(57)【要約】【課題】熱交換効率を確実に高めることのできる冷却システムを提供する。【解決手段】ポンプＰ１の駆動力により冷却水が循環する第一流路１１と、第一流路１１に配置された熱源Ｅと、第一流路１１に配置され、熱源Ｅで加熱された冷却水を気液分離する気液分離器３と、気液分離器３で分離された蒸気が流通する蒸気路１２と、蒸気路１２に配置された熱交換器４，５と、熱交換器４，５で蒸気が冷却されることにより生成される液体が流通する第二流路１３と、第二流路１３の液体を貯留する第一貯留部１４と、を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプの駆動力により冷却水が循環する第一流路と、
前記第一流路に配置された熱源と、
前記第一流路に配置され、前記熱源で加熱された前記冷却水を気液分離する気液分離器と、
前記気液分離器で分離された蒸気が流通する蒸気路と、
前記蒸気路に配置された熱交換器と、
前記熱交換器で前記蒸気が冷却されることにより生成される液体が流通する第二流路と、
前記第二流路の前記液体を貯留する第一貯留部と、を備えた冷却システム。
【請求項２】
前記第一貯留部で貯留された前記液体の少なくとも一部を前記第一流路に補充する補充機構をさらに備えた請求項１に記載の冷却システム。
【請求項３】
前記補充機構は、前記熱源が作動を開始したときに前記液体の少なくとも一部を前記第一流路に補充する請求項２に記載の冷却システム。
【請求項４】
前記補充機構は、前記第一貯留部の前記液体の水位が所定水位以上となったときに少なくとも前記液体の水位が前記所定水位となるまで前記液体を前記第一流路に補充する請求項２に記載の冷却システム。
【請求項５】
前記第一流路に配置され、前記第一流路の許容量を超える前記冷却水を貯留する第二貯留部と、
前記熱源の作動を開始してから所定時間経過後に、前記第二貯留部で貯留された前記冷却水の少なくとも一部を前記第一貯留部に移動させる移動機構と、をさらに備えた請求項１〜４のいずれか一項に記載の冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱源に冷却水を循環させる冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、エンジン（熱源）とラジエータ（熱交換器）とに冷却水（クーラント）を循環させる循環流路を有する冷却システムが知られている。この種の冷却システムでは、エンジンに冷却水を流通させた際に加熱された冷却水を、ラジエータで冷却する。このとき、冷却水の温度を蓄熱材で変化させて、冷却システムの熱交換効率を向上させる技術が開示されている（例えば、特許文献１−２参照）。
【０００３】
特許文献１の冷却システムは、上記循環流路に熱交換槽を設け、この熱交換槽に接続された蓄熱材タンクを備えている。この蓄熱材タンクにはパラフィンエマルジョンで構成される蓄熱材が収容されており、蓄熱材を熱交換槽に移動させて冷却水と熱交換する。
【０００４】
特許文献２の冷却システムは、上記循環流路に加えて、サブラジエータやヒータコア等に冷却水を循環させる別の循環流路を備え、これらの循環流路に共通の蓄熱器を配置している。この蓄熱器にはパラフィン系ワックスで構成される蓄熱材が収容されており、蓄熱材と冷却水との間で熱交換する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１６−１２８６７６号公報
【特許文献２】特開２０１６−１６５９１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の冷却システムは、冷却水と蓄熱材との間で熱交換する技術であり、冷却水の熱を蓄熱材に一旦移動させて蓄熱を行い、この蓄熱を冷却水の加熱又は冷却に利用するため、熱エネルギーロスが発生し易い。また、熱の移動媒体は液体で構成される冷却水および蓄熱材であるため、液体の有する熱容量によって冷却水と蓄熱材との間での熱交換に時間を要してしまう。これらにより、冷却システムの熱交換効率を高める上で、改善の余地がある。
【０００７】
そこで、熱交換効率を確実に高めることのできる冷却システムが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
