JP5355336B2

JP5355336B2 - スクリュー圧縮機および冷凍機

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Publication number: JP5355336B2
Application number: JP2009231779A
Authority: JP
Inventors: 幸雄中里
Original assignee: 荏原冷熱システム株式会社
Priority date: 2009-10-05
Filing date: 2009-10-05
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2029-10-05
Also published as: JP2011080385A

Description

本発明は、気体を圧縮するスクリュー圧縮機および当該スクリュー圧縮機を備えた冷凍機に関し、特に、吐出側の圧力の変動に対応して圧縮容積比を変動させることができるスクリュー圧縮機および当該スクリュー圧縮機を備えた冷凍機に関する。

従来のスクリュー圧縮機は、雄ロータと、雌ロータと、当該雄ロータと雌ロータに対して軸方向に摺動し、スクリュー圧縮機の吐出口の軸方向長さを調整して吐出圧力を調整する容積比弁とを備えている。当該スクリュー圧縮機は、さらに、吸込圧力Ｐｓ、吸込温度Ｔｓおよび吸込ガスの成分、吐出圧力Ｐｄ、吐出温度Ｔｄを検知する検知器と、当該検知器の検知結果を基に最適な容積比弁の軸方向位置を決める、すなわち吐出口の軸方向長さを決める演算器とを備えている。当該検知器によってそれぞれの値を検知し、当該演算器によって最適な容積比弁の軸方向位置を決めている。そして、容積比弁を決められた軸方向位置に移動させ、スクリュー圧縮機の吐出口に連通する直前の歯溝空間の圧力を吐出圧力に均衡させている(例えば、特許文献１、図６および図１)。

特開２００２−３１００７７

しかし、従来のスクリュー圧縮機は、前述の検知器と、演算器とを備えているため、構造が複雑であり、コスト面や信頼性の面から採用することが難しかった。
そこで、本発明は、複雑な構造を用いることなくスクリュー圧縮機の吐出口に連通する直前の歯溝空間の圧力を吐出圧力に均衡させることのできるスクリュー圧縮機および当該スクリュー圧縮機を備えて冷凍機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の態様に係るスクリュー圧縮機１は、例えば図１、図３に示すように、雄ロータ２と、雄ロータ２と噛み合う雌ロータ３と、雄ロータ２と雌ロータ３とを収納し、雄ロータ２と雌ロータ３と協働して閉じ込められた歯溝空間４を形成するケーシング５であって、低圧側に吸込口６が形成され、高圧側に吐出口７が形成されたケーシング５と、雄ロータ２と雌ロータ３に対して摺動しながら雄ロータ２と雌ロータ３の回転軸線方向８に移動を行う容積比弁９であって、ケーシング５と協働して吐出口７を形成し、前記移動を行うことによって歯溝空間４の容積比を変更可能に構成された容積比弁９とを備え、容積比弁９は、雄ロータ２と雌ロータ３に対して摺動する弁本体１０と、弁本体１０と回転軸線方向８に対向して設けられ、弁本体１０との間に吐出口７と連通する第一の室１１を形成するピストン１２とを有し、ピストン１２の第一の室１１の反対側に第二の室１３が形成され、弁本体１０の第一の室１１の反対側に第三の室１４が形成され、第二の室１３は、弁本体１０に形成された中間口１５であって、弁本体１０の吐出口７を形成する境界線１６の近傍に形成された中間口１５を通して、歯溝空間４と連通しており、第三の室１４は、第一の室１１と連通し、容積比弁９は、第一の室１１の圧力が第二の室１３の圧力より低い場合に、第二の室１３の圧力と第一の室１１の圧力との差圧をピストン１２に直接作用させて、第二の室１３の圧力が第一の室１１の圧力に等しくなるように、中間口１５の位置が前記低圧側に移動する方向に前記移動を行うように構成され、容積比弁９は、第一の室１１の圧力が第二の室１３の圧力より高い場合に、前記差圧をピストン１２に直接作用させて、第二の室１３の圧力が第一の室１１の圧力に等しくなるように、中間口１５の位置が前記高圧側に移動する方向に前記移動を行うように構成されている。

このように構成すると、容積比弁は、第一の室の圧力が第二の室の圧力より低い場合に、第二の室の圧力と第一の室の圧力との差圧をピストンに直接作用させて、第二の室の圧力が第一の室の圧力に等しくなるように、中間口の位置が低圧側に移動する方向に容積比弁の移動を行うようにし、さらに、第一の室の圧力が第二の室の圧力より高い場合に、前記差圧をピストンに直接作用させ、第二の室の圧力が第一の室の圧力に等しくなるように、中間口の位置が高圧側に移動する方向に容積比弁の移動を行うことができる。このため、複雑な構造を用いることなくスクリュー圧縮機の吐出口に連通する直前の歯溝空間の圧力を吐出圧力に均衡させることができる。

