WO2012101795A1

WO2012101795A1 - 冷却装置

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Publication number: WO2012101795A1
Application number: PCT/JP2011/051556
Authority: WO
Inventors: 真吾宮本
Original assignee: トヨタ自動車株式会社
Priority date: 2011-01-27
Filing date: 2011-01-27
Publication date: 2012-08-02
Also published as: JPWO2012101795A1; EP2669107A1; CN103338962A; JP5585667B2; EP2669107B1; US20130292097A1; EP2669107A4

Abstract

　複数の発熱機器を効率的に冷却できる冷却装置を提供する。冷却装置は、車両に搭載された複数の発熱機器を冷却する冷却装置であって、車両には、スペアタイヤを収容可能な中空空間（５０）が形成されている。冷却装置は、中空空間（５０）に隣接して配置された冷却風通路（３０）と、冷却風通路（３０）内に配置されたバッテリ（１０）と、中空空間（５０）内に配置されたインバータ（２０）と、冷却風通路（３０）に通風するファン（４０）と、を備える。冷却風通路（３０）の中空空間（５０）に対向する壁部には、冷却風通路（３０）と中空空間（５０）とを連通する連通部（３２）が形成されている。

Description

冷却装置

　本発明は、冷却装置に関し、特に、車両に搭載された発熱機器を冷却する冷却装置に関する。

　従来の冷却装置に関し、特開２００３－２８３１７１号公報（特許文献１）には、電子回路基板上の主となる発熱素子を冷却した冷却風により負圧を発生させて周辺の他の発熱素子の冷却を行なう、電子回路基板の冷却構造が開示されている。特開２０００－１７４４７４号公報（特許文献２）には、複数の発熱部材が配設され筐体を有する電子機器の冷却装置において、複数の発熱部材間に設けられた空気流を誘導する誘導部材を具備し、複数の発熱部材のうち所望の発熱部材を強制空冷するとともに誘導部材に沿って送風し、所望の発熱部材とは異なる他の発熱部材を誘導部材に沿った送風で誘導部材の端部に生じる負圧で自然空冷によって冷却して成ることを特徴とする、電子機器の冷却装置が開示されている。

　特開２００５－３０１９０５号公報（特許文献３）には、発熱部を空冷する空冷手段によって生ずる第１の空気の流れが発生させる気圧差を利用して第２の空気の流れを発生させることにより第２の発熱部の熱を放熱するようにした、放熱装置が開示されている。特開２００８－６２７８０号公報（特許文献４）には、車両のシート後方のフロアの下方に、バッテリモジュールを下部に配置し、その上部にＤＣ／ＤＣコンバータおよびインバータを配置し、冷却空気が上下に分かれてバッテリモジュールとＤＣ／ＤＣコンバータおよびインバータとをパラレルに冷却する、冷却構造が開示されている。

特開２００３－２８３１７１号公報特開２０００－１７４４７４号公報特開２００５－３０１９０５号公報特開２００８－６２７８０号公報

　特開２００３－２８３１７１号公報（特許文献１）に開示された冷却構造では、主となる発熱素子を冷却する冷却風が複雑なフィンを通過することで圧力損失が生じ、他の発熱素子を冷却するための負圧を発生させる十分な気流とならない問題があった。

　本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、複数の発熱機器を効率的に冷却できる、冷却装置を提供することである。

　本発明に係る冷却装置は、車両に搭載された複数の発熱機器を冷却する冷却装置であって、車両には、スペアタイヤを収容可能な中空空間が形成されている。冷却装置は、中空空間に隣接して配置された冷却風通路と、冷却風通路内に配置された第一発熱機器と、中空空間内に配置された第二発熱機器と、冷却風通路に通風するファンと、を備える。冷却風通路の中空空間に対向する壁部には、冷却風通路と中空空間とを連通する連通部が形成されている。

