JP2013064379A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動用モータを冷却する冷却液循環経路に残留したエアーを抜く。
【解決手段】循環経路内の冷却液を循環させるポンプと、循環経路内の冷却液を加熱する加熱装置と、冷却液の温度を検出する温度検出装置と、制御装置を備えている。判別装置でエアー抜き処理を実施する必要性が有ると判別されるとともに温度検出装置で基準温度以下が検出される場合には、加熱装置を運転するとともにポンプをエアー抜き用の高速回転数で回転させる。判別装置でエアー抜き処理を実施する必要性が有るとされるとともに温度検出装置で基準温度以上が検出される場合には、加熱装置を運転しないでポンプをエアー抜き用の高速回転数で回転させる。低温時には冷却液が加熱されて低粘性となるので低温のままだとエアー抜きできないポンプ回転数でも、冷却液を加熱して粘性を低下させるので、エアーを抜くことができる。
【選択図】図４

Description

本明細書では、循環経路を備えている冷却装置を開示する。特に、駆動輪に駆動力を加えるモータを備えている車両に搭載されており、少なくともそのモータを冷却する装置を開示する。本明細書に記載の技術は、モータの冷却、モータとＰＣＵの冷却、ＰＣＵの冷却等に用いることができる。

ハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車などは、駆動輪に駆動力を加えるモータを備えており、そのモータを冷却する装置を備えている。冷却液と循環経路を利用してモータを効率的に冷却する装置が開発されている。その装置では、循環経路がモータに接する範囲を伸びており、モータの発熱を冷却液に伝熱する。加熱された冷却液を冷却するために、循環経路はラジエータ（放熱機）とモータの間を一巡している。ラジエータは大気に放熱することで冷却液を冷却する。

モータの発熱を冷却液に効率的に伝熱するために、モータに接する範囲では循環経路が複雑に屈曲している。また、各種機器を収容しているエンジンコンパート内でラジエータとモータを一巡する必要があることから、エンジンコンパートメント内を伸びている循環経路は複雑に屈曲している。循環経路が複雑に屈曲していると、特に上下方向に屈曲していると、循環経路に混入したエアーがその位置に留まり（トラップされ）、エアーが循環経路内に残留することがある。特に、空の循環経路に冷却液を充填した場合には、循環経路内にエアーがトラップされやすく、冷却液を循環させるポンプを運転しても、エアーが循環経路内に残留し続けることがある。エアーが循環経路内に残留していると、冷却能力が低下してしまう。あるいはポンプの磨耗が促進されてしまう。

そこで循環経路内にトラップされたエアーを抜く技術が開発されている。特許文献１の技術では、循環経路内にエアーがトラップされている可能性がある場合には、冷却液を循環させるポンプを高速回転させる。その際の回転数は、冷却液を勢いよく循環させることによって、循環経路内にトラップされていたエアーをリザーバタンクに押し流すことができる回転数に設定される。以下では、その回転数を、エアー抜き用の高速回転数という。

特開２００５−５７９５３号公報

研究の結果、冷却液を勢いよく循環させることによって循環経路にトラップされていたエアーをリザーバタンクに押し流すことができる回転数、すなわちエアー抜き用の高速回転数は、冷却液の温度によって変化することが判明した。冷却液は粘性を持っており、その粘性は冷却液の温度によって変化する。高温時には低粘性となり、低温時には高粘性となる。冷却液が高温であって低粘性の場合、冷却液を勢いよく循環させやすいことから、エアー抜き用の高速回転数は低くてよい。それに対して、冷却液が低温であって高粘性の場合は、冷却液を勢いよく循環させにくいことから、エアー抜き用の高速回転数が高くなる。

エアー抜き用の高速回転数を、冷却液が低温で高粘性であっても、冷却液を勢いよく循環させてエアーを抜くことができる高速回転数に設定しておけば、冷却液の温度に依らないでエアーを抜くことができる。しかしながら、その場合には、高速回転可能な高性能ポンプを搭載しておかなければならない。高性能なポンプほど、高価で大型となり、現実的な選択ではない。

