JP2021085614A - 冷却装置、および、冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却対象を低コストで冷却する。【解決手段】冷却装置は、外気と水とを接触させて外気を冷却する外気冷却部２６０と、外気冷却部２６０によって冷却された外気と、トリメチロールエタンの水溶液とを熱交換させる外気熱交換部（熱交換部２３０）と、外気熱交換部（熱交換部２３０）によってトリメチロールエタンの水溶液が熱交換されることで生成されたトリメチロールエタンハイドレートと、冷媒とを熱交換させる冷媒熱交換部（熱交換部２３０）と、熱交換された冷媒を冷却対象に供給する冷媒供給部（第１冷媒循環管１２０、循環水ポンプ２２０）と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、バッテリ等の冷却対象を冷却する冷却装置、および、冷却方法に関する。

モーター駆動用のバッテリを搭載した電気自動車が普及し始めている。バッテリがリチウムイオン電池で構成される場合、充放電時にバッテリが発熱する場合がある。

そこで、ペルチェ素子および送風機を備え、バッテリを冷却する技術が開発されている（例えば、特許文献１）。

特開２０１３−１７８９７７号公報

しかし、上記特許文献１に記載されたようなペルチェ素子および送風機を備えた冷却装置は、装置自体のコストおよび消費電力に要するコストが高いという問題がある。

そこで、バッテリ等の発熱体、温室等の高温空間等の冷却対象を低コストで冷却する技術の開発が希求されている。

本発明は、このような課題に鑑み、冷却対象を低コストで冷却することが可能な冷却装置、および、冷却方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の冷却装置は、外気と水とを接触させて外気を冷却する外気冷却部と、外気冷却部によって冷却された外気と、トリメチロールエタンの水溶液とを熱交換させる外気熱交換部と、外気熱交換部によってトリメチロールエタンの水溶液が熱交換されることで生成されたトリメチロールエタンハイドレートと、冷媒とを熱交換させる冷媒熱交換部と、熱交換された冷媒を冷却対象に供給する冷媒供給部と、を備える。

また、冷却装置は、外気が所定の閾温度以上である場合に外気冷却部によって冷却された外気を外気熱交換部に導き、外気が閾温度未満である場合に外気をそのまま外気熱交換部に導く制御部を備えてもよい。

また、冷却対象は、リチウムイオン電池ユニットであってもよい。

上記課題を解決するために、本発明の冷却方法は、外気と水とを接触させて外気を冷却し、冷却された外気と、トリメチロールエタンの水溶液とを熱交換させ、トリメチロールエタンの水溶液が熱交換されることで生成されたトリメチロールエタンハイドレートと、冷媒とを熱交換させ、熱交換された冷媒を冷却対象に供給する。

本発明によれば、冷却対象を低コストで冷却することが可能となる。

本実施形態にかかる冷却装置の概略的な構成を説明する図である。 蓄冷ユニットの概略的な構成を説明する図である。 熱交換部を説明する図である。 予備ユニットの概略的な構成を説明する図である。 冷却方法の処理の流れを説明するフローチャートである。 冷却処理の流れを説明するフローチャートである。 変形例の熱交換部を説明する図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

［冷却装置１００］
図１は、本実施形態にかかる冷却装置１００の概略的な構成を説明する図である。冷却装置１００は、例えば、電気自動車（ＥＶ、例えば、タクシー）に搭載される。冷却装置１００は、冷却対象１０を冷却する。本実施形態において、冷却対象１０は、電気自動車に搭載されたリチウムイオン電池ユニットである。

図１に示すように、冷却装置１００は、蓄冷ユニット１１０と、第１冷媒循環管１２０と、冷媒切換弁１２２と、逆止弁１２４と、開閉弁１２６と、バイパス管１３０と、予備ユニット１５０と、制御部１６０とを含む。なお、図１中、実線の矢印は、第１冷媒の流れを示す。また、図１中、破線の矢印は、信号の流れを示す。

蓄冷ユニット１１０は、第１冷媒（冷媒）を冷却する。第１冷媒循環管１２０は、蓄冷ユニット１１０によって冷却された第１冷媒を冷却対象１０に導くとともに、冷却対象１０において加熱された第１冷媒を蓄冷ユニット１１０に戻す。つまり、第１冷媒循環管１２０は、蓄冷ユニット１１０と、冷却対象１０とに第１冷媒を循環させる。

冷媒切換弁１２２は、第１冷媒循環管１２０における蓄冷ユニット１１０の下流側と冷却対象１０の上流側との間に設けられる。冷媒切換弁１２２は、蓄冷ユニット１１０と冷却対象１０とを接続したり、蓄冷ユニット１１０とバイパス管１３０とを接続したりする。

逆止弁１２４は、第１冷媒循環管１２０における冷媒切換弁１２２と開閉弁１２６との間に設けられる。逆止弁１２４は、冷却対象１０から第１冷媒循環管１２０への第１冷媒の逆流を防止する。開閉弁１２６は、第１冷媒循環管１２０における逆止弁１２４と冷却対象１０との間に設けられる。

バイパス管１３０は、冷媒切換弁１２２と、第１冷媒循環管１２０における逆止弁１２４と開閉弁１２６との間とを接続する。予備ユニット１５０は、バイパス管１３０に設けられる。

制御部１６０は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成される。制御部１６０は、ＲＯＭ（Read Only Memory：読み出し専用メモリ）からＣＰＵ自体を動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出す。制御部１６０は、ワークエリアとしてのＲＡＭ（Random Access Memory：読み書き可能なメモリ）や他の電子回路と協働して冷却装置１００全体を管理および制御する。本実施形態において、制御部１６０は、蓄冷ユニット１１０、冷媒切換弁１２２、および、予備ユニット１５０を制御する。制御部１６０による具体的な制御処理については、後に詳述する。

