冷却装置
【課題】車両の姿勢に関わらず発熱源を確実に冷却できる冷却装置を提供する。
【解決手段】車両に搭載される発熱源を冷却する冷却装置は、冷媒を循環させるための圧縮機と、冷媒と外気との間で熱交換する第一熱交換器と、冷媒を減圧する減圧器と、冷媒と空調用空気との間で熱交換する第二熱交換器と、第一熱交換器と減圧器との間を流通する冷媒の経路上に設けられ、冷媒を用いて発熱源を冷却する冷却部と、を備える。冷却部の内部には、冷媒８０を毛細管現象により上昇させる毛細管現象発生部が設けられる。
【解決手段】車両に搭載される発熱源を冷却する冷却装置は、冷媒を循環させるための圧縮機と、冷媒と外気との間で熱交換する第一熱交換器と、冷媒を減圧する減圧器と、冷媒と空調用空気との間で熱交換する第二熱交換器と、第一熱交換器と減圧器との間を流通する冷媒の経路上に設けられ、冷媒を用いて発熱源を冷却する冷却部と、を備える。冷却部の内部には、冷媒８０を毛細管現象により上昇させる毛細管現象発生部が設けられる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却装置に関し、特に、車両に搭載される発熱源を蒸気圧縮式冷凍サイクルを利用して冷却する冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題対策の一つとして、モータの駆動力により走行するハイブリッド車、燃料電池車、電気自動車などが注目されている。このような車両において、モータ、ジェネレータ、インバータ、コンバータおよびバッテリなどの電気機器は、電力の授受によって発熱する。そのため、これらの電気機器を冷却する必要がある。そこで、車両用空調装置として使用される蒸気圧縮式冷凍サイクルを利用して、発熱体を冷却する技術が提案されている。
【０００３】
たとえば特開２００６−２９０２５４号公報（特許文献１）には、ガス冷媒を吸入圧縮可能なコンプレッサと、高圧のガス冷媒を凝縮させるための周囲空気で冷却可能なるメインコンデンサと、低温の液冷媒を蒸発させて被冷媒物を冷却可能なるエバポレータと、減圧手段とを含み、モータから吸熱可能な熱交換器及び第２減圧手段を減圧手段とエバポレータとに並列に接続してなる、ハイブリッド車両の冷却システムが開示されている。
【０００４】
特開２００７−６９７３３号公報（特許文献２）には、膨張弁から圧縮機へ至る冷媒通路に、空調用の空気と熱交換する熱交換器と、発熱体と熱交換する熱交換器と、を並列に配置し、空調装置用の冷媒を利用して発熱体を冷却するシステムが開示されている。特開２００１−３０９５０６号公報（特許文献３）には、車両走行モータを駆動制御するインバータ回路部の冷却部材に車両空調用冷凍サイクル装置の冷媒を還流させ、空調空気流の冷却が不要な場合に車両空調用冷凍サイクル装置のエバポレータによる空調空気流の冷却を抑止する、冷却システムが開示されている。
【０００５】
一方、冷媒を流通させる冷却装置の内部構造に関し、特開２００８−２１８７１８号公報（特許文献４）には、筐体の内部の空間を壁面で分割して複数の収容部を形成し、各収容部に冷却液が収容されることにより、冷却液の液面が筐体の下面に対して傾斜しても各収容部内に冷却液を確保する構造が開示されている。特開２０１０−１０７１５３号公報（特許文献５）には、液管から流入する冷媒液を内部に格納し、供給する冷媒供給部と、冷媒液を毛細管力によって移動させるウィックとを備えた蒸発器が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２９０２５４号公報
【特許文献２】特開２００７−６９７３３号公報
【特許文献３】特開２００１−３０９５０６号公報
【特許文献４】特開２００８−２１８７１８号公報
【特許文献５】特開２０１０−１０７１５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
車両に搭載される発熱源の冷却において、発熱源を冷却する冷却部に冷媒液を流通させ、冷媒と発熱源との間で熱交換することで発熱源を冷却する場合がある。車両が坂道を走行中には、車両の姿勢が傾き、それに伴って冷却部の姿勢が傾き、冷却部内の冷媒液の液面が冷却部に対して相対的に傾斜する。冷却部の姿勢によっては、冷却部内に冷媒液を流通させる駆動力が小さくなることが懸念される。この場合、冷却部内の冷媒液の流通方向の全体に冷媒液が行き渡らず、発熱源の冷却が不十分になる問題があった。
【０００８】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、車両の姿勢に関わらず発熱源を確実に冷却できる、冷却装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る冷却装置は、車両に搭載される発熱源を冷却する冷却装置であって、冷媒を循環させるための圧縮機と、冷媒と外気との間で熱交換する第一熱交換器と、冷媒を減圧する減圧器と、冷媒と空調用空気との間で熱交換する第二熱交換器と、第一熱交換器と減圧器との間を流通する冷媒の経路上に設けられ、冷媒を用いて発熱源を冷却する冷却部と、を備える。冷却部の内部には、冷媒を毛細管現象により上昇させる毛細管現象発生部が設けられる。
【００１０】
上記冷却装置において好ましくは、毛細管現象発生部は、冷却部の底部の内面が表面加工されて形成される。
【００１１】
上記冷却装置において好ましくは、毛細管現象発生部は、冷却部を流通する冷媒の流れ方向に沿って延びる。
【００１２】
上記冷却装置において好ましくは、発熱源は、冷却部の底部の外面に熱的に接触する。
上記冷却装置において好ましくは、圧縮機と第一熱交換器との間を冷媒が流通する第一通路と、冷却部と減圧器との間を冷媒が流通する第二通路と、第一通路と第二通路とを連通する連通路と、を備える。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の冷却装置によると、車両に搭載された発熱源を、車両の姿勢に関わらず確実に冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施の形態の冷却装置の構成を示す模式図である。
【図２】蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒の状態を示すモリエル線図である。
【図３】蒸気圧縮式冷凍サイクルの運転中の、ＨＶ機器を冷却する冷媒の流れを示す模式図である。
【図４】蒸気圧縮式冷凍サイクルの停止中の、ＨＶ機器を冷却する冷媒の流れを示す模式図である。
【図５】冷却部の部分断面図である。
【図６】冷却通路の底部の内面の一部を拡大して示す斜視図である。
【図７】平坦路走行中の車両を示す模式図である。
【図８】車両が平坦路走行中の、冷却通路内部の冷媒液の状態を示す断面図である。
【図９】登坂走行中の車両を示す模式図である。
【図１０】車両が登坂走行中の、冷却通路内部の冷媒液の状態を示す断面図である。
【図１１】降坂走行中の車両を示す模式図である。
【図１２】車両が降坂走行中の、冷却通路内部の冷媒液の状態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。
【００１６】
図１は、本実施の形態の冷却装置１の構成を示す模式図である。図１に示すように、冷却装置１は、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０を備える。蒸気圧縮式冷凍サイクル１０は、たとえば、車両の車内の冷房を行なうために、車両に搭載される。蒸気圧縮式冷凍サイクル１０を用いた冷房は、たとえば、冷房を行なうためのスイッチがオンされた場合、または、自動的に車両の室内の温度を設定温度になるように調整する自動制御モードが選択されており、かつ、車室内の温度が設定温度よりも高い場合に行なわれる。
【００１７】
蒸気圧縮式冷凍サイクル１０は、圧縮機１２と、第一熱交換器としての熱交換器１４と、熱交換器１５と、減圧器の一例としての膨張弁１６と、第二熱交換器としての熱交換器１８と、を含む。蒸気圧縮式冷凍サイクル１０はまた、熱交換器１４と熱交換器１５との間の冷媒の経路上に配置された気液分離器４０を含む。
【００１８】
圧縮機１２は、車両に搭載されたモータまたはエンジンを動力源として作動し、冷媒ガスを断熱的に圧縮して過熱状態冷媒ガスとする。圧縮機１２は、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の作動時に熱交換器１８から流通する冷媒を吸入圧縮して、冷媒通路２１に高温高圧の気相冷媒を吐出する。圧縮機１２は、冷媒通路２１に冷媒を吐出することで、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０に冷媒を循環させる。
【００１９】
熱交換器１４，１５は、圧縮機１２において圧縮された過熱状態冷媒ガスを、外部媒体へ等圧的に放熱させて冷媒液とする。圧縮機１２から吐出された高圧の気相冷媒は、熱交換器１４，１５において周囲に放熱し冷却されることによって、凝縮（液化）する。熱交換器１４，１５は、冷媒を流通するチューブと、チューブ内を流通する冷媒と熱交換器１４，１５の周囲の空気との間で熱交換するためのフィンと、を含む。熱交換器１４，１５は、車両の走行によって発生する自然の通風またはエンジン冷却用のラジエータファンなどの冷却ファンからの強制通風によって供給された冷却風と冷媒との間で、熱交換を行なう。熱交換器１４，１５における熱交換によって、冷媒の温度は低下し冷媒は液化する。
【００２０】
膨張弁１６は、冷媒通路２５を流通する高圧の液相冷媒を小さな孔から噴射させることにより膨張させて、低温・低圧の霧状冷媒に変化させる。膨張弁１６は、熱交換器１４，１５によって凝縮された冷媒液を減圧して、気液混合状態の湿り蒸気とする。なお、冷媒液を減圧するための減圧器は、絞り膨張する膨張弁１６に限られず、毛細管であってもよい。
【００２１】
熱交換器１８は、その内部を流通する霧状冷媒が気化することによって、熱交換器１８に接触するように導入された周囲の空気の熱を吸収する。熱交換器１８は、膨張弁１６によって減圧された冷媒を用いて、冷媒の湿り蒸気が蒸発して冷媒ガスとなる際の気化熱を、車両の室内へ流通する空調用空気から吸収して、車両の室内の冷房を行なう。熱が熱交換器１８に吸収されることによって温度が低下した空調用空気が車両の室内に再び戻されることによって、車両の室内の冷房が行なわれる。冷媒は、熱交換器１８において周囲から吸熱し加熱される。
【００２２】
熱交換器１８は、冷媒を流通するチューブと、チューブ内を流通する冷媒と熱交換器１８の周囲の空気との間で熱交換するためのフィンと、を含む。チューブ内には、湿り蒸気状態の冷媒が流通する。冷媒は、チューブ内を流通する際に、フィンを経由して車両の室内の空気の熱を蒸発潜熱として吸収することによって蒸発し、さらに顕熱によって過熱蒸気になる。気化した冷媒は、冷媒通路２７を経由して圧縮機１２へ流通する。圧縮機１２は、熱交換器１８から流通する冷媒を圧縮する。
【００２３】
蒸気圧縮式冷凍サイクル１０はまた、圧縮機１２と熱交換器１４とを連通する第一通路としての冷媒通路２１と、熱交換器１４と熱交換器１５とを連通する冷媒通路２２，２３，２４と、熱交換器１５と膨張弁１６とを連通する冷媒通路２５と、膨張弁１６と熱交換器１８とを連通する冷媒通路２６と、熱交換器１８と圧縮機１２とを連通する冷媒通路２７と、を含む。
【００２４】
冷媒通路２１は、冷媒を圧縮機１２から熱交換器１４に流通させるための通路である。冷媒は、冷媒通路２１を経由して、圧縮機１２と熱交換器１４との間を、圧縮機１２の出口から熱交換器１４の入口へ向かって流通する。冷媒通路２２〜２５は、冷媒を熱交換器１４から膨張弁１６に流通させるための通路である。冷媒は、冷媒通路２２〜２５を経由して、熱交換器１４と膨張弁１６との間を、熱交換器１４の出口から膨張弁１６の入口へ向かって流通する。
【００２５】
冷媒通路２６は、冷媒を膨張弁１６から熱交換器１８に流通させるための通路である。冷媒は、冷媒通路２６を経由して、膨張弁１６と熱交換器１８との間を、膨張弁１６の出口から熱交換器１８の入口へ向かって流通する。冷媒通路２７は、冷媒を熱交換器１８から圧縮機１２に流通させるための通路である。冷媒は、冷媒通路２７を経由して、熱交換器１８と圧縮機１２との間を、熱交換器１８の出口から圧縮機１２の入口へ向かって流通する。
【００２６】
蒸気圧縮式冷凍サイクル１０は、圧縮機１２、熱交換器１４，１５、膨張弁１６および熱交換器１８が、冷媒通路２１〜２７によって連結されて構成される。なお、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の冷媒としては、たとえば二酸化炭素、プロパンやイソブタンなどの炭化水素、アンモニアまたは水などを用いることができる。
【００２７】
気液分離器４０は、熱交換器１４から流出する冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離する。気液分離器４０の内部には、液相冷媒である冷媒液と、気相冷媒である冷媒蒸気と、が蓄蔵されている。気液分離器４０には、冷媒通路２２，２３と、冷媒通路３４とが連結されている。
【００２８】
熱交換器１４の出口側において冷媒は、飽和液と飽和蒸気とが混合した気液二相状態の湿り蒸気の状態にある。熱交換器１４から流出した冷媒は、冷媒通路２２を通って気液分離器４０へ供給される。冷媒通路２２から気液分離器４０へ流入する気液二相状態の冷媒は、気液分離器４０の内部において気相と液相とに分離される。気液分離器４０は、熱交換器１４によって凝縮された冷媒を液体状の冷媒液とガス状の冷媒蒸気とに分離して、一時的に蓄える。
【００２９】
分離された冷媒液は、冷媒通路３４を経由して、気液分離器４０の外部へ流出する。気液分離器４０内の液相中に配置された冷媒通路３４の端部は、液相冷媒の気液分離器４０からの流出口を形成する。分離された冷媒蒸気は、冷媒通路２３を経由して、気液分離器４０の外部へ流出する。気液分離器４０内の気相中に配置された冷媒通路２３の端部は、気相冷媒の気液分離器４０からの流出口を形成する。気液分離器４０から導出された気相の冷媒蒸気は、第三熱交換器としての熱交換器１５において周囲に放熱し冷却されることによって、凝縮する。
【００３０】
