JP2008537919A - レシオ歯車駆動アセンブリを動力源とする冷却装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、冷凍または空気調節装置を含む冷却装置に関する。特に本発明は、内燃機関に連結されたレシオ歯車駆動アセンブリ（８０）によって供給される回転力によって小型遠心圧縮機（１１、１２）を利用する冷凍または空気調節装置に関する。

Description

本発明は冷凍および空気調節装置に関する。特に本発明は、レシオ（ｒａｔｉｏｅｄ）歯車駆動アセンブリによって供給される回転力による小型遠心圧縮機を利用する可動冷凍および空気調節装置に関する。

（関連出願の相互参照）
本願は、２００５年３月２１日出願の米国仮特許出願第６０／６６３，９２４号明細書の優先権の利益を主張するものである。

ここ数十年間、冷凍産業は、モントリオール議定書の結果、段階的に廃止されるオゾン層破壊クロロフルオロカーボン（ＣＦＣ）およびヒドロクロロフルオロカーボン（ＨＣＦＣ）の代替冷媒の発見に取り組んできた。ほとんどの冷媒製造業者にとって、解決策はヒドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）冷媒の商業化であった。現時点で最も広範囲に使用されている新規ＨＦＣ冷媒、ＨＦＣ−１３４ａはオゾン層破壊係数がゼロであり、従って、モントリオール議定書の結果である現規制の段階的廃止に影響されない。

最終的には、さらなる環境規制によって、特定のＨＦＣ冷媒が世界的に段階的に廃止される可能性がある。現在、自動車産業は、可動空気調節に使用される冷媒の地球温暖化係数（ＧＷＰ）に関連する規制に直面している。従って、現在、自動車空気調節市場のための地球温暖化係数が減少された新規冷媒を確認する高い必要性がある。将来、より広範囲に規制が適用された場合、冷凍および空気調節産業の全分野において使用可能な冷媒に対してより高い必要性があると考えられる。

現在提案されているＨＦＣ−１３４ａの代替冷媒としては、ＨＦＣ−１５２ａ、ブタンまたはプロパンのような純粋な炭化水素、またはＣＯ₂もしくはアンモニアのような「天然の」冷媒が挙げられる。これらの提案された代替物の多くは毒性、可燃性であり、そして／または低いエネルギー効率を有する。従って新規代替物が絶えず求められている。

可動空気調節市場に関するＧＷＰの高いＨＦＣのこのような課題への新規アプローチは、革新的な種類の蒸気圧縮冷凍または空気調節装置における新規の低圧、低ＧＷＰ冷媒の使用を含む。小規模遠心（小型遠心）圧縮機は、これら新規の低ＧＷＰ冷媒の使用を促進する。しかしながら、かかる系の動力要件は、既存の自動車設計においては満たされない。

従来、内燃機関によって駆動される可動または固定空気調節システムにおいて、動力はベルトおよび滑車システムを経由してエンジンから空気調節装置圧縮機まで伝達される。効率および信頼性のより大きな損失なしに、通常のエンジン回転速度から、ベルトおよび滑車のみを経由して遠心圧縮機を作動するために必要とされる回転速度へと回転速度の増加を達成することは難しいことが知られている。

エネルギーを電気モーターから戸外サイクル可動空気調節システムの圧縮機まで伝達する従来のベルトおよび滑車システムの使用は、米国特許公報（特許文献１）に記載される。この場合、かかるシステムで得ることができる速度比が限定される（約２倍）ため、圧縮機は好ましくは低速圧縮機である。

工業用冷却装置で大規模な遠心圧縮機を駆動するための電気モーターに連結された歯車列の使用は、米国特許公報（特許文献２）に開示される。この特許は、圧縮機および高速誘導電動機において磁気軸受を組み入れる別の技術が圧縮機に動力に供給することを主張する。かかるシステムの電力要件は、可動または遠隔固定冷却システムに関して実際的ではない。

従って、圧縮機への回転エネルギー増加のために電気モーターならびにベルトおよび滑車システムの使用に依存せずに自動車の乗員室で空気を冷却するためのシステムを開発することは望ましい。かかる系において低ＧＷＰ冷媒が使用可能であるように、かかるシステムが小型遠心圧縮機の動力要件を満たすことも望ましい。

米国特許第６，３８１，９７３号明細書 米国特許第５，９２４，８４７号明細書 米国特許第５，０６５，９９０号明細書 米国特許第５，３６３，６７４号明細書 米国特許第６，６８２，４３０号明細書 米国特許第６，０７２，２５８号明細書 米国特許第６，００５，３１７号明細書 米国仮特許出願第６０／６５１，６８７号明細書 米国仮特許出願第６０／６７４，８２５号明細書 米国仮特許出願第６０／６７４，９２９号明細書 米国仮特許出願第６０／６７４，９２１号明細書 米国仮特許出願第６０／６８５，２８７号明細書 米国仮特許出願第６０／６８５，２８８号明細書 米国仮特許出願第６０／７３２，５８１号明細書 米国特許出願第１１／０１４，００６号明細書 米国特許出願第１１／０１４，０００号明細書 米国特許出願第１１／０１４，４３５号明細書 米国特許出願第１１／０１４，４３３号明細書 米国特許出願第１１／０１４，４３８号明細書 米国特許出願第１１／０１４，３３４号明細書 米国特許出願第１１／０１３，９０１号明細書 米国特許出願第１１／０１４，３４３号明細書 米国特許出願第１１／０６３，１７８号明細書 米国特許出願第１１／０６３，２０３号明細書 米国特許出願第１１／０６３，０４０号明細書 米国特許出願第１１／０６２，９７５号明細書 米国特許出願第１１／１５１，４８１号明細書 米国特許出願第１１／１５２，７３１号明細書 米国特許出願第１１／１５２，７３２号明細書 米国特許出願第１１／１５３，１９５号明細書 米国特許出願第１１／１５３，１６８号明細書 米国特許出願第１１／１５３，８０４号明細書

