熱交換装置および熱交換装置の制御方法
【課題】冷媒との熱交換により被温度調節部の温度を適切に調節することのできる、熱交換装置を提供する。
【解決手段】冷媒と被温度調節部３１との間で熱交換を行なう熱交換装置１は、冷媒を循環させるための圧縮機１２と、冷媒と外気との間で熱交換する第一熱交換器１４と、冷媒と空調用空気との間で熱交換する第二熱交換器１８と、第一熱交換器１４と被温度調節部３１との間の冷媒の経路の開度を調整可能な開度調整弁４０と、被温度調節部３１と第二熱交換器１８との間の冷媒の経路に配置され、冷媒を減圧する膨張弁１６と、開度調整弁４０の開度を制御するＥＣＵ８０と、を備える。ＥＣＵ８０は、開度調整弁４０の開度を増大して被温度調節部３１を加熱し、開度調整弁４０の開度を減少して被温度調節部３１を冷却する。
【解決手段】冷媒と被温度調節部３１との間で熱交換を行なう熱交換装置１は、冷媒を循環させるための圧縮機１２と、冷媒と外気との間で熱交換する第一熱交換器１４と、冷媒と空調用空気との間で熱交換する第二熱交換器１８と、第一熱交換器１４と被温度調節部３１との間の冷媒の経路の開度を調整可能な開度調整弁４０と、被温度調節部３１と第二熱交換器１８との間の冷媒の経路に配置され、冷媒を減圧する膨張弁１６と、開度調整弁４０の開度を制御するＥＣＵ８０と、を備える。ＥＣＵ８０は、開度調整弁４０の開度を増大して被温度調節部３１を加熱し、開度調整弁４０の開度を減少して被温度調節部３１を冷却する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換装置に関し、特に、蒸気圧縮式冷凍サイクルを流通する冷媒と、温度を調節される被温度調節部との間で熱交換を行なう、熱交換装置に関する。
【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、電気機器を冷却する技術が提案されている。
【０００３】
たとえば特開平１１−２３０８１号公報（特許文献１）には、冷凍サイクルの中間圧力の冷媒が発熱機器を冷却するように構成された冷却器と、この冷却器の上流側および下流側にそれぞれ配置され、外部信号により弁開度が制御可能な電気膨張弁を設け、中間圧力の冷媒で発熱機器の冷却を行なう装置が開示されている。
【０００４】
特開２００５−９０８６２号公報（特許文献２）には、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を設けた、冷却システムが開示されている。
【０００５】
国際公開第２００９／１２７２９２号（特許文献３）には、冷却回路内の冷媒を液化するための凝縮装置の下流にエバポレータが配置され、電気部品ユニットの熱をエバポレータに供給して電気部品ユニットを冷却する、冷却装置が開示されている。
【０００６】
ところで、電池の温度が低下すると、電池内部での化学変化が抑制されて出力密度が低下するので、電池温度が低いときには電池出力が確保できない虞がある。そのため電池は、適度に加温されることが望ましい。上記特許文献１〜３では、冷却対象部品である電気機器を冷凍サイクルの冷媒により冷却することで、低コストで電気機器を冷却できる装置が提案されているが、電気機器を加温する思想は述べられていない。
【０００７】
車両に搭載された電池を加温する技術に関し、例えば特開２００９−２５７２５４号公報（特許文献４）には、車両走行時に化学蓄熱材に蓄熱し、車両始動時に化学蓄熱材が蓄熱していた熱によって電池を加熱するシステムが開示されている。特開平１０−１２２８６号公報（特許文献５）には、車室内の暖房用の加熱流体をバッテリの加熱に活用する装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−２３０８１号公報
【特許文献２】特開２００５−９０８６２号公報
【特許文献３】国際公開第２００９／１２７２９２号
【特許文献４】特開２００９−２５７２５４号公報
【特許文献５】特開平１０−１２２８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１〜５には、上述した通り、電気機器を冷却または加温する技術が開示されているものの、電気機器の冷却が必要なときと加熱が必要なときとの両方に対応して電気機器を温度制御する思想は述べられていない。そのため、外気温度などの条件に従って選択的に冷却または加温を必要とする、たとえば電池のような機器の温度を調整する技術としては不十分である。
【００１０】
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、冷媒との熱交換により被温度調節部の温度を適切に調節することのできる、熱交換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る熱交換装置は、冷媒と被温度調節部との間で熱交換を行なう熱交換装置であって、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、第一熱交換器と被温度調節部との間の冷媒の経路の開度を調整可能な開度調整弁と、被温度調節部と第二熱交換器との間の冷媒の経路に配置され、冷媒を減圧する膨張弁と、開度調整弁の開度を制御する制御部と、を備える。制御部は、開度調整弁の開度を増大して被温度調節部を加熱し、開度調整弁の開度を減少して被温度調節部を冷却する。
【００１２】
上記熱交換装置において好ましくは、被温度調節部の温度を検出する検出部を備え、制御部は、検出部により検出された被温度調節部の温度に基づいて、開度調整弁の開度を制御する。
【００１３】
上記熱交換装置において好ましくは、制御部は、検出部により検出された被温度調節部の温度が目標温度範囲を下回ると開度調整弁の開度を増大し、検出部により検出された被温度調節部の温度が目標温度範囲を上回ると開度調整弁の開度を減少する。
【００１４】
上記熱交換装置において好ましくは、制御部は、被温度調節部の温度に基づいて膨張弁の開度を制御する。
【００１５】
上記熱交換装置において好ましくは、制御部は、被温度調節部の温度に基づいて第一熱交換器における冷媒と外気との間の熱交換量を制御する。
【００１６】
本発明に係る熱交換装置の制御方法は、冷媒と被温度調節部との間で熱交換を行なう熱交換装置の制御方法である。熱交換装置は、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、第一熱交換器と被温度調節部との間の冷媒の経路の開度を調整可能な開度調整弁と、被温度調節部と第二熱交換器との間の冷媒の経路に配置され、冷媒を減圧する膨張弁と、を備える。制御方法は、被温度調節部の温度を判断するステップと、判断するステップにおいて被温度調節部の温度が目標温度範囲を下回ると判断されたとき、開度調整弁の開度を増大して被温度調節部を加熱するステップと、判断するステップにおいて被温度調節部の温度が目標温度範囲を上回ると判断されたとき、開度調整弁の開度を減少して被温度調節部を冷却するステップと、を備える。
【００１７】
上記方法において好ましくは、判断するステップにおいて被温度調節部の温度が目標温度範囲を下回ると判断されたとき、第一熱交換器における冷媒と外気との間の熱交換量を調整するステップを備える。
【００１８】
上記方法において好ましくは、判断するステップにおいて被温度調節部の温度が目標温度範囲を上回ると判断されたとき、膨張弁の開度を増大するステップを備える。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の熱交換装置によると、冷媒と被温度調節部との間で熱交換を行なうことにより、被温度調節部の温度を適切に調節することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本実施の形態の熱交換装置の構成を示す模式図である。
【図２】ＥＣＵの構成の詳細を示すブロック図である。
【図３】電池の目標温度範囲を示すグラフである。
【図４】熱交換装置の制御方法の一例を示すフローチャートである。
【図５】蒸気圧縮式冷凍サイクルを循環する冷媒の状態の第一の例を示すモリエル線図である。
【図６】蒸気圧縮式冷凍サイクルを循環する冷媒の状態の第二の例を示すモリエル線図である。
【図７】蒸気圧縮式冷凍サイクルを循環する冷媒の状態の第三の例を示すモリエル線図である。
【図８】本実施の形態に従った電池温度の時間変化を示すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【００２２】
図１は、本実施の形態の熱交換装置１の構成を示す模式図である。図１に示すように、熱交換装置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、圧縮機１２と、第一熱交換器としての熱交換器１４と、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、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。
【００２３】
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。
【００２４】
熱交換器１４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。
【００２５】
熱交換器１４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に供給されてもよい。または冷却風は、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に供給されてもよい。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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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２６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。
【００２９】
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とを連通する冷媒通路２１と、熱交換器１４と膨張弁１６とを連通する冷媒通路２２，２３，２４と、膨張弁１６と熱交換器１８とを連通する冷媒通路２５と、熱交換器１８と圧縮機１２とを連通する冷媒通路２６と、を含む。
【００３０】
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２２〜２４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２２〜２４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。
【００３１】
冷媒通路２５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２５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２６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２６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。
【００３２】
蒸気圧縮式冷凍サイクル１０は、圧縮機１２、熱交換器１４、膨張弁１６および熱交換器１８が、冷媒通路２１〜２６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。
【００３３】
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の出口側から開度調整弁４０へ至る冷媒通路２２と、開度調整弁４０から熱交換部３０へ至る冷媒通路２３と、熱交換部３０の出口側から冷媒を膨張弁１６へ流通させる冷媒通路２４と、を含む。冷媒通路２３を経由して、開度調整弁４０から熱交換部３０へ冷媒液が流れる。熱交換部３０を通過した冷媒は、冷媒通路２４を経由して、膨張弁１６へ流れる。熱交換部３０は、熱交換器１４から膨張弁１６へ向けて流れる冷媒の経路上に設けられている。
【００３４】
熱交換部３０は、車両に搭載された蓄電池である電池３１と、冷媒が流通する配管である冷却通路３２とを含む。電池３１は、熱交換装置１によって温度を調節される被温度調節部の一例である。冷却通路３２の一方の端部は、冷媒通路２３に接続される。冷却通路３２の他方の端部は、冷媒通路２４に接続される。
