JP2014136549A - 車両用ヒートポンプ装置および電力用半導体過熱保護方法 - Google Patents

Abstract

【課題】二系統の冷却液を二次冷媒として用いる場合に、高温側ウォータポンプの駆動回路の過熱保護と、空調能力の維持とを両立する車両用ヒートポンプ装置および電力用半導体過熱保護方法を提供すること。
【解決手段】この車両用ヒートポンプ装置は、高温高圧冷媒と熱交換を行う第１の冷却液を輸送する第１のウォータポンプに電力を供給する電力用半導体の温度が、冷房運転時に所定の温度を超える場合、前記第１の冷却液の熱を車外へ放熱させるラジエータのファン回転数を上昇させる構成を採る。
【選択図】図１１

Description

本発明は、車両用ヒートポンプ装置および電力用半導体過熱保護方法に関する。

電気で走行する自動車では、空調装置の冷媒を圧縮する圧縮機として電動圧縮機が採用される。電動圧縮機は、圧縮機構を動かす電動モータと、電動モータを駆動する駆動回路（例えばインバータ回路）とを備える。駆動回路は発熱するため冷却する必要がある。駆動回路を冷却する技術として、例えば、特許文献１に開示の負荷駆動装置の過熱保護装置が知られている。

特許文献１には、温度センサが絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）近傍の金属ケースに固定またはＩＧＢＴチップに集積され、金属ケースの反実装面に設けられたフィンが空冷される過熱保護装置が開示されている。この過熱保護装置は、温度センサが検出した温度変化速度が上昇方向に大きい場合に、ＩＧＢＴの通電電流の減少速度を増大させることでＩＧＢＴの過熱を防止する。なお、ＩＧＢＴは、電力用半導体であり、パワー半導体、パワー素子とも呼ばれる。

一方で、車両用空調装置には、ヒートポンプサイクルによって過熱および冷却される一次冷媒と、この一次冷媒と熱交換を行う二次冷媒として冷却液を用い、空気水熱交換器において二次冷媒と空気との間で熱交換を行って車室内の空調を行うものがある。このような空調装置では、高温高圧冷媒と熱交換を行う高温側の冷却液と、低温低圧冷媒と熱交換を行う低温側の冷却液の二系統があり、それぞれの冷却液を輸送する高温側ウォータポンプと低温側ウォータポンプを備えることになる。

各ウォータポンプは、電動モータと、電動モータを駆動する駆動回路とを有し、駆動回路の過熱保護のため、高温側ウォータポンプの駆動回路を高温側の冷却液にて冷却し、低温側ウォータポンプの駆動回路を低温側の冷却液にて冷却する。高温側ウォータポンプの駆動回路は、高温側の冷却液にて冷却するため、十分な過熱保護が期待できないことがある。そこで、上述した特許文献１に開示の技術を適用し、高温側ウォータポンプの回転数を減少させることが考えられる。

特開２０００−８３３８３号公報

Kowsky et al., "Unitary HPAC System", SAE International J. Passeng. Cars - Mech. Syst., 2012, doi:10.4271/2012-01-1050.

しかしながら、高温側ウォータポンプの回転数を減少させた場合、高温側の冷却液の流量も減少するため、暖房時には、空気水熱交換器において空気と交換される熱量が減少してしまう。また、冷房時には、冷媒の熱を車外に排出できなくなり、冷媒が十分に冷えないまま、低温側の冷却液と熱交換することになってしまう。これらの結果、空調能力を維持することができないという問題がある。

本発明の目的は、二系統の冷却液を二次冷媒として用いる場合に、高温側ウォータポンプの駆動回路の過熱保護と、空調能力の維持とを両立する車両用ヒートポンプ装置および電力用半導体過熱保護方法を提供することである。

本発明の一態様に係る車両用ヒートポンプ装置は、冷却液と冷媒との間で熱交換を行う車両用ヒートポンプ装置であって、吸入した前記冷媒を圧縮して吐出する圧縮機構および前記圧縮機構を駆動する電動圧縮機用電動モータを有する電動圧縮機と、前記電動圧縮機が吐出した高温高圧冷媒と熱交換を行う第１の冷却液を輸送するインペラおよび前記インペラを駆動するウォータポンプ用電動モータを有する第１のウォータポンプと、電源から給電される電力を前記ウォータポンプ用電動モータへ供給する電力用半導体と、前記電動圧縮機の回転数、前記第１のウォータポンプの回転数、および、前記第１の冷却液の熱を車外へ放熱させるラジエータのファン回転数を制御する制御部と、を具備し、前記制御部は、冷房運転時に前記電力用半導体の温度が所定の温度を超える場合、前記ラジエータのファン回転数を上昇させる構成を採る。

本発明の一態様に係る車両用ヒートポンプ装置は、冷却液と冷媒との間で熱交換を行う車両用ヒートポンプ装置であって、吸入した前記冷媒を圧縮して吐出する圧縮機構および前記圧縮機構を駆動する電動圧縮機用電動モータを有する電動圧縮機と、前記電動圧縮機が吐出した高温高圧冷媒と熱交換を行う第１の冷却液を輸送するインペラおよび前記インペラを駆動するウォータポンプ用電動モータを有する第１のウォータポンプと、電源から給電される電力を前記ウォータポンプ用電動モータへ供給する電力用半導体と、前記電動圧縮機の回転数、前記第１のウォータポンプの回転数、および、前記第１の冷却液の熱を車外へ放熱させるラジエータのファン回転数を制御する制御部と、を具備し、前記制御部は、暖房運転時に前記電力用半導体の温度が所定の温度を超える場合、前記第１のウォータポンプの回転数を減少させ、かつ、前記電動圧縮機の回転数を上昇させる構成を採る。

本発明の一態様に係る電力用半導体過熱保護方法は、冷却液と冷媒との間で熱交換を行う車両用ヒートポンプ装置における電力用半導体過熱保護方法であって、制御部は、高温高圧冷媒と熱交換を行う第１の冷却液を輸送する第１のウォータポンプに電力を供給する電力用半導体の温度を取得し、冷房運転時に前記電力用半導体の温度が所定の温度を超える場合、前記第１の冷却液の熱を車外へ放熱させるラジエータのファン回転数を上昇させるようにした。

