JP6482401B2 - リニアモータの冷却ユニット - Google Patents

Description

本発明は、リニアモータの冷却ユニットに関する。

リニアモータのコイルを冷却する冷却ユニットとして、内部を冷媒が流れる２枚の平板状の冷却部と、外部から冷媒が流入し、冷却部に冷媒を供給する流入部と、冷却部からの冷媒が流出する流出部と、を備える冷却ユニットが知られている（例えば特許文献１）。この冷却ユニットでは、２枚の冷却部によってコイルを挟み込み、発熱するコイルを冷却する。

特開２０１３−２０７８３８号公報

特許文献１に記載される冷却ユニットでは、流入部および流出部と２枚の平板状の冷却部とは、冷媒が漏れるのを抑止するためのＯリングを間に挟み込んだ状態で締結される。

Ｏリングを挟み込んだ状態で締結すると、Ｏリングの反発力で冷却部が押されて冷却部が変形しうる。そのため、流路内にリブ部材を設け、Ｏリングに押される部分を流路内側から押さえることが考えられる。しかしながら、流路内にリブを設けると、その分だけ流路が狭くなり、圧力損失が大きくなる。したがって、冷却部の変形を抑止することはそれほど単純ではない。

本発明は、こうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、冷却部の圧力損失の増大を抑止しつつも冷却部の変形を抑止できるリニアモータの冷却ユニットを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様のリニアモータの冷却ユニットは、リニアモータの駆動部を構成するコイルを冷却するための冷却ユニットであって、コイルに密着してコイルを冷却するための冷却部を備える。冷却部は、第１部材と、第１部材に重なる第２部材と、リブ部材と、を含む。第２部材に合わさる第１部材の面には凹部が形成され、凹部と、第１部材と合わさる第２部材の面との隙間は、コイルを冷却するための冷媒の流路を形成し、リブ部材は、第１部材または第２部材の一方に固定され、隙間内において第１部材または第２部材の他方に当接し、流路の一部は、リブ部材によって複数の分割流路に分割され、複数の分割流路の少なくとも１つを形成する第２部材の面の部分に拡大凹部が形成されている。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、冷却部の圧力損失の増大を抑止しつつも冷却部の変形を抑止できる。

実施形態に係るリニアモータの冷却ユニットを示す斜視図である。 平板冷却部を示す分解斜視図である。 平板冷却部を示す横断面図である。 リブ部材とその周辺を示す断面図である。 リブ部材とその周辺を示す断面図である。 流量と圧力損失の関係を示すグラフである。

以下、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、工程には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図面における部材の寸法は、理解を容易にするために適宜拡大、縮小して示される。また、各図面において実施の形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。

図１は、実施形態に係るリニアモータの冷却ユニット１００を示す斜視図である。本実施の形態に係る冷却ユニット１００を適用したリニアモータは、所定の方向に並設される矩形板状の複数（図１では３枚）のコイル５と、交互に並設され、コイル５と対向する複数のＮ極の磁石および複数のＳ極の磁石（いずれも不図示）と、を備える。コイル５に通電されるとＮ極の磁石とＳ極の磁石との間で電磁力が発生し、この電磁力により、冷却ユニット１００を伴ってコイル５が移動する。このように、コイル５はリニアモータの駆動部を構成する。なお、実施の形態では、コイル５は、３枚でＡ相、Ｂ相の２相を形成する。

冷却ユニット１００は、コイル５を冷却し、その温度上昇を抑える。冷却ユニット１００は、コイル５を両側から挟む２枚の平板冷却部２と、コイル５の並設方向の一方端側に設けられる流入部３と、他方端側に設けられる流出部４と、を備える。