　上記冷却装置において好ましくは、第二発熱機器は、中空空間の壁部に近接して配置されている。第二発熱機器は、連通部に対向して配置されていてもよい。

　上記冷却装置において、ファンは、冷却風通路内の第一発熱機器の上流側に配置されていてもよく、または、冷却風通路内の連通部の下流側に配置されていてもよい。

　上記冷却装置において好ましくは、第二発熱機器は、放熱フィンを有する。放熱フィンは、ピンフィン、または、壁部に垂直に並べられたプレートフィンであってもよい。

　上記冷却装置において、発熱機器は、バッテリ、インバータ、またはＤＣ－ＤＣコンバータのいずれかであってもよい。

　本発明の冷却装置によると、複数の発熱機器を空冷によって効率的に冷却することができる。

実施の形態１に係る車両の構成を示す概略図である。実施の形態１の冷却装置の構成を平面視して示す概略図である。実施の形態１の冷却装置の構成を側方視して示す概略図である。インバータに設けられた放熱フィンの一例を示す概略斜視図である。インバータに設けられた放熱フィンの他の例を示す概略斜視図である。実施の形態２の冷却装置の構成を側方視して示す概略図である。

　以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。

　（実施の形態１）
　図１は、実施の形態１に係る車両１００の構成を示す概略図である。車両１００は、エンジンとモータとを車両推進用の動力源として使用するハイブリッド自動車である。図１を参照して、車両１００は、前輪１２０Ｒ，１２０Ｌと、後輪１２２Ｒ，１２２Ｌと、駆動力を前輪１２０Ｒ，１２０Ｌに伝達する前輪ドライブシャフト１３０と、駆動力を後輪１２２Ｒ，１２２Ｌに伝達する後輪ドライブシャフト１３２と、を備える。

　車両１００は、エンジン１０２と、動力分配機構１０８と、モータジェネレータ１０４と、減速および差動機構１１０とを備える。減速および差動機構１１０は、たとえば無段変速機のような変速機を含むものであってもよい。車両１００はさらに、後輪駆動用のモータジェネレータ１０６と、モータジェネレータ１０６の回転を左右の後輪ドライブシャフトに伝達する差動装置１１２とを含む。差動装置１１２は減速装置を含むものであってもよい。なお、モータジェネレータ１０４をフロントモータ、モータジェネレータ１０６をリヤモータとも称する。

　車両１００は、さらに、バッテリ１０と、前方側のインバータ１１４と、後方側のインバータ２０と、制御部１１８と、を備える。制御部１１８は、複数の分散配置されたＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｕｎｉｔ）を含むものであってもよい。

　直流電源であるバッテリ１０は、たとえばニッケル水素またはリチウムイオンなどの二次電池を含み、直流電力をインバータ１１４，２０に供給するとともにインバータ１１４，２０からの電力を受けて充電される。なおインバータとバッテリとの間に昇圧装置を設け、バッテリ１０の出力電圧を昇圧してインバータ１１４，２０に供給し、インバータ１１４，２０からの電圧をバッテリ１０に降圧して供給する構成としてもよい。

　バッテリ１０とインバータ１１４，２０とは、それぞれ、ケーブル１２を介して電気的に接続される。インバータ１１４とモータジェネレータ１０４、および、インバータ２０とモータジェネレータ１０６もまた、ケーブル１２を介してそれぞれ電気的に接続される。モータジェネレータ１０４，１０６は、それぞれインバータ１１４，２０を介して、バッテリ１０と電力の供給または回生を行なっている。バッテリ１０からの直流電力は、インバータ１１４，２０により交流に変換されて、モータジェネレータ１０４，１０６に供給される。

　各インバータ１１４，２０は、制御部１１８により制御されている。制御部１１８は、加速要求などに応じてインバータ１１４を介してモータジェネレータ１０４の駆動を行なう。制御部１１８はまた、各種センサの出力から把握される車両の走行状態が所定の条件を満たしたときにインバータ２０に指令を送り、モータジェネレータ１０６にトルクを発生させて後輪１２２Ｒ，１２２Ｌを駆動させる。