【００３５】
開度調整弁４０と膨張弁１６との間の冷媒の経路は、熱交換部３０よりも上流側（開度調整弁４０に近接する側）の冷媒通路２３と、熱交換部３０に含まれる冷却通路３２と、熱交換部３０よりも下流側（膨張弁１６に近接する側）の冷媒通路２４と、を含む。冷媒通路２３は、開度調整弁４０から熱交換部３０に冷媒を流通させるための通路である。冷媒通路２４は、熱交換部３０から膨張弁１６に冷媒を流通させるための通路である。
【００３６】
熱交換部３０へ流通し、冷却通路３２を経由して流れる冷媒は、発熱源としての電池３１から熱を奪って、電池３１を冷却させる。熱交換部３０は、冷媒通路２３を経由して冷却通路３２へ流れる冷媒を用いて、電池３１を冷却する。熱交換部３０において、冷却通路３２内を流通する冷媒と、電池３１と、が熱交換を行なうことにより、電池３１は冷却され、冷媒は加熱される。冷媒はさらに冷媒通路２４を経由して熱交換部３０から膨張弁１６へ至る。
【００３７】
熱交換部３０は、冷却通路３２において電池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、熱交換部３０は、たとえば、電池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、電池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、電池３１との間で、熱交換が可能となる。
【００３８】
電池３１は、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の熱交換器１４から膨張弁１６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の外部に電池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電池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、電池３１を冷却することができる。
【００３９】
代替的には、熱交換部３０は、電池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。この場合電池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、電池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。電池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と電池３１との間の熱伝達効率が高められるので、電池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電池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、電池３１と冷却通路３２との間に距離があってもよく、電池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、電池３１の配置の自由度を向上することができる。
【００４１】
電池３１は、蓄電装置であり、電力の授受によって発熱する電気機器に含まれる。電池３１は、リチウムイオン電池またはニッケル水素電池等の二次電池である。電池３１に代えてキャパシタが用いられてもよい。
【００４２】
熱交換部３０は、温度センサ６３，６４を含む。温度センサ６３，６４は、電池３１の温度を検出するための検出部として機能する。図１に示すように、電池３１の複数箇所の温度を検出するための複数の温度センサが設けられてもよく、または電池３１の温度の代表値を検出可能な位置に一つの温度センサが設けられてもよい。複数の温度センサを設ける場合、電池３１の温度をより正確に計測でき、電池３１の温度に基づく制御の信頼性を向上できるので望ましい。
【００４３】
開度調整弁４０は、熱交換器１４の出口と、被温度調節部としての電池３１を含む熱交換部３０と、の間に設けられている。熱交換器１４と開度調整弁４０とは、冷媒通路２２によって連結される。冷媒は、冷媒通路２２を経由して、熱交換器１４から開度調整弁４０へ向かって流れる。開度調整弁４０と熱交換部３０とは、冷媒通路２３によって連結される。冷媒は、冷媒通路２３を経由して、開度調整弁４０から熱交換部３０へ向かって流れる。
【００４４】
開度調整弁４０は、その弁開度を調整することで、熱交換器１４と熱交換部３０との間の冷媒の経路の開度を調整可能に、設けられている。開度調整弁４０は、熱交換器１４から熱交換部３０へ流れる冷媒の流量を調整可能である。開度調整弁４０の開度を小さくすると、熱交換部３０へ流れる冷媒の流量が減少し、電池３１を冷却する冷却能力が減少する。開度調整弁４０の開度を大きくすると、熱交換部３０へ流れる冷媒の流量が増大し、電池３１の冷却能力が増大する。
【００４５】
熱交換器１８は、冷媒と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。空調用空気は、外気であってもよく、車両の室内の空気であってもよい。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。
【００４６】
冷媒は、圧縮機１２と熱交換器１４と膨張弁１６と熱交換器１８とが冷媒通路２１〜２６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と膨張弁１６と熱交換器１８とに冷媒が循環する。
【００４７】
冷房運転時に、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によって絞り膨張され減圧された低温低圧の冷媒を用いて、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流入することによって、車両の室内の冷房が行なわれる。
【００４８】
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から流出した高圧の液冷媒が熱交換部３０へ流通し、電池３１と熱交換することで電池３１を冷却する。熱交換装置１は、車両に搭載された発熱源である電池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。
【００４９】
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、電池３１の冷却が行なわれるので、電池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、電池３１の冷却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、熱交換装置１の製造コストを低減することができる。加えて、電池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、電池３１の冷却のための消費動力を低減することができる。
【００５０】
膨張弁１６を通過した後の低温低圧の冷媒を電池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、本実施の形態の熱交換装置１では、電池３１を冷却する熱交換部３０は、熱交換器１４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。冷媒を熱交換器１４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。
【００５１】
このように、冷媒を十分に冷却できる熱交換器１４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、電池３１を冷却することができる。したがって、電池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。
【００５２】
以下、本実施の形態の熱交換装置１の制御について説明する。図１に示す、熱交換装置１を制御する制御部としてのＥＣＵ（Electric Control Unit）８０は、温度センサ６３，６４から、電池３１の温度の測定値を示す信号Ｔ１，Ｔ２を受ける。ＥＣＵ８０はまた、圧縮機１２に対し起動または停止を指令する信号Ｃ１と、開度調整弁４０、膨張弁１６の開度をそれぞれ指令する信号Ｖ１，Ｖ２と、コンデンサファン４２を回転駆動するためのモータ４４に対し回転数を指令する信号Ｍ１と、を出力する。
【００５３】
図２は、ＥＣＵ８０の構成の詳細を示すブロック図である。ＥＣＵ８０は、熱交換装置１の搭載される車両のすべての制御部を統括するＥＶ（Electric Vehicle）＿ＥＣＵ（Electric Control Unit）８１を備える。ＥＣＵ８０はまた、圧縮機１２の起動および停止を制御する圧縮機制御部８２と、膨張弁１６および開度調整弁４０の開度を制御するバルブ制御部８３と、モータ４４の回転数を制御するモータ制御部８５と、を備える。ＥＣＵ８０はまた、ＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）などのメモリ８４を有する。メモリ８４に記憶された制御プログラムに従ってＥＣＵ８０が各種の処理を実行することにより、熱交換装置１が制御される。
【００５４】
電池３１の温度の測定値を示す信号Ｔ１，Ｔ２は、ＥＶ＿ＥＣＵ８１によって受けられる。ＥＶ＿ＥＣＵ８１は、温度センサ６３，６４により検出された電池３１の現在の温度を、メモリ８４に記憶された電池３１の温度の上限値および下限値と比較して、電池３１の温度が目標とする温度範囲にあるか否かを判断する。この判断結果に従って、ＥＶ＿ＥＶＵ８１は、圧縮機制御部８２、バルブ制御部８３およびモータ制御部８５に制御信号を伝送する。
【００５５】
圧縮機制御部８２は、ＥＶ＿ＥＣＵ８１から伝送された制御命令を受け取り、圧縮機１２の起動または停止を指令する信号Ｃ１を圧縮機１２へ伝送する。バルブ制御部８３は、ＥＶ＿ＥＣＵ８１から伝送された制御命令を受け取り、開度調整弁４０の開度を指令する信号Ｖ１を開度調整弁４０へ伝送し、膨張弁１６の開度を指令する信号Ｖ２を膨張弁１６へ伝送する。モータ制御部８５は、ＥＶ＿ＥＣＵ８１から伝送された制御命令を受け取り、モータ４４の回転数を指令する信号Ｍ１をモータ４４へ伝送する。ＥＣＵ８０は、温度センサ６３，６４により検出された電池３１の温度に基づいて、開度調整弁４０および膨張弁１６の開度を制御し、またモータ４４の回転数を制御する。
【００５６】
モータ４４の回転数を変更すると、熱交換器１４における冷媒と外気との間の熱交換量が制御される。モータ４４の回転数を増加しコンデンサファン４２の回転速度を大きくすると、熱交換器１４へ供給される空気の流量が増加し、熱交換器１４における冷媒と外気との熱交換量が増加する。モータ４４の回転数を減少しコンデンサファン４２の回転速度を小さくすると、熱交換器１４へ供給される空気の流量が減少し、熱交換器１４における冷媒と外気との熱交換量が減少する。
【００５７】
図３は、電池３１の目標温度範囲を示すグラフである。図３の横軸は電池３１の温度を示し、縦軸は電池３１の出力密度を示す。図３に示すように、電池３１の温度と出力密度との間には、電池３１が低温であれば出力密度は小さく、電池３１の温度がある程度高くなると急激に出力密度が大きくなる、という関係がある。電池３１の温度が低いときには電池３１の出力を確保するのが困難である。そのため、電池３１の使用に好適な温度範囲を規定した上で、電池３１を使用するのが望ましい。電池３１の温度の目標とする範囲が図３の網掛け部分のように定められ、この目標温度範囲の下限値をＴａ、上限値をＴｂとする。
【００５８】
たとえば、被温度調節部が電池３１である場合、目標温度範囲の下限値Ｔａを２５℃と定め、目標温度範囲の上限値Ｔｂを４５℃と定めてもよい。目標温度範囲は電池３１の種類によって異なり、また個々の電池３１の特性によっても異なる。そのため、各電池３１の個体毎に、最適な目標温度範囲を規定すればよい。
【００５９】
図４は、熱交換装置１の制御方法の一例を示すフローチャートである。図４に示すように、熱交換装置１を使用して被温度調節部である電池３１の温度制御が開始されると、まずステップ（Ｓ１０）において、電池３１の温度（Ｔｃｅｌｌ）を読み込む。具体的には、電池３１に取付けられた温度センサ６３，６４を用いて、電池３１の温度を示す信号Ｔ１，Ｔ２をＥＣＵ８０が受けることにより、Ｔｃｅｌｌを読み込む。
