(57)【要約】    【課題】  従来の装置に比べてより簡素な構造で、冷媒ぬれ面積を増加させて冷却性能を向上させることができる冷却装置を提供することを目的とする。    【解決手段】  冷却対象に向けて冷媒を噴射し、冷却対象を冷却する冷却装置が提供される。冷媒が流れる冷媒通路１０ｂを含み、冷却対象であるコイルエンド６ｂに向けて冷媒を噴射可能な位置に設けられたパイプ本体１０ａと、パイプ本体１０ａに穿設され、冷却対象を臨む位置に設けられた噴射孔であって、冷媒を冷却対象に向けて噴射する噴射孔１１とを備え、噴射孔１１はスリット形状に形成されている。噴射された冷媒がスリット形状の長辺の方向に扇状に広がるため、噴射孔を円形とする場合に比べて冷媒ぬれ面積を増加させることができる。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却対象に向けて冷媒を噴射し、前記冷却対象を冷却する冷却装置において、
前記冷媒が流れる冷媒通路を含み、前記冷却対象に向けて前記冷媒を噴射可能な位置に設けられた通路形成部材と、
前記通路形成部材に穿設され、前記冷却対象を臨む位置に設けられた噴射孔であって、前記冷媒を前記冷却対象に向けて噴射する噴射孔とを備え、
前記噴射孔はスリット形状に形成されていることを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
前記スリット形状の長辺は、前記通路形成部材が延びる方向に対して直角の方向に延びることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
前記スリット形状の長辺及び短辺の長さは、前記噴射孔と前記冷却対象との距離と、前記冷媒の望ましい噴射角度範囲とに基づいて設定されることを特徴とする請求項１または２に記載の冷却装置。
【請求項４】
前記冷却対象は、回転電機を構成するステータであり、前記回転電機は回転軸と、前記ステータの内側において前記回転軸に固定され、前記ステータが生成する磁束によって回転するロータとを備え、前記通路形成部材は、前記回転軸の軸方向に延びるように設けられていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却対象（例えば回転電機を構成する部材）に向けて冷媒を噴射して、冷却対象を冷却する冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、回転電機のステータの上方にモータの回転軸方向に設けられた冷却パイプであって、冷媒を様々な角度で噴射可能な噴射孔を複数備える冷却パイプによって、冷媒をステータのコイルエンドに噴射する冷却装置を開示する。この装置によれば、コイルエンドの広範囲に亘って冷媒を噴射することができる。
【０００３】
特許文献２は、回転電機のステータコアの周方向に延在する管部材に２カ所以上の冷媒噴射部を備え、ステータコアに巻回されたコイルの両端部（コイルエンド）に向けて冷媒を噴射する回転電機の冷却装置を開示する。この装置によれば、コイルエンドの周方向を均一に冷却することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−１３４９７２号公報
【特許文献２】特開２０１６−１２９４３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来の冷却装置は、冷媒を噴射する噴射部（噴射孔）の設置数を増加させることによって、冷却対象の表面において冷媒に接触する領域の面積である冷媒ぬれ面積を増加させ、冷却能力を高めるものであるが、構造をより簡素化してコストを低減する上で改善の余地があった。
【０００６】
