特許 7517211 冷却システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-08

(45)【発行日】2024-07-17

(54)【発明の名称】冷却システム

(51)【国際特許分類】

   F01P 7/16 20060101AFI20240709BHJP

   B60K 11/02 20060101ALI20240709BHJP

【ＦＩ】

F01P7/16 504A

F01P7/16 502A

B60K11/02

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2021041835

(22)【出願日】2021-03-15

(65)【公開番号】P2022141500

(43)【公開日】2022-09-29

【審査請求日】2023-09-12

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】片山 正章

(72)【発明者】

【氏名】岸本 直之

(72)【発明者】

【氏名】床桜 大輔

(72)【発明者】

【氏名】富永 聡

【審査官】津田 真吾

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－８０６１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－３７８９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１２６２５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２０２２４４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０１Ｐ ７／１４

Ｂ６０Ｋ １１／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の冷却対象を第１の冷却液で冷却する第１の冷却路と、
前記第１の冷却路から第２の冷却対象に前記第１の冷却液を供給する流路と、
前記第１の冷却路を流れる前記第１の冷却液の流量を調整する流量調整機構と、
前記流量調整機構を制御する制御装置と、
を備えた冷却システムであって、
前記制御装置は、前記第１の冷却対象の温度が前記第１の冷却液の温度よりも低い場合に、前記第１の冷却対象の温度が前記第１の冷却液の温度以上の場合に比べて、前記第１の冷却路を流れる前記第１の冷却液の流量が少なくなるように、前記流量調整機構を制御し、前記第１の冷却対象の温度が前記第１の冷却液の温度以上である場合に、前記第１の冷却対象の温度が低いほど、前記第１の冷却路を流れる前記第１の冷却液の流量が少なくなるように、前記流量調整機構を制御することを特徴とする冷却システム。

【請求項2】

前記第１の冷却対象及び前記第２の冷却対象は、通電によって発熱することを特徴とする請求項１に記載の冷却システム。

【請求項3】

前記第２の冷却対象は回転電機であり、
前記第１の冷却対象は前記回転電機を制御するパワーコントロールユニットである、
ことを特徴とする請求項２に記載の冷却システム。

【請求項4】

前記第１の冷却液は絶縁性を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の冷却システム。

【請求項5】

前記第１の冷却対象を第２の冷却液で冷却する第２の冷却路を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の冷却システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、冷却システムに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、燃料電池の冷却系と電動駆動系の冷却系とを統合し、同一のポンプで両冷却系に冷却液を循環させる技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１０－２７７８１５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

第１の冷却対象と第２の冷却対象とを共通の冷却液によって冷却する冷却システムにおいて、第１の冷却対象と第２の冷却対象とのうち、一方の冷却対象を冷却した後の冷却液の温度が、他方の冷却対象の温度よりも高い場合には、その冷却液によって他方の冷却対象を冷却しようとしても冷却液から他方の冷却対象に伝熱してしまい、他方の冷却対象の温度が高くなるおそれがある。

【0005】

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、第１の冷却液から第１の冷却対象に伝熱して、第１の冷却対象の温度が高くなることを抑制することができる冷却システムを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る冷却システムは、第１の冷却対象を第１の冷却液で冷却する第１の冷却路と、前記第１の冷却路から第２の冷却対象に前記第１の冷却液を供給する流路と、前記第１の冷却路を流れる前記第１の冷却液の流量を調整する流量調整機構と、前記流量調整機構を制御する制御装置と、を備えた冷却システムであって、前記制御装置は、前記第１の冷却対象の温度が前記第１の冷却液の温度よりも低い場合に、前記第１の冷却対象の温度が前記第１の冷却液の温度以上の場合に比べて、前記第１の冷却路を流れる前記第１の冷却液の流量が少なくなるように、前記流量調整機構を制御することを特徴とするものである。

