JP4265581B2 - ハイブリッド自動車用冷却システム - Google Patents

Description

本発明は、複数の熱交換器が車両前後方向に配される複式熱交換器、特に水冷エンジンと電動機とを組み合わせて走行するハイブリッド自動車の冷却システムに用いられる熱交換器に関する。

ハイブリッド自動車用冷却システムは、エンジン冷却水を冷却するためのエンジン用ラジエータ、インバータ等の電気部品や電動機を冷却するための電気部品用ラジエータを備えており、さらに空調装置における高温の気相冷媒を冷却するためのコンデンサを備えているものもある。

このように、３つの熱交換器を備える場合、エンジン用ラジエータと電気部品用ラジエータとを同一面に配置し、それらよりも空気流れ上流側にコンデンサを配置した冷却システムが実用化されている。

しかしながら、ハイブリッド車としての出力をアップするためにインバータ能力を向上させると、電気部品用ラジエータは要求能力の増加に対応して大型化してしまうが、エンジン用ラジエータと電気部品用ラジエータとを同一面に配置した場合、電気部品用ラジエータの大型化分エンジン用ラジエータを小さくする必要があるため、エンジン用ラジエータの必要放熱量が不足するという問題があった。

この問題に対して、発明者等は、図６〜図８に示すように、電気部品用ラジエータＪ９とコンデンサＪ１２とを同一平面に配置し、それらよりも車両後方側にエンジン用ラジエータＪ８を配置した冷却システムを提案している（特願２００５−７３４３８）。

しかしながら、電気部品用ラジエータＪ９のすぐ車両後方側にエンジン用ラジエータＪ８が配置されているため、電気部品用ラジエータＪ９への通水を行うためには、冷却水配管Ｊ９７を一旦車両前方側に取り出した後、ホースを用いて車両後方側へ配策する必要があり、配管レイアウトが複雑になるという問題がある。

さらに、電気部品用ラジエータＪ９は冷却水ヘッダタンクＪ９３がその両端に配置されるクロスフロー型の熱交換器であるため、電気部品用ラジエータＪ９の冷却水ヘッダタンクＪ９３がエンジン用ラジエータＪ８のコア部Ｊ８０を塞いでしまい、エンジン用ラジエータＪ８の必要性能が出せないという問題がある。

本発明は、上記点に鑑み、３つの熱交換器を備えるハイブリッド自動車用冷却システムにおいて、配管レイアウトを簡素化し、コストダウンを図ることを目的とする。

さらに、３つの熱交換器を備えるハイブリッド自動車用冷却システムにおいて、エンジン用ラジエータの性能向上を図ることを他の目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、３つの熱交換器を備えるハイブリッド自動車用冷却システムにおいて、電気部品用ラジエータ（９）とコンデンサ（１２）は、空気流れ方向に対して並列に配置されるとともに、エンジン用ラジエータ（８）よりも空気流れ上流側に配置されており、電気部品用ラジエータ（９）は、コンデンサ（１２）と同一平面上に配置されており、電気部品用ラジエータ（９）は、内部を冷却水が流れる多数の冷却水チューブ（９１）を有するコア部（９０）と、コア部（９０）の両側部に設けられ、電動機（２）および電気部品（６）と繋ぐための冷却水配管（９７）が接続されるとともに、冷却水チューブ（９１）への冷却水の分配または冷却水チューブ（９１）からの冷却水の集合を行う一対の冷却水ヘッダタンク（９３ａ、９３ｂ）とを備え、冷却水チューブ（９１）の長手方向が水平方向に延びるクロスフロー型の熱交換器であり、冷却水ヘッダタンク（９３ａ、９３ｂ）の少なくとも一方は、冷却水チューブ（９１）の長手方向においてエンジン用ラジエータ（８）より外側に配置されていることを第１の特徴としている。

