JP2012037093A - 冷却設備 - Google Patents

Abstract

【課題】電動機の効率を高めることができる冷却設備を提供することを課題とする。
【解決手段】冷凍機５１と、この冷凍機５１の駆動源である同期電動機１０と、冷凍機５１で冷却した低温冷媒を加圧して熱負荷５２へ送り、熱負荷５２で暖められた高温冷媒を冷凍機５１へ戻す冷媒ポンプ５３とからなる冷却設備５０であって、同期電動機１０は、巻線が巻かれる固定子を囲うインナーケースと、このインナーケースを囲うモータケースとを備え、これらインナーケースとモータケースとの間に低温冷媒を供給し、暖められた冷媒を冷凍機５１へ戻すようにした。
【効果】同期電動機は、低温冷媒の一部を導入して電動機内部を冷やす自己冷却機能を備えるため、冷凍設備の省エネルギー化を図ることができる。
【選択図】図６

Description

本発明は、冷却設備に関し、特に冷凍機を駆動する電動機の効率を高めることができる冷却設備に関する。

空調設備に代表される冷却設備には冷凍圧縮機（コンプレッサ）が使用される。この冷凍圧縮機の駆動源として、各種の電動機が提案されている（例えば、特許文献１（図１）参照。）。

特許文献１を次図に基づいて説明する。
図７は従来の技術の電動機の基本構成を説明する図であり、電動機１００は、
冷凍機の回転圧縮機１０１に直結され、回転圧縮機１０１を駆動する出力軸１０２と、出力軸１０２に設けられる回転子１０３と、この回転子１０３を囲う固定子１０４とからなる。固定子１０４は、円筒フレーム１０５の内面に設けられる。

固定子１０４に巻いた固定子巻線１０６に通電することにより、回転子１０３を回転させる。固定子巻線１０６は通電により発熱する。この熱は、円筒フレーム１０５の外周面から大気へ放出される。

円筒フレーム１０５からの放熱には限界があるため、固定子巻線１０６の温度は必然的に上昇する。固定子巻線１０６は銅線であり、銅は高温になると電気抵抗が増加する。すなわち、固定子巻線１０６が高温になると、電力ロスが増加し、電動機の効率が低下する。

冷却設備の省エネルギー化が進められる中、電動機の効率向上が望まれる。

特開平７−３５０７４公報

本発明は、電動機の効率を高めることができる冷却設備を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、冷凍機と、この冷凍機の駆動源である電動機と、冷凍機で冷却した低温冷媒を加圧して熱負荷へ送り、熱負荷で暖められた高温冷媒を前記冷凍機へ戻す冷媒ポンプとからなる冷却設備において、
前記電動機に前記低温冷媒を供給し、前記電動機を冷却して暖められた冷媒を前記冷凍機へ戻すようにしたことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、電動機の固定子をインナーケースで囲い、このインナーケースをモータケースで囲い、このモータケースとインナーケースとの間に、低温冷媒を供給し、暖められた冷媒を冷凍機へ戻すようにしたことを特徴とする。

請求項３に係る発明では、電動機は、出力軸に、永久磁石を備える回転子を設け、この回転子を固定子で囲い、この固定子に巻いた固定子巻線に通電することで回転子を回転させる同期電動機であることを特徴とする。

請求項４に係る発明では、固定子は、リング部と、このリング部から出力軸に向かって延び回転子巻線が巻かれるティース部と、このティース部に巻かれる回転子巻線と、からなり、
リング部の径方向幅は、ティース部の突出長さを下回らない幅に設定されていることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、電動機に低温冷媒を供給し、電動機を冷却して暖められた冷媒を冷凍機へ戻すようにした。
電動機を低温冷媒で冷却するので、空冷に比べて格段に冷却効率を上げることができる。結果、電力ロスを低減し、電動機の効率を高めることができる。

したがって、本発明によれば、電動機の効率を高めることができる冷却設備が提供される。

加えて、電動機は、冷凍機の駆動源であると共に、この動力で冷却した低温冷媒の一部を導入して電動機内部を冷やす自己冷却機能を備える。よって、電動機を冷却するために冷却手段を別途必要としない。したがって、電動機とは別に冷却手段を設けた設備に比べ、一層の省エネルギー化を図ることができる。

請求項２に係る発明では、固定子をインナーケースで囲い、このインナーケースをモータケースで囲い、このモータケースとインナーケースとの間に、低温冷媒を供給し、暖められた冷媒を冷凍機へ戻すようにした。
固定子を囲うインナーケースの外側を低温冷媒が流れるため、この低温冷媒によって、インナーケースの内部全体を効率的に冷却することができる。

