WO2013073019A1 - 電気機器の冷却装置 - Google Patents

Abstract

　電気機器の冷却装置は、発熱源であるインバータ素子（１１０）を冷却するための冷却部（３０）を備える。冷却部（３０）は、インバータ素子（１１０）が設けられる表面（１３１）と、表面（１３１）の裏側に配置される裏面（１３６）とを有し、インバータ素子（１１０）で発生した熱を伝えるヒートマス（１３０）と、裏面（１３６）に設けられ、ヒートマス（１３０）を通じて伝えられた熱を放熱する空冷フィン（１４０）と、表面（１３１）に設けられ、車室空調用の冷媒が流通する冷媒通路（３２）を形成するエアコン冷媒配管（１２０）とを含む。このような構成により、冷却効率に優れた電気機器の冷却装置を実現する。

Description

電気機器の冷却装置

　この発明は、一般的には、車両に搭載された電気機器の冷却装置に関し、より特定的には、車室空調用の冷媒を用いた冷却と、フィン構造を用いた冷却とを併用する電気機器の冷却装置である。

　従来の電気機器の冷却装置に関して、たとえば、特開２００７－６９７３３号公報には、バッテリ等の発熱体を効率的に冷却するとともに、暖房性能の向上を図ることを目的とした、車両用空調装置を利用した発熱体冷却システムが開示されている（特許文献１）。特許文献１に開示された発熱体冷却システムにおいては、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が並列に配置され、空調装置用の冷媒を利用して発熱体を冷却する。

　また、特開２００５－９０８６２号公報には、蒸気圧縮式冷凍サイクルを利用してＨＶ機器を効率的に冷却することを目的とした冷却システムが開示されている（特許文献２）。特許文献２に開示された冷却システムにおいては、空調用の冷凍サイクルの減圧器、蒸発器および圧縮機をバイパスするバイパス通路に、発熱体を冷却するための発熱体冷却手段が設けられている。

　また、特開２００８－１０９１３１号公報には、熱的に効率がよく、半導体モジュールに完全に内蔵され、流体の汚染や漏れの問題を回避し、かつモジュールの取り付け／交換を容易にすることを目的とした冷却システムが開示されている（特許文献３）。特許文献３に開示された冷却システムにおいては、ハウジング内に画定されたくぼみに、電力デバイスが配設されている。ハウジング内に冷媒流体が能動的に循環されるとともに、ハウジングにはピンフィンが結合されている。

　また、特開２００２－２７０７４８号公報には、冷却能力が高く、かつ、製造時および運転時の熱応力による絶縁破壊のおそれを解消して高い信頼性を備えることを目的とした半導体モジュールおよび電極変換装置が開示されている（特許文献４）。特許文献４に開示された半導体モジュールにおいては、ベース板に、内部に流通路を有する導体部材が接合される。導体部材には、パワー半導体素子が半田により接合される。

特開２００７－６９７３３号公報 特開２００５－９０８６２号公報 特開２００８－１０９１３１号公報 特開２００２－２７０７４８号公報

　上述の特許文献に開示されるように、車両に搭載された電気機器を冷却する冷却装置として、車室内の空調のための蒸気圧縮式冷凍サイクルを利用する技術が提案されている。このような冷却装置においては、車両の燃費の悪化や空調能力の低下を回避すべく、車室空調用の冷媒による電気機器の冷却効率を高める必要がある。

　そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、冷却効率に優れた電気機器の冷却装置を提供することである。

　この発明に従った電気機器の冷却装置は、車両に搭載された電気機器の冷却装置である。電気機器の冷却装置は、電気機器に含まれる発熱源を冷却するための冷却部を備える。冷却部は、発熱源が設けられる第１表面と、第１表面の裏側に配置される第２表面とを有し、発熱源で発生した熱を伝える伝熱部材と、第２表面に設けられ、伝熱部材を通じて伝えられた熱を放熱するフィン部と、第１表面に設けられ、車室空調用の冷媒が流通する冷媒通路を形成する冷媒通路形成部材とを含む。

　このように構成された電気機器の冷却装置によれば、発熱源で発生し、伝熱部材を伝わる熱が、冷媒通路を形成する冷媒通路形成部材と、フィン部とにおいて放熱される。この際、伝熱部材を挟んで冷媒通路形成部材とフィン部とが反対側に設けられ、冷媒通路形成部材と発熱源とが同じ側に設けられるため、フィン部から冷媒通路形成部材への熱伝達を抑制しつつ、発熱源から冷媒通路形成部材への熱伝達を促進させることができる。これにより、電気機器の冷却効率を向上させることができる。

