JP2006329557A

JP2006329557A - スクリュ冷凍装置

Info

Publication number: JP2006329557A
Application number: JP2005155862A
Authority: JP
Inventors: Noboru Tsuboi; 昇壷井
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2005-05-27
Filing date: 2005-05-27
Publication date: 2006-12-07
Also published as: CN100410596C; KR20060122699A; KR100724655B1; CN1869550A

Abstract

【課題】構造の簡素化、冷凍能力の向上を可能としたスクリュ冷凍装置を提供する。
【解決手段】スクリュ圧縮機１１、凝縮器１２、エコノマイザ１３、主膨張弁１４及び蒸発器１５を含む冷媒の循環流路Ｌ１と、循環流路Ｌ１から分流した冷媒を、補助膨張弁１３ａを経由させた後、循環流路Ｌ１の冷媒と熱交換させるエコノマイザ１３における過冷却流路Ｌ２からスクリュ圧縮機１１を駆動するモータ１１ｃの冷却ジャケット２３の流入口２３ａに至るエコノマイザ流路Ｌ３と、冷却ジャケット２３の流出口２３ｂからスクリュ圧縮機１１内の中間圧力部３３に至るガス冷却流路Ｌ４と、ガス冷却流路Ｌ４に温度検出可能に設けられ、温度に基づき、補助膨張弁１３ａの開度を調節し、エコノマイザ流路Ｌ３では冷媒を気液混合状態とし、ガス冷却流路Ｌ４では冷媒を気体状態とする感温筒１７とを備えた構成としてある。
【選択図】図１

Description

本発明は、スクリュ圧縮機及びエコノマイザを用いたスクリュ冷凍装置に関するものである。

従来、スクリュ圧縮機及びエコノマイザ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１〜５参照。）。
特開平７−１８０９１７号公報特開２０００−１７９４８６号公報特開２０００−２２０８９３号公報特開２００１−２２７８３０号公報特許第２９７４９７４号公報

特許文献１には、エコノマイザで冷却された冷媒が、スクリュ圧縮機内の吸込口及び吐出口の間で、これらのいずれにも連通しない中間圧力部に導かれる一方、このエコノマイザから第一膨張弁を経て蒸発器に至る冷媒の循環流路におけるこの第一膨張弁の手前で分流させられた冷媒が別の第二膨張弁を経て、スクリュ圧縮機を駆動するモータ内に導かれ、このモータを通過した後、上記中間圧力部に導かれる半密閉型のスクリュ冷凍装置が開示されている。

特許文献２〜４には、エコノマイザで冷却された冷媒が、スクリュ圧縮機を駆動するモータの内部を経て、スクリュ圧縮機内の吸込口及び吐出口の間で、これらのいずれにも連通しない中間圧力部に導かれる半密閉型のスクリュ冷凍装置が開示されている。

特許文献５には、エコノマイザで冷却された冷媒が、スクリュ圧縮機を駆動するモータの内部を経て、スクリュ圧縮機内の吸込口に導かれる半密閉型のスクリュ冷凍装置が開示されている。

特許文献１〜４に記載のスクリュ冷凍装置の場合、特に特許文献２〜３において、軸シール手段１−８或いは軸封手段１−９として明記されているように、モータとスクリュ圧縮機との間の隔壁を貫く駆動軸の周囲に、エコノマイザからの冷媒が導入されるモータ内の空間からスクリュ圧縮機の吸込口への冷媒ガスの漏洩を防止するための軸シールが必ず必要となり、これにより構造が複雑になるという問題がある。もしも、この箇所でのシール作用が不十分で、上記冷媒ガスの漏洩が生じると、スクリュ圧縮機の性能が大幅に低下することになる。

また、特許文献１〜５に記載のスクリュ冷凍装置の場合、モータ内に液状態の冷媒を導入するとモータ内で多大な攪拌ロスが生じるという問題があるため、モータ内には、過熱状態の膨張したガス状態の冷媒が導入されることになる。この結果、冷凍能力が低下するという問題が生じる。

