JP2018068021A - Turbomachine and refrigeration cycle device using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、ターボ機械及びそれを用いた冷凍サイクル装置に関する。 The present disclosure relates to a turbo machine and a refrigeration cycle apparatus using the same.
ターボ圧縮機などのターボ機械には、しばしば、誘導モータが使用されている。誘導モータの発熱は、回転すべりによる損失のため、一般に、同期モータの発熱よりも大きい。そのため、シャフトと平行な方向に延びる通風穴が回転子を構成する鉄心に設けられたり、半径方向に延びる通風穴が鉄心に設けられたりする。これらの通風穴は、誘導モータを効率的に冷却することに寄与する。 Induction motors are often used in turbomachines such as turbocompressors. The heat generation of the induction motor is generally larger than the heat generation of the synchronous motor due to loss due to rotational slip. Therefore, the ventilation hole extended in the direction parallel to a shaft is provided in the iron core which comprises a rotor, or the ventilation hole extended in radial direction is provided in an iron core. These ventilation holes contribute to the efficient cooling of the induction motor.
図6Aは、特許文献1に記載された従来の誘導モータの回転子の縦断面図である。図6Bは、A−A線に沿った回転子の横断面図である。回転子は、円板309と、円板309の両側に配置された鉄心303とで構成されている。円板309及び鉄心303は、シャフト301に嵌められている。鉄心303には、通風穴308aが設けられている。円板309にも、通風穴308bが設けられている。円板309には、通風穴308bに連なり、半径方向に延びる通風穴311が設けられている。円板309及び鉄心303には、導体304が挿入されている。
6A is a longitudinal sectional view of a rotor of a conventional induction motor described in Patent Document 1. FIG. FIG. 6B is a cross-sectional view of the rotor taken along line AA. The rotor includes a
ターボ機械において、モータを冷却することは重要である。モータの冷却が不十分である場合、モータから作動流体に熱が活発に伝わり、様々な不利益がもたらされる。 In turbomachines, it is important to cool the motor. If the motor is not sufficiently cooled, heat is actively transferred from the motor to the working fluid, resulting in various disadvantages.
本開示の1つの目的は、ターボ機械において、モータから作動流体への伝熱を抑制するための技術を提供することにある。 One object of the present disclosure is to provide a technique for suppressing heat transfer from a motor to a working fluid in a turbomachine.
すなわち、本開示は、
モータと、
前記モータに固定された羽根車と、
を備えたターボ機械であって、
前記モータは、
長手方向に延びる複数のリブを含むシャフトと、
前記複数のリブに接している内周面を有し、前記シャフトに固定された回転子と、
前記回転子の周囲に配置された固定子と、
前記回転子と前記固定子との間にある隙間と、
前記シャフトと前記回転子との間に設けられ、前記シャフトの周方向において互いに隣り合う前記リブと前記リブとの間に存在する第1流路と、
前記回転子の内周面から前記回転子の外周面に向かって前記回転子を貫通し、前記シャフトの半径方向において前記第1流路と前記隙間とを連通させている第2流路と、
を有する、ターボ機械を提供する。
That is, this disclosure
A motor,
An impeller fixed to the motor;
A turbomachine comprising:
The motor is
A shaft including a plurality of longitudinally extending ribs;
A rotor having an inner peripheral surface in contact with the plurality of ribs and fixed to the shaft;
A stator disposed around the rotor;
A gap between the rotor and the stator;
A first flow path provided between the rib and the rib provided between the shaft and the rotor and adjacent to each other in the circumferential direction of the shaft;
A second flow path penetrating the rotor from an inner peripheral surface of the rotor toward an outer peripheral surface of the rotor, and communicating the first flow path and the gap in the radial direction of the shaft;
A turbomachine is provided.
本開示の技術によれば、ターボ機械において、モータから作動流体への伝熱を抑制することができる。 According to the technology of the present disclosure, heat transfer from a motor to a working fluid can be suppressed in a turbo machine.
(本開示の基礎となった知見)
モータにおいて、シャフトと回転子との間の接触面積は大きく、回転子からシャフトに熱が伝わりやすい。ターボ機械において、シャフトには、作動流体を圧縮するための羽根車が固定されている。シャフト及び羽根車を通じて、回転子の熱が作動流体に伝わると、圧縮効率の低下を招く。また、シャフトを支持する軸受の温度が上昇すると、軸受における潤滑性も低下する可能性がある。そのため、モータから作動流体への伝熱を抑制するためには、回転子からシャフトへの伝熱を抑制することが重要である。
(Knowledge that became the basis of this disclosure)
In the motor, the contact area between the shaft and the rotor is large, and heat is easily transmitted from the rotor to the shaft. In a turbo machine, an impeller for compressing a working fluid is fixed to a shaft. When the rotor heat is transferred to the working fluid through the shaft and the impeller, the compression efficiency is reduced. Further, when the temperature of the bearing that supports the shaft increases, the lubricity of the bearing may also decrease. Therefore, in order to suppress heat transfer from the motor to the working fluid, it is important to suppress heat transfer from the rotor to the shaft.
本開示の第1態様にかかるターボ機械は、
モータと、
前記モータに固定された羽根車と、
を備えたターボ機械であって、
前記モータは、
長手方向に延びる複数のリブを含むシャフトと、
前記複数のリブに接している内周面を有し、前記シャフトに固定された回転子と、
前記回転子の周囲に配置された固定子と、
前記回転子と前記固定子との間にある隙間と、
前記シャフトと前記回転子との間に設けられ、前記シャフトの周方向において互いに隣り合う前記リブと前記リブとの間に存在する第1流路と、
前記回転子の内周面から前記回転子の外周面に向かって前記回転子を貫通し、前記シャフトの半径方向において前記第1流路と前記隙間とを連通させている第2流路と、
を有するものである。
The turbomachine according to the first aspect of the present disclosure is:
A motor,
An impeller fixed to the motor;
A turbomachine comprising:
The motor is
A shaft including a plurality of longitudinally extending ribs;
A rotor having an inner peripheral surface in contact with the plurality of ribs and fixed to the shaft;
A stator disposed around the rotor;
A gap between the rotor and the stator;
A first flow path provided between the rib and the rib provided between the shaft and the rotor and adjacent to each other in the circumferential direction of the shaft;
A second flow path penetrating the rotor from an inner peripheral surface of the rotor toward an outer peripheral surface of the rotor, and communicating the first flow path and the gap in the radial direction of the shaft;
It is what has.
