JP7116739B2 - チラーセンブリのための誘導電動機及び電動機のための冷却システム - Google Patents

Description

本開示は、概して、チラーアセンブリの遠心圧縮機を駆動する誘導電動機に関する。
関連出願の相互参照
本出願は、２０１７年３月２４日に出願された米国仮特許出願第６２／４７６，４５５号明細書の利益を主張するものであり、この仮特許出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

いくつかの遠心圧縮機は、必要な圧力上昇を実現するために高速永久磁石電動機を必要とする中圧（ＭＰ）冷媒を利用する。低圧（ＬＰ）冷媒を利用することにより、低速で動作する安価で簡素な誘導電動機を使用できる。しかしながら、電動機冷却システムでＬＰ冷媒を使用するには、ＭＰ冷媒の場合よりも大きい体積流量が必要とされる。体積流量が大きくなると、電動機冷却システムを通る圧力損失が大きくなり、流量が制限され、電動機冷却システムの効率が低下し、電動機の温度が上限を超えることになる。電動機の温度がピーク効率の範囲内に維持されない場合、チラーアセンブリの全体的な性能が低下する。

本開示の１つの実装形態は、チラーアセンブリのための誘導電動機である。誘導電動機は、ハウジングと、第１の端部、第２の端部、内面及び外面を有する円筒形状を有する固定子とを含む。円筒形状は、中心軸を画定する。誘導電動機は、回転子と、第１の端部及び第２の端部を有するシャフトとをさらに含む。回転子及びシャフトは、中心軸を中心として固定子の内面内で回転するように構成される。誘導電動機は、シャフトの第１の端部に近接して配置された第１の軸受アセンブリと、シャフトの第２の端部に近接して配置された第２の軸受アセンブリと、第１の軸受アセンブリに結合された第１のノズルリングと、第２の軸受アセンブリに結合された第２のノズルリングとを追加的に含む。第１のノズルリング及び第２のノズルリングは、固定子の内面と回転子との間に冷却液を誘導するように構成される。

本開示の別の実装形態は、チラーアセンブリの誘導電動機のためのノズルリングである。ノズルリングは、中心軸を画定するリング状部材と、冷却液の供給を受けるように構成された複数の流入口通路と、複数の流入口通路に流体結合され、且つ冷却液の供給を排出するように構成された複数の排出口通路とを含む。複数の排出口通路は、中心軸に対して角度が付けられる。

本開示のさらに別の実装形態は、蒸気圧縮システムにおいて圧縮機に動力を供給する電動機のための冷却システムである。冷却システムは、電動機を囲むように構成された空洞を有するハウジングと、第１の冷却液排出口及び第２の冷却液排出口で終わる冷却液供給通路と、第１の軸受アセンブリと、第２の軸受アセンブリと、第１のノズルリングと、第２のノズルリングとを含む。軸受アセンブリは、冷却液供給通路を有する軸受ハウジングを含む。ノズルリングは、冷却液の供給を電動機に排出するように構成された排出口通路を含む。

一部の実施形態によるチラーアセンブリの斜視図である。

一部の実施形態による図１のチラーアセンブリの正面立面図である。

一部の実施形態による図１のチラーアセンブリで使用される電動機アセンブリの斜視図である。

一部の実施形態による図３の電動機アセンブリのＡ－Ａ断面図である。

一部の実施形態による図３の電動機アセンブリで使用されるノズルリングの斜視図である。

一部の実施形態による図５のノズルリングのＢ－Ｂ断面図である。

概して図を参照すると、液体噴射ノズルを備えた電動機冷却システムを有するチラーアセンブリが示されている。図１及び図２を参照すると、チラーアセンブリ１００の例示的な実装形態が示されている。チラーアセンブリ１００は、電動機１０４によって駆動される圧縮機１０２と、凝縮器１０６と、蒸発器１０８とを含むことが示されている。冷媒は、蒸気圧縮サイクルでチラーアセンブリ１００を通して循環される。チラーアセンブリ１００は、チラーアセンブリ１００内の蒸気圧縮サイクルの動作を制御するための制御パネル１１４も含み得る。

