TWI738296B - 馬達及其具有扭轉式螺旋冷卻流道的冷卻裝置 - Google Patents

Abstract

本發明係有關於一種馬達及其具有扭轉式螺旋冷卻流道的冷卻裝置及冷卻方法。該冷卻裝置安裝在一馬達的定子上，該冷卻裝置包括有一套筒及一螺旋管件，在該套筒的筒壁有一螺旋槽道沿著該套筒延伸，且該套筒套設在該定子上，該螺旋管件有一第一螺旋形態對應該螺旋槽道，使該螺旋管件對應安裝在該螺旋槽道中，該螺旋管件有一第二螺旋形態沿著該螺旋管件延伸，而在該螺旋管件中形成一扭轉式螺旋冷卻流道。透過冷卻流體在扭轉式螺旋冷卻流道中受連續變化的流道截面作用而形成複雜的二次流，以提高對流散熱效率。

Description

馬達及其具有扭轉式螺旋冷卻流道的冷卻裝置

本發明係有關於一種馬達及其具有扭轉式螺旋冷卻流道的冷卻裝置及冷卻方法，特別是指冷卻流體通入扭轉式螺旋冷卻流道後，受到連續變化的流道截面作用而形成複雜的二次流、提升紊流強度(Turbulence Intensity)與渦量(Vorticity)，以提高對流散熱效率的發明。

馬達可利用輸入的電力轉換為動能輸出，但轉換過程會產生能量損耗(如磁滯損、旋轉損、雜散損)，這些能量損耗的一部分將轉換為熱量，進而造成馬達溫升，過高的溫度除了會降低馬達的工作效率、縮短使用壽命外，也會限制馬達的最大功率。其中，在馬達的最大負載下，定子上的線圈發熱量大約為轉子的4倍。

因此，馬達通常會結合散熱套件來對定子進行散熱，例如馬達外殼採用導熱材質、水冷套件等。關於水冷套件的前案，例如有中華民國發明專利公告第I413349號之「電動馬達之水冷結構」，其包括一馬達本體、一散熱基座及一擾流部。前述馬達本體係被套設在該散熱基座外。前述散熱基座具有至少一主流道設在其外周側上。前述擾流部設在該主流道內，以對主流道內流體產生擾流作用藉以產生二次流，藉以提高對流散熱效率。

但是前案為了在流道中產生二次流，需要在流道中額外設置擾流部，增加製程的不便。

爰此，本發明擬透過流道的截面形狀的連續變化，使冷卻流體通過能直接產生複雜的二次流、提升紊流強度(Turbulence Intensity)與渦量(Vorticity)。本發明為一種具有扭轉式螺旋冷卻流道的冷卻裝置，包括有一套筒及一螺旋管件，其中：在該套筒的筒壁有一螺旋槽道沿著該套筒延伸，該螺旋管件安裝在該螺旋槽道中，該螺旋管件有一第一螺旋形態沿著該螺旋槽道延伸，以及有一第二螺旋形態沿著該螺旋管件延伸，而在該螺旋管件中形成一扭轉式螺旋冷卻流道。

本發明再提出一種具有扭轉式螺旋冷卻流道的冷卻裝置，包括有一套筒，在該套筒的筒壁有一扭轉式螺旋冷卻流道沿著該套筒延伸，該扭轉式螺旋冷卻流道有一第一螺旋形態沿著該套筒延伸，以及有一第二螺旋形態沿著該扭轉式螺旋冷卻流道延伸。

本發明再提出一種具有扭轉式螺旋冷卻流道的冷卻裝置的馬達，包括有一轉子、一定子、以及一冷卻裝置安裝在該定子上，其中：該冷卻裝置包括有一套筒及一螺旋管件，在該套筒的筒壁有一螺旋槽道沿著該套筒延伸，且該套筒套設在該定子上，該螺旋管件安裝在該螺旋槽道中，該螺旋管件有一第一螺旋形態沿著該螺旋槽道延伸，以及有一第二螺旋形態沿著該螺旋管件延伸，而在該螺旋管件中形成一扭轉式螺旋冷卻流道。

