JP6552851B2 - 圧縮機駆動用モータおよびその冷却方法 - Google Patents
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Description
そこで、本発明は、ロータとステータとの間のギャップに液冷媒を必要最低限の量だけ供給することで冷却可能な圧縮機駆動用モータおよびその冷却方法を提供することを目的とする。
そして、本発明は、インジェクタにより液冷媒およびガス冷媒が混合された湿り蒸気が、少なくとも、ロータの外周部とステータの内周部との間のギャップに向けて噴射され、インジェクタは、湿り蒸気を噴射する噴射口を有し、噴射口は、ロータの軸線方向に開放されたギャップの開口に対向していることを特徴とする。
ここで、冷媒回路上の圧縮機の吐出側からガス導入部へとガス冷媒を分配し、冷媒回路上の凝縮器の下流側から液導入部へと液冷媒を分配することができる。それにより、ポンプ等の外部動力を用いることなく、ガス冷媒および液冷媒をそれぞれモータへと搬送する圧力差を得ることができる。
さらに、本発明は、ロータと、ロータの径方向の外周部を包囲するステータと、ロータおよびステータを収容するケースと、を備え、圧縮機を駆動するモータを冷却する方法であって、圧縮機を含む冷媒回路から導入されるガス冷媒を駆動流体として用い、冷媒回路から導入される液冷媒を吸込流体として用いるインジェクタにより、ガス冷媒と液冷媒とを混合するステップと、ガス冷媒および液冷媒が混合された湿り蒸気を、少なくとも、ロータの外周部とステータの内周部との間のギャップに向けて噴射するステップと、を含み、インジェクタは、導入された液冷媒が溜まったケース内の液溜まりから液冷媒を吸い込むことを特徴とする。
図1に示す圧縮機1は、凝縮器2、膨張弁3、蒸発器4、およびそれらを接続する流路(図1に細い実線で示す)と共に、冷媒回路5を構成している。冷媒回路5は、大規模なビルや施設等に設置される大型冷凍機に用いられる。
本実施形態の圧縮機1は、図示しない羽根車を備えた遠心式圧縮機(ターボ圧縮機)であり、冷媒を圧縮する。
モータ10は、シャフト11と、シャフト11の軸周りに結合されるロータ12と、ロータ12の径方向の外周部を包囲するステータ13と、ロータ12、ステータ13、および圧縮機1を収容するケース14とを備えている。モータ10は、シャフト11が水平に延びた姿勢で設置される。ステータ13のコア131から軸方向の両側にコイルのエンド(コイルエンド132)が突出している。
ケース14は、モータ10と圧縮機1との共通のハウジングである。ケース14内に導入された冷媒は、圧縮機1により吸入されて圧縮された後、冷媒回路5の流路へと吐出される。
圧縮機1から吐出された圧縮冷媒は、凝縮器2、膨張弁3、および蒸発器4を経て再び圧縮機1へと吸入される。
ケース14の内部は、ロータ12およびステータ13を間に挟んで後部室R1と、前部室R2とに区分されている。
前部室R2は、シャフト11の先端11B側に位置し、圧縮機1が配置されている。
そのため、冷媒回路5を流れる冷媒の一部を冷却用冷媒としてモータ10へと供給している。
一方、冷媒の湿り度は、モータ10の風損に影響する。ギャップGを流れる冷媒の湿り度(液の比率)が高いほど摩擦抵抗が増加するため、図2(b)に示すように、風損が大きい。風損が大きいと、その分、必要な冷媒量が増えてしまう。
図2(c)における合計損失は、風損と、抽気損失と、モータ10に固有の損失(銅損および鉄損)との合計を示している。モータ10に固有の損失は、冷媒の湿り度に依存しないが、風損は、冷媒の湿り度が高いほど大きく、逆に、抽気損失は、冷媒の湿り度が高いほど小さい。なお、図2(c)に示す合計損失は、あくまで一例である。
