JP2012112338A

JP2012112338A - スクリュ圧縮機

Info

Publication number: JP2012112338A
Application number: JP2010263343A
Authority: JP
Inventors: Noboru Tsuboi; 昇壷井
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2010-11-26
Filing date: 2010-11-26
Publication date: 2012-06-14
Anticipated expiration: 2030-11-26
Also published as: CN102477980B; KR101389221B1; KR20120057537A; JP5383632B2; US8622725B2; EP2458215B1; US20120134866A1; CN102477980A; EP2458215A3; EP2458215A2

Abstract

【課題】構造が簡単な、機械的圧縮比を変更できるスクリュ圧縮機を提供する。
【解決手段】ケーシング２内に形成したロータ室３に互いに咬合する雌雄一対のスクリュロータ４，５を収容し、スクリュロータ４，５によって吸込流路１０から吸い込んだ気体を圧縮して吐出流路１２から吐出するスクリュ圧縮機１は、ロータ室３内の空間であって、吸込流路１０および吐出流路１２からスクリュロータ４，５によって隔離され得る中間圧力部と、吐出流路１２に連通するバイパス流路２２とに開口する機能端面２３を備える柱状空間２０と、柱状空間内２０に嵌装され、機能端面２３に当接することより中間圧力部とバイパス流路２２とを隔離するピストン２１とを有し、柱状空間２０の機能端面２と反対側の空間を吐出流路１２に連通させる検圧流路２４が設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明はスクリュ圧縮機に関する。

スクリュ圧縮機の吸込流路の圧力および吐出流路の圧力は、給気設備（大気吸込の場合は大気圧）および需要設備によって決定される。一方、スクリュ圧縮機のロータ室から吐出流路に吐出される直前の気体の圧力は、吸込流路の圧力とスクリュ圧縮機の機械的圧縮比（容積比）とによって決定される。ロータ室から吐出される直前の気体の圧力が吐出流路の圧力よりも高い場合、吐出流路に吐出された瞬間に気体は膨張して圧力が低下する。したがって、この差圧分の圧縮に要した動力は、全て無駄になってしまう。

スクリュ圧縮機には、例えば特許文献１に記載されているように、吐出ポートの開度を変更するスライド弁を備え、機械的圧縮比を調整できるものがある。しかしながら、スライド弁は、構造が複雑であり、コストが大幅に高くなる。また、スライド弁は、制御が複雑になるという欠点もある。

特開平９−３１７６７６号公報

前記問題点に鑑みて、本発明は、構造が簡単でありながら、機械的圧縮比を変更できるスクリュ圧縮機を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明によるスクリュ圧縮機は、ケーシング内に形成したロータ室に互いに咬合する雌雄一対のスクリュロータを収容し、前記スクリュロータによって吸込流路から吸い込んだ気体を圧縮して吐出流路から吐出するスクリュ圧縮機であって、前記ロータ室内の空間であって、前記吸込流路および前記吐出流路から前記スクリュロータによって隔離され得る中間圧力部と、前記中間圧力部とに連通するバイパス流路とに開口する機能端面を備える柱状空間と、前記柱状空間内に嵌装され、前記機能端面に当接することにより前記中間圧力部と前記バイパス流路とを隔離するピストンとを有し、前記柱状空間の前記機能端面と反対側の空間を前記吐出流路に連通させる検圧流路を設けたものとする。

この構成によれば、中間圧力部の圧力が吐出圧力より高い場合は、ピストンが機能端面から離間し、中間圧力部とバイパス流路とが連通する。これにより、中間圧力部から吐出流路に気体が流出、つまり、実質的にスクリュ圧縮機の機械的圧縮比が低下する。これにより、過剰な圧縮のために動力を消費することがない。また、本発明の構成は、中間圧力部と中間圧力部との圧力差によって、ピストンを移動させ、バイパス流路を開放（中間圧力部を吐出流路に接続）／閉鎖（中間圧力部を吐出流路から隔離）することにより機械的圧縮比を変化させるものであるため、駆動のための動力や制御が不要であり、その構造も簡単である。

