特許 6259473 潤滑および冷却システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6259473

(24)【登録日】2017年12月15日

(45)【発行日】2018年1月10日

(54)【発明の名称】潤滑および冷却システム

(51)【国際特許分類】

   F25B 43/02 20060101AFI20171227BHJP

   F25B 6/02 20060101ALI20171227BHJP

   F25B 1/00 20060101ALI20171227BHJP

   F01K 25/10 20060101ALI20171227BHJP

   F04B 39/06 20060101ALI20171227BHJP

   F04B 39/02 20060101ALI20171227BHJP

   F04B 39/00 20060101ALI20171227BHJP

   F04C 29/02 20060101ALI20171227BHJP

   F04C 29/04 20060101ALI20171227BHJP

【ＦＩ】

   F25B43/02 M

   F25B6/02 Z

   F25B1/00 101H

   F01K25/10 Y

   F01K25/10 H

   F04B39/06 R

   F04B39/02 D

   F04B39/00 106C

   F04C29/02 321Z

   F04C29/02 331Z

   F04C29/04 L

【請求項の数】14

【全頁数】29

(21)【出願番号】特願2015-558920(P2015-558920)

(86)(22)【出願日】2014年2月19日

(65)【公表番号】特表2016-514241(P2016-514241A)

(43)【公表日】2016年5月19日

(86)【国際出願番号】US2014017115

(87)【国際公開番号】WO2014130530

(87)【国際公開日】20140828

【審査請求日】2015年10月6日

(31)【優先権主張番号】61/767,402

(32)【優先日】2013年2月21日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】598147400

【氏名又は名称】ジョンソン コントロールズ テクノロジー カンパニー

【氏名又は名称原語表記】Ｊｏｈｎｓｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｍｐａｎｙ

(74)【代理人】

【識別番号】100140109

【弁理士】

【氏名又は名称】小野 新次郎

(74)【代理人】

【識別番号】100075270

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 泰

(74)【代理人】

【識別番号】100101373

【弁理士】

【氏名又は名称】竹内 茂雄

(74)【代理人】

【識別番号】100118902

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 修

(74)【代理人】

【識別番号】100117411

【弁理士】

【氏名又は名称】串田 幸一

(72)【発明者】

【氏名】ドゥ・ラルミナ，ポール・マリー

(72)【発明者】

【氏名】アルノー，ダミアン・ジャン・ダニエル

【審査官】 鈴木 充

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭５２−０３６２４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−２３２３９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２１８５０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭５５−１６４４８１（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 米国特許第０３６２００３８（ＵＳ，Ａ）

【文献】 米国特許第０４４０４８１１（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開２０００−０７４５０６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２５Ｂ １／００−１／１０

Ｆ２５Ｂ ４３／００−４３／０２

Ｆ０１Ｋ ２５／１０

Ｆ０４Ｂ ３９／０２

Ｆ０４Ｃ ２９／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

冷却回路を含むヒートポンプのシステムにおいて冷媒を潤滑剤から分離するための装置であって、前記冷却回路が、冷媒ガスの圧力を上昇させる圧縮機（２３）と、前記圧縮機と流体連通しており、前記冷媒ガスを高圧の液体へと凝縮する凝縮器（２５）と、前記凝縮器と流体連通しており、前記高圧の液体をガスに同伴された液体のミストへと変換する膨張弁（３１）と、前記膨張弁および前記圧縮機と連通しており、液冷媒の状態を冷媒ガスへと変える蒸発器（２７）とを有し、前記圧縮機が、潤滑を必要とする構成部品と、前記圧縮機で前記冷媒と混合する潤滑剤とをさらに含む、装置において、
前記潤滑剤、前記冷媒、およびそれらの組み合わせを前記圧縮機から受け入れる、加熱能力を有しない油溜め（１０）と、
前記潤滑剤を、前記油溜めから、潤滑を必要とする前記圧縮機の一部分へと提供するための手段と、
前記潤滑剤と混合される冷媒の量を減らす、前記油溜めと前記システムの低圧領域との間の冷媒圧力低下装置（４０９）であって、前記油溜め（１０）内の前記冷媒の温度をさらに下げながら前記油溜め内の冷媒ガス圧力を前記システムの前記低圧領域内の冷媒ガス圧力未満に下げ、それによって、前記圧縮機構成部品を潤滑するために前記潤滑剤が前記油溜めから戻される前に、前記潤滑剤を冷却しながら冷媒ガスを前記油溜めから前記システムの前記低圧領域へと除去する冷媒圧力低下装置（４０９）と
によって特徴付けられる装置。

【請求項2】

前記潤滑剤を前記油溜めから提供するための前記手段が、前記油溜めから潤滑を必要とする一部分までの潤滑剤回路をさらに含む、請求項１に記載の装置。

【請求項3】

潤滑剤貯留部（３２）を前記潤滑剤回路の追加の構成部品としてさらに含む、請求項２に記載の装置。

【請求項4】

前記冷媒圧力低下装置（４０９）が補助圧縮機（５０９）である、請求項１に記載の装置。

【請求項5】

前記冷媒圧力低下装置がエゼクタポンプ（６０９）である、請求項１に記載の装置。

【請求項6】

前記冷媒圧力低下装置（４０９）が、前記油溜め（１０）および前記システムの前記低圧領域と連通している回路を備え、前記回路が、冷媒ガスを冷却し前記冷媒を液相へと凝縮する補助凝縮器（７０９）と、冷媒ガスを前記補助凝縮器へと送る、前記油溜め（１０）と前記補助凝縮器（７０９）との間の導管（７１３）と、前記補助凝縮器での冷却の後、凝縮された冷媒を保管する流体保管空間（７１７）と、前記システムの前記低圧領域へと冷媒を汲み出す液体ポンプ（７１９）と、前記流体保管空間（７１７）における冷媒液の量を制御する液体レベルセンサ（７２１）とを備える、請求項１に記載の装置。

【請求項7】

前記圧力低下装置が、前記油溜めおよび前記システムの前記低圧領域と連通している回路をさらに備え、前記回路が、
冷媒を気相から冷却し、それを液相へと凝縮する補助凝縮器（７０９）と、
冷媒ガスを前記油溜め（１０）から前記補助凝縮器（７０９）へと送る、前記油溜め（１０）と前記補助凝縮器との間の導管（７１３）と、
前記凝縮された液相の冷媒を保管する、前記補助凝縮器（７０９）と流体連通している少なくとも１つの流体保管空間（７１７）と、
前記補助凝縮器と前記少なくとも１つの流体保管空間（７１７）との間の流体連通を提供する導管（７３０）と、
前記システムの前記低圧領域とさらに流体連通している前記少なくとも１つの流体保管空間（７１７）と、
前記少なくとも１つの流体保管空間（７１７）から前記システムの前記低圧領域への液相の冷媒の流れを調節する少なくとも１つの弁（１７）と
を含む、請求項１に記載の装置。

【請求項8】

冷媒を用いる蒸気圧縮システムにおいて半密閉圧縮機モータを冷却するための装置であって、前記システムが冷却回路を含み、前記冷却回路が、冷媒ガスの圧力を上昇させるための圧縮機（２３）と、前記圧縮機と流体連通しており、前記冷媒ガスを高圧の液体へと凝縮するための主凝縮器（２５）と、前記凝縮器と流体連通しており、前記高圧の液体をガスに同伴された液体のミストへと変換する膨張弁（３１）と、前記膨張弁および前記圧縮機と連通しており、液冷媒の状態を冷媒ガスへと変える蒸発器（２７）とを含み、前記圧縮機（２３）が圧縮機モータ（３５０）をさらに含み、前記圧縮機モータ（３５０）がシャフト（１２８）と、前記モータのための筐体（３８２）とをさらに含み、前記筐体が空洞（３５２）を有し、前記モータ（３５０）が前記筐体に収容され、前記モータが、電界を入れ替えるステータ（８８）と、前記シャフト（１２８）に取り付けられたロータ（１２９）とを有し、前記ロータおよび前記シャフトが、前記交流電界によって回転する、装置において、
前記筐体（３８２）の冷媒入口（８１）と、
前記モータ筐体からの冷媒出口（３８７、３９２）と、
前記モータ筐体と前記システムの低圧領域との中間に位置する冷媒圧力低下装置（４０９）であって、前記冷媒圧力低下装置は、前記冷媒出口を通って前記モータ筐体の空洞（３５２）と流体連通し、かつ前記システムの前記低圧領域と流体連通しており、前記システムの低圧領域は前記膨張弁（３１）の下流と圧縮機入口（３４）との間にあり、前記筐体（３８２）の前記冷媒が前記システムの前記低圧領域において前記システムへと戻されるように、前記筐体（３８２）からの前記冷媒ガスを前記システムの前記低圧領域に放出するときに前記システムの前記低圧領域より低い圧力へと前記筐体からの冷媒ガス圧力を低下させる冷媒圧力低下装置（４０９）と
によって特徴付けられる装置。

【請求項9】

前記システムが運転可能であるとき、磁気軸受システムは前記シャフト（１２８）を支持する、請求項８に記載の装置。

【請求項10】

前記冷媒圧力低下装置（４０９）が補助圧縮機（５０９）である、請求項８に記載の装置。

【請求項11】

前記冷媒圧力低下装置（４０９）がエゼクタポンプ（６０９）である、請求項８に記載の装置。

【請求項12】

前記冷媒圧力低下装置（４０９）が、前記筐体（３８２）および前記システムの前記低圧領域と連通している回路を備え、前記回路が、前記筐体（３８２）からの冷媒ガスを冷却して凝縮する補助凝縮器（７０９）と、冷媒を前記補助凝縮器（７０９）へと送る、前記筐体（３８２）と前記補助凝縮器（７０９）との間の導管（３９２）と、前記補助凝縮器（７０９）と流体連通しており、前記補助凝縮器（７０９）での冷却の後、凝縮された冷媒を保管する流体保管空間（７１７）と、前記流体保管空間（７１７）から前記システムの前記低圧領域へと冷媒を汲み出す液体ポンプ（７１９）と、前記流体保管空間（７１７）における液体の量を制御する液体レベルセンサ（７２１）とを備える、請求項８に記載の装置。

【請求項13】

前記冷媒圧力低下装置（４０９）が、前記筐体（３８２）および前記システムの前記低圧領域と連通している回路を備え、前記回路が、冷媒ガスを冷却して凝縮する補助凝縮器（７０９）と、冷媒ガスを前記補助凝縮器（７０９）へと送る、前記モータ筐体（３８２）と前記補助凝縮器（７０９）との間の導管（３９２）と、前記補助凝縮器（７０９）と流体連通しており、前記補助凝縮器（７０９）での冷却の後、凝縮された冷媒を保管する流体保管空間（７１７）と、前記流体保管空間（７１７）から前記システムの前記低圧領域への冷媒の流れを調節する弁（１７）とを備える、請求項８に記載の装置。

【請求項14】

前記冷媒圧力低下装置（４０９）が、前記筐体（３８２）および前記システムの前記低圧領域と連通している回路をさらに備え、前記回路が、
冷媒ガスを冷却して凝縮する補助凝縮器（７０９）と、
冷媒ガスを前記モータ筐体から前記補助凝縮器（７０９）へと送る、前記筐体（３８２）と前記補助凝縮器（７０９）との間の導管（３９２）と、
前記凝縮された液冷媒を保管する少なくとも１つの流体保管空間（７１７）と、
前記補助凝縮器（７０９）と前記少なくとも１つの流体保管空間（７１７）との間の、前記凝縮された液冷媒を前記補助凝縮器（７０９）から前記少なくとも１つの流体保管空間（７１７）へと送る導管（７３０）と、
前記システム（１９）の前記低圧領域とさらに流体連通もしている前記少なくとも１つの流体保管空間（７１７）と、
前記少なくとも１つの流体保管空間（７１７）から前記システム（１９）の前記低圧領域への液冷媒の流れを調節するための少なくとも１つの弁（１７）と
を含み、
前記凝縮器（２５）が、前記少なくとも１つの流体保管空間（７１７）と連通しており、前記少なくとも１つの流体保管空間（７１７）から前記システムの前記低圧領域へと液体を押し込む高圧ガスを提供する、請求項８に記載の装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

