JP2013217283A

JP2013217283A - ２段油冷式圧縮装置

Info

Publication number: JP2013217283A
Application number: JP2012088574A
Authority: JP
Inventors: Seiji Yoshimura; 省二吉村; Satoshi Tezuka; 智志手塚
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2012-04-09
Filing date: 2012-04-09
Publication date: 2013-10-24
Also published as: WO2013153970A1

Abstract

【課題】吸込圧力及び吐出圧力が変化しても、軸受への給油が可能な２段油冷式圧縮装置を提供する。
【解決手段】雌雄一対のスクリュロータ１１，１６によって気体を圧縮する第１段圧縮部８及び第２段圧縮部９を直列に接続してなる２段油冷式圧縮装置１において、第２段圧縮部９の圧縮途中の閉じ込み空間１７から油を抜き出して、第１段圧縮部８と第２段圧縮部９との間の中間軸受２１，２２に供給する第１給油流路２７と、第２段圧縮部９が吐出した気体から油を分離する油分離器２と、油分離器２が分離した油を中間軸受２１，２２に供給する第２給油流路２８とを設け、中間軸受２１，２２の圧力が第２給油流路２への給油圧力よりも高い場合には、第１給油流路２７を介して中間軸受２１，２２に油を供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、油冷式スクリュ圧縮機を直列に接続してなる２段油冷式圧縮装置に関する。

油冷式スクリュ圧縮機では、軸受に潤滑油を供給し、軸受から排出される油を圧縮機の吸込部や閉じ込み部（ロータ室に確定される各歯溝内の閉鎖空間）に排出し、スクリュロータやハウジングの冷却、潤滑及びシールのための油の一部として圧縮したガスと共に吐出させ、油分離器で分離回収する場合が多い。

特許文献１に記載された油冷式スクリュ圧縮機では、軸受から流出する油を冷却してから、圧縮機の閉じ込み部に排出している。油を冷却してから圧縮機の閉じ込み部に排出するのは、熱い油を閉じ込み部に供給すると、ガスが膨張して、閉じ込み部の圧力（歯溝圧力）が上昇し、圧縮機としての性能が低下するためである。また、閉じ込み部に排油するのは、吸込部に排油すると、油に溶け込んだガスが吸込部で油から脱気して、圧縮機の体積効率が低下するためである。

特許文献１にはいわゆる単段機が示されているが、２つの油冷式スクリュ圧縮機を直列に接続してなる２段油冷式圧縮機の場合には、通常、２段目の吐出側の軸受の排油ラインを中間圧力空間（１段目の吐出部および２段目の吸込部）に接続して、１段目の吸込部に油が流れ込むことにより実質的なガスの吸い込み量を低下させることによる性能低下を防止する。

ヒートポンプや冷凍機の場合、外的な要因によって定まる凝縮温度や蒸発温度により、圧縮機の吸込圧力Ｐｓ、吐出圧力Ｐｄが変化する。一方、圧縮機の軸受等の給油な必要な箇所には、通常、圧縮機の吐出流路に介設された油分離器から回収された油が、圧縮機の吐出圧力Ｐｄによって供給される。圧縮機が２段圧縮機である場合、１段目の吐出側の軸受及び２段目の吸込側の軸受の排油圧力は１段目の吐出圧力、つまり、１段目と２段目とを接続する中間圧力空間の圧力である中間圧力Ｐｍになる。この中間圧力Ｐｍは、吸込圧力Ｐｓに依存し、１段側の吸込容量をＶｓ１、２段側の吸込容量をＶｓ２、冷媒の比熱比をκとすると、概略、Ｐｍ＝Ｐｓ×（Ｖｓ１／Ｖｓ２）^κで表される。

Ｐｄ＞Ｐｍの場合は、給油圧力（吐出圧力）Ｐｄが排油圧力（中間圧力）Ｐｍより高いため、１段目の吐出側の軸受、２段目の吸込側の軸受には正常に油が供給される。しかし、Ｐｄ＜Ｐｍの場合は、給油圧力Ｐｄが排油圧力Ｐｍより低いため、１段目の吐出側の軸受及び２段目の吸込側の軸受に油が供給されず、軸受が破損する恐れが生じる。

