JP4860759B2 - 圧縮機モータを冷却する装置及び方法 - Google Patents

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本出願は、２００７年２月２７日出願の米国特許出願第１１／６７９，２２０号明細書の優先権を主張するものであり、この米国特許出願第１１／６７９，２２０号明細書は、２００４年６月２９日出願の米国特許出願第１０／８７９，３８４号明細書の一部継続出願であり且つその優先権を主張し、また、その内容を参考として引用し本明細書に含めてある。本出願は、２００６年１２月２２日付けで出願された、米国仮特許出願第６０／８７１，４７４号明細書の利益を更に主張するものである。

本発明は、空気圧縮機の冷却、及び冷却装置にて使用される圧縮機のような圧縮機を駆動するため使用されるモータの冷却を改良する装置及び方法に関する。特に、本発明は、モータハウジングを通る圧縮されていないガスによって圧縮機のモータを冷却することに関する。圧縮されていないガスをモータハウジングを通して吸引するのに必要な減圧は、圧縮機の圧縮機構に対する吸引組立体内に設けられたノズル及びギャップ、又はこれと代替的に、ベンチュリのような減圧手段によって生じさせる。

ガス圧縮装置は、工具を作動させる空気の圧縮、ガスの貯蔵及び輸送のためのガスの圧縮、及び冷却装置用の冷媒ガスの圧縮を含む広範囲にわたる用途にて使用されている。装置の各々において、圧縮機構を駆動してガスを圧縮するためモータが設けられている。モータの寸法及び型式は、圧縮機の型式及び容量、及び装置の作動環境のような、幾つかの因子に依存する。圧縮装置のエネルギ効率を犠牲にすることなく、モータの十分な冷却を実現することは、ガス圧縮装置に課される挑戦すべき設計上の課題である。

米国特許出願第１１／６７９，２２０号明細書 米国特許出願第１０／８７９，３８４号明細書 米国仮特許出願第６０／８７１，４７４号明細書

例えば、冷却装置、特に、大容量の装置内の圧縮機モータをモータ冷却することは、依然として挑戦すべき課題である。典型的な冷却装置において、圧縮機及び膨張装置は、全体として、一般に、回路の高圧側及び低圧側と称される冷却回路の２つの部分の境界を形成する。低圧側は、全体として、膨張装置及び蒸発器を接続する二相の管と、蒸発器と、蒸発器から圧縮機入口までの冷媒ガスの経路を提供する吸引管とを含む。高圧側は、全体として、圧縮機及び凝縮器を接続する排気ガス管と、凝縮器と、凝縮器の出口と膨張装置との間にて液体冷媒に対する経路を提供する管とを含む。上述した基本的な構成要素に加えて、冷却回路は、装置の熱力学効率及び性能を向上させることを目的とするその他の構成要素を含むこともできる。

多段圧縮装置、また、スクリュー圧縮機の場合、装置の効率を向上させ且つ容量を制御するため、「エコノマイザ」回路を含めることができる。多段圧縮装置用の典型的なエコノマイザ回路は、ガスを圧縮サイクルの「中圧」部分から吸引して次の圧縮段にて圧縮されるガスの量を少なくし、これによりサイクルの効率を向上させる手段を含む。中圧ガスは、典型的に、吸引段すなわち初期の圧縮段に戻される。

遠心圧縮機は、冷却装置、特に、比較的大容量の装置にて使用されることが多い。遠心圧縮機は、圧縮機入口に入る冷媒ガスの流量を変化させるべく使用される、それらの吸引入口におけるプレ回転ベーンを有することが多い。遠心圧縮機は、通常、モータ及び圧縮機を収容する外側密閉ハウジング内に含まれることが多い電気モータによって駆動される。この構成は、冷媒が漏洩する危険性を少なくするが、周囲空気を使用してモータを直接冷却することは許容しない。このため、モータは、典型的に、主冷媒サイクルにて使用される冷媒のような、冷却媒質を使用して冷却しなければならない。

圧縮機モータを冷却するため冷媒を循環させる多くのモードが提唱され且つ具体化されている。例えば、冷媒は、気体又は液体相にてモータの作用可能な部分に、また、モータハウジングに送ることができる。かかる場合、冷媒は、必然的に、モータハウジングに設けられたオリフィス又は通路を通して供給される。モータを冷却した後、冷媒ガスは、典型的に、圧縮機内部の経路又は外側管の何れかを通して圧縮機の吸引側に送られる。

液体冷媒を使用する幾つかの既知のモータの冷却方法において、冷媒は、凝縮器と膨張装置との間の高圧液体供給管から供給される。液体は、モータハウジング内に噴射され、このモータハウジングにて、液体は、モータの熱を吸収し且つ急速に蒸発し又は「フラッシュ」して気体状の形態となり、このため、モータを冷却する。次に、形成される冷媒ガスは、典型的に、モータハウジング及び（又は）モータ自体に設けられた通路を通して圧縮機の吸引側に送られる。液体の噴射による冷却の利点は、典型的なモータ組立体に極めて多様な潜在的な噴射箇所があることである。直接的な液体冷却のその他の有利な点は、ロータ及びステータ組立体のような、到達困難な領域の上方及びその回りにて液体冷媒を流すことを含み、これにより直接接触の熱交換を確立する点である。かかる直接接触の熱交換は、一般にモータ、特に、モータのロータ組立体及びモータギャップ領域を冷却する極めて望ましい方法であることが判っている。残念なことに、既知の直接的な液体冷媒の噴射技術により発生される高速度の液体冷媒の噴霧は、ステータ巻線の露出した端部コイルのような露出したモータ部分に対して潜在的に危険な浸食源を呈する。この問題点を避けるため、一部の製造メーカは、間接的熱交換によりモータを冷却するため取り囲まれたステータ室を組み込んでいる。かかる組立体において、ステータの外周の回りに密封室又はジャケットが設けられ、また、低速度の液体冷媒が室を通して循環されてステータ組立体に対し間接的な熱交換を提供する。かかる装置は、直接的な液体冷媒の噴射による潜在的な浸食の問題点は回避するものの、空気ギャップ、ロータ領域、及びモータ巻線のような、その他のモータ領域を冷却する上で極めて効率的ではない。