[0001]本発明は、概して、冷却システム、ヒートポンプ、および有機ランキンサイクル（ＯＲＣ：Ｏｒｇａｎｉｃ Ｒａｎｋｉｎｅ Ｃｙｃｌｅ）システムで用いられる潤滑システムにおける潤滑剤への混和冷媒の量を減らすこと、詳細には、潤滑油における冷媒の量を減らすこと、あるいは、モータまたは発電機の冷却を改善するために、冷媒回路で用いられる半密閉または全密閉のモータまたは発電機の筐体において冷媒圧力を低下させることを対象としている。

【背景技術】

【0002】

[0002]遠心式圧縮機は、空気調和またはプロセス用途のために使用される大容量水冷却機への媒体に通常用いられており、その冷却機から冷却される空間へと出て行く冷却された水温は、典型的には約７℃（華氏４５度）の程度とされている。エネルギー節約と再生可能エネルギーからの便益とを生み出すために、ヒートポンプに対する要求が増している。ある用途では、このようなヒートポンプの「冷熱源」は、例えば、ヒートポンプが地熱水の温度を上昇させるために用いられるとき、比較的高い温度の流体であり得る。多くの様々な可能な用途のため、ヒートポンプの蒸発器から出て行く冷却された水の温度は、典型的には５〜６０℃（華氏４１〜１４０度）といった、非常に広い範囲にわたって異なり得る。この温度範囲の低温側では、蒸発器における条件が、標準的な水冷却機の条件と似通っており、そのため、このような用途についてのヒートポンプの設計は、標準的な水冷却機の設計と非常に近くなっている。しかし、蒸発器において出て行く冷却された水の温度が上昇するにつれて、出て行く冷却された水の温度は、最終的に、標準的な水冷却機の技術がもはや使えない温度に達してしまう。

【0003】

[0003]圧縮機は、ＨＶＡＣシステムにおける重要な構成部品であり、圧縮機運転条件は、蒸発および凝縮の圧力および温度によって定められる。一部の圧縮機は、いわゆる全密閉型および半密閉型の圧縮機である。これらの圧縮機ユニットは、圧縮機と共に、一般的な筐体の内部に密閉されたモータを有している。モータは、モータを包囲して冷却する冷媒の雰囲気の中で運転する。半密閉型圧縮機と全密閉型圧縮機との間の唯一の大きな違いは、半密閉型圧縮機用の筐体が、圧縮機またはモータを修理するために分解できるフランジを備えていることである。全密閉型圧縮機は、通常、家庭用冷蔵庫または窓用空気調和機のものなど、比較的小さい大きさのものである。全密閉型圧縮機は、密閉された封止体で完全に缶詰めにされており、分解できない。半密閉型でも全密閉型でもない圧縮機は、冷媒回路の外側にあり、空気または水などの冷媒でない流体によって冷却されるモータによって、駆動される。これらの圧縮機は、開放型圧縮機と呼ばれている。本発明は、半密閉型圧縮機と全密閉型圧縮機とに特に適用可能性を見出しているが、開放型圧縮機での使用も見出せる。半密閉、全密閉、半密閉型圧縮機、および全密閉型圧縮機といった用語は、本明細書では相互に置き換え可能に用いられ得る。

【0004】

[0004]蒸発および凝縮の圧力と関連付けられる蒸発温度と凝縮温度との間の差は、典型的には、デルタ（Δ）５０℃（（Δ）華氏９０度）の程度のものである。ヒートポンプに関しての温度の上の方の範囲では、蒸発温度は、６０℃（華氏１４０度）の高さになり得るか、または、さらに高くなり得る。蒸発器における通常のピンチを考慮すると、蒸発温度は、典型的には、蒸発器から出て行く水の温度より約（Δ）２℃（（Δ）華氏３．６度）低く、蒸発器温度が６０℃のときには、約６２℃（華氏１４４度）の出て行く水の温度をもたらす。

【0005】

[0005]遠心式圧縮機を用いる水冷却機およびヒートポンプは、一般的に、炭化水素に由来する合成冷媒流体を使用する。環境上の懸念のため、ＣＦＣ、ＨＣＦＣ、ＨＦＣ、またはＨＦＯの族に属する、合成冷媒のうちのいくつかの族が、使用されてきたか、使用されているか、または、開発中である。現在運用中のほとんどの遠心式冷却機は、ＨＦＣ−１３４ａを使用している。ヒートポンプ用途のより高い温度範囲のため、ＨＦＣ−２４５ｆａなど、より低圧の冷媒流体を使用する傾向がある。これらのＨＦＣは、次世代のハイドロフルオロオレフィン（ＨＦＯ）によってある程度まで置き換えられる可能性がある。

【0006】

[0006]典型的な遠心式圧縮機の潤滑回路では、オイルが油溜めの下方部から回収される。オイルは、軸受と、例えば、歯車駆動の圧縮機については歯車、および、シャフトシールといった、潤滑を必要とする圧縮機の他の位置へとオイルを送るために、オイルポンプによって循環され、加圧される。潤滑を提供した後、オイルは排出され、重力によって油溜めへと戻される。システムは、圧縮機への潤滑剤の噴射の前に、ポンプ吐出側に通常配置されるオイル冷却機によって、補完されている。オイル冷却機は、潤滑剤によって吸収される、例えば、軸受および歯車においてといった圧縮機で生じられる機械摩擦によって発生される熱を、排除する効果を有する。オイル加熱器も、始動時に圧縮機を適切に潤滑するために適した粘度の潤滑剤を提供するために、圧縮機が運転されていないときにオイルを十分に暖かく保つように、油溜めに設置される。

【0007】

[0007]冷媒回路で使用される潤滑される圧縮機では、液体である潤滑オイルが、ガス冷媒の存在する中で、油溜めおよび潤滑オイル回路の様々な部品にある。遠心式または往復動式の圧縮機では、油溜めの圧力は、通常、圧縮機の吸込み圧力かその近くで等しくされるか、または、通気される。この機能は、油溜めの上方の部分からガス冷媒を回収するガス均圧管によって実施される。回収されたガス冷媒は、蒸発器または圧縮機吸込みなど、冷媒回路の低圧側へと戻される。この通気の理由は、潤滑オイルと冷媒の大部分との間の相互の混和性と、オイル粘度におけるこの混和性の効果とに関連付けられる。オイルと冷媒との混合物の粘度は、温度だけでなく、オイル中の冷媒の希釈にも依存する。この希釈は、冷媒およびオイルの温度と、冷媒ガスの圧力とに依存する。一般的な傾向は、温度が低下するにつれて、オイルでの冷媒の溶解の量が増加する一方で、冷媒による希釈を増加することは、粘度を低下させる傾向がある。この作用のため、冷媒およびオイルの温度を下げることは、オイルの粘度を低下させる傾向があり、これは、温度が上昇するにつれて粘度が下がる純粋なオイルについての一般的な傾向と反している。そのため、オイルでの冷媒の溶解と、その結果生じる粘度とは、流体温度、冷媒圧力、および、オイルと冷媒との相互の混和性に依存して、複雑な関係にある。オイル粘度を低下させる効果を有することを除いて、オイルでの冷媒による希釈は、別の不都合な効果を有し得る。主なものは、圧力低下または温度上昇の場合における、回路の一部分でのオイルフォーミングである。これは、オイルポンプの望ましくないキャビテーション、または、潤滑性の大幅な低下を引き起こし、機械的な不具合をもたらす可能性がある。

【0008】

[0008]潤滑回路の冷媒は、２つの供給源から来る。冷媒の第１の供給源は、循環するオイル自体にある。潤滑の目的のための圧縮機内のオイルの経路は、オイルを冷媒と接触させている。いくらかの冷媒は、気相および液相の両方でオイル潤滑回路に入る可能性がある。オイルは、冷却回路の多くの部品でガス冷媒の存在中にあるため、いくらかの冷媒を吸収する傾向がある。圧縮機におけるより高い圧力の場所からのガス冷媒は、より低い圧力にある油溜めにも移動する。典型的な例は、ラビリンスシールからの、および、ラビリンスシールの周りでの、ガス漏れである。同様に、往復動式圧縮機では、圧縮された冷媒ガスの一部が、ピストンリングを通じて漏れ、油溜めへと移動する。また、潤滑過程は、オイルフォーミングをもたらすオイルのかなりの大きさの攪拌を引き起こし得る。例として、高速の歯車の潤滑、または、往復動式圧縮機におけるクランクケースの回転から生じるオイル飛沫がある。オイル戻し回路が、相当の量の液冷媒を油溜めへも導入する可能性があり、油溜めに入る液冷媒の必ずしもすべてがすぐに勢いを緩めるわけではないことは、留意されるべきである。この複雑な機構のため、一部の冷媒は、圧縮機油溜めから永久に除去されなければならない。油溜めの１つの目的は、潤滑オイル回路で再び循環される前に、オイルを落ち着かせ、オイルに冷媒ガスの泡を放出させる機会を与えることである。このガス分離の後であっても、一部の冷媒は、油溜めにあるオイルに溶解されたままとなっている。油溜めにおけるオイル上方の蒸気空間は、通常、圧縮機吸込みへと直接的に通気されており、その圧縮機吸込みは、蒸発器の圧力より若干低いだけの圧力になっている。油溜めでの若干高い圧力が、分離されているガス冷媒を、蒸気として、コンプレッサの吸込み位置において圧縮機へと再び導入させる。遠心式圧縮機の場合には、油溜めから除去される必要がある冷媒の全体量は、典型的には、圧縮機の全体の流れのうちの１〜３％の程度のものである。

【0009】

[0009]ヒートポンプ用途では、蒸発圧力が、水冷却機においてよりも実質的に高くなる傾向があり、これは、オイルによって吸収される冷媒の量を増加させるため、オイル粘度を低下させ、オイルの潤滑性を低下させる傾向がある。オイル温度はまた、オイル希釈レベルを許容可能な値に保ち、オイル粘度をさらに低下させるために、より高い値に設定されるべきである。この効果を補償するために、より大きい粘度を持つオイル等級が用いられ得る。しかし、粘度に対するこの補償があったとしても、温度上昇は他の問題を生じさせる。それらの問題の中には、オイル温度が高すぎるとき、シャフトシールおよび軸受の不具合の危険性がある。この問題がある程度まで解決できない基本的な理由はないが、これは、時間を必要とし、標準から外れたよりコスト高な解決策をもたらすコスト高な評価を必要とし得る。そのため、望まれているものは、標準的な冷却機の条件と、より高い温度のヒートポンプの条件との間の差の一部を補償することになるシステムである。これは、標準的な空調用圧縮機の適用の範囲を、冷却機用途を超えてヒートポンプ用途まで拡張することを可能にもするものである。

【0010】

[0010]地熱システムなどのシステムで使用されるヒートポンプに対してコストを低く保つために、および、技術者および他の点検員に対する複雑性を最小限にするために、高温ヒートポンプとして使用される冷却機に関する機器の設計および共通性を、標準的な水冷却機システムに使用されるものにできるだけ近づけて維持することが望まれる。しかしながら、ヒートポンプ用途で用いられるなど、実質的に高い蒸発温度を利用するシステムは、特には、潤滑システムおよびモータ冷却に関連して、および、開放型圧縮機を採用する設計ではシャフトシールの潤滑に関連して、多くの問題を生じさせる。必要とされるものは、オイルによって吸収される冷媒の量を低減でき、そのため、オイルの潤滑性が悪影響を受けないシステムである。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0011】