このように、電気部品用ラジエータ（９）の一対の冷却水ヘッダタンク（９３ａ、９３ｂ）の少なくとも一方を、冷却水チューブ（９１）の長手方向においてエンジン用ラジエータ（８）より外側に配置することで、一対の冷却水ヘッダタンク（９３ａ、９３ｂ）から冷却水配管（９７）を一旦空気流れ上流側に取り出すことなく、直接空気流れ下流側に出すことができる。このため、配管レイアウトを簡素化し、コストダウンを図ることが可能となる。

また、本発明は、エンジン用ラジエータ（８）は、内部を冷却水が流れる多数の冷却水チューブ（８１）を有するコア部（８０）を備え、冷却水チューブ（８１）の長手方向が鉛直方向に延びるダウンフロー型熱交換器であることを第２の特徴としている。

これにより、電気部品用ラジエータ（９）の一対の冷却水ヘッダタンク（９３ａ、９３ｂ）がエンジン用ラジエータ（８）のコア部（８０）を塞ぐことがないため、エンジン用ラジエータ（８）のコア部（８０）の放熱面積を有効に活用することができ、エンジン用ラジエータ（８）の性能向上を図ることが可能となる。

なお、上記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。

以下、本発明の一実施形態について図１〜図５に基づいて説明する。図１は本実施形態に係る冷却システムを搭載したハイブリッド自動車の模式図である。

図１に示すように、ハイブリッド自動車は、走行用駆動源として水冷式のエンジン１および電動機２を備えており、それらの駆動力は変速機３を介して駆動輪４に伝達される。電動機２には２次電池５からインバータ６を介して給電され、その際、インバータ６は、２次電池５の直流電圧を交流電圧に変換するとともに、交流電圧の周波数を変化させることにより電動機２の回転数を制御する。なお、インバータ６は本発明の電気部品に相当する。

発電機７は、車両の減速時や２次電池５の充電残量が所定値以下になったときに、エンジン１に駆動されて発電を行うようになっている。この発電機７の発電電力はインバータ６を介して２次電池５に供給され、これにより２次電池５の充電が行われる。

エンジン１を冷却する冷却水はエンジン用ラジエータ８に循環し、エンジン用ラジエータ８は、エンジン１を冷却して温度が上昇した冷却水と空気とを熱交換して冷却水を冷却するようになっている。

電動機２、インバータ６、および発電機７を冷却する冷却水は、電気部品用ラジエータ９に循環し、電気部品用ラジエータ９は、電動機２等を冷却して温度が上昇した冷却水と空気とを熱交換して冷却水を冷却するようになっている。

本実施形態のハイブリッド自動車は、冷媒の蒸発潜熱を利用して車室内に吹き出す空気を冷却する空調装置１０を備えている。この空調装置１０は、エンジン１または図示しない電動機にて駆動されて気相冷媒を圧縮する圧縮機１１、圧縮機１１から吐出した高温・高圧の冷媒と空気とを熱交換して冷媒を冷却し凝縮させるコンデンサ１２、コンデンサ１２から流出した液相冷媒を減圧する減圧器１３、および車室内に吹き出す空気から吸熱して減圧器１３で減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器１４等から構成されている。

次に、エンジン用ラジエータ８、電気部品用ラジエータ９、およびコンデンサ１２の、３つの熱交換器について詳述する。

図２は、本実施形態に係る冷却システムの車両搭載状態を示す側面図である。図２に示すように、３つの熱交換器は、フード２００の下方でラジエータグリル２１０やバンパー補強材２２０の車両後方側に搭載されている。

そして、電気部品用ラジエータ９とコンデンサ１２は、空気流れ方向に対して並列に配置されており、電気部品用ラジエータ９がコンデンサ１２の上方側に配置されている。また、エンジン用ラジエータ８は、電気部品用ラジエータ９およびコンデンサ１２よりも空気流れ下流側に位置し、且つ空気流れ方向に見たときに電気部品用ラジエータ９およびコンデンサ１２と重なるように配置されている。エンジン用ラジエータ８の空気流れ下流側には、各熱交換器に冷却用の空気を供給するための電動ファン１５が設けられている。

