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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-06-07
(45)【発行日】2023-06-15
(54)【発明の名称】熱輸送システム
(51)【国際特許分類】
F25B 1/00 20060101AFI20230608BHJP
H01L 23/473 20060101ALI20230608BHJP
H01M 10/651 20140101ALI20230608BHJP
H01M 10/613 20140101ALI20230608BHJP
H01M 10/625 20140101ALI20230608BHJP
H01M 10/6556 20140101ALI20230608BHJP
H01M 10/6568 20140101ALI20230608BHJP
H01M 10/663 20140101ALI20230608BHJP
C09K 5/10 20060101ALI20230608BHJP
C23F 11/12 20060101ALI20230608BHJP
【ＦＩ】
F25B1/00 321L
H01L23/46 Z
H01M10/651
H01M10/613
H01M10/625
H01M10/6556
H01M10/6568
H01M10/663
C09K5/10 F
F25B1/00 399Y
C23F11/12
【請求項の数】
3
(21)【出願番号】P 2019058290
(22)【出願日】2019-03-26
(65)【公開番号】P2020159613
(43)【公開日】2020-10-01
【審査請求日】2022-02-07
(73)【特許権者】
【識別番号】000004260
【氏名又は名称】株式会社デンソー
(73)【特許権者】
【識別番号】399040313
【氏名又は名称】谷川油化興業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001472
【氏名又は名称】弁理士法人かいせい特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】布施 卓哉
(72)【発明者】
【氏名】稲垣 孝治
(72)【発明者】
【氏名】中村 健二
(72)【発明者】
【氏名】山田 輝
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 和参
【審査官】西山 真二
(56)【参考文献】
【文献】米国特許第０４９２８７５２（ＵＳ，Ａ）
【文献】特開平１０－２０５８３４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－１１０８９８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特公平０７－０３７８６４（ＪＰ，Ｂ２）
【文献】特開２００５－０１５７１２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００４－５０３６５７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特公昭５９－４２７５２（ＪＰ，Ｂ２）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ２５Ｂ １／００
Ｃ０９Ｋ ５／１０
Ｃ２３Ｆ １１／１２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
冷媒が循環する冷凍サイクル装置（１０）と、熱輸送媒体が循環する熱輸送媒体回路（３０）と、
前記冷媒と前記熱輸送媒体を熱交換し、前記熱輸送媒体を冷却する冷却用熱交換器（１５）と、
前記熱輸送媒体回路に設けられ、前記熱輸送媒体に吸熱される電気機器（３３～３５）と、を備え、
前記熱輸送媒体は、メタノールおよびエタノールの少なくともいずれかである低級アルコールと、水と、非イオン系防錆剤とを含み、
前記非イオン系防錆剤は、下記一般式（１）で表されるＳｉエーテルである熱輸送システム。
【化1】
【請求項2】
前記熱輸送媒体において、水量が前記低級アルコール量以上である請求項１に記載の熱輸送システム。
【請求項3】
