JP3821721B2

JP3821721B2 - 低圧縮比及び圧力変動対応のスクリュー圧縮装置及びその運転方法

Info

Publication number: JP3821721B2
Application number: JP2002039168A
Authority: JP
Inventors: 敏朗服部; 克行高橋; 喜芳田中
Original assignee: Mayekawa Manufacturing Co
Current assignee: Mayekawa Manufacturing Co
Priority date: 2001-02-15
Filing date: 2002-02-15
Publication date: 2006-09-13
Anticipated expiration: 2022-02-15
Also published as: US6659729B2; JP2002310077A; US20030007873A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばガスタービンブースター用ガス燃料圧縮機や天然ガス等のガス圧送用圧縮機のように、吐出圧が一定で吸入圧は比較的高い低圧縮比用途や、吐出圧が一定で吸入圧が低い圧力から吐出圧に近い圧力まで変化する圧力変動が大きい用途、即ち吐出圧は一定で吸入圧が変化するが圧縮比は大きくない用途に使用される場合、及び都市ガス等の球形フォルダーへのガス圧送のように、吐出側の大きい容積の圧力容器などにガスを圧送するような場合、即ち吐出側圧力が吸入圧に近い圧力から所定の圧力まで昇圧するような用途に使用される場合の、低圧縮比及び圧力変動対応のスクリュー圧縮装置及びその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、容量制御可能なスクリュー圧縮機が冷凍機用に多く用いられている。冷凍機の場合、吸入圧力は蒸発器で冷媒を蒸発させる温度と冷媒の種類によって決まる。つまり、吸入圧力は用途によって一定に保たれるが、一方冷凍サイクルの高圧側圧力は凝縮器で圧縮冷媒ガスを冷却して凝縮させるための冷却水或は冷却空気等冷却媒体の温度や冷却能力に応じて変わる。一般的に、スクリュー圧縮機の内部容積比は、低圧縮比、中圧縮比および高圧縮比の仕様の中から、運転条件によって適切な設計内部容積比が選定されるため、一つの内部容積比である範囲の運転条件に対応するので、ある運転条件ではスクリュー圧縮機のポリトロープ効率が最高となるが、その他の運転条件ではポリトロープ効率は低下する。
【０００３】
また、ある範囲の運転条件に対応するように、内部容積比を運転される凝縮圧力条件に応じて低圧縮比、中圧縮比及び高圧縮比の仕様になるように自動的に制御する型のものもあるが、一般的に容量制御機構を備えているため、構造が複雑となり、容量制御時には内部容積比の制御が難しく、高ポリトロープ効率を得ることは難しい。
【０００４】
スクリュー圧縮機の吸入圧Ｐ_s、歯溝密閉空間での圧縮圧力即ち歯溝密閉空間が吐出口に連通する直前の該歯溝空間の圧力Ｐ_２、及び設計内部容積比Ｖ_iとの間には、Ｐ_２＝Ｐ_s＊Ｖ_i ^ｍの関係がある（ｍはポリトロープ指数）。前記圧力Ｐ_２とスクリュー圧縮機の吐出圧、即ち冷凍サイクルの高圧側圧力Ｐ_ｄとの差が大きいと、圧縮機の過圧縮或は圧縮不足となり、吐出時に無駄な仕事が費やされて圧縮機のポリトロープ効率が悪くなるので、前記圧力差が適当な範囲に納まるように設計内部容積比Ｖ_iが選定、或はセット、或は制御される。
【０００５】
図８は、一般的なスクリュー圧縮機の圧縮過程を説明する模式図である。同図において、雄ロータ１２と該雄ロータ１２に噛合う図示しない雌ロータの回転に従って吸入口１５からガスが両ロータの歯面とロータケーシング１４の内周壁面で形成される歯溝空間に吸込まれ、該歯溝空間は回転にしたがって両ロータ歯面噛合いによる歯面上の噛合い線即ち歯面シール線が吐出側に移動するので前記空間の容積は回転にしたがって増大し、該容積が最大になったときに該歯溝空間と吸入口との連通が遮断されて前記歯溝空間は密閉空間となって吸入ガスは閉込められる。
