回転電機の冷媒通路構造

【課題】回転電機を設置状態のまま、回転電機に結合されている機器を取り外すことなく冷媒通路を開放でき、点検および清掃が可能な回転電機の冷媒通路構造を提供する。
【解決手段】円筒状の内胴５と、前記内胴に対し下半部が所定の間隙を介して配置された断面Ｕ字状の外胴６ａと、前記内胴及び外胴の両端部に配置された前側板７及び後側板８と、前記外胴の開口部を開閉自在に覆う蓋体１３と、前記蓋体の下面に取付けられるとともに、前記内胴に対し前記所定の間隙を介して配置された円弧状の整流板１５とを備え、前記所定の間隙からなる通路に冷媒を供給することを特徴とする回転電機の冷媒通路構造。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電機の固定子を冷却する冷媒通路の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
直流機、同期機や誘導機などの回転電機は、固定子と回転子によって構成され、電磁誘導の原理を利用し電気エネルギーと機械エネルギーの相互変換をおこなうものである。
【０００３】
回転電機の回転子は磁界を発生し、その磁界が固定子に備えられた巻線と鎖交することにより電磁誘導によって固定子巻線に電圧を発生させる。この現象を利用したものが発電機である。また、逆に固定子巻線に電流を流すことで磁界を発生させ、これが回転子による磁界に作用することで回転子に回転力が生まれる。この現象を利用したものが電動機となる。
【０００４】
上述した回転電機では通常、回転に伴う固定子等の発熱を抑えるために冷媒を用いて冷却をおこなっている。冷媒には水、油等の液体、空気、水素等の気体が用いられている。
このような回転電機では、固定子の外側に冷媒通路を持ち、その冷媒通路に冷媒を通すことで、固定子から冷媒へ熱を伝達させ固定子を冷却する。
【０００５】
従来の回転電機の一例について図１３〜図１７を参照して説明する。なお、通常の回転電機は、回転子、回転子を支持する軸受等を備えているがここでは説明を省略する。
回転電機の固定子２は、巻線３と、薄い電磁鋼板を積層して構成した鉄心４から構成され、筐体１に収められる。
【０００６】
筐体１は固定子２を取り囲み接している内胴５と、その内胴５と一定の距離を隔てて取り囲む外胴６を備えている。
内胴５と外胴６はそれぞれの両端を前側板７と後側板８で塞がれており、内胴５、外胴６、前側板７、後側板８で囲まれた空間は固定子２を冷却するための冷媒が流れる冷媒通路９となっている。
【０００７】
冷媒は冷媒入口１０からヘッダー１１を経由して内胴５と外胴６で構成された冷媒通路９に流入し、固定子２が接している内胴５の周囲を、固定子２の鉄心４から熱を奪いながらほぼ一周した後、冷媒出口１２から排出される。
【０００８】
ヘッダー１１は冷媒通路９へ流入する冷媒の流速を軸方向に渡って均一にするために設けているもので、ヘッダー１１の外胴６における開口部は可能な限り外胴６の軸方向長さと等しい長さとする。
【０００９】
これは、冷媒通路９を流れる冷媒の流速が異なると、その熱伝達の大きさも変わり、冷却能力も場所によって異なってしまうため、内胴５と外胴６の半径方向の距離は均一に保つことで、冷媒が流れる通路の断面積を均一にし、冷媒の流速を一定に保って固定子２を均一に冷却するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平８−１４９７５７号公報
【特許文献２】特開２０１０−１５８２１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、上記した従来の回転電機の冷媒通路構造において、回転電機を長期間運転すると冷媒通路９に異物等が混入し詰まりを起こすことがある。冷媒通路９に異物が詰まると内部を流れる冷媒の流速が均一にならず、また、異物が詰まっている部分には冷媒が流れないため固定子２の冷却が均一におこなえなくなるという問題があった。さらに、冷媒通路９を構成する内胴５の外表面に汚れ等が付着すると、内胴５から冷媒への熱伝達率が低下し、固定子２を冷却する能力が低下するという問題があった。
【００１２】
このような問題に対処するためには冷媒通路９を清掃する必要があるが、従来の回転電機の冷媒通路９の構造では、ヘッダー１１、および冷媒出口１２しか開口部がなく、このような開口部から冷媒通路９全体を清掃することは困難であった。
