冷却システム及び冷却方法
【課題】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、パッケージ化した冷却対象機器の内部に不活性な二酸化炭素を流通させて前記冷却対象機器を直接冷却するようにして、冷却効率が高く、動作部分におけるロスが少なく、絶縁の問題がなく、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１１と、圧縮された冷媒の放熱を行う熱交換器１２と、放熱した冷媒を膨張させる膨張弁１３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１４とを有する冷却システムであって、前記冷却対象機器は、電気モータを駆動源として備える車両の電気系の機器であって、前記冷却ユニット１４内に配設され、前記冷媒は、超臨界状態の二酸化炭素であって、前記冷却対象機器の内部を流通して該冷却対象機器を冷却する。
【解決手段】冷媒を圧縮する圧縮機１１と、圧縮された冷媒の放熱を行う熱交換器１２と、放熱した冷媒を膨張させる膨張弁１３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１４とを有する冷却システムであって、前記冷却対象機器は、電気モータを駆動源として備える車両の電気系の機器であって、前記冷却ユニット１４内に配設され、前記冷媒は、超臨界状態の二酸化炭素であって、前記冷却対象機器の内部を流通して該冷却対象機器を冷却する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却システム及び冷却方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。）。そこで、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、水冷システムや油冷システムが広く採用されている。また、バッテリは高温になると安全上の問題が生じる可能性があるので、電解液の不燃化、バッテリ全体の固体化等の対策が考慮されている。
【特許文献１】特開２００５−９０８６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来の冷却システムにおいては、冷却対象機器を効率的に冷却することができなかった。例えば、水冷システムの場合、絶縁の問題があるので、筐（きょう）体の外側に冷却水が流通する水冷ジャケットを配設し、筐体内に収容された冷却対象機器を間接的に冷却せざるを得ないため、冷却効率を高めることが困難である。また、油冷システムの場合、冷却対象機器内に油を直接流通させて直接冷却を行うことができるが、油の粘性が高いので、電気モータの備える回転部に流通させるとロスが発生する。また、電解液の不燃化、バッテリ全体の固体化等は、現時点での実用化は技術的に困難である。
【０００５】
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、パッケージ化した冷却対象機器の内部に不活性な二酸化炭素を流通させて前記冷却対象機器を直接冷却するようにして、冷却効率が高く、動作部分におけるロスが少なく、絶縁の問題がなく、安全性の高い冷却システム及び冷却方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、電気モータを駆動源として備える車両の電気系の機器であって、前記冷却ユニット内に配設され、前記冷媒は、超臨界状態の二酸化炭素であって、前記冷却対象機器の内部を流通して該冷却対象機器を冷却する。
【０００７】
本発明の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、該電気モータを制御するインバータ、及び、バッテリを含み、前記電気モータ、インバータ及びバッテリは、パッケージ内に密封され、前記冷媒は、前記パッケージ内を流通する。
【０００８】
本発明の更に他の冷却システムにおいては、さらに、前記電気モータ、インバータ及びバッテリは、前記冷却ユニット内において冷媒の流れの上流からバッテリ、インバータ及び電気モータの順に並べられる。
【０００９】
本発明の更に他の冷却システムにおいては、さらに、前記冷媒は、圧縮、放熱、膨張及び冷却のすべての工程において超臨界状態に維持される。
【００１０】
本発明の冷却方法においては、冷媒を圧縮する圧縮工程と、圧縮された冷媒の放熱を行う放熱工程と、放熱した冷媒を膨張させる膨張工程と、膨張した冷媒によって冷却対象機器を冷却する冷却工程とを有する冷却方法であって、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、超臨界状態の二酸化炭素であって、前記冷却対象機器の内部を流通して該冷却対象機器を冷却する。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１及び５の構成によれば、冷却対象機器を内部から直接冷却することができ、高い効率で冷却することができる。
【００１２】
請求項２の構成によれば、電気モータの駆動ロスが発生することがなく、インバータ、バッテリや電気モータの不必要な発熱が確実に防止される。
【００１３】
請求項３の構成によれば、最大許容温度が低い順に上流から並べられているので、各冷却対象機器の冷却効率が向上する。
【００１４】
請求項４の構成によれば、冷却システムの効率が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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ＴA 及び圧力ＰA から、圧縮機１１の下流側のＢ点における温度ＴB 及び圧力ＰB に変化する。
【００２２】
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ＴB 及び圧力ＰB から、熱交換器１２の下流側のＣ点における温度ＴC 及び圧力ＰC に変化する。
【００２３】
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ことが望ましい。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ＴC 及び圧力ＰC から、膨張弁１３の下流側のＤ点における温度ＴD 及び圧力ＰD に変化する。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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ＴD 及び圧力ＰD から、冷却ユニット１４の下流側のＡ点における温度ＴA 及び圧力ＰA に変化する。
【００２８】
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。
