冷却システム、冷却システムを備える車両
【課題】本発明は、車両に搭載される抵抗器などの発熱部を冷却するための冷却システムを備える車両において、車両の走行効率の向上を図ることを目的とする。
【解決手段】車両に搭載される発熱部を冷却するための冷却システムは、冷却水を収容するための冷却タンクと、自身の回転によって冷却タンクの冷却水を吸い上げて発熱部に供給するためのポンプと、所定の慣性モーメントを有する回転体を有する慣性装置と、ポンプの回転と回転体の回転とを連動させるポンプ側回転軸と、車両の駆動部と連動する駆動側回転軸と、ポンプ側回転軸と駆動側回転軸との間に配置されるクラッチと、クラッチの動作を制御する制御部と、を備え、制御部は、車両の制動時にクラッチを接続して、車両の慣性力を用いて回転体とポンプを回転させ、回転体が回転するとクラッチを開放して、回転体の回転エネルギーを用いてポンプを回転させる。
【解決手段】車両に搭載される発熱部を冷却するための冷却システムは、冷却水を収容するための冷却タンクと、自身の回転によって冷却タンクの冷却水を吸い上げて発熱部に供給するためのポンプと、所定の慣性モーメントを有する回転体を有する慣性装置と、ポンプの回転と回転体の回転とを連動させるポンプ側回転軸と、車両の駆動部と連動する駆動側回転軸と、ポンプ側回転軸と駆動側回転軸との間に配置されるクラッチと、クラッチの動作を制御する制御部と、を備え、制御部は、車両の制動時にクラッチを接続して、車両の慣性力を用いて回転体とポンプを回転させ、回転体が回転するとクラッチを開放して、回転体の回転エネルギーを用いてポンプを回転させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両に搭載される発熱部を冷却するための冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料電池車両などモータによって駆動する車両において、制動時の回生ブレーキによってモータによる発電をおこない、発電により生じた回生電流によってバッテリーの充電をおこなう技術が知られている。この技術に関して、ＦＣバスなど大型のモータを使用する車両では、発電により生じる回生電流が大きくなるため、そのままバッテリーの充電に利用すると、バッテリーの劣化を早める問題があった。
【０００３】
この問題を解決するために、回生電流の一部を抵抗器によって消費する技術が知られている。また、この回生電流を消費する抵抗器を備える車両には、冷却ファンなど、抵抗器を冷却するための冷却装置が搭載される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２９４１１６号公報
【特許文献２】特開２００６−３１０３２７号公報
【特許文献３】特開２００４−３２０９６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、冷却ファン等の冷却装置は、駆動に電力を要するため、バッテリーの消費電力が増大し、走行効率が低下する問題があった。なお、これらの問題は、モータによって駆動する車両に限られず、抵抗器などの発熱体を冷却する冷却システムを備えた車両に共通の問題であった。
【０００６】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、車両に搭載される抵抗器などの発熱部を冷却するための冷却システムを備える車両において、車両の走行効率の向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題の少なくとも一部を解決するために、本願発明は、以下の態様または適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］
車両に搭載される発熱部を冷却するための冷却システムであって、
冷却水を収容するための冷却タンクと、
自身の回転によって前記冷却タンクの冷却水を吸い上げて前記発熱部に供給するためのポンプと、
所定の慣性モーメントを有する回転体を有する慣性装置と、
前記ポンプの回転と前記回転体の回転とを連動させるポンプ側回転軸と、
前記車両の駆動部と連動する駆動側回転軸と、
前記ポンプ側回転軸と前記駆動側回転軸との間に配置されるクラッチと、
前記クラッチの動作を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記車両の制動時に前記クラッチを接続して、前記車両の慣性力を用いて前記回転体および前記ポンプを回転させ、前記回転体が回転すると前記クラッチを開放して、前記回転体の回転エネルギーを用いて前記ポンプを回転させる、冷却システム。
【０００９】
この構成によれば、車両の慣性力を用いて発熱部を冷却するポンプを駆動させるため、発熱部の冷却に電力を要しない。よって、発熱部の冷却を要する車両に上記構成の冷却システムを適用することにより、車両の走行効率の向上を図ることができる。
【００１０】
［適用例２］
車両であって、
前記車両を駆動させるための動力源であり、前記車両の制動時に回生電力を発生させるモータと、
前記車両の駆動時に前記モータに電力を供給し、前記車両の制動時に前記回生電力により充電されるバッテリーと、
前記回生電力を消費するための発熱部と、
前記発熱部を冷却するための冷却システムと、を備え、
前記冷却システムは、
冷却水を収容するための冷却タンクと、
自身の回転によって前記冷却タンクの冷却水を吸い上げて前記発熱部に供給するためのポンプと、
所定の慣性モーメントを有する回転体を有する慣性装置と、
前記ポンプの回転と前記回転体の回転とを連動させるポンプ側回転軸と、
前記車両の駆動部と連動する駆動側回転軸と、
前記ポンプ側回転軸と前記駆動側回転軸との間に配置されるクラッチと、
前記クラッチの動作を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記車両の制動時に前記クラッチを接続して、前記車両の慣性力を用いて前記回転体および前記ポンプを回転させ、前記回転体が回転すると前記クラッチを開放して、前記回転体の回転エネルギーを用いて前記ポンプを回転させる、車両。
【００１１】
この構成によれば、車両は、慣性力を用いて発熱部を冷却するポンプを駆動させるため、発熱部の冷却に電力を要しない。よって、バッテリーの電力をよりモータの駆動に利用することができるため、車両の走行効率の向上を図ることができる。
【００１２】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、車両に搭載される発熱部を冷却するための冷却方法や、冷却システムの制御方法や、冷却システムの製造方法、および、これらの方法を装置に実行させるための制御プログラムなどの形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施例における燃料電池搭載車両の概略構成を説明するための説明図である。
【図２】本実施例のポンプの概略構成を説明するための説明図である。
【図３】本実施例の抵抗器および発熱面の概略構成を説明するための説明図である。
【図４】本実施例のパワーサーバの概略構成を説明するための説明図である。
【図５】本実施例の冷却システムの動作の流れを説明するための説明図である。
【図６】変形例のポンプの概略構成を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。
【００１５】
Ａ．第１実施例：
図１は、第１実施例における燃料電池搭載車両の概略構成を説明するための説明図である。燃料電池搭載車両１０は、例えば、ＦＣバスなどのように、燃料電池による発電のほか、制動時の回生ブレーキによって発電をおこない、得られた電力によってモータを駆動させて動力を得る車両である。燃料電池搭載車両１０は、燃料電池システム１００と、冷却システム２００と、モータ３１０と、バッテリー３２０と、抵抗器３３０と、トランスアクスル３４０と、ＥＣＵ３５０と、を備えている。
