(57)【要約】【課題】ターボアシスト用の電動機作動時に発生する熱を効果的に吸収・排熱し、電動機の温度上昇を防止する。【解決手段】タービン１２において、排気エネルギを回転エネルギに変換し、コンプレッサ１４を駆動して、吸気の過給を行なう。タービンホイール１１とコンプレッサホイール１３とを連結するシャフト１５に過給アシスト用の電動機１７を設ける。電動機１７のステータ１９の周囲に相変化マテリアルを含む一次冷却装置２２を配置する。一次冷却装置２２の周囲にペルチェ素子２３を配置する。過給アシスト時に電動機１７で発生する熱を、一次冷却装置２２の相変化マテリアルで吸収する。非アシスト時に電動機１７による回生電力をペルチェ素子２３に供給し、相変化マテリアルから吸熱を行なって外部へと排熱する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
過給アシスト用の電動機と、
前記電動機で発生する熱を吸収する相変化マテリアルを含む一次冷却手段と、
前記相変化マテリアルに吸収された熱を過給機の外部へと移動して排熱するペルチェ素子を含む二次冷却手段とを備え、
前記電動機による前記過給アシストが行われていない非アシスト時に、前記ペルチェ素子が作動される
ことを特徴とする電動機付ターボ過給機の冷却システム。
【請求項２】
前記電動機が回生可能な電動機であり、前記非アシスト時に、前記電動機による回生電力が前記ペルチェ素子に供給され、前記ペルチェ素子が作動されることを特徴とする請求項１に記載の電動機付ターボ過給機の冷却システム。
【請求項３】
前記相変化マテリアルの温度を検出する温度センサとバッテリとを備え、前記温度が前記ペルチェ素子による前記相変化マテリアルからの吸熱を行なう必要がない下限温度よりも低いときには、前記回生電力を前記バッテリの充電に使用することを特徴とする請求項２に記載の電動機付ターボ過給機の冷却システム。
【請求項４】
前記相変化マテリアルの温度を検出する温度センサとバッテリとを備え、過給アシスト時に、前記温度が前記相変化マテリアルの使用温度内で設定される所定の上限温度よりも高いときに、前記バッテリからの電力が前記ペルチェ素子に供給され、前記ペルチェ素子が作動されることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の電動機付ターボ過給機の冷却システム。
【請求項５】
前記一次冷却手段が、前記電動機のステータの周囲に配置され、前記二次冷却手段が前記一次冷却手段の周囲に配置されることを特徴とする請求項１〜請求項４に記載の電動機付ターボ過給機の冷却システム。
【請求項６】
前記二次冷却手段がヒートシンクを備えることを特徴とする請求項５に記載の電動機付ターボ過給機の冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータアシスト用の電動機を備えたターボ過給機の冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気エネルギを利用したターボ過給機において、電動機により動力のアシストを行なう電動機付ターボ過給機が知られている。電動機は、過給が開始された初期段階など、排気によるタービンの動力が十分でないときに、タービン動力を補ってターボラグを解消するために用いられる。
【０００３】
また、電動機付ターボ過給機において、回生可能な電動機を用い、非アシスト時に回生電力を回収するものも知られている。回生可能な電動機付ターボ過給機を用いたシステムでは、電動機の固定子を冷却して回収効率を向上する目的で、固定子を取り付けるハウジング内に水ジャケットを設け、これに冷却水を流す構成が提案されている（特許文献１）。
【特許文献１】特開２０００−１３０１７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記特許文献１の構成では、固定子を取り付けるハウジング内に冷却水を通すための構造が必要であり、構造が複雑化する。また、温度上昇が大きい電動アシスト時には、より多くの冷却水を流す必要が生じるため、十分な冷却効果が得られるとは言えず、電動機によるアシスト期間も制限される。
【０００５】
