JP5676737B2 - 冷却装置、及び、該冷却装置を備えたモータとインバータ - Google Patents

Description

本発明は冷却装置、及び該冷却装置を備えたモータとインバータに関し、特に、高い冷却性能を備えた冷却装置、及び該冷却装置を備えたモータとインバータに関する。

近年、電気自動車、ハイブリッド自動車、電車等の輸送機器等の分野においては、環境負荷低減の観点から、小型軽量でありながら、高効率かつ高トルクを達成できるモータの開発が急速に進められている。また、当該分野では、このようなモータ自体の高効率化に加えて、モータとインバータを組み合わせて回転速度や出力トルクを調整することで、例えば交流モータ等のモータの高効率化が促進されている。

ところで、一般に、上記モータやインバータ、バッテリ等の電動機器は、駆動される際のエネルギ損失によって発熱することが知られている。例えば、ロータ内部に磁石が埋設されたIPMモータ（Interior Permanent Magnet Motor）の場合、鉄損に起因する発熱によって磁石温度が上昇し、磁石温度が自らの限界温度を超えてしまうと、磁石が減磁してモータトルクが低下してしまう。このように、電動機器においては、自らの発熱等によってそれ自体の温度が耐熱温度に到達すると、電動機器の各種性能が低下してしまう可能性が高い。特に、小型且つ高出力の電動機器においては発熱等による温度上昇が顕著となるため、電動機器の性能低下や損傷を抑制するために、電動機器内部の熱を如何にその外部へ放熱して冷却するかが当該分野における急務の課題となっている。

このような電動機器の冷却性能を向上させる技術が特許文献１，２に開示されている。特許文献１に開示されているモータの冷却装置は、モータの外側にフレームを設けると共にこのフレームに冷却ジャケットを設け、当該冷却ジャケットに冷媒を還流させることによってモータを冷却するものである。

また、特許文献２に開示されているモータの冷却構造は、モータの外周面に冷却水パイプを巻き付け、この冷却水パイプを流れる冷却水によってモータを冷却するものである。
特開平８−２５１８７２号公報 特開平７−２１３０１９号公報

特許文献１に開示されているモータの冷却装置によれば、冷却水よりも低温となり得る冷媒を用いてモータを冷却することで、比較的高い冷却性能を確保することができる。一方で、モータケースを構成する部材を組み合わせて冷媒流路が形成されているために、その冷媒流路内に高圧冷媒を流す場合には、その部材間の接続部から冷媒が漏れて冷却性能が低下する可能性がある。このように例えばアルミ等の部材を組み合わせて形成した冷媒流路においては、部材間の接続部のシール性を高める必要があり、高圧冷媒に対して高い密閉性を確保することは極めて困難である。

また、特許文献２に開示されているモータの冷却構造によれば、接続部の少ないパイプをモータ外周面に巻き付けるという簡易な構造を用いることで、冷却水流路の密閉性を高めてモータの冷却効率を高めることができる。一方で、モータ外周面と円形断面を有する冷却水パイプとは線接触しているため、モータと冷却水パイプ間に空隙が存在し、モータ外周面と冷却水パイプ間の熱抵抗が大きくなる。したがって、例えば冷却水に代えて比較的低温の冷媒を使用したとしても十分な冷却効果を得ることができない。また、パイプ内部を流れる冷媒がモータ周囲の雰囲気よりも低温である場合には、上記パイプがモータ周囲の雰囲気に曝されていることで、モータを冷却すべき冷媒が逆に周りの雰囲気から熱を吸収してしまい、モータの冷却効率が低下してしまう可能性がある。

本発明は、前記問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、冷凍サイクルの冷媒を用いてモータ等の電動機器を冷却する際に、電動機器の熱を効率良く冷媒へ伝達することのできる冷却装置、及び該冷却装置を備えたモータとインバータを提供することにある。さらに、当該冷却装置の周りの雰囲気の熱が冷媒へ吸熱されることを効果的に防止して、より高い冷却性能を確保することのできる冷却装置、及び該冷却装置を備えたモータとインバータを提供することにある。

上記する課題を解決するために、本発明に係る冷却装置は、被冷却体を冷媒によって冷却する冷媒パイプを備えた冷却装置であって、前記冷媒パイプは、長いパイプを全体として面形状に形成したものであり、該面形状の一面側がハウジングにより覆われ、他面側が前記被冷却体との接触部とされ、前記ハウジングと前記接触部との間の空隙には、空気よりも熱伝導率の高い物質が充填されていることを特徴とする冷却装置である。

上記の構成によれば、長いパイプを全体として面形状に形成した接続部の少ない冷媒パイプを用いることで、例えば電動機器等の被冷却体の冷却用に冷凍サイクルの高圧冷媒を用いる場合にも冷媒流路からの冷媒の漏れを抑制して冷却装置の冷却性能の低下を抑制することができる。また、冷却装置が被冷却体に取り付けられた際に被冷却体に接触して冷媒パイプを配置することで、冷媒を被冷却体に近接して配置することができ、効率的に被冷却体から放出される熱を吸熱して該被冷却体を冷却することができる。さらに、被冷却体の面形状の一面側を覆うハウジングを設け、そのハウジングと被冷却体との接触部との間の空隙を空気よりも熱伝導率の高い物質で満たすことで、冷媒パイプと被冷却体との間に部分的に存在する空隙を前記物質で満たすことができ、被冷却体から放出される熱を前記物質を介して効率的に冷媒パイプ内の冷媒へ伝達させることができ、冷却装置の冷却性能を一層高めることができる。

