JP7846871B2 - インホイールモーター用一体型冷却器 - Google Patents

Description

本発明は、冷却装置の技術分野に関し、特にインホイールモーター用一体型冷却器に関する。

新エネルギー車インホイールモーター技術は、自動車の駆動モーターをホイールの内部に集成することを主な特徴とするものであり、一体化を成し遂げて伝動部品を減少できる上に、柔軟な制御や高い自由度や省エネや省スペース化等多くの利点を有する。しかし、一体化による放熱性の悪さやモーターの過熱等の問題は、インホイールモーターの発展を阻む大きな問題の一つとなる。新エネルギー車用インホイールモーターの冷却方法は、空冷、液冷及び相変化冷却という三類に大体分けられる。

しかし、既存の新エネルギー車用インホイールモーターの冷却方法には全て悪い冷却効果や低い一体化・コンパクト化レベルや大きい装置重量等という技術的な問題がある。

我々は、これに鑑みて新エネルギー車用インホイールモーターに共通に存在する良好でない冷却効果及び低い一体化・コンパクト化レベルの技術的問題を解決するためにインホイールモーター用一体型冷却器を提供する。当該冷却器は、インホイールモーターの内部においてインホイールモーターの形状に合わせて設計された、冷却作動流体を封入するための気密性容器を設置することで、冷却作動流体の相変化伝熱を利用してインホイールモーター(電子制御チップとモータステータを有する)に対する高効率の冷却を実現する。冷却器内の作動流体が沸騰して生じる蒸気は、蒸気出口から凝縮器に導出されて凝縮されて液体となり、返液口から冷却器に戻って作動流体の自然循環を形成する。気密性容器の内壁に配列される気泡ポンプは、気泡の上昇によって生じる浮力流を利用して冷却作動流体を高所に輸送するため、インホイールモーター全体をかなり均一に冷却できる。

発明を解決するための手段

本発明は、上記目的を達成するために、次の技術的解決策を提供する。
インホイールモーター用一体型冷却器は、
冷却作動流体を封入するためにインホイールモーターの内部に配置され、蒸気出口と返液口とを有する気密性容器と、
前記冷却作動流体を前記気密性容器の高所に輸送するように駆動するために前記気密性容器の内壁に配列される気泡ポンプと、
前記気密性容器の外側に近い外壁面に配列されるモータステータと、
前記気密性容器の壁面に配置され、それの配置位置に前記冷却作動流体がある電子制御チップとを備える。

好ましくは、前記気泡ポンプは、前記気密性容器の外側に近い内壁面に配置される第1気泡ポンプを含める。

好ましくは、前記電子制御チップは前記気密性容器の内側の外壁面に配列され、壁面を介して冷却作動流体を間接的に加熱して沸騰させ、前記気密性容器の外側には高熱伝導性金属板を配列する。

好ましくは、前記気密性容器の内壁面の内側には沸騰伝熱を強化するためのウイックを配列する。

好ましくは、前記気泡ポンプの受熱壁面には、発泡金属材料、焼結金属網、焼結金属フェルト製品、及びミクロ細孔径を有する他の材料等を例として強い吸液能力を有する多孔質体であるべきウイックが設けられ、ウイック内の毛細管現象を利用して加熱壁の高さ方向への液体供給を促進できる。