また、本発明のスクリュ圧縮機は、前記柱状空間の前記機能端面と反対側の空間を前記吸込流路に連通させる低圧流路をさらに有し、前記検圧流路を遮断できる検圧流路弁と、前記低圧流路を遮断できる低圧流路弁とを設けたものとしてもよい。

この構成によれば、検圧流路弁を遮断して低圧流路弁を開放することで、ピストンを機能端面から離間させて、吐出流路の圧力にかかわらず、スクリュ圧縮機の機械的圧縮比を低い状態に維持することができる。中間圧力部の圧力と吐出流路との圧力が近い場合には、バイパス流路が開放および閉鎖を頻繁に繰り返す可能性があるが、検圧流路弁および低圧流路弁によってバイパス流路を開放状態に維持することで、ピストンの移動によるスクリュ圧縮機の圧縮比変化に伴う、吐出流路の圧力変動を防止できる。

また、本発明のスクリュ圧縮機において、前記中間圧力部は、前記スクリュロータの回転位置によっては、前記吐出流路と連通し得る部分であってもよい。

この構成によれば、バイパス流路を開放した状態で、バイパス流路から切り離された後に作用空間内で気体を再圧縮しないので、不要な圧縮仕事を行わない。

本発明の第１実施形態のスクリュ圧縮機の軸方向垂直断面図である。図１のスクリュ圧縮機の軸方向水平断面図である。図１のスクリュ圧縮機の軸直角方向断面図である。本発明の第２実施形態のスクリュ圧縮機の軸直角方向断面図である。本発明の第３実施形態のスクリュ圧縮機の軸方向水平断面図である。

これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１および２は、本発明の第１実施形態であるスクリュ圧縮機１の構成を示す。スクリュ圧縮機１は、ケーシング２に形成したロータ室３に、互いに咬合する雄スクリュロータ４および雌スクリュロータ５を収容しており、さらに、ケーシング２に形成したモータ室６に、雄ロータ４を駆動するモータの回転子７および固定子８を収容している。

スクリュ圧縮機１は、モータ室６の端部に形成した吸込口９から外気を吸い込んで、ロータ室３とモータ室６とを接続する吸込流路１０を介して気体をロータ室３に供給する。吸込口９の内部には、給気フィルタ１１が設けられている。ロータ室３に供給された気体は、ロータ室３内の雄スクリュロータ４および雌スクリュロータ５によって画定される作用空間内で圧縮されて、吐出流路１２を通して吐出空間１３に吐出され、吐出口１４から所望の設備に供給される。スクリュロータ３，４の軸は、軸受１５〜１８によって支持されているが、吐出側の軸受１６，１８は、ロータ室３を封止する軸受ブロック１９に保持されている。

図２に示すように、軸受ブロック１９には、ロータ室３の吐出側端部の雌スクリュロータ５側の外縁部に開口する柱状空間２０が形成されている。柱状空間２０の内部には、ピストン２１が嵌装されている。ケーシング２の軸受ブロック１９と密接する端面には、ロータ室３の外側であって柱状空間２０に対向する位置から軸受ブロック１９の外側まで延伸する溝が形成されており、柱状空間２０と吐出空間１３と連通させるバイパス流路２２が画定されている。また、図３に示すように、柱状空間２０は、ロータ室３の空間であって、スクリュロータ４，５によって形成される作用空間が吐出流路１２から隔離され得る部分である中間圧縮部に開口している。

図２に示すように、ピストン２１は、柱状空間２０のロータ室３側の端面（機能端面２３）に当接することで、ロータ室の中間圧力部とバイパス流路２２とを隔離することができる。また、柱状空間２０の機能端面２３とは反対側には、吐出空間１３に連通し、柱状空間２０の機能端面２３と反対側の内部空間の圧力を吐出空間１３、ひいては吐出流路１２と同じ圧力にするための検圧流路２４が形成されている。