【0007】

これにより、第１の冷却液から第１の冷却対象に伝熱して、第１の冷却対象の温度が高くなることを抑制することができる。

【0008】

また、上記において、前記第１の冷却路を迂回させて前記流路に前記第１の冷却液を供給するバイパス流路を備えており、前記流量調整機構は、前記第１の冷却液を前記第１の冷却路に供給する第１の経路と、前記第１の冷却液を前記バイパス流路に流入させて前記流路に供給する第２の経路とを、選択的に切り替え可能であり、前記制御装置は、前記第１の冷却対象の温度が前記第１の冷却液の温度以上の場合に前記第１の経路に切り替え、前記第１の冷却対象の温度が前記第１の冷却液の温度よりも低い場合に前記第２の経路に切り替えるように、前記流量調整機構を制御するようにしてもよい。

【0009】

これにより、第１の冷却対象よりも高温の第１の冷却液が第１の冷却路に供給されるのを抑制することができる。

【0010】

また、上記において、前記制御装置は、前記第１の冷却対象の温度が前記第１の冷却液の温度以上である場合に、前記第１の冷却対象の温度が低いほど、前記第１の冷却路を流れる前記第１の冷却液の流量が少なくなるように、前記流量調整機構を制御するようにしてもよい。

【0011】

これにより、圧損を低減させることが可能となる。

【0012】

また、上記において、前記第１の冷却対象及び前記第２の冷却対象は、通電によって発熱するものであってもよい。

【0013】

これにより、通電によって発熱した第１の冷却対象と第２の冷却対象とを共通の第１の冷却液によって効果的に冷却することができる。

【0014】

また、上記において、前記第２の冷却対象は回転電機であり、前記第１の冷却対象は前記回転電機を制御するパワーコントロールユニットであってもよい。

【0015】

これにより、パワーコントロールユニットと回転電機とを共通の第１の冷却液によって効果的に冷却することができる。

【0016】

また、上記において、前記第１の冷却液は絶縁性を有するようにしてもよい。

【0017】

これにより、第１の冷却対象及び前記第２の冷却対象に対して第１の冷却液を直接かけて冷却することが可能となる。

【0018】

また、上記において、前記第１の冷却対象を第２の冷却液で冷却する第２の冷却路を備えるようにしてもよい。

【0019】

これにより、第１の冷却対象を第１の冷却液と第２の冷却液とによって効果的に冷却することができる。

【発明の効果】

【0020】

本発明に係る冷却システムは、第１の冷却液から第１の冷却対象に伝熱して、第１の冷却対象の温度が高くなることを抑制することができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】図１は、実施形態に係る車両の冷却システムの構成を示す模式図である。

【図2】図２は、ＥＣＵが実施する切り替えバルブの切り替え制御の一例を示したフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下に、本発明に係る車両の冷却システムの実施形態について説明する。なお、本実施形態により本発明が限定されるものではない。実施形態に係る車両の冷却システムは、例えば、駆動輪を駆動させる動力源として内燃機関とモータとを備えるハイブリッド車両や、前記動力源としてモータを備える電気自動車などの電動車両に適用することができる。

【0023】

図１は、実施形態に係る車両の冷却システム１００の構成を示す模式図である。図１に示すように、実施形態に係る車両の冷却システム１００は、第１の冷却対象であるＰＣＵ（Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）４と第２の冷却対象である回転電機１４とを冷却する第１の冷却液が循環する第１の冷却回路１と、ＰＣＵ４を冷却する第２の冷却液が循環する第２の冷却回路２とを備えている。第１の冷却液は、第２の冷却液よりも高い絶縁性を有している。第１の冷却液としては、例えば、体積抵抗率が１０［Ωｃｍ］以上であり、絶縁破壊電圧が１０［ｋＶ］以上の液体状の絶縁冷媒を用いることができる。第２の冷却液としては、例えば、ＬＬＣ（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）を用いることができる。

【0024】

第１の冷却回路１には、第１の電動ポンプ１１、オイルクーラー３、第１の温度センサ１２、切り替えバルブ１３、ＰＣＵ４、回転電機１４、及び、オイルパン１５が配置されており、それぞれが配管によって連結されている。そして、第１の電動ポンプ１１を作動させることによって、第１の冷却回路１内で第１の冷却液が循環する。なお、図１中の実線で示した矢印は、第１の冷却回路１で第１の冷却液が流れる経路を示している。

