JP2010043780A - 空気サイクル冷凍ユニット - Google Patents
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Abstract
【課題】 冷凍能力の向上が可能な空気サイクル冷凍ユニットを提供する。
【解決手段】 モータ一体型磁気軸受装置で支持されたコンプレッサ・タービンユニット5と、このコンプレッサ・タービンユニット5のコンプレッサ6および膨張タービン7を通る冷媒経路1に介在した複数または一つの熱交換器2,3を備え、空気を冷媒として被冷却空間Rの空調または冷凍を行う。冷媒経路1の途中に介在し、コンプレッサ・タービンユニット5のハウジング内のモータ28の配置部を貫通するモータ冷却流路を設ける。このモータ冷却流路に冷却用フィン46を設け、このフィン46を冷却するフィン冷却手段を設ける。
【選択図】 図1
【解決手段】 モータ一体型磁気軸受装置で支持されたコンプレッサ・タービンユニット5と、このコンプレッサ・タービンユニット5のコンプレッサ6および膨張タービン7を通る冷媒経路1に介在した複数または一つの熱交換器2,3を備え、空気を冷媒として被冷却空間Rの空調または冷凍を行う。冷媒経路1の途中に介在し、コンプレッサ・タービンユニット5のハウジング内のモータ28の配置部を貫通するモータ冷却流路を設ける。このモータ冷却流路に冷却用フィン46を設け、このフィン46を冷却するフィン冷却手段を設ける。
【選択図】 図1
Description
この発明は、冷媒として空気が用いられ、冷凍倉庫や零度以下の低温室や空調等に利用される空気サイクル冷凍ユニットに関する。
空気サイクル冷凍ユニットは、冷媒として空気を用いるため、フロンやアンモニアガス等を用いる場合に比べてエネルギー効率が不足するが、環境保護の面では好ましい。また、冷凍倉庫等のように、冷媒空気を直接に吹き込むことができる施設では、庫内ファンやデフロストの省略等によってトータルコストを引下げられる可能性があり、このような用途で空気サイクル冷凍ユニットが提案されている(例えば特許文献1)。
また、−30℃〜−60℃のディープ・コール領域では、空気冷却の理論効率は、フロンやアンモニアガスと同等以上になることが知られている。ただし、上記空気冷却の理論効率を得ることは、最適に設計された周辺装置があって、初めて成り立つとも述べられている。周辺装置は、コンプレッサや膨張タービン等である。
特許第2623202号公報
特開平7−91760号公報
特開平8−261237号公報
特開2007−162727号公報
特開2008−72809号公報
上記のように、空気サイクル冷凍ユニットとして、ディープ・コール領域で高効率となる空気冷却の理論効率を得るためには、最適に設計されたコンプレッサや膨張タービンが必要となる。
コンプレッサ,膨張タービンとしては、上記のようにコンプレッサ翼車および膨張タービン翼車を共通の主軸に取付けたコンプレッサ・タービンユニットが用いられている。このコンプレッサ・タービンユニットは、膨張タービンに生じる動力によりコンプレッサ翼車を駆動できることで空気サイクル冷凍機の効率を向上させている。このようなコンプレッサ・タービンユニットの従来例として特許文献2や特許文献3に開示のものがある。
コンプレッサ,膨張タービンとしては、上記のようにコンプレッサ翼車および膨張タービン翼車を共通の主軸に取付けたコンプレッサ・タービンユニットが用いられている。このコンプレッサ・タービンユニットは、膨張タービンに生じる動力によりコンプレッサ翼車を駆動できることで空気サイクル冷凍機の効率を向上させている。このようなコンプレッサ・タービンユニットの従来例として特許文献2や特許文献3に開示のものがある。
しかし、実用的な効率を得るためには、各翼車とハウジングとの隙間を微小に保つ必要がある。この隙間の変動は、安定した高速回転の妨げとなり効率の低下を招く。
また、コンプレッサ翼車やタービン翼車に作用する空気により、主軸にスラスト力が作用し、主軸を支持する軸受にスラスト荷重が負荷される。空気サイクル冷凍ユニットにおける上記コンプレッサ・タービンユニットの主軸の回転速度は、1分間に8万〜10万回転であり、一般的な用途の軸受に比べて非常に高速となる。そのため、上記のようなスラスト荷重は、主軸を支持する軸受の長期耐久性の低下、寿命低下を招き、コンプレッサ・タービンユニットの信頼性を低下させる。このような軸受の長期耐久性の課題を解消しなくては、コンプレッサ・タービンユニットの実用化が難しい。しかし、上記特許文献1に開示の技術は、この高速回転下におけるスラスト荷重の負荷に対する軸受の長期耐久性の低下については解決される至っていない。
