JP2009085156A - 冷凍装置用のスクリュー圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】
容量制御時における圧縮冷媒ガスの温度上昇を抑制することにより、冷凍機油の劣化、スクリューロータやケーシングが熱膨張することによる固渋等の発生を防止することのできる信頼性の高い冷凍装置用のスクリュー圧縮機を得る。
【解決手段】
スクリュー圧縮機の連続容量制御するための構成として、スライド弁２５に連結した油圧ピストン２６及びこの油圧ピストンを収納するシリンダ室２３を備え、このシリンダ室に連通し油圧ピストンを移動させるために、電磁弁を有する油供給路２７ａ，油排出路２７ｄと、低圧側に連通するガス通路２７ｅが設けられている。更に、前記油圧ピストンの移動範囲内における途中のシリンダ室に一端を開口し電磁弁２９ｄを有すると共に低圧側に連通する油排出路２７ｆを備えている。前記電磁弁２９ｄは、スクリュー圧縮機の起動後一定時間は閉じ、その時間経過後の運転中は常に開くように制御される。
【選択図】図２

Description

本発明は、空調機または冷凍機に使用される冷凍装置用のスクリュー圧縮機に関する。

スクリュー圧縮機の機械式容量制御は、スライド弁を移動させて吸入冷媒ガスをバイパスする方式が一般的である。この方式では、スライド弁がロッド等を介してシリンダ内を移動する油圧ピストンに連結されており、このシリンダ内に油圧を供給または排出することでスライド弁を軸方向に移動させている。往復動圧縮機では、構造上、段階的な容量制御しかできなかったが、スクリュー圧縮機ではスライド弁を任意の位置にスライドさせることで、連続的な容量制御が可能である。工業用途等でより高精度な温度制御を要求される場合に、この連続容量制御方式が採用されている。スクリュー圧縮機の連続容量制御方式の一例が、特開平６−１７３８７２号公報に記載されている。

特開平６−１７３８７２号公報

スクリュー圧縮機の連続容量制御方式では、最小ロード（一般に１０〜３０％程度）から１００％ロードまでの無段階制御が可能である。しかし、冷凍機，空調機の用途によっては、起動時を除いて１０〜３０％の最小ロードまでは必要としないことがある。また、蒸発温度が０℃以下となるような低温域で用いる場合、低容量で運転すると圧縮冷媒ガスの温度が上昇して、冷凍機油が劣化したり、或いはスクリューロータやケーシングが熱膨張してスクリューロータとケーシングとの固渋等が発生する危険があった。

本発明の目的は、容量制御時における圧縮冷媒ガスの温度上昇を抑制することにより、冷凍機油の劣化，スクリューロータやケーシングが熱膨張することによる固渋等の発生を防止することのできる信頼性の高い冷凍装置用のスクリュー圧縮機を得ることにある。

上記目的を達成するために、本発明は、雄雌一対のスクリューロータ、これらのスクリューロータを支持する軸受部材，容量制御用のスライド弁、このスライド弁に連結した油圧ピストン及びこの油圧ピストンを収納するシリンダ室を設けたケーシングとを備え、冷凍装置の圧縮機として使用されるスクリュー圧縮機において、前記油圧ピストンを移動させるために前記シリンダ室の一端側の部屋に連通された油供給排出路と、前記油供給排出路の前記シリンダ室とは反対側に接続され、電磁弁を有すると共に高圧油を供給する油供給路と、前記油供給排出路の前記シリンダ室とは反対側に接続され、電磁弁を有すると共にシリンダ室の油を低圧側に排出する第１の油排出路と、前記油圧ピストンの移動範囲内における途中のシリンダ室に一端が開口し且つ途中に電磁弁有すると共に他端がスクリュー圧縮機の低圧側空間に開口する第２の油排出路を備え、前記第２の油排出路の電磁弁はスクリュー圧縮機の起動後一定時間は閉じ、その時間経過後の運転中は常に開くように制御されることを特徴とする。

ここで、前記油供給路（第１の油供給路）の途中にはキャピラリによる絞りを設けると共に、更に、前記油供給排出路の前記シリンダ室とは反対側に接続され電磁弁を有すると共に高圧油を供給する絞りの無い第２の油供給路を備え、圧縮機の起動時には、第２の油供給路から高圧油をシリンダ室に供給するようにすると、高圧油をシリンダ室に素早く供給して起動時の負荷軽減効果を更に向上できる。