【0025】

切り替えバルブ１３は、切り替え付き三方弁であり、オイルクーラー３からの第１の冷却液が流れる経路を、ＰＣＵ４（後述する第１の冷却路４１）に第１の冷却液を供給する第１の経路Ｒ１と、ＰＣＵ４（第１の冷却路４１）から回転電機１４に第１の冷却液を供給する流路（配管）に、ＰＣＵ４（第１の冷却路４１）を迂回させて第１の冷却液を供給する第２の経路（バイパス流路）Ｒ２と、のどちらかに選択的に切り替える。なお、切り替えバルブ１３の切り替え操作は、例えば、車両に搭載されたＥＣＵ５によって制御されたアクチュエータなどの駆動機構を用いて行う。

【0026】

第１の冷却回路１において第１の冷却液が流れる経路を、切り替えバルブ１３によって第１の経路Ｒ１に切り替えたときには、第１の電動ポンプ１１を起点とした場合、第１の電動ポンプ１１、オイルクーラー３、第１の温度センサ１２、切り替えバルブ１３、ＰＣＵ４、回転電機１４、オイルパン１５の順に、第１の冷却液が第１の冷却回路１内を循環する。一方、第１の冷却回路１において第１の冷却液が流れる経路を、切り替えバルブ１３によって第２の経路（バイパス流路）Ｒ２に切り替えたときには、第１の電動ポンプ１１を起点とした場合、第１の電動ポンプ１１、オイルクーラー３、第１の温度センサ１２、切り替えバルブ１３、回転電機１４、オイルパン１５の順に、第１の冷却液が第１の冷却回路１内を循環する。すなわち、第１の冷却回路１において第１の冷却液が流れる経路を、切り替えバルブ１３によって第２の経路（バイパス流路）Ｒ２に切り替えることによって、ＰＣＵ４に第１の冷却液が流れない。

【0027】

また、第１の冷却回路１において、オイルクーラー３と切り替えバルブ１３とを連結する配管には、第１の冷却液の温度Ｔ１を検知する第１の温度センサ１２が配置されている。

【0028】

第２の冷却回路２には、第２の電動ポンプ２１、リザーブタンク２２、オイルクーラー３、ＰＣＵ４、及び、ラジエータ２３が配置されており、それぞれが配管によって連結されている。なお、第２の冷却回路２に配置されたオイルクーラー３は、第１の冷却回路１と共用であり、オイルクーラー３にて第１の冷却液と第２の冷却液との間で熱交換が可能となっている。第２の冷却回路２では、第２の電動ポンプ２１を作動させることによって、第２の電動ポンプ２１を起点とした場合、第２の電動ポンプ２１、リザーブタンク２２、オイルクーラー３、ＰＣＵ４、ラジエータ２３の順に第２の冷却液が第２の冷却回路２内を循環する。なお、図１中の破線で示した矢印は、第２の冷却回路２で第２の冷却液が流れる経路を示している。

【0029】

ＰＣＵ４は、半導体素子４０１が設けられたパワーカードモジュール４００などが、ケース４０内に配置されて構成されており、車両に搭載されたバッテリーの電力によって駆動され、回転電機１４の動作を制御する。回転電機１４は、ＰＣＵ４からの制御信号に従って、前記バッテリーの電力を利用して車両の駆動輪を駆動するための動力を発生させる。なお、回転電機１４は、例えば、ＰＣＵ４の下方に配置される。

【0030】

ＰＣＵ４において、パワーカードモジュール４００は、半導体素子４０１が伝熱部材などによって上下が挟まれて構成されたモジュール本体部４０２と、モジュール本体部４０２の上方に設けられ、前記伝熱部材を介して半導体素子４０１から伝達された熱を放熱する放熱部材４０３とを有している。ケース４０の内部は、パワーカードモジュール４００の高さ方向で、モジュール本体部４０２が配置され第１の冷却液が流れる第１の冷却路４１と、放熱部材４０３が配置され第２の冷却液が流れる第２の冷却路４２とに、仕切り壁４３によって仕切られている。

