JP5320419B2 - 冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷却装置に関し、特に、蒸気圧縮式冷凍サイクルを利用して発熱源を冷却する冷却装置に関する。

近年、環境問題対策の一つとして、モータの駆動力により走行するハイブリッド車、燃料電池車、電気自動車などが注目されている。このような車両において、モータ、ジェネレータ、インバータ、コンバータおよびバッテリなどの電気機器は、電力の授受によって発熱する。そのため、これらの電気機器を冷却する必要がある。

特開２０００−７３７６３号公報（特許文献１）には、エンジンシリンダヘッドと駆動用モータとを選択的、あるいは同時に冷却する第１冷却回路と、エンジンシリンダブロックを冷却する第２冷却回路と、駆動用モータの駆動制御を行う強電系コントロールユニットを冷却する第３冷却回路と、を備えるハイブリッド車用冷却装置が開示されている。

特許文献１に記載の冷却装置では、エンジンのみを冷却する通常の車両のごとく、発熱体とラジエータとの間に冷却水を循環させるシステムを使用して、電気系部品を冷却させている。このようなシステムでは、電気系部品を冷却するためのラジエータを新たに設ける必要があるので、車両搭載性が低いという問題を有している。

そこで、車両用空調装置として使用される蒸気圧縮式冷凍サイクルを利用して、発熱体を冷却する技術が提案されている。たとえば特開２００７−６９７３３号公報（特許文献２）には、膨張弁から圧縮機へ至る冷媒通路に、空調用の空気と熱交換する熱交換器と、発熱体と熱交換する熱交換器と、を並列に配置し、空調装置用の冷媒を利用して発熱体を冷却するシステムが開示されている。また特開２００５−９０８６２号公報（特許文献３）には、空調用の冷凍サイクルの減圧器、蒸発器および圧縮機をバイパスするバイパス通路に、発熱体を冷却するための発熱体冷却手段を設けた、冷却システムが開示されている。

特開２０００−７３７６３号公報 特開２００７−６９７３３号公報 特開２００５−９０８６２号公報

特許文献２，３に開示されている冷却装置では、電気機器などの発熱源を冷却するための冷却経路が蒸気圧縮式冷凍サイクル内に組み入れられており、発熱源を冷却するとき、冷凍サイクルの冷媒の全てが発熱源を冷却する冷媒経路に導入される。そのため、発熱源の過冷却、冷媒の流通に係る圧力損失の増大、圧縮機の消費電力の増加などが発生する問題があった。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、発熱源の過冷却を防止でき、圧力損失の低減および圧縮機の消費電力の低減を可能とする、冷却装置を提供することである。

本発明に係る冷却装置は、発熱源を冷却する冷却装置であって、冷媒を循環させるための圧縮機と、冷媒を凝縮するための凝縮器と、凝縮器によって凝縮された冷媒を減圧する減圧器と、減圧器によって減圧された冷媒を蒸発させるための蒸発器と、凝縮器の出口から減圧器の入口へ向かう冷媒が流通する第一通路と、第一通路に配置された他の凝縮器とを備える。第一通路は、第一通路の一部を形成する通路形成部を含む。通路形成部は、凝縮器と他の凝縮器との間に設けられている。冷却装置はさらに、通路形成部に配置され、通路形成部を流れる冷媒の流量と第二通路を流れる冷媒の流量とを調節する、流量調整弁と、通路形成部と並列に接続され、発熱源を経由して冷媒を流通させる第二通路とを備える。

上記冷却装置において好ましくは、圧縮機の出口から凝縮器の入口へ向かう冷媒が流通する第三通路と、第二通路の発熱源に対し下流側と第三通路とを連通する連通路と、を備える。好ましくは、第二通路の発熱源に対し下流側と、第一通路および第三通路と、の連通状態を切り換える、切換弁を備える。好ましくは、発熱源は、凝縮器よりも下方に配置されている。

上記冷却装置において好ましくは、凝縮器は、冷媒から熱を放出させる放熱能力が他の凝縮器よりも高い。

上記冷却装置において好ましくは、凝縮器へ送風するファンをさらに備える。

本発明の冷却装置によると、発熱源の過冷却を防止することができ、加えて、圧力損失と圧縮機の消費電力とを低減することができる。

実施の形態１の冷却装置の構成を示す模式図である。 実施の形態１の蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒の状態を示すモリエル線図である。 流量調整弁の開度制御の概略を示す図である。 実施の形態２の冷却装置の構成を示す模式図である。 実施の形態２の蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒の状態を示すモリエル線図である。 実施の形態３の冷却装置の構成を示す模式図である。 蒸気圧縮式冷凍サイクルの運転中の、ＨＶ機器熱源を冷却する冷媒の流れを示す模式図である。 蒸気圧縮式冷凍サイクルの停止中の、ＨＶ機器熱源を冷却する冷媒の流れを示す模式図である。 実施の形態４の冷却装置の構成を示す模式図である。 実施の形態５の冷却装置の構成を示す、蒸気圧縮式冷凍サイクルの運転中の、ＨＶ機器熱源を冷却する冷媒の流れを示す模式図である。 実施の形態５の冷却装置の構成を示す、蒸気圧縮式冷凍サイクルの停止中の、ＨＶ機器熱源を冷却する冷媒の流れを示す模式図である。

以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１の冷却装置１の構成を示す模式図である。図１に示すように、冷却装置１は、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０を備える。蒸気圧縮式冷凍サイクル１０は、たとえば、車両の車内の冷房を行なうために、車両に搭載される。蒸気圧縮式冷凍サイクル１０を用いた冷房は、たとえば、冷房を行なうためのスイッチがオンされた場合、または、自動的に車両の室内の温度を設定温度になるように調整する自動制御モードが選択されており、かつ、車室内の温度が設定温度よりも高い場合に行なわれる。

