JP5582808B2 - 冷凍サイクルシステム - Google Patents

Description

本発明は、車両等に備えられる冷凍サイクルシステムに関する。

車両の室内の空気調和を図る空気調和システムや、冷凍車、冷蔵車等において荷物庫内を所定の温度に維持するための冷凍サイクルシステムは、周知の通り、圧縮機で圧縮して高温・高圧とした冷媒を、コンデンサにより冷却して液化し、エバポレータで室内や荷物庫内の雰囲気と熱交換を行うことで温度調整を行う。

近年、車両の走行システムとして、エンジンとモータを駆動源として併用する、いわゆるハイブリッド車が広まりつつある。このようなハイブリッド車や電気自動車、またエンジン駆動であってもアイドルストップ機能を備えた車両等においては、空気調和システムや冷凍サイクルシステムを構成する圧縮機として、モータによって駆動する電動圧縮機が用いられる。

電動圧縮機のモータは、車載のバッテリから供給される直流電流を交流電流に変換するインバータを備えている。このインバータは、モータの運転時に発熱を伴う。また、モータも運転時に発熱する。さらに、インバータに電流を供給する電池等においても、発熱が伴う。ハイブリッド車や電気自動車の走行用のモータ、インバータ、電池においても同様に、運転時に発熱が伴う。
これらインバータや、モータ、電池等の発熱体においては、発熱が過度である場合には、性能低下や故障に繋がるため、運転に支障のない温度に放熱させる必要がある。

従来、図６に示すように、例えばインバータ１の放熱を図る構成としては、インバータ１の表面にフィン２を設けることで周囲雰囲気との伝熱面積を増大させたり、さらにファン３を備えてフィン２における放熱効果を高めることが行われていた。

また、車両空調用の冷凍サイクル装置により冷却された冷却風、室内熱交換器（エバポレータ）から出た低温冷媒ガス、冷却水を用い、インバータと熱交換させることで、インバータを強制冷却する技術も提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００６−３０００３８号公報

しかしながら、図６に示したように、インバータ１にフィン２やファン３を設けた構成においては、言うまでもなく冷却効率が悪い。また、フィン２やファン３を設けるためにスペースが必要であり、さらにフィン２は熱源であるインバータ１に近接して設ける必要があることから、インバータ１のレイアウトの自由度を損なうとともに、常に求められている省スペース化、小型化の妨げとなる。
また、インバータ１等における発熱量は、システムの運転負荷に応じて大きく変動する。フィン２の大きさやファン３の容量は、最大運転負荷時における発熱量を考慮して設定されており、運転負荷が少なく発熱量の小さい状態においては、無駄があるとも言える。

一方、特許文献１に記載の技術においては、冷凍サイクル装置により冷却された冷却風、低温冷媒ガス、冷却水を用いてインバータの冷却を行うことで、上記の問題を改善している。
しかし、特にインバータや電池の場合、作動に最適な温度範囲があり、過度に冷却すると性能低下を招くこともあり、特許文献１に記載の技術においても、依然として改善の余地がある。
これに対し、例えば、インバータや電池の温度を検出し、その検出温度に応じて冷却風、低温冷媒ガス、冷却水の供給量を制御して冷却度合いを調整することも考えられる。しかし、そのような構成では、センサが必要となったり、制御が複雑化し、高コスト化に繋がる。

本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、インバータやモータ、電池等の発熱体を、省スペース化を図るとともにレイアウトの高い自由度を損なうことなく、簡易かつ低コストな構成で、最適な温度範囲に冷却させることのできる冷凍サイクルシステムを提供することを目的とする。

