車両用空調システム
【課題】車両を電動駆動するための機器から周囲環境への放熱が抑制され、機器から吸収した熱の車室内空気への放出を効率的に行うことができる車両用空調システムの提供。
【解決手段】車両用空調システムは、冷媒４０を圧縮する圧縮機１、および冷媒４０と外気との熱交換を行う室外熱交換器２を有して車室内空気の温度調節を行う空調装置と、車両５０を電動駆動するための機器であるモータ５３，インバータ５４と室内熱交換器７Ｂとの間で機器冷却媒体４１Ｂを循環させて、モータ５３，インバータ５４から吸収した熱を室内熱交換器７Ｂにおいて車室内空気へと放出する機器冷却回路９１Ｂと、を備え、さらに、モータ５３，インバータ５４から周囲環境への放熱を抑制する放熱抑制手段としての仕切り板６０を備えている。
【解決手段】車両用空調システムは、冷媒４０を圧縮する圧縮機１、および冷媒４０と外気との熱交換を行う室外熱交換器２を有して車室内空気の温度調節を行う空調装置と、車両５０を電動駆動するための機器であるモータ５３，インバータ５４と室内熱交換器７Ｂとの間で機器冷却媒体４１Ｂを循環させて、モータ５３，インバータ５４から吸収した熱を室内熱交換器７Ｂにおいて車室内空気へと放出する機器冷却回路９１Ｂと、を備え、さらに、モータ５３，インバータ５４から周囲環境への放熱を抑制する放熱抑制手段としての仕切り板６０を備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両用空調システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド自動車において、車両に搭載されるモータやインバータ等の発熱体から発生する熱を空調に利用するシステムが知られている（例えば、特許文献１参照）。例えば、車室内の暖房を行う際に、発熱体で暖められた冷却水を車室内空調用熱交換器に流入させて、サブの暖房用熱交換器として機能させるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４２８５２９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来、モータやインバータ等の発熱体は金属の筐体で覆われていて、外気に対して放熱するような構成となっている。そのため、発熱体の熱が無駄に放熱されてしまって、車室内暖房に効率良く利用されていないという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１の発明は、第１の冷媒を圧縮する圧縮機、および第１の冷媒と外気との熱交換を行う第１の熱交換器を有して車室内空気の温度調節を行う空調装置と、車両を電動駆動するための機器と第２の熱交換器との間で第２の冷媒を循環させて、機器から吸収した熱を第２の熱交換器において車室内空気へと放出する機器冷却装置と、を備えた車両用空調システムであって、機器から周囲環境への放熱を抑制する放熱抑制手段を備えたことを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載の車両用空調システムにおいて、放熱抑制手段は、機器を覆う断熱部材であることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１に記載の車両用空調システムにおいて、放熱抑制手段は、第１の熱交換器と機器との間に設けられ、第１の熱交換器を通過した外気から機器を遮蔽する遮蔽部材であることを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項３に記載の車両用空調システムにおいて、遮蔽部材は第１の熱交換器を収納するダクトであって、ダクトは、第１の熱交換器を通過した外気を機器へ導くための第１の通路と、第１の熱交換器を通過した外気を車両外部へ排出するための第２の通路と、第１の熱交換器を通過した外気を第１および第２の通路のいずれか一方へ切り換えて配風する配風手段とを備えることを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項１に記載の車両用空調システムにおいて、車両を電動駆動するための機器は複数の機器から成り、放熱抑制手段として、発熱量のより大きな機器ほど第２の冷媒の流れに対してより下流とし、かつ、発熱量の最も大きな機器を第２の熱交換器の近傍に設ける配置構成を備えたことを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の車両用空調システムにおいて、第１の冷媒と第２の冷媒との間で熱交換する第３の熱交換器を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、機器から周囲環境への放熱が抑制され、機器から吸収した熱の車室内空気への放出を効率的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明による車両用空調システムの概略構成を示す図である。
【図２】冷房運転時の動作を説明する図である。
【図３】除霜運転時の動作を説明する図である。
【図４】放熱抑制構造の第１の例を示す図である。
【図５】放熱抑制構造の第２の例を示す図である。
【図６】放熱抑制構造の第３の例を示す図である。
【図７】放熱抑制構造の第４の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下では、本発明の車両用空調システムを電気自動車に適用した一実施の形態を説明する。なお、本発明は電気自動車に限定されず、ハイブリッド自動車、あるいは電気鉄道や建設車両などの電動車両に対しても適用することができる。また、この一実施の形態ではインバータにより駆動される交流モータを例に挙げて説明するが、本発明は交流モータに限定されず、例えばサイリスタレオナード装置などのコンバータにより駆動される直流モータ、あるいはチョッパ電源により駆動されるパルスモータなど、あらゆる種類の回転電機（モータ・ジェネレータ）に適用することができる。
【０００９】
図１は本発明による車両用空調システムの概略構成を示す図である。図１に示す車両用空調システムは、冷媒４０が流れる冷凍サイクル回路９０と、室内熱交換器７Ａと冷凍サイクル回路９０を空調用冷却媒体４１Ａで接続する空調用回路９１Ａと、室内熱交換器７Ｂと発熱体９と冷凍サイクル回路９０とを機器冷却媒体４１Ｂで接続する機器冷却回路９１Ｂとを備えている。
【００１０】
冷凍サイクル回路９０には、冷媒４０を圧縮する圧縮機１、冷媒４０と外気との熱交換を行う室外熱交換器２、液配管１２、および空調用回路９１Ａ内の空調用冷却媒体４１Ａと熱交換を行う空調用熱交換器４Ａが環状に接続されている。圧縮機１の吸込配管１１と吐出配管１０との間には、四方弁２０が設けられている。四方弁２０を切り換えることにより、吸込配管１１および吐出配管１０のいずれか一方を室外熱交換器２に接続し、他方を空調用熱交換器４Ａに接続することができる。図１は，暖房運転時を示しており，四方弁２０は，吐出配管１０を空調用熱交換器４Ａに接続し，吸込配管１１を室外熱交換器２に接続している。
【００１１】
冷凍サイクル回路９０の冷媒４０と機器冷却媒体４１Ｂとの間で熱交換を行う冷却用熱交換器４Ｂは、一端が液配管１２に接続されており、他端が三方弁２１を介して圧縮機１の吐出配管１０および吸込配管１１のいずれか一方に切り換え可能に接続されている。液配管１２には、レシーバ２４が設けられている。液配管１２上のレシーバ２４と室外熱交換器２との間、空調用熱交換器４Ａとレシーバ２４との間、および冷却用熱交換器４Ｂとレシーバ２４との間には、流量制御手段として作用する膨張弁２３，２２Ａ，２２Ｂが設けられている。また、室外熱交換器２には外気送風用の室外ファン３が備えられている。
【００１２】
空調用回路９１Ａには、室内ファン８により車室内へ吹き出される空気との熱交換を行う室内熱交換器７Ａ、空調用冷却媒体４１Ａを循環させる循環ポンプ５Ａ、および空調用熱交換器４Ａが、順に環状に接続されている。
【００１３】
