JP2014136548A - 車両用ヒートポンプ装置、車両用空調システムおよび電力用半導体冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電力用半導体の過熱保護および空調性能の変動抑制を両立する車両用ヒートポンプ装置、車両用空調システムおよび電力用半導体冷却方法を提供すること。
【解決手段】この車両用ヒートポンプ装置は、吸入した前記冷媒を圧縮して吐出する圧縮機構および前記圧縮機構を駆動する電動モータを有する電動圧縮機と、電源から給電される直流電力を交流電力に変換して前記電動モータへ供給する電力用半導体と、前記電力用半導体が放熱可能なように前記電力用半導体と隣接し、前記冷却液が流れる通路と、前記冷却液を輸送するウォータポンプと、前記電力用半導体および前記ウォータポンプの駆動を制御する制御部と、を具備し、前記制御部は、前記電力用半導体が前記電動モータへ電力を供給している際、前記電力用半導体の温度が所定の温度以上となった場合、前記ウォータポンプの回転数を増加させる制御を行う構成を採る。
【選択図】図８

Description

本発明は、車両用ヒートポンプ装置、車両用空調システムおよび電力用半導体冷却方法に関する。

電気で走行する自動車では、空調装置の冷媒を圧縮する圧縮機として電動圧縮機が採用される。電動圧縮機は、圧縮機構を動かす電動モータと、電動モータを駆動する駆動回路（例えばインバータ回路）とを備える。駆動回路は発熱するため冷却する必要がある。駆動回路を冷却する技術として、例えば、特許文献１に開示の負荷駆動装置の過熱保護装置が知られている。

特許文献１には、温度センサが絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）近傍の金属ケースに固定またはＩＧＢＴチップに集積され、金属ケースの反実装面に設けられたフィンが空冷される過熱保護装置が開示されている。この過熱保護装置は、温度センサが検出した温度変化速度が上昇方向に大きい場合に、ＩＧＢＴの通電電流の減少速度を増大させることでＩＧＢＴの過熱を防止する。なお、ＩＧＢＴは、電力用半導体であり、パワー半導体、パワー素子とも呼ばれる。

特開２０００−８３３８３号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示の過熱保護装置では、ＩＧＢＴの過熱保護を行う際、ＩＧＢＴの通電電流の減少速度を増大させるため、電動圧縮機の回転数が減少し、最大空調能力を維持することができないという問題がある。また、このような空調性能の変動に伴って、車室内に吹出される空調風の温度が変動し、車室内の快適性が損なわれるおそれがある。

本発明の目的は、電力用半導体の過熱保護および空調性能の変動抑制を両立する車両用ヒートポンプ装置、車両用空調システムおよび電力用半導体冷却方法を提供することである。

本発明の一態様に係る車両用ヒートポンプ装置は、冷却液と冷媒との間で熱交換を行う車両用ヒートポンプ装置であって、吸入した前記冷媒を圧縮して吐出する圧縮機構および前記圧縮機構を駆動する電動モータを有する電動圧縮機と、電源から給電される直流電力を交流電力に変換して前記電動モータへ供給する電力用半導体と、前記電力用半導体が放熱可能なように前記電力用半導体と隣接し、前記冷却液が流れる通路と、前記冷却液を輸送するウォータポンプと、前記電力用半導体および前記ウォータポンプの駆動を制御する制御部と、を具備し、前記制御部は、前記電力用半導体が前記電動モータへ電力を供給している際、前記電力用半導体の温度が所定の温度以上となった場合、前記ウォータポンプの回転数を増加させる制御を行う構成を採る。

本発明の一態様に係る車両用空調システムは、冷却液と冷媒との間で熱交換を行う車両用ヒートポンプ装置を備える車両用空調システムであって、吸入した前記冷媒を圧縮して吐出する圧縮機構および前記圧縮機構を駆動する電動モータを有する電動圧縮機と、電源から給電される直流電力を交流電力に変換して前記電動モータへ供給する電力用半導体と、前記電力用半導体が放熱可能なように前記電力用半導体と隣接し、前記冷却液が流れる通路と、前記冷却液を輸送するウォータポンプと、前記電力用半導体の駆動を制御する制御部と、前記制御部は、前記電力用半導体が前記電動モータへ電力を供給している際、前記電力用半導体の温度が所定の温度以上となった場合、前記ウォータポンプの回転数を増加させる制御を行う構成を採る。

本発明の一態様に係る電力用半導体冷却方法は、冷却液と冷媒との間で熱交換を行う車両用ヒートポンプ装置における電力用半導体冷却方法であって、制御部は、前記冷媒を圧縮して吐出する電動圧縮機に電力を供給する電力用半導体の温度を取得し、取得した前記電力用半導体の温度が所定の温度以上であるか否かを判定し、前記電力用半導体が前記電動圧縮機へ電力を供給している際、前記電力用半導体の温度が所定の温度以上となった場合、前記冷却液を輸送するウォータポンプの回転数を増加させる制御を行うようにした。

