JP2006509156A - 軸方向に摺動する容量制御弁を備えたスクリュー圧縮機 - Google Patents

Abstract

軸方向に延在する流体チャンバが両端に設けられた軸滑り弁を有するスクリュー圧縮機であって、一方のチャンバはばねを収容しかつ吸込圧力の作用を受け、他方のチャンバは固定ピストンと協働しかつ吐出し圧力などの作用を受け、それにより該滑り弁はばねと流体圧力を平衡させるように配置されることで圧縮容積を制御することができるスクリュー圧縮機。

Description

本発明は容積型圧縮機に関し、詳細には吸込圧力に対する吐出し圧力の比率を効率的に維持する滑り弁機構に関する。

空気調和及び冷蔵用途における容積型圧縮機は、通常、容量範囲にわたって操作されるため、効率的な運転を維持しなくてはならない場合には、動作を変更する必要がある。様々な容量になるよう、一定の増分あるいは連続的に容量の全範囲にわたって圧縮機の負荷を減少できるのが望ましい。同時に、システムの要求を満たすため、吸込圧力に対する吐出し圧力の比率、即ちＶ_iを効率的に維持することが望ましい。これらの様々な要求を満たすため、多数の個別の制御手段が使用されている。ヘリカル・スクリュー圧縮機においては、例えば、容量の制御は滑り弁を使用することによってこれまで達成されてきた。２つのロータの交差しているボアの間に形成されたハウジングのカスプ内に軸方向で摺動する滑り弁が設けられる。従って、滑り弁はそれぞれのボアの部分を規定するため、ハウジングの一体性を損なうだけではなく、複雑なデバイスにする。滑り弁は、ロータの軸に対して往復運動可能なように配置できるため、吸込容量部の閉鎖位置を変えることによって圧縮の開始を効率的に変えることができ、それにより閉じ込めて圧縮するガス量を制御することができる。軸方向滑り弁は又、ロータのボアの周囲において様々な位置に設けることができ、１つのボアのみを規定することができる。さらに、ロータ・ボアから転位した軸方向スロット弁が使用される。

軸方向滑り弁は、圧縮機の稼働中に流体圧力によって作動するよう、軸方向に延在する流体チャンバの両端部に設けられ、かつばねによって開位置又は無負荷位置に向かって常に付勢されてもよい。典型的には、ばねの力はチャンバのうちの１つ中の、吐出し圧力とは反対の吸込圧力、又は、潤滑油ポンプなどにより、固定ピストンによってシールされる、反対側のチャンバに与えられる圧力に伴って作用する。始動の際に平衡した流体圧力を用いることにより、ばねの付勢力は、滑り弁に対して最も低い圧縮機容量に相当する位置に配置されるよう作用し、それにより圧縮機の始動が容易になる。対向するチャンバ内において吐出し圧力又は潤滑油ポンプ圧力が増大し、弁に対して、弁が吸込圧力とばねの付勢力に対抗するよう移動させるように作用すると、それによってばねは圧縮されて弁は圧縮ガスを利用できる容量に増大させる。弁に対して作用する力の差は、弁の位置で決定され、それにより封じ込められる容量の程度、並びに圧縮機の圧送性能も決定される。流体チャンバが滑り弁内に設けられてばねと固定ピストンを配置するため、制御構造は極めてコンパクトである。

本発明の目的は、コンパクトな軸方向滑り弁機構を提供することにある。

本発明のさらなる目的は、空気調和用圧縮機の部分負荷運転のためのＶ_i制御を提供することにある。

本発明のまた別の目的は、始動時において圧縮機の負荷を自動的に減少させる手段を提供することにある。

本発明のさらに別の目的は、可変速度スクリュー圧縮機の最低限の必要回転速度を増大させことにある。

本発明のまた他の目的は、部分負荷のための差圧に関して最適なＶ_iに自動的に得ることにある。これらの目的は、以下の記載から明らかとなり、本発明によって達成される。

基本的に、軸方向滑り弁の両端にそれぞれ軸方向に延在する流体チャンバが設けられ、一方のチャンバはばねを収容しかつ吸込圧力の作用を受け、他方のチャンバは固定式ピストンと協働しかつ吐出し圧力などの作用を受け、それにより滑り弁がばねと流体圧力を平衡させるように配置されて圧縮機容量を調節することができる。

