JP2009109057A - 冷却システム及びその起動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】不必要に圧縮機を作動させることなく、冷却対象機器の熱を利用して冷媒の温度を上昇させることができ、エネルギを節約することができるとともに、冷却対象機器の温度に応じて適切に冷却することができ、安全性が高くなるようにする。
【解決手段】冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮された冷媒の放熱を行う熱交換器と、放熱した冷媒を膨張させる膨張弁と、膨張した冷媒によって冷却対象機器を冷却する冷却ユニットと、前記圧縮機を制御する制御システムとを有する冷却システムであって、前記冷却対象機器は、電気モータを含む駆動系を備える車両の電気系の機器であり、前記冷媒は、冷却システムの定常運転時に超臨界状態となる二酸化炭素であり、前記制御システムは、前記冷却ユニットの上流側における冷媒の温度を計測するとともに、該冷媒の温度に基づいて前記圧縮機を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷却システム及びその起動方法に関するものである。

従来、車両の動力源として、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等の原動機に代わるものとして、燃料電池やバッテリから供給される電力によって回転する電気モータを使用した電気自動車の開発が進められている。電気自動車は、ガソリン、軽油等の燃料を燃焼させないので、排気、騒音等の公害を発生しない等の利点を備えている。

近年、電気自動車の進歩に伴い、電気モータ、バッテリ、インバータ等の機器が大型化し、その発熱量が増大しているので、前記機器を冷却する冷却システムが重要視されている（例えば、特許文献１参照。）。例えば、電気モータ、バッテリ、インバータ等の冷却対象機器を冷却するために、冷凍サイクルを採用し、電気モータ、バッテリ、インバータ等の発熱量を計算して、必要な冷却能力を維持するようにバイパス通路に配設されたポンプを制御することが提案されている。
特開２００５−９０８６２号公報

しかしながら、前記従来の冷却システムにおいては、冷媒が湿り蒸気の状態となる通常の冷凍サイクルを採用しているので、システム全体の効率を上げることが困難であった。そこで、冷媒を超臨界状態にして使用することによって、システム全体の効率を高くすることが考えられる。しかし、冷媒を超臨界状態にするには、冷媒の温度を臨界温度以上に保つ必要があるところ、電気自動車とともに起動する冷却システムの起動時には、冷却システムの各部も低温であって臨界温度に至っていない場合が多い。この場合、圧縮機を作動させ、冷媒の温度を上昇させて臨界温度以上にすることもできるが、冷却システムの起動時には、冷却対象機器も低温なので圧縮機を作動させる必要がないにも関わらず、圧縮機を作動させることは、エネルギの無駄である。

本発明は、前記従来の冷却システムの問題点を解決して、超臨界状態の二酸化炭素を冷媒とした圧縮工程及び膨張工程を含む冷凍サイクルを採用した冷却システムの起動時には、冷却対象機器の温度が所定値を超えるまで圧縮機を作動させないようにして、不必要に圧縮機を作動させることなく、冷却対象機器の熱を利用して冷媒の温度を上昇させることができ、エネルギを節約することができるとともに、冷却対象機器の温度に応じて適切に冷却することができ、安全性の高い冷却システム及びその起動方法を提供することを目的とする。

そのために、本発明の冷却システムにおいては、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮された冷媒の放熱を行う熱交換器と、放熱した冷媒を膨張させる膨張弁と、膨張した冷媒によって冷却対象機器を冷却する冷却ユニットと、前記圧縮機を制御する制御システムとを有する冷却システムであって、前記冷却対象機器は、電気モータを含む駆動系を備える車両の電気系の機器であり、前記冷媒は、冷却システムの定常運転時に超臨界状態となる二酸化炭素であり、前記制御システムは、前記冷却ユニットの上流側における冷媒の温度を計測するとともに、該冷媒の温度に基づいて前記圧縮機を制御する。

本発明の他の冷却システムにおいては、さらに、前記制御システムは、前記冷却対象機器の温度を計測するとともに、前記冷媒の温度が第１の閾（しきい）値以下である場合、前記冷却対象機器の温度に基づいて前記圧縮機を制御する。

本発明の更に他の冷却システムにおいては、さらに、前記制御システムは、起動時に前記冷却ユニットの上流側における冷媒の温度を計測し、該冷媒の温度に基づいて前記圧縮機を制御する。

本発明の更に他の冷却システムにおいては、さらに、前記制御システムは、前記冷媒の温度が第１の閾値以下である場合、前記冷却対象機器の温度を計測し、該冷却対象機器の温度に基づいて前記圧縮機を制御する。

本発明の更に他の冷却システムにおいては、さらに、前記制御システムは、各冷却対象機器のすべての温度が各々に設定された閾値以下である場合に前記圧縮機を停止させ、少なくとも１つの冷却対象機器の温度が設定された閾値を超えている場合に前記圧縮機を作動させる。

本発明の更に他の冷却システムにおいては、さらに、前記冷却対象機器は、前記電気モータ、該電気モータに供給される電流を制御するインバータ、及び、バッテリを含み、前記制御システムは、前記電気モータの温度が第２の閾値以下であり、前記インバータの温度が第３の閾値以下であり、かつ、前記バッテリの温度が第４の閾値以下である場合に前記圧縮機を停止させ、前記電気モータの温度が第２の閾値を超えている場合、前記インバータの温度が第３の閾値を超えている場合、又は、前記バッテリの温度が第４の閾値を超えている場合に前記圧縮機を作動させる。

