(57)【要約】【課題】本明細書は、バッテリの暖機に特化した装置であって低コストで構築できるバッテリ暖機装置を提供する。【解決手段】本明細書が開示する暖機装置２は、揮発性の熱媒を一時的に貯めるレシーバ６と、熱媒をレシーバ６とバッテリ３の間で循環させる循環路９と、循環路９のバッテリ下流に配置されている減圧弁４と、循環路９の減圧弁下流に配置されている蒸発器５と、レシーバ６の下流に配置されており、液化した熱媒と圧縮されて昇温した気体熱媒の気液二相流体をバッテリへ送る気液二相流生成手段を備えている。気液二相流生成手段の一例は、レシーバ６の下流に配置されているポンプ８と、レシーバとポンプの間に配置されておりレシーバ内の液体の熱媒と気体の熱媒を混合する混合器７で構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッテリの暖機装置であり、
揮発性の熱媒を一時的に貯めるレシーバと、
熱媒をレシーバとバッテリの間で循環させる循環路と、
循環路のバッテリ下流に配置されている減圧弁と、
循環路の減圧弁下流に配置されている蒸発器と、
レシーバの下流に配置されており、液化した熱媒と圧縮されて昇温した気体熱媒の気液二相流体をバッテリへ送る気液二相流生成手段と、
を備えることを特徴とするバッテリの暖機装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、寒冷地などにおいて温度が低下したバッテリを温める暖機装置に関する。特に、電気自動車に搭載され、走行用モータの電力を蓄えるバッテリの暖機装置に関する。本明細書における「電気自動車」には、いわゆるピュアＥＶのほかに、モータとエンジンの双方を備えるハイブリッド車を含む。また、「バッテリ」には燃料電池も含まれる。
【背景技術】
【０００２】
バッテリには好ましい使用温度範囲がある。電気自動車の走行用モータのためのバッテリのように高容量、高出力のバッテリは、使用していると温度が上昇する。そこで、電気自動車には、バッテリを冷却する冷却装置が搭載されることが多い。
【０００３】
一方、寒冷地などにおいて、始動前のバッテリは使用するには温度が低すぎる場合がある。そのような場合にはバッテリを暖機することが好ましい。特許文献１には、車内空調のためのガスインジェクションタイプの冷凍サイクル装置の一部を用いて車載バッテリの温度を調整する技術が開示されている。ガスインジェクションタイプの冷凍サイクル装置は、揮発性の冷媒（熱媒）を二段階で膨張させる。その冷凍サイクル装置は、中間段階の比較的に圧力の高い冷媒ガスを後段の低圧の冷媒ガスと混合させることで車内空調の冷却性能を高める。特許文献１の技術では、冷凍サイクルの中間段階の比較的圧力の高い冷媒ガスを使ってバッテリの温度を調整する。バッテリの温度調整には、過熱したバッテリを冷却することと、寒冷地などにおいて始動前の低温のバッテリを暖機することの双方が含まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３０６７２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の技術は、既設の車内空調用の冷凍サイクル装置を活用する。しかし、そのような技術には、次の２点の不都合が考えられる。一つには、複雑なガスインジェクションタイプの冷凍サイクル装置にバッテリを調温するための装置を付加するので比較的にコストが嵩む虞がある。もう一つは、バッテリを調温することで本来の車内空調の性能が低下してしまう虞がある。本明細書が開示する技術は、特許文献１とは発想を全く異にするものであり、バッテリの暖機に特化した装置であって低コストで構築できるバッテリ暖機装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
バッテリの暖機には高性能な昇温装置は不要であるが、ヒータでは消費電力が大きすぎる。熱媒循環型の暖機装置の場合、特許文献１のような装置ではガスを循環させるために高価なガスコンプレッサが必要となる。本明細書が開示する技術は、熱媒循環型ではあるが、熱媒を液体の状態と気液二相の状態の間で遷移させることで、従来のガス循環型の温度調整装置ほど高性能ではないが、高価なコンプレッサを必要としない熱媒循環型のバッテリ暖機装置を実現する。
【０００７】
