(57)【要約】      （修正有）【課題】低動力で効率よく発熱源を冷却できる冷却装置を提供する。【解決手段】冷媒を用いて発熱源を冷却する冷却装置１は、冷媒と外気との間で熱交換する熱交換器１４と、冷媒を用いて発熱源を冷却する冷却部３０と、熱交換器１４と冷却部３０との間に冷媒を循環させる冷媒通路２２，３３〜３６と、熱交換器１４から冷却部３０へ向かう冷媒通路に設けられ、直列に接続された第一逆止弁６２および第二逆止弁６４と、第一逆止弁６２と第二逆止弁６４との間の冷媒通路３４内の冷媒に熱を加える加熱部８０と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を用いて発熱源を冷却する冷却装置であって、
前記冷媒と外気との間で熱交換する熱交換器と、
前記冷媒を用いて前記発熱源を冷却する冷却部と、
前記熱交換器と前記冷却部との間に前記冷媒を循環させる冷媒通路と、
前記熱交換器から前記冷却部へ向かう前記冷媒通路に設けられ、直列に接続された第一逆止弁および第二逆止弁と、
前記第一逆止弁と前記第二逆止弁との間の前記冷媒通路内の前記冷媒に熱を加える加熱部と、を備える、冷却装置。
【請求項２】
前記加熱部自体が発熱する、請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
前記冷却部の出口側から前記加熱部へ前記冷媒を供給するための気相冷媒供給路と、
前記気相冷媒供給路を開閉する開閉弁と、を備える、請求項１に記載の冷却装置。
【請求項４】
前記冷却部は、前記熱交換器よりも上方に配置されている、請求項１から請求項３のいずれかに記載の冷却装置。
【請求項５】
前記熱交換器によって凝縮された液状の前記冷媒を貯留する蓄液器をさらに備え、
前記蓄液器から前記第一逆止弁を通過して液状の前記冷媒が流れる、請求項１から請求項４のいずれかに記載の冷却装置。
【請求項６】
前記熱交換器は、蒸気圧縮式冷凍サイクルに含まれる熱交換器であり、
前記蒸気圧縮式冷凍サイクルは、圧縮機を備え、
前記圧縮機の停止中に前記熱交換器と前記冷却部との間に前記冷媒を循環させる、請求項１から請求項５のいずれかに記載の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却装置に関し、特に、冷媒を用いて発熱源を冷却する冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。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１）、特開２００５−９０８６２号公報（特許文献２）参照）。
【０００３】
一方、発熱体を冷却する冷却器に関する技術が種々提案されている（たとえば特開平９−２３０８１号公報（特許文献３）、特開２００１−１６８２５６号公報（特許文献４）、特開２００８−２５３０５７号公報（特許文献５）参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−６９７３３号公報
【特許文献２】特開２００５−９０８６２号公報
【特許文献３】特開平９−２３０８１号公報
【特許文献４】特開２００１−１６８２５６号公報
【特許文献５】特開２００８−２５３０５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１，２に開示されている冷却システムでは、蒸気圧縮式冷凍サイクルに冷媒を循環するために圧縮機を運転する必要があり、加えて、発熱体に冷媒を供給して発熱体を冷却するために、常時ポンプを駆動する必要がある。冷媒の循環のために外部動力を必要とするので、動力費が増大する問題があった。
【０００６】
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、低動力で効率よく発熱源を冷却できる、冷却装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る冷却装置は、冷媒を用いて発熱源を冷却する冷却装置であって、冷媒と外気との間で熱交換する熱交換器と、冷媒を用いて発熱源を冷却する冷却部と、熱交換器と冷却部との間に冷媒を循環させる冷媒通路と、熱交換器から冷却部へ向かう冷媒通路に設けられ、直列に接続された第一逆止弁および第二逆止弁と、第一逆止弁と第二逆止弁との間の冷媒通路内の冷媒に熱を加える加熱部と、を備える。
【０００８】
上記冷却装置において、加熱部自体が発熱してもよい。または、上記冷却装置は、冷却部の出口側から加熱部へ冷媒を供給するための気相冷媒供給路と、気相冷媒供給路を開閉する開閉弁と、を備えてもよい。
【０００９】
上記冷却装置において好ましくは、冷却部は、熱交換器よりも上方に配置されている。
上記冷却装置において好ましくは、熱交換器によって凝縮された液状の冷媒を貯留する蓄液器をさらに備え、蓄液器から第一逆止弁を通過して液状の冷媒が流れる。
【００１０】
上記冷却装置において好ましくは、熱交換器は、蒸気圧縮式冷凍サイクルに含まれる熱交換器であり、蒸気圧縮式冷凍サイクルは、圧縮機を備え、圧縮機の停止中に熱交換器と冷却部との間に冷媒を循環させる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の冷却装置によると、低動力で効率よく発熱源を冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】冷却装置が適用される車両の構成を示す概略図である。
【図２】実施の形態１の冷却装置の構成を示す模式図である。
【図３】冷却器の構成を示す模式図である。
【図４】実施の形態１の冷却装置に冷媒を循環させる動作を示すフローチャートである。
【図５】実施の形態２の冷却装置の構成を示す模式図である。
【図６】実施の形態２の冷却装置に冷媒を循環させる動作を示すフローチャートである。
【図７】実施の形態３の冷却装置の構成を示す模式図である。
【図８】蒸気圧縮式冷凍サイクルの運転中の、ＥＶ機器を冷却する冷媒の流れを示す模式図である。
【図９】蒸気圧縮式冷凍サイクルの停止中の、ＥＶ機器を冷却する冷媒の流れを示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
（実施の形態１）
［車両１０００の構成］
図１は、冷却装置１が適用される車両１０００の構成を示す概略図である。本実施の形態に係る車両１０００は、内燃機関であるエンジン１００と、電動機である駆動ユニット２００と、ＰＣＵ（Ｐｏｗｅｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）７００と、走行用バッテリ４００と、を含んで構成され、エンジン１００と駆動ユニット２００とを動力源とするハイブリッド車両である。なお、本発明の冷却装置１は、エンジンと電動機とを動力源とするハイブリッド車両のみならず、電動機のみを動力源とする車両（本明細書では、両者を包含して電気自動車という）にも適用可能である。
【００１５】
エンジン１００は、ガソリンエンジンであってもよいし、ディーゼルエンジンであってもよい。駆動ユニット２００は、エンジン１００とともに車両１０００を駆動する駆動力を発生させる。エンジン１００および駆動ユニット２００は、ともに車両１０００のエンジンルーム内に設けられている。駆動ユニット２００は、ケーブル５００を介してＰＣＵ７００と電気的に接続される。また、ＰＣＵ７００は、ケーブル６００を介して走行用バッテリ４００と電気的に接続される。
【００１６】
［冷却装置１の構成］
図２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。冷却装置１は車両１０００に搭載され、駆動ユニット２００などの車両１０００に搭載された機器を冷却するために用いられる。図２に示すように、冷却装置１は、熱交換器１４と、冷却部３０とを備え、熱交換器１４と冷却部３０との間で冷媒を循環させることにより、発熱源から冷媒に熱を放出して発熱源を冷却する。
【００１７】
冷却部３０は、電気自動車に搭載される電気機器であるＥＶ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｖｅｈｉｃｌｅ）機器と、冷媒が内部を流通する後述する冷却器３２とを含む。ＥＶ機器は、冷却装置１により冷媒を用いて冷却される発熱源の一例である。ＥＶ機器は、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昇圧コンバータ、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。