【００１３】
ところで、冷媒通路９を清掃することができるように、冷媒通路の軸方向両端部を開放可能な構造が提案されている。（特許文献1、特許文献２）
これによれば、冷媒通路の端部から清掃することは可能であるが、冷却通路を開放するためには軸受や筐体を分解する必要がある。そのため、冷媒通路の点検、清掃のためには回転電機を停止し、回転電機に結合されている機器を取り外したのちに回転電機を分解し、冷媒通路を開放して点検または清掃し、その後逆の手順で復旧する必要がある。このため、冷媒通路の点検、清掃作業に時間がかかるという問題がある。
【００１４】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、回転電機を設置状態のまま、回転電機に結合されている機器を取り外すことなく冷媒通路を開放でき、点検および清掃が容易な回転電機の冷媒通路構造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】
【００１５】
本発明に係る回転電機の冷媒通路構造は、円筒状の内胴と、前記内胴に対し下半部が所定の間隙を介して配置された断面Ｕ字状の外胴と、前記内胴及び外胴の両端部に配置された前側板及び後側板と、前記外胴の開口部を開閉自在に覆う蓋体と、前記蓋体の下面に取付けられるとともに、前記内胴に対し前記所定の間隙を介して配置された円弧状の整流板とを備え、前記所定の間隙からなる通路に冷媒を供給することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の上記構成によれば、回転電機を設置状態のまま、回転電機に結合されている機器を取り外すことなく冷媒通路を開放することにより、点検および清掃が容易な回転電機の冷媒通路構造を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る回転電機の斜視図。
【図２】本発明の第１実施形態に係る回転電機の正面図。
【図３】本発明の第１実施形態に係る回転電機の側面図。
【図４】図２のＣ−Ｃ斜視図。
【図５】図３のＦ−Ｆ断面図。
【図６】図１に示す回転電機の蓋体を開状態とした斜視図。
【図７】本発明の第２実施形態に係る回転電機の冷媒通路の一例を示す模式図。
【図８】図７の仕切り板を示す斜視図。
【図９】本発明の第２実施形態に係る回転電機の冷媒通路の変形例を示す模式図。
【図１０】図９の仕切り板を示す斜視図。
【図１１】図１０に示す仕切り板のＧ部を拡大した図。
【図１２】本発明の第３実施形態に係る回転電機の伝熱部材の一例を示す斜視図。
【図１３】従来の回転電機の斜視図。
【図１４】従来の回転電機の正面図。
【図１５】従来の回転電機の側面図。
【図１６】図１４のＡ−Ａ斜視図。
【図１７】図１５のＢ−Ｂ断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係る各実施形態について、図面を参照して説明する。
（第１実施形態）
（構成）
本発明の第１実施形態に係る回転電機の冷媒通路構造を、図１〜図６を用いて説明する。なお、通常の回転電機は、回転子、回転子を支持する軸受等を備えているがここでは省略する。
【００１９】
図１〜図５に示すとおり、本発明の実施形態に係る回転電機は、内胴５、外胴６ａ等を備えた筐体１、内胴５に外接している固定子２、後述する冷媒通路９ａを回転電機の軸方向の前後で塞ぐ前側板７及び後側板８、筐体１の下部に設けられた冷媒入口１０、ヘッダー１１、及び冷媒出口１２などを備えており、特に、外胴６ａ及び冷媒通路９ａの構造に特徴がある。
【００２０】
すなわち、従来の回転電機では冷媒通路９は円筒状の内胴５と、内胴５より径の大きい外胴６とで囲まれた空間により環状の冷媒通路９が形成されていたが、本実施形態では、内胴５とこの内胴５と所定の間隙を有する外胴６ａとにより略下半分の閉空間を形成するとともに、内胴５とこの内胴５と前記所定の間隙を有する整流板１５とにより略上半分の閉空間を形成し、これら上半分及び下半分の閉空間を合わせることにより環状の所定の間隙を有する冷媒通路９ａが形成されている。
【００２１】