進一步，該套筒及該螺旋管件以積層製造製成。

進一步，該扭轉式螺旋冷卻流道的截面呈多邊形，例如該扭轉式螺旋冷卻流道的截面呈矩形。

本發明再提出一種冷卻方法，包括下列步驟：將一冷卻裝置的一套筒套設在一對象物上，該套筒上有一螺旋冷卻流道，該螺旋冷卻流道沿著該套筒的筒壁延伸，該螺旋冷卻流道沿著延伸方向有不規則的一流道截面；在該螺旋冷卻流道通入一冷卻流體，該冷卻流體在該螺旋冷卻流道中受該不規則的流道截面作用形成複雜的二次流、提升紊流強度(Turbulence Intensity)與渦量(Vorticity)，以提高對流散熱效率。

進一步，該螺旋冷卻流道為一扭轉式螺旋冷卻流道，而有一第一螺旋形態沿著該套筒的筒壁延伸，以及有一第二螺旋形態沿著該扭轉式螺旋冷卻流道延伸。

根據上述技術特徵可達成以下功效：

1.透過冷卻流體在該扭轉式螺旋冷卻流道中受連續變化的流道截面作用而形成複雜的二次流、提升紊流強度(Turbulence Intensity)與渦量(Vorticity)，可提高對流熱傳係數高達9%至18%之間。