冷却システムの特徴構成は、ポンプの駆動力により冷却水が循環する第一流路と、前記第一流路に配置された熱源と、前記第一流路に配置され、前記熱源で加熱された前記冷却水を気液分離する気液分離器と、前記気液分離器で分離された蒸気が流通する蒸気路と、
前記蒸気路に配置された熱交換器と、前記熱交換器で前記蒸気が冷却されることにより生成される液体が流通する第二流路と、前記第二流路の前記液体を貯留する第一貯留部と、を備えた点にある。
【０００９】
本構成では、熱源で加熱された冷却水は、気液分離器により濃縮された冷却水と蒸気とに分離される。このとき、第一流路を循環する濃縮された冷却水は蒸気に気化熱を奪われて冷却され、蒸気路を流通する蒸気は熱交換器によって冷却されて第二流路を流通する液体となる。つまり、冷却水自体が自らの温度を変化させる機能を有するので、従来のように別媒体の蓄熱材を用いる必要がなく、熱エネルギーロスの発生を防止することができる。
【００１０】
また、蒸気を用いて熱交換器と熱交換するため、蒸気の有する潜熱によって熱伝達が向上し、熱交換器との熱交換速度を高めることができる。このように、熱交換効率を確実に高めることのできる冷却システムを提供できた。
【００１１】
他の構成は、前記第一貯留部で貯留された前記液体の少なくとも一部を前記第一流路に補充する補充機構をさらに備えた点にある。
【００１２】
第一貯留部に貯留された液体は、熱交換器で冷却されているので温度が低い。本構成のように、熱交換器で冷却された第一貯留部の液体の少なくとも一部を第一流路に補充することにより、第一流路を循環する冷却水が冷却され、熱源の冷却効率を高めることができる。
【００１３】
他の構成は、前記補充機構は、前記熱源が作動を開始したときに前記液体の少なくとも一部を前記第一流路に補充する点にある。
【００１４】
本構成によれば、熱源始動時のように冷却水の温度が低い状況下において、第一貯留部で貯留された不凍液濃度の低い液体の少なくとも一部を、第一流路を循環する濃縮された冷却水に混合するので、希釈熱が発生して第一流路を循環する冷却水が加熱される。その結果、熱源の始動性を高めて、エネルギー損失を低減させることができる。
【００１５】
他の構成は、前記補充機構は、前記第一貯留部の前記液体の水位が所定水位以上となったときに少なくとも前記液体の水位が前記所定水位となるまで前記液体を前記第一流路に補充する点にある。
【００１６】
第一貯留部で貯留された液体は冷却水の蒸気から形成されるので、不凍液濃度が低い。第一貯留部の貯留水位が所定水位以上となったときに、不凍液濃度の低い液体を第一流路の濃縮された冷却水に補充すれば、第一流路を循環する冷却水の不凍液濃度を所定値以下に維持することが可能となる。その結果、気液分離器で所望の蒸気を発生させることが可能となり、気液分離効率を高めることができる。
【００１７】
他の構成は、前記第一流路に配置され、前記第一流路の許容量を超える前記冷却水を貯留する第二貯留部と、前記熱源の作動を開始してから所定時間経過後に、前記第二貯留部で貯留された前記冷却水の少なくとも一部を前記第一貯留部に移動させる移動機構と、をさらに備えた点にある。
【００１８】
本構成では、第一貯留部から補充された液体により第一流路に循環する冷却水量が多くなった場合でも、第一流路に設けられた第二貯留部によって第一流路の冷却水量が一定に維持される。その結果、第一流路の流体圧が適正に維持され、ポンプに過度な圧力がかかって破損するといった不都合を防止することができる。また、本構成のように、第二貯留部の濃縮された冷却水の少なくとも一部を第一貯留部に移動させることで、第一貯留部に貯留された液体の不凍液濃度が高まる。その結果、環境温度が低い状況下においても、該液体が凍結することなく、第一貯留部に貯留された液体を第一流路に補充することが可能となる。よって、第一貯留部に貯留された比較的低温の液体により、第一流路を循環する高温となった冷却水が冷却され、熱源の冷却効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】エンジンの冷却システムのブロック図である。
【図２】エンジン停止時の冷却システムを示す概略図である。
【図３】エンジン始動時の冷却システムを示す概略図である。
【図４】エンジン始動後の冷却システムを示す概略図である。
【図５】エンジン稼動中の冷却システムを示す概略図である。
【図６】冷却システムの制御フロー図である。
