CN110131319B - 冷却用于支撑或驱动旋转件的发热部件的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及陀螺减摇装置的冷却装置的改进，该冷却装置也适用于其他类似产品的冷却。陀螺减摇装置主要依靠内部高速旋转的飞轮的惯性输出一个与船舶摇晃方向相反的力矩达到稳定船舶的目的，要实现大惯量飞轮的高速旋转，必须有轴承支撑和电机驱动，轴承和电机在高速旋转时都会产生大量的热。同时，为了降低风阻，还需要将转子包裹在一个低压真空或者低密度气体环境下，而在真空环境下高速回转部件的散热难以实现充分的热交换。本发明的冷却装置设计为在陀螺减摇装置上设置动散热片和静散热片，并在所述动散热片和所述静散热片之间形成一密闭的气体流通通道，实现了在真空低压环境或低密度气体环境下通过热对流的方式高效冷却高速旋转发热部件。

Description

冷却用于支撑或驱动旋转件的发热部件的装置
技术领域
本发明涉及发热部件的冷却装置，所述发热部件是用于支撑或驱动旋转件的发热部件(如轴承、电机)，或其它支撑或驱动旋转件(或称为回转机械)的发热部件，所述旋转件或回转机械是高转速零件，例如是密封在部分真空中的飞轮。
背景技术
用于减少船舶摇晃的陀螺减摇装置，主要依靠内部高速旋转的飞轮的惯性输出一个与船舶摇晃方向相反的力矩达到稳定船舶的目的。要实现大惯量飞轮的高速旋转，必须有轴承支撑和电机驱动。在飞轮高速旋转时，轴承和电机都会产生大量的热，为了保证轴承稳定高速运转，需要保持轴承、电机、转子在一定的温度范围内，并且要求轴承内外圈之间的温差控制在一个合理的范围内。同时，为了实现转子的高速旋转降低风阻，还需要将转子包裹在一个低压真空或者低密度气体环境下。在真空环境下高速回转部件的散热由于难以实现充分的热交换，因此需要有特殊的设计。
在专利文献CN101443987中，公开了一种能够使用在上述支撑飞轮的轴承和电机上的冷却装置，该冷却装置采用动散热片和静散热片相互插入的结构，通过热传导的方式实现热交换，但由于需要保持动散热片和静散热片之间极小的间距，会增加高速设备运转的风险，并且提高了零件的加工、装配难度。
发明内容
本发明提供一种冷却装置，用于冷却支撑或驱动旋转件的发热部件，冷却效果良好，并且可以解决现有技术中的上述缺陷，也适用于其他产品的支撑或驱动旋转件的发热部件的冷却。
本发明还提供设置有上述冷却装置的船舶陀螺减摇装置。
本发明的技术方案如下：
一种冷却装置，用于冷却支撑或驱动旋转件的发热部件，该冷却装置主要包括动散热片、静散热片，所述静散热片外部设有冷却部件；
其中，
所述动散热片由导热性能良好的材料制成，并且所述动散热片随着旋转件一起高速旋转；
所述动散热片具有一内腔和一外壁，所述外壁上设有多个沿所述动散热片的径向或与径向成一定角度布置的通孔孔道，该些通孔孔道连通所述内腔与所述动散热片的外壁的外部；
所述静散热片固定设置在壳体上并不随旋转件旋转，所述静散热片围绕在所述动散热片之外，并具有安装后密闭的内腔，所述动散热片设置于所述静散热片的内腔中；
所述静散热片的内腔中包括第一腔体、第二腔体、以及位于第一腔体和第二腔体之间的凸起壁，所述凸起壁上设有连通第一腔体和第二腔体的多个竖向的孔道；其中，所述第二腔体与所述动散热片的通孔通道的外侧出口连通，所述第一腔体连通至所述动散热片的内腔上方；
所述动散热片和所述静散热片之间形成一密闭的气体流通通道。
在优选的实施方式中，所述动散热片上的所述通孔孔道为狭长型，并且密集分布在所述动散热片的所述外壁上。
在优选的实施方式中，所述动散热片的所述内腔内还设有多个加压导流叶片。
在优选的实施方式中，所述叶片以类似风扇叶片的布置方式设置在所述动散热片的所述内腔之内。
在优选的实施方式中，所述静散热片的所述孔道为狭长型且密集分布在所述静散热片的所述凸起壁上。
在优选的实施方式中，所述动散热片的轴心固定在旋转件上并与所述电机转子同轴转动。
