JP2001041173A - 液冷媒ポンプ並びにそれを備えた氷蓄熱式空調システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】氷蓄熱式空調システム用の液冷媒ポンプを密閉
形で実現する。 【解決手段】ポンプ部１１の上部にモータ部１２を配置
し、ポンプ部を通る液冷媒の一部を分岐しモータ部に至
る流路を形成する。さらに、モータ部上部から復路配管
６に繋がる短絡配管７を備える。分岐する流量は、モー
タ巻線が液に沈まぬよう、また、モータ冷却が十分なよ
うに、調整弁３１により液面を調整し自動制御する。モ
ータ部における冷媒の気化ならびにモータギャップの通
過により、モータの発熱を吸収した冷媒ガスは、室内を
冷房し蓄熱槽へ戻る冷媒が流れる復路配管６に合流し、
循環利用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は氷蓄熱式空調システ
ムにおいて、貯えた氷との熱交換により冷却されて液化
した冷媒を加圧供給するポンプに係わり、特に信頼性の
高い密閉形液冷媒ポンプを実現するに好適なモータを内
蔵した液冷媒ポンプの構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】夏季における電力使用量の平準化や省エ
ネルギを目的に、夜間電力で氷蓄熱槽内部を冷却し氷を
貯え、昼間にその蓄熱を利用し、室内を冷房する氷蓄熱
式空調システムが実用化しつつある。特開平6−241582
号公報にその一例が示されているように、氷蓄熱式空調
システムにおいては、冷媒を送る手段として、気体状態
の冷媒を圧縮機で循環させるよりも、液化した状態の冷
媒を液体用のポンプで送る方が効率的である。また、冷
媒サイクルは配管や熱交換器，ポンプなどまでを含めて
外気との出入りがない密閉形とすることが、冷媒の散逸
や大気中の水分進入などを避けるために好ましい構造で
あり、機械の信頼性が高まる。

【０００３】しかし、従来の液冷媒ポンプはモータまで
もポンプと一体化し、チャンバに収納した密閉形は一般
的でなく、外部のモータで回転軸シール付きのポンプを
駆動するものや、キャンドモータにより駆動されるもの
が大部分であった。これらの駆動方法では構造の大型
化，軸シールなどからの冷媒の漏れ，モータ効率の低下
などの欠点があり、液冷媒ポンプとして課題が残るもの
であった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前記公知例においては
液冷媒用のポンプの構造については触れておらず、液冷
媒ポンプを信頼性の高い密閉形として実現する方法につ
いては不明である。

【０００５】密閉形冷媒ポンプと似た構造の流体機械に
密閉形圧縮機があり、冷凍空調分野に広く用いられてい
る。しかし、圧縮機は吸入から吐出までの全行程で冷媒
が気相であるのに対し、液冷媒ポンプでは液相である。
この違いはモータの冷却に関して大きな違いとなる。モ
ータは自己のエネルギ損失のため発熱し、冷却が不足す
ると高温となり巻線の絶縁破壊などの障害を発生する。
密閉形圧縮機においては、冷媒が気体状態であるため
に、冷媒の流れの中にモータを配置する構造とすること
により、気相の冷媒でモータを冷却することができる。

【０００６】しかし、冷媒が液相状態にある時はこの方
法が次の理由により使用できない。第１に氷蓄熱式の冷
媒サイクルにおいては液冷媒の過冷却度が小さく、モー
タとの熱交換により、気化しやすいことである。ポンプ
内部での冷媒の気化は体積が大きく膨張するため、単位
時間当たり一定体積を送る原理のポンプでは供給質量を
低下し好ましくない。第２に液冷媒に含まれる僅かな不
純物により、冷媒は気相状態よりも電気絶縁性が低下
し、モータ巻線や電力供給配線での漏電や短絡が懸念さ
れることである。したがって、モータを一体化した密閉
形液冷媒ポンプにおけるモータの冷却は従来の密閉形圧
縮機と同様の方法が使えないという問題がある。

【０００７】本発明の目的は、上記従来技術の不具合に
鑑みなされたものであり、その目的はモータ部の冷却を
確実に実施することにより、密閉形で信頼性の高い液冷
媒ポンプを実現し、また、そのポンプを効率よく活用で
きる氷蓄熱式空調システムを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に以下に示す第１の手段を用いる。