いずれも冷媒の湿り度に依存する風損および抽気損失が反映された合計損失が小さくなるように、適切な湿り度の冷媒を必要な量だけロータ12およびステータ13に供給することが好ましい。
図1において、ガス導入路21を太い破線で示し、液導入路22を太い実線で示し、液排出路23を太い一点鎖線で示している。
ガス導入路21は、モータ10よりも上流で経路211と経路212とに分岐している。経路211および経路212はいずれも、ケース14の側壁141から後部室R1内へと連通している。
なお、バルブ21Vを設けずに、ガス導入路21の径の設定などにより、後部室R1内へと導入されるガス冷媒の流量が所定の値に設定されていてもよい。
冷媒回路5の圧力条件等に応じてバルブ21Vの開度を調整することができる。
バルブ21Vに関する上記の説明は、後述するバルブ22Vにも該当する。
液導入路22は、ケース14の底部142から後部室R1内へと連通している。
液導入路22より後部室R1内に導入された液冷媒は、底部142で液溜まり25を形成する。
インジェクタ30は、ガス導入路21により導入されるガス冷媒を駆動流体として用い、液導入路22により導入される液冷媒を吸込流体として用いることで機能する。
本実施形態では、シャフト11の軸線Cの方向に開放されたギャップGの環状の開口G1における2箇所に向けて冷媒の湿り蒸気を噴射するため、2つのインジェクタ30を備えている。2つのインジェクタ30により、間隔が離れた2箇所からギャップG内に冷媒湿り蒸気が吹き込まれる。
インジェクタ管路31は、ギャップGの周上の所定箇所に対向する位置で水平に、シャフト11の軸線Cと平行に延びている。インジェクタ管路31の後端31Aにガス導入路21(経路211あるいは212)が接続されている。インジェクタ管路31の先端に位置する噴射口31Bは、ギャップGの開口G1に対向している。
インジェクタ管路31の内部には、次第に縮径する混合部311と、混合部311を経た流れを噴射口31Bまで搬送する搬送部312とが形成されている。
なお、3つ以上のインジェクタ30を設けることも可能である。それら複数のインジェクタ30の各々の噴射口31Bは、ギャップGの全周に亘り平均的に冷媒が供給されるように、ギャップGの周方向においてほぼ均等に配置されることが好ましい。
ガス冷媒は液冷媒と混合することによって凝縮する。そして、搬送部312の終端で拡径されることで圧力が上昇されながら噴射口31BからギャップGの開口G1に向けて噴射される(噴射ステップ)。湿り蒸気がギャップGをスムーズに十分に流れることで、ロータ12およびステータ13が冷却される。
インジェクタ30からの噴射に加えて、圧縮機1の吸引、圧縮に伴うケース14内の流動によっても、ギャップG内の湿り蒸気の流れが促進される。
しかも、インジェクタ30へと導入されるガス冷媒と液冷媒との各々の流量を例えばバルブ21Vおよびバルブ22Vの開度を調整することで適切に設定しておき、風損を抑制するのに適合する湿り度の冷媒を必要量だけ供給することでモータ10を十分に冷却することが可能となる。導入されるガス冷媒と液冷媒との各々の流量は、図2(c)に示すように、風損および抽気損失を含めたモータ10の合計の損失が最も小さい範囲に対応する最適な湿り度域Aを実現するように定めることが好ましい。
図4に示すように、インジェクタ30をステータ13の外周部とケース14との間の隙間Sに向けて冷媒湿り蒸気を噴射するように、インジェクタ管路31を隙間Sに対応する位置に設置することもできる。本例では、ギャップGに向けて噴射するインジェクタ30と、隙間Sに向けて噴射するインジェクタ30とを1つずつ設けている。
環状に形成される隙間Sの周方向における数箇所に対応する複数のインジェクタ30を設けてもよい。