本明細書が開示するバッテリ暖機装置は、揮発性の熱媒を一時的に貯めるレシーバと、熱媒をレシーバとバッテリの間で循環させる循環路と、循環路のバッテリ下流（バッテリ下流であってレシーバの上流）に配置されている減圧弁と、循環路の減圧弁下流（減圧弁下流であってレシーバの上流）に配置されている蒸発器と、レシーバの下流（バッテリの上流）に配置されている気液二相流生成手段を備える。気液二相流生成手段は、レシーバ内の液化した熱媒と、レシーバ内の気体熱媒を圧縮して昇温した気体熱媒の気液二相流体をバッテリへ送る。上記において「下流」、「上流」は、熱媒の流れ方向に対する表現である。熱媒は常温でも圧力が低ければ気化する。レシーバは、その下部に液体の熱媒が貯まり、上部に気体の熱媒が貯まる。
【０００８】
気液二相流生成手段の一つの実施形態は、レシーバの下流に配置されるポンプと、レシーバとポンプの間に配置されておりレシーバ内の液体の熱媒と気体の熱媒を混合する混合器（気体液体混合器）で構成される。混合器は、レシーバ内の液体熱媒と気体熱媒を混合してポンプに送る。気液二相流生成手段の別の実施形態は、レシーバの下流に配置されるポンプであってレシーバ内の液体熱媒が供給されるポンプと、ポンプが送出する液体熱媒に気体熱媒を送り込むコンプレッサで構成される。いずれの場合も、ポンプは液体用のポンプでよい。混合器を用いる場合、ポンプが液体熱媒を送出する力で液体液媒に混ざっている気体熱媒を圧縮する。通常の液体用のポンプは、気泡が混入しないように対策するが、本明細書が開示する技術では、液体用のポンプに意図的に気液二相流体を送る。吐出量の大きいウエスコポンプなどは構造的に頑強であり、多少ガスが混入しても支障なく使うことができる。別言すれば、液体用のポンプは液体に運動エネルギを与えるものであるが、混合器とポンプを使った場合の気液二相流生成手段はそのエネルギの一部で気体熱媒を圧縮する。
【０００９】
コンプレッサを用いる場合、ポンプで送出された液体熱媒の流れに気体熱媒を送り込むことができればよく、通常の空調装置などで使われる高性能なコンプレッサは必要ない。例えば、ポンプが送出する液体熱媒の流れによって水車を回転させ、その回転力で気体熱媒を液体熱媒に混合させる簡単なコンプレッサで十分である。
【００１０】
混合器とコンプレッサのいずれを用いる場合でも、液体熱媒に混合された気体熱媒は圧縮されることで温度が上昇する。本明細書が開示する暖機装置は、温度が上昇した気体熱媒を含む気液二相の状態の熱媒をバッテリに送り、バッテリを温める。混合器とコンプレッサのいずれを使う場合でも気液二相の熱媒は外気温度からわずかに温度が上昇する程度であるが（例えば外気温度プラス５度程度）、バッテリを暖機するには十分である。
【００１１】
ウエスコポンプなどの液体ポンプは、スクロールコンプレッサなどの高性能コンプレッサと比較するとはるかに低コストであり、混合器や低性能コンプレッサを加えても、本明細書が開示する暖機装置は低コストで実現できる。特に、混合器としてのアスピレータは動力が不要であり可動部もないため安価である。また、近年では、スタティックミキサと呼ばれる可動部のない混合器も知られており、それもまた安価で実現できる。
【００１２】
本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施例の暖機装置のブロック図である。
【図２】暖機装置の熱媒の状態変化を表すモリエル線図である。
【図３】第２実施例の暖機装置のブロック図である。
【図４】水力駆動のコンプレッサの原理を説明する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（第１実施例）図面を参照して第１実施例の暖機装置を説明する。図１は、第１実施例の暖機装置２のブロック図である。暖機装置２は、電気自動車に搭載され、走行用モータを駆動するための電力を蓄えるバッテリ３の温度が低いときにこれを温める装置である。ここでは、暖機装置２の説明が主であるから、モータやインバータなどの車載機器は図示もせず説明も省略する。
【００１５】
暖機装置２は、レシーバ６、循環路９、蒸発器５、混合器７、および、ポンプ８を備える。循環路９は、レシーバ６とバッテリ３の間で熱媒を循環させる流路である。なお、熱媒の流れ方向は図１の矢印の方向である。熱媒の流れについては後述する。レシーバ６、蒸発器５、混合器７、および、ポンプ８は、循環路９の途中に配置される。熱媒は常温で揮発性であり、後述するように循環路内でその一部は気化する。また、熱媒が気化することがあるため、循環路９（及び、蒸発器５の内部やレシーバ６の内部）は密封されており、外界から遮断されている。
