(57)【要約】【課題】特に高温の場所で利用可能な電気機械に対する改善された冷却装置を提供する。【解決手段】本発明は、電気機械が第１の冷却媒体を循環させている直接冷却のための第１の冷却装置に接続されており、この第１の冷却装置は第２の冷却媒体を循環させている第２の冷却装置に接続されており、第１の冷却装置から第２の冷却装置へ熱が移される、電気機械の冷却装置に関する。本発明によれば、第１の冷却装置は第１の冷却媒体をさらに冷却するリフリジレーション装置である第３の冷却装置に接続されている。【選択図】図１
2010107192.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気機械（Ｇ）が第１の冷却媒体（Ａ１１，ＬＱ１１）を循環させている直接冷却のための第１の冷却装置（ＣＳ１１，ＣＳ２１）に接続されており、
該第１の冷却装置は第２の冷却媒体（Ａ１２）を循環させている第２の冷却装置（ＣＳ１２，ＣＳ２２）に接続されており、
前記第１の冷却装置から前記第２の冷却装置へ熱が移される、
電気機械の冷却装置において、
前記第１の冷却装置は前記第１の冷却媒体をさらに冷却するリフリジレーション装置である第３の冷却装置（ＣＳ１３）に接続されている
ことを特徴とする電気機械の冷却装置。
【請求項２】
前記第１の冷却装置は熱交換器（ＨＸ１１，ＨＸ２１）を介して前記第２の冷却装置に接続されている、請求項１記載の電気機械の冷却装置。
【請求項３】
前記第３の冷却装置は気化器（Ｅ）を含む蒸気圧縮型冷却装置であり、該気化器を介して前記第１の冷却装置が前記第３の冷却装置に接続されている、請求項１記載の電気機械の冷却装置。
【請求項４】
前記第３の冷却装置は吸収型冷却装置、磁気式冷却装置またはペルティエ式冷却装置のいずれかである、請求項１記載の電気機械の冷却装置。
【請求項５】
前記第１の冷却装置は前記電気機械（Ｇ）すなわちジェネレータを通る冷却気体（Ａ１１）の流量ないし流速を増大するファン（Ｆ１１）を有している、請求項１記載の電気機械の冷却装置。
【請求項６】
前記第１の冷却装置は前記電気機械（Ｇ）すなわちジェネレータを通る冷却液体（ＬＱ１１）の流量ないし流速を増大するポンプ（Ｐ１１）を有している、請求項１記載の電気機械の冷却装置。
【請求項７】
前記第２の冷却装置は該第２の冷却装置を通る周囲空気（Ａ１２）の流量ないし流速を増大するファン（Ｆ１２，Ｆ２１）を有している、請求項１記載の電気機械の冷却装置。
【請求項８】
前記熱交換器（ＨＸ１１）は気体‐気体型熱交換器である、請求項２記載の電気機械の冷却装置。
【請求項９】
前記熱交換器（ＨＸ２１）は液体‐気体型熱交換器である、請求項２記載の電気機械の冷却装置。
【請求項１０】
前記第３の冷却装置は気化器（Ｅ）、圧縮器（Ｋ）、空冷型または水冷型の凝縮器（Ｃ）、および、膨張弁（ＥＶ）を有しており、前記気化器によって冷却液体へ移された熱が前記凝縮器によって周囲へ放出される、請求項１から９までのいずれか１項記載の電気機械の冷却装置。
【請求項１１】
前記第１の冷却装置は前記第１の冷却媒体の一部を前記第３の冷却装置に対してバイパスさせるバイパス管路（ＢＰ）を有している、請求項１から１０までのいずれか１項記載の電気機械の冷却装置。
【請求項１２】
前記電気機械は風力発電機タービンのナセル内に配置されたジェネレータ（Ｇ）である、請求項１記載の電気機械の冷却装置。
【請求項１３】
前記電気機械は沖合および／または高温の場所に配置されている、請求項１記載の電気機械の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はシェルまたはケーシングによって完全に包囲された大規模な電気機械の分野に関連する。
【背景技術】
【０００２】
電気機械では動作中にオーム抵抗や鉄のヒステリシス特性などによって生じた熱を放散して冷却する必要がある。
【０００３】
小規模な電気機械であれば、当該の電気機械の内部から表面への熱伝導によって冷却を達成することができる。ただし、定格電力当たりの表面積が小さく、熱発生量の大きい大規模な電気機械では、こうした冷却は不可能である。
【０００４】
電気機械が乾燥した大気を有する屋内に設置されており、ケーシングなしで電気機械を駆動可能である場合には、当該の電気機械に周囲空気を循環させて冷却を行うことができる。
【０００５】