例えば、冷媒としてＲ２４５ｆａを用いた冷凍機において、蒸発温度が３０℃、凝縮温度が７０℃の場合、吸込圧力Ｐｓ＝０．１８ＭＰａ、吐出圧力Ｐｄ＝０．６１ＭＰａである。そして、Ｖｓ１／Ｖｓ２＝３、比熱比κ＝１．０５とすると、前記式より、中間圧力Ｐｍ＝０．５７ＭＰａ＜Ｐｄとなる。しかしながら、蒸発温度が４０℃に上昇した場合、吸込圧力Ｐｓ＝０．２５ＭＰａとなるため、中間圧力Ｐｍ＝０．７９ＭＰａ＞Ｐｄとなり、１段目の吐出側の軸受及び２段目の吸込側の軸受には、吐出圧力によって油を供給できない。

特開平６−２２５８７号公報

前記問題点に鑑みて、本発明は、吸込圧力及び吐出圧力が変化しても、軸受への給油が可能な２段油冷式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段油冷式圧縮装置は、油と共に気体を圧縮する油冷式圧縮機からなる第１段圧縮部及び第２段圧縮部を直列に接続してなり、前記第２段圧縮部の圧縮途中の閉じ込み空間から、前記第１段圧縮部と第２段圧縮部との間の中間軸受まで、連通可能に構成されてなる第１給油流路を有する。

この構成によれば、中間軸受の圧力と略等しい第２段圧縮部の吸込側の圧力（中間圧力）よりも常に高い圧力を有する第２段圧縮部の閉じ込み空間の油を、中間軸受に供給するため、吐出圧力に関係なく中間軸受への油の供給を行える。

また、本発明の２段油冷式圧縮装置は、前記第２段圧縮部が吐出した気体から前記油を分離する油分離器と、前記油分離器が分離した前記油を前記中間軸受に供給する第２給油流路とをさらに有し、前記第１給油流路は、流路を遮断可能な第１開閉弁を備え、前記第２給油流路は、流路を遮断可能な第２開閉弁を備え、前記中間軸受の圧力が前記油分離器から前記第２給油流路に供給される前記油の圧力である給油圧力よりも高い場合には、前記第１開閉弁を開いて、前記第２開閉弁を閉じ、前記中間軸受の圧力が前記給油圧力以下である場合には、前記第１開閉弁を閉じて、前記第２開閉弁を開くようにしてもよい。

この構成によれば、中間軸受の圧力が給油圧力よりも高いときには、中間軸受の圧力と略等しい第２段圧縮部の吸込側の圧力（中間圧力）よりも常に高い圧力を有する第２段圧縮部の閉じ込み空間から中間軸受に、第１給油流路を介して油を供給する一方、中間軸受の圧力が給油圧力以下のときには、従来と同様に油分離器から中間軸受に油を供給するので、長時間の安定した運転ができる。なお、第２段圧縮部の閉じ込み空間から中間軸受に、第１給油流路を介して油を供給するためには、圧縮された気体の一部も中間軸受に戻す必要があり、圧縮機としてのロスが若干生じる。ただし、その状態を中間軸受の圧力が給油圧力よりも高い場合のみに限定することで、圧縮機としてのロスを極力、抑制することができる。

また、本発明の２段油冷式圧縮装置は、前記第１段圧縮部と前記第２段圧縮部とを接続する中間圧力空間の圧力を検出して、前記中間軸受の圧力として扱ってもよい。

この構成によれば、他の目的で中間圧力を検出する場合には、センサを兼用して、構成を簡素化できる。

また、本発明の２段油冷式圧縮装置は、前記第１段圧縮部が吸い込む気体の圧力である吸込圧力と、前記第２段圧縮部が吐出した気体の圧力である吐出圧力とを検出し、前記吸込圧力及び前記吐出圧力から前記中間軸受の圧力を算出してもよい。

この構成によれば、吸込圧力と吐出圧力とは、一般に、圧縮機の運転状態を確認するために検出されるので、それらの値から中間軸受の圧力を算出することで、専用のセンサが必要ない。

また、本発明の２段油冷式圧縮装置は、前記第２給油流路の前記第２開閉弁の上流側に、前記給油圧力を検出する検出器を備えてもよい。

この構成によれば、正確な給油圧力を検出するので、第１給油流路の使用を最低限に留められる。

また、本発明の２段油冷式圧縮装置は、前記第２段圧縮部が吐出した気体の圧力を検出して、前記給油圧力として扱ってもよい。

この構成によれば、給油圧力を検出するための専用のセンサが不要である。

以上のように、本発明の２段油冷式圧縮装置は、吐出圧力が中間圧力よりも低くなったとしても、中間圧力よりも高い圧力を有する第２段圧縮部の閉じ込み空間の油を中間軸受に供給するので、吐出圧力に関係なく中間軸受への油の供給を行える。これにより、中間軸受の損傷を防止できる。