第1態様によれば、リブの外周面が回転子の内周面に接し、これにより、回転子がシャフトに固定されている。回転子とシャフトとの間の接触面積が小さいので、回転子の熱がシャフトに伝わりにくい。また、第1態様によれば、シャフトの半径方向に関する第2流路の長さを十分に確保することができる。この場合、より大きい体積の冷却ガスに遠心力が働くので、第2流路の出口における圧力が高まり、回転子と固定子との間の隙間に流入する冷却ガスの流量が増加する。そのため、モータから冷却ガスへの放熱量も増加する。さらに、第1流路は、シャフトと回転子との間にある。回転子を軸方向に貫く孔を省くことができるので、回転子において磁束が飽和することが防止される。その結果、すべり損失が減少し、モータの発熱が抑制される。以上に説明した複合的な効果により、モータのシャフトから羽根車への伝熱が抑制される。つまり、モータから作動流体への伝熱が抑制される。その結果、圧縮効率の低下、潤滑性の低下なども抑制されうる。 According to the first aspect, the outer peripheral surface of the rib is in contact with the inner peripheral surface of the rotor, whereby the rotor is fixed to the shaft. Since the contact area between the rotor and the shaft is small, the heat of the rotor is not easily transmitted to the shaft. Moreover, according to the 1st aspect, the length of the 2nd flow path regarding the radial direction of a shaft can fully be ensured. In this case, the centrifugal force acts on the larger volume of the cooling gas, so the pressure at the outlet of the second flow path increases, and the flow rate of the cooling gas flowing into the gap between the rotor and the stator increases. Therefore, the amount of heat released from the motor to the cooling gas also increases. Further, the first flow path is between the shaft and the rotor. Since a hole penetrating the rotor in the axial direction can be omitted, the magnetic flux is prevented from being saturated in the rotor. As a result, slip loss is reduced and heat generation of the motor is suppressed. Due to the combined effects described above, heat transfer from the motor shaft to the impeller is suppressed. That is, heat transfer from the motor to the working fluid is suppressed. As a result, a decrease in compression efficiency and a decrease in lubricity can be suppressed.
本開示の第2態様において、例えば、第1態様にかかるターボ機械の前記複数のリブは、それぞれ、前記シャフトの前記長手方向にらせん状に延びている。第2態様によれば、冷却ガスは、旋回方向だけでなく、軸方向にも加速される。その結果、第1流路における冷却ガスの流量が増加する。 In the second aspect of the present disclosure, for example, the plurality of ribs of the turbomachine according to the first aspect each extend in a spiral shape in the longitudinal direction of the shaft. According to the second aspect, the cooling gas is accelerated not only in the turning direction but also in the axial direction. As a result, the flow rate of the cooling gas in the first flow path increases.
本開示の第3態様において、例えば、第1又は第2態様にかかるターボ機械の前記複数のリブは、それぞれ、前記シャフトの回転方向と逆方向のねじれ角にて、前記シャフトの前記長手方向にらせん状に延びている。第3態様によれば、第2態様における効果がより十分に得られる。 In the third aspect of the present disclosure, for example, the plurality of ribs of the turbomachine according to the first or second aspect are each in the longitudinal direction of the shaft at a twist angle opposite to the rotation direction of the shaft. It extends in a spiral. According to the 3rd aspect, the effect in a 2nd aspect is acquired more fully.
本開示の第4態様において、例えば、第1〜第3態様のいずれか1つにかかるターボ機械の前記モータは、前記シャフト、前記回転子及び前記固定子を格納しているケーシングをさらに有し、前記ケーシングは、その内部空間として、前記シャフトの前記長手方向における前記回転子の一端に隣接している第1空間と、前記シャフトの前記長手方向における前記回転子の他端に隣接している第2空間とを含み、前記第1空間及び前記第2空間のそれぞれに前記第1流路が開口している。このような構造によれば、回転子と固定子との間の隙間及び第1流路に冷却ガスがスムーズに導入される。 In the fourth aspect of the present disclosure, for example, the motor of the turbomachine according to any one of the first to third aspects further includes a casing storing the shaft, the rotor, and the stator. The casing has, as its internal space, a first space adjacent to one end of the rotor in the longitudinal direction of the shaft and an other end of the rotor in the longitudinal direction of the shaft. The first flow path is opened in each of the first space and the second space. According to such a structure, the cooling gas is smoothly introduced into the gap between the rotor and the stator and the first flow path.
本開示の第5態様にかかる冷凍サイクル装置は、
冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器で気化した前記冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮された前記冷媒を凝縮させる凝縮器と、
を備え、
前記圧縮機は、第1〜第4態様のいずれか1つのターボ機械を含み、
前記冷媒が前記モータの冷却ガスとして使用されるものである。
The refrigeration cycle apparatus according to the fifth aspect of the present disclosure is:
An evaporator for evaporating the refrigerant;
A compressor for compressing the refrigerant vaporized by the evaporator;
A condenser for condensing the refrigerant compressed by the compressor;
With
The compressor includes any one of the first to fourth turbomachines,
The refrigerant is used as a cooling gas for the motor.
第5態様によれば、第1態様で説明した効果と同じ効果が得られる。さらに、冷凍サイクル装置の冷媒がモータの冷却ガスとして使用されているので、特別なシール構造が必要とされない。 According to the fifth aspect, the same effect as described in the first aspect can be obtained. Furthermore, since the refrigerant of the refrigeration cycle apparatus is used as the cooling gas for the motor, no special sealing structure is required.
