JP2009162091A - エンジン用の電動ターボチャージャにおける回路部品冷却構造 - Google Patents
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Abstract
【課題】小型で効率的に、エンジン用電動ターボチャージャにおける駆動用インバータの回路部品を冷却するための冷却構造を提供することが課題である。
【解決手段】直流をu、v、wの3相に変換するインバータから供給される電力で駆動される電動モータを駆動源とするコンプレッサを備えたエンジン用電動ターボチャージャにおいて、前記インバータにおける回路部品をu、v、wの各相に対応させて分割し、相別に別個の基板に収容すると共に、相別基板のそれぞれを少なくとも3方壁以上の良伝熱性壁面(ヒートシンク)を有する多方体の各壁面に分配配置した。
【選択図】図1
【解決手段】直流をu、v、wの3相に変換するインバータから供給される電力で駆動される電動モータを駆動源とするコンプレッサを備えたエンジン用電動ターボチャージャにおいて、前記インバータにおける回路部品をu、v、wの各相に対応させて分割し、相別に別個の基板に収容すると共に、相別基板のそれぞれを少なくとも3方壁以上の良伝熱性壁面(ヒートシンク)を有する多方体の各壁面に分配配置した。
【選択図】図1
Description
本発明は、エンジン用の電動ターボチャージャにおける回路部品冷却構造に係わり、特に、直流をu、v、wの3相に変換するインバータから供給される電力で駆動される電動モータを駆動源とする、コンプレッサを備えたターボチャージャにおける駆動用インバータの回路部品を冷却するための冷却構造に関するものである。
自動車や船舶の動力となるガソリンエンジンやディーゼルエンジンには、燃焼効率改善や出力増大、応答性(吹き上がり)の向上を目的として、燃料混合気、または空気を圧縮してエンジンシリンダ内に過給するコンプレッサと、排気ガスから回転力を得るタービンとを直結したターボチャージャ(過給機)が用いられている。
しかし、従来のターボチャージャは排気ガスから回転力を得てコンプレッサを動作させているため、エンジンの低回転数領域では十分な過給を行うことができないと共に、ターボラグとよばれる応答遅れが生じる。また、高回転数領域で負荷が軽い場合は排気ガスの熱エネルギーが膨大であるにも関わらず、そのエネルギーを効率よく回収することが困難であった。
そのため本願発明者等は、非特許文献1に紹介されて図9にその概略構成を示したように、燃焼効率改善や出力増大、応答性(吹き上がり)の向上を主たる目的として、コンプレッサを電動機で駆動することを提案してきた。
この図9において60は、コンプレッサ65から給気口61に圧縮された燃料混合気を送り込まれ、点火プラグ63により点火される燃料で駆動され、排気を排気口62から排出するエンジンで、コンプレッサ65はギアレスで直結されてインバータ67で制御されている高速モータ66で駆動され、給気口64から供給される燃料混合気を圧縮してエンジン60の給気口61に送り込む。なお、この図9において68はモータ66を駆動する電源としてのバッテリ、69はコンプレッサ65、高速モータ66、インバータ67を一体収納する一体収納筐体である。
また、このようなターボチャージャ駆動用モータ66の制御回路の一例を示したのが図10である。図中、70はモータ66の電機子巻線、72はスイッチング回路部、73はインバータモジュール、74は半導体スイッチング素子、75はダイオード、76はコンデンサ、77は制御回路部、79は直流配線、141、142、143、144、145、146は、後記する本発明の回路部品冷却構造に用いる銅バスバーであり、141は+側電源銅バスバー、142は−側電源銅バスバー、143はモータ接続用銅バスバー(交流配線)、144、145、146はモータ中性点用銅バスバーである。
この図10において、バッテリ68から、直流配線79を介してスイッチング回路部72のインバータモジュール73に供給された直流は、ダイオード75を備えたMOSFETやIGBTなどで構成される半導体スイッチング素子74が制御回路部77で制御され、u、v、wの3相交流とされて高速モータ66の電機子巻線70に供給される。