モータを冷却するため液体冷媒を噴射することの危険性を避けるため、冷媒ガスを使用することも可能である。小型の容積形圧縮機を有する小容量の冷媒装置において、最も一般的なガスによるモータの冷却方法は、圧縮機により取り扱われるべきガス状冷媒の全て又は殆どをモータハウジングを通して循環させることである。多段圧縮機の場合、幾つかのガス状冷媒は、高圧又は中圧にて供給することもできる。冷媒ガスは、色々な位置にてモータ及びモータハウジング内に流すことができ、また、色々なモードを使用して循環させることができる。例えば、１つの技術は、幾つかの低温ガスをモータ軸線に対して横断状に蒸発器から循環させ巻線領域を冷却する方法に関する。これに反して、別の技術は、排出管に解放される前に、幾つかの高圧ガスを第二の段のインペラから内方にモータハウジング内に循環させる方法に関する。モータ内にて形成されるガスの循環は、提供された空気ギャップ、ステータ切欠き及びステータの回りの通路内にて軸方向である。

上記の気体相モータ冷却装置及び方法の重大な短所は、通常、冷媒ガスの流れの実質的に全部がモータ及びモータハウジングを通して循環される点である。冷却のため必要とされるよりも遥かに多量の冷媒ガスがモータを通って流れ、また、モータを通るガスの流れは、顕著な圧力降下を生じさせ、この圧力降下のため、装置の効率は低下することになる。かかる圧力降下及びこれに伴う非効率さは、小容量の冷媒装置には許容できるが、これらは、大容量の圧縮機には許容できず又は適当ではない。従って、これらの装置は、往復圧縮機及び小型のスクリュー又はスクロール圧縮機にて使用されているが、大型の遠心圧縮機には使用されていない。オフィスビル、大型の輸送乗物、及び船等を冷却するため使用されるもののような、大容量の冷却装置にとって、モータ及びモータハウジングの特定の箇所を冷却するため、限られた量のみの冷媒を送ることが望ましい。

別の問題点は、十分な冷却を保証するため、最も低温の利用可能な冷媒ガスをモータハウジングを通して供給することである。例えば、冷却のため、冷媒回路の高圧側からガスを吸引し、そのガスを圧縮機の吸引側に戻すことが可能である。しかし、相対的に高いガス温度は、モータを効率良く冷却することはできないため、相対的に多量のガス流量が必要とされる。また、供給されたガスは、そのサイクル内にて何らかの冷却効果を与えられることなく再度圧縮しなければならない。このため、高圧側は、装置の効率に対する厳しい影響のため、不良なモータ冷却剤の供給源である。

これと代替的に、エコノマイザサイクルからの中圧ガスを使用してモータを冷却することも可能である。エコノマイザが設けられる場合、中圧ガスは、モータの圧縮段から供給し且つ、下方の圧縮段に、また、場合によっては圧縮機の吸引側に戻すことができる。かかる中圧ガスの供給及び循環は、簡単であり、それは、エコノマイザ内の中圧及び低圧と低圧側との間にてそれぞれ利用可能な圧力差が顕著であるからである。上昇したガス温度のためモータ冷却が限定的であるという問題に依然として遭遇するが、相対的に低いガス温度のため、必要とされるガスの流量は少ない。中圧ガス冷却装置は具体化されているが、成功は限られている。中圧ガス冷却装置において、モータハウジングを通って循環されたガスは、中圧であり、その結果、ガスが低圧にて供給された場合、ガス摩擦が大きくなり、モータに対する冷却効果を更に制限することになる。

上記に鑑みて、装置の容量に悪影響を与え又は装置の効率を顕著に低下させることなく、循環させた流体を使用してガス圧縮装置内にてモータを冷却する効率的な装置及び方法が不断に課題とされている。

本発明は、ガスを圧縮する前、モータハウジング内に圧縮されていないガスの流れの一部分を導入することにより、ガス圧縮機を駆動するモータを冷却する装置及び方法を提供することにより先行技術の問題点を解決するものである。冷媒回路の特定の場合、圧縮されていない冷媒ガスは、冷却回路の低圧側から供給される。本発明は、また、圧縮されていない冷媒ガスの掃引手段及び方法と組み合わせて液体冷却手段及び方法を使用してモータの追加的な冷却も実現する。

１つの実施の形態において、ガス圧縮装置は、圧縮機構と、圧縮されていないガスをガス供給源から受け取り且つ、その圧縮されていないガスを圧縮機に移送する吸引組立体であって、ガス供給源と流体的に連通した吸引管を備える上記の吸引組立体と、気体供給源からの圧縮されていないガス内に減圧を生じさせる手段であって、吸引管と流体的に連通した上記の減圧を生じさせる手段と、減圧を生じさせる手段に隣接して配設された圧縮機入口であって、減圧を生じさせ且つ、圧縮機構に対して圧縮されていないガスを提供する手段から圧縮されていないガスを受け取るよう構成された上記の圧縮機入口と、圧縮機構を駆動し得るよう圧縮機と接続させたモータと、圧縮機及びモータを取り囲むハウジングであって、ガス供給源と流体的に連通した少なくとも１つの入口開口部と、減圧を生じさせる手段と流体的に連通した少なくとも１つの出口開口部とを有する上記のハウジングと、を備え、減圧を生じさせる手段は、圧縮されていないガスをガス供給源からハウジングを通して吸引し、モータを冷却し且つ、圧縮されていないガスを吸引組立体に戻すようにされた、圧縮機を含む。