しかし、電気機械が沖合に設置される風力発電機に用いられるジェネレータなどであって、酷烈な環境に曝されている場合、電気機械は完全に包囲される必要があり、周囲空気の循環による冷却は不可能である。こうした適用分野では専用の冷却システムが必要となる。
【０００６】
通常行われている冷却法として、熱交換器によって冷温を保った空気または他の気体を電気機械の内部に循環させる手法がある。しかし、この手法には大きな気体‐空気型熱交換器または気体‐水型熱交換器を要するという欠点がある。さらに、冷却媒体を循環させるのにかなりの大きさの付加的な電力を用いる必要があるという欠点も存在する。
【０００７】
また、ステータおよびロータから成るジェネレータの他の冷却手段として、ステータの１次側で液体を循環させる手法が存在する。冷却される１次側の対向側にステータとロータとのあいだのエアギャップが存在する。ここで、ステータは積層された複数のラミネートプレートから成り、ステータコイルの金属巻線を支承している。これにより熱は金属巻線からラミネートプレートを通って冷却媒体へ伝導される。
【０００８】
当該の冷却法では、ラミネートプレートの熱伝導率がさほど高くないために金属巻線と冷却媒体とのあいだに大きな温度勾配が生じてしまう。このため、要求される最大値より下方の所定の巻線温度を維持することが困難である。
【０００９】
その他の冷却法には、冷却のための液体または気体を、金属巻線の支承に用いられるラミネートプレートのスロットに通すことが挙げられる。しかし、この場合にはセラミック製の中空の冷却管路が必要となり、コストがかかるうえに扱いも困難となる。
【００１０】
図３〜図５には風力発電機タービンのナセル内に配置されたジェネレータＧに用いられる従来技術の冷却装置が示されている。
【００１１】
図３では、ジェネレータＧは標準の空気Ａによって冷却される。周囲空気ＡはファンＦによってジェネレータＧを通って流れ、ジェネレータＧの内部で冷却のために用いられる。熱せられた空気Ａは後にジェネレータＧから放出される。
【００１２】
図４ではジェネレータＧは空気Ａ１によって冷却される。冷却空気Ａ１はファンＦ１によってジェネレータＧを通って流れる。
【００１３】
図３に示されている冷却装置は沖合に設置される風力発電機のジェネレータには利用できない。この場合、周囲空気が塩分粒子を含んでいるからである。
【００１４】
したがって、閉鎖システムによって空気Ａ１をジェネレータＧに循環させ、熱交換器ＨＸによって空気Ａ１から他の冷却装置へ、すなわち空気Ａ２を利用する第２の冷却装置へ熱を輸送する。
【００１５】
第２の冷却装置の空気Ａ２は第２のファンＦ２を介して熱交換器ＨＸへまたは熱交換器ＨＸから流れる。
【００１６】
冷却空気Ａ１は周囲空気Ａ２から熱交換器ＨＸすなわち空気‐空気型熱交換器を介して分離されている。ここでは前述したように２つのファンＦ１，Ｆ２が必要である。
【００１７】
図５では、ジェネレータＧは標準の液体ＬＱによって冷却される。冷却液体ＬＱはポンプＰを介してジェネレータＧを通って流れる。
【００１８】
冷却液体ＬＱは、熱交換器ＨＸが循環する周囲空気Ａ３へ熱を移すことにより、周囲空気Ａ３によって冷却される。
【００１９】
空気Ａ３はファンＦ３を介して熱交換器ＨＸへまたは熱交換器ＨＸから流れる。
【００２０】
図５の液体冷却装置の利点は、ジェネレータＧの冷却容量が大きいこと、ならびに、図４の冷却装置に比べて、ジェネレータＧが塩分を含む周囲空気から分離されることである。
【００２１】
新たな電気機械、例えばモータジェネレータでは、外部の磁化装置が永久磁石に置換されている。このタイプの電気機械では、高い能力および効率を達成するために、永久磁石の温度を維持しなければならない。
【００２２】
この手法には高い冷却能力のために２つの基本的な物理的制約がある。その１つは、使用される冷却媒体の液体または気体が高温の場所を高速で通過しなければならないということである。もう１つは、使用される冷却媒体が効率的な冷却のために低温を維持しなければならないということである。
【００２３】
冷却媒体を高速で循環させるには、高い電力消費量を有するポンプやファンが必要であり、これらを設ければ電気機械の全効率が低下する。また、冷却媒体を高速で循環させると、許容不能なレベルのノイズが発生する。
【００２４】
電気機械が砂漠など高温の場所に設置されている場合には、冷却媒体の温度を周囲温度を下回る温度まで冷却することができないという問題も残留する。また冷却媒体を周囲温度に近い低温へ冷却する場合、必要な熱交換器のサイズはいちじるしく大きくなってしまう。
