JP5491455B2 - コンプレッサおよびその冷却方法 - Google Patents

Description

この発明は、冷却システムに関し、特に、冷却システム内で用いられる遠心式コンプレッサに関する。

航空機の冷却システムは、一般に、エバポレータセクション、コンプレッサセクションおよびコンデンサセクションを含む。エバポレータセクションは、コンプレッサセクションと連通している。コンプレッサセクションにおいては、作動流体が第１コンプレッサ部において圧縮され、モータを通過した後に、第２コンプレッサ部においてさらに圧縮される。コンプレッサセクションは、圧縮された作動流体を第２コンプレッサ部からコンデンサへと吐出し、このコンデンサにおいて圧縮作動流体が膨張することで、周知のように、航空機の熱エネルギが取り除かれる。

ある種の冷却システムにおいては、モータが第１コンプレッサ部と第２コンプレッサ部とを駆動する。ベアリング例えばジャーナルベアリングおよびスラストベアリングが、モータの支持のために用いられる。このモータおよびベアリングは、熱エネルギを発生する。このモータおよびベアリングさらには他のコンプレッサ構成要素を冷却するために、外部ハードウェア、例えば熱交換器、ファン、外部配管などが必要となる。

本発明の一つの態様のコンプレッサは、作動流体を圧縮するように構成された第１コンプレッサ部と、作動流体を上記第１コンプレッサ部よりもさらに圧縮するように構成された第２コンプレッサ部と、を備える。このコンプレッサは、さらに、上記第１コンプレッサ部と上記第２コンプレッサ部との間に配置されたモータを備える。上記第１コンプレッサ部は、一次流路に沿って作動流体を第２コンプレッサ部へ流すように構成されている。上記第２コンプレッサ部は、上記一次流路から少なくとも一部の作動流体を分岐させ、この分岐した作動流体を二次流路に沿って上記第１コンプレッサ部へ戻すように構成されている。

本発明の１つの態様の航空機冷却システム用遠心式コンプレッサは、作動流体を圧縮するように構成された第１コンプレッサ部を備える。この遠心式コンプレッサは、さらに、作動流体を上記第１コンプレッサ部よりもさらに圧縮するように構成された第２コンプレッサ部を含む。モータは、中心軸に沿って上記第１コンプレッサ部と上記第２コンプレッサ部との間に配置されている。第１コンプレッサ部は吸入口を有し、第２コンプレッサ部は吐出口を有する。遠心式コンプレッサは、上記吸入口から上記吐出口へと延び、作動流体を、第１コンプレッサ部、モータおよび第２コンプレッサ部を通して導くように構成された一次流路を備える。入口部が上記第２コンプレッサ部に設けられている。この入口部において、上記一次流路から二次流路へと作動流体が分岐し、上記二次流路は、分岐した作動流体を第１コンプレッサ部へと戻す。

本発明の１つの態様のコンプレッサの冷却方法は、コンプレッサの吸入口へ作動流体を供給するステップと、この作動流体を、コンプレッサ内の一次流路に沿って第１コンプレッサ部および第２コンプレッサ部を通して流すステップと、一次流路から、第２コンプレッサ部における入口部において、コンプレッサ内部の少なくとも一つの二次流路に作動流体を分岐させるステップと、分岐した作動流体を、上記の少なくとも一つの二次流路に沿って、第１コンプレッサ部における出口部へと流すステップと、上記第１コンプレッサ部における上記出口部において、二次流路から一次流路へと作動流体を戻すステップと、を備える。

一次流路と二次流路とを有する本発明の一実施例のコンプレッサの断面図。 本発明の異なる実施例を示すコンプレッサ要部の断面図。 本発明のコンプレッサ冷却方法を示すフローチャート。

図１において、一実施例の遠心式コンプレッサ１０がコンデンサ１２およびエバポレータ１６に連通している。この例では、コンプレッサ１０、コンデンサ１２およびエバポレータ１６は、航空機１７内の蒸気冷却システムの一部を構成している。なお、コンデンサ１２およびエバポレータ１６は、図では模式的に示してある。

図示例のコンプレッサ１０は、第１コンプレッサ部２０と、モータ２２と、第２コンプレッサ部２４と、を備え、それぞれコンプレッサハウジング２５内に収容されている。上記第１コンプレッサ部２０、モータ２２および第２コンプレッサ部２４は、中心軸３０に沿って軸方向に並んでいる。コンプレッサ吸入口３２によって、コンプレッサ１０の第１コンプレッサ部２０がエバポレータ１６に連通している。第２コンプレッサ部２４におけるコンプレッサ吐出口４４は、コンプレッサ１０からコンデンサ１２へ作動流体を連通させるように構成されている。

