KR20130110178A - 전기 기계의 냉각 - Google Patents

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브뤼노 아고스티니
카제탄 핀토
크리슈티안 메켈
마띠유 아베르
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에이비비 리써치 리미티드
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Abstract

전기 기계는, 벽 (26) 을 구비하고 고정자 (30), 회전자 (32), 제 1 유체 (F1) 를 인클로징하는 폐쇄 챔버 (22A, 22B), 및 챔버로부터 벽을 통하여 유체 운반 통로 (24) 로 뻗어있는 열교환 유닛 (10) 을 포함한다. 열교환 유닛은, 루프에 제공되고, 작동 유체를 담고 증발기 채널들 및 응축기 채널들을 갖춘 도관들, 증발기 채널들을 통하여 제 1 유체로부터 작동 유체로 열을 전달하기 위한 챔버 내부의 제 1 열전달 요소들, 및 작동 유체에서 응축기 채널들을 통하여 제 2 유체 (F2) 로 열을 전달하기 위한 통로 내 제 2 열전달 요소들, 제 1 유체를 강제 순환시키는 챔버 내부의 제 1 유체 전파 유닛 (38), 및 제 2 유체를 제 2 열전달 요소를 지나 강제 유동시키는 통로 내부의 제 2 유체 전파 유닛을 포함한다.

Description

전기 기계의 냉각 {COOLING OF AN ELECTRIC MACHINE}
본 발명은 일반적으로 전기 기계에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 이러한 전기 기계의 냉각에 관한 것이다.
전기 모터와 같은 전기 기계는 크기가 크고 부피가 클 수 있다. 전기 기계가 더 커지고 전기 기계가 더 많은 에너지를 발생시키거나 끌어냄에 따라 냉각 문제가 점점 더 중요하게 된다.
높은 침투 보호 지수 (Ingress Protection index) 의 전기 모터는 모터를 포함한 인클로저 (enclosure) 내부에서 공기를 냉각하도록 예컨대 종종 물 대 공기 열교환기를 사용한다. 이것은 예를 들어 물을 쉽게 이용할 수 있는 해양 적용에서 매우 편리하지만, 일부 다른 작업 환경에서 또는 전기 부품 가까이에 물을 방지해야 할 때 가능하지 않을 수도 있다.
모터에 공기 대 공기 열교환기를 사용하는 것이 또한 알려져 있다. 이것의 일 예시는 US 5,844,333 에서 제공되는데, 여기에서 모터 공기는 주위 공기로 냉각수 튜브를 통과함으로써 냉각된다.
사용되고 있는 다른 유형의 열교환기는 히트 파이프이다. 전기 모터용 히트 파이프 어레이를 포함한 단일 프레임은 US 6499532 에서 설명된다.
기존의 한 가지 흥미로운 기술은 열사이펀 냉각 기법이다.
이 기술은 예컨대 전기 부품의 냉각에 대해 사용되는데, 이것은 US 2002/0014324 및 EP 2031332 에서 설명된다. EP 2031332 는 매우 콤팩트한 열교환 유닛을 설명하는데, 이것은 다른 영역에서도 사용하기에 흥미롭다.
열사이펀 기반의 냉각이 또한 전기 기계에 대해 이전에 사용되어왔다. US 2005/156470 은 예컨대 열사이펀 유닛을 사용하는 고정자의 냉각을 설명한다.
끝으로 또한 US 7102267 은 전기 기계에 대한 열사이펀 기법의 사용을 설명한다. 하지만, 이 문헌에서 사용되는 열교환 요소는 부피가 크다.
따라서, 이 마지막 문헌에서 설명된 냉각 요소를 개선하는데 관심을 가질 것이다.
따라서, 본 발명은 보다 콤팩트한 열사이펀 기반의 열교환 구조를 사용해 냉각되는 전기 기계의 제공을 대상으로 한다.
본 발명의 한 가지 목적은, 열사이펀 열교환 기술을 이용한 보다 콤팩트한 전기 기계를 제공하는 것이다.
이 목적은:
- 적어도 하나의 벽을 구비하고 고정자, 회전자 및 제 1 유체를 인클로징하는 폐쇄 챔버,
- 상기 챔버로부터 상기 벽을 통하여 그리고 상기 챔버 외부의 유체 운반 통로로 뻗어있는 열교환 유닛으로서,
· 상기 열교환 유닛 내에서 루프에 제공되고 작동 유체를 포함하며, 증발기 채널 및 응축기 채널을 구비한 적어도 하나의 도관,
· 상기 증발기 채널을 통하여 상기 제 1 유체로부터 상기 도관 내 상기 작동 유체로 열을 전달하기 위해 상기 증발기 채널과 접촉하는 상기 챔버 내부의 제 1 열전달 요소, 및
· 상기 도관 내 상기 작동 유체로부터 상기 응축기 채널을 통하여 제 2 유체로 열을 전달하기 위해 상기 응축기 채널과 접촉하는 상기 유체 운반 통로 내 제 2 열전달 요소를 포함하는 상기 열교환 유닛,
- 상기 챔버 내부에 제공되고 상기 챔버 안 상기 제 1 유체를 상기 고정자, 상기 회전자 및 상기 제 1 열전달 요소를 지나 강제 유동시키도록 구성된 제 1 유체 전파 (propagating) 유닛, 및
- 상기 제 2 유체를 상기 열교환 유닛의 상기 제 2 열전달 요소를 지나 강제 유동시키기 위해 상기 유체 운반 통로에 제공된 제 2 유체 전파 유닛을 포함하는 전기 기계를 통하여 본 발명에 따라 달성된다.
