JP2011110961A - 車両用冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】空調装置の冷媒を利用してＨＶ機器等の発熱装置を冷却する車両用冷却システムにおいて、高温高負荷運転時でも発熱装置の冷却不足を防止することが可能な車両用冷却システムを提供することである。
【解決手段】冷却システム１０は、冷却ファン１６が設置された凝縮器１２、膨張弁１４、空調ブロア１７が設置された蒸発器１５、圧縮機１１、及び冷媒配管１８等の冷凍サイクル設備を含む空調装置を備え、ＨＶ機器３０の冷却系が凝縮器１２と膨張弁１４の間に組み込まれたシステムであって、ＨＶ機器３０に流入する冷媒温度Ｔｉｎを検出する冷媒温度センサ１９と、冷媒温度Ｔｉｎが予め定めた目標温度Ｔｐを超えたときに、通常の冷房運転を中止して、冷媒温度Ｔｉｎが目標温度Ｔｐ以下となるように冷凍サイクル設備の動作を制御する制御装置２０と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両用冷却システムに関し、特に、冷媒を循環させる冷凍サイクル設備を含み車内を冷房する空調装置を備え、空調装置の冷媒を利用して発熱装置を冷却する車両用冷却システムに関する。

ハイブリッド車両は、エンジンの他に、電動機及び電動機を駆動させるための機器（インバータ、発電機、バッテリ等）であるハイブリッド機器（以下、ＨＶ機器とする）を備える。これらＨＶ機器は、駆動により発熱する発熱装置であって、過熱を防止するために冷却する必要がある。冷却方法としては、一般的なエンジンのように、発熱装置とラジエータとの間で冷却水を循環させる方法が考えられるが、この場合、ラジエータを新たに設ける必要があるので、車両の軽量化やコスト低減の観点から好ましくはない。

このような状況に鑑みて、ＨＶ機器の冷却において、空調装置の冷媒を利用した冷却システムが幾つか提案されている。例えば、特許文献１には、熱を発生する発熱体（例えば、ＨＶ機器）と、蒸気圧縮式冷凍サイクルと、凝縮器（コンデンサ）から流出した冷媒を凝縮器の冷媒流入側に導くパイパス通路と、バイパス通路に設けられ発熱体を冷却するための発熱体冷却手段と、過冷却手段とを含む冷却システムが開示されている。

特開２００５‐９０８６２号公報

しかしながら、上記特許文献１のシステムでは、ＳＣポイントの温度が上昇し過ぎないように配慮しながら設計されているが、ＨＶ機器の冷却に使用される冷媒の温度は、成り行きとなっている。したがって、高温条件下（例えば、車内温度が高い条件、ＨＶ機器の発熱量が多い条件など）では、ＳＣポイントの冷媒温度が上昇して、ＨＶ機器の冷却に必要な冷媒の温度を維持することが困難になり、ＨＶ機器が冷却不足に陥ることが想定される。

一方、ＨＶ機器の冷却不足を防止するために、大きな凝縮器を搭載するなど冷却システム機器の強化を行なう方法も考えられるが、この場合には、搭載スペース、コスト、燃費など、更なる問題の発生が想定される。

本発明の目的は、空調装置の冷媒を利用してＨＶ機器等の発熱装置を冷却する車両用冷却システムにおいて、高温高負荷運転時でも発熱装置の冷却不足を防止することが可能な車両用冷却システムを提供することである。

本発明に係る車両用冷却システムは、発熱装置に供給される冷媒の温度等を検出して、発熱装置の冷却に必要な冷媒の温度を維持するために、冷凍サイクル設備の動作を制御するシステムである。即ち、本発明に係る車両用冷却システムは、冷媒を循環させる冷凍サイクル設備を含み車内を冷房する空調装置を備え、空調装置の冷媒を利用して車両に搭載された発熱装置を冷却する車両用冷却システムにおいて、発熱装置に供給される空調装置の冷媒の温度又は圧力を検出する検出装置と、検出された冷媒の温度又は圧力に基づいて、冷凍サイクル設備の動作を制御する制御装置と、を有することを特徴とする。

