えて、高圧制御弁13を絞り状態とし、冷房用膨張弁22を全閉状態とし、回収用開閉弁16aを閉じ、低圧側開閉弁16bを開き、冷房用開閉弁16cを開くことによって、通常の冷凍サイクルを構成する冷媒回路に切り替えて、単段圧縮式暖房モードとして車室内の暖房を行うようになっていてもよい。同様に、第9実施形態の低温暖房モードにおいて、回収用開閉弁16aを閉じてもよい。
(3)上述の実施形態では、車両用熱管理システム1の一部を車室80内に配置し、残余の部分を駆動用装置室81内に配置した配置態様を説明したが、車両用熱管理システム1の配置態様はこれに限定されない。
例えば、バスのような大型車両においては、ヒートポンプサイクル2の空調用室外熱交換器20および熱排出用冷媒循環回路3の熱排出用室外熱交換器63を、車室80外であって、かつ、駆動用装置室81の外部(具体的には、天井等に配置された専用ケース内)に配置してもよい。
また、ヒートポンプサイクル2の室内凝縮器12、室内蒸発器23、および空調用室外熱交換器20、並びに、熱排出用冷媒循環回路3の熱排出用室外熱交換器63を除く各構成機器に対して、内部を流通する冷媒と外気との間の熱移動を抑制する断熱部を追加してもよい。
具体的には、それぞれの構成機器の外周側を断熱性に優れる樹脂等で形成された断熱部材で被覆してもよい。特に、複合型熱交換器61、車載機器50~53、熱排出用冷媒循環回路3の各冷媒配管62、64、および加熱用冷媒循環回路5の各冷媒配管の外周側を断熱部材で覆ってしまえばよい。さらに、複数の構成機器を断熱性に優れる樹脂等で形成された断熱筐体内に収容してもよい。これによれば、車載機器50~53の排熱が、不必要に外気へ放熱されてしまうこと抑制することができる。
また、上述の実施形態では、空調用室外熱交換器20および熱排出用室外熱交換器63を、外気の流れ方向に対して並列的に配置した例を説明したが、空調用室外熱交換器20および熱排出用室外熱交換器63の配置はこれに限定されない。
例えば、空調用室外熱交換器20および熱排出用室外熱交換器63を、外気の流れ方向に対して直列的に配置してもよい。この際、サイクル用冷媒および熱排出用冷媒のうち低い温度帯の冷媒が流通する室外熱交換器を、外気流れ上流側に配置することが好ましい。これによれば、空調用室外熱交換器20および熱排出用室外熱交換器63に対して、共通する1つの外気ファンによって外気を送風することができるので、車両用熱管理システム1の車両への搭載性を向上させることができる。
(4)ヒートポンプサイクル2、102を構成する各構成機器は、上述の実施形態に開示されたものに限定されない。
上述の第1実施形態等では、圧縮機11として、2つの圧縮機構を1つのハウジング内に収容した二段昇圧式の電動圧縮機を採用した例を説明したが、圧縮機の形式はこれに限定されない。
例えば、中間圧ポート11bから中間圧のサイクル用冷媒を流入させて、低圧から高圧へ圧縮される過程のサイクル用冷媒に合流させることが可能であれば、ハウジングの内部に、1つの固定容量型の圧縮機構、および1つの圧縮機構を回転駆動する電動モータを収容して構成された電動圧縮機であってもよい。
この他にも、2つの圧縮機を直列に接続して、低段側に配置される低段側圧縮機の吸入口を吸入ポート11aとし、高段側に配置される高段側圧縮機の吐出口を吐出ポート11cとする。さらに、低段側圧縮機の吐出口と高段側圧縮機との吸入口とを接続する接続部に中間圧ポート11bを設ける。このように、低段側圧縮機と高段側圧縮機との2つの圧縮機を用いて、1つの二段昇圧式の圧縮機を構成してもよい。
また、上述の第1実施形態等では、固定絞り迂回通路18に冷媒回路切替部としての低圧側開閉弁16bを配置した例を説明したが、冷媒回路切替部はこれに限定されない。
例えば、冷媒回路切替部として、気液分離器14の第2液相流出ポート14dと低段側固定絞り17aとを接続する冷媒回路、および第2液相流出ポート14dと固定絞り迂回通路18とを接続する冷媒回路を切り替える電気式の三方弁を採用してもよい。さらに、低段側固定絞り17aとして、高圧制御弁13等と同様の全開機能付きの可変絞り機構を採用して、低圧側開閉弁16bおよび固定絞り迂回通路18を廃止してもよい。
