JP2019161739A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の装置に比べてより簡素な構造で、冷媒ぬれ面積を増加させて冷却性能を向上させることができる冷却装置を提供することを目的とする。【解決手段】 冷却対象に向けて冷媒を噴射し、冷却対象を冷却する冷却装置が提供される。冷媒が流れる冷媒通路１０ｂを含み、冷却対象に向けて冷媒を噴射可能な位置に設けられたパイプ本体１０ａと、冷媒通路１０ｂからパイプ本体１０ａの内部を通って、冷却対象を臨む位置に設けられた吐出口１１ａにおいて開口し、冷媒を冷却対象に向けて噴射する噴射通路１１ｂと、パイプ本体１０ａの外周部に穿設され、断面がＶ字形であるＶ溝であって、パイプ本体１０ａが延びる方向に対して直角の方向に延びるＶ溝１１ｃとを備え、吐出口１１ａはＶ溝１１ｃのほぼ中心に位置する。【選択図】 図３

Description

本発明は、冷却対象（例えば回転電機を構成する部材）に向けて冷媒を噴射して、冷却対象を冷却する冷却装置に関する。

特許文献１は、回転電機のステータの上方にモータの回転軸方向に設けられた冷却パイプであって、冷媒を様々な角度で噴射可能な噴射孔を複数備える冷却パイプによって、冷媒をステータのコイルエンドに噴射する冷却装置を開示する。この装置によれば、コイルエンドの広範囲に亘って冷媒を噴射することができる。

特許文献２は、回転電機のステータコアの周方向に延在する管部材に２カ所以上の冷媒噴射部を備え、ステータコアに巻回されたコイルの両端部（コイルエンド）に向けて冷媒を噴射する回転電機の冷却装置を開示する。この装置によれば、コイルエンドの周方向を均一に冷却することができる。

特開２０１６−１３４９７２号公報 特開２０１６−１２９４３８号公報

上記従来の冷却装置は、冷媒を噴射する噴射部（噴射孔）の設置数を増加させることによって、冷却対象の表面において冷媒に接触する領域の面積である冷媒ぬれ面積を増加させ、冷却能力を高めるものであるが、構造をより簡素化してコストを低減する上で改善の余地があった。

本発明はこの点に着目してなされたものであり、従来の装置に比べてより簡素な構造で、冷媒ぬれ面積を増加させて冷却能力を向上させることができる冷却装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、冷却対象（６）に向けて冷媒を噴射し、前記冷却対象（６）を冷却する冷却装置において、前記冷媒が流れる冷媒通路（１０ｂ）を含み、前記冷却対象（６）に向けて前記冷媒を噴射可能な位置に設けられた通路形成部材（１０ａ）と、前記冷媒通路（１０ｂ）から前記通路形成部材（１０ａ）の内部を通って、前記冷却対象（６）を臨む位置に設けられた噴射口（１１ａ）において開口し、前記冷媒を前記冷却対象（６）に向けて噴射する噴射通路（１１ｂ）と、前記通路形成部材（１０ａ）の外縁部に穿設され、断面がＶ字形であるＶ溝であって、前記通路形成部材（１０ａ）が延びる方向に対して直角の方向に延びるＶ溝（１１ｃ）とを備え、前記噴射口（１１ａ）は前記Ｖ溝（１１ｃ）のほぼ中心に位置することを特徴とする。

この構成によれば、Ｖ溝によって冷媒がＶ溝が延びる方向に扇状に広がって噴射されるので、簡単な構成で冷媒ぬれ面積を増加させることが可能となり、従来の噴射口のみの場合と比べて冷却能力を向上させることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の冷却装置において、前記通路形成部材（１０ａ）は円筒状のパイプであり、前記パイプの外径に対する前記冷媒通路（１０ｂ）の径（Ｄ）の比率は、前記Ｖ溝（１１ｃ）が穿設されていない場合より小さく設定されることを特徴とする。

