特表 2022-527791 圧縮機電動機冷却システムを備えた暖房、換気、空調及び／又は冷凍システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2022-06-06

(54)【発明の名称】圧縮機電動機冷却システムを備えた暖房、換気、空調及び／又は冷凍システム

(51)【国際特許分類】

   H02K 9/08 20060101AFI20220530BHJP

   H02P 29/62 20160101ALI20220530BHJP

   H02K 9/00 20060101ALI20220530BHJP

   H02K 7/14 20060101ALI20220530BHJP

   F25B 1/053 20060101ALI20220530BHJP

   F25B 1/047 20060101ALI20220530BHJP

【ＦＩ】

H02K9/08 A

H02P29/62

H02K9/00 A

H02K7/14 B

F25B1/053 D

F25B1/047 V

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2021557930

(86)(22)【出願日】2020-03-27

(85)【翻訳文提出日】2021-11-29

(86)【国際出願番号】 US2020025240

(87)【国際公開番号】W WO2020198597

(87)【国際公開日】2020-10-01

(31)【優先権主張番号】62/825,567

(32)【優先日】2019-03-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】521301840

【氏名又は名称】ジョンソン・コントロールズ・タイコ・アイピー・ホールディングス・エルエルピー

(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】100106208

【弁理士】

【氏名又は名称】宮前 徹

(74)【代理人】

【識別番号】100196508

【弁理士】

【氏名又は名称】松尾 淳一

(74)【代理人】

【識別番号】100188329

【弁理士】

【氏名又は名称】田村 義行

(72)【発明者】

【氏名】ジャドリック，アイバン

(72)【発明者】

【氏名】ケーン，アジット・ワサント

(72)【発明者】

【氏名】シュライバー，ジェブ・ウィリアム

(72)【発明者】

【氏名】ハイジー，マシュー・リー

(72)【発明者】

【氏名】コーラー，ジェイ・アルバート

【テーマコード（参考）】

5H501

5H607

5H609

【Ｆターム（参考）】

5H501AA09

5H501BB02

5H501CC01

5H501CC06

5H501DD04

5H501DD09

5H501JJ03

5H501JJ16

5H501KK05

5H501LL39

5H607AA02

5H607BB01

5H607BB07

5H607BB14

5H607CC01

5H607FF07

5H609BB03

5H609BB14

5H609BB19

5H609PP02

5H609QQ03

5H609QQ11

5H609SS21

5H609SS23

(57)【要約】

暖房、換気、空調及び／又は冷凍（ＨＶＡＣ＆Ｒ）システムは、冷媒ループであって、それを通して冷媒を循環させるように構成された圧縮機を有する冷媒ループと、圧縮機の回転を駆動するように構成された電動機であって、永久磁石補助付き同期リラクタンス（ＰＭＡＳＲ）電動機である電動機と、冷媒の一部をＰＭＡＳＲ電動機の構成要素と熱的連通させるために、冷媒ループから且つＰＭＡＳＲ電動機のハウジングを通して冷媒の一部を導くように構成された電動機冷却システムとを含む。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

冷媒ループであって、それを通して冷媒を循環させるように構成された圧縮機を有する冷媒ループと、
前記圧縮機の回転を駆動するように構成された電動機であって、永久磁石補助付き同期リラクタンス（ＰＭＡＳＲ）電動機である電動機と、
前記冷媒の一部を前記ＰＭＡＳＲ電動機の構成要素と熱的連通させるために、前記冷媒ループから且つ前記ＰＭＡＳＲ電動機のハウジングを通して前記冷媒の前記一部を導くように構成された電動機冷却システムと
を含む暖房、換気、空調及び／又は冷凍（ＨＶＡＣ＆Ｒ）システム。

【請求項2】

前記ＰＭＡＳＲ電動機は、回転子であって、前記回転子の本体内に埋め込まれた磁石を有する回転子を含む、請求項１に記載のＨＶＡＣ＆Ｒシステム。

【請求項3】

前記磁石は、フェライト磁石である、請求項２に記載のＨＶＡＣ＆Ｒシステム。

【請求項4】

前記磁石は、希土類磁石である、請求項２に記載のＨＶＡＣ＆Ｒシステム。

【請求項5】

前記ＰＭＡＳＲ電動機に供給される電気エネルギーの量を変化させるように構成された可変速駆動装置を含む、請求項１に記載のＨＶＡＣ＆Ｒシステム。

【請求項6】

前記電動機冷却システムのバルブに通信可能に結合されたコントローラと、前記ＰＭＡＳＲ電動機の前記ハウジング内の温度を示すフィードバックを提供するように構成されたセンサとを含み、前記コントローラは、前記冷媒ループからの且つ前記ＰＭＡＳＲ電動機の前記ハウジングを通した前記冷媒の前記一部の流れを制御するために、前記バルブの位置を調整するように構成される、請求項１に記載のＨＶＡＣ＆Ｒシステム。

【請求項7】

前記冷媒ループは、前記冷媒を冷却流体と熱的連通させるように構成された凝縮器と、前記冷媒を作動流体と熱的連通させるように構成された蒸発器とを含む、請求項１に記載のＨＶＡＣ＆Ｒシステム。