【００２９】
図２は本発明の実施の形態における冷却システムの動作を説明する図、図３は本発明の実施の形態における比較例の動作を説明する図、図４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。
【００３０】
図２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２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。
【００３１】
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ＴA 及び圧力ＰA 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２において、圧力ＰA の値はＰlow 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ＴA ＝７２．５〔℃〕、圧力ＰA ＝８〔ＭＰａ〕であり、また、エンタルピーｈA ＝４８０〔ｋＪ／ｋｇ〕である。
【００３２】
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ＴB 及び圧力ＰB に変化する。なお、図２において、圧力ＰB の値はＰhiである。Ｂ点における温度ＴB 及び圧力ＰB 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ＴB ＝９０．０〔℃〕、圧力ＰB ＝１０〔ＭＰａ〕であり、また、エンタルピーｈB ＝４９０〔ｋＪ／ｋｇ〕である。
【００３３】
また、図２において、ＰhiとＰlow との差が小さいことが分かる。このように、ＰhiとＰlow 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。
【００３４】
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ＴC 及び圧力ＰC に変化する。なお、図２において、圧力ＰC の値はＰhiである。Ｃ点における温度ＴC 及び圧力ＰC 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ＴC ＝４３．０〔℃〕、圧力ＰC ＝１０〔ＭＰａ〕であり、また、エンタルピーｈC ＝３４０〔ｋＪ／ｋｇ〕である。
【００３５】
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ＴD 及び圧力ＰD に変化する。なお、図２において、圧力ＰD の値はＰlow である。Ｄ点における温度ＴD 及び圧力ＰD 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ＴD ＝３５．０〔℃〕、圧力ＰD ＝８〔ＭＰａ〕であり、また、エンタルピーｈD ＝３４０〔ｋＪ／ｋｇ〕である。
【００３６】
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ＴA 及び圧力ＰA 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。
【００３７】
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：ＣＯＰHeat＝（ｈB −ｈC ）／（ｈB −ｈA ）＝１５
低温側：ＣＯＰCool＝（ｈA −ｈD ）／（ｈB −ｈA ）＝１４
となり、非常に高い値であることが分かる。
【００３８】
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３において線１３１で示される。なお、図３は、図２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。
【００３９】
図３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、ＰhiとＰlow 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。
【００４０】
一例として、Ａ点における温度ＴA ＝−５〔℃〕、圧力ＰA ＝３〔ＭＰａ〕、エンタルピーｈA ＝４４０〔ｋＪ／ｋｇ〕であり、Ｂ点における温度ＴB ＝９０〔℃〕、圧力ＰB ＝１０〔ＭＰａ〕、エンタルピーｈB ＝４９０〔ｋＪ／ｋｇ〕であり、Ｃ点における温度ＴC ＝３５〔℃〕、圧力ＰC ＝１０〔ＭＰａ〕、エンタルピーｈC ＝２９０〔ｋＪ／ｋｇ〕であり、Ｄ点における温度ＴD ＝−５〔℃〕、圧力ＰD ＝３〔ＭＰａ〕、エンタルピーｈD ＝２９０〔ｋＪ／ｋｇ〕である。
【００４１】
この場合、冷却システム１１０の効率を示すＣＯＰは、
高温側：ＣＯＰHeat＝（ｈB −ｈC ）／（ｈB −ｈA ）＝４
低温側：ＣＯＰCool＝（ｈA −ｈD ）／（ｈB −ｈA ）＝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。
【００４２】
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。
【００４３】
図４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。
【００４４】
なお、図４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ｈm は、次の式（１）によって算出された。
【００４５】
【数１】
【００４６】
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Ｃp 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Ｃp 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。
【００４７】
さらに、図４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。
【００４８】
このように、本実施の形態において、冷却システム１０は、超臨界状態のＣＯ2 を冷媒として使用し、車両駆動モータ２１を含む駆動系を有する環境対策車の車両駆動モータ２１、インバータ２２、バッテリ２３等の電気系の機器を冷却する。そして、車両駆動モータ２１、インバータ２２、バッテリ２３等の冷却対象機器は、すべてパッケージ内に密封された状態で接続されている。また、前記冷却対象機器の内部は、絶縁性を備え、不活性な冷媒であるＣＯ2 で満たされている。
【００４９】
これにより、前記冷却対象機器を内部から直接冷却することができ、高い効率で冷却することができる。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。