図２、３は、平板冷却部２を示す。図２は、平板冷却部２をコイル５に密着する側から見た斜視図である。図３は、平板冷却部２の横断面図である。平板冷却部２は、第１の平板部材１１と、第２の平板部材１２と、第３の平板部材１３と、リブ部材２０と、を含む。第１の平板部材１１、第２の平板部材１２、第３の平板部材１３およびリブ部材２０は、例えば金属製、セラミクス性あるいは樹脂製である。第１の平板部材１１、第２の平板部材１２および第３の平板部材１３は、この順に積層されて、拡散接合や熱接合により接合される。

第１の平板部材１１は、長方形状の平板である。第１の平板部材１１の長手方向の一端側には、平板面を貫通する６つの円形状の流入口１１ａが形成されている。６つの流入口１１ａは第１の平板部材１１の短手方向に並設される。また、第１の平板部材１１の長手方向の他端側には、平板面を貫通する６つの円形状の流出口１１ｂが形成される。６つの流出口１１ｂは第１の平板部材１１の短手方向に並設される。

第２の平板部材１２は、第１の平板部材１１と同じ大きさの長方形状の平板である。第２の平板部材１２には、平板面を貫通する３つの長方形状の開口１２ａが形成される。３つの開口１２ａは第２の平板部材１２の短手方向に並設され、第２の平板部材１２の長手方向に延在する。各開口１２ａの一端側には、２つの円形状の開口１２ｂがそれぞれ形成され、他端側にも２つの円形状の開口１２ｃがそれぞれ形成される。つまり、第２の平板部材１２には、計６つの開口１２ｂと計６つの開口１２ｃが形成される。開口１２ｂ、開口１２ｃはそれぞれ、流入口１１ａ、流出口１１ｂに対応する位置に設けられる。したがって、第１の平板部材１１の平板面と第２の平板部材１２の平板面とを重ね合わせると、流入口１１ａと開口１２ｂとが連通し、流出口１１ｂと開口１２ｃとが連通する。

第１の平板部材１１の平板面と第２の平板部材１２の平板面とを重ね合わせると、第２の平板部材１２の３つの開口１２ａの一方が塞がれ、３つの凹部（以下、凹部１４ａと呼ぶ）を有する１枚の平板部材（第４の平板部材１４と呼ぶ）が形成される。なお、第１の平板部材１１と第２の平板部材１２とを別体として形成せずに、それらを一体に形成してよい。つまり、あらかじめ、３つの凹部１４ａを有する第４の平板部材１４として形成してもよい。

第３の平板部材１３は、第１の平板部材１１および第２の平板部材１２と同じ大きさの長方形状の平板である。第３の平板部材１３の平板面には、拡大凹部１３ａ（後述）が形成されている。第３の平板部材１３の平板面と、第４の平板部材１４の凹部１４ａを有する側の面とを重ね合わせて接合することにより、３つの凹部１４ａの開口が塞がれて平板冷却部２内に３つの隙間７ａ〜７ｃ（以下、これらをまとめて「隙間７」とも呼ぶ）が形成される。３つの隙間７ａ〜７ｃは、平板冷却部２内を長手方向に延びる３つの流路８ａ〜８ｃ（以下、これらをまとめて「流路８」とも呼ぶ）として機能する。例えば冷却水などの冷媒がこの流路８を流れる。流路８ａ〜８ｃは、この順番で流入部３の上流側に連結される。

リブ部材２０は、第２の平板部材１２の開口１２ａの長手方向の両端にそれぞれ設けられる。具体的には、リブ部材２０は、開口１２ａの端部であって開口１２ｂとの連結部分１２ｄと、開口１２ａの端部であって開口１２ｃとの連結部分１２ｅと、に設けられる。本実施の形態では、リブ部材２０は第２の平板部材１２と一体に形成される。したがって、リブ部材２０は、第２の平板部材１２の開口１２ａの縁と繋がっている。リブ部材２０の構成については、図４、５で後述する。