本発明は、電動機付ターボ過給機において、簡略な構成で電動機作動時に発生する熱を効果的に吸収・排熱して電動機の温度上昇を防止することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の電動機付ターボ過給機の冷却システムは、過給アシスト用の電動機と、電動機で発生する熱を吸収する相変化マテリアルを含む一次冷却手段と、相変化マテリアルに吸収された熱を過給機の外部へと移動して排熱するペルチェ素子を含む二次冷却手段とを備え、電動機による過給アシストが行われていない非アシスト時に、ペルチェ素子が作動されることを特徴としている。
【０００７】
電動機は回生可能な電動機であり、非アシスト時に、電動機による回生電力がペルチェ素子に供給され、ペルチェ素子が作動されることが好ましい。すなわち、回生電力を用いることにより、回収した電気エネルギを用いてより効率的に電動機の冷却を行なうことができる。
【０００８】
冷却システムは、更に相変化マテリアルの温度を検出する温度センサとバッテリとを備えることが好ましく、温度がペルチェ素子による相変化マテリアルからの吸熱を行なう必要がない下限温度よりも低いときには、回生電力をバッテリの充電に使用する。これにより、回生エネルギを無駄にすることを防止できる。また、過給アシスト時に、温度が相変化マテリアルの使用温度内で設定される所定の上限温度よりも高いときに、バッテリからの電力がペルチェ素子に供給されペルチェ素子が作動される。これにより、アシスト時に相変化マテリアルの温度が上がりすぎることを防止することができる。
【０００９】
一次冷却手段は、電動機のステータの周囲に配置され、二次冷却手段は一次冷却手段の周囲に配置されることにより、電動機で発生した熱は、一次冷却手段、二次冷却手段、過給機の外部へと効率的に移動される。また、二次冷却手段がヒートシンクを備えると、外部への排熱が更に向上する。
【発明の効果】
【００１０】
以上のように、本発明によれば、電動機付ターボ過給機において、簡略な構成で電動機作動時に発生する熱を効果的に吸収・排熱して電動機の温度上昇を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態である冷却装置を備えた電動機付ターボ過給機の構成を示すブロック図である。
【００１２】
電動機付ターボ過給機１０は、内燃機関（図示せず）からの排気エネルギを、タービン翼を備えたタービンホイール１１により回転力に変換するタービン１２と、タービン１２で得られた回転力によりインペラを備えたコンプレッサホイール１３を回転させ吸気を加圧して内燃機関への過給を行なうコンプレッサ１４とを備える。
【００１３】
タービンホイール１１とコンプレッサホイール１３は、シャフト１５を介して連結され、タービンホイール１１の回転力はシャフト１５を介してコンプレッサホイール１３へと伝達される。またシャフト１５は、軸受部１６により回転自在に保持される。
【００１４】
シャフト１５には、車両加速時などの過給初動時にタービン１２による回転力をアシストするための電動機１７が設けられる。すなわち、過給初動時には排気エネルギを用いたタービン１２のみでは、出力増大のための過給が十分に得られないため電動機１７により過給をアシストする。
【００１５】
電動機１７は、シャフト１５に固定され、シャフト１５とともに回転するロータ１８と、ロータ１８の周囲に配置され、ロータ１８と相互作用してロータ１８に回転モーメントを発生させるステ−タ１９を備える。なお、ステ−タ１９はターボ過給機１０のハウジング２０に固定される。
【００１６】
本実施形態において、ステ−タ１９の周囲には相変化マテリアルを内蔵する一次冷却装置２２が設けられる。相変化マテリアルには、例えば常温において固体であり、所定の変移温度で液体となる物質が用いられる。より具体的には、変移温度約４８℃、使用温度約−５０℃〜＋１７０℃前後の放熱用オイルコンパウンドが相変化マテリアルとして用いられる。なお、一次冷却装置２２の筐体には、熱伝導率の高い素材が用いられ、一次冷却装置２２の筐体はステ−タ１９に密着して配置される。
【００１７】
