(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換器と、該熱交換器への水噴霧装置と、該熱交換器の冷却用のファンと、を備えた車両用ラジエータ装置であって、
前記熱交換器には前記ファンの投影領域の周囲の一部に開閉自在なルーバーが設けられ、
前記水噴霧装置は、前記ルーバーによって風速が変化する領域に水を噴霧できるようにして設置されており、前記ルーバーが開のときは噴霧を行わず、水の噴霧時には前記ルーバーを閉じることを特徴とする車両用ラジエータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両用ラジエータ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等の車両には、発熱源である駆動源用の冷却水を冷却するためのラジエータ装置が備えられている。一般に、ラジエータ装置は、空気と冷却水との間で熱交換をして冷却水の温度を低下させる熱交換器を備えている。熱交換器には通常冷却用のファンが付設されている。冷却用のファンに加えて、熱交換器の表面に水を噴霧して蒸発させ、水の蒸発潜熱により熱交換器本体の温度を低下させることで、ラジエータ装置としての冷却性能を向上させるようにしたラジエータ装置も、特許文献１あるいは特許文献２等に記載されている。そこでは、駆動源として燃料電池システムを採用した車両において、燃料電池のための冷却液をラジエータ装置で冷却するとともに、燃料電池が生成する生成水を熱交換器に噴霧するものが例として記載されている。また、特許文献１には、熱交換器であるラジエータに温度分布が存在する場合に、水の散布孔をラジエータの他の部位より高温となる部位に対応する位置に形成することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３７２３８５号公報
【特許文献２】特開２０１３−２１２７７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
水の蒸発潜熱により熱交換器の温度を低下させるようにしたラジエータ装置において、熱交換器の全面に均一に水を噴霧することで、熱交換器の冷却性能を確実に向上させることができる。しかし、熱交換器の全面に均一に水を噴霧できるようにすることは、エンジンルーム内の搭載容積の増大やコストアップを招くことから、現実的とは言えない。特許文献２に記載の装置のように、熱交換器の全面にではなく、熱交換器の一部、すなわち、熱交換器の他の部位より高温となる部位に水の散布孔を形成することで、容積の問題とコストの問題をある程度解決できることが期待できる。しかし、熱交換器のどの部位に水噴霧装置を備えた場合に、より高い効率で冷却性能を向上させることができるかについては、十分な検討がなされてはいない。
【０００５】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、熱交換器と該熱交換器への水噴霧装置を備えた車両用ラジエータ装置において、必要とされる容積は大きく増大させることなく、より高い効率で熱交換器の冷却効率を向上させることのできるようにした車両用ラジエータ装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、上記の課題を解決すべく、シミュレーションを含む多くの実験を行うことにより、熱交換器内を通過する空気の風速が、当該熱交換器内の他の領域を通過する空気の風速と比較してより低くなる領域に、水を噴霧するようにした場合に、噴霧した水が蒸発する前に熱交換器の後方に吹き飛ばされるのを防ぐことができ、噴霧した水の蒸発潜熱を有効に熱交換に利用できることを知見して、本発明をなすに至った。
【０００７】
