(57)【要約】【課題】ターボ機械において、モータから作動流体への伝熱を抑制するための技術を提供する。【解決手段】本開示のターボ機械のモータ（３０）は、長手方向に延びる複数のリブ（３６）を含むシャフト（１０）と、複数のリブ（３６）に接している内周面（３１ｑ）を有し、シャフト（１０）に固定された回転子（３１）と、回転子（３１）の周囲に配置された固定子（３２）と、回転子（３１）と固定子（３２）との間にある隙間（３７）と、シャフト（１０）と回転子（３１）との間に設けられ、シャフト（１０）の周方向において互いに隣り合うリブ（３６）とリブ（３６）との間に存在する第１流路（３８）と、回転子（３１）を貫通し、シャフト（１０）の半径方向において第１流路（３８）と隙間（３７）とを連通させている第２流路（３９）とを有する。【選択図】図３
2018068021.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータと、
前記モータに固定された羽根車と、
を備えたターボ機械であって、
前記モータは、
長手方向に延びる複数のリブを含むシャフトと、
前記複数のリブに接している内周面を有し、前記シャフトに固定された回転子と、
前記回転子の周囲に配置された固定子と、
前記回転子と前記固定子との間にある隙間と、
前記シャフトと前記回転子との間に設けられ、前記シャフトの周方向において互いに隣り合う前記リブと前記リブとの間に存在する第１流路と、
前記回転子の内周面から前記回転子の外周面に向かって前記回転子を貫通し、前記シャフトの半径方向において前記第１流路と前記隙間とを連通させている第２流路と、
を有する、ターボ機械。
【請求項２】
前記複数のリブは、それぞれ、前記シャフトの前記長手方向にらせん状に延びている、請求項１に記載のターボ機械。
【請求項３】
前記複数のリブは、それぞれ、前記シャフトの回転方向と逆方向のねじれ角にて、前記シャフトの前記長手方向にらせん状に延びている、請求項１又は２に記載のターボ機械。
【請求項４】
前記モータは、前記シャフト、前記回転子及び前記固定子を格納しているケーシングをさらに有し、
前記ケーシングは、その内部空間として、前記シャフトの前記長手方向における前記回転子の一端に隣接している第１空間と、前記シャフトの前記長手方向における前記回転子の他端に隣接している第２空間とを含み、
前記第１空間及び前記第２空間のそれぞれに前記第１流路が開口している、請求項１〜３のいずれか１項に記載のターボ機械。
【請求項５】
冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器で気化した前記冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮された前記冷媒を凝縮させる凝縮器と、
を備え、
前記圧縮機は、請求項１〜４のいずれか１項に記載のターボ機械を含み、
前記冷媒が前記モータの冷却ガスとして使用される、冷凍サイクル装置。
【請求項６】
前記圧縮機は、請求項４に記載のターボ機械を含み、
第１の圧力を有する前記冷媒が流れる流路が前記第１空間に接続され、
前記第１の圧力よりも低い第２の圧力を有する前記冷媒が流れる流路が前記第２空間に接続されている、請求項５に記載の冷凍サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、ターボ機械及びそれを用いた冷凍サイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボ圧縮機などのターボ機械には、しばしば、誘導モータが使用されている。誘導モータの発熱は、回転すべりによる損失のため、一般に、同期モータの発熱よりも大きい。そのため、シャフトと平行な方向に延びる通風穴が回転子を構成する鉄心に設けられたり、半径方向に延びる通風穴が鉄心に設けられたりする。これらの通風穴は、誘導モータを効率的に冷却することに寄与する。
【０００３】
図６Ａは、特許文献１に記載された従来の誘導モータの回転子の縦断面図である。図６Ｂは、Ａ−Ａ線に沿った回転子の横断面図である。回転子は、円板３０９と、円板３０９の両側に配置された鉄心３０３とで構成されている。円板３０９及び鉄心３０３は、シャフト３０１に嵌められている。鉄心３０３には、通風穴３０８ａが設けられている。円板３０９にも、通風穴３０８ｂが設けられている。円板３０９には、通風穴３０８ｂに連なり、半径方向に延びる通風穴３１１が設けられている。円板３０９及び鉄心３０３には、導体３０４が挿入されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平２−２９９４３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ターボ機械において、モータを冷却することは重要である。モータの冷却が不十分である場合、モータから作動流体に熱が活発に伝わり、様々な不利益がもたらされる。
【０００６】
本開示の１つの目的は、ターボ機械において、モータから作動流体への伝熱を抑制するための技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち、本開示は、
