JP7416271B2 - 電動過給機 - Google Patents

Description

本開示は、電動過給機に関する。

電動過給機は、圧縮した空気から熱を受ける。電動過給機は、インペラを回転させるモータを備えているが、このモータも熱源となる。圧縮空気の熱及びモータの熱などによって電動過給機を構成する部品の温度が上昇すると、電動過給機が所望の性能を発揮できない場合が生じる。そこで、特許文献１、２に開示されるように、電動過給機は、構成部品を冷却するための冷却構造を備えている。特許文献１の冷却構造は、モータ及びインペラの冷却を対象としている。特許文献２の冷却構造は、インペラの冷却を対象としている。

特開２０１０－１９６４７８号公報 特開２０１７－１５０３３９号公報

電動過給機にはさらなる性能の向上が望まれている。電動過給機の性能を向上させるためには、モータの出力を高める必要がある。モータの出力を高めるためには、モータに大きな電流を提供する。大きな電流が提供されたモータは、さらに発熱する。この発熱によってモータの温度が高まると、モータの出力が低下する可能性がある。従って、冷却性能をさらに高める必要があった。

本開示は、冷却性能をさらに高めることが可能な電動過給機を説明する。

本開示の電動過給機は、ステータを有するモータと、ステータの端面に熱的に接続されるディフューザプレートと、を備える。ディフューザプレートは、熱媒体を流通させる流路を有する。

本開示の電動過給機は、冷却性能をさらに高めることが可能である。

図１は、本開示の電動過給機の構成を概略的に示す断面図である。 図２は、図１に示すディフューザプレートの分解斜視図である。 図３は、ディフューザプレートとステータとの関係を示す正面図である。

本開示の電動過給機は、ステータを有するモータと、ステータの端面に熱的に接続されるディフューザプレートと、を備える。ディフューザプレートは、熱媒体を流通させる流路を有する。

ステータの内部の発熱した箇所からステータの端面までの熱抵抗は、比較的小さい。従って、ステータの端面にディフューザプレートを熱的に接続するとともに、ディフューザプレートの流路に熱媒体を流通させることにより、ステータから効率よく抜熱することが可能である。従って、冷却効率をさらに高めることができる。

本開示の電動過給機は、モータに取り付けられた回転軸によって回転するインペラと、インペラを収容すると共にインペラを囲むスクロール流路を有するコンプレッサケーシングと、をさらに備えてもよい。ディフューザプレートは、円板状であって、第１端面と第２端面とを有してもよい。第１端面は、ステータの端面に熱的に接続されてもよい。第２端面は、コンプレッサケーシングと協働してインペラから排気される流体をインペラからスクロール流路へ導くディフューザ流路を形成してもよい。このような構成によっても、良好な冷却効率を得ることができる。

本開示の電動過給機においてディフューザプレートは、第１端面を含む第１プレート部材と、第２端面を含む第２プレート部材と、を有してもよい。第１プレート部材の熱伝導率は、第２プレート部材の熱伝導率と異なってもよい。この構成によれば、熱伝導率の高い第１プレート部材側から熱媒体に熱を移動させることができる。従って、ステータを効率よく冷却することができる。

本開示の電動過給機において第１プレート部材の熱伝導率は、第２プレート部材の熱伝導率より高くてもよい。この構成によれば、熱伝導率の高い第１プレート部材側から熱媒体にさらに効率よく熱を移動させることができる。従って、ステータをさらに効率よく冷却することができる。

本開示の電動過給機において第１プレート部材が受ける温度は、第２プレート部材が受ける温度よりも低くてもよい。この態様によっても、電動過給機は、ステータから効率よく熱を奪うことが可能である。従って、ステータをさらに効率よく冷却することができる。

以下、添付図面を参照しながら本開示の電動過給機を実施するための形態を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本開示の電動過給機１の断面図である。図１に示すように、電動過給機１は、コンプレッサ１０と、モータ２０と、を備える。電動過給機１は、電力を動力源とするモータ２０によってコンプレッサ１０を駆動する。コンプレッサ１０は、回転軸３０を介してモータ２０から動力を受ける。電動過給機１は、圧縮された空気を排気する。

