(57)【要約】【課題】吸気流路が複雑でなく流路抵抗も小さく、電力変換装置に対する冷却効率が高い電動過給機を提供する。【解決手段】コンプレッサインペラ２１と、このコンプレッサインペラ２１を駆動する電動機３と、バッテリ５の電力を変換して電動機３へ供給する電力変換装置４を備え、コンプレッサインペラ２１を納めるコンプレッサハウジング２２と、電動機３を納める電動機ハウジング３３とを一体に構成すると共に、電動機３によりコンプレッサインペラ２１を回転させ、コンプレッサハウジング２２内部で吸入空気を圧縮して過給する電動過給機１において、電力変換装置４は、コンプレッサハウジング２２内部を通過する空気で冷却されるようにコンプレッサハウジング２２の外面に接合されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンプレッサインペラと、このコンプレッサインペラを駆動する電動機と、バッテリの電力を変換して前記電動機へ供給する電力変換装置を備え、前記コンプレッサインペラを納めるコンプレッサハウジングと、前記電動機を納める電動機ハウジングとを一体に構成すると共に、前記電動機により前記コンプレッサインペラを回転させ、前記コンプレッサハウジング内部で吸入空気を圧縮して過給する電動過給機において、
前記電力変換装置は、前記コンプレッサハウジング内部を通過する空気で冷却されるように前記コンプレッサハウジングの外面に接合されていることを特徴とする電動過給機。
【請求項２】
前記電力変換装置は、蓄熱部材を介して前記コンプレッサハウジングの外面に接合されていることを特徴とする請求項１記載の電動過給機。
【請求項３】
前記電力変換装置は、半導体モジュールを含み、該半導体モジュールが前記コンプレッサハウジングの軸受け部、空気圧縮部または前記電動機とは逆側の面に接合されていることを特徴とする請求項１または２記載の電動過給機。
【請求項４】
前記電力変換装置は、前記電動機ハウジングと前記コンプレッサハウジングとの間に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の電動過給機。
【請求項５】
前記コンプレッサハウジングあるいは電力変換装置に放熱用フィンを設けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載の電動過給機。
【請求項６】
前記コンプレッサハウジングあるいは電力変換装置を車体の金属フレームに接合したことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一つに記載の電動過給機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、バッテリの電力を変換して電動機へ供給する電力変換装置を備えた電動過給機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車の低燃費を目的とし、内燃機関の出力を増加させるために電動機で駆動する過給機を設ける技術が知られている。
特許文献１には、吸気通路上に、電動過給機(電動コンプレッサ)の出口が内燃機関の排気ガスで駆動されるターボチャージャーのコンプレッサ入口に連結される構成が示されている。本構成によれば電力により自由に過給できる電動過給機を備えることで、内燃機関の加速性を高め、内燃機関の背圧を低下させ、未燃焼燃料を少なくすることが可能である。一方、バッテリの電力を変換して電動過給機の電動機へ供給する電力変換装置は、１０万ｒｐｍを超える超高速で制御する必要があることや、一般に自動車のバッテリ電圧は１４Vと低電圧のため大電流が必要となる。このような高回転／大電流状態での連続運転時においては、バッテリからの直流電力をスイッチングする半導体素子の損失や配線抵抗による損失が大きくなることで電力変換装置の温度が上昇し、これらの部品が破損したり劣化が早まったりする可能性がある。
【０００３】
このような電力変換装置の温度上昇対策として、例えば特許文献２には内燃機関の給気を過給する電動過給機において、給気流路を電動機及び電力変換装置の発熱部を通過した後コンプレッサに至る直列流路と、電動機及び電力変換装置をバイパスしてコンプレッサに至る第一のバイパス流路と、電動機、電力変換装置及びコンプレッサをバイパスして内燃機関に至る第二のバイパス流路とで構成し、直列流路と第一のバイパス流路と第二のバイパス流路のいずれかを通るように切換え可能にしたものが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２０００−５００５４４号公報