また、前記油圧ピストンを移動させるために前記油供給排出路が連通されたシリンダ室のスライド弁側油圧部（高圧室）とは反対側の反スライド弁側油圧部に一端が開口し、他端が低圧側に開口するガス通路を備えると良い。

更に、前記第２の油排出路のシリンダ室と連通する位置は、該シリンダ室に接続されている油供給排出路と前記ガス通路との間の軸方向位置であって、圧縮冷媒ガスの温度上昇が許容範囲に収まるような最小ロード（設定ロード）となるように前記スライド弁を保持できる位置とすることが好ましい。

なお、前記第２の油排出路は前記シリンダ室に接続された配管で構成され、この配管で構成された第２の油排出路はシリンダ室を形成するケーシングの外部に設置される構成とするか、或いは、前記第２の油排出路は圧縮機ケーシングの内部に穴加工されて形成されるようにすることもできる。

本発明の他の特徴は、容量制御用のスライド弁、このスライド弁に連結した油圧ピストン及びこの油圧ピストンを収納するシリンダ室を設けたケーシングとを備え、冷凍装置の圧縮機として使用されるスクリュー圧縮機において、前記油圧ピストンを連続的に移動させて前記スライド弁により連続的な容量制御を行うように、前記シリンダ室に高圧油を供給する油供給路と、シリンダ室の高圧油を低圧側に排出する第１の油排出路とを備え、更に、前記油圧ピストンの移動範囲内における途中のシリンダ室に一端が開口し且つ途中に電磁弁有すると共に他端が低圧側に開口する第２の油排出路を備え、前記第２の油排出路の電磁弁はスクリュー圧縮機の起動後一定時間は閉状態に制御され、その一定時間経過後は開状態に制御されることにある。

本発明によれば、電磁弁を有する第２の油排出路をシリンダ室から低圧側空間へ連通するように設け、この第２の油排出路の電磁弁はスクリュー圧縮機の起動後一定時間は閉とされ、その一定時間経過後は開に制御されるので、起動時を除いてスクリュー圧縮機が設定容量以下にならないようにスライド弁を制御することができるから、圧縮冷媒ガスの温度上昇を防止することができ、その結果冷凍機油の劣化，スクリューロータやケーシングが熱膨張することによる固渋等の発生を防止することができ、信頼性の高い冷凍装置用のスクリュー圧縮機を得ることができる。

特に、本発明によれば、蒸発温度が０℃以下となるような低温域で用いられる冷凍装置用のスクリュー圧縮機に適用して有効であり、負荷が小さく低容量で運転されることの多い冷凍装置であっても、圧縮冷媒ガスの温度上昇を防止して、信頼性の高いスクリュー圧縮機を実現できる。

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

図１に本発明の一実施例を示す冷凍装置用のスクリュー圧縮機を示す。スクリュー圧縮機は、互いに密封関係に接続されたモータケーシング１，主ケーシング２及び吐出ケーシング３を有している。モータケーシング１には圧縮機構部を駆動させるための駆動用モータ４が収納されている。主ケーシング２には、円筒状ボア５及び冷媒ガスを円筒状ボア５に導入する吸入ポート６が形成されている。円筒状ボア５には、ころ軸受７，８，９及び玉軸受１０で回転可能に支えられた雄ロータ１１及び雌ロータ（図示せず）が互いに噛み合わせて収納され、雄ロータ１１の軸は駆動用モータ４に直結されている。また、主ケーシング２には、油分離器１２が一体に形成されており、油分離器１２と連通する主ケーシング２の底部には潤滑油１３を溜める油溜め１４が設けられている。

ころ軸受９及び玉軸受１０を収納する吐出ケーシング３には、主ケーシング２と一体に構成された油分離器１２に連通して開口する冷媒ガスの吐出通路１５が形成され、吐出ケーシング３はボルト等の手段により主ケーシング２に固定されている。この吐出ケーシング３には軸受室１６とシリンダ室２３が形成されており、軸受室１６には、ころ軸受９及び玉軸受１０を収納している。前記シリンダ室２３には、ロッド２４を介してスライド弁２５と連結された油圧ピストン２６が収納されている。前記軸受室１６とシリンダ室２３の外方側開口は、吐出ケーシング３に取り付けた遮蔽板１７により閉止されている。主ケーシング２及び吐出ケーシング３内には給油通路が形成されており、主ケーシング２底部の高圧部に形成された油溜め１４と各軸受部を連通するように構成されている。