本明細書では、冷却液が高温で低粘性であるからこそエアーを抜くことができる程度のポンプ回転数で、低温時のエアー抜きを可能とする技術を開示する。すなわち、冷却液が低温で高粘性な状態ならエアーを抜くことができない程度のポンプ回転数で、エアー抜きを可能とする技術を開示する。

本明細書で開示される冷却装置は、駆動輪に駆動力を加えるモータを備えている車両に搭載されており、少なくともそのモータを冷却する。その冷却装置は、冷却液が循環する循環経路と、循環経路内の冷却液を循環させるポンプと、循環経路内の冷却液を加熱する加熱装置と、循環経路内の冷却液の温度を検出する温度検出装置と、循環経路にエアーが混入している可能性の有無を判別する判別装置と、制御装置を備えている。循環経路は、モータに接する範囲を伸びている。
制御装置は、１）判別装置でエアーが混入している可能性が有ると判別されるとともに温度検出装置で基準温度以下が検出される場合には、加熱装置を運転するとともに、ポンプをエアー抜き用の高速回転数で回転させ、２）判別装置でエアーが混入している可能性が有ると判別されるとともに温度検出装置で基準温度以上が検出される場合には、加熱装置を運転しないで、ポンプをエアー抜き用の高速回転数で回転させる。

上記において「基準温度以下と基準温度以上」というのは、数学で定義されるものではなく、「基準温度未満と基準温度以上」の場合と「基準温度以下と基準温度よりも高い」場合を総称している。
またエアー抜き用の高速回転数とは、冷却液が基準温度以上であって低粘性であるときにはエアーを抜くことができるが、冷却液が基準温度以下であって高粘性であるときにはエアーを抜くことができないポンプ回転数である。

上記の冷却装置によると、低温時には冷却液を加熱して粘性を低下させることから、冷却液が基準温度以下であるために高粘性であるときにはエアーを抜くことができないはずのポンプ回転数であっても、エアーを抜くことが可能となる。低温時のエアー抜きのために高性能なポンプが必要となるという事態を避け、高温時のエアー抜きが可能な程度の性能を持っているポンプで対応することを可能とする。

本明細書に記載されている技術によると、高温時のエアー抜きが可能な程度の性能を持っているポンプが採用可能となる。安価で小型なポンプが採用可能となる。

実施例のハイブリッド自動車の構成を示すブロック図である。 実施例のハイブリッド自動車に搭載されている冷却装置を示す図である。 ハイブリッドＥＣＵが実行する処理内容１を示すフローチャートである。 ハイブリッドＥＣＵが実行する処理内容２を示すフローチャートである。 ポンプの回転数の変化を示すタイミングチャートである。 循環経路内に残存したエアーが取除かれる過程を示した図である。 ハイブリッド自動車に搭載された冷却装置の変形例を示す図である。

下記に示す実施例の主要な特徴を列記する。
（特徴１）循環経路は、モータと、モータに供給する電力を調整するＰＣＵを循環している。
（特徴２）冷却液の加熱装置は、他の用途のために必要な機器と兼用している。

図１を参照して、実施例の冷却装置を搭載しているハイブリッド自動車の構成を示す。ハイブリッド自動車１は、エンジン１０と、モータ６と、発電機２０と、メインバッテリ３６と、補機バッテリ３０と、ＰＣＵ（Power Control Unit）１４と、ハイブリッドＥＣＵ（Electronic Control Unit）２２と、ポンプ１２と、冷却液の温度を検出するセンサ１３と、動力分配機構８と、減速機４と、駆動輪２と、イグニッションスイッチ３４等を備えている。