【特許文献２】特開２００３−２１５０７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし特許文献２に関しては、電力変換装置の冷却は可能になるものの吸気流路が複雑になるという問題や、吸気流路内に電力変換装置及び電動機が配設されるため、内燃機関の吸気抵抗が大幅に増加するという問題がある。
【０００６】
この発明は、上記の点に鑑み、吸気流路が複雑でなく流路抵抗も小さく、電力変換装置に対する冷却効率が高い電動過給機を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明は、コンプレッサインペラと、このコンプレッサインペラを駆動する電動機と、バッテリの電力を変換して前記電動機へ供給する電力変換装置を備え、前記コンプレッサインペラを納めるコンプレッサハウジングと、前記電動機を納める電動機ハウジングとを一体に構成すると共に、前記電動機により前記コンプレッサインペラを回転させ、前記コンプレッサハウジング内部で吸入空気を圧縮して過給する電動過給機において、前記電力変換装置は、前記コンプレッサハウジング内部を通過する空気で冷却されるように前記コンプレッサハウジングの外面に接合されているものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明の電動過給機によれば、電力変換装置がコンプレッサハウジング内部を通過する空気で冷却されるようにコンプレッサハウジングの外面に接合されているので、電力変換装置で発生した熱をコンプレッサハウジング内に放熱できるため、吸気経路を複雑にすることなく電力変換装置の冷却を効率的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】この発明の実施の形態１に係る全体構成を示す概略断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る電動過給機を示す模式断面図である。
【図３】この発明の実施の形態２に係る電動過給機を示す模式断面図である。
【図４】この発明の実施の形態３に係る電動過給機を示す模式断面図である。
【図５】この発明の実施の形態４に係る電動過給機を示す概略側面図である。
【図６】この発明の実施の形態５に係る電動過給機の模式断面図である。
【図７】この発明の実施の形態６に係る電動過給機の模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図に基づいて説明する。
図１は、この発明の実施の形態１に係る全体構成を示す概略断面図である。
本実施形態で説明するエンジン１は、多気筒エンジンであるが、ここではそのうちの一気筒のみを断面図として図１に示している。エンジン１００は、インジェクタ１０１によってシリンダ１０５内に燃料を噴射するタイプのエンジンである。後述する電動機３によるコンプレッサインペラ２１やターボチャージャコンプレッサインペラ１１１により多くの吸入空気を過給して、高出力化だけでなく低燃費化をも実現し得るものである。
【００１１】
なお、適用されるエンジンはシリンダ内に燃料を噴射する直墳エンジンだけでなく、スロットルバルブ後の吸気通路１０８に燃料を噴射するポート噴射エンジンであってもよい。
【００１２】
エンジン１００において、吸入空気はまずエアクリーナ１１５でゴミや塵などを取り除かれたあと、電動過給機１の上流通路１１４に通じる。電動過給機１のコンプレッサインペラ２１で圧縮された空気は下流通路１１６からターボチャージャコンプレッサインペラ１１１を介してインタークーラ通路１０９に通じる。
【００１３】
インタークーラ１１３は過給による圧力上昇に伴って温度が上昇した吸入空気の温度を下げ充填効率を向上させる。更にスロットルバルブ１１７を通じ過給された空気はシリンダ１０５に吸入される。
【００１４】
