(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、冷却を効果的に行うことのできる電動機付ターボチャージャを提供すること。【解決手段】  本発明の電動機付ターボチャージャ１は、タービン／コンプレッサ４，５の回転軸６を出力軸とする電動機７を内蔵したターボチャージャ１であり、回転軸６のタービンホイール５寄りに配設された排気側冷却液路１０と、モータ７の周囲に配設されたモータ側冷却液路１１とを備えており、排気側冷却液路１０とモータ側冷却液路１１とが冷却液流路上で直列に配置され、モータ側冷却液路１１が排気側冷却液路１０よりも上流側に配置されていることを特徴としている。【選択図】      図１
2006090274.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン／コンプレッサの回転軸を出力軸とする電動機を内蔵したターボチャージャにおいて、
前記タービン／コンプレッサ及び前記電動機を内蔵するハウジングと、前記ハウジング内部の前記回転軸周囲のタービンホイール寄りに配設された排気側冷却液路と、前記ハウジング内部の前記モータの周囲に配設されたモータ側冷却液路とを備えており、前記排気側冷却液路と前記モータ側冷却液路とが冷却液流路上で直列に配置され、前記モータ側冷却液路が前記排気側冷却液路よりも上流側に配置されていることを特徴とする電動機付ターボチャージャ。
【請求項２】
タービン／コンプレッサの回転軸を出力軸とする電動機を内蔵したターボチャージャにおいて、
前記タービン／コンプレッサ及び前記電動機を内蔵するハウジングと、前記ハウジング内部の前記回転軸周囲のタービンホイール寄りに配設された排気側冷却液路と、前記ハウジング内部の前記モータの周囲に配設されたモータ側冷却液路とを備えており、前記排気側冷却液路と前記モータ側冷却液路とが冷却液流路上で連通路を介して直列に配置され、前記連通路が、前記ハウジング内部の前記回転軸よりも下方に配設され、かつ、前記回転軸よりも上方には配設されていないことを特徴とする電動機付ターボチャージャ。
【請求項３】
前記モータ側冷却液路が前記排気側冷却液路よりも上流側に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の電動機付ターボチャージャ。
【請求項４】
前記排気側冷却液路及び前記モータ側冷却液路への冷却液導入孔が前記回転軸よりも下方に配設されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の電動機付ターボチャージャ。
【請求項５】
前記排気側冷却液路及び前記モータ側冷却液路からの冷却液導出孔が前記回転軸よりも上方に配設されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の電動機付ターボチャージャ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービン／コンプレッサの回転軸を出力軸とする電動機を内蔵したターボチャージャに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
エンジン（内燃機関）の吸入空気量をターボチャージャで過給して、高出力（あるいは、低燃費）を得ようとする試みは以前から常用されている。ターボチャージャの改善が要望されている点の一つとして、低回転域の過給圧の立ち上がりが悪く、低回転域でのエンジン出力特性が良好でないというものがある。これは、排気エネルギーを利用して吸入空気を過給するというターボチャージャの原理上、排気エネルギーの少ない低回転域で発生する現象であった。これを改善するために、ツインターボ化などが一般に行われているが、タービン／コンプレッサに電動機（モータ）を組み込んで強制的にタービンを駆動して所望の過給圧を得ようとする試みもなされている。このような電動機付ターボチャージャとしては［特許文献１］に記載のようなものがある。
【特許文献１】特開２０００−１３０１７６号公報
