JP2001292554A - 冷凍機用電動機の冷却機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】回転するロータと静止するステータ間を流れる
液冷媒を適正な流量を、従来の約１／５と微量に抑えよ
うとすると、ゴミの目詰まり，大幅な圧力変動で冷却液
の流れが止まり、電動機が過熱する危険性がある。 【解決手段】液冷媒の流量を少なくしたいエアギャップ
に流す冷却経路の上流側に仕切り弁、及びオリフィスな
どの絞り部分からなる流路、及び口径を絞った弁座，浮
き子式の抵抗体，抵抗体が下流に流れるのを阻止するス
トッパーを収納した空間からなる流路で構成した分流器
を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ターボ冷凍機の圧
縮機を駆動する電動機の効率を高めるための電動機冷却
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】図６において、一般にターボ冷凍機は、
電動機１，圧縮機２，凝縮器３，膨張弁４及び蒸発器５
により、冷凍サイクルを構成している。冷凍サイクル
は、蒸発器５を流れる冷水５ａから熱を奪い気化した冷
媒ガスを、圧縮機２で圧縮して、高圧，高温のガスとな
した後に、凝縮器３に導かれ、冷却水３ａによって冷や
され、液冷媒となり、膨張弁４で断熱膨張して、蒸発器
５に戻るサイクルである。本発明が係る密閉型と呼ばれ
るターボ冷凍機用の電動機は、動力を出力するシャフト
１２と一体のロータ７，ステータ６をハウジング１１に
内蔵したものである。ロータは、二次電流が発生するロ
ータ胴，ロータ胴の両端に取り付けたロータエンドから
なる。また、ステータは、磁場を形成するため層状の鉄
心にコイルを巻いたステータ胴，ステータ胴の両端でコ
イルを反転させるため無数に束ねたステータコイルエン
ドからなる。

【０００３】通電時にロータ胴，ステータ胴、及びステ
ータコイルエンドで発生するジュール熱を、冷凍サイク
ルとして循環する冷媒の一部を利用して冷却している。
従来の電動機は、例えば特開平5−328669 号公報のよう
に、凝縮器の液冷媒を、二つの経路に分けて電動機内を
流すことによって冷却している。

【０００４】一つの経路は、ステータ胴を貫通するステ
ータダクトからロータとステータの隙間であるエアギャ
ップに導き、左右に分かれて液冷媒が流れる経路で、主
として、ステータ胴内面、及びロータを冷却する。もう
一つの経路は、ステータ胴の外周から、ステータコイル
エンドに達した後、ステータエンドコイル内の隙間を通
過して液冷媒が流れる経路で、ステータ胴外面及びステ
ータコイルエンドを冷却する。

【０００５】二つの経路に流れる液冷媒の流量は、凝縮
器と電動機の間の配管に設けたオリフィスなどの絞り部
分で調節している。上記の経路において、液冷媒が気化
して電動機は冷却されるので、エアギャップ出口，コイ
ルエンド部では徐々に気相部を増してくる。電動機のロ
ータ，ステータを冷却した冷媒は、電動機から出て、蒸
発器へ導かれるのが一般である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前記従来技術は、冷却
冷媒の流量が不足して、冷却が不能になり、電動機が過
熱するのを防止するため、冷却に必要な流量より多量の
液冷媒を流していた。主として、回転するロータと静止
するステータ間を流れる液冷媒の摩擦損失が大きく、電
動機の効率を低下させていることが、実験で判明した。

【０００７】しかし、本来の冷却に必要とする適正な流
量は、従来の約１／５と微量になるため、ゴミの目詰ま
り、大幅な圧力変動で冷却液の流れが止まり、電動機が
過熱する危険性がある。

【０００８】本発明の課題は、従来の約１／５と微量の
液冷媒で電動機を冷却する場合、ゴミの目詰まり、大幅
な圧力変動などの異常な運転時においても、液冷媒の流
れが停止して、電動機が過熱することがない冷却機構を
見出し、効率の高い電動機を実現することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】液冷媒の流量を少なくし
たいエアギャップに流す冷却経路の流量を調節する一つ
目の手段として、上記の冷却経路の上流側に仕切り弁、
及びオリフィスなどの絞り部分からなる流路、及び口径
を絞った弁座，浮き子式の抵抗体，抵抗体が下流に流れ
るのを阻止するストッパーを収納した空間からなる流路
で構成した分流器を設けた。