再度図9に戻って、このようにコンプレッサ65をモータ66で駆動する場合、車のエンジンルームのスペースは一般的に小さいため、車載用のターボチャージャはコンプレッサ65とモータ66、及びモータを駆動する制御回路を含むインバータ67とを69のように一体化し、小型化する必要がある。しかしながら反面、モータ66は回転数が数万rpm〜十数万rpmに達するため、インバータ67は損失で発熱するので、それらを十分に熱交換して冷やしてやらないと、モータ巻線が焼けたりインバータ67の半導体が損傷したり、という事故が起こる。
こういった発熱する回路部品を冷却するためには従来から、図11に一例を80として示した、回路部品81を搭載した基板にフィン付きヒートシンク82を取付け、風を送り込んで冷却できるようにすることが行われている。
しかしながら図10に示したインバータ回路72は、モータ駆動のために半導体スイッチング素子74を6個必要とし、しかも高速駆動のために比較的大きな電力用素子を用いる必要があるため、インバータ回路を図11に示したように平板の基板上に構成すると長さや奥行きが大型化し、それに伴ってヒートシンクも大型のものを用いる必要があって、前記した小型化の要求に応えられなくなってしまう。
インバータを備えた電動機の冷却方法については、例えば特許文献1に、フレームと反負荷側の軸受を支えるブラケットをアルミニュウムなどの金属部材で一体成形し、パワー部回路と制御回路を一体化したインバータ装置を全閉外扇形回転電機の外扇側端に取付け、回転電機の外扇にて回転電機とともに冷却して耐環境性・生産性の向上を計った制御装置内蔵形電動機が開示されている。
また特許文献2には、電子デバイスを基板に搭載したモータドライバに、高い面方向熱伝導率を有するグラファイトを設けてモータドライバの小型・軽量化を実現しつつ、モータドライバ内の電子デバイスの温度上昇を低減するようにしたモータドライバ冷却構造が示されている。
しかしながら特許文献1に示された制御装置内蔵形電動機は、パワー部回路と制御回路を一体成形したインバータ装置を全閉外扇形回転電機の外扇側端に取付けていて、外扇を有することで電動機そのものが或る程度の大きさを持ったものであり、前記した車のエンジンルームのように、スペースの限られた場所に収容する電動ターボチャージャに採用するには問題がある。
また特許文献2に示されたモータドライバ冷却構造は、モータドライバに高い面方向熱伝導率を有するグラファイトを設けただけであり、車のエンジンルームのように高温になる環境においては効果があるか疑問である。
そのため本発明においては、エンジン用電動ターボチャージャにおけるモータ駆動用インバータの回路部品を、小型で効率的に冷却するための冷却構造を提供することが課題である。
上記課題を解決するため本発明になるエンジン用の電動ターボチャージャにおける回路部品冷却構造は、
直流をu、v、wの3相に変換するインバータから供給される電力で駆動される電動モータを駆動源とするコンプレッサを備えた、エンジン用の電動ターボチャージャにおける回路部品冷却構造において、
前記インバータにおける回路部品をu、v、wの各相に対応させて分割し、相別に別個の相別基板に収容すると共に、該相別基板のそれぞれを少なくとも3方壁以上の良伝熱性壁面を有する多方体の各壁面に分配配置し、ヒートシンク構造としたことを特徴とする。
直流をu、v、wの3相に変換するインバータから供給される電力で駆動される電動モータを駆動源とするコンプレッサを備えた、エンジン用の電動ターボチャージャにおける回路部品冷却構造において、
前記インバータにおける回路部品をu、v、wの各相に対応させて分割し、相別に別個の相別基板に収容すると共に、該相別基板のそれぞれを少なくとも3方壁以上の良伝熱性壁面を有する多方体の各壁面に分配配置し、ヒートシンク構造としたことを特徴とする。
このように、相別基板のそれぞれを良伝熱性壁面を有する多方体の各壁面に分配配置したことで、インバータを構成する回路部品は分散して配置され、小型で効率的に回路部品を冷却することのできる冷却構造を提供することができる。
そして、前記良伝熱性壁面は多方体外部に放熱用フィンを有し、前記相別基板を多方体内部に配するか、前記良伝熱性壁面は多方体内部に放熱用フィンを有し、前記相別基板を多方体外部に配することが本発明の好適な実施形態である。
また、前記相別基板は金属基板上に設けられた絶縁層上に前記回路部品が設けられ、前記金属基板側が前記良伝熱性壁面に接するように配することで、回路部品から発せられた熱は金属基板から効率的に良伝熱性壁面に伝わって放熱され、効率的な冷却を行うことができる。