好ましくは、前記気密性容器の内側の内壁面には第2気泡ポンプを配置する。

好ましくは、前記電子制御チップと前記高熱伝導性金属板は前記気密性容器の中上部までに延びる。

好ましくは、前記気密性容器上には前記電子制御チップを挿入するための挿入孔を開き、前記挿入孔は前記冷却作動流体に沈め込む。

好ましくは、前記冷却作動流体の充填量は、前記気密性容器の高さの30％～70％に当たる。

好ましくは、前記第1気泡ポンプは、複数の平行な狭い流路で構成される。

好ましくは、前記電子制御チップの両側は、熱伝導性フィラーでコーティングされる。

本発明は、従来技術に比べて次の有益な効果を有する。
本発明によるインホイールモーター用一体型冷却器は、インホイールモーターの形状と組み合わせてそれの内部において冷却作動流体を封入するための気密性容器を設置することで、冷却作動流体の相変化伝熱を利用して高効率の冷却を実現する上に、インホイールモーター(電子制御システムを含む)と冷却システムとの一体化・コンパクト化を高めることで、冷却性能を向上させると同時に当該システムの総重量を低減し、インホイールモーター冷却システムの総合性能を向上させる。インホイールモーター電子制御チップやモータステータ等の発熱体は、気密性容器の外面のそれぞれ異なる場所に設置され、容器壁面の熱伝導を通して冷却作動媒体に間接的に伝熱してそれぞれ沸騰・蒸発冷却を行う。気密性容器の内壁に配列される気泡ポンプは、気泡の上昇によって生じる浮力流を利用して冷却作動流体を高所に輸送するように駆動し、インホイールモーター全体をかなり均一に冷却できるようにする。

本発明によるインホイールモーター用一体型冷却器は、冷却器壁面の内側に気泡ポンプを配列して多孔質ウイックと組み合わせることで、冷却作動流体液の反重力方向への高効率の輸送を実現し、冷却効果を更に向上させることができる。

図１は、インホイールモーター用一体型冷却器の第一型の概略図である。 図２は、インホイールモーター用一体型冷却器の第二型の概略図である。 図３は、インホイールモーター用一体型冷却器の第三型の概略図である。 図４は、インホイールモーター用一体型冷却器の第四型の概略図である。 図５は、図4のA-Aの断面図である。 図５は、図4のB-Bの断面図である。 図７は、図4のB-Bの断面図における挿入穴の別の形状を示す。 図８は、第1気泡ポンプ又は第2気泡ポンプの概略図である。 図９は、本発明中の電子制御チップの配置位置の改良方式を示す。

我々は、次に本発明の実施例中の図面と組み合わせて本発明の実施例中の技術的解決策を明確且つ完全に説明する。明らかには、本明細書に記述された実施例が本発明の実施例の一部のみであり、全部ではない。当業者にとっては、本発明の実施例に基づいて創造的な労働を払わないという前提で得られた他のすべての実施例が本発明の保護範囲内に入る。

釈明に必要なことは、本発明の説明において、「上」、「下」、「内」、「外」、「頂端/底部」等という用語で示される方向や位置関係は、図面に示された方向や位置関係に基づくものであり、本発明の記述や説明の簡略化を便宜にするためだけのものであるが、言及された装置や素子が特定の方向を有しなければならないし、特定の方向に従って構成・作動しなければならないことを明示又は暗示するものではないため、本発明に限定されると理解すべきではない。その上、「第1」や「第2」という用語は、説明の目的のみに使われるが、相対的な重要性を明示又は暗示すると理解すべきではない。

釈明に必要なことは、本発明の説明において、別段の明示的な規定又は限定がない限り、「取り付ける」や「配置する」や「付ける/接する」や「連結する」等の用語は、例えば「接続」と広義に解されるものである。これらの用語は、固定接続、着脱可能な接続、又は一体化接続を意味するか、機械的接続又は電気的接続を意味するか、直接接続、中間媒体を介した間接接続、又は2つの素子間の連通を意味する。当業者にとっては、本発明における上記の用語の具体的な意味を具体的な状況によって理解できる。

本発明は、新エネルギー車用インホイールモーターの相変化冷却技術を目指して高一体化・コンパクト化冷却器を提出し、それの主な冷却対象が(1)IGBTチップ、SiCチップやGaNチップ等のインホイールモーターの電子制御チップと(2)モータステータとを含む。本発明では、モータステータを外壁面の外側に設置することで冷却を成し遂げる。 冷却器のそれぞれ異なる位置に取付けられる電子制御チップは、導線を介してインホイールモーターと電気的に接続する。冷却器は、電子制御チップの様々な配置位置に従って2つの類型に分けられる。第一類はチップ外部搭載型冷却器 (図1-3参照)であり、第二類はチップ挿入型冷却器 (図4参照)である。

