JP2005264791A - ２段スクリュー圧縮機および冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ２段スクリュー圧縮機における容量制御を簡易な構成で行う。
【解決手段】 １段目の圧縮機１３のスライド弁２８の吸引側に配置され、スライド弁２８にロッド３４を介して接続されるピストン３２を有するシリンダ３０を備え、シリンダ３０内の吸引側のシリンダ室４１を吐出圧力Ｐ１が付与されるラインＬ１に固定弁４９を介して連結し、かつ、圧縮機１３の吐出圧力Ｐ３以下の圧力Ｐ２が付与されるラインＬ２に開閉弁５１を介して連結し、シリンダ３０内の吐出側のシリンダ室４２を、ラインＬ２に連結する。これにより、開閉弁５１を開くと、シリンダ室４１の圧力、およびシリンダ室４２の圧力が共に中間圧力Ｐ３以下の圧力Ｐ２になり、スライド弁２８の吐出側にかかる力の方が、ピストン３２の吸引側にかかる力よりも大きくなるので、スライド弁２８を良好に吸引側、つまり、容量増加側に移動させることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、互いに噛み合う雌雄のスクリューロータを備えた圧縮機を２台有し、一方の圧縮機で圧縮した冷媒を他方の圧縮機でさらに圧縮する２段スクリュー圧縮機、および、それを備えた冷凍装置に関する。

一般に、スクリュー式の圧縮機は、スクリューロータの外周の少なくとも一部を覆って軸方向に進退自在に設けられた容量制御用のスライド弁により、容量を制御するように構成されている（例えば、特許文献１参照）。例えば、スライド弁をスクリューロータの吐出側に前進させると、スクリューロータの軸方向に沿って形成される複数の圧縮室をスクリューロータの吸引口に連通する還流流路が開かれ、圧縮容量が低減する。逆に、スライド弁をスクリューロータの吸引側に後退させると圧縮容量が増大する。このスライド弁の駆動機構は、スライド弁をロッドを介してピストンシリンダのピストンに連結し、ピストンを挟む２つのシリンダ室に圧縮機の吐出圧力と吸引圧力を切り替えて供給することにより、スライド弁を前進または後退駆動するようにしている。

しかし、特許文献１のスライド弁の駆動機構によれば、２つのシリンダ室に供給する圧力を切り替える切替弁の構成が複雑になるという問題がある。

この点、特許文献２に記載されたスライド弁の駆動機構によれば、スライド弁に作用する押圧力を利用して、２つのシリンダ室に供給する圧力を切り替える機構を簡単化することが提案されている。すなわち、スライド弁は、一方の端部が圧縮機の吐出圧力室に臨ませて配置されているから、スライド弁の端面に作用する吐出圧力によりスライド弁はスクリューロータの吸引側に押圧される。そこで、２つのシリンダ室を圧縮機の吐出圧力に共通に連通しておき、スライド弁の押圧力を利用してスライド弁を進退いずれかの方向に駆動し、逆の方向に駆動するときは、スライド弁の押圧力と同一方向にピストンを駆動する側のシリンダ室を低圧源に切り替えるようにしている。

特開平１１−６３６９６号公報（第２図、第２−３頁参照） 特開平９−４２７８９号公報（第２図、第３頁参照）

しかしながら、２段スクリュー圧縮機の場合、１段目の圧縮機のスライド弁の吐出側の端面にかかる圧力が、２段スクリュー圧縮機の吐出圧力よりも低い中間圧力になる。したがって、特許文献２に記載の駆動機構を利用すると、２つのシリンダ室に供給される圧縮機の吐出圧力に対してスライド弁の押圧力が相対的に低下する。その結果、２つのシリンダ室に２段目の圧縮機の吐出圧力を作用させると、スライド弁の押圧力が不足してスライド弁を進退駆動できなくなる場合、あるいは進退が遅くなる場合があるなどの問題がある。

本発明は、２段スクリュー圧縮機のスライド弁の駆動機構の構成を簡単化でき、かつスライド弁を確実に進退させることを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、冷媒を圧縮する雌雄のスクリューロータを有する１段目の圧縮機と、この１段目の圧縮機から吐出される冷媒を圧縮する雌雄のスクリューロータを有する２段目の圧縮機と、１段目の圧縮機のスクリューロータの外周の少なくとも一部を覆って軸方向に進退自在に設けられた容量制御用のスライド弁と、このスライド弁の１段目の圧縮機の吸引側に配置されスライド弁にロッドを介して連結されたピストンとを有するシリンダとを備えた２段スクリュー圧縮機において、ピストンによりロッドの反対側に画成される第１のシリンダ室は、２段目の圧縮機の吐出圧力が付与される高圧源に流路抵抗を介して連通され、かつ１段目の圧縮機の吐出圧力以下の圧力が付与される低圧源に開閉弁を介して連通され、第１のシリンダ室のピストンの反対側に画成される第２のシリンダ室は、低圧源に連通されてなることを特徴とする。