本発明はこの点に着目してなされたものであり、従来の装置に比べてより簡素な構造を用いて冷媒ぬれ面積を増加させ、冷却能力を向上させることができる冷却装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、冷却対象（６）に向けて冷媒を噴射し、前記冷却対象（６）を冷却する冷却装置において、前記冷媒が流れる冷媒通路（１０ｂ）を含み、前記冷却対象（６）に向けて前記冷媒を噴射可能な位置に設けられた通路形成部材（１０ａ）と、前記通路形成部材（１０ａ）に穿設され、前記冷却対象（６）を臨む位置に設けられた噴射孔であって、前記冷媒を前記冷却対象（６）に向けて噴射する噴射孔（１１）とを備え、前記噴射孔（１１）はスリット形状に形成されていることを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、スリット形状（短辺が長辺に比べて非常に短い長方形）の長辺が延びる方向に、冷媒が扇状に広がって噴射されるので、簡単な構成で冷媒ぬれ面積を増加させることが可能となり、従来の円形の噴射孔の場合と比べて冷却能力を向上させることができる。また従来の円形の噴射孔の場合には、冷却能力を高めるために冷媒の流量を増加させると冷媒の一部が冷却対象から跳ね返ってしまうため、流量の増加に対して冷却能力を高める効果が小さいが、スリット形状とすることで噴射圧が分散されて跳ね返りがほとんど発生しないため、流量の増加に見合った高い冷却能力を得ることができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の冷却装置において、前記スリット形状の長辺は、前記通路形成部材（１０ａ）が延びる方向に対して直角の方向に延びることを特徴とする。
この構成によれば、通路形成部材が延びる方向に対して直角の方向に冷媒が、扇状に広がって噴射されるので、その広がった方向の冷媒ぬれ面積を増加させることができる。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の冷却装置において、前記スリット形状の長辺及び短辺の長さ（ＬＳ、ＷＳ）は、前記噴射孔（１１）と前記冷却対象（６）との距離（Ｈ）と、前記冷媒の望ましい噴射角度範囲（ＩＲ）とに基づいて設定されることを特徴とする。
【００１１】
冷媒の流量が同一である場合、スリット形状の短辺が長すぎると冷媒の広がりが小さくなる傾向があり、また実際に噴射された冷媒が到達する範囲は、噴射孔と冷却対象との距離（対象距離）及び冷媒の噴射角度範囲に依存して決まるので、冷媒の必要流量に対応して長辺及び短辺の長さを、対象距離と、望ましい噴射角度範囲とに基づいて設定することによって、望ましい冷媒ぬれ面積を確保することが可能となる。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項１から３の何れか１項に記載の冷却装置において、前記冷却対象は、回転電機（１）を構成するステータ（６）であり、前記回転電機（１）は回転軸（３）と、前記ステータ（６）の内側において前記回転軸（３）に固定され、前記ステータ（６）が生成する磁束によって回転するロータ（７）とを備え、前記通路形成部材（１０ａ）は、前記回転軸（３）の軸方向に延びるように設けられていることを特徴とする。
この構成によれば、簡単な構成によって回転電機のステータの冷却能力を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態にかかる冷却装置を適用した回転電機の構成を示す断面図である。
【図２】図１に示す冷媒噴射パイプ（１０）及びコイルエンド（６ｂ）を側方からみた状態を説明するための図である。
【図３】図１に示す冷媒噴射パイプ（１０）及び冷媒噴射孔（１１）の構造を説明するための図である。
【図４】噴射された冷却オイルの状態を説明するための図である。
【図５】冷媒噴射孔（１１）の周辺壁（１２）に関する変形例を示す図である。
【図６】冷媒噴射パイプの配置に関する変形例を示す図である。
