JP7538672B2 - 車両用冷却構造 - Google Patents

Description

本発明は、車両用冷却構造に関する。

例えば、特許文献１には、冷媒を循環させてインバータを冷却する技術が開示されている。

特開２００８－１０５６４５号公報

例えば、リアディファレンシャルギヤなどのギヤ機構では、ギヤケースにフィンが設けられ、空冷されている。車両では、インバータまたはギヤ機構のような冷却対象ごとに冷却構造が設けられている。このため、冷却構造にかかるスペースが広くなり、結果として、車両設計の自由度を向上させることが難しかった。

そこで、本発明は、簡素化することが可能な車両用冷却構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の車両用冷却構造は、ギヤ機構およびオイルを内部に収容するギヤケースと、ギヤケースの外面に設置され、モータと電気的に接続されるインバータと、ギヤケースの内面とインバータとの間に形成され、冷媒が流通される冷却流路と、を備え、冷却流路は、インバータが設置されるギヤケースの外面における中央に近い内側部分から、中央から遠い外側部分に向かって、渦状に広がるように形成され、冷却流路に冷媒が送入される送入口は、冷却流路の渦の内側端に位置し、冷却流路から冷媒が送出される送出口は、冷却流路の渦の外側端に位置し、インバータは、パワーモジュールおよびコンデンサを含み、パワーモジュールおよびコンデンサは、冷却流路の経路中、送入口の近傍に位置する。
また、ギヤ機構は、プロペラシャフトに連結されるリアディファレンシャルギヤであり、インバータは、ギヤケースにおける車両の後方側に位置するとしてもよい。

上記課題を解決するために、本発明の車両用冷却構造は、ギヤ機構およびオイルを内部に収容するギヤケースと、ギヤケースの外面に設置され、モータと電気的に接続されるインバータと、ギヤケースの内面とインバータとの間に形成され、冷媒が流通される冷却流路と、を備え、ギヤ機構は、プロペラシャフトに連結されるリアディファレンシャルギヤであり、インバータは、ギヤケースにおける車両の後方側に位置する。

また、車両用冷却構造は、冷却流路の内面のうち、インバータがギヤケースに接触する領域とは反対側の領域において、冷却流路の内面から冷却流路内に突出するフィンをさらに備えるとしてもよい。

また、インバータは、インバータの発熱量が増大するタイミングと、ギヤ機構の発熱量が増大するタイミングとが異なるようにモータに電流を供給するとしてもよい。

本発明によれば、車両用冷却構造を簡素化することが可能となる。

図１は、本実施形態に係る車両の一部を示す概略図である。 図２は、カバー部の概略断面図である。 図３は、カバー部を後方から見た透視平面図である。 図４は、モータの出力特性の一例を示す図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、本実施形態に係る車両１の一部を示す概略図である。車両用冷却構造２は、車両１に適用される。図１では、車両１の前後左右方向をそれぞれ実線の矢印で示している。車両１は、例えば、モータが駆動源として設けられた電気自動車である。なお、車両１は、エンジンとモータとが駆動源として並設されたハイブリッド車であってもよい。

車両１は、プロペラシャフト１０、リアディファレンシャルギヤ１２、ギヤケース１４、モータ１６およびインバータ１８を含む。プロペラシャフト１０の一端は、変速機を通じて駆動源に連結される。

リアディファレンシャルギヤ１２は、入力軸２０、リングギヤ２２、枠体２４、第１サイドギヤ２６、第２サイドギヤ２８、第１出力軸３０、第２出力軸３２、第１ピニオンシャフト３４、第２ピニオンシャフト３６、第１ピニオンギヤ３８および第２ピニオンギヤ４０を含む。

入力軸２０は、具体的には、ドライブピニオンシャフトである。プロペラシャフト１０の他端は、入力軸２０に連結される。入力軸２０は、前後方向に延在している。入力軸２０の先端には、ベベルギヤ４２が形成されている。ベベルギヤ４２は、リングギヤ２２に噛み合わされている。枠体２４は、リングギヤ２２の一方の側面から突出している。枠体２４は、中空に形成されている。枠体２４は、リングギヤ２２と一体となって回転する。