この例では、第１コンプレッサ部２０および第２コンプレッサ部２４は、それぞれコンプレッサロータ３４，３６を有する。これらのロータ３４，３６の回転によって、公知の形で作動流体が圧縮される。

モータ２２は、モータロータ３８およびモータステータ４０を有する。モータステータ４０は、モータロータ３８の半径方向外側に位置する。これらのモータロータ３８およびモータステータ４０は、コンプレッサ１０の第１コンプレッサ部２０および第２コンプレッサ部２４に隣接して位置し、かつこれら第１コンプレッサ部２０および第２コンプレッサ部２４と連通している。

この例では、作動流体は、コンプレッサ吸入口３２からコンプレッサ吐出口４４へと至る一次流路４２（図中に矢印４２で示す）に沿って、コンプレッサ１０を通して流れる。この一次流路４２は、第１コンプレッサ部２０のコンプレッサロータ３４を通って延び、さらに、モータステータ４０ならびに第２コンプレッサ部２４のコンプレッサロータ３６を通って延びる。この一次流路４２は、ハウジング２５内に包含されている。

作動流体の圧力および温度は、この作動流体が一次流路４２に沿って流れるに従って増加していく。この例では、作動流体は、最初に第１コンプレッサ部２０において圧力および温度が上昇し、続いて、第２コンプレッサ部２４において圧力および温度が上昇する。

一つの例では、作動流体は、Ｒ−１３４Ａなどの冷媒である。他の冷媒ないし作動流体が用いられる場合もある。

この例では、一次流路４２から作動流体の一部が分流され、コンプレッサ１０の冷却のために用いられる。分流された作動流体は、入口部５２を通して二次流路５０（図中に白抜きの矢印５０で示す）へと流れる。この作動流体は、二次流路５０を通して、第２コンプレッサ部２４、モータ２２、そして第１コンプレッサ部２０を冷却するように流れる。

二次流路５０は、入口部５２を始点とし、この入口部５２は、一次流路４２に沿って位置している。二次流路５０は、第１コンプレッサ部２０における出口部３３が終端となる。この出口部３３は、一次流路４２に沿って位置している。ここで、入口部５２における圧力は、出口部３３における圧力よりも高く、これによって、作動流体が二次流路５０を通して入口部５２から出口部３３へと流れる。

この例では、入口部５２は、一次流路４２と二次流路５０との間で作動流体を連通させる第１開口部６２を備える。この第１開口部６２は、二次流路５０へ適当な量の流れを確保しつつ、過度の漏洩を防止して全体的な性能を向上させるように、その寸法が設定されている。

一例としては、ドリル加工によって第２コンプレッサ部２４に第１開口部６２が設けられる。別の例では、打ち抜きなどの他の方法によって第１開口部６２が形成される。

この例では、入口部５２付近の一次流路４２を流れる作動流体の温度および圧力が、スラストベアリング５４、ジャーナルベアリング５６、モータロータ３８およびモータシャフト５８を冷却し得る許容範囲内にある。つまり、これらの構成要素から熱エネルギを持ち去るのに、その作動流体を用いることができる。

入口部５２における第１開口部６２へと流れた作動流体は、スラストベアリング５４へ向かって、ほぼ半径方向内側へ流れる。スラストベアリング５４に達する前に、二次流路５０は、第１分岐流路５０ａと第２分岐流路５０ｂとに分岐する。第１分岐流路５０ａは、第２コンプレッサ部２４におけるスラストベアリング５４の第１キャビティ５４ａを通して作動流体が流れるように構成されている。

図示例の第１分岐流路５０ａは、次に、軸方向前方へ向かうように方向転換し、かつ第２コンプレッサ部２４におけるジャーナルベアリング５６を通して延びている。そして、この第１分岐流路５０ａは、モータロータ３８とモータステータ４０との間に生じる円周方向の環状隙間６０を通して作動流体が流れるように構成されている。第１分岐流路５０ａは、さらに、第１コンプレッサ部２０のジャーナルベアリング５６へ作動流体を導いている。