【００１６】
燃料電池システム１００は、燃料電池１１０と、水素タンク１２０と、コンプレッサー１３０と、ラジエータ１４０と、を備えている。
【００１７】
燃料電池１１０は、水素ガスと空気に含まれる酸素との電気化学反応によって発電をおこなう。本実施例では、燃料電池１１０として固体高分子型燃料電池を使用しているが、固体高分子型燃料電池以外の種々の燃料電池を使用することが可能である。燃料電池１１０は、複数のセル１１１がセパレータ（図示しない）を介して積層されたスタック構造を有している。セル１１１は、燃料電池１１０における発電を行う単位モジュールであり、電解質膜の各面にアノードおよびカソードの電極が形成された膜電極接合体（ＭＥＡとも呼ばれる）を含んでいる。各セル１１１は、さらに、ＭＥＡを挟むように配置され、反応ガスとしての水素ガスおよび空気を拡散させつつＭＥＡに供給するガス拡散層（図示せず）を含んでいる。
【００１８】
水素タンク１２０は、水素ガス供給路１２１を介して燃料電池１１０のアノードに水素ガスを供給する。水素タンク１２０から水素ガス供給路１２１に放出された水素ガスは、水素ガス供給路１２１に設けられた図示しない減圧弁や圧力調整弁によって所定の圧力に減圧・調整された後に燃料電池１１０のアノードに供給される。
【００１９】
コンプレッサー１３０は、酸化ガス導入路１３１を介して外部から取り込まれた酸化ガスとしての空気を加圧し、酸化ガス供給路１３２を介して燃料電池１１０のカソードに供給する。燃料電池１１０に供給される空気は、図示しない加湿部によって加湿されてもよい。
【００２０】
ラジエータ１４０は、燃料電池１１０から冷却媒体流路１４１に排出された冷却媒体を冷却する。ラジエータ１４０によって冷却された冷却媒体は、図示しない循環ポンプによって、再度、燃料電池１１０に供給される。
【００２１】
燃料電池システム１００は、図示しないインバータを介してモータ３１０と接続されていると共に、図示しないＤＣ／ＤＣコンバータを介してバッテリー３２０と接続されている。燃料電池システム１００から出力される電力は、モータ３１０に供給されてモータ３１０を駆動させる。燃料電池搭載車両１０は、モータ３１０の駆動を、トランスアクスル３４０を介して車輪ＲＷに伝える。燃料電池システム１００から出力される電力は、バッテリー３２０にも供給される。燃料電池搭載車両１０では、バッテリー３２０の残存容量が所定値以下になった場合等に、燃料電池システム１００からバッテリー３２０への充電が行われる。バッテリー３２０の電力は、電力不足時におけるモータ３１０の駆動等に使用される。
【００２２】
燃料電池搭載車両１０では、制動時の回生ブレーキによっても、バッテリー３２０の充電がおこなわれる。具体的には、モータ３１０は、燃料電池搭載車両１０の制動時に発電器として機能し、回生電流を発生させる。モータ３１０によって生じた回生電流は、一部が充電電流としてバッテリー３２０に供給され、残りが余剰電流として抵抗器３３０に供給される。本実施例の燃料電池搭載車両１０のように、大型の車両に使用されるモータ３１０は大型となり、制動時に大きな回生電流を発生させる。そのため、発生した回生電流のすべてを充電電流としてバッテリー３２０に供給すると、バッテリー３２０の劣化を早めてしまうため、一部を余剰電流として抵抗器３３０に供給している。抵抗器３３０に供給された余剰電流は、抵抗器３３０の発熱によって消費される。
【００２３】
冷却システム２００は、抵抗器３３０を冷却するための装置であり、燃料電池搭載車両１０の制動エネルギーを利用して冷却水を汲み上げて抵抗器３３０を冷却する。冷却システム２００は、冷却タンク２１０と、調圧バルブ２１５と、ポンプ２２０と、ポンプ側シャフト２３０と、回転計２３５と、電磁クラッチ２４０と、パワーサーバ２５０と、を備えている。
【００２４】
冷却タンク２１０は、抵抗器３３０を冷却するための冷却水を貯留するためのタンクであって、内部に抵抗器３３０からの熱を伝導する発熱面２１２を備えている。発熱面２１２は、冷却水による冷却時に抵抗器３３０が冷却される構成であれば、冷却タンク２１０の一部であってもよいし、抵抗器３３０の一部であってもよい。
【００２５】
本実施例の冷却システム２００は、燃料電池１１０のカソードから排出される生成水ｗａを冷却水として利用する。冷却タンク２１０は、燃料電池１１０のカソードから生成水ｗａが流入する構成を備えている。調圧バルブ２１５は、冷却タンク２１０の内部圧力Ｐｔを検出し、内部圧力Ｐｔが大気圧（１０１ＫＰａ−ａｂｓ）よりも大きい場合には、生成水ｗａを排出し、内部圧力Ｐｔを一定に保つ。
【００２６】
ポンプ２２０は、冷却タンク２１０の内部に配置され、冷却タンク２１０の内部に貯留している生成水ｗａを吸い上げて、発熱面２１２に供給する。ポンプ２２０は、自身が回転することによって、生成水ｗａを吸い上げる構造を備えている。ポンプ２２０の具体的な構成については、図２を用いて後述する。
【００２７】
ポンプ側シャフト２３０は、モータ３１０の駆動による軸動力や、燃料電池搭載車両１０の慣性力により生じる軸動力をポンプ２２０に伝えるための回転軸であり、一方の端部は、ポンプ２２０と回転が連動するように構成され、他方の端部は、パワーサーバ２５０を介して電磁クラッチ２４０と接続されている。ポンプ側シャフト２３０は、電磁クラッチ２４０を介して、モータ３１０や車輪ＲＷからの軸動力を伝達するトランスアクスル３４０から延びる駆動側シャフト３４１（図４参照）からの軸動力をポンプ２２０に伝える。また、ポンプ側シャフト２３０は、パワーサーバ２５０から得られる軸動力についても同様にポンプ２２０に伝える。回転計２３５は、ポンプ側シャフト２３０の回転数を検出する。燃料電池搭載車両１０は、駆動側シャフト３４１（図４参照）の回転数を検出する図示しない回転計を備えている。
【００２８】
電磁クラッチ２４０は、ポンプ側シャフト２３０と、駆動側シャフト３４１（図４参照）との接続／開放をおこなう。電磁クラッチ２４０は、電磁石によって、ポンプ側シャフト２３０と、駆動側シャフト３４１との接続／開放の切り換えをおこなう。
【００２９】
パワーサーバ２５０は、モータ３１０の駆動や燃料電池搭載車両１０の慣性力から得られる回転エネルギーを、自身が有する回転軸の回転エネルギーに変換する装置である。パワーサーバ２５０は、自身が有する回転軸の回転エネルギーを利用して、ポンプ側シャフト２３０に軸動力を提供することができる。パワーサーバ２５０の具体的な構成は、図４を用いて後述する。
【００３０】
ＥＣＵ３５０は、図示しないＣＰＵや、メモリなどを備えたコンピュータである。ＥＣＵ３５０は、回転計２３５や図示しないセンサ等からの信号を受領し、受領した信号に基づいて、燃料電池搭載車両１０全体の制御をおこなう。ＥＣＵ３５０は、例えば、ブレーキペダルが踏まれたことを検出すると、電磁クラッチ２４０に対して接続信号を送信してポンプ側シャフト２３０と駆動側シャフト３４１とを接続させる。また、回転計２３５から取得した信号に含まれる回転数が所定以下となったときに、電磁クラッチ２４０に対して開放信号を送信してポンプ側シャフト２３０と駆動側シャフト３４１との接続を解除させる。
【００３１】
図２は、本実施例のポンプの概略構成を説明するための説明図である。ポンプ２２０は、噴射管２２１と、噴射管ケース２２２と、噴射口２２３とを備えている。噴射管２２１は、筒状の外形を備え、冷却タンク２１０の壁面２１１に固定された軸受５１１によって、軸方向が鉛直方向に沿うようにして回転可能に固定されている。噴射管２２１は、下端２２１ｂｅが冷却タンク２１０に貯留されている生成水ｗａと接触し、上端２２１ｕｅに噴射管ケース２２２が取り付けられている。噴射管２２１は、内部にスクリュ構造を備えている。
【００３２】
噴射管ケース２２２は、噴射管２２１よりも径の大きい筒状の外形を有する筒状部２２２ｔと、筒状部２２２ｔと噴射口２２３との間に配置された漏斗状の外形を有する漏斗部２２２ｉとを備えている。噴射口２２３は、筒状の外形を備え、噴射管ケース２２２の筒状部２２２ｔと漏斗部２２２ｉの境界付近に配置されている。噴射口２２３の数は任意に設定することができる。