【００１０】分流器の絞り浮き子式の抵抗体は、上流側
の弁座，下流側のストッパーで囲まれる空間に置かれ、
ゴミの目詰まり，大幅な圧力変動などの異常な運転時に
おいて、浮き子が浮上して流れが生じる。また、二つ目
の手段として、上記の分流器の壁面に位置検出器を取り
付け、浮き子が所定の高さ以上に浮上すると、警報を発
すると同時に、上流側に設けたバイパス配管に取り付け
た電磁弁を開き、多量の液冷媒が瞬時に流れるようにし
た。さらに、三つ目の手段として、圧力変動のみが問題
になる場合、上記の分流器内のオリフィスなどの絞り部
分からなる流路を省略して、部品の簡素化を図った。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図により
説明する。

【００１２】図１は本発明の実施例を示す一部詳細断面
図である。まず電動機の構成について述べる。一般的で
あるが、電動機１は、シャフト１２と一体のロータ７と
ステータ６をハウジング１１に内蔵したものである。ロ
ータ７は、シャフト１２を介して圧縮機２と連結されて
いる。ステータ６は、ステータ胴部６ｂ，ステータ胴部
６ｂの両端でコイルを反転させるため、各コイルを束ね
たステータコイルエンド６ｃからなる。ステータ胴部
は、薄い円板（積層板）が何枚も重ね合わされた構造で
軸方向にステータコイルが走っている。何枚も重ね合っ
た積層板の間にステータダクト６ａと称する隙間が１
個、あるいは複数個、軸方向に設けられている。図１の
例では、ステータ胴６ｂの中央に一つの通路で構成した
ステータダクト６ａを示した。

【００１３】ロータ７は、二次電流が発生するロータ胴
７ａ、その両端に取り付けたロータエンド７ｂからな
る。回転するロータ７と静止しているステータ６のエア
ギャップ８と呼ぶ隙間は、数ミリメートルの狭い隙間で
ある。

【００１４】電動機の冷却機構について述べる。凝縮器
の液冷媒を、二つの経路に分けて電動機内を流すことに
よって冷却する。一つの経路は、凝縮器３から、仕切り
弁１４を経て、分流器１３（詳細は後で述べる）に入
り、ステータダクト６ａを経て、左右のエアギャップ８
に分岐して流れ、ロータエンド７ｂに達して、回転する
ロータエンド７ｂによって吹き飛ばされ、ステータコイ
ルエンド６ｃ内面に到達した後、重力で落下して、ハウ
ジング底面１１ａに溜まる。もう一つの経路は、凝縮器
３から、オリフィス１０を経て、ハウジング１１とステ
ータ胴６ｂが形成する隙間を通り、ステータコイルエン
ド６ｃの上部に達して、重力により、ステータコイルエ
ンド６ｃの隙間を落下して、ハウジング底面１１ａに溜
まる。

【００１５】以上の経路において、液冷媒が気化する際
の気化熱で電動機の各部を冷却するので、下流側の経路
ほど液冷媒が減少して、冷媒ガスの体積が増える。ハウ
ジング底面１１ａに溜まった液冷媒、及び電動機の放熱
で気化した冷媒ガスは、管路９で蒸発器５へ流れる。

【００１６】冷媒流量と電動機の動力の関係を述べる。
冷却冷媒が冷却経路を通過する際、壁面と主流間の摩擦
による動力損失が生じるのは避けられない。摩擦による
動力損失は、壁面と主流間の速度差、冷媒の密度の影響
を受け、電動機の局所によって異なる。そこで、損失動
力を低減する目的で、エアギャップ側に供給する液冷媒
の流量と電動機の入力の関係を調べた結果を図３に示
す。測定流量の下限値は、液冷媒が過少で、別途測定し
ている電動機の各部の温度が上昇を始める直前とした。
エアギャップ側に供給する液冷媒の流量は、従来の約１
／５〜１／６の液冷媒で電動機の冷却が可能であり、動
力損失も低減出来ることが分かった。

