(57)【要約】【課題】熱輸送システムにおいて、熱輸送媒体の低温での粘度増大を抑制し、さらに熱輸送媒体の低導電性を確保する。【解決手段】冷媒が循環する冷凍サイクル装置１０と、熱輸送媒体が循環する熱輸送媒体回路３０と、冷媒と熱輸送媒体を熱交換し、熱輸送媒体を冷却する熱交換器１５と、熱輸送媒体回路に設けられ、熱輸送媒体に吸熱される電気機器３３〜３５とを備える。熱輸送媒体は水を含まない無水系液体であり、無水系液体は水より極性が低い物質からなる。無水系液体としては、無水アルコール系液体、無水アミド系液体、無水エステル系液体、無水シリコーン系液体、無水フッ素系液体のいずれかを用いることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒が循環する冷凍サイクル装置（１０）と、
熱輸送媒体が循環する熱輸送媒体回路（３０）と、
前記冷媒と前記熱輸送媒体を熱交換し、前記熱輸送媒体を冷却する熱交換器（１５）と、
前記熱輸送媒体回路に設けられ、前記熱輸送媒体に吸熱される電気機器（３３〜３５）と、
備え、
前記熱輸送媒体は水を含まない無水系液体であり、前記無水系液体は水より極性が低い物質からなる熱輸送システム。
【請求項２】
前記無水系液体は、無水アルコール系液体である請求項１に記載の熱輸送システム。
【請求項３】
前記無水アルコール系液体は、炭素数が１〜３のアルコールである請求項２に記載の熱輸送システム。
【請求項４】
前記無水系液体は、無水アミド系液体である請求項１に記載の熱輸送システム。
【請求項５】
前記無水アミド系液体は、ジメチルホルムアミドである請求項４に記載の熱輸送システム。
【請求項６】
前記無水系液体は、無水エステル系液体である請求項１に記載の熱輸送システム。
【請求項７】
前記無水エステル系液体は、炭酸と炭素数が１〜３のアルコールが結合している炭酸エステル、又はカルボン酸と炭素数が１〜３のアルコールが結合しているカルボン酸エステルである請求項６に記載の熱輸送システム。
【請求項８】
前記無水系液体は、無水シリコーン系液体である請求項１に記載の熱輸送システム。
【請求項９】
前記無水シリコーン系液体は、ジメチルシリコーンオイルである請求項８に記載の熱輸送システム。
【請求項１０】
前記無水系液体は、無水フッ素系液体である請求項１に記載の熱輸送システム。
【請求項１１】
前記無水フッ素系液体は、フルオロカーボンである請求項１０に記載の熱輸送システム。
【請求項１２】
前記電気機器は、前記熱輸送媒体と直接接触して熱交換する請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の熱輸送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱輸送媒体によって熱を輸送する熱輸送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、チラーによって冷凍サイクルの冷媒と低温冷却水回路の低温冷却水とを熱交換し、低温冷却水を冷却する装置が記載されている。この装置では、低温冷却水として、エチレングリコール水溶液などが用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−１１０８９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、エチレングリコール水溶液は低温時に粘度が高くなるため、低温冷却水回路の圧力損失が大きくなる。このため、低温冷却水を循環させるためのポンプ動力の増大を招く。また、エチレングリコール水溶液は使用によって導電率が上昇するため、電池のような電気機器で発生する熱の輸送に用いる場合には、漏電を防止するために大がかりな絶縁対策が必要となる。
【０００５】
本発明は上記点に鑑み、熱輸送システムにおいて、熱輸送媒体の低温での粘度増大を抑制し、さらに熱輸送媒体の低導電性を確保することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、冷媒が循環する冷凍サイクル装置（１０）と、熱輸送媒体が循環する熱輸送媒体回路（３０）と、冷媒と熱輸送媒体を熱交換し、熱輸送媒体を冷却する熱交換器（１５）と、熱輸送媒体回路に設けられ、熱輸送媒体に吸熱される電気機器（３３〜３５）と備える。熱輸送媒体は水を含まない無水系液体であり、無水系液体は水より極性が低い物質からなることを特徴とする。無水系液体としては、無水アルコール系液体、無水アミド系液体、無水エステル系液体、無水シリコーン系液体、無水フッ素系液体のいずれかを用いることができる。
