JP2020512801A - 冷却流路を有するチラー電動機 - Google Patents

Abstract

蒸気圧縮システムにおいて圧縮機に動力を供給する電動機のための冷却システムが提供される。冷却システムは、電動機を囲み、且つ中心軸を画定する空洞を有するハウジングと、空洞内に延び、且つ中心軸に平行に向けられた流体誘導機構とを含む。冷却システムは、ハウジングと電動機との間で冷却液を循環させるように構成された流体回路をさらに含む。流体回路は、冷却液の第１の部分を電動機の第１の部分の周りで移動させる誘導機構によって画定される第１の冷却液経路と、冷却液の第２の部分を電動機の第２の部分の周りで移動させる流体誘導機構によって画定される第２の冷却液経路とを含む。電動機の第２の部分は、第１の部分の反対側に配置される。

Description

本開示は、概して、チラーアセンブリの遠心圧縮機を駆動する誘導電動機に関する。
関連出願の相互参照
本出願は、２０１７年３月２４日に出願された米国仮特許出願第６２／４７６，５３４号明細書の利益を主張するものであり、この仮特許出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

いくつかの遠心圧縮機は、必要な圧力上昇を実現するために高速永久磁石電動機を必要とする中圧（ＭＰ）冷媒を利用する。低圧（ＬＰ）冷媒を利用することにより、低速で動作する安価で簡素な誘導電動機を使用できる。しかしながら、電動機冷却システムでＬＰ冷媒を使用するには、ＭＰ冷媒の場合よりも大きい体積流量が必要とされる。体積流量が大きくなると、電動機冷却システムを通る圧力損失が大きくなり、流量が制限され、電動機冷却システムの効率が低下し、電動機の温度が上限を超えることになる。電動機の温度がピーク効率の範囲内に維持されない場合、チラーアセンブリの全体的な性能が低下する。

本開示の１つの実装形態は、蒸気圧縮システムにおいて圧縮機に動力を供給する電動機のための冷却システムである。冷却システムは、電動機を囲み、且つ中心軸を画定する空洞を有するハウジングと、空洞内に延び、且つ中心軸に平行に向けられた流体誘導機構とを含む。冷却システムは、ハウジングと電動機との間で冷却液を循環させるように構成された流体回路をさらに含む。流体回路は、冷却液の第１の部分を電動機の第１の部分の周りで移動させる誘導機構によって画定される第１の冷却液経路と、冷却液の第２の部分を電動機の第２の部分の周りで移動させる流体誘導機構によって画定される第２の冷却液経路とを含む。電動機の第２の部分は、第１の部分の反対側に配置される。

本開示の別の実装形態は、チラーアセンブリのための誘導電動機である。誘導電動機は、内面及び外面を有する円筒形状を有する固定子を含む。円筒形状は、中心軸を画定する。誘導電動機は、シャフトに結合された回転子をさらに含む。回転子及びシャフトは、中心軸を中心として固定子の内面内で回転するように構成される。誘導電動機は、固定子を少なくとも部分的に封入するように構成されたハウジングを追加的に含む。ハウジングは、複数の流体誘導突起を含む。流体誘導突起は、冷却液の第１の部分のための第１の冷却液経路と、冷却液の第２の部分のための第２の冷却液経路とを画定するように構成される。第１の冷却液経路及び第２の冷却経路は、蛇行形状である。

本開示のさらに別の実装形態は、蒸気圧縮システムである。蒸気圧縮システムは、冷媒を循環させるように構成された閉ループで接続されている、誘導電動機によって直接駆動される遠心圧縮機と、凝縮器と、膨張装置と、蒸発器とを含む。誘導電動機は、固定子と、シャフトに結合された回転子とを含む。回転子及びシャフトは、固定子内で回転するように構成される。誘導電動機は、固定子を封入するように構成された空洞と、空洞内に延びる複数の冷媒誘導突起とを有するハウジングをさらに含む。冷媒誘導突起は、冷媒の第１の部分のための第１の冷媒経路と、冷媒の第２の部分のための第２の冷媒経路とを画定するように構成される。