【０００９】液冷媒ポンプの一部をなすモータ部とポン
プ部の位置関係は、モータ部がポンプ部よりも上部にな
るようにする。ポンプ部は液冷媒を吸入し加圧した後に
吐出する主たる目的があるため、その内部に液冷媒を流
す主流路を形成する。本発明のひとつの特徴として、そ
の主流路から流量の一部を分岐させる自己冷却流路を備
える。この自己冷却流路は上方に伸びてモータ部の下端
に至らせる。また、本液冷媒ポンプの全体を圧力容器で
あるチャンバに収納するが、モータ部を収納しているチ
ャンバの壁面を貫通し、液冷媒ポンプ外部に至る短絡口
を備えておく。

【００１０】また、以下に示す第２の手段を加えること
により、上記目的の達成がより容易に達成できる。上記
第１の手段における自己冷却流路にモータ部に分岐する
液冷媒流量を自動制御する機能を持たせる。この機能
は、流量が過剰となりモータ巻線が液冷媒に沈むことを
防止すると共に、モータ冷却に十分な流量を確保する機
能である。

【００１１】その自動制御機能の具体的手段として、次
の第３の手段を用いることにより上記目的の達成がより
簡単となる。分岐した液冷媒は前記モータ部に下から入
るが、モータ部の底に溜まった液冷媒の量すなわち液面
高さを一定の範囲に維持する機能を有する弁を備える。
この弁は液面が高過ぎると閉まって液冷媒の流入を制限
し、液面が低くすぎると開いて液冷媒の流入量を増やす
ことにより前記機能を実現する。

【００１２】上記手段による液冷媒ポンプを氷蓄熱式空
調システムに用いる場合に次のように配管系を構成する
ことにより、液冷媒ポンプの性能を十分に活用し、高い
信頼性を確保することができる。

【００１３】液冷媒ポンプを、氷蓄熱槽の下流側で、か
つ、冷房する室内の熱交換器よりも上流側である主たる
冷媒配管の途中に備え、該液冷媒ポンプの前記短絡口か
ら続く冷媒配管は、前記室内の熱交換器よりも下流側
で、かつ、氷蓄熱槽よりも上流側で、主たる冷媒配管に
合流させる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図１〜図３を用いて、本発
明の第１の実施の形態である液冷媒ポンプならびにそれ
を用いた氷蓄熱式空調システムの構成と動作を説明す
る。図１は本実施の形態における氷蓄熱式空調システム
の配管系統を模式化した図である。図２は本発明に係わ
る、液冷媒ポンプの構造の断面模式図である。図３は図
２に示した液冷媒ポンプの内部に備える液面制御弁の一
例の模式図である。

【００１５】図１に示す氷蓄熱式空調システムは貯えた
氷による室内冷房時に動作している冷媒系統のみを抽出
したものである。したがって、蓄熱製氷時や暖房運転時
などに動作する屋外設置の熱交換器や圧縮機やそれらに
係わる配管や弁は省略した。

【００１６】液冷媒ポンプ１に対し、主蓄熱槽２と副蓄
熱槽３を経て連なる冷却配管４を吸入口２１に、室内熱
交換器８に連なる往路配管５を吐出口２１に接続する。
往路配管５終端に連なる室内熱交換器８の上流側に膨張
弁１０を備える。室内熱交換器８はファン９による室内
空気の送風手段を有する。室内熱交換器８の下流に復路
配管６が連なり、先の主蓄熱槽２の冷却配管４に連続
し、循環流路をなす。また、この循環流路に加えて、液
冷媒ポンプ１の短絡口２８から復路配管６の途中への合
流に至る短絡配管７を備える。

【００１７】主蓄熱槽２の位置は副蓄熱槽３や液冷媒ポ
ンプ１よりも高い位置に設置する。２つの蓄熱槽は水ま
たは水溶液である蓄熱剤で満たされ、そこに浸けられた
槽内熱交換器２ａ，３ａを直列に経由して冷却配管４が
連通する。配管類は熱交換器を除いて断熱材で覆い、周
囲の外気との熱交換を防止する。副蓄熱槽３の蓄熱剤
は、その融点が主蓄熱槽２の蓄熱剤の融点よりも低くな
るように選択するのが望ましい。