본 발명은 다수의 장점을 가진다. 열사이펀 열교환은, 소형이고 콤팩트하여서 전기 기계에 배치하기에 용이할 수 있는 열교환 유닛을 사용해 수행된다. 수행된 냉각 유형은, 공기와 같은 주위 유체일 수도 있는, 오염될 수 있는 제 2 유체를 사용해 챔버 내 깨끗한 제 1 유체의 냉각을 허용한다. 유체 스트림들의 분리는 낮은 압력 강하 및 적은 체적의 사용을 허용한다. 효율성이 크기에 의해 좌우되지 않기 때문에 이것은 또한 열교환기 설계에 확장성 (scalability) 을 제공한다. 열교환 유닛 내부의 2 상 작동 유체는 자연 대류에 의해 열교환 유닛을 통하여 열을 운반한다.
본 발명은 첨부 도면을 참조하여 하기에 설명될 것이다.
도 1 은 전기 기계에서 사용되는 열교환 유닛의 사시도를 개략적으로 보여준다.
도 2 는 이러한 열교환 유닛의 열전달 요소들을 구비한 도관의 사시도를 개략적으로 보여준다.
도 3 은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 전기 기계의 일부를 관통한 단면도를 보여준다.
도 4 는 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 전기 기계의 일부를 관통한 단면도를 보여준다.
도 5 는 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 전기 기계의 일부를 관통한 단면도를 보여준다.
본 발명은 전기 기계용 콤팩트한 열사이펀 열교환 유닛의 용도에 관한 것이다. 이 유닛은 모듈 프레임 내부에 제공된 단일 독립체 (single entity) 또는 모듈이다. 원래 반도체 기기를 위해 의도된 한가지 적합한 이런 열교환 유닛은 EP 2031332 에서 설명되는데, 이 문헌은 본원에 참조된다. 이 유형의 열교환 유닛은 본 발명에 따라 전기 기계에서 사용하도록 되어있다.
도 1 은 사용되는 개략적 열교환 유닛의 사시도를 보여준다. 여기에서 이 유닛은 단일 모듈 또는 독립체로 구성되고 분배 매니폴드들 (16, 18) 로서 사용되는 상부 및 하부 헤더 (header) 튜브 사이에 제공된 다수의 병렬 도관들 (11) 을 포함한다. 따라서, 상부 분배 매니폴드 (16) 와 하부 분배 매니폴드 (18) 가 있고 도관들 (11) 은 모두 이 매니폴드들 사이에서 병렬로 수직으로 배치된다. 여기에서, 도관들 및 헤더 튜브들은 콤팩트한 유닛 프레임을 형성한다. 각각의 도관 (11) 은 2 개의 매니폴드들 사이의 중점으로부터 상부 매니폴드 (16) 까지 뻗어있는 상반부 및 중점으로부터 하부 매니폴드 (18) 까지 뻗어있는 하반부를 가진다. 열교환 유닛 (10) 은 또한 병렬 도관들의 일측에 형성된 증발 섹션 및 병렬 도관들의 반대측에 형성된 응축 섹션을 가진다. 도 1 에서 응축 섹션은 정면측의 상반부에 도시된 것이고, 증발 섹션은 그것이 열교환 유닛의 하반부, 후면측에 위치하고 있으므로 단지 부분적으로만 볼 수 있다. 열교환 유닛 (10) 은 또한 제 1 및 제 2 열전달 요소들을 포함하고, 제 1 열전달 요소들 (14) 은 도 1 에서 하반부 및 후면측에 제공되고, 반면에 제 2 열전달 요소들 (12) 은 도 1 에서 상반부 및 정면측에 제공된다. 또한 제 1 유체 (Fl) 가 유닛의 후면측을 향해 제 1 방향으로 어떻게 유동하는지를 보여준다. 하기에서, 열교환 유닛 (10) 의 후면측은 제 1 측으로 칭할 것이고, 열교환 유닛의 정면측은 제 2 측으로 칭할 것이다. 이런 제 1 유동 (Fl) 은 증발 섹션에서 제 1 열전달 요소들 (14) 을 향하여 유동한다. 도 1 에서 제 2 유체 (F2) 가 응축 섹션에서 제 2 열전달 요소들을 향하여 어떻게 유동하는지 또한 보여준다. 이런 제 1 및 제 2 유동을 위해, 도관들 (11) 은 제 2 유체 (F2) 뿐만 아니라 제 1 유체 (F1) 의 유동에 직각으로 서로 병렬로 배치되는 것을 또한 알 수 있다.
더욱이, 열교환 유닛이 상부 매니폴드 (16) 에 배출 및 충전 밸브 (17; discharging and charging valve) 를 또한 포함하는 것이 언급될 수 있다. 이것은 후에 더 설명될 것이다.
