(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被冷却液の熱を、第１の熱交換器の通気路を通過する外気中に放散させることにより、前記被冷却液を冷却する冷却装置において、
冷媒が流れる冷媒流路と、
この冷媒流路に設けられ、かつ、外気と冷媒との温度差に基づいて、その冷媒を降温させる凝縮器と、
降温された冷媒と前記第１の熱交換器で冷却された被冷却液との間で熱交換をおこなわせることにより、前記被冷却液を再度冷却する第２の熱交換器と
を有し、
前記通気路を通過する空気の流通方向で、前記第１の熱交換器の後方に前記凝縮器が設けられているとともに、前記通気路は、車両の前後方向に空気が流通する構成を有していることを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
被冷却液の熱を、ラジエータの通気路を通過する外気中に放散させることにより、前記被冷却液を冷却する冷却装置において、
外気と冷媒との温度差により冷媒を冷却し、かつ、凝縮する凝縮器と、
この凝縮器により凝縮された冷媒を減圧する減圧器と、
前記ラジエータにより冷却された被冷却液の熱を、前記減圧器により減圧された冷媒に伝達させることにより被冷却液を冷却し、かつ、前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、
この蒸発器により蒸発された冷媒を圧縮して凝縮器に送る圧縮器と
を有し、
前記通気路を通過する空気の流通方向で、前記ラジエータの後方に前記凝縮器が設けられているとともに、前記通気路は、車両の前後方向に空気が流通する構成を有していることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
前記ラジエータの通気路を前方から後方に向けて流通する空気を吸引する吸引ファンを有し、前記通気路を通過する空気の流通方向で、前記凝縮器の後方に前記吸引ファンが設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、被冷却液を冷却する冷却装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、車両などに搭載されている各種の機器は、その温度により機能が変化する特性を有している。このため、その機器の機能を所定の状態に維持するためには、その機器の過熱を抑制する必要があり、機器の熱をラジエータにより空気中に放散する冷却装置が知られている。このような冷却装置の一例が、特開平１０−３４０７３４号公報に記載されている。この公報には燃料電池の温度調節装置が記載されている。この温度調節装置は冷却水路を有し、冷却水路には、燃料電池と冷却水ポンプとラジエータとが設けられている。また、冷却水路における燃料電池の入口側および出口側には、温度センサがそれぞれ設けられている。さらに、ラジエータは冷却ファンを有している。
【０００３】
上記構成の温度調節装置においては、冷却水ポンプの駆動力により、冷却水が冷却水路内を循環する。そして、燃料電池の内部を冷却水が通過する際に、燃料電池の熱が冷却水に伝達されて、冷却水が昇温する。昇温した冷却水がラジエータに至ると、冷却水の熱が空気中に放散されて冷却水が冷却される。冷却された冷却水は、冷却水ポンプの吸込口に流れ込む。さらに、２つの温度センサの検知結果に基づいて、燃料電池の内部温度を判断し、その判断結果に基づいて、冷却水ポンプの駆動電圧を制御するものとされている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池は燃料ガスと空気とを反応させて、電力を得る発電装置であり、所定温度範囲内である場合に、その発電効率が高まるという特性を備えている。例えば、固体高分子型の燃料電池であれば、所定温度は８０℃付近である。したがって、燃料電池用の冷却装置には、燃料電池を前記温度付近に維持することができるような高い冷却性能が要求される。しかしながら、上記公報に記載されている燃料電池の冷却方法においては、冷却水と冷却水路外の外気との間で、ラジエータにより１工程のみで熱交換がおこなわれるため、冷却水が充分降温されない可能性があった。