コンプレッサ１０は、インペラ１１と、コンプレッサケーシング１２と、を有する。コンプレッサケーシング１２は、吸入口１３とスクロール流路１４とを有する。吸入口１３は、回転軸３０と同軸の開口部である。スクロール流路１４は、回転軸線ＲＬを囲む。インペラ１１は、吸入口１３の奥側に配置されている。スクロール流路１４は、インペラ１１を囲む。これらの配置によれば、吸入口１３から吸い込まれた空気は、インペラ１１を介してスクロール流路１４に至る。ディフューザ流路１５は、インペラ１１とスクロール流路１４との間に形成されている。ディフューザ流路１５は、インペラ１１から空気を受ける。ディフューザ流路１５は、受けた空気をスクロール流路１４に渡す。ディフューザ流路１５は、コンプレッサケーシング１２のケーシング壁面１２ａと後述するディフューザプレート４０とによって形成される。

モータ２０は、ロータ２１と、ステータ２２と、を有する。ロータ２１は、回転軸３０に固定されている。ロータ２１は、回転軸３０とともに回転する。ロータ２１は、例えば複数の永久磁石を含む。ステータ２２は、ロータ２１を囲むように設けられた部材である。ステータ２２は、コイルを含んでいる。

モータ２０は、さらに、ステータケース２３と、パスブロック２４と、モータケーシング２５と、を有する。ステータケース２３は、ステータ２２及びロータ２１を収容する。ステータケース２３は、円筒形状である。ステータケース２３の内部には、ステータ２２が固定される。ステータケース２３の一方の端は、ケース開口２３ａ（図２参照）を構成する。ステータケース２３の他方の端は、ケース端面２３ｂによって閉鎖されている。ケース端面２３ｂは、後述するモータケーシング２５と協働して背面側冷却流路Ｆ２を構成する。

図２に示すように、ケースリブ２３ｄは、ステータケース２３のケース外周面２３ｃに設けられている。ケースリブ２３ｄには、パスブロック２４が取り付けられる。パスブロック２４は、ステータケース２３とは別体の部品である。パスブロック２４は、ブロック背面２４ａと、ブロック主面２４ｂと、を有する。ブロック背面２４ａは、ケースリブ２３ｄに当接する。ブロック主面２４ｂは、ディフューザプレート４０に当接する。パスブロック２４は、連結流路２４Ｆを有する。連結流路２４Ｆは、ブロック背面２４ａからブロック主面２４ｂに貫通する穴である。連結流路２４Ｆは、背面側冷却流路Ｆ２を後述するディフューザプレート４０の主面側冷却流路Ｆ１に連結する。

ケース開口２３ａは、ディフューザプレート４０によって閉鎖されている。ディフューザプレート４０は、前述したように、コンプレッサケーシング１２と協働してディフューザ流路１５を構成する。ディフューザプレート４０は、コンプレッサ１０とモータ２０とを隔てる。ディフューザプレート４０は、モータ側円板４１（第１プレート部材）と、コンプレッサ側円板４２（第２プレート部材）と、を有する。モータ側円板４１は、平面視して円形の薄板である。言い換えれば、モータ側円板４１は、回転軸線ＲＬ方向から見て、円形の薄板である。コンプレッサ側円板４２も、平面視して円形の薄板である。言い換えれば、コンプレッサ側円板４２も、回転軸線ＲＬ方向から見て、円形の薄板である。モータ側円板４１の主面がコンプレッサ側円板４２の背面に当接することによって、ディフューザプレート４０が構成されている。モータ側円板４１は、貫通穴であるモータ側穴４１Ｈを有する。コンプレッサ側円板４２も貫通穴であるコンプレッサ側穴４２Ｈを有する。モータ側穴４１Ｈ及びコンプレッサ側穴４２Ｈの中心は、回転軸線ＲＬに一致する。モータ側穴４１Ｈ及びコンプレッサ側穴４２Ｈは、同軸である。

モータ側円板４１を構成する材料は、コンプレッサ側円板４２を構成する材料と異なっている。モータ側円板４１を構成する材料の熱伝導率は、コンプレッサ側円板４２を構成する材料の熱伝導率と異なっている。モータ側円板４１の熱伝導率は、コンプレッサ側円板４２の熱伝導率よりも高い。例えば、モータ側円板４１を構成する材料として、アルミニウム合金といった金属材料を採用してよい。コンプレッサ側円板４２を構成する材料として、ポリフェニレンサルファイド樹脂（Poly Phenylene Sulfide Resin）又はフェノール樹脂といった耐熱樹脂材料を採用してよい。