気液分離器４０の内部では、冷媒液が下側、冷媒蒸気が上側に溜まる。気液分離器４０から冷媒液を導出する冷媒通路３４の端部は、気液分離器４０の底部に連結されている。冷媒通路３４を経由して、気液分離器４０の底側から冷媒液のみが気液分離器４０の外部へ送り出される。気液分離器４０から冷媒蒸気を導出する冷媒通路２３の端部は、気液分離器４０の天井部に連結されている。冷媒通路２３を経由して、気液分離器４０の天井側から冷媒蒸気のみが気液分離器４０の外部へ送り出される。これにより、気液分離器４０は、気相冷媒と液相冷媒との分離を確実に行なうことができる。
【００３１】
熱交換器１４の出口から膨張弁１６の入口へ向かって流れる冷媒が流通する経路は、熱交換器１４の出口側から気液分離器４０へ至る冷媒通路２２と、気液分離器４０から冷媒蒸気を流出させ後述する流量調整弁２８を経由する冷媒通路２３と、熱交換器１５の入口側へ連結される冷媒通路２４と、熱交換器１５の出口側から冷媒を膨張弁１６へ流通させる冷媒通路２５と、を含む。
【００３２】
熱交換器１４と熱交換器１５との間を流通する冷媒の経路はまた、気液分離器４０と冷却部３０とを連通する冷媒通路３４と、冷却部３０と冷媒通路２４とを連通する第二通路としての冷媒通路３６と、を含む。冷媒通路３４を経由して、気液分離器４０から冷却部３０へ冷媒液が流通する。冷却部３０を通過した冷媒は、冷媒通路３６を経由して、冷媒通路２４へ戻る。冷却部３０は、熱交換器１４から熱交換器１５へ向けて流通する冷媒の経路上に設けられている。
【００３３】
図１に示すＤ点は、冷媒通路２３と冷媒通路２４と冷媒通路３６との連結点を示す。つまりＤ点は、冷媒通路２３の下流側（熱交換器１５に近接する側）の端部、冷媒通路２４の上流側（熱交換器１４に近接する側）の端部、および、冷媒通路３６の下流側の端部を示す。冷媒通路２３は、気液分離器４０から膨張弁１６へ向かう冷媒が流通する経路の、気液分離器４０からＤ点へ至る一部を形成する。
【００３４】
冷却装置１は、冷媒通路２３と並列に配置された冷媒の経路を備え、冷却部３０は、当該冷媒の経路上に設けられている。冷却部３０は、車両に搭載される電気機器であるＨＶ（Hybrid Vehicle）機器３１と、冷媒が流通する配管である冷却通路３２とを含む。ＨＶ機器３１は、発熱源の一例である。冷却通路３２の一方の端部は、冷媒通路３４に接続される。冷却通路３２の他方の端部は、冷媒通路３６に接続される。
【００３５】
気液分離器４０と図１に示すＤ点との間の冷媒通路２３に並列に接続された冷媒の経路は、冷却部３０よりも上流側（気液分離器４０に近接する側）の冷媒通路３４と、冷却部３０に含まれる冷却通路３２と、冷却部３０よりも下流側（熱交換器１５に近接する側）の冷媒通路３６と、を含む。冷媒通路３４は、気液分離器４０から冷却部３０に、液相の冷媒を流通させるための通路である。冷媒通路３６は、冷却部３０からＤ点に冷媒を流通させるための通路である。Ｄ点は、冷媒通路２３，２４と、冷媒通路３６と、の分岐点である。
【００３６】
気液分離器４０から流出した冷媒液は、冷媒通路３４を経由して、冷却部３０へ向かって流通する。冷却部３０へ流通し、冷却通路３２を経由して流れる冷媒は、発熱源としてのＨＶ機器３１から熱を奪って、ＨＶ機器３１を冷却させる。冷却部３０は、気液分離器４０において分離された液相の冷媒を用いて、ＨＶ機器３１を冷却する。冷却部３０において、冷却通路３２内を流通する冷媒と、ＨＶ機器３１と、が熱交換することにより、ＨＶ機器３１は冷却され、冷媒は加熱される。冷媒はさらに冷媒通路３６を経由して冷却部３０からＤ点へ向かって流通し、冷媒通路２４を経由して熱交換器１５へ至る。
【００３７】
冷却部３０は、冷却通路３２においてＨＶ機器３１と冷媒との間で熱交換が可能な構造を有するように設けられる。本実施の形態においては、冷却部３０は、たとえば、ＨＶ機器３１の筐体に冷却通路３２の外周面が直接接触するように形成された冷却通路３２を有する。冷却通路３２は、ＨＶ機器３１の筐体と隣接する部分を有する。当該部分において、冷却通路３２を流通する冷媒と、ＨＶ機器３１との間で、熱交換が可能となる。
【００３８】
ＨＶ機器３１は、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の熱交換器１４から熱交換器１５に至る冷媒の経路の一部を形成する冷却通路３２の外周面に直接接続されて、冷却される。冷却通路３２の外部にＨＶ機器３１が配置されるので、冷却通路３２の内部を流通する冷媒の流れにＨＶ機器３１が干渉することはない。そのため、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の圧力損失は増大しないので、圧縮機１２の動力を増大させることなく、ＨＶ機器３１を冷却することができる。
【００３９】
代替的には、冷却部３０は、ＨＶ機器３１と冷却通路３２との間に介在して配置された任意の公知のヒートパイプを備えてもよい。この場合ＨＶ機器３１は、冷却通路３２の外周面にヒートパイプを介して接続され、ＨＶ機器３１から冷却通路３２へヒートパイプを経由して熱伝達することにより、冷却される。ＨＶ機器３１をヒートパイプの加熱部とし冷却通路３２をヒートパイプの冷却部とすることで、冷却通路３２とＨＶ機器３１との間の熱伝達効率が高められるので、ＨＶ機器３１の冷却効率を向上できる。たとえばウィック式のヒートパイプを使用することができる。
【００４０】
ヒートパイプによってＨＶ機器３１から冷却通路３２へ確実に熱伝達することができるので、ＨＶ機器３１と冷却通路３２との間に距離があってもよく、ＨＶ機器３１に冷却通路３２を接触させるために冷却通路３２を複雑に配置する必要がない。その結果、ＨＶ機器３１の配置の自由度を向上することができる。
【００４１】
ＨＶ機器３１は、電力の授受によって発熱する電気機器を含む。電気機器は、たとえば、直流電力を交流電力に変換するためのインバータ、回転電機であるモータジェネレータ、蓄電装置であるバッテリ、バッテリの電圧を昇圧させるためのコンバータ、バッテリの電圧を降圧するためのＤＣ／ＤＣコンバータなどの、少なくともいずれか一つを含む。バッテリは、リチウムイオン電池あるいはニッケル水素電池等の二次電池である。バッテリに代えてキャパシタが用いられてもよい。
【００４２】
熱交換器１８は、空気が流通するダクト９０の内部に配置されている。熱交換器１８は、冷媒とダクト９０内を流通する空調用空気との間で熱交換して、空調用空気の温度を調節する。ダクト９０は、ダクト９０に空調用空気が流入する入口であるダクト入口９１と、ダクト９０から空調用空気が流出する出口であるダクト出口９２と、を有する。ダクト９０の内部の、ダクト入口９１の近傍には、ファン９３が配置されている。
【００４３】
ファン９３が駆動することにより、ダクト９０内に空気が流通する。ファン９３が稼働すると、ダクト入口９１を経由してダクト９０の内部へ空調用空気が流入する。ダクト９０へ流入する空気は、外気であってもよく、車両の室内の空気であってもよい。図１中の矢印９５は、熱交換器１８を経由して流通し、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の冷媒と熱交換する空調用空気の流れを示す。冷房運転時には、熱交換器１８において空調用空気が冷却され、冷媒は空調用空気からの熱伝達を受けて加熱される。矢印９６は、熱交換器１８で温度調節され、ダクト出口９２を経由してダクト９０から流出する、空調用空気の流れを示す。
【００４４】
冷媒は、圧縮機１２と熱交換器１４，１５と膨張弁１６と熱交換器１８とが冷媒通路２１〜２７によって順次接続された冷媒循環流路を通って、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０内を循環する。蒸気圧縮式冷凍サイクル１０内を、図１に示すＡ点、Ｂ点、Ｃ点、Ｄ点、Ｅ点およびＦ点を順に通過するように冷媒が流れ、圧縮機１２と熱交換器１４，１５と膨張弁１６と熱交換器１８とに冷媒が循環する。
【００４５】
図２は、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の冷媒の状態を示すモリエル線図である。図２中の横軸は、冷媒の比エンタルピー（単位：ｋＪ／ｋｇ）を示し、縦軸は、冷媒の絶対圧力（単位：ＭＰａ）を示す。図中の曲線は、冷媒の飽和蒸気線および飽和液線である。図２中には、熱交換器１４の出口の冷媒通路２２から気液分離器４０を経由して冷媒通路３４へ流入し、ＨＶ機器３１を冷却し、冷媒通路３６からＤ点を経由して熱交換器１５の入口の冷媒通路２４へ戻る、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０中の各点（すなわちＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，ＥおよびＦ点）における冷媒の熱力学状態が示される。
【００４６】
図２に示すように、圧縮機１２に吸入された過熱蒸気状態の冷媒（Ａ点）は、圧縮機１２において等比エントロピー線に沿って断熱圧縮される。圧縮するに従って冷媒の圧力と温度とが上昇し、高温高圧の過熱度の大きい過熱蒸気になって（Ｂ点）、冷媒は熱交換器１４へと流れる。圧縮機１２から吐出された気相冷媒は、熱交換器１４において周囲に放熱し冷却されることによって、凝縮（液化）する。熱交換器１４における熱交換によって、冷媒の温度は低下し冷媒は液化する。熱交換器１４へ入った高圧の冷媒蒸気は、熱交換器１４において等圧のまま過熱蒸気から乾き飽和蒸気になり、凝縮潜熱を放出し徐々に液化して気液混合状態の湿り蒸気になる。気液二相状態である冷媒のうち、凝縮した冷媒は飽和液の状態である（Ｃ点）。
【００４７】
冷媒は気液分離器４０において気相冷媒と液相冷媒とに分離される。気液分離された冷媒のうち、液相の冷媒液が、気液分離器４０から冷媒通路３４を経由して冷却部３０の冷却通路３２へ流れ、ＨＶ機器３１を冷却する。冷却部３０において、熱交換器１４を通過して凝縮された飽和液状態の液冷媒に熱を放出することで、ＨＶ機器３１が冷却される。ＨＶ機器３１との熱交換により、冷媒が加熱され、冷媒の乾き度が増大する。冷媒は、ＨＶ機器３１から潜熱を受け取って一部気化することにより、飽和液と飽和蒸気とが混合した湿り蒸気となる（Ｄ点）。
【００４８】
その後冷媒は、熱交換器１５に流入する。冷媒の湿り蒸気は、熱交換器１５において外気と熱交換して冷却されることにより再度凝縮され、冷媒の全部が凝縮すると飽和液になり、さらに顕熱を放出して過冷却された過冷却液になる（Ｅ点）。その後冷媒は、冷媒通路２５を経由して膨張弁１６に流入する。膨張弁１６において、過冷却液状態の冷媒は絞り膨張され、比エンタルピーは変化せず温度と圧力とが低下して、低温低圧の気液混合状態の湿り蒸気となる（Ｆ点）。
【００４９】
膨張弁１６から出た湿り蒸気状態の冷媒は、冷媒通路２６を経由して熱交換器１８へ流入する。熱交換器１８のチューブ内には、湿り蒸気状態の冷媒が流入する。冷媒は、熱交換器１８のチューブ内を流通する際に、フィンを経由して車両の室内の空気の熱を蒸発潜熱として吸収することによって、等圧のまま蒸発する。全ての冷媒が乾き飽和蒸気になると、さらに顕熱によって冷媒蒸気は温度上昇して、過熱蒸気となる（Ａ点）。その後冷媒は、冷媒通路２７を経由して圧縮機１２に吸入される。圧縮機１２は、熱交換器１８から流通する冷媒を圧縮する。
【００５０】
冷媒はこのようなサイクルに従って、圧縮、凝縮、絞り膨張、蒸発の状態変化を連続的に繰り返す。なお、上述した蒸気圧縮式冷凍サイクルの説明では、理論冷凍サイクルについて説明しているが、実際の蒸気圧縮式冷凍サイクル１０では、圧縮機１２における損失、冷媒の圧力損失および熱損失を考慮する必要があるのは勿論である。
【００５１】
蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の運転中に、冷媒は、蒸発器として作用する熱交換器１８において蒸発する際に気化熱を車両の室内の空気から吸収して、車室内の冷房を行なう。加えて、熱交換器１４から流出し気液分離器４０で気液分離された高圧の液冷媒が冷却部３０へ流通し、ＨＶ機器３１と熱交換することでＨＶ機器３１を冷却する。冷却装置１は、車両に搭載された発熱源であるＨＶ機器３１を、車両の室内の空調用の蒸気圧縮式冷凍サイクル１０を利用して、冷却する。なお、ＨＶ機器３１を冷却するために必要とされる温度は、少なくともＨＶ機器３１の温度範囲として目標となる温度範囲の上限値よりも低い温度であることが望ましい。
【００５２】
熱交換器１８において被冷却部を冷却するために設けられた蒸気圧縮式冷凍サイクル１０を利用して、ＨＶ機器３１の冷却が行なわれるので、ＨＶ機器３１の冷却のために、専用の水循環ポンプまたは冷却ファンなどの機器を設ける必要はない。そのため、ＨＶ機器３１の冷却装置１のために必要な構成を低減でき、装置構成を単純にできるので、冷却装置１の製造コストを低減することができる。加えて、ＨＶ機器３１の冷却のためにポンプや冷却ファンなどの動力源を運転する必要がなく、動力源を運転するための消費動力を必要としない。したがって、ＨＶ機器３１の冷却のための消費動力を低減することができる。
【００５３】
熱交換器１４では、冷媒を湿り蒸気の状態にまで冷却すればよく、気液混合状態の冷媒は気液分離器４０により分離され、飽和液状態の冷媒液のみが冷却部３０へ供給される。ＨＶ機器３１から蒸発潜熱を受け取り一部気化した湿り蒸気の状態の冷媒は、熱交換器１５で再度冷却される。湿り蒸気状態の冷媒を凝縮させ完全に飽和液にするまで、冷媒は一定の温度で状態変化する。熱交換器１５はさらに、車両の室内の冷房のために必要な程度の過冷却度にまで、液相冷媒を過冷却する。冷媒の過冷却度を過度に大きくする必要がないので、熱交換器１４，１５の容量を低減することができる。したがって、車室用の冷房能力を確保でき、かつ、熱交換器１４，１５のサイズを低減することができるので小型化され車載用に有利な、冷却装置１を得ることができる。
【００５４】
熱交換器１４の出口から膨張弁１６の入口へ向かう冷媒の経路の一部を形成する冷媒通路２３は、熱交換器１４と熱交換器１５との間に設けられている。気液分離器４０から膨張弁１６へ向かう冷媒が流通する経路として、冷却部３０を通過しない経路である冷媒通路２３と、冷却部３０を経由してＨＶ機器３１を冷却する冷媒の経路である冷媒通路３４，３６および冷却通路３２と、が並列に設けられる。冷媒通路３４，３６を含むＨＶ機器３１の冷却系は、冷媒通路２３と並列に接続されている。そのため、熱交換器１４から流出した冷媒の一部のみが、冷却部３０へ流れる。ＨＶ機器３１の冷却のために必要な量の冷媒を冷却部３０へ流通させ、ＨＶ機器３１は適切に冷却される。したがって、ＨＶ機器３１が過冷却されることを防止できる。