図３は、本実施形態に係る冷却システムを車両前方側から見た正面図である。 図３に示すように、エンジン用ラジエータ８は、内部を冷却水が流れ、長手方向が鉛直方向に延びる多数の冷却水チューブ８１と、多数のフィン８２を有する周知の構成のコア部８０とを備えている。このコア部８０は、矩形状であり、冷却水チューブ８１内を流通する冷却水と冷却水チューブ８１の外を流通する空気とを熱交換させて冷却水を冷却する。

コア部８０の上端には、コア部８０の各冷却水チューブ８１に冷却水を分配するラジエータ入口タンク８３を備え、コア部８０の下端には、コア部８０の各冷却水チューブ８１からの冷却水を集合させるラジエータ出口タンク８４を備えている。したがって、このエンジン用ラジエータ８は、コア部８０において冷却水が上から下に流れる、いわゆるダウンフロータイプである。そして、エンジン用ラジエータ８は、それを構成する全ての部品を例えばアルミニウム合金製とし、ろう接にて一体接合されている。

電気部品用ラジエータ９は、内部を冷却水が流れる多数の冷却水チューブ９１が積層され、冷却水と空気との熱交換を促進するフィン９２が隣接する冷却水チューブ９１間に配置されている。この冷却水チューブ９１とフィン９２によりコア部９０が構成される。

冷却水チューブ９１の長手方向両端側には、全ての冷却水チューブ９１に連通するとともに、冷却水チューブ９１への冷却水の分配を行う第１の冷却水ヘッダタンク９３ａと、冷却水チューブ９１からの冷却水の集合を行う第２の冷却水ヘッダタンク９３ｂが設けられている。また、冷却水チューブ９１の積層方向両端側には、冷却水チューブ９１と平行に延びてコア部９０を補強するサイドプレート９４が設けられている。

第１の冷却水ヘッダタンク９３ａの下部側には、コンデンサ１２と連結させるための第１の結合ブラケット９５ａが接合されている。また、第２の冷却水ヘッダタンク９１ｂの下部側には、後述するモジュレータ１２７の上部側と連結させるための第２の結合ブラケット９５ｂが接合されている。また、冷却水チューブ９１の積層方向上端側のサイドプレート９４には、電気部品用ラジエータ９をエンジン用ラジエータ８に取り付けるための取付ブラケット９６が２つ接合されている。

第１、第２の冷却水ヘッダタンク９３ａ、９３ｂには、電動機２、インバータ６、および発電機７と電気部品用ラジエータ９との間を結ぶ冷却水配管９７がそれぞれ接続されている。冷却水配管９７は、第１の冷却水ヘッダタンク９３ａにおいては空気流れ方向上流側（車両前方側）の側面に接合されており、第２の冷却水ヘッダタンク９３ｂにおいては空気流れ方向下流側（車両後方側）の側面に接合されている。

そして、電気部品用ラジエータ９は、それを構成する全ての部品を例えばアルミニウム合金製とし、ろう接にて一体接合されている。因みに、本実施形態の電気部品用ラジエータ９は、冷却水が水平方向に流れるクロスフロータイプである。

コンデンサ１２は、内部を冷媒が流れる多数の冷媒チューブ１２１が積層され、冷媒と空気との熱交換を促進するフィン１２２が隣接する冷媒チューブ１２１間に配置されている。この冷媒チューブ１２１とフィン１２２によりコア部１２０が構成される。

冷媒チューブ１２１の長手方向両端側には、全ての冷媒チューブ１２１に連通するとともに、冷媒チューブ１２１への冷媒の分配を行う第１のヘッダタンク１２３ａと、冷媒チューブ１２１からの冷媒の集合を行う第２の冷媒ヘッダタンク１２３ｂが設けられている。冷媒チューブ１２１の積層方向両端側には、冷媒チューブ１２１と平行に延びてコア部１２０を補強するサイドプレート１２４が設けられている。また、冷媒チューブ１２１の積層方向下端側のサイドプレート１２４には、電気部品用ラジエータ９をエンジン用ラジエータ８に取り付けるための取付ブラケット１２５が２つ接合されている。