本発明は、冷凍または空気調節装置の小型遠心圧縮機への回転力の供給手段に関する。

特に本発明は、内燃機関に連結されたレシオ歯車駆動アセンブリによって駆動される圧縮機を含む冷凍または空気調節装置に関する。本発明の使用によって、任意のレシオベルト駆動によるレシオ歯車駆動が、冷凍または空気調節装置の最適な作動を提供するために回転スピードの要求される増加に関して必要なエネルギーを供給する。

さらに、小型遠心圧縮機に関する動力要件は自動車エンジンに関する現在の設計では容易に満たされない。現在の自動車設計で利用可能な電力は約１４ボルトである。小型遠心圧縮機は、約５０ボルトの電力を必要とする。本発明は、図１に関して上記されるように、小型遠心圧縮機インペラシャフトへと回転力を提供するために内燃機関クランクシャフトからレシオ歯車駆動を利用することによって、小型遠心圧縮機の使用を可能にする。

添付の図面を参照することによって、本発明は良好に理解されるであろう。

本発明に従って、冷凍または空気調節装置のいずれかであり得る冷却装置が提供される。かかる装置を図１に示す。蒸気圧縮冷凍および空気調節システムは、蒸発器、圧縮機、凝縮器および膨張デバイスを含む。蒸気圧縮サイクルは複数の工程で冷媒を再利用し、１つの工程で冷却効果を生じさせ、他の工程で熱効果を生じさせる。図１に関して詳細に以下に記載されるように、かかるシステムは、一般的に蒸発器、圧縮機、凝縮器および膨張デバイスを含む。図１を参照して、蒸発器（４２）からの気体冷媒はパイプライン（６３）を通って、遠心圧縮機、より好ましくは小型遠心圧縮機であってよい圧縮機へと流れ、そこでインペラ（１１）をその中に有する第１段階ハウジングの吸引に入り、そして第１段階ハウジングから第２のインペラ（１２）をその中に有する第２段階ハウジングの吸引へと放出される。第２段階ハウジングからの圧縮冷媒気体アウトプットは、パイプライン（６１）を通って圧縮機から凝縮器（４１）へと流れる。パイプライン（６１）の圧力調節バルブ（５１）によって、パイプライン（６３）を介して圧縮機へと冷媒流の再循環が可能であり、それによって凝縮器（４１）に到達する冷媒の圧力を制御する性能がもたらされ、そして必要であれば圧縮機サージが防止される。圧縮冷媒は凝縮器で凝縮され、従って熱を放出する。液体冷媒はパイプライン（６２）を介して、膨張デバイス（５２）を通って蒸発器（４２）まで流れる。これは乗員室に位置する。蒸発器において、液体冷媒は蒸発され、冷却がもたらされ、次いでサイクルが繰り返される。膨張デバイス（５２）は、膨張バルブ、毛細管またはオリフィスチューブであり得る。

本発明の圧縮機は、内燃機関に連結されたレシオ歯車駆動アセンブリによって駆動される。これは、以下の図１で示すように達成される。エンジンクランクシャフト（７３）は、第１の滑車（３１）を介してベルト（３３）を駆動する。また前記ベルトは、クラッチ（８１）および少なくとも１つの歯車対（８２）を含むレシオ歯車駆動アセンブリ（８０）に取り付けられた第２の滑車（３２）も回転する。この歯車駆動アセンブリは、小型遠心圧縮機の回転シャフト（７１）に回転力を供給する。好ましい実施形態において、ベルトおよび滑車システムはレシオベルト駆動であってよく、エンジンからの回転速度のいくらかの増加をもたらす。本明細書に記載されるレシオ歯車駆動アセンブリおよびレシオベルト駆動は市販品として入手可能である。

歯車駆動および圧縮機の共通駆動を促進するため、歯車駆動および圧縮機は共通の回転シャフトを共有してもよい。あるいは図２に示されるように、別々の回転シャフトがあってもよい。

ここで、別の配置が示される図２を参照する。圧縮機回転シャフト（７１）はレシオ歯車アセンブリシャフト（７２）から分離していてもよく、そして２つのシャフトが連結デバイス（２１）によって接合されてもよい。この連結デバイス（２１）は、回転磁気連結デバイスであってよい。磁気連結は、直接的接触のない状態で回転運動を伝達するために使用される。回転連結は、主に回転している機械でシールの使用をなくすために使用される。時間の経過によってシールが悪化する傾向があり、そして漏出を引き起こすため、磁気連結器の使用はかかる機械の信頼度および安全面を改善する。

本発明で使用される回転磁気連結器は、好ましくは同軸配置である。２つの半分の連結器は互いに同軸で取り付けられ、互いに入れ子状にされる。外部部材は歯車アセンブリシャフトに連結され、そして内部部材は圧縮機回転シャフトに連結される。圧縮機ボディに取り付けられたカップ型固定部材は、駆動器（歯車アセンブリシャフト）と従動子（圧縮機回転シャフト）との間に存在し、そして冷媒流体を周囲環境および歯車アセンブリ装置から分離する。この種類の磁気連結は市販品として入手可能である。

加えて、図２に示される連結（２１）は、回転シャフトを接合するために使用されてよいいずれかの他の機械式連結手段によって接合されてもよい。

図１の記載に関して上記されるように、本発明の冷凍または空気調節システムは圧縮機を含む。

共通シャフトが使用される場合、または図２の任意の機械連結（２１）によって連結された別々のシャフトがある場合、圧縮機から冷媒の漏出を防止するため、および圧縮機への空気の漏出を防止するために、圧縮機回転シャフトの周囲にシールが必要とされてもよい。本発明は、周囲空気から圧縮機の内部を密封するための圧縮機シャフトシールの使用を含み得る。小型遠心圧縮機に関して使用される冷媒は低圧冷媒であるため、圧縮機中へと空気が漏出するのを防止するため、特に、冷却性能の低下を防止するためにシールが必要とされてもよい。シャフトシールは当該分野で既知のいくつかの設計の１つであってよく、そして限定されないが鋼、セラミックまたは炭素を鋼に対して含む構造のいくつかの材料の１つであってよい。