第１サイドギヤ２６、第２サイドギヤ２８、第１ピニオンギヤ３８および第２ピニオンギヤ４０は、枠体２４に収容される。第１サイドギヤ２６および第２サイドギヤ２８は、リングギヤ２２に平行に配置されるとともに、互いに間隔を空けて対向配置される。第１サイドギヤ２６は、第１出力軸３０に接続される。第１出力軸３０は、リングギヤ２２を貫通して左方向に延在し、左側の後輪に接続される。第２サイドギヤ２８は、第２出力軸３２に接続される。第２出力軸３２は、枠体２４を貫通して右方向に延在し、右側の後輪に接続される。

第１ピニオンシャフト３４および第２ピニオンシャフト３６は、それぞれ枠体２４の内面から突出している。第１ピニオンギヤ３８は、第１ピニオンシャフト３４を介して枠体２４に回転可能に支持される。第２ピニオンギヤ４０は、第２ピニオンシャフト３６を介して枠体２４に回転可能に支持される。第１ピニオンギヤ３８および第２ピニオンギヤ４０は、それぞれ第１サイドギヤ２６および第２サイドギヤ２８に噛み合わされている。

ギヤケース１４は、ケース本体部５０およびカバー部５２から構成される。ケース本体部５０は、内部に空間５４が形成されている。ケース本体部５０は、後方側に開口部５６を有する。カバー部５２は、ケース本体部５０の開口部５６を後方側から塞ぐ。ケース本体部５０にカバー部５２が取り付けられると、ギヤケース１４は、密閉される。ギヤケース１４は、リアディファレンシャルギヤ１２およびオイルを内部に収容した状態で密閉される。オイルは、リアディファレンシャルギヤ１２の各部を潤滑に動作させる。

リアディファレンシャルギヤ１２では、それぞれのギヤの回転に応じて、ギヤ間に摩擦熱が生じる。例えば、入力軸２０のベベルギヤ４２とリングギヤ２２との間には、比較的大きな摩擦熱が生じる。ギヤケース１４内のオイルは、このような摩擦熱によって熱せられる。

モータ１６は、プロペラシャフトを通じてリアディファレンシャルギヤ１２に連結されるモータとは独立して設けられる。モータ１６は、ギヤケース１４に並設され、リアディファレンシャルギヤ１２に連結される。モータ１６は、図示を省略するが、例えば、リングギヤ２２または枠体２４に連結される。モータ１６は、後輪の回転をアシストすることができる。

インバータ１８は、ギヤケース１４のカバー部５２の外面５８に設置される。インバータ１８は、不図示の電力線などを通じてモータ１６と電気的に接続される。インバータ１８は、不図示のバッテリの電力を変換してモータ１６に供給する。インバータ１８は、モータ１６への電流の供給に応じて発熱する。

車両用冷却構造２は、ギヤケース１４のカバー部５２に形成されている冷却流路６０を含む。冷却流路６０は、ギヤケース１４のカバー部５２の内面６２と、インバータ１８との間に形成される。冷却流路６０には、冷媒が流通される。後に詳述するが、冷却流路６０を流通する冷媒は、車両用冷却構造２の冷却対象であるギヤケース１４内のオイルとインバータ１８との両方を冷却する。

車両１には、熱交換器６４および冷却ポンプ６６が設けられる。なお、熱交換器６４および冷却ポンプ６６の位置は、ギヤケース１４の後方に限らず、ギヤケース１４の前方であってもよい。図１の破線の矢印で示すように、冷却流路６０、熱交換器６４および冷却ポンプ６６は、冷媒が循環する冷却回路を形成している。熱交換器６４は、ギヤケース１４の冷却流路６０から送出される冷媒を冷却する。冷却ポンプ６６は、熱交換器６４で冷却された冷媒をギヤケース１４の冷却流路６０に送出する。

図２は、カバー部５２の概略断面図である。図２では、車両１の上下前後方向をそれぞれ実線の矢印で示している。また、図２の破線の矢印は、冷却流路６０が繋がっていることを示している。

カバー部５２は、ボルトなどの締結部材７０によって、ケース本体部５０に取り付けられる。また、図２で示すように、インバータ１８は、パワーモジュール７２およびコンデンサ７４を含む。

パワーモジュール７２およびコンデンサ７４は、カバー部５２の外面５８に固定される。パワーモジュール７２およびコンデンサ７４は、放熱面がカバー部５２に接触するように固定される。パワーモジュール７２およびコンデンサ７４の電気的な端子は、例えば、各々の側面などの、カバー部５２と接触する面とは異なる面に配置される。また、パワーモジュール７２およびコンデンサ７４は、保護部７６によって取り囲まれて覆われている。パワーモジュール７２およびコンデンサ７４は、カバー部５２および保護部７６によって密閉されている。

