JP4140488B2 - スクリュー圧縮機および冷凍装置 - Google Patents

Description

この発明は、例えば、冷媒を圧縮するスクリュー圧縮機およびこのスクリュー圧縮機を用いた冷凍装置に関する。

従来のスクリュー圧縮機は、図７の展開図に示すように、スクリューロータ４０と、このスクリューロータ４０を両側から挟むように噛み合う一対のゲートロータ４４（片側のみを示す）と、このスクリューロータ４０を回転自在に収容するシリンダ４１とを備える（特開平１１−２４８２６４号公報：特許文献１参照）。なお、上記スクリューロータ４０は、矢印Ａ方向に回転する。

上記スクリューロータ４０と上記シリンダ４１との間には、圧縮室４３が形成される。より具体的に述べると、この圧縮室４３は、上記スクリューロータ４０のスクリュー溝４０ａと上記ゲートロータ４４の歯部４４ａとの噛み合いにより密閉される。

上記シリンダ４１は、上記圧縮室４３に冷媒を噴出するためのエコノマイザーポート４２を有する。

このエコノマイザーポート４２は、上記圧縮室４３が密閉された直後の時点では、上記圧縮室４３に連通しておらず、図２の点線にて示すように、冷媒の圧縮を開始した後に、上記圧縮室４３に開口し始めていた。

しかしながら、上記従来のスクリュー圧縮機では、上記エコノマイザーポート４２は、上記冷媒の圧縮を開始した後の上記圧縮室４３の内圧が高いときに、上記圧縮室４３に連通しているので、上記圧縮室４３に連通する上記エコノマイザーポート４２の圧力が高くなって（例えば、図２の点線に示すように、上記エコノマイザーポート４２の平均圧力が約７kg/cm²になって）、上記エコノマイザーポート４２から噴出される冷媒の量が少なくなり、この冷媒による冷却効果が期待できず、エコノマイザー効果を最大限に活かすことができなかった。
特開平１１−２４８２６４号公報（図１）

そこで、この発明の課題は、エコノマイザーポートから噴出される冷媒の量を多くして、この冷媒による冷却効果を高めて、エコノマイザー効果を最大限に活かすことができるスクリュー圧縮機とこれを用いた冷凍装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明のスクリュー圧縮機は、スクリューロータとこのスクリューロータを収容するシリンダとを備え、このシリンダは、上記スクリューロータと上記シリンダの内面との間に形成される圧縮室に冷媒を噴出するためのエコノマイザーポートを有するスクリュー圧縮機において、
上記エコノマイザーポートは、上記圧縮室が密閉される前に、この圧縮室に連通し、
上記圧縮室は、上記エコノマイザーポートから噴出された冷媒が、上記スクリューロータの低圧側に漏れ出す前に、密閉されることを特徴としている。

この発明のスクリュー圧縮機によれば、上記エコノマイザーポートは、上記スクリューロータと上記シリンダの内面との間に形成される圧縮室が密閉される前に、この圧縮室に連通するので、上記エコノマイザーポートを、上記冷媒の圧縮を開始する前の上記圧縮室の内圧が低いときに、上記圧縮室に連通させて、上記エコノマイザーポートから噴出される（気相または気液二相の）冷媒の量を多くすることができる。したがって、上記エコノマイザーポートからの冷媒による冷却効果が期待できて、エコノマイザー効果を最大限に活かすことができ、性能の向上が図れる。また、上記エコノマイザーポートから噴出された冷媒は、上記スクリューロータの低圧側に漏れ出さないので、上記スクリューロータの低圧側からの冷媒の吸入量が少なくなって効率が悪くなることがない。

また、一実施形態のスクリュー圧縮機では、上記エコノマイザーポートは、上記スクリューロータの羽根の長さ方向に沿った形状である。

この一実施形態のスクリュー圧縮機によれば、上記エコノマイザーポートは、上記スクリューロータの羽根の長さ方向に沿った形状であるので、上記エコノマイザーポートの開口を、早く開けて早く閉じることができ、上記エコノマイザーポートの内圧を一層下げることができる。また、上記エコノマイザーポートの開口面積を大きくすることができるので、上記エコノマイザーポートから噴出される冷媒の量を増加できる。