本発明の一態様に係る電力用半導体過熱保護方法は、冷却液と冷媒との間で熱交換を行う車両用ヒートポンプ装置における電力用半導体過熱保護方法であって、制御部は、高温高圧冷媒と熱交換を行う第１の冷却液を輸送する第１のウォータポンプに電力を供給する電力用半導体の温度を取得し、暖房運転時に前記電力用半導体の温度が所定の温度を超える場合、前記第１のウォータポンプの回転数を減少させ、かつ、前記冷媒を圧縮して吐出する電動圧縮機の回転数を上昇させるようにした。

本発明によれば、二系統の冷却液を二次冷媒として用いる場合に、高温側ウォータポンプの駆動回路の過熱保護と、空調能力の維持とを両立することができる。

本発明の実施の形態に係る車両用ヒートポンプ装置を示す斜視図 本発明の実施の形態の車両用ヒートポンプ装置を示す一部破断図 本発明の実施の形態の車両用ヒートポンプ装置の冷媒および冷却液の流れについて説明する図 車両用ヒートポンプ装置を用いた車両温度調整システムについて説明する図 車両用ヒートポンプ装置を用いた車両温度調整システムについて説明する図 車両用ヒートポンプ装置のコンプレッサ筐体側の構成を示す一部破断の斜視図 車両用ヒートポンプ装置のコンプレッサ筐体側の構成を示す断面図 図７のＤ−Ｄ線断面図 車両用ヒートポンプ装置のインバータの周辺を示す一部破断の斜視図 図９のＥ−Ｅ線断面図 車両用ヒートポンプ装置の駆動系および駆動制御の構成を示すブロック図 車両用ヒートポンプ装置における制御部の過熱保護モードを説明するための図 車両用ヒートポンプ装置における制御部の冷房時における処理手順を示すフロー図 車両用ヒートポンプ装置における制御部の暖房時における処理手順を示すフロー図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一要素は原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明を省略する。

＜車両用ヒートポンプ装置の構成＞
まず、本発明の実施の形態における各構成について、図１および図２を用いて説明する。図１および図２は、本実施の形態に係る車両用ヒートポンプ装置の構成を示す図である。

車両用ヒートポンプ装置１は、車両に搭載される装置であり、低温側水冷媒熱交換器１１０と、高温側水冷媒熱交換器１１１と、冷媒を圧縮し吐出する電動圧縮機１１２と、コンプレッサ筐体１０９等を備える。ここで、車両とは、例えば、電気自動車である。電気自動車とは、例えば、ＥＶ（Electric Vehicle）、ＰＨＥＶ（Plug-in Hybrid Electric Vehicle）、またはＨＥＶ（Hybrid Electric Vehicle）等、車両に搭載されている蓄電池を用いて走行する車両である。

車両用ヒートポンプ装置１は、その内部にヒートポンプサイクルを有し、ヒートポンプの冷媒と高温側の冷却液（第１の冷却液に相当）および低温側の冷却液（第２の冷却液に相当）との間で熱交換を行う。低温側の冷却液と高温側の冷却液とは、車両用ヒートポンプ装置１の外部から導入される。

冷媒は、例えば、二酸化炭素（ＣＯ_２）など、電気自動車に要求される極低温の環境下でもヒートポンプサイクルの効率を向上できる一方、作動圧力が高くなるものが採用される。

冷却液は、例えば、エチレングリコール水溶液などの液体である。冷却液は、不凍液であればよく、エチレングリコール水溶液以外にプロピレングリコール水溶液を用いることも可能である。

高温側の冷却液は、高温側導入管１０４を介してコンプレッサ筐体１０９の外部から導入される（図１の矢印Ｂ）。この導入された冷却液は、高温側水冷媒熱交換器１１１にて加熱され、高温側導出管１０５から導出される（図１の矢印Ｂ）。冷却液は、高温側ウォータポンプ１０１が備えるウォータポンプ用電動モータの駆動力にて輸送される。

高温側水冷媒熱交換器１１１は、高温高圧の冷媒が流れる通路と高温側の冷却液が流れる通路とを備え、これら通路の間で熱を移動させるように構成されている。

低温側の冷却液は、低温側導入管１０６を介して車両用ヒートポンプ装置１の外部から導入される（図１の矢印Ａ）。導入された冷却液は、低温側水冷媒熱交換器１１０にて冷却され、低温側導出管１０７から導出される（図１の矢印Ａ）。冷却液は、低温側ウォータポンプ１０２が備えるウォータポンプ用電動モータの駆動力にて輸送される。

低温側水冷媒熱交換器１１０は、低温低圧の冷媒が流れる通路と低温側の冷却液が流れる通路とを備え、これらの通路の間で熱を移動させるように構成されている。

電動圧縮機１１２は、電動圧縮機用電動モータ１１２ａと圧縮機構１１２ｂとにより構成される。圧縮機構１１２ｂは、電動圧縮機用電動モータ１１２ａが発生する駆動力により冷媒を圧縮して吐出する機構である。圧縮機構１１２ｂは、例えば、スクロール型を用いることができる。電動圧縮機用電動モータ１１２ａは、インバータ（駆動回路に相当）１１３により電気的に駆動される。インバータ１１３は電力用半導体（例えばＩＧＢＴ：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）を搭載する電動圧縮機用モータ駆動部を有しており、給電部１０３から給電される直流電力を３相交流電力に変換して電動圧縮機用電動モータ１１２ａへ供給する。電力用半導体は、パワー半導体、パワー素子とも呼ばれる。

また、車両用ヒートポンプ装置１は、電動圧縮機１１２の冷媒の入口の上流にアキュムレータ１０８を備える。アキュムレータ１０８は、冷媒を気体と液体に分離させることで、電動圧縮機１１２へ気体の冷媒のみを供給する役割をなす。電動圧縮機１１２の破壊を防止するためである。

また、車両用ヒートポンプ装置１は、低温側水冷媒熱交換器１１０の冷媒の入口の上流に膨張弁１１４を備える。膨張弁１１４は、熱量を変化させずに高圧の冷媒を膨張させて低圧にすることで、冷媒を低温にして低温側水冷媒熱交換器１１０へ送る。

また、車両用ヒートポンプ装置１は、車両用ヒートポンプ装置１の外部から電源供給を受けるための給電部１０３を備える。給電部１０３は、コンプレッサ筐体１０９の外壁に備える。給電部１０３へ供給された電気エネルギーは、電動圧縮機１１２、高温側ウォータポンプ１０１、および、低温側ウォータポンプ１０２のそれぞれが備えるウォータポンプ用電動モータの駆動に用いられる。