モータと、
前記モータに固定された羽根車と、
を備えたターボ機械であって、
前記モータは、
長手方向に延びる複数のリブを含むシャフトと、
前記複数のリブに接している内周面を有し、前記シャフトに固定された回転子と、
前記回転子の周囲に配置された固定子と、
前記回転子と前記固定子との間にある隙間と、
前記シャフトと前記回転子との間に設けられ、前記シャフトの周方向において互いに隣り合う前記リブと前記リブとの間に存在する第１流路と、
前記回転子の内周面から前記回転子の外周面に向かって前記回転子を貫通し、前記シャフトの半径方向において前記第１流路と前記隙間とを連通させている第２流路と、
を有する、ターボ機械を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本開示の技術によれば、ターボ機械において、モータから作動流体への伝熱を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本開示の一実施形態にかかる冷凍サイクル装置の構成図である。
【図２】図２は、図１に示す冷凍サイクル装置に使用されたターボ圧縮機の縦断面図である。
【図３】図３は、図２に示すターボ圧縮機に使用された誘導モータの横断面図である。
【図４】図４は、シャフトの斜視図である。
【図５】図５は、図２の部分拡大図である。
【図６Ａ】図６Ａは、特許文献１に記載された従来の誘導モータの回転子の縦断面図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、Ａ−Ａ線に沿った回転子の部分横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（本開示の基礎となった知見）
モータにおいて、シャフトと回転子との間の接触面積は大きく、回転子からシャフトに熱が伝わりやすい。ターボ機械において、シャフトには、作動流体を圧縮するための羽根車が固定されている。シャフト及び羽根車を通じて、回転子の熱が作動流体に伝わると、圧縮効率の低下を招く。また、シャフトを支持する軸受の温度が上昇すると、軸受における潤滑性も低下する可能性がある。そのため、モータから作動流体への伝熱を抑制するためには、回転子からシャフトへの伝熱を抑制することが重要である。
【００１１】
本開示の第１態様にかかるターボ機械は、
モータと、
前記モータに固定された羽根車と、
を備えたターボ機械であって、
前記モータは、
長手方向に延びる複数のリブを含むシャフトと、
前記複数のリブに接している内周面を有し、前記シャフトに固定された回転子と、
前記回転子の周囲に配置された固定子と、
前記回転子と前記固定子との間にある隙間と、
前記シャフトと前記回転子との間に設けられ、前記シャフトの周方向において互いに隣り合う前記リブと前記リブとの間に存在する第１流路と、
前記回転子の内周面から前記回転子の外周面に向かって前記回転子を貫通し、前記シャフトの半径方向において前記第１流路と前記隙間とを連通させている第２流路と、
を有するものである。
【００１２】
第１態様によれば、リブの外周面が回転子の内周面に接し、これにより、回転子がシャフトに固定されている。回転子とシャフトとの間の接触面積が小さいので、回転子の熱がシャフトに伝わりにくい。また、第１態様によれば、シャフトの半径方向に関する第２流路の長さを十分に確保することができる。この場合、より大きい体積の冷却ガスに遠心力が働くので、第２流路の出口における圧力が高まり、回転子と固定子との間の隙間に流入する冷却ガスの流量が増加する。そのため、モータから冷却ガスへの放熱量も増加する。さらに、第１流路は、シャフトと回転子との間にある。回転子を軸方向に貫く孔を省くことができるので、回転子において磁束が飽和することが防止される。その結果、すべり損失が減少し、モータの発熱が抑制される。以上に説明した複合的な効果により、モータのシャフトから羽根車への伝熱が抑制される。つまり、モータから作動流体への伝熱が抑制される。その結果、圧縮効率の低下、潤滑性の低下なども抑制されうる。
【００１３】
本開示の第２態様において、例えば、第１態様にかかるターボ機械の前記複数のリブは、それぞれ、前記シャフトの前記長手方向にらせん状に延びている。第２態様によれば、冷却ガスは、旋回方向だけでなく、軸方向にも加速される。その結果、第１流路における冷却ガスの流量が増加する。
【００１４】
本開示の第３態様において、例えば、第１又は第２態様にかかるターボ機械の前記複数のリブは、それぞれ、前記シャフトの回転方向と逆方向のねじれ角にて、前記シャフトの前記長手方向にらせん状に延びている。第３態様によれば、第２態様における効果がより十分に得られる。
【００１５】
本開示の第４態様において、例えば、第１〜第３態様のいずれか１つにかかるターボ機械の前記モータは、前記シャフト、前記回転子及び前記固定子を格納しているケーシングをさらに有し、前記ケーシングは、その内部空間として、前記シャフトの前記長手方向における前記回転子の一端に隣接している第１空間と、前記シャフトの前記長手方向における前記回転子の他端に隣接している第２空間とを含み、前記第１空間及び前記第２空間のそれぞれに前記第１流路が開口している。このような構造によれば、回転子と固定子との間の隙間及び第１流路に冷却ガスがスムーズに導入される。
