CN108161035A - 分形流道散热结构及电主轴 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种分形流道散热结构，包括散热内筒以及与散热内筒紧密贴合的散热外筒；散热内筒的筒壁两端分别开设有第一环形流道和第二环形流道，筒壁上设有轴向连通第一环形流道和第二环形流道的第一直流道和第二直流道，第一直流道和第二直流道在筒壁上对向设置，筒壁上还设有连通第一环形流道和第一直流道以及连通第二环形流道和第二直流道的多个导流结构，第一环形流道和第二环形流道分别开设有冷却液入口和冷却液出口，从冷却液入口流入的冷却液能够流经第一环形流道、第二环形流道、第一直流道、第二直流道以及多个导流结构从冷却液出口流出。具有良好的散热效果，流动阻力较低，较低的泵送功率即可实现较好的散热冷却效果。
Description
技术领域
本发明涉及冷却设备技术领域，具体涉及一种分形流道散热结构及一种电主轴。
背景技术
随着数控机床技术的发展，为了实现更高的转速、更高的精度，数控机床的主轴通常采用电主轴，电主轴实际上是一套主轴单元组件，将电机的转子与主轴做成一体，主轴由前后轴承支承，电机的定子通过冷却套安装于整个主轴单元的壳体中。由于电主轴将电机集成于主轴单元中，且转速很高，运转时会产生大量热量，引起电主轴温度升高，使电主轴的热态特性和动态特性变差，从而影响电主轴的正常工作，严重影响机床的加工精度。因此，必须采取散热措施控制电主轴的温度，使其温度控制在一定范围内。数控机床目前一般利用散热结构采取强制循环冷却的方式对电主轴的定子及主轴轴承进行冷却，现有的散热结构大都为直道形流道的散热结构或者螺旋形流道的散热结构，散热效果不理想，冷却液的流动压力损失大，需要较大的泵送功率来实现散热效果。
发明内容
本发明提供的一种分形流道散热结构及一种电主轴，具有良好的散热效果，有效的改善了工作环境，并且冷却液的流动效率较高，流动阻力较低，只需较低的泵送功率即可实现较好的散热冷却效果。
为了实现上述目的，本发明提供的一种分形流道散热结构，包括散热内筒以及与所述散热内筒紧密贴合的散热外筒；所述散热内筒的筒壁两端分别开设有第一环形流道和第二环形流道，所述筒壁上设有轴向连通第一环形流道和第二环形流道的第一直流道和第二直流道，所述第一直流道和第二直流道在所述筒壁上对向设置，所述筒壁上还设有连通第一环形流道和第一直流道以及连通第二环形流道和第二直流道的多个导流结构，所述第一环形流道和第二环形流道分别开设有冷却液入口和冷却液出口，从所述冷却液入口流入的冷却液能够流经第一环形流道、第二环形流道、第一直流道、第二直流道以及所述多个导流结构从所述冷却液出口流出。
优选地，所述第一环形流道与第一直流道之间的至少一个导流结构为包括流入端主流道、至少两条支流道和流出端主流道的分叉式流道结构，所述流入端主流道与所述第一环形流道连通且沿冷却液输送方向分叉形成至少两条支流道，所述至少两条支流道沿冷却液输送方向汇聚形成与所述第一直流道连通的流出端主流道。
优选地，所述第二环形流道与第二直流道之间的至少一个导流结构为包括流入端主流道、至少两条支流道和流出端主流道的分叉式流道结构，所述流入端主流道与所述第二直流道连通且沿冷却液输送方向分叉形成至少两条支流道，所述至少两条支流道沿冷却液输送方向汇聚形成与所述第二环形流道连通的流出端主流道。
优选地，所述分叉式流道结构为仿生昆虫翅脉型流道。
优选地，所述流入端主流道的横截面面积与所述流出端主流道的横截面面积相等，所述支流道的横截面面积小于所述流入端主流道的横截面面积且小于所述流出端主流道的横截面面积。
优选地，所述流入端主流道和所述流出端主流道均为直流道，且所述流入端主流道和所述流出端主流道与所述散热内筒端面边缘呈预定角度设置。
另一方面，本发明还提供一种电主轴，包括冷却套、外壳、定子、转子、芯轴、后轴承以及前轴承，所述冷却套套设在所述外壳上，所述冷却套为本发明提供的分形流道散热结构。
本发明提供的分形流道散热结构及电主轴，通过分形流道散热结构降温，具有良好的散热效果，有效的改善了工作环境，并且冷却液的流动效率较高，流动阻力较低，需要较低的泵送功率即可实现较好的散热效果。
本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：
图1是根据本发明一种实施方式的分形流道散热结构的散热内筒的右侧向的结构示意图；
