JP5404248B2 - 冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮式冷凍装置に関する。

例えば特許文献１および２には、圧縮式冷凍装置において、冷媒の一部を圧縮機の電動機に導入して、電動機の内部空間、特にその内部空間に収容された固定子或いは回転子の巻線を冷却する発明が開示されている。特許文献１の発明に係る圧縮式冷凍装置においては、電動機の内部空間（モータ室５）は圧縮機の吸込口（クランク室３側の吸込口２５）に連通しており、巻線を冷却した冷媒は圧縮機に吸引される。

特許文献１の発明では、電動機の巻線の反負荷側（圧縮機と反対側）の部分（コイルエンド）に冷媒を導入しているが、このような構成では、巻線の一部分のみを冷却することになる。本出願人が実験したところ、反負荷側のコイルエンドに冷媒を噴射した場合、巻線の負荷側の部分の温度が反負荷側の温度よりも２０〜３０℃も高くなった。

このような構成において、巻線の負荷側を十分に冷却するためには、電動機に供給する冷媒の量を多くする必要がある。しかしながら、電動機に供給する冷媒の量を多くすると、電動機に供給された冷媒が圧縮機に吸い込まれることから、圧縮機が蒸発器から吸い込む冷媒の量、つまり、実質的に冷凍サイクルに貢献する冷媒の量が少なくなる。このため、冷凍装置の容量を確保し、冷凍能力を低下させないようにするためには、圧縮機の容量を大きくする必要があり、装置が高価になるという問題があった。

特許文献２の発明では、固定子（ステータコイル）の外側に冷媒を噴射しているが、巻線の負荷側と反対側との温度差に対する配慮はなされていないため、巻線全体を十分に冷却するには、電動機内に多量の冷媒を供給する必要があり、冷凍能力を低下させるという問題が解決されていない。

特開平７−１６７０５７号公報 特開平６−２５７８６９号公報

前記問題点に鑑みて、本発明は、圧縮機の電動機巻線を均一に冷却できる冷凍装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明による冷凍装置は、
圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器とが介設され、冷媒を封入した冷媒循環流路を有し、
前記圧縮機は、冷媒を圧縮する圧縮機本体と、ハウジングが前記圧縮機本体と一体に接続され、前記ハウジングの内部空間が前記圧縮機本体の吸込流路と連通し、出力軸が前記圧縮機本体の入力軸に接続された電動機とを有し、
前記電動機は、前記内部空間の前記圧縮機本体側に冷却流体を供給する負荷側冷却流路と、前記内部空間の前記圧縮機本体と反対側に前記冷却流体を供給する反負荷側冷却流路とを有し、
前記負荷側冷却流路に供給される前記冷却流体の流量を調節する負荷側流量調節弁と、
前記反負荷側冷却流路に供給される前記冷却流体の流量を調節する反負荷側流量調節弁と、
前記電動機の負荷を検出する負荷検出手段と、
前記負荷検出手段の検出値に応じて、前記負荷側冷却流路および前記反負荷側冷却流路の前記冷却流体の流量を調節する調節手段とをさらに有し、
前記調節手段は、
前記負荷側冷却流路の前記冷却流体の流量が前記反負荷側冷却流路の前記冷却流体の流量より少なくなるよう前記負荷側流量調節弁および反負荷側流量調節弁を調整する構成である。

この構成によれば、電動機の巻線の負荷側と反負荷側とが同じ温度になるように、均一に冷却できる。これにより、電動機に供給する冷却流体の量を最低限度に留め、圧縮機の能力低下を防止して、最大限の冷凍能力を発揮できる。
また、負荷側の冷却流体の流量と反負荷側の冷却流体の流量とを個別に調節して、巻線を均一に冷却できる。
さらに、巻線の発熱状態に応じて、冷却流体の供給量を調節できる。