より具体的には、冷却ファンが設置された凝縮器（コンデンサ）、膨張弁、空調ブロアが設置された蒸発器、圧縮機（コンプレッサ）、及び各機器を接続し冷媒が循環する冷媒配管を含む冷凍サイクル設備と、設定温度に基づいて冷凍サイクル設備の動作を制御する空調制御部と、から構成される空調装置を備え、車両に搭載された発熱装置の冷却系が空調装置に組み込まれた車両用冷却システムにおいて、発熱装置に供給される空調装置の冷媒の温度又は圧力を検出する検出装置と、検出された冷媒の温度又は圧力とに基づいて、凝縮器の冷却ファン、蒸発器の空調ブロア、及び圧縮機のうち少なくともいずれかの動作を制御する制御装置と、を有することを特徴とする車両用冷却システムである。ここで、発熱装置の冷却系は、凝縮器と膨張弁との間に接続され、検出装置は、凝縮器と発熱装置との間に設置されて、発熱装置に流入する冷媒温度を検出することが好ましい。

また、本発明に係る車両用冷却システムにおいて、制御装置は、冷媒の温度又は圧力が予め定めた閾値（目標温度）を超えたときに、空調制御部による設定温度に基づく制御（通常の冷房運転）を禁止（中止）或いは制限して、冷媒の温度又は圧力が閾値以下となるように冷凍サイクル設備の動作を制御することが好ましい。ここで、制御装置及び空調制御部は、１つの装置において上記２つの機能を有するものとすることができる。

また、発熱装置に供給される冷媒温度等が閾値（目標温度）を超過したときに、制御装置により動作が制御される冷凍サイクル設備としては、凝縮器の冷却ファン、蒸発器の空調ブロア、圧縮機が挙げられる。そして、制御順序としては、まず、冷却ファンの回転数を増加し、それでも空調用冷媒が目標温度を超えているときには、空調ブロアの回転数を低減し、次いで、圧縮機の回転数を低減することが好ましい。

なお、上記発熱装置としては、電動機、インバータ、発電機、二次電池、コンバータ、その他の電子機器、及び燃料電池等が挙げられる。また、制御装置は、冷媒温度とは別に取得した発熱装置の温度に基づき、又は当該発熱装置の温度と冷媒温度又は圧力とに基づき、冷凍サイクル設備の動作を制御することができる。

本発明に係る車両用冷却システムによれば、発熱装置に供給される冷媒の温度等を検出して、発熱装置の冷却に必要な冷媒の温度を維持するために空調装置の冷凍サイクル設備の動作を制御するので、高温高負荷運転時でも発熱装置の冷却不足を防止することが可能である。

即ち、本発明に係る車両用冷却システムによれば、冷凍サイクル設計時の想定を超える高負荷条件で駆動された場合でも、空調装置の負荷を下げるように制御することで、ＨＶ機器冷却のオーバーヒートを回避、遅延させることができる。故に、凝縮器や冷却ファンなどの冷却システム機器の能力を必要以上に確保する必要がなく、冷却システムの仕様（サイズ、コスト、重量）のミニマム化が可能になる。

本発明に係る実施の形態における車両用冷却システムの概略構成図である。 図１に示す冷却システムによるハイブリッド機器の冷却制御手順を示すフローチャートである。

図面を用いて、本発明に係る車両用冷却システムの実施形態につき、以下詳細に説明する。図１に、本発明に係る実施形態の車両用冷却システム１０（以下、冷却システム１０とする）の概略構成を示す。なお、以下では、冷却システム１０は、ハイブリッド車両（以下、ＨＶ車両とする）に搭載され、空調設備（Ａ／Ｃシステム）の冷媒を利用して電動機やインバータ等のハイブリッド機器３０（以下、ＨＶ機器３０とする）を冷却するシステムとして説明する。