一部の実施形態によるチラーアセンブリの斜視図である。

一部の実施形態による図１のチラーアセンブリの正面立面図である。

一部の実施形態による図１のチラーアセンブリで使用される電動機アセンブリの斜視図である。

一部の実施形態による図３の電動機アセンブリのＡ−Ａ断面図である。

一部の実施形態による図３の電動機アセンブリのＢ−Ｂ断面図である。

一部の実施形態による図３の電動機アセンブリで使用される電動機ハウジングの斜視図である。

一部の実施形態による図６の電動機ハウジングのＣ−Ｃ断面図である。

一部の実施形態によるらせん流路冷却システムの側面立面図である。

一部の実施形態による分割蛇行流路冷却システムの側面立面図である。

概して図を参照すると、分割蛇行形状冷却液経路を備えた電動機冷却システムを有するチラーアセンブリが示されている。図１及び図２を参照すると、チラーアセンブリ１００の例示的な実装形態が示されている。チラーアセンブリ１００は、電動機１０４によって駆動される圧縮機１０２と、凝縮器１０６と、蒸発器１０８とを含むことが示されている。冷媒は、蒸気圧縮サイクルでチラーアセンブリ１００を通して循環される。チラーアセンブリ１００は、チラーアセンブリ１００内の蒸気圧縮サイクルの動作を制御するための制御パネル１１４も含み得る。

電動機１０４は、可変速駆動装置（ＶＳＤ）１１０によって動力を供給され得る。ＶＳＤ １１０は、ＡＣ電源（図示せず）から特定の固定ライン電圧及び固定ライン周波数を有する交流（ＡＣ）電力を受け取り、可変電圧及び周波数を有する電力を電動機１０４に供給する。電動機１０４は、ＶＳＤ １１０によって動力の供給を受けることが可能な任意のタイプの電動機であり得る。例えば、電動機１０４は、高速誘導電動機であり得る。圧縮機１０２は、電動機１０４によって駆動されて、蒸発器１０８から吸引ライン１１２を介して受けた冷媒蒸気を圧縮し、放出ライン１２４を介して冷媒蒸気を凝縮器１０６に送る。図１及び図２で説明されている例では、圧縮機１０２は、遠心圧縮機である。

蒸発器１０８は、内部チューブバンドル（図示せず）と、内部チューブバンドルにプロセス流体を供給するための供給ライン１２０と、内部チューブバンドルからプロセス流体を排出するための戻りライン１２２とを含む。供給ライン１２０及び戻りライン１２２は、プロセス流体を循環させる導管を介してＨＶＡＣシステム内の構成要素（例えば、エアハンドラ）と流体連通し得る。プロセス流体は、建物を冷却するための冷却液であり、水、エチレングリコール、塩化カルシウムブライン、塩化ナトリウムブライン又は任意の他の適切な液体であり得るが、これらに限定されない。蒸発器１０８は、プロセス流体が蒸発器１０８のチューブバンドルを通過し、冷媒と熱を交換するときにプロセス流体の温度を下げるように構成される。冷媒液が蒸発器１０８に送られて、プロセス流体と熱を交換し、冷媒蒸気への相変化を経ることにより、蒸発器１０８内で冷媒蒸気が形成される。

蒸発器１０８から圧縮機１０２によって凝縮器１０６に送られた冷媒蒸気は、熱を流体に伝達する。冷媒蒸気は、流体との熱伝達の結果、凝縮器１０６で凝縮して冷媒液になる。凝縮器１０６からの冷媒液は、膨張装置を通って流れ、蒸発器１０８に戻されて、チラーアセンブリ１００の冷媒のサイクルが完了する。凝縮器１０６は、凝縮器１０６と、ＨＶＡＣシステムの外部の構成要素（例えば、冷却塔）との間で流体を循環させるための供給ライン１１６及び戻りライン１１８を含む。戻りライン１１８を介して凝縮器１０６に供給される流体は、凝縮器１０６内の冷媒と熱を交換し、供給ライン１１６を介して凝縮器１０６から排出されて、サイクルを完了する。凝縮器１０６を循環する流体は、水又は任意の他の適切な液体であり得る。