電動機１０４は、可変速駆動装置（ＶＳＤ）１１０によって動力を供給され得る。ＶＳＤ １１０は、ＡＣ電源（図示せず）から特定の固定ライン電圧及び固定ライン周波数を有する交流（ＡＣ）電力を受け、可変電圧及び周波数を有する電力を電動機１０４に供給する。電動機１０４は、ＶＳＤ １１０によって動力の供給を受けることが可能な任意のタイプの電動機であり得る。例えば、電動機１０４は、高速誘導電動機であり得る。圧縮機１０２は、電動機１０４によって駆動されて、蒸発器１０８から吸引ライン１１２を介して受けた冷媒蒸気を圧縮し、放出ライン１２４を介して冷媒蒸気を凝縮器１０６に送る。図１及び図２で説明されている例では、圧縮機１０２は、遠心圧縮機である。

蒸発器１０８は、内部チューブバンドル（図示せず）と、内部チューブバンドルにプロセス流体を供給するための供給ライン１２０と、内部チューブバンドルからプロセス流体を排出するための戻りライン１２２とを含む。供給ライン１２０及び戻りライン１２２は、プロセス流体を循環させる導管を介してＨＶＡＣシステム内の構成要素（例えば、エアハンドラ）と流体連通し得る。プロセス流体は、建物を冷却するための冷却液であり、水、エチレングリコール、塩化カルシウムブライン、塩化ナトリウムブライン又は任意の他の適切な液体であり得るが、これらに限定されない。蒸発器１０８は、プロセス流体が蒸発器１０８のチューブバンドルを通過し、冷媒と熱を交換するときにプロセス流体の温度を下げるように構成される。冷媒液が蒸発器１０８に送られて、プロセス流体と熱を交換し、冷媒蒸気への相変化を経ることにより、蒸発器１０８内で冷媒蒸気が形成される。

蒸発器１０８から圧縮機１０２によって凝縮器１０６に送られた冷媒蒸気は、熱を流体に伝達する。冷媒蒸気は、流体との熱伝達の結果、凝縮器１０６で凝縮して冷媒液になる。凝縮器１０６からの冷媒液は、膨張装置を通って流れ、蒸発器１０８に戻されて、チラーアセンブリ１００の冷媒のサイクルが完了する。凝縮器１０６は、凝縮器１０６と、ＨＶＡＣシステムの外部の構成要素（例えば、冷却塔）との間で流体を循環させるための供給ライン１１６及び戻りライン１１８を含む。戻りライン１１８を介して凝縮器１０６に供給される流体は、凝縮器１０６内の冷媒と熱を交換し、供給ライン１１６を介して凝縮器１０６から排出されて、サイクルを完了する。凝縮器１０６を循環する流体は、水又は任意の他の適切な液体であり得る。

ここで、図３及び図４を参照すると、一部の実施形態による電動機１０４の図が示されている。具体的には、図３は、電動機ハウジング２０２を含む電動機１０４の等角図を示し、図４は、電動機１０４の上部のＡ－Ａ断面図を示す。電動機１０４は、他の構成要素の中でも、筐体又はハウジング２０２と、固定子２０４と、回転子２０６とを含むことが示されている。固定子２０４は、電動機の電磁回路の静止部分であり、回転子２０６にラジアル方向及びアキシアル方向の磁力を与える。適切に調整されたシステムでは、これらの力の合計は、ゼロ又は略ゼロである。一部の実施形態では、固定子２０４は、固定子２０４の外面２２２に結合された電動機ジャケット２１０によって部分的に封入されている。固定子２０４と電動機ジャケット２１０との両方が実質的に円筒形状を有し得る。電動機ジャケット２１０は、アルミニウムから構築され得、電動機１０４の過熱を防ぐために固定子２０４からの熱伝達を最適化するように構成され得る。

回転子２０６は、電動機の電磁回路の回転部分である。様々な実施形態において、回転子２０６は、かご形回転子、巻線形回転子、突極形回転子又は円筒形回転子であり得る。回転子２０６は、シャフト２０８に結合される。回転子２０６及びシャフト２０８は、電動機１０４に結合された他の構成要素及び／又はアセンブリ（例えば、圧縮機１０２）にトルク及び回転を伝達するために、中心軸２２０を中心として固定子２０４の内面２２４内で一緒に回転する。