本発明の第２の態様に係るスクリュー圧縮機は、例えば図１に示すように、上記本発明の第１の態様に係るスクリュー圧縮機１において、ケーシング５は、弁本体１０とピストン１２とを収納する弁ケーシング２１を有し、ピストン１２は、第一の表面２２と、第一の表面２２と反対側の第二の表面２３とを有し、弁本体１０は、第二の表面２３に対向する第三の表面２４と、第三の表面２４と反対側の第四の表面２５とを有する柱状の弁体部２６を有し、さらに、ピストン１２と弁体部２６とをつなぐロッド２７を有し、第二の表面２３と弁ケーシング２１の内側表面２８と第三の表面２４とは、第一の室１１を形成し、第一の表面２２と弁ケーシング２１の内側表面２８とは、第二の室１３を形成し、第四の表面２５と弁ケーシング２１の内側表面２８とは、第三の室１４を形成し、容積比弁９は、ピストン１２とロッド２７と弁体部２６とを貫通し、第二の室１３と中間口１５とを連通する第一の連通路３１を有し、さらに、第一の室１１と第三の室１４とを連通する第二の連通路３２を有する。

このように構成すると、容積比弁が、第一の連通路を有するので、第一の連通路により第二の室の圧力を中間口の圧力と同じにすることができ、第二の連通路を有するので、第二の連通路により第三の室の圧力を吐出圧力である第一の室の圧力と同じにすることができる。

上記目的を達成するため、本発明の第３の態様に係る冷凍機５１は、例えば図８に示すように、冷媒液４４をスクリュー圧縮機１の上流側で蒸発させて冷媒ガス４３を発生させる蒸発器４８と；冷媒ガス４３を吸い込んで圧縮し吐き出す第１の態様または第２の態様のスクリュー圧縮機１と；冷却媒体４６を導入し冷却媒体４６を用いて、冷媒ガス４３をスクリュー圧縮機の下流側で凝縮させる凝縮器４５とを備える。

このように構成すると、第１の態様または第２の態様のスクリュー圧縮機を備えるので、例えば冷却媒体としての冷却水の温度が変化して、凝縮器の凝縮圧力が変化し、凝縮器の圧力が吐出口に連通する直前の歯溝空間の圧力より高くなることがある。この場合、差圧により容積比弁を回転軸線方向高圧側に移動させ、吐出口に連通する直前の歯溝空間の圧力を上昇させ、凝縮器の圧力と同じにすることができる。また、凝縮器の圧力が吐出口に連通する直前の歯溝空間の圧力より低くなることがある。この場合、差圧により容積比弁を回転軸線方向低圧側に移動させ、吐出口に連通する直前の歯溝空間の圧力を減少させ、凝縮器の圧力と同じにすることができる。このため、複雑な構造を用いることなくスクリュー圧縮機の吐出口に連通する直前の歯溝空間の圧力を吐出圧力（凝縮器の圧力）に均衡させることができる。

以上説明したように、本発明のスクリュー圧縮機によれば、容積比弁は、第一の室の圧力が第二の室の圧力より低い場合に、第二の室の圧力と第一の室の圧力との差圧をピストンに直接作用させて、第二の室の圧力が第一の室の圧力に等しくなるように、中間口の位置が低圧側に移動する方向に容積比弁の移動を行うように構成し、さらに、第一の室の圧力が第二の室の圧力より高い場合に、前記差圧をピストンに直接作用させ、第二の室の圧力が第一の室の圧力に等しくなるように、中間口の位置が低圧側に移動する方向に容積比弁の移動を行うように構成することができる。このため、複雑な構造を用いることなくスクリュー圧縮機の吐出口に連通する直前の歯溝空間の圧力を吐出圧力に均衡させることができる。

以上説明したように、本発明の冷凍機によれば、例えば冷却媒体としての冷却水の温度が変化して、凝縮器の凝縮圧力が変化し、凝縮器の圧力が吐出口に連通する直前の歯溝空間の圧力より高くなることがある。この場合、差圧により容積比弁を回転軸線方向高圧側に移動させ、吐出口に連通する直前の歯溝空間の圧力を上昇させ、凝縮器の圧力と同じにすることができる。また、凝縮器の圧力が吐出口に連通する直前の歯溝空間の圧力より低くなることがある。この場合、差圧により容積比弁を回転軸線方向低圧側に移動させ、吐出口に連通する直前の歯溝空間の圧力を減少させ、凝縮器の圧力と同じにすることができる。このため、複雑な構造を用いることなくスクリュー圧縮機の吐出口に連通する直前の歯溝空間の圧力を吐出圧力（凝縮器の圧力）に均衡させることができる。