本発明の更に他の冷却システムにおいては、さらに、前記制御システムは、前記圧縮機を作動させる場合、前記冷却ユニットの下流側における冷媒の温度を計測し、該冷媒の温度が第５の閾値未満であるとき、冷媒の吐出量が最低限となるように前記圧縮機を作動させ、前記冷媒の温度が第５の閾値以上であるとき、前記冷媒の温度と第５の閾値との差分が大きくなるほど冷媒の吐出量が大きくなるように前記圧縮機を作動させる。

本発明の冷却システムの起動方法においては、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮された冷媒の放熱を行う熱交換器と、放熱した冷媒を膨張させる膨張弁と、膨張した冷媒によって冷却対象機器を冷却する冷却ユニットとを有し、前記冷却対象機器は、電気モータを含む駆動系を備える車両の電気系の機器であり、前記冷媒は、定常運転時に超臨界状態となる二酸化炭素である冷却システムの起動方法であって、起動時に前記冷却ユニットの上流側における冷媒の温度を計測し、該冷媒の温度に基づいて前記圧縮機を制御する。

請求項１及び８の構成によれば、不必要に圧縮機を作動させることなく、エネルギを節約することができるとともに、冷却対象機器を適切に冷却することができる。

請求項２の構成によれば、冷却対象機器の温度に応じて適切に冷却することができる。

請求項３及び４の構成によれば、冷却システムの起動時には、冷却対象機器も低温なので圧縮機を作動させる必要がないにも関わらず、圧縮機を作動させることがないのでエネルギを無駄にしなくてよい。

請求項５〜７の構成によれば、冷却対象機器の熱を利用して冷媒の温度を上昇させることができ、エネルギを節約することができ、冷却システムの効率が向上する。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は本発明の実施の形態における冷却システムの構成を示す図である。

図において、１０は本実施の形態における冷却システムであり、主として環境対策車に使用される。なお、本実施の形態において、環境対策車とは、例えば、駆動源としてエンジンと電気モータとを併用するハイブリッドカー、駆動源として電気モータのみを使用する電気自動車（ＥＶ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）、電気モータに供給する電力を燃料電池によって発電する燃料電池車等のように、電気モータとしての交流モータである車両駆動モータ２１を含む駆動系を有する車両である。

そして、前記環境対策車は、車両の車輪を回転させる駆動源である前記車両駆動モータ２１に加えて、蓄電手段としての蓄電池、すなわち、バッテリ２３、及び、該バッテリ２３から車両駆動モータ２１に供給される電流を制御する駆動制御装置としてのインバータ２２も有する。該インバータ２２は、バッテリ２３からの直流電流を交流電流に変換して、前記車両駆動モータ２１に供給する。

また、前記冷却システム１０は、前記環境対策車が有する車両駆動モータ２１、インバータ２２、バッテリ２３等の電気系の機器を冷却対象機器とする。なお、前記環境対策車が有するその他の機器も必要に応じて、冷却システム１０の冷却対象機器とすることができるが、ここでは、説明の都合上、環境対策車の主要な電気系の機器である車両駆動モータ２１、インバータ２２及びバッテリ２３のみが冷却システム１０の冷却対象機器である場合について説明する。

ここで、前記冷却システム１０は、超臨界状態の二酸化炭素、すなわち、ＣＯ₂ を冷媒とする圧縮工程及び膨張工程を含む冷凍サイクル又はヒートポンプサイクルを採用した密閉されたシステムであり、内部を冷媒が流通するパイプとしての冷媒管路１５に配設された圧縮機１１、熱交換器１２、膨張弁１３及び冷却ユニット１４を有する。前記圧縮機１１、熱交換器１２、膨張弁１３及び冷却ユニット１４は、それぞれ密閉された状態で、冷媒管路１５を介して接続されている。なお、ＣＯ₂ は、温度が３１．１〔℃〕以上、及び、圧力が７．４〔ＭＰａ〕以上の条件下で超臨界状態となる。超臨界状態のＣＯ₂ は、液体と気体の中間の性質、すなわち、液体に近い密度と溶解性及び気体に近い粘性、表面張力、拡散性を有し、さらに、空気等の気体と比較して、極めて高い冷却性能（熱伝達率及び熱輸送力）を有する。そして、前記冷却システム１０においては、すべての箇所で、かつ、すべての工程でＣＯ₂ が超臨界状態となるように温度及び圧力が維持されている。また、ＣＯ₂ は、絶縁性であり、かつ、不活性である。

そして、前記圧縮機１１は、車両駆動モータ２１、その他の電気モータ、エンジン等の駆動源によって駆動され、冷媒であるＣＯ₂ を圧縮して高温及び高圧にする装置である。前記圧縮機１１における圧縮工程によって、ＣＯ₂ の温度及び圧力は、圧縮機１１の上流側のＡ点における温度Ｔ_A 及び圧力Ｐ_A から、圧縮機１１の下流側のＢ点における温度Ｔ_B 及び圧力Ｐ_B に変化する。

また、前記熱交換器１２は、空気等の外部の媒体と熱交換することによって放熱を行い、内部を流通するＣＯ₂ を冷却する装置である。なお、外部の媒体は、図示されないファン等によって送風された空気であってもよいし、前記環境対策車が走行することによって受ける走行風であってもよいし、ノズル等から散布される水であってもよい。前記熱交換器１２における放熱工程によって、ＣＯ₂ の温度及び圧力は、熱交換器１２の上流側のＢ点における温度Ｔ_B 及び圧力Ｐ_B から、熱交換器１２の下流側のＣ点における温度Ｔ_C 及び圧力Ｐ_C に変化する。