在优选的实施方式中，所述静散热片的所述第一腔体位于所述静散热片的所述内腔的上方，所述静散热片的所述第二腔体位于所述静散热片的所述内腔的下方。
在优选的实施方式中，所述静散热片的所述第一腔体的内侧面还设有一狭长通道，所述狭长通道分别与所述动散热片的所述通孔孔道和所述静散热片的所述第一腔体连通。
在优选的实施方式中，还包括气体导流件，所述气体导流件水平设置在所述动散热片和所述静散热片之间，并提供从所述静散热片的所述第一腔体到所述动散热片的所述内腔的气体流动通道。
在优选的实施方式中，所述气体导流件为气体导流片，所述气体导流片的上表面沿径向设有多个长条形的气体通道。
在优选的实施方式中，所述静散热片外部设有冷却部件为：所述静散热片之外设有端盖，所述静散热片外部由所述端盖密封，所述端盖与所述静散热片相接触；所述端盖上设有冷却设施。
在优选的实施方式中，所述端盖上的冷却设施设置为：所述端盖内充满冷却水。
在优选的实施方式中，所述动散热片为圆盘状，所述静散热片的外部轮廓为圆形，所述气体导流件的外形为圆形。
本发明还提供一种船舶陀螺减摇装置，其设有上述任一所述的冷却装置。
其中，所述冷却装置可以设置在所述飞轮旋转轴的一端或两端，和/或设置在所述飞轮旋转轴的中部。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
在本发明中，电机转子及轴承内圈的热量通过热传导方式传导至动散热片，动散热片经由气体循环通过热对流将热量传导至静散热片，静散热片经由外部冷却将热量传导至外部，实现设备内部热平衡；
本发明的冷却装置通过热对流的方式实现高速旋转发热部件的冷却，能够在真空低压环境或低密度气体环境下高效实现支撑或驱动旋转件的发热部件的冷却。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
图1为本发明实施例的设置有冷却装置的陀螺减摇装置的剖视图；
图2为图1中画圈部分的局部放大图，其中展示了冷却装置；
图3为本发明实施例的冷却装置及相邻零部件的立体图；
图4为本发明实施例的冷却装置及相邻零部件的立体透视图；
图5为本发明实施例的动散热片的立体图；
图6为本发明实施例的另一种结构的动散热片的主视图；
图7为静散热片的立体剖视图；
图中标号含义如下：
10-飞轮；11-高速电机；12-壳体；13、14-轴承；15-轴承外圈；112-电机定子；16-轴承内圈；111-电机转子；18-动散热片；19-静散热片；180-动散热片内腔；181-动散热片外壁；182-动散热片叶片；18A-动散热片通孔孔道；191-静散热片第一腔体；192-静散热片第二腔体；193-静散热片凸起壁；19B-静散热片孔道；194-静散热片狭长通道；20-气体导流片；30-端盖。
具体实施方式
本发明提供了一种通过气体热对流的方式实现高速旋转发热部件冷却的装置和方法，在真空低压环境或低密度气体环境下高效实现旋转发热部件的冷却。
下方以船舶减摇装置为例，对本发明做进一步的描述。
实施例1
请参见图1-图4，本实施例提供了冷却装置的一种实施方式。
图1所示为船舶的陀螺减摇装置，其中，钢制的飞轮10在高速电机11的驱动下在壳体12内高速旋转，该壳体12作为一个密闭空间可以抽真空形成低压环境，也可以充入其他低于空气密度的气体以减少飞轮10高速旋转的风阻，轴承13和轴承14用于支撑飞轮10的高速运转。
在飞轮10高速运转时，在轴承13、14的内/外圈以及电机11上都会有大量的热产生，其中，轴承外圈15(请结合参见图2所示)和电机定子112的热量可以传导到壳体12并散失掉，但轴承内圈16(请结合参见图2所示)及电机转子111的热量由于处在壳体12的密闭腔体中，需要有特殊的散热路径。因此，本实施例在该陀螺减摇装置的上、下两端分别设置了冷却装置，详见图1中画圈部分。
请参见图2，其显示了位于图1中上部圆圈内所示的冷却装置，该冷却装置主要包括动散热片18、静散热片19，静散热片19外设有冷却部件。