第１の冷媒ヘッダタンク１２３ａ内の下部寄りの位置には、第１のセパレータ１２６ａが配置されるとともに、第２の冷媒ヘッダタンク１２３ｂ内には、第１のセパレータ１２８と同一高さに第２のセパレータ１２６ｂが配置されている。

そして、コア部１２０における第１、第２のセパレータ１２６ａ、１２６ｂの上方側部位が、圧縮機１１から吐出した気相冷媒と空気とを熱交換して冷媒を凝縮させる凝縮部１２０ａになっている。

一方、第２の冷媒ヘッダタンク１２３ｂには、凝縮部１２０ａから流出した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離するモジュレータ１２７が一体に構成されている。また、モジュレータ１２７は、第２の冷媒ヘッダタンク１２３ｂの外面側方（コア部１２０と反対側の部位）に配置され、一体に接合されている。

そして、コア部１２０における第１、第２のセパレータ１２６ａ、１２６ｂの下方側部位が、モジュレータ１２７から流出した液相冷媒を冷却する過冷却部１２０ｂになっている。

凝縮部１２０ａおよび過冷却部１２０ｂはいずれもクロスフロータイプであり、凝縮部１２０ａの下方に過冷却部１２０ｂが配置され、凝縮部１２０ａおよび過冷却部１２０ｂの側方にモジュレータ１２７が配置され、モジュレータ１２７の上部が凝縮部１２０ａの上端面よりも上方に突出している。また、モジュレータ１２７の上部側は、電気部品用ラジエータ９の第２のヘッダタンク９３ｂに第２の結合ブラケット９５ｂにて連結固定されている。

そして、コンデンサ１２は、それを構成する全ての部品を例えばアルミニウム合金製とし、ろう接にて一体接合されている。

第１、第２の結合ブラケット９５ａ、９５ｂにより結合された電気部品用ラジエータ９とコンデンサ１２は、取付ブラケット９６、１２５を利用してエンジン用ラジエータ８に取り付けられる。

図４は図３の上側から見た状態を示す平面図で、図５は図３の要部を示す拡大図である。図４および図５に示すように、電気部品用ラジエータ９の第２の冷却水ヘッダタンク９３ｂは、車両幅方向においてエンジン用ラジエータ８より外側に配置されている。そして、冷却水配管９７は、第２の冷却水ヘッダタンク９３ｂの車両後方側（空気流れ下流側）の側面から車両後方側に向かって直線的に延びている。

上記構成において、ラジエータグリル２１０からエンジンルームに流入した空気は、まず、電気部品用ラジエータ９およびコンデンサ１２に流入する。そして、電気部品用ラジエータ９は、電動機２等を冷却して温度が上昇した冷却水と空気とを熱交換して冷却水を冷却し、コンデンサ１２は、圧縮機１１から吐出した高温・高圧の冷媒と空気とを熱交換して冷媒を冷却し凝縮させる。

電気部品用ラジエータ９およびコンデンサ１２を通過した空気は、エンジン用ラジエータ８に流入し、エンジン用ラジエータ８は、エンジン１を冷却して温度が上昇した冷却水と空気とを熱交換して冷却水を冷却する。

以上説明したように、電気部品用ラジエータ９の第２の冷却水ヘッダタンク９３ｂを、冷却水チューブ９１の長手方向（車両幅方向）においてエンジン用ラジエータ８より外側に配置することで、第２の冷却水ヘッダタンク９３ｂから冷却水配管９７を一旦空気流れ上流側に取り出すことなく、直接空気流れ下流側に出すことができる。したがって、配管レイアウトを簡素化し、コストダウンを図ることが可能となる。

さらに、電気部品用ラジエータ９の第２の冷却水ヘッダタンク９３ｂがエンジン用ラジエータ８のコア部８０を塞ぐことがないため、エンジン用ラジエータ８のコア部８０の放熱面積を有効に活用することができ、エンジン用ラジエータ８の性能向上を図ることが可能となる
（他の実施形態）
なお、上記実施形態において、コンデンサ１２はサブクールコンデンサであったが、これに限らず、過冷却部１２０ｂやモジュレータ１２７のない一般的なコンデンサであってもよい。