図1は、インホイールモーター用一体型冷却器を最も基本的な一体型冷却器とするものを示すが、図2-4は、図1に基づいてインホイールモーター用一体型冷却器を更に改良するものを示す。

図1に示すように、本発明によるインホイールモーター用一体型冷却器は、気密性容器11と気泡ポンプと冷却作動流体113と外壁面12と内壁面13とモータステータ3と電子制御チップ4とを備える。

気密性容器11は、冷却作動流体113を封入するためにインホイールモーター1の内部に配置されて管路を介して外部凝縮器と接続し、蒸気出口111（凝縮器と接続し、沸騰して生じた蒸気が凝縮器に導入させる）と返液口112（凝縮器と接続し、凝縮液が容器11に戻るようにさせる）とを有する。そのうち、気密性容器11は、厳密な気密性を有し、通常環状にされる。

気泡ポンプは、冷却作動流体液113を気密性容器11の高所に輸送するように駆動するために気密性容器11の内壁に配列される。気密性容器11は外壁面12と内壁面13とを有する。

冷却作動流体113が気密性容器11に接触する壁面は総称して内壁面13と呼ばれ、内壁面13の外側にある壁面は総称して外壁面12と呼ばれる。

内壁面13の外部に近い片側は、内壁面の外側131(冷却作動流体113に接触する壁面)と呼ばれ、内壁面13の内部に近い片側は内壁面の内側132(冷却作動流体113に接触する壁面)と呼ばれる。

外壁面12の外部に近い片側は外側の外壁面121(内壁面の外側131に相当する)と呼ばれ、外壁面12の内部に近い片側は内側の外壁面122(内壁面の内側132に相当する)と呼ばれる。

モータステータ3は、気密性容器11の外側に近い外壁面に配列され、好ましくしっかりと密着して取付けられる。

電子制御チップ4は、気密性容器11の壁面に配置され、それの配置位置に対応する内壁面の内側132に冷却作動流体113がある。それの設置位置の高さは、冷却作動流体との間接的な接触を確保するために冷却作動流体の充填液面よりも低いことが好ましい。そのうち、電子制御チップ4は、気密性容器11の内側の外壁面122に配置されるし、内壁面の内側132に配置される可能性がある。気密性容器11は、環状にされるし、それの壁面が上述した外壁面12及び内壁面13を有するに加えて、それの両側に2つの環状面がある。電子制御チップ4が気密性容器11の両側の2つの環状面に同様に配置される可能性があるため、当業者は、実際需要に応じて電子制御チップ4の設置位置を選択できる。

本発明によるインホイールモーター用一体型冷却器では、冷却作動流体113は、気密性容器11の下方に重力の作用下で位置し、作動流体蒸気と接する上側部分への沸騰・蒸発伝熱を引き起こすために気泡ポンプを利用して冷却作動流体113を容器の上部に輸送する。気泡ポンプは、気泡の上昇によって生じる浮力流を利用して冷却作動流体を高所に輸送するように駆動することにより、インホイールモーター1全体をかなり均一に冷却できるようにさせる。

本発明では、気泡ポンプが第1気泡ポンプ2を含み、第1気泡ポンプ2が気密性容器の内壁面13の片側に配置され、第1気泡ポンプ2を内壁面の外側131に配置することが好ましい。

本発明では、図1に示すように、前記電子制御チップ4が気密性容器11の内側に近い外壁面122に配列され、高熱伝導性金属板5が気密性容器11の外側に配列され、好ましくは、高熱伝導性金属板5が銅板からなる。この態様では、電子制御チップ4は、気密性容器11の内側の外壁面122に貼り付けられてチップ外部搭載型冷却器と呼ばれる。電子制御チップ4には、高熱伝導性金属板5として円弧状の銅製片材が取付けられて電子制御チップ4をしっかりと押し付ける。高熱伝導性金属板5は、(1)加圧により電子制御チップ4と冷却面との接触熱抵抗を低減し、(2)発熱面が冷却面に伝熱するつながりとなるという2つの機能を果たす。高熱伝導性金属板5を取付けることでは、電子制御チップ4の冷却器への伝熱導を全体として強化し、電子制御チップ4の両側の表面の冷却効果を高めることができる。好ましくは、電子制御チップ4は、辺長が約1cm4cmに及ぶ複数の方形片材にされ、電子制御チップ4の正逆両面が全て加熱面とされる。好ましくは、電子制御チップ4の両面と冷却器及び高熱伝導性金属板5との接触熱抵抗を低減するためには、高熱伝導性の充填剤(熱伝導性フィラー)を隙間に充填して熱伝導を促進する。