本発明の第１実施形態の２段油冷式圧縮装置を用いたヒートポンプの概略構成図である。本発明の第２実施形態の２段油冷式圧縮装置を用いたヒートポンプの概略構成図である。本発明の第３実施形態の２段油冷式圧縮装置を用いたヒートポンプの概略構成図である。

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。先ず、図に、本発明の第１実施形態である油冷式２段スクリュ圧縮機１を用いたヒートポンプの構成を示す。このヒートポンプ装置は、油冷式２段スクリュ圧縮機１と、油分離器２と、凝縮器３と、膨張弁４と、蒸発器５とを介設してなり、冷媒（例えばＲ１３４ａやＲ２４５ｆａ）を封入した閉じた冷媒循環流路６を構成する。

油冷式２段スクリュ圧縮機１は、気体である冷媒を圧縮するが、このとき、冷却、潤滑及びシールのために、冷媒に油が混合される。油冷式２段スクリュ圧縮機１が吐出した冷媒は、油分離器２に導入され、冷媒と油とが分離される。

油分離器２において油が除去された冷媒は、凝縮器３に導入される。凝縮器３は、冷媒と水との間で熱交換を行い、水を加熱して温水を製造する熱交換器である。凝縮器３において、冷媒は凝縮して液体になる。

凝縮器３において凝縮した冷媒は、膨張弁４で減圧されて蒸発器５に供給される。蒸発器５は、冷媒と水との間で熱交換を行い、水を冷却して冷水を製造する熱交換器である。蒸発器５において、冷媒は蒸発して気体になる。蒸発器５において、蒸発した冷媒は、油冷式２段スクリュ圧縮機１に再供給される。

油冷式２段スクリュ圧縮機１は、共通のハウジング７の中に第１段圧縮部８と第２段圧縮部９とが形成されている。

第１段圧縮部８は、ハウジング７に形成されたロータ室１０に雌雄一対のスクリュロータ１１を収容してなり、冷媒循環流路６に接続されるように形成された吸込流路１２から冷媒を吸い込んで圧縮し、ハウジング７内に形成された中間圧力空間１３に吐出する。スクリュロータ１１は、ロータ室１０内の空間を区分して複数の閉鎖された閉じ込み空間１４を形成し、回転にともなって閉じ込み空間１４の容積を小さくすることにより、冷媒を圧縮する。このとき、第１段圧縮部８は、油と共に冷媒を吸い込んで、ハウジング７及びスクリュロータ１１の冷却、並びに、スクリュロータ１１間及びスクリュロータ１１とロータ室１０の内壁との間のシール及び潤滑を行うようになっている。

また、第２段圧縮部９も、第１段圧縮部８と同様に、ハウジング７に形成されたロータ室１５に雌雄一対のスクリュロータ１６を収容してなり、複数の閉鎖された閉じ込み空間１７を形成し、中間圧力空間１３から冷媒を吸い込んで圧縮し、吐出流路１８を介して冷媒循環流路６に吐出する。第１段圧縮部８のスクリュロータ１１の一方と第２段圧縮部９のスクリュロータ１６の一方とは、その軸がモータ１９の出力軸と一体に接続されている。

スクリュロータ１１，１６は、その軸が、吸込軸受２０、中間軸受２１，２２及び吐出軸受２３によって支持されている。ハウジング８には、第１段圧縮部８の吸込側に吸込軸受２０を収容する吸込軸受空間２４が形成され、第１段圧縮部８と第２段圧縮部９の間に中間軸受２１，２２を収容する中間軸受空間２５が形成され、第２段圧縮部９の吐出側に吐出軸受２３を収容する吐出軸受空間２６が形成されている。中間軸受空間２５は、冷媒の流路となる中間圧力空間１３と連通している。

油冷式２段スクリュ圧縮機１は、第２段圧縮部９の閉じ込み空間１７から、中間軸受空間２５まで連通可能に構成されてなる第１給油流路２７と、油分離器２で分離した油を、中間軸受空間２５に供給する第２給油流路２８とを有する。第１給油流路２７及び第２給油流路２８は、それぞれ、流路を遮断可能な第１開閉弁２９及び第２開閉弁３０を備える。すなわち、第１開閉弁２９を開くことにより、第１給油流路２７を介して、第２段圧縮部９の閉じ込み空間１７から、中間軸受空間２５までが連通される。なお、第１給油流路２７と第２給油流路２８とは、図示するように、両者が合流した後に中間軸受空間２５に接続されてもよいが、それぞれ、個別に中間軸受空間２５に接続されてもよい。また、吸込軸受空間２４及び吐出軸受空間２６等、油冷式２段スクリュ圧縮機１の油と必要とする他の箇所にも、不図示の流路を介して、油分離器２で分離した油が供給されるようになっている。