【請求項8】

前記電動機冷却システムは、前記凝縮器の下流の前記冷媒ループに沿った位置から前記冷媒の前記一部を導くように構成される、請求項７に記載のＨＶＡＣ＆Ｒシステム。

【請求項9】

前記ＰＭＡＳＲ電動機は、保持スリーブを有さない、請求項１に記載のＨＶＡＣ＆Ｒシステム。

【請求項10】

冷媒ループに沿って配置された圧縮機の回転を駆動するように構成された電動機であって、永久磁石補助付き同期リラクタンス（ＰＭＡＳＲ）電動機であり、且つハウジングと、前記ハウジング内に配置された回転子と、前記回転子の本体内に埋め込まれた磁石とを含む電動機と、
冷媒の一部を前記ＰＭＡＳＲ電動機の構成要素と熱的連通させるために、前記冷媒ループから且つ前記ＰＭＡＳＲ電動機の前記ハウジングを通して前記冷媒の前記一部を導くように構成された電動機冷却システムと
を含む暖房、換気、空調及び／又は冷凍（ＨＶＡＣ＆Ｒ）システム。

【請求項11】

前記電動機冷却システムは、前記冷媒の前記一部を前記回転子、前記ＰＭＡＳＲ電動機の固定子、前記ＰＭＡＳＲ電動機の軸受又はそれらの任意の組み合わせと熱的連通させるように構成される、請求項１０に記載のＨＶＡＣ＆Ｒシステム。

【請求項12】

前記冷媒ループを含み、前記冷媒ループは、前記冷媒を加圧するように構成された前記圧縮機と、前記冷媒を冷却流体と熱的連通させるように構成された凝縮器と、前記冷媒を作動流体と熱的連通させるように構成された蒸発器とを含む、請求項１０に記載のＨＶＡＣ＆Ｒシステム。

【請求項13】

前記電動機冷却システムは、前記凝縮器の下流の前記冷媒ループに沿った第１の位置から前記ハウジングまで、且つ前記ハウジングから、前記蒸発器の上流の前記冷媒ループに沿った第２の位置まで前記冷媒の前記一部を導くように構成される、請求項１２に記載のＨＶＡＣ＆Ｒシステム。

【請求項14】

前記磁石は、フェライト磁石を含む、請求項１０に記載のＨＶＡＣ＆Ｒシステム。

【請求項15】

前記ＰＭＡＳＲ電動機は、前記回転子の周りに配置された保持スリーブを有さない、請求項１０に記載のＨＶＡＣ＆Ｒシステム。

【請求項16】

前記電動機冷却システムは、
前記冷媒ループから前記ハウジングに導かれる前記冷媒の前記一部の流れを調節するように構成されたバルブと、
前記バルブに通信可能に結合されたコントローラであって、前記ＰＭＡＳＲ電動機の温度を示すフィードバックに基づいて前記冷媒の前記一部の前記流れを調整するために、前記バルブの位置を調整するように構成されるコントローラと
を含む、請求項１０に記載のＨＶＡＣ＆Ｒシステム。

【請求項17】

前記電動機冷却システムは、前記コントローラに通信可能に結合されたセンサを含み、前記センサは、前記ＰＭＡＳＲ電動機の前記ハウジング内の温度を検出し、且つ前記フィードバックを前記コントローラに通信するように構成される、請求項１６に記載のＨＶＡＣ＆Ｒシステム。

【請求項18】

冷媒ループであって、それを通して冷媒を循環させるように構成された圧縮機を含む冷媒ループと、
前記圧縮機の回転を駆動するように構成された電動機であって、回転子と、前記回転子の本体内に埋め込まれたフェライト磁石とを含む永久磁石補助付き同期リラクタンス（ＰＭＡＳＲ）電動機である電動機と、
前記冷媒の一部を前記ＰＭＡＳＲ電動機の構成要素と熱的連通させるために、前記冷媒ループから前記ＰＭＡＳＲ電動機のハウジングを通して、且つ前記ハウジングから再び前記冷媒ループに前記冷媒の前記一部を導くように構成された電動機冷却システムと
を含むチラーシステム。

【請求項19】

前記ＰＭＡＳＲ電動機は、前記回転子の周りに配置された保持スリーブを有さない、請求項１８に記載のＨＶＡＣ＆Ｒシステム。

【請求項20】

前記冷媒ループは、前記冷媒を冷却流体と熱的連通させるように構成された凝縮器と、前記冷媒を作動流体と熱的連通させるように構成された蒸発器とを含み、
前記電動機冷却システムは、前記凝縮器の下流の前記冷媒ループに沿った第１の位置から前記ハウジングまで、且つ前記ハウジングから、前記蒸発器の上流の前記冷媒ループに沿った第２の位置まで前記冷媒の前記一部を導くように構成され、
前記電動機冷却システムは、
前記冷媒ループから前記ハウジングに導かれる前記冷媒の前記一部の流れを調節するように構成されたバルブと、
前記ＰＭＡＳＲ電動機の前記ハウジング内の温度を検出するように構成されたセンサと、
前記バルブ及び前記センサに通信可能に結合されたコントローラであって、前記センサを介して受信される、前記ＰＭＡＳＲ電動機の前記ハウジング内の前記温度を示すフィードバックに基づいて前記冷媒の前記一部の前記流れを調整するために、前記バルブの位置を調整するように構成されるコントローラと
を含む、請求項１９に記載のＨＶＡＣ＆Ｒシステム。