【図７】冷媒噴射パイプに代えて適用可能な変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施形態にかかる冷却装置を適用した回転電機の構成を示す断面図であり、回転電機１は、ケーシング２に固定され、磁束を生成するステータ６と、ケーシング２に軸受４及び５を介して回転可能に支持された回転軸３と、ステータ６の内側において回転軸３に固定され、ステータ６が生成する磁束によって回転する円柱状のロータ７と、ステータ６の上方に設けられ、冷媒としての冷却オイルを噴射する冷媒噴射パイプ１０とを備えている。冷媒噴射パイプ１０には、ケーシング２に設けられた冷媒通路９を介して冷却オイルが供給される。冷媒通路９には、図示しないオイルポンプ及びオイル通路を介して冷却オイルが供給される。オイルポンプは、例えば回転軸３の回転によって得られる駆動トルクの一部を用いて駆動される。
【００１５】
ステータ６は、ステータコア６ａと、ステータコア６ａに巻回されたステータコイル６ｂによって構成され、ステータ６の軸方向の両端部に位置する部分は通常「コイルエンド」と呼ばれるため、以下の説明では「コイルエンド６ｂ」という。
【００１６】
冷媒噴射パイプ１０は、回転軸３と平行に延びる（軸方向の延びる）ように設けられており、加圧された冷却オイルが冷媒通路９を介して冷媒噴射パイプ１０に供給され、コイルエンド６ｂの上方に設けられた２つの冷媒噴射孔１１からコイルエンド６ｂに向けて冷却オイルが噴射される。冷媒噴射パイプ１０及び冷媒噴射孔１１が本発明の冷却装置を構成する。
【００１７】
図２は、冷媒噴射パイプ１０及びコイルエンド６ｂを側方からみた状態を説明するための図であり、ステータ６は取り付け部材１５を介してケーシング２に固定されている。この図に示す角度範囲ＩＲが冷媒噴射孔１１から噴射される冷却オイルの噴射角度範囲を模式的に示しており、コイルエンド６ｂに向けて冷却オイルが扇状に広がって噴射される。噴射された冷却オイルは、太い破線で示すようにコイルエンド６ｂの外周面に沿って流れ下る。
【００１８】
図３は、冷媒噴射パイプ１０及び冷媒噴射孔１１の構造を説明するための図であり、同図（ａ）は冷媒噴射パイプ１０を下方からみた図、同図（ｂ）は冷媒噴射孔１１を拡大して示す図、同図（ｃ）は冷媒噴射パイプ１０の冷媒噴射孔１１における横断面図である。
【００１９】
冷媒噴射パイプ１０は、パイプ本体１０ａと、冷却オイルが流れる冷媒通路１０ｂと、冷媒通路１０ｂから冷却オイルを外部に向けて噴射する２つの冷媒噴射孔１１とによって構成される。冷媒噴射孔１１は、長辺の長さがＬＳで短辺の長さ（スリット幅）がＷＳであるスリット形状に形成され、スリット形状の長辺が冷媒噴射パイプ１０の延びる方向（回転軸方向）と直角となるように、コイルエンド６ｂを臨む位置に設けられている。図３に示す例では、冷媒通路１０ｂが露出する部分としての冷媒噴射孔１１からパイプ本体１０ａの外周部に向かう周辺壁１２は、その周辺壁１２によって画成される通路の断面積が一定となるように形成されている。冷却オイルは冷媒噴射孔１１からコイルエンド６ｂに向けて噴射される。パイプ本体１０ａは例えばステンレススチールを用いて構成される。
【００２０】
図２において冷媒噴射角度範囲ＩＲは、細い実線Ｌ１，Ｌ２で示されており、実線Ｌ１，Ｌ２は、コイルエンド６ｂの外周の接線に相当するものである。冷媒が到達する範囲は、冷媒の流量が同一である場合、冷媒噴射孔１１とコイルエンド６ｂとの距離Ｈ（対象距離）及び冷媒の噴射角度範囲ＩＲに依存して決まるので、スリット形状の長辺長さＬＳ及びスリット幅ＷＳは、冷媒の必要流量に対応して対象距離Ｈと、望ましい噴射角度範囲ＩＲとに基づいて設定することによって、望ましい冷媒ぬれ面積を確保することが可能となる。図１及び２に示される実施例においては、冷媒噴射パイプ１０の外径ＤＰが１２ｍｍ程度である場合において、冷媒噴射パイプ１０の内径ＤＣは６ｍｍ程度に設定され、スリット形状の長辺の長さＬＳは５ｍｍ程度に設定され、スリット幅ＷＳは０．３５ｍｍ程度に設定される。スリット幅ＷＳが大きすぎると冷媒の広がりが小さくなる傾向があることが確認されており、スリット幅ＷＳの設定にはその点も考慮される。
【００２１】
図４は、噴射された冷却オイルの状態を説明するための図であり、図４（ａ）は本実施形態の冷媒噴射パイプ１０に対応し、同図（ｂ）は従来の円形の冷媒噴射孔を備える冷媒噴射パイプ１０Ｘに対応する。
【００２２】