また、コンプレッサ翼車やタービン翼車に作用する空気により、主軸にスラスト力が作用し、主軸を支持する軸受にスラスト荷重が負荷される。空気サイクル冷凍ユニットにおける上記コンプレッサ・タービンユニットの主軸の回転速度は、1分間に8万〜10万回転であり、一般的な用途の軸受に比べて非常に高速となる。そのため、上記のようなスラスト荷重は、主軸を支持する軸受の長期耐久性の低下、寿命低下を招き、コンプレッサ・タービンユニットの信頼性を低下させる。このような軸受の長期耐久性の課題を解消しなくては、コンプレッサ・タービンユニットの実用化が難しい。しかし、上記特許文献1に開示の技術は、この高速回転下におけるスラスト荷重の負荷に対する軸受の長期耐久性の低下については解決される至っていない。
そこで、主軸の支持に転がり軸受と磁気軸受を併用し、転がり軸受がラジアル負荷を支持し、磁気軸受がアキシアル負荷と軸受予圧のどちらか一方もしくは両方を支持するものとし、かつ磁気軸受のスラスト板をモータロータとして用いるモータ一体型の磁気軸受装置を提案した(例えば、特許文献4)。
これによると、主軸にかかるスラスト力を磁気軸受で支持するため、非接触でトルクの増大を抑えながら、転がり軸受に作用するスラスト力を軽減することができる。
これによると、主軸にかかるスラスト力を磁気軸受で支持するため、非接触でトルクの増大を抑えながら、転がり軸受に作用するスラスト力を軽減することができる。
しかし、このようなモータ一体型の磁気軸受装置の場合、磁気軸受におけるコイル等での発熱と、モータにおける発熱とが生じるため、モータの冷却性能が不十分となる。
図4〜図6には、上記モータ一体型磁気軸受装置で支持されたコンプレッサ・タービンユニットを用いた空気サイクル冷凍ユニットの提案例の系統図、平面配置図、およびコンプレッサ・タービンユニットの断面図を示す。この空気サイクル冷凍ユニットでは、冷凍庫等の被冷却空間Rを出た低温の冷媒空気が、再生熱交換器54を経てコンプレッサ・タービンユニット51のコンプレッサ51aに供給される。コンプレッサ51aで圧縮されて高温となった冷媒空気は、放熱用熱交換器52での外気との熱交換により冷却された後、コンプレッサ・タービンユニット51のモータ配置部である動力部60を通過してモータ68の冷却に供される。モータ68を冷却した後の冷媒空気は、前記再生熱交換器54において被冷却空間Rから出た低温の冷媒空気との熱交換により冷却されて、コンプレッサ・タービンユニット51の膨張タービン51bに供給され、ここで断熱膨張され低温の冷媒空気となって被冷却空間Rに流入する。放熱用熱交換器52には、コンプレッサ51aを出た高温の冷媒空気との間で熱交換を行う外気がブロワ58により供給される。
この構成の空気サイクル冷凍ユニットによると、コンプレッサ51aで圧縮された高温の冷媒空気が放熱用熱交換器52での熱交換により低温とされてからモータ冷却に使用され、さらに再生熱交換器54での熱交換により低温とされてから膨張タービン51bに供給されるので、モータ68の冷却性能を確保することができる。
しかし、このような空気サイクル冷凍ユニットにおいては、再生熱交換器54での高温側入力温度は、膨張タービン51bでの冷却に効果を上げるうえから、常温程度であることが望まれる。上記構成の場合、モータ冷却後の冷媒空気の温度が再生熱交換器54での高温側入力温度となるので、その入力温度は常温よりも高くなり冷凍能力が低くなるという問題が残る。
この発明の目的は、冷凍能力の向上が可能な空気サイクル冷凍ユニットを提供することである。
この発明の空気サイクル冷凍ユニットは、コンプレッサ翼車およびタービン翼車が共通の主軸に取り付けられ、上記主軸が転がり軸受および磁気軸受並びに主軸回転駆動用のモータを有するモータ一体型磁気軸受装置で支持されたコンプレッサ・タービンユニットと、このコンプレッサ・タービンユニットの前記コンプレッサおよび膨張タービンを通る冷媒経路に介在した複数または一つの熱交換器を備え、空気を冷媒として被冷却空間の空調または冷凍を行う空気サイクル冷凍ユニットにおいて、前記冷媒経路の途中に介在し、前記コンプレッサ・タービンユニットのハウジング内の前記モータの配置部を貫通するモータ冷却流路を設け、このモータ冷却流路に冷却用フィンを設け、このフィンを冷却するフィン冷却手段を設けたことを特徴とする。