【図７】別実施形態に係る冷却システムを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、本発明に係る冷却システムの実施形態について、図面に基づいて説明する。本実施形態では、車両に備えられるエンジンＥを冷却水で冷却する冷却システムＸとして説明する。ただし、以下の実施形態に限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。
【００２１】
本実施形態の冷却システムＸに用いられる冷却水は、不凍液であるエチレングリコールに防錆剤等の薬剤を添加したＬＬＣ（ロングライフクーラント）を水に混合したものである。なお、冷却液は、ＡＦ（アンチフリーズ）でも良く特に限定されない。
【００２２】
図１に示すように、冷却システムＸは、内燃機関としてのエンジンＥ（熱源の一例）と、ＡＴＦ等のオイルを冷却するオイルクーラ１と、ＥＧＲクーラ２と、気液分離器３と、車内に温風を発生させるヒータコア４（熱交換器の一例）と、ラジエータ５（熱交換器の一例）と、ＥＣＵ（エンジン制御ユニット）として機能する制御部６とを備えている。気液分離器３は、耐熱性および耐薬剤性を有する樹脂やゴム等で構成される中空糸膜を有しており、エンジンＥ等の熱源で加熱された冷却水を、蒸気と濃縮された冷却水とに気液分離する装置である。
【００２３】
また、冷却システムＸは、第一ウォータポンプＰ１（ポンプの一例）の駆動力により冷却水が循環する第一流路１１と、気液分離器３で分離された蒸気が流通する蒸気路１２と、ラジエータ５等の熱交換器で蒸気が冷却されることにより生成される液体が流通する第二流路１３と、第二流路１３の液体を貯留する第一貯留部１４とを備えている。さらに、第一流路１１には、第一流路１１の許容量を超える冷却水を貯留する第二貯留部１５が配置されている。
【００２４】
第一流路１１には、第一ウォータポンプＰ１と、エンジンＥと、気液分離器３と、水温センサＳと、第二貯留部１５と、オイルクーラ１及びＥＧＲクーラ２と、が冷却水の循環方向に沿って順番に配置されている。なお、第一流路１１に配置されるオイルクーラ１やＥＧＲクーラ２は、少なくともいずれか一方を省略しても良いし、他の熱交換器を設置しても良く、特に限定されない。
【００２５】
蒸気路１２には、ヒータコア４とラジエータ５とが配置されており、気液分離器３と接続される主経路１２ａと、主経路１２ａからヒータコア４の側に分岐する第一分岐路１２ｂと、主経路１２ａからラジエータ５の側に分岐する第二分岐路１２ｃとで構成されている。第一分岐路１２ｂには第一電磁弁Ｖａが設けられており、第二分岐路１２ｃには第二電磁弁Ｖｂが設けられている。
【００２６】
第二流路１３は、ヒータコア４およびラジエータ５を介して蒸気路１２が接続されている。また、第二流路１３には、蒸気が冷却されることにより生成される液体を第一貯留部１４に流通させる分岐路１３ａが、重力方向下方に接続されている。
【００２７】
第一貯留部１４は、所定の容積を有する貯留タンクで構成されており、水位を計測する水位計Ｈを備えている。また、第一貯留部１４には、貯留された液体を第一流路１１に戻す戻り流路１４ａの一端がタンク下方に接続されている。戻り流路１４ａの他端は、第一ウォータポンプＰ１と熱交換器としてのＥＧＲクーラ２との間に接続されている。この戻り流路１４ａには、第二ウォータポンプＰ２と、逆止弁Ｖｒとが液体の流通方向に沿って順に配置されている。これら戻り流路１４ａ，第二ウォータポンプＰ２および逆止弁Ｖｒが、第一貯留部１４の液体の少なくとも一部を第一流路１１に補充する補充機構Ｋとして構成されている。
【００２８】
第二貯留部１５は、第一貯留部１４よりも重力方向上方に配置された所定の容積を有する貯留タンクで構成されており、タンク下方には第一流路１１の流入口と流出口とが設けられている。これによって、第二貯留部１５は、第一流路１１の許容量を超える冷却水を貯留するように構成されている。
【００２９】
また、冷却システムＸは、第一貯留部１４と第二貯留部１５とを接続する接続流路１６を備えており、この接続流路１６には、第三電磁弁Ｖｃが配置されている。接続流路１６は、第一貯留部１４の上部と第二貯留部１５の下部とに両端が接続されており、第三電磁弁Ｖｃを開弁することにより第二貯留部１５に貯留された冷却水（第一流路１１を循環する冷却水）を第一貯留部１４に移動させる。つまり、これら接続流路１６と第三電磁弁Ｖｃとが、第二貯留部１５に貯留された冷却水（第一流路１１を循環する冷却水）の少なくとも一部を第一貯留部１４に移動させる移動機構Ｍとして構成されている。なお、接続流路１６の一端を第一貯留部１４の上部に接続し、接続流路１６の他端を第一流路１１に接続しても良い。
