(57)【要約】【課題】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冷却用熱交換器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、メタノールおよび水を含む。熱輸送媒体において、水量はメタノール量以上である。【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冷却用熱交換器（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、を備え、
前記熱輸送媒体は、メタノールおよび水を含む熱輸送システム。
【請求項２】
前記熱輸送媒体において、水量がメタノール量以上である請求項１に記載の熱輸送システム。
【請求項３】
前記熱輸送媒体におけるメタノールと水の比が、重量比で３５：６５〜５０：５０である請求項１または２に記載の熱輸送システム。
【請求項４】
前記熱輸送媒体は、防錆剤を含む請求項１ないし３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。
【０００５】
本発明は上記点に鑑みて、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冷却用熱交換器（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、熱輸送媒体は、メタノールおよび水を含む熱輸送システムである。
【０００７】
このように、熱輸送媒体としてメタノールおよび水を含むメタノール水溶液を用いることで、低温環境下での粘度増大を抑制できる。
【０００８】
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】一実施形態に係る熱輸送システムの構成を示す図である。
【図２】一実施形態における第２冷却器を示す正面図である。
【図３】実施例および比較例における温度と動粘度との関係を示す特性図である。
【図４】第２冷却器における低温側熱輸送媒体の圧力損失と熱伝達率比との関係を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。
【００１１】
本実施形態の熱輸送システムは、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。
【００１２】
図１に示すように、熱輸送システムは、冷凍サイクル装置１０と、高温媒体回路２０と、熱輸送媒体回路である低温媒体回路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。
【００１３】
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。
【００１４】
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、および冷却用熱交換器である熱輸送媒体用蒸発器１５が配置されている。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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の高温側熱輸送媒体に汲み上げられ、室内の暖房に用いられる。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
本実施形態の低温側循環流路３１には、電気機器３３〜３５に対応して冷却器３７〜３９が設けられている。第１冷却器３７は電池３３に対応し、第２冷却器３８はインバータ３４に対応し、第３冷却器３９はモータジェネレータ３５に対応している。
【００３３】
冷却器３７〜３９には、低温側熱輸送媒体が流通する。電気機器３３〜３５は、冷却器３７〜３９を流れる低温側熱輸送媒体によって冷却される。
【００３４】
第１冷却器３７及び第２冷却器３８では、他の熱輸送媒体を介さず低温側熱輸送媒体によって電池３３及びインバータ３４が冷却される。第３冷却器３９は、低温側熱輸送媒体によってオイル回路４０を循環するオイルを冷却するオイルクーラである。オイルは、モータジェネレータ３５の内部を流れることで、モータジェネレータ３５の潤滑と冷却を行う。
【００３５】
冷却器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、第２冷却器３８の具体的な構成について説明する。図２に示すように、本実施形態の第２冷却器３８は、インバータ３４を構成する複数の電子部品３４０を両面から冷却する積層型の熱交換器である。
【００３７】
本実施形態の電子部品３４０は、両面から放熱が行われる両面放熱構造を有している。電子部品３４０としては、ＩＧＢＴ等の半導体素子とダイオードとを内蔵した半導体モジュールを用いることができる。