【００５５】
熱交換器１４から直接熱交換器１５へ流れる冷媒の経路と、熱交換器１４から冷却部３０を経由して熱交換器１５へ流れる冷媒の経路と、を並列に設け、一部の冷媒のみを冷媒通路３４，３６へ流通させることで、ＨＶ機器３１の冷却系に冷媒が流れる際の圧力損失を低減することができる。全ての冷媒が冷却部３０に流れないので、冷却部３０を経由する冷媒の流通に係る圧力損失を低減することができ、それに伴い、冷媒を循環させるための圧縮機１２の運転に必要な消費電力を低減することができる。
【００５６】
膨張弁１６を通過した後の低温低圧の冷媒をＨＶ機器３１の冷却に使用すると、熱交換器１８における車室内の空気の冷却能力が減少して、車室用の冷房能力が低下する。これに対し、本実施の形態の冷却装置１では、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０において、圧縮機１２から吐出された高圧の冷媒は、第一の凝縮器としての熱交換器１４と、第二の凝縮器としての熱交換器１５と、の両方によって凝縮される。圧縮機１２と膨張弁１６との間に二段の熱交換器１４，１５を配置し、ＨＶ機器３１を冷却する冷却部３０は、熱交換器１４と熱交換器１５との間に設けられている。熱交換器１５は、冷却部３０から膨張弁１６に向けて流通する冷媒の経路上に設けられている。
【００５７】
ＨＶ機器３１から蒸発潜熱を受けて加熱された冷媒を熱交換器１５において十分に冷却することにより、膨張弁１６の出口において、冷媒は、車両の室内の冷房のために本来必要とされる温度および圧力を有する。そのため、熱交換器１８において冷媒が蒸発するときに外部から受け取る熱量を十分に大きくすることができる。このように、冷媒を十分に冷却できる熱交換器１５の放熱能力を定めることにより、車室内の空気を冷却する冷房の能力に影響を与えることなく、ＨＶ機器３１を冷却することができる。したがって、ＨＶ機器３１の冷却能力と、車室用の冷房能力との両方を、確実に確保することができる。
【００５８】
熱交換器１４から冷却部３０へ流れる冷媒は、ＨＶ機器３１を冷却するときに、ＨＶ機器３１から熱を受け取り加熱される。冷却部３０において冷媒が飽和蒸気温度以上に加熱され冷媒の全量が気化すると、冷媒とＨＶ機器３１との熱交換量が減少してＨＶ機器３１を効率よく冷却できなくなり、また冷媒が配管内を流れる際の圧力損失が増大する。そのため、ＨＶ機器３１を冷却した後に冷媒の全量が気化しない程度に、熱交換器１４において十分に冷媒を冷却するのが望ましい。
【００５９】
具体的には、熱交換器１４の出口における冷媒の状態を飽和液に近づけ、典型的には熱交換器１４の出口において冷媒が飽和液線上にある状態にする。このように冷媒を十分に冷却できる能力を熱交換器１４が有する結果、熱交換器１４の冷媒から熱を放出させる放熱能力は、熱交換器１５の放熱能力よりも高くなる。放熱能力が相対的に大きい熱交換器１４において冷媒を十分に冷却することにより、ＨＶ機器３１から熱を受け取った冷媒を湿り蒸気の状態に留めることができ、冷媒とＨＶ機器３１との熱交換量の減少を回避できるので、ＨＶ機器３１を十分に効率よく冷却することができる。ＨＶ機器３１を冷却した後の湿り蒸気の状態の冷媒は、熱交換器１５において効率よく再度冷却され、飽和温度を下回る過冷却液の状態にまで冷却される。したがって、車室用の冷房能力とＨＶ機器３１の冷却能力との両方を確保した、冷却装置１を提供することができる。
【００６０】
熱交換器１４の出口において気液二相状態にある冷媒は、気液分離器４０内において、気相と液相とに分離される。気液分離器４０で分離された気相冷媒は、冷媒通路２３，２４を経由して流通し直接熱交換器１５に供給される。気液分離器４０で分離された液相冷媒は、冷媒通路３４を経由して流通し、冷却部３０に供給されてＨＶ機器３１を冷却する。この液相冷媒は、過不足の全くない真に飽和液状態の冷媒である。気液分離器４０から液相の冷媒のみを取り出し冷却部３０へ流すことにより、熱交換器１４の能力を最大限に活用してＨＶ機器３１を冷却することができるので、ＨＶ機器３１の冷却能力を向上させた冷却装置１を提供することができる。
【００６１】
気液分離器４０の出口で飽和液の状態にある冷媒をＨＶ機器３１を冷却する冷却通路３２に導入することにより、冷媒通路３４，３６および冷却通路３２を含むＨＶ機器３１の冷却系を流れる冷媒のうち、気相状態の冷媒を最小限に抑えることができる。そのため、ＨＶ機器３１の冷却系を流れる冷媒蒸気の流速が早くなり圧力損失が増大することを抑制でき、冷媒を流通させるための圧縮機１２の消費電力を低減できるので、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の性能の悪化を回避することができる。
【００６２】
気液分離器４０の内部には、飽和液状態の冷媒液が貯留されている。気液分離器４０は、その内部に液状の冷媒である冷媒液を一時的に貯留する蓄液器として機能する。気液分離器４０内に所定量の冷媒液が溜められることにより、負荷変動時にも気液分離器４０から冷却部３０へ流れる冷媒の流量を維持できる。気液分離器４０が液だめ機能を有し、負荷変動に対するバッファとなり負荷変動を吸収できるので、ＨＶ機器３１の冷却性能を安定させることができる。
【００６３】
図１に戻って、冷却装置１は、流量調整弁２８を備える。流量調整弁２８は、熱交換器１４から膨張弁１６へ向かう冷媒の経路において、並列に接続された経路のうちの一方を形成する、冷媒通路２３に配置されている。流量調整弁２８は、その弁開度を変動させ、冷媒通路２３を流れる冷媒の圧力損失を増減させることにより、冷媒通路２３を流れる冷媒の流量と、冷却通路３２を含むＨＶ機器３１の冷却系を流れる冷媒の流量と、を任意に調節する。
【００６４】
たとえば、流量調整弁２８を全閉にして弁開度を０％にすると、熱交換器１４を出た冷媒の全量が気液分離器４０から冷媒通路３４へ流入する。流量調整弁２８の弁開度を大きくすれば、熱交換器１４から冷媒通路２２へ流れる冷媒のうち、冷媒通路２３を経由して熱交換器１５へ直接流れる流量が大きくなり、冷媒通路３４を経由して冷却通路３２へ流れＨＶ機器３１を冷却する冷媒の流量が小さくなる。流量調整弁２８の弁開度を小さくすれば、熱交換器１４から冷媒通路２２へ流れる冷媒のうち、冷媒通路２３を経由して熱交換器１５へ直接流れる流量が小さくなり、冷却通路３２を経由して流れＨＶ機器３１を冷却する冷媒の流量が大きくなる。
【００６５】
流量調整弁２８の弁開度を大きくするとＨＶ機器３１を冷却する冷媒の流量が小さくなり、ＨＶ機器３１の冷却能力が低下する。流量調整弁２８の弁開度を小さくするとＨＶ機器３１を冷却する冷媒の流量が大きくなり、ＨＶ機器３１の冷却能力が向上する。流量調整弁２８を使用して、ＨＶ機器３１に流れる冷媒の量を最適に調節できるので、ＨＶ機器３１の過冷却を確実に防止することができ、加えて、ＨＶ機器３１の冷却系の冷媒の流通に係る圧力損失および冷媒を循環させるための圧縮機１２の消費電力を、確実に低減することができる。
【００６６】
冷却装置１はさらに、連通路５１を備える。連通路５１は、圧縮機１２と熱交換器１４との間を冷媒が流通する冷媒通路２１と、冷却部３０に冷媒を流通させる冷媒通路３４，３６のうち冷却部３０に対し下流側の冷媒通路３６と、を連通する。冷媒通路３６および連通路５１には、連通路５１と冷媒通路２１，３６との連通状態を切り換える切換弁５２が設けられている。切換弁５２は、その開閉を切り換えることにより、連通路５１を経由する冷媒の流通を可能または不可能にする。冷媒通路３６は、連通路５１との分岐よりも上流側の冷媒通路３６ａと、連通路５１との分岐よりも下流側の冷媒通路３６ｂと、に二分割される。
【００６７】
切換弁５２を使用して冷媒の経路を切り換えることにより、ＨＶ機器３１を冷却した後の冷媒を、冷媒通路３６ｂ，２４を経由させて熱交換器１５へ、または、連通路５１および冷媒通路２１を経由して熱交換器１４へ、のいずれかの経路を任意に選択して、流通させることができる。
【００６８】
より具体的には、切換弁５２として二つの弁５７，５８が設けられている。蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の冷房運転中には、弁５７を全開（弁開度１００％）とし弁５８を全閉（弁開度０％）とし、流量調整弁２８の弁開度を冷却部３０に十分な冷媒が流れるように調整する。これにより、ＨＶ機器３１を冷却した後の冷媒通路３６ａを流通する冷媒を、冷媒通路３６ｂを経由させて、確実に熱交換器１５へ流通させることができる。一方、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の停止中には、弁５８を全開とし弁５７を全閉とし、さらに流量調整弁２８を全閉とする。これにより、ＨＶ機器３１を冷却した後の冷媒通路３６ａを流通する冷媒を、連通路５１を経由させて熱交換器１４へ流通させ、冷却部３０と熱交換器１４との間に冷媒を循環させる環状の経路を形成することができる。
【００６９】
図３は、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の運転中の、ＨＶ機器３１を冷却する冷媒の流れを示す模式図である。図４は、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の停止中の、ＨＶ機器３１を冷却する冷媒の流れを示す模式図である。図３には、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０を運転させる場合、すなわち圧縮機１２を運転させて蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の全体に冷媒を流通させる場合の、冷媒の流れが示される。一方図４には、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０を停止させる場合、すなわち、圧縮機１２を停止させ、冷却部３０と熱交換器１４とを結ぶ環状の経路を経由させて冷媒を循環させる場合の、冷媒の流れが示される。
【００７０】
図３に示すように、圧縮機１２を駆動させ蒸気圧縮式冷凍サイクル１０が運転している「エアコン運転モード」のときには、流量調整弁２８は、冷却部３０に十分な冷媒が流れるように、弁開度を調整される。切換弁５２は、冷媒を冷却部３０から熱交換器１５を経由して膨張弁１６へ流通させるように操作される。すなわち、弁５７を全開にし弁５８を全閉にすることで、冷媒が冷却装置１の全体を流れるように冷媒の経路が選択される。そのため、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の冷却能力を確保できるとともに、ＨＶ機器３１を効率よく冷却することができる。
【００７１】
図４に示すように、圧縮機１２を停止させ蒸気圧縮式冷凍サイクル１０が停止している「ヒートパイプ運転モード」のときには、冷媒を冷却部３０から熱交換器１４へ循環させるように切換弁５２を操作する。すなわち、弁５７を全閉にし弁５８を全開にし、さらに流量調整弁２８を全閉にすることで、冷媒は冷媒通路３６ｂへは流れず連通路５１を経由して流通する。これにより、熱交換器１４から、冷媒通路２２と冷媒通路３４とを順に経由して冷却部３０へ至り、さらに冷媒通路３６ａ、連通路５１、冷媒通路２１を順に経由して熱交換器１４へ戻る、閉じられた環状の経路が形成される。
【００７２】
この環状の経路を経由して、圧縮機１２を動作することなく、熱交換器１４と冷却部３０との間に冷媒を循環させることができる。冷媒は、ＨＶ機器３１を冷却するとき、ＨＶ機器３１から蒸発潜熱を受けて蒸発する。ＨＶ機器３１との熱交換により気化された冷媒蒸気は、冷媒通路３６ａ、連通路５１および冷媒通路２１を順に経由して、熱交換器１４へ流れる。熱交換器１４において、車両の走行風またはエンジン冷却用のラジエータファンからの通風により、冷媒蒸気は冷却されて凝縮する。熱交換器１４で液化した冷媒液は、冷媒通路２２，３４を経由して、冷却部３０へ戻る。
【００７３】
このように、冷却部３０と熱交換器１４とを経由する環状の経路によって、ＨＶ機器３１を加熱部とし熱交換器１４を冷却部とする、ヒートパイプが形成される。したがって、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０が停止しているとき、すなわち車両用の冷房が停止しているときにも、圧縮機１２を起動する必要なく、ＨＶ機器３１を確実に冷却することができる。ＨＶ機器３１の冷却のために圧縮機１２を常時運転する必要がないことにより、圧縮機１２の消費動力を低減して車両の燃費を向上することができ、加えて、圧縮機１２を長寿命化できるので圧縮機１２の信頼性を向上することができる。
【００７４】
図３および図４には、地面６０が図示されている。地面６０に対して垂直な鉛直方向において、冷却部３０は、熱交換器１４よりも下方に配置されている。熱交換器１４と冷却部３０との間に冷媒を循環させる環状の経路において、冷却部３０が下方に配置され、熱交換器１４が上方に配置される。熱交換器１４は、冷却部３０よりも高い位置に配置される。
【００７５】
この場合、冷却部３０で加熱され気化した冷媒蒸気は、環状の経路内を上昇して熱交換器１４へ到達し、熱交換器１４において冷却され、凝縮されて液冷媒となり、重力の作用により環状の経路内を下降して冷却部３０へ戻る。つまり、冷却部３０と、熱交換器１４と、これらを連結する冷媒の経路とによって、サーモサイフォン式のヒートパイプが形成される。ヒートパイプを形成することでＨＶ機器３１から熱交換器１４への熱伝達効率を向上することができるので、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０が停止しているときにも、動力を加えることなく、ＨＶ機器３１をより効率よく冷却することができる。
【００７６】
連通路５１と冷媒通路２１，３６との連通状態を切り換える切換弁５２としては、上述した一対の弁５７，５８を使用してもよく、または、冷媒通路３６と連通路５１との分岐に配置された三方弁を使用してもよい。いずれの場合でも、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の運転時および停止時の両方において、ＨＶ機器３１を効率よく冷却することができる。弁５７，５８は、冷媒通路の開閉ができる単純な構造であればよいので安価であり、二つの弁５７，５８を使用することにより、より低コストな冷却装置１を提供することができる。一方、二つの弁５７，５８を配置するよりも三方弁の配置に要する空間はより小さくてよいと考えられ、三方弁を使用することにより、より小型化され車両搭載性に優れた冷却装置１を提供することができる。