さらに、前記膨張弁１３は、熱交換器１２から流出した高圧のＣＯ₂ を膨張させて低温及び低圧にする装置であり、ＣＯ₂ を冷媒管路１５の内径よりも小径の減圧孔（こう）を通過させることによって減圧する。なお、前記膨張弁１３は、ソレノイド等のアクチュエータを備え、減圧孔の大きさ、すなわち、バルブの開度を制御可能なものである。前記膨張弁１３における膨張工程によって、ＣＯ₂ の温度及び圧力は、膨張弁１３の上流側のＣ点における温度Ｔ_C 及び圧力Ｐ_C から、膨張弁１３の下流側のＤ点における温度Ｔ_D 及び圧力Ｐ_D に変化する。

さらに、前記冷却ユニット１４は、膨張弁１３から流出した低温のＣＯ₂ によって、冷却対象機器である車両駆動モータ２１、インバータ２２及びバッテリ２３を冷却する装置である。ここで、前記車両駆動モータ２１、インバータ２２及びバッテリ２３は、冷却ユニット１４内において、各々個別にパッケージ化され、各パッケージ内に密封された状態となっている。

そして、冷却ユニット１４に流入したＣＯ₂ は、各パッケージ内を流通することによって、各パッケージ内に密封された車両駆動モータ２１、インバータ２２及びバッテリ２３の内部をも流通し、車両駆動モータ２１、インバータ２２及びバッテリ２３をその内部から直接冷却する。つまり、車両駆動モータ２１、インバータ２２及びバッテリ２３の中にはＣＯ₂ が充満し、該ＣＯ₂ によって車両駆動モータ２１、インバータ２２及びバッテリ２３は内部から冷却される。例えば、車両駆動モータ２１の場合、ケーシングの内部にもＣＯ₂ が流入し、ケーシングの内壁に取り付けられた固定子、該固定子によって囲まれた回転子、該回転子が取り付けられた回転軸、該回転軸を回転可能に保持する軸受等のケーシング内に配設された各部材も、ケーシングの内部に流入したＣＯ₂ に接触することによって直接冷却される。

なお、図に示される例においては、各冷却対象機器が、冷却ユニット１４内における上流側からバッテリ２３、インバータ２２及び車両駆動モータ２１の順番で直列に並べられているが、各冷却対象機器の並ぶ順番は、必要に応じて適宜変更することができる。また、各冷却対象機器は、必ずしも直列に並べる必要もなく、並列に並べてもよい。もっとも、通常の冷却対象機器の場合、最大許容温度がバッテリ２３＜インバータ２２＜車両駆動モータ２１の順番で高くなっているので、冷却効率の観点からは、上流側からバッテリ２３、インバータ２２及び車両駆動モータ２１の順番で直列に並べることが望ましい。なお、ここでは、車両駆動モータ２１、インバータ２２及びバッテリ２３が各々個別にパッケージ化された例について説明したが、必要に応じて、車両駆動モータ２１、インバータ２２及びバッテリ２３を一括してパッケージ化することもできる。

前記冷却ユニット１４における冷却工程によって、ＣＯ₂ の温度及び圧力は、冷却ユニット１４の上流側のＤ点における温度Ｔ_D 及び圧力Ｐ_D から、冷却ユニット１４の下流側のＡ点における温度Ｔ_A 及び圧力Ｐ_A に変化する。

次に、前記冷却システム１０を制御する制御システムについて説明する。

図２は本発明の実施の形態における冷却システムの制御システムの構成を示すブロック図である。

本実施の形態における冷却システム１０の動作は、図に示されるような制御装置としての制御システムによって制御される。該制御システムは、冷却システム制御装置としての冷却系制御ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）４１を有し、該冷却系制御ＥＣＵ４１は、冷却システム１０の圧縮機１１及び膨張弁１３を制御する。前記圧縮機１１は、冷媒であるＣＯ₂ の流量又は差圧を目標値として制御され、前記膨張弁１３は、Ｃ点とＤ点との圧力差及び温度差を管理するために制御される。なお、本実施の形態においては、前記圧縮機１１がＣＯ₂ の流量を制御するように、冷却系制御ＥＣＵ４１によってその動作を制御されるものとして説明する。

また、前記制御システムは、車両駆動モータ２１の温度Ｔ_m を計測するモータ温度センサ４２、インバータ２２の温度Ｔ_i を計測するインバータ温度センサ４３、バッテリ２３の温度Ｔ_t を計測するバッテリ温度センサ４４、冷却ユニット１４の下流側のＡ点におけるＣＯ₂ の温度Ｔ_A を計測するＡ点温度センサ４５、及び、冷却ユニット１４の上流側のＤ点におけるＣＯ₂ の温度Ｔ_D を計測するＤ点温度センサ４６を有する。そして、前記モータ温度センサ４２、インバータ温度センサ４３、バッテリ温度センサ４４、Ａ点温度センサ４５及びＤ点温度センサ４６の計測した温度が冷却系制御ＥＣＵ４１に入力される。

なお、前記モータ温度センサ４２、インバータ温度センサ４３、バッテリ温度センサ４４、Ａ点温度センサ４５及びＤ点温度センサ４６の各々は、必ずしも単数であるとは限らず、複数であってもよい。例えば、前記モータ温度センサ４２は、車両駆動モータ２１内において最も発熱する部位（通常は、コイルエンド部）に１つ又は２つ以上取り付けられる。また、前記インバータ温度センサ４３は、インバータ２２の備える複数の電力制御素子のうちで高温になる可能性のある電力制御素子に１つ又は２つ以上取り付けられる。さらに、前記バッテリ温度センサ４４は、バッテリ２３のパッケージ又はバッテリ２３を構成するセルに１つ又は２つ以上取り付けられる。

