(57)【要約】【課題】冷却通路を通過する冷却媒体による圧力損失を抑えながら、ステータの効率的な冷却を可能にする回転機械を説明する。【解決手段】回転機械１は、ロータ２２及びステータ２３を備えた電動モータ２と、ステータ２３の周囲に配置された冷却ジャケット３と、冷却ジャケット３に形成され、冷却媒体が通過する冷却通路１１と、を備え、冷却通路１１は、ステータ２３のステータコア２４に対向する領域に設けられた第１の通路部１１ａと、ステータ２３のコイルエンド２５ａに対向する領域に設けられると共に、相当直径ｄ２が第１の通路部１１ａよりも小さい第２の通路部１１ｂとを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータ及びステータを備えたモータと、
前記ステータの周囲に配置された冷却ジャケットと、
前記冷却ジャケットに形成され、冷却媒体が通過する冷却通路と、を備え、
前記冷却通路は、前記ステータのステータコアに対向する領域に設けられた第１の通路部と、前記ステータのコイルエンドに対向する領域に設けられると共に、相当直径が前記第１の通路部よりも小さい第２の通路部とを備えている回転機械。
【請求項２】
前記冷却ジャケットは鋳物である、請求項１記載の回転機械。
【請求項３】
前記冷却通路は、前記ステータの周囲に沿って螺旋状に設けられており、
前記第２の通路部のピッチは、前記第１の通路部のピッチよりも小さい、請求項１または２記載の回転機械。
【請求項４】
前記冷却ジャケットは前記ステータに当接するステータ対向面を備え、
前記第２の通路部から前記ステータ対向面までの距離は、前記第１の通路部から前記ステータ対向面までの距離よりも小さい、請求項１〜３のいずれか一項記載の回転機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、回転機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、螺旋状の冷却通路が形成された冷却ジャケットを備えた回転機械が開示されている。冷却通路は、ステータコアの外周面に対向するように設けられている。また、この回転機械では、冷却通路のみならず、ステータ及びロータの端部に冷却液を噴射する構造を備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−１５４２５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
冷却通路を通過する冷却媒体によってステータ全体を冷却しようとした場合、コイルエンドの冷却条件が最も厳しく、この条件設定が装置設計上のボトルネックとなり得る。この対策として、例えば、冷却流路を拡大し、冷却媒体の流量を増大させることが考えられるが、結果的に装置が大型化してしまう。また、冷却媒体とステータとの間の熱伝達率を上げる場合、冷却通路を通過する冷却媒体の圧力損失が大きくなって、ステータの効率的な冷却が困難になる可能性があった。
【０００５】
本開示は、冷却通路を通過する冷却媒体の流量を抑えつつ、さらに冷却媒体の圧力損失を抑えながら、ステータを効率的に冷却する回転機械を説明する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の一態様に係る回転機械は、ロータ及びステータを備えたモータと、ステータの周囲に配置された冷却ジャケットと、冷却ジャケットに形成され、冷却媒体が通過する冷却通路と、を備え、冷却通路は、ステータのステータコアに対向する領域に設けられた第１の通路部と、ステータのコイルエンドに対向する領域に設けられると共に、相当直径が第１の通路部よりも小さい第２の通路部とを備えている。
【０００７】