すなわち、本発明による車両用ラジエータ装置は、熱交換器と該熱交換器への水噴霧装置を備えた車両用ラジエータ装置であって、前記水噴霧装置は前記熱交換器内を通過する空気の風速が熱交換器内の他の領域を通過する空気の風速と比較して低くなる領域に水を噴霧できるようにして設置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明による車両用ラジエータ装置では、熱交換器内を通過する空気の風速が熱交換器内の他の領域を通過する空気の風速と比較して低くなる領域に、水噴霧装置から水を噴霧することで、噴霧した水の一部が蒸発する前に熱交換器の後方に吹き飛ばされるのを確実に抑制することができる。そのために、噴霧した水のほぼ全量からの蒸発潜熱を熱交換に利用することができるようになり、熱交換器の冷却効率をより向上させることが可能となる。この冷却効率の向上は、水噴霧装置の設置位置を特定の箇所に設定するだけで得られるものであり、実用上、極めて有意なものである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】シミュレーションで用いた熱交換器の概念図。
【図２】熱交換器への水の噴霧位置を示す２つの図。
【図３】放熱量向上代を示すグラフ。
【図４】潜熱利用率と風速との関係を示すグラフ。
【図５】本発明による車両用熱交換器を備えた車両の一例を示す概念図。
【図６】熱交換器と水噴霧装置の位置関係の一例を示す図。
【図７】熱交換器と水噴霧装置の位置関係の他の例を示す概念図。
【図８】熱交換器と水噴霧装置の位置関係のさらに他の例を示す概念図。
【図９】熱交換器と水噴霧装置の位置関係のさらに他の例を示す概念図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を説明する。最初に、本発明者らが得た新たな知見について図１〜図４を参照して説明する。
【００１１】
図１において、５は車両用ラジエータ装置の一構成である熱交換器であり、図で右側から、エンジン等の発熱源を冷却することで昇温した冷却水が流入する。一般に熱交換器５には冷却用のファンが備えられており、吸引される空気が熱交換器内を流れる冷却水と熱交換することで、冷却水は冷却されて温度低下する。温度低下した冷却水は熱交換器５の図で左側から流出して、再度、エンジン等である発熱源の冷却水として循環する。
【００１２】
実験およびシミュレーショでは、熱交換器５として、クロスフロー型を想定した。熱交換器５の表面を、図１に示すように４等分し、Ａ１＋Ａ２を流入領域Ａ、Ｂ１＋Ｂ２を流出領域Ｂとした。そして、流入領域Ａおよび流出領域Ｂのそれぞれに、図２（ａ）および図２（ｂ）にサークルＳで示す位置に、図示しないウィンドウォッシャノズルで、１５ｃｃ／ｓｅｃの水を連続噴霧した場合での冷却水温度の低下量から放熱量をシミュレーションにより計算した。また、水噴霧なしのときの放熱量も求め、その増加分を放熱量の向上代として算出した。放熱量向上代を図３に示した。
【００１３】
シミュレーションには、単品の物性データを基にエクセルを用いて行った。条件は、９５℃の温水（冷却水）が１４５Ｌ／ｍｉｎで熱交換器５内に流入するものとし、また、ファンにより吸引される空気の温度は４６℃とした。図３に、流入領域Ａおよび流出領域Ｂにおける放熱量向上代の違いが示すように、熱交換器５への水の噴霧位置が熱交換器５の放熱効率に影響を与えることが分かった。
【００１４】
次に、熱交換器５内を通過する空気の風速を測定した。この実験では、流出領域Ｂを通過する空気の風速よりも流入領域Ａを通過する空気の風速の風速が低かった。この風速の違いが放熱効率にどのような影響を与えるかについて検討するために、さらに実験を行った。実験には市販のラジエータ装置を用い、その表面側から水噴霧装置により水を噴霧した。また、水の噴霧と同時に、ファンを用いて、異なった風速の空気をラジエータ装置の少なくとも熱交換器部分内に通過させた。そして冷却水の温度低下の程度から、噴霧した水の潜熱利用率を求めた。なお、ここで「風速」とは熱交換器の表面に鉛直方向から流入するときの空気の流れる速さとした。その結果を図４に示した。
【００１５】
すなわち、図４は、熱交換器の表面に水を噴霧したときでの、風速と潜熱利用率の関係を示すグラフであり、風速が大きくなるとともに潜熱の利用効率は低下していくことが分かった。前記したように、この例において、流出領域Ｂにおいての風速が流入領域Ａにおけるよりも高くなっており、その結果、同量の水を噴霧したにも関わらず、噴霧された水が熱交換する前に飛ばさせる量が多くなって、水の潜熱利用率が小さくなり、それが、図３に示したように、放熱量向上代が小さくなった原因の一つとなったと推測される。