도 2 는 차례로 도관 (11) 일부의 사시도를 보다 상세히 보여준다. 도관은 평평한 다중 포트 압출 알루미늄 튜브의 형태를 취할 수도 있다. 이 도면에서 알 수 있듯이, 도관 (11) 은 적어도 하나의 증발기 채널 (20), 이 실시예에서는 4 개의 증발기 채널들과 적어도 하나의 응축기 채널 (21), 이 실시예에서는 4 개의 응축기 채널들을 포함한다. 이 채널들은 도관에서 벽들을 통하여 제공될 수 있다. 따라서 채널들은 유동 방향을 따라, 즉 도관들에서 길이방향으로 도관들의 내부에 제공된 벽들을 통하여 분리될 수도 있다. 이 채널들은 도관 내부에서 서로 병렬로, 더욱이 도 1 에 대해 설명한 병렬 도관 배치부 (placing) 및 증발 섹션과 응축 섹션에 직각으로 제공된다. 채널들 (20, 21) 은 제 1 유체 (Fl) 및 제 2 유체 (F2) 의 유동을 따라 서로 병렬 배치된다. 따라서 유체는 채널 열을 따라 유동한다. 도 2 에서 볼 수 있는 제 1 열전달 요소 (14) 는 또한 도관 (11) 의 대향한 측들에, 그리고 더욱이 증발기 채널들 (20) 이 증발기 채널들로 열을 전달하기 위해 제공되는 도관 일부의 대향한 측들에 배치된다. 제 1 열전달 요소 (14) 는 당연히 또한 증발기 채널들 (20) 과 접촉한다. 동일한 방식으로 제 2 열전달 요소 (12) 는 도관 (11) 의 대향한 측들에, 그리고 더욱이 응축기 채널들 (21) 이 응축기 채널에서 열을 전달하기 위해 제공되는 도관 (11) 일부의 대향한 측들에 배치된다. 제 2 열전달 요소 (14) 는 당연히 또한 응축기 채널들 (21) 과 접촉한다. 도관들은 수직 위치로 배열되지만, 적어도 45 도의 다른 위치들도 가능하다. 도 2 에서 알 수 있듯이, 제 1 열전달 요소 (14) 는 열교환 유닛의 증발 섹션에서 도관의 하반부에 배치되고, 제 2 열전달 요소 (12) 는 열교환 유닛의 응축 섹션에서 도관의 상반부에 배치된다. 따라서, 제 2 열전달 요소 (12) 는 제 1 열전달 요소 (14) 위에 수직으로 있는 도관 (11) 에 배치된다. 여기에서 더욱이 열전달 요소들은 도관들에 제공된 핀들 (fins) 로 형성된다. 이것은 제 1 유체 및 제 2 유체와 넓은 접촉 면적을 제공하도록 수행된다.
도관 (11) 은 가스상 및 액체상 양자일 수도 있는 작동 유체로 충전된다. 이 작동 유체의 유동은 채널들 (20, 21) 에서 다수의 수직 화살표들을 통하여 도 2 에 나타낸다. 열교환 유닛 (10) 은 루프 열사이펀 원리로 작동한다. 이것은, 이 요소 (14) 옆을 지나가는 고온의 제 1 유체 (Fl) 를 통하여 제 1 열전달 요소 (14) 에 열이 적용되는 경우에, 대응하는 증발기 채널 (20) 내 작동 유체가 가열되고, 액체에서 가스 형태로 바뀌고 이 증발기 채널 (20) 내에서 상부 분배 매니폴드 (16) 로 그리고 거기에서 응축기 채널 (21) 로 상승하고, 응축기 채널에서 유체는 제 2 유체 (F2) 와 제 2 열전달 요소 (12) 의 접촉을 통하여 응축되고 액체로서 하부 분배 매니폴드들 (18) 로 떨어진다는 것을 의미한다.
작동 유체는 임의의 냉매 유체일 수도 있고; 여기에서 일부 예들은 R134a, R245fa, R365mfc, R600a, 이산화탄소, 메탄올 및 암모니아이다. 더욱이, 열교환 유닛은 수직으로 또는 수직선으로부터 작은 각도로 장착될 것이다. 액체 레벨이 중점 바로 위, 즉 제 1 열전달 요소의 위치 위에 있도록 열교환 유닛 내부의 유체의 양은 또한 조절될 수도 있다. 작동 유체는 다른 예시에 따르면 물일 수도 있다.
따라서, 제 1 열전달 요소의 핀들은 증발 섹션을 가지는 도관의 일부로 열을 전도한다. 여기에서 도관은 다중 포트의 평평한 튜브로 예시된다. 증발기 채널들 (20) 은 초기 변화량에 따라 작동 유체로 완전히 또는 부분적으로 충전된다. 증발기 채널들 (20) 내 유체는 열로 인해 증발하고 증기는 부력 효과에 의해 채널에서 상승한다. 액체의 일부 양은 또한 증기 스트림에 수반되고 채널에서 밀려올라갈 것이다.
