KR20050007326A - 전기기계용 냉각 재킷 - Google Patents

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KR20050007326A
KR20050007326A KR10-2004-7016890A KR20047016890A KR20050007326A KR 20050007326 A KR20050007326 A KR 20050007326A KR 20047016890 A KR20047016890 A KR 20047016890A KR 20050007326 A KR20050007326 A KR 20050007326A
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KR10-2004-7016890A
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피터 케이 보스트윅
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에머슨 일렉트릭 컴파니
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Abstract

전기기계의 고정자를 냉각하기 위한 냉각 재킷이다. 상기 재킷은, 모터의 고정자를 수용하기 위해 공동을 형성하는 원통상의 내측 표면을 갖는 냉각 재킷 본체, 냉각제가 유동되도록 하기 위한 상기 본체내의 축상의 유동 통로들, 및 상기 본체의 대향하는 단부에 연결된 단부캡들을 포함한다. 냉각제는 상기 단부캡들중의 하나에 있는 입구부를 통하여 흐르고, 적어도 하나의 꾸불꾸불한 통로를 따라 출구부로 상기 유동 통로들을 통하여 안내된다. 각 유동 통로는 전적으로 셋 또는 그 이상의 본질적으로 직선인 측면에 의해 규정된 단면 형상을 가지고 있다.

Description

전기기계용 냉각 재킷{COOLING JACKET FOR ELECTRIC MACHINES}
본 발명은, 명칭이 " 전기모터 냉각 재킷 조립체 및 그 제조방법" 이고, 에머슨 전기 회사(Emerson Electric Co.)에 양도된 미국 특허번호 6,300,693 호와 같은 분야에 속하는 것으로서, 상기 특허는 모든 목적을 위해 본 명세서에 참조되어 통합된다. 상기 '693 특허는, 예컨대, 전력을 생산하기 위해 고속으로 작동되고 연료로 작동되는 터어빈(Turbine)에 의해 구동되는 브러시리스(Brushless) 영구자석 모터와 같은 전기기계(모터 또는 제너레이터)에 있어서, 고정자(Stator)를 냉각하기 위하여 냉각제가 유동하도록 축방향의 통로를 갖는 냉각 재킷을 개시하고 있다. 상기 특허에 기재된 냉각 재킷의 설계가 일반적으로 만족스럽기는 하지만, 비용 및 열전달 효율의 관점에서 보면 상기 설계에 사용된 유동 통로는 최적의 형상은 아니다.
본 발명은 일반적으로 전기기계를 냉각하는 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 전기 모터 및/또는 높은 열-발산 요구조건을 갖는 제너레이터(Generator)를 냉각하기 위한 냉각 재킷(Jacket)에 관한 것이다.
도 1은, 본 발명의 냉각 재킷 조립체의 수직 단면도이고;
도 2는, 상기 냉각 재킷의 재킷 본체의 상면 평면도이고;
도 2A는, 상기 재킷 본체의 유동 통로 그룹의 확대 평면도이고;
도 3은, 도 2의 3--3 선에 따른 단면도이고;
도 4는, 상기 재킷 본체의 다른 실시예의 상면 평면도이고;
도 5는, 상기 조립체의 제1 단부캡의 상면 평면도이고;
도 6은, 상기 제1 단부캡의 하면 평면도이고;
도 7은, 도 5의 7--7 선에 따른 단면도이고;
도 8은, 도 6의 8--8 선에 따른 단면도이고;
도 9는, 상기 조립체의 제2 단부캡의 하면 평면도이고;
도 10은, 상기 제2 단부캡의 상면 평면도이고;
도 11은, 도 10의 11--11선에 따른 단면도이고; 그리고
도 12는, 상기 냉각 재킷을 통한 냉각제의 유동로를 도시하는 개략도이다.
상기 도면들중의 몇개의 도면에서, 대응되는 부품들은 대응되는 번호 및 특징으로 나타내었다.
본 발명의 여러 목적들은 전기기계(예를 들면, 모터 및/또는 제너레이터)용의 다음과 같이 개선된 냉각 재킷을 제공하는 것이다; 비교적 제조가 경제적이고 조립이 용이한 부품의 조립을 포함하는 재킷; 높은 열 발산 요구조건을 갖는 전기기계를 효율적으로 냉각하기 위해 적용된 재킷; 열전달 효율을 최대화 하면서도 사용되는 재료의 수를 최소화하기 위해 설계된 냉각제 유동 통로를 갖는 재킷.
