JP4927468B2

JP4927468B2 - ２段スクリュ圧縮機及びそれを用いた２段圧縮冷凍機

Info

Publication number: JP4927468B2
Application number: JP2006212926A
Authority: JP
Inventors: 昇壷井
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2005-10-17
Filing date: 2006-08-04
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2026-08-04
Also published as: JP2007138919A

Description

本発明は２段スクリュ圧縮機及びそれを用いた２段圧縮冷凍機に関する。

冷媒循環流路に２段スクリュ圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器を備えた２段圧縮冷凍機では、蒸発器における冷媒の蒸発温度（ＥＴ）が−３０°〜−６０°の広い温度範囲に対応することができ、しかもこれを同一の冷凍機で対応することが求められる。

従来、特許文献１に記載のような２段スクリュ圧縮機では、１段側圧縮機にスライド弁からなる容量制御機構が設けられ、スライド弁をアンロードすることで部分負荷運転を行っている。また、特許文献２に記載の２段スクリュ圧縮機では、１段側圧縮機と２段側圧縮機を回転させる駆動モータの回転数を制御することで部分負荷運転を行っている。さらに、特許文献３の冷凍サイクル装置では、低段側圧縮機と高段側圧縮機の回転数を独立して可変にし、負荷に応じてそれぞれの回転数を増減させるものが記載されている。しかし、このような部分負荷運転だけでは、冷媒の蒸発温度（ＥＴ）が−３０°〜−６０°の広い温度範囲に十分に対応することができなかった。

一般に、１段側圧縮機の圧縮比と２段側圧縮機の圧縮比が等しいときが、２段圧縮機の理想的な運転となる。吸込圧力をＰｓ、中間圧力をＰｍ、吐出圧力をＰｄとすると、１段側圧縮比ｒ１＝Ｐｍ／Ｐｓ、２段側圧縮比ｒ２＝Ｐｄ／Ｐｍであるから、１段側圧縮比ｒ１と２段側圧縮比ｒ２が等しい（ｒ１＝ｒ２）とき、Ｐｍ／Ｐｓ＝Ｐｄ／Ｐｍより、Ｐｍ＝√（Ｐｓ・Ｐｄ）となる。

吐出圧力Ｐｄを１５．６４ａｔａとし、蒸発温度ＥＴ（°Ｃ）が−３０、−４０、−５０、−６０のときの吸込圧力Ｐs（ａｔａ）をそれぞれ、１．６７、１．０７、０．６５８、０．３８２とすると、中間圧力Ｐｍ（ａｔａ）は、Ｐｍ＝√（Ｐｓ・Ｐｄ）より、５．１１、４．０９、３．２１、２．４４となり、これを図にプロットすると、図３に示すようになる。この図３より、２段スクリュ圧縮機の吐出圧力と吸込圧力が決まると、１段側圧縮機の圧縮比と２段側圧縮機の圧縮比が等しいときの理想的な中間圧力が決定されることが分かる。

しかし、実際には、１段側圧縮機と２段側圧縮機の行程体積の比である行程体積比Ｒ（＝Ｖ１／Ｖ２）によって中間圧力が決定される。なお、行程体積は圧縮機における単位時間当たりに圧縮される体積のことを意味する。吸込圧力Ｐｓに相当する圧縮媒体の比容積をｖ１、中間圧力Ｐｍに相当する圧縮媒体の比容積をｖ２とすると、ｖ１／ｖ２＝Ｖ１／Ｖ２＝Ｒであるから、ｖ２＝ｖ１×（１／Ｒ）より、ｖ２を求め、このｖ２に相当する圧力より中間圧力Ｐｍを求める。なお、比容積とは物体の単位重量当たりの体積をいう。また、ここでいう「ｖ２に相当する圧力」は冷凍機の分野で良く知られているモリエル線図（Ｐ−ｈ線図）等を利用して求める。例えば、蒸発温度ＥＴ（℃）が−３０、−４０、−５０、−６０のときのｖ１は０．１３５、０．２０５、０．３２３、０．５３６と変化する。このｖ１と行程体積比Ｒ＝３を用いて中間圧力Ｐｍを求めて、図にプロットし、理想的な中間圧力とともに示すと、図４のようになる。この図４より、蒸発温度が−４０℃では中間圧力は理想の中間圧力とほぼ同じで理想的であるが、蒸発温度が−３０〜−４０℃では中間圧力は理想の中間圧力より高くて１段側圧縮機の負担が大きく、蒸発温度が−４０〜−６０℃になると中間圧力は理想の中間圧力より低くなって２段側圧縮機の負担が大きくなることが分かる。

