JP2013209953A

JP2013209953A - ２段圧縮装置

Info

Publication number: JP2013209953A
Application number: JP2012081312A
Authority: JP
Inventors: Seiji Yoshimura; 省二吉村; Daisuke Wada; 大祐和田
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2013-10-10
Also published as: WO2013146674A1

Abstract

【課題】外部圧縮比に応じて内部圧縮比を調整できる２段圧縮装置を提供する。
【解決手段】低段圧縮部７と高段圧縮部８とを有し、低段圧縮部７および高段圧縮部８のスクリュロータ５，６の一方の軸が連結された２段圧縮装置１において、高段圧縮部８に容量調整手段１４を設け、圧縮空間の中間流路１０から隔離される瞬間の吸込容積と吐出流路１１に接続される瞬間の吐出容積との比である容積比を、吐出容積を変化させることによって、中間流路１０の圧力と吐出流路１１の圧力との比に応じて変化させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、２段圧縮装置に関する。

ケーシング内に形成したロータ室の中に互いに咬合する雌雄一対のスクリュロータを収容してなり、前記ロータ室内の空間を前記スクリュロータによって区分して、前記スクリュロータの回転にともなって容積が縮小する圧縮空間を形成し、吸込流路から前記圧縮空間に気体を吸い込んで圧縮して吐出流路に吐出するスクリュ圧縮機が広く利用されている。

そのようなスクリュ圧縮機は、吐出流路に接続される瞬間の圧縮空間の圧力が吐出流路の圧力と異なると、吐出流路から圧縮空間への気体の逆流や、吐出流路での気体の膨張のような負の仕事が発生し、効率が低下する。吐出流路に接続される瞬間の圧縮空間の圧力は、吸込流路から隔離される瞬間の圧縮空間の圧力、つまり、吸込流路の圧力に、吸込流路から隔離される瞬間の圧縮空間の容積と吐出流路に接続される瞬間の圧縮空間の容積との比である容積比によって決定される。

一般に、吸込流路から隔離される瞬間の圧縮空間の圧力と吐出流路に接続される瞬間の圧縮空間の圧力との比を内部圧縮比と呼び、吸込流路の圧力と吐出流路の圧力との比を外部圧縮比と呼ぶ。スクリュ圧縮機の効率を向上させるために、例えば特許文献１に記載されているように、スクリュ圧縮機の容積比を吸込流路の圧力および吐出流路の圧力に応じて変化させ、内部圧縮比を外部圧縮比に近づけるスライド弁のような機構が提案されている。

また、２台のスクリュ圧縮機を中間流路を介して直列に接続した２段圧縮装置も利用されている。このような２段圧縮装置においても、外部圧縮比に応じて内部圧縮比を調節して、効率を向上させることが望ましいが、特許文献１のスクリュ圧縮機２台を直列に接続した場合、低段側の圧縮機の内部圧縮比を調節すると、中間流路の圧力が変化するため、高段側の圧縮機の外部圧縮比も変化し、高段側の圧縮機に要求される内部圧縮比が変化してしまう。つまり、特許文献１のスクリュ圧縮機２台を直列に接続すると、２つのスクリュ圧縮機の内部圧縮比の調整が互いに干渉し合うため、制御が困難である。

特開昭６２−１２１８８４号公報

前記問題点に鑑みて、本発明は、外部圧縮比に応じて内部圧縮比を調整できる２段圧縮装置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２段圧縮装置は、吸込流路から吸い込んだ気体を圧縮して中間流路に吐出する低段圧縮部と、前記中間流路から吸い込んだ気体を圧縮して吐出流路に吐出する高段圧縮部とを有し、前記低段圧縮部および前記高段圧縮部は、それぞれ、ケーシング内に形成したロータ室の中に互いに咬合する雌雄一対のスクリュロータを収容してなり、前記ロータ室内に、前記スクリュロータによって互いに隔離されて前記スクリュロータの回転にともなって容積が縮小する圧縮空間を形成し、前記低段圧縮部の前記スクリュロータの一方の軸と前記高段圧縮部の前記スクリュロータの一方の軸とが連結され、前記高段圧縮部は、前記圧縮空間の前記中間流路から隔離される瞬間の容積である吸込容積と前記吐出流路に接続される瞬間の容積である吐出容積との比である容積比を、前記吐出容積を変化させることによって、前記中間流路の圧力と前記吐出流路の圧力との比に応じて調整する容量調整手段を備えるものとする。