この構成によれば、パイプ外径に対する冷媒通路径の比率が、Ｖ溝が穿設されていない場合より小さく設定される、すなわち冷媒通路を画成する通路形成部材の厚さが大きく設定されるので、Ｖ溝の穿設することによる通路形成部材の強度の低下を抑制することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の冷却装置において、前記Ｖ溝（１１ｃ）を構成する２つの平面がなすＶ溝角度（θ）は、３０度から９０度の範囲内に設定されることを特徴とする。

冷媒通路内の冷媒の圧力が一定の条件下では、Ｖ溝角度を小さくするほど噴射された冷却オイルの広がりが大きくなる傾向が確認されている。したがって、冷却対象と、噴射口との距離、及び冷媒圧を考慮して、３０度から９０度の範囲内で実現可能な最小の角度に設定することによって、冷却能力をより高めることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３の何れか１項に記載の冷却装置において、前記冷却対象は、回転電機（１）を構成するステータ（６）であり、前記回転電機（１）は回転軸（３）と、前記ステータ（６）の内側において前記回転軸（３）に固定され、前記ステータ（６）が生成する磁束によって回転するロータ（７）とを備え、前記通路形成部材（１０ａ）は、前記回転軸（３）の軸方向に延びるように設けられていることを特徴とする。
この構成によれば、簡単な構成によって回転電機のステータの冷却能力を高めることができる。

本発明の一実施形態にかかる冷却装置を適用した回転電機の構成を示す断面図である。 図１に示す冷媒噴射パイプ（１０）及びコイルエンド（６ｂ）を側方からみた状態を説明するための図である。 図１に示す冷媒噴射パイプ（１０）及び冷媒噴射部（１１）の構造を説明するための図である。 図１に示す冷媒噴射パイプ（１０）及び冷媒噴射部（１１）の構造を説明するための図である。 噴射された冷却オイルの状態を説明するための図である。 冷媒噴射パイプの配置に関する変形例を示す図である。 冷媒噴射パイプに代えて適用可能な変形例を示す図である。

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にかかる冷却装置を適用した回転電機の構成を示す断面図であり、回転電機１は、ケーシング２に固定され、磁束を生成するステータ６と、ケーシング２に軸受４及び５を介して回転可能に支持された回転軸３と、ステータ６の内側において回転軸３に固定され、ステータ６が生成する磁束によって回転する円柱状のロータ７と、ステータ６の上方に設けられ、冷媒としての冷却オイルを噴射する冷媒噴射パイプ１０とを備えている。冷媒噴射パイプ１０には、ケーシング２に設けられた冷媒通路９を介して冷却オイルが供給される。冷媒通路９には、図示しないオイルポンプ及びオイル通路を介して冷却オイルが供給される。オイルポンプは、例えば回転軸３の回転によって得られる駆動トルクの一部を用いて駆動される。

ステータ６は、ステータコア６ａと、ステータコア６ａに巻回されたステータコイル６ｂによって構成され、ステータ６の軸方向の両端部に位置する部分は通常「コイルエンド」と呼ばれるため、以下の説明では「コイルエンド６ｂ」という。

冷媒噴射パイプ１０は、回転軸３と平行に延びる（軸方向の延びる）ように設けられており、加圧された冷却オイルが冷媒通路９を介して冷媒噴射パイプ１０に供給され、コイルエンド６ｂの上方に設けられた２つの冷媒噴射部１１からコイルエンド６ｂに向けて冷却オイルが噴射される。冷媒噴射パイプ１０及び冷媒噴射部１１が本発明の冷却装置を構成する。

図２は、冷媒噴射パイプ１０及びコイルエンド６ｂを側方からみた状態を説明するための図であり、ステータ６は取り付け部材１５を介してケーシング２に固定されている。この図に示す角度範囲ＩＲが冷媒噴射部１１から噴射される冷却オイルの噴射角度範囲を模式的に示しており、コイルエンド６ｂに向けて冷却オイルが扇状に広がって噴射され、噴射された冷却オイルは、図２に太い破線で示すようにコイルエンド６ｂの外周面に沿って流れ下る。