前記熱輸送媒体における前記低級アルコールと水の比が、重量比で３５：６５～５０：５０である請求項１または２に記載の熱輸送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、熱輸送媒体によって熱を輸送する熱輸送システムに関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１には、チラーによって冷凍サイクルの冷媒と低温冷却水回路の低温冷却水とを熱交換し、低温冷却水を冷却する装置が記載されている。この装置では、低温冷却水として、エチレングリコール水溶液などが用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１７－１１０８９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、エチレングリコール水溶液は低温時に粘度が高くなるため、低温冷却水回路の圧力損失が大きくなる。このため、低温冷却水を循環させるためのポンプ動力の増大を招く。また、エチレングリコール水溶液は使用によって導電率が上昇するため、電池のような電気機器で発生する熱の輸送に用いる場合には、漏電を防止するために大がかりな絶縁対策が必要となる。
【0005】
本発明は上記点に鑑みて、熱輸送システムにおいて、熱輸送媒体の低温での粘度増大を抑制し、さらに熱輸送媒体の低導電性を確保することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、冷媒が循環する冷凍サイクル装置（１０）と、熱輸送媒体が循環する熱輸送媒体回路（３０）と、冷媒と熱輸送媒体を熱交換し、熱輸送媒体を冷却する冷却用熱交換器（１５）と、熱輸送媒体回路に設けられ、熱輸送媒体に吸熱される電気機器（３３～３５）と、を備え、熱輸送媒体は、メタノールおよびエタノールの少なくともいずれかである低級アルコールと、水と、非イオン系防錆剤とを含み、非イオン系防錆剤は、下記一般式（１）で表されるＳｉエーテルである熱輸送システムである。
一般式（１）中、Ｒ
１
～Ｒ
４
は、それぞれ独立に、炭化水素基または炭化水素基の水素原子をハロゲン原子で置換したハロゲン化炭化水素基を表す。
【化1】
【0007】
このように、熱輸送媒体として、メタノールおよびエタノールの少なくともいずれかである低級アルコールと、水と、を含む低級アルコール水溶液を用いることで、低温環境下での粘度増大を抑制できる。また、防錆剤として非イオン系防錆剤を用いることで、熱輸送媒体の低導電性を確保することできる。
【0008】
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】
【0009】
【図1】一実施形態に係る熱輸送システムの構成を示す図である。
【図2】実施例１および比較例１における温度と動粘度との関係を示す特性図である。
【図3】実施例２および比較例２における電気伝導率を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、本発明の熱輸送システムを適用した最も好適な実施形態について図面に基づいて説明する。
【0011】
本実施形態の熱輸送システムは、走行用電動モータから車両走行用の駆動力を得る電気自動車に搭載されている。熱輸送システムは、エンジン（換言すれば内燃機関）および走行用電動モータから車両走行用の駆動力を得るハイブリッド自動車に搭載されていてもよい。本実施形態の熱輸送システムは、車室内空間の温度調整を行う空調装置として機能し、車両に搭載された電池３３等の温度調整を行う温調装置としても機能する。
【0012】
図１に示すように、熱輸送システムは、冷凍サイクル装置１０と、高温媒体回路２０と、熱輸送媒体回路である低温媒体回路３０と、を有している。高温媒体回路２０及び低温媒体回路３０では、熱輸送媒体による熱の輸送が行われる。低温媒体回路３０の熱輸送媒体は、高温媒体回路２０の熱輸送媒体よりも低温となっている。このため、高温媒体回路２０の熱輸送媒体を高温側熱輸送媒体ともいい、低温媒体回路３０の熱輸送媒体を低温側熱輸送媒体ともいう。
【0013】
冷凍サイクル装置１０は蒸気圧縮式冷凍機であり、冷媒が循環する冷媒循環流路１１を有している。冷凍サイクル装置１０は、低温媒体回路３０の低温側熱輸送媒体の熱を冷媒に汲み上げるヒートポンプとして機能する。
【0014】
本実施形態の冷凍サイクル装置１０では、冷媒としてフロン系冷媒を用いており、高圧側冷媒圧力が冷媒の臨界圧力を超えない亜臨界冷凍サイクルを構成している。冷媒循環流路１１には、圧縮機１２、凝縮器１３、膨張弁１４、および冷却用熱交換器である熱輸送媒体用蒸発器１５が配置されている。
【0015】
圧縮機１２は、電池３３から供給される電力によって駆動される電動圧縮機であり、冷媒を吸入して圧縮して吐出する。凝縮器１３は、圧縮機１２から吐出された高圧側冷媒と高温媒体回路２０の熱輸送媒体とを熱交換させることによって高圧側冷媒を凝縮させる高圧側熱交換器である。凝縮器１３では、冷凍サイクル装置１０の高圧側冷媒によって高温媒体回路２０の熱輸送媒体が加熱される。