【００６０】
次にステップ（Ｓ２０）において、電池３１の温度（Ｔｃｅｌｌ）が目標温度範囲の下限値Ｔａを下回っているかどうかが判断される。ステップ（Ｓ２０）でＴｃｅｌｌ＜Ｔａ、すなわち電池３１の温度が目標温度範囲を下回っていると判断された場合、次にステップ（Ｓ３０）において開度調整弁４０の開度が増大され、さらにステップ（Ｓ７０）において熱交換器１４における冷媒と外気との間の熱交換量が調整される。
【００６１】
つまり、開度調整弁４０の開度を増大させることでより多くの冷媒が熱交換部３０に供給されるようにするとともに、モータ４４の回転数を減少してコンデンサファン４２から熱交換器１４に送風される空気の量を減少する。熱交換器１４における冷媒と外気との熱交換量を減少させることにより、圧縮機１２で圧縮された高温の冷媒が熱交換器１４で冷却され冷媒の温度が低下することを、抑制する。これにより、より高温の冷媒を熱交換部３０へ供給する。被温度調節部としての電池３１よりも高温の冷媒を熱交換部３０へ流すことにより、熱交換部３０において冷媒から電池３１への熱伝達が発生する。このとき、熱交換部３０の内部では、冷媒が冷却され、電池３１が加温される。
【００６２】
図５は、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０を循環する冷媒の状態の第一の例を示すモリエル線図である。図５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５中には、図１に示す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。
【００６３】
図５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（Ｃ点）。
【００６４】
熱交換器１４において、冷媒から外気へ放熱することにより冷媒は冷却される。コンデンサファン４２を回転駆動するモータ４４の回転数を制御することにより、熱交換器１４における冷媒と外気との熱交換量が定められる。この場合、熱交換部３０において冷媒から電池３１へ熱を与えて電池３１を加熱する必要があるので、熱交換器１４から流出する冷媒の温度が電池３１の温度よりも高くなるように、熱交換器１４での熱交換量が定められる。熱交換器１４における冷媒の冷却を抑制することにより、熱交換器１４から流出する冷媒が高温に保たれる。
【００６５】
熱交換器１４から流出する冷媒は、冷媒通路２２、開度調整弁４０および冷媒通路２３を経由して、熱交換部３０へ流れる。このとき、開度調整弁４０の開度が増大され、典型的には開度調整弁４０が全開（開度１００％）とされていることにより、開度調整弁４０を通過するときに冷媒の圧力および比エンタルピーはほぼ変化しない。つまり、冷媒通路２２を流れる冷媒と、冷媒通路２３を流れる冷媒とは、ほぼ等しい圧力および比エンタルピーを有する。図５において、Ｃ点は冷媒通路２２を流れる冷媒の状態を示し、Ｄ点は冷媒通路２３を流れる冷媒の状態を示す。Ｃ点とＤ点とは、図５においてほぼ同じ位置に示されている。
【００６６】
開度調整弁４０を通過した冷媒は、冷媒通路２３を経由して熱交換部３０の冷却通路３２へ流れる。熱交換部３０において、冷却通路３２内を流れる高温の冷媒から電池３１へ熱伝達することで、電池３１が加熱される。電池３１との熱交換により、冷媒が冷却される。湿り蒸気状態の冷媒は、電池３１との熱交換により冷却され、凝縮する。熱交換部３０において冷媒の全部が凝縮すると、冷媒は飽和液になり、さらに顕熱を放出して過冷却液になる（Ｅ点）。
【００６７】
熱交換部３０で液化した高圧の液相冷媒は、冷媒通路２４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、冷媒の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）。
【００６８】
膨張弁１６において温度が下げられた湿り蒸気状態の冷媒は、冷媒通路２５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、フィンを経由して空調用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）。気化した冷媒は、冷媒通路２６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。
【００６９】
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。
【００７０】
温度センサ６３，６４で電池３１の温度を計測し、電池３１の温度が低く目標温度範囲を下回る場合には、開度調整弁４０の弁開度を増大させるとともに熱交換器１４での冷媒の冷却を抑制することで、高温の冷媒を熱交換部３０へ供給する。この高温の冷媒を用いて、電池３１を加熱する。電池３１の暖機が必要なときに、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０を流れる冷媒を利用して、積極的に電池３１を加熱して、早期に電池３１の温度を上昇させる。このようにすれば、簡単な構成かつ簡単な制御によって電池３１を加熱でき、電池３１の温度を早期に目標温度範囲の下限値以上にまで上昇させることができるので、電池３１の温度を適切に制御することが容易になる。
【００７１】
冷媒は、電池３１を加熱した後に膨張弁１６において絞り膨張される。そのため、熱交換器１８へ流入する冷媒は、車両の車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、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、電池３１を加熱することができる。
【００７２】
図４に戻って、ステップ（Ｓ２０）でＴｃｅｌｌ≧Ｔａ、すなわち電池３１の温度が目標温度範囲の下限値以上であると判断された場合、次にステップ（Ｓ４０）において、電池３１の温度（Ｔｃｅｌｌ）が目標温度範囲の上限値Ｔｂを下回っているかどうかが判断される。ステップ（Ｓ４０）でＴｃｅｌｌ＜Ｔｂ、すなわち電池３１の温度が目標温度範囲の上限値を下回り、電池３１の温度は目標温度範囲内にあると判断された場合、次にステップ（Ｓ５０）において、開度調整弁４０の開度が維持される。
【００７３】
図６は、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０を循環する冷媒の状態の第二の例を示すモリエル線図である。図６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６中には、図１に示す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。
【００７４】
図６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。
【００７５】
熱交換器１４へ入った高圧の冷媒蒸気は、熱交換器１４において外気と熱交換して冷却される。冷媒は、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り、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液になる（Ｃ点）。熱交換器１４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。
【００７６】
電池３１の温度が目標温度範囲内である場合、電池３１の過熱を防止できる程度に電池３１を冷却する必要がある。そのため、熱交換器１４から流出する冷媒の温度が電池３１の温度よりも低くなり、熱交換部３０における電池３１から冷媒への熱伝達により電池３１が冷却されるように、熱交換器１４での熱交換量が定められる。モータ４４の回転数を増大し、コンデンサファン４２から熱交換器１４への通風の流量を増大することにより、熱交換器１４において過冷却域まで冷媒を冷却でき、熱交換器１４から流出する冷媒の温度を十分に低くできる。
【００７７】
熱交換器１４から流出する冷媒は、冷媒通路２２、開度調整弁４０および冷媒通路２３を経由して、熱交換部３０へ流れる。開度調整弁４０を通過するときに冷媒の圧力および比エンタルピーはほぼ変化しない。つまり、冷媒通路２２を流れる冷媒と、冷媒通路２３を流れる冷媒とは、ほぼ等しい圧力および比エンタルピーを有する。図６において、Ｃ点は冷媒通路２２を流れる冷媒の状態を示し、Ｄ点は冷媒通路２３を流れる冷媒の状態を示す。Ｃ点とＤ点とは、図６においてほぼ同じ位置に示されている。
【００７８】
開度調整弁４０を通過した冷媒は、冷媒通路２３を経由して熱交換部３０の冷却通路３２へ流れる。熱交換部３０において、電池３１から冷却通路３２内を流れる高温の冷媒へ熱伝達することで、電池３１が冷却される。電池３１との熱交換により、冷媒が加熱され、冷媒の過冷却度が小さくなる。つまり、電池３１から顕熱を受けて過冷却液の状態の冷媒の温度が上昇し、液冷媒の飽和温度に近づき、飽和温度をわずかに下回る温度にまで加熱される（Ｅ点）。
【００７９】
その後冷媒は、冷媒通路２４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、冷媒の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）。
【００８０】
膨張弁１６において温度が下げられた湿り蒸気状態の冷媒は、冷媒通路２５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、フィンを経由して空調用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）。気化した冷媒は、冷媒通路２６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。
【００８１】
温度センサ６３，６４で電池３１の温度を計測し、電池３１の温度が目標温度範囲内にある場合には、開度調整弁４０の弁開度を維持することで、熱交換器１４で冷却された低温の冷媒を熱交換部３０へ供給する。この低温の冷媒を用いて、電池３１を冷却する。電池３１は充電時に発熱するので、電池３１の過熱を回避するために冷却する必要がある。本実施の形態では、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０を流れる冷媒を利用して、簡単な構成かつ簡単な制御によって電池３１を冷却でき、電池３１の温度を目標温度範囲内に保つことができるので、電池３１の温度を適切に制御することが容易になる。
【００８２】
冷媒は、電池３１を加熱した後に膨張弁１６において絞り膨張される。そのため、熱交換器１８へ流入する冷媒は、車両の車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、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、電池３１を冷却することができる。
【００８３】
図４に戻って、ステップ（Ｓ４０）でＴｃｅｌｌ≧Ｔｂ、すなわち電池３１の温度が目標温度範囲の上限値以上であると判断された場合、次にステップ（Ｓ６０）において開度調整弁４０の開度が減少され、さらにステップ（Ｓ８０）において膨張弁１６の開度が増大される。
【００８４】
図７は、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０を循環する冷媒の状態の第三の例を示すモリエル線図である。図７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７中には、図１に示す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。
【００８５】
図７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。熱交換器１４へ入った高圧の冷媒蒸気は、熱交換器１４において冷却され、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り、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液になる（Ｃ点）。
【００８６】
