JP6653312B2 - 車両用回転電機の冷却システム - Google Patents

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Description

本発明は、車両用回転電機の冷却システムに関する。
従来、HEV(Hybrid Electric Vehicle)やEV(electric vehicle)に搭載されるモータの冷却効率を高めるために、モータ冷却用の冷却水やオイルを、車内空調用の冷凍サイクルを利用して冷却する技術が知られている(特許文献1及び特許文献2参照)。
特開2011−240777号公報 特開2004−357458号公報
しかしながら、特許文献1では、モータ冷却水と冷凍サイクルの冷媒との間で熱交換が行われるため損失が大きいという問題がある。また、特許文献2の従来技術では、冷凍サイクルの高圧側液化冷媒を用いてモータ冷却オイルを冷却しているため、低圧側の気化潜熱を利用して効率的にモータを冷却することができないという問題がある。
本発明は、車両用回転電機を効率的に冷却することができる冷却システムを提供する。
本発明は、
冷媒を圧縮するコンプレッサと、圧縮された冷媒を凝縮させるラジエータと、凝縮された冷媒を膨張させる第1エキスパンションバルブと、膨張された冷媒を蒸発させる第1エバポレータと、を備える空調用冷凍サイクル装置と、
車両用回転電機を冷却する回転電機冷却機構と、を備える車両用回転電機の冷却システムであって、
該空調用冷凍サイクル装置は、前記ラジエータと前記第1エキスパンションバルブとの間に設けられた上流側流路と、前記第1エバポレータと前記コンプレッサとの間に設けられた下流側流路と、を接続する分岐流路を有し、
前記回転電機冷却機構は、上流側から順に第2エキスパンションバルブと第2エバポレータとを有し、
前記回転電機冷却機構は、前記分岐流路に設けられ、
前記車両用回転電機に前記第2エバポレータが配置され
前記上流側流路と前記分岐流路との分岐部と、前記第1エキスパンションバルブと、の間には冷媒の流れを遮断可能な第1開閉弁が設けられ、
前記分岐部と、前記第2エキスパンションバルブと、の間には冷媒の流れを遮断可能な第2開閉弁が設けられ、
前記第2エバポレータと、前記下流側流路と前記分岐流路との合流部と、の間には冷媒の流れを遮断可能な第3開閉弁が設けられ、
前記第1エバポレータと、前記合流部と、の間には冷媒の流れを遮断可能な第4開閉弁が設けられている。
本発明によれば、回転電機冷却機構は空調用冷凍サイクル装置から分岐した分岐流路に配置されているので、空調用冷凍サイクル装置を利用して車両用回転電機を冷却することができる。また、車両用回転電機を冷却する第2エバポレータが第2エキスパンションバルブの下流側に設けられているので、低圧側気化冷媒を用いて効率的に車両用回転電機を冷却することができる。
第1実施形態の車両用回転電機の冷却システムの構成図である。 図1に示す冷却システムが備える第2エバポレータの正面図である。 図2に示す第2エバポレータの斜視図である。 図2及び図3に示す第2エバポレータ内を流れる冷媒とコイルエンドとの間で生じる熱交換を模式的に示す断面図である。 図1に示す冷却システムの動作内容を例示するフロー図である。 第2実施形態の車両用回転電機の冷却システムが備える第2エバポレータの正面図である。 第3実施形態の車両用回転電機の冷却システムが備える第2エバポレータにおける冷媒の流れの向きを示す正面図である。
以下、本発明の車両用回転電機の冷却システム(以下、単に「冷却システム」と称す)の各実施形態を、添付図面に基づいて説明する。
[第1実施形態]
先ず、本発明の第1実施形態の冷却システムについて図1〜図5を参照しながら説明する。
[構成]
先ず、本実施形態に係る冷却システムの構成について説明する。
図1に示すように、本実施形態に係る冷却システム10は、空調用冷凍サイクル装置100と、車両用回転電機1を冷却する回転電機冷却機構200と、を備える。