本発明は、図2に示すように、第1態様に基づいて沸騰伝熱を強化するためのウイック6(好ましくは多孔質体)を気密性容器11の内壁面の内側132に配列するのを第2改良態様として電子制御チップ4の冷却を促進する目的を達成する。そのうち、ウイック6は、強い吸液能力を有する上に、沸騰伝熱を強化し、気泡ポンプを補助して液体を高所に輸送する (第3改良態様での第2気泡ポンプ)機能を有する。ウイック6は、発泡金属材料、焼結金属網、焼結金属フェルト製品などミクロ細孔径を有する材料からなる。

図3に示すように、第3改良態様としては、本発明は第1態様に基づいて気密性容器11の内壁面13の他側に第2気泡ポンプ7を設け、冷却液を中上部へ供給させてより高い位置に取付けられた電子制御チップの冷却を実現する。好ましくは、第2気泡ポンプ7は第1気泡ポンプ2と同じ構造を有する。

本発明では、第2気泡ポンプ7は気密性容器11の内壁面13の他側に配置される。好ましくは、第2気泡ポンプ7は、内壁面の内側132に配置される。

この改良態様では、内壁面に気泡ポンプを設けるため、電子制御チップ4は、気密性容器11の中下部までに配列される必要がなく、より高い位置(充填冷却作動流体の液面を超える)に取付けられる。具体的には、本発明では、電子制御チップ4と高熱伝導性金属板5が気密性容器11の中上部まで延びると、より多くの電子制御チップ4を内側の外壁面122に設置する可能性がある(気密性容器11の中上部に設置された電子制御チップ4は、該当位置における気密性容器11の内部に対応する冷却液が存在しない)。

図4-7に示すように、第4改良態様としては、本発明は第1態様に基づいて電子制御チップ4を挿入するための挿入孔8が気密性容器11に開かれる。好ましくは、挿入孔8は、逆T字型(図7参照)又はL字型(図6参照)にされる。挿入孔8は、冷却作動流体113に沈め込むが、挿入孔8の位置は冷却作動流体113に一定の液位があるので冷却作動流体113の液位を超えない。それに応じては、挿入孔8が冷却作動流体113に沈め込む。

第4改良態様では、電子制御チップ4の両側の加熱面の冷却を強化するために、電子制御チップ4が内壁面の外面に取り付けられないで気密性容器11の底部に細長い挿入孔8を開いてその中に電子制御チップ4を挿入して冷却を行う。内壁面の内側の伝熱を多孔質体又は第2気泡ポンプ7で強化する必要はない。挿入孔8が冷却液に沈め込む必要があり、電子制御チップ4の表面と挿入孔8の表面との間に熱伝導性フィラーを塗布して熱伝導を強める。この構造によりは、電子制御チップ4の両面の表面が全て沸騰を通して高効率の冷却を行う可能性がある (需要に応じて、沸騰伝熱を強化するために内表面に多孔質体などの伝熱促進体を追加設置できる)。

その上、内側の外壁面122は、図1～3に示した冷却器と同じ結構を有し、第1気泡ポンプ2を利用して冷却液の下から上への供給を成し遂げる。

本発明では、冷却作動流体113の充填量は、気密性容器11の高さの30%～70%に当たる。密閉容器11は、充填前に空気を内部から真空引きで排出する。そのうち、冷却作動流体113は、使用温度及び圧力の範囲に応じてNovec 7100(電子フッ素系流体)又は水又はアルコール等を選択する可能性がある。