吸込流路１０の圧力は、外気の圧力に等しく、吐出空間１３および吐出流路１２の圧力は、需要設備の設定圧力と等しくなる。中間圧力部の圧力は、吸込流路１０から隔離された瞬間の作用空間の容積と柱状空間２０に開放された瞬間の作用空間の容積との比である容積比（例えばＶｉ＝２．０）と、吸込流路１０の圧力とによって決定される。尚、ロータ室３内における圧力は、ポリトロープ変化として算出できることが知られている。

ロータ３室内の中間圧力部の圧力が吐出空間１３の圧力よりも低い場合、バイパス流路２２および柱状空間２０を介して吐出空間１３からロータ室３に気体が流入する。このとき、バイパス流路２２および柱状空間２０における圧力損失により、柱状空間２０の機能端面２３側の空間の圧力は、ピストン２１を挟んで反対側の空間よりも僅かに低くなる。これにより、ピストン２１がロータ室３側に移動し、機能端面２３に密接することにより、バイパス流路２２をロータ室３から隔離する。これにより、スクリュ圧縮機１は、柱状空間２０およびバイパス流路２２が設けられていない通常のスクリュ圧縮機と同じ状態となり、吸込流路１０から隔離された瞬間の作用空間の容積と、吐出流路１２に開放された瞬間の作用空間の容積との比（例えばＶｉ＝３．０）で気体を圧縮する。

ロータ３室内の中間圧力部の圧力が吐出空間１３の圧力よりも高い場合、この圧力差によって、ピストン２１が機能端面２３から離間し、中間圧力部から柱状空間２０およびバイパス流路２２を介して吐出空間１３に気体が流出する。スクリュ圧縮機１では、スクリュロータ４，５の回転に伴って作用空間が移動するが、作用空間が柱状空間２０に開口している間は、作用空間の体積が減少した分だけ気体を吐出空間１３に流出させ、圧縮仕事を行わない。図３に示すように、柱状空間２０に連通する中間圧力部は、雌ロータ５の回転位置によっては、吐出流路１２とも連通し得る。つまり、作用空間が、一度、柱状空間２０に開口すると、作用空間が柱状空間２０から隔離された以降も圧縮仕事は行われず、無駄なエネルギーを消費しない。換言すると、ピストン２１が機能端面２３から離間すると、実質的に吐出流路１２が大きくなったのと同じ効果があり、スクリュ圧縮機１の機械的圧縮比をＶｉ＝２．０に低下させる。

図４に、本発明の第２実施形態のスクリュ圧縮機１ａを示す。尚、本実施形態において、第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付して、重複する説明を省略する。本実施形態のスクリュ圧縮機１ａは、第１実施形態と同じ配置の第１の柱状空間２０と吐出流路１２との間に、第２のピストン２１ａが嵌装された第２の柱状空間２０ａが設けられている。ケーシング２には、第２の柱状空間２０ａに対向する位置から延伸し、吐出流路１２に開口する溝が形成され、第２のバイパス流路２２ａを画定している。第２の柱状空間２０ａ、ピストン２１ａおよびバイパス流路２２ａの作用は、第１の柱状空間２０、ピストン２１およびバイパス流路２２と同じであり、ロータ室３をバイパス流路２２ａに接続したときの容積比（例えばＶｉ＝２．５）のみが異なる。

本実施形態では、３つの容積比（Ｖｉ＝３．０、２．５、２．０）の中で最適な容積比が自動的に選択され、スクリュ圧縮機１ａが需要設備の必要とする圧力以上に過剰に気体を圧縮することによる動力損失を、より効果的に低減できる。

図５に、本発明の第３実施形態のスクリュ圧縮機３１を示す。本実施形態のスクリュ圧縮機３１は、ケーシング３２に形成したロータ室３３に、互いに咬合する雄スクリュロータ３４および雌スクリュロータ３５を収容しており、吸込流路３６から吸い込んだ気体を、吐出流路３７に吐出する。吐出流路３７は、直接外部の吐出配管３８に接続されている。