제 2 열전달 요소의 핀들은, 대류 기류일 수도 있는 제 2 유체 (F2) 에 의해 차례로 냉각된다. 증발기 채널들 (20) 내부에서 증기와 액체의 혼합물이 상단측 헤더 튜브 (16) 에 도달한 후 응축기 채널들 (21) 로 아래로 유동한다. 응축기 채널들 (21) 을 통과하는 동안, 채널들 (21) 이 핀들에 의해 냉각되기 때문에 증기는 다시 액체로 응축된다. 액체 응축물은 바닥 헤더 튜브 (18) 까지 아래로 유동한 후 다시 증발기 채널들 (20) 안으로 유동하여, 루프를 폐쇄한다.
모든 열사이펀 유형의 기기와 마찬가지로, 내부의 모든 공기 및 다른 비응축 가스가 배기 (즉, 배출) 되는 것이 바람직하다. 이런 이유 때문에 배출 및 충전 밸브가 열교환 유닛에 포함될 수도 있다. 헤더 튜브들의 자유 단부들은 이런 밸브들을 위한 적합한 위치이다. 단일 밸브가 충전 및 배출 양자를 위해 또한 이용될 수 있다. 이러한 한 가지 밸브 (17) 가 도 1 에 개략적으로 나타나 있다. 대안적으로, 열교환 유닛은 배기되고, 충전되고 영구 실링될 수 있다. 이 경우에, 밸브는 필요하지 않다.
열전달 요소들은 알루미늄 또는 구리와 같은 높은 열 전도성 재료로 만들어질 수도 있다. 열전달 요소들은 압출, 주조, 기계가공 또는 이러한 통상적 프로세스들의 조합을 사용해 제조될 수 있다.
앞서 언급한 대로, 열교환 유닛은 모터 또는 발전기일 수도 있는 전기 기계를 냉각하기 위해 제공될 것이다. 따라서, 전기 기계는 고정자 및 회전자를 포함한다.
본 발명의 제 1 실시형태에 따른 열교환 유닛을 구비한 이러한 전기 기계의 단면도가 도 3 에 개략적으로 나타나 있다.
여기에서, 전기 기계는, 고정자 (30) 및 회전자 (32) 가 제공되는 폐쇄 챔버 (22) 를 포함한다. 여기에서, 챔버는 더욱이 높은 침투 보호 지수의 인클로저이다. 본 발명의 이런 제 1 실시형태에서 챔버는 또한 격벽 (28) 에 의해 분리되는 제 1 섹션 (22A) 및 제 2 섹션 (22B) 으로 구성된다. 여기에서, 격벽 (28) 은 섹션들을 서로 연통시키기 위해서 제 1 개구 (40) 및 제 2 개구 (42) 를 구비한다. 이 개구들은 서로 수직으로 분리된다. 열교환 유닛 (10) 의 일부, 이 실시형태에서는 하반부가 제 1 개구와 제 2 개구 사이의 제 1 섹션 (22A) 에 제공되고 고정자 (30) 및 회전자 (32) 는 제 2 섹션 (22B) 에 제공된다. 따라서, 제 1 섹션 (22A) 은 또한 냉각 섹션이고 고정자 및 회전자의 작동으로 열을 발생시키는 제 2 섹션은 또한 발열 섹션이다. 여기에서, 회전자 (32) 는 샤프트 (34) 및 블레이드들 (38) 과 결합된다. 이런 식으로 샤프트 및 블레이드는, 회전자에 기계적으로 결합되거나 커플링되는, 여기에서 제 1 팬의 형태인, 제 1 유체 전파 유닛을 형성한다. 여기에서 제 1 팬의 블레이드들 (38) 은 격벽 (28) 의 제 1 개구 (40) 근처에 배치된다.
또한, 챔버의 바깥쪽에 그리고 여기에서 챔버 위에 수직으로 제공되는 유체 운반 통로 (24) 가 있다. 이 통로 (24) 는 벽 (26) 에 의해 챔버로부터 분리되고, 이 벽은 또한 챔버의 일부이다. 열교환 유닛 (10) 은 제 2 섹션 (22B) 을 제 1 섹션 (22A) 으로부터 분리하는 격벽으로부터, 벽 (26) 을 통하여 이 유체 운반 통로 (24) 안으로 수직으로 뻗어있다. 여기에서, 열교환 유닛 (10) 의 상반부는 통로에 제공된다. 폐쇄 챔버를 제공하기 위해서, 열교환 유닛은 보다 특히 벽 (26) 에서 실링된 개구를 통하여 뻗어있다. 끝으로, 여기에서 제 2 팬 (36) 의 형태인 제 2 유체 전파 유닛이 있고, 이 실시형태에서 제 2 팬은 또한 통로의 입구에 배치된 축류팬 (axial fan) 이다. 본 발명의 다른 변형예에서, 팬은 원심팬 (centrifugal fan) 일 수도 있다.
폐쇄 챔버는 제 1 유체 (Fl) 를 포함하고, 제 1 유체는 유리하게도 공기이다. 따라서, 이 제 1 유체는 고정자 (30) 와 회전자 (32) 를 둘러싼다. 유체 운반 통로 (24) 에 제 2 유체 (F2) 가 제공된다. 이 제 2 유체 (F2) 는 유리하게도 제 2 팬 (36) 에 의해 전기 기계 외부로부터 통로 (24) 로 유입되는 주위 공기로 구성된다.