また、油冷式２段スクリュ圧縮機１の吐出側の循環流路６には、油冷式２段スクリュ圧縮機１が吐出した冷媒の圧力Ｐｄを検出する吐出圧力検出器３１が設けられ、油冷式２段スクリュ圧縮機１の吸込側の循環流路６には、油冷式２段スクリュ圧縮機１が吸い込む冷媒の圧力Ｐｓを検出する吸込圧力検出器３２が設けられている。そして、油冷式２段スクリュ圧縮機１は、吐出圧力検出器３１が検出した吐出圧力Ｐｄ及び吸込圧力検出器３２が検出した吸込圧力Ｐｓに基づいて、第１開閉弁２９及び第２開閉弁３０を開閉する制御装置３３を有する。なお、吐出圧力検出器３１及び吸込圧力検出器３２は、第１開閉弁２９及び第２開閉弁３０を制御する制御装置３３だけでなく、他の構成要素に対してその検出値を出力してもよい。

制御装置３３は、先ず、吸込圧力Ｐｓに基づいて、中間圧力空間１３の圧力である中間圧力Ｐｍを算出する。中間圧力Ｐｍは、吸込圧力Ｐｓに加えて、油冷式２段スクリュ圧縮機１の仕様、つまり、機械的形状によって定まる第１段圧縮部８の吸込容量Ｖｓ１と第２段圧縮部９の吸込容量Ｖｓ２との比（Ｖｓ１／Ｖｓ２）と、冷媒の物性である比熱比κとを用いてＰｍ＝Ｐ×（Ｖｓ１／Ｖｓ２）^κとして算出することができる。

制御装置３３は、この中間圧力Ｐｍを中間軸受２１，２２の圧力とみなし、且つ、吐出圧力Ｐｄを第２給油流路２８における油の給油圧力とみなす。つまり、制御装置３３は、中間圧力Ｐｍと吐出圧力Ｐｄとを比較し、中間圧力Ｐｍが吐出圧力Ｐｄよりも高い場合には、第１開閉弁２９を開いて、第２開閉弁３０を閉じ、中間圧力Ｐｍが吐出圧力Ｐｄ以下である場合には、第１開閉弁２９を閉じて、第２開閉弁３０を開く。

中間圧力Ｐｍが吐出圧力Ｐｄ以下の場合、第２給油流路２８における油の圧力が中間軸受空間２５の圧力以上であるので、第２給油流路２８の圧力によって中間軸受２１，２２に油を供給して潤滑できる。また、中間圧力Ｐｍが吐出圧力Ｐｄより高い場合には、第２給油流路２８における油の圧力が中間軸受空間２５の圧力より低いので、第２給油流路２８の圧力では、中間軸受２１，２２に油を供給することができない。その場合、油冷式２段スクリュ圧縮機１では、第１給油流路２７を介して中間軸受空間２５に油を供給する。

第１給油流路２７が接続された閉じ込み空間１７は、中間圧力空間１３から吸い込んだ冷媒をさらに圧縮した状態であるため、中間圧力Ｐｍや吐出圧力Ｐｄの値に拘わらず、常に中間圧力Ｐｍよりも高い圧力を有する。したがって、第１給油流路２７を介して中間軸受空間２５に油を供給すれば、油の供給が途切れて中間軸受２１，２２が損傷することを防止できる。このとき、油だけでなく、冷媒も一緒に閉じ込み空間１７から第１給油流路２７を介して中間軸受空間２５に供給され、ミスト状の油が中間軸受２１，２２に供給されることになる場合があるが、その程度の油量でも中間軸受２１，２２の潤滑には十分である。また、中間軸受２１，２２を潤滑した油及び吹き抜けた冷媒は、中間圧力空間１７を介して、第２段圧縮部９のロータ室１５に再度吸い込まれる。

なお、第２段圧縮部９の閉じ込み空間１７から中間軸受２１，２２に、第１給油流路２７を介して油を供給するためには、圧縮された冷媒の一部も中間軸受２１，２２に戻す必要があり、圧縮機としてのロスが若干生じる。ただし、その状態、すなわち、第２段圧縮部９の閉じ込み空間１７から中間軸受２１，２２に、第１給油流路２７を介して油とともに冷媒を供給する状態を、中間軸受２１，２２の圧力が給油圧力よりも高い場合のみに限定することで、圧縮機としてのロスを極力、抑制することができる。