【００１６】
本開示の第５態様にかかる冷凍サイクル装置は、
冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器で気化した前記冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮された前記冷媒を凝縮させる凝縮器と、
を備え、
前記圧縮機は、第１〜第４態様のいずれか１つのターボ機械を含み、
前記冷媒が前記モータの冷却ガスとして使用されるものである。
【００１７】
第５態様によれば、第１態様で説明した効果と同じ効果が得られる。さらに、冷凍サイクル装置の冷媒がモータの冷却ガスとして使用されているので、特別なシール構造が必要とされない。
【００１８】
本開示の第６態様において、例えば、第５態様にかかる冷凍サイクル装置の前記圧縮機は、第４態様のターボ機械を含み、第１の圧力を有する前記冷媒が流れる流路が前記第１空間に接続され、前記第１の圧力よりも低い第２の圧力を有する前記冷媒が流れる流路が前記第２空間に接続されている。第６態様によれば、回転子と固定子との間の隙間、第１流路及び第２流路に冷却ガスとしての冷媒をスムーズに導入することができる。
【００１９】
本開示の第７態様にかかる誘導モータは、
長手方向に延びる複数のリブを含むシャフトと、
前記複数のリブに接している内周面を有し、前記シャフトに固定された回転子と、
前記回転子の周囲に配置された固定子と、
前記回転子と前記固定子との間にある隙間と、
前記シャフトと前記回転子との間に設けられ、前記シャフトの周方向において互いに隣り合う前記リブと前記リブとの間に存在する第１流路と、
前記回転子の内周面から前記回転子の外周面に向かって前記回転子を貫通し、前記シャフトの半径方向において前記第１流路と前記隙間とを連通させている第２流路と、
を備えたものである。
【００２０】
第７態様によれば、第１態様で説明した効果と同じ効果が得られる。
【００２１】
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。
【００２２】
図１に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置１００は、主回路５、吸熱回路６（低圧側循環回路）及び放熱回路７（高圧側循環回路）を備えている。冷凍サイクル装置１００は、例えば、冷房専用の空気調和装置である。
【００２３】
主回路５は、蒸発器２、圧縮機３、凝縮器４及び流路５ａ〜５ｄを含む。主回路５において、蒸発器２、圧縮機３及び凝縮器４は、この順番で環状に接続されている。流路５ａは、蒸発器２の蒸気出口と圧縮機３の吸入口とを接続している。流路５ｃは、圧縮機３の吐出口と凝縮器４の蒸気入口とを接続している。流路５ｄは、凝縮器４の液出口と蒸発器２の液入口とを接続している。
【００２４】
蒸発器２において冷媒が蒸発し、冷媒蒸気（気相の冷媒）が生成される。蒸発器２で生成された冷媒蒸気が圧縮機３に吸入されて圧縮される。圧縮機３で圧縮された冷媒蒸気は凝縮器４に供給される。凝縮器４において冷媒蒸気が冷却されて冷媒液（液相の冷媒）が生成される。冷媒液は、凝縮器４から蒸発器２に戻される。流路５ａ〜５ｄは、それぞれ、配管で構成されている。
【００２５】
冷凍サイクル装置１００には、例えば、常温（日本工業規格：２０℃±１５℃／JIS Z8703）での飽和蒸気圧が負圧（絶対圧で大気圧よりも低い圧力）の物質を主成分として含む冷媒が充填されている。このような冷媒としては、水、アルコール又はエーテルを主成分として含む冷媒が挙げられる。冷凍サイクル装置１００の運転時において、冷凍サイクル装置１００の内部の圧力は、例えば、大気圧よりも低い。「主成分」とは、質量比で最も多く含まれた成分を意味する。
【００２６】
冷凍サイクル装置１００において、吸熱回路６は、蒸発器２に接続されている。放熱回路７は、凝縮器４に接続されている。
【００２７】
吸熱回路６は、ポンプ６１、熱交換器６２及び流路６ａ〜６ｃを備えている。吸熱回路６の上流端（流路６ａの一端）が蒸発器２の底部に接続されている。吸熱回路６の下流端（流路６ｃの一端）が蒸発器２の上部に接続されている。蒸発器２、ポンプ６１及び熱交換器６２が、流路６ａ〜６ｃによって、この順番で接続されている。詳細には、流路６ａは、蒸発器２の液出口とポンプ６１の入口とを接続している。流路６ｂは、ポンプ６１の出口と熱交換器６２の入口とを接続している。流路６ｃは、熱交換器６２の出口と蒸発器２の他の液入口とを接続している。各流路６ａ〜６ｃは、配管で構成されている。ポンプ６１の働きによって、蒸発器２に貯留された冷媒液が熱交換器６２に供給される。冷媒液は、熱交換器６２において熱を吸収し、蒸発器２に戻される。
【００２８】
