JP4943473B2 - 電気機械のステータ用液体冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は電気機械に関する。より詳細には、本発明は、電気機械のステータ用の液体冷却装置に関する。

モータ又は発電機のような電気機械は当該技術分野では周知である。電気機械が副次的結果として熱を生成し、しかもこの熱は電動機の性能を改善するために該電動機から幾分取り出し、かつ電動機の早期の劣化を防ぐことも広く知られている。

慣用的には、電気機械は、多くの場合、空冷式である。これは、空気を内部に押し込むために機械の本体内に開口を形成することにより容易に行われる。空気は全体的に非効率な冷却流体であるから、こうした冷却装置の効率は悪い。さらにまた、幾つかの電気機械は、これらの電気機械に開口を形成することができないような環境で作動する。

冷却流体を使用する電気機械も構成されてきた。例えば、「モータの液体冷却デバイス」という題目であり、かつ発明者として中村を挙げた従来技術文献は、積層物が組み立てられる時に冷却液体の軸線方向流れを可能にする開口が積層物に形成された電気モータを開示する。中村の欠点は漏れによって生じるモータの故障の危険性である。確かに、隣接する積層物間のシールが故障すれば、故障を引き起こす連鎖が生じる（例えば、特許文献１参照）。

欧州特許第０，５０３，０９３号明細書 実開昭５７−５２７６２号のマイクロフィルム

したがって、当該業界には、電気機械用冷却装置に対する要求が依然として存在する。従って、本発明の目的は電気機械のステータ用の改善された液体冷却装置を提供することである。

より詳細には、本発明によれば、電気機械のステータ用の液体冷却装置であって、チャネルが形成されるとともに、略閉じたＣ字形状横断面を有する熱蓄積要素と、前記熱蓄積要素の前記チャネルに挿入可能に形状構成され且つ寸法づけられた冷却管と、を備え、前記冷却管は、一旦、前記チャネルに挿入されると、前記チャネルの前記閉じたＣ字形状横断面に合致するように変形され、前記熱蓄積要素に蓄積された熱は前記冷却管によって除去可能であり、前記熱蓄積要素は、熱蓄積材料で作られ、かつ前記電気機械の中空円筒状ステータの内径よりも僅かに小さい外径を有する略中空円筒状形状を有し、前記チャネルは、前記熱蓄積材料の前記外面に形成されてなる、電機機械のステータ用の液体冷却装置が提供される。

本発明の別の態様によれば、電気機械であって、略中空の円筒状ステータと、前記ステータに回転可能に取り付けられたロータと、上記説明した冷却装置と、を備えてなる電気機械が提供される。

”電気機械”という表現は、電気モータ及び発電機で使用される技術はもろともせずに、これらの両方を包含するものとして、本願明細書では解釈すべきであることにも留意すべきである。

本発明の他の目的、利点及び特徴は、添付の図面を参照して例示的に与えられる、以下の本発明の非限定的な実施形態の説明を読めばより明白になる。

本発明の参考例で、冷却装置を備えた電気機械のステータの部分的組立分解斜視図である。 本発明の参考例で、冷却管が内部に設けたチャネル内に挿入される場合の、図１のステータの斜視図である。 図１の完成したステータを示す斜視図である。 図３のステータに形成したチャネル内への冷却管部分の挿入を示す断面図である。 本発明の参考例を示すもので、チャネル内に挿入された冷却管を永久にチャネル内に取り付けるための第１パターンによる、変形した冷却管を示す断面図である。 本発明の参考例を示すもので、チャネル内に挿入された冷却管を永久にチャネル内に取り付けるための第２パターンによる、変形した冷却管を示す断面図である。 本発明の一実施形態による冷却装置の分解組立図である。 熱蓄積要素のチャネル内の冷却管の変形を示す図６の冷却装置の側立面図である。 図６の冷却装置及び電気機械のステータの部分的分解組立斜視図である。 図６の冷却装置を含む、組み立てられたステータの側立面図である。

本発明の参考例として図１〜図５Ｂに示す堅果殻 (nutshell) は、冷却管が取り付けられた、実質的にＣ形状のチャネルが形成された熱蓄積要素としてのステータの積層物を使用する。作動時、冷却流体は積層物に蓄積された熱を除去するために冷却管内で循環する。

図６〜図９に示す本発明の一実施形態は、冷却管が取り付けられた、実質的にＣ形状のチャネルが形成された別個の加熱蓄積要素を使用する。加熱蓄積要素は、それから、加熱蓄積要素及びステータの両方と接触する冷却管と共に電気機械のステータ内に挿入される。作動時、冷却流体は加熱蓄積要素及びステータに蓄積された熱を除去する冷却管内を循環する。