また、一実施形態のスクリュー圧縮機では、上記スクリューロータの羽根の幅は、上記スクリューロータの中央部から少なくとも一方の端部側に次第に広くなって、上記エコノマイザーポートの上記スクリューロータの軸方向の幅は、上記羽根の幅が広くなる端部側程、大きくなっている。

この一実施形態のスクリュー圧縮機によれば、上記エコノマイザーポートの幅は、上記羽根の幅が広くなる端部側程、大きくなっているので、上記エコノマイザーポートを、その全長にわたって、同じタイミングで開閉できるので、上記エコノマイザーポートの開閉をさらに早くできて、性能が一層向上する。

また、一実施形態のスクリュー圧縮機では、上記エコノマイザーポートは、上記羽根で密閉される。

この一実施形態のスクリュー圧縮機によれば、上記エコノマイザーポートは、上記羽根で密閉されるので、隣り合う上記圧縮室は、上記エコノマイザーポートを介して、連通することがなく、圧縮効率が向上する。

また、この発明の冷凍装置は、上記発明のスクリュー圧縮機と凝縮器と膨張手段と蒸発器とを順次接続し、
上記凝縮器と上記膨張手段との間の主流路から分岐されて上記エコノマイザーポートに連通される副流路を備え、
この副流路には、過冷却用膨張手段と、この過冷却用膨張手段の出口側の冷媒と上記主流路の冷媒とを熱交換する過冷却用熱交換器とが設けられていることを特徴としている。

この発明の冷凍装置によれば、上記発明のスクリュー圧縮機を備えているので、上記副流路（上記過冷却用熱交換器）から噴出される冷媒の量が多くなって、上記過冷却用熱交換器の効率を向上できる。したがって、上記膨張手段直前の冷媒の液過冷却度（ＳＣ）を大きくすることができ、冷凍能力を向上できる。また、上記過冷却用熱交換器の小型化による、製品サイズダウンおよびコストダウンが図れる。

この発明のスクリュー圧縮機によれば、上記エコノマイザーポートは、密閉される前の上記圧縮室に連通するので、上記エコノマイザーポートを、上記圧縮室の内圧が低いときに、上記圧縮室に連通させることができ、上記エコノマイザーポートから噴出される冷媒の量を多くして、この冷媒による冷却効果が期待できる。

また、一実施形態のスクリュー圧縮機によれば、上記エコノマイザーポートから噴出された冷媒は、上記スクリューロータの低圧側に漏れ出さないので、上記スクリューロータの低圧側からの冷媒の吸入量が少なくなって効率が悪くなることがない。

また、一実施形態のスクリュー圧縮機によれば、上記エコノマイザーポートは、上記スクリューロータの羽根の長さ方向に沿った形状であるので、上記エコノマイザーポートの開閉が早くなって、上記エコノマイザーポートの内圧を下げることができると共に、上記エコノマイザーポートの開口面積を大きくして、上記エコノマイザーポートからの冷媒の量を増加できる。

また、一実施形態のスクリュー圧縮機によれば、上記エコノマイザーポートの幅は、上記羽根の幅が広くなる端部側程、大きくなっているので、上記エコノマイザーポートを、その全長にわたって、同じタイミングで開閉できるので、上記エコノマイザーポートの開閉をさらに早くできて、性能が一層向上する。

また、一実施形態のスクリュー圧縮機によれば、上記エコノマイザーポートは、上記羽根で密閉されるので、隣り合う上記圧縮室は、上記エコノマイザーポートを介して、連通することがなく、圧縮効率が向上する。

また、この発明の冷凍装置によれば、上記発明のスクリュー圧縮機を備えているので、上記副流路（上記過冷却用熱交換器）から噴出される冷媒の量が多くなって、上記過冷却用熱交換器の効率を向上できる。

