JP2010043780A - 空気サイクル冷凍ユニット - Google Patents

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

この発明の一実施形態にかかる空気サイクル冷凍ユニットの系統図である。 同空気サイクル冷凍ユニットにおけるコンプレッサ・タービンユニットの断面図である。 この発明の他の実施形態にかかる空気サイクル冷凍ユニットの系統図である。 提案例の系統図である。 同提案例の平面配置図である。 同提案例におけるコンプレッサ・タービンユニットの断面図である。

符号の説明

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

Claims (7)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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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