冷却システム１０を搭載するＨＶ車両は、車両の駆動源として、電動機及びエンジンを備え、さらに、電動機を駆動させるために、バッテリから供給される直流電流を交流電流に変換して電動機に交流電流を供給するインバータ、電動機で使用する電力を発電する発電機、及び電動機で使用する電力を蓄積するバッテリ等を備える。

空調装置の冷媒を利用して冷却されるＨＶ機器３０は、電動機及び電動機を駆動させるための機器であって、駆動により発熱する発熱装置である。例えば、電動機の出力を調整するインバータは、半導体素子のスイッチング動作によって電力変換を行なうものであり、スイッチング動作によって半導体素子が発熱する。故に、インバータには、冷媒を流通可能な冷却器が設置されている。冷却システム１０に組み込まれるＨＶ機器３０としては、例えば、電動機及びインバータとすることができる。

ＨＶ機器３０には、後述の冷媒温度センサ１９とは別に、ＨＶ機器３０の温度を検出するための温度センサを設置することができる。当該温度センサにより検出されたＨＶ機器３０の温度は、例えば、ＨＶ車両の動作を統合的に制御するＨＶ制御装置に送信されて電動機の出力制御等に使用される。また、この温度情報を冷却システム１０の制御に使用することもできる。

図１に示すように、冷却システム１０は、車内を冷房する空調装置（Ａ／Ｃシステム）を備え、空調装置の一部にＨＶ機器３０の冷却系が組み込まれたシステムであって、空調装置の冷媒を利用してＨＶ機器３０の冷却を行なう。

冷却システム１０を構成する空調装置は、蒸気圧縮式の冷凍サイクル装置であって、冷媒を吸入圧縮する圧縮機１１、圧縮機１１から吐出する冷媒を凝縮させる凝縮器１２、凝縮器１２から流出した冷媒を液冷媒とガス冷媒とに分離して液冷媒を流出させるレシーバ１３、液冷媒を減圧する膨張弁１４、膨張弁１４にて減圧された液冷媒を蒸発させる蒸発器１５等から構成される冷凍サイクル設備を備える。また、空調装置は、ユーザの設定温度に応じて各冷凍サイクル設備の動作を制御している。

その他、冷凍サイクル設備としては、上記各機器を接続して冷媒を循環させるための冷媒配管１８、凝縮器１２に設置された冷却ファン１６、及び蒸発器１５に設置された空調ブロア１７等が挙げられる。

圧縮機１１は、低温低圧のガス冷媒を圧縮して、高温高圧のガス冷媒とする機能を有する。圧縮機１１としては、例えば、ピストンやモータが鋼製容器の中に一体として密閉された全密閉型圧縮機を用いることができる。圧縮機１１は、電動機又はエンジンにより駆動され、空調装置の設定温度に応じて回転数を調整することが可能である。

凝縮器１２は、圧縮機１１から吐出されたガス冷媒を冷却して凝縮させる熱交換器である。凝縮器１２に導入される高温高圧のガス冷媒は、凝縮器１２を流通する過程で冷却され凝縮して、幾分低温化した液冷媒になる。凝縮器１２の冷却方式は、空冷式とすることができ、凝縮器１２には、送風機である冷却ファン１６が設置されている。この冷却ファン１６は、圧縮機１１と同様に、電動機又はエンジンにより駆動され、空調装置の設定温度に応じて回転数を調整することが可能である。

膨張弁１４は、凝縮器１２で冷却され幾分低温化した液冷媒を膨張させて、低温低圧の液冷媒にする機能を有する。膨張弁１４は、例えば、圧縮機１１に吸入される冷媒の加熱度が所定値となるように、その弁開度が制御される温度式膨張弁である。膨張弁１４で低温低圧とされた液冷媒は、蒸発器１５に導入される。