【０００６】
ついでさらに回転にしたがって吸入側寄りの両ロータの噛合いによる歯面上の噛合い線が吐出側に移動するので該密閉歯溝空間の容積は減少して該密閉空間内のガスは圧縮され、両ロータの歯頂(図８では雄ロータ１２の歯頂１２bのみが示されている)が前記スライド弁１７の吐出側端部に設けられた切欠き１７ｂの切欠き始端１７ｃ(実際には前記歯頂に平行な切り欠き始端線)に達したときに該密閉歯溝空間が吐出口１６と連通し、ロータ回転にしたがって該歯溝空間内のガスは吐出される。前記最大閉込め時の歯溝空間容積と吐出が始まる直前の歯溝空間容積との比が内部容積比である。
【０００７】
スクリュー圧縮機の流量を変える容量制御は、前記雄ロータ１２と該雄ロータ１２と噛合う図示しない雌ロータの両ロータ歯の外周に跨って前記ロータケーシング１４の内周壁面の一部を形成するとともにスライド弁止端面１９よりも吸入側に入ることがなくロータ軸方向に移動可能に設けられた前記スライド弁１７を移動することによって行なわれる。該スライド弁１７を左方へ移動させて、該スライド弁１７の右端面１７ａが鎖線で示す１７ａ′の位置に来ると、前記スライド弁止端面１９との間に隙間ができ、歯溝空間は該隙間と図示しない通路で前記吸入口１５に連通された通路を介して前記吸入口１５と連通され、該歯溝空間が前記吸入口１５との連通を遮断されて密閉空間となる圧縮開始時期は前記スライド弁１７の右端面１７ａ′で規制される。したがって、前記スライド弁１７が左方に移動するほど、歯溝空間に閉込められる吸入ガスの閉込み空間容積が減少し、ガス流量は減少する。
【０００８】
また、前記スライド弁１７の左方移動とともに該スライド弁１７の切欠き始端１７ｃも左方へ移動するので、歯溝密閉空間が前記吐出口に連通する時期が遅くなり、吐出口１６との連通開始時の歯溝密閉空間容積も前記全負荷の場合のそれよりも小さくなるが、左方向移動直後は吸入閉込み空間の容積が大幅に減少するのに対し、吐出直前の閉込み空間の容積変化量は小さいので、内部容積比が変化する。また、左方向移動がある程度大きくなると、吐出の閉込み空間に圧縮されたガスはスライド弁の切欠き部が連通開始となる前に、ロータ吐出側端部に対面するベアリングケース１４ａの端面のアキシャルポートが連通開始となり、吸入閉込み空間と吐出空間の容積変化量が同程度となるので、ガス流量が変化しても内部容積比はあまり変化しないような機構としてある。
【０００９】
さて、最近、スクリュー圧縮機の信頼性、耐久性が他の形式の圧縮機に比べて優れているため、ガスタービンへの都市ガス等の昇圧用圧縮機や天然ガス等のブーストアップ用圧縮機など、従来往復圧縮機や遠心ブロワ等で対応している分野に使用できるスクリュー圧縮機が要望されるようになった。
【００１０】
ガスタービンへの都市ガス等の昇圧用圧縮機や天然ガス等のブーストアップ用圧縮機では、吐出圧が一定で、吸入圧は比較的高く、用途により或は運転中に大きく変化することがある。
【００１１】
例えば、吐出圧力は１．８ＭＰａＡで、吸入圧力は０．８〜１．６ＭＰａＡで使用される条件がある。この場合圧力比は２．２５〜１．１３であり、ポリトロープ指数ｍ＝１．３とすると所要内部容積比は約１．９〜１．１となる。この内部容積比は冷凍機の場合に比べて大幅に小さい。このような低圧縮比のスクリュー圧縮機を得るには設計内部容積比を小さくしなければならない。即ち図８におけるＬ寸法を小さくしなければならないが、従来のスライド弁により容量制御を行なうスクリュー圧縮機で設計内部容積比をあまりに小さくすると、ガス流量を減じたとき吸入ガス空間と吐出ガス空間が連通してしまうために圧縮歯溝密閉空間が得られず、体積効率、ポリトロープ効率が大幅に低下する問題がある。
【００１２】
