JP5817488B2 - 冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍装置に関する。

従来、インペラの回転による遠心力を利用して流体を圧縮する遠心式の圧縮機構が冷凍装置に採用されている。遠心式の圧縮機構は、大量の流体を吸い込み圧縮できるというメリットがある一方で、吸い込む流体の量が所定量を下回ると、サージングという吐出圧力及び流量が変動する現象が発生し圧縮機構の振動が大きくなるという問題がある。

そこで、例えば、特許文献１（特開平６−３４６８９３号公報）に開示の圧縮機構では、圧縮機構システム内の圧力（吸込圧力及び吐出圧力）、流量、及び温度を検出し、シミュレータや演算器を用いてサージングの発生を予測している。そして、サージングの発生が予測される場合には、抑制制御を事前に開始したり、バイパス弁や圧縮機構の回転数を制御したりして、サージング状態から抜け出すようにしている。

特許文献１に開示の技術では、多くのセンサが必須となる他、複雑な制御回路の組み込みが必要になるため、圧縮システムの構成が複雑化しさらに製造コストもかかるという問題がある。

そこで、本発明の課題は、簡易な構成で、サージング状態から抜け出すことができる圧縮機構を備えた冷凍装置を提供することにある。

本発明の第１観点に係る冷凍装置は、圧縮機構と、冷媒経路と、を備える。圧縮機構は、吸入空間を流れる冷媒を圧縮した後に吐出口を介して外に吐出する。冷媒経路は、吐出口と吸入空間とを結び圧縮機構から吐出された冷媒を吸入空間まで流す。また、圧縮機構は、圧縮部と、モータと、磁気軸受と、モータケーシングと、バイパス配管と、開閉機構と、を有する。圧縮部は、冷媒を圧縮する。モータは、圧縮部に連結された回転軸に取り付けられ、回転軸を介して圧縮部を駆動する。磁気軸受は、回転軸を非接触で回転自在に支持する。モータケーシングは、モータ及び磁気軸受を収容し冷媒経路を流れる冷媒が供給される。バイパス配管は、モータケーシング内の冷媒を吸入空間に流す。開閉機構は、開状態と閉状態との切替によってバイパス配管を開閉し、磁気軸受の発熱量が所定量を超えたときに閉状態から開状態へと変化する。開状態とは、モータケーシング内の冷媒を吸入空間へ流入させる状態である。閉状態とは、モータケーシング内の冷媒の吸入空間への流入を遮断する状態である。

ここで、例えば、磁気軸受の発熱量が所定量を超えるときとは、サージングが発生しているときである。

本発明では、磁気軸受の発熱量が所定量を超えたときに、すなわち、サージングが発生したときに、閉状態から開状態へと変化する開閉機構が設けられていることによって、サージングが発生するとバイパス配管が開けられるようになっている。バイパス配管が開けられると、モータケーシング内の冷媒が吸入空間へと流れることになる。これにより、圧縮部に流入する冷媒が増加する。このように、本発明では、簡易な構成で、サージング状態から抜け出すことができる。

本発明の第２観点に係る冷凍装置は、本発明の第１観点に係る冷凍装置であって、コイルへ流す電流量を制御する制御部をさらに備える。磁気軸受は、コイルを含む電磁石を有する。圧縮機構は、回転軸と磁気軸受との間の隙間の隙間寸法を検知する隙間センサをさらに有する。また、制御部は、隙間センサによって検知される隙間寸法が所定値を超えた場合に、コイルに流す電流量を増加する。

ここで、サージングが発生すると振動が起こるため、隙間センサによって検知される隙間寸法が所定値を超えることが考えられる。そして、隙間寸法が所定値を超えると、振動を抑えるために、コイルに流される電流量が増加する。すなわち、サージングが発生すると、コイルに流れる電流量が増加して磁気軸受の発熱量が増加し所定量を超えることになる。

このように、サージングが発生すると磁気軸受の発熱量が所定量を超える。よって、本発明では、磁気軸受の発熱量が所定量を超えると閉状態から開状態に変化する開閉機構を設けることによって、サージングが発生すると自然にバイパス配管が開くようになっている。よって、本発明では、簡易な構成で、サージング状態から抜け出すことができる。

本発明の第３観点に係る冷凍装置は、本発明の第１観点又は第２観点に係る冷凍装置であって、開閉機構は、開閉部材と、接触部材とを有する。開閉部材は、バイパス配管を開閉する。接触部材は、開閉部材と磁気軸受とに接触する。また、接触部材は、温度変化により変形する温度変形部材である。接触部材が磁気軸受の発熱量が所定量を超えたときに変形することによって、開閉部材が閉状態から開状態へと変化する。

本発明では、温度変形部材としての接触部材が磁気軸受に接触していることにより、接触部材は、磁気軸受の発熱量に伴って変形することが可能になる。よって、磁気軸受の発熱量が所定量を超えると、これに伴って変形が生じる接触部材に接触する開閉部材が閉状態から開状態へと変化することができる。

本発明の第４観点に係る冷凍装置は、本発明の第１観点〜第３観点のいずれかに係る冷凍装置であって、放熱器をさらに備える。放熱器は、冷媒経路内に設けられ冷媒の放熱を行う。放熱器を通過した冷媒が減圧されてモータケーシング内に供給されている。

本発明では、モータを冷却できるので、モータの発熱を抑えることができる。また、モータを冷却する冷媒を利用してバイパス配管を通じて吸入空間へと流すことによって、サージング状態から抜け出すことも可能である。

本発明の第１観点及び第２観点に係る冷凍装置では、簡易な構成で、サージング状態から抜け出すことができる。

本発明の第３観点に係る冷凍装置では、磁気軸受の発熱量が所定量を超えると、これに伴い変形が生じる接触部材に接触する開閉部材が閉状態から開状態へと変化することができる。