　後輪１２２Ｒ，１２２Ｌを駆動させる車両の走行条件は、たとえば、アクセル全開の加速時や、雪道などの滑りやすい路面でスリップが発生している場合などである。後輪１２２Ｒ，１２２Ｌは、間欠的に駆動される。バッテリ１０から後輪側のインバータ２０への電力供給は、間欠的に行なわれる。そのため、インバータ２０の容量は前輪側のインバータ１１４の容量よりも小さく、したがってインバータ２０の発生する熱量はインバータ１１４の発生する熱量よりも小さい。

　図２は、実施の形態１の冷却装置の構成を平面視して示す概略図である。図３は、実施の形態１の冷却装置の構成を側方視して示す概略図である。本実施の形態の冷却装置は、車両１００に搭載された複数の発熱機器であるバッテリ１０とインバータ２０とを冷却する、車載機器用の冷却装置である。図２および図３を適宜参照して、本実施の形態の冷却装置の構成について説明する。

　車両１００には、車両１００の進行方向の後方側に、中空空間５０が形成されている。この中空空間５０は、スペアタイヤを収容可能な形状に形成されている。中空空間５０は、上方からスペアタイヤを挿入可能なように、下方へ窪んだ輪郭形状を有する。中空空間５０は、スペアタイヤが内部に入るような形状および寸法の空間であるが、実際にはスペアタイヤは収容されていない。中空空間５０の内部には、スペアタイヤの代わりに車両１００に搭載されるパンク修理キット９０が収容されている。加えて、中空空間５０の内部には、インバータ２０が収容されている。

　スペアタイヤの搭載が義務付けられている国の法規制に対応するために、車両１００にはスペアタイヤを収容可能な中空空間５０が形成されている。一方、他の国では、スペアタイヤを搭載しなくても、スペアタイヤの代替品としてパンク修理キット９０を車両１００に搭載すれば、法規制上問題のない場合がある。スペアタイヤを車両１００に搭載しない場合、中空空間５０にはスペアタイヤが収納されない。このとき、中空空間５０を空のままにすると、中空空間５０の内部がデッドスペースとなる。そこで、中空空間５０の内部にインバータ２０を配置することにより、スペアタイヤの収納されていない中空空間５０を有効活用することができる。

　インバータ２０は、中空空間５０の内部の、中空空間５０の側壁を形成する壁部５２に近接して配置されている。インバータ２０は、発生した熱を外部へ放出するときの放熱面積を増大させるための放熱フィン２２を有しており、放熱フィン２２が壁部５２に向くように配置されている。

　冷却風通路３０は、中空空間５０に隣接するように配置されている。冷却風通路３０は、中空空間５０の上方に、中空空間５０の輪郭の一部に沿って延在するように、配置されている。冷却風通路３０の内部には、バッテリ１０が配置されている。中空空間５０内にインバータ２０を配置し、中空空間５０に隣接する冷却風通路３０内にバッテリ１０を配置することにより、バッテリ１０とインバータ２０とを接続するケーブル１２の長さを低減でき、インバータ２０を車両１００の前方側へ配置する場合と比較してケーブル１２の製造コストを低減できる構成とされている。

　冷却風通路３０内にはまた、ファン４０が配置されている。ファン４０は、冷却風通路３０に通風する。ファン４０は、冷却風通路３０内のバッテリ１０の上流側に配置されている。ファン４０が駆動することにより、図２に示す空気流ＡＦ１のように冷却風通路３０の内部に空気が流入し、空気流ＡＦ２のように冷却風通路３０から空気が流出する。ファン４０は、冷却風通路３０の内部に空気を流通させる。

　本実施の形態の冷却装置は、冷却風通路３０内に配置された第一発熱機器としてのバッテリ１０と、中空空間５０内に配置された第二発熱機器としてのインバータ２０と、の両方を、一つのファン４０を使用して効率的に冷却しようとするものである。

　冷却風通路３０の、中空空間５０に対向する壁部３１には、冷却風通路３０と中空空間５０とを連通する連通部３２が形成されている。中空空間５０の内部において、インバータ２０は、連通部３２に対向して配置されている。インバータ２０に形成された放熱フィン２２が連通部３２に向くように、インバータ２０は配置されている。図２に示す平面視において長方形状に並べられた放熱フィン２２の形状に対応して、連通部３２は、長方形のスリット形状に形成されている。