本発明の第１の実施の形態に係るスクリュー圧縮機の模式的正面断面図である。図１に示すスクリュー圧縮機の、容積比弁が最も高圧側に移動した場合を示す模式的断面図である。図１に示すスクリュー圧縮機の雄ロータと雌ロータの部分の模式的側面断面図である。（Ａ）は、図１のスクリュー圧縮機の弁体部の平面図である。（Ｂ）は、（Ａ）の中間口近くの部分の拡大図である。スクリュー圧縮機のロータ回転角と、歯溝空間の内部圧力および歯溝空間の容積の変化の関係を表した図である。（Ａ）は、図１のスクリュー圧縮機のロータ回転角と、歯溝空間の内部圧力および歯溝空間の容積の変化の関係を表した図である。（Ｂ）は、ロータ回転角と内部圧力の関係を表した部分の一部を拡大した拡大図である。他の実施の形態のスクリュー圧縮機の模式的正面断面図である。図１のスクリュー圧縮機を備えた冷凍機のフロー図である。図１の、位置が可変である容積比弁を有するスクリュー圧縮機を、備えた冷凍機の効果を現すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において互いに同一あるいは相当する部材には同一符号を付し、重複した説明は省略する。

以下、図１〜図３を参照して本実施の形態のスクリュー圧縮機１の説明を行う。
図１、図２は、本発明に係るスクリュー圧縮機１の模式的正面断面図である。図３は、図１のスクリュー圧縮機の後述の雄ロータ２と雌ロータ３の部分の模式的側面断面図である。

スクリュー圧縮機１は、雄ロータ２と、雌ロータ３と、ケーシング５と、容積比弁９とを備える。スクリュー圧縮機１の雄ロータ２は、駆動機４２（図８参照）に接続され、回転駆動される。雌ロータ３は、雄ロータ２と平行に配置され、雄ロータ２と噛み合うよう配置されている。雄ロータ２が回転することにより雌ロータ３も回転する。ケーシング５の低圧側には吸込口６が形成され、高圧側には吐出口７が形成されている。ケーシング５は、雄ロータ２と雌ロータ３とを収納し、雄ロータ２と雌ロータ３と協働して、歯溝空間４を形成する。歯溝空間４には、吸込口６に連通した歯溝空間４と、吸込口６にも吐出口７にも連通せず、閉じ込められ密閉された歯溝空間４と、吐出口７に連通した歯溝空間４とに分類することができ、両ロータ２、３の回転により、歯溝空間４は、この順序で移行する。スクリュー圧縮機１は、図１中、雄ロータ２と雌ロータ３の回転軸線が水平になるよう配置されている。

ケーシング５は、容積比弁９を収納する弁ケーシング２１を有する。弁ケーシング２１が、容積比弁９のシリンダとして働く。容積比弁９は、弁ケーシング２１内に収納され、弁本体１０と、ピストン１２とを有する。弁本体１０は、雄ロータ２と雌ロータ３に対して摺動しながら雄ロータ２と雌ロータ３の回転軸線方向８に移動を行う。閉じ込めが始まった直後の密閉された歯溝空間４の容積Ｖ_１（圧力Ｐ_１）と、吐出が始まる直前の密閉された歯溝空間４の容積Ｖ_２（圧力Ｐ_２）の比を容積比Ｖｉと呼ぶ。容積比Ｖｉは、Ｖ_１／Ｖ_２により求められる。圧縮行程におけるポリトロ−プ指数をｍとすると、Ｐ_２＝Ｐ_１＊Ｖｉ^ｍとして表される。

容積比弁９は、回転軸線方向８、低圧側または高圧側の前記移動を行うことによって歯溝空間４の容積比Ｖｉを変更することが可能である。容積比弁９が、低圧側に移動した場合、容積比Ｖｉが減少し、高圧側に移動した場合、容積比Ｖｉが増加する。ピストン１２は、弁本体１０と回転軸線方向８に対向して配設され、弁本体１０との間に吐出口７と連通する第一の室としての吐出室１１を形成する。ピストン１２の吐出室１１の反対側（吐出側）に第二の室としてのピストン室１３が形成されている。

弁本体１０は、柱状の弁体部２６と、ピストン１２と弁体部２６とをつなぐロッド２７とを有する。弁ケーシング２１は、弁体部２６を収納する左側弁ケーシング３７と、ピストン２１を収納する右側弁ケーシング３６とを有する。弁体部２６とロッド２７は、回転軸線方向８に延在する。弁体部２６の吐出室１１の反対側（吸込側）に第三の室としての弁体室１４が形成されている。弁体部２６には、中間口１５が形成でされ、中間口１５は、吐出が始まる直前の密閉された歯溝空間４に連通している。中間口１５は、弁体部２６の吐出口７を形成する境界線１６の近傍に位置している。