エンジン１０が発生する駆動力は、動力分配機構８によって２経路に分割される。一方は、減速機４を介して駆動輪２を回転させる。もう一方は、発電機２０を回転させて発電する。

発電機２０によって発電された電力は、車両の走行状態や、メインバッテリ３６のＳＯＣ（State Of Charge）の状態に応じて使い分けられる。たとえば急加速時には、発電機２０によって発電された電力がモータ６に供給される。メインバッテリ３６のＳＯＣが予め定められた値よりも低い場合は、発電機２０によって発電された電力は、ＰＣＵ１４が内蔵しているインバータ１６によって交流から直流に変換され、コンバータ１８によって電圧が調整された後に、メインバッテリ３６に蓄えられる。

モータ６は、バッテリ３６に蓄えられた電力と発電機２０によって発電された電力の少なくともいずれか一方の電力により駆動する。モータ６の駆動力は、減速機４を介して駆動輪２に伝えられる。モータ６は、エンジン１０をアシストして駆動輪２を回転させるか、あるいはモータ６単独で駆動輪２を回転させる。

ハイブリッド自動車１の制動時には、減速機４を介して駆動輪２によってモータ６が駆動され、モータ６が発電機として作動する。モータ６は、制動エネルギーを電力に変換する回生ブレーキとして作動する。モータ６によって発電された電力は、インバータ１６とコンバータ１８を介してメインバッテリ３６に蓄えられる。

ハイブリッドＥＣＵ２２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２４と、メモリ２６と、フラッグ２８を備えている。ＣＰＵ２４は、アクセル開度や、ブレーキペダルの踏み量や、シフトポジションや、メインバッテリ３６のＳＯＣを、メモリ２６に保存されているマップおよびプログラム等に基づいて演算処理する。これにより、ハイブリッドＥＣＵ２２は、車両が所望の走行状態となるように、車両に搭載された機器類を制御する。ハイブリッドＥＣＵ２２は、コネクタ３２を介して補機バッテリ３０の端子に電気的に接続されている。
ハイブリッド自動車１を運転すると、エンジン１０、発電機２０、モータ６、ＰＣＵ１４が発熱する。本実施例の冷却装置は、モータ６とＰＣＵ１４を冷却する。エンジン１０と発電機２０は、別の冷却装置で冷却される。

図２を参照して、実施例に係わる冷却装置５４を説明する。この冷却装置５４は、循環経路４０を備えている。循環経路４０は、リザーバタンク４４と、ＰＣＵ１４を冷却するＰＣＵ冷却部４８と、モータ６を冷却するモータ冷却部５０と、ラジエータ（放熱機）５２を一巡している。リザーバタンク４４は、循環経路４０の最上部に位置している。リザーバタンク４４の上部にプレッシャーキャップ４２が設けられている。プレッシャーキャップ４２を外すと、冷却液注入口４６が開放され、リザーバタンク４４に冷却液を注入することができる。リザーバタンク４４内には、図示しない水位センサが配置されている。

正常であれば、循環経路４０には冷却液が充填されている。ポンプ１２を運転すると、冷却液は、モータ冷却部５０を通過することでモータ６を冷却し、ラジエータ５２を通過することで冷却液が冷やされ、リザーバタンク４４に一旦蓄えられ、その後にＰＣＵ冷却部４８を通過することでＰＣＵ１４を冷却し、ポンプ１２に戻る。なお冷却液が流れる順番は、これに限られない。

図２に示すように、循環経路４０は途中で下降したり上昇したりする複雑な形状をしている。特に、ＰＣＵ冷却部４８とモータ冷却部５０では、冷却効率を高めるために、複雑に上下動する構造となっている。そのために、空になっている循環経路４０に冷却液を充填する場合、ポンプ１２を運転しながらリザーバタンク４４に冷却液を注入しても、循環経路４０の随所にエアーが残留してしまう。循環経路４０にエアーが残留していると、モータ６やＰＣＵ１４の冷却能力が低下してしまう。また、ポンプ１２が短期間で磨耗してしまう。