【００１８】図２に示す液冷媒ポンプは全体が耐圧容器
であるチャンバ１３で覆われるが、その内部はポンプ部
１１とモータ部１２に大別できる。ポンプ部１１はギア
ポンプやトロコイドポンプ，プランジャポンプなど原理
は問わないが、液体を十分な圧力かつ流量で供給する能
力を満足するものである。ポンプ部１１を動作させる動
力は駆動軸１６を回転することにより供給し、駆動軸１
６はポンプ部１１内部の軸受で支持する。ポンプ部１１
全体はチャンバ１３に固定した上部隔壁１４と下部隔壁
１５に挟み固定する。ポンプ部１１の吸入口２３は下部
隔壁１５を貫通して開けられ、下部空間２２に連通す
る。下部空間２２からチャンバ１３を貫通し外部に連通
するポンプ入口２１も設けておく。一方、ポンプ部１１
の吐出口（図示せず）は外周空間２４に面し、外周空間
２４からチャンバ１３を貫通し外部に連通するポンプ出
口２５を設ける。

【００１９】ポンプ部１１の駆動軸１６は片持ち構造
で、上部隔壁１４を貫通して上方へ延長し、モータのロ
ータ１７を固定する。モータのステータ１８はチャンバ
１３内壁に固定し、モータ巻線１９への電力供給はチャ
ンバ１３を貫通する耐圧絶縁端子（図示せず）を経由し
外部からなされる。モータ部１２はチャンバ１３内の上
部隔壁１４で区切られた上部空間２６内に位置する。ま
た、上部空間２６からチャンバ１３隔壁を貫通し外部に
連通する短絡出口２８を設ける。

【００２０】ポンプ部１１や外周空間２４と上部空間２
６とは上部隔壁１４で仕切られ、駆動軸１６の周囲も軸
シールする。外周空間２４と上部空間２６を連通するの
は、上部隔壁１４を貫通して設ける調整弁３１のみで、
この弁が自己冷却流路として作用する。調整弁３１の構
造は図３（ａ)，(ｂ）に示すように、上部隔壁１４に開
けた弁穴３２に弁軸３４を通し、その上部に浮き３３
を、下部に弁体３５を固定する。浮き３３の液冷媒に対
する浮力と浮き３３，弁軸３４，弁体３５を合計した質
量は自動弁として機能するに十分な値に設定する。その
結果、浮き３３は液面２７に追従して上下する。弁穴３
２は弁軸３４の上下運動以外の動きを規制する形状とす
るが、弁軸３４で全断面が塞がれないように、弁軸３４
と接する支持部３６と流路面積を確保する通路部３７を
円周方向交互に配する。弁体３５は最上点にある時、弁
穴３２を完全に塞ぐ形状をなす。

【００２１】次に本発明の液冷媒ポンプ１の動作につい
て説明する。

【００２２】主に夏季昼間になされる蓄熱利用の冷房運
転では、液冷媒ポンプ１を圧力源として、図１に示す矢
印の向きに冷媒が循環する。ポンプ出口２５から出た液
冷媒は往路配管５を通って室内に入り、膨張弁１０を通
過する。ここで、減圧されるため、冷媒は気化し、断熱
膨張により温度が低下する。この状態で室内熱交換器８
を通過し室内空気と熱交換することにより、室内を冷房
し、同時に冷媒ガスの温度は上昇する。

【００２３】冷媒ガスはさらに復路配管６を通って室外
に流れ、主蓄熱槽２に至る。冷媒は槽内熱交換器２ａを
通りながら主蓄熱槽２に貯えた氷の融解熱により冷却さ
れ、液化する。主蓄熱槽２を出て、冷却配管４通渦中の
冷媒はほぼ全量が液相であるが、高低差により加圧され
る。液冷媒はさらに槽内温度の低い副蓄熱槽３で冷却さ
れ、高低差加圧と合わせて過冷却状態となる。過冷却状
態の液冷媒はポンプ入口２１から液冷媒ポンプ１に吸い
込まれる。液体ポンプは一般的に吸込み流路において局
部的に圧力が低下し、キャビテーション等の障害を発生
する可能性を潜在している。本実施の形態においては、
高低差と副蓄熱槽３による冷却で過冷却の度合いを大き
くできるため、キャビテーションを抑制し、安定した運
転を期待できる。