本発明によれば、電力用半導体の過熱保護および空調性能の変動抑制を両立することができる。

本実施の形態に係る車両用ヒートポンプ装置を示す斜視図 本実施の形態の車両用ヒートポンプ装置を示す一部破断図 本実施の形態の車両用ヒートポンプ装置の冷媒および冷却液の流れについて説明する図 車両用ヒートポンプ装置を用いた車両温度調整システムについて説明する図 車両用ヒートポンプ装置を用いた車両温度調整システムについて説明する図 車両用ヒートポンプ装置のコンプレッサ筐体側の構成を示す一部破断の斜視図 車両用ヒートポンプ装置のコンプレッサ筐体側の構成を示す断面図 図７のＤ−Ｄ線断面図 車両用ヒートポンプ装置のインバータの周辺を示す一部破断の斜視図 図９のＥ−Ｅ線断面図 実施の形態のインバータ周辺の構成を示すブロック図 暖房時における車両用ヒートポンプ装置の制御部の処理手順を示すフロー図 パワー素子温度とウォータポンプ回転数との関係の一例を示す図 冷房時における車両用ヒートポンプ装置の制御部の処理手順を示すフロー図 パワー素子温度とラジエータファン回転数との関係の一例を示す図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一要素は原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明を省略する。

＜車両用ヒートポンプ装置の構成＞
まず、本発明の実施の形態における各構成について、図１および図２を用いて説明する。図１および図２は、本実施の形態に係る車両用ヒートポンプ装置の構成を示す図である。

車両用ヒートポンプ装置１は、車両に搭載される装置であり、低温側水冷媒熱交換器１１０と、高温側水冷媒熱交換器１１１と、冷媒を圧縮し吐出する電動圧縮機１１２と、コンプレッサ筐体１０９等を備える。ここで、車両とは、例えば、電気自動車である。電気自動車とは、例えば、ＥＶ（Electric Vehicle）、ＰＨＥＶ（Plug-in Hybrid Electric Vehicle）、またはＨＥＶ（Hybrid Electric Vehicle）等、車両に搭載されている蓄電池を用いて走行する車両である。

車両用ヒートポンプ装置１は、その内部にヒートポンプを有し、ヒートポンプの冷媒と低温側の冷却液（第２の冷却液に相当）および高温側の冷却液（第１の冷却液に相当）との間で熱交換を行う。低温側の冷却液と高温側の冷却液とは、車両用ヒートポンプ装置１の外部から導入される。

冷媒は、例えば、二酸化炭素（ＣＯ_２）など、電気自動車に要求される極低温の環境下でもヒートポンプサイクルの効率を向上できる一方、作動圧力が高くなるものが採用される。

冷却液は、例えば、エチレングリコール水溶液などの液体である。冷却液は、不凍液であれば良く、エチレングリコール水溶液以外にプロピレングリコール水溶液を用いることも可能である。

高温側の冷却液は、高温側導入管１０４を介してコンプレッサ筐体１０９の外部から導入される（図１の矢印Ｂ）。この導入された冷却液は、高温側水冷媒熱交換器１１１にて加熱され、高温側導出管１０５から導出される（図１の矢印Ｂ）。冷却液は、高温側ウォータポンプ１０１が備える電動モータの駆動力にて輸送される。

高温側水冷媒熱交換器１１１は、高温高圧の冷媒が流れる通路と高温側の冷却液が流れる通路とを備え、これら通路の間で熱を移動させるように構成されている。

低温側の冷却液は、低温側導入管１０６を介して車両用ヒートポンプ装置１の外部から導入される（図１の矢印Ａ）。導入された冷却液は、低温側水冷媒熱交換器１１０にて冷却され、低温側導出管１０７から導出される（図１の矢印Ａ）。冷却液は、低温側ウォータポンプ１０２が備える電動モータの駆動力にて輸送される。

低温側水冷媒熱交換器１１０は、低温低圧の冷媒が流れる通路と低温側の冷却液が流れる通路とを備え、これらの通路の間で熱を移動させるように構成されている。

電動圧縮機１１２は、電動モータ１１２ａと圧縮機構１１２ｂとにより構成される。圧縮機構１１２ｂは、電動モータ１１２ａが発生する駆動力により冷媒を圧縮して吐出する機構である。圧縮機構１１２ｂは、例えば、スクロール型を用いることができる。電動モータ１１２ａは、インバータ（駆動回路に相当）１１３により電気的に駆動される。インバータ１１３は電力用半導体（例えばＩＧＢＴ：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）を有しており、給電部１０３から給電される直流電力を３相交流電力に変換して電動モータ１１２ａへ供給する。電力用半導体は、パワー半導体、パワー素子とも呼ばれる。

