JP5543192B2 - 電動圧縮機及びそれを用いた蒸気圧縮式冷凍機 - Google Patents

Description

本発明は、電動圧縮機及びそれを用いた蒸気圧縮式冷凍機に関する。

空調装置などに適用される冷凍機として、例えば、遠心圧縮機を用いた蒸気圧縮式冷凍機がある。

例えば特許文献１には、自動車用の空調装置に適用される蒸気圧縮式冷凍機が記載されている。この蒸気圧縮式冷凍機では、圧縮機と、この圧縮機を駆動する電動機とが一体的に構成され、蒸発器から送出される全ての冷媒を電動機に流入させ、さらに電動機から圧縮機へ流入させ、圧縮機で圧縮された冷媒を凝縮器へ供給するように構成されている。この場合、冷媒としてフロン等が用いられ、電動機のハウジング内を冷媒通路とすることにより電動機の冷却を行っている。

一方、環境保全の観点から優れた冷媒として水を用いた蒸気圧縮式冷凍機が開発されている。通常、蒸気圧縮式冷凍機では、蒸発器において、冷媒が蒸発する際の気化熱を利用して例えば外部から引き込まれた水を冷却して冷水を外部へ戻すように構成されている。水冷媒を用いた蒸気圧縮式冷凍機では、大気圧下での水の沸点が１００℃であるのに対し、気化熱を利用した冷却機能を持たせるために蒸発器内での水（冷媒）の沸点が低温（例えば６℃程度）となるように、蒸発器、圧縮機及び凝縮器を含む冷凍サイクル系統内を低真空状態にしている。この場合、圧縮機を駆動するための電動機は、大気圧下に置かれている。

特開２００４−３１７０７８号公報

上記の特許文献１のように蒸気圧縮式冷凍機を小型の空調装置に適用する場合には、全ての冷媒を電動機内を通過させることも可能であるが、例えばビルや工場等に用いられる大型の空調装置に適用される場合、大量の冷媒の全てを電動機内のロータとステータとの隙間を通過させることは困難である。また、電動機の風損も非常に大きいと考えられる。

また、上記の水冷媒を用いた蒸気圧縮式冷凍機の場合、冷凍サイクル系統内と外部とを遮断するために、低真空下におかれた圧縮機と大気圧下におかれた電動機との接続部分に磁性流体シール等のシールを用いるが、このようなシールを用いてもいくらかのシール漏れが生じ、圧縮機を含む冷凍サイクル系統と外部との遮断状態を良好に維持することは困難である。そのため冷凍サイクル系統に真空ポンプを接続して常時運転する等の対策を行わなければならない。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、大型の空調装置に適用することができる水冷媒を用いた蒸気圧縮式冷凍機に用いられ、電動機の風損の増大を抑え、かつ、圧縮機を含む冷凍サイクル系統と外部との遮断状態を良好に維持することができる電動圧縮機及びそれを用いた蒸気圧縮式冷凍機を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の電動圧縮機は、冷媒配管を介して蒸発器から供給される冷媒ガスである水蒸気を圧縮して排出する圧縮機と、前記圧縮機を駆動し、前記冷媒配管に接続された配管を介して前記冷媒配管内を流れる水蒸気の一部が内部に流入するように構成された電動機とを備え、前記電動機の内部に流入した水蒸気が前記電動機の内部から前記圧縮機の内部へ通流可能であり、前記電動機の内部及び前記圧縮機の内部が外部と遮断された気密状態で、かつ大気圧未満の圧力に維持されるように、前記電動機と前記圧縮機とが一体化されてなるように構成されている。

この構成によれば、圧縮機を駆動する電動機内へ冷媒ガスである水蒸気の一部を流入させるようにしている。水蒸気は負性気体であるので、電動機内での絶縁性能を向上させ、放電の発生を防止することが可能になる。また、圧縮機と電動機とを一体化し、電動機を圧縮機とともに冷凍サイクル系統の圧力下においているので、従来のように電動機を大気圧下においた場合のような圧縮機と電動機との接続部分におけるシール漏れが生じることがなく、圧縮機を含む冷凍サイクル系統と外部との遮断状態を良好に維持することができる。また、電動機には、蒸発器から供給される水蒸気のごく一部の量しか流さないので、全量を流すような場合に比べて電動機の風損の増大を抑えることができるとともに、大型の空調装置に適用することができる。