【００５０】
また、各冷却対象機器は、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。このように、最大許容温度が低い順に上流から並べられているので、冷却ユニット１４内における各冷却対象機器の冷却効率が向上する。
【００５１】
さらに、冷却システム１０は、冷媒であるＣＯ2 の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システムであり、冷却システム１０におけるすべての箇所で、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を維持するようになっている。そのため、冷却システム１０のＣＯＰの値が高く、高い効率で冷却対象機器を冷却することができる。
【００５２】
また、冷媒であるＣＯ2 は臨界条件が比較的温和であるので、容易に超臨界状態を維持することができる。
【００５３】
さらに、バッテリ２３が絶縁性を備え、不活性な冷媒であるＣＯ2 で満たされているので、バッテリ２３の発熱による電極間のショート等が確実に防止される。
【００５４】
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。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】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２】本発明の実施の形態における冷却システムの動作を説明する図である。
【図３】本発明の実施の形態における比較例の動作を説明する図である。
【図４】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。
【符号の説明】
【００５６】
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
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却システム及び冷却方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。）。そこで、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、水冷システムや油冷システムが広く採用されている。また、バッテリは高温になると安全上の問題が生じる可能性があるので、電解液の不燃化、バッテリ全体の固体化等の対策が考慮されている。
【特許文献１】特開２００５−９０８６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来の冷却システムにおいては、冷却対象機器を効率的に冷却することができなかった。例えば、水冷システムの場合、絶縁の問題があるので、筐（きょう）体の外側に冷却水が流通する水冷ジャケットを配設し、筐体内に収容された冷却対象機器を間接的に冷却せざるを得ないため、冷却効率を高めることが困難である。また、油冷システムの場合、冷却対象機器内に油を直接流通させて直接冷却を行うことができるが、油の粘性が高いので、電気モータの備える回転部に流通させるとロスが発生する。また、電解液の不燃化、バッテリ全体の固体化等は、現時点での実用化は技術的に困難である。
【０００５】
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、パッケージ化した冷却対象機器の内部に不活性な二酸化炭素を流通させて前記冷却対象機器を直接冷却するようにして、冷却効率が高く、動作部分におけるロスが少なく、絶縁の問題がなく、安全性の高い冷却システム及び冷却方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、電気モータを駆動源として備える車両の電気系の機器であって、前記冷却ユニット内に配設され、前記冷媒は、超臨界状態の二酸化炭素であって、前記冷却対象機器の内部を流通して該冷却対象機器を冷却する。
【０００７】
本発明の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、該電気モータを制御するインバータ、及び、バッテリを含み、前記電気モータ、インバータ及びバッテリは、パッケージ内に密封され、前記冷媒は、前記パッケージ内を流通する。
【０００８】
本発明の更に他の冷却システムにおいては、さらに、前記電気モータ、インバータ及びバッテリは、前記冷却ユニット内において冷媒の流れの上流からバッテリ、インバータ及び電気モータの順に並べられる。
【０００９】
本発明の更に他の冷却システムにおいては、さらに、前記冷媒は、圧縮、放熱、膨張及び冷却のすべての工程において超臨界状態に維持される。
【００１０】
本発明の冷却方法においては、冷媒を圧縮する圧縮工程と、圧縮された冷媒の放熱を行う放熱工程と、放熱した冷媒を膨張させる膨張工程と、膨張した冷媒によって冷却対象機器を冷却する冷却工程とを有する冷却方法であって、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、超臨界状態の二酸化炭素であって、前記冷却対象機器の内部を流通して該冷却対象機器を冷却する。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１及び５の構成によれば、冷却対象機器を内部から直接冷却することができ、高い効率で冷却することができる。
【００１２】
請求項２の構成によれば、電気モータの駆動ロスが発生することがなく、インバータ、バッテリや電気モータの不必要な発熱が確実に防止される。
【００１３】
請求項３の構成によれば、最大許容温度が低い順に上流から並べられているので、各冷却対象機器の冷却効率が向上する。
【００１４】
請求項４の構成によれば、冷却システムの効率が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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ＴA 及び圧力ＰA から、圧縮機１１の下流側のＢ点における温度ＴB 及び圧力ＰB に変化する。
【００２２】
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ＴB 及び圧力ＰB から、熱交換器１２の下流側のＣ点における温度ＴC 及び圧力ＰC に変化する。
【００２３】
