JP4592467B2 - エンジン駆動式発電装置および室外ユニット - Google Patents

Description

本発明は、エンジン出力軸に発電機を直結したエンジン駆動式発電装置および室外ユニットに関する。

これまでのエンジン駆動式空気調和装置では、冷媒を圧縮する圧縮機をガスエンジンなどのエンジンで駆動し、空調運転を行わせている。近年、このガスエンジンに発電機を連結し、この発電機で発電された電力を、例えば室外熱交換器への送風を行う送風機或いはエンジンを冷却する冷却水ポンプなどの負荷装置に供給し、電力供給レスの空調機の実現が模索されている（例えば、特許文献１参照）。
この場合、圧縮機とガスエンジンとの間、およびエンジンと発電機との間がベルト駆動式になっているのが一般的である。
特開平５−２３１７４５号公報

しかし、エンジンと発電機との間がベルト駆動式では、発電機容量が例えば４ＫＷ以上に増大したとき、大型化し、特に狭隘な筐体内に圧縮機、エンジンおよび発電機をコンパクトに収納するのが困難になる。そこで、エンジンの出力軸に発電機を直結して、小型化することが提案されるが、狭隘な筐体内に各種機器類を収納する場合、エンジンの発熱により、電動機の巻き線部の耐久性が問題となる。エンジン駆動式空気調和装置では、筐体内の機械室内部の温度が、例えば６０℃程度にまで上昇するため、エンジンの出力軸に発電機を直結した場合、巻き線部温度が１２０℃程度に上昇することが予想される。この場合、巻き線の絶縁種別Ｂ種では耐久性に劣り、Ｆ種を採用することになるが、Ｆ種はコストが高くなると共に、加工性が悪いという問題がある。

そこで、本発明の目的は、これら問題に鑑みてなされたもので、エンジンに大容量の発電機を連結した場合であっても、小型化が図かれ、かつ製造コストが低減されるエンジン駆動式発電装置および室外ユニットを提供することにある。

本発明は、エンジンのボディ外壁に当該エンジンの出力軸を囲うように環状のステータブラケットを設け、このステータブラケットに発電機のステータを固定すると共に、このステータの内側に外端を開口し、内端に該内端を閉塞するロータブラケットを備えた環状のロータを配置し、この発電機のロータをロータブラケットを介してエンジン出力軸に固定し、エンジン出力軸の近傍のロータブラケットに第１の風孔を設け、第１の風孔を介して導入されるロータの外端の開口からの冷却風を外部に流出させる第２の風孔をステータの近傍のステータブラケットに設け、ステータとロータ間の隙間に位置する巻き線部に第１及び第２の風孔を介して流れる冷却風の一部を導くことを特徴とする。
本発明では、各ブラケットにはステータとロータ間の隙間に位置する巻き線部に冷却風を導く風孔を設けたため、巻き線部が冷却風によって効率的に冷却され、その温度上昇が抑制され、絶縁耐久性が向上する。

このエンジン駆動式発電装置が、狭隘な筐体内に収容された場合、筐体内の機械室内部の温度は、例えば６０℃程度にまで上昇する。そのため、圧縮機の出力軸に発電機を直結した場合、巻き線部温度が１２０℃程度に上昇することが予想される。本構成では、巻き線部の温度上昇が抑制され、例えば絶縁種別Ｂ種を採用でき、コストが削減され、良好な加工性が担保される。
この場合において、前記冷却風が前記エンジン出力軸の周囲を流れてステータとロータ間の隙間に位置する巻き線部に導かれてもよい。
冷却風がエンジン出力軸の周囲を流れることにより、巻き線部および出力軸共々冷却され、さらに冷却効率が向上する。

エンジンで駆動される圧縮機および室外熱交換器を単一の筐体内に収納したエンジン駆動式空気調和装置の室外ユニットにおいて、エンジンのボディ外壁に当該エンジンの出力軸を囲うように環状のステータブラケットを設け、このステータブラケットに発電機のステータを固定すると共に、このステータの内側に外端を開口し、内端に該内端を閉塞するロータブラケットを備えた環状のロータを配置し、この発電機のロータをロータブラケットを介してエンジン出力軸に固定し、エンジン出力軸の近傍のロータブラケットに第１の風孔を設け、第１の風孔を介して導入されるロータの外端の開口からの冷却風を外部に流出させる第２の風孔をステータの近傍のステータブラケットに設け、ステータとロータ間の隙間に位置する巻き線部に第１及び第２の風孔を介して流れる冷却風の一部を導く構成としてもよい。
また、前記冷却風が前記エンジン出力軸の周囲を流れてステータとロータ間の隙間に位置する巻き線部に導かれていてもよい。
前記発電機で発電された電力を、前記室外熱交換器への送風を行う送風機および当該エンジンを冷却する冷却水ポンプなどの負荷装置に供給してもよい。

