(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱管理システムの冷却材ポンピング・モジュールであって、
（ａ）互いに一体に形成され、接続路を介して流体連通している第１のチャンバおよび第２のチャンバを規定するハウジングであって、前記第１のチャンバと連通して設けられた冷却材入口ポートと、前記第２のチャンバと連通して設けられた冷却材出口ポートとを有し、前記第１のチャンバと流体連通しているバイパス入口ポートおよびバイパス出口ポートを有するハウジングと、
（ｂ）前記第１のチャンバ内に設けられた弁要素であって、前記弁要素が前記冷却材入口ポートと前記接続路との間の冷却材の流れを少なくとも部分的に阻害する第１の位置と、前記冷却材入口ポートと前記接続路との間の流体の流れを増加させることができる第２の位置との間で移動可能な弁要素と、
（ｃ）前記冷却材出口ポートを通って流れる冷却材のエネルギーを増加させる、前記第２のチャンバ内に設けられたポンプ要素と
を備え、
第１の軸線が、前記第１のチャンバを通って流れる前記冷却材の流れの方向によって規定され、前記弁要素が前記第１の軸線に沿って移動可能であり、
前記バイパス入口ポートおよび前記バイパス出口ポートが前記第１の軸線に沿って互いから間隔を空けている、冷却材ポンピング・モジュール。
【請求項２】
前記接続路が前記ハウジング内に封入された、請求項１に記載の冷却材ポンピング・モジュール。
【請求項３】
前記バイパス入口ポートが、前記冷却材入口ポートと前記接続路との間で前記第１の軸線に沿って配置された、請求項１または２に記載の冷却材ポンピング・モジュール。
【請求項４】
前記弁要素が、前記冷却材入口ポートと前記接続路との間の直接の流体流を、前記弁要素が前記第１の位置にあることによって完全に阻害する、請求項１から３のいずれか一項に記載の冷却材ポンピング・モジュール。
【請求項５】
前記接続路が第２の軸線を規定する、請求項１から４のいずれか一項に記載の冷却材ポンピング・モジュール。
【請求項６】
前記第２の軸線が前記第１の軸線に平行である、請求項５に記載の冷却材ポンピング・モジュール。
【請求項７】
熱管理システムの冷却材ポンピング・モジュールであって、
（ａ）互いに一体に形成され、接続路を介して流体連通している第１のチャンバおよび第２のチャンバを規定するハウジングであって、前記第１のチャンバと連通して設けられた冷却材入口ポートと、前記第２のチャンバと連通して設けられた冷却材出口ポートとを有し、前記第１のチャンバと流体連通しているバイパス入口ポートおよびバイパス出口ポートを有するハウジングと、
（ｂ）前記第１のチャンバ内に設けられた弁要素であって、前記弁要素が前記冷却材入口ポートと前記接続路との間の冷却材の流れを少なくとも部分的に阻害する第１の位置と、前記冷却材入口ポートと前記接続路との間の流体の流れを増加させることができる第２の位置との間で移動可能な弁要素と、
（ｃ）前記冷却材出口ポートを通って流れる冷却材のエネルギーを増加させる、前記第２のチャンバ内に設けられたポンプ要素と
を備え、
前記接続路が第２の軸線を規定し、
前記第２の軸線が、前記第１のチャンバを通って流れる前記冷却材の流れの方向によって規定される第１の軸線に垂直である、冷却材ポンピング・モジュール。
【請求項８】
前記ポンプ要素がポンプ渦形室を備える、請求項１から７のいずれか一項に記載の冷却材ポンピング・モジュール。
【請求項９】
熱管理システムの冷却材ポンピング・モジュールであって、
（ａ）互いに一体に形成され、接続路を介して流体連通している第１のチャンバおよび第２のチャンバを規定するハウジングであって、前記第１のチャンバと連通して設けられた冷却材入口ポートと、前記第２のチャンバと連通して設けられた冷却材出口ポートとを有し、前記第１のチャンバと流体連通しているバイパス入口ポートおよびバイパス出口ポートを有するハウジングと、
（ｂ）前記第１のチャンバ内に設けられた弁要素であって、前記弁要素が前記冷却材入口ポートと前記接続路との間の冷却材の流れを少なくとも部分的に阻害する第１の位置と、前記冷却材入口ポートと前記接続路との間の流体の流れを増加させることができる第２の位置との間で移動可能な弁要素と、
（ｃ）前記冷却材出口ポートを通って流れる冷却材のエネルギーを増加させる、前記第２のチャンバ内に設けられたポンプ要素と、
前記冷却材をろ過するフィルタと
を備え、
前記フィルタが、前記第１および第２のチャンバを規定する前記ハウジングと一体に形成されたフィルタ・ハウジングを含む、冷却材ポンピング・モジュール。
【請求項１０】