　また好ましくは、電気機器の冷却装置は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを構成し、車両空調用の冷媒が循環する循環通路と、循環通路と冷媒通路との間を連絡する連絡通路と、連絡通路の経路上に設けられ、循環通路と冷媒通路との間の冷媒流れを許容もしくは遮断する切り換え弁とをさらに備える。

　このように構成された電気機器の冷却装置によれば、切り換え弁の動作によって、車室空調用の冷媒を用いた冷却を選択的に利用することができる。

　また好ましくは、電気機器の冷却装置は、発熱源の温度を測定するための第１温度測定部と、伝熱部材の温度を測定するための第２温度測定部と、第１温度測定部および第２温度測定部でそれぞれ測定された発熱源の温度Ｔ０および伝熱部材の温度Ｔ１に基づいて、切り換え弁の動作を制御する制御部とをさらに備える。制御部は、Ｔ０－Ｔ１の値がβ１（β１は予め設定された閾値）以下である場合に、循環通路と冷媒通路との間の冷媒流れを許容するように、切り換え弁を動作させる。

　このように構成された電気機器の冷却装置によれば、発熱源の温度Ｔ０と伝熱部材の温度Ｔ１との差が予め設定された閾値β１以下である場合に、発熱源から伝熱部材への温度勾配が不十分と判断して、車室空調用の冷媒を用いた冷却を追加する。これにより、車室空調用の冷媒を用いた冷却を常時利用する場合と比較して、エネルギーの利用効率を高めることができる。

　また好ましくは、電気機器の冷却装置は、伝熱部材の温度を測定するための第２温度測定部と、フィン部の温度を測定するための第３温度測定部と、第２温度測定部および第３温度測定部でそれぞれ測定された伝熱部材の温度Ｔ１およびフィン部の温度Ｔ２に基づいて、切り換え弁の動作を制御する制御部とをさらに備える。制御部は、Ｔ１－Ｔ２の値がθ１（θ１は、予め設定された閾値）以下である場合に、循環通路と冷媒通路との間の冷媒流れを許容するように、切り換え弁を動作させる。

　このように構成された電気機器の冷却装置によれば、伝熱部材の温度Ｔ１とフィン部の温度Ｔ２との差が予め設定された閾値θ１以下である場合に、伝熱部材からフィン部への温度勾配が不十分と判断して、車室空調用の冷媒を用いた冷却を追加する。これにより、車室空調用の冷媒を用いた冷却を常時利用する場合と比較して、エネルギーの利用効率を高めることができる。

　また好ましくは、フィン部は、第２表面から突出して形成される。第３温度測定部は、第２表面から突出するフィン部の先端に設けられる。

　このように構成された電気機器の冷却構造によれば、冷媒通路を車室空調用の冷媒が流通している場合に、その冷媒による冷却の影響を排しつつフィン部の温度を測定することができる。

　また好ましくは、電気機器は、複数の発熱源を含む。冷媒通路形成部材は、互いに隣り合って配置される複数の発熱源の間に配置される。

　このように構成された電気機器の冷却構造によれば、複数の発熱源をより均等に冷却することができる。

　以上に説明したように、この発明に従えば、冷却効率に優れた電気機器の冷却装置を提供することができる。

この発明の実施の形態における電気機器の冷却装置が適用される車両を示す概略図である。 この発明の実施の形態における電気機器の冷却装置の構成を模式的に示す図である。 図２中の蒸気圧縮式冷凍サイクルにおける冷媒の状態を示すモリエル線図である。 蒸気圧縮式冷凍サイクルの運転中の、ＥＶ機器を冷却する冷媒の流れを示す模式図である。 蒸気圧縮式冷凍サイクルの停止中の、ＥＶ機器を冷却する冷媒の流れを示す模式図である。 この発明の実施の形態における電気機器の冷却装置において、流量調整弁および切り換え弁の開閉状態を示す図である。 図２中の冷却部の構造を示す断面図である。 比較のための冷却部の構造を示す断面図である。 この発明の実施の形態における電気機器の冷却装置の制御系を示すブロック図である。 Ａ／Ｃ冷媒冷却の作動条件を示す表である。 Ａ／Ｃ冷媒冷却時の制御フローを示すフローチャート図である。

　この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

　図１は、この発明の実施の形態における電気機器の冷却装置が適用される車両を示す概略図である。

　車両１０００は、内燃機関であるエンジン１００と、電動機である駆動ユニット２００と、ＰＣＵ（Power　Control　Unit）７００と、走行用バッテリ４００とを有し、エンジン１００および駆動ユニット２００を動力源とするハイブリッド自動車である。

　エンジン１００は、ガソリンエンジンであってもよいし、ディーゼルエンジンであってもよい。駆動ユニット２００は、エンジン１００とともに車両１０００を駆動する駆動力を発生させる。エンジン１００および駆動ユニット２００は、ともに車両１０００のエンジンルーム内に設けられている。駆動ユニット２００は、ケーブル５００によりＰＣＵ７００と電気的に接続されている。ＰＣＵ７００は、ケーブル６００により走行用バッテリ４００と電気的に接続されている。