パワーモジュール７２は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの複数の半導体スイッチング素子から構成される。例えば、パワーモジュール７２では、バッテリに接続される直流端子間に、６個の半導体スイッチング素子が３相ブリッジ接続されている。コンデンサ７４は、例えば、電解コンデンサなどである。コンデンサ７４は、例えば、パワーモジュール７２の直流端子間に並列接続されている。パワーモジュール７２およびコンデンサ７４は、モータ１６に電流を供給する際に発熱する。

カバー部５２の外面５８には、後方に開口する送入口８０および送出口８２が形成されている。冷却流路６０は、送入口８０から送出口８２に亘って連通している。送入口８０は、パイプなどを通じて冷却ポンプ６６に繋がっている。送出口８２は、パイプなどを通じて熱交換器６４に繋がっている。

上述のように、冷却流路６０は、カバー部５２の内面６２とインバータ１８との間に形成される。具体的には、冷却流路６０は、カバー部５２の内面６２とコンデンサ７４との間、および、カバー部５２の内面６２とパワーモジュール７２との間を、それぞれ通過するように形成される。

ギヤケース１４内のオイルは、カバー部５２の内面６２に接触する。このため、ギヤケース１４内のオイルは、カバー部５２の内面６２を通じて冷却流路６０の冷媒と熱交換されて冷却される。また、パワーモジュール７２およびコンデンサ７４は、カバー部５２の外面５８に接触している。このため、パワーモジュール７２およびコンデンサ７４は、カバー部５２の外面５８を通じて冷却流路６０の冷媒と熱交換されて冷却される。

このように、車両用冷却構造２では、ギヤケース１４内のオイルとインバータ１８との両方を、冷却流路６０を流通する共通の冷媒によって冷却することができる。これにより、例えば、車両用冷却構造２では、ギヤケース１４の空冷用のフィンを省略することが可能となる。このため、車両用冷却構造２では、冷却構造にかかるスペースの拡大を抑制することができる。

したがって、本実施形態の車両用冷却構造２によれば、冷却構造を簡素化することができ、車両設計の自由度を向上させることが可能となる。

また、ギヤケース１４内のオイルの耐熱温度は、例えば、１００℃を超える。これに対して、パワーモジュール７２およびコンデンサ７４の耐熱温度は、１００℃未満の、例えば、８０℃程度である。そして、場合によっては、ギヤケース１４内のオイルの温度が、パワーモジュール７２およびコンデンサ７４の耐熱温度よりも高くなることがある。

しかし、車両用冷却構造２では、ギヤケース１４内のオイルとパワーモジュール７２との間、および、ギヤケース１４内のオイルとコンデンサ７４との間を、冷媒が流通する。これにより、車両用冷却構造２では、ギヤケース１４内のオイルの熱がパワーモジュール７２およびコンデンサ７４に伝達されることが、冷媒によって妨げられる。

このため、車両用冷却構造２では、ギヤケース１４内のオイルの温度がパワーモジュール７２およびコンデンサ７４の耐熱温度以上となったとしても、パワーモジュール７２およびコンデンサ７４の温度を自身の耐熱温度未満とすることが可能となる。その結果、車両用冷却構造２では、インバータ１８がギヤケース１４の外面５８に設置されても、インバータ１８の破損を防止することができる。

また、パワーモジュール７２およびコンデンサ７４は、上下方向に並設されている。そして、冷却流路６０は、パワーモジュール７２およびコンデンサ７４の近傍において、上下方向に連通するように形成されている。これにより、例えば、冷媒に微量な空気が混入されたとしても、その空気は、上方に移動される。このため、車両用冷却構造２では、冷媒中の空気がパワーモジュール７２およびコンデンサ７４の近傍に滞留することを抑制でき、インバータ１８の冷却効果の低減を防止することが可能となる。