【００３３】
上記構成によって、ポンプ２２０は、自身の回転することにより噴射管２２１の下端２２１ｂｅから吸い上げた生成水ｗａを噴射口２２３から噴射（排出）することができる。具体的には、噴射管ケース２２２は、自身が回転することで、遠心力により内部の空気を噴射口２２３から噴射管ケース２２２の外部に排出する。これにより、噴射管ケース２２２の内部圧力Ｐｐは、冷却タンク２１０の内部圧力Ｐｔと比較して相対的に低圧となる。冷却タンク２１０の内部圧力Ｐｐが冷却タンク２１０の内部圧力Ｐｔよりも低圧になることにより、噴射管２２１の下端２２１ｂｅから吸い上げられた生成水ｗａは上端２２１ｕｅまで搬送される。噴射管２２１の上端２２１ｕｅまで搬送された生成水ｗａは、遠心力によって漏斗部２２２ｉを上昇し、噴射口２２３から噴射管ケース２２２の外部に排出される。
【００３４】
以下にポンプ２２０の一例を示す。
（１）筒状部２２２ｔの半径ｒ１＝０．１ｍ
（２）筒状部２２２ｔの高さｈ１＝０．１５ｍ
（３）噴射管ケース２２２の容積＝０．００４７１ｍ3（３．１４×ｒ１×ｒ１×ｈ１）
（４）噴射管ケース２２２の内部の空気質量ｍ＝０．００４７１ｋｇ（空気１ｍ3≒１ｋｇ）
（５）噴射管２２１の半径ｒ２＝０．０３ｍ
（６）噴射管２２１の高さｈ２＝２ｍ
【００３５】
このポンプ２２０を、回転数ＲＸ＝６７００ｒｐｍ、角速度ω＝７０１ｒａｄ／ｓｅｃ（２×３．１４×ＲＸ／６０）で回転させると、噴射管ケース２２２の内部の遠心力Ｆは、以下の式（１）から、Ｆ＝２３２Ｎとなる。
Ｆ（Ｎ）＝ｍ（ｋｇ）×ｒ１（ｍ）×ω2（ｒａｄ／ｓｅｃ） ・・・（１）
また、噴射管２２１の吐出圧Ｐｅは、以下の式（２）から、Ｐｅ＝８２（ｋＰａ−ａｂｓ）となる。
Ｐｅ（ｋＰａ）＝Ｆ（Ｎ）／π×ｒ２2・・（２）
【００３６】
水は真空によって１０ｍの高さまで吸い上げられることから、生成水ｗａを噴射管２２１の高さｈ２（２ｍ）まで吸い上げるためには、噴射管２２１の内部圧力Ｐｐを２０２ｈＰａ（２０ｋＰａ）以下とする必要がある。上述したように、噴射管２２１の回転数ＲＸが６７００ｒｐｍ以上であれば、噴射管２２１の吐出圧Ｐｅが８２（ｋＰａ−ａｂｓ）以上となるため、噴射管２２１の内部圧力Ｐｐが２０ｋＰａ以下となり、生成水ｗａを高さｈ２まで吸い上げることができる。
【００３７】
図３は、本実施例の抵抗器および発熱面の概略構成を説明するための説明図である。図３は、抵抗器３３０と発熱面２１２を横から見た構成を模式的に示している。発熱面２１２は、ポンプ２２０側を上方側とする勾配のついた斜面状に構成されている。これにより、噴射口２２３から噴射された生成水は、発熱面２１２においてポンプ２２０から遠ざかる方向に移動しつつ加熱されて蒸発する。生成水ｗａの蒸発により発熱面２１２は冷却され、発熱面２１２の冷却により抵抗器３３０が冷却される。気化した生成水ｗａは、冷却タンク２１０の内部の空気によって冷却されて再度、液体となり、冷却タンク２１０の底部に貯留される。
【００３８】
図４は、本実施例のパワーサーバの概略構成を説明するための説明図である。図４（ａ）は、パワーサーバ周辺の概略構成を説明するための説明図である。図４（ｂ）は、パワーサーバ２５０を上方側から見た構成を例示した説明図である。図４（ａ）では、パワーサーバ２５０を構成する一部の図示を省略している。
【００３９】
パワーサーバ２５０は、回転軸２５１と、回転ギア２５２と、羽部材２５３と、内部筺体２５４と、流体２５５と、球体２５６と、外部筺体２５７と、とを備えている。回転軸２５１は、上端部に接続された回転ギア２５２によって、ポンプ側シャフト２３０と回転が連動するように構成されている。回転軸２５１の下端部には、複数の羽部材２５３が放射状に取り付けられ、回転軸２５１の回転により円筒状の内部筺体２５４に収容された流体２５５を回転させるように構成されている。内部筺体２５４は、図４（ｂ）に示すように、円筒状の外部筺体２５７の内側に配置され、外部筺体２５７の内周面と内部筺体２５４の外周面との間に複数の球体２５６が配置されている。この構成により、回転軸２５１と流体２５５の回転にともなって内部筺体２５４が回転したときに外部筺体２５７との間の摩擦抵抗を低減することができる。
【００４０】
パワーサーバ２５０は、上記構成を備えることによって、モータ３１０の駆動や燃料電池搭載車両１０の慣性力から得られる回転エネルギーを、回転軸２５１の回転エネルギーに変換する。具体的には、回転軸２５１は、自身の回転により、流体２５５や内部筺体２５４を回転させるため、回転時の慣性モーメントが大きくなるように構成されている。よって、モータ３１０の駆動により生じる軸動力や、燃料電池搭載車両１０の慣性力による車輪ＲＷの回転運動から得られる軸動力によって所定の慣性モーメントを有する回転軸２５１を回転させることで回転エネルギーを蓄えることができる。パワーサーバ２５０は、蓄えた回転エネルギーによってポンプ側シャフト２３０に軸動力を与え、ポンプ２２０を回転させることができる。
【００４１】
以下にパワーサーバ２５０の一例を示す。内部筺体２５４の半径ｒ３を０．５ｍ、高さｈ３を０．２ｍとすると、容積は、０．１５７ｍ3（３．１４×ｒ３×ｒ３×ｈ３）となる。流体２５５の比重を２とすると、内部筺体２５４の内部の流体２５５の質量Ｍｆは３１４ｋｇとなる。回転ギア２５２のギア比を、ポンプ側シャフト２３０：回転軸２５１＝１０：１とすると、ポンプ側シャフト２３０の回転数が６７００ｒｐｍのとき、回転軸２５１の回転数は６７０ｒｐｍ、角速度７０ｒａｄ／ｓｅｃとなる。このときの回転軸２５１の慣性モーメントＩｅは、以下の式（３）からＩｅ＝７９ｋｇ・ｍ2となる。
Ｉｅ＝Ｍｆ×ｒ３2・・・（３）
また、回転エネルギーＥｅは、以下の式（４）からＥｅ＝１９３，０２２となる。
Ｅｅ＝Ｉｅ×ω2／２・・・（４）
【００４２】
ポンプ２２０の容積を０．００５ｍ3、生成水ｗａの比重を１とすると、ポンプ２２０の内部の生成水ｗａの質量Ｍｗは４．７ｋｇとなる。ポンプ２２０の回転数を６７００ｒｐｍ、角速度７０１ｒａｄ／ｓｅｃとすると、ポンプ２２０の慣性モーメントＩｐは、式（３）からＩｐ＝０．０５ｋｇ・ｍ2となり、回転エネルギーＥｐは、式（４）からＥｐ＝１１，５８１となる。パワーサーバ２５０の回転エネルギーＥｅとポンプ２２０の回転エネルギーＥｐとの比（Ｅｅ／Ｅｐ）からパワーサーバ２５０の回転持続時間を算出すると、パワーサーバ２５０は１７秒程度継続してポンプ２２０を回転させることができる。
【００４３】
図５は、本実施例の冷却システムの動作の流れを説明するための説明図である。燃料電池搭載車両１０の走行時に運転者によってブレーキペダルが踏まれると（ステップＳ１００）、ＥＣＵ３５０は、電磁クラッチ２４０に対して接続信号を出力する（ステップＳ１０５）。このとき、モータ３１０によって発電がおこなわれ、生じた回生電流が、バッテリー３２０と抵抗器３３０に供給される。
【００４４】
電磁クラッチ２４０は、ＥＣＵ３５０から接続信号を受信すると、駆動側シャフト３４１とポンプ側シャフト２３０とを接続する（ステップＳ１１０）。駆動側シャフト３４１とポンプ側シャフト２３０とが接続されると、燃料電池搭載車両１０の慣性力による車輪ＲＷの回転運動から得られる軸動力によって、パワーサーバ２５０の回転軸２５１が回転する。回転軸２５１の回転にともなって内部筺体２５４の内部の流体２５５が回転することにより、燃料電池搭載車両１０の運動エネルギーが回転軸２５１の回転エネルギーとして蓄積される（ステップＳ１１５）。また、ポンプ側シャフト２３０の回転と連動してポンプ２２０が回転する。
【００４５】
ポンプ２２０が回転すると、噴射管ケース２２２の内部の空気は、遠心力によって噴射口２２３から排出される。これにより、噴射管ケース２２２の内部圧力Ｐｐは、冷却タンク２１０の内部圧力Ｐｔと比較して相対的に低圧となる（ステップＳ１２０）。冷却タンク２１０の内部圧力Ｐｐが冷却タンク２１０の内部圧力Ｐｔよりも低圧になると、噴射管２２１により冷却タンク２１０の底部に貯留されている生成水ｗａが吸い上げられる。噴射管２２１によって吸い上げられた生成水ｗａは、遠心力によって噴射口２２３から発熱面２１２に排出される（ステップＳ１３０）。