[0011]本発明は、上昇した温度で運転する圧縮器のオイルでの冷媒吸収性または冷媒溶解性の問題を解決する。冷媒システムは、圧縮機と、凝縮器と、蒸発器とを含む。圧縮機は、低圧の冷媒ガスをより高い圧力の冷媒ガスへと圧縮する。高圧の冷媒ガスは、高圧の液体へと凝縮される。凝縮器と蒸発器との間の膨張弁が、高圧の液体の圧力を低下させ、後で蒸発器へと送られるガスと液体の低圧の混合物を生成できる。蒸発器は、液体の状態をガスへと変える一方で冷却を提供し、低圧ガスが圧縮機へと戻すように再び送られる。システムは、圧縮機を潤滑するために使用されるオイルを回収する油溜めも含む。油溜めは、重力によってオイルを圧縮機潤滑から集めるために、圧縮機の下に、または、圧縮機の下の位置に、通常配置される。このシステムは、先に記載したように、よく知られているが、本発明は、油溜めと冷媒システムの低圧側との間に位置付けられた圧力低下装置をさらに含む。この装置は、油溜めの冷媒ガスの圧力を、圧縮機吸込みにおけるガス圧力より実質的に低い圧力へと下げる。

【0012】

[0012]油溜めでの冷媒の圧力を下げることは、オイルでの冷媒の希釈を低減する効果があり、これはいくつかの有益な効果がある。オイルでの冷媒の低減された混和性は、温度／圧力のため、オイル粘度の低減を緩和し、より高いオイル粘度をもたらす。先行技術での希釈の低減が、オイルの温度を高くすることで得られるため、それによって、オイルからの冷媒の排出をもたらすが、オイルの温度を不本意に上昇させ、オイルの潤滑性を低減させてしまう。油溜めで冷媒の圧力を下げることで希釈の低減を達成することは、このオイル温度を高くする必要性を低減する効果もある。このより低いオイル温度は、オイルの粘度のよりよい制御性と、よりよい潤滑性とをももたらす。よりよい潤滑性は、シャフトシールおよび軸受といった、圧縮機の特定の構成部品における劣化の危険性も減らし、オイルの破壊の可能性も減らし、オイル寿命を延ばす。

【0013】

[0013]本発明は、高温ヒートポンプで使用される蒸気圧縮システムにおいて半密閉型圧縮機のモータを冷却するための方法も提供する。本発明は、モータ軸受に対して用いられる技術と関係なく用いられ得る。これらの軸受は潤滑を必要とし得るか、または、オイルフリーの玉軸受、または、電磁軸受を利用するシステムなど、オイルフリーであり得る。半密閉型圧縮機では、冷媒が、ガスまたは液体の形態で、通常は圧縮機吸込みにおける条件に近い温度および圧力で、モータおよび軸受を冷却するために用いられる。従来のシステムでは、冷媒がモータへと送られる圧力と関連する飽和温度とは、冷媒回路での蒸発圧力より低くなることはできない。これは、通常の空調温度で運転するシステムに関しては満足できるが、高い温度のヒートポンプにおいてなど、より高い蒸発温度で運転するとき、システムに限界がある。これらの条件の下で、潤滑される機械の油溜めでの圧力を低下させることが望まれるのと同じ方法で、モータ筐体における圧力を低下させることが望まれる。この発明では、機械的な装置であり得る圧力低下装置は、モータと冷媒システムの低圧側との間に位置付けられる。圧力低下装置が、モータおよび軸受を冷却するために用いられる冷媒の圧力を下げるために使用される。装置は、圧縮機入口におけるガス圧力より実質的に低い圧力である、モータを冷却する冷媒の圧力を下げる。装置は、潤滑される圧縮機の油溜めでの圧力を下げるために用いられるのと同じであり得る。

【0014】

[0014]冷媒がモータを通るときにモータ筐体における冷媒圧力を下げるために装置を使用することは、より高いヒートポンプ温度のため、蒸発器における蒸発の温度および圧力が増加する場合であっても、モータを冷却するために用いられる冷媒流体を低温に保つという有益な効果がある。モータにおける低下された圧力は、回転部品の速度によって発生されるガス摩擦出力の低下ももたらすことができ、これはさらに、より小さい摩擦損失をもたらし、さらに、モータ加熱を抑え、モータ冷却に寄与する助けとなる。モータを冷却することに加えて、冷媒は、モータ筐体にも配置される軸受を冷却するために、有益に用いられ得る。これらの軸受は、潤滑を必要としないが熱を発する電磁軸受、または、通常の潤滑を必要とする機械軸受だけでなく、オイルフリーであるが機械的な熱を発し得る機械軸受であり得る。

【0015】

[0015]本発明で説明されている機器が、冷却機用途から、より高い温度に曝されるヒートポンプ用途まで拡張することができるだけでなく、本発明は、有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）用途でのタービンおよび発電機の駆動管にも適用され得る。より高い温度がヒートポンプ用途に関しては曝されるとしても、モータ冷却を提供する本発明の能力は、冷却機用途に現在利用されている機器の使用をヒートポンプ用途に拡張する。本発明は、半密閉タービン／発電機を利用する有機ランキンサイクル用途で使用される発電機に冷却を提供するためにも用いられ得る。ＯＲＣ用途では、ＯＲＣタービンシステムが、逆であることを除いて、冷却システムの圧縮機と実質的に同じ方法で運転する。ＯＲＣタービンシステムは、機械的な動力を電気へと変換するが、冷却またはヒートポンプのシステムでは、電力が機械的な動力を生み出して圧縮機を運転するために利用される。ＯＲＣタービンは、先に記載したヒートポンプシステムと逆に運転し、ヒートポンプまたは冷却の用途における圧縮機の等価物を利用する。有機流体は、典型的には、ＨＦＣ−２４５ｆａなどの冷媒を含む、ヒートポンプ用途で使われるのと同じ族の流体である。熱源は、典型的には９０〜２５０℃（華氏１９４〜４８２度）の範囲の、比較的低い温度において提供される廃熱である。

【0016】

[0016]ここで図１６を参照すると、ＯＲＣシステムがヒートポンプシステムと逆に運転しているため、当業者は、ＯＲＣサイクルにおいてボイラと称される蒸発器２７−ＯＲＣが、有機流体（冷媒）を高圧の蒸気へと変換するために、有機流体を高圧で沸騰させる。タービン２３−ＯＣＲは、高圧の有機蒸気を低圧の蒸気へと膨張させる一方で発電機を駆動する。発電機は外部装置であってもよい。代替で、図１６に描写されているように、このような装置で利用される永久磁石モータの場合であるようなとき、発電機として逆に運転してもよい。タービン／圧縮機モータは半密閉型の設計のものであってよく、または、タービンは潤滑され得る。有機蒸気は、タービン２３−ＯＲＣを通過した後の低圧において、凝縮器２５−ＯＲＣで状態の変化を受け、周囲空気などの冷却源、または、利用可能な水供給源（川、湖、海洋、帯水層、冷却塔）に依存する熱伝達機構を用いて、低圧の液体へと変換される。そして、低圧の有機液体は圧縮され、液体ポンプ３１−ＯＲＣによって、高圧の有機流体として蒸発器またはボイラへと戻される。明らかであるように、ＯＣＲシステムでは、回路の高圧側および低圧側が、ヒートポンプまたは冷却のシステムのものとは逆にされており、高圧は、ヒートポンプまたは冷却のシステムの凝縮器側にではなく蒸発器側にあり、低圧側は、ヒートポンプまたは冷却のシステムの蒸発器側にではなく凝縮器側にある。液側では、ＯＲＣシステムは、低圧の液体の圧力を上昇させ、それを、ヒートポンプまたは冷却のシステムの高圧の液体の圧力を減らすために用いられる膨張弁３１の代わりに、蒸発器へと戻す。

【0017】

[0017]外部モータが別体の潤滑される圧縮機を駆動する、ヒートポンプ用の「開放型」圧縮機システムと同様に、ＯＲＣシステム用のタービンは、図１６に表されているように、しばしば発電機から分離している。高温のヒートポンプシステムで圧縮機を潤滑する上で直面する問題は、２つのシステムにおける等価の温度、流体およびオイルの混和性のため、ＯＲＣタービンに伴う問題と非常に似通っている。問題が同じであるため、本発明は、圧縮機等価物（タービン）を潤滑するために用いられるオイルで有機流体（冷媒）がなおも混和可能であり、また、オイルおよび冷媒の混合物が油溜め１０へと送られるため、実質的に同じ結果を達成するために、ＯＲＣシステムでも運転可能である。最先端のシステムでは、典型的には、潤滑されるタービン２３−ＯＲＣの下に位置付けられる油溜め１０は、実質的に圧縮機等価物（タービン）と同じ圧力にある。本発明によれば、油溜め１０は、タービンより低い圧力にある。この圧力差が有機流体／冷媒を潤滑剤から分離し、潤滑剤は、冷媒が少なくされて潤滑の役目のために再生され、分離の後の有機流体／冷媒を、ここでは、ヒートポンプ／冷媒システムの蒸発器側ではなく、冷媒を凝縮させることができる、凝縮器側におけるタービン排気と凝縮器２５−ＯＲＣとの間、または、冷媒が低圧で液体の状態にある場合、タービン排気とポンプ３１−ＯＲＣとの間である、システムの低圧の位置へと移送する。

【0018】

[0018]ヒートポンプが半密閉モータを採用し得るように、ＯＲＣ動力伝達系統は、このような装置で利用される永久磁石モータの場合であるようなとき、発電機として可逆的に運転できるモータ技術を用いるため、半密閉でもあり得る。したがって、ヒートポンプ用途のための冷媒のモータ冷却能力を拡張するために、モータ冷却のために利用される圧力低下装置は、同じ手法で、ＯＲＣシステムにおける発電機冷却のためにも利用され得る。つまり、冷媒は、モータの運転によって発生された熱からモータおよびモータ空洞を冷却するために利用される。図１０〜図１５で示している、ヒートポンプ用途で使用されるような、圧力低下装置または絞り装置は、発電機空洞に供給される冷媒の圧力を、好ましくはシステムの低圧側の圧力より低いプリセット値に維持するために、および、冷媒を空洞に二相流体として提供するために、制御される。絞り装置に提供される冷媒の供給源は、低圧の液体または高圧の液体のいずれかであり得る。ＯＲＣシステムの場合、凝縮器はシステムの低圧側にあり、そのため、冷媒ガスは筐体を通じてシステムの低圧領域へと引き込まれ得る。

【0019】

[0019]ヒートポンプ用途で運転するシステムにおけるように、ＯＲＣシステムに関して、発電機空洞における圧力を、例えば、所与の冷媒についての所望の圧力に対応する２０℃の飽和温度においてといった、タービン入口における圧力未満のプリセット値に維持することが望まれる。図１６は、先行技術のＯＲＣシステムの概略であり、膨張機／タービンは、ヒートポンプ用途における圧縮機の等価物である。ＯＲＣシステムは、多くの発電所で利用されるよくあるタービンシステムと異なっているが、これは、先に記載したように、このようなシステムは密閉されておらず、冷媒を用いず水を利用し、かなり高い温度で運転するためである。ＯＲＣシステムは、水／水蒸気発電機用途で使用される機械よりコンパクトな機械を利用する。

【0020】

[0020]本発明の他の特徴および利点は、例を用いて本発明の原理を図示する添付の図面と併せて、好ましい実施形態の以下のより詳細な説明から明らかとなる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】[0021]オイルポンプを具体的に描写する、典型的なよく知られている冷却システムの概略図である。

【図2】[0022]関連する油溜めシステムを描写する、先行技術の圧縮機の断面図である。

【図3】[0023]先行技術の圧縮機潤滑回路の簡略化された概略図である。

【図4】[0024]本発明の圧縮機潤滑回路の簡略化された概略図である。

【図5】[0025]補助圧縮機を利用する、本発明の圧縮機潤滑回路の実施形態の簡略化された概略図である。

【図6】[0026]エゼクタポンプを利用する、本発明の圧縮機潤滑回路の実施形態の簡略化された概略図である。

【図7】[0027]補助凝縮器および液体ポンプを利用する、本発明の圧縮機潤滑回路の実施形態の簡略化された概略図である。

【図8】[0028]ロータシャフトの両端に取り付けられた遠心式圧縮機を有する圧縮機モータを冷却するために利用される、先行技術の冷却スキームの断面図である。

【図9】[0029]図８に描写されているモータおよび圧縮機の簡略化された概略図である。

【図10】[0030]モータ空洞と連通している、冷却システムの低圧の位置の中間の圧力低下装置を有するモータ冷却構成を用いる本発明の実施形態の、図８に描写されているモータに関しての簡略化された概略図である。