熱交換器６２は、シェルチューブ熱交換器、フィンチューブ熱交換器などの熱交換器である。冷凍サイクル装置１００が室内の冷房を行う空気調和装置である場合、熱交換器６２は室内に設置される。室内の空気が冷媒液によって冷却される。
【００２９】
放熱回路７は、ポンプ７１、熱交換器７２及び流路７ａ〜７ｃを備えている。放熱回路７の上流端（流路７ａの一端）が凝縮器４の底部に接続されている。放熱回路７の下流端（流路７ｃの一端）が凝縮器４の上部に接続されている。凝縮器４、ポンプ７１及び熱交換器７２が、流路７ａ〜７ｃによって、この順番で接続されている。詳細には、流路７ａは、凝縮器４の他の液出口とポンプ７１の入口とを接続している。流路７ｂは、ポンプ７１の出口と熱交換器７２の入口とを接続している。流路７ｃは、熱交換器７２の出口と凝縮器４の他の蒸気入口とを接続している。各流路７ａ〜７ｃは、配管で構成されている。ポンプ７１の働きによって、凝縮器４に貯留された冷媒液が熱交換器７２に供給される。冷媒液は、熱交換器７２において冷却され、凝縮器４に戻される。
【００３０】
熱交換器７２は、シェルチューブ熱交換器、フィンチューブ熱交換器などの熱交換器である。冷凍サイクル装置１００が室内の冷房を行う空気調和装置である場合、熱交換器７２は室外に設置される。室外の空気によって冷媒液が冷却される。
【００３１】
蒸発器２（低圧側貯留槽）は、例えば、断熱性及び耐熱性を有する容器によって構成されている。蒸発器２は、冷媒液を貯留するとともに、冷媒液を内部で蒸発させる。すなわち、外部環境から熱を吸収することによって加熱された冷媒液が蒸発器２の中で沸騰する。本実施形態において、蒸発器２に貯留された冷媒液は、吸熱回路６を循環する冷媒液に直接接触する。つまり、蒸発器２に貯留された冷媒液の一部は、熱交換器６２で加熱され、飽和状態の冷媒液を加熱するために使用される。
【００３２】
吸熱回路６は、蒸発器２に貯留された冷媒液が吸熱回路６を循環する熱媒体と混ざらないように構成されていてもよい。例えば、蒸発器２がシェルチューブ熱交換器の構造を有している場合、吸熱回路６を循環する熱媒体によって蒸発器２に貯留された冷媒液を加熱し、蒸発させることができる。このとき、熱交換器６２は、蒸発器２に貯留された冷媒液を加熱するための熱媒体を加熱する。熱媒体は、水、オイルなどの液体である。
【００３３】
凝縮器４（高圧側貯留槽）は、例えば、断熱性及び耐圧性を有する容器によって構成されている。凝縮器４は、冷媒蒸気を凝縮させるとともに、冷媒蒸気を凝縮させることによって生じた冷媒液を貯留する。本実態形態では、外部環境に熱を放出することによって冷却された冷媒液に過熱状態の冷媒蒸気が直接接触して凝縮する。つまり、凝縮器４に貯留された冷媒液の一部は、熱交換器７２で冷却され、過熱状態の冷媒蒸気を冷却するために使用される。
【００３４】
放熱回路７は、凝縮器４に貯留された冷媒液が放熱回路７を循環する熱媒体と混ざらないように構成されていてもよい。例えば、凝縮器４がシェルチューブ熱交換器の構造を有している場合、放熱回路７を循環する熱媒体によって冷媒蒸気を冷却し、凝縮させることができる。このとき、熱交換器７２は、冷媒蒸気を冷却するための熱媒体を冷却する。熱媒体は、水、オイルなどの液体である。
【００３５】
本実施形態において、圧縮機３は、ターボ圧縮機である。詳細には、圧縮機３は、１軸２段の遠心圧縮機である。圧縮機３は、第１羽根車１２、第２羽根車１３及びモータ３０を有する。モータ３０に第１羽根車１２及び第２羽根車１３が固定されている。詳細には、モータ３０は、シャフト１０を有する。シャフト１０の一端に第１羽根車１２が例えば焼き嵌めによって固定されている。シャフト１０の他端に第２羽根車１３が例えば焼き嵌めによって固定されている。第１羽根車１２及び第２羽根車１３は、シャフト１０とともに回転して冷媒に運動エネルギーを与える。シャフト１０は、第１軸受２０及び第２軸受２１によって支持されている。
【００３６】
第１羽根車１２は、圧縮機３の第１圧縮部を構成している。第２羽根車１３は、圧縮機３の第２圧縮部を構成している。主回路５の流路５ｂは、第１圧縮部の吐出口と第２圧縮部の吸入口とを接続している。圧縮機３に吸入された冷媒は、第１圧縮部にて圧縮される。圧縮された冷媒は、流路５ｂを通じて第２圧縮部に供給され、さらに圧縮される。
【００３７】
第１軸受２０及び第２軸受２１は、例えば、シャフト１０を半径方向に支持するすべり軸受である。シャフト１０の一端に第１軸受２０が配置され、シャフト１０の他端に第２軸受２１が配置されている。第１軸受２０は、第１軸受２０の内周面とシャフト１０の外周面との間に潤滑剤を介在させつつシャフト１０を取り囲む部品である。第１軸受２０の内周面とシャフト１０の外周面との間の隙間の幅（半径方向の広さ）は、圧縮機３の運転中に潤滑剤によって十分な流体潤滑が達成されるように定められている。これらは、第２軸受２１についても当てはまる。
【００３８】