この構成によると、コンプレッサ・タービンユニットのモータの配置部を貫通するモータ冷却流路を設け、このモータ冷却流路に冷却用フィンを設け、このフィンを冷却する手段を設けているので、モータ冷却流路でモータを冷却し高温となった空気をフィンで冷却することで常温レベルまで冷却できる。その結果、モータ冷却流路を出た空気は再生熱交換器で十分冷却されてからコンプレッサ・タービンユニットの膨張タービン7に供給されるので、冷凍能力の向上が可能となる。
この構成によると、コンプレッサ・タービンユニットのモータの配置部を貫通するモータ冷却流路を設け、このモータ冷却流路に冷却用フィンを設け、このフィンを冷却する手段を設けているので、モータ冷却流路でモータを冷却し高温となった空気をフィンで冷却することで常温レベルまで冷却できる。その結果、モータ冷却流路を出た空気は再生熱交換器で十分冷却されてからコンプレッサ・タービンユニットの膨張タービン7に供給されるので、冷凍能力の向上が可能となる。
この発明において、前記冷却用フィンは、前記モータ冷却流路における前記モータの配置部よりも下流側に設けるのが望ましい。この構成の場合、モータを冷却して温まった空気を冷却用フィンで冷却でき、モータ冷却流路を経た空気を常温レベルまで確実に冷却できる。
この発明において、前記冷却用フィンを前記ハウジングに固定し、前記フィン冷却手段は、前記ハウジングのフィン固定部に設けた冷却溝に冷却液を流すフィン冷却流路部を有するものとしても良い。
この発明において、前記モータのステータに冷却液を流すステータ冷却流路を設け、その冷却液を前記フィン冷却手段の冷却液に併用するものとしても良い。この構成の場合、フィン冷却手段として、冷却液の循環経路全体を別途設ける必要がなく、フィン冷却手段の構成を簡略化できる。
この発明において、前記フィン冷却流路部を前記ステータ冷却流路に並列接続しても良い。この構成の場合、モータステータに供給される冷却液と同じ冷却液をフィン冷却流路部に供給することができる。
この発明において、前記フィン冷却流路部を前記ステータ冷却流路に直列接続し、かつ前記フィン冷却流路部を前記ステータ冷却流路のステータ配置部よりも上流側に位置させても良い。
このように、フィン冷却流路部を、ステータ冷却流路のステータ配置部よりも上流側の位置でステータ冷却流路に直列接続した場合、フィン冷却流路部を経た後の低圧の冷却液をステータ配置部に供給することになる。モータコイルを収容するモータステータのケースは、その材料としてプラスチックや非磁性の金属が使用され、その隔壁はモータの動力を確保するために極力薄く形成されている。そのため、大きな圧力が加わるとケースに変形が生じる可能性があるが、上記したように低圧の冷却液が供給されるのであれば、変形を回避することができる。
このように、フィン冷却流路部を、ステータ冷却流路のステータ配置部よりも上流側の位置でステータ冷却流路に直列接続した場合、フィン冷却流路部を経た後の低圧の冷却液をステータ配置部に供給することになる。モータコイルを収容するモータステータのケースは、その材料としてプラスチックや非磁性の金属が使用され、その隔壁はモータの動力を確保するために極力薄く形成されている。そのため、大きな圧力が加わるとケースに変形が生じる可能性があるが、上記したように低圧の冷却液が供給されるのであれば、変形を回避することができる。
この発明において、前記ステータ冷却流路にはその冷却液と外気との間で熱交換を行う熱交換器が介在すると共に、前記冷媒経路に介在した熱交換器として、冷媒経路の高温冷媒とブロワから供給される外気との間で熱交換を行う放熱用熱交換器を備え、前記ブロワから供給される外気の一部を前記ステータ冷却流路の熱交換器での外気として使用するものとしても良い。この構成の場合、1つのブロワを2つの熱交換器に使用する外気の供給に共用でき、それだけ構成を簡略化できる。
この発明の空気サイクル冷凍ユニットは、コンプレッサ翼車およびタービン翼車が共通の主軸に取り付けられ、上記主軸が転がり軸受および磁気軸受並びに主軸回転駆動用のモータを有するモータ一体型磁気軸受装置で支持されたコンプレッサ・タービンユニットと、このコンプレッサ・タービンユニットの前記コンプレッサおよび膨張タービンを通る冷媒経路に介在した複数または一つの熱交換器を備え、空気を冷媒として被冷却空間の空調または冷凍を行う空気サイクル冷凍ユニットにおいて、前記冷媒経路の途中に介在し、前記コンプレッサ・タービンユニットのハウジング内の前記モータの配置部を貫通するモータ冷却流路を設け、このモータ冷却流路に冷却用フィンを設け、このフィンを冷却するフィン冷却手段を設けたため、冷凍能力の向上が可能となる。