本発明は、斯か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、構造の簡素化、冷凍能力の向上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。

上記課題を解決するために、第一発明は、スクリュ圧縮機、凝縮器、エコノマイザ、主膨張弁及び蒸発器を含む冷媒の循環流路と、上記循環流路から分流した冷媒を、補助膨張弁を経由させた後、上記循環流路の冷媒と熱交換させる上記エコノマイザにおける過冷却流路から上記スクリュ圧縮機を駆動するモータの冷却ジャケットの流入口に至るエコノマイザ流路と、上記冷却ジャケットの流出口から上記スクリュ圧縮機内の吸込口及び吐出口の間で、これらのいずれにも連通しない中間圧力部に至るガス冷却流路と、このガス冷却流路に温度検出可能に設けられ、検出温度に基づき、上記補助膨張弁の開度を調節し、上記エコノマイザ流路では冷媒を気液混合状態とし、上記ガス冷却流路では冷媒を気体状態とする感温筒とを備えた構成とした。

第二発明は、第一発明の構成に加えて、上記スクリュ圧縮機におけるガス圧縮部が、直列配置された複数の圧縮機本体からなる構成とした。

第三発明は、第一発明の構成に加えて、上記スクリュ圧縮機におけるガス圧縮部が、単一の圧縮機本体からなる構成とした。

本発明に係るスクリュ冷凍装置によれば、エコノマイザからの冷媒をモータ内のロータ収容空間ではなく、これとは隔離された冷却ジャケットに導くようにしているため、上記ロータ収容空間からスクリュ圧縮機の吸込口への冷媒ガスの漏洩はなく、この漏洩を防止するための軸シールも不要となり、構造が簡素化される。また、冷却ジャケットに導くエコノマイザからの冷媒をロータの攪拌ロスを考慮する必要はなく、気体状態でなく、気液混合状態にすることができるため、蒸発器への冷媒を十分に冷却でき、冷凍能力を向上させることが可能になる等の効果を奏する。

次に、本発明の実施形態を図面にしたがって説明する。
図１〜３は、本発明に係る第一実施形態に係るスクリュ冷凍装置１を示し、ガス圧縮部が低圧段側の第一段圧縮機本体１１ａ及びこれに対して直列配置された高圧段側の第二段圧縮機本体１１ｂからなるスクリュ圧縮機１１と、凝縮器１２とエコノマイザ１３と、主膨張弁１４と、蒸発器１５とを含む冷媒の循環流路Ｌ１を備えている。このエコノマイザ１３は補助膨張弁１３ａと熱交換部１３ｂとを有するとともに、本実施形態においては、凝縮器１２と熱交換部１３ｂとの間の循環流路Ｌ１の部分から分岐させ、補助膨張弁１３ａを介して熱交換部１３ｂに至らせ、ここで循環流路Ｌ１と熱交換させる過冷却流路Ｌ２を有している。

蒸発器１５の二次側の循環流路Ｌ１の部分には、感温筒１６が温度検出可能に設けられ、この感温筒１６により、検出温度に基づき、スクリュ圧縮機１１に気体状態の冷媒が送り込まれるように主膨張弁１４の開度が調節される。なお、スクリュ圧縮機１１は、第一段圧縮機本体１１ａ及び第二段圧縮機本体１１ｂを駆動するモータ１１ｃを備え、追って詳述するように第一段圧縮機本体１１ａ、第二段圧縮機本体１１ｂ及びモータ１１ｃが一体的に組み立てられた半密閉型のものである。

また、スクリュ冷凍装置１には、過冷却流路Ｌ２から延設され、モータ１９の冷却のためにモータ１１ｃに導かれるエコノマイザ流路Ｌ３と、モータ１１ｃ内を冷却可能に通過した後、モータ１１ｃから延設され、スクリュ圧縮機１１内の吸込口及び吐出口の間で、これらのいずれにも連通しない中間圧力部に連通するガス冷却流路Ｌ４とが設けられている。さらに、ガス冷却流路Ｌ４には、温度検出可能に感温筒１７が設けられ、この感温筒１７により、検出温度に基づき、エコノマイザ流路Ｌ３では冷媒を気液混合状態とし、ガス冷却流路Ｌ４では冷媒を気体状態とするように補助膨張弁１３ａの開度が調節される。