かかる目的のもとになされた本発明の冷凍サイクルシステムは、冷媒を圧縮して高温・高圧化する圧縮機と、冷媒を凝縮して液化するコンデンサと、液化した冷媒を減圧させる膨張弁と、膨張弁から送られてくる冷媒の熱を周囲雰囲気と熱交換するエバポレータと、コンデンサの出口側に設けられて外部の発熱体の外表面に接し、当該コンデンサを経た冷媒と熱交換することで発熱体を除熱する除熱器と、除熱器の出口側の冷媒と、エバポレータの出口側の冷媒とで熱交換を行う熱交換器と、を備え、熱交換器は、一面側が発熱体に接した除熱器の他面側に接して設けられていることを特徴とする。
外部の発熱体の外表面に接して設けられた除熱器において、コンデンサを経た冷媒と熱交換することで、発熱体を除熱することができる。コンデンサを経た冷媒は、外気温と同等または外気温よりも高い温度であり、エバポレータの出口側における冷媒よりも高温である。このため、除熱器で発熱体を除熱したとしても発熱体の温度は外気温以上となり、過度に冷却されることがない。
また、このような除熱器は、単にコンデンサを経た冷媒と発熱体との間で熱交換を行うのみであり、センサ等を用いて複雑な制御を行うこともなく、簡易な構成である。

本発明の冷凍サイクルシステムは、除熱器の出口側の冷媒と、エバポレータの出口側の冷媒とで熱交換を行う熱交換器を備える。ここで、除熱器を経た冷媒は、発熱体との熱交換により、少なくとも一部がガス化して気相となる場合がある。熱交換器は、このガス化した冷媒を、エバポレータの出口側の冷媒と熱交換することで液化する。これにより、膨張弁には、完全に液相となった冷媒を送り込むことができる。

本発明の冷凍サイクルシステムにおいて、熱交換器は、除熱器の出口側に接続される高温側冷媒通路と、エバポレータの出口側に接続される低温側冷媒通路と、を備え、高温側冷媒通路は、除熱器上に積層され、低温側冷媒通路は、高温側冷媒通路上に積層されることが好ましい。

このような冷凍サイクルシステムの除熱器によって除熱する発熱体としては、圧縮機を駆動するモータまたは当該モータの作動を制御するインバータがある。これ以外にも、発熱体としては、他の用途のモータやインバータ、バッテリ等がある。

本発明によれば、外部の発熱体の外表面に接して設けられた除熱器において、コンデンサを経た冷媒と熱交換することで、発熱体を過度に冷却することなく除熱することができる。これにより、発熱体を安定して作動させることができる。除熱器は、液冷媒を用いて熱交換を行うため、フィンやファンを設ける場合に比較して、大幅な小型化を図りつつも、十分な熱交換性能を得ることができる。これにより、除熱器のレイアウトの自由度が高まる。
また、このような除熱器は、単にコンデンサを経た冷媒と発熱体との間で熱交換を行うのみであり、センサ等を用いて複雑な制御を行うこともなく、簡易な構成であり、低コストで上記効果を得ることができる。

第一の実施形態における冷凍サイクルシステムの構成を示す図である。 除熱器を備えた発熱体を示す斜視図である。 第二の実施形態における冷凍サイクルシステムの構成を示す図である。 第二の実施形態における冷媒の状態変化を示すモリエル線図である。 気液熱交換器および除熱器を備えた発熱体を示す斜視図である。 従来の除熱器を備えた発熱体を示す斜視図である。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
［第一の実施形態］
図１は、本実施の形態における冷凍サイクルシステム１０Ａの構成を説明するための図である。本実施の形態における冷凍サイクルシステム１０Ａは、車両の室内、冷凍車、冷蔵車等の荷物庫内に搭載されるものである。この冷凍サイクルシステム１０Ａは、冷媒を圧縮し、高温・高圧のガスにする圧縮機２０と、高温・高圧の冷媒を外気で冷却して液化するコンデンサ３０と、冷媒の圧力を下げる膨張弁４０と、室内や荷物庫内の空気から熱を奪い、冷媒を蒸発させるエバポレータ５０と、これらの間で冷媒を循環させるための冷媒管６０と、を含んで構成される。

この冷凍サイクルシステム１０Ａには、コンデンサ３０の出口側に、除熱器７０が設けられている。
図２に示すように、除熱器７０は、圧縮機２０を駆動するためのモータのインバータ等、作動により発熱する発熱体８０の外表面に接して設けられている。このような発熱体８０としては、前記のインバータの他、圧縮機２０を駆動するためのモータや、この車両に搭載された他のモータ、インバータ、各種制御基板、電池（バッテリ）等がある。
除熱器７０は、コンデンサ３０の出口側に接続された冷媒管６０から冷媒が送り込まれる冷媒流路７１と、冷媒流路７１の外周面に設けられた伝熱体７２とを備える。そして、伝熱体７２が発熱体８０の外表面に、ろう付け等の接合手段により接合されている。