【００１７】しかし、冷却経路に流れる液冷媒の流量
を、従来のオリフィスで調節しようとすると、オリフィ
ス口径が小さく、ゴミの目詰まり，大幅な圧力変動等の
異常な運転条件では、流れが停止して、電動機が過熱す
る危険性があり、異常な運転時に対するバックアップが
必要であることがわかった。

【００１８】図１は、従来のオリフィスに代え、分流器
を設け、異常な運転時に、冷却経路の流れを確保してい
るのが特徴である。分流器１３内は、仕切り板１３ａで
二つの流路に分割されている。一つの流路は、弁座１
５，浮き子式の抵抗体１７，ストッパー１６で構成す
る。もう一つの流路は、オリフィス等の絞り部分１３ｂ
からなる。なお、浮き子式の抵抗体１７は、ゴミの目詰
まり、圧力変動が無い正常な運転時に、弁座１５と接す
る中立の位置にあり、抵抗体１７のある流路に流れが生
じないように、絞り部分１３ｂ，仕切り弁１４の開口面
積を調節しているものとする。

【００１９】ゴミの目詰まり、圧力変動がある異常な運
転時の分流器の動作を述べる。絞り部分の出入り口圧力
差と流量は、式（１）の関係がある。

【００２０】

【数１】 Ｖ＝ＣＡ（２／ρΔΡ)^0.5 式（１） Ｖ：流量（ｍ³／ｓ） Ｃ：流量係数 （−） Ａ：開口面積（ｍ²） ρ：密度 （kg／
ｍ³） ΔΡ：圧力差（Ｐａ） ゴミの目詰まりで開口面積Ａが閉塞した場合、電動機１
のハウジング内は、蒸発圧力に近づき、圧力差ΔΡは、
拡大する。したがって、浮き子式の抵抗体１７は、弁座
１５から離れ浮上する。この時、浮き子式の抵抗体の弁
座１５から高さＨと流量係数Ｃは、図３に示す関係があ
る。浮き子式の抵抗体は、ある程度の浮上範囲で、高さ
Ｈと共に流量係数Ｃは増加する。即ち、多少の圧力変動
に対しては、一定の流量で流れようとする自己制御性が
ある。しかし、圧力変動幅が大きく高さＨが一定の値を
超えると、流量係数Ｃが低下するので、浮き子が下流に
流されてしまう。ストッパー１６は、浮き子が流される
のを阻止している。

【００２１】図２は、他の実施例を示す断面図である。
ゴミの目詰まり、及び大幅な圧力変動がある異常運転時
に冷却冷媒量が不足して、電動機が過熱するのを阻止す
る手段を示す。エアギャップを流れる液冷媒の経路にお
いて、仕切り弁１４を入れた下流側の配管を、主配管２
２ａ及びバイパス配管２２ｂに分岐しており、主配管２
２ａに口径を絞った弁座１５，浮き子式の抵抗体１７，
抵抗体の位置検出器１９，抵抗体が下流に流れるのを阻
止するストッパー１６，弁座１５から所定の高さＨに位
置検出器１９を取り付けた流路、並びに絞り部分を持つ
流路の二つの流路を内蔵する分流器１３，バイパス配管
２２ｂに電磁弁２１を取りつけ、抵抗体１７が所定の高
さＨになると警報を発すると同時に伝送器２０を介し
て、バイパス配管２２ｂの電磁弁２１を開き、瞬時に大
量の液冷媒がエアギャップ８の冷却経路に供給される。

【００２２】図３は、他の実施例を示す断面図である。
この実施例は、圧力変動のみが問題になる異常運転時に
冷却冷媒量が不足して、電動機が過熱するのを阻止する
手段を示す。図２の実施例と異なる点は、分流器１３の
絞り部分１３ｂを持つ流路が省略され、部品が簡素化さ
れていることである。浮き子は、ゴミによって流量特性
が変化しやすいので、上述の実施例のように、異状時の
み流れが生じ、通常は流れが生じない使い方が望まし
い。