その他にも、例えばコイルエンド132や、シャフト11等、モータ10において冷却が必要な箇所に対して冷媒湿り蒸気を噴射するインジェクタ30を設置することができる。
インジェクタ管路31が延びている向きは、軸線Cに対して交差していてもよい。
上記の各実施形態では、モータ10と圧縮機1とが同じシャフト11により同軸に構成されているが、モータ10と圧縮機1とが個別に軸を有しており、それらの軸同士を結合することもできる。モータ10の軸と圧縮機1の軸との間に変速装置等を介在させてもよい。
また、上記各実施形態では、モータ10のロータ12およびステータ13と、圧縮機1とが同じケース14内に収容されているが、ケース14内には圧縮機1が収容されていなくてもよい。その場合でも、ケース14内は、所定の流路を介して圧縮機1の吸入部(羽根車の外周部など)に連通しており、ケース14内には、圧縮機1の吸入による流れが生じる。
本発明のモータにより駆動される圧縮機は、遠心式圧縮機に限らず、例えば、スクロール圧縮機やロータリー圧縮機であってもよい。
また、インジェクタ30を前部室R2に設置し、ギャップGに対して前側から冷媒湿り蒸気を吹き込むようにしてもよい。
2 凝縮器
3 膨張弁(減圧部)
4 蒸発器
5 冷媒回路
10 圧縮機駆動用モータ
11 シャフト
11A 後端
11B 先端
12 ロータ
13 ステータ
14 ケース
21 ガス導入路(ガス導入部)
21A 始端部
21V バルブ
22 液導入路(液導入部)
22V バルブ
23 液排出路
25 液溜まり
30 インジェクタ
31 インジェクタ管路
31A 後端
31B 噴射口
32 液管路
32A 下端
131 コア
132 コイルエンド
141 側壁
142 底部
211,212経路
311 混合部
312 搬送部
A 湿り度域
C 軸線
G ギャップ
G1 開口
R1 後部室
R2 前部室
S 隙間
Claims (9)
- 圧縮機を駆動するモータであって、
ロータと、
前記ロータの外周部を包囲するステータと、
前記ロータおよび前記ステータを収容するケースと、
前記圧縮機を含む冷媒回路から前記ケース内へと液冷媒を導入する液導入部と、
前記冷媒回路から前記ケース内へとガス冷媒を導入するガス導入部と、
前記ガス導入部により導入される前記ガス冷媒を駆動流体として用い、前記液導入部により導入される前記液冷媒を吸込流体として用いるインジェクタと、を備え、
前記インジェクタにより前記液冷媒および前記ガス冷媒が混合された湿り蒸気が、少なくとも、前記ロータの外周部と前記ステータの内周部との間のギャップに向けて噴射され、
前記インジェクタは、
前記湿り蒸気を噴射する噴射口を有し、
前記噴射口は、
前記ロータの軸線方向に開放された前記ギャップの開口に対向している、
ことを特徴とする圧縮機駆動用モータ。 - 前記インジェクタは、
前記ガス導入部から前記ガス冷媒を受け入れて前記液冷媒と合流させるインジェクタ管路と、
前記液導入部により導入された前記液冷媒を前記インジェクタ管路へと流入させる液流路と、を備え、
前記インジェクタ管路は、
前記ギャップに対向する位置で前記ロータの軸線と平行に延び、
前記液流路は、
前記軸線に対して直交する方向に延びて前記インジェクタ管路へと合流する、
ことを特徴とする請求項1に記載の圧縮機駆動用モータ。 - 圧縮機を駆動するモータであって、
ロータと、
前記ロータの外周部を包囲するステータと、
前記ロータおよび前記ステータを収容するケースと、
前記圧縮機を含む冷媒回路から前記ケース内へと液冷媒を導入する液導入部と、
前記冷媒回路から前記ケース内へとガス冷媒を導入するガス導入部と、
前記ガス導入部により導入される前記ガス冷媒を駆動流体として用い、前記液導入部により導入される前記液冷媒を吸込流体として用いるインジェクタと、を備え、