【００１６】
以上のことから、通常、ラジエータの熱交換器からの空気への放熱量は、風速の増加とともに増加するが、一方において、風速が大きくなると、噴霧した水が蒸発する前にラジエータ後方の吹き飛ばされるために、蒸発潜熱が十分に利用されないことがわかる。このことから、熱交換器に向けて水を噴霧する水噴霧装置を備えた車両用ラジエータ装置においては、水噴霧する領域と水噴霧しない領域の風速の違いによって、総放熱量が減少する場合が起こり得るので、熱交換器の表面における冷却用空気の流速が他の領域と比較して低くなる領域に、水を噴霧するようにすることにより、同じ量の水を噴霧する場合であっても、総放熱量をより向上させることができることがわかる。
【００１７】
本発明による車両用ラジエータ装置は、以上の検証結果に基づいてなされている。図５は、本発明による車両用熱交換器を備えた車両の一例を示す概念図である。この例において、車両１は駆動源として燃料電池システム２を備えている。燃料電池３には、水素（Ｈ２）と空気が供給され、電気化学反応によって、所要の発電を行う。発電した電力は図示しない蓄電池に蓄えられ、蓄電池からの電力により図示しないモーターを駆動して、車両の走行に供される。
【００１８】
燃料電池３は発電反応によって発熱するので、冷却水によって冷却され所要の温度に維持される。冷却水はポンプ４の作用により、燃料電池３と熱交換器５との間を循環する。燃料電池３を冷却することで昇温した冷却水は、流入口６から熱交換器５内に流入する。熱交換器５にはファン８の作用で外気が吸引され、熱交換器５内を通過する空気と熱交換することで冷却水は冷却される。冷却した冷却水は流出口７から流出し、ポンプ４を経て燃料電池３に戻される。
【００１９】
発電によって生成された水の一部は、所要のタンク９に貯留される。そして、ポンプ１０の作用により、必要時に、適数個のノズルを備えた水噴霧装置１１から熱交換器５に向けて噴霧される。
【００２０】
本発明による車両用ラジエータ装置は、前記水噴霧装置１１が、熱交換器５内を通過する空気の風速が、熱交換器５内の他の領域を通過する空気の風速と比較して低くなっている領域に、水を噴霧できる位置に設置されていることを特徴とする。
【００２１】
図６〜図９は、本発明による車両用ラジエータ装置の幾つかの例を示している。図６においては、熱交換器５がクロスフロー型の場合であり、図で右側から高温の冷却水が流入する。熱交換器５の裏面側のほぼ中央部にはファン８が取り付けられており、ファン８の作用により、空気は熱交換器５内に吸引される。熱交換器５内を通過する風速（空気の流速）は、ファン８の表面に対向する領域（投影領域）では高く、その周囲の領域では比較して低くなる。図６に示した車両用ラジエータ装置では、水噴霧装置１１は、熱交換器５の表面側、すなわちファン８が配置されている側とは反対側の面であって、前記したファン８の投影領域（ファンに対向した領域）の周囲である、風速がより低くなっている領域に水が噴霧できるようにして配置されている。なお、図６では、熱交換器５の冷却水が流入側とは反対側の角部に、対向するようにして２個の水噴霧装置１１が配置されているが、個数は任意であり、また、水噴霧装置１１は冷却水の流入側に配置されていてもよい。
【００２２】
図７に示す車両用ラジエータ装置は、熱交換器５に複数個（図では２個）のファン８ａ、８ｂが配置されている。この形態の熱交換器５であっても、２つのファン８ａ、８ｂが投影される領域では、熱交換器５内を通過する空気の風速は高く、その周囲の領域では比較して低くなる。図７に示した車両用ラジエータ装置においては、水噴霧装置１１は、熱交換器５の表面側、すなわち２つのファン８ａ、８ｂが配置されている側とは反対側の面であって、図で左側のファン８ａの投影領域の周囲である風速が低くなる領域に水が噴霧できるように配置されている。なお、図７に示す形態においても、水噴霧装置１１の個数は任意であり。また、水噴霧装置１１は冷却水の流入側におけるファン８ｂの投影領域の周囲に配置されていてもよい。また、２つのファン８ａ、８ｂの投影領域の周囲の双方に配置されていてもよい。さらに、車両の制御装置が２つのファン８ａ、８ｂの出力を個々に制御できるようになっている場合には、出力を低下することが可能なファンの近くに水噴霧装置１１を配置してもよい。その場合に、ファンの出力を低下して運転することで、そこに「熱交換器内を通過する空気の風速が熱交換器内の他の領域と比較して低くなる領域」が形成されるので、出力を低下することが可能なファンの投影領域内に水を噴霧できる位置に水噴霧装置１１を配置しても、所期の目的を達成される。