まず、図１〜図５Ｂに戻って、本発明の参考となる冷却装置１０を説明する。

図１は、電気機械（図示せず）のステータ１２を示す。ステータ１２は一緒に積み重ねられた複数の等価な積層物で作られる。ステータ１２は全体的に円筒形状であり、かつコイル１６が取り付けられた矩形外部チャネル１４を含む。ステータ１２はいわゆる内部ステータ、すなわち、ロータ（図示せず）がステータ１２に対して同軸な関係にあり且つ外部にあるように装着されることに留意すべきである。

以下に説明するように、ステータ１２の積層物は熱蓄積要素として使用される。

ステータ１２の内面１８には複数の実質的にＣ形状のチャネル２０が形成される。

冷却装置１０は、全体的に円筒形状横断面を有し、入口２４及び出口２６が形成された冷却管２２も含む。図１から明瞭に分かるように、冷却管２２は蛇行部 (serpentine) を形成するように折り曲げ得る。

以下に説明するように、冷却管２２は、ステータ１２のＣ形状チャネル２０に挿入されるように形状構成され且つ寸法づけられる。

図２は、ステータ１２の実質的にＣ形状チャネルに挿入された冷却管２２を示す。この図から分かるように、冷却管２２の蛇行した折り重ねは、随意には、その丸みのある部分がステータ１２の外部に延在するように形状構成し得る。この装置構成は、冷却管２２の丸みのある部分を図３に示すように外向きに折り重ね可能にし、これにより、冷却管２２とステータ１２との間の接触面を増大させるから、興味深いものとなし得る。

ここで、図４及び図５Ａに戻ると、各Ｃ字形状チャネルは実質的にＣ字形状構成を有すること、すなわち、各Ｃ字形状チャネル２０の開口はチャネルの最大幅部分よりも小さいことが良く分かる。冷却管２２の円筒形状横断面は内部に冷却管を挿入可能にするように各Ｃ字形状チャネル２０の開口にたかだか等しいことにも留意すべきである。

チャネル２０に冷却管２２を挿入するための、第一段階は、図４から分かるように、冷却管２２の直線部分をステータ１２の対応するチャネル２２に全体的に整合させることである。この操作は、ステータ１２の中央開口内への冷却管の挿入を可能にすべく、冷却管２２の蛇行形状構成を極めて変形させる可能性を容易にする。

次の挿入段階は、各直線部分が対応するチャネルに挿入されるように、冷却管２２の蛇行部形状構成を変形することである（図４の矢印２８を参照）。この段階の結果を図４に点線で示す。

チャネル２０内への冷却管２２の直線部分を維持するためには、これらの直線部分はチャネル２０の実質的に閉じたＣ字形状構成に合致するように変形される。これを達成するために、圧力が冷却管２２上に半径方向に加えられる（図５Ａの矢印３０ａを参照）。この半径方向圧力は、矢印３２から分かるように冷却管２２の幅の拡大を引き起こす。冷却管２２の第１タイプの変形によれば、冷却管２２は、一旦、変形すると、ステータ１２の内面に対して僅かに凹んだ面を呈することに留意すべきである。

随意には、熱伝導及び／又は接着剤物質は、これらの要素間の熱伝導を向上させるために、チャネル２０と冷却管２２との間に配置し得ることに留意すべきである。

冷却間用には多くの材料を使用し得るが、良好な結果は銅管を使用して得られたことにも留意すべきである。

ここで、添付図面の図５Ｂに戻って、チャネル２０内部の冷却管２２の第２タイプの変形を簡単に説明する。この図から分かるように、冷却管２２の第２タイプの変形はステータ１２の内面に対して僅かに凹んだ面を呈する。再び、これを達成するためには、圧力は冷却管２２上に半径方向に加えられる（図５Ｂの矢印３０ｂを参照）。

この第２タイプの変形は、チャネル２０内部の冷却管２２の望ましくない緩みを防止可能にするから興味深いものである。

ここで、図６〜図９を参照して、本発明の一実施形態による冷却装置を説明する。

上述したように、冷却装置１００は別個の熱蓄積要素１００を使用する。この熱蓄積要素１０２は、以下に説明するように、蛇行形状構成を有する冷却管１０６を挿入し得る、外部にあり且つ全体的に周方向にあるチャネル１０４を含む。添付の図面には明瞭に示されていないが、チャネル１０４は冷却管１０６の蛇行形状構成に対応する蛇行形状構成を有することに留意すべきである。

冷却管１０６は全体的に蛇行した形状構成を有し、入口１１０及び出口１１２を含む。

図７及び図９からさらに良くわかるように、チャネル１０４は全体的に開放したＣ字形状構成を有する、すなわち、チャネル１０４の開口が全体的にチャネルの最も幅広い部分と同じ幅である。