【００２４】液冷媒ポンプ１は外部から供給される電力
がモータ部１２で回転動力となり、駆動軸１６によりポ
ンプ部１１を回転駆動する。

【００２５】液冷媒ポンプ１内部に吸い込まれた冷媒は
下部空間２２から吸入口２３を通ってポンプ部１１に入
り、加圧されて外周空間２４に送られる。外周空間２４
から出る流量の大部分はポンプ出口２５から往路配管５
に送り出されるが、一部は調整弁３１を経由して上部空
間２６に入る。上部空間２６の大部分は気相の冷媒ガス
で満たされるが、下に液相の冷媒があり、液面２７は上
部空間２６の低い位置にある。

【００２６】上部空間２６に入った液冷媒は気化するこ
とで、モータ部１２の発熱を吸収，冷却する。その後、
冷媒ガスはモータのロータ１７とステータ１８の間をぬ
って上方に流れながら更にモータ各部の熱を奪い、短絡
出口２８から外部に出る。そして短絡配管７を経て復路
配管６に合流する。

【００２７】上部空間２６内の液面２７が過剰に高い
と、調整弁３１の浮き３３が上昇し、弁体３５が弁穴３
２を塞いで流量を抑制する。すると、液冷媒の気化量が
供給量を上まわり、液面２７は低下する。逆に、液面２
７が低い場合には浮き３３が下降し、弁穴を大きく開け
るため流量が増す。すると、液冷媒の供給量が気化量を
上まわり、液面２７は上昇する。このような働きにより
液面２７はほぼ一定の高さに自動制御される。

【００２８】上部空間２６に常に液冷媒があることによ
って、モータ発熱による温度上昇があっても、冷媒の蒸
発量も増加し、すみやかに冷却される。したがって、運
転時の十分な冷却能力を確保するとともに、異常時の発
熱をも防止できる。また、液面高さ２７はモータ巻線１
９の下端よりも低い位置に設定する。したがって、モー
タ巻線１９が液冷媒に浸ることはなく、漏電を防止でき
る。

【００２９】本実施の形態によれば、液冷媒ポンプを密
閉形で単純な構造で構成し、特別な材料や加工方法を用
いることなく、高い性能と信頼性を容易に実現すること
ができる。

【００３０】次に、図４を用いて、本発明の第２の実施
の形態である液冷媒ポンプの構成と動作を説明する。図
４は本実施の形態による、液冷媒ポンプの構造の一実施
例の断面模式図である。なお、空調システムの配管構成
など第１の実施の形態と共通する構造，作用，効果など
についての説明は省略する。

【００３１】液冷媒ポンプ１のチャンバはポンプチャン
バ５１とモータチャンバ５２に分割構造とし、それぞれ
にフランジ５３，５４を設けて、断熱材質製のパッキン
５５を間にはさんで結合する。駆動軸も同様にポンプ軸
５６とモータ軸５７に分割し、磁力による非接触式の軸
継手５８を介してトルク伝達する。モータ軸５７はモー
タチャンバ５２内側に固定した支柱によって支える上下
の軸受５９により軸支する。支柱は冷媒ガスの流れを妨
げないよう十分なすきまを確保する。ポンプチャンバ５
１の外側は配管類と同様に断熱材６０で覆う。

【００３２】本実施の形態は第１の実施の形態と同様に
動作するが、モータ部１２によるポンプ部１１への回転
伝達が軸継手５８を介してなされることのみが異なる。

【００３３】本実施の形態によれば、モータ部とポンプ
部を熱的に分離し、熱伝導しにくいためモータの発熱は
ポンプ部に伝導しにくい。また、ポンプ部を断熱材で覆
ったことから、外気からの熱の進入も防止できる。した
がって、ポンプ内部での液冷媒の温度上昇を抑制し、空
調システムとしての冷房能力を低下させないのに加え、
冷媒がポンプ部１１内部で気化する可能性を排除でき
る。ポンプ部内部での冷媒の気化は前述したようにポン
プ性能を著しく低下させるため、回避する必要がある。
また、回転伝達は磁力による軸継手を介することから、
ポンプ部の異常による過剰トルクが発生した場合に、軸
継手がトルクリミッタとして動作し、モータ部を保護す
る働きも合わせもち、安全性が高い。