前記インジェクタにより前記液冷媒および前記ガス冷媒が混合された湿り蒸気が、少なくとも、前記ロータの外周部と前記ステータの内周部との間のギャップに向けて噴射され、
前記インジェクタは、
導入された前記液冷媒が溜まった前記ケース内の液溜まりから前記液冷媒を吸い込む、
ことを特徴とする圧縮機駆動用モータ。 - 圧縮機を駆動するモータであって、
ロータと、
前記ロータの外周部を包囲するステータと、
前記ロータおよび前記ステータを収容するケースと、
前記圧縮機を含む冷媒回路から前記ケース内へと液冷媒を導入する液導入部と、
前記冷媒回路から前記ケース内へとガス冷媒を導入するガス導入部と、
前記ガス導入部により導入される前記ガス冷媒を駆動流体として用い、前記液導入部により導入される前記液冷媒を吸込流体として用いるインジェクタと、を備え、
前記インジェクタにより前記液冷媒および前記ガス冷媒が混合された湿り蒸気が、少なくとも、前記ロータの外周部と前記ステータの内周部との間のギャップに向けて噴射され、
前記インジェクタは、前記湿り蒸気を噴射する噴射口を有し、
前記噴射口は、前記ロータの軸線方向に開放された前記ギャップの開口に対向しており、
前記噴射口の位置が前記ギャップの周方向において異なる2以上の前記インジェクタを備える、
ことを特徴とする圧縮機駆動用モータ。 - 前記インジェクタにより前記液冷媒および前記ガス冷媒が混合された湿り蒸気が、
前記ステータの外周部と前記ケースの内周部との間の隙間にも向けて噴射される、
ことを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の圧縮機駆動用モータ。 - 前記圧縮機は、
羽根車を備えた遠心式圧縮機である、
ことを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の圧縮機駆動用モータ。 - 請求項1から6のいずれか一項に記載の圧縮機駆動用モータと、
前記圧縮機と、凝縮器と、蒸発器と、減圧部と、を備える、ことを特徴とする冷媒回路。 - ロータと、前記ロータの径方向の外周部を包囲するステータと、前記ロータおよび前記ステータを収容するケースと、を備え、圧縮機を駆動するモータを冷却する方法であって、
前記圧縮機を含む冷媒回路から導入されるガス冷媒を駆動流体として用い、前記冷媒回路から導入される液冷媒を吸込流体として用いるインジェクタにより、前記ガス冷媒と前記液冷媒とを混合するステップと、
前記ガス冷媒および前記液冷媒が混合された湿り蒸気を、少なくとも、前記ロータの外周部と前記ステータの内周部との間のギャップに向けて噴射するステップと、を含み、
前記噴射するステップでは、
前記ロータの軸線方向に開放された前記ギャップの開口に向けて前記湿り蒸気を噴射する、
ことを特徴とする圧縮機駆動用モータの冷却方法。 - ロータと、前記ロータの径方向の外周部を包囲するステータと、前記ロータおよび前記ステータを収容するケースと、を備え、圧縮機を駆動するモータを冷却する方法であって、
前記圧縮機を含む冷媒回路から導入されるガス冷媒を駆動流体として用い、前記冷媒回路から導入される液冷媒を吸込流体として用いるインジェクタにより、前記ガス冷媒と前記液冷媒とを混合するステップと、
前記ガス冷媒および前記液冷媒が混合された湿り蒸気を、少なくとも、前記ロータの外周部と前記ステータの内周部との間のギャップに向けて噴射するステップと、を含み、
前記インジェクタは、
導入された前記液冷媒が溜まった前記ケース内の液溜まりから前記液冷媒を吸い込む、
ことを特徴とする圧縮機駆動用モータの冷却方法。
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