この発明の一実施形態を図1および図2と共に説明する。この実施形態の空気サイクル冷凍ユニットは、コンテナ用冷凍庫等の被冷却空間の空気を直接に冷媒として冷却する装置である。
図1に全体の構成を示すように、この空気サイクル冷凍ユニットは、被冷却空間Rにそれぞれ開口した空気の庫内吸込み口Naから庫内噴出口Nbに至る冷媒経路1を有する。この冷媒経路1に、コンプレッサ・タービンユニット5のコンプレッサ6、放熱用熱交換器2、再生熱交換器3、コンプレッサ・タービンユニット5の膨張タービン7が順に設けられている。
図1に全体の構成を示すように、この空気サイクル冷凍ユニットは、被冷却空間Rにそれぞれ開口した空気の庫内吸込み口Naから庫内噴出口Nbに至る冷媒経路1を有する。この冷媒経路1に、コンプレッサ・タービンユニット5のコンプレッサ6、放熱用熱交換器2、再生熱交換器3、コンプレッサ・タービンユニット5の膨張タービン7が順に設けられている。
図2は、前記コンプレッサ・タービンユニット5の断面図を示す。このコンプレッサ・タービンユニット5は圧縮膨張タービンシステムを構成するものであり、コンプレッサ6および膨張タービン7を有し、コンプレッサ6のコンプレッサ翼車6aおよび膨張タービン7のタービン翼車7aが共通の主軸13の両端にそれぞれ嵌合して取り付けられ、その主軸13がモータ一体型磁気軸受装置で支持されている。主軸13の材料には、磁気特性の良好な低炭素鋼が使用される。
図2において、コンプレッサ6は、コンプレッサ翼車6aと隙間d1を介して対向するコンプレッサハウジング6bを有し、中心部の吸込口6cから軸方向に吸入した空気を、コンプレッサ翼車6aで圧縮し、外周部の出口(図示せず)から矢印6dで示すように排出する。
膨張タービン7は、タービン翼車7aと微小の隙間d2を介して対向するタービンハウジング7bを有し、外周部から矢印7cで示すように吸い込んだ空気を、タービン翼車7aで断熱膨張させ、中心部の排出口7dから軸方向に排出する。
膨張タービン7は、タービン翼車7aと微小の隙間d2を介して対向するタービンハウジング7bを有し、外周部から矢印7cで示すように吸い込んだ空気を、タービン翼車7aで断熱膨張させ、中心部の排出口7dから軸方向に排出する。
このコンプレッサ・タービンユニット5におけるモータ一体型磁気軸受装置は、主軸13をラジアル方向に対し複数の軸受15,16で支持し、主軸13にかかるアキシアル負荷と軸受予圧のどちらか一方または両方を磁気軸受である電磁石17と永久磁石17Aとにより支持すると共に、主軸13を回転駆動するアキシアルギャップ型のモータ28を設けたものである。このコンプレッサ・タービンユニット5は、主軸13に作用するスラスト力を検出するセンサ18と、このセンサ18の出力に応じて前記電磁石17による支持力を制御する磁気軸受用コントローラ19と、電磁石17とは独立に前記モータ28を制御するモータ用コントローラ29とを有している。
磁気軸受の一部構成部品である電磁石17は、主軸13の軸方向中間部において軸方向に並ぶように主軸13に垂直かつ同軸に設けられた強磁性体からなるフランジ状の2つのスラスト板13a,13bのうち、コンプレッサ6寄りに位置するスラスト板13aのコンプレッサ6側に向く片面を磁石ターゲットとして、この片面に非接触で対向するようにスピンドルハウジング14に設置されている。また、磁気軸受の他の構成部品である永久磁石17Aは、膨張タービン7寄りに位置するスラスト板13bの膨張タービン7側に向く片面を磁石ターゲットとして、この片面に非接触で対向するようにスピンドルハウジング14に設置されている。なお、ここでは電磁石17と永久磁石17Aとで磁気軸受を構成しているが、永久磁石17Aを電磁石17に置き換えて、一対の電磁石17,17で磁気軸受を構成しても良い。