【図11】[0031]エゼクタポンプを利用する、本発明のモータ冷却構成に関する、図１０の実施形態の簡略化された概略図である。

【図12】[0032]補助凝縮器を利用する、本発明のモータ冷却構成に関する、図１０の実施形態の簡略化された概略図である。

【図13】[0033]補助凝縮器から蒸発器へと流体を戻すために、主凝縮器に連結された一対の容器を利用する、図１２のモータ冷却構成の変形の図である。

【図14】[0034]固定オリフィスの代わりに温度式膨張弁と併せて補助圧縮機を利用する、図１０のモータ冷却構成の変形の図である。

【図15】[0035]図１０のモータ冷却構成のさらなる実施形態の図である。

【図16】[0036]図１に描写されているシステムと逆の運転を描写している、有機ランキンサイクルシステムの先行技術の概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

[0037]図１は、蒸発器２７と流体連通している凝縮器２５と流体連通しているモータ／圧縮機２３を描写している、典型的な冷却システムの概略図である。冷媒ガスは、圧縮機２３でより高い圧力へと圧縮される。高圧の冷媒ガスは、凝縮器２５へと流れた後、図示していないが、熱交換を介して高圧の液体へと凝縮される。次に、高圧の冷媒液は蒸発器２７へと送られる。凝縮器２５および蒸発器２７の中間の膨張弁３１が、高圧の冷媒液を、より低い温度におけるガスと液体との混合であるミストへと膨張する。蒸発器２７では、液冷媒ミストが相を液体から気体へと変えるとき、熱交換流体から熱を吸収し、液冷媒は蒸発させられる。冷却された熱交換流体は、ビルディング環境へと直接的に、または、必要とされるまで冷却された水を保管するための冷却機など、中間媒体へと間接的に送られる。相変化を受けた蒸発器２７からの冷媒ガスは、低圧にあり、圧縮機２３に対する冷媒ガス供給源として機能する。同じく図１に描写されているのは、オイルを圧縮機２３から回収し、圧縮機２３の適切な機能にとって基本である油溜め１０である。油溜め１０は、図示されているように、潤滑オイルが重力によって油溜め１０へと流れるように、圧縮機の下にある。

【0023】

[0038]図２は、遠心式圧縮機と、関連する油溜めシステムとの断面図である。図２は、圧縮機２３と油溜め１０とを描写している。一部の潤滑オイルは、動力不具合の場合のコーストダウンの間に一部のオイル供給を維持するように意図されている補助オイル貯留部３２に保持されている。圧縮機２３は、典型的には蒸発器（図１に示されている）である低圧の供給源から冷媒ガスを受け入れる入口３４を備えている。冷媒ガスは、渦巻室３８へと送達される前に、羽根車３６によって圧縮される。潤滑は、シャフトシール４０と、主ジャーナルスラスト軸受４２と、スラストカラー４４と、二重ベローシャフトシール４６と、低速歯車後方軸受４８と、ピニオン歯車シャフト軸受５０と、スラストカラー軸受５２と、低速歯車５４とを潤滑するために提供される。潤滑剤および冷媒は、少量の加圧された冷媒ガスが羽根車３６から、先に記載した様々な潤滑される構成部品へと不可避的に漏れるため、互いと接触している。圧縮機構成部品を潤滑した後、潤滑剤／冷媒の混合物は、重力によって、導管５６を通って油溜め１０へと流れ出る。再循環される前に油溜め１０に落ち着いている間、冷媒ガスが、油溜めにおける圧力および温度の状態に依存して、定常状態の溶解性を超過する混合物から放出される。任意のある瞬間の時間に油溜め１０に集まることができる冷媒の正確な量は測定するのが難しいが、オイルによって吸収され、油溜め１０で分離されるべき冷媒は、圧縮機の全流量の約１〜３％であることが推定されている。圧縮機が停止されてオイルが冷却するときに望ましくないオイル粘度を回避するために、オイルヒータ５７が設けられており、圧縮機２３が始動してすぐに適切な粘度を有するように、所定の温度範囲内に潤滑剤を加熱または維持する。流体は、液中ポンプ６０によって油溜め１０から汲み出され、オイルが所定の運転温度を越えるときのみ作動されるオイルクーラ６２へと送られる。油溜めでオイルから分離された冷媒ガスは、通気管１０２（図３参照）を通って圧縮機入口３４へと送られ、一方、混和可能な冷媒ガスをなおも含み得るオイルは、オイル貯留部３２へと送られ、そこで、潤滑の目的のために圧縮機へと計量して送られ、その後に潤滑サイクルが繰り返す。

【0024】

[0039]蒸発の圧力および温度が水冷却機においてよりも実質的に高くなる傾向があるヒートポンプシステムでは、オイル温度も、オイル希釈を許容可能な値に保つために、より高い値に設定されるべきである。このより高い温度の結果として、オイル粘度は、水冷却機システムの場合と同じ等級のオイルが用いられる場合、低減されることになる。より高い粘度のオイル等級が、ヒートポンプシステムで曝されるより高い温度を補償するために用いられ得る。しかし、粘度に対するこの補償があったとしても、このようなヒートポンプシステムにおけるオイルの温度上昇は他の問題を生じさせる。それらの問題の中には、仮にオイル温度が高すぎる場合、シャフトシールおよび軸受の不具合の危険性がある。本発明は、オイル温度にも影響を与える運転の温度の差による、標準的な冷却機の運転と、より高い温度のヒートポンプの運転との間の差の一部を、補償するシステムを提供することである。本発明が、小規模で安価な変更によって、冷却機用途で用いられる現在の標準的な圧縮機システムの用途の範囲をヒートポンプ用途まで拡張するのは当然である。

【0025】

[0040]図３は、図２の先行技術の断面の表示の簡略化されたものであり、簡略化された潤滑サイクルの概略（図示の目的のためのもの）を示しており、潤滑剤と混和可能な冷媒とは圧縮機２３から導管５６を通って油溜め１０へと排出され、次に、油溜め圧力にある冷媒ガスが、ガス導管１０２に沿って圧縮機入口へと戻される状態となっており、一方、混和可能な冷媒を含む潤滑剤は、導管１０４に沿って圧縮機２３へと戻されている。

【0026】

[0041]図３〜図７は、先行技術と、本発明によってもたらされる改善とを描写している簡略化された概略（図示の目的のためのもの）であるが、図２に描写されている潤滑回路の運転のために必要とされる特徴は、本明細書で説明しているような革新的な圧力低下装置４０９の追加があるが、図４〜図７で表された回路にも存在する。

【0027】

[0042]図４は、本発明の簡略化されたものを提供しており、簡略化された概略をここでも用いている。図４では、圧力低下装置４０９は、冷媒ガスを油溜めから引き込みつつ、油溜めにおける冷媒ガスの圧力を低下させるために、油溜め１０と圧縮機入口３４との間に位置付けられている。圧力低下装置４０９は、連結４１１を通って圧縮機３４の入口へと連結されているように示されているが、そのように制限されておらず、当業者により認められることになるように、圧力低下装置４０９は、冷却回路の任意の低圧の位置へと連結され得る。ほとんどの場合、この低圧の位置は蒸発器２７であるが、蒸発器２７または蒸発器入口と、圧縮機入口３４を含む、圧縮機入口３４との間での、システムへの任意の連結によるものであり得る。圧力低下装置４０９は、油溜めにおける冷媒ガスの圧力（および温度）の低下を可能にする。先に説明したように、油溜め１０における冷媒ガスの圧力の低下は、オイルにおける冷媒の希釈を減らす有益な効果があり、それによって、オイル粘度の低減を緩和する一方で、シャフトシールおよび軸受の適切な潤滑を提供する。油溜めにおいて冷媒圧力を下げることは、いくつかの組み合わされた便益を組み合わせる「好循環」を開始し、便益のうちの１つは、ヒートポンプ条件で直面するものなど、より高い蒸発の温度および圧力において運転する冷却システム２１の能力である。このようなヒートポンプ条件で運転するとき、圧力低下に向けた目標は、油溜めガス圧力を、水冷却機として運転するときの同じ圧縮機の有効範囲と一致する値に設定することである。したがって、圧縮機の所与の型式が有効とされる場合、例えば、所与の冷媒で２０℃（華氏６８度）の蒸発温度に関して、目標は、すべての潤滑パラメータを、冷却機に関しての同じ標準値に設定するために、ヒートポンプ運転において、２０℃の飽和温度に対応する油溜め圧力を設定することである。当然ながら、これは、機械が信頼できることになることを保障するには十分ではない。この一連の行動が、冷却機用途の標準的な圧縮機を高温での使用に変換する上で、設計圧力、シャフト動力、軸受負荷などの他のパラメータが有効とされなければならないため、問題のすべてを解決することはないが、潤滑と関連付けられる問題は解決されて当然である。図２に示されているようなシステムの詳細の必ずしもすべてが図４の簡略化されたものに示されているわけではないが、図２に示されているシステムの詳細のすべても、新規の圧力低下装置４０９が油溜めと冷却システム２１の低圧位置との間に含まれていることを除いて、図４の簡略化されたシステムにあると考えられる。

【0028】

[0043]油溜めにおける圧力低下は、異なる方法で達成され得る。図５は、本発明の実施形態の簡略化されたものを描写しており、本発明の図示のために簡略化された概略をここでも用いている。図２に示されているようなシステムの詳細の必ずしもすべてが図５の簡略化されたものに示されているわけではないが、図２に示されているシステムの詳細のすべても、圧力低下装置５０９が油溜めと冷却システム２１の低圧位置との間に含まれていることを除いて、図５の簡略化されたシステムにあると考えられる。図５では、圧力低下装置は、冷媒ガスを油溜め１０から引き込みつつ、油溜めにおける冷媒ガスの圧力を低下させるために、油溜め１０と圧縮機入口３４との間に位置付けられている小さい追加的な「補助」圧縮機５０９である。補助圧縮機５０９は、油溜め１０のガス容積に連結されている吸込み側と、主圧縮機２３の圧縮機入口３４に連結されている吐出側とを有している。この実施では、補助圧縮機５０９の能力は、先に記載したように、油溜め１０の冷媒圧力をあらかじめ選択された値（例えば、上記の例における２０℃での冷媒流体の飽和圧力に対応する）に保つような方法で制御される。先に記載した当業者によって認められているように、補助圧縮機５０９の吐出は、図１に示されているように、蒸発器２７、または、蒸発器２７と圧縮機入口３４との間の任意の位置など、冷却システム２１の任意のより低い圧力の位置へと接続されてもよい。

【0029】

[0044]補助圧縮機５０９の使用は、概念的には単純である一方、いくつかの欠点も有している。その追加の製造および運転のコストの他に、補助圧縮機５０９は、おそらくは信頼性および保守の問題のある機械部品でもある。加えて、その運転コスト、具体的なエネルギー消費は、重要であり得る。さらに、可変運転状態の状況において、このような補助圧縮機５０９の使用に関連する容量制御は、問題となり得る。しかしながら、冷却システム２１における補助圧縮機５０９の使用は、油溜め１０において冷媒を減らすために実行可能な選択肢である。