앞의 설명에서 분명히 된 것처럼, 열교환 유닛 (10) 은 전기 기계에 수직으로 장착된다. 이것은, 매니폴드 (18) 인 이 유닛의 바닥이 격벽 (28) 에 부착되는 것을 의미한다. 여기에서, 열교환 유닛은 또한 제 1 측 및 또한 증발 섹션이 제 1 개구 (40) 를 마주보고 제 2 측이 제 2 개구 (42) 를 마주보도록 장착된다. 더욱이, 제 2 측 및 또한 응축 섹션이 제 2 팬 (36) 을 마주보도록 열교환 유닛 (10) 이 또한 장착된다. 이런 식으로 도관들은 제 1 개구 (40) 로부터 격벽 (28) 의 제 2 개구 (42) 까지의 방향으로 서로 병렬로 배치된다. 결과적으로, 도관들의 증발기 채널들 및 응축기 채널들은 제 1 개구로부터 제 2 개구까지의 방향에 직각을 이루는 방향으로 서로 병렬로 제공된다.
전기 기계의 작동에서, 회전자 (32) 는 고정자 (30) 에 의해 움직이도록 만들어지거나 또는 회전자 (32) 의 운동은 전류가 고정자 (30) 에 의해 발생되도록 한다. 두 가지 경우 모두 열은 챔버에서, 보다 특히 챔버의 제 2 섹션 (22B) 에서 발생된다. 이 열은 제 1 유체 (Fl) 로, 즉 챔버 내 공기로 전달된다. 회전자 (32) 의 운동은 또한 제 1 팬을 작동시킨다. 따라서, 이것은 또한 챔버 내 고온 공기 (Fl) 를 강제 순환시킨다. 따라서, 제 1 팬은 격벽 (28) 내 제 1 개구 (40) 를 통하여 챔버의 제 2 섹션 (22B) 으로부터 제 1 섹션 (22A) 으로, 그리고 열교환 유닛 (10) 의 제 1 열전달 요소들 (14) 로 고온 공기 (Fl) 를 끌어들인다. 보다 특히 제 1 팬은 제 1 유체 (Fl) 를 챔버의 제 1 섹션 (22A) 에서 제 1 방향으로 유동하도록 하는데, 여기에서 제 1 방향은 격벽 (28) 에서 제 1 개구 (40) 로부터 제 2 개구 (42) 로의 방향이다. 따라서, 열교환 유닛의 도관들의 증발기 채널들 및 응축기 채널들은 제 1 유체의 유동 방향을 따라 서로 병렬로 제공되는 것을 알 수 있다. 또한, 증발기 채널들을 가지는 열교환 유닛의 제 1 측이 또한 제 1 유체의 유동을 마주보는 것을 알 수 있다. 제 1 유체 (Fl) 가 도관들을 지나갈 때, 열은 그 후 제 1 열전달 요소들 (14) 로부터 취하고 거기에서 증발기 채널들 내 작동 유체로 전달될 것이다. 그 후, 작동 유체는 도관들에서 증발하고, 상승한 후 응축기 채널들로 진입하고, 여기에서 작동 유체의 열은 제 2 열전달 요소들 (12) 을 통하여 주위 공기로 전달된다. 이 프로세스에서 주위 공기는 제 2 팬 (36) 에 의해 유체 운반 통로 (24) 를 통하여 따라서 또한 열교환 유닛 (10) 을 통하여 끌어들인 후 전기 기계 외부로 복귀된다. 따라서, 제 2 팬은 제 2 유체가 유체 운반 통로 (24) 에서 제 2 방향으로 유동하도록 한다. 여기에서, 이 제 2 방향은 제 1 방향과 반대이다. 여기에서 열교환 유닛 (10) 의 제 2 측이 제 2 유체 (F2) 의 유동을 마주보는 것을 또한 알 수 있다. 따라서, 제 2 팬 (36) 은 작동 유체가 응축기 채널들에서 응축되어 떨어지도록 하고 루프를 폐쇄하기 위해 증발 채널로 유동하도록 한다. 이런 식으로 열교환 유닛 (10) 을 통과함으로써 챔버 내 공기 (Fl) 가 냉각되고 그 후 제 2 개구 (42) 를 통하여 제 1 섹션 (22A) 으로부터 제 2 섹션 (22B) 으로 복귀되는데 제 2 개구에서 공기는 고정자 및 회전자에 의해 다시 가열된다. 이런 식으로 제 1 유체는 챔버에서 순환되고 전기 기계는 냉각된다.
도 1, 도 2 및 도 3 에서 알 수 있듯이, 제 1 열전달 요소 (14) 는 증발기 채널 (20) 을 통하여 제 1 유체 (Fl) 로부터 도관 (11) 내 작동 유체로 열을 전달하기 위해 챔버 내부에 제공되고, 제 2 열전달 요소 (12) 는 도관 내 작동 유체로부터 응축기 채널 (21) 을 통하여 제 2 유체 (F2) 로 열을 전달하기 위해 유체 운반 통로 (24) 에 제공된다. 제 1 유체 전파 유닛 (38) 은 챔버 내부에 제공되고 챔버 내 제 1 유체를 고정자 (30), 회전자 (32) 및 제 1 열전달 요소 (14) 를 지나 강제 유동시키도록 구성되고 제 2 유체 전파 유닛 (36) 은 제 2 유체 (F2) 를 열교환 유닛 (10) 의 제 2 열전달 요소 (12) 를 지나 강제 유동시키기 위해 유체 운반 통로 (24) 에 제공되는 것을 또한 이해할 수 있다.
