特開 2025-12459 冷凍サイクル装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2025012459

(43)【公開日】2025-01-24

(54)【発明の名称】冷凍サイクル装置

(51)【国際特許分類】

   F25B 1/00 20060101AFI20250117BHJP

【ＦＩ】

F25B1/00 321J

F25B1/00 101Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】1

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023115309

(22)【出願日】2023-07-13

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000017

【氏名又は名称】弁理士法人アイテック国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】向井 大介

(72)【発明者】

【氏名】林 邦彦

(57)【要約】

【課題】圧縮機を非効率駆動モードする場合に、圧縮機の温度の過上昇や圧縮機のモータの回転数の過上昇などを生じるのを抑制する。
【解決手段】冷凍サイクル装置は、冷媒が流れる第１流路に圧縮機と凝縮器と第１膨張弁と蒸発器とがこの順に設けられた冷凍サイクルと、第１流路の圧縮機と凝縮器との間から分岐すると共に第１流路の圧縮機と蒸発器との間に合流する第２流路に第２膨張弁が設けられたバイパス系と、制御装置とを備える。制御装置は、圧縮機の発熱要求が行なわれているときには、圧縮機の発熱要求が行なわれていないときに比して、モータのｄ軸電流が大きくなるようにモータを制御すると共に第２流路の冷媒の流量が多くなるように第２膨張弁を制御する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

冷媒が流れる第１流路に圧縮機と凝縮器と第１膨張弁と蒸発器とがこの順に設けられた冷凍サイクルと、前記第１流路の前記圧縮機と前記凝縮器との間から分岐すると共に前記第１流路の前記圧縮機と前記蒸発器との間に合流する第２流路に第２膨張弁が設けられたバイパス系と、制御装置と、を備える冷凍サイクル装置であって、
前記制御装置は、前記圧縮機の発熱要求が行なわれているときには、前記圧縮機の発熱要求が行なわれていないときに比して、前記モータのｄ軸電流が大きくなるように前記モータを制御すると共に前記第２流路の冷媒の流量が多くなるように前記第２膨張弁を制御する、
冷凍サイクル装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、冷凍サイクル装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、この種の技術としては、バッテリから供給される電力によって駆動する電動機を走行用動力源とする車両に適用され、バッテリの電力によって駆動して冷媒を圧縮する圧縮機を含む空調用のヒートポンプを備える熱交換システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この熱交換システムでは、車両に搭載された動力伝達装置を潤滑する潤滑油と冷媒との間で熱交換を行なう熱交換部を備える。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１９－５１８７２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上述した熱交換システムにおいて、圧縮機の発熱量の増加により加温対象をより十分に加温するために、圧縮機を非効率駆動モードで駆動することが考えられている。この場合に、圧縮機を流れる冷媒の流量が少ないと、圧縮機の温度の過上昇や圧縮機のモータの回転数の過上昇などを生じる懸念がある。

【0005】

本開示の冷凍サイクル装置は、圧縮機を非効率駆動モードで駆動する場合に、圧縮機の温度の過上昇や圧縮機のモータの回転数の過上昇などを生じるのを抑制することを主目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の冷凍サイクル装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。本開示の冷凍サイクル装置は、冷媒が流れる第１流路に圧縮機と凝縮器と第１膨張弁と蒸発器とがこの順に設けられた冷凍サイクルと、前記第１流路の前記圧縮機と前記凝縮器との間から分岐すると共に前記第１流路の前記圧縮機と前記蒸発器との間に合流する第２流路に第２膨張弁が設けられたバイパス系と、制御装置と、を備える冷凍サイクル装置であって、前記制御装置は、前記圧縮機の発熱要求が行なわれているときには、前記圧縮機の発熱要求が行なわれていないときに比して、前記モータのｄ軸電流が大きくなるように前記モータを制御すると共に前記第２流路の冷媒の流量が多くなるように前記第２膨張弁を制御する、ことを要旨とする。