其中，动散热片18由导热性能良好的材料制成；请结合参见图5和图1，动散热片18的轴心固定在飞轮10的一端并随着电机转子111一起高速旋转；
请参见图5，动散热片18为圆盘状，具有一内腔180和一外壁181，外壁181上设有多个沿动散热片18的径向布置的通孔孔道18A，这些通孔孔道18A连通所述内腔180与所述动散热片的外壁181外部，从图5可见，这些通孔孔道18A为狭长型，并且密集分布在外壁181上；通孔孔道18A狭长的通道能够提供更好的热交换效果，而通孔孔道18A密集分布则增加了热交换面积。
在本实施例中，内腔180内还设有多个叶片182，优选地，叶片182以类似风扇叶片的布置方式设置在动散热片18的内腔180之内。
其中，
静散热片19固定设置在壳体12上，所述静散热片19围绕在所述动散热片18之外；静散热片19具有安装后密闭的内腔，动散热片18设置于静散热片19的内腔中；如图1-图4及图7所示，静散热片19外形轮廓为圆形；
所述静散热片19的内腔中包括第一腔体191、第二腔体192、以及位于第一腔体191和第二腔体192之间的凸起壁193，所述凸起壁193上设有连通第一腔体191和第二腔体192的多个竖向的孔道19B，具体地，孔道19B为狭长型且密集分布在凸起壁193上；其中，所述第二腔体192与所述动散热片18的径向通道18A的外侧出口连通，所述第一腔体191连通至所述动散热片18的内腔180上方，进而在动散热片18和静散热片19之间形成一密闭的气体流通通道。
具体地如图1-图4中的实施方式所示，第一腔体191位于所述静散热片19的内腔上方，第二腔体192位于所述静散热片19的内腔下方。
请参见图3，并结合参见图6，第一腔体191的内腔的侧面还设有一狭长通道194，该通道194分别与动散热片18的通孔孔道18A和静散热片19的第一腔体191连通，是从通孔孔道18A喷出的气体进入第一腔体191的通道。
在本发明中，动散热片18的结构设置是为了在随电机转子高速旋转的同时把内腔中的气体加压并沿径向密集的通孔孔道18A喷射出去，同时在喷射的过程中带走动散热片的热量；因此，除了设有内腔和外壁、外壁设有多个沿径向或与径向成一定角度的通孔这两个技术特征之外，本发明对动散热片的轮廓外形、内腔的大小、外壁的厚度、通孔的形状、数量和具体尺寸、是否设置叶片以及叶片的大小形状等不进行特别限定，本领域技术人员可在上述原则下进行合适的设置和选择，因此在上述原则和图1-图5和图7的启示下，对动散热片的轮廓外形、内腔的大小、外壁的厚度、通孔的形状、数量和具体尺寸、是否设置叶片以及叶片的大小形状等所做的变形设计均属于本发明的保护范围。
在本发明中，静散热片的设置是为了将动散热片喷出的气体在竖向的孔道中冷却，并返回至动散热片的内腔中，实现气体的循环流动。因此，静散热片除了设有安装后密闭的内腔、竖向孔道、与动散热片的通孔孔道和内腔分别连通的第一腔体和第二腔体外，本发明对静散热片的轮廓形状、内腔的具体形状和大小、竖向孔道的数量/形状和大小、第一腔体和第二腔体的形状/大小及第一腔体和第二腔体与动散热片的通孔孔道和内腔分别连通的结构等不进行特别限定，本领域技术人员可在上述原则下进行合适的设置和选择，因此在上述原则和图1-图4和图6的启示下，对静散热片的轮廓形状、内腔的具体形状和大小、竖向孔道的数量/形状和大小、第一腔体和第二腔体的形状/大小及腔体与动散热片的通孔孔道和内腔分别连通的结构等所做的变形设计均属于本发明的保护范围。
在本实施例中，冷却装置还包括气体导流片20，请参见图1-图4，气体导流片20水平设置在动散热片18和静散热片19之间，并提供从静散热片19的第一腔体191到动散热片18的内腔180之间的气体流动通道。具体地，请参见图4，气体导流片20的上表面沿径向设有多个长条形的气体通道201。在本实施例的附图中所示的气体导流片20为圆片形，其上设置的气体通道为长条形，但气体导流片作为气体导流部件，其形状不限于片状，其气体通道也不限于长条形，气体通道的大小也不限于附图中所示的大小。本领域技术人员可在上述原则下进行合适的设置和选择，因此在上述气体导流原则和图1-图4的启示下，对气体导流部件的形状和大小、气体通道的形状/大小和数量等所做的变形设计均属于本发明的保护范围。