图2是根据本发明一种实施方式的分形流道散热结构的散热内筒的左侧向的结构示意图；
图3是根据本发明一种实施方式的分形流道散热结构的散热外筒的结构示意图；
图4是根据本发明一种实施方式的电主轴的结构示意图；以及
图5是现有技术中螺旋形流道散热结构的结构示意图。
附图标记说明
1散热内筒 2散热外筒
3第一环形流道 4第二环形流道
5第一直流道 6第二直流道
7导流结构 8冷却液入口
9冷却液出口 10冷却套
11外壳 12定子
13转子 14芯轴
15后轴承 16前轴承
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。
下面结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细描述。
如图1、图2及图3所示，本发明提供一种分形流道散热结构，包括散热内筒1以及与所述散热内筒紧密贴合的散热外筒2；所述散热内筒的筒壁两端分别开设有第一环形流道3和第二环形流道4，所述筒壁上设有轴向连通第一环形流道3和第二环形流道4的第一直流道5和第二直流道6，所述第一直流道5和第二直流道6在所述筒壁上对向设置，所述筒壁上还设有连通第一环形流道3和第一直流道5以及连通第二环形流道4和第二直流道6的多个导流结构7，所述第一环形流道3和第二环形流道4分别开设有冷却液入口8和冷却液出口9，从所述冷却液入口8流入的冷却液能够流经第一环形流道3、第二环形流道4、第一直流道5、第二直流道6以及所述多个导流结构7从所述冷却液出口9流出。
如图1、图2所示，所述第一环形流道3、所述第二环形流道4、所述第一直流道5、所述第二直流道6以及所述多个导流结构7遍布在热源区域，所述冷却液流经所述第一环形流道3、所述第二环形流道4、所述第一直流道5、所述第二直流道6以及所述多个导流结构7与热源区域进行热交换，通过冷却液在流道的不断流动，带走热源区域的热量，冷却液流经的路线如下：由所述冷却液入口8流入的冷却液可以经由所述第一环形流道3、多个导流结构7、第一直流道5后从所述冷却液出口9流出；由所述冷却液入口8流入的冷却液还可以经由所述第二直流道6、多个导流结构7、第二环形流道4后从所述冷却液出口9流出；由所述冷却液入口8流入的冷却液可以经由所述第一环形流道3、第一直流道5后从所述冷却液出口9流出；由所述冷却液入口8流入的冷却液还可以经由所述第二直流道6、第二环形流道4后从所述冷却液出口9流出。这种冷却液通过不同流道和不同路线流通的方式，使得整个热源区域都有冷却液流过，增强了散热冷却的效果。
根据本发明的一种实施方式，可以根据热源区域的发热情况，调整所述多个导流结构7的间隔距离，例如，在温度较高的热点区域，可以设置较近的间隔距离，在温度较低的区域可以设置较远的间隔距离，所述多个导流结构7的间隔距离可以根据实际情况进行设置，本发明不对其进行限定。
根据本发明的技术方案，优选地，所述第一环形流道3与第一直流道5之间的至少一个导流结构7为包括流入端主流道、至少两条支流道和流出端主流道的分叉式流道结构，所述流入端主流道与所述第一环形流道3连通且沿冷却液输送方向分叉形成至少两条支流道，所述至少两条支流道沿冷却液输送方向汇聚形成与所述第一直流道5连通的流出端主流道。
所述第二环形流道4与第二直流道6之间的至少一个导流结构7为包括流入端主流道、至少两条支流道和流出端主流道的分叉式流道结构，所述流入端主流道与所述第二直流道6连通且沿冷却液输送方向分叉形成至少两条支流道，所述至少两条支流道沿冷却液输送方向汇聚形成与所述第二环形流道4连通的流出端主流道。
流道长度较长或者流经散热效果较差区域的流道需要加密流道，可以通过增加分叉来提高流道在这一区域的分布密度，从而有效的增强散热冷却的效果。因此，优选地，所述导流结构7可以设置为分叉式流道结构，包括流入端主流道、至少两条支流道和流出端主流道，根据散热效果较差区域的情况，更加优选地，所述支流道还可以设置进行二级分叉，一条支流道还可以分叉为多条二次分支流道，进一步加强散热冷却的效果。
优选地，所述分叉式流道结构为仿生昆虫翅脉型流道。
昆虫翅膀的翅脉由昆虫的气管演化而来，均匀分布在翅膀表面，从翅膀翅脉的功能考虑，鳞翅目昆虫的翅脉是翅膀的支撑结构，在刚刚破茧的时候担负着撑开翅膀的功能，此时翅脉网路是一个液压系统，体液进入翅膀产生液压压力，利用这种压力昆虫得以撑开翅膀，在整个过程中，高效的网络运输体系可以减少体液在翅脉内流动产生的额外能量消耗。