＜車両用ヒートポンプ装置の動作＞
次に、図３を用いて車両用ヒートポンプ装置１の冷媒と冷却液の流れについて説明する。

始めに、冷媒の流れを説明する。図３の矢印Ｃは冷媒の流れる方向を示している。冷媒は、電動圧縮機１１２、高温側水冷媒熱交換器１１１、膨張弁１１４、低温側水冷媒熱交換器１１０を、この順で流れる。この冷媒の流れにより、ヒートポンプサイクルが構成される。

電動圧縮機１１２で圧縮された高温高圧の冷媒は、高温側水冷媒熱交換器１１１にて熱を放出して液体となる。液体となった冷媒は、膨張弁１１４にて急激に膨張され、低温低圧の冷媒となる。この低温低圧の冷媒は、低温側水冷媒熱交換器１１０にて熱を吸収して蒸発する。蒸発した冷媒はアキュムレータ１０８を通過して電動圧縮機１１２にて再度、圧縮される。

続いて、冷却液の流れを説明する。高温側導入管１０４を介してコンプレッサ筐体１０９の外部から導入された冷却液は、インバータ１１３から発せられた熱を吸熱し、高温側水冷媒熱交換器１１１にて高温の冷媒と熱交換を行って加熱される。加熱された冷却液は、高温側導出管１０５から導出される。

低温側導入管１０６を介して車両用ヒートポンプ装置１の外部から導入された冷却液は、低温側水冷媒熱交換器１１０にて低温の冷媒と熱交換を行って冷却され、低温側導出管１０７から導出される。

このように、実施の形態の車両用ヒートポンプ装置１では、装置内だけで冷媒を循環させてヒートポンプサイクルを実現している。さらに、高温側水冷媒熱交換器１１１および低温側水冷媒熱交換器１１０は、空気ではなく液体（冷却液）と冷媒との間で熱交換を行う。この構成により、車両用ヒートポンプ装置１は、冷却液を介して車両用ヒートポンプ装置１から離れた箇所から熱を吸収し、車両用ヒートポンプ装置１から離れた箇所へ熱を放出することができる。

＜車両温度調整システム＞
次に、図４および図５を用いて、車両用ヒートポンプ装置１を用いた車両温度調整システムについて説明する。図４は車両温度調整システムの暖房運転時の説明図、図５は車両温度調整システムの冷房運転時の説明図である。

高温側導出管１０５から導出した加熱された冷却液、および、低温側導出管１０７から導出した冷却された冷却液は車両用空調装置２へ導入され、冷房もしくは暖房に用いられる。車両用空調装置２は、ファイアウォール７の車室側に配置され、車室内の空調を行う装置である。車両用ヒートポンプ装置１は、ファイアウォール７の車室外の側に配置される。

車両用空調装置２は、冷房用空気水熱交換器２００、暖房用空気水熱交換器２０１、ブロワファン２０２、および、切換ドア２０３を備える。

冷房用空気水熱交換器２００は、ブロワファン２０２により送風された空気と、低温側導出管１０７から導出した冷却された冷却液との間で熱交換を行い、空気を冷却するものである。冷却された空気は車室内へ導かれ、車室内の冷房に用いられる。

冷房用空気水熱交換器２００にて加熱された冷却液は、低温側導入管１０６を介して、再度、車両用ヒートポンプ装置１へ導入される。

暖房用空気水熱交換器２０１は、ブロワファン２０２により送風された空気と、高温側導出管１０５から導出した加熱された冷却液との間で熱交換を行い、空気を加熱するものである。加熱された空気は車室内へ導かれ、車室内の暖房に用いられる。

暖房用空気水熱交換器２０１にて冷却された冷却液は、高温側導入管１０４を介して、再度、車両用ヒートポンプ装置１へ導入される。なお、第１のラジエータ５は、冷房時の冷却液の放熱に用いられる。

車両用ヒートポンプ装置１が導出する冷却液は、発熱体３の冷却に用いることも可能である。ここで、発熱体３とは、例えば、電気自動車に用いられる走行用モータ、走行用モータを駆動するためのインバータ、走行用モータへ電気エネルギーを供給するための蓄電池、車両外部から蓄電池を充電するための充電器、蓄電池の電圧変換を行うためのＤＣ−ＤＣ変換器などの、発熱部材である。これら発熱部材は電気自動車の走行中等に冷却を必要とする。

発熱体３から放出される熱は、冷却液に吸熱させる。すなわち、冷却液は加熱される。この加熱された冷却液は、低温側導入管１０６へ導かれ、車両用ヒートポンプ装置１にて冷却される。この加熱された冷却液は、第２のラジエータ６で放熱させることで、冷却することもできる。

車両用空調装置２を車室内の暖房に用いる場合は、発熱体３から放出された熱を、冷却液に吸熱させる。すなわち、冷却液は加熱される。この加熱された冷却液は、低温側導入管１０６へ導かれ、低温側水冷媒熱交換器１１０にて冷却される。

この際、冷媒に回収（吸熱）された熱を、高温側水冷媒熱交換器１１１にて高温側の冷却液に回収（吸熱）させ、この冷却液を高温側導出管１０５から導出させ、暖房用空気水熱交換器２０１に導くことで、車室内の空気の加熱に利用する事も可能である。

車両温度調整システムでは、図４と図５とに示すように、複数の三方弁Ｔによる冷却液の経路の切り替え、ならびに、切換ドア２０３による車室内へ向かう空気の経路の切り替えにより、車室内の暖房および冷房等の切り替えを行うことができる。

＜高温側水冷媒熱交換器の詳細＞
次に、実施の形態の車両用ヒートポンプ装置１におけるコンプレッサ筐体１０９側の構成を詳細に説明する。

図６は、車両用ヒートポンプ装置のコンプレッサ筐体側の構成を示す一部破断の斜視図である。図７は、車両用ヒートポンプ装置のコンプレッサ筐体側の構成を示す断面図である。図８は、図７のＤ−Ｄ線断面図である。