蒸発器１５は、膨張弁１４で低温低圧化された液冷媒を蒸発させる熱交換器である。蒸発器１５は、多数のフィンを有しており、フィンの間を流通する車内の空気の熱を低温低圧の液冷媒に吸収させる。そして、熱の吸収により液冷媒が蒸発する。蒸発器１５には、フィンの間に空気を送るための空調ブロア１７が設置されている。この空調ブロア１７は、圧縮機１１と同様に、電動機又はエンジンにより駆動され、空調装置の設定温度に応じて回転数を調整することが可能である。

冷媒配管１８は、各冷凍サイクル設備を接続して、冷媒を循環させるための配管である。空調装置が運転されると、図１の矢印で示す方向に冷媒が循環する。そして、蒸発器１５から凝縮器１２までの冷媒配管１８には、ガス冷媒が流れ、凝縮器１２から蒸発器１５までの冷媒配管１８には、液冷媒が流れている。

ＨＶ機器３０は、上記のように、冷却システム１０を構成する空調装置の一部に組み込まれている。ＨＶ機器３０は、例えば、レシーバ１３と膨張弁１４との間の冷媒配管１８に接続される。故に、ＨＶ機器３０の冷却器には、凝縮器１２で冷却され幾分低温化した液冷媒が導入され、ＨＶ機器３０を冷却した冷媒は、膨張弁１４、蒸発器１５に循環されて車内を冷房する。

冷却システム１０は、ＨＶ機器３０（ＨＶ機器３０の冷却器）に供給される冷媒の温度等を検出して、ＨＶ機器３０の冷却に必要な冷媒の温度を維持するために空調装置の冷凍サイクル設備の動作を制御する。この制御を行なうために、冷却システム１０は、冷媒温度センサ１９及び制御装置２０を備える。

冷媒温度センサ１９は、ＨＶ機器３０に供給される冷媒の温度を検出するセンサである。例えば、冷媒温度センサ１９は、レシーバ１３の下流側の冷媒配管１８に設置され、ＨＶ機器３０に流入する冷媒温度Ｔｉｎを検出する。冷媒温度センサ１９により検出された冷媒温度は、制御装置２０に送信されてＨＶ機器３０の冷却制御等に使用される。なお、冷媒温度センサ１９の設置位置は、ＨＶ機器３０の下流側とすることもでき、この場合は、ＨＶ機器３０から流出した冷媒温度Ｔｏｕｔが検出される。

制御装置２０は、冷媒温度センサ１９により検出された冷媒温度Ｔｉｎに基づいて、冷凍サイクル設備の動作を制御する機能を有する。また、制御装置２０は、通常の冷房運転を行なうための制御機能、即ち、設定温度に基づいて冷凍サイクル設備の動作を制御する機能を含む。即ち、制御装置２０は、冷媒温度Ｔｉｎが予め定めた閾値（以下、目標温度Ｔｐとする）を超えたときに、通常の冷房運転を中止して、冷媒温度Ｔｉｎが目標温度Ｔｐ以下となるように冷凍サイクル設備の動作を制御する。ここで、制御装置２０により制御される空調装置の冷凍サイクル設備としては、凝縮器１２の冷却ファン１６、蒸発器１５の空調ブロア１７、圧縮機１１が挙げられる。

即ち、制御装置２０は、冷媒温度が目標温度を超えたときには、ユーザの設定温度によらず、冷凍サイクル設備の動作を制御する。なお、冷媒温度が目標温度を超える状態としては、例えば、車内温度が非常に高い状態、ＨＶ機器３０の発熱量が多い状態などが考えられ、当該目標温度は、ＨＶ機器３０の過熱防止の観点から決定される。

