JP2019161740A - 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を用いて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冷却装置を提供する。【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冷媒噴射パイプ１０ａと、冷媒通路１０ｂから冷媒噴射パイプ１０ａの内部を通って、冷却対象を臨む位置に設けられた噴射口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とを備え、噴射通路１１ｂは、断面積が一定のスロート部１１ｂ１と、噴射口１１ａの近傍において噴射口１１ａに向かって断面積が徐々に増加するように形成されているテーパ部１１ｂ２とによって構成される。【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を用いて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）とを備え、前記噴射通路（１１ｂ）の断面積は、前記噴射口（１１ａ）の近傍において前記噴射口（１１ａ）に向かって徐々に増加するように形成されていることを特徴とする。

この構成によれば、噴射口の近傍において噴射通路の断面積が噴射口に向かって徐々の増加するように噴射通路が形成される、換言すれば噴射口に向かって断面積が増加するように、噴射通路の内壁にテーパ部が形成されているので、噴射された冷媒流を横及び縦の両方向に拡張する効果が得られる。その結果、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、従来の通路断面積が変化することなく噴射口に達する噴射通路の場合（テーパ部が形成されていない場合）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、前記冷媒通路（１２０ｂ）の断面は、前記噴射通路（１１ｂ）と前記冷媒通路（１２０ｂ）との接続部（ＰＣ）の位置を頂点とする略逆三角形状に形成されることを特徴とする。
この構成によれば、噴射通路に流入する冷媒の流速を高める効果が得られる。

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、前記冷媒通路（１０ｄ）は前記冷媒が流入する流入口（１０ｅ）を有し、その通路断面の面積が前記流入口（１０ｅ）から遠くなるほど減少するように形成されることを特徴とする。
この構成によれば、冷媒通路の断面積を減少させることによって、流入口から遠い位置に設けられる噴射通路に流入する冷媒の流速を高める効果が得られる。

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。 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。 冷媒噴射パイプの変形例を示す図である。 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る。噴射された冷却オイルは、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、同図（ａ）は冷媒噴射パイプ１０を下方からみた図、同図（ｂ）は冷媒噴射部１１を拡大して示す図、同図（ｃ）は冷媒噴射パイプ１０の冷媒噴射部１１における横断面図、同図（ｄ）は実施例における数値例を説明するための図である。

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とを備え、噴射通路１１ｂの断面積（内径）は、噴射口１１ａの近傍において噴射口１１ａに向かって徐々に増加するように形成されている。換言すれば、噴射通路１１ｂは、断面積（内径）が一定であるスロート部１１ｂ１と、スロート部１１ｂ１から噴射口１１ａに向かって断面積が徐々に増加するテーパ部１１ｂ２とによって構成される。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。

本明細書では、噴射通路１１ｂを画成する内壁がパイプ本体１０ａの外周面に達した部分を噴射口１１ａといい、スロート部１１ｂ１及びテーパ部１１ｂ２によって構成される部分を噴射通路１１ｂという。

図２において冷媒噴射角度範囲ＩＲは、細い実線Ｌ１，Ｌ２で示されており、実線Ｌ１，Ｌ２は、コイルエンド６ｂの外周の接線に相当するものである。噴射された冷媒が到達する範囲は、冷媒噴射部１１とコイルエンド６ｂとの距離Ｈ（対象距離）及び冷媒の噴射角度範囲ＩＲに依存して決まるので、冷媒噴射部１１の形状は、対象距離Ｈと、望ましい噴射角度範囲ＩＲとに基づいて設定することによって、望ましい冷媒ぬれ面積を確保することが可能となる。図１及び２に示される実施例においては、パイプ本体１０ａの外径ＤＰを６ｍｍ程度とした場合において、冷媒通路１０ｂの内径ＤＣを３ｍｍ程度とし、スロート部１１ｂ１の長さＬＴを０．５ｍｍ程度とし、スロート部１１ｂ１の内径を０．９５ｍｍ程度とし、テーパ部１１ｂ２の傾き角度（「ディフューザ角」という）θＤを６０度程度としている。ディフューザ角θＤを９０度程度まで拡大すると、噴射された冷媒が噴霧状となり、冷却効果が低下する可能性があるので、ディフューザ角θＤは９０度より小さい範囲で設定することが望ましい。

