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公開番号2020200964
公報種別公開特許公報(A)
公開日20201217
出願番号2019106164
出願日20190606
発明の名称沸騰冷却装置
出願人株式会社SOKEN,株式会社デンソー
代理人特許業務法人かいせい特許事務所
主分類F28D 15/06 20060101AFI20201120BHJP(熱交換一般)
要約【課題】傾斜時の冷却性能を確保できる沸騰冷却装置を提供する。
【解決手段】沸騰冷却装置は、蒸発器10と、凝縮器20と、熱媒体通路30、流量調整部6と、制御装置5とを備える。蒸発器10は、組電池2と熱媒体との熱交換により熱媒体を沸騰気化させる。凝縮器20は、熱媒体と空気との熱交換により熱媒体を凝縮させる。熱媒体通路30は、蒸発器10と凝縮器20とをループ状に連結する。流量調整部6は、蒸発器10に流入する液相熱媒体の流量である蒸発器流入流量を調整する。制御装置5は、流量調整部6の作動を制御する。蒸発器10および凝縮器20は、車両前後方向に配置されている。蒸発器10の蒸発チューブ101には、蒸発チューブ101内における熱媒体の液面の高さを検出する液面センサ4が設けられている。制御装置5は、液面の高さが予め定めた基準高さを下回った際に、流量調整部6によって蒸発器流入流量を増加させる。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
少なくとも作動時に発熱する車載機器(2)と熱媒体との熱交換により前記熱媒体を沸騰気化させることで前記車載機器を冷却する蒸発器(10)と、
前記熱媒体と外部流体との熱交換により前記熱媒体を凝縮させることで前記熱媒体の熱を前記外部流体に放熱する凝縮器(20)と、
前記蒸発器と前記凝縮器とをループ状に連結して前記蒸発器と前記凝縮器との間で前記熱媒体を循環させる熱媒体通路(30)と、
前記蒸発器に流入する液相の前記熱媒体の流量である蒸発器流入流量を調整する流量調整部(6、52)と、
前記流量調整部の作動を制御する制御部(5)と、を備え、
前記蒸発器は、前記熱媒体が流れる複数のチューブ(101)を有しており、
前記複数のチューブのうち少なくとも1つの前記チューブには、前記チューブ内における前記熱媒体の液面の高さを検出する液面検出部(4)が設けられており、
前記制御部は、前記液面の高さが予め定めた基準高さを下回った際に、前記流量調整部によって前記蒸発器流入流量を増加させる沸騰冷却装置。
続きを表示(約 3,500 文字)【請求項2】
前記複数のチューブは、車両前後方向に配置されており、
前記液面検出部は、前記複数のチューブのうち、最も車両前方側に配置された前記チューブ内における前記熱媒体の液面の高さを検出する請求項1に記載の沸騰冷却装置。
【請求項3】
前記蒸発器は、車両前後方向に複数配置されており、
前記液面検出部は、複数の前記蒸発器のうち、最も車両前方側に配置された前記蒸発器の前記チューブ内における前記熱媒体の液面の高さを検出する請求項1に記載の沸騰冷却装置。
【請求項4】
前記複数のチューブは、車両前後方向に配置されており、
前記液面検出部は、
前記複数のチューブのうち最も車両前方側に配置された前記チューブ内における前記熱媒体の液面の高さである前方液面高さを検出する前方検出部(4a)と、
前記複数のチューブのうち最も車両後方側に配置された前記チューブ内における前記熱媒体の液面の高さである後方液面高さを検出する後方検出部(4b)と、を含んでおり、
さらに、前記前方液面高さおよび前記後方液面高さに基づいて、車両が登坂路に入っているか否かを判定する判定部(5)を備え、
前記制御部は、前記判定部により前記車両が登坂路に入っていると判定された際に、前記流量調整部によって前記蒸発器流入流量を増加させる請求項1に記載の沸騰冷却装置。
【請求項5】
前記蒸発器は、車両前後方向に複数配置されており、
前記液面検出部は、
複数の前記蒸発器のうち最も車両前方側に配置された前記蒸発器の前記チューブ内における前記熱媒体の液面の高さである前方液面高さを検出する前方検出部(4a)と、
複数の前記蒸発器のうち最も車両後方側に配置された前記蒸発器の前記チューブ内における前記熱媒体の液面の高さである後方液面高さを検出する後方検出部(4b)と、を含んでおり、