図示例の第２分岐流路５０ｂは、第２コンプレッサ部２４におけるスラストベアリング５４の第２キャビティ５４ｂを通して作動流体が流れるように構成されている。第２分岐流路５０ｂは、スラストベアリング５４から軸方向前方へと向かう。この第２分岐流路５０ｂは、この位置から、第２コンプレッサ部２４のモータシャフト５８の内径部を通り、かつモータロータ３８を通り、さらに第１コンプレッサ部２０のモータシャフト５８の内径部を通して、作動流体を導く。

上記のように第１分岐流路５０ａの流れが第１コンプレッサ部２０のジャーナルベアリング５６を通して流れ、第２分岐流路５０ｂの流れが第１コンプレッサ部２０のモータシャフト５８内を通して流れた後に、第１分岐流路５０ａからの作動流体と第２分岐流路５０ｂからの作動流体とが、合流点６３において互いに合流する。二次流路５０は、合流点６３から第２開口部６４を通して半径方向外側へ作動流体を案内し、さらに排気部６６を通して作動流体を導く。出口部３３において、二次流路５０の作動流体は一次流路４２へと戻る。そして、二次流路５０を通して流れた作動流体は、コンプレッサ１０で再利用するように、一次流路４２の流れと一体化する。

図２は、本発明の他の実施例を示している。この実施例では、第２入口部７０において、一次流路４２から二次流路５０の第１分岐流路５０ａへ作動流体が導入される。この作動流体は、一次流路４２の第２入口部７０から第３開口部７２を通して第１分岐流路５０ａへ流れる。第３開口部７２は、作動流体が第１分岐流路５０ａに入ったときに該第１分岐流路５０ａ内の流れの逆流やよどみが生じないように、その寸法が設定されている。図示例では、第２入口部７０は、第２コンプレッサ部２４のジャーナルベアリング５６と、モータロータ３８およびロータステータ４０と、の間に位置する。

第２入口部７０において第１分岐流路５０ａに導入された作動流体は、第１分岐流路５０ａ内を流れている作動流体と合流し、該第１分岐流路５０ａに沿って流れ続ける。このように第１分岐流路５０ａがスラストベアリング５４およびジャーナルベアリング５６を通過した後に、該第１分岐流路５０ａに追加の作動流体を注入することによって、スラストベアリング５４およびジャーナルベアリング５６の冷却に伴う作動流体の温度上昇が緩和される。この第２入口部７０における追加の作動流体の供給は、また、一次流路４２および二次流路５０によって画定される冷却経路内の作動流体の圧力の低減に寄与し、これに付随した性能の損失も低減する。

図３は、本発明のコンプレッサの冷却方法の一例を示すフローチャートであり、まず作動流体をコンプレッサ吸入口に供給する（ステップ１０２）。次に、この作動流体を、コンプレッサ内の一次流路を介して第１コンプレッサ部および第２コンプレッサ部を通して流す（ステップ１０４）。次に、作動流体を一次流路からコンプレッサ内部の少なくとも一つの二次流路に、入口部において分岐させる（ステップ１０６）。この例では、入口部は第２コンプレッサ部にある。そして、作動流体を、コンプレッサ内部の上記の少なくとも一つの二次流路を通して、第１コンプレッサ部における出口部へと流す（ステップ１０８）。このように少なくとも一つの二次流路を通して流した後に、作動流体を、上記第１コンプレッサ部における上記出口部において、二次流路から一次流路へと戻す（ステップ１１０）。

以上、この発明の一実施例を詳細に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変更が可能である。

Claims (18)