また、上述の実施形態では、回収用開閉弁16a、熱排出用開閉弁65、加熱用開閉弁68等の開閉弁の詳細構成について言及していないが、これらの開閉弁として、非通電時に冷媒通路を閉じる、いわゆるノーマルクローズ型の電磁弁を採用してもよい。これによれば、図13を用いて説明した制御フローのステップS1における制御を容易に実行することができる。
また、上述の実施形態では、サイクル用冷媒として、R134aを採用した例を説明したが、冷媒はこれに限定されない。例えば、HFO系冷媒(R1234yf、HFO-1234ze、HFO-1234zd)、R600a、R410A、R404A、R32、R407C等を採用してもよい。また、これらの冷媒のうち複数種を混合させた混合冷媒等を採用してもよい。熱排出用冷媒および加熱用冷媒についても同様である。サイクル用冷媒、熱排出用冷媒および加熱用冷媒は、互いに異なる種類の冷媒であってもよい。
(5)熱排出用冷媒循環回路3および加熱用冷媒循環回路5を構成する各構成機器は、上述の実施形態に開示されたものに限定されない。
例えば、熱排出用冷媒循環回路3の熱排出用貯留タンク64aに、第2実施形態で説明した熱排出用流量調整弁65aや、第3実施形態で説明した熱排出用冷媒ポンプ65bを内設して一体化させてもよい。加熱用冷媒循環回路5の加熱用貯留タンク54aに、第2実施形態で説明した加熱用流量調整弁68aや、第3実施形態で説明した加熱用冷媒ポンプ68bを内設して一体化させてもよい。
これによれば、より一層、流量制御の安定化を狙うことができる。さらに、車両用熱管理システム1全体としての小型化を図り、車両への搭載性を向上させることができる。
(6)複合型熱交換器61、611の詳細構成は、上述の実施形態に開示されたものに限定されない。
上述の実施形態では、回収用チューブ72、熱排出用チューブ75および加熱用チューブ78として、プレートチューブを採用した例を説明したが、回収用チューブ72、熱排出用チューブ75および加熱用チューブ78はこれに限定されない。例えば、押し出し成型等によって形成された断面扁平形状の多穴管等を採用してもよい。
また、上述の実施形態では、車載機器50の排熱のうち、送風空気を加熱するために利用される熱量と外気に廃棄される熱量が同等になると想定して、回収用チューブ72、熱排出用チューブ75、および加熱用チューブ78の配置態様を決定した例を説明したが、各チューブの配置態様はこれに限定されない。
例えば、仕向先の相違等によって、車載機器50の排熱のうち、送風空気を加熱するために利用される熱量が外気に廃棄される熱量よりも多くなると想定される場合には、回収用チューブ72の数量を熱排出用チューブ75の数量よりも多くすればよい。
具体的には、積層方向両端部を除くと、…回収用チューブ72→加熱用チューブ78→熱排出用チューブ75→加熱用チューブ78→回収用チューブ72→回収用チューブ72→加熱用チューブ78→熱排出用チューブ75→加熱用チューブ78→回収用チューブ72→…の順が繰り返されるように、回収用チューブ72、熱排出用チューブ75、および加熱用チューブ78を規則的に配置すればよい。この場合は、回収用チューブ72の数量と加熱用チューブ78の数量は同等となり、加熱用チューブ78の数量は、熱排出用チューブ75の数量の約2倍になる。
さらに、車載機器50の排熱のうち、外気に廃棄される熱量が送風空気を加熱するために利用される熱量よりも多くなると想定される場合には、熱排出用チューブ75の数量を回収用チューブ72の数量よりも多くすればよい。
具体的には、積層方向両端部を除くと、…回収用チューブ72→加熱用チューブ78→熱排出用チューブ75→熱排出用チューブ75→加熱用チューブ78→回収用チューブ72→加熱用チューブ78→熱排出用チューブ75→熱排出用チューブ75→加熱用チューブ78→…の順が繰り返されるように、回収用チューブ72、熱排出用チューブ75、および加熱用チューブ78を規則的に配置すればよい。この場合は、熱排出用チューブ75の数量と加熱用チューブ78の数量は同等となり、加熱用チューブ78の数量は、回収用チューブ72の数量の約2倍になる。