高温側水冷媒熱交換器１１１および電動圧縮機１１２は、コンプレッサ筐体１０９に収められて一体化されている。コンプレッサ筐体１０９は、密閉性を有し、冷却液および冷媒の各導入口および各導出口を除いて、高温側水冷媒熱交換器１１１と電動圧縮機１１２とを内部に閉じ込める。

高温側水冷媒熱交換器１１１は、図６〜図８に示すように、冷媒が流れる通路１１１ａと、冷却液が流れる通路１１１ｂとを備えている。

冷却液の通路１１１ｂは、例えば、電動圧縮機１１２の周囲に沿って二次元方向（図６のＸ−Ｒ方向）に広がる空間により構成され、通路１１１ｂの一端および他端に冷却液の導入口１１１ｂｉｎと導出口１１１ｂｏｕｔとが設けられている。導出口１１１ｂｏｕｔは、高温側ウォータポンプ１０１に通じている。また、通路１１１ｂの一部は、コンプレッサ筐体１０９の壁体により構成されている。

冷媒の通路１１１ａは、例えば、複数の直線状且つ筒状の配管により構成され、冷却液の通路１１１ｂを横切るように通路１１１ｂを囲う空間内に配置されている。図８に示すように、複数の通路１１１ａは、電動圧縮機１１２の周方向（図６のＲ方向）に分散して配置されている。各通路１１１ａの一端は、図７に示すように、電動圧縮機１１２の冷媒導出口につながる冷媒室１１１ｃに通じ、各通路１１１ａの他端は、膨張弁１１４につながる冷媒室１１１ｄに通じている。冷媒室１１１ｃ、１１１ｄの一部は、コンプレッサ筐体１０９の壁体により構成されている。

高温側水冷媒熱交換器１１１は、図６〜図８に示すように、電動圧縮機１１２（電動圧縮機用電動モータ１１２ａおよび圧縮機構１１２ｂ）の周囲を囲うように配置され、電動圧縮機１１２と高温側水冷媒熱交換器１１１とは熱的に結合している。

冷媒は、導入口１４２（図７を参照）を介して、低温側水冷媒熱交換器１１０から電動圧縮機１１２へ導入される。また、冷媒は、導出口１４１（図７を参照）を介して、高温側水冷媒熱交換器１１１から膨張弁１１４へ導出される。

＜インバータの冷却構造＞
図９は、車両用ヒートポンプ装置のインバータの周辺を示す一部破断の斜視図である。図１０は、図９のＥ−Ｅ線断面図である。

本実施の形態の車両用ヒートポンプ装置１は、図９に示すように、回路収容部１２０と、回路冷却用通路１３０とを備えている。

回路冷却用通路１３０は、図１０に示すように、高温側の冷却液が迂回して流れる通路であり、コンプレッサ筐体１０９に設けられている。回路冷却用通路１３０は、コンプレッサ筐体１０９と一体成型された構成としてもよいし、別の金属成型部品をコンプレッサ筐体１０９に溶接または締結した構成としてもよい。

回路冷却用通路１３０は、上流端が冷却液の導入口１１１ｂｉｎにつながり、下流端が高温側水冷媒熱交換器１１１の通路１１１ｂの入口につながっている。回路冷却用通路１３０は、壁１２１を挟んで回路収容部１２０と隣接し、且つ、壁１２１と接触する面積が大きく構成されている。具体的には、回路冷却用通路１３０は、壁１２１側から見た回路冷却用通路１３０の通路幅が広く形成されている。

回路収容部１２０は、インバータ１１３を収容する空間であり、コンプレッサ筐体１０９に設けられている。回路収容部１２０は、コンプレッサ筐体１０９と一体成型された構成としてもよいし、別の金属成型部品をコンプレッサ筐体１０９に溶接または締結した構成としてもよい。

回路収容部１２０は、低温側水冷媒熱交換器１１０と電動圧縮機１１２との間に配置され、壁１２１を挟んで回路冷却用通路１３０と隣接している。なお、回路収容部１２０は、電動圧縮機１１２の近傍で、且つ、高温側の冷却液の通路に近接できればどのような配置としてもよい。

インバータ１１３は、回路収容部１２０の中で、壁１２１に接触して固定されている。具体的には、インバータ１１３に含まれる電動圧縮機用モータ駆動部１３３が、壁１２１に直接に接触して固定されている。なお、インバータ１１３の電動圧縮機用モータ駆動部１３３が、熱伝導の高い放熱体を介して壁１２１に接触した構成としてもよい。

このような構成により、インバータ１１３は、壁１２１を介して回路冷却用通路１３０の冷却液に熱を放出し、高温側の冷却液によって冷却される。

＜インバータ周辺の機能ブロック＞
次に、実施の形態の車両用ヒートポンプ装置１の駆動系および駆動制御に係る機能ブロックについて説明する。

図１１は、車両用ヒートポンプ装置の駆動系および駆動制御の構成を示すブロック図である。なお、図１１では、１２Ｖ程度の電圧を供給する低電圧バッテリ３０１、２００〜３００Ｖ程度の電圧を供給する高電圧バッテリ３０２、エアコンを制御するエアコン制御装置３０３、および、高温側の冷却液の放熱を行う第１のラジエータ５も記載する。なお、低電圧バッテリ３０１および高電圧バッテリ３０２は、給電部１０３（図１１では図示せぬ）と接続されている。

インバータ１１３は、基板１３に電源部１３１、制御部１３２、電動圧縮機用モータ駆動部１３３を備えてなる。インバータ１１３は、図示せぬエアコン制御装置からエアコン制御信号を取得し、取得した制御信号に基づいて、電動圧縮機１１２、高温側ウォータポンプ１０１、および、低温側ウォータポンプ１０２に対して駆動制御を行う。

インバータ１１３において、電源部１３１は、低電圧バッテリ３０１から供給される電圧を制御部用の電源電圧に変換して制御部１３２に供給する。

制御部１３２は、図示せぬエアコン制御装置からエアコン制御信号を取得すると、後述する温度検出部１０１ｅから出力されたウォータポンプ用モータ駆動部１０１ａの温度に基づいて、電動圧縮機用モータ駆動部１３３、ウォータポンプ用モータ駆動部１０１ａ、１０２ａ、および、図示せぬ第１のラジエータ５を制御する。ただし、第１のラジエータ５の制御は、制御部１３２がエアコン制御信号をエアコン制御装置３０３に出力し、エアコン制御装置３０３が第１のラジエータ５を制御する。なお、制御部１３２の詳細な制御については後述する。