【００１８】
熱交換器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熱交換器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。熱交換器１４は、冷媒と外気の間で熱交換を行ない、冷却部３０において発熱源からの伝熱を受けて気化された冷媒ガスを、外部媒体へ等圧的に放熱させて冷媒液とする。冷却部３０において蒸発した気相冷媒は、熱交換器１４における冷却風と冷媒との熱交換により、周囲に放熱し冷却される。
【００１９】
冷却風は、車両１０００の走行によって発生する自然の通風によって熱交換器１４に供給されてもよい。または冷却風は、コンデンサファン４２もしくはエンジン冷却用のラジエータファンなどの、外気供給用ファンからの強制通風によって熱交換器１４に供給されてもよい。コンデンサファン４２は、モータからの駆動力を受けて回転し空気の流れを発生させて、熱交換器に冷却風を供給する。
【００２０】
冷却装置１はまた、気液分離器４０と、第一逆止弁６２と、第二逆止弁６４とを備える。気液分離器４０、第一逆止弁６２および第二逆止弁６４は、熱交換器１４から冷却部３０へ向かう冷媒の経路上に配置され、それぞれ直列に接続される。冷却装置１は、熱交換器１４と気液分離器４０とを連通する冷媒通路２２と、気液分離器４０と第一逆止弁６２とを連通する冷媒通路３３と、第一逆止弁６２と第二逆止弁６４とを連通する冷媒通路３４と、第二逆止弁６４と冷却部３０とを連通する冷媒通路３５と、冷却部３０と熱交換器１４とを連通する冷媒通路３６と、を備える。
【００２１】
冷媒通路２２，３３〜３５は、熱交換器１４から冷却部３０へ向かう冷媒の通路である。冷媒は、冷媒通路２２，３３〜３５ならびに気液分離器４０、第一逆止弁６２および第二逆止弁６４を経由して、熱交換器１４の出口から冷却部３０の入口へ向かって流れる。冷媒通路３６は、冷却部３０から熱交換器１４へ向かう冷媒の通路である。冷媒は、冷媒通路３６を経由して、冷却部３０の出口から熱交換器１４の入口へ向かって流れる。
【００２２】
冷却装置１は、熱交換器１４、気液分離器４０、第一逆止弁６２、第二逆止弁６４および冷却部３０が、冷媒通路２２，３３〜３６によって連結されて構成される。冷媒通路２２，３３〜３６は、熱交換器１４と冷却部３０との間に冷媒を循環させる通路となる。なお、冷却装置１を循環する冷媒としては、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、フロン類または水などを用いることができる。
【００２３】
気液分離器４０は、熱交換器１４から流出し気液分離器４０へ流入する冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離する。気液分離器４０の内部には、液相冷媒である冷媒液と、気相冷媒である冷媒蒸気と、が蓄蔵されている。気液分離器４０には、冷媒通路２２と、冷媒通路３３とが連結されている。
【００２４】
気液分離器４０の内部には、飽和液状態の冷媒液が貯留されている。気液分離器４０は、その内部に液状の冷媒である冷媒液を一時的に貯留する蓄液器として機能する。気液分離器４０内に所定量の冷媒液が溜められることにより、負荷変動時にも気液分離器４０から冷却部３０へ流れる冷媒の流量を維持できる。気液分離器４０が液だめ機能を有し、負荷変動に対するバッファとなり負荷変動を吸収できるので、ＥＶ機器の冷却性能を安定させることができる。
【００２５】
熱交換器１４で凝縮された冷媒液は、冷媒通路２２を通って気液分離器４０へ供給される。冷媒通路２２から気液分離器４０へ流入する冷媒は、気液分離器４０の内部において気相と液相とに分離される。気液分離器４０は、熱交換器１４によって凝縮された冷媒を液体状の冷媒液とガス状の冷媒蒸気とに分離して、一時的に蓄える。
【００２６】
気液分離された冷媒液は、冷媒通路３３を経由して、気液分離器４０の外部へ流出する。冷媒通路３３の端部は、気液分離器４０内に液相の冷媒が溜められる冷媒液貯留部に接続されており、液相冷媒の気液分離器４０からの流出口を形成する。
【００２７】
気液分離器４０の内部では、冷媒液が下側、冷媒蒸気が上側に溜まる。気液分離器４０から冷媒液を導出する冷媒通路３３の端部は、気液分離器４０の底部に連結されている。冷媒通路３３を経由して気液分離器４０の底側から冷媒液のみが気液分離器４０の外部へ送り出される。これにより、気液分離器４０は、気相冷媒と液相冷媒との分離を確実に行なうことができる。
【００２８】
第一逆止弁６２には冷媒通路３３および冷媒通路３４が接続されている。第一逆止弁６２は、冷媒通路３３から冷媒通路３４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。第二逆止弁６４には冷媒通路３４および冷媒通路３５が接続されている。第二逆止弁６４は、冷媒通路３４から冷媒通路３５へ向かう冷媒の流れを許容するとともに、その逆向きの流れを禁止する。第一逆止弁６２および第二逆止弁６４を設けることにより、気液分離器４０から冷却部３０へ向かう冷媒液の流れが許容され、かつ、冷却部３０側から気液分離器４０側への冷媒の逆流が禁止される。
【００２９】
第一逆止弁６２と第二逆止弁６４との間の冷媒通路３４に隣接して、加熱部８０が配置されている。加熱部８０は、たとえば電気ヒータまたは誘導加熱装置などの、加熱部８０自体が発熱する機器である。加熱部８０は、冷媒通路３４内の冷媒に熱を加え、冷媒通路３４内の冷媒液を蒸発させる。
【００３０】
図３は、冷却器３２の構成を示す模式図である。冷却部３０は、その内部を冷媒が流れることにより発熱源と冷媒との熱交換を行なう冷却器３２を含む。図３に示すように、冷却器３２は、筐体７０を有する。
【００３１】
筐体７０は中空に形成されており、その内部に内部空間を規定する。冷却器３２の筐体７０は、矩形板状の外形を有する。冷却器３２はまた、冷媒入口７１と、冷媒出口７２とを有する。冷媒入口７１と冷媒出口７２とは、筐体７０の形成する矩形の対角線上に配置されている。つまり、冷媒入口７１は矩形の一の頂点の位置に設けられ、冷媒出口７２は当該一の頂点と隣り合わない他の頂点の位置に設けられる。
【００３２】
冷媒入口７１および冷媒出口７２は、筐体７０の内部と外部とを連通する。冷媒通路３５は冷媒入口７１に連結され、冷媒通路３６は冷媒出口７２に連結される。これにより、冷媒入口７１は、筐体７０の内部空間に冷媒が流入する流入口としての機能を有し、冷媒出口７２は、筐体７０から冷媒が流出する流出口としての機能を有する。冷却部３０へ供給される冷媒は、冷媒通路３５から冷媒入口７１を経由して冷却器３２の筐体７０内部の内部空間へ流入する。冷媒は、筐体７０の内部を冷媒出口７２へ向かって流れる間に、ＥＶ機器と熱交換する。冷媒はさらに、冷媒出口７２を経由して筐体７０から流出し、冷媒通路３６へ流れる。
【００３３】
筐体７０の外表面には、複数の突起７５が形成されている。突起７５は、発熱チップを固定する台座であり、発熱チップの絶縁および熱膨張の緩和を目的として設けられる。
【００３４】
筐体７０に対して、冷媒入口７１が相対的に下方に配置され、冷媒出口７２が相対的に上方に配置されている。冷媒入口７１と冷媒出口７２とは高低差を有し、流入口として機能する冷媒入口７１は、流出口として機能する冷媒出口７２よりも、低く配置されている。矩形板状の筐体７０が、水平面に対して傾斜する方向に延び、冷媒入口７１および冷媒出口７２もまた、水平面に対して傾斜する方向に沿って延在している。
【００３５】
この構成により、冷却部３０内を流れる冷媒の流れが規定される。すなわち、筐体７０の内部でＥＶ機器から熱を受けて気化した気相冷媒は、液相冷媒よりも比重が小さいので、水平面に対し上方に向かって流れ、筐体７０の内部空間内を上昇する。筐体７０に対し流入口が相対的に低い位置に配置され、筐体７０に対し流出口が相対的に高い位置に配置されれば、流入口から筐体７０の内部に新たに供給される冷媒が筐体７０内部で気化した気相冷媒の上昇流を妨げることはない。そのため、筐体７０の内部を流れる冷媒は、水平面に対してスムーズに上向きに流れることができる。
【００３６】