本発明を完全に理解するために、添付の図面と組み合わせて、以下の詳細な説明を参照する。

図１において、符号１０はツイン・スクリュー・ヘリカル圧縮機を示す。符号１１はむき出しにされた（ｕｎｗｒａｐｐｅｄ）雄ロータを示し、符号１２はむき出しにされた雌ロータを示している。軸方向吸込ポート１４が、圧縮機ハウジングの末端壁１５中に配置され、軸方向吐出しポート１６は、圧縮機ハウジングの末端壁１７中に配置される。斑点部分は、吸込ポート１４から切り離された地点から始まり、軸方向吐出しポート１６と連通する箇所の一歩手前まで続く、山形（シェブロン）形状に封入された冷媒の容積部を示す。図示するように、圧縮機１０は全負荷（ｆｕｌｌ ｌｏａｄ）で稼働している。図２は、滑り弁２０とそのボア２１及びばね２２が雌ロータ１１に追加されたことを除いて、図１と同様である。図２において、図１と同様、圧縮機は全負荷で稼働している。

図３において、図１と図２において封入された容積部に相当する溝部１１−１がボア２１を介して軸方向吸込ポート１４と流体的に連通するよう、滑り弁２０はそのボア２１中で、ボア２１の部分と吸込ポート１４を接続するよう、滑り弁２０全体にわたる差圧と協働するばね２２によって移動される。雌ロータ１２中の溝部１２−１は、溝部１１−１及びボア２１と流体的に連通しており、それにより山形形状の空洞が形成され、溝部１２−１は溝部１１−１を介して吸込ポート１４と流体的に連通している。ポート１４と１６は、それらをむき出しにされたロータ１１と１２と関連して図示するために、図１から図３において軸方向ポートとして示した。ポート１４と１６は、図４から図９より明らかなように、円形（ｒａｄｉａｌ）構成部材を有することができる。

図４から図８を参照すると、滑り弁２０と２０’は、軸方向に延在する溝部２０−ａと２０−ａ’をそれぞれ有する円柱形状であり、それぞれ雄ロータ・ボア１０−１と雌ロータ・ボア１０−２の一部を形成していることがわかる。滑り弁２０は、２つの円柱状の空洞、又はチャンバ２０−１と２０−２を有し、それらは通常、滑り弁２０の長手方向中間で、壁部又は隔壁２０−３によって分離される。円柱状のチャンバ２０−１と２０−２は、同じかあるいは異なる口径を有するものであってよい。図示するように、チャンバ２０−１は口径Ｄ１を有し、チャンバ２０−２は口径Ｄ２を有する。円柱状の空洞、又はチャンバ２０−１と２０−２は円柱を画定する滑り弁２０に対して共軸ではなく、溝部２０−ａが存在するために、滑り弁２０に対して偏心しており、もしチャンバが共軸であったなら、溝部２０−ａの領域においてチャンバ２０−１と２０−２の壁部は非常に薄いものになっていたであろう。雄ロータ１１は圧縮機ハウジング・ボア１０−１中に配置され、雌ロータ１２は圧縮機ハウジング・ボア１０−２中に配置される。滑り弁２０はボア２１において、チャンバ２０−２に収容されかつシール部３２でボア２０−２を封止する固定ピストン３０と相関的に往復運動する。ピストン３０内のボア３０−１は、チャンバ２０−２との単独の流体連通を供給し、かつ吐出し流体あるいはその他の加圧流体をチャンバ（空洞）２０−２に供給し、そこでは該流体が隔壁２０−３に作用を及ぼすため、図５の位置に滑り弁２０を移動させる結果となる。停止時には、ボア３０−１によってチャンバ２０−２から圧力が解放されて流体圧力が平衡する。必要な場合、あるいは所望される場合、ばね支持部又はガイド４０を、チャンバ２０−１内で延在するよう、螺合あるいはその他適切な方法で弁止まり２４又は圧縮機ハウジングに対して固定することができる。チャンバ２０−１は、滑り弁２０の吸込端部２０−６と流体的に連通している。ばね２２はガイド４０をゆったりと取り巻き、かつチャンバ２０−１内に延在しており、該ばねは、チャンバ２０−１において壁部２０−３に作用するチャンバ２０−２内の流体圧力に対抗し、かつ壁部２０−３と滑り弁２０の吸込端部２０−６に作用するチャンバ２０−１の吸込圧力と協働するバイアス力を壁部２０−３に与える。