请参见图1-图4，静散热片19之外设有端盖30，并且静散热片19外部由端盖30密封，端盖30与静散热片19相接触，所述端盖30上设有冷却设施，具体地，可以在端盖30内充满冷却水。
除了设置上述端盖30作为静散热片19的冷却部件，冷却部件还可以有其他多种替换方案，本领域技术人员可在现有技术的基础和上述的设置原则下进行变形设计和选择，这些变形设计和选择均属于本发明的保护范围。
本实施例的冷却装置的冷却原理为：
由轴承内圈16产生的热首先传导至与轴承内圈16直接接触的动散热片18处，电机转子111产生的热量首先传导至飞轮，飞轮再将热量传导至直接与飞轮接触的动散热片上，动散热片18随着电机转子111一起高速旋转，将其内腔180内的少量气体加压后沿着径向高速喷射出去并进入动散热片18的径向的通孔孔道18A中，设置在内腔180中的径向叶片181对气体起到加压和导向的作用，并且狭长型的径向通孔孔道18A使流经其内的气体与动散热片18进行了充分的热交换，对动散热片18起到了冷却的作用，上述气体的流动带走了动散热片18上的热量；从动散热片18高速流出的气体在压力下随后通过静散热片19的狭长通道194进入第二腔体192，接着进入并通过凸起壁193上的多个孔道19B，由于静散热片19与端盖30接触，而端盖30内充满冷却水，因而静散热片19是冷的，高速气体在孔道19B中通过热交换进行冷却，冷却后的气体到达第一腔体191，再通过气体导流片20上的长条形的气体通道201回流至动散热片18的内腔180中，然后冷却的气体再经动散热片18进行加压并喷射出去持续带走动散热片18的热量，如此循环。其中，通过上述气体流通过程，本实施例的冷却装置实现了高速气体首先在动散热片18的通孔孔道18A中带走动散热片18的热量，然后在静散热片19的孔道19B内充分冷却，冷却后的气体再回到动散热片18的顶部继续带走动散热片的热量，如此循环，通过气体的高速循环实现轴承内圈和电机转子的冷却。
其中本实施例作为优选方案，动散热片18包括多个径向叶片181和致密的径向孔道18A，使径向叶片181在高速旋转下将气体高速打入径向孔道18A中，进而通过热对流将动散热片18的热量带走。
此外，本实施例还提供动散热片的另一种实施方式：
动散热片的设计也可采取如图6的方式，通过减少叶片182’的数量并增加每个叶片182’的面积，提高动散热片的散热能力。
本实施例的冷却装置的冷却效果评估如下：
本实施例中，设定动散热片的总表面积为0.43m2，静散热片总表面积为0.47m2，根据热对流计算公式
q＝hc A dT (1)
其中，
q散热功率，单位为(W)；
A散热表面积，单位为(m2)；
hc对流换热系数，单位为(W/(m2℃)；
dT流体与散热表面间温度差，单位为(℃)。
转子高速旋转下，气体流动线速度将达到60m/s以上，为中速气体通过微小孔道对流换热，换热系数在100到200之间。设空气强制对流换热系数取为100W/(m2℃)，动静散热片温度差为15℃，则根据热平衡可计算出动静散热片与循环气体温度差为10℃，相应的散热效率为470W，若增大动静散热片温差到30℃，则相应的散热效率将达到940W。
若需要进一步加强换热能力，可以通过减小动静散热片上微小孔道的直径和增加微小孔道的数量实现。
本发明还提供一种船舶陀螺减摇装置，其设置有本发明的冷却装置。所述冷却装置具体可设置在该陀螺减摇装置的飞轮的一端或两端，也可以设置在与电机同轴的飞轮的中部，当设置在中部时，在本发明的冷却原理下，还需要对动散热片和静散热片及配合零部件进行一些适应性改进，本发明在此不再详述。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (15)