2.該扭轉式螺旋冷卻流道的截面呈多邊形，有助於形成複雜的二次流。

3.透過積層製造技術，可以低成本的製造具有該扭轉式螺旋冷卻流道的冷卻裝置。

4.本發明的冷卻裝置除了用在馬達的散熱，還適合使用於船舶上大型機電的散熱。

1:套筒

11:螺旋槽道

2:螺旋管件

21:第一螺旋形態

22:第二螺旋形態

23:扭轉式螺旋冷卻流道

3:馬達

31:轉子

32:定子

4:套筒

41:螺旋槽道

5:螺旋管件

51:螺旋形態

52:螺旋冷卻流道

[第一圖]係為本發明之冷卻裝置的立體分解圖。

[第二圖]係為本發明之冷卻裝置的立體組合圖。

[第三A圖]係為第二圖的剖視圖。

[第三B圖]係為第二圖的剖視圖。

[第三C圖]係為第二圖的剖視圖。

[第三D圖]係為第二圖的剖視圖。

[第四圖]係為習知冷卻裝置的立體分解圖。

[第五圖]係為習知冷卻裝置的立體組合圖。

[第六A圖]係為第五圖的剖視圖。

[第六B圖]係為第五圖的剖視圖。

[第六C圖]係為第五圖的剖視圖。

[第六D圖]係為第五圖的剖視圖。

[第七圖]係為冷卻流體分別沿著本發明冷卻裝置之螺旋管件與習知冷卻裝置之螺旋管件的管路延伸方向的流速分布圖。

[第八圖]係為冷卻流體分別沿著本發明冷卻裝置之螺旋管件與習知冷卻裝置之螺旋管件之管路切線方向的流速分布圖。

[第九圖]係為冷卻流體分別在本發明冷卻裝置之螺旋管件中與習知冷卻裝置之螺旋管件中的紊流強度分布圖。

[第十圖]係為冷卻流體分別在本發明冷卻裝置之螺旋管件中與習知冷卻裝置之螺旋管件中的渦量分布圖。

[第十一圖]係為冷卻流體分別在本發明冷卻裝置之螺旋管件中與冷卻流體在習知冷卻裝置之螺旋管件中的紐賽數(Nu number)差異曲線圖。

[第十二圖]係為冷卻流體在本發明冷卻裝置之螺旋管件的扭轉式螺旋冷卻流道與冷卻流體在習知冷卻裝置之螺旋管件的螺旋冷卻流道中，內/外壁面熱對流係數差異曲線圖。

綜合上述技術特徵，本發明馬達及其具有扭轉式螺旋冷卻流道的冷卻裝置及冷卻方法的主要功效將可於下述實施例清楚呈現。

參閱第一圖及第二圖所示，本實施例之冷卻裝置包括有一套筒1及一螺旋管件2，其中：在該套筒1的筒壁有一螺旋槽道11沿著該套筒1延伸。該螺旋管件2有一第一螺旋形態21沿著該螺旋槽道11延伸，使該螺旋管件2對應安裝在該螺旋槽道11中，該螺旋管件2有一第二螺旋形態22沿著該螺旋管件2延伸，而在該螺旋管件2中形成一扭轉式螺旋冷卻流道23，藉此使該扭轉式螺旋冷卻流道23具有連續變化的流道截面，且該扭轉式螺旋冷卻流道23的流道截面呈多邊形，本實施例該扭轉式螺旋冷卻流道23的流道截面呈矩形。而進一步透過積層製造技術(3D列印)，可以便於成形該套筒1及該螺旋管件2。

參閱第二圖所示，將該冷卻裝置安裝在一馬達3上，該馬達3有一轉子31及一定子32，將該套筒1套設在該定子32上。

參閱第三A圖至第三D圖所示，透過該螺旋管件2的第二螺旋形態22，該扭轉式螺旋冷卻流道23的流道截面是連續變化的，因而在不同的角度下，該扭轉式螺旋冷卻流道23的流道截面呈不同角度的傾斜狀態。因此當對該扭轉式螺旋冷卻流道23通入例如水等冷卻流體後，該冷卻流體除了沿著該螺旋管件2的第一螺旋形態21受到離心力的作用之外，更因為透過該螺旋管件2的第二螺 旋形態22所形成的扭轉式螺旋冷卻流道23的連續變化的流道截面，而產生複雜的二次流、提升紊流強度(Turbulence Intensity)與渦量(Vorticity)，進而提高流場傳熱率。

參閱第四圖及第五圖所示，為說明本實施例之冷卻裝置的冷卻效果，首先將本實施例之冷卻裝置與習知具有螺旋冷卻流道的冷卻裝置進行流場的數值模擬，數值模擬方法採用RNGk-ε紊流模式進行分析。其中，習知具有螺旋冷卻流道的冷卻裝置包括有一套筒4及一螺旋管件5，在該套筒4的筒壁有一螺旋槽道41沿著該套筒4延伸，該螺旋管件5有一螺旋形態51對應該螺旋槽道41，使該螺旋管件5對應安裝在該螺旋槽道41中，並藉以在該螺旋管件5中形成一螺旋冷卻流道52。其中，該螺旋管件5並未進一步扭轉而產生如同本實施例之第二螺旋形態22。

參閱第六A圖至第六D圖所示，由於該該螺旋管件5並未進一步扭轉而產生如同本實施例之第二螺旋形態22，因此該螺旋冷卻流道52的流道截面在不同的傾斜角度下都是相同的。因此當對該螺旋冷卻流道52通入例如水等冷卻流體後，該冷卻流體沿著該螺旋管件5的螺旋形態51受到離心力的作用，使該螺旋冷卻的流道52內側面及外側面的熱傳係數差異大；尤其於該螺旋冷卻的流道52的內側面為低熱傳區域，但內側面為接近定子線圈之熱源處，需要較高之對流熱傳係數，而該螺旋冷卻流道52內側面之對流熱傳係數屬於Dean渦流特徵，反而較低，降低馬達定子散熱系統之冷卻效益。

參閱第七圖所示，示意當冷卻流體的雷諾數為10000時，分別沿著該螺旋管件2與該螺旋管件5之管路延伸方向的流速，圖式中(a)為習知冷卻裝置、(b)為本實施例之冷卻裝置。其中，冷卻流體分別沿著該螺旋管件2與該螺 旋管件5之管路延伸方向的流速差異不大，符合質量守恆定理，但是冷卻流體在習知冷卻裝置的該螺旋管件5流速分布較平均，而在本實施例之冷卻裝置的該螺旋管件2，管截面之周向流速分量大幅提升，主要在於本實施例之冷卻裝置的該螺旋管件2具有連續變化的流道截面，而透過該螺旋管件2的扭轉式螺旋冷卻流道23之扭力，促進流體扭轉，致使橫截面之流向速度朝該扭轉式螺旋冷卻流道23的外壁面扭曲，該扭轉式螺旋冷卻流道23的外壁面具有較高之流向速度，且由於該扭轉式螺旋冷卻流道23持續對流體施加扭力，因此冷卻流體流向流速分佈朝逆時針方向扭曲，藉此形成複雜二次流、提升紊流強度(Turbulence Intensity)與渦量(Vorticity)，因此能夠提高散熱速率。