ここで、図３〜図５を参照すると、一部の実施形態による電動機１０４の図が示されている。具体的には、図３は、電動機ハウジング２０２を含む電動機１０４の等角図を示し、図４は、電動機１０４の上面のＡ−Ａ断面図を示し、図５は、電動機１０４の側面Ｂ−Ｂ断面図を示す。電動機１０４は、他の構成要素の中でも、筐体又はハウジング２０２と、固定子２０４と、回転子２０６とを含むことが示されている。固定子２０４及び回転子２０６は、電動機ハウジング２０２の空洞２２２内に配置される。固定子２０４は、電動機の電磁回路の静止部分であり、回転子２０６にラジアル方向及びアキシアル方向の磁力を与える。適切に調整されたシステムでは、これらの力の合計は、ゼロ又は略ゼロである。一部の実施形態では、固定子２０４は、固定子２０４の外面２１６に結合された電動機ジャケット２１０によって部分的に封入されている。固定子２０４と電動機ジャケット２１０との両方が実質的に円筒形状を有し得る。電動機ジャケット２１０は、アルミニウムから構築され得、電動機１０４の過熱を防ぐために固定子２０４からの熱伝達を最適化するように構成され得る。

回転子２０６は、電動機の電磁回路の回転部分である。様々な実施形態において、回転子２０６は、かご形回転子、巻線形回転子、突極形回転子又は円筒形回転子であり得る。回転子２０６は、シャフト２０８に結合される。回転子２０６及びシャフト２０８は、電動機１０４に結合された他の構成要素及び／又はアセンブリ（例えば、圧縮機１０２）にトルク及び回転を伝達するために、中心軸２２０を中心として固定子２０４の内面２１８内で一緒に回転する。

図５に示す側面断面図を特に参照すると、電動機ハウジング２０２は、電動機ハウジング２０２の底部に配置された冷却液流入口２２４と、電動機ハウジング２０２の頂部に配置された冷却液排出口２２６とを含むことがさらに示されている。一部の実施形態では、冷却液流入口２２４は、冷却システムに冷却液を供給する凝縮器アセンブリ（例えば、凝縮器１０６）に流体結合される。冷却液排出口２２６は、電動機ジャケット２１０及び固定子２０４を取り囲む冷却液回路から冷却液を排出するように構成され得る。

冷却液の供給が流体流入口２２４を介して流体回路に入ると、電動機ハウジング２０２からハウジング２０２と電動機ジャケット２１０との間の領域内に延びる流体誘導機構２３０により、流体が第１の部分と第２の部分とに分割される。第１の部分は、電動機１０４の第１の部分２３６の第１の流体経路２３２に沿って移動し、第２の部分は、電動機１０４の第２の部分２３８の第２の流体経路２３４に沿って移動する。第１の部分２３６と第２の部分２３８とは、垂直軸２２８に対して電動機１０４の反対側に配置される。

一部の実施形態では、凝縮器アセンブリからの冷却液は、低圧（ＬＰ）冷媒であり、ＬＰ冷媒の作動圧力は、４００ｋＰａ未満又は約５８ｐｓｉである。さらなる実施形態では、ＬＰ冷媒は、Ｒ１２３３ｚｄである。Ｒ１２３３ｚｄは、市販のチラーアセンブリで使用されている他の冷媒に比べて地球温暖化係数（ＧＷＰ）が低い不燃性のフッ素化ガスである。ＧＷＰは、１トンの二酸化炭素の排出量に対して、１トンのガスの排出量が一定期間に吸収するエネルギー量を定量化することにより、異なるガスの地球温暖化の影響を比較できるように開発された尺度である。

ここで、図６及び図７を参照すると、一部の実施形態による電動機ハウジング２０２の図が示されている。具体的には、図６は、電動機ハウジング２０２の斜視図であり、図７は、電動機ハウジング２０２の側面Ｃ−Ｃ断面図である。上述のように、電動機ハウジング２０２は、電動機の空洞２２２から、電動機ハウジング２０２と、固定子２０４を封入する電動機ジャケット２１０との間の領域内に突出する複数の流れ誘導機構２３０を含むことが示されている。流れ誘導機構２３０は、流れ誘導機構２３０の周りの冷却液流路２３４が蛇行形状になるように、中心軸２２０に平行に互い違いに並べて配置されることが示されている。他の実施形態では、流れ誘導機構２３０は、所望の冷却液流路を実現するために必要な任意の形状又は向きを有し得る。同様に、図７は、中心軸２２０に対して冷却液排出口２２６から隔てられた冷却液流入口２２４を示す。他の実施形態では、冷却液流入口２２４と冷却液排出口２２６とは、所望の冷却液流路を実現するように互いに対して配置され得る。