図３及び図４は、冷媒噴射パイプ１０及び冷媒噴射部１１の構造を説明するための図であり、図３（ａ）は冷媒噴射パイプ１０の斜視図、同図（ｂ）は冷媒噴射部１１の平面図（正面図）、図４（ａ）及び（ｂ）は冷媒噴射パイプ１０の冷媒噴射部１１における横断面図及び縦断面図、同図（ｃ）は同図（ｂ）に示すＶ溝の拡大図、同図（ｄ）は比較のために示す従来の冷媒噴射パイプ（冷媒噴射部にＶ溝を設けない構造）の横断面図である。

冷媒噴射パイプ１０は、パイプ本体１０ａと、冷却オイルが流れる冷媒通路１０ｂと、冷媒通路１０ｂから冷却オイルを外部に向けて噴射する２つの冷媒噴射部１１とによって構成される。冷媒噴射部１１は、コイルエンド６ｂを臨む位置に設けられた噴射口１１ａと、冷媒通路１０ｂからパイプ本体１０ａの内部を通って噴射口１１ａにおいて開口し、冷却オイルをコイルエンド６ｂに向けて噴射する噴射通路１１ｂと、パイプ本体１０ａの外周部に穿設され、断面がＶ字形であるＶ溝であって、パイプ本体１０ａが延びる方向に対して直角の方向に延びるＶ溝１１ｃとを備え、噴射口１１ａは、Ｖ溝１１ｃの中心（長手方向の中心でかつ幅方向の中心）に位置するように配置される。パイプ本体１０ａは例えばステンレススチールを用いて構成される。
なお、図４（ａ）及び（ｂ）の断面図は、Ｖ溝１１ｃがパイプ本体１０ａの外周面から最も深くなる部分の断面を示している。

図４（ｃ）は、Ｖ溝１１ｃを拡大して示しており、Ｖ溝１１ｃを構成する２つの平面がなすＶ溝角度θは、例えば３０度から９０度の範囲に設定される。オイル圧ＰＯＩＬが一定の条件下では、Ｖ溝角度θを小さくするほど噴射された冷却オイルの広がりが大きくなる傾向が確認されている。したがって、３０度から９０度の範囲内でコイルエンド６ｂと、噴射口１１ａとの距離、及び冷却オイルのオイル圧ＰＯＩＬを考慮して実現可能な最小の角度に設定することが望ましい。

図４（ｄ）は、Ｖ溝１１ｃを設けない従来の冷媒噴射パイプ２０の横断面を示しており、パイプ本体２０ａの厚さＬＴＨ２は、冷媒通路２０ｂの直径Ｄ（冷媒通路１０ａの直径と同じ）の４０％程度であるが、本発明のパイプ本体１０ａの厚さＬＴＨ１は、直径Ｄの８０％程度としている。これは、Ｖ溝１１ｃを穿設することによって、パイプ本体１０ａが変形し易くなることを考慮したものである。パイプ本体１０ａの厚さＬＴＨ１は、パイプ本体の長さや材質の強度、冷媒通路の直径Ｄなどに応じて適宜設定可能であって、図３（ａ）に示すものに限らないが、パイプ本体１０ａの外径に対する冷媒通路１０ｂの径の比率を、Ｖ溝を穿設しない場合により小さくすること、換言すればパイプ本体１０ａの厚さＬＴＨ１を厚さＬＴＨ２よりも大きくすることによって、パイプ本体１０ａの強度の低下を抑制することができる。

図５は、噴射された冷却オイルの状態を説明するための図であり、図５（ａ）は本実施形態の冷媒噴射パイプ１０に対応し、同図（ｂ）は冷媒噴射パイプ１０のＶ溝を穿設しない冷媒噴射パイプ１０Ｘに対応する。両者のオイル圧ＰＯＩＬは同一である。

Ｖ溝が無い場合には、円形の噴射口とほぼ同一の径を有する円筒状の冷却オイル流が噴射されるのに対し、本実施形態の冷媒噴射パイプ１０によれば、Ｖ溝１１ｃが延びる方向に扇状に広がった平面状の冷却オイル流が噴射される。したがって、冷却対象であるコイルエンド６ｂにおいて冷却オイルに接触する領域の面積（冷媒ぬれ面積）を増加させ、冷却能力を向上させることができる。

