JP2013256222A

JP2013256222A - 車両用熱交換システム

Info

Publication number: JP2013256222A
Application number: JP2012133969A
Authority: JP
Inventors: Jiro Tsuchiya; 次郎土屋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-06-13
Filing date: 2012-06-13
Publication date: 2013-12-26

Abstract

【課題】車両に搭載されるインバータの効率的な冷却を行う。
【解決手段】熱交換システムは、車両の変速機用の潤滑油が循環して流れ、車両の走行に用いられるモータを冷却する第１の通路と、潤滑油が循環して流れ、モータに電力を供給するためのインバータの冷却を行う第２の通路と、車両内を空調するための空調用冷媒が循環して流れる第３の通路と、熱交換器と、を備える。熱交換器は、第２の通路を循環して流れる潤滑油と第３の通路を循環して流れる空調用冷媒との熱交換を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、車両用熱交換システムに関する。

従来の車両用の熱交換システムとして、例えば、特許文献１には、空調用のコンプレッサとインバータおよび電動機を冷却するポンプを一体型とし、コンプレッサのモータでポンプを駆動して、ポンプ内の冷却オイルをコンプレッサの内部を流れる空調ガスを用いて冷却するシステムが記載されている。また、特許文献２には、グリルシャッターを開閉して風の通過の許容と禁止とを切り替えることでモータやインバータの熱を車室内の空調に利用するシステムが記載されている。

特開２００８−２５４５１６号公報特開２０１１−２２９２８４号公報

しかし、特許文献1に記載された熱交換システムでは、コンプレッサにポンプを内蔵しているため、配管経路が複雑になり、車両への搭載が困難な可能性があるという課題があった。さらに、コンプレッサとポンプを一体型にして、オイルの経路をコンプレッサ内に隣接させるだけでは、効率的な熱交換が行われない可能性があるという課題があった。また、特許文献２に記載された熱交換システムでは、効率的に車室内の空調を行うことができるようになるものの、インバータの冷却については更なる効率化が求められる場合もあった。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

本発明の一形態によれば、車両用の熱交換システムが提供される。この車両用の熱交換システムは、前記車両の変速機用の潤滑油が循環して流れ、前記車両の走行に用いられるモータを冷却する第１の通路と；前記潤滑油が循環して流れ、前記モータに電力を供給するためのインバータの冷却を行う第２の通路と；前記車両内を空調するための空調用冷媒が循環して流れる第３の通路と；前記第２の通路を循環して流れる前記潤滑油と前記第３の通路を循環して流れる前記空調用冷媒との熱交換を行う熱交換器と；を備える。この形態の熱交換システムによれば、第２の通路を循環して流れる潤滑油と第３の通路を循環して流れる空調用冷媒との間で熱交換が行われるので、第２の通路を循環して流れる潤滑油を間接的に空調用冷媒で冷却することができる。よって、冷却された潤滑油が第２の通路を循環してインバータに流れるのでインバータの冷却を効率的に行うことが可能となる。

本発明は、装置以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、熱交換システムの製造方法や熱交換システムの制御方法、その制御方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。

本発明の一実施例としての熱交換システムを搭載する車両について示す図である。本発明の一実施例としての熱交換システムを示す図である。熱交換器の概略図を示したものである。本実施例の熱交換システムによる冷却処理について説明するためのフローチャートである。冷却処理における素子温度Ｔｊとエアコン冷却機構の動作状態を示すタイムチャートである。

図１は、本発明の一実施例としての熱交換システムを搭載する車両１について示す図である。車両１は、エンジンとモータとで走行するハイブリッド車であり、図１（ａ）は車両１を上から、図１（ｂ）は車両１を横からみた様子を概略的に示している。熱交換システムは、トランスアクスル１０ａとエアコン２０ａとの間で熱交換を行うシステムであり、具体的には、トランスアクスル１０ａに備えられたインバータ１６を冷却する冷媒を、エアコン冷却機構２０で用いられる冷媒を利用して冷却することで、インバータ１６の冷却効率を高めるシステムである。なお、図１に示す配置は一例であり、これ以外の配置をとることも可能である。

