JP2005325801A - 流体循環装置および発熱体冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 第１、第２ポンプ室の翼を電力で回転駆動する駆動部を有する電動ポンプにより、温度差がある２つの回路の流体を循環させる場合に、流体の熱により発生する電動ポンプの動作不良を低減できる発熱体冷却装置を提供する。
【解決手段】 ポンプハウジング内に配置される第１、第２ポンプ室１２ｃ、１２ｄおよびモータ空間１２ｑと、各ポンプ室１２ｃ、１２ｄ内に配置される翼３２、３３と、モータ空間１２ｑ内に配置され、電力により翼３２、３３を回転駆動させる共通のモータ部とを有する電動ポンプ１２において、ポンプハウジング内に第２ポンプ室１２ｄを挟むように第１ポンプ室１２ｃとモータ空間１２ｑを配置し、第２ポンプ室１２ｄを電気機器冷却回路１１に配置し、第１ポンプ室１２ｃをヒータ通路２２に配置する。
【選択図】 図１

Description

流体を循環する流体循環装置、および発熱体を冷却する発熱体冷却装置に関し、車両に搭載される内燃機関（エンジン）、電動モータ等の発熱体の冷却に適用して好適である。

従来、ポンプハウジング内に２つのポンプ室およびモータ空間を有し、モータ空間内に配置されるモータ部により各ポンプ室内の翼を回転させる電動ポンプが特許文献１にて知られている（以下、従来例と称す）。

従来例のポンプでは、ポンプハウジング内の空間は、第２ポンプ室を挟むように第１ポンプ室とモータ空間が配置される。つまり、モータ部が配置されるモータ空間に第２ポンプ室が隣接し、モータ空間と第１ポンプ室は離れて配置されている。

また、ポンプハウジングには第１、第２ポンプ室を仕切る仕切り部と、第２ポンプ室とモータ空間とを仕切る隔壁が配置されている。第１、第２ポンプ室内の翼は仕切り部を貫通する回転軸に固定されている。そして、モータ部が与える磁力を受けて第２ポンプ室の翼が回転すると、第２ポンプ室の翼が一体に固定される回転軸と第１ポンプ室の翼も回転する。これにより、第１ポンプ室および第２ポンプ室の翼が回転し、独立した２つの通路の流体を流すことができる。

従来例では、図３に示すようにエンジンから吸熱した冷却水流れが前席熱交換器５４に流れる前席側通路５２と、後席熱交換器５５に流れる後席側通路５３とに分岐しており、前席側通路５２には第１ポンプ室１２ｃが配置され、後席側通路５３には第２ポンプ室１２ｄが配置されている。したがって、第１ポンプ室１２ｃ内の翼３２と第２ポンプ室１２ｄ内の翼３３を回転させて、前席側通路５２および後席側通路５３で冷却水を循環させることができる。
特許第３０１４９９１号公報

従来例では、２つのポンプ室が１つの通路から分岐したほぼ同じ温度の冷却水が流れる前席側通路５２と後席側通路５３に配置されている。したがって、第１、第２ポンプ室１２ｃ、１２ｄと通路５２、５３との配置関係により、モータ空間１２ｑが隣接する第２ポンプ室１２ｄの冷却水から受ける熱量に違いは生じない。

本発明者らは、後述の図１のようにハイブリッド車両に搭載されるエンジン２４から吸熱した冷却水が空調用空気を加熱するヒータ２５を有するヒータ回路２２と、電動モータ１６を含む電気機器１５、１６を冷却する冷却回路１１にそれぞれポンプ室１２ｃ、１２ｄを配置して各回路１１、２２の冷却水を循環することを検討した。

これによると、電気機器１５、１６の耐熱温度（誤作動なく作動可能な温度を指す）と、エンジン２４の運転に適した温度には差がある（エンジンの運転に適した温度は約１００℃、電気機器の耐熱温度は約６５℃）。したがって、当然に電気機器冷却回路１１を流れる冷却水とヒータ回路２２を流れる冷却水には温度差が生じている。

この時、より冷却水の温度が高いヒータ回路２２にモータ空間が隣接する第２ポンプ室１２ｄを配置すると、冷却水の熱によりモータ空間内のモータ部１２ｂが誤作動、作動効率の低下などを起こす場合もある。