機器冷却回路９１Ｂは、室内熱交換器７Ａから流出された空気と熱交換する室内熱交換器７Ｂ、リザーバタンク６、機器冷却媒体４１Ｂを循環させる循環ポンプ５Ｂ、冷却用熱交換器４Ｂ、およびモータ、インバータ、バッテリ等の発熱体９が順に環状に接続されている。また、機器冷却回路９１Ｂには、室内熱交換器７Ｂの両端をバイパスするバイパス回路３０が設けられている。バイパス回路３０には二方弁２５が設けられ、室内熱交換器７Ｂを通る主回路３１には二方弁２６が設けられている。これらの二方弁２５，２６の開閉動作により、機器冷却媒体４１Ｂの流路を任意に構成することが可能となっている。
【００１４】
（暖房運転）
本実施の形態では、暖房運転時に発熱体９の排熱を車室内暖房に利用する。この場合、暖房負荷が小さい時には、冷凍サイクル回路９０を利用せずに発熱体９の排熱により暖房を行い、発熱体９の排熱だけでは暖房負荷に満たない場合には、冷凍サイクル回路９０を併用する。
【００１５】
発熱体９の排熱のみにより暖房を行う場合には、循環ポンプ５Ｂと室内ファン８を起動し、かつ二方弁２６を開いて室内熱交換器７Ｂに機器冷却媒体４１Ｂを導入する。機器冷却媒体４１Ｂは発熱体９によって加熱されているので、室内熱交換器７Ｂにおいて室内吹出し空気へ放熱することによって、機器冷却媒体４１Ｂは冷却され、室内吹出し空気が加熱される。
【００１６】
一方、発熱体９からの排熱だけでは暖房負荷に満たない場合には、冷凍サイクル回路９０を併用する。この場合、四方弁２０が実線で示すように切り換えられ、圧縮機１の吐出配管１０は空調用熱交換器４Ａに接続され、吸込配管１１は室外熱交換器２に接続される。すなわち、空調用熱交換器４１Ａを凝縮器、室外熱交換器２を蒸発器とするサイクルが形成される。
【００１７】
圧縮機１で圧縮された冷媒４０は、空調用熱交換器４Ａで空調用冷却媒体４１Ａへ放熱することによって凝縮液化する。その後、膨張弁２３で減圧された後、室外熱交換器２において室外空気との熱交換によって蒸発・ガス化して圧縮機１へと戻る。なお、膨張弁２２Ａは全開、膨張弁２２Ｂは全閉となっており、冷却用熱交換器４Ｂは利用しない。
【００１８】
循環ポンプ５Ａを起動することにより、空調用熱交換器４Ａで冷媒４０の凝縮熱をもらって昇温された空調用冷却媒体４１Ａは室内熱交換器７Ａへ流入し、室内熱交換器７Ａにおいて室内吹出し空気へ放熱する。室内熱交換器７Ａで加熱された空気は、空気の流れの下流側に配置された室内熱交換器７Ｂにおいて、発熱体９によって加熱された機器冷却媒体４１Ｂから熱をもらい、さらに昇温されてから室内空間へ吹き出される。
【００１９】
このように、室内吹出し空気は、冷凍サイクル回路９０によって加熱された後に、発熱体９の排熱でさらに加熱される構成となっている。そのため、室内熱交換器７Ａからの吹出し空気温度を、室内熱交換器７Ｂからの室内吹出し空気温度に対して低く保つことができる。すなわち、発熱体９からの排熱を暖房に利用することによって、エネルギー消費の少ない空調装置を構成することができる。
【００２０】
（除霜運転）
ところで、室外熱交換器２を蒸発器として用いる運転を継続すると、熱交換器の表面に霜が成長する場合があるので、霜を融かす除霜運転を行う必要がある。除霜運転時には、四方弁２０および三方弁２１を図３の実線で示すように切換える。そして、膨張弁２２Ａを全閉とし、室外熱交換器２を凝縮器、冷却用熱交換器４Ｂを蒸発器とするサイクルを形成する。一方、二方弁２６を閉じて主回路３１への流れを遮断し、バイパス回路３０へ機器冷却媒体４１Ｂを流す。
【００２１】
空調用熱交換器４Ａを蒸発器として利用すると、車室内に吹き出される空気の温度が低下しやすくなる。そこで、発熱体９からの排熱を熱源として利用することで、車室内の温度低下を防止するようにした。また、車室内へ吹き出される空気を熱源とする場合には、熱量が不足して除霜時間が長くなる可能性があるが、発熱体９が接続されて温度が高く保たれている機器冷却媒体４１Ｂを除霜用の熱源として利用できるので、除霜用の熱源を確保することができ、除霜時間を短縮できるメリットが得られる。なお、除霜運転中は室内ファン８の風量を抑制もしくは停止することで、吹出し温度の低下を抑制することができる。
【００２２】
(冷房運転)
図２は、冷房運転時の動作を説明する図である。ここで冷房運転とは、室外熱交換器２を凝縮器、空調用熱交換器４Ａと冷却用熱交換器４Ｂを蒸発器として用いて、空調用回路９１Ａと機器冷却回路９１Ｂを共に冷却可能とした運転モードであり、四方弁２０を実線で示す状態とする。
【００２３】
圧縮機１で圧縮された冷媒４０は、室外熱交換器２で放熱することによって液化した後、レシーバ２４によって空調用熱交換器４Ａへ流れる冷媒と冷却用熱交換器４Ｂへ流れる冷媒とに分岐される。空調用熱交換器４Ａに流れる冷媒は、減圧手段２２Ａで減圧されて低温・低圧となり、空調用熱交換器４Ａにおいて空調用回路９１Ａの空調用冷却媒体４１Ａから吸熱することによって蒸発し、四方弁２０を通って圧縮機１へ戻る。一方、冷却用熱交換器４Ｂへ流れる冷媒は、減圧手段２２Ｂで減圧されて低温・低圧となり、冷却用熱交換器４Ｂにおいて機器冷却回路９１Ｂの機器冷却媒体４１Ｂから吸熱することによって蒸発し、三方弁２１を通って圧縮機１へと戻る。
【００２４】
空調用回路９１Ａに設けられた循環ポンプ５Ａを駆動すると、空調用熱交換器４Ａで冷却された空調用冷却媒体４１Ａが室内熱交換器７Ａに供給される。そして、室内ファン８を駆動すると、室内熱交換器７Ａで熱交換して冷却された空気が車室内へ吹き出される。また、機器冷却回路９１Ｂに設けられた循環ポンプ５Ｂを駆動すると、発熱体９によって加熱された機器冷却媒体４１Ｂが、冷却用熱交換器４Ｂにおける熱交換によって冷却される。なお、冷房運転時には主回路３１の二方弁２６は閉じられ、温度の高い機器冷却媒体４１Ｂはバイパス回路３０を流れる。
【００２５】
このように、空調用熱交換器４Ａおよび冷却用熱交換器４Ｂの両方を蒸発器として利用できるので、車室内の冷房と発熱体９の冷却とを同時に実現することができる。さらに、空調用熱交換器４Ａと冷却用熱交換器４Ｂとを圧縮機１の吸込配管１１に対して並列に接続し、それぞれの冷媒回路に膨張弁２２Ａ，２２Ｂを設けているので、空調用熱交換器４Ａおよび冷却用熱交換器４Ｂへ流れる冷媒流量を、それぞれ任意に変えることができる。その結果、機器冷却媒体４１Ｂの温度と空調用冷却媒体４１Ａの温度とを、それぞれ任意の所望の温度に制御することができる。したがって、冷房を行うために空調用冷却媒体４１Ａの温度を十分下げた場合であっても、冷却用熱交換器４Ｂへ流れる冷媒流量を抑制することで、発熱体９が接続された機器冷却媒体４１Ｂの温度を高く保つことができる。
【００２６】
ところで、図１に示した機器回路９１Ｂにおいて、発熱体９の排熱を効率よく利用するためには、温度の高い発熱体９から周囲へ逃げる熱、および発熱体９から室内熱交換器７Ｂまでの冷媒用配管から周囲へ逃げる熱を極力抑える必要がある。そこで、以下では、発熱体９および冷媒用配管から周囲への放熱を抑制するための構造について説明する。
【００２７】
［第１の放熱抑制構造］
図４は、放熱抑制構造の第１の例を示す図であり、電気自動車に適用した場合を示す。図４は車両５０のフロント部に駆動用のモータ５３を搭載する場合の、各機器の配置を模式的に示したものである。車両５０の空間５１Ａは、従来のエンジン自動車のエンジンルームに相当する空間である。以下では、この空間５１Ａのことをモータ収容室と称し、空間５１Ｂを車室と称することにする。
【００２８】
図１に示した各機器において、室内熱交換器７Ａ，７Ｂおよび室内ファン８を除く他の機器は図２のモータ収容室５１Ａ内に配置される。図４では、それらの主要機器であるモータ５３、モータ５３を駆動制御するためのインバータ５４、冷却ユニット５２、室外熱交換器２、室外ファン３を図示した。冷却ユニット５２には、図１に示した冷凍サイクル回路９０に設けられた機器（圧縮機１、熱交換器４Ａ，４Ｂ、弁２０，２１など）や、回路９１Ａ，９１Ｂに設けられたポンプ５Ａ，５Ｂなども含まれる。図１に示した室内熱交換器７Ａ，７Ｂおよび室内ファン８は車室５１Ｂ内に配置される。なお、図４では、室内熱交換器７Ａおよび室内ファン８の図示を省略した。図４では、モータ５３およびインバータ５４が図１の発熱体９に対応している。
【００２９】