筐体７０の下方から冷媒が流入するように流入口が設けられ、筐体７０の上方から冷媒が流出するように流出口が設けられることにより、筐体７０内部で冷媒を滞りなく流すことができる。これにより、筐体７０の内部空間内に局所的に気相冷媒が滞留するドライアウトが発生し冷却能力不足となることを回避でき、発熱源から冷媒への熱伝達を効率的に行なうことができる。流入口を経由して筐体７０に新たな冷媒を供給し続けることができるので、発熱源の冷却性能の低下を抑制でき、冷却器３２による発熱源の冷却能力を向上することができる。
【００３７】
冷却部３０は、冷却器３２においてＥＶ機器と冷媒との間で熱交換が可能な構造を有するように設けられる。本実施の形態においては、冷却部３０は、たとえば、ＥＶ機器の筐体に筐体７０の外周面が直接接触するように形成された冷却器３２を有する。冷却器３２は、ＥＶ機器の筐体と隣接する部分を有する。当該部分において、冷却器３２を流通する冷媒と、ＥＶ機器との間で、熱交換が可能となる。冷却器３２の外部にＥＶ機器が配置されるので、冷却器３２の内部を流通する冷媒の流れにＥＶ機器が干渉することはない。そのため、冷却装置１を循環する冷媒の圧力損失の増加を抑制することができる。
【００３８】
図２には、地面Ｇが図示されている。地面Ｇに対して垂直な鉛直方向において、冷却部３０は、熱交換器１４および気液分離器４０よりも上方に配置されている。熱交換器１４と冷却部３０との間に冷媒を循環させる環状の経路において、冷却部３０が上方に配置され、熱交換器１４が下方に配置される。熱交換器１４および気液分離器４０は、冷却部３０よりも低い位置に配置される。
【００３９】
熱交換器１４を凝縮器、冷却部３０を蒸発器とするループ式のヒートパイプにより冷媒を循環するためには、冷却部３０で蒸発した気相冷媒を熱交換器１４に移動させ、熱交換器１４で凝縮した液相冷媒を冷却部３０へ還流するサイクルを形成し、定常的な熱移動を行なう必要がある。図２に示す、冷却部３０が熱交換器１４よりも高い位置に配置された構成では、重力の作用による熱交換器１４から冷却部３０への液還流を行なうことができない。しかし、本実施の形態の冷却装置１では、熱交換器１４で凝縮した冷媒液を蓄える気液分離器４０から冷却部３０へ至る、液状の冷媒が流れる冷媒通路３４に、第一逆止弁６２、第二逆止弁６４および加熱部８０を設けることにより、熱交換器１４から冷却部３０への冷媒液の還流が可能とされている。
【００４０】
［冷却装置１の動作］
図４は、実施の形態１の冷却装置１に冷媒を循環させる動作を示すフローチャートである。図２および図４を参照して、実施の形態１の冷却装置１の動作について説明する。図２に示す二点鎖線は満水ラインＷＬを示す。冷却装置１を循環する冷媒は、満水ラインＷＬよりも地面Ｇ側において、液相の状態になる。熱交換器１４から冷却部３０へ向かう冷媒は液相の状態であり、定常状態において冷媒通路３３，３４，３５は冷媒液で満たされている。冷媒は冷却部３０で加熱されることにより蒸発し、冷却部３０の出口、すなわち図３に示す冷媒出口７２において、冷媒は気相状態になる。
【００４１】
冷媒通路３４内に冷媒液が充満した状態で、ステップ（Ｓ１０）において、加熱部８０を起動し、加熱部８０の発熱を開始する。続いてステップ（Ｓ２０）において、第一逆止弁６２と第二逆止弁６４との間の冷媒通路３４内の冷媒液が、加熱部８０から熱を受けて一部気化し、体積膨張する。このとき、第一逆止弁６２を経由して冷媒通路３３側へ冷媒が逆流することはできないので、気化した冷媒により冷媒通路３４内の冷媒液が押し上げる駆動力が生じる。これにより、第二逆止弁６４を通過して冷媒通路３４から冷媒通路３５へ向かう、冷媒の流れが発生する。
【００４２】
気化した冷媒蒸気が冷媒通路３４内を上昇しようとする流れを、冷媒通路３４から第二逆止弁６４を通って冷媒通路３５へ向かう流れに利用できるように、冷媒通路３４は、第一逆止弁６２から第二逆止弁６４へ向かうにつれて次第に位置が高くなるように配置されるのが望ましい。典型的には、図２に示すように、冷媒通路３４を垂直方向に延在させ、第一逆止弁６２を下側に、第二逆止弁６４を上側にするように、冷媒通路３４を配置するのが望ましい。
【００４３】
また加熱部８０は、冷媒通路３４の第一逆止弁６２により近接する位置を加熱するように配置されるのが望ましい。加熱部８０を第一逆止弁６２寄りに配置することで、気化した冷媒によって、より多くの量の冷媒液を冷媒通路３４から冷媒通路３５へ移送することが可能になる。冷媒通路３４内が液体状の冷媒で満たされる状態にしやすくするためには、第一逆止弁６２を気液分離器４０により近接させるのが望ましい。すなわち、冷媒通路３３の長さは小さいほど望ましく、たとえば冷媒通路３５よりも冷媒通路３３を短く形成してもよく、冷媒通路３４よりも冷媒通路３３を短く形成してもよく、または冷媒通路２２よりも冷媒通路３３を短く形成してもよい。
【００４４】
次にステップ（Ｓ３０）において、第二逆止弁６４を気体の状態の冷媒が通過したか否かを判断する。ステップ（Ｓ３０）でＮＯと判断され、第二逆止弁６４を気相冷媒が未だ通過していないと判断された場合には、そのまま冷媒通路３４内の冷媒の加熱および気化が続行される。ステップ（Ｓ３０）でＹＥＳと判断され、第二逆止弁６４を気相冷媒が通過したと判断された場合、冷媒通路３４内に液体の冷媒がほぼなくなったと判断され、ステップ（Ｓ４０）に進み、加熱部８０を停止し、加熱部８０の発熱を停止する。この際、乾き度が所定値以上となった場合、液体量が所定値以下となった場合または加熱部８０の供給熱量が所定値以上となった場合などに、冷媒通路３４内に液体の冷媒がほぼなくなったと判断してもよい。
【００４５】
加熱部８０の発熱を停止することにより、冷媒通路３４内の冷媒が加熱部８０から熱を受けなくなる。そのため、気化した冷媒は、周囲の液体により冷却され、再度凝縮して液体の状態に戻る。気化し膨張した冷媒を冷却すると、冷媒は体積収縮し、冷媒通路３４内の圧力が低下する。そのため、第一逆止弁６２を経由して、冷媒通路３３から冷媒通路３４へ液冷媒が流入し、冷媒通路３４内の冷媒液の量が増加する。続いてステップ（Ｓ６０）において、第一逆止弁６２と第二逆止弁６４との間の冷媒通路３４内に冷媒液が充満した満液状態となったか否かを判断する。
【００４６】
ステップ（Ｓ６０）においてＮＯと判断され、冷媒通路３４内が未だ満液状態でないと判断された場合には、そのまま冷媒通路３３から冷媒通路３４への冷媒液の吸引が続行される。ステップ（Ｓ６０）でＹＥＳと判断され、冷媒通路３４内が満液状態になったと判断された場合、制御フローはリターンされ、再びステップ（Ｓ１０）に戻り、加熱部８０の発熱が再開する。このサイクルを繰り返すことにより、冷媒通路３３から第一逆止弁６２を経由して冷媒通路３４へ流れ、さらに第二逆止弁６４を経由して冷媒通路３５へ流れる、冷媒の流れが形成される。
【００４７】
冷媒は、冷媒通路３５から冷却部３０の冷却器３２へ流れ、冷却部３０においてＥＶ機器から熱を吸収することで、ＥＶ機器を冷却する。ＥＶ機器との熱交換により、冷媒が加熱され、等圧のまま徐々に蒸発して、冷媒の乾き度が増大する。冷却部３０において冷媒はＥＶ機器の発熱を受けて気化し、膨張する。典型的には、冷却部３０において、全ての冷媒が乾き飽和蒸気になり、さらに過熱蒸気になるまで、冷媒が加熱される。気化して体積膨張した冷媒は、第二逆止弁６４側には戻れないため、冷却部３０から冷媒通路３６へ流出して、熱交換器１４側に液体および気体の状態の冷媒を押し出す。冷却部３０において冷媒が気化することにより、冷媒通路３６を通って冷却部３０から熱交換器１４へ向かう冷媒の流れが形成される。
【００４８】
熱交換器１４に流入した冷媒は、車両の走行風またはファンからの通風により、熱交換器１４のチューブ内を流通する際に周囲に放熱し冷却されることによって、凝縮（液化）する。熱交換器１４における外気との熱交換によって、冷媒の温度は低下し冷媒は液化する。熱交換器１４において凝縮された液相の冷媒は、冷媒通路２２を経由して気液分離器４０へ流れ、液相の冷媒が気液分離器４０内に貯留される。気液分離器４０から冷媒通路３３へ冷媒液が供給され、さらに図４に示すサイクルに従って第一逆止弁６２を通過して冷媒通路３４へ冷媒液が流れる。
【００４９】
なお、冷却部３０において冷却される発熱源は、連続的に運転される機器であってもよく、または起動停止を繰り返し断続的に運転される機器であってもよい。発熱源が断続的に運転される場合、冷却器３２内の冷媒液量、冷却器３２の表面温度、または冷却器３２内の圧力などを監視し、いずれかの値をパラメータとして使用することで発熱源のオンオフを適宜制御してもよい。冷却器３２内の冷媒の状態を外部から監視可能とするサイトグラスを設置してもよく、サイトグラスは冷却器３２の延在方向に沿って延在するのが望ましい。冷媒通路３５の一部が当該サイトグラスを構成してもよい。