【発明の詳細な説明】

【背景技術】

【0001】

本項は、後述する本開示の様々な態様に関係し得る技術の様々な態様を読者に紹介することを意図している。この議論は、本開示の様々な態様をよりよく理解しやすくするための背景情報を読者に提供することに役立つと考えられる。したがって、これらの記述は、この観点から解釈すべきであり、先行技術としての容認として解釈すべきではないことを理解されたい。

【0002】

暖房、換気、空調及び／又は冷凍システム（ＨＶＡＣ＆Ｒ）システムは、様々な設定において且つ多くの目的で使用されている。例えば、ＨＶＡＣ＆Ｒシステムは、環境を調節するように構成された蒸気圧縮冷凍サイクル（例えば、凝縮器、蒸発器、圧縮機及び／又は膨張装置を有する冷媒回路）を含み得る。蒸気圧縮冷凍サイクルは、蒸気圧縮冷凍サイクルの構成要素を通して冷媒を循環させるように構成された圧縮機を含み得る。圧縮機は、電動機によって駆動され、電動機のサイズは、一般に、ＨＶＡＣ＆Ｒシステムの能力に基づいて定められる。残念ながら、既存のＨＶＡＣ＆Ｒシステムの電動機は、ＨＶＡＣ＆Ｒシステムが低能力条件で稼働している場合、相対的に低い効率のみを実現することができる。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0003】

本開示の一実施形態では、暖房、換気、空調及び／又は冷凍（ＨＶＡＣ＆Ｒ）システムは、冷媒ループであって、それを通して冷媒を循環させるように構成された圧縮機を有する冷媒ループと、圧縮機の回転を駆動するように構成された電動機であって、永久磁石補助付き同期リラクタンス（ＰＭＡＳＲ）電動機である電動機と、冷媒の一部をＰＭＡＳＲ電動機の構成要素と熱的連通させるために、冷媒ループから且つＰＭＡＳＲ電動機のハウジングを通して冷媒の一部を導くように構成された電動機冷却システムとを含む。

【0004】

別の実施形態では、暖房、換気、空調及び／又は冷凍（ＨＶＡＣ＆Ｒ）システムは、冷媒ループに沿って配置された圧縮機の回転を駆動するように構成された電動機であって、永久磁石補助付き同期リラクタンス（ＰＭＡＳＲ）電動機であり、且つハウジングと、ハウジング内に配置された回転子と、回転子の本体内に埋め込まれた磁石とを含む電動機を含む。ＨＶＡＣ＆Ｒシステムは、冷媒の一部をＰＭＡＳＲ電動機の構成要素と熱的連通させるために、冷媒ループから且つＰＭＡＳＲ電動機のハウジングを通して冷媒の一部を導くように構成された電動機冷却システムを更に含む。

【0005】

本開示の更なる実施形態では、チラーシステムは、冷媒ループであって、それを通して冷媒を循環させるように構成された圧縮機を有する冷媒ループと、圧縮機の回転を駆動するように構成された電動機であって、回転子と、回転子の本体内に埋め込まれたフェライト磁石とを有する永久磁石補助付き同期リラクタンス（ＰＭＡＳＲ）電動機である電動機とを含む。チラーシステムは、冷媒の一部をＰＭＡＳＲ電動機の構成要素と熱的連通させるために、冷媒ループからＰＭＡＳＲ電動機のハウジングを通して、且つ再び冷媒ループに冷媒の一部を導くように構成された電動機冷却システムを更に含む。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】本開示の一態様による、商業的環境における暖房、換気、空調及び／又は冷凍（ＨＶＡＣ＆Ｒ）システムの一実施形態を利用し得る建物の斜視図である。

【図2】本開示の一態様による蒸気圧縮システムの一実施形態の斜視図である。

【図3】本開示の一態様による蒸気圧縮システムの一実施形態の概略図である。

【図4】本開示の一態様による蒸気圧縮システムの別の実施形態の概略図である。

【図5】本開示の一態様による、圧縮機の動作を駆動するための電動機と、電動機冷却システムとを有する蒸気圧縮システムの一実施形態の概略図である。

【図6】本開示の一態様による、回転子と、回転子に結合された磁石とを有する蒸気圧縮システムの電動機の一実施形態の概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

本開示の１つ又は複数の特定の実施形態を以下に説明する。これらの説明される実施形態は、本開示の技法の単なる例にすぎない。加えて、これらの実施形態の簡潔な説明を提供するために、本明細書では、実際の実装形態のすべての特徴を説明しない場合がある。あらゆるそのような実際の実装形態の開発では、あらゆる工学又は設計プロジェクトと同様に、実装形態ごとに異なり得るシステム関連及び事業関連の制約の順守など、開発者の具体的な目標を達成するために多くの実装形態固有の決定がなされなければならないことを理解されたい。更に、このような開発努力は、複雑であり且つ時間がかかるものであり得るが、それにもかかわらず、本開示の利益を有する当業者にとって設計、組み立て及び製造の通常の作業であろうことを理解されたい。