ハウジング２０２は、冷却液供給通路２２６を含むことが示されている。冷却液供給通路２２６は、電動機ハウジング２０２に配置された１つ以上の流入口２４４によって供給され得る。流入口２４４は、凝縮器アセンブリ（例えば、凝縮器１０６）に流体結合され得る。冷却液供給通路２２６は、ハウジング２０２の略全長に沿って中心軸２２０と平行に延び、第１の冷却液排出口２２８及び第２の冷却液排出口２３０で終わることが示されている。第１の冷却液排出口２２８及び第２の冷却液排出口２３０のそれぞれは、以下でさらに詳細に説明される軸受アセンブリの冷却液通路に流体結合され得る。

一部の実施形態では、凝縮器アセンブリから供給された冷却液は、低圧（ＬＰ）冷媒であり、ＬＰ冷媒の作動圧力は、４００ｋＰａ未満又は約５８ｐｓｉである。さらなる実施形態では、ＬＰ冷媒は、Ｒ１２３３ｚｄである。Ｒ１２３３ｚｄは、市販のチラーアセンブリで使用されている他の冷媒に比べて地球温暖化係数（ＧＷＰ）が低い不燃性のフッ素化ガスである。ＧＷＰは、１トンの二酸化炭素の排出量に対して、１トンのガスの排出量が一定期間に吸収するエネルギー量を定量化することにより、異なるガスの地球温暖化の影響を比較できるように開発された尺度である。

電動機１０４は、シャフト２０８の第１の端部に配置された第１の軸受アセンブリ２１２及びシャフト２０８の第２の端部に配置された第２の軸受アセンブリ２１４を含むことがさらに示されている。一部の実施形態では、軸受アセンブリ２１２及び２１４は、油潤滑軸受である。第１の軸受アセンブリ２１２は、第１の軸受ハウジング２３２を含む一方、第２の軸受アセンブリ２１４は、第２の軸受ハウジング２３４を含む。各軸受ハウジングは、電動機ハウジング２０２に着脱可能に結合され得、各軸受ハウジングは、冷却液供給通路を含む。図示のように、第１の軸受アセンブリ２１２の第１の供給通路２３６は、電動機ハウジング２０２の第１の冷却液排出口２２８に流体結合され得る一方、第２の軸受アセンブリ２１４の第２の供給通路２３８は、電動機２０２の第２の冷却液排出口２３０に流体結合され得る。

図４をさらに参照すると、電動機１０４は、第１のノズルリング２１６及び第２のノズルリング２１８を含むことが示されている。第１のノズルリング２１６は、第１の軸受ハウジング２３２に結合され、固定子２０４の第１の端部２４０の内側に配置され得る。同様に、第２のノズルリング２１８は、第２の軸受ハウジング２３４に結合され、固定子２０４の第２の端部２４２の内側に配置され得る。この配置により、ノズルリング２１６及び２１８は、冷却液を回転子２０６と固定子２０４の内面２２４との間に誘導することができ、そこで蒸発して、固定子２０４及び回転子２０６の冷却に寄与する。

第１のノズルリング２１６及び第２のノズルリング２１８のそれぞれが複数の流体流入口及び流体排出口を含む（図５及び図６を参照して以下でさらに詳細に説明する）。ノズルリング２１６及び２１８の流体流入口は、軸受アセンブリ２１２及び２１４の冷却液供給通路２３６及び２３８に流体結合するように構成される。ノズルリング２１６及び２１８の流体排出口は、回転子２０６と固定子２０４の内面２２４との間に冷却液を排出するように構成される。従って、電動機１０４の構成要素は、電動機ハウジング２０２、軸受アセンブリ２１２及び２１４並びにノズルリング２１６及び２１８を通して連続する冷却液経路が形成されるように結合され得る。

ここで、図５及び図６を参照すると、一部の実施形態によるノズルリング３００の図が示されている。具体的には、図５は、ノズルリング３００の等角図を示し、図６は、ノズルリング３００の側面Ｂ－Ｂ断面図を示す。様々な実施形態において、ノズルリング３００は、図４に関連して上述した第１のノズルリング２１６及び第２のノズルリング２１８と実質的に同様である。ノズルリング３００は、外径部分３０２及び内径部分３０４を有するリング状部材を含むことが示されている。一部の実施形態では、外径３０２の寸法は、軸受アセンブリ（例えば、第１の軸受アセンブリ２１２、第２の軸受アセンブリ２１４）のハウジングに一致するように選択される。同様に、内径部分３０４の寸法は、ノズルリング３００が電動機（例えば、電動機１０４）内に設置されたときに電動機のシャフト（例えば、シャフト２０８）がノズルリング３００を通過できるように選択され得る。