ピストン１２は、板状に形成され、吐出側にある第一の表面２２と、第一の表面２２とは反対側（吸込側）の第二の表面２３とを有する。第一の表面２２と、右側弁ケーシング３６の内側表面２８は、ピストン室１３を形成する。第一の表面２２と、第二の表面２３とは、同じ面積を有し、共に、図１中、紙面に垂直な平面である。弁体部２６は、吐出側にある第三の表面２４と、第三の表面２４とは反対側（吸込側）の第四の表面２５とを有する。第三の表面２４は、第二の表面２３に回転軸線方向８に対向する位置に配置されている。第四の表面２５と、左側弁ケーシング３７の内側表面２８は、弁体室１４を形成する。第三の表面２４は、二つの平面３３と、一つの平面３４とを有し、二つの平面３３が図１中、鉛直方向上から見た場合にＶ字型に配置され、Ｖ字の底を埋めるように第三番目の平面３４が、図１中、紙面に垂直に配置されている（図４（Ａ））。第四の表面２５は、図１中、紙面に垂直な平面である。このＶ字型は、雄ロータ２および雌ロータ３の歯の山の稜線に沿った形状に形成されている。ロッド２７は、ピストン１２の第二の表面２３と弁体部２６の第三の表面２４とをつなぐ。なお、吐出室１１は、第二の表面２３と、第三の表面２４と、内側表面２８と、ロッド２７の外周表面とにより形成される。境界線１６は、第三の表面２４の図中、最下部に形成されている。中間口１５は、吐出口７を形成する境界線１６の近傍であって境界線１６の低圧側に形成されている。

以下、図４（Ａ）、（Ｂ）を参照して、説明する。境界線１６は、第三の表面２４の最下部に形成されているので、平面３３及び平面３４の最下部に形成されているといえる。平面３３を低圧側（図４（Ａ）、（Ｂ）中、左側）に延長した二つの仮想面３５（平面）を考えると、この二つの仮想面３５は、交わり仮想線Ｐを形成する。

中間口１５の位置が、弁体部２６の仮想線Ｐに近ければ近いほど、過大圧縮の程度が減少するので望ましい。中間口１５は、仮想線Ｐに接する位置にあってもよく、仮想線Ｐからわずかに低圧側に離れた位置にあってもよい。中間口１５は、境界線１６の近傍に形成されているとは、この意味である。境界線１６は、一部、平面３４の最下部に形成されているが、近傍の意味を考えるときは、この部分では、仮想面３５の最下部に形成されていると考えることにする。中間口１５が境界線１６（平面３４の部分では仮想面３５の最下部を通ると考える）から大きめに離れていても、過大圧縮の程度がその分だけ大きくなるだけで、過大圧縮量が所定の値になるように容積比弁９の移動によって制御されている点は変わらない。この過大圧縮が問題とならない程度であれば、これも近傍の概念に含まれるものとする。

以下、再び図１〜図３を参照して説明する。
容積比弁９は、第一の連通路３１と、第二の連通路３２とを有する。第一の連通路３１は、ピストン１２とロッド２７と弁体部２６とを貫通し、ピストン室１３と中間口１５とを連通する。第二の連通路３２は、弁体部２６を貫通し、吐出室１１と弁体室１４とを連通する。第一の連通路３１によりピストン室１３の圧力は、中間口１５の圧力と同じであり、第二の連通路３２により吐出室１１の圧力は、弁体室１４の圧力と同じである。スクリュー圧縮機１で圧縮されるガス（不図示）は、吸込口６から吸い込まれ圧縮されて吐出口７から吐き出される。ガスは吸込口６で、吸込圧力Ｐｓ、吸込容積Ｖｓの状態にあり、吐出口７で、吐出圧力Ｐｄ、吐出容積Ｖｄの状態に移行する。

図２の状態の場合で説明すると、歯溝空間４−１〜４−３では、吸込ガスの吸入が行われる。歯溝空間４−４では、吸込ガスは、閉じ込み直後の状態（まさに閉じ込みが始まった状態）にあり、吸込条件と同じ、圧力Ｐ_１（＝Ｐｓ）、容積Ｖ_１（＝Ｖｓ）下にある。歯溝空間４−５、４−６は、圧縮行程下にあり、歯溝空間４−７は、吐出口７と連通する直前の状態（まさに連通が始まろうとする状態、但し、連通は始まっていない状態）にあり、圧力Ｐ_２、容積Ｖ_２の条件下にある。歯溝空間４−８は、吐出口７と連通している状態にある。以下、歯溝空間一般を指すときは４の符号をつけ、歯溝空間４とする。