【０００３】
しかし、このような電動機付ターボチャージャにおいては、電動機が高温に曝されるために電動機の種類によっては、例えば、電動機内部の永久磁石が減磁（あるいは消磁）したり、温度上昇に伴う電動機の効率低下を招くという問題があった。また、モータに付随するハーネス類の被覆が溶解してしまう懸念もある。さらに、電動機をインダクションモーター（誘導モーター）とした場合などは、回転子として用いられる積層鋼板を固めている耐熱性の低いラミネート材が溶けたりするという問題も懸念される。このため、上述した［特許文献１］に記載のターボチャージャなどでは、ターボチャージャのハウジング内におけるモータの周囲に冷却用のウォータージャケット（冷却液流路）が配設されている。また、排気熱の影響を受けるタービンホイール近傍にも、通常のターボチャージャと同様に冷却用のウォータージャケット（冷却液流路）が配設されており、二つのウォータージャケットは連通路を介して連通されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上述した［特許文献１］に記載のターボチャージャなどでは、連通路を介して排気側の熱を吸収した冷却液が、熱対流などによって連通路を介してモータ側のウォータージャケットに流入し、かえってモータを加熱してしまうことがあった。特に、高速運転後などにエンジンを停止させた場合などは、ポンプの停止に伴って冷却液の循環が停止されるが、このとき排気熱で暖められた冷却液がターボチャージャの上方に位置する連通路を介して熱対流によってモータ側のウォータージャケットに流入する。この結果、すぐにエンジンが再始動された場合などは、モータが加熱されてしまっており、モータによる過給促進効果が低減されるおそれがあった。従って、本発明の目的は、冷却を効果的に行うことのできる電動機付ターボチャージャを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１に記載の発明は、タービン／コンプレッサの回転軸を出力軸とする電動機を内蔵したターボチャージャであり、回転軸のタービンホイール寄りに配設された排気側冷却液路と、モータの周囲に配設されたモータ側冷却液路とを備えており、排気側冷却液路とモータ側冷却液路とが冷却液流路上で直列に配置され、モータ側冷却液路が排気側冷却液路よりも上流側に配置されていることを特徴としている。
【０００６】
また、請求項２に記載の発明は、タービン／コンプレッサの回転軸を出力軸とする電動機を内蔵したターボチャージャであり、回転軸のタービンホイール寄りに配設された排気側冷却液路と、モータの周囲に配設されたモータ側冷却液路とを備えており、排気側冷却液路とモータ側冷却液路とが冷却液流路上で連通路を介して直列に配置され、連通路が、回転軸よりも下方に配設され、かつ、回転軸よりも上方には配設されていないことを特徴としている。
【０００７】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の電動機付ターボチャージャにおいて、排気側冷却液路及びモータ側冷却液路への冷却液導入孔が回転軸よりも下方に配設されていることを特徴としている。
【０００８】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の何れか一項に記載の電動機付ターボチャージャにおいて、排気側冷却液路及びモータ側冷却液路からの冷却液導出孔が回転軸よりも上方に配設されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１に記載の電動機付ターボチャージャによれば、モータ側冷却液路と排気側冷却液路が冷却液流路上で直列に配置され、かつ、モータ側冷却液路が排気側冷却液路よりも上流側に配置されているので、まず、温度の低いモータ周辺を冷却した後に温度の高いタービン周辺を冷却することになる。タービン周辺の温度は非常に高いため、モータ周辺を冷却した後の冷却液であっても十分な冷却が行える。このようにすることで、電動機付ターボチャージャ全体を効率よく冷却することができる。