図２に示すように、ギヤケース１４には、冷却流路６０の内面から冷却流路６０内に突出する複数のフィン８４が形成される。フィン８４は、冷却流路６０の内面のうち、インバータ１８がギヤケース１４に接触する領域とは反対側の領域に形成される。具体的には、フィン８４は、冷却流路６０の内面のうち、パワーモジュール７２がギヤケース１４に接触する領域とは反対側の領域に形成される。また、フィン８４は、冷却流路６０の内面のうち、コンデンサ７４がギヤケース１４に接触する領域とは反対側の領域に形成される。フィン８４は、例えば、冷却流路６０の内面から延びる角柱状に形成される。なお、フィン８４の形状は、角柱状に限らず、角錐状などのように、適宜設計することができる。

車両用冷却構造２では、インバータ１８に近接する位置にフィン８４が形成されるため、冷却流路６０を流通する冷媒とインバータ１８との熱交換の面積が広くなっている。このため、車両用冷却構造２では、インバータ１８の冷却効果を向上させることができる。

また、車両１は、プロペラシャフト１０を用いた機械式の４輪駆動を行うことができる。このような機械式４輪駆動車では、前輪と後輪との動力伝達の位相差などによって、リアディファレンシャルギヤ１２が振動することがある。そこで、機械式４輪駆動車では、リアディファレンシャルギヤ１２のギヤケース１４における後方側の位置に慣性マス、すなわち、バラストが設けられる。

車両１では、上述のように、インバータ１８がギヤケース１４における車両１の後方側に位置する。インバータ１８は、少なからず質量を有する。これにより、インバータ１８は、上述の慣性マスの少なくとも一部として機能することができる。このため、車両１では、付加する慣性マスの質量を、インバータ１８の質量分、減少させることができる。その結果、車両用冷却構造２が適用される車両１では、車両１の総重量の増加を抑制することができる。

図３は、カバー部５２を後方から見た透視平面図である。図３では、車両１の上下左右方向をそれぞれ実線の矢印で示している。また、図３の白抜き矢印は、冷媒が流れる方向を例示している。

パワーモジュール７２およびコンデンサ７４は、カバー部５２の外面５８の中央付近に配置されている。送入口８０は、パワーモジュール７２およびコンデンサ７４よりも上方に位置する。送出口８２は、パワーモジュール７２およびコンデンサ７４よりも下方に位置する。

図３で示すように、冷却流路６０は、外面５８における中央に近い内側部分から、中央から遠い外側部分に向かって渦状に広がるように形成されている。送入口８０は、冷却流路６０の渦の内側端に位置する。送出口８２は、冷却流路６０の渦の外側端に位置する。パワーモジュール７２およびコンデンサ７４は、冷却流路６０の経路中、送入口８０の近傍に位置する。

送入口８０から送入された冷媒は、まず、コンデンサ７４の近傍、パワーモジュール７２の近傍の順に通過する。つまり、コンデンサ７４およびパワーモジュール７２は、冷却能力が十分に高い状態の冷媒、換言すると、温度が十分に低い状態の冷媒によって冷却される。このため、車両用冷却構造２では、インバータ１８を効果的に冷却することができる。

パワーモジュール７２の近傍を通過した冷媒は、カバー部５２の周縁付近を周回して送出口８２に至る。これにより、冷媒は、カバー部５２の内面６２および外面５８の広い範囲を冷却する。このため、カバー部５２の内面６２に接触するオイルを効果的に冷却することができる。また、上述のように、コンデンサ７４およびパワーモジュール７２は、オイルよりも温度が低いことがある。このため、コンデンサ７４およびパワーモジュール７２と熱交換した後の冷媒は、オイルを十分に冷却することができる。

図４は、モータ１６の出力特性の一例を示す図である。図４で示すように、モータ１６は、回転数が低くなるに従ってトルクが高くなり、回転数が高くなるに従ってトルクが低くなる。

インバータ１８は、モータ１６のトルクが高くなるに従って、モータ１６に流す電流を多くする。このため、図４の破線Ａ１０で例示するように、インバータ１８は、モータ１６のトルクが高くなるに従って発熱量が増大する。

これに対し、リアディファレンシャルギヤ１２の各ギヤの回転数は、モータ１６の回転数が高くなるに連れて高くなる。各ギヤの回転数が高くなると、各ギヤ間の摩擦による発熱量が増大する。つまり、図４の破線Ａ１２で例示するように、リアディファレンシャルギヤ１２は、モータ１６の回転数が高くなるに従って発熱量が増大する。

このように、インバータ１８は、インバータの発熱量が増大するタイミングと、リアディファレンシャルギヤ１２の発熱量が増大するタイミングとが異なるようにモータ１６に電流を供給する。