本開示の第6態様において、例えば、第5態様にかかる冷凍サイクル装置の前記圧縮機は、第4態様のターボ機械を含み、第1の圧力を有する前記冷媒が流れる流路が前記第1空間に接続され、前記第1の圧力よりも低い第2の圧力を有する前記冷媒が流れる流路が前記第2空間に接続されている。第6態様によれば、回転子と固定子との間の隙間、第1流路及び第2流路に冷却ガスとしての冷媒をスムーズに導入することができる。 In the sixth aspect of the present disclosure, for example, the compressor of the refrigeration cycle apparatus according to the fifth aspect includes the turbomachine according to the fourth aspect, and the flow path through which the refrigerant having the first pressure flows is the first space. The flow path through which the refrigerant having a second pressure lower than the first pressure flows is connected to the second space. According to the sixth aspect, the refrigerant as the cooling gas can be smoothly introduced into the gap between the rotor and the stator, the first flow path, and the second flow path.
本開示の第7態様にかかる誘導モータは、
長手方向に延びる複数のリブを含むシャフトと、
前記複数のリブに接している内周面を有し、前記シャフトに固定された回転子と、
前記回転子の周囲に配置された固定子と、
前記回転子と前記固定子との間にある隙間と、
前記シャフトと前記回転子との間に設けられ、前記シャフトの周方向において互いに隣り合う前記リブと前記リブとの間に存在する第1流路と、
前記回転子の内周面から前記回転子の外周面に向かって前記回転子を貫通し、前記シャフトの半径方向において前記第1流路と前記隙間とを連通させている第2流路と、
を備えたものである。
The induction motor according to the seventh aspect of the present disclosure is:
A shaft including a plurality of longitudinally extending ribs;
A rotor having an inner peripheral surface in contact with the plurality of ribs and fixed to the shaft;
A stator disposed around the rotor;
A gap between the rotor and the stator;
A first flow path provided between the rib and the rib provided between the shaft and the rotor and adjacent to each other in the circumferential direction of the shaft;
A second flow path penetrating the rotor from an inner peripheral surface of the rotor toward an outer peripheral surface of the rotor, and communicating the first flow path and the gap in the radial direction of the shaft;
It is equipped with.
第7態様によれば、第1態様で説明した効果と同じ効果が得られる。 According to the seventh aspect, the same effect as described in the first aspect can be obtained.
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described with reference to the drawings. The present disclosure is not limited to the following embodiments.
図1に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置100は、主回路5、吸熱回路6(低圧側循環回路)及び放熱回路7(高圧側循環回路)を備えている。冷凍サイクル装置100は、例えば、冷房専用の空気調和装置である。
As shown in FIG. 1, the
主回路5は、蒸発器2、圧縮機3、凝縮器4及び流路5a〜5dを含む。主回路5において、蒸発器2、圧縮機3及び凝縮器4は、この順番で環状に接続されている。流路5aは、蒸発器2の蒸気出口と圧縮機3の吸入口とを接続している。流路5cは、圧縮機3の吐出口と凝縮器4の蒸気入口とを接続している。流路5dは、凝縮器4の液出口と蒸発器2の液入口とを接続している。
The
蒸発器2において冷媒が蒸発し、冷媒蒸気(気相の冷媒)が生成される。蒸発器2で生成された冷媒蒸気が圧縮機3に吸入されて圧縮される。圧縮機3で圧縮された冷媒蒸気は凝縮器4に供給される。凝縮器4において冷媒蒸気が冷却されて冷媒液(液相の冷媒)が生成される。冷媒液は、凝縮器4から蒸発器2に戻される。流路5a〜5dは、それぞれ、配管で構成されている。
In the
冷凍サイクル装置100には、例えば、常温(日本工業規格:20℃±15℃/JIS Z8703)での飽和蒸気圧が負圧(絶対圧で大気圧よりも低い圧力)の物質を主成分として含む冷媒が充填されている。このような冷媒としては、水、アルコール又はエーテルを主成分として含む冷媒が挙げられる。冷凍サイクル装置100の運転時において、冷凍サイクル装置100の内部の圧力は、例えば、大気圧よりも低い。「主成分」とは、質量比で最も多く含まれた成分を意味する。
The
冷凍サイクル装置100において、吸熱回路6は、蒸発器2に接続されている。放熱回路7は、凝縮器4に接続されている。
In the
吸熱回路6は、ポンプ61、熱交換器62及び流路6a〜6cを備えている。吸熱回路6の上流端(流路6aの一端)が蒸発器2の底部に接続されている。吸熱回路6の下流端(流路6cの一端)が蒸発器2の上部に接続されている。蒸発器2、ポンプ61及び熱交換器62が、流路6a〜6cによって、この順番で接続されている。詳細には、流路6aは、蒸発器2の液出口とポンプ61の入口とを接続している。流路6bは、ポンプ61の出口と熱交換器62の入口とを接続している。流路6cは、熱交換器62の出口と蒸発器2の他の液入口とを接続している。各流路6a〜6cは、配管で構成されている。ポンプ61の働きによって、蒸発器2に貯留された冷媒液が熱交換器62に供給される。冷媒液は、熱交換器62において熱を吸収し、蒸発器2に戻される。
The
熱交換器62は、シェルチューブ熱交換器、フィンチューブ熱交換器などの熱交換器である。冷凍サイクル装置100が室内の冷房を行う空気調和装置である場合、熱交換器62は室内に設置される。室内の空気が冷媒液によって冷却される。
The
