(57)【要約】【課題】冷媒温度上昇時にも発熱源の冷却能力を確保できる冷却装置を提供する。【解決手段】発熱源を冷却する冷却装置１は、冷媒を循環させるための圧縮機１２と、冷媒と外気との間で熱交換し冷媒を凝縮する、直列に接続された熱交換器１４および熱交換器１５と、冷媒を減圧する膨張弁１６と、冷媒と空調用空気との間で熱交換し冷媒を蒸発する熱交換器１８とを備える。冷却装置１はまた、熱交換器１４の出口と熱交換器１５の入口との間において並列に接続された二つの冷媒の経路のうちの一方に設けられ、冷媒を用いて発熱源を冷却する冷却部３０を備える。冷却装置１はさらに、熱交換器１４の出口と冷却部３０の入口との間の冷媒の経路に設けられ、冷媒の圧力を調整する圧力調整弁６０と、冷却部３０の出口と熱交換器１８の入口とを連通するバイパス通路５１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】
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、
前記冷媒と外気との間で熱交換し前記冷媒を凝縮する、直列に接続された第一熱交換器および第二熱交換器と、
前記冷媒を減圧する減圧器と、
前記冷媒と空調用空気との間で熱交換し前記冷媒を蒸発する第三熱交換器と、
前記第一熱交換器の出口と前記第二熱交換器の入口との間において並列に接続された二つの前記冷媒の経路のうちの一方に設けられ、前記冷媒を用いて前記発熱源を冷却する冷却部と、
前記第一熱交換器の出口と前記冷却部の入口との間の前記冷媒の経路に設けられ、前記冷媒の圧力を調整する圧力調整弁と、
前記冷却部の出口と前記第三熱交換器の入口とを連通するバイパス通路と、を備える、冷却装置。
【請求項２】
前記圧力調整弁は、前記冷媒の経路を開閉する第一弁体と、前記第一弁体を前記冷媒の流れの上流側に付勢する第一付勢部材とを備え、
前記第一弁体には、前記第一弁体を厚み方向に貫通する貫通孔が形成されており、
前記圧力調整弁はさらに、前記貫通孔を開閉する第二弁体と、前記第二弁体を前記冷媒の流れの上流側に付勢する第二付勢部材とを備える、請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
前記圧力調整弁は、前記冷却部の出口の前記冷媒の圧力に従って開度を調整する、請求項１に記載の冷却装置。
【請求項４】
前記バイパス通路に設けられ、前記バイパス通路を流れる前記冷媒を減圧する膨張弁を備える、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】
前記バイパス通路に設けられ、前記バイパス通路を開閉する開閉弁を備える、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６】
請求項１から請求項５のいずれかに記載の冷却装置の制御方法であって、
前記第一熱交換器の出口での前記冷媒の圧力が所定値以上か判断する工程と、
前記判断する工程で前記冷媒の圧力が所定値以上と判断された場合に、前記圧力調整弁で前記冷媒を減圧する工程と、を備える、冷却装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却装置およびその制御方法に関し、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と、その冷却装置の制御方法とに関する。
【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）、特開２００１−３０９５０６号公報（特許文献３）参照）。
【０００３】
一方、蒸気圧縮式冷凍サイクル内に複数の冷媒の経路を設け、運転条件の変動に伴って冷媒が流れる経路を切り替える技術が種々提案されている（たとえば特開平６−２５５３５１号公報（特許文献４）、特開２０００−２８０７３２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２００１−３０９５０６号公報
【特許文献４】特開平６−２５５３５１号公報
【特許文献５】特開２０００−２８０７３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
空調装置として使用される蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒を用いて発熱源を冷却するシステムでは、酷暑時などに圧縮機出口における冷媒圧力が上昇し、冷媒温度が目標温度を超え、その結果、発熱源の冷却能力が低下する問題がある。そのため、高温環境下で冷媒の温度が上昇した場合にも発熱源の冷却能力を確保することが、実用面での大きな課題となっている。
【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、酷暑時の冷媒温度上昇時にも発熱源の冷却能力を確保できる、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、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、冷媒と外気との間で熱交換し冷媒を凝縮する、直列に接続された第一熱交換器および第二熱交換器と、冷媒を減圧する減圧器と、冷媒と空調用空気との間で熱交換し冷媒を蒸発する第三熱交換器とを備える。冷却装置はまた、第一熱交換器の出口と第二熱交換器の入口との間において並列に接続された二つの冷媒の経路のうちの一方に設けられ、冷媒を用いて発熱源を冷却する冷却部を備える。冷却装置はさらに、第一熱交換器の出口と冷却部の入口との間の冷媒の経路に設けられ、冷媒の圧力を調整する圧力調整弁と、冷却部の出口と第三熱交換器の入口とを連通するバイパス通路と、を備える。
【０００８】
上記冷却装置において好ましくは、圧力調整弁は、冷媒の経路を開閉する第一弁体と、第一弁体を冷媒の流れの上流側に付勢する第一付勢部材とを備える。第一弁体には、第一弁体を厚み方向に貫通する貫通孔が形成されている。圧力調整弁はさらに、貫通孔を開閉する第二弁体と、第二弁体を冷媒の流れの上流側に付勢する第二付勢部材とを備える。
【０００９】
上記冷却装置において好ましくは、圧力調整弁は、冷却部の出口の冷媒の圧力に従って開度を調整する。
【００１０】
上記冷却装置において好ましくは、バイパス通路に設けられ、バイパス通路を流れる冷媒を減圧する膨張弁を備える。
【００１１】
上記冷却装置において好ましくは、バイパス通路に設けられ、バイパス通路を開閉する開閉弁を備える。
【００１２】