【0030】

[0045]図６に描写されている別の実施形態では、本発明の実施形態の簡略化された概略、ジェットポンプとも称されるエゼクタポンプ６０９が、油溜め１０と関連付けられた圧力低下装置として描写されている。ここでも、図２に示されているようなシステムの詳細の必ずしもすべてが図６の簡略化されたものに示されているわけではないが、図２に示されているシステムの詳細のすべても、エゼクタポンプ６０９が油溜め１０と冷却システムの低圧位置との間に位置付けられていることを除いて、図６の簡略化されたシステムにあると考えられる。図６では、凝縮器２５と流体連通している導管６１５からの高圧のガスが、必要により膨張弁（図示せず）を通過した後、エゼクタポンプ６０９を作動するためにエネルギーを提供するように用いられる。エゼクタ出口では、凝縮器２５からのこの高圧の冷媒流体と、油溜め１０から汲み出された低圧のガスとの混合物が、好ましくは蒸発器である、冷却システムにおける低圧の位置へと送られる。導管６１１を介して圧縮機入口３４と直接的に流体連通しているとして図６に示されているが（図４および図５と一致しているため）、低圧位置は、先に記載したように、圧縮機２３と低圧にある蒸発器２７との間の任意の中間の位置であり得る。エゼクタポンプを使用するこの実施形態の利点は、図５の補助圧縮機５０９の使用で見出されるように、エゼクタポンプは部品の動作を回避していることである。この実施形態は、エゼクタポンプ６０９が通常は効率が比較的悪く、そのため冷却システムのエネルギー効率を不利にするため、欠点に悩まされる。それにもかかわらず、冷却システム２１におけるエゼクタポンプ６０９の使用は、油溜め１０において冷媒を減らす実行可能な選択肢であり、一方、潤滑システムを、ヒートポンプ用途に見られるより高い温度のシステムと運転させることができる。

【0031】

[0046]図７に描写されている本発明の好ましい実施形態では、本発明の実施形態の簡略化された概略、補助凝縮器７０９が、油溜め１０と関連付けられた圧力低下装置として描写されている。ここでも、図２に示されているようなシステムの詳細の必ずしもすべてが図７の簡略化されたものに示されているわけではないが、図２に示されているシステムの詳細のすべても、補助凝縮器７０９が油溜め１０と冷却システムの低圧位置との間に含まれていることを除いて、図７の簡略化されたシステムにあると考えられる。図７では、油溜め１０からの冷媒ガスが、導管７１３を介して、補助凝縮器７０９と流体連通している。油溜め１０からのガスは、冷却回路７１５を通じて流れる冷却流体と熱交換の関係にある補助凝縮器７０９に入る。冷却回路７１５における冷却流体は、冷媒ガスを冷却し、その冷媒ガスをガスから液体へと凝縮させ、液冷媒は、導管７３０を介して、液体保管空間７１７へと送られる。

【0032】

[0047]補助凝縮器７０９は、油溜め１０における所望の冷媒圧力と等しい凝縮圧力を提供するように選択される。これは、補助凝縮器７０９における冷媒ガスを、ヒートポンプの冷却源より低い温度にある冷却流体によって冷却させる必要がある。例えば、補助凝縮器７０９における所望の凝縮圧力が、２０℃（華氏６８度）の飽和温度に対応する場合、補助凝縮器７０９は、好ましくは、約１２℃（約華氏５４度）の入口温度と約１８℃（約華氏６４度）の出口温度とを有する水で冷却される。冷却水は、任意の利用可能な冷却された水の供給源からと共に、所望の温度範囲内の地下水から提供され得る。補助凝縮器７０９における凝縮圧力は、油溜め１０において所望のガス圧力を維持するために、補助凝縮器７０９の冷却回路７１５を通る冷却液の流れおよび／または温度を変化させることで制御され得る。図７に描写されているように、凝縮された冷媒のための液体保管空間７１７は、図示するように、別体の容器であってよく、または、補助凝縮器７０９と一体にされて分離されている保管空間であってもよい。

【0033】

[0048]システムの原理によって、液体保管空間７１７は圧縮機入口および主冷媒回路の蒸発器より低い圧力にある。液冷媒が液体保管空間７１７に蓄積するのを回避するために、冷媒は、液体レベルセンサ７２１によって制御されるポンプ７１９によって、保管空間７１７から再び冷媒システム２１へと汲み出されなければならない。このポンプ７１９は、流体保管空間７１７に連結されている吸込み側と、冷媒システム２１と流体連結している吐出側とを有している。ポンプの水頭および吸収される出力を減らすために、ポンプ吐出を主冷媒回路２１の低圧の部分へと設置することが好まれる。この低圧領域は、図３〜図６に関連して先に詳述したように、圧縮機入口３４である一方、図７は、低圧領域を膨張弁３１と蒸発器２７との間の導管として描写しているが、冷媒は、膨張弁３１と圧縮機吸込み３４との間など、任意の都合のよい位置における低圧領域へと送られ得る。圧縮機２３の液体浸入を回避するために、冷媒液を液体保管空間７１７から圧縮機吸込み３４（入口）へと直接的に送ることを回避することは、一般的に要求される。そのため、膨張弁３１と蒸発器２７との間で導管に沿う位置は、蒸発器２７の液入口においてなど、蒸発器２７へとこの液冷媒を供給するため、望ましく、好ましい冷媒入口である。より具体的には、蒸発器２７が乾燥膨張技術（シェルアンドチューブ式またはプレート式のいずれかの熱交換器）のものである場合、液冷媒を蒸発器入口において主液管へと吐き出すことが望ましい。蒸発器２７が満液式、流下薄膜、またはハイブリッド流下薄膜のものである場合、代替手段は、液体が圧縮機入口３４へと運び出されるのを回避するために、吸込み管から離れた位置で、蒸発器シェルに直接的に液体を吐き出すことである。

【0034】

[0049]図７で液体レベルセンサ７２１として描写されている、液体ポンプ７１９の運転を制御するために、手段も提供される。望ましい構成は、補助凝縮器７０９の出口に配置された流体保管空間７１７を有することであり、液冷媒を重力によって補助凝縮器７０９から保管空間７１７へと流すことができる。この容積は、補助凝縮器７０９と同じシェルに、または、別体の容器として、いずれかで含まれ得る。この保管空間における液体レベルは、液体レベルセンサ７２１として簡単に描写されている、制御ループを含む液体レベルセンサによって感知される。液体レベルセンサ７２１のこの制御ループ部は、流体保管空間７１７において液体レベルを所定のあらかじめ設定された許容可能な限度内に保つために、液体ポンプ７１９の運転を管理する。液体ポンプ７１９は、速度が液体レベルセンサ７２１の制御ループによって制御される可変速駆動を有し得るか、または、同じ制御ループの制御の下で、オン／オフ運転シーケンスを単に有し得るかのいずれかである。

【0035】

[0050]別の実施形態では、従来の機械式のポンプ７１９が、純粋に静的な汲み出しシステムによって置き換えられ得る。この実施形態の変形では、静的な汲み出しシステムは、主凝縮器２５からの高圧ガスによって動力が与えられるエゼクタポンプ６０９を利用できる。流体保管空間７１７から汲み出された液体と主凝縮器２５からの高圧のガスとの混合物は、蒸発器２７へと戻される。この実施形態のさらに別の変形では、２つの流体保管容器７１７が、補助凝縮器７１５の下に配置されてもよく、それら流体保管容器７１７の各々は、凝縮された冷媒液を受け入れるために補助凝縮器７０９の吐出ポートに連結された入口（Ａ）と、蒸発器または主凝縮器２５からのガスを受け入れるために連結された入口（Ｂ）とを有し、各々が蒸発器２７に連結された出口（Ｃ）を有する。これらの連結の各々は、開かれ得るかまたは閉じられ得る自動弁を有している。システムは、当業者には知られている原理を用いた制御回路によって作動される、「バッチ処理」で運転される。このシステムは、半密閉モータの冷却との関連として、図１３でも表されている。

【0036】

[0051]これらの実施形態のいずれも、潤滑されている圧縮機において、オイルから冷媒の除去を可能にし、遠心圧縮機と使用するように限定されていない。本発明は、各々潤滑を必要とする往復動式圧縮機、スクロール式圧縮機、および、ＯＲＣシステムで用いられるタービンとの使用を見出すこともできる。補助圧縮機５０９またはエゼクタポンプ６０９は、先に記載したように、これらのユニットで冷媒をオイルから除去するために、有利に使用され得る。これらの構成部品は、相当の電力消費を必要とし得るか、または、システム効率を不利にする。補助凝縮器７０９は、所望の温度にある水が利用可能であると仮定して、運転するのに動力を必要としないというさらなる利点を有している。しかし、補助凝縮器７０９は、凝縮した冷媒液を、蒸発圧力またはその近くにある冷媒システム２１へと移送するために、液体ポンプ７１９も必要とする。これは少量の動力を必要とするが、補助圧縮機５０９の運転に必要とされる動力より大幅に小さく、エゼクタポンプ６０９の作用などによって、全体のシステム効率への不利はない。

【0037】

[0052]冷媒を潤滑システムから分離するために図４〜図７を参照して先に記載した基本的な圧力低下装置は、半密閉モータを冷却するための冷媒流体の運転限度を拡張するために、冷却回路での使用にも適合され得る。これらの圧力低下装置４０９は、冷却機システムより高い温度で典型的には運転するヒートポンプシステムで有利に利用され得る。これらの圧力低下装置４０９は、冷媒のモータ冷却能力を拡げ、冷却機システム機器をヒートポンプシステムに使用することを可能にする。これらのシステムでは、冷媒は、モータの運転によって発生された熱からモータおよびモータ空洞を冷却するために利用される。このような圧力低下装置のない場合でのモータ筐体とモータステータを包囲するコイルとにおける圧力は、蒸発器における圧力とほとんど等しいか、または、若干高くなる。しかし、圧力低下装置が、冷媒ガスが筐体を通じて引き込まれ得るように、モータ空洞の圧力を、圧縮機入口の圧力より低いプリセット値であって、好ましくは蒸発器の圧力より低いプリセット値に維持するために制御される。ヒートポンプ用途で運転するシステムに関して、モータ空洞における圧力を、例えば、所与の冷媒についての所望の圧力に対応する２０℃の飽和温度においてといった、圧縮機入口における圧力未満のプリセット値に維持することが望まれる。これらの値は、典型的には、システムが水冷却機システムとして運転するときに圧縮機が有効とされる温度に対応している。

【0038】

[0053]図８は、本発明の譲受人に譲渡された先行技術の特許出願ＷＯ２０１２／０８２５９２Ａ１で説明されているように、圧縮機を駆動する半密閉モータ３５０を冷却するために利用される先行技術の冷却スキームを描写している。図８のモータの断面の表示では、好ましい実施形態において、羽根車９１がモータシャフト１２８の両端に取り付けられた遠心式圧縮機３７６が示されているが、本発明はそのように限定されることはなく、それは、モータ冷却スキームが、冷媒回路における半密閉モータによって駆動される任意の種類の圧縮機で利用でき、図８に描写されるように、シャフト１２８の両方の端に圧縮機の取り付けを必要としないためである。図８では、凝縮器からの液冷媒は、液冷媒の圧力および温度を低減し、好ましくは、先に定義したように、冷媒液の滴とガスとの混合物であるミストへと液冷媒を変換する膨張装置８０へと、管７８を介して提供される。次に、冷媒混合物は、モータ筐体３８２内へと通じるモータ入口８１に入り、モータ筐体３８２は、その境界を越えてガス（冷媒）が漏れるのを防止するために、密閉されて封止されている。

【0039】

[0054]モータステータ８８とモータロータ１２９とを備えているモータ３５０の運転は、熱を発生する。モータステータ８８、モータロータ１２９、およびシャフト１２８は、モータ筐体３８２内の空洞３５２に位置付けられている。ロータ１２９はシャフト１２８に取り付けられており、モータステータ８８における交流の電界が、ロータ１２９およびシャフト１２８を回転させる。図８に同じく描写されているのは、モータシャフト１２８の両端にあり、運転中にロータ１２９を支持する軸受９０である。図８では、これらの軸受９０は、機械軸受として描写されているが、当業者によって認められるように、磁気軸受であってもよい。モータ３５０のように、磁気軸受は、強い磁場によって作用され、同じく熱を発生する。したがって、熱は、軸受９０が磁気軸受であろうと機械軸受であろうと、モータ筐体３８２内で発生される。モータ入口８１を通ってモータ筐体３８２内に導入された冷媒は、モータ３５０と軸受９０との両方から熱を除去するために使用される。