遠心圧縮機の１つの実施の形態において、減圧を生じさせる手段は、圧縮されていない冷媒ガスの流れをノズル部分を通して加速する構成とされた収斂するノズル部分と、収斂するノズル部分の出口に隣接して配設されたギャップと、ギャップに隣接する圧縮機のインペラ入口とを含む。この実施の形態において、装置は、圧縮機構を駆動するモータを更に有し、モータ及び圧縮機構はハウジング内に収容され、ハウジングは、圧縮機の上流にて冷媒ガス供給源と連通可能に接続された少なくとも１つの入口開口部を含む。ハウジングは、吸引接続部のギャップと連通可能に接続された少なくとも１つのガス戻し開口部を更に含み、収斂するノズル部分は、ギャップにて圧力差を生じさせ、この圧力差は、圧縮機の上流にて冷媒ガス供給源から冷媒ガスをハウジングを通して少なくとも１つの開口部内に吸引し、ガス戻し開口部から出て、ギャップ内に入れ、これによりモータを冷却するのに十分である。

遠心圧縮機に特定的ではない別の実施の形態において、減圧を生じさせる手段はベンチュリである。

更に別の実施の形態は、圧縮機と、凝縮器と、閉じた冷媒回路内にて接続された蒸発器とを備え、また、上述した実施の形態の特徴を有する冷却装置に関する。

本発明は、モータ駆動の圧縮機を有するガス圧縮装置内にてモータを冷却する方法を更に提供する。この方法は、圧縮されていないガスの流れ内にて圧力差を生じさせる手段を有する吸引組立体と、圧縮されていないガスを吸引組立体から受け取り且つそのガスを圧縮機構に移送する圧縮機入口を含む圧縮機と、圧縮機構を駆動するモータとを備えるガス圧縮装置を提供する工程を含み、ハウジングは、圧縮機の上流にてガス供給源と連通可能に接続された少なくとも１つの入口開口部を含み、ハウジングは、吸引組立体内にて圧力差を生じさせる手段と連通可能に接続された少なくとも１つの出口開口部を更に含み、圧縮されていないガスの流れを圧力差を生じさせる手段を通して且つ圧縮機入口内に吸引し、加速するよう圧縮機を作動させる工程と、圧縮されていないガスをガス供給源から入口開口部を通してハウジング内に吸引するのに十分な圧力差を圧縮されていないガスの流れ内に生じさせる工程と、圧縮されていないガスをモータハウジング内にて循環させモータを冷却する工程と、循環させた圧縮されていないガスをハウジングから少なくとも１つの出口開口部を通して吸引し、吸引組立体に戻す工程とを含む。

１つの有利な点は、装置の効率に対して許容し得ない妥協を伴うことなく、大容量の冷却装置内でのモータの冷却を向上させることを含む。別の有利な効果は、モータハウジングを通る冷媒ガスの循環を組み合わせ、液体冷却剤をモータの標的領域に隣接して配設されたジャケット又は室を通して循環させることで更に改良させることができるようにした、優れたモータの冷却方法である。

本発明のその他の特徴及び有利な効果は、単に一例として、本発明の原理を示す添付図面を参照することにより、以下のより詳細な説明から明らかであろう。

図１は、単一段遠心圧縮機を使用して、冷却装置に適用される、モータ冷却装置の１つの実施の形態を概略図的に示す。 図２は、単一段遠心圧縮機を使用して、冷却装置に適用される、モータ冷却装置の別の実施の形態を概略図的に示す。 図３は、２段遠心圧縮機を使用して、冷却装置に適用される、モータ冷却装置の１つの実施の形態を概略図的に示す。 図４は、２段遠心圧縮機を使用して、冷却装置に適用される、エコノマイザ回路を含むモータ冷却装置の別の実施の形態を概略図的に示す。 図５は、図１−図４のモータ冷却装置の収斂するノズル及び環状ギャップの詳細図を示す。 図６は、非遠心圧縮機に対して具体化することのできるモータ冷却装置の１つの実施の形態を概略図的に示す。 図７は、環状ギャップと、該環状ギャップを取り囲むガス分配室を追加する状態を示す、図６のモータ冷却装置におけるベンチュリの詳細図である。 図８は、遠心圧縮機を備えて具体化されるモータ冷却装置の１つの実施の形態を概略図的に示す。 図９は、遠心圧縮機を備えて具体化されるモータ冷却装置の別の実施の形態を概略図的に示す。

可能な場合、同一の又は同様の部品を示すため、図面の全体を通じて同一の参照番号が使用される。

本発明は、圧縮されていないガスのような、低圧ガスを使用して密閉型モータを最適に冷却するものである。本発明は、ガスを掃引することによりモータを冷却し、ガス供給源は圧縮回路の低圧側内に配置される。冷却回路の適用例において、圧縮されていない冷媒ガスは、例えば、蒸発器から供給され且つ、圧縮機への吸引入口にて生じた減圧によりモータを通り又はモータの回りにて（又はその双方）モータハウジング内に吸引される。これと代替的に、冷媒ガスの供給源は、吸引管又は吸引液体トラップである。

本発明は、液体冷却剤をモータ冷却ジャケット又はモータハウジング内に設けられた室を通して循環させることにより、モータの更なる冷却を実現することができる。冷却装置の実施の形態において、循環する液体は、液体冷媒とすることができ、この液体冷媒は、モータハウジング内に直接、噴射することができ、また、これら特徴の任意の組み合わせは、冷却回路の低圧側からのガスを使用してモータの低温のガス掃引を補助することができる。

本発明は、あらゆる型式のガス圧縮装置に適用可能である。図示し且つ説明の容易さのため、図１−図６には、冷却装置の１つの環境が示されている。しかし、この環境は一例であり、非限定的なものである。

本発明の装置を組み込む全体的な冷却装置は、単に一例として、図１−図４に示されている。図示したように，冷却装置１００は、モータ１０４と、圧縮機１０２とを備え、これらの圧縮機１０２及びモータ１０４は共通のハウジング１０６内に収容されており、また、蒸発器１０８と、凝縮器１１６とを含む。モータハウジング１０６は、モータハウジング部分１０６ａと、圧縮機ハウジング部分１０６ｂとを含む。従来の冷却装置１００は、図１−図４に図示しない多くのその他の特徴を含む。これらの特徴は、説明の容易さのため図面を簡略化すべく意図的に省略してある。