【００４６】
発熱面２１２に生成水ｗａが供給されると、生成水ｗａの気化熱により抵抗器３３０が冷却される（ステップＳ１３５）。抵抗器３３０や発熱面２１２は、２００℃以上の高温であるため、抵抗器３３０は、生成水ｗａの気化熱により冷却される。発熱面２１２によって加熱されて気化した生成水ｗａは、冷却タンク２１０の壁面等によって冷却され液化し、タンクの底部に貯水させる（ステップＳ１４０）。調圧バルブ２１５は、冷却タンク２１０の内部圧力Ｐｔを検出し、内部圧力Ｐｔが１０１ｋＰａ以上か否か判定する（ステップＳ１４５）。
【００４７】
冷却タンク２１０の内部圧力Ｐｔが１０１ｋＰａより大きいとき（ステップＳ１４５：ＹＥＳ）、調圧バルブ２１５は、バルブを開放して生成水ｗａの排出をおこなう（ステップＳ１５０）。一方、冷却タンク２１０の内部圧力Ｐｔが１０１ｋＰａ以下のとき（ステップＳ１４５：ＮＯ）、調圧バルブ２１５は、バルブの開放をおこなわない。上記の燃料電池システム１００による抵抗器３３０の冷却動作（ステップＳ１２０〜ステップＳ１４０）は、ポンプ側シャフト２３０が回転している限り継続される。
【００４８】
ＥＣＵ３５０は、駆動側シャフト３４１の回転数Ｎｄとポンプ側シャフト２３０の回転数Ｎｐを継続して検出し、駆動側シャフト３４１の回転数Ｎｄがポンプ側シャフト２３０の回転数Ｎｐ以上（Ｎｄ≧Ｎｐ）の間は、電磁クラッチ２４０によって、駆動側シャフト３４１とポンプ側シャフト２３０とを接続した状態を維持する。このときには、燃料電池搭載車両１０の慣性力によって得られる駆動側シャフト３４１の軸動力によって、パワーサーバ２５０への回転エネルギーの蓄積（ステップＳ１１５）、および、ポンプ２２０の回転（ステップＳ１２０〜ステップＳ１３５）が継続される。
【００４９】
燃料電池搭載車両１０の減速により、駆動側シャフト３４１の回転数Ｎｄがポンプ側シャフト２３０の回転数Ｎｐよりも小さくなると（Ｎｄ＜Ｎｐ）、ＥＣＵ３５０は、電磁クラッチ２４０に対して開放信号を出力し、電磁クラッチ２４０を開放状態にする。このときには、パワーサーバ２５０からの軸動力によって、ポンプ２２０の回転（ステップＳ１２０〜ステップＳ１３５）が継続される。
【００５０】
なお、ＥＣＵ３５０は、ポンプ側シャフト２３０の回転数Ｎｐが０のときには、電磁クラッチ２４０を開放状態で維持する。これにより電磁クラッチ２４０による電力消費を抑制することができる。また、ＥＣＵ３５０は、燃料電池搭載車両１０の加速時など、燃料電池搭載車両１０が制動時以外の状態のときには、電磁クラッチ２４０を開放状態で維持する。一方、ＥＣＵ３５０は、燃料電池搭載車両１０が制動時以外の状態であっても、抵抗器３３０の温度が耐用温度以上となった場合には、電磁クラッチ２４０に対して接続信号を出力して、駆動側シャフト３４１とポンプ側シャフト２３０とを接続する。これにより燃料電池搭載車両１０の走行時においてもポンプ２２０により抵抗器３３０を冷却することができる。
【００５１】
以上説明した、本実施例の冷却システムよれば、燃料電池搭載車両１０の制動時に、燃料電池搭載車両１０の慣性力を用いて抵抗器３３０を冷却するためのポンプ２２０を駆動させるため、抵抗器３３０を冷却するための電力を要しない。よって、燃料電池搭載車両１０が走行時に消費する電力のうち、燃料電池搭載車両１０の動力に使用される電力の割合を増やすことができるため、消費電力に対する走行効率の向上を図ることができる。
【００５２】
上記実施例において、水１滴の質量を０．０４ｇ、水１ｇの蒸発で０．５８ｋｃａｌの熱が奪われるものとし、また、噴射口２２３から生成水ｗａが１秒間に１０滴噴射されるものとすると、本実施例の冷却システム２００による熱吸収量（Ｊ）は、９７０Ｊ／ｓｅｃとなる。通常の冷却装置は、１Ｗの電力で１Ｊ／ｓｅｃの冷却能力があるものすると、本実施例の冷却システム２００は、９７０Ｗ程度の冷却能力を有している。一方、従来の冷却方法では、抵抗器の表面積を０．２５ｍ2（０．５ｍ×０．５ｍ）、表面温度を２００℃、外気温度を３０℃とすると、熱吸収量（Ｊ）が６００Ｊ／ｓｅｃ程度、冷却能力は６００Ｗ程度となる。よって、本実施例の冷却システム２００を使用することにより、冷却能力が１．６倍程度向上することがわかる。
【００５３】
Ｂ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００５４】
Ｂ−１．変形例１：
本実施例では、冷却システム２００は、ＦＣバスなどの大型の燃料電池搭載車両に搭載されるものとして説明したが、冷却システム２００は、大型以外の燃料電池搭載車両に搭載されてもよい。また、冷却システム２００は、発熱部を有する車両であれば、燃料電池を搭載していない電気駆動車両や、内燃機関を有する車両などに搭載されてもよい。
【００５５】
Ｂ−２．変形例２：
図６は、変形例のポンプの概略構成を説明するための説明図である。本実施例では、ポンプ２２０は、遠心力によって内部の空気を排出することで噴射管２２１から生成水ｗａを吸い上げて噴射口２２３から噴射する構成を備えているものとして説明した。しかし、ポンプは、回転によって生成水ｗａを吸い上げる構成であれば、実施例で示した構成以外の構成を備えていてもよい。例えば、図６に示すポンプ７２０のように、内部にスクリュ構造を備える噴射管７２１を傾斜して配置し、ポンプ側シャフト２３０の回転によって噴射管７２１を回転させることにより、アルキメディアン・スクリュの原理で噴射管７２１の下端７２１ｂｅから水を汲み上げて上端７２１ｕｅから発熱面２１２に向かって生成水ｗａを排出する構成としてもよい。
【００５６】
Ｂ−３．変形例３：
本実施例では、パワーサーバ２５０の流体２５５は、比重が一定の液体として説明したが、流体２５５は、印可される電圧によって粘性が変化するＥＲ流体（電気粘性流体）であってもよい。ＥＲ流体を使用することにより、回転軸２５１の回転開始時の粘性を下げることができるので、電磁クラッチ２４０を接続したときの衝撃を緩和することができる。
【００５７】
Ｂ−４．変形例４：
本実施例では、パワーサーバ２５０は、流体２５５を備える構成として説明したが、燃料電池搭載車両１０の運動エネルギーを回転軸２５１の回転エネルギーとして蓄積可能な構成であれば、フライホイールのように流体２５５を備えない構成としてもよい。
【符号の説明】
【００５８】
１０…燃料電池搭載車両
１００…燃料電池システム
１１０…燃料電池
１１１…セル
１２０…水素タンク
１２１…水素ガス供給路
１３０…コンプレッサー
１３１…酸化ガス導入路
１３２…酸化ガス供給路
１４０…ラジエータ
１４１…冷却媒体流路
２００…冷却システム
２１０…冷却タンク
２１１…壁面
２１２…発熱面
２１５…調圧バルブ
２２０…ポンプ
２２１…噴射管
２２２…噴射管ケース
２２３…噴射口
２３０…ポンプ側シャフト
２３５…回転計
２４０…電磁クラッチ
２５０…パワーサーバ
２５１…回転軸
２５２…回転ギア
２５３…羽部材
２５４…内部筺体
２５５…流体
２５６…球体
２５７…外部筺体
３１０…モータ
３２０…バッテリー
３３０…抵抗器
３４０…トランスアクスル
３４１…駆動側シャフト
３５０…ＥＣＵ
５１１…軸受
７２０…ポンプ
７２１…噴射管
ＲＷ…車輪
ｗａ…生成水
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両に搭載される発熱部を冷却するための冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料電池車両などモータによって駆動する車両において、制動時の回生ブレーキによってモータによる発電をおこない、発電により生じた回生電流によってバッテリーの充電をおこなう技術が知られている。この技術に関して、ＦＣバスなど大型のモータを使用する車両では、発電により生じる回生電流が大きくなるため、そのままバッテリーの充電に利用すると、バッテリーの劣化を早める問題があった。