本発明に係る冷却装置は、上記のいずれかの局面の冷却装置の制御方法であって、第一熱交換器の出口での冷媒の圧力が所定値以上か判断する工程と、判断する工程で冷媒の圧力が所定値以上と判断された場合に、圧力調整弁で冷媒を減圧する工程と、を備える。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の冷却装置によると、酷暑時の冷媒温度上昇時にも発熱源の冷却能力を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【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】本実施の形態の冷却装置の構成を示す模式図である。
【図３】圧力調整弁の構造の詳細を示す模式図である。
【図４】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。
【図５】圧力調整弁の動作を示す第一の図である。
【図６】圧力調整弁の動作を示す第二の図である。
【図７】冷媒圧力上昇時の冷媒の状態を示すモリエル線図である。
【図８】実施の形態２の冷却装置の構成を示す模式図である。
【図９】実施の形態２の冷媒圧力上昇時の冷媒の状態を示すモリエル線図である。
【図１０】冷却装置の制御方法の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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。
【００１６】
（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。
【００１７】
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。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。
【００１８】
［冷却装置１の構成］
図２は、本実施の形態の冷却装置１の構成を示す模式図である。図２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。
【００１９】
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。蒸気圧縮式冷凍サイクル１０はまた、熱交換器１４の出口側に設けられた気液分離器４０を含む。
【００２０】
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。
【００２１】
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、冷媒と外気の間で熱交換を行ない、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から吐出された高圧の気相冷媒は、熱交換器１４，１５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。
【００２２】
冷却風は、車両の走行によって発生する自然の通風によって熱交換器１４，１５に供給されてもよい。または冷却風は、コンデンサファンもしくはエンジン冷却用のラジエータファンなどの、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る外気供給用ファンからの強制通風によって、熱交換器１４，１５に供給されてもよい。熱交換器１４，１５における熱交換によって、冷媒の温度は低下し冷媒は凝縮（液化）する。
【００２３】
膨張弁１６は、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、熱交換器１８出口の冷媒温度に従って開度を変化する温度式膨張弁として例示されるが、この構成に限られず、電気式の膨張弁であってもよい。また、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。
【００２４】
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、湿り蒸気状態の冷媒が流通する。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周囲の空気の熱を吸収する。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。
【００２５】
熱交換器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、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両の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。冷媒は、チューブ内を流通する際に、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、さらに顕熱によって過熱蒸気になる。気化した冷媒は圧縮機１２へ戻り、圧縮機１２は熱交換器１８から流通する冷媒を圧縮する。
【００２６】
蒸気圧縮式冷凍サイクル１０はまた、圧縮機１２と熱交換器１４とを連通する冷媒通路２１と、熱交換器１４と熱交換器１５とを連通する冷媒通路２２と、熱交換器１５と膨張弁１６とを連通する冷媒通路２３と、膨張弁１６と熱交換器１８とを連通する冷媒通路２４と、熱交換器１８と圧縮機１２とを連通する冷媒通路２５と、を含む。
【００２７】
冷媒通路２１は、冷媒を圧縮機１２から熱交換器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と熱交換器１４との間を、圧縮機１２の出口から熱交換器１４の入口へ向かって流れる。
【００２８】
冷媒通路２２，２３は、冷媒を熱交換器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２２，２３を経由して、熱交換器１４と膨張弁１６との間を、熱交換器１４の出口から膨張弁１６の入口へ向かって流れる。熱交換器１４の出口から膨張弁１６の入口へ向かう冷媒が流れる経路は、熱交換器１４の出口側の気液分離器４０から熱交換器１５へ冷媒蒸気を流通させる冷媒通路２２と、熱交換器１５の出口側から冷媒を膨張弁１６へ流通させる冷媒通路２３と、を含む。
【００２９】
冷媒通路２４は、冷媒を膨張弁１６から熱交換器１８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、膨張弁１６と熱交換器１８との間を、膨張弁１６の出口から熱交換器１８の入口へ向かって流れる。冷媒通路２５は、冷媒を熱交換器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２５を経由して、熱交換器１８と圧縮機１２との間を、熱交換器１８の出口から圧縮機１２の入口へ向かって流れる。
【００３０】
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２１〜２５によって直列に接続されて構成される。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。