熱伝導率に相違を持たせた材料の選択によれば、モータ２０からディフューザプレート４０への熱移動と、コンプレッサ１０からディフューザプレート４０への熱移動と、に偏りを持たせることができる。ディフューザプレート４０は、熱伝導率の高いモータ側円板４１から積極的に熱を受け入れる。熱伝導率の低い樹脂材料の選択によれば、コンプレッサ１０側からモータ２０側への熱移動を抑制することができる。

モータ側円板４１は、モータ側背面４１ａ（第１端面）とモータ側主面４１ｂとを有する。モータ側背面４１ａは、モータ２０にも接触する。モータ側背面４１ａは、パスブロック２４に当接する。モータ側背面４１ａは、ステータケース２３に収容されたステータ２２のステータ主面２２ａにも接続されている。

ここでいう「接続」とは、熱的に接続されていることを意味する。熱的に接続されているとは、モータ側背面４１ａとステータ主面２２ａとの間に隙間が存在すると仮定する。この仮定のもと、隙間に空気が満たされている状態の熱抵抗よりも、モータ側背面４１ａからステータ主面２２ａへの熱抵抗が小さくなっている状態を「熱的に接続されている」と定義してもよい。「熱的に接続されている」例として、モータ側背面４１ａがステータ主面２２ａに物理的に接触している状態が挙げられる。物理的に接触している状態であれば、ステータ主面２２ａとモータ側背面４１ａとの間に、熱移動に影響を及ぼすような実質的な空気層が形成されない。従って、ステータ主面２２ａからモータ側背面４１ａへ熱が良好に移動する。「熱的に接続されている」別の例として、ステータ主面２２ａとモータ側背面４１ａとの間には隙間が存在するが、その隙間が伝熱グリスといった熱伝導材料によって満たされている状態が挙げられる。熱伝導材料は、空気よりも熱伝導率が高いので、モータ側背面４１ａからステータ主面２２ａへ熱が良好に移動する。

流路溝４１Ｇは、モータ側主面４１ｂに形成されている。流路溝４１Ｇは、モータ側主面４１ｂに掘り込まれた凹部である。流路溝４１Ｇは、貫通穴４１Ｇ１と、円環溝部４１Ｇ２と、連結溝部４１Ｇ３と、を含む。貫通穴４１Ｇ１は、モータ側主面４１ｂからモータ側背面４１ａに貫通する。貫通穴４１Ｇ１は、モータ側背面４１ａにおいてパスブロック２４の連結流路２４Ｆと連結される。従って、モータ側背面４１ａはパスブロック２４に対して、水密に接続されている。

図３に示すように、円環溝部４１Ｇ２は、回転軸線ＲＬを囲む円環形状を呈する。円環溝部４１Ｇ２は、回転軸線ＲＬの方向から平面視したときにステータ主面２２ａと重複してよい。例えば、円環溝部４１Ｇ２のすべてがステータ主面２２ａに重複してもよいし、円環溝部４１Ｇ２の一部がステータ主面２２ａに重複していてもよい。ステータ主面２２ａとの重複の態様は、円環溝部４１Ｇ２の直径によって調整できる。ステータ主面２２ａとの重複の態様は、円環溝部４１Ｇ２の溝幅によっても調整できる。円環溝部４１Ｇ２は、回転軸線ＲＬの周りに１８０度以上の中心角をもって形成されている。この角度は、パスブロック２４の連結流路２４Ｆの位置に応じて設定してよい。

連結流路２４Ｆとの接続部分である貫通穴４１Ｇ１の位置が円環溝部４１Ｇ２よりも外側であるとき、貫通穴４１Ｇ１を円環溝部４１Ｇ２につなぐ連結溝部４１Ｇ３が設けられる。連結溝部４１Ｇ３は、円環溝部４１Ｇ２と貫通穴４１Ｇ１との位置関係によって必要に応じて設けることとしてよい。例えば、貫通穴４１Ｇ１が円環溝部４１Ｇ２と重複する場合には、連結溝部４１Ｇ３は省略してよい。