冷凍の適用において使用されてよい様々な種類の圧縮機がある。圧縮機は一般的に、流体を圧縮する機械的手段次第で、レシプロ式、回転、ジェット、遠心、スクロール、スクリューまたは軸流として分類可能であるか、あるいは機械的素子が圧縮される流体に作用する様式次第で容積式（例えば、レシプロ式、スクロールまたはスクリュー）または動的（例えば、遠心またはジェット）として分類可能である。本発明の装置は、好ましくは遠心型圧縮機を利用する。

遠心圧縮機は放射状に冷媒を加速させる回転素子を使用し、そして典型的にケーシングまたはハウジングに収容されたインペラおよび拡散器を含む。遠心圧縮機は、通常、インペラアイまたは循環インペラの中央入口において流体を取り入れ、そして放射状に外方向へそれを加速させる。いくらかの静圧力上昇がインペラにて生じるが、ほとんどの圧力上昇は、速度が静圧力へと変換されるケーシングの拡散器部分で生じる。各インペラ−拡散器セットは圧縮機の段階である。遠心圧縮機は、所望の最終圧力および取り扱われる冷媒の容積次第で、１〜１２またはより多くの段階から構成される。本発明の装置は、少なくとも１つの段階（１つのインペラ）、好ましくは２つの段階（２つのインペラ）を有する遠心圧縮機を用いる。

圧縮機の圧力比または圧縮比は、絶対吐出し圧力対絶対吸込み圧力の比率である。遠心圧縮機によって送達される圧力は、容量の比較的広範囲にわたり、実際に不変である。

容積式圧縮機はチャンバーへと蒸気を引き、そしてチャンバーの容積が低下し、蒸気が圧縮される。圧縮後、チャンバーの容積を０またはほぼ０までさらに低下させることによってチャンバーから蒸気が強制される。容積式圧縮機は、圧力に耐える部分の容積効率および強度のみによって限定される圧力を高め得る。

容積式圧縮機とは異なり、遠心圧縮機はインペラを通過して蒸気を圧縮するための高速インペラの遠心力に完全に依存する。これには容積移送がなく、むしろ動的圧縮がある。

遠心圧縮機において多段階インペラシステムを使用して、圧縮機効率を改善してもよく、従って、使用中に必要とされる動力がより少なくなる。２段階システムに関して、作動時、第１段階のインペラの放出は、第２のインペラの吸引吸入口へと行く。両方インペラは単一シャフト（または軸）の使用によって作動され得る。各段階は約４対１の圧縮比を確立し得、すなわち、絶対吐出し圧力は絶対吸引圧力の４倍であり得る。２段階遠心圧縮機システムのいくつかの例は、特に自動車応用に関して、両方とも参照により本明細書に援用される米国特許公報（特許文献３）および米国特許公報（特許文献４）に記載される。

遠心圧縮機が発現し得る圧力はインペラ先端部速度に依存する。先端部速度とは、その先端部で測定されたインペラの速度であり、そしてインペラの直径および１分あたりの回転に関連する。遠心圧縮機を使用する冷凍機器に関して、先端部速度およびインペラ直径をいくつかの基本的関係を作成することによって推定することができる。インペラが理想的に気体に与えるトルクは、以下のように画定される。
Ｔ＝ｍ^*（ｖ₂ ^*ｒ₂−ｖ₁ ^*ｒ₁） 式１
式中、
Ｔ＝トルク、ニュートンメートル
ｍ＝質量流量、ｋｇ／秒
ｖ₂＝インペラから離れる冷媒の接線速度（先端部速度）、メートル／秒
ｒ₂＝インペラ出口の半径、メートル
ｖ₁＝インペラに入る冷媒の接線速度、メートル／秒
ｒ₁＝インペラ入口の半径、メートル

冷媒が本質的に軸方向でインペラに入ると仮定すると、速度の接線成分ｖ₁＝０、すなわち、
Ｔ＝ｍ^*ｖ₂ ^*ｒ₂ 式２

シャフトで必要とされる動力は、トルクおよび回転速度の積であり、
Ｐ＝Ｔ^*ω 式３
式中、
Ｐ＝動力、Ｗ
ω＝角速度、ラジアン／秒
従って、
Ｐ＝Ｔ^*ｗ＝ｍ^*ｖ₂ ^*ｒ₂ ^*ω 式４

低冷媒流速において、インペラの先端部速度および冷媒の接線速度はほぼ同一であり、すなわち、
ｒ₂ ^*ω＝ｖ₂ 式５
および
Ｐ＝ｍ^*ｖ₂ ^*ｖ₂ 式６

理想動力に関するもう１つの式は、流動の質量速度および圧縮の等エントロピー仕事の積であり、
Ｐ＝ｍ^*Ｈ_i ^*（１０００Ｊ／ｋＪ） 式７
式中、
Ｈ_i＝蒸発条件の飽和蒸気から飽和凝縮条件への冷媒のエンタルピー差、ｋＪ／ｋｇ

式６および７の２つの式を組み合わせると、
ｖ₂ ^*ｖ₂＝１０００^*Ｈ_i 式８
が導かれる。

遠心圧縮機の容量はインペラを通る通過のサイズによって決定される。これによって、圧縮機のサイズは容量よりも必要とされる圧力次第となる。大型遠心圧縮機は、典型的に１分あたり３０００〜７０００回転（ｒｐｍ）で運転される。小規模遠心圧縮機（小型遠心分離機）は、約２０，０００ｒｐｍ〜約７５，０００ｒｐｍの高速用に設計され、そして小さいインペラ直径、典型的に約０．１５メートル（約６インチ）未満を有する。本発明で使用可能な小型遠心圧縮機は、好ましくは３０，０００〜５０，０００ｒｐｍのインペラ速度で運転され、そして０．１０メートル（約４インチ）未満のインペラ直径を有する。