液化した冷媒は、冷媒通路２２を経由して開度調整弁４０に流入する。このとき、開度調整弁４０の開度が減少していることにより、開度調整弁４０において過冷却液状態の冷媒は絞り膨張され、冷媒の比エンタルピーは変化せず温度と圧力とが低下する（Ｄ点）。図７において、Ｃ点は冷媒通路２２を流れる冷媒の状態を示し、Ｄ点は冷媒通路２３を流れる冷媒の状態を示す。図７において、Ｃ点とＤ点とは、比エンタルピーがほぼ同じであり、Ｃ点よりもＤ点の圧力が低下していることを示す位置に図示される。
【００８７】
開度調整弁４０において圧力および温度が下げられた中間圧力の冷媒は、冷媒通路２３を経由して熱交換部３０の冷却通路３２へ流れ、電池３１を冷却する。電池３１との熱交換により、冷媒の過冷却度が小さくなり、過冷却液の状態の冷媒の温度が上昇して、液冷媒の飽和温度に近づく（Ｅ点）。
【００８８】
開度調整弁４０で絞り膨張することにより温度が低下した冷媒を使用して電池３１を冷却できるので、電池３１をより効率よく冷却できる。開度調整弁４０の開度を最適に制御することにより、熱交換部３０で電池３１を冷却する冷媒の温度を任意に調整することができる。温度センサ６３，６４で電池３１の温度を計測し、電池３１の温度が高く目標温度範囲以上である場合には、開度調整弁４０で絞り膨張されたより低い温度の冷媒を熱交換部３０に供給して、電池３１をより効率よく冷却することができる。したがって、電池３１の温度を早期に目標温度範囲の上限値未満にまで低下させることができるので、電池３１の温度を適切に制御することが容易になる。
【００８９】
その後冷媒は、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、熱交換器１８において、外部から熱を吸収して蒸発潜熱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、過熱蒸気となり（Ａ点）、圧縮機１２に吸入される。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。
【００９０】
冷媒は、熱交換器１４において過冷却液になるまで冷却され、電池３１から顕熱を受けて飽和温度をわずかに下回る温度にまで加熱される。その後膨張弁１６を通過することで、冷媒は低温低圧の湿り蒸気になる。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。熱交換器１４は、冷媒を十分に冷却できる程度に、その放熱能力が定められている。
【００９１】
熱交換器１４における冷媒と外気との熱交換量は、熱交換器１４を通過した後の液相冷媒の温度が車室内の冷房のために必要とされる温度よりも低下するように、定められる。熱交換器１４における熱交換量は、電池３１を冷却しない場合よりも、冷媒が電池３１から受け取ると想定される熱量分だけ大きいように、定められる。このように熱交換器１４の熱交換量を定めることにより、熱交換装置１は、車両の室内の冷房性能を維持しつつ、圧縮機１２の動力を増加させることなく、電池３１を適切に冷却できる。
【００９２】
冷媒は、電池３１を加熱した後に膨張弁１６において絞り膨張される。そのため、熱交換器１８へ流入する冷媒は、車両の車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、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、電池３１を冷却することができる。
【００９３】
図４に示すステップ（Ｓ５０）、ステップ（Ｓ７０）またはステップ（Ｓ８０）の後に、制御フローはリターンされ、再度ステップ（Ｓ１０）の電池３１の温度の読み込みに戻る。
【００９４】
図８は、本実施の形態に従った電池温度の時間変化を示すタイムチャートである。図８の横軸は電池３１の起動以来の経過時間を示し、縦軸は電池３１の温度を示す。図８に示すように、電池３１を起動した直後の電池３１の温度が目標温度範囲の下限値Ｔａを下回るときには、図５を参照して説明したように電池３１を加熱することで、早期に電池３１の温度を上昇させることが可能になる。電池３１の温度が上昇を続け、目標温度範囲の上限値Ｔｂ以上になると、図７を参照して説明したように電池３１の冷却能力を増大することで、電池３１の温度を早期に低下させることができる。その後、電池３１の温度が目標温度範囲内にあるときには、図６を参照して説明したように電池３１を冷却することで、安定した電池３１の冷却が可能になる。
【００９５】
以上説明したように、本実施の形態の熱交換装置１では、温度センサ６３，６４により電池３１の温度を検出し、検出された電池３１の温度に基づいて開度調整弁４０の開度を制御する。より具体的には、電池３１の温度が目標温度範囲を下回るとき、開度調整弁４０の開度を増大して電池３１を加熱する。一方、電池３１の温度が目標温度範囲内にあるとき、開度調整弁４０の開度を維持して電池３１を冷却する。さらに、電池３１の温度が目標温度範囲を上回るとき、開度調整弁４０の開度を減少して電池３１の冷却能力をより高める。
【００９６】
このようにすれば、電池３１の温度が高く電池３１の冷却が必要なときには電池３１を冷却し、かつ、電池３１の温度が低く電池３１の暖機が必要なときには電池３１を加熱するように、電池３１の温度を制御できる。電池３１の温度を監視して、電池３１の温度に従って開度調整弁４０の開度を調整することにより、電池３１と熱交換するための熱交換部３０に流入する冷媒の温度を最適に制御することができるので、電池３１の温度制御を安定して行なうことができる。電池３１が低温のときには早期に電池３１を暖機することができるので、電池３１の出力を向上できる。電池３１が高温の時には冷媒温度を下げ、低温の冷媒を用いて電池３１を冷却することにより、電池３１の冷却性能を確保できるので、より安定した電池３１の冷却が可能になる。
【００９７】
電池３１の加温と冷却との両方を、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０を循環する冷媒を用いて行なうことができるので、簡単な構成で電池３１の加温および冷却ができる熱交換装置１を提供できる。電池３１の加熱のために電気ヒータなどの追加の装置が必要ないため、熱交換装置１の装置コストの低減および小型化を達成でき、加えて、電池３１の加熱のための消費動力を低減できるので、車両の燃費を向上することができる。
【００９８】
電池３１の温度に基づいて熱交換器１４における冷媒と外気との間の熱交換量を制御し、電池３１の温度が目標温度範囲を下回るとき、熱交換器１４における冷媒と外気との間の熱交換量を減少させる。このようにすれば、熱交換部３０により高温の冷媒を供給することができるので、電池３１の暖機のための所要時間をより短縮でき、早期に電池３１の出力を向上させることができる。
【００９９】
電池３１の温度に基づいて膨張弁１６の開度を制御し、電池３１の温度が目標温度範囲を上回るとき、膨張弁１６の開度を増大する。このようにすれば、電池３１の冷却のために開度調整弁４０で冷媒を絞り膨張させる場合に、膨張弁１６での冷媒の圧力低下が抑制される。そのため、熱交換器１８へ流入する冷媒の圧力および比エンタルピーを変化させずに、熱交換部３０へ供給される冷媒の温度を下げることができる。したがって、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０を用いた車室内の冷房能力に影響を与えることなく、電池３１の冷却能力を自在に向上させることができる。
【０１００】
なお、これまでの説明においては、電池３１を例として車両に搭載された被温度調節部の温度を最適に調節する熱交換装置１について説明した。本発明の熱交換装置１により温度を調節される被温度調節部は、電池３１に限られるものではない。たとえば、車両に搭載されるトランスアクスルを冷却するためのＡＴＦ（Automatic Transmission Fluid）を冷却するＡＴＦ冷却器を、被温度調節部としてもよい。
【０１０１】
ＡＴＦは、トランスアクスルを構成するモータジェネレータやギヤなどの発熱部材で発生した熱を回収して、ＡＴＦ冷却器で冷却されることにより、トランスアクスルを冷却する。ＡＴＦは、モータジェネレータのコイルや磁石などの部品保護、ＡＴＦの劣化抑制などの目的のために、冷却が必要とされる。しかし、ＡＴＦを冷やし過ぎると、ＡＴＦの粘度が増大し、ギヤの潤滑不足やフリクションロスの増大を招くため、ＡＴＦは適度に加温されることが望ましい。そこで、本実施の形態の熱交換装置１にＡＴＦ冷却器を適用し、熱交換部３０においてＡＴＦを冷却および加熱してもよい。
【０１０２】
また、被温度調節部は、車両に搭載された車載機器に限られず、外気温などの諸条件に従って冷却または加熱されることを必要とする任意の機器、または任意の機器の発熱する一部分であってもよい。
【０１０３】
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】
【０１０４】
本発明の熱交換装置は、冷却または加熱を必要とする電池などの被温度調節部の、車両における車内の冷暖房を行なうための蒸気圧縮式冷凍サイクルを使用した温度調節に、特に有利に適用され得る。
【符号の説明】
【０１０５】
１ 熱交換装置、１０ 蒸気圧縮式冷凍サイクル、１２ 圧縮機、１４，１８ 熱交換器、２１〜２６ 冷媒通路、３０ 熱交換部、３１ 電池、３２ 冷却通路、４０ 開度調整弁、４２ コンデンサファン、４４ モータ、６３，６４ 温度センサ、８０ ＥＣＵ、８２ 圧縮機制御部、８３ バルブ制御部、８４ メモリ、８５ モータ制御部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換装置に関し、特に、蒸気圧縮式冷凍サイクルを流通する冷媒と、温度を調節される被温度調節部との間で熱交換を行なう、熱交換装置に関する。
【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、電気機器を冷却する技術が提案されている。
【０００３】
たとえば特開平１１−２３０８１号公報（特許文献１）には、冷凍サイクルの中間圧力の冷媒が発熱機器を冷却するように構成された冷却器と、この冷却器の上流側および下流側にそれぞれ配置され、外部信号により弁開度が制御可能な電気膨張弁を設け、中間圧力の冷媒で発熱機器の冷却を行なう装置が開示されている。
【０００４】
特開２００５−９０８６２号公報（特許文献２）には、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を設けた、冷却システムが開示されている。
【０００５】
国際公開第２００９／１２７２９２号（特許文献３）には、冷却回路内の冷媒を液化するための凝縮装置の下流にエバポレータが配置され、電気部品ユニットの熱をエバポレータに供給して電気部品ユニットを冷却する、冷却装置が開示されている。
【０００６】
ところで、電池の温度が低下すると、電池内部での化学変化が抑制されて出力密度が低下するので、電池温度が低いときには電池出力が確保できない虞がある。そのため電池は、適度に加温されることが望ましい。上記特許文献１〜３では、冷却対象部品である電気機器を冷凍サイクルの冷媒により冷却することで、低コストで電気機器を冷却できる装置が提案されているが、電気機器を加温する思想は述べられていない。
【０００７】
車両に搭載された電池を加温する技術に関し、例えば特開２００９−２５７２５４号公報（特許文献４）には、車両走行時に化学蓄熱材に蓄熱し、車両始動時に化学蓄熱材が蓄熱していた熱によって電池を加熱するシステムが開示されている。特開平１０−１２２８６号公報（特許文献５）には、車室内の暖房用の加熱流体をバッテリの加熱に活用する装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−２３０８１号公報
【特許文献２】特開２００５−９０８６２号公報
【特許文献３】国際公開第２００９／１２７２９２号
【特許文献４】特開２００９−２５７２５４号公報
【特許文献５】特開平１０−１２２８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１〜５には、上述した通り、電気機器を冷却または加温する技術が開示されているものの、電気機器の冷却が必要なときと加熱が必要なときとの両方に対応して電気機器を温度制御する思想は述べられていない。そのため、外気温度などの条件に従って選択的に冷却または加温を必要とする、たとえば電池のような機器の温度を調整する技術としては不十分である。