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ことが望ましい。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ＴC 及び圧力ＰC から、膨張弁１３の下流側のＤ点における温度ＴD 及び圧力ＰD に変化する。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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ＴD 及び圧力ＰD から、冷却ユニット１４の下流側のＡ点における温度ＴA 及び圧力ＰA に変化する。
【００２８】
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。
【００２９】
図２は本発明の実施の形態における冷却システムの動作を説明する図、図３は本発明の実施の形態における比較例の動作を説明する図、図４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。
【００３０】
図２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２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。
【００３１】
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ＴA 及び圧力ＰA 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２において、圧力ＰA の値はＰlow 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ＴA ＝７２．５〔℃〕、圧力ＰA ＝８〔ＭＰａ〕であり、また、エンタルピーｈA ＝４８０〔ｋＪ／ｋｇ〕である。
【００３２】
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ＴB 及び圧力ＰB に変化する。なお、図２において、圧力ＰB の値はＰhiである。Ｂ点における温度ＴB 及び圧力ＰB 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ＴB ＝９０．０〔℃〕、圧力ＰB ＝１０〔ＭＰａ〕であり、また、エンタルピーｈB ＝４９０〔ｋＪ／ｋｇ〕である。
【００３３】
また、図２において、ＰhiとＰlow との差が小さいことが分かる。このように、ＰhiとＰlow 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。
【００３４】
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ＴC 及び圧力ＰC に変化する。なお、図２において、圧力ＰC の値はＰhiである。Ｃ点における温度ＴC 及び圧力ＰC 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ＴC ＝４３．０〔℃〕、圧力ＰC ＝１０〔ＭＰａ〕であり、また、エンタルピーｈC ＝３４０〔ｋＪ／ｋｇ〕である。
【００３５】
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ＴD 及び圧力ＰD に変化する。なお、図２において、圧力ＰD の値はＰlow である。Ｄ点における温度ＴD 及び圧力ＰD 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ＴD ＝３５．０〔℃〕、圧力ＰD ＝８〔ＭＰａ〕であり、また、エンタルピーｈD ＝３４０〔ｋＪ／ｋｇ〕である。
【００３６】
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ＴA 及び圧力ＰA 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。
【００３７】
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：ＣＯＰHeat＝（ｈB −ｈC ）／（ｈB −ｈA ）＝１５
低温側：ＣＯＰCool＝（ｈA −ｈD ）／（ｈB −ｈA ）＝１４
となり、非常に高い値であることが分かる。
【００３８】
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３において線１３１で示される。なお、図３は、図２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。
【００３９】
図３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、ＰhiとＰlow 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。
【００４０】
一例として、Ａ点における温度ＴA ＝−５〔℃〕、圧力ＰA ＝３〔ＭＰａ〕、エンタルピーｈA ＝４４０〔ｋＪ／ｋｇ〕であり、Ｂ点における温度ＴB ＝９０〔℃〕、圧力ＰB ＝１０〔ＭＰａ〕、エンタルピーｈB ＝４９０〔ｋＪ／ｋｇ〕であり、Ｃ点における温度ＴC ＝３５〔℃〕、圧力ＰC ＝１０〔ＭＰａ〕、エンタルピーｈC ＝２９０〔ｋＪ／ｋｇ〕であり、Ｄ点における温度ＴD ＝−５〔℃〕、圧力ＰD ＝３〔ＭＰａ〕、エンタルピーｈD ＝２９０〔ｋＪ／ｋｇ〕である。
【００４１】
この場合、冷却システム１１０の効率を示すＣＯＰは、
高温側：ＣＯＰHeat＝（ｈB −ｈC ）／（ｈB −ｈA ）＝４
低温側：ＣＯＰCool＝（ｈA −ｈD ）／（ｈB −ｈA ）＝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。
【００４２】
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。
【００４３】
図４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。
【００４４】
なお、図４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ｈm は、次の式（１）によって算出された。
【００４５】
【数１】
【００４６】
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Ｃp 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Ｃp 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。
【００４７】
さらに、図４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。
【００４８】
