TW201322606A - 冷卻套 - Google Patents

Abstract

一種冷卻套，用以冷卻一電機。該冷卻套包括：一組或一組以上連續S型管道，包覆該電機，用以供冷卻液流通，各連續S型管至少包括：一順向管部及一逆向管部，分別沿平行且相反的圓周方向延伸；以及一轉折部，連接於該順向管部及逆向管部之間。

Description

冷卻套

本發明係關於電機散熱技術。

為了使電機維持在最佳效能、並延長其使用年限，電機在運轉時所產生的熱量必須被適當排除。

習知技術通常會在此類電機外部加裝冷卻管道，並以管道中的冷卻液與電機進行熱交換，達到散除電機廢熱的目的。第1圖為習知的冷卻管道結構圖。為了配合電機構造，冷卻管道係以螺旋狀延伸，圍繞大致呈圓柱體之電機(圖未示)。從圖中可了解到，冷卻管道在出入口附近(即圖中A部分與B部分)無法確實包覆電機外部，使得熱集中發生於上述兩區域，降低了整體的散熱效果。儘管某些習知技術能將管道延伸至完全覆蓋該兩區域，但由於流經該區域的流體欠缺動能，故此設計實際上對散熱的幫助仍舊十分有限。除此之外，此螺旋形管道中的壓降小，經由流體力學中的管道內部流場原理可推導出小的壓降將對應至小的熱對流係數，而小的熱對流係數即為造成散熱不良之一大因素。

值得注意的是，為了配合電機的尺寸，冷卻管道的構造上有著有限的尺寸及形態，此即意味管道散熱面積及冷卻液流量同樣受到限制。因此，如何在僅有有限散熱面積及流量的情況下設計出一種能夠達到更佳散熱效果的冷卻裝置，實乃目前一亟待解決的重要課題。

本發明提一種冷卻套，用以冷卻一電機。該冷卻套包括：一組或一組以上連續S型管道，包覆該電機，用以供冷卻液流通，各連續S型管至少包括：一順向管部及一逆向管部，分別沿平行且相反的圓周方向延伸；以及一轉折部，連接於該順向管部及逆向管部之間。

下文為介紹本發明之最佳實施例。各實施例用以說明本發明之原理，但非用以限制本發明。本發明之範圍當以後附之權利要求項為準。

第2A圖依據本發明一實施例之冷卻套(cooling jacket)立體視圖。第2B圖為將第2A圖之冷卻套「攤平」後之示意圖，目的在方便讀者了解本發明冷卻套之構造細節。雖然本發明之冷卻套係針對諸如高功率、高精度要求的馬達、發電機等電機(圖未示)之散熱所設計，然而本發明之應用不必以此為限。如圖所示，除了冷卻液入口240及冷卻液出口250之外，本發明之冷卻套200尚包括「一組」連續S型管(其他數目的連續S型管之實施例將於後文再述)。該連續S型管完整包覆該電機，目的在供冷卻液流通於其中，藉以透過冷卻液的流動帶走電機所散發的熱量，確保電機維持在正常工作溫度。一般而言，在一實施例中可使用溫度不高於電機正常工作溫度的液體作為冷卻液，而在液體的種類包括：水、潤滑油、50%乙二醇(ethylene glycol)與50水的混合液、或是加入防凍劑的水，本發明不必以此為限。此外，冷卻套中的流體可被各種加壓馬達、幫浦驅動，由於該驅動裝置並非本發明之標的，故本文之圖示不再加以繪示。本發明之目的在於克服有限的管道散熱面積及冷卻液流量對散熱效能的限制，而原理主要是透過提升冷卻液之流速(在具有相同驅動力的情況下)達成。後文將對此原理深入描述。

比較第1圖與第2A圖，可了解到本發明之冷卻套與先前技術在構造上相當不同。先前技術的冷卻管道係呈一螺旋狀分佈，而本發明之冷卻管道大體可視為連續的S型。為方便說明本發明構造上的特徵，本發明之冷卻套200之連續S型管可區分成下列三個部分：一順向管部210、一逆向管部220以及一轉折部230。其中，為了使電機受到完整的包覆，各個順向管部210與逆向管部220彼此平行排列，並分別延著圓周方向圍繞。須注意到，此處所謂「平行」，按一般定義，不必限於「直線」的平行。此外，相對於起端而言，順向管部210與逆向管部220係沿著「相反的」圓周方向延伸(順向管部210沿著順時針方向延伸；而逆向管部220沿著逆時針方向延伸)，使得其管中的冷卻液以相反的方向流動。本發明之轉折部230係連接於該順向管部210及逆向管部220之間，目的在使其中的冷卻液流動的方向轉彎180度。本發明與先前技術最大的不同即即在此轉折部230。在本發明中，流經此轉折部230的冷卻液會出現大幅度的壓降，因此增加了流體流動的速度，使得流體的熱對流係數h值(W/m²k)進一步獲得提升。由於熱交換量與熱對流係數h值成正比，本發明之設計可大幅提升冷卻液與電機間之熱交換量，改善習知技術中螺旋型冷卻管道熱集中於管道出入口之問題(如第1圖之A、B所示)。