また、車両用ヒートポンプ装置１は、電動圧縮機１１２の冷媒の入口の上流にアキュムレータ１０８を備える。アキュムレータ１０８は、冷媒を気体と液体に分離させることで、電動圧縮機１１２へ気体の冷媒のみを供給する役割をなす。電動圧縮機１１２の破壊を防止するためである。

また、車両用ヒートポンプ装置１は、低温側水冷媒熱交換器１１０の冷媒の入口の上流に膨張弁１１４を備える。膨張弁１１４は、熱量を変化させずに高圧の冷媒を膨張させて低圧にすることで、冷媒を低温にして低温側水冷媒熱交換器１１０へ送る。

また、車両用ヒートポンプ装置１は、車両用ヒートポンプ装置１の外部から電源供給を受けるための給電部１０３を備える。給電部１０３は、コンプレッサ筐体１０９の外壁に備える。給電部１０３へ供給された電気エネルギーは、電動圧縮機１１２、高温側ウォータポンプ１０１、および、低温側ウォータポンプ１０２のそれぞれが備える電動モータの駆動に用いられる。

＜車両用ヒートポンプ装置の動作＞
次に、図３を用いて車両用ヒートポンプ装置１の冷媒と冷却液の流れについて説明する。

始めに、冷媒の流れを説明する。図３の矢印Ｃは冷媒の流れる方向を示している。冷媒は、電動圧縮機１１２、高温側水冷媒熱交換器１１１、膨張弁１１４、低温側水冷媒熱交換器１１０を、この順で流れる。この冷媒の流れにより、ヒートポンプサイクルが構成される。

電動圧縮機１１２で圧縮された高温高圧の冷媒は、高温側水冷媒熱交換器１１１にて熱を放出して液体となる。液体となった冷媒は、膨張弁１１４にて急激に膨張され、低温低圧の冷媒となる。この低温低圧の冷媒は、低温側水冷媒熱交換器１１０にて熱を吸収して蒸発する。蒸発した冷媒はアキュムレータ１０８を通過して電動圧縮機１１２にて再度、圧縮される。

続いて、冷却液の流れを説明する。高温側導入管１０４を介してコンプレッサ筐体１０９の外部から導入された冷却液は、インバータ１１３から発せられた熱を吸熱し、高温側水冷媒熱交換器１１１にて高温の冷媒と熱交換を行って加熱される。加熱された冷却液は、高温側導出管１０５から導出される。

低温側導入管１０６を介して車両用ヒートポンプ装置１の外部から導入された冷却液は、低温側水冷媒熱交換器１１０にて低温の冷媒と熱交換を行って冷却され、低温側導出管１０７から導出される。

このように、実施の形態の車両用ヒートポンプ装置１では、装置内だけで冷媒を循環させてヒートポンプサイクルを実現している。さらに、高温側水冷媒熱交換器１１１および低温側水冷媒熱交換器１１０は、空気ではなく液体（冷却液）と冷媒との間で熱交換を行う。この構成により、車両用ヒートポンプ装置１は、冷却液を介して車両用ヒートポンプ装置１から離れた箇所から熱を吸収し、車両用ヒートポンプ装置１から離れた箇所へ熱を放出することができる。

＜車両温度調整システム＞
次に、図４および図５を用いて、車両用ヒートポンプ装置１を用いた車両温度調整システムについて説明する。図４は車両温度調整システムの暖房運転時の説明図、図５は車両温度調整システムの冷房運転時の説明図である。

高温側導出管１０５から導出した加熱された冷却液、および、低温側導出管１０７から導出した冷却された冷却液は車両用空調装置２へ導入され、冷房もしくは暖房に用いられる。車両用空調装置２は、ファイアウォール７の車室側に配置され、車室内の空調を行う装置である。車両用ヒートポンプ装置１は、ファイアウォール７の車室外の側に配置される。

車両用空調装置２は、冷房用空気水熱交換器２００、暖房用空気水熱交換器２０１、ブロワファン２０２、および、切換ドア２０３を備える。

冷房用空気水熱交換器２００は、ブロワファン２０２により送風された空気と、低温側導出管１０７から導出した冷却された冷却液との間で熱交換を行い、空気を冷却するものである。冷却された空気は車室内へ導かれ、車室内の冷房に用いられる。

冷房用空気水熱交換器２００にて加熱された冷却液は、低温側導入管１０６を介して、再度、車両用ヒートポンプ装置１へ導入される。

暖房用空気水熱交換器２０１は、ブロワファン２０２により送風された空気と、高温側導出管１０５から導出した加熱された冷却液との間で熱交換を行い、空気を加熱するものである。加熱された空気は車室内へ導かれ、車室内の暖房に用いられる。