冷却通路の相当直径を小さくすることで熱伝達率は向上するが、冷却媒体の通過の際に生じる圧力損失は大きくなる。本開示では、冷却通路を第１の通路部と第２の通路部とに分け、コイルエンドに対向する側の第２の通路部の相当直径を第１の通路部よりも小さくしている。その結果として、冷却通路を通過する冷却媒体の流量を抑えつつ、全体での圧力損失の増加を抑えながら、ステータのコイルエンドの効率的な冷却を可能にする。
【０００８】
いくつかの態様において、冷却ジャケットは鋳物である。機械加工によって冷却通路を形成する場合に比べ、冷却通路を構成する壁面は鋳肌のために粗度が粗くなる。その結果、相当直径が小さくなり、抜熱効率の向上に有利になる。
【０００９】
いくつかの態様において、冷却通路は、ステータの周囲に沿って螺旋状に設けられており、第２の通路部のピッチは、第１の通路部のピッチよりも小さい。第２の通路部のピッチを第１の通路部よりも小さくすることで、コイルエンドでの抜熱効率の向上に有利になる。
【００１０】
いくつかの態様において、冷却ジャケットはステータに当接するステータ対向面を備え、第２の通路部からステータ対向面までの距離は、第１の通路部からステータ対向面までの距離よりも小さい。その結果、第２の通路部からコイルエンドまでの伝熱距離が短くなり、コイルエンドでの抜熱効率の向上に有利になる。
【発明の効果】
【００１１】
本開示のいくつかの態様によれば、冷却通路を通過する冷却媒体の圧力損失を抑えながら、ステータの効率的な冷却を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本開示の一実施形態に係る回転機械を示す断面図である。
【図２】図１の部分拡大図である。
【図３】インナー部の外周を示す拡大図である。
【図４】第１の通路部と第２の通路部との拡大断面図である。
【図５】変形例に係る第１の通路部と第２の通路部との断面形状を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１４】
図１に示される回転機械１は、例えば、モータを備える回転機械である。具体的には、回転機械１は、例えば、コンプレッサ８を備える遠心圧縮機である。回転機械１は、回転軸２１と、電動モータ２と、冷却ジャケット３と、モータケーシング５と、磁気軸受６と、一対の補助軸受７と、コンプレッサ８と、を備えている。コンプレッサ８は、回転軸２１の両方の端にそれぞれ設けられている。回転機械１は、例えば二段圧縮機である。
【００１５】
回転軸２１は、円柱状を呈しており、その軸線Ｌａを中心に回転可能である。電動モータ２は、ロータ２２と、ステータ２３と、を有している。ロータ２２は、回転軸２１に取り付けられている。ロータ２２は、回転軸２１の軸方向（以下、単に「軸方向」と称する）Ｄａの略中央に固定されている。
【００１６】
ステータ２３は、回転軸２１の周方向に沿ってロータ２２を包囲している。ステータ２３は、ロータ２２を包囲するように配置された円筒状のステータコア２４と、ステータコア２４に巻回されてなるステータコイル２５と、を含む。ステータコイル２５は、ステータコイル２５に対して軸方向Ｄａの外方にはみ出したコイルエンド２５ａを備えている。ステータ２３のステータコイル２５に交流電流が流されると、ロータ２２及びステータ２３の相互作用によって、回転軸２１が回転する。
【００１７】
冷却ジャケット３は、ステータ２３の周囲、つまり、周方向に沿って包囲するように配置されている。冷却ジャケット３には、冷却媒体が通過する冷却通路１１が形成されている。冷却媒体は、例えば水である。冷却通路１１は、回転軸２１の軸線Ｌａを中心として旋回するように一続きに形成されている。冷却通路１１は、ステータ２３の周囲に沿って螺旋状に形成されている螺旋領域を含む。冷却通路１１の一方の端部は、モータケーシング５及びアウター部１０に形成された流路５ｂに連通されている。冷却通路１１の他方の端部は、モータケーシング５及びアウター部１０に形成された流路５ｃに連通されている。冷却媒体は、流路５ｃを介して冷却通路１１に流入し、流路５ｂを介して冷却通路１１から流出する。