第3A圖依據本發明一實施例之冷卻套立體視圖。第3B圖係將第3A圖之冷卻套「攤平」後之示意圖。在第3B圖之實施例中，冷卻套300之連續S型管具有與第2B圖之實施例大致相同的構造，意即，同樣具有順向管部310、逆向管部320及轉折部330，然而與第2B圖之實施例不同之處在於：此實施例中之連續S型管之各管具有不同尺寸之管徑。更明確地說，冷卻套300之連續S型管之各個順向管部/逆向管部之管徑大小由冷卻液入口340至冷卻液出口350逐漸縮減。在一般連續的長型冷卻管道中，冷卻液會逐漸吸收熱量而升溫，導致熱交換率逐漸衰減，而此實施例之目的即透過逐漸縮減管徑的方式增加流體之流速、提升其管徑末端之熱對流係數，以進一步減少熱集中於管徑末端之現象。必須說明的是，雖然此實施以逐漸遞減的管徑為例，然而在某些特殊的應用上，可針對各種電機的發熱型態(即，熱集中常發生的區域)，對該連續S型管各部分之管徑做最佳化之設計，以儘可能維持穩定、均衡的散熱效能。

第4A圖依據本發明一實施例之冷卻套立體視圖。第4B圖係將第4A圖之冷卻套「攤平」後之示意圖。第4B圖之實施例之冷卻套400之連續S型管具有與第4B圖之實施例大致相同的形狀與構造，意即，同樣具有順向管部410、逆向管部420及轉折部430，然而與第2B圖之實施例不同之處在於：此實施例中具有「兩組」連續S型管400L及400R。為方便說明，如圖所示，連續S型管400L及400R具有相同的尺寸(但個別的管長為第2A及第2B圖中連續S型管之半)，並且分別覆蓋於電機之圓周的1/2。然而，在其他實施例中，兩連續S型管可分別覆蓋電機的不同部分且不必具有相同的尺寸。相較於第2A及第2B圖之實施例而言(假設兩者在入口的冷卻液有相同的溫度)，此實施例下之冷卻液係以較短的距離流出管道，進一步提升電機的整體均溫性能。此外，必須說明的是，本發明連續S型管之數量不必以此為限，在其他實施例中，冷卻套可具有兩組以上的連續S型管。舉例而言，當該連續S型管為N組，則各個連續S型管可分別覆蓋該電機之圓周的1/N。第5A圖及5B圖即用以表示具有三組連續S型管的冷卻套500，由於其結構特徵已詳述於前文，故此處不再贅述。

第6A圖依據本發明一實施例之冷卻套立體視圖。第6B圖係將第6A圖之冷卻套「攤平」後之示意圖。與第4A圖及第4B圖相同的是，第6A及第6B圖之冷卻套600具有「兩組」連續S型管600E及600I。然而，本實施例之兩連續S型管600E及600I之轉折部630E及630I彼此具有不同的長度。如圖所示，連續S型管600E，其轉折部630E在自順向管部610E轉折90度後會沿著平行電機軸向之方向延伸一小段距離L，而後再轉折90度以接續該逆向管部620E。其中，該段距離L足以容納處於連續S型管600I的轉折部630I轉折於其中。在一較佳的實施例中，如圖所示，兩連續S型管600E及600I之冷卻液入口640E及640I位於冷卻套600之相對的兩側，使得兩連續S型型管600E及600I中的冷卻液以相反的方向流動。此做法之目的在使電機的散熱形態更為均勻，避免如習知技術之冷卻套般熱集中於冷卻管道末端之缺失。

第7A圖依據本發明一實施例之冷卻套立體視圖。第7B圖係將第7A圖之冷卻套「攤平」後之示意圖。相似於第4B圖實施例之形狀與構造，第7A及第7B圖實施例之冷卻套700同樣具有兩組連續S型管700R及700L，而各個連續S型管700R及700L同樣具有順向管部710、逆向管部720及轉折部730。然而，與第4B圖之實施例不同之處在於：本實施例之兩組連續S型管700R及700L彼此呈鏡像排列，其中兩組S型管道700R及700L之起端會合連通，並共用一冷卻液入口740，而兩組S型管道700R及700L之終端亦會合連通，並共用一冷卻液出口750。此實施例之優點在於克服先前技術之螺旋型管道在冷卻液出入口附近出現熱集中的缺失，並使電機的整體均溫性能更佳。

第8圖依據本發明一實施例之雙層冷卻套之剖面示意圖。此實施例中之冷卻套800中具有較靠近電機之內層L1以及位於其上之外層L2，而各層分別具有與前述任一實施例相同或近似的連續S型管，或為前述各種實施例的連續S型管之組合。不同層的連續型S型管分別圍繞具有不同半徑的圓周。在某些實施例中，各層可分別具有獨立的冷卻液入口及冷卻液出口，甚至可將不同層的冷卻液出入口分別設置於於冷卻套之相對的兩側，使得各層連續S型型管的冷卻液以相反的方向流動，以解決習知技術熱集中的問題，並透過提升熱傳率的方式改善電機整體之熱性能。值得注意的是，為方便說明，此實施例以「雙層」冷卻套為例，然而在其他實施例中，冷卻套之層數不必以此實施例為限。