以上の説明から理解できるように、本発明によれば、冷媒パイプと被冷却体との間に生じ得る空隙を熱伝導率の高い物質で満たすことで、被冷却体から放出される熱を効率的に冷媒パイプ内の冷媒に伝達することができ、被冷却体の温度上昇を抑制して当該被冷却体の効率的な運転を実現することができる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明に係る冷却装置の実施例１であり、モータに適用した状態を示した縦断面図。 図１のモータにおける冷媒パイプの配管を模式的に示した斜視図。 本発明に係る冷却装置の実施例２であり、モータに適用した状態を示した縦断面図。 図３のモータにおける冷媒パイプの配管を模式的に示した斜視図。 本発明に係る冷却装置の実施例３であり、モータに適用した状態を示した図であり、（ａ）はその縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視図。 図５のモータのおける冷媒パイプの配管を模式的に示した斜視図。 実施例３のモータにおける冷媒パイプの配管の他の実施の形態を模式的に示した斜視図。 本発明に係る冷却装置の実施例４であり、インバータに適用した状態を示した斜視図。 本発明に係る冷却装置の実施例５であり、モータに適用した状態を示した縦断面図。 図９に示すモータと冷却装置の間にインバータを介在配置した縦断面図。 図１０に示す冷媒パイプの配管の他の実施の形態を示した縦断面図。

１ ロータ
２ ステータ
３ コイル
４ 段差
１１ モータケース
１１Ａ モータケース外周面
１２ モータカバー
１３ 回転角センサ
１４，１５ ベアリング
１６ 段差
２０，３０，４０，５０，６０ 冷凍機器
２０Ａ，３０Ａ，４０Ａ，５０Ａ，６０Ａ 圧縮機
２０Ｂ，３０Ｂ，４０Ｂ，５０Ｂ，６０Ｂ 熱交換器
２０Ｃ，３０Ｃ，４０Ｃ，５０Ｃ，６０Ｃ 冷媒ポンプ
２１，３１，４１，５１，６１ 冷媒パイプ
２２，３２，４２，５２，６２ 冷媒排出部
２３，３３，４３，５３，６３ 冷媒供給部
２４，２５，３４，３５，４４，４５，５４，５５，６４，６５ 冷媒ホース
２６，３６，４６，５６，６６ ハウジング
２６Ａ，３６Ａ，４６Ａ，５６Ａ ハウジング内周面
２６Ｂ，３６Ｂ 流動体注入口
２６Ｃ，３６Ｃ 流動体排出口
４７，６７ 循環路
７０ 熱交換器
７１，７２ 連結路
１００ モータ本体
１０１ 電気素子
１１１ インバータケース
１１１Ａ インバータケース上面
１１２ 基板
１５０ インバータ本体
２００，３００，４００，５００，６００ 冷却装置
３３０，５５０，６６０ ラジエータ
３３０Ａ，５５０Ａ，６６０Ａ 流動体ポンプ
３３１，５５１，６６１ 循環路
３３２，５５２，６６２ 流動体流出口
３３３，５５３，６６３ 流動体流入口
１０００，２０００，３０００，５０００ モータ
４０００ インバータ
Ｆ 流動体（物質）
Ｌ ロータ回転軸線
Ｒ 冷媒

以下、本発明に係る冷却装置、及び該冷却装置を備えたモータとインバータの実施の形態について、図面を参照して説明する。

［実施例１］
図１及び図２は、本発明に係る冷却装置の実施例１であり、モータに適用した状態を示したものである。

図１に示すモータ１０００は、モータ本体１００と該モータ本体１００を冷却するための冷却装置２００とから大略構成されている。モータ本体１００は、回転するロータ１と該ロータ１の周りに配置され、コイル３が巻き付けられたステータ２とを備えると共に、それらを収容するためのモータケース１１を備えている。

また、モータ本体１００は、内面１２Ａに回転角センサ１３を備えたモータカバー１２を側部に備えていて、モータケース１１の側面にモータカバー１２が取り付けられることで、内部に収容されるロータ１やステータ２が外部環境から保護されている。

なお、回転角センサ１３で検出したロータ１の回転速度等の信号は、不図示の回転制御装置に送信されてロータ１を回転制御するのに使用されるようになっている。また、モータケース１１とロータ１との間と、モータカバー１２とロータ１との間とには、ベアリング１４，１５が設けられており、モータケース１１が車両等に固定して取り付けられた際には、モータケース１１やモータカバー１２に対してロータ１が回転軸線Ｌを回転中心として回転できるようになっている。

モータ本体１００の外側には、該モータ本体１００を冷却するための冷却装置２００が配置される。この冷却装置２００は、モータケース１１の外周面１１Ａに当接するように螺旋状に構成される冷媒パイプ２１と、該冷媒パイプ２１の外周側を覆うハウジング２６と、冷媒Ｒを冷却して循環させるための熱力学的サイクルの一種である冷凍サイクルを構成する冷却機器２０、即ち圧縮機２０Ａ、熱交換器２０Ｂ、及び冷媒ポンプ２０Ｃから大略構成されている。ここで、冷媒パイプ２１は複数部材を組み合わせて形成された他の部分で構成される冷媒流路と比較して接続部が少ないので、例えば前記接続部に用いられるゴム等のシール部材が少ないので、該シール部分から冷媒が漏れることが少なく、冷凍機器２０等を介して冷媒パイプ２１内に高圧の冷媒が循環する場合においても、優れた密閉性・非漏洩性を確保することができる。また、冷媒パイプ２１は、モータケース１１の外周面１１Ａに位置する部分の断面が略楕円形状で、前記外周面１１Ａに直接当接する部分の断面は、直線状で扁平になっていて、冷媒パイプ２１とモータケース１１の外周面１１Ａとが面接触する断面形状に構成されている。冷媒パイプ２１が前記形状を呈していることで、例えば冷媒パイプ２１が円形断面を有している場合と比較して、冷媒パイプ２１とモータ本体１００の接触面積を増加させることができ、モータ本体１００から放熱される熱を効果的に冷媒パイプ２１内の冷媒Ｒへ伝達させることができる。なお、この冷媒パイプ２１の断面形状としては、図示する楕円形状の他、略三角形状や略四角形等状の多角形状が挙げられる。