外胴６ａは、内胴５と同心の半円状部からなる下半部と、該下半部の半円状部の両開放端部を真っ直ぐ上方へ延設した上半部と、該上半部の先端部周縁のボルト孔が形成された固定部６ｃからなり、全体として開放した開口部６ｂを有する断面略Ｕ字状となっている。
【００２２】
本実施形態では、上記開口部６ｂを開閉自在に覆う蓋体１３が設けられており、通常、開口部６ｂは蓋体１３により覆われており、蓋体１３のボルト１４を用いて固定部６ｃと固定され、冷媒に対して密閉状態を保持している。
【００２３】
整流板１５は、断面半円弧状でその半円弧部の半径は、外胴６ａにおける下半部の半円の半径とほぼ等しく、半円弧部の中央部に対し対称に立設された１対の整流板支持部１６を介して蓋体１３の裏面に取付けられている。
【００２４】
以上により、外胴６ａと内胴５との間隙、整流板１５と内胴５との間隙、及び前側板７、後側板８によって冷媒通路９ａが形成される。
なお、本実施形態では、整流板１５は１対の整流板支持部１６を介して蓋体１３に取付けているが、１つの整流板支持部１６を介して、あるいは整流板支持部１６を介することなく、直接蓋体１３に取付けることも可能である。
【００２５】
また、蓋体１３の上面には、その上部に図示しない潤滑油タンクなどを固定するための取付座、冷媒を冷媒入口１０から注入する場合、冷媒通路９ａや空間１７から空気を抜くためのフランジ２３を設けている。
【００２６】
このように構成した回転電機の冷媒通路９ａでは、冷媒入口１０からヘッダー１１を介して冷媒通路９ａに流入した冷媒は、まず内胴５と外胴６ａの間を通り、次に内胴５と整流板１５の間を通ったのち、再び内胴５と外胴６ａの間を通って冷媒出口１２から排出される。
【００２７】
外胴６ａの半円部と整流板１５の半径は同一であり、それぞれの中心は内胴５と同心であるので、内胴５と外胴６ａ、および内胴５と整流板１５の間の間隔は常に一定となっている。
【００２８】
したがって、冷媒通路９ａを流れる冷媒の流速は常に一定となり、内胴５の表面から冷媒への熱伝達率は内胴５の全周にわたって均一であり、内胴５に接している固定子２の熱も均一に冷却される。
なお、回転電機には構造上、わずかな隙間が存在するが、この隙間によっても内胴５の表面から固定子２の熱を奪う本来の冷媒の役割を阻害することはない。
【００２９】
すなわち、整流板１５と外胴６ａとの隙間あるいは、整流板１５と前側板７、後側板８との隙間から、冷媒がわずかずつ、整流板１５と外胴６ａと整流板支持部１６とで囲まれた空間１７及び、整流板１５と蓋板１３と整流板支持部１６とで囲まれた空間１７に流入し、空間１７は冷媒である程度満たされた状態となるが、冷媒の流圧等により、ある隙間から空間１７にわずかながら冷媒が流入し異なる隙間から冷媒が流出する。
【００３０】
この時、整流板支持部１６等が抵抗となり、空間１７内に新たな冷媒の流れが形成されるのを防止でき、冷媒通路９ａの本来の冷媒の流速に影響を与えるほどのものにはならず、内胴５の表面から固定子２の熱を奪う本来の冷媒の役割を阻害することはない。
【００３１】
（作用）
次に本実施形態の作用について述べる。
冷媒通路９ａの点検、または清掃を実施する場合には、図６に示すように、蓋体１３とＵ字状の外胴６ａ上端部を固定しているボルト１４を取り外し、蓋体１３をクレーン等で上方に吊り上げる。
【００３２】
蓋体１３には整流板１５が整流板支持部１６により固定されているので、蓋体１３と同時に整流板１５も取り外される。
したがって、蓋体１３を取り外す際には、回転電機に結合されている機器を取り外したり、回転電機を分解したりする必要はなく、蓋体１３を取り外す前には、冷媒通路９ａに充満している冷媒をあらかじめ抜いておけば、蓋体１３を取り外す作業は容易になる。
【００３３】
また、整流板支持部１６の一部に冷媒抜き穴１８を設けることにより、前記空間１７に充満した冷媒が冷媒抜き穴１８から排出されるので、蓋体１３を取り外す作業はさらに容易になる。
【００３４】
蓋体１３を取り外した状態では、内胴５の上半分は完全に露出しており、目視、または検査装置により容易に点検が可能である。また、内胴５の下半分は外胴６ａに覆われてはいるが、蓋体１３を取り外したあとの開口部から柔軟性のある棒状の検査器具、または清掃器具等により容易に点検、もしくは清掃が可能である。
【００３５】
（効果）