值得注意的是，熟悉本技藝人士可依據本發明之精神，對前述實施例中的各種型態的冷卻套進行各種變更及組合，舉例而言，第6A圖中「互相纏繞」的連續S型管型態，可與第7圖中的「鏡像排列」且「共用冷卻液出入口」的連續S型管型態融合而產生另一種新型態的冷卻套，如第9圖所示，此作法的目的除了能避免如習知技術之冷卻套般熱集中於冷卻管道兩端之缺失，亦能有效改善冷卻管道整區的均溫性能，甚至均溫性能將比第6A圖來的佳。然而，由於此類排列組合的型態不勝枚舉，故本文不再對其一一贅述。

本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

200．．．冷卻套

210．．．順向管部

220．．．逆向管部

230．．．轉折部

240．．．冷卻液入口

250．．．冷卻液出口

300．．．冷卻套

310．．．順向管部

320．．．逆向管部

330．．．轉折部

340．．．冷卻液入口

350．．．冷卻液出口

400．．．冷卻套

410．．．順向管部

420．．．逆向管部

430．．．轉折部

500．．．冷卻套

600．．．冷卻套

600E．．．連續S型管

600I．．．連續S型管

630E．．．轉折部

610E．．．順向管部

620E．．．逆向管部

630I．．．轉折部

640E．．．冷卻液入口

640I．．．冷卻液入口

L．．．距離

700．．．冷卻套

710．．．順向管部

720．．．逆向管部

730．．．轉折部

700R．．．連續S型管

700L．．．連續S型管

740．．．冷卻液入口

800．．．冷卻套

L1．．．內層

L2．．．外層

第1圖為習知的冷卻管道結構圖。
第2A圖依據本發明一實施例之冷卻套立體視圖。
第2B圖為將第2A圖之冷卻套展開圖。
第3A圖依據本發明一實施例之冷卻套立體視圖。
第3B圖係將第3A圖之冷卻套展開圖。
第4A圖依據本發明一實施例之冷卻套立體視圖。
第4B圖係將第4A圖之冷卻套展開圖。
第5A圖依據本發明一實施例之冷卻套立體視圖。
第5B圖係將第4A圖之冷卻套展開圖。
第6A圖依據本發明一實施例之冷卻套立體視圖。
第6B圖係將第6A圖之冷卻套展開圖。
第7A圖依據本發明一實施例之冷卻套立體視圖。
第7B圖係將第7A圖之冷卻套展開圖。
第8圖依據本發明一實施例之雙層冷卻套之側視圖。
第9圖為依據本發明一實施例之冷卻套立體視圖。

200．．．冷卻套

210．．．順向管部

220．．．逆向管部

230．．．轉折部

240．．．冷卻液入口

250．．．冷卻液出口

Claims (10)

1. 一種冷卻套(cooling jacket)，用以冷卻一電機，包括：
   一組或一組以上連續S型管道，包覆該電機，用以供冷卻液流通，各連續S型管至少包括：
   一順向管部及一逆向管部，分別沿平行且相反的圓周方向延伸；以及
   一轉折部，連接於該順向管部及逆向管部之間。　　　　
2. 如申請專利範圍第1項所述之冷卻套，其中該一組或一組以上連續S型管之各順向管部及/或各逆向管部具有不均等之管徑。
3. 如申請專利範圍第2項所述之冷卻套，其中該一組或一組以上連續S型管之管徑由一冷卻液入口往一冷卻液出口遞減。
4. 如申請專利範圍第1項所述之冷卻套，其中該連續S型管為N組，分別覆蓋該電機之一部分。
5. 如申請專利範圍第1項所述之冷卻套，其中該連續S型管為N組，分別覆蓋該電機之圓周的1/N。
6. 如申請專利範圍第1項所述之冷卻套，其中該連續S型管為兩組，該兩組S型管道之起端會合並共用一冷卻液入口。
7. 如申請專利範圍第1項所述之冷卻套，其中該連續S型管為兩組，該兩組S型管道之終端會合並共用一冷卻液出口。
8. 如申請專利範圍第1項所述之冷卻套，其中該一組或一組以上連續S型管道中任兩組連續S型管道之冷卻液具有相反的流動方向。
9. 如申請專利範圍第1項所述之冷卻套，包括一第一連續S型管道以及一第二連續S型管道，其中該第一連續S型管道之一第一順向管部、一第一逆向管部以及一第一轉折部圍繞該第二連續S型管道之一第二順向管部、一第逆向管部以及一第二轉折部。
10. 如申請專利範圍第1項所述之冷卻套，其中該一組或一組以上連續S型管分別圍繞具有不同半徑之圓周。