【００３１】
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、後述する冷媒通路３４とが連結されている。
【００３２】
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から気液分離器４０へ流入する気液二相状態の高圧の冷媒は、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。
【００３３】
気液分離された冷媒液は、冷媒通路３４を経由して、気液分離器４０の外部へ流出する。冷媒通路３４の端部は、気液分離器４０内の底部側の、液相の冷媒が溜められる冷媒液貯留部に接続されている。冷媒通路３４は、液相冷媒の気液分離器４０からの流出口を形成する。気液分離器４０内には、ポンプ４１が配置されている。ポンプ４１は、気液分離器４０に貯留された液状の冷媒を移送する。
【００３４】
気液分離された冷媒蒸気は、冷媒通路２２を経由して、気液分離器４０の外部へ流出する。冷媒通路２２の端部は、気液分離器４０内の天井部側の、気相の冷媒が溜められる冷媒蒸気貯留部に接続されている。冷媒通路２２は、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２２は、気液分離器４０から流出し膨張弁１６へ向かう気相冷媒が流通する経路を形成する。
【００３５】
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から冷媒蒸気を導出する冷媒通路２２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３４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２２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３４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。
【００３６】
冷却装置１は、気液分離器４０と熱交換器１５の入口側とを接続する、並列に接続された二つの冷媒の経路を備える。気液分離器４０から熱交換器１５へ向かって流れる冷媒の経路は、冷媒通路２２を含む。気液分離器４０から導出された気相の冷媒蒸気は、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。
【００３７】
気液分離器４０から熱交換器１５へ向かって流れ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３４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３４は気液分離器４０に接続されており、冷媒通路３４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。冷媒通路３４は、気液分離器４０から流出し冷却部３０へ向かう液相冷媒が流通する経路を形成する。冷媒通路３６は冷媒通路２２に連結されており、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２２へ戻る。
【００３８】
冷却装置１は、冷媒通路２２と並列に配置された冷媒の経路を備え、冷却部３０は、当該冷媒の経路上に設けられている。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において並列に接続された複数の通路のうちの、一方に設けられている。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冷却器とを含む。ＥＶ機器は、発熱源の一例である。冷却器の入口側は冷媒通路３４に接続され、冷却器の出口側は冷媒通路３６に接続される。
【００３９】
冷媒通路３４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、冷媒通路３４を経由して冷却部３０へ冷媒が流入する。冷媒通路３４は、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、冷媒は、冷却部３０から流出して冷媒通路３６へ流れ込む。冷媒通路３６は、冷却部３０から冷媒通路２２に冷媒を戻すための通路である。
【００４０】
気液分離器４０から流出した冷媒液は、冷媒通路３４を経由して、冷却部３０へ向かって流通する。冷却部３０へ流通し、冷却器を経由して流れる冷媒は、発熱源としてのＥＶ機器と冷媒との温度差に応じて、ＥＶ機器から熱を奪って、ＥＶ機器を冷却する。冷却部３０は、気液分離器４０において分離され冷媒通路３４を経由して冷却部３０へ流れる飽和液状態の冷媒を用いて、ＥＶ機器を冷却する。冷却部３０において、冷却器内を流通する冷媒と、ＥＶ機器と、が熱交換することにより、ＥＶ機器は冷却され、冷媒は加熱される。
【００４１】
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。
【００４２】
冷却部３０は、冷却器において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機器の筐体に冷却器の外周面が直接接触するように形成された冷却器を有する。冷却器は、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、冷却器を流通する冷媒と、ＥＶ機器との間で、熱交換が可能となる。
【００４３】
ＥＶ機器は、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の熱交換器１４から熱交換器１５に至る冷媒の経路の一部を形成する冷却器の外周面に直接接続されて、冷却される。冷媒とＥＶ機器とが直接熱交換してもよく、または、冷媒とＥＶ機器を流れる水や油などの二次媒体とが熱交換してもよい。冷却器の外部にＥＶ機器が配置されるので、冷却器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、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の圧力損失は増大しないので、圧縮機１２の動力を増大させることなく、ＥＶ機器を冷却することができる。
【００４４】
代替的には、冷却部３０は、ＥＶ機器と冷却器との間に介在して配置された任意の公知の伝熱装置を備えてもよい。この場合ＥＶ機器は、冷却器の外周面に伝熱装置を介して接続され、ＥＶ機器から冷却器へ伝熱装置を経由して熱伝達することにより、冷却される。伝熱装置として、たとえばウィック式などのヒートパイプを使用することができる。ＥＶ機器をヒートパイプの加熱部とし冷却器をヒートパイプの冷却部とすることで、冷却器とＥＶ機器との間の熱伝達効率が高められるので、ＥＶ機器の冷却効率を向上できる。