【００１８】
モータケーシング５は、電動モータ２及び冷却ジャケット３を収容している。モータケーシング５は、例えば円筒状を呈している。ステータ２３及び冷却ジャケット３は、一体化されてモータケーシング５の内周面に固定されており、回転軸２１及びロータ２２を包囲している。モータケーシング５の材質は、例えば鋳鉄（ＦＣＤ）等である。モータケーシング５の内周側であって軸方向Ｄａの両端部には、一対の軸受ケーシング６３が設けられている。
【００１９】
次に、冷却ジャケット３について詳細に説明する。図２、図３及び図４に示されるように、冷却ジャケット３は、ステータ２３を包囲する筒状のインナー部９と、インナー部９に外装される筒状のアウター部１０とを備えている。インナー部９は、例えば円筒状を呈している。インナー部９は、冷却通路１１を通過する冷却媒体により、ステータ２３に対して交換可能に接続されている。インナー部９は例えば鋳物であり、材質の例としては、アルミニウム（Ａｌ）や鋳鉄等である。
【００２０】
アウター部１０は、インナー部９を包囲しており、例えば、円筒状を呈している。アウター部１０の熱伝達率は、インナー部９の熱伝達率よりも小さい。アウター部１０の熱伝達率は、モータケーシング５の熱伝達率よりも小さい。アウター部１０は鋳物であり、例えば、鋳鉄等である。
【００２１】
インナー部９はステータ２３に対向する内周面９ａを備えている。この内周面９ａのうち、軸方向Ｄａにおいて中央寄りの部分は、ステータコア２４の外周面２４ｂに接触している。また、インナー部９の内周面９ａのうち、上記の中央寄りの部分よりも外側の部分、つまり軸方向Ｄａにおいて端寄りの部分は、コイルエンド２５ａに対して隙間を空けて対向している。
【００２２】
インナー部９は、仮想的に上記の中央寄りの部分を含む第１の領域９Ａと、上記の端寄りの部分を含む第２の領域９Ｂとに分けて把握することができる。第１の領域９Ａと第２の通路部との境界面Ｂｆは、基本的に回転軸２１に直交する仮想の断面で定義される。なお、内周面９ａとステータコア２４の接触領域の両端形状が軸方向Ｄａで入り組んでいる場合等には、第１の領域９Ａと第２の領域９Ｂとの仮想の境界面Ｂｆを一義的に定義することが困難な場合もある。このような場合、最も外寄り、つまり回転軸２１の端寄りとなる仮想の断面が、第１の領域９Ａと第２の通路部との境界面Ｂｆになる。
【００２３】
インナー部９の外周面９ｂには、冷却媒体を循環させるための溝９ｃが形成されている。溝９ｃは、矩形の断面を有しており、回転軸２１の軸線Ｌａを中心として旋回するように一続きに形成されている。アウター部１０の内周面１０ａは、インナー部９の外周面９ｂに密接している。アウター部１０の内周面１０ａとインナー部９の溝９ｃとにより、冷却媒体が流れる冷却通路１１が形成される。
【００２４】
インナー部９の外周面９ｂには、パッキン３１用の溝９ｄが形成されている。溝９ｄは、冷却通路１１となる溝９ｃよりも、軸方向Ｄａの外側、つまり回転軸２１の両端寄りの位置に形成されている。溝９ｄ内にＯリング等のパッキン３１が配置されている。パッキン３１は、冷却通路１１を流れる冷却媒体の漏れを防止する。また、インナー部９とアウター部１０とは、インナー部９に設けられたフランジ部９ｆを介してボルトにより固定されている。
【００２５】
冷却通路１１について更に詳述する。冷却通路１１の螺旋領域は、インナー部９の第１の領域９Ａ及び第２の領域９Ｂに亘って設けられている。本実施形態に係る冷却通路１１は、回転軸２１の軸線Ｌａを含む仮想の平面で切断した場合の断面視において略矩形である。ステータコア２４に対向する第１の領域９Ａに形成された冷却通路１１（以下、「第１の通路部」と称する）１１ａの断面形状と、コイルエンド２５ａに対向する第２の領域９Ｂに形成された冷却通路（以下、「第２の通路部」と称する）１１ｂの断面形状とは異なる。