【0007】

本開示の冷凍サイクル装置では、圧縮機の発熱要求が行なわれているときには、圧縮機の発熱要求が行なわれていないときに比して、モータのｄ軸電流が大きくなる（モータが非効率駆動モードで駆動される）ようにモータを制御すると共に第２流路の冷媒の流量が多くなるように第２膨張弁を制御する。これにより、圧縮機の発熱量を大きくすることができると共に、圧縮機を流れる冷媒の流量を多くし、圧縮機の温度の過上昇や圧縮機のモータの回転数の過上昇などが生じるのを抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本開示の実施形態の冷凍サイクル装置１０の概略構成図である。

【図2】冷凍サイクル装置１０における比エンタルピーと圧力との関係の一例を示す説明図である。

【図3】処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

本開示の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本開示の実施形態の冷凍サイクル装置１０の概略構成図である。実施形態の冷凍サイクル装置１０は、例えば、走行用のモータと電力のやりとりを行なうバッテリを搭載する電動車（電気自動車やハイブリッド車、燃料電池車）に搭載され、バッテリの冷却や加温に用いられる。図示するように、冷凍サイクル装置１０は、冷凍サイクル２０と、バイパス系４０と、電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）５０とを備える。

【0010】

冷凍サイクル２０は、第１流路２２と、圧縮機（コンプレッサ）２４と、凝縮器（コンデンサ）２８と、第１膨張弁（エキスパンションバルブ）３０と、蒸発器（エバポレータ）３２とを有する。第１流路２２は、冷媒が流れる流路であり、第１流路２２には、圧縮機２４、凝縮器２８、第１膨張弁３０、蒸発器３２がこの順に設けられている。圧縮機２４は、圧縮部２５と、モータ２６と、インバータ２７とを有する。圧縮部２５は、インバータ２７により駆動されるモータ２６の作動により、蒸発器３２からの低温低圧の気体の冷媒を圧縮して高温高圧の気体の冷媒にして圧送する。モータ２６は、三相交流電動機として構成されている。インバータは、バッテリからの直流電力を三相交流電力に変換してモータに供給することによりモータを回転駆動する。凝縮器２８は、圧縮機２４からの高温高圧の気体の冷媒を常温高圧の液体の冷媒にする。第１膨張弁３０は、凝縮器２８からの常温高圧の液体の冷媒を膨張させて低温低圧の気液混合の冷媒にする。蒸発器３２は、第１膨張弁３０からの低温低圧の気液混合の冷媒を低温低圧の気体の冷媒にする。実施形態では、電動ポンプによりバッテリと蒸発器３２および凝縮器２８のうち選択した側とに冷却水を循環させる冷却装置を用いて、蒸発器３２との熱交換により冷却された冷却水または凝縮器２８との熱交換により加温された冷却水を選択的にバッテリ側に供給することにより、バッテリを冷却または加温できるようになっている。

【0011】

バイパス系４０は、第２流路４２と、第２膨張弁４４とを有する。第２流路４２は、第１流路２２の圧縮機２４と凝縮器２８との間の位置Ｐ１で第１流路２２から分岐し、第１流路２２の圧縮機２４と蒸発器３２との間の位置Ｐ２で第１流路２２に合流する。第２膨張弁４４は、開弁しているときに、圧縮機２４からの高温高圧の気体の冷媒を膨張させて低温低圧の気体の冷媒にする。

【0012】

図２は、冷凍サイクル装置１０における比エンタルピーと圧力との関係の一例を示す説明図である。図２（ａ）は、第２膨張弁４４を閉弁しているときの関係の一例を示し、図２（ｂ）は、第２膨張弁４４を開弁しているときの関係の一例を示す。図２（ａ）および図２（ｂ）中、実線の矢印は、冷凍サイクル２０の冷媒の流れを示し、破線の矢印は、バイパス系４０の冷媒の流れを示す。また、（１）は圧縮機２４を流れるときの変化を示し、（２）は凝縮器２８を流れるときの変化を示し、（３）は第１膨張弁３０を流れるときの変化を示し、（４）は蒸発器３２を流れるときの変化を示し、（５）は第２膨張弁４４を流れるときの変化を示す。