蒸気圧縮式冷凍サイクル１０は、圧縮機１２と、凝縮器１４と、減圧器の一例としての膨張弁１６と、蒸発器１８と、を含む。蒸気圧縮式冷凍サイクル１０はまた、圧縮機１２と凝縮器１４とを連通する第三通路としての冷媒通路２１と、凝縮器１４と膨張弁１６とを連通する第一通路としての冷媒通路２２と、膨張弁１６と蒸発器１８とを連通する冷媒通路２３と、蒸発器１８と圧縮機１２とを連通する冷媒通路２４と、を含む。蒸気圧縮式冷凍サイクル１０は、圧縮機１２、凝縮器１４、膨張弁１６および蒸発器１８が、冷媒通路２１〜２４によって連結されて構成される。

圧縮機１２は、車両に搭載されたモータまたはエンジンを動力源として作動し、冷媒ガスを断熱的に圧縮して過熱状態冷媒ガスとする。圧縮機１２は、作動時に蒸発器１８から冷媒通路２４を経由して流通する気相冷媒を吸入圧縮して、冷媒通路２１に吐出する。圧縮機１２は、冷媒通路２１に冷媒を吐出することで、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０に冷媒を循環させる。

凝縮器１４は、圧縮機１２において圧縮された過熱状態冷媒ガスを、外部媒体へ等圧的に放熱させて冷媒液とする。圧縮機１２から吐出された気相冷媒は、凝縮器１４において周囲に放熱し冷却されることによって、凝縮（液化）する。凝縮器１４は、冷媒を流通するチューブと、チューブ内を流通する冷媒と凝縮器１４の周囲の空気との間で熱交換するためのフィンと、を含む。凝縮器１４は、車両の走行によって発生する自然の通風によって供給された冷却風と冷媒との間で、熱交換を行なう。凝縮器１４における熱交換によって、冷媒の温度は低下し冷媒は液化する。

凝縮器１４の仕様（すなわち、凝縮器１４のサイズまたは放熱性能）は、凝縮器１４を通過した後の液相冷媒の温度が車室内の冷房のために必要とされる温度よりも低下するように、定められる。凝縮器１４の仕様は、後述するＨＶ機器熱源３０を冷却しない場合の蒸気圧縮式冷凍サイクルの凝縮器よりも、冷媒がＨＶ機器熱源３０から受け取ると想定される熱量分だけ大きい放熱量を有するように、定められる。このような仕様の凝縮器１４を備える冷却装置１は、車両の室内の冷房性能を維持しつつ、圧縮機１２の動力を増加させることなく、ＨＶ機器熱源３０を適切に冷却できる。

膨張弁１６は、冷媒通路２２を流通する高圧の液相冷媒を小さな孔から噴射させることにより膨張させて、低温・低圧の霧状冷媒に変化させる。膨張弁１６は、凝縮器１４によって凝縮された冷媒液を減圧して、気液混合状態の湿り蒸気とする。なお、冷媒通路２２を流通する冷媒液を減圧するための減圧器は、絞り膨張する膨張弁１６に限られず、毛細管であってもよい。

蒸発器１８は、その内部を流通する霧状冷媒が気化することによって、蒸発器１８に接触するように導入された周囲の空気の熱を吸収する。蒸発器１８は、膨張弁１６によって減圧された冷媒を用いて、冷媒の湿り蒸気が蒸発して冷媒ガスとなる際の気化熱を、被冷却部としての車両の室内の空気から吸収して、車両の室内の冷房を行なう。熱が蒸発器１８に吸収されることによって温度が低下した空気が車両の室内に再び戻されることによって、車両の室内の冷房が行なわれる。冷媒は、蒸発器１８において周囲から吸熱し加熱される。

蒸発器１８は、冷媒を流通するチューブと、チューブ内を流通する冷媒と蒸発器１８の周囲の空気との間で熱交換するためのフィンと、を含む。チューブ内には、湿り蒸気状態の冷媒が流通する。冷媒は、チューブ内を流通する際に、フィンを経由して車両の室内の空気の熱を蒸発潜熱として吸収することによって蒸発し、さらに顕熱によって過熱蒸気になる。気化した冷媒は、冷媒通路２４を経由して圧縮機１２へ流通する。圧縮機１２は、蒸発器１８から流通する冷媒を圧縮する。

冷媒通路２１は、冷媒を圧縮機１２から凝縮器１４に流通させるための通路である。冷媒は、冷媒通路２１を経由して、圧縮機１２の出口から凝縮器１４の入口へ向かって流通する。冷媒通路２２は、冷媒を凝縮器１４から膨張弁１６に流通させるための通路である。冷媒は、冷媒通路２２を経由して、凝縮器１４の出口から膨張弁１６の入口へ向かって流通する。冷媒通路２３は、冷媒を膨張弁１６から蒸発器１８に流通させるための通路である。冷媒は、冷媒通路２３を経由して、膨張弁１６の出口から蒸発器１８の入口へ向かって流通する。冷媒通路２４は、冷媒を蒸発器１８から圧縮機１２に流通させるための通路である。冷媒は、冷媒通路２４を経由して、蒸発器１８の出口から圧縮機１２の入口へ向かって流通する。

蒸気圧縮式冷凍サイクル１０内を、図１に示すＡ点、Ｂ点、Ｃ点、Ｄ点およびＥ点を順に通過するように冷媒が流れ、圧縮機１２と凝縮器１４と膨張弁１６と蒸発器１８とに冷媒が循環する。冷媒は、圧縮機１２と凝縮器１４と膨張弁１６と蒸発器１８とが冷媒通路２１〜２４によって順次接続された冷媒循環流路を通って、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０内を循環する。

なお、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の冷媒としては、たとえば二酸化炭素、プロパンやイソブタンなどの炭化水素、アンモニアまたは水などを用いることができる。

凝縮器１４から膨張弁１６へ向かって流れる冷媒が流通する冷媒通路２２は、通路形成部２６を含む。通路形成部２６は、冷媒通路２２の一部を形成する。図１に示すＣ点は、通路形成部２６の上流側の端部、すなわち凝縮器１４に近接する側の通路形成部２６の端部を示す。図１に示すＤ点は、通路形成部２６の下流側の端部、すなわち膨張弁１６に近接する側の通路形成部２６の端部を示す。

