(57)【要約】      （修正有）【課題】温度調整対象の温度調整を行うために冷熱を生成する車両用温度調整装置において、冷熱生成時に発生する騒音や振動を低減する。【解決手段】環状の入力ループ配管１００と、環状の出力ループ配管１０１と、入力ループ配管１００および出力ループ配管１０１を接続する接続配管１０２とを有し、音響エネルギーを伝達可能な作動媒体を内部に有する配管１００〜１０２と、入力ループ配管１００に設けられ、入力された熱エネルギーを音響エネルギーに変換する入力部１０３、１０４と、出力ループ配管１０１に設けられ、入力部１０３、１０４で生成した音響エネルギーが伝達されることで温度勾配が形成され、温度勾配に基づいて音響エネルギーを熱エネルギーに変換する出力部１０５と、出力部１０５で生成した熱エネルギーを温度調整対象１１に伝える熱伝達部１２とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両で生成した熱エネルギーを用いて温度調整対象（１１、１９）の温度調節を行う車両用温度調整装置であって、
環状の入力ループ配管（１００）と、環状の出力ループ配管（１０１）と、前記入力ループ配管および前記出力ループ配管を接続する接続配管（１０２）とを有し、音響エネルギーを伝達可能な作動媒体を内部に有する配管（１００〜１０２）と、
前記入力ループ配管（１００）に設けられ、入力された熱エネルギーを音響エネルギーに変換する入力部（１０３、１０４）と、
前記出力ループ配管（１０１）に設けられ、前記入力部で生成した音響エネルギーが伝達されることで温度勾配が形成され、前記温度勾配に基づいて音響エネルギーを熱エネルギーに変換する出力部（１０５）と、
前記出力部で生成した熱エネルギーを前記温度調整対象に伝える熱伝達部（１２、１８、２１）とを備える車両用温度調整装置。
【請求項２】
前記出力部は、前記温度勾配に基づいて冷熱を生成し、前記熱伝達部は、前記出力部で生成した冷熱を前記温度調整対象に伝える請求項１に記載の車両用温度調整装置。
【請求項３】
前記出力部は、前記温度勾配に基づいて冷熱および温熱を生成し、
前記熱伝達部は、前記出力部で生成した冷熱および温熱を切り替えて前記温度調整対象に伝える請求項１に記載の車両用温度調整装置。
【請求項４】
前記温度調整対象はバッテリ（１１）である請求項１ないし３のいずれか１つに記載の車両用温度調整装置。
【請求項５】
前記温度調整対象は車室内空間（１９）である請求項１ないし４のいずれか１つに記載の車両用温度調整装置。
【請求項６】
前記熱伝達部はヒートパイプ（１２、１８）である請求項１ないし５のいずれか１つに記載の車両用温度調整装置。
【請求項７】
前記熱伝達部は冷却水回路（２１）である請求項１ないし５のいずれか１つに記載の車両用温度調整装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両用温度調整装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両で生成した熱エネルギーを用いる車両用温度調整装置として、車両用エアコンで使われる蒸気圧縮サイクルで生成した冷熱を利用してバッテリを冷却する装置が提案されている（特許文献１参照）。この車両用温度調整装置は、蒸気圧縮サイクルの低温冷媒と熱交換させた冷却水をバッテリに導き、バッテリの冷却を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１８９１１８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、上記特許文献１の構成では、バッテリ冷却のために、蒸気圧縮サイクルの圧縮機を作動させ、配管内に冷媒を循環させる必要がある。このため、圧縮機の作動に伴う騒音や振動、あるいは冷媒が配管を通過する際の通過音が発生する。特に電気自動車やプラグインハイブリッド自動車で、家庭用電源からバッテリに充電するような場合には、蒸気圧縮サイクルで発生する騒音や振動が目立ってしまう。
【０００５】