【００３０】
制御部６は、第一流路１１の水温センサＳや第一貯留部１４の水位計Ｈの検知情報に基づいて、電磁弁Ｖａ〜Ｖｃや第二ウォータポンプＰ２の作動を制御する。なお、本実施形態における第一ウォータポンプＰ１はクランクシャフトの回転に連動して駆動する機械式ポンプを想定しているが、第一ウォータポンプＰ１を電動式ポンプで構成した場合は、制御部６が第一ウォータポンプＰ１の作動も制御する。
【００３１】
図２〜図６を用いて、本実施形態に係る冷却システムＸの制御形態について説明する。以下、冷却水全体に対するエチレングリコールの重量％をＥＧ濃度と称して説明する。本実施形態における冷却システムＸは、システム全体のＥＧ濃度が５０％に設定されている例として説明する。
【００３２】
図２に示すように、エンジンＥの始動前には、第一流路１１のＥＧ濃度が５０％超（例えば、９０％）になっており、第一貯留部１４のＥＧ濃度が５０％未満（例えば、３０％）になっている。このとき、第一貯留部１４には、ＥＧ濃度が５０％未満の液体でほぼ満杯となっている。
【００３３】
エンジンＥを始動したとき、エンジンＥがクランキングを開始して第一ウォータポンプＰ１が作動し、第一流路１１にＥＧ濃度の高い冷却水が循環し始める。このとき、図３及び図６に示すように、制御部６が第二ウォータポンプＰ２を駆動させて、第一貯留部１４に貯留された液体の全量を第一流路１１に補充する（♯５１）。これにより、第一流路１１のＥＧ濃度の高い冷却水が第一貯留部１４のＥＧ濃度の低い液体によって希釈されるので、希釈熱が発生して第一流路１１に循環する冷却水が加熱される。つまり、本実施形態における冷却システムＸの冷却水は、自らが発熱する化学蓄熱材として機能するものである。その結果、エンジンＥの暖機速度が高まるので、燃費を向上させることができる。
【００３４】
次いで、エンジンＥが始動してから所定時間（例えば、５〜１０秒）経過したか否かが判定される（♯５２）。この所定時間は、第一流路１１を循環するＥＧ濃度の高い冷却水と第一貯留部１４から供給されたＥＧ濃度の低い液体とが十分に混合されてから、冷却水が沸騰するまでの時間として設定されている。つまり、この所定時間は、水温センサＳで計測された冷却水の温度が所定値となる時間で設定しても良いし、環境温度やエンジンＥの回転数に基づいて所定時間が定められたマップを用いて設定しても良く、特に限定されない。エンジンＥが始動してから所定時間が経過したとき、第一流路１１を循環するＥＧ濃度は約５０％の状態となっているので、第二貯留部１５に貯留された冷却水はＥＧ濃度が約５０％の状態となっている。
【００３５】
エンジンＥが始動してから所定時間が経過した場合（♯５２Ｙｅｓ判定）、制御部６が第三電磁弁Ｖｃを開弁させて、第二貯留部１５に貯留された冷却水の所定量（例えば、タンク容量に対して４０％）を第一貯留部１４に移動させる（♯５３、図４参照）。これによって、第一貯留部１４に貯留された液体のＥＧ濃度が約５０％となる。
【００３６】
そして、第一流路１１を循環する冷却水は気液分離器３で気液分離され、蒸気が蒸気路１２に排出され、濃縮された冷却水が第一流路１１に排出される。このとき、暖房要求があった場合は、制御部６が第一電磁弁Ｖａを開弁させると共に第二電磁弁Ｖｂを閉弁させることでラジエータ５に蒸気を流通させずにヒータコア４のみに蒸気を流通させ、暖房の効きを早めるといった制御が実行される。
【００３７】
一方、制御部６が第一電磁弁Ｖａおよび第二電磁弁Ｖｂを開弁させた場合、蒸気路１２を流通する蒸気は、ラジエータ５やヒータコア４との熱交換により凝縮されて液体となり、第二流路１３および分岐路１３ａを介して第一貯留部１４に移動する（図４参照）。この蒸気が凝縮された液体はＥＧ濃度が極めて低いので、第一貯留部１４に貯留された液体のＥＧ濃度が低下していく。一方、第一流路１１を循環する冷却水は、気液分離器３で気液分離されることによって蒸気に気化熱を奪われて冷却されると共に濃縮されてＥＧ濃度が上昇していく。
【００３８】
