JP2020537477A - 駆動機械を作動させる装置および方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、特にターボチャージャの圧縮機および／またはタービン用の駆動機械であって、ハウジング内に回転可能に支持されたシャフトに相対回動不能に配置されたロータと、前記ハウジングに固定されたステータと、該ステータに対応して配置されたパワーエレクトロニクスと、該パワーエレクトロニクスに対応して配置され、外部冷却系の冷却回路に接続可能な冷却通路とを有する駆動機械に関し、前記冷却通路には、前記パワーエレクトロニクスの運転温度に応じて操作される、前記冷却通路の通流横断面を開放または閉鎖するための少なくとも１つの弁が対応して配置されている。

Description

本発明は、特にターボチャージャの圧縮機および／またはタービン用の駆動機械であって、ハウジング内に回転可能に支持されたシャフトに相対回動不能に配置されたロータと、ハウジングに固定されたステータと、ステータに対応して配置されたパワーエレクトロニクスと、パワーエレクトロニクスに対応して配置され、外部冷却系の冷却回路に接続可能な冷却通路とを有する、駆動機械に関する。

さらに本発明は、特にターボチャージャの圧縮機および／またはタービンであって、ハウジング内に回転可能に支持された少なくとも１つのシャフトおよび上述したような電気的な駆動機械を備えた、圧縮機および／またはタービンに関する。

さらに本発明は、内燃機関を備えた自動車用の駆動装置であって、特にターボチャージャの圧縮機および／またはタービンを有しており、圧縮機および／またはタービンには、前記電気的な駆動機械が対応して配置されている、駆動装置に関する。

さらに本発明は、前記駆動機械を作動させる方法に関する。

背景技術
ターボチャージャの駆動機械、圧縮機および／またはタービン、駆動装置ならびに冒頭で述べた形式の方法は、従来技術から周知である。ターボチャージャは一般に、内燃機関、特に往復動機関の性能ならびにエミッション特性を最適化させるために使用される。このために内燃機関の新気路内には、新気を圧縮して内燃機関の燃焼室内に供給する圧縮機が設けられており、これにより、燃焼室内に流入する空気量が増大されている。圧縮機を駆動するためには、一般に内燃機関の排気路内にタービンが設けられており、この場合、トルクの伝達はシャフトを介して行われる。さらに、特に往復動機関の回転数が低い場合の圧力上昇の遅延を回避するために、電気的な支援手段が設けられている、ということが周知である。電気的な支援手段により、シャフトの回転数を排気流に関係無く高めることができる。電気的な支援手段を制御しひいては駆動機械を制御するためには、パワーエレクトロニクスが必要とされる。しかしながら、このような電子構成部品、特に内蔵されたコンデンサに対し、エンジンルーム内の高い温度は、極めて負荷をかけることになる。パワーエレクトロニクスの根本的な冷却を保証するためには、パワーエレクトロニクスに、内燃機関の冷却回路内に組み込まれた冷却手段を設けることが周知である。

発明の開示
本発明が提供する、請求項１記載の特徴を備えた駆動機械は、従来技術から周知の駆動機械に比べ、パワーエレクトロニクスの耐久性が改良される、という利点を有している。パワーエレクトロニクスの如何なる熱負荷も、特にコンデンサの摩耗の増大につながり、最終的には電気構成部品もしくはパワーエレクトロニクスの故障を招く恐れがある。本発明による駆動機械により、大幅な摩耗が簡単かつ廉価に回避されひいては駆動機械の耐用年数が延長される。このためには、冷却通路に、冷却通路の通流横断面を開放または閉鎖するためにパワーエレクトロニクスの運転温度に応じて操作される少なくとも１つの弁が、対応して配置されている、ということが想定されている。パワーエレクトロニクスの運転温度が閾値を超過した場合には、冷却通路を介した冷却を前記のように能動的に制御することで、パワーエレクトロニクスが、このパワーエレクトロニクスに比べて高温の、それ自体が内燃機関により加熱された冷却水により加熱される、ということが回避される。パワーエレクトロニクスが駆動機械を制御し、これによりパワーエレクトロニクス自体が本来の電気的な排熱により加熱されて危機的な温度範囲にもたらされる状態においてのみ、冷却手段が接続され、これにより、パワーエレクトロニクスにおける損傷を回避することができる。あらゆる不要な加熱が阻止されるため、パワーエレクトロニクス、特にコンデンサの耐用年数もしくは耐久性が大幅に増大され得る。本発明の意味では、明記しない限り「パワーエレクトロニクス」という用語は常に、特にターボチャージャの圧縮機および／またはタービン用の駆動機械に対応して配置されたパワーエレクトロニクスを意味するものである。