請求項３に係る発明では、電動機は、出力軸に、永久磁石を備える回転子を設け、この回転子を固定子で囲い、この固定子に巻いた固定子巻線に通電することで回転子を回転させる同期電動機である。
低温冷媒の冷却作用によって、固定子巻線が効率的に冷却されるため、固定子巻線の電気抵抗を低減することができる。結果、高い回転精度を備える同期電動機の省エネルギー化を図ることができる。

請求項４に係る発明では、固定子のリング部の径方向幅を、ティース部の突出長さを下回らない幅に設定した。

一般に、電動機では、電動機の小型化を図るため、リング部の径方向幅をティース部の突出長さと同等又は突出長さより小さくし、固定子の外径寸法を小さくすることが行われる。
しかし、固定子の外径寸法を小さくすると、固定子中の磁束密度が上がるため、いわゆる鉄損が大きくなる。

この点、本発明では、固定子の外径寸法を大きく確保したので、鉄損を低減することができる。結果、電動機の効率が上がるため、冷却設備の更なる省エネルギー化を実現することができる。

本発明を構成する主要素である同期電動機の分解図である。 同期電動機の断面図である。 図２の３−３線断面図である。 図２の４部拡大図である。 図３の５−５線断面図である。 本発明に係る冷却設備の構成を説明する図である。 従来の電動機の基本構成を説明する図である。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。

本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
先ず、実施例に係る冷却装置の主要素である同期電動機について説明する。なお、同期電動機、冷凍機及び冷媒ポンプからなる冷却装置全体の構成については、後述する。

図１に示すように、同期電動機１０は、冷却機の駆動源であり、出力軸１１に設けられ永久磁石１２を備える回転子１３と、固定子巻線１５が巻かれ回転子１３を囲う固定子１６と、この固定子１６を囲うように支える固定子ケース１７と、この固定子ケース１７を囲うインナーケース１８と、このインナーケース１８を囲うモータケース２１とからなる。

永久磁石１２は、平板状を呈しており、回転子１３の内部に複数（この例では６個）埋め込まれる。複数の永久磁石１２は、回転子１３の円周方向に等間隔に並ぶように配置されている。

固定子１６は、固定子ケース１７に嵌るリング部２２と、このリング部２２から固定子１６の中心に向けて延びる多数のティース部２３と、このティース部２３に巻かれる固定子巻線１５とからなる。多数のティース部２３は、リング部２２の円周方向に所定のピッチで等間隔に並ぶように配置されている。

インナーケース１８は、例えばダイカストで製造される鋳造品である。インナーケース１８の外面に、放射状に延びる多数の冷却フィン２５が設けられている。なお、インナーケース１８の材質は、熱伝導性の高いアルミニウム合金が望ましい。

冷却フィン２５は、表面積が大きく確保されるように、基部が太く、先端に行くに従って先細る形状に成形される。多数の冷却フィン２５、２５の基部に、出力軸１１の軸方向と平行に延びる冷媒管２６、２７が設けられている。冷媒管２６、２７は、例えばステンレス管であり、インナーケース１８を鋳造する際に、冷却フィン２５、２５の基部に鋳ぐるまれる。
鋳ぐるむと、冷媒管２６、２７と冷却フィン２５とが密着するため、伝熱性能を高めることができる。

図２に示すように、インナーケース１８とモータケース２１との間に、第１空間部３１が形成される。この第１空間部３１は、インナーケース１８の外表面全体を囲う。そして、第１空間部３１には、冷却機から供給される低温冷媒が流される。

同期電動機１０の長手方向の構成を図３に基づいて説明する。
図３に示すように、出力軸１１は、固定子ケース１７に軸受３２、３２を介して回転自在に支持されている。回転子１３は、円板状のけい素鋼板からなる回転子プレート３３を出力軸１１の軸方向に積層してなる。永久磁石１２は、積層された多数の回転子プレート３３を出力軸１１の軸方向に貫通するように延びる。

固定子１６も、円板状のけい素鋼板からなる固定子プレート３５を出力軸１１の軸方向に積層してなる。多数の固定子プレート３５の外周縁は、固定子ケース１７の内面に取付けられている。

固定子ケース１７とインナーケース１８との間に、所定の隙間で第２空間部３６が形成される。第２空間部３６の軸方向の両端は、スペーサリング３７、３７で密閉されている。スペーサリング３７、３７は、固定子ケース１７とインナーケース１８との間に複数のボルト３８で締結される。

モータケース２１は、複数のボルト３８でインナーケース１８に締結される。モータケース２１の下部に、第１空間部３１へ冷媒を導入する導入管４１が設けられている。モータケース２１の上部に、第１空間部３１から冷媒を外部へ導出する導出管４２が設けられている。モータケース２１はモータベース２８で支えられる。なお、モータケース２１の材質は、丈夫な鋳鉄が望ましい。