さらに、前記前方液面高さおよび前記後方液面高さに基づいて、車両が登坂路に入っているか否かを判定する判定部(5)を備え、
前記制御部は、前記判定部により前記車両が登坂路に入っていると判定された際に、前記流量調整部によって前記蒸発器流入流量を増加させる請求項1に記載の沸騰冷却装置。
【請求項6】
前記複数のチューブは、車両左右方向に配置されており、
前記液面検出部は、
前記複数のチューブのうち車両幅方向の一端部に配置された前記チューブ内における前記熱媒体の液面の高さである一端液面高さを検出する一端検出部(4c)と、
前記複数のチューブのうち車両幅方向の他端部に配置された前記チューブ内における前記熱媒体の液面の高さである他端液面高さを検出する他端検出部(4d)と、を含んでおり、
前記制御部は、前記一端液面高さおよび前記他端液面高さのうち低い方の液面高さが前記基準高さを下回った際に、前記流量調整部によって前記蒸発器流入流量を増加させる請求項1、2、4のいずれか1つに記載の沸騰冷却装置。
【請求項7】
前記蒸発器は、車両幅方向に複数配置されており、
前記液面検出部は、
複数の前記蒸発器のうち車両幅方向の一端部に配置された前記蒸発器の前記チューブ内における前記熱媒体の液面の高さである一端液面高さを検出する一端検出部(4c)と、
複数の前記蒸発器のうち車両幅方向の他端部に配置された前記蒸発器の前記チューブ内における前記熱媒体の液面の高さである他端液面高さを検出する他端検出部(4d)と、を含んでおり、
前記制御部は、前記一端液面高さおよび前記他端液面高さのうち低い方の液面高さが前記基準高さを下回った際に、前記流量調整部によって前記蒸発器流入流量を増加させる請求項1、3、5のいずれか1つに記載の沸騰冷却装置。
【請求項8】
前記流量調整部は、前記凝縮器における前記熱媒体から前記外部流体への放熱量を調整する放熱量調整部(6)を含み、
前記制御部は、前記液面の高さが前記基準高さを下回った際に、前記放熱量調整部によって前記凝縮器における前記熱媒体から前記外部流体への放熱量を増加させる請求項1ないし7のいずれか1つに記載の沸騰冷却装置。
【請求項9】
前記流量調整部は、前記車載機器の発熱量を調整する発熱量調整部(52)を含み、
前記制御部は、前記液面の高さが前記基準高さを下回った際に、前記発熱量調整部によって前記車載機器の発熱量を減少させる請求項1ないし7のいずれか1つに記載の沸騰冷却装置。
【請求項10】
前記液面検出部は、
前記チューブと熱的に接触するとともに、重力方向に延びる金属製の膜部材(41)と、
前記膜部材の上端部に設けられた一端側電極(41a)と、
前記膜部材の下端部に設けられた他端側電極(41b)と、
前記一端側電極および前記他端側電極間に定電圧を印加する定電圧電源(43)と、
前記一端側電極および前記他端側電極間の電流値を検出する電流検出部(42)と、
前記定電圧および前記電流検出部の検出結果から前記膜部材の抵抗値を算出するとともに、前記抵抗値から前記チューブ内における前記熱媒体の液面の高さを算出する算出部(5)と、を有する請求項1ないし9のいずれか1つに記載の沸騰冷却装置。
【請求項11】
前記液面検出部は、
前記チューブと熱的に接触するとともに、重力方向に延びる金属製の膜部材(41)と、
前記膜部材の上端部に設けられた一端側電極(41a)と、
前記膜部材の下端部に設けられた他端側電極(41b)と、
前記一端側電極および前記他端側電極間に定電圧を印加する定電圧電源(43)と、
前記一端側電極および前記他端側電極間の電流値を検出する電流検出部(42)と、
前記電流検出部の検出結果に基づいて前記チューブ内における前記熱媒体の液面の高さを算出する算出部(5)と、を有する請求項1ないし9のいずれか1つに記載の沸騰冷却装置。
【請求項12】
前記液面検出部は、
前記チューブと熱的に接触するとともに、重力方向に延びる金属製の膜部材(41)と、
前記膜部材の上端部に設けられた一端側電極(41a)と、
前記膜部材の下端部に設けられた他端側電極(41b)と、
前記一端側電極および前記他端側電極間に定電流を供給する定電流電源(430)と、
前記一端側電極および前記他端側電極間の電圧値を検出する電圧検出部(45)と、
前記電圧検出部の検出結果に基づいて前記チューブ内における前記熱媒体の液面の高さを算出する算出部(5)と、を有する請求項1ないし9のいずれか1つに記載の沸騰冷却装置。
