JP2010148272A - インバータおよびモータの冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータおよびモータの冷媒流路を用いた冷却装置において、この冷却装置のインバータ放熱機構の削減・小型化を図る。
【解決手段】冷媒流路のモータ熱交換部４をモータ３０の熱源を冷却するオイルと近接させることで、上流のインバータ冷却部２で吸熱して高温となった冷媒をオイルにより冷却する。その結果、インバータから吸熱して高温となった冷媒の冷却効率が向上するため冷媒がインバータ２０から吸収した熱を冷媒を外部へ放出するインバータ放熱機構１４の削減あるいは小型化が可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、インバータおよびモータの冷却装置に関する。

電気自動車の駆動方式の一つとして提案されているインホイールドライブ方式は、限られた搭載レイアウト要件を満足しながらモータおよびその周辺機器をホイールの中に配置する必要がある。

モータおよびその周辺機器を搭載レイアウト要件に基づきホイールの中に配置しようとする場合、モータおよびその周辺機器自体の熱容量も小さくなりかつ空気に熱を放出する表面積も小さくなるため、モータおよびその周辺機器の温度上昇につながる。したがってこのモータおよびその周辺機器を小さくすると、冷却性能を確保することが大きな問題となる。

ところで、熱源の冷却には液冷方式や空冷方式等が知られる。液冷方式では高い冷却効果が期待できるため、レイアウト要件が厳しいインホイールドライブ方式に採用するモータおよびその周辺機器の冷却方式は液冷方式を採用するのが好ましい。

この液冷方式を採用した冷却装置が提案されている（特許文献１参照）。この冷却装置は、冷媒を通流させた冷媒流路を用いたものであり、熱源であるモータからの熱を吸収することによる冷媒の蒸発と、空気からの冷却により熱を放出するコンデンサ部での冷媒の凝縮により、冷媒通路内に内圧変化が生じる。この冷媒流路内の内圧変化と冷媒流路に配置した逆止弁との作用により一方向の自律的な通流を確保する、ループ式ヒートパイプとなっている。さらにこの冷却装置は、インバータから熱を吸収して気相化された冷媒をコンデンサの上流側に通流させて冷媒流路内を昇圧してリザーブタンクへ圧送することで冷媒の循環効率を高めて、冷媒の放熱効率を高めている。
特開２００７−２８８４５号公報

従来技術において、モータとインバータを通流した冷媒の放熱は放熱機構であるコンデンサのみで担う。コンデンサの放熱容量は空気との接触面積に依存して決まるため、コンデンサの容積が大きいほど放熱容量が大きくなる傾向がある。

上記の場合、コンデンサを大型化することで放熱容量を大きくすることは可能だが、搭載レイアウトの制約および大型化することによる重量増を考慮すると、コンデンサの大型化を避けることが求められる。

そこで、冷媒の熱をコンデンサ以外からでも放熱できるようにしてコンデンサによる放熱の分担をなくすもしくは低減することにより、コンデンサの削減・小型化を図る必要がある。

上記の目的を達成するための本発明は、冷媒流路内を一方向に通流する冷媒により近接するインバータとモータとを冷却し、冷却後に冷媒を再度冷媒流路の上流側へ供給するインバータおよびモータの冷却装置におけるものである。冷媒流路は、内部を通流する冷媒によりインバータを冷却し、その下流側の一部でモータ内部を潤滑させるオイルと近接させて冷媒を冷却することを特徴とする。

上記構成により、冷媒流路の一部はインバータを冷却する下流側でモータ内部を潤滑するオイルと近接させた。モータは、インバータに対して熱容量が大きく温度上昇しにくいため、モータはインバータに対して低温となる。そのため、上流側のインバータから吸収した冷媒の熱は、その下流側で低温であるモータ内部のオイルに放熱する。したがって、冷媒から熱を放熱させる放熱装置以外でも冷媒が放熱することで、本発明では放熱装置の削減・小型化が可能となる。

以下に、本冷却装置の実施の形態について説明する。なお同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰り返さない場合がある。

