JP2004150746A - スクリュ冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】構造の単純化、小型化、メンテナンスの負担軽減等を可能としたスクリュ冷凍装置を提供する。
【解決手段】スクリュ冷凍装置１は、スクリュ圧縮機１１、凝縮器１２、主膨張弁１３及び蒸発器１４を含む冷媒循環流路Ｉと、凝縮器１２を通過した冷媒を冷却手段の一例としてエコノマイザ１５Ａにより冷却した後、スクリュ圧縮機１１内の少なくとも中間圧力部に導くバイパス流路ＩＩＩとを備えた構成となっている。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スクリュ圧縮機を用いたスクリュ冷凍装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、スクリュ圧縮機を用いたスクリュ冷凍装置は公知である（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１−２７３８９４号公報（第２頁、左下段第４−１５行、第１
図）
【０００４】
スクリュ圧縮機は、ロータ間、ロータとロータ室の内壁面との間のシール、圧縮に伴う昇温部の冷却、潤滑等の目的でロータ室内に油を注入する油冷式のスクリュ圧縮機と、ロータ室内に油を注入せず、軸受部がロータ室からシールにより完全に遮断され、雌雄ロータ間の回転駆動力伝達のために同期歯車が用いられる無給油式のスクリュ圧縮機とに大別される。圧縮機本体自体の構造は油冷式のスクリュ圧縮機に比して、無給油式のスクリュ圧縮機の方がかなり複雑であり、同一吐出風量とした場合、油冷式のスクリュ圧縮機に比して無給油式のスクリュ圧縮機の方が複雑化した分だけ高価となる。また、油冷式のスクリュ圧縮機に比して無給油式のスクリュ圧縮機の方が、ロータ間の隙間、及びロータとロータ室の内壁面との間の隙間は大きく、この隙間を介して漏れるガス量も多い。それ故に、圧縮ガス中に潤滑油が含まれるのが許されず、クリーンな圧縮ガスのみが要求される特別な用途以外では、一般的に、油冷式のスクリュ圧縮機が用いられ、無給油式のスクリュ圧縮機が用いられることはない。
【０００５】
上記特許文献１に記載のスクリュ冷凍装置では、油冷式のスクリュ圧縮機が用いられ、スクリュ圧縮機に吸込まれた冷媒ガスは、ロータ室にて油の注入を受けつつ圧縮された後、油を伴ってスクリュ圧縮機から吐出される。このため、このスクリュ圧縮機からの圧縮された冷媒ガスから油を分離、回収する油分離回収器（オイルセパレータ）、回収された油を冷却する油冷却器（オイルクーラ）、そしてこの油を清浄化する油フィルタ（オイルストレーナ）、及びこれらを経由した油を再度上記ロータ室に導き、繰返し循環させる油流路が設けられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のスクリュ冷凍装置の場合、油分離回収器、油冷却器、油フィルタ及び油流路のための油用配管を要し、これらが装置全体の容積に占める割合は大きく、装置が嵩高となり、その設置スペースが大きくなるとともに、装置が複雑な構造になり、それだけ高コストのものになるのに加えて、メンテナンスに多大な負担が強いられる等の問題があった。
本発明は、斯る従来の問題をなくすことを課題としてなされたもので、構造の単純化、小型化、メンテナンスの負担軽減等を可能としたスクリュ冷凍装置を提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、第１発明は、スクリュ圧縮機、凝縮器、主膨張弁及び蒸発器を含む冷媒循環流路と、上記凝縮器を通過した冷媒を冷却手段により冷却した後、上記スクリュ圧縮機内の少なくとも中間圧力部に導くバイパス流路とを備えた構成とした。
【０００８】
第２発明は、第１の構成に加えて、上記冷却手段が、上記凝縮器と上記主膨張弁との間に設けられたエコノマイザである構成とした。
【０００９】
第３発明は、第１の構成に加えて、上記冷却手段が、上記凝縮器と上記主膨張弁との間に設けられたエコノマイザと上記蒸発器である構成とした。
【００１０】
第４発明は、第１の構成に加えて、上記冷却手段が、上記蒸発器である構成とした。
【００１１】