図５の位置において、壁部２０−３に作用するチャンバ２０−２の流体圧力は、滑り弁２０の吸込端部２０−６が弁止まり２４との接触を維持するよう、ばね２２とチャンバ２０−１の流体圧力とが組み合わさった力を超えるのに十分である。つまり図５は、滑り弁２０の全負荷位置を示している。図４において最も良く示しているように、１つ又は複数のボア２０−４を設けて、それ（ら）が滑り弁２０の長さにわたって延在することにより、滑り弁２０の端部２０−５及び２０−６における圧力を平衡させることができる。ボア２０−４が存在しない場合、吐出し圧力は大抵、固定ピストン３０の径方向外側に向かって吐出し端部２０−５に作用する。詳細には、ボア２１内で滑り弁２０を移動させるよう作用する流体圧力は、一方向においては吸込圧力であり、さらには反対方向においてはチャンバ２０−２内の圧力並びに固定ピストン３０の径方向外側への滑り弁２０の吐出し端部２０−５にかかる圧力である。チャンバ２０−２の圧力と吐出し端部２０−５にかかる圧力とが、弁２０の弁止まり２４との係合状態を保持するのに不十分な場合、弁２０は、弁２０が部分負荷（ｐａｒｔｉａｌ ｌｏａｄ）位置に相当する図３と図６における位置に移動する。図５の位置から図６の位置への移動において、チャンバ２０−２からボア３０−１を介して流体が吐出されることによって滑り弁２０が移動する。滑り弁２０の図３の位置と図６の位置において、溝部１１−１と１２−１は、別の状況では封入された容積部であるが、上述のように吸込ポート１４と流体的に連通しているため圧縮することはできない。封入される容積部がより少ないため、圧縮される冷媒は少なくなり、圧縮機容量が低減される。

圧縮機の始動については、滑り弁２０は最低負荷に相当する位置にあり、吸込圧力と吐出し圧力の差がなくて流体圧力が平衡するため、ばね２２のばねバイアス力により、ばね２２の物的障壁又はそれが完全に伸びることで、滑り弁２０が最端部まで移動する。吐出し圧力又は潤滑油圧力が増大してチャンバ２０−２に供給されると、滑り弁２０が図６に示す位置である左に移動して圧縮機の負荷状態を生じさせる。これはチャンバ２０−２の流体圧力かつ吸込圧力とは反対向きの吐出し端部２０−５に対する吐出し圧力、及びチャンバ２０−１内かつ吸込端部２０−６に作用するばねのバイアス力の間の均衡によって決定される。チャンバ２０−２内の端部２０−５にかかる圧力が、端部２０−６にかかる圧力とばねのバイアス力を超えて打ち勝つのに十分な場合、滑り弁２０は図５に示すような全負荷位置である滑り止まり２４に接触するような位置に移動する。部分負荷状態については、低減されたチャンバ２０−２の圧力と移動された滑り弁２０により、低減された圧力比と一致する新たなＶ_iが生じる。

チャンバ２０−１と２０−２の圧力によって作用を受ける、壁部領域、即ち隔壁２０−３は等しいとは限らない。チャンバ２０−２内の圧力は、部分負荷のための壁部２０−３にわたる一定差圧を維持するために、パイロット油圧又は空気圧によって制御することができる。必要に応じて、ピストン３０を排除することができる。十分に封止することで、パイロット圧を滑り弁２０の吐出し端部２０−５に作用させることができる。