モータケース１１の外周面１１Ａに沿って螺旋状に巻き付けられた冷媒パイプ２１の両端部には、ロータ１の回転軸線Ｌ方向と平行に延びる冷媒排出部２２と冷媒供給部２３が設けられており、螺旋状の冷媒パイプ２１を通り、モータ本体１００から放熱される熱を吸熱した冷媒Ｒが冷媒排出部２２と該冷媒排出部２２に取り付けられた冷媒ホース２４を介して冷凍機器２０へ送られるように構成されている。冷媒機器２０では、既述する圧縮機２０Ａや熱交換器２０Ｂ等によって冷媒Ｒの熱が外部へ放出され、冷却された冷媒Ｒは冷媒ポンプ２０Ｃによって冷媒ホース２５と冷媒供給部２３を介して再びモータ本体１００周りの冷媒パイプ２１へ圧送されるように冷凍サイクルが構成されている。

この冷却装置２００は、冷媒パイプ２１と、冷媒排出部２２と冷媒供給部２３の一部と、モータケース１１（モータ本体１００）の外周面１１Ａとを覆う非金属性材料（例えば樹脂）からなるハウジング２６をさらに備えており、該ハウジング２６の内周面２６Ａとモータケース１１の外周面１１Ａとで画定された領域のうち冷媒パイプ２１以外の領域、即ち、ハウジング２６と冷媒パイプ２１とモータケース１１の接触する部分２１Ａとの間の空隙は、空気よりも熱伝率の高い物質Ｆ、特に、流動性の高い流動体Ｆで満たされている。ここで、冷媒パイプ２１とモータケース１１の外周面１１Ａとの間に存在する空隙２９にも前記流動体Ｆが充填されている。この流動体Ｆ（物質）は液体または樹脂であって、液体としては例えば不凍液や熱伝導率の高い不活性液体等を挙げることができ、樹脂としては例えば高熱伝導性樹脂を挙げることができる。なお、この流動体Ｆは、当該領域に充填される際に流動性を有していれば、充填後に固化される形態でも良い。

なお、モータ本体１００の発熱が比較的少なく、冷凍サイクルの冷却機器２０による冷却が不要な場合には、例えば内部の圧縮機２０Ａの回転速度を低下させ、または圧縮機２０Ａの回転を停止して、冷媒ポンプ２０Ｃによってのみ冷媒Ｒを循環させることもできる。このように冷凍サイクルの冷却性能を低下させた場合にも、冷却装置２００の表面からの放熱によって冷媒Ｒを冷却することができるため、冷却装置２００を効率的に運転して、モータ本体１００の温度上昇を抑制することができる。

次いで、この冷却装置２００を備えたモータ１０００を組み立てるための手順（工程）を説明する。モータ本体１００を組み立てるための手順としては、まず、ロータ１と、コイル３が巻き付けられたステータ２と、一方の端部にベアリング１４を備えたモータケース１１を準備する。その後、モータケース１１の内周面に設けられた段差１６とステータ２の角部が当接するまでモータケース１１内にステータ２を挿入し、次いでモータケース１１に設けられたベアリング１４とロータ１の段差４が当接するまでロータ１を挿入する。そして、予め一方の面にベアリング１５と回転角センサ１３を配置したモータカバー１２をモータケース１１に取り付ける。

前記モータ本体１００を組み立てる工程とは別の工程で冷却装置２００を組み立てる。まず、冷媒パイプ２１を略螺旋状に形成した後、該冷媒パイプ２１の両端部を直線状として冷媒排出部２２と冷媒供給部２３を形成する。そして、冷媒パイプ２１と冷媒排出部２２と冷媒供給部２３の一部を覆うようにハウジング２６を取り付ける。

上記手順で組み立てたモータ本体１００の外周面１１Ａを覆うように冷却装置２００をロータ１の回転軸線Ｌ方向（矢印Ａ方向）へ移動させ、モータ本体１００に冷却装置２００を取り付けて一体とする。このとき、冷媒パイプ２１の扁平面はモータケース１１の外周面１１Ａと接触するように配置される。その後、ハウジング２６に設けられた流動体注入口２６Ｂ（図２参照）からハウジング２６内に空気よりも熱伝導率の高い流動体Ｆを注入し、モータケース１１の外周面１１Ａとケース２６の内周面２６Ａとで画定された領域を流動体Ｆで充満する。ここで、流動体Ｆがハウジング２６内に注入される際に所定の流動性を有していることで、冷媒パイプ２１とモータケース１１の外周面１１Ａに空隙２９が存在する場合にも、この空隙２９に流動体Ｆが入り込んで、空隙２９を流動体Ｆで満たすことができる。

また、前記冷媒排出部２２には冷媒ホース２４を取り付け、それを冷凍機器２０（圧縮機２０Ａ、熱交換器２０Ｂ、冷媒ポンプ２０Ｃ）と接続する。この冷媒ポンプ２０Ｃは、冷媒供給部２３に取り付けられた冷媒ホース２５と接続される。

なお、冷却装置２００をモータ本体１００から取り外す際には、ハウジング２６に設けられた流動体排出口２６Ｃ（図２参照）から流動体Ｆを排出することができる。ここで、例えば流動体Ｆとして樹脂を用い、当該樹脂が固化している場合には、その流動体Ｆを流動体排出口２６Ｃから排出する工程が不要となる。なお、流動体注入口２６Ｂや流動体排出口２６Ｃはハウジング２６の任意の位置に設けることができる。

既述のように、モータ本体１００と冷却装置２００を個別に組み立て、それらを一体とした後も分離可能とすることで、例えばモータ本体１００を分解せずに冷却装置２００を当該モータ本体１００から脱着することができ、モータ本体１００と冷却装置２００の組立性やメンテナンス性を向上させることができる。

図２は、実施例１のモータにおける冷媒パイプの配管を模式的に示したものである。図示するように、冷媒パイプ２１がモータケース１１の周りに螺旋状に巻き付けられており、冷媒ホース２５を介して冷媒供給部２３から供給された冷媒Ｒは、冷媒パイプ２１内をロータ１の回転軸線Ｌを中心として螺旋状に流れ、冷媒排出口２２からハウジング２６の外部へ排出される。なお、本実施例１においては、図示するように、隣接する冷媒パイプ２１同士は、互いに当接してモータケース１１に螺旋状に巻き付けられている。