固定冷凍または空気調節装置は、建物の中で空気を冷却するため、または従来の不可動、車両以外の据え付けのシステムにおいて食品のような腐りやすい商品、医薬品等を冷却するために使用される機器を指す。

かかる固定の冷凍または空気調節システムは、定置内燃機関が発電装置を駆動するために使用されるＣＨＰ（熱電気複合利用（Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｈｅａｔ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ））システムに関連する。ランキンサイクル（Ｒａｎｋｉｎｅ Ｃｙｃｌｅ）（蒸気機関）または有機ランキンサイクル（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｒａｎｋｉｎｅ ｃｙｃｌｅ）（ＯＲＣ）のような手段によって、エンジンで生じた廃熱を回収および使用して仕事を実行することができる。ランキンサイクルにおいて、熱を使用し、次いでタービンを駆動する液体（ＯＲＣの場合、有機液体）を蒸発させる。タービンの機械エネルギーを使用し、冷凍または空気調節システムを運転する発電機を駆動してもよい。

本発明の別の実施形態は、歯車からのアウトプットシャフトが小型遠心圧縮機に連結されたかかるシステムで利用される定置エンジンのクランクシャフトからの高比率歯車駆動の使用を含む。一例は、電力供給網のない家庭用の市販品として入手可能なＣＨＰシステムの一部としてのこの使用であり、これは電気を発生させ、廃熱を回収し、水または建物の空気を加熱し、そして同時にレシオ歯車駆動圧縮機を使用して冷却をもたらす。本発明は、電力の利用が限定され、利用可能であってもごくわずかである僻地において特に有用である。

可動冷凍装置または可動空気調節装置は、道路、レール、海または空用の可動輸送ユニット中に組み入れられるいずれもの冷凍または空気調節装置を指す。加えて、「インターモダル」システムとして既知の、いずれの移動キャリアにも依存しないシステムのための冷凍または空気調節をもたらすことを意味する装置は本発明に含まれる。かかるインターモダルシステムは、「容器」（海および陸輸送の組み合わせ）ならびに「スワップボディ（ｓｗａｐ ｂｏｄｙ）」（道路およびレール輸送の組み合わせ）を含む。本発明は、特に、自動車空気調節装置または冷凍道路輸送装置のような道路輸送冷凍または空気調節装置のために有用である。

本発明の小型遠心圧縮機は、約０．５トン（１．７ｋＷ）〜約３トン（１０．３ｋＷ）の範囲で冷凍容量を生じ得る。典型的に、自動車乗員室を冷却するために約１．２トン（４．０ｋＷ）〜約２．０トン（６．８ｋＷ）が必要である。道路およびレール冷凍容器のような多くの可動冷凍ユニットに関しては、より大容量が必要とされ得る。

本発明の冷凍または空気調節装置は、蒸発器および／または凝縮器のためにフィンおよびチューブ熱交換器、マイクロチャネル熱交換器、ならびに垂直または水平シングルパスチューブあるいはプレート種類熱交換器をさらに利用してもよい。

従来のマイクロチャネル熱交換器は、本発明の冷凍または空気調節装置において使用される新規の低圧冷媒に関して理想的ではない。低い作動圧力および密度のため、高い流速および全ての構成部分において高い摩擦損失がもたらされる。これらの場合、蒸発器設計は変更されてもよい。（冷媒経路に関して）いくつかのマイクロチャネルスラブが連続的に連結されるよりはむしろ、シングルスラブ／シングルパス熱交換器配列が使用されてもよい。この種類の熱交換器は、同時に全冷媒が流れて、従って、熱交換器を横切ってより少ない圧力差が生じる複数のチャネルを含む。従って、本発明の冷凍または空気調節装置の蒸発器および／または凝縮器としての使用のための好ましい熱交換器設計は、シングルスラブ／シングルパス熱交換器である。

エンジンクランクシャフトは、一般的に約６００毎分回転数（ｒｐｍ）〜約６０００ｒｐｍの範囲で作動する。小型遠心圧縮機は約２０，０００ｒｐｍ〜約７５，０００ｒｐｍで作動しなければならないため、回転速度の増加をもたらすためにレシオ歯車駆動アセンブリが必要である。従って、歯車および任意のレシオベルト駆動は、そのような増加の大きさに対してサイズ設定されなければならない。加えて、圧縮機インペラ速度は、全ての道路速度およびエンジンアイドルの間、十分な冷却を確実にするように最小限の速度で維持されなければならない。

最適の冷却性能を確実にするため、本冷凍または空気調節装置内に特定の制御が必要とされてもよい。高いエンジン速度条件において、エンジンクランクシャフトは高速で回転し、そして同様に圧縮機インペラ速度を増加させる。圧縮機インペラが高すぎる速度比で駆動されないように、レシオ歯車駆動は制御されるべきである。設計限界以上の過度のインペラ速度は圧縮機内部にインペラブレードの変形のような損傷を引き起こし得、これによって一般的に圧縮機性能が低下し、そして最終的により短い圧縮機寿命がもたらされる。さらに、エンジンアイドル時、最適な冷却が達成されるように最小レベルで歯車がインペラ速度を維持しなければならない。