【０００７】
これにより、低温における熱輸送媒体の低粘度を確保できる。このため、低温環境下においても、熱輸送媒体回路における圧力損失の増大を抑制でき、ポンプ動力の増大を抑制できる。
【０００８】
また、水を含まない無水系液体を熱輸送媒体として用いることで、使用によって熱輸送媒体の導電性が上昇することを抑制できる。この結果、熱輸送システムに大がかりな絶縁対策を施す必要がなくなる。
【０００９】
また、熱輸送媒体が絶縁性を備えていることで、熱輸送媒体と電気機器を直接接触させ、熱輸送媒体によって電気機器を直接冷却することができる。これにより、電気機器と低温側熱輸送媒体との熱交換効率を向上させることができ、熱の移動抵抗を低減することができる。
【００１０】
なお、上記各構成要素の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る実施形態の熱輸送システムの構成を示す図である。
【図２】熱輸送システムの変形例を示す図である。
【図３】熱輸送システムの変形例を示す図である。
【図４】熱輸送システムの変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の熱輸送システムを適用した最も好適な実施形態について図面に基づいて説明する。
【００１３】
本実施形態の熱輸送システム１は、走行用電動モータから車両走行用の駆動力を得る電気自動車に搭載されている。熱輸送システム１は、エンジン（換言すれば内燃機関）および走行用電動モータから車両走行用の駆動力を得るハイブリッド自動車に搭載されていてもよい。本実施形態の熱輸送システム１は、車室内空間の温度調整を行う空調装置として機能し、車両に搭載された電池３３等の温度調整を行う温調装置としても機能する。
【００１４】
図１に示すように、熱輸送システム１は、冷凍サイクル装置１０と、高温媒体回路２０と、低温媒体回路３０とを有している。高温媒体回路２０及び低温媒体回路３０では、熱輸送媒体による熱の輸送が行われる。低温媒体回路３０の熱輸送媒体は、高温媒体回路２０の熱輸送媒体よりも低温となっている。このため、高温媒体回路２０の熱輸送媒体を高温側熱輸送媒体ともいい、低温媒体回路３０の熱輸送媒体を低温側熱輸送媒体ともいう。なお、低温媒体回路３０が本発明の熱輸送媒体回路に相当している。
【００１５】
冷凍サイクル装置１０は蒸気圧縮式冷凍機であり、冷媒が循環する冷媒循環流路１１を有している。冷凍サイクル装置１０は、低温媒体回路３０の低温側熱輸送媒体の熱を冷媒に汲み上げるヒートポンプとして機能する。
【００１６】
本実施形態の冷凍サイクル装置１０では、冷媒としてフロン系冷媒を用いており、高圧側冷媒圧力が冷媒の臨界圧力を超えない亜臨界冷凍サイクルを構成している。冷媒循環流路１１には、圧縮機１２、凝縮器１３、膨張弁１４および熱輸送媒体用蒸発器１５が配置されている。
【００１７】
圧縮機１２は、電池３３から供給される電力によって駆動される電動圧縮機であり、冷媒を吸入して圧縮して吐出する。凝縮器１３は、圧縮機１２から吐出された高圧側冷媒と高温媒体回路２０の熱輸送媒体とを熱交換させることによって高圧側冷媒を凝縮させる高圧側熱交換器である。凝縮器１３では、冷凍サイクル装置１０の高圧側冷媒によって高温媒体回路２０の熱輸送媒体が加熱される。
【００１８】
膨張弁１４は、凝縮器１３から流出した液相冷媒を減圧膨張させる減圧部である。膨張弁１４は、感温部を有し、ダイヤフラム等の機械的機構によって弁体を駆動する機械式の温度式膨張弁である。
【００１９】
熱輸送媒体用蒸発器１５は、膨張弁１４を流出した低圧冷媒と低温媒体回路３０の熱輸送媒体とを熱交換させることによって低圧冷媒を蒸発させる低圧側熱交換器である。熱輸送媒体用蒸発器１５で蒸発した気相冷媒は圧縮機１２に吸入されて圧縮される。
【００２０】
熱輸送媒体用蒸発器１５は、冷凍サイクル装置１０の低圧冷媒によって低温媒体回路３０の熱輸送媒体を冷却するチラーである。熱輸送媒体用蒸発器１５では、低温媒体回路３０の熱輸送媒体の熱が冷凍サイクル装置１０の冷媒に吸熱される。なお、熱輸送媒体用蒸発器１５が本発明の熱交換器に相当している。