本発明は上記点に鑑み、車両で生成した熱エネルギーを用いる車両用温度調整装置において、騒音や振動を低減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、車両で生成した熱エネルギーを用いて温度調整対象（１１、２１）の温度調節を行う車両用温度調整装置であって、環状の入力ループ配管（１００）と、環状の出力ループ配管（１０１）と、入力ループ配管および出力ループ配管を接続する接続配管（１０２）とを有し、音響エネルギーを伝達可能な作動媒体を内部に有する配管（１００〜１０２）と、入力ループ配管（１００）に設けられ、入力された熱エネルギーを音響エネルギーに変換する入力部（１０３、１０４）と、出力ループ配管（１０１）に設けられ、入力部で生成した音響エネルギーが伝達されることで温度勾配が形成され、温度勾配に基づいて音響エネルギーを熱エネルギーに変換する出力部（１０６）と、出力部で生成した熱エネルギーを温度調整対象に伝える熱伝達部（１２、１７、１８）とを備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、熱エネルギーから音響エネルギーへの変換と、音響エネルギーから熱エネルギーへの再変換を行う熱音響機関を用いることで、入力部から離れた出力部で熱エネルギーを生成でき、この熱エネルギーを用いて温度調整対象の温度調整を行うことができる。熱音響機関は、蒸気圧縮サイクルの圧縮機のような可動部品を持たないため、蒸気圧縮サイクルによって冷熱を生成する構成に比べて、騒音や振動を低減することができる。
【０００８】
また、本発明の熱音響機関は、２つのループ配管を接続配管で接続したダブルループ型として構成されているため、車両に搭載する際のレイアウトの自由度が高くなる。この結果、本発明の熱音響機関は、１つのループ配管で構成される場合に比較して、設計の自由度が高く、レイアウト変更にも柔軟に対応することができる。
【０００９】
なお、上記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】
【００１０】
【図１】第１実施形態の車両用温度調整装置の車両搭載状態を示す図である。
【図２】第１実施形態の車両用温度調整装置の構成を示す図である。
【図３】第１実施形態の出力ループ配管の構成を示す図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ断面図である。
【図５】第１実施形態の車両用温度調整装置による騒音低減効果を示す図である。
【図６】第２実施形態の出力ループ配管の構成を示す図である。
【図７】第３実施形態の車両用温度調整装置の車両搭載状態を示す図である。
【図８】第４実施形態の出力ループ配管の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図面を用いて説明する。本実施形態は、本発明の車両用温度調整装置をプラグインハイブリッド自動車に適用している。
【００１２】
図１に示すように、車両用温度調整装置は熱音響冷凍機１０を備えている。熱音響冷凍機１０は熱音響機関であり、熱音響現象によって冷熱を生成し、この冷熱によって車両に搭載されたバッテリ１１を冷却する。バッテリ１１は、図示しない走行用モータや補機類に電力供給可能となっている。
【００１３】
バッテリ１１は、充電時や放電時に発熱する。バッテリ１１が温度上昇すると、内部の抵抗が増大し、充電効率の悪化やバッテリ１１の劣化を招く。このため、バッテリ１１を適切に冷却する必要がある。
【００１４】
熱音響冷凍機１０で生成した冷熱は、ヒートパイプ１２を介してバッテリ１１に伝えられる。ヒートパイプ１２は内部に封入された作動流体の移動によって熱を伝達するようになっており、熱伝達部を構成している。ヒートパイプ１２の形状は任意に設定でき、棒形であってもループ形であってもよい。
【００１５】
バッテリ１１は、充電装置１５によって充電が行われる。充電装置１５には、充電端子１３に接続される外部の充電ケーブル１４を介して外部から電力が供給される。また、充電端子１３からコンバータ１６にも電力供給され、コンバータ１６から電気ヒータ１７に通電する。
【００１６】
次に、熱音響冷凍機１０について説明する。図２に示すように、熱音響冷凍機１０は、配管１００〜１０２を備えている。配管１００〜１０２は、中空状の筒状部材であり、密閉空間を構成している。配管１００〜１０２としては、例えば円筒形状のステンレス製配管を用いることができる。
【００１７】
配管１００〜１０２は、内部空間に作動流体が封入されている。配管１００〜１０２は、作動流体を介して音響エネルギーを伝達可能となっている。作動流体としては、１種類以上の気体、または気体と水等の液体との混合物を用いることができる。気体としては、例えばヘリウム、窒素、アルゴン等の低分子量の不活性ガスや空気を用いることができる。
【００１８】
配管１００〜１０２は、両端部が環状のループ配管１００、１０１となっており、２つのループ配管１００、１０１が接続配管１０２で接続されている。ループ配管１００、１０１は、入力ループ配管１００と、出力ループ配管１０１とからなる。接続配管１０２は共鳴管を構成している。つまり、本実施形態の熱音響冷凍機１０は、熱音響原動機用の入力ループ配管１００と熱音響冷凍機用の出力ループ配管１０１を接続配管１０２で接続したダブルループ型に構成されている。
【００１９】