【００４５】
伝熱装置によってＥＶ機器から冷却器へ確実に熱伝達することができるので、ＥＶ機器と冷却器との間に距離があってもよく、ＥＶ機器に冷却器を接触させるための経路を複雑に配置する必要がない。その結果、ＥＶ機器の配置が制限されることがなく、ＥＶ機器の配置の自由度を向上することができる。
【００４６】
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。
【００４７】
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、冷却部３０を経由しない方の経路である冷媒通路２２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２２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気液分離器４０と熱交換器１５との間を直接流れる冷媒の流量と、冷却器を含むＥＶ機器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。
【００４８】
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２２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、気液分離器４０から冷媒通路２２を経由して熱交換器１５へ直接流れる流量が小さくなり、冷却部３０へ流れＥＶ機器を冷却する冷媒の流量が大きくなる。
【００４９】
流量調整弁２８の弁開度を大きくするとＥＶ機器を冷却する冷媒の流量が小さくなり、ＥＶ機器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ＥＶ機器を冷却する冷媒の流量が大きくなり、ＥＶ機器の冷却能力が向上する。流量調整弁２８を使用して、ＥＶ機器に流れる冷媒の量を最適に調節できるので、ＥＶ機器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。
【００５０】
熱交換器１４の出口と冷却部３０の入口との間の冷媒の経路である冷媒通路３４には、冷媒の圧力を調整する圧力調整弁６０が設けられている。本実施の形態の冷却装置１では、圧力調整弁６０は、機械式のバルブであり、冷媒通路３４を流れる冷媒の圧力を一定値以下に調整する。
【００５１】
図３は、圧力調整弁６０の構造の詳細を示す模式図である。図３に示すように、圧力調整弁６０は、冷媒通路３４を形成する管路の内部に配置されている。圧力調整弁６０は、複数の弁体、すなわち第一弁体６１と第二弁体６２とを備える。圧力調整弁６０は、環状平板６３を備える。環状平板６３は、その中央部に大きな貫通孔の形成された、環状の形状を有する部材である。環状平板６３の外縁は冷媒通路３４の内周面に隙間なく当接している。冷媒の流れの上流側に面する環状平板６３の表面には、筒状壁部６４が取り付けられている。筒状壁部６４は、環状平板６３に対し冷媒の流れの上流側に設けられ、好ましくは冷媒通路３４の延在方向に沿って延在する。
【００５２】
筒状壁部６４の内周面に沿って、たとえばコイルばねなどの第一付勢部材６６が配置される。第一付勢部材６６は、第一弁体６１を冷媒の流れの上流側に付勢する。第一付勢部材６６の一端は環状平板６３の表面に当接し、第一付勢部材６６の他端は第一弁体６１に当接する。第一弁体６１は、略円板状の形状を有し、その外径は筒状壁部６４の径よりも大きい。第一弁体６１は、筒状壁部６４とほぼ同心に配置され、図示しない支持部材によって冷媒通路３４の延在方向の両方向に移動可能に支持される。
【００５３】
第一弁体６１は、冷媒通路３４の延在方向に移動することにより、冷媒通路３４を開閉する。すなわち、第一付勢部材６６の付勢力により第一弁体６１が冷媒流れの上流側へ移動して、第一弁体６１が筒状壁部６４から離れた状態のとき、冷媒通路３４は開状態とされる。冷媒通路３４を流れる冷媒の圧力上昇により第一弁体６１が冷媒流れの下流側へ移動して、第一弁体６１が筒状壁部６４に接触した状態のとき、冷媒通路３４は閉状態とされ、冷媒通路３４を経由した冷媒の流れが妨げられる。
【００５４】
第一弁体６１の中央部には、第一弁体６１を厚み方向に貫通する貫通孔が形成されている。第二弁体６２は、第一弁体６１の貫通孔に挿通される棒状部と、棒状部の端部に接合された板状部とを有する。図３に示す状態では、棒状部が第一弁体６１の貫通孔に挿通されており、これにより第一弁体６１の貫通孔は閉塞されている。第二弁体６２の板状部は、第一弁体６１に対し、冷媒の流れ方向の下流側に配置されている。
【００５５】
冷媒の流れの下流側に面する第一弁体６１の表面には、筒状壁部６５が接合されている。筒状壁部６５は、第一弁体６１に対し冷媒の流れの下流側に設けられ、好ましくは冷媒通路３４の延在方向に沿って延在する。筒状壁部６５の内周面に沿って、たとえばコイルばねなどの第二付勢部材６７が配置される。第二付勢部材６７は、第二弁体６２を冷媒の流れの上流側に付勢する。第二付勢部材６７の一端は第一弁体６１の表面に当接し、他端は第二弁体６２の板状部に当接する。第二弁体６２は、図示しない支持部材によって、冷媒通路３４の延在方向の両方向に移動可能に支持される。
【００５６】
第二弁体６２は、冷媒通路３４の延在方向に移動することにより、第一弁体６１に形成された貫通孔を開閉する。すなわち、第二付勢部材６７の付勢力により第二弁体６２が冷媒流れの上流側へ移動して、第二弁体６２の棒状部が第一弁体６１の貫通孔の内部に挿通された状態のとき、貫通孔は棒状部によって閉塞された閉状態とされる。第一弁体６１の上流側と下流側との圧力差が増大することにより第二弁体６２が冷媒流れの下流側へ移動して、第二弁体６２の棒状部が貫通孔から抜き出された状態のとき、貫通孔は開状態とされ、貫通孔を経由した冷媒の流れが形成される。
【００５７】
図３に示す状態では、第一弁体６１は、第一付勢部材６６の付勢力によって冷媒の流れ方向の上流側に押され、第一弁体６１が移動可能な範囲の最も上流側に配置されている。これにより、第一弁体６１と筒状壁部６４の先端との間に隙間が形成されており、圧力調整弁６０内のメイン流路が開とされている。また、第二弁体６２は、第二付勢部材の付勢力によって冷媒の流れ方向の上流側に引っ張られ、第二弁体６２が移動可能な範囲の最も上流側に配置されている。これにより、第一弁体６１と第二弁体６２とは一体構造を形成し、第一弁体６１に形成された貫通孔は第二弁体６２により閉塞されているので、当該貫通孔を経由する冷媒の流れは発生しない。
【００５８】
冷媒は、第一弁体６１と筒状壁部６４との間の隙間を通って、圧力調整弁６０を通過して流れる。第一弁体６１と筒状壁部６４との間に比較的大きな隙間が形成されており、このときの圧力調整弁６０を通過する際の冷媒の圧力損失は無視できる程度に小さいと考えることができる。