空調用冷凍サイクル装置100は、冷媒Rを圧縮するコンプレッサ110と、圧縮された冷媒Rを凝縮させるラジエータ120と、冷媒Rを膨張させる第1エキスパンションバルブ130と、第1エキスパンションバルブ130により膨張された冷媒Rを蒸発させる第1エバポレータ140と、を備える。なお、ラジエータ120の直下流には、ラジエータ120からの冷媒Rを気液分離するレシーバ150が設けられており、レシーバ150から液化冷媒LRが第1エキスパンションバルブ130に供給される。また、第1エキスパンションバルブ130は、第1エバポレータ140の冷媒出口側の冷媒温度を感知する感熱筒131を備え、感熱筒131の感知した温度に応じて開度が自動調節される。
空調用冷凍サイクル装置100は、ラジエータ120と第1エキスパンションバルブ130との間に設けられた上流側流路151と、第1エバポレータ140とコンプレッサ110との間に設けられた下流側流路152と、を接続する分岐流路160を有する。
回転電機冷却機構200は、分岐流路160に設けられている。回転電機冷却機構200は、上流側から順に第2エキスパンションバルブ210と第2エバポレータ220とを有し、車両用回転電機1に第2エバポレータ220が配置されている。即ち、車両用回転電機1と熱交換する熱交換部としての第2エバポレータ220が第2エキスパンションバルブ210の下流側に配置されている。第2エキスパンションバルブ210は、冷媒Rを膨張させる。第2エバポレータ220は、第2エキスパンションバルブ210により膨張された冷媒Rを、車両用回転電機1の熱で蒸発させる。その気化熱により車両用回転電機1が冷却される。なお、第2エキスパンションバルブ210には、レシーバ150から液化冷媒LRが供給される。第2エキスパンションバルブ210は、第2エバポレータ220の冷媒出口側の冷媒温度を感知する感熱筒211を備え、感熱筒211の感知した温度に応じて開度が自動調節される。
上流側流路151と分岐流路160との分岐部151aと、第1エキスパンションバルブ130と、の間には、冷媒Rの流れを遮断可能な第1開閉弁171が設けられている。分岐部151aと第2エキスパンションバルブ210との間には、冷媒Rの流れを遮断可能な第2開閉弁172が設けられている。第2エバポレータ220と、下流側流路152と分岐流路160との合流部152aと、の間には冷媒Rの流れを遮断可能な第3開閉弁173が設けられている。第1エバポレータ140と合流部152aとの間には、冷媒Rの流れを遮断可能な第4開閉弁174が設けられている。第1〜第4開閉弁171〜174は、各々ソレノイド181〜184により開閉される。ソレノイド181〜184は、図示しない制御装置により制御される。第1〜第4開閉弁171〜174の開閉を制御することで、空調用冷凍サイクル装置100の第1エバポレータ140及び回転電機冷却機構200の第2エバポレータ220に選択的に冷媒Rを流すことができる。
図2及び図3に示すように、車両用回転電機1は、ロータ3と、コイル5が巻回されたステータ7と、を備えている。第2エバポレータ220は、ステータ7の一端側から突出するコイルエンド9に対向するように配置されている。第2エバポレータ220は、円弧状の2つのエバポレータ221、222によって構成されている。両エバポレータ221、222は、第2開閉弁172と第3開閉弁173との間に並列に接続され、コイルエンド9を外周側から囲むように配置され、且つ上下両側から挟むように締結部材230によってコイルエンド9に付勢されている。エバポレータ221、222はコイルエンド9に触接接触させてもよいし、熱伝導率の高い部材を挟んで間接的に接触させてもよい。
このように、第2エバポレータ220がコイルエンド9に対向するように配置されていることにより、第2エバポレータ220内を流れる冷媒Rによってコイル5の発熱を抑制し、車両用回転電機1を効率的に冷却することができる。即ち、図4に示すように、コイルエンド9からの熱Hを、コイルエンド9に対向して流れる第2エバポレータ220内の液化冷媒LRが吸収し気化冷媒GRとなって運び去ることにより、コイルエンド9を効果的に冷却することができる。また、円弧状の2つのエバポレータ221、222が並列に接続されているので、エバポレータ221、222の上流側と下流側の温度差を低減でき、コイルエンド9をより効果的に冷却できる。また、円弧状の2つのエバポレータ221、222がコイルエンド9を外周側から囲むように配置されているので、コイルエンド9を全体的に冷却することができる。さらに、円弧状の2つのエバポレータ221、222がコイルエンド9を挟むように締結部材230によってコイルエンド9に付勢されているので、エバポレータ221、222をコイルエンド9に直接的に間接的に接触させて、コイルエンド9をより効果的に冷却できる。