冷却装置１は、通路形成部２６と並列に接続された、他の冷媒の通路を備える。当該他の冷媒の通路は、第二通路としての冷媒通路３１，３２を含む。冷媒通路３１，３２を経由して流れる冷媒は、発熱源としてのＨＶ（Hybrid Vehicle）機器熱源３０を経由して流れ、ＨＶ機器熱源３０から熱を奪って、ＨＶ機器熱源３０を冷却させる。冷媒通路３１は、Ｃ点からＨＶ機器熱源３０に冷媒を流通させるための通路である。冷媒通路３２は、ＨＶ機器熱源３０からＤ点に冷媒を流通させるための通路である。冷媒は、冷媒通路３１を経由してＣ点からＨＶ機器熱源３０へ向かって流通し、冷媒通路３２を経由してＨＶ機器熱源３０からＤ点へ向かって流通する。Ｃ点は、冷媒通路２２と冷媒通路３１との分岐点であり、Ｄ点は、冷媒通路２２と冷媒通路３２との分岐点である。

ＨＶ機器熱源３０は、電力の授受によって発熱する電気機器を含む。電気機器は、たとえば、直流電力を交流電力に変換するためのインバータ、回転電機であるモータジェネレータ、蓄電装置であるバッテリ、バッテリの電圧を昇圧させるためのコンバータ、バッテリの電圧を降圧するためのＤＣ／ＤＣコンバータなどの、少なくともいずれか一つを含む。バッテリは、リチウムイオン電池あるいはニッケル水素電池等の二次電池である。バッテリに代えてキャパシタが用いられてもよい。

図２は、実施の形態１の蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の冷媒の状態を示すモリエル線図である。図２中の横軸は、冷媒の比エンタルピー（単位：ｋＪ／ｋｇ）を示し、縦軸は、冷媒の絶対圧力（単位：ＭＰａ）を示す。図中の曲線は、冷媒の飽和蒸気線および飽和液線である。図２中には、凝縮器１４の出口の冷媒通路２２からＣ点を経由して冷媒通路３１へ流入し、ＨＶ機器熱源３０を冷却し、冷媒通路３２からＤ点を経由して膨張弁１６の入口の冷媒通路２２へ戻る、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０中の各点（すなわちＡ、Ｂ，Ｃ，ＤおよびＥ点）における冷媒の熱力学状態が示される。

図２に示すように、圧縮機１２に吸入された過熱蒸気状態の冷媒（Ａ点）は、圧縮機１２において等比エントロピー線に沿って断熱圧縮される。圧縮するに従って冷媒の圧力と温度とが上昇し、高温高圧の過熱度の大きい過熱蒸気になって（Ｂ点）、冷媒は凝縮器１４へと流れる。凝縮器１４へ入った高圧の冷媒蒸気は、凝縮器１４において冷却され、等圧のまま過熱蒸気から乾き飽和蒸気になり、凝縮潜熱を放出し徐々に液化して気液混合状態の湿り蒸気になり、冷媒の全部が凝縮すると飽和液になり、さらに顕熱を放出して過冷却液になる（Ｃ点）。

液化した冷媒は、Ｃ点から冷媒通路３１を経由してＨＶ機器熱源３０へ流れ、ＨＶ機器熱源３０を冷却する。ＨＶ機器熱源３０との熱交換により、冷媒の過冷却度が小さくなる。つまり、過冷却液の状態の冷媒の温度が上昇し、液冷媒の飽和温度に近づく（Ｄ点）。その後冷媒は、膨張弁１６に流入する。膨張弁１６において、過冷却液状態の冷媒は絞り膨張され、比エンタルピーは変化せず温度と圧力とが低下して、低温低圧の気液混合状態の湿り蒸気となる（Ｅ点）。

膨張弁１６から出た湿り蒸気状態の冷媒は、蒸発器１８において、外部から熱を吸収して蒸発潜熱によって等圧のまま蒸発し、乾き飽和蒸気になる。さらに顕熱によって冷媒蒸気は温度上昇して、過熱蒸気となり（Ａ点）、圧縮機１２に吸入される。冷媒はこのようなサイクルに従って、圧縮、凝縮、絞り膨張、蒸発の状態変化を連続的に繰り返す。

なお、上述した蒸気圧縮式冷凍サイクルの説明では、理論冷凍サイクルについて説明しているが、実際の蒸気圧縮式冷凍サイクル１０では、圧縮機１２における損失、冷媒の圧力損失および熱損失を考慮する必要があるのは勿論である。

蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の運転中に、冷媒は、蒸発器１８において気化熱を車両の室内の空気から吸収して、車室内の冷房を行なう。加えて、凝縮器１４から出た高圧の液冷媒がＣ点において分岐して、冷媒の一部がＨＶ機器熱源３０へ流通し、ＨＶ機器熱源３０と熱交換することでＨＶ機器熱源３０を冷却する。冷却装置１は、車両に搭載された発熱源であるＨＶ機器熱源３０を、車両の室内の空調用の蒸気圧縮式冷凍サイクル１０を利用して、冷却する。

凝縮器１４の出口から膨張弁１６の入口へ向かう冷媒が流通する経路として、ＨＶ機器熱源３０を通過する経路である冷媒通路３１，３２と、ＨＶ機器熱源３０を通過しない経路である通路形成部２６と、が並列に設けられる。そのため、凝縮器１４から流出した冷媒の一部のみが、ＨＶ機器熱源３０へ流れる。ＨＶ機器熱源３０の冷却のために必要な量の冷媒を冷媒通路３１，３２へ流通させ、ＨＶ機器熱源３０は適切に冷却される。したがって、ＨＶ機器熱源３０が過冷却されることを防止できる。全ての冷媒がＨＶ機器熱源３０に流れないので、冷媒通路３１，３２の冷媒の流通に係る圧力損失を低減することができ、それに伴い、冷媒を循環させるための圧縮機１２の運転に必要な消費電力を低減することができる。