この構成によれば、低段側の圧縮部の内部圧縮比を固定し、高段側の圧縮部の内部圧縮比のみを変化させるので、制御が容易であり、２段圧縮装置全体の内部圧縮比を外部圧縮比に一致させて高い効率を得ることができる。

また、本発明の２段圧縮装置において、前記低段圧縮部の吐出流路の圧力は、前記吸込流路の圧力から算出してもよい。

この構成によれば、圧縮装置の内部で圧力を検出する必要がなく、前後の配管において圧力を検出できるので、構造が複雑にならない。

また、本発明の２段圧縮装置において、前記容量調整手段は、前記高段圧縮部の前記ロータ室の壁面の一部を形成し、前記スクリュロータの軸方向に進退して前記ロータ室の前記吐出流路に対する開口位置を変化させられるスライド弁であってもよい。

この構成によれば、連続的に内部圧縮比を変化させられるため、内部圧縮比を外部圧縮比に一致させることにより、高い効率を実現できる。

また、本発明の２段圧縮装置において、前記容量調整手段は、前記高段圧縮部の前記ロータ室の壁面の一部を開口して前記吐出流路に連通させられるバイパス機構であってもよい。

この構成によれば、構成が簡素であり、安価でありながら、２つの内部圧縮比を選択することにより、効率を向上させられる。

また、本発明の２段圧縮装置において、前記低段圧縮部および前記高段圧縮部の前記スクリュロータは、回転数制御可能なモータにより駆動されてもよい。

この構成によれば、回転数制御により、段圧縮装置全体の内部圧縮比を実質的に維持したまま、吐出流量を調整できるので、吸込流路や吐出流路の圧力変動を防止できる。

以上のように、本発明によれば、２段圧縮装置において、高段側の圧縮部の内部圧縮比のみを変化させるので、制御が容易であり、２段圧縮装置全体の内部圧縮比を外部圧縮比に一致させて高い効率を得ることができる。

本発明の第１実施形態の２段圧縮装置の概略構成図である。本発明の第２実施形態の２段圧縮装置の概略構成図である。図２の２段圧縮装置における断熱効率の変化を示す図である。

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に、本発明の第１実施形態である２段圧縮装置１の構成を示す。２段圧縮装置１は、ケーシング２内に形成したロータ室３，４の中に互いに咬合する雌雄一対のスクリュロータ５，６を収容してなる低段圧縮部７および高段圧縮部８を有する。低段圧縮部７の一方のスクリュロータ５の軸は、高段圧縮部８の一方のスクリュロータ６の軸と一体に連結されている。

低段圧縮部７および高段圧縮部８は、ロータ室３，４内をスクリュロータ５，６によって区分して、互いに隔離された複数の圧縮空間をそれぞれ形成する。低段圧縮部７は、圧縮空間内にケーシング２に形成した吸込流路９から気体を吸い込み、スクリュロータ５の回転にともなって圧縮空間の体積を小さくすることによって気体を圧縮し、ケーシング２に形成した中間流路１０に圧縮した気体を吐出する。高段圧縮部８は、圧縮空間内に中間流路１０から気体を吸い込んで、スクリュロータ６の回転によって気体を圧縮し、ケーシング２に形成した吐出流路１１に吐出する。

スクリュロータ５，６は、インバータ１２から電力が供給されることで回転数を調節可能なモータ１３によって駆動される。高段圧縮部８は、ロータ室４の内壁の一部分を構成し、スクリュロータ６の軸方向に移動可能なスライド弁１４を備える。スライド弁１４は、油圧シリンダ１５によって駆動され、高段圧縮部８の圧縮空間が吐出流路１１に連通する位置を調整する。つまり、スライド弁１４は、高段圧縮部８の圧縮空間が吐出流路１１に接続される瞬間の体積を調整できる容量調整手段である。