第５発明は、第１の構成に加えて、上記冷却手段が、上記冷媒循環流路とは別個に設けられ、この冷媒循環流路を循環する冷媒を利用しない冷却器である構成とした。
【００１２】
第６発明は、第１〜第４発明のいずれかの構成に加えて、上記冷却手段が、上記冷媒循環流路とは別個に設けられ、この冷媒循環流路を循環する冷媒を利用しない冷却器をも含む構成とした。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態を図面にしたがって説明する。
図１は本発明の第１実施形態に係るスクリュ冷凍装置１を示し、このスクリュ冷凍装置１には、互いに噛合う雌雄一対のスクリュロータを回転可能に収容した図示しないロータ室を有するスクリュ圧縮機１１、凝縮器１２、主膨張弁１３及び蒸発器１４を含む冷媒循環流路Ｉが設けられている。また、このスクリュ冷凍装置１は、凝縮器１２と主膨張弁１３との間に、凝縮器１２を通過した冷媒を冷却するためのエコノマイザ１５Ａを備えている。
【００１４】
エコノマイザ１５Ａは、主膨張弁１３との間にて冷媒循環流路Ｉから分岐したエコノマイザ流路ＩＩに介在する補助膨張弁１６と熱交換部１７とを有し、このエコノマイザ流路ＩＩは、スクリュ圧縮機１１内の中間圧力部、即ち吸込圧力と吐出圧力との間の圧力状態にあるロータ室に通じている。さらに、このスクリュ冷凍装置１には、エコノマイザ１５Ａと主膨張弁１３との間にて冷媒循環流路Ｉから分岐し、スクリュ圧縮機１１内の中間圧力部に至るバイパス流路ＩＩＩが設けられている。
【００１５】
斯かる構成により、スクリュ圧縮機１１により吸込まれたガス状態の冷媒は、エコノマイザ流路ＩＩ及びバイパス流路ＩＩＩから注入された冷媒とともに圧縮され、スクリュ圧縮機１１から凝縮器１２に吐出され、ここで熱交換により外部に熱を奪われ、冷却されて凝縮し、液状態となってエコノマイザ１５Ａを通過し、この冷媒の一部が冷媒循環流路Ｉからエコノマイザ流路ＩＩとバイパス流路ＩＩＩに分流する。
【００１６】
後述するように、エコノマイザ１５Ａの二次側における冷媒は過冷却されており、分流することなく冷媒循環流路Ｉに残った冷媒は、主膨張弁１３を通過し、この過程で断熱膨張により一部を残して気化して、気液混合状態で蒸発器１４に至る。さらに、この冷媒は蒸発器１４を通過する過程で熱交換により外部から熱を奪い、これにより液状態の冷媒も蒸発し、ガス状態になった冷媒が蒸発器１４からスクリュ圧縮機１１に送り出され、吸込まれる。
【００１７】
エコノマイザ流路ＩＩに分流した液状態の冷媒は、補助膨張弁１６にて断熱膨張して温度を下げるとともに、部分的に気化し、気液混合状態となって熱交換部１７を通過する過程で、冷媒循環流路Ｉ内の液状態の冷媒を過冷却し、その後、スクリュ圧縮機１１内の中間圧力部に注入される。
【００１８】
バイパス流路ＩＩＩに分流した液状態の冷媒は、エコノマイザ１５Ａにて過冷却されており、この状態でスクリュ圧縮機１１内の中間圧力部に導かれる。そして、この過冷却された液状態の冷媒により、ロータ間、ロータとロータ室の内壁面との間のシール及び潤滑を行うとともに、冷却された液状態の冷媒により、特に、液状態の冷媒が気化する際に周囲から気化熱を奪う作用によりロータ室内での圧縮作用に伴う昇温部を冷却する。やがて、バイパス流路ＩＩＩからの冷媒はロータ室内にて完全にガス状態になり、蒸発器１４からスクリュ圧縮機１１に吸込まれた冷媒及びエコノマイザ流路ＩＩからの冷媒とともに圧縮されて凝縮器１２に送り出され、この一旦一緒になったガス状態の冷媒は再度凝縮器１２を経て液状態になった後、エコノマイザ１５Ａに導かれ、以後、上記同様にして繰返し循環する。
【００１９】
このように、スクリュ冷凍装置１では、ロータ室内での上述したシール、潤滑及び冷却のために、従来のように潤滑油が用いられるのではなく、バイパス流路ＩＩＩからの冷却された液状態の冷媒が用いられている。このため、スクリュ冷凍装置１では、従来潤滑油を用いていた場合には、構造が複雑化するという面において、さらに装置全体の容積、設置面積の増大及びコスト上昇という面においてかなり大きな比重を占めていた油分離回収器、油冷却器、油フィルタ、これらの潤滑油用機器を含む潤滑油循環のための油用配管が一切不要となり、極めて単純なバイパス流路ＩＩＩがこれらにとって代わり、この結果潤滑油を用いた場合に負担となっていた潤滑油関連のメンテナンスも不要となっている。