吸入弁１０２が開き過給された空気がシリンダ１０５内に充填され、インジェクタ１０１によって噴射された燃料と共に点火プラグ１０３により点火され燃焼される。これによりエンジン１００のピストン１０６が往復運動し、クランク１０７が回転する。燃えた空気は排気弁１０４より排気ガスとして排出される。この排気ガスにより排気タービン１１２が駆動される。また排気ガスを浄化する排気浄化触媒１１０が取り付けられている。
【００１５】
電動過給機１は、コンプレッサインペラ２１と、このコンプレッサインペラ２１を駆動する電動機３と、バッテリ５の電力を変換して電動機３へ供給する電力変換装置４を備え、電動機３によりコンプレッサインペラ２１を回転させ、吸入空気を圧縮して過給する。
【００１６】
電力変換装置４はエンジン回転数・スロットルポジション・吸入圧・吸入空気量などの
指令値を受け電動機３を駆動する。ここでスロットルポジションとはドライバのアクセル操作を反映させるものであり、例えば電子ストットルのない車両などではアクセル開度で代用してもよい。吸入圧に関しては例えばスロットルバルブ後の吸気通路１０８内に圧力センサなどを設け吸入圧を得ることが可能である。吸入空気量に関しては例えばエアクリーナ１１５の後方などにエアーフローセンサなどを設けることにより検出が可能である。
【００１７】
図２はこの発明の実施の形態１に係る電動過給機１を示す模式断面図である。
電動機３は容量や必要トルクなどの条件に応じてＤＣブラシレスモータや誘導電動機、同期電動機が使用される。電力変換装置４は、バッテリ５から配線５４を通じて得られる供給電力を変換し、配線４３を通じて電動機３へ供給する。
【００１８】
電動過給機１の軸２３は軸受け２４により保持する。コンプレッサハウジング２２は、コンプレッサインペラ２１と軸受け２４を囲うハウジングとし、電動機ハウジング３３は固定子３２及び回転子３１を囲うハウジングとし、固定子３２は電動機ハウジング３３に固定する。コンプレッサハウジング２２と電動機ハウジング３３は一体に構成されている。
【００１９】
電力変換装置４から出力した交流電力は、配線４３を通じて電動機３の固定子３２に供給され、回転磁界を発生させて回転子３１を回転し、回転子３１と軸２３を介して結合したコンプレッサインペラ２１を回転する。
なお、本構造では固定子巻線型の電動機について説明しているが、回転子巻線型の電動機の場合は、電力変換装置の出力を回転子に供給する。このとき電動過給機１に必要な電流は大きい（例えば14Vバッテリの場合200A以上）ため、電力変換装置４における半導体
素子などの電子部品は相当の発熱がある。
【００２０】
電力変換装置４に搭載する半導体モジュール４１はＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどの半導体素子を１個、もしくは複数個内蔵しており、インバータ回路における上下アームに相当する２個を内蔵しているモジュールを使用する場合、半導体モジュール４１の入力端子は、バッテリのプラス側を接続するＰ端子４１１、アース側を接続するＮ端子（Ｐ端子の背面のため図示しない）、制御基板にて生成された上アーム側のゲート信号を接続するＧ１端子４１２、下アーム側のゲート信号を接続するＧ２端子４１３を有し、出力端子はモータへの出力を接続するＭ端子４１４を有する。電力系の端子であるＰ端子とＮ端子、Ｍ端子の接続は、ＴＩＧやレーザなどを用いた溶接でもよく、ねじ止めやはんだ接合でもよい。信号系であるＧ１端子４１２とＧ２端子４１３の接続は、はんだ接合でもよく、コネクタやプレスフィット接続でもよい。
【００２１】
半導体モジュール４１は介在物４２を介してコンプレッサハウジング２２に接合する。ここで、半導体モジュール４１の接合面が電極の場合で、コンプレッサハウジング２２を導電部材として使用する場合は、介在物４２ははんだや銀ペーストなどの熱伝導性と導電性を備えた部材がよく、絶縁性を確保したい場合は、介在物４２は熱伝導性グリースや接着剤、あるいは絶縁基板などの熱伝導性と絶縁性を備えた部材がよい。
半導体モジュール４１の接合面を回路パターン上に接合する場合は、回路パターンに介在物を介してコンプレッサハウジング２２に接合する。半導体素子をモジュール化せずに使用する場合は、半導体素子に介在物、あるいは回路パターンと介在物を介してコンプレッサハウジング２２に接合する。半導体モジュール４１以外の、例えばコンデンサなどの発熱する電子部品についても同様に介在物、あるいは回路パターンと介在物を介してコンプレッサハウジング２２に接合するとよい。