【００１０】
請求項２に記載の電動機付ターボチャージャによれば、排気側冷却液路とモータ側冷却液路とが冷却液流路上で連通路を介して直列に配置され、連通路が、ハウジング内部の回転軸よりも下方に配設され、かつ、回転軸よりも上方には配設されていないので、排気側冷却液路及びモータ側冷却液路の内部で温度の高い上方部での混ざり合いが無く、モータ周辺とタービン周辺とを効率よく冷却できる。上述したように、タービン周辺の温度は非常に高温であるため、排気側冷却液路内の冷却液とモータ側冷却液路内の冷却液とが上方部で混ざり合ってしまうと、モータ側の冷却液温度が高くなりすぎてモータ側の冷却を効率よく行えなくなってしまう。本発明のようにすれば、これを防止してモータ周辺とタービン周辺とを効率よく冷却できる。
【００１１】
また、高速運転後などにエンジンを停止させた場合などは、ポンプの停止に伴って冷却液の循環が停止されるが、このとき温度の高い冷却液は熱対流によってターボチャージャの上方に移動する。このとき、本発明では連通路が上方ではなく下方に配置されているので、排気側冷却液路内の冷却液とモータ側冷却液路内の冷却液とが混ざり合うのが抑制される。この結果、すぐにエンジンが再始動された場合でも、タービン側の高熱でモータが加熱されてしまうようなことがなく、モータによる過給促進効果が低減されるおそれもない。
【００１２】
請求項３に記載の電動機付ターボチャージャによれば、上述した連通路の位置による冷却液の温度上昇防止効果に加えて、さらに効率よくターボチャージャを冷却することができる。即ち、モータ側冷却液路と排気側冷却液路が冷却液流路上で直列に配置され、かつ、モータ側冷却液路が排気側冷却液路よりも上流側に配置されているので、まず、温度の低いモータ周辺を冷却した後に温度の高いタービン周辺を冷却することになる。タービン周辺の温度は非常に高いため、モータ周辺を冷却した後の冷却液であっても十分な冷却が行える。このようにすることで、電動機付ターボチャージャ全体を効率よく冷却することができる。
【００１３】
請求項４に記載の電動機付ターボチャージャによれば、排気側冷却液路及びモータ側冷却液路への冷却液導入孔が回転軸よりも下方に配設されているので、冷却液は下方から各部の熱を奪いつつ上方に移動する。この移動は、熱対流によって促進されるため各部を効率よく冷却することができる。
【００１４】
請求項５に記載の電動機付ターボチャージャによれば、排気側冷却液路及びモータ側冷却液路からの冷却液導出孔が回転軸よりも上方に配設されているので、各液路内の温度の高い冷却液を積極的に導出することで新たな温度の低い冷却液の導入を施し、各部を効率よく冷却することができる。各液路内の冷却液は、熱対流によって上方の温度が高くなるため、上方に導出孔を配設することで温度の高い冷却液を積極的に導出させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明のターボチャージャの第一実施形態について以下に説明する。本実施形態のターボチャージャのターボユニット１を図１に示す。ターボユニット１は、通常のターボチャージャと同様に吸気通路２と排気通路３との間に架けて配設されている。ターボユニット１の内部には、両端にコンプレッサホイール４及びタービンホイール５とを有する回転軸６が貫通して配されている。この回転軸６のほぼ中央には、その出力軸が回転軸６に一致するようにモータ（電動機）７が内蔵されている。モータ７は、交流モータであり電動機としても発電機としても機能し得る。ターボユニット１は、排気エネルギーによってのみ過給を行う通常の過給機としても機能し得るが、モータ７によってコンプレッサホイール４を強制的に回転駆動することでさらなる過給を行うこともできる。
【００１６】