參閱第八圖所示，示意當冷卻流體的雷諾數為10000時，分別沿著該螺旋管件2與該螺旋管件5之管路切線方向的流速，圖式中(a)為習知冷卻裝置、(b)為本實施例之冷卻裝置。其中，冷卻流體沿著該螺旋管件2的切線方向的流速約為冷卻流體沿著該螺旋管件5的切線方向的流速的5-10倍，主要在於本實施例之冷卻裝置的該螺旋管件2具有連續變化的流道截面，使該冷卻流體撞擊該螺旋管件2的內壁面時形成複雜二次流，因此對流現象明顯，而能夠提高散熱速率。

參閱第九圖所示，示意當冷卻流體的雷諾數為10000時，冷卻流體在該螺旋管件2與該螺旋管件5中的紊流強度，圖式中(a)為習知冷卻裝置、(b)為本實施例之冷卻裝置。其中，基於該螺旋管件2的扭轉式螺旋冷卻流道23強化之二次橫截面渦流所導引之剪力層，冷卻流體在該螺旋管件2中的紊流強度約為冷卻流體在該螺旋管件5中的紊流強度的2倍至4倍之間，且就紊流強度分佈而言，在習知冷卻裝置的螺旋管件5中，高紊流強度帶集中於該螺旋管件5的螺 旋冷卻流道52外壁面與兩側壁面，而該螺旋管件5的扭轉式螺旋冷卻流道23中內壁面之紊流強度顯著提升，此現象有助於降低該扭轉式螺旋冷卻流道23四個壁面之熱傳能力差異。

參閱第十圖所示，示意當冷卻流體的雷諾數為10000時，冷卻流體在該螺旋管件2與該螺旋管件5之渦量分布，圖式中(a)為習知冷卻裝置、(b)為本實施例之冷卻裝置。其中，該螺旋管件5的螺旋冷卻流道52中，渦量分佈基本對稱於x/d=0.5之中線軸，而該螺旋管件2的扭轉式螺旋冷卻流道23中，該冷卻流體因受到扭力作用，因此渦量分佈朝逆時針方向扭曲，且鄰近該扭轉式螺旋冷卻流道23內壁面之渦量顯著提升，因此預期該扭轉式螺旋冷卻流道23內壁面之熱對流係數顯著提高。

由上述數值模擬結果，冷卻流體在習知冷卻裝置的螺旋管件5與在本實施例之冷卻裝置的螺旋管件2中的流場分布呈現差異。進一步分析二者的對流散熱效率。

參閱第十一圖所示，在不同的雷諾數(Re number)及迪恩數(Dn number)下，冷卻流體在本實施例之冷卻裝置的該螺旋管件2中的紊流全展流域之管道平均紐賽數(

,Nu number)除以冷卻流體在習知冷卻裝置的該螺旋管件5中的紊流全展管道平均紐賽數(

,Nu number)。圖中示意

/

比值隨Dean數(Dn)或雷諾數(Re)變化而改變之情形，由於

持續高於相同Dn(Re)數所得之

值，因此於5000<Re<25000之範圍，

/

均高於1，介於1.18-1.09之間，意味著本實施例之冷卻裝置相比於習知冷卻裝置可提高對流熱傳係數高達9%至18%。

參閱第十二圖所示，當該螺旋管件2與該螺旋管件5使用於馬達的散熱時，冷卻流體受到離心力的作用，該螺旋管件2的扭轉式螺旋冷卻流道23與該螺旋管件5的螺旋冷卻流道52的內壁面熱對流係數會低於外壁面之熱對流係數，將內/外壁面熱對流係差異性比值定義成(