【0016】
膨張弁１４は、凝縮器１３から流出した液相冷媒を減圧膨張させる減圧部である。膨張弁１４は、感温部を有し、ダイヤフラム等の機械的機構によって弁体を駆動する機械式の温度式膨張弁である。
【0017】
熱輸送媒体用蒸発器１５は、膨張弁１４を流出した低圧冷媒と低温媒体回路３０の熱輸送媒体とを熱交換させることによって低圧冷媒を蒸発させる低圧側熱交換器である。熱輸送媒体用蒸発器１５で蒸発した気相冷媒は、圧縮機１２に吸入されて圧縮される。
【0018】
熱輸送媒体用蒸発器１５は、冷凍サイクル装置１０の低圧冷媒によって低温媒体回路３０の熱輸送媒体を冷却するチラーである。熱輸送媒体用蒸発器１５では、低温媒体回路３０の熱輸送媒体の熱が冷凍サイクル装置１０の冷媒に吸熱される。
【0019】
高温媒体回路２０は、高温側熱輸送媒体が循環する高温側循環流路２１を有している。高温側熱輸送媒体として、エチレングリコール系の不凍液（ＬＬＣ）等を用いることができる。高温側熱輸送媒体は、高温側循環流路２１を構成する配管内に封入されている。本実施形態の高温媒体回路２０は、高温側熱輸送媒体の圧力が所定値を上回った場合に開放する圧力調整弁が設けられていない密閉式となっている。
【0020】
高温側循環流路２１には、高温側ポンプ２２、ヒータコア２３および凝縮器１３が配置されている。
【0021】
高温側ポンプ２２は、高温側循環流路２１を循環する熱輸送媒体を吸入して吐出する。高温側ポンプ２２は電動式のポンプである。高温側ポンプ２２は、高温媒体回路２０を循環する熱輸送媒体の流量を調整する。
【0022】
ヒータコア２３は、高温媒体回路２０の熱輸送媒体と車室内へ送風される空気とを熱交換させて車室内へ送風される空気を加熱する空気加熱用熱交換器である。ヒータコア２３では、熱輸送媒体によって車室内へ送風される空気が加熱される。
【0023】
ヒータコア２３で加熱された空気は車室内に供給され、車室内の暖房が行われる。ヒータコア２３による暖房は、主に冬季に行われる。本実施形態の熱輸送システムでは、低温媒体回路３０の低温側熱輸送媒体に吸熱された外気の熱が冷凍サイクル装置１０によって高温媒体回路２０の高温側熱輸送媒体に汲み上げられ、室内の暖房に用いられる。
【0024】
低温媒体回路３０は、低温側熱輸送媒体が循環する低温側循環流路３１を有している。低温側熱輸送媒体は、低温側循環流路３１を構成する配管内に封入されている。本実施形態の低温媒体回路３０は、低温側熱輸送媒体の圧力が所定値を上回った場合に開放する圧力調整弁が設けられていない密閉式となっている。なお、低温側熱輸送媒体については後述する。
【0025】
低温側循環流路３１には、低温側ポンプ３２、熱輸送媒体用蒸発器１５、電池３３、インバータ３４、モータジェネレータ３５および室外熱交換器３６が配置されている。図１に示す例では、低温側熱輸送媒体の流れ方向において、電池３３、インバータ３４、モータジェネレータ３５、室外熱交換器３６、低温側ポンプ３２の順に接続されているが、この接続順序に限定されるものではない。また、図１に示す例では、電池３３、インバータ３４、モータジェネレータ３５、室外熱交換器３６、低温側ポンプ３２が直列的に接続されているが、これらのうち１以上の機器を他の機器と並列的に接続してもよい。
【0026】
低温側ポンプ３２は、低温側循環流路３１を循環する熱輸送媒体を吸入して吐出する。低温側ポンプ３２は電動式のポンプである。低温側ポンプ３２は、低温媒体回路３０を循環する熱輸送媒体の流量を調整する。
【0027】
電池３３は、充放電可能な２次電池であり、例えばリチウムイオン電池を用いることができる。電池３３としては、複数個の電池セルで構成されている組電池を用いることができる。
【0028】
電池３３は、車両停車時に外部電源（換言すれば商用電源）から供給された電力を充電可能となっている。電池３３に蓄えられた電力は、走行用電動モータのみならず、熱輸送システムを構成する電動式構成機器をはじめとする各種車載機器に供給される。
【0029】
インバータ３４は、電池３３から供給された直流電力を交流電力に変換してモータジェネレータ３５に出力する。モータジェネレータ３５は、インバータ３４から出力された電力を利用して走行用駆動力を発生するとともに、減速中や降坂中に回生電力を発生させる。
【0030】
室外熱交換器３６は、低温媒体回路３０の熱輸送媒体と外気とを熱交換させる。室外熱交換器３６には、図示しない室外送風機によって外気が送風される。
【0031】
電池３３、インバータ３４、モータジェネレータ３５は、電気を使用して作動する電気機器であり、作動時に発熱する。電池３３、インバータ３４、モータジェネレータ３５は、低温側熱輸送媒体によって冷却される冷却対象機器である。
【0032】