【００２５】
当該の関係は線形ではなく、熱交換器のサイズは温度差の逆数に或る程度まで比例する。この場合には、熱交換器の寸法量、例えば表面積をＡとし、定数をＫとし、冷却媒体の温度と周囲温度との温度差をｄＴとして、式Ａ＝Ｋ×１／ｄＴが成り立つ。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２６】
本発明の課題は、特に高温の場所で利用可能な電気機械に対する改善された冷却装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
この課題は、請求項１記載の特徴によって解決される。本発明の有利な実施形態は、従属請求項に記載されている。本発明の電気機械の冷却装置は、後述するような２つの冷却装置を有している。
【００２８】
本発明は、電気機械が第１の冷却媒体を循環させている直接冷却のための第１の冷却装置に接続されており、この第１の冷却装置は第２の冷却媒体を循環させている第２の冷却装置に接続されており、第１の冷却装置から第２の冷却装置へ熱が移される、電気機械の冷却装置に関する。本発明によれば、第１の冷却装置は第１の冷却媒体をさらに冷却するリフリジレーション装置である第３の冷却装置に接続されている。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の冷却装置の第１の実施例を示す図である。
【図２】本発明の冷却装置の第２の実施例を示す図である。
【図３】従来技術の冷却装置の一例を示す図である。
【図４】従来技術の冷却装置の一例を示す図である。
【図５】従来技術の冷却装置の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
第３の冷却装置はどのようなタイプの冷却装置であってもよい。
【００３１】
有利には、第３の冷却装置は気化器を含む蒸気圧縮型冷却装置であり、この気化器を介して第１の冷却装置が第３の冷却装置に接続されている。
【００３２】
また有利には、第３の冷却装置は圧縮型冷却装置、吸収型冷却装置、磁気式冷却装置またはペルティエ式冷却装置のいずれかであってもよい。これらはすべて第１の冷却装置の冷却媒体をさらに冷却する"コールドヒートシンク"を利用している。
【００３３】
本発明によれば、上述した第３の冷却装置は既存の冷却装置に対して付加的に導入され、これにより電気機械全体に対する冷却能力が増大される。
【００３４】
必要であれば、第３の冷却装置を後付けすることにより、当該の電気機械専用の冷却能力を増大することができる。こうした装置は"レトロフィット"と称される。
【００３５】
特に、電気機械がきわめて高温の場所に配置されている場合、第３の冷却装置は周囲の高温を処理することができる。この場合、第３の冷却装置は電気機械に最初から組み込まれていてもよいし、必要に応じて後付けされてもよい。
【００３６】
本発明の冷却装置は電気機械の内部に配置された能動部品を周囲温度より低い温度へ冷却することができる。
【００３７】
これにより電気機械の内部の能動部品の能力が高まる。特に、電気機械がジェネレータまたはモータであるとき、当該のジェネレータまたはモータの寸法に対する銅の量ないし磁石の量を低減することができる。費用の点で嵩の高い銅が低減されれば、電気機械のコストが直接に低減される。
【００３８】
使用される銅の量および磁石の量が低減されると、ジェネレータ全体またはモータ全体の寸法を低減することもできる。
【００３９】
さらに、ジェネレータまたはモータの体積あたりの冷却能力が高いことも、ジェネレータ全体またはモータ全体の寸法の低減に寄与する。
【００４０】
本発明の冷却装置はジェネレータまたはモータなどの既存の装置に後付け可能な付加的手段として実現することができる。このため、本発明の冷却装置全体を、選択的な手段として、高温の場所に適合するように後から調整することもできる。
【実施例】
【００４１】
本発明を図に即して詳細に説明する。
【００４２】
図１には空気冷却されるジェネレータＧを基礎とした本発明の冷却装置の第１の実施例が示されている。
【００４３】
有利な実施例では、ジェネレータＧは、沖合および／または高温の場所に配置された風力タービン発電機のナセル内に配置されている。
【００４４】