また、第1実施形態では、回収用チューブ72として、サイクル用冷媒の流れ方向を、U字を描くように1回転向させるものを採用した例を説明したが、回収用チューブ72は、これに限定されず1回以上転向させるものであってもよい。例えば、回収用チューブ72内に上下方向に延びる断面扁平形状の冷媒通路を3列に設ける。そして、サイクル用冷媒の流れ方向を、N字を描くように2回転向させるものを採用してもよい。
さらに、冷媒流れ下流側に配置された冷媒通路の通路断面積を、上流側に配置された冷媒通路の通路断面積よりも拡大させておくことによって、蒸発させたサイクル用冷媒が回収用チューブ72を流通する際に生じる圧力損失を低減させることができる。
このような冷媒通路面積の拡大は、回収用流通部61aのパス構成を変更することによって実現することもできる。ここで、熱交換器におけるパスとは、熱交換器内に形成された所定の空間から別の空間へ向かって、同一方向に冷媒を流すチューブ群によって形成される冷媒流路と定義することができる。従って、パスの合計通路断面積は、パスを構成するチューブの本数によって決定される。
そこで、例えば、回収用分配パイプ70の内部空間あるいは回収用集合パイプ71の内部空間を仕切るセパレータ等を配置し、冷媒流れ下流側に配置されたパスを構成するチューブの本数を、上流側に配置されたパスを構成するチューブの本数よりも多くすることによって、上述したサイクル用冷媒における圧力損失低減効果を得ることができる。
(7)上述の実施形態では、車載機器としてバッテリ50、充電発電機51、電力制御ユニット52、走行用電動モータ53を採用した例を説明したが、車載機器はこれに限定されない。例えば、発熱量が異なる車載機器に限定されることなく、互いに発熱量が同等の複数の車載機器を採用してもよいし、互いに使用可能温度帯が同等の複数の車載機器を採用してもよい。
さらに、上述の実施形態では、車載機器50~53が充分な性能を発揮できるように使用可能温度帯を設定した例を説明したが、使用可能温度帯の設定はこれに限定されない。例えば、車載機器50~53の信頼性を確保できることを優先して使用可能温度帯を決定してもよい。
また、上述の実施形態では、車載機器50~53の内部に形成された冷媒通路50a~53aによって、加熱用吸熱部を形成した例を説明したが、加熱用吸熱部はこれに限定されない。例えば、伝熱性に優れる金属(具体的には、アルミニウム)製の扁平チューブの平坦面を電気機器50~53の発熱部に密着させることによって、加熱用吸熱部を形成してもよい。この際、扁平チューブと電気機器50~53との間に、伝熱性に優れる伝熱部材(具体的には、シリコングリース、シリコン樹脂)を介在させることが望ましい。
また、上述の第1実施形態等では、管理用車載機器をバッテリ50とした例を説明したが、管理用車載機器はバッテリ50に限定されない。
例えば、管理用車載機器として、車載機器50~53のうち、冷媒通路が冷媒流れ最下流側に配置された車載機器を選定してもよい。また、管理用車載機器として、熱環境の変化によって性能、耐久性、製品寿命等に最も影響を受けやすい車載機器、すなわち、最も高い精度で温度管理が必要となる車載機器を選定してもよい。
(8)また、上述の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。
具体的には、第1、第2実施形態では、熱排出用冷媒循環回路3および加熱用冷媒循環回路5として、冷媒を自然循環させる回路を採用した例を説明し、第2、第5、第6実施形態では、冷媒をポンプで圧送することによって強制循環させる回路を採用した例を説明し、第4実施形態では、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを採用した例を説明したが、熱排出用冷媒循環回路3および加熱用冷媒循環回路5は、この組み合わせに限定されない。
例えば、第6実施形態のように、熱排出用冷媒循環回路3および加熱用冷媒循環回路5のいずれか一方として、冷媒を強制循環させる回路を採用し、他方として蒸気圧縮式の冷凍サイクルを採用してもよい。