暖房用空気水熱交換器２０１にて冷却された冷却液は、高温側導入管１０４を介して、再度、車両用ヒートポンプ装置１へ導入される。なお、第１のラジエータ５は、冷房時の冷却液の放熱に用いられる。

車両用ヒートポンプ装置１が導出する冷却液は、発熱体３の冷却に用いることも可能である。ここで、発熱体３とは、例えば、電気自動車に用いられる走行用モータ、走行用モータを駆動するためのインバータ、走行用モータへ電気エネルギーを供給するための蓄電池、車両外部から蓄電池を充電するための充電器、蓄電池の電圧変換を行うためのＤＣ−ＤＣ変換器などの、発熱部材である。これら発熱部材は電気自動車の走行中等に冷却を必要とする。

発熱体３から放出される熱は、冷却液に吸熱させる。すなわち、冷却液は加熱される。この加熱された冷却液は、低温側導入管１０６へ導かれ、車両用ヒートポンプ装置１にて冷却される。この加熱された冷却液は、第２のラジエータ６で放熱させることで、冷却することもできる。

車両用空調装置２を車室内の暖房に用いる場合は、発熱体３から放出された熱を、冷却液に吸熱させる。すなわち、冷却液は加熱される。この加熱された冷却液は、低温側導入管１０６へ導かれ、低温側水冷媒熱交換器１１０にて冷却される。

この際、冷媒に回収（吸熱）された熱を、高温側水冷媒熱交換器１１１にて高温側の冷却液に回収（吸熱）させ、この冷却液を高温側導出管１０５から導出させ、暖房用空気水熱交換器２０１に導くことで、車室内の空気の加熱に利用する事も可能である。

車両温度調整システムでは、図４と図５とに示すように、複数の三方弁Ｔによる冷却液の経路の切り替え、ならびに、切換ドア２０３による車室内へ向かう空気の経路の切り替えにより、車室内の暖房および冷房等の切り替えを行うことができる。

＜高温側水冷媒熱交換器の詳細＞
次に、実施の形態の車両用ヒートポンプ装置１におけるコンプレッサ筐体１０９側の構成を詳細に説明する。

図６は、車両用ヒートポンプ装置のコンプレッサ筐体側の構成を示す一部破断の斜視図である。図７は、車両用ヒートポンプ装置のコンプレッサ筐体側の構成を示す断面図である。図８は、図７のＤ−Ｄ線断面図である。

高温側水冷媒熱交換器１１１および電動圧縮機１１２は、コンプレッサ筐体１０９に収められて一体化されている。コンプレッサ筐体１０９は、密閉性を有し、冷却液および冷媒の各導入口および各導出口を除いて、高温側水冷媒熱交換器１１１と電動圧縮機１１２とを内部に閉じ込める。

高温側水冷媒熱交換器１１１は、図６〜図８に示すように、冷媒が流れる通路１１１ａと、冷却液が流れる通路１１１ｂとを備えている。

冷却液の通路１１１ｂは、例えば、電動圧縮機１１２の周囲に沿って二次元方向（図６のＸ−Ｒ方向）に広がる空間により構成され、通路１１１ｂの一端および他端に冷却液の導入口１１１ｂｉｎと導出口１１１ｂｏｕｔとが設けられている。導出口１１１ｂｏｕｔは、高温側ウォータポンプ１０１に通じている。また、通路１１１ｂの一部は、コンプレッサ筐体１０９の壁体により構成されている。

冷媒の通路１１１ａは、例えば、複数の直線状且つ筒状の配管により構成され、冷却液の通路１１１ｂを横切るように通路１１１ｂを囲う空間内に配置されている。図８に示すように、複数の通路１１１ａは、電動圧縮機１１２の周方向（図６のＲ方向）に分散して配置されている。各通路１１１ａの一端は、図７に示すように、電動圧縮機１１２の冷媒導出口につながる冷媒室１１１ｃに通じ、各通路１１１ａの他端は、膨張弁１１４につながる冷媒室１１１ｄに通じている。冷媒室１１１ｃ、１１１ｄの一部は、コンプレッサ筐体１０９の壁体により構成されている。

高温側水冷媒熱交換器１１１は、図６〜図８に示すように、電動圧縮機１１２（電動モータ１１２ａおよび圧縮機構１１２ｂ）の周囲を囲うように配置され、電動圧縮機１１２と高温側水冷媒熱交換器１１１とは熱的に結合している。

冷媒は、導入口１４２（図７を参照）を介して、低温側水冷媒熱交換器１１０から電動圧縮機１１２へ導入される。また、冷媒は、導出口１４１（図７を参照）を介して、高温側水冷媒熱交換器１１１から膨張弁１１４へ導出される。