再び図２に示すように、コンプレッサ側円板４２は、コンプレッサ側背面４２ａとコンプレッサ側主面４２ｂ（第２端面）とを有する。コンプレッサ側背面４２ａは、モータ側主面４１ｂに当接する。コンプレッサ側背面４２ａは、モータ側主面４１ｂに形成されている貫通穴４１Ｇ１、円環溝部４１Ｇ２及び連結溝部４１Ｇ３の開口部分を閉鎖する。従って、コンプレッサ側主面４２ｂは、貫通穴４１Ｇ１、円環溝部４１Ｇ２及び連結溝部４１Ｇ３と協働して主面側冷却流路Ｆ１を構成する。コンプレッサ側主面４２ｂは、インペラ領域４２ｂ１と、ディフューザ領域４２ｂ２と、を含む。インペラ領域４２ｂ１は、インペラ１１と対面する。ディフューザ領域４２ｂ２は、ディフューザ流路１５を構成する。ディフューザ領域４２ｂ２は、インペラ領域４２ｂ１を囲んでいる。

電動過給機１が備える個々の部品について詳細に説明した。次に、電動過給機１が備える冷却機構に注目した説明を行う。冷却機構は、モータ２０を冷却する。モータ２０の温度上昇は、モータ２０の特性に影響を及ぼす。具体的には、モータ２０の温度が上がりすぎると、モータ２０の出力が低下する傾向にある。従って、モータ２０は、その稼働時においてあらかじめ設定される温度よりも高くならないようにする必要がある。一方、モータ２０には、動力源として電流がコイルに提供される。電流がコイルを流れるとき、電気抵抗に起因して発熱が生じる。モータ２０の出力を高めるほど、大電流が流されるので発熱の度合いも高まる。さらに、コンプレッサ１０において空気が圧縮されると、圧縮空気は高温になる。例えば、圧縮空気の温度は摂氏２８０度以上にも達する。つまり、電動過給機１の稼働時においては、様々な要因で熱が発生する。従って、これらの熱によってモータ２０の温度が設定値を超えないように、積極的に熱を排出する必要がある。そこで、電動過給機１は、背面側冷却流路Ｆ２と主面側冷却流路Ｆ１とを含む冷却機構を備えている。

モータ２０が含む主な発熱源は、コイルを含むステータ２２である。ステータ２２のコイルは、ティースといった部品に巻きまわされている。コイルを構成する導線の隙間は、樹脂材料によって埋め込まれている。冷却機構は、ステータ２２から効率よく抜熱する。

冷却機構は、ステータ２２の両端面を熱経路として採用する。冷却機構は、回転軸線ＲＬに沿ってステータ２２を挟む。ステータ背面側には、背面側冷却流路Ｆ２が配置される。背面側冷却流路Ｆ２は、モータケーシング２５とステータケース２３とによって構成される。背面側冷却流路Ｆ２を構成する溝は、モータケーシング２５に設けられてもよい。背面側冷却流路Ｆ２を構成する溝は、ステータケース２３に設けられてもよい。ステータ主面２２ａ側には、主面側冷却流路Ｆ１が配置される。主面側冷却流路Ｆ１は、ディフューザプレート４０によって構成される。主面側冷却流路Ｆ１及び背面側冷却流路Ｆ２は、パスブロック２４によって相互に接続されている。背面側冷却流路Ｆ２、主面側冷却流路Ｆ１及び連結流路２４Ｆは、相互に連通する。背面側冷却流路Ｆ２、主面側冷却流路Ｆ１及び連結流路２４Ｆは、一つの流路を構成する。

電動過給機１は、ステータ２２を有するモータ２０と、ステータ主面２２ａに熱的に接続されるディフューザプレート４０と、を備える。ディフューザプレート４０は、熱媒体を流通させる主面側冷却流路Ｆ１を有する。ステータ２２の発熱箇所からステータ主面２２ａまでの熱抵抗は、比較的小さい。従って、ステータ主面２２ａにディフューザプレート４０を熱的に接続するとともに、ディフューザプレート４０の主面側冷却流路Ｆ１に熱媒体を流通させることにより、ステータ２２から効率よく抜熱することが可能である。従って、冷却効率をさらに高めることができる。

ディフューザプレート４０は、円板状である。ディフューザプレート４０は、モータ側背面４１ａとコンプレッサ側主面４２ｂとを有する。モータ側背面４１ａは、ステータ主面２２ａに熱的に接続される。コンプレッサ側主面４２ｂは、コンプレッサケーシング１２と協働してインペラ１１から排気される流体をインペラ１１からスクロール流路１４へ導くディフューザ流路１５を形成する。電動過給機１においてディフューザプレート４０は、モータ側背面４１ａを含むモータ側円板４１と、コンプレッサ側主面４２ｂを含むコンプレッサ側円板４２と、を有する。モータ側円板４１の熱伝導率は、コンプレッサ側円板４２の熱伝導率と異なる。より詳細には、モータ側円板４１の熱伝導率は、コンプレッサ側円板４２の熱伝導率より高い。さらに、電動過給機１においてモータ側円板４１が受ける温度は、コンプレッサ側円板４２が受ける温度よりも低い。

