(57)【要約】【課題】車両用冷却システムにおいて、車室空調装置の負荷増大を抑制しながら車両搭載用電気機器の冷却に車室空調装置の能力を利用することである。【解決手段】車両用冷却システム１０は、車室３４を冷却するための車室空調装置３０と、車両に搭載される車両用電気機器であるインバータ回路１２の発熱を冷却するための機器冷却装置２０と、吸熱端５２が機器冷却装置２０の冷却部に接続され、放熱端５４が車室空調装置３０の低温側配管に接続され、予め設定された所定温度以上で作動開始する作動流体を内部に含み、所定温度以上のときに機器冷却装置２０とともに車両用電気機器を冷却するヒートパイプ式の補助冷却装置５０を備える。【選択図】図１
2011162151.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車室を冷却するための車室空調装置と、
車両に搭載される車両用電気機器の発熱を冷却するための機器冷却装置と、
吸熱端が機器冷却装置の冷却部に接続され、放熱端が車室空調装置の低温側配管に接続され、予め設定された所定温度以上で作動開始する作動流体を内部に含み、所定温度以上のときに機器冷却装置とともに車両用電気機器を冷却するヒートパイプ式の補助冷却装置と、
を備えることを特徴とする車両用冷却システム。
【請求項２】
請求項１に記載の車両用冷却システムにおいて、
補助冷却装置は、
機器冷却装置の冷却部の目標温度に基いて設定される所定温度以上で作動開始する作動流体を内部に含むことを特徴とする車両用冷却システム。
【請求項３】
請求項１に記載の車両用冷却システムにおいて、
補助冷却装置は、
ヒートパイプの内部に含まれる作動流体が飽和液状態となる温度と圧力との関係に基いて、所定温度で飽和液状態となる圧力でその作動流体がヒートパイプの内部に密封されることを特徴とする車両用冷却システム。
【請求項４】
請求項１に記載の車両用冷却システムにおいて、
補助冷却装置は、
機器冷却装置の冷却部と車室空調装置の低温側配管との間に着脱可能に接続されることを特徴とする車両用冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両用冷却システムに係り、特に、車両用電気機器を冷却する車両用冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
車両の動力源として、内燃機関の他に電動機を用いることが行われる。そのような車両としては、例えば、燃料電池を搭載する車両、内燃機関と電動機とを搭載するハイブリッド車両等がある。このように、電動機を用いる車両には、電動機を駆動するためにインバータ回路、昇圧回路等を含むパワーユニットが搭載される。また、車両には、電動機の駆動用のパワーユニットの他に、様々な電気機器が搭載されるが、これらの電気機器は作動に伴って発熱するので、その冷却が必要となる。
【０００３】
例えば、特許文献１には、車両用ハイブリッド型パワーユニットの冷却装置として、内燃機関を冷却した水の放熱を行うラジエータと、回路構成部品から発する熱を伝達するヒートパイプとを備え、ヒートパイプの一方端は回路構成部品から熱を受ける位置にあり、他方端はラジエータと内燃機関とを結ぶ冷却水循環通路の内部に挿入されている構成が述べられている。ここで、ヒートパイプは、内部に蒸気の流れの向きを制御する弁を設け、あるいは垂直に立てることで液流に重力を作用させて、入熱側端部から放熱側端部への蒸気流は妨げられず、逆向きの蒸気流が妨げられる熱流ダイオード特性を有し、内燃機関からの高温は回路構成部品の方に流れないようにされている。
【０００４】
特許文献２には、ハイブリッド車の冷却システムとして蒸気圧縮式冷凍機に並列に熱交換器を設けることで、その熱交換器の冷媒温度を外気温度よりも低温化できることが述べられている。その実施例４には、熱交換器の放熱部とエアコンアンプとをヒートパイプで連通する構成が開示されている。
【０００５】
特許文献３には、温度制御付きヒートパイプとして、ヒートパイプに例えばピストンを用いてその内部の圧力を増減し、圧力を高くすることでヒートパイプ内の流体の沸点が高くでき、圧力を低くすることでヒートパイプ内の流体の沸点を低くすることができることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平５−２３１１４７号公報