この２段圧縮装置１は、油圧シリンダ１５を駆動するための油圧回路１６を有する。油圧回路１６は、油圧シリンダ１５のピストン１７の前後の空間に圧油を供給または両空間のいずれかから油を排出するように流路を切り替える４方切り替え制御弁１８と、４方切り替え制御弁１８を駆動する圧空の給排気を切り替える２つの電磁弁１９，２０とを有する。

また、２段圧縮装置１は、吸込流路９の圧力である吸込圧力Ｐｓを検出する吸込圧力検出器２１と、吐出流路１１の圧力である吐出圧力Ｐｄを検出する吐出圧力検出器２２と、油圧シリンダ１５のピストン１７の位置を検出するポジショナ２３とを有する。さらに、２段圧縮装置１は、吸込圧力検出器２１が検出した吸込圧力Ｐｓに基づいて中間流路１０の圧力である中間圧力Ｐｍを算出する中間圧力演算部２４と、中間圧力演算部２４が算出した中間圧力Ｐｍおよび吐出圧力検出器２２が検出した吐出圧力Ｐｄに基づいて、スライド弁１４の目標位置、つまり、ポジショナ２３が検出すべきピストン１７の位置を算出する弁目標位置演算部２５と、ポジショナ２３の検出値を弁目標位置演算部２５が算出した位置に近づけるように、油圧回路１６の電磁弁１９，２０を制御する弁位置制御部２６とを有する。

ここで、中間圧力演算部２４における、中間圧力Ｐｍの算出方法について説明する。低段圧縮部７の行程体積をＶｔ１、高段圧縮部８の行程体積をＶｔ２、低段圧縮部７の体積効率をη１、高段圧縮部８の体積効率をη２、吸込流路９における気体の温度である吸込温度をＴｓ、中間流路８における気体の温度である中間温度をＴｍ、とする。すると、中間流路１０における気体の圧力である中間圧力Ｐｍは、Ｐｍ＝Ｐｓ×（Ｖｔ１×η１／Ｔｓ）／（Ｖｔ２×η２／Ｔｍ）と表せる。従って、低段圧縮部７の外部圧縮比は、Ｐｍ／Ｐｓ＝（Ｖｔ１×η１／Ｔｓ）／（Ｖｔ２×η２／Ｔｍ）＝（Ｖｔ１／Ｖｔ２）×（η１／η２）×（Ｔｍ／Ｔｓ）となる。ここで、行程体積をＶｔ１、Ｖｔ２は、スクリュロータ５，６の形状および大きさに依存し、モータ１３の回転数に比例するため、（Ｖｔ１／Ｖｔ２）は一定である。また、体積効率η１，η２、吸込温度Ｔｓおよび中間温度Ｔｍは、外的要因によって変動することはあるが、２段圧縮装置１自体の運転パラメータによっては殆ど変化しない。このため、中間圧力Ｐｍは、吐出圧力Ｐｄとは無関係に、スクリュロータ５，６の形状によって定められる係数と吸込圧力検出器２１が検出した吸込圧力Ｐｓとに基づいて算出できる。

また、低段圧縮部７の圧縮空間の吸込流路９から隔離される瞬間の容積である吸込体積をＶｓ１、中間流路１０に接続される瞬間の容積である吐出体積をＶｄ１、低段圧縮部７の吸込体積Ｖｓ１と吐出体積Ｖｄ１との比である容積比をＶｉ１、低段圧縮部７の圧縮空間の中間流路１０に接続される瞬間の圧力である低段内部圧力Ｐｄ１とすると、ポリトロープ変化の公式に基づき、比熱比κを用いて、Ｐｓ×Ｖｓ１^κ＝Ｐｄ１×（Ｖｓ／Ｖｉ１）^κの関係が成り立つ。従って、低段内部圧力Ｐｄ１＝Ｐｓ×Ｖｉ１^κと表すことができる。

同様に、高段圧縮部８の圧縮空間の中間から隔離される瞬間の容積である吸込体積をＶｓ２、吐出流路１１に接続される瞬間の容積である吐出体積をＶｄ２、高段圧縮部８の吸込体積Ｖｓ２と吐出体積Ｖｄ２との比である容積比をＶｉ２、高段段圧縮部８の圧縮空間の吐出流路に接続される瞬間の圧力である高段内部圧力をＰｄ２とすると、ポリトロープ変化の公式に基づき、Ｐｍ×Ｖｓ２^κ＝Ｐｄ×Ｖｄ２^κであるから、Ｖｓ２／Ｖｄ２＝（Ｐｄ／Ｐｍ）^１／κ・・・（１）となる。