일반적으로, 본 발명의 냉각 재킷은 전기기계의 고정자를 냉각하기 위해 사용된다. 상기 재킷은, 고정자를 수용하기 위해 일반적으로 원통상의 공동을 형성하는 동축의 내측 및 외측 표면을 갖는 재킷 본체를 포함함으로써, 상기 고정자는 상기 내측 표면과 열전달 접촉된다. 상기 본체는 냉각제가 유동되도록 하기 위해 축방향 유동 통로를 가지고 있고, 각 유동 통로는 셋 또는 그 이상의 본질적으로 직선인 측면에 의해 완전하게 형성된 반경방향의 단면형상을 가지고 있다. 제 1단부캡은 상기 냉각 재킷 본체의 일단부에 연결되어 있고, 상기 유동 통로와 유체적으로 소통되어 상기 본체의 주위에 환상의 도관(Conduit)을 형성한다. 제 2단부캡은 상기 냉각 재킷 본체의 반대쪽에 연결되어 있고, 상기 유동 통로와 소통되어 상기 본체의 주위에 환상의 도관을 형성한다. 각 도관으로 냉각제가 유입되도록 하기 위하여 입구부가 상기 단부캡들의 한쪽 또는 다른쪽에 구비되고, 각 도관으로부터 냉각제가 유출되도록 하기 위하여 상기 단부캡들의 한쪽 또는 다른쪽에 유출구가 구비된다. 상기 도관내의 격벽(Barrier)들이, 유체를 상기 입구부로부터 상기 유동 통로를 통하여 상기 출구부로 흐르도록 안내한다.
본 발명의 다른 양상에 의하면, 상기 본체의 축방향 유동 통로는, 네개의 본질적으로 직선인 측면으로 형성된 직사각형 형상의 반경 단면을 가지고 있다. 상기 본질적으로 직선인 측면은 네 코너(Corner)에서 연결되어 있고, 각 코너는 작은 곡률반경을 가지고 있어, 상기 유동 통로의 둘레는 정사각형 코너를 가진 같은 유동 통로와 비교하여 25 % 이상 감소되지 않는다. 상기 도관내의 격벽들은, 냉각제가 단일의 꾸불꾸불한 길을 따라 상기 입구부로부터 상기 유동 통로를 통하여 상기 출구부로 흐르도록 안내한다.
본 발명의 다른 양상에 의하면, 상기 유동 통로는, 상기 도관들 사이에서 상기 냉각 재킷 본체의 축방향으로 연장된 복수의 평행 유동 단면을 포함한다. 상기 유동 통로의 각 유동 단면은 유통 통로들의 그룹(Group)을 포함하고, 각 단면은, 유동 통로의 각 그룹으로 냉각제를 유입시키기 위한 입구부 단부와, 상기 유동 통로로부터 냉각제를 유출시키기 위한 출구부 단부를 포함한다. 상기 도관상의 램프(Ramp)는, 각 단면의 유동 통로를 가로질러 도관내에서 본질적으로 균일한 정압력을 유지하기 위해, 상기 평행한 유동 단면의 입구부 및 출구부 단부를 가로질러 연장된다.
본 발명의 다른 양상에 의하면, 상기 격벽들은, 상기 입구부에 유입되는 모든 유체를, 상기 입구부에서 시작되고 상기 출구부에서 끝나며 본질적으로 상기 재킷 본체의 전체 원주로 연장된 단지 하나의 꾸불꾸불한(Serpentine) 통로를 따라 유동 통로들을 통과하여 흐르도록 안내한다.
본 발명의 다른 목적 및 특징들은, 이하에서 부분적으로 명백해 질 것이고 부분적으로 지적될 것이다.
이제 도면 특히 도 1을 참조하면, 본 발명의 냉각 재킷이 전체로서 참조부호 11로 명시되어 있다. 상기 재킷은, 전기기계의 고정자(17)를 수용하는 공동(Cavity,15)을 형성하는 재킷 본체(13)와, 각각 21 및 23으로 표시되며 상기 본체의 대향하는 단부에 연결되는 제1 및 제2 단부캡을 포함한다. (여기서 사용된 "전기기계"란 용어는 모터 또는 제너레이터로서 작동되는 기계를 가리키기 위해 의도된 것이다.) 예로서, 상기 냉각 재킷은, 열전달 효율 및 중량이 중요한 인자인 전기 차량의 모터를 냉각하기 위해 사용될 수 있다. 일반적으로 25로 표시된 통상의 회전자 및 축 조립체는, 상기 고정자(17)내에서 회전 가능하다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 상기 재킷 본체(13)는, 열적으로 전도성 있는 재료이고, 각각 동축의 내부 및 외부표면(27, 29) 및 상기 본체의 반대쪽 단부에 환상의 단부면 31 및 33을 가지고 있다. 상기 내부 표면(27)은, 상기 고정자 공동(15)을 형성하고, 고정자로부터 열을 흡수하기 위하여 상기 고정자의 박판의 금속 본체와 열전달 가능토록 접촉되어 있다. 상기 본체는, 그 둘레에 복수의 그룹으로 분할된 축상의 냉각 통로로 형성되어 있는데, 각 그룹은 그 내부에, 예컨대 네개의 통로를 가질 수 있고 이 숫자는 변화될 수 있다. 아래에서 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 이러한 그룹들은, 필요한 냉각을 수행하기 위해 냉각제(예를 들면, 기름 또는 물)가 상기 재킷(11)을 통해 유동하도록 꾸불꾸불한 유동통로의 평행단면을 형성한다. 도시된 실시예에서, 상기 냉각 본체(13)는, 압출 또는 주조 알루미늄과 같은 열적 전도성 재료로 된 일체형의 본체이나, 상기 본체는, 상기한 미국특허 제6,300,693호에서와 같이, 조립체내에 유지된 별도의 내측 및 외측 셸(Shell)을 포함할 수 있을 것으로 생각되어진다.