【０００３】
この問題を解決するために、回生電流の一部を抵抗器によって消費する技術が知られている。また、この回生電流を消費する抵抗器を備える車両には、冷却ファンなど、抵抗器を冷却するための冷却装置が搭載される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２９４１１６号公報
【特許文献２】特開２００６−３１０３２７号公報
【特許文献３】特開２００４−３２０９６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、冷却ファン等の冷却装置は、駆動に電力を要するため、バッテリーの消費電力が増大し、走行効率が低下する問題があった。なお、これらの問題は、モータによって駆動する車両に限られず、抵抗器などの発熱体を冷却する冷却システムを備えた車両に共通の問題であった。
【０００６】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、車両に搭載される抵抗器などの発熱部を冷却するための冷却システムを備える車両において、車両の走行効率の向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題の少なくとも一部を解決するために、本願発明は、以下の態様または適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］
車両に搭載される発熱部を冷却するための冷却システムであって、
冷却水を収容するための冷却タンクと、
自身の回転によって前記冷却タンクの冷却水を吸い上げて前記発熱部に供給するためのポンプと、
所定の慣性モーメントを有する回転体を有する慣性装置と、
前記ポンプの回転と前記回転体の回転とを連動させるポンプ側回転軸と、
前記車両の駆動部と連動する駆動側回転軸と、
前記ポンプ側回転軸と前記駆動側回転軸との間に配置されるクラッチと、
前記クラッチの動作を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記車両の制動時に前記クラッチを接続して、前記車両の慣性力を用いて前記回転体および前記ポンプを回転させ、前記回転体が回転すると前記クラッチを開放して、前記回転体の回転エネルギーを用いて前記ポンプを回転させる、冷却システム。
【０００９】
この構成によれば、車両の慣性力を用いて発熱部を冷却するポンプを駆動させるため、発熱部の冷却に電力を要しない。よって、発熱部の冷却を要する車両に上記構成の冷却システムを適用することにより、車両の走行効率の向上を図ることができる。
【００１０】
［適用例２］
車両であって、
前記車両を駆動させるための動力源であり、前記車両の制動時に回生電力を発生させるモータと、
前記車両の駆動時に前記モータに電力を供給し、前記車両の制動時に前記回生電力により充電されるバッテリーと、
前記回生電力を消費するための発熱部と、
前記発熱部を冷却するための冷却システムと、を備え、
前記冷却システムは、
冷却水を収容するための冷却タンクと、
自身の回転によって前記冷却タンクの冷却水を吸い上げて前記発熱部に供給するためのポンプと、
所定の慣性モーメントを有する回転体を有する慣性装置と、
前記ポンプの回転と前記回転体の回転とを連動させるポンプ側回転軸と、
前記車両の駆動部と連動する駆動側回転軸と、
前記ポンプ側回転軸と前記駆動側回転軸との間に配置されるクラッチと、
前記クラッチの動作を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記車両の制動時に前記クラッチを接続して、前記車両の慣性力を用いて前記回転体および前記ポンプを回転させ、前記回転体が回転すると前記クラッチを開放して、前記回転体の回転エネルギーを用いて前記ポンプを回転させる、車両。
【００１１】
この構成によれば、車両は、慣性力を用いて発熱部を冷却するポンプを駆動させるため、発熱部の冷却に電力を要しない。よって、バッテリーの電力をよりモータの駆動に利用することができるため、車両の走行効率の向上を図ることができる。
【００１２】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、車両に搭載される発熱部を冷却するための冷却方法や、冷却システムの制御方法や、冷却システムの製造方法、および、これらの方法を装置に実行させるための制御プログラムなどの形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施例における燃料電池搭載車両の概略構成を説明するための説明図である。
【図２】本実施例のポンプの概略構成を説明するための説明図である。
【図３】本実施例の抵抗器および発熱面の概略構成を説明するための説明図である。
【図４】本実施例のパワーサーバの概略構成を説明するための説明図である。
【図５】本実施例の冷却システムの動作の流れを説明するための説明図である。
【図６】変形例のポンプの概略構成を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。
【００１５】
Ａ．第１実施例：
図１は、第１実施例における燃料電池搭載車両の概略構成を説明するための説明図である。燃料電池搭載車両１０は、例えば、ＦＣバスなどのように、燃料電池による発電のほか、制動時の回生ブレーキによって発電をおこない、得られた電力によってモータを駆動させて動力を得る車両である。燃料電池搭載車両１０は、燃料電池システム１００と、冷却システム２００と、モータ３１０と、バッテリー３２０と、抵抗器３３０と、トランスアクスル３４０と、ＥＣＵ３５０と、を備えている。
【００１６】
燃料電池システム１００は、燃料電池１１０と、水素タンク１２０と、コンプレッサー１３０と、ラジエータ１４０と、を備えている。
【００１７】
燃料電池１１０は、水素ガスと空気に含まれる酸素との電気化学反応によって発電をおこなう。本実施例では、燃料電池１１０として固体高分子型燃料電池を使用しているが、固体高分子型燃料電池以外の種々の燃料電池を使用することが可能である。燃料電池１１０は、複数のセル１１１がセパレータ（図示しない）を介して積層されたスタック構造を有している。セル１１１は、燃料電池１１０における発電を行う単位モジュールであり、電解質膜の各面にアノードおよびカソードの電極が形成された膜電極接合体（ＭＥＡとも呼ばれる）を含んでいる。各セル１１１は、さらに、ＭＥＡを挟むように配置され、反応ガスとしての水素ガスおよび空気を拡散させつつＭＥＡに供給するガス拡散層（図示せず）を含んでいる。
【００１８】
水素タンク１２０は、水素ガス供給路１２１を介して燃料電池１１０のアノードに水素ガスを供給する。水素タンク１２０から水素ガス供給路１２１に放出された水素ガスは、水素ガス供給路１２１に設けられた図示しない減圧弁や圧力調整弁によって所定の圧力に減圧・調整された後に燃料電池１１０のアノードに供給される。
【００１９】
コンプレッサー１３０は、酸化ガス導入路１３１を介して外部から取り込まれた酸化ガスとしての空気を加圧し、酸化ガス供給路１３２を介して燃料電池１１０のカソードに供給する。燃料電池１１０に供給される空気は、図示しない加湿部によって加湿されてもよい。
【００２０】
ラジエータ１４０は、燃料電池１１０から冷却媒体流路１４１に排出された冷却媒体を冷却する。ラジエータ１４０によって冷却された冷却媒体は、図示しない循環ポンプによって、再度、燃料電池１１０に供給される。
【００２１】