＜インバータの冷却構造＞
図９は、車両用ヒートポンプ装置のインバータの周辺を示す一部破断の斜視図である。図１０は、図９のＥ−Ｅ線断面図である。

本実施の形態の車両用ヒートポンプ装置１は、図９に示すように、回路収容部１２０と、回路冷却用通路１３０とを備えている。

回路冷却用通路１３０は、図１０に示すように、高温側の冷却液が迂回して流れる通路であり、コンプレッサ筐体１０９に設けられている。回路冷却用通路１３０は、コンプレッサ筐体１０９と一体成型された構成としてもよいし、別の金属成型部品をコンプレッサ筐体１０９に溶接または締結した構成としてもよい。

回路冷却用通路１３０は、上流端が冷却液の導入口１１１ｂｉｎにつながり、下流端が高温側水冷媒熱交換器１１１の通路１１１ｂの入口につながっている。回路冷却用通路１３０は、壁１２１を挟んで回路収容部１２０と隣接し、且つ、壁１２１と接触する面積が大きく構成されている。具体的には、回路冷却用通路１３０は、壁１２１側から見た回路冷却用通路１３０の通路幅が広く形成されている。

回路収容部１２０は、インバータ１１３を収容する空間であり、コンプレッサ筐体１０９に設けられている。回路収容部１２０は、コンプレッサ筐体１０９と一体成型された構成としてもよいし、別の金属成型部品をコンプレッサ筐体１０９に溶接または締結した構成としてもよい。

回路収容部１２０は、低温側水冷媒熱交換器１１０と電動圧縮機１１２との間に配置され、壁１２１を挟んで回路冷却用通路１３０と隣接している。なお、回路収容部１２０は、電動圧縮機１１２の近傍で、且つ、高温側の冷却液の通路に近接できればどのような配置としてもよい。

インバータ１１３は、回路収容部１２０の中で、壁１２１に接触して固定されている。具体的には、インバータ１１３に含まれるパワー素子１３４（図１１参照）が、壁１２１に直接に接触して固定されている。なお、インバータ１１３のパワー素子１３４が、熱伝導の高い放熱体を介して壁１２１に接触した構成としてもよい。

このような構成により、インバータ１１３は、壁１２１を介して回路冷却用通路１３０の冷却液に熱を放出し、高温側の冷却液によって冷却される。

＜インバータ周辺の機能ブロック＞
次に、実施の形態の車両用ヒートポンプ装置１のインバータ１１３周辺における機能ブロックについて説明する。

図１１は、車両用ヒートポンプ装置のインバータ周辺の構成を示すブロック図である。なお、図１１では、車両用ヒートポンプ装置１と共に、電力を充放電する蓄電池３０１、エアコンを制御するエアコン制御装置３０２、および、冷却液の放熱を行う第１のラジエータ５も記載する。

図１１より、車両用ヒートポンプ装置１は、電動圧縮機１１２、インバータ１１３、高温側ウォータポンプ１０１及び低温側ウォータポンプ１０２を含む。

電動圧縮機１１２は、電動モータ１１２ａおよび圧縮機構１１２ｂを含む。電動圧縮機１１２は、インバータ１１３の制御により冷媒を圧縮する。

インバータ１１３は、サーミスタ１３１、制御部（パワー素子過熱保護制御部）１３２、駆動部１３３およびパワー素子１３４を含む。インバータ１１３は、電動モータ１１２ａに対して駆動制御を行う。

高温側ウォータポンプ１０１は、インバータ１１３における制御部１３２の制御により、高温側の冷却液を輸送し、低温側ウォータポンプ１０２は、インバータ１１３における制御部１３２の制御により、低温側の冷却液を輸送する。

インバータ１１３において、サーミスタ１３１は、パワー素子１３４の温度を測定し、測定したパワー素子１３４の温度を制御部１３２に出力する。

制御部１３２は、エアコンの駆動開始を指示する駆動ＯＮのエアコン制御信号がエアコン制御装置３０２から出力された場合には、駆動部１３３に対して電動モータ１１２ａの駆動を開始する制御を行う。また、制御部１３２は、エアコンの駆動停止を指示する駆動ＯＦＦのエアコン制御信号がエアコン制御装置３０２から出力された場合には、駆動部１３３に対して電動モータ１１２ａの駆動を停止する制御を行う。電動モータ１１２ａの駆動の開始または停止は、制御部１３２がパルス幅変調（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）信号を生成して駆動部１３３へ出力することによって行われる。