図４に示すように、室外熱交換器２および室外ファン３は、外気との熱交換が効率良く行えるようにモータ収容室５１Ａの最前部（図示左側）に配置される。そして、冷却ユニット５２やモータ５３、インバータ５４等は、室外熱交換器２および室外ファン３の後方に配置される。そのため、車両走行や室外ファン３による風６１は、室外熱交換器２を通過した後、その後方に配置された冷却ユニット５２、モータ５３、インバータ５４、配管５５等に吹き付けられることになる。
【００３０】
一般的に、モータ５３やインバータ５４は、温度が高くなるのを防止するために、金属製の筐体から周囲の空気に放熱するような構造となっている。そのため、機器冷却媒体４１Ｂで冷却する構造を採用していても、筐体から直接接触している周囲空気に熱が放熱されることになる。また、温度の高い機器冷却媒体４１Ｂが流れる配管５５からも、放熱によって周囲空気に熱が無駄に逃げてしまっている。
【００３１】
そのため、モータ５３、インバータ５４および配管５５からの放熱量が大きくなり、発熱体であるモータ５３およびインバータ５４から発生する熱の車室内暖房への効率的な利用が阻害される。特に、暖房運転時には室外熱交換器２は蒸発器として機能するため、外気は室外熱交換器２によって冷却され、外気よりも温度の低い風がモータ５３、インバータ５４および配管５５に吹き付けられることになる。
【００３２】
そこで、第１の放熱抑制構造においては、図４に示すように冷却ユニット５２と室外ファン８との間に仕切り板６０を配置して、室外熱交換器２を通過した風６１が冷却ユニット５２，モータ５３、インバータ５４、配管５５に吹き付けられないような構造とした。室外熱交換器２を通過した風６１は、仕切り板６０に沿って斜め右下に流れ、モータ収容室５１Ａの底面部分から車両外部へと排出される。その結果、モータ５３、インバータ５４および配管５５からの放熱量が抑制され、排熱の利用効率の向上を図ることができるので、冷凍サイクルによる暖房の消費電力を低減することができる。
【００３３】
［第２の放熱抑制構造］
図５は、放熱抑制構造の第２の例を示す図である。上述した第１の放熱抑制構造では、室外熱交換器２を通過した風６１の流れを仕切り板６０で変えることにより、風６１が発熱体であるモータ５３、インバータ５４や配管５５に吹き付けられるのを防止するようにした。一方、図５に示す放熱抑制構造では、モータ収容空間５１Ａに室外熱交換器２と室外ファン３とを収納するダクト７０を設けて、風６１が発熱体であるモータ５３、インバータ５４や配管５５に吹き付けられるのを防止するようにした。
【００３４】
ダクト７０には、室外熱交換器２を通過した風を発熱体であるモータ５３やインバータ５４や駆動用バッテリ（不図示）に導く冷却用ダクト７０ａと、車外に排出する排出用ダクト７０ｂが設けられている。各ダクト７０ａ，７０ｂには、風量調整用の扉であるダンパ７１，７２が備えられている。なお、図５における構成では、室外ファン７３としてプロペラファンの代わりに多翼ファン（シロッコファン）が用いられている。円筒状の多翼ファンを用いることでダクト７０の奥行き寸法（車両前後方向寸法）を小さく抑えることができる。
【００３５】
暖房運転時には、冷却用ダクト７０ａのダンパ７１を閉じ、排出用ダクト７０ｂのダンパ７２を開く。その結果、室外熱交換器２を通過した風６１は排出用ダクト７０ｂを通って車外に排出され、モータ５３、インバータ５４および配管５５に吹き付けられることはない。したがって、モータ５３およびインバータ５４からの放熱が抑制され、それらの排熱を効率よく利用することができる。
【００３６】
なお、夏季のように外気温が高い場合には、発熱体の温度が上がりすぎないようにさらなる冷却が必要となる。このような場合には、図５に示すようにダンパ７２を閉じると共にダンパ７１を開き、室外ファン７３からの風を発熱体に吹き付けて、それらの放熱を向上させる。前述したように、冷房運転時には、発熱体を冷却するための機器冷却媒体４１Ｂは、冷却用熱交換機４Ｂにおいて冷凍サイクル回路９０の冷媒４０によって冷却される。そのため、図５のように室外ファン７３からの風により発熱体を冷却するようにすれば、冷凍サイクル回路９０における冷却負荷を抑制することができ、消費電力の低減を図ることができる。
【００３７】
また、前述した除霜運転時に室外熱交換器２に風６１が流れると、室外熱交換器２の温度が上がり難くなって霜が溶け難くなる。そこで、除霜運転時には、室外ファン７３を停止するとともにダンパ７１，７２を閉じて、風６１が流れ難くなるようにする。
【００３８】
［第３の放熱抑制構造］
図６は、放熱抑制構造の第３の例を示す図である。上述した第１および２の放熱抑制構造では、仕切り板６０やダクト７０を設けることにより、室外熱交換器２を通過した風６１が発熱体であるモータ５３、インバータ５４および配管５５に吹き付けられるのを防止して、それらからの放熱量を低減するようにした。
【００３９】
ところで、モータ５３やインバータ５４は、前述したように金属製の筐体から周囲空気に放熱するような構造となっているため、モータ５３やインバータ５４に室外熱交換器２を通過した風６１が当たらないような構造であっても、周囲の空気に熱が逃げてしまっている。そこで、第３の放熱抑制構造においては、発熱体であるモータ５３およびインバータ５４と、温度の高い機器冷却媒体４１Ｂが流れる配管５５とを、放熱抑制用の筐体５６内に収納し、発熱体からモータ収容室５１Ａ内の空気へ逃げる熱を低減するようにした。
【００４０】
このような筐体５６を設けることで、モータ５３、インバータ５４および配管５５は室外熱交換器２を通過した風６１に曝されることが無く、図２に示した仕切り板６１の場合と同様の効果を奏することができる。さらに、モータ５３、インバータ５４および配管５５の周囲の空気とモータ収容室５１Ａ内の空気とは筐体５６によって仕切られているので、筐体５６内の空気からモータ収容室５１Ａ内の空気への熱移動は、筐体５６を介した熱伝導に限られる。そのため、図２のようにモータ収容室５１Ａ内に露出して配置される場合に比べ、モータ５３、インバータ５４および配管５５からの放熱を低減することができる。
【００４１】
筐体５６の材料としては断熱材が好ましいが、金属であっても構わない。また、筐体５６を二重壁とすることにより、金属材料であっても充分な断熱効果を得ることが可能となる。
【００４２】
なお、図３では、モータ５３、インバータ５４および配管５５の全体を一つの筐体５６内に収納したが、個々の機器毎に断熱材の筐体で囲うようにしても良いし、断熱材で各機器の表面を覆うようにしても良い。また、筐体５６のような筐体構造ではなく、断熱材（例えば樹脂等）を各機器の表面にコーティングし、断熱材による層をモータ５３、インバータ５４および配管５５の表面に形成するようにしても良い。さらには、これらの断熱構造と、上述した仕切り板６０等とを同時に採用してもよい。
【００４３】
［第４の放熱抑制構造］
図７は、放熱抑制構造の第４の例を示す図である。第４の放熱抑制構造においては、機器冷却回路９１Ｂに設けられている各機器の配置を工夫することにより、温度の高い機器冷却媒体４１Ｂが流れる配管の長さを短くし、配管からの放熱を抑制するようにした。なお、図７では、ダクト７０を設けて室外ファンからの風がモータ５３等に当たらない構成としているが、ダクト７０や仕切り板６０を設けない構成であっても良い。
【００４４】
図７に示すような各機器の配置は、以下のような指針に基づいて決定される。
（１）機器冷却媒体４１Ｂの流れに沿って、循環ポンプ５Ｂ、冷却用熱交換器４Ｂ、発熱体、室内熱交換器７Ｂの順に接続する。
（２）機器冷却媒体４１Ｂの出口が最も高い位置にある機器を、循環ポンプ５Ｂと室内熱交換器７Ｂとの間の最も下流側、すなわち、室内熱交換器７Ｂの近くに配置する。
（３）発熱量の最も大きい機器を、循環ポンプ５Ｂと室内熱交換器７Ｂとの間の最下流に配置する。
（４）循環ポンプ５Ｂを発熱体よりも車両前方側に配置する。
【００４５】
指針（１）は次のような理由から決められたものである。リザーバタンク６の機能から考えると、リザーバタンク６は循環ポンプ５Ｂの吸い込み側に設けるのが好ましい。さらに、リザーバタンク６は、機器冷却回路９１Ｂ内において最も高い位置に配置する必要があり、一方、機器冷却媒体４１Ｂを循環させるための循環ポンプ５Ｂは、最も低い位置に設けるのが好ましい。車室５１Ｂ内に設けられた室内熱交換器７Ｂへの配管を通す連通穴８１は、モータ収容室５１Ａの比較的高い位置に設けられている。そこで、リザーバタンク６を室内熱交換器７Ｂの下流側に設けることで、リザーバタンク６が高い位置に配置されるとともに、配管を短くすることができる。