【００２２】
電力変換装置４は半導体素子を搭載した半導体モジュール４１やコンデンサなどの電子部品や、半導体素子を駆動する制御信号の生成回路や保護回路を備えた制御基板４４をケ
ース４５内に備え、バッテリの直流電力を電動機３が必要とする交流電力に変換する。ケース４５の材質は樹脂でもよいが、放熱性を高めるためにアルミなどの高熱伝導性の材質の方が好ましい。
ここで、半導体モジュール４１やコンデンサなどの発熱する電子部品は放熱性を優先して電力変換装置４の最下部に搭載するため、半導体モジュール４１やコンデンサなどの電子部品をコンプレッサハウジング２２に接合することは、電力変換装置４をコンプレッサハウジング２２に接合するということに等しい。このように電力変換装置４をコンプレッサハウジング２２に接合することにより、発熱する電子部品はコンプレッサハウジング２２内を通過する空気を利用して冷却することができる。
なお、発熱する電子部品とコンプレッサハウジング２２との間の密着性を向上して熱抵抗を小さくするために、電力変換装置４をコンプレッサハウジング２２にねじ止めするか、バンドやクランプなどを用いて電力変換装置４とコンプレッサハウジング２２を挟み込むとよい。
【００２３】
以上のように、この発明の実施の形態１によれば、コンプレッサインペラ２１と、このコンプレッサインペラ２１を駆動する電動機３と、バッテリ５の電力を変換して電動機３へ供給する電力変換装置４を備え、コンプレッサインペラ２１を納めるコンプレッサハウジング２２と、電動機３を納める電動機ハウジング３３とを一体に構成すると共に、電動機３によりコンプレッサインペラ２１を回転させ、コンプレッサハウジング２２内部で吸入空気を圧縮して過給する電動過給機１において、電力変換装置４は、コンプレッサハウジング２２内部を通過する空気で冷却されるようにコンプレッサハウジング２２の外面に接合されているので、電力変換装置４で発生した熱をコンプレッサハウジング２２内に放熱できるため、吸気経路を複雑にすることなく電力変換装置４の冷却を効率的に行うことができる。
【００２４】
実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２に係る電動過給機１を示す模式断面図である。
発熱する電子部品の温度上昇が急峻な場合、熱容量を大きくし時定数を大きくするために、実施の形態１の電動過給機１において、電力変換装置４とコンプレッサハウジング２２との間に蓄熱部材６０を設けたものである。
蓄熱部材６０はアルミや銅などの高熱伝導率の部材がよい。また、蓄熱部材６０とコンプレッサハウジング２２との接合は、前述のように半導体モジュール４１をコンプレッサハウジング２２と接合する方法と同様に接合する。
なお、蓄熱部材６０はコンプレッサハウジング２２の厚みを厚くしてコンプレッサハウジング２２と一体物として設けた方が、組立が簡易であるため好ましい。
【００２５】
実施の形態３．
図４は、この発明の実施の形態３に係る電動過給機１を示す模式断面図である。
実施の形態１，２における電力変換装置４の半導体モジュール４１などの電子部品はコンプレッサハウジング２２に低熱接合できればよく、図４に示すような位置に配置するとよい。
図４（ａ）は半導体モジュール４１をコンプレッサハウジング２２の軸受け部に接合しており、図４（ｂ）は半導体モジュール４１をコンプレッサハウジング２２の空気圧縮部の側面に接合しており、図４（ｃ）は半導体モジュール４１をコンプレッサハウジング２２の電動機３とは逆側の面に接合している。
また、蓄熱部材を備える場合で、図４（ａ）〜（ｃ）の場合は介在物４２とコンプレッサハウジング２２との間に蓄熱部材を配置すればよく、図４（ｄ）のようにコンプレッサハウジング２２の電動機側の面に蓄熱部材６０を接合し、軸２３の半径方向に半導体モジュール４１を接合する。
【００２６】
実施の形態４．
図５は、この発明の実施の形態４に係る電動過給機１を示す概略側面図である。
図５（ａ）は、図２及び図３において電動機側の軸方向から見た図である。中心付近の点線で示した円はコンプレッサハウジング２２の軸受け部を示しており、電力変換装置４はコンプレッサハウジング２２と電動機ハウジング３３との間で、軸受け部より外側に配置されている。