ここで、図８Ａ及び図８Ｂを参照すると、一部の実施形態による、らせん流路冷却システム３００及び分割蛇行流路冷却システム４００によって提供される冷却の比較が示されている。図８Ａを特に参照すると、冷却システム３００は、電動機３０２の第１の端部から電動機３０４の第２の端部まで伸びるらせん状冷却液経路３１０を含むことが示されている。らせん状冷却液経路３１０は、流入口３０６において冷却液（例えば、ＬＰ冷媒）の供給を受け、排出口３０８において冷却液の供給を排出できる。冷却液経路３１０の向き及び形状に起因して、冷却液は、流入口３０６から排出口３０８に移動するときに熱を獲得する。従って、電動機３０２の第１の端部は、電動機３０４の第２の端部よりもかなり冷たい。加えて、冷却液経路３１０の長さのために、電動機３０２の第１の端部から電動機３０４の第２の端部までにおいて高い圧力損失がもたらされ、電動機３０４の第２の端部を適切に冷却するための冷却液経路３１０を流れる冷却液の能力をさらに低下させる。

対照的に、図８Ｂに示され、図５及び図７に関連して上で説明された分割蛇行流路冷却システム４００では、電動機４０２の第１の端部から電動機４０４の第２の端部にわたって一貫した温度分布がもたらされる。冷却システム３００と同様に、冷却システム４００は、流入口４０６において冷却液の供給を受け、排出口４０８において冷却液の供給を排出する冷却液経路４１０を含むことが示されている。しかしながら、冷却液経路３１０と異なり、上記のように、分割冷却液経路４１０は、流入口４０６で受けた冷却液を、電動機の片側の周りを流れる第１の部分と、第１の部分とは反対側を流れる第２の部分とに分離し、その後、２つの部分が結合され、排出口４０８を通って流体回路を出る。このように、冷却液経路４１０によって表される流れ面積は、冷却液経路３１０によって表される流れ面積の約４倍であり、流入口４０６から排出口４０８での冷却液の圧力損失は、流入口３０６から排出口３０８での圧力降下の約８分の１となる。

様々な例示的な実施形態に示されているシステム及び方法の構築及び構成は、例示的なものにすぎない。本開示では、例示的な実施形態のみを詳細に説明したが、多くの修正形態が可能である（例えば、サイズ、寸法、構造、様々な要素の形状及び割合、パラメータの値、取り付け構成、材料の使用、色、向きなどの変更）。例えば、要素の位置を逆にしたり、他の方法で変えたりすることができ、個別の要素又は位置の性質又は数を変更するか又は変化させることができる。従って、このような修正形態は、本開示の範囲内に含まれることが意図されている。任意のプロセス又は方法ステップの順番又は順序は、代替的な実施形態に従って変更又は再順序付けされ得る。本開示の範囲から逸脱することなく、例示的な実施形態の設計、動作条件及び構成における他の置換形態、修正形態、変更形態及び省略形態がなされ得る。

Claims (20)