【０００５】
この発明は、被冷却液に対する冷却性能を可及的に高めることのできる冷却装置を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用】
上記目的を達成するため請求項１の発明は、被冷却液の熱を、第１の熱交換器の通気路を通過する外気中に放散させることにより、前記被冷却液を冷却する冷却装置において、冷媒が流れる冷媒流路と、この冷媒流路に設けられ、かつ、外気と冷媒との温度差に基づいて、その冷媒を降温させる凝縮器と、降温された冷媒と前記第１の熱交換器で冷却された被冷却液との間で熱交換をおこなわせることにより、前記被冷却液を再度冷却する第２の熱交換器とを有し、前記通気路を通過する空気の流通方向で、前記第１の熱交換器の後方に前記凝縮器が設けられているとともに、前記通気路は、車両の前後方向に空気が流通する構成を有していることを特徴とするものである。
【０００７】
請求項１の発明によれば、被冷却液が、第１の熱交換器および第２の熱交換器で２回に亘って冷却される。また、被冷却液と外気との熱交換は、第１の熱交換器で１回おこなわれるだけであり、第２の熱交換器では、被冷却液の熱は外気には伝達されない。さらに、被冷却液用の配管系統が１系統で済む。
【０００８】
請求項２の発明は、被冷却液の熱を、ラジエータの通気路を通過する外気中に放散させることにより、前記被冷却液を冷却する冷却装置において、外気と冷媒との温度差により冷媒を冷却し、かつ、凝縮する凝縮器と、この凝縮器により凝縮された冷媒を減圧する減圧器と、前記ラジエータにより冷却された被冷却液の熱を、前記減圧器により減圧された冷媒に伝達させることにより被冷却液を冷却し、かつ、前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、この蒸発器により蒸発された冷媒を圧縮して凝縮器に送る圧縮器とを有し、前記通気路を通過する空気の流通方向で、前記ラジエータの後方に前記凝縮器が設けられているとともに、前記通気路は、車両の前後方向に空気が流通する構成を有していることを特徴とするものである。
【０００９】
請求項２の発明によれば、被冷却液が、ラジエータおよび蒸発器で２回に亘って冷却される。また、被冷却液と外気との熱交換は、ラジエータで１回おこなわれるだけであり、蒸発器では、被冷却液の熱は外気には伝達されない。さらに、被冷却液用の配管系統が１系統で済む。また、請求項３の発明は、請求項１または２の構成に加えて、前記ラジエータの通気路を前方から後方に向けて流通する空気を吸引する吸引ファンを有し、前記通気路を通過する空気の流通方向で、前記凝縮器の後方に前記吸引ファンが設けられていることを特徴とするものである。請求項３の発明によれば、請求項１または２の発明と同様の作用が生じる他に、第１の熱交換器（ラジエータ）と凝縮器と外気との間で、強制対流を生じさせる吸引ファンが共用化される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
つぎに、この発明を図に示す具体例に基づいて説明する。図１は、この発明を、車両用の燃料電池の冷却に用いる場合の一例を示す概念図である。図１において、燃料電池１は、電解質（図示せず）と空気極（図示せず）と燃料極（図示せず）とを有する公知のものである。また、空気極および燃料極には外部回路が接続される。燃料電池１としては、りん酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体電解質型燃料電池、固体高分子型燃料電池などが挙げられる。この燃料電池１には、空気供給経路２および燃料ガス供給経路３が接続されている。燃料ガス供給経路３には高圧タンク４が接続されており、燃料ガス供給経路３であって、高圧タンク４と燃料電池１との間には、各種のバルブ５およびレギュレータ６が設けられている。
