JP2019161739A - 冷却装置 - Google Patents

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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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