次に、前記構成の冷却システム１０の動作について説明する。まず、定常運転モードにおける冷却システム１０のサイクルを説明する。

図３は本発明の実施の形態における冷却システムのサイクルを説明する図、図４は本発明の実施の形態における比較例のサイクルを説明する図、図５は本発明の実施の形態における超臨界状態のＣＯ₂ の物性値を他の物質との比較で示す図である。

図３は、説明のために簡略化したＣＯ₂ のモリエル線図の上に冷却システム１０の模式図を重ね合わせたものである。なお、モリエル線図においては、縦軸が圧力（単位：ＭＰａ）であり、横軸はエンタルピー（単位：ｋＪ／ｋｇ）である。そして、図３において、３１は本実施の形態における冷却システム１０のサイクルを示し、３２はＣＯ₂ の飽和液線及び飽和蒸気線を示している。なお、線３２は、臨界点より左側が飽和液線となり、臨界点より右側が飽和蒸気線となる。

線３１で示されるように、圧縮機１１の上流側のＡ点におけるＣＯ₂ の温度Ｔ_A 及び圧力Ｐ_A は、臨界点における温度及び圧力、すなわち、臨界温度及び臨界圧力よりも高くなっている。なお、図３において、圧力Ｐ_A の値はＰ_low である。このことから、圧縮機１１の上流側のＡ点において、ＣＯ₂ が超臨界状態となっていることが分かる。一例として、Ａ点における温度Ｔ_A ＝７２．５〔℃〕、圧力Ｐ_A ＝８〔ＭＰａ〕であり、また、エンタルピーｈ_A ＝４８０〔ｋＪ／ｋｇ〕である。

そして、圧縮機１１における圧縮工程によって、ＣＯ₂ は、断熱圧縮されて温度及び圧力が上昇し、圧縮機１１の下流側であって熱交換器１２の上流側であるＢ点における温度Ｔ_B 及び圧力Ｐ_B に変化する。なお、図３において、圧力Ｐ_B の値はＰ_hiである。Ｂ点における温度Ｔ_B 及び圧力Ｐ_B も、臨界温度及び臨界圧力よりも高くなっているので、Ｂ点においても、ＣＯ₂ が超臨界状態となっていることが分かる。一例として、Ｂ点における温度Ｔ_B ＝９０．０〔℃〕、圧力Ｐ_B ＝１０〔ＭＰａ〕であり、また、エンタルピーｈ_B ＝４９０〔ｋＪ／ｋｇ〕である。

また、図３において、Ｐ_hiとＰ_low との差が小さいことが分かる。このように、Ｐ_hiとＰ_low との差が小さいので、圧縮機１１の仕事量が小さくなり、冷却システム１０の効率が向上する。

続いて、熱交換器１２における放熱工程によって、ＣＯ₂ は、等圧で放熱して温度が下降し、熱交換器１２の下流側であって膨張弁１３の上流側であるＣ点における温度Ｔ_C 及び圧力Ｐ_C に変化する。なお、図３において、圧力Ｐ_C の値はＰ_hiである。Ｃ点における温度Ｔ_C 及び圧力Ｐ_C も、臨界温度及び臨界圧力よりも高くなっているので、Ｃ点においても、ＣＯ₂ が超臨界状態となっていることが分かる。一例として、Ｃ点における温度Ｔ_C ＝４３．０〔℃〕、圧力Ｐ_C ＝１０〔ＭＰａ〕であり、また、エンタルピーｈ_C ＝３４０〔ｋＪ／ｋｇ〕である。

続いて、膨張弁１３における膨張工程によって、ＣＯ₂ の温度及び圧力が下降し、膨張弁１３の下流側であって冷却ユニット１４の上流側であるＤ点における温度Ｔ_D 及び圧力Ｐ_D に変化する。なお、図３において、圧力Ｐ_D の値はＰ_low である。Ｄ点における温度Ｔ_D 及び圧力Ｐ_D も、臨界温度及び臨界圧力よりも高くなっているので、Ｄ点においても、ＣＯ₂ が超臨界状態となっていることが分かる。一例として、Ｄ点における温度Ｔ_D ＝３５．０〔℃〕、圧力Ｐ_D ＝８〔ＭＰａ〕であり、また、エンタルピーｈ_D ＝３４０〔ｋＪ／ｋｇ〕である。

続いて、冷却ユニット１４における冷却工程によって、ＣＯ₂ は、等圧で吸熱して温度が上昇し、冷却ユニット１４の下流側であって圧縮機１１の上流側であるＡ点における温度Ｔ_A 及び圧力Ｐ_A に変化する。冷却ユニット１４の上流側であるＤ点においても、冷却ユニット１４の下流側であるＡ点においてもＣＯ₂ が超臨界状態となっているのであるから、冷却ユニット１４においてもＣＯ₂ が超臨界状態であり、車両駆動モータ２１、インバータ２２及びバッテリ２３は、超臨界状態のＣＯ₂ によって冷却されることが分かる。

また、冷却システム１０の効率を示すＣＯＰ（成績係数：Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）は、一例として示したエンタルピーの値を使用して計算すると、
高温側：ＣＯＰ_Heat＝（ｈ_B −ｈ_C ）／（ｈ_B −ｈ_A ）＝１５
低温側：ＣＯＰ_Cool＝（ｈ_A −ｈ_D ）／（ｈ_B −ｈ_A ）＝１４
となり、非常に高い値であることが分かる。

これに対し、通常の冷凍サイクルを採用した比較例の冷却システム１１０のサイクルは、図４において線１３１で示される。なお、図４は、図３と同様に、説明のために簡略化したＣＯ₂ のモリエル線図の上に比較例の冷却システム１１０の模式図を重ね合わせたものであり、１３２はＣＯ₂ の飽和液線及び飽和蒸気線を示している。また、１１１、１１２、１１３、１１４及び１１５は、比較例の冷却システム１１０の圧縮機、熱交換器、膨張弁、冷却ユニット及び冷媒管路である。さらに、１２１、１２２及び１２３は、冷却ユニット１１４内に配設された車両駆動モータ、インバータ及びバッテリである。