実施例１においては、インバータ回路（不図示）によってロータ１が回転駆動されることで、主としてステータ２の銅損が熱に変換されてステータ２が発熱した場合にも、密閉性の高い冷媒パイプ２１をモータ本体１００の外周面１１Ａに近接もしくは当接して配置し、冷凍サイクルの冷凍機器２０を流れる高圧の冷媒Ｒを漏れにくい密閉構造からなる冷媒パイプ２１を使用することで、モータ本体１００から放出される熱（主にステータ２からの発熱）は冷媒Ｒにより効率的に吸収することができる。即ち、モータ本体１００から放出される熱は、モータケース１１を介して効率的に冷媒パイプ２１内の冷媒Ｒへ伝達することができる（矢印Ｘ１方向）。また、モータケース１１の外周面１１Ａとハウジング２６の内周面２６Ａとで画定された領域、特にモータケース１１の外周面１１Ａと冷媒パイプ２１との間に生じ得る空隙２９は、流動体Ｆで満たされることで、例えば当該空隙２９に空気が存在する場合と比較して、ステータ２で発生してモータケース１１に伝達された熱を、空隙２９内の流動体Ｆを介して効率的に冷媒パイプ２１内の冷媒Ｒへ伝達することができ（矢印Ｘ２方向）、モータ本体１００から放出される熱を効果的にモータ本体１００の外部へ放出することができる。

また、前記空隙２９等の領域に流動性の高い流動体Ｆを充填することで、製造ばらつき等に起因する形状ばらつきの大きな冷媒パイプ２１を使用する場合にも、流動体Ｆがそれらの形状ばらつきに追従して充満することができ、当該領域を容易且つ均一に流動体Ｆで満たすことができる。

さらに、モータ本体１００から放出される熱は、熱伝導率の高い流動体Ｆを介して伝達されることができるため、モータケース１１に対して冷媒パイプ２１を強固に密着して取り付ける必要がない。したがって、冷媒パイプ２１の取付時に作用する圧力は低減できることで、冷媒パイプ２１の破損等を抑制することができると共に、冷却装置２００は、モータ本体１００から取り外してそれらを別個にメンテナンスする際にも、モータケース１１から冷媒パイプ２１を容易に取り外すことが可能となり、それらのメンテナンス性を更に向上させることができる。

また、本実施例１においては、例えばロータ１の回転数が比較的小さい場合には、モータ本体１００が比較的低温のままで駆動されることとなる。即ち、このような場合には、一般に冷媒パイプ２１を循環する冷媒Ｒの温度は、モータ１０００の外気温よりも相対的に低くなる。しかし、例えばハウジング２６が金属のような熱伝導率の高い材料から構成されていると、冷媒パイプ２１内の低温の冷媒Ｒが外気の熱を吸収して冷媒Ｒの温度が上昇し、冷却装置２００の冷却効率が低下してしまう可能性がある。

そこで、本実施例１においては、ハウジング２６を比較的熱伝導率の低い非金属性材料で作製し、冷媒Ｒと外気との間の熱交換を抑制することで、冷媒Ｒの温度が大気温度よりも相対的に低い場合にもハウジング２６の断熱効果によって冷媒Ｒの吸熱を抑制して冷媒Ｒの温度上昇を抑制し、冷却装置２００の冷却効率の低下を抑制することができる。

［実施例２］
図３及び図４は、本発明に係る冷却装置の実施例２であり、モータに適用した状態を示したものである。なお、実施例２で使用するモータ本体は実施例１で使用するモータ本体１００と同様であるため、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。

図３に示す実施例２の冷却装置３００は、主としてモータ本体１００の外周面１１Ａに巻き付けられた隣接する冷媒パイプ３１同士が、所定の間隔を置いて配置されている点で、図１に示す実施例１の冷却装置２００に対して相違している。また、冷却装置３００は、ハウジング３６内の流動体Ｆを循環させるための循環路３３１とそのための流動体ポンプ３３０Ａと、循環中に流動体Ｆを冷却するためのラジエータ３３０とを備えている。

このように、冷媒パイプ３１が所定の間隔を置いてモータ本体１００の外周面１１Ａに巻き付けられることで、例えば実施例１の空隙２９内に存在している流動体Ｆは、隣接する冷媒パイプ３１同士の間に形成された流路（空隙）３９を通ってモータ本体１００の外周面１１Ａに対して径方向外側へ流動することができる。これにより、流動体Ｆは、モータケース１１側から外側方向への伝熱経路を確保することができ、冷媒パイプ３１間にある流動体Ｆは、モータ本体１００の外側へ流動させることができることで高温とはならず、且つ流動体Ｆによってモータ本体１００を直接冷却することが可能となり、効率的にモータ本体１００を冷却することができる。

また、モータ本体１００の熱を吸熱してモータ本体１００の外周面１１Ａに対して径方向外側へ流動した流動体Ｆは、流動体流出口３３２を介して循環路３３１へ流出し、その後循環路３３１に接続して設けられたラジエータ３３０へ送られる。そして、ラジエータ３３０で流動体Ｆの熱が熱交換されて外気へ放熱され、ラジエータ３３０で冷却された流動体Ｆは、流動体ポンプ３３０Ａによって再び流動体流入口３３３を介してハウジング３６内へ圧送される。なお、流動体Ｆとして例えば流動性の高い液体を用いることで、ハウジング３６内や循環路３３１内で流動体Ｆを円滑に循環させることができる。