圧縮機１０２は、冷媒蒸気を圧縮し且つ、その蒸気を排出管１１７を通して凝縮器１１６に送り出す。１つの実施例において、圧縮機１０２は遠心圧縮機である。圧縮機１０２を駆動するため、装置１００は、圧縮機１０２用のモータ又は駆動機構１０４を含む。圧縮機１０２に対する駆動機構に関して「モータ」という語を使用するが、「モータ」という語はモータにのみ限定されず、例えば、可変速度駆動装置及びモータスタータ又は高速度の同期型永久磁石モータのような、モータ１０４の駆動に関係して使用可能な任意の構成要素を包含することを意図することを理解すべきである。一例としての実施の形態において、モータ１０４は、電気モータであり、また、関係した構成要素である。

圧縮機１０８により排出管１１７を通して凝縮器１１６に送り出された冷媒蒸気は、例えば、空気又は水のような流体と熱交換関係に入り、また、流体との熱交換関係の結果として相変化し冷媒液体になる。凝縮器１１６からの凝縮した液体冷媒は、膨張装置１１９を通って蒸発器１０８まで流れる。１つの実施の形態において、凝縮器１１６内の冷媒蒸気は、熱交換コイル（図示せず）を通って流れる流体と熱交換関係に入る。すべての場合、凝縮器１１６内の冷媒蒸気は、流体との熱交換の結果として相変化し冷媒液体になる。

蒸発器１０８は、任意の既知の型式とすることができる。例えば、蒸発器１０８は、供給管と、冷却負荷と接続された戻し管とを有する熱交換器コイルを含むことができる。熱交換器コイルは、蒸発器１０８内に複数の管束を含むことができる。水でよいが、例えばエチレン、塩化カルシウム食塩水又は塩化ナトリウム食塩水のような任意のその他の適当な二次的な液体とすることができる第二の液体は、戻し管を介して熱交換コイル内を蒸発器１０８内に移動し、また、供給管を介して蒸発器から出る。蒸発器１０８内の冷媒液体は、熱交換器コイル内の第二の液体と熱交換関係に入り熱交換器コイル内の第二の液体の温度を冷却する。蒸発器１０８内の冷媒液体は、熱交換器コイル内にて第二の液体との熱交換関係の結果として相変化して冷媒蒸気となる。蒸発器１０８内の低圧のガス冷媒は、蒸発器１０８から出て且つ、吸引管１１２を介して圧縮機１０２に戻ってそのサイクルを完了させる。これと代替的に、図１及び図３に示したように、蒸発器１０８内の冷却の少なくとも一部分は、モータハウジング１０６と蒸発器１０８との間の専用の接続部によりモータハウジング１０６に戻される。

装置１００は、凝縮器１１６及び蒸発器１０８に対する特定の実施の形態に関して説明したが、凝縮器１１６及び蒸発器１０８内にて冷媒の適正な相変化が実現される限り、装置１００内にて凝縮器１１６及び蒸発器１０８の任意の適宜な形態を使用することができることを理解すべきである。

図１には、遠心圧縮機１０２を有する冷却回路１００の１つの実施の形態が概略図的に示されている。しかし、モータの冷却装置及び方法は、冷却回路にて又は空気圧縮機を含む、その他のガス圧縮装置内に取り付けられるかどうかを問わず使用することができる。

図１−図６に示したように、例えば、圧縮機１０２の圧縮機入口５０２に実質的に隣接して吸引ガス流に戻す前に、圧縮されていないガスを圧縮回路の低圧側からモータ１０４、モータハウジング１０６を通して吸引するのに十分な減圧を生じさせることにより、本発明によるモータの冷却が実現される。

遠心圧縮機１０２を駆動するモータ１０４を含む、図１の特定の実施の形態において、この場合、蒸発器１０８として示した、低圧ガス供給源から冷媒ガスを吸引するのに必要な減圧は、この場合、インペラ１１０の中央の入口（（ｉｎｌｅｔ ｅｙｅ）、以下、入口アイと呼ぶ）である、圧縮機入口５０２にて発生された低い静圧力を使用して発生される。圧縮すべきガスの吸引流れは、吸引管１１２を通って収斂するノズル１１４まで流れ、ガスの流動速度は顕著に増大する。ノズル１１４の出口５００とインペラ１１０の入口アイとの間に少なくとも１つの環状通路又はギャップ１１８が提供される。更に、圧縮機１０２の圧縮機構内への圧縮されていないガスの流れを制御すべくプレ回転ベーンを含むことができる。高速度の吸引ガスの流れの結果、ノズル１１４と入口アイとの間に提供された環状ギャップ１１８における静圧力は、蒸発器１０８及び上流吸引管１１２を含む、回路の低圧力側の他の部分内にて実質的に低い。本発明の装置は、インペラ１１０の入口アイにて発生された低圧力を利用してガスを蒸発器１０８から且つ、モータ１０４及び（又は）モータハウジング部分１０６ａを通して吸引する。