図４から、比較例の冷却システム１１０では、高温側、すなわち、熱交換器１１２における放熱工程であるＢ点からＣ点までの間ではＣＯ₂ が超臨界状態となっているが、低温側、すなわち、冷却ユニット１１４における冷却工程であるＤ点からＡ点までの間ではＣＯ₂ が気相と液相とが共存する湿り蒸気の状態となっていることが分かる。また、膨張弁１１３における膨張工程であるＣ点からＤ点までの間では、ＣＯ₂ の圧力を大きく下降させていることが分かる。そのため、膨張工程によってＣＯ₂ の温度を大きく下降させることができるものの、Ｐ_hiとＰ_low との差が大きくなるので、圧縮機１１１の仕事量が大きくなってしまい、その結果、冷却システム１１０の効率が低下する。

一例として、Ａ点における温度Ｔ_A ＝−５〔℃〕、圧力Ｐ_A ＝３〔ＭＰａ〕、エンタルピーｈ_A ＝４４０〔ｋＪ／ｋｇ〕であり、Ｂ点における温度Ｔ_B ＝９０〔℃〕、圧力Ｐ_B ＝１０〔ＭＰａ〕、エンタルピーｈ_B ＝４９０〔ｋＪ／ｋｇ〕であり、Ｃ点における温度Ｔ_C ＝３５〔℃〕、圧力Ｐ_C ＝１０〔ＭＰａ〕、エンタルピーｈ_C ＝２９０〔ｋＪ／ｋｇ〕であり、Ｄ点における温度Ｔ_D ＝−５〔℃〕、圧力Ｐ_D ＝３〔ＭＰａ〕、エンタルピーｈ_D ＝２９０〔ｋＪ／ｋｇ〕である。

この場合、冷却システム１１０の効率を示すＣＯＰは、
高温側：ＣＯＰ_Heat＝（ｈ_B −ｈ_C ）／（ｈ_B −ｈ_A ）＝４
低温側：ＣＯＰ_Cool＝（ｈ_A −ｈ_D ）／（ｈ_B −ｈ_A ）＝３
となり、本実施の形態における冷却システム１０と比較して非常に低い値であることが分かる。

さらに、冷却ユニット１１４における冷却工程でＣＯ₂ が超臨界状態となっておらず、湿り蒸気の状態となっているので、ＣＯ₂ の熱伝達率が低く、車両駆動モータ１２１、インバータ１２２及びバッテリ１２３を高い効率で冷却することができない。

図５に示されるように、超臨界状態のＣＯ₂ の熱伝達率は、気相のＣＯ₂ の熱伝達率よりも二桁（けた）も大きく、液体である油とほぼ同等である。したがって、本実施の形態における冷却システム１０では、超臨界状態のＣＯ₂ によって車両駆動モータ２１、インバータ２２及びバッテリ２３を冷却するので、極めて高い効率で冷却することができる。しかも、前述のように、超臨界状態のＣＯ₂ が車両駆動モータ２１、インバータ２２及びバッテリ２３をも流通し、車両駆動モータ２１、インバータ２２及びバッテリ２３をその内部から直接冷却するので、さらに、高い効率で冷却することができる。

なお、図５に示される例において、各媒体、すなわち、空気（気相）、水（液相）、油（ＡＴＦ：Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｆｌｕｉｄ）、ＣＯ₂ （気相）及びＣＯ₂ （超臨界状態）の熱伝達率である平均熱伝達率ｈ_m は、次の式（１）によって算出された。

この場合、代表長さＬは１〔ｍ〕であると仮定し、代表流速ｕは１〔ｍ／ｓ〕であると仮定した。また、粘度ν、比重量γ、定圧比熱Ｃ_p 及び熱伝導率λの値は、空気（気相）、水（液相）及びＣＯ₂ （気相）については、圧力０．１〔ＭＰａ〕で温度３４０〔Ｋ〕の場合の値であり、ＣＯ₂ （超臨界状態）については、圧力７．５〔ＭＰａ〕で温度３４０〔Ｋ〕の場合の値である。さらに、油（ＡＴＦ）について、粘度ν及び比重量γの値は、Ｇｕｌｆ ＡＴＦ ＴｙｐｅＪという製品の温度１００〔℃〕の場合の値であり、定圧比熱Ｃ_p 及び熱伝導率λの値は、シェルサーミヤオイルＸ−Ｚという製品の温度１００〔℃〕の場合の値である。

さらに、図５に示されるように、超臨界状態のＣＯ₂ の粘度νは、液体の油より二桁も小さく、気相のＣＯ₂ 及び空気とほぼ同等である。したがって、本実施の形態における冷却システム１０では、超臨界状態のＣＯ₂ を車両駆動モータ２１の内部の回転子、軸受等の回転部に流通させても、粘度、すなわち、粘性が低いので車両駆動モータ２１の駆動ロスが発生することがない。

次に、起動時における冷却システム１０の動作について説明する。まず、起動時における動作全般について説明する。

図６は本発明の実施の形態における冷却システムの起動時の動作を示すフローチャートである。

本実施の形態における冷却システム１０は、車両駆動モータ２１を含む駆動系を有する車両である環境対策車の電気系の機器を冷却対象機器とするものであるところ、起動時には、冷媒であるＣＯ₂ の温度が低く、超臨界状態となる温度である３１．１〔℃〕に至っていない場合が多い。この場合、起動直後に圧縮機１１を作動させてＣＯ₂ を超臨界状態とすることは可能であるが、冷却対象機器が低温であるときには、ＣＯ₂ を超臨界状態とする必要がないので、圧縮機１１を作動させることはエネルギの無駄である。むしろ、冷却対象機器の発熱を利用し、圧縮機１１を余計に作動させることなく、冷却が機能する状態とするのが効率的である。