―第１の実施の形態―
図１は、第１の実施の形態の冷却装置を内蔵したモータとしてのインホイールモータ３０の車体取付状態を示すサスペンション装置の斜視図である。

タイヤ１００およびホイール１０１は、上下一対のアーム１０２ａ，１０２ｂおよびショックアブソーバ１０２ｃを備えたダブルウィッシュボーン方式のサスペンション装置１０２により車体と接続されている。インホイールモータ３０は、出力側のハウジング３２がアクスル（不図示）に固定されている。インホイールモータ３０には、リザーブタンク１、鉛直方向上部にコンデンサ１４、下部にモータ放熱機構としてのモータ放熱フィン３１が付設されている。

図２は、図１で示したインホイールモータ３０の冷却装置を示す図である。インホイールモータ３０は、ハウジング３２，回転軸３６，この回転軸３６と一体となり回転するロータ３４，ロータ３４の外周部に配置されてハウジング３２に固定されるステータ３５，およびハウジング３２の外周部に配置されてインホイールモータ３０内部の熱を放熱する放熱フィン３１を有する。またインホイールモータ３０に直流電力を交流電力に変換して駆動電力を供給するインバータ２０をインホイールモータ３０内に配置する。

なお、本実施の形態ではインバータ２０はインホイールモータ３０内に配置しているが、インホイールモータ３０と別体としてインホイールモータ３０の外部に配置してもかまわない。

本冷却装置の冷媒流路は冷却液を貯留するためのリザーブタンク１を備え、リザーブタンク１の下流側に冷媒流路の一部である冷媒供給流路１１、冷媒供給流路１１に設けられて下流への冷媒の通流を許可する冷媒供給流路逆止弁６を有する。さらに本冷媒流路は、冷媒供給流路１１の下流側に配置されてインバータ２０を冷却するインバータ冷却部としてのインバータ冷却流路２、その下流に設けられるインバータ放熱流路３により冷媒流路が構成される。ここでインバータ放熱流路３は、インホイールモータ３０外周部に配置して冷媒の熱を周囲の空気へ放熱するコンデンサ１４に貫設される。

一方インホイールモータ３０内部には、インホイールモータ３０のロータ３４の掻き上げにより内部を冷却するオイルを溜めるオイル溜り４１を有する。本冷却装置ではインバータ放熱流路３から、このオイル溜り４１に溜められたオイルに浸漬させて近接するように設置されたモータ熱交換流路４、冷媒流路の一部である冷媒戻し流路１２および冷媒戻し流路１２に設けられ下流への冷媒の通流を許可する冷媒戻し流路逆止弁８を経由して、リザーブタンク１へ冷媒が通流する冷媒流路を構成する。

また本実施の形態では、図１で説明したようにインホイールモータ３０の車両取付状態で下部に放熱フィン３１を、上部にコンデンサ１４を設置している。

本構成により、本冷却装置は外部駆動無しに自律的に冷媒の循環が行われる。以下にそのメカニズムを説明する。

インバータ２０およびインホイールモータ３０作動前、冷却系内は液相冷媒で充満している。インバータ２０がインホイールモータ３０へ電力を供給して作動することで発熱すると、インバータ冷却流路２内の冷媒がインバータ２０の熱を吸収して蒸発する。インバータ冷却流路２において発生した蒸気はインバータ冷却流路２内での圧力を上昇させるため、下流方向へ冷媒を圧送して冷媒は再びリザーブタンク１へ戻る。このとき、冷媒供給流路逆止弁６は冷媒圧送時の冷媒の逆流を防止している。

一方、コンデンサ１４に貫設されるインバータ放熱流路３では、コンデンサ１４を介して冷媒の熱を空気へ放熱する。さらにその下流のモータ熱交換流路４では、冷媒の熱をオイルを介して自体の熱容量により低温を維持しているインホイールモータ３０へ放熱する。この冷媒の放熱により冷媒が凝縮することで冷媒流路内での圧力が低下するため、リザーブタンク１内の液相冷媒が冷媒供給流路１１からインバータ冷却流路２内へ吸引される。このとき、冷媒戻し流路逆止弁８は冷媒吸引時の冷媒の逆流を防止している。