本実施形態の低温側循環流路３１には、電気機器３３～３５に対応して冷却器３７～３９が設けられている。第１冷却器３７は電池３３に対応し、第２冷却器３８はインバータ３４に対応し、第３冷却器３９はモータジェネレータ３５に対応している。
【0033】
冷却器３７～３９には、低温側熱輸送媒体が流通する。電気機器３３～３５は、冷却器３７～３９を流れる低温側熱輸送媒体によって冷却される。
【0034】
第１冷却器３７及び第２冷却器３８では、他の熱輸送媒体を介さず低温側熱輸送媒体によって電池３３及びインバータ３４が冷却される。第３冷却器３９は、低温側熱輸送媒体によってオイル回路４０を循環するオイルを冷却するオイルクーラである。オイルは、モータジェネレータ３５の内部を流れることで、モータジェネレータ３５の潤滑と冷却を行う。
【0035】
冷却器３７～３９では、冷却対象機器である電池３３、インバータ３４およびモータジェネレータ３５から低温側熱輸送媒体への吸熱が行われる。室外熱交換器３６では、外気から低温側熱輸送媒体への吸熱が行われる。つまり、電池３３、インバータ３４、モータジェネレータ３５および室外熱交換器３６は、低温側熱輸送媒体への吸熱を行う被吸熱機器である。
【0036】
次に、低温側熱輸送媒体について説明する。低温側熱輸送媒体は、低温での粘性が低く、導電性が低いことが望ましい。
【0037】
本実施形態の低温側熱輸送媒体は、メタノールおよびエタノールの少なくともいずれかである低級アルコールと、水と、非イオン系防錆剤とを含んでいる。以下、本明細書では、メタノールおよびエタノールの少なくともいずれかを低級アルコールともいう。
【0038】
ここで、メタノールは、融点が－９７℃、沸点が６４．５℃である。エタノールは、融点が－１１４℃、沸点が７８．３℃である。低級アルコールとしては、メタノールおよびエタノールのうち、使用環境等に応じて、適切な性質を有するアルコールを適宜選択すればよい。
【0039】
本実施形態では、低温側熱輸送媒体において、水量を低級アルコール量以上としている。すなわち、低温側熱輸送媒体に占める水の割合を５０％以上としている。
【0040】
具体的には、低温側熱輸送媒体における低級アルコールと水の比を、重量比で低級アルコール：水＝３５：６５～５０：５０としている。すなわち、低温側熱輸送媒体における低級アルコールと水の比を、重量比で３５：６５以上、５０：５０以下の範囲としている。
【0041】
ここで、実施例１としてのメタノール水溶液（メタノール：水＝３５：６５～５０：５０）および比較例１としてのエチレングリコール系不凍液（ＬＬＣ）における、温度と動粘度との関係を図２に示す。
【0042】
図２の実線に示すように、実施例１としてのメタノール水溶液は、－２０℃での動粘度が１０．０ｍｍ２／ｓ、－３５℃での動粘度が２４．２ｍｍ２／ｓである。図２の破線に示すように、比較例１としてのエチレングリコール系不凍液は、－２０℃での動粘度が２９．６ｍｍ２／ｓ、－３５℃での動粘度が８９．５ｍｍ２／ｓである。このように、メタノール水溶液は、低温における低粘度を確保することができる。同様に、エタノール水溶液でも、低温における低粘度を確保することができる。
【0043】
低温側熱輸送媒体に含まれる非イオン系防錆剤は、低温側熱輸送媒体が流れる配管の腐食を防ぐためのものである。低温側熱輸送媒体における非イオン系防錆剤の濃度は適宜設定可能であるが、例えば数％とすることができる。さらに、非イオン系防錆剤は、水に溶けてもイオン性を示さないので、低温側熱輸送媒体の導電性の上昇を抑制できる。
【0044】
非イオン系防錆剤としては、Ｓｉエーテル及び／又はトリアゾール系の防錆剤を用いることができる。非イオン系防錆剤としてＳｉエーテルを用いることで、アルミニウムの表面に被膜を形成することができる。非イオン系防錆剤としてトリアゾールを用いることで、銅の表面に被膜を形成することができる。
【0045】
Ｓｉエーテルとしては、下記一般式（１）で表されるものを用いることができる。
【0046】
【化1】
【0047】
図３は、実施例２および比較例２の低温側熱輸送媒体における電気伝導率を示すグラフである。実施例２では、防錆剤として本実施形態の非イオン系防錆剤（すなわち、Ｓｉエーテル及び／又はトリアゾール系の防錆剤）を用いている。比較例２では、防錆剤としてイオン系防錆剤であるセバシン酸を用いている。
【0048】
図３に示すように、防錆剤として非イオン系防錆剤を用いた場合、防錆剤としてイオン系防錆剤を用いた場合よりも、低い電気伝導率が得られている。
【0049】