冷媒は、凝縮器１４において過冷却液になるまで冷却され、ＨＶ機器熱源３０から顕熱を受けて飽和温度をわずかに下回る温度にまで加熱される。その後膨張弁１６を通過することで、冷媒は低温低圧の湿り蒸気になる。膨張弁１６の出口において、冷媒は、車両の室内の冷房のために本来必要とされる温度および圧力を有する。凝縮器１４は、冷媒を十分に冷却できる程度に、その放熱能力が定められている。

膨張弁１６を通過した後の低温低圧の冷媒をＨＶ機器熱源３０の冷却に使用すると、蒸発器１８における車室内の空気の冷却能力が減少して、車室用の冷房能力が低下する。これに対し、本実施の形態の冷却装置１では、凝縮器１４において冷媒を十分な過冷却状態にまで冷却し、凝縮器１４の出口の高圧の冷媒をＨＶ機器熱源３０の冷却に使用する。そのため、車室内の空気を冷却する冷房の能力に影響を与えることなく、ＨＶ機器熱源３０を冷却することができる。なお、ＨＶ機器熱源３０を冷却するために必要とされる温度は、少なくともＨＶ機器熱源３０の温度範囲として目標となる温度範囲の上限値よりも低い温度であることが望ましい。

図１に戻って、冷却装置１は、車両に搭載されたエンジンを冷却するためのエンジン冷却系４０を備える。エンジン冷却系４０は、車両の駆動力を発生させるためのエンジン４１と、冷却風と冷却水との間で熱交換を行なうラジエータ４２と、冷却水を循環させるポンプ４３と、ラジエータ４２に冷却風を通風させるラジエータファン４４とを含む。エンジン冷却系４０はまた、エンジン４１とラジエータ４２とを連結する配管系４５と、ラジエータ４２とポンプ４３とを連結する配管系４６と、ポンプ４３とエンジン４１とを連結する配管系４７とを含む。

ポンプ４３が起動することにより、ポンプ４３から配管系４７を経由してエンジン４１へ冷却水が送られる。エンジン４１と冷却水とが熱交換することにより、エンジン４１は冷却され、冷却水の温度は上昇する。温度上昇した冷却水は、配管系４５を経由してラジエータ４２へ送られる。ラジエータ４２に隣接して配置されたラジエータファン４４が起動して、ラジエータ４２に送風されることにより、ラジエータ４２において、冷却水は空気に熱を放出して冷却される。エンジン４１で加熱された冷却水を冷却するためのラジエータ４２において、ラジエータファン４４の起動により発生する冷却風と、冷却水と、の間で熱交換が行なわれ、冷却水の温度は低下する。温度が低下した冷却水は、配管系４６を経由して再びポンプ４３へ戻る。

図１に示すように、エンジン冷却系４０のラジエータ４２は、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の凝縮器１４に隣接して配置される。凝縮器１４と、ラジエータ４２と、ラジエータファン４４とは、ラジエータファン４４と凝縮器１４との間にラジエータ４２が介在するように、一列に並べられて配置される。ラジエータファン４４は、ラジエータ４２に送風してエンジン冷却系４０を循環する冷却水を冷却すると同時に、凝縮器１４に送風して、凝縮器１４を空冷する。冷却装置１は、凝縮器１４へ送風するラジエータファン４４をさらに備える。

ラジエータファン４４が凝縮器１４に送風して凝縮器１４を空冷することにより、凝縮器１４において、車両の走行風と冷媒との間の熱交換に加えて、ラジエータファン４４により供給された冷却風と冷媒との間の熱交換が行なわれる。これにより、凝縮器１４における熱交換を促進して、冷媒の温度を効率的に低下させて、冷媒を液化させることができる。凝縮器１４において冷媒から熱を効率的に放出させ、凝縮器１４の冷媒の冷却能力を向上することができる。したがって、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０を利用した、車両の室内の冷房の効率、および、ＨＶ機器熱源３０の冷却効率を、より向上させることができる。

凝縮器１４を空冷するためのファンとして、エンジン冷却系４０のラジエータファン４４を使用することで、新たにファンを追加する必要がない。そのため、冷却装置１のコストを増大させずに、凝縮器１４の放熱能力を向上することができる。

冷却装置１はさらに、流量調整弁２８を備える。流量調整弁２８は、凝縮器１４から膨張弁１６へ向かう冷媒通路２２に設けられている。流量調整弁２８は、冷媒通路２２の一部を形成する通路形成部２６に接続されている。流量調整弁２８は、その弁開度を変動させ、通路形成部２６を流れる冷媒の圧力損失を増減させることにより、通路形成部２６を流れる冷媒の流量と、冷媒通路３１，３２を流れる冷媒の流量と、を任意に調節する。

たとえば、流量調整弁２８を全閉にして弁開度を０％にすると、凝縮器１４を出た冷媒の全量がＣ点から冷媒通路３１へ流入する。流量調整弁２８の弁開度を大きくすれば、凝縮器１４から冷媒通路２２へ流れる冷媒のうち、通路形成部２６を経由して膨張弁１６へ直接流れる流量が大きくなり、冷媒通路３１，３２を経由して流れＨＶ機器熱源３０を冷却する冷媒の流量が小さくなる。流量調整弁２８の弁開度を小さくすれば、凝縮器１４から冷媒通路２２へ流れる冷媒のうち、通路形成部２６を経由して膨張弁１６へ直接流れる流量が小さくなり、冷媒通路３１，３２を経由して流れＨＶ機器熱源３０を冷却する冷媒の流量が大きくなる。

流量調整弁２８の弁開度を大きくするとＨＶ機器熱源３０を冷却する冷媒の流量が小さくなり、ＨＶ機器熱源３０の冷却能力が低下する。流量調整弁２８の弁開度を小さくするとＨＶ機器熱源３０を冷却する冷媒の流量が大きくなり、ＨＶ機器熱源３０の冷却能力が向上する。流量調整弁２８を使用して、ＨＶ機器熱源３０に流れる冷媒の量を最適に調節できるので、ＨＶ機器熱源３０の過冷却を確実に防止することができ、加えて、冷媒通路３１，３２の冷媒の流通に係る圧力損失および冷媒を循環させるための圧縮機１２の消費電力を、確実に低減することができる。