【0031】

第１の冷却路４１は、第１の冷却回路１において第１の冷却液が流れてＰＣＵ４のモジュール本体部４０２を冷却する流路を形成している。第１の冷却路４１は、第１の冷却液の流れ方向で上流側が第１の経路Ｒ１をなす配管によって切り替えバルブ１３と連結されており、第１の冷却液の流れ方向で下流側が配管によって回転電機１４と連結されている。第１の冷却路４１には、第１の電動ポンプ１１を作動させることによって、オイルクーラー３で第２の冷却液と熱交換を行った後の第１の冷却液が、オイルクーラー３から切り替えバルブ１３により第１の経路Ｒ１を流れて送られる。第１の冷却路４１に送られてきた第１の冷却液は、モジュール本体部４０２に直接かかるように第１の冷却路４１内を流れる。これにより、第１の冷却液によって、モジュール本体部４０２の冷却、ひいては半導体素子４０１の冷却が行われる。モジュール本体部４０２を冷却した後の第１の冷却液は、第１の冷却路４１から回転電機１４に送られて、回転電機１４の冷却が行われる。回転電機１４を冷却した後の第１の冷却液は、回転電機１４の下方に設けられたオイルパン１５に回収されて、オイルパン１５から第１の電動ポンプ１１に送られる。

【0032】

第２の冷却路４２は、第２の冷却回路２において第２の冷却液が流れてＰＣＵ４の放熱部材４０３を冷却する流路を形成している。第２の冷却路４２は、第２の冷却液の流れ方向で上流側が配管によってオイルクーラー３と連結されており、第２の冷却液の流れ方向で下流側が配管によってラジエータ２３と連結されている。第２の冷却路４２には、第２の電動ポンプ２１を作動させることによって、リザーブタンク２２に貯留された第２の冷却液が、オイルクーラー３で第１の冷却液と熱交換を行った後に送られる。第２の冷却路４２に送られた第２の冷却液は、放熱部材４０３に直接かかるように第２の冷却路４２内を流れる。これにより、第２の冷却液によって、放熱部材４０３の冷却、ひいては半導体素子４０１の冷却が行われる。放熱部材４０３を冷却した後の第２の冷却液は、第２の冷却路４２からラジエータ２３に送られる。そして、ラジエータ２３にて第２の冷却液と外気との間で、第２の冷却液から外気に熱が移動する熱交換を行うことによって冷却された第２の冷却液は、第２の電動ポンプ２１に送られる。

【0033】

ＥＣＵ５には、様々なセンサのデータが入力される。図１に示した例では、第１の冷却回路１においてオイルクーラー３と切り替えバルブ１３とを連結する配管に設けられた第１の温度センサ１２が、ＰＣＵ４（第１の冷却路４１）に送られる前の第１の冷却液の温度Ｔ１を測定しており、測定された第１の冷却液の温度Ｔ１のデータがＥＣＵ５に入力される。ＰＣＵ４には、半導体素子４０１が耐熱温度に達していないかを直接監視できる部位、または、間接的に推測できる部位に、第２の温度センサ４１０が設置されている。ＥＣＵ５には、第２の温度センサ４１０から半導体素子４０１の温度Ｔ２のデータが入力される。

【0034】

そして、実施形態に係る冷却システム１００においては、第１の冷却液の温度Ｔ１と半導体素子４０１の温度Ｔ２とに基づいて、ＥＣＵ５が、切り替えバルブ１３による第１の経路Ｒ１と第２の経路（バイパス流路）Ｒ２との切り替えを行う。

【0035】

図２は、ＥＣＵ５が実施する切り替えバルブ１３の切り替え制御の一例を示したフローチャートである。

【0036】

まず、ＥＣＵ５は、ステップＳ１において、第１の冷却回路１にてオイルクーラー３と切り替えバルブ１３とを連結する配管に設けられた第１の温度センサ１２から、第１の冷却液の温度Ｔ１を取得する。次に、ＥＣＵ５は、ステップＳ２において、第１の冷却回路１にてＰＣＵ４に設けられた第２の温度センサ４１０から、半導体素子４０１の温度Ｔ２を取得する。次に、ＥＣＵ５は、ステップＳ３において、半導体素子４０１の温度Ｔ２≧第１の冷却液の温度Ｔ１の関係を満たすか否かを判断する。