【００１６】
レシーバ６は、熱媒を一時的に貯めるタンクである。前述したように熱媒は揮発性であり、レシーバ６は、熱媒を液体と気体に分離する。それゆえ、レシーバ６は気液分離器と称されることもある。レシーバ６の下側には液体の熱媒が貯まり、上方には気化した熱媒が存在している。レシーバ６の下部、液体熱媒が貯まっている箇所から第１流路１２ａが伸びている。第１流路１２ａは循環路９の一部である。第１流路１２ａの先端はポンプ８の吸入口に接続している。第１流路１２ａの途中には混合器７が配置されている。混合器７については後述する。
【００１７】
レシーバ６の上部、気体の熱媒が貯まっている箇所から第２流路１２ｂが伸びている。第２流路１２ｂも循環路９の一部である。第２流路１２ｂの先端は混合器７に接続している。第１流路１２ａを通って液体の熱媒がレシーバ６から混合器７に流入し、第２流路１２ｂを通って気体の熱媒がレシーバ６から混合器７に流入する。混合器７は、アスピレータあるいはスタティックミキサであり、液体と気体を混合させるデバイスである。すなわち、混合器７からは液体の熱媒に気体の熱媒が混合した気液二相流が放出される。その気液二相流はポンプ８に供給される。
【００１８】
ポンプ８は、ウエスコポンプである。ウエスコポンプは、円筒状のケーシングの内部にその円筒と同軸で円筒の内径よりわずかに小さい羽根車が設置されており、円筒の内側を、羽根車の回転により液体が流れる構造を有する。ウエスコポンプは、本来は液体用のポンプであるが、本実施例では、そのウエスコポンプに意図的に気液二相の熱媒を供給する。ポンプで液体の熱媒が加速される際、液体に混合されている気体の熱媒は圧縮される。別言すれば、液体に運動エネルギを与えるポンプ８の力の一部が気体の熱媒の圧縮に使われる。ポンプ８は液体ポンプであるので供給される流体が全て気体であるとポンプとしての機能を果たさない。しかし、気液二相流の場合はその液体成分がポンプ８によって押し出される際、液中に混在している気体が圧縮される。気体の熱媒は圧縮により温度が上昇する。レシーバ６に蓄えられていた熱媒の温度が外気温度程度であると、ポンプ８を通過した気液二相流体は外気温度プラス５度程度に上昇する。なお、気液二相流における液体の熱媒もポンプ下流の圧力よりも上昇する。
【００１９】
ウエスコポンプは、構造が簡単で壊れ難く、本来は液体を送出するものであるが気液二相流を使っても十分に耐え得る。ウエスコポンプは過流ポンプとも呼ばれる。
【００２０】
ポンプ８によって温度が上昇した気液二相流は循環路９を通ってバッテリ３に送られる。循環路９は、バッテリ３の内部では電池本体を周回しており、その流路を外気温度よりも高くなった気液二相の熱媒が通る。この温度の高い熱媒によりバッテリ３（電池本体）が温められる。すなわち、バッテリ３が暖機される。
【００２１】
他方、バッテリ３に放熱した気液二相流の熱媒は、その気体の熱媒の一部がエネルギを失い液化する。すなわち、バッテリ３を通過すると、気液二相流における気体の割合が低下し、熱媒はほとんど液体となる。
【００２２】
バッテリ３を通過後、熱媒は減圧弁４を通る。減圧弁４ではその上流側（バッテリ側）よりも下流側（蒸発器側）の圧力が低くなっており、減圧弁４を通過した熱媒（そのほとんどは液体である）は、その圧力が減じられて蒸発器５に供給される。なお、減圧弁４の下流側の圧力は、外気圧と同等である。もともと、レシーバ６において外気温度と同等であった熱媒はそのエネルギの一部をバッテリ３に与えたので、減圧弁４を通過して外気圧に戻ったときには外気温度よりも低くなっている。外気温度よりも低い熱媒は蒸発器５の内部で外気からエネルギを吸収し、液体の一部は気化する。蒸発器５を出た熱媒は循環路９を通ってレシーバ６に戻る。レシーバ６では液体の熱媒が下側に貯まり、気体の熱媒はその上方に集まる。こうして熱媒は循環しつつ、バッテリ３を暖機する。
【００２３】
以上説明したように、熱媒は図１の矢印の方向に流れる。流れ方向を基準とした各デバイスの配置は次の通りである。混合器７はレシーバ６の下流に位置し、さらにその混合器７の下流にポンプ８が位置する。なお、ポンプ８はバッテリ３よりも上流に位置する。バッテリ３の下流には減圧弁４が位置し、さらにその下流に蒸発器５が位置する。なお、蒸発器５はレシーバ６よりは上流に位置する。