以上説明したように、本実施形態によれば、回転電機を設置状態のまま、回転電機に結合されている機器を取り外すことなく、蓋体１３を取り外すだけで、冷媒通路を開放することにより、点検および清掃が容易な回転電機の冷媒通路構造を提供することができる。
【００３６】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態に係る回転電機の冷媒通路構造を模式的に示した図７〜図１１を用いて説明する。
【００３７】
本実施形態における回転電機の冷却通路構造では、内胴５と、外胴６ａ、前側板７、後側板８、整流板１５によって冷媒通路９ａが構成されていることについては第１実施形態と同様である。
【００３８】
本実施形態では、冷媒流速を高めて冷却能力を向上させるため、冷却通路９ａに螺旋状の仕切り板１９ａを挿入し冷媒通路９ａを分割した点に特徴がある。
冷媒入口１０ａ、および冷媒出口１２ａは冷媒通路９ａの図７に示すとおり両端に設けられ、冷媒入口１０ａから冷媒通路９ａに冷媒を流入させると、冷媒通路９ａが螺旋状の仕切り板１９ａによって区切られているため、仕切り板１９ａに沿って螺旋状に冷媒が流れ、内胴５の表面を周回しながら冷媒出口１２ａに向かう。
【００３９】
したがって、冷媒が通過する流路の断面積は螺旋状の仕切り板１９ａがない場合に比べ小さくなるので、冷媒通路９ａを流れる冷媒流量が同一の場合、冷媒の流速を増加させることができる。
【００４０】
本実施形態では、螺旋状の仕切り板１９ａによって冷媒通路９ａを軸方向に５分割しているので、螺旋状の仕切り板１９ａが無い場合と比べて同じ冷媒流量ならば５倍の冷媒流速となる。
【００４１】
一般的に、内胴５から冷媒への熱伝達率は冷媒の流速が増すほど増加するため、螺旋状の仕切り板１９ａを入れたほうがより冷却能力が大きくなる。または、同じ冷媒流速であれば冷媒の流量を低減できるため、冷媒の搬送に要する動力を減らすことができる。
【００４２】
図９は本実施形態の変形例を示し、一部が切り欠かれ不連続部分を有する環状の仕切り板１９ｂを冷媒通路９ａに挿入したものである。
この変形例では、冷媒入口１０ａから冷媒通路９ａに流入した冷媒は、まず、環状の仕切り板１９ｂに沿って上方に流れ、環状の仕切り板１９ｂの切り欠き部１９ｃから隣接する流路に流れ込み、次に下方向へ流れ、以降、同様の流れを繰り返しながら冷媒出口１２ａに向かう。
【００４３】
このような変形例でも冷媒流速を増加させる効果は本実施形態と同様である。
なお、上述の例では仕切り板として、螺旋状、環状の場合を説明したが、冷媒の流速を増加させることができる限り、これらの例に限定するものではない。
【００４４】
図１１は本実施形態の異なる変形例を示し、環状の仕切り板１９ｂと、外胴６ａ、整流板１５、または内胴５と接する外周面に、ラビリンスシールとして溝部２０を形成して、流路間で冷媒の漏れを防止するようにしたものである。
【００４５】
仕切り板１９ｂが内胴５、または外胴６ａ、整流板１５と接している面を完全に密封できずに隙間が生じると、仕切り板１９ｂにより隣接する流路間で冷媒の漏れが生じる。
【００４６】
このような冷媒の漏れが生じると、想定した流量の冷媒が冷媒の流路に流れず、冷媒の流速が低下し、内胴５と冷媒との間の熱伝達率が低下する恐れがある。
そこで、溝部２０を設けることにより、仕切り板１９ｂと外胴６ａ、整流板１５、または内胴５の間の隙間を通過する際の冷媒の流体抵抗が増し、仕切り板１９ｂによって隔てられている流路間での冷媒の漏れ量を少なくできる。
【００４７】
したがって、冷媒の流速は低下せず、内胴５と冷媒との間の熱伝達率が低下することを防止でき、さらに冷却効果を向上させることができる。
なお、溝部２０は螺旋状の仕切り板１９ａやその他の形状の仕切り板であっでも設置することができる。
【００４８】
以上、本実施形態によれば、第１実施形態と同様に蓋板を開放し、仕切り板を除去することによって点検、または清掃が容易に行えるとともに、冷媒通路９ａに仕切り板を設けることにより冷却効果をより向上させることができる。
【００４９】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態に係る回転電機の冷媒通路構造を、図１２を用いて説明する。
本実施形態における回転電機の冷媒通路構造では、内胴５と、外胴６ａ、前側板７、後側板８、整流板１５によって冷媒通路９ａが構成されていることについては第１実施形態と同様である。