【００２６】
なお、第１の通路部１１ａ及び第２の通路部１１ｂは、螺旋状に連続する溝９ｃによって形成されている。溝９ｃのうち、第１の通路部１１ａを形成する領域の形状と第２の通路部１１ｂを形成する領域の形状とは異なるが、双方の接続箇所は滑らかに繋がっている。
【００２７】
第１の通路部１１ａの断面形状は、軸方向Ｄａに長い矩形状であり、第２の通路部１１ｂの断面形状は、軸方向Ｄａに直交する方向（径方向）に長い矩形状である。また、第１の通路部１１ａの断面形状の相当直径は、第２の通路部１１ｂの断面形状の相当直径よりも大きくなっている。冷却通路１１では、断面形状の相当直径が小さい方が抜熱効率の向上に有利である。以下、冷却通路１１の断面形状の相当直径について説明する。
【００２８】
相当直径とは、或る断面形状の流路が、直径いくらの円管と等価であるかを示す代表長さを意味する。例えば相当直径をｄ、流路断面積をＡ、縁長さをＬとすると以下の式（１）によって相当直径ｄを求めることができる。ここで、縁長さとは、断面上の壁面の長さを意味し、例えば壁面が粗面の場合、鏡面に比べて凹凸が大きくなり、縁長さＬも大きくなる。
【００２９】
【数１】
2019201521.tif 000003
【００３０】
本実施形態において、第１の通路部１１ａの断面形状は矩形であるため、長辺はｘ１、短辺をｙ１とすると、縁長さＬ１＝２（ｘ１＋ｘ１）となる。また、第１の通路部１１ａの断面積Ａ１は、ｘ１×ｙ１となる。従って、第１の通路部１１ａの相当直径ｄ１は、以下の式（２）となる。
【００３１】
【数２】
2019201521.tif 000004
【００３２】
また、第２の通路部１１ｂの断面形状は矩形であるため、長辺をｘ２、短辺をｙ２とすると、相当直径ｄ２は、以下の式（３）となる。
【００３３】
【数３】
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【００３４】
ここで、ｘ１はｘ２よりも大きく、ｙ１はｙ２よりも大きいので、第１の通路部１１ａの相当直径ｄ１は第２の通路部１１ｂの相当直径ｄ２よりも大きくなる。そして、相当直径が小さい方が、レイノルズ数（Ｒｅ数）は大きくなる。具体的には、流量をＱ（ｍ３／ｓ）、動粘性係数をν（ｍ２/ｓ）、相当直径をｄ（ｍ）とすると、Ｒｅ数は以下の式（４）によって表すことができる。
【００３５】
【数４】
2019201521.tif 000006
【００３６】
そして、Ｒｅ数を大きくすることで、熱伝達率が向上し、その結果として抜熱効率が向上する。つまり、第１の通路部１１ａの相当直径に比べ、第２の通路部１１ｂの相当直径の方が小さいので、第１の通路部１１ａに比べ、第２の通路部１１ｂの方が抜熱効率は高い。
【００３７】
なお、相当直径を小さくすればする程、通常、圧力損失は大きくなる。しかしながら、本実施形態の場合、ステータコア２４に対向する第１の通路部１１ａの相当直径ｄ１は、圧力損失を考慮して大きく設定している。一方で、コイルエンド２５ａに対向する第２の通路部１１ｂの相当直径ｄ２は、第１の通路部１１ａの相当直径ｄ１に比べて小さく設定している。その結果として、冷却通路１１の全体での圧力損失の増加を抑えながら、コイルエンド２５ａの効率的な冷却を実現している。
【００３８】
なお、上記の実施形態では、第１の通路部１１ａの相当直径ｄ１と第２の通路部１１ｂの相当直径ｄ２とを、矩形断面の場合を例に比較した。しかしながら、その他の形状であっても、第１の通路部１１ａの相当直径ｄ１と第２の通路部１１ｂの相当直径ｄ２とを比較して大小関係を把握することは可能である。例えば、第１の通路部１１ａ及び第２の通路部１１ｂの断面形状の少なくとも一方が三角形に近似できる場合について説明する。