【００２４】
図２は、第１実施例の暖機装置２において循環する熱媒の状態変化を示すモリエル線図である。このモリエル線図を参照しながら熱媒の状態変化を再度説明する。よく知られていることではあるが、飽和液線よりも左側は液体の状態であり、飽和液線と乾き飽和蒸気線で囲まれた範囲が、気液二相が存在し得る範囲である。なお、図２中のＱ１−Ｑ５は、図１の循環路９に付したポイントＰ１−Ｐ５における熱媒の状態に対応する。
【００２５】
図１のブロック図においてポンプ８に供給される前のポイントＰ１では、熱媒は、外気温度と同温度の液体と気体の熱媒が混合器７で混合され気液二相流となった状態である。この状態はモリエル線図（図２）における状態Ｑ１に相当する。次に、気液二相の熱媒は、ポイントＰ１からＰ２にかけて、ポンプ８によって圧縮されて温度が上昇する。この過程は、モリエル線図においてＱ１からＱ２への状態変化に相当する。この過程では、気液二相の熱媒は、比エンタルピー（すなわち熱媒が有するエネルギ）は変わらないが、圧力が上昇する。次に、気液二相の熱媒はポイントＰ２からＰ３にかけてバッテリ３を通過する。このとき気液二相の熱媒はエネルギをバッテリ３に与える。エネルギが低下したことにより、気体の熱媒の一部が液化する。この過程はモリエル線図のＱ２からＱ３への状態変化に相当する。Ｑ３に至って気液二相の熱媒のうちの気体の熱媒は、その大部分が液化する。なお、モリエル線図を使った説明は、熱媒の大部分の状態変化であり、熱媒一部は気体から液体に変化しなかったり、熱媒の大部分とは異なる状態を取り得ることに留意されたい。すなわち、ポイントＰ２からＰ３にかけて液化しない熱媒も存在し得る。
【００２６】
次に、ポイントＰ３からＰ４にかけて熱媒は減圧弁４を通り、減圧される。この過程は、モリエル線図のＱ３からＱ４への状態変化に相当する。次に熱媒は、ポイントＰ４からＰ５にかけて蒸発器５を通り、液体の一部が気化する。この過程はモリエル線図のＱ４からＱ５への状態変化に相当する。Ｑ５の状態は、気液二相であるが、レシーバ６内では、液体の熱媒と気体の熱媒は分離して存在する。Ｑ５の状態、すなわち、レシーバ６の内部の状態と混合器７を通過した後の状態（Ｑ１の状態）は、気液が分離しているか混合しているかだけの物理的な相違であり、熱力学的には同一の状態である。
【００２７】
モリエル線図を参照すると明らかなとおり、本実施例の技術は、揮発性の熱媒を、液体の状態と気液二相の状態の間で循環させ、その間で放出される熱をバッテリに与える。気体の相を使わないので熱輸送の効率は小さいが、そのかわりに高価なコンプレッサを用いないので装置が低コストで実現できる。特に第１実施例の暖機装置では、駆動するデバイスは液体用のポンプ８だけであるので至ってシンプルで低コストである。
【００２８】
（第２実施例）次に、図３を参照して第２実施例の暖機装置２ａを説明する。図２では、第１実施例の暖機装置と同じ部品には同じ符号を付している。第２実施例の暖機装置２ａは、レシーバ６の内部で気液分離した熱媒を気液二相流にしてバッテリに送る仕組みが第１実施例のものと異なる。暖機装置２ａでは、レシーバ６の下部に接続されている第１流路２２ａが液体の熱媒をポンプ８に供給する。ポンプ８によって加速された熱媒は、ポンプ８の下流に配意されている水力コンプレッサ３０を駆動する。他方、レシーバ６の上部であって気体の熱媒が存在する箇所に接続されている第２流路２２ｂは、その他端が水力コンプレッサ３０に接続している。水力コンプレッサ３０は、液体熱媒の流れの力により水車を回転させ、その回転力で気体の熱媒を液体熱媒中へ押し込む（すなわち圧縮する）。
【００２９】
水力コンプレッサ３０の構造を模式的に表したのが図４である。ポンプ８の下流で第１流路２２ａの途中に水車３１が設置されている。水車３１と同軸に圧縮羽根車３２ａが設置されている。第１流路２２ａの内側に第２流路２２ｂが入り込んでおり、圧縮羽根車３２ａは、その第２流路２２ｂの中に位置する。第２流路２２ｂの内部には、圧縮羽根車３２ａと対をなす従動羽根車３２ｂが備えられており、圧縮羽根車３２ａと従動羽根車３２ｂは連動して回転する。液体の熱媒の流れにより水車３１が回転すると、同軸の圧縮羽根車３２ａが回転し、同時に従動羽根車３２ｂも回転する。圧縮羽根車３２ａと従動羽根車３２ｂは、密閉されたケーシング３３の内部で密に噛み合っており、レシーバ６の気体の熱媒を押し出す。第２流路２２ｂの先端は第１流路２２ａの内部に開口しており、ケーシング３３と一対の羽根車３２ａ、３２ｂは、液体の熱媒の圧力に抗して気体の熱媒を液体の熱媒の中に押し込む。気体の熱媒は液体の熱媒の中に押し込まれる過程で圧縮され、その温度が上昇する。こうして、外気温度よりも高温の気液二相流が生成される。なお、図４は、簡単なコンプレッサの仕組みの一例を説明する模式図であり、現実には気体が漏れないような密閉性を確保できる構成が必要であることに留意されたい。