【００３８】
第２冷却器３８は、流路管３８１と、連通部３８２と、を備えている。流路管３８１は、扁平形状に形成されるとともに、低温媒体回路３０の低温側熱輸送媒体を流通させる低温側熱輸送媒体流路を構成している。流路管３８１は、電子部品３４０を両面から挟持できるように複数個積層配置されている。
【００３９】
連通部３８２は、複数の流路管３８１同士を連通させる。連通部３８２は、流路管３８１の長手方向の両端部にそれぞれ接続されている。
【００４０】
本実施形態では、電子部品３４０は、流路管３８１における扁平面それぞれに対して２個ずつ設けられている。各扁平面に設けられた２つの電子部品３４０は、それぞれ低温側熱輸送媒体の流れ方向に直列に配置されている。
【００４１】
ここで、複数の流路管３８１のうち、積層方向最外側に配置される流路管３８１を外側流路管３８１０とする。第２冷却器３８における２つの外側流路管３８１０のうち、一方の外側流路管３８１０の長手方向両端部には、導入口３８３および排出口３８４がそれぞれ設けられている。
【００４２】
導入口３８３は、低温側熱輸送媒体を第２冷却器３８に導入する導入部である。排出口３８４は、低温側熱輸送媒体を第２冷却器３８から排出する排出部である。導入口３８３および排出口３８４は、ろう付けにより一方の外側流路管３８１０に接合されている。本実施形態の流路管３８１、連通部３８２、導入口３８３および排出口３８４は、それぞれ、アルミニウムにより構成されている。
【００４３】
導入口３８３から導入された低温側熱輸送媒体は、一方の連通部３８２を通って、流路管３８１の長手方向における一方の端部から各流路管３８１に流入し、各流路管３８１内を他方の端部に向かって流れる。そして、低温側熱輸送媒体は、他方の連通部３８２を通って排出口３８４から排出される。このように、低温側熱輸送媒体が流路管３８１内を流通する間に、低温側熱輸送媒体と電子部品３４０との間で熱交換が行われ、電子部品３４０が冷却される。
【００４４】
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、冷却性能が高いことが望ましい。
【００４５】
本実施形態では、低温側熱輸送媒体として、メタノールおよび水を含むメタノール水溶液を用いている。本実施形態では、低温側熱輸送媒体において、水量をメタノール量以上としている。すなわち、メタノール水溶液に占める水の割合を５０％以上としている。
【００４６】
具体的には、低温側熱輸送媒体におけるメタノールと水の比を、重量比でメタノール：水＝３５：６５〜５０：５０としている。すなわち、低温側熱輸送媒体におけるメタノールと水の比を、重量比で３５：６５以上、５０：５０以下の範囲としている。
【００４７】
ここで、実施例としてのメタノール水溶液（メタノール：水＝３５：６５〜５０：５０）および比較例としてのエチレングリコール系不凍液（ＬＬＣ）における、温度と動粘度との関係を図３に示す。
【００４８】
図３の実線に示すように、実施例としてのメタノール水溶液は、−２０℃での動粘度が１０．０ｍｍ２／ｓ、−３５℃での動粘度が２４．２ｍｍ２／ｓである。図３の破線に示すように、比較例としてのエチレングリコール系不凍液は、−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、メタノール水溶液は、低温における低粘度を確保することができる。
【００４９】
ここで、低温側熱輸送媒体の温度が２５℃のときの第２冷却器３８における低温側熱輸送媒体の圧力損失および熱伝達率比の関係を、図４に示す。図４の縦軸に示す熱伝達率比とは、低温側熱輸送媒体として比較例のエチレングリコール系不凍液を用い、第２冷却器３８における低温側熱輸送媒体の圧力損失が３５ｋＰａのときの熱伝達率を１．０として表した熱伝達率の値のことである。
【００５０】
図４では、低温側熱輸送媒体として実施例のメタノール水溶液を用いた場合の圧力損失および熱伝達率比の関係を実線で示している。また、図４では、低温側熱輸送媒体として比較例のエチレングリコール系不凍液を用いた場合の圧力損失および熱伝達率比の関係を破線で示している。
【００５１】
図４に示すように、低温側熱輸送媒体が２５℃という条件下では、低温側熱輸送媒体としてメタノール水溶液を用いた場合、低温側熱輸送媒体としてエチレングリコール系不凍液を用いた場合に対して、同一性能（すなわち同一熱伝達率）で、圧力損失を５０％低減することができる。
【００５２】
ここで、図３に示すように、２５℃において、メタノール水溶液の動粘度は、エチレングリコール系不凍液の動粘度の約１／２である。これに対し、−３５℃において、メタノール水溶液の動粘度は、エチレングリコール系不凍液の動粘度の約１／４である。
【００５３】