本発明は、上記点に鑑み、第１、第２ポンプ室の翼と、これらの翼を電力で回転駆動する駆動部とを有する電動ポンプにより、２つの回路の流体を循環させる発熱体冷却装置において、回路を流れる流体に温度差がある場合に流体の熱に起因する電動ポンプの動作不良を低減することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、流体循環装置において、ポンプハウジング（１２ａ）内に配置される第１ポンプ室（１２ｃ）、第２ポンプ室（１２ｄ）およびモータ空間（１２ｑ）と、各ポンプ室（１２ｃ、１２ｄ）内に配置される翼（３２、３３）と、モータ空間（１２ｑ）内に配置され、電力により翼（３２、３３）を回転駆動させる共通のモータ部（１２ｂ）とを有する電動ポンプ手段（１２）と、第１ポンプ室（１２ｃ）の翼（３２）が循環させる流体が流れる第１流体回路（２２）と、第２ポンプ室（１２ｄ）の翼（３３）が循環させる流体が流れる第２流体回路（１１）とを備え、
第２流体回路（１１）には、第１流体回路（２２）の流体よりも低温の流体が流れるようになっており、第２ポンプ室（１２ｄ）は、モータ空間（１２ｑ）に隣接するように配置されており、第１ポンプ室（１２ｃ）は、第２ポンプ室（１２ｄ）を介在してモータ空間（１２ｑ）と離れるように配置されることを特徴とする特徴としている。

これによると、モータ空間（１２ｑ）が隣接している第２ポンプ室（１２ｄ）には、第１流体回路（２２）の流体よりも低温の第２流体回路（１１）の流体が流れるため、モータ空間（１２ｑ）が流体から受ける熱を少なくすることができる。したがって、モータ空間（１２ｑ）内のモータ部（１２ｂ）が流体の熱による誤作動を起こしたり、作動効率の低下などを起こしたりすることを低減できる。

また、流体の温度がモータ部（１２ｂ）の発熱温度よりも低い場合には、モータ部（１２ｂ）の熱が流体に奪われるため、熱による誤作動、作動効率の低下などを防止できる。

また、請求項２に記載の発明のように、請求項１に記載の流体循環装置を備えた発熱体冷却装置であって、第１流体回路を第１発熱体（２４）から吸熱して高温状態となった流体が流れるとともに、流体により加熱対象を加熱するヒータ（２５）を有するヒータ回路（２２）とし、第２流体回路を第２発熱体（１５、１６）から吸熱し、放熱器（１３）で放熱する流体が流れる冷却回路（１１）とすれば、請求項１で述べた効果を有する発熱体冷却装置を構成することができる。

また、請求項３に記載の発明のように、請求項２に記載の発熱体冷却装置において、第１発熱体を車両に搭載される内燃機関（２４）とし、第２発熱体を車両に搭載される電気機器（１５、１６）として、ヒータ（２５）が車両の車室内へ流れる空調用空気を加熱するようにすれば、請求項２の効果を有する発熱体冷却装置を具体的に構成することができる。

また、請求項４に記載の発明のように請求項３に記載の発熱体冷却装置において、電気機器（１５、１６）に、少なくとも車両走行用のモータ（１６）が含まれていてもよい。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
図１は、本発明の発熱体冷却装置をエンジンと走行用モータの２つの走行駆動源を有するハイブリッド車両に適用した第１実施形態を示している。一般的に、走行用モータおよび走行用モータを動作させる電気機器の耐熱温度（誤作動なく作動可能な温度を指す）とエンジンの運転に適した温度には差がある。エンジンの運転に適した温度は約１００℃、電気機器の耐熱温度は約６５℃である。

したがって、第１実施形態の発熱体冷却装置には、第１発熱体であるエンジン２４を冷却するエンジン冷却回路２１と、第２発熱体である走行用モータ１６、インバータ１５等の電気機器を冷却する冷却回路である電気機器冷却回路１１が備えられている。各冷却回路１１、２１には、それぞれ熱を移動させる熱媒体である冷却水が流れている。