このように構成することにより、開閉弁を開くと、第１のシリンダ室と第２のシリンダ室の圧力がともに１段目の圧縮機の吐出圧力（中間圧力）以下の圧力になる。この結果、スライド弁に作用する中間圧力に応じた押圧力は、ピストンに作用する力よりも大きくなる。これにより、スライド弁を中間圧力に応じた押圧力により後退させ、圧縮機の吸引側、つまり、圧縮容量の増加側に移動させることができる。一方、開閉弁を閉じると第１のシリンダ室の圧力が２段目の圧縮機の吐出圧力になり、第２のシリンダ室の圧力は、中間圧力以下の圧力に保持されているから、ピストンに作用する圧縮機の吐出圧力によりスライド弁を吐出側、つまり、圧縮容量の減少側に移動させることができる。したがって、スライド弁に作用する中間圧力に応じた押圧力を利用して、簡単な構成でスライド弁を前進および後退駆動させることができる。

この場合において、第２のシリンダ室も同様に、流路抵抗を介して高圧源に連通させ、かつ、開閉弁を介して低圧源に連通させることができる。これによれば、２段スクリュー圧縮機の容量を増加させるときに、第２のシリンダ室側の開閉弁を閉じれば、第２のシリンダ室内の圧力が吐出圧力にできるので、スライド弁を容量増加側に積極的に移動させることができる。

また、本発明の２段スクリュー圧縮機を有して形成される冷凍サイクルを用いて冷凍装置を構成する場合、２段スクリュー圧縮機から吐出される冷媒に含まれる潤滑油を分離する油分離器を設け、この油分離器により分離された潤滑油層を高圧源として用いる構成にできる。

本発明によれば、２段スクリュー圧縮機における容量制御を簡易な構成で行うことができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。図１は、本発明の２段スクリュー圧縮機の容量制御回路を示した拡大断面図である。図２は、本発明の２段スクリュー圧縮機を備えた冷凍装置を示す図である。図３は、本発明の２段スクリュー圧縮機の構成を示した断面図である。

冷凍装置は、図２に示すように、２段スクリュー圧縮機１を有して形成された冷凍サイクルを備えている。すなわち、２段スクリュー圧縮機１から吐出された冷媒は、油分離器であるオイルセパレータ３、凝縮器５、膨張弁７および蒸発器９を介して２段スクリュー圧縮機１に吸引されて循環するようになっている。オイルセパレータ３では、例えば鉱油などの潤滑油が冷媒から分離されて循環油層４が形成される。潤滑油層４の潤滑油は、ラインＬ１を介し、例えば、圧縮機１３の吸引側の軸受け、圧縮機１３の吐出側の軸受け、および圧縮機１４の吐出側の軸受けに供給されるようになっている。

２段スクリュー圧縮機１は、図３に示すように、ケーシング１１内に１段目の圧縮機１３と、２段目の圧縮機１４を備えている。圧縮機１３、１４は、それぞれ紙面に直交する方向に並んで配置された互いに噛み合う雌雄一対のスクリューロータを有して構成されている。このように噛み合う雌雄のスクリューロータによって軸方向に複数の圧縮室が形成され、スクリューロータが回転駆動することにより各圧縮室で圧縮が行われるようになっている。圧縮機１３、１４のスクリューロータの回転軸１７、１８は、それぞれモータ２０に連結されている。また、ケーシング１１には、吸引口２２と吐出口２４が設けられている。圧縮機１３は、吸引口２２から冷媒を吸込み、圧縮機１４側に吐出するようになっている。なお、紙面左側を吐出側、紙面右側を吸引側と称する。圧縮機１３から吐出される冷媒は、圧縮機１４の吸引側に導かれるようになっている。圧縮機１４は、吸込んだ冷媒を吐出口２４から吐出するようになっている。