同様に、各実施形態で開示された熱排出用冷媒循環回路3における熱排出用循環遮断部の制御態様および加熱用冷媒循環回路5における加熱用循環遮断部の制御態様についても適宜組み合わせてもよい。
さらに、上述の第1実施形態等では、熱排出用冷媒圧力Prhが基準上限圧力KPrh1以上となった際に、熱排出用冷媒循環回路3において熱排出用冷媒を循環させ、熱排出用冷媒圧力Prhが基準下限圧力KPrh2以下となった際に、熱排出用冷媒循環回路3における熱排出用冷媒の循環を遮断した例を説明したが、熱排出用循環遮断部の制御態様はこれに限定されない。
例えば、外気温や車載機器50~53の作動状態(すなわち、発熱量)に応じて基準上限圧力KPrh1あるいは基準下限圧力KPrh2を変化させるようにしてもよい。これによれば、オーバーシュートによる過敏な制御や応答遅れを抑制した予兆制御を行うことができる。その結果、より一層適切に車載機器50~53の排熱を外気に放熱させて、より一層確実に車載機器50~53の温度を適切な温度に維持することができる。
また、第2、第4実施形態で説明した車両用熱管理システム1に、第3実施形態で説明した複合型熱交換器611を適用してもよい。また、第5~第7実施形態で説明した車両用熱管理システム1に、複合型熱交換器61、並びに、第2実施形態で説明した加熱用貯留タンク54aおよび熱排出用貯留タンク64aを適用してもよい。
1 車両用熱管理システム
2、102 ヒートポンプサイクル
3 熱排出用冷媒循環回路
5 加熱用冷媒循環回路
61、611 複合型熱交換器
61a 回収用流通部
61b 加熱用流通部
61c 熱排出用流通部
72 回収用チューブ
75 熱排出用チューブ
78 加熱用チューブ
2、102 ヒートポンプサイクル
3 熱排出用冷媒循環回路
5 加熱用冷媒循環回路
61、611 複合型熱交換器
61a 回収用流通部
61b 加熱用流通部
61c 熱排出用流通部
72 回収用チューブ
75 熱排出用チューブ
78 加熱用チューブ
Claims (13)
- 作動時に発熱を伴う車載機器(50~53)の排熱を加熱用冷媒に吸熱させて循環させる加熱用冷媒循環回路(5)と、
前記加熱用冷媒が有する熱をサイクル用冷媒に吸熱させて熱交換対象流体を加熱する熱源として利用可能なヒートポンプサイクル(2、102)と、
前記加熱用冷媒が有する熱を熱排出用冷媒に吸熱させて外気に放熱させる熱排出用冷媒循環回路(3)と、を備え、
前記加熱用冷媒循環回路は、前記排熱を吸熱した前記加熱用冷媒を流通させる加熱用流通部(61b)を有し、
前記ヒートポンプサイクルは、前記サイクル用冷媒を流通させる回収用流通部(61a)を有し、
前記熱排出用冷媒循環回路は、前記熱排出用冷媒を流通させる熱排出用流通部(61c)を有し、
前記加熱用流通部、前記回収用流通部、および前記熱排出用流通部は、少なくとも前記サイクル用冷媒と前記加熱用冷媒との間の熱移動、および前記熱排出用冷媒と前記加熱用冷媒との間の熱移動が可能な複合型熱交換器(61、611)として一体的に構成されており、
前記加熱用冷媒、前記サイクル用冷媒、および前記熱排出用冷媒は、いずれも熱輸送時に相変化を伴う熱媒体である車両用熱管理システム。 - 前記回収用流通部は、前記サイクル用冷媒を流通させる複数の回収用チューブ(72)で構成されており、
前記加熱用流通部は、前記加熱用冷媒を流通させる複数の加熱用チューブ(78)で構成されており、
前記熱排出用流通部は、前記熱排出用冷媒を流通させる複数の熱排出用チューブ(75)で構成されており、
前記複合型熱交換器は、前記回収用チューブ、前記加熱用チューブ、および前記熱排出用チューブを積層配置することによって構成されており、
少なくとも一部の前記回収用チューブと前記加熱用チューブは、前記サイクル用冷媒と前記加熱用冷媒との間の熱移動が可能となるように隣接配置されており、
少なくとも一部の前記熱排出用チューブと前記加熱用チューブは、前記加熱用冷媒と前記熱排出用冷媒との間の熱移動が可能となるように隣接配置されている請求項1に記載の車両用熱管理システム。 - 前記回収用チューブの数量は、前記加熱用チューブの数量以下であり、