モータ28は、前記電磁石17および永久磁石17Aと並んで主軸13に設けられたモータロータ28aと、このモータロータ28aに対し軸方向に対向するモータステータ28bとでなるモータユニットである。具体的には、モータユニットの一部品を構成するモータロータ28aは、主軸13における前記各スラスト板13a,13bの電磁石17および永久磁石17Aが対向する側とは反対側の各片面に、円周方向に等ピッチで並ぶ永久磁石28aaを配置することで左右一対のものが構成される。このように軸方向に対向配置される永久磁石28aaの間では、その磁極が互いに異極となるように設定される。主軸13には磁気特性の良好な低炭素鋼を使用しているので、主軸13と一体構造となるように設けられる前記各スラスト板13a,13bを、永久磁石28aaのバックヨークおよび磁石ターゲットに兼用できる。
モータユニットの他の部品であるモータステータ28bは、前記左右一対のモータロータ28aに挟まれる軸方向中央の位置において、これら両モータロータ28aの各面に非接触で対向するようにコアの無い状態で配置した複数個のモータコイル28baと、これらモータコイル28baを内部に収容した絶縁材であるケース28bbとでなる。このケース28bbがスピンドルハウジング14に固定される。このモータ28は、前記モータロータ28aとモータステータ28b間に作用するローレンツ力により、主軸13を回転させる。このように、このアキシアルギャップ型のモータ28はコアレスモータとされていることから、モータロータロータ28aとモータステータ28b間の磁気カップリングによる負の剛性はゼロとなっている。
主軸13を支持する軸受15,16は転がり軸受であって、アキシアル方向位置の規制機能を有するものであり、例えば深溝玉軸受やアンギュラ玉軸受が用いられる。深溝玉軸受の場合、両方向のスラスト支持機能を有し、内外輪のアキシアル方向位置を中立位置に戻す作用を持つ。これら2個の転がり軸受15,16は、それぞれスピンドルハウジング14におけるコンプレッサ翼車6aおよびタービン翼車7aの近傍に配置されている。
主軸13は、中間部の大径部13cと、両端部の小径部13dとを有する段付き軸とされている。両側の軸受15,16は、その内輪15a,16aが小径部13dに圧入状態に嵌合し、片方の幅面が大径部13cと小径部13d間の段差面に係合する。スピンドルハウジング14における両側の軸受15,16よりも各翼車6a,7a側の部分には、主軸 との間の隙間を密封するシール21,22が設けられている。
前記センサ18は、タービン翼車7a側の軸受16の近傍における静止側、つまりスピンドルハウジング14側に設けられ、軸受16の外輪16bを支持する軸受ハウジングを兼ねる。このセンサ18は、アキシアル方向に移動自在にスピンドルハウジング14に嵌合している。また、センサ18には、センサ予圧ばね25によりアキシアル方向の予圧が印加されている。
センサ予圧ばね25による予圧は、押し付け力によってスラスト力を検出するセンサ18が、主軸13のアキシアル方向のいずれの向きの移動に対しても検出できるようにするためであり、コンプレッサ・タービンユニット5の通常の運転状態で主軸13に作用する平均的なスラスト力以上の大きさとされている。
センサ18の非配置側の軸受15は、スピンドルハウジング14に対してアキシアル方向に移動自在に設置され、かつ軸受予圧ばね26によって弾性支持されている。この例では軸受15の外輪15bが、軸受ハウジング27を介してスピンドルハウジング14の内径面にアキシアル方向移動自在に嵌合していて、軸受予圧ばね26は、軸受ハウジング27とスピンドルハウジング14との間に介在している。軸受予圧ばね26は、内輪15aの幅面が係合した主軸13の段面に対向して外輪15bを付勢するものとされ、軸受15に予圧を与えている。軸受予圧ばね26は、センサ予圧ばね25よりもばね定数が小さいものとされる。
前記モータ28の冷却手段として、モータ28の配置部を貫通するモータ冷却流路41が、スピンドルハウジング14に設けられている。このモータ冷却流路41は、図1の空気サイクル冷凍ユニットの冷媒流路1に介在させている。具体的には、図1において、コンプレッサ6から放熱用熱交換器2を経た空気が前記モータ冷却流路41を流れることにより、モータ28のモータロータ28aが冷却される。この場合、モータ冷却流路41は、その内部に前記2枚のスラスト板13a,13bおよび前記モータステータ28bが位置するように設置される。