前記フィルタ・ハウジングが、前記ポンプ要素の下流側である前記冷却材ポンピング・モジュールの高圧側と前記フィルタ・ハウジングの内部に配置されたフィルタ入口との間を延びるフィルタ入口通路を有し、前記フィルタ・ハウジングが、前記ポンプ要素の上流側である前記冷却材ポンピング・モジュールの低圧側と前記フィルタ・ハウジングの内部に配置されたフィルタ出口との間を延びるフィルタ出口通路を有する、請求項９に記載の冷却材ポンピング・モジュール。
【請求項１１】
前記フィルタ・ハウジングが円筒状であり、前記フィルタが環状のフィルタ要素をさらに備え、前記冷却材が前記フィルタ入口から前記フィルタ出口へと流れる際に前記フィルタ要素を通るように、前記フィルタ・ハウジングの前記フィルタ出口が前記フィルタ入口から間隔を空けている、請求項１０に記載の冷却材ポンピング・モジュール。
【請求項１２】
前記フィルタ入口通路および前記フィルタ出口通路の直径が、前記フィルタを通って循環する冷却材の量を制御するようにサイズ決めされた、請求項１０に記載の冷却材ポンピング・モジュール。
【請求項１３】
前記フィルタを通って循環する冷却材の量が、前記フィルタ入口通路または前記フィルタ出口通路を通って流れる冷却材の量を制御する制御弁を、前記冷却材ポンピング・モジュールに設けることによって制御される、請求項１１に記載の冷却材ポンピング・モジュール。
【請求項１４】
熱管理システムの冷却材ポンピング・モジュールであって、
（ａ）互いに一体に形成され、接続路を介して流体連通している第１のチャンバおよび第２のチャンバを規定するハウジングであって、前記第１のチャンバと連通して設けられた冷却材入口ポートと、前記第２のチャンバと連通して設けられた冷却材出口ポートとを有し、前記第１のチャンバと流体連通しているバイパス入口ポートおよびバイパス出口ポートを有するハウジングと、
（ｂ）前記第１のチャンバ内に設けられた弁要素であって、前記弁要素が前記冷却材入口ポートと前記接続路との間の冷却材の流れを少なくとも部分的に阻害する第１の位置と、前記冷却材入口ポートと前記接続路との間の流体の流れを増加させることができる第２の位置との間で移動可能な弁要素と、
（ｃ）前記冷却材出口ポートを通って流れる冷却材のエネルギーを増加させる、前記第２のチャンバ内に設けられたポンプ要素と、
前記冷却材ポンピング・モジュールを通って流れる前記冷却材の一部分が、それらを介して前記熱管理システムの別の構成要素に分流される補助入口ポートおよび補助出口ポートと
を備え、
前記冷却材の前記一部分が前記補助出口ポートを通して前記別の構成要素に分流され、前記補助出口ポートが前記冷却材ポンピング・モジュールの高圧側に配置され、
前記補助入口ポートが前記別の構成要素からの前記冷却材の前記一部分を受け入れ、前記補助入口ポートが前記冷却材ポンピング・モジュールの低圧側に配置された、冷却材ポンピング・モジュール。
【請求項１５】
前記熱管理システムの前記別の構成要素が、熱交換器、フィルタ、および発熱構成要素から成る群から選択される、請求項１４に記載の冷却材ポンピング・モジュール。
【請求項１６】
熱管理システムの冷却材ポンピング・モジュールであって、
（ａ）互いに一体に形成され、接続路を介して流体連通している第１のチャンバおよび第２のチャンバを規定するハウジングであって、前記第１のチャンバと連通して設けられた冷却材入口ポートと、前記第２のチャンバと連通して設けられた冷却材出口ポートとを有し、前記第１のチャンバと流体連通しているバイパス入口ポートおよびバイパス出口ポートを有するハウジングと、
（ｂ）前記第１のチャンバ内に設けられた弁要素であって、前記弁要素が前記冷却材入口ポートと前記接続路との間の冷却材の流れを少なくとも部分的に阻害する第１の位置と、前記冷却材入口ポートと前記接続路との間の流体の流れを増加させることができる第２の位置との間で移動可能な弁要素と、
（ｃ）前記冷却材出口ポートを通って流れる冷却材のエネルギーを増加させる、前記第２のチャンバ内に設けられたポンプ要素と
を備え、
前記冷却材ポンピング・モジュールの前記ハウジングがポンプ制御装置のハウジングをさらに含み、前記ポンプ制御装置の前記ハウジングが前記冷却材ポンピング・モジュールの前記ハウジングと一体に形成された、冷却材ポンピング・モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱管理システムに使用する冷却材ポンピング・モジュール（coolant pumping module）に関し、特に、一体型冷却材ポンプおよび切換弁（diverting valve）または混合弁を備える冷却材ポンピング・モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