前記熱排出用チューブの数量は、前記加熱用チューブの数量以下である請求項2に記載の車両用熱管理システム。 - 前記回収用チューブは、前記サイクル用冷媒が上下方向に流れるように配置されているとともに、前記サイクル用冷媒の流れ方向を1回以上転向させるように形成されており、
前記加熱用チューブは、前記加熱用冷媒が上方側から下方側へ向かって流れるように配置されており、
前記熱排出用チューブは、前記熱排出用冷媒が下方側から上方側へ向かって流れるように配置されている請求項2または3に記載の車両用熱管理システム。 - 前記回収用チューブと前記熱排出用チューブとの間には、前記回収用チューブと前記熱排出用チューブとの間に冷媒通路を形成する介在部材(78f)が配置されており、
前記加熱用チューブは、前記回収用チューブの外表面、前記熱排出用チューブの外表面、および前記介在部材によって形成されている請求項2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。 - 前記加熱用冷媒循環回路は、前記加熱用流通部にて凝縮した前記加熱用冷媒を蓄える加熱用貯液部(54a)を有し、
前記加熱用貯液部は、前記複合型熱交換器(611)に一体的に形成されている請求項1ないし5に記載の車両用熱管理システム。 - 前記加熱用冷媒循環回路は、前記車載機器の排熱を前記加熱用冷媒に吸熱させる加熱用吸熱部(50a~53a)を有し、
前記加熱用流通部は、前記加熱用吸熱部よりも上方側に配置されている請求項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。 - 前記熱排出用冷媒循環回路は、前記熱排出用冷媒と外気とを熱交換させる熱排出用室外熱交換器(63)を有し、
前記熱排出用室外熱交換器は、前記熱排出用流通部(61c)よりも上方側に配置されている請求項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。 - 前記車載機器は、複数設けられており、
前記加熱用冷媒循環回路は、前記車載機器の排熱を前記加熱用冷媒に吸熱させる複数の加熱用吸熱部(50a~53a)、および前記加熱用吸熱部へ流入する前記加熱用冷媒を減圧させる加熱用減圧部(50b~53b、53b1、53b2)を有している請求項1ないし8のいずれか1つに記載の車両用熱管理システム。 - 前記加熱用冷媒循環回路は、前記車載機器の排熱を前記加熱用冷媒に吸熱させる複数の加熱用吸熱部(50a~53a)、および前記加熱用吸熱部の少なくとも1つを迂回させるように前記加熱用冷媒を流通させる迂回通路(56、57)を有している請求項1ないし8のいずれか1つに記載の車両用熱管理システム。
- 前記車載機器は、複数設けられており、
前記加熱用冷媒循環回路は、前記加熱用冷媒の循環を遮断する加熱用循環遮断部(68、68a~68c)を有し、
さらに、前記車載機器のうち予め定めた管理用車載機器(50)の温度である管理用車載機器温度(Tep)を検出する管理用車載機器温度検出部(91h)と、
前記加熱用循環遮断部の作動を制御する加熱用循環制御部(90c)と、を備え、
前記加熱用循環制御部は、前記管理用車載機器温度が予め定めた使用可能温度帯内に維持されるように、前記加熱用循環遮断部の作動を制御するものである請求項1ないし10のいずれか1つに記載の車両用熱管理システム。 - 前記管理用車載機器は、バッテリ(50)である請求項11に記載の車両用熱管理システム。
- 前記熱排出用冷媒循環回路は、前記熱排出用冷媒の循環を遮断する熱排出用循環遮断部(65、65a~65c)を有し、
さらに、前記熱排出用冷媒の圧力である熱排出用冷媒圧力(Prh)に相関を有する物理量を検出する熱排出用冷媒圧力検出部(91g、91j)と、
前記熱排出用循環遮断部の作動を制御する熱排出用循環制御部(90b)と、を備え、
前記熱排出用循環制御部は、前記熱排出用冷媒圧力が予め定めた基準圧力範囲内に維持されるように、前記熱排出用循環遮断部の作動を制御するものである請求項1ないし12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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