電動圧縮機用モータ駆動部１３３は、制御部１３２からの制御に従って、高電圧バッテリ３０２から供給される電圧を通電または遮断して、電動圧縮機用電動モータ１１２ａに交流電力を供給する。

電動圧縮機１１２において、電動圧縮機用電動モータ１１２ａは、電動圧縮機用モータ駆動部１３３から供給される交流電力によって回転し、圧縮機構１１２ｂを駆動させる。圧縮機構１１２ｂは、電動圧縮機用電動モータ１１２ａの駆動力により冷媒を圧縮して吐出する。

電動圧縮機用モータ駆動部１３３に隣接する回路冷却用通路１３０には、冷却フィン１３０ａが設けられる。電動圧縮機用モータ駆動部１３３から放熱された熱を、回路冷却用通路１３０を流れる高温側の冷却液が冷却フィン１３０ａを介して吸熱することにより、電動圧縮機用モータ駆動部１３３を冷却する。

高温側ウォータポンプ１０１において、ウォータポンプ用モータ駆動部１０１ａは、制御部１３２からの制御に従って、低電圧バッテリ３０１から供給される電圧を通電または遮断して、ウォータポンプ用電動モータ１０１ｂに交流電力を供給する。

ウォータポンプ用電動モータ１０１ｂは、ウォータポンプ用モータ駆動部１０１ａから供給される交流電力によって回転して、インペラ１０１ｃを駆動する。インペラ１０１ｃは、ウォータポンプ用電動モータ１０１ｂの駆動力によって高温側の冷却液を輸送する。

ウォータポンプ用モータ駆動部１０１ａには、冷却フィン１０１ｄが設けられており、ウォータポンプ用モータ駆動部１０１ａから放熱された熱を、高温側の冷却液が冷却フィン１０１ｄを介して吸熱することにより、ウォータポンプ用モータ駆動部１０１ａを冷却する。

温度検出部１０１ｅは、ウォータポンプ用モータ駆動部１０１ａの温度を検出し、検出した温度を制御部１３２に出力する。

また、低温側ウォータポンプ１０２において、ウォータポンプ用モータ駆動部１０２ａは、制御部１３２からの制御に従って、低電圧バッテリ３０１から供給される電圧を通電または遮断して、ウォータポンプ用電動モータ１０２ｂに交流電力を供給する。

ウォータポンプ用電動モータ１０２ｂは、ウォータポンプ用モータ駆動部１０２ａから供給される交流電力によって回転して、インペラ１０２ｃを駆動する。インペラ１０２ｃは、ウォータポンプ用電動モータ１０２ｂの駆動力によって低温側の冷却液を輸送する。

ウォータポンプ用モータ駆動部１０２ａには、冷却フィン１０２ｄが設けられており、ウォータポンプ用モータ駆動部１０２ａから放熱された熱を、低温側の冷却液が冷却フィン１０２ｄを介して吸熱することにより、ウォータポンプ用モータ駆動部１０２ａを冷却する。

なお、ここでは、ウォータポンプ用電動モータ１０１ｂ、１０２ｂが交流モータの場合について説明したが、これは直流モータでもよい。その場合、ウォータポンプ用モータ駆動部１０１ａ、１０２ａは、低電圧バッテリ３０１から供給される直流電圧に対して、必要に応じて適当な電圧変換を行い、電圧変換を行った直流電力をウォータポンプ用電動モータ１０１ｂ、１０２ｂに供給すればよい。

＜制御部における過熱保護モード＞
次に、実施の形態の車両用ヒートポンプ装置１における制御部１３２が高温側ウォータポンプ１０１のウォータポンプ用モータ駆動部１０１ａの過熱保護を行う過熱保護モードについて説明する。

図１２は、車両用ヒートポンプ装置における制御部の過熱保護モードを説明するための図である。図１２において、ラジエータ回転数は第１のラジエータ５のファン回転数を示し、高温側および低温側ウォータポンプ回転数はウォータポンプ用電動モータ１０１ｂ、１０２ｂの回転数をそれぞれ示し、電動圧縮機回転数は電動圧縮機用電動モータ１１２ａの回転数を示す。また、図１２において、上向きの矢印は回転数を上昇させることを示し、右向きの矢印は回転数を維持させることを示し、下向きの矢印は回転数を減少させることを示す。さらに、図１２において、各性能（空調能力、過熱保護能力、省電力性）についてモード間で相対的に優れているほど多くの＋で表している。

図１２に示すように、冷房時には、制御部１３２はモード１〜４を切り替えて、ラジエータ回転数、高温側ウォータポンプ回転数、電動圧縮機回転数、低温側ウォータポンプ回転数を制御する。

具体的には、モード１では、ラジエータ回転数のみを上昇させ、その他の回転数を維持させる。これにより、第１のラジエータ５における高温側の冷却液からの放熱量が増加し、高温側の冷却液を冷却することができる。このため、高温側の冷却液によって冷却されるウォータポンプ用モータ駆動部１０１ａの過熱保護に寄与することができる。また、この制御による低温側の冷却液への影響はほとんどないため、空調能力が低下することはない。

また、モード２では、ラジエータ回転数および低温側ウォータポンプ回転数を上昇させ、高温側ウォータポンプ回転数を減少させる。高温側ウォータポンプ回転数の減少により、高温側ウォータポンプ１０１のウォータポンプ用モータ駆動部１０１ａの発熱量を抑えることができるので、ウォータポンプ用モータ駆動部１０１ａの過熱保護能力をモード１に対して高めることができる。これに伴い、高温高圧冷媒と高温側の冷却液との熱交換量が減少し、冷媒が冷えなくなるので、低温側の冷却液の温度が上昇してしまい、空調能力が低下する傾向がある。そのため、低温側ウォータポンプ回転数を上昇させることにより、低温側の冷却液と空気との熱交換量を増大させ、空調能力の低下を補填することができる。

また、モード３では、ラジエータ回転数を上昇させ、高温側ウォータポンプ回転数を減少させ、その他の回転数を維持させる。これにより、ウォータポンプ用モータ駆動部１０１ａの過熱保護能力をモード２と同等に高めることができる。一方で、低温側ウォータポンプ回転数を維持するため、モード２に対して空調能力は低下するが、省電力性を向上させることができる。