熱管理システムは、発熱構成要素の温度変調が必要とされる様々な用途に使用される。１つのそのような用途は燃料電池システムの熱管理であり、このシステムは、定置型か車載型かに関わらず、一般的に、温度変調を必要とする多数の発熱構成要素を含む。燃料電池システムは、それ自体の熱交換器、循環ポンプ（circulation pump）、混合弁、および／または切換弁をそれぞれ含んでもよい、１つまたは複数の伝熱回路（heat transfer circuit）を含む。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願第１１／６９５，９８５号
【発明の概要】
【０００４】
燃料電池システムの複雑さ、コスト、およびスペースの要件を低減するため、熱管理システムを構成する構成要素の数を減らすことが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
１つの態様では、本発明は、熱管理システム向けの冷却材ポンピング・モジュールを提供する。冷却材ポンピング・モジュールは、ハウジング、弁要素、およびポンプ要素を備える。ハウジングは、互いに一体に形成され、かつ接続路を介して流体連通している第１のチャンバおよび第２のチャンバを規定する。ハウジングは、第１のチャンバと連通するようにして設けられた冷却材入口ポートと、第２のチャンバと連通するようにして設けられた冷却材出口ポートとを有し、また、ハウジングは、第１のチャンバと流体連通しているバイパス入口ポートおよびバイパス出口ポートを有する。弁要素は、第１のチャンバ内に設けられ、冷却材入口ポートと接続路との間の冷却材流を弁要素が少なくとも部分的に阻害する第１の位置と、冷却材入口ポートと接続路との間での流体流の増加が許容される第２の位置との間で移動可能である。ポンプ要素は、冷却材出口ポートを通って流れる冷却材のエネルギーを増加させるため、第２のチャンバ内に設けられる。
【０００６】
以下に、単に一例として、添付図面を参照して本発明を記載する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】ポンプ・ハウジングおよび外部放熱器と組み合わせて、本発明の第１の実施形態による冷却材ポンピング・モジュールを示す斜視図である。
【図２】分離した形で示される図１の冷却材ポンピング・モジュールの底面斜視図である。
【図３】図１の冷却材ポンピング・モジュールの側面図である。
【図４】ポンプ・ハウジングと組み合わせて図１の冷却材ポンピング・モジュールを示し、かつ開状態にある弁を示す部分断面側面図である。
【図５】弁が閉状態にある図１の冷却材ポンピング・モジュールを示す部分断面側面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態による冷却材ポンピング・モジュールの底面斜視図である。
【図７】図６の冷却材ポンピング・モジュールの側面斜視図である。
【図８】弁２６を省略した、図６の線８−８’に沿った断面図である。
【図９】本発明の第３の実施形態による冷却材ポンピング・モジュールを示す部分断面側面図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態による冷却材ポンピング・モジュールの側面斜視図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態による冷却材ポンピング・モジュールの側面斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図１〜５は、本発明の第１の実施形態による冷却材ポンピング・モジュール１０を示す。冷却材ポンピング・モジュール１０は、第１のチャンバ１６を規定する第１の部分１４と、第２のチャンバ２０を規定する第２の部分１８とで構成されるハウジング１２を備える。ハウジング１２は、好ましくは、金属または非金属材料から一体的に形成される。適切な非金属材料としては耐熱ポリマー材料が挙げられる。ハウジング１２の第１の部分１４および第２の部分１８は、ウェブ部分４、６、および８によって接続されてもよい。
【０００９】
ハウジング１２の第１の部分１４、および第１のチャンバ１６は、図面中ではほぼ円筒状であるものとして示されるが、実際には必ずしもそうではない。より正確に言えば、ハウジング１２の第１の部分１４、およびチャンバ１６は、用途と使用される弁のタイプとに応じて可変の形状であってもよい。ほぼ円筒状のチャンバ１６は第１の軸線Ａを規定する。
【００１０】
ハウジング１２の第１の部分１４は、冷却材導管（図示なし）に接続するための冷却材入口取付具２４を備えた、冷却材入口ポート２２を備えた第１の端部を有する。冷却材ポンピング・モジュール１０が燃料電池システム（図示なし）に使用される場合、冷却材入口ポート２２は、冷却材を燃料電池スタック（図示なし）から直接または間接的に受け入れる。第１の実施形態による冷却材ポンピング・モジュール１０では、冷却材入口取付具２４は軸線Ａに平行に整列され、したがって、冷却材は第１のチャンバ１６に入る際に軸線Ａに沿って流れる。
【００１１】