なお、本実施形態では、第2エバポレータ220をステータ7の一端側から突出するコイルエンド9のみに対向するように配置したが、第2エバポレータ220をステータ7の他端側から突出するコイルエンド9にも対向するように配置してよい。また、第2エバポレータ220はコイルエンド9の内周側に配置してもよく、車両用回転電機1の軸方向でコイルエンド9に対向するように配置してもよい。
[動作]
次に、上記のように構成された冷却システム10の動作について、図5を参照しつつ説明する。以下の一連のステップS1〜S10からなる制御が図示しない制御装置によりなされる。
ステップS1では、車両用回転電機1のコイル5の温度(以下、「コイル温度」と称す)Tmが所定の温度(以下、「冷却開始温度」と称す)Thに達したか否か監視する。コイル温度Tmが冷却開始温度Thに達したならば(S1でYes)、ステップS2に進む。コイル温度Tmが冷却開始温度Thに達していなければ(S1でNo)、ステップS3に進む。
ステップS2では、第2開閉弁172及び第3開閉弁173を開状態にして、ステップS4に進む。第2開閉弁172及び第3開閉弁173が開かれることで、回転電機冷却機構200の第2エバポレータ220に冷媒Rが流れる状態になる。
ステップS3では、第2開閉弁172及び第3開閉弁173を閉状態にして、ステップS4に進む。第2開閉弁172及び第3開閉弁173が閉じられることで、回転電機冷却機構200の第2エバポレータ220に冷媒Rが流れない状態になる。
ステップS4では、空調要求の有無を判断する。空調要求があるならば(S4でYes)、ステップ5に進む。空調要求がなければ(S4でNo)、ステップ6に進む。
ステップS5では、第1開閉弁171及び第4開閉弁174を開状態にして、ステップS7に進む。第1開閉弁171及び第4開閉弁174が開かれることで、空調用冷凍サイクル装置100の第1エバポレータ140に冷媒Rが流れる状態になる。
ステップS6では、第1開閉弁171及び第4開閉弁174を閉状態にして、ステップS7に進む。第1開閉弁171及び第4開閉弁174が閉じられることで、空調用冷凍サイクル装置100の第1エバポレータ140に冷媒Rが流れない状態になる。
ステップS7では、冷却システム10の運転状態に応じて必要な冷媒流量が決定される。すなわち、空調用冷凍サイクル装置100及び回転電機冷却機構200を同時に作動させる運転状態(S1:Yes、S4:Yes)においては、空調用冷凍サイクル装置100及び回転電機冷却機構200の運転に必要な冷媒流量が決定される。また、空調用冷凍サイクル装置100だけを作動させる運転状態(S1:No、S4:Yes)においては、空調用冷凍サイクル装置100の運転に必要な冷媒流量が決定される。また、回転電機冷却機構200だけを作動させる運転状態(S1:Yes、S4:No)においては、回転電機冷却機構200の運転に必要な冷媒流量が決定される。その後、ステップS8に進み、コンプレッサ110を駆動する。コンプレッサ110が駆動され運転状態に応じた流路を冷媒Rが循環することにより、空調用冷凍サイクル装置100による空調及び回転電機冷却機構200による車両用回転電機1の冷却が選択的に行われる。
このように、本実施形態によれば、車両用回転電機1のコイル温度Tmが冷却開始温度Thに達したら、回転電機冷却機構200による車両用回転電機1の冷却が実施される。回転電機冷却機構200は空調用冷凍サイクル装置100から分岐した分岐流路160に配置されているので、空調用冷凍サイクル装置100を利用して車両用回転電機1を冷却することができる。また、車両用回転電機1を冷却する第2エバポレータ220が第2エキスパンションバルブの210下流側に設けられているので、効率的に車両用回転電機1を冷却することができる。
[第2実施形態]