【００２０】
なお、バイパス流路ＩＩＩの始点である分岐位置は、図１に示す例に限定するものでなく、エコノマイザ１５Ａと主膨張弁１３との間における冷媒循環流路Ｉの部分、及び補助膨張弁１６の一次側におけるエコノマイザ流路ＩＩの部分のいずれかの位置にあればよい。
また、エコノマイザ流路ＩＩがスクリュ圧縮機１１内の中間圧力部に通じる位置、及びバイパス流路ＩＩＩが上記中間圧力部に通じる位置についても、図１に示す例に限定するものでなく、両者が同じ位置であってもよく、エコノマイザ流路ＩＩよりもバイパス流路ＩＩＩの方がより吐出側にて上記中間圧力部に通じるようにしてもよい。
【００２１】
図２は、本発明の第２実施形態に係るスクリュ冷凍装置２を示し、図１に示すスクリュ冷凍装置１と互いに共通する部分については、同一番号を付して説明を省略する。
このスクリュ冷凍装置２では、バイパス流路ＩＩＩは凝縮器１２とエコノマイザ１５Ａとの間にて冷媒循環流路Ｉから分岐しており、蒸発器１４を熱交換可能に通過して、上記中間圧力部に至っている。
【００２２】
斯かる構成により、凝縮器１２を通過した液状態の冷媒の内、主膨張弁１３に向かう冷媒はエコノマイザ１５Ａで冷却され、バイパス流路ＩＩＩに分流した冷媒は蒸発器１４にて冷媒循環流路Ｉ内の冷媒の気化熱として熱を奪われ、冷却されて上記中間圧力部に注入される。即ち、バイパス流路ＩＩＩ用の冷却手段としてエコノマイザ１５Ａに代えて、蒸発器１４が利用されている。そして上記同様に、この場合も、冷媒が液状態で注入されることによりロータ室内での潤滑及びシールがなされ、冷却された液状態の冷媒によりロータ室内における加熱部の冷却が効率よく行われ、潤滑油及びその使用のために要していた種々の構成、メンテナンス等が一切不要となる。
【００２３】
また、このスクリュ冷凍装置２においても、エコノマイザ流路ＩＩがスクリュ圧縮機１１内の中間圧力部に通じる位置、及びバイパス流路ＩＩＩが上記中間圧力部に通じる位置についても、図２に示す例に限定するものでなく、両者が同じ位置であってもよく、エコノマイザ流路ＩＩよりもバイパス流路ＩＩＩの方がより吐出側にて上記中間圧力部に通じるようにしてもよい。
【００２４】
図３は、本発明の第３実施形態に係るスクリュ冷凍装置３を示し、図１に示すスクリュ冷凍装置１と互いに共通する部分については、同一番号を付して説明を省略する。
このスクリュ冷凍装置３では、バイパス流路ＩＩＩはエコノマイザ１５Ａと主膨張弁１３との間にて、冷媒循環流路Ｉから分岐し、蒸発器１４を熱交換可能に通過した後、上記中間圧力部に至っており、バイパス流路ＩＩＩにおける冷媒を冷却するためにエコノマイザ１５Ａと蒸発器１４とが利用されている。
【００２５】
斯かる構成により、上記中間圧力部に注入される液状態の冷媒はより一層冷却され、ロータ室内で上述した潤滑及びシールの他、より一層効率よくロータ室内での加熱部の冷却がなされる。そして、潤滑油が不要となることによる上述した種々の利点がもたらされる。
【００２６】
なお、この場合も、バイパス流路ＩＩＩの始点である分岐位置は、図３に示す例に限定するものでなく、エコノマイザ１５Ａと主膨張弁１３との間における冷媒循環流路Ｉの部分、及び補助膨張弁１６の一次側におけるエコノマイザ流路ＩＩの部分のいずれかの位置にあればよい。
また、上記同様に、エコノマイザ流路ＩＩがスクリュ圧縮機１１内の中間圧力部に通じる位置、及びバイパス流路ＩＩＩが上記中間圧力部に通じる位置についても、図３に示す例に限定するものでなく、両者が同じ位置であってもよく、エコノマイザ流路ＩＩよりもバイパス流路ＩＩＩの方がより吐出側にて上記中間圧力部に通じるようにしてもよい。
【００２７】
図４は、本発明の第４実施形態に係るスクリュ冷凍装置４を示し、図１に示すスクリュ冷凍装置１とは、エコノマイザ１５Ａに代えてエコノマイザ１５Ｂを採用した点を除き、他は実質的に同一であり、互いに共通する部分については、同一番号を付して説明を省略する。
このスクリュ冷凍装置４では、エコノマイザ流路ＩＩは凝縮器１２とエコノマイザ１５Ｂとの間にて冷媒循環流路Ｉから分岐し、補助膨張弁１６を経て、熱交換部１７を通過し、スクリュ圧縮機１１内の中間圧力部に至っている。