図8に示すように、本発明では、第1気泡ポンプ2は、複数の平行な狭い流路で構成される。好ましくは、流路の断面を矩形にする。

図8に示すように、本発明では、第2気泡ポンプ7は、複数の平行な狭い流路で構成される。

本発明では、好ましくは、第1気泡ポンプ2と第2気泡ポンプ7が類似の構造を有し、いずれも複数の平行な狭い流路で構成される。それらの断面形状は特定されず、好ましくは、辺長が約1~3mmに及ぶ正方形を選択する。第1気泡ポンプ2と第2気泡ポンプ7は、伝熱面にしっかりと貼られるために気密性容器11に対応する壁面と同じ曲率半径を有し、取付け時にしっかりと押し付けられる必要がある。

本発明では、電子制御チップ4の両側は、伝熱を強化するために熱伝導性フィラーでコーティングされる。

図9は、本発明中の電子制御チップの配置位置の改良方式を示す。電子制御チップと冷却器壁面との密接な接触をより確実にするために、電子制御チップは、冷却器の平坦壁面に配置されることができる。例えば、外壁面12及び内壁面13と垂直である2つの環状の平坦壁面。当該改良方式では、さらに高熱伝導性金属板を配置し、電子制御チップを冷却壁にしっかりと押し付けさせる。また電子制御チップを配列する内壁面が気泡ポンプやウイック等を利用して性能を最適化できる。

上記内容は、本考案の好ましい実施例に過ぎず、本考案を限定することを意図するものではなく、当業者にとって本考案に対して種々の変更及び変形を行う可能性がある。本発明の趣旨及び原則の範囲内で行われる変更や同等の置換や改良等は、本考案の保護範囲に含まれるものとする。

1-インホイールモーター；11-気密性容器；111-蒸気出口；112-返液口；113-冷却作動流体；12-外壁面；121-外側の外壁面；122-内側の外壁面；13-内壁面；131-内壁面の外側；132-内壁面の内側；2-第1気泡ポンプ；3-モータステータ；4-電子制御チップ；5-高熱伝導性金属板；6-ウイック；7-第2気泡ポンプ；8-挿入孔

Claims (9)

1. 冷却作動流体を封入するためにインホイールモーターの内部に配置され、蒸気出口と返液口とを有する気密性容器と、
   前記冷却作動流体を前記気密性容器の高所に輸送するように駆動するために前記気密性容器の内壁面に配列される気泡ポンプと、
   前記気密性容器の外側に近い外壁面に配列されるモータステータと、
   前記気密性容器の内側に近い外壁面に配置され、それの配置位置に対応する前記内壁面の内側に前記冷却作動流体がある電子制御チップとを備える、
   ことを特徴とするインホイールモーター用一体型冷却器。
2. 前記気泡ポンプが、前記気密性容器の内壁面の片側に配置される第1気泡ポンプを含めることを特徴とする請求項1に記載のインホイールモーター用一体型冷却器。
3. 第2気泡ポンプが前記気密性容器の内壁面の他側に配置されることを特徴とする請求項2に記載のインホイールモーター用一体型冷却器。
4. 前記気密性容器の外側に高熱伝導性銅板を配列することを特徴とする請求項1に記載のインホイールモーター用一体型冷却器。
5. 沸騰伝熱を強化するためのウイックが前記気密性容器の内壁面の内側に配列されることを特徴とする請求項4に記載のインホイールモーター用一体型冷却器。
6. 前記電子制御チップと前記高熱伝導性銅板が前記気密性容器の中上部までに延びることを特徴とする請求項4に記載のインホイールモーター用一体型冷却器。
7. 前記冷却作動流体の充填量が前記気密性容器の高さの30%～70%に当たることを特徴とする請求項1に記載のインホイールモーター用一体型冷却器。
8. 前記第1気泡ポンプが複数の平行な狭い流路で構成されることを特徴とする請求項2に記載のインホイールモーター用一体型冷却器。
9. 前記電子制御チップの両側が熱伝導性フィラーでコーティングされることを特徴とする請求項1-8のいずれか一項に記載のインホイールモーター用一体型冷却器。