【００２１】
高温媒体回路２０は、高温側熱輸送媒体が循環する高温側循環流路２１を有している。高温側熱輸送媒体として、エチレングリコール系の不凍液（ＬＬＣ）等を用いることができる。高温側熱輸送媒体は、高温側循環流路２１を構成する配管内に封入されている。本実施形態の高温媒体回路２０は、高温側熱輸送媒体の圧力が所定値を上回った場合に開放する圧力調整弁が設けられていない密閉式となっている。
【００２２】
高温側循環流路２１には、高温側ポンプ２２、ヒータコア２３および凝縮器１３が配置されている。
【００２３】
高温側ポンプ２２は、高温側循環流路２１を循環する熱輸送媒体を吸入して吐出する。高温側ポンプ２２は電動式のポンプである。高温側ポンプ２２は、高温媒体回路２０を循環する熱輸送媒体の流量を調整する。
【００２４】
ヒータコア２３は、高温媒体回路２０の熱輸送媒体と車室内へ送風される空気とを熱交換させて車室内へ送風される空気を加熱する空気加熱用熱交換器である。ヒータコア２３では、熱輸送媒体によって車室内へ送風される空気が加熱される。
【００２５】
ヒータコア２３で加熱された空気は車室内に供給され、車室内の暖房が行われる。ヒータコア２３による暖房は、主に冬季に行われる。本実施形態の熱輸送システムでは、低温媒体回路３０の低温側熱輸送媒体に吸熱された外気の熱が冷凍サイクル装置１０によって高温媒体回路２０の高温熱輸送媒体に汲み上げられ、室内の暖房に用いられる。
【００２６】
低温媒体回路３０は、低温側熱輸送媒体が循環する低温側循環流路３１を有している。低温側熱輸送媒体は、低温側循環流路３１を構成する配管内に封入されている。本実施形態の低温媒体回路３０は、低温側熱輸送媒体の圧力が所定値を上回った場合に開放する圧力調整弁が設けられていない密閉式となっている。なお、低温側熱輸送媒体については後述する。
【００２７】
低温側循環流路３１には、低温側ポンプ３２、熱輸送媒体用蒸発器１５、電池３３、インバータ３４、モータジェネレータ３５および室外熱交換器３６が配置されている。図１に示す例では、低温側熱輸送媒体の流れ方向において、電池３３、インバータ３４、モータジェネレータ３５、室外熱交換器３６、低温側ポンプ３２の順に接続されているが、この接続順序に限定されるものではない。また、図１に示す例では、電池３３、インバータ３４、モータジェネレータ３５、室外熱交換器３６、低温側ポンプ３２が直列的に接続されているが、これらのうち１以上の機器を他の機器と並列的に接続してもよい。
【００２８】
低温側ポンプ３２は、低温側循環流路３１を循環する熱輸送媒体を吸入して吐出する。低温側ポンプ３２は電動式のポンプである。低温側ポンプ３２は、低温媒体回路３０を循環する熱輸送媒体の流量を調整する。
【００２９】
電池３３は、充放電可能な２次電池であり、例えばリチウムイオン電池を用いることができる。電池３３としては、複数個の電池セルで構成されている組電池を用いることができる。
【００３０】
電池３３は、車両停車時に外部電源（換言すれば商用電源）から供給された電力を充電可能となっている。電池３３に蓄えられた電力は、走行用電動モータのみならず、熱輸送システム１を構成する電動式構成機器をはじめとする各種車載機器に供給される。
【００３１】
インバータ３４は、電池３３から供給された直流電力を交流電力に変換してモータジェネレータ３５に出力する。モータジェネレータ３５は、インバータ３４から出力された電力を利用して走行用駆動力を発生するとともに、減速中や降坂中に回生電力を発生させる。
【００３２】
室外熱交換器３６は、低温媒体回路３０の熱輸送媒体と外気とを熱交換させる。室外熱交換器３６には、図示しない室外送風機によって外気が送風される。
【００３３】
電池３３、インバータ３４、モータジェネレータ３５は、電気を使用して作動する電気機器であり、作動時に発熱する。電池３３、インバータ３４、モータジェネレータ３５は、低温側熱輸送媒体によって冷却される冷却対象機器である。
【００３４】