以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、この発明のスクリュー圧縮機の一実施形態である簡略平面展開図を示している。このスクリュー圧縮機は、いわゆるシングルスクリュー圧縮機であり、スクリューロータ１０と、このスクリューロータ１０を両側から挟むように噛み合う一対のゲートロータ１４（片側のみを示す）と、このスクリューロータ１０を回転自在に収容するシリンダ１１とを備える。なお、上記スクリューロータ１０は、矢印Ａ方向に回転する。

上記スクリューロータ１０と上記シリンダ１１の内面との間には、圧縮室１３が形成される。より、具体的に述べると、この圧縮室１３は、上記スクリューロータ１０のスクリュー溝１０ａと上記ゲートロータ１４の歯部１４ａとの噛み合いにより密閉される。

上記シリンダ１１は、上記圧縮室１３に冷媒を噴出するためのエコノマイザーポート１２を有する。

このエコノマイザーポート１２は、上記圧縮室１３が密閉される前に、この圧縮室１３に連通する。言い換えると、このエコノマイザーポート１２は、上記スクリュー溝１０ａ内で冷媒の圧縮を開始する前に、上記スクリュー溝１０ａに連通する。なお、上記圧縮室１３の密閉状態とは、上記スクリュー溝１０ａを上記歯部１４ａで閉じて、冷媒がもれない状態をいう。

上記構成のスクリュー圧縮機によれば、上記エコノマイザーポート１２は、上記圧縮室１３が密閉される前に、この圧縮室１３に連通するので、上記エコノマイザーポート１２を、上記冷媒の圧縮を開始する前の上記圧縮室１３の内圧が低いときに、上記圧縮室１３に連通させて、上記エコノマイザーポート１２の内圧を最大限に下げることができる。

すなわち、図２のスクリュー圧縮機指圧線図中の実線に示すように、上記エコノマイザーポート１２を、上記圧縮室１３の圧縮開始前に開けて、早く閉じるようにする。要するに、上記エコノマイザーポート１２の開口タイミングを、点線にて示す従来例に比べて、上記圧縮室１３内圧が低いところのタイミングとしているので、上記エコノマイザーポート１２の平均圧力を約６kg/cm²に下げることができる。

したがって、上記エコノマイザーポート１２から噴出される冷媒の量を多くすることができ、上記エコノマイザーポート１２からの冷媒による冷却効果が期待できる。

ここで、上記圧縮室１３は、上記エコノマイザーポート１２から噴出された冷媒が、上記スクリューロータ１０の低圧側に漏れ出す前に、密閉される。言い換えると、上記エコノマイザーポート１２の開口タイミングを、上記エコノマイザーポート１２を先行して開口しても、上記エコノマイザーポート１２からの冷媒が、上記圧縮室１３の圧縮開始までには、上記スクリューロータ１０の低圧側に漏れ込まないような限界のタイミングにしている。そして、このタイミングは、冷媒の流速等の要素から決定される。

したがって、上記スクリューロータ１０の低圧側からの冷媒の吸入量が少なくなって効率が悪くなることがない。

なお、上記エコノマイザーポート１２は、上記圧縮室１３の圧縮開始までに、上記圧縮室１３に全開口しているのが好ましい。

図１に示すように、上記エコノマイザーポート１２は、上記スクリューロータ１０の羽根１０ｂの長さ方向に沿った形状である。具体的に述べると、上記エコノマイザーポート１２は、２つの孔部２０，２０からなり、この２つの孔部２０，２０は、上記羽根１０ｂの長さ方向に沿って配置される。

この羽根１０ｂの幅は、上記スクリューロータ１０の中央部から少なくとも一方（高圧側）の端部側に次第に広くなっている。なお、紙面の右側が、上記スクリューロータ１０の吐出側の端部である。

したがって、上記エコノマイザーポート１２の開閉を早くできて、上記エコノマイザーポート１２の内圧をさらに下げることができる。また、上記エコノマイザーポート１２の開口面積を大きくすることができるので、上記エコノマイザーポート１２から噴出される冷媒の量を増加できる。

また、上記エコノマイザーポート１２は、上記羽根１０ｂで密閉されるので、隣り合う上記圧縮室１３，１３は、上記エコノマイザーポート１２を介して、連通することがなく、圧縮効率が向上する。