また、上記実施形態において、電気部品用ラジエータ９の一対の冷却水ヘッダタンク９３ａ、９３ｂのうち第２の冷却水ヘッダタンク９３ｂを、車両幅方向においてエンジン用ラジエータ８より外側に配置したが、それに代えて、第１の冷却水ヘッダタンク９３ａをエンジン用ラジエータ８より外側に配置してもよい。

さらに、両方の冷却水ヘッダタンク９３ａ、９３ｂをエンジン用ラジエータ８より外側に配置してもよい。これにより、２つの冷却水配管９７を直接車両後方側にできるため、配管レイアウトをより簡素化することが可能となる。

また、上記実施形態において、エンジン用ラジエータ８をクロスフロー型の熱交換器としてもよい。

本発明の実施形態に係る冷却システムを搭載したハイブリッド自動車の模式図である。 本発明の実施形態に係る冷却システムの車両搭載状態を示す側面図である。 本発明の実施形態に係る冷却システムを車両前方側から見た正面図である。 図３の上側から見た状態を示す平面図である。 図３の要部を示す拡大図である。 従来の電気部品用ラジエータＪ９およびコンデンサＪ１２を車両前方側から見た正面図である。 従来の冷却システムを示す側面図である。 図７の上側から見た状態を示す平面図である。

符号の説明

１…エンジン（水冷エンジン）、２…電動機、６…インバータ（電気部品）、８…エンジン用ラジエータ、９…電気部品用ラジエータ、１０…空調装置、１２…コンデンサ、９０…コア部、９１…冷却水チューブ、９３ａ、９３ｂ…冷却水ヘッダタンク、９７…冷却水配管。

Claims (2)

1. 冷媒の蒸発潜熱を利用して車室内に吹き出す空気を冷却する空調装置（１０）を備えるとともに、水冷エンジン（１）と電動機（２）とを組み合わせて走行するハイブリッド自動車に適用され、
   前記水冷エンジン（１）の冷却水と空気とを熱交換して前記冷却水を冷却するエンジン用ラジエータ（８）と、
   前記電動機（２）の制御に関わる電気部品（６）を冷却した冷却水と空気とを熱交換して前記冷却水を冷却する電気部品用ラジエータ（９）と、
   高温の前記冷媒と空気とを熱交換して前記冷媒を凝縮させるコンデンサ（１２）とを備え、
   前記電気部品用ラジエータ（９）と前記コンデンサ（１２）は、空気流れ方向に対して並列に配置されるとともに、前記エンジン用ラジエータ（８）よりも空気流れ上流側に配置されており、
   前記電気部品用ラジエータ（９）は、前記コンデンサ（１２）と同一平面状に配置されており、
   前記電気部品用ラジエータ（９）は、内部を前記冷却水が流れる多数の冷却水チューブ（９１）を有するコア部（９０）と、前記コア部（９０）の両側部に設けられ、前記電動機（２）および前記電気部品（６）と繋ぐための冷却水配管（９７）が接続されるとともに、前記冷却水チューブ（９１）への前記冷却水の分配または前記冷却水チューブ（９１）からの前記冷却水の集合を行う一対の冷却水ヘッダタンク（９３ａ、９３ｂ）とを備え、前記冷却水チューブ（９１）の長手方向が水平方向に延びるクロスフロー型の熱交換器であり、
   前記冷却水ヘッダタンク（９３ａ、９３ｂ）の少なくとも一方は、前記冷却水チューブ（９１）の長手方向において前記エンジン用ラジエータ（８）より外側に配置されていることを特徴とするハイブリッド自動車用冷却システム。
2. 前記エンジン用ラジエータ（８）は、内部を前記冷却水が流れる多数の冷却水チューブ（８１）を有するコア部（８０）を備え、前記冷却水チューブ（８１）の長手方向が鉛直方向に延びるダウンフロー型熱交換器であることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド自動車用冷却システム。

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