図２を参照しつつ、スクリュ圧縮機１１についてさらに詳述する。
スクリュ圧縮機１１は、モーターケーシング２１と、これに一体結合され、このモーターケーシング２１とともに半密閉構造を形成する圧縮機本体ケーシング２２とを備えている。スクリュ圧縮機１１のモータ１１ｃは液冷タイプのもので、モーターケーシング２１の径方向外方に位置する外周部には、これを包囲する軸垂直断面が環状で、エコノマイザＬ３が接続する流入口２３ａ及びガス冷却流路Ｌ４が接続する流入口２３ｂが形成された冷却ジャケット２３が設けられている。

モーターケーシング２１内には、これとともにモータ１１ｃを形成する固定子２４及び回転子２５が収容され、圧縮機本体ケーシング２２内には互いに噛合う雌雄一対の第一段目スクリュロータ２６と第二段目スクリュロータ２７とが回転可能に収容されている。また、回転子２５の中心部の出力軸２８と第一段目スクリュロータ２６の一方のロータ軸２６ａとが一体的に形成され、このロータ軸２６ａと同軸の反対側に延びるロータ軸２６ｂは第二段目スクリュロータ２７の一方のロータ軸２７ａに結合され、第一段目スクリュロータ２６及び第二段目スクリュロータ２７は同期回転させられる。

また、モーターケーシング２１の内部と圧縮機本体ケーシング２２の内部とは隔壁２９により仕切られ、圧縮機本体ケーシング２２の一方に蒸発器１５からの冷媒が導かれる吸込口３１と他方に凝縮器１２に冷媒を送り出す吐出口３２とが形成されている。さらに、圧縮機本体ケーシング２２の内部における吸込口３１と吐出口３２との間で、これらのいずれにも連通しない中間圧力部３３に、例えば図２に示すように、中間圧力部３３の内の第一段目スクリュロータ２６と第二段目スクリュロータ２７との間の箇所にガス冷却流路Ｌ４が接続されている。

上記構成により、スクリュ圧縮機１１の吸込口３１から吸込まれたガス状態の冷媒は、ガス冷却流路Ｌ４から流入したガス状態の冷媒とともに圧縮され、スクリュ圧縮機１１から凝縮器１２に向けて吐出され、この凝縮器１２で高温熱源と熱交換して放熱の結果、冷却される。この結果、冷媒は凝縮し、凝縮器１２から液状態となってエコノマイザ１３に至り、循環流路Ｌ１と過冷却流路Ｌ２とに分流する。

過冷却流路Ｌ２に流入した液状態の冷媒は、補助膨張弁１３ａで絞り膨張させられ、熱交換部１３ｂで循環流路Ｌ１の冷媒を冷却した後、エコノマイザ流路Ｌ３によりモータ１１ｃの冷却ジャケット２３、正確には、冷却ジャケット２３の流入口２３ａに導かれる。なお、上述したように、ガス冷却流路Ｌ４には、温度検出可能に感温筒１７が設けられ、この感温筒１７により、検出温度に基づき、エコノマイザ流路Ｌ３では冷媒を気液混合状態となるように補助膨張弁１３ａの開度が調節されている。そして、この流入口２３ａから冷却ジャケット２３内に流入した気液混合状態の冷媒は、モータ１１ｃを冷却しつつ、流出口２３ｂに向かい、この流出口２３ｂからガス冷却流路Ｌ４を介して中間圧力部３３に導かれる。なお、感温筒１７によりガス冷却流路Ｌ４における冷媒が気体状態となるように補助膨張弁１３ａの開度が調節されている。