【請求項13】
前記液面検出部は、前記チューブと熱的に接触するとともに、重力方向に複数並んで配置されたPTCサーミスタ(46a〜46c)を有しており、
各前記PTCサーミスタには、
前記PTCサーミスタに定電圧を印加する定電圧電源(43a〜43c)と、
前記PTCサーミスタに流れる電流を検出する電流検出部(42a〜42c)と、が接続されており、
前記液面検出部は、前記各PTCサーミスタに接続された前記電流検出部の検出結果に基づいて前記チューブ内における前記熱媒体の液面の高さを算出する算出部(5)を有する請求項1ないし9のいずれか1つに記載の沸騰冷却装置。
【請求項14】
前記液面検出部は、前記チューブと熱的に接触するとともに、重力方向に複数並んで配置されたPTCサーミスタ(46a〜46c)を有しており、
複数の前記PTCサーミスタは、並列に接続されて検出回路(460)を構成しており、
前記液面検出部は、
前記検出回路に定電圧を印加する定電圧電源(43)と、
前記検出回路に流れる電流を検出する電流検出部(42)と、
前記定電圧および前記電流検出部の検出結果から前記検出回路の抵抗値を算出するとともに、前記抵抗値に基づいて前記チューブ内における前記熱媒体の液面の高さを算出する算出部(5)と、を有する請求項1ないし9のいずれか1つに記載の沸騰冷却装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、沸騰冷却装置に関するものである。
続きを表示(約 5,300 文字)【背景技術】
【0002】
従来、特許文献1には、装置内部に封入した作動流体によって熱を輸送する沸騰冷却装置が開示されている。この従来技術は、ループ型のサーモサイフォン式ヒートパイプであり、凝縮部、液流管、蒸発部および蒸気流管を備えている。
【0003】
凝縮部では、気相の作動流体が凝縮される。液流管では、凝縮部で生じた液相の作動流体が一方向に流れる。蒸発部では、液流管を介して流入した液相の作動流体が蒸発される。蒸気流管では、蒸発部で生じた気相の作動流体が凝縮部に一方向に流れる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
特開2012−241976号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本出願人は、上記従来技術における沸騰冷却装置を車両に搭載して、車両の蓄電装置(例えば、二次電池)を冷却することを検討した。しかしながら、上記従来技術における沸騰冷却装置を車両に搭載した場合、車両の加減速や登降坂の影響があるため、全ての走行状況において蓄電装置を冷却することが難しいことがわかった。
【0006】
例えば、登坂時には沸騰冷却装置全体が傾斜するため、蒸発部の車両前方側において、作動流体の液面が低下する。この状態で急加速をすると、走行負荷が高くなって蓄電装置の発熱量が増加するので、蒸発部において作動流体の気泡が大量発生する。これにより、気泡が液流管に逆流し、蒸発器に液相冷媒が供給され難くなるため、冷却性能が低下する可能性がある。
【0007】
本発明は上記点に鑑みて、傾斜時の冷却性能を確保できる沸騰冷却装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記目的を達成するため、請求項1に記載の沸騰冷却装置は、
少なくとも作動時に発熱する車載機器(2)と熱媒体との熱交換により熱媒体を沸騰気化させることで車載機器を冷却する蒸発器(10)と、
熱媒体と外部流体との熱交換により熱媒体を凝縮させることで熱媒体の熱を外部流体に放熱する凝縮器(20)と、
蒸発器と凝縮器とをループ状に連結して蒸発器と凝縮器との間で熱媒体を循環させる熱媒体通路(30)と、
蒸発器に流入する液相の熱媒体の流量である蒸発器流入流量を調整する流量調整部(6、52)と、
流量調整部の作動を制御する制御部(5)と、を備え、
蒸発器は、熱媒体が流れる複数のチューブ(101)を有しており、
複数のチューブのうち少なくとも1つのチューブには、チューブ内における熱媒体の液面の高さを検出する液面検出部(4)が設けられており、
制御部は、液面の高さが予め定めた基準高さを下回った際に、流量調整部によって蒸発器流入流量を増加させる。
【0009】