본 발명의 한 양상에 의하면, 각 유동 통로(35)는, 전적으로 셋 또는 그 이상, 바람직하게는 넷 이하이고 셋 이상인 본질적으로 직선인 측면(47)에 의해 형성된 반경방향의 단면 형상(도 2, 2A 및 4 에 도시)을 가지고 있다. 예를 들면, 각통로(35)는, 도 2 및 도 2A에 도시된 바와 같은 직사각형 형상 및 도 4에 도시된 바와 같은 삼각형 형상을 가질 수 있다. 여기서 사용된 "본질적으로 직선인 측면"이라 함은, 코너(49)들에 의해 연결된 일반적으로 직선인 측면을 의미하는데, 각 코너는 상기 유동 통로(35)의 둘레 전체 길이에 비하여, 더욱 바람직하게는 상기 코너를 형성하기 위해 가로지르는 두개의 측면(47)의 길이에 비하여, 비교적 작은 곡률반경을 가지고 있다. 코너에서의 곡률반경은, 상기 유동 통로의 둘레가 정사각형을 갖는 같은 유동 통로의 둘레와 비교하여 25% 이상 감소되지 않도록 하는 것이 바람직하다. 더 바람직하게는 상기 둘레는 20% 이상 감소되지 않아야 하고, 더욱 바람직하게는 10% 이하, 가장 바람직하게는 5% 이하이다. 더욱이, 상기 곡률반경은 약 0.125 인치 이하로 하는 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 약 0.06 인치 이하, 더욱 더 바람직하게는 약 0.3 인치로 하는 것이 좋다. 본질적으로 직선인 측면(47)의 사용은, 높은 열전달 효율을 위해 냉각제에 노출되는 면적의 양을 증가시키고, 중량 및 가격감소를 위해 상기 재킷 본체(13)를 제작하는데 필요한 재료의 양을 감소시킨다. 각 유동 통로(35)(예를 들면, 직사각형, 삼각형 등), 유동 통로의 수 및 각 유동 통로의 반경방향 단면적은, 이 분야에서 숙련된 자에 의해 이해되듯이, 냉각 요구조건에 따라 변화될 것이다.
각 그룹의 상기 유동 통로(35)들은, 바람직하게는 비교적 인접하여 배치되고, 상기 재킷 본체(13)의 축방향으로 연장된 인접하는 통로 사이에서 일측 단부면(31)으로부터 타측 단부면(33)까지 냉각핀(37)들을 형성하며, 각 냉각핀의 두개의 대향하는 측면은, 두개의 인접하는 유동 통로(35)의 두개의 인접하는 측면(47)에의해 형성된다(도 2, 2A 및 도 4). 만일 도 2 및 도 2A에 도시된 바와 같이, 상기 유동 통로(35)가 직사각형의 형상이면, 이러한 핀(Fin,37)들 또한 일반적으로 반경방향의 단면이 직사각형이 될 것이다. 각 그룹의 인접하는 유동 통로(35)간의 간격, 즉 인접하는 두개의 유동 통로에 의해 규정되는 각 핀(37)의 두께는, 사용되는 재료, 유동률, 냉각제의 선택, 핀 길이(상기 본체(13)에 대한 반경방향에 있어서), 열 소산 등과 같은 인자에 의해 변화할 것이다. 물론, 상기 유동 통로(35)가 직사각형 이외의 형상(정사각형 형상 포함)일 경우에는, 상기 핀(37)들의 형상(들)도 직사각형 이외의 형상이 될 것이다. 상기 제1 단부캡(21, 도 1에서의 상부 단부캡)은, 바람직하게는 예컨대 알루미늄 재질의 주조 금속 부품이고, 상기 재킷 본체(13)와 동심인 중앙 개구부(65)를 형성하는 원형 내부 엣지(Edge,63)와 환상 단부벽(61)과, 상기 단부벽으로부터 아래로 연장된 환상 측벽(67)을 가지고 있다(도 1 및 도 5 내지 8). 내부 환상 리브(Rib) 또는 플랜지(Flange, 69)는, 상기 측벽(67)과 일반적으로 동심으로 상기 단부벽(61)으로부터 아래로 연장되고, 상기 캡(21) 둘레에 아래방향으로 환상의 개구 그루브(Groove,71)를 형성하기 위해 상기 측벽으로부터 반경방향의 안쪽으로 형성되어 있다. 상기 제2 단부캡(23)은 유사하게 형성되며, 상기 대향하는 캡(21)에서의 중앙 개구부(65)와 동축의 중앙 개구부(83)를 갖는 환상 단부벽(81), 상기 단부벽으로부터 위로 연장된 환상 측벽(85), 상기 측벽(85)과 일반적으로 동심이고 상기 캡(23) 둘레에 위방향으로 환상의 개구 그루브(89)를 형성하기 위해 상기 측벽으로부터 반경방향의 안쪽으로 형성된 내부 환상 리브 또는 플랜지(87)를 구비하고 있다(도 1 및 도 9 내지 11).