次に、固定子１６のリング部及びティース部の寸法について説明する。
図４に示すように、固定子１６のリング部２２の径方向幅Ｗは、ティース部２３の突出長さＬを下回らない幅に設定されている。リング部２２の径方向幅Ｗを大きくすることで、リング部２２における磁束密度を低く抑える。

続いて、冷媒管の配管例を説明する。
図５に示すように、例えば、隣合う冷媒管２６、２７を、出力軸（図３、符号１１）の出力側にて管継手４３で接続する。冷媒管２６、２７のうちの一方の冷媒管２６を導入用とし、他方の冷媒管２７を導出用とする。多数の管継手４３を用いることで多数の冷媒管２６、２７を全体として蛇管のように構成することができる。この場合、最も導入側の冷媒管２６の端部から冷媒を導入し、最も導出側の冷媒管２７の端部から冷媒を排出すれば、冷媒の経路を簡素化することができる。

電動機外部から冷媒管２６へ低温冷媒を導入し（矢印（１））、冷却フィン２５を冷却する。そして、管継手４３にて冷媒管２６から冷媒管２７へ低温冷媒を流入させる（矢印（２））。そして、冷媒管２７に低温冷媒を流すことで、隣接する冷却フィン２５を冷却し、外部に導出する（矢印（３））。

以上に述べた同期電動機１０の作用を次に述べる。
図３に示すように、低温冷媒を導入管４１から第１空間部３１へ導入し、固定子巻線１５を含むインナーケース１８の内部全体を低温冷媒で冷却する。そして、低温冷媒を導出管４２から外部へ導出する。低温冷媒による冷却であるため、空冷に比べて格段に冷却効率を上げることができる。

したがって、固定子巻線１５を効率的に冷却することができ、電力ロスを低減できる。結果、同期電動機１０の更なる省エネルギー化を実現することができる。

また、第１空間部３１に冷却フィン２５が存在するので、表面積の大きな冷却フィン２５と、低温冷媒との間で、良好に熱交換を行うことができる。したがって、固定子巻線１５に対する冷却性能を更に高めることができる。

また、インナーケース１８をアルミニウム合金などの熱伝導性の高い材質で構成することにより、低温冷媒と冷却フィン２５との熱交換をより良好に行うことができる。

さらに、冷媒管２６、２７に低温冷媒を流すことで、第１空間部３１を流れる低温冷媒の冷却作用に加え、冷媒管２６、２７を流れる低温冷媒の冷却作用によっても、固定子巻線１５が冷却される。結果、固定子巻線１５に対する冷却効果を一層高めることができる。

加えて、リング部の径方向幅（図４、符号Ｗ）を、ティース部の突出長さ（図４、符号Ｌ）を下回らない幅に設定したので、固定子１６の外径寸法を大きく確保することができる。

一般に、同期電動機では、電動機の小型化を図るため、リング部の径方向幅をティース部の突出長さと同等又は突出長さより小さくし、固定子の外径寸法を小さくすることが行われる。
しかし、固定子の外径寸法を小さくすると、固定子中の磁束密度が上がるため、いわゆる鉄損が大きくなる。

この点、同期電動機１０では、固定子１６の外径寸法を大きく確保したので、鉄損を低減することができる。結果、同期電動機１０の効率が上がるため、同期電動機１０の更なる省エネルギー化を実現することができる。

続いて、同期電動機１０を使用した冷却装置を説明する。
図６に示すように、同期電動機１０を冷凍機５１の駆動源（例えば、冷凍圧縮機（コンプレッサ）の駆動源）として使用した。

冷却設備５０は、冷凍機５１と、この冷凍機５１の駆動源である同期電動機１０と、冷凍機５１で冷却した低温冷媒を加圧して熱負荷５２へ送り、熱負荷５２で暖められた高温冷媒を冷凍機５１へ戻す冷媒ポンプ５３とからなる。なお、冷媒には、水や二酸化炭素など、任意の熱媒体が使用可能である。

このような冷却設備５０は、製氷工場や大型の建物に付属する大規模空調設備に好適である。また、冷凍コンテナや冷凍コンテナ車、冷凍コンテナ船にも適用可能であり、用途は任意である。

冷凍機５１と冷媒ポンプ５３とは、冷媒導出管５５で接続される。冷媒ポンプ５３と熱負荷５２とは、冷媒供給管５６で接続される。熱負荷５２と冷凍機５１とは、冷媒導入管５７で接続される。

冷媒供給管５６に、第１流入管５８及び第２流入管６１が接続される。第１流入管５８は、同期電動機１０の導入管（図３、符号４１）に接続されており、第１空間部（図３、符号３１）と連通している。一方、第２流入管６１は、同期電動機１０の冷媒管（図５、符号２６）に接続される。