即ち、図９に示すように、同図（ａ）は全負荷の場合で、歯溝空間容積が最大時に吸入口との連通が遮断されて歯溝密閉空間２１が形成された状態を示し、ロータ回転により前記密閉空間２１が容積を減少しながらスライド弁１７の切欠き始端１７ｃに達して吐出側と連通した時点から吐出が行なわれる。容量制御を行なうために、スライド弁１７を左方に動かすと図９（ｂ）に示すように幾何学的に歯溝密閉空間を形成することができなくなり、歯溝空間２１’は矢印で示すように、吐出側と同時に吸入側にも連通して圧縮ができなくなる。或は若干圧縮できたとしても容積効率が大幅に低下する。
また、従来の冷凍機用途で設計内部容積比Ｖ_i＝２．６３のスクリュー圧縮機を使用して吸入圧０．８〜１．６ＭＰａＡのガスを圧縮すると、ポリトロープ指数ｍ＝１．３として、歯溝密閉空間が吐出空間に連通する直前の圧力Ｐ_２は２．８〜５．６ＭＰａＡとなり、所要の吐出圧Ｐ_ｄの１．８ＭＰａＡに比べて大幅に過大となる。この場合にはロータのラジアル方向アキシャル方向のガス荷重が過大となり、その荷重を受けるラジアルベアリング及びスラストベアリングの損傷が惹起され定格寿命が短くなる。また、吐出空間と吐出空間に連通する直前の歯溝密閉空間の圧力差が大きくなるため、ガス脈動、振動、騒音がより大きくなり、機械的に問題となる。このため、従来は吸入圧力を設計内部容積比に見合った吸入圧力まで減圧して使用することが行なわれるが、その場合吸入ガスの密度が減少するので、減圧しない場合と同じ重量流量を確保するには圧縮機の容量を大きくする必要があり、イニシャルコスト、ランニングコスト、エネルギー効率の面で問題があった。
【００１３】
なお、内部容積比の最適化に関して、過去に特開平５−０３３７８９号、特開平６−３２３２６９号、特開２０００−２８３０７１号に開示される発明が既に存在するが、いずれも容量制御兼備の上で内部容積比の最適化を図ろうとしているため、容量制御の全範囲に亘る最適化に限界を持ち、本発明の意図するところとは異なる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点に鑑み、低圧縮比で圧力変動が大きい用途に対応できる、即ち高効率で運転できるスクリュー圧縮機を提供し、また低ガス流量でも、スクリュー圧縮機を効率良く使用できる低圧縮比及び圧力変動対応の流量制御可能な圧縮機とその運転方法を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記のような問題点を解決するため、本発明はケーシング内に収納された雄ロータと雌ロータとの噛合いによって形成される歯溝空間の閉込め容積の変化によって圧縮を行なう、両端側にそれぞれ吸入口と吐出口を有するスクリュー圧縮機を回転数可変の駆動機で駆動してなるスクリュー圧縮装置であって、
吸入側より吐出側に向けてロータ軸方向に可動可能に構成された内部容積比制御弁であって、該制御弁の吸込み側端面は内部容積比制御の全範囲に亘って前記両ロータの吸入側端面よりもローターケーシング内に入ることがなく形成された内部容積比制御弁と、圧縮するガスの種類や圧縮機の構造、運転条件に応じてポリトロープ効率が最大となる内部容積比を算定する演算部と、該演算部で算定された内部容積比に基づいて前記内部容積比制御弁を所定位置に移動且つ位置固定させる制御部とを具備し、スクリュー圧縮機のポリトロープ効率が常に最大となるように内部容積比制御弁の移動によって内部容積比を制御可能に構成したことを特徴とする、低圧縮比及び圧力変動対応スクリュー圧縮装置を提案する。
【００１６】
そして、本発明は前記内部容積比制御弁の吐出側端部形状をスクリューロータの歯先シール線に一致させて形成するとともに、前記圧縮機の吐出側と吸入側とをバイパスコントロール弁を介して連結し、好ましくは前記内部容積比制御弁の最小内部容積比位置を１．０より大に設定し、該内部容積比を１．０に近い状態から定常運転圧力比に相当する内部容積比まで移動可能に制御部を構成し、かつロータラジアル方向に圧縮ガスを吐出する機構であることを特徴とする。そして前記内部容積比制御弁の移動により前記歯溝空間閉込め容積が前記吐出口に連通される時期を制御することによって内部容積比を１．０に近い状態から低内部容積比の間で制御する。