【0040】

[0055]この具体的な実施形態では、モータ入口８１を通ってモータ筐体３８２に入った後、冷媒は、モータステータを包囲するコイル内を通過し、冷媒はモータステータ８８から熱を除去する。次に、冷媒は、冷媒を二次空洞３８０へと運ぶ管３７８内を通過する。二次空洞３８０に入る冷媒はミストであり得る。つまり、２つの相の冷媒である。液相３８４は、重力によって、二次空洞３８０の底へと分離し、管３８８を介して、第１のモータ筐体出口３８６を通って蒸発器２７へと送られる。管３８８は、固定オリフィス、または、冷媒液の流れを制御する制御弁など、制限部３９０を備え得る。制限部３９０は、冷媒ガスが液相と一緒にこの通路を介してモータから出て行くのを防止する。二次空洞３８０に入った残っている冷媒は、ガスとして開口１０８を通過し、モータ空洞３５２に再び入り、そこで、図８に矢印によって描写されているように、ステータ８８とロータ１２９／シャフト１２８との間を通過し、これらの構成部品から熱を除去する。冷媒の一部は軸受９０も通過し、熱を除去して軸受９０を冷却する。冷媒は、ステータ８８とモータ１２８／ロータ１２９との間の隙間を、それらから熱を除去しながら通過する。そして、冷媒ガスは、直接的に、または、軸受９０自体またはその周りを通った後、第２のモータ筐体出口３８７を通り、導管３９２を介して、蒸発器２７へと再び循環される。これは、液体、ガス、または二相冷媒の組み合わせを用いてモータの様々な構成部品を冷却するために、モータにある冷媒を循環させる数多くの可能な方法のうちの１つである。様々な構成が可能であるが、先行技術のシステムでは、一般的に、モータ筐体における圧力が冷却回路の蒸発圧力に近くなっている。

【0041】

[0056]先行技術の冷却構成では、モータ空洞３５２と、ステータ８８を包囲するコイルとにおける圧力は、蒸発器２７における圧力とほとんど等しい。モータにおける熱の一供給源は、回転する部品の速度によって発生されるガス摩擦出力である。この出力は、ガス密度と共に増加する。したがって、モータ３５０におけるより高いガス圧力は、モータのさらなる加熱の一因になるより大きな摩擦損失を発生する。また、モータ筐体におけるガス温度は、モータ筐体内の冷媒の飽和の温度および圧力以上である。最後に、ステータを包囲するコイルにおける冷媒の蒸発温度は、モータ筐体における飽和圧力と少なくとも等しい。結果として、温度および圧力が蒸発器で増加するとき、モータにおける温度および圧力も増加する。この理由のため、先行技術の冷却構成は、水冷却機に対して用いられる半密閉型圧縮機用途で有用であるが、必要とされる冷却が、これらの温度および圧力の設定を維持することによっては提供され得ないため、高温のヒートポンプ用途では利用されない。

【0042】

[0057]冷媒を使用する冷却構成は、モータ空洞における冷媒の圧力が、圧縮機入口３４における圧力または蒸発器２７の圧力より低いとき、成功することができる。モータ空洞３５２における冷媒の圧力を下げることは、ガス摩擦損失を低減し、モータ冷却を改善する。ヒートポンプ条件で運転するとき、圧力低下に向けた理想的な目標は、モータ空洞からの冷媒の圧力を、水冷却機として運転するときの同じ標準的な機械の有効範囲と一致する値に設定することである。例えば、所与の形式の圧縮機および関連する半密閉モータが、所与の冷媒で２０℃の最高蒸発温度について、冷却機用途で有効とされる場合、目標は、ヒートポンプ運転においてモータ空洞を２０℃の飽和温度に設定することになる。当然ながら、モータ冷却が許容可能になることを保障するには十分ではない。設計圧力、シャフト動力、軸受負荷など、多くの他のパラメータが確認および解消されなければならないが、モータ冷却の問題に対する解決策は提供されている。

【0043】

[0058]モータ空洞３５２における冷媒の圧力低下は、異なる方法で達成され得る。この圧力低下は、先に記載した、油溜め１０における圧力低下のために利用された同じ機器を使用して、達成され得る。

【0044】

[0059]図９は図８の簡略化されたものであり、モータ３５０を通る冷媒流体について、モータ入口８１からの回路を示している。管３８８における液冷媒は、制限部３９０を通り、冷媒を蒸発器２７へと向かわせる導管３９２へと進む。

【0045】

[0060]図１０は、本発明の実施形態を描写しており、簡略化された概略をここでも用いている。図８で示されているシステムの詳細のすべてが、図１０の簡略されたものでは示されていないが、モータ３５０に関連して図８に示されているシステムの詳細のすべてが、図１０で描写されている本発明の実施形態にも含まれ得ることは、当業者により理解されるものである。この省略された詳細は、図１０に描写されている改善を理解するためには必要とされない。概して、図１０は、モータ空洞３５２と連通している圧力低下装置４０９を描写しており、圧力低下装置４０９は、冷却システムにおける低圧の位置とモータ空洞との中間にある。図１０では、冷却システム１０におけるこの低圧の位置は、図示されているように、蒸発器２７であり得るが、圧縮機吸込み（つまり、入口３４）または他の低圧の位置であってもよい。図１４では、圧力低下装置４０９は、冷媒をモータ空洞３５２から引き込むために、モータ３５０と蒸発器２７または圧縮機入口３４との間に位置付けられた、小さい追加的な「補助」圧縮機５０９である。図１４に描写されている構成では、図１０に一致している概略的な線図は、図１０の構成がオリフィス３９０を通って圧力低下装置４０９の入口へと流れるある液体を検討しており、これは、図１４で検討されているような補助圧縮機であるとき、圧縮機の液体浸入との関連する可能性により許容することができないため、望ましくは採用されるべきではない。これを回避するために、モータ入口８１においてオリフィスを通じて過剰な量の液体を送ることを回避するために、手段が提供されなければならない。このような実施の例は、図１４および図１５に説明されており、図１４および図１５は、膨張弁８０２を通ってモータ空洞に入る流体がどのように制御されるかにおいて異なっている。図１４では、図１０の回路が次のように変更されている。図１０で説明された、モータ入口８１にある固定オリフィスは、ステータコイルへの冷媒の流れを減らすために用いられる温度式膨張弁８０２を含んでいる。図１０で説明された固定オリフィス３９０は、ステータ８８への冷媒の流れを減らすために用いられる温度式膨張弁８０２によって置き換えられる。膨張弁８０２と関連付けられた、温度センサであり得るセンサ８０４が、管３７８に、または、モータ筐体における任意の都合のよい位置に配置され得る。この構成により、一部のガスだけがモータ筐体３８２から出て行き、管３７８を通って空洞３８０へと入る。液相３８４は排除され、液管３８８は、二次空洞３５０の液体が、図１４に示されているように排除されるため、取り外すことができる。低減された量の冷媒が膨張弁８０２を通って筐体３８２に入るため、低減された量または冷媒ガスが圧縮機筐体３８２から管３９２を通って出て行き、望まれているように、補助圧縮機の吸込みに液滴がないことを確保している。

【0046】

[0061]この実施では、圧力低下装置４０９（図１５における補助圧縮機５０９）の能力は、あらかじめ設定された値でモータ空洞３５２における圧力を維持するような方法で制御される。このあらかじめ設定された値は、所与の冷媒についての最大蒸発温度に対応してもよく、その最大蒸発温度は、ヒートポンプ条件の下で運転している圧縮機に関して、標準的な圧縮機と同じ温度であり得る。例えば、圧力は、２０℃の温度に対応するように設定され得る。先に記載されており、当業者によって認められるように、補助圧縮機５０９などの圧力低下装置４０９の吐出は、図１に示されているような蒸発器２７など、冷却システム２１における任意のより低い圧力の位置に連結させることもできる。図１５の概略では、液体は二次空洞３８０に溜まるが、高さは、モータ筐体３８２に入る冷媒を制御する温度式膨張弁８０２をさらに制御するレベル制御８０５によって、監視されている。

【0047】

[0062]補助圧縮機の使用は、概念的には単純である一方、いくつかの欠点も有している。その追加の製造および運転のコストの他に、補助圧縮機は、おそらくは信頼性および保守の問題のある機械部品でもある。加えて、その運転コスト、具体的なエネルギー消費は、重要であり得る。さらに、可変運転状態の状況において、このような補助圧縮機の使用に関連する容量制御は、問題となり得る。しかしながら、冷却システム２１における補助圧縮機の使用は、モータ空洞３５２において冷媒圧力を低下させるために実行可能な選択肢である。

【0048】

[0063]図１１に描写されている別の実施形態では、本発明の実施形態の簡略化された概略、ジェットポンプとも称されるエゼクタポンプ６０９が、モータ３５０と関連付けられた圧力低下装置４０９として描写されている。ここでも、図８に示されているようなシステムの詳細の必ずしもすべてが図１１の簡略化されたものに示されているわけではないが、図８に示されているシステムの詳細のすべても、エゼクタポンプ６０９がモータ３５０とモータ空洞３５２と冷却システムの低圧位置との間に位置付けられていることを除いて、図１１の簡略化されたシステムにあると考えられる。図１１では、凝縮器２５と流体連通している導管６１５からの高圧のガスが、必要により膨張弁を通過した後、エゼクタポンプ６０９を作動するためにエネルギーを提供するように用いられる。エゼクタ出口では、凝縮器２５からのこの高圧の冷媒流体と、モータ３５０から汲み出された低圧の冷媒との混合物が、好ましくは蒸発器２７である、冷却システムにおける低圧の位置へと送られる。冷媒は、図１１に示されているように、導管６１１を通じて圧縮機入口３４と直接的に流体連通してもよく、または、低圧の位置は、蒸発器入口と圧縮機入口３４との間の任意の中間位置であり得る。この実施形態の利点は、先に詳述された補助圧縮機５０９の使用で見出されるように、部品の動作を回避していることである。図１１で描写されているようなエゼクタポンプ６０９を利用している実施形態は、エゼクタポンプ６０９が通常は効率が比較的悪く、そのため冷却システムのエネルギー効率を不利にするため、欠点に悩まされる。それにもかかわらず、冷却システム２１におけるエゼクタポンプ６０９の使用は、モータ３５０において冷媒圧力を下げ、冷媒を冷媒回路へと戻す実行可能な選択肢であり、一方、モータがヒートポンプ用途に見られるより高い温度のシステムで運転するように、冷媒にモータを冷却させることができる。

【0049】

[0064]図１２に描写されている本発明の好ましい実施形態では、本発明の実施形態の簡略化された概略、小さい補助凝縮器７０９が、モータ３５０およびモータ空洞３５２と関連付けられた圧力低下装置として描写されている。ここでも、図８に示されているようなシステムの詳細の必ずしもすべてが図１２の簡略化された概略に示されているわけではないが、図８に示されているシステムの詳細のすべても、補助凝縮器７０９がモータ３５０と冷却システム２１の低圧位置との間に含まれていることを除いて、図１２の簡略化されたシステムにあると考えられる。図１２では、モータ３５０からの冷媒は、管３８８および制限部３９０を通じて、また、導管３９２も通じて、補助凝縮器７０９と流体連通している。モータ３５０からの冷媒は、補助凝縮器７０９の冷却回路７１５を通じて流れる冷却流体と熱交換の関係にある補助凝縮器７０９に入る。冷却回路７１５における冷却流体は、冷媒ガスを冷却し、その冷媒ガスを、液体保管空間７１７へと送られる液体へとガスから凝縮させる。