【００４６】
例えば、リザーバタンク６を室内熱交換器７Ｂの下流側に配置せず、冷却用熱交換器４Ｂ、リザーバタンク６、循環ポンプ５Ｂの順に接続した場合を考える。この場合、比較的に重量が大きい冷却用熱交換器４Ｂは低い位置に設けるのが好ましいので、配管は低い位置の冷却用熱交換器４Ｂからいったん高位置のリザーバタンク６に引き回され、その後、再び低位置の循環ポンプ５Ｂに引き回されることになり、配管が長くなって配管からの放熱が大きくなってしまう。
【００４７】
指針（２）に関しては、上述したように室内熱交換器７Ｂに関する連通孔８１は比較的高い位置に設けられているので、冷媒出口が高い位置にある機器を最も下流側、すなわち室内熱交換器７Ｂの上流側に接続すると、その機器と室内熱交換器７Ｂとの間の配管を短くすることができる。本実施の形態の場合、サイズの大きなモータ５３が室内熱交換器７Ｂの上流側に接続されることになる。室内熱交換器７Ｂの上流側の配管には温度の高い機器冷却媒体４１Ｂが流れるので、この配管を短くすることで、放熱量の低減を図ることができる。
【００４８】
指針（３）は次のような理由による。機器から流出する機器冷却媒体４１Ｂの温度は、機器の発熱量が大きいほど高くなる。そのため、発熱量が最も大きい機器を最下流に配置することで、最も高温の機器冷却媒体４１Ｂが流れる配管の長さを短くすることができる。このような配置とした場合、その機器の上流側の配管が長くなるが、機器上流側においては冷媒温度を比較的低く保つことができるので、配管からの放熱をトータルで低減することができる。
【００４９】
また、指針（３）に加えて指針（４）も考慮すると、低位置に配置される循環ポンプ５Ｂから高位置の室内熱交換器７Ｂまでの間に、発熱体が直列に並ぶように配置されることになる。すなわち、配管が車両前後方向に逆戻りするのを避けることができ、温度の高い機器冷却媒体４１Ｂが流れる配管の長さを全体的に短くすることができる。なお、このような配置とした場合、リザーバタンク６から循環ポンプ５Ｂまでの配管長さが比較的長くなるが、この配管中には室内熱交換器７Ｂで放熱した後の機器冷却媒体４１Ｂが流れるので、冷媒温度が比較的低く熱損失への影響が小さい。
【００５０】
図７における各コンポーネントの配置は上述した指針（１）〜（４）に従って構成されたものであり、貫通孔８１に近い最も高い位置に配置されたリザーバタンク６から、機器冷却回路９１Ｂの最も車両前方側に配置された循環ポンプ５Ｂへと配管が接続されている。循環ポンプ５Ｂの下流側には冷却用熱交換器４Ｂが接続されている。冷却用熱交換器４Ｂは循環ポンプ５Ｂと同様に低い位置に配置されており、その冷却用熱交換器４Ｂから高位置の室内熱交換器７Ｂまでの間に、複数の発熱体が発熱量の小さなものから順に配置されている。
【００５１】
なお、上述した実施の形態では発熱体としての駆動用バッテリ８０の図示を省略したが、図７に示す例では、発熱体としてモータ５３およびインバータ５４に加えて駆動用バッテリ８０が設けられている。駆動用バッテリ８０とインバータ５４との間には二方弁Ｖ１が設けられ、さらに二方弁Ｖ２が設けられたバイパス回路８２が駆動用バッテリ８０と並列に設けられている。通常は二方弁Ｖ１を閉じると共に二方弁Ｖ２を開いて、駆動用バッテリ８０をバイパスするように機器冷却媒体４１Ｂを流す。充電時には駆動用バッテリ８０の温度が上昇するので、二方弁Ｖ１を開くと共に二方弁Ｖ２を閉じて、機器冷却媒体４１Ｂにより駆動用バッテリ８０を冷却し、その熱を車室暖房に利用する。もちろん充電時以外であっても、バッテリ温度が駆動用バッテリ８０の許容温度を越えそうな場合には冷却を行う。
【００５２】
ところで、図７に示した駆動用バッテリ８０は、バッテリ温度が５０〜６０℃のときに最も効率よく動作する。一方、特に冬季のように外気温が著しく低い場合には、車両起動してからもバッテリ温度が低い状態がある程度続き、駆動用バッテリ８０の能力を最大限に引き出せない場合がある。そこで、機器冷却回路９１Ｂにヒータを設けて、冷却機器冷却媒体４１Ｂの温度が低すぎる場合に、そのヒータで冷却機器冷却媒体４１Ｂを加熱して最適な温度に上昇させるようにしても良い。その場合、リザーバタンク６にヒータを設けるのが、最も簡便で望ましい。ヒータを作動させることで、冷却機器冷却媒体４１Ｂを最適温度まで素早く上昇させることで、起動直後から駆動用バッテリ８０の能力を最大限利用することができる。
【００５３】
以上説明したように、本実施形態の車両用空調システムは、冷媒４０を圧縮する圧縮機１、および冷媒４０と外気との熱交換を行う室外熱交換器２を有して車室内空気の温度調節を行う冷凍サイクル回路９０および空調用回路９１と、車両を電動駆動するための機器であるモータ５３、インバータ５４等と室内熱交換器７Ｂとの間で機器冷却媒体４１Ｂを循環させて、機器から吸収した熱を室内熱交換器７Ｂにおいて車室内空気へと放出する機器冷却回路９１Ｂと、を備える。そして、機器から周囲環境への放熱を抑制する放熱抑制手段として、機器を覆う断熱材で形成された筐体５６を設けたり、室外熱交換器２を通過した風６１から機器を遮蔽する遮蔽部材としての仕切り板６０やダクト７０を設けたり、図７に示すように、複数の機器（モータ５３，インバータ５４，駆動用バッテリ８０）を、発熱量のより大きな機器ほど機器冷却媒体４１Ｂの流れに対してより下流とし、かつ、発熱量の最も大きな機器を室内熱交換器７Ｂの近傍に設ける配置構成を備えるようにした。
【００５４】
そのような放熱抑制手段を設けたことにより、発熱体（モータ５３、インバータ５４、駆動用バッテリ８０）からの排熱を車室内空調に効率的に利用することができる。
【００５５】
上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。
【符号の説明】
【００５６】
１：圧縮機、２：室外熱交換器、３，７３：室外ファン、４Ａ：空調用熱交換器、４Ｂ：冷却用熱交換器、５Ａ，５Ｂ：循環ポンプ、６：リザーバタンク、７Ａ，７Ｂ：室内熱交換器、９：発熱体、４０：冷媒、４１Ａ：空調用冷却媒体、４１Ｂ：機器冷却媒体、５０：車両、５１Ｂ：車室、５２：冷却ユニット、５３：モータ、５４：インバータ、５５：配管、５６：筐体、６０：仕切り板、７０，７０ａ，７０ｂ：ダクト、７１，７２：ダンパ、９０：冷凍サイクル回路、９１Ａ：空調用回路、９１Ｂ：機器冷却回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両用空調システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド自動車において、車両に搭載されるモータやインバータ等の発熱体から発生する熱を空調に利用するシステムが知られている（例えば、特許文献１参照）。例えば、車室内の暖房を行う際に、発熱体で暖められた冷却水を車室内空調用熱交換器に流入させて、サブの暖房用熱交換器として機能させるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４２８５２９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来、モータやインバータ等の発熱体は金属の筐体で覆われていて、外気に対して放熱するような構成となっている。