モータハウジング１０６ａは、外側ケーシングを備えており、この外側ケーシングは、蒸発器１０８、又はその他の圧縮されていないガスの供給源と連通可能に接続し又は流体的に連通し得るようにされた少なくとも１つの入口開口部１２４と、吸引組立体内にて減圧を生じさせる手段と連通可能に接続し又は流体的に連通し得るようにされた、圧縮機ハウジング１０６に形成された少なくとも１つの出口開口部１２６とを有している。この場合、減圧を生じさせる手段は、インペラ１１０の入口アイに隣接して収斂するノズル１１４として示されており、また、収斂するノズルとインペラ入口との間に設けられた環状ギャップを含む。環状ギャップは、モータハウジングの外側開口部１２６と流体的に連通している。例えば、開口部１２４、１２６は、モータハウジング部分１０６ａの外側ケーシング内に配置され且つ配設されており、蒸発器の接続部を通って吸引されたガスは、モータ１０４の少なくとも一部分をわたって入口開口部１２４の各々を通って流れ、また、吸引管１１２に戻る前に、少なくとも１つの出口開口部１２６を通ってモータハウジング部分１０６ａから出る。図１の実施の形態において、吸引管１１２内にて収斂するノズル１１４により形成された高速度の吸引ガスの流れにより環状ギャップ１１８にて発生された減圧のため、蒸発器１０８からのガスは、入口開口部１２４、モータハウジング部分１０６ｂ、出口１２６を通して環状ギャップ１１８内に吸引され、この環状ギャップ１１８にて、ガスは、圧縮機入口５０２内に吸引され且つ圧縮機１０２の圧縮機構に到達する前に、主たる吸引ガス流と混合する。ガス出口１２６と図１−図４及び図５の減圧を生じさせる手段との間の接続部は、外側管として示されているが、この接続部は、本発明から逸脱することなく、圧縮機ハウジング１０６の内部への連通可能な接続部としてもよい。

図２の実施の形態において、冷却装置は、低圧の冷媒ガスが蒸発器１０８からではなく、吸引管１１２から供給される点にて、図１の実施の形態と相違する。図３の実施の形態において、圧縮されていないガスは、蒸発器１０８から供給される。図４の実施の形態において、冷却ガスは、吸引管１１２から供給される。更に、図３及び図４の双方にて、圧縮機１０２は、第二の段３０２を有する２段圧縮機として示されている。これらの実施の形態において、図４に示したように、効率を増大させ且つ圧縮機の冷却容量を増大させるため、エコノマイザ回路１５０を含めることができる。空気ギャップ内の摩擦熱、及びロータの熱は、上述の組み合わせの任意のものにより又は開示したガス掃引及び液体冷却方法の任意のその他の組み合わせにより除去することができる。

上述したように、圧縮回路の低圧側から圧縮されていないガスを掃引することによりモータ１０４の少なくとも幾つかの部分を冷却するため、その他の過程によりモータ１０４の更なる冷却効果を提供することができる。例えば、冷却装置において、モータステータを取り囲むモータハウジング１０６内に設けられた環状室内への液体冷媒の噴射を利用してステータを冷却することができる。モータ１０４のその他の標的領域を冷却するため、追加的な室をモータハウジング部分１０６ａ内に設けることができる。これと代替的に、モータ１０４を取り囲む（又はモータに隣接する）取り巻いたジャケット１２０を設けることができる。液体冷媒か又は水、プロピレングリコール、及びその他の既知の冷却剤液体をモータハウジング部分１０６ｂの内方のジャケット１２０又は室を通して循環させることは、モータ１０４の標的部分を冷却することになる。例えば、モータのステータの外側部分は、図３−図４に示すように、ジャケット１２０により取り囲むことができる。これらの実施の形態において、熱をステータから除去するためジャケット１２０が設けられ、また、循環する冷媒ガスを使用して軸受及びモータ巻線を冷却する。モータ及び（又は）軸受は、選択的に磁気軸受及び関係した磁気技術を組み込むことができる。更に又は代替的に、その他の冷却液体が使用される場合、冷却液体は、冷媒回路から分離した冷却管内に保持することができる。

図３−図４に示したように、完全な蒸発を保証するため、ジャケット１２０を通る液体冷媒の流れを調節することではなく、冷却流体として液体冷媒を使用する場合、余剰な液体冷媒を凝縮器１２２からモータハウジング１０６内に噴射することが望ましい。モータ１０４を冷却した後、蒸発したガスと余剰な液体冷媒との形成される２相混合体は、圧縮機の吸引部１１２ではなくて、蒸発器１０８内に送られる。余剰な液体を蒸発器に送ることは、蒸発器１０８がフラッド型であり、蒸発器１０８の殻体が液体の分離機能を提供する場合、特に適している。幾つかのその他の型式の蒸発器の場合、液体を吸引トラップに送る必要があろう。

図５に示したように、ノズル１１４、ノズル出口５００、環状ギャップ１１８及び圧縮機入口５０２の形状及び相対的な寸法は、ギャップ１１８から来るモータの冷却ガスが主たる吸引ガスの流れに滑らかに合流することを許容する。従って、環状ギャップ１１８は、ノズル１１４からの冷却ガスのきれいな流れが圧縮機入口５０２に入るのを許容する。図５の特定の実施の形態において、ノズル１１４は、ギャップ１１８に隣接するノズル出口５００に達する収斂するプロファイルを有している。例えば、ノズル出口５００の直径Ｄ_ｎは、インペラ１１０のような圧縮機構に達する圧縮機入口５０２の直径Ｄ_ｉよりも小さくすることができる。モータを冷却するのに要求される圧縮されていないガスの量に依存して、直径Ｄ_ｉは直径Ｄ_ｎよりも約１％から１５％大きくし、又は別の実施例において約２％から約５％大きくすることができる。選択的に、ノズル出口５００の壁は、図５に示したように、テーパーを付け、また、圧縮機１０２への圧縮機入口５０２の壁はフランジ又はその他の幅広の構造体を含み、吸引ガスの取り出し量をギャップをわたって且つ圧縮機入口５０２内に効果的に送り、冷却ガスを蒸発器１０８からハウジング１０６を通して吸引するのに必要な圧力差を形成することができる。

図６には、非遠心圧縮機に対するガス圧縮装置の１つの実施の形態が概略図的に示されている。この実施の形態において、圧縮されていないガスを吸引管１１２からモータハウジング部分１０６ｂを通って吸引し、モータ１０４を冷却するのに十分な減圧を生じさせる手段として、ベンチュリ１３０が吸引管１１２内に設けられている。ベンチュリは、僅かな圧力降下にて液体流れ中に低圧領域を形成する既知の手段である。流れは、最初に、収斂するノズルを通して加速され、減圧を生じさせ、次に、速度は拡がるノズルを通して遅くし、これにより、減少した部分内にて流体の運動エネルギを回収し、組立体の圧力降下を最小にする。