昆虫的翅脉是经过了进化的选择形成的高效的优化结构，优选地，本发明依照昆虫翅脉的特点，引入形态相似的分形流道散热结构，将所述分叉式流道结构设置为仿生昆虫翅脉型流道，在指定的区域内分布与翅脉相似的流道，并可以在散热需要加强的区域调整流道增加分叉，以增强散热冷却效果。
根据本发明的技术方案，所述流入端主流道的横截面面积与所述流出端主流道的横截面面积相等，所述支流道的横截面面积小于所述流入端主流道的横截面面积且小于所述流出端主流道的横截面面积。所述流入端主流道、所述流出端主流道以及所述支流道可以选择为矩形流道、半圆形流道、圆形流道以及梯形流道等，可以根据实际情况选择流道的形状，本发明不对其进行限定。
优选地，所述流入端主流道、所述流出端主流道以及所述支流道为矩形流道，所述流入端主流道的宽度D1与所述流出端主流道的宽度D2相等，所述支流道的宽度D小于所述流入端主流道的宽度D1且小于所述流出端主流道的宽度D2。为了保证较佳的散热冷却效果和较小的冷却液流动损失，优选地，所述流入端主流道的宽度D1、所述流出端主流道的宽度D2以及所述支流道的宽度D的比值为：D1:D2:D＝1:1:0.8，所述流入端主流道的宽度D1、所述流出端主流道的宽度D2以及所述支流道的宽度D的比值可以根据实际使用情况进行设定，本发明不对其进行限定。
根据本发明的技术方案，所述流入端主流道和所述流出端主流道均为直流道，且所述流入端主流道和所述流出端主流道与所述散热内筒端面边缘呈预定角度设置。为了保证良好的散热冷却效果，优选地，所述流入端主流道和所述流出端主流道与所述散热内筒端面边缘呈25°-75°设置。
考虑到流动阻力，在保证能耗较小的情况下，优选地，所述流入端主流道和所述流出端主流道与所述散热内筒端面边缘呈28°设置，具有较好的流动性及散热效果。由于热源情况不同，可以根据实际情况在预定范围内选择流入端主流道和流出端主流道与所述散热内筒端面边缘的夹角，本发明不对其进行限定。
流道内冷却液的压力损失与流道内雷诺数(如本领域技术人员所公知，雷诺数是用于表征流体流动情况的无量纲数，利用雷诺数可确定流体在流动过程中所受到的阻力)的大小有关，当雷诺数达到某个界限后流体流动压力损失就会迅速增加，而优化两条支流道之间的分支夹角可以推迟这个界限，改善散热冷却的效果。
例如，如果选取两条支流道之间的分支夹角在75°附近时，流动压力损失较大，冷却液流动效率不理想，相比而言，选取两条支流道之间的分支夹角在50°附近时，具有较好的散热效果，压力损失较小，冷却液流动效率较高。
考虑到冷却液流动的可逆性，沿着冷却液入口8和冷却液出口9的连线，流道可以设置为镜像对称结构，便于应用制造，也便于分析检测散热冷却的情况，也可根据散热需要对流道进行微调，采用不完全对称的结构，本发明不对其进行限定。
为了确保冷却液在流道中规范流动，所述散热内筒1与所述散热外筒2的接触面需要按照粗糙度和平整度要求进行加工，保证光滑平整，紧密贴合。
流道的加工可以采用微铣削加工，或者采用电火花加工的方法，具体的加工方法根据实际情况进行选择，本发明不对其进行限定。
另一方面，如图4所示，本发明还提供一种电主轴，包括：冷却套10、外壳11、定子12、转子13、芯轴14、后轴承15以及前轴承16，所述冷却套10套设在所述外壳11上，所述冷却套10为本发明提供的分形流道散热结构。
所述电主轴是将机床主轴(即芯轴14)与电机的功能从结构上融为一体的技术，电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、噪声低、响应快等优点，而且转速高、功率大，简化机床设计，易于实现主轴定位，是高速主轴单元中的一种理想结构，电机的转子13采用压配方法与主轴做成一体，主轴则由前后轴承支承，所述冷却套10套设在所述外壳11上对电主轴进行散热冷却，使得电主轴的温度保证在一定范围内，可以保证机床的加工精度。
下面将本发明实施例提供的如图1、图2所示的分形流道散热结构与现有技术中如图5所示的螺旋形流道散热结构进行比较：
在两者具有相同的对流换热面积的情况下，本发明使用如图1、图2所示的散热结构，所述第一环形流道3、所述第二环形流道4、所述第一直流道5、所述第二直流道6以及所述多个导流结构7遍布在热源区域，所述导流结构7为包括流入端主流道、两条支流道和流出端主流道的分叉式流道结构，冷却液入口8的水力直径为4.3mm，两条支流道的分支夹角为50°。