そのため、発熱体の熱が無駄に放熱されてしまって、車室内暖房に効率良く利用されていないという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１の発明は、第１の冷媒を圧縮する圧縮機、および第１の冷媒と外気との熱交換を行う第１の熱交換器を有して車室内空気の温度調節を行う空調装置と、車両を電動駆動するための機器と第２の熱交換器との間で第２の冷媒を循環させて、機器から吸収した熱を第２の熱交換器において車室内空気へと放出する機器冷却装置と、を備えた車両用空調システムであって、機器から周囲環境への放熱を抑制する放熱抑制手段を備えたことを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載の車両用空調システムにおいて、放熱抑制手段は、機器を覆う断熱部材であることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１に記載の車両用空調システムにおいて、放熱抑制手段は、第１の熱交換器と機器との間に設けられ、第１の熱交換器を通過した外気から機器を遮蔽する遮蔽部材であることを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項３に記載の車両用空調システムにおいて、遮蔽部材は第１の熱交換器を収納するダクトであって、ダクトは、第１の熱交換器を通過した外気を機器へ導くための第１の通路と、第１の熱交換器を通過した外気を車両外部へ排出するための第２の通路と、第１の熱交換器を通過した外気を第１および第２の通路のいずれか一方へ切り換えて配風する配風手段とを備えることを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項１に記載の車両用空調システムにおいて、車両を電動駆動するための機器は複数の機器から成り、放熱抑制手段として、発熱量のより大きな機器ほど第２の冷媒の流れに対してより下流とし、かつ、発熱量の最も大きな機器を第２の熱交換器の近傍に設ける配置構成を備えたことを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の車両用空調システムにおいて、第１の冷媒と第２の冷媒との間で熱交換する第３の熱交換器を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、機器から周囲環境への放熱が抑制され、機器から吸収した熱の車室内空気への放出を効率的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明による車両用空調システムの概略構成を示す図である。
【図２】冷房運転時の動作を説明する図である。
【図３】除霜運転時の動作を説明する図である。
【図４】放熱抑制構造の第１の例を示す図である。
【図５】放熱抑制構造の第２の例を示す図である。
【図６】放熱抑制構造の第３の例を示す図である。
【図７】放熱抑制構造の第４の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下では、本発明の車両用空調システムを電気自動車に適用した一実施の形態を説明する。なお、本発明は電気自動車に限定されず、ハイブリッド自動車、あるいは電気鉄道や建設車両などの電動車両に対しても適用することができる。また、この一実施の形態ではインバータにより駆動される交流モータを例に挙げて説明するが、本発明は交流モータに限定されず、例えばサイリスタレオナード装置などのコンバータにより駆動される直流モータ、あるいはチョッパ電源により駆動されるパルスモータなど、あらゆる種類の回転電機（モータ・ジェネレータ）に適用することができる。
【０００９】
図１は本発明による車両用空調システムの概略構成を示す図である。図１に示す車両用空調システムは、冷媒４０が流れる冷凍サイクル回路９０と、室内熱交換器７Ａと冷凍サイクル回路９０を空調用冷却媒体４１Ａで接続する空調用回路９１Ａと、室内熱交換器７Ｂと発熱体９と冷凍サイクル回路９０とを機器冷却媒体４１Ｂで接続する機器冷却回路９１Ｂとを備えている。
【００１０】
冷凍サイクル回路９０には、冷媒４０を圧縮する圧縮機１、冷媒４０と外気との熱交換を行う室外熱交換器２、液配管１２、および空調用回路９１Ａ内の空調用冷却媒体４１Ａと熱交換を行う空調用熱交換器４Ａが環状に接続されている。圧縮機１の吸込配管１１と吐出配管１０との間には、四方弁２０が設けられている。四方弁２０を切り換えることにより、吸込配管１１および吐出配管１０のいずれか一方を室外熱交換器２に接続し、他方を空調用熱交換器４Ａに接続することができる。図１は，暖房運転時を示しており，四方弁２０は，吐出配管１０を空調用熱交換器４Ａに接続し，吸込配管１１を室外熱交換器２に接続している。
【００１１】
冷凍サイクル回路９０の冷媒４０と機器冷却媒体４１Ｂとの間で熱交換を行う冷却用熱交換器４Ｂは、一端が液配管１２に接続されており、他端が三方弁２１を介して圧縮機１の吐出配管１０および吸込配管１１のいずれか一方に切り換え可能に接続されている。液配管１２には、レシーバ２４が設けられている。液配管１２上のレシーバ２４と室外熱交換器２との間、空調用熱交換器４Ａとレシーバ２４との間、および冷却用熱交換器４Ｂとレシーバ２４との間には、流量制御手段として作用する膨張弁２３，２２Ａ，２２Ｂが設けられている。また、室外熱交換器２には外気送風用の室外ファン３が備えられている。
【００１２】
空調用回路９１Ａには、室内ファン８により車室内へ吹き出される空気との熱交換を行う室内熱交換器７Ａ、空調用冷却媒体４１Ａを循環させる循環ポンプ５Ａ、および空調用熱交換器４Ａが、順に環状に接続されている。
【００１３】
機器冷却回路９１Ｂは、室内熱交換器７Ａから流出された空気と熱交換する室内熱交換器７Ｂ、リザーバタンク６、機器冷却媒体４１Ｂを循環させる循環ポンプ５Ｂ、冷却用熱交換器４Ｂ、およびモータ、インバータ、バッテリ等の発熱体９が順に環状に接続されている。また、機器冷却回路９１Ｂには、室内熱交換器７Ｂの両端をバイパスするバイパス回路３０が設けられている。バイパス回路３０には二方弁２５が設けられ、室内熱交換器７Ｂを通る主回路３１には二方弁２６が設けられている。これらの二方弁２５，２６の開閉動作により、機器冷却媒体４１Ｂの流路を任意に構成することが可能となっている。
【００１４】
（暖房運転）
本実施の形態では、暖房運転時に発熱体９の排熱を車室内暖房に利用する。この場合、暖房負荷が小さい時には、冷凍サイクル回路９０を利用せずに発熱体９の排熱により暖房を行い、発熱体９の排熱だけでは暖房負荷に満たない場合には、冷凍サイクル回路９０を併用する。
【００１５】
発熱体９の排熱のみにより暖房を行う場合には、循環ポンプ５Ｂと室内ファン８を起動し、かつ二方弁２６を開いて室内熱交換器７Ｂに機器冷却媒体４１Ｂを導入する。機器冷却媒体４１Ｂは発熱体９によって加熱されているので、室内熱交換器７Ｂにおいて室内吹出し空気へ放熱することによって、機器冷却媒体４１Ｂは冷却され、室内吹出し空気が加熱される。
【００１６】
一方、発熱体９からの排熱だけでは暖房負荷に満たない場合には、冷凍サイクル回路９０を併用する。この場合、四方弁２０が実線で示すように切り換えられ、圧縮機１の吐出配管１０は空調用熱交換器４Ａに接続され、吸込配管１１は室外熱交換器２に接続される。すなわち、空調用熱交換器４１Ａを凝縮器、室外熱交換器２を蒸発器とするサイクルが形成される。
【００１７】
圧縮機１で圧縮された冷媒４０は、空調用熱交換器４Ａで空調用冷却媒体４１Ａへ放熱することによって凝縮液化する。その後、膨張弁２３で減圧された後、室外熱交換器２において室外空気との熱交換によって蒸発・ガス化して圧縮機１へと戻る。なお、膨張弁２２Ａは全開、膨張弁２２Ｂは全閉となっており、冷却用熱交換器４Ｂは利用しない。
【００１８】
循環ポンプ５Ａを起動することにより、空調用熱交換器４Ａで冷媒４０の凝縮熱をもらって昇温された空調用冷却媒体４１Ａは室内熱交換器７Ａへ流入し、室内熱交換器７Ａにおいて室内吹出し空気へ放熱する。室内熱交換器７Ａで加熱された空気は、空気の流れの下流側に配置された室内熱交換器７Ｂにおいて、発熱体９によって加熱された機器冷却媒体４１Ｂから熱をもらい、さらに昇温されてから室内空間へ吹き出される。
【００１９】
このように、室内吹出し空気は、冷凍サイクル回路９０によって加熱された後に、発熱体９の排熱でさらに加熱される構成となっている。そのため、室内熱交換器７Ａからの吹出し空気温度を、室内熱交換器７Ｂからの室内吹出し空気温度に対して低く保つことができる。すなわち、発熱体９からの排熱を暖房に利用することによって、エネルギー消費の少ない空調装置を構成することができる。
【００２０】
（除霜運転）
ところで、室外熱交換器２を蒸発器として用いる運転を継続すると、熱交換器の表面に霜が成長する場合があるので、霜を融かす除霜運転を行う必要がある。除霜運転時には、四方弁２０および三方弁２１を図３の実線で示すように切換える。そして、膨張弁２２Ａを全閉とし、室外熱交換器２を凝縮器、冷却用熱交換器４Ｂを蒸発器とするサイクルを形成する。一方、二方弁２６を閉じて主回路３１への流れを遮断し、バイパス回路３０へ機器冷却媒体４１Ｂを流す。