したがって、−３５℃においては、低温側熱輸送媒体としてメタノール水溶液を用いた場合、低温側熱輸送媒体としてエチレングリコール系不凍液を用いた場合に対して、圧力損失を５０％よりも大幅に低減することができると考えられる。このように、低温側熱輸送媒体としてメタノール水溶液を用いると、低温における圧力損失を低く抑えることができる。
【００５４】
また、図４に示すように、低温側熱輸送媒体が２５℃という条件下では、低温側熱輸送媒体としてメタノール水溶液を用いた場合、低温側熱輸送媒体としてエチレングリコール系不凍液を用いた場合に対して、同一圧力損失で、熱伝達率を２０％上昇させることができる。このように、低温側熱輸送媒体としてメタノール水溶液を用いると、低温側熱輸送媒体の熱伝達率を向上させることができ、冷却器３７〜３９における冷却性能を向上させることができる。
【００５５】
本実施形態の低温側熱輸送媒体は、水およびメタノールに加え、防錆剤を含んでいる。防錆剤は、低温側熱輸送媒体が流れる配管の腐食を防ぐためのものである。低温側熱輸送媒体における防錆剤の濃度は適宜設定可能であるが、例えば数％とすることができる。
【００５６】
防錆剤としては、例えば脂肪族モノカルボン酸、芳香族モノカルボン酸、芳香族ジカルボン酸またはそれらの塩、ホウ酸塩、ケイ酸塩、ケイ酸、リン酸塩、リン酸、亜硝酸塩、硝酸塩、モリブデン酸塩、トリアゾール、及びチアゾールから選ばれる少なくとも一種を用いることができる。
【００５７】
以上説明したように、本実施形態では、低温側熱輸送媒体としてメタノールおよび水を含むメタノール水溶液を用いている。これにより、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。
【００５８】
また、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。
【００５９】
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。
【００６０】
また、本実施形態では、低温側熱輸送媒体に含まれる水量をメタノール量以上としている。メタノール水溶液は、エチレングリコール系不凍液に比べて、凝固点を低く維持しつつ、水の割合をより多くすることできる。このため、メタノール水溶液において、熱容量の大きい水の割合を多くすることで、低温側熱輸送媒体の熱容量を増大させることができ、熱伝導率をより向上させることができる。
【００６１】
また、メタノール水溶液における水の割合を多くすることで、低温側熱輸送媒体の粘度をより低くすることができる。さらにメタノール水溶液における水の割合を多くすることで、低温側熱輸送媒体のコストを低減できる。
【００６２】
ところで、低温側熱輸送媒体が流れる配管がアルミニウムで構成されている場合、低温側熱輸送媒体に含まれるメタノールと配管を構成するアルミニウムが化学反応して、アルミニウムアルコキシドが生成される可能性がある。これにより、低温側熱輸送媒体に含まれるメタノール量が減少し、低温環境下における粘度増大抑制効果が低減するおそれがある。
【００６３】
これに対し、本実施形態のように低温側熱輸送媒体に含まれる水量をメタノール量以上とし、低温側熱輸送媒体に含まれる水の割合を多くすることで、アルミニウムアルコキシドの生成を抑制することができる。これにより、低温側熱輸送媒体が流れる配管がアルミニウムで構成されている場合においても、低温環境下での粘度増大を確実に抑制することができる。
【００６４】
また、低温側熱輸送媒体におけるメタノールと水の比を重量比で３５：６５〜５０：５０とすることで、低温側熱輸送媒体の凝固点を−３５℃以下とすることができる。このため、冬季のような低温環境下における低温側熱輸送媒体の凍結を抑制できる。
【００６５】
さらに、低温側熱輸送媒体に防錆剤を含有させることで、低温側熱輸送媒体が流れる配管の腐食を抑制できる。これにより、熱輸送システムの耐久性を向上させることができる。
【００６６】
（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。
【００６７】
例えば、上記実施形態では、メタノール水溶液を低温媒体回路３０の低温側熱輸送媒体に用いたが、これに限らず、メタノール水溶液を高温媒体回路２０の高温側熱輸送媒体に用いてもよい。この場合、高温媒体回路２０と低温媒体回路３０とで熱輸送媒体を共通化することができる。
【符号の説明】
【００６８】
１０    冷凍サイクル装置
１５    熱輸送媒体用蒸発器（冷却用熱交換器）
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】
2020159610.tif 000003
【図２】
2020159610.tif 000004
【図３】
2020159610.tif 000005
【図４】
2020159610.tif 000006