このような構成においては、除熱器７０の冷媒流路７１には、コンデンサ３０で凝縮された液冷媒が送り込まれる。発熱体８０は、この液冷媒と伝熱体７２を介して熱交換することで除熱される。
ここで、コンデンサ３０で凝縮された液冷媒は、冷凍サイクルシステム１０Ａの運転中は、常に外気温度よりも０〜２０℃程度高く、例えばエバポレータ５０の出口側のガス冷媒が−４０〜０℃程度であることからすると、高温の状態である。一方、発熱体８０がインバータである場合、発熱体８０の最適作動温度範囲は、例えば−２０〜１００℃である。
したがって、発熱体８０を、除熱器７０において比較的高温状態にある冷媒で除熱すると、例えば、発熱体８０の温度が０〜８０℃程度の低い状態である場合には、除熱器７０の冷媒流路７１を流れる液冷媒との温度差が少ないために、発熱体８０の温度はさほど下がらない。また、発熱体８０の温度が、例えば１００℃以上と、最適作動温度範囲を大きく超えるような場合、除熱器７０により液冷媒と熱交換することで、発熱体８０の温度は低下するが、液冷媒が前述のごとく外気温度と同等あるいはそれよりも高い温度であるために、発熱体８０は、外気温度以上の温度域に留まる。

このように、コンデンサ３０の出口側に設けた除熱器７０により発熱体８０の除熱を図ることにより、発熱体８０を安定して作動させることができる。このとき、除熱器７０は、液冷媒を用いて熱交換を行うため、図６に示したフィン２やファン３を設ける場合に比較して熱交換効率が高く、大幅な小型化を図りつつも、十分な熱交換性能を得ることができる。これにより、除熱器７０のレイアウトの自由度が高まる。
また、除熱器７０は、外気温度と同等またはそれ以上の温度域の液冷媒により熱交換を行うことで、発熱体８０が過度に冷却されることもなく、その性能が低下するのを防ぐことができる。また、発熱体８０の温度がさほど高くないときには、除熱もほとんど行われないため、コンデンサ３０の能力の一部が発熱体８０の放熱に割かれるのを抑え、熱エネルギ効率を高めることができる。
さらに、除熱器７０は、センサ等も用いない簡易な構成であり、低コストで上記効果を得ることができる。

［第二の実施形態］
次に、本発明に係る冷凍サイクルシステムの第二の実施形態を示す。以下に示す構成においては、上記第一の実施形態と異なる構成を中心に説明を行い、上記第一の実施形態と共通する構成については、同符号を付してその説明を省略する。
図３に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置１０Ｂは、上記第一の実施形態の冷凍サイクル装置１０Ａの構成に加え、除熱器７０の出口側とエバポレータ５０の出口側とで、熱交換を行う気液熱交換器（熱交換器）９０を備えている。

図４は、本実施形態における冷媒の状態変化を示すモリエル線図である。この図４中、（１）〜（７）は、図３中に示した（１）〜（７）の部位に相当する。
図４に示すように、除熱器７０において、発熱体８０の除熱を行うことにより、除熱器７０の入口側で液状態であった冷媒は、気相と液相とが混在した２相状態となることがある。この２相状態の冷媒を、気液熱交換器９０において、エバポレータ５０の出口側で飽和状態にあるガス冷媒と熱交換することで、液相とする。

これにより、気液熱交換器９０において除熱器７０を経た冷媒を安定的に液相の状態で膨張弁４０に送ることができる。膨張弁４０に、気相となり密度が低下した冷媒が送り込まれた場合、膨張弁４０内の狭い冷媒経路において大きな圧力損失となり、冷媒の循環流量が著しく低下するが、気液熱交換９０を備えることでこれを防ぐことができる。

ところで、気液熱交換器９０は、除熱器７０が設けられた発熱体８０とは別に独立して設けても良いが、以下に示すような構成とすることもできる。
図５に示すように、発熱体８０の外表面に設けられた除熱器７０に、気液熱交換器９０を積層するのである。すなわち、発熱体８０の表面に設けられた除熱器７０上に、気液熱交換器９０の高温側冷媒通路９１を設け、その上に低温側冷媒通路９２を積層する。ここで、高温側冷媒通路９１は、除熱器７０の出口側に接続されて除熱器７０を経た冷媒が送り込まれる。低温側冷媒通路９２は、エバポレータ５０の出口側に接続されてエバポレータ５０を経たガス冷媒が送り込まれる。