【００２８】
このエコノマイザ１５Ｂとエコノマイザ１５Ａとは、エコノマイザ流路ＩＩの冷媒循環流路Ｉからの分岐位置が異なるだけで、機能的には実質的に同じであり、バイパス流路ＩＩＩにはエコノマイザ１５Ｂで冷却された液状態の冷媒が冷媒循環流路Ｉから分流してくる。
そして、斯かる構成により、このスクリュ冷凍装置４についても、スクリュ冷凍装置１について上述した種々の利点がもたらされる。
【００２９】
図５は、本発明の第５実施形態に係るスクリュ冷凍装置５を示し、図２に示すスクリュ冷凍装置２とは、エコノマイザ１５Ａに代えてエコノマイザ１５Ｂを採用した点を除き、他は実質的に同一であり、互いに共通する部分については、同一番号を付して説明を省略する。
このスクリュ冷凍装置５についても、上述したように、機能的には実質的にエコノマイザ１５Ａと同じエコノマイザ１５Ｂを用いているだけで、スクリュ冷凍装置２について上述した種々の利点がもたらされる。
【００３０】
図６は、本発明の第６実施形態に係るスクリュ冷凍装置６を示し、図３に示すスクリュ冷凍装置３とは、エコノマイザ１５Ａに代えてエコノマイザ１５Ｂを採用した点を除き、他は実質的に同一であり、互いに共通する部分については、同一番号を付して説明を省略する。
このスクリュ冷凍装置６についても、上述したように、機能的には実質的にエコノマイザ１５Ａと同じエコノマイザ１５Ｂを用いているだけで、スクリュ冷凍装置３について上述した種々の利点がもたらされる。
【００３１】
図７は、本発明の第７実施形態に係るスクリュ冷凍装置７を示し、図２に示すスクリュ冷凍装置２と互いに共通する部分については、同一番号を付して説明を省略する。
このスクリュ冷凍装置７では、エコノマイザ１５Ａおよび１５Ｂは省かれており、凝縮器１２を通過した液状態の冷媒の一部を冷媒循環流路Ｉからバイパス流路ＩＩＩに分流させ、残りの冷媒を主膨張弁１３に導き、分流させた冷媒を蒸発器１４にて冷却するようになっている。
斯かる構成によっても、スクリュ圧縮機１１内の中間圧力部に冷却された液状態の冷媒が注入され、ロータ室内での潤滑及びシールがなされるとともに、ロータ室内における加熱部の冷却が行われ、潤滑油が不要となる。そして、この結果、潤滑油を使用しないことによる上述した種々の利点がもたらされる。
【００３２】
図８は、本発明の第８実施形態に係るスクリュ冷凍装置８を示し、図７に示すスクリュ冷凍装置７と互いに共通する部分については、同一番号を付して説明を省略する。
このスクリュ冷凍装置８でも、エコノマイザ１５Ａおよび１５Ｂは省かれており、凝縮器１２を通過した液状態の冷媒の一部を冷媒循環流路Ｉからバイパス流路ＩＩＩに分流させ、残りの冷媒を主膨張弁１３に導いている。そして、分流させた冷媒を、蒸発器１４に代えて、冷媒循環流路Ｉ中の冷媒を利用しない冷却器１８により冷却するようになっている。なお、図８では、冷却器１８は冷却用ファン１９を用いた空冷式のものを例示しているが、本発明はこれに限定するものでなく、冷却器１８は冷却水を用いた水冷式のものであってもよい。
斯かる構成によっても、スクリュ冷凍装置７の場合と同様、潤滑油を使用しないことによる上述した種々の利点がもたらされる。
【００３３】
なお、上述したスクリュ冷凍装置１及び４のバイパス流路ＩＩＩに冷却器１８を適用してもよく、上述したスクリュ冷凍装置２，３，５及び６のバイパス流路ＩＩＩに冷却器１８を、蒸発器１４に代えて、或いは蒸発器１４に加えて適用してもよく、本発明はこれらの各実施形態に冷却器１８を適用した装置も含むものである。言うまでもなく、冷却器１８は空冷式、水冷式のいずれのタイプであってもよい。
【００３４】
ところで、スクリュ圧縮機１１における軸受・軸封部については、潤滑及びシールのために要する液体の量は上記ロータ室に導く冷媒の量に比してはるかに少なく、この軸受・軸封部用にバイパス流路ＩＩＩからの冷媒の一部を導くようにしてもよく、潤滑を必要としない軸受を用いてもよい。特に、吸込み側の軸受・軸封部に冷却された冷媒を供給することは、これによりこの軸受・軸封部からスクリュ圧縮機１１の吸込口に漏出した冷媒による吸込み効率の低下を極力抑えることができるという点で好ましい。本発明が上述したように、バイパス流路ＩＩＩからの冷媒の一部を導くようにした装置をも含むことは言うまでもない。