また、前記大気圧未満の圧力は、前記蒸発器において所望される水の蒸発温度に応じた圧力であるように構成されている。

また、前記電動機は、その内部での放電を防止するために絶縁性樹脂が用いられていてもよい。

この構成によれば、電動機の内部での耐放電性を向上させるために絶縁性樹脂が用いられ、その絶縁性樹脂に絶縁性能を低下させる亀裂やボイド等が生じても、水蒸気によって絶縁性能を向上させ、電動機内での放電の発生を防止することができる。

また、前記電動機は、ハウジング内にロータ及びステータを有し、前記ステータのコイルエンドが前記ハウジングに絶縁性樹脂を介して固定されていてもよい。

この構成によれば、ハウジングとコイルエンドとの間の耐放電性を向上させるために絶縁性樹脂が用いられ、その絶縁性樹脂に絶縁性能を低下させる亀裂やボイド等が生じても、水蒸気によって絶縁性能を向上させ、電動機内での放電の発生を防止することができる。

また、本発明の蒸気圧縮式冷凍機は、上記本発明の電動圧縮機と、前記電動圧縮機の圧縮機から排出される水蒸気を冷却液化することにより水を生成する凝縮器と、前記凝縮器で生成される水が供給され、その水を大気圧未満の圧力下で気化させる蒸発器とを備えている。

この構成によれば、上記本発明の電動機を用いているので、大型の空調装置に適用することができ、電動機の風損の増大を抑え、かつ、圧縮機を含む冷凍サイクル系統と外部との遮断状態を良好に維持することができる。

本発明は、以上に説明した構成を有し、水冷媒を用いた蒸気圧縮式冷凍機に用いられ、電動機の風損の増大を抑え、かつ、圧縮機を含む冷凍サイクル系統と外部との遮断状態を良好に維持することができる電動圧縮機及びそれを用いた蒸気圧縮式冷凍機を提供することができるという効果を奏する。

本発明の実施形態の電動圧縮機の概略構成を示す断面図である。 本発明の実施形態の電動圧縮機を適用した蒸気圧縮式冷凍機の冷凍回路構成を示す図である。 パッシェン曲線を示す図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。また、本発明は、以下の実施形態に限定されない。

（実施形態）
図１は、本発明の実施形態の電動圧縮機の概略構成を示す断面図であり、図２は、本発明の実施形態の電動圧縮機を適用した蒸気圧縮式冷凍機の冷凍回路構成を示す図である。

本実施形態における蒸気圧縮式冷凍機は、ビルや工場等に用いられる大型の空調装置に適用することができ、図２に示すように、冷媒として水を用い、電動圧縮機１と凝縮器２と蒸発器３とを備えている。電動圧縮機１は、蒸発器３から冷媒配管３１を介して供給される冷媒ガス（水蒸気）を圧縮し、冷媒配管３２を介して凝縮器２へ送出する。凝縮器２は、圧縮されて高温高圧となった冷媒ガスを冷却液化して冷媒液（水）にして冷媒配管３３を介して蒸発器３へ送出する。蒸発器３は、冷媒液（水）を蒸発させて冷媒ガス（水蒸気）にする。蒸発器３を出た冷媒ガスは冷媒配管３１を介して電動圧縮機１に吸入される。蒸発器３内には、熱交換器が設けられ、冷媒液（水）が蒸発する際の気化熱を利用して、外部の空調装置から上記熱交換器に流れ込んだ水が冷却され、その冷水が外部の空調装置へ供給される。

この蒸気圧縮式冷凍機は、冷媒として水を用い、電動圧縮機１、凝縮器２、蒸発器３及び冷媒の流路となる冷媒配管３１〜３３内の圧力が数ｋＰａ以下の低真空状態に維持されている。

図１に示すように、電動圧縮機１は、圧縮機１Ａと電動機１Ｂとが一体化されて構成されている。図中、矢印は冷媒が流れる方向を示す。

圧縮機１Ａは、回転軸１３を有するインペラ１１と、インペラ１１を囲み、かつ冷媒流路を形成するように構成されたハウジング１２とを備えている。ハウジング１２の一端側（電動機側）には冷媒吸入部１２ａが設けられ、他端側には冷媒排出口１２ｂが設けられている。冷媒吸入部１２ａは、回転軸１３の電動機側部分の周囲を囲むようにリング状に形成されている。この冷媒吸入部１２ａの所定部分に設けられた吸入口に、一端が蒸発器３に接続された冷媒配管３１の他端が接続され、冷媒配管３１からの冷媒が冷媒吸入部１２ａへ送り込まれる。また、冷媒吸入部１２ａを構成しているハウジング１２の電動機側の端部部分は、回転軸１３との間にわずかな隙間を有するように回転軸１３に向かって延びるように形成され、冷媒吸入部１２ａから供給される冷媒が電動機１Ｂ側へ流入しないように、圧縮機１Ａと電動機１Ｂとを仕切る仕切り部材を兼ねている。冷媒排出口１２ｂは、一端が凝縮器２に接続される冷媒配管３２の他端部分と接続されている。