図１に戻り、流入部３は、直方体状の上部３ｂと、上部３ｂを厚み方向（すなわち平板冷却部２の平板面に直交する方向）両側から絞るように小さくした直方体状の下部３ｃと、を含む。上部３ｂには上面に開口して下方に延びる流入口３ａが設けられる。下部３ｃは、コイル５と略同一の厚みを有し、２枚の平板冷却部２により挟まれる。流入部３は、下部３ｃが２枚の平板冷却部２で挟まれ上部３ｂの下面が平板冷却部２の上面に接した状態で、ボルト締結により平板冷却部２に固定される。流入部３は特に、平板冷却部２との間に、冷媒が漏れるのを抑止するためのＯリング６（図１では不図示）を挟んだ状態で平板冷却部２に固定される。また、下部３ｃの側面（すなわち第１の平板部材１１と密着する面）には、複数の貫通孔（不図示）が形成されている。流入部３が平板冷却部２に固定されているとき、各貫通孔は平板冷却部２の各流入口１１ａと連通する。つまり、流入部３と平板冷却部２の３つの流路８ａ〜８ｃ（すなわち３つの隙間７ａ〜７ｃ）とが連通する。

流出部４は、流入部３と同様、直方体状の上部４ｂと、上部４ｂを厚み方向両側から絞るように小さくした直方体状の下部４ｃと、を含む。上部４ｂには上面に開口して下方に延びる流出口４ａが設けられる。流出部４は、流入部３と同様に、下部４ｃが２枚の平板冷却部２で挟まれ上部４ｂの下面が平板冷却部２の上面に接した状態で、ボルト締結により平板冷却部２に固定される。流出部４は特に、平板冷却部２との間にＯリング６を挟んだ状態で平板冷却部２に固定される。また、下部４ｃの側面には、複数の貫通孔（不図示）が形成されている。流出部４が平板冷却部２に固定されているとき、各貫通孔は平板冷却部２の各流出口１１ｂと連通する。つまり、平板冷却部２の３つの流路８ａ〜８ｃ（すなわち３つの隙間７ａ〜７ｃ）と流出部４とが連通する。

流出部４および流入部３を平板冷却部２に対して固定した状態で流入部３の流入口３ａに冷却水を流入させると、冷媒は流入部３から平板冷却部２の各流入口１１ａを通り、平板冷却部２内の３つの流路８ａ〜８ｃを流通して各流出口１１ｂを通った後、流出部４の流出口４ａから外部に流出する。

図４、５は、リブ部材２０とその周辺を示す断面図である。図４は、上部３ｂに最も近い開口１２ａに設けられる（すなわち流路８ａ内に設けられる）リブ部材２０のうちの１つを代表して示す。図５は、上部３ｂから遠い２つの開口１２ａに設けられる（すなわち流路８ｂ内または流路８ｃ内に設けられる）リブ部材２０のうちの１つを代表して示す。図４、５は、連結部分１２ｄまたは連結部分１２ｅの周辺を示す断面図ともいえる。Ｏリング６は、平板冷却部２と流入部３との間に設けられる。リブ部材２０は、基部２０ａと２つの突起部２０ｂとを含む。基部２０ａは、第２の平板部材１２よりも薄く形成され、開口１２ａの縁と繋がっている。２つの突起部２０ｂは、基部２０ａから第３の平板部材１３側に突出し、各隙間７内において第３の平板部材１３に当接する。したがって、連結部分１２ｄや連結部分１２ｅでは、２つの突起部２０ｂによって各隙間７すなわち各流路８が３つに分割される。流入口１１ａから平板冷却部２内に流入した冷媒は、分割されたこの３つの流路（以下、「分割流路」と呼ぶ）を通って流れる。

図５に示すように、第３の平板部材１３の平板面のうち、流路８ｂまたは流路８ａの分割流路を形成する部分には、それぞれ拡大凹部１３ａが形成されている。各拡大凹部１３ａは矩形状の断面形状を有している。各拡大凹部１３ａは、Ｕ字形状、Ｖ字形状、その他の断面形状を有していてもよい。本実施の形態では、各拡大凹部１３ａは、同じ大きさに形成される。すなわち、各拡大凹部１３ａの幅Ｗ、深さＤ、および長さＬ（図２参照）は同じである。一方、図４に示すように、第３の平板部材１３の平板面のうち、流路８ａの分割流路を形成する部分には、拡大凹部１３ａは形成されていない。