次に、冷媒ガス及び油の流れを説明する。

モータケーシング１に設けられた吸入口１８から吸入された低温，低圧の冷媒ガスは、ストレーナ１９で異物が捕集された後、駆動用モータ４とモータケーシング１の間に設けられたガス通路、及びステータ２０とモータロータ２１間のエアギャップを通過し、駆動用モータ４を冷却する。冷却後の冷媒ガスは、主ケーシング２に形成された吸入ポート６から雄，雌のスクリューロータの噛み合い歯面と主ケーシング２により形成される圧縮室に吸入される。その後、冷媒ガスは、駆動用モータ４に連結する雄ロータ１１の回転と共に雄，雌のスクリューロータの噛み合い歯面と、主ケーシング２により形成される圧縮室に密閉され、両ロータの回転に伴い圧縮室が徐々に縮小して圧縮され、高温・高圧の冷媒ガスとなって、吐出ケーシング３に形成された吐出通路１５から油分離器１２内へ吐出される。圧縮時に雄，雌のスクリューロータに作用する圧縮反力のうち、ラジアル荷重はころ軸受７，８，９により支持され、スラスト荷重は玉軸受１０により支持される。これら軸受を潤滑及び冷却するための油は、主ケーシング２底部の高圧部に設けた油溜め１４から各軸受部に連通する給油通路を介して差圧により給油され、その後圧縮冷媒ガスと共に油分離器１２内へ吐出される。圧縮冷媒ガスに含まれる油は、油分離器１２により分離され、その後主ケーシング２低部の油溜め１４に溜められる。油が分離された圧縮冷媒ガスは吐出口２２から冷凍装置を構成するための凝縮器（図示せず）に接続された冷媒配管に吐出される。

図２は図１に示すスクリュー圧縮機の容量制御機構部の動作を説明するための系統図である。容量制御機構部を構成するシリンダ室２３には、一端側が油供給路２７ａ，２７ｂと油排出路（第１の油排出路）２７ｄに接続され、他端側がシリンダ室のスライド弁側油圧部２３ａに開口された油供給排出路２７ｃと、シリンダ室の反スライド弁側油圧部２３ｂに一端が開口し、他端側が低圧側に開口するガス通路２７ｅとが接続されている。前記油供給路（第１の油供給路）２７ａは高圧側に連通すると共に電磁弁２９ａ及びキャピラリ２８ａが設けられている。前記油供給路２７ｂは高圧側に接続され電磁弁２９ｂが設けられている。前記油排出路２７ｄは低圧側に連通すると共に電磁弁２９ｃ及びキャピラリ２８ｂが設けられている。以上が連続容量制御をするための一構成例であるが、連続的に容量制御できる構成であれば良く、上記した構成に限定されるものではない。なお、３０はシリンダ室２３の油圧部２３ａに設けられたスプリングである。

以上のように構成した連続容量制御装置において、ロードダウンする場合には、電磁弁２９ｃを閉じ、電磁弁２９ａを開いて高圧側である前記油溜め１４から高圧油をシリンダ室２３の油圧部２３ａに供給してスライド弁２５をロータの吐出側（図の右側）に移動させる。ロードアップする場合は、電磁弁２９ａを閉じ、電磁弁２９ｃを開いてシリンダ室の油圧部２３ａ内の高圧油を低圧側に排出してスライド弁をロータの吸込側（図の左側）に移動させる。スライド弁を中間で保持する場合は、電磁弁２９ａと電磁弁２９ｃの両方を閉じて、高圧油をシリンダ室に閉じ込める。

また、スクリュー圧縮機の起動時には、電磁弁２９ａの代わりに電磁弁２９ｂを開き、油供給路２７ｂからシリンダ室油圧部２３ａに高圧油を供給する。油供給路２７ｂにはキャピラリによる絞りがないので、シリンダ室油圧部２３ａに高圧油を素早く供給することができ、起動時の負荷低減ができる。このように、シリンダ室油圧部２３ａへ高圧油の供給と排出をすることで、スライド弁２５をスクリューロータの軸方向に移動させて容量制御ができる。スライド弁２５が吐出側に移動すると、吸入冷媒ガスの一部は矢印３１ｂに示すように吸入側にバイパスされ、バイパスされない冷媒ガスのみが矢印３１ａのように圧縮されて吐出される。

スライド弁２５が吸入側に移動して端面３２に接触したときが１００％ロードで、スライド弁２５が吐出側に移動して最も吐出側にあるときが最小ロードとなる。連続容量制御では最小ロードから１００％ロードまでの無段階制御が可能であるが、冷凍機，空調機の用途によっては起動時を除いて最小ロードまでは必要としないことが多い。また、冷凍装置を蒸発温度が０℃以下となるような低温域で使用する場合に、低容量で運転するとモータ過熱等の影響により圧縮冷媒ガスの温度が上昇して、冷凍機油が劣化したり、或いはスクリューロータやケーシングが熱膨張してスクリューロータとケーシングが固渋するといった危険があった。