【００７７】
冷却装置１はさらに、逆止弁５４を備える。逆止弁５４は、圧縮機１２と熱交換器１４との間の冷媒通路２１の、冷媒通路２１と連通路５１との接続箇所よりも圧縮機１２に近接する側に、配置されている。逆止弁５４は、圧縮機１２から熱交換器１４へ向かう冷媒の流れを許容するとともに、その逆向きの冷媒の流れを禁止する。このようにすれば、図４に示すヒートパイプ運転モードのとき、熱交換器１４と冷却部３０との間に冷媒を循環させる閉ループ状の冷媒の経路を、確実に形成することができる。
【００７８】
逆止弁５４がない場合、冷媒が連通路５１から圧縮機１２側の冷媒通路２１へ流れる虞がある。逆止弁５４を備えることによって、連通路５１から圧縮機１２側へ向かう冷媒の流れを確実に禁止できるので、環状の冷媒経路で形成するヒートパイプを使用した、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の停止時のＨＶ機器３１の冷却能力の低下を防止できる。したがって、車両の車室用の冷房が停止しているときにも、ＨＶ機器３１を効率よく冷却することができる。
【００７９】
また、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の停止中に、閉ループ状の冷媒の経路内の冷媒の量が不足する場合には、圧縮機１２を短時間のみ運転することで、逆止弁５４を経由して閉ループ経路に冷媒を供給できる。これにより、閉ループ内の冷媒量を増加させ、ヒートパイプの熱交換処理量を増大させることができる。したがって、ヒートパイプの冷媒量を確保することができるので、冷媒量の不足のためにＨＶ機器３１の冷却が不十分となることを回避することができる。
【００８０】
以下、冷却部３０の構造の詳細について説明する。図５は、冷却部３０の部分断面図である。発熱源であるＨＶ機器３１は、複数のＨＶ機器３１ａ〜３１ｄを有する。ＨＶ機器３１ａ〜３１ｄは、基板７０に搭載されている。ＨＶ機器３１ａ〜３１ｄは、たとえば、インバータおよび／またはコンバータに含まれるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。ＨＶ機器３１（３１ａ〜３１ｄ）は、基板７０を介して、冷却通路３２の底部６５の外面６９に熱的に接触している。上述したように、基板７０が外面６９に直接接触してもよく、または、基板７０と外面６９との間にヒートパイプが介在してもよい。
【００８１】
冷却部３０に含まれる冷却通路３２は、その内部空間を冷媒が流通する容器状に設けられている。冷却通路３２は、冷媒通路３４が連結される側の端部である入口端部６１と、冷媒通路３６が連結される側の端部である出口端部６３と、を有する。図５の左側に示す入口端部６１には、貫通孔６２が形成されている。冷媒通路３４を流通する冷媒は、貫通孔６２を経由して、冷却通路３２の内部へ流入する。図５の右側に示す出口端部６３には、貫通孔６４が形成されている。冷媒は、貫通孔６４を経由して冷却通路３２から流出し、冷媒通路３６へ流通する。
【００８２】
冷却通路３２はまた、底部６５を有する。底部６５は、冷却通路３２の鉛直方向下側の一部を形成する。冷却通路３２の内部を流通する液体状の冷媒は、底部６５に沿って、入口端部６１から出口端部６３へ向かって流れる。底部６５は、内面６６と外面６９とを有する。冷却通路３２の内部を流通する液体状の冷媒は、底部６５の内面６６に接触する。内面６６は、冷媒液が接触する接触面である。
【００８３】
図６は、冷却通路３２の底部６５の内面６６の一部を拡大して示す斜視図である。図６に示すように、内面６６に表面加工が施されることにより、複数の畝部６７と、複数の溝部６８と、が形成されている。畝部６７と溝部６８とは、冷却通路３２の入口端部６１から出口端部６３へ向かって延びている。つまり、畝部６７と溝部６８とは、冷却通路３２の内部を流通する冷媒の流れ方向に沿って、延びている。
【００８４】
畝部６７および溝部６８を形成するために内面６６に施される表面加工は、任意の公知の加工であってもよい。たとえば、微小な溝を内面６６に形成して内面６６の一部を窪ませることにより畝部６７および溝部６８を形成してもよく、微小なフィンを内面６６に組み付けて内面６６の一部を突起させることにより畝部６７および溝部６８の構造を形成してもよい。また、内面６６の形状は、畝部６７と溝部６８とを有する形状に限られるものではなく、例えば複数の細孔が内面６６に形成されて底部６５をポーラス状に形成してもよく、内面６６にメッシュ状の部材を組み付けてもよい。
【００８５】
内面６６が加工されることにより、液体状の冷媒が毛細管現象によって下方から上方へ移動可能な、毛細管現象発生部が設けられる。図６に示す構成の内面６６の場合、溝部６８が毛細管現象発生部として機能する。つまり、入口端部６１と出口端部６３との一方が上側に他方が下側に配置されるように冷却通路３２が傾斜しているとき、冷媒液は、溝部６８の内部を通って、入口端部６１と出口端部６３とのうち下側に配置された側から上側に配置された側へ、上昇することができる。
【００８６】
図７は、平坦路走行中の車両１００を示す模式図である。図８は、車両１００が平坦路走行中の、冷却通路３２内部の冷媒液８０の状態を示す断面図である。図７に示すように平坦な地面６０上を車両１００が走行しているとき、冷却部３０は地面６０と平行に保たれるので、図８に示すように、冷却通路３２の底部６５が略水平に配置され、冷媒液８０の液面も略水平になる。図１および図２を参照して説明したように、入口端部６１から冷却通路３２の内部に液体状の冷媒が流入し、冷却通路３２内部に冷媒液８０が貯留される。冷却通路３２の底部６５の全体に冷媒液８０が接触することにより、複数のＨＶ機器３１ａ〜３１ｄが均一に冷却される。冷却通路３２の内部での冷媒とＨＶ機器３１との熱交換により冷媒液８０が蒸発して発生する冷媒蒸気は、出口端部６３の貫通孔６４を経由して冷却通路３２から流出する。
【００８７】
図９は、登坂走行中の車両１００を示す模式図である。図１０は、車両１００が登坂走行中の、冷却通路３２内部の冷媒液８０の状態を示す断面図である。図９に示すように地面６０が水平面に対して傾斜しており、車両１００が傾斜した地面６０を上るように走行しているとき、図１０に示すように冷却通路３２は、入口端部６１が相対的に上側に配置され出口端部６３が相対的に下側に配置されるように、傾斜する。そのため、冷却通路３２の底部６５もまた、入口端部６１側が高い位置にあり出口端部６３側が低い位置にあるように、傾斜して配置される。
【００８８】
この場合、入口端部６１の貫通孔６２を経由して冷却通路３２へ流入する冷媒は、相対的に高い位置にある入口端部６１側から出口端部６３側へ向かって流れ、相対的に低い位置にある出口端部６３において冷媒液８０が液溜まりを形成する。入口端部６１から出口端部６３へ冷媒液８０が流れ続けることにより、冷却通路３２の底部６５の全体に冷媒液８０が接触する状態が維持されている。そのため、複数のＨＶ機器３１ａ〜３１ｄが均一に冷却される。
【００８９】
図１１は、降坂走行中の車両１００を示す模式図である。図１２は、車両１００が降坂走行中の、冷却通路３２内部の冷媒液８０の状態を示す断面図である。図１１に示すように地面６０が水平面に対して傾斜しており、車両１００が傾斜した地面６０を下るように走行しているとき、図１２に示すように冷却通路３２は、入口端部６１が相対的に下側に配置され出口端部６３が相対的に上側に配置されるように、傾斜する。そのため、冷却通路３２の底部６５もまた、入口端部６１側が低い位置にあり出口端部６３側が高い位置にあるように、傾斜して配置される。
【００９０】
この場合、冷却通路３２へ流入する冷媒は、底部６５の傾斜により、相対的に低い位置にある入口端部６１において液溜まりを形成する。ここで、本実施の形態の冷却通路３２の底部６５の内面６６には、図６を参照して説明した、毛細管現象発生部として機能する複数の溝部６８が形成されている。そのため冷媒液８０は、毛細管現象によって溝部６８の内部を、入口端部６１側から出口端部６３側へ向かって上昇するように流れる。
【００９１】
毛細管現象を利用して、冷却部３０内の冷媒液の流通方向の全体に冷媒液を満遍なく行き渡らせることにより、出口端部６３においても冷媒液８０が底部６５に接触する状態が維持される。毛細管現象を駆動力として溝部６８内を出口端部６３へ向かって流れる冷媒液８０の量は、液面が内面６６の高さにまで至ることのない程度の少量である。しかしながら、この冷媒液８０の流れによって、底部６５の全体において底部６５に冷媒液８０が接触した状態が保たれる。そのため、ＨＶ機器３１の冷却性能は底部６５内の位置によって変動しない。つまり、入口端部６１側のＨＶ機器３１ａと、出口端部６３側のＨＶ機器３１ｄとは、冷媒液８０による同一の冷却性能で冷却される。したがって、複数のＨＶ機器３１ａ〜３１ｄを均一に冷却することができる。
【００９２】
車両１００の走行に伴って冷却通路３２が傾斜することで冷却通路３２の底部６５の一部に冷媒液８０が接触しない状態（ドライアウト）が発生すると、その一部におけるＨＶ機器３１の冷却性能が低下する。その結果、複数のＨＶ機器３１を均一に冷却することができない不具合が発生する。これに対し、本実施の形態の冷却装置１では、冷却通路３２の底部６５の内面６６に毛細管現象発生部を設けることにより、車両１００が傾斜しても、毛細管現象により冷媒液を上昇させ、底部６５の全体が冷媒液８０に接触した状態を保つことができる。そのため、ＨＶ機器３１の冷却が不均一となる不具合の発生を回避することができる。
【００９３】
車両１００への冷却部３０の搭載条件によっては、車両１００が平坦路を走行中においても冷却通路３２が傾斜して配置されるような場合が考えられる。このような場合でも、毛細管現象発生部を設けることにより上記と同様に、毛細管現象により冷媒液を上昇させることができるので、冷却部３０の搭載条件によらず底部６５の全体が冷媒液８０に接触した状態を保つことができ、ＨＶ機器３１の冷却性能を確保することができる。
【００９４】
図３を参照して説明した「エアコン運転モード」のときには、圧縮機１２が駆動しているために、冷却通路３２内へ冷媒を流通させようとする駆動力が大きく、ドライアウトは発生しにくい。これに対し、図４を参照して説明した「ヒートパイプ運転モード」のときには、冷却部３０と熱交換器１４との間で僅かに発生する圧力差と、重力による熱交換器１４から冷却部３０への液冷媒の供給とが、冷却通路３２内へ冷媒を流通させようとする駆動力として作用する。つまり、「ヒートパイプ運転モード」のときには、冷媒に作用する駆動力が相対的に小さく、冷媒の流量が相対的に小さくなるので、ドライアウトが発生し易い状況となる。
【００９５】
そのため、連通路５１を設けて「エアコン運転モード」と「ヒートパイプ運転モード」との切替を可能にした本実施の形態の冷却装置１の場合、冷却通路３２の内部の底部６５の内面６６に毛細管現象発生部を形成するのが特に望ましい。上述した溝部６８などにより毛細管現象発生部を設け液駆動力を発生することで、冷媒の流量が小さい「ヒートパイプ運転モード」においても、底部６５全体に液体状態の冷媒をより確実に供給できる。したがって、ドライアウトの発生をより抑制できるので、ＨＶ機器３１をより均一に冷却することができる。
【００９６】
なお、これまでの実施の形態においては、ＨＶ機器３１を例として車両に搭載された電気機器を冷却する冷却装置１について説明した。電気機器としては、少なくとも作動によって熱を発生させる電気機器であれば、インバータ、モータジェネレータなどの例示された電気機器に限定されるものではなく、任意の電気機器であってもよい。冷却の対象となる電気機器が複数個ある場合においては、複数の電気機器は、冷却の目標となる温度範囲が共通していることが望ましい。冷却の目標となる温度範囲は、電気機器を作動させる温度環境として適切な温度範囲である。
【００９７】
以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
本発明の冷却装置は、モータジェネレータおよびインバータなどの電気機器を搭載するハイブリッド車、燃料電池車、電気自動車などの車両における、車内の冷房を行なうための蒸気圧縮式冷凍サイクルを使用した電気機器の冷却に、特に有利に適用され得る。
【符号の説明】
【００９９】
１ 冷却装置、１０ 蒸気圧縮式冷凍サイクル、１２ 圧縮機、１４，１５，１８ 熱交換器、１６ 膨張弁、１８ 熱交換器、２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，３４，３６，３６ａ，３６ｂ 冷媒通路、３０ 冷却部、３１，３１ａ〜３１ｄ ＨＶ機器、３２ 冷却通路、５１ 連通路、５２ 切換弁、５４ 逆止弁、５７，５８ 弁、６０ 地面、６１ 入口端部、６２，６４ 貫通孔、６３ 出口端部、６５ 底部、６６ 内面、６７ 畝部、６８ 溝部、６９ 外面、７０ 基板、８０ 冷媒液、１００ 車両。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却装置に関し、特に、車両に搭載される発熱源を蒸気圧縮式冷凍サイクルを利用して冷却する冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題対策の一つとして、モータの駆動力により走行するハイブリッド車、燃料電池車、電気自動車などが注目されている。このような車両において、モータ、ジェネレータ、インバータ、コンバータおよびバッテリなどの電気機器は、電力の授受によって発熱する。そのため、これらの電気機器を冷却する必要がある。そこで、車両用空調装置として使用される蒸気圧縮式冷凍サイクルを利用して、発熱体を冷却する技術が提案されている。
【０００３】
たとえば特開２００６−２９０２５４号公報（特許文献１）には、ガス冷媒を吸入圧縮可能なコンプレッサと、高圧のガス冷媒を凝縮させるための周囲空気で冷却可能なるメインコンデンサと、低温の液冷媒を蒸発させて被冷媒物を冷却可能なるエバポレータと、減圧手段とを含み、モータから吸熱可能な熱交換器及び第２減圧手段を減圧手段とエバポレータとに並列に接続してなる、ハイブリッド車両の冷却システムが開示されている。