【００３４】

【発明の効果】本発明により、密閉形液冷媒ポンプの中
のモータ部を効率的かつ確実に冷却し、高効率で信頼性
の高い液冷媒ポンプを実現することができる。また、こ
の液冷媒ポンプを適用することにより、エネルギ効率と
信頼性の高い氷蓄熱式空調システムを提供することがで
きる。

【００３５】詳しくは、液冷媒ポンプを密閉形としたこ
とで重要となるモータの冷却を液冷媒の蒸発潜熱を利用
し確実に実行できる。同時に、過剰な液冷媒供給を防止
し、モータ巻線が液冷媒に沈み漏電するなどの障害を発
生しない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる氷蓄熱式空調システムの一実施
例である構成図。

【図２】図１に係わる液冷媒ポンプの構造の一実施例で
ある断面模式図。

【図３】本発明に係わる調整弁の構造の一実施例である
断面模式図。

【図４】図３に係わる液冷媒ポンプの構造の第２の実施
例である断面模式図。

【符号の説明】

１…液冷媒ポンプ、２…主蓄熱槽、２ａ…槽内熱交換
器、３…副蓄熱槽、３ａ…槽内熱交換器、４…冷却配
管、５…往路配管、６…復路配管、７…短絡配管、８…
室内熱交換器、９…ファン、１１…ポンプ部、１２…モ
ータ部、１３…チャンバ、１４…上部隔壁、１５…下部
隔壁、１６…短絡、１７…ロータ、１８…ステータ、１
９…モータ巻線、２１…ポンプ入口、２２…下部空間、
２３…吸入口、２４…外周空間、２５…ポンプ出口、２
６…上部空間、２７…冷媒液面、２８…短絡出口、３１
…調整弁、３２…弁流路、３３…浮き、３４…弁軸、３
５…弁体、３６…弁の支持部、３７…弁の通路部、５１
…ポンプケーシング、５２…モータケーシング、５３，
５４…フランジ、５５…パッキン、５６…ポンプ軸、５
７…モータ軸、５８…軸継手、５９…軸受。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 平工 賢二 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 貞森 博之 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 福島 敏彦 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 戸草 健治 静岡県清水市村松390番地 株式会社日立 空調システム清水生産本部内 (72)発明者 北條 俊幸 静岡県清水市村松390番地 株式会社日立 空調システム清水生産本部内 Ｆターム(参考） 3H071 AA15 BB01 CC11 CC47 DD22 DD27 DD74 DD89

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】液体を加圧供給する機能を有するポンプ部
   と、該ポンプ部を駆動するモータ部と、それらの間で動
   力を伝達する駆動軸と、以上の構成要素を内部に収納す
   るチャンバを備えた液冷媒ポンプにおいて、前記モータ
   部は前記ポンプ部よりも上部に位置し、該ポンプ部を経
   由することにより、加圧供給される液冷媒の主たる流路
   から流量の一部が分岐し、前記モータ部に至る自己冷却
   流路を備え、該モータ部を覆うチャンバ壁面を貫通し、
   該液冷媒ポンプ外部に至る短絡口を備えたことを特徴と
   する液冷媒ポンプ。
2. 【請求項２】請求項１における液冷媒ポンプにおいて、
   前記自己冷却流路はモータ部に分岐する液冷媒流量を自
   動制御し、モータ巻線が液冷媒に沈む程度の供給過多を
   防止し、同時に、モータ冷却に十分な冷媒流量を確保す
   る機能を備えたことを特徴とする液冷媒ポンプ。
3. 【請求項３】請求項２における液冷媒ポンプにおいて、
   前記自己冷却流路に備える液冷媒流量の自動制御手段と
   して、前記モータ部の下部に溜められる液冷媒の液面高
   さを一定の範囲に維持する機能を有する開閉弁を備えた
   ことを特徴とする液冷媒ポンプ。
4. 【請求項４】請求項１から３のいずれか１項に記載にお
   ける液冷媒ポンプを、氷蓄熱槽の下流側で、かつ、冷房
   する室内の熱交換器よりも上流側である主たる冷媒配管
   の途中に備え、該液冷媒ポンプの前記短絡口から続く冷
   媒配管は、前記室内の熱交換器よりも下流側で、かつ、
   氷蓄熱槽よりも上流側で、主たる冷媒配管に合流する配
   管系を有することを特徴とする液冷媒ポンプを備えた氷
   蓄熱式空調システム。