本実施の形態による冷却装置では、インバータ２０から吸熱して昇温した冷媒の熱を、モータ熱交換流路４でオイルを介してインホイールモータ３０へ放熱しているため、冷媒の放熱効率が向上する。

また、本実施の形態のようにインホイールモータ３０の車両取付状態で下部にモータ放熱フィン３１を設置することで、冷却装置の冷却性能の向上を実現できる。以下に理由を説明する。

図３は、インホイールモータ３０の熱を放熱するモータ放熱フィン３１およびインバータ２０の熱を放熱するコンデンサ１４に走行風をあてた場合の、単位時間毎の走行風量[m³/min]に対する部品温度を単位温度下げるための放熱量（以下、単位温度降下放熱量と呼ぶ。）[W/K]との関係のシミュレーション結果を示している。

ここで、インバータ２０は発熱量５００[Ｗ]で自己温度１５０[℃]、インホイールモータ３０は発熱量２０００[Ｗ]で自己温度１００[℃]、走行風の温度は４０℃を前提条件として検討している。

図３の結果より、インホイールモータ３０の単位温度降下放熱量はインバータ２０の単位温度降下放熱量に対して風量による感度が大きいことが分かる。これは、インバータ２０の発熱量に対してインホイールモータ３０の発熱量が大きいことが起因している。

よって、インホイールモータ３０とインバータ２０での熱を放熱するために必要な単位温度降下放熱量の合計値が小さくなるため、モータ放熱フィン３１をより走行風の風量が多い部位に配置することで冷却装置の冷却性能を向上させることができる。

インホイールモータ３０は車両のホイールハウス内部に配置されるため、インホイールモータ３０の上部は走行風の風量が少ないため走行風による放熱の効果が期待できない。一方インホイールモータ３０下部は風量の多い床下を流れる走行風の効果により放熱効果が期待できる。したがって、より放熱効果が要求されるモータ放熱フィン３１をインホイールモータ３０下部に配置することで、インホイールモータ３０内部からの熱を放熱するモータ放熱フィン３１のフィン面積を減らしても必要な放熱容量を確保できる。

以上より、本実施の形態によりインバータ２０から吸熱した冷媒の熱を、インホイールモータ３０を冷却するオイルを介してインホイールモータ３０に吸収させることで、冷媒の放熱効率が向上する。その結果インバータ２０の冷却冷媒温度が低下することでインバータ２０の冷却性能が向上する。したがってインバータ２０を冷却するコンデンサ１４の小型化を実現できる。

また、モータ放熱フィン３１を設けてモータ内部からの放熱効率が良くなってオイルの冷却効率が向上することで、このオイルにより冷却される冷媒の放熱効率が向上する。その結果、インバータ２０を冷却するコンデンサ１４のさらなる小型化を実現できる。

また、インホイールモータ３０の風量が多い走行風が分布する鉛直方向下部にモータ放熱フィン３１を設置する。その結果、モータ放熱フィン３１での放熱効率が向上してインホイールモータ３０の冷却効率が良くなる。その結果、オイルの冷却効率が向上し、このオイルにより冷却される冷媒の放熱効率が向上する。その結果、インバータ２０を冷却するコンデンサ１４のさらなる小型化を実現できる。

尚、本実施の形態では、コンデンサを小型化するものを示したが、コンデンサを削減しても、放熱機能は保たれて効果を奏する。

また、本実施の形態のようにインバータ２０をインホイールモータ３０内部に配置した場合、オイルとロータ３４の回転によりオイルが掻き上げられて冷却される位置に設置されているため、インバータ２０からオイルへ放熱される。したがって、インバータ２０の放熱効率をさらに向上させることができることも付随的な効果である。

―第２の実施の形態―
次に第２の実施の形態について図４を用いて説明する。第２の実施の形態における冷却装置では、インホイールモータ３０のハウジング外周部の下側にオイルを溜めるオイルパン２６と、その内部にモータ熱交換流路４とを配置し、モータ放熱機構としてのオイルパン空冷フィン９１をオイルパン２６外周部の鉛直方向下側に設ける。