　ファン４０が起動することにより、図３に示す空気流ＡＦ３のように、冷却風通路３０内に空気が流通する。この流通する空気は、バッテリ１０が発生した熱を奪い取り、バッテリ１０を強制空冷する。また、冷却風通路３０内に空気の流れが発生することにより、ベルヌーイの定理に従って冷却風通路３０内の気圧が低下して負圧となる。これにより、冷却風通路３０内と中空空間５０内とにおいて、気圧差が発生する。つまり、中空空間５０の内圧は、冷却風通路３０の内圧と比較して、相対的に高くなる。

　この気圧差により、図３に示す空気流ＡＦ４のように、中空空間５０から冷却風通路３０へ向かう空気の流れが発生する。空気流ＡＦ４は、インバータ２０の放熱フィン２２に沿って流れ、放熱フィン２２から熱を奪い取り、インバータ２０を冷却する。したがって、本実施の形態では、ファン４０により冷却風通路３０内に空気流れを発生させることにより、バッテリ１０とインバータ２０との、二つの発熱機器を同時に冷却することができる。中空空間５０内に特別な機構を設けることなく、中空空間５０内に配置されたインバータ２０を自然空冷によって冷却することができ、冷却装置のコストを低減でき、また冷却装置を小型化できる。

　インバータ２０が発生する熱により加熱された空気は、空気流ＡＦ５に示すように連通部３２を経由して冷却風通路３０の内部へ流入し、冷却風通路３０側へ吸い込まれる。連通部３２は、中空空間５０から冷却風通路３０への吸気口となる。バッテリ１０を冷却した空気とインバータ２０を冷却した空気とは、空気流ＡＦ２に示すように、共に冷却風通路３０から排出される。連通部３２がバッテリ１０の下流側に形成されていることにより、インバータ２０の排熱がバッテリ１０へ流れてバッテリ１０の冷却効率を低下させることを防止できる。また、ファン４０による通風によって、バッテリ１０を最大限冷却することができるので、バッテリ１０の冷却性能に影響を与えず、バッテリ１０をより効率よく冷却することができる。

　連通部３２は、冷却風通路３０と、中空空間５０の壁部５２の近傍部分とを連通するように形成されている。そのため、冷却風通路３０と中空空間５０との圧力差によって発生する空気流ＡＦ４は、壁部５２に沿って流れる。インバータ２０を壁部５２の近傍に配置し、放熱フィン２２を壁部５２に向くように配置することにより、空気流ＡＦ４は、放熱フィン２２と熱交換して暖められる。空気流ＡＦ４を中空空間５０の壁部５２に沿って流すことにより、インバータ２０により加熱された空気が拡散することなく連通部３２へ向かって流れるので、冷却性能を向上することができる。既存の中空空間５０の壁面をダクトとして利用することで壁部５２に沿う空気の流れ方向が設定されており、新たに整流のためのダクトを設ける必要がなく、効率よくインバータ２０を冷却することができる。

　冷却風通路３０と中空空間５０とを連通する連通部３２が形成されることにより、冷却風通路３０と中空空間５０との圧力差を利用して、中空空間５０から冷却風通路３０へ向かう空気の流れを発生させ、インバータ２０で加熱された空気の対流を促進させて、インバータ２０の冷却能力を向上できる構成とされている。冷却風通路３０と中空空間５０との配置は、連通部３２を介してそれぞれの内部空間が連通するような配置であれば任意の配置とすることができるが、インバータ２０をできる限り連通部３２に近い位置に配置させインバータ２０の冷却能力を向上できるように、隣接して配置されるのが好ましい。

　また、冷却風通路３０を中空空間５０の上方に配置するのが望ましく、このようにすれば、インバータ２０の放熱により暖められた空気の上昇を、連通部３２へ向かう空気の流れ方向に合わせることができる。その結果、一層効率よく空気を対流させて、インバータ２０の冷却効率をさらに高めることができる。