続いて、図２に、本発明の第２実施形態である油冷式２段スクリュ圧縮機１ａを用いたヒートポンプの構成を示す。尚、以降の実施形態において先に説明した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。

本実施形態において、吐出圧力検出器３１は、油分離器２の内部空間における冷媒の圧力を検出するように設けられている。また、油冷式２段スクリュ圧縮機１ａは、中間圧力空間１３における冷媒の圧力を検出する中間圧力検出器３４を備える。

本実施形態のように、第２給油流路２８に供給される油の圧力源となる吐出圧力Ｐｄは、油分離器２において検出してもよい。また、中間軸受２１，２２を収容する中間軸受空間２５の圧力に近似する中間圧力空間１３の圧力である中間圧力Ｐｍを中間圧力検出器３４によって直接検出するようにしてもよい。

さらに、図３に、本発明の第３実施形態である油冷式２段スクリュ圧縮機１ｂを用いたヒートポンプの構成を示す。本実施形態の油冷式２段スクリュ圧縮機１ｂは、第２給油流路２８の第２開閉弁３０の上流側において油の給油圧力Ｐｏを検出する給油圧力検出器３５と、中間軸受空間２５の圧力Ｐｂを直接検出する軸受圧力検出器３６とを備える。

このように、中間軸受空間２５の圧力である軸受圧力Ｐｂ及び第２給油流路２８に供給される油の圧力である給油圧力Ｐｏを直接検出すれば、第２給油流路２８から中間軸受２１，２２に油を供給できるか否かをより正確に判断できる。

１，１ａ，１ｂ…油冷式２段スクリュ圧縮機
２…油分離器
１３…中間圧力空間
２１，２２…中間軸受
２５…中間軸受空間
２７…第１給油流路
２８…第２給油流路
２９…第１開閉弁
３０…第２開閉弁
３１…吐出圧力検出器
３２…吸込圧力検出器
３３…制御装置
３４…中間圧力検出器
３５…給油圧力検出器
３６…軸受圧力検出器
Ｐｂ…軸受圧力
Ｐｄ…吐出圧力
Ｐｍ…中間圧力
Ｐｓ…吸込圧力
Ｐｏ…給油圧力

Claims

ハウジング内に収容した雌雄一対のスクリュロータによって気体を圧縮し、油によって冷却及び潤滑される第１段圧縮部及び第２段圧縮部を直列に接続してなり、
前記第２段圧縮部の圧縮途中の閉じ込み空間から、前記第１段圧縮部と第２段圧縮部との間の中間軸受まで、連通可能に構成されてなる第１給油流路を有することを特徴とする２段油冷式圧縮装置。
前記第２段圧縮部が吐出した気体から前記油を分離する油分離器と、前記油分離器が分離した前記油を前記中間軸受に供給する第２給油流路とをさらに有し、
前記第１給油流路は、流路を遮断可能な第１開閉弁を備え、
前記第２給油流路は、流路を遮断可能な第２開閉弁を備え、
前記中間軸受の圧力が前記油分離器から前記第２給油流路に供給される前記油の圧力である給油圧力よりも高い場合には、前記第１開閉弁を開いて、前記第２開閉弁を閉じ、
前記中間軸受の圧力が前記給油圧力以下である場合には、前記第１開閉弁を閉じて、前記第２開閉弁を開くことを特徴とする請求項１に記載の２段油冷式圧縮装置。
前記第１段圧縮部と前記第２段圧縮部とを接続する中間圧力空間の圧力を検出して、前記中間軸受の圧力として扱うことを特徴とする請求項２に記載の２段油冷式圧縮装置。
前記第１段圧縮部が吸い込む気体の圧力である吸込圧力と、前記第２段圧縮部が吐出した気体の圧力である吐出圧力とを検出し、前記吸込圧力及び前記吐出圧力から前記中間軸受の圧力を算出することを特徴とする請求項２に記載の２段油冷式圧縮装置。
前記第２給油流路の前記第２開閉弁の上流側に、前記給油圧力を検出する検出器を備えることを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の２段油冷式圧縮装置。
前記第２段圧縮部が吐出した気体の圧力を検出して、前記給油圧力として扱うことを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の２段油冷式圧縮装置。