このように、従来の２段スクリュ圧縮機は、蒸発温度（ＥＴ）が−３０°〜−６０°にわたって、１段側圧縮機と２段側圧縮機の行程体積比が一定である。このため、設計点を最適蒸発温度に決めると、その点では理想的な中間圧力となるが、それ以外の蒸発温度では、一方の圧縮機に負担がかかりすぎて、圧縮機の効率を悪くすることになる。
特開平１１−１１７８７９号公報特開２００３−２１０８９号公報特開２００４−２７８８２４号公報

本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたもので、中間圧力を理想的な値にするように１段側と２段側の行程体積比を調整するとともに、蒸発温度の変化に応じて１段側と２段側の圧縮機の負担を軽減し、効率のよい運転を行うことができる２段スクリュ圧縮機及びそれを用いた２段圧縮冷凍機を提供することを課題とする。

図４において、２点鎖線で示す中間圧力を実線で示す理想的な中間圧力に近づけるためには、蒸発温度が−３０℃の領域では、比容積ｖ１が０．１３５である場合において、比容積ｖ２が理想的な中間圧力５．１１ａｔａに相当する比容積０．０５３になるように、行程体積比をＲ＝０．１３５／０．０５３＝２．５５に下げ、すなわち、１段側の圧縮機の行程体積比を２．５５／３．０＝０．８５（１５％減少）にすればよい。この結果生じる圧縮能力の低下は、スクリュ圧縮機の回転数を増加することで対処する。一方、蒸発温度が−６０℃の領域では、逆の動作を行う。これにより、中間圧力を理想的な中間圧力に近づけることができる。本発明は、かかる知見に基づいてなされたものである。

すなわち、本発明は、圧縮機本体内に配置した１段側圧縮機及び２段側圧縮機と、前記１段側圧縮機及び２段側圧縮機を駆動する単一のモータと、前記１段側圧縮機及び２段側圧縮機の両方に各々の行程体積を可変にする容量可変手段と、前記モータの回転数を制御する回転制御手段を備えた２段スクリュ圧縮機において、
計測した吸込圧力Ｐｓと吐出圧力Ｐｄに基づいて√（Ｐｓ・Ｐｄ）により理論中間圧力Ｐｍｔｈを計算し、計測した中間圧力Ｐｍと前記理論中間圧力Ｐｍｔｈの差がゼロになるように、前記容量可変手段により、行程体積が一定の場合の中間圧力が前記理論中間圧力Ｐｍｔｈを上回ると、前記１段側圧縮機の行程体積を減少させ、行程体積が一定の場合の中間圧力が前記理論中間圧力Ｐｍｔｈを下回ると、前記２段側圧縮機の行程体積を減少させて、１段側圧縮機と２段側圧縮機の行程体積比を調整する行程体積比調整手段と、
前記回転制御手段により前記モータの回転数を変化させて容量を調整する容量調整手段とを備えたものである。

本発明において、行程体積比調整手段により１段側圧縮機と２段側圧縮機の行程体積比を変更すると、中間圧力が変化するので、広範囲の蒸発温度に対して、中間圧力を理想的な理論中間圧力に近づけることができる。

前記容量調整手段は、検出した蒸発温度が目標温度より高いときは、前記回転制御手段により前記モータの回転数を増大し、検出した蒸発温度が目標温度より低いときは、前記回転制御手段により前記モータの回転数を減少することが好ましい。

前記容量可変手段は、ピストン弁又はスライド弁とすることができる。容量可変手段は、１段側圧縮機と２段側圧縮機の少なくともいずれかにあればよいが、１段側圧縮機に設けることが好ましい。また、前記回転制御手段はインバータとすることができる。

冷媒循環流路に２段スクリュ圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器を備えた２段圧縮冷凍機において、２段スクリュ圧縮機として、前記本発明の２段スクリュ圧縮機を用いることができる。