【0050】

[0065]補助凝縮器７０９は、モータ３５０の空洞における所望の冷媒圧力と等しい凝縮圧力を提供するように選択される。これは、補助凝縮器７０９における冷媒ガスを、ヒートポンプの冷却源より低い温度にある冷却流体によって冷却させる必要がある。例えば、所望の凝縮圧力が、２０℃（華氏６８度）の飽和温度に対応する場合、補助凝縮器７０９は、好ましくは、約１２℃（約華氏５４度）の入口温度と約１８℃（約華氏６４度）の出口温度とを有する水で冷却される。冷却水は、任意の利用可能な冷却された水の供給源からと共に、所望の温度範囲内の地下水から提供され得る。凝縮圧力は、モータ３５０の空洞において所望のガス圧力を維持するために、補助凝縮器７０９の冷却回路７１５を通る冷却液の流れおよび／または温度を変化させることで制御され得る。図１２に描写されているように、液体保管空間７１７は、図示されているように、別体のユニットであってよく、または、補助凝縮器７０９と一体にされて分離されている保管空間であってもよい。流体保管空間７１７の位置に拘わらず、流体保管空間における液冷媒は、液体レベルセンサ７２１によって作動されるポンプ７１９によって、保管空間７１７から都合よく汲み出され得る。

【0051】

[0066]モータ３５０の空洞からの冷媒が凝縮されて流体保管空間７１７へと送られると、その冷媒は、ポンプの水頭および吸収される出力を減らすために、流体保管空間７１７に連結されている吸込み側と冷媒システム２１の低圧領域と連通している吐出側とを有する液冷媒ポンプ７１９によって、冷媒システム２１へと戻すように汲み出され得る。この低圧領域は圧縮機入口であり得るが、図１０および図１１に関連して先に詳述されているように、これが圧縮機に液冷媒を浸入させる可能性があるため、液体を圧縮機入口へと送ることは望ましくない。したがって、冷媒は任意の都合のよい位置で低圧領域へと送られてよいが、冷媒ポンプは、望ましくは、膨張弁３１と蒸発器２７との間の導管（図１参照）へとなど、システムの低圧領域へと、または、蒸発器２７の液体入口においてなど、蒸発器２７へと、循環するべきである。先に記載したように、これは、この液冷媒を蒸発器２７へと供給するため、ポンプの水頭および吸収される出力を低減する。より具体的には、蒸発器２７が乾燥膨張技術式（シェルアンドチューブ式またはプレート式のいずれかの熱交換器）のものである場合、液冷媒を蒸発器入口において主液管へと吐き出すことが望ましい。蒸発器２７が満液式、流下薄膜、またはハイブリッド流下薄膜のものである場合、代替手段は、液体が運び出されるのを回避するために、吸込み管から離れた位置で、蒸発器シェルに直接的に液体を吐き出すことである。

【0052】

[0067]図１２で描写されている、液体ポンプ７１９の運転を制御するために、液体レベルセンサ７２１として定められる手段が提供される。望ましい構成は、補助凝縮器７０９の出口に配置された流体保管空間７１７を有することであり、液冷媒を重力によって保管空間７１７へと流すことができる。この容積は、補助凝縮器７０９と同じシェルに、または、図１２に描写されているような別体の容器として、いずれかで含まれ得る。保管空間７１７における液体レベルは、液体レベルセンサ７２１として簡単に描写されている、制御ループを含む液体レベルセンサ７２１によって感知される。液体レベルセンサ７２１のこの制御ループ部は、流体保管空間７１７において液体レベルをあらかじめ設定された許容可能な限度内に保つために、液体ポンプ７１９の運転を管理する。液体ポンプ７１９は、速度が液体レベルセンサ７２１の制御ループによって制御される可変速駆動を有し得るか、または、同じ制御ループの制御の下で、オン／オフ運転シーケンスを単に有し得るかのいずれかである。ポンプ７１９は、冷媒液を冷却システム２１へと戻す。圧縮機入口３４に液体を浸入させないように、冷媒は、図１２に示すように、蒸発器２７を含む、膨張装置３１と蒸発器２７との間のいずれかにおいて、冷却システムへと戻され得る。図１２では、遠心式圧縮機が二段圧縮機であり、そのため、低圧のガス冷媒が第１の段の圧縮機入口に投入され、高圧のガスが第２の段の圧縮機から凝縮器２５へと吐き出される。

【0053】

[0068]別の実施形態では、従来の機械式のポンプが、純粋に静的な汲み出しシステムによって置き換えられ得る。この実施形態の変形では、静的な汲み出しシステムは、主凝縮器２５からの高圧ガスによって動力が与えられるエゼクタポンプを利用できる。流体保管空間７１７から汲み出された冷媒液と主凝縮器２５からの高圧の冷媒ガスとの混合物は、ミストとして蒸発器２７へと戻される。代替で、この冷媒は、圧縮機入口３４へと戻され得る。

【0054】

[0069]図１３に描写されているような、この実施形態のさらに別の変形では、導管７３０を介して凝縮された冷媒液を受け入れるために、補助凝縮器７０９からの液体出口へと連結されている入口と、図１３に示されているように、主凝縮器２５から高圧のガスを受け入れるために連結されている高圧ガス入口７２３とを各々が有し、各々が蒸発器２７に連結されている出口７２５を有する２つの容器が、補助凝縮器７０９の下に配置され得る。凝縮器２５は、図１３において、高圧のガスのための都合のよい供給源であるが、任意の他の高圧のガス供給源が利用され得る。高圧ガス入口７２３は、液体保管の容器または空間７１７を空にするために動力を提供し、液体を流体保管容器７１７から蒸発器へと押し込む。図１３において弁１７、１８、および１９として描写されている弁は、各々の流体保管容器７１７を空にすることと満たすこととを二者択一的に行う機能を実施するために作動させられる。それらの運転は当業者には明快であり、二者択一的に使用される２つの受器で液体ポンプを置き換えるために、一部のアイススケートリンクで使用されてきた。つまり、一方は補助凝縮器から排出する液体で満たされつつ、他方は凝縮器からの高圧ガスによって空にされる。これらの連結の各々は、開かれ得るかまたは閉じられ得る自動弁を有している。システムは、当業者には知られている原理を用いた制御回路によって作動される、「バッチ処理」で運転される。液体ポンプ７１９は、この構成では必要とされない。

【0055】

[0070]図１５は、図１４に示されているものの代替の構成である。図１４および図１５の両方は、補助圧縮機である圧力低下装置を示している。図１５は、補助圧縮機５０９への冷媒液の吸入を回避するために、モータ３５０へと導入される冷媒を制御することによって、モータ冷却に能動的制御の別のモードを提供する。図１４では、膨張弁８０２は、ステータ８８を包囲しているコイルに出入りする冷媒の流れを制御する。液冷媒は、図８を参照して、凝縮器２５（または、利用される場合はサブ冷却機）から、管または導管３７８に据え付けられた膨張弁８０２を通じて、ステータ８８を包囲するコイルへと導入される。膨張弁８０２は、二次空洞３８０における液流体柱の高さを監視するレベルセンサ８０５によって制御される。膨張弁８０２を通って流れる冷媒は、膨張しつつその圧力が下げられる。二次空洞３８０に入ると、二相流れからの液体が、重力によって、二次空洞３８０の底へと落下する。二次空洞３８０における液冷媒の量は、二次空洞３８０における流体の高さを検出するセンサ８０５によって決定される。液体の高さが、センサ８０５によって決定されるあらかじめ選択された高さに達すると、膨張弁８０２は、二次空洞への冷媒流体の流れを減らすために作動され得る。液管は、二次空洞３８０と圧力低下装置４０９との間に必要とされない。冷媒ガスのみが、ロータ１２９とステータ８８との間を通り、管３９２を通って装置４０９へと流れることになる。二次空洞３８０において、センサ８０５によって検出される液冷媒高さの増加は、それ以上の冷媒液がモータへと送られるべきではないことを指し示しており、膨張弁８０２はステータ８８からの冷媒の流れを低減することになる。二次空洞３８０における液冷媒の高さが、センサ８０５によって検出されるあらかじめ選択された高さより下に落ちたとき、開いて導管３７８を通る二次空洞３８０への冷媒の供給を再開するために、信号が膨張弁８０２へと送信され得る。

【0056】

[0071]図１４および図１５では、装置４０９は、前述の装置のうちのいずれかであり得る。したがって、それは、図５で説明されているような補助圧縮機５０９、図６で説明されているようなエゼクタポンプ６０９、図７で説明されているような補助凝縮器、または、凝縮器／汲み出しシステムの圧縮機／凝縮器システムなど、それらの任意の組み合わせであり得る。

【0057】

[0072]実施形態のいずれも、モータを冷却するために冷媒を用いることができ、一方、冷媒をモータの空洞から除去することができ、実施形態は、図で例示されている遠心式圧縮機に限定されない。したがって、本発明は、モータ冷却を各々必要とする往復動式圧縮機およびスクロール式圧縮機との使用も、特に圧縮機がヒートポンプシステムでの使用に用いられるとき、見出すことができる。システムは、特に磁気軸受を利用するシステムにおいて、軸受のための冷却を提供もする。補助圧縮機５０９またはエゼクタポンプ６０９の使用は、冷媒をモータ空洞から除去するために、有利に使用され得る。しかしながら、これらの構成部品は、相当の電力消費を必要とし得るか、または、システム効率を不利にする。補助凝縮器７０９は、所望の温度にある水が熱交換に利用可能であると仮定して、運転するのに動力を必要としないというさらなる利点を有している。しかし、補助凝縮器を利用するシステムは、凝縮した液を、蒸発圧力またはその近くにある冷媒システム２１へと移送するために、液体ポンプ７１９も必要とする。これは少量の動力を必要とするが、その動力は、補助圧縮機５０９の運転から必要とされる動力より大幅に小さく、液体ポンプがエゼクタポンプ６０９などと置き換えられるとき、全体のシステム効率への不利はない。

【0058】

[0073]図１０〜図１３を参照して先に説明された基本的な圧力低下装置は、冷媒をモータの空洞から効果的に除去する一方、モータ運転からの熱と、システムに搭載されている場合、磁気軸受からの熱とを、冷媒に除去させることができる。これらの圧力低下装置は、冷却機システムより高い温度で典型的には運転するヒートポンプ用途システムで有利に利用され得る。これらの圧力低下装置は、冷媒のモータ冷却能力を拡げ、冷却機システム機器をヒートポンプシステム用途に使用することを可能にし、また、モータ筐体を通じて冷媒を循環させることができる。

【0059】

[0074]先に提供されている本発明の記載は、凝縮器が冷却回路のより高い圧力の側にあり、蒸発器が冷却回路のより低い圧力の側にあり、モータへの冷却、潤滑剤からの冷却の分離、または両方を提供する、ヒートポンプシステムまたは冷却システムなど、圧縮機を有する回路に関している。本発明は、先に記載されているようなヒートポンプシステムと逆に運転するが、蒸発器が回路の高圧側にあり、凝縮器が回路の低圧側にあるＯＲＣシステムと同様に運転することが、理解されることになる。本発明は、発電機への冷却、潤滑剤からの冷却の分離、または両方を提供するために機能する。