【００５０】
以上説明した実施の形態１の冷却装置１は、熱交換器１４と冷却部３０との間に冷媒を循環させる環状の経路と、熱交換器１４から冷却部３０へ向かう経路に直列に配置された第一逆止弁６２および第二逆止弁６４と、第一逆止弁６２と第二逆止弁６４との間の冷媒通路３４内の冷媒を加熱する加熱部８０とを備える。この構成の冷却装置１では、図４に示すサイクルに従って加熱部８０を制御し、加熱部８０のオン−オフを繰り返すことにより、冷媒の体積膨張と収縮とが繰り返される。これにより、冷媒通路３４から冷媒通路３５への冷媒の移送、および、冷媒通路３３から冷媒通路３４への冷媒の移送が繰り返され、その結果、熱交換器１４から冷却部３０へ液状の冷媒が連続的に移送される。
【００５１】
そのため、冷媒が加熱される冷却部３０を熱交換器１４よりも上方に配置したトップヒート式の構成としても、冷媒の循環のために圧縮機や液体ポンプなどを必要とせず冷媒の循環流を形成できる。低動力で冷却部３０に新たな冷媒を供給し続けることができるので、冷却部３０における発熱源の冷却能力を永続することができる。したがって、冷却部３０内の冷媒が欠乏して冷却能力不足となることを回避でき、効率的に発熱源を冷却することができる。低動力での発熱源の冷却が可能になることにより、冷却装置１が車両に搭載される場合には、車両１０００の燃費を向上でき、車両１０００の運転条件をより向上することができる。
【００５２】
第一逆止弁６２と第二逆止弁６４との間の熱源を用いたポンプ作用により冷媒の循環流を引き起こすことができるので、圧縮機やポンプを設置する必要がなく、冷却装置１の装置コストを低減できるとともに小型化を達成できる。加えて、圧縮機やポンプなどの機器の作動不良による品質不具合を回避できるので、冷却装置１の信頼性を向上でき、さらに品質不具合対策に係る費用の低減が可能になる。
【００５３】
（実施の形態２）
［冷却装置１の構成］
図５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。図５に示す実施の形態２の冷却装置１は、図２に示す実施の形態１と同様の構成を備えている。しかし、実施の形態２の冷却装置１は、加熱部８０の構成において、実施の形態１の冷却装置１と異なっている。
【００５４】
具体的には、実施の形態２の冷却装置１は、冷却部３０の出口側から加熱部８０へ冷媒を供給するための気相冷媒供給路８２を備える。気相冷媒供給路８２は、冷却部３０の出口側の冷媒通路３６と、第一逆止弁６２と第二逆止弁６４との間の冷媒通路３４と、を連通する。気相冷媒供給路８２は、冷却部３０において加熱され気化した冷媒が流れる通路である。
【００５５】
実施の形態２の加熱部８０は、図５に示すように、配管系の一部の、気相冷媒供給路８２が冷媒通路３４に接続される部分を示す。つまり実施の形態２の加熱部８０は、実施の形態１と異なりそれ自身が発熱する機器ではなく、外部から冷媒通路３４に高温の冷媒を供給可能な構成を有する。冷却部３０で冷媒が発熱源から熱を受けることにより、冷媒は冷却部３０の出口において全てが気化しており、典型的には高温高圧の過熱蒸気の状態である。過熱された高温の気相冷媒は、気相冷媒供給路８２を経由して冷媒通路３４へ供給される。これにより、冷媒通路３４に冷媒蒸気が流入するとともに、冷媒通路３４内の冷媒液が加熱され、冷媒通路３４内の冷媒液を第二逆止弁６４を経由して冷媒通路３５へ移送する駆動力が発生する。
【００５６】
実施の形態２の冷却装置１はさらに、開閉弁８４を備える。開閉弁８４は、気相冷媒供給路８２に設けられた開閉可能な弁である。開閉弁８４は、その開閉を切り替えることにより、気相冷媒供給路８２を開閉する。開閉弁８４は、全開と全閉との切替が可能な仕様の弁であればよく、たとえば電磁弁であってもよい。開閉弁８４を開状態にすることで、冷却部３０出口と冷媒通路３４とが連通し、冷却部３０出口の高温の気相冷媒が気相冷媒供給路８２を通って冷媒通路３４へ流れる。開閉弁８４が閉状態にされると、気相冷媒供給路８２が閉じられ、冷却部３０出口と冷媒通路３４とが非連通になる。
【００５７】
［冷却装置１の動作］
図６は、実施の形態２の冷却装置１に冷媒を循環させる動作を示すフローチャートである。図５および図６を参照して、実施の形態２の冷却装置１の動作について説明する。
【００５８】
冷媒通路３４内に冷媒液が充満した状態で、ステップ（Ｓ１１０）において、開閉弁８４を開状態にし、気相冷媒供給路８２を介した冷却部３０出口の冷媒通路３６と冷媒通路３４とを連通する経路を形成する。続いてステップ（Ｓ１２０）において、気相冷媒供給路８２を経由して、第一逆止弁６２と第二逆止弁６４との間の冷媒通路３４に、冷却部３０で気化された冷媒蒸気を供給する。
【００５９】
冷媒通路３４へ供給される冷媒蒸気は、冷媒通路３４内に充満している冷媒液と比較して圧力が高い。そのため冷媒蒸気は、気相冷媒供給路８２から冷媒通路３４へ送り込まれ、冷媒通路３４内に充満していた冷媒液を第二逆止弁６４側へ押し込む。このとき、蒸気を移送せずに液体を移送する。第一逆止弁６２を経由して冷媒通路３３側へ冷媒が逆流することはできないので、気相冷媒供給路８２から冷媒通路３４へ供給された冷媒により、冷媒通路３４内の冷媒液を押し上げる駆動力が生じる。このようにして、冷媒通路３４から第二逆止弁６４を通過して冷媒通路３５へ向かう、冷媒の流れが発生する。
【００６０】
気相冷媒供給路８２は、冷媒通路３４の第一逆止弁６２により近接する位置に接続されるのが望ましい。気相冷媒供給路８２を第一逆止弁６２側に接続することで、加熱部８０が第一逆止弁６２寄りに配置されるので、冷媒通路３４に供給された冷媒蒸気によって、より多くの量の冷媒液を冷媒通路３４から冷媒通路３５へ移送することが可能になる。
【００６１】
次にステップ（Ｓ１３０）において、第二逆止弁６４を通過して冷媒液が流れているか否かを判断する。冷却部３０の出口側の冷媒の圧力が冷媒通路３４内の冷媒液の圧力よりも高い間は、冷媒の圧力差によって気相冷媒供給路８２から冷媒通路３４へ冷媒が移送され、第二逆止弁６４を通過して流れる冷媒の駆動力が発生する。ステップ（Ｓ１３０）でＹＥＳと判断され、第二逆止弁６４を冷媒液が流れていると判断された場合には、この冷媒の圧力差が存在し、これにより冷媒通路３４内の冷媒に駆動力が与えられている。そのため、開閉弁８４は開状態のままとされ、気相冷媒供給路８２から冷媒通路３４への冷媒の供給が続行される。温度および圧力が基準値を超えた場合に、開閉弁８４を閉状態としてもよい。
【００６２】
ステップ（Ｓ１３０）でＮＯと判断され、第二逆止弁６４を通過して冷媒液が流れなくなったと判断された場合、気相冷媒供給路８２内の冷媒の圧力と冷媒通路３４内の冷媒の圧力とが均等になり、冷媒通路３４に冷媒を押し込めなくなったため、冷媒通路３４内の冷媒に駆動力が与えられなくなったと判断される。気相冷媒供給路８２内の冷媒と冷媒通路３４内の冷媒とが平衡状態になると、ステップ（Ｓ１４０）に進み、開閉弁８４を閉状態にし、気相冷媒供給路８２が閉じられる。その結果、気相冷媒供給路８２は、冷却部３０出口の冷媒通路３６と冷媒通路３４とを連通しなくなる。
【００６３】
気相冷媒供給路８２を非連通の状態に切り替えることにより、気相冷媒供給路８２から冷媒通路３４への冷媒の流れが停止する。そのため、冷媒通路３４内に移送された冷媒蒸気は、周囲の液体により冷却され、凝縮して液体の状態に戻る。これにより冷媒は体積収縮し、冷媒通路３４内の圧力が低下する。そのため、第一逆止弁６２を経由して、冷媒通路３３から冷媒通路３４へ液冷媒が流入し、冷媒通路３４内の冷媒液の量が増加する。続いてステップ（Ｓ１６０）において、第一逆止弁６２を通過して冷媒液が流れているか否かを判断する。
【００６４】
ステップ（Ｓ１６０）においてＹＥＳと判断され、第一逆止弁６２を冷媒液が流れていると判断された場合には、そのまま冷媒通路３３から冷媒通路３４への冷媒液の吸引が続行される。ステップ（Ｓ１６０）でＮＯと判断され、第一逆止弁６２を通過して冷媒液が流れなくなったと判断された場合、冷媒通路３３内の冷媒と冷媒通路３４内の冷媒とが平衡状態になったと判断され、典型的には冷媒通路３４内が満液状態になったと判断される。温度および圧力により、平衡状態になっていることを判断してもよい。この場合、制御フローはリターンされ、再びステップ（Ｓ１１０）に戻り、開閉弁８４を開状態にして冷媒通路３４への高温の冷媒の供給が再開する。このサイクルを繰り返すことにより、冷媒通路３３から第一逆止弁６２を経由して冷媒通路３４へ流れ、さらに第二逆止弁６４を経由して冷媒通路３５へ流れる、冷媒の流れが形成される。