モータステータ28bのモータコイル28baはケース28bb内に収容されるので、前記モータ冷却流路41を流れる空気に直接接触しない。そこで、モータステータ28bのモータコイル28baは、前記モータ冷却流路41とは別に設けられたステータ冷却流路42(図1)を流れる冷却液によって冷却される。モータコイル28baに直接触れる冷却液は、モータコイル28baとの電気的な絶縁が確保される液体であれば良く、例えば、オイルやエチレングリコールあるいは水溶液を用いることができる。ケース28bbの材料としては、プラスチックや非磁性の金属が使用される。
このステータ冷却流路42は、前記ケース28bb内に形成された冷却流路部42aを流路の一部として冷却液を循環させる循環流路であって、その途中にポンプ43、熱交換器44、およびタンク45が介在する。ステータ冷却流路42におけるコンプレッサ・タービンユニット5の外側の部分は、スピンドルハウジング14の外表面に設けられた入力ポート42bおよび出力ポート42cを介して前記ケース28bb内の冷却流路部42aに連通する。タンク45に貯められた冷却液は、ポンプ43により前記ケース28bbの冷却流路部42aに供給されてモータコイル28baを冷却する。冷却に使用され温まった冷却液は、前記熱交換器44の高温流路44aを経てタンク45に戻されるとき、熱交換器44の低温流路44bに供給される外気との間で熱交換されて、低温に戻される。
モータ冷却流路41の下流側、つまりモータ28の配置部を通過して高温となった後の空気が流れる部分には、その空気を冷却するためのフィン46が設けられる。この冷却用フィン46は、例えば板状に形成されて複数枚が平行に設けられる。これら冷却用フィン46は、モータ冷却流路41の壁部となるスピンドルハウジング14に、それぞれ基端で固定される。この冷却用フィン46を冷却するフィン冷却手段として、この実施形態では、スピンドルハウジング14におけるフィン固定部に冷却溝47が設けられると共に、この冷却溝47に冷却液を流すフィン冷却流路部48(図1)が設けられている。ここでは、フィン冷却流路部48が、前記ステータ冷却流路42の冷却流路部42aに並列接続されている。これにより、前記タンク45からポンプ43によって汲み出される冷却液が、モータステータ28bの冷却とフィン46の冷却に併用される。
このように構成された空気サイクル冷凍ユニットにおいて、被冷却空間Rの空気は、その出口から冷媒経路1の庫内吸込み口Naに流入する。庫内吸込み口Naに流入した空気は、再生熱交換器3により、冷媒経路1中の空気の冷却に使用され、昇温する。すなわち、再生熱交換器3は、前記モータ冷却流路41を出た空気が流入する高温流路1dと、被冷却空間Rを出た低温空気が流入する低温流路1aとの間で熱交換を行なって、モータ冷却流路41を経た空気を冷却する。
再生熱交換器3の低温流路1aを経た空気はコンプレッサ・タービンユニット5のコンプレッサ6により圧縮され、この圧縮により昇温した状態で、放熱用熱交換器2により冷却される。すなわち、放熱用熱交換器2は、ブロワ8により供給される外気が流入する低温流路9と、コンプレッサ6を出た高温空気が流入する高温流路1bとの間で熱交換を行なって、コンプレッサ6を出た高温空気を冷却する。前記ブロワ8から放熱用熱交換器2の低温流路9に供給される外気の一部は、前記ステータ冷却流路42に介在する熱交換器44の低温流路44bに供給される。これにより、1つのブロワ8を2つの熱交換器2,44に使用する外気の供給に共用でき、それだけ構成を簡略化できる。
放熱用熱交換器12により冷却された空気は、モータ冷却流路41に流入してコンプレッサ・タービンユニット5のモータ28の冷却に供される。モータ冷却流路41でモータロータ28aを冷却して温まった空気は、モータ冷却流路41の下流側に設けられている冷却用フィン46で常温レベルまで冷却されてから再生熱交換器3に供給される。再生熱交換器3では、上記したようにモータ冷却流路41を経てモータ28の冷却に供された空気が流入する高温流路1dと、被冷却空間Rを出た低温空気が流入する低温流路1aとの間で熱交換を行なって、モータ冷却流路41を経た空気を冷却する。このようにして冷却された空気は、コンプレッサ・タービンユニット5の膨張タービン7により断熱膨張され、冷却されて庫内噴出口Nbから被冷却空間Rの入口に噴出される。
このように、この空気サイクル冷凍ユニットでは、コンプレッサ・タービンユニット5のモータ28の配置部を貫通するモータ冷却流路41を設け、このモータ冷却流路41に冷却用フィン46を設け、このフィン46を冷却する手段として、フィン46の固定部であるスピンドルハウジング14に冷却溝47を設けると共に、この冷却溝47に冷却液を流すフィン冷却流路部48を設けているので、モータ冷却流路41でモータ28を冷却し高温となった空気をフィン46で冷却できる。