また、冷凍サイクル装置１００は、冷却ガス路８を備えている。冷却ガス路８は、モータ３０に冷却ガスを供給するとともに、冷却ガスをモータ３０から排出するための流路である。本実施形態では、冷却ガスとして、冷凍サイクル装置１００の冷媒が利用されている。具体的に、冷却ガス路８は、高圧部分８ａ及び低圧部分８ｂを含む。高圧部分８ａは、凝縮器４に接続された一端とモータ３０に接続された他端とを有する。高圧部分８ａの一端は、凝縮器４の上部の空間、つまり、凝縮器４に貯留された冷媒液の液面よりも上の空間に向かって開口している。高圧部分８ａの他端は、モータ３０の内部空間であるモータ室３３に向かって開口している。これにより、高圧部分８ａを通じて、凝縮器４からモータ３０に冷媒ガスを容易に導くことができる。低圧部分８ｂは、モータ３０に接続された一端と蒸発器２に接続された他端とを含む。低圧部分８ｂの一端は、蒸発器２の上部の空間、つまり、蒸発器２に貯留された冷媒液の液面よりも上の空間に向かって開口している。低圧部分８ｂの他端は、モータ室３３に向かって開口している。これにより、低圧部分８ｂを通じて、モータ３０から蒸発器２に冷媒ガスを容易に導くことができる。
【００３９】
図２に示すように、圧縮機３は、ケーシング５０をさらに有する。第１羽根車１２、第２羽根車１３及びモータ３０がケーシング５０に格納されている。ケーシング５０の内部において、第１羽根車１２と第２羽根車１３との間にモータ室３３が位置している。ケーシング５０は、第１吸入空間１４ａ、第２吸入空間１４ｂ、第１吐出空間１６ａ及び第２吐出空間１６ｂを有する。
【００４０】
第１吸入空間１４ａは、第１羽根車１２を含む第１圧縮部の吸入口を構成している。第１吸入空間１４ａに主回路５の流路５ａが接続されている。第１吸入空間１４ａを通じて、第１羽根車１２に冷媒が導かれる。第２吸入空間１４ｂは、第２羽根車１３を含む第２圧縮部の吸入口を構成している。第２吸入空間１４ｂに主回路５の流路５ｂが接続されている。第２吸入空間１４ｂを通じて、第２羽根車１３に冷媒が導かれる。第１吸入空間１４ａ及び第２吸入空間１４ｂは、それぞれ、ケーシング５０の内周面に囲まれた空間であり、圧縮機３の外部に向かって開口している。
【００４１】
第１吐出空間１６ａは、第１羽根車１２を含む第１圧縮部の吐出口を構成している。第１吐出空間１６ａに主回路５の流路５ｂが接続されている。流路５ｂを通じて、第１吐出空間１６ａが第２吸入空間１４ｂに連通している。第１吐出空間１６ａは、第１羽根車１２の周囲に形成された渦巻き状の空間である。第２吐出空間１６ｂは、第２羽根車１３を含む第２圧縮部の吐出口を構成している。第２吐出空間１６ｂに主回路５の流路５ｃが接続されている。第２吐出空間１６ｂは、第２羽根車１３の周囲に形成された渦巻き状の空間である。第１羽根車１２で圧縮された冷媒は、流路５ｂを通じて、第１吐出空間１６ａから第２吸入空間１４ｂに直接的に導かれる。流路５ｂに中間冷却器が配置されている場合、冷媒は、中間冷却器において冷却された後、第２吸入空間１４ｂに導かれる。
【００４２】
モータ３０は、回転子３１及び固定子を含む。ケーシング５０は、モータ３０のケーシングを兼ねている。ケーシング５０の内部にモータ室３３が形成されている。詳細には、ケーシング５０の内部空間が複数の壁面によって区切られ、これにより、モータ室３３が形成されている。モータ室３３に回転子３１及びステータ３３が配置されている。回転子３１は、シャフト１０に固定されている。固定子は、ケーシング５０に固定されている。シャフト１０は、モータ室３３から突出している。
【００４３】
次に、モータ３０の構造を詳細に説明する。
【００４４】
図３に示すように、モータ３０において、固定子３２は、回転子３１の周囲に同心円状に配置されている。回転子３１と固定子３２との間には、隙間３７が形成されている。本実施形態において、モータ３０は、誘導モータである。回転子３１及び固定子３２は、それぞれ、円筒体の形状を有する。
【００４５】
固定子３２は、鉄心及び複数のコイルによって構成されている。複数のコイルは、それぞれ、鉄心に巻かれている。鉄心は、積層された複数の電磁鋼板で構成されている。固定子３２は、モータ室３３の内壁に固定されている。固定子３２の各コイルには、図示しないインバータによって所定の周波数の電圧が印加される。これにより、固定子３２の周りに磁界が生成される。磁界は、モータ３０の回転方向に周期的に移動する。
【００４６】
回転子３１は、鉄心３５及び複数の導体バー３４によって構成されている。鉄心３５は、積層された複数の電磁鋼板で構成されている。回転子３１は、円筒状の内周面３１ｑ及び円筒状の外周面３１ｐを有する。モータ３０の回転軸に垂直な断面において、回転子３１は、リングの形状を有する。導体バー３４は、アルミ、銅などの金属材料で作られている。各導体バー３４は、鉄心３５に埋め込まれている。複数の導体バー３４は、等角度間隔の配置をとっている。回転子３１の両端には円筒形のエンドリング（図３には表されていない）がそれぞれ取り付けられており、これらのエンドリングを介して、複数の導体バー３４が互いに短絡している。導体バー３４及びエンドリングによってカゴ状の電気回路が形成されている。回転子３１は、焼き嵌めによってシャフト１０に固定されており、回転子３１と固定子３２との間の電磁気的相互作用によって回転する。具体的には、固定子３２によって発生させられた磁界を受けて回転子３１の上記電気回路に誘導電流が流れる。鉄心３５によって磁界が生成され、この磁界と固定子３２の磁界とが引き付け合い、モータ３０の回転力が発生する。