そこで、本実施例では上述した、連続容量制御するための構成に、更に電磁弁２９ｄを有し且つシリンダ室２３に一端側が連通された油排出路（第２の油排出路）２７ｆを設けている。この油排出路２７ｆの他端側２７ｇは低圧側（スクリュー圧縮機の低圧側空間）に連通している。油排出路２７ｆのシリンダ室２３と連通する位置は、該シリンダ室２３に接続されている油供給排出路２７ｃとガス通路２７ｅとの間の軸方向位置であって、圧縮冷媒ガスの温度上昇が許容範囲に収まるような最小ロード（設定ロード）となるようにスライド弁２５を保持できる位置としている。そして、前記電磁弁２９ｄは、スクリュー圧縮機の起動後一定時間は閉じ、その時間経過後の運転中は常に開くように制御される。

上述した本実施例において、連続容量制御可能範囲が、最小ロード２０％から１００％ロードに構成し、前記の設定ロードを５０％とした場合の例で本実施例の動作を説明する。１００％ロードから５０％ロードまでは、油排出路２７ｆがシリンダ室の油圧部（低圧部）２３ｂ側と連通しているので、シリンダ室への高圧油の供給と排出には影響を与えない。従って、電磁弁２９ａ，２９ｃの制御で連続的な容量制御が可能である。一方、５０％ロードから２０％ロードの範囲で運転しようとした場合、油排出路２７ｆがシリンダ室の油圧部（高圧部）２３ａ側と連通するため、シリンダ室２３の高圧油は油排出路２７ｆ，２７ｇから低圧側に排出され、スライド弁２５は５０％以下の位置にあっても強制的に５０％ロードの位置まで自動的に移動することになる。従って、本実施例によれば、５０％ロードより小さなロードで連続運転することを防止できるから、圧縮冷媒ガス温度が上昇して、冷凍機油が劣化したり或いはスクリューロータやケーシングが熱膨張して固渋するのを防止できる。

また、スクリュー圧縮機の起動時には、一定時間、電磁弁２９ｄが閉じているので、油排出路２７ｆから高圧油が低圧側に排出される通路は遮断されるため、スライド弁２５は最小ロード２０％の位置まで移動可能となり、起動時の負荷低減を図れる。

以上述べたように、本実施例によれば、スライド弁を連続制御可能な構成にすると共に、更に電磁弁２９ｄを有し低圧側に連通する油排出路２７ｆをシリンダ室５２に接続した構成とし、この電磁弁２９ｄを起動後一定時間は閉じ、その時間経過後の運転中は常に開くように制御する構成としているので、起動時を除いて設定容量以下にならないようにスクリュー圧縮機を連続容量制御することができ、信頼性の高い冷凍装置用スクリュー圧縮機を得ることができる。

なお、本実施例において容量制御をするための各電磁弁２９ａ〜２９ｄの作動を示す表を図４に示した。

図３に本発明の実施例２を示す。図１，図２に示した実施例１では、油排出路（第２の油出路）２７ｆを配管で構成してスクリュー圧縮機のケーシング外部に設置した例を説明したが、この実施例２では油排出路２７ｆをケーシング３及び２の内部に穴加工して形成したものである。他の構成は実施例１と同様であるので、説明を省略する。本実施例では、油排出路２７ｆをスクリュー圧縮機のケーシングに内蔵した構成としたことにより、実施例１と同様の高信頼性のスクリュー圧縮機をよりコンパクトな構造で実現することができる。

本発明の実施例１を示すスクリュー圧縮機の縦断面図。 図１に示すスクリュー圧縮機の容量制御機構部の動作を説明するための系統図。 本発明の実施例２を示すスクリュー圧縮機の要部断面図。 図２に示す実施例における容量制御をするための各電磁弁２９ａ〜２９ｄの作動を示す表。