【００６５】
以上説明した実施の形態２の冷却装置１では、図６に示すサイクルに従って開閉弁８４の開閉を繰り返すことにより、熱交換器１４から冷却部３０へ液状の冷媒を連続的に移送することが可能になる。そのため、実施の形態１と同様に、冷媒が加熱される冷却部３０を熱交換器１４よりも上方に配置したトップヒート式の構成としても、冷媒の循環のために液体ポンプなどを必要とせず冷媒の循環流を形成できる。低動力で冷却部３０に新たな冷媒を供給し続けることができるので、冷却部３０における発熱源の冷却能力を永続することができる。したがって、冷却部３０内の冷媒が欠乏して冷却能力不足となることを回避でき、効率的に発熱源を冷却することができる。
【００６６】
冷却部３０で加熱された冷媒を冷媒通路３４に供給し、供給された冷媒の圧力によって冷媒を移送する駆動力を発生させる。冷媒自身の持つエネルギーを利用して、冷媒通路３４から第二逆止弁６４を通過して冷媒通路３５へ冷媒液を移送することができる。加熱部８０自体が発熱せず、加熱部８０を作動するための動力は開閉弁８４の開閉を切り替えるための動力のみとなる。加熱部８０におけるエネルギー消費を抑制できるので、より低動力で冷媒通路３４から冷媒通路３５へ冷媒を移送することができる。したがって、より省動力化した冷却装置１を提供することができる。
【００６７】
（実施の形態３）
［実施の形態３の装置構成］
図７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では、実施の形態１で説明した構成の冷却装置１が、冷房運転を行なうための空調装置用の蒸気圧縮式冷凍サイクル１０内に組み入れられ、図２に示す熱交換器１４が、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０に含まれる熱交換器のいずれかとして用いられる。図７に示す例では、熱交換器１４は、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の凝縮器として機能する。
【００６８】
図７に示すように、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１０００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。
【００６９】
蒸気圧縮式冷凍サイクル１０は、圧縮機１２と、第一熱交換器としての熱交換器１４と、第二熱交換器としての熱交換器１５と、減圧器の一例としての膨張弁１６と、第三熱交換器としての熱交換器１８と、を含む。気液分離器４０は、熱交換器１４と熱交換器１５との間の冷媒の経路上に配置されている。
【００７０】
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、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の作動時に熱交換器１８から流通する冷媒を吸入圧縮して、冷媒通路２１に高温高圧の気相冷媒を吐出し、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０に冷媒を循環させる。
【００７１】
熱交換器１４，１５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熱交換器１４，１５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。熱交換器１４，１５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。冷媒は、熱交換器１４，１５における冷却風との熱交換により冷却され、冷媒の温度は低下し冷媒は凝縮（液化）する。コンデンサファン４２は、モータ４４からの駆動力を受けて回転し、熱交換器に冷却風を供給する。
【００７２】
膨張弁１６は、冷媒通路２５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、熱交換器１４，１５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。膨張弁１６は、温度式膨張弁であってもよく、電気式の膨張弁であってもよい。なお、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。
【００７３】
熱交換器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熱交換器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、膨張弁１６によって減圧された湿り蒸気状態の冷媒が流通する。熱交換器１８は、チューブ内を流通する霧状冷媒が蒸発（気化）して冷媒ガスとなる際の気化熱を、熱交換器１８に接触するように導入された周囲の空調用空気から吸収する。冷媒は、フィンを経由して空調用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低圧高温ガスとなり、さらに顕熱を吸収して過熱蒸気になる。気化した冷媒は、冷媒通路２７を経由して圧縮機１２へ戻る。圧縮機１２は、熱交換器１８から流通する冷媒を圧縮する。
【００７４】
熱交換器１８において冷媒に吸熱され温度が低下した空調用空気が車室内に供給されることによって、車両の室内の冷房が行なわれる。熱交換器１８を経由して蒸気圧縮式冷凍サイクル１０を循環する冷媒と、空調用空気と、の熱交換によって、空調用空気の温度が調節される。
【００７５】
蒸気圧縮式冷凍サイクル１０はまた、冷媒通路２１〜２７を含む。冷媒通路２１は、圧縮機１２と熱交換器１４とを連通し、圧縮機１２の出口から熱交換器１４の入口へ冷媒を流通させるための通路である。冷媒通路２２〜２５は、熱交換器１４と膨張弁１６とを連通し、熱交換器１４の出口から膨張弁１６の入口へ冷媒を流通させるための通路である。冷媒通路２６は、膨張弁１６と熱交換器１８とを連通し、膨張弁１６の出口から熱交換器１８の入口へ冷媒を流通させるための通路である。冷媒通路２７は、熱交換器１８と圧縮機１２とを連通し、熱交換器１８の出口から圧縮機１２の入口へ冷媒を流通させるための通路である。
【００７６】
蒸気圧縮式冷凍サイクル１０は、圧縮機１２、熱交換器１４，１５、膨張弁１６および熱交換器１８が、冷媒通路２１〜２７によって連結されて構成される。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、フロン類または水などを用いることができる。
【００７７】
気液分離器４０には、冷媒通路２２，２３と、冷媒通路３３とが連結されている。熱交換器１４で凝縮された冷媒は、熱交換器１４の出口側において、飽和液と飽和蒸気とが混合した気液二相状態の湿り蒸気の状態にある。熱交換器１４から流出した冷媒は、冷媒通路２２を通って気液分離器４０へ供給される。気液分離された冷媒液は、冷媒通路３３を経由して、気液分離器４０の外部へ流出する。気液分離された冷媒蒸気は、冷媒通路２３を経由して、気液分離器４０の外部へ流出する。冷媒通路２３の端部は、気液分離器４０内に気相の冷媒が溜められる冷媒蒸気貯留部に接続されており、気相冷媒の気液分離器４０からの流出口を形成する。冷媒通路２３は、気相冷媒が気液分離器４０から流出し熱交換器１５へ向かう経路の一部を形成する。
【００７８】
気液分離器４０から冷媒蒸気を導出する冷媒通路２３の端部は、気液分離器４０の天井部に連結されている。気液分離器４０から冷媒液を導出する冷媒通路３３の端部は、気液分離器４０の底部に連結されている。冷媒通路２３を経由して気液分離器４０の天井側から冷媒蒸気のみが気液分離器４０の外部へ送り出され、冷媒通路３３を経由して気液分離器４０の底側から冷媒液のみが気液分離器４０の外部へ送り出される。これにより、気液分離器４０は、気相冷媒と液相冷媒との分離を確実に行なうことができる。
【００７９】