【００１７】
そして前記したように、スクリュー圧縮機で内部容積比を或る程度以下に小さくし、しかも容量制御を行なうことは既に説明したように幾何学的制約によって困難であるので、スクリュー圧縮機に容量制御を行なうスライド弁は設けず、内部容積比制御弁を設けたものとし、流量の制御はスクリュー圧縮機の回転数を制御することによって行なう。吐出圧一定で吸入圧が変動する場合、或は吸入圧一定で吐出圧が変動する場合、つまり圧縮圧力比が変動する場合は、圧縮するガスの種類、吐出圧、吸入圧、吐出温度、吸入温度等に応じてポリトロープ効率が最大となる容積比を算定する演算部と、算定された内部容積比に基づいてスクリュー圧縮機の内部容積比を制御する制御部を設け、スクリュー圧縮機のポリトロープ効率が常に最大となるように内部容積比制御弁の移動によって内部容積比を制御することができる。
【００１８】
また、起動時には内部容積比を１．０近傍、或は駆動機の始動トルクを下回る運転可能なトルクとなる低内部容積比にして起動することにより、始動時に惹起されるトルクオーバによる運転不可能状態を回避することができ、駆動機の負荷や軸受負荷の軽減をももたらすことができる。
【００１９】
更にスクリュー圧縮機ロータのラジアル軸受がすべり軸受の場合には、回転数が低いと軸受周速が小さくなるため潤滑油膜の発生が困難となり、低回転で長時間運転すると軸受の磨耗や焼損が惹起されるので、或る程度以下の低回転では連続運転は行なわないこととし、その際の吐出流量の減量は吐出側と吸入側とを連結する経路に設けられたバイパスコントロール弁を介して吐出ガスを吸入側にバイパスし、バイパス流量を制御することによって行なうこととするのが好ましい。
又吸入圧と吐出圧とが一定である用途の場合には、スクリュー圧縮機のポリトロープ効率が最大となる固定内部容積比の圧縮機、若しくは内部容積比制御弁により内部容積比を一定に制御した圧縮機としてよい。前者の場合は、固定内部容積比が当該条件に対して全負荷時の内部容積比となるスクリュー圧縮機にする。
【００２０】
スクリュー圧縮機を駆動する可変回転数の駆動機にはエンジン（クラッチ付きギアーの段階制御）その他が使用され得るが、特に周波数を変えて回転数を制御するインバータモータを用いるとガス流量の連続制御も容易である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明の実施の形態を例示的に説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構造部品の寸法、材質、形状、相対位置などは特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【００２２】
図１、２は、本発明の低圧縮比及び圧力変動対応スクリュー圧縮装置に使用される圧縮機の縦断面図（Ａ）とロータに対する内部容積比制御弁の位置関係（Ｂ）を示し、図１は内部容積比が最小の状態を、図２は内部容積比が最大の状態を示す。図３（Ａ）は内部容積比制御弁の雄、雌ロータに跨る配置状況を示す局部横断面で図１におけるＸ−Ｘ断面を示す。図３（Ｂ）は、ロータ歯頂線及び内部容積比制御弁３の制御面をロータ歯頂外周に沿って展開したもので、ロータ１２、１３でニ点鎖線が、ロータ外周を示す。
【００２３】
図１（Ａ）において、ロータケーシング１４内に同図（Ｂ）に示す雄ロータ１２、雌ロータ１３がに互いに平行に納められていて噛合い、内部容積比制御弁３は、前記雄ロータ１２、雌ロータ１３に跨って設けられている。前記内部容積比制御弁３の前記両ロータに対する配置状況は図３（Ａ），（Ｂ）に示されている。該容積比制御弁３の制御面３ｃ，３ｃ’は微小間隙を介してロータ１２、１３の歯の外周面に対面してロータ１２、１３を収納するケーシング内周壁面の一部を形成する。Ｓはあるロータ回転位置におけるロータの歯先シール線を表す。前記内部容積比制御弁３の吸入側端部には制御軸３ａが取付けられ、該制御軸３ａの他端には制御ピストン２７が取付けられている。２５は吸入側ベアリングハウジングで吸入口１５が設けられ、２６は吐出側ベアリングハウジングで吐出空間２６ａにつながる図示しない吐出口が設けられている。