【００４７】
シャフト１０は、シャフト本体１１及び複数のリブ３６を有する。シャフト本体１１は、円柱状の部分である。複数のリブ３６は、シャフト本体１１から半径方向の外向きに突出している線状の部分である。複数のリブ３６は、シャフト１０の長手方向に延びている。モータ３０の回転軸に垂直な横断面において、複数のリブ３６は、等角度間隔でシャフト本体１１の周りに配置されている。シャフト１０の半径方向において、リブ３６の外周面３６ｐが回転子３１の内周面３１ｑに接触している。これにより、回転子３１がシャフト１０に固定されている。複数のリブ３６は、シャフト本体１１と回転子３１との間にあり、回転子３１とシャフト本体１１とを接続する役割を担っている。
【００４８】
本実施形態において、複数のリブ３６は、シャフト本体１１と一体に形成されている。例えば、棒状の部材に切削加工を施すことによって、シャフト１０が得られる。ただし、複数のリブ３６を有する部材は、シャフト本体１１と別体の部材であってもよい。この場合、シャフト本体１１に複数のリブ３６を有する部材が嵌め合わされる。
【００４９】
モータ３０は、さらに、複数の第１流路３８及び複数の第２流路３９を有する。
【００５０】
複数の第１流路３８（軸方向流路）は、それぞれ、シャフト１０と回転子３１との間に設けられた流路であって、シャフト１０の周方向において互いに隣り合うリブ３６とリブ３６との間に存在している。第１流路３８は、シャフト本体１１、リブ３６、リブ３６及び回転子３１に囲まれている。第１流路３８もリブ３６と同じようにシャフト１０の長手方向に延びている。第１流路３８は、回転子３１の一端面の位置及び他端面の位置において、モータ室３３に向かって開口している。このような構造によれば、シャフト１０に回転子３１を強固に固定しながら、冷却ガスが流通可能な第１流路３８がシャフト１０と回転子３１との間に形成されうる。
【００５１】
複数の第２流路３９（半径方向流路）は、それぞれ、回転子３１の内周面３１ｑから回転子３１の外周面３１ｐに向かって回転子３１を貫通し、シャフト１０の半径方向において第１流路３８と隙間３７とを連通させている。複数の第２流路３９は、等角度間隔で回転子３１に設けられている。第１流路３８のそれぞれに第２流路３９が連通している。第２流路３９は、シャフト１０の回転軸に平行な方向（軸方向）における回転子３１の中央部に設けられている。第２流路３９にも冷却ガスが流通可能である。シャフト１０が回転すると、第２流路３９を通じて、第１流路３８から隙間３７に向かって冷却ガスが流れる。本実施形態では、１つの第１流路３８に第２流路３９が１つのみ連通している。ただし、１つの第１流路３８に複数の第２流路３９が連通していてもよい。前者の構成は、モータ３０の効率の観点で有利である。後者の構成は、モータ３０の冷却の観点で有利である。さらに、複数の第１流路３８から選ばれる一部の第１流路３８にのみ第２流路３９が連通していてもよい。例えば、シャフト１０の周方向において互いに隣り合う１組の第１流路３８の一方にのみ第２流路３９が連通していてもよい。
【００５２】
本実施形態によれば、リブ３６の外周面３６ｐが回転子３１の内周面３１ｑに接し、これにより、回転子３１がシャフト１０に固定されている。回転子３１とシャフト１０との間の接触面積が小さいので、回転子３１の熱がシャフト１０に伝わりにくい。
【００５３】
本実施形態によれば、シャフト１０の半径方向に関する第２流路３９の長さを十分に確保することができる。この場合、より大きい体積の冷却ガスに遠心力が働くので、第２流路３９の出口における圧力が高まり、回転子３１と固定子３２との間の隙間３７に流入する冷却ガスの流量が増加する。そのため、モータ３０から冷却ガス（冷媒ガス）への放熱量も増加する。
【００５４】
本実施形態によれば、第１流路３８は、シャフト１０と回転子３１との間にある。この場合、回転子３１を軸方向に貫く通気穴を省くことができるので、回転子３１において磁束が飽和することが防止される。その結果、すべり損失が減少し、モータ３０の発熱が抑制される。もちろん、回転子３１を軸方向に貫く通気穴があってもよい。
【００５５】
以上に説明した複合的な効果により、モータ３０のシャフト１０から第１羽根車１２及び第２羽根車１３のそれぞれへの伝熱が抑制される。つまり、モータ３０から冷媒（作動流体）への伝熱が抑制される。その結果、圧縮効率の低下、潤滑性の低下なども抑制されうる。
【００５６】
図４に示すように、複数のリブ３６は、それぞれ、シャフト１０の長手方向にらせん状に延びている。詳細には、複数のリブ３６は、それぞれ、シャフト１０の回転方向Ｄ１と逆方向のねじれ角θにて、シャフト１０の長手方向にらせん状に延びている。同じように、複数の第１流路３８もシャフト１０の回転方向Ｄ１と逆方向のねじれ角θにて、シャフト１０の長手方向にらせん状に延びている。このような構成によれば、冷却ガスは、シャフト１０及び回転子３１の回転速度よりも十分に遅い旋回速度で第１流路３８のそれぞれに流入する。その後、複数のリブ３６の働きによって、冷却ガスの旋回速度は、回転子３１の回転速度まで加速される。複数のらせん状のリブ３６によって、冷却ガスは、旋回方向だけでなく、軸方向にも加速される。その結果、第１流路３８における冷却ガスの流量が増加する。