本発明の一実施形態において、適切な冷却のために最適範囲で圧縮機インペラ速度を制御するために、少なくとも２つの歯車対が使用される。ここで図３を参照すると、歯車アセンブリシャフト（７４）が、歯車対（８２ａ）を歯車対（８２ｂ）へと接合していることが示される。エンジンが高速で作動している場合、適切な空気調節装置性能のために適切な速度で圧縮機を作動させ続けるために、制御によってより低い比率の歯車対へとクラッチ操作される。あるいは、エンジンアイドル時、歯車駆動によってより高い比率の歯車対へとクラッチ操作され、従って、空気調節装置によって適切な冷却のために適切なインペラ速度が維持される。

加えて、本発明の第２の実施形態において、アイドル速度から公道速道までエンジンｒｐｍの変化に適応するように圧縮機の速度を増加または低下させるために滑車上で調節可能な滑車輪を利用する駆動ベルトシステムによって圧縮機インペラの速度を制御してもよい。調節可能な滑車輪の可変速度駆動機構は、駆動される滑車の速度を増加または低下させるためにサイズ設定することができる。可変性滑車輪ベルト駆動は市販品として入手可能である。

可変速駆動のための駆動種類の選択としては、牽引駆動、ベルトおよびチェーン駆動、歯車駆動またはディファレンシャル、液圧駆動、渦電流駆動および磁気連結が挙げられる。牽引駆動は、可変速機構および特別に成形されたインプットおよびアウトプットプレートの間の摩擦に依存し、比較的高い効率で可変速を達成する。ベルトおよびトレイン駆動は調節可能な直径滑車輪または滑車によって作動する。歯車駆動は、全ての可変速駆動で最も耐久性であり、頑丈であり、そして効率的であるが、それらは特定の数の固定歯車の比率のみを提供可能である。液圧駆動においては、駆動モーターが一定の速度、流体連結および液圧ポンプおよびモーターで作動しているときに、駆動された荷重の速度を液圧によって変化させる２つの主要な方法がある。アウトプットおよびインプットシャフトの配置が様々な幾何学的配置のいずれかにあり得るという点で液圧駆動はいくらかのさらなる屈曲性を提供し、従って、より多くの設計および設置オプションが可能である。しかしながら、作動液システムが必要とされるという点で液圧駆動は複雑さの要素を加える。

本発明の好ましい実施形態において、圧縮機インペラの速度が磁気可変速駆動の使用によって制御されてもよい。この可変速駆動は、図２に示される連結デバイス（２１）として機能し得る。かかる磁気駆動は、駆動器と負荷との間の物理的な連結を空隙と置き換える。物理的な連結がないため、この種類の駆動は、振動をなくし、雑音を減少し、位置合わせのずれを許容し、過負荷保護をもたらし、機器寿命を延長し、そして全体的な維持費を削減する。

可変速駆動は、空隙を横切って駆動器から負荷までトルクを伝達することによって作動する。駆動する側（例えば、歯車アセンブリ）および駆動される側（例えば、圧縮機インペラシャフト）の間に機械的連結はない。トルクは、駆動の一方において希土類元素磁石の相互作用によって生じ、他方で磁場を誘導する。空隙の間隔を変更することによって、伝達されるトルクの量を制御することが可能であり、従って速度制御が可能である。

磁気可変速駆動は、歯車アセンブリ（８２）および圧縮機回転シャフト（７１）の間に位置してもよい。本発明のこの実施形態において、圧縮機回転シャフトは、歯車アセンブリによって回転されるシャフトとは分離している。この歯車アセンブリシャフトは可変速駆動の駆動側であり、そして圧縮機インペラシャフトは荷重側である。

磁気可変速駆動は、負荷に取り付けられた希土類元素磁石を含有する磁石ローターアセンブリと、歯車駆動シャフトに取り付けられた銅導体ローターアセンブリと、磁石ローターおよび導体ローターの間で空隙間隔を制御する作動構成部分とからなる。銅導体および磁石ローターアセンブリの相対的な回転は、空隙を横切って磁気連結を誘導する。磁石ローターおよび導体ローターの間の空隙間隔を変更することによって、制御されたアウトプット速度が生じる。アウトプット速度は、調節可能、制御可能および再生可能である。

磁気誘導の原則は、磁石および導体の間で相対運動を必要とする。これは、アウトプット速度が常にインプット速度より低いことを意味する。速度の差異はスリップとして既知である。磁気可変速駆動のいくつかの例は、米国特許公報（特許文献５）、米国特許公報（特許文献６）および米国特許公報（特許文献７）に記載される。これらは全て参照により本明細書に援用される。

冷凍または空気調節装置の所望の冷却力および最適作動を維持するために必要に応じて、圧縮機シャフト回転速度を感知し、そしてエンジンアイドル、作動時歯車対または磁気可変速駆動を調節する制御システムが使用されてもよい。

冷凍または空気調節が必要とされない条件で、例えば、寒い冬の時期に空気調節が自動車乗員室であまり使用されない場合、圧縮機はオフにされるべきである。このような状態においては、クラッチ（８１）は、歯車アセンブリ（８２）を回転滑車（３２）から離して設定する。従って、圧縮機回転シャフトは切断され、そして定常条件に維持される。

さらに本発明は、内燃機関に連結されたレシオ歯車駆動アセンブリを動力源とする小型遠心圧縮機中で冷媒を圧縮する工程と、前記冷媒を凝縮する工程と、その後、冷却させるボディ周辺で前記冷媒を蒸発させる工程とを含む冷却を生じさせる方法に関する。