本発明において注目すべきは、圧縮機の設計によって決定されるボア１０−１と１０−２の長さと容量制御に必要とされる負荷の減少の程度によって決定される滑り弁２０の軸方向における移動に関して、必要とされる容積は弁２０に必要な容積（空間）を超えたとしても僅かに超える程度である。従って、本発明は、コンパクトな弁２０の制御機構を提供するものである。

図７は、圧縮機１０’の滑り弁２０’が、雄ロータ１１ではなく雌ロータ１２と協働する点で図４とは異なる。滑り弁２０’は、構造的及び機能的に滑り弁２０と同様である。他の点については、滑り弁２０’と圧縮機１０’の動作は、図４から図６のデバイスと同じである。

図８のデバイスは、図４のデバイスと図７のデバイスを組み合わせたものである。圧縮機１０”は、雄ロータ１１と雌ロータ１２とそれぞれ協働する滑り弁２０と滑り弁２０’の両方を有する。滑り弁２０と２０’は図４から図６のデバイスの滑り弁２０と同じ様に動作する。

図９の実施態様は、完全に圧力で制御できるため、ばね２２を省くことができる点で他の実施態様とは相違する。圧縮機１０”’の滑り弁１２０は、シール部１３２を担持する固定ピストン１３０で密閉された２つのチャンバ１２０−１と１２０−２に分割された密閉された空洞を有する。プラグ１２１が、滑り弁１２０に螺合されてチャンバ１２０−２を部分的に画定し、さらに、滑り弁１２０と協働して滑り弁１２０の吐出し端部１２０−ｂを画定する。固定ピストン１３０は、ロッド１３４の肩部１３４ａに対してナット１３５で保持される。ロッド１３４は、圧力Ｐ₁の流体を供給するために、密閉されたチャンバ１２０−１と連通する軸方向通路１３４−１と径方向通路１３４−１’を有する。軸方向通路１３４−１は、プラグ１３６で密閉される。軸方向通路１３４−２は、圧力Ｐ₂の流体を供給するために、密閉されたチャンバ１２０−２と連通する。シール部１２２は滑り弁１２０とロッド１３４の間を封止する。ロッド１３４が、滑り弁１２０の吸込端部１２０−ａを通って延在するため、流体圧力は、滑り弁１２０の吸込端部１２０−ａより、吐出し端部１２０−ｂにおいてより広い面積に作用する。また、ロッド１３４がチャンバ１２０−１を通って延在するため、チャンバ１２０−１の圧力にさらされる滑り弁１２０の端部１２０−ａの面積は、チャンバ１２０−２の圧力にさらされる滑り弁１２０の端部１２０−ｂとプラグ１２１の面積よりも小さい。端部１２０−ａと１２０−ｂはそれぞれ、作動中に吸込圧力と吐出し圧力にさらされ、停止後は圧力平衡により同じ圧力にさらされる。

図１０において、符号６０は、概して冷蔵システム又は空気調和システムを示している。圧縮機１０は、吐出しライン６１、凝縮器６２、膨張器６３、蒸発器６４及び吸込管路６５を順に備える回路として設けられる。システム６０はマイクロプロセッサ７０で制御される。マイクロプロセッサ７０は、吸込圧力Ｐｓ、吐出し圧力Ｐｄ、及び総称してゾーン入力と呼ばれるゾーン要求の一連の入力を受信する。圧力は、チャンバ２０−２への吐出し圧力の提供ではなく、ボア３０−１を介して外部供給源からチャンバ２０−２に提供されるものと推定すると、ポンプ８０が必要となる。マイクロプロセッサ７０は、圧縮機１０を稼働させ、かつ、その入力に応答するマイクロプロセッサ７０によって決定される圧力の圧縮流体をチャンバ２０−２に供給するポンプ８０と３方向弁８１を介して圧縮機１０の容量を制御する。マイクロプロセッサ７０は又、弁２０を中央負荷まで移動させ、かつ停止時に圧力を解放して弁を無負荷位置に移動させるようマイクロプロセッサへの入力に応答して、３方向弁８１を介して油だめ８４に戻る圧縮流体の放出を制御する。圧縮機１０’は、圧縮機１０と同様に制御される。圧縮機１０”では、弁２０と２０’に流体圧力を同時に提供することが要求される。