【００５７】
また、らせん状の第１流路３８は、シャフト１０の軸方向に冷却ガスを圧送するポンプとして働く。このことも、第１流路３８における冷却ガスの流量を増加させる。直線状のリブと比較して、らせん状のリブ３６の表面積は大きい。したがって、らせん状のリブ３６は、第１流路３８の冷却性能を向上させる。また、第１流路３８の冷却性能を維持しつつ、らせん状のリブ３６を太くすることができる。この場合、シャフト１０の剛性が高まるので、第１羽根車１２とケーシング５０との間の隙間及び第２羽根車１３とケーシング５０との間の隙間を狭めることができる。これらの隙間を狭めることによって、冷媒の漏れ流れを減らすことができるので、圧縮機３の効率が向上する。
【００５８】
もちろん、複数のリブ３６がらせん状であることは必須ではない。複数のリブ３６は、シャフト１０の回転軸に平行に延びていてもよい。つまり、リブ３６が直線状であってもよい。
【００５９】
図４において、「シャフト１０の回転方向Ｄ１と逆方向のねじれ角θ」は、以下の方法で定義される角度である。まず、第１流路３８における冷却ガスの流れ方向の上流側におけるリブ３６の端部を基準位置Ｐと定義する。基準位置Ｐを始点とし、モータ室３３における冷却ガスの流れ方向（隙間３７における冷却ガスの流れ方向）に平行な線分Ｌ１を定義する。シャフト１０の展開平面図において、線分Ｌ１とリブ３６の中心線とのなす角度を「ねじれ角θ」と定義することができる。基準位置Ｐからリブ３６がシャフト１０の回転方向Ｄ１と逆方向に延びているとき、ねじれ角θは、シャフト１０の回転方向Ｄ１と逆方向のねじれ角でありうる。
【００６０】
図５に示すように、ケーシング５０の内部空間であるモータ室３３は、第１空間４３及び第２空間４４を含む。回転子３１と固定子３２との間の隙間３７もモータ室３３に含まれる空間である。第１空間４３は、シャフト１０の長手方向における回転子３１の一端に隣接している。第２空間４４は、シャフト１０の長手方向における回転子３１の他端に隣接している。複数の第１流路３８は、第１空間４３及び第２空間４４のそれぞれに開口している。このような構造によれば、冷却ガスが隙間３７及び第１流路３８にスムーズに導入される。
【００６１】
本実施形態によれば、冷凍サイクル装置１００の冷媒がモータ３０の冷却ガスとして使用されている。そのため、特別なシール構造が必要とされない。
【００６２】
第１空間４３には、冷却ガス路８の高圧部分８ａが接続されている。図１を参照して説明したように、高圧部分８ａは、凝縮器４に接続されている。高圧部分８ａには、相対的に高い第１の圧力を有する冷媒が流れる。第２空間４４には、冷却ガス路８の低圧部分８ｂが接続されている。低圧部分８ｂは、蒸発器２に接続されている。低圧部分８ｂは、第１の圧力よりも低い第２の圧力を有する冷媒が流れる。このような構成によれば、隙間３７、第１流路３８及び第２流路３９に冷却ガスとしての冷媒をスムーズに導入することができる。
【００６３】
図５において、一点鎖線は、冷媒ガスの流れを示している。冷媒ガスは、凝縮器４と蒸発器２との間の圧力差によって冷却ガス路８を流通する。次に、冷媒ガスは、冷却ガス路８の高圧部分８ａを通じて、凝縮器４からモータ室３３の第１空間４３に移動する。次に、冷媒ガスは、隙間３７、第１流路３８及び第２流路３９を通って、第１空間４３から第２空間４４へと流れる。最後に、冷媒ガスは、冷却ガス路８の低圧部分８ｂを通じて、モータ室３３の第２空間４４から蒸発器２に移動する。
【００６４】
モータ室３３において、冷媒ガスは、隙間３７を流通するとき、回転子３１及び固定子３２を冷却する。また、冷媒ガスは、第１流路３８を流通するとき、シャフト１０を冷却し、さらに、回転子３１の内側から回転子３１を冷却する。冷媒ガスは、第１空間４３と第２空間４４との間の圧力差によって第１流路３８に流入する。冷媒ガスの流れは、遠心力によって、第１流路３８から第２流路３９に分岐し、隙間３７に向かって冷媒ガスが圧送される。その結果、隙間３７における冷媒ガスの流量が増加する。回転子３１の中央部は、回転子３１の中で最も高い温度を帯びる部分である。同様に、固定子３２の中央部は、固定子３２の中で最も高い温度を帯びる部分である。第２流路３９によれば、それら中央部を特に効率的に冷却できる。
【００６５】
以下、冷凍サイクル装置１００及びモータ３０のいくつかの変形例について説明する。
【００６６】
本開示にかかるターボ圧縮機は、遠心圧縮機に限定されず、軸流圧縮機、斜流圧縮機などの他のターボ圧縮機であってもよい。少ない段数で高い圧縮比を得る必要がある用途には遠心圧縮機が適している。大流量の作動流体を圧縮する必要がある用途には軸流圧縮機又は斜流圧縮機が適している。
【００６７】