放熱回路7は、ポンプ71、熱交換器72及び流路7a〜7cを備えている。放熱回路7の上流端(流路7aの一端)が凝縮器4の底部に接続されている。放熱回路7の下流端(流路7cの一端)が凝縮器4の上部に接続されている。凝縮器4、ポンプ71及び熱交換器72が、流路7a〜7cによって、この順番で接続されている。詳細には、流路7aは、凝縮器4の他の液出口とポンプ71の入口とを接続している。流路7bは、ポンプ71の出口と熱交換器72の入口とを接続している。流路7cは、熱交換器72の出口と凝縮器4の他の蒸気入口とを接続している。各流路7a〜7cは、配管で構成されている。ポンプ71の働きによって、凝縮器4に貯留された冷媒液が熱交換器72に供給される。冷媒液は、熱交換器72において冷却され、凝縮器4に戻される。
The heat dissipation circuit 7 includes a
熱交換器72は、シェルチューブ熱交換器、フィンチューブ熱交換器などの熱交換器である。冷凍サイクル装置100が室内の冷房を行う空気調和装置である場合、熱交換器72は室外に設置される。室外の空気によって冷媒液が冷却される。
The
蒸発器2(低圧側貯留槽)は、例えば、断熱性及び耐熱性を有する容器によって構成されている。蒸発器2は、冷媒液を貯留するとともに、冷媒液を内部で蒸発させる。すなわち、外部環境から熱を吸収することによって加熱された冷媒液が蒸発器2の中で沸騰する。本実施形態において、蒸発器2に貯留された冷媒液は、吸熱回路6を循環する冷媒液に直接接触する。つまり、蒸発器2に貯留された冷媒液の一部は、熱交換器62で加熱され、飽和状態の冷媒液を加熱するために使用される。
The evaporator 2 (low pressure side storage tank) is constituted by, for example, a container having heat insulation and heat resistance. The
吸熱回路6は、蒸発器2に貯留された冷媒液が吸熱回路6を循環する熱媒体と混ざらないように構成されていてもよい。例えば、蒸発器2がシェルチューブ熱交換器の構造を有している場合、吸熱回路6を循環する熱媒体によって蒸発器2に貯留された冷媒液を加熱し、蒸発させることができる。このとき、熱交換器62は、蒸発器2に貯留された冷媒液を加熱するための熱媒体を加熱する。熱媒体は、水、オイルなどの液体である。
The
凝縮器4(高圧側貯留槽)は、例えば、断熱性及び耐圧性を有する容器によって構成されている。凝縮器4は、冷媒蒸気を凝縮させるとともに、冷媒蒸気を凝縮させることによって生じた冷媒液を貯留する。本実態形態では、外部環境に熱を放出することによって冷却された冷媒液に過熱状態の冷媒蒸気が直接接触して凝縮する。つまり、凝縮器4に貯留された冷媒液の一部は、熱交換器72で冷却され、過熱状態の冷媒蒸気を冷却するために使用される。
The condenser 4 (high-pressure side storage tank) is constituted by, for example, a container having heat insulating properties and pressure resistance. The condenser 4 condenses the refrigerant vapor and stores the refrigerant liquid generated by condensing the refrigerant vapor. In this actual form, the refrigerant vapor in an overheated state directly condenses with the refrigerant liquid cooled by releasing heat to the external environment. That is, a part of the refrigerant liquid stored in the condenser 4 is cooled by the
放熱回路7は、凝縮器4に貯留された冷媒液が放熱回路7を循環する熱媒体と混ざらないように構成されていてもよい。例えば、凝縮器4がシェルチューブ熱交換器の構造を有している場合、放熱回路7を循環する熱媒体によって冷媒蒸気を冷却し、凝縮させることができる。このとき、熱交換器72は、冷媒蒸気を冷却するための熱媒体を冷却する。熱媒体は、水、オイルなどの液体である。
The heat dissipation circuit 7 may be configured so that the refrigerant liquid stored in the condenser 4 is not mixed with the heat medium circulating in the heat dissipation circuit 7. For example, when the condenser 4 has a shell tube heat exchanger structure, the refrigerant vapor can be cooled and condensed by the heat medium circulating in the heat radiation circuit 7. At this time, the
本実施形態において、圧縮機3は、ターボ圧縮機である。詳細には、圧縮機3は、1軸2段の遠心圧縮機である。圧縮機3は、第1羽根車12、第2羽根車13及びモータ30を有する。モータ30に第1羽根車12及び第2羽根車13が固定されている。詳細には、モータ30は、シャフト10を有する。シャフト10の一端に第1羽根車12が例えば焼き嵌めによって固定されている。シャフト10の他端に第2羽根車13が例えば焼き嵌めによって固定されている。第1羽根車12及び第2羽根車13は、シャフト10とともに回転して冷媒に運動エネルギーを与える。シャフト10は、第1軸受20及び第2軸受21によって支持されている。
In the present embodiment, the compressor 3 is a turbo compressor. Specifically, the compressor 3 is a single-shaft two-stage centrifugal compressor. The compressor 3 includes a
第1羽根車12は、圧縮機3の第1圧縮部を構成している。第2羽根車13は、圧縮機3の第2圧縮部を構成している。主回路5の流路5bは、第1圧縮部の吐出口と第2圧縮部の吸入口とを接続している。圧縮機3に吸入された冷媒は、第1圧縮部にて圧縮される。圧縮された冷媒は、流路5bを通じて第2圧縮部に供給され、さらに圧縮される。
The
第1軸受20及び第2軸受21は、例えば、シャフト10を半径方向に支持するすべり軸受である。シャフト10の一端に第1軸受20が配置され、シャフト10の他端に第2軸受21が配置されている。第1軸受20は、第1軸受20の内周面とシャフト10の外周面との間に潤滑剤を介在させつつシャフト10を取り囲む部品である。第1軸受20の内周面とシャフト10の外周面との間の隙間の幅(半径方向の広さ)は、圧縮機3の運転中に潤滑剤によって十分な流体潤滑が達成されるように定められている。これらは、第2軸受21についても当てはまる。
The