【００５０】
本実施形態は、伝熱効果を向上させるために、第１実施形態の回転電機の冷媒通路に、金属繊維によって成形された伝熱部材２１を設けた点に特徴がある。
伝熱部材２１は、細線状の金属繊維を織布のように金属線同士を織って形成したり、金属線同士を絡ませて形成したりすることで柔軟性があり、冷媒通路９ａの形状に合わせて円筒形状であり、その円周の一部は円筒の軸方向に切断されている。
【００５１】
この伝熱部材２１を図６に示すように回転電機の蓋体１３を開放した開口部１６ａから冷媒通路９ａに挿入する。
伝熱部材２１は柔軟性があるので、その切断部を広げるようにして内胴５に沿って挿入し、蓋体１３を元通りに固定すれば、冷媒通路９ａ内には伝熱部材２１が収まる。
【００５２】
伝熱部材２１は内胴５に接しており、固定子２の熱が内胴５を通して伝熱部材２１に伝導する。
このように構成された回転電機の冷媒通路９ａに冷媒を流すと、冷媒は伝熱部材２１の金属線の隙間を通り、その際に金属線との間でも熱伝達が行われるので、内胴５と冷媒の間でのみ熱伝達を行うよりもさらに大きな放熱効果を得ることができる。
【００５３】
なお、伝熱部材２１は冷媒通路９ａの寸法や、作業上の都合により適宜分割してもよい。
また第２実施形態のように、冷媒通路９ａに仕切り板を設けた場合には、仕切り板で仕切られた冷媒通路９ａの幅に合わせて伝熱部材２１を分割することができる。
【００５４】
以上、本実施形態によれば、第１実施形態と同様に蓋板を開放し、伝熱部材２１を除去することによって点検、または清掃が容易に行えるとともに、伝熱部材２１を冷媒通路９ａに設置することに冷却効果をより向上することができる。
【００５５】
以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、例えば、各実施形態の組合わせを含めて様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５６】
１…筐体、２…固定子、３…巻線、４…鉄心、５…内胴、６，６ａ…外胴、６ｂ…開口部、６ｃ…固定部、７…前側板、８…後側板、９，９ａ…冷媒通路、１０，１０ａ…冷媒入口、１１…ヘッダー、１２，１２ａ…冷媒出口、１３…蓋体、１４…ボルト、１５…整流板、１６…整流板支持部、１７…空間、１８…冷媒抜き穴、１９ａ…仕切り部材（螺旋状）、１９ｂ…仕切り部材（環状）、１９ｃ…切り欠き部、２０…溝部、２１…伝熱部材、２２…取付座、２３…フランジ。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状の内胴と、前記内胴に対し下半部が所定の間隙を介して配置された断面Ｕ字状の外胴と、前記内胴及び外胴の両端部に配置された前側板及び後側板と、前記外胴の開口部を開閉自在に覆う蓋体と、前記蓋体の下面に取付けられるとともに、前記内胴に対し前記所定の間隙を介して配置された円弧状の整流板とを備え、前記所定の間隙からなる通路に冷媒を供給することを特徴とする回転電機の冷媒通路構造。
【請求項２】
前記整流板は整流板支持部を介して前記蓋体に取付けられたことを特徴とする請求項１に記載された回転電機の冷媒通路構造。
【請求項３】
前記整流板支持部に冷媒抜き穴を設けたことを特徴とする請求項２に記載された回転電機の冷媒通路構造。
【請求項４】
前記冷媒通路に螺旋状の仕切り部材を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載された回転電機の冷媒通路構造。
【請求項５】
前記仕切り部材は切り欠き部を形成したことを特徴とする請求項４に記載された回転電機の冷媒通路構造。
【請求項６】
前記仕切り部材は外周面に溝部を形成したことを特徴とする請求項４または請求項５に記載された回転電機の冷媒通路構造。
【請求項７】
前記冷媒通路に伝熱部材を挿入したことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載された回転電機の冷媒通路構造。
【請求項８】
前記蓋体上面にエア抜き用フランジを設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載された回転電機の冷媒通路構造。

【図１】