【００２４】
吸入側ベアリングハウジング２５に取付けられたカバー２９に制御シリンダ２８が取付けられ、該制御シリンダー２８内に外周の溝に図示しないシール部材を装着した前記制御ピストン２７が摺動可能に嵌装されている。前記制御軸３ａは、前記吸入側ベアリングハウジング２５の前記制御弁３挿入部と前記制御シリンダー２８挿入部とを仕切る壁３０を貫通し、該貫通部は図示しないシール部材によってシールされている。３４、３５は、それぞれ前記制御ピストン２７の左方及び右方に形成される部屋３２、３３に連通する通路である。該通路３４、３５から油等の流体圧が前記部屋３２、或は３３に導入され、両部屋の圧力差により前記制御ピストン２７が左、右方向に移動され、前記制御軸３ａを介して前記制御弁３が左、右方向に移動される。該移動は、後述するように、運転条件に応じてスクリュー圧縮機のポリトロープ効率が最大となるように算出された位置に前記制御弁３が来るように制御される。
【００２５】
ある容積特性を持つスクリュー圧縮機において、最大吸入閉込み空間を形成する雄ロータの回転位置を基準とし、この基準回転位置から圧縮方向への任意の回転角をθｍ、また、該任意回転角θｍでの内部容積比をＶｉｍとする。ガスは、雄ロータの回転により歯溝容積が増加して吸入される。歯溝容積が最大となる雄ロータの回転位置で後行歯先シール線と吸入閉込み線が一致して、吸入ガスが閉じ込められ、先行歯先シール線及び後行歯先シール線、ロータケーシング内壁、サクションカバー吸入端面で囲まれた最大歯溝空間を形成する。さらに回転すると、歯先シール線は吐出方向に移動して歯溝容積が減少し、閉じ込められたガスは圧縮される。ガスの圧縮は、先行歯先シール線が内部容積比制御弁の切欠き始端と一致するところまで歯溝容積を減少させることによって行なわれる。
【００２６】
さらに回転すると先行歯先シール線が内部容積比制御弁の切欠き始端を通り過ぎて歯溝空間が吐出空間と連通し、圧縮されたガスは吐出される。すなわち、任意回転角θｍのときの先行歯先シール線に内部容積比制御弁の切欠き始端を一致させれば、歯溝内の圧縮ガスはθｍにおけるＶｉｍで吐出空間と連通し、吐出されることになる。
【００２７】
内部容積比制御弁３の可動範囲は、圧縮機の構造によって物理的に決定される。前記制御弁３の可動範囲が大きいほど、該制御弁によるＶｉ制御範囲は大きくなる。図１において、前記内部容積比制御弁３移動範囲を決定しているのは、壁３０とロータケーシング１４の吸入側端面１２ａ、１３ａとの間の空間的距離で、この距離により内部容積比制御弁３の稼動範囲が決定される。したがって、前記壁３０がより右方向に位置しているほど前記制御弁の稼動範囲は大きくなり、幅広いＶｉレンジに対応できる。
【００２８】
このことを図４、５を用いて説明する。図４は、図７に示すような歯溝容積特性を持つスクリュー圧縮機について、最小内部容積比を１．０とした場合の内部容積比制御弁の位置と歯先シール線との関係により内部容積比が決る状況を示し、図５は最小内部容積比を１．１２とした場合を示す。両図とも、（Ａ）は、内部容積比制御弁３が、Ｖｉが最小になる位置にある場合を、（Ｂ）は、Ｖｉが最大になる位置にある場合を示す。
【００２９】