なお、上記孔部２０の数を、図３に示すように、３つとなるようにしてもよく、もちろん、４つ以上にしてもよい。また、図示しないが、上記エコノマイザーポート１２を、１つの長孔にて構成するようにしてもよい。

（第２の実施形態）
次に、図４に、この発明のスクリュー圧縮機の他の実施形態を示す。上記第１の実施形態では、上記エコノマイザーポート１２の上記スクリューロータ１０の軸方向の幅は、一様な大きさであるのに対して、図４では、上記エコノマイザーポート１２の幅は、上記羽根１０ｂの幅が広くなる端部側程、大きくなっている。

具体的に述べると、図４（ａ）に示すように、上記エコノマイザーポート１２を構成する４つの孔部２０の大きさが、上記スクリューロータ１０の端部側に、順次、大きくなっている。

また、図４（ｂ）に示すように、上記エコノマイザーポート１２を構成する長孔２１の大きさが、上記スクリューロータ１０の端部側に、次第に、大きくなっている。すなわち、この長孔２１は、変形楕円形状である。

したがって、上記エコノマイザーポート１２を、その全長にわたって、同じタイミングで開閉できるので、上記エコノマイザーポート１２の開閉をさらに早くできて、性能が一層向上する。

（第３の実施形態）
次に、図５に、この発明の冷凍装置の一実施形態を示す。この冷凍装置は、上記発明のスクリュー圧縮機１と凝縮器２と膨張手段３と蒸発器４とを順次環状に接続して、冷媒を用いた冷凍サイクルを構成する。なお、上記膨張手段３としては、例えば、膨張弁や、キャピラリーチューブを用いる。

この冷凍サイクルを説明すると、上記スクリュー圧縮機１にて吐出される気相の冷媒は、上記凝縮器２において熱を奪われて、液相状態になり、この液相の冷媒は、上記膨張手段３により、減圧されて、気相と液相の二相状態になる。その後、この二相の冷媒（湿りガス）は、上記蒸発器４において熱を与えられて、気相状態になり、この気相の冷媒は、上記スクリュー圧縮機１にて吸入されて加圧された後に、再び、上記スクリュー圧縮機１にて吐出される。

そして、この冷凍装置は、上記凝縮器２と上記膨張手段３との間の主流路３０から分岐されて上記スクリュー圧縮機１の上記エコノマイザーポート１２へ連通される副流路３１を備える。なお、上記主流路３０および上記副流路３１は、配管にて構成される。

この副流路３１には、過冷却用膨張手段３２と、この過冷却用膨張手段３２の出口側の冷媒と上記主流路３０の冷媒とを熱交換する過冷却用熱交換器３３とが設けられている。なお、上記過冷却用膨張手段３２としては、例えば、膨張弁や、キャピラリーチューブを用いる。

なお、図５では、上記副流路３１は、上記過冷却用熱交換器３３の下流側にて上記主流路３０から分岐されているが、上記過冷却用熱交換器３３の上流側にて上記主流路３０から分岐されるようにしてもよい。

次に、上記過冷却用熱交換器３３の作用を説明すると、上記凝縮器２から出た上記主流路３０における液相の冷媒は、上記副流路３１に分流される。この副流路３１における液相の冷媒は、上記過冷却用膨張手段３２にて減圧されて、気相と液相の二相の冷媒になり、この二相の冷媒は、上記過冷却用熱交換器３３を介して、上記主流路３０の液相の冷媒から熱を奪って、気相の冷媒になり、この気相の冷媒は、上記スクリュー圧縮機１に吸入される。このとき、上記主流路３０における液相の冷媒は、上記過冷却用熱交換器３３を介して、冷却される。

上記構成の冷凍装置によれば、上記発明のスクリュー圧縮機１を備えているので、上記副流路３１（上記過冷却用熱交換器３３）から噴出される冷媒の量が多くなって、上記過冷却用熱交換器３３の効率を向上できる。