入力ループ配管１００には、外部からエネルギーの入力が行われる入力部１０３、１０４が設けられている。入力部１０３、１０４は原動機であり、外部から入力された熱エネルギーを音響エネルギーに変換可能となっている。本実施形態では、入力ループ配管１００には２つの入力部１０３、１０４が直列的に設けられた多段構造となっている。入力部１０３、１０４で生成される音響エネルギーの伝達方向において、第１入力部１０３が上流側に位置し、第２入力部１０４が下流側に位置している。
【００２０】
これらの入力部１０３、１０４は同一の構成であり、高温熱交換部１０３ａ、１０４ａ、低温熱交換部１０３ｂ、１０４ｂ、スタック１０３ｃ、１０４ｃを備えている。これらは、入力ループ配管１００の長手方向に沿って配置されている。スタック１０３ｃ、１０４ｃの一端側に高温熱交換部１０３ａ、１０４ａが接続し、スタック１０３ｃ、１０４ｃの他端側に低温熱交換部１０３ｂ、１０４ｂが接続している。
【００２１】
高温熱交換部１０３ａ、１０４ａは、外部から熱エネルギーが入力可能となっている。本実施形態では、音響エネルギーの伝達方向の上流側に位置する第１入力部１０３の方が下流側に位置する第２入力部１０４よりも、温度勾配を大きくすることができるようになっている。
【００２２】
第１入力部１０３の高温熱交換部１０３ａには電気ヒータ１７が設けられており、電気ヒータ１７によって第１入力部１０３の高温熱交換部１０３ａが加熱される。第２入力部１０４の高温熱交換部１０４ａには、車両で発生する廃熱が供給される。廃熱としては、例えば図示しない内燃機関の排気熱を用いることができる。また、入力部１０３、１０４の低温熱交換部１０３ｂ、１０４ｂは、外気と熱交換可能となっている。
【００２３】
スタック１０３ｃ、１０４ｃには、温度境界層厚さと同程度以下の径を有する流路が多数形成されている。スタック１０３ｃ、１０４ｂとしては、例えばセラミックスハニカムのような細かい流路が設けられた構造体、あるいはステンレスメッシュのような目の細かい金網が積層された構造体等を用いることができる。
【００２４】
図２、図３に示すように、出力ループ配管１０１には、外部にエネルギーを出力する出力部１０５が設けられている。出力部１０５は受動機であり、音響エネルギーから熱エネルギーへの変換が行われる。出力部１０５は、上述した入力部１０３、１０４と同様の構成であり、高温熱交換部１０５ａ、低温熱交換部１０５ｂ、スタック１０５ｃを備えている。高温熱交換部１０５ａは外気と熱交換可能となっている。
【００２５】
図３、図４に示すように、ヒートパイプ１２の一端側は低温熱交換部１０５ｂと熱交換可能に接続されている。また、熱接続部３の他端側はバッテリ１１と熱交換可能に接続されている。このため、低温熱交換部１０５ｂとバッテリ１１との間は、ヒートパイプ１２によって熱の伝達が可能となっている。
【００２６】
次に、車両用温度調整装置の作動について説明する。入力ループ配管１００の入力部１０３、１０４では、高温熱交換部１０３ａ、１０４ａに外部から熱エネルギーが入力されることで、スタック１０３ｃ、１０４ｃに温度勾配が形成される。
【００２７】
入力部１０３、１０４のスタック１０３ｃ、１０４ｃでは、作動流体の流通方向に温度勾配が形成されることで、内部に存在する作動流体の圧縮、加熱、膨張、冷却が行われ、熱音響自励振動である音波が発生する。つまり、入力部１０３、１０４のスタック１０３ｃ、１０４ｃでは、熱エネルギーから音響エネルギーへの変換が行われる。
【００２８】
本実施形態では、複数の入力部１０３、１０４が設けられた多段構造となっている。このため、スタック１０３ｃ、１０４ｃに形成される温度勾配が小さい場合であっても、音響エネルギーへの変換が可能となる。また、本実施形態では、音響エネルギーの伝達方向の上流側に位置するスタック１０３ｃの方が下流側に位置するスタック１０４ｃよりも、形成される温度勾配を大きくすることで、入力部１０３、１０４全体でのエネルギー変換効率を向上させることができる。
【００２９】
入力ループ配管１００の入力部１０３、１０４で生成した音響エネルギーは、接続配管１０２を介して出力ループ配管１０１に伝達される。
【００３０】
出力部１０５のスタック１０５ｃでは、入力部１０３、１０４で生成した音響エネルギーが伝達されることで、両端に温度勾配が生じる。出力部１０５のスタック１０５ｃでは、低温熱交換部１０５ｂが設けられた一端側が高温熱交換部１０５ａが設けられた他端側よりも低温になる。つまり、出力部１０５のスタック１０５ｃでは、音響エネルギーから熱エネルギーの変換が行われ、冷熱が生成される。
【００３１】
出力部１０５のスタック１０５ｃで生成した冷熱は、低温熱交換部１０５ｂからヒートパイプ１２に伝えられ、熱伝導部３を介してバッテリ１１に伝達される。これにより、バッテリ１１が冷却される。