冷却装置１００において、蓄冷ユニット１１０および予備ユニット１５０は、第１冷媒を冷却する。そして、蓄冷ユニット１１０または予備ユニット１５０によって冷却された第１冷媒は、第１冷媒循環管１２０を通じて、冷却対象１０に供給される。したがって、冷却対象１０は、蓄冷ユニット１１０または予備ユニット１５０によって冷却された第１冷媒によって冷却される。そして、冷却対象１０によって温度が上昇した第１冷媒は、蓄冷ユニット１１０または予備ユニット１５０に返送され、蓄冷ユニット１１０または予備ユニット１５０において再度冷却される。なお、本実施形態では、第１冷媒として水を例に挙げて説明する。以下、蓄冷ユニット１１０および予備ユニット１５０について詳述する。

［蓄冷ユニット１１０］
図２は、蓄冷ユニット１１０の概略的な構成を説明する図である。図２中、実線の矢印は、第１冷媒、水、および、空気の流れを示す。

図２に示すように、蓄冷ユニット１１０は、第１冷媒ドラム２１０と、循環水ポンプ２２０と、熱交換部２３０と、外気冷却部２６０とを含む。

第１冷媒ドラム２１０は、第１冷媒循環管１２０に設けられ、第１冷媒を一時的に貯留する。循環水ポンプ２２０は、第１冷媒循環管１２０における第１冷媒ドラム２１０と熱交換部２３０との間に設けられる。循環水ポンプ２２０は、吸入側が第１冷媒ドラム２１０に接続され、吐出側が熱交換部２３０（冷媒通過部２５０）に接続される。

熱交換部２３０は、トリメチロールエタンハイドレート（以下「ＴＭＥハイドレート」と称する。）と第１冷媒とを熱交換させる。つまり、熱交換部２３０は、冷媒熱交換部として機能する。ＴＭＥハイドレートは、ゲスト分子としてトリメチロールエタン（ＣＨ_３Ｃ（ＣＨ_２ＯＨ）_３）が包接されたハイドレートである。また、熱交換部２３０は、トリメチロールエタンの水溶液（以下、「ＴＭＥ水溶液」と称する。）と、外気とを熱交換させる。つまり、熱交換部２３０は、外気熱交換部としても機能する。熱交換部２３０は、収容部２３２と、外気通過部２４０と、冷媒通過部２５０とを含む。

図３は、熱交換部２３０を説明する図である。図３（ａ）は、熱交換部２３０の鉛直断面の概略図である。図３（ｂ）は、収容部２３２、管体２４２、２５２、および、フィン２４４、２５４のＸＹ断面図である。また、本実施形態の図３（ａ）、図３（ｂ）をはじめとする以下の図では、垂直に交わるＸ軸（水平方向）、Ｙ軸（水平方向）、Ｚ軸（鉛直方向）を図示の通り定義している。なお、図３（ａ）、図３（ｂ）中、ＴＭＥ水溶液、および、ＴＭＥハイドレートを灰色で示す。また、理解を容易にするために、図３（ａ）、図３（ｂ）中、管体２４２と管体２５２とを実質的に等しい大きさで示す。

図３（ａ）に示すように、収容部２３２は、筒形状の断熱容器である。収容部２３２は、軸方向が図３（ａ）、図３（ｂ）中、Ｚ軸方向となるように配される。収容部２３２の内径は、例えば、３４０ｍｍであり、収容部２３２の高さ（Ｚ軸方向の長さ）は、例えば、２９３ｍｍである。

収容部２３２内には、ＴＭＥ水溶液、および、ＴＭＥハイドレートが収容される。本実施形態において、収容部２３２は、０．６００質量分率のＴＭＥハイドレートを収容する。つまり、収容部２３２は、ＴＭＥが０．６００質量分率の、ＴＭＥ水溶液を収容する。０．６００質量分率のＴＭＥハイドレートの生成温度（大気圧）、および、分解温度（大気圧）は、３０℃である。また、０．６００質量分率のＴＭＥハイドレートの生成熱は、１９０ｋＪ/ｋｇである。

外気通過部２４０は、１または複数の管体２４２と、複数のフィン２４４と、上蓋２４６と、下筒２４８とを含む。

管体２４２は、収容部２３２内に配される。管体２４２は、図３（ａ）、図３（ｂ）中、Ｚ軸方向に延在する。管体２４２の上部開口２４２ａは、上蓋２４６の内部空間に臨む。管体２４２の下部開口２４２ｂは、下筒２４８の内部空間に臨む。

フィン２４４は、図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、管体２４２の外周面に設けられる。フィン２４４は、管体２４２の外周から立設する。フィン２４４は、図３（ａ）、図３（ｂ）中、Ｚ軸方向に延在する。本実施形態において、１の管体２４２に６つのフィン２４４が設けられる。

上蓋２４６は、筒形状であり、収容部２３２の上部に接続される。上蓋２４６は、上部に開口２４６ａ（空気入ダクト）が形成される。開口２４６ａには、防塵網２４６ｂが設けられる。上蓋２４６の内部空間には、後述する冷媒通過部２５０の出口マニホールド２５８と、後述する外気冷却部２６０の噴霧ノズル２６４ａとが配される。

下筒２４８は、筒形状であり、収容部２３２の下部に接続される。下筒２４８は、下部に開口２４８ａが形成される。下筒２４８の内部空間には、ドレンパン２４８ｂと、冷媒通過部２５０の入口マニホールド２５６と、外気冷却部２６０の空気ファン２７０とが配される。ドレンパン２４８ｂは、パーフォレートドレンパンである。空気ファン２７０は、ドレンパン２４８ｂの下方に設けられる。