さらに、前記相別基板は、部品取付面側に支持材を介して設けられたバスバーにより給電及び前記電動モータへの電力供給をおこない、また、前記給電用及び接地用のバスバーを平行して配し、コンデンサを前記給電用及び接地用バスバーに接続して設けることで、給電や電動モータへの電力供給が効率良く行うことができ、コンデンサなどの比較的大きな部品も効率良く配することができる。
そして、前記多方体は前記コンプレッサにおける吸い込み空気により冷却が行われるよう配されていることで、更に効率良く発熱する回路部品を効率良く冷却することができる。
以上記載のごとく本発明になるエンジン用の電動ターボチャージャにおける回路部品冷却構造は、u、v、wの3相の回路部品を相別基板としてそれぞれを良伝熱性壁面を有する多方体の各壁面に分配配置したことで、インバータを構成する回路部品は分散して配置され、良伝熱性壁面によって効率的に放熱されるから、小型で効率的に回路部品を冷却することのできる冷却構造とすることができる。
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
図1は、本発明になるエンジン用の電動ターボチャージャにおける、回路部品冷却構造の実施例1としての3方壁ヒートシンク10の概略断面図である。本発明の回路部品冷却構造では、前記図9に一体収納筐体69に収容するとして示した電動ターボチャージャにおけるインバータ67の、図10に73で示したインバータモジュールを、u、v、wの各相の交流を生成する半導体スイッチング素子74、ダイオード75毎に、731、732、733のように分割する。そしてそれを、放熱性向上のため、絶縁層、半導体部を有した金属基板12に相別に別々に収容すると共に、それぞれを少なくとも3つ以上のフィン付きヒートシンク11(良伝熱性壁面)に固定し、そのヒートシンク11を多方体(3方壁)が形成されるように配したものである。なお金属基板12は、アルミなどの金属であることが放熱のために好ましいが、金属基板のみに限られないことは自明である。
この図1においてフィン付きヒートシンク11は、フィン部を3方壁の外側となるように配されて断面正3角形を形成しており、内部には、前記したように基板金属部13に絶縁層、半導体部を有した金属基板12がヒートシンク11に直接接するように、あるいは放熱性のよいグリースやシリコンが塗布されて、ボルトとナットまたはネジ止め、もしくは接着剤などで固定されている。なお、フィン付きヒートシンク11は、それぞれ相別の金属基板12を配した後、図示のように断面が正3角形の3方壁を形成するように互いに接着したり、或いは最初にフィン付きヒートシンク11で断面が正3角形の3方壁を形成するよう固定し、後から金属基板12を固定するようにしても良い。
そしてこの金属基板12上の回路部品に給電したり、高速モータ66へ電力を供給するため、所定幅の銅板や銅箔などで構成されて、例えば樹脂やベークライトなどの絶縁材で形成された支持材15で支持され、金属基板12に立設された電極16を差し込む電極差し込み部17が設けられた銅バスバー14が、金属基板12における部品取付面側に配されている。
この銅バスバー14に設けられた電極差し込み部17と、回路部品に給電したりモータ66へ電力を供給する電極16との関係を拡大した概略断面図が図2である。この電極差込部17は、組立の容易性を考えて刃型開閉器の構造のような差込型とされ、電極16を矢印で示したように差し込むだけで銅バスバー14との接続が図れるようになっている。なお、支持材15を支持するため、基板12に例えばボルトやナット、またはネジを切ってネジ止めしたり、接着剤で強固に固定したポストを用意し、支持材15を支持するようにする。
この銅バスバー14の配置状況がわかるように示したのが、図3の概略斜視図である。図中、15は銅バスバー支持材であり、141は+側電源銅バスバー、142は同じく−側電源銅バスバー、143はモータ接続用銅バスバー(交流配線)で、図示はしていないがu、v、wの3相に対応して3つ設けられる。144、145、146は前記図10に144、145、146で示したモータ中性点用銅バスバーで、171、172、173、174、175、176は、それぞれの銅バスバーに設けられた電極差し込み部であり、この図においては簡略化のために方形で示しているが、前記図2で説明したように、刃型開閉器の構造のような差込型として形成する。