流量調整弁２８の弁開度調整に係る制御の一例について、以下に説明する。図３は、流量調整弁２８の開度制御の概略を示す図である。図３のグラフ（Ａ）〜（Ｄ）に示す横軸は、時間を示す。グラフ（Ａ）の縦軸は、流量調整弁２８がステッピングモータを用いた電気式膨張弁である場合の弁開度を示す。グラフ（Ｂ）の縦軸は、流量調整弁２８が温度の変動により開閉動作する温度式膨張弁である場合の弁開度を示す。グラフ（Ｃ）の縦軸は、ＨＶ機器熱源３０の温度を示す。グラフ（Ｄ）の縦軸は、ＨＶ機器熱源３０の出入口温度差を示す。

冷媒が冷媒通路３１，３２を経由して流通することで、ＨＶ機器熱源３０は冷却される。流量調整弁２８の弁開度調整は、たとえば、ＨＶ機器熱源３０の温度、またはＨＶ機器熱源３０の出口温度と入口温度との温度差を監視することにより、行なわれる。たとえばグラフ（Ｃ）を参照して、ＨＶ機器熱源３０の温度を継続的に計測する温度センサを設け、ＨＶ機器熱源３０の温度を監視する。またたとえば、グラフ（Ｄ）を参照して、ＨＶ機器熱源３０の入口温度と出口温度とを計測する温度センサを設け、ＨＶ機器熱源３０の出入口の温度差を監視する。

ＨＶ機器熱源３０の温度が目標温度を上回る、または、ＨＶ機器熱源３０の出入口温度差が目標温度差（たとえば３〜５℃）を上回ると、グラフ（Ａ）およびグラフ（Ｂ）に示すように、流量調整弁２８の開度を小さくする。流量調整弁２８の開度を絞ることにより、上述した通り、冷媒通路３１を経由してＨＶ機器熱源３０へ流れる冷媒の流量が大きくなるので、ＨＶ機器熱源３０をより効果的に冷却できる。その結果、グラフ（Ｃ）に示すようにＨＶ機器熱源３０の温度が低下して目標温度以下にすることができ、または、グラフ（Ｄ）に示すようにＨＶ機器熱源３０の出入口温度差を小さくして目標温度差以下にすることができる。

このように、流量調整弁２８の弁開度を最適に調整することで、ＨＶ機器熱源３０を適切な温度範囲に保つために必要な放熱能力を得られる量の冷媒を確保し、ＨＶ機器熱源３０を適切に冷却することができる。したがって、ＨＶ機器熱源３０が過熱して損傷する不具合の発生を、確実に抑制することができる。

（実施の形態２）
図４は、実施の形態２の冷却装置１の構成を示す模式図である。実施の形態２の冷却装置１は、凝縮器１４と膨張弁１６とを連結する冷媒通路２２に、凝縮器１４と異なる他の凝縮器としての凝縮器１５が配置されている点で、実施の形態１と異なっている。

実施の形態２の冷却装置１は、第一の凝縮器としての凝縮器１４と、第二の凝縮器としての凝縮器１５と、を備える。凝縮器１５が設けられるので、冷媒通路２２は、凝縮器１５よりも上流側（凝縮器１４に近接する側）の冷媒通路２２ａと、凝縮器１５よりも下流側（膨張弁１６に近接する側）の冷媒通路２２ｂと、に二分割されている。蒸気圧縮式冷凍サイクル１０において、圧縮機１２から吐出された高圧の冷媒は、凝縮器１４と凝縮器１５との両方によって凝縮される。

冷媒通路２２の一部を形成する通路形成部２６は、凝縮器１４と凝縮器１５との間の、冷媒通路２２ａに設けられている。冷媒通路３１，３２を含むＨＶ機器熱源３０の冷却系は、通路形成部２６と並列に配置されている。凝縮器１４から直接凝縮器１５へ流れる冷媒の経路と、凝縮器１４からＨＶ機器熱源３０を経由して凝縮器１５へ流れる冷媒の経路と、を並列に設け、一部の冷媒のみを冷媒通路３１，３２へ流通させることで、ＨＶ機器熱源３０の冷却系に冷媒が流れる際の圧力損失を低減することができる。

図５は、実施の形態２の蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の冷媒の状態を示すモリエル線図である。図５中の横軸は、冷媒の比エンタルピー（単位：ｋＪ／ｋｇ）を示し、縦軸は、冷媒の絶対圧力（単位：ＭＰａ）を示す。図中の曲線は、冷媒の飽和蒸気線および飽和液線である。図５中には、凝縮器１４の出口の冷媒通路２２ａからＣ点を経由して冷媒通路３１へ流入し、ＨＶ機器熱源３０を冷却し、冷媒通路３２からＤ点を経由して凝縮器１５の入口の冷媒通路２２ａへ戻る、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０中の各点（すなわちＡ、Ｂ，Ｃ，Ｄ，ＦおよびＥ点）における冷媒の熱力学状態が示される。

実施の形態２の蒸気圧縮式冷凍サイクル１０は、凝縮器１４から膨張弁１６へ至る系統を除いて、実施の形態１と同じである。つまり、図２に示すモリエル線図におけるＤ点からＥ点、Ａ点を経由してＢ点へ至る冷媒の状態と、図５に示すモリエル線図におけるＦ点からＥ点、Ａ点を経由してＢ点へ至る冷媒の状態と、は同じである。そのため、実施の形態２の蒸気圧縮式冷凍サイクル１０に特有の、Ｂ点からＦ点へ至る冷媒の状態について、以下に説明する。

圧縮機１２によって断熱圧縮された高温高圧の過熱蒸気状態の冷媒（Ｂ点）は、凝縮器１４において冷却される。冷媒は、等圧のまま顕熱を放出して過熱蒸気から乾き飽和蒸気になり、凝縮潜熱を放出し徐々に液化して気液混合状態の湿り蒸気になり、冷媒の全部が凝縮して飽和液になる（Ｃ点）。