本実施形態では、電池３３は第１冷却容器３７に収納されており、インバータ３４は第２冷却容器３８に収納されており、モータジェネレータ３５は第３冷却容器３９に収納されている。冷却容器３７〜３９の内部には、低温側循環流路３１を循環する低温側熱輸送媒体が流通する。このため、電池３３、インバータ３４、モータジェネレータ３５は、それぞれ冷却容器３７〜３９の内部で低温側熱輸送媒体に浸漬した状態となる。つまり、冷却容器３７〜３９は直冷式の冷却器であり、電池３３、インバータ３４、モータジェネレータ３５に低温側熱輸送媒体が直接接触して熱交換する。
【００３５】
冷却容器３７〜３９では、冷却対象機器である電池３３、インバータ３４およびモータジェネレータ３５から低温側熱輸送媒体への吸熱が行われる。室外熱交換器３６では、外気から低温側熱輸送媒体への吸熱が行われる。つまり、電池３３、インバータ３４、モータジェネレータ３５および室外熱交換器３６は、低温側熱輸送媒体への吸熱を行う被吸熱機器である。
【００３６】
次に、低温側熱輸送媒体について説明する。低温側熱輸送媒体は、低温での粘性が低く、絶縁性が高いことが望ましい。また、低温側熱輸送媒体は、熱容量が大きく、沸点が使用環境での最高温度より高く、凝固点が使用環境での最低温度より低く、化学的安定性が高いことが望ましい。
【００３７】
本実施形態では、低温側熱輸送媒体として、水を含まない無水系液体であって、水よりも極性が低い物質を用いている。無水系液体としては、無水アルコール系液体、無水アミド系液体、無水エステル系液体、無水シリコーン系液体、無水フッ素系液体のいずれかを用いることができる。これらの無水系液体は、低温での粘性が低く、かつ、絶縁性が高いという性質を有している。
【００３８】
無水アルコール系液体、無水アミド系液体及び無水エステル系液体は、低温側熱輸送媒体として用いた場合に、粘性、熱容量、沸点、凝固点の点で特に優れている。無水シリコーン系液体及び無水フッ素系液体は、低温側熱輸送媒体として用いた場合に、化学的安定性、絶縁性の点で特に優れている。また、無水シリコーン系液体及び無水フッ素系液体は、潤滑性を備えている。
【００３９】
無水アルコール系液体としては、炭素数が１〜３のアルコールであるメタノール、エタノール、プロパノールのいずれかを用いることができる。プロパノールには、ノルマルプロパノール（ＮＰＡ）及びイソプロパノール（ＩＰＡ）が含まれる。
【００４０】
メタノールは、融点が−９７℃、沸点が６４．５℃である。エタノールは、融点が−１１４℃、沸点が７８．３℃である。ノルマルプロパノールは、融点が−１２６℃、沸点が９７．２℃である。イソプロパノールは、融点が−８９．５℃、沸点が８２．４℃である。
【００４１】
これら炭素数１〜３のアルコールのうち、使用環境等に応じて、適切な性質を有するアルコールを適宜選択すればよい。本実施形態の低温側熱輸送媒体としては、ノルマルプロパノールまたはイソプロパノールを好適に用いることができる。
【００４２】
無水アルコール系液体は、アルコールの炭素数の上限を３とすることで、低温での低粘性を確保することができる。メタノールは、−２０℃での動粘度が１．３５ｍｍ2／ｓ、−３５℃での動粘度が１．８０ｍｍ2／ｓである。また、ノルマルプロパノールは、−２０℃での動粘度が８．０５ｍｍ2／ｓ、−３５℃での動粘度が１３．１ｍｍ2／ｓである。比較例としてのエチレングリコール系不凍液（ＬＬＣ）は、−２０℃での動粘度が２９．６ｍｍ2／ｓ、−３５℃での動粘度が８９．５ｍｍ2／ｓである。このように、本実施形態の無水アルコール系液体は、低温における低粘度を確保することができる。
【００４３】
無水アミド系液体としては、例えばジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）を用いることができる。ジメチルホルムアミドは、融点が−６１℃、沸点が１５３℃である。ジメチルホルムアミドは、−２０℃での動粘度が１．６３ｍｍ2／ｓ、−３５℃での動粘度が２．２５ｍｍ2／ｓである。このように、本実施形態の無水アミド系液体は、低温における低粘度を確保することができる。
【００４４】
無水エステル系液体としては、例えば炭酸エステルやカルボン酸エステルを用いることができる。カルボン酸としては、例えばギ酸や酢酸を用いることができる。炭酸やカルボン酸と結合するアルコールとしては、例えば炭素数が１〜３のアルコール（つまり、メタノール、エタノール、プロパノール）を用いることができる。
【００４５】