【００１１】
つぎに、燃料電池１を冷却する冷却装置Ａ１について説明する。冷却装置Ａ１は、燃料電池１との間で熱伝達をおこなう冷却水が流れる冷却水経路（冷却水配管）Ｂ１を有している。冷却水経路Ｂ１には、ラジエータ２が設けられている。ラジエータ２は、例えば、車両のエンジンルームの前方に配置されている。また、ラジエータ２は、車両の前後方向に空気が流通する通気路（図示せず）を有している。ラジエータ２は、冷却水が流通する通路を有し、この通路に接続する入口部６および出口部７が設けられている。
【００１２】
さらに、燃料電池１は、冷却水が流通する配管を有し、その配管に接続する出口部２２および入口部２３が設けられている。前記冷却水経路Ｂ１であって、燃料電池１の出口部２２とラジエータ２の入口部６との間と、燃料電池１の入口部２３とラジエータ２の出口部７との間とを接続するバイパス経路Ｃ１が設けられている。さらにまた、燃料電池１の入口部２３とラジエータ２の出口部７との間と、バイパス経路Ｃ１との接続部分には、切り換えバルブ８が設けられている。また、冷却水経路Ｂ１であって、燃料電池１の入口部２３と切り換えバルブ８との間には、ポンプ９が設けられている。
【００１３】
一方、前記ラジエータ２の後方（車両の前後方向における後方、言い換えれば、空気の流通方向における後方）には、高温凝縮器（言い換えれば、コンデンサ）１０が設けられている。また、高温凝縮器１０の入口部１１と、コンプレッサ１２の出口部１３とが、配管により接続されている。なお、コンプレッサ１２を駆動する電動機（図示せず）が設けられている。また、高温凝縮器１０の出口部１４と、二重管式熱交換器（エバポレータ）１５の入口部１６とが、配管により接続されている。
【００１４】
さらに、二重管式熱交換器１５の出口部１７と、コンプレッサ１２の入口部１８とが、配管により接続されている。このようにして、コンプレッサ１２、高温凝縮器１０、二重管式熱交換器１５とを接続する冷媒流路Ｄ１が形成されている。冷媒流路Ｄ１は環状に構成され、冷媒流路Ｄ１内には冷媒としてのフロンガスが封入されている。なお、冷媒流路Ｄ１であって、高温凝縮器１０の出口部１４と、二重管式熱交換器１５の入口部１６との間には、膨張弁（減圧器）１８が設けられている。
【００１５】
二重管式熱交換器１５は、外径が異なる内管（図示せず）と外管（図示せず）を内外周に配置したものである。そして、内管の内部が冷却水経路Ｂ１の一部を構成し、内管と外管との間の空間が、冷媒流路Ｄ１の一部を構成している。さらに、内管は、熱伝導性に優れた金属材料、例えば、アルミニウム、銅などにより構成されている。なお、高温凝縮器１０の後方には、吸引ファン１９が設けられている。この吸引ファン１９は、車両用の駆動力源により駆動されるもの、または吸引ファン専用の電動機により駆動されるもの、のいずれでもよい。
【００１６】
さらに、燃料電池１に電気的に接続されたインバータ２０が設けられている。また、図１に示すシステム全体を制御するコントローラ２１が設けられており、燃料電池１の発電に対応するインバータ２０の出力、燃料電池１の温度、冷却水の温度などが、コントローラ２１により判断される。さらに、コントローラ２１により、ポンプ９の吐出量の制御、切り換えバルブ８の開閉の制御、コンプレッサ１２の圧縮力の制御、吸引ファン１９の回転数の制御などがおこなわれる。
【００１７】
つぎに、図１に示すシステムの作用を説明する。ここでは、燃料電池１として、固体高分子型燃料電池を用いた場合について説明する。まず、空気供給経路２から燃料電池１に空気（酸素）が供給され、かつ、燃料ガス供給経路３から燃料ガス（例えば、メタノールを改質したガス）が供給される。すると、燃料極の表面で水素が反応して水素イオンと電子となり、水素イオンが電解質中を空気極に向かって移動する。空気極では、前記水素イオンと、外部回路を移動してきた電子と、供給された酸素とが反応し、水を生成する。このような作用により起電力が得られる。燃料電池１は、発電に際して発熱するため、その熱を放熱して燃料電池１の運転温度を所定温度範囲に保つことにより、その発電効率を高めることができる。この実施例では、冷却装置Ａ１により燃料電池１を冷却し、燃料電池１の運転温度を調整することができる。