【００５９】
冷媒通路３６には、逆止弁３８が設けられている。逆止弁３８は、冷媒通路３６を経由して冷却部３０から冷媒通路２２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３８を設けることにより、冷媒通路２２から冷媒通路３６へ逆流する冷媒の流れが禁止される。
【００６０】
冷却装置１はまた、バイパス通路５１を備える。バイパス通路５１は、冷却部３０の出口側と逆止弁３８の入口側との間の冷媒通路３６と、熱交換器１８の入口側の冷媒通路２４とを連通する。バイパス通路５１には、膨張弁５２が設けられている。膨張弁５２は、冷却部３０においてＥＶ機器と熱交換した後の、バイパス通路５１を流れる冷媒を減圧し、熱交換器１８に供給される冷媒の温度を目標値に調節する。膨張弁５２は、冷却部３０出口の冷媒温度に従って開度を変化する温度式膨張弁として例示されるが、電気式の膨張弁であってもよい。
【００６１】
［冷却装置１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２１〜２５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。図４は、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４中の横軸は、冷媒の比エンタルピーを示し、縦軸は、冷媒の絶対圧力を示す。比エンタルピーの単位はｋＪ／ｋｇであり、絶対圧力の単位はＭＰａである。図中の曲線は、冷媒の飽和蒸気線および飽和液線である。
【００６２】
図４中には、熱交換器１４の出口から気液分離器４０を経由して冷媒通路３４へ流れ、冷却部３０へ流入してＥＶ機器を冷却する、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０中の各点における冷媒の熱力学状態が示される。冷却部３０から流出した冷媒の一部は、冷媒通路３６を経由して熱交換器１５の入口側の冷媒通路２２へ戻り、また冷媒の他の一部は、冷媒通路３６およびバイパス通路５１を経由して熱交換器１８の入口側の冷媒通路２４へ戻る。
【００６３】
図４に示すように、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。
【００６４】
圧縮機１２において断熱圧縮された高温高圧の過熱蒸気状態の冷媒は、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。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気液混合状態の湿り蒸気になる。
【００６５】
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３４を経由して冷却部３０へ流れ、ＥＶ機器を冷却する。冷却部３０において、熱交換器１４で凝縮され気液分離器４０で分離された飽和液状態の液冷媒に熱を放出することで、ＥＶ機器が冷却される。ＥＶ機器との熱交換により、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。
【００６６】
冷却部３０から流出した冷媒の一部は、冷媒通路３６，２２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。
【００６７】
熱交換器１５で過冷却液まで冷却された冷媒は、冷媒通路２３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。膨張弁１６から出た湿り蒸気状態の冷媒は、冷媒通路２４を経由して熱交換器１８へ流入する。
【００６８】
冷却部３０から流出した冷媒の他の一部は、冷媒通路３６からバイパス通路５１へ流入し、熱交換器１５および膨張弁１６をバイパスして流れ、冷媒通路２４を経由して熱交換器１８へ流入する。バイパス通路５１に設けられた膨張弁５２において、冷媒は絞り膨張され、低温低圧の湿り蒸気となる。膨張弁１６および膨張弁５２において、同じ圧力にまで冷媒が減圧されるため、冷媒通路２４において冷媒が混合される。混合された冷媒が、熱交換器１８へ流れる。
【００６９】
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。熱交換器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、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。
【００７０】
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、さらに顕熱によって冷媒蒸気は温度上昇して、過熱蒸気となる。冷房運転時には、熱交換器１８において高温の空調用空気と冷媒とが熱交換することにより空調用空気が冷却され、空調用空気の温度が低下し、冷媒は空調用空気からの熱伝達を受けて加熱される。その後冷媒は、冷媒通路２５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。
【００７１】
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。
【００７２】
蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の運転中に、冷媒は、蒸発器として作用する熱交換器１８において蒸発する際に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、熱交換器１４から流出し気液分離器４０で気液分離された高圧の液冷媒が冷却部３０へ流通し、ＥＶ機器と熱交換することでＥＶ機器を冷却する。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。なお、ＥＶ機器を冷却するために必要とされる温度は、少なくともＥＶ機器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。
【００７３】
熱交換器１８において空調用空気を冷却するために設けられた蒸気圧縮式冷凍サイクル１０を利用して、ＥＶ機器の冷却が行なわれるので、ＥＶ機器の冷却のために、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、動力源を運転するための消費動力を必要としない。したがって、ＥＶ機器の冷却のための消費動力を低減することができ、低動力でＥＶ機器を冷却することができる。
【００７４】