同期電動機１０の導出管（図３、符号４２）と冷媒導入管５７とは、第１流出管６２で接続される。同期電動機１０の冷媒管（図５、符号２７）と第１流出管６２の中間部とは、第２流出管６３で接続される。

以上に述べた冷却設備５０の作用について説明する。
冷凍機５１で冷却した低温冷媒を、冷媒ポンプ５３により冷媒導出管５５及び冷媒供給管５６を介して熱負荷５２に送る（矢印（４））。このとき、冷媒供給管５６に流入した低温冷媒の一部を、第１流入管５８及び第２流入管６１のそれぞれに分流させる（矢印（５）、（６））。

第１流入管５８に分流した低温冷媒を同期電動機１０の第１空間部（図３、符号３１）に流入させ、この低温冷媒で、冷却フィン（図３、符号２５）及びインナーケース（図３、符号１８）の内部全体を冷却する。一方、第２流入管６１に分流した低温冷媒を同期電動機１０の冷媒管（図３、符号２６）に流入させ、この低温冷媒で冷却フィン（図３、符号２５）の内部を冷却する。

そして、第１空間部（図３、符号３１）で熱を吸収した高温冷媒を、第１流出管６２を介して冷媒導入管５７へ送る（矢印（７））。また、冷媒管（図３、符号２７）で熱を吸収した高温冷媒を、第２流出管６３から第１流出管６２へ合流させ（矢印（８））、冷媒導入管５７へ送る。すると、熱負荷５２を冷却した高温冷媒と同期電動機１０を冷却した高温冷媒とが合流する。合流した高温冷媒を冷凍機５１に戻し（矢印（９））、同期電動機１０の動力によって再度冷却する。

冷却設備５０では、低温冷媒で同期電動機１０を冷却させることができるので、固定子巻線（図３、符号１５）をより効果的に冷却することができる。結果、電力ロスを一層低減でき、省エネルギー効果の高い冷却設備５０が提供される。

また、同期電動機１０は、冷凍機の５１の駆動源であると共に、この動力で冷却した冷媒によって電動機内部を冷やす自己冷却機能を備える。よって、同期電動機１０を冷却するために冷却手段を別途必要としない。したがって、同期電動機１０とは別に冷却手段を設けた設備に比べ、一層の省エネルギー化を図ることができる。

尚、本発明の冷却設備は、実施の形態では同期電動機に適用したが、任意の電動機に適用可能である。また、実施の形態では、電動機１０の第１空間部（図３、符号３１）及び冷媒管（図３、符号２６、２７）に冷媒を流すことで電動機を冷却するようにしたが、電動機を冷媒に通すための構造は任意である。

本発明の冷却設備は、工場の冷却設備やビルなどの建物に付属する空調設備に好適である。

１０…同期電動機、１１…出力軸、１２…永久磁石、１３…回転子、１５…固定子巻線、１６…固定子、１８…インナーケース、２１…モータケース、２２…リング部、２３…ティース部、３１…第１空間部（モータケースとインナーケースとの間）、５０…冷却設備、５１…冷凍機、５２…熱負荷、５３…冷媒ポンプ、Ｗ…リング部の径方向幅、Ｌ…ティース部の突出長さ。

Claims (4)

1. 冷凍機と、この冷凍機の駆動源である電動機と、冷凍機で冷却した低温冷媒を加圧して熱負荷へ送り、熱負荷で暖められた高温冷媒を前記冷凍機へ戻す冷媒ポンプとからなる冷却設備において、
   前記電動機に前記低温冷媒を供給し、前記電動機を冷却して暖められた冷媒を前記冷凍機へ戻すようにしたことを特徴とする冷却設備。
2. 前記電動機の固定子をインナーケースで囲い、このインナーケースをモータケースで囲い、このモータケースと前記インナーケースとの間に、前記低温冷媒を供給し、暖められた冷媒を前記冷凍機へ戻すようにしたことを特徴とする請求項１記載の冷却設備。
3. 前記電動機は、出力軸に、永久磁石を備える回転子を設け、この回転子を前記固定子で囲い、この固定子に巻いた固定子巻線に通電することで前記回転子を回転させる同期電動機であることを特徴とする請求項２記載の冷却設備。
4. 前記固定子は、リング部と、このリング部から前記出力軸に向かって延び前記回転子巻線が巻かれるティース部と、このティース部に巻かれる前記回転子巻線と、からなり、
   前記リング部の径方向幅は、前記ティース部の突出長さを下回らない幅に設定されていることを特徴とする請求項３記載の冷却設備。

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