【００２１】
空調用熱交換器４Ａを蒸発器として利用すると、車室内に吹き出される空気の温度が低下しやすくなる。そこで、発熱体９からの排熱を熱源として利用することで、車室内の温度低下を防止するようにした。また、車室内へ吹き出される空気を熱源とする場合には、熱量が不足して除霜時間が長くなる可能性があるが、発熱体９が接続されて温度が高く保たれている機器冷却媒体４１Ｂを除霜用の熱源として利用できるので、除霜用の熱源を確保することができ、除霜時間を短縮できるメリットが得られる。なお、除霜運転中は室内ファン８の風量を抑制もしくは停止することで、吹出し温度の低下を抑制することができる。
【００２２】
(冷房運転)
図２は、冷房運転時の動作を説明する図である。ここで冷房運転とは、室外熱交換器２を凝縮器、空調用熱交換器４Ａと冷却用熱交換器４Ｂを蒸発器として用いて、空調用回路９１Ａと機器冷却回路９１Ｂを共に冷却可能とした運転モードであり、四方弁２０を実線で示す状態とする。
【００２３】
圧縮機１で圧縮された冷媒４０は、室外熱交換器２で放熱することによって液化した後、レシーバ２４によって空調用熱交換器４Ａへ流れる冷媒と冷却用熱交換器４Ｂへ流れる冷媒とに分岐される。空調用熱交換器４Ａに流れる冷媒は、減圧手段２２Ａで減圧されて低温・低圧となり、空調用熱交換器４Ａにおいて空調用回路９１Ａの空調用冷却媒体４１Ａから吸熱することによって蒸発し、四方弁２０を通って圧縮機１へ戻る。一方、冷却用熱交換器４Ｂへ流れる冷媒は、減圧手段２２Ｂで減圧されて低温・低圧となり、冷却用熱交換器４Ｂにおいて機器冷却回路９１Ｂの機器冷却媒体４１Ｂから吸熱することによって蒸発し、三方弁２１を通って圧縮機１へと戻る。
【００２４】
空調用回路９１Ａに設けられた循環ポンプ５Ａを駆動すると、空調用熱交換器４Ａで冷却された空調用冷却媒体４１Ａが室内熱交換器７Ａに供給される。そして、室内ファン８を駆動すると、室内熱交換器７Ａで熱交換して冷却された空気が車室内へ吹き出される。また、機器冷却回路９１Ｂに設けられた循環ポンプ５Ｂを駆動すると、発熱体９によって加熱された機器冷却媒体４１Ｂが、冷却用熱交換器４Ｂにおける熱交換によって冷却される。なお、冷房運転時には主回路３１の二方弁２６は閉じられ、温度の高い機器冷却媒体４１Ｂはバイパス回路３０を流れる。
【００２５】
このように、空調用熱交換器４Ａおよび冷却用熱交換器４Ｂの両方を蒸発器として利用できるので、車室内の冷房と発熱体９の冷却とを同時に実現することができる。さらに、空調用熱交換器４Ａと冷却用熱交換器４Ｂとを圧縮機１の吸込配管１１に対して並列に接続し、それぞれの冷媒回路に膨張弁２２Ａ，２２Ｂを設けているので、空調用熱交換器４Ａおよび冷却用熱交換器４Ｂへ流れる冷媒流量を、それぞれ任意に変えることができる。その結果、機器冷却媒体４１Ｂの温度と空調用冷却媒体４１Ａの温度とを、それぞれ任意の所望の温度に制御することができる。したがって、冷房を行うために空調用冷却媒体４１Ａの温度を十分下げた場合であっても、冷却用熱交換器４Ｂへ流れる冷媒流量を抑制することで、発熱体９が接続された機器冷却媒体４１Ｂの温度を高く保つことができる。
【００２６】
ところで、図１に示した機器回路９１Ｂにおいて、発熱体９の排熱を効率よく利用するためには、温度の高い発熱体９から周囲へ逃げる熱、および発熱体９から室内熱交換器７Ｂまでの冷媒用配管から周囲へ逃げる熱を極力抑える必要がある。そこで、以下では、発熱体９および冷媒用配管から周囲への放熱を抑制するための構造について説明する。
【００２７】
［第１の放熱抑制構造］
図４は、放熱抑制構造の第１の例を示す図であり、電気自動車に適用した場合を示す。図４は車両５０のフロント部に駆動用のモータ５３を搭載する場合の、各機器の配置を模式的に示したものである。車両５０の空間５１Ａは、従来のエンジン自動車のエンジンルームに相当する空間である。以下では、この空間５１Ａのことをモータ収容室と称し、空間５１Ｂを車室と称することにする。
【００２８】
図１に示した各機器において、室内熱交換器７Ａ，７Ｂおよび室内ファン８を除く他の機器は図２のモータ収容室５１Ａ内に配置される。図４では、それらの主要機器であるモータ５３、モータ５３を駆動制御するためのインバータ５４、冷却ユニット５２、室外熱交換器２、室外ファン３を図示した。冷却ユニット５２には、図１に示した冷凍サイクル回路９０に設けられた機器（圧縮機１、熱交換器４Ａ，４Ｂ、弁２０，２１など）や、回路９１Ａ，９１Ｂに設けられたポンプ５Ａ，５Ｂなども含まれる。図１に示した室内熱交換器７Ａ，７Ｂおよび室内ファン８は車室５１Ｂ内に配置される。なお、図４では、室内熱交換器７Ａおよび室内ファン８の図示を省略した。図４では、モータ５３およびインバータ５４が図１の発熱体９に対応している。
【００２９】
図４に示すように、室外熱交換器２および室外ファン３は、外気との熱交換が効率良く行えるようにモータ収容室５１Ａの最前部（図示左側）に配置される。そして、冷却ユニット５２やモータ５３、インバータ５４等は、室外熱交換器２および室外ファン３の後方に配置される。そのため、車両走行や室外ファン３による風６１は、室外熱交換器２を通過した後、その後方に配置された冷却ユニット５２、モータ５３、インバータ５４、配管５５等に吹き付けられることになる。
【００３０】
一般的に、モータ５３やインバータ５４は、温度が高くなるのを防止するために、金属製の筐体から周囲の空気に放熱するような構造となっている。そのため、機器冷却媒体４１Ｂで冷却する構造を採用していても、筐体から直接接触している周囲空気に熱が放熱されることになる。また、温度の高い機器冷却媒体４１Ｂが流れる配管５５からも、放熱によって周囲空気に熱が無駄に逃げてしまっている。
【００３１】
そのため、モータ５３、インバータ５４および配管５５からの放熱量が大きくなり、発熱体であるモータ５３およびインバータ５４から発生する熱の車室内暖房への効率的な利用が阻害される。特に、暖房運転時には室外熱交換器２は蒸発器として機能するため、外気は室外熱交換器２によって冷却され、外気よりも温度の低い風がモータ５３、インバータ５４および配管５５に吹き付けられることになる。
【００３２】
そこで、第１の放熱抑制構造においては、図４に示すように冷却ユニット５２と室外ファン８との間に仕切り板６０を配置して、室外熱交換器２を通過した風６１が冷却ユニット５２，モータ５３、インバータ５４、配管５５に吹き付けられないような構造とした。室外熱交換器２を通過した風６１は、仕切り板６０に沿って斜め右下に流れ、モータ収容室５１Ａの底面部分から車両外部へと排出される。その結果、モータ５３、インバータ５４および配管５５からの放熱量が抑制され、排熱の利用効率の向上を図ることができるので、冷凍サイクルによる暖房の消費電力を低減することができる。
【００３３】
［第２の放熱抑制構造］
図５は、放熱抑制構造の第２の例を示す図である。上述した第１の放熱抑制構造では、室外熱交換器２を通過した風６１の流れを仕切り板６０で変えることにより、風６１が発熱体であるモータ５３、インバータ５４や配管５５に吹き付けられるのを防止するようにした。一方、図５に示す放熱抑制構造では、モータ収容空間５１Ａに室外熱交換器２と室外ファン３とを収納するダクト７０を設けて、風６１が発熱体であるモータ５３、インバータ５４や配管５５に吹き付けられるのを防止するようにした。
【００３４】
ダクト７０には、室外熱交換器２を通過した風を発熱体であるモータ５３やインバータ５４や駆動用バッテリ（不図示）に導く冷却用ダクト７０ａと、車外に排出する排出用ダクト７０ｂが設けられている。各ダクト７０ａ，７０ｂには、風量調整用の扉であるダンパ７１，７２が備えられている。なお、図５における構成では、室外ファン７３としてプロペラファンの代わりに多翼ファン（シロッコファン）が用いられている。円筒状の多翼ファンを用いることでダクト７０の奥行き寸法（車両前後方向寸法）を小さく抑えることができる。
【００３５】
暖房運転時には、冷却用ダクト７０ａのダンパ７１を閉じ、排出用ダクト７０ｂのダンパ７２を開く。その結果、室外熱交換器２を通過した風６１は排出用ダクト７０ｂを通って車外に排出され、モータ５３、インバータ５４および配管５５に吹き付けられることはない。したがって、モータ５３およびインバータ５４からの放熱が抑制され、それらの排熱を効率よく利用することができる。