本発明の第４観点に係る冷凍装置では、モータを冷却できるので、モータの発熱を抑えることができる。また、モータを冷却する冷媒を利用してバイパス配管を通じて吸入空間へと流すことによって、サージング状態から抜け出すことも可能である。

本発明に係る冷凍装置の一例としての空気調和装置の概略構成図。 圧縮機構の概略断面図。 インペラの概略外観斜視図。 開閉機構の開状態を示す模式図。 制御部の制御ブロック図。 変形例Ｃに係る冷凍装置の一例としての空気調和装置の概略構成図。

以下、図面に基づいて、本発明に係る冷凍装置の一例としての空気調和装置１の実施形態について説明する。

（１）空気調和装置１の構成
図１は、本発明に係る冷凍装置の一例としての空気調和装置１の概略構成図である。

空気調和装置１は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルによって、対象空間の空調を行う装置である。空気調和装置１は、冷房運転を実行可能であり、主として、圧縮機構２と、熱源側熱交換器３と、第１膨張機構４と、利用側熱交換器５とを有している。尚、本実施形態では、冷媒として、ＨＦＣ−１３４ａが使用されているが、これに限られるものではない。

（１−１）圧縮機構２
圧縮機構２は、単一の圧縮部が組み込まれた単段式の遠心圧縮機から構成される。圧縮機構２は、吸入管６を流れる低圧の冷媒を、吸入口２１を介して吸入し、吸入口２１を介して吸入した冷媒を圧縮して高圧の冷媒とした後に、吐出口２２を介して吐出管７へと吐出する。尚、吸入管６は、利用側熱交換器５から出た冷媒を圧縮機構２の吸入側（吸入口２１）へと導く冷媒管であり、吐出管７は、圧縮機構２から吐出口２２を介して吐出された冷媒を熱源側熱交換器３の入口へと導く冷媒管である。圧縮機構２の構成については、後に詳述する。

（１−２）熱源側熱交換器３
熱源側熱交換器３は、冷却源としての水又は空気と熱交換させることにより圧縮機構２で圧縮された冷媒の放熱を行う冷媒の放熱器として機能する。熱源側熱交換器３は、一端が、吐出管７を介して圧縮機構２の吐出口２２に接続されており、他端が、第１膨張機構４に接続されるように構成されている。

（１−３）第１膨張機構４
第１膨張機構４は、冷媒を減圧する機構であり、電動膨張弁が使用されている。第１膨張機構４は、一端が、熱源側熱交換器３に接続され、他端が、吸入管６を介して利用側熱交換器５に接続されるように構成されている。

（１−４）利用側熱交換器５
利用側熱交換器５は、加熱源としての水又は空気と熱交換させることにより第１膨張機構４で減圧された冷媒の加熱を行う冷媒の加熱器として機能する。利用側熱交換器５は、一端が、第１膨張機構４に接続され、他端が、圧縮機構２の吸入口２１に接続されるように構成されている。

以上に説明した、圧縮機構２、熱源側熱交換器３、第１膨張機構４、及び、利用側熱交換器５は、吸入管６及び吐出管７を含む冷媒配管によって順次接続されることにより、冷媒が循環するメイン経路１１を構成している。そして、メイン経路１１は、圧縮機構２の吐出口２２と後述する吸入空間Ｓ３とを結び圧縮機構２から吐出された冷媒を吸入空間Ｓ３まで流す冷媒経路を形成している。

また、本実施形態での空気調和装置１は、モータ２５（後述する）を冷却するために、モータケーシング３２（後述する）内に低圧の冷媒を流している。よって、空気調和装置１は、さらに、第１バイパス配管１８と、戻し配管１９と、を有している。

（１−５）第１バイパス配管１８
第１バイパス配管１８は、熱源側熱交換器３で放熱された後の冷媒を、モータケーシング３２内（具体的には、モータケーシング３２の導出口３５（後述する））へと導く第１バイパス経路１２を構成する冷媒管であり、一端が熱源側熱交換器３の出口に接続され、他端がモータケーシング３２の導出口３５に接続されるように構成されている。第１バイパス配管１８には、減圧機構としての第２膨張機構１２ａが設けられている。第２膨張機構１２ａは、開度調整が可能な電動膨張弁である。この第２膨張機構１２ａによって、熱源側熱交換器３で放熱された後の高圧の冷媒が、冷凍サイクルにおける低圧まで減圧されている。

（１−６）戻し配管１９
戻し配管１９は、モータケーシング３２内を流れる低圧の冷媒を利用側熱交換器５に導く戻し経路１３を構成する冷媒管であり、一端がモータケーシング３２の排出口３６（後述する）に接続され、他端が利用側熱交換器５の入口に接続されるように構成されている。

（２）圧縮機構２の詳細構成
図２は、圧縮機構２の概略断面図である。図３は、インペラ４１の概略外観斜視図である。尚、以下では、軸部材としての回転軸２６の中心軸線をＯ−Ｏとし、回転軸２６の回転中心をＯとする。また、中心軸線Ｏ−Ｏに沿って延びる方向を軸方向又は前後方向（尚、圧縮機構２の吸入側を前とする）とし、軸方向に直交する方向を径方向とし、軸方向周りの方向を周方向とする。

圧縮機構２は、潤滑油を必要としない、いわゆるオイルレスの圧縮機構である。圧縮機構２は、図２に示すように、主として、圧縮機構ケーシング２３と、圧縮部２４と、モータ２５と、回転軸２６と、ラジアル磁気軸受２７と、スラスト磁気軸受２８と、スラスト円盤２９と、複数の入口ガイドベーン３０と、第２バイパス配管８１と、を有している。圧縮機構２は、密閉式の圧縮機構ケーシング２３に、圧縮部２４と、モータ２５と、回転軸２６と、ラジアル磁気軸受２７と、スラスト磁気軸受２８と、スラスト円盤２９と、複数の入口ガイドベーン３０とが収容されるように構成されている。