本実施形態によれば、シャフト１０の軸方向において、モータ３０、羽根車１２（又は１３）及び軸受２０（又は２１）がこの順番でシャフト１０に固定されている。ただし、羽根車１２（又は１３）の位置と軸受２０（又は２１）の位置が入れ替わってもよい。また、シャフト１０の軸方向において、モータ３０、第１軸受２０、羽根車１２及び第２軸受２１がこの順番でシャフト１０に固定されていてもよい。さらに、モータ３０の片側にのみ羽根車及び軸受が配置されていてもよい。羽根車の数及び配置は特に限定されない。軸受の数及び配置も特に限定されない。
【００６８】
第１軸受２０及び第２軸受２１は、すべり軸受に限定されず、玉軸受、コロ軸受などの他の軸受であってもよい。
【００６９】
本実施形態において、シャフト本体１１に接する側におけるリブ３６の幅（シャフト１０の周方向における幅）は、回転子３１に接する側におけるリブ３６の幅に概ね等しい。しかし、シャフト１０の軸方向に垂直な断面において、シャフト１０は、歯車の断面形状を有していてもよい。つまり、シャフト本体１１に接する側におけるリブ３６の幅が、回転子３１に接する側におけるリブ３６の幅を上回っていてもよい。このような構造によれば、回転子３１とシャフト１０との間の接触面積が減少し、回転子３１からシャフト１０への伝熱をさらに抑制することができる。また、太さが増えることによるリブ３６の剛性も向上する。
【００７０】
冷凍サイクル装置１００は、凝縮器４の内部空間を冷却するための冷却器をさらに備えていてもよい。冷却器は、例えば、冷却用の熱媒体を流すための配管又はペルティエ素子によって構成されうる。凝縮器４の内部に冷却器が配置されている場合、冷媒ガスなどの冷却ガスが凝縮器４の周囲の熱を吸収することを防止するために、凝縮器４の外周面が断熱材で覆われている、又は、凝縮器４が断熱構造を有していることが望ましい。これにより、冷却ガスを確実に冷却できる。
【００７１】
冷凍サイクル装置１００は、流路５ｂに配置された中間冷却器をさらに備えていてもよい。中間冷却器は、例えば、シェルチューブ熱交換器を含む。シェルチューブ熱交換器のチューブに冷却用の熱媒体（水などの液体）が流れ、シェルの内部に冷媒蒸気が流れる。
【００７２】
冷却ガス路８の高圧部分８ａは、上記した中間冷却器の出口から分岐していてもよい。第１羽根車１２で圧縮された冷媒ガスが中間冷却器で冷却されている場合、中間冷却器の出口において、冷媒ガスの温度は比較的低い。したがって、中間冷却器の出口に存在する冷媒ガスは、モータ３０の冷却に適している。水を冷凍サイクル装置１００の冷媒として使用した場合、凝縮器４において、冷媒ガスは、例えば、３５℃の温度及び６ｋＰａの圧力を有する。中間冷却器の出口において、冷媒ガスは、例えば、２０℃の温度及び３ｋＰａの圧力を有する。
【００７３】
冷凍サイクル装置１００は、冷房暖房切り替え可能な空気調和装置であってもよい。この場合、室内に配置された室内熱交換器及び室外に配置された室外熱交換器のそれぞれが四方弁を介して蒸発器２及び凝縮器４のそれぞれに接続されている。冷房運転のとき、室内熱交換器が吸熱用の熱交換器６２として機能し、室外熱交換器が放熱用の熱交換器７２として機能する。暖房運転のとき、室内熱交換器が放熱用の熱交換器７２として機能し、室外熱交換器が吸熱用の熱交換器６２として機能する。
【００７４】
冷凍サイクル装置１００は、チラーであってもよい。熱交換器６２は、冷媒の吸熱によって空気以外の気体又は液体を冷却してもよい。熱交換器７２は、冷媒の放熱によって空気以外の気体又は液体を加熱してもよい。熱交換器６２及び熱交換器７２は、間接式の熱交換器である限り、特に限定されない。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本明細書に開示された技術は、作動流体を吸入及び圧縮するターボ機械に特に有用である。具体的に、本明細書に開示された技術は、家庭用又は業務用の空気調和装置、チラー、ヒートポンプ給湯器などに有用である。また、本明細書に開示された技術は、産業用製氷装置、冷凍冷蔵装置などの大型の冷凍サイクル装置にも適用されうる。さらに、本明細書に開示された技術は、プラント、大型船舶などに使用できる空気圧縮装置にも有用である。空気圧縮装置は、空圧機械の動力源、又は、クリーンルームのための空気清浄装置の圧縮空気の供給源として使用されうる。本明細書に開示された技術は、作動流体を膨張させる膨張タービンの発電機にも適用可能である。
【符号の説明】
【００７６】
２  蒸発器（低圧側貯留槽）
３  圧縮機
４  凝縮器（高圧側貯留槽）
１０  シャフト
１２  第１羽根車
１３  第２羽根車
３０  モータ
３１  回転子
３２  固定子
３３  モータ室
３６  リブ
３７  隙間
３８  第１流路
３９  第２流路
４３  第１空間
４４  第２空間
５０  ケーシング
１００  冷凍サイクル装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2018068021.tif 000007
【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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