そこで、本実施の形態においては、冷却システム１０の起動時に、冷却対象機器である車両駆動モータ２１、インバータ２２及びバッテリ２３の温度を計測し、各冷却対象機器が上限温度に達しないように、かつ、余分な駆動力を使用しないように圧縮機１１の動作を制御しながら、冷媒であるＣＯ₂ が超臨界状態となるように誘導する。また、各冷却対象機器の電流値に基づいた発熱量を用いることなく、計測された温度に対してフィードバック制御を行うことによって、ＣＯ₂ 以外への放熱、例えば、各冷却対象機器のパッケージから外気に放熱されて失われる熱量も考慮に入れることができる。さらに、ＣＯ₂ が超臨界状態となるように誘導する際に、膨張弁１３を全開とすることによって、圧縮機１１の仕事量を必要最小限とすることができる。

まず、冷却システム１０が起動されると、冷却系制御ＥＣＵ４１は、Ｄ点温度センサ４６から冷却ユニット１４の上流側のＤ点におけるＣＯ₂ の温度Ｔ_D を取得する（ステップＳ１）。そして、冷却系制御ＥＣＵ４１は、温度Ｔ_D が第１の閾値を超えたか否かを判断する（ステップＳ２）。ここで、第１の閾値は、あらかじめ設定された所定の値であって、冷媒であるＣＯ₂ が超臨界状態となっているか否かを判断する値である。

前述のように、ＣＯ₂ は温度が３１．１〔℃〕以上、及び、圧力が７．４〔ＭＰａ〕以上の条件下で超臨界状態となるものであるところ、冷却システム１０内には、３１．１〔℃〕の温度で７．４〔ＭＰａ〕の圧力となるようにＣＯ₂ が封入されているので、温度のみによってＣＯ₂ が超臨界状態となっているか否かを判断することができる。そこで、前記第１の閾値は、３１．１〔℃〕よりわずかに大きな値、例えば、３２〔℃〕に設定される。なお、温度Ｔ_D だけでなく圧力Ｐ_D も計測し、温度Ｔ_D 及び圧力Ｐ_D に基づいてＣＯ₂ が超臨界状態となっているか否かを判断することもできる。

そして、温度Ｔ_D が第１の閾値を超えた場合には、ＣＯ₂ が超臨界状態となっているのであるから、冷却系制御ＥＣＵ４１は、定常運転モードに移行し（ステップＳ１２）、起動時の処理を終了する。

また、温度Ｔ_D が第１の閾値を超えない場合、すなわち、第１の閾値以下である場合、冷却系制御ＥＣＵ４１は、膨張弁１３を全開、すなわち、バルブの開度を最大にする（ステップＳ３）。これは、膨張弁１３による流路抵抗をできる限り低くし、圧縮機１１から膨張弁１３までの圧力を必要以上に高くしないようにして、圧縮機１１に必要以上の仕事をさせないようにするためである。なお、膨張弁１３の入口と出口とを結ぶバイパス管路を配設し、該バイパス管路を開閉することによっても、同様の効果を得ることができる。また、熱交換器１２の入口と出口とを結ぶバイパス管路を配設し、該バイパス管路を開閉することによって、起動時には、ＣＯ₂ を冷却しないようにしてもよい。

続いて、冷却系制御ＥＣＵ４１は、モータ温度センサ４２から車両駆動モータ２１の温度Ｔ_m を取得する（ステップＳ４）。そして、冷却系制御ＥＣＵ４１は、温度Ｔ_m が第２の閾値を超えたか否かを判断する（ステップＳ５）。

ここで、第２の閾値は、あらかじめ設定された所定の値であって、車両駆動モータ２１の温度Ｔ_m が最大許容温度以下となっているか否かを判断する値である。前記第２の閾値は、温度Ｔ_m が車両駆動モータ２１の最大許容温度を決して超えることがないように、余裕を持って小さな値に設定されることが望ましく、例えば、５０〔℃〕に設定される。なお、モータ温度センサ４２が複数である場合には、すべてのモータ温度センサ４２が計測した温度Ｔ_m の最大値を採択する。なお、最大許容温度は、車両駆動モータ２１の耐久性を著しく低下させないようにするとともに、その性能を十分に発揮するために設定されている。

そして、温度Ｔ_m が第２の閾値を超えた場合には、車両駆動モータ２１の最大許容温度を超えることがないように、圧縮機作動処理を実行して、圧縮機１１を作動させて車両駆動モータ２１を冷却する（ステップＳ１１）。その後、当初に戻り、起動時の処理を再度実行する。

また、温度Ｔ_m が第２の閾値を超えない場合、すなわち、第２の閾値以下である場合、冷却系制御ＥＣＵ４１は、インバータ温度センサ４３からインバータ２２の温度Ｔ_i を取得する（ステップＳ６）。そして、冷却系制御ＥＣＵ４１は、温度Ｔ_i が第３の閾値を超えたか否かを判断する（ステップＳ７）。