図６の実施の形態において、ガスが吸引管１１２から流れ且つベンチュリ１３０の狭小部分１３２に入ると、ガス圧力は、上流の吸引管１１２の圧力よりも低い圧力まで降下する。図６に示したように、ガス入口１２４は、上流の吸引管１１２と連通可能に接続され、また、狭小部分１３２内に設けられたガス戻し管１３４は、モータハウジング部分１０６ｂのガス出口１２６と連通可能に接続される。ガスが吸引管１１２を通ってベンチュリ１３０内に流れるとき、ベンチュリ１３０の狭小部分１３２内にて形成された減圧の結果として、より高圧のガスが吸引管１１２からモータハウジング部分１０６ｂを通ってモータハウジングの入口１２４内に吸引され、モータハウジングのガス出口１２６から出て、ベンチュリのガス戻し管１３４内に入る。１つの実施の形態において、ベンチュリのガス戻し管１３４は、ベンチュリの狭小部分１３２の壁に穴を含むことができる。この特定の実施の形態は吸引管１１２のベンチュリ１３０を利用するため、この実施の形態は、遠心圧縮機のガス取り入れ口に設けられた特定の幾何学的特徴部を不要にし、このため、往復圧縮機、スクロール圧縮機、及びスクリュー圧縮機のような、多岐にわたる型式の圧縮機を有する装置内にて容易に利用することができる。

図７には、ベンチュリ組立体の特定の実施の形態が示されている。この特定の実施の形態において、ベンチュリ１３０の収斂するノズル部分７０２と拡がるノズル部分７０４との間に環状のギャップが提供され、ガスが狭小部分の回りに入り且つ主たるガス流とより滑らかに合流することを許容する。図示したように、環状のギャップ１１８は、室７００により取り囲むことができ、この室は、ガスをモータハウジングの出口１２６から集め且つそのガスを環状のギャップ１１８内に送る作用を果たす。室７００は、実質的に環状とすることができる。より望ましくは、拡がるノズル部分７０４に隣接するギャップ１１８の直径は、収斂するノズル部分７０２に隣接するギャップ１１８の直径よりも僅かに大きく、ガスをギャップ１１８を通して拡がる部分内に効果的に吸引し且つ、下流にてより多くのガスの流れを一層良く受容することができる。

本発明は、ガス圧縮装置にて使用するモータハウジングを更に提供する。モータハウジング１０６は、モータ１０４及びモータ駆動の圧縮機１０２を密封的に収容する外側ケーシングを含む。ハウジング１０６の外側ケーシングは、圧縮機１０２の上流にて低圧のガス供給源と連通可能に接続し得るようにされた入口開口部１２４と、圧縮機入口５０２に達する吸引組立体内にて減圧を生じさせる手段と連通可能に接続し得るようにされた出口開口部１２６とを有している。この減圧を生じさせる手段は、吸引管に配設された収斂するノズルとし又は、本明細書にて上述したようなベンチュリとすることができる。収斂するノズル組立体を使用する実施の形態において、ノズルは、吸引管１１２と圧縮機入口５０２との間に提供された少なくとも１つのギャップに隣接するノズル出口５００を有しており、ノズル部分は、圧縮されていないガスの流れをギャップをわたって且つ圧縮機入口５０２内に加速してギャップにて減圧を生じさせる構成とされており、この減圧は、冷媒ガスを入口開口部１２４を通して圧縮機１０２の上流にて低圧の冷媒ガス供給源からハウジング１０６の内部のモータキャビティの全体を通って吸引し、吸引管１１２と圧縮機入口５０２との間に設けられたギャップ内に入るようにするのに十分である。これと代替的に、減圧を生じさせる手段は、吸引組立体に設けられたベンチュリ１３０としてもよく、該ベンチュリ１３０は、該ベンチュリ１３０の狭小部分１３２内に設けられたガス戻し管１３４を有し、ガス戻し管は、モータハウジング１０６の出口開口部１２６をベンチュリ１３０の狭小部分１３２と連通可能に接続する。

別の実施の形態において、本明細書にて説明したガス掃引モータ冷却手段は、高速度の同期永久磁石モータのような、高速度モータにより直接駆動される遠心圧縮機（すなわち、モータと圧縮機との間に何らの歯車列を必要としない直接駆動組立体）に対して提供される。特定の速度（約１５０００ＲＰＭ）以上のとき、同期永久磁石モータは、従来の誘導モータよりもコスト的に効果的となる傾向であるから、この実施の形態は、特に有益である。別の有利な点は、同期永久磁石モータは、ロータ内の熱損失が極めて低く、モータ冷却装置及び方法を特に適正なものにする点である。

図８には、ガス取り入れ組立体の別の特定の実施の形態が示されている。この特定の実施の形態において、環状ギャップ１１８は、環状壁１１８ｂにより少なくとも部分的に妨害され又は閉じられ、これによりガスが環状ギャップ１１８を通って戻るのを遮断し又は防止する。この実施の形態において、モータハウジング１０６から戻るガスの一部又は全ては、ノズル１１４の収斂する部分の環状壁に形成された少なくとも１つの開口１１８ａを通ってインペラ１１０に戻される。開口１１８ａは、取り入れマニホルドを通って流れ且つノズル１１４を通ってインペラ１１０に加速されたガスにより形成された圧力差による利点が得られるよう寸法決めされ且つノズル１１４の壁に配置されている。従って、１つ以上の開口１１８ｂは、モータハウジング１０６から戻ったガスがノズル１１４に入り且つ取り入れマニホルドから流れる主たるガス流と滑らかに合流するのを許容し得るような構成及び配設とされている。その他の実施の形態におけるように、ノズル１１４により発生された圧力差は、ガスを蒸発器１０８からモータハウジングの入口１２４、モータハウジングを通って吸引し、モータハウジング出口１２６から出て、最終的に、少なくとも１つの開口１１８ａを通ってノズル１１４内に吸引する作用を果たす。この実施の形態は遠心圧縮機を備えて具体化されたものとして図８に示されているが、これは、非遠心圧縮機を備えて具体化されるようにしてもよい。