図４は、実施例２のモータにおける冷媒パイプの配管を模式的に示したものである。図示するように、冷媒パイプ３１は、モータ本体１００のモータケース１１の外側で隣接する冷媒パイプ３１同士は、互いに間隔を置いて巻き付けられている。また、ハウジング３６の上方には、流動体Ｆを循環路３３１に循環させるための流動体流出口３３２が設けられていると共に、ハウジング３６の下方には、循環路３３１から循環された流動体Ｆがハウジング３６内に流入するための流動体流入口３３３が設けられている。また、ハウジング３６には、流動体Ｆを注入するための流動体注入口３６Ｂと流動体排出口３６Ｃとが設けられている。前記流動体流出口３３２と流動体流入口３３３とは、前記ハウジング３６内に流動体Ｆを注入するための流動体注入口又は流動体排出口としても用いることができる。

実施例２においては、冷媒パイプ３１を間隔を置いて配置してハウジング３６内の流動体Ｆの流動性を高めると共に、流動体Ｆを循環して冷却するための循環路３３１を設けたことで、ハウジング３６内で高温となり得る流動体Ｆを効率的に冷却して冷却装置３００の冷却効率を向上させることができる。ここで、図示するように、ロータ１の回転軸線Ｌが水平となるようにモータ本体１００を配置して使用する場合には、ロータ１の回転時に放熱される熱は主としてモータ本体１００の上方（鉛直上方）へ放熱されると共に、ハウジング３６内で高温となった流動体Ｆも鉛直上方へ流動することとなる。すなわち、ハウジング３６内においては、特に鉛直上方の流動体Ｆが鉛直下方の流動体Ｆに対して相対的に高温となる。そこで、図示するように、鉛直上方に循環路３３１への流動体流出口３３２を設けることで、ハウジング３６内で高温となり得る流動体Ｆを効率的に冷却用のラジエータ３３０へ送出することができる。また、ラジエータ３３０によって冷却された流動体Ｆを、ハウジング３６の鉛直下方に設けられた流動体流入口３３３を介してハウジング３６内へ戻すことで効率的な循環を実現することができ、冷却装置３００の運転効率を更に高めることができる。なお、回転軸線Ｌを垂直となるようにモータ２０００を配置した場合には、循環路３３１の流動体流出口３３２をハウジング３６の鉛直上方側となるように配置し、流動体流入口３３を鉛直下方側に設けるのが好ましい。

なお、モータ本体１００の発熱が比較的少なく、冷凍サイクルの冷却機器３０による冷却が不要な場合には、例えば冷凍機器３０の圧縮機３０Ａや冷媒ポンプ３０Ｃを停止して、流動体ポンプ３３０Ａのみを駆動することができる。すなわち、モータ本体１００から放出された熱をハウジング３６内の流路３９の流動体Ｆで吸熱し、その流動体Ｆを循環路３３１へ送出してラジエータ３３０で熱交換して、外気へ放熱して冷却することで、冷媒Ｒによるモータ本体１００の冷却を行うことなく、モータ本体１００の温度上昇を抑制することができるため、冷却装置３００を効率的に運転することができる。

また、ラジエータ３３０から外気へ放熱する場合にも、モータ本体１００から放出される熱の一部はモータケース１１を介して冷媒パイプ３１内の冷媒Ｒへ伝達されて流動体Ｆへと伝達される。よって、冷凍機器３０の圧縮機３０Ａを停止した場合であっても冷媒ポンプ３０Ｃのみを駆動させることで、冷媒Ｒを介した伝熱量を増加させることができ、流動体Ｆの伝熱性能をより一層向上させることができる。

[実施例３]
図５及び図６は、本発明に係る冷却装置の実施例３であり、モータに適用した状態を示したものである。なお、この実施例３において使用するモータ本体は実施例１で使用するモータ本体１００と同様であるため、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。

実施例２で説明したように、実施例３においても、モータ３０００がロータ１の回転軸線Ｌが水平となるように車両に配置されている場合、ロータ１の回転時に放熱される熱は主としてモータ本体１００の上方（鉛直上方）へ放熱されると共に、ハウジング４６内で高温となった流動体Ｆも鉛直上方へ流動され、ハウジング４６内においては、特に鉛直上方の流動体Ｆが鉛直下方の流動体Ｆに対して相対的に高温となる。

そこで、実施例３においては、図５（ａ）に示すように、冷媒パイプ４１をモータ本体１００の鉛直方向上方側に集中して配置する。これにより、モータ本体１００から放熱される熱を効率的に冷媒パイプ４１内の冷媒Ｒへ伝達できると共に、鉛直上方側の流動体Ｆを効率的に冷媒Ｒで冷却することができる。よって、冷却装置４００の冷却性能を維持しながら冷却装置４００の小型軽量化を図ることができ、もってモータ３０００の小型軽量化を実現することができる。

図６は、図５に示すモータ３０００の冷媒パイプ４１の配管を模式的に示したものである。図示するように、実施例３においては、冷媒パイプ４１が主としてロータ１の回転軸線Ｌと略平行となるように配置され、モータケース１１の外側を周方向に向かって蛇行（ジグザグ状）するように全体として面形状に配置されている。

この形態とすれば、冷媒供給部４３と冷媒排出部４２をモータ本体１００の外周面１１Ａの異なる位置に設けることができると共に、モータ本体１００の回転軸線Ｌ方向の同方向、及び反対方向のいずれの方向にも設けることができる。特に、図示するように、冷媒供給部４３と冷媒排出部４２をモータ本体１００の回転軸線Ｌ方向の同方向に設けることで、ハウジング４６をモータ本体１００に取り付けた状態で、冷媒パイプ４１をハウジングキャップ４６Ｂ等と共にモータ本体１００の外周面１１Ａから（矢印Ｃ方向へ）引き抜いて取り外すことができる。これにより、モータ本体１００やハウジング４６を分解することなく冷媒パイプ４１を分離することが可能となり、冷却装置４００の組立性やメンテナンス性を更に向上させることができる。