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 그루브(71)의 개구측을 밀폐함으로써 상기 상부캡(21)의 둘레에 환상 상부 도관(Conduit,73)을 형성하기 위하여, 상기 본체의 상부 단부면(31)이, 상기 측벽(67) 및 상기 내부 환상 플랜지(69)의 아래로 향하는 면과 씰링(Sealing) 접촉되도록 조립된다. 유사하게, 상기 그루브(89)의 개구측을 밀폐하여 상기 하부캡의 둘레에 환상 하부 도관(91)을 형성하기 위해, 상기 본체의 하부 단부면(33)이, 상기 하부캡(23)의 내부 환상 플랜지(87) 및 측벽(85)의 위로 향하는 면과 씰링 접촉되도록 조립된다. 상기 본체(13) 및 두 단부캡(21,23)의 조립은, 상기 재킷 본체상의 유동 통로(35)가 상기 단부캡의 두 도관(73,91)과 유체적으로 소통되게 한다. 상기 부품들의 끼워맞춤부를 동일하게 하기 위하여 상기 재킷 본체(13)의 외경은 상기 캡들(21,23)의 측벽(67,85)의 외경과 대략 같게 하는 것이 바람직하다. 상기 단부캡(21,23)들은, 상기 캡(21,23)의 클리어런스 홀(Clearance Hole, 53,55)들을 통해 상기 본체의 나사구멍(57)으로 연장되는 적절한 나사 체결구(51)에 의해 고정된다. 상기 부품들을 함께 고정하기 위해 다른 고정수단(예컨대 용접)이 사용될 수도 있다.
상기 제1 단부캡(21)은, 액체 냉각제가 상기 상부 환상 도관(73)으로 흐르도록 하기 위해, 적절한 열교환 회로(미도시)에서 순환하는 액체 냉각제(예컨대, 물과 에틸렌글리콜의 혼합제)의 공급원에 연결하기 위한 입구부(101)와, 냉각제를 상기 도관으로부터 배출하기 위한 출구부(105)를 가지고 있다. 도시된 실시예에서, 상기 입구부(101) 및 출구부(105)는 비교적 근접하여 위치하고 있는데, 이는 냉각제가, 상기 입구부에서 시작하여 상기 출구부에서 끝나고, 실질적으로 상기 재킷본체(13)의 전 둘레(예컨대, 전체 둘레의 적어도 75-100%가 바람직하다)에 걸쳐 연장된 단지 하나의 꾸불꾸불한 통로(Serpentine Path)만을 흐르기 때문이다. 그렇지만, 앞에서 언급한 바와 같이, 이러한 배열은 변화될 수 있다.
상기 제1 및 제2 단부캡은, 유체의 유동을 방지하기 위하여 각 도관(73,91)들을 가로질러 연장되고 각각 103 및 107로 표시된 다수의 격벽과 함께 형성되어 있다.(이러한 격벽들은 상기 단부캡(21,23)과 일체로 도시되어 있지만, 상기 단부캡들로부터 또는 상기 본체(13)의 일부로부터 분리될 수도 있다). 상기 격벽(103,107)들은, 후술할 냉각 재킷(11)을 통해 전술한 꾸불꾸불한 유동을 제공해 준다. 이러한 유동을 가능하게 하기 위하여 상기 단부캡(21,23)들이 서로 상대적으로 일정한 방향으로 향하게 됨으로써, 상기 제2(예컨대, 하부)단부캡(23)에 의해 형성된 상기 환상 도관(91)상의 격벽(107)들은, 상기 제1(예컨대, 상부)단부캡(21)에 의해 형성된 상기 환상 도관(73)상의 격벽(103)들에 대하여 원주방향으로 오프셋(Offset)된다. 이러한 오프셋은, 상기 격벽(103,107)들 사이의 간격, 또는 유동 통로(35) 하나의 그룹의 폭의 1/2과 동일한 양이 되어야 한다. 이러한 배열로 인하여, 상기 입구부로 유입된 냉각제는, 상기 제1 단부캡(21)의 도관(73)을 흐르고, 상기 재킷(11)의 본체(13) 주위의 꾸불꾸불한 유동로를 따라 상기 재킷을 떠나는 출구부(105)로 흐르도록 인접한 격벽(103)에 의해 안내된다. 도 12는 상기 재킷(11)을 통해 상기 입구부(101)로부터 상기 출구부(105)로 흐르는 냉각제의 유동로를 개략적으로 도시한 것이다. 설명의 편의를 위하여, 상기 꾸불꾸불한 유동로의 다양한 축단면은 1A-10A로 표시하였다. 상기 입구부(101)로 유입된 냉각제는, 계속하여 상기 출구부(105)를 떠날 때까지, 단면 1A-10A를 포함하는 꾸불꾸불한 통로를 따라 흐르도록 안내된다. 상기 냉각 재킷(11)을 통과하는 입구압력 및 유동율은, 이 분야에서 숙련된 자에 의해 이해되듯이, 요구되는 열전달율 및 다른 요소들에 따라 변화된다.