図９には、ガス取り入れ組立体の別の特定の実施の形態が示されている。この特定の実施の形態において、ガス戻し管１３４は、モータハウジングの出口１２６と流体的に連通した導管１３５の延長体として設けられている。この実施の形態において、モータハウジング１０６から戻るガスは、ガス戻し管１３４との導管１３５を通して戻される。図示したこの実施例において、導管１３５は、半径方向中心の中央長手方向軸線に近接して排出箇所までノズル１１４内に伸びており、このため、ガス戻し管１３４は、ノズル１１４の軸方向流路内にて排出箇所に配置されている。図示したこの実施の形態において、ガス戻し管１３４は、流れ制御案内ベーン１１３を経てノズル１１４の収斂する部分内に伸びるノズル１１４のほぼ軸方向中心に配置されている。しかし、理解し得るように、ガス戻し管の位置は、ガスをモータハウジングの出口１２６から吸引するのに望ましい圧力差を発生させ、このためノズル１１４の軸方向中心から偏位されるよう選ぶことができ、及び（又は）ノズル１１４の上流、下流又はノズル１１４内の任意の位置に配置し望ましい圧力差を生じさせ且つ、モータハウジングの出口１２６からの関係したガス戻し流れを生じさせることができる。この実施の形態は遠心圧縮機を備えて具体化したものとして図９に示されているが、これは、非遠心圧縮機を備えるものとして具体化することもできる。

更に、図６−図９に関して示し且つ説明した特徴及び実施の形態は、すべて任意の圧縮機技術（遠心型又はその他）に適している。図６−７にて非遠心型として、また、図８−図９にて遠心型として示されるが、このことはその通りである。更なる説明の例として、同一の原理が全てのこれらの例にて当て嵌まる−図６−図７のベンチュリは、収斂するノズル１１４及びインペラ１１０の入口インペラの組み合わせ体に対し同様の態様にて作用する。更に、圧力はベンチュリのど部にて最低であるが、のど部の上流又は下流の短い距離でさえかなり顕著に低下する。このため、図７の例に従って、ガス戻し管に対して設けられた環状スロット又はその他の特徴は、正確にのど部にある必要はなく、片側（上流又は下流）に変位させることができる。図８において、スロットは、上流に変位されている。更なる説明の例として、図９のガス戻し管１３４は、収斂−拡がるノズル組立体内に挿入されたものとして示されているが、同様に、図６におけるものと同様のベンチュリ内に挿入してもよい。この場合にも、管１３４は、ベンチュリののど部に配置することができるが、多少上流に又は下流に変位させてもよい。例えば、図９において、管１３４の末端は、インペラの入口と干渉しないよう上流に変位されている。

本発明は、特定の実施の形態に関して説明したが、当該技術の当業者には、色々な変更を為すことができ、また、本発明の思想から逸脱せずにその要素は、等価物にて置換することができることが理解されよう。更に、その必須の範囲から逸脱することなく、特定の状況又は材料を本発明の教示に適応させ得るよう多くの改変を為すことが可能である。このため、本発明は、本発明を実施するため考えられる最良のモードとして開示された特定の実施の形態にのみ限定されるものではなく、本発明は、特許請求の範囲に属する全ての実施の形態を包含することを意図するものである。

Claims (20)