以上説明したように、本実施形態では、低温側熱輸送媒体として、メタノールおよびエタノールの少なくともいずれかである低級アルコールと、水と、非イオン系防錆剤とを含む低級アルコール水溶液を用いている。これにより、エチレングリコール系不凍液に比べて、低温環境下での粘度増大を抑制できる。このため、低温環境下においても、低温媒体回路３０での圧力損失の増大を抑制でき、低温側ポンプ３２の動力増大を抑制できる。
【0050】
また、室外熱交換器３６では、低温側熱輸送媒体の流路を狭くするなどして小型化しやすくなり、設計の自由度を向上させることができる。さらに、室外熱交換器３６を通過する低温側熱輸送媒体の流速が向上することから、室外熱交換器３６への着霜を抑制できる。
【0051】
また、低温環境下での低温側熱輸送媒体の粘度増大を抑制できることから、エチレングリコール系不凍液に比べて、低温側熱輸送媒体の流量を増大させることができる。この結果、低温側熱輸送媒体の流速を上昇させることができ、低温側熱輸送媒体の熱伝達率をより向上させることができる。さらに、低温側熱輸送媒体の熱伝達率が向上することで、室外熱交換器３６を含む機器全体の熱通過率を向上させることができる。
【0052】
また、本実施形態では、低温側熱輸送媒体に非イオン系防錆剤を含有させている。低温側熱輸送媒体に防錆剤を含有させることで、低温側熱輸送媒体が流れる配管の腐食を抑制できる。これにより、熱輸送システムの耐久性を向上させることができる。
【0053】
さらに、防錆剤として非イオン系防錆剤を用いることで、防錆剤としてイオン系防錆剤を用いた場合と比較して、熱輸送媒体の低導電性を確保することができる。この結果、熱輸送システムに大がかりな絶縁対策を施す必要がなくなる。
【0054】
また、本実施形態では、低温側熱輸送媒体に含まれる水量を低級アルコール量以上としている。メタノール水溶液やエタノール水溶液は、エチレングリコール系不凍液に比べて、凝固点を低く維持しつつ、水の割合をより多くすることできる。このため、低温側熱輸送媒体において、熱容量の大きい水の割合を多くすることで、低温側熱輸送媒体の熱容量を増大させることができ、熱伝導率をより向上させることができる。
【0055】
また、低温側熱輸送媒体における水の割合を多くすることで、低温側熱輸送媒体の粘度をより低くすることができる。さらに低温側熱輸送媒体における水の割合を多くすることで、低温側熱輸送媒体のコストを低減できる。
【0056】
ところで、低温側熱輸送媒体が流れる配管がアルミニウムで構成されている場合、低温側熱輸送媒体に含まれるメタノールやエタノールと配管を構成するアルミニウムとが化学反応して、アルミニウムアルコキシドが生成される可能性がある。これにより、低温側熱輸送媒体に含まれる低級アルコール量が減少し、低温環境下における粘度増大抑制効果が低減するおそれがある。
【0057】
これに対し、本実施形態のように低温側熱輸送媒体に含まれる水量を低級アルコール量以上とし、低温側熱輸送媒体に含まれる水の割合を多くすることで、アルミニウムアルコキシドの生成を抑制することができる。これにより、低温側熱輸送媒体が流れる配管がアルミニウムで構成されている場合においても、低温環境下での粘度増大を確実に抑制することができる。
【0058】
また、低温側熱輸送媒体における低級アルコールと水の比を重量比で３５：６５～５０：５０とすることで、低温側熱輸送媒体の凝固点を使用環境での最低温度より低くすることができる。このため、冬季のような低温環境下における低温側熱輸送媒体の凍結を抑制できる。
【0059】
（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。
【0060】
例えば、上記実施形態では、低級アルコールと、水と、非イオン系防錆剤とを含む低級アルコール水溶液を、低温媒体回路３０の低温側熱輸送媒体に用いたが、これに限らず、当該低級アルコール水溶液を高温媒体回路２０の高温側熱輸送媒体に用いてもよい。この場合、高温媒体回路２０と低温媒体回路３０とで熱輸送媒体を共通化することができる。
【0061】
また、上記実施形態では、第３冷却器３９を、低温側熱輸送媒体によってオイル回路４０を循環するオイルを冷却するオイルクーラとした例について説明したが、この態様に限定されない。例えば、第３冷却器３９を、他の熱輸送媒体（例えばオイル）を介さず低温側熱輸送媒体によってモータジェネレータ３５を冷却するように構成してもよい。
【符号の説明】
【0062】
１０ 冷凍サイクル装置
１５ 熱輸送媒体用蒸発器（冷却用熱交換器）
３０ 低温媒体回路（熱輸送媒体回路）
３３ 電池（電気機器）
３４ インバータ（電気機器）
３５ モータジェネレータ（電気機器）
１５ 熱輸送媒体用蒸発器（冷却用熱交換器）
３０ 低温媒体回路（熱輸送媒体回路）
３３ 電池（電気機器）
３４ インバータ（電気機器）
３５ モータジェネレータ（電気機器）
【図1】
【図2】
【図3】