凝縮器１４から流出した飽和液状態の冷媒は、Ｃ点から冷媒通路３１を経由してＨＶ機器熱源３０へ流れる。ＨＶ機器熱源３０において、凝縮器１４を通過して凝縮された液冷媒に熱を放出することで、ＨＶ機器熱源３０が冷却される。ＨＶ機器熱源３０との熱交換により、冷媒が加熱され、冷媒の乾き度が増大する。冷媒は、ＨＶ機器熱源３０から潜熱を受け取って一部気化することにより、飽和液と飽和蒸気とが混合した湿り蒸気となる（Ｄ点）。

その後冷媒は、凝縮器１５に流入する。冷媒の湿り蒸気は、凝縮器１５において再度凝縮され、冷媒の全部が凝縮すると飽和液になり、さらに顕熱を放出して過冷却された過冷却液になる（Ｆ点）。その後膨張弁１６を通過することで、冷媒は低温低圧の湿り蒸気になる（Ｅ点）。

凝縮器１５において十分に冷媒を冷却することにより、膨張弁１６の出口において、冷媒は、車両の室内の冷房のために本来必要とされる温度および圧力を有する。そのため、蒸発器１８において冷媒が蒸発するときに外部から受け取る熱量を十分に大きくすることができる。このように、冷媒を十分に冷却できる凝縮器１５の放熱能力を定めることにより、車室内の空気を冷却する冷房の能力に影響を与えることなく、ＨＶ機器熱源３０を冷却することができる。したがって、ＨＶ機器熱源３０の冷却能力と、車室用の冷房能力との両方を、確実に確保することができる。

実施の形態１の蒸気圧縮式冷凍サイクル１０では、圧縮機１２と膨張弁１６との間に凝縮器１４が配置され、凝縮器１４において冷媒を飽和液の状態からさらに冷却し、冷媒が所定の過冷却度を有するまで冷却する必要があった。過冷却液の状態の冷媒を冷却すると、冷媒の温度が大気温度に近づき、冷媒の冷却効率が低下するので、凝縮器１４の容量を増大させる必要がある。その結果、凝縮器１４のサイズが増大し、車載用の冷却装置１として不利になるという問題がある。一方、車両へ搭載するために凝縮器１４を小型化すると、凝縮器１４の放熱能力も小さくなり、その結果、膨張弁１６の出口における冷媒の温度を十分に低くできず、車室用の冷房能力が不足する虞がある。

これに対し、実施の形態２の蒸気圧縮式冷凍サイクル１０では、圧縮機１２と膨張弁１６との間に二段の凝縮器１４，１５を配置し、ＨＶ機器熱源３０の冷却系が凝縮器１４と凝縮器１５との間に設けられる。凝縮器１４では、図５に示すように、冷媒を飽和液の状態にまで冷却すればよい。ＨＶ機器熱源３０から蒸発潜熱を受け取り一部気化した湿り蒸気の状態の冷媒は、凝縮器１５で再度冷却される。湿り蒸気状態の冷媒を凝縮させ完全に飽和液にするまで、冷媒は一定の温度で状態変化する。凝縮器１５はさらに、車両の室内の冷房のために必要な程度の過冷却度にまで、冷媒を冷却する。そのため、実施の形態１と比較して、冷媒の過冷却度を大きくする必要がなく、凝縮器１４，１５の容量を低減することができる。したがって、凝縮器１４，１５のサイズを低減することができ、小型化され車載用に有利な冷却装置１を得ることができる。

凝縮器１４からＨＶ機器熱源３０へ流れる冷媒は、ＨＶ機器熱源３０を冷却するときに、ＨＶ機器熱源３０から熱を受け取り加熱される。ＨＶ機器熱源３０において加熱された冷媒が気化すると、冷媒とＨＶ機器熱源３０との熱交換量が減少してＨＶ機器熱源３０を効率よく冷却できなくなり、また冷媒が配管内を流れる際の圧力損失が増大する。そのため、ＨＶ機器熱源３０を冷却した後の冷媒を気化させない程度に、凝縮器１４において十分に冷媒を冷却するのが望ましい。

具体的には、凝縮器１４の出口における冷媒の状態を飽和液に近づけ、典型的には凝縮器１４の出口において冷媒が飽和液線上にある状態にする。このように冷媒を十分に冷却できる能力を凝縮器１４が有する結果、凝縮器１４の冷媒から熱を放出させる放熱能力は、凝縮器１５の放熱能力よりも高くなる。放熱能力が相対的に大きい凝縮器１４において冷媒を十分に冷却することにより、ＨＶ機器熱源３０から熱を受け取った冷媒を湿り蒸気の状態に留めることができ、冷媒とＨＶ機器熱源３０との熱交換量の減少を回避できるので、ＨＶ機器熱源３０を十分に効率よく冷却することができる。ＨＶ機器熱源３０を冷却した後の湿り蒸気の状態の冷媒は、凝縮器１５において効率よく再度冷却され、飽和温度をわずかに下回る程度の過冷却液の状態にまで冷却される。したがって、車室用の冷房能力とＨＶ機器熱源３０の冷却能力との両方を確保した、冷却装置１を提供することができる。

（実施の形態３）
図６は、実施の形態３の冷却装置１の構成を示す模式図である。実施の形態３の冷却装置１は、実施の形態２と比較して、連通路５１を備える点で異なっている。

具体的には、連通路５１は、圧縮機１２の出口から凝縮器１４の入口へ向かう冷媒が流通する冷媒通路２１と、ＨＶ機器熱源３０に冷媒を流通させる冷媒通路３１，３２のうちＨＶ機器熱源３０に対し下流側の冷媒通路３２と、を連通する。冷媒通路３２には、冷媒通路３２と冷媒通路２１，２２との連通状態を切り換える、切換弁５２が設けられている。実施の形態３の切換弁５２は、三方弁５３である。冷媒通路３２は、三方弁５３よりも上流側の冷媒通路３２ａと、三方弁５３よりも下流側の冷媒通路３２ｂと、に二分割される。