第１の冷却装置ＣＳ１１は直接冷却のためにジェネレータＧに接続されている。第１の冷却装置ＣＳ１１はジェネレータＧを通る冷却気体Ａ１１の流量ないし流速を増大する第１のファンＦ１１を有している。
【００４５】
また、本発明の冷却装置には第２のファンＦ１２を備えた第２の冷却装置ＣＳ１２も設けられている。周囲空気Ａ１２は第２のファンＦ１２によって当該の第２の冷却装置ＣＳ１２を通って流れる。
【００４６】
第２の冷却装置ＣＳ１２は気体‐気体型熱交換器ＨＸ１１を介して第１の冷却装置ＣＳ１１に接続されている。熱交換器ＨＸ１１は冷却気体Ａ１１から周囲空気Ａ１２へ熱を放出する。
【００４７】
さらに、本発明によれば、第３の冷却装置ＣＳ１３も設けられている。第３の冷却装置ＣＳ１３は蒸気圧縮型冷却装置（リフリジレーション装置）であり、気化器Ｅを介して第１の冷却装置ＣＳ１３に接続されている。
【００４８】
こうして、あらかじめ冷却されている第１の冷却装置ＣＳ１１の冷却気体Ａ１１がさらに第３の冷却装置ＣＳ１３によって冷却される。
【００４９】
第３の冷却装置ＣＳ１３が蒸気圧縮型冷却装置である場合、標準的な部品として、気化器Ｅ，圧縮器Ｋ，凝縮器Ｃおよび膨張弁ＥＶを有する。熱は気化器Ｅによって冷却液体へ移され、空冷型の凝縮器Ｃによって周囲空気へ移される。周囲空気Ａ１３は第３のファンＦ１３によって凝縮器Ｃを通って流れる。
【００５０】
有利な実施例では、冷却気体Ａ１１の一部を気化器Ｅに対してバイパスするバイパス管路ＢＰが設けられる。
【００５１】
また、特にジェネレータＧが沖合に配置される場合、水冷型の凝縮器Ｃを用いることもできる。この場合には、多量の水を冷却のために利用することができるからである。
【００５２】
図２には液体冷却されるジェネレータＧを基礎とした本発明の冷却装置の第２の実施例が示されている。
【００５３】
有利な実施例では、ジェネレータＧは沖合および／または高温の場所に配置された風力タービン発電機のナセル内に配置されている。
【００５４】
第１の冷却装置ＣＳ２１は直接冷却のためにジェネレータＧに接続されている。第１の冷却装置ＣＳ２１はジェネレータＧを通る冷却液体ＬＱ１１の流量ないし流速を増大するポンプＰ１１を有している。
【００５５】
また、当該の冷却装置には第１のファンＦ２１を備えた第２の冷却装置ＣＳ２２も設けられている。周囲空気Ａ１２は第１のファンＦ２１によって当該の第２の冷却装置ＣＳ２２を通って流れる。
【００５６】
第２の冷却装置ＣＳ２２は液体‐気体型熱交換器ＨＸ２１を介して第１の冷却装置ＣＳ２１に接続されている。熱交換器ＨＸ２１は冷却液体ＬＱ１１から周囲空気Ａ１２へ熱を放出する。
【００５７】
この実施例においても、第３の冷却装置ＣＳ２３が設けられている。第３の冷却装置ＣＳ２３は蒸気圧縮型冷却装置（リフリジレーション装置）であり、気化器Ｅを介して第１の冷却装置ＣＳ２１に接続されている。
【００５８】
こうして、あらかじめ冷却されている第１の冷却装置ＣＳ２１の冷却液体ＬＱ１１がさらに第３の冷却装置ＣＳ２３によって冷却される。
【００５９】
第３の冷却装置ＣＳ２３が蒸気圧縮型冷却装置である場合、標準的な部品として、気化器Ｅ，圧縮器Ｋ，凝縮器Ｃおよび膨張弁ＥＶを有する。熱は気化器Ｅによって冷却液体へ移され、空冷型の凝縮器Ｃによって周囲空気へ移される。周囲空気Ａ１３は第２のファンＦ３１によって凝縮器Ｃを通って流れる。
【００６０】
有利な実施例では、冷却気体ＬＱ１１の一部を、気化器Ｅまたは他のタイプの冷却装置でのコールドヒートシンクに対してバイパスするバイパス管路ＢＰが設けられる。
【００６１】
また、特にジェネレータＧが沖合に配置される場合、水冷型の凝縮器Ｃを用いることもできる。この場合には、多量の水を冷却のために利用することができるからである。
【００６２】
図１，図２の冷却装置は"標準型ワンステップ冷却装置"と称される。もちろん、ツーステップ冷却装置や吸収型冷却装置を用いることもできる。
【符号の説明】
【００６３】
Ｇ  ジェネレータ、  ＣＳ  冷却装置、  Ａ，ＬＱ  冷却媒体、  ＢＰ  バイパス管路、  Ｅ  気化器、  Ｆ  ファン、  ＥＶ  膨張弁、  Ｃ  凝縮器、  Ｋ  圧縮器、  ＨＸ  熱交換器、  Ｐ  ポンプ
【図１】
2010107192.tif 000003
【図２】
2010107192.tif 000004
【図３】
2010107192.tif 000005
【図４】
2010107192.tif 000006
【図５】
2010107192.tif 000007