一方、凝縮器１２から過冷却流路Ｌ２に分流せずに循環流路Ｌ１に残った液状態の冷媒は、エコノマイザ１３の熱交換部１３ｂで上述のように冷却された後、主膨張弁１４を通過し、この過程で絞り膨張により気液混合状態となり、蒸発器１５に導かれる。さらに、この気液混合状態の冷媒は、蒸発器１５で低温熱源と熱交換して熱を奪い、蒸発して気体状態でスクリュ圧縮機１１の吸込口３１から吸い込まれ、ガス冷却流路Ｌ４からの気体状態の冷媒とともに圧縮されて凝縮器１２に送り出される。そして、以後、上記同様の繰り返しとなる。

このように、このスクリュ冷凍装置１では、エコノマイザ１３で循環流路Ｌ１の冷媒の冷却に供せられた冷媒をモータ１１ｃに導き、さらにその後中間圧力部３３に導くようにしてあるため、特許文献１のスクリュ冷凍装置におけるエコノマイザの二次側で分岐させ、第二膨張弁を介してモータに至らせた流路及びこの第二膨張弁の開度を調節するための感温筒等が不要となり、構造が簡素化されている。

また、スクリュ冷凍装置１の場合、エコノマイザ１３からの冷媒をモータ１１ｃの内部空間とは完全に隔離された冷却ジャケット２３に導いているため、この冷媒が上記内部空間からスクリュ圧縮機１１の吸込口３１に漏れることはなく、出力軸２８或いはロータ軸２６ａが隔壁２９を貫通する部分に軸シールを設ける必要がなく、さらに構造が簡素化される。

さらに、例えば、中間圧力部３３に導く気体状態の冷媒の中間圧力相当飽和温度を−１０℃とした場合、スクリュ冷凍装置１における冷凍サイクルは図４の圧力−エンタルピ線図上の実線で示すようになる。スクリュ冷凍装置１の場合、エコノマイザ１３の出口でのモータ１１ｃに向かう冷媒の温度を冷媒が気液混合状態となる値、例えば−１０℃にすることができ、中間圧力相当飽和温度が−１０℃の場合における補助膨張弁１３aを出た冷媒の蒸発過程を示す横方向の線分の延長線は、飽和液線と主膨張弁１４での膨張過程を示す縦方向の線分との交点Ｐを通っている。

一方、上述した特許文献２〜４のスクリュ冷凍装置のように、エコノマイザからモータ内のロータ収容空間に直接、冷媒を導くようにした場合の冷凍サイクルは、上述したスクリュ冷凍装置１の場合に比して、図４の圧力−エンタルピ線図上、二点鎖線で示すような差異がある。即ち、この従来のスクリュ冷凍装置の場合、エコノマイザの出口でのモータに向かう冷媒の温度は、冷媒が気体状態となる値、例えば−５℃でなければならず、上記交点Ｐでの温度に比して、この従来の場合での、上記交点Ｐに対応する交点での温度の方が５℃高くなる。この結果、スクリュ冷凍装置１の場合、上述した従来のスクリュ冷凍装置に比して、蒸発過程でのエンタルピの変化量がΔhだけ増大することになり、この分だけ冷凍能力が増大する。

さらにスクリュ冷凍装置１について、エコノマイザ１３を経て、モータ１１ｃの冷却に供される冷媒の状態変化を示すと図５に示すようになり、エコノマイザ１３の出口では、冷媒は気液混合状態となり、モータ１１ｃの冷却ジャケット２３の流出口２３ｂで気体状態となっている。従って、エコノマイザ１３においては、循環流路Ｌ１内の冷媒の冷却に有効な冷媒液は十分に存在している。

一方、上述した従来のスクリュ冷凍装置の場合、図６に示すように、冷媒はエコノマイザの出口の手前で完全に気体状態になり、ここからエコノマイザの出口に達する迄の、図６中”Ａ”で示す間に、図４にも示されるように、５℃だけ過熱状態となる。そして、このＡで示す領域では、循環流路中の冷媒に対する冷却作用は生じない。