本発明は、各ブラケットにステータとロータ間の隙間に位置する巻き線部に冷却風を導く風孔を設けたため、巻き線部が冷却風によって効率的に冷却され、その温度上昇が抑制され、絶縁耐久が向上する。

本発明の実施の形態について図を参照しながら以下に説明する。
図１は、エンジン駆動式の空気調和装置１を示す。この空気調和装置１では、室外ユニット２と室内ユニット３とがユニット間配管４で接続されて構成されており、室外ユニット２の筐体には、ガスなどの燃料を燃焼させて駆動力を発生するエンジン１０と、このエンジン１０の駆動力により発電を行う発電機１１と、エンジン１０の駆動力により冷媒を圧縮する圧縮機１２とが収容されている。この圧縮機１２への動力伝達は、ベルト駆動式の伝達装置１４が司る。

この圧縮機１２には、四方弁２３が接続され、この四方弁２３には、ユニット間配管４のガス管４ｂを介して、室内ユニット３の室内熱交換器１５が接続され、この室内熱交換器１５には、ユニット間配管４の液管４ａを介して、膨張弁２４が接続されている。この膨張弁２４には、室外熱交換器１７が接続され、この室外熱交換器１７には、上記四方弁２３を介して圧縮機１２が接続されている。なお、１６は室内送風機を示し、１８は室外送風機を示している。

上記エンジン１０には、このエンジン１０を冷却する冷却水の放熱を行なわせるラジエータ１９が接続され、このラジエータ１９に冷却水を循環させる冷却水ポンプ２１が接続されている。２０はラジエータ送風機２０を示し、２２は始動装置２２を示している。そして、２５は制御装置であり、この制御装置２５は、各送風機１８、２０、冷却水ポンプ２１等の負荷装置３０およびパワーリレー２６に電力を供給し、その駆動制御を行う。２７は発電機１１で発電された電力を蓄える蓄電池、２８は発電機１１で発電された電力を昇降圧する昇降圧装置、２９は昇降圧装置２８により昇降圧された電力を、例えば商用電源と同じ周波数の交流電力へと変換するインバータである。

発電機１１で発電された電力は、蓄電池２７と昇降圧装置２８との双方へ供給され、蓄電池２７では電力が蓄えられ、昇降圧装置２８では、その電力が、所定の電圧まで昇降圧（例えば、約ＤＣ３００Ｖ）され、インバータ２９では、例えば商用電源と同じ電圧で、同じ周波数（例えば、ＡＣ２００Ｖ５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）へと変換され、制御装置２５により制御されてパワーリレー２６および負荷装置３０へと供給される。なお、発電機１１には、図示しないコンバータが備えられ、電力を直流電力として供給する。
蓄電池２７に蓄えられた電力は、制御装置２５と、パワーリレー２６の接点を介して始動装置２２へ供給されている。この蓄電池２７は、例えば、自動車用の蓄電池を用いるとその端子電圧はＤＣ１２Ｖとなる。

室内ユニット３には、上述した室内熱交換器１５、室内送風機１６の他に、室内送風機１６の駆動制御など、この室内ユニット３の制御を司る室内制御部３１が収納されている。なお、この室内ユニット３には、商用電源３２（例えばＡＣ２００Ｖ）から電力が供給され、通信配線５で室外ユニット２へと接続されている。

つぎに、各動作を説明する。
暖房運転時には、圧縮機１２の吐出側から吐出された冷媒を四方弁２３を経由して室内熱交換器１５へと流入させ、室内送風器１６からの送風を受けて冷媒は凝縮した後、膨張弁２４で減圧され、室外熱交換器１７で室外送風器１８からの送風を受けて蒸発し、四方弁２３を経由して圧縮機１２の吸込側へと戻る順路で循環される。
冷房運転時には、四方弁２３の接続方向を切り換えて圧縮機１２の吐出側から吐出された冷媒を四方弁２３を経由して室外熱交換器１７へと流入させ、室外送風器１８からの送風を受けて冷媒を凝縮させた後、この冷媒は膨張弁２４で減圧され、室内熱交換器１５で室内送風器１６からの送風を受けて蒸発し、四方弁２３を経由して圧縮機１２の吸込側へと戻る順路で循環される。