【0008】

上述のように、暖房、換気、空調及び／又は冷凍（ＨＶＡＣ＆Ｒ）システムは、様々な構成要素（例えば、凝縮器、蒸発器、膨張装置など）を有する冷媒ループを通して冷媒を循環させるように構成された圧縮機を含み得る。圧縮機は、ＨＶＡＣ＆Ｒシステムの目標運転能力に基づいて一般に選択される電動機によって駆動される（例えば、総冷却能力）。具体的には、電動機のサイズは、ＨＶＡＣ＆Ｒシステムの目標運転能力を達成するように構成される、ある動作範囲の速度値及びトルク値を含むように定められる。場合により、ＨＶＡＣ＆Ｒシステムの負荷条件が比較的低い場合（例えば、ＨＶＡＣ＆Ｒシステムの負荷需要がＨＶＡＣ＆Ｒシステムの目標運転能力の５０パーセント未満の場合）では、電動機は、低い効率で動作することがある。そのため、比較的低い負荷条件では、ＨＶＡＣ＆Ｒシステムの効率が全体的に低下することがある。

【0009】

本開示の実施形態は、ＨＶＡＣ＆Ｒシステムの運転能力の範囲（例えば、ＨＶＡＣ＆Ｒシステムの目標運転能力の２５％～１００％）にわたって高い効率で動作するように構成された電動機を含む、改良されたＨＶＡＣ＆Ｒシステム（例えば、チラーシステム）を対象とする。例えば、ＨＶＡＣ＆Ｒシステムの圧縮機は、永久磁石電動機、より具体的には永久磁石補助付き同期リラクタンス（ＰＭＡＳＲ）電動機によって駆動され得る。ＰＭＡＳＲ電動機は、ＰＭＡＳＲ電動機が追加的なトルクを発生できるようにする回転子上に配置されるか又はそれに埋め込まれた磁石を含み得る。いくつかの実施形態では、ＰＭＡＳＲ電動機は、ＰＭＡＳＲ電動機の回転子に埋め込まれたフェライト磁石を含む。フェライト磁石は、一般に、いくつかのＰＭＡＳＲ電動機において使用され得る希土類磁石よりも安価である。そのため、フェライト磁石をＰＭＡＳＲ電動機に含めることにより、ＨＶＡＣ＆Ｒシステムのコストを下げることができる。加えて、フェライト磁石を回転子に埋め込むことにより、回転子の外面に結合された磁石を有する電動機に一般に含まれ、且つ比較的高速の回転子回転速度において磁石を回転子の外面に対して保持するように構成された保持スリーブを排除することができる。

【0010】

更に、保持スリーブを排除することにより、冷媒ループからの冷媒の一部を電動機のケーシング又はハウジングに通して経路を定めることにより実行され得る電動機の冷却が促進され得る。後述のように、電動機の回転子が回転して、圧縮機を最終的に駆動して冷媒を圧縮する際に生じた熱又は熱エネルギーを除去するために、ＰＭＡＳＲ電動機を冷却するための電動機冷却システムが使用され得る。例えば、電動機冷却システムは、冷媒ループの凝縮器から冷媒の少なくとも一部を引き出し、冷媒の一部がＰＭＡＳＲ内の構成要素（例えば、巻線の固定子、回転子及び／又は他の適切な構成要素）から熱エネルギーを吸収するように、ＰＭＡＳＲを通して冷媒の一部を導き得る。したがって、ＨＶＡＣ＆Ｒシステムの効率は、電動機の性能に本来影響を与え得る電動機内で生じた熱エネルギーを除去して、電動機をより低い温度で動作させることにより、更に向上させることができる。ＰＭＡＳＲ電動機の使用は、そのような電動機のコストが比較的高いため、既存のＨＶＡＣ＆Ｒシステムでは一般に回避されてきた。本開示の実施形態は、ＰＭＡＳＲ電動機の追加コストは、ＨＶＡＣ＆Ｒシステムの比較的低い運転能力（例えば、全運転能力の５０パーセント未満）において達成される効率の向上によって相殺され得ることを認識している。更に、電動機冷却システムの実施により、ＰＭＡＳＲ電動機の効率が更に向上し、これによりＨＶＡＣ＆Ｒシステムの運転コストが削減され得る。