以上のようにＶ溝１１ｃを設けることによって、冷却オイルがＶ溝１１ｃが延びる方向に扇状に広がって噴射されるので、簡単な構成で冷媒ぬれ面積を増加させることが可能となり、従来の噴射口のみの場合と比べて冷却能力を向上させることができる。

なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上述した実施形態では、ステータ６の上方に１本の冷媒噴射パイプ１０を設けるようにしたが、例えば図６に示すように、２本の冷媒噴射パイプ１０Ａ，１０Ｂを設けるようにしてよい。このように冷媒噴射パイプの数を増加させることによって、さらに冷却能力を高めることができる。

また図７に示すようにケーシング１０２の内壁面と、通路カバー１１３とによって冷媒通路１１０を構成し、通路カバー１１３を構成する部材を冷媒噴射パイプ１０と同一の外径の半円筒形状とすることによって、本発明の冷媒噴射部１１と同様の冷媒噴射部１１１を設けるようにしてもよい。この変形例では、ケーシング１０２及び通路カバー１１３が通路形成部材に相当する。

また上述した実施形態では、冷却オイルの噴射口１１ａをＶ溝１１ｃの中心位置に配置するようにしたが、冷却対象に向けて冷却オイルを噴射可能であれば、中心位置から若干ずれていてもよい。

また上述した実施形態では、冷媒噴射パイプ１０は回転電機１の回転軸３の方向に延びるように設けたが、上記特許文献２に示されるように回転電機の軸方向の寸法が小さい場合には、冷媒噴射パイプ１０をステータ（コイルエンド６ｂ）の外周に沿う方向、または回転軸３と垂直の方向に直線状に延びるように設けてもよい。

また本発明にかかる冷却装置の冷却対象は、ステータ６のコイルエンド６ｂに限るものではなく、ステータ６全体を対象としてもよい。さらに本発明は例えば切削加工などの機械加工を行う場合において、高温になる加工対象物を冷却する冷却装置、あるいは電子計算機や制御装置に適用されるＣＰＵ（中央処理装置）を冷却する冷却装置などに適用可能である。また冷媒は、冷却オイルに限るものではなく、冷却水であってもよい。

１ 回転電機
２ ケーシング
３ 回転軸
６ ステータ
６ｂ ステータコイル（コイルエンド）
７ ロータ
１０ 冷媒噴射パイプ（冷却装置）
１０ａ パイプ本体（通路形成部材）
１０ｂ 冷媒通路
１１ 冷媒噴射部（冷却装置）
１１ａ 噴射口
１１ｂ 噴射通路
１１ｃ Ｖ溝

Claims (4)

1. 冷却対象に向けて冷媒を噴射し、前記冷却対象を冷却する冷却装置において、
   前記冷媒が流れる冷媒通路を含み、前記冷却対象に向けて前記冷媒を噴射可能な位置に設けられた通路形成部材と、
   前記冷媒通路から前記通路形成部材の内部を通って、前記冷却対象を臨む位置に設けられた噴射口において開口し、前記冷媒を前記冷却対象に向けて噴射する噴射通路と、
   前記通路形成部材の外縁部に穿設され、断面がＶ字形であるＶ溝であって、前記通路形成部材が延びる方向に対して直角の方向に延びるＶ溝とを備え、
   前記噴射口は前記Ｖ溝のほぼ中心に位置することを特徴とする冷却装置。
2. 前記通路形成部材は円筒状のパイプであり、前記パイプの外径に対する前記冷媒通路の径の比率は、前記Ｖ溝が穿設されていない場合より小さく設定されることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記Ｖ溝を構成する２つの平面がなすＶ溝角度は、３０度から９０度の範囲内に設定されることを特徴とする請求項１または２に記載の冷却装置。
4. 前記冷却対象は、回転電機を構成するステータであり、前記回転電機は回転軸と、前記ステータの内側において前記回転軸に固定され、前記ステータが生成する磁束によって回転するロータとを備え、前記通路形成部材は、前記回転軸の軸方向に延びるように設けられていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の冷却装置。

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