図１１の冷蔵システム１６０は、圧縮機１０”’が採用され、かつポンプ８０の下流に一連の弁８２が設けられている点で図１０のシステム６０とは相違する。ポンプ８０は、弁１２０を配置するよう要求があった際に、圧力Ｐ₁をチャンバ１２０−１に与えるか、あるいは圧力Ｐ₂をチャンバ１２０−２に与えるようマイクロプロセッサ７０で制御される。一連の弁８２は、圧力Ｐ₁又はＰ₂をその入力に応答して解放し、それにより弁１２０を移動させるよう、圧力Ｐ₁とＰ₂の制御と連動してマイクロプロセッサ７０によって制御される。流体圧力の作用を受ける弁１２０の対置する面積差のため、停止時、弁１２０は弁８２を開いて圧力を平衡させる前に完全に無負荷位置に移動されなければならない。吸込圧力と吐出し圧力はそれぞれがチャンバ１２０−１と１２０−２の圧力と協働して、弁１２０の端部１２０−ａと１２０−ｂに対して外から作用する。

流体（油）ポンプ８０は、圧縮機１０”’の吐出し圧力よりも高い圧力の圧縮流体をチャンバ１２０−２に供給できるものでなくてはならない。停止時の圧力平衡後、公称吸込圧力が端部１２０−ａと１２０−ｂに作用し、チャンバ１２０−１と１２０−２のそれぞれの圧力Ｐ₁とＰ₂は平衡する。流体圧力の作用を受ける面積差のため、始動時には滑り弁１２０は図９に示すように右に移動して無負荷位置につく。

圧縮機１０”’が始動した後、圧力Ｐ₁とＰ₂は容積増大の要求があるまで平衡状態を維持することができる。この点において、Ｐ₁を増大するか、Ｐ₂を低減するか、又は両方組み合わせとすることができる。吐出し圧力が無負荷位置における端部１２０−ｂに作用すると、Ｐ₁はポンプ８０を介してより高圧になるよう制御されなければならない。図４のボア２０−４と同等のものを採用し、かつ吸込圧力がチャンバ１２０−２に存在する場合、滑り弁１２０を適正に配置するために、中間制御圧力を達成するようチャンバ１２０−１に与えられる吐出し圧力を用いることができる。始動後に吐出し圧力が端部１２０−ｂに作用すると、吐出し圧力の増大の伴い、減圧位置を維持するようＰ₂が増大しなければならない。Ｐ₂が低減すると、圧縮機１０”’の負荷が増加し始める。シール部１２２とＰ₁の供給源は、吐出し圧力が端部１２０−ｂに作用しかつ吸込圧力が１２０−１に存在する場合には排除することができる。

本発明の好ましい実施態様を示して説明してきたが、当業者らであればその他の変更も想到するであろう。例えば、図９の実施態様は、シール部１２２、ボア１３４−１、１３４−１’を排除し、吸込圧力をチャンバ１２０−１に与え、かつチャンバ１２０−２中にばねを設けることによって変更することができる。従って、本発明は請求項に記載の範囲でのみ限定されるものである。

図１は、全負荷時のむき出しにされたロータと封入された容積部を示す図である。 図２は、図１と同様だが、閉じる位置、あるいは全負荷位置の本発明の滑り弁がそこに追加されている図である。 図３は、吸込容積部とそれと別に封入された容積部との間に流体連絡をもたらす部分負荷位置に滑り弁が移動していることを除いて、図２と同様の図を示す。 図４は、図５における４−４線に沿った断面図を示す。 図５は、図４における５−５線に沿った断面図であり、全負荷位置にある滑り弁を示す図である。 図６は、滑り弁が部分負荷位置にある以外は図５と同様の図を示す。 図７は、滑り弁が雌ロータ・ボア内に設けられた第１の変更実施態様の吐出し端部の断面図である。 図８は、滑り弁が雄ロータ・ボアと雌ロータ・ボアの両方内に設けられた第２の変更実施態様の吐出し端部の断面図である。 図９は、二重ピストン・アクチュエータを利用し、全負荷位置に配置された改良された滑り弁を示す、第４の変更実施態様の断面図である。 図１０は、図４から図６の圧縮機を採用した空気調和装置又は冷蔵装置の概略図である。 図１１は、図９の圧縮機を採用した空気調和装置又は冷蔵装置の概略図である。