このような新規冷凍または空気調節装置が有用である冷媒は、飽和および不飽和化合物を含むヒドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）、フルオロエーテル（ＨＦＯＣ）、ハロケトン、炭化水素、クロロカーボン、アルコール、ケトン、エーテル、エステル、Ｎ−（ジフルオロメチル）−Ｎ,Ｎ−ジメチルアミン、１，１，１，２，２−ペンタフルオロ−２−［（ペンタフルオロエチル）チオ］エタンおよびそれらの組み合わせである。必要とされる冷却力次第で、有用な冷媒の沸点は約−５０℃から約＋７５℃のいずれでもよい。好ましくは、本発明で有用な冷媒は約０℃〜約＋６０℃の範囲の沸点を有し、従って、Ｒ−１２、Ｒ−２２またはＲ−１３４ａのような従来のＣＦＣ、ＨＣＦＣおよびＨＦＣ冷媒よりも室温で低い蒸気圧を有する。またこの冷媒は低い、またはゼロのオゾン層破壊係数および低い地球温暖化係数を有する。冷凍または空気調節装置における新規小型遠心圧縮機に関して有用な冷媒としては、限定されないが、ＨＦＣ−２４５ｆａ（１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパン、ＣＦ₃ＣＨ₂ＣＨＦ₂）、ＨＦＣ−３６５ｍｆｃ（ＣＦ₃ＣＨ₂ＣＦ₂ＣＨ₃、１，１，１，３，３−ペンタフルオロブタン）、ＨＦＣ−４３−１０ｍｅｅ（１，１，１，２，３，４，４，５，５，５−デカフルオロペンタン、ＣＦ₃ＣＨＦＣＨＦＣＦ₂ＣＦ₃）、ＨＦＣ−６３−１４ｍｃｅｅ（１，１，１，２，２，３，４，５，５，６，６，７，７，７−テトラデカフルオロヘプタン、ＣＦ₃ＣＨＦＣＨＦＣＦ₂ＣＦ₃）、ＨＦＣ−１３３６ｍｚｚ（ＣＦ₃ＣＨ＝ＣＨＣＦ₃、１，１，１，４，４，４−ヘキサフルオロ−２−ブテン）、ＨＦＣ−１４２９ｍｙｚ（ＣＦ₃ＣＦ＝ＣＨＣＦ₂ＣＦ₃、１，１，１，２，４，５，５，５−ノナフルオロ−２−ペンテン）、ＨＦＣ−１４２９ｍｚｙ（ＣＦ₃ＣＨ＝ＣＦＣＦ₂ＣＦ３、１，１，１）、ＨＦＣ−１４３８ｍｚｚ（ＣＦ₃ＣＨ＝ＣＨＣＦ₂ＣＦ₃、１，１，１，４，４，５，５，５−オクタフルオロ−２−ペンテン）、ＨＦＣ−１５３−１０ｍｚｚ（ＣＦ₃ＣＨ＝ＣＨＣＦ₂ＣＦ₂ＣＦ₃、１，１，１，４，４，５，５，６，６，６−デカフルオロ−２−ヘキセン）、ＨＦＣ−１５３−１０ｍｃｚｚ（ＣＦ₃ＣＦ₂ＣＨ＝ＣＨＣＦ₂ＣＦ₃、１，１，１，２，２，５，５，６，６，６−デカフルオロ−３−ヘキセン、ＨＦＣ−１５３−１０ｍｍｙｚｚ（ＣＦ₃ＣＨ＝ＣＨＣＦ（ＣＦ₃）₂、１，１，１，４，５，５，５−ヘプタフルオロ−４−（トリフルオロメチル）−２ペンテン）、ＰＦＢＥ（ペルフルオロブチルエチレン、ＣＦ₃（ＣＦ₂）₃ＣＨ＝ＣＨ₂）、ＰＥＩＫ（ペルフルオロエチルイソプロピルケトン、ＣＦ₃ＣＦ₂Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ₃）₂）、ＰＭＩＫ（ペルフルオロメチルイソプロピルケトン、ＣＦ₃Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ₃）₂）、ＨＦＯＣ−２７２ｆｂＥβγ（ＣＨ₃ＯＣＨ₂ＣＨＦ₂、１，１−ジフルオロ−２−メトキシエタン）、ＨＦＯＣ−３４７ｍｍｚＥβγ（ＣＨ₂ＦＯＣＨ（ＣＦ₃）₂、１，１，１，３，３，３−ヘキサフルオロ−２−（フルオロメトキシ）プロパン）、ＨＦＯＣ−３６５ｍｃＥγδ（ＣＦ₃ＣＦ₂ＣＨ₂ＯＣＨ₃、１，１，１，２，２−ペンタフルオロ−３−メトキシプロパン）、ＨＦＯＣ−３５６ｍｍｚＥβγ（ＣＨ₃ＯＣＨ（ＣＨ₃）₂、１，１，１，３，３，３−ヘキサフルオロ−２−メトキシプロパン）、ＨＦＯＣ−４６７ｍｍｙＥβγ（ＣＨ₃ＣＨ₂ＯＣＦ（ＣＦ₃）₂、２−エトキシ−１，１，１，２，３，３，３−ヘプタフルオロプロパン）、２，２−ジメチルブタン（ＣＨ₃ＣＨ₂Ｃ（ＣＨ₃）₃）、シクロペンタン（シクロ−（ＣＨ₂）₅−）、トランス−１，２−ジクロロエチレン（ＣＨＣｌ＝ＣＨＣｌ）、ジメトキシメタン（ＣＨ₃ＯＣＨ₂ＯＣＨ₃）、ギ酸メチル（ＨＣＯＯＣＨ₃）、Ｃ₄Ｆ₉ＯＣＨ₃およびそれらの組み合わせが挙げられる。本発明の冷凍または空気調節装置での使用のためのこれらおよび他の適切な冷媒は、２００５年２月９日出願の米国特許公報（特許文献８）；全て２００５年４月２６日出願の米国特許公報（特許文献９）、米国特許公報（特許文献１０）、米国特許公報（特許文献１１）；両方とも２００５年５月２７日出願の米国特許公報（特許文献１２）、米国特許公報（特許文献１３）；および２００５年１１月１日出願の米国特許公報（特許文献１４）、２００４年１２月１６日出願の米国特許公報（特許文献１５）、米国特許公報（特許文献１６）、米国特許公報（特許文献１７）、米国特許公報（特許文献１８）、米国特許公報（特許文献１９）、米国特許公報（特許文献２０）、米国特許公報（特許文献２１）、米国特許公報（特許文献２２）、２００５年２月２２日出願の米国特許公報（特許文献２３）、米国特許公報（特許文献２４）、米国特許公報（特許文献２５）および米国特許公報（特許文献２６）、２００５年６月１３日出願の米国特許公報（特許文献２７）、両方とも２００５年６月１４日出願の米国特許公報（特許文献２８）および米国特許公報（特許文献２９）、ならびに２００５年６月１５日出願の米国特許公報（特許文献３０）、米国特許公報（特許文献３１）および米国特許公報（特許文献３２）に開示される。