冷媒通過部２５０は、１または複数の管体２５２と、複数のフィン２５４と、入口マニホールド２５６と、出口マニホールド２５８とを含む。

管体２５２は、収容部２３２内に配される。管体２５２は、図３（ａ）、図３（ｂ）中、Ｚ軸方向に延在する。管体２５２は、管体２４２より小径である。

フィン２５４は、図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、管体２５２の外周面に設けられる。フィン２５４は、管体２５２の外周から立設する。フィン２５４は、図３（ａ）、図３（ｂ）中、Ｚ軸方向に延在する。本実施形態において、１の管体２５２に６つのフィン２５４が設けられる。

入口マニホールド２５６は、管体２５２の下部開口２５２ｂと第１冷媒循環管１２０（循環水ポンプ２２０側）とを接続する。出口マニホールド２５８は、管体２５２の上部開口２５２ａと第１冷媒循環管１２０（冷媒切換弁１２２側）とを接続する。

また、図３（ｂ）に示すように、管体２４２と管体２５２とは、千鳥格子状に収容部２３２内に配される。具体的に説明すると、複数の管体２４２は、Ｙ軸方向に並んだグループＡ〜Ｃに分類できる。各グループは、１または複数の管体２４２を含む。また、複数の管体２５２は、Ｙ軸方向に並んだグループＤ〜Ｅに分類できる。各グループは、１または複数の管体２５２を含む。そして、１のグループを構成する管体２４２と、当該１のグループに隣接するグループを構成する管体２５２とは、Ｘ軸方向の位置が異なる。例えば、グループＡを構成する管体２４２とグループＤを構成する管体２５２とは、Ｘ軸方向の位置が異なる。

図２に戻って説明すると、外気冷却部２６０は、外気と水とを接触させて、外気を冷却する。外気冷却部２６０は、タンク２６２と、水送出管２６４と、噴霧水ポンプ２６６と、調湿弁２６８と、空気ファン２７０とを含む。

タンク２６２は、水を貯留する。水送出管２６４は、一端がタンク２６２に接続され、他端に噴霧ノズル２６４ａが設けられる。噴霧ノズル２６４ａは、熱交換部２３０の上蓋２４６内に配される。噴霧水ポンプ２６６は、水送出管２６４に設けられる。噴霧水ポンプ２６６の吸入側は、タンク２６２に接続され、吐出側は噴霧ノズル２６４ａに接続される。噴霧ノズル２６４ａは、水を噴霧する。これにより、上蓋２４６内の外気と水とが接触し、外気が冷却される。

調湿弁２６８は、水送出管２６４における噴霧水ポンプ２６６と、噴霧ノズル２６４ａとの間に設けられる。空気ファン２７０は、外気通過部２４０を通過した空気を吸引して外部に排気する。空気ファン２７０は、下筒２４８内に設けられる。

［予備ユニット１５０］
図４は、予備ユニット１５０の概略的な構成を説明する図である。図４に示すように、予備ユニット１５０は、冷却器３１０と、冷媒貯留部３２０と、流量調整弁３２２と、圧縮機３３０と、送風部３４０と、凝縮器３５０とを含む。なお、図４中、実線の矢印は、第１冷媒の流れを示す。図４中、一点鎖線の矢印は、第２冷媒の流れを示す。また、図４中、破線の矢印は、信号の流れを示す。

冷却器３１０は、バイパス管１３０に設けられる。冷却器３１０は、第１冷媒と第２冷媒とを熱交換させる。冷却器３１０は、第１冷媒を第２冷媒で冷却する。また、冷却器３１０は、第１冷媒が有する熱で第２冷媒を気化させる。第２冷媒は、例えば、Ｒ−２４５ｆａである。逆止弁３１２は、バイパス管１３０における冷却器３１０の上流側に設けられる。

冷媒貯留部３２０は、第２冷媒（液体）を貯留する。冷媒貯留部３２０は、冷却器３１０に接続される。流量調整弁３２２は、冷媒貯留部３２０と冷却器３１０との間に設けられる。

圧縮機３３０は、吸入側が冷却器３１０に接続され、吐出側が凝縮器３５０に接続される。圧縮機３３０は、第２冷媒を圧縮（昇圧）する。

送風部３４０は、凝縮器３５０に外気を送風する。送風部３４０によって、外気が送風されることにより、凝縮器３５０を通過する第２冷媒が冷却される。これにより、凝縮器３５０において第２冷媒の潜熱が奪われ、第２冷媒が凝縮される。凝縮器３５０によって凝縮された第２冷媒は、冷媒貯留部３２０に導かれる。

［冷却方法］
続いて、冷却装置１００を用いた冷却方法について説明する。図５は、冷却方法の処理の流れを説明するフローチャートである。図５に示すように、本実施形態の冷却方法は、開弁処理Ｓ１１０と、循環水ポンプ運転開始処理Ｓ１２０と、冷却処理Ｓ２００と、停止判定処理Ｓ１３０と、循環水ポンプ停止処理Ｓ１４０とを含む。本実施形態において、冷却方法は、冷却対象１０が搭載された電気自動車が始動した際に開始される。以下、各処理について説明する。

［開弁処理Ｓ１１０］
制御部１６０は、開閉弁１２６が閉弁されていれば、開閉弁１２６を開弁する。また、制御部１６０は、開閉弁１２６が既に開弁されていれば、開弁状態を維持する。そして、制御部１６０は、冷媒切換弁１２２を制御して、蓄冷ユニット１１０と冷却対象１０とを接続する。