符号の説明

１０…圧縮機
１１…雄ロータ
１２…雌ロータ
２０…滑り弁
２０−３…隔壁
２１…ボア
２２…ばね
２４…弁止まり
３２…シール部
４０…ガイド

Claims (11)

1. 一対の重なり合うボアを内部に有するハウジングと、
   該ボア中に設けられる相互に係合する一対のロータと、
   第１の端部と第２の端部を有し、かつ該重なり合うボアの内の一つのボアのみの一部を形成する滑り弁であって、内部に空洞を有する滑り弁と、
   該空洞中に設けられ、かつ該空洞において少なくとも１つの圧力チャンバを形成する固定ピストンであって、該滑り弁がそれに対して往復運動可能な固定ピストンと、
   該少なくとも１つの圧力チャンバに圧縮流体を供給するための手段と、
   を備えるスクリュー圧縮機であって、
   圧力が、前記圧力チャンバにおける前記圧縮流体に対抗する前記滑り弁に作用することによって、前記滑り弁が前記圧縮機の容量を制御するよう差圧に応じて配置されることを特徴とするスクリュー圧縮機。
2. 前記固定ピストンが、第２の圧力チャンバを規定するよう前記空洞と協働することを特徴とする請求項１記載のスクリュー圧縮機。
3. 前記２つの圧力チャンバの内の１つである前記第２の圧力チャンバに圧縮流体を供給するための手段をさらに有することを特徴とする請求項２記載のスクリュー圧縮機。
4. 前記固定ピストンがロッドに固定され、かつ前記圧力チャンバのそれぞれに圧縮流体を供給するための前記手段が少なくとも部分的に前記ロッド内に設けられることを特徴とする請求項３記載のスクリュー圧縮機。
5. 前記滑り弁の前記第１と第２の端部が流体圧力の作用を受けることを特徴とする請求項４記載のスクリュー圧縮機。
6. 前記滑り弁の前記第１及び第２の端部が流体圧力の作用を受けることを特徴とする請求項１記載のスクリュー圧縮機。
7. 前記滑り弁を開位置に向かって付勢する手段をさらに備えることを特徴とする請求項６記載のスクリュー圧縮機。
8. 一対の重なり合うボアを内部に有するハウジングと、
   該ボア中に設けられる相互に係合する一対のロータと、
   第１及び第２の端部を有し、かつ該重なり合うボアの内の一つのボアのみの一部を形成する滑り弁であって、内部に空洞を有する滑り弁と、
   該空洞中に設けられ、かつ該空洞において１つの圧力チャンバのみを形成する固定ピストンであって、該滑り弁がそれに対して往復運動可能な固定ピストンと、
   該圧力チャンバに圧縮流体を供給するための手段と、
   を備えるスクリュー圧縮機であって、
   圧力が、前記圧力チャンバにおける前記圧縮流体に対抗する前記滑り弁に作用することによって、前記滑り弁が前記圧縮機の容量を制御するよう差圧に応じて配置されることを特徴とするスクリュー圧縮機。
9. 前記滑り弁の第１及び第２の端部が流体圧力の作用を受けることを特徴とする請求項８記載のスクリュー圧縮機。
10. 前記滑り弁を開位置に向かって付勢する手段をさらに有することを特徴とする請求項９記載のスクリュー圧縮機。
11. 前記固定ピストンがロッドに固定され、かつ前記圧力チャンバに前記圧縮流体を供給する手段が前記ロッド内に少なくとも部分的に設けられることを特徴とする請求項８記載のスクリュー圧縮機。

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