また、制御部１３２は、エアコン駆動中（パワー素子１３４が電動モータ１１２ａに電力を供給中）にサーミスタ１３１から出力されたパワー素子１３４の温度に基づいて、高温側ウォータポンプ１０１の回転数、第１のラジエータ５のファン回転数、電動圧縮機１１２の回転数を制御する。ただし、第１のラジエータ５のファン回転数の制御は、制御部１３２がエアコン制御信号をエアコン制御装置３０２に出力し、エアコン制御装置３０２が第１のラジエータ５を制御する。なお、制御部１３２の詳細な処理手順については後述する。

駆動部１３３は、ＰＷＭ信号を用いた上記制御に従ってパワー素子１３４を駆動する。すなわち、駆動部１３３は、制御部１３２から出力されたＰＷＭ信号に従って、パワー素子１３４を通電または遮断する制御を行う。

パワー素子１３４は、駆動部１３３の制御に従って、蓄電池３０１から供給される直流電力を通電または遮断する。これにより、パワー素子１３４は、蓄電池３０１から供給される直流電力を交流電力に変換して電動モータ１１２ａに供給し、電動モータ１１２ａを駆動する。

電動モータ１１２ａは、パワー素子１３４から供給される交流電流によって回転し、圧縮機構１１２ｂを駆動させる。

圧縮機構１１２ｂは、電動モータ１１２ａにより駆動されて冷媒を圧縮する。

＜制御部における処理手順の詳細＞
次に、実施の形態の車両用ヒートポンプ装置１における制御部１３２の処理手順を詳細に説明する。

図１２は、車両用ヒートポンプ装置における暖房時の制御部の処理手順を示すフロー図である。図１２において、ステップ（以下、「ＳＴ」と省略する）４０１では、制御部１３２は、エアコン制御装置３０２から駆動ＯＮのエアコン制御信号を取得し、ＳＴ４０２では、取得したエアコン制御信号に基づいて、電動圧縮機１１２の設定を変更するか否かを判定する。設定を変更する（ＹＥＳ）場合には、ＳＴ４０３に移行し、設定を変更しない（ＮＯ）場合には、ＳＴ４０４に移行する。ＳＴ４０３では、制御部１３２は、パワー素子１３４への電力供給を制御して、電動圧縮機１１２の設定を変更する。

ＳＴ４０４では、制御部１３２は、サーミスタ１３１からパワー素子１３４の温度（パワー素子温度Ｔｔｒ）を取得し、パワー素子温度Ｔｔｒが所定の閾値温度Ｔｔｈ以上であるか否かを判定する。パワー素子温度Ｔｔｒが閾値温度Ｔｔｈ以上である（ＹＥＳ）場合には、ＳＴ４０５に移行し、パワー素子温度Ｔｔｒが閾値温度Ｔｔｈ未満である（ＮＯ）場合には、処理を終了する。なお、閾値温度Ｔｔｈは、例えば、パワー素子１３４の動作温度範囲の上限値である。

ＳＴ４０５では、制御部１３２は、高温側ウォータポンプ１０１の回転数を増加させる制御を行う。

ＳＴ４０６では、制御部１３２は、サーミスタ１３１からパワー素子温度Ｔｔｒを再度取得し、パワー素子温度Ｔｔｒが閾値温度Ｔｔｈ以上であるか否かを判定する。パワー素子温度Ｔｔｒが閾値温度Ｔｔｈ以上である（ＹＥＳ）場合には、ＳＴ４０７に移行し、パワー素子温度Ｔｔｒが閾値温度Ｔｔｈ未満である（ＮＯ）場合には、処理を終了する。

ＳＴ４０７では、制御部１３２は、電動圧縮機１１２の回転数を低減させる制御を行い、処理を終了する。なお、電動圧縮機１１２の回転数の低減は、停止を含む。

図１３は、パワー素子温度Ｔｔｒとウォータポンプ回転数との関係の一例を示している。ただし、図１３では、ウォータポンプ回転数のみを変動させており、その他のパラメータを固定したときのパワー素子温度Ｔｔｒを求めている。また、図１３では、これらの関係を概念的に示している。図１３から分かるように、パワー素子温度Ｔｔｒとウォータポンプ回転数とは負の相関関係にあり、ウォータポンプ回転数を増加させると、パワー素子温度Ｔｔｒが低下する。

このように、暖房時において、制御部１３２は、パワー素子温度Ｔｔｒが閾値温度Ｔｔｈ以上である場合に、電動圧縮機１１２の回転数を維持しながら、高温側ウォータポンプ１０１の回転数を増加させ、回路冷却用通路を流れる高温側の冷却液の流量を増やすことにより、パワー素子温度を低減させつつ、空調能力を維持することができる。制御部１３２は、高温側ウォータポンプ１０１の回転数を増加させても、パワー素子温度Ｔｔｒが閾値温度Ｔｔｈ以上である場合に初めて電動圧縮機１１２の回転数を低減することにより、パワー素子１３４の過熱保護を行いつつ、空調性能の変動を抑制することができる。