十分な量の冷却液をリザーバタンク４４に注入した後もポンプ１２を運転し続けると、循環経路４０の途中に残留していたエアーが冷却液ともにリザーバタンク４４に戻されることがある。エアーがリザーバタンク４４に戻されれば、循環経路４０からエアーが抜かれる。

実施例の冷却装置では、循環経路４０の上下動が厳しく、ポンプ１２を通常通りに運転し続けても循環経路４０からエアーを抜いてしまうことができない。循環経路４０にエアーが残留している場合には、特別な処理をしないと、循環経路４０からエアーを抜いてしまうことができない。

図３を参照して、ハイブリッドＥＣＵ２２が実行するプログラムについて説明する。図３の処理は、イグニッションスイッチ３４がオフされている間に実行される。
ステップＳ２では、ハイブリッドＥＣＵ２２が、ハイブリッド自動車１から補機バッテリ３０が外されたか否かを判別する。
工場出荷時には循環経路４０に冷却液が充填されている。工場出荷時にはエアー抜き処理が入念に実施されている。循環経路４０に関連する部品等を整備・交換する際に、循環経路４０から冷却液が抜かれることがある。循環経路４０に関連する部品等を整備・交換する際には、補機バッテリ３０が外される。補機バッテリ３０が外されれば、ステップＳ２がＮＯとなり、ステップＳ４で非接続フラッグをオンにする。補機バッテリ３０が外されなければ、非接続フラッグはオンされない。非接続フラッグがオンであれば、補機バッテリ３０が外されたことがわかり、循環経路４０から冷却液が抜かれた可能性があることがわかるようにしておく。

補機バッテリ３０が外されなくても、循環経路４０から冷却液が抜かれることがある。そのために、ステップＳ６では、リザーバタンク４４の水位が第１基準水位以下に低下したか否かを判別し、低下すれば低下フラッグをオンする（ステップＳ８）。ステップＳ１２では、リザーバタンク４４の水位が第２基準水位以上に上昇したか否を判別し、上昇すれば上昇フラッグをオンする（ステップＳ１４）。第１基準水位は、第２基準水位以下であり、循環経路４０から冷却液を抜けば第１基準水位以下に低下する水位に設定されている。第２基準水位は、第１基準水位以上であり、循環経路４０に冷却液を補充すれば第２基準水位以上に上昇する水位に設定されている。ステップＳ１２とステップＳ１４の処理は、低下フラッグをオンとなった後だけ実行される（ステップＳ１０）。イグニッションスイッチ３４がオフされた後に、循環経路４０から冷却液が抜かれ（第１基準水位以下に低下し）、その後に循環経路４０に冷却液を補充された（第２基準水位以上に上昇する）場合に、上昇フラッグがオンされる。

図４の処理は、イグニッションスイッチ３４がオンされている間に実行される。これに代えて、ＲＥＡＤＹスイッチがオンである間に図４の処理を実行するようにしてもよい。
ステップＳ２０では、非接続フラッグがオンであるか否か判別する。ＯＮであれば、補機バッテリ３０を外して点検等を実施した際に循環経路４０から冷却液が一旦は抜かれた可能性があることから、ステップＳ２８以降のエアー抜き処理に進む。
ステップＳ２２では、上昇フラッグがオンであるか否か判別する。ＯＮであれば、循環経路４０から冷却液が抜かれてから補充された可能性があることから、ステップＳ２８以降のエアー抜き処理に進む。

ステップＳ２６を参照して後記するように、エアー抜きが不必要な場合には、冷却液の温度を検出し、その温度に対応づけてマップに記憶されている電流値を読み出し、読み出された電流値でポンプ１２を駆動する。すなわち、冷却液の温度でポンプの目標回転数が決定され、その目標回転数で回転するはずの電流値でポンプ１２を駆動する。ポンプ１２の負荷が想定どおりのものであれば、ポンプ１２は、冷却液の温度によって決まる目標回転数で回転する。