まず、冷却水の流れに沿って電気機器冷却回路１１を説明する。冷却水は電気機器冷却回路１１に配置された第１ポンプ手段であるポンプ１２により、電子機器冷却回路１１内を循環する。このポンプ１２の構造については後述する。

ポンプ１２から吐出された冷却水は、放熱器である電気機器放熱器１３へ流入する。電気機器放熱器１３では、冷却水が送風機１３ａから送風される空気へ放熱、言い換えると冷却水が送風空気により冷却される。

電気機器放熱器１３で放熱した冷却水はインバータ１５へ流れ、インバータ１５の熱を吸熱する。インバータ１５は周知のように車両電源の直流電圧を交流電圧に変換して、例えば走行用モータ１７等に給電するとともに、交流電圧の周波数を変化させることによりモータ１６等の回転数を制御するものである。なお、インバータ１５は他の電気機器よりも耐熱温度が低いため、電気機器放熱器１３のすぐ下流に配置されており、放熱直後の低温状態の冷却水がインバータ１５を冷却するようになっている。

インバータ１５から吸熱した冷却水は走行用モータ１６へ流れ、走行用モータ１６から吸熱する。ここで、走行用モータ１６は電力による駆動で車両を移動させるものである。走行用モータ１６から吸熱した冷却水は、再びポンプ１２へ吸引、吐出されて電気機器冷却回路１１を循環する。

次に、エンジン冷却回路２１について説明すると、エンジン冷却回路２１は周知のエンジン冷却回路と同様の構成であり、このエンジン冷却回路２１にはエンジン２４から動力を得て駆動する機械式ポンプ２３が配置されている。

機械式ポンプ２３から吐出された冷却水は、エンジン２４へ流れてエンジン２４の熱を吸熱する。エンジン２４から吸熱した冷却水の流れは、ヒータ２５へ向かうヒータ通路２２と、エンジン放熱器２７へ向かうエンジン冷却回路２１とに分岐する。ヒータ通路２２へ流れた冷却水は、ヒータ２５にてブロワ２６により車室内へ流れる空気を加熱、つまり車室内空気へ放熱した後に、エンジン冷却回路２１におけるエンジン放熱器２７と機械式ポンプ２３との間の部位でエンジン冷却回路２１に合流して、再び機械式ポンプ２３へ吸引、吐出される。なお、本実施形態ではヒータ通路２２において、ヒータ２５の冷却水流れ下流側部位にはポンプ１２が配置されている。

ヒータ通路２２に第１ポンプ室１２ｃを配置しているのは、エンジン２４が停止、つまり機械式ポンプ２３が停止した場合にヒータ回路２２内の冷却水を循環して、エンジン２４および冷却水が持つ余熱を使用してヒータ２５で空調用空気を加熱するためである。

一方、エンジン冷却回路２１を流れた冷却水は、エンジン放熱器２７にて送風機２７ａから送風される空気へ放熱する。なお、エンジン冷却回路２１には冷却水が一定温度以上の場合には冷却水をエンジン放熱器２７（エンジン冷却回路２１）へ流し、冷却水が一定温度より低い場合には冷却水をエンジン放熱器２７（エンジン冷却回路２１）へは流さずにヒータ通路２２のみを流すサーモスタット２８が備えられている。

ところで、周知のように長時間駐車後のエンジン始動時などエンジン２４、つまり冷却水の温度が低い場合にはエンジン２４の運転効率（例えば、燃費）が低い。しかし、サーモスタット２８により冷却水が一定温度より低い時は、冷却水がエンジン放熱器２７で放熱しないため、エンジン２４が速やかに運転効率の高い温度（以下暖機温度と称す）にまで温まる、つまりエンジン２４の暖機時間を短くすることができる。一方、冷却水温度が所定温度よりも高い時は、エンジン２４から吸熱した冷却水の熱をエンジン放熱器２７で放熱させることができる。

次に、図２を使用してポンプ１２の構造を説明すると、ポンプ１２のケースであるホンプハウジング１２ａ内には、駆動手段であるモータ部１２ｂが配置されるモータ空間１２ｑと第１、第２の２つのポンプ室１２ｃ、１２ｄが配置されている。本実施形態では、第１ポンプ室１２ｃはヒータ通路２２に配置され、第２ポンプ室１２ｄは電気機器冷却回路１１に配置されている（図１参照）。