【0037】

ＥＣＵ５は、半導体素子４０１の温度Ｔ２≧第１の冷却液の温度Ｔ１の関係を満たすと判断した場合（ステップＳ３にてＹｅｓ）、ステップＳ４において、第１の冷却液が流れる流路を切り替えバルブ１３によって第１の経路Ｒ１に切り替える。これにより、半導体素子４０１の温度Ｔ２以下の第１の冷却液をＰＣＵ４の第１の冷却路４１に供給して、第１の冷却液による半導体素子４０１の冷却を行うことができる。ＥＣＵ５は、切り替えバルブ１３による第１の経路Ｒ１への切り替えが終わった後、一連の切り替え制御を終了する。

【0038】

一方、ＥＣＵ５は、半導体素子４０１の温度Ｔ２≧第１の冷却液の温度Ｔ１の関係を満たさない、言い換えると、半導体素子４０１の温度Ｔ２＜第１の冷却液の温度Ｔ１の関係を満たすと判断した場合（ステップＳ３にてＮｏ）、ステップＳ５において、第１の冷却液が流れる流路を切り替えバルブ１３によって第２の経路Ｒ２に切り替える。これにより、半導体素子４０１よりも温度の高い第１の冷却液は、第１の冷却路４１へ供給されずに、ＰＣＵ４の第１の冷却路４１を迂回して第２の経路Ｒ２を流れて回転電機１４に供給される。よって、半導体素子４０１よりも高温の第１の冷却液から半導体素子４０１に伝熱して、半導体素子４０１の温度Ｔ２が高くなることを抑制することができる。ＥＣＵ５は、切り替えバルブ１３による第２の経路Ｒ２への切り替えが終わった後、一連の切り替え制御を終了する。

【0039】

なお、実施形態に係る冷却システム１００においては、第１の冷却液の温度Ｔ１と半導体素子４０１の温度Ｔ２とを、それぞれ第１の温度センサ１２と第２の温度センサ４１０とによって測定された実測温度を用いることに限定されない。例えば、実施形態に係る冷却システム１００においては、予め実験などによって計測したマップを使用して、車両の運転状態（回転電機１４の回転数やトルクなど）から第１の冷却液の温度Ｔ１と半導体素子４０１の温度Ｔ２とを推定した推定温度を用いてもよい。

【0040】

また、実施形態に係る冷却システム１００においては、切り替えバルブ１３が、第１の冷却液が流れる経路を、第１の経路Ｒ１と第２の経路Ｒ２とのどちらかに選択的に切り替えることによって、ＰＣＵ４の第１の冷却路４１を流れる第１の冷却液の流量を調整する流量調整機構として機能する。一方で、実施形態に係る冷却システム１００においては、ＰＣＵ４の第１の冷却路４１を流れる第１の冷却液の流量が、半導体素子４０１の温度Ｔ２が第１の冷却液の温度Ｔ１よりも低い場合に、半導体素子４０１の温度Ｔ２が第１の冷却液の温度Ｔ１以上の場合に比べて少なくなるように、ＥＣＵ５によって切り替えバルブ１３の開度を制御するようにしてもよい。

【0041】

また、ＥＣＵ５によって切り替えバルブ１３の開度を制御する際、ＥＣＵ５は、半導体素子４０１の温度Ｔ２が第１の冷却液の温度Ｔ１以上である場合に、半導体素子４０１の温度が低いほど、ＰＣＵ４の第１の冷却路４１を流れる第１の冷却液の流量が少なくなるように、切り替えバルブ１３の開度を制御するようにしてもよい。これにより、圧損を低減させることが可能となる。

【符号の説明】

【0042】

１ 第１の冷却回路
２ 第２の冷却回路
３ オイルクーラー
４ ＰＣＵ
５ ＥＣＵ
１１ 第１の電動ポンプ
１２ 第１の温度センサ
１３ 切り替えバルブ
１４ 回転電機
１５ オイルパン
２１ 第２の電動ポンプ
２２ リザーブタンク
２３ ラジエータ
４０ ケース
４１ 第１の冷却路
４２ 第２の冷却路
４３ 仕切り壁
１００ 冷却システム
４００ パワーカードモジュール
４０１ 半導体素子
４０２ モジュール本体部
４０３ 放熱部材
４１０ 第２の温度センサ
Ｒ１ 第１の経路
Ｒ２ 第２の経路

【図1】

【図2】