燃料電池システム１００は、図示しないインバータを介してモータ３１０と接続されていると共に、図示しないＤＣ／ＤＣコンバータを介してバッテリー３２０と接続されている。燃料電池システム１００から出力される電力は、モータ３１０に供給されてモータ３１０を駆動させる。燃料電池搭載車両１０は、モータ３１０の駆動を、トランスアクスル３４０を介して車輪ＲＷに伝える。燃料電池システム１００から出力される電力は、バッテリー３２０にも供給される。燃料電池搭載車両１０では、バッテリー３２０の残存容量が所定値以下になった場合等に、燃料電池システム１００からバッテリー３２０への充電が行われる。バッテリー３２０の電力は、電力不足時におけるモータ３１０の駆動等に使用される。
【００２２】
燃料電池搭載車両１０では、制動時の回生ブレーキによっても、バッテリー３２０の充電がおこなわれる。具体的には、モータ３１０は、燃料電池搭載車両１０の制動時に発電器として機能し、回生電流を発生させる。モータ３１０によって生じた回生電流は、一部が充電電流としてバッテリー３２０に供給され、残りが余剰電流として抵抗器３３０に供給される。本実施例の燃料電池搭載車両１０のように、大型の車両に使用されるモータ３１０は大型となり、制動時に大きな回生電流を発生させる。そのため、発生した回生電流のすべてを充電電流としてバッテリー３２０に供給すると、バッテリー３２０の劣化を早めてしまうため、一部を余剰電流として抵抗器３３０に供給している。抵抗器３３０に供給された余剰電流は、抵抗器３３０の発熱によって消費される。
【００２３】
冷却システム２００は、抵抗器３３０を冷却するための装置であり、燃料電池搭載車両１０の制動エネルギーを利用して冷却水を汲み上げて抵抗器３３０を冷却する。冷却システム２００は、冷却タンク２１０と、調圧バルブ２１５と、ポンプ２２０と、ポンプ側シャフト２３０と、回転計２３５と、電磁クラッチ２４０と、パワーサーバ２５０と、を備えている。
【００２４】
冷却タンク２１０は、抵抗器３３０を冷却するための冷却水を貯留するためのタンクであって、内部に抵抗器３３０からの熱を伝導する発熱面２１２を備えている。発熱面２１２は、冷却水による冷却時に抵抗器３３０が冷却される構成であれば、冷却タンク２１０の一部であってもよいし、抵抗器３３０の一部であってもよい。
【００２５】
本実施例の冷却システム２００は、燃料電池１１０のカソードから排出される生成水ｗａを冷却水として利用する。冷却タンク２１０は、燃料電池１１０のカソードから生成水ｗａが流入する構成を備えている。調圧バルブ２１５は、冷却タンク２１０の内部圧力Ｐｔを検出し、内部圧力Ｐｔが大気圧（１０１ＫＰａ−ａｂｓ）よりも大きい場合には、生成水ｗａを排出し、内部圧力Ｐｔを一定に保つ。
【００２６】
ポンプ２２０は、冷却タンク２１０の内部に配置され、冷却タンク２１０の内部に貯留している生成水ｗａを吸い上げて、発熱面２１２に供給する。ポンプ２２０は、自身が回転することによって、生成水ｗａを吸い上げる構造を備えている。ポンプ２２０の具体的な構成については、図２を用いて後述する。
【００２７】
ポンプ側シャフト２３０は、モータ３１０の駆動による軸動力や、燃料電池搭載車両１０の慣性力により生じる軸動力をポンプ２２０に伝えるための回転軸であり、一方の端部は、ポンプ２２０と回転が連動するように構成され、他方の端部は、パワーサーバ２５０を介して電磁クラッチ２４０と接続されている。ポンプ側シャフト２３０は、電磁クラッチ２４０を介して、モータ３１０や車輪ＲＷからの軸動力を伝達するトランスアクスル３４０から延びる駆動側シャフト３４１（図４参照）からの軸動力をポンプ２２０に伝える。また、ポンプ側シャフト２３０は、パワーサーバ２５０から得られる軸動力についても同様にポンプ２２０に伝える。回転計２３５は、ポンプ側シャフト２３０の回転数を検出する。燃料電池搭載車両１０は、駆動側シャフト３４１（図４参照）の回転数を検出する図示しない回転計を備えている。
【００２８】
電磁クラッチ２４０は、ポンプ側シャフト２３０と、駆動側シャフト３４１（図４参照）との接続／開放をおこなう。電磁クラッチ２４０は、電磁石によって、ポンプ側シャフト２３０と、駆動側シャフト３４１との接続／開放の切り換えをおこなう。
【００２９】
パワーサーバ２５０は、モータ３１０の駆動や燃料電池搭載車両１０の慣性力から得られる回転エネルギーを、自身が有する回転軸の回転エネルギーに変換する装置である。パワーサーバ２５０は、自身が有する回転軸の回転エネルギーを利用して、ポンプ側シャフト２３０に軸動力を提供することができる。パワーサーバ２５０の具体的な構成は、図４を用いて後述する。
【００３０】
ＥＣＵ３５０は、図示しないＣＰＵや、メモリなどを備えたコンピュータである。ＥＣＵ３５０は、回転計２３５や図示しないセンサ等からの信号を受領し、受領した信号に基づいて、燃料電池搭載車両１０全体の制御をおこなう。ＥＣＵ３５０は、例えば、ブレーキペダルが踏まれたことを検出すると、電磁クラッチ２４０に対して接続信号を送信してポンプ側シャフト２３０と駆動側シャフト３４１とを接続させる。また、回転計２３５から取得した信号に含まれる回転数が所定以下となったときに、電磁クラッチ２４０に対して開放信号を送信してポンプ側シャフト２３０と駆動側シャフト３４１との接続を解除させる。
【００３１】
図２は、本実施例のポンプの概略構成を説明するための説明図である。ポンプ２２０は、噴射管２２１と、噴射管ケース２２２と、噴射口２２３とを備えている。噴射管２２１は、筒状の外形を備え、冷却タンク２１０の壁面２１１に固定された軸受５１１によって、軸方向が鉛直方向に沿うようにして回転可能に固定されている。噴射管２２１は、下端２２１ｂｅが冷却タンク２１０に貯留されている生成水ｗａと接触し、上端２２１ｕｅに噴射管ケース２２２が取り付けられている。噴射管２２１は、内部にスクリュ構造を備えている。
【００３２】
噴射管ケース２２２は、噴射管２２１よりも径の大きい筒状の外形を有する筒状部２２２ｔと、筒状部２２２ｔと噴射口２２３との間に配置された漏斗状の外形を有する漏斗部２２２ｉとを備えている。噴射口２２３は、筒状の外形を備え、噴射管ケース２２２の筒状部２２２ｔと漏斗部２２２ｉの境界付近に配置されている。噴射口２２３の数は任意に設定することができる。
【００３３】
上記構成によって、ポンプ２２０は、自身の回転することにより噴射管２２１の下端２２１ｂｅから吸い上げた生成水ｗａを噴射口２２３から噴射（排出）することができる。具体的には、噴射管ケース２２２は、自身が回転することで、遠心力により内部の空気を噴射口２２３から噴射管ケース２２２の外部に排出する。これにより、噴射管ケース２２２の内部圧力Ｐｐは、冷却タンク２１０の内部圧力Ｐｔと比較して相対的に低圧となる。冷却タンク２１０の内部圧力Ｐｐが冷却タンク２１０の内部圧力Ｐｔよりも低圧になることにより、噴射管２２１の下端２２１ｂｅから吸い上げられた生成水ｗａは上端２２１ｕｅまで搬送される。噴射管２２１の上端２２１ｕｅまで搬送された生成水ｗａは、遠心力によって漏斗部２２２ｉを上昇し、噴射口２２３から噴射管ケース２２２の外部に排出される。
【００３４】
以下にポンプ２２０の一例を示す。
（１）筒状部２２２ｔの半径ｒ１＝０．１ｍ
（２）筒状部２２２ｔの高さｈ１＝０．１５ｍ
（３）噴射管ケース２２２の容積＝０．００４７１ｍ3（３．１４×ｒ１×ｒ１×ｈ１）
（４）噴射管ケース２２２の内部の空気質量ｍ＝０．００４７１ｋｇ（空気１ｍ3≒１ｋｇ）
（５）噴射管２２１の半径ｒ２＝０．０３ｍ
（６）噴射管２２１の高さｈ２＝２ｍ
【００３５】
このポンプ２２０を、回転数ＲＸ＝６７００ｒｐｍ、角速度ω＝７０１ｒａｄ／ｓｅｃ（２×３．１４×ＲＸ／６０）で回転させると、噴射管ケース２２２の内部の遠心力Ｆは、以下の式（１）から、Ｆ＝２３２Ｎとなる。
Ｆ（Ｎ）＝ｍ（ｋｇ）×ｒ１（ｍ）×ω2（ｒａｄ／ｓｅｃ） ・・・（１）
また、噴射管２２１の吐出圧Ｐｅは、以下の式（２）から、Ｐｅ＝８２（ｋＰａ−ａｂｓ）となる。
Ｐｅ（ｋＰａ）＝Ｆ（Ｎ）／π×ｒ２2・・（２）
【００３６】
水は真空によって１０ｍの高さまで吸い上げられることから、生成水ｗａを噴射管２２１の高さｈ２（２ｍ）まで吸い上げるためには、噴射管２２１の内部圧力Ｐｐを２０２ｈＰａ（２０ｋＰａ）以下とする必要がある。上述したように、噴射管２２１の回転数ＲＸが６７００ｒｐｍ以上であれば、噴射管２２１の吐出圧Ｐｅが８２（ｋＰａ−ａｂｓ）以上となるため、噴射管２２１の内部圧力Ｐｐが２０ｋＰａ以下となり、生成水ｗａを高さｈ２まで吸い上げることができる。