［循環水ポンプ運転開始処理Ｓ１２０］
制御部１６０は、循環水ポンプ２２０の運転を開始させる。これにより、蓄冷ユニット１１０によって冷却された第１冷媒は、第１冷媒循環管１２０を通じて、冷却対象１０に供給される。つまり、第１冷媒循環管１２０および循環水ポンプ２２０は、冷媒供給部として機能する。

［冷却処理Ｓ２００］
制御部１６０は、冷却処理Ｓ２００を遂行する。冷却処理Ｓ２００については、後に詳述する。

［停止判定処理Ｓ１３０］
制御部１６０は、冷却対象１０が搭載された電気自動車が停止し、かつ、冷却対象１０から排出される第１冷媒の温度が所定の劣化温度未満であるか否かを判定する。その結果、電気自動車が停止し、かつ、劣化温度未満であると判定した場合（Ｓ１３０におけるＹＥＳ）に、制御部１６０は、循環水ポンプ停止処理Ｓ１４０に処理を移す。一方、制御部１６０は、電気自動車が停止していない、または、第１冷媒が劣化温度未満ではないと判定した場合（Ｓ１３０におけるＮＯ）、冷却処理Ｓ２００に処理を移して冷却処理Ｓ２００を繰り返す。なお、劣化温度は、冷却対象１０の劣化が抑制可能な上限温度であり、例えば、３２℃である。

［循環水ポンプ停止処理Ｓ１４０］
制御部１６０は、循環水ポンプ２２０の運転を停止する。また、制御部１６０は、噴霧水ポンプ２６６が運転されていれば、噴霧水ポンプ２６６を停止する。なお、制御部１６０は、噴霧水ポンプ２６６が既に停止されていれば、停止状態を維持する。また、制御部１６０は、圧縮機３３０が運転されていれば、圧縮機３３０を停止する。なお、制御部１６０は、圧縮機３３０が既に停止されていれば、停止状態を維持する。また、制御部１６０は、送風部３４０が運転されていれば、送風部３４０を停止する。なお、制御部１６０は、送風部３４０が既に停止されていれば、停止状態を維持する。また、制御部１６０は、開閉弁１２６を閉弁する。

［冷却処理Ｓ２００］
続いて、冷却処理Ｓ２００について説明する。図６は、冷却処理Ｓ２００の流れを説明するフローチャートである。冷却処理Ｓ２００は、外気温判定処理Ｓ２００−１と、空気ファン運転処理Ｓ２００−２と、相対湿度判定処理Ｓ２００−３と、外気冷却部運転処理Ｓ２００−４と、予備ユニット運転処理Ｓ２００−５とを含む。以下、各処理について説明する。

［外気温判定処理Ｓ２００−１］
制御部１６０は、外気温が、所定の閾温度以上であるか否かを判定する。その結果、閾温度以上であると判定した場合（Ｓ２００−１におけるＹＥＳ）に、制御部１６０は、相対湿度判定処理Ｓ２００−３に処理を移す。一方、閾温度未満であると判定した場合（Ｓ２００−１におけるＮＯ）に、制御部１６０は、空気ファン運転処理Ｓ２００−２に処理を移す。なお、閾温度は、ＴＭＥハイドレートの生成温度可能な温度であり、例えば、２７．５℃である。

［空気ファン運転処理Ｓ２００−２］
制御部１６０は、空気ファン２７０が停止していれば、運転を開始する。また、制御部１６０は、空気ファン２７０が運転されていれば、運転を維持する。

これにより、空気ファン２７０は、上蓋２４６の開口２４６ａから外気を吸引して外気通過部２４０に供給する。そして、外気は、外気通過部２４０、下筒２４８、空気ファン２７０を通過して外部に排気される。

このように、外気が外気通過部２４０（管体２４２）を通過することによって、外気とＴＭＥ水溶液とが熱交換される。これにより、外気の顕熱（冷熱）によってＴＭＥ水溶液が冷却され、ＴＭＥハイドレートが生成される。

［相対湿度判定処理Ｓ２００−３］
制御部１６０は、外気の相対湿度が、所定の閾湿度以上であるか否かを判定する。その結果、閾湿度以上ではないと判定した場合（Ｓ２００−３におけるＮＯ）、外気冷却部運転処理Ｓ２００−４に処理を移す。一方、閾湿度以上であると判定した場合（Ｓ２００−３におけるＹＥＳ）に、制御部１６０は、予備ユニット運転処理Ｓ２００−５に処理を移す。なお、閾湿度は、例えば、９５％である。

［外気冷却部運転処理Ｓ２００−４］
制御部１６０は、外気冷却部２６０を運転させる。具体的に説明すると、制御部１６０は、噴霧水ポンプ２６６が停止していれば、噴霧水ポンプ２６６の運転を開始させる。制御部１６０は、噴霧水ポンプ２６６が運転されていれば、運転を維持する。また、制御部１６０は、空気ファン２７０が停止していれば、空気ファン２７０の運転を開始させる。制御部１６０は、空気ファン２７０が運転されていれば、運転を維持する。さらに、制御部１６０は、相対湿度が閾湿度未満となるように、調湿弁２６８の開度を調整する。

これにより、噴霧ノズル２６４ａから水が霧状に噴霧され、水の気化潜熱によって、上蓋２４６内の外気温を低下させることができる。つまり、外気通過部２４０を通過する外気の温度を閾温度未満まで低下させることが可能となる。なお、外気温が３７℃である場合に、外気を閾温度未満まで低下させるために必要な噴霧水の量は、約１．２ｋｇ／ｈである。