이런 식으로 챔버에서 제 1 유체 유동, 열교환 유닛에서 작동 유체 유동 및 통로를 통한 제 2 유체 유동이 있다. 따라서, 작동 유체는 챔버 내 제 1 유체로부터 챔버 외부의 제 2 유체로 열을 전달하는 것을 돕는다.
앞서 언급한 대로, 열교환 유닛 (10) 은 2 개의 섹션들을 서로 분리하는 챔버의 격벽에 체결되거나 고정된다. 열교환 유닛은 또한 이 격벽 (28) 으로부터, 챔버를 통로 (24) 에서 분리하는 벽 (26) 을 향해 그리고 그 벽을 통하여 끝까지 뻗어있으므로, 추가적 효율성이 얻어진다. 이런 식으로 챔버의 고온 공기가 열교환 유닛을 지나가야 하므로 보다 효율적으로 냉각이 일어난다. 여기에서, 챔버의 제 2 섹션은 제 2 섹션을 구비한 전기 기계의 원래의 인클로저로 만들어질 수도 있고, 열교환 유닛, 유체 운반 통로 및 제 2 유체 전파 유닛이 이 인클로저의 프레임에 장착된 부가 모듈 (add-on module) 로서 제공되는 것을 또한 언급할 수 있다.
본 발명은 다수의 추가 장점을 제공한다. 본 발명은 오염될 수 있는 주위 공기를 사용해 챔버 내 깨끗한 공기의 냉각을 허용한다. 열사이펀 기술의 사용은 최적화된 자동차 산업 기술의 사용을 가능하게 하는데, 이것은 결국 비용을 낮추고 효율성을 높인다. 유체 스트림들의 분리는 낮은 압력 강하 및 낮은 체적을 야기한다. 이것은 효율성이 크기에 의해 좌우되지 않기 때문에 열교환기 설계에 확장성 (scalability) 을 또한 제공한다. 열교환 유닛 내부의 2 상 작동 유체는 자연 대류에 의해 증발 섹션으로부터 응축 섹션으로 열을 운반한다.
사용된 열교환 유닛 때문에 압력 손실이 적기 때문에, 제 2 팬은 축류팬일 수 있다. 이 때문에 더 낮은 소음 레벨이 또한 얻어진다.
제 1 팬은 회전자의 운동을 이용할 수 있으므로, 추가 에너지 절약이 가능하게 된다.
열교환 유닛이 콤팩트 모듈로서 제공되기 때문에 전기 기계가 또한 콤팩트하게 만들어질 수 있다. 이 때문에 또한 전술한 벽에 단 하나의 개구만 필요한데, 이것은 실링을 단순화시킨다.
본 발명의 제 2 실시형태에서, 열교환 유닛의 이런 모듈식 구현화가 또한 이용된다.
이것은 도 4 에서 예시되는데, 도 4 는 도 3 의 기계와 유사한 전기 기계를 관통한 단면도를 보여준다. 여기에서 단지 차이점은 열교환 유닛이다. 이 경우에 열교환 유닛은 다수의 열교환 모듈들 (10A, 10B, 1OC) 로 구성되고, 각각의 모듈은 도 1 및 도 2 에 대해 설명한 열교환 유닛과 동일한 방식으로 제공된다. 여기에서, 이 모듈들 (10A, 10B, 1OC) 은 챔버의 제 1 섹션 (22A) 에서 서로 순차적으로, 즉 격벽 (28) 의 제 1 개구 (40) 로부터 제 2 개구 (42) 를 향한 방향으로 적재된다. 이것은 모듈들이 챔버의 제 1 섹션 (22A) 에서 제 1 유체 (Fl) 의 유동 방향으로 순차적으로 배치되는 것을 또한 의미한다. 더욱이, 각각의 모듈은 제 1 실시형태의 열교환 유닛과 동일한 배향을 가진다. 또한 여기에서 전체 열교환 유닛을 위해 더욱이 벽 (26) 에 단일 개구가 있다. 또한 이것은 모듈들 (10A, 10B, 1OC) 의 제 1 열전달 요소들 (14) 이 제 1 유체 (Fl) 의 유동 방향으로 서로 정렬되고, 모듈들 (10A, 10B, 1OC) 의 제 2 열전달 요소들 (12) 은 제 2 유체 (F2) 의 방향으로 서로 정렬되는 것을 의미한다.
모듈들을 서로의 위에 적재할 때 모듈들은 다수의 방식으로 서로 체결될 수도 있다. 따라서, 하나의 모듈은 이웃한 모듈 상의 제 2 유형의 체결 요소와 상호작용하거나 메이팅하도록 배열된 제 1 유형의 체결 요소를 구비할 수도 있다. 여기에서 체결 요소들은 예컨대 나사와 볼트, 또는 리세스와 상호작용하는 스프링과 같은 해결법의 스냅일 수도 있다.