さらに、モード４では、ラジエータ回転数および低温側ウォータポンプ回転数を上昇させ、高温側ウォータポンプ回転数および電動圧縮機回転数を減少させる。電動圧縮機回転数の減少により、冷媒の温度が低下し、高温側の冷却液の温度も低下する。このため、ウォータポンプ用モータ駆動部１０１ａの過熱保護能力をモード２に対して高めることができる。一方で、空調能力は大きく低下するが、省電力性を大きく向上させることができる。

また、図１２に示すように、暖房時には、制御部１３２は、ラジエータ回転数を０、すなわち、第１のラジエータ５を停止させる。これは、暖房時には、高温側の冷却液の経路が、第１のラジエータ５を通らない経路に切り替えられるためである。また、制御部１３２は、高温側ウォータポンプ回転数を減少させ、電動圧縮機回転数を上昇させ、低温側ウォータポンプ回転数を維持または上昇させる。高温側ウォータポンプ回転数の減少により、高温側ウォータポンプ１０１のウォータポンプ用モータ駆動部１０１ａの発熱量を抑えることができるので、ウォータポンプ用モータ駆動部１０１ａの過熱保護を行うことができる。これに伴い、高温側の冷却液と空気との熱交換量が減少し、空調能力が低下する傾向がある。そのため、電動圧縮機回転数を上昇させることにより、冷媒および高温側の冷却液の温度を上昇させ、高温側の冷却液と空気との熱交換量を増大させ、空調能力の低下を補填することができる。このとき、低温側ウォータポンプ回転数を上昇させた場合には、冷媒を冷却することができ、冷媒の過熱を抑制することができる。

このように、制御部１３２には、ラジエータ回転数、高温側および低温側ウォータポンプ回転数、および、電動圧縮機回転数を制御する組み合わせが予め用意され、制御部１３２がこれらの組み合わせを切り替えることにより、高温側ウォータポンプ１０１のウォータポンプ用モータ駆動部１０１ａの過熱保護を行っている。特に、冷房時には、制御部１３２がこれらの組み合わせを示すモード１〜４を切り替えることにより、トレードオフの関係にある空調能力と過熱保護能力とを段階的に調整し、高温側ウォータポンプ１０１のウォータポンプ用モータ駆動部１０１ａの過熱保護と、空調能力維持との両立を図っている。

＜冷房時の制御部における処理手順の詳細＞
次に、実施の形態の車両用ヒートポンプ装置１における冷房時の制御部１３２の処理手順を詳細に説明する。

図１３は、車両用ヒートポンプ装置における制御部の冷房時における処理手順を示すフロー図である。図１３において、ステップ（以下、「ＳＴ」と省略する）４０１では、制御部１３２は、エアコン制御装置から冷房運転ＯＮのエアコン制御信号を取得したか否かを判定し、このエアコン制御信号を取得した（ＹＥＳ）場合には、ＳＴ４０２に移行し、このエアコン制御信号を取得していない（ＮＯ）場合には、ＳＴ４０１に戻る。

ＳＴ４０２では、制御部１３２は、制御モード（モード１〜４）を示す制御モードフラグＦを初期値０に設定し、ＳＴ４０３では、通常モードによる制御を行う。なお、通常モードとは、ウォータポンプ用モータ駆動部１０１ａの過熱保護を行わず、既存の一般的な制御を指す。

ＳＴ４０４では、制御部１３２は、温度検出部１０１ｅからウォータポンプ用モータ駆動部１０１ａの温度Ｔを取得し、ＳＴ４０５では、温度Ｔが所定の温度閾値Ｔｔｈを超えるか否かを判定する。温度Ｔが温度閾値Ｔｔｈを超える（ＹＥＳ）場合にはＳＴ４０６に移行し、超えない（ＮＯ）場合にはＳＴ４１９に移行する。

ＳＴ４０６では、制御部１３２は、現在の制御モードフラグＦが０であるか否かを判定し、０である（ＹＥＳ）場合には、モード１による制御を行い（ＳＴ４０７）、制御モードフラグＦを１に設定して（ＳＴ４０８）、ＳＴ４１８に移行する。

ＳＴ４０６において０ではない（ＮＯ）場合には、ＳＴ４０９において、制御部１３２は、現在の制御モードフラグＦが１であるか否かを判定する。１である（ＹＥＳ）場合には、モード２による制御を行い（ＳＴ４１０）、制御モードフラグＦを２に設定して（ＳＴ４１１）、ＳＴ４１８に移行する。

ＳＴ４０９において１ではない（ＮＯ）場合には、ＳＴ４１２において、制御部１３２は、現在の制御モードフラグＦが２であるか否かを判定する。２である（ＹＥＳ）場合には、モード３による制御を行い（ＳＴ４１３）、制御モードフラグＦを３に設定して（ＳＴ４１４）、ＳＴ４１８に移行する。

ＳＴ４１２において２ではない（ＮＯ）場合には、ＳＴ４１５において、制御部１３２は、現在の制御モードフラグＦが３であるか否かを判定する。３である（ＹＥＳ）場合には、モード４による制御を行い（ＳＴ４１６）、制御モードフラグＦを４に設定して（ＳＴ４１７）、ＳＴ４１８に移行する。また、ＳＴ４１５において、３ではない（ＮＯ）場合には、ＳＴ４１８に移行する。

ＳＴ４１８では、制御部１３２は、エアコン制御装置から冷房運転ＯＦＦのエアコン制御信号を取得したか否かを判定し、このエアコン制御信号を取得した（ＹＥＳ）場合には、ＳＴ４２２において運転を停止し、処理を終了する。一方、このエアコン制御信号を取得していない（ＮＯ）場合には、ＳＴ４０４に戻る。

ＳＴ４１９では、制御部１３２は、通常モードによる制御を行い、ＳＴ４２０では、制御モードフラグＦを０に初期化する。

ＳＴ４２１では、制御部１３２は、エアコン制御装置から冷房運転ＯＦＦのエアコン制御信号を取得したか否かを判定し、このエアコン制御信号を取得した（ＹＥＳ）場合には、ＳＴ４２２において運転を停止し、処理を終了する。一方、このエアコン制御信号を取得していない（ＮＯ）場合には、ＳＴ４０１に戻る。