なお、冷媒パイプ４１の断面形状は、実施例１，２と同様の断面形状、即ち、モータケース１１の外周面と面接触できる断面形状とすることができる。

図７は、実施例３のモータにおける冷媒パイプの配管の他の実施の形態を模式的に示したものである。この形態とすれば、冷媒パイプ４１が主としてモータ本体１００の回転軸線Ｌと垂直となるように配置され、モータケース１１の外側を回転軸線Ｌ方向に向かって蛇行するように配置されている。これにより、冷媒供給部４３と冷媒排出部４２を、モータ本体１００の回転軸線Ｌの反対向きであってモータケース１１の外周面１１Ａの同じ位置に設けることができる。

なお、図５（ａ）に示すように、冷媒Ｒは、モータ本体１００から放熱される熱や流動体Ｆの熱を吸熱し、ハウジング４６に取り付けられた冷媒ホース４４を介して冷凍機器４０に送られ、冷凍機器４０の圧縮機４０Ａや熱交換器４０Ｂ等で冷却されて、冷媒ポンプ４０Ｃによって冷媒ホース４５を介して再び冷媒パイプ４１に圧送される。ここで、冷媒パイプ４１と冷媒ホース４４，４５は、ハウジングキャップ４６Ｂを介して接続されており、ハウジング４６は、このハウジングキャップ４６Ｂによって密閉されている。

また、実施例３においては、流動体Ｆを循環させるための循環路や流動体ポンプ、流動体Ｆを冷却させるためのラジエータ等を備えていない。しかしながら、モータケース１１の外周面１１Ａとハウジング４６の内周面４６Ａで画定される領域の循環路４７を備えていることで、熱を吸熱して相対的に高温となり、比重が軽くなった流動体Ｆが鉛直上方に流動し、鉛直上方に設けられた冷媒Ｒで冷却され、比重が重くなった流動体Ｆは鉛直下方へ流動する。即ち、循環路やポンプ等を使用しなくてもハウジング４６内の流動体Ｆの比重差を利用した自然対流によって、モータ本体１００の周りに設けられた循環路４７によって流動体Ｆを循環させることができる。これにより、上記流動体ポンプ等が不要となり、更なる構成の簡略化と体格の小型化を図ることができる。

なお、ハウジング４６内での流動体Ｆの流動性を高めるために、図５（ｂ）に示すように、モータケース１１の外周面１１Ａに配される冷媒パイプ４１同士は、互いに間隔を置いて配置され、流動体Ｆのための流路（空隙）４９が形成されている。また、図示する円形断面の冷媒パイプ４１を実施例１，２と同様の構成として冷媒パイプ４１とモータ本体１００の外周面１１Ａを面接触させることもできる。

［実施例４］
図８は、本発明に係る冷却装置の実施例４であり、インバータに適用した状態を示したものであり、インバータ本体１５０と冷却装置５００の内部を視認できるように一部を切り欠いて示したものである。

図示するインバータ４０００は、略直方体形状のインバータ本体１５０と該インバータ本体１５０を冷却するための冷却装置５００から大略構成されている。インバータ本体１５０は、基板１１２とインバータケース１１１と半導体素子や受動素子からなる電気素子１０１とを備え、基板１１２上に電気素子１０１が載置されてインバータケース１１１で覆われている。

インバータ本体１５０の外周側（インバータケース１１１の上面１１１Ａ側）には、インバータ本体１５０を冷却するための冷却装置５００が配置される。この冷却装置５００は、冷媒パイプ５１と、該冷媒パイプ５１の外側を覆うための非金属性材料からなるハウジング５６と、冷媒Ｒを冷却して循環させるための冷凍サイクルを構成する冷凍機器５０（圧縮機５０Ａ、熱交換器５０Ｂ、冷媒ポンプ５０Ｃ）から大略構成されている。また、冷媒パイプ５１は、インバータケース１１１の上面１１１Ａに当接するように蛇行（ジグザグ状）して全体として面形状に配置されている。なお、本実施例４においても、冷媒パイプ５１は、インバータケース１１１の上面１１１Ａと当接する前記接触部分５１Ａが実施例１と同様の構成になっていて、冷媒パイプ５１とインバータケース１１１の上面１１１Ａとが面接触している。また、ハウジング５６内の冷媒パイプ５１が、特に発熱量の大きいトランジスタ等の電気素子１０１の上方に配置されることで、電気素子１０１から放熱される熱を効率的に冷媒パイプ５１内の冷媒Ｒに伝達できるようになっている。なお、この冷媒パイプ５１をインバータ本体１５０の下面にも設けたり、インバータ本体１５０の周りを周回するように設けたりすることもできる。

他の実施例と同様に、インバータケース１１１の上面１１１Ａに設けられた冷媒パイプ５１の両端部には冷媒排出部５２と冷媒供給部５３が設けられており、冷媒パイプ５１を通り、電気素子１０１から放出される熱を吸熱した冷媒Ｒは冷媒排出部５２とこの冷媒排出部５２に取り付けられた冷媒ホース５４を介して冷凍サイクルの冷凍機器５０へ送られる。冷媒機器５０では、圧縮機５０Ａや熱交換器５０Ｂ等によって冷媒Ｒの熱が外部へ放出され、それにより冷却された冷媒Ｒは冷媒ポンプ５０Ｃによって冷媒ホース５５と冷媒供給部５３を介して再び冷媒パイプ５１へ圧送される。

また、この冷却装置５００は、ハウジング５６の内周面５６Ａとインバータケース１１１の上面１１１Ａとで画定された領域のうち冷媒パイプ５１以外の領域、即ちハウジング５６と冷媒パイプ５１の接触部分５１Ａとの間の空隙が、流動体Ｆで満たされていると共に、実施例２と同様に、循環路５５１やインバータ５５０、流動体ポンプ５５０Ａを備えている。これにより、ハウジング５６内で高温となった流動体Ｆは、流動体流出口５５２を介して循環路５５１に送られ、循環路５５１と接続されたラジエータ５５０で熱交換されて流動体Ｆの熱が外気へ放熱され、冷却された流動体Ｆは流動体ポンプ５５０Ａによって流動体流入口５５３を介してハウジング５６内へ圧送される。なお、ハウジング５６内の流動体Ｆの流動性を高めるために、インバータ本体１５０の上面１１１Ａに設けられた隣接する冷媒パイプ５１同士は、互いに間隔を置いて配置されており、インバータケース１１１から流動体Ｆへ伝達された熱の伝熱経路が確保されている。