ハウジング１２の第１の部分１４は、冷却材入口ポート２２の反対側に配置された、弁２６を受け入れる第２の端部を有する。弁２６は、アクチュエータ２８と、軸線Ａに沿って延びるとともにアクチュエータ２８によって作動する弁軸３０と、弁軸３０上に設けられるとともに、第１のチャンバ１６の内壁に形成された肩部３６を備えてもよい弁座と係合および係脱するように弁軸３０によって移動可能な弁要素３２とを備えるものとして、図４および５に概略的に示される。弁要素３２は、弁２６の適切な見当合わせを維持するように、流体流路３８内部に緊密に受け入れられる中空の弁体部分を有してもよい。冷却材ポンピング・モジュール１０では、肩部３６は、第１のチャンバ１６の内部を、第１の直径を有する流体流路３８と、第２のより大きな直径を有する弁チャンバ４０との２つの部分に分割する。この種の線形的に作動する弁の好ましい形態は、２００７年４月３日出願の米国特許出願第１１／６９５，９８５号に記載されており、該出願の全体を参照により本明細書に組み込む。
【００１２】
弁２６は、上述したような線形的に作動する弁を含んでもよいが、代替のタイプの弁構造、例えばフラッパ弁を使用するのが好ましいことがある。また、アクチュエータ２８が、ソレノイドなどの電子アクチュエータを含んでもよいことが理解されるであろう。ソレノイドの動作は、電気制御装置（図示なし）によって制御されてもよく、電気制御装置は１つまたは複数の温度センサからの温度情報を好ましくは受け取ってもよく、温度センサは、冷却材ポンピング・モジュール１０と一体であってもよく、また熱管理システム内のいずれかの位置に配置されてもよい。あるいは、アクチュエータ２８は、筒に収容され、拡張することによって弁軸３０および弁要素３２を動かす、ワックスなどの感熱材料を含んでもよい。
【００１３】
ハウジング１２は、第１のチャンバ１６の内部、より具体的にはその弁チャンバ４０と連通する第１の端部と、第２のチャンバ２０の内部と連通する第２の端部とを有する接続路４２をさらに備える。接続路４２は、直線の円筒状通路であり、第１のチャンバ１６と第２のチャンバ２０との間を通過する冷却材の圧力降下を最小限に抑えるように、適切な直径と最小限の長さとを有するものである。接続路４２は、好ましい冷却材ポンピング・モジュール１０では軸線Ａに垂直な、第２の軸線Ｂを規定する。さらに、接続路４２の第１の端部は、軸線Ａに沿って冷却材入口ポート２２から間隔を空けている。冷却材ポンピング・モジュール１０では、接続路は、ハウジング１２の第１の部分１４および第２の部分１８を接続する中間のウェブ６を通って延びる。
【００１４】
第１のチャンバ１６はまた、円筒状の出口取付具４６を備えたバイパス出口ポート４４と、円筒状の入口取付具５０を備えたバイパス入口ポート４８とを備える。バイパス出口ポート４４およびバイパス入口ポート４８は、放熱器５２などの外部熱交換器と流体連通している。図１の点線５４および５６は、放熱器取付具と第１のチャンバ１６のバイパス取付具４６および５０とに接続される導管を表す。取付具４６および４８、導管５４および５６、ならびに放熱器５２は併せてバイパス回路を構成する。
【００１５】
バイパス出口ポート４４は、第１のチャンバ１６の流体流路３８と流体連通しており、冷却材入口ポート２２と弁要素３２の肩部３６との間で軸線Ａに沿って配置される。したがって、弁２６は、弁２６の配置に関わらず、冷却材入口ポート２２とバイパス出口ポート４４との間の冷却材の流れを阻害しない。しかし、図４に示されるように弁が全開位置にある場合、弁要素３２はバイパス入口ポート４８と接続路４２との間の冷却材の流れを完全に阻害し、したがって、弁が全開のとき、冷却材はバイパス回路を全く流れない。
【００１６】
図４に示されるように弁２６が全開位置にあると、冷却材は全て、入口ポート２２から、第１のチャンバ１６の流体流路３８および弁チャンバ４０を通って流れる。冷却材は、中空の弁体３２に入り、そのアパーチャを通って流れ、接続路４２を通って流れるように方向を変え、第２のチャンバ２０に流れ込む。弁２６は、燃料電池システムの初期起動の間、それが正常運転温度に暖まるまで、完全にまたは部分的に開いていてもよい。弁２６が部分的に開いていると、流れの一部はバイパス回路を通るが、特に初期起動の際に冷却材が低温で比較的粘性であるとき、放熱器によって生じる流動抵抗が増加するため、冷却材のほとんどは、第１のチャンバ１６を通って接続路４２に流れ込み続ける。
【００１７】
弁２６が作動すると、弁要素３２は、弁２６を部分的にまたは完全に閉じるため、図４の全開配置から図５に示される配置に向かって動く。図５に示される全閉配置では、弁要素３２の環状フランジが肩部３６を係合し、冷却材入口ポート２２と接続路４２との間の、流体流路３８および弁チャンバ４０を通る直接的な流体連通が阻害される。これによって、冷却材流が全てバイパス回路を通るように方向付けられる。弁要素３２はまた、弁が作動している間は開いて、バイパス入口ポート４８と接続路４２との間の直接的な流体連通を可能にし、それによってバイパス回路を通る流れを可能にする、第１のチャンバ１６内に配置された部分を含む。弁２６の特定の動作は、上述の米国特許出願第１１／６９５，９８５号により具体的に記載されている。