以上説明した実施の形態に係る冷却ユニット１００によると、連結部分１２ｄ、１２ｅにおいてリブ部材２０の突起部２０ｂが第３の平板部材１３に当接する。したがって、平板冷却部２と流入部３および流出部４とがＯリングを間に挟み込んだ状態で締結され、Ｏリングの反発力で第１の平板部材１１が押されても、第１の平板部材１１はリブ部材２０によって反対側からも押さえられる。これにより、第１の平板部材１１が変形するのが抑止される。加えて、第３の平板部材１３の平板面のうち、分割流路を形成する部分には、拡大凹部１３ａが形成される。ここで、連結部分１２ｄや連結部分１２ｅでは、リブ部材２０を設けた分だけ流路が狭くなるところ、拡大凹部１３ａを設けた分だけ流路が大きくなる。したがって、リブ部材２０を設けても、流路が狭くなるのを抑止でき、圧力損失が大きくなるのを抑止できる。このように、本実施の形態に係る冷却ユニット１００によると、平板冷却部２の圧力損失の増大を抑止しつつも平板冷却部２の変形を抑止できる。

また、実施の形態に係る冷却ユニット１００によると、第３の平板部材１３の平板面のうち、流路８ａの分割流路を形成する部分には、拡大凹部１３ａは形成されない。ここで、一般に、流入部３の上流側に連結される流路は圧力損失が小さく、下流側に連結される流路は圧力損失が比較的大きい。したがって、流入部３の上流側に連結される流路８ａに拡大凹部１３ａを設けないことによって、上流側に連結される流路８ａと、下流側に連結される流路８ｂ、８ｃとの圧力損失のバランスが取れ、より均一に各流路に冷媒が流れる。

本発明者らは、実施の形態に係る冷却ユニットによる圧力損失の増大の抑止効果を確認するためのシミュレーションを行った。図６は、流量と圧力損失の関係を示すグラフである。図６において、横軸は流量（Ｌ／ｍｉｎ）を示し、縦軸は圧力損失（ｋＰａ）を示す。グラフ５０は、拡大凹部１３ａが設けられていない従来の冷却ユニットのシミュレーション結果を示し、グラフ５２は拡大凹部１３ａが設けられた実施の形態の冷却ユニット１００のシミュレーション結果を示す。このシミュレーション結果から、実施の形態の冷却ユニット１００によると、従来の冷却ユニットに比べて圧力損失が約半分になることがわかる。

以上、実施の形態に係る冷却ユニットについて説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下変形例を示す。

（変形例１）
実施の形態では、流路８ａの分割流路を形成する第３の平板部材１３の平板面の部分には拡大凹部１３ａが形成されない場合について説明したが、これに限られない。流路８ａの分割流路を形成する第３の平板部材１３の平板面の部分に拡大凹部１３ａが形成されてもよい。

（変形例２）
実施の形態では、流路８ａ以外の流路については、すべての分割流路に対応する拡大凹部１３ａが形成される場合について説明したが、これに限られない。各流路の３つの分割流路のうち、少なくとも１つの分割流路に対応する拡大凹部１３ａが設けられてもよい。また、例えば２つの分割流路を跨る共通の拡大凹部１３ａが形成されてもよい。

また実施の形態では、各拡大凹部１３ａの大きさが同じ場合について説明したが、これに限られず、各拡大凹部１３ａの大きさは同じでなくてもよい。例えば、流入部３の下流側に連結される分割流路を形成する第３の平板部材１３の平板面に形成される拡大凹部１３ａほど大きくしてもよい。この場合、拡大凹部１３ａの深さＤ、幅Ｗまたは長さＬの少なくとも１つを大きくすることによって、拡大凹部１３ａを大きくすればよい。これにより、流入部３の下流側に連結される流路の分割流路ほど広くなり、流入部３の上流側に連結される流路と下流側に連結される流路との圧力損失のバランスが取れ、より均一に各流路に冷媒が流れる。