吐出圧力Ｐｄと高段内部圧力Ｐｄ２とに差があると、吐出流路１１から圧縮空間への気体の逆流や、圧縮空間において過剰に圧縮された気体が吐出空間において瞬間的な膨張が生じ、エネルギの損失を招く。そこで、２段圧縮装置１は、弁目標位置演算部２５において、吐出圧力Ｐｄと高段内部圧力Ｐｄ２とが等しくなるような高段圧縮部８の容積比Ｖｉ２の目標容積比Ｖｉａを算出する。具体的には、Ｖｉａ＝Ｖｉ２＝Ｖｓ２／Ｖｄ２とし、これに、前記ポリトロープ変化の式（１）を代入すると、目標容積比Ｖｉａ＝（Ｐｄ／Ｐｍ）^１／κとなる。高段圧縮部８の吸込体積Ｖｓ２は一定であるから、この目標容積比Ｖｉａを達成するため、スライド弁１４によって設定すべき高段圧縮部８の吐出体積Ｖｄ２が算出でき、ポジショナ２３が検出すべきピストン１７の位置を決定できる。

弁位置制御部２６は、高段圧縮部８の容積比Ｖｉ２を目標値Ｖｉａに近づけるように、油圧回路１６を制御する。典型的には、高段圧縮部８の吐出体積Ｖｄ２は、スライド弁１４の位置に比例して変化する。この場合、高段圧縮部８の容積比Ｖｉ２は、高段圧縮部８の吸込体積Ｖｓ２が一定であるので、ポジショナ２１が検出したピストン１５の位置に比例する。そこで、弁位置制御部２６は、ポジショナ２１の検出値から算出した容積比Ｖｉ２が目標値Ｖｉａよりも所定の許容偏差α、例えば０．１を超えて大きい場合（Ｖｉ２−Ｖｉａ＞α）には、電磁弁１９を排気位置とし、電磁弁２０を圧空供給位置とすることにより、油圧シリンダ１５を伸長させてスライド弁１４の開度を大きくし、容積比Ｖｉ２を低下させる。逆に、弁位置制御部２６は、検出した容積比Ｖｉ２が目標値Ｖｉａよりも所定の許容偏差α、例えば０．１を超えて小さい場合（Ｖｉ２−Ｖｉａ＜−α）には、電磁弁１９を圧空供給位置とし、電磁弁２０を排気位置とすることにより、油圧シリンダ１５を短縮させてスライド弁１４の開度を小さくする。

以上のように、２段圧縮装置１は、高段圧縮部８の吐出容量Ｖｄ２を変化させて高段圧縮部８の容積比Ｖｉ２を調整することによって、高段圧縮部８の内部圧縮比を高段圧縮部８の外部圧縮比（Ｐｄ／Ｐｍ）に略一致させる。つまり、２段圧縮装置１全体の内部圧縮比は、高段圧縮部８の容積比Ｖｉ２の調整によって、２段圧縮装置１全体の外部圧縮比（Ｐｓ／Ｐｄ）に合わせられるので、動力ロスが少なく、効率が高い。

また、２段圧縮装置１は、インバータ１２により周波数制御されるモータ１３により駆動されるので、低段圧縮部７および高段圧縮部８の内部圧縮比を実質的に維持したまま、需要に応じて圧縮した気体の吐出量を調整できる。このため、吸込流路９や吐出流路１１の圧力変動を防止できる。

続いて、図２に、本発明の第２実施形態である２段圧縮装置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２段圧縮装置１ａにおいて、スライド弁１４ａは、スプリングリターン式の油圧シリンダ１５ａによってスクリュロータ６の軸方向に吸込側と吐出側の２つの位置のいずれかに配置される。このスライド弁１４ａは、連通孔２７を有し、吐出側に移動することによって、ロータ室４の外壁の一部を開放し、連通孔２７を介して吐出流路１１に連通させる。つまり、スライド弁１４ａは、高段圧縮部８の容積比Ｖｉ２を２段階に変化させる容量調整手段である。このため、油圧回路１６ａは、油圧シリンダ１５ａに圧油を供給する給油位置と、油圧シリンダ１５ａから油を排出する排油位置との間で切り替えられる電磁弁２８を１つだけ備える簡素なものである。