【００３２】
以上説明した本実施形態によれば、熱音響機関を用いることで、入力部１０３、１０４から離れた出力部１０５で冷熱を生成でき、この冷熱を用いてバッテリ１１の温度調整を行うことができる。熱音響冷凍機１０は、蒸気圧縮サイクルの圧縮機のような可動部品を持たない。このため、本実施形態によれば、蒸気圧縮サイクルによって冷熱を生成する構成に比べて、騒音や振動を低減することができる。具体的には、図５に示すように、本実施形態の熱音響冷凍機１０を用いてバッテリ冷却を行うことで、蒸気圧縮サイクルによってバッテリ冷却を行う場合に比較して、騒音を４ｄＢ程度低減することが可能となる。
【００３３】
また、本実施形態の熱音響冷凍機１０は、２つのループ配管１０、１０１を接続配管１０２で接続したダブルループ型として構成されている。このため、接続配管１０２の長さや形状等を任意に構成することで、熱音響冷凍機１０を車両に搭載する際のレイアウトの自由度が高くなる。この結果、本実施形態の熱音響冷凍機１０は、１つのループ配管で構成される熱音響冷凍機に比較して、設計の自由度が高く、レイアウト変更にも柔軟に対応することができる。
【００３４】
また、本実施形態の熱音響冷凍機１０は、入力部１０３、１０４を複数設けている。熱音響機関の熱効率はカルノー効率であり、スタック１０３ｃ、１０４ｃを多段構成とすることで発振開始温度を低くできることが知られている。このため、入力部１０３、１０４における入熱量を増やすことが可能であるため、蒸気圧縮サイクルに劣らない性能が確保できる。
【００３５】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。上記第１実施形態と同様の部分については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
【００３６】
図６に示すように、本第２実施形態では、出力ループ配管１０１に設けられた出力部１０５において、低温熱交換部１０５ｂとバッテリ１１を第１ヒートパイプ１２で接続し、高温熱交換部１０５ａとバッテリ１１を第２ヒートパイプ１８で接続している。第１ヒートパイプ１２を介して出力部１０５で生成した冷熱がバッテリ１１に伝達され、第２ヒートパイプ１８を介して出力部１０５で生成した温熱がバッテリ１１に伝達される。本第２実施形態では、出力部１０５で生成した温熱および冷熱を切り替えてバッテリ１１に伝達可能となっている。
【００３７】
これらのヒートパイプ１２、１８には、内部に封入された作動流体の移動を制限するバルブ１２ａ、１８ａが設けられている。第１ヒートパイプ１２で出力部１０５で生成した冷熱をバッテリ１１に伝達する場合には、第１ヒートパイプ１２のバルブ１２ａを開放し、第２ヒートパイプ１８のバルブ１８ａを閉鎖する。第２ヒートパイプ１８で温熱を伝達する場合には、第１ヒートパイプ１２のバルブ１２ａを閉鎖し、第２ヒートパイプ１８のバルブ１８ａを開放する。例えば、図示しない温度センサで検出したバッテリ１１の温度に基づいて、図示しない制御部によってバルブ１２ａ、１８ａの開閉制御を行うようにすればよい。
【００３８】
以上説明した本第２実施形態の構成によれば、出力部１０５で生成した冷熱でバッテリ１１を冷却することに加え、出力部１０５で生成した温熱によってバッテリ１１を加熱することが可能となる。バッテリ１１の温度が高すぎる場合には、出力部１０５で生成した冷熱によってバッテリ１１を冷却することで、バッテリ１１の劣化を避けることができる。また、バッテリ１１の温度が充電効率が高い温度よりも低温であるような場合には、出力部１０５で生成した温熱によってバッテリ１１を加熱することで、充電効率を向上させることができる。
【００３９】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。上記各実施形態と同様の部分については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
【００４０】
図７に示すように、本第３実施形態では、出力ループ配管１０１に設けられた出力部１０５の低温熱交換部１０５ｂに接続されたヒートパイプ１２が車室内空間１９まで延設されている。つまり、ヒートパイプ１２の一端側は出力部１０５の低温熱交換部１０５ｂに接続され、ヒートパイプ１２の他端側は車室内空間１９に接続されている。
【００４１】
ヒートパイプ１２の他端側近傍には、送風ファン２０が設けられている。送風ファン２０は、ヒートパイプ１２の他端側と熱交換した車室内空気を車室内空間１９の全体に供給することができる。
【００４２】