熱交換器１４では、冷媒を湿り蒸気の状態にまで冷却すればよく、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。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。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。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の容量を低減することができる。したがって、車室用の冷房能力を確保でき、かつ、熱交換器１４，１５のサイズを低減することができるので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。
【００７５】
冷却装置１の設計段階で熱交換器１４，１５の仕様を決定する際には、ＥＶ機器の最大発熱量を設計値として用いる。ＥＶ機器が最大発熱量未満の熱量を発生する通常発熱時には、熱交換器１４，１５の能力に余裕ができる。そのため、最大発熱量のＥＶ機器を冷却しない状態になると、熱交換器１４，１５において、冷媒がより多くの空気と熱交換できるようになる。これは、熱交換器１４，１５が見かけ上大きくなり、熱交換器１４，１５の温度効率φｃが高くなったと考えることができる。
【００７６】
熱交換器１４，１５における空気側の放熱能力Ｑｃａは、熱交換器の温度効率φｃ、空気比熱Ｃａ、空気重量風量Ｇｅａ、および、冷媒温度Ｔｅｒから吸入空気温度Ｔｅａを減じた差（Ｔｅｒ−Ｔｅａ）に比例する。必要な放熱能力Ｑｃａは変わらず、また空気比熱Ｃａ、空気重量風量Ｇｅａおよび吸入空気温度Ｔｅａは外気温度および車速に従って決まるので、温度効率φｃが高くなった分、冷媒温度Ｔｅｒが低くなることになる。モリエル線図を参照すると、冷媒が気液二相状態のとき冷媒の温度と圧力とは線形の関係にあり、冷媒の圧力変化に従って冷媒の温度が変化する。つまり、熱交換器１４，１５での冷媒温度Ｔｅｒが低くなるとは、熱交換器１４，１５を流れる冷媒の圧力が低くなることを意味する。
【００７７】
熱交換器１４，１５での冷媒の圧力が下がり、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の高圧が降下する結果、圧縮機１２の出口での冷媒の圧力が相対的に低くてもよいことになる。そのため、圧縮機１２で冷媒を断熱圧縮するための動力を低減することができ、さらなる省動力化を達成することができる。したがって、車両の燃費を向上することができる。特に電気自動車においては、省動力化により、直接電費を向上することができる。
【００７８】
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２２と、冷却部３０を経由してＥＶ機器を冷却する冷媒の経路である冷媒通路３４，３６および冷却器と、が並列に設けられる。冷媒通路３４，３６を含むＥＶ機器の冷却系は、冷媒通路２２に対し並列に接続されている。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。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２２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機器は適切に冷却される。
【００７９】
熱交換器１４から冷却部３０を経由せず直接熱交換器１５へ流れる冷媒の経路と、熱交換器１４から冷却部３０を経由して熱交換器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３４，３６へ流通させることで、ＥＶ機器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。全ての冷媒が冷却部３０に流れないので、冷却部３０を経由する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。
【００８０】
膨張弁１６を通過した後の低温低圧の冷媒をＥＶ機器の冷却に使用すると、熱交換器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、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。圧縮機１２と膨張弁１６との間に二段の熱交換器１４，１５を配置し、ＥＶ機器を冷却する冷却部３０は、熱交換器１４と熱交換器１５との間に設けられている。熱交換器１５は、冷却部３０から膨張弁１６に向けて流れる冷媒の経路上に設けられている。
【００８１】
ＥＶ機器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。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機器を冷却することができる。したがって、ＥＶ機器の冷却能力と、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。
【００８２】
熱交換器１４の出口において気液二相状態にある冷媒は、気液分離器４０内において、気相と液相とに分離される。気液分離器４０で分離された気相冷媒は、冷媒通路２２を経由して流れ直接熱交換器１５に供給される。気液分離器４０で分離された液相冷媒は、冷媒通路３４を経由して流れ、冷却部３０に供給されてＥＶ機器を冷却する。この液相冷媒は、過不足の全くない真に飽和液状態の冷媒である。気液分離器４０から液相の冷媒のみを取り出し冷却部３０へ流すことにより、熱交換器１４の能力を最大限に活用してＥＶ機器を冷却することができるので、ＥＶ機器の冷却能力を向上させた冷却装置１を提供することができる。
【００８３】
気液分離器４０の出口で飽和液の状態にある冷媒を冷却部３０に導入することにより、冷媒通路３４，３６および冷却器を含むＥＶ機器の冷却系を流れる冷媒のうち、気相状態の冷媒を最小限に抑えることができる。そのため、ＥＶ機器の冷却系を流れる冷媒蒸気の流速が早くなり圧力損失が増大することを抑制でき、冷媒を流通させるための圧縮機１２の消費電力を低減できるので、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の性能の悪化を回避することができる。
【００８４】
［圧力調整弁６０の動作］
冷却装置１が通常の運転状態であり、熱交換器１４出口における冷媒の圧力が比較的小さいときには、図３に示すように、圧力調整弁６０は開状態とされる。このとき第一弁体６１と第二弁体６２とは一体構造を形成する。この状態から、たとえば酷暑時のアイドル状態に熱交換器１４出口の冷媒圧力が上昇すると、圧力調整弁６０が作動して、冷却部３０に供給される冷媒の圧力を一定値以下に調整する。これにより、冷媒の温度が一定値以下に調整される。
【００８５】