ここで、第３の閾値は、あらかじめ設定された所定の値であって、インバータ２２が備える電力制御素子又はその他の部品の温度が最大許容温度以下となっているか否かを判断する値である。前記第３の閾値は、温度Ｔ_i がインバータ２２が備える電力制御素子又はその他の部品の最大許容温度を決して超えることがないように、余裕を持って小さな値に設定されることが望ましく、例えば、５０〔℃〕に設定される。なお、インバータ温度センサ４３が複数である場合には、すべてのインバータ温度センサ４３が計測した温度Ｔ_i の最大値を採択する。なお、最大許容温度は、インバータ２２が備える電力制御素子又はその他の部品の耐久性を著しく低下させないようにするとともに、その性能を十分に発揮するために設定されている。

そして、温度Ｔ_i が第３の閾値を超えた場合には、インバータ２２の最大許容温度を超えることがないように、圧縮機作動処理を実行して、圧縮機１１を作動させてインバータ２２を冷却する（ステップＳ１１）。その後、当初に戻り、起動時の処理を再度実行する。

また、温度Ｔ_i が第３の閾値を超えない場合、すなわち、第３の閾値以下である場合、冷却系制御ＥＣＵ４１は、バッテリ温度センサ４４からバッテリ２３の温度Ｔ_t を取得する（ステップＳ８）。そして、冷却系制御ＥＣＵ４１は、温度Ｔ_t が第４の閾値を超えたか否かを判断する（ステップＳ９）。

ここで、第４の閾値は、あらかじめ設定された所定の値であって、バッテリ２３の温度Ｔ_t が最大許容温度以下となっているか否かを判断する値である。前記第４の閾値は、温度Ｔ_t がバッテリ２３の最大許容温度を決して超えることがないように、余裕を持って小さな値に設定されることが望ましく、例えば、４０〔℃〕に設定される。なお、バッテリ温度センサ４４が複数である場合には、すべてのバッテリ温度センサ４４が計測した温度Ｔ_t の最大値を採択する。なお、最大許容温度は、バッテリ２３の耐久性を著しく低下させないようにするとともに、その性能を十分に発揮するために設定されている。

そして、温度Ｔ_t が第４の閾値を超えた場合には、バッテリ２３の最大許容温度を超えることがないように、圧縮機作動処理を実行して、圧縮機１１を作動させてバッテリ２３を冷却する（ステップＳ１１）。その後、当初に戻り、起動時の処理を再度実行する。

また、温度Ｔ_t が第４の閾値を超えない場合、すなわち、第４の閾値以下である場合、冷却系制御ＥＣＵ４１は、圧縮機１１を停止させる（ステップＳ１０）。なお、既に圧縮機１１が停止している場合には停止状態を継続させる。これにより、不必要に圧縮機１１を作動させず、エネルギを節約することができる。その後、当初に戻り、起動時の処理を再度実行する。

このように、冷却システム１０の起動時においては、ＣＯ₂ の温度Ｔ_D 、車両駆動モータ２１の温度Ｔ_m 、インバータ２２の温度Ｔ_i 及びバッテリ２３の温度Ｔ_t が、それぞれ、第１〜第４の閾値を超えない場合には、圧縮機１１を停止させるようになっているので、不必要に圧縮機１１を作動させず、エネルギを節約することができる。また、起動時の処理は、定常運転モードに移行するまで一定時間おきに繰り返し実行され、定常運転モードに移行することによって終了する。

なお、冷却対象機器の温度である車両駆動モータ２１の温度Ｔ_m 、インバータ２２の温度Ｔ_i 及びバッテリ２３の温度Ｔ_t を第２〜第４の閾値と比較する場合、閾値前後の温度での圧縮機１１の頻繁な起動及び停止を防止するために、ある程度のヒステリシスを設定することが望ましい。

次に、圧縮機作動処理の動作について説明する。

図７は本発明の実施の形態における冷却システムの圧縮機作動処理のサブルーチンを示すフローチャートである。

圧縮機作動処理においては、冷却系制御ＥＣＵ４１は、まず、Ａ点温度センサ４５から冷却ユニット１４の下流側のＡ点におけるＣＯ₂ の温度Ｔ_A を取得する（ステップＳ１１−１）。そして、冷却系制御ＥＣＵ４１は、温度Ｔ_A が第５の閾値未満であるか否かを判断する（ステップＳ１１−２）。

ここで、第５の閾値は、あらかじめ設定された所定の値であって、圧縮機１１が吐出するＣＯ₂ の流量、すなわち、圧縮機１１の吐出量を最小値とするか否かを判断する値である。前記第５の閾値は、環境対策車の最大負荷時における冷却対象機器の発熱量を考慮して設定されることが望ましく、例えば、６０〔℃〕に設定される。

そして、温度Ｔ_A が第５の閾値未満である場合、冷却系制御ＥＣＵ４１は、圧縮機１１の吐出量の目標値ＳをＳｍｉｎにセットする（ステップＳ１１−４）。Ｓｍｉｎは、冷媒管路１５内をＣＯ₂ が循環可能な最小限の圧縮機１１の吐出量であり、実験に基づいて設定される。

また、温度Ｔ_A が第５の閾値未満でない場合、すなわち、第５の閾値以上である場合、冷却系制御ＥＣＵ４１は、圧縮機１１の吐出量の目標値Ｓをｆ（Ｔ_A −α）にセットする（ステップＳ１１−３）。ここで、ｆは圧縮機１１の吐出量を算出する関数を示し、αは第５の閾値を示している。したがって、ｆ（Ｔ_A −α）は、Ａ点におけるＣＯ₂ の温度Ｔ_A と第５の閾値との差分、すなわち、温度差（Ｔ_A −α）を変数とする関数である。そして、前記ｆ（Ｔ_A −α）は、例えば、温度差（Ｔ_A −α）の一次関数であって、前記温度差（Ｔ_A −α）が大きくなるほど算出される圧縮機１１の吐出量が大きくなるような関数である。一例として、次の式（２）のように設定することができる。
ｆ（Ｔ_A −α）＝β＊（Ｔ_A −α） ・・・式（２）
ここで、βは正の実数である。