冷却装置１は、熱交換器１４，１５の間に、並列に接続された二つの冷媒の経路を備える。熱交換器１４と熱交換器１５との間を流通する冷媒の経路は、熱交換器１４の出口側から気液分離器４０へ至る冷媒通路２２と、気液分離器４０から冷媒蒸気を流出させ後述する流量調整弁２８を経由する冷媒通路２３と、熱交換器１５の入口側へ連結される冷媒通路２４と、を含む。気液分離器４０から導出された気相冷媒は、熱交換器１５において周囲に放熱し冷却されることによって、凝縮する。
【００８０】
熱交換器１４と熱交換器１５との間を流通する冷媒の経路はまた、気液分離器４０と冷却部３０とを連通する冷媒通路３３〜３５と、冷却部３０と、冷却部３０と冷媒通路２４とを連通する冷媒通路３６と、を含む。冷媒通路３３〜３５を経由して、気液分離器４０から冷却部３０へ冷媒液が流れる。冷却部３０を通過した冷媒は、冷媒通路３６を経由して、冷媒通路２４へ戻る。冷却部３０は、熱交換器１４から熱交換器１５へ向けて流れる冷媒の経路上に設けられている。冷却部３０は、ＥＶ機器３１と冷却器３２とを含む。冷却器３２の入口側は冷媒通路３５に接続され、冷却器３２の出口側は冷媒通路３６に接続される。
【００８１】
冷媒通路２３は、気液分離器４０と熱交換器１５との間に並列に接続された冷媒の経路のうちの、冷却部３０を経由しない方の一方の経路を構成する。気液分離器４０と冷却部３０とを連通する冷媒通路３３〜３５と、冷却部３０に含まれる冷却器３２と、冷却部３０の出口側と冷媒通路２４とを連通する冷媒通路３６とは、気液分離器４０と熱交換器１５との間に並列に接続された冷媒の経路のうちの他方を構成する。
【００８２】
冷媒通路３３〜３５は、冷却部３０よりも上流側（気液分離器４０に近接する側）の冷媒の経路であり、液相の冷媒が気液分離器４０から冷却部３０に流れるための通路である。冷媒通路３６は、冷却部３０よりも下流側（熱交換器１５に近接する側）の冷媒の経路であり、冷却部３０から冷媒通路２４に冷媒を戻すための通路である。
【００８３】
気液分離器４０から流出した冷媒液は、冷媒通路３３、第一逆止弁６２、冷媒通路３４、第二逆止弁６４および冷媒通路３５を順に経由して、冷却部３０へ向かって流通する。冷却部３０へ流通し、冷却器３２を経由して流れる冷媒は、ＥＶ機器と冷媒との温度差に応じて、ＥＶ機器３１から熱を奪って、ＥＶ機器３１を冷却する。冷却部３０において、冷却器３２内を流通する冷媒と、ＥＶ機器３１と、が熱交換することにより、ＥＶ機器３１は冷却され、冷媒は加熱される。
【００８４】
冷媒通路３４に隣接して、加熱部８０が配置されている。加熱部８０は、たとえば電気ヒータまたは誘導加熱装置などの、加熱部８０自体が発熱する機器である。加熱部８０は、冷媒通路３４内の冷媒に熱を加え、冷媒通路３４内の冷媒液を蒸発させる。なお、圧縮機１２の運転中には、加熱部８０はその運転を停止しており、加熱部８０から冷媒通路３４内の冷媒への伝熱は発生しない。
【００８５】
冷媒通路２３には、流量調整弁２８が設けられている。流量調整弁２８は、その弁開度を変動させ、冷媒通路２３を流れる冷媒の圧力損失を増減させる。これにより、流量調整弁２８は、冷却部３０を経由することなく冷媒通路２３を介して気液分離器４０から熱交換器１５へ直接流れる冷媒の流量と、冷却器３２を含むＥＶ機器３１の冷却系を流れる冷媒の流量と、を任意に調節する。流量調整弁２８は、開度調整が可能な仕様の弁であり、たとえば電動弁であってもよい。
【００８６】
流量調整弁２８の弁開度を大きくすれば、気液分離器４０から流出する冷媒のうち、冷媒通路２３を経由して熱交換器１５へ直接流れる流量が大きくなり、冷媒通路３４を経由して冷却部３０へ流れＥＶ機器３１を冷却する冷媒の流量が小さくなる。そのためＥＶ機器３１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れば、気液分離器４０から流出する冷媒のうち、冷媒通路２３を経由して熱交換器１５へ直接流れる流量が小さくなり、冷媒通路３４を経由して冷却部３０へ流れＥＶ機器３１を冷却する冷媒の流量が大きくなる。そのためＥＶ機器３１の冷却能力が向上する。
【００８７】
流量調整弁２８を使用して、ＥＶ機器３１に流れる冷媒の量を増減し、ＥＶ機器３１の冷却能力を最適に調節できるので、ＥＶ機器３１の過熱および過冷却を確実に防止することができる。加えて、ＥＶ機器３１の冷却系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。
【００８８】
［蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の動作］
冷媒は、圧縮機１２と熱交換器１４，１５と膨張弁１６と熱交換器１８とが冷媒通路２１〜２７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。冷媒はまた、熱交換器１４の出口の冷媒通路２２から気液分離器４０を経由して冷媒通路３３〜３５へ流れ、冷却部３０へ流入してＥＶ機器３１を冷却し、冷却部３０から冷媒通路３６を経由して熱交換器１５の入口側の冷媒通路２４へ戻る。圧縮機１２の起動中の、圧縮機１２から吐出された冷媒が熱交換器１４を介して冷却部３０へ流れるときの経路、すなわち冷媒通路２１，２２、冷媒通路３３〜３６および冷媒通路２４〜２７は、第一通路を形成する。
【００８９】
冷媒が第一通路を経由して流れ発熱源を冷却するときの、冷媒の状態について説明する。圧縮機１２に吸入された冷媒は、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、冷媒は、圧縮機１２の出口において高温高圧の過熱度の大きい過熱蒸気になる。
【００９０】
圧縮機１２において断熱圧縮された冷媒は、熱交換器１４へと流れ、熱交換器１４において冷却される。圧縮機１２から吐出された高圧の気相冷媒は、熱交換器１４における外気との熱交換によって周囲に放熱し冷却される。熱交換器１４へ入った高圧の冷媒蒸気は、熱交換器１４において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、飽和液と飽和蒸気とが混合した気液混合状態の湿り蒸気になる。
【００９１】
熱交換器１４で完全に液化しない程度まで冷やされた気液二相状態の冷媒は、気液分離器４０において、飽和蒸気状態の冷媒蒸気と飽和液状態の冷媒液とに気液分離される。気液分離された冷媒のうち、液相の冷媒液が、気液分離器４０から流出し、冷媒通路３３〜３５を経由して冷却部３０の冷却器３２へ流れ、ＥＶ機器３１を冷却する。冷却部３０において、飽和液状態の液冷媒に熱を放出することで、ＥＶ機器３１が冷却される。ＥＶ機器３１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、ＥＶ機器３１から潜熱を受け取って一部気化することにより、冷却部３０の出口において、飽和液と飽和蒸気とが混合した気液二相状態の湿り蒸気となる。
【００９２】
冷却部３０から流出した冷媒は、冷媒通路３６，２４を経由して、熱交換器１５に流入する。冷媒の湿り蒸気は、熱交換器１５において周囲に放熱し外気と熱交換して冷却されることにより再度凝縮され、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。冷媒は、熱交換器１５において、飽和温度以下にまで冷却される。熱交換器１５で冷媒を過冷却液にするのは、その後の膨張弁１６での減圧量、冷媒流量および冷房能力の制御を容易にするためである。
【００９３】
熱交換器１５で過冷却液まで冷却された冷媒は、冷媒通路２５を経由して膨張弁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。
【００９４】
膨張弁１６から出た湿り蒸気状態の冷媒は、冷媒通路２６を経由して熱交換器１８へ流入する。熱交換器１８のチューブ内には、湿り蒸気状態の冷媒が流入する。熱交換器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、熱交換器１８に接触するように導入された空調用空気の熱を吸収する。冷媒は、熱交換器１８の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、等圧のまま蒸発する。全ての冷媒が乾き飽和蒸気になると、さらに顕熱を吸収して冷媒蒸気は温度上昇し、過熱蒸気となる。
【００９５】
熱交換器１８は、膨張弁１６によって減圧された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、車両の室内へ流通する空調用空気から吸収して、車両の室内の冷房を行なう。熱が熱交換器１８に吸収されることによって冷却され温度が低下した空調用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。その後冷媒は、冷媒通路２７を経由して圧縮機１２に吸入される。圧縮機１２は、熱交換器１８から流通する冷媒を圧縮する。