また、２段圧縮装置１ａは、中間流路１０において中間圧力Ｐｍを直接検出する中間圧力検出器２９を有する。このため、中間圧力検出器２９が検出値Ｐｍと吐出圧力検出器２２の検出値Ｐｄとから、スライド弁１４ａの位置を直接決定し、油圧回路１６の電磁弁２８を、スライド弁１４ａの位置に対応する給油位置または排油位置に切り替える弁位置決定部３０を有する。

図３に、スライド弁１４ａの位置による、外部圧縮比に対する断熱効率の変化を示す。図示するように、スライド弁１４ａが吸込側に位置する場合と吐出側に位置する場合とで断熱効率が等しくなる外部圧縮比πａがある。よって、この断熱効率が等しくなる外部圧縮比πａを境に、スライド弁１４ａの位置を切り替えればよい。

本発明によれば、容量調整手段は、第１実施形態のスライド弁１４や第２実施形態の連通孔２７を有するスライド弁１４ａの他、高段圧縮部８の容積比Ｖｉ２を変化させられるものであれば、どのようなものであってもよい。例えば、ロータ室４の軸方向の端面に開口を設け、この開口を吐出流路１１に連通させ得るピストンバルブのような弁機構を容量調整手段として採用してもよい。

１，１ａ…２段圧縮装置
２…ケーシング
３，４…ロータ室
５，６スクリュロータ
７…低段圧縮部
８…高段圧縮部
９…吸込流路
１０…中間流路
１１…吐出流路
１２…インバータ
１３…モータ
１４，１４ａ…スライド弁
１５，１５ａ…油圧シリンダ
１６，１６ａ…油圧回路
２１…吸込圧力検出器
２２…吐出圧力検出器
２３…ポジショナ
２４…中間圧力演算部
２５…弁目標位置演算部
２６…弁位置制御部
２７…連通孔
２９…中間圧力検出器
３０…弁位置決定部

Claims

吸込流路から吸い込んだ気体を圧縮して中間流路に吐出する低段圧縮部と、前記中間流路から吸い込んだ気体を圧縮して吐出流路に吐出する高段圧縮部とを有し、
前記低段圧縮部および前記高段圧縮部は、それぞれ、ケーシング内に形成したロータ室の中に互いに咬合する雌雄一対のスクリュロータを収容してなり、前記ロータ室内に、前記スクリュロータによって互いに隔離されて前記スクリュロータの回転にともなって容積が縮小する圧縮空間を形成し、
前記低段圧縮部の前記スクリュロータの一方の軸と前記高段圧縮部の前記スクリュロータの一方の軸とが連結され、
前記高段圧縮部は、前記圧縮空間の前記中間流路から隔離される瞬間の容積である吸込容積と前記吐出流路に接続される瞬間の容積である吐出容積との比である容積比を、前記吐出容積を変化させることによって、前記中間流路の圧力と前記吐出流路の圧力との比に応じて調整する容量調整手段を備えることを特徴とする２段圧縮装置。
前記低段圧縮部の吐出流路の圧力は、前記吸込流路の圧力から算出することを特徴とする請求項１に記載の２段圧縮装置。
前記容量調整手段は、前記高段圧縮部の前記ロータ室の壁面の一部を形成し、前記スクリュロータの軸方向に進退して前記ロータ室の前記吐出流路に対する開口位置を変化させられるスライド弁であることを特徴とする請求項１または２に記載の２段圧縮装置。
前記容量調整手段は、前記高段圧縮部の前記ロータ室の壁面の一部を開口して前記吐出流路に連通させられるバイパス機構であることを特徴とする請求項１または２に記載の２段圧縮装置。
前記低段圧縮部および前記高段圧縮部の前記スクリュロータは、回転数制御可能なモータにより駆動されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の２段圧縮装置。