【０００４】
特開２００７−６９７３３号公報（特許文献２）には、膨張弁から圧縮機へ至る冷媒通路に、空調用の空気と熱交換する熱交換器と、発熱体と熱交換する熱交換器と、を並列に配置し、空調装置用の冷媒を利用して発熱体を冷却するシステムが開示されている。特開２００１−３０９５０６号公報（特許文献３）には、車両走行モータを駆動制御するインバータ回路部の冷却部材に車両空調用冷凍サイクル装置の冷媒を還流させ、空調空気流の冷却が不要な場合に車両空調用冷凍サイクル装置のエバポレータによる空調空気流の冷却を抑止する、冷却システムが開示されている。
【０００５】
一方、冷媒を流通させる冷却装置の内部構造に関し、特開２００８−２１８７１８号公報（特許文献４）には、筐体の内部の空間を壁面で分割して複数の収容部を形成し、各収容部に冷却液が収容されることにより、冷却液の液面が筐体の下面に対して傾斜しても各収容部内に冷却液を確保する構造が開示されている。特開２０１０−１０７１５３号公報（特許文献５）には、液管から流入する冷媒液を内部に格納し、供給する冷媒供給部と、冷媒液を毛細管力によって移動させるウィックとを備えた蒸発器が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２９０２５４号公報
【特許文献２】特開２００７−６９７３３号公報
【特許文献３】特開２００１−３０９５０６号公報
【特許文献４】特開２００８−２１８７１８号公報
【特許文献５】特開２０１０−１０７１５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
車両に搭載される発熱源の冷却において、発熱源を冷却する冷却部に冷媒液を流通させ、冷媒と発熱源との間で熱交換することで発熱源を冷却する場合がある。車両が坂道を走行中には、車両の姿勢が傾き、それに伴って冷却部の姿勢が傾き、冷却部内の冷媒液の液面が冷却部に対して相対的に傾斜する。冷却部の姿勢によっては、冷却部内に冷媒液を流通させる駆動力が小さくなることが懸念される。この場合、冷却部内の冷媒液の流通方向の全体に冷媒液が行き渡らず、発熱源の冷却が不十分になる問題があった。
【０００８】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、車両の姿勢に関わらず発熱源を確実に冷却できる、冷却装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る冷却装置は、車両に搭載される発熱源を冷却する冷却装置であって、冷媒を循環させるための圧縮機と、冷媒と外気との間で熱交換する第一熱交換器と、冷媒を減圧する減圧器と、冷媒と空調用空気との間で熱交換する第二熱交換器と、第一熱交換器と減圧器との間を流通する冷媒の経路上に設けられ、冷媒を用いて発熱源を冷却する冷却部と、を備える。冷却部の内部には、冷媒を毛細管現象により上昇させる毛細管現象発生部が設けられる。
【００１０】
上記冷却装置において好ましくは、毛細管現象発生部は、冷却部の底部の内面が表面加工されて形成される。
【００１１】
上記冷却装置において好ましくは、毛細管現象発生部は、冷却部を流通する冷媒の流れ方向に沿って延びる。
【００１２】
上記冷却装置において好ましくは、発熱源は、冷却部の底部の外面に熱的に接触する。
上記冷却装置において好ましくは、圧縮機と第一熱交換器との間を冷媒が流通する第一通路と、冷却部と減圧器との間を冷媒が流通する第二通路と、第一通路と第二通路とを連通する連通路と、を備える。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の冷却装置によると、車両に搭載された発熱源を、車両の姿勢に関わらず確実に冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施の形態の冷却装置の構成を示す模式図である。
【図２】蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒の状態を示すモリエル線図である。
【図３】蒸気圧縮式冷凍サイクルの運転中の、ＨＶ機器を冷却する冷媒の流れを示す模式図である。
【図４】蒸気圧縮式冷凍サイクルの停止中の、ＨＶ機器を冷却する冷媒の流れを示す模式図である。
【図５】冷却部の部分断面図である。
【図６】冷却通路の底部の内面の一部を拡大して示す斜視図である。
【図７】平坦路走行中の車両を示す模式図である。
【図８】車両が平坦路走行中の、冷却通路内部の冷媒液の状態を示す断面図である。
【図９】登坂走行中の車両を示す模式図である。
【図１０】車両が登坂走行中の、冷却通路内部の冷媒液の状態を示す断面図である。
【図１１】降坂走行中の車両を示す模式図である。
【図１２】車両が降坂走行中の、冷却通路内部の冷媒液の状態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。
【００１６】
図１は、本実施の形態の冷却装置１の構成を示す模式図である。図１に示すように、冷却装置１は、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０を備える。蒸気圧縮式冷凍サイクル１０は、たとえば、車両の車内の冷房を行なうために、車両に搭載される。蒸気圧縮式冷凍サイクル１０を用いた冷房は、たとえば、冷房を行なうためのスイッチがオンされた場合、または、自動的に車両の室内の温度を設定温度になるように調整する自動制御モードが選択されており、かつ、車室内の温度が設定温度よりも高い場合に行なわれる。
【００１７】
蒸気圧縮式冷凍サイクル１０は、圧縮機１２と、第一熱交換器としての熱交換器１４と、熱交換器１５と、減圧器の一例としての膨張弁１６と、第二熱交換器としての熱交換器１８と、を含む。蒸気圧縮式冷凍サイクル１０はまた、熱交換器１４と熱交換器１５との間の冷媒の経路上に配置された気液分離器４０を含む。
【００１８】
圧縮機１２は、車両に搭載されたモータまたはエンジンを動力源として作動し、冷媒ガスを断熱的に圧縮して過熱状態冷媒ガスとする。圧縮機１２は、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の作動時に熱交換器１８から流通する冷媒を吸入圧縮して、冷媒通路２１に高温高圧の気相冷媒を吐出する。圧縮機１２は、冷媒通路２１に冷媒を吐出することで、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０に冷媒を循環させる。
【００１９】
熱交換器１４，１５は、圧縮機１２において圧縮された過熱状態冷媒ガスを、外部媒体へ等圧的に放熱させて冷媒液とする。圧縮機１２から吐出された高圧の気相冷媒は、熱交換器１４，１５において周囲に放熱し冷却されることによって、凝縮（液化）する。熱交換器１４，１５は、冷媒を流通するチューブと、チューブ内を流通する冷媒と熱交換器１４，１５の周囲の空気との間で熱交換するためのフィンと、を含む。熱交換器１４，１５は、車両の走行によって発生する自然の通風またはエンジン冷却用のラジエータファンなどの冷却ファンからの強制通風によって供給された冷却風と冷媒との間で、熱交換を行なう。熱交換器１４，１５における熱交換によって、冷媒の温度は低下し冷媒は液化する。
【００２０】
膨張弁１６は、冷媒通路２５を流通する高圧の液相冷媒を小さな孔から噴射させることにより膨張させて、低温・低圧の霧状冷媒に変化させる。膨張弁１６は、熱交換器１４，１５によって凝縮された冷媒液を減圧して、気液混合状態の湿り蒸気とする。なお、冷媒液を減圧するための減圧器は、絞り膨張する膨張弁１６に限られず、毛細管であってもよい。
【００２１】
熱交換器１８は、その内部を流通する霧状冷媒が気化することによって、熱交換器１８に接触するように導入された周囲の空気の熱を吸収する。熱交換器１８は、膨張弁１６によって減圧された冷媒を用いて、冷媒の湿り蒸気が蒸発して冷媒ガスとなる際の気化熱を、車両の室内へ流通する空調用空気から吸収して、車両の室内の冷房を行なう。熱が熱交換器１８に吸収されることによって温度が低下した空調用空気が車両の室内に再び戻されることによって、車両の室内の冷房が行なわれる。冷媒は、熱交換器１８において周囲から吸熱し加熱される。
【００２２】
熱交換器１８は、冷媒を流通するチューブと、チューブ内を流通する冷媒と熱交換器１８の周囲の空気との間で熱交換するためのフィンと、を含む。チューブ内には、湿り蒸気状態の冷媒が流通する。冷媒は、チューブ内を流通する際に、フィンを経由して車両の室内の空気の熱を蒸発潜熱として吸収することによって蒸発し、さらに顕熱によって過熱蒸気になる。気化した冷媒は、冷媒通路２７を経由して圧縮機１２へ流通する。圧縮機１２は、熱交換器１８から流通する冷媒を圧縮する。
【００２３】
蒸気圧縮式冷凍サイクル１０はまた、圧縮機１２と熱交換器１４とを連通する第一通路としての冷媒通路２１と、熱交換器１４と熱交換器１５とを連通する冷媒通路２２，２３，２４と、熱交換器１５と膨張弁１６とを連通する冷媒通路２５と、膨張弁１６と熱交換器１８とを連通する冷媒通路２６と、熱交換器１８と圧縮機１２とを連通する冷媒通路２７と、を含む。
【００２４】
冷媒通路２１は、冷媒を圧縮機１２から熱交換器１４に流通させるための通路である。冷媒は、冷媒通路２１を経由して、圧縮機１２と熱交換器１４との間を、圧縮機１２の出口から熱交換器１４の入口へ向かって流通する。冷媒通路２２〜２５は、冷媒を熱交換器１４から膨張弁１６に流通させるための通路である。冷媒は、冷媒通路２２〜２５を経由して、熱交換器１４と膨張弁１６との間を、熱交換器１４の出口から膨張弁１６の入口へ向かって流通する。
【００２５】
冷媒通路２６は、冷媒を膨張弁１６から熱交換器１８に流通させるための通路である。冷媒は、冷媒通路２６を経由して、膨張弁１６と熱交換器１８との間を、膨張弁１６の出口から熱交換器１８の入口へ向かって流通する。冷媒通路２７は、冷媒を熱交換器１８から圧縮機１２に流通させるための通路である。冷媒は、冷媒通路２７を経由して、熱交換器１８と圧縮機１２との間を、熱交換器１８の出口から圧縮機１２の入口へ向かって流通する。
【００２６】
蒸気圧縮式冷凍サイクル１０は、圧縮機１２、熱交換器１４，１５、膨張弁１６および熱交換器１８が、冷媒通路２１〜２７によって連結されて構成される。なお、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の冷媒としては、たとえば二酸化炭素、プロパンやイソブタンなどの炭化水素、アンモニアまたは水などを用いることができる。
【００２７】
気液分離器４０は、熱交換器１４から流出する冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離する。気液分離器４０の内部には、液相冷媒である冷媒液と、気相冷媒である冷媒蒸気と、が蓄蔵されている。気液分離器４０には、冷媒通路２２，２３と、冷媒通路３４とが連結されている。
【００２８】
熱交換器１４の出口側において冷媒は、飽和液と飽和蒸気とが混合した気液二相状態の湿り蒸気の状態にある。熱交換器１４から流出した冷媒は、冷媒通路２２を通って気液分離器４０へ供給される。冷媒通路２２から気液分離器４０へ流入する気液二相状態の冷媒は、気液分離器４０の内部において気相と液相とに分離される。気液分離器４０は、熱交換器１４によって凝縮された冷媒を液体状の冷媒液とガス状の冷媒蒸気とに分離して、一時的に蓄える。
【００２９】
分離された冷媒液は、冷媒通路３４を経由して、気液分離器４０の外部へ流出する。気液分離器４０内の液相中に配置された冷媒通路３４の端部は、液相冷媒の気液分離器４０からの流出口を形成する。分離された冷媒蒸気は、冷媒通路２３を経由して、気液分離器４０の外部へ流出する。気液分離器４０内の気相中に配置された冷媒通路２３の端部は、気相冷媒の気液分離器４０からの流出口を形成する。気液分離器４０から導出された気相の冷媒蒸気は、第三熱交換器としての熱交換器１５において周囲に放熱し冷却されることによって、凝縮する。
【００３０】
気液分離器４０の内部では、冷媒液が下側、冷媒蒸気が上側に溜まる。気液分離器４０から冷媒液を導出する冷媒通路３４の端部は、気液分離器４０の底部に連結されている。冷媒通路３４を経由して、気液分離器４０の底側から冷媒液のみが気液分離器４０の外部へ送り出される。気液分離器４０から冷媒蒸気を導出する冷媒通路２３の端部は、気液分離器４０の天井部に連結されている。冷媒通路２３を経由して、気液分離器４０の天井側から冷媒蒸気のみが気液分離器４０の外部へ送り出される。これにより、気液分離器４０は、気相冷媒と液相冷媒との分離を確実に行なうことができる。
【００３１】
熱交換器１４の出口から膨張弁１６の入口へ向かって流れる冷媒が流通する経路は、熱交換器１４の出口側から気液分離器４０へ至る冷媒通路２２と、気液分離器４０から冷媒蒸気を流出させ後述する流量調整弁２８を経由する冷媒通路２３と、熱交換器１５の入口側へ連結される冷媒通路２４と、熱交換器１５の出口側から冷媒を膨張弁１６へ流通させる冷媒通路２５と、を含む。
【００３２】
熱交換器１４と熱交換器１５との間を流通する冷媒の経路はまた、気液分離器４０と冷却部３０とを連通する冷媒通路３４と、冷却部３０と冷媒通路２４とを連通する第二通路としての冷媒通路３６と、を含む。冷媒通路３４を経由して、気液分離器４０から冷却部３０へ冷媒液が流通する。冷却部３０を通過した冷媒は、冷媒通路３６を経由して、冷媒通路２４へ戻る。冷却部３０は、熱交換器１４から熱交換器１５へ向けて流通する冷媒の経路上に設けられている。
【００３３】
図１に示すＤ点は、冷媒通路２３と冷媒通路２４と冷媒通路３６との連結点を示す。つまりＤ点は、冷媒通路２３の下流側（熱交換器１５に近接する側）の端部、冷媒通路２４の上流側（熱交換器１４に近接する側）の端部、および、冷媒通路３６の下流側の端部を示す。冷媒通路２３は、気液分離器４０から膨張弁１６へ向かう冷媒が流通する経路の、気液分離器４０からＤ点へ至る一部を形成する。
【００３４】
冷却装置１は、冷媒通路２３と並列に配置された冷媒の経路を備え、冷却部３０は、当該冷媒の経路上に設けられている。冷却部３０は、車両に搭載される電気機器であるＨＶ（Hybrid Vehicle）機器３１と、冷媒が流通する配管である冷却通路３２とを含む。ＨＶ機器３１は、発熱源の一例である。冷却通路３２の一方の端部は、冷媒通路３４に接続される。冷却通路３２の他方の端部は、冷媒通路３６に接続される。
【００３５】