図５を参照し、適宜図１を参照して、吐出室１１の圧力Ｐｄが変化した場合を説明する。図５の説明において、スクリュー圧縮機１は容積比弁９を備えていないと仮定する。図中、横軸はロータ２、３の回転角を表し、縦軸は、歯溝空間４の内部圧力、歯溝空間４の容積の変化を表す。

通常は、吐出口７と連通する直前の歯溝空間４−７の圧力Ｐ_２が、吐出室１１の圧力Ｐｄに等しくなるよう設計されている（Ａ_０の場合）。しかし、運転状態の変化により、吐出室１１の圧力が減少し、Ｐ_２＞Ｐｄとなる場合がある（Ｂ_０の場合）。Ｐ_２＞Ｐｄの場合は、スクリュー圧縮機１は、過大圧縮を行い、歯溝空間４が吐出口７に連通後、歯溝空間４の圧力Ｐ_２は減少して、吐出室１１のＰｄに等しくなる。一方、吐出室１１の圧力が上昇し、Ｐ_２＜Ｐｄの場合（Ｃ_０の場合）は、スクリュー圧縮機１は、過小圧縮を行っており、歯溝空間４が吐出口７に連通後、ガスは吐出室１１から歯溝空間４に逆流し、歯溝空間４の圧力Ｐ_２は上昇してＰｄに等しくなる。これらの場合、スクリュー圧縮機１の吐出側の容積は十分に大きいので、圧力Ｐｄは、スクリュー圧縮機１の過大圧縮、過小圧縮には影響されず、一定の値を保つ。

図６（Ａ）、（Ｂ）を参照し、適宜図１を参照して、本実施の形態のスクリュー圧縮機１の吐出室１１の圧力Ｐｄが変化した場合を説明する。図中、横軸はロータ２、３の回転角を表し、縦軸は、歯溝空間４の内部圧力、歯溝空間４の容積の変化を表す。

運転状態における吐出圧力Ｐｄの変動範囲を予想して、スクリュー圧縮機１は、容積比弁９の移動によって、中間口１５における歯溝空間４−７の圧力Ｐｘが、吐出室１１の圧力Ｐｄに等しくなるよう設計されている。

したがって、図１に示すように、容積比弁９は、通常運転点において、左右（低圧側、高圧側）どちらにも移動可能な位置に存在する。また、通常運転点において、中間口１５における歯溝空間４−７の圧力Ｐｘが、吐出室１１の圧力Ｐｄに等しくなる位置に、容積比弁９が存在する。この場合、吐出口７と連通する直前の歯溝空間４−７の圧力Ｐ_２は、吐出室１１の圧力Ｐｄよりわずかに高く（Ａ_１の場合）、スクリュー圧縮機１は、わずかな過大圧縮の状態にあり、歯溝空間４−７の圧力は、吐出口７の連通後（Ａ_１において連通）、ΔＰだけ減少し、Ｐ_２からＰｄに変化する（ΔＰ＝Ｐ_２−Ｐｄ）。

運転状態の変化により、吐出室１１の圧力が減少し、Ｐｘ＞Ｐｄとなった場合（Ｂ_１の場合）、ピストン１２に対して差圧（Ｐｘ−Ｐｄ）が、回転軸線方向８左側に向けて直接作用し、容積比弁９は、左側に移動し、中間口１５における歯溝空間４−７の圧力Ｐｘが、吐出室１１の圧力Ｐｄに等しくなる。このときも、スクリュー圧縮機１は、過大圧縮の状態にあり、歯溝空間４−７の圧力は、吐出口７に連通後（Ｂ_１において連通）、ΔＰだけ減少し、Ｐ_２からＰｄに変化する（ΔＰ＝Ｐ_２−Ｐｄ）。

容積比弁９が、左側に移動すると、歯溝空間４が吐出口７の連通するタイミングが移動前より早まるので、吐出口７と連通する直前の歯溝空間４の圧力Ｐ_２は減少する。また、容積比弁９が、左側に移動すると、中間口１５の位置も左側に移動するので、圧力Ｐｘも減少する。

ここで述べる過大圧縮は、中間口１５が、境界線１６の近傍ではあるが、わずかながら境界線１６から低圧側にずれた位置にあるために生ずるものである。しかし、この過大圧縮は、中間口１５を境界線１６にできるだけ近い位置に形成することにより無視できる程度に小さくすることができる。