また、冷凍サイクル装置100は、冷却ガス路8を備えている。冷却ガス路8は、モータ30に冷却ガスを供給するとともに、冷却ガスをモータ30から排出するための流路である。本実施形態では、冷却ガスとして、冷凍サイクル装置100の冷媒が利用されている。具体的に、冷却ガス路8は、高圧部分8a及び低圧部分8bを含む。高圧部分8aは、凝縮器4に接続された一端とモータ30に接続された他端とを有する。高圧部分8aの一端は、凝縮器4の上部の空間、つまり、凝縮器4に貯留された冷媒液の液面よりも上の空間に向かって開口している。高圧部分8aの他端は、モータ30の内部空間であるモータ室33に向かって開口している。これにより、高圧部分8aを通じて、凝縮器4からモータ30に冷媒ガスを容易に導くことができる。低圧部分8bは、モータ30に接続された一端と蒸発器2に接続された他端とを含む。低圧部分8bの一端は、蒸発器2の上部の空間、つまり、蒸発器2に貯留された冷媒液の液面よりも上の空間に向かって開口している。低圧部分8bの他端は、モータ室33に向かって開口している。これにより、低圧部分8bを通じて、モータ30から蒸発器2に冷媒ガスを容易に導くことができる。
The
図2に示すように、圧縮機3は、ケーシング50をさらに有する。第1羽根車12、第2羽根車13及びモータ30がケーシング50に格納されている。ケーシング50の内部において、第1羽根車12と第2羽根車13との間にモータ室33が位置している。ケーシング50は、第1吸入空間14a、第2吸入空間14b、第1吐出空間16a及び第2吐出空間16bを有する。
As shown in FIG. 2, the compressor 3 further includes a
第1吸入空間14aは、第1羽根車12を含む第1圧縮部の吸入口を構成している。第1吸入空間14aに主回路5の流路5aが接続されている。第1吸入空間14aを通じて、第1羽根車12に冷媒が導かれる。第2吸入空間14bは、第2羽根車13を含む第2圧縮部の吸入口を構成している。第2吸入空間14bに主回路5の流路5bが接続されている。第2吸入空間14bを通じて、第2羽根車13に冷媒が導かれる。第1吸入空間14a及び第2吸入空間14bは、それぞれ、ケーシング50の内周面に囲まれた空間であり、圧縮機3の外部に向かって開口している。
The
第1吐出空間16aは、第1羽根車12を含む第1圧縮部の吐出口を構成している。第1吐出空間16aに主回路5の流路5bが接続されている。流路5bを通じて、第1吐出空間16aが第2吸入空間14bに連通している。第1吐出空間16aは、第1羽根車12の周囲に形成された渦巻き状の空間である。第2吐出空間16bは、第2羽根車13を含む第2圧縮部の吐出口を構成している。第2吐出空間16bに主回路5の流路5cが接続されている。第2吐出空間16bは、第2羽根車13の周囲に形成された渦巻き状の空間である。第1羽根車12で圧縮された冷媒は、流路5bを通じて、第1吐出空間16aから第2吸入空間14bに直接的に導かれる。流路5bに中間冷却器が配置されている場合、冷媒は、中間冷却器において冷却された後、第2吸入空間14bに導かれる。
The
モータ30は、回転子31及び固定子を含む。ケーシング50は、モータ30のケーシングを兼ねている。ケーシング50の内部にモータ室33が形成されている。詳細には、ケーシング50の内部空間が複数の壁面によって区切られ、これにより、モータ室33が形成されている。モータ室33に回転子31及びステータ33が配置されている。回転子31は、シャフト10に固定されている。固定子は、ケーシング50に固定されている。シャフト10は、モータ室33から突出している。
The
次に、モータ30の構造を詳細に説明する。
Next, the structure of the
図3に示すように、モータ30において、固定子32は、回転子31の周囲に同心円状に配置されている。回転子31と固定子32との間には、隙間37が形成されている。本実施形態において、モータ30は、誘導モータである。回転子31及び固定子32は、それぞれ、円筒体の形状を有する。
As shown in FIG. 3, in the
固定子32は、鉄心及び複数のコイルによって構成されている。複数のコイルは、それぞれ、鉄心に巻かれている。鉄心は、積層された複数の電磁鋼板で構成されている。固定子32は、モータ室33の内壁に固定されている。固定子32の各コイルには、図示しないインバータによって所定の周波数の電圧が印加される。これにより、固定子32の周りに磁界が生成される。磁界は、モータ30の回転方向に周期的に移動する。
The
回転子31は、鉄心35及び複数の導体バー34によって構成されている。鉄心35は、積層された複数の電磁鋼板で構成されている。回転子31は、円筒状の内周面31q及び円筒状の外周面31pを有する。モータ30の回転軸に垂直な断面において、回転子31は、リングの形状を有する。導体バー34は、アルミ、銅などの金属材料で作られている。各導体バー34は、鉄心35に埋め込まれている。複数の導体バー34は、等角度間隔の配置をとっている。回転子31の両端には円筒形のエンドリング(図3には表されていない)がそれぞれ取り付けられており、これらのエンドリングを介して、複数の導体バー34が互いに短絡している。導体バー34及びエンドリングによってカゴ状の電気回路が形成されている。回転子31は、焼き嵌めによってシャフト10に固定されており、回転子31と固定子32との間の電磁気的相互作用によって回転する。具体的には、固定子32によって発生させられた磁界を受けて回転子31の上記電気回路に誘導電流が流れる。鉄心35によって磁界が生成され、この磁界と固定子32の磁界とが引き付け合い、モータ30の回転力が発生する。
The
シャフト10は、シャフト本体11及び複数のリブ36を有する。シャフト本体11は、円柱状の部分である。複数のリブ36は、シャフト本体11から半径方向の外向きに突出している線状の部分である。複数のリブ36は、シャフト10の長手方向に延びている。モータ30の回転軸に垂直な横断面において、複数のリブ36は、等角度間隔でシャフト本体11の周りに配置されている。シャフト10の半径方向において、リブ36の外周面36pが回転子31の内周面31qに接触している。これにより、回転子31がシャフト10に固定されている。複数のリブ36は、シャフト本体11と回転子31との間にあり、回転子31とシャフト本体11とを接続する役割を担っている。
The
本実施形態において、複数のリブ36は、シャフト本体11と一体に形成されている。例えば、棒状の部材に切削加工を施すことによって、シャフト10が得られる。ただし、複数のリブ36を有する部材は、シャフト本体11と別体の部材であってもよい。この場合、シャフト本体11に複数のリブ36を有する部材が嵌め合わされる。
In the present embodiment, the plurality of
モータ30は、さらに、複数の第1流路38及び複数の第2流路39を有する。
The
複数の第1流路38(軸方向流路)は、それぞれ、シャフト10と回転子31との間に設けられた流路であって、シャフト10の周方向において互いに隣り合うリブ36とリブ36との間に存在している。第1流路38は、シャフト本体11、リブ36、リブ36及び回転子31に囲まれている。第1流路38もリブ36と同じようにシャフト10の長手方向に延びている。第1流路38は、回転子31の一端面の位置及び他端面の位置において、モータ室33に向かって開口している。このような構造によれば、シャフト10に回転子31を強固に固定しながら、冷却ガスが流通可能な第1流路38がシャフト10と回転子31との間に形成されうる。
The plurality of first flow paths 38 (axial flow paths) are flow paths provided between the