　図２は、この発明の実施の形態における電気機器の冷却装置の構成を模式的に示す図である。

　図２を参照して、本実施の形態における電気機器の冷却装置は、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、車室内の冷房を行なうために、車両１０００に搭載されている。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。

　蒸気圧縮式冷凍サイクル１０は、圧縮機１２と、第１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２熱交換器としての熱交換器１８とを有する。蒸気圧縮式冷凍サイクル１０は、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を有する。

　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。

　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および熱交換器１４，１５の周囲の空気の間で熱交換するためのフィンとを有する。

　熱交換器１４，１５は、冷却風と冷媒との間で、熱交換を行なう。冷却風は、車両の走行によって発生する自然の通風によって熱交換器１４，１５に供給されてもよい。冷却風は、コンデンサファン４２もしく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熱交換器１４，１５に供給されてもよい。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。

　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。

　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、車室内へ流通する空調用空気から吸収して、車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り温度が低下した空調用空気が車室内に再び戻されることによって、車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。

　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および熱交換器１８の周囲の空気の間で熱交換するためのフィンとを有する。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。

　蒸気圧縮式冷凍サイクル１０は、圧縮機１２と熱交換器１４とを連通する冷媒通路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とを有する。

　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れる。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れる。

　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れる。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れる。

　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、フロン類または水などを用いることができる。

　気液分離器４０は、熱交換器１４と熱交換器１５との間の冷媒の経路上に設けられている。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。

　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。

　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３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。

　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。

　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とを有する。冷媒通路２３は、気液分離器４０で分離された気相冷媒が流れるための通路である。

　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、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とを連通する冷媒通路３６とを有する。冷媒通路３４を経由して、気液分離器４０から冷却部３０へ冷媒液が流れる。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へ向けて流れる冷媒の経路上に設けられている。

　図２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。

　本実施の形態における電気機器の冷却装置は、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、熱交換器１４と膨張弁１６との間を気液分離器４０から熱交換器１５へ向けて流れる冷媒の経路において並列に接続された複数の通路のうちの、一方に設けられている。冷却部３０は、車両に搭載される電気機器であるＥＶ（Electric　Vehicle）機器３１と、車室空調用の冷媒が流通する冷媒通路３２とを有する。ＥＶ機器３１は、その運動時に発熱する発熱源を含む。冷媒通路３２の一方の端部は、冷媒通路３４に接続される。冷媒通路３２の他方の端部は、冷媒通路３６に接続される。

　気液分離器４０と図２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に含まれる冷媒通路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とを有する。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。

　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、冷媒通路３２を経由して流れる冷媒は、電気機器としてのＥＶ機器３１に含まれる発熱源から熱を奪って、ＥＶ機器３１を冷却させる。冷却部３０は、気液分離器４０において分離され冷媒通路３４を経由して冷媒通路３２へ流れる液相の冷媒を用いて、ＥＶ機器３１を冷却する。冷却部３０において、冷媒通路３２内を流通する冷媒と、ＥＶ機器３１に含まれる発熱源とが熱交換することにより、ＥＶ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。

　冷却部３０は、冷媒通路３２においてＥＶ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。冷却部３０の構造については後で詳細に説明する。

　ＥＶ機器３１は、冷却通路３２の外部に配置される。この場合、冷媒通路３２の内部を流通する冷媒の流れにＥＶ機器３１が干渉することはない。このため、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、ＥＶ機器３１を冷却することができる。

　ＥＶ機器３１は、電力の授受によって発熱を伴う電気機器である。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昇圧コンバータ、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。

　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。

　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２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。

　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２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。

　図３は、図２中の蒸気圧縮式冷凍サイクルにおける冷媒の状態を示すモリエル線図である。図３中の横軸は、冷媒の比エンタルピーを示し、縦軸は、冷媒の絶対圧力を示す。比エンタルピーの単位はｋＪ／ｋｇであり、絶対圧力の単位はＭＰａである。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３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、ＥＶ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。このときの冷媒が流れる経路、すなわち冷媒通路２１、冷媒通路２２、冷媒通路３４、冷媒通路３６および冷媒通路２４～２７は、第１通路を形成する。

　図３を参照して、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における外気との熱交換によって、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）。

　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の冷媒通路３２へ流れ、ＥＶ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、ＥＶ機器３１が冷却される。ＥＶ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、ＥＶ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）。

　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）。

　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。

　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。

　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、ＥＶ機器３１と熱交換することでＥＶ機器３１を冷却する。本実施の形態における電気機器の冷却装置は、車両に搭載された発熱源であるＥＶ機器３１を、車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、ＥＶ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ＥＶ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。