本発明によれば、計測した吸込圧力Ｐｓと吐出圧力Ｐｄに基づいて√（Ｐｓ・Ｐｄ）により理論中間圧力Ｐｍｔｈを計算し、計測した中間圧力Ｐｍと理論中間圧力Ｐｍｔｈの差がゼロになるように、容量可変手段により、行程体積が一定の場合の中間圧力が前記理論中間圧力Ｐｍｔｈを上回ると、前記１段側圧縮機の行程体積を減少させ、行程体積が一定の場合の中間圧力が前記理論中間圧力Ｐｍｔｈを下回ると、前記２段側圧縮機の行程体積を減少させて、１段側圧縮機と２段側圧縮機の行程体積比を調整する行程体積比調整手段と、回転制御手段によりモータの回転数を変化させて容量を調整する容量調整手段とを備えたので、広範囲の蒸発温度に対して、中間圧力を理想的な理論中間圧力に近づけることができ、圧縮機の効率を大幅に向上させることができる。特に、従来、−２０〜−３０℃で中間圧力が上昇しすぎて運転できなかった場合でも、行程体積比調整手段により、行程体積を調整して中間圧力を下げることで、運転を可能にすることができる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に従って説明する。

図１は、２段スクリュ圧縮機１を用いた２段圧縮冷凍機のサイクルを示す。この冷凍サイクルは、２段スクリュ圧縮機１、オイルセパレータ２、凝縮器３、膨張弁４及び蒸発器５を冷媒循環流路６で連結したものである。

２段スクリュ圧縮機１の本体は、互いに噛合する雌雄の一対のスクリュロータからなる１段側圧縮機７を収容した１段側圧縮機ケーシング８と、前記１段側圧縮機７の雄ロータと共通の駆動軸９を有し、互いに噛合する雌雄の一対のスクリュロータからなる２段側圧縮機１０を収容した２段側圧縮機ケーシング１１と、前記１段側圧縮機７及び前記２段側圧縮機１０の駆動軸９を駆動する単一のモータ１２を収容するモータケーシング１３とからなっている。

１段側圧縮機ケーシング８には１段側圧縮機７の吸込側に連通する吸込口１４が設けられ、該吸込口１４の上流側にはフィルタ１５が設けられている。１段側圧縮機７の吐出側はケーシング内空間を介して２段側圧縮機１０の吸込側に連通している。２段側圧縮機ケーシング１１には、２段側圧縮機１０の吐出側に連通する吐出口１６が設けられている。

図２に示すように、１段側圧縮機ケーシング８には、１段側圧縮機７の駆動軸９に平行にシリンダ１７が形成され、該シリンダ１７にピストン弁１８が摺動可能に収容されている。ピストン弁１８は、シリンダ１７を１段側圧縮機７の吸込側に位置するガス空間１９と、１段側圧縮機７の吐出側に位置する油圧空間２０とに分離している。ピストン弁１８は、シリンダ１７のガス空間１９側から軸方向に形成された穴２１にコイルスプリング２２の一端を挿入し、該コイルスプリング２２の他端をシリンダ１７の端壁に当接することによって、１段側圧縮機７の吐出側に付勢されている。コイルスプリング２２はその内側に位置するガイド棒２３によってガイドされている。シリンダ１７のガス空間１９は、１段側圧縮機７の吸込側と連通するとともに、１段側圧縮機ケーシング８に形成された複数の開口部２４を介して１段側圧縮機７の閉込空間に連通するようになっている。シリンダ１７の油圧空間２０には、ピストン弁１８をコイルスプリング２２の付勢力に抗してガス空間１９側に移動させるために油圧が供給されるようになっている。

図１に戻ると、２段側圧縮機１０のモータ１２は、電源２５よりインバータ２６を介して電力が供給され、回転数が制御される。インバータ２６は回転制御手段を構成する。また、ピストン弁１８の油圧空間２０には油圧装置２７により油圧が供給され、油圧空間２０への油圧の供給量を調整することによって、ピストン弁１８が全ての開口部２４を閉鎖したフルロード状態と、少なくとも１つの開口部２４を開口したアンロード状態にすることができる。ピストン弁１８は容量制御手段を構成する。インバータ２６及び油圧装置２７は、コントローラ２８によって制御される。コントローラ２８には、圧力計にて計測した吸込圧力Ｐｓ、中間圧力Ｐｍ、吐出圧力Ｐｄを入力することができる。なお、圧力計は１段側圧縮機７の吸込側に連通する流路、１段側圧縮機７の吐出側と２段側圧縮機１０の吸込側との間のケーシング内空間、２段側圧縮機１０の吐出側に連通する流路にそれぞれ付設されている。また、コントローラ２８には、蒸発器５に設けた温度センサ２９により検出された蒸発温度が温度調節計３０を介して入力される。コントローラ２８は、行程体積比調整手段と容量調整手段を構成するものである。