スライド弁２８は、圧縮機１３のスクリューロータの外周の少なくとも一部を覆って軸方向に進退自在、すなわち、圧縮機１３の吐出側に前進、および吸引側に後退できるようになっている。吸引口２２には、還流流路２６が連通されている。スライド弁２８は、最も吸引側の位置で還流流路２６とスクリューロータとを遮断するようになっている。つまり、スライド弁２８を吸引側に後退させると、還流流路２６が閉じられて容量が増大することになる。逆に、スライド弁２８を吐出側に前進させることにより、圧縮機１３のスクリューロータの圧縮室と吸引口２２が還流流路２６によって連通され、２段スクリュー圧縮機の容量が減少することになる。

スライド弁２８は、ピストン機構により駆動されるようになっている。シリンダ３０は、スライド弁２８の吸引側に設けられている。シリンダ３０内にはピストン３２が摺動可能に設けられている。シリンダ３０のスライド弁２８側の壁に設けられた挿通孔３３にロッド３４が摺動可能に挿通されている。挿通孔３３とロッド３４の摺動面はシールされている。ロッド３４は、一端がスライド弁２８の吸引側の端面に連結され、他端がピストン３２に連結されている。なお、シリンダ３０内は、ピストン３２によりロッド３４の反対側に第１のシリンダ室４１が画成され、ロッド３４側に第２のシリンダ室４２が画成されている。第１のシリンダ室４１の吸引側の端部には、圧力媒体を通流させる通流孔４３、４４がそれぞれ形成されている。第２のシリンダ室４２には、挿通孔３３の縁に形成された段部４７を介してシリンダ室４２に連通する通流孔４５が設けられている。

通流孔４３は、図１に示すように、２段目の圧縮機１４の吐出圧力が付与される高圧源、例えば、ラインＬ１に流路抵抗である固定弁４９を介して接続されている。また、通流孔４５は、１段目の圧縮機１３の吐出圧力以下の圧力が付与される低圧源、例えば、圧縮機１３の吸引側に連通するラインＬ２に連通されている。通流孔４４は、開閉弁５１を介してラインＬ２に連結されている。

このように構成された２段スクリュー圧縮機の容量制御回路の動作について、冷凍装置の動作と合わせて説明する。まず、２段スクリュー圧縮機１が駆動すると、圧縮機１３で圧縮された冷媒が圧縮機１４でさらに圧縮されて吐出される。

このとき、２段スクリュー圧縮機１の吐出圧力はＰ１（例えば、１．６ＭＰａ）、吸引圧力はＰ２（例えば、０．０３〜０．１６ＭＰａ）となる。したがって、オイルセパレータ３内の潤滑油層４に連通されたラインＬ１の油圧は吐出圧力Ｐ１になる。一方、圧縮機１３の吸引側に連通されているラインＬ２の圧力は吸引圧力Ｐ２になる。また、圧縮機１３の吐出圧力、言い換えれば圧縮機１４の吸引圧力は、中間圧力Ｐ３（例えば、０．２〜０．６ＭＰａ）になる。

ところで、スライド弁２８を移動させる力は、スライド弁２８の吐出側の端面にかかる力Ａ、スライド弁２８の吸引側の端面にかかる力Ｂ、ピストン３２に第２のシリンダ室４２側からかかる力Ｃ、および、ピストン３２に第１のシリンダ室４１側からかかる力Ｄの４つである。このうち、スライド弁を吸引側に押す力はＡ＋Ｃであり、吐出側に押す力はＢ＋Ｄである。したがって、Ａ＋Ｃ＞Ｂ＋Ｄのとき、スライド弁２８は吸引側に後退、つまり容量増加側に移動し、Ａ＋Ｃ＜Ｂ＋Ｄのとき、スライド弁２８は吐出側に前進、つまり容量減少側に移動することになる。

ここで、スライド弁２８の断面積をＳｖ、ロッド３４の断面積をＳｒ、ピストン３２の面積をＳｐ、圧縮機１３の吐出圧力をＰａ、圧縮機１３の吸引圧力をＰｂ、シリンダ室４２の圧力をＰｃ、シリンダ室４１の圧力をＰｄとすると、Ａ＋Ｃ、Ｂ＋Ｄは、それぞれ次式（１）、および次式（２）に置き換えられる。また、各面積の関係は、Ｓｐ＞Ｓｖ＞Ｓｒである。