１つの好適な実施形態では、弁に、パワーエレクトロニクスの運転温度に応じて制御される、弁操作用のアクチュエータが対応して配置されている、ということが想定されている。このことは、弁の操作を液圧式、空圧式または電気式にも行うことができる、という利点を有している。よって本発明は、供与された構成空間が小さくてもフレキシブルに実現され得る。さらに、アクチュエータは低単価で入手可能な汎用の構成部品である。

さらに好適には、弁は、アクチュエータに接続された温度センサを有しており、この場合、温度センサはパワーエレクトロニクスに対応して配置されている、ということが想定されている。このことは、温度センサがパワーエレクトロニクスの熱的に重要な箇所に配置され得、不正確な温度検出に基づきパワーエレクトロニクスに損傷が生じることはない、という利点を有している。さらに、温度センサは低単価で入手可能な汎用の構成部品である。

さらに好適には、温度センサとアクチュエータとは共に、弁を操作するための伸長材エレメントを形成している、ということが想定されている。この実施形態は、実現が簡単であると共に、特に機械構成部品が少数に削減されもする、ということに基づき、本発明の実現が極めて簡単、廉価にかつ複雑な構造の電子的な構成無しで達成され、しかも追加的な電子装置を回避することにより、故障に対する高い信頼性が保証される、という利点を有している。

本発明の１つの好適な実施形態では、弁は、パワーエレクトロニクスの１００℃、特に１１０℃の運転温度を超過した場合に通流横断面を開放するために弁が操作されるように配置されかつ構成されている、ということが想定されている。さらに好適には、伸長材エレメントは、パワーエレクトロニクスの１００℃、特に１１０℃の運転温度を超過した場合に通流横断面を開放するために弁を操作するように形成されかつ／または配置されている、ということが想定されている。この実施形態の利点は、１００℃、特に１１０℃の温度において通流横断面が開放されると、パワーエレクトロニクスの冷却が特に必要に応じて行われるため、パワーエレクトロニクスの加熱サイクル数が最小に減らされる、という点にある。

１つの別の好適な実施形態では、弁に、少なくとも１つの戻しばねが対応して配置されており、戻しばねは、通流横断面を閉じるために、伸長材エレメントに抗して作用する、ということが想定されている。この実施形態は、弁の戻りが能動的に生ぜしめられひいてはパワーエレクトロニクスの冷却が最早一切不要になると直ちに冷却も能動的に中断される、という利点を有している。

好適には、駆動機械は冷却媒体導管を有しており、冷却通路は、冷却媒体導管に通じるバイパスとして形成されている、ということが想定されている。この実施形態は、パワーエレクトロニクスの冷却通路が属す冷却系の部分において、パワーエレクトロニクスの下流側または上流側に位置する内燃機関の構成部品は、パワーエレクトロニクスの運転温度に応じて操作可能な弁がまだ操作されない、すなわち開かれた場合にも、冷却液により冷却される、という利点を有している。

さらに１つの特に好適な実施形態では、弁は、パワーエレクトロニクスの下流側で冷却通路内に配置されている、ということが想定されている。このことは発明者によれば、本発明の実現において特に効果的かつ有効である、ということが判った。さらに好適には、弁は、パワーエレクトロニクスの上流側で冷却通路内に配置されている、ということも想定されている。

１つのさらに好適な実施形態では、弁は、ヒステリシススイッチを有している、ということが想定されている。この実施形態は、パワーエレクトロニクスの冷却を開始し、これによって場合により、弁の作動につながった運転温度を即座に下回ろうとする際に、ヒステリシススイッチにより最短時間の間、例えば１０秒間、冷却の中断が防止される、という利点を有している。このことは通流横断面の、高速で連続する開閉を防止する。通流横断面の開閉の反復は、操作可能な弁における損傷または系、特に冷却系内での振動を招く恐れがある。さらに、冷却通路内に堆積物がたまる、ということが防止される。