空気サイクル冷凍ユニットでは、熱交換器の温度効率が高いことが望まれる。とくに、膨張タービン7に供給される前の空気を冷却する再生熱交換器3では、モータ冷却流路41を経てモータ28の冷却に供された空気が流入する高温流路1dと、被冷却空間Rを出た低温空気が流入する低温流路1aとの間で熱交換が行なわれるので、90%以上の効率が望まれる。熱交換器の熱効率を向上させる方法として、熱交換面を長くする方法があるが、限られた収納スペースでは、長くするにも限界が生じる。
この空気サイクル冷凍ユニットの場合、上記したように、モータ冷却流路41に冷却用フィン46を設け、このフィン46を冷却する手段として、フィン46の固定部であるスピンドルハウジング14に冷却溝47を設けると共に、この冷却溝47に冷却液を流すフィン冷却流路部48を設けているので、モータ冷却流路41でモータ28を冷却して温まった空気をフィン46により常温レベルまで冷却できる。その結果、モータ冷却流路41を出た空気は再生熱交換器3で十分冷却されてからコンプレッサ・タービンユニット5の膨張タービン7に供給されるので、冷凍能力の向上が可能となる。
この空気サイクル冷凍ユニットの場合、上記したように、モータ冷却流路41に冷却用フィン46を設け、このフィン46を冷却する手段として、フィン46の固定部であるスピンドルハウジング14に冷却溝47を設けると共に、この冷却溝47に冷却液を流すフィン冷却流路部48を設けているので、モータ冷却流路41でモータ28を冷却して温まった空気をフィン46により常温レベルまで冷却できる。その結果、モータ冷却流路41を出た空気は再生熱交換器3で十分冷却されてからコンプレッサ・タービンユニット5の膨張タービン7に供給されるので、冷凍能力の向上が可能となる。
なお、この実施形態では、フィン冷却手段として、冷却用フィン46の固定部であるスピンドルハウジング14に設けた冷却溝47と、この冷却溝47に冷却液を流すフィン冷却流路部48を設けたが、例えばモータ冷却流路41の壁部となるスピンドルハウジング14が、フィン46の熱を放熱させる十分な機能を持つ場合には、これをフィン冷却手段とすることにより、前記冷却溝47やフィン冷却流路部48を省略することもできる。
また、この実施形態では、前記冷却用フィン46を、前記モータ冷却流路41におけるモータ28の配置部よりも下流側に設けたため、モータロータ28aを冷却して温まった空気を冷却用フィン46で冷却でき、モータ冷却流路41を経た空気を常温レベルまで確実に冷却できる。
また、モータステータ28bのモータコイル28baに冷却液を流すステータ冷却流路42を設け、その冷却液を前記フィン冷却手段の冷却液に併用するものとしているので、フィン冷却手段として、冷却液の循環経路全体を別途設ける必要がなく、フィン冷却手段の構成を簡略化できる。
また、この実施形態では、前記フィン冷却流路部48を前記ステータ冷却流路42に並列接続しているので、モータステータ28bに供給される冷却液と同じ冷却液をフィン冷却流路部48に供給することができる。
図3は、この発明の他の実施形態を示す。この実施形態では、図1および図2に示す実施形態の空気サイクル冷凍ユニットにおいて、冷却用フィン46を冷却液で冷却するフィン冷却手段の一部であるフィン冷却流路部48を、ステータ冷却流路42に直列接続し、かつ前記フィン冷却流路部48をステータ冷却流路42のステータ配置部(モータコイル28baの配置部)よりも上流側に位置させたものである。その他の構成は先の実施形態の場合と同様である。
このように、フィン冷却流路部48を、ステータ冷却流路42におけるモータコイル28baの配置部よりも上流側の位置でステータ冷却流路42に直列接続した場合、フィン冷却流路部48を経た後の低圧の冷却液をモータコイル28baの配置部に供給することになる。モータコイル28baを収容するモータステータ28bのケース28bbは、その材料としてプラスチックや非磁性の金属が使用され、その隔壁はモータ28の動力を確保するために極力薄く形成されている。そのため、大きな圧力が加わるとケース28bbに変形が生じる可能性があるが、上記したように低圧の冷却液が供給されるのであれば、変形を回避することができる。
1…冷媒経路
2…放熱用熱交換器
3…再生熱交換器
5…コンプレッサ・タービンユニット
6…コンプレッサ