유동 통로(35)의 각 그룹을 따라 좀더 균일한 정적 압력을 유지함으로써, 각 그룹의 모든 유동 통로들을 통과하는 냉각 유체의 더욱 균일한 분배성을 향상시키기 위하여, 상기 단부캡들은, 상기 꾸불꾸불한 냉각제 유동로의 단면 1A-10A의 입구부 및 출구부에 대응하는 위치에서 도관(73,91)에 형성된 램프(Ramp,109, 도 12에 개략적으로 도시)들을 가질 수 있다. 바람직하게는, 두개의 램프(109)가 인접하는 유동 단면의 각 쌍에 제공되는데, 제1 램프(도 12의 109a)는 한 단면의 입구부 단부로부터 일반적으로 인접하는 유동 단면의 입구부 단부를 향하여 흐름을 안내하도록, 제2 램프(109b)는 상기 제1 램프로부터 인접하는 유동 단면의 입구부 단부로 흐름을 안내하도록 위치된다. 이러한 램프(109a,109b)들은, 바람직하게는 반대방향으로 경사져 있고, 상기 도관의 비경사면(121)에 의해 연결된 각 환상 도관(73,91)의 경사면에 의해 형성된다. 각 램프(109)는, 각 유동 단면(1A-10A)의 실질적으로 전체 폭에 걸쳐 각 도관(73,91)상에서 연장된다(상기 도관의 이 부분을 "헤더부(Header region)라 부르기로 한다). 상기 램프(109)들은 각 헤더부를 통하여 더욱 균일한 유체 정적 압력을 발생시키는데 도움을 주어, 각 단면의 통로(35)들을 통하여 더욱 균일한 유동의 분배가 이루어진다.(상기 램프가 없다면, 유체속도 및 정적 압력은 헤더부를 통해 변화하는 경향이 있어서, 어떤 통로에서는 유동이 많고 다른곳에서는 유동이 작아지게 된다). 상기 램프(109)들은, 상기 헤더부를 통하여 유체의 유속을 본질적으로 일정하게 유지하기 위한 적절한 형상 및 각도를 가져야 한다. 상기 램프들은 상기 단부캡(21,23)들과 일체의 부분으로 형성되는 것이 바람직하나, 분리된 부분으로 형성될 수도 있다.
예로서, 그러나 이에 제한되지는 않고, 본 발명의 냉각 재킷은 다음과 같은 개략적인 치수를 가질 수 있다: 상기 냉각 재킷(13)의 내경-8.85 인치; 재킷 본체(13)의 축방향 길이-8.50 인치; 꾸불꾸불한 통로의 단면당 유동 통로(35)의 수-4; 꾸불꾸불한 통로의 각 단면의 원주상의 크기-24도; 각 램프(109)의 원주상의 크기-15도; 도 12의 W1에서의 도관(73,91)의 유효 폭-1.0 인치; 램프(109)의 경사각 A-25도.
상기 회전자와 축 조립체(25)는 공지의 구조이고, 상기 단부캡(21,23)상의 베어링(43)에서 회전가능한 축(41)에서 고정자(17)에 장착되는 회전자(39)를 포함하고 있고, 상기 축은 상기 캡내에서 동심의 중앙 개구부(65,83)를 통해 연장되어 있다(도 1). 센서(Sensor) 조립체가, 일반적으로 45로 표시되어 있고, 상기 축(41) 및 회전자(39)의 각도위치를 검출하기 위하여 상기 단부캡의 하나(도면상의 상부 단부캡(21))에 적절한 고정구에 의해 부착되어 있다.
사용시, 냉각제는 상기 재킷(11)의 입구를 통하여 흐르고, 상기 출구부를 통해 상기 재킷을 빠져나가기 전에 전술한 꾸불꾸불한 통로를 따라 안내되어 흐른다. 상기 냉각제가 이러한 통로를 따라 흐르면서 상기 본체(13)와 접촉하여 그로부터 열을 빼앗음으로써, 상기 본체와 상기 재킷에 의해 둘러싸인 상기 고정자(17)를 냉각시키게 된다. 이러한 열전달은, 본질적으로 직선 측면을 갖는 상기 냉각 통로(35)의 전술한 형상에 의해 특히 효율적이다. 상기 냉각제가 상기 유동 통로(35)를 통해 실질적으로 제한을 받지 않고 흐른다는 사실에 기인하여, 상기 유동 통로상의 압력 저하는 비교적 낮다. 바람직하게는, 상기 냉각제의 속도가 난류 및 열전달 효율의 증대를 위해 충분하여야 한다. 더욱이, 상기 램프(109)들은, 열효율 향상을 위하여 각 단면의 모든 유동 통로를 통해 유동흐름이 본질적으로 균일한 분배가 이루어지도록 보장한다. 상기 전기기계의 작동중에, 상기 냉각 재킷(11)의 본체(13)가 비교적 높은 온도까지 도달될 수도 있으나, 상기 온도는, 상기 재킷의 본체가 팽창되어 상기 고정자(17)와 본체의 끼워맞춤이 헐겁게 될 때까지 높아져서는 안된다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
상기한 냉각 재킷의 설계는, 상기 재킷을 통해 꾸불꾸불한 유동을 제공하기 위해 상기 유동 통로(35)가 다른 수, 형상 및 배열로 변경될 수도 있다. 예를 들면, 각 유동 통로는 도 12에 도시한 단면의 수보다 더 많은 또는 더 적은 평행단면을 가질 수 있다. 더욱이, 상기 입구부 및 출구부의 지점은, 꾸불꾸불한 유동 통로의 수를 변화시키기 위해 변경될 수 있다. 예를 들면, 하나, 둘 또는 그 이상의 꾸불꾸불한 유동 통로가 구비될 수 있다. 또한, 냉각 흐름의 통로는 꾸불꾸불한 것이 아닌 다른 것일 수도 있다. 주어진 적용에 사용되는 특별한 유동로의 배열 및 형상은, 크기, 열전달 요구조건 및 기타 다른 요소들에 의해 달라질 것이다.