電動機３が三相電動機の場合で、半導体モジュール４１が１相分、つまり上下アーム分の半導体素子を搭載している場合、電力変換装置４に半導体モジュール４１は３個搭載される。半導体モジュール４１を３個横に並べて搭載できるように電力変換装置４のケース４５を設けると、ケース４５は図に示した長方形になる。
ケース４５は長方形以外にも、制御基板や電子部品や配線などの配置に応じた形でよく、コンプレッサハウジング２２の半径方向の中心を越える場合は、図５（ｂ）に示すようにＵ字型でもよい。
また、放熱性を向上させるため、図５（ｃ）に示すように、各半導体モジュールをコンプレッサハウジング２２の半径方向に角度をつけて配置する方が好ましい。この場合、電動機３の三相各相の配線が半径方向に１２０度ずれていることが多く、これらの配線に対応するように半導体モジュール４１を配置することにより、電動機３と半導体モジュール４１間の配線が短くなり、低損失、低インダクタンス化になるという利点もある。
図４（ａ）〜（ｄ）の場合も、半導体モジュール４１を横に並べるか、半径方向に角度をつけて配置するとよい。
【００２７】
なお、コンプレッサインペラ２１と回転子３１の高回転に耐えるため、軸受け２４の軸方向長さは長くなり、コンプレッサインペラ２１と回転子３１との間に大きな隙間が生じるので、この隙間に電力変換装置４を配置することにより、電動過給機１を小型化できる。
【００２８】
実施の形態５．
図６はこの発明の実施の形態５に係る電動過給機１を示す模式断面図である。
実施の形態１〜４において、放熱性をさらに向上させるためには、放熱面積を拡大する手段があり、その方法としてフィンを設けるとよい。
図６（ａ）はフィン７０としてストレートフィンをコンプレッサハウジング２２内に放射状に配置しており、空気が通過する部分に直接フィン７０を配置するため、放熱性が向上する。この場合、吸気抵抗が増加するため、放熱性と吸気能力のバランスを考慮して配置する。
図６（ｂ）はフィン７０をコンプレッサハウジング２２の空気圧縮部の側面に外周に渡って設けており、図６（ｃ）はフィン７０をコンプレッサハウジング２２の電動機３側の面に設けている。
図６（ａ）〜（ｃ）はフィン７０をコンプレッサハウジング２２に放射状に設けた例であり、図６（ｄ）〜（ｇ）はフィン７０を電力変換装置４のケース４５に設けた例であり、図６（ｄ）は図４（ａ）、図６（ｅ）は図４（ｂ）、図６（ｆ）は図４（ｃ）、図６（ｇ）は図２，図３及び図４（ｄ）に対応している。
なお、フィン７０は蓄熱部材６０に設けてもよい。
【００２９】
なお、フィン７０は蓄熱部材６０に設けてもよい。また、フィン７０は図に示したストレートフィン以外にも、ピンフィンや波状フィンなどのフィンでもよい。また、フィン７０の配置として、放射状や外周に渡って、と記述したが、放熱性を考慮して、半導体素子などの発熱する電子部品の近傍のみに配置しても放熱性は向上する。
【００３０】
実施の形態６．
図７はこの発明の実施の形態６に係る電動過給機１を示す模式断面図である。
実施の形態１〜５において、放熱面積を拡大する方法として、図７に示すように、車体の金属フレーム８０を利用してもよい。
図７（ａ）はコンプレッサハウジング２２の空気圧縮部の側面を車体の金属フレーム８０に接合しており、図７（ｂ）は電力変換装置４を車体の金属フレーム８０に接合している。これらの接合は熱伝導性部材であるシリコーングリースや接着剤、熱伝導シートなどを用いることが好ましい。
【００３１】
以上のような構成により、電動過給機１の電力変換装置４における半導体素子などの電子部品をコンプレッサハウジング２２に接合し、それらの発熱をコンプレッサハウジング２２内を通過する空気で冷却することにより、吸気抵抗を増加することなく放熱することができる。
【符号の説明】
【００３２】
１    電動過給機
２１  コンプレッサインペラ
２２  コンプレッサハウジング
２３  軸
２４  軸受け
３    電動機
３１  回転子
３２  固定子
３３  電動機ハウジング
４    電力変換装置
４１  半導体モジュール
４２  介在物
４３  配線
４４  制御基板
４５  ケース
５    バッテリ
５４  配線
６０  蓄熱部材
７０  フィン
８０  車体の金属フレーム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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