冷却されるボディは、冷凍または空気調節を必要とするいずれの空間、位置または物体であってもよい。固定の適用において、ボディは構造内部、すなわち、住居用または商業用、または食料品のような腐敗しやすいものまたは医薬品の保管場所であってよい。可動冷凍装置および可動空気調節装置の定義に関して、多数の可動システムが前記される。

さらに本発明は、冷凍または空気調節装置内の圧縮機への動力供給方法であって、圧縮機を内燃機関によって駆動されるレシオ歯車駆動アセンブリに連結して、圧縮機に動力を供給する工程を含む方法に関する。さらに本発明は、冷凍または空気調節装置内の内燃機関に連結されたレシオ歯車駆動アセンブリによって駆動される圧縮機のインペラ速度の制御方法であって、装置作動中のエンジンアイドル速度を変化させる工程を含む方法に関する。

さらに本発明は、冷凍または空気調節装置内の内燃機関に連結されたレシオ歯車駆動アセンブリを動力源とする圧縮機のインペラ速度の制御方法であって、複数の歯車対および少なくとも１つのクラッチを含むレシオ歯車駆動を提供する工程を含む方法に関する。

さらに本発明は、冷凍または空気調節装置内の内燃機関に連結されたレシオ歯車駆動アセンブリを動力源とする圧縮機のインペラ速度の制御方法であって、磁気可変速駆動を介して圧縮機をレシオ歯車駆動アセンブリに連結する工程を含む方法に関する。

さらに本発明は、内燃機関に連結されたレシオ歯車駆動アセンブリを動力源とする圧縮機を含む冷凍または空気調節装置の冷却力の制御方法であって、装置作動中のエンジンアイドル速度を変化させる工程を含む方法に関する。

さらに本発明は、内燃機関に連結されたレシオ歯車駆動アセンブリを動力源とする圧縮機を含む冷凍または空気調節装置の冷却力の制御方法であって、複数の歯車対および少なくとも１つのクラッチを含むレシオ歯車駆動アセンブリを提供する工程を含む方法に関する。

さらに本発明は、内燃機関に連結されたレシオ歯車駆動アセンブリを動力源とする圧縮機を含む冷凍または空気調節装置の冷却力の制御方法であって、磁気可変速駆動を介して圧縮機をレシオ歯車駆動アセンブリに連結する工程を含む方法に関する。

さらに本発明は、内燃機関に連結されたレシオ歯車駆動アセンブリによって駆動される圧縮機を含む冷凍または空気調節装置内の圧縮機サージの制御方法であって、圧縮機の放出から吸引への冷媒の再循環を制御することによって圧縮機を通る冷媒の最小流量を維持する工程を含む方法に関する。圧縮機サージは、圧縮機への損傷の可能性のため回避されるべき条件である。圧縮機を通して前方への流動がもはや圧縮機を横切って増加する圧力差のため維持が不可能である場合、瞬間的な流動逆転が生じ得る。図１の再循環バルブ（５１）によって圧縮機からの冷媒流量のいくらかの部分は圧縮機吸引へ変更され、従って、サージ点以下で圧縮機を横切って圧力が釣り合う。

さらに本発明は、冷凍または空気調節装置内の内燃機関に連結されたレシオ歯車駆動アセンブリを動力源とする圧縮機のインペラ速度の制御方法であって、可変速機械駆動を介して圧縮機をレシオ歯車駆動アセンブリに連結する工程を含む方法に関する。

さらに本発明は、内燃機関に連結されたレシオ歯車駆動アセンブリを動力源とする圧縮機を含む冷凍または空気調節装置の冷却力の制御方法であって、可変速機械駆動を介して圧縮機をレシオ歯車駆動アセンブリに連結する工程を含む方法に関する。

以下の表は、４０，０００ｒｐｍのインペラ速度で約１．５トンの冷却力を生じさせるため、冷媒としてＰＥＩＫ（ペルフルオロエチルイソプロピルケトン）を使用するシステムのための理論上の先端部速度およびインペラ直径を示す。本実施例に関して仮定される条件は以下の通りである。
蒸発器温度：４０．０°Ｆ（４．４℃）
凝縮器温度：１１０．０°Ｆ（４３．３℃）
液体サブクール温度：１０．０°Ｆ（５．５℃）
戻り気体温度：７５．０°Ｆ（２３．８℃）
圧縮機効率は８０％である。

これらは小型タービン遠心圧縮機が運転する典型的な条件である。以下の表１に、蒸発器から離れる時の冷媒気体のエンタルピー（Ｈ 蒸発器 外）、凝縮器に入る時の冷媒気体のエンタルピー（Ｈ 凝縮器 中）、蒸発器と圧縮機との間のエンタルピー変化（デルタ Ｈｉ）および蒸発器と圧縮機との間のエンタルピー変化に０．８を掛けたもの（圧縮機効率の８０％を算出するため）を示す。また以下の表は冷凍装置の理論上の先端部速度およびインペラ直径を示す。