【特許文献２】特開２００６−２９０２５４号公報
【特許文献３】特開２００６−５２６７５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
例えばハイブリッド車両の場合、インバータ回路等を含むパワーユニットは、一般的にエンジンよりも低温化が必要である。パワーユニット等の電気機器の冷却液温度は、エンジンの冷却液温度が１００℃以上で使用されているのに対し、６５℃以下とするなど、エンジンに比べはるかに低い温度に維持する必要がある。このため、車両搭載用電気機器の冷却システムは、エンジンの冷却システムと切り離して構築されることとなるが、そのために専用の冷却システムとなり、車両に搭載するスペースの確保が問題となる。
【０００８】
車両搭載用電気機器のための冷却システムに割り当てできるスペースには限度があるので、例えば、標準仕様の冷却システムでは、酷暑環境や、牽引動作を行わなければならないような電気機器の高負荷のときの発熱に対し、十分な対応が困難となる可能性がある。そこで、車両に搭載される他の冷却システムを利用することが考えられるが、エンジン等の冷却システムは上記のように冷却温度が高すぎる。また、車室の冷却のための車室空調装置の冷却システムは温度としては適当であるが、これをあまり利用すると、車室空調装置の負荷が増大し、車室の冷却が不十分となる恐れがある。このように、車両搭載用電気機器のための冷却システムの冷却能力増大には限度がある。
【０００９】
本発明の目的は、車室空調装置の負荷増大を抑制しながら車両搭載用電気機器の冷却に車室空調装置の能力を利用することを可能とする車両用冷却システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る車両用冷却システムは、車室を冷却するための車室空調装置と、車両に搭載される車両用電気機器の発熱を冷却するための機器冷却装置と、吸熱端が機器冷却装置の冷却部に接続され、放熱端が車室空調装置の低温側配管に接続され、予め設定された所定温度以上で作動開始する作動流体を内部に含み、所定温度以上のときに機器冷却装置とともに車両用電気機器を冷却するヒートパイプ式の補助冷却装置と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る車両用冷却システムにおいて、補助冷却装置は、機器冷却装置の冷却部の目標温度に基いて設定される所定温度以上で作動開始する作動流体を内部に含むことが好ましい。
【００１２】
また、本発明に係る車両用冷却システムにおいて、補助冷却装置は、ヒートパイプの内部に含まれる作動流体が飽和液状態となる温度と圧力との関係に基いて、所定温度で飽和液状態となる圧力でその作動流体がヒートパイプの内部に密封されることが好ましい。
【００１３】
また、本発明に係る車両用冷却システムにおいて、補助冷却装置は、機器冷却装置の冷却部と車室空調装置の低温側配管との間に着脱可能に接続されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
上記構成によれば、車両用冷却システムは、吸熱端が機器冷却装置の冷却部に接続され、放熱端が車室空調装置の低温側配管に接続され、予め設定された所定温度以上で作動開始する作動流体を内部に含み、所定温度以上のときに機器冷却装置とともに車両用電気機器を冷却するヒートパイプ式の補助冷却装置を備える。このように、所定温度未満では車室空調装置の冷却能力を利用せず、所定温度以上になってはじめて車室空調装置の冷却能力を車両搭載用電気機器の冷却に利用するので、所定温度を適切に設定することで、車室空調装置の負荷増大を抑制しながら車両搭載用電気機器の冷却に車室空調装置の能力を利用できる。
【００１５】
また、車両用冷却システムにおいて、補助冷却装置は、機器冷却装置の冷却部の目標温度に基いて設定される所定温度以上で作動開始する作動流体を内部に含む。これにより、機器冷却装置の冷却能力が不足するときに、ヒートパイプを介して車室空調装置の冷却能力を利用するものとできる。
【００１６】