【００３７】
図３は、本実施例の抵抗器および発熱面の概略構成を説明するための説明図である。図３は、抵抗器３３０と発熱面２１２を横から見た構成を模式的に示している。発熱面２１２は、ポンプ２２０側を上方側とする勾配のついた斜面状に構成されている。これにより、噴射口２２３から噴射された生成水は、発熱面２１２においてポンプ２２０から遠ざかる方向に移動しつつ加熱されて蒸発する。生成水ｗａの蒸発により発熱面２１２は冷却され、発熱面２１２の冷却により抵抗器３３０が冷却される。気化した生成水ｗａは、冷却タンク２１０の内部の空気によって冷却されて再度、液体となり、冷却タンク２１０の底部に貯留される。
【００３８】
図４は、本実施例のパワーサーバの概略構成を説明するための説明図である。図４（ａ）は、パワーサーバ周辺の概略構成を説明するための説明図である。図４（ｂ）は、パワーサーバ２５０を上方側から見た構成を例示した説明図である。図４（ａ）では、パワーサーバ２５０を構成する一部の図示を省略している。
【００３９】
パワーサーバ２５０は、回転軸２５１と、回転ギア２５２と、羽部材２５３と、内部筺体２５４と、流体２５５と、球体２５６と、外部筺体２５７と、とを備えている。回転軸２５１は、上端部に接続された回転ギア２５２によって、ポンプ側シャフト２３０と回転が連動するように構成されている。回転軸２５１の下端部には、複数の羽部材２５３が放射状に取り付けられ、回転軸２５１の回転により円筒状の内部筺体２５４に収容された流体２５５を回転させるように構成されている。内部筺体２５４は、図４（ｂ）に示すように、円筒状の外部筺体２５７の内側に配置され、外部筺体２５７の内周面と内部筺体２５４の外周面との間に複数の球体２５６が配置されている。この構成により、回転軸２５１と流体２５５の回転にともなって内部筺体２５４が回転したときに外部筺体２５７との間の摩擦抵抗を低減することができる。
【００４０】
パワーサーバ２５０は、上記構成を備えることによって、モータ３１０の駆動や燃料電池搭載車両１０の慣性力から得られる回転エネルギーを、回転軸２５１の回転エネルギーに変換する。具体的には、回転軸２５１は、自身の回転により、流体２５５や内部筺体２５４を回転させるため、回転時の慣性モーメントが大きくなるように構成されている。よって、モータ３１０の駆動により生じる軸動力や、燃料電池搭載車両１０の慣性力による車輪ＲＷの回転運動から得られる軸動力によって所定の慣性モーメントを有する回転軸２５１を回転させることで回転エネルギーを蓄えることができる。パワーサーバ２５０は、蓄えた回転エネルギーによってポンプ側シャフト２３０に軸動力を与え、ポンプ２２０を回転させることができる。
【００４１】
以下にパワーサーバ２５０の一例を示す。内部筺体２５４の半径ｒ３を０．５ｍ、高さｈ３を０．２ｍとすると、容積は、０．１５７ｍ3（３．１４×ｒ３×ｒ３×ｈ３）となる。流体２５５の比重を２とすると、内部筺体２５４の内部の流体２５５の質量Ｍｆは３１４ｋｇとなる。回転ギア２５２のギア比を、ポンプ側シャフト２３０：回転軸２５１＝１０：１とすると、ポンプ側シャフト２３０の回転数が６７００ｒｐｍのとき、回転軸２５１の回転数は６７０ｒｐｍ、角速度７０ｒａｄ／ｓｅｃとなる。このときの回転軸２５１の慣性モーメントＩｅは、以下の式（３）からＩｅ＝７９ｋｇ・ｍ2となる。
Ｉｅ＝Ｍｆ×ｒ３2・・・（３）
また、回転エネルギーＥｅは、以下の式（４）からＥｅ＝１９３，０２２となる。
Ｅｅ＝Ｉｅ×ω2／２・・・（４）
【００４２】
ポンプ２２０の容積を０．００５ｍ3、生成水ｗａの比重を１とすると、ポンプ２２０の内部の生成水ｗａの質量Ｍｗは４．７ｋｇとなる。ポンプ２２０の回転数を６７００ｒｐｍ、角速度７０１ｒａｄ／ｓｅｃとすると、ポンプ２２０の慣性モーメントＩｐは、式（３）からＩｐ＝０．０５ｋｇ・ｍ2となり、回転エネルギーＥｐは、式（４）からＥｐ＝１１，５８１となる。パワーサーバ２５０の回転エネルギーＥｅとポンプ２２０の回転エネルギーＥｐとの比（Ｅｅ／Ｅｐ）からパワーサーバ２５０の回転持続時間を算出すると、パワーサーバ２５０は１７秒程度継続してポンプ２２０を回転させることができる。
【００４３】
図５は、本実施例の冷却システムの動作の流れを説明するための説明図である。燃料電池搭載車両１０の走行時に運転者によってブレーキペダルが踏まれると（ステップＳ１００）、ＥＣＵ３５０は、電磁クラッチ２４０に対して接続信号を出力する（ステップＳ１０５）。このとき、モータ３１０によって発電がおこなわれ、生じた回生電流が、バッテリー３２０と抵抗器３３０に供給される。
【００４４】
電磁クラッチ２４０は、ＥＣＵ３５０から接続信号を受信すると、駆動側シャフト３４１とポンプ側シャフト２３０とを接続する（ステップＳ１１０）。駆動側シャフト３４１とポンプ側シャフト２３０とが接続されると、燃料電池搭載車両１０の慣性力による車輪ＲＷの回転運動から得られる軸動力によって、パワーサーバ２５０の回転軸２５１が回転する。回転軸２５１の回転にともなって内部筺体２５４の内部の流体２５５が回転することにより、燃料電池搭載車両１０の運動エネルギーが回転軸２５１の回転エネルギーとして蓄積される（ステップＳ１１５）。また、ポンプ側シャフト２３０の回転と連動してポンプ２２０が回転する。
【００４５】
ポンプ２２０が回転すると、噴射管ケース２２２の内部の空気は、遠心力によって噴射口２２３から排出される。これにより、噴射管ケース２２２の内部圧力Ｐｐは、冷却タンク２１０の内部圧力Ｐｔと比較して相対的に低圧となる（ステップＳ１２０）。冷却タンク２１０の内部圧力Ｐｐが冷却タンク２１０の内部圧力Ｐｔよりも低圧になると、噴射管２２１により冷却タンク２１０の底部に貯留されている生成水ｗａが吸い上げられる。噴射管２２１によって吸い上げられた生成水ｗａは、遠心力によって噴射口２２３から発熱面２１２に排出される（ステップＳ１３０）。
【００４６】
発熱面２１２に生成水ｗａが供給されると、生成水ｗａの気化熱により抵抗器３３０が冷却される（ステップＳ１３５）。抵抗器３３０や発熱面２１２は、２００℃以上の高温であるため、抵抗器３３０は、生成水ｗａの気化熱により冷却される。発熱面２１２によって加熱されて気化した生成水ｗａは、冷却タンク２１０の壁面等によって冷却され液化し、タンクの底部に貯水させる（ステップＳ１４０）。調圧バルブ２１５は、冷却タンク２１０の内部圧力Ｐｔを検出し、内部圧力Ｐｔが１０１ｋＰａ以上か否か判定する（ステップＳ１４５）。
【００４７】
冷却タンク２１０の内部圧力Ｐｔが１０１ｋＰａより大きいとき（ステップＳ１４５：ＹＥＳ）、調圧バルブ２１５は、バルブを開放して生成水ｗａの排出をおこなう（ステップＳ１５０）。一方、冷却タンク２１０の内部圧力Ｐｔが１０１ｋＰａ以下のとき（ステップＳ１４５：ＮＯ）、調圧バルブ２１５は、バルブの開放をおこなわない。上記の燃料電池システム１００による抵抗器３３０の冷却動作（ステップＳ１２０〜ステップＳ１４０）は、ポンプ側シャフト２３０が回転している限り継続される。
【００４８】
ＥＣＵ３５０は、駆動側シャフト３４１の回転数Ｎｄとポンプ側シャフト２３０の回転数Ｎｐを継続して検出し、駆動側シャフト３４１の回転数Ｎｄがポンプ側シャフト２３０の回転数Ｎｐ以上（Ｎｄ≧Ｎｐ）の間は、電磁クラッチ２４０によって、駆動側シャフト３４１とポンプ側シャフト２３０とを接続した状態を維持する。このときには、燃料電池搭載車両１０の慣性力によって得られる駆動側シャフト３４１の軸動力によって、パワーサーバ２５０への回転エネルギーの蓄積（ステップＳ１１５）、および、ポンプ２２０の回転（ステップＳ１２０〜ステップＳ１３５）が継続される。
【００４９】