1. 圧縮機構を有する圧縮機（１０２）と、前記圧縮機（１０２）と流体的に連通した装置の高圧側の凝縮器（１１６）と、前記凝縮器（１１６）と流体的に連通した装置の低圧側の蒸発器（１０８）であって、前記圧縮機（１０２）と前記凝縮器（１１６）との間に配置された前記蒸発器（１０８）と、前記圧縮機構を駆動すべく前記圧縮機と接続されたモータ（１０４）と、前記圧縮機（１０２）と前記モータ（１０４）を取り囲むハウジング（１０６）と、を含むガス圧縮装置（１００）において、
   圧縮されていないガスをガス供給源から受け取り且つ、前記圧縮されていないガスを前記圧縮機（１０２）に移送する吸引組立体とを備え、該吸引組立体は、
   前記ガス供給源と流体的に連通した吸引管（１１２）と、
   前記ガス供給源からの前記圧縮されていないガス内にて減圧を生じさせる手段（１１４）、（１１８）であって、前記吸引管（１１２）と流体的に連通した前記減圧を生じさせる手段（１１４、１１８）と、
   前記減圧を生じさせる手段（１１４）、（１１８）から圧縮されていないガスを受け取り且つ、前記圧縮されていないガスを前記圧縮機（１０２）に提供する構成とされた圧縮機入口（１１０）と、を備え、
   前記ガス圧縮装置の低圧側は蒸発器（１０８）を含み且つ、前記吸引組立体まで伸び、
   前記ハウジング（１０６）は、前記ガス圧縮装置の低圧側にて前記ガス供給源と流体的に連通した入口開口部（１２４）と、前記減圧を生じさせる手段（１１４）、（１１８）と流体的に連通した出口開口部（１２６）とを有し、前記減圧を生じさせる手段は、圧縮されていないガスを前記ガス供給源から前記ハウジング（１０６）を通して吸引し、前記モータ（１０４）を冷却し且つ、前記圧縮されていないガスを前記吸引組立体内に伸びる排出箇所を有するガス戻し導管を介して前記吸引組立体に戻すように改良した、ガス圧縮装置（１００）。
2. 請求項１に記載のガス圧縮装置（１００）において、
   前記減圧を生じさせる手段は、
   圧縮されていないガスを吸引管から受け取るノズル入口（１１４）と、圧縮されていないガスを前記圧縮機入口（５０２）に提供するノズル出口（５００）と、
   圧縮されていないガスを前記ノズル入口（１１４）から受け取り且つ、圧縮されていないガスの流れを前記ノズル出口（５００）を通して加速する構成とされたノズル部分と、
   前記ノズル出口（５００）と前記圧縮機入口（５０２）との間に配設され、前記ハウジング（１０６）の前記出口開口部（１２６）と流体的に連通した少なくとも１つのギャップ（１１８）と、を備えるガス圧縮装置（１００）。
3. 請求項２に記載のガス圧縮装置（１００）において、前記ノズル部分は、収斂する部分（７０２）と、拡がる部分（７０４）とを備え、前記排出箇所は前記ノズルの前記軸方向流路のほぼ半径方向中心に配置される、ガス圧縮装置（１００）。
4. 請求項３に記載のガス圧縮装置（１００）において、前記ノズル出口（５００）は、前記圧縮機入口（５０２）の直径よりも小さい直径を有する、ガス圧縮装置（１００）。
5. 請求項２に記載のガス圧縮装置（１００）において、前記ノズル出口（５００）と前記圧縮機入口（５０２）との間の少なくとも１つのギャップ（１１８）は、環状ギャップである、ガス圧縮装置（１００）。
6. 請求項２に記載のガス圧縮装置（１００）において、前記圧縮機（１０２）は遠心圧縮機であり、前記圧縮機入口はインペラ（１１０）に対する中央の入口から成る、ガス圧縮装置（１００）。
7. 請求項２に記載のガス圧縮装置（１００）において、前記圧縮機（１０２）は、往復圧縮機、スクロール圧縮機及びスクリュー圧縮機から成る群から選ばれる、ガス圧縮装置（１００）。
8. 請求項２に記載のガス圧縮装置において、前記圧縮機（１０２）と閉じた冷媒ループにて接続された、前記凝縮器（１１６）と前記蒸発器（１０８）との間の膨張装置（１１９）と、を更に備え、前記圧縮されていないガスは、圧縮されていない冷媒ガスであり、前記ガス供給源は閉じた冷媒ループにて設けられた該蒸発器（１０８）又は液体冷媒トラップの少なくとも１つである、ガス圧縮装置。
9. 請求項２に記載のガス圧縮装置（１００）において、前記モータ（１０４）は、同期永久磁石モータである、ガス圧縮装置（１００）。
10. 請求項８に記載のガス圧縮装置（１００）において、前記モータ（１０４）に隣接して配設され、液体冷却剤を受け取り且つ熱を前記モータから（１０４）前記液体冷却剤に移す構成とされた冷却ジャケット（１２０）を更に備える、ガス圧縮装置（１００）。
11. 請求項１０に記載のガス圧縮装置（１００）において、前記冷却ジャケット（１２０）は、液体冷媒を前記凝縮器（１１６）から受け取り且つ、冷媒ガス及び液体冷媒の混合体を前記蒸発器（１０８）又は前記液体冷媒トラップの少なくとも一方に提供する構成とされる、ガス圧縮装置（１００）。
12. 請求項１１に記載のガス圧縮装置（１００）において、前記モータ（１０４）は、ロータと、ステータと、モータ巻線と、軸受とを備え、前記冷却ジャケット（１２０）の少なくとも一部分は、前記ステータに隣接して配設され、前記モータ巻線及び前記軸受は、前記蒸発器（１０８）又は前記液体冷媒トラップの少なくとも一方からの圧縮されていない冷媒ガスにより冷却される、ガス圧縮装置（１００）。
13. 請求項１に記載のガス圧縮装置（１００）において、
    前記減圧を生じさせる手段（１１４、１１８）は、収斂部分（７０２）と、拡がる部分（７０４）とを有する側壁を備えるノズルを含み、前記ノズルは、前記ハウジング（１０６ｂ）の出口開口部（１２６）と流体的に連通したガス戻し管を更に含み、前記拡がり部分（７０４）は、前記圧縮機入口（５０２）と流体的に連通している、ガス圧縮装置（１００）。
14. 請求項１３に記載のガス圧縮装置（１００）において、前記ガス戻し管（１３４）は、前記ノズル（１１４）の前記側壁に配設された少なくとも１つの開口（１１８）から成り、該少なくとも１つの開口（１１８）は、前記ハウジング（１０６）の前記出口開口部（１２６）と流体的に連通している、ガス圧縮装置（１００）。
15. 請求項１４に記載のガス圧縮装置（１００）において、前記少なくとも１つの開口（１１８）は、前記ノズル（１１４）の側壁の収斂部分に設けられる、ガス圧縮装置（１００）。
16. 請求項１４に記載のガス圧縮装置（１００）において、前記少なくとも１つの開口（１１８）は、前記ノズルの側壁の拡がる部分（７０４）に設けられる、ガス圧縮装置。
17. 請求項１４に記載のガス圧縮装置（１００）において、前記圧縮機（１０２）は遠心圧縮機であり、前記圧縮機入口はインペラ（１１０）に対する中央の入口から成る、ガス圧縮装置（１００）。
18. 請求項１４に記載のガス圧縮装置（１００）において、前記圧縮機（１０２）は、往復圧縮機、スクロール圧縮機及びスクリュー圧縮機から成る群から選ばれる、ガス圧縮装置（１００）。
19. 請求項１４に記載のガス圧縮装置（１００）において、前記圧縮機（１０２）と閉じた冷媒ループにて接続された、凝縮器（１１６）と、膨張装置（１１９）と、蒸発器（１０８）とを更に備え、前記圧縮されていないガスは、圧縮されていない冷媒ガスであり、前記ガス供給源は、閉じた冷媒ループにて設けられた前記蒸発器（１０８）又は液体冷媒トラップの少なくとも１つである、ガス圧縮装置（１００）。
20. 請求項１４に記載のガス圧縮装置（１００）において、前記モータ（１０４）は、同期永久磁石モータである、ガス圧縮装置（１００）。

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