また、車両用冷却システムにおいて、補助冷却装置は、ヒートパイプの内部に含まれる作動流体が飽和液状態となる温度と圧力との関係に基いて、所定温度で飽和液状態となる圧力でその作動流体がヒートパイプの内部に密封される。これにより、特別な制御を要せずに、所定温度以上になれば、機器冷却装置の冷却能力不足に対し、自動的に、車室空調装置の冷却能力を補助的に利用できる。また、特別な制御を要せずに、自動的に、車室空調装置の負荷増大を抑制できる。
【００１７】
また、車両用冷却システムにおいて、補助冷却装置は、機器冷却装置の冷却部と車室空調装置の低温側配管との間に着脱可能に接続されるので、例えば、機器冷却装置を標準仕様で設定しても、酷暑仕様の車両、牽引操作可能仕様の車両等については、ヒートパイプを付加することで対応が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る実施の形態の車両用冷却システムの構成を説明する図である。
【図２】本発明に係る実施の形態の車両用冷却システムにおけるヒートパイプの構造を説明する図である。
【図３】本発明に係る実施の形態において、車室空調装置の能力が所定温度によって自動的に切り替えられる様子を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、車両用冷却システムとして、ハイブリッド車両に搭載されるものを説明するが、車両は、車室空調装置を備える車両であれば、ハイブリッド車両以外であってもよい。例えば、エンジンを備えない燃料電池搭載車両であってもよく、場合によっては、発熱を冷却する電気機器を搭載し、動力源としてエンジンのみを備える車両であってもよい。
【００２０】
また、以下では、機器冷却装置の冷却対象として、インバータ回路を説明するが、これ以外に、発熱に対し冷却を必要とする車両用搭載電気機器であってもよい。例えば、電源、昇圧回路等を含むパワーユニット全体であってもよく、また、小型モータ、その駆動回路等であってもよい。
【００２１】
また、以下では、車室空調装置がコンプレッサ、凝縮機、膨張弁、蒸発器を含む構成として説明するが、これは説明のための例示であって、これ以外の構成であってもよい。
【００２２】
以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。
【００２３】
図１は、ハイブリッド車両に搭載される車両用冷却システム１０の構成を示す図である。ここで車両用冷却システム１０は、ハイブリッド車両の電動機用のインバータ回路１２を冷却する機器冷却装置２０と、車室を冷却する車室空調装置３０を含む冷却システムであり、エンジンを冷却するエンジン冷却システムはこれとは別の冷却システムとして図示を省略してある。
【００２４】
車両用冷却システム１０は、上記のように、機器冷却装置２０と車室空調装置３０とを含むが、さらに、機器冷却装置２０と車室空調装置３０とを接続する着脱可能な補助冷却装置５０を備える。
【００２５】
機器冷却装置２０は、インバータ回路１２が作動することによる発熱を冷媒によって運び出し、外気と熱交換して冷却するための装置である。インバータ回路１２には、大電力スイッチング素子であるＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が含まれる。機器冷却装置２０は、冷媒が循環する管路である循環流路２２と、冷媒を循環させるための循環ポンプ２４と、熱交換器２６と、熱交換器２６から熱を奪うためのファン２８を含んで構成される。
【００２６】
機器冷却装置２０のための冷媒としては、水に適当な不凍液を混合したＬＬＣ（Ｌｏｎｇ  Ｌｉｆｅ  Ｃｏｏｌａｎｔ）を用いることができる。冷媒は、インバータ回路１２を通過するときに、インバータ回路１２の発熱によって温度が上昇し、熱交換器２６のところでファン２８の援助を受けながら外気と熱交換し、温度を低下させ、再びインバータ回路１２のところに戻る。熱交換器としては、冷却フィン等を備えるラジエータ等を用いることができる。冷媒の目標温度としては、インバータ回路１２が正常に作動するように、例えば約６５℃とすることができる。
【００２７】