次いで、第一貯留部１４の水位計Ｈで計測された水位が、所定水位以上となったか否かが判定される（♯５４）。第一貯留部１４の水位が所定水位以上となった場合（♯５４Ｙｅｓ判定）、制御部６が第二ウォータポンプＰ２を駆動させて、第一貯留部１４に貯留された液体を少なくとも液体の水位が所定水位未満となるまで第一流路１１に補充する（♯５５，図５参照）。これにより、冷却水のＥＧ濃度が高い第一流路１１に、第一貯留部１４に貯留されたＥＧ濃度の低い液体が混合されて、第一流路１１を循環する冷却水のＥＧ濃度を１００％未満の状態に維持することができる。このとき、第一貯留部１４に貯留された温度の低い液体は、希釈熱以上に高温となった第一流路１１の冷却水に混合されることで、第一流路１１の冷却水を冷却することができる。その結果、エンジンＥの冷却効率を高めることができる。
【００３９】
なお、水温センサＳで計測された第一流路１１の冷却水の温度が所定値以上になったときに、第一貯留部１４の液体を第一流路１１に補充する制御を実行しても良い。これにより、エンジンＥの冷却効率をさらに高めることができる。
【００４０】
次いで、エンジンＥの停止要求があった場合（♯５６）、第二貯留部１５の冷却水の全量を第一貯留部１４に移動させる（♯５７）。これにより、第二貯留部１５に存在する液体のＥＧ濃度がある程度高まるので、次回の始動時まで液体は凍結することがない。
【００４１】
このように、エンジンＥで加熱された冷却水は、気液分離器３により濃縮された冷却水と蒸気とに分離される。そして、濃縮された冷却水は気化熱によって冷却されて第一流路１１を循環し、蒸気は蒸気路１２のヒータコア４やラジエータ５によって冷却されて第二流路１３を流通する液体となる。つまり、冷却水自体が自らの温度を変化させる機能を有するので、冷却水を別媒体の蓄熱材と熱交換させる必要がなく、熱エネルギーロスの発生を防止することができる。また、蒸気を用いてヒータコア４やラジエータ５と熱交換するため、蒸気の有する潜熱によって熱伝達が向上し、熱交換器との熱交換速度を高めることができる。その結果、熱交換器を小型化することが可能となる。
【００４２】
また、本実施形態では、第一貯留部１４から補充された液体により第一流路１１に循環する冷却水量が多くなった場合でも、第一流路１１に設けられた第二貯留部１５によって第一流路１１の冷却水量が一定に維持される。その結果、第一ウォータポンプＰ１に過度な圧力がかかって破損するといった不都合を防止することができる。また、本実施形態のように、第二貯留部１５の濃縮された冷却水を第一貯留部１４に移動させることで、第一貯留部１４に貯留された液体のＥＧ濃度が高まる。その結果、環境温度が低い状況下においても、該液体が凍結することなく、第一貯留部１４に貯留された液体を第一流路１１に補充することが可能となる。よって、第一貯留部１４に貯留された低温の液体により第一流路１１を循環する冷却水の温度が低下し、エンジンＥの冷却効率を高めることができる。
【００４３】
［その他の実施形態］
（１）図７に示すように、第一貯留部１４の液体を第一流路１１に補充する補充機構Ｋと、第一流路１１を循環する冷却水を第一貯留部１４に移動させる移動機構Ｍとを、ウォータポンプＰと、第一貯留部１４と第一流路１１とを接続する接続流路１７と、電磁弁Ｖとで兼用に構成しても良い。つまり、補充機構Ｋとして機能させる場合は、電磁弁Ｖを開弁した状態でウォータポンプＰを駆動させる。一方、移動機構Ｍとして機能させる場合は、ウォータポンプＰを停止させた状態で電磁弁Ｖを開弁させる。これにより、冷却システムＸの構成を簡便なものとすることができる。
（２）冷却システムＸの熱源としてエンジンＥを一例として説明したが、例えばモータ等の装置であっても良く、冷却対象はどのような装置であっても良い。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、エンジンＥ等の熱源を冷却水で冷却する冷却システムに利用可能である。
【符号の説明】
【００４５】
３      気液分離器
４      ヒータコア（熱交換器）
５      ラジエータ（熱交換器）
１１    第一流路
１２    蒸気路
１３    第二流路
１４    第一貯留部
１５    第二貯留部
Ｅ      エンジン（熱源）
Ｋ      補充機構
Ｍ      移動機構
Ｐ１    第一ウォータポンプ（ポンプ）
Ｘ      冷却システム
【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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