【００１０】
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、冷媒との熱交換により被温度調節部の温度を適切に調節することのできる、熱交換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る熱交換装置は、冷媒と被温度調節部との間で熱交換を行なう熱交換装置であって、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、第一熱交換器と被温度調節部との間の冷媒の経路の開度を調整可能な開度調整弁と、被温度調節部と第二熱交換器との間の冷媒の経路に配置され、冷媒を減圧する膨張弁と、開度調整弁の開度を制御する制御部と、を備える。制御部は、開度調整弁の開度を増大して被温度調節部を加熱し、開度調整弁の開度を減少して被温度調節部を冷却する。
【００１２】
上記熱交換装置において好ましくは、被温度調節部の温度を検出する検出部を備え、制御部は、検出部により検出された被温度調節部の温度に基づいて、開度調整弁の開度を制御する。
【００１３】
上記熱交換装置において好ましくは、制御部は、検出部により検出された被温度調節部の温度が目標温度範囲を下回ると開度調整弁の開度を増大し、検出部により検出された被温度調節部の温度が目標温度範囲を上回ると開度調整弁の開度を減少する。
【００１４】
上記熱交換装置において好ましくは、制御部は、被温度調節部の温度に基づいて膨張弁の開度を制御する。
【００１５】
上記熱交換装置において好ましくは、制御部は、被温度調節部の温度に基づいて第一熱交換器における冷媒と外気との間の熱交換量を制御する。
【００１６】
本発明に係る熱交換装置の制御方法は、冷媒と被温度調節部との間で熱交換を行なう熱交換装置の制御方法である。熱交換装置は、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、第一熱交換器と被温度調節部との間の冷媒の経路の開度を調整可能な開度調整弁と、被温度調節部と第二熱交換器との間の冷媒の経路に配置され、冷媒を減圧する膨張弁と、を備える。制御方法は、被温度調節部の温度を判断するステップと、判断するステップにおいて被温度調節部の温度が目標温度範囲を下回ると判断されたとき、開度調整弁の開度を増大して被温度調節部を加熱するステップと、判断するステップにおいて被温度調節部の温度が目標温度範囲を上回ると判断されたとき、開度調整弁の開度を減少して被温度調節部を冷却するステップと、を備える。
【００１７】
上記方法において好ましくは、判断するステップにおいて被温度調節部の温度が目標温度範囲を下回ると判断されたとき、第一熱交換器における冷媒と外気との間の熱交換量を調整するステップを備える。
【００１８】
上記方法において好ましくは、判断するステップにおいて被温度調節部の温度が目標温度範囲を上回ると判断されたとき、膨張弁の開度を増大するステップを備える。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の熱交換装置によると、冷媒と被温度調節部との間で熱交換を行なうことにより、被温度調節部の温度を適切に調節することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本実施の形態の熱交換装置の構成を示す模式図である。
【図２】ＥＣＵの構成の詳細を示すブロック図である。
【図３】電池の目標温度範囲を示すグラフである。
【図４】熱交換装置の制御方法の一例を示すフローチャートである。
【図５】蒸気圧縮式冷凍サイクルを循環する冷媒の状態の第一の例を示すモリエル線図である。
【図６】蒸気圧縮式冷凍サイクルを循環する冷媒の状態の第二の例を示すモリエル線図である。
【図７】蒸気圧縮式冷凍サイクルを循環する冷媒の状態の第三の例を示すモリエル線図である。
【図８】本実施の形態に従った電池温度の時間変化を示すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【００２２】
図１は、本実施の形態の熱交換装置１の構成を示す模式図である。図１に示すように、熱交換装置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、圧縮機１２と、第一熱交換器としての熱交換器１４と、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、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。
【００２３】
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。
【００２４】
熱交換器１４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。
【００２５】
熱交換器１４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に供給されてもよい。または冷却風は、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に供給されてもよい。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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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２６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。
【００２９】
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とを連通する冷媒通路２１と、熱交換器１４と膨張弁１６とを連通する冷媒通路２２，２３，２４と、膨張弁１６と熱交換器１８とを連通する冷媒通路２５と、熱交換器１８と圧縮機１２とを連通する冷媒通路２６と、を含む。
【００３０】
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２２〜２４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２２〜２４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。
【００３１】
冷媒通路２５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２５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２６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２６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。
【００３２】
蒸気圧縮式冷凍サイクル１０は、圧縮機１２、熱交換器１４、膨張弁１６および熱交換器１８が、冷媒通路２１〜２６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。
【００３３】
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の出口側から開度調整弁４０へ至る冷媒通路２２と、開度調整弁４０から熱交換部３０へ至る冷媒通路２３と、熱交換部３０の出口側から冷媒を膨張弁１６へ流通させる冷媒通路２４と、を含む。冷媒通路２３を経由して、開度調整弁４０から熱交換部３０へ冷媒液が流れる。熱交換部３０を通過した冷媒は、冷媒通路２４を経由して、膨張弁１６へ流れる。熱交換部３０は、熱交換器１４から膨張弁１６へ向けて流れる冷媒の経路上に設けられている。
【００３４】
熱交換部３０は、車両に搭載された蓄電池である電池３１と、冷媒が流通する配管である冷却通路３２とを含む。電池３１は、熱交換装置１によって温度を調節される被温度調節部の一例である。冷却通路３２の一方の端部は、冷媒通路２３に接続される。冷却通路３２の他方の端部は、冷媒通路２４に接続される。
【００３５】
開度調整弁４０と膨張弁１６との間の冷媒の経路は、熱交換部３０よりも上流側（開度調整弁４０に近接する側）の冷媒通路２３と、熱交換部３０に含まれる冷却通路３２と、熱交換部３０よりも下流側（膨張弁１６に近接する側）の冷媒通路２４と、を含む。冷媒通路２３は、開度調整弁４０から熱交換部３０に冷媒を流通させるための通路である。冷媒通路２４は、熱交換部３０から膨張弁１６に冷媒を流通させるための通路である。
【００３６】
熱交換部３０へ流通し、冷却通路３２を経由して流れる冷媒は、発熱源としての電池３１から熱を奪って、電池３１を冷却させる。熱交換部３０は、冷媒通路２３を経由して冷却通路３２へ流れる冷媒を用いて、電池３１を冷却する。熱交換部３０において、冷却通路３２内を流通する冷媒と、電池３１と、が熱交換を行なうことにより、電池３１は冷却され、冷媒は加熱される。冷媒はさらに冷媒通路２４を経由して熱交換部３０から膨張弁１６へ至る。
【００３７】
熱交換部３０は、冷却通路３２において電池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、熱交換部３０は、たとえば、電池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、電池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、電池３１との間で、熱交換が可能となる。
【００３８】
電池３１は、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の熱交換器１４から膨張弁１６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の外部に電池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電池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、電池３１を冷却することができる。
【００３９】
代替的には、熱交換部３０は、電池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。この場合電池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、電池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。電池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と電池３１との間の熱伝達効率が高められるので、電池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電池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、電池３１と冷却通路３２との間に距離があってもよく、電池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、電池３１の配置の自由度を向上することができる。
【００４１】
電池３１は、蓄電装置であり、電力の授受によって発熱する電気機器に含まれる。電池３１は、リチウムイオン電池またはニッケル水素電池等の二次電池である。電池３１に代えてキャパシタが用いられてもよい。
【００４２】
熱交換部３０は、温度センサ６３，６４を含む。温度センサ６３，６４は、電池３１の温度を検出するための検出部として機能する。図１に示すように、電池３１の複数箇所の温度を検出するための複数の温度センサが設けられてもよく、または電池３１の温度の代表値を検出可能な位置に一つの温度センサが設けられてもよい。複数の温度センサを設ける場合、電池３１の温度をより正確に計測でき、電池３１の温度に基づく制御の信頼性を向上できるので望ましい。
【００４３】
開度調整弁４０は、熱交換器１４の出口と、被温度調節部としての電池３１を含む熱交換部３０と、の間に設けられている。熱交換器１４と開度調整弁４０とは、冷媒通路２２によって連結される。冷媒は、冷媒通路２２を経由して、熱交換器１４から開度調整弁４０へ向かって流れる。開度調整弁４０と熱交換部３０とは、冷媒通路２３によって連結される。冷媒は、冷媒通路２３を経由して、開度調整弁４０から熱交換部３０へ向かって流れる。