無水シリコーン系液体としては、例えばシロキサン結合を有する直鎖状ポリマーであるシリコーンオイルを用いることができる。シリコーンオイルの中でも、低温熱輸送媒体としてジメチルシリコーンオイルを好適に用いることができる。シリコーンオイルは、化学的安定性及び絶縁性に優れている。また、シリコーンオイルは潤滑性を備えている。
【００４６】
無水フッ素系液体としては、例えばフルオロカーボンを用いることができる。フルオロカーボンは、炭化水素に含まれる水素の一部をフッ素に置き換えた物質であり、フロリナート（３Ｍ社の商標）が知られている。フルオロカーボンは、化学的安定性、絶縁性に優れている。また、フルオロカーボンは潤滑性を備えている。
【００４７】
以上説明した本実施形態によれば、低温側熱輸送媒体として無水系液体を用いることで、エチレングリコール系不凍液に比べて、低温環境下での粘度増大を抑制できる。このため、低温環境下においても、低温媒体回路３０で低温側熱輸送媒体が流れる際の圧力損失の増大を抑制でき、低温側ポンプ３２の動力増大を抑制できる。
【００４８】
また、低温媒体回路３０で低温側熱輸送媒体が流れる際の圧力損失の増大を抑制できることから、室外熱交換器３６では、低温側熱輸送媒体の流路を狭くするなどして小型化しやすくなり、設計の自由度を向上させることができる。さらに、室外熱交換器３６を通過する低温側熱輸送媒体の流速が向上することから、室外熱交換器３６への着霜を抑制できる。
【００４９】
また、低温環境下での低温側熱輸送媒体の粘度増大を抑制できることから、エチレングリコール系不凍液に比べて、低温側熱輸送媒体の流量を増大させることができる。この結果、低温側熱輸送媒体の流速を上昇させることができ、低温側熱輸送媒体の熱伝達率をより向上させることができる。さらに、低温側熱輸送媒体の熱伝達率が向上することで、室外熱交換器３６を含む機器全体の熱通過率を向上させることができる。
【００５０】
また、水を含まない無水系液体を低温側熱輸送媒体として用いることで、使用によって低温側熱輸送媒体の導電性が上昇することを抑制できる。この結果、熱輸送システム１に大がかりな絶縁対策を施す必要がなくなる。
【００５１】
また、低温側熱輸送媒体が絶縁性を備えていることで、低温側熱輸送媒体と電気機器３３〜３５を直接接触させ、低温側熱輸送媒体によって電気機器３３〜３５を直接冷却することができる。これにより、電気機器３３〜３５と低温側熱輸送媒体との熱交換効率を向上させることができ、熱の移動抵抗を低減できる。
【００５２】
また、低温側熱輸送媒体として、無水アルコール系液体、無水アミド系液体又は無水エステル系液体を用いた場合には、粘性、熱容量、沸点、凝固点に優れた熱輸送媒体を提供できる。
【００５３】
また、低温側熱輸送媒体として、無水シリコーン系液体又は無水フッ素系液体を用いた場合には、化学的安定性、絶縁性に優れた熱輸送媒体を提供できる。
【００５４】
また、低温側熱輸送媒体として、潤滑性を備える無水シリコーン系液体や無水フッ素系液体を用いる場合には、低温側熱輸送媒体がモータジェネレータ３５等の潤滑油を兼用することができる。
【００５５】
（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。また、上記各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。
【００５６】
例えば、上記実施形態では、電池３３、インバータ３４及びモータジェネレータ３５をそれぞれ個別に冷却容器に収納したが、２以上の電気機器を同一の冷却容器に収納してもよい。
【００５７】
例えば、図２に示すように、電池３３とインバータ３４を同一の冷却容器３７に収納してもよく、図３に示すように、インバータ３４とモータジェネレータ３５を同一の冷却容器３８に収納してもよい。また、図４に示すように、電池３３とインバータ３４とモータジェネレータ３５を同一の冷却容器３７に収納してもよい。
【符号の説明】
【００５８】
１５    熱輸送媒体用蒸発器（熱交換器）
３０    低温媒体回路（熱輸送媒体回路）
３３    電池（電気機器）
３４    インバータ（電気機器）
３５    モータジェネレータ（電気機器）
【図１】
2020128838.tif 000003
【図２】
2020128838.tif 000004
【図３】
2020128838.tif 000005
【図４】
2020128838.tif 000006