気液分離器４０と図１に示すＤ点との間の冷媒通路２３に並列に接続された冷媒の経路は、冷却部３０よりも上流側（気液分離器４０に近接する側）の冷媒通路３４と、冷却部３０に含まれる冷却通路３２と、冷却部３０よりも下流側（熱交換器１５に近接する側）の冷媒通路３６と、を含む。冷媒通路３４は、気液分離器４０から冷却部３０に、液相の冷媒を流通させるための通路である。冷媒通路３６は、冷却部３０からＤ点に冷媒を流通させるための通路である。Ｄ点は、冷媒通路２３，２４と、冷媒通路３６と、の分岐点である。
【００３６】
気液分離器４０から流出した冷媒液は、冷媒通路３４を経由して、冷却部３０へ向かって流通する。冷却部３０へ流通し、冷却通路３２を経由して流れる冷媒は、発熱源としてのＨＶ機器３１から熱を奪って、ＨＶ機器３１を冷却させる。冷却部３０は、気液分離器４０において分離された液相の冷媒を用いて、ＨＶ機器３１を冷却する。冷却部３０において、冷却通路３２内を流通する冷媒と、ＨＶ機器３１と、が熱交換することにより、ＨＶ機器３１は冷却され、冷媒は加熱される。冷媒はさらに冷媒通路３６を経由して冷却部３０からＤ点へ向かって流通し、冷媒通路２４を経由して熱交換器１５へ至る。
【００３７】
冷却部３０は、冷却通路３２においてＨＶ機器３１と冷媒との間で熱交換が可能な構造を有するように設けられる。本実施の形態においては、冷却部３０は、たとえば、ＨＶ機器３１の筐体に冷却通路３２の外周面が直接接触するように形成された冷却通路３２を有する。冷却通路３２は、ＨＶ機器３１の筐体と隣接する部分を有する。当該部分において、冷却通路３２を流通する冷媒と、ＨＶ機器３１との間で、熱交換が可能となる。
【００３８】
ＨＶ機器３１は、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の熱交換器１４から熱交換器１５に至る冷媒の経路の一部を形成する冷却通路３２の外周面に直接接続されて、冷却される。冷却通路３２の外部にＨＶ機器３１が配置されるので、冷却通路３２の内部を流通する冷媒の流れにＨＶ機器３１が干渉することはない。そのため、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の圧力損失は増大しないので、圧縮機１２の動力を増大させることなく、ＨＶ機器３１を冷却することができる。
【００３９】
代替的には、冷却部３０は、ＨＶ機器３１と冷却通路３２との間に介在して配置された任意の公知のヒートパイプを備えてもよい。この場合ＨＶ機器３１は、冷却通路３２の外周面にヒートパイプを介して接続され、ＨＶ機器３１から冷却通路３２へヒートパイプを経由して熱伝達することにより、冷却される。ＨＶ機器３１をヒートパイプの加熱部とし冷却通路３２をヒートパイプの冷却部とすることで、冷却通路３２とＨＶ機器３１との間の熱伝達効率が高められるので、ＨＶ機器３１の冷却効率を向上できる。たとえばウィック式のヒートパイプを使用することができる。
【００４０】
ヒートパイプによってＨＶ機器３１から冷却通路３２へ確実に熱伝達することができるので、ＨＶ機器３１と冷却通路３２との間に距離があってもよく、ＨＶ機器３１に冷却通路３２を接触させるために冷却通路３２を複雑に配置する必要がない。その結果、ＨＶ機器３１の配置の自由度を向上することができる。
【００４１】
ＨＶ機器３１は、電力の授受によって発熱する電気機器を含む。電気機器は、たとえば、直流電力を交流電力に変換するためのインバータ、回転電機であるモータジェネレータ、蓄電装置であるバッテリ、バッテリの電圧を昇圧させるためのコンバータ、バッテリの電圧を降圧するためのＤＣ／ＤＣコンバータなどの、少なくともいずれか一つを含む。バッテリは、リチウムイオン電池あるいはニッケル水素電池等の二次電池である。バッテリに代えてキャパシタが用いられてもよい。
【００４２】
熱交換器１８は、空気が流通するダクト９０の内部に配置されている。熱交換器１８は、冷媒とダクト９０内を流通する空調用空気との間で熱交換して、空調用空気の温度を調節する。ダクト９０は、ダクト９０に空調用空気が流入する入口であるダクト入口９１と、ダクト９０から空調用空気が流出する出口であるダクト出口９２と、を有する。ダクト９０の内部の、ダクト入口９１の近傍には、ファン９３が配置されている。
【００４３】
ファン９３が駆動することにより、ダクト９０内に空気が流通する。ファン９３が稼働すると、ダクト入口９１を経由してダクト９０の内部へ空調用空気が流入する。ダクト９０へ流入する空気は、外気であってもよく、車両の室内の空気であってもよい。図１中の矢印９５は、熱交換器１８を経由して流通し、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の冷媒と熱交換する空調用空気の流れを示す。冷房運転時には、熱交換器１８において空調用空気が冷却され、冷媒は空調用空気からの熱伝達を受けて加熱される。矢印９６は、熱交換器１８で温度調節され、ダクト出口９２を経由してダクト９０から流出する、空調用空気の流れを示す。
【００４４】
冷媒は、圧縮機１２と熱交換器１４，１５と膨張弁１６と熱交換器１８とが冷媒通路２１〜２７によって順次接続された冷媒循環流路を通って、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０内を循環する。蒸気圧縮式冷凍サイクル１０内を、図１に示すＡ点、Ｂ点、Ｃ点、Ｄ点、Ｅ点およびＦ点を順に通過するように冷媒が流れ、圧縮機１２と熱交換器１４，１５と膨張弁１６と熱交換器１８とに冷媒が循環する。
【００４５】
図２は、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の冷媒の状態を示すモリエル線図である。図２中の横軸は、冷媒の比エンタルピー（単位：ｋＪ／ｋｇ）を示し、縦軸は、冷媒の絶対圧力（単位：ＭＰａ）を示す。図中の曲線は、冷媒の飽和蒸気線および飽和液線である。図２中には、熱交換器１４の出口の冷媒通路２２から気液分離器４０を経由して冷媒通路３４へ流入し、ＨＶ機器３１を冷却し、冷媒通路３６からＤ点を経由して熱交換器１５の入口の冷媒通路２４へ戻る、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０中の各点（すなわちＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，ＥおよびＦ点）における冷媒の熱力学状態が示される。
【００４６】
図２に示すように、圧縮機１２に吸入された過熱蒸気状態の冷媒（Ａ点）は、圧縮機１２において等比エントロピー線に沿って断熱圧縮される。圧縮するに従って冷媒の圧力と温度とが上昇し、高温高圧の過熱度の大きい過熱蒸気になって（Ｂ点）、冷媒は熱交換器１４へと流れる。圧縮機１２から吐出された気相冷媒は、熱交換器１４において周囲に放熱し冷却されることによって、凝縮（液化）する。熱交換器１４における熱交換によって、冷媒の温度は低下し冷媒は液化する。熱交換器１４へ入った高圧の冷媒蒸気は、熱交換器１４において等圧のまま過熱蒸気から乾き飽和蒸気になり、凝縮潜熱を放出し徐々に液化して気液混合状態の湿り蒸気になる。気液二相状態である冷媒のうち、凝縮した冷媒は飽和液の状態である（Ｃ点）。
【００４７】
冷媒は気液分離器４０において気相冷媒と液相冷媒とに分離される。気液分離された冷媒のうち、液相の冷媒液が、気液分離器４０から冷媒通路３４を経由して冷却部３０の冷却通路３２へ流れ、ＨＶ機器３１を冷却する。冷却部３０において、熱交換器１４を通過して凝縮された飽和液状態の液冷媒に熱を放出することで、ＨＶ機器３１が冷却される。ＨＶ機器３１との熱交換により、冷媒が加熱され、冷媒の乾き度が増大する。冷媒は、ＨＶ機器３１から潜熱を受け取って一部気化することにより、飽和液と飽和蒸気とが混合した湿り蒸気となる（Ｄ点）。
【００４８】
その後冷媒は、熱交換器１５に流入する。冷媒の湿り蒸気は、熱交換器１５において外気と熱交換して冷却されることにより再度凝縮され、冷媒の全部が凝縮すると飽和液になり、さらに顕熱を放出して過冷却された過冷却液になる（Ｅ点）。その後冷媒は、冷媒通路２５を経由して膨張弁１６に流入する。膨張弁１６において、過冷却液状態の冷媒は絞り膨張され、比エンタルピーは変化せず温度と圧力とが低下して、低温低圧の気液混合状態の湿り蒸気となる（Ｆ点）。
【００４９】
膨張弁１６から出た湿り蒸気状態の冷媒は、冷媒通路２６を経由して熱交換器１８へ流入する。熱交換器１８のチューブ内には、湿り蒸気状態の冷媒が流入する。冷媒は、熱交換器１８のチューブ内を流通する際に、フィンを経由して車両の室内の空気の熱を蒸発潜熱として吸収することによって、等圧のまま蒸発する。全ての冷媒が乾き飽和蒸気になると、さらに顕熱によって冷媒蒸気は温度上昇して、過熱蒸気となる（Ａ点）。その後冷媒は、冷媒通路２７を経由して圧縮機１２に吸入される。圧縮機１２は、熱交換器１８から流通する冷媒を圧縮する。
【００５０】
冷媒はこのようなサイクルに従って、圧縮、凝縮、絞り膨張、蒸発の状態変化を連続的に繰り返す。なお、上述した蒸気圧縮式冷凍サイクルの説明では、理論冷凍サイクルについて説明しているが、実際の蒸気圧縮式冷凍サイクル１０では、圧縮機１２における損失、冷媒の圧力損失および熱損失を考慮する必要があるのは勿論である。
【００５１】
蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の運転中に、冷媒は、蒸発器として作用する熱交換器１８において蒸発する際に気化熱を車両の室内の空気から吸収して、車室内の冷房を行なう。加えて、熱交換器１４から流出し気液分離器４０で気液分離された高圧の液冷媒が冷却部３０へ流通し、ＨＶ機器３１と熱交換することでＨＶ機器３１を冷却する。冷却装置１は、車両に搭載された発熱源であるＨＶ機器３１を、車両の室内の空調用の蒸気圧縮式冷凍サイクル１０を利用して、冷却する。なお、ＨＶ機器３１を冷却するために必要とされる温度は、少なくともＨＶ機器３１の温度範囲として目標となる温度範囲の上限値よりも低い温度であることが望ましい。
【００５２】
熱交換器１８において被冷却部を冷却するために設けられた蒸気圧縮式冷凍サイクル１０を利用して、ＨＶ機器３１の冷却が行なわれるので、ＨＶ機器３１の冷却のために、専用の水循環ポンプまたは冷却ファンなどの機器を設ける必要はない。そのため、ＨＶ機器３１の冷却装置１のために必要な構成を低減でき、装置構成を単純にできるので、冷却装置１の製造コストを低減することができる。加えて、ＨＶ機器３１の冷却のためにポンプや冷却ファンなどの動力源を運転する必要がなく、動力源を運転するための消費動力を必要としない。したがって、ＨＶ機器３１の冷却のための消費動力を低減することができる。
【００５３】
熱交換器１４では、冷媒を湿り蒸気の状態にまで冷却すればよく、気液混合状態の冷媒は気液分離器４０により分離され、飽和液状態の冷媒液のみが冷却部３０へ供給される。ＨＶ機器３１から蒸発潜熱を受け取り一部気化した湿り蒸気の状態の冷媒は、熱交換器１５で再度冷却される。湿り蒸気状態の冷媒を凝縮させ完全に飽和液にするまで、冷媒は一定の温度で状態変化する。熱交換器１５はさらに、車両の室内の冷房のために必要な程度の過冷却度にまで、液相冷媒を過冷却する。冷媒の過冷却度を過度に大きくする必要がないので、熱交換器１４，１５の容量を低減することができる。したがって、車室用の冷房能力を確保でき、かつ、熱交換器１４，１５のサイズを低減することができるので小型化され車載用に有利な、冷却装置１を得ることができる。
【００５４】
熱交換器１４の出口から膨張弁１６の入口へ向かう冷媒の経路の一部を形成する冷媒通路２３は、熱交換器１４と熱交換器１５との間に設けられている。気液分離器４０から膨張弁１６へ向かう冷媒が流通する経路として、冷却部３０を通過しない経路である冷媒通路２３と、冷却部３０を経由してＨＶ機器３１を冷却する冷媒の経路である冷媒通路３４，３６および冷却通路３２と、が並列に設けられる。冷媒通路３４，３６を含むＨＶ機器３１の冷却系は、冷媒通路２３と並列に接続されている。そのため、熱交換器１４から流出した冷媒の一部のみが、冷却部３０へ流れる。ＨＶ機器３１の冷却のために必要な量の冷媒を冷却部３０へ流通させ、ＨＶ機器３１は適切に冷却される。したがって、ＨＶ機器３１が過冷却されることを防止できる。
【００５５】
熱交換器１４から直接熱交換器１５へ流れる冷媒の経路と、熱交換器１４から冷却部３０を経由して熱交換器１５へ流れる冷媒の経路と、を並列に設け、一部の冷媒のみを冷媒通路３４，３６へ流通させることで、ＨＶ機器３１の冷却系に冷媒が流れる際の圧力損失を低減することができる。全ての冷媒が冷却部３０に流れないので、冷却部３０を経由する冷媒の流通に係る圧力損失を低減することができ、それに伴い、冷媒を循環させるための圧縮機１２の運転に必要な消費電力を低減することができる。
【００５６】
膨張弁１６を通過した後の低温低圧の冷媒をＨＶ機器３１の冷却に使用すると、熱交換器１８における車室内の空気の冷却能力が減少して、車室用の冷房能力が低下する。これに対し、本実施の形態の冷却装置１では、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０において、圧縮機１２から吐出された高圧の冷媒は、第一の凝縮器としての熱交換器１４と、第二の凝縮器としての熱交換器１５と、の両方によって凝縮される。圧縮機１２と膨張弁１６との間に二段の熱交換器１４，１５を配置し、ＨＶ機器３１を冷却する冷却部３０は、熱交換器１４と熱交換器１５との間に設けられている。熱交換器１５は、冷却部３０から膨張弁１６に向けて流通する冷媒の経路上に設けられている。
【００５７】
ＨＶ機器３１から蒸発潜熱を受けて加熱された冷媒を熱交換器１５において十分に冷却することにより、膨張弁１６の出口において、冷媒は、車両の室内の冷房のために本来必要とされる温度および圧力を有する。そのため、熱交換器１８において冷媒が蒸発するときに外部から受け取る熱量を十分に大きくすることができる。このように、冷媒を十分に冷却できる熱交換器１５の放熱能力を定めることにより、車室内の空気を冷却する冷房の能力に影響を与えることなく、ＨＶ機器３１を冷却することができる。したがって、ＨＶ機器３１の冷却能力と、車室用の冷房能力との両方を、確実に確保することができる。
【００５８】