【００１８】
弁要素３２が、図４および５に示される位置の中間のあらゆる位置に配置されるように、弁２６を作動させることができることが理解されるであろう。したがって、弁要素３２のアパーチャの孔面積は、アパーチャを通って流れる冷却流体の割合を調節し、結果としてバイパス回路を通って流れる冷却材の割合を調節するように変えることができる。
【００１９】
ハウジング１２の第２の部分１８、およびそれによって規定される第２のチャンバ２０は、図面中ではほぼ円筒状であるものとして示されるが、実際には必ずしもそうではなく、用途と冷却材ポンピング・モジュールに使用されるポンプのタイプとに応じて変わる。図２に示されるように、ハウジング１２の第２の部分１８と第２のチャンバとはポンプ５８の頂部を規定する。ポンプ５８は、冷却材がポンプ５８に入ったあとにそれを加速するインペラ（図示なし）を有する遠心ポンプを備えてもよい。インペラは、下側端部が閉じており、上側端部では第２のチャンバ２０に向かって開いている円筒状ハウジング６０内に封入される。インペラは、第２の軸線Ｂと同軸の回転軸を有する。ポンプ５８のハウジング６０内には、ポンプ・モータ（図示なし）およびモータ制御装置（図示なし）も封入される。
【００２０】
図２に示されるように、冷却材は第２の軸線Ｂに沿って流れ、第２のチャンバ２０に入る際にポンプ・インペラによってエネルギーを与えられる。冷却材は、インペラによって加速されることによって半径方向外向きに流れて、環状の渦形室（volute chamber）６２に入り、次に、冷却材出口ポート６４を通って冷却材ポンピング・モジュール１０から流れ出る。出口ポート６４は、ハウジング１２の第２の部分１８から接線方向に延び、冷却材がそこを通って伝熱回路に戻される円筒状の冷却材出口取付具６６を備える。
【００２１】
ハウジング１２の第２の部分１８の外面は、第２の軸線Ｂに平行に延びるボアをそれぞれ有する複数の出張り（lug）６８を備える。図１に示されるように、ハウジング１２のこれらの出張り６８は、ボア（図示なし）をやはり備えたポンプ・ハウジング６０の出張り７０と整列する。これらの出張り６８および７０は、ボアを通って延びて、ポンプ・ハウジング６０および第２のチャンバ２０をともに保持する、ねじまたはボルト（図示なし）などの締結具を用いて、円筒状ハウジング６０を第２のチャンバ２０に締結する手段となる。ポンプ・ハウジング６０を第２のチャンバ２０に固定するため、代替手段が使用されてもよいことが理解されるであろう。
【００２２】
冷却材ポンピング・モジュール１０が中に設置される伝熱回路の特定の構成に応じて、冷却材ポンピング・モジュール１０は複数の発熱構成要素に接続されてもよい。例えば、冷却材入口ポート２２は燃料電池スタックの冷却材出口ポートから冷却材を受け入れてもよく、冷却材出口ポート６４は燃料電池スタックの冷却材入口ポートに接続されてもよい。燃料電池スタックに接続されることに加えて、冷却材ポンピング・モジュール１０は、別の熱交換器、フィルタ、または発熱構成要素など、燃料電池システムの少なくとも１つの他の構成要素の入口および出口にも接続されてもよい。この目的のため、冷却材ポンピング・モジュール１０は、円筒状の入口取付具７４を備えた少なくとも１つの補助入口ポート７２と、円筒状の出口取付具７８を備えた少なくとも１つの補助出口ポート７６とを有する。補助入口ポート７２および補助出口ポート７６は図３に示されている。
【００２３】
冷却材ポンピング・モジュール１０では、補助入口ポート７２は、接続路４２の円筒状の側壁に設けられ、第２の軸線Ｂに垂直な方向で延びる。補助出口ポート７６は、渦形室６２と冷却材出口取付具６６との間に配置された冷却材出口ポート６４の位置で、ハウジング１２の第２の部分１８に設けられる。補助出口ポート７６および取付具７８は、冷却材出口ポート６４を通る冷却材の流れに垂直な方向で延びる。図面に示される、補助入口ポート７２および補助出口ポート７６ならびにそれらに関連する取付具７４および７８の特定の位置および向きは、本発明に必須のものではない。より正確に言えば、それらの位置および向きは図面に示されるものとは変えることができることが理解されるであろう。ただし、補助出口ポート７６および取付具７８は、冷却材ポンピング・モジュール１０の高圧側に、すなわちポンプ渦形室６２と出口ポート６４との間でポンプ５８の外側に配置されることが好ましい。また、補助入口ポート７２および取付具７４は、冷却材ポンピング・モジュール１０の低圧側に、すなわち冷却材入口ポート２２とポンプ渦形室６２との間でポンプ５８の上流側に配置されることが好ましい。