【００１８】
まず、燃料電池１の温度が、比較的低温の下限温度以下である場合、すなわち、燃料電池１の発電効率が低い場合について説明する。この場合は、バイパス経路Ｃ１をポンプ９側に接続するように、切り換えバルブ８が制御される。すると、冷却水流通経路Ｂ１であって、ラジエータ２側の流通抵抗よりも、バイパス通路Ｃ１の流通抵抗の方が低くなる。このため、燃料電池１の出口部２２から流れ出た冷却水は、バイパス通路Ｃ１を経由して燃料電池１の入口部２３に至る。このようにして、バイパス通路Ｃ１を含む冷却水経路Ｂ１内で冷却水が循環している場合は、冷却水の熱が外気には伝達されにくく、燃料電池１の温度が上昇する。すなわち、燃料電池１が暖機される。
【００１９】
これに対して、燃料電池１の温度が、所定の上限温度に近づいた場合は、二重管式熱交換器１５とポンプ９との間を接続するするように、切り換えバルブ８が制御される。すると、燃料電池１の出口部２２から流れ出た冷却水は、ラジエータ２に流れ込む。このとき、車両が走行中であれば、ラジエータ２の前方から後方に向けて空気が流通する。そして、冷却水の熱がコアを経由して外気に伝達（放散）され、冷却水が冷却される。
【００２０】
また、車両が停止している場合、または、ラジエータ２の通気路を通過する空気の流速が遅い場合は、吸引ファン１９が駆動される。その結果、吸引ファン１９の吸引力により、ラジエータ２の前方から後方に向けて空気が流通して、空気の流速が高められる。
【００２１】
さらに、冷却水がラジエータ２側に流れる場合は、コンプレッサ１２により冷媒が圧縮されて、その冷媒が高温・高圧となり、高温凝縮器１０に送られる。そして、高温凝縮器１０の周囲の外気と冷媒との温度差に基づいて、冷媒が冷却されて、冷媒が中温・高圧な液体となる。すなわち、冷媒が凝縮される。このようにして凝縮された冷媒は、膨張弁１８で減圧されて膨張し、冷媒は低圧な液体となる。なお、冷媒の一部は低圧なガスとなる。液化した冷媒は、二重管式熱交換器５に流れ込む。
【００２２】
この二重管式熱交換器１５においては、冷却水の潜熱が冷媒に伝達されて、冷却水がさらに冷却されるとともに、液化している冷媒が蒸発してガス化する。蒸発した冷媒は、コンプレッサ１２に流れ込み、再び圧縮される。なお、二重管式熱交換器１５において冷却された冷却水は、ポンプ９により再び燃料電池１側に送られる。このように、図１に示す冷却装置Ａ１は、冷媒の圧縮、凝縮、減圧、蒸発（吸熱）を繰り返すことにより、冷却水の温度を所定温度範囲（例えば８０℃付近）に調整する、いわゆる蒸気圧縮式の冷凍サイクルを構成している。
【００２３】
また、図１の実施例においては、冷却水経路Ｂ１を流れる冷却水の熱が、ラジエータ２を通過する第１次工程、および二重管式熱交換器１５を通過する第２次工程の、合計２工程において放熱される。したがって、冷却水に対する冷却装置Ａ１の冷却性能が向上する。さらに、２回目の放熱を支配する二重管式熱交換器１５では、冷却水の熱が空気中には放散されない。
【００２４】
このため、例えば、二重管式熱交換器１５を吸引ファン１９の後方に配置したとしても、冷却液から冷媒に伝達される熱の熱伝達率が低下することを抑制できる。したがって、車両の前後方向（通風方向）に、ラジエータ２、吸引ファン１９、二重管式熱交換器１５を配置した場合でも、冷却装置Ａ１の冷却性能を向上させることができる。言い換えれば、車両の幅方向または高さ方向に、ラジエータ２と二重管式熱交換器１５とを配置する必要性はなく、他の装置と二重管式熱交換器１５との配置レイアウトの自由度が増す。
【００２５】