　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、ＥＶ機器３１の冷却が行なわれるので、ＥＶ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。このため、ＥＶ機器３１の冷却装置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、冷却装置の製造コストを低減することができる。加えて、ＥＶ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、ＥＶ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。

　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。ＥＶ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、電気機器の冷却装置を得ることができる。

　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ＥＶ機器３１を冷却する冷媒の経路である冷媒通路３４，３６および冷媒通路３２とが並列に設けられる。冷媒通路３４，３６を含むＥＶ機器３１の冷却系は、冷媒通路２３と並列に接続されている。このため、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。ＥＶ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、ＥＶ機器３１は適切に冷却される。したがって、ＥＶ機器３１が過冷却されることを防止できる。

　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、ＥＶ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に流れないため、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。

　膨張弁１６を通過した後の低温低圧の冷媒をＥＶ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、本実施の形態における電気機器の冷却装置では、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１の凝縮器としての熱交換器１４と、第２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、ＥＶ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に向けて流れる冷媒の経路上に設けられている。

　ＥＶ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。このため、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、ＥＶ機器３１を冷却することができる。したがって、ＥＶ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。

　熱交換器１４から冷却部３０へ流れる冷媒は、ＥＶ機器３１を冷却するときに、ＥＶ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ＥＶ機器３１との熱交換量が減少してＥＶ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。このため、ＥＶ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。

　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、ＥＶ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ＥＶ機器３１との熱交換量の減少を回避できるので、ＥＶ機器３１を十分に効率よく冷却することができる。ＥＶ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ＥＶ機器３１の冷却能力との両方を確保した、電気機器の冷却装置を提供することができる。

　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を経由して流れ直接熱交換器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を経由して流れ、冷却部３０に供給されてＥＶ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ＥＶ機器３１を冷却することができるので、ＥＶ機器３１の冷却能力を向上させた電気機器の冷却装置を提供することができる。

　気液分離器４０の出口で飽和液の状態にある冷媒をＥＶ機器３１を冷却する冷媒通路３２に導入することにより、冷媒通路３４，３６および冷媒通路３２を含むＥＶ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。このため、ＥＶ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。

　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、ＥＶ機器３１の冷却性能を安定させることができる。

　図２を参照して、本実施の形態における電気機器の冷却装置は、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、冷媒通路３２を含むＥＶ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。

　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を経由して冷媒通路３２へ流れＥＶ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、冷媒通路３２を経由して流れＥＶ機器３１を冷却する冷媒の流量が大きくなる。

　流量調整弁２８の弁開度を大きくするとＥＶ機器３１を冷却する冷媒の流量が小さくなり、ＥＶ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ＥＶ機器３１を冷却する冷媒の流量が大きくなり、ＥＶ機器３１の冷却能力が向上する。流量調整弁２８を使用して、ＥＶ機器３１に流れる冷媒の量を最適に調節できるので、ＥＶ機器３１の過冷却を確実に防止することができ、加えて、ＥＶ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。

　本実施の形態における電気機器の冷却装置はさらに、冷媒通路５１を備える。冷媒通路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は、冷媒通路５１との分岐よりも上流側の冷媒通路３６ａと、冷媒通路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。

　冷媒通路３６および冷媒通路５１には、冷媒通路５１と冷媒通路２１，３６との連通状態を切り換える切り換え弁５２が設けられている。切り換え弁５２は、その開閉を切り換えることにより、冷媒通路５１を経由する冷媒の流通を可能または不可能にする。切り換え弁５２を使用して冷媒の経路を切り換えることにより、ＥＶ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、冷媒通路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。

　より具体的には、切り換え弁５２として２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、ＥＶ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、ＥＶ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５１を経由させて熱交換器１４へ流通させ、圧縮機１２を経由せずに冷却部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。

　図４は、蒸気圧縮式冷凍サイクルの運転中の、ＥＶ機器を冷却する冷媒の流れを示す模式図である。図５は、蒸気圧縮式冷凍サイクルの停止中の、ＥＶ機器を冷却する冷媒の流れを示す模式図である。図６は、この発明の実施の形態における電気機器の冷却装置において、流量調整弁および切り換え弁の開閉状態を示す図である。

　図６中に示す運転モードのうち「エアコン運転モード」とは、図４に示す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を示す。一方「ヒートパイプ運転モード」とは、図５に示す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を示す。

　図４および図６を参照して、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。切り換え弁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、冷媒が冷却装置の全体を流れるように冷媒の経路が選択される。このため、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、ＥＶ機器３１を効率よく冷却することができる。