Ａ＋Ｃ＝ＳｖＰａ＋（Ｓｐ−Ｓｒ）Ｐｃ 式（１）
Ｂ＋Ｄ＝（Ｓｖ−Ｓｒ）Ｐｂ＋ＳｐＰｄ 式（２）

ここで、圧縮容量を減少させる場合、開閉弁５１を閉じる。これにより、シリンダ室４１の圧力ＰｄがＰ１になり、シリンダ室４２の圧力Ｐｃは吸引圧力Ｐ２になる。なお、圧縮機１３の吐出圧力ＰａはＰ３、吸引圧力ＰｂはＰ２である。ここで、Ｐ１＞Ｐ３＞Ｐ２であり、Ｓｐ＞Ｓｖであるので、Ａ＋ＣとＢ＋Ｄの関係は、次式（３）、（４）となる。次式（３）（４）では右辺が大きいので、スライド弁２８は吐出側に前進し、圧縮容量が減少する。

ＳｖＰ３＋（Ｓｐ−Ｓｒ）Ｐ２ ＜ （Ｓｖ−Ｓｒ）Ｐ２＋ＳｐＰ１ 式（３）
Ｓｖ（Ｐ３−Ｐ２） ＜ Ｓｐ（Ｐ１−Ｐ２） 式（４）

一方、圧縮容量を増加させる場合、開閉弁５１を開く。これにより、第１のシリンダ室４１内の潤滑油がラインＬ２を介して吸引圧力Ｐ２側に排出され、シリンダ室４１の圧力Ｐｄ、および第２のシリンダ室４２の圧力Ｐｃが吸引圧力Ｐ２になる。ここで、Ｐ３＞Ｐ２であるので、Ａ＋ＣとＢ＋Ｄの関係は、次式（５）、（６）となる。次式（５）（６）では、左辺が大きくなるので、スライド弁２８は吸引側に後退し、容量が増加する。

ＳｖＰ３＋（Ｓｐ−Ｓｒ）Ｐ２ ＞ （Ｓｖ−Ｓｒ）Ｐ２＋ＳｐＰ２ 式（５）
Ｓｖ（Ｐ３−Ｐ２） ＞ ０ 式（６）

このように、開閉弁５１を開くことで第１のシリンダ室４１および第２のシリンダ室４２が中間圧力Ｐ３以下になる。その結果、スライド弁２８に作用する中間圧力Ｐ３に応じた押圧力は、ピストン３２に作用する力よりも大きくなり、スライド弁２８を中間圧力に応じた押圧力により後退させ、圧縮容量の増加側に移動させることができる。

このように本実施形態によれば、スライド弁２８に作用する中間圧力に応じた押圧力を利用してスライド弁を前進および後退駆動させることができる。したがって、特許文献１のように、２つのシリンダ室に供給する圧力を交互に切り替える複雑な構成は不要となり、簡単な構成でスライド弁を前進および後退駆動させることができる。また、スライド弁に作用する中間圧力に応じた押圧力を利用してスライド弁を前進および後退駆動させることができるので、特許文献２のように、２段スクリュー圧縮機においてスライド弁の進退駆動に不具合を生じさせることもない。

以上の説明より明らかなように、本実施形態によればスライド弁を使用している２段スクリュー圧縮機を用いた冷凍装置の容量制御機構を比較的簡素な回路で実現できる。これにより従来では、困難と考えられていた、スライド弁を使用している２段スクリュー圧縮機に容量制御回路を組込むことが可能となり、冷凍装置組立ての作業量の低減を図ることが可能となる。

なお、本実施形態では、高圧源としてラインＬ１を介して潤滑油の油圧を用いたが、これに代えて、単に高圧側の冷媒圧力を用いてもよい。また、低圧源としてラインＬ２を介して圧縮機の吸引圧力Ｐ２を用いたが、これに代えて、中間圧力Ｐ３を用いることができる。

さらに、本実施形態では、２段スクリュー圧縮機１の容量を最大か最小のいずれかでしか制御できない構成について説明した。以下に、中間の容量で制御できる構成について説明する。なお、図１と同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

スライド弁２８で中間の容量を保つためには、シリンダ３０の中間位置にピストン３２を位置させておく必要がある。そこで、図４に示すように、シリンダ３０の中間位置に通流孔５３を設け、この通流孔５３を開閉弁５５を介してラインＬ２に接続する構成にする。そして、中間容量にするために、開閉弁５１を閉じ、開閉弁５５を開く。これにより、まず、ピストン３２が通流孔５３よりも吸引側に位置している場合、第１のシリンダ室４１がラインＬ１に連通して吐出圧力Ｐ１になり、ピストン３２を吐出側に前進させる。そして、ピストン３２が前進して、ピストン３２が通流孔５３よりも吐出側にくると、第１のシリンダ室４１内がラインＬ２に連通し吸引圧力Ｐ２になり、ピストン３２は吸引側に後退することになる。この結果、ピストン３２は、通流孔５３を設けた位置に留まることになり、圧縮機の容量を中間に維持できる。