【0011】

ここで、図面を参照すると、図１は、典型的な商業的環境における建物１２内の暖房、換気、空調及び／又は冷凍（ＨＶＡＣ＆Ｒ）システム１０のための環境の一実施形態の斜視図である。ＨＶＡＣ＆Ｒシステム１０は、建物１２を冷却するために使用され得る、冷却された液体を供給する蒸気圧縮システム１４を含み得る。ＨＶＡＣ＆Ｒシステム１０はまた、建物１２を加熱するために温かい液体を供給するためのボイラ１６と、建物１２を通して空気を循環させる空気分配システムとを含み得る。空気分配システムは、還気ダクト１８、給気ダクト２０及び／又は空気調和機２２も含み得る。いくつかの実施形態では、空気調和機２２は、導管２４によってボイラ１６及び蒸気圧縮システム１４に接続された熱交換器を含み得る。空気調和機２２内の熱交換器は、ＨＶＡＣ＆Ｒシステム１０の動作モードに応じて、ボイラ１６からの加熱された液体又は蒸気圧縮システム１４からの冷却された液体のいずれかを受け取ることができる。ＨＶＡＣ＆Ｒシステム１０は、別個の空気調和機が建物１２の各フロアにある状態で示されているが、他の実施形態では、ＨＶＡＣ＆Ｒシステム１０は、フロア間で共有され得る空気調和機２２及び／又は他の構成要素を含み得る。

【0012】

図２及び図３は、ＨＶＡＣ＆Ｒシステム１０で使用され得る蒸気圧縮システム１４の実施形態を示す。蒸気圧縮システム１４は、圧縮機３２から始まる回路を通して冷媒を循環させ得る。回路はまた、凝縮器３４と、膨張バルブ又は膨張装置３６と、液体チラー又は蒸発器３８とを含み得る。蒸気圧縮システム１４は、アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器４２、マイクロプロセッサ４４、不揮発性メモリ４６及び／又はインターフェースボード４８を有する制御盤４０（例えば、コントローラ）を更に含み得る。

【0013】

いくつかの実施形態では、蒸気圧縮システム１４は、可変速駆動装置（ＶＳＤ）５２、電動機５０、圧縮機３２、凝縮器３４、膨張バルブ若しくは膨張装置３６及び／又は蒸発器３８の１つ又は複数を使用し得る。電動機５０は、圧縮機３２を駆動することができ、可変速駆動装置（ＶＳＤ）５２によって電力を供給され得る。ＶＳＤ５２は、ＡＣ電源から、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５０に供給する。他の実施形態では、電動機５０は、ＡＣ又は直流（ＤＣ）電源から直接電力を供給され得る。電動機５０は、スイッチドリラクタンス電動機、誘導電動機、電子整流永久磁石電動機又は別の好適な電動機など、ＶＳＤによって電力を供給され得るか、又はＡＣ若しくはＤＣ電源から直接電力を供給され得る任意のタイプの電動機を含み得る。

【0014】

圧縮機３２は、冷媒蒸気を圧縮するとともに、蒸気を、排出路を通して凝縮器３４に送達する。いくつかの実施形態では、圧縮機３２は、遠心圧縮機であり得る。圧縮機３２は、圧縮機の構成要素を潤滑する流体（例えば、オイル）を含む。他の実施形態では、圧縮機３２は、オイルを含まず、磁気軸受を使用し得る。圧縮機３２によって凝縮器３４に送達される冷媒蒸気は、凝縮器３４内の冷却流体（例えば、水又は空気）に熱を伝達し得る。冷媒蒸気は、冷却流体との熱伝達の結果、凝縮器３４内で冷媒液に凝縮し得る。凝縮器３４からの冷媒液は、膨張装置３６を通して蒸発器３８に流れ得る。図３に示す実施形態では、凝縮器３４は、水冷され、冷却塔５６に接続されたチューブ束５４を含み、冷却塔５６は、冷却流体を凝縮器に供給する。

【0015】

蒸発器３８に送達された冷媒液は、別の冷却流体からの熱を吸収することができ、この冷却流体は、凝縮器３４で使用される冷却流体と同じであっても又は同じでなくてもよい。蒸発器３８内の冷媒液は、冷媒液から冷媒蒸気への相変化を経る場合がある。図３に示す実施形態に示すように、蒸発器３８は、冷却負荷６２に接続された供給ライン６０Ｓと戻りライン６０Ｒとを有するチューブ束５８を含み得る。蒸発器３８の冷却流体（例えば、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好適な流体）は、戻りライン６０Ｒを介して蒸発器３８に入り、供給ライン６０Ｓを介して蒸発器３８を出る。蒸発器３８は、チューブ束５８における冷却流体の温度を、冷媒との熱伝熱を介して低下させ得る。蒸発器３８におけるチューブ束５８は、複数のチューブ及び／又は複数のチューブ束を含み得る。いずれの場合にも、冷媒蒸気は、蒸発器３８を出て、吸引ラインにより圧縮機３２に戻り、サイクルを完了する。