このように、ウォータポンプ用モータ駆動部１０１ａの温度Ｔが温度閾値Ｔｔｈを超える場合には、制御部１３２は、過熱保護を行う制御モードに移行し、温度Ｔが温度閾値Ｔｔｈ以下となるまで過熱保護能力の高い制御モードに順次移行する。これにより、高温側ウォータポンプ１０１のウォータポンプ用モータ駆動部１０１ａの過熱保護と、空調能力維持との両立を図ることができる。

＜暖房時の制御部における処理手順の詳細＞
次に、実施の形態の車両用ヒートポンプ装置１における暖房時の制御部１３２の処理手順を詳細に説明する。

図１４は、車両用ヒートポンプ装置における制御部の暖房時における処理手順を示すフロー図である。図１４において、ＳＴ５０１では、制御部１３２は、エアコン制御装置から暖房運転ＯＮのエアコン制御信号を取得したか否かを判定し、このエアコン制御信号を取得した場合には、ＳＴ５０２に移行し、このエアコン制御信号を取得していない場合には、ＳＴ５０１に戻る。

ＳＴ５０２では、通常モードによる制御を行う。なお、通常モードとは、ウォータポンプ用モータ駆動部１０１ａの過熱保護を行わず、既存の一般的な制御を指す。

ＳＴ５０３では、制御部１３２は、温度検出部１０１ｅからウォータポンプ用モータ駆動部１０１ａの温度Ｔを取得し、ＳＴ５０４では、温度Ｔが所定の温度閾値Ｔｔｈを超えるか否かを判定する。温度Ｔが温度閾値Ｔｔｈを超える（ＹＥＳ）場合にはＳＴ５０５に移行し、超えない（ＮＯ）場合にはＳＴ５０７に移行する。

ＳＴ５０５では、制御部１３２は、ウォータポンプ用モータ駆動部１０１ａの過熱保護モードによる制御を行う。なお、過熱保護モードとは、図１２に示した各回転数を制御するモードを指す。

ＳＴ５０６では、エアコン制御装置から暖房運転ＯＦＦのエアコン制御信号を取得したか否かを判定し、このエアコン制御信号を取得した（ＹＥＳ）場合には、ＳＴ５０９において運転を停止し、処理を終了する。一方、このエアコン制御信号を取得していない（ＮＯ）場合には、ＳＴ５０３に戻る。

ＳＴ５０７では、制御部１３２は、通常モードによる制御を行い、ＳＴ５０８では、エアコン制御装置から暖房運転ＯＦＦのエアコン制御信号を取得したか否かを判定し、このエアコン制御信号を取得した（ＹＥＳ）場合には、ＳＴ５０９において運転を停止し、処理を終了する。一方、このエアコン制御信号を取得していない（ＮＯ）場合には、ＳＴ５０１に戻る。

このように、ウォータポンプ用モータ駆動部１０１ａの温度Ｔが温度閾値Ｔｔｈを超える場合には、過熱保護を行う制御モードに移行することにより、高温側ウォータポンプ回転数を減少させ、高温側ウォータポンプ１０１のウォータポンプ用モータ駆動部１０１ａの発熱量を抑えることができるので、ウォータポンプ用モータ駆動部１０１ａの過熱保護を行うことができる。一方で、電動圧縮機回転数を上昇させることにより、冷媒および高温側の冷却液の温度を上昇させ、高温側の冷却液と空気との熱交換量を増大させ、空調能力の低下を抑制することができる。すなわち、暖房時においても、高温側ウォータポンプ１０１のウォータポンプ用モータ駆動部１０１ａの過熱保護と、空調能力維持との両立を図ることができる。

＜実施の形態の効果＞
このように、実施の形態の車両用ヒートポンプ装置１では、高温側ウォータポンプ１０１のウォータポンプ用モータ駆動部１０１ａの温度Ｔが所定の温度閾値Ｔｔｈを超える場合に、制御部１３２が、ラジエータ回転数、高温側および低温側ウォータポンプ回転数、および、電動圧縮機回転数を制御する。

具体的には、制御部１３２は、冷房時には、ラジエータ回転数、高温側および低温側ウォータポンプ回転数、および、電動圧縮機回転数を制御する組み合わせを切り替える。また、暖房時には、制御部１３２は、高温側ウォータポンプ回転数を減少させ、電動圧縮機回転数を上昇させる。

この結果、冷房時でも暖房時でも、ウォータポンプ用モータ駆動部１０１ａの過熱保護と、空調能力の維持とを両立することができる。

なお、本実施の形態では、インバータ１１３が有する電動圧縮機用モータ駆動部１３３が高温側水冷媒熱交換器１１１の導入側の冷却液により冷却される構成を例にとって説明した。しかし、電動圧縮機用モータ駆動部１３３は、高温側水冷媒熱交換器１１１の導出側の冷却液（図３のＳ１の位置）、低温側水冷媒熱交換器１１０の導入側の冷却液（図３のＳ２の位置）、もしくは、低温側水冷媒熱交換器１１０の導出側の冷却液（図３のＳ３の位置）により冷却される構成を採用してもよい。

また、本実施の形態では、温度検出部１０１ｅがウォータポンプ用モータ駆動部１０１ａの温度を検出する方法を例にとって説明した。しかし、ウォータポンプ用モータ駆動部１０１ａの温度を検出する方法はこれに限るものでもなく、推定によって求めてもよい。

また、本実施の形態では、車両用ヒートポンプ装置１を一体化した場合を例に説明した。しかし、本発明は、車両用ヒートポンプ装置１を一体化せず、各構成部材をそれぞれ離間して配置してもよい。