図５は、圧力調整弁６０の動作を示す第一の図である。熱交換器１４出口の冷媒圧力が上昇し、所定の閾値以上になると、第一弁体６１と第二弁体６２とが一体構造のまま移動して、図５に示すように圧力調整弁６０は閉状態になる。冷媒圧力の閾値は、たとえば、冷媒温度が６５℃になるときの冷媒の圧力である１．８ＭＰａに設定することができる。図５には、第二弁体６２の棒状部が第一弁体６１の貫通孔に挿通された状態を維持しながら、第一弁体６１と第二弁体６２とが第一付勢部材６６の付勢力に逆らって冷媒流れの下流側へ移動した状態が図示されている。このとき、筒状壁部６４の先端に第一弁体６１の表面が隙間なく当接し、圧力調整弁６０は閉状態になり、冷媒は冷媒通路３４を通って流れることができなくなっている。
【００８６】
圧力調整弁６０を閉状態にすることで、圧力調整弁６０の上流側の冷媒と下流側の冷媒とに圧力差が発生する。その結果、圧力調整弁６０の上流側が、圧力調整弁６０の下流側と比較して高圧になる。圧力差が次第に大きくなり、所定の閾値以上になると、第二弁体６２が冷媒流れの下流側へ移動し、第一弁体６１に形成された貫通孔から第二弁体６２が離れる。これにより、貫通孔が開状態になり、圧力調整弁６０のサブ流路が開かれる。差圧の閾値は、たとえば、１．４ＭＰａに設定することができる。
【００８７】
図６は、圧力調整弁６０の動作を示す第二の図である。図６には、第一弁体６１が筒状壁部６４に接触した状態のまま、第二弁体６２が第二付勢部材６７の付勢力に逆らって冷媒流れの下流側へ移動した状態が図示されている。図６に示す状態では、第二弁体６２の棒状部が第一弁体６１の貫通孔６８から外れ、そのため冷媒が貫通孔６８を経由して流れることが可能になる。貫通孔６８の径は冷媒通路３４の径と比較して十分に小さいので、このとき圧力調整弁６０は膨張弁として機能し、冷媒は絞り膨張される。したがって、冷却部３０に供給される冷媒の圧力および温度を低下させ、冷却部３０におけるＥＶ機器の冷却能力を向上することができる。
【００８８】
図７は、冷媒圧力上昇時の冷媒の状態を示すモリエル線図である。図７中の横軸は、冷媒の比エンタルピーを示し、縦軸は、冷媒の絶対圧力を示す。比エンタルピーの単位はｋＪ／ｋｇであり、絶対圧力の単位はＭＰａである。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７中には、気液分離器４０から熱交換器１５へ直接流れて膨張弁１６で減圧される冷媒の熱力学状態と、気液分離器４０から流出する液相冷媒が圧力調整弁６０で減圧された後冷却部３０へ流れ、さらに膨張弁５２で減圧される冷媒の熱力学状態と、が示される。
【００８９】
ここで、バイパス通路５１との分岐よりも冷媒通路２２に近づく側の冷媒通路３６に、逆止弁３８が設けられている。逆止弁３８を設けることにより、冷媒通路２２を流れる高圧の冷媒蒸気が冷媒通路３６へ流れることを防止できる。一方、冷媒通路３６を流れる冷媒は、圧力調整弁６０において減圧されており冷媒通路２２を流れる冷媒よりも低圧であるので、逆止弁３８を通過して冷媒通路３６から冷媒通路２２へ向かって流れることができない。そのため、バイパス通路５１を設けることにより、冷却部３０へ流れる減圧された冷媒が、バイパス通路５１および冷媒通路２４を経由して熱交換器１８へ流れることが可能になる。
【００９０】
図７に示すように、冷媒は、圧縮機１２において断熱圧縮され、高温高圧の過熱蒸気になる。過熱蒸気状態の冷媒は、熱交換器１４，１５において過冷却液まで冷却される。過冷却液状態の冷媒は、膨張弁１６において絞り膨張され、低温低圧の気液混合状態の湿り蒸気となる。その後冷媒は、熱交換器１８において高温の空調用空気と熱交換することにより加熱され、再び圧縮機１２に吸入される。冷媒はこのサイクルに従って、圧縮、凝縮、絞り膨張、蒸発の状態変化を連続的に繰り返す。
【００９１】
熱交換器１４において過冷却液まで冷却された冷媒は、気液分離器４０の内部に蓄積される。気液分離器４０から冷媒通路３４へ流出した冷媒液は、圧力調整弁６０において絞り膨張され、気液混合状態の湿り蒸気となる。その後冷媒は冷却部３０へ流れ、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する。ＥＶ機器との熱交換により一部気化された冷媒は、冷却部３０から流出して冷媒通路３６、バイパス通路５１を順に経由して流れる。バイパス通路５１に設けられた膨張弁５２により、冷媒は再び絞り膨張され、低温低圧の状態になる。膨張弁１６および膨張弁５２において、同じ圧力にまで冷媒が減圧されるため、冷媒通路２４において冷媒が混合される。混合された冷媒は、熱交換器１８へ流れ、熱交換器１８において高温の空調用空気と熱交換することにより加熱され、再び圧縮機１２に吸入される。
【００９２】
これにより、酷暑時などに熱交換器１４出口での冷媒圧力が上昇しても、圧力調整弁６０において冷媒を絞り膨張することで冷却部３０に低温低圧の冷媒を供給でき、目標の冷媒温度を保つことができる。その結果、冷却部３０におけるＥＶ機器の冷却能力が向上し、酷暑時にも十分な冷却能力を確保できるので、ＥＶ機器の過熱の発生をより確実に抑制することができる。
【００９３】
蒸気圧縮式冷凍サイクル１０を循環する冷媒圧力が極端に高くなる場合には、圧縮機１２の故障を回避するために、圧縮機１２を停止する制御が行なわれる。しかし、圧縮機１２を停止すると、酷暑時にも拘わらず空調装置が停止することになるため、頻繁な圧縮機１２の停止は避けるべきである。本実施の形態の構成により、高温環境下であっても冷却部３０に供給される冷媒温度を低く保つことができるので、圧縮機１２を停止する閾値を決定するに際し、冷却部３０に供給される冷媒温度の維持を考慮する必要がなくなる。そのため、圧縮機１２を停止する閾値をより高く設定できるので、空調装置の頻繁な停止を回避でき、より快適な空調を提供することができる。
【００９４】
図６に示す、圧力調整弁６０がサブ流路である貫通孔６８を開として冷媒を減圧可能な状態から、外気温が下がるなどして熱交換器１４における冷媒の圧力が減少し、第一付勢部材６６の付勢力が冷媒の圧力を上回ると、第一弁体６１が流れ方向の上流側に移動し、第一弁体６１と筒状壁部６４との間に隙間を形成する。これにより、圧力調整弁６０の上流側と下流側とにおける冷媒の圧力差が無くなるので、第二付勢部材６７の付勢力により第二弁体６２が閉状態になり、第一弁体６１と第二弁体６２とが再び一体構造になり、圧力調整弁６０は図３に示す状態に戻る。
【００９５】
（実施の形態２）
図８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８に示す実施の形態２の冷却装置１は、実施の形態１とほぼ同等の構成を備えている。但し、実施の形態２では、圧力調整弁６０が機械式のバルブではなく、冷却部３０の出口側の冷媒の圧力および温度に従って開度を調整する方式の弁である。またバイパス通路５１には、膨張弁５２に替えて、バイパス通路５１を開閉する開閉弁５４が設けられている。熱交換器１４における冷媒圧力が高い場合、圧力調整弁６０で冷媒が減圧されて冷却部３０に供給されるとともに、バイパス通路５１の開閉弁５４が開かれる。
【００９６】