【００３９】
三角形の三辺の長さがａ、ｂ、ｃの場合、ヘロンの公式を用いて流路断面積Ａは以下の式（５）によって求められる。なおＳは三角形の周の長さの半分（Ｓ＝（ａ＋ｂ＋ｃ）／２）である。
【００４０】
【数５】
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【００４１】
その結果、相当直径ｄは、以下の式（６）によって求められる。なお、Ｌは三角形の周長（縁長さ）である。
【００４２】
【数６】
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【００４３】
つまり、第１の通路部１１ａや第２の通路部１１ｂの断面形状を三角形として近似できる場合には、上記の式（６）を用いることで、相当直径を求めることができ、相当直径の大小を比較することができる。
【００４４】
次に、螺旋状に形成された冷却通路１１のピッチＰａ、Ｐｂについて説明する。本実施形態では、基本的に第１の通路部１１ａのピッチＰａは一定であり、第２の通路部１１ｂのピッチＰｂは一定である。そして、第２の通路部１１ｂのピッチＰｂは、第１の通路部１１ａのピッチＰａよりも小さくなっている。軸方向Ｄａにおける所定範囲を基準に考えた場合、冷却通路１１のピッチＰａ、Ｐｂが小さい方が所定範囲内で冷却媒体が周回する回数が増え、抜熱効率の向上に有利になる。つまり、本実施形態では、冷却通路１１のピッチＰａ、Ｐｂという観点からも、第２の通路部１１ｂの方が第１の通路部１１ａに比べて抜熱効率が高くなっている。
【００４５】
なお、第１の通路部１１ａ及び第２の通路部１１ｂの少なくとも一方のピッチＰａ、Ｐｂが不揃いである場合には、不揃いであるピッチＰａ、Ｐｂの平均値を求め、その平均値によって大小関係を判断することができる。
【００４６】
次に、冷却通路１１からステータ２３までの距離について説明する。この距離について、ステータコア２４に当接するインナー部９の内周面９ａ（ステータ対向面）を基準に考える。本実施形態において、第２の通路部１１ｂから内周面９ａまでの距離Ｄｙは、第１の通路部１１ａから内周面９ａまでの距離Ｄｘよりも小さい。つまり、回転軸２１の軸線Ｌａを含む仮想の平面で切断した場合の断面視において、第１の通路部１１ａと内周面９ａとの間で最も近くなる距離Ｄｘと、第２の通路部１１ｂと内周面９ａとの間で最も近くなる距離Ｄｙとを比較した場合に、距離Ｄｙの方が、距離Ｄｘよりも小さくなっている。
【００４７】
次に、冷却通路１１の変形例として第１の通路部１１ａの断面形状が円形（図５の（ｂ）図参照）であり、第２の通路部１１ｂの断面形状が星形（図５の（ａ）図参照）である場合を例に説明する。この変形例において、第１の通路部１１ａの断面積と第２の通路部１１ｂの断面積とは同じである。しかしながら、第２の通路部１１ｂの断面形状の縁長さは、第１の通路部１１ａの断面積の縁長さよりも長くなっている。その結果、第２の通路部１１ｂの方が相当直径は小さくなっており、第２の通路部１１ｂの方が抜熱効率は高くなっている。
【００４８】
次に、本実施形態に係る冷却ジャケット３を備えた回転機械１の作用効果について説明する。通常、コイルエンドは冷却ジャケットに直接、接触していないので、コイルエンドの冷却条件が最も厳しく、この条件設定が装置設計上のボトルネックとなり得る。この対策として、例えば、冷却流路を拡大し、冷却媒体の流量を増大させることが考えられる。
【００４９】
しかしながら、冷却流路を拡大し、冷却媒体の流量を増大させると、結果的に装置が大型化してしまう。また、冷却媒体とステータとの間の熱伝達率を上げる場合、冷却通路を通過する冷却媒体の圧力損失が大きくなって、ステータの効率的な冷却が困難になる可能性があった。そのため、例えば、冷却条件を満たすために高性能（流量が大きい、揚程が高い）のポンプが必要になる。