複数の第2流路39(半径方向流路)は、それぞれ、回転子31の内周面31qから回転子31の外周面31pに向かって回転子31を貫通し、シャフト10の半径方向において第1流路38と隙間37とを連通させている。複数の第2流路39は、等角度間隔で回転子31に設けられている。第1流路38のそれぞれに第2流路39が連通している。第2流路39は、シャフト10の回転軸に平行な方向(軸方向)における回転子31の中央部に設けられている。第2流路39にも冷却ガスが流通可能である。シャフト10が回転すると、第2流路39を通じて、第1流路38から隙間37に向かって冷却ガスが流れる。本実施形態では、1つの第1流路38に第2流路39が1つのみ連通している。ただし、1つの第1流路38に複数の第2流路39が連通していてもよい。前者の構成は、モータ30の効率の観点で有利である。後者の構成は、モータ30の冷却の観点で有利である。さらに、複数の第1流路38から選ばれる一部の第1流路38にのみ第2流路39が連通していてもよい。例えば、シャフト10の周方向において互いに隣り合う1組の第1流路38の一方にのみ第2流路39が連通していてもよい。
The plurality of second flow paths 39 (radial flow paths) pass through the
本実施形態によれば、リブ36の外周面36pが回転子31の内周面31qに接し、これにより、回転子31がシャフト10に固定されている。回転子31とシャフト10との間の接触面積が小さいので、回転子31の熱がシャフト10に伝わりにくい。
According to the present embodiment, the outer
本実施形態によれば、シャフト10の半径方向に関する第2流路39の長さを十分に確保することができる。この場合、より大きい体積の冷却ガスに遠心力が働くので、第2流路39の出口における圧力が高まり、回転子31と固定子32との間の隙間37に流入する冷却ガスの流量が増加する。そのため、モータ30から冷却ガス(冷媒ガス)への放熱量も増加する。
According to the present embodiment, the length of the
本実施形態によれば、第1流路38は、シャフト10と回転子31との間にある。この場合、回転子31を軸方向に貫く通気穴を省くことができるので、回転子31において磁束が飽和することが防止される。その結果、すべり損失が減少し、モータ30の発熱が抑制される。もちろん、回転子31を軸方向に貫く通気穴があってもよい。
According to the present embodiment, the
以上に説明した複合的な効果により、モータ30のシャフト10から第1羽根車12及び第2羽根車13のそれぞれへの伝熱が抑制される。つまり、モータ30から冷媒(作動流体)への伝熱が抑制される。その結果、圧縮効率の低下、潤滑性の低下なども抑制されうる。
Due to the combined effects described above, heat transfer from the
図4に示すように、複数のリブ36は、それぞれ、シャフト10の長手方向にらせん状に延びている。詳細には、複数のリブ36は、それぞれ、シャフト10の回転方向D1と逆方向のねじれ角θにて、シャフト10の長手方向にらせん状に延びている。同じように、複数の第1流路38もシャフト10の回転方向D1と逆方向のねじれ角θにて、シャフト10の長手方向にらせん状に延びている。このような構成によれば、冷却ガスは、シャフト10及び回転子31の回転速度よりも十分に遅い旋回速度で第1流路38のそれぞれに流入する。その後、複数のリブ36の働きによって、冷却ガスの旋回速度は、回転子31の回転速度まで加速される。複数のらせん状のリブ36によって、冷却ガスは、旋回方向だけでなく、軸方向にも加速される。その結果、第1流路38における冷却ガスの流量が増加する。
As shown in FIG. 4, each of the plurality of
また、らせん状の第1流路38は、シャフト10の軸方向に冷却ガスを圧送するポンプとして働く。このことも、第1流路38における冷却ガスの流量を増加させる。直線状のリブと比較して、らせん状のリブ36の表面積は大きい。したがって、らせん状のリブ36は、第1流路38の冷却性能を向上させる。また、第1流路38の冷却性能を維持しつつ、らせん状のリブ36を太くすることができる。この場合、シャフト10の剛性が高まるので、第1羽根車12とケーシング50との間の隙間及び第2羽根車13とケーシング50との間の隙間を狭めることができる。これらの隙間を狭めることによって、冷媒の漏れ流れを減らすことができるので、圧縮機3の効率が向上する。
The spiral
もちろん、複数のリブ36がらせん状であることは必須ではない。複数のリブ36は、シャフト10の回転軸に平行に延びていてもよい。つまり、リブ36が直線状であってもよい。
Of course, it is not essential that the plurality of
図4において、「シャフト10の回転方向D1と逆方向のねじれ角θ」は、以下の方法で定義される角度である。まず、第1流路38における冷却ガスの流れ方向の上流側におけるリブ36の端部を基準位置Pと定義する。基準位置Pを始点とし、モータ室33における冷却ガスの流れ方向(隙間37における冷却ガスの流れ方向)に平行な線分L1を定義する。シャフト10の展開平面図において、線分L1とリブ36の中心線とのなす角度を「ねじれ角θ」と定義することができる。基準位置Pからリブ36がシャフト10の回転方向D1と逆方向に延びているとき、ねじれ角θは、シャフト10の回転方向D1と逆方向のねじれ角でありうる。
In FIG. 4, “the twist angle θ in the direction opposite to the rotational direction D1 of the
図5に示すように、ケーシング50の内部空間であるモータ室33は、第1空間43及び第2空間44を含む。回転子31と固定子32との間の隙間37もモータ室33に含まれる空間である。第1空間43は、シャフト10の長手方向における回転子31の一端に隣接している。第2空間44は、シャフト10の長手方向における回転子31の他端に隣接している。複数の第1流路38は、第1空間43及び第2空間44のそれぞれに開口している。このような構造によれば、冷却ガスが隙間37及び第1流路38にスムーズに導入される。
As shown in FIG. 5, the
本実施形態によれば、冷凍サイクル装置100の冷媒がモータ30の冷却ガスとして使用されている。そのため、特別なシール構造が必要とされない。
According to the present embodiment, the refrigerant of the
第1空間43には、冷却ガス路8の高圧部分8aが接続されている。図1を参照して説明したように、高圧部分8aは、凝縮器4に接続されている。高圧部分8aには、相対的に高い第1の圧力を有する冷媒が流れる。第2空間44には、冷却ガス路8の低圧部分8bが接続されている。低圧部分8bは、蒸発器2に接続されている。低圧部分8bは、第1の圧力よりも低い第2の圧力を有する冷媒が流れる。このような構成によれば、隙間37、第1流路38及び第2流路39に冷却ガスとしての冷媒をスムーズに導入することができる。
A
図5において、一点鎖線は、冷媒ガスの流れを示している。冷媒ガスは、凝縮器4と蒸発器2との間の圧力差によって冷却ガス路8を流通する。次に、冷媒ガスは、冷却ガス路8の高圧部分8aを通じて、凝縮器4からモータ室33の第1空間43に移動する。次に、冷媒ガスは、隙間37、第1流路38及び第2流路39を通って、第1空間43から第2空間44へと流れる。最後に、冷媒ガスは、冷却ガス路8の低圧部分8bを通じて、モータ室33の第2空間44から蒸発器2に移動する。
In FIG. 5, the alternate long and short dash line indicates the flow of the refrigerant gas. The refrigerant gas flows through the cooling