【００４４】
開度調整弁４０は、その弁開度を調整することで、熱交換器１４と熱交換部３０との間の冷媒の経路の開度を調整可能に、設けられている。開度調整弁４０は、熱交換器１４から熱交換部３０へ流れる冷媒の流量を調整可能である。開度調整弁４０の開度を小さくすると、熱交換部３０へ流れる冷媒の流量が減少し、電池３１を冷却する冷却能力が減少する。開度調整弁４０の開度を大きくすると、熱交換部３０へ流れる冷媒の流量が増大し、電池３１の冷却能力が増大する。
【００４５】
熱交換器１８は、冷媒と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。空調用空気は、外気であってもよく、車両の室内の空気であってもよい。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。
【００４６】
冷媒は、圧縮機１２と熱交換器１４と膨張弁１６と熱交換器１８とが冷媒通路２１〜２６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と膨張弁１６と熱交換器１８とに冷媒が循環する。
【００４７】
冷房運転時に、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によって絞り膨張され減圧された低温低圧の冷媒を用いて、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流入することによって、車両の室内の冷房が行なわれる。
【００４８】
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から流出した高圧の液冷媒が熱交換部３０へ流通し、電池３１と熱交換することで電池３１を冷却する。熱交換装置１は、車両に搭載された発熱源である電池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。
【００４９】
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、電池３１の冷却が行なわれるので、電池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、電池３１の冷却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、熱交換装置１の製造コストを低減することができる。加えて、電池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、電池３１の冷却のための消費動力を低減することができる。
【００５０】
膨張弁１６を通過した後の低温低圧の冷媒を電池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、本実施の形態の熱交換装置１では、電池３１を冷却する熱交換部３０は、熱交換器１４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。冷媒を熱交換器１４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。
【００５１】
このように、冷媒を十分に冷却できる熱交換器１４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、電池３１を冷却することができる。したがって、電池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。
【００５２】
以下、本実施の形態の熱交換装置１の制御について説明する。図１に示す、熱交換装置１を制御する制御部としてのＥＣＵ（Electric Control Unit）８０は、温度センサ６３，６４から、電池３１の温度の測定値を示す信号Ｔ１，Ｔ２を受ける。ＥＣＵ８０はまた、圧縮機１２に対し起動または停止を指令する信号Ｃ１と、開度調整弁４０、膨張弁１６の開度をそれぞれ指令する信号Ｖ１，Ｖ２と、コンデンサファン４２を回転駆動するためのモータ４４に対し回転数を指令する信号Ｍ１と、を出力する。
【００５３】
図２は、ＥＣＵ８０の構成の詳細を示すブロック図である。ＥＣＵ８０は、熱交換装置１の搭載される車両のすべての制御部を統括するＥＶ（Electric Vehicle）＿ＥＣＵ（Electric Control Unit）８１を備える。ＥＣＵ８０はまた、圧縮機１２の起動および停止を制御する圧縮機制御部８２と、膨張弁１６および開度調整弁４０の開度を制御するバルブ制御部８３と、モータ４４の回転数を制御するモータ制御部８５と、を備える。ＥＣＵ８０はまた、ＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）などのメモリ８４を有する。メモリ８４に記憶された制御プログラムに従ってＥＣＵ８０が各種の処理を実行することにより、熱交換装置１が制御される。
【００５４】
電池３１の温度の測定値を示す信号Ｔ１，Ｔ２は、ＥＶ＿ＥＣＵ８１によって受けられる。ＥＶ＿ＥＣＵ８１は、温度センサ６３，６４により検出された電池３１の現在の温度を、メモリ８４に記憶された電池３１の温度の上限値および下限値と比較して、電池３１の温度が目標とする温度範囲にあるか否かを判断する。この判断結果に従って、ＥＶ＿ＥＶＵ８１は、圧縮機制御部８２、バルブ制御部８３およびモータ制御部８５に制御信号を伝送する。
【００５５】
圧縮機制御部８２は、ＥＶ＿ＥＣＵ８１から伝送された制御命令を受け取り、圧縮機１２の起動または停止を指令する信号Ｃ１を圧縮機１２へ伝送する。バルブ制御部８３は、ＥＶ＿ＥＣＵ８１から伝送された制御命令を受け取り、開度調整弁４０の開度を指令する信号Ｖ１を開度調整弁４０へ伝送し、膨張弁１６の開度を指令する信号Ｖ２を膨張弁１６へ伝送する。モータ制御部８５は、ＥＶ＿ＥＣＵ８１から伝送された制御命令を受け取り、モータ４４の回転数を指令する信号Ｍ１をモータ４４へ伝送する。ＥＣＵ８０は、温度センサ６３，６４により検出された電池３１の温度に基づいて、開度調整弁４０および膨張弁１６の開度を制御し、またモータ４４の回転数を制御する。
【００５６】
モータ４４の回転数を変更すると、熱交換器１４における冷媒と外気との間の熱交換量が制御される。モータ４４の回転数を増加しコンデンサファン４２の回転速度を大きくすると、熱交換器１４へ供給される空気の流量が増加し、熱交換器１４における冷媒と外気との熱交換量が増加する。モータ４４の回転数を減少しコンデンサファン４２の回転速度を小さくすると、熱交換器１４へ供給される空気の流量が減少し、熱交換器１４における冷媒と外気との熱交換量が減少する。
【００５７】
図３は、電池３１の目標温度範囲を示すグラフである。図３の横軸は電池３１の温度を示し、縦軸は電池３１の出力密度を示す。図３に示すように、電池３１の温度と出力密度との間には、電池３１が低温であれば出力密度は小さく、電池３１の温度がある程度高くなると急激に出力密度が大きくなる、という関係がある。電池３１の温度が低いときには電池３１の出力を確保するのが困難である。そのため、電池３１の使用に好適な温度範囲を規定した上で、電池３１を使用するのが望ましい。電池３１の温度の目標とする範囲が図３の網掛け部分のように定められ、この目標温度範囲の下限値をＴａ、上限値をＴｂとする。
【００５８】
たとえば、被温度調節部が電池３１である場合、目標温度範囲の下限値Ｔａを２５℃と定め、目標温度範囲の上限値Ｔｂを４５℃と定めてもよい。目標温度範囲は電池３１の種類によって異なり、また個々の電池３１の特性によっても異なる。そのため、各電池３１の個体毎に、最適な目標温度範囲を規定すればよい。
【００５９】
図４は、熱交換装置１の制御方法の一例を示すフローチャートである。図４に示すように、熱交換装置１を使用して被温度調節部である電池３１の温度制御が開始されると、まずステップ（Ｓ１０）において、電池３１の温度（Ｔｃｅｌｌ）を読み込む。具体的には、電池３１に取付けられた温度センサ６３，６４を用いて、電池３１の温度を示す信号Ｔ１，Ｔ２をＥＣＵ８０が受けることにより、Ｔｃｅｌｌを読み込む。
【００６０】
次にステップ（Ｓ２０）において、電池３１の温度（Ｔｃｅｌｌ）が目標温度範囲の下限値Ｔａを下回っているかどうかが判断される。ステップ（Ｓ２０）でＴｃｅｌｌ＜Ｔａ、すなわち電池３１の温度が目標温度範囲を下回っていると判断された場合、次にステップ（Ｓ３０）において開度調整弁４０の開度が増大され、さらにステップ（Ｓ７０）において熱交換器１４における冷媒と外気との間の熱交換量が調整される。
【００６１】
つまり、開度調整弁４０の開度を増大させることでより多くの冷媒が熱交換部３０に供給されるようにするとともに、モータ４４の回転数を減少してコンデンサファン４２から熱交換器１４に送風される空気の量を減少する。熱交換器１４における冷媒と外気との熱交換量を減少させることにより、圧縮機１２で圧縮された高温の冷媒が熱交換器１４で冷却され冷媒の温度が低下することを、抑制する。これにより、より高温の冷媒を熱交換部３０へ供給する。被温度調節部としての電池３１よりも高温の冷媒を熱交換部３０へ流すことにより、熱交換部３０において冷媒から電池３１への熱伝達が発生する。このとき、熱交換部３０の内部では、冷媒が冷却され、電池３１が加温される。
【００６２】
図５は、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０を循環する冷媒の状態の第一の例を示すモリエル線図である。図５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５中には、図１に示す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。
【００６３】
図５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（Ｃ点）。
【００６４】
熱交換器１４において、冷媒から外気へ放熱することにより冷媒は冷却される。コンデンサファン４２を回転駆動するモータ４４の回転数を制御することにより、熱交換器１４における冷媒と外気との熱交換量が定められる。この場合、熱交換部３０において冷媒から電池３１へ熱を与えて電池３１を加熱する必要があるので、熱交換器１４から流出する冷媒の温度が電池３１の温度よりも高くなるように、熱交換器１４での熱交換量が定められる。熱交換器１４における冷媒の冷却を抑制することにより、熱交換器１４から流出する冷媒が高温に保たれる。
【００６５】
熱交換器１４から流出する冷媒は、冷媒通路２２、開度調整弁４０および冷媒通路２３を経由して、熱交換部３０へ流れる。このとき、開度調整弁４０の開度が増大され、典型的には開度調整弁４０が全開（開度１００％）とされていることにより、開度調整弁４０を通過するときに冷媒の圧力および比エンタルピーはほぼ変化しない。つまり、冷媒通路２２を流れる冷媒と、冷媒通路２３を流れる冷媒とは、ほぼ等しい圧力および比エンタルピーを有する。図５において、Ｃ点は冷媒通路２２を流れる冷媒の状態を示し、Ｄ点は冷媒通路２３を流れる冷媒の状態を示す。Ｃ点とＤ点とは、図５においてほぼ同じ位置に示されている。
【００６６】
開度調整弁４０を通過した冷媒は、冷媒通路２３を経由して熱交換部３０の冷却通路３２へ流れる。熱交換部３０において、冷却通路３２内を流れる高温の冷媒から電池３１へ熱伝達することで、電池３１が加熱される。電池３１との熱交換により、冷媒が冷却される。湿り蒸気状態の冷媒は、電池３１との熱交換により冷却され、凝縮する。熱交換部３０において冷媒の全部が凝縮すると、冷媒は飽和液になり、さらに顕熱を放出して過冷却液になる（Ｅ点）。
【００６７】
熱交換部３０で液化した高圧の液相冷媒は、冷媒通路２４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、冷媒の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）。
【００６８】
膨張弁１６において温度が下げられた湿り蒸気状態の冷媒は、冷媒通路２５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、フィンを経由して空調用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）。気化した冷媒は、冷媒通路２６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。