본 발명의 이런 제 2 실시형태는, 개별 열교환 모듈들이 다양한 열 부하 요건들을 충족시키도록 적재될 수 있다는 점에서 추가 장점을 가진다. 이것은, 한 가지 열교환 모듈 설계가 여러 가지 다른 크기 및 유형의 전기 기계를 위해 사용될 수 있다는 것을 의미한다. 이것은 경제성을 높이고 냉각 제공을 단순화시키는데, 왜냐하면 단지 요구되는 모듈들의 개수 선택을 통하여 원하는 냉각 효과를 얻을 수 있기 때문이다.
다른 가능한 변형예는 수행되는 냉각 유형에 관한 것이다. 제 1 및 제 2 실시형태에서는 비대칭적 냉각이다. 하지만, 그것은 대안으로서 대칭적 냉각으로도 가능하다.
도 5 는, 대칭적 냉각이 사용되는 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 전기 기계 일부를 관통한 단면도를 보여준다.
이 제 3 실시형태에 따른 대칭적 냉각의 경우, 제 1 열교환 유닛 (10) 이외에 제 2 열교환 유닛 (44) 이 또한 있다. 더욱이, 제 1 개구 (미도시) 및 제 2 개구 (42) 뿐만 아니라, 여기에서는 격벽에 제 3 개구 (48) 가 있다. 이 실시형태에서 제 1 개구는 격벽에서 중심에 제공되고 제 1 팬 (미도시) 은 이 제 1 개구를 통하여 챔버의 제 1 섹션 (22A) 으로 제 1 유체 (Fl) 를 강제이동시키기 위해 배치된다. 여기에서, 고정자 및 회전자는 이 개구 둘레에 배치될 수도 있다. 그 후, 제 2 개구 (42) 및 제 3 개구 (48) 는 챔버에서 주연에, 그리고 여기에서는 제 1 개구의 대향한 측들에 배치된다. 그 후, 제 1 열교환 유닛 (10) 은 챔버의 제 1 섹션 (22A) 에서 제 1 개구와 제 2 개구 (42) 사이의 격벽에 배치되어 고정되고, 제 2 열교환 유닛 (44) 은 챔버의 제 1 섹션 (22A) 에서 제 1 개구와 제 3 개구 (48) 사이의 격벽에 배치되어 고정된다. 이런 식으로 유리하게도 반대일 수도 있는 2 개의 유동이 챔버에 제공될 수 있다. 이 경우에 두 열교환 유닛들을 위해 동일한 유체 운반 통로를 사용할 수 있다. 하지만, 이런 제 3 실시형태에서 각각의 열교환 유닛 (10, 44) 은 자체 유체 운반 통로 (24, 46) 및 또한 별개의 팬들 (36, 50) 을 구비한다. 이 실시형태에서 팬들은 더욱이 유체 운반 통로들의 출구에 배치된 원심팬이다. 여기에서, 축류팬이 물론 또한 사용될 수 있다. 여기에서, 열교환 유닛들은 하나 또는 여러 개의 모듈들로 구성될 수 있다.
더욱이, 챔버에 추가의 개구들 및 열교환 유닛들을 부가할 수 있다.
본 발명은 다수의 추가적인 방식으로 변화될 수 있다. 예컨대, 제 1 유체 전파 유닛은 회전자 또는 샤프트에 연결되지 않은 별개의 유닛일 수도 있음을 인식해야 한다. 또한 분배 매니폴드를 생략할 수 있다. 증발기 채널들과 응축기 채널들은 쌍으로 제공될 수도 있고, 이러한 각 쌍은 작동 유체 루프를 형성한다. 또한 이러한 단 한 쌍으로도 가능한데, 이것은 그 후 동일한 도관에 제공될 수도 있다. 열교환 유닛을 통한 제 1 유체 및 제 2 유체의 유동 방향은 반대 방향으로 제공되는 것으로 위에서 설명되었다. 대안으로서 제 1 유체와 제 2 유체는 열교환 유닛을 통하여 동일한 방향으로 병렬로, 뿐만 아니라 서로에 대해 다른 각도로 제공될 수도 있음을 인식해야 한다.
앞서 논의된 바로부터 본 발명은 다수의 방식으로 변화될 수 있음이 분명하다. 결과적으로 본 발명은 단지 다음 청구항에 의해서만 제한되는 것으로 인식될 것이다.