図２は、本発明の一実施例としての熱交換システム５を示す図である。本発明の一実施例としての熱交換システム５は、トランスアクスル冷却機構１０と、エアコン冷却機構２０と、トランスアクスル冷却機構１０を制御するハイブリッドＥＣＵ（Electronic Control Unit、以下、ＨＶＥＣＵ１９）と、エアコン冷却機構２０を制御するエアコンＥＣＵ２９と、を備える。トランスアクスル冷却機構１０は、トランスアクスル１０ａ（エンジン３０に接続された変速ギヤを備える動力伝達機構）の潤滑油および冷却媒体として用いられるＡＴＦ（Automatic Transmission Fluid）が循環して流れることで後述の各部の冷却を行う機構である。エアコン冷却機構２０は、エアコン冷媒が循環して流れることで、車室内の空調を行う機構である。なお、図２に示す矢印は、ＡＴＦおよびエアコン冷媒の流れを示している。

トランスアクスル冷却機構１０は、モータ１１と、ポンプ１２と、オイルクーラ１３と、ＡＴＦタンク１４と、熱交換器１５と、インバータ１６と、モータ１１を冷却するＡＴＦの循環する第１の通路１７と、インバータ１６を冷却するＡＴＦの循環する第２の通路１８と、を備える。

インバータ１６は、モータ１１に電気的に接続されており、車両１に搭載されるバッテリー（不図示）から供給される直流電力を交流電力に変換してモータ１１に供給する。モータ１１は、インバータ１６から供給された電力により、車両１の走行をアシストする電動機として機能し、また、インバータ１６を通してバッテリー（不図示）に蓄電することで、発電機として機能する。ＡＴＦタンク１４は、ＡＴＦを貯留する。オイルクーラ１３は、変速機（不図示）やモータ１１やインバータ１６などを冷却することなどによって昇温したＡＴＦを冷却する。オイルクーラ１３によるＡＴＦの冷却は、例えば、空冷や水冷などにより行うことができる。ポンプ１２は、ＡＴＦを送油するオイルポンプであり、ＡＴＦタンク１４からＡＴＦを吸い上げて必要な油圧を供給する。なお、ポンプ１２と、モータ１１と、インバータ１６とは、車両１に搭載されると共に車両１の各部を制御するＨＶＥＣＵ１９に接続されている。

第１の通路１７は、ＡＴＦが循環する通路である。モータ１１は、ＡＴＦタンク１４、オイルクーラ１３、ポンプ１２を通って、第１の通路１７を循環して流れるＡＴＦにより冷却される。第２の通路１８もまた、ＡＴＦが循環する通路である。インバータ１６は、ＡＴＦタンク１４、オイルクーラ１３、ポンプ１２を通って、熱交換器１５（後述）を第２の通路１８を循環して流れるＡＴＦにより冷却される。

エアコン冷却機構２０は、コンプレッサ２１と、コンデンサ２２と、レシーバ２３と、エキスパンションバルブ２４と、エバポレータ２５と、これらにエアコン冷媒を循環させる第３の通路２６と、を備える。

コンプレッサ２１は、エアコン冷媒を圧縮する。コンデンサ２２は、コンプレッサ２１により圧縮され高温・高圧となったエアコン冷媒を凝縮して液化する。レシーバ２３は、液化したエアコン冷媒の不純物等を除去する。エキスパンションバルブ２４は、微小なノズル穴を備え、液化したエアコン冷媒をエバポレータ２５内へ噴射する。エバポレータ２５では、噴射されて気化したエアコン冷媒とエバポレータ２５周辺との熱交換が行われる。第３の通路２６は、エアコン冷媒が循環する通路である。レシーバ２３、エキスパンションバルブ２４を第３の通路２６を循環して流れるエアコン冷媒には、エバポレータ２５において、車室内から熱Ｑ１が移動（熱交換）する。さらに、エアコン冷媒には、熱交換器１５において、第２の通路１８を流れるＡＴＦから熱Ｑ２が移動（熱交換）する。その後、エアコン冷媒がコンプレッサ２１で圧縮され、コンデンサ２２で液化することで、エアコン冷媒に移動した熱Ｑ１と熱Ｑ２は、車室外に放出される。