一方、運転状態の変化により、吐出室１１の圧力が上昇し、Ｐｘ＜Ｐｄとなった場合（Ｃ_１の場合）、ピストン１２に対して差圧（Ｐｄ−Ｐｘ）が、回転軸線方向８右側に向けて直接作用し、容積比弁９は、右側に移動し、中間口１５における歯溝空間４−７の圧力Ｐｘが、吐出室１１の圧力Ｐｄに等しくなる。このときも、スクリュー圧縮機１は、過大圧縮の状態にあり、歯溝空間４−７の圧力は、吐出口７に連通後（Ｃ_１において連通）、ΔＰだけ減少し、Ｐ_２からＰｄに変化する（ΔＰ＝Ｐ_２−Ｐｄ）。

容積比弁９が、右側に移動すると、歯溝空間４が吐出口７の連通するタイミングが移動前より遅くなるので、吐出口７と連通する直前の歯溝空間４の圧力Ｐ_２は上昇する。また、容積比弁９が、右側に移動すると、中間口１５の位置も右側に移動するので、圧力Ｐｘも上昇する。

この状態から、吐出室１１の圧力がさらに上昇した場合、Ｐｘ＜Ｐｄであるので、ピストン１２に対して差圧（Ｐｄ−Ｐｘ）が、回転軸線方向８右側に向けて直接作用するが、容積比弁９が最も右側（図２の状態）に移動しても、中間口１５における歯溝空間４−７の圧力Ｐｘが、吐出室１１の圧力Ｐｄに達しない場合がある（Ｄ_１の場合）。なお、容積比弁９が最も右側（図２の状態）に移動しても、ピストン室の容積は０にならないように構成されている。また、このとき、スクリュー圧縮機１は、過小圧縮の状態にあり、歯溝空間４−７の圧力は、吐出口７に連通後（Ｄ_１において連通）、ΔＰだけ上昇し、Ｐ_２からＰｄに変化する（ΔＰ＝Ｐｄ−Ｐ_２）。前述のように、運転状態における吐出圧力Ｐｄの変動範囲を予想して、このような状態が発生しないように、スクリュー圧縮機１を設計することが望ましい。

なお、図中、Ａ_１〜Ｄ_１の点において、歯溝空間４が吐出口７に連通し、これらの時点から先で、歯溝空間４内のガスが吐出室１１に吐出される。

図７に、他の実施の形態のスクリュー圧縮機を示す。図は、模式的正面断面図である。図に示すように、スクリュー圧縮機１は、吸込ガス連通弁４１と、吐出ガス連通弁４０とを備えていてもよい。吸込ガス連通弁４１と、吐出ガス連通弁４０とは、ケーシング５に取り付けて配置することができる。吸込ガス連通弁４１は、ケーシング５に形成された第四の連通路３９を介して吸込口６と弁体室１４とを連通させることができる。吐出ガス連通弁４０は、ケーシング５に形成された第三の連通路３８を介して吐出室１１と弁体室１４とを連通させることができる。なお、この実施の形態の場合は、容積比弁９に形成された第二の連通路３２（図１）は存在しない。第二の連通路３２の代わりに、第三の連通路３８が形成されているからである。

スクリュー圧縮機１の停止後、次回起動した時に歯溝空間４に異常な高圧が生じるのを防止するために以下の対策を行う。この対策は、スクリュー圧縮機１の停止時に、スクリュー圧縮機１を用いる冷凍機５１（図８参照）の蒸発器４７の冷媒蒸発温度がある一定値以上（例えば、２５℃〜３０℃以上）に高くなる場合に必要となる。これは、容積比弁９の位置が、容積比Ｖｉが高い状態（例えば、２．５〜３．０）の位置にあるときに、冷凍機５１の運転中にスクリュー圧縮機１が停止した場合を想定している。この場合、スクリュー圧縮機１の停止後の容積比弁９の位置は、スクリュー圧縮機１の停止直前の位置のままとなる。

スクリュー圧縮機１の運転中の吸込圧力Ｐｓは、通常は、その用途による一定の値に保たれる。しかし、冷凍機５１（図８）を強制停止した後に、ある期間経過すると、被冷却物（不図示）の温度が上昇する場合がある。このときにスクリュー圧縮機１の起動すると、起動時の吸込圧力Ｐｓが高くなる。この場合、容積比Ｖｉが高いと（例えば、２．５〜３．０）スクリュー圧縮機１の起動直後の歯溝空間４が異常に高圧となり（例えば、２．０ＭＰａ〜２．５ＭＰａ（許容値は２．０ＭＰａ））スクリュー圧縮機１にダメージを与えることがある。これを回避するために、以下のようにスクリュー圧縮機１の停止直前に、容積比弁９の状態を、容積比Ｖｉが通常運転時の値より低い値になる状態にする必要がある（例えば、容積比Ｖｉが１．５〜２．０（通常は２．３５））。