再び、チャネル１０４内への冷却管１０６の挿入は全体的に真直ぐである。チャネル１０４に適切に面するように、冷却管１０６は最初に位置づけられる。冷却管１０６は、その後、チャネル１０４内に挿入される（図７の実線で示す冷却管１０６を参照）。最終段階は、冷却管が熱蓄積要素１０２の外面から突出しないように冷却管１０６を変形することである（図７の点線で示す冷却管１０６を参照）。これは、冷却管１０６をチャネル１０４に合致するように押圧する内向き半径方向圧力を加えることによりなされる。

上述したように、熱伝導及び／又は接着剤物質は、随意には、これらの要素間の熱伝導を向上させるようにチャネル１０４と冷却管１０６との間に配置し得る。

ここで、添付図面中の図８に戻ると、冷却管１０６が一旦熱蓄積要素１０２内に挿入されると、冷却装置１００は電気機械（図示せず）のステータ１１８内に挿入し得る。

図９は、ステータ１１８に取り付けられた冷却装置１００の断面図である。当業者であれば、冷却管１０６は熱蓄積要素１０２及びステータ１１８の両方に接触するから、これらの２つの要素からの熱は冷却管１０６を循環する冷却流体によって除去されることが分かる。

本発明の実施形態を内部ステータ及び外部ロータ（図示せず）を設けた電気機械の一部として示してきたが、当業者であれば、本発明を、外部ステータ及び内部ロータを具備する電気機械に使用すべく容易に適合し得る。

流体の流れが熱蓄積要素からの熱を除去するために使用される開放冷却管を使用して上述してきたが、例えば、熱パイプ技術のような他の冷却技術も考え得ることも留意すべきである。実際、当業者であれば、慣用／周知の熱パイプを構成又は変更してＣ字形状チャネル内に取り付け得るのに何等問題はない。例えば、図１〜図５Ｂに示した参考例では、別個の直線熱パイプ（図示せず）は各長手方向チャネル２０内に挿入し得るものであり、図６〜図９に示す本発明の実施形態では、連続する熱パイプ（図示せず）はチャネル１０４内に挿入し得る。

図６〜図９に示した本発明の実施形態は、冷却可能性を向上させるために、図１〜図５に示した参考例と結合し得ることにも留意すべきである。

本発明をその特定の実施形態で説明してきたが、添付の特許請求の範囲に記載のようにその性質及び教示から逸脱せずに変更し得る。

１０ 冷却装置
１２ ステータ
１４ チャネル
１６ コイル
１８ 内面
２０ チャネル
２２ 冷却管
２４ 入口
２６ 出口
１００ 冷却管
１０２ 熱蓄積要素
１０４ チャネル
１０６ 冷却管
１１０ 入口
１１２ 出口
１１８ ステータ

Claims (9)

1. 電気機械用の内部ステータ用の液体冷却装置であって、
   略Ｃ字形状横断面を有するチャネルが形成された熱蓄積要素と、
   前記熱蓄積要素の前記チャネルに挿入可能に形状構成され且つ寸法づけられた冷却管と、を備え
   前記冷却管は、一旦、前記チャネルに挿入されると、前記チャネルの前記略Ｃ字形状横断面に合致するように変形され、
   前記熱蓄積要素に蓄積された熱は前記冷却管によって除去可能であり、
   前記熱蓄積要素は、熱蓄積材料で作られ、かつ前記電気機械の中空円筒状ステータの内径よりも僅かに小さい外径を有する略中空円筒状形状を有し、
   前記チャネルは、前記熱蓄積材料の前記外面に形成されている
   ことを特徴とする電機機械のステータ用の冷却装置。
2. 前記冷却管中の冷却流体の循環によって前記熱蓄積要素に蓄積された熱の除去が行われる、請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記冷却管は略円筒形状横断面を有する、請求項１に記載の冷却装置。
4. 前記冷却管は、蛇行部を形成するように折り重ねられる、請求項１に記載の冷却装置。
5. 前記チャネルは、前記略環形状の前記ステータの長手方向軸線に略直角である、請求項１に記載の冷却装置。
6. 前記チャネル及び前記冷却管は、前記冷却管が前記チャネルに挿入されて変形した場合、前記冷却管が中空円筒形状の前記ステータの内面と略面一であるように寸法づけられる、請求項１に記載の冷却装置。
7. 前記熱蓄積材料はアルミニウムを含有する、請求項１に記載の冷却装置。
8. 前記熱蓄積要素が前記電気機械の前記ステータに挿入された場合、前記冷却管が前記熱蓄積要素と、前記電気機械の前記ステータの内面との両方と接触する、請求項６に記載の冷却装置。
9. 電気機械であって、
   略中空の円筒状ステータと、
   前記ステータに回転可能に取り付けられたロータと、
   請求項１ないし８の何れか一項に記載の冷却装置と、
   を備えてなる電気機械。

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