/

)/

，其中

、

及

分別代表管道外壁面、內壁面及各壁面平均之熱對流係數。其中該螺旋管件5的螺旋冷卻流道52的(

/

)/

比值，介於0.6-0.38之間，顯示出該螺旋冷卻流道52的內/外壁面具高度之熱傳差異；該螺旋管件2的扭轉式螺旋冷卻流道23之(

/

)/

比值約為0.18-0.22之間，大幅減少管道內、外壁面之熱傳差異，除顯著提升其熱對流係數，亦有效改善管道之熱傳係數分佈均勻性，提高熱傳速率。

透過上述各模擬值可知，本發明藉由冷卻流體在該扭轉式螺旋冷卻流道中受連續變化的流道截面作用而形成複雜的二次流，可提高對流散熱效率。其中，本發明的冷卻裝置除了用在馬達的散熱，還適合使用於船舶上大型柴油主機缸套、缸頭與機電裝置的散熱。

綜合上述實施例之說明，當可充分瞭解本發明之操作、使用及本發明產生之功效，惟以上所述實施例僅係為本發明之較佳實施例，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作簡單的等效變化與修飾，皆屬本發明涵蓋之範圍內。

1:套筒

11:螺旋槽道

2:螺旋管件

21:第一螺旋形態

22:第二螺旋形態

23:扭轉式螺旋冷卻流道

Claims (9)

1. 一種具有扭轉式螺旋冷卻流道的冷卻裝置，包括有：一套筒，在該套筒的筒壁有一螺旋槽道沿著該套筒延伸；一螺旋管件，安裝在該螺旋槽道中，該螺旋管件有一第一螺旋形態沿著該螺旋槽道延伸，以及有一第二螺旋形態沿著該螺旋管件延伸，而在該螺旋管件中形成一扭轉式螺旋冷卻流道，該扭轉式螺旋冷卻流道具有連續變化的流道截面。
2. 如請求項1之具有扭轉式螺旋冷卻流道的冷卻裝置，其中，該套筒及該螺旋管件以積層製造製成。
3. 如請求項1之具有扭轉式螺旋冷卻流道的冷卻裝置，其中，該扭轉式螺旋冷卻流道的流道截面呈多邊形。
4. 如請求項3之具有扭轉式螺旋冷卻流道的冷卻裝置，其中，該扭轉式螺旋冷卻流道的流道截面呈矩形。
5. 一種具有扭轉式螺旋冷卻流道的冷卻裝置的馬達，包括有：一轉子及一定子，該轉子穿設在該定子上；一冷卻裝置，包括有：一套筒，在該套筒的筒壁有一螺旋槽道沿著該套筒延伸，該套筒套設在該定子上；一螺旋管件，安裝在該螺旋槽道中，該螺旋管件有一第一螺旋形態沿著該螺旋槽道延伸，以及有一第二螺旋形態沿著該螺旋管件延伸，而在該螺旋管件中形成一扭轉式螺旋冷卻流道，該扭轉式螺旋冷卻流道具有連續變化的流道截面。
6. 如請求項5之具有扭轉式螺旋冷卻流道的冷卻裝置的馬達，其中，該套筒及該螺旋管件以積層製造製成。
7. 如請求項5之具有扭轉式螺旋冷卻流道的冷卻裝置的馬達，其中，該扭轉式螺旋冷卻流道的流道截面呈多邊形。
8. 如請求項7之具有扭轉式螺旋冷卻流道的冷卻裝置的馬達，其中，該扭轉式螺旋冷卻流道的流道截面呈矩形。
9. 一種具有扭轉式螺旋冷卻流道的冷卻裝置，包括有：一套筒，在該套筒的筒壁有一扭轉式螺旋冷卻流道沿著該套筒延伸，該扭轉式螺旋冷卻流道有一第一螺旋形態沿著該套筒延伸，以及有一第二螺旋形態沿著該扭轉式螺旋冷卻流道延伸，該扭轉式螺旋冷卻流道具有連續變化的流道截面。

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