　図４は、インバータ２０に設けられた放熱フィン２２の一例を示す概略斜視図である。図４に示す放熱フィン２２は、多数のピン状のフィンが縦横二方向に整列されて立設されたピンフィン２２Ａである。空気流ＡＦ４の流れる方向（図中上下方向）に沿って、ピンフィン２２Ａの間には隙間２４が形成されている。ピンフィン２２Ａからの放熱を受け加熱された空気は、隙間２４を通って、連通部３２へ向かって流れることができる。ピンフィン２２Ａは、壁部５２に沿って連通部３２へ流れる空気の流れを妨げることがないように、隙間２４を形成して配置されている。そのため、ピンフィン２２Ａからの放熱後の空気の対流が促進され、インバータ２０の空冷効率を一層向上できる。

　図５は、インバータ２０に設けられた放熱フィン２２の他の例を示す概略斜視図である。図５に示す放熱フィン２２は、板状のフィンが並行に並べられたプレートフィン２２Ｂである。図２に示すように中空空間５０内にインバータ２０が設置された状態において、プレートフィン２２Ｂは、冷却風通路３０の壁部３１に対し垂直に並べられている。図４に示すピンフィン２２Ａと同様に、空気流ＡＦ４の流れる方向（図中上下方向）に沿って、プレートフィン２２Ｂの間には隙間２４が形成されている。プレートフィン２２Ｂからの放熱を受け加熱された空気は、隙間２４を通って、連通部３２へ向かって流れることができる。プレートフィン２２Ｂは、壁部５２に沿って連通部３２へ流れる空気の流れを妨げることがないように、隙間２４を形成して配置されている。そのため、プレートフィン２２Ｂからの放熱後の空気の対流が促進され、インバータ２０の空冷効率を一層向上できる。

　図４および図５に示すように、インバータ２０の放熱面積を増大させ冷却効率を高める放熱フィン２２の間に、連通部３２へ向かう空気の流れに平行な方向に隙間２４を形成する。つまり、連通部３２が形成された冷却風通路３０の壁部３１に対して垂直な方向に隙間２４が延びるように、放熱フィン２２が形成される。このようにすれば、放熱フィン２２からの放熱を受け加熱された空気を、隙間２４を経由させて効率的に連通部３２へ流すことができ、放熱フィン２２の周囲に中空空間５０内の低温の空気を導くことができるので、対流によるインバータ２０の冷却性能をより向上させることができる。

　（実施の形態２）
　図６は、実施の形態２の冷却装置の構成を側方視して示す概略図である。実施の形態２の冷却装置は、図３に示す実施の形態１の冷却装置とほぼ同様の構成を備えている。しかし、実施の形態２の冷却装置は、冷却風通路３０内のファン４０の配置において、実施の形態１と異なっている。

　具体的には、実施の形態１では、ファン４０から連通部３２に至る経路にバッテリ１０が配置され、バッテリ１０が空気の流れを妨げることにより圧力損失が発生し、その結果、連通部３２における空気流ＡＦ３の流速はファン４０の直後と比較して低下する。これに対し、図６に示す実施の形態２の構成では、ファン４０は、冷却風通路３０内の連通部３２の下流側に配置されている。この場合、連通部３２からファン４０に至る冷却風通路３０の内部空間には、圧力損失を発生させる機器類は配置されない。そのため、連通部３２における空気流ＡＦ３の流速を、実施の形態１と比較して増大させることができる。

　空気流ＡＦ３の流速が大きくなると、ベルヌーイの定理により、連通部３２の冷却風通路３０側の圧力が低下する。加えて、冷却風通路３０内を流通する空気の圧力がファン４０によって高められることを考慮すると、ファン４０の上流側における空気の圧力は相対的に低い。そのため、連通部３２における冷却風通路３０の内圧はより低下する。一方、中空空間５０の内圧は実施の形態１と同様に大気圧である。その結果、冷却風通路３０内と中空空間５０内との気圧差が大きくなる。