本実施形態のポンプ構造について、図２を使用してより詳細に説明すると、ポンプハウジング１２ａ内の空間は、隔壁１２ｈにより図２中の左側のモータ空間１２ｑと、右側の第１、第２ポンプ室１２ｃ、１２ｄに分割されている。隔壁１２ｈは、例えば、樹脂などの非磁性体を材料として成形されており、ポンプハウジング１２ａに固定されている。

モータ空間１２ｑには、モータ部１２ｂが配置されている。本実施形態のモータ部１２ｂには、磁界発生手段であるコイル１２ｅが配置されている。なお、１２ｆはモータ部１２ｂの駆動回路である。

本実施形態では、第２ポンプ室１２ｄの左側がモータ空間１２ｑに接して配置され、第２ポンプ室１２ｄの右側は第１ポンプ室１２ｃに接している。また、第１、第２ポンプ室１２ｃ、１２ｄの間にはポンプ室仕切板１２ｉが配置されている。このポンプ室仕切板１２ｉには、回転軸３１が回転可能に嵌合する孔が形成されている。さらに、第１、第２ポンプ室１２ｃ、１２ｄには、それぞれ冷却水が流入する流入口１２ｊ、１２ｍ、冷却水が流出する流出口１２ｋ、１２ｎ、および回転軸３１と一体の翼３２、３３が配置されている。第１ポンプ室１２ｃ内には翼３２が配置されており、第２ポンプ室１２ｄ内には翼３３が配置されている。

この翼３２、３３は、回転軸方向Ｒから流入する冷却水（矢印Ａ、Ｂ）を回転軸３１の回転方向（遠心方向）から流出させる（矢印Ｃ、Ｄ）、いわゆる遠心式ポンプと同様の翼形状をしている。なお、モータ部１２ｂ側に近い第２ポンプ室１２ｄの翼３３には、モータ部１２ｂの周囲を囲む形状のマグネット部３３ａが形成されている。マグネット部３３ａには磁気を帯びた部材、例えば磁石が配置されている。

また、第１ポンプ室１２ｃと第２ポンプ室１２ｄとの間には、両ポンプ室１２ｃ、１２ｄ間のシールを行う軸封部材３４が備えられている。この軸封部材としては、Ｏリング、特許文献１に記載のようなポンプ室の圧力差によりシール材を回転軸に圧接させるもの、特開２００１−１３２６３４号公報、または特開２００３−３０７２２４号公報に記載のようなリップ型シールなど、第１、第２ポンプ室１２ｃ、１２ｄ間のシールができるものであって、回転軸３１が回転可能なものであればよい。

なお、１２ｐはポンプ１２を固定するためのブラケットである。また、本実施形態では、電子制御装置（ＥＣＵ、図示せず）により、ポンプ１２の回転数、送風機１３ａ、２７ａおよびブロワ２６の送風量などを制御している。さらに、温度センサ１４、２９などのセンサ信号もＥＣＵに入力される。

次に、上記構成において本実施形態のポンプ１２の作動を説明すると、ＥＣＵからの信号がコネクタ１２ｇを介して駆動回路１２ｆに入力されると、コイル１２ｅに電流が流れ磁界（磁力）が発生する。この磁力を翼３３のマグネット部３３ａが受けると、回転軸３１を軸として翼３３が回転する。さらに、回転軸３１と一体の翼３２も回転する。

この翼３２、３３の回転により、冷却水が流入口１２ｊ、１２ｍからポンプ室１２ｃ、１２ｄ内に吸引され（矢印Ａ、Ｂ）、回転軸３１の回転方向（遠心方向）に位置する流出口１２ｋ、１２ｎから吐出する（矢印Ｃ、Ｄ）。このようなポンプ１２の作動により、電気機器冷却回路１１の冷却水とヒータ通路２２の冷却水を循環させている。

電気機器冷却回路１１の冷却水は、走行用モータ１６、インバータ１５から吸熱して、この熱を電子機器放熱器１３で放熱する。これにより走行用モータ１６、インバータ１５が作動による発熱で耐熱温度を超えてしまうことを防止している。なお、ＥＣＵはインバータ１５の冷却水流れ上流の水温センサ１４の検出温度がインバータ１５の耐熱温度以上とならないように送風機１３ａの送風量（放熱器１３への熱負荷）を制御している。