　図５および図６を参照して、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り換え弁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３６ａから冷媒通路３６ｂへは流れず冷媒通路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、冷媒通路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。このときの冷媒が流れる経路、すなわち冷媒通路２１、冷媒通路２２、冷媒通路３４、冷媒通路３６ａおよび冷媒通路５１は、第２通路を形成する。

　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、ＥＶ機器３１を冷却するとき、ＥＶ機器３１から蒸発潜熱を受けて蒸発する。ＥＶ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、冷媒通路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、コンデンサファン４２もしく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。

　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、ＥＶ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、ＥＶ機器３１を確実に冷却することができる。ＥＶ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。

　図４および図５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。

　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（すなわち第２通路）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ＥＶ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、ＥＶ機器３１をより効率よく冷却することができる。

　冷媒通路５１と冷媒通路２１，３６との連通状態を切り換える切り換え弁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と冷媒通路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、ＥＶ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、２つの弁５７，５８を使用することにより、より低コストな電気機器の冷却構造を提供することができる。一方、２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電気機器の冷却構造を提供することができる。

　本実施の形態における電気機器の冷却構造はさらに、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と冷媒通路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５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。

　逆止弁５４がない場合、冷媒が冷媒通路５１から圧縮機１２側の冷媒通路２１へ流れるおそれがある。逆止弁５４を備えることによって、冷媒通路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ため、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ＥＶ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、ＥＶ機器３１を効率よく冷却することができる。

　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ＥＶ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。

　すなわち、本実施の形態における電気機器の冷却装置は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを構成し、車両空調用の冷媒が循環する循環通路としての冷媒通路２１～２７と、冷媒通路２１～２７と冷媒通路３２との間を連絡する連絡通路としての冷媒通路３４，３６，５１と、冷媒通路３４，３６，５１の経路上に設けられ、冷媒通路２１～２７と冷媒通路３２との間の冷媒流れを許容もしくは遮断する切り換え弁５２（弁５７および弁５８）とを備える。

　図７は、図２中の冷却部の構造を示す断面図である。図７を参照して、冷却部３０は、ヒートマス１３０と、空冷フィン１４０と、Ａ／Ｃ（Air　Conditioner）冷媒配管１２０とを有する。

　ヒートマス１３０は、熱伝導性に優れた材料により形成されている。ヒートマス１３０は、アルミニウムや銅などの金属から形成されている。ヒートマス１３０は、略直方体形状に形成されている。ヒートマス１３０は、表面１３１と、その裏側に配置された裏面１３６とを有する。表面１３１と裏面１３６とは、互いに平行に延在している。これに限られず、表面１３１と裏面１３６とは、これら表面が延在する延長上において互いに交わるように形成されてもよい。

　表面１３１には、複数のインバータ素子１１０が設けられている。インバータ素子１１０は、図２中のＥＶ機器３１がインバータである場合に、そのインバータに含まれる発熱源として設けられている。複数のインバータ素子１１０は、互いに間隔を隔てて表面１３１上に配置されている。複数のインバータ素子１１０は、等間隔に配置されている。

　表面１３１には、複数のエアコン冷媒配管１２０がさらに設けられている。エアコン冷媒配管１２０は、図２中の冷媒通路３２を形成している。エアコン冷媒配管１２０は、互いに隣り合うインバータ素子１１０間に配置されている。エアコン冷媒配管１２０は、その両側に設けられる２つのインバータ素子１１０から等距離となる位置に配置されている。

　裏面１３６には、空冷フィン１４０が設けられている。空冷フィン１４０は、熱伝導性に優れた材料により形成されている。空冷フィン１４０は、アルミニウムや銅などの金属から形成されている。空冷フィン１４０は、裏面１３６から突出し、ヒートマス１３０から遠ざかる方向に延びている。空冷フィン１４０は、裏面１３６に接続される根元部１４６と、裏面１３６から突出する先端に設けられる先端部１４１とを有する。裏面１３６を正面から見た場合に、空冷フィン１４０は、複数のインバータ素子１１０が設けられた領域に重なる領域に設けられている。空冷フィン１４０には、車両の走行風、もしくは図示しないファンからの送風が冷却風として供給される。

　インバータ素子１１０とエアコン冷媒配管１２０との間の距離は、空冷フィン１４０とエアコン冷媒配管１２０との間の距離よりも小さい。

　ＥＶ機器３１の運転に伴って、複数のインバータ素子１１０が発熱する。インバータ素子１１０で発生した熱は、ヒートマス１３０および空冷フィン１４０を伝わって、空冷フィン１４０に供給された冷却風に放熱される。また、インバータ素子１１０で発生した熱は、ヒートマス１３０およびエアコン冷媒配管１２０を伝わって、冷媒通路３２を流通する冷媒に放熱される。すなわち、本実施の形態における電気機器の冷却装置においては、ＥＶ機器３１の冷却に、空冷フィン１４０を用いた冷却（フィン冷却）と、冷媒通路３２を流通する車室空調用の冷媒を用いた冷却（Ａ／Ｃ冷媒冷却）とが併用される。