　このように気圧差が大きくなることで、中空空間５０から冷却風通路３０へ流れる空気流ＡＦ４，ＡＦ５の流速を増大でき、中空空間５０から冷却風通路３０への吸入空気量を増大できるので、放熱フィン２２における空気の対流をさらに促進できる。したがって、空気流ＡＦ４によるインバータ２０の冷却能力を増大させることができ、インバータ２０の冷却性を向上することができる。

　冷却装置により冷却される二つの発熱機器のうち、冷却風通路３０内に配置されるバッテリ１０をより冷却したい場合には、ファン４０によるバッテリ１０の冷却能力を最大限に得られる実施の形態１の構成が好ましい。一方、中空空間５０内に配置されるインバータ２０をより冷却したい場合には、連通部３２での圧力差が増大しインバータ２０の冷却能力が高められた実施の形態２の構成がより好ましいと考えられる。すなわち、冷却風通路３０内に配置される発熱機器と、中空空間５０内に配置される発熱機器と、のうち、より冷却を必要とする発熱機器の配置に合わせて、ファン４０の配置を最適に決定することができる。

　なお、これまでの説明において、冷却装置によって冷却される複数の発熱機器は、車両１００に搭載されるバッテリ１０およびインバータ２０である例について説明した。発熱機器はこれらに限られず、たとえば補機用のＤＣ－ＤＣコンバータであってもよく、またはその他の車両１００に搭載される発熱機器であってもよい。

　また、発熱機器が搭載される車両１００が、エンジンとモータとを車両推進用の動力源として搭載したハイブリッド自動車である例について説明したが、車両１００は、電気自動車や燃料電池車などの電気エネルギによって車両駆動力を発生する自動車であってもよい。

　以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、各実施の形態を適宜組合わせてもよい。また、今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

　１０　バッテリ、１２　ケーブル、２０　インバータ、２２　放熱フィン、２２Ａ　ピンフィン、２２Ｂ　プレートフィン、２４　隙間、３０　冷却風通路、３１　壁部、３２　連通部、４０　ファン、５０　中空空間、５２　壁部、１００　車両、ＡＦ１～ＡＦ５　空気流。

Claims

　車両（１００）に搭載された複数の発熱機器（１０，２０）を冷却する冷却装置であって、
　前記車両（１００）には、スペアタイヤを収容可能な中空空間（５０）が形成されており、
　前記中空空間（５０）に隣接して配置された冷却風通路（３０）と、
　前記冷却風通路（３０）内に配置された第一発熱機器（１０）と、
　前記中空空間（５０）内に配置された第二発熱機器（２０）と、
　前記冷却風通路（３０）に通風するファン（４０）と、を備え、
　前記冷却風通路（３０）の前記中空空間（５０）に対向する壁部（３１）には、前記冷却風通路（３０）と前記中空空間（５０）とを連通する連通部（３２）が形成されている、冷却装置。
　前記第二発熱機器（２０）は、前記中空空間（５０）の壁部（５２）に近接して配置されている、請求項１に記載の冷却装置。
　前記第二発熱機器（２０）は、前記連通部（３２）に対向して配置されている、請求項１または請求項２に記載の冷却装置。
　前記ファン（４０）は、前記冷却風通路（３０）内の前記第一発熱機器（１０）の上流側に配置されている、請求項１から請求項３のいずれかに記載の冷却装置。
　前記ファン（４０）は、前記冷却風通路（３０）内の前記連通部（３２）の下流側に配置されている、請求項１から請求項３のいずれかに記載の冷却装置。
　前記第二発熱機器（２０）は、放熱フィン（２２）を有する、請求項１から請求項５のいずれかに記載の冷却装置。
　前記放熱フィン（２２）は、ピンフィン（２２Ａ）、または、前記壁部（３１）に垂直に並べられたプレートフィン（２２Ｂ）である、請求項６に記載の冷却装置。
　前記発熱機器（１０，２０）は、バッテリ、インバータ、またはＤＣ－ＤＣコンバータのいずれかである、請求項１から請求項７のいずれかに記載の冷却装置。