ステップＳ２４では、ポンプ１２の実回転数と目標回転数の差が基準回転数以上はなれた否かを判別する。冷却液にエアーが混入している場合、ポンプ１２にかかる負荷が減少する。そのために、実回転数が目標回転数以上に上昇する。実回転数と目標回転数の差が基準回転数以上となれば、エアーが混入しており、エアー抜き処理が必要とされていることが判別される。なお、この技術の詳細は特開２００８−９５５７０号公報に記載されている。

ステップＳ２０とＳ２２とＳ２４のいずれかでＹＥＳとなれば、ステップＳ２４以降のエアー抜き処理を実施する。実際にはエアー抜き処理を実施する必要がないかも知れないが、必要な可能性があるので実施する。
本実施例では、図３と図４の処理を実施するハイブリッドＥＣＵ２２によって、循環経路にエアーが混入している可能性の有無を判別する判別装置が実現されている。
本実施例では、ステップＳ２０とＳ２２とＳ２４の３つの条件をＯＲ論理で判定して、循環経路にエアーが混入している可能性の有無を判別する。これに代えて、そのうちの１つまたは２つの条件を採用してもよい。

ステップＳ２８では、温度センサ１３によって冷却液温度を検出し、冷却液温度が基準温度（Ｔ℃）以下か否かを判別する。基準温度（Ｔ℃）は、冷却液の粘性と、ポンプ１２の性能に基づいて決定されている。冷却液の粘性は温度によって変化し、高温時には低粘性となり、低温時には高粘性となる。ポンプ１２の性能は高くなく、冷却液が基準温度（Ｔ℃）以下であって高粘性の場合には、エアー抜き用の高速回転数でポンプ１２を駆動しても、エアーを抜くことができない。しかしながら、冷却液が基準温度（Ｔ℃）以上であって低粘性の場合には、エアー抜き用の高速回転数でポンプ１２を駆動することで、エアーを抜くことができる。

ステップＳ２０，２２，２４のいずれかでエアー抜き処理が必要だと判別され、ステップＳ２８で冷却液が基準温度以下であって高粘性であると判別された場合、ポンプ１２をエアー抜き用の高速回転数で回転させるだけではエアー抜きが完全にはなされない。そこでステップＳ３０を実施する。ステップＳ３０では、冷却液を加熱することによって粘性を低下させる。その後にステップＳ３２を実施する。ステップＳ３２では、エアー抜き用の高速回転数でポンプ１２を回転させる。ステップＳ３４に示すように、エアー抜き処理に必要な基準時間だけポンプ１２を高速回転させる。エアー抜き運転の途中で冷却液が基準温度以上に加熱されたら、その後はステップＳ３０をスキップする。すなわち、冷却液が基準温度に加熱された状態でエアー抜き運転が続行させる。エアー抜き処理に必要な基準時間だけポンプ１２を高速回転させたら、ステップＳ２６に示す正常時の回転数制御に復帰させる。ステップＳ２６が実施されると、前記したように、冷却液の温度によって決まる目標回転数となるようにポンプ１２が運転される。この様子が図５に示されている。

ステップＳ２０，２２，２４のいずれかでエアー抜き処理が必要だと判別され、ステップＳ２８で冷却液が基準温度以上であって低粘性であると判別された場合、ステップＳ３２でポンプ１２を作動させる。この場合はステップＳ３０を実行しない。ステップＳ３２では、エアー抜き用の高速回転数でポンプ１２を回転させる。冷却液が基準温度以上であって低粘性の場合、ポンプ１２をエアー抜き用の高速回転数で回転させると、エアー抜き処理が実行される。エアー抜き処理に必要な基準時間だけポンプ１２を高速回転させたらステップＳ２６に示す正常時の回転数制御に復帰させる。エアー抜き処理が終了したら、非接続フラッグをオフし、少々フラッグをオフする。
ステップＳ２６以降の処理を実施するハイブリッドＥＣＵ２２によって、エアー抜き運転中に、加熱装置とポンプを制御する制御装置が実現されている。