冷媒配管３１から冷媒吸入部１２ａへ流入した冷媒は、図中の矢印で示すように、インペラ１１の電動機側の側部を流れた後、流路内に配置された中間冷却器２９で冷却され、さらに回転軸１３側へ送られてからインペラ１１の電動機とは反対側の側部を流れ、その後、冷媒排出口１２ｂから冷媒配管３２へ流れ込む。

電動機１Ｂは、ロータ２１及びステータ２２がハウジング（電動機ケース）２５内に収容されている。ロータ２１は、表面に永久磁石を接着し、さらにその表面を炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）等で覆って構成されている。また、ロータ２１は、インペラ１１の回転軸１３と一体化されて形成されており、ロータ２１及び回転軸１３は軸受２６，２７，２８によって回転可能に支持されている。なお、本実施形態では、中央の軸受２７より図中右側をインペラ１１の回転軸１３とし、左側をロータ２１として説明する。

ステータ２２は、図示していないが、ステータコアにステータコイルが装着されて構成されている。コイルエンド２３を含むステータ２２は、ハウジング２５との間の絶縁のため絶縁性樹脂２４に覆われてハウジング２５に固定されている。ハウジング２５には、圧縮機１Ａから遠い側の端部付近に冷媒吸入口２５ａが設けられ、その冷媒吸入口２５ａが主流配管である冷媒配管３１に支流配管３１ａを介して接続されている。

また、圧縮機１Ａのハウジング１２は、その冷媒吸入部１２ａの電動機側部分が電動機１Ｂのハウジング２５の円周状の端部と隙間がないように溶接等によって接続され、圧縮機１Ａ及び電動機１Ｂの内部は外部と遮断されて数ｋＰａ以下の低真空状態が維持されている。

蒸発器３からの冷媒は、その大部分が冷媒配管３１を通って圧縮機１Ａ内へ送られ、一部分が支流配管３１ａを通って電動機１Ｂ内へ送られる。電動機１Ｂ内へ送られた冷媒は、例えばロータ２１とステータ２２との隙間を通過し、さらに冷媒吸入部１２ａと回転軸１３との隙間を通過して圧縮機１Ａ内へ送られる。ロータ２１とステータ２２との隙間は、例えば数ｍｍ程度と小さく、支流配管３１ａから電動機１Ｂ内へ送られる冷媒の量は冷媒配管３１から圧縮機１Ａ内へ送られる冷媒の量の１／１０以下、例えば１／２０程度でよい。すなわち、蒸発器３から送られてくる量の数パーセント程度の冷媒が電動機１Ｂへ供給されるようにしている。

本実施形態における蒸気圧縮式冷凍機では、冷媒として水を用いているため、電動圧縮機１へ送られる冷媒ガスは水蒸気である。そしてこの水蒸気を圧縮機１Ａ内だけでなく、電動機１Ｂ内へも送りこむように構成している。

電動機１Ｂでは、コイルエンド２３に例えば４００Ｖの電圧が印加されるが、コイルエンド２３を絶縁性樹脂２４で被覆する等して内部での耐放電性を向上している。しかしながら、絶縁性樹脂２４の施工時等に必然的に生じる亀裂やボイド等により絶縁性能が低下する。この絶縁性樹脂２４の絶縁性能の低下は、大気圧下に比べて、数ｋＰａの気圧下ではより顕著になる。

一般に、放電開始電圧（火花電圧）は、例えば図３に示すようなパッシェン曲線によって示される。図３は、空気についてのパッシェン曲線を示す図である。

本実施形態において、電動圧縮機１に供給される冷媒ガスとして用いられている水蒸気は、電子を付着して負イオンになりやすい負性気体であり、このような負性気体は、空気等と比較して火花電圧が高く、絶縁性能が高いことが知られている。なお、水蒸気についての火花電圧は、図３には示されていないが、実験の結果、例えば、放電距離に気圧を掛けた値が２．８（Ｐａ・ｍ）の時には、おおよそ８００Ｖであり、空気の場合（約５００Ｖ）に比べて１．５倍以上であり、最小火花電圧についても空気の場合（約３３０Ｖ）に比べて１．５倍以上となることが実験より推測された。したがって、絶縁性樹脂２４の絶縁性能が低下していても、例えばコイルエンド２３とハウジング２５との間に４００Ｖ程度の電位差が生じる場合には、水蒸気によって充分な絶縁性能が得られる。