冷凍または空気調節装置に組み入れられた、レシオベルト駆動を介して内燃機関に連結されたレシオ歯車駆動アセンブリを動力源とする圧縮機の一実施形態の図。 冷凍または空気調節装置に組み入れられた、レシオベルト駆動を介して内燃機関に連結された連結デバイスを介してレシオ歯車駆動アセンブリに連結された圧縮機の第２の実施形態の図。 図１または図２で使用される歯車駆動アセンブリの代わりに使用可能な２つの歯車対を示すレシオ歯車駆動アセンブリの図。

Claims (28)

1. 内燃機関に連結されたレシオ歯車駆動アセンブリによって駆動される圧縮機を含むことを特徴とする冷凍または空気調節装置。
2. 可動冷凍装置または可動空気調節装置であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 固定冷凍装置または固定空気調節装置であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 前記圧縮機が遠心圧縮機であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 前記圧縮機が小型遠心圧縮機であることを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 前記圧縮機が多段階小型遠心圧縮機であることを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 前記圧縮機が２段階小型遠心圧縮機であることを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 前記レシオ歯車駆動アセンブリを前記内燃機関に連結するためのレシオベルト駆動をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
9. 前記レシオ歯車駆動アセンブリが前記圧縮機の外側にある歯車アセンブリ回転シャフトを回転させ、前記歯車アセンブリ回転シャフトが連結デバイスによって圧縮機回転シャフトに連結されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
10. 前記連結デバイスが回転磁気連結デバイスであることを特徴とする請求項９に記載の装置。
11. 内燃機関に連結されたレシオ歯車駆動アセンブリによって駆動される圧縮機を含む冷凍または空気調節装置内の圧縮機サージの制御方法であって、前記圧縮機の放出から吸引への冷媒の再循環を制御することによって前記圧縮機を通る冷媒の最小流量を維持する工程を含むことを特徴とする方法。
12. 冷凍または空気調節装置内の圧縮機への動力供給方法であって、前記圧縮機を内燃機関によって駆動されるレシオ歯車駆動アセンブリに連結して、前記圧縮機に動力を供給する工程を含むことを特徴とする方法。
13. 冷凍または空気調節装置内の内燃機関に連結されたレシオ歯車駆動アセンブリによって駆動される圧縮機のインペラ速度の制御方法であって、装置作動中のエンジンアイドル速度を変化させる工程を含むことを特徴とする方法。
14. 内燃機関に連結されたレシオ歯車駆動アセンブリを動力源とする圧縮機を含む冷凍または空気調節装置の冷却力の制御方法であって、装置作動中のエンジンアイドル速度を変化させる工程を含むことを特徴とする方法。
15. 冷凍または空気調節装置内の内燃機関に連結されたレシオ歯車駆動アセンブリを動力源とする圧縮機のインペラ速度の制御方法であって、複数の歯車対および少なくとも１つのクラッチを含むレシオ歯車駆動を提供する工程を含むことを特徴とする方法。
16. 内燃機関に連結されたレシオ歯車駆動アセンブリを動力源とする圧縮機を含む冷凍または空気調節装置の冷却力の制御方法であって、複数の歯車対および少なくとも１つのクラッチを含むレシオ歯車駆動アセンブリを提供する工程を含むことを特徴とする方法。
17. 冷凍または空気調節装置内の内燃機関に連結されたレシオ歯車駆動アセンブリを動力源とする圧縮機のインペラ速度の制御方法であって、磁気可変速駆動を介して前記圧縮機を前記レシオ歯車駆動アセンブリに連結する工程を含むことを特徴とする方法。
18. 内燃機関に連結されたレシオ歯車駆動アセンブリを動力源とする圧縮機を含む冷凍または空気調節装置の冷却力の制御方法であって、磁気可変速駆動を介して前記圧縮機を前記レシオ歯車駆動アセンブリに連結する工程を含むことを特徴とする方法。
19. 前記圧縮機が小型遠心圧縮機であることを特徴とする請求項１１〜１８のいずれか一項に記載の方法。
20. 内燃機関に連結されたレシオ歯車駆動アセンブリを動力源とする小型遠心圧縮機中で冷媒を圧縮する工程と、前記冷媒を凝縮する工程と、その後、冷却させるボディ周辺で前記冷媒を蒸発させる工程とを含むことを特徴とする冷却を生じさせる方法。
21. 蒸発器、凝縮器またはその両方として少なくとも１つのシングルスラブ／シングルパス熱交換器をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
22. 前記冷却させるボディが自動車乗員室または固定構造であることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
23. 前記圧縮機が可変速機械駆動システムによって前記レシオ歯車駆動アセンブリに連結されることを特徴とする請求項９に記載の装置。
24. 前記可変速機械駆動システムが牽引駆動、ベルトおよび鎖駆動、歯車駆動またはディファレンシャル、液圧駆動、渦電流駆動および磁気連結からなる群から選択されることを特徴とする請求項２３に記載の装置。
25. 前記可変速機械駆動システムが磁気可変速駆動であることを特徴とする請求項２４に記載の装置。
26. 冷凍または空気調節装置内の内燃機関に連結されたレシオ歯車駆動アセンブリを動力源とする圧縮機のインペラ速度の制御方法であって、可変速機械駆動を介して前記圧縮機を前記レシオ歯車駆動アセンブリに連結する工程を含むことを特徴とする方法。
27. 内燃機関に連結されたレシオ歯車駆動アセンブリを動力源とする圧縮機を含む冷凍または空気調節装置の冷却力の制御方法であって、可変速機械駆動を介して前記圧縮機を前記レシオ歯車駆動アセンブリに連結する工程を含むことを特徴とする方法。
28. 前記可変速機械駆動システムが牽引駆動、ベルトおよびチェーン駆動、歯車駆動またはディファレンシャル、液圧駆動、渦電流駆動および磁気連結からなる群から選択されることを特徴とする請求項２６または２７に記載の方法。

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