또한, 본 발명의 냉각 재킷은, 고속으로 작동되고 상당한 열을 발생시키는 전기 기계들을 냉각하는데 사용될 수 있지만, 상기 냉각 재킷은 그러한 기계들에만한정되지 않는다는 것이 주목되어야 한다.
상기한 관점에서 보면, 본 발명의 여러 목적이 달성되고, 다른 유리한 결과를 얻을 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명의 범위를 벗어남이 없이 상기한 구조에서 다양한 변경이 가능할 것이므로, 상기한 설명에 포함되었거나 첨부한 도면에 도시된 모든 내용은 예시적인 것이고 제한적인 의미로 해석되어서는 아니되는 것으로 의도되었다.

Claims (27)

  1. 전기기계의 고정자를 냉각하기 위한 냉각 재킷(Jacket)으로서, 상기 재킷은,
    동축상의 내측 및 외측 표면을 갖고, 상기 내측표면은 상기 고정자를 수용하기 위해 일반적으로 원통상의 공동(Cavity)을 형성하여 상기 고정자가 상기 내측표면과 열전달 접촉되도록 이루어지는 재킷 본체;
    냉각제가 통과하여 흐르도록 본체내에 형성되고, 셋 또는 그 이상의 본질적으로 직선인 측면으로 형성된 반경방향의 단면형상을 갖는 축상의 유동 통로들;
    상기 냉각 재킷 본체의 일단에 연결되어 있고, 상기 유동 통로들과 유체적으로 소통되어 상기 본체의 주위에 환상의 도관(Conduit)을 형성하는 제1 단부캡;
    상기 냉각 재킷 본체의 반대쪽 단부에 연결되어 있고, 상기 유동 통로들과 유체적으로 소통되어 상기 본체의 주위에 환상의 도관을 형성하는 제2 단부캡;
    냉각제가 각 도관으로 흐르도록 상기 단부캡들의 하나에 구비된 입구부;
    냉각제가 각 도관으로부터 흐르도록 상기 단부캡들의 하나에 구비된 출구부;
    유체를 상기 입구부로부터 상기 유동 통로를 통하여 출구부까지 흐르도록 통로를 따라 안내하기 위해 상기 도관내에 형성된 격벽(Barrier)들;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 재킷.
  2. 제1항에 있어서,
    각 유동 통로는, 직사각형의 반경 단면 형상을 가지고 있는 것을 특징으로하는 냉각 재킷.
  3. 제1항에 있어서,
    각 유동 통로는, 삼각형의 반경 단면 형상을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 냉각 재킷.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 재킷 본체는 일체형의 압출된 금속 부품인 것을 특징으로 하는 냉각 재킷.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 격벽들은, 상기 냉각제가 상기 입구부로부터 단일의 꾸불꾸불한(Serpentine) 통로를 따라 상기 출구부로 흐르도록 안내하기 위해 형성되는 것을 특징으로 하는 냉각 재킷.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 단일의 통로는 상기 냉각 재킷 본체의 축방향으로 연장된 복수의 평행단면을 포함하고 상기 도관들에 연결되어 있으며, 상기 통로의 각 단면은 상기 유동 통로의 한 그룹(Group)을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 재킷.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 유동 통로들 사이에 축방향의 열전달 핀(Fin)들을 더 포함하고, 상기 각 핀은, 두개의 인접하는 유동 통로에 인접한 한쌍의 본질적으로 직선인 측면에 의해 규정된 상기 본체에서 축방향으로 연장된 한쌍의 이격된 대향 측면을 가지는 것을 특징으로 하는 냉각 재킷.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 각 열전달 핀은, 상기 두개의 인접하는 유동 통로 사이의 간격에 대응하는 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 냉각 재킷.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 통로는 상기 도관들 사이에서 상기 냉각 재킷 본체의 축방향으로 연장된 복수의 평행 유동 단면을 포함하고, 상기 통로의 각 유동 단면은 상기 유동 통로들의 그룹(Group)을 포함하고, 각 단면은 유동 통로의 각 그룹으로 냉각제가 유입되도록 하는 입구부 단부와 상기 그룹의 유동 통로로부터 냉각제를 유출시키기 위한 출구부 단부를 포함하고, 상기 도관상의 램프(Ramp)는, 각 유동 단면의 유동 통로를 가로질러 도관내에서 본질적으로 균일한 정압력을 유지하기 위하여, 상기 평행한 유동 단면의 입구부 및 출구부 단부를 가로질러 연장되는 것을 특징으로 하는 냉각 재킷.