【００６９】
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。
【００７０】
温度センサ６３，６４で電池３１の温度を計測し、電池３１の温度が低く目標温度範囲を下回る場合には、開度調整弁４０の弁開度を増大させるとともに熱交換器１４での冷媒の冷却を抑制することで、高温の冷媒を熱交換部３０へ供給する。この高温の冷媒を用いて、電池３１を加熱する。電池３１の暖機が必要なときに、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０を流れる冷媒を利用して、積極的に電池３１を加熱して、早期に電池３１の温度を上昇させる。このようにすれば、簡単な構成かつ簡単な制御によって電池３１を加熱でき、電池３１の温度を早期に目標温度範囲の下限値以上にまで上昇させることができるので、電池３１の温度を適切に制御することが容易になる。
【００７１】
冷媒は、電池３１を加熱した後に膨張弁１６において絞り膨張される。そのため、熱交換器１８へ流入する冷媒は、車両の車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、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、電池３１を加熱することができる。
【００７２】
図４に戻って、ステップ（Ｓ２０）でＴｃｅｌｌ≧Ｔａ、すなわち電池３１の温度が目標温度範囲の下限値以上であると判断された場合、次にステップ（Ｓ４０）において、電池３１の温度（Ｔｃｅｌｌ）が目標温度範囲の上限値Ｔｂを下回っているかどうかが判断される。ステップ（Ｓ４０）でＴｃｅｌｌ＜Ｔｂ、すなわち電池３１の温度が目標温度範囲の上限値を下回り、電池３１の温度は目標温度範囲内にあると判断された場合、次にステップ（Ｓ５０）において、開度調整弁４０の開度が維持される。
【００７３】
図６は、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０を循環する冷媒の状態の第二の例を示すモリエル線図である。図６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６中には、図１に示す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。
【００７４】
図６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。
【００７５】
熱交換器１４へ入った高圧の冷媒蒸気は、熱交換器１４において外気と熱交換して冷却される。冷媒は、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り、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液になる（Ｃ点）。熱交換器１４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。
【００７６】
電池３１の温度が目標温度範囲内である場合、電池３１の過熱を防止できる程度に電池３１を冷却する必要がある。そのため、熱交換器１４から流出する冷媒の温度が電池３１の温度よりも低くなり、熱交換部３０における電池３１から冷媒への熱伝達により電池３１が冷却されるように、熱交換器１４での熱交換量が定められる。モータ４４の回転数を増大し、コンデンサファン４２から熱交換器１４への通風の流量を増大することにより、熱交換器１４において過冷却域まで冷媒を冷却でき、熱交換器１４から流出する冷媒の温度を十分に低くできる。
【００７７】
熱交換器１４から流出する冷媒は、冷媒通路２２、開度調整弁４０および冷媒通路２３を経由して、熱交換部３０へ流れる。開度調整弁４０を通過するときに冷媒の圧力および比エンタルピーはほぼ変化しない。つまり、冷媒通路２２を流れる冷媒と、冷媒通路２３を流れる冷媒とは、ほぼ等しい圧力および比エンタルピーを有する。図６において、Ｃ点は冷媒通路２２を流れる冷媒の状態を示し、Ｄ点は冷媒通路２３を流れる冷媒の状態を示す。Ｃ点とＤ点とは、図６においてほぼ同じ位置に示されている。
【００７８】
開度調整弁４０を通過した冷媒は、冷媒通路２３を経由して熱交換部３０の冷却通路３２へ流れる。熱交換部３０において、電池３１から冷却通路３２内を流れる高温の冷媒へ熱伝達することで、電池３１が冷却される。電池３１との熱交換により、冷媒が加熱され、冷媒の過冷却度が小さくなる。つまり、電池３１から顕熱を受けて過冷却液の状態の冷媒の温度が上昇し、液冷媒の飽和温度に近づき、飽和温度をわずかに下回る温度にまで加熱される（Ｅ点）。
【００７９】
その後冷媒は、冷媒通路２４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、冷媒の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）。
【００８０】
膨張弁１６において温度が下げられた湿り蒸気状態の冷媒は、冷媒通路２５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、フィンを経由して空調用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）。気化した冷媒は、冷媒通路２６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。
【００８１】
温度センサ６３，６４で電池３１の温度を計測し、電池３１の温度が目標温度範囲内にある場合には、開度調整弁４０の弁開度を維持することで、熱交換器１４で冷却された低温の冷媒を熱交換部３０へ供給する。この低温の冷媒を用いて、電池３１を冷却する。電池３１は充電時に発熱するので、電池３１の過熱を回避するために冷却する必要がある。本実施の形態では、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０を流れる冷媒を利用して、簡単な構成かつ簡単な制御によって電池３１を冷却でき、電池３１の温度を目標温度範囲内に保つことができるので、電池３１の温度を適切に制御することが容易になる。
【００８２】
冷媒は、電池３１を加熱した後に膨張弁１６において絞り膨張される。そのため、熱交換器１８へ流入する冷媒は、車両の車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、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、電池３１を冷却することができる。
【００８３】
図４に戻って、ステップ（Ｓ４０）でＴｃｅｌｌ≧Ｔｂ、すなわち電池３１の温度が目標温度範囲の上限値以上であると判断された場合、次にステップ（Ｓ６０）において開度調整弁４０の開度が減少され、さらにステップ（Ｓ８０）において膨張弁１６の開度が増大される。
【００８４】
図７は、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０を循環する冷媒の状態の第三の例を示すモリエル線図である。図７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７中には、図１に示す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。
【００８５】
図７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。熱交換器１４へ入った高圧の冷媒蒸気は、熱交換器１４において冷却され、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り、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液になる（Ｃ点）。
【００８６】
液化した冷媒は、冷媒通路２２を経由して開度調整弁４０に流入する。このとき、開度調整弁４０の開度が減少していることにより、開度調整弁４０において過冷却液状態の冷媒は絞り膨張され、冷媒の比エンタルピーは変化せず温度と圧力とが低下する（Ｄ点）。図７において、Ｃ点は冷媒通路２２を流れる冷媒の状態を示し、Ｄ点は冷媒通路２３を流れる冷媒の状態を示す。図７において、Ｃ点とＤ点とは、比エンタルピーがほぼ同じであり、Ｃ点よりもＤ点の圧力が低下していることを示す位置に図示される。
【００８７】
開度調整弁４０において圧力および温度が下げられた中間圧力の冷媒は、冷媒通路２３を経由して熱交換部３０の冷却通路３２へ流れ、電池３１を冷却する。電池３１との熱交換により、冷媒の過冷却度が小さくなり、過冷却液の状態の冷媒の温度が上昇して、液冷媒の飽和温度に近づく（Ｅ点）。
【００８８】
開度調整弁４０で絞り膨張することにより温度が低下した冷媒を使用して電池３１を冷却できるので、電池３１をより効率よく冷却できる。開度調整弁４０の開度を最適に制御することにより、熱交換部３０で電池３１を冷却する冷媒の温度を任意に調整することができる。温度センサ６３，６４で電池３１の温度を計測し、電池３１の温度が高く目標温度範囲以上である場合には、開度調整弁４０で絞り膨張されたより低い温度の冷媒を熱交換部３０に供給して、電池３１をより効率よく冷却することができる。したがって、電池３１の温度を早期に目標温度範囲の上限値未満にまで低下させることができるので、電池３１の温度を適切に制御することが容易になる。
【００８９】
その後冷媒は、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、熱交換器１８において、外部から熱を吸収して蒸発潜熱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、過熱蒸気となり（Ａ点）、圧縮機１２に吸入される。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。
【００９０】
冷媒は、熱交換器１４において過冷却液になるまで冷却され、電池３１から顕熱を受けて飽和温度をわずかに下回る温度にまで加熱される。その後膨張弁１６を通過することで、冷媒は低温低圧の湿り蒸気になる。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。熱交換器１４は、冷媒を十分に冷却できる程度に、その放熱能力が定められている。
【００９１】
熱交換器１４における冷媒と外気との熱交換量は、熱交換器１４を通過した後の液相冷媒の温度が車室内の冷房のために必要とされる温度よりも低下するように、定められる。熱交換器１４における熱交換量は、電池３１を冷却しない場合よりも、冷媒が電池３１から受け取ると想定される熱量分だけ大きいように、定められる。このように熱交換器１４の熱交換量を定めることにより、熱交換装置１は、車両の室内の冷房性能を維持しつつ、圧縮機１２の動力を増加させることなく、電池３１を適切に冷却できる。
【００９２】
冷媒は、電池３１を加熱した後に膨張弁１６において絞り膨張される。そのため、熱交換器１８へ流入する冷媒は、車両の車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、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、電池３１を冷却することができる。
【００９３】
図４に示すステップ（Ｓ５０）、ステップ（Ｓ７０）またはステップ（Ｓ８０）の後に、制御フローはリターンされ、再度ステップ（Ｓ１０）の電池３１の温度の読み込みに戻る。
【００９４】
図８は、本実施の形態に従った電池温度の時間変化を示すタイムチャートである。図８の横軸は電池３１の起動以来の経過時間を示し、縦軸は電池３１の温度を示す。図８に示すように、電池３１を起動した直後の電池３１の温度が目標温度範囲の下限値Ｔａを下回るときには、図５を参照して説明したように電池３１を加熱することで、早期に電池３１の温度を上昇させることが可能になる。電池３１の温度が上昇を続け、目標温度範囲の上限値Ｔｂ以上になると、図７を参照して説明したように電池３１の冷却能力を増大することで、電池３１の温度を早期に低下させることができる。その後、電池３１の温度が目標温度範囲内にあるときには、図６を参照して説明したように電池３１を冷却することで、安定した電池３１の冷却が可能になる。