【0013】

ＥＣＵ５０は、ＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、フラッシュメモリ、入出力ポートを有するマイクロコンピュータを備える。ＥＣＵ５０には、第１流路２２における圧縮機２４の入口付近に取り付けられた温度センサ３４や圧力センサからの温度Ｔｉｎや圧力Ｐｉｎ、第１流路２２における圧縮機２４の出口付近に取り付けられた温度センサ３６や圧力センサからの温度Ｔｏｕｔや圧力Ｐｏｕｔが入力されている。回転位置センサ（例えばレゾルバ）からのモータ２６の回転子の回転位置θｍや、電流センサからのモータ２６の各相に流れる相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗも入力されている。バッテリの温度Ｔｂも入力されている。ＥＣＵ５０からは、インバータ２７への制御信号や、第１膨張弁３０への制御信号、第２膨張弁４４への制御信号が出力されている。ＥＣＵ５０は、モータ２６の回転子の回転位置θｍに基づいてモータ２６の電気角θｅや回転数Ｎｍを演算している。

【0014】

次に、実施形態の冷凍サイクル装置１０の動作について説明する。図２は、ＥＣＵ５０により実行される処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、バッテリの加温要求や冷却要求が行なわれているときに繰り返し実行される。実施形態では、バッテリの温度Ｔｂが閾値Ｔｂｌｏ未満のときにバッテリの加温要求が行なわれていると判定し、バッテリの温度Ｔｂが閾値Ｔｂｌｏよりも高い閾値Ｔｂｈｉよりも高いときにバッテリの冷却要求が行なわれていると判定するものとした。

【0015】

図２の処理ルーチンが実行されると、ＥＣＵ５０は、最初に、圧縮機２４の発熱要求が行なわれているか否かを判定する（ステップＳ１００）。実施形態では、バッテリの冷却要求が行なわれているときには、圧縮機２４の発熱要求が行なわれていないと判定し、バッテリの加温要求が行なわれているときには、圧縮機２４の発熱要求が行なわれていると判定するものとした。

【0016】

ステップＳ１００で圧縮機２４の発熱要求が行なわれていないと判定したときには、モータ２６が効率駆動モードで駆動されるようにインバータ２７を制御すると共に（ステップＳ１１０）、第２膨張弁４４を閉弁してまたは閉弁を保持して（ステップＳ１２０）、本ルーチンを終了する。一方、ステップＳ１００で圧縮機２４の発熱要求が行なわれていると判定したときには、モータ２６が非効率駆動モードで駆動されるようにインバータ２７を制御すると共に（ステップＳ１３０）、第２膨張弁４４を開弁してまたは開弁を保持して（ステップＳ１４０）、本ルーチンを終了する。

【0017】

インバータ２７は、ＥＣＵ５０により、パルス幅変調（ＰＷＭ）制御により制御される。ＰＷＭ制御では、ＥＣＵ５０は、最初に、モータ２６のトルク指令Ｔｍ＊に基づいてｄ軸、ｑ軸の電流指令Ｉｄ＊，Ｉｑ＊を設定する。続いて、モータ２６の電気角θｅを用いて各相の相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗをｄ軸、ｑ軸の電流Ｉｄ，Ｉｑに座標変換（３相－２相変換）する。そして、ｄ軸、ｑ軸の電流指令Ｉｄ＊，Ｉｑ＊と電流Ｉｄ，Ｉｑとの差分を打ち消すための電流フィードバック制御によりｄ軸、ｑ軸の電圧指令Ｖｄ＊，Ｖｑ＊を設定する。さらに、ｄ軸、ｑ軸の電圧指令Ｖｄ＊，Ｖｑ＊を各相の電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に座標変換（２相－３相変換）する。加えて、各相の電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊と搬送波（三角波）との比較によりインバータ２７の複数のスイッチング素子のＰＷＭ信号を生成し、生成したＰＷＭ信号を用いて複数のスイッチング素子のスイッチング制御を行なう。