これら銅バスバー14は、前記したように樹脂やベークライトなどの絶縁材で3方体に形成された支持材15に、接着、ネジ止めなどされて支持され、電極差し込み部171、172、173、174、175、176が設けられている。このうち電源銅バスバー141、142に設けられた電極差し込み部171、172は、これら電源銅バスバー141、142から基板12に給電するため、銅バスバー支持材15の金属基板12側に設けられ、モータ接続用銅バスバー143、モータ中性点用銅バスバー144、145、146は、モータ66に配線するため内側に設けられている。なお、この銅バスバー14は、銅バスバー支持材15で支持するとしたが、十分な強度が得られるのであれば梁により格子状に形成したものであっても良い。
なお、インバータには制御回路や前記図10に76で示した直流電圧平滑用の電解コンデンサや、半導体スイッチング素子74がOFFした時のスイッチングサージ吸収のため、フィルムコンデンサなどが必要であるが、本発明の回路部品冷却構造の実施例1ではこういった比較的大型の部品も、3方形としたフィン付きヒートシンク11の内側に配した基板12の、さらに内側のスペースを活用して収納することができる。この場合の制御回路基板やコンデンサを配した状態を示した一例概略断面図が図4、斜視図が図5である。
この図4、図5は前記した図1、図3にコンデンサ18と制御回路基板19を加えたもので、20は制御回路基板19を支えるスペーサ(図5には図示せず)である。特に前記図10に76で示した直流電圧平滑用の電解コンデンサは、図5のように、平行に配した+側電源銅バスバー141、−側電源銅バスバー142に足部を接続して配することで、コンデンサを電源近くに配することが可能となる。
このように相別の基板のそれぞれを、良伝熱性壁面を有する多方体の各壁面に分配配置したことで、インバータを構成する回路部品は分散して配置され、スペースを有効利用しながら、小型で効率的に回路部品を冷却することのできる冷却構造を提供することができる。
図6は、本発明になるエンジン用の電動ターボチャージャにおける、回路部品冷却構造の実施例2としての3方壁ヒートシンク30の概略断面図である。この実施例2では前記図1の実施例1と異なり、フィン付きヒートシンク31におけるフィンを内側に、基板金属部33に絶縁層、半導体部を有した金属基板32を外側に設け、さらに外側、すなわち金属基板32の部品取付面側に、電極36を差し込む前記図2に17で示したのと同様な電極差し込み部37を有する銅バスバー34を設けたものである。
このように回路部品冷却構造を構成することで、回路部品は直接外気に触れる上に、ヒートシンク31におけるフィンのある内側に強制的に通風させれば、より放熱効果の高い冷却構造とすることができる。ただし、このようにフィン付きヒートシンク31のフィンを内側にした場合、コンデンサなどの部品が外向きに突出することになり、それらをしっかりと固定する対策を講じる必要がある。
図7は、本発明になるエンジン用の電動ターボチャージャにおける、回路部品冷却構造の実施例3としての4方壁ヒートシンク50の概略断面図である。この実施例3ではフィン付きヒートシンク50を4つ、方形に配し、前記図6の実施例2と同様、ヒートシンク41におけるフィンを内側に、基板金属部43に絶縁層、半導体部を有した相別の金属基板42、及び制御回路基板を外側に設け、外側に電極46を差し込む前記図2に17で示したのと同様な電極差し込み部47を有する銅バスバー34を設けたものである。
このように回路部品冷却構造を構成することで、前記図6の場合と同様、回路部品は直接外気に触れ、ヒートシンク41におけるフィンのある内側に強制的に通風させれば、より放熱効果の高い冷却構造とすることができ、また、前記図5では銅バスバー支持材15の内側に配した制御基板もヒートシンク50に配することができる。ただし、このようにフィン付きヒートシンク41のフィンを内側にした場合、コンデンサなどの部品が外向きに突出することになり、それらをしっかりと固定する対策を講じる必要があるのは前記図6の場合と同様である。