エンジン１０の冷却経路では、運転が開始されると、冷却水ポンプ２１が運転され、エンジン１０内で発生した熱を回収した冷却水は、冷却水ポンプ２１により、ラジエータ１９へと送られ、ラジエータ送風機２０からの送風を受けて冷却され、再度、エンジン１０へと戻る順路で循環する。

制御装置２５への電力供給動作は、エンジン１０が停止している場合、制御装置２５が駆動制御を行える様に機能するための電源として蓄電池２７から供給され、それが運転を行っている場合、制御装置２５が駆動制御を行える様に機能するための蓄電池２７からの電力、および、エンジン１０によって駆動される発電機１１で発電された電力を、昇降圧装置２８で昇降圧（例えば、約ＤＣ３００Ｖ）し、インバータ２９で、例えば、商用電源と同じ電圧で、同じ周波数（例えば、ＡＣ２００Ｖで、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）へと変換された電力が、それぞれ供給される。

また、エンジン１０が始動する場合は、制御装置２５からパワーリレー２６が駆動されて、このパワーリレー２６の接点が閉となり、始動装置２２へ蓄電池２７の電力が供給されてエンジン１０が始動される。そして、エンジン１０が運転を開始すれば、制御装置２５からパワーリレー２６の接点が開とされて、蓄電池２７から始動装置２２への電力は停止される。

図２は、エンジン１０と発電機１１の連結構造を示す。
本構成では、エンジン１０に対し、発電機１１が直結されている。このエンジン１０は、架台５０に支持され、室外ユニット２の筐体の底板５１に固定されている。このエンジン１０のボディ外壁１０Ａには、当該エンジン１０の出力軸１０Ｂを囲うように、環状のステータブラケット５３が、複数本のボルト５３ａを介して取り付けられている。そして、このステータブラケット５３には、発電機１１を構成するステータ５５が固定され、このステータ５５の内周には巻き線５７が配置されている。

この巻き線５７の内周には、発電機１１を構成する環状のロータ５９が配置され、このロータ５９は、皿状のロータブラケット６１に固定され、このロータブラケット６１は、複数本のボルト６３を介して、エンジン１０の出力軸１０ｂに固定されている。なお、７１は排ガス熱交換器である。

ロータブラケット６１には、出力軸１０ｂの周囲を囲うように、周方向に略等間隔に、出力軸１０ｂの略軸方向に貫通する例えば６個の第１の風孔７３が形成されている。第１の風孔７３は、遠心力によって空気を吸い込み易くするため、斜めに穿孔してもよい。また、ステータブラケット５３には、このステータブラケット５３、ボディ外壁１０Ａおよびロータブラケット６１で囲んだ内部空間Ａと、ステータブラケット５３の外側の外部空間Ｂとを連通する複数の第２の風孔７５が形成され、この第２の風孔７５は、出力軸１０ｂの軸方向と略直交する方向に貫通している。この第２の風孔７５は、巻き線５７の内端５７Ａに近付けることが望ましい。

つぎに、この実施形態の動作を説明する。
エンジン１０が駆動されると、出力軸１０Ｂに固定されたロータ５９が回転し、巻き線５７に電流が流れて、電力が取り出される。
この過程では、環状のロータ５９の内側に遠心力によって空気が吸い込まれ、この空気が、実線の矢印で示すように、ロータブラケット６１の第１の風孔７３を通して、ステータブラケット５３、ボディ外壁１０Ａおよびロータブラケット６１で囲んだ内部空間Ａに入り、ここからステータブラケット５３の第２の風孔７５を通して、ステータブラケット５３の外側の外部空間Ｂに流出する。
内部空間Ａの空気の一部は、ステータ５５とロータ５９間に生じた隙間に流入し、この隙間に位置する巻き線５７を冷却する。