【００９６】
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。
【００９７】
蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の運転中に、冷媒は、空調用空気を冷却して車室内の冷房を行なうとともに、冷却部３０へ流通しＥＶ機器３１と熱交換することでＥＶ機器３１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ＥＶ機器３１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。
【００９８】
ＥＶ機器３１の冷却のために、専用の水循環ポンプまたは冷却ファンなどの機器を設ける必要はない。そのため、ＥＶ機器３１の冷却装置１のために必要な構成を低減でき、装置構成を単純にできるので、冷却装置１の製造コストを低減することができる。加えて、ＥＶ機器３１の冷却のためにポンプや冷却ファンなどの動力源を運転する必要がなく、消費動力を低減できるので、低動力でＥＶ機器３１を冷却することができる。
【００９９】
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、第一の凝縮器としての熱交換器１４と、第二の凝縮器としての熱交換器１５と、の両方によって凝縮される。ＥＶ機器３１を冷却する冷却部３０は、熱交換器１４と熱交換器１５との間に設けられている。
【０１００】
熱交換器１４では、湿り蒸気の状態にまで冷媒が冷却され、気液混合状態の冷媒は気液分離器４０により分離され、飽和液状態の冷媒液のみが冷却部３０へ供給される。ＥＶ機器３１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、熱交換器１５で再度冷却される。熱交換器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、液相冷媒を過冷却する。ＥＶ機器３１から蒸発潜熱を受けて加熱された冷媒を熱交換器１５において十分に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。
【０１０１】
そのため、熱交換器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ので、熱交換器１８を通過する空調用空気を十分に冷却できる。このように、冷媒を十分に冷却できる熱交換器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、ＥＶ機器３１を冷却することができる。したがって、ＥＶ機器３１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。かつ、冷媒の過冷却度を過度に大きくする必要がないので、熱交換器１４，１５の容量およびサイズを低減することができる。
【０１０２】
気液分離器４０から熱交換器１５へ向かう冷媒が流通する経路として、冷却部３０を通過しない経路である冷媒通路２３と、冷却部３０を経由してＥＶ機器３１を冷却する冷媒の経路である冷媒通路３３〜３６および冷却器３２と、が並列に設けられる。そのため、熱交換器１４から流出した冷媒の一部のみが、冷却部３０へ流れる。冷媒通路２３に設けられた流量調整弁２８の開度調整によって、気液分離器４０から冷媒通路２３へ流れる冷媒と、冷却部３０を流れる冷媒と、の流量が適切に調整される。この流量調整により、ＥＶ機器３１の冷却のために必要な量の冷媒が冷却部３０へ流れ、ＥＶ機器３１は適切に冷却される。
【０１０３】
冷媒通路３３〜３６を含むＥＶ機器３１の冷却系に冷媒の一部のみを流通させることで、全ての冷媒が冷却部３０に流れないので、ＥＶ機器３１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。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。
【０１０４】
［ヒートパイプ運転モード］
冷却装置１はさらに、連通路５１を備える。連通路５１は、冷媒通路２１と、冷却部３０に冷媒を流通させる冷媒通路３３〜３６のうち冷却部３０に対し下流側の冷媒通路３６と、を連通する。冷媒通路３６は、連通路５１との分岐よりも上流側の冷媒通路３６ａと、連通路５１との分岐よりも下流側の冷媒通路３６ｂと、に二分割される。
【０１０５】
冷媒通路３６には、連通路５１と冷媒通路２１，３６との連通状態を切り替える切替弁５２が設けられている。切替弁５２は、その開閉を切り替えることにより、連通路５１を経由する冷媒の流通を可能または不可能にする。切替弁５２を使用して冷却部３０から流出する冷媒の経路を切り替えることにより、ＥＶ機器３１を冷却した後の冷媒を、冷媒通路３６ｂ，２４を経由させて熱交換器１５へ、または、連通路５１および冷媒通路２１を経由して熱交換器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。
【０１０６】
より具体的には、切替弁５２として、冷媒通路３６ｂの連通と遮断とを切り替える開閉弁が、冷媒通路３６ｂに設けられている。切替弁５２の開閉を切り替えることにより、冷媒通路３６ｂを含む第一通路の連通状態が切り替えられる。切替弁５２は、全開と全閉との切替が可能な仕様の弁であればよく、たとえば電磁弁であってもよい。
【０１０７】
冷房運転中には、切替弁５２を全開（弁開度１００％）とし、流量調整弁２８の弁開度を調整することにより冷却部３０で必要な冷却能力を得られるように冷媒流量を調整する。これにより、ＥＶ機器３１を冷却した後の冷媒通路３６ａを流通する冷媒を、冷媒通路３６ｂを経由させて、確実に熱交換器１５へ流通させることができる。
【０１０８】
一方、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の停止中には、切替弁５２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、ＥＶ機器３１を冷却した後の冷媒通路３６ａを流通する冷媒を、連通路５１を経由させて熱交換器１４へ流通させ、圧縮機１２を経由せずに冷却部３０と熱交換器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。
【０１０９】
連通路５１には、逆止弁５８が設けられている。逆止弁５８は、連通路５１を経由して冷媒通路３６から冷媒通路２１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。逆止弁５８を設けることにより、圧縮機１２の運転中に、冷媒通路２１から連通路５１を経由して冷媒通路３６へ流れる冷媒の流れが禁止される。かつ、圧縮機１２の運転中において、冷媒通路２１を流れる冷媒は、冷媒通路３６を流れる冷媒よりも高圧であるので、連通路５１を経由して冷媒通路３６から冷媒通路２１へ向かう冷媒の流れも発生しない。
【０１１０】
そのため、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の運転中には、圧縮機１２で断熱圧縮された冷媒の全部を熱交換器１４へ流すことができ、かつ、ＥＶ機器３１を冷却した後の冷媒を確実に熱交換器１５へ流通させることができる。加えて、圧縮機１２の停止時に切替弁５２の開閉を切り換えて切替弁５２を全閉にすれば、冷却部３０の出口から逆止弁５８を通って冷媒通路２１へつながる経路が形成され、連通路５１を経由して冷却部３０と熱交換器１４との間に冷媒を循環させる冷媒の経路を形成することができる。
【０１１１】
冷却装置１はさらに、逆止弁５４を備える。逆止弁５４は、圧縮機１２と熱交換器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５４は、圧縮機１２から熱交換器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、詳細を後述する図９に示すヒートパイプ運転モードのとき、熱交換器１４と冷却部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。
【０１１２】