次に、前記構成からなる２段圧縮冷凍機の動作を説明する。

運転状態において、コントローラ２８に２段スクリュ圧縮機１にて計測した吸込圧力Ｐｓ、吐出圧力Ｐｄ、中間圧力Ｐｍを入力すると、コントローラ２８は、理論中間圧力Ｐｍｔｈ＝√（Ｐｓ・Ｐｄ）を計算し、計測中間圧力Ｐｍと理論中間圧力Ｐｍｔｈの差がゼロになるように、ピストン弁１８を移動させる。

例えば、１段側圧縮機７の行程体積Ｖ１と２段側圧縮機１０の行程体積Ｖ２の行程体積比Ｒ（＝Ｖ１／Ｖ２）がＲ＝３に設計されているとする。この場合、１段側圧縮機７がフルロードの状態で、１段側圧縮機７と２段側圧縮機１０との行程体積比がＲ＝３のままでは、中間圧力Ｐｍは、図４に示したとおり、理論中間圧力Ｐｍｔｈを上回る６．３ａｔａとなることが予測される。ここで、ピストン弁１８を移動させて、１段側圧縮機７を１５％アンロードすると、１段側圧縮機７の行程体積が８５％になり、行程体積比ＲはＲ＝３×０．８５＝２．５５となる結果、中間圧力Ｐｍが低下し、理論中間圧力Ｐｍｔｈに近づけることができる。このようにして、広範囲の蒸発温度に対して、中間圧力を理想的な理論中間圧力Ｐｍｔｈに近づけることができ、圧縮機の効率を大幅に向上させることができる。

上記のように、行程体積比Ｒ（＝Ｖ１／Ｖ２）がＲ＝３、吐出圧力Ｐｄが１５．６４ａｔａとなるようにこの２段圧縮冷凍機が設計されている場合、図４から理解できるとおり、蒸発温度ＥＴ（℃）が−４０℃以上、ひいては吸込圧力Ｐｓが１．０７ａｔａ以上であれば、ピストン弁１８を移動させて、１段側圧縮機７を所定の割合だけアンロードすることによって、中間圧力Ｐｍを低下させ、理論中間圧力Ｐｍｔｈに近づけることができる。また、計測した吸込圧力Ｐｓ、吐出圧力Ｐｄに基づいて理論中間圧力Ｐｍｔｈ＝√（Ｐｓ・Ｐｄ）を算出し、その理論中間圧力Ｐｍｔｈと計測した中間圧力Ｐｍに基づき、その差がまさにゼロとなるように、ＰＩＤ演算にてピストン弁１８の移動位置、ひいては１段側圧縮機７のアンロードの割合を算出し、ピストン弁１８を移動させるようにしてもよい。あるいは、吐出圧力Ｐｄを１５．６４ａｔａなどの所定の一定値とみなし、吐出圧力Ｐｄの計測を割愛してもよい。

一方、蒸発器５内の温度センサ２９により検出された蒸発温度は、温度調節計３０に入力され、温度調節計３０は検出された蒸発温度を目標温度と比較し、目標温度より高いときはコントローラ２８に増速を要求する。これにより、コントローラ２８は、インバータ２６を介してモータ１２の回転数を増大する。この結果、１段側圧縮機７と２段側圧縮機１０の行程体積が同時に大きくなり、行程体積比Ｒを理想的な状態に保ったまま、容量ひいては冷凍能力を大きくすることができる。逆に、目標温度より低いときは、モータ１２の回転数を減少し、冷却しすぎ等のロスを防止する。