［実施例５］
図９は、本発明に係る冷却装置の実施例５であり、モータに適用した状態を示したものである。なお、本実施例５で使用するモータ本体は、実施例１〜４で使用するモータ本体１００と同様の構成であるため、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。

図示するモータ５０００は、ハウジング６６内の流動体Ｆを循環させるための循環路６６１と流動体ポンプ６６０Ａと、流動体Ｆを冷却するためのラジエータ６６０を備えている。なお、モータ５０００においては、モータケース１１の外周面１１Ａの周りに循環路６７が設けられた一体用ハウジング６９によって、モータ本体１００と冷却装置６００のハウジング６６とが一体に構成されており、該冷却装置６００のハウジング６６と循環路６７とは連結路７２によって接続されている。これにより、ハウジング６６内を流れ、モータ本体１００から放出される熱を吸熱した流動体Ｆは連結路７２によって循環路６７へ送られる。その後、流動体Ｆは、モータ本体１００から放出される熱を更に吸熱しながら循環路６７に沿ってモータ本体１００周りを流れ、流動体流出口６６２を介して循環路６６１に設けられた流動体ポンプ６６０Ａへ送られ、ラジエータ６６０でそれらの熱が熱交換により外気へ放熱されて、冷却された流動体Ｆが流動体流入口６６３を介して熱交換器７０へ送られた後、再びハウジング６６へ圧送される。

本実施例５においては、流動体Ｆが流れる冷却装置６００のハウジング６６に熱交換器７０が設けられている。すなわち、モータ本体１００の外周面１１Ａに設けられた循環路６７を流れる際に、モータ本体１００から放熱される熱によって高温となり、ラジエータ６６０を介して熱交換器７０へ送られた流動体Ｆは、この熱交換器７０で冷凍サイクルの冷凍機器６０によって更に冷却される。即ち、冷媒供給部６３Ａを介して熱交換器７０へ供給された冷媒パイプ６１Ａ内の冷媒Ｒと、循環路６６１を流れてきた流動体Ｆとの間で熱交換を行い、流動体Ｆが更に冷却される。なお、流動体Ｆの有する熱を吸熱した冷媒Ｒは、冷媒排出部６２Ａを介して冷媒ホース６４Ａと接続された冷凍サイクルの冷却機器６０（圧縮機６０Ａ、熱交換器６０Ｂ、冷媒ポンプ６０Ｃ）へ送られ、再び冷媒ホース６５と冷媒供給部６３を介してハウジング６６内の冷媒パイプ６１へ圧送される。そして、該ハウジング６６内の例えばジグザグ状に配置された冷媒パイプ６１でモータ本体１００の熱を吸熱した冷媒Ｒは、冷媒排出部６２を介して冷媒ホース６４へ送られて冷媒ホース６５Ａと冷媒供給部６３Ａを介して熱交換器７０へ送られる。

また、冷媒パイプ６１Ａ内の冷媒Ｒによって冷却された流動体Ｆは、連結路７１を介してハウジング６６内へ送られ、既述するようにハウジング６６内を流れる間にモータ本体１００から放熱される熱を吸熱して、連結路７２によって再びモータ本体１００の周りに配置された循環路６７へ供給されて、モータ本体１００が冷却される。

このように、循環路６６１等を使用してハウジング６６内の流動体Ｆを循環させると共に、熱交換器７０でモータ本体１００の冷却に使用される流動体Ｆと冷媒パイプ６１Ａ内の冷媒Ｒとの熱交換を行うことで、冷却装置６００のハウジング６６内を流れる流動体Ｆをより効率的に冷却することができ、流れる流動体Ｆの流量を更に抑制することができるため、流動体Ｆ全体の熱容量を低減して流動体Ｆを応答性良く冷却することができる。

図１０は、図９に示すモータと冷却装置の間にインバータを介在配置したものであり、インバータ本体１５０とモータ本体１００とを一体構成としたものに前記冷却装置を適用したものである。なお、図示するインバータ本体１５０は、実施例４で使用するインバータ本体１５０と同様であるため、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。

図示するように、モータ本体１００の一体用ハウジング６９によって該モータ本体１００とインバータ１５０が一体とされ、その上方に冷却装置６００Ａが取り付けられている。

このように、モータ本体１００と冷却装置６００Ａとの間にインバータ本体１５０を介在配置することで、冷却装置６００Ａでインバータ本体１５０から放熱される熱を吸収することができ、モータ本体１００とインバータ本体１５０の双方を冷却することができる。また、モータ本体１００とインバータ本体１５０を個別に配置して冷却装置で冷却する場合と比較して、モータ５０００Ａ全体を流れる流動体Ｆの配管の長さを抑制することができ、モータ５０００Ａ全体の小型軽量化を図ることができる。また、例えば流動体Ｆが水等の熱容量が大きな液体からなる場合には、流動体Ｆの全体流量を少なくすることで、流動体Ｆの熱容量を低減して流動体Ｆを応答性良く冷却することができ、冷却装置６００Ａの冷却効率を高めることができる。

なお、モータ本体１００とインバータ本体１５０を一体としたものに冷却装置を取り付ける場合には、モータ本体１００とインバータ本体１５０の双方にそれぞれ別個の冷却装置を取り付けてもよい。また、モータ本体１００の冷却装置が取り付けられた側とは反対側にインバータ本体１５０を取り付けてもよいし、冷却装置をモータ本体１００とインバータ本体１５０の間に介在配置してもよい。