なお、以上の説明では、半導体スイッチング素子74やダイオード75を相別に金属基板12に設ける場合を例に説明してきたが、電気絶縁紙などを介してこれら半導体スイッチング素子74やダイオード75を直接、フィン付きヒートシンク11に貼り付けるようにしても良いことは勿論である。また、ヒートシンクのフィンを外側に向けた図1に示した実施例も、図7に示したように4方壁として方形に構成しても良い。
また多方体としたヒートシンクは、それだけでも十分に回路部品の放熱を行うことができるが、図9に示したコンプレッサ65における給気口64への空気、すなわち吸い込み空気がフィンを介して流れるようにレイアウトすれば、より冷却効果が高くなる。
この場合の冷却用流路の一例を模式的に示したのが図8である。図8(A)は、コンプレッサ65、高速モータ66及びインバータ67の冷却用流路の三次元配置を示す斜視模式図、(B)、(C)は給気流路を示す模式図であり、(B)はコンプレッサ65の非稼動時、(C)はコンプレッサ65の稼動時を示している。
まず図8(A)は、前記図9で説明した、コンプレッサ65、高速モータ66及び本発明になる回路部品冷却構造を有したインバータ67を、一体収納筐体69内で直線状に配置し、給気aを一体収納筐体69の一方の側面から取り入れて直線状の流路を形成して反対側の側面から排出するようにしたものである。このようにコンプレッサ65、高速モータ66及びインバータ67を配置して流路を形成すると、給気流の曲がりがなく、給気aがインバータ67から高速モータ66を経て、コンプレッサ65まで直線状に流れるために給気aの圧損を低減できる長所がある。
なお、回路部品冷却構造を有したインバータ67のフィンを介して流れる給気流路としては、この他にも給気aの取り入れ口を一体収納筐体69の上面に設定してインバータ67を通した後、高速モータ66側に送るようにしたり、インバータ67を高速モータ66の上方に設置し、一体収納筐体69の全長を短縮して給気aをインバータ67の側面から取り入れ、インバータ67の下面から取り出すようにして、給気aとインバータ67の発熱部との接触時間を長く取ったり、給気aの入口部91を高速モータ66の下方にその幅広面を水平に配置し、インバータ67から高速モータ66を介してコンプレッサ65に至る間に給気aを徐々に暖め、給気aの上方に向う自然対流を利用する、などの方法をとることができる。
次に図8(B)、(C)の給気流路90について説明すると、給気aは、給気流路90に設けられたコンプレッサ65の入口部91から吸引されて図9に示すエンジン60の給気口61に供給される。この図8(B)、(C)に示した給気流路90は、入口部91から3つに分岐する流路で構成され、直列流路92は、入口部91からインバータ67及び高速モータ66の発熱部を通り、コンプレッサ65の入口部に達する流路である。第2の直列流路93は、入口部91からインバータ67をバイパスして高速モータ66の発熱部に至る流路である。バイパス流路94は、入口部91からインバータ67及び高速モータ66をバイパスしてコンプレッサ65入口側の給気流路96に接続される流路である。
そして、これら3流路以外に、入口部91からインバータ67、高速モータ66及びコンプレッサ65をバイパスして直接、図示しないエンジンの入口側に接続するバイパス流路95が設けら、これら3流路の分岐部には可動弁97、98が設けられている。なお、バイパス流路95はコンプレッサ65が停止した場合に使用するので、通常は可動弁97で入口を閉鎖しておく。
図8(B)に示すように、コンプレッサ65の非稼動時は、可動弁98によって第2の直列流路93及びバイパス流路94が閉鎖され、全ての給気aが直列流路92に供給される。このときコンプレッサ65は、数千から1万rpmの低速回転でアイドリングされる。図8(C)に示すコンプレッサ65の稼動時は、3流路がすべて開放されるように可動弁98を操作する。コンプレッサ65の稼動時は、コンプレッサ65が数万から十数万rpmの高速回転で稼動される。
そのため給気量が増大し、全ての給気aを直列流路92に供給してインバータ67及び高速モータ66の発熱部を通過させると、給気流に大きな圧損が発生するので、インバータ67及び高速モータ66の冷却に必要な流速が得られる流量だけの給気aを直列流路92に供給する。残りの給気aは、バイパス流路94及び95を通してコンプレッサ65に吸込ませる。このようにして、多方体としたヒートシンク(インバータ67)のフィンを介して冷却風を流れるようにすることで、より冷却効果の高い多方体ヒートシンクとすることができる。