モータ室33において、冷媒ガスは、隙間37を流通するとき、回転子31及び固定子32を冷却する。また、冷媒ガスは、第1流路38を流通するとき、シャフト10を冷却し、さらに、回転子31の内側から回転子31を冷却する。冷媒ガスは、第1空間43と第2空間44との間の圧力差によって第1流路38に流入する。冷媒ガスの流れは、遠心力によって、第1流路38から第2流路39に分岐し、隙間37に向かって冷媒ガスが圧送される。その結果、隙間37における冷媒ガスの流量が増加する。回転子31の中央部は、回転子31の中で最も高い温度を帯びる部分である。同様に、固定子32の中央部は、固定子32の中で最も高い温度を帯びる部分である。第2流路39によれば、それら中央部を特に効率的に冷却できる。
In the
以下、冷凍サイクル装置100及びモータ30のいくつかの変形例について説明する。
Hereinafter, some modified examples of the
本開示にかかるターボ圧縮機は、遠心圧縮機に限定されず、軸流圧縮機、斜流圧縮機などの他のターボ圧縮機であってもよい。少ない段数で高い圧縮比を得る必要がある用途には遠心圧縮機が適している。大流量の作動流体を圧縮する必要がある用途には軸流圧縮機又は斜流圧縮機が適している。 The turbo compressor according to the present disclosure is not limited to the centrifugal compressor, and may be another turbo compressor such as an axial flow compressor or a mixed flow compressor. Centrifugal compressors are suitable for applications that require a high compression ratio with a small number of stages. An axial flow compressor or a mixed flow compressor is suitable for an application that needs to compress a large flow rate of working fluid.
本実施形態によれば、シャフト10の軸方向において、モータ30、羽根車12(又は13)及び軸受20(又は21)がこの順番でシャフト10に固定されている。ただし、羽根車12(又は13)の位置と軸受20(又は21)の位置が入れ替わってもよい。また、シャフト10の軸方向において、モータ30、第1軸受20、羽根車12及び第2軸受21がこの順番でシャフト10に固定されていてもよい。さらに、モータ30の片側にのみ羽根車及び軸受が配置されていてもよい。羽根車の数及び配置は特に限定されない。軸受の数及び配置も特に限定されない。
According to this embodiment, in the axial direction of the
第1軸受20及び第2軸受21は、すべり軸受に限定されず、玉軸受、コロ軸受などの他の軸受であってもよい。
The
本実施形態において、シャフト本体11に接する側におけるリブ36の幅(シャフト10の周方向における幅)は、回転子31に接する側におけるリブ36の幅に概ね等しい。しかし、シャフト10の軸方向に垂直な断面において、シャフト10は、歯車の断面形状を有していてもよい。つまり、シャフト本体11に接する側におけるリブ36の幅が、回転子31に接する側におけるリブ36の幅を上回っていてもよい。このような構造によれば、回転子31とシャフト10との間の接触面積が減少し、回転子31からシャフト10への伝熱をさらに抑制することができる。また、太さが増えることによるリブ36の剛性も向上する。
In the present embodiment, the width of the
冷凍サイクル装置100は、凝縮器4の内部空間を冷却するための冷却器をさらに備えていてもよい。冷却器は、例えば、冷却用の熱媒体を流すための配管又はペルティエ素子によって構成されうる。凝縮器4の内部に冷却器が配置されている場合、冷媒ガスなどの冷却ガスが凝縮器4の周囲の熱を吸収することを防止するために、凝縮器4の外周面が断熱材で覆われている、又は、凝縮器4が断熱構造を有していることが望ましい。これにより、冷却ガスを確実に冷却できる。
The
冷凍サイクル装置100は、流路5bに配置された中間冷却器をさらに備えていてもよい。中間冷却器は、例えば、シェルチューブ熱交換器を含む。シェルチューブ熱交換器のチューブに冷却用の熱媒体(水などの液体)が流れ、シェルの内部に冷媒蒸気が流れる。
The
冷却ガス路8の高圧部分8aは、上記した中間冷却器の出口から分岐していてもよい。第1羽根車12で圧縮された冷媒ガスが中間冷却器で冷却されている場合、中間冷却器の出口において、冷媒ガスの温度は比較的低い。したがって、中間冷却器の出口に存在する冷媒ガスは、モータ30の冷却に適している。水を冷凍サイクル装置100の冷媒として使用した場合、凝縮器4において、冷媒ガスは、例えば、35℃の温度及び6kPaの圧力を有する。中間冷却器の出口において、冷媒ガスは、例えば、20℃の温度及び3kPaの圧力を有する。
The
冷凍サイクル装置100は、冷房暖房切り替え可能な空気調和装置であってもよい。この場合、室内に配置された室内熱交換器及び室外に配置された室外熱交換器のそれぞれが四方弁を介して蒸発器2及び凝縮器4のそれぞれに接続されている。冷房運転のとき、室内熱交換器が吸熱用の熱交換器62として機能し、室外熱交換器が放熱用の熱交換器72として機能する。暖房運転のとき、室内熱交換器が放熱用の熱交換器72として機能し、室外熱交換器が吸熱用の熱交換器62として機能する。
The
冷凍サイクル装置100は、チラーであってもよい。熱交換器62は、冷媒の吸熱によって空気以外の気体又は液体を冷却してもよい。熱交換器72は、冷媒の放熱によって空気以外の気体又は液体を加熱してもよい。熱交換器62及び熱交換器72は、間接式の熱交換器である限り、特に限定されない。
The
本明細書に開示された技術は、作動流体を吸入及び圧縮するターボ機械に特に有用である。具体的に、本明細書に開示された技術は、家庭用又は業務用の空気調和装置、チラー、ヒートポンプ給湯器などに有用である。また、本明細書に開示された技術は、産業用製氷装置、冷凍冷蔵装置などの大型の冷凍サイクル装置にも適用されうる。さらに、本明細書に開示された技術は、プラント、大型船舶などに使用できる空気圧縮装置にも有用である。空気圧縮装置は、空圧機械の動力源、又は、クリーンルームのための空気清浄装置の圧縮空気の供給源として使用されうる。本明細書に開示された技術は、作動流体を膨張させる膨張タービンの発電機にも適用可能である。 The technology disclosed herein is particularly useful for turbomachines that draw and compress working fluid. Specifically, the technology disclosed in this specification is useful for home or commercial air conditioners, chillers, heat pump water heaters, and the like. The technology disclosed in this specification can also be applied to a large-scale refrigeration cycle apparatus such as an industrial ice making apparatus or a refrigeration apparatus. Furthermore, the technique disclosed in the present specification is also useful for an air compression apparatus that can be used in a plant, a large ship, and the like. The air compressor may be used as a power source for a pneumatic machine or as a source of compressed air for an air cleaner for a clean room. The technology disclosed in this specification can also be applied to a generator of an expansion turbine that expands a working fluid.