（２−１）圧縮機構ケーシング２３
圧縮機構ケーシング２３は、軸方向に延びる略円筒形状の密閉式容器であり、圧縮部ケーシング３１と、モータケーシング３２とを有している。

（２−１−１）圧縮部ケーシング３１
圧縮部ケーシング３１は、圧縮機構ケーシング２３の軸方向前側部分（吸入側部分）を構成し、その内面によって、圧縮部２４が収容される圧縮空間Ｓ１と、吸入口２１から圧縮部２４（後述する）に向かって吸入冷媒が流れる吸入空間Ｓ３とを形成している。

また、圧縮部ケーシング３１には、主として、冷媒を吸入するための吸入口２１と、冷媒を吐出するための吐出口２２と、第２バイパス配管貫通孔３７ａとが形成されている。吸入口２１は、圧縮機構ケーシング２３の軸方向一端（前端）に向かって開口しており、吸入管６に接続されている。吐出口２２は、圧縮機構ケーシング２３の径方向外端に向かって開口しており、吐出管７に接続されている。第２バイパス配管貫通孔３７ａは、径方向に延びるように形成されており、吸入空間Ｓ３から圧縮機構ケーシング２３（圧縮部ケーシング３１）の外面に向かって貫通するように形成されている。

（２−１−２）モータケーシング３２
モータケーシング３２は、圧縮機構ケーシング２３の軸方向後側部分を構成する軸方向に延びる略円筒状の容器であり、軸方向の両端が開口した略円筒形状の筒状部３２ａと、筒状部３２ａの開口を軸方向両側から閉じる閉塞部３２ｂ，３２ｃとを有している。モータケーシング３２は、その内面によって、モータ２５を収容するモータ収容空間Ｓ２を形成している。

また、モータケーシング３２には、主として、導入口３５と、排出口３６と、第２バイパス配管貫通孔３７ｂとが形成されている。導入口３５は、第１バイパス配管１８において第２膨張機構１２ａによって減圧された後の低圧の液冷媒を、モータケーシング３２内（すなわち、モータ収容空間Ｓ２）に導入するための開口であり、第１バイパス配管１８に接続されている。排出口３６は、モータケーシング３２内（モータ収容空間Ｓ２）を流れる冷媒を、モータケーシング３２内（モータ収容空間Ｓ２）から外（具体的には、戻し配管１９）へと排出するための開口であり、戻し配管１９に接続されている。第２バイパス配管貫通孔３７ｂは、径方向に延びるように形成されており、モータ収容空間Ｓ２から圧縮機構ケーシング２３（モータケーシング３２）の外面に向かって貫通するように形成されている。このように、第２バイパス配管貫通孔３７ａ，３７ｂが形成されていることによって、第２バイパス配管８１の中空空間Ｓ４が、モータ収容空間Ｓ２と吸入空間Ｓ３とに連通するように形成されている。

尚、圧縮部ケーシング３１の軸方向後端面とモータケーシング３２の軸方向前端面（閉塞部３２ｂの軸方向前端面）とは、圧縮空間Ｓ１とモータ収容空間Ｓ２とを区画する区画部として機能している。

（２−２）圧縮部２４
圧縮部２４は、吸入口２１を介して吸入空間Ｓ３に流入する吸入冷媒を圧縮する部分であり、圧縮空間Ｓ１に配置されている。圧縮部２４は、主として、回転軸２６の軸方向一端（具体的には、前端）に設けられ回転可能なインペラ４１を有している。尚、本実施形態では、インペラ４１が配置されるインペラ配置空間Ｓ１ａと、インペラ配置空間Ｓ１ａの径方向外側に位置するデフューザ空間Ｓ１ｂと、デフューザ空間Ｓ１ｂの径方向外側に位置するスクロール空間Ｓ１ｃとを総称して、圧縮空間Ｓ１と呼んでいる。

インペラ４１は、主として、ハブ４２と、ハブ４２の前面から軸方向に突出するように周方向に配置された複数の羽根４３、４４を有しており、ハブ４２の前後方向に延びる回転軸２６からモータ２５の駆動力が伝達されて回転軸２６を軸心として回転する。すなわち、インペラ４１の回転方向と周方向とは、同じである。

ハブ４２は、前側から後側に向けて拡径しており、回転軸２６と一体回転するように回転軸２６に軸支されている。ハブ４２は、径方向に広がった円形状平面であるハブ前面４２ａと、ハブ前面４２ａよりも半径が大きい円形状平面であるハブ後面４２ｄとを有しており、ハブ前面４２ａが吸入側（前側）を向くように且つハブ後面４２ｄが後側を向くように、配置されている。

ハブ４２は、さらに、ハブ後面４２ｄの外周縁から軸方向に延びハブ後面４２ｄと中心軸が共通であるハブ円筒形状面４２ｂと、ハブ前面４２ａの外周縁からハブ円筒形状面４２ｂの前縁までを径方向内側に窪むようになだらかに繋ぐ拡径湾曲面４２ｃとを有している。尚、インペラ４１の拡径湾曲面４２ｃは、拡径湾曲面４２ｃと、圧縮機構ケーシング２３のインペラ配置空間Ｓ１ａを形成するインペラ配置空間形成部の拡径湾曲面４２ｃに対向する拡径湾曲対向面１７と、の最短距離が、冷媒流れ方向の下流側に進むにつれて短くなるように形成されている。

インペラ４１の拡径湾曲面４２ｃには、大羽根４３と小羽根４４とが、周方向に交互に並ぶように形成されている。尚、大羽根４３と小羽根４４とは、拡径湾曲面４２ｃに対して垂直となるように突出しており、大羽根４３と小羽根４４との対向する面同士が周方向に概ね等間隔となるように形成されている。