　図８は、比較のための冷却部の構造を示す断面図である。図８を参照して、本比較例では、エアコン冷媒配管１２０がヒートマス１３０に内蔵されている。表面１３１には、複数のインバータ素子１１０が設けられ、裏面１３６には、空冷フィン１４０が設けられている。インバータ素子１１０と空冷フィン１４０との間にエアコン冷媒配管１２０が配置されている。

　このような構成を備える比較例においては、インバータ素子１１０から見て、エアコン冷媒配管１２０と空冷フィン１４０とが同じ側に配置されている。エアコン冷媒配管１２０を流通する冷媒の温度は、空冷フィン１４０に供給される冷却風の温度よりも低いため、この場合、エアコン冷媒配管１２０を流通する冷媒が、インバータ素子１１０で発生した熱を吸熱するだけでなく、空冷フィン１４０に供給された冷却風（空気）からも大量に吸熱してしまう。結果、Ａ／Ｃ冷媒冷却によるインバータ素子１１０で発生した熱の放熱効果が損なわれる懸念がある。

　図７を参照して、これに対して、本実施の形態における電気機器の冷却装置においては、ヒートマス１３０を挟んでエアコン冷媒配管１２０と空冷フィン１４０とが反対側に設けられ、エアコン冷媒配管１２０とインバータ素子１１０とが同じ側に設けられている。このような構成により、空冷フィン１４０からエアコン冷媒配管１２０を流通する冷媒への放熱を抑制しつつ、インバータ素子１１０からエアコン冷媒配管１２０を流通する冷媒への放熱を促進させることができる。これにより、Ａ／Ｃ冷媒冷却時におけるＥＶ機器３１の冷却効率を向上させることができる。

　図９は、この発明の実施の形態における電気機器の冷却装置の制御系を示すブロック図である。

　図７および図９を参照して、本実施の形態における電気機器の冷却装置は、Ａ／Ｃ_ＥＣＵ（Electronic　Control　Unit）１８０と、素子用温度センサ１５０と、ヒートマス用温度センサ１６０と、フィン用温度センサ１７０とを有する。

　Ａ／Ｃ_ＥＣＵ１８０は、車両に搭載されたエアコン（Ａ／Ｃ、Air　Conditioner）を制御するとともに、ＥＶ機器３１を冷却するためのＡ／Ｃ冷媒冷却を制御する。素子用温度センサ１５０は、インバータ素子１１０に設けられ、インバータ素子１１０の温度を測定する。ヒートマス用温度センサ１６０は、ヒートマス１３０に設けられ、ヒートマス１３０の温度を測定する。フィン用温度センサ１７０は、空冷フィン１４０に設けられ、空冷フィン１４０の温度を測定する。

　本実施の形態では、ヒートマス用温度センサ１６０は、表面１３１の近傍に設けられている。ヒートマス用温度センサ１６０と表面１３１との間の距離は、ヒートマス用温度センサ１６０と裏面１３６との間の距離よりも小さい。また、フィン用温度センサ１７０は、裏面１３６から突出する空冷フィン１４０の先端部１４１に設けられている。これにより、Ａ／Ｃ冷媒配管１２０を流通する冷媒による冷却の影響を排しつつ空冷フィン１４０の温度を測定することができる。

　図１０は、Ａ／Ｃ冷媒冷却の作動条件を示す表である。図１１は、Ａ／Ｃ冷媒冷却時の制御フローを示すフローチャート図である。

　図６、図１０および図１１を参照して、本実施の形態における電気機器の冷却構造においては、素子用温度センサ１５０、ヒートマス用温度センサ１６０およびフィン用温度センサ１７０でそれぞれ測定されるインバータ素子１１０、ヒートマス１３０および空冷フィン１４０の温度に基づいて、Ａ／Ｃ冷媒冷却の作動を制御する。

　具体的には、まず、素子用温度センサ１５０およびヒートマス用温度センサ１６０により、インバータ素子１１０の温度Ｔ０およびヒートマス１３０の温度Ｔ１をそれぞれ測定する。Ａ／Ｃ_ＥＣＵ１８０は、インバータ素子１１０の温度Ｔ０とヒートマス１３０の温度Ｔ１との差（Ｔ０－Ｔ１）が、予め定められたβ１以下であるか否かを判断する。（Ｔ０－Ｔ１）≦β１である場合、Ａ／Ｃ_ＥＣＵ１８０は、エアコン運転モード時には、弁５７および弁５８をそれぞれ全開および全閉にし、ヒートパイプ運転モード時には、弁５７および弁５８をそれぞれ全閉および全開にして、エアコン冷媒冷却を作動させる（ＣＡＳＥ１）。一方、（Ｔ０－Ｔ１）＞β１である場合、次のフローに進む（ＣＡＳＥ２）。