次に、本発明の冷却システムの第2実施形態について説明する。図6に示すように、第2実施形態では、第2エバポレータ220が、円弧状の3つのエバポレータ241〜243によって構成されている。これら3つのエバポレータ241〜243は、第2開閉弁172と第3開閉弁173との間に並列に接続され、コイルエンド9を外周側から囲むように配置され、且つ3方から挟むように締結部材230によってコイルエンド9に付勢されている。その他の構成は第1実施形態と同様である。この実施形態によれば、コイルエンド9の温度分布をより均一化し効率的に冷却できる。
[第3実施形態]
次に、本発明の冷却システムの第3実施形態について説明する。図7に示すように、第3実施形態では、第2エバポレータ220を構成する2つのエバポレータ221、222に、流れる向きが互いに反対になるように冷媒Rを流している。その他の構成は第1実施形態と同様である。この実施形態によれば、冷媒Rの上流側と下流側との間に生じる温度勾配が相殺されるので、コイルエンド9の温度分布をより均一化し効率的に冷却できる。
なお、前述した実施形態は、適宜、変形、改良、等が可能である。例えば、第1実施形態では、コイル温度Tmが冷却開始温度Thに達したか否かを判断する処理(S1)及び第2開閉弁172及び第3開閉弁173を開状態又は閉状態にする処理(S2、S3)の後に、空調要求の有無を判断する処理(S4)及び第1開閉弁171及び第4開閉弁174を開状態又は閉状態にする処理(S5、S6)を行うこととしたが、前者の処理(S1、S2、S3)と後者の処理(S4、S5、S6)との順番を逆にしてもよい。
上記実施形態では、第1〜第4開閉弁171〜174によって空調用冷凍サイクル装置100と回転電機冷却機構200とを独立に制御可能としたが、空調用冷凍サイクル装置100と回転電機冷却機構200とを常時連動させる場合には、図1に記載の冷却システム10から、第1開閉弁171、第1エキスパンションバルブ130、第1エバポレータ140、第4開閉弁174とそれらが設けられた流路を省略することができる。この場合、第2エバポレータ220が、車両用回転電機1の熱交換部として機能するとともに、空調用冷凍サイクル装置100の熱交換部としても機能する。
本明細書には少なくとも以下の事項が記載されている。なお、括弧内には、上記した実施形態において対応する構成要素等を示しているが、これに限定されるものではない。
(1) 冷媒(冷媒R)を圧縮するコンプレッサ(コンプレッサ110)と、圧縮された冷媒を凝縮させるラジエータ(ラジエータ120)と、凝縮された冷媒を膨張させる第1エキスパンションバルブ(第1エキスパンションバルブ130)と、膨張された冷媒を蒸発させる第1エバポレータ(第1エバポレータ140)と、を備える空調用冷凍サイクル装置(空調用冷凍サイクル装置100)と、
車両用回転電機(車両用回転電機1)を冷却する回転電機冷却機構(回転電機冷却機構200)と、を備える車両用回転電機の冷却システム(冷却システム10)であって、
該空調用冷凍サイクル装置は、前記ラジエータと前記第1エキスパンションバルブとの間に設けられた上流側流路(上流側流路151)と、前記第1エバポレータと前記コンプレッサとの間に設けられた下流側流路(下流側流路152)と、を接続する分岐流路(分岐流路160)を有し、
前記回転電機冷却機構は、上流側から順に第2エキスパンションバルブ(第2エキスパンションバルブ210)と第2エバポレータ(第2エバポレータ220)とを有し、
前記回転電機冷却機構は、前記分岐流路に設けられ、
前記車両用回転電機に前記第2エバポレータが配置されている、車両用回転電機の冷却システム。
(1)によれば、回転電機冷却機構は空調用冷凍サイクル装置から分岐した分岐流路に配置されているので、空調用冷凍サイクル装置を利用して車両用回転電機を冷却することができる。また、車両用回転電機を冷却する第2エバポレータが第2エキスパンションバルブの下流側に設けられているので、低圧側気化冷媒を用いて効率的に車両用回転電機を冷却することができる。
(2) (1)に記載の車両用回転電機の冷却システムであって、
前記上流側流路と前記分岐流路との分岐部と、前記第1エキスパンションバルブと、の間には冷媒の流れを遮断可能な第1開閉弁(第1開閉弁171)が設けられ、
前記分岐部と、前記第2エキスパンションバルブと、の間には冷媒の流れを遮断可能な第2開閉弁(第2開閉弁172)が設けられ、
前記第2エバポレータと、前記下流側流路と前記分岐流路との合流部と、の間には冷媒の流れを遮断可能な第3開閉弁(第3開閉弁173)が設けられ、