請求項１２記載の特徴を有する、本発明による圧縮機および／または本発明によるタービン、特にターボチャージャは、本発明に基づき形成された駆動機械、という点において優れている。これにより、既に述べた利点が生じる。

請求項１３記載の特徴を有する、本発明による駆動装置は、本発明による圧縮機および／または本発明によるタービン、特に本発明によるターボチャージャという点において優れている。これにより、既に述べた利点が生じる。

請求項１４記載の特徴を有する、本発明による方法は、冷却通路の通流横断面を開放または閉鎖するために、パワーエレクトロニクスの運転温度に応じて弁を操作し、特に運転温度が１００℃、好適には１１０℃を超過した場合に、通流横断面を開放もしくは開放するように弁を制御する、という点において優れている。これにより、既に上述した利点が生じる。

別の利点および好適な特徴および特徴の組合せは、特に前記説明ならびに各請求項から明らかである。

以下に本発明を図面につき、より詳細に説明する。

電気駆動機械を備えた有利なターボチャージャを示す図である。

図面に概略的に示す有利なターボチャージャには、駆動機械１が組み込まれており、駆動機械１は、ハウジング内に回転可能に支持されたシャフト２に相対回動不能に配置されたロータ３と、ハウジングに固定され、少なくとも１つの給電可能なコイル（ここでは図示せず）を有するステータ４と、パワーエレクトロニクス５と、パワーエレクトロニクス５に対応して配置され、外部冷却系（図示せず）の冷却回路（図示せず）に接続可能な冷却通路６とを有しており、この場合、冷却通路６は、本発明では外部冷却系の冷却回路に接続されたもしくは接続可能な、駆動機械の冷却媒体導管１８に通じるバイパス７として形成されている。冷却通路６には、操作可能な弁８が対応して配置されている。この操作可能な弁８により、本発明では１００℃の、パワーエレクトロニクス５の運転温度を超過した場合に、冷却通路６の通流横断面９が開放もしくは開放される。

この場合、操作可能な弁８は、第１の実施例では制御可能なアクチュエータ１０により操作される。この場合、弁８にはアクチュエータ１０に接続された温度センサ１１が対応して配置されており、温度センサ１１は、パワーエレクトロニクス５にも対応して配置されている。つまり、温度センサ１１により検出されたパワーエレクトロニクス５の温度に応じてアクチュエータ１０が制御され、冷却通路６の通流横断面９を開放または閉鎖する弁８を操作する。特に、パワーエレクトロニクス５の温度が１００℃、特に１１０℃を超過した場合には、アクチュエータ１０が弁８を開くもしくは通流横断面９を開放し、これにより、冷却系から到来する冷却媒体が冷却通路６を通流してパワーエレクトロニクス５を冷却するもしくはパワーエレクトロニクス５から熱を導出する。

第２の実施例では、弁８に伸長材エレメント１２が対応して配置されており、伸長材エレメント１２は実質的に、パワーエレクトロニクス５の領域にも位置している。伸長材エレメント１２は、予め設定可能な限界温度を超過した場合にその大きさを変化させる、特に増大させるように形成されている。とりわけ、パワーエレクトロニクス５が１００℃または１１０℃の温度を超過すると、伸長材エレメント１２が増大し始め、これにより弁８を、冷却通路６の通流横断面９が開放される開放位置へと動かす、ということが想定されている。パワーエレクトロニクス５の温度が、１００℃または１１０℃の前記トリガ温度を下回ると、伸長材エレメント１２は再び収縮し、弁８は、通流横断面９が閉じられたその初期位置にもたらされる。この戻り運動を最適化するために、本発明では伸長材エレメント１２に、伸長材エレメント１２に抗して作用する戻しばね１３が対応して配置されている。