ノズルリング３００は、複数の冷却液排出口３０８に流体結合された複数の冷却液流入口３０６を含むことがさらに示されている。冷却液排出口３０８は、ノズルリング３００の外径部分３０２の周りに放射状パターンで分布され得る。一部の実施形態では、流体排出口３０８の放射状パターンは、ノズルリング間で異なる場合がある（すなわち、第１のノズルリング２１６上の流体排出口３０８の放射状パターンは、第２のノズルリング２１８上の流体排出口３０８の放射状パターンと同一ではない場合がある）。図６に示すように、冷却液流入口３０６の直径は、冷却液排出口３０８の直径よりも大きいが、他の実施形態では、冷却液流入口３０６及び冷却液排出口３０８の寸法は、ノズルリング３００を通る所望の冷却液流量を達成するために必要な任意の適切な寸法であり得る。同様に、図６は、電動機の所望の部分（すなわち回転子２０６と固定子の２０４の内面２２４との間）に流体を導くために、中心軸３１０に対して外側に角度を付けられたものとして冷却液排出口３０８の向きを示しているが、他の実施形態では、冷却液排出口３０８は、冷却液の流れを電動機の所望の構成要素に誘導するための任意の向きであり得る。

様々な例示的な実施形態に示されているシステム及び方法の構築及び構成は、例示的なものにすぎない。本開示では、例示的な実施形態のみを詳細に説明したが、多くの修正形態が可能である（例えば、サイズ、寸法、構造、様々な要素の形状及び割合、パラメータの値、取り付け構成、材料の使用、色、向きなどの変更）。例えば、要素の位置を逆にしたり、他の方法で変えたりすることができ、個別の要素又は位置の性質又は数を変更するか又は変化させることができる。従って、このような修正形態は、本開示の範囲内に含まれることが意図されている。任意のプロセス又は方法ステップの順番又は順序は、代替的な実施形態に従って変更又は再順序付けされ得る。本開示の範囲から逸脱することなく、例示的な実施形態の設計、動作条件及び構成における他の置換形態、修正形態、変更形態及び省略形態がなされ得る。

Claims (19)