本発明にかかる車両用ヒートポンプ装置および電力用半導体過熱保護方法は、車両内の各部の温度を調整するシステム等に用いるのに好適である。

１ 車両用ヒートポンプ装置
１０１ 高温側ウォータポンプ
１０２ 低温側ウォータポンプ
１０３ 給電部
１０４ 高温側導入管
１０５ 高温側導出管
１０６ 低温側導入管
１０７ 低温側導出管
１０８ アキュムレータ
１０９ コンプレッサ筐体
１１０ 低温側水冷媒熱交換器
１１１ 高温側水冷媒熱交換器
１１１ａ 冷媒の通路
１１１ｂ 冷却液の通路
１１１ｃ、１１１ｄ 冷媒室
１１２ 電動圧縮機
１１２ａ 電動モータ
１１２ｂ 圧縮機構
１１３ インバータ
１１４ 膨張弁
１２０ 回路収容部
１２１ 壁
１３０ 回路冷却用通路
１４１ 導出口
１４２ 導入口
２ 車両用空調装置
２００ 冷房用空気水熱交換器
２０１ 暖房用空気水熱交換器
２０２ ブロワファン
２０３ 切替ドア
３ 発熱体
５ 第１のラジエータ
６ 第２のラジエータ
７ ファイアウォール
１３ 基板
１３１ 電源部
１３２ 制御部
１３３ 電動圧縮機用モータ駆動部
１０１ａ、１０２ａ ウォータポンプ用モータ駆動部
１０１ｂ、１０２ｂ ウォータポンプ用電動モータ
１０１ｃ、１０２ｃ インペラ
１３０ａ、１０１ｄ、１０２ｄ 冷却フィン
１０１ｅ 温度検出部
３０１ 低電圧バッテリ
３０２ 高電圧バッテリ
３０３ エアコン制御装置

Claims (9)

1. 冷却液と冷媒との間で熱交換を行う車両用ヒートポンプ装置であって、
   吸入した前記冷媒を圧縮して吐出する圧縮機構および前記圧縮機構を駆動する電動圧縮機用電動モータを有する電動圧縮機と、
   前記電動圧縮機が吐出した高温高圧冷媒と熱交換を行う第１の冷却液を輸送するインペラおよび前記インペラを駆動するウォータポンプ用電動モータを有する第１のウォータポンプと、
   電源から給電される電力を前記ウォータポンプ用電動モータへ供給する電力用半導体と、
   前記電動圧縮機の回転数、前記第１のウォータポンプの回転数、および、前記第１の冷却液の熱を車外へ放熱させるラジエータのファン回転数を制御する制御部と、
   を具備し、
   前記制御部は、冷房運転時に前記電力用半導体の温度が所定の温度を超える場合、前記ラジエータのファン回転数を上昇させる、
   車両用ヒートポンプ装置。
2. 前記制御部は、冷房運転時に前記電力用半導体の温度が前記所定の温度を超える場合、前記ラジエータのファン回転数を上昇させ、かつ、前記第１のウォータポンプの回転数を減少させる、
   請求項１に記載の車両用ヒートポンプ装置。
3. 低温低圧冷媒と熱交換を行う第２の冷却液を輸送する第２のウォータポンプをさらに具備し、
   前記制御部は、冷房運転時に前記電力用半導体の温度が前記所定の温度を超える場合、前記ラジエータのファン回転数を上昇させ、前記第１のウォータポンプの回転数を減少させ、かつ、前記第２のウォータポンプの回転数を上昇させる、
   請求項２に記載の車両用ヒートポンプ装置。
4. 前記制御部は、冷房運転時に前記電力用半導体の温度が前記所定の温度を超える場合、前記ラジエータのファン回転数を上昇させ、前記第１のウォータポンプの回転数を減少させ、前記第２のウォータポンプの回転数を上昇させ、かつ、前記電動圧縮機の回転数を減少させる、
   請求項３に記載の車両用ヒートポンプ装置。
5. 低温低圧冷媒と熱交換を行う第２の冷却液を輸送する第２のウォータポンプをさらに具備し、
   前記制御部は、前記電動圧縮機の回転数、前記第１のウォータポンプの回転数、前記第２のウォータポンプの回転数、および、前記ラジエータのファン回転数を制御する組み合わせを複数有し、冷房運転時に前記電力用半導体の温度が前記所定の温度を超える場合、前記組み合わせを切り替えて、前記電動圧縮機の回転数、前記第１のウォータポンプの回転数、前記第２のウォータポンプの回転数、および、前記ラジエータのファン回転数を制御する、
   請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の車両用ヒートポンプ装置。
6. 冷却液と冷媒との間で熱交換を行う車両用ヒートポンプ装置であって、
   吸入した前記冷媒を圧縮して吐出する圧縮機構および前記圧縮機構を駆動する電動圧縮機用電動モータを有する電動圧縮機と、
   前記電動圧縮機が吐出した高温高圧冷媒と熱交換を行う第１の冷却液を輸送するインペラおよび前記インペラを駆動するウォータポンプ用電動モータを有する第１のウォータポンプと、
   電源から給電される電力を前記ウォータポンプ用電動モータへ供給する電力用半導体と、
   前記電動圧縮機の回転数、前記第１のウォータポンプの回転数、および、前記第１の冷却液の熱を車外へ放熱させるラジエータのファン回転数を制御する制御部と、
   を具備し、
   前記制御部は、暖房運転時に前記電力用半導体の温度が所定の温度を超える場合、前記第１のウォータポンプの回転数を減少させ、かつ、前記電動圧縮機の回転数を上昇させる、
   車両用ヒートポンプ装置。
7. 低温低圧冷媒と熱交換を行う第２の冷却液を輸送する第２のウォータポンプをさらに具備し、
   前記制御部は、暖房運転時に前記電力用半導体の温度が前記所定の温度を超える場合、前記第１のウォータポンプの回転数を減少させ、前記電動圧縮機の回転数を上昇させ、かつ、前記第２のウォータポンプの回転数を維持または上昇させる、
   請求項６に記載の車両用ヒートポンプ装置。
8. 冷却液と冷媒との間で熱交換を行う車両用ヒートポンプ装置における電力用半導体過熱保護方法であって、
   制御部は、
   高温高圧冷媒と熱交換を行う第１の冷却液を輸送する第１のウォータポンプに電力を供給する電力用半導体の温度を取得し、
   冷房運転時に前記電力用半導体の温度が所定の温度を超える場合、前記第１の冷却液の熱を車外へ放熱させるラジエータのファン回転数を上昇させる、
   電力用半導体過熱保護方法。
9. 冷却液と冷媒との間で熱交換を行う車両用ヒートポンプ装置における電力用半導体過熱保護方法であって、
   制御部は、
   高温高圧冷媒と熱交換を行う第１の冷却液を輸送する第１のウォータポンプに電力を供給する電力用半導体の温度を取得し、
   暖房運転時に前記電力用半導体の温度が所定の温度を超える場合、前記第１のウォータポンプの回転数を減少させ、かつ、前記冷媒を圧縮して吐出する電動圧縮機の回転数を上昇させる、
   電力用半導体過熱保護方法。
   

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