冷媒温度が目標温度を超えたときの制御装置２０による冷凍サイクル設備の制御は、通常の冷房運転に与える影響が小さな手段から実行される。例えば、制御装置２０は、まず、冷却ファン１６の回転数を増加し、それでも冷媒温度が目標温度を超えているときには、空調ブロア１７の回転数を低減する。それでもなお冷媒温度が目標温度を超えている場合には、ＨＶ機器３０の冷却を優先して圧縮機１１の回転数を低減する。なお、圧縮機１１等の回転数の低減は、段階的に実行することができる。

上記構成を備える冷却システム１０の作用、特に、制御装置２０の作用について、図２を用いて以下説明する。ここで、図２は、冷却システム１０によるＨＶ機器３０の冷却制御手順を示すフローチャートである。図２のスタートは、空調装置がユーザの設定温度に基づいて通常の冷房運転（通常運転）を行っている状態であり、設定温度を実現するために調整された冷媒は、ＨＶ機器３０を通ってから蒸発器１５に供給されている。

制御装置２０は、通常運転中において、冷媒温度センサ１９により検出される冷媒温度Ｔｉｎが目標温度Ｔｐ以上であるか否かを判定（温度判定）する（Ｓ１０）。冷媒温度Ｔｉｎの検出及び温度判定は、任意のタイミングで実行することができる。冷媒温度Ｔｉｎが目標温度Ｔｐ未満であるときには、空調装置は通常運転を継続する。一方、冷媒温度Ｔｉｎが目標温度Ｔｐ以上であるときには、通常運転を中止して、Ｓ１１以降の冷却制御を実行する。

Ｓ１０において、冷媒温度Ｔｉｎが目標温度Ｔｐ以上であると判定されたときには、まず初めに、冷却ファン１６の回転数を増加（冷却ファンＨｉ作動）させる（Ｓ１１）。冷却ファンＨｉ作動により、凝縮器１２に送れられる風量が増加し、凝縮器１２における冷媒の冷却効果が向上し冷媒温度Ｔｉｎが低下することが想定される。そして、再び温度判定を行なう（Ｓ１２）。Ｓ１１の手順により、冷媒温度Ｔｉｎが目標温度Ｔｐ未満になれば、冷却ファン１６を通常運転に戻し、空調装置は通常運転を継続する（Ｓ１３）。

冷却ファン１６の回転数を増加させてもなお冷媒温度Ｔｉｎが目標温度Ｔｐ以上であるときには、空調ブロア１７の回転数を低減（空調ブロアＬｏ作動）させる（Ｓ１４）。空調ブロアＬｏ作動により、蒸発器１５で吸収される熱量が減少し、冷媒温度Ｔｉｎが低下することが想定される。そして、再び温度判定を行い（Ｓ１５）、冷媒温度Ｔｉｎが目標温度Ｔｐ未満になれば、空調ブロア１７を通常運転に戻し、空調装置は通常運転を継続する（Ｓ１６）。

空調ブロア１７の回転数を低減させてもなお冷媒温度Ｔｉｎが目標温度Ｔｐ以上であるときには、圧縮機１１の回転数を低減させる（Ｓ１７）。そして、再び温度判定を行い（Ｓ１８）、冷媒温度Ｔｉｎが目標温度Ｔｐ未満になれば、圧縮機１１を通常運転に戻し、空調装置は通常運転を継続する（Ｓ１９）。一方、冷媒温度Ｔｉｎが未だ目標温度Ｔｐ以上であるときには、さらに圧縮機１１の回転数を低減させる。

なお、圧縮機１１の回転数を段階的に低減させてもなお冷媒温度Ｔｉｎが目標温度Ｔｐ以上であるときには、ＨＶ機器３０の運転を中止する等の手段を実行することができる。

以上のように、冷却システム１０は、冷却ファン１６が設置された凝縮器１２、膨張弁１４、空調ブロア１７が設置された蒸発器１５、圧縮機１１、及び冷媒配管１８等の冷凍サイクル設備を含む空調装置を備え、ＨＶ機器３０の冷却系が凝縮器１２と膨張弁１４の間に組み込まれたシステムであって、ＨＶ機器３０に流入する冷媒温度Ｔｉｎを検出する冷媒温度センサ１９と、制御装置２０と、を有する。