前記第1エバポレータと、前記合流部と、の間には冷媒の流れを遮断可能な第4開閉弁(第4開閉弁174)が設けられている、車両用回転電機の冷却システム。
(2)によれば、必要に応じて第1〜第4開閉弁を制御することで、空調用の第1エバポレータと回転電機冷却機構の第2エバポレータに選択的に冷媒を流すことができ、車両用回転電機の冷却を効率的に冷却することができる。
(3) (1)に記載の車両用回転電機の冷却システムであって、
前記車両用回転電機は、ロータ(ロータ3)と、コイル(コイル5)が巻回されたステータ(ステータ7)と、を備え、
前記第2エバポレータは、前記ステータの一端側から突出するコイルエンド(コイルエンド9)に対向するように配置されている、車両用回転電機の冷却システム。
(3)によれば、第2エバポレータがコイルエンドに対向するように配置されているので、コイルの発熱を抑制することができる。
(4) (3)に記載の車両用回転電機の冷却システムであって、
前記第2エバポレータは、少なくとも2つの円弧状のエバポレータ(221、222)によって構成され、
前記少なくとも2つの円弧状のエバポレータは、並列に接続されている、車両用回転電機の冷却システム。
(4)によれば、少なくとも2つの円弧状のエバポレータが並列に接続されているので、エバポレータの上流側と下流側の温度差を低減でき、コイルエンドをより効果的に冷却できる。
(5) (3)又は(4)に記載の車両用回転電機の冷却システムであって、
前記第2エバポレータは、2つの円弧状のエバポレータによって構成され、
前記2つの円弧状のエバポレータは、前記コイルエンドを外周側から囲むように配置されている、車両用回転電機の冷却システム。
(5)によれば、2つの円弧状のエバポレータがコイルエンドを外周側から囲むように配置されているので、コイルエンドを全体的に冷却することができる。
(6) (5)に記載の車両用回転電機の冷却システムであって、
前記2つの円弧状のエバポレータは、前記コイルエンドを挟むように締結部材(締結部材230)によって前記コイルエンドに付勢されている、車両用回転電機の冷却システム。
(6)によれば、2つの円弧状のエバポレータがコイルエンドを挟むように締結部材によってコイルエンドに付勢されているので、エバポレータをコイルエンドに直接的に又は間接的に接触させることでコイルエンドをより効果的に冷却できる。
(7) 車両用回転電機の冷却システム(冷却システム10)であって、
冷媒を圧縮するコンプレッサ(コンプレッサ110)と、
圧縮された冷媒を凝縮させるラジエータ(ラジエータ120)と
凝縮された冷媒を膨張させるエキスパンションバルブ(第2エキスパンションバルブ210)と、
膨張された冷媒を蒸発させるエバポレータ(第2エバポレータ220)と、を備え、
前記エキスパンションバルブよりも下流側に、前記車両用回転電機と熱交換する熱交換部(第2エバポレータ220)が設けられている、車両用回転電機の冷却システム。
(7)によれば、車両用回転電機と熱交換する熱交換部がエキスパンションバルブの下流側に設けられているので、低圧側液化冷媒又は低圧側気化冷媒を用いて効率的に車両用回転電機を冷却することができる。
(8) (7)に記載の車両用回転電機の冷却システムであって、
前記熱交換部は、前記エバポレータである、車両用回転電機の冷却システム。
(8)によれば、熱交換部をエバポレータとすることで、最も効率よく車両用回転電機を冷却することができる。
1 車両用回転電機
3 ロータ
5 コイル
7 ステータ
9 コイルエンド
10 冷却システム
100 空調用冷凍サイクル装置
110 コンプレッサ
120 ラジエータ
130 第1エキスパンションバルブ
140 第1エバポレータ
151 上流側流路
152 下流側流路
160 分岐流路
171 第1開閉弁
172 第2開閉弁
173 第3開閉弁
174 第4開閉弁
200 回転電機冷却機構
210 第2エキスパンションバルブ
220 第2エバポレータ(熱交換部)
221、222 エバポレータ
241〜243 エバポレータ
230 締結部材
GR 気化冷媒
LR 液化冷媒
R 冷媒

Claims (4)