ここで、高温側冷媒通路９１と低温側冷媒通路９２は、それぞれフィン等の伝熱体９３、９４を一体に備えることができる。また、高温側冷媒通路９１、低温側冷媒通路９２は、それぞれ複数組を並列して設けるのも好ましい。さらに、高温側冷媒通路９１と低温側冷媒通路９２を交互に積層して設けることもできる。このように高温側冷媒通路９１と低温側冷媒通路９２をそれぞれ複数組備える場合、それぞれの両端をヘッダ９５、９６、９７、９８に接続する。

また、除熱器７０の冷媒通路７１の出口側を、高温側冷媒通路９１の入口側に設けられたヘッダ９５に接続しても良い。

このような構成においては、一面側が発熱体８０に接した除熱器７０の反対側に気液熱交換器９０が設けられているため、発熱体８０から熱を奪って温度が上昇した除熱器７０の冷媒通路７１の冷媒が、気液熱交換器９０の低温側冷媒通路９２を流れるエバポレータ５０を経たガス冷媒によって直ちに冷却される。
したがって、除熱器７０において発熱体８０から冷媒が回収した熱エネルギは、直ちに冷却されてエバポレータ５０を経た冷媒に与えられる。これにより、発熱体８０からの熱エネルギが、エバポレータ５０によって室内や荷物庫内に持ち込まれることなく、コンデンサ３０に運ばれて放熱される。この結果、発熱体８０を冷却することによって、室内や荷物庫内の冷却能力低下を抑えることができる。

なお、上記実施の形態では、冷凍サイクルシステム１０Ａ、１０Ｂについて、基本的な構成を示したが、これをいかなる構成としても良い。例えば、エバポレータ５０を複数組備えるマルチ型のシステム構成とすることもできる。
また、発熱体８０は、上記した以外のものとすることももちろん可能である。
さらに、車両以外の冷凍サイクルシステムであっても、本発明は適用できる。例えば、住宅用、工場やビルディング等の施設用の冷凍サイクルシステムに本発明を適用し、住宅や施設内で用いる発熱体の除熱を行うことも可能である。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。

１０Ａ、１０Ｂ…冷凍サイクルシステム、２０…圧縮機、３０…コンデンサ、４０…膨張弁、５０…エバポレータ、７０…除熱器、８０…発熱体、９０…気液熱交換器（熱交換器）

Claims (4)

1. 冷媒を圧縮して高温・高圧化する圧縮機と、
   前記冷媒を凝縮して液化するコンデンサと、
   液化した前記冷媒を減圧させる膨張弁と、
   前記膨張弁から送られてくる前記冷媒の熱を周囲雰囲気と熱交換するエバポレータと、
   前記コンデンサの出口側に設けられて外部の発熱体の外表面に接し、当該コンデンサを経た前記冷媒と熱交換することで前記発熱体を除熱する除熱器と、
   前記除熱器の出口側の前記冷媒と、前記エバポレータの出口側の前記冷媒とで熱交換を行う熱交換器と、を備え、
   前記熱交換器は、一面側が前記発熱体に接した前記除熱器の他面側に接して設けられていることを特徴とする冷凍サイクルシステム。
2. 前記熱交換器は、
   前記除熱器の出口側に接続される高温側冷媒通路と、
   前記エバポレータの出口側に接続される低温側冷媒通路と、を備え、
   前記高温側冷媒通路は、前記除熱器上に積層され、
   前記低温側冷媒通路は、前記高温側冷媒通路上に積層される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクルシステム。
3. 前記熱交換器は、前記除熱器において前記発熱体を除熱することで少なくとも一部がガス化した前記冷媒を、前記エバポレータの出口側の前記冷媒と熱交換することで液化することを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍サイクルシステム。
4. 前記発熱体が、前記圧縮機を駆動するモータまたは当該モータの作動を制御するインバータであることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の冷凍サイクルシステム。

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