制御装置２０は、冷媒温度センサ１９から冷媒温度Ｔｉｎを取得し、当該冷媒温度Ｔｉｎと、予め定めた目標温度Ｔｐとを比較する。そして、冷媒温度Ｔｉｎが目標温度Ｔｐを超えたと判定すると、通常の冷房運転を中止して、冷媒温度Ｔｉｎが目標温度Ｔｐ以下となるように冷凍サイクル設備の動作を制御する。具体的に、制御装置２０は、冷凍サイクル設備の動作を制御する手段として、冷却ファン１６の回転数を増加させる手段と、空調ブロア１７の回転数を低減させる手段と、圧縮機１１の回転数を低減させる手段と、を有する。したがって、冷却システム１０によれば、高温高負荷運転時でもＨＶ機器３０の冷却不足を防止することが可能である。

なお、上記実施形態では、本発明に係る車両用冷却システムは、ＨＶ車両に搭載され、空調設備の空調用冷媒を利用してＨＶ機器を冷却するシステムとして説明したが、エンジンのない電気自動車や燃料電池自動車に搭載することもでき、また、ＨＶ機器以外の電子機器や燃料電池など、その他の発熱装置についても適用することができる。

また、上記実施形態では、制御装置２０は、冷媒温度センサ１９から冷媒温度Ｔｉｎを取得し、冷媒温度Ｔｉｎと予め定めた目標温度Ｔｐとを比較するものとして説明したが、目標温度の代わりに飽和蒸気圧Ｐｐを閾値として設定することもできる。即ち、本発明に係る車両用冷却システムは、冷媒圧力に基づいて、冷凍サイクル設備の動作を制御するシステムとすることができる。

冷媒圧力に基づいて、冷凍サイクル設備の動作を制御するシステムでは、冷媒の相状態（液体か気体か）を判定するために、冷媒温度及び冷媒圧力を検出して管理することができ、ＨＶ機器の冷却系には、液冷媒が供給されるように制御することができる。ここで、システムの制御装置は、冷媒温度を冷媒温度センサ１９から、冷媒圧力を空調装置に通常設置される圧力センサから、それぞれ取得することができる。

当該制御装置は、圧力センサから冷媒圧力を取得し、当該冷媒圧力Ｐｉｎと、目標温度Ｔｐにおける飽和蒸気圧Ｐｐとを比較する。そして、冷媒圧力Ｐｉｎが飽和蒸気圧Ｐｐを超えたと判定すると、通常の冷房運転を中止して、冷媒温度Ｔｉｎが飽和蒸気圧Ｐｐ以下となるように冷凍サイクル設備の動作を制御する。なお、冷凍サイクル設備の動作制御手段としては、冷媒温度に基づく場合と同様の手段を有することができる。

１０ 冷却システム、１１ 圧縮機、１２ 凝縮器、１３ レシーバ、１４ 膨張弁、１５ 蒸発器、１６ 冷却ファン、１７ 空調ブロア、１８ 冷媒配管、１９ 冷媒温度センサ、２０ 制御装置、３０ ハイブリッド機器（ＨＶ機器）。

Claims (1)

1. 冷媒を循環させる冷凍サイクル設備を含み車内を冷房する空調装置を備え、空調装置の冷媒を利用して車両に搭載された発熱装置を冷却する車両用冷却システムにおいて、
   発熱装置に供給される空調装置の冷媒の温度又は圧力を検出する検出装置と、
   検出された冷媒の温度又は圧力に基づいて、冷凍サイクル設備の動作を制御する制御装置と、
   を有することを特徴とする車両用冷却システム。

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