図４において、内部容積比制御弁３は、θｍが９０°分に相当する軸方向長さ、即ち雄ロータが９０°回転したときに歯先シール線が吐出側に進行する軸方向長さの距離だけ移動可能とする。そして前記内部容積比制御弁３が壁３０に規制されて前記制御弁３の切欠き始端３ｂはＶｉ＝１．０の歯先シール線に一致している。（該制御弁３の移動規制は、該制御弁３に連結された制御ピストン２７の移動規制によって規制され、前記壁３０によって直接に規制されるのではないが、該壁３０の位置が規制要因であるので、ここでは該壁によって規制されると表現することとする。）この状態を雄ロータの基準回転位置、即ちθｍ＝０°とする（図４（Ａ））。この状態から前記制御弁３をθｍ＝９０°に相当する軸方向距離だけ吐出側に移動したときの該制御弁３の切欠き始端３ｂは、同図（Ｂ）に示すように、Ｖｉ＝１．２７の歯先シール線に一致し、Ｖｉ制御範囲は１．０〜１．２７と小さい。
【００３０】
設計的に圧縮機の構造を変更できるものとして、前記壁３０をより右方に位置させ、θｍ＝１５０°に相当する軸方向距離を前記制御弁の可動範囲として確保できるとすると、前記制御弁３が壁３０に規制されたときを基準θｍ＝０°とし、このとき該制御弁３の切欠き始端３ｂがＶｉ＝１．０の歯先シール線に一致しているとして、前記制御弁３は前記基準位置からθｍ＝１５０°に相当する軸方向距離だけ吐出側に移動でき、図７に示されるように、そのとき、Ｖｉ＝１．７２となり、Ｖｉ制御範囲は１．０〜１．７２と比較的大きくとれる。
【００３１】
前記内部容積比制御弁３の可動範囲が設計的に限定される場合で、幅広いＶｉ制御範囲を確保したい場合には、つぎのようにしてＶｉ制御範囲を広げることができる。前述したように、前記制御弁３の可動範囲がθｍ＝９０°に相当する軸方向距離の場合は、内部容積比制御範囲が１．０〜１．２７と小さい。この限定された前記内部容積比制御弁の可動範囲の中でＶｉ制御範囲を広げるには、前記制御弁３が壁３０で規制されたときの最小内部容積比を１．０よりも大きくすることである。
【００３２】
例えば、前記制御弁３の右方向移動が前記壁３０で規制されたときのθｍを４０°とすると、そのときのＶｉは、Ｖｉ＝１．０６であり、ここから前記制御弁をθｍ＝９０°に相当する軸方向距離だけ吐出方向に移動した、θｍ＝４０＋９０＝１３０°では、Ｖｉ＝１．５４となり、Ｖｉ制御範囲は１．０６〜１．５４と広がる。さらに前記制御弁３が前記壁３０で規制されたときのθｍを６０°とすると、そのときのＶｉはＶｉ＝１．１２であり、ここから前記制御弁をθｍ＝９０°に相当する軸方向距離だけ吐出方向に移動した、θｍ＝６０＋９０＝１５０°ではＶｉ＝１．７２となり、Ｖｉ制御範囲は１．１２〜１．７２とさらに広げることができる。
【００３３】
但し、最小のＶｉを１．０よりも大きくすると、若干の圧縮が生じるため、圧縮機起動時の起動トルクが大きくなるという短所も併せもつが、Ｖｉが１．２程度以下であれば、圧縮によるトルクは比較的小さく、実用レベルで使用できる。実用での内部容積比制御範囲にもよるが、設計的に可動範囲が限定される場合には、圧縮機の内部容積比制御弁３の最小Ｖｉ位置を１．０よりも大きくする方が実用的である。
【００３４】
図６は、本発明のスクリュー圧縮機を用いた低圧縮比及び圧力変動対応スクリュー圧縮装置の実施例を示す系統図である。同図は給油式スクリュー圧縮機を使用する場合の実施例であり、１はスクリュー圧縮機、２は駆動機、３は前記スクリュー圧縮機１の内部容積比を変えるための内部容積比制御弁、４は該容積比制御弁３をロータ１２、１３（図３（Ｂ））の軸方向に移動させるための制御弁駆動部である。前記スクリュー圧縮機１により吸入、圧縮されたガスはオイルセパレータ５に送られてオイルが分離され、オイルが分離された圧縮ガスは所要の所に送られ、分離されたオイルは前記オイルセパレータ５の底部に溜まってオイルクーラ６、オイルポンプ８を介して前記スクリュー圧縮機１に循環される。７は油温調整弁で前記オイルクーラ６をバイパスするオイル量を増減することにより前記スクリュー圧縮機１に送給されるオイルの温度を調整する。
【００３５】