【００３６】
なお、夏季のように外気温が高い場合には、発熱体の温度が上がりすぎないようにさらなる冷却が必要となる。このような場合には、図５に示すようにダンパ７２を閉じると共にダンパ７１を開き、室外ファン７３からの風を発熱体に吹き付けて、それらの放熱を向上させる。前述したように、冷房運転時には、発熱体を冷却するための機器冷却媒体４１Ｂは、冷却用熱交換機４Ｂにおいて冷凍サイクル回路９０の冷媒４０によって冷却される。そのため、図５のように室外ファン７３からの風により発熱体を冷却するようにすれば、冷凍サイクル回路９０における冷却負荷を抑制することができ、消費電力の低減を図ることができる。
【００３７】
また、前述した除霜運転時に室外熱交換器２に風６１が流れると、室外熱交換器２の温度が上がり難くなって霜が溶け難くなる。そこで、除霜運転時には、室外ファン７３を停止するとともにダンパ７１，７２を閉じて、風６１が流れ難くなるようにする。
【００３８】
［第３の放熱抑制構造］
図６は、放熱抑制構造の第３の例を示す図である。上述した第１および２の放熱抑制構造では、仕切り板６０やダクト７０を設けることにより、室外熱交換器２を通過した風６１が発熱体であるモータ５３、インバータ５４および配管５５に吹き付けられるのを防止して、それらからの放熱量を低減するようにした。
【００３９】
ところで、モータ５３やインバータ５４は、前述したように金属製の筐体から周囲空気に放熱するような構造となっているため、モータ５３やインバータ５４に室外熱交換器２を通過した風６１が当たらないような構造であっても、周囲の空気に熱が逃げてしまっている。そこで、第３の放熱抑制構造においては、発熱体であるモータ５３およびインバータ５４と、温度の高い機器冷却媒体４１Ｂが流れる配管５５とを、放熱抑制用の筐体５６内に収納し、発熱体からモータ収容室５１Ａ内の空気へ逃げる熱を低減するようにした。
【００４０】
このような筐体５６を設けることで、モータ５３、インバータ５４および配管５５は室外熱交換器２を通過した風６１に曝されることが無く、図２に示した仕切り板６１の場合と同様の効果を奏することができる。さらに、モータ５３、インバータ５４および配管５５の周囲の空気とモータ収容室５１Ａ内の空気とは筐体５６によって仕切られているので、筐体５６内の空気からモータ収容室５１Ａ内の空気への熱移動は、筐体５６を介した熱伝導に限られる。そのため、図２のようにモータ収容室５１Ａ内に露出して配置される場合に比べ、モータ５３、インバータ５４および配管５５からの放熱を低減することができる。
【００４１】
筐体５６の材料としては断熱材が好ましいが、金属であっても構わない。また、筐体５６を二重壁とすることにより、金属材料であっても充分な断熱効果を得ることが可能となる。
【００４２】
なお、図３では、モータ５３、インバータ５４および配管５５の全体を一つの筐体５６内に収納したが、個々の機器毎に断熱材の筐体で囲うようにしても良いし、断熱材で各機器の表面を覆うようにしても良い。また、筐体５６のような筐体構造ではなく、断熱材（例えば樹脂等）を各機器の表面にコーティングし、断熱材による層をモータ５３、インバータ５４および配管５５の表面に形成するようにしても良い。さらには、これらの断熱構造と、上述した仕切り板６０等とを同時に採用してもよい。
【００４３】
［第４の放熱抑制構造］
図７は、放熱抑制構造の第４の例を示す図である。第４の放熱抑制構造においては、機器冷却回路９１Ｂに設けられている各機器の配置を工夫することにより、温度の高い機器冷却媒体４１Ｂが流れる配管の長さを短くし、配管からの放熱を抑制するようにした。なお、図７では、ダクト７０を設けて室外ファンからの風がモータ５３等に当たらない構成としているが、ダクト７０や仕切り板６０を設けない構成であっても良い。
【００４４】
図７に示すような各機器の配置は、以下のような指針に基づいて決定される。
（１）機器冷却媒体４１Ｂの流れに沿って、循環ポンプ５Ｂ、冷却用熱交換器４Ｂ、発熱体、室内熱交換器７Ｂの順に接続する。
（２）機器冷却媒体４１Ｂの出口が最も高い位置にある機器を、循環ポンプ５Ｂと室内熱交換器７Ｂとの間の最も下流側、すなわち、室内熱交換器７Ｂの近くに配置する。
（３）発熱量の最も大きい機器を、循環ポンプ５Ｂと室内熱交換器７Ｂとの間の最下流に配置する。
（４）循環ポンプ５Ｂを発熱体よりも車両前方側に配置する。
【００４５】
指針（１）は次のような理由から決められたものである。リザーバタンク６の機能から考えると、リザーバタンク６は循環ポンプ５Ｂの吸い込み側に設けるのが好ましい。さらに、リザーバタンク６は、機器冷却回路９１Ｂ内において最も高い位置に配置する必要があり、一方、機器冷却媒体４１Ｂを循環させるための循環ポンプ５Ｂは、最も低い位置に設けるのが好ましい。車室５１Ｂ内に設けられた室内熱交換器７Ｂへの配管を通す連通穴８１は、モータ収容室５１Ａの比較的高い位置に設けられている。そこで、リザーバタンク６を室内熱交換器７Ｂの下流側に設けることで、リザーバタンク６が高い位置に配置されるとともに、配管を短くすることができる。
【００４６】
例えば、リザーバタンク６を室内熱交換器７Ｂの下流側に配置せず、冷却用熱交換器４Ｂ、リザーバタンク６、循環ポンプ５Ｂの順に接続した場合を考える。この場合、比較的に重量が大きい冷却用熱交換器４Ｂは低い位置に設けるのが好ましいので、配管は低い位置の冷却用熱交換器４Ｂからいったん高位置のリザーバタンク６に引き回され、その後、再び低位置の循環ポンプ５Ｂに引き回されることになり、配管が長くなって配管からの放熱が大きくなってしまう。
【００４７】
指針（２）に関しては、上述したように室内熱交換器７Ｂに関する連通孔８１は比較的高い位置に設けられているので、冷媒出口が高い位置にある機器を最も下流側、すなわち室内熱交換器７Ｂの上流側に接続すると、その機器と室内熱交換器７Ｂとの間の配管を短くすることができる。本実施の形態の場合、サイズの大きなモータ５３が室内熱交換器７Ｂの上流側に接続されることになる。室内熱交換器７Ｂの上流側の配管には温度の高い機器冷却媒体４１Ｂが流れるので、この配管を短くすることで、放熱量の低減を図ることができる。
【００４８】
指針（３）は次のような理由による。機器から流出する機器冷却媒体４１Ｂの温度は、機器の発熱量が大きいほど高くなる。そのため、発熱量が最も大きい機器を最下流に配置することで、最も高温の機器冷却媒体４１Ｂが流れる配管の長さを短くすることができる。このような配置とした場合、その機器の上流側の配管が長くなるが、機器上流側においては冷媒温度を比較的低く保つことができるので、配管からの放熱をトータルで低減することができる。
【００４９】
また、指針（３）に加えて指針（４）も考慮すると、低位置に配置される循環ポンプ５Ｂから高位置の室内熱交換器７Ｂまでの間に、発熱体が直列に並ぶように配置されることになる。すなわち、配管が車両前後方向に逆戻りするのを避けることができ、温度の高い機器冷却媒体４１Ｂが流れる配管の長さを全体的に短くすることができる。なお、このような配置とした場合、リザーバタンク６から循環ポンプ５Ｂまでの配管長さが比較的長くなるが、この配管中には室内熱交換器７Ｂで放熱した後の機器冷却媒体４１Ｂが流れるので、冷媒温度が比較的低く熱損失への影響が小さい。
【００５０】
図７における各コンポーネントの配置は上述した指針（１）〜（４）に従って構成されたものであり、貫通孔８１に近い最も高い位置に配置されたリザーバタンク６から、機器冷却回路９１Ｂの最も車両前方側に配置された循環ポンプ５Ｂへと配管が接続されている。循環ポンプ５Ｂの下流側には冷却用熱交換器４Ｂが接続されている。冷却用熱交換器４Ｂは循環ポンプ５Ｂと同様に低い位置に配置されており、その冷却用熱交換器４Ｂから高位置の室内熱交換器７Ｂまでの間に、複数の発熱体が発熱量の小さなものから順に配置されている。
【００５１】