また、図５に示すように、第２のシリンダ室４２も第１のシリンダ室４１と同様に、流路抵抗を介して高圧源に連通させ、かつ、開閉弁を介して低圧源に連通させることができる。具体的には、第２のシリンダ室４２に連通する通流孔５７を設け、通流孔５７を流路抵抗である固定弁４９を介して高圧源であるラインＬ１に連結し、かつ、通流孔４５とラインＬ２との間に開閉弁５９を設ける構成にできる。これによれば、スライド弁２８を容量増加側に移動させるとき、開閉弁５９を閉じることでシリンダ室４２を吐出圧力Ｐ１にすることができ、積極的にスライド弁２８を容量増加側に移動させることができる。

また、図５の場合も２段スクリュー圧縮機１の容量を最大か最小のいずれかでしか制御できない構成であるが、図６に示すように、スライド弁２８を中間に位置させることで中間の容量を確保することができる。具体的には、シリンダ３０の中間に通流孔６３を設け、通流孔６３を開閉弁６５を介してラインＬ２に接続する構成にする。これによれば、開閉弁５１、５９を閉じ、開閉弁６３を開くと、スライド弁２８が中間位置、すなわち、通流孔６３を設けた位置に留まることになり、圧縮機の容量を中間に維持できる。

また、本実施形態では、流路抵抗である固定弁４９を介して高圧源に接続する構成としたが、これに限らず、流路抵抗となるキャピラリやオリフィスなどを用いることができる。また、開閉弁５１、５５、５９、６５として、電磁弁を用いることができる。この電磁弁は、例えば制御装置により自動で制御することができる。

本発明の２段スクリュー圧縮機の容量制御回路を示した拡大断面図である。 本発明の２段スクリュー圧縮機を備えた冷凍装置を示す図である。 本発明の２段スクリュー圧縮機の構成を示した断面図である。 本発明の２段スクリュー圧縮機の容量制御回路の変形例である。 本発明の２段スクリュー圧縮機の容量制御回路の変形例である。 本発明の２段スクリュー圧縮機の容量制御回路の変形例である。

符号の説明

１ ２段スクリュー圧縮機
３ オイルセパレータ
１１ ケーシング
１３、１４ 圧縮機
２６ 還流流路
２８ スライド弁
３０ シリンダ
３２ ピストン
３４ ロッド
４１、４２ シリンダ室
４９ 固定弁
５１ 開閉弁
Ｌ１ ライン（高圧源）
Ｌ２ ライン（低圧源）

Claims (4)

1. 冷媒を圧縮する雌雄のスクリューロータを有する１段目の圧縮機と、該１段目の圧縮機から吐出される冷媒を圧縮する雌雄のスクリューロータを有する２段目の圧縮機と、前記１段目の圧縮機のスクリューロータの外周の少なくとも一部を覆って軸方向に進退自在に設けられた容量制御用のスライド弁と、該スライド弁の前記１段目の圧縮機の吸引側に配置され前記スライド弁にロッドを介して連結されたピストンを有するシリンダとを備えた２段スクリュー圧縮機において、
   前記ピストンにより前記ロッドの反対側に画成される第１のシリンダ室は、前記２段目の圧縮機の吐出圧力が付与される高圧源に流路抵抗を介して連通され、かつ前記１段目の圧縮機の吐出圧力以下の圧力が付与される低圧源に開閉弁を介して連通され、前記第１のシリンダ室の前記ピストンの反対側に画成される第２のシリンダ室は、前記低圧源に連通されてなることを特徴とする２段スクリュー圧縮機。
2. 前記２段スクリュー圧縮機の容量を増加させるときに前記開閉弁を開き、容量を低下させるときに前記開閉弁を閉じることを特徴とする請求項１に記載の２段スクリュー圧縮機。
3. 請求項１または２に記載の２段スクリュー圧縮機を有して形成される冷凍サイクルを備えた冷凍装置。
4. 請求項１または２に記載の２段スクリュー圧縮機を有して形成される冷凍サイクルと、前記２段スクリュー圧縮機から吐出される冷媒に含まれる潤滑油を分離する油分離器とを備えてなり、前記高圧源は前記油分離器により分離された潤滑油層であることを特徴とする冷凍装置。
   

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