なお、前記構成からなる２段圧縮冷凍機は、蒸発温度ＥＴ（℃）が所定温度（具体的には−４０℃）以上、ひいては吸込圧力Ｐｓが所定圧力（具体的には１．０７ａｔａ）以上の場合に中間圧力Ｐｍを理論中間圧力Ｐｍｔｈに近づけることができるものであるが、それ以外の場合にも同等の効果が得られるようにすることが望ましい。そのためには本発明に係る２段圧縮冷凍機では、前記の構成に加え、２段圧縮機ケーシング１１に２段側圧縮機１０の駆動軸９（１段側圧縮機７の駆動軸９と共通）と平行にシリンダが形成され、そのシリンダに前記ピストン弁１８とは別のピストン弁が摺動可能に収容されている。この構成にかかる２段圧縮冷凍機であれば、１段側圧縮機７の行程体積のみならず、２段側圧縮機１０の行程体積も変化させることができる。そして、この構成にかかる２段圧縮冷凍機であれば、−４０℃より低い、ひいては吸込圧力Ｐｓが１．０７ａｔａより低圧の場合に、２段側圧縮機１０側のピストン弁を移動させて２段側圧縮機１０を所定の割合だけアンロードすることによって、中間圧力Ｐｍを上昇させ、理論中間圧力Ｐｍｔｈに近づけることができる。

なお、前記実施形態では、容量可変手段としてピストン弁１８を用いたがスライド弁を用いたものでもよい。また、ピストン弁１８やスライド弁は、１段側圧縮機７に限らず、２段側圧縮機１０に設けてもよいし、前述のとおり、１段側圧縮機７と２段側圧縮機１０の両方に設けてもよい。

２段スクリュ圧縮機を備えた２段圧縮冷凍機サイクルを示す図。図１の２段スクリュ圧縮機のピストン弁の拡大断面図。蒸発温度の変化に対する２段スクリュ圧縮機の吸込圧力、中間圧力、吐出圧力の変化を示すグラフ。蒸発温度の変化に対する２段スクリュ圧縮機の理想的な中間圧力と行程体積比が一定の場合の中間圧力の変化を示すグラフ。

符号の説明

１２段スクリュ圧縮機
３凝縮器
４膨張弁
５蒸発器
６冷媒樹幹流路
７１段側圧縮機
１０２段側圧縮機
１２モータ
１８ピストン弁
２６インバータ
２８コントローラ

Claims

圧縮機本体内に配置した１段側圧縮機及び２段側圧縮機と、前記１段側圧縮機及び２段側圧縮機を駆動する単一のモータと、前記１段側圧縮機及び２段側圧縮機の両方に各々の行程体積を可変にする容量可変手段と、前記モータの回転数を制御する回転制御手段を備えた２段スクリュ圧縮機において、
計測した吸込圧力Ｐｓと吐出圧力Ｐｄに基づいて√（Ｐｓ・Ｐｄ）により理論中間圧力Ｐｍｔｈを計算し、計測した中間圧力Ｐｍと前記理論中間圧力Ｐｍｔｈの差がゼロになるように、前記容量可変手段により、行程体積が一定の場合の中間圧力が前記理論中間圧力Ｐｍｔｈを上回ると、前記１段側圧縮機の行程体積を減少させ、行程体積が一定の場合の中間圧力が前記理論中間圧力Ｐｍｔｈを下回ると、前記２段側圧縮機の行程体積を減少させて、１段側圧縮機と２段側圧縮機の行程体積比を調整する行程体積比調整手段と、
前記回転制御手段により前記モータの回転数を変化させて容量を調整する容量調整手段とを備えたことを特徴とする２段スクリュ圧縮機。
前記容量調整手段は、検出した蒸発温度が目標温度より高いときは、前記回転制御手段により前記モータの回転数を増大し、検出した蒸発温度が目標温度より低いときは、前記回転制御手段により前記モータの回転数を減少することを特徴とする請求項１に記載の２段スクリュ圧縮機。
前記容量可変手段はピストン弁であることを特徴とする請求項１又は２に記載の２段スクリュ圧縮機。
前記容量可変手段はスライド弁であることを特徴とする請求項１又は２に記載の２段スクリュ圧縮機。
前記回転制御手段はインバータであ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段スクリュ圧縮機。
冷媒循環流路に２段スクリュ圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器を備えた２段圧縮冷凍機において、前記２段スクリュ圧縮機に前記請求項１から５のいずれかに記載の２段スクリュ圧縮機を用いたことを特徴とする２段圧縮冷凍機。