【００２４】
補助入口ポート取付具７４および補助出口ポート取付具７８は、冷却材ポンピング・モジュール１０を、第２の発熱構成要素、フィルタ、または熱交換器など、熱管理システムの別の構成要素に接続する。出口ポート６４を通って流れる冷却材の一部分は、補助出口ポート７６および取付具７８を通して他の構成要素に分流され、補助入口ポート７２および取付具７４において主要な冷却材流に戻されて、接続路４２に入る。冷却材ポンピング・モジュール１０が接続される他の構成要素が発熱構成要素の場合、補助入口ポート７２および取付具７４は、好ましくは、ハウジング１２の第１の部分１４内で冷却材入口ポート２２に隣接して、すなわちバイパス出口ポート４４の上流側に配置されてもよいので、弁２６の配置に応じて、発熱構成要素からの冷却材は放熱器５２によって冷却されてもよい。
【００２５】
燃料電池システムの常温起動の間、熱管理システム内を循環する冷却材を加熱して、システムを所望の運転温度まで迅速に加熱する助けとすることが望ましい。冷却材は、冷却材ポンピング・モジュール１０の外部に配置された電気ヒーターによって加熱することができるが、冷却材は、ポンプを通って流れる冷却材流を低減することによって作られてもよい圧力水頭に対抗してポンプ・インペラを旋回させることによって、少なくとも部分的に加熱することができる。ポンプの出口からの冷却材流を制限する様々な手段を使用することができる。例えば、オリフィス・バイパス管路または電子弁を設けて、ポンプが起動中に旋回している間の冷却材流を限定することによって、流れを制限することができる。バイパス管路は、冷却材ポンピング・モジュール１０のハウジング１２の内部または外部に配置することができる。
【００２６】
図６〜８は、本発明の第２の実施形態による冷却材ポンピング・モジュール１１０を示す。冷却材ポンピング・モジュール１１０は、上述の冷却材ポンピング・モジュール１０に類似しており、冷却材ポンピング・モジュール１１０の類似の構成要素は類似の参照番号によって特定される。冷却材ポンピング・モジュール１１０は、冷却材ポンピング・モジュール１１０を通って流れる冷却材の一部分をろ過する手段を備えている点で、冷却材ポンピング・モジュール１０と異なる。この目的のため、冷却材ポンピング・モジュール１１０は、円筒状の側壁８１、閉じた底部８２、および取外し可能なねじ式キャップ８４によって閉じられる開いた頂部８３（図８）を有するハウジング８０を有するフィルタを備える。フィルタ・ハウジング８０はフィルタ要素８５（図８に部分的に示される）を収容し、フィルタ要素は、図８の矢印８７によって示されるように、好ましくは、ハウジング８０の開いた頂部８３を介して取外し可能かつ交換可能である。フィルタは、好ましくは、脱イオン化フィルタおよび／または微粒子フィルタを含んでもよい。
【００２７】
フィルタ・ハウジング８０の側壁８１および底部８２は、冷却材ポンピング・モジュール１０のハウジング１２に固定され、また、フィルタ・ハウジング８０は好ましくはハウジング１２と一体に形成される。フィルタ・ハウジング８０は矢印８７に平行な長手方向軸線を有する。フィルタ・ハウジング８０の軸線は、冷却材ポンピング・モジュール１０に関して上述した第１の軸線Ａに垂直であり、かつ第２の軸線Ｂに平行である。ただし、図面に示されるフィルタ・ハウジングの特定の向きは、本発明には必須ではないことが理解されるであろう。より正確に言えば、フィルタ・ハウジング８０の向きは、好ましくは小型のサイズを維持しながら、任意の特定の用途の要件を満たすように、必要に応じて変えることができる。例えば、フィルタ・ハウジング８０の軸線は、第１の軸線Ａに平行で、かつ第２の軸線に垂直であってもよく、または、フィルタ・ハウジングの軸線は軸線ＡおよびＢの両方に平行であってもよい。
【００２８】
フィルタ・ハウジング８０は、図８で両方とも見ることができる、フィルタ入口通路８６およびフィルタ出口通路８８を備える。冷却材ポンピング・モジュール１０を通って流れる冷却材の一部分は、両端で開いており、かつ冷却材ポンピング・モジュール１０の高圧側からフィルタ・ハウジング８０の底部８２にある中央開口部９４まで延びるフィルタ入口通路８６を通って、フィルタ・ハウジング８０に入る。中央開口部は、ハウジング８０内部でフィルタ要素８５を心出しする助けとなる側壁９６に取り囲まれてもよい。好ましくは、図８に示されるように、フィルタ入口通路８６は、ポンプ渦形室６２と出口ポート６４との間でポンプ５８の出口側に配置されたアパーチャ９８を介して、モジュール１０の高圧側からの冷却材を受け入れる。フィルタ入口通路８６は、好ましくは、フィルタ・ハウジング８０の底部８２と冷却材ポンピング・モジュール１０のハウジング１２との間を延びる、材料１００のリブまたはウェブ内に封入される。しかし、フィルタ入口通路８６は、その代わりに、フィルタ・ハウジング８０および冷却材ポンピング・モジュール１０のハウジング１２の外部に配置されてもよいことが理解されるであろう。