車室空調装置３０は、液体と気体との間の相遷移を行うことができる適当な冷媒を冷媒路３６に循環させ、車室３４に送りこむ送風路３２の空気の熱を冷媒によって奪って、空気温度を快適な温度に調節する機能を有する蒸気圧縮式のエアコンディショナである。図１では、空気温度を下げる冷却のための要素のみが図示されているが、この他に、空気温度を上昇させるヒータ等が車室空調装置３０に用いられる。車室空調装置３０によって調整され、送風路３２を流れて車室に供給される空気の温度は、車室内に設けられる空調温度設定部をユーザが操作することで設定される。例えば、２０℃から３０℃の間の適当な温度に設定が行われる。
【００２８】
車室空調装置３０は、冷媒を循環させる冷媒路３６に、コンプレッサ３８、凝縮器４０およびファン４２、膨張弁４４、蒸発器４６を順次配置したものを用いることができる。冷媒としては、例えば代替フロン等を用いることができる。
【００２９】
コンプレッサ３８は、蒸発器４６からの低温低圧の冷媒を吸入し、これを圧縮して高温高圧の蒸気の冷媒とする圧縮機である。凝縮器４０は、高温高圧の蒸気の熱をファン４２の援助を受けながら外気と熱交換して放熱し、中温高圧の冷媒とする機能を有するものである。凝縮器４０は、コンデンサと呼ばれることもある。
【００３０】
膨張弁４４は、中温高圧の冷媒を減圧膨張させ、低温低圧の気相と、残りの液相とに分離する機能を有する弁である。蒸発器４６は、車室３４に連通する送風路３２に面して配置され、あるいは送風路３２の中に配置され、冷媒路３６を流れてくる低温低圧の冷媒と送風路３２を流れる空気との間で熱交換するものである。蒸発器４６を通ることで、低温低圧の冷媒は、吸熱して温度が上昇し、その状態で上記のコンプレッサ３８に戻される。蒸発器４６はエバポレータと呼ばれることがある。
【００３１】
補助冷却装置５０は、上記のように機器冷却装置２０と車室空調装置３０との間に配置され、機器冷却装置２０の冷却能力が不足するときに、車室空調装置３０の冷却能力を一部利用するための冷却装置である。具体的には、吸熱端５２が機器冷却装置２０のインバータ回路１２に近い循環流路２２を冷却部としてそこに接続され、放熱端５４が車室空調装置３０の低温側配管である膨張弁４４とコンプレッサ３８の間の冷媒路３６に接続されるヒートパイプが用いられる。
【００３２】
補助冷却装置５０であるヒートパイプは、筒状形状を有し作動流体が密封されている断熱部である本体部５６と、本体部５６の筒状形状の一方端である吸熱端５２と、他方端である放熱端５４とを含んで構成される。吸熱端５２と放熱端５４の区別は、高温側である発熱体に接続される方の端部が吸熱端５２で、低温側であるヒートシンクに接続される方が放熱端５４である。
【００３３】
補助冷却装置５０のヒートパイプの吸熱端５２と放熱端５４は、対象物に着脱自在となる構造を有している。例えば、図１の例では、吸熱端５２は、機器冷却装置２０の循環流路２２の管形状の外周に取り付けられるように円筒形状を２分割したものとし、その２分割を開いて管形状を嵌め込んだ後、２分割を閉じる構造とすることができる。放熱端５４も同様に２分割構造として、車室空調装置３０の冷媒路３６の外周に取り付けられるものとできる。２分割構造の他に、適当な取付具を用いて循環流路２２、冷媒路３６に着脱自在に取り付けるようにしてもよい。
【００３４】
このように補助冷却装置５０のヒートパイプを着脱自在の構造とすることで、車両が標準仕様のときは、補助冷却装置５０を用いず、特別仕様の車両のときにこの補助冷却装置５０を機器冷却装置２０と車室空調装置３０との間に設けるものとできる。特別仕様の車両としては、酷暑環境に対応する仕様の車両、牽引を可能とする仕様の車両のように、インバータ回路１２の負荷が標準よりも高負荷となって、その発熱が多くなる車両である。
【００３５】
図２は、補助冷却装置５０のヒートパイプの構成を説明する図である。ヒートパイプの本体部５６は、上記のように筒状形状を有し、その内部の壁部に毛細管現象で液体を導くことができるウィック材５８が設けられる。ウィック材５８としては、例えばコットンスリーブ等を用いることができる。そして、本体部５６の内部には、揮発性の流体である作動流体が密封される。作動流体は、温度が高くなると沸騰して気体となり、温度が低くなると凝集して液体になる性質を有する流体であり、一般的には水、代替フロン等が用いられる。
【００３６】