これによれば、沸騰冷却装置が傾斜して蒸発器のチューブ内における熱媒体の液面高さが低下した際に、蒸発器に流入する液相熱媒体の流量を増加することができる。このため、凝縮器から流出した液相熱媒体を蒸発器側に導く熱媒体通路に、蒸発器のチューブ内で生じた気泡が逆流することを抑制できる。これにより、傾斜時の冷却性能を確保することが可能となる。
【0010】
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した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】
【0011】
第1実施形態に係る沸騰冷却装置を示す全体構成図である。
第1実施形態における蒸発部を示す説明図である。
第1実施形態における電気制御部を示すブロック図である。
第1実施形態における膜部材の液面高さと抵抗値との関係を示す特性図である。
第1実施形態における制御装置が実行する制御処理を示すフローチャートである。
図1の沸騰冷却装置において車両が登坂している状態を示す図である。
第2実施形態に係る沸騰冷却装置において車両が降坂している状態を示す図である。
第2実施形態における制御装置が実行する制御処理を示すフローチャートである。
第2実施形態における液面差と送風能力との関係を示す制御特性図である。
第3実施形態に係る沸騰冷却装置において車両が車両幅方向に傾斜している状態を示す図である。
第3実施形態における制御装置が実行する制御処理を示すフローチャートである。
第4実施形態に係る沸騰冷却装置を示す全体構成図である。
図12の沸騰冷却装置において車両が登坂している状態を示す図である。
第5実施形態に係る沸騰冷却装置において車両が降坂している状態を示す図である。
第6実施形態に係る沸騰冷却装置において車両が車両幅方向に傾斜している状態を示す図である。
第7実施形態における制御装置が実行する制御処理を示すフローチャートである。
第8実施形態における膜部材の液面高さと電流値との関係を示す特性図である。
第9実施形態における蒸発部を示す説明図である。
第9実施形態における膜部材の液面高さと電圧値との関係を示す特性図である。
第10実施形態における蒸発部を示す説明図である。
第10実施形態におけるPTCサーミスタの温度と抵抗値との関係を示す特性図である。
第10実施形態における前方チューブおよびPTCサーミスタを示す説明図である。
第10実施形態における各PTCサーミスタの電流値と液相熱媒体の有無との関係を示す説明図である。
第11実施形態における蒸発部を示す説明図である。
第12実施形態の第1実施例における沸騰冷却装置を示す全体構成図である。
第12実施形態の第2実施例における沸騰冷却装置を示す全体構成図である。
第12実施形態の第3実施例における沸騰冷却装置を示す全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
【0013】
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態について図1〜図6に基づいて説明する。以下の各図における上下前後左右を示す矢印は、車両が水平面に位置する際の上下前後左右の各方向を示している。
【0014】
また、本明細書において、「重力方向」とは、沸騰冷却装置が水平面に配置された状態における重力方向を意味している。したがって、「重力方向上方側」とは、沸騰冷却装置が水平面に配置された状態における重力方向上方側を示している。同様に、「重力方向下方側」とは、沸騰冷却装置が水平面に配置された状態における重力方向下方側を示している。また、「水平方向」とは、沸騰冷却装置が水平面に配置された状態における水平方向を意味している。
【0015】
より詳細には、「重力方向」とは、水平面に位置する車両に沸騰冷却装置が搭載された状態における重力方向を意味している。したがって、「重力方向上方側」とは、水平面に位置する車両に沸騰冷却装置が搭載された状態における重力方向上方側を示している。同様に、「重力方向下方側」とは、水平面に位置する車両に沸騰冷却装置が搭載された状態における重力方向下方側を示している。また、「水平方向」とは、水平面に位置する車両に沸騰冷却装置が搭載された状態における水平方向を意味している。
【0016】