大羽根４３及び小羽根４４は、いずれも、前面視において左巻となるように螺旋状に伸びることにより、いわゆる「後ろ向き羽根」を構成している。すなわち、大羽根４３及び小羽根４４は、ハブ前面４２ａ側からハブ後面４２ｄ側に向かうにつれて、径方向に拡大しながら、左に旋回するように延びている。

さらに、大羽根４３及び小羽根４４は、前端部の長手方向と、径方向外側端部の長手方向とが、互いにねじれの位置関係となるように構成されている。

尚、各大羽根４３は、拡径湾曲面４２ｃの、前端部から後端部まで延びるように形成されている。これに対して、各小羽根１２３は、拡径湾曲面４２ｃの、前端部と後端部との中間程度の位置から後端部まで延びるように形成されている。

インペラ４１は、モータ２５が駆動することで、前面視において右回転（図３において矢印で示す方向に向かって回転）することにより、吸入管６を流れる冷媒を吸入口２１を介して吸入し、圧縮して高圧とした後、吐出口２２を介して吐出管７に向けて吐出する。

各大羽根４３及び小羽根４４の前方部分で且つ径方向外側の部分は、インペラ４１が回転することにより、拡径湾曲対向面１７の近傍を沿うように移動する。これにより、冷媒の流速を増すことができる。そして、流速を増した状態の冷媒は、インペラ配置空間Ｓ１ａの径方向外側（吐出側）に形成されるデフューザ空間Ｓ１ｂにおいて、運動エネルギが圧力エネルギに変換され、高圧冷媒となる。デフューザ空間Ｓ１ｂで高圧となった冷媒は、さらに径方向外側に形成されるスクロール空間Ｓ１ｃにおいて、減速されて整流され、吐出口２２を介して吐出管７に吐出される。

以上のように、圧縮機構２では、圧縮部２４のインペラ４１を回転させることにより、軸方向から冷媒を吸入し、その吸入した冷媒を、遠心力を用いて径方向外側へと流出させている。

（２−３）モータ２５
モータ２５は、圧縮部２４の後側に配置され、主として、ロータ５２と、ステータ５３とを有している。モータ２５（ロータ５２及びステータ５３）は、回転軸２６、ラジアル磁気軸受２７、スラスト磁気軸受２８、及びスラスト円盤２９と共に、モータケーシング３２内（すなわち、モータ収容空間Ｓ２）に収容されている。

尚、本実施形態では、モータケーシング３２内（モータ収容空間Ｓ２）には、上述したように、第１バイパス配管１８を流れ第２膨張機構１２ａによって減圧された低圧の液冷媒が導入口３５を介して供給されている。そして、この液冷媒は、空洞が形成される回転軸２６の内部に流入している。尚、回転軸２６内を流れる冷媒は、モータ２５からの熱によって加熱されて蒸発することにより、モータケーシング３２内から排出口３６を介してモータケーシング３２外へ出るときには、ガス冷媒となっている。

（２−３−１）ロータ５２
ロータ５２は、圧縮部２４のインペラ４１に連結された回転軸２６に嵌め込まれることにより回転軸２６に取り付けられている。ロータ５２が回転することによって、回転軸２６を介して、圧縮部２４のインペラ４１が駆動（回転）するようになっている。

ロータ５２は、主として、ロータコア５２ａと、複数の磁石（図示せず）とを有している。ロータコア５２ａは、中央の孔部に回転軸が嵌め込まれる略円筒形状の部材であり、電磁鋼板が軸方向に積層されることによって形成されている。複数の磁石は、例えば、希土類磁石からなり、各々が周方向に所定の間隔を空けて、ロータコア５２ａに嵌め込まれている。

（２−３−２）ステータ５３
ステータ５３は、ロータ５２の外周側に配置され、圧縮機構ケーシング２３の筒状部３１の内周面に焼き嵌めによって固定されている。ステータ５３は、主として、ステータコア５３ａと、ステータコア５３ａに装着される巻線（図示せず）とを有している。ステータ５３は、各巻線に通電されることによって回転磁界が発生されるように、構成されている。尚、ステータ５３は、その内周面が、ロータ５２の外周面と共にエアギャップｔを形成するように、構成されている。

（２−４）ラジアル磁気軸受２７
ラジアル磁気軸受２７は、スラスト磁気軸受２８と共に、回転軸２６を非接触で回転自在に支持する軸受である。ラジアル磁気軸受２７は、回転軸２６の径方向（ラジアル方向）の荷重を支持する。本実施形態では、ラジアル磁気軸受２７は、モータ２５を軸方向において挟むように、モータ２５の軸方向両端側に１つずつ配置されている。すなわち、本実施形態では、ラジアル磁気軸受２７は、２つ存在する。

具体的には、ラジアル磁気軸受２７は、主として、コイル（図示せず）を含む複数（本実施形態では、４極）の電磁石６１を有している。複数の電磁石６１は、回転軸２６の径方向外側において、周方向に所定の間隔を空けて配置されている。すなわち、４極の電磁石６１は、２極ずつが回転軸２６を径方向に挟んで互いに対向するように配置されている。ラジアル磁気軸受２７は、コイルに電流が流されることにより複数の電磁石６１と回転軸２６との間に磁界を発生させ、回転軸２６を、径方向に発生する磁力（磁気吸引力）により磁気浮上させることにより、非接触で回転軸２６を支持している。すなわち、ラジアル磁気軸受２７は、電磁石６１によって発生する径方向の磁力によって、回転軸２６の径方向の位置を保持している、すなわち、回転軸２６を径方向に拘束している。このように、ラジアル磁気軸受２７は、回転軸２６を非接触で支持するため、回転軸と軸受との間の摩擦や摩擦によるこれらの磨耗を抑制できる。