ロータ３が相対回動不能に配置されたシャフト２にはさらに、タービン１５のタービン羽根車１４ならびに圧縮機１６の圧縮機羽根車１７が相対回動不能に配置されている。タービン１５はさらに、内燃機関に接続された／接続可能な、タービン１５の駆動用に排気流をタービン１５に供給する流路、ならびに排気流がタービン１５において仕事を遂行した後に排気流を導出する流出路を有している。圧縮機１６には、周囲空気を圧縮機に供給する新気通路が対応して配置されており、周囲空気が圧縮機により圧縮され、別の流路を通って内燃機関に供給されることにより、内燃機関のシリンダ内の空気充填量を高めることができる。タービン羽根車１４および圧縮機羽根車１７はシャフト２に相対回動不能に配置されているため、圧縮機１６は内燃機関の運転中、タービン１５により駆動される。

追加的な電気駆動機械１により今や、タービン１５と圧縮機１６とから形成されたターボチャージャ１を、内燃機関から到来する排気流に関係無く駆動することが可能であり、これにより、供与される排気流に関係無く、内燃機関のシリンダ内の空気充填量を高めることができる。

所要出力が低い場合には、電気機械１の追加的な接続は全くまたは必ずしも必要ではない。このような状態では、パワーエレクトロニクス５は仕事を全く遂行しないため、大した運転温度は有していない。この状態では弁８は閉じられており、内燃機関の冷却系から到来した、冷却されたパワーエレクトロニクス５よりも高い温度を有する冷却水が、パワーエレクトロニクスが使用されること無しにパワーエレクトロニクス５を加熱する、ということが防がれる。電気機械が作動しかつパワーエレクトロニクス５が熱を発生させもしくは暖まり、特に前記限界温度に達した場合に初めて、アクチュエータ１０が弁８を操作し、これにより冷却通路６が開放され、冷却水が冷却媒体通路６を通って案内される。次いで冷却媒体は、パワーエレクトロニクス５から生じた熱を搬出し、これによりパワーエレクトロニクス５を有利な運転温度にまで冷却する。弁８には伸長材エレメント１２が対応して配置されている、つまり伸長材エレメント１２がアクチュエータ１０と温度センサ１１の両方を形成しているため、弁８を操作する装置の特にコンパクトな構成が提供されている。

この実施例では、弁８がパワーエレクトロニクス５の下流側で冷却通路６に配置されているのに対し、１つの別の実施例では、弁８がパワーエレクトロニクス５の上流側またはパワーエレクトロニクス５の領域に配置されている、ということが想定されていてもよい。

１つの別の実施例ではさらに、電気機械１はターボチャージャにではなく、内燃機関の電動モータ式の圧縮機１６に組み込まれており、したがってタービン１５は省かれる、ということが想定されていてもよい。

上述した各実施例はそれぞれ、電気機械１ひいてはターボチャージャもしくは圧縮機１６の耐用年数が全体的に延長される、という利点を有している。なぜならば、パワーエレクトロニクス５の電気／電子コンポーネントが熱から保護され、これにより例えばパワーエレクトロニクス５のコンデンサの耐用年数が大幅に延長されることになるからである。

請求項１４記載の特徴を有する、本発明による方法は、冷却通路の通流横断面を開放または閉鎖するために、パワーエレクトロニクスの運転温度に応じて弁を操作し、特に運転温度が１００℃、好適には１１０℃を超過した場合に、通流横断面を開放するもしくは開くように弁を制御する、という点において優れている。これにより、既に上述した利点が生じる。

図面に概略的に示す有利なターボチャージャには、駆動機械１が組み込まれており、駆動機械１は、ハウジング内に回転可能に支持されたシャフト２に相対回動不能に配置されたロータ３と、ハウジングに固定され、少なくとも１つの給電可能なコイル（ここでは図示せず）を有するステータ４と、パワーエレクトロニクス５と、パワーエレクトロニクス５に対応して配置され、外部冷却系（図示せず）の冷却回路（図示せず）に接続可能な冷却通路６とを有しており、この場合、冷却通路６は、本発明では外部冷却系の冷却回路に接続されたもしくは接続可能な、駆動機械の冷却媒体導管１８に通じるバイパス７として形成されている。冷却通路６には、操作可能な弁８が対応して配置されている。この操作可能な弁８により、本発明では１００℃の、パワーエレクトロニクス５の運転温度を超過した場合に、冷却通路６の通流横断面９が開かれるもしくは開放される。

Claims (14)