【００２３】しかし、一定の流量で流れようとする自己
制御性があり、上流側にフィルターを設けるなどで、ゴ
ミの心配が無い場合は、浮き子式抵抗体の大きさを調節
すれば、微少な流量で流す正常な運転が可能である。ま
た、大幅な圧力変動がある場合は、浮き子が浮上して、
位置検出器からの信号でバイパス配管２２の電磁弁２１
が開き、瞬時に大量の液冷媒がエアギャップの冷却経路
に供給される。したがって、ゴミの心配が無い場合は、
分流する必要は無く、流量調節する機構を簡素化でき
る。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、ステータダクト６ａの
上流側に仕切り弁、及びオリフィスなどの絞り部分から
なる流路と浮き子式の抵抗体からなる流路で構成した分
流器を設けたことにより、ゴミの目詰まり、圧力変動な
どの異常な運転時において、浮き子が浮上して流れが生
じる。また、上記の分流器の壁面に位置検出器を取り付
け、浮き子が所定の高さ以上に浮上すると、警報を発す
ると同時に、上流側に設けたバイパス配管に取り付けた
電磁弁を開き、瞬時に多量の液冷媒が流れるようにし
た。

【００２５】これより、流量調節する絞り部分１３ｂの
口径を従来の約１／５に絞った場合でも、ゴミの目詰ま
り，大幅な圧力変動などによる異常な運転時に、液冷媒
の流れが停止して、電動機が過熱することを心配する必
要が無くなり、正常な運転時に微量の液冷媒で電動機を
冷却することが可能になり、液冷媒が冷却経路を流れる
際の摩擦損失を低減できるので、効率の高い電動機を実
現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の代表的な実施例である電動機の冷却機
構を示す正面部分の断面図。

【図２】本発明の他の実施例である冷却機構を示す正面
部分の断面図。

【図３】本発明の他の実施例である冷却機構を示す正面
部分の断面図。

【図４】冷却冷媒の流量と電動機の入力の関係を求めた
実験結果を示す特性図。

【図５】浮き子式抵抗体のリフトと流量係数の関係を摸
式に示す特性図。

【図６】従来の実施例を示す系統図。

【符号の説明】

１…電動機、２…圧縮機、３…凝縮器、３ａ…冷却水、
４…膨張弁、５…蒸発器、５ａ…冷水、６…ステータ、
５ａ…ステータダクト、５ｂ…ステータ胴、５ｃ…ステ
ータコイルエンド、７…ロータ、８…エアギャップ、９
…管路、１０…オリフィス、１１…ハウジング、１１ａ
…ハウジング底面、１２…シャフト、１３…分流器、１
３ａ…仕切り板、１３ｂ…絞り部分、１４…仕切り弁、
１５…弁座、１６…ストッパー、１７…浮き子式の抵抗
体、１８…覗き窓、１９…位置検出器、２０…伝送器、
２１…電磁弁、２２ａ…主配管、２２ｂ…バイパス配
管。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 桑原 平吉 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 三木 哲夫 東京都墨田区江東橋二丁目３番10号 エイ チビーサービス株式会社内 Ｆターム(参考） 5H609 BB02 BB12 BB19 PP02 PP06 PP08 PP09 QQ05 QQ09 QQ13 QQ14 QQ17 QQ18 QQ20 RR06 RR28 RR36 RR37 RR40 RR42 RR43 RR48 RR69 RR70 RR73 SS23

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】冷凍サイクルの圧縮機を駆動する電動機に
   おいて、構成部品であるステータ胴を貫通して冷媒を流
   し、ロータを冷却する冷却経路を持ち、上記の冷却経路
   の上流側に仕切り弁、及びオリフィスなどの絞り部分か
   らなる流路，口径を絞った弁座，浮き子式の抵抗体，抵
   抗体が下流に流れるのを阻止するストッパーを収納した
   空間からなる流路で構成した分流器を設けたことを特徴
   とする冷凍機用電動機の冷却機構。