また、モータ７は、排気流によってタービンホイール５を回転させることで回生発電することも可能である。即ち、回生発電によって電力を回収することも可能である。モータ７は、回転軸６に固定されたロータ（永久磁石）７ａと、その周囲に配置されたステータ（鉄心に巻かれたコイル）７ｂとを主たる構成部分として有している。これらのコンプレッサホイール４・タービンホイール５・回転軸６・モータ７は、ハウジング８の内部に収納されている。回転軸６は、ハウジング８に対して一対のベアリング９で回転可能に保持されている。各ベアリング９は、回転軸６の軸受として回転軸６の両端近傍にそれぞれ位置し、その間に上述したモータ７が内蔵されている。また、ハウジング８の内部において、モータ７が収納されている部分は他の部分と隔絶されている。
【００１７】
上述したように、モータ７が高温に曝されると、モータ７内部の永久磁石が減磁（あるいは消磁）したり、温度上昇に伴う効率低下を招いてしまう。このため、ハウジング８の内部には、冷却液が循環される排気側冷却液路１０とモータ側冷却液路１１とが配設されている。そして、排気側冷却液路１０とモータ側冷却液路１１とは、連通路１２によって連通されている。排気側冷却液路１０は、タービンホイール５のモータ７側に、回転軸６の周囲を囲むようにしてリング状の空間として形成されている。モータ側冷却液路１１は、モータ７のステータ７ｂの外側に、回転軸６の周囲を囲むようにして円筒状の空間として形成されている。
【００１８】
排気側冷却液路１０とモータ側冷却液路１１とを連通させる連通路１２は、ターボユニット１の下方部（車載状態における下方部：以下、説明中の上方・下方は車載状態における上方・下方を指す）に配置されている。なお、ここに言う下方部とは、回転軸６よりも下方のことである。また、連通路１２は、回転軸６よりも上方には位置していない。なお、本実施形態の連通路１２は、回転軸６の下方において、円筒状空間であるモータ側冷却液路１１の半径の半分程度を占める流路として一つだけ形成されている。ただし、回転軸よりも下方であれば、連通路が複数設けられても構わない。
【００１９】
また、モータ側冷却液路１１の最下部には、排気側冷却液路１０及びモータ側冷却液路１１の内部に循環される冷却液を導入する冷却液導入孔１３が形成されている。さらに、排気側冷却液路１０の最上部には、冷却液を導出させる冷却液導出孔１４が形成されている。冷却液は、冷却液導入孔１３→モータ側冷却液路１１→連通路１２→排気側冷却液路１０→冷却液導出孔１４の順に循環する。即ち、モータ側冷却液路１１は、冷却液流路上で排気側冷却液路１０よりも上流側に位置している。
【００２０】
なお、ハウジング８の内部には、ベアリング９に潤滑油を供給するオイルギャラリ１５も形成されている。オイルギャラリ１５を介してベアリング９に供給された潤滑油は、ハウジング８内を滴下し、ハウジング８の最下部に形成されたオイル排出口１６からハウジング８外に排出される。
【００２１】
本実施形態のように、モータ側冷却液路１１と排気側冷却液路１０とを冷却液流路上で直列に配置し、かつ、モータ側冷却液路１１を排気側冷却液路１０よりも上流側に配置させることで、比較的温度の低いモータ７周辺を冷却した後に温度の高いタービンホイール５周辺を冷却し、ターボチャージャ全体を効率よく冷却することができる。
【００２２】
また、本実施形態のように、排気側冷却液路１０とモータ側冷却液路１１とを連通させる連通路１２を回転軸６よりも下方に配設する（かつ、回転軸６よりも上方には配設させない）ことで、排気側冷却液路１０及びモータ側冷却液路１１内部の冷却液温度の高い部分での冷却液の混ざり合いを防止できる。タービンホイール５周辺の温度は非常に高温であるため、排気側冷却液路１０内の冷却液とモータ側冷却液路１１内の冷却液とが上方部で混ざり合ってしまうと、モータ７側の冷却液温度が高くなりすぎてモータ７側の冷却を効率よく行えなくなってしまう。本実施形態のようにすれば、これを防止してモータ７周辺とタービンホイール５周辺とを効率よく冷却できる。
【００２３】