1. 特にターボチャージャの、圧縮機および／またはタービン用の駆動機械であって、ハウジング内に回転可能に支持されたシャフト（２）に相対回動不能に配置されたロータ（３）と、前記ハウジングに固定されたステータ（４）と、該ステータ（４）に対応して配置されたパワーエレクトロニクス（５）と、該パワーエレクトロニクス（５）に対応して配置され、外部冷却系の冷却回路に接続可能な冷却通路（６）とを有する、駆動機械において、
   前記冷却通路（６）には、前記パワーエレクトロニクス（５）の運転温度に応じて操作される、前記冷却通路（６）の通流横断面（９）を開放または閉鎖するための少なくとも１つの弁（８）が対応して配置されていることを特徴とする、駆動機械。
2. 前記弁（８）には、前記パワーエレクトロニクス（５）の運転温度に応じて制御される、前記弁（８）の操作用のアクチュエータ（１０）が対応して配置されている、請求項１記載の駆動機械。
3. 前記弁（８）は、前記アクチュエータに接続された温度センサ（１１）を有しており、該温度センサは前記パワーエレクトロニクス（５）に対応して配置されている、請求項２記載の駆動機械。
4. 前記温度センサと前記アクチュエータとは共に、前記弁（８）を操作するための伸長材エレメント（１２）を形成している、請求項３記載の駆動機械。
5. 前記弁（８）は、前記パワーエレクトロニクス（５）の１００℃、特に１１０℃の運転温度を超過した場合に前記弁（８）が前記通流横断面（９）を開放するように操作されるように配置されかつ構成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の駆動機械。
6. 前記伸長材エレメント（１２）は、前記パワーエレクトロニクス（５）の１００℃、特に１１０℃の運転温度を超過した場合に前記通流横断面（９）を開放するように前記弁（８）を操作するように形成されかつ／または配置されている、請求項４記載の駆動機械。
7. 前記弁（８）に、少なくとも１つの戻しばね（１３）が対応して配置されており、該戻しばね（１３）は、前記通流横断面（９）を閉じるように、前記伸長材エレメントに抗して作用する、請求項４から６までのいずれか１項記載の駆動機械。
8. 当該駆動機械は冷却媒体導管（１８）を有しており、前記冷却通路（６）は、前記冷却媒体導管（１８）に通じるバイパス通路（７）として形成されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の駆動機械。
9. 前記弁（８）は、前記パワーエレクトロニクス（５）の下流側で前記冷却通路（６）内に配置されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の駆動機械。
10. 前記弁（８）は、前記パワーエレクトロニクス（５）の上流側で前記冷却通路（６）内に配置されている、請求項１から９までのいずれか１項記載の駆動機械。
11. 前記弁（８）は、ヒステリシススイッチを有している、請求項１から１０までのいずれか１項記載の駆動機械。
12. ハウジング内に回転可能に支持されたシャフト（２）および請求項１から１１までのいずれか１項記載の駆動機械（１）を備えた、圧縮機および／またはタービン、特にターボチャージャ。
13. 特にターボチャージャの、圧縮機（１６）および／またはタービン（１５）を有している内燃機関を備えた自動車用の駆動装置であって、前記圧縮機（１６）および／または前記タービン（１５）には、電気的な駆動機械（１）が対応して配置されている、駆動装置において、
    請求項１から１１までのいずれか１項記載の前記駆動機械（１）を構成すること、または請求項１２記載の圧縮機（１６）および／またはタービン（１５）を構成することを特徴とする、駆動装置。
14. ハウジング内に回転可能に支持されたシャフト（２）に相対回動不能に配置されたロータ（３）と、前記ハウジングに固定されたステータ（４）と、該ステータ（４）に対応して配置されたパワーエレクトロニクス（５）と、該パワーエレクトロニクス（５）に対応して配置され、外部冷却系の冷却回路に接続可能な冷却通路（６）とを有する、特に請求項１から１１までのいずれか１項記載の駆動機械を作動させる方法において、
    前記冷却通路（６）に、該冷却通路（６）の通流横断面（９）を開放または閉鎖するための少なくとも１つの弁（８）を対応して配置し、該弁（８）を、前記パワーエレクトロニクス（５）の運転温度に応じて操作して、前記冷却通路（６）の前記通流横断面（９）を開放または閉鎖することを特徴とする、方法。

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