［予備ユニット運転処理Ｓ２００−５］
制御部１６０は、冷媒切換弁１２２を制御して、予備ユニット１５０と冷却対象１０とを接続する。そして、制御部１６０は、予備ユニット１５０を運転させる。具体的に説明すると、制御部１６０は、圧縮機３３０が停止していれば、圧縮機３３０の運転を開始させる。制御部１６０は、圧縮機３３０が運転されていれば、運転を維持する。また、制御部１６０は、送風部３４０が停止していれば、送風部３４０の運転を開始させる。制御部１６０は、送風部３４０が運転されていれば、運転を維持する。

以上説明したように、本実施形態の冷却装置１００およびこれを用いた冷却方法は、ＴＭＥハイドレートの分解熱（吸熱）で冷却対象１０を冷却する。

冷却対象１０としてのリチウムイオン電池ユニットは、電気自動車の動力源として利用されている。リチウムイオン電池ユニットは、放電中（電気自動車の走行中）であっても、電池容量の約２／３以上が消費されると、リチウムイオン電池からの放熱が急激に増加する。電池容量の２／３が消費された場合のリチウムイオン電池からの放熱量は、使用電力の約０．７％に相当する。例えば、電気自動車がタクシーの場合では、約０．２２ｋＷの放熱量が増加してしまう（The Japan Society Calorimetry and Thermal Analysis. Netsu Sokutei 30(1) 2003）。そして、リチウムイオン電池ユニットが３５℃以上になると、リチウムイオン電池ユニットの劣化が進んでしまう（例えば、自動車技術会論文集 Vol.４７,No.１,January 2016）。

そこで、冷却装置１００は、ＴＭＥハイドレートの分解熱で冷却対象１０を冷却する。上記したように、本実施形態において、ＴＭＥハイドレートの分解熱は、３０℃である。したがって、夏季等の外気温が高温になる期間であっても、冷却装置１００は、第１冷媒を３０℃未満とすることができ、第１冷媒によってリチウムイオン電池ユニット（冷却対象１０）を冷却することが可能となる。これにより、リチウムイオン電池ユニットを３５℃未満に維持することができ、リチウムイオン電池ユニットの劣化を抑制することが可能となる。したがって、電気自動車において、リチウムイオン電池ユニットの交換頻度を低減させることができる。これにより、電気自動車におけるリチウムイオン電池ユニットの交換に要するコストを低減することが可能となる。また、冷却装置１００は、リチウムイオン電池ユニットを構成する冷却機構の消費電力を削減することができ、電気自動車の走行距離を延長することが可能となる。

また、蓄冷ユニット１１０を運転させてリチウムイオン電池ユニット（冷却対象１０）を冷却させる場合と、予備ユニット１５０でリチウムイオン電池ユニットを冷却する場合とを比較すると、蓄冷ユニット１１０を冷却モードで運転させる方が、ＣＯＰ（Coefficient Of Performance：エネルギー消費効率）および消費電力が少ない。具体的に説明すると、蓄冷ユニット１１０を冷却モードで運転させてリチウムイオン電池ユニットを冷却させる場合のＣＯＰは、予備ユニット１５０でリチウムイオン電池ユニットを冷却する場合の１．４倍である。また、蓄冷ユニット１１０を冷却モードで運転させてリチウムイオン電池ユニットを冷却させる場合の消費電力は、予備ユニット１５０でリチウムイオン電池ユニットを冷却する場合の０．２８倍である。つまり、Ｒ−２４５ｆａ等の凝縮冷媒を用いた従来の冷却装置や、送風機およびペルチェ素子を備えた従来の冷却装置と比較して、本実施形態の冷却装置１００は、低コストで冷却対象１０を冷却することができる。

また、冷却装置１００は、外気冷却部２６０を備える構成により、外気温が閾温度を上回った場合であっても、ＴＭＥハイドレートを生成させることが可能となる。なお、日本の殆どの地域において、夏季の外気温は３０℃以上となる。しかし、日本の殆どの地域においては、外気温が高くても湿球温度（飽和温度）は、２７℃以下である。したがって、外気冷却部２６０によって外気通過部２４０に供給される外気を閾温度未満に低下させることが可能となる。

また、上記したように、第１冷媒（水）は、下部開口２５２ｂから上部開口２５２ａに向かって管体２５２内を流れる。ＴＭＥハイドレートの比重は、１．１１である。一方、ＴＭＥハイドレートが分解することで生じたＴＭＥ水溶液の比重は、１．００３である。つまり、ＴＭＥ水溶液は、ＴＭＥハイドレートよりも軽い（比重差０．１０７）。したがって、第１冷媒を管体２５２の下部から上部に向かって流通させることにより、収容部２３２の下部からＴＭＥハイドレートを分解させることができる。

これにより、第１冷媒（水）と熱交換されることで溶解したＴＭＥ水溶液は、収容部２３２内を上昇する（上昇流となる）。ＴＭＥ水溶液の上昇流は、ＴＭＥハイドレートの層を崩壊させるため、ＴＭＥハイドレートと管体２５２との接触頻度を向上させることができる。これにより、熱交換部２３０は、管体２５２内の第１冷媒を効率よく冷却することができる。また、ＴＭＥハイドレートの層が崩壊する際に対流が生じ、対流伝熱となる。これにより、熱交換部２３０は、管体２５２内の第１冷媒を効率よく冷却することが可能となる。

また、上記したように、熱交換部２３０を構成する冷媒通過部２５０は、管体２５２の外周にフィン２５４を備える。これにより、熱交換部２３０は、第１冷媒（水）とＴＭＥハイドレートとの熱交換効率を向上させることができる。