図３は、熱交換器１５の概略図を示したものである。図３には、熱交換器１５の一例として、ハモニカチューブと称される扁平な多孔チューブが示されている。図３に示すように、熱交換器１５においては、第２の通路１８を循環するＡＴＦが熱交換器１５の外側を、第３の通路２６を循環するエアコン冷媒が熱交換器１５の内側の空洞１５ａを循環している。第２の通路１８を循環して熱交換器１５に到達するＡＴＦの温度（例えば、６０度から８０度）は、第３の通路２６を循環して熱交換器１５に到達するエアコン冷媒の温度（例えば、３０度から４０度）よりも高い。そのため、熱交換器１５において、図２に示すようにＡＴＦの熱Ｑ２が、エアコン冷媒に移動する。なお、熱交換器としては、図３に示したハモニカチューブの他、マイクロチャンネル型およびプレートフィン型など、小型で圧力損失が低く、かつ熱交換率が高いものが用いられることが好ましい。

図４は、本実施例の熱交換システム５による冷却処理について説明するためのフローチャートである。冷却処理は、車両１の起動時等、所定のタイミングで実行される。

車両１が起動すると、ＨＶＥＣＵ１９は、インバータ１６の半導体素子の温度（以下、素子温度Ｔｊ）を取得する（ステップＳ１０）。素子温度Ｔｊは、例えばインバータ１６の備えるセンサ（不図示）により計測される。素子温度Ｔｊがあらかじめ定められた温度Ｔ１よりも高い場合（ステップＳ２０：Ｙｅｓ）、ＨＶＥＣＵ１９はエアコンＥＣＵ２９にその情報を伝達する。温度Ｔ１は、インバータ１６を、より冷却することが好ましいと判断できる温度であり、あらかじめ定めておく事ができる。エアコンＥＣＵ２９は、素子温度Ｔｊが温度Ｔ１よりも高く、エアコン冷却機構２０が動作していない場合（ステップＳ３０：Ｙｅｓ）、エアコン冷却機構２０を動作させる（ステップＳ４０）。エアコン冷却機構２０が動作することで、熱交換器１５において、ＡＴＦからエアコン冷媒への熱交換が行われ、エアコン冷媒と熱交換されて冷却されたＡＴＦがインバータ１６側へ流れ始める。一方、ステップＳ３０において、既にエアコン冷却機構２０が動作している場合には（ステップＳ３０：Ｎｏ）、エアコンＥＣＵ２９はエアコン冷却機構２０の動作の状態を変更しない。

素子温度Ｔｊが温度Ｔ１以下であり（ステップＳ２０：Ｎｏ）、かつ、あらかじめ定められた温度Ｔ２以下である場合には（ステップＳ２５：Ｙｅｓ）、ＨＶＥＣＵ１９はエアコンＥＣＵ２９にその情報を伝達する。温度Ｔ２は、一旦発熱したインバータ１６が適切な温度に冷却されたと判断できる温度であり、温度Ｔ１と所定の温度差をとって、あらかじめ定めておくことができる。エアコンＥＣＵ２９は、エアコン冷却機構２０が動作している場合には（ステップＳ３５：Ｎｏ）、エアコン冷却機構２０を停止する（ステップＳ４５）。エアコン冷却機構２０が停止することで、熱交換器１５において行われていたＡＴＦからエアコン冷媒への熱交換が停止する。一方、エアコンＥＣＵ２９は、エアコン冷却機構２０が動作していない場合には（ステップＳ３５：Ｙｅｓ）、エアコン冷却機構２０の動作状態を変更しない。また、ステップＳ２５において、素子温度Ｔｊが温度Ｔ２以下の場合にも（ステップＳ２５：Ｎｏ）、エアコンＥＣＵ２９はエアコン冷却機構２０の動作状態を変更しないで、冷却処理が終了する。なお、素子温度Ｔｊに代えて、インバータ１６でのＡＴＦの温度を計測することとしてもよい。