ところで、燃料電池１の温度上昇サイクルと、冷却水の温度上昇サイクルとには、時間的な遅れが発生する。このため、出口部２２における冷却水の温度を検知して、その検知結果に基づいて、切り換えバルブ８の状態を制御したのでは、燃料電池１の運転温度を、高効率の温度範囲に調整できない可能性がある。そこで、燃料電池１の出力に基づいて燃料電池１の温度（言い換えれば、出口部２２における冷却水温度）を推定し、その推定結果に基づいて、切り換えバルブ８の状態を制御すれば、冷却水温度が高温となる前に、冷却装置Ａ１を作動させて、燃料電池１の温度上昇に対する冷却装置Ａ１の冷却制御の応答遅れを抑制することができる。なお、図２に、燃料電池１の出力と、出口部２２における冷却水温度との対応関係を示すマップの一例を示す。このマップに示すように、燃料電池１の出力が増加するほど、冷却水温度が上昇する。このマップを用いて、上記の制御をおこなうことができる。
【００２６】
つぎに、コンプレッサ１２の駆動制御について説明する。ここで、冷却水の温度を目標温度に冷却する場合に、“ラジエータ２の冷却能力では、約１０ＫＷの冷却能力不足が発生する”と仮定する。すると、この不足分の冷却能力（仕事量）を、二重管式熱交換器１５の放熱機能により補うこととなる。蒸気圧縮式の冷凍サイクルの成績係数ＣＯＰを約３と仮定すると、不足分の冷却能力を補うために必要な動力の増加、すなわち、コンプレッサ１２を駆動する電動機の動力増加は、約３ＫＷ程度の増加となる。つまり、冷却能力不足となる出力に対して、数パーセントの範囲であり、動力への影響は少ない。さらに、冷却工程は２工程であるのに対して、冷却水用の配管は１系統で済み、部品点数の増加を抑制できる。さらにまた、ラジエータ２および高温凝縮器１０と外気との間で、強制対流を生じさせる吸引ファン１９が共用化されているため、部品点数を一層削減できる。
【００２７】
ここで、この実施例の構成と、この発明の構成との対応関係を説明すれば、冷却水が、この発明の被冷却液に相当し、ラジエータ２がこの発明の第１の熱交換器に相当し、高温凝縮器１０が、この発明の凝縮器に相当し、膨張弁１８がこの発明の減圧器に相当し、二重管式熱交換器１５が、この発明の第２の熱交換器および蒸発器に相当し、コンプレッサ１２が、この発明の圧縮機に相当する。なお、この実施例では、冷却水により冷却される発熱部が、燃料電池である場合について説明したが、他の発熱部、例えば、車両用の駆動力源としてのエンジン、電動機などを冷却水により冷却する場合に、この実施例の冷却装置を用いることもできる。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明によれば、被冷却液の冷却が、第１の熱交換器および第２の熱交換器の２工程でおこなわれるため、冷却性能が向上する。また、第２の熱交換器では、被冷却液の熱が外気中には伝達されないため、第１の熱交換器と第２の熱交換器との相対位置関係が制約されず、第１の熱交換器と第２の熱交換器とのレイアウトの自由度が増す。さらに、冷却水用の配管は１系統で済み、部品点数の増加を抑制できる。
【００２９】
請求項２の発明によれば、被冷却液の冷却が、ラジエータおよび蒸発器の２工程でおこなわれるため、冷却性能が向上する。また、蒸発器では、被冷却液の熱が外気中には伝達されないため、ラジエータと蒸発器との相対位置関係が制約されず、ラジエータと蒸発器とのレイアウトの自由度が増す。さらに、冷却水用の配管は１系統で済み、部品点数の増加を抑制できる。また、請求項３の発明によれば、請求項１または２の発明と同様の効果を得られる他に、第１の熱交換器（ラジエータ）と凝縮器と外気との間で、強制対流を生じさせる吸引ファンが共用化され、部品点数を削減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の一実施例を示す概念図である。
【図２】  この発明で用いるマップの一例である。
【符号の説明】
２…ラジエータ、  １０…高温凝縮器、  １２…コンプレッサ、  １５…二重管式熱交換器、  １８…膨張弁、  Ａ１…冷却装置、  Ｄ１…冷媒流路。
【図１】
0003941488.tif 000002
【図２】
0003941488.tif 000003