【００２３】
図８に示す車両用ラジエータ装置は、ファン８が熱交換器５の中央部ではなく、一方に偏位した位置、図示の例では高温の冷却水が流入してくる側に偏位して配置されている点で、図６に示した車両用ラジエータ装置と相違している。この態様では、比較して風速が遅くなる領域を熱交換器５の表面に広くとることが可能となり、水噴霧装置１１の配置の自由度が高くなる利点がある。また、噴霧領域を広くとることができるので、熱交換器５の冷却効率も向上させることができる。
【００２４】
図９に示す車両用ラジエータ装置は、熱交換器５が、前記ファン８の投影領域（ファン８に対向した領域）の周囲の一部に開閉自在なルーバー２０、２０が設けられている点で、図６に示したものと相違する。この形態の車両用ラジエータ装置では、車両の制御装置によりルーバー２０を開閉することで、その下流側における熱交換器５内の風速に変化を与えることができる。通常、ルーバー２０が開の場合には風速は高くなり、閉とすることで風速は低くなる。したがって、そのように風速が変化する領域に水を噴霧できるように水噴霧装置１１を設置しておくことでも、所期の目的を達成することが可能となる。使用態様の一例としては、ルーバー２０が開のときは噴霧を行わず、水の噴霧時にはルーバー２０を閉じるような態様が挙げられる。
【００２５】
図５に示した実施の形態のように、燃料電池システム２を搭載した車両に本発明による車両用ラジエータ装置を採用する場合において、どのような条件のときに、水噴霧装置を作動させるのが適切かの一例をあげると、次のような条件が考えられる。
【００２６】
例えば、ａ．燃料電池の発熱量とラジエータの空気への放熱量とに乖離が発生した出力の制限中、ｂ．出力制限中において、出力要求値＞出力値の場合か、燃料電池のインピーダンスが所定の値を超えた場合、ｃ．出力制限中で、ラジエータへの冷却水の流量分配を決めるロータリーバルブが全開、すなわち全量がラジエータに流れ込んでいる場合、等が挙げられる。
【００２７】
また、上記では、燃料電池システム２を搭載した車両１に本発明による車両用ラジエータ装置を用いる場合を例として説明したが、車両用ラジエータ装置は他の駆動源を持つ車両にも当然に適用することができる。その場合には、水噴霧装置のための水源タンクを別途配置する等の付加的手段が必要となる。
【００２８】
上記のように、本発明による車両用ラジエータ装置を用いる場合には、ラジエータの放熱能力が足りない場合に、水噴霧することで、放熱能力を向上させることが可能となることに加え、ラジエータ装置の熱交換器内を通過する空気の風速が、熱交換器内の他の領域を通過する空気の風速と比較して、低くなる領域に水を噴霧できるようにして水噴霧装置を配置したことで、噴霧した水の蒸発潜熱を高い確率で利用するとことができるようになり、効率の良いラジエータ放熱を確実に実現することが可能となる。
【符号の説明】
【００２９】
１…車両、
２…燃料電池システム、
３…燃料電池、
４…ポンプ、
５…熱交換器（ラジエータ）、
６…流入口、
７…流出口、
８…ファン、
９…タンク、
１０…ポンプ、
１１…水噴霧装置、
２０…ルーバー。
【図１】
0006500790.tif 000002
【図２】
0006500790.tif 000003
【図３】
0006500790.tif 000004
【図４】
0006500790.tif 000005
【図５】
0006500790.tif 000006
【図６】
0006500790.tif 000007
【図７】
0006500790.tif 000008
【図８】
0006500790.tif 000009
【図９】
0006500790.tif 000010