ヒートパイプの作動原理は、吸熱端５２で作動流体が吸熱して沸騰して気体６０となり、本体部５６の中を流れて放熱端５４の側に達し、そこで放熱して凝縮して液体６２となり、ウィック材５８に導かれて再び吸熱端５２に戻るというものである。このように、吸熱端５２で吸熱し、放熱端５４で放熱するので、冷却装置として用いることができる。
【００３７】
このように、ヒートパイプが作動するときには、吸熱端５２において作動流体が蒸気となっているが、詳しくは、蒸気泡により隔てられる複数の蒸気層の領域を形成して平衡状態に達しているといわれている。この複数の蒸気層の領域は、飽和液状態とも呼ばれており、その点から、作動流体の作動開始の温度は、飽和液状態となる温度である。
【００３８】
作動流体が飽和液状態となる温度は、ヒートパイプに密封される圧力によって変化する。例えば、液体の沸点が気圧によって変化するように、ヒートパイプに密封される圧力が高いほど、作動流体が飽和液状態となる温度は低くなる。飽和液温度以上で作動流体が作動してヒートパイプが冷却機能を発揮するので、補助冷却装置５０が冷却装置として作動開始する温度は、飽和液温度となり、その温度は、作動流体をヒートパイプに密封する圧力で加減できることになる。
【００３９】
したがって、補助冷却装置５０について、機器冷却装置２０の冷却部である循環流路２２の目標温度に基いて設定される所定温度以上で作動開始するように、作動流体を本体部５６の内部に密封することとすれば、補助冷却装置５０の冷却機能が所定温度以上でのみ発揮するようにできる。上記の例では、所定温度を６５℃とすることで、機器冷却装置２０の冷却部である循環流路２２の温度が６５℃未満のときは補助冷却装置５０が冷却機能を発揮しないようにできる。そして、機器冷却装置２０の冷却部である循環流路２２の温度が６５℃以上となると、吸熱端５２で作動流体が飽和液温度となって作動流体が本体部５６を流れて放熱端５４に到達し、車室空調装置３０の冷媒路３６によって放熱し、補助冷却装置５０が冷却機能を発揮するものとできる。
【００４０】
図３は、車室空調装置３０の冷却能力の分配の様子を説明する図である。横軸はヒートパイプの吸熱端５２の温度で、縦軸は車室空調装置３０の冷却能力である。ヒートパイプの作動流体の飽和液温度である所定温度をＴ0とすると、吸熱端５２の温度がＴ0未満のときは、車室空調装置３０の冷却能力がすべて車室空調装置３０の負荷に用いられる。したがって、車室の空調を十分に行うことができ、通常であれば車室空調装置３０が過負荷となることはない。吸熱端５２の温度がＴ0以上のときは、車室空調装置３０の冷却能力の一部が車両用電気機器であるインバータ回路１２の冷却負荷として用いられる。
【００４１】
このように、吸熱端５２の温度がＴ0以上の場合に限って、車室空調装置３０の冷却能力の一部が機器冷却装置２０の冷却能力の不足を補助するために用いられる。補助冷却は、着脱可能な補助冷却装置５０によって行われるので、車両の仕様に合わせて必要な場合に補助冷却装置５０を取り付ければよく、標準仕様の機器冷却装置２０の冷却能力を過大とする必要がない。また、車室空調装置３０の冷却能力を利用するのは、吸熱端５２の温度が所定温度Ｔ0以上のときに限られ、しかも、機器冷却装置２０の冷却能力の不足分を補助する程度であるので、車室空調装置３０がそのために過負荷となることを最小限とすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明に係る車両用冷却システムは、インバータ等の電気機器を搭載する車両に利用できる。
【符号の説明】
【００４３】
１０  車両用冷却システム、１２  インバータ回路、２０  機器冷却装置、２２  循環流路、２４  循環ポンプ、２６  熱交換器、２８，４２  ファン、３０  車室空調装置、３２  送風路、３４  車室、３６  冷媒路、３８  コンプレッサ、４０  凝縮器、４４  膨張弁、４６  蒸発器、５０  補助冷却装置、５２  吸熱端、５４  放熱端、５６  本体部、５８  ウィック材、６０  気体、６２  液体。
【図１】
2011162151.tif 000003
【図２】
2011162151.tif 000004
【図３】
2011162151.tif 000005