以上種々述べてきたように本発明によれば、u、v、wの3相の回路部品を相別基板とし、それぞれをヒートシンク(良伝熱性壁面)で形成した多方体の各壁面に分配配置したことで、インバータを構成する回路部品が分散して配置され、良伝熱性壁面によって効率的に放熱されるから、小型で効率的に回路部品を冷却することのできる冷却構造とすることができる。
本発明によれば、インバータから供給される電力で駆動される電動モータを駆動源とするエンジン用の電動ターボチャージャにおいて、エンジンの熱や高速回転のために高温となるインバータの回路部品を、小さなスペースの中に収容しながら効率よく冷却できるから、エンジンの低回転数領域でも十分な過給を行い、ターボラグとよばれる応答遅れも生じない高性能な電動ターボチャージャを提供することができる。
10 3方壁ヒートシンク
11 フィン付きヒートシンク
12 絶縁層、半導体部を有した金属基板
13 基板金属部
14 銅バスバー
141 +側電源銅バスバー
142 −側電源銅バスバー
143 モータ接続用銅バスバー(交流配線)
144、145、146 モータ中性点用銅バスバー
15 銅バスバー支持材
16 電極
17 電極差し込み部
171、172、173、174、175、176 電極差し込み部
18 コンデンサ
19 制御回路基板
20 スペーサ
11 フィン付きヒートシンク
12 絶縁層、半導体部を有した金属基板
13 基板金属部
14 銅バスバー
141 +側電源銅バスバー
142 −側電源銅バスバー
143 モータ接続用銅バスバー(交流配線)
144、145、146 モータ中性点用銅バスバー
15 銅バスバー支持材
16 電極
17 電極差し込み部
171、172、173、174、175、176 電極差し込み部
18 コンデンサ
19 制御回路基板
20 スペーサ
Claims (7)
- 直流をu、v、wの3相に変換するインバータから供給される電力で駆動される電動モータを駆動源とするコンプレッサを備えた、エンジン用の電動ターボチャージャにおける回路部品冷却構造において、
前記インバータにおける回路部品をu、v、wの各相に対応させて分割し、相別に別個の相別基板に収容すると共に、該相別基板のそれぞれを少なくとも3方壁以上の良伝熱性壁面を有する多方体の各壁面に分配配置し、ヒートシンク構造としたことを特徴とするエンジン用の電動ターボチャージャにおける回路部品冷却構造。 - 前記良伝熱性壁面は多方体外部に放熱用フィンを有し、前記相別基板を多方体内部に配したことを特徴とする請求項1に記載したエンジン用の電動ターボチャージャにおける回路部品冷却構造。
- 前記良伝熱性壁面は多方体内部に放熱用フィンを有し、前記相別基板を多方体外部に配したことを特徴とする請求項1に記載したエンジン用の電動ターボチャージャにおける回路部品冷却構造。
- 前記相別基板は金属基板上に設けられた絶縁層上に前記回路部品が設けられ、前記金属基板側が前記良伝熱性壁面に接するように配されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載したエンジン用の電動ターボチャージャにおける回路部品冷却構造。
- 前記相別基板は、部品取付面側に支持材を介して設けられたバスバーにより給電及び前記電動モータへの電力供給をおこなうことを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載したエンジン用の電動ターボチャージャにおける回路部品冷却構造。
- 前記給電用及び接地用のバスバーを平行して配し、コンデンサを前記給電用及び接地用バスバーに接続して設けたことを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載したエンジン用の電動ターボチャージャにおける回路部品冷却構造。
- 前記多方体は前記コンプレッサにおける吸い込み空気により冷却が行われるよう配されていることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載したエンジン用の電動ターボチャージャにおける回路部品冷却構造。
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