実施の形態２の圧力調整弁６０は、電動弁であってもよい。その場合、熱交換器１４または冷却部３０における冷媒の圧力または温度を検出するためのセンサが設置され、当該センサを用いて冷媒状態を把握する。圧力調整弁６０は当該センサの出力に基づいて開度を調整され、圧力調整弁６０において冷媒を絞り膨張することにより、冷却部３０に供給される冷媒の温度および圧力を最適に制御する。
【００９７】
図９は、実施の形態２の冷媒圧力上昇時の冷媒の状態を示すモリエル線図である。図７中の横軸は、冷媒の比エンタルピーを示し、縦軸は、冷媒の絶対圧力を示す。比エンタルピーの単位はｋＪ／ｋｇであり、絶対圧力の単位はＭＰａである。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９中には、気液分離器４０から熱交換器１５へ直接流れて膨張弁１６で減圧される冷媒の熱力学状態と、気液分離器４０から流出する液相冷媒が圧力調整弁６０で減圧された後冷却部３０へ流れ、さらにバイパス通路５１を経由して熱交換器１８へ流れる冷媒の熱力学状態と、が示される。
【００９８】
図９に示すように、冷媒は、圧縮機１２において断熱圧縮され、高温高圧の過熱蒸気になる。過熱蒸気状態の冷媒は、熱交換器１４，１５において過冷却液まで冷却される。過冷却液状態の冷媒は、膨張弁１６において絞り膨張され、低温低圧の気液混合状態の湿り蒸気となる。その後冷媒は、熱交換器１８において高温の空調用空気と熱交換することにより加熱され、再び圧縮機１２に吸入される。冷媒はこのサイクルに従って、圧縮、凝縮、絞り膨張、蒸発の状態変化を連続的に繰り返す。
【００９９】
熱交換器１４において過冷却液まで冷却された冷媒は、気液分離器４０の内部に蓄積される。気液分離器４０から冷媒通路３４へ流出した冷媒液は、圧力調整弁６０において絞り膨張され、気液混合状態の湿り蒸気となる。その後冷媒は冷却部３０へ流れ、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する。ＥＶ機器との熱交換により一部気化された冷媒は、冷却部３０から流出して冷媒通路３６、バイパス通路５１を順に経由して流れる。膨張弁１６および圧力調整弁６０において、同じ圧力にまで冷媒が減圧されるため、冷媒通路２４において冷媒が混合される。混合された冷媒は、熱交換器１８へ流れ、熱交換器１８において高温の空調用空気と熱交換することにより加熱され、再び圧縮機１２に吸入される。
【０１００】
これにより、実施の形態１と同様に、酷暑時などに熱交換器１４出口での冷媒圧力が上昇しても、圧力調整弁６０において冷媒を絞り膨張することで冷却部３０に低温低圧の冷媒を供給できる。その結果、冷却部３０におけるＥＶ機器の冷却能力が向上し、酷暑時にも十分な冷却能力を確保できるので、ＥＶ機器の過熱の発生をより確実に抑制することができる。
【０１０１】
［冷却装置１の制御方法］
以下、上述した冷却装置１の制御方法の一例について説明する。図１０は、冷却装置１の制御方法の一例を示すフローチャートである。図１０に示すように、まずステップ（Ｓ１０）において、熱交換器１４の出口での冷媒の圧力が所定の閾値Ｐａ以上か否かを判断する。上述した通り、冷媒圧力の閾値Ｐａはたとえば１．８ＭＰａと規定することができる。
【０１０２】
ステップ（Ｓ１０）で冷媒圧力が閾値Ｐａ以上であると判断されれば、ステップ（Ｓ２０）に進み、冷却部３０の入口での冷媒の減圧が開始される。具体的には、圧力調整弁６０で冷媒を絞り膨張することにより冷媒を減圧し、冷却部３０に低温低圧の冷媒を供給する。続いてステップ（Ｓ３０）において、バイパス通路５１を開にする。実施の形態１の膨張弁５２、または実施の形態２の開閉弁５４を開状態にすることにより、バイパス通路５１を開状態にする。これにより、圧力調整弁６０で減圧された冷媒は、冷却部３０で発熱源を冷却した後、バイパス通路５１を経由して熱交換器１８へ流れる。
【０１０３】
次にステップ（Ｓ４０）において、熱交換器１４の出口での冷媒の圧力が所定の閾値Ｐｂ以下か否かを判断する。ステップ（Ｓ４０）では、外気温が低下した場合など、熱交換器１４の出口での冷媒の圧力が低下し、その結果、冷却部３０入口での冷媒の減圧が不要であるか否かが判断される。熱交換器１４の出口での冷媒の圧力が所定の閾値Ｐｂ以下であると判断されるまで、ステップ（Ｓ４０）の判断が繰り返される。なお、冷媒圧力の閾値Ｐｂは、制御の安定性の観点から、閾値Ｐａよりも幾分小さい値に定められるのが望ましい。たとえば閾値Ｐａ＝１．８ＭＰａと規定した場合、閾値Ｐｂ＝１．５ＭＰａと規定してもよい。
【０１０４】
ステップ（Ｓ４０）で冷媒圧力が閾値Ｐｂ以下であると判断されれば、ステップ（Ｓ５０）に進み、冷却部３０入口での冷媒の減圧が停止される。具体的には、圧力調整弁６０で冷媒が減圧されることなく、圧力調整弁６０を経由して気液分離器４０から冷却部３０へ冷媒が流れる。実施の形態１で説明した機械式の圧力調整弁６０の場合、冷媒圧力の低下に伴って、圧力調整弁６０自身が冷媒の減圧を停止する。電気式の圧力調整弁６０の場合、冷媒圧力の低下を検出して、圧力調整弁６０の開度を増加する。
【０１０５】
続いてステップ（Ｓ６０）において、バイパス通路５１を閉にする。実施の形態１の膨張弁５２、または実施の形態２の開閉弁５４を閉状態にすることにより、バイパス通路５１を閉状態にし、バイパス通路５１を経由した冷却部３０から熱交換器１８への冷媒の流れを停止する。その後制御フローはリターンされ、ステップ（Ｓ１０）の冷媒圧力の判断に戻る。なお、ステップ（Ｓ１０）で冷媒圧力が閾値Ｐａ未満であると判断された場合、直ちに制御フローがリターンされ、再度ステップ（Ｓ１０）の判断が行なわれる。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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】
【０１０９】
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】
【０１１０】
１  冷却装置、１０  蒸気圧縮式冷凍サイクル、１２  圧縮機、１４，１５，１８  熱交換器、１６，５２  膨張弁、２１〜２５，３４，３６  冷媒通路、２８  流量調整弁、３０  冷却部、３８  逆止弁、４０  気液分離器、５１  バイパス通路、５４  開閉弁、６０  圧力調整弁、６１  第一弁体、６２  第二弁体、６３  環状平板、６４，６５  筒状壁部、６６  第一付勢部材、６７  第二付勢部材、６８  貫通孔、１０００  車両。
【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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【図１０】
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