　次に、Ａ／Ｃ_ＥＣＵ１８０は、インバータ素子１１０の温度Ｔ０とヒートマス１３０の温度Ｔ１との差（Ｔ０－Ｔ１）が、予め定められたβ２以下であるか否かを判断する（β２は、β１よりも大きい値）。（Ｔ０－Ｔ１）＞β２である場合、Ａ／Ｃ_ＥＣＵ１８０は、弁５７および弁５８を全閉にして、エアコン冷媒冷却の作動を停止させる（ＣＡＳＥ３）。（Ｔ０－Ｔ１）≦β２である場合、次のフローに進む。

　次に、ヒートマス用温度センサ１６０およびフィン用温度センサ１７０により、ヒートマス１３０の温度Ｔ１および空冷フィン１４０の温度Ｔ２をそれぞれ測定する。Ａ／Ｃ_ＥＣＵ１８０は、ヒートマス１３０の温度Ｔ１と空冷フィン１４０の温度Ｔ２との差（Ｔ１－Ｔ２）が、予め定められたθ１以下であるか否かを判断する。（Ｔ１－Ｔ２）≦θ１である場合、Ａ／Ｃ_ＥＣＵ１８０は、エアコン運転モード時には、弁５７および弁５８をそれぞれ全開および全閉にし、ヒートパイプ運転モード時には、弁５７および弁５８をそれぞれ全閉および全開にして、エアコン冷媒冷却を作動させる（ＣＡＳＥ４）。一方、（Ｔ１－Ｔ２）＞θ１である場合、Ａ／Ｃ_ＥＣＵ１８０は、弁５７および弁５８を全閉にして、エアコン冷媒冷却の作動を停止させる（ＣＡＳＥ５）。

　このような構成によれば、基本的には、空冷フィン１４０を用いたフィン冷却によってインバータ素子１１０で発生した熱を放熱させ、フィン冷却だけでは冷却能力が不足する場合や外気温が高い場合などに、エアコン冷媒冷却を作動させる。これにより、エアコン冷媒冷却を常時利用する場合と比較して、エネルギーの利用効率を高め、車両の燃費の悪化や空調能力の低下を回避することができる。

　なお、本実施の形態では、ＣＡＳＥ３およびＣＡＳＥ５においてエアコン冷媒冷却の作動を停止させたが、エアコン冷媒冷却のモードがヒートパイプ運転モードである場合には、エアコン冷媒冷却を続行させてもよい。

　以上に説明した、この発明の実施の形態における電気機器の冷却装置の構造についてまとめて説明すると、本実施の形態における電気機器の冷却装置は、車両に搭載された電気機器としてのＥＶ機器３１の冷却装置である。電気機器の冷却装置は、ＥＶ機器３１に含まれる発熱源としてのインバータ素子１１０を冷却するための冷却部３０を備える。冷却部３０は、インバータ素子１１０が設けられる第１表面としての表面１３１と、表面１３１の裏側に配置される第２表面としての裏面１３６とを有し、インバータ素子１１０で発生した熱を伝える伝熱部材としてのヒートマス１３０と、裏面１３６に設けられ、ヒートマス１３０を通じて伝えられた熱を放熱するフィン部としての空冷フィン１４０と、表面１３１に設けられ、車室空調用の冷媒が流通する冷媒通路３２を形成する冷媒通路形成部材としてのエアコン冷媒配管１２０とを含む。

　このように構成された、この発明の実施の形態における電気機器の冷却構造によれば、エアコン冷媒配管１２０をインバータ素子１１０の近傍であって、空冷フィン１４０から遠い位置に設けることによって、Ａ／Ｃ冷媒冷却時におけるＥＶ機器３１の冷却効率を向上させることができる。また、インバータ素子１１０、ヒートマス１３０および空冷フィン１４０の温度に基づいてＡ／Ｃ冷媒冷却の作動を制御することによって、フィン冷却の補助手段としてＡ／Ｃ冷媒冷却を効率的に利用することができる。

　なお、本発明が適用される、エアコン冷媒を用いた電気機器の冷却装置は、図２中に示す冷却システムに限られない。たとえば、熱交換器１４に冷媒を過冷却する冷却性能を待たせることによって、熱交換器１５を省略した冷却システムとしてもよいし、熱交換器１８とは別の目的で周囲の空気の熱を吸熱する熱交換器を、熱交換器１８と並列に設けた冷却システムとしてもよい。