1. 蒸気圧縮システムにおいて圧縮機に動力を供給する電動機のための冷却システムであって、
   ハウジングであって、
   前記電動機を囲み、且つ中心軸を画定する空洞と、
   前記空洞内に延び、且つ前記中心軸に平行に向けられた複数の流体誘導機構と
   を含むハウジングと、
   前記ハウジングと前記電動機との間で冷却液を循環させるように構成された流体回路であって、
   冷却液の第１の部分を前記電動機の第１の部分の周りで移動させる前記複数の流体誘導機構によって少なくとも部分的に画定された第１の冷却液経路と、
   冷却液の第２の部分を前記電動機の第２の部分の周りで移動させる前記複数の流体誘導機能によって少なくとも部分的に画定された第２の冷却液経路であって、前記電動機の前記第２の部分は、前記第１の部分の反対側に配置される、第２の冷却液経路と
   を含む流体回路と
   を含む冷却システム。
2. 前記第１の冷却液経路及び前記第２の冷却経路は、蛇行形状である、請求項１に記載の冷却システム。
3. 前記流体回路は、前記流体回路に冷却液を受けるための前記ハウジングの第１の接続部と、前記流体回路から冷却液を排出するための前記ハウジングの第２の接続部とをさらに含む、請求項１に記載の冷却システム。
4. 前記第１の接続部及び前記第２の接続部は、前記中心軸に対して隔てられて配置される、請求項３に記載の冷却システム。
5. 前記ハウジング内の前記第１の接続部は、凝縮器アセンブリと流体連通し、前記凝縮器アセンブリは、前記冷却液を前記流体回路に供給するように構成される、請求項３に記載の冷却システム。
6. 前記冷却液は、４００ｋＰａ未満の作動圧力を有する低圧冷媒である、請求項１に記載の冷却システム。
7. 前記低圧冷媒は、Ｒ１２３３ｚｄである、請求項６に記載の冷却システム。
8. チラーアセンブリのための誘導電動機であって、
   内面及び外面を有する円筒形状を有する固定子であって、前記円筒形状は、中心軸を画定する、固定子と、
   シャフトに結合された回転子であって、前記回転子及び前記シャフトは、前記中心軸を中心として前記固定子の前記内面内で回転するように構成される、回転子と、
   前記固定子を少なくとも部分的に封入するように構成されたハウジングであって、複数の流体誘導突起を含み、前記複数の流体誘導突起は、冷却液の第１の部分のための第１の冷却液経路と、冷却液の第２の部分のための第２の冷却液経路とを画定するように構成される、ハウジングと
   を含み、前記第１の冷却液経路及び前記第２の冷却経路は、蛇行形状である、誘導電動機。
9. 前記複数の流体誘導突起は、前記中心軸に平行に向けられる、請求項８に記載の誘導電動機。
10. 前記固定子の前記外面に結合された電動機ジャケットをさらに含む、請求項８に記載の誘導電動機。
11. 前記第１の冷却液経路は、前記ハウジングと前記電動機ジャケットの第１の部分との間に配置され、前記第２の冷却液経路は、前記ハウジングと前記電動機ジャケットの第２の部分との間に配置され、前記電動機ジャケットの前記第１の部分は、前記第２の部分の反対側に配置される、請求項１０に記載の誘導電動機。
12. 前記冷却液は、４００ｋＰａ未満の作動圧力を有する低圧冷媒である、請求項８に記載の誘導電動機。
13. 前記低圧冷媒は、Ｒ１２３３ｚｄである、請求項１２に記載の誘導電動機。
14. 前記ハウジングは、凝縮器アセンブリから冷却液を受けるように構成された第１の接続部をさらに含む、請求項８に記載の誘導電動機。
15. 前記ハウジングは、冷却液を排出するように構成された第２の接続部をさらに含み、前記第１の接続部及び前記第２の接続部は、前記中心軸に対して隔てられて配置される、請求項１４に記載の誘導電動機。
16. 冷媒を循環させるように構成された閉ループで接続されている、誘導電動機によって直接駆動される遠心圧縮機と、凝縮器と、膨張装置と、蒸発器とを含む蒸気圧縮システムであって、前記誘導電動機は、
    固定子と、
    前記シャフトに結合された回転子であって、前記回転子及び前記シャフトは、前記固定子内で回転するように構成される、回転子と、
    前記固定子を少なくとも部分的に封入するように構成された空洞と、前記空洞内に延び、且つ冷媒の第１の部分のための第１の冷媒経路及び冷媒の第２の部分のための第２の冷媒経路を画定するように構成された複数の冷媒誘導突起とを含むハウジングと
    を含む、蒸気圧縮システム。
17. 前記第１の冷媒経路及び前記第２の冷媒経路は、蛇行形状である、請求項１６に記載の蒸気圧縮システム。
18. 前記固定子に結合された電動機ジャケットをさらに含み、前記第１の冷媒経路は、前記空洞と前記電動機ジャケットの第１の部分との間に配置され、前記第２の冷媒経路は、前記空洞と前記電動機ジャケットの第２の部分との間に配置され、前記電動機ジャケットの前記第１の部分は、前記第２の部分の反対側に配置される、請求項１６に記載の蒸気圧縮システム。
19. 前記冷媒は、４００ｋＰａ未満の作動圧力を有する低圧冷媒である、請求項１６に記載の蒸気圧縮システム。
20. 前記低圧冷媒は、Ｒ１２３３ｚｄである、請求項１９に記載の蒸気圧縮システム。

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