1. チラーアセンブリのための誘導電動機であって、
   ハウジングと、
   第１の固定子端部、第２の固定子端部、内面及び外面を含む円筒形状を有する固定子であって、前記円筒形状は中心軸を画定する、固定子と、
   回転子と、
   第１の端部及び第２の端部を含むシャフトであって、前記回転子及び前記シャフトは、前記中心軸を中心として前記固定子の前記内面内で回転するように構成されたシャフトと、
   前記シャフトの前記第１の端部に近接して配置された第１の軸受アセンブリと、
   前記シャフトの前記第２の端部に近接して配置された第２の軸受アセンブリと、
   前記第１の軸受アセンブリに結合された第１のノズルリング及び前記第２の軸受アセンブリに結合された第２のノズルリングであって、前記固定子の前記内面と前記回転子との間に冷却液を誘導するように構成された第１のノズルリング及び第２のノズルリングと
   を含む誘導電動機。
2. 前記ハウジングは、第１の冷却液排出口及び第２の冷却液排出口で終わる冷却液供給通路を含む、請求項１に記載の誘導電動機。
3. 前記ハウジングは、前記冷却液供給通路を凝縮器アセンブリに流体結合するようにかつ前記凝縮器アセンブリから前記冷却液を受け取るように構成された冷却液流入口をさらに含む、請求項２に記載の誘導電動機。
4. 前記第１の軸受アセンブリ及び前記第２の軸受アセンブリは、液体供給通路を有する軸受ハウジングをそれぞれ含む、請求項２に記載の誘導電動機。
5. 前記第１の軸受アセンブリの前記液体供給通路は、前記ハウジングの前記第１の冷却液排出口に流体結合され、
   前記第２の軸受アセンブリの前記液体供給通路は、前記ハウジングの前記第２の冷却液排出口に流体結合される、請求項４に記載の誘導電動機。
6. 前記第１のノズルリング及び前記第２のノズルリングは、外径部分と、前記外径部分の周りに放射状パターンで分布される複数の冷却液排出口通路をそれぞれ含む、請求項４に記載の誘導電動機。
7. 前記複数の冷却液排出口通路は、前記中心軸に対して角度が付けられる、請求項６に記載の誘導電動機。
8. 前記第１のノズルリングの前記複数の冷却液排出口通路は、前記第１の軸受アセンブリの前記液体供給通路に流体結合され、
   前記第２のノズルリングの前記複数の冷却液排出口通路は、前記第２の軸受アセンブリの前記液体供給通路に流体結合される、請求項６に記載の誘導電動機。
9. 前記第１のノズルリングの前記冷却液排出口通路の前記放射状パターンは、前記第２のノズルリングの前記冷却液排出口通路の前記放射状パターンと同一ではない、請求項６に記載の誘導電動機。
10. 前記第１のノズルリングは、前記固定子の前記第１の固定子端部の内側に配置され、前記第２のノズルリングは、前記固定子の前記第２の固定子端部の内側に配置される、請求項１に記載の誘導電動機。
11. 前記冷却液は、４００ｋＰａ未満の作動圧力を有する低圧冷媒である、請求項１に記載の誘導電動機。
12. 前記低圧冷媒は、Ｒ１２３３ｚｄである、請求項１１に記載の誘導電動機。
13. 前記第１のノズルリング及び前記第２のノズルリングは、
    更なる中心軸を画定するリング状部材と、
    前記冷却液を受け取るように構成された複数の流入口通路と、
    前記複数の流入口通路に流体結合され、且つ前記冷却液を排出するように構成された複数の排出口通路であって、前記更なる中心軸に対して角度が付けられる複数の排出口通路と
    をそれぞれ含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の誘導電動機。
14. 前記複数の排出口通路は、前記リング状部材の外径部分の周りに放射状パターンで分布される、請求項１３に記載の誘導電動機。
15. 前記複数の流入口通路のそれぞれの流入口通路の直径は、前記複数の排出口通路のそれぞれの排出口通路の直径よりも大きい、請求項１３に記載の誘導電動機。
16. 蒸気圧縮システムにおいて圧縮機に動力を供給するように構成された電動機のための冷却システムであって、
    ハウジングであって、
    前記電動機を囲むように構成された空洞と、
    第１の冷却液排出口及び第２の冷却液排出口で終わる冷却液供給通路と
    を含むハウジングと、
    第１の軸受アセンブリ及び第２の軸受アセンブリであって、前記第１の軸受アセンブリ及び第２の軸受アセンブリのそれぞれは、前記冷却液供給通路から冷却液を受け取るように構成された液体供給通路を有する軸受ハウジングを含む、第１の軸受アセンブリ及び第２の軸受アセンブリと、
    第１のノズルリング及び第２のノズルリングであって、前記第１のノズルリング及び第２のノズルリングのそれぞれは、冷却液を前記電動機に排出するようにかつ前記電動機の固定子と前記固定子内で回転するように構成された前記電動機の回転子との間に前記冷却液を誘導するように構成された複数の排出口通路を含む、第１のノズルリング及び第２のノズルリングと
    を含む冷却システム。
17. 前記ハウジングの前記第１の冷却液排出口は、前記第１の軸受アセンブリの前記液体供給通路及び前記第１のノズルリングの前記複数の排出口通路に流体結合され、
    前記ハウジングの前記第２の冷却液排出口は、前記第２の軸受アセンブリの前記液体供給通路及び前記第２のノズルリングの前記複数の排出口通路に流体結合される、請求項１６に記載の冷却システム。
18. 前記電動機を含み、前記電動機は前記回転子に結合されたシャフトを含み、前記シャフト及び前記回転子は前記固定子内で回転するように構成され、前記固定子は円筒形状を有する、請求項１６に記載の冷却システム。
19. 前記ハウジングの前記冷却液供給通路は、前記冷却液供給通路を凝縮器アセンブリに流体結合するようにかつ前記凝縮器アセンブリから前記冷却液を受け取るように構成された冷却液流入口を含む、請求項１６に記載の冷却システム。

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