　また、本発明における電気機器の冷却装置は、エンジンと電動機とを動力源とするハイブリッド自動車のみならず、電動機のみを動力源とする電気自動車にも適用可能である。

　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。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、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。

　この発明は、たとえば、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自動車や電気自動車などの車両に適用される。

　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、２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，３２，３４，３６，３６ａ，３６ｂ，５１　冷媒通路、２８　流量調整弁、３０　冷却部、３１　ＥＶ機器、４０　気液分離器、４２　コンデンサファン、５２　切り換え弁、５４　逆止弁、５７，５８　弁、６０　地面、９０　ダクト、９１　ダクト入口、９２　ダクト出口、９３　ファン、１００　エンジン、１１０　インバータ素子、１２０　エアコン冷媒配管、１２０　Ａ／Ｃ冷媒配管、１３０　ヒートマス、１３１　表面、１３６　裏面、１４０　空冷フィン、１４１　先端部、１４６　根元部、１５０　素子用温度センサ、１６０　ヒートマス用温度センサ、１７０　フィン用温度センサ、２００　駆動ユニット、４００　走行用バッテリ、５００，６００　ケーブル、１０００　車両。

Claims (6)

1. 　車両に搭載された電気機器の冷却装置であって、
   　電気機器（３１）に含まれる発熱源（１１０）を冷却するための冷却部（３０）を備え、
   　前記冷却部（３０）は、
   　前記発熱源（１１０）が設けられる第１表面（１３１）と、前記第１表面（１３１）の裏側に配置される第２表面（１３６）とを有し、前記発熱源（１１０）で発生した熱を伝える伝熱部材（１３０）と、
   　前記第２表面（１３６）に設けられ、前記伝熱部材（１３０）を通じて伝えられた熱を放熱するフィン部（１４０）と、
   　前記第１表面（１３１）に設けられ、車室空調用の冷媒が流通する冷媒通路（３２）を形成する冷媒通路形成部材（１２０）とを含む、電気機器の冷却装置。
2. 　蒸気圧縮式の冷凍サイクルを構成し、車両空調用の冷媒が循環する循環通路（２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７）と、
   　前記循環通路（２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７）と前記冷媒通路（３２）との間を連絡する連絡通路（３４，３６，５１）と、
   　前記連絡通路（３４，３６，５１）の経路上に設けられ、前記循環通路（２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７）と前記冷媒通路（３２）との間の冷媒流れを許容もしくは遮断する切り換え弁（５２）とをさらに備える、請求項１に記載の電気機器の冷却装置。
3. 　前記発熱源（１１０）の温度を測定するための第１温度測定部（１５０）と、
   　前記伝熱部材（１３０）の温度を測定するための第２温度測定部（１６０）と、
   　前記第１温度測定部（１５０）および前記第２温度測定部（１６０）でそれぞれ測定された前記発熱源（１１０）の温度Ｔ０および前記伝熱部材（１３０）の温度Ｔ１に基づいて、前記切り換え弁（５２）の動作を制御する制御部（１８０）とをさらに備え、
   　前記制御部（１８０）は、Ｔ０－Ｔ１の値がβ１（β１は予め設定された閾値）以下である場合に、前記循環通路（２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７）と前記冷媒通路（３２）との間の冷媒流れを許容するように、前記切り換え弁（５２）を動作させる、請求項２に記載の電気機器の冷却装置。
4. 　前記伝熱部材（１３０）の温度を測定するための第２温度測定部（１６０）と、
   　前記フィン部（１４０）の温度を測定するための第３温度測定部（１７０）と、
   　前記第２温度測定部（１６０）および前記第３温度測定部（１７０）でそれぞれ測定された前記伝熱部材（１３０）の温度Ｔ１および前記フィン部（１４０）の温度Ｔ２に基づいて、前記切り換え弁（５２）の動作を制御する制御部（１８０）とをさらに備え、
   　前記制御部（１８０）は、Ｔ１－Ｔ２の値がθ１（θ１は、予め設定された閾値）以下である場合に、前記循環通路（２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７）と前記冷媒通路（３２）との間の冷媒流れを許容するように、前記切り換え弁（５２）を動作させる、請求項２に記載の電気機器の冷却装置。
5. 　前記フィン部（１４０）は、前記第２表面（１３６）から突出して形成され、
   　前記第３温度測定部（１７０）は、前記第２表面（１３６）から突出する前記フィン部（１４０）の先端に設けられる、請求項４に記載の電気機器の冷却装置。
6. 　前記電気機器（３１）は、複数の前記発熱源（１１０）を含み、
   　前記冷媒通路形成部材（１２０）は、互いに隣り合って配置される複数の前記発熱源（１１０）の間に配置される、請求項１に記載の電気機器の冷却装置。

Images