また、本発明の冷凍装置において、前記負荷検出手段は、前記電動機の電流値を検出してもよい。

この構成によれば、電動機の内部をモニタする必要がないので構成が簡単である。また、負荷検出手段が電動機の内部を占有しないので、冷却流体の流れを阻害しない。

また、本発明の冷凍装置において、前記負荷検出手段は、前記電動機の前記内部空間の温度を検出してもよい。

この構成によれば、負荷検出手段の検出値と巻線の温度との相関が高いので、巻線の温度を最適な温度に保つことができる。

また、本発明の冷凍装置において、前記負荷検出手段は、前記圧縮機の吐出温度または吐出圧力を検出してもよい。

この構成によれば、電動機の内部をモニタする必要がないので構成が簡単であり、負荷検出手段を他の制御に必要な検出手段と兼用することも可能である。

また、本発明の冷凍装置において、前記負荷側冷却流路および前記反負荷側冷却流路は、前記冷却流体を噴霧するスプレーノズルを有してもよい。

この構成によれば、巻線の広い範囲に冷却流体を吹き付けることで、巻線を均一に冷却できる。

本発明によれば、電動機の内部空間の負荷側と反負荷側、ひいては巻線の負荷側と反負荷側とに冷却流体を供給し、負荷側の冷却流体の流量を反負荷側より少なくしたので、巻線を均一に冷却できる。

本発明の第１実施形態の冷却装置の概略構成図である。 本発明の第２実施形態の冷却装置の概略構成図である。 本発明の第３実施形態の冷却装置の概略構成図である。 本発明の第４実施形態の冷却装置の概略構成図である。 本発明の第５実施形態の冷却装置の概略構成図である。 本発明の第６実施形態の冷却装置の概略構成図である。 本発明の第７実施形態の冷却装置の概略構成図である。 本発明の第８実施形態の冷却装置の概略構成図である。 本発明の第９実施形態の冷却装置の概略構成図である。

これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１実施形態の冷却装置を示す。本実施形態の冷却装置は、スクリュ圧縮機１と、油分離器２と、凝縮器３と、膨張弁４と、蒸発器５とが介設され、冷媒を封入した冷媒循環流路６を有する。

スクリュ圧縮機１は、内部に雌雄一対のスクリュロータ７を収容した圧縮機本体８と、半密閉型の電動機９とからなる。電動機９は、巻線を含む固定子１０および回転子１１を収容するハウジング１２を有し、そのハウジング１２が、圧縮機本体８と一体に接続されている。電動機９の内部空間１３は、外部の雰囲気からは隔離されているが、圧縮機本体８の吸込流路１４とは連通している。また、電動機９の出力軸は、一方のスクリュロータ７の入力軸と一体である。

本実施形態において、電動機９（ハウジング１２）と圧縮機本体８とは一体に接続されているが、両者を分離することも可能であり、このスクリュ圧縮機１は、いわゆる半密閉型の構造をなしている。尚、電動機９の出力軸とスクリュロータ７の入力軸とを別体とし、両者をカップリング等の連結部材によって、一体的に接続してもよい。

電動機９のハウジング１２は、冷却流体を循環させるジャケット空間１５と、内部空間１３の圧縮機本体８側（負荷側）に冷却流体を供給する負荷側冷却流路１６と、内部空間１３の圧縮機本体８と反対側（反負荷側）に冷却流体を供給する反負荷側冷却流路１７とを有する。

負荷側冷却流路１６および反負荷側冷却流路１７の内側（内部空間１３側）の先端部は、内部空間１３に向かって流路面積を拡大し、通過する液体を霧化して内部空間１３に噴霧するスプレーノズルになっている。また、負荷側冷却流路１６および反負荷側冷却流路１７は、電動機９の周方向にそれぞれ複数（例えば、電動機９の回転軸周りに等間隔に３つずつ）設けることが好ましい。さらに、負荷側冷却流路１６は、内側の先端部が固定子１０の負荷側のコイルエンド１０ａに対向する位置に、反負荷側冷却流路１７は、内側の先端部が、固定子１０の反負荷側のコイルエンド１０ｂに対向する位置に、それぞれ設けることが好ましい。