図５は、冷却処理における素子温度Ｔｊとエアコン冷却機構２０の動作状態を示すタイムチャートである。横軸にトランスアクスル冷却機構１０が動作してからの時間ｔを、縦軸に温度Ｔを示している。時間ｔ１までは素子温度Ｔｊは、Ｔ１以下（ステップＳ２０：Ｎｏ）かつＴ２以下であり（ステップＳ２５：Ｙｅｓ）、エアコン冷却機構２０はＯＦＦであるため（ステップＳ３５：Ｙｅｓ）、エアコンＥＣＵ２９は、エアコン冷却機構２０の動作状態を変更しない。また、時間ｔ１から時間ｔ２の間においては、素子温度Ｔｊは温度Ｔ１以下（ステップＳ２０：Ｎｏ）かつ温度Ｔ２以上（ステップＳ２５：Ｎｏ）であるため、エアコン冷却機構２０はＯＦＦのままである。次に、時間ｔ２になり素子温度ＴｊがＴ１を超えると（ステップＳ２０：Ｙｅｓ）、エアコンＥＣＵ２９はこれまで動作していなかったエアコン冷却機構２０を（ステップＳ３０：Ｙｅｓ）、動作させる（ステップＳ４０）。エアコン冷却機構２０が動作することで、熱交換されて冷却されたＡＴＦがインバータ１６側へ流れ、素子温度Ｔｊが低下する。そして、時間ｔ３になると素子温度Ｔｊが温度Ｔ２以下になり（ステップＳ２５：Ｙｅｓ）、エアコン冷却機構２０が動作しているため（ステップＳ３５：Ｎｏ）、エアコンＥＣＵ２９はエアコン冷却機構２０を停止させる（ステップＳ４５）。

以上のような熱交換システム５であれば、インバータ１６を冷却するＡＴＦの循環する第２の通路１８とエアコン冷媒の循環する第３の通路２６がともに熱交換器１５に接続されている。第２の通路１８を循環して熱交換器１５に到達するＡＴＦの温度は、第３の通路２６を循環して熱交換器１５に到達するエアコン冷媒の温度よりも高いため、熱交換器１５において、ＡＴＦからエアコン冷媒へ熱が伝達（熱交換）する。よって、第２の通路１８を循環してインバータ１６側へ流れるＡＴＦの温度は、第１の通路１７を循環してモータ１１側へ流れるＡＴＦよりも低くなる。一般的に、インバータ１６を冷却するＡＴＦに要求される温度は、モータ１１を冷却するＡＴＦに要求される温度よりも低い。本実施例の熱交換システム５では、インバータ１６を、エアコン冷却機構２０のエアコン冷媒を用いて間接的に冷却することができるので、インバータ１６の冷却効率を高めることができる。また、要求される冷却温度の異なるモータ１１とインバータ１６とを、ともにＡＴＦを利用して冷却するので、車両１に搭載される熱交換システム５の構成を簡易にすることができる。さらに、熱交換システム５は、インバータ１６の素子温度Ｔｊが所定の温度Ｔ１まで上昇した段階で動作させることができるので、適切なタイミングでインバータ１６の冷却を行うことができる。

上記実施例では、第１の通路１７および第２の通路１８を変速機構の潤滑油としてのＡＴＦが循環して流れることとしている。これに対して、車両１の変速機構が連続可変トランスミッション（Continuously Variable Transmission：CVT）である場合には、上記実施例のＡＴＦに代えて、ＣＶＴＦ（Continuously Variable Transmission Fluid）を用いることとしてもよい。また、上記実施例では、車両１はハイブリッド車両であることとしたが、車両１は電気自動車であってもよい。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１…車両
５…熱交換システム
１０…トランスアクスル冷却機構
１０ａ…トランスアクスル
１１…モータ
１２…ポンプ
１３…オイルクーラ
１５…熱交換器
１５ａ…空洞
１６…インバータ
１７…第１の通路
１８…第２の通路
１９…ＨＶＥＣＵ
２０…エアコン冷却機構
２０ａ…エアコン
２１…コンプレッサ
２２…コンデンサ
２３…レシーバ
２４…エキスパンションバルブ
２５…エバポレータ
２６…第３の通路
２９…エアコンＥＣＵ
３０…エンジン

Claims

車両用熱交換システムであって、
前記車両の変速機用の潤滑油が循環して流れ、前記車両の走行に用いられるモータを冷却する第１の通路と、
前記潤滑油が循環して流れ、前記モータに電力を供給するためのインバータの冷却を行う第２の通路と、
前記車両内を空調するための空調用冷媒が循環して流れる第３の通路と、
前記第２の通路を循環して流れる前記潤滑油と前記第３の通路を循環して流れる前記空調用冷媒との熱交換を行う熱交換器と、
を備える車両用熱交換システム。