前記スクリュー圧縮機１の吐出側と吸入側とを連結するバイパス経路９ａが設けられ、該経路９ａにはバイパスコントロール弁９が配設されている。１０は前記スクリュー圧縮機１のポリトロープ効率が最大になる前記内部容積比制御弁３の位置、即ち歯溝密閉空間が吐出空間と連通する直前の該密閉空間圧力と前記吐出空間圧力とが等しくなるような内部容積比となる前記内部容積比制御弁３の位置を計算する演算器、１１は前記駆動機２の回転数を制御する駆動機回転数制御器である。なお、図中、Ｐ_sは吸入圧、Ｔ_sは吸入温度、Ｐ_ｄは吐出圧、Ｔ_ｄは吐出温度、Ｎは回転数の検出信号を示し、Ｕは前記駆動器回転数制御器１１の制御操作量指示、Ｖは回転数指示の信号を示す。Ｕ，Ｖの指示はそれぞれ前記制御弁駆動部４及び駆動機回転数制御器１１で実行される。
【００３６】
計測された吸入圧Ｐ_s、吐出圧Ｐ_ｄ、吸入温度Ｔ_ｓ、吐出温度Ｔ_ｄ及び圧縮されるガスの種類と回転数Ｎや圧縮中の冷却条件等に応じてポリトロープ効率が最高となる内部容積比を前記演算器１０で算定し、該算定した内部容積比となる前記内部容積比制御弁３の位置を計算する。該計算結果は前記制御弁駆動部４に送られ、前記内部容積比制御弁３は前記計算された位置に移動される。前記内部容積比制御弁３の移動は油等の流体圧或はステップモータの回転を直線運動に変換する等の方式を用いることができ、また、前記内部容積比制御弁３位置検出は直線位置検出器や前記ステップモータの回転角を検出して求める等の方法を用いることができる。
【００３７】
前記スクリュー圧縮機１のガス流量の制御は、通常は前記回転数可変の駆動機２の回転数を変えることによって行なわれる。前記スクリュー圧縮機の回転数は機械要素的制約のため、及びある程度の効率を維持するため、最低運転可能回転数が定められており、ガス流量を前記最低運転可能回転数における流量よりも更に小さくする必要がある場合には、前記バイパス経路９ａのバイパスコントロール弁９を操作して吐出ガスを吸入側にバイパスすることによってガス流量を減じる。
【００３８】
ガス流量を減じるためには、駆動機回転数制御器１１で回転数を下げるが、回転数が上記最低運転可能回転数になるとそれ以上回転数は下がらずに、前記バイパスコントロール弁９が前記演算器１０を介して作動される。前記最低運転可能回転数になった以後の回転数を下げようとする前記駆動機回転数制御機１１の制御操作量Ｖは前記演算器１０に送られ、該演算器１０で前記操作量と吸入圧、吐出圧に基づいて前記バイパスコントロール弁９の所要制御量、即ち弁開度が計算されて前記バイパスコントロール弁９に発信される。
【００３９】
吸入圧と吐出圧が一定に定められている用途の場合は、圧縮比は一定であるので、前記スクリュー圧縮機１は内部容積比固定のものとすることができる。この条件が定められているときに限り、内部容積比制御弁を有するスクリュー圧縮機を用いるよりも、内部容積比固定のスクリュー圧縮機を用いる方が機械的にも電気的にも簡素化でき、コスト的にも安価となる。
【００４０】
以上説明したように、本発明によれば、スクリュー圧縮機に従来の容量制御機構を兼ね備えた場合に比べて、低圧縮比の圧縮用途に、圧縮機の効率を低下させることなく使用することができ、圧縮機の低回転運転限度を定めてガス流量が非常に小さい場合にはバイパス方法によってガス流量の制御を行なうので、非常に低い回転数に伴う効率の低下や機械的なトラブルもなく運転することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の低圧縮比及び圧力変動対応スクリュー圧縮装置に使用される圧縮機の内部容積比が最小の状態を示す図で、（Ａ）は縦断面図を、（Ｂ）はロータ歯先シール線と内部容積比制御弁の位置関係を示す図である。
【図２】本発明の低圧縮比及び圧力変動対応スクリュー圧縮装置に使用される圧縮機の内部容積比が最大の状態を示す図で、（Ａ）は縦断面図を、（Ｂ）はロータ歯先シール線と内部容積比制御弁の位置関係を示す図である。
【図３】図中（Ａ）は、図１におけるＸ−Ｘ断面を示す図であり、図３（Ｂ）は内部容積比制御弁の制御面を示す図である。
【図４】最小内部容積比１．０とした場合の内部容積比制御弁の位置と歯先シール線との関係により内部容積比が定まる状況を示す図である。