现有技术中的螺旋形流道散热结构如图5所示，冷却液入口的水力直径与本发明实施例中图1、图2所示的散热结构的冷却液入口的水力直径近似相同。
在本发明实施例提供的分形流道散热结构和现有技术中的螺旋形流道散热结构的内径表面上分别加载25000W/m2热流密度，冷却液入口处冷却液的温度为20℃，冷却液在冷却液入口流动速度为1m/s，冷却液出口的参考压力为大气压。
得到的结果如下：采集到本发明实施例提供的分形流道散热结构的最低温度为32.09℃，最高温度为60.34℃，整个结构最低温度位置和最高温度位置的温差为28.25℃；现有技术中的螺旋形流道散热结构的最低温度为29.68℃，最高温度为64.02℃，整个结构最低温度位置和最高温度位置的温差为34.34℃。
本发明实施例提供的分形流道散热结构比现有技术的螺旋形流道散热结构的最高温度小了近4℃，散热效果更为理想。本发明实施例提供的分形流道散热结构与现有技术的螺旋形流道散热结构的温差相比小了6.09℃，结构温度场分布更均匀。
本发明提供的分形流道散热结构及电主轴，采用冷却液通过不同流道和不同路线流通的方式，使得整个热源区域都有冷却液流过，增强了散热冷却的效果，有效的改善了工作环境；将导流结构7均匀布置，使得散热结构温度分布更均匀；将导流结构7进一步分叉为分叉式流道结构，进一步加强了散热冷却的效果；选择合适的流道形状及支流道的分支夹角，使得冷却液的流动效率较高，流动阻力较低，只需较低的泵送功率即可实现较好的散热冷却效果。
以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。
Claims (7)
1.一种分形流道散热结构，其特征在于，所述分形流道散热结构包括散热内筒(1)以及与所述散热内筒紧密贴合的散热外筒(2)；
所述散热内筒的筒壁两端分别开设有第一环形流道(3)和第二环形流道(4)，所述筒壁上设有轴向连通第一环形流道(3)和第二环形流道(4)的第一直流道(5)和第二直流道(6)，所述第一直流道(5)和第二直流道(6)在所述筒壁上对向设置，所述筒壁上还设有连通第一环形流道(3)和第一直流道(5)以及连通第二环形流道(4)和第二直流道(6)的多个导流结构(7)，所述第一环形流道(3)和第二环形流道(4)分别开设有冷却液入口(8)和冷却液出口(9)，从所述冷却液入口(8)流入的冷却液能够流经第一环形流道(3)、第二环形流道(4)、第一直流道(5)、第二直流道(6)以及所述多个导流结构(7)从所述冷却液出口(9)流出。
2.根据权利要求1所述的分形流道散热结构，其特征在于，所述第一环形流道(3)与第一直流道(5)之间的至少一个导流结构(7)为包括流入端主流道、至少两条支流道和流出端主流道的分叉式流道结构，所述流入端主流道与所述第一环形流道(3)连通且沿冷却液输送方向分叉形成至少两条支流道，所述至少两条支流道沿冷却液输送方向汇聚形成与所述第一直流道(5)连通的流出端主流道。
3.根据权利要求1所述的分形流道散热结构，其特征在于，所述第二环形流道(4)与第二直流道(6)之间的至少一个导流结构(7)为包括流入端主流道、至少两条支流道和流出端主流道的分叉式流道结构，所述流入端主流道与所述第二直流道(6)连通且沿冷却液输送方向分叉形成至少两条支流道，所述至少两条支流道沿冷却液输送方向汇聚形成与所述第二环形流道(4)连通的流出端主流道。
4.根据权利要求2或3所述的分形流道散热结构，其特征在于，所述分叉式流道结构为仿生昆虫翅脉型流道。
5.根据权利要求2或3所述的分形流道散热结构，其特征在于，所述流入端主流道的横截面面积与所述流出端主流道的横截面面积相等，所述支流道的横截面面积小于所述流入端主流道的横截面面积且小于所述流出端主流道的横截面面积。
6.根据权利要求2或3所述的分形流道散热结构，其特征在于，所述流入端主流道和所述流出端主流道均为直流道，且所述流入端主流道和所述流出端主流道与所述散热内筒端面边缘呈预定角度设置。
7.一种电主轴，包括：冷却套(10)、外壳(11)、定子(12)、转子(13)、芯轴(14)、后轴承(15)以及前轴承(16)，所述冷却套(10)套设在所述外壳(11)上，其特征在于，所述冷却套(10)为权利要求1-7中任一项权利要求所述的分形流道散热结构。
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