ＰＣＵ１４の中には、コンデンサとリアクトル装置が内蔵されており、リアクトル装置を介してコンデンサに充放電させると、リアクトル装置とコンデンサが発熱する。ＰＣＵ１４が発熱すると、ＰＣＵ冷却部４８を通過するうちに冷却液が加熱される。車両によっては、循環経路４０に凍結防止用のヒータ（ＰＣＴヒータ）を備えているものもある。その場合には、ＰＣＴヒータを作動させることによって冷却液を加熱することができる。冷却液の加熱のための専用機を付加する必要はなく、他の用途のために存在する機器を利用して冷却液を加熱することができる。

冷却液が基準温度以上で低粘性であれば、ポンプ１２をエアー抜き用の高速回転数で回転させることで、図６（ａ）に示すように、ＰＣＵ冷却部４８とモータ冷却部５０の上部に残存していたエアーが、図６（ｂ）に示すように、冷却液とともにリザーバタンク４４内に押流される。リザーバタンク内ではエアーが大気に放出される。この結果、ＰＣＵ冷却部４８とモータ冷却部５０に残存していたエアーは取除かれる。

冷却液が基準温度以下で高粘性であれば、冷却液を基準温度にまで加熱してポンプ１２を回転させる。その結果、低温のままならエアー抜きできないポンプ回転数でエアー抜きをすることができる。

＜変形例＞
図７に示すように、循環経路４０から分岐管５６を分岐させ、その上端開放口にプレッシャーキャップ５８を取り付けておいてもよい。この場合、プレッシャーキャップ５８を取外すと、そこからエアー抜くことができる。
本実施例では、エンジン１０とモータ６とを備えたハイブリッド自動車１に搭載された冷却装置を開示しているが、本発明はこれに限られず、燃料電池自動車や電気自動車にも適用可能である。また、実施例の冷却装置は、ＰＣＵ１４とモータ６を冷却しているが、冷却対象はこれらに限られない。また、残留したエアーを取除くための通気孔は、リザーバタンク４４と一体的に形成してもよいし、循環経路４０中に途中に設けてもよい。あるいは複数個の通気孔を設けてもよい。

上記の実施例は例示であって制限的なものでない。本発明の範囲は上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許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。また本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：駆動輪
４：減速機
６：モータ
８：動力分配機構
１０：エンジン
１２：ポンプ
１３：温度検出センサ
１４：ＰＣＵ
２０：発電機
２２：ハイブリッドＥＣＵ２２
３０：補機バッテリ
３６：メインバッテリ
４０：循環経路
４４：リザーバタンク
４８：ＰＣＵ冷却部
５０：モータ冷却部
５２：ラジエータ
５４：冷却装置

Claims (1)

1. 駆動輪に駆動力を加えるモータを備えている車両に搭載されている冷却装置であり、
   モータに接する範囲を伸びているとともに冷却液が循環する循環経路と、
   循環経路内の冷却液を循環させるポンプと、
   循環経路内の冷却液を加熱する加熱装置と、
   循環経路内の冷却液の温度を検出する温度検出装置と、
   循環経路にエアーが混入している可能性の有無を判別する判別装置と、
   判別装置で可能性が有ると判別されるとともに温度検出装置で基準温度以下が検出される場合には加熱装置を運転するとともにポンプをエアー抜き用の高速回転数で回転させ、判別装置で可能性が有ると判別されるとともに温度検出装置で基準温度以上が検出される場合には加熱装置を運転しないでポンプをエアー抜き用の高速回転数で回転させる制御装置と、
   を備えている冷却装置。

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