図１４は、車両用ヒートポンプ装置における冷房時の制御部の処理手順を示すフロー図である。ただし、図１４において、図１２と共通する部分には、図１２と同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

ＳＴ４０６において、パワー素子温度Ｔｔｒが閾値温度Ｔｔｈ以上である（ＹＥＳ）と判定された場合、ＳＴ５０１に移行し、ＳＴ５０１では、制御部１３２は、第１のラジエータ５のファン回転数を増加させる制御を行う。冷房時には、高温側の冷却液の熱を空調に利用することはないため、車外へ放熱することにより、高温側の冷却液の温度を低下させることができる。

ＳＴ５０２では、制御部１３２は、サーミスタ１３１からパワー素子温度Ｔｔｒを取得し、パワー素子温度Ｔｔｒが閾値温度Ｔｔｈ以上であるか否かを判定する。パワー素子温度Ｔｔｒが閾値温度Ｔｔｈ以上である（ＹＥＳ）場合には、ＳＴ４０７に移行し、パワー素子温度Ｔｔｒが閾値温度Ｔｔｈ未満である（ＮＯ）場合には、処理を終了する。

図１５は、パワー素子温度とラジエータファン回転数との関係の一例を示している。ただし、図１５では、ラジエータファン回転数のみを変動させており、その他のパラメータを固定したときのパワー素子温度Ｔｔｒを求めている。また、図１５では、これらの関係を概念的に示している。図１５から分かるように、パワー素子温度とラジエータファン回転数とは負の相関関係にあり、ラジエータファン回転数を増加させると、パワー素子温度Ｔｔｒが低下する。

このように、冷房時において、制御部１３２は、電動圧縮機１１２の回転数を維持しながら、高温側ウォータポンプ１０１の回転数を増加させても、パワー素子温度Ｔｔｒが閾値温度Ｔｔｈ以上である場合にラジエータファンの回転数を増加させ、冷却液の車外への放熱量を増やすことにより、パワー素子温度を低減させつつ、空調能力を維持することができる。また、制御部１３２は、ラジエータファンの回転数を増加させても、パワー素子温度Ｔｔｒが閾値温度Ｔｔｈ以上である場合に初めて電動圧縮機１１２の回転数を低減することにより、パワー素子１３４の過熱保護を行いつつ、空調性能の変動を抑制することができる。

＜実施の形態の効果＞
このように、本実施の形態の車両用ヒートポンプ装置１によれば、パワー素子１３４が高温側の冷却液で冷却される場合において、制御部１３２が、暖房時には、パワー素子温度Ｔｔｒに基づいて、電動圧縮機１１２の回転数を維持しつつ、高温側ウォータポンプ１０１の回転数を増加させることにより、パワー素子温度を低減させつつ、空調能力を維持することができる。

また、冷房時には、制御部１３２が、パワー素子温度Ｔｔｒに基づいて、電動圧縮機１１２の回転数を維持しつつ、高温側ウォータポンプ１０１の回転数およびラジエータファンの回転数を増加させることにより、パワー素子温度を低減させつつ、空調能力を維持することができる。

なお、本実施の形態では、インバータ１１３が有するパワー素子１３４が高温側水冷媒熱交換器１１１の導入側の冷却液により冷却される構成を例にとって説明した。しかし、パワー素子１３４は、高温側水冷媒熱交換器１１１の導出側の冷却液（図３のＳ１の位置）、低温側水冷媒熱交換器１１０の導入側の冷却液（図３のＳ２の位置）、もしくは、低温側水冷媒熱交換器１１０の導出側の冷却液（図３のＳ３の位置）により冷却される構成を採用してもよい。

また、本実施の形態では、サーミスタ１３１がパワー素子１３４の温度を検出する方法を例にとって説明した。しかし、パワー素子１３４の温度を検出する方法はこれに限るものでもなく、推定によって求めてもよい。

また、本実施の形態では、車両用ヒートポンプ装置１を一体化した場合を例に説明した。しかし、本発明は、車両用ヒートポンプ装置１を一体化せず、各構成部材をそれぞれ離間して配置してもよい。

本発明にかかる車両用ヒートポンプ装置、車両用空調システムおよび電力用半導体冷却方法は、車両内の各部の温度を調整するシステム等に用いるのに好適である。

１ 車両用ヒートポンプ装置
１０１ 高温側ウォータポンプ
１０２ 低温側ウォータポンプ
１０３ 給電部
１０４ 高温側導入管
１０５ 高温側導出管
１０６ 低温側導入管
１０７ 低温側導出管
１０８ アキュムレータ
１０９ コンプレッサ筐体
１１０ 低温側水冷媒熱交換器
１１１ 高温側水冷媒熱交換器
１１１ａ 冷媒の通路
１１１ｂ 冷却液の通路
１１２ 電動圧縮機
１１２ａ 電動モータ
１１２ｂ 圧縮機構
１１３ インバータ
１１４ 膨張弁
１２０ 回路収容部
１２１ 壁
１３０ 回路冷却用通路
２ 車両用空調装置
２００ 冷房用空気水熱交換器
２０１ 暖房用空気水熱交換器
２０２ ブロワファン
２０３ 切替ドア
３ 発熱体
５ 第１のラジエータ
６ 第２のラジエータ
７ ファイアウォール
１３１ サーミスタ
１３２ 制御部
１３３ 駆動部
１３４ パワー素子
３０１ 蓄電池
３０２ エアコン制御装置