符号の説明

１ モータケーシング
２ 主ケーシング
３ 吐出ケーシング
４ 駆動用モータ
５ 円筒状ボア
６ 吸入ポート
７，８，９ ころ軸受
１０ 玉軸受
１１ 雄ロータ
１２ 油分離器
１３ 潤滑油
１４ 油溜め
１５ 吐出通路
１６ 軸受室
１７ 遮蔽板
１８ 吸入口
１９ ストレーナ
２０ ステータ
２１ モータロータ
２２ 吐出口
２３ シリンダ室
２３ａ シリンダ室のスライド弁側油圧部
２３ｂ シリンダ室の反スライド弁側油圧部
２４ ロッド
２５ スライド弁
２６ 油圧ピストン
２７ａ 油供給路（第１の油供給路）
２７ｂ 油供給路（第２の油供給路）
２７ｃ 油供給排出路
２７ｄ 油排出路（第１の油排出路）
２７ｅ ガス通路
２７ｆ 油排出路（第２の油排出路）
２７ｇ 油排出路２７ｆの他端側
２８ａ，２８ｂ キャピラリ
２９ａ，２９ｂ，２９ｃ，２９ｄ 電磁弁
３０ スプリング
３２ 端面

Claims (7)

1. 雄雌一対のスクリューロータ、これらのスクリューロータを支持する軸受部材，容量制御用のスライド弁、このスライド弁に連結した油圧ピストン及びこの油圧ピストンを収納するシリンダ室を設けたケーシングとを備え、冷凍装置の圧縮機として使用されるスクリュー圧縮機において、
   前記油圧ピストンを移動させるために前記シリンダ室の一端側の部屋に連通された油供給排出路と、
   前記油供給排出路の前記シリンダ室とは反対側に接続され、電磁弁を有すると共に高圧油を供給する油供給路と、
   前記油供給排出路の前記シリンダ室とは反対側に接続され、電磁弁を有すると共にシリンダ室の油を低圧側に排出する第１の油排出路と、
   前記油圧ピストンの移動範囲内における途中のシリンダ室に一端が開口し且つ途中に電磁弁有すると共に他端がスクリュー圧縮機の低圧側空間に開口する第２の油排出路を備え、
   前記第２の油排出路の電磁弁はスクリュー圧縮機の起動後一定時間は閉じ、その時間経過後の運転中は常に開くように制御される
   ことを特徴とする冷凍装置用のスクリュー圧縮機。
2. 請求項１において、前記油供給路（第１の油供給路）の途中にはキャピラリによる絞りを設けると共に、更に、前記油供給排出路の前記シリンダ室とは反対側に接続され電磁弁を有すると共に高圧油を供給する絞りの無い第２の油供給路を備え、圧縮機の起動時には、第２の油供給路から高圧油を前記シリンダ室に供給するようにしたことを特徴とする冷凍装置用のスクリュー圧縮機。
3. 請求項１において、前記油圧ピストンを移動させるために前記油供給排出路が連通されたシリンダ室のスライド弁側油圧部（高圧室）とは反対側の反スライド弁側油圧部に一端が開口し、他端が低圧側に開口するガス通路を備えていることを特徴とする冷凍装置用のスクリュー圧縮機。
4. 請求項３において、前記第２の油排出路のシリンダ室と連通する位置は、該シリンダ室に接続されている油供給排出路と前記ガス通路との間の軸方向位置であって、圧縮冷媒ガスの温度上昇が許容範囲に収まるような最小ロード（設定ロード）となるように前記スライド弁を保持できる位置としていることを特徴とする冷凍装置用のスクリュー圧縮機。
5. 請求項１〜４の何れかにおいて、前記第２の油排出路は前記シリンダ室に接続された配管で構成され、この配管で構成された第２の油排出路はシリンダ室を形成するケーシングの外部に設置されていることを特徴とする冷凍装置用のスクリュー圧縮機。
6. 請求項１〜４の何れかにおいて、前記第２の油排出路は圧縮機ケーシングの内部に穴加工されて形成されていることを特徴とする冷凍装置用のスクリュー圧縮機。
7. 容量制御用のスライド弁、このスライド弁に連結した油圧ピストン及びこの油圧ピストンを収納するシリンダ室を設けたケーシングとを備え、冷凍装置の圧縮機として使用されるスクリュー圧縮機において、
   前記油圧ピストンを連続的に移動させて前記スライド弁により連続的な容量制御を行うように、前記シリンダ室に高圧油を供給する油供給路と、シリンダ室の高圧油を低圧側に排出する第１の油排出路とを備え、
   更に、前記油圧ピストンの移動範囲内における途中のシリンダ室に一端が開口し且つ途中に電磁弁を有すると共に他端が低圧側に開口する第２の油排出路を備え、
   前記第２の油排出路の電磁弁はスクリュー圧縮機の起動後一定時間は閉状態に制御され、その一定時間経過後は開状態に制御される
   ことを特徴とする冷凍装置用のスクリュー圧縮機。

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