逆止弁５４がない場合、冷媒が連通路５１から圧縮機１２側の冷媒通路２１へ流れる虞がある。逆止弁５４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ＥＶ機器３１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、ＥＶ機器３１を効率よく冷却することができる。
【０１１３】
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５４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ＥＶ機器３１の冷却が不十分となることを回避することができる。
【０１１４】
図８は、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の運転中の、ＥＶ機器３１を冷却する冷媒の流れを示す模式図である。図９は、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の停止中の、ＥＶ機器３１を冷却する冷媒の流れを示す模式図である。図８に示す蒸気圧縮式冷凍サイクル１０を運転させる場合、すなわち圧縮機１２を運転させて蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の全体に冷媒を流通させる運転モードを、「エアコン運転モード」と称する。一方、図９に示す蒸気圧縮式冷凍サイクル１０を停止させる場合、すなわち、圧縮機１２を停止させ、冷却部３０と熱交換器１４とを結ぶ環状の経路を経由させて冷媒を循環させる運転モードを、「ヒートパイプ運転モード」と称する。
【０１１５】
図８に示すように、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「エアコン運転モード」のときには、流量調整弁２８は、冷却部３０に十分な冷媒が流れるように、弁開度を調整される。切替弁５２は、冷媒を冷却部３０から熱交換器１５を経由して膨張弁１６へ流通させるように操作される。すなわち、切替弁５２を全開にすることで、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、ＥＶ機器３１を効率よく冷却することができる。
【０１１６】
図９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「ヒートパイプ運転モード」のときには、冷媒を冷却部３０から熱交換器１４へ循環させるように切替弁５２を操作する。すなわち、切替弁５２を全閉にする。さらに流量調整弁２８を全閉にすることで、冷媒は冷媒通路３６ａから冷媒通路３６ｂへは流れず連通路５１を経由して流通する。これにより、熱交換器１４から、冷媒通路２２と気液分離器４０と冷媒通路３４とを順に経由して冷却部３０へ至り、さらに冷媒通路３６ａ、連通路５１、冷媒通路２１を順に経由して熱交換器１４へ戻る、閉じられた環状の経路が形成される。このときの冷媒が流れる経路、すなわち冷媒通路２１、冷媒通路２２、冷媒通路３３〜３５、冷媒通路３６ａおよび連通路５１は、第二通路を形成する。
【０１１７】
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、熱交換器１４と冷却部３０との間に冷媒を循環させることができる。冷媒は、ＥＶ機器３１を冷却するとき、ＥＶ機器３１から蒸発潜熱を受けて蒸発する。ＥＶ機器３１との熱交換により気化された冷媒蒸気は、冷媒通路３６ａ、連通路５１および冷媒通路２１を順に経由して、熱交換器１４へ流れる。熱交換器１４において、車両の走行風、または、コンデンサファン４２などの冷却ファンからの通風により、冷媒蒸気は冷却されて凝縮する。熱交換器１４で液化した冷媒液は、冷媒通路２２，３３〜３５を経由して、冷却部３０へ戻る。
【０１１８】
このように、冷却部３０と熱交換器１４とを経由する環状の経路によって、ＥＶ機器３１を加熱部とし熱交換器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、ＥＶ機器３１を確実に冷却することができる。ＥＶ機器３１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。
【０１１９】
電気自動車の乗員は、車内前方の計器盤に設けられた空調用のコントロールパネルを操作することによって、車室内の冷房をＯＮからＯＦＦへ切り替える。この操作に伴い、ＥＶ機器３１を冷却するための冷却装置１の運転モードが、第一通路が連通し第二通路が遮断された状態のエアコン運転モードから、第一通路が遮断され第二通路が連通した状態のヒートパイプ運転モードへ、切り替えられる。
【０１２０】
つまり、圧縮機１２が停止されるとともに、切替弁５２が全閉とされ、流量調整弁２８が全閉とされる。これにより、圧縮機１２から吐出された冷媒を冷却部３０へ流してＥＶ機器３１を冷却するための第一通路が遮断されるとともに、熱交換器１４と冷却部３０との間に冷媒を循環させるための第二通路が連通され、第一通路の連通と第二通路の連通とが切り替えられる。このようにして、圧縮機１２が停止した状態においても、冷媒が第二通路を循環して冷却部３０においてＥＶ機器３１を冷却することにより、冷却装置１によるＥＶ機器３１の冷却能力が維持される。
【０１２１】
熱交換器１４を凝縮器、冷却部３０を蒸発器とするループ式のヒートパイプが作動することによって、ＥＶ機器３１は確実に冷却される。そのため、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ＥＶ機器３１を適切に冷却できる冷却装置１を、簡単な構成で実現することができる。ＥＶ機器３１の冷却のために圧縮機１２の動力を常時必要とせず、圧縮機１２の消費動力を低減できる。したがって、低動力でＥＶ機器３１を冷却できるので、一層の省電費化および快適性向上を達成することができる。
【０１２２】
実施の形態３の冷却装置１では、図９に示す環状の冷媒経路において、熱交換器１４で凝縮した冷媒液を蓄える気液分離器４０から冷却部３０へ至る冷媒の経路に、実施の形態１で説明した第一逆止弁６２、第二逆止弁６４および加熱部８０を設ける。圧縮機１２の停止時に、図４に示すサイクルに従って、加熱部８０のオンとオフとが繰り返される。これにより、冷媒が加熱される冷却部３０を熱交換器１４よりも上方に配置したトップヒート式の構成としても、熱交換器１４から冷却部３０へ液状の冷媒を移送することが可能になる。冷媒の循環のために液体ポンプなどを必要としないので、省動力で冷媒を循環させることができる。したがって、冷却装置１を搭載する車両１０００の燃費を向上することができる。
【０１２３】
実施の形態３では、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０内に実施の形態１の冷却装置１を配置する例について説明したが、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０内に実施の形態２の冷却装置１を配置してもよいことは勿論である。
【０１２４】
なお、これまでの実施の形態においては、ＥＶ機器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。
【０１２５】
また、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。
【０１２６】
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、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。
【産業上の利用可能性】
【０１２７】
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。
【符号の説明】
【０１２８】
１  冷却装置、１０  蒸気圧縮式冷凍サイクル、１２  圧縮機、１４  熱交換器、２２，３３〜３６  冷媒通路、３０  冷却部、４０  気液分離器、６２  第一逆止弁、６４  第二逆止弁、８０  加熱部、８２  気相冷媒供給路、８４  開閉弁。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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