また、エンジン冷却回路２１では、冷却水の温度が低くサーモスタット２８が通路を閉じている場合には、冷却水がヒータ通路２２のみを流れる。一方、冷却水の温度が高くサーモスタット２８が通路を開いている場合には、冷却水がヒータ通路２２とエンジン冷却回路２１を流れる。これによりエンジン２４が効率の悪い低温や、運転に最適な温度以上となることを防止している。なお、ＥＣＵはエンジン２４の冷却水流れ上流の水温センサ２９の検出温度がエンジン２４の運転に最適な温度以上とならないように送風機２７ａの送風量（放熱器２７への熱負荷）を制御している。

次に、第１実施形態による作用効果を列挙すると、（１）モータ空間１２ｑに隣接している第２ポンプ室１２ｄには、ヒータ通路２２の冷却水よりも低温の電気機器冷却回路１１の冷却水が流れるため、モータ空間１２ｑが冷却水から受ける熱を少なくすることができる。

したがって、モータ空間１２ｑ内のモータ部１２ｂ、駆動回路１２ｆなどが冷却水の熱による誤作動を起こしたり、作動効率が低下したりすることを低減できる。また、冷却水の温度がモータ部１２ｂの発熱温度よりも低い場合には、モータ部１２ｂの熱を冷却水に吸熱させることができるため、熱による誤作動、作動効率の低下などを防止できる。

（２）電気で駆動するポンプ１２をヒータ通路２２に配置したため、エンジン２４の動力により駆動する機械式ポンプ２３が停止していても、ヒータ通路２２の冷却水を循環して冷却水およびエンジン２４の余熱により、ヒータ２５に加熱性能を発揮させることができる。

（３）ポンプ１２はホンプハウジング１２ａ内の２つのポンプ室１２ｃ、１２ｄにそれぞれ配置される翼３２、３３を１つのモータ部１２ｂで回転させて独立した電子機器冷却回路１１とヒータ通路２２の冷却水を循環させている。したがって、冷却回路１１およびヒータ通路２２にそれぞれポンプを配置した場合に比べてポンプ数を半減することができる。これにより、発熱体冷却装置全体としてのコストを低減することができる。

また、ポンプ数が半減したため、発熱体冷却装置としての搭載空間が減少、つまり搭載性を向上することができる。これにより、より狭い空間に発熱体冷却装置を配置することができる。

（４）電気機器冷却回路１１の配管とヒータ回路２２の配管がポンプ１２に集約されるため、各回路１１、２２にポンプが配置されており、ポンプの位置が離れている場合に比べて配管を容易に組み付けることができる。

（５）仕切り板１２ｈにより、モータ部１２ｂを密封空間内に配置し、モータ部１２ｂのコイル部ｅが発生する磁力により、仕切り板１２ｈを介して翼３３（マグネット部３３ａ）を回転させている。このため、モータ部１２ｂをより確実にシールされた密封空間内で駆動させることができる。これにより、水分に弱い電気部品を有するモータ部１２ｂに冷却水が流入してモータ部１２ｂが破損することを防止できる。

（他の実施形態）
上述の実施形態では、第１流体回路をヒータ通路２２、第２流体回路を電気機器冷却回路１１とした例を示したが、本発明は上記の回路に限らず、温度差のある２つの独立した回路に適用すれば効果を発揮できる。流体回路は、例えば水冷媒熱交換器で冷却され、クーラで車室内への空調空気を冷却する冷却水が流れる冷房冷水回路などである。

また、冷却流体で冷却される発熱源としては、冷凍サイクル放熱器、乾燥剤吸着発熱など物理変化による発熱や、燃焼器や燃料電池（ＦＣ）などの化学反応による発熱や、二次電池や電気部品の各種変換ロス等の発熱など様々である。

また、上述の実施形態では、車両の発熱源を冷却する例を示したが、本発明は車両などの移動体に搭載される発熱源に限らず、定置固定された発熱源を冷却流体で冷却するものであってもよい。