三方弁５３の開閉状態を変化させることにより、ＨＶ機器熱源３０を冷却した後の冷媒通路３２ａを流通する冷媒を、冷媒通路３２ｂを経由させて凝縮器１５へ流通させることができ、または、連通路５１を経由させて凝縮器１４へ流通させることができる。切換弁５２の一例である三方弁５３を使用して冷媒の経路を切り換えることにより、ＨＶ機器熱源３０を冷却した後の冷媒を、冷媒通路３２ｂ，２２を経由させて膨張弁１６へ、または、連通路５１および冷媒通路２１を経由して凝縮器１４へ、のいずれかの経路を任意に選択して、流通させることができる。

図７は、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の運転中の、ＨＶ機器熱源３０を冷却する冷媒の流れを示す模式図である。圧縮機１２を駆動させ蒸気圧縮式冷凍サイクル１０が運転しているときには、流量調整弁２８は、ＨＶ機器熱源３０に十分な冷媒が流れるように、弁開度を調整される。三方弁５３は、冷媒をＨＶ機器熱源３０から凝縮器１５を経由して膨張弁１６へ流通させるように操作され、冷媒が冷却装置１の全体を流れるように冷媒の経路が選択される。そのため、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の冷却能力を確保できるとともに、ＨＶ機器熱源３０を効率よく冷却することができる。

図８は、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の停止中の、ＨＶ機器熱源３０を冷却する冷媒の流れを示す模式図である。図８に示すように、圧縮機１２を停止させ蒸気圧縮式冷凍サイクル１０が停止しているときには、冷媒をＨＶ機器熱源３０から凝縮器１４へ循環させるように三方弁５３を操作し、さらに流量調整弁２８を全閉にする。連通路５１を経由して冷媒を流通させることにより、凝縮器１４から、冷媒通路２２ａと冷媒通路３１とを順に経由してＨＶ機器熱源３０へ至り、さらに冷媒通路３２ａ、連通路５１、冷媒通路２１を順に経由して凝縮器１４へ戻る、閉じられた環状の経路が形成される。

この環状の経路を経由して、圧縮機１２を動作することなく、凝縮器１４とＨＶ機器熱源３０との間に冷媒を循環させることができる。冷媒は、ＨＶ機器熱源３０を冷却するとき、ＨＶ機器熱源３０から蒸発潜熱を受けて蒸発する。ＨＶ機器熱源３０で気化された冷媒蒸気は、冷媒通路３２ａ、連通路５１および冷媒通路２１を順に経由して、凝縮器１４へ流れる。凝縮器１４において、車両の走行風またはラジエータファン４４からの通風により、冷媒蒸気は冷却されて凝縮する。凝縮器１４で液化した冷媒液は、冷媒経路２２ａ，３１を経由して、ＨＶ機器熱源３０へ戻る。

このように、ＨＶ機器熱源３０と凝縮器１４とを経由する環状の経路によって、ＨＶ機器熱源３０を加熱部とし凝縮器１４を冷却部とする、ヒートパイプが形成される。したがって、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０が停止しているとき、すなわち車両用の冷房が停止しているときにも、圧縮機１２を起動する必要なく、ＨＶ機器熱源３０を確実に冷却することができる。ＨＶ機器熱源３０の冷却のために圧縮機１２を常時運転する必要がないことにより、圧縮機１２の消費動力を低減して車両の燃費を向上することができ、加えて、圧縮機１２を長寿命化できるので圧縮機１２の信頼性を向上することができる。

図７および図８には、地面６０が図示されている。地面６０に対して垂直な鉛直方向において、ＨＶ機器熱源３０は、凝縮器１４よりも下方に配置されている。凝縮器１４とＨＶ機器熱源３０との間に冷媒を循環させる環状の経路において、ＨＶ機器熱源３０が下方に配置され、凝縮器１４が上方に配置される。凝縮器１４は、ＨＶ機器熱源３０よりも高い位置に配置される。

この場合、ＨＶ機器熱源３０で加熱され気化した冷媒蒸気は、環状の経路内を上昇して凝縮器１４へ到達し、凝縮器１４において冷却され、凝縮されて液冷媒となり、重力の作用により環状の経路内を下降してＨＶ機器熱源３０へ戻る。つまり、ＨＶ機器熱源３０と、凝縮器１４と、これらを連結する冷媒の経路とによって、サーモサイフォン式のヒートパイプが形成される。ヒートパイプを形成することでＨＶ機器熱源３０から凝縮器１４への熱伝達効率を向上することができるので、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０が停止しているときにも、動力を加えることなく、ＨＶ機器熱源３０をより効率よく冷却することができる。

（実施の形態４）
図９は、実施の形態４の冷却装置１の構成を示す模式図である。図８に示す実施の形態３と比較して、実施の形態４の冷却装置は、逆止弁５５を備える。逆止弁５５は、圧縮機１２と凝縮器１４との間の冷媒通路２１の、冷媒通路２１と連通路５１との接続箇所よりも圧縮機１２に近接する側に、配置されている。逆止弁５５は、圧縮機１２から凝縮器１４へ向かう冷媒の流れを許容するとともに、その逆向きの冷媒の流れを禁止する。

このようにすれば、図９に示すように、流量調整弁２８を全閉（弁開度０％）にし、冷媒通路３２ａから連通路５１へ冷媒が流れ冷媒通路３２ｂへは流れないように三方弁５３を調整することにより、凝縮器１４とＨＶ機器熱源３０との間に冷媒を循環させる閉ループ状の冷媒の経路を、確実に形成することができる。

逆止弁５５がない場合、連通路５１から冷媒通路２１へ流れる冷媒が圧縮機１２側へ向かう虞がある。逆止弁５５を備えることによって、連通路５１から圧縮機１２側へ向かう冷媒の流れを確実に禁止できるので、環状の冷媒経路で形成するヒートパイプを使用した、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の停止時のＨＶ機器熱源３０の冷却能力の低下を防止できる。したがって、車両の車室用の冷房が停止しているときにも、ＨＶ機器熱源３０を効率よく冷却することができる。