これにより、車両用冷却構造２では、ギヤケース１４内のオイルの冷却が大幅に必要なときにはインバータ１８の冷却が少なくてよく、インバータ１８の冷却が大幅に必要なときにはギヤケース１４内のオイルの冷却が少なくてよい。このため、車両用冷却構造２では、熱交換器６４または冷却ポンプ６６のサイズアップを抑制しつつ、ギヤケース１４内のオイルおよびインバータ１８の冷却を行うことができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態におけるインバータ１８は、カバー部５２の外面５８に設置されていた。しかし、インバータ１８は、カバー部５２に限らず、ケース本体部５０の外面に設置されてもよい。

また、上記実施形態におけるインバータ１８は、ギヤケース１４における後方側に配置されていた。しかし、インバータ１８の位置は、ギヤケース１４における後方側に限らず、ギヤケース１４における任意の位置に設置されてもよい。ただし、インバータ１８を慣性マスの一部として機能させる場合には、インバータ１８は、ギヤケース１４における後方側に配置される。

また、上記実施形態の車両用冷却構造２では、冷却流路６０にフィン８４が設けられていた。しかし、フィン８４は、省略されてもよい。ただし、インバータ１８の冷却効果については、フィン８４を設けた方が高くすることができる。

また、上記実施形態では、リアディファレンシャルギヤ１２を収容するギヤケース１４に、インバータ１８および冷却流路６０が設けられていた。しかし、インバータ１８および冷却流路６０が設けられるギヤケース１４は、リアディファレンシャルギヤ１２を収容するものに限らない。ギヤケース１４は、例えば、フロントディファレンシャルギヤ、変速機または減速機などの各種のギヤ機構が収容されるものであってもよい。また、これらのギヤ機構を収容するギヤケース１４内には、ギヤ機構の動作を潤滑にさせるオイルも収容される。この態様の車両用冷却構造２では、上記実施形態と同様に、ギヤケース１４内のオイルとインバータ１８とを共通の冷媒によって冷却することができる。

１ 車両
２ 車両用冷却構造
１０ プロペラシャフト
１２ リアディファレンシャルギヤ
１４ ギヤケース
１６ モータ
１８ インバータ
５８ 外面
６０ 冷却流路
６２ 内面
８４ フィン

Claims (5)

1. ギヤ機構およびオイルを内部に収容するギヤケースと、
   前記ギヤケースの外面に設置され、モータと電気的に接続されるインバータと、
   前記ギヤケースの内面と前記インバータとの間に形成され、冷媒が流通される冷却流路と、
   を備え、
   前記冷却流路は、前記インバータが設置される前記ギヤケースの外面における中央に近い内側部分から、前記中央から遠い外側部分に向かって、渦状に広がるように形成され、
   前記冷却流路に前記冷媒が送入される送入口は、前記冷却流路の渦の内側端に位置し、
   前記冷却流路から前記冷媒が送出される送出口は、前記冷却流路の渦の外側端に位置し、
   前記インバータは、パワーモジュールおよびコンデンサを含み、
   前記パワーモジュールおよびコンデンサは、前記冷却流路の経路中、前記送入口の近傍に位置する、車両用冷却構造。
2. 前記ギヤ機構は、プロペラシャフトに連結されるリアディファレンシャルギヤであり、
   前記インバータは、前記ギヤケースにおける車両の後方側に位置する請求項１に記載の車両用冷却構造。
3. ギヤ機構およびオイルを内部に収容するギヤケースと、
   前記ギヤケースの外面に設置され、モータと電気的に接続されるインバータと、
   前記ギヤケースの内面と前記インバータとの間に形成され、冷媒が流通される冷却流路と、
   を備え、
   前記ギヤ機構は、プロペラシャフトに連結されるリアディファレンシャルギヤであり、
   前記インバータは、前記ギヤケースにおける車両の後方側に位置する、車両用冷却構造。
4. 前記冷却流路の内面のうち、前記インバータが前記ギヤケースに接触する領域とは反対側の領域において、前記冷却流路の内面から前記冷却流路内に突出するフィンをさらに備える請求項１から３のいずれか１項に記載の車両用冷却構造。
5. 前記インバータは、前記インバータの発熱量が増大するタイミングと、前記ギヤ機構の発熱量が増大するタイミングとが異なるように前記モータに電流を供給する請求項１から４のいずれか１項に記載の車両用冷却構造。

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