【００３５】
さらに、スクリュ圧縮機１１は、一段の圧縮機本体だけを備えたものに限定するものでなく、直列配置された複数段の圧縮機本体を備えたものも含み、吸込圧力と吐出圧力との間の中間圧力という場合における吸込圧力は一段目の圧縮機本体の吸込圧力を意味し、吐出圧力は最終段の圧縮機本体の吐出圧力を意味している。即ち、この複数段の圧縮機本体については、バイパス流路ＩＩＩからの冷媒を蒸発器１４を経由してきた冷媒に合流させる位置は、一段目の圧縮機本体の吸込口と最終段の圧縮機本体の吐出口との間であればよい。
【００３６】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、本発明によれば、スクリュ圧縮機、凝縮器、主膨張弁及び蒸発器を含む冷媒循環流路と、上記凝縮器を通過した冷媒をエコノマイザ、蒸発器、或いは循環冷媒を利用しない冷却器等の冷却手段により冷却した後、上記スクリュ圧縮機内の少なくとも中間圧力部に導くバイパス流路とを備えた構成としてある。
【００３７】
このように、ロータ室内での上述したシール、潤滑及び冷却のために、従来のように潤滑油ではなく、バイパス流路からの冷却された液状態の冷媒が用いられているため、従来潤滑油を用いていた場合には、構造の複雑化、及び装置全体の容積、設置面積の増大及びコスト上昇という面においてかなり大きな比重を占めていた油分離回収器、油冷却器、油フィルタ、これらの潤滑油用機器を含む潤滑油循環のための油用配管が一切不要となり、極めて単純なバイパス流路がこれらにとって代わり、装置全体の構造が簡素化され、かつコンパクトになるとともに、潤滑油を用いた場合に負担となっていた潤滑油関連のメンテナンスも不要となる等、種々の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るスクリュ冷凍装置の全体構成を示す図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係るスクリュ冷凍装置の全体構成を示す図である。
【図３】本発明の第３実施形態に係るスクリュ冷凍装置の全体構成を示す図である。
【図４】本発明の第４実施形態に係るスクリュ冷凍装置の全体構成を示す図である。
【図５】本発明の第５実施形態に係るスクリュ冷凍装置の全体構成を示す図である。
【図６】本発明の第６実施形態に係るスクリュ冷凍装置の全体構成を示す図である。
【図７】本発明の第７実施形態に係るスクリュ冷凍装置の全体構成を示す図である。
【図８】本発明の第８実施形態に係るスクリュ冷凍装置の全体構成を示す図である。
【符号の説明】
１〜８ スクリュ冷凍装置
１１ スクリュ圧縮機
１２ 凝縮器
１３ 主膨張弁
１４ 蒸発器
１５Ａ，１５Ｂ エコノマイザ
１６ 補助膨張弁
１７ 熱交換部
１８ 冷却器
１９ 冷却用ファン
Ｉ 冷媒循環流路
ＩＩ エコノマイザ流路
ＩＩＩ バイパス流路

Claims (6)

1. スクリュ圧縮機、凝縮器、主膨張弁及び蒸発器を含む冷媒循環流路と、上記凝縮器を通過した冷媒を冷却手段により冷却した後、上記スクリュ圧縮機内の少なくとも中間圧力部に導くバイパス流路とを備えたことを特徴とするスクリュ冷凍装置。
2. 上記冷却手段が、上記凝縮器と上記主膨張弁との間に設けられたエコノマイザであることを特徴とする請求項１に記載のスクリュ冷凍装置。
3. 上記冷却手段が、上記凝縮器と上記主膨張弁との間に設けられたエコノマイザと上記蒸発器であることを特徴とする請求項１に記載のスクリュ冷凍装置。
4. 上記冷却手段が、上記蒸発器であることを特徴とする請求項１に記載のスクリュ冷凍装置。
5. 上記冷却手段が、上記冷媒循環流路とは別個に設けられ、この冷媒循環流路を循環する冷媒を利用しない冷却器であることを特徴とする請求項１に記載のスクリュ冷凍装置。
6. 上記冷却手段が、上記冷媒循環流路とは別個に設けられ、この冷媒循環流路を循環する冷媒を利用しない冷却器をも含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のスクリュ冷凍装置。

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