すなわち、スクリュー圧縮機１の停止直前に、吸込ガス連通弁４１を開とし、吐出ガス連通弁４０を閉とする。吐出ガス連通弁４０を閉とすることにより、第三の連通路３８を遮断し、吐出室１１と弁体室１４とを分離する。吸込ガス連通弁４１を開とすることにより、第四の連通路３９を介して、吸込口６と弁体室１４とを連通し、弁体室１４の圧力を吸込口６の圧力まで下げ、容積比弁９を吸込側へ移動させ、スクリュー圧縮機１の容積比Ｖｉが低い状態にする。

なお、スクリュー圧縮機１の運転時は、吸込ガス連通弁４１を閉とし、吐出ガス連通弁４０は開としている。吸込ガス連通弁４１を閉としているので、第四の連通路３９は遮断され、吸込口６と弁体室１４とは分離されている。吐出ガス連通弁４０を開としているので、第三の連通路３８により、吐出室１１と弁体室１４とが連通している。この場合は、前述の実施の形態と同じであり、前述のようにスクリュー圧縮機１の運転時には、容積比弁９は、最適容積比（例えば、１．５〜３．０）になるように作動する。

図８に示すように、スクリュー圧縮機１（図１）は、冷凍機５１に多く用いられる。冷凍機５１は、スクリュー圧縮機１と、スクリュー圧縮機１を回転駆動する駆動機４２と、冷却媒体としての冷却水４６を導入し、冷媒ガスとしての冷媒蒸気４３を凝縮して冷媒液４４とする凝縮器４５と、冷水４７を導入し、冷媒液４４を蒸発して冷媒蒸気４３とする蒸発器４８と、冷媒液４４を凝縮器４５から蒸発器４８に送る膨張機構４９とを備える。蒸発器４８は、スクリュー圧縮機１の上流側に、凝縮器４５は、スクリュー圧縮機１の下流側にある。

冷凍機５１に用いられるスクリュー圧縮機１の場合、吸込圧力Ｐｓは、蒸発器４８で冷媒液４４を蒸発させる温度等によって決まる。すなわち、吸込圧力Ｐｓは、通常、用途によって一定に保たれる。しかし、冷凍サイクルの高圧側の圧力は、スクリュー圧縮機１で圧縮された冷媒蒸気４３を凝縮器４５で冷却し凝縮させるが、冷却水４６の温度の朝夕の変動、季節変動や、凝縮器４５の伝熱面のスケール等による冷却能力の変化に応じて変わりえるものである。したがって、吐出室１１の圧力が低下し、スクリュー圧縮機１の通常の吐出圧力より低くなる場合があり、あるいは吐出室１１の圧力が上昇し、スクリュー圧縮機１の通常の吐出圧力より高くなる場合がある。この場合、スクリュー圧縮機１は、図６（Ａ）、（Ｂ）を参照して説明したように作動する。

図９を参照し、適宜図１、図８を参照し、回転軸線方向８に移動可能な容積比弁９を有するスクリュー圧縮機１（容積比可変式の圧縮機）を備えた冷凍機５１の効果を説明する。図中、縦軸は、スクリュー圧縮機の断熱効率、横軸は、容積比である。曲線１は、凝縮器の冷却水の温度を変えた場合の、容積比弁を備えない容積比固定式のスクリュー圧縮機（圧縮機Ｙ）（不図示）の容積比と断熱効率の関係を示す。曲線２は、、凝縮器４５の冷却水４６の温度を変えた場合の、容積比弁９を備える容積比可変式のスクリュー圧縮機１（圧縮機Ｘ）（図１）の容積比と断熱効率の関係を示す。

曲線１と曲線２において、冷却水の温度が３０℃の場合、容積比が２．３５、圧縮機の断熱効率が７８％であり、圧縮機Ｘ、Ｙのデータが一致する。冷却水の温度が２０℃に下がった場合、共に容積比が１．５になるが、曲線２（圧縮機Ｘ）の場合は、断熱効率（ηad）が７８％であり、曲線２の場合（圧縮機Ｙ）、断熱効率が６２％であり、容積比可変式の圧縮機Ｘの方が、１６％だけ効率がよい。

本実施の形態のスクリュー圧縮機１によれば、弁体部２６とロッド２７とを有する弁本体１０と、ピストン１２と、弁体部２６とロッド２７とピストン１２とを貫通し、ピストン室１３と中間口１５とを連通する第一の連通路３１と、弁体部２６を貫通し、吐出室１１と弁体室１４とを連通する第二の連通路３２とを備えるので、吐出室１１の圧力（吐出圧力）がピストン室１３の圧力（中間口１５における圧力）より低くなった場合に、ピストン室１３の圧力と吐出室１１の圧力との差圧をピストン１２に直接作用させて、容積比弁９を左側に移動させ、スクリュー圧縮機１の吐き出し圧力およびピストン室１３の圧力（中間口１５における圧力）を減少させ、ピストン室１３の圧力が吐出室１１の圧力に等しくなるように、すなわち差圧がなくなるようにすることができる。このようにして、スクリュー圧縮機１の余分な仕事量を減少させることができる。