ジャケット空間１５、負荷側冷却流路１６および反負荷側冷却流路１７には、油分離器５で分離され、油冷却器１８で冷却された冷却油が、ジャケット流量調節弁１９、負荷側流量調節弁２０および反負荷側流量調節弁２１を介して冷却流体として供給される。

ジャケット空間１５から溢れた冷却油は、圧縮機本体８のスクリュロータ７による圧縮途中の空間である中間圧縮部に導入されるようになっている。また、油分離器５で分離され、油冷却器１８で冷却された冷却油は、不図示の流路を介して、圧縮機本体８のスクリュロータ７を収容する空間や軸受等にも供給されるようになっている。

スクリュ圧縮機１には、電動機９の内部空間１３の温度を検出する温度センサ（負荷検出手段）２２が設けられている。ジャケット流量調節弁１９、負荷側流量調節弁２０および反負荷側流量調節弁２１は、制御装置（調節手段）２３によって、モータ温度センサ２２の検出温度に応じて、電動機９の内部空間１３の温度を一定の温度（例えば、電動機９の上限温度が１２０℃であれば、それより低い１００℃）以下に保つように、開度調節される。ここで、負荷側流量調節弁２０の開度は、反負荷側流量調節弁２１の開度より小さくなるように制御され、負荷側冷却流路１６に供給される冷却油の流量は、反負荷側冷却流路１７に供給される冷却油の流量よりも少なくなる。

負荷側冷却流路１６から電動機９の内部空間１３の負荷側に噴霧された冷却油は、内部空間１３の負荷側、固定子１０（コイルエンド１０ａを含む）および回転子１１の負荷側を冷却し、吸込流路１４を介してスクリュロータ７の圧縮空間に吸い込まれる。反負荷側冷却流路１７から電動機９の内部空間１３の負荷側に噴霧された冷却油は、先ず、内部空間１３の反負荷側、固定子１０（コイルエンド１０ｂを含む）および回転子１１の反負荷側を冷却し、さらに、内部空間１３の負荷側、固定子１０（コイルエンド１０ａを含む）および回転子１１の負荷側を冷却してから吸込流路１４を介してスクリュロータ７の圧縮空間に吸い込まれる。

本実施形態のスクリュ圧縮機１では、負荷側冷却流路１６から供給される冷却油の流量が反負荷側冷却流路１７に供給される冷却油の流量よりも少ないので、固定子１０および回転子１１の負荷側が過剰に冷却されることがなく、電動機９の内部空間１３に供給される冷却油の総量が抑制され、圧縮機本体８において液体圧縮となるトラブルを防止できる。

続いて、図２に、本発明の第２実施形態の冷凍装置を示す。尚、これ以降、先に説明した実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付して、重複する説明を省略する。

本実施形態の冷凍装置では、ジャケット空間１５、負荷側冷却流路１６および反負荷側冷却流路１７に、冷媒循環流路６の凝縮器３の下流側から分流した冷媒が、冷却流体として、ジャケット流量調節弁１９、負荷側流量調節弁２０および反負荷側流量調節弁２１を介して供給されるようになっている。

本実施形態のように、冷媒によって、電動機９の固定子１０および回転子１１を冷却する場合も、負荷側流量調節弁２０の開度を反負荷側流量調節弁２１より小さくなるように制御することで、固定子１０および回転子１１を均一に冷却することができる。これにより、電動機９の冷却のために内部空間１３に供給する冷媒の量を最小限に留めることができ、圧縮機本体８が冷媒循環流路６から吸い込む冷媒、つまり、実質的に冷凍サイクルに貢献する冷媒の流量を多くして、スクリュ圧縮機１の圧縮能力、ひいては、冷凍装置の冷凍能力を最大限に発揮させられる。

図３に、本発明の第３実施形態の冷凍装置を示す。本実施形態の冷凍装置は、負荷検出手段として、電動機９に供給される電流の電流値を検出する電流計２４を有し、制御装置２３は、電流計２４が検出した電流値が所定値以上となったとき、負荷側流量調節弁２０および反負荷側流量調節弁２１を開放する。負荷側流量調節弁２０の開度は、反負荷側流量調節弁２１の開度より小さく維持される。