【００５０】
これに対し、本実施形態では、冷却通路１１を第１の通路部１１ａと第２の通路部１１ｂとに分け、コイルエンド２５ａに対向する側の第２の通路部１１ｂの相当直径を第１の通路部１１ａよりも小さくしている。その結果として、冷却通路１１を通過する冷却媒体の流量を抑えつつ、全体での圧力損失を抑えながら、コイルエンド２５ａに対する効率的な冷却が可能になり、ポンプの揚程も低く抑えることが可能になる。つまり、本実施形態によれば、ステータ２３のコイルエンド２５ａの効率的な冷却を可能にする。
【００５１】
また、上記の実施形態に係る冷却ジャケット３は鋳物である。その結果、機械加工によって冷却通路１１を形成する場合に比べ、冷却通路１１を構成する壁面は鋳肌のために粗度が粗くなる。その結果、相当直径ｄが小さくなり、抜熱効率の向上に有利になる。
【００５２】
また、上記の実施形態に係る冷却ジャケット３の冷却通路１１では、第２の通路部１１ｂのピッチＰｂは、第１の通路部１１ａのピッチＰａよりも小さくなっており、コイルエンド２５ａでの抜熱効率の向上に有利になる。
【００５３】
また、上記の実施形態に係る冷却ジャケット３の冷却通路１１では、第２の通路部１１ｂからインナー部９の内周面９ａまでの距離は、第１の通路部１１ａからインナー部９の内周面９ａまでの距離よりも小さい。その結果、その結果、第２の通路部１１ｂからコイルエンド２５ａまでの伝熱距離が短くなり、コイルエンド２５ａでの抜熱効率の向上に有利になる。
【００５４】
また、上記の実施形態では、冷却ジャケット３として、成形型を用いて成形される鋳物を例に説明した。しかしながら、冷却ジャケット３は３Ｄプリンタ技術を用いて製造することも可能である。３Ｄプリンタ技術を用いて製造することにより、冷却ジャケット３の冷却通路１１の断面形状として、より複雑な形状を採用することができる。例えば、鋳造では型抜きが困難な形態や、複雑な形状の中子を要するような形態であったとしても、３Ｄプリンタ技術によって容易に成形でき、更に、壁面の凹凸形状で適宜に調整した形状にすることも可能である。その結果、例えば、第１の通路部１１ａと第２の通路部１１ｂとの断面積が同じ凹凸形状（例えば星形）でありながら、縁長さが異なる断面形状にすることで、第２の通路部１１ｂの相当直径を第１の通路部１１ａの相当直径よりも小さくすることもできる。
【００５５】
本開示は、上記の実施形態のみに限定されない。例えば、上記の実施形態では、二段圧縮機を例に回転機械を説明したが、一段圧縮機であってもよい。また、回転機械は、例えばブロワー又はチラー等に用いられてもよい。なお、この際、回転機械は、コンプレッサ８を備えていない。
【００５６】
また、上記の実施形態では、冷却通路として、螺旋状の通路を例に説明した。しかしながら、第２の通路部の断面形状の相当直径を、第１の通路部の断面形状の相当直径よりも小さくできるのであれば、螺旋状に限定されず、他の形態であってもよい。
【符号の説明】
【００５７】
１  回転機械
２  電動モータ
３  冷却ジャケット
９ａ  内周面
１１  冷却通路
１１ａ  第１の通路部
１１ｂ  第２の通路部
２２  ロータ
２３  ステータ
２５ａ  コイルエンド
Ｐａ  第１の通路部のピッチ
Ｐｂ  第２の通路部のピッチ
【図１】
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【図２】
2019201521.tif 000010
【図３】
2019201521.tif 000011
【図４】
2019201521.tif 000012
【図５】
2019201521.tif 000013