熱交換器１４から冷却部３０へ流れる冷媒は、ＨＶ機器３１を冷却するときに、ＨＶ機器３１から熱を受け取り加熱される。冷却部３０において冷媒が飽和蒸気温度以上に加熱され冷媒の全量が気化すると、冷媒とＨＶ機器３１との熱交換量が減少してＨＶ機器３１を効率よく冷却できなくなり、また冷媒が配管内を流れる際の圧力損失が増大する。そのため、ＨＶ機器３１を冷却した後に冷媒の全量が気化しない程度に、熱交換器１４において十分に冷媒を冷却するのが望ましい。
【００５９】
具体的には、熱交換器１４の出口における冷媒の状態を飽和液に近づけ、典型的には熱交換器１４の出口において冷媒が飽和液線上にある状態にする。このように冷媒を十分に冷却できる能力を熱交換器１４が有する結果、熱交換器１４の冷媒から熱を放出させる放熱能力は、熱交換器１５の放熱能力よりも高くなる。放熱能力が相対的に大きい熱交換器１４において冷媒を十分に冷却することにより、ＨＶ機器３１から熱を受け取った冷媒を湿り蒸気の状態に留めることができ、冷媒とＨＶ機器３１との熱交換量の減少を回避できるので、ＨＶ機器３１を十分に効率よく冷却することができる。ＨＶ機器３１を冷却した後の湿り蒸気の状態の冷媒は、熱交換器１５において効率よく再度冷却され、飽和温度を下回る過冷却液の状態にまで冷却される。したがって、車室用の冷房能力とＨＶ機器３１の冷却能力との両方を確保した、冷却装置１を提供することができる。
【００６０】
熱交換器１４の出口において気液二相状態にある冷媒は、気液分離器４０内において、気相と液相とに分離される。気液分離器４０で分離された気相冷媒は、冷媒通路２３，２４を経由して流通し直接熱交換器１５に供給される。気液分離器４０で分離された液相冷媒は、冷媒通路３４を経由して流通し、冷却部３０に供給されてＨＶ機器３１を冷却する。この液相冷媒は、過不足の全くない真に飽和液状態の冷媒である。気液分離器４０から液相の冷媒のみを取り出し冷却部３０へ流すことにより、熱交換器１４の能力を最大限に活用してＨＶ機器３１を冷却することができるので、ＨＶ機器３１の冷却能力を向上させた冷却装置１を提供することができる。
【００６１】
気液分離器４０の出口で飽和液の状態にある冷媒をＨＶ機器３１を冷却する冷却通路３２に導入することにより、冷媒通路３４，３６および冷却通路３２を含むＨＶ機器３１の冷却系を流れる冷媒のうち、気相状態の冷媒を最小限に抑えることができる。そのため、ＨＶ機器３１の冷却系を流れる冷媒蒸気の流速が早くなり圧力損失が増大することを抑制でき、冷媒を流通させるための圧縮機１２の消費電力を低減できるので、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の性能の悪化を回避することができる。
【００６２】
気液分離器４０の内部には、飽和液状態の冷媒液が貯留されている。気液分離器４０は、その内部に液状の冷媒である冷媒液を一時的に貯留する蓄液器として機能する。気液分離器４０内に所定量の冷媒液が溜められることにより、負荷変動時にも気液分離器４０から冷却部３０へ流れる冷媒の流量を維持できる。気液分離器４０が液だめ機能を有し、負荷変動に対するバッファとなり負荷変動を吸収できるので、ＨＶ機器３１の冷却性能を安定させることができる。
【００６３】
図１に戻って、冷却装置１は、流量調整弁２８を備える。流量調整弁２８は、熱交換器１４から膨張弁１６へ向かう冷媒の経路において、並列に接続された経路のうちの一方を形成する、冷媒通路２３に配置されている。流量調整弁２８は、その弁開度を変動させ、冷媒通路２３を流れる冷媒の圧力損失を増減させることにより、冷媒通路２３を流れる冷媒の流量と、冷却通路３２を含むＨＶ機器３１の冷却系を流れる冷媒の流量と、を任意に調節する。
【００６４】
たとえば、流量調整弁２８を全閉にして弁開度を０％にすると、熱交換器１４を出た冷媒の全量が気液分離器４０から冷媒通路３４へ流入する。流量調整弁２８の弁開度を大きくすれば、熱交換器１４から冷媒通路２２へ流れる冷媒のうち、冷媒通路２３を経由して熱交換器１５へ直接流れる流量が大きくなり、冷媒通路３４を経由して冷却通路３２へ流れＨＶ機器３１を冷却する冷媒の流量が小さくなる。流量調整弁２８の弁開度を小さくすれば、熱交換器１４から冷媒通路２２へ流れる冷媒のうち、冷媒通路２３を経由して熱交換器１５へ直接流れる流量が小さくなり、冷却通路３２を経由して流れＨＶ機器３１を冷却する冷媒の流量が大きくなる。
【００６５】
流量調整弁２８の弁開度を大きくするとＨＶ機器３１を冷却する冷媒の流量が小さくなり、ＨＶ機器３１の冷却能力が低下する。流量調整弁２８の弁開度を小さくするとＨＶ機器３１を冷却する冷媒の流量が大きくなり、ＨＶ機器３１の冷却能力が向上する。流量調整弁２８を使用して、ＨＶ機器３１に流れる冷媒の量を最適に調節できるので、ＨＶ機器３１の過冷却を確実に防止することができ、加えて、ＨＶ機器３１の冷却系の冷媒の流通に係る圧力損失および冷媒を循環させるための圧縮機１２の消費電力を、確実に低減することができる。
【００６６】
冷却装置１はさらに、連通路５１を備える。連通路５１は、圧縮機１２と熱交換器１４との間を冷媒が流通する冷媒通路２１と、冷却部３０に冷媒を流通させる冷媒通路３４，３６のうち冷却部３０に対し下流側の冷媒通路３６と、を連通する。冷媒通路３６および連通路５１には、連通路５１と冷媒通路２１，３６との連通状態を切り換える切換弁５２が設けられている。切換弁５２は、その開閉を切り換えることにより、連通路５１を経由する冷媒の流通を可能または不可能にする。冷媒通路３６は、連通路５１との分岐よりも上流側の冷媒通路３６ａと、連通路５１との分岐よりも下流側の冷媒通路３６ｂと、に二分割される。
【００６７】
切換弁５２を使用して冷媒の経路を切り換えることにより、ＨＶ機器３１を冷却した後の冷媒を、冷媒通路３６ｂ，２４を経由させて熱交換器１５へ、または、連通路５１および冷媒通路２１を経由して熱交換器１４へ、のいずれかの経路を任意に選択して、流通させることができる。
【００６８】
より具体的には、切換弁５２として二つの弁５７，５８が設けられている。蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の冷房運転中には、弁５７を全開（弁開度１００％）とし弁５８を全閉（弁開度０％）とし、流量調整弁２８の弁開度を冷却部３０に十分な冷媒が流れるように調整する。これにより、ＨＶ機器３１を冷却した後の冷媒通路３６ａを流通する冷媒を、冷媒通路３６ｂを経由させて、確実に熱交換器１５へ流通させることができる。一方、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の停止中には、弁５８を全開とし弁５７を全閉とし、さらに流量調整弁２８を全閉とする。これにより、ＨＶ機器３１を冷却した後の冷媒通路３６ａを流通する冷媒を、連通路５１を経由させて熱交換器１４へ流通させ、冷却部３０と熱交換器１４との間に冷媒を循環させる環状の経路を形成することができる。
【００６９】
図３は、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の運転中の、ＨＶ機器３１を冷却する冷媒の流れを示す模式図である。図４は、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の停止中の、ＨＶ機器３１を冷却する冷媒の流れを示す模式図である。図３には、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０を運転させる場合、すなわち圧縮機１２を運転させて蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の全体に冷媒を流通させる場合の、冷媒の流れが示される。一方図４には、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０を停止させる場合、すなわち、圧縮機１２を停止させ、冷却部３０と熱交換器１４とを結ぶ環状の経路を経由させて冷媒を循環させる場合の、冷媒の流れが示される。
【００７０】
図３に示すように、圧縮機１２を駆動させ蒸気圧縮式冷凍サイクル１０が運転している「エアコン運転モード」のときには、流量調整弁２８は、冷却部３０に十分な冷媒が流れるように、弁開度を調整される。切換弁５２は、冷媒を冷却部３０から熱交換器１５を経由して膨張弁１６へ流通させるように操作される。すなわち、弁５７を全開にし弁５８を全閉にすることで、冷媒が冷却装置１の全体を流れるように冷媒の経路が選択される。そのため、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の冷却能力を確保できるとともに、ＨＶ機器３１を効率よく冷却することができる。
【００７１】
図４に示すように、圧縮機１２を停止させ蒸気圧縮式冷凍サイクル１０が停止している「ヒートパイプ運転モード」のときには、冷媒を冷却部３０から熱交換器１４へ循環させるように切換弁５２を操作する。すなわち、弁５７を全閉にし弁５８を全開にし、さらに流量調整弁２８を全閉にすることで、冷媒は冷媒通路３６ｂへは流れず連通路５１を経由して流通する。これにより、熱交換器１４から、冷媒通路２２と冷媒通路３４とを順に経由して冷却部３０へ至り、さらに冷媒通路３６ａ、連通路５１、冷媒通路２１を順に経由して熱交換器１４へ戻る、閉じられた環状の経路が形成される。
【００７２】
この環状の経路を経由して、圧縮機１２を動作することなく、熱交換器１４と冷却部３０との間に冷媒を循環させることができる。冷媒は、ＨＶ機器３１を冷却するとき、ＨＶ機器３１から蒸発潜熱を受けて蒸発する。ＨＶ機器３１との熱交換により気化された冷媒蒸気は、冷媒通路３６ａ、連通路５１および冷媒通路２１を順に経由して、熱交換器１４へ流れる。熱交換器１４において、車両の走行風またはエンジン冷却用のラジエータファンからの通風により、冷媒蒸気は冷却されて凝縮する。熱交換器１４で液化した冷媒液は、冷媒通路２２，３４を経由して、冷却部３０へ戻る。
【００７３】
このように、冷却部３０と熱交換器１４とを経由する環状の経路によって、ＨＶ機器３１を加熱部とし熱交換器１４を冷却部とする、ヒートパイプが形成される。したがって、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０が停止しているとき、すなわち車両用の冷房が停止しているときにも、圧縮機１２を起動する必要なく、ＨＶ機器３１を確実に冷却することができる。ＨＶ機器３１の冷却のために圧縮機１２を常時運転する必要がないことにより、圧縮機１２の消費動力を低減して車両の燃費を向上することができ、加えて、圧縮機１２を長寿命化できるので圧縮機１２の信頼性を向上することができる。
【００７４】
図３および図４には、地面６０が図示されている。地面６０に対して垂直な鉛直方向において、冷却部３０は、熱交換器１４よりも下方に配置されている。熱交換器１４と冷却部３０との間に冷媒を循環させる環状の経路において、冷却部３０が下方に配置され、熱交換器１４が上方に配置される。熱交換器１４は、冷却部３０よりも高い位置に配置される。
【００７５】
この場合、冷却部３０で加熱され気化した冷媒蒸気は、環状の経路内を上昇して熱交換器１４へ到達し、熱交換器１４において冷却され、凝縮されて液冷媒となり、重力の作用により環状の経路内を下降して冷却部３０へ戻る。つまり、冷却部３０と、熱交換器１４と、これらを連結する冷媒の経路とによって、サーモサイフォン式のヒートパイプが形成される。ヒートパイプを形成することでＨＶ機器３１から熱交換器１４への熱伝達効率を向上することができるので、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０が停止しているときにも、動力を加えることなく、ＨＶ機器３１をより効率よく冷却することができる。
【００７６】
連通路５１と冷媒通路２１，３６との連通状態を切り換える切換弁５２としては、上述した一対の弁５７，５８を使用してもよく、または、冷媒通路３６と連通路５１との分岐に配置された三方弁を使用してもよい。いずれの場合でも、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の運転時および停止時の両方において、ＨＶ機器３１を効率よく冷却することができる。弁５７，５８は、冷媒通路の開閉ができる単純な構造であればよいので安価であり、二つの弁５７，５８を使用することにより、より低コストな冷却装置１を提供することができる。一方、二つの弁５７，５８を配置するよりも三方弁の配置に要する空間はより小さくてよいと考えられ、三方弁を使用することにより、より小型化され車両搭載性に優れた冷却装置１を提供することができる。
【００７７】
冷却装置１はさらに、逆止弁５４を備える。逆止弁５４は、圧縮機１２と熱交換器１４との間の冷媒通路２１の、冷媒通路２１と連通路５１との接続箇所よりも圧縮機１２に近接する側に、配置されている。逆止弁５４は、圧縮機１２から熱交換器１４へ向かう冷媒の流れを許容するとともに、その逆向きの冷媒の流れを禁止する。このようにすれば、図４に示すヒートパイプ運転モードのとき、熱交換器１４と冷却部３０との間に冷媒を循環させる閉ループ状の冷媒の経路を、確実に形成することができる。
【００７８】
逆止弁５４がない場合、冷媒が連通路５１から圧縮機１２側の冷媒通路２１へ流れる虞がある。逆止弁５４を備えることによって、連通路５１から圧縮機１２側へ向かう冷媒の流れを確実に禁止できるので、環状の冷媒経路で形成するヒートパイプを使用した、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の停止時のＨＶ機器３１の冷却能力の低下を防止できる。したがって、車両の車室用の冷房が停止しているときにも、ＨＶ機器３１を効率よく冷却することができる。
【００７９】
また、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の停止中に、閉ループ状の冷媒の経路内の冷媒の量が不足する場合には、圧縮機１２を短時間のみ運転することで、逆止弁５４を経由して閉ループ経路に冷媒を供給できる。これにより、閉ループ内の冷媒量を増加させ、ヒートパイプの熱交換処理量を増大させることができる。したがって、ヒートパイプの冷媒量を確保することができるので、冷媒量の不足のためにＨＶ機器３１の冷却が不十分となることを回避することができる。
【００８０】