更に一次冷却装置２２の周囲にはペルチェ素子２３からなる二次冷却装置が配置される。ペルチェ素子２３の一方の面（冷却面）は一次冷却装置２２の筐体に密着して配置され、他方の面（放熱面）は例えばターボ過給機１０のハウジング２０に直接またはヒートシンク等を介して露出される。
【００１８】
電動機１７は、例えば回生可能な電動機であり、インバータ／コントローラ２４を介してバッテリ２５に接続される。また、インバータ／コントローラ２４には、ペルチェ素子２３およびＥＣＵ２６が接続され、ＥＣＵ２６によってその駆動が制御される。電動機１７がモータとして作動される場合にはインバータ／コントローラ２４を介してバッテリ２５から電力が供給され、回生時には、インバータ／コントローラ２４を介して回生電力をペルチェ素子２３またはバッテリ２５へと供給することができる。なお、バッテリ２５からインバータ／コントローラ２４を介してペルチェ素子２３へと電力を供給することも可能である。
【００１９】
更にＥＣＵ２６には、図示しないセンサから内燃機関の回転数（エンジン回転数）、吸気流量、過給圧、アクセル開度などが入力される。また、一次冷却装置２２には温度センサ２７が設けられ、ＥＣＵ２６において相変化マテリアルの温度がモニタされる。また、ターボ過給機１０の回転数（ターボ回転数）もセンサ等を用いてＥＣＵ２６においてモニタされ、本実施形態では、電動機１７を用いてターボ回転数がモニタされる。
【００２０】
以上の構成により、本実施形態では、車両加速時などにおける過給初動時において電動機１７を作動させて過給をアシストし、電動機１７の作動により発生する熱を、一次冷却装置２２の相変化マテリアルにより吸収する。すなわち、電動機１７から発生する熱は、一次冷却装置２２の筐体を通して相変化マテリアルに吸収される。相変化マテリアルが変移温度に達すると、電動機１７からの熱は相変化（例えば融解）の潜熱として使用されるため、一次冷却装置２２では、多くの熱が効率的に相変化マテリアルに吸収される。これにより電動機１７は、効率的に冷却され温度上昇が防止される。
【００２１】
また、電動機１７によるターボ過給機１０のアシストは、過給初動時にのみ実行されるので、電動機１７からの発熱はこの期間に限定される。電動機１７がモータとして作動する期間は、デューティ比で言えば通常１０％程度であり、この短い期間に多量の熱が電動機１７で発生する。本実施形態では、一次冷却装置２２において、相変化マテリアルの潜熱を利用してこの熱を一時的に吸収している。
【００２２】
一方、相変化マテリアルに吸収された熱は非アシスト期間を利用して排熱される。本実施形態では、非アシスト期間にペルチェ素子２３を用いて相変化マテリアルから効率的に熱を吸収し、外部へと移動して排熱する。すなわち、非アシスト期間はアシスト期間に比べ長いので、アシスト時に相変化マテリアルに吸収された熱を、非アシスト期間にペルチェ素子２３を用いて移動させ放熱面から外部へと輻射、放熱する。また、電動機１７は、非アシスト時には電力回生に利用できるので、本実施形態では、非アシスト時の回生電力によりペルチェ素子２３を駆動することにより、システム全体の効率を更に高めている。
【００２３】
次に図２のフローチャートを参照してＥＣＵ２６において実行される本実施形態の冷却制御処理動作について説明する。なお、冷却制御処理動作は、ＥＣＵ２６における内燃機関全般の制御のうちの一つとして、所定のタイミングで繰り返し実行される。
【００２４】
ステップＳ１００では、アクセル開度、エンジン回転数、ターボ回転数、吸気流量などから電動機１７によるターボ過給機１０のモータアシストが必要か否かが判定される。モータアシストが必要であると判定されると（アシスト時）、ステップＳ１０２において、インバータ／コントローラ２４が制御され、バッテリ２５から電動機１７へと電力が供給されモータアシストが開始される。
【００２５】
その後、ステップＳ１０４において、温度センサ２７を用いてモニタされた１次冷却装置２２の相変化マテリアルの温度Ｔｍが、相変化マテリアルの上限温度ＴＨよりも高いか否かが判定される。相変化マテリアル温度Ｔｍが上限温度ＴＨ以下のときには、この冷却制御処理動作は直ちに終了する。
【００２６】