図４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４（ａ）は本実施形態の冷媒噴射パイプ１０に対応し、同図（ｂ）は本実施形態のスロート部１１ｂ１のみによって冷媒噴射部１１が構成される従来の冷媒噴射パイプ１０Ｘに対応し、同図（ｃ）は噴射口及び噴射通路断面をスリット形状（短辺が長辺に比べて非常に短い長方形）とする冷媒噴射パイプ１０Ｙに対応する。同図（ｄ）は、同図（ｃ）に示す冷媒噴射パイプ１０Ｙを下方からみた図である。また同図（ａ）〜（ｃ）の下側に示す破線は、噴射された冷媒を平面で受けた場合において、冷媒が直接到達する領域（以下「冷媒到達領域」という）ＲＣＲを示す。これらの例において冷却オイルのオイル圧ＰＯＩＬは同一である。

従来の冷媒噴射パイプ１０Ｘの場合には、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、冷媒噴射パイプ１０が延びる軸方向と直角の方向に扇状に広がるとともに軸方向にも広がった冷却オイル流が噴射される。したがって、冷媒到達領域ＲＣＲは図４（ａ）に示すように楕円形状となる。また図４（ｃ）に示すように噴射口をスリット形状とした場合には、スリット形状の長辺の方向に扇状に広がった冷却オイル流が噴射されるが、軸方向にはほとんど広がらない。

本実施形態の冷媒噴射パイプ１０によれば、噴射された冷却オイルが直接到達する冷媒到達領域ＲＣＲの面積が増加し、さらに図２に太い破線で示すように、冷却オイルが冷却対象であるコイルエンド６ｂの外周面を広がって流れ下るので、全体として冷媒ぬれ面積が増加し、流れ下ったところでも冷却能力の低下が少なくなる。また図４（ｂ）に示す冷媒噴射パイプ１０Ｘの場合には、冷却能力を高めるために冷媒の流量を増加させると冷媒の一部が冷却対象から跳ね返ってしまうため、流量の増加に対して冷却能力を高める効果が小さいが、図４（ｃ）に示す冷媒噴射パイプ１０Ｙのように噴射口をスリット形状とすることで噴射圧が分散され、改善効果が得られる。さらに本実施形態の冷媒噴射パイプ１０によれば、冷媒噴射パイプ１０Ｙよりもさらに冷媒到達領域ＲＣＲの面積が広くなるため、冷媒流量を増加させても噴射された冷媒の跳ね返りがほとんど発生せず、流量の増加に見合った高い冷却能力を得ることができる。

冷却対象を冷却する能力は、下記式で定義される熱抵抗Ｒthの逆数で示すことができる。
Ｒth＝１／（ｈoil×Ａwet）
ここで、ｈoilは冷却オイルの熱伝達率、Ａwetは冷媒ぬれ面積である。
したがって、冷媒ぬれ面積Ａwetを増加させることによって、熱抵抗Ｒthが低下し、冷却能力を高めることができる。

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、冷媒噴射パイプ１０を図５（ａ）に示す冷媒噴射パイプ１２０に代えてもよい。冷媒噴射パイプ１２０は、パイプ本体１２０ａと、冷媒通路１２０ｂと、上述した実施形態と同様に冷媒通路１２０ｂと連通する噴射通路１２１ｂとを備えている。冷媒通路１２０ｂの断面は、噴射通路１２１ｂと冷媒通路１２０ｂとの接続部ＰＣの位置を頂点とする略逆三角形状に形成されている。このように冷媒通路１２０ｂを形成することによって、噴射通路１２１ｂに流入する冷媒の流速を高める効果が得られる。

また冷媒噴射パイプ１０を図５（ｂ）に示す冷媒噴射パイプ１０Ｚに代えてもよい。冷媒噴射パイプ１０Ｚは、パイプ本体１０ｃと、冷媒通路１０ｄとを備えており、冷媒通路１０ｄは、上述した実施形態の冷媒通路１０ｂと同一の内径を有する大径部１０ｄ１と、大径部１０ｄ１より小さい径を有する小径部１０ｄ２とを備え、２つの冷媒噴射部１１の一方は大径部１０ｄ１に配置され、他方は小径部１０ｄ２に配置されている。冷媒は、矢印Ａで示すように流入口１０ｅから流入する。

このように冷媒通路の径（断面積）を流入口１０ｅから遠くなるほど小さくすることによって、流入口１０ｅから遠い位置に設けられる冷媒噴射部１１（噴射通路１１ｂ）に流入する冷媒の流速を高める効果が得られる。

また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 テーパ部

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を備え、
   前記噴射通路の断面積は、前記噴射口の近傍において前記噴射口に向かって徐々に増加するように形成されていることを特徴とする冷却装置。
2. 前記冷媒通路の断面は、前記噴射通路と前記冷媒通路との接続部の位置を頂点とする略逆三角形状に形成されることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記冷媒通路は前記冷媒が流入する流入口を有し、その通路断面の面積が前記流入口から遠くなるほど減少するように形成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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