なお、上述した実施の形態では発熱体としての駆動用バッテリ８０の図示を省略したが、図７に示す例では、発熱体としてモータ５３およびインバータ５４に加えて駆動用バッテリ８０が設けられている。駆動用バッテリ８０とインバータ５４との間には二方弁Ｖ１が設けられ、さらに二方弁Ｖ２が設けられたバイパス回路８２が駆動用バッテリ８０と並列に設けられている。通常は二方弁Ｖ１を閉じると共に二方弁Ｖ２を開いて、駆動用バッテリ８０をバイパスするように機器冷却媒体４１Ｂを流す。充電時には駆動用バッテリ８０の温度が上昇するので、二方弁Ｖ１を開くと共に二方弁Ｖ２を閉じて、機器冷却媒体４１Ｂにより駆動用バッテリ８０を冷却し、その熱を車室暖房に利用する。もちろん充電時以外であっても、バッテリ温度が駆動用バッテリ８０の許容温度を越えそうな場合には冷却を行う。
【００５２】
ところで、図７に示した駆動用バッテリ８０は、バッテリ温度が５０〜６０℃のときに最も効率よく動作する。一方、特に冬季のように外気温が著しく低い場合には、車両起動してからもバッテリ温度が低い状態がある程度続き、駆動用バッテリ８０の能力を最大限に引き出せない場合がある。そこで、機器冷却回路９１Ｂにヒータを設けて、冷却機器冷却媒体４１Ｂの温度が低すぎる場合に、そのヒータで冷却機器冷却媒体４１Ｂを加熱して最適な温度に上昇させるようにしても良い。その場合、リザーバタンク６にヒータを設けるのが、最も簡便で望ましい。ヒータを作動させることで、冷却機器冷却媒体４１Ｂを最適温度まで素早く上昇させることで、起動直後から駆動用バッテリ８０の能力を最大限利用することができる。
【００５３】
以上説明したように、本実施形態の車両用空調システムは、冷媒４０を圧縮する圧縮機１、および冷媒４０と外気との熱交換を行う室外熱交換器２を有して車室内空気の温度調節を行う冷凍サイクル回路９０および空調用回路９１と、車両を電動駆動するための機器であるモータ５３、インバータ５４等と室内熱交換器７Ｂとの間で機器冷却媒体４１Ｂを循環させて、機器から吸収した熱を室内熱交換器７Ｂにおいて車室内空気へと放出する機器冷却回路９１Ｂと、を備える。そして、機器から周囲環境への放熱を抑制する放熱抑制手段として、機器を覆う断熱材で形成された筐体５６を設けたり、室外熱交換器２を通過した風６１から機器を遮蔽する遮蔽部材としての仕切り板６０やダクト７０を設けたり、図７に示すように、複数の機器（モータ５３，インバータ５４，駆動用バッテリ８０）を、発熱量のより大きな機器ほど機器冷却媒体４１Ｂの流れに対してより下流とし、かつ、発熱量の最も大きな機器を室内熱交換器７Ｂの近傍に設ける配置構成を備えるようにした。
【００５４】
そのような放熱抑制手段を設けたことにより、発熱体（モータ５３、インバータ５４、駆動用バッテリ８０）からの排熱を車室内空調に効率的に利用することができる。
【００５５】
上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。
【符号の説明】
【００５６】
１：圧縮機、２：室外熱交換器、３，７３：室外ファン、４Ａ：空調用熱交換器、４Ｂ：冷却用熱交換器、５Ａ，５Ｂ：循環ポンプ、６：リザーバタンク、７Ａ，７Ｂ：室内熱交換器、９：発熱体、４０：冷媒、４１Ａ：空調用冷却媒体、４１Ｂ：機器冷却媒体、５０：車両、５１Ｂ：車室、５２：冷却ユニット、５３：モータ、５４：インバータ、５５：配管、５６：筐体、６０：仕切り板、７０，７０ａ，７０ｂ：ダクト、７１，７２：ダンパ、９０：冷凍サイクル回路、９１Ａ：空調用回路、９１Ｂ：機器冷却回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の冷媒を圧縮する圧縮機、および前記第１の冷媒と外気との熱交換を行う第１の熱交換器を有して車室内空気の温度調節を行う空調装置と、
車両を電動駆動するための機器と第２の熱交換器との間で第２の冷媒を循環させて、前記機器から吸収した熱を前記第２の熱交換器において車室内空気へと放出する機器冷却装置と、を備えた車両用空調システムであって、
前記機器から周囲環境への放熱を抑制する放熱抑制手段を備えたことを特徴とする車両用空調システム。
【請求項２】
請求項１に記載の車両用空調システムにおいて、
前記放熱抑制手段は、前記機器を覆う断熱部材であることを特徴とする車両用空調システム。
【請求項３】
請求項１に記載の車両用空調システムにおいて、
前記放熱抑制手段は、前記第１の熱交換器と前記機器との間に設けられ、前記第１の熱交換器を通過した外気から前記機器を遮蔽する遮蔽部材であることを特徴とする車両用空調システム。
【請求項４】
請求項３に記載の車両用空調システムにおいて、
前記遮蔽部材は前記第１の熱交換器を収納するダクトであって、
前記ダクトは、前記第１の熱交換器を通過した外気を前記機器へ導くための第１の通路と、前記第１の熱交換器を通過した外気を車両外部へ排出するための第２の通路と、前記第１の熱交換器を通過した外気を前記第１および第２の通路のいずれか一方へ切り換えて配風する配風手段とを備えることを特徴とする車両用空調システム。
【請求項５】
請求項１に記載の車両用空調システムにおいて、
前記車両を電動駆動するための機器は複数の機器から成り、
前記放熱抑制手段として、発熱量のより大きな機器ほど前記第２の冷媒の流れに対してより下流とし、かつ、発熱量の最も大きな機器を前記第２の熱交換器の近傍に設ける配置構成を備えたことを特徴とする車両用空調システム。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の車両用空調システムにおいて、
前記第１の冷媒と前記第２の冷媒との間で熱交換する第３の熱交換器を備えたことを特徴とする車両用空調システム。
【請求項１】
第１の冷媒を圧縮する圧縮機、および前記第１の冷媒と外気との熱交換を行う第１の熱交換器を有して車室内空気の温度調節を行う空調装置と、
車両を電動駆動するための機器と第２の熱交換器との間で第２の冷媒を循環させて、前記機器から吸収した熱を前記第２の熱交換器において車室内空気へと放出する機器冷却装置と、を備えた車両用空調システムであって、
前記機器から周囲環境への放熱を抑制する放熱抑制手段を備えたことを特徴とする車両用空調システム。
【請求項２】
請求項１に記載の車両用空調システムにおいて、
前記放熱抑制手段は、前記機器を覆う断熱部材であることを特徴とする車両用空調システム。
【請求項３】
請求項１に記載の車両用空調システムにおいて、
前記放熱抑制手段は、前記第１の熱交換器と前記機器との間に設けられ、前記第１の熱交換器を通過した外気から前記機器を遮蔽する遮蔽部材であることを特徴とする車両用空調システム。
【請求項４】
請求項３に記載の車両用空調システムにおいて、
前記遮蔽部材は前記第１の熱交換器を収納するダクトであって、
前記ダクトは、前記第１の熱交換器を通過した外気を前記機器へ導くための第１の通路と、前記第１の熱交換器を通過した外気を車両外部へ排出するための第２の通路と、前記第１の熱交換器を通過した外気を前記第１および第２の通路のいずれか一方へ切り換えて配風する配風手段とを備えることを特徴とする車両用空調システム。
【請求項５】
請求項１に記載の車両用空調システムにおいて、
前記車両を電動駆動するための機器は複数の機器から成り、
前記放熱抑制手段として、発熱量のより大きな機器ほど前記第２の冷媒の流れに対してより下流とし、かつ、発熱量の最も大きな機器を前記第２の熱交換器の近傍に設ける配置構成を備えたことを特徴とする車両用空調システム。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の車両用空調システムにおいて、
前記第１の冷媒と前記第２の冷媒との間で熱交換する第３の熱交換器を備えたことを特徴とする車両用空調システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−１０５１５１（Ｐ２０１１−１０５１５１Ａ）
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２６２５２９（Ｐ２００９−２６２５２９）
【出願日】平成２１年１１月１８日（２００９．１１．１８）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月１８日（２００９．１１．１８）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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