図1に示す本実施形態の沸騰冷却装置1は、組電池2を冷却する装置である。組電池2は、車両に搭載されるとともに、少なくとも作動時に発熱する車載機器である。組電池2は、複数の電池セル3を有している。複数の電池セル3は、車両の前後方向および幅方向(すなわち左右方向)に配列されている。
【0017】
組電池2は、インバータなどを介して走行用モータに電気を供給する。組電池2は、回生電力を蓄える蓄電池である。組電池2の電池セル3は、走行中など充放電使用時に自己発熱する。組電池2が高温になると十分な機能を得られないだけでなく組電池2の劣化や破損を招く。そのため、組電池2を冷却して一定温度以下に維持する必要がある。
【0018】
特に加速時や登坂時(換言すれば走行負荷が高い時)には組電池2の放電量が多くなって発熱量が増加するので、組電池2を高い冷却能力で冷却する必要がある。
【0019】
組電池2の温度は、走行中だけでなく夏期の駐車放置中などにも上昇する。組電池2の電池セルを高温状態で放置すると寿命が大幅に低下するため、駐車放置中も冷却するなど電池温度を低温に維持する必要がある。
【0020】
沸騰冷却装置1によって温度調整される車載機器は、組電池2の他、走行用インバータ、走行用モータおよびインタークーラ等あってもよい。走行用インバータ、走行用モータおよびインタークーラは、加速時や登坂時(換言すれば走行負荷が高い時)に放熱量が多くなる車載機器である。
【0021】
沸騰冷却装置1は、蒸発器10と、凝縮器20と、熱媒体通路30とを備えている。蒸発器10は、組電池2と熱媒体との熱交換により熱媒体を沸騰気化させることで組電池2を冷却する熱交換器である。凝縮器20は、熱媒体と外部流体である空気との熱交換により熱媒体を凝縮させることで熱媒体の熱を空気に放熱する熱交換器である。熱媒体通路30は、蒸発器10と凝縮器20とをループ状に連結して、蒸発器10と凝縮器20との間で熱媒体を循環させる通路である。
【0022】
熱媒体としては、蒸発および凝縮可能な流体を採用することができる。具体的には、熱媒体として、水またはアルコールを採用することができる。また、熱媒体として、蒸気圧縮式の冷凍サイクルで利用されるフロン系冷媒(例えば、R134a、R1234yf等)を用いることができる。また、熱媒体としては、フロン系冷媒だけでなく、二酸化炭素等の他の冷媒や不凍液等を用いることも可能である。
【0023】
蒸発器10および凝縮器20は、車両前後方向に配置されている。本実施形態では、蒸発器10は、凝縮器20よりも車両後方側に位置している。
【0024】
次に、蒸発器10の構成について、図2を参照しつつ説明する。蒸発器10は、組電池2を熱媒体の蒸発により冷却する熱交換器である。
【0025】
蒸発器10は、いわゆるタンクアンドチューブ型の熱交換器である。蒸発器10は、蒸発チューブ101と、蒸発タンク102、103とを備えている。
【0026】
蒸発チューブ101は、熱媒体が流れる流路を形成する管状部材である。蒸発チューブ101は、扁平板状(すなわち断面扁平形状)に形成された扁平チューブである。蒸発チューブ101は、その長手方向が重力方向と略平行となるように配置されている。蒸発チューブ101は、水平方向において、複数本平行に配置されている。具体的には、複数の蒸発チューブ101は、車両前後方向に配置されている。
【0027】
複数の蒸発チューブ101は、同一平面を形成している。すなわち、複数の蒸発チューブ101は、蒸発チューブ101の両側の扁平面がそれぞれ同一平面上に配置されるように、一列に並んで配置されている。
【0028】
複数の蒸発チューブ101における扁平面には、それぞれ、組電池2の電池セル3が接合されている。このため、蒸発チューブ101内の熱媒体には、組電池2からの熱が伝わる。
【0029】
ここで、複数の蒸発チューブ101のうち、最も車両前方側に配置された蒸発チューブ101を、前方チューブ101aという。前方チューブ101aには、前方チューブ101a内における熱媒体の液面の高さを検出する液面検出部である液面センサ4が設けられている。なお、液面センサ4の詳細については、後述する。
【0030】
蒸発タンク102、103は、複数の蒸発チューブ101と連通している。蒸発タンク102、103は、複数の蒸発チューブ101に対して熱媒体の集合または分配を行う。
(【0031】以降は省略されています)

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