【0016】

図４は、中間回路６４が凝縮器３４と膨張装置３６との間に組み込まれた蒸気圧縮システム１４の概略図である。中間回路６４は、凝縮器３４に流体的に直接接続された入口ライン６８を有し得る。他の実施形態では、入口ライン６８は、凝縮器３４に間接的に流体接続され得る。図４に示す実施形態に示すように、入口ライン６８は、中間容器７０の上流に位置付けられた第１の膨張装置６６を含む。いくつかの実施形態では、中間容器７０は、フラッシュタンク（例えば、フラッシュ中間冷却器）であり得る。他の実施形態では、中間容器７０は、熱交換器又は「サーフェスエコノマイザ」として構成され得る。図４に示す実施形態では、中間容器７０は、フラッシュタンクとして使用され、第１の膨張装置６６は、凝縮器３４から受け取った冷媒液の圧力を下げる（例えば、膨張させる）ように構成される。膨張プロセス中、液体の一部が蒸発する場合があり、したがって中間容器７０を使用して、第１の膨張装置６６から受け取った液体から蒸気を分離できる。追加的に、中間容器７０は、中間容器７０に入るときに冷媒液体が圧力低下を経るため、（例えば、中間容器７０に入るときに体積が急速に増大することに起因して）冷媒液体を更に膨張させ得る。中間容器７０内の蒸気は、圧縮機３２により、圧縮機３２の吸引ライン７４を通して引き込まれ得る。他の実施形態では、中間容器内の蒸気は、圧縮機３２の中間ステージ（例えば、吸引ステージではなく）に引き込まれ得る。中間容器７０内に集まる液体は、膨張装置６６及び／又は中間容器７０における膨張のため、凝縮器３４を出る冷媒液よりもエンタルピーが低い場合がある。中間容器７０からの液体は、次いで、ライン７２内を流れ、第２の膨張装置３６を通して蒸発器３８に流れ得る。

【0017】

上述のように、本開示の実施形態は、永久磁石補助付き同期リラクタンス（ＰＭＡＳＲ）電動機を含む蒸気圧縮システム１４を有するＨＶＡＣ＆Ｒシステム１０などのＨＶＡＣ＆Ｒシステムを対象とする。ＰＭＡＳＲ電動機は、ＨＶＡＣ＆Ｒシステムの圧縮機３２などの圧縮機に印加するトルク（例えば、ＰＭＡＳＲ電動機が消費する電力量あたりのトルク）をより大きく発生させることにより、ＨＶＡＣ＆Ｒシステム１０の効率を高めることができる。より具体的には、ＰＭＡＳＲ電動機は、ＨＶＡＣ＆Ｒシステムのフル運転能力条件及び比較的低い運転条件の両方において、生じる損失（例えば、磁石の損失、回転子の損失、固定子の損失、巻線の損失又は他の損失）をより少なく発生し得、それにより、幅広い運転能力範囲にわたってＨＶＡＣ＆Ｒシステムの効率が向上する。上記のように、ＰＭＡＳＲ電動機は、ＰＭＡＳＲ電動機の回転子に埋め込まれるか又は成形された磁石（例えば、フェライト磁石）を含み得る。磁石は、ＰＭＡＳＲ電動機の運転中に追加的なトルクを発生させることができ、これにより、ＰＭＡＳＲ電動機がＨＶＡＣ＆Ｒシステムの幅広い運転能力にわたって圧縮機に十分な量の電力を供給できるようにし得る。更に、ＨＶＡＣ＆Ｒシステムは、動作中にＰＭＡＳＲ電動機のハウジング内で発生した熱エネルギーを除去する電動機冷却システムを含み得る。回転子の外面上に磁石が配置される場合に（例えば、比較的高速の回転子回転速度において回転子に対して磁石を保持するために）一般に含まれる保持スリーブが排除された結果、ＰＭＡＳＲ電動機から追加的な熱エネルギーが除去され得る。

【0018】

図５は、ＨＶＡＣ＆Ｒシステム１００の圧縮機３２などの圧縮機１０６を駆動するＰＭＡＳＲ電動機１０４から熱エネルギーを除去するように構成された電動機冷却システム１０２を有するチラーシステムなどのＨＶＡＣ＆Ｒシステム１００の概略図である。ＰＭＡＳＲ電動機１０４は、ＰＭＡＳＲ電動機１０４の回転力を圧縮機１０６内の構成要素（例えば、インペラ）に伝達するシャフトを介して圧縮機１０６に結合され得る。これにより、圧縮機１０６は、ＨＶＡＣ＆Ｒシステム１００の冷媒ループ１０８内の冷媒（例えば、Ｒ－１３４ａ、Ｒ－５１３Ａ、Ｒ－１２３、Ｒ－１２３３ｚｄ及び／又はＲ－５１４Ａ）を加圧して、冷媒ループ１０８に沿って配置された凝縮器１１０（例えば、凝縮器３４）、蒸発器１１２（例えば、蒸発器３８）及び／又は膨張装置１１４（例えば、膨張装置３６）を通して冷媒を循環させるように構成される。したがって、冷媒は、凝縮器１１０を流れる冷却流体及び／又は蒸発器１１２を流れる作動流体との熱エネルギー伝達により、相変化を経ることができる。