そして、ｆ（Ｔ_A −α）の算出値が目標値Ｓにセットされる。

続いて、冷却系制御ＥＣＵ４１は、吐出量Ｓで圧縮機１１を作動させる（ステップＳ１１−５）。すなわち、該圧縮機１１の吐出量が目標値Ｓとなるように圧縮機１１の動作を制御する。

このように、本実施の形態においては、冷却システム１０の起動時に、冷却対象機器である車両駆動モータ２１、インバータ２２及びバッテリ２３の温度を計測し、各冷却対象機器が上限温度に達しないように、かつ、余分な駆動力を使用しないように圧縮機１１の動作を制御しながら、冷媒であるＣＯ₂ が超臨界状態となるように誘導する。このように、冷却対象機器の発熱を利用することによって、圧縮機１１に無駄な動作をさせることなく、ＣＯ₂ を定常運転モードで使用される超臨界状態に遷移させることができる。

また、各冷却対象機器の電流値に基づいた発熱量を用いることなく、計測された温度に対してフィードバック制御を行うことによって、ＣＯ₂ 以外への放熱、例えば、各冷却対象機器のパッケージから外気に放熱されて失われる熱量も考慮に入れることができる。さらに、ＣＯ₂ が超臨界状態となるように誘導する際に、膨張弁１３を全開とすることによって、圧縮機１１の仕事量を必要最小限とすることができる。

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の実施の形態における冷却システムの構成を示す図である。 本発明の実施の形態における冷却システムの制御システムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態における冷却システムのサイクルを説明する図である。 本発明の実施の形態における比較例のサイクルを説明する図である。 本発明の実施の形態における超臨界状態のＣＯ₂ の物性値を他の物質との比較で示す図である。 本発明の実施の形態における冷却システムの起動時の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態における冷却システムの圧縮機作動処理のサブルーチンを示すフローチャートである。

符号の説明

１０ 冷却システム
１１ 圧縮機
１２ 熱交換器
１３ 膨張弁
１４ 冷却ユニット
２１ 車両駆動モータ
２２ インバータ
２３ バッテリ

Claims (8)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
   圧縮された冷媒の放熱を行う熱交換器と、
   放熱した冷媒を膨張させる膨張弁と、
   膨張した冷媒によって冷却対象機器を冷却する冷却ユニットと、
   前記圧縮機を制御する制御システムとを有する冷却システムであって、
   前記冷却対象機器は、電気モータを含む駆動系を備える車両の電気系の機器であり、
   前記冷媒は、冷却システムの定常運転時に超臨界状態となる二酸化炭素であり、
   前記制御システムは、前記冷却ユニットの上流側における冷媒の温度を計測するとともに、該冷媒の温度に基づいて前記圧縮機を制御することを特徴とする冷却システム。
2. 前記制御システムは、前記冷却対象機器の温度を計測するとともに、前記冷媒の温度が第１の閾値以下である場合、前記冷却対象機器の温度に基づいて前記圧縮機を制御する請求項１に記載の冷却システム。
3. 前記制御システムは、起動時に前記冷却ユニットの上流側における冷媒の温度を計測し、該冷媒の温度に基づいて前記圧縮機を制御する請求項２に記載の冷却システム。
4. 前記制御システムは、前記冷媒の温度が第１の閾値以下である場合、前記冷却対象機器の温度を計測し、該冷却対象機器の温度に基づいて前記圧縮機を制御する請求項３に記載の冷却システム。
5. 前記制御システムは、各冷却対象機器のすべての温度が各々に設定された閾値以下である場合に前記圧縮機を停止させ、少なくとも１つの冷却対象機器の温度が設定された閾値を超えている場合に前記圧縮機を作動させる請求項２に記載の冷却システム。
6. 前記冷却対象機器は、前記電気モータ、該電気モータに供給される電流を制御するインバータ、及び、バッテリを含み、
   前記制御システムは、前記電気モータの温度が第２の閾値以下であり、前記インバータの温度が第３の閾値以下であり、かつ、前記バッテリの温度が第４の閾値以下である場合に前記圧縮機を停止させ、前記電気モータの温度が第２の閾値を超えている場合、前記インバータの温度が第３の閾値を超えている場合、又は、前記バッテリの温度が第４の閾値を超えている場合に前記圧縮機を作動させる請求項５に記載の冷却システム。
7. 前記制御システムは、前記圧縮機を作動させる場合、前記冷却ユニットの下流側における冷媒の温度を計測し、該冷媒の温度が第５の閾値未満であるとき、冷媒の吐出量が最低限となるように前記圧縮機を作動させ、前記冷媒の温度が第５の閾値以上であるとき、前記冷媒の温度と第５の閾値との差分が大きくなるほど冷媒の吐出量が大きくなるように前記圧縮機を作動させる請求項５又は６に記載の冷却システム。
8. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
   圧縮された冷媒の放熱を行う熱交換器と、
   放熱した冷媒を膨張させる膨張弁と、
   膨張した冷媒によって冷却対象機器を冷却する冷却ユニットとを有し、
   前記冷却対象機器は、電気モータを含む駆動系を備える車両の電気系の機器であり、
   前記冷媒は、定常運転時に超臨界状態となる二酸化炭素である冷却システムの起動方法であって、
   起動時に前記冷却ユニットの上流側における冷媒の温度を計測し、該冷媒の温度に基づいて前記圧縮機を制御することを特徴とする冷却システムの起動方法。

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