また、高速運転後などにエンジンを停止させた場合などは、冷却液循環ポンプの停止に伴って冷却液の循環が停止されるが、このとき、排気側冷却液路１０及びモータ側冷却液路１１内部の高温の冷却液は熱対流によって液路内の上方に移動する。本実施形態では連通路１２が下方に配設され、かつ、上方には配設されていないので、排気側冷却液路１０内の冷却液とモータ側冷却液路１１内の冷却液とが混ざり合うことが抑制され、すぐにエンジンが再始動された場合でも、タービンホイール５側の高熱でモータ７が加熱されてしまうようなことがなく、モータ７による過給促進効果が低減されるおそれがない。
【００２４】
さらに、本実施形態のように、モータ側冷却液路１１（及び排気側冷却液路１０）への冷却液導入孔１３が回転軸６よりも下方に配設されているので、冷却液は下方からターボユニット１各部の熱を奪いつつ上方に移動し、この移動が熱対流によって促進されるため各部を効率よく冷却することができる。またさらに、本実施形態のように、冷却液導出孔１４を回転軸６よりも上方に配設させることで、液路内のより高温の冷却液を積極的に導出することで新たな温度の低い冷却液の導入を施し、ターボユニット１各部を効率よく冷却することができる。
【００２５】
次に、第二実施形態について以下に説明する。本実施形態のターボチャージャのターボユニット１を図２に示す。なお、本実施形態のターボユニット１は、上述した第一実施形態のターボユニット１に準じる構造を有している。このため、同一又は同等の構成部分には同一の符号を付してその説明を省略し、以下には特に異なる部分について詳しく説明する。
【００２６】
本実施形態のターボユニット１は、上述した第一実施形態における連通路１２に相当する部分がなく、排気側冷却液路１０とモータ側冷却液路１１とはハウジング８の内部では完全に独立している。このため、モータ側冷却液路１１の最上部に冷却液導出孔１７が設けられると共に排気側冷却液路１０の最下部に冷却液導入孔１８が設けられ、これらを連通させる配管（図示せず）がハウジング８の外部に配設されている。その他の部分に関しては上述した第一実施形態と同様の構成となっている。
【００２７】
本実施形態でも、モータ側冷却液路１１と排気側冷却液路１０とを冷却液流路上で直列に配置し、かつ、モータ側冷却液路１１を排気側冷却液路１０よりも上流側に配置させており、比較的温度の低いモータ７周辺を冷却した後に温度の高いタービンホイール５周辺を冷却し、ターボチャージャ全体を効率よく冷却することができる。
【００２８】
また、本実施形態では、モータ側冷却液路１１の上方部と排気側冷却液路１０の下方部とが外部配管によって連通されている。このため、モータ７周辺よりも高温となるタービンホイール５周辺を冷却する排気側冷却液路１０の上方部の高温の冷却液（熱対流で上方に移動）がモータ側冷却液路１１の内部の冷却液と混ざり合うことがない。このため、モータ７側の冷却液温度が高くなりすぎてモータ７側の冷却を効率よく行えなくなってしまうようなことがなく、モータ７周辺とタービンホイール５周辺とを効率よく冷却できる。高速運転後の再始動についても上述した第一実施形態と同様の効果が得られる。
【００２９】
さらに、本実施形態では、モータ側冷却液路１１への冷却液導入孔１３と、排気側冷却液路１０への冷却液導入孔１８とが何れも回転軸６よりも下方に配設されているので、冷却液は下方からターボユニット１各部の熱を奪いつつ上方に移動し、この移動が熱対流によって促進されるため各部を効率よく冷却することができる。またさらに、本実施形態では、モータ側冷却液路１１からの冷却液導出孔１７と、排気側冷却液路１０からの冷却液導出孔１４とが何れも回転軸６よりも上方に配設されているので、液路内のより高温の冷却液を積極的に導出する（次の冷却工程に導出する）ことで新たな温度の低い冷却液の導入を施し、ターボユニット１各部を効率よく冷却することができる。
【００３０】
次に、第三実施形態について以下に説明する。本実施形態のターボチャージャのターボユニット１を図３に示す。なお、本実施形態のターボユニット１についても、上述した第二実施形態のターボユニット１と同一又は同等の構成部分には同一の符号を付してその説明を省略する。本実施形態のターボユニット１は、モータ７０の搭載形態が異なる。本実施形態では、モータ７０が、吸気側にオフセットされてハウジング８内に収納されている。このため、モータ７０の容量は大きくできない（大きくすると回転軸６が長くなってしまう）が、排気側からの距離が離れるため熱的には有利である。