尚、本実施形態では、回転軸２６とラジアル磁気軸受２７（複数の電磁石６１）との間には、回転軸２６とラジアル磁気軸受２７との間の径方向の隙間の径方向隙間寸法を検知する径方向隙間センサ９３が設けられており、この径方向隙間センサ９３によって、回転軸２６の径方向の位置が検知されるようになっている。そして、この径方向隙間センサ９３によって検知される径方向隙間寸法により、ラジアル磁気軸受２７のコイルに流される電流量、ひいては、磁力が変更されるように制御されて、回転軸２６の径方向の位置が決定されている。尚、ラジアル磁気軸受２７のコイルに流される電流量は、後述する制御部９によって制御されている。径方向隙間センサ９３によって検知される径方向隙間寸法が所定径方向隙間寸法を超えると、制御部９によってラジアル磁気軸受２７のコイルに流される電流量が増加し、ラジアル磁気軸受２７の発熱量が所定量以上に発熱するようになっている。

（２−５）スラスト磁気軸受２８及びスラスト円盤２９
スラスト円盤２９は、回転軸２６の軸方向後端部に設けられている。スラスト円盤２９は、径方向に広がり軸方向を向く平面２９ａを有する環状の円盤部材であり、その中空部が回転軸２６に固定されている。

スラスト磁気軸受２８は、スラスト円盤２９を挟んで軸方向に対向するように、スラスト円盤２９の軸方向両側に１つずつ配置されている。スラスト磁気軸受２８は、主として、円環状のコイル（図示せず）を含む電磁石７１を有している。スラスト磁気軸受２８は、コイルに電流が流されることにより複数の電磁石７１とスラスト円盤２９との間に磁界を発生させ、回転軸２６に固定されたスラスト円盤２９を、軸方向に発生する磁力（磁気吸引力）により磁気浮上させることによって、非接触で回転軸２６を支持している。すなわち、スラスト磁気軸受２８は、電磁石７１によって発生する軸方向の磁力によって、回転軸２６及びスラスト円盤２９の軸方向の位置を保持している、すなわち、回転軸２６及びスラスト円盤２９を軸方向に拘束している。尚、スラスト磁気軸受２８の磁力を受けるのは、スラスト円盤２９の平面２９ａである。このように、スラスト磁気軸受２８は、回転軸２６を非接触で支持するため、回転軸と軸受との間の摩擦や摩擦によるこれらの磨耗を抑制できる。

尚、本実施形態では、スラスト磁気軸受２８とスラスト円盤２９との間には、スラスト磁気軸受２８とスラスト円盤２９との間の軸方向の隙間の軸方向隙間寸法を検知する軸方向隙間センサ９４が設けられており、この軸方向隙間センサ９４によって、スラスト円盤２９、ひいては、回転軸２６の軸方向の位置が検知されるようになっている。そして、この軸方向隙間センサ９４によって検知される軸方向隙間寸法により、スラスト軸気軸受２８のコイルに流される電流量、ひいては、磁力が変更されるように制御されて、スラスト円盤２９及び回転軸２６の軸方向の位置が決定されている。尚、スラスト磁気軸受２８のコイルに流される電流量は、制御部９によって制御されておいる。軸方向隙間センサ９４によって検知される軸方向隙間寸法が所定値を超えると、制御部９によってスラスト磁気軸受２８のコイルに流される電流量が増加し、スラスト磁気軸受２８の発熱量が所定量以上に発熱するようになっている。

（２−６）入口ガイドベーン３０
複数の入口ガイドベーン３０は、圧縮部２４のインペラ４１の回転によって吸入される冷媒（吸入冷媒）の流量や流れ方向を調整するために、吸入冷媒が流れる吸入空間Ｓ３に配置される回動可能な羽根部材である。複数の入口ガイドベーン３０は、各々が周方向に並んで配置されており、駆動装置３０ａ（図５を参照、例えば、モータ）によって駆動されている。尚、駆動装置３０ａの駆動軸は、径方向に延びるように配置されており、入口ガイドベーン３０は、径方向に延びる軸線回りに回動する。そして、この回動によって入口ガイドベーン３０の径方向に広がる径方向水平面に対する傾斜が変更される。これにより、上述した吸入冷媒の流量や流れ方向を調整している。

（２−７）第２バイパス配管８１
一般に、遠心式の圧縮機は、大量の冷媒を吸入し圧縮できるというメリットがある一方で、吸入する冷媒の量が所定量を下回ると、サージングという吐出圧力及び流量が変動する現象が発生し圧縮機の振動が大きくなるという問題がある。

そこで、本実施形態では、サージング状態から脱出するために、第２バイパス配管８１を設けている。第２バイパス配管８１は、モータケーシング３２内（モータ収容空間Ｓ２）のモータ２５からの熱によって蒸発された低圧のガス冷媒、を圧縮機構２の吸入空間Ｓ３へと導く冷媒管であり、一端部が第２バイパス配管貫通孔３７ｂを介してモータ収容空間Ｓ２に接続され、他端部が第２バイパス配管貫通孔３７ａを介して圧縮機構２の吸入空間Ｓ３に接続されるように構成されている。尚、第２バイパス配管８１のモータ収容空間Ｓ２に接触する一端部の近傍には、開閉機構８２が設けられている。そして、開閉機構８２の開閉によって、モータケーシング３２内（モータ収容空間Ｓ２）を流れる低圧のガス冷媒の吸入空間Ｓ３への流入を許可／遮断している。開閉機構８２の詳細構成については、後に説明する。また、第２バイパス配管８１には、モータケーシング３２内（モータ収容空間Ｓ２）から吸入空間Ｓ３へ向かう冷媒流れのみを許容し、吸入空間Ｓ３からモータケーシング３２内（モータ収容空間Ｓ２）へ向かう冷媒流れを遮断する逆止機構（図示せず、例えば、逆止弁）が設けられている。