【００２９】
冷却材は、開口部９４を通ってフィルタ・ハウジング８０の内部に入ると、フィルタ要素８５を通って、フィルタ要素８５とフィルタ・ハウジング８０の側壁８１との間の環状チャンバ内へと半径方向外向きに流れる。フィルタ出口通路８８は、両端で開いており、かつフィルタ・ハウジング８０の側壁８１に配置された開口部１０２から、冷却材ポンピング・モジュール１０の低圧側に配置されたアパーチャ１０４まで延びる。したがって、環状チャンバ内にあるろ過された冷却材は、アパーチャ１０２を通ってフィルタ出口通路８８に入り、通路８８を通って冷却材ポンピング・モジュール１０の低圧側へと流れる。アパーチャ１０４は、好ましくは、冷却材入口ポート２２とポンプ渦形室６２との間のポンプ５８の入口側に配置される。図面に示されるように、アパーチャ１０４は接続路４２の側壁に配置されてもよい。フィルタ出口通路８８は、好ましくは、一体に形成されたフィルタ・ハウジング８０およびハウジング１２の第１の部分１４を含む材料内に封入される。ただし、フィルタ出口通路８６は、その代わりに、フィルタ・ハウジング８０および冷却材ポンピング・モジュール１０のハウジング１２の外部に配置されてもよいことが理解されるであろう。
【００３０】
冷却材ポンピング・モジュール１０を通る冷却材の全流量の一部分のみが、フィルタを通って流れるように分流されることが理解されるであろう。フィルタを通る冷却材流の量は、フィルタ入口通路８６およびフィルタ出口通路８８ならびに／またはそれらに関連する開口部９４、９８、１０２、および１０４の直径を調節することによって調節することができる。フィルタを通る冷却材流を増加させることは、冷却材ポンピング・モジュール１０の圧力降下全体を増加させる効果を有するので、フィルタを通る流量の調節は、冷却材ポンピング・モジュール１０の両端間の圧力降下全体を制御する限定的な手段となる。発明者らは、冷却材流の５〜２５％をフィルタへ分流することで、冷却材ポンピング・モジュール１０の両端間の圧力降下を容認できないレベルまで増加させることなく、適切なろ過性能が得られることを見出している。
【００３１】
冷却材ポンピング・モジュール１０はまた、モジュール１０を通って流れる冷却材の温度を感知する手段を備えてもよい。好ましくは、温度は、冷却材バイパス回路の上流側にある第１の地点に配置された１つの温度センサと、バイパス回路の下流側にある第２の地点に配置された別の温度センサとの少なくとも２つの温度センサによって感知される。例えば、図面に示されるように、第１の温度センサは、入口取付具２４の直ぐ下流側にある、ハウジング１２の第１の部分１４に配置されたアパーチャ９０を介して、モジュール１０を通って流れる冷却材と接触していてもよい。第２の温度センサは、冷却材出口取付具６６の直ぐ上流側にある冷却材出口ポート６４に近接して配置されたアパーチャを通る、モジュール１０内の冷却材と接触していてもよい。地点９０および９２など、冷却材バイパス回路の上流側および下流側に温度センサを配置することによって、冷却材ポンピング・モジュール１０の両端間の温度差を測定できるようになる。温度センサによって集められた温度データは、弁２６および／またはポンプ５８の動作を制御する１つまたは複数の電子制御装置（図示なし）に送信されてもよい。例えば、電子制御装置は、弁２６の作動を制御して、バイパス回路を通る冷却材の流量を変化させ、それによって、冷却材ポンピング・モジュール１０を出る冷却材の温度に対する制御の基準を提供するように動作させることができる。
【００３２】
同様に、冷却材ポンピング・モジュール１０は、モジュール１０を通って流れる冷却材の圧力を感知する手段を備えることができる。好ましくは、圧力は、冷却材ポンピング・モジュール１０の低圧側に配置された１つの圧力センサと、冷却材ポンピング・モジュール１０の高圧側に配置された第２の圧力センサとの少なくとも２つの圧力センサによって感知される。アパーチャ９０および９２は、圧力センサに適した位置も提供してもよい。具体的には、第１の圧力センサは、モジュール１０の低圧側に配置されたアパーチャ９０を介して、モジュール１０を通って流れる冷却材と接触していてもよく、第２の圧力センサは、モジュール１０の高圧側に配置されたアパーチャ９２を介して、モジュール１０内の冷却材と接触していてもよい。地点９０および９２に圧力センサを配置することによって、冷却材ポンピング・モジュール１０の両端間の圧力差を測定できるようになる。圧力センサによって集められた圧力データは、ポンプ５８の動作を制御する１つまたは複数の電子制御装置（図示なし）に送信されてもよい。例えば、電子制御装置は、冷却材ポンピング・モジュール１０を出る冷却材の圧力を制御するため、ポンプ速度を変えるように動作することができる。