第１の実施の形態ではロータ３４の掻き上げによりインホイールモータ３０内部を冷却していた。本実施の形態ではオイルパン２６内のオイルをポンプ２８により吐出流路２７を通じて回転軸３６内に設けたオイル流路の一部であるオイル供給流路２９に供給し、回転軸３６の回転による遠心力でオイル流路の一部であるオイル吹出し流路６０，６１によりインホイールモータ３０内部にオイルを吹き掛け、インホイールモータ３０内部を冷却している。インホイールモータ３０内部に吹き掛けたオイルはオイル回収孔６２より再びオイルパン２６内に戻される。

本実施の形態において、オイルパン２６は風量の多いインホイールモータ３０の下部側の走行風によりオイルを効果的に冷却するために設定される。すなわち、インホイールモータ３０下部に配置したオイルパン２６にオイルを集めて、オイルパン２６の外部放熱部位との接触面積を大きく確保する。オイルパン２６の外部放熱部位からの放熱効率をインホイールモータ３０の下部側の風量の多い走行風により向上させる。すなわち、オイルパン２６を設定することで必要なインホイールモータ３０の放熱容量を確保しながら冷却装置を小型化することができると言える。

本実施の形態では、モータ熱交換流路４をこのオイルパン２６内で這うように配置することでオイルとの接触面積を大きく確保する。その結果、オイルとモータ熱交換流路４部でのオイルとの熱交換効率が向上する。したがってインホイールモータ３０内部からの熱を放熱するオイルパン空冷フィン９１のフィン面積を減少させることができるため、オイルパン空冷フィン９１の小型化を実現できる。

また、第１の実施の形態のようにインホイールモータ３０内部にオイルを溜めてロータ３４により掻き上げる方式では、オイルの粘性によりインホイールモータ３０の出力にトルク損失が生じこれがモータ内部での発熱の原因となる。本実施の形態のような構成にすることによりこのトルク損失が回避できるため、インホイールモータ３０の発熱量を低減させることができる。その結果インホイールモータ３０の熱を外部へ放出するオイルパン空冷フィン９１を小型化させることができる。

―第３の実施の形態―
次に第３の実施の形態について図５を用いて説明する。第１の実施の形態でハウジング３２下部に設けたモータ放熱フィン３１は、本実施の形態においてはインホイールモータ３０を空冷するモータ空冷装置としての空冷ファン８０側でハウジング３２外周部全周にわたって設ける。さらに第１の実施の形態でハウジング３２上部に設けたコンデンサ１４は、本実施の形態においてはモータ放熱フィン３１に対して空冷ファン８０の反対側でハウジング３２外周部全周にわたって設置される。

本実施の形態では、インホイールモータ３０外部に空冷ファン８０を設けてモータ放熱フィン３１を空冷することで放熱効率の向上を図り、モータ放熱フィン３１からの放熱量の向上を実現できる。その結果、モータ放熱フィン３１での放熱効率が向上してオイルの冷却効率が向上することで、このオイルにより冷却される冷媒の放熱効率が向上する。その結果、インバータ２０を冷却するコンデンサ１４の小型化を実現できる。

また本実施の形態では、風量が多い空冷ファン８０側にモータ放熱フィン３１を設けることにより放熱効率の向上を図り、モータ放熱フィン３１からの放熱量の向上を実現できる。その結果、モータ放熱フィン３１での放熱効率が向上してオイルの冷却効率が向上することで、このオイルにより冷却される冷媒の放熱効率が向上する。その結果、インバータ２０を冷却するコンデンサ１４のさらなる小型化を実現できる。

尚、本実施の形態では、コンデンサを小型化するものを示したが、コンデンサを削減しても、放熱機能は保たれて効果を奏する。

―第４の実施の形態―
次に第４の実施の形態について図６を用いて説明する。本実施の形態では第１の実施の形態で説明した構成に冷媒流路外部と冷媒流路内の冷媒間での熱交換をするインバータ熱交換流路５０を新たに設けた構成となっている。ここでインバータ熱交換流路５０は、ロータ３４の回転により掻き上げられたオイルを浴びてオイルと近接する位置に設置され、冷媒供給流路１１とインバータ冷却流路２の間に設ける。