上記の冷却風の流れは、実機にて確認されており、これによれば、巻き線５７が冷却風によって効率的に冷却されるため、温度上昇が抑制され、巻き線５７の絶縁耐久性が向上する。この空気調和装置１では、室外ユニット２の狭隘な筐体内に、エンジン駆動式発電装置が収容されるため、筐体内の機械室内部の温度は、例えば６０℃程度にまで上昇する。これを放置すれば、エンジン１０の出力軸１０Ｂに発電機１１を直結した場合、巻き線５７の温度が１２０℃程度に上昇することが予想される。
本構成では、巻き線５７の温度上昇が抑制されるため、例えば絶縁種別Ｂ種を採用することができ、コストが削減され、良好な加工性が担保される。
また、冷却風がエンジン出力軸１０Ｂの周囲を流れるため、巻き線５７および出力軸１０Ｂ共々冷却され、冷却効率が向上する。

本構成では、エンジン直結の発電機１１の各ブラケットに風孔を設けることにより、発電機１１の内部に空気の流れを形成したため、巻き線５７の温度上昇を抑制できるばかりでなく、エンジン自体の放熱作用も呈し、さらに筐体のパネルに外気取入口を設ければ、発電機内部の温度を、より緩和できる。

図３は、別の実施形態を示す。本実施形態では、図２の実施形態の風孔７３，７５に加え、さらにロータ５９の胴部に対し、出力軸１０ｂの軸方向と略直交する方向に貫通する複数の第３の風孔８１が、周方向に略等間隔に形成されている。この第３の風孔８１は、巻き線５７の内端５７Ａに近付けることが望ましい。この構成では、内部空間Ａの空気の一部が、ステータ５５とロータ５９間に生じた隙間に、さらに流入し易くなり、さらなる冷却効果が期待される。

本発明の一実施形態を示す回路図である。 発電機を示す断面図である。 別の実施形態を示す断面図である。

符号の説明

１ エンジン駆動式空気調和装置
２ 室外ユニット
３ 室内ユニット
１０ エンジン
１０Ｂ 出力軸
１１ 発電機
１２ 圧縮機
１０Ａ ボディ外壁
５３ ステータブラケット
５５ ステータ
５７ 巻き線
５９ ロータ
６１ ロータブラケット
７３ 第１の風孔
７５ 第２の風孔
８１ 第３の風孔

Claims (5)

1. エンジンのボディ外壁に当該エンジンの出力軸を囲うように環状のステータブラケットを設け、このステータブラケットに発電機のステータを固定すると共に、このステータの内側に外端を開口し、内端に該内端を閉塞するロータブラケットを備えた環状のロータを配置し、この発電機のロータをロータブラケットを介してエンジン出力軸に固定し、エンジン出力軸の近傍のロータブラケットに第１の風孔を設け、第１の風孔を介して導入されるロータの外端の開口からの冷却風を外部に流出させる第２の風孔をステータの近傍のステータブラケットに設け、ステータとロータ間の隙間に位置する巻き線部に第１及び第２の風孔を介して流れる冷却風の一部を導くことを特徴とするエンジン駆動式発電装置。
2. 前記冷却風が前記エンジン出力軸の周囲を流れてステータとロータ間の隙間に位置する巻き線部に導かれることを特徴とする請求項１記載のエンジン駆動式発電装置。
3. エンジンで駆動される圧縮機および室外熱交換器を単一の筐体内に収納したエンジン駆動式空気調和装置の室外ユニットにおいて、
   エンジンのボディ外壁に当該エンジンの出力軸を囲うように環状のステータブラケットを設け、このステータブラケットに発電機のステータを固定すると共に、このステータの内側に外端を開口し、内端に該内端を閉塞するロータブラケットを備えた環状のロータを配置し、この発電機のロータをロータブラケットを介してエンジン出力軸に固定し、エンジン出力軸の近傍のロータブラケットに第１の風孔を設け、第１の風孔を介して導入されるロータの外端の開口からの冷却風を外部に流出させる第２の風孔をステータの近傍のステータブラケットに設け、ステータとロータ間の隙間に位置する巻き線部に第１及び第２の風孔を介して流れる冷却風の一部を導くことを特徴とするエンジン駆動式空気調和装置の室外ユニット。
4. 前記冷却風が前記エンジン出力軸の周囲を流れてステータとロータ間の隙間に位置する巻き線部に導かれることを特徴とする請求項３記載のエンジン駆動式空気調和装置の室外ユニット。
5. 前記発電機で発電された電力を、前記室外熱交換器への送風を行う送風機および当該エンジンを冷却する冷却水ポンプなどの負荷装置に供給することを特徴とする請求項３または４記載のエンジン駆動式空気調和装置の室外ユニット。

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