一方、ステップＳ１０４において相変化マテリアル温度Ｔｍが上限温度ＴＨよりも高いと判定されたときには、ステップＳ１０６においてバッテリ２５からインバータ／コントローラ２４を介してペルチェ素子２３に電力が供給され、ペルチェ素子２３による相変化マテリアルの冷却が開始されて冷却制御処理動作が終了する。すなわち、相変化マテリアルの温度が高くなりすぎたと判断されるときには、アシスト期間であっても、ペルチェ素子２３を駆動して相変化マテリアルの温度上昇を抑止する。
【００２７】
なお、上限温度ＴＨには、相変化マテリアルの使用温度上限値よりも低く、相変化マテリアルの変移温度よりも高い所定の値が設定される。例えば、変移温度約４８℃、使用温度約−５０℃〜＋１７０℃のオイルコンパウンドにおいて、上限温度ＴＨは、例えば１００℃に設定される。
【００２８】
ステップＳ１００において、モータアシストが必要でないと判定されると（非アシスト時）、ステップＳ１０８において、電動機１７による電力回生が開始される。ステップＳ１１０では、相変化マテリアル温度Ｔｍが、相変化マテリアルの下限温度ＴＬ（＜ＴＨ）よりも低いか否かが判定される。相変化マテリアル温度Ｔｍが下限温度ＴＬ以上であると判定されたときには、ステップＳ１１２において、電動機１７で回生された電力がインバータ／コントローラ２４を介してペルチェ素子２３へと供給されるとともにペルチェ素子２３による相変化マテリアルの冷却が開始され、この冷却制御処理動作は終了する。
【００２９】
一方、ステップＳ１１０において、相変化マテリアル温度Ｔｍが下限温度ＴＬよりも低いと判定されると、ステップＳ１１４において、電動機１７からの回生電力はインバータ／コントローラ２４を介してバッテリ２５へ供給されてバッテリ２５の充電に用いられ、この冷却制御処理動作は終了する。
【００３０】
なお、相変化マテリアルの下限温度ＴＬは、相変化マテリアルの温度が十分に低く、非アシスト時において相変化マテリアルの冷却が必要のない温度、例えば変移温度近傍の値に設定される。変移温度約４８℃、使用温度約−５０℃〜＋１７０℃のオイルコンパウンドにおいて、下限温度ＴＬは、例えば５０℃に設定される。
【００３１】
以上のように、本実施形態では、過給アシスト時に電動機から発生する熱を熱吸収量の大きい相変化マテリアルを用いて一時的に一次冷却装置に吸収し、一次冷却装置に吸収された熱を非アシスト時に放熱することにより、冷却通路等を設けることなく簡略な構成で効果的に電動機の温度上昇を抑制することができる。
【００３２】
また、本実施形態では、相変化マテリアルに吸収された熱を、二次冷却装置であるペルチェ素子を用いて強制的にターボ過給機のハウジング外側に移動させて排熱する。これにより、効果的に非アシスト時の放熱を行うことが可能となる。また、以上の構成により冷却水を用いることなく、電動機の効率的な冷却を行なうことが可能となり、冷却水の適用が難しい高温下での電動機の使用も可能になる。これにより、アシスト稼働時間をより長く設定することが可能となる。
【００３３】
更に、本実施形態ではペルチェ素子の駆動に、電動機による非アシスト時の回生電力を用いるため、システム全体のエネルギ効率を更に高めることができる。
【００３４】
なお、本実施形態では、二次冷却装置からの排熱にペルチェ素子自体、あるいはヒートシンクを介した輻射を用いたが、従来周知の排熱のための機構と組み合わせて使用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施形態である冷却装置を備えた電動機付ターボ過給機の構成を示すブロック図である。
【図２】本実施形態の冷却制御処理動作のフローチャートである。
【符号の説明】
【００３６】
１０  電動機付ターボ過給機
１２  タービン
１４  コンプレッサ
１５  シャフト
１６  軸受部
１７  電動機
１８  ロータ
１９  ステータ
２０  ハウジング
２２  一次冷却装置（相変化マテリアル）
２３  ペルチェ素子
２４  インバータ／コントローラ
２５  バッテリ
２６  ＥＣＵ
２７  温度センサ
【図１】
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【図２】
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