（変形例３）
実施の形態では特に言及しなかったが、拡大凹部１３ａを設けない場合と比べて平板冷却部２全体としての圧力損失を下げられればよく、分割流路を形成する第３の平板部材１３の平板面の少なくとも一部に、逆に隙間に突出する凸部が形成されてもよい。

（変形例４）
実施の形態では、リブ部材２０が第２の平板部材１２と一体に形成される場合についてに設けられる場合について説明したが、これに限られない。リブ部材２０は、第１の平板部材１１や第３の平板部材１３と一体に形成されてもよい。第３の平板部材１３と一体に形成される場合、リブ部材２０の突起部２０ｂは、第１の平板部材１１側に突出してもよい。または、リブ部材２０は、第１の平板部材１１、第２の平板部材１２、第３の平板部材１３とは別体として形成された後、それらに結合されてもよい。

（変形例５）
実施の形態では、冷却ユニット１００が適用されるリニアモータは３枚のコイルを含み、これら３枚のコイルでＡ相、Ｂ相の２相を形成する場合について説明したが、これに限られない。リニアモータは１枚、２枚または４枚以上のコイルを含んでいてもよく、すなわちリニアモータは少なくとも１枚のコイルを含んでいればよく、この少なくとも１枚のコイルでＡ相、Ｂ相の２相を形成してもよい。また、リニアモータは３の整数倍の枚数のコイルを含み、３の整数倍の枚数のコイルでＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相を形成してもよい。

上述した実施の形態と変形例の任意の組み合わせもまた本発明の実施の形態として有用である。組み合わせによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態および変形例それぞれの効果をあわせもつ。

２ 平板冷却部、 ２ａ 隙間、 ３ 流入部、 ５ コイル、 ６ Ｏリング、 ７ 隙間、 ８ 流路、 １３ 第３の平板部材、 １３ａ 拡大凹部、 １４ 第４の平板部材、 ２０ リブ部材、 ２０ａ 基部、 ２０ｂ 突起部、 １００ 冷却ユニット。

Claims (4)

1. リニアモータの駆動部を構成するコイルを冷却するための冷却ユニットであって、
   前記コイルに密着して前記コイルを冷却するための冷却部を備え、
   前記冷却部は、第１部材と、前記第１部材に重なる第２部材と、リブ部材と、を含み、
   前記第２部材に合わさる前記第１部材の面には凹部が形成され、
   前記凹部と、前記第１部材に重ね合わさる前記第２部材との隙間は、前記コイルを冷却するための冷媒の流路を形成し、
   前記リブ部材は、前記第１部材または前記第２部材の一方に固定され、前記隙間内において前記第１部材または前記第２部材の他方に当接し、
   前記流路の一部は、前記リブ部材によって複数の分割流路に分割され、前記複数の分割流路の少なくとも１つを形成する前記第２部材の面の部分に拡大凹部が形成されていることを特徴とするリニアモータの冷却ユニット。
2. 前記複数の分割流路を形成する前記第２部材の面のそれぞれの部分に拡大凹部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のリニアモータの冷却ユニット。
3. 前記冷却部には複数の流路が形成され、
   前記複数の流路はそれぞれ、冷却水を供給する流入部に連結され、
   前記流入部の最も上流側に連結される流路の分割流路を形成する前記第２部材の面の部分には前記拡大凹部が形成されないことを特徴とする請求項１または２に記載のリニアモータの冷却ユニット。
4. 前記冷却部には複数の流路が形成され、
   前記複数の流路はそれぞれ、冷却水を供給する流入部に連結され、
   前記流入部のより下流側に連結される流路の分割流路ほど広くなるように、前記拡大凹部が形成されることを特徴とする請求項１または２に記載のリニアモータの冷却ユニット。

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