図７は、本発明の第二実施形態に係るスクリュ冷凍装置２を示し、図７において、上述したスクリュ冷凍装置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、スクリュ圧縮機１１は、第１段圧縮機本体１１aとこれを駆動するモータ１１ｃからなり、単段で、半密閉型のものである。

そして、このスクリュ冷凍装置２についても、上記同様、構造が簡素化され、冷凍能力の向上が可能となっている。

図８は、図１及び図７に示すエコノマイザ１３とは別のタイプのエコノマイザ１３を示し、本発明はこのタイプのエコノマイザ１３を備えたスクリュ冷凍装置をも含むものである。

このエコノマイザ１３は、過冷却流路Ｌ２の循環流路Ｌ１からの分岐点をエコノマイザ１３の二次側にした点を除き、他は実質的に図１及び図７に示すエコノマイザ１３と同一であり、互いに共通する部分については同一番号を付してある。

ところで、中間圧力部３３は、図１においては、第一段圧縮機本体１１aと第二段圧縮機本体１１ｂとの間の中間流路として示されているが、本発明は、これに限定するものではない。即ち、中間圧力部３３は、スクリュ圧縮機１１の吸入口および吐出口の間で、これらのいずれにも連通しない中間圧力部、換言すれば、スクリュ圧縮機１１の吸込圧力と吐出圧力との間の中間圧力部であればよく、第一段圧縮機本体１１a或いは第二段圧縮機本体１１ｂのそれぞれの内部の歯溝空間であってもよい。

本発明の第一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１に示すスクリュ冷凍装置におけるスクリュ圧縮機の断面図である。図２のIII−III線断面図である。図１に示すスクリュ冷凍装置における冷凍サイクルの圧力−エンタルピ線図である。図１に示すスクリュ冷凍装置における過冷却流路、エコノマイザ流路からモータに至る冷媒の状態を示す図である。従来のスクリュ冷凍装置における過冷却流路及びエコノマイザ流路における冷媒の状態を示す図である。本発明の第二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。本発明に係るスクリュ冷凍装置における別の形態のエコノマイザを示す図である。

符号の説明

１，２スクリュ冷凍装置
１１スクリュ圧縮機
１１ａ第一段圧縮機本体
１１ｂ第二段圧縮機本体
１１ｃモータ
１２凝縮器
１３エコノマイザ
１３ａ補助膨張弁
１３ｂ熱交換部
１４主膨張弁
１５蒸発器
１６感温筒
１７感温筒
２１モーターケーシング
２２圧縮機本体ケーシング
２３冷却ジャケット
２３ａ流入口
２３ｂ流出口
２４固定子
２５回転子
２６第一段目スクリュロータ
２６ａ，２６ｂロータ軸
２７第二段目スクリュロータ
２７ａロータ軸
２８出力軸
Ｌ１循環流路
Ｌ２過冷却流路
Ｌ３エコノマイザ流路
Ｌ４ガス冷却流路

Claims

スクリュ圧縮機、凝縮器、エコノマイザ、主膨張弁及び蒸発器を含む冷媒の循環流路と、
上記循環流路から分流した冷媒を、補助膨張弁を経由させた後、上記循環流路の冷媒と熱交換させる上記エコノマイザにおける過冷却流路から上記スクリュ圧縮機を駆動するモータの冷却ジャケットの流入口に至るエコノマイザ流路と、
上記冷却ジャケットの流出口から上記スクリュ圧縮機内の吸込口及び吐出口の間で、これらのいずれにも連通しない中間圧力部に至るガス冷却流路と、
このガス冷却流路に温度検出可能に設けられ、検出温度に基づき、上記補助膨張弁の開度を調節し、上記エコノマイザ流路では冷媒を気液混合状態とし、上記ガス冷却流路では冷媒を気体状態とする感温筒とを備えたことを特徴とするスクリュ冷凍装置。
上記スクリュ圧縮機におけるガス圧縮部が、直列配置された複数の圧縮機本体からな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。
上記スクリュ圧縮機におけるガス圧縮部が、単一の圧縮機本体からな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。