また、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の停止中に、閉ループ状の冷媒の経路内の冷媒の量が不足する場合には、圧縮機１２を短時間のみ運転することで、逆止弁５５を経由して閉ループ経路に冷媒を供給できる。これにより、閉ループ内の冷媒量を増加させ、ヒートパイプの熱交換処理量を増大させることができる。したがって、ヒートパイプの冷媒量を確保することができるので、冷媒量の不足のためにＨＶ機器熱源３０の冷却が不十分となることを回避することができる。

（実施の形態５）
図１０は、実施の形態５の冷却装置１の構成を示す、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の運転中の、ＨＶ機器熱源３０を冷却する冷媒の流れを示す模式図である。図１１は、実施の形態５の冷却装置１の構成を示す、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の停止中の、ＨＶ機器熱源３０を冷却する冷媒の流れを示す模式図である。図７および図８に示す構成と比較して、実施の形態５の冷却装置１では、切換弁５２として三方弁５３に替えて二つの弁５７，５８が設けられている。

図１０に示すように、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の運転中には、弁５７を全開（弁開度１００％）とし弁５８を全閉（弁開度０％）とし、流量調整弁２８の弁開度をＨＶ機器熱源３０に十分な冷媒が流れるように調整する。これにより、ＨＶ機器熱源３０を冷却した後の冷媒を冷媒通路３２ａ，３２ｂ，２２ａを経由させて、確実に凝縮器１５へ流通させることができる。一方、図１１に示すように、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の停止中には、弁５８を全開とし弁５７を全閉とし、さらに流量調整弁２８を全閉とする。これにより、ＨＶ機器熱源３０と凝縮器１４との間に冷媒を循環させる環状の経路を形成することができる。

このように、冷媒通路３２と冷媒通路２１，２２との連通状態を切り換える切換弁５２としては、三方弁５３を使用してもよく、または一対の弁５７，５８を使用してもよい。いずれの場合でも、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の運転時および停止時の両方において、ＨＶ機器熱源３０を効率よく冷却することができる。

弁５７，５８は、冷媒通路の開閉ができる単純な構造であればよいので安価であり、三方弁５３に替えて二つの弁５７，５８を使用することにより、より低コストな冷却装置１を提供することができる。一方、二つの弁５７，５８を配置するよりも三方弁５３の配置に要する空間はより小さくてよいと考えられ、三方弁５３を使用することにより、より小型化され車両搭載性に優れた冷却装置１を提供することができる。

なお、実施の形態１〜５においては、ＨＶ機器熱源３０を例として車両に搭載された電気機器を冷却する冷却装置１について説明した。電気機器としては、少なくとも作動によって熱を発生させる電気機器であれば、インバータ、モータジェネレータなどの例示された電気機器に限定されるものではなく、任意の電気機器であってもよい。冷却の対象となる電気機器が複数個ある場合においては、複数の電気機器は、冷却の目標となる温度範囲が共通していることが望ましい。冷却の目標となる温度範囲は、電気機器を作動させる温度環境として適切な温度範囲である。

さらに、本発明の冷却装置１により冷却される発熱源は、車両に搭載された電気機器に限られず、熱を発生する任意の機器、または任意の機器の発熱する一部分であってもよい。

以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、各実施の形態の構成を適宜組合せてもよい。また、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の冷却装置は、モータジェネレータおよびインバータなどの電気機器を搭載するハイブリッド車、燃料電池車、電気自動車などの車両における、車内の冷房を行なうための蒸気圧縮式冷凍サイクルを使用した電気機器の冷却に、特に有利に適用され得る。

１ 冷却装置、１０ 蒸気圧縮式冷凍サイクル、１２ 圧縮機、１４，１５ 凝縮器、１６ 膨張弁、１８ 蒸発器、２１，２２，２２ａ，２２ｂ，２３，２４，３１，３２，３２ａ，３２ｂ 冷媒通路、２６ 通路形成部、２８ 流量調整弁、３０ ＨＶ機器熱源、４０ エンジン冷却系、４１ エンジン、４２ ラジエータ、４３ ポンプ、４４ ラジエータファン、４５，４６，４７ 配管系、５１ 連通路、５２ 切換弁、５３ 三方弁、５５ 逆止弁、５７，５８ 弁、６０ 地面。

Claims (6)

1. 発熱源を冷却する冷却装置であって、
   冷媒を循環させるための圧縮機と、
   前記冷媒を凝縮するための凝縮器と、
   前記凝縮器によって凝縮された前記冷媒を減圧する減圧器と、
   前記減圧器によって減圧された前記冷媒を蒸発させるための蒸発器と、
   前記凝縮器の出口から前記減圧器の入口へ向かう前記冷媒が流通する第一通路と、
   前記第一通路に配置された他の凝縮器とを備え、
   前記第一通路は、前記第一通路の一部を形成する通路形成部を含み、前記通路形成部は前記凝縮器と前記他の凝縮器との間に設けられており、さらに、
   前記通路形成部に配置され、前記通路形成部を流れる前記冷媒の流量と前記第二通路を流れる前記冷媒の流量とを調節する、流量調整弁と、
   前記通路形成部と並列に接続され、前記発熱源を経由して前記冷媒を流通させる第二通路とを備える、冷却装置。
2. 前記圧縮機の出口から前記凝縮器の入口へ向かう前記冷媒が流通する第三通路と、
   前記第二通路の前記発熱源に対し下流側と前記第三通路とを連通する連通路と、を備える、請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記第二通路の前記発熱源に対し下流側と、前記第一通路および前記第三通路と、の連通状態を切り換える、切換弁を備える、請求項２に記載の冷却装置。
4. 前記発熱源は、前記凝縮器よりも下方に配置されている、請求項２または請求項３に記載の冷却装置。
5. 前記凝縮器は、前記冷媒から熱を放出させる放熱能力が前記他の凝縮器よりも高い、請求項１から請求項４のいずれかに記載の冷却装置。
6. 前記凝縮器へ送風するファンをさらに備える、請求項１から請求項５のいずれかに記載の冷却装置。

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