一方、上記したように、外気は、上部開口２４２ａから下部開口２４２ｂに向かって管体２４２内を流れる。したがって、外気を管体２４２の上部から下部に向かって流通させることにより、収容部２３２の上部からＴＭＥハイドレートを生成させることができる。生成されたＴＭＥハイドレートは、収容部２３２内を下降する（下降流となる）。これにより、収容部２３２内において対流が生じ、対流伝熱となる。したがって、熱交換部２３０は、管体２４２内の外気と、ＴＭＥ水溶液とを効率よく熱交換させることが可能となる。

また、上記構成とすることにより、ＴＭＥハイドレートを落下させることができる、つまり、最も低温の外気と接触する収容部２３２の上部からＴＭＥハイドレートを排除することができる。これにより、熱交換部２３０は、ＴＭＥ水溶液から外気への伝熱の阻害を抑制することができ、効率よくＴＭＥハイドレートを生成することが可能となる。

また、空気ファン２７０は、吸入側が下筒２４８（下部開口２４２ｂ）に接続される。これにより、空気ファン２７０によって加熱された外気が熱交換部２３０に供給される事態を回避することができる。したがって、熱交換部２３０は、効率よくＴＭＥハイドレートを生成することが可能となる。

また、上記したように、熱交換部２３０を構成する外気通過部２４０は、管体２４２の外周にフィン２４４を備える。これにより、熱交換部２３０は、外気とＴＭＥ水溶液との熱交換効率を向上させることができる。また、フィン２４４は、収容部２３２内のＴＭＥ水溶液の流れをスムーズにすることが可能となる。

また、熱交換部２３０は、ドレンパン２４８ｂを備えることにより、噴霧ノズル２６４ａから噴霧された水が空気ファン２７０に導入されてしまう事態を回避することができる。これにより、ドレンパン２４８ｂは、空気ファン２７０の不具合を抑制することが可能となる。

また、冷却装置１００は、予備ユニット１５０を備える。上記したように、日本の殆どの地域において、外気の飽和温度は、２７℃以下であるため、予備ユニット１５０は、殆ど運転されることはない。しかし、外気の飽和温度が常時２７℃以上になる地域や、異常気象によって外気の飽和温度が一日中２７℃以上になる場合に、予備ユニット１５０を運転させることで、ＴＭＥハイドレートを生成することができる。

［変形例］
上記実施形態において、熱交換部２３０が収容部２３２と、管体２４２、２５２とを含む構成を例に挙げて説明した。しかし、熱交換部の形状に限定はない。熱交換部は、例えば、プレート熱交換器で構成されてもよい。

図７は、変形例の熱交換部４１０を説明する図である。図７（ａ）は、熱交換部４１０の分解斜視図である。図７（ｂ）は、第１プレート４２０の前面４２０ａを示す平面図である。図７（ｃ）は、第２プレート４３０の前面４３０ａを示す平面図である。図７（ｄ）は、第３プレート４４０の前面４４０ａを示す平面図である。図７（ｅ）は、第１プレート４２０の後面４２０ｂ、第２プレート４３０の後面４３０ｂ、および、第３プレート４４０の後面４４０ｂを示す平面図である。なお、図７（ａ）中、理解を容易にするために、第１プレート４２０、第２プレート４３０、第３プレート４４０を実際より少なく示す。また、図７（ａ）中、実線の矢印は、第１冷媒の流れを示す。また、理解を容易にするために、上蓋２４６と下筒２４８を省略する。

図７（ａ）に示すように、熱交換部４１０は、複数の第１プレート４２０と、複数の第２プレート４３０と、複数の第３プレート４４０と、封止板４５０と、出入板４６０とを含んでいる。第１プレート４２０、第２プレート４３０、第３プレート４４０、封止板４５０、出入板４６０は、金属等の熱伝導率が大きい材料で構成される。具体的に説明すると、熱交換部４１０は、封止板４５０と出入板４６０との間に、第１プレート４２０、第２プレート４３０、第３プレート４４０、第２プレート４３０、第１プレート４２０が順に積層されて構成される。つまり、熱交換部４１０は、封止板４５０と出入板４６０との間に、第１プレート４２０と第３プレート４４０とが交互に配されるとともに、第１プレート４２０と、第３プレート４４０との間に第２プレート４３０が配される。

第１プレート４２０は、図７（ｂ）に示すように、略矩形形状の平板である。第１プレート４２０には、前面４２０ａから後面４２０ｂに貫通した２つの貫通孔４２２ａ、４２２ｂが形成されている。貫通孔４２２ａは、第１プレート４２０の上部に形成され、貫通孔４２２ｂは第１プレート４２０の下部に形成される。貫通孔４２２ｂは、貫通孔４２２ａの鉛直下方に形成される。また、第１プレート４２０の前面４２０ａには、図７（ａ）、図７（ｂ）中、−Ｙ軸方向に突出した突出部４２４が設けられる。突出部４２４は、第１プレート４２０の外縁に設けられる。突出部４２４の内側には、図７（ａ）、図７（ｂ）中、＋Ｙ軸方向に陥没した溝部４２６が形成される。つまり、溝部４２６に貫通孔４２２ａ、４２２ｂが形成される。

第２プレート４３０は、図７（ｃ）に示すように、略矩形形状の平板である。第２プレート４３０には、前面４３０ａから後面４３０ｂに貫通した２つの貫通孔４３２ａ、４３２ｂが形成されている。貫通孔４３２ａは、第２プレート４３０の上部に形成され、貫通孔４３２ｂは第２プレート４３０の下部に形成される。貫通孔４３２ｂは、貫通孔４３２ａの鉛直下方に形成される。また、第２プレート４３０の前面４３０ａには、図７（ａ）、図７（ｃ）中、−Ｙ軸方向に突出した突出部４３４が設けられる。突出部４３４は、第２プレート４３０の前面４３０ａのうち、貫通孔４３２ａが形成された領域と、貫通孔４３２ｂが形成された領域とをそれぞれ囲繞し、これらの領域を区画する。突出部４３４の内側には、図７（ａ）、図７（ｃ）中、＋Ｙ軸方向に陥没した溝部４３６ａ、４３６ｂが形成される。