本第３実施形態の構成によれば、熱音響冷凍機１０で生成した冷熱によって車室内を冷房することができる。このような熱音響冷凍機１０を利用した車室内の冷房は、乗員が車両に乗り込む前に車室内の空調を開始するプレ空調等に好適に用いることができる。
【００４３】
本第３実施形態によれば、蒸気圧縮サイクルで生成した冷熱によって車内冷房する構成に比べて、騒音や振動を低減することができる。具体的には、図５に示すように、本実施形態の熱音響冷凍機１０を用いて車内冷房を行うことで、蒸気圧縮サイクルによって車内冷房を行う場合に比較して、騒音を１４ｄＢ程度低減することが可能となる。
【００４４】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。上記各実施形態と同様の部分については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
【００４５】
図８に示すように、本第４実施形態では、出力ループ配管１０１に設けられた出力部１０５の低温熱交換部１０５ｂとバッテリ１１を冷却水回路２１で接続している。冷却水回路２１が熱伝達部を構成している。冷却水回路２１には、熱媒体としての冷却水が循環可能となっている。冷却水回路２１には、冷却水を循環させるための循環ポンプ２２と、冷却水の熱をバッテリ１１に伝達するための熱交換部２３が設けられている。
【００４６】
本第４実施形態の構成によれば、出力部１０５で生成した冷熱は、冷却水回路２１を循環する冷却水を介してバッテリ１１に伝達される。このような構成によっても、熱音響冷凍機１で生成した冷熱によってバッテリ１１を適切に冷却することができる。本第４実施形態では、冷却水の循環ポンプ２２が可動部品として設けられているが、蒸気圧縮式サイクルの圧縮機に比較して、駆動時の騒音や振動を低減することができる。
【００４７】
また、本第４実施形態において、出力部１０５の低温熱交換部１０５ｂおよび高温熱交換部１０５ａに冷却水回路２１を接続し、低温熱交換部１０５ｂおよび高温熱交換部１０５ａの両方に冷却水が循環可能としてもよい。この場合には、流路切替弁などによって、冷却水の流路を低温熱交換部１０５ｂまたは高温熱交換部１０５ａのいずれかに切り替えるようにすればよい。流路切替弁の切替制御は、図示しない温度センサで検出したバッテリ１１の温度に基づいて、図示しない制御部が行うようにすればよい。
【００４８】
（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。
【００４９】
（１）上記各実施形態では、入力ループ配管１００に設けられた入力部１０３、１０４の低温熱交換部１０３ｂ、１０４ｂと、出力ループ配管１０１に設けられた出力部１０５の高温熱交換部１０５ａにおいて、外気と熱交換するように構成したが、これに限らず、冷却水と熱交換させるようにしてもよい。
【００５０】
（２）上記各実施形態では、入力ループ配管１００において、１段目の入力部１０３の方が２段目の入力部１０４よりも入力される熱エネルギーが大きくなるように構成したが、これに限らず、２つの入力部１０３、１０４の熱源を共通化して２つの入力部１０３、１０４に入力される熱エネルギーを同一にしてもよい。
【００５１】
（３）上記各実施形態では、入力ループ配管１００に複数の入力部１０３、１０４が設けられた多段構成としたが、これに限らず、入力ループ配管１００に１つの入力部が設けられた単段構成としてもよい。
【００５２】
（４）上記第３実施形態では、ヒートパイプ１２によって出力部１０５で生成した冷熱を車室内空間１９に伝達するように構成したが、ヒートパイプ１２に代えて、冷却水回路によって出力部１０５で生成した冷熱を車室内空間１９に伝達するように構成してもよい。
【００５３】
（５）上記第３実施形態では、出力部１０５で生成した冷熱を用いて車内冷房を行うように構成したが、これに限らず、出力部１０５で生成した冷熱を用いて車内冷房とバッテリ冷却を同時に行うように構成してもよい。
【符号の説明】
【００５４】
１０        熱音響冷凍機
１１        バッテリ（温度調整対象）
１２、１８  ヒートパイプ（熱伝達部）
１９        車室内空間（温度調整対象）
２１        冷却水回路（熱伝達部）
１００      入力ループ配管
１０１      出力ループ配管
１０２      接続配管
１０３      第１入力部
１０４      第２入力部
１０５      出力部
１０３ａ、１０４ａ、１０５ａ  高温熱交換部
１０３ｂ、１０４ｂ、１０５ｂ  低温熱交換部
１０３ｃ、１０４ｃ、１０５ｃ  スタック
【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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