【0019】

ＰＭＡＳＲ電動機１０４は、ＰＭＡＳＲ電動機１０４の回転子２００の形状（例えば、優先磁気軸として機能し、固定子の巻線２０６によって生じる磁界と相互作用してリラクタンストルクを発生させる回転子２００上の突起物）の結果として、また回転子２００に組み込まれるか又はそれに他の方法で結合された磁石２０２（例えば、磁石２０２は、固定子の巻線２０６によって生じる磁界との相互作用を介して追加的なトルクを発生させる）からトルクを発生させ得る。例えば、図６は、磁石２０２を有する回転子２００と、回転子２００の周りに配置された固定子の巻線２０６とを示す、ＰＭＡＳＲ電動機１０４の概略図である。理解されるように、ＰＭＡＳＲ電動機１０４の回転子２００の回転は、ＰＭＡＳＲ電動機１０４の固定子巻線２０６に電気エネルギーが供給されると発生する磁界の結果として駆動される。磁界は、最終的に回転子２００の回転を駆動する機械的エネルギー（例えば、回転エネルギー）に電気エネルギーを変換し得る。いくつかの実施形態では、ＰＭＡＳＲ電動機１０４の回転子２００は、４極構成、すなわち４つの磁極が回転子２００上に配置されるか又はそれに結合された構成を含み得る。他の実施形態では、ＰＭＡＳＲ電動機１０４は、２極構成及び／又はＨＶＡＣ＆Ｒシステム１００の目標運転能力を達成するのに適した力を発生させるための別の適切な構成を含み得る。

【0020】

更に、ＰＭＡＳＲ電動機１０４の回転子２００は、追加的なトルクを発生させるために、回転子２００の本体２０８内に埋め込まれ得るか又は成形され得る磁石２０２を含む。例えば、磁石２０２は、ＰＭＡＳＲ電動機１０４のケーシング内に配置されたフラックスバリアと相互作用して、回転子２００の回転を駆動するための磁気トルクを更に発生させるように構成され得る。いくつかの実施形態では、磁石２０２は、回転子２００の本体２０８内に埋め込まれたフェライト磁石を含む。他の実施形態では、磁石２０２は、ネオジム磁石、アルニコ磁石、サマリウムコバルト磁石又は他の適切な磁石などの希土類磁石を含む。

【0021】

いくつかの実施形態では、ＰＭＡＳＲ電動機１０４の回転子２００は、１００ミリメートル（ｍｍ）～２００ｍｍ、１５０～１７５ｍｍ又は１６０ｍｍ～１７０ｍｍである長さを有する。例えば、ＰＭＡＳＲ電動機１０４の回転子２００は、約１７０ｍｍの長さを有し得る。他の実施形態では、ＰＭＡＳＲ電動機１０４の回転子２００は、ＨＶＡＣ＆Ｒシステム１００の目標運転能力に基づいて任意の適切な長さを有し得る。

【0022】

上述のように、可変速駆動装置（ＶＳＤ）１１６は、ＰＭＡＳＲ電動機１０４に電気エネルギーを供給して、ＰＭＡＳＲ電動機１０４の速度（例えば、回転速度）を変化させ、したがって圧縮機１０６の速度を変化させるように構成され得る。例えば、ＶＳＤ１１６は、ＡＣ電源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ＰＭＡＳＲ電動機１０４に供給する。例えば、いくつかの実施形態では、ＶＳＤ１１６は、０．９～１．２のスイッチング周波数を含み得る。より具体的には、ＶＳＤ１１６は、約５０００ヘルツ（ＨＺ）又は約５５００Ｈｚのスイッチング周波数を含み得る。

【0023】

いずれの場合でも、ＰＭＡＳＲ電動機１０４は、特にＨＶＡＣ＆Ｒシステム１００の比較的低い運転能力（例えば、ＨＶＡＣ＆Ｒシステム１００の総運転能力の５０パーセント未満）において、ＨＶＡＣ＆Ｒシステム１００の効率を高め得る。例えば、ＰＭＡＳＲ電動機１０４は、ＨＶＡＣ＆Ｒシステムに使用される従来の電動機と比較して、損失を少なくしながら、最終的に圧縮機１０６に供給するトルク量を増やすことができる。更に、電動機１０４内における熱エネルギーの発生によって生じる巻線の損失は、冷媒ループ１０８からの冷媒を用いてＰＭＡＳＲ電動機１０４のハウジング２０４内から熱エネルギーを除去する電動機冷却システム１０２を介して低減され得る。

【0024】

図５に示す実施形態に示すように、凝縮器１１０を出る冷媒の一部は、Ｔ継手１２０（例えば、第１のＴ継手及び／又は第１の三方弁）を介して電動機冷却ループ１１８に進路変更され得る。バルブ１２２（例えば、ボール弁、蝶形弁、ゲート弁、グローブ弁、ダイヤフラム弁及び／又は別の好適な弁）は、電動機冷却ループ１１８に沿って、電動機冷却ループ１１８を通る冷媒の流れに対してＴ継手１２０の下流に配置され得る。バルブ１２２は、冷媒ループ１０８から電動機冷却ループ１１８に進路変更される冷媒の量（例えば、流れ又は流量）を調整するように構成され得る。いくつかの実施形態では、バルブ１２２は、コントローラ１２４に結合され、コントローラ１２４は、例えば、センサ１２６（例えば、温度センサ）によって監視されるＰＭＡＳＲ電動機１０４の温度に基づいてバルブ１２２の位置を調整して、電動機冷却ループ１１８を通る冷媒の流れ又は流量を制御し得る。電動機冷却ループ１１８を通して流れる冷媒は、ＰＭＡＳＲ電動機１０４のハウジング２０４内に導かれて、冷媒をＰＭＡＳＲ電動機１０４の構成要素（例えば、固定子、回転子２００及び／又は軸受）と熱交換関係にさせる。それに応じて、冷媒は、ＰＭＡＳＲ電動機１０４からの熱エネルギー（例えば、熱）を吸収して、ＰＭＡＳＲ電動機１０４の温度を低下させる。次いで、冷媒は、ＰＭＡＳＲ電動機１０４から冷媒ループ１０８に向かって戻るように導かれ、そこで、冷媒は、蒸発器１１２に流入し得る。