Claims (10)

1. 冷却液と冷媒との間で熱交換を行う車両用ヒートポンプ装置であって、
   吸入した前記冷媒を圧縮して吐出する圧縮機構および前記圧縮機構を駆動する電動モータを有する電動圧縮機と、
   電源から給電される直流電力を交流電力に変換して前記電動モータへ供給する電力用半導体と、
   前記電力用半導体が放熱可能なように前記電力用半導体と隣接し、前記冷却液が流れる通路と、
   前記冷却液を輸送するウォータポンプと、
   前記電力用半導体および前記ウォータポンプの駆動を制御する制御部と、
   を具備し、
   前記制御部は、前記電力用半導体が前記電動モータへ電力を供給している際、前記電力用半導体の温度が所定の温度以上となった場合、前記ウォータポンプの回転数を増加させる制御を行う、
   車両用ヒートポンプ装置。
2. 前記制御部は、前記電動圧縮機の回転数を維持しつつ、前記ウォータポンプの回転数を増加させる制御を行う、
   請求項１に記載の車両用ヒートポンプ装置。
3. 前記制御部は、前記ウォータポンプの回転数増加させる制御を行った後に、前記電力用半導体の温度が前記所定の温度以上の場合、前記電動圧縮機の回転数を低減または停止させる制御を行う、
   請求項１または請求項２に記載の車両用ヒートポンプ装置。
4. 前記制御部は、前記電力用半導体の温度が前記所定の温度以上の場合、前記冷却液の熱を車外へ放熱させるラジエータのファン回転数を増加させる制御を行う、
   請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の車両用ヒートポンプ装置。
5. 前記電動圧縮機が吐出した高温高圧冷媒から、温熱を輸送する第１冷却液へ、放熱させる高温側水冷媒熱交換器を、さらに具備し、
   前記ウォータポンプは、前記第１冷却液を輸送する、
   請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の車両用ヒートポンプ装置。
6. 冷熱を輸送する第２冷却液を前記電動圧縮機へ送られる低温低圧冷媒で冷却する低温側水冷媒熱交換器を、さらに具備し、
   前記ウォータポンプは、前記第２冷却液を輸送する、
   請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の車両用ヒートポンプ装置。
7. 前記所定の温度は、前記電力用半導体の動作温度範囲の上限値である、
   請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の車両用ヒートポンプ装置。
8. 冷却液と冷媒との間で熱交換を行う車両用ヒートポンプ装置を備える車両用空調システムであって、
   吸入した前記冷媒を圧縮して吐出する圧縮機構および前記圧縮機構を駆動する電動モータを有する電動圧縮機と、
   電源から給電される直流電力を交流電力に変換して前記電動モータへ供給する電力用半導体と、
   前記電力用半導体が放熱可能なように前記電力用半導体と隣接し、前記冷却液が流れる通路と、
   前記冷却液を輸送するウォータポンプと、
   前記電力用半導体の駆動を制御する制御部と、
   前記制御部は、前記電力用半導体が前記電動モータへ電力を供給している際、前記電力用半導体の温度が所定の温度以上となった場合、前記ウォータポンプの回転数を増加させる制御を行う、
   を具備する車両用空調システム。
9. 前記冷却液の熱を車外へ放熱させるラジエータを、さらに具備し、
   前記制御部は、前記電力用半導体の温度が前記所定の温度以上の場合、前記冷却液の熱を車外へ放熱させるラジエータのファン回転数を増加させる制御を行う、
   請求項８に記載の車両用空調システム。
10. 冷却液と冷媒との間で熱交換を行う車両用ヒートポンプ装置における電力用半導体冷却方法であって、
    制御部は、
    前記冷媒を圧縮して吐出する電動圧縮機に電力を供給する電力用半導体の温度を取得し、
    取得した前記電力用半導体の温度が所定の温度以上であるか否かを判定し、
    前記電力用半導体が前記電動圧縮機へ電力を供給している際、前記電力用半導体の温度が所定の温度以上となった場合、前記冷却液を輸送するウォータポンプの回転数を増加させる制御を行う、
    電力用半導体冷却方法。
    

Images