ところで、ディフューザプレート４０の背面側がモータ２０に熱的に接続され、ディフューザプレート４０の主面側がディフューザ流路１５を形成することは既に述べた。

モータ２０側の温度は、コンプレッサ１０側の温度よりも低い。換言すると、ディフューザプレート４０に流れる熱媒体の温度を基準としてみたとき、熱媒体の温度とモータ２０側の温度との温度差は、熱媒体の温度とディフューザ流路１５側の温度との温度差よりも小さい。熱の移動のし易さは、温度差に比例する。温度差が大きいほど、熱移動しやすい。温度の関係だけに注目すると、ディフューザプレート４０への熱移動は、コンプレッサ１０側からの熱移動が支配的となりやすい。その結果、冷却対象であるモータ２０からの抜熱が不十分となり、ステータ２２を十分に冷却できない可能性がある。

そこで、実施形態のディフューザプレート４０は、互いに異なる熱伝導率を有する材料によって構成する。具体的には、積極的に抜熱したいモータ２０側の部品には、熱の流入を抑制したいコンプレッサ１０側の部品の材料よりも熱伝導率の高い材料を適用する。一方、熱の流入を抑制したいコンプレッサ１０側の部品には、積極的に抜熱したいモータ２０側の部品の材料よりも熱伝導率の低い材料を適用する。温度の低い側に熱伝導率の高い部品を配置すると共に、温度の高い側に熱伝導率の低い部品を配置する。このような構成によれば、相対的に温度の低いモータ２０側から熱媒体に熱を良好に移動させることができる。

本開示の電動過給機は、上述した実施形態の構成及び方法に限定されない。

１ 電動過給機
１０ コンプレッサ
１１ インペラ
１２ コンプレッサケーシング
１２ａ ケーシング壁面
１３ 吸入口
１４ スクロール流路
１５ ディフューザ流路
２０ モータ
２１ ロータ
２２ ステータ
２２ａ ステータ主面
２３ ステータケース
２３ａ ケース開口
２３ｂ ケース端面
２３ｃ ケース外周面
２３ｄ ケースリブ
２４ パスブロック
２４ａ ブロック背面
２４ｂ ブロック主面
２４Ｆ 連結流路
２５ モータケーシング
３０ 回転軸
４０ ディフューザプレート
４１ モータ側円板（第１プレート部材）
４１ａ モータ側背面（第１端面）
４１ｂ モータ側主面
４１Ｇ 流路溝
４１Ｇ１ 貫通穴
４１Ｇ２ 円環溝部
４１Ｇ３ 連結溝部
４１Ｈ モータ側穴
４２ コンプレッサ側円板（第２プレート部材）
４２ａ コンプレッサ側背面
４２ｂ コンプレッサ側主面（第２端面）
４２ｂ１ インペラ領域
４２ｂ２ ディフューザ領域
４２Ｈ コンプレッサ側穴
Ｆ１ 主面側冷却流路
Ｆ２ 背面側冷却流路
ＲＬ 回転軸線

Claims (2)

1. ステータを有するモータと、
   前記ステータの端面に熱的に接続されるディフューザプレートと、
   前記モータに取り付けられた回転軸によって回転するインペラと、
   前記インペラを収容すると共に前記インペラを囲むスクロール流路を有するコンプレッサケーシングと、を備え、
   前記ディフューザプレートは、熱媒体を流通させる冷却流路を有し、
   前記ディフューザプレートは、円板状であって、前記ステータの端面に熱的に接続された第１端面を含む第１プレート部材と、前記コンプレッサケーシングと協働して前記インペラから排気される流体を前記インペラから前記スクロール流路へ導くディフューザ流路を形成する第２端面を含む第２プレート部材と、を有し、
   前記第１プレート部材の熱伝導率は、前記第２プレート部材の熱伝導率より高い、電動過給機。
2. 前記第１プレート部材が受ける温度は、前記第２プレート部材が受ける温度よりも低い、請求項１に記載の電動過給機。

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