本実施形態では、電動機９の電流値に応じて電動機９の内部空間１３に冷却油を供給するように構成したので、内部空間１３にセンサ等を配置する必要がなく、スクリュ圧縮機１の構造が簡単になる。また、センサ等によって内部空間１３における冷却油の流れが阻害されることもない。

図４に示す本発明の第４実施形態の冷凍装置のように、電流計２４の検出値に応じて、負荷側流量調節弁２０および反負荷側流量調節弁２１を介して、冷媒循環流路６から分流した冷媒を負荷側冷却流路１６および反負荷側冷却流路１７に供給してもよい。ここでも、負荷側流量調節弁２０の開度は、反負荷側流量調節弁２１の開度より小さく維持される。

図５に、本発明の第５実施形態の冷凍装置を示す。本実施形態の冷凍装置は、負荷検出手段として、スクリュ圧縮機１の吐出温度を検出する吐出温度センサ２５を有し、制御装置２３は、吐出温度センサ２５が検出した冷媒温度が所定値以上となったとき、負荷側流量調節弁２０および反負荷側流量調節弁２１を開放する。負荷側流量調節弁２０の開度は、反負荷側流量調節弁２１の開度より小さく維持される。

本実施形態において、スクリュ圧縮機１の吐出温度を検出する吐出温度センサ２５は、従来の圧縮式冷凍装置においても冷凍サイクルの制御のために設けられるものを兼用すればよい。

図６に示す本発明の第６実施形態の冷凍装置のように、吐出温度センサ２５の検出値に応じて、負荷側流量調節弁２０および反負荷側流量調節弁２１を介して、冷媒循環流路６から分流した冷媒を負荷側冷却流路１６および反負荷側冷却流路１７に供給してもよい。ここでも、負荷側流量調節弁２０の開度は、反負荷側流量調節弁２１の開度より小さく維持される。

図７に、本発明の第７実施形態の冷凍装置を示す。本実施形態の冷凍装置は、スクリュ圧縮機１の吐出圧力を検出する吐出圧力センサ２６を有し、制御装置２３は、吐出圧力センサ２６が検出した冷媒圧力が所定値以上となったとき、負荷側流量調節弁２０および反負荷側流量調節弁２１を開放する。ここでも、負荷側流量調節弁２０の開度は、反負荷側流量調節弁２１の開度より小さく維持される。

本実施形態においても、スクリュ圧縮機１の吐出圧力を検出する吐出圧力センサ２６は、従来の圧縮式冷凍装置においても冷凍サイクルの制御のために設けられるものを兼用すればよい。

図８に示す本発明の第８実施形態の冷凍装置のように、吐出圧力センサ２６の検出値に応じて、負荷側流量調節弁２０および反負荷側流量調節弁２１を介して、冷媒循環流路６から分流した冷媒を負荷側冷却流路１６および反負荷側冷却流路１７に供給してもよい。ここでも、負荷側流量調節弁２０の開度は、反負荷側流量調節弁２１の開度より小さく維持される。

図９に、本発明の第９実施形態の冷凍装置を示す。本実施形態の冷凍装置は、第２実施形態の冷凍装置を簡略化したものであり、油分離器２を省略した構成となっている。また、本実施形態では、電動機９のジャケット空間１５も省略されているため、ジャケット流量調節弁１９も不要である。

以上の実施例について説明した本発明は、冷媒としてアンモニアを用いる冷凍装置に特に好適である。アンモニアは腐食性を有するため、アンモニア用圧縮機の電動機の巻線は、フッ素系樹脂で被覆したアルミニウム線を用いることが多い。アルミニウム線は、銅線に比して電気伝導率が低い（約６１％程度）ため、電動機が大型化し、内部温度の偏重が発生しやすい。このため、アンモニア用圧縮機では、本発明によって、巻線の各所を適切に冷却することが望まれる。