  10. 제1항에 있어서,
    각 유동 통로의 본질적으로 직선인 측면은 둥근 코너(Corner)를 가로지르고, 각 코너는 작은 곡률반경을 가지고 있어 상기 유동 통로의 둘레가 정사각형 코너를 가진 같은 유동 통로와 비교하여 25% 이상 감소되지 않는 것을 특징으로 하는 냉각 재킷.
  11. 제1항에 있어서,
    각 유동 통로의 본질적으로 직선인 측면은 둥근 코너를 가로지르고, 각 코너는 작은 곡률반경을 가지고 있어 상기 유동 통로의 둘레가 정사각형 코너를 가진 같은 유동 통로와 비교하여 20% 이상 감소되지 않는 것을 특징으로 하는 냉각 재킷.
  12. 제1항에 있어서,
    각 유동 통로의 본질적으로 직선인 측면은 둥근 코너를 가로지르고, 각 코너는 작은 곡률반경을 가지고 있어 상기 유동 통로의 둘레가 정사각형 코너를 가진 같은 유동 통로와 비교하여 10% 이상 감소되지 않는 것을 특징으로 하는 냉각 재킷.
  13. 제1항에 있어서,
    각 유동 통로의 본질적으로 직선인 측면은 둥근 코너를 가로지르고, 각 코너는 작은 곡률반경을 가지고 있어 상기 유동 통로의 둘레가 정사각형 코너를 가진 같은 유동 통로와 비교하여 약 5% 이상 감소되지 않는 것을 특징으로 하는 냉각 재킷.
  14. 제1항에 있어서,
    곡률반경은 약 0.06 인치 보다 작은 것을 특징으로 하는 냉각 재킷.
  15. 제1항에 있어서,
    곡률반경은 약 0.03 인치 보다 작은 것을 특징으로 하는 냉각 재킷.
  16. 전기기계의 고정자를 냉각하기 위한 냉각 재킷으로서, 상기 재킷은,
    동축상의 내측 및 외측 표면을 갖고, 상기 내측표면은 상기 고정자를 수용하기 위해 일반적으로 원통상의 공동을 형성하여 상기 고정자가 상기 내측표면과 열전달 접촉되도록 이루어지는 재킷 본체;
    각 유동 통로는 네 코너(Corner)에서 연결되고 네개의 본질적으로 직선인 측면에 의해 규정된 직사각형 형상의 반경단면을 가지고 있고, 각 코너는 작은 곡률반경을 가지고 있어 상기 유동 통로의 둘레는 정사각형 코너를 가진 같은 유동 통로의 둘레와 비교하여 25% 이상 감소되지 않고, 이를 통하여 냉각제가 흐르도록 상기 본체내에 형성된 축상의 유동 통로들;
    상기 냉각 재킷 본체의 일단에 연결되어 있고, 상기 유동 통로들과 유체적으로 소통되어 상기 본체의 주위에 환상의 도관을 형성하는 제1 단부캡;
    상기 냉각 재킷 본체의 반대쪽 단부에 연결되어 있고, 상기 유동 통로들과 유체적으로 소통되어 상기 본체의 주위에 환상의 도관을 형성하는 제2 단부캡;
    냉각제가 각 도관으로 흐르도록 상기 단부캡들의 하나에 구비된 입구부;
    냉각제가 각 도관으로부터 흐르도록 상기 단부캡들의 하나에 구비된 출구부;
    상기 냉각제가 단일의 꾸불꾸불한 통로를 따라 상기 입구부로부터 상기 유동 통로를 통하여 출구부까지 흐르도록 안내하기 위해 상기 도관내에 형성된 격벽(Barrier)들;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 재킷.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 통로는 상기 도관들 사이에서 상기 냉각 재킷 본체의 축방향으로 연장된 복수의 평행 유동 단면을 포함하고, 상기 통로의 각 유동 단면은 상기 유동 통로들의 그룹(Group)을 포함하고, 각 단면은 유동 통로의 각 그룹으로 냉각제가 유입되도록 하는 입구부 단부와 상기 그룹의 유동 통로로부터 냉각제를 유출시키기 위한 출구부 단부를 포함하고, 상기 도관상의 램프(Ramp)는, 각 유동 단면의 유동 통로를 가로질러 도관내에서 본질적으로 균일한 정압력을 유지하기 위하여, 상기 평행한 유동 단면의 입구부 및 출구부 단부를 가로질러 연장되는 것을 특징으로 하는 냉각 재킷.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 곡률반경은, 상기 유동 통로의 둘레가 정사각형 코너를 가진 같은 유동 통로와 비교하여 25% 이상 감소되지 않는 것을 특징으로 하는 냉각 재킷.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 곡률반경은, 상기 유동 통로의 둘레가 정사각형 코너를 가진 같은 유동 통로와 비교하여 10% 이상 감소되지 않는 것을 특징으로 하는 냉각 재킷.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 곡률반경은, 상기 유동 통로의 둘레가 정사각형 코너를 가진 같은 유동 통로와 비교하여 약 5% 이상 감소되지 않는 것을 특징으로 하는 냉각 재킷.