【００３３】
図９は、本発明の第３の実施形態による冷却材ポンピング・モジュール２１０を示す。冷却材ポンピング・モジュール２１０は、上述の冷却材ポンピング・モジュール１０および１１０に類似しており、冷却材ポンピング・モジュール２１０の類似の構成要素は類似の参照番号によって特定される。冷却材ポンピング・モジュール２１０は、弁チャンバ１６によって規定される第１の軸線Ａが接続路４２によって規定される第２の軸線Ｂに平行であるが、冷却材ポンピング・モジュール１０および１１０の場合、軸線ＡおよびＢは互いに垂直であるという点で、冷却材ポンピング・モジュール１０および１１０とは異なる。
【００３４】
図９は、弁２６が全開位置にある冷却材ポンピング・モジュール２１０を示す。この配置では、冷却材は全て、冷却材バイパス回路を通って流れることなく、入口ポート２２から、弁要素３２のアパーチャを通り、ポンプ５８の接続路４２を通って流れる。これは、図４に示される冷却材ポンピング・モジュール１０の構成と類似している。冷却材ポンピング・モジュール２１０の弁２６は、初期起動の間、燃料電池システムが所望の運転温度に達するまで、完全または部分的に開いた配置であってもよい。システムが暖まるにつれて、アクチュエータ２８は、肩部３６と係合する方向に向かって弁要素３２を動かして、入口ポート２２から接続路４２への冷却材の直接流を部分的または完全に阻害する。そのため、より多量の冷却材がバイパス回路を通って循環し、バイパス出口ポート４４を通って冷却材ポンピング・モジュール２１０を出て、バイパス入口ポート４８を通って戻る。
【００３５】
図９には示されていないが、冷却材ポンピング・モジュール２１０は、図６〜８を参照して上述したような冷却材をろ過する手段を備えてもよい。冷却材ポンピング・モジュール２１０はまた、冷却材ポンピング・モジュール１０および１１０を参照して上述したように、少なくとも１つの補助入口ポートおよび少なくとも１つの補助出口ポートを備えて、熱交換器、フィルタ、および／または発熱構成要素を含む燃料電池システムの他の構成要素を通して冷却材を循環させてもよい。さらに、冷却材ポンピング・モジュール２１０は、冷却材ポンピング・モジュール１０および１１０を参照して上述したように、温度センサおよび／または圧力センサを備えてもよい。
【００３６】
図１０および１１は、本発明の第４の実施形態による冷却材ポンピング・モジュール３１０を示す。冷却材ポンピング・モジュール３１０は、上述の冷却材ポンピング・モジュール１１０に類似しており、冷却材ポンピング・モジュール３１０の類似の構成要素は類似の参照番号によって特定される。冷却材ポンピング・モジュール３１０は、冷却材ポンピング・モジュール３１０のハウジング１２と一体に形成されたポンプ制御装置（図示なし）用のハウジング１２０を含むという点で、冷却材ポンピング・モジュール１１０とは異なる。本明細書に記載される他の実施形態では、ポンプ制御装置は、ポンプ・モータとともにポンプ・ハウジング６０内に収容される。ハウジング１２０へのポンプ制御装置の再配置によって、ポンプ制御装置の流体冷却が維持されるとともに、ポンプ・ハウジング６０のサイズを低減することが可能になる。この特徴により、冷却材ポンピング・モジュールを特定の空間的要件に適応させる助けとなる設計上の自由度が付加される。
【００３７】
冷却材ポンピング・モジュール３１０は、他の多数の観点においても、本明細書に記載される他の冷却材ポンピング・モジュールと異なる。例えば、冷却材ポンピング・モジュール３１０は、空間的要件によって規定されるように、冷却材入口ポート２２および冷却材出口ポート６４が両方ともモジュール・ハウジング１４の平坦面１２２に配置される。
【００３８】
特定の実施形態を参照して本発明を記載してきたが、本発明はそれらに制限されるものではない。より正確に言えば、本発明は、以下の請求項の範囲内にあってもよいすべての実施形態を発明の範囲内に含む。
【符号の説明】
【００３９】
１０  冷却材ポンピング・モジュール
１２  ハウジング
１４  第１の部分
１６  第１のチャンバ
１８  第２の部分
２０  第２のチャンバ
２２  冷却材入口ポート
２６  弁
２８  アクチュエータ
３０  弁軸
３２  弁要素
３６  肩部
３８  流体流路
４０  弁チャンバ
４２  接続路
４４  バイパス出口ポート
４８  バイパス入口ポート
５８  ポンプ
６０  ハウジング
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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