以下、冷却部３０の構造の詳細について説明する。図５は、冷却部３０の部分断面図である。発熱源であるＨＶ機器３１は、複数のＨＶ機器３１ａ〜３１ｄを有する。ＨＶ機器３１ａ〜３１ｄは、基板７０に搭載されている。ＨＶ機器３１ａ〜３１ｄは、たとえば、インバータおよび／またはコンバータに含まれるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。ＨＶ機器３１（３１ａ〜３１ｄ）は、基板７０を介して、冷却通路３２の底部６５の外面６９に熱的に接触している。上述したように、基板７０が外面６９に直接接触してもよく、または、基板７０と外面６９との間にヒートパイプが介在してもよい。
【００８１】
冷却部３０に含まれる冷却通路３２は、その内部空間を冷媒が流通する容器状に設けられている。冷却通路３２は、冷媒通路３４が連結される側の端部である入口端部６１と、冷媒通路３６が連結される側の端部である出口端部６３と、を有する。図５の左側に示す入口端部６１には、貫通孔６２が形成されている。冷媒通路３４を流通する冷媒は、貫通孔６２を経由して、冷却通路３２の内部へ流入する。図５の右側に示す出口端部６３には、貫通孔６４が形成されている。冷媒は、貫通孔６４を経由して冷却通路３２から流出し、冷媒通路３６へ流通する。
【００８２】
冷却通路３２はまた、底部６５を有する。底部６５は、冷却通路３２の鉛直方向下側の一部を形成する。冷却通路３２の内部を流通する液体状の冷媒は、底部６５に沿って、入口端部６１から出口端部６３へ向かって流れる。底部６５は、内面６６と外面６９とを有する。冷却通路３２の内部を流通する液体状の冷媒は、底部６５の内面６６に接触する。内面６６は、冷媒液が接触する接触面である。
【００８３】
図６は、冷却通路３２の底部６５の内面６６の一部を拡大して示す斜視図である。図６に示すように、内面６６に表面加工が施されることにより、複数の畝部６７と、複数の溝部６８と、が形成されている。畝部６７と溝部６８とは、冷却通路３２の入口端部６１から出口端部６３へ向かって延びている。つまり、畝部６７と溝部６８とは、冷却通路３２の内部を流通する冷媒の流れ方向に沿って、延びている。
【００８４】
畝部６７および溝部６８を形成するために内面６６に施される表面加工は、任意の公知の加工であってもよい。たとえば、微小な溝を内面６６に形成して内面６６の一部を窪ませることにより畝部６７および溝部６８を形成してもよく、微小なフィンを内面６６に組み付けて内面６６の一部を突起させることにより畝部６７および溝部６８の構造を形成してもよい。また、内面６６の形状は、畝部６７と溝部６８とを有する形状に限られるものではなく、例えば複数の細孔が内面６６に形成されて底部６５をポーラス状に形成してもよく、内面６６にメッシュ状の部材を組み付けてもよい。
【００８５】
内面６６が加工されることにより、液体状の冷媒が毛細管現象によって下方から上方へ移動可能な、毛細管現象発生部が設けられる。図６に示す構成の内面６６の場合、溝部６８が毛細管現象発生部として機能する。つまり、入口端部６１と出口端部６３との一方が上側に他方が下側に配置されるように冷却通路３２が傾斜しているとき、冷媒液は、溝部６８の内部を通って、入口端部６１と出口端部６３とのうち下側に配置された側から上側に配置された側へ、上昇することができる。
【００８６】
図７は、平坦路走行中の車両１００を示す模式図である。図８は、車両１００が平坦路走行中の、冷却通路３２内部の冷媒液８０の状態を示す断面図である。図７に示すように平坦な地面６０上を車両１００が走行しているとき、冷却部３０は地面６０と平行に保たれるので、図８に示すように、冷却通路３２の底部６５が略水平に配置され、冷媒液８０の液面も略水平になる。図１および図２を参照して説明したように、入口端部６１から冷却通路３２の内部に液体状の冷媒が流入し、冷却通路３２内部に冷媒液８０が貯留される。冷却通路３２の底部６５の全体に冷媒液８０が接触することにより、複数のＨＶ機器３１ａ〜３１ｄが均一に冷却される。冷却通路３２の内部での冷媒とＨＶ機器３１との熱交換により冷媒液８０が蒸発して発生する冷媒蒸気は、出口端部６３の貫通孔６４を経由して冷却通路３２から流出する。
【００８７】
図９は、登坂走行中の車両１００を示す模式図である。図１０は、車両１００が登坂走行中の、冷却通路３２内部の冷媒液８０の状態を示す断面図である。図９に示すように地面６０が水平面に対して傾斜しており、車両１００が傾斜した地面６０を上るように走行しているとき、図１０に示すように冷却通路３２は、入口端部６１が相対的に上側に配置され出口端部６３が相対的に下側に配置されるように、傾斜する。そのため、冷却通路３２の底部６５もまた、入口端部６１側が高い位置にあり出口端部６３側が低い位置にあるように、傾斜して配置される。
【００８８】
この場合、入口端部６１の貫通孔６２を経由して冷却通路３２へ流入する冷媒は、相対的に高い位置にある入口端部６１側から出口端部６３側へ向かって流れ、相対的に低い位置にある出口端部６３において冷媒液８０が液溜まりを形成する。入口端部６１から出口端部６３へ冷媒液８０が流れ続けることにより、冷却通路３２の底部６５の全体に冷媒液８０が接触する状態が維持されている。そのため、複数のＨＶ機器３１ａ〜３１ｄが均一に冷却される。
【００８９】
図１１は、降坂走行中の車両１００を示す模式図である。図１２は、車両１００が降坂走行中の、冷却通路３２内部の冷媒液８０の状態を示す断面図である。図１１に示すように地面６０が水平面に対して傾斜しており、車両１００が傾斜した地面６０を下るように走行しているとき、図１２に示すように冷却通路３２は、入口端部６１が相対的に下側に配置され出口端部６３が相対的に上側に配置されるように、傾斜する。そのため、冷却通路３２の底部６５もまた、入口端部６１側が低い位置にあり出口端部６３側が高い位置にあるように、傾斜して配置される。
【００９０】
この場合、冷却通路３２へ流入する冷媒は、底部６５の傾斜により、相対的に低い位置にある入口端部６１において液溜まりを形成する。ここで、本実施の形態の冷却通路３２の底部６５の内面６６には、図６を参照して説明した、毛細管現象発生部として機能する複数の溝部６８が形成されている。そのため冷媒液８０は、毛細管現象によって溝部６８の内部を、入口端部６１側から出口端部６３側へ向かって上昇するように流れる。
【００９１】
毛細管現象を利用して、冷却部３０内の冷媒液の流通方向の全体に冷媒液を満遍なく行き渡らせることにより、出口端部６３においても冷媒液８０が底部６５に接触する状態が維持される。毛細管現象を駆動力として溝部６８内を出口端部６３へ向かって流れる冷媒液８０の量は、液面が内面６６の高さにまで至ることのない程度の少量である。しかしながら、この冷媒液８０の流れによって、底部６５の全体において底部６５に冷媒液８０が接触した状態が保たれる。そのため、ＨＶ機器３１の冷却性能は底部６５内の位置によって変動しない。つまり、入口端部６１側のＨＶ機器３１ａと、出口端部６３側のＨＶ機器３１ｄとは、冷媒液８０による同一の冷却性能で冷却される。したがって、複数のＨＶ機器３１ａ〜３１ｄを均一に冷却することができる。
【００９２】
車両１００の走行に伴って冷却通路３２が傾斜することで冷却通路３２の底部６５の一部に冷媒液８０が接触しない状態（ドライアウト）が発生すると、その一部におけるＨＶ機器３１の冷却性能が低下する。その結果、複数のＨＶ機器３１を均一に冷却することができない不具合が発生する。これに対し、本実施の形態の冷却装置１では、冷却通路３２の底部６５の内面６６に毛細管現象発生部を設けることにより、車両１００が傾斜しても、毛細管現象により冷媒液を上昇させ、底部６５の全体が冷媒液８０に接触した状態を保つことができる。そのため、ＨＶ機器３１の冷却が不均一となる不具合の発生を回避することができる。
【００９３】
車両１００への冷却部３０の搭載条件によっては、車両１００が平坦路を走行中においても冷却通路３２が傾斜して配置されるような場合が考えられる。このような場合でも、毛細管現象発生部を設けることにより上記と同様に、毛細管現象により冷媒液を上昇させることができるので、冷却部３０の搭載条件によらず底部６５の全体が冷媒液８０に接触した状態を保つことができ、ＨＶ機器３１の冷却性能を確保することができる。
【００９４】
図３を参照して説明した「エアコン運転モード」のときには、圧縮機１２が駆動しているために、冷却通路３２内へ冷媒を流通させようとする駆動力が大きく、ドライアウトは発生しにくい。これに対し、図４を参照して説明した「ヒートパイプ運転モード」のときには、冷却部３０と熱交換器１４との間で僅かに発生する圧力差と、重力による熱交換器１４から冷却部３０への液冷媒の供給とが、冷却通路３２内へ冷媒を流通させようとする駆動力として作用する。つまり、「ヒートパイプ運転モード」のときには、冷媒に作用する駆動力が相対的に小さく、冷媒の流量が相対的に小さくなるので、ドライアウトが発生し易い状況となる。
【００９５】
そのため、連通路５１を設けて「エアコン運転モード」と「ヒートパイプ運転モード」との切替を可能にした本実施の形態の冷却装置１の場合、冷却通路３２の内部の底部６５の内面６６に毛細管現象発生部を形成するのが特に望ましい。上述した溝部６８などにより毛細管現象発生部を設け液駆動力を発生することで、冷媒の流量が小さい「ヒートパイプ運転モード」においても、底部６５全体に液体状態の冷媒をより確実に供給できる。したがって、ドライアウトの発生をより抑制できるので、ＨＶ機器３１をより均一に冷却することができる。
【００９６】
なお、これまでの実施の形態においては、ＨＶ機器３１を例として車両に搭載された電気機器を冷却する冷却装置１について説明した。電気機器としては、少なくとも作動によって熱を発生させる電気機器であれば、インバータ、モータジェネレータなどの例示された電気機器に限定されるものではなく、任意の電気機器であってもよい。冷却の対象となる電気機器が複数個ある場合においては、複数の電気機器は、冷却の目標となる温度範囲が共通していることが望ましい。冷却の目標となる温度範囲は、電気機器を作動させる温度環境として適切な温度範囲である。
【００９７】
以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
本発明の冷却装置は、モータジェネレータおよびインバータなどの電気機器を搭載するハイブリッド車、燃料電池車、電気自動車などの車両における、車内の冷房を行なうための蒸気圧縮式冷凍サイクルを使用した電気機器の冷却に、特に有利に適用され得る。
【符号の説明】
【００９９】
１ 冷却装置、１０ 蒸気圧縮式冷凍サイクル、１２ 圧縮機、１４，１５，１８ 熱交換器、１６ 膨張弁、１８ 熱交換器、２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，３４，３６，３６ａ，３６ｂ 冷媒通路、３０ 冷却部、３１，３１ａ〜３１ｄ ＨＶ機器、３２ 冷却通路、５１ 連通路、５２ 切換弁、５４ 逆止弁、５７，５８ 弁、６０ 地面、６１ 入口端部、６２，６４ 貫通孔、６３ 出口端部、６５ 底部、６６ 内面、６７ 畝部、６８ 溝部、６９ 外面、７０ 基板、８０ 冷媒液、１００ 車両。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両に搭載される発熱源を冷却する冷却装置であって、
冷媒を循環させるための圧縮機と、
前記冷媒と外気との間で熱交換する第一熱交換器と、
前記冷媒を減圧する減圧器と、
前記冷媒と空調用空気との間で熱交換する第二熱交換器と、
前記第一熱交換器と前記減圧器との間を流通する前記冷媒の経路上に設けられ、前記冷媒を用いて前記発熱源を冷却する冷却部と、を備え、
前記冷却部の内部には、前記冷媒を毛細管現象により上昇させる毛細管現象発生部が設けられる、冷却装置。
【請求項２】
前記毛細管現象発生部は、前記冷却部の底部の内面が表面加工されて形成される、請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
前記毛細管現象発生部は、前記冷却部を流通する前記冷媒の流れ方向に沿って延びる、請求項１または請求項２に記載の冷却装置。
【請求項４】
前記発熱源は、前記冷却部の底部の外面に熱的に接触する、請求項１から請求項３のいずれかに記載の冷却装置。
【請求項５】
前記圧縮機と前記第一熱交換器との間を前記冷媒が流通する第一通路と、
前記冷却部と前記減圧器との間を前記冷媒が流通する第二通路と、
前記第一通路と前記第二通路とを連通する連通路と、を備える、請求項１から請求項４のいずれかに記載の冷却装置。
【請求項１】
車両に搭載される発熱源を冷却する冷却装置であって、
冷媒を循環させるための圧縮機と、
前記冷媒と外気との間で熱交換する第一熱交換器と、
前記冷媒を減圧する減圧器と、
前記冷媒と空調用空気との間で熱交換する第二熱交換器と、
前記第一熱交換器と前記減圧器との間を流通する前記冷媒の経路上に設けられ、前記冷媒を用いて前記発熱源を冷却する冷却部と、を備え、
前記冷却部の内部には、前記冷媒を毛細管現象により上昇させる毛細管現象発生部が設けられる、冷却装置。
【請求項２】
前記毛細管現象発生部は、前記冷却部の底部の内面が表面加工されて形成される、請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
前記毛細管現象発生部は、前記冷却部を流通する前記冷媒の流れ方向に沿って延びる、請求項１または請求項２に記載の冷却装置。
【請求項４】
前記発熱源は、前記冷却部の底部の外面に熱的に接触する、請求項１から請求項３のいずれかに記載の冷却装置。
【請求項５】
前記圧縮機と前記第一熱交換器との間を前記冷媒が流通する第一通路と、
前記冷却部と前記減圧器との間を前記冷媒が流通する第二通路と、
前記第一通路と前記第二通路とを連通する連通路と、を備える、請求項１から請求項４のいずれかに記載の冷却装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−２３１８６（Ｐ２０１３−２３１８６Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６３２６５（Ｐ２０１１−１６３２６５）
【出願日】平成２３年７月２６日（２０１１．７．２６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２６日（２０１１．７．２６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【Ｆターム（参考）】
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