【図５】最小内部容積比１．１２とした場合の内部容積比制御弁の位置と歯先シール線との関係により内部容積比が定まる状況を示す図である。
【図６】本発明の実施例に係わる低圧縮比及び圧力変動対応スクリュー圧縮装置の系統図である。
【図７】雄ロータ回転角と歯溝容積変化の例を示すグラフ図である。
【図８】冷凍機用スクリュー圧縮機の容量制御スライド弁の作用を示す模式図である。
【図９】図８のスクリュー圧縮機の設計内部容積比を小さくした場合の容量制御スライド弁作用を説明する模式図である。
【符号の説明】
１スクリュー圧縮機
２駆動機
３内部容積比制御弁
４制御弁駆動部
９バイパスコントロール弁
１０演算器

Claims

ケーシング内に収納された雄ロータと雌ロータとの噛合いによって形成される歯溝空間の閉込め容積の変化によって圧縮を行なう、両端側にそれぞれ吸入口と吐出口を有するスクリュー圧縮機を回転数可変の駆動機で駆動してなるスクリュー圧縮装置であって、
吸入側より吐出側に向けてロータ軸方向に可動可能に構成された内部容積比制御弁であって、該制御弁の吸込み側端面は内部容積比制御の全範囲に亘って前記両ロータの吸入側端面よりもローターケーシング内に入ることがなく形成された内部容積比制御弁と、圧縮するガスの種類や圧縮機の構造、運転条件に応じてポリトロープ効率が最大となる内部容積比を算定する演算部と、該演算部で算定された内部容積比に基づいて前記内部容積比制御弁を所定位置に移動且つ位置固定させる制御部とを具備し、スクリュー圧縮機のポリトロープ効率が常に最大となるように内部容積比制御弁の移動によって内部容積比を制御可能に構成したことを特徴とするスクリュー圧縮装置。
前記内部容積比制御弁の吐出側端部形状をスクリューロータの歯先シール線に一致させて形成するとともに、前記圧縮機の吐出側と吸入側とをバイパスコントロール弁を介して連結したことを特徴とする請求項１記載のスクリュー圧縮装置。
前記内部容積比制御弁の最小内部容積比位置を１．０より大に設定し、該内部容積比を１．０に近い状態から定常運転圧力比に相当する内部容積比まで移動可能に制御部を構成し、かつロータラジアル方向に圧縮ガスを吐出する機構であることを特徴とする請求項１記載のスクリュー圧縮装置。
ケーシング内に収納された雄ロータと雌ロータとの噛合いによって形成される歯溝空間の閉込め容積の変化によって圧縮を行なう、両端側にそれぞれ吸入口と吐出口を有するスクリュー圧縮機を回転数可変の駆動機で駆動してなるスクリュー圧縮装置において、
吸入側より吐出側に向けてロータ軸方向に可動可能に構成された内部容積比制御弁であって、該制御弁の吸込み側端面は内部容積比制御の全範囲に亘って前記両ロータの吸入側端面よりもローターケーシング内に入ることがなく形成された内部容積比制御弁を用意し、圧縮するガスの種類や圧縮機の構造、運転条件に応じてポリトロープ効率が最大となる内部容積比を演算部で算定し、該演算部で算定された内部容積比に基づいて前記内部容積比制御弁の位置を制御し、スクリュー圧縮機のポリトロープ効率が常に最大となるように内部容積比制御弁の位置が移動制御され、且つ前記圧縮機の流量の制御は該圧縮機を駆動する駆動機の回転数を制御して行なうことを特徴とするスクリュー圧縮装置の運転方法。
吐出側端部形状をスクリューロータの歯先シール線に一致させて構成した内部容積比制御弁を用い、前記圧縮機の吐出側と吸入側とをバイパスコントロール弁を介して連結し、運転可能回転数以下における流量の制御は、前記バイパスコントロール弁を制御することによって行なうことを特徴とする請求項４記載のスクリュー圧縮装置の運転方法。
スクリュー圧縮機の始動時期における内部容積比制御弁の位置を駆動機の始動トルクを下回るトルクに設定して始動した後に、スクリュー圧縮機のポリトロープ効率が常に最大となるように内部容積比制御弁の位置を移動させて運転することを特徴とする請求項４記載のスクリュー圧縮装置の運転方法。