円形の冷媒噴射孔の場合は、噴射孔とほぼ同一の径を有する円筒状の冷却オイル流が噴射されるのに対し、本実施形態の冷媒噴射パイプ１０によれば、スリット形状の長辺が延びる方向に扇状に広がった平面状の冷却オイル流が噴射される。したがって、噴射された冷却オイルが直接到達する領域の面積が増加し、さらに図２に太い破線で示すように、冷却オイルが冷却対象であるコイルエンド６ｂの外周面を広がって流れ下るので、冷媒ぬれ面積が増加し、流れ下ったところでも冷却能力の低下が少なくなる。また円形の噴射孔の場合には、冷却能力を高めるために冷媒の流量を増加させると冷媒の一部が冷却対象から跳ね返ってしまうため、流量の増加に対して冷却能力を高める効果が小さいが、スリット形状とすることで噴射圧が分散されて跳ね返りがほとんど発生しないため、流量の増加に見合った高い冷却能力を得ることができる。
【００２３】
冷却対象を冷却する能力は、下記式で定義される熱抵抗Ｒthの逆数で示すことができる。
Ｒth＝１／（ｈoil×Ａwet）
ここで、ｈoilは冷却オイルの熱伝達率、Ａwetは冷媒ぬれ面積である。
したがって、冷媒ぬれ面積Ａwetを増加させることによって、熱抵抗Ｒthが低下し、冷却能力を高めることができる。
【００２４】
以上のように冷媒噴射孔１１をスリット形状とすることによって、冷却オイルがスリット形状の長辺が延びる方向に扇状に広がって噴射されるので、簡単な構成で冷媒ぬれ面積を増加させることが可能となり、従来の円形の冷媒噴射孔の場合と比べて冷却能力を向上させることができる。
【００２５】
なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、冷媒噴射孔１１の周辺壁１２は図３に示すものに限るものではなく、例えば図５（ａ）または（ｂ）に示すように形成してもよい。図５（ａ）に示す変形例では、周辺壁１２ａによって画成される通路の断面積が徐々に増加するように、周辺壁１２ａが形成されている。また図５（ｂ）に示す変形例では、周辺壁１２ｂが水平方向に延びるように形成されている。この変形例によれば、パイプ本体１０ａを水平方向に切削することによってスリット形状の冷媒噴射孔１１を容易に形成することができる。
【００２６】
また上述した実施形態では、ステータ６の上方に１本の冷媒噴射パイプ１０を設けるようにしたが、例えば図６に示すように、２本の冷媒噴射パイプ１０Ａ，１０Ｂを設けるようにしてよい。このように冷媒噴射パイプの数を増加させることによって、さらに冷却能力を高めることができる。
【００２７】
また図７に示すようにケーシング１０２の内壁面と、通路カバー１１３とによって冷媒通路１１０を構成し、通路カバー１１３に冷媒噴射孔１１１を設けるようにしてもよい。この変形例では、ケーシング１０２及び通路カバー１１３が通路形成部材に相当する。
【００２８】
また上述した実施形態では、冷媒噴射パイプ１０は回転電機１の回転軸３の方向に延びるように設けたが、上記特許文献２に示されるように回転電機の軸方向の寸法が小さい場合には、冷媒噴射パイプ１０をステータ（コイルエンド６ｂ）の外周に沿う方向、または回転軸３と垂直の方向に直線状に延びるように設けてもよい。
【００２９】
また本発明にかかる冷却装置の冷却対象は、ステータ６のコイルエンド６ｂに限るものではなく、ステータ６全体を対象としてもよい。さらに本発明は例えば切削加工などの機械加工を行う場合において、高温になる加工対象物を冷却する冷却装置、あるいは電子計算機や制御装置に適用されるＣＰＵ（中央処理装置）を冷却する冷却装置などに適用可能である。また冷媒は、冷却オイルに限るものではなく、冷却水であってもよい。
【符号の説明】
【００３０】
１  回転電機
２  ケーシング
３  回転軸
６  ステータ
６ｂ  ステータコイル（コイルエンド）
７  ロータ
１０  冷媒噴射パイプ（冷却装置）
１０ａ  パイプ本体（通路形成部材）
１０ｂ  冷媒通路
１１  冷媒噴射孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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