【0018】

ここで、モータ２６のトルク指令Ｔｍ＊は、例えば、圧縮機２４の要求冷媒圧送量Ｑｗ＊が多いほど大きくなるように設定される。要求冷媒圧送量Ｑｗ＊は、例えば、バッテリの温度Ｔｂが閾値Ｔｂｌｏ未満のときには、温度Ｔｂが低いほど多くなるように設定され、バッテリの温度Ｔｂが閾値Ｔｂｈｉよりも高いときには、温度Ｔｂが高いほど多くなるように設定される。なお、トルク指令Ｔｍ＊は、一定値が設定されてもよい。

【0019】

モータ２６を効率駆動モードで駆動する場合におけるｄ軸、ｑ軸の電流指令Ｉｄ＊，Ｉｑ＊は、例えば、モータ２６を効率よく駆動するためのモータ２６のトルク指令Ｔｍ＊とｄ軸、ｑ軸の電流指令Ｉｄ＊，Ｉｑ＊との関係として実験や解析、機械学習などにより予め定められた効率駆動マップに、モータ２６のトルク指令Ｔｍ＊を適用してｄ軸、ｑ軸の電流指令Ｉｄ＊，Ｉｑ＊導出することにより設定することができる。

【0020】

圧縮機２４の発熱要求が行なわれていないときには、モータ２６を効率駆動モードで駆動することにより、エネルギ効率を良好にすることができる。また、第２膨張弁４４を閉弁することにより、バイパス系４０では冷媒が循環せずに、冷凍サイクル２０だけで冷媒が循環する。これにより、第２膨張弁４４を開弁している場合に比して、冷凍サイクル２０をより十分に機能させることができる。この結果、蒸発器３２との熱交換により冷却された冷却水をバッテリ側に供給する際に、バッテリをより十分に冷却することができる。

【0021】

モータ２６を非効率駆動モードする場合におけるｄ軸、ｑ軸の電流指令Ｉｄ＊，Ｉｑ＊は、例えば、モータ２６を効率駆動モードで駆動する場合に比してモータ２６の効率を低下させる（モータ２６やインバータ２７ひいては圧縮機２４の発熱量（熱損失）を大きくする）ためのモータ２６のトルク指令Ｔｍ＊とｄ軸、ｑ軸の電流指令Ｉｄ＊，Ｉｑ＊との関係として実験や解析、機械学習などにより予め定められた非効率駆動マップに、モータ２６のトルク指令Ｔｍ＊を適用してｄ軸、ｑ軸の電流指令Ｉｄ＊，Ｉｑ＊導出することにより設定することができる。非効率駆動マップは、効率駆動マップに比してｄ軸の電流指令Ｉｄ＊の絶対値が大きくなるように設定されている。

【0022】

圧縮機２４の発熱要求が行なわれているときには、モータ２６を非効率駆動モードで駆動することにより、モータ２６を効率駆動モードする場合に比して、モータ２６やインバータ２７ひいては圧縮機２４の発熱量を大きくすることができる。これにより、凝縮器２８との熱交換により加温された冷却水をバッテリに供給する際に、バッテリをより十分に加温することができる。そして、このときに、第２膨張弁４４を開弁し、冷凍サイクル２０に加えてバイパス系４０にも冷媒を循環させることによって圧縮機２４を流れる冷媒の流量を多くすることができる。これは、圧縮機２４を流出してからその後に圧縮機２４に流入するまでに、冷凍サイクル２０では、凝縮器２８、第１膨張弁３０、蒸発器３２を経由する必要があって経路が長いのに対し、バイパス系４０では、第２膨張弁４４を経由するだけであり経路が短いためである。圧縮機２４を流れる冷媒の流量が多くなることにより、圧縮機２４の温度の過上昇やモータ２６の回転数の過上昇を生じるのを抑制することができる。即ち、モータ２６やインバータ２７の熱保護を図りつつバッテリをより十分に加温することができる。なお、バイパス系４０の第２流路４２を流れる冷媒が多くなり過ぎると、冷凍サイクル２０の凝縮器２８での放熱量（熱交換量）が少なくなり、冷媒が高温になりやすくなるため、第２膨張弁４４の開度に上限を設けるのが好ましい。