2 蒸発器(低圧側貯留槽)
3 圧縮機
4 凝縮器(高圧側貯留槽)
10 シャフト
12 第1羽根車
13 第2羽根車
30 モータ
31 回転子
32 固定子
33 モータ室
36 リブ
37 隙間
38 第1流路
39 第2流路
43 第1空間
44 第2空間
50 ケーシング
100 冷凍サイクル装置
2 Evaporator (low pressure side storage tank)
3 Compressor 4 Condenser (High-pressure side storage tank)
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記モータに固定された羽根車と、
を備えたターボ機械であって、
前記モータは、
長手方向に延びる複数のリブを含むシャフトと、
前記複数のリブに接している内周面を有し、前記シャフトに固定された回転子と、
前記回転子の周囲に配置された固定子と、
前記回転子と前記固定子との間にある隙間と、
前記シャフトと前記回転子との間に設けられ、前記シャフトの周方向において互いに隣り合う前記リブと前記リブとの間に存在する第1流路と、
前記回転子の内周面から前記回転子の外周面に向かって前記回転子を貫通し、前記シャフトの半径方向において前記第1流路と前記隙間とを連通させている第2流路と、
を有する、ターボ機械。 A motor,
An impeller fixed to the motor;
A turbomachine comprising:
The motor is
A shaft including a plurality of longitudinally extending ribs;
A rotor having an inner peripheral surface in contact with the plurality of ribs and fixed to the shaft;
A stator disposed around the rotor;
A gap between the rotor and the stator;
A first flow path provided between the rib and the rib provided between the shaft and the rotor and adjacent to each other in the circumferential direction of the shaft;
A second flow path penetrating the rotor from an inner peripheral surface of the rotor toward an outer peripheral surface of the rotor, and communicating the first flow path and the gap in the radial direction of the shaft;
Having a turbomachine.
前記ケーシングは、その内部空間として、前記シャフトの前記長手方向における前記回転子の一端に隣接している第1空間と、前記シャフトの前記長手方向における前記回転子の他端に隣接している第2空間とを含み、
前記第1空間及び前記第2空間のそれぞれに前記第1流路が開口している、請求項1〜3のいずれか1項に記載のターボ機械。 The motor further includes a casing storing the shaft, the rotor, and the stator,
The casing has, as its internal space, a first space adjacent to one end of the rotor in the longitudinal direction of the shaft and a second space adjacent to the other end of the rotor in the longitudinal direction of the shaft. Including two spaces,
The turbomachine according to any one of claims 1 to 3, wherein the first flow path is opened in each of the first space and the second space.
前記蒸発器で気化した前記冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮された前記冷媒を凝縮させる凝縮器と、
を備え、
前記圧縮機は、請求項1〜4のいずれか1項に記載のターボ機械を含み、
前記冷媒が前記モータの冷却ガスとして使用される、冷凍サイクル装置。 An evaporator for evaporating the refrigerant;
A compressor for compressing the refrigerant vaporized by the evaporator;
A condenser for condensing the refrigerant compressed by the compressor;
With
The compressor includes the turbomachine according to any one of claims 1 to 4,
A refrigeration cycle apparatus in which the refrigerant is used as a cooling gas for the motor.
第1の圧力を有する前記冷媒が流れる流路が前記第1空間に接続され、
前記第1の圧力よりも低い第2の圧力を有する前記冷媒が流れる流路が前記第2空間に接続されている、請求項5に記載の冷凍サイクル装置。 The compressor includes the turbomachine according to claim 4,
A flow path through which the refrigerant having a first pressure flows is connected to the first space;
The refrigeration cycle apparatus according to claim 5, wherein a flow path through which the refrigerant having a second pressure lower than the first pressure flows is connected to the second space.
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