したがって、上記膨張手段３２直前の冷媒の液過冷却度（ＳＣ）を大きくすることができ、冷凍能力を向上できる。また、上記過冷却用熱交換器３３の小型化による、製品サイズダウンおよびコストダウンが図れる。

具体的に述べると、図６に示すように、太線にて示したこの発明の冷凍装置では、上記エコノマイザーポート１２の形状および配置の最適化により、点線にて示した従来の冷凍装置に比べて、液過冷却度（ＳＣ）が大きくなって、冷凍能力が向上する。

なお、この発明は上述の実施形態に限定されず、この発明の要旨を逸脱しない範囲で設計変更可能である。例えば、この発明のスクリュー圧縮機として、シングルスクリュー圧縮機以外に、一対の雄雌ロータの噛み合いにて圧縮室を形成するツインのスクリュー圧縮機を用いてもよい。

本発明のスクリュー圧縮機の一実施形態を示す簡略平面展開図である。 本発明のスクリュー圧縮機と従来のスクリュー圧縮機との比較を示すスクリュー圧縮機指圧線図である。 エコノマイザーポートの他の実施形態を示す平面図である。 エコノマイザーポートの別の実施形態を示す平面図である。 本発明の冷凍装置の一実施形態を示す簡略構成図である。 本発明の冷凍装置と従来の冷凍装置との比較を示すＰＨ線図である。 従来のスクリュー圧縮機を示す簡略平面展開図である。

符号の説明

１ スクリュー圧縮機
２ 凝縮器
３ 膨張手段
４ 蒸発器
１０ スクリューロータ
１０ｂ 羽根
１１ シリンダ
１２ エコノマイザーポート
１３ 圧縮室
３０ 主流路
３１ 副流路
３２ 過冷却用膨張手段
３３ 過冷却用熱交換器

Claims (5)

1. スクリューロータ（１０）とこのスクリューロータ（１０）を収容するシリンダ（１１）とを備え、このシリンダ（１１）は、上記スクリューロータ（１０）と上記シリンダ（１１）の内面との間に形成される圧縮室（１３）に冷媒を噴出するためのエコノマイザーポート（１２）を有するスクリュー圧縮機において、
   上記エコノマイザーポート（１２）は、上記圧縮室（１３）が密閉される前に、この圧縮室（１３）に連通し、
   上記圧縮室（１３）は、上記エコノマイザーポート（１２）から噴出された冷媒が、上記スクリューロータ（１０）の低圧側に漏れ出す前に、密閉されることを特徴とするスクリュー圧縮機。
2. 請求項１に記載のスクリュー圧縮機において、
   上記エコノマイザーポート（１２）は、上記スクリューロータ（１０）の羽根（１０ｂ）の長さ方向に沿った形状であることを特徴とするスクリュー圧縮機。
3. 請求項２に記載のスクリュー圧縮機において
   上記スクリューロータ（１０）の羽根（１０ｂ）の幅は、上記スクリューロータ（１０）の中央部から少なくとも一方の端部側に次第に広くなって、
   上記エコノマイザーポート（１２）の上記スクリューロータ（１０）の軸方向の幅は、上記羽根（１０ｂ）の幅が広くなる端部側程、大きくなっていることを特徴とするスクリュー圧縮機。
4. 請求項２または３に記載のスクリュー圧縮機において
   上記エコノマイザーポート（１２）は、上記羽根（１０ｂ）で密閉されることを特徴とするスクリュー圧縮機。
5. 請求項１乃至４のいずれか一つに記載の上記スクリュー圧縮機（１）と凝縮器（２）と膨張手段（３）と蒸発器（４）とを順次接続し、
   上記凝縮器（２）と上記膨張手段（３）との間の主流路（３０）から分岐されて上記エコノマイザーポート（１２）に連通される副流路（３１）を備え、
   この副流路（３１）には、過冷却用膨張手段（３２）と、この過冷却用膨張手段（３２）の出口側の冷媒と上記主流路（３０）の冷媒とを熱交換する過冷却用熱交換器（３３）とが設けられていることを特徴とする冷凍装置。

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