第３プレート４４０は、図７（ｄ）に示すように、略矩形形状の平板である。第３プレート４４０には、前面４４０ａから後面４４０ｂに貫通した２つの貫通孔４４２ａ、４４２ｂが形成されている。貫通孔４４２ａは、第３プレート４４０の上部に形成され、貫通孔４４２ｂは第３プレート４４０の下部に形成される。貫通孔４４２ｂは、貫通孔４４２ａの鉛直下方に形成される。また、第３プレート４４０の前面４４０ａには、貫通孔４４２ａを囲繞するとともに、図７（ａ）、図７（ｄ）中、−Ｙ軸方向に突出したフランジ４４４ａが設けられる。同様に、第３プレート４４０の前面４４０ａには、貫通孔４４２ｂを囲繞するとともに、図７（ａ）、図７（ｄ）中、−Ｙ軸方向に突出したフランジ４４４ｂが設けられる。

また、図７（ｅ）に示すように、第１プレート４２０の後面４２０ｂ、第２プレート４３０の後面４３０ｂ、および、第３プレート４４０の後面４４０ｂは、図７（ｅ）中、ＸＺ平面に沿った平面形状である。

図７（ａ）に戻って説明すると、封止板４５０は、第１プレート４２０、第２プレート４３０、および、第３プレート４４０と実質的に同じ形状、同じ大きさの平板である。封止板４５０には、貫通孔は形成されていない。

出入板４６０は、第１プレート４２０、第２プレート４３０、および、第３プレート４４０と実質的に同じ形状、同じ大きさの平板である。出入板４６０には、上部開口４６２ａ、および、下部開口４６２ｂが形成される。第２プレート４３０と接続されたときに、上部開口４６２ａは貫通孔４３２ａに、下部開口４６２ｂは貫通孔４３２ｂに連通するように出入板４６０に形成される。なお、熱交換部４１０は、上部開口４６２ａの下方に下部開口４６２ｂが位置するように設置される。

図７（ａ）に示すように、第１プレート４２０の前面４２０ａには、第２プレート４３０の後面４３０ｂが接続（例えば、ろう付け）される。詳細には、第１プレート４２０の突出部４２４が第２プレート４３０の後面４３０ｂに接続される。また、第２プレート４３０の前面４３０ａには、第３プレート４４０の後面４４０ｂが接続される。詳細には、第２プレート４３０の突出部４３４が第３プレート４４０の後面４４０ｂに接続される。また、第３プレート４４０の前面４４０ａには、第２プレート４３０の後面４３０ｂが接続される。詳細には、第３プレート４４０のフランジ４４４ａ、４４４ｂが第２プレート４３０の後面４３０ｂに接続される。このようにして、第１プレート４２０、第２プレート４３０、第３プレート４４０、第２プレート４３０が順に積層された積層体が形成される。そして、積層体の一方の端部に位置する第１プレート４２０の後面４２０ｂに封止板４５０が接続される。また、積層体の他方の端部に位置する第２プレート４３０の前面４３０ａ（突出部４３４）に出入板４６０の後面が接続される。

このように、第１プレート４２０、第２プレート４３０、第３プレート４４０、封止板４５０、出入板４６０が積層されることにより、上部開口４６２ａ、貫通孔４２２ａ、貫通孔４４２ａ、貫通孔４３２ａによって流路４１２が形成される。つまり、流路４１２は、一端に上部開口４６２ａが形成され、他端が封止板４５０によって封止された流路である。また、下部開口４６２ｂ、貫通孔４２２ｂ、貫通孔４４２ｂ、貫通孔４３２ｂによって流路４１４が形成される。つまり、流路４１４は、一端に下部開口４６２ｂが形成され、他端が封止板４５０によって封止された流路である。なお、流路４１２、流路４１４は、水平方向に延在している。また、流路４１２と、流路４１４とは、溝部４３６ａによって連通される。

また、第２プレート４３０の前面４３０ａと、第１プレート４２０の後面４２０ｂとの間であって、貫通孔４３２ａ、４３２ｂが形成されない溝部４３６ｂにＴＭＥハイドレート、および、ＴＭＥ水溶液が収容される。つまり、第２プレート４３０の前面４３０ａと、第１プレート４２０の後面４２０ｂとの間の溝部４３６ｂが収容部として機能する。

同様に、第２プレート４３０の前面４３０ａと、第３プレート４４０の後面４４０ｂとの間であって、貫通孔４３２ａ、４３２ｂが形成されない溝部４３６ｂにＴＭＥハイドレート、および、ＴＭＥ水溶液が収容される。つまり、第２プレート４３０の前面４３０ａと、第３プレート４４０の後面４４０ｂとの間の溝部４３６が収容部として機能する。

また、第３プレート４４０の前面４４０ａと、第２プレート４３０の後面４３０ｂとの間には、間隙が形成される。この間隙は、上記実施形態の熱交換部２３０を構成する外気通過部２４０に相当する。

そして、第１冷媒循環管１２０は、上部開口４６２ａおよび下部開口４６２ｂに接続される。

したがって、第１冷媒は、図７（ａ）に示すように、下部開口４６２ｂから導入され、流路４１４（貫通孔４２２ｂ、貫通孔４３２ｂ、貫通孔４４２ｂ）を図７（ａ）中、＋Ｙ軸方向に通過するとともに、溝部４２６を上昇する。溝部４２６を上昇した第１冷媒は、流路４１２（貫通孔４２２ａ、貫通孔４３２ａ、貫通孔４４２ｂ）を図７（ａ）中、−Ｙ軸方向に通過して上部開口４６２ａから排出される。