【0025】

上述のように、ＰＭＡＳＲ電動機１０４は、保持スリーブがＰＭＡＳＲ電動機１０４から排除され得るように、回転子２００内（例えば、回転子２００の本体２０８内）に埋め込まれた磁石２０２を含む（例えば、保持スリーブは、一般に、磁石が回転子の外面上に配置され、回転子内に組み込まれていない場合に含まれる）。保持スリーブは、ＰＭＡＳＲ電動機１０４の構成要素と、電動機冷却ループ１１８を通して循環する冷媒との間の熱エネルギー伝達量を減少させ得ることがここで分かる。そのため、ＰＭＡＳＲ電動機１０４の回転子２００の本体２０８内に磁石２０２を埋め込むことにより、ＰＭＡＳＲ電動機１０４と、電動機冷却ループ１１８を通して循環する冷媒との間及びＰＭＡＳＲ電動機１０４のハウジング２０４内の熱エネルギーの伝達量を増加させることができ、これによりＰＭＡＳＲ電動機１０４の効率が更に向上し得る。更に、保持スリーブを排除することにより、保持スリーブを有する電動機と比較した場合、ＰＭＡＳＲ電動機１０４の性能に実質的な影響を与えることなく、ＰＭＡＳＲ電動機１０４をより高温で動作させ得る。このように、電動機冷却システム１０２は、ＰＭＡＳＲ電動機１０４を利用することに加えて（例えば、回転子２００に磁石２０２を組み込んだ状態で）、ＨＶＡＣ＆Ｒシステム１００の運転能力の広い範囲にわたってＨＶＡＣ＆Ｒシステム１００の効率を上げることができる。

【0026】

本開示の実施形態は、ＨＶＡＣ＆Ｒシステムの効率を上げるのに有益な１つ又は複数の技術的効果を提供し得る。例えば、本開示の実施形態は、永久磁石補助付き同期リラクタンス（ＰＭＡＳＲ）電動機と電動機冷却システムとを含むＨＶＡＣ＆Ｒシステムを対象とする。ＰＭＡＳＲ電動機を利用することにより、運転能力条件が比較的低い状態でもＨＶＡＣ＆Ｒシステムの効率が上げることができる。更に、ＰＭＡＳＲの回転子は、回転子の本体に組み込まれた磁石を含むことができ、これによりＰＭＡＳＲ電動機から圧縮機へのトルクの伝達量を増やすことができる。加えて、回転子の本体内に磁石を埋め込むことにより、回転子内に埋め込まれるのではなく、回転子の外面の上に磁石を配置した場合に一般に含まれる保持スリーブの使用を排除できる。保持スリーブを排除することにより、電動機冷却システムからの冷媒とＰＭＡＳＲ電動機の構成要素（例えば、回転子、固定子）との間の熱エネルギーの伝達量を増加させることができ、これによりＨＶＡＣ＆Ｒシステムの効率を更に向上させることができる。本明細書における技術的効果及び技術的課題は、例であり、限定ではない。本明細書に記載された実施形態は、他の技術的効果も有し得、他の技術的課題も解決できることに留意されたい。

【0027】

本開示の特定の特徴及び実施形態のみを図示及び説明してきたが、当業者であれば、特許請求の範囲に記載された主題の新規な教示及び利点から著しく逸脱することなく、多くの修正形態及び変更形態（例えば、様々な要素のサイズ、寸法、構造、形状及び比率、パラメータの値（例えば、温度、圧力など）、取り付け構成、材料の使用、色、向きなどにおける変形形態）を想到し得る。任意のプロセス又は方法ステップの順序又は順番は、代替的な実施形態に応じて変更するか又は並べ替えることができる。したがって、添付の特許請求の範囲は、本開示の真の趣旨の範囲内にあるものとして、そのようなすべての修正形態及び変更形態を包含することが意図されていることを理解されたい。更に、例示的な実施形態の簡潔な説明を提供するために、実際の実現形態のすべての特徴が説明されているわけではない場合がある（すなわち、ここで企図される本技法の最良の実施形態に関係しないもの又は特許請求の範囲に記載の実施形態を可能にするのに関係しないものは、説明されていない場合がある）。あらゆるそのような実際の実装形態の開発では、あらゆる工学又は設計プロジェクトと同様に、多くの実装形態固有の決定がなされ得ることを理解されたい。そのような開発努力は、複雑であり且つ時間がかかるものであり得るが、それにもかかわらず、過度の実験をすることのない、本開示の利益を有する当業者の設計、製作及び製造の通常の作業である。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【国際調査報告】