オイルと近接するインバータ熱交換流路５０では、インバータ２０冷却前の冷媒がオイルから吸熱しインバータ冷却流路２へ流入する液相冷媒を昇温させる。インバータ冷却流路２への液相冷媒温度を飽和温度に近づけることにより、インバータ冷却流路２での冷媒の吸熱性能を向上させることができる。これは、蒸発した冷媒により吸収する熱量が液相冷媒を昇温させる顕熱上昇により吸収する熱量より大きくなるためである。したがって、インバータ２０の熱が冷媒に吸収されやすくなるため、インバータ２０の冷却性能を向上させることができる。

以上より本実施の形態では、液相冷媒に対して気相冷媒の熱吸収効率が高くなる性質を利用して、インバータ２０の熱を冷媒へ放熱する放熱効率を向上させている。その結果インバータ２０の冷却性能が向上するため、インバータ２０の熱を放熱するコンデンサ１４を小型化することができる。

ところで、上記に記載した第１の実施の形態から第４の実施の形態ではインホイールモータを例にとって説明したが、インホイールモータに限定しない通常のモータにあっても本冷却装置は実施可能である。

また、上記に記載した第１の実施の形態から第４の実施の形態ではループ式ヒートパイプを用いた冷却装置を例にとって説明したが、ループ式ヒートパイプに限定しない通常の液冷式冷却装置にあっても本冷却装置は適用可能である。

第１の実施の形態におけるインホイールモータの車載状態を示す図 第１の実施の形態を説明するための冷却装置全体構成図 第１の実施の形態の効果を説明するグラフ 第２の実施の形態を説明するための冷却装置全体構成図 第３の実施の形態を説明するための冷却装置全体構成図 第４の実施の形態を説明するための冷却装置全体構成図

符号の説明

２…インバータ冷却流路（冷媒流路）
３…インバータ放熱流路（冷媒流路）
４…モータ熱交換流路（冷媒流路）
１１…冷媒供給流路（冷媒流路）
１２…冷媒戻し流路（冷媒流路）
２０…インバータ
３０…インホイールモータ（モータ）
３１…モータ放熱フィン（モータ放熱機構）
３２…ハウジング
３６…回転軸
５０…インバータ熱交換流路（冷媒流路）
８０…空冷ファン（モータ空冷装置）
９１…オイルパン空冷フィン（モータ放熱機構）

Claims (5)

1. 冷媒流路内を一方向に通流する冷媒により前記冷媒流路に近接するインバータとモータとを冷却し、冷却後に冷媒を再度前記冷媒流路の上流側へ供給するインバータおよびモータの冷却装置において、
   前記冷媒流路の一部は、
   前記インバータを冷却する下流側で前記モータ内部を潤滑するオイルと近接する、
   インバータおよびモータの冷却装置。
2. 請求項１に記載のインバータおよびモータの冷却装置において、
   前記モータは、
   ハウジングに周設させて前記モータの熱を放出するモータ放熱機構、
   を有する、インバータおよびモータの冷却装置。
3. 請求項２に記載のインバータおよびモータの冷却装置において、
   前記モータ外部で回転軸方向の一方側に前記モータを空冷するモータ空冷装置を有する、
   インバータおよびモータの冷却装置。
4. 請求項３に記載のインバータおよびモータの冷却装置において、
   前記モータ放熱機構は、
   前記モータ回転軸方向の一方側に配置される、
   インバータおよびモータの冷却装置。
5. 請求項１から請求項４に記載のいずれかのインバータおよびモータあるいはインホイールモータの冷却装置において、
   前記冷媒流路の他の一部は、
   前記インバータ冷却部の上流側で前記モータ内部を潤滑させるオイルと近接する、
   インバータおよびモータの冷却装置。