そして、熱交換部４１０内において、溝部４２６を上昇流となって流れる第１冷媒と、溝部４３６ｂに収容されたＴＭＥハイドレートとで熱交換が為される。具体的に説明すると、溝部４２６と、溝部４３６ｂとは、第１プレート４２０または第２プレート４３０によって区画されている。つまり、溝部４２６と、溝部４３６ｂとは、第１プレート４２０または第２プレート４３０によって熱伝達可能に設けられている。このため、溝部４２６を流れる第１冷媒と、溝部４３６ｂに収容されたＴＭＥハイドレートとで熱交換が為されることになる。こうして、溝部４３６ｂにおいてＴＭＥハイドレートが分解される。

また、上蓋２４６は、積層体の上部に接続され、下筒２４８は、積層体の下部に接続される。したがって、上蓋２４６から導入された外気は、積層体に形成された間隙（第３プレート４４０の前面４４０ａと、第２プレート４３０の後面４３０ｂとの間）を上方から下方に向かって通過する。積層体を下降した外気は、下筒２４８を通過してから排出される。

そして、熱交換部４１０内において、間隙を下降流となって流れる外気と、溝部４３６ｂに収容されたＴＭＥ水溶液とで熱交換が為される。こうして、溝部４３６ｂにおいてＴＭＥハイドレートが生成される。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態において、冷却装置１００が電気自動車に搭載される場合を例に挙げて説明した。しかし、冷却装置１００は、電気自動車の充電スタンド（充電ステーション）に設置されてもよい。

また、上記実施形態において、第１冷媒として水を例に挙げて説明した。しかし、第１冷媒に限定はない。例えば、第１冷媒として、ＴＭＥハイドレートによって冷却されることにより凝縮する物質、または、空気を利用してもよい。

また、上記実施形態において、管体２５２が、管体２４２より小径である場合を例に挙げて説明した。しかし、管体２５２の管径に限定はない。例えば、管体２５２は、管体２４２と実質的に同径であってもよいし、管体２４２より大径であってもよい。

また、上記実施形態において、下部開口２５２ｂから上部開口２５２ａに向かって第１冷媒が流れる構成を例に挙げて説明した。しかし、上部開口２５２ａから下部開口２５２ｂに向かって第１冷媒が流れるように構成してもよい。

また、上記実施形態において、管体２４２、２５２が鉛直方向に延在する構成を例に挙げて説明した。しかし、管体２４２、２５２の延在方向に限定はない。管体２４２または管体２５２は、例えば、水平方向に延在してもよい。

また、上記実施形態において、冷却装置１００は、１つの蓄冷ユニット１１０を備える構成を例に挙げて説明した。しかし、冷却装置１００は、２以上の蓄冷ユニット１１０を備えてもよい。

また、上記実施形態において、冷却対象１０として、リチウムイオン電池ユニットを例に挙げて説明した。しかし、冷却対象１０に限定はない。例えば、冷却対象１０は、リチウムイオン電池ユニット以外の発熱体、温室等の高温空間であってもよい。

また、上記実施形態において、０．６００質量分率のＴＭＥハイドレートを例に挙げて説明した。しかし、ＴＭＥハイドレート中のＴＭＥの量に限定はない。

また、上記実施形態において、ＴＭＥハイドレートを例に挙げて説明した。しかし、ハイドレートのゲスト分子は、ＴＭＥに限定しない。ハイドレートのゲスト分子は、外気温に応じて適宜設定可能である。例えば、冷却装置１００は、外気温の低い季節や、外気温の低い地域に設置される場合、分解温度（大気圧）が３０℃未満のハイドレートを採用してもよい。例えば、冷却装置１００は、ゲスト分子として、フレオン、塩素、または、アクリレート等が包接されたイオン性セミクラスレートを採用してもよい。これにより、冷却装置１００は、より効率よく冷却対象１０を冷却することが可能となる。

本発明は、冷却装置、および、冷却方法に利用することができる。

１００ 冷却装置
１２０ 第１冷媒循環管（冷媒供給部）
１６０ 制御部
２２０ 循環水ポンプ（冷媒供給部）
２３０ 熱交換部（外気熱交換部、冷媒熱交換部）
２６０ 外気冷却部

Claims (4)

1. 外気と水とを接触させて前記外気を冷却する外気冷却部と、
   前記外気冷却部によって冷却された外気と、トリメチロールエタンの水溶液とを熱交換させる外気熱交換部と、
   前記外気熱交換部によって前記トリメチロールエタンの水溶液が熱交換されることで生成されたトリメチロールエタンハイドレートと、冷媒とを熱交換させる冷媒熱交換部と、
   熱交換された前記冷媒を冷却対象に供給する冷媒供給部と、
   を備える冷却装置。
2. 外気が所定の閾温度以上である場合に前記外気冷却部によって冷却された外気を前記外気熱交換部に導き、外気が前記閾温度未満である場合に前記外気をそのまま前記外気熱交換部に導く制御部を備える請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記冷却対象は、リチウムイオン電池ユニットである請求項１または２に記載の冷却装置。
4. 外気と水とを接触させて前記外気を冷却し、
   冷却された前記外気と、トリメチロールエタンの水溶液とを熱交換させ、
   前記トリメチロールエタンの水溶液が熱交換されることで生成されたトリメチロールエタンハイドレートと、冷媒とを熱交換させ、
   熱交換された前記冷媒を冷却対象に供給する冷却方法。

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