【0023】

以上説明した本実施形態の冷凍サイクル装置１０では、圧縮機２４の発熱要求が行なわれているときには、圧縮機２４の発熱要求が行なわれていないときに比してモータ２６のｄ軸の電流指令Ｉｄ＊の絶対値を大きくしてモータ２６を非効率駆動モードで駆動すると共に第２膨張弁４４を開弁する。これにより、モータ２６やインバータ２７ひいては圧縮機２４の発熱量を大きくすることができると共に、圧縮機２４の温度の過上昇やモータ２６の回転数の過上昇を生じるのを抑制することができる。

【0024】

上述した実施形態では、圧縮機２４の発熱要求が行なわれているとき（バッテリの加温要求が行なわれているとき）には、圧縮機２４の発熱要求が行なわれていないときに比してモータ２６のｄ軸の電流指令Ｉｄ＊の絶対値を大きくするものとしたが、その程度は、一定であってもよいし、バッテリの加温要求の程度（バッテリの温度Ｔｂと閾値Ｔｂｈｉとの差分）に基づいて設定されてもよい。

【0025】

上述した実施形態では、圧縮機２４の発熱要求が行なわれているときには、第２膨張弁４４を開弁するまたは開弁を保持するものとしたが、その場合の第２膨張弁４４の開度は、一定であってもよいし、バッテリの加温要求の程度に基づいて設定されてもよい。

【0026】

上述した実施形態では、圧縮機２４の発熱要求が行なわれていないときには、第２膨張弁４４を閉弁し、圧縮機２４の発熱要求が行なわれているときには、第２膨張弁４４を開弁するものとした。しかし、これに限定されるものではなく、圧縮機２４の発熱要求が行なわれているときに、圧縮機２４の発熱要求が行なわれていないときに比して第２膨張弁４４の開度を大きくする（第２流路４２の冷媒の流量を多くする）ものであればよい。

【0027】

上述した実施形態では、蒸発器３２との熱交換により冷却された冷却水または凝縮器２８との熱交換により加温された冷却水を選択的にバッテリに供給することによりバッテリを冷却または加温するものとした。しかし、蒸発器３２との熱交換により冷却された空気または凝縮器２８との熱交換により加温された空気を選択的にバッテリに送風することによりバッテリを冷却または加温してもよい。

【0028】

上述した実施形態では、冷凍サイクル装置１０は、バッテリを搭載する電動車（電気自動車やハイブリッド車、燃料電池車）に搭載され、バッテリの冷却や加温に用いられるものとしたが、これに限定されない。例えば、冷凍サイクル装置１０は、車両に搭載され、車室内の空調を行なう空調装置に用いられてもよい。この場合、車室内の冷房要求が行なわれているときには、圧縮機２４の発熱要求が行なわれていないと判定し、モータ２６が効率駆動モードで駆動されるようにインバータ２７を制御すると共に第２膨張弁４４を閉弁しまたは閉弁を保持し、蒸発器３２との熱交換により冷却された空気を車室内に送風してもよい。また、車室内の暖房要求が行なわれているときには、圧縮機２４の発熱要求が行なわれていると判定し、モータ２６が非効率駆動モードで駆動されるようにインバータ２７を制御すると共に第２膨張弁４４を開弁しまたは開弁を保持し、凝縮器２８との熱交換により加温された空気を車室内に送風してもよい。

【0029】

実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施形態では、冷凍サイクル２０が「冷凍サイクル」に相当し、バイパス系４０が「バイパス系」に相当し、ＥＣＵ５０が「制御装置」に相当する。

【0030】

なお、実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施形態が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施形態は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

【0031】

以上、本開示を実施するための実施形態について説明したが、本開示はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

【産業上の利用可能性】

【0032】

本開示は、冷凍サイクル装置の製造産業などに利用可能である。

【符号の説明】

【0033】

１０ 冷凍サイクル装置、２０ 冷凍サイクル、２２ 第１流路、２４ 圧縮機、２５ 圧縮部、２６ モータ、２７ インバータ、２８ 凝縮器、３０ 第１膨張弁、３２ 蒸発器、４０ バイパス系、４２ 第２流路、４４ 第２膨張弁、５０ ＥＣＵ。

【図1】

【図2】

【図3】