尚、第２バイパス配管８１は、モータケーシング３２内（モータ収容空間Ｓ２）を流れる低圧のガス冷媒を圧縮機構２の吸入空間Ｓ３へと導く第２バイパス経路１４を構成している。そして、本実施形態の空気調和装置１では、メイン経路１１と、第１バイパス経路１２と、戻し経路１３と、第２バイパス経路１４とによって、冷媒が流れる冷媒回路１０（図１を参照）が形成されている。

（３）開閉機構８２
図４は、開閉機構８２の開状態を示す模式図である。

開閉機構８２は、第２バイパス配管８１のモータ収容空間Ｓ２に接触する一端部の近傍に設けられ、開状態（図４を参照）と閉状態（図１を参照）とを切り替えることにより、第２バイパス配管８１を開閉する機構である。開状態とは、モータケーシング３２内（モータ収容空間Ｓ２）を流れる低圧のガス冷媒を、吸入空間Ｓ３へ流入させる状態である。すなわち、開状態では、モータケーシング３２内（モータ収容空間Ｓ２）と吸入空間Ｓ３とが第２バイパス配管８１（中空空間Ｓ４）を介して連通する状態にある。閉状態とは、モータケーシング３２内（モータ収容空間Ｓ２）を流れる低圧のガス冷媒の吸入空間Ｓ３への流入を遮断する状態である。すなわち、閉状態では、モータケーシング３２内（モータ収容空間Ｓ２）と第２バイパス配管８１の中空空間Ｓ４とが連通しない状態にある。開閉機構８２は、サージング状態に入ったときに、閉状態から開状態へと変化することにより、サージング状態から脱出させるサージング脱出機構として機能している。具体的な構成について説明すると、開閉機構８２は、第２バイパス配管８１を開閉する開閉部材８３と、開閉部材８３を駆動させるための駆動部材８４とを有している。

（３−１）開閉部材８３
開閉部材８３は、直接第２バイパス配管８１を開閉する弁８３ａと、弁８３ａを支持する支持部材８３ｂとを有する。

弁８３ａは、駆動部材８４によって径方向内側から径方向外側に向かって移動可能に構成されており、第２バイパス配管８１の内面に接触する接触状態と、第２バイパス配管８１の内面に接触しない非接触状態とを切り替える。そして、弁８３ａが接触状態と非接触状態とを切り替えることにより、開閉機構８２の開閉状態が切り替えられている。

支持部材８３ｂは、一端面が弁８３ａの回転軸２６に対向する面に固定され、他端面が駆動部材８４に固定される、径方向に延びる棒状部材である。支持部材８３ｂは、駆動部材８４に固定されることにより、弁８３ａを支持している。

（３−２）駆動部材８４
駆動部材８４は、軸方向前端に向かって開口するＵ字形状を有する板状部材であり、開口にラジアル磁気軸受２７（電磁石６１）が配置されるようにラジアル磁気軸受２７（電磁石６１）に接触して配置されている。駆動部材８４は、一端が、圧縮機構ケーシング２３（具体的には、モータケーシング３２の閉塞部３２ｂの軸方向後端面）に固定されており、他端は自由端となっている。尚、図２では、駆動部材８４が回転軸２６と重なって描かれているが、回転軸２６の内部に駆動部材８４が侵入している訳ではない。

駆動部材８４には、２層構造のバイメタルが用いられており、第１熱膨張率板８４ａと、第２熱膨張率板８４ｂとを有している。第１熱膨張率板８４ａは、第２熱膨張率板８４ｂよりも熱膨張率が高い金属から構成されており、駆動部材８４の内側部分、すなわち、ラジアル磁気軸受２７に接触する部分を構成している。第２熱膨張率板８４ｂは、第１熱膨張率板８４ａよりも熱膨張率が低い金属から構成されており、駆動部材８４の外側部分を構成している。駆動部材８４は、このような構成を有していることにより、温度変化に応じて、第１熱膨張率板８４ａと第２熱膨張率板８４ｂとの熱膨張率の差異に起因した変形が生じる。具体的には、温度上昇が起こると、第１熱膨張率板８４ａの膨張量が第２熱膨張率板８４ｂの膨張量よりも大きいので、駆動部材８４は、外側に広がるように変形することになる。

尚、開閉部材８３の支持部材８３ｂは、駆動部材８４の第２バイパス配管８１に近い側に位置する部分には固定されず、駆動部材８４の第２バイパス配管８１から遠い側に位置する部分のみに固定されている。よって、駆動部材８４が温度変化（温度上昇）に伴い外側に向かって変形すると、駆動部材８４の第２バイパス配管８１から遠い側に位置する部分に固定される開閉部材８３は第２バイパス配管８１から離れる方向のみに向かって移動することになる（図４を参照）。

以上のように、駆動部材８４は、２層構造のバイメタルから構成される、温度変化により変形する温度変形部材である。よって、本実施形態では、このような温度変形部材である駆動部材８４に開閉部材８３が接続されているので、弁８３ａの接触状態と非接触状態とを切り替えることができている。そして、これにより、第２バイパス配管８１を開閉できている。

ここで、駆動部材８４が変形するような温度変化（温度上昇）は、一般にサージング状態に入ると生じる。具体的には、サージングが発生すると圧縮機構２の振動が起こり、径方向隙間センサ９３によって検知される径方向隙間寸法が大きくなる状態が生じる。このため、径方向隙間寸法が所定径方向隙間寸法（所定値）を超える状態が生じる。尚、所定径方向隙間寸法とは、予めシミュレーション、机上計算等によって算出されて設定された回転軸２６とラジアル磁気軸受２７との間の径方向の隙間寸法である。径方向隙間センサ９３によって検知される径方向隙間寸法が所定径方向隙間寸法を超えると、制御部９が、圧縮機構２の振動を抑制するために、ラジアル磁気軸受２７のコイルに流す電流量を増加することになる。このように、サージング状態に入ると、ラジアル磁気軸受２７に電流が多く流れる時間が長くなるので、ラジアル磁気軸受２７の発熱量が増加する。そして、これにより、駆動部材８４が変形するような温度変化（温度上昇）が生じることになる。