【００３１】
また、モータ７０をオフセットして内蔵させたため、回転軸６の軸受となる一対のベアリング９が、モータ７０とタービンホイール５との間に配設されている。このため、コンプレッサホイール４側は片持ち状に支持されている。さらに、上述した第二実施形態のターボユニット１では、回転軸６の潤滑のための潤滑油がミスト状にモータ７の周囲に充満するため、モータ７にはこれを考慮した構造を与える必要があったが、本実施形態ではモータ７０部分が潤滑油が供給される部分と隔絶されているため、モータ７０には潤滑油に対する考慮をする必要がない。
【００３２】
本実施形態においても、排気側冷却液路１０とモータ側冷却液路１１とはハウジング８の内部で完全に独立している。そして、モータ側冷却液路１１の最上部に冷却液導出孔１７が設けられると共に排気側冷却液路１０の最下部に冷却液導入孔１８が設けられ、これらを連通させる配管（図示せず）がハウジング８の外部に配設されている。
【００３３】
本実施形態でも、モータ側冷却液路１１と排気側冷却液路１０とを冷却液流路上で直列に配置し、かつ、モータ側冷却液路１１を排気側冷却液路１０よりも上流側に配置させており、比較的温度の低いモータ７０周辺を冷却した後に温度の高いタービンホイール５周辺を冷却し、ターボチャージャ全体を効率よく冷却することができる。
【００３４】
また、本実施形態では、モータ側冷却液路１１の上方部と排気側冷却液路１０の下方部とが外部配管によって連通されている。このため、モータ７周辺よりも高温となるタービンホイール５周辺を冷却する排気側冷却液路１０の上方部の高温の冷却液（熱対流で上方に移動）がモータ側冷却液路１１の内部の冷却液と混ざり合うことがない。このため、モータ７０側の冷却液温度が高くなりすぎてモータ７０側の冷却を効率よく行えなくなってしまうようなことがなく、モータ７０周辺とタービンホイール５周辺とを効率よく冷却できる。高速運転後の再始動についても上述した第一実施形態と同様の効果が得られる。
【００３５】
さらに、本実施形態では、モータ側冷却液路１１への冷却液導入孔１３と、排気側冷却液路１０への冷却液導入孔１８とが何れも回転軸６よりも下方に配設されているので、冷却液は下方からターボユニット１各部の熱を奪いつつ上方に移動し、この移動が熱対流によって促進されるため各部を効率よく冷却することができる。またさらに、本実施形態では、モータ側冷却液路１１からの冷却液導出孔１７と、排気側冷却液路１０からの冷却液導出孔１４とが何れも回転軸６よりも上方に配設されているので、液路内のより高温の冷却液を積極的に導出する（次の冷却工程に導出する）ことで新たな温度の低い冷却液の導入を施し、ターボユニット１各部を効率よく冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の電動機付ターボチャージャの第一実施形態におけるターボユニットの断面図である。
【図２】本発明の電動機付ターボチャージャの第二実施形態におけるターボユニットの断面図である。
【図３】本発明の電動機付ターボチャージャの第三実施形態におけるターボユニットの断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１…ターボユニット、２…吸気通路、３…排気通路、４…コンプレッサホイール、５…タービンホイール、６…回転軸、７，７０…モータ（電動機）、８…ハウジング、９…ベアリング、１０…排気側冷却液路、１１…モータ側冷却液路、１２…連通路、１３…冷却液導入孔、１４…冷却液導出孔、１５…オイルギャラリ、１６…オイル排出口、１７…冷却液導出孔、１８…冷却液導入孔、７０…モータ。
【図１】
2006090274.tif 000003
【図２】
2006090274.tif 000004
【図３】
2006090274.tif 000005