また、ケーシング３２には、ロータ室３３の吐出側の端面に開口する、スクリュロータ３４，３５によって吐出流路３７から隔離され得る中間圧力部に連通し得る柱状空間３９が形成されている。また、柱状空間３９は、中間圧力部に開口する機能端面４０が、ケーシング３２のロータ室３３の径方向外側に形成したバイパス流路４１にも開口し、中間圧力部とバイパス流路４１とを間接的に接続できるようになっている。柱状空間３９の中には、ピストン４２が嵌装されており、ピストン４２が機能端面４０に密接することによって、中間圧力部とバイパス流路４１とを切り離すことができる。バイパス流路４１は、ケーシング３２の外部に設けたバイパス配管４３を介して、吐出配管３８、ひいては吐出流路３７に連通する。

さらに、本実施形態のスクリュ圧縮機３１は、柱状空間３９の機能端面４０と反対側の空間を、吐出配管３８およびバイパス配管４３を介して吐出流路３７に連通させる外部配管からなる検圧流路４４と、柱状空間３９の機能端面４０と反対側の空間を吸込流路３６に連通させる外部配管からなる低圧流路４５とを有する。検圧流路４４には、その流路を遮断できる検圧流路弁４６が設けられ、低圧流路４５には、その流路を遮断できる低圧流路弁４７が設けられている。

本実施形態では、検圧流路弁４６を閉鎖して低圧流路弁４７を開放することにより、吐出流路３７の圧力にかかわらず、柱状空間３９の機能端面４０側の圧力がピストン４２の反対側の内部空間の圧力よりも常に高くなるようにして、バイパス流路４１をロータ室３３の中間圧力部に連通させた状態に維持できる。これにより、吐出流路３７の圧力がロータ室３３の中間圧力部の圧力の前後で変動する場合に、ピストン４２が頻繁に移動して、中間圧力部をバイパス流路４１に接続および切断することを繰り返し、吐出圧力を変動させることを防止できる。このような運転は、スクリュ圧縮機３１の吸込圧力と吐出圧力とを検出し、その比が、所定の範囲にある場合に行われるように、プログラム制御されることが好ましい。

尚、本発明にかかるスクリュ圧縮機は、冷媒の通ずる循環流路に圧縮機、凝縮器、膨張手段、蒸発器などが介設されてなる冷凍装置に適用されても良い。

１，１ａ，３１…スクリュ圧縮機
２，２２…ケーシング
３，２３…ロータ室
４，２４…雄ロータ
５，２５…雌ロータ
１０，３６…吸込流路
１２，３７…吐出流路
１３…吐出空間
１９…軸受ブロック
２０，２０ａ，３９…柱状空間
２１，２１，４２…ピストン
２２，２２ａ，４１…バイパス流路
２３，４０…機能端面
２４，４４…検圧流路
３１…スクリュ圧縮機
３８…吐出配管
４３…バイパス配管
４５…低圧流路
４６…検圧流路弁
４７…低圧流路弁

Claims

ケーシング内に形成したロータ室に互いに咬合する雌雄一対のスクリュロータを収容し、前記スクリュロータによって吸込流路から吸い込んだ気体を圧縮して吐出流路から吐出するスクリュ圧縮機であって、
前記ロータ室内の空間であって、前記吸込流路および前記吐出流路から前記スクリュロータによって隔離され得る中間圧力部と、前記吐出流路に連通するバイパス流路とに開口する機能端面を備える柱状空間と、
前記柱状空間内に嵌装され、前記機能端面に当接することより前記中間圧力部と前記バイパス流路とを隔離するピストンとを有し、
前記柱状空間の前記機能端面と反対側の空間を前記吐出流路に連通させる検圧流路を設けたことを特徴とするスクリュ圧縮機。
前記柱状空間の前記機能端面と反対側の空間を前記吸込流路に連通させる低圧流路をさらに有し、
前記検圧流路を遮断できる検圧流路弁と、前記低圧流路を遮断できる低圧流路弁とを設けたことを特徴とする請求項１に記載のスクリュ圧縮機。
前記中間圧力部は、前記スクリュロータの回転位置によっては、前記吐出流路と連通し得る部分であることを特徴とする請求項１または２に記載のスクリュ圧縮機。