【００３０】
上記の説明のとおり、ケーシング３３の上流側（図４中のポイントＰａ）における気体の熱媒の圧力よりも、ケーシング３３の下流側（図４中のポイントＰｂ）における気体の熱媒の圧力の方が高くなる。すなわち、第１流路２２ａの内部に配置されている水車３１、第２流路２２ｂに配置されているケーシング３３、一対の羽根車３２ａ、３２ｂが、水力で動作するコンプレッサ３０を構成する。
【００３１】
第２実施例の暖機装置２ａは、外気温度よりも高温の気液二相流を生成するデバイスが第１実施例と異なるだけであり、ほかの部品は第１実施例の暖機装置２と同じであるので説明は省略する。第２実施例の暖機装置２ａは、気体の熱媒を圧縮するコンプレッサを採用するが、その性能は低いもので良く、また、機構は簡単である。従って低コストで実現できる。また、コンプレッサ３０は、液体熱媒の水流を駆動源とする。したがって駆動に要するエネルギも低く、始動前のバッテリの暖機に用いるのに適している。
【００３２】
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。第１実施例のポンプ８、および、レシーバ６とポンプ８の間に配置されておりレシーバ６内の液体熱媒と気体熱媒を混合する混合器７の組み合わせが、圧縮されて昇温した気体熱媒と液体熱媒との気液二相流をバッテリへ送る気液二相流生成手段の一例に相当する。また、第２実施例におけるポンプ８、および、ポンプ８から送られる液体熱媒に気体熱媒を送り込むコンプレッサ３０が気液二相流生成手段の別の一例に相当する。別言すれば、気液二相流生成手段は、レシーバの下流に配置されているポンプと、（１）レシーバとポンプの間に配置されておりレシーバ内の液体の熱媒と気体の熱媒を混合する混合器、或いは、（２）ポンプから送られる液体の熱媒に気体の熱媒を送り込むコンプレッサとを備える。
【００３３】
第２実施例の水力コンプレッサ３０は一例であり、別のコンプレッサを用いてもよい。別のコンプレッサを用いる場合でも、従来の冷却システムで用いるような高性能なコンプレッサは必要なく、図２に示したモリエル線図の範囲内で稼働する程度の低コストのコンプレッサでよい。また、実施例では液体用のポンプとしてウエスコポンプを用いた。本明細書が開示する暖機装置を実現する上で採用する液体用のポンプは、実施例のポンプに限られるものではない。
【００３４】
バッテリ３は、リチウムイオン電池等の化学電池でもよいし、燃料電池でもよい。また、蒸発器の一例は、フィン付の細い熱媒管が幾重にも往復しているラジエータのような構造を有している。あるいは蒸発器は、パネルタイプであってもよい。さらに、蒸発器には、熱媒と外気との熱交換を促進するためのファンが備えられていてもよい。
【００３５】
実施例で説明したバッテリ暖機装置は、外気温度よりも５度程度高い気液二相流を生成してバッテリを暖機する。そのような装置は、寒冷地で使われる電気自動車のバッテリの暖機装置に適している。
【００３６】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００３７】
２、２ａ：暖機装置
３：バッテリ
４：減圧弁
５：蒸発器
６：レシーバ
７：混合器
８：ポンプ
９：循環路
１２ａ、２２ａ：第１流路（循環路）
１２ｂ、２２ｂ：第２流路（循環路）
３０：コンプレッサ
３１：水車
３２ａ：圧縮羽根車
３２ｂ：従動羽根車
３３：ケーシング
【図１】
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【図２】
2015035335.tif 000004
【図３】
2015035335.tif 000005
【図４】
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