以上のように、本実施形態では、サージング状態に入ると、ラジアル磁気軸受２７の発熱量が所定量を超えることになり、駆動部材８４の周辺の温度が、駆動部材８４が自然に変形するような温度となる。そして、駆動部材８４の温度変化（温度上昇）に応じた変形に伴って、駆動部材８４に固定された開閉部材８３の支持部材８３ｂが、第２バイパス配管８１から離れる方向へと移動する。そして、開閉部材８３の支持部材８３ｂの移動に伴って、支持部材８３ｂに固定された開閉部材８３の弁８３ａも第２バイパス配管８１から離れる方向へと移動し、非接触状態となる。これにより、開閉機構８２が開状態となり、第２バイパス配管８１が開けられることになる。

尚、モータ収容空間Ｓ２を流れる低圧のガス冷媒が吸入空間Ｓ３へと流されて、圧縮部２４が吸入する吸入冷媒の流量が所定量以上になると、サージング状態を脱出することになる。サージング状態を脱出すると、駆動部材８４は温度変化（温度下降）に応じて変形し元の状態に戻る。そして、駆動部材８４の温度変化に応じた変形に伴って、開閉機構８２も元の状態に戻る。すなわち、開閉部材８３の弁８３ａが接触状態となり、開閉機構８２が閉状態となる。

（４）制御部９の構成
図５は、制御部９の制御ブロック図である。

空気調和装置１は、上述したように、第１膨張機構４、第２膨張機構１２ａ、モータ２５、ラジアル磁気軸受２７、スラスト磁気軸受２８、入口ガイドベーン３０の駆動装置等の空気調和装置１を構成する各要素の動作を制御する制御部９をさらに有している。制御部９は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等から構成されており、上述の径方向隙間センサ９３、軸方向隙間センサ９４、吸入空間Ｓ３を流れる冷媒の流量を検知する流量センサ９５等と接続されている。そして、これらのセンサからの検出結果を受けて、上述の各要素の動作を制御している。

（５）特徴
（５−１）
本実施形態の空気調和装置１では、まず、メイン経路１１から第１バイパス経路１２を経由してモータケーシング３２内（モータ収容空間Ｓ２）に冷媒が供給されている。また、本実施形態では、圧縮機構２に、モータケーシング３２内（モータ収容空間Ｓ２）と吸入空間Ｓ３とを接続する第２バイパス配管８１と、サージングが発生したとき、すなわち、ラジアル磁気軸受２７の発熱量が所定量を超えたときに閉状態から開状態へと変化する開閉機構８２と、が設けられている。開閉機構８２は、弁８３ａ及び支持部材８３ｂを有する開閉部材８３と、駆動部材８４とを有している。駆動部材８４は、温度変化により変形する温度変形部材である。具体的には、熱膨張率の異なる２つの金属板８４ａ，８４ｂから構成されるバイメタルが使用されている。そして、ラジアル磁気軸受２７に接触する接触部材としての駆動部材８４が、ラジアル磁気軸受２７の発熱量が所定量を超えたときに変形することによって、駆動部材８４に固定される支持部材８３ｂを介して弁８３ａが第２バイパス配管８１から離れる方向に移動する（非接触状態を採る）。そして、これにより、第２バイパス配管８１が開かれている。

本実施形態では、圧縮機構２がこのような構成を有していることにより、サージングが発生したときに、第２バイパス配管８１が開くようになっている。そして、第２バイパス配管８１が開けられると、モータケーシング３２内（モータ収容空間Ｓ２）を流れる冷媒が吸入空間Ｓ３へと導かれることになる。これにより、圧縮機構２の圧縮部２４に流入する冷媒を増加することができる。このように、本実施形態の空気調和装置１では、簡易な構成で、サージング状態から抜け出すことができる圧縮機構２を有している。

尚、サージングが発生すると、圧縮機構２の振動が起こるため、径方向隙間センサ９３によって検知される径方向隙間寸法が所定径方向隙間寸法（所定値）を超えることが考えられる。そして、径方向隙間寸法が所定径方向隙間寸法を超えると、圧縮機構２の振動を抑制するために、制御部９によってラジアル磁気軸受２７のコイルに流される電流量が増加される。すなわち、サージングが発生すると、ラジアル磁気軸受２７のコイルに流れる電流量が増加されてラジアル磁気軸受２７の発熱量が増加し所定量を超えることになる。

このように、本実施形態では、サージングが発生するとラジアル磁気軸受２７の発熱量が所定量を超えることになる現象を利用できるように、発熱するラジアル磁気軸受２７の周囲に温度変形部材としての駆動部材８４を配置している。そして、駆動部材８４の温度変化に伴う変形を利用して、開閉部材８３が第２バイパス配管８１を開閉するように構成している。

（５−２）
本実施形態では、モータケーシング３２内（モータ収容空間Ｓ２）には、熱源側熱交換器３からの冷媒が第２膨張機構１２ａによって減圧されて供給されている。これにより、モータ２５を冷却することができ、モータ２５の発熱を抑制できる。また、モータ２５を冷却する冷媒を利用して第２バイパス配管８１を通じて吸入空間Ｓ３へと流すことによって、サージング状態から抜け出すこともできている。

（６）変形例
以上、本発明の実施形態について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、上記の実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。