  1. 冷媒を圧縮するコンプレッサと、圧縮された冷媒を凝縮させるラジエータと、凝縮された冷媒を膨張させる第1エキスパンションバルブと、膨張された冷媒を蒸発させる第1エバポレータと、を備える空調用冷凍サイクル装置と、
    車両用回転電機を冷却する回転電機冷却機構と、を備える車両用回転電機の冷却システムであって、
    該空調用冷凍サイクル装置は、前記ラジエータと前記第1エキスパンションバルブとの間に設けられた上流側流路と、前記第1エバポレータと前記コンプレッサとの間に設けられた下流側流路と、を接続する分岐流路を有し、
    前記回転電機冷却機構は、上流側から順に第2エキスパンションバルブと第2エバポレータとを有し、
    前記回転電機冷却機構は、前記分岐流路に設けられ、
    前記車両用回転電機に前記第2エバポレータが配置され
    前記上流側流路と前記分岐流路との分岐部と、前記第1エキスパンションバルブと、の間には冷媒の流れを遮断可能な第1開閉弁が設けられ、
    前記分岐部と、前記第2エキスパンションバルブと、の間には冷媒の流れを遮断可能な第2開閉弁が設けられ、
    前記第2エバポレータと、前記下流側流路と前記分岐流路との合流部と、の間には冷媒の流れを遮断可能な第3開閉弁が設けられ、
    前記第1エバポレータと、前記合流部と、の間には冷媒の流れを遮断可能な第4開閉弁が設けられている、車両用回転電機の冷却システム。
  2. 冷媒を圧縮するコンプレッサと、圧縮された冷媒を凝縮させるラジエータと、凝縮された冷媒を膨張させる第1エキスパンションバルブと、膨張された冷媒を蒸発させる第1エバポレータと、を備える空調用冷凍サイクル装置と、
    車両用回転電機を冷却する回転電機冷却機構と、を備える車両用回転電機の冷却システムであって、
    該空調用冷凍サイクル装置は、前記ラジエータと前記第1エキスパンションバルブとの間に設けられた上流側流路と、前記第1エバポレータと前記コンプレッサとの間に設けられた下流側流路と、を接続する分岐流路を有し、
    前記回転電機冷却機構は、上流側から順に第2エキスパンションバルブと第2エバポレータとを有し、
    前記回転電機冷却機構は、前記分岐流路に設けられ、
    前記車両用回転電機に前記第2エバポレータが配置され
    前記車両用回転電機は、ロータと、コイルが巻回されたステータと、を備え、
    前記第2エバポレータは、前記ステータの一端側から突出するコイルエンドに対向するように配置され、
    前記第2エバポレータは、少なくとも2つの円弧状のエバポレータによって構成され、
    前記少なくとも2つの円弧状のエバポレータは、並列に接続されている、車両用回転電機の冷却システム。
  3. 冷媒を圧縮するコンプレッサと、圧縮された冷媒を凝縮させるラジエータと、凝縮された冷媒を膨張させる第1エキスパンションバルブと、膨張された冷媒を蒸発させる第1エバポレータと、を備える空調用冷凍サイクル装置と、
    車両用回転電機を冷却する回転電機冷却機構と、を備える車両用回転電機の冷却システムであって、
    該空調用冷凍サイクル装置は、前記ラジエータと前記第1エキスパンションバルブとの間に設けられた上流側流路と、前記第1エバポレータと前記コンプレッサとの間に設けられた下流側流路と、を接続する分岐流路を有し、
    前記回転電機冷却機構は、上流側から順に第2エキスパンションバルブと第2エバポレータとを有し、
    前記回転電機冷却機構は、前記分岐流路に設けられ、
    前記車両用回転電機に前記第2エバポレータが配置され
    前記車両用回転電機は、ロータと、コイルが巻回されたステータと、を備え、
    前記第2エバポレータは、前記ステータの一端側から突出するコイルエンドに対向するように配置され、
    前記第2エバポレータは、2つの円弧状のエバポレータによって構成され、
    前記2つの円弧状のエバポレータは、前記コイルエンドを外周側から囲むように配置されている、車両用回転電機の冷却システム。
  4. 請求項に記載の車両用回転電機の冷却システムであって、
    前記2つの円弧状のエバポレータは、前記コイルエンドを挟むように締結部材によって前記コイルエンドに付勢されている、車両用回転電機の冷却システム。
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