  21. 제16항에 있어서,
    상기 곡률반경은 약 0.06 인치보다 작은 것을 특징으로 하는 냉각 재킷.
  22. 제16항에 있어서,
    상기 곡률반경은 약 0.03 인치보다 작은 것을 특징으로 하는 냉각 재킷.
  23. 전기기계의 고정자를 냉각하기 위한 냉각 재킷으로서, 상기 재킷은,
    동축상의 내측 및 외측 표면을 갖고, 상기 내측표면은 상기 고정자를 수용하기 위해 일반적으로 원통상의 공동을 형성하여 상기 고정자가 상기 내측표면과 열전달 접촉되도록 이루어지는 재킷 본체;
    냉각제가 통과하여 흐르도록 본체내에 형성된 축상의 유동 통로들;
    상기 냉각 재킷 본체의 일단에 연결되어 있고, 상기 유동 통로들과 유체적으로 소통되어 상기 본체의 주위에 환상의 도관을 형성하는 제1 단부캡;
    상기 냉각 재킷 본체의 반대쪽 단부에 연결되어 있고, 상기 유동 통로들과 유체적으로 소통되어 상기 본체의 주위에 환상의 도관을 형성하는 제2 단부캡;
    냉각제가 각 도관으로 흐르도록 상기 단부캡들의 하나에 구비된 입구부;
    냉각제가 각 도관으로부터 흐르도록 상기 단부캡들의 하나에 구비된 출구부;
    상기 통로는 상기 도관들 사이에서 상기 냉각 재킷 본체의 축방향으로 연장된 복수의 평행 유동 단면을 포함하고, 상기 통로의 각 유동 단면은 상기 유동 통로들의 그룹(Group)을 포함하고, 각 단면은 유동 통로의 각 그룹으로 냉각제를 유입시키기 위한 입구부 단부와, 상기 그룹의 유동 통로로부터 냉각제를 유출시키기 위한 출구부 단부를 포함하고, 유체를 상기 입구부로부터 상기 유동 통로를 통하여 출구부까지 흐르도록 통로를 따라 안내하기 위해 상기 도관내에 형성된 격벽(Barrier)들;
    상기 각 유동 단면의 유동 통로를 가로질러 상기 도관내에서 본질적으로 균일한 정압력을 유지하기 위해, 상기 평행한 유동 단면의 입구부 및 출구부 단부를 가로질러 연장된 상기 도관상의 램프(Ramp)들;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 재킷.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 램프들은, 한 유동 단면의 출구부 단부로부터 일반적으로 인접 유동 단면의 입구부 단부를 향하여 흐름을 안내하기 위한 제1 램프와, 상기 제1 램프로부터 상기 인접 유동 단면의 입구부 단부로 흐름을 안내하기 위한 제2 램프를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 재킷.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 램프들은 본질적으로 반대방향으로 경사져 있는 것을 특징으로 하는 냉각 재킷.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 램프들은 각 환상 도관의 경사면에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 냉각 재킷.
  27. 전기기계의 고정자를 냉각하기 위한 냉각 재킷으로서, 상기 재킷은,
    동축상의 내측 및 외측 표면을 갖고, 상기 내측표면은 상기 고정자를 수용하기 위해 일반적으로 원통상의 공동을 형성하여 상기 고정자가 상기 내측표면과 열전달 접촉되도록 이루어지는 재킷 본체;
    냉각제가 통과하여 흐르도록 본체내에 형성된 축상의 유동 통로들;
    상기 냉각 재킷 본체의 일단에 연결되어 있고, 상기 유동 통로들과 유체적으로 소통되어 상기 본체의 주위에 환상의 도관을 형성하는 제1 단부캡;
    상기 냉각 재킷 본체의 반대쪽 단부에 연결되어 있고, 상기 유동 통로들과 유체적으로 소통되어 상기 본체의 주위에 환상의 도관을 형성하는 제2 단부캡;
    냉각제가 각 도관으로 흐르도록 상기 단부캡들의 하나에 구비된 입구부;
    냉각제가 각 도관으로부터 흐르도록 상기 단부캡들의 하나에 구비된 출구부;
    상기 통로는 상기 도관들 사이에서 상기 냉각 재킷 본체의 축방향으로 연장된 복수의 평행 유동 단면을 포함하고, 상기 통로의 각 유동 단면은 상기 유동 통로들의 그룹(Group)을 포함하고, 각 단면은 유동 통로의 각 그룹으로 냉각제를 유입시키기 위한 입구부 단부와, 상기 그룹의 유동 통로로부터 냉각제를 유출시키기 위한 출구부 단부를 포함하고, 상기 입구부에 유입되는 모든 유체를, 상기 입구부에서 시작되고 상기 출구부에서 끝나며 본질적으로 상기 재킷 본체의 전체 원주 주위로 연장된 단 하나의 꾸불꾸불한(Serpentine) 통로를 따라 유동 통로들을 통과하여 흐르도록 안내하기 위한 상기 도관들 내의 격벽(Barrier)들;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 재킷.
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