燃料電池搭載車両１０の減速により、駆動側シャフト３４１の回転数Ｎｄがポンプ側シャフト２３０の回転数Ｎｐよりも小さくなると（Ｎｄ＜Ｎｐ）、ＥＣＵ３５０は、電磁クラッチ２４０に対して開放信号を出力し、電磁クラッチ２４０を開放状態にする。このときには、パワーサーバ２５０からの軸動力によって、ポンプ２２０の回転（ステップＳ１２０〜ステップＳ１３５）が継続される。
【００５０】
なお、ＥＣＵ３５０は、ポンプ側シャフト２３０の回転数Ｎｐが０のときには、電磁クラッチ２４０を開放状態で維持する。これにより電磁クラッチ２４０による電力消費を抑制することができる。また、ＥＣＵ３５０は、燃料電池搭載車両１０の加速時など、燃料電池搭載車両１０が制動時以外の状態のときには、電磁クラッチ２４０を開放状態で維持する。一方、ＥＣＵ３５０は、燃料電池搭載車両１０が制動時以外の状態であっても、抵抗器３３０の温度が耐用温度以上となった場合には、電磁クラッチ２４０に対して接続信号を出力して、駆動側シャフト３４１とポンプ側シャフト２３０とを接続する。これにより燃料電池搭載車両１０の走行時においてもポンプ２２０により抵抗器３３０を冷却することができる。
【００５１】
以上説明した、本実施例の冷却システムよれば、燃料電池搭載車両１０の制動時に、燃料電池搭載車両１０の慣性力を用いて抵抗器３３０を冷却するためのポンプ２２０を駆動させるため、抵抗器３３０を冷却するための電力を要しない。よって、燃料電池搭載車両１０が走行時に消費する電力のうち、燃料電池搭載車両１０の動力に使用される電力の割合を増やすことができるため、消費電力に対する走行効率の向上を図ることができる。
【００５２】
上記実施例において、水１滴の質量を０．０４ｇ、水１ｇの蒸発で０．５８ｋｃａｌの熱が奪われるものとし、また、噴射口２２３から生成水ｗａが１秒間に１０滴噴射されるものとすると、本実施例の冷却システム２００による熱吸収量（Ｊ）は、９７０Ｊ／ｓｅｃとなる。通常の冷却装置は、１Ｗの電力で１Ｊ／ｓｅｃの冷却能力があるものすると、本実施例の冷却システム２００は、９７０Ｗ程度の冷却能力を有している。一方、従来の冷却方法では、抵抗器の表面積を０．２５ｍ2（０．５ｍ×０．５ｍ）、表面温度を２００℃、外気温度を３０℃とすると、熱吸収量（Ｊ）が６００Ｊ／ｓｅｃ程度、冷却能力は６００Ｗ程度となる。よって、本実施例の冷却システム２００を使用することにより、冷却能力が１．６倍程度向上することがわかる。
【００５３】
Ｂ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００５４】
Ｂ−１．変形例１：
本実施例では、冷却システム２００は、ＦＣバスなどの大型の燃料電池搭載車両に搭載されるものとして説明したが、冷却システム２００は、大型以外の燃料電池搭載車両に搭載されてもよい。また、冷却システム２００は、発熱部を有する車両であれば、燃料電池を搭載していない電気駆動車両や、内燃機関を有する車両などに搭載されてもよい。
【００５５】
Ｂ−２．変形例２：
図６は、変形例のポンプの概略構成を説明するための説明図である。本実施例では、ポンプ２２０は、遠心力によって内部の空気を排出することで噴射管２２１から生成水ｗａを吸い上げて噴射口２２３から噴射する構成を備えているものとして説明した。しかし、ポンプは、回転によって生成水ｗａを吸い上げる構成であれば、実施例で示した構成以外の構成を備えていてもよい。例えば、図６に示すポンプ７２０のように、内部にスクリュ構造を備える噴射管７２１を傾斜して配置し、ポンプ側シャフト２３０の回転によって噴射管７２１を回転させることにより、アルキメディアン・スクリュの原理で噴射管７２１の下端７２１ｂｅから水を汲み上げて上端７２１ｕｅから発熱面２１２に向かって生成水ｗａを排出する構成としてもよい。
【００５６】
Ｂ−３．変形例３：
本実施例では、パワーサーバ２５０の流体２５５は、比重が一定の液体として説明したが、流体２５５は、印可される電圧によって粘性が変化するＥＲ流体（電気粘性流体）であってもよい。ＥＲ流体を使用することにより、回転軸２５１の回転開始時の粘性を下げることができるので、電磁クラッチ２４０を接続したときの衝撃を緩和することができる。
【００５７】
Ｂ−４．変形例４：
本実施例では、パワーサーバ２５０は、流体２５５を備える構成として説明したが、燃料電池搭載車両１０の運動エネルギーを回転軸２５１の回転エネルギーとして蓄積可能な構成であれば、フライホイールのように流体２５５を備えない構成としてもよい。
【符号の説明】
【００５８】
１０…燃料電池搭載車両
１００…燃料電池システム
１１０…燃料電池
１１１…セル
１２０…水素タンク
１２１…水素ガス供給路
１３０…コンプレッサー
１３１…酸化ガス導入路
１３２…酸化ガス供給路
１４０…ラジエータ
１４１…冷却媒体流路
２００…冷却システム
２１０…冷却タンク
２１１…壁面
２１２…発熱面
２１５…調圧バルブ
２２０…ポンプ
２２１…噴射管
２２２…噴射管ケース
２２３…噴射口
２３０…ポンプ側シャフト
２３５…回転計
２４０…電磁クラッチ
２５０…パワーサーバ
２５１…回転軸
２５２…回転ギア
２５３…羽部材
２５４…内部筺体
２５５…流体
２５６…球体
２５７…外部筺体
３１０…モータ
３２０…バッテリー
３３０…抵抗器
３４０…トランスアクスル
３４１…駆動側シャフト
３５０…ＥＣＵ
５１１…軸受
７２０…ポンプ
７２１…噴射管
ＲＷ…車輪
ｗａ…生成水
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両に搭載される発熱部を冷却するための冷却システムであって、
冷却水を収容するための冷却タンクと、
自身の回転によって前記冷却タンクの冷却水を吸い上げて前記発熱部に供給するためのポンプと、
所定の慣性モーメントを有する回転体を有する慣性装置と、
前記ポンプの回転と前記回転体の回転とを連動させるポンプ側回転軸と、
前記車両の駆動部と連動する駆動側回転軸と、
前記ポンプ側回転軸と前記駆動側回転軸との間に配置されるクラッチと、
前記クラッチの動作を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記車両の制動時に前記クラッチを接続して、前記車両の慣性力を用いて前記回転体および前記ポンプを回転させ、前記回転体が回転すると前記クラッチを開放して、前記回転体の回転エネルギーを用いて前記ポンプを回転させる、冷却システム。
【請求項１】
車両に搭載される発熱部を冷却するための冷却システムであって、
冷却水を収容するための冷却タンクと、
自身の回転によって前記冷却タンクの冷却水を吸い上げて前記発熱部に供給するためのポンプと、
所定の慣性モーメントを有する回転体を有する慣性装置と、
前記ポンプの回転と前記回転体の回転とを連動させるポンプ側回転軸と、
前記車両の駆動部と連動する駆動側回転軸と、
前記ポンプ側回転軸と前記駆動側回転軸との間に配置されるクラッチと、
前記クラッチの動作を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記車両の制動時に前記クラッチを接続して、前記車両の慣性力を用いて前記回転体および前記ポンプを回転させ、前記回転体が回転すると前記クラッチを開放して、前記回転体の回転エネルギーを用いて前記ポンプを回転させる、冷却システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１９６０１４（Ｐ２０１２−１９６０１４Ａ）
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５６７４３（Ｐ２０１１−５６７４３）
【出願日】平成２３年３月１５日（２０１１．３．１５）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１５日（２０１１．３．１５）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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