このように、本実施の形態において、冷却システム１０は、超臨界状態のＣＯ2 を冷媒として使用し、車両駆動モータ２１を含む駆動系を有する環境対策車の車両駆動モータ２１、インバータ２２、バッテリ２３等の電気系の機器を冷却する。そして、車両駆動モータ２１、インバータ２２、バッテリ２３等の冷却対象機器は、すべてパッケージ内に密封された状態で接続されている。また、前記冷却対象機器の内部は、絶縁性を備え、不活性な冷媒であるＣＯ2 で満たされている。
【００４９】
これにより、前記冷却対象機器を内部から直接冷却することができ、高い効率で冷却することができる。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。
【００５０】
また、各冷却対象機器は、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。このように、最大許容温度が低い順に上流から並べられているので、冷却ユニット１４内における各冷却対象機器の冷却効率が向上する。
【００５１】
さらに、冷却システム１０は、冷媒であるＣＯ2 の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システムであり、冷却システム１０におけるすべての箇所で、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を維持するようになっている。そのため、冷却システム１０のＣＯＰの値が高く、高い効率で冷却対象機器を冷却することができる。
【００５２】
また、冷媒であるＣＯ2 は臨界条件が比較的温和であるので、容易に超臨界状態を維持することができる。
【００５３】
さらに、バッテリ２３が絶縁性を備え、不活性な冷媒であるＣＯ2 で満たされているので、バッテリ２３の発熱による電極間のショート等が確実に防止される。
【００５４】
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。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】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２】本発明の実施の形態における冷却システムの動作を説明する図である。
【図３】本発明の実施の形態における比較例の動作を説明する図である。
【図４】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。
【符号の説明】
【００５６】
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
【特許請求の範囲】
【請求項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、電気モータを駆動源として備える車両の電気系の機器であって、前記冷却ユニット内に配設され、
前記冷媒は、超臨界状態の二酸化炭素であって、前記冷却対象機器の内部を流通して該冷却対象機器を冷却することを特徴とする冷却システム。
【請求項２】
前記冷却対象機器は、前記電気モータ、該電気モータを制御するインバータ、及び、バッテリを含み、
前記電気モータ、インバータ及びバッテリは、パッケージ内に密封され、
前記冷媒は、前記パッケージ内を流通する請求項１に記載の冷却システム。
【請求項３】
前記電気モータ、インバータ及びバッテリは、前記冷却ユニット内において冷媒の流れの上流からバッテリ、インバータ及び電気モータの順に並べられる請求項２に記載の冷却システム。
【請求項４】
前記冷媒は、圧縮、放熱、膨張及び冷却のすべての工程において超臨界状態に維持される請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷却システム。
【請求項５】
冷媒を圧縮する圧縮工程と、
圧縮された冷媒の放熱を行う放熱工程と、
放熱した冷媒を膨張させる膨張工程と、
膨張した冷媒によって冷却対象機器を冷却する冷却工程とを有する冷却方法であって、
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、超臨界状態の二酸化炭素であって、前記冷却対象機器の内部を流通して該冷却対象機器を冷却することを特徴とする冷却方法。
【請求項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、電気モータを駆動源として備える車両の電気系の機器であって、前記冷却ユニット内に配設され、
前記冷媒は、超臨界状態の二酸化炭素であって、前記冷却対象機器の内部を流通して該冷却対象機器を冷却することを特徴とする冷却システム。
【請求項２】
前記冷却対象機器は、前記電気モータ、該電気モータを制御するインバータ、及び、バッテリを含み、
前記電気モータ、インバータ及びバッテリは、パッケージ内に密封され、
前記冷媒は、前記パッケージ内を流通する請求項１に記載の冷却システム。
【請求項３】
前記電気モータ、インバータ及びバッテリは、前記冷却ユニット内において冷媒の流れの上流からバッテリ、インバータ及び電気モータの順に並べられる請求項２に記載の冷却システム。
【請求項４】
前記冷媒は、圧縮、放熱、膨張及び冷却のすべての工程において超臨界状態に維持される請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷却システム。
【請求項５】
冷媒を圧縮する圧縮工程と、
圧縮された冷媒の放熱を行う放熱工程と、
放熱した冷媒を膨張させる膨張工程と、
膨張した冷媒によって冷却対象機器を冷却する冷却工程とを有する冷却方法であって、
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、超臨界状態の二酸化炭素であって、前記冷却対象機器の内部を流通して該冷却対象機器を冷却することを特徴とする冷却方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００９−１０７４５３（Ｐ２００９−１０７４５３Ａ）
【公開日】平成２１年５月２１日（２００９．５．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２８１０６０（Ｐ２００７−２８１０６０）
【出願日】平成１９年１０月３０日（２００７．１０．３０）
【出願人】（５９１２６１５０９）株式会社エクォス・リサーチ (1,360)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年５月２１日（２００９．５．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１０月３０日（２００７．１０．３０）
【出願人】（５９１２６１５０９）株式会社エクォス・リサーチ (1,360)
【Ｆターム（参考）】
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