6a…コンプレッサ翼車
7…膨張タービン
7a…タービン翼車
8…ブロワ
14…スピンドルハウジング
15,16…転がり軸受
17…電磁石(磁気軸受)
17A…永久磁石(磁気軸受)
28…モータ
28a…モータロータ
28b…モータステータ
41…モータ冷却流路
42…ステータ冷却流路
44…熱交換器
46…冷却用フィン
47…冷却溝
48…フィン冷却流路部
R…被冷却空間
2…放熱用熱交換器
3…再生熱交換器
5…コンプレッサ・タービンユニット
6…コンプレッサ
6a…コンプレッサ翼車
7…膨張タービン
7a…タービン翼車
8…ブロワ
14…スピンドルハウジング
15,16…転がり軸受
17…電磁石(磁気軸受)
17A…永久磁石(磁気軸受)
28…モータ
28a…モータロータ
28b…モータステータ
41…モータ冷却流路
42…ステータ冷却流路
44…熱交換器
46…冷却用フィン
47…冷却溝
48…フィン冷却流路部
R…被冷却空間
Claims (7)
- コンプレッサ翼車およびタービン翼車が共通の主軸に取り付けられ、上記主軸が転がり軸受および磁気軸受並びに主軸回転駆動用のモータを有するモータ一体型磁気軸受装置で支持されたコンプレッサ・タービンユニットと、このコンプレッサ・タービンユニットの前記コンプレッサおよび膨張タービンを通る冷媒経路に介在した複数または一つの熱交換器を備え、空気を冷媒として被冷却空間の空調または冷凍を行う空気サイクル冷凍ユニットにおいて、
前記冷媒経路の途中に介在し、前記コンプレッサ・タービンユニットのハウジング内の前記モータの配置部を貫通するモータ冷却流路を設け、このモータ冷却流路に冷却用フィンを設け、このフィンを冷却するフィン冷却手段を設けたことを特徴とする空気サイクル冷凍ユニット。 - 請求項1において、前記冷却用フィンを、前記モータ冷却流路における前記モータの配置部よりも下流側に設けた空気サイクル冷凍ユニット。
- 請求項1または請求項2において、前記冷却用フィンを前記ハウジングに固定し、前記フィン冷却手段は、前記ハウジングのフィン固定部に設けた冷却溝に冷却液を流すフィン冷却流路部を有するものとした空気サイクル冷凍ユニット。
- 請求項3において、前記モータのステータに冷却液を流すステータ冷却流路を設け、その冷却液を前記フィン冷却手段の冷却液に併用するものとした空気サイクル冷凍ユニット。
- 請求項4において、前記フィン冷却流路部を前記ステータ冷却流路に並列接続した空気サイクル冷凍ユニット。
- 請求項4において、前記フィン冷却流路部を前記ステータ冷却流路に直列接続し、かつ前記フィン冷却流路部を前記ステータ冷却流路のステータ配置部よりも上流側に位置させた空気サイクル冷凍ユニット。
- 請求項4ないし請求項6のいずれか1項において、前記ステータ冷却流路にはその冷却液と外気との間で熱交換を行う熱交換器が介在すると共に、前記冷媒経路に介在した熱交換器として、冷媒経路の高温冷媒とブロワから供給される外気との間で熱交換を行う放熱用熱交換器を備え、前記ブロワから供給される外気の一部を前記ステータ冷却流路の熱交換器での外気として使用するものとした空気サイクル冷凍ユニット。
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---|---|---|---|
JP2008207630A JP2010043780A (ja) | 2008-08-12 | 2008-08-12 | 空気サイクル冷凍ユニット |
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JP2008207630A JP2010043780A (ja) | 2008-08-12 | 2008-08-12 | 空気サイクル冷凍ユニット |
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JP2010043780A true JP2010043780A (ja) | 2010-02-25 |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
2008
- 2008-08-12 JP JP2008207630A patent/JP2010043780A/ja active Pending
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