JPWO2012101795A1 - 冷却装置 - Google Patents
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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
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。
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。
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。
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 (8)
- 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。
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