【0060】

[0075]本発明は、好ましい実施形態に関連して記載されているが、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更が行われ得ること、および、等価物がその要素について代用され得ることは、当業者によって理解されることになる。また、多くの変形が、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料を本発明の教示に適合させるために行われ得る。そのため、本発明は、本発明を実施するために検討された最良の態様として開示された具体的な実施形態に限定されないが、本発明は添付の請求項の範囲内にあるすべての実施形態を含むことが意図されている。
以上説明したように、本発明は以下の形態を有する。
［形態１］
冷却回路を含む冷却またはヒートポンプのシステムにおいて冷媒をオイルから分離するための装置であって、前記冷却回路が、冷媒ガスの圧力を上昇させる圧縮機（２３）と、前記圧縮機と流体連通しており、前記冷媒ガスを高圧の液体へと凝縮する凝縮器（２５）と、前記凝縮器と流体連通しており、前記高圧の液体をガスに同伴された液体のミストへと変換する膨張弁（３１）と、前記膨張弁および前記圧縮機と連通しており、液冷媒の状態を冷媒ガスへと変える蒸発器（２７）とを有し、前記圧縮機が、潤滑を必要とする構成部品と、前記圧縮機で前記冷媒と混合する潤滑剤とをさらに含む、装置において、
前記潤滑剤、前記冷媒、およびそれらの組み合わせを前記圧縮機から受け入れる油溜め（１０）と、
前記潤滑剤を、前記油溜めから、潤滑を必要とする前記圧縮機の一部分へと提供するための手段と、
前記潤滑剤と混合される冷媒の量を減らす、前記油溜めと前記システムの低圧領域との間の冷媒圧力低下装置（４０９）であって、冷媒ガス圧力を前記システムの前記低圧領域の冷媒ガス圧力未満に下げ、それによって、前記圧縮機構成部品を潤滑するために前記潤滑剤が前記油溜めから戻される前に、冷媒ガスを前記油溜めから前記システムの前記低圧領域へと除去する冷媒圧力低下装置（４０９）と
によって特徴付けられる装置。
［形態２］
有機ランキンサイクルシステムから冷媒オイルを除去するための装置であって、前記有機ランキンサイクルシステムが、電気を高圧の冷媒ガスから発生させるタービン（２３−ＯＣＲ）および発電機を含む電力発生回路と、前記タービンと流体連通しており、前記冷媒ガスを低圧の液体へと凝縮する凝縮器（２５−ＯＲＣ）と、前記凝縮器と流体連通しており、前記低圧の液体の圧力を高圧の液体へと上昇させる液体ポンプ（３１−ＯＲＣ）とを含み、前記ポンプが蒸発器（２７−ＯＲＣ）と流体連通しており、前記蒸発器が前記高圧の液冷媒の状態を高圧の冷媒ガスへと変化させ、前記タービンが、潤滑を必要とする構成部品と、前記タービンで前記冷媒と混合する潤滑剤とをさらに含む、装置において、
前記潤滑剤、前記冷媒、およびそれらの組み合わせを前記タービンから受け入れる油溜め（１０）と、
前記潤滑剤を、前記油溜めから、潤滑を必要とする前記タービンの一部分へと提供するための手段と、
前記潤滑剤と混合される冷媒の量を減らす、前記油溜め（１０）と前記システムの低圧領域との間の冷媒圧力低下装置（４０９）であって、冷媒ガス圧力を前記システムの前記低圧領域の冷媒ガス圧力未満に下げ、それによって、前記タービンの一部分を潤滑するために前記潤滑剤が前記油溜めから戻される前に、冷媒ガスを前記油溜めから前記システムの前記低圧領域へと除去する冷媒圧力低下装置（４０９）と
によって特徴付けられる装置。
［形態３］
前記潤滑剤を前記油溜めから提供するための前記手段が、前記油溜めから潤滑を必要とする一部分までのオイル回路をさらに含む、形態１または２に記載のシステム。
［形態４］
オイル貯留部（３２）を前記オイル回路の追加の構成部品としてさらに含む、形態３に記載のシステム。
［形態５］
前記冷媒圧力低下装置（４０９）が補助圧縮機（５０９）である、形態１または２に記載のシステム。
［形態６］
前記冷媒圧力低下装置がエゼクタポンプ（６０９）である、形態１または２に記載のシステム。
［形態７］
前記冷媒圧力低下装置（４０９）が、前記油溜め（１０）および前記システムの前記低圧領域と連通している回路を備え、前記回路が、冷媒ガスを冷却し前記冷媒を液相へと凝縮する補助凝縮器（７０９）と、冷媒ガスを前記補助凝縮器へと送る、前記油溜め（１０）と前記補助凝縮器（７０９）との間の導管（７１３）と、前記補助凝縮器での冷却の後、凝縮された冷媒を保管する流体保管空間（７１７）と、前記システムの前記低圧領域へと冷媒を汲み出す液体ポンプ（７１９）と、前記流体保管空間（７１７）における冷媒液の量を制御する液体レベルセンサ（７２１）とを備える、形態１または２に記載のシステム。
［形態８］
前記圧力低下装置が、前記油溜めおよび前記システムの前記低圧領域と連通している回路をさらに備え、前記回路が、
冷媒を気相から冷却し、それを液相へと凝縮する補助凝縮器（７０９）と、
冷媒ガスを前記油溜め（１０）から前記補助凝縮器（７０９）へと送る、前記油溜め（１０）と前記補助凝縮器との間の導管（７１３）と、
前記凝縮された液相の冷媒を保管する、前記補助凝縮器（７０９）と流体連通している少なくとも１つの流体保管空間（７１７）と、
前記補助凝縮器と前記少なくとも１つの流体保管空間（７１７）との間の流体連通を提供する導管（７３０）と、
前記システムの前記低圧領域とさらに流体連通している前記少なくとも１つの流体保管空間（７１７）と、
前記少なくとも１つの流体保管空間（７１７）から前記システムの前記低圧領域への液相の冷媒の流れを調節する少なくとも１つの弁（１７）と
を含む、形態１または２に記載のシステム。
［形態９］
冷媒を用いる冷却またはヒートポンプのシステムにおいて半密閉圧縮機モータを冷却するための装置であって、前記システムが冷却回路を含み、前記冷却回路が、冷媒ガスの圧力を上昇させるための圧縮機（２３）と、前記圧縮機と流体連通しており、前記冷媒ガスを高圧の液体へと凝縮するための主凝縮器（２５）と、前記凝縮器と流体連通しており、前記高圧の液体をガスに同伴された液体のミストへと変換する膨張弁（３１）と、前記膨張弁および前記圧縮機と連通しており、液冷媒の状態を冷媒ガスへと変える蒸発器（２７）とを含み、前記圧縮機（２３）が圧縮機モータ（３５０）をさらに含み、前記圧縮機モータ（３５０）がシャフト（１２８）と、前記モータのための筐体（３８２）とをさらに含み、前記筐体が空洞（３５２）を有し、前記モータ（３５０）が前記筐体に収容され、前記モータが、電界を入れ替えるステータ（８８）と、前記シャフト（１２８）に取り付けられたロータ（１２９）とを有し、前記ロータおよび前記シャフトが、前記交流電界によって回転する、装置において、
前記筐体（３８２）の冷媒入口（８１）と、
前記モータ筐体からの冷媒出口（３８７、３９２）と、
前記膨張弁（３１）の下流と圧縮機入口（３４）との間で、前記モータ筐体（３８２）および前記システムの前記低圧領域と連通しており、前記筐体（３８２）の前記冷媒が前記システムの前記低圧領域において前記システムへと戻されるように、前記システムの前記低圧領域より低い圧力へと冷媒圧力を低下させる冷媒圧力低下装置（４０９）と
によって特徴付けられる装置。
［形態１０］
電力発生回路を含む有機ランキンサイクルシステムから冷媒オイルを除去するための装置であって、前記有機ランキンサイクルシステムが、電気を高圧の冷媒ガスから発生させる半密閉タービン（２３−ＯＣＲ）および発電機を含む電力発生回路と、前記タービンと流体連通しており、前記タービンからの前記冷媒ガスを低圧の液体へと凝縮するための主凝縮器（２５−ＯＲＣ）と、前記凝縮器と流体連通しており、前記凝縮器からの前記低圧の液体を高圧の液体へと変換する液体ポンプ（３１−ＯＲＣ）と、前記液体ポンプおよび前記タービンと連通しており、高圧の液冷媒の状態を冷媒ガスへと変える蒸発器（２７）とを含み、前記タービンが、筐体に発電機をさらに含み、前記発電機が、シャフト（１２８）と、空洞（３５２）を有する筐体（３８２）とをさらに含み、前記発電機（３５０）が前記筐体に収容され、前記発電機が、前記シャフト（１２８）に取り付けられたロータ（１２９）と、前記ロータを包囲する前記筐体にステータとを有し、前記ロータおよび前記シャフトが、前記ステータの電流ステータ（８８）を生成するために回転する、装置において、
前記筐体（３８２）内への冷媒入口（８１）と、
前記筐体からの冷媒出口（３８７、３９２）と、
前記ポンプ（３１）とタービン出口との間で、前記筐体（３８２）および前記システムの低圧領域と連通しており、前記筐体（３８２）の前記冷媒が前記システム（１９）の前記低圧領域において前記システムへと戻されるように、前記システムの前記低圧領域より低い圧力へと冷媒圧力を低下させる冷媒圧力低下装置（４０９）と
によって特徴付けられる装置。
［形態１１］
前記システムが運転可能であるとき、磁気軸受システムは前記シャフト（１２８）を支持する、形態９または１０に記載のシステム。
［形態１２］
前記冷媒圧力低下装置（４０９）が補助圧縮機（５０９）である、形態９または１０に記載のシステム。
［形態１３］
前記冷媒圧力低下装置（４０９）がエゼクタポンプ（６０９）である、形態９または１０に記載のシステム。
［形態１４］
前記冷媒圧力低下装置（４０９）が、前記筐体（３８２）および前記システムの前記低圧領域と連通している回路を備え、前記回路が、前記筐体（３８２）からの冷媒ガスを冷却して凝縮する補助凝縮器（７０９）と、冷媒を前記補助凝縮器（７０９）へと送る、前記筐体（３８２）と前記補助凝縮器（７０９）との間の導管（３９２）と、前記補助凝縮器（７０９）と流体連通しており、前記補助凝縮器（７０９）での冷却の後、凝縮された冷媒を保管する流体保管空間（７１７）と、前記流体保管空間（７１７）から前記システムの前記低圧領域へと冷媒を汲み出す液体ポンプ（７１９）と、前記流体保管空間（７１７）における液体の量を制御する液体レベルセンサ（７２１）とを備える、形態９または１０に記載のシステム。
［形態１５］
前記冷媒圧力低下装置（４０９）が、前記筐体（３８２）および前記システムの前記低圧領域と連通している回路を備え、前記回路が、冷媒ガスを冷却して凝縮する補助凝縮器（７０９）と、冷媒ガスを前記補助凝縮器（７０９）へと送る、前記モータ筐体（３８２）と前記補助凝縮器（７０９）との間の導管（３９２）と、前記補助凝縮器（７０９）と流体連通しており、前記補助凝縮器（７０９）での冷却の後、凝縮された冷媒を保管する流体保管空間（７１７）と、前記流体保管空間（７１７）から前記システムの前記低圧領域への冷媒の流れを調節する弁（１７）とを備える、形態９または１０に記載のシステム。
［形態１６］
前記冷媒圧力低下装置（４０９）が、前記筐体（３８２）および前記システムの前記低圧領域と連通している回路をさらに備え、前記回路が、
冷媒ガスを冷却して凝縮する補助凝縮器（７０９）と、
冷媒ガスを前記モータ筐体から前記補助凝縮器（７０９）へと送る、前記筐体（３８２）と前記補助凝縮器（７０９）との間の導管（３９２）と、
前記凝縮された液冷媒を保管する少なくとも１つの流体保管空間（７１７）と、
前記補助凝縮器（７０９）と前記少なくとも１つの流体保管空間（７１７）との間の、前記凝縮された液冷媒を前記補助凝縮器（７０９）から前記少なくとも１つの流体保管空間（７１７）へと送る導管（７３０）と、
前記システム（１９）の前記低圧領域とさらに流体連通もしている前記少なくとも１つの流体保管空間（７１７）と、
前記少なくとも１つの流体保管空間（７１７）から前記システム（１９）の前記低圧領域への液冷媒の流れを調節するための少なくとも１つの弁（１７）と
を含み、
前記凝縮器（２５）が、前記少なくとも１つの流体保管空間（７１７）と連通しており、前記少なくとも１つの流体保管空間（７１７）から前記システムの前記低圧領域へと液体を押し込む高圧ガスを提供する、形態８に記載のシステム。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】