尚、アンモニア用圧縮機の電動機では、巻線に使用するアルミニウム線を被覆するフッ素系樹脂は、ＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ＦＥＰ、ＥＴＦＥ、ＰＶＤＦ、ＰＣＴＦＥ等が用いられる。

また、本発明を適用する圧縮機用電動機の巻線は、電動機内部に噴霧した冷却流体による冷却効果を高めるため、エポキシ樹脂等のワニスで固定するのではなく、縛り紐等の機械的な締結材で固定することが望ましい。

尚、以上の実施形態では、負荷側流量調節弁２０および反負荷側流量調節弁２１に開度調節可能な流量調節弁を採用したが、それらに変えて、開閉制御のみ可能な開閉弁を採用して時間比例制御してもよい。また、共通の開閉弁を介して負荷側冷却流路１６および反負荷側冷却流路１７に冷却流体を供給してもよい。その場合、負荷側冷却流路１６の流路面積を反負荷側冷却流路１７の流路面積より小さくすることで、負荷側冷却流路１６の流量が反負荷側冷却流路１７より少なくなるようにすればよい。或いは、負荷側冷却流路１６および反負荷側冷却流路１７に冷却流体を供給する流路に、それぞれ手動調節弁を設けて、負荷側冷却流路１６の流量が反負荷側冷却流路１７より少なくなるようにしてもよい。

１…スクリュ圧縮機
２…油分離器
３…凝縮器
４…膨張弁
５…蒸発器
６…冷媒循環流路
７…スクリュロータ
８…圧縮機本体
９…電動機
１０…固定子
１０ａ，１０ｂ…コイルエンド
１１…回転子
１２…ハウジング
１３…内部空間
１４…吸込流路
１６…負荷側冷却流路
１７…反負荷側冷却流路
２０…負荷側流量調節弁
２１…反負荷側流量調節弁
２２…モータ温度センサ（負荷検出手段）
２３…制御装置（調節手段）
２４…電流計（負荷検出手段）
２５…吐出温度センサ（負荷検出手段）
２６…吐出圧力センサ（負荷検出手段）

Claims (6)

1. 圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器とが介設され、冷媒を封入した冷媒循環流路を有し、
   前記圧縮機は、冷媒を圧縮する圧縮機本体と、ハウジングが前記圧縮機本体と一体に接続され、前記ハウジングの内部空間が前記圧縮機本体の吸込流路と連通し、出力軸が前記圧縮機本体の入力軸に接続された電動機とを有し、
   前記電動機は、前記内部空間の前記圧縮機本体側に冷却流体を供給する負荷側冷却流路と、前記内部空間の前記圧縮機本体と反対側に前記冷却流体を供給する反負荷側冷却流路とを有し、
   前記負荷側冷却流路に供給される前記冷却流体の流量を調節する負荷側流量調節弁と、
   前記反負荷側冷却流路に供給される前記冷却流体の流量を調節する反負荷側流量調節弁と、
   前記電動機の負荷を検出する負荷検出手段と、
   前記負荷検出手段の検出値に応じて、前記負荷側冷却流路および前記反負荷側冷却流路の前記冷却流体の流量を調節する調節手段とをさらに有し、
   前記調節手段は、
   前記負荷側冷却流路の前記冷却流体の流量が前記反負荷側冷却流路の前記冷却流体の流量より少なくなるよう前記負荷側流量調節弁および反負荷側流量調節弁を調整する構成であることを特徴とする冷凍装置。
2. 前記負荷検出手段は、前記電動機の電流値を検出することを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
3. 前記負荷検出手段は、前記電動機の前記内部空間の温度を検出することを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
4. 前記負荷検出手段は、前記圧縮機の吐出温度を検出することを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
5. 前記負荷検出手段は、前記圧縮機の吐出圧力を検出することを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
6. 前記負荷側冷却流路および前記反負荷側冷却流路は、前記冷却流体を噴霧するスプレーノズルを前記電動機の周方向にそれぞれ複数有することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の冷凍装置。

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