Claims (21)

  1. 전기 기계로서,
    - 적어도 하나의 벽 (26) 을 구비하고 고정자 (30), 회전자 (32) 및 제 1 유체 (Fl) 를 인클로징하는 폐쇄 챔버,
    - 상기 챔버로부터 상기 벽을 통하여 그리고 상기 챔버 외부의 유체 운반 통로 (24) 로 뻗어있는 열교환 유닛 (10; 10A, 10B, 1OC) 으로서,
    · 상기 열교환 유닛 내에서 루프에 제공되고 작동 유체를 포함하며, 증발기 채널 (20) 및 응축기 채널 (21) 을 구비한 적어도 하나의 도관 (11),
    · 상기 증발기 채널을 통하여 상기 제 1 유체로부터 상기 도관 내 상기 작동 유체로 열을 전달하기 위해 상기 증발기 채널과 접촉하는 상기 챔버 내부의 제 1 열전달 요소 (14), 및
    · 상기 도관 내 상기 작동 유체로부터 상기 응축기 채널을 통하여 제 2 유체 (F2) 로 열을 전달하기 위해 상기 응축기 채널과 접촉하는 상기 유체 운반 통로 내 제 2 열전달 요소 (12) 를 포함하는, 상기 열교환 유닛,
    - 상기 챔버 내부에 제공되고 상기 챔버 내 상기 제 1 유체를 상기 고정자, 상기 회전자 및 상기 제 1 열전달 요소를 지나 강제 유동시키도록 구성된 제 1 유체 전파 (propagating) 유닛 (38), 및
    - 상기 제 2 유체를 상기 열교환 유닛의 상기 제 2 열전달 요소를 지나 강제 유동시키기 위해 상기 유체 운반 통로에 제공된 제 2 유체 전파 유닛 (36) 을 포함하는 전기 기계.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 유체 전파 유닛은 상기 회전자에 기계적으로 커플링되는 전기 기계.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 열전달 요소는 상기 제 1 열전달 요소 위에 수직으로 있는 상기 도관에 배치되는 전기 기계.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 증발기 채널과 상기 응축기 채널은 상기 도관 내부에 적어도 하나의 길이방향 벽에 의해 분리되는 전기 기계.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도관의 상기 증발기 채널과 상기 응축기 채널은 상기 제 1 유체의 유동 방향을 따라 서로 병렬로 제공되는 전기 기계.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 증발기 채널은 상기 열교환 유닛의 증발 섹션에 제공되고, 상기 증발 섹션은 상기 제 1 유체의 유동과 마주보는 상기 열교환 유닛의 제 1 측에 제공되는 전기 기계.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 응축기 채널은 상기 열교환 유닛의 증발 섹션에 제공되고, 상기 응축기 섹션은 상기 제 2 유체의 유동과 마주보는 상기 열교환 유닛의 제 2 측에 제공되는 전기 기계.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 측은 상기 열교환 유닛에서 상기 제 1 측에 대향하는 전기 기계.
  9. 제 5 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열교환 유닛은 상기 제 1 유체의 유동 방향에 직각으로 서로 병렬 배치된 다수의 도관들을 포함하는 전기 기계.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열교환 유닛은 모듈식이고, 각각의 모듈은 루프에 제공된 작동 유체를 갖는 적어도 하나의 도관, 제 1 열전달 요소, 및 제 2 열전달 요소를 포함하는 전기 기계.
  11. 제 10 항에 있어서,
    하나를 초과하는 모듈 (10A, 10B, 1OC) 을 포함하고, 상기 모듈들은 상기 제 1 유체의 유동 방향으로 순차적으로 배치되는 전기 기계.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 모듈들의 제 1 열전달 요소들은 상기 제 1 유체의 유동 방향으로 서로 정렬되고, 상기 모듈들의 제 2 열전달 요소들은 상기 제 2 유체의 유동 방향으로 서로 정렬되는 전기 기계.
  13. 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    2 개의 이웃한 모듈들 중 하나는 제 1 유형의 체결 요소를 갖추고 다른 하나는 제 2 유형의 체결 요소를 갖추고, 상기 제 1 유형의 체결 요소는 상기 제 2 유형의 체결 요소와 상호작용하도록 배치되는 전기 기계.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 유체 전파 유닛은, 상기 전기 기계 외부에서부터 상기 유체 운반 통로로 상기 제 2 유체를 끌어들이고 상기 제 2 열전달 요소들을 통과한 후 상기 기계 외부로 상기 제 2 유체를 복귀시키도록 구성되는 전기 기계.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 유체 전파 유닛은 축류팬 (axial fan) 인 전기 기계.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 유체는 상기 폐쇄 챔버에서 순환되는 전기 기계.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 유체 및 상기 제 2 유체는 둘다 공기인 전기 기계.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 챔버는 제 1 섹션 (22A) 및 제 2 섹션 (22B) 을 포함하고, 상기 고정자 및 상기 회전자는 상기 제 2 섹션 (22B) 에 배치되고 상기 열교환 유닛의 상기 제 1 열전달 요소는 상기 제 1 섹션 (22A) 에 배치되는 전기 기계.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 2 개의 섹션들은 제 1 개구 (40) 및 제 2 개구 (42) 를 가지는 격벽 (28) 에 의해 분리되고, 상기 열교환 유닛은 상기 개구들 사이의 상기 격벽에 고정되는 전기 기계.
  20. 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열교환 유닛과 동일한 구성을 가지고 상기 챔버로부터 상기 벽을 통하여 상기 챔버 외부의 유체 운반 통로로 뻗어있는 추가 열교환 유닛 (44) 을 포함하고, 상기 제 1 유체 전파 유닛은 상기 챔버 내 상기 제 1 유체를 또한 상기 추가 열교환 유닛의 열전달 요소를 지나 강제 유동시키도록 구성되고, 유체 전파 유닛은 상기 제 2 유체를 상기 추가 열교환 유닛의 제 2 열전달 요소를 지나 강제 유동시키기 위해 상기 유체 운반 통로에 제공되는 전기 기계.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 추가 열교환 유닛과 연관된 유체 운반 통로 및 유체 전파 유닛은 추가 유체 운반 통로 (46) 및 제 3 유체 전파 유닛 (50) 인 전기 기계.
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