また、上述の実施形態では、電気機器がインバータ１５の例を示したが、電気機器は電圧を変換する変圧器であるＤＣ−ＤＣコンバータ、主として走行用モータ１６に給電する発電機など作動により発熱する機器であればよい。また、モータの回転数を切り換える変速ギヤなど電気機器による駆動で発熱する発熱体から吸熱してもよい。

また、上述の実施形態では、電子機器が冷却回路１１において直列的に配置されていたが、耐熱温度が近い機器を並列的に配置してもよい。

また、上述の実施形態では、ポンプ１２の翼３２、３３が軸方向Ｒからの流体を遠心方向へ流す遠心式の形状であったが、遠心方向からの流体を遠心方向へながす貫流式の形状であってもよい。

また、上述の実施形態では、モータ部１２ｂが隔壁１２ｈにより密封された空間に配置され、隔壁１２ｈを介して翼３３を回転させた例を示した。しかし、隔壁１２ｈを貫通する回転軸に翼３２、３３を一体結合し、回転軸にポンプ室とモータ空間との間をシールする軸封手段（シール部材）を配置してモータ部１２ｂ（モータ空間）への冷却水の進入を防ぐものであってもよい。

本発明の第１実施形態に係る発熱体冷却装置を示す模式図である。 第１実施形態のポンプの構造を示す模式図である。 特許文献１に係るポンプを熱交換器へ流れる冷却水の循環に使用した従来例を示す回路図である。

符号の説明

１１…電気機器冷却回路（第２流体回路、冷却回路）、
１２…電動ポンプ（電動ポンプ手段）、１２ａ…ポンプハウジング、
１２ｂ…モータ部、１２ｃ…第１ポンプ室、１２ｄ…第２ポンプ室、
１２ｑ…モータ空間、１３…電気機器放熱器（放熱器）、
１５…インバータ（第２発熱体）、１６…走行用モータ（第２発熱体）、
２２…ヒータ通路（第１流体回路）、２４…エンジン（第１発熱体、内燃機関）、
２５…ヒータ、３２、３３…翼。

Claims (4)

1. ポンプハウジング（１２ａ）内に配置される第１ポンプ室（１２ｃ）、第２ポンプ室（１２ｄ）およびモータ空間（１２ｑ）と、各ポンプ室（１２ｃ、１２ｄ）内に配置される翼（３２、３３）と、前記モータ空間（１２ｑ）内に配置され、電力により前記翼（３２、３３）を回転駆動させる共通のモータ部（１２ｂ）とを有する電動ポンプ手段（１２）と、
   前記第１ポンプ室（１２ｃ）の前記翼（３２）が循環させる流体が流れる第１流体回路（２２）と、
   前記第２ポンプ室（１２ｄ）の前記翼（３３）が循環させる流体が流れる第２流体回路（１１）とを備え、
   前記第２流体回路（１１）には、前記第１流体回路（２２）の流体よりも低温の流体が流れるようになっており、
   前記第２ポンプ室（１２ｄ）は、前記モータ空間（１２ｑ）に隣接するように配置されており、
   前記第１ポンプ室（１２ｃ）は、前記第２ポンプ室（１２ｄ）を介在して前記モータ空間（１２ｑ）と離れるように配置されることを特徴とする流体循環装置。
2. 請求項１に記載の流体循環装置を備えた発熱体冷却装置であって、
   前記第１流体回路は、第１発熱体（２４）から吸熱して高温状態となった流体が流れるとともに、前記流体により加熱対象を加熱するヒータ（２５）を有するヒータ回路（２２）であり、
   前記第２流体回路は、第２発熱体（１５、１６）から吸熱し、放熱器（１３）で放熱する流体が流れる冷却回路（１１）であることを特徴とする発熱体冷却装置。
3. 前記第１発熱体は、車両に搭載される内燃機関（２４）であり、
   前記第２発熱体は、前記車両に搭載される電気機器（１５、１６）であり、
   前記ヒータ（２５）が前記車両の車室内へ流れる空調用空気を加熱することを特徴とする請求項２に記載の発熱体冷却装置。
4. 前記電気機器（１５、１６）には、少なくとも車両走行用のモータ（１６）が含まれていることを特徴とする請求項３に記載の発熱体冷却装置。

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