また、図１１は、図１０に示す冷媒パイプの配管の他の実施の形態を示したものである。

図示するように、冷却装置６００Ｂのハウジング６６内を流動体Ｆのみで充填し、この流動体Ｆを循環路６７，６６１を介して循環させ、ラジエータ６６０での熱交換により冷却することで、モータ本体１００やインバータ本体１５０を冷却することもできる。なお、モータ５０００Ｂには熱交換器７０が設けられており、モータ本体１００やインバータ本体１５０から放熱され、流動体Ｆにより吸熱された熱は、熱交換器７０内の冷媒パイプ６１Ａ内を流れる冷媒Ｒに伝達されてモータ５０００Ｂの外部へ放熱される。

以上、本発明の５つの実施例について説明したが、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、請求の範囲に記載された発明の精神を逸脱することなく、設計において種々の変更ができるものである。上記実施例においては、本発明に係る冷却装置を用いてモータやインバータ等の電動機器からなる被冷却体を冷却する実施例について説明したが、当該冷却装置をバッテリに適用することもできる。

以上の説明から理解できるように、実施例１〜５によれば、高圧の冷媒が漏れにくい密閉構造からなる冷媒パイプを用いながら、冷却装置の冷却性能を高めて、例えば電動機器等の被冷却体から放熱される熱を効率的にその外部へ放熱することができる。これにより、被冷却体の温度上昇を抑制して被冷却体を効率的に運転することができる。また、冷媒パイプの配置を最適化することによって冷却装置の小型軽量化を図ることができ、それが電動機器等に取り付けられた際にもその全体の体格の小型化を図ることができる。さらに、モータやインバータ、バッテリ等の電動機器を分解せずに冷却装置を電動機器に着脱自在とすることで、冷却装置や被冷却体である電動機器の組立性やメンテナンス性を向上させることもできる。

なお、本発明は上記した実施例１〜５に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例１〜５は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例１〜５の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

Claims (20)

1. 被冷却体を冷媒によって冷却する冷媒パイプを備えた冷却装置であって、
   前記冷媒パイプは、長いパイプを全体として面形状に形成したものであり、該面形状の一面側がハウジングにより覆われ、他面側が前記被冷却体との接触部とされ、
   前記冷媒パイプは、圧縮機、熱交換器、冷媒ポンプ等の冷却機器とで冷媒を循環させる冷凍サイクルを構成しており、
   前記ハウジングと前記接触部との間の空隙には、空気よりも熱伝導率の高い不凍液もしくは不活性液体からなる液体が充填されており、
   前記冷却装置は、前記ハウジングと前記接触部との間の空隙に充填された前記液体を循環させる循環路と流動体ポンプを更に備えていることを特徴とする冷却装置。
2. 前記冷媒パイプは、該冷媒パイプを螺旋状に形成した面形状であることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記冷媒パイプは、該冷媒パイプをジグザグ状に形成した面形状であることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
4. 前記冷媒パイプは、前記面形状の隣接する各パイプを平行な方向にジグザグ状に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の冷却装置。
5. 前記冷媒パイプは、前記面形状の隣接するパイプ間が相互に間隔を置いて配置されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
6. 前記冷媒パイプは、該冷媒パイプの前記被冷却体との接触部が該被冷却体と面として接触できる断面形状であることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
7. 前記断面形状は、楕円形状、三角形状や四角形状等の多角形状であることを特徴とする請求項６に記載の冷却装置。
8. 前記被冷却体は、電動機器であることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
9. 前記電動機器は、バッテリ、モータ及び／又はインバータであることを特徴とする請求項８に記載の冷却装置。
10. 請求項１に記載の冷却装置を備えたモータであって、
    前記モータは、回転するロータと、該ロータの周囲に配置されるステータと、該ロータと該ステータとを覆うモータケースと、を有するモータ本体を備え、
    前記冷却装置は、前記冷媒パイプの前記面形状の前記接触部を、前記モータケースの外周に接触して配置していることを特徴とするモータ。
11. 前記冷媒パイプは、該冷媒パイプを螺旋状に形成した面形状であり、前記面形状の隣接するパイプ間が相互に間隔を置いて配置されていることを特徴とする請求項１０に記載のモータ。
12. 前記冷却装置は、前記液体を冷却するラジェータを更に備えていることを特徴とする請求項１１に記載のモータ。
13. 前記冷媒パイプは、該冷媒パイプをジグザグ状に形成した面形状であり、前記面形状の隣接するパイプ間が相互に間隔を置いて配置されていることを特徴とする請求項１０に記載のモータ。
14. 前記冷媒パイプは、前記面形状の隣接する各パイプが前記ロータの回転軸線方向と平行な方向もしくはその方向と直行する方向にジグザグ状に形成されていることを特徴とする請求項１３に記載のモータ。
15. 前記モータは、前記ハウジングと前記接触部との間の空隙以外に、前記ハウジングの内周面と前記モータケースの外周面との間に前記液体の循環路を備えていることを特徴とする請求項１４に記載のモータ。
16. 前記冷却装置は、前記液体を冷却するラジェータを更に備えていることを特徴とする請求項１４に記載のモータ。
17. 前記モータは、前記ラジエータを通過した前記液体を前記冷却装置の前記冷媒で冷却する熱交換器を備えていることを特徴とする請求項１６に記載のモータ。
18. 前記モータ本体と前記冷却装置の前記ハウジングとの間に、インバータ本体が介在配置されていることを特徴とする請求項１７に記載のモータ。
19. 請求項１に記載の冷却装置を備えたインバータであって、
    前記インバータは、基板と電気素子とインバータケースとを有するインバータ本体を備え、
    前記冷却装置は、前記冷媒パイプの前記面形状の前記接触部を、前記インバータケースの外周に接触して配置していることを特徴とするインバータ。
20. 前記冷媒パイプは、該冷媒パイプをジグザグ状に形成した面形状であり、前記面形状の隣接するパイプ間が相互に間隔を置いて配置され、
    前記冷却装置は、前記液体を冷却するラジェータを更に備えていることを特徴とする請求項１９に記載のインバータ。

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