本実施形態では、冷媒として水を用いているので地球環境保全の観点から優れている。また、圧縮機１Ａを駆動する電動機１Ｂ内へ冷媒ガスである水蒸気の一部を流入させるようにしているので、電動機１Ｂ内での絶縁性能を向上させ、放電の発生を防止することが可能になる。また、圧縮機１Ａと電動機１Ｂとを一体化し、電動機１Ｂを圧縮機１Ａとともに冷凍サイクル系統の圧力下においているので、従来のように電動機を大気圧下においた場合のような圧縮機と電動機との接続部分におけるシール漏れが生じることがなく、冷凍サイクル系統と外部との遮断状態を良好に維持することができる。また、電動機１Ｂには、蒸発器３から供給される水蒸気のごく一部の量しか流さないので、全量を流すような場合に比べて電動機１Ｂの風損の増大を抑えることができるとともに、大型の空調装置に適用することができる。

なお、本実施形態における電動圧縮機１では、パッシェン曲線において０．５〜１（ｍ・Ｐａ）程度の場合の火花電圧を想定しているが、これに限られない。電動機１Ｂ内における圧力は、蒸発器３において所望される水（冷媒）の蒸発温度に依存する。蒸発器３において、例えば、外部の空調装置へ７℃程度の冷水を供給するために、水（冷媒）の蒸発温度を６℃にしようとすると、蒸発器３内の圧力を１ｋＰａとすればよく、この場合、電動機１Ｂ内の圧力も１ｋＰａとなる。

なお、電動機１Ｂを冷却するために、例えば、ハウジング２５の周囲、特にコイルエンド２３を含むステータ２２の外側部分を覆うように水冷ジャケットをハウジング２５に取り付け、ハウジング２５と水冷ジャケットとの間を冷却水が流れる流路を設けてもよい。

本発明は、水冷媒を用いた蒸気圧縮式冷凍機に用いられ、電動機の風損の増大を抑え、かつ、圧縮機を含む冷凍サイクル系統と外部との遮断状態を良好に維持することができる電動圧縮機及びそれを用いた蒸気圧縮式冷凍機等として有用である。

１ 電動圧縮機
１Ａ 圧縮機
１Ｂ 電動機
２ 凝縮器
３ 蒸発器
２４ 絶縁性樹脂
３１〜３３ 冷媒配管
３１ａ 支流配管

Claims (5)

1. 冷媒配管を介して蒸発器から供給される冷媒ガスである水蒸気を圧縮して排出する圧縮機と、
   前記圧縮機を駆動し、内部の絶縁性能を向上させるために、前記冷媒配管に接続された配管を介して前記冷媒配管内を流れる水蒸気の一部が内部に流入するように構成された電動機とを備え、
   前記電動機の内部に流入した水蒸気が前記電動機の内部から前記圧縮機の内部へ通流可能であり、前記電動機の内部及び前記圧縮機の内部が外部と遮断された気密状態で、かつ大気圧未満の圧力に維持されるように、前記電動機と前記圧縮機とが一体化されて構成され、
   前記電動機と接続される部分の前記配管の径が、前記圧縮機と接続される部分の前記冷媒配管の径よりも細くなっている、電動圧縮機。
2. 前記大気圧未満の圧力は、前記蒸発器において所望される水の蒸発温度に応じた圧力である、請求項１に記載の電動圧縮機。
3. 前記電動機は、その内部での放電を防止するために絶縁性樹脂が用いられている、請求項１または２に記載の電動圧縮機。
4. 前記電動機は、ハウジング内にロータ及びステータを有し、前記ステータのコイルエンドが前記ハウジングに絶縁性樹脂を介して固定されている、請求項１または２に記載の電動圧縮機。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の電動圧縮機と、
   前記電動圧縮機の圧縮機から排出される水蒸気を冷却液化することにより水を生成する凝縮器と、
   前記凝縮器で生成される水が供給され、その水を大気圧未満の圧力下で気化させる蒸発器とを備えた、蒸気圧縮式冷凍機。

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