1.一种冷却装置，用于冷却支撑或驱动旋转件的发热部件，其特征在于，该冷却装置主要包括动散热片、静散热片，所述静散热片外部设有冷却部件；
其中，
所述动散热片由导热性能良好的材料制成，并且所述动散热片随着旋转件一起高速旋转；
所述动散热片具有一内腔和一外壁，所述外壁上设有多个沿所述动散热片的径向或与径向成一定角度布置的通孔孔道，该些通孔孔道连通所述内腔与所述动散热片的外壁的外部；
所述静散热片固定设置在壳体上并不随旋转件旋转，所述静散热片围绕在所述动散热片之外，并具有安装后密闭的内腔，所述动散热片设置于所述静散热片的内腔中；
所述静散热片的内腔中包括第一腔体、第二腔体、以及位于第一腔体和第二腔体之间的凸起壁，所述凸起壁上设有连通第一腔体和第二腔体的多个竖向的孔道；其中，所述第二腔体与所述动散热片的通孔孔道的外侧出口连通，所述第一腔体连通至所述动散热片的内腔上方；
所述动散热片和所述静散热片之间形成一密闭的气体流通通道。
2.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述动散热片上的所述通孔孔道为狭长型，并且密集分布在所述动散热片的所述外壁上。
3.如权利要求1或2所述的冷却装置，其特征在于，所述动散热片的所述内腔内还设有多个加压导流叶片。
4.如权利要求3所述的冷却装置，其特征在于，所述叶片以风扇叶片的布置方式设置在所述动散热片的所述内腔之内。
5.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述静散热片的所述孔道为狭长型且密集分布在所述静散热片的所述凸起壁上。
6.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述动散热片的轴心固定在旋转件上并与电机转子同轴转动。
7.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述静散热片的所述第一腔体位于所述静散热片的所述内腔的上方，所述静散热片的所述第二腔体位于所述静散热片的所述内腔的下方。
8.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述静散热片的所述第一腔体的内侧面还设有一狭长通道，所述狭长通道分别与所述动散热片的所述通孔孔道和所述静散热片的所述第一腔体连通。
9.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，还包括气体导流件，所述气体导流件水平设置在所述动散热片和所述静散热片之间，并提供从所述静散热片的所述第一腔体到所述动散热片的所述内腔的气体流动通道。
10.如权利要求9所述的冷却装置，其特征在于，所述气体导流件为气体导流片，所述气体导流片的上表面沿径向设有多个长条形的气体通道。
11.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述静散热片外部设有冷却部件为：所述静散热片之外设有端盖，所述静散热片外部由所述端盖密封，所述端盖与所述静散热片相接触；所述端盖上设有冷却设施。
12.如权利要求11所述的冷却装置，其特征在于，所述端盖上的冷却设施设置为：所述端盖内充满冷却水。
13.如权利要求9所述的冷却装置，其特征在于，所述动散热片为圆盘状，所述静散热片的外部轮廓为圆形，所述气体导流件的外形为圆形。
14.一种船舶陀螺减摇装置，其特征在于，设有权利要求1-13中任一所述的冷却装置。
15.如权利要求14所述的船舶陀螺减摇装置，其特征在于，所述冷却装置设置在飞轮旋转轴的一端或两端，和/或设置在所述飞轮旋转轴的中部。
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