（６−１）変形例Ａ
上記実施形態では、開閉機構８２は、開閉部材８３と駆動部材８４とを有すると説明したが、これに限られるものではない。

例えば、開閉機構８２は、開閉部材８３を構成する弁８３ａから構成されるものであってもよい。このとき、弁８３ａは、上述のバイメタルから構成されることが好ましく、ラジアル磁気軸受２７と接触する位置又はラジアル磁気軸受２７の近傍の位置に配置されることが好ましい。これにより、ラジアル磁気軸受２７の発熱量が所定量を超えたとき（すなわち、サージングが発生したとき）に、弁８３ａが変形して閉状態から開状態へと変化することができる。よって、上記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

（６−２）変形例Ｂ
上記実施形態では、圧縮機構２は、単一の圧縮部が組み込まれた単段式の遠心圧縮機から構成されると説明したが、これに限られるものではない。例えば、１台の一軸二段圧縮構造を有する圧縮機構であってもよいし、三段圧縮式等のような二段圧縮式よりも多段の圧縮機構であってもよいし、さらに、多段圧縮式の圧縮機を２系統以上並列に接続した並列多段圧縮式の圧縮機構であってもよい。

（６−３）変形例Ｃ
図６は、本変形例Ｃに係る空気調和装置１００の概略構成図である。

上記実施形態では、モータケーシング３２内（モータ収容空間Ｓ２）に供給される冷媒は、熱源側熱交換器３で放熱されて第２膨張機構１２ａによって減圧された低圧の冷媒であると説明したが、これに限られるものではない。

例えば、利用側熱交換器５で加熱されて蒸発された低圧の冷媒が、熱源側熱交換器３で放熱されて第２膨張機構１２ａによって減圧された低圧の冷媒と共に、モータケーシング３２内（モータ収容空間Ｓ２）に供給されてもよい。

この場合、空気調和装置１には、図６に示すように、一端が利用側熱交換器５の出口に接続され他端がモータケーシング３２内（モータ収容空間Ｓ２）に接続される導入バイパス配管１６が設けられる。この導入バイパス配管１６は、利用側熱交換器５で蒸発された冷媒をモータケーシング３２内（モータ収容空間Ｓ２）に導く導入バイパス経路１５を構成する。そして、この導入バイパス経路１５は、メイン経路１１、第１バイパス経路１２、戻し経路１３、及び第２バイパス経路１４と共に、冷媒が流れる冷媒回路１０１を形成することになる。本変形例の場合、モータ２５の冷却効果をより高めることができる。

（６−４）変形例Ｄ
上記実施形態では、冷凍装置として、冷房運転を実行可能な空気調和装置１を例に挙げて説明したが、これに限られるものではなく、本発明は、冷房運転と暖房運転とを切替可能な空気調和装置に適用してもよいし、ヒートポンプ式の給湯装置に適用してもよい。

本発明では、磁気軸受が採用された圧縮機構を有する冷凍装置に種々適用可能である。

１ 空気調和装置（冷凍装置）
３ 熱源側熱交換器（放熱器）
９ 制御部
２２ 吐出口
２４ 圧縮部
２５ モータ
２６ 回転軸
２７ ラジアル磁気軸受（磁気軸受）
３２ モータケーシング
６１ 電磁石
８１ 第２バイパス配管（バイパス配管）
８２ 開閉機構
８３ 開閉部材
８４ 接触部材
９３ 径方向隙間センサ（隙間センサ）
Ｓ３ 吸入空間

特開平６−３４６８９３号公報

Claims (4)

1. 吸入空間（Ｓ３）を流れる冷媒を圧縮した後に吐出口（２２）を介して外に吐出する圧縮機構（２）と、
   前記吐出口と前記吸入空間とを結び前記圧縮機構から吐出された冷媒を前記吸入空間まで流す冷媒経路と、
   を備え、
   前記圧縮機構は、
   前記冷媒を圧縮する圧縮部（２４）と、
   前記圧縮部に連結された回転軸（２６）に取り付けられ、前記回転軸を介して前記圧縮部を駆動するモータ（２５）と、
   前記回転軸を非接触で回転自在に支持する磁気軸受（２７）と、
   前記モータ及び前記磁気軸受を収容し前記冷媒経路を流れる冷媒が供給されるモータケーシング（３２）と、
   前記モータケーシング内の冷媒を前記吸入空間に流すバイパス配管（８１）と、
   前記モータケーシング内の冷媒を前記吸入空間へ流入させる開状態と前記モータケーシング内の冷媒の前記吸入空間への流入を遮断する閉状態との切替によって前記バイパス配管を開閉し、前記磁気軸受の発熱量が所定量を超えたときに前記閉状態から前記開状態へと変化する開閉機構（８２）と、
   を有する、冷凍装置（１）。
2. 前記磁気軸受は、コイルを含む電磁石（６１）を有し、
   前記コイルへ流す電流量を制御する制御部（９）、をさらに備え、
   前記圧縮機構は、前記回転軸と前記磁気軸受との間の隙間の隙間寸法を検知する隙間センサ（９３）、をさらに有し、
   前記制御部は、前記隙間センサによって検知される隙間寸法が所定値を超えた場合に、前記コイルに流す電流量を増加する、
   請求項１に記載の冷凍装置。
3. 前記開閉機構は、前記バイパス配管を開閉する開閉部材（８３）と、前記開閉部材と前記磁気軸受とに接触する接触部材（８４）と、有し、
   前記接触部材は、温度変化により変形する温度変形部材であり、
   前記接触部材が前記磁気軸受の発熱量が所定量を超えたときに変形することによって、前記開閉部材が前記閉状態から前記開状態へと変化する、
   請求項１又は２に記載の冷凍装置。
4. 前記冷媒経路内に設けられ冷媒の放熱を行う放熱器（３）、をさらに備え、
   前記放熱器を通過した冷媒が減圧されて前記モータケーシング内に供給されている、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷凍装置。

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