1. 作動流体を圧縮するように構成された第１コンプレッサ部と、
   作動流体を上記第１コンプレッサ部よりもさらに圧縮するように構成された第２コンプレッサ部と、
   上記第１コンプレッサ部と上記第２コンプレッサ部との間に配置される、ステータおよびロータを有したモータと、
   を備え、
   上記第１コンプレッサ部は、一次流路に沿って作動流体を第２コンプレッサ部へ流すように構成され、上記第２コンプレッサ部は、上記一次流路から少なくとも一部の作動流体を分岐させ、この分岐した作動流体を上記ロータの内周側および外周側を通流させて二次流路に沿って上記第１コンプレッサ部へ戻すように構成されている、ことを特徴とするコンプレッサ。
2. 上記二次流路は、コンプレッサ内の少なくとも一つの構成要素から熱エネルギを除去するように、分岐した作動流体を導くことを特徴とする請求項１に記載のコンプレッサ。
3. 上記構成要素は、スラストベアリング、ジャーナルベアリング、ロータ、ステータ、およびモータシャフトの中から選択されることを特徴とする請求項２に記載のコンプレッサ。
4. 作動流体は、第２コンプレッサ部における入口部から第１コンプレッサ部における出口部へと二次流路に沿って流れることを特徴とする請求項１に記載のコンプレッサ。
5. 第２コンプレッサ部における入口部と第１コンプレッサ部における出口部との間の圧力差によって、作動流体が入口部から出口部へと流れることを特徴とする請求項３に記載のコンプレッサ。
6. 上記作動流体が冷媒であることを特徴とする請求項１に記載のコンプレッサ。
7. 上記モータが二次流路の少なくとも一部を構成していることを特徴とする請求項１に記載のコンプレッサ。
8. 吸入口を有し、かつ作動流体を圧縮するように構成された第１コンプレッサ部と、
   吐出口を有し、かつ作動流体を上記第１コンプレッサ部よりもさらに圧縮するように構成された第２コンプレッサ部と、
   中心軸に沿って上記第１コンプレッサ部と上記第２コンプレッサ部との間に配置される、ステータおよびロータを有したモータと、
   上記吸入口から上記吐出口へと延び、作動流体を、第１コンプレッサ部、モータおよび第２コンプレッサ部を通して導くように構成された一次流路と、
   を備え、
   上記第２コンプレッサ部は、上記一次流路から二次流路へと作動流体を分岐する入口部を有し、上記二次流路は、分岐した作動流体を上記ロータの外周側の第１分岐流路および内周側の第２分岐流路を通流させて第１コンプレッサ部へと戻すように構成されていることを特徴とする航空機冷却システム用遠心式コンプレッサ。
9. 上記入口部と出口部との間の圧力差によって、上記入口部から出口部へと作動流体が流れることを特徴とする請求項８に記載の遠心式コンプレッサ。
10. 上記二次流路は、上記入口部から第１コンプレッサ部における出口部へと作動流体を導くように構成され、この出口部は、分岐した作動流体を一次流路へ戻すように構成されていることを特徴とする請求項９に記載の遠心式コンプレッサ。
11. 上記第１分岐流路は、上記ロータと上記ステータとの間の隙間を通して作動流体を導くように構成されていることを特徴とする請求項８に記載の遠心式コンプレッサ。
12. 上記第１分岐流路は、スラストベアリングおよびジャーナルベアリングを通して作動流体を導くように構成されていることを特徴とする請求項８に記載の遠心式コンプレッサ。
13. 上記第２分岐流路は、上記ロータのシャフトを通して作動流体を導くように構成されていることを特徴とする請求項１１に記載の遠心式コンプレッサ。
14. 上記一次流路は、第２コンプレッサ部における第２の入口部から二次流路へ作動流体を導くように構成され、上記第２の入口部は、上記入口部から離れて位置していることを特徴とする請求項９に記載の遠心式コンプレッサ。
15. 作動流体が上記第２の入口部からモータへ直接導かれることを特徴とする請求項１４に記載の遠心式コンプレッサ。
16. 上記二次流路は、全体がコンプレッサハウジング内にあることを特徴とする請求項９に記載の遠心式コンプレッサ。
17. コンプレッサの吸入口へ作動流体を供給するステップと、
    この作動流体を、コンプレッサ内の一次流路に沿って第１コンプレッサ部および第２コンプレッサ部を通して流すステップと、
    一次流路から、第２コンプレッサ部における入口部において、コンプレッサ内部の少なくとも一つの二次流路に作動流体を分岐させるステップと、
    二次流路をモータのロータにおける外周側の第１分岐流路と内周側の第２分岐流路とに分岐させるステップと、
    分岐した作動流体を、上記の少なくとも一つの二次流路に沿って、第１コンプレッサ部における出口部へと流すステップと、
    上記第１コンプレッサ部における上記出口部において、二次流路から一次流路へと作動流体を戻すステップと、
    を備えてなるコンプレッサの冷却方法。
18. さらに、第２コンプレッサ部のスラストベアリングおよびジャーナルベアリングの軸方向前方でかつモータの軸方向後方に位置する第２の入口部において、一次流路から第１分岐流路へ作動流体を導くステップを備えることを特徴とする請求項１７に記載の冷却方法。

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