【００９５】
以上説明したように、本実施の形態の熱交換装置１では、温度センサ６３，６４により電池３１の温度を検出し、検出された電池３１の温度に基づいて開度調整弁４０の開度を制御する。より具体的には、電池３１の温度が目標温度範囲を下回るとき、開度調整弁４０の開度を増大して電池３１を加熱する。一方、電池３１の温度が目標温度範囲内にあるとき、開度調整弁４０の開度を維持して電池３１を冷却する。さらに、電池３１の温度が目標温度範囲を上回るとき、開度調整弁４０の開度を減少して電池３１の冷却能力をより高める。
【００９６】
このようにすれば、電池３１の温度が高く電池３１の冷却が必要なときには電池３１を冷却し、かつ、電池３１の温度が低く電池３１の暖機が必要なときには電池３１を加熱するように、電池３１の温度を制御できる。電池３１の温度を監視して、電池３１の温度に従って開度調整弁４０の開度を調整することにより、電池３１と熱交換するための熱交換部３０に流入する冷媒の温度を最適に制御することができるので、電池３１の温度制御を安定して行なうことができる。電池３１が低温のときには早期に電池３１を暖機することができるので、電池３１の出力を向上できる。電池３１が高温の時には冷媒温度を下げ、低温の冷媒を用いて電池３１を冷却することにより、電池３１の冷却性能を確保できるので、より安定した電池３１の冷却が可能になる。
【００９７】
電池３１の加温と冷却との両方を、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０を循環する冷媒を用いて行なうことができるので、簡単な構成で電池３１の加温および冷却ができる熱交換装置１を提供できる。電池３１の加熱のために電気ヒータなどの追加の装置が必要ないため、熱交換装置１の装置コストの低減および小型化を達成でき、加えて、電池３１の加熱のための消費動力を低減できるので、車両の燃費を向上することができる。
【００９８】
電池３１の温度に基づいて熱交換器１４における冷媒と外気との間の熱交換量を制御し、電池３１の温度が目標温度範囲を下回るとき、熱交換器１４における冷媒と外気との間の熱交換量を減少させる。このようにすれば、熱交換部３０により高温の冷媒を供給することができるので、電池３１の暖機のための所要時間をより短縮でき、早期に電池３１の出力を向上させることができる。
【００９９】
電池３１の温度に基づいて膨張弁１６の開度を制御し、電池３１の温度が目標温度範囲を上回るとき、膨張弁１６の開度を増大する。このようにすれば、電池３１の冷却のために開度調整弁４０で冷媒を絞り膨張させる場合に、膨張弁１６での冷媒の圧力低下が抑制される。そのため、熱交換器１８へ流入する冷媒の圧力および比エンタルピーを変化させずに、熱交換部３０へ供給される冷媒の温度を下げることができる。したがって、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０を用いた車室内の冷房能力に影響を与えることなく、電池３１の冷却能力を自在に向上させることができる。
【０１００】
なお、これまでの説明においては、電池３１を例として車両に搭載された被温度調節部の温度を最適に調節する熱交換装置１について説明した。本発明の熱交換装置１により温度を調節される被温度調節部は、電池３１に限られるものではない。たとえば、車両に搭載されるトランスアクスルを冷却するためのＡＴＦ（Automatic Transmission Fluid）を冷却するＡＴＦ冷却器を、被温度調節部としてもよい。
【０１０１】
ＡＴＦは、トランスアクスルを構成するモータジェネレータやギヤなどの発熱部材で発生した熱を回収して、ＡＴＦ冷却器で冷却されることにより、トランスアクスルを冷却する。ＡＴＦは、モータジェネレータのコイルや磁石などの部品保護、ＡＴＦの劣化抑制などの目的のために、冷却が必要とされる。しかし、ＡＴＦを冷やし過ぎると、ＡＴＦの粘度が増大し、ギヤの潤滑不足やフリクションロスの増大を招くため、ＡＴＦは適度に加温されることが望ましい。そこで、本実施の形態の熱交換装置１にＡＴＦ冷却器を適用し、熱交換部３０においてＡＴＦを冷却および加熱してもよい。
【０１０２】
また、被温度調節部は、車両に搭載された車載機器に限られず、外気温などの諸条件に従って冷却または加熱されることを必要とする任意の機器、または任意の機器の発熱する一部分であってもよい。
【０１０３】
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】
【０１０４】
本発明の熱交換装置は、冷却または加熱を必要とする電池などの被温度調節部の、車両における車内の冷暖房を行なうための蒸気圧縮式冷凍サイクルを使用した温度調節に、特に有利に適用され得る。
【符号の説明】
【０１０５】
１ 熱交換装置、１０ 蒸気圧縮式冷凍サイクル、１２ 圧縮機、１４，１８ 熱交換器、２１〜２６ 冷媒通路、３０ 熱交換部、３１ 電池、３２ 冷却通路、４０ 開度調整弁、４２ コンデンサファン、４４ モータ、６３，６４ 温度センサ、８０ ＥＣＵ、８２ 圧縮機制御部、８３ バルブ制御部、８４ メモリ、８５ モータ制御部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒と被温度調節部との間で熱交換を行なう熱交換装置であって、
前記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被温度調節部との間の前記冷媒の経路の開度を調整可能な開度調整弁と、
前記被温度調節部と前記第二熱交換器との間の前記冷媒の経路に配置され、前記冷媒を減圧する膨張弁と、
前記開度調整弁の開度を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記開度調整弁の開度を増大して前記被温度調節部を加熱し、前記開度調整弁の開度を減少して前記被温度調節部を冷却する、熱交換装置。
【請求項２】
前記被温度調節部の温度を検出する検出部を備え、
前記制御部は、前記検出部により検出された前記被温度調節部の温度に基づいて、前記開度調整弁の開度を制御する、請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記検出部により検出された前記被温度調節部の温度が目標温度範囲を下回ると前記開度調整弁の開度を増大し、前記検出部により検出された前記被温度調節部の温度が目標温度範囲を上回ると前記開度調整弁の開度を減少する、請求項２に記載の熱交換装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記被温度調節部の温度に基づいて前記膨張弁の開度を制御する、請求項１から請求項３のいずれかに記載の熱交換装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記被温度調節部の温度に基づいて前記第一熱交換器における前記冷媒と外気との間の熱交換量を制御する、請求項１から請求項４のいずれかに記載の熱交換装置。
【請求項６】
冷媒と被温度調節部との間で熱交換を行なう熱交換装置の制御方法であって、
前記熱交換装置は、
前記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被温度調節部との間の前記冷媒の経路の開度を調整可能な開度調整弁と、
前記被温度調節部と前記第二熱交換器との間の前記冷媒の経路に配置され、前記冷媒を減圧する膨張弁と、を備え、
前記被温度調節部の温度を判断するステップと、
前記判断するステップにおいて前記被温度調節部の温度が目標温度範囲を下回ると判断されたとき、前記開度調整弁の開度を増大して前記被温度調節部を加熱するステップと、
前記判断するステップにおいて前記被温度調節部の温度が目標温度範囲を上回ると判断されたとき、前記開度調整弁の開度を減少して前記被温度調節部を冷却するステップと、を備える、熱交換装置の制御方法。
【請求項７】
前記判断するステップにおいて前記被温度調節部の温度が目標温度範囲を下回ると判断されたとき、前記第一熱交換器における前記冷媒と外気との間の熱交換量を調整するステップを備える、請求項６に記載の熱交換装置の制御方法。
【請求項８】
前記判断するステップにおいて前記被温度調節部の温度が目標温度範囲を上回ると判断されたとき、前記膨張弁の開度を増大するステップを備える、請求項６または請求項７に記載の熱交換装置の制御方法。
【請求項１】
冷媒と被温度調節部との間で熱交換を行なう熱交換装置であって、
前記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被温度調節部との間の前記冷媒の経路の開度を調整可能な開度調整弁と、
前記被温度調節部と前記第二熱交換器との間の前記冷媒の経路に配置され、前記冷媒を減圧する膨張弁と、
前記開度調整弁の開度を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記開度調整弁の開度を増大して前記被温度調節部を加熱し、前記開度調整弁の開度を減少して前記被温度調節部を冷却する、熱交換装置。
【請求項２】
前記被温度調節部の温度を検出する検出部を備え、
前記制御部は、前記検出部により検出された前記被温度調節部の温度に基づいて、前記開度調整弁の開度を制御する、請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記検出部により検出された前記被温度調節部の温度が目標温度範囲を下回ると前記開度調整弁の開度を増大し、前記検出部により検出された前記被温度調節部の温度が目標温度範囲を上回ると前記開度調整弁の開度を減少する、請求項２に記載の熱交換装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記被温度調節部の温度に基づいて前記膨張弁の開度を制御する、請求項１から請求項３のいずれかに記載の熱交換装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記被温度調節部の温度に基づいて前記第一熱交換器における前記冷媒と外気との間の熱交換量を制御する、請求項１から請求項４のいずれかに記載の熱交換装置。
【請求項６】
冷媒と被温度調節部との間で熱交換を行なう熱交換装置の制御方法であって、
前記熱交換装置は、
前記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被温度調節部との間の前記冷媒の経路の開度を調整可能な開度調整弁と、
前記被温度調節部と前記第二熱交換器との間の前記冷媒の経路に配置され、前記冷媒を減圧する膨張弁と、を備え、
前記被温度調節部の温度を判断するステップと、
前記判断するステップにおいて前記被温度調節部の温度が目標温度範囲を下回ると判断されたとき、前記開度調整弁の開度を増大して前記被温度調節部を加熱するステップと、
前記判断するステップにおいて前記被温度調節部の温度が目標温度範囲を上回ると判断されたとき、前記開度調整弁の開度を減少して前記被温度調節部を冷却するステップと、を備える、熱交換装置の制御方法。
【請求項７】
前記判断するステップにおいて前記被温度調節部の温度が目標温度範囲を下回ると判断されたとき、前記第一熱交換器における前記冷媒と外気との間の熱交換量を調整するステップを備える、請求項６に記載の熱交換装置の制御方法。
【請求項８】
前記判断するステップにおいて前記被温度調節部の温度が目標温度範囲を上回ると判断されたとき、前記膨張弁の開度を増大するステップを備える、請求項６または請求項７に記載の熱交換装置の制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−６１０９９（Ｐ２０１３−６１０９９Ａ）
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９８２８３（Ｐ２０１１−１９８２８３）
【出願日】平成２３年９月１２日（２０１１．９．１２）
【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)
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１２日（２０１１．９．１２）
【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)
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