また、吐出室１１の圧力（吐出圧力）がピストン室１３の圧力（中間口１５における圧力）より高くなった場合に、ピストン室１３の圧力と吐出室１１の圧力との差圧をピストン１２に直接作用させて、容積比弁９を右側に移動させ、スクリュー圧縮機１の吐き出し圧力およびピストン室１３の圧力（中間口１５における圧力）を上昇させ、ピストン室１３の圧力が吐出室１１の圧力に等しくなるように、すなわち差圧がなくなるようにすることができる。このようにして、スクリュー圧縮機１の余分な仕事量を減少させることができる。

また、このため、複雑な構造を用いることなくスクリュー圧縮機１の吐出口７に連通する直前の歯溝空間４の圧力Ｐ_２を吐出圧力Ｐｄに均衡させることができる。

本実施の形態のスクリュー圧縮機１を備えた冷凍機５１によれば、季節あるいは昼と夜によって、冷却水４６の温度が変わり、凝縮器４５の伝熱面のスケール等により凝縮器４５の冷却能力が変化し、凝縮器４５の圧力（吐出室１１の吐出圧力Ｐｄ）が変化した場合でも、容積比弁９の回転軸線方向の位置を調節することにより、スクリュー圧縮機１の吐き出し圧（吐出口７と連通する直前の歯溝空間４の圧力Ｐ_２）を調整し、冷凍機５１のＣＯＰを高く維持することができる。

１スクリュー圧縮機
２雄ロータ
３雌ロータ
４歯溝空間
４−１〜４−８歯溝空間
５ケーシング
６吸込口
７吐出口
８回転軸線方向
９容積比弁
１０弁本体
１１吐出室（第一の室）
１２ピストン
１３ピストン室（第二の室）
１４弁体室（第三の室）
２１弁ケーシング
２２第一の表面
２３第二の表面
２４第三の表面
２５第四の表面
２６弁体部
２７ロッド
２８内側表面
３１第一の連通路
３２第二の連通路
３３、３４平面
３５仮想面
３６右側弁ケーシング
３７左側弁ケーシング
３８第三の連通路
３９第四の連通路
４０吐出ガス連通弁
４１吸込ガス連通弁
４２駆動機
４３冷媒蒸気（冷媒ガス）
４４冷媒液
４５凝縮器
４６冷却水（冷却媒体）
４７冷水
４８蒸発器
４９膨張機構
５１冷凍機

Claims

雄ロータと；
前記雄ロータと噛み合う雌ロータと；
前記雄ロータと前記雌ロータとを収納し、前記雄ロータと前記雌ロータと協働して閉じ込められた歯溝空間を形成するケーシングであって、低圧側に吸入口が形成され、高圧側に吐出口が形成されたケーシングと；
前記雄ロータと前記雌ロータに対して摺動しながら前記雄ロータと前記雌ロータの回転軸線方向に移動を行う容積比弁であって、前記ケーシングと協働して前記吐出口を形成し、前記移動を行うことによって前記歯溝空間の容積比を変更可能に構成された容積比弁とを備え；
前記容積比弁は、前記雄ロータと前記雌ロータに対して摺動する弁本体と、前記弁本体と前記回転軸線方向に対向して設けられ、前記弁本体との間に前記吐出口と連通する第一の室を形成するピストンとを有し；
前記ピストンの前記第一の室の反対側に第二の室が形成され、前記弁本体の前記第一の室の反対側に第三の室が形成され；
前記第二の室は、前記弁本体に形成された中間口であって、前記弁本体の前記吐出口を形成する境界線の近傍に形成された中間口を通して、前記歯溝空間と連通しており；
前記第三の室は、前記第一の室と連通し；
前記容積比弁は、前記第一の室の圧力が前記第二の室の圧力より低い場合に、前記第二の室の圧力と前記第一の室の圧力との差圧を前記ピストンに直接作用させて、前記第二の室の圧力が前記第一の室の圧力に等しくなるように、前記中間口の位置が前記低圧側に移動する方向に前記移動を行うように構成され；
前記容積比弁は、前記第一の室の圧力が前記第二の室の圧力より高い場合に、前記差圧を前記ピストンに直接作用させて、前記第二の室の圧力が前記第一の室の圧力に等しくなるように、前記中間口の位置が前記高圧側に移動する方向に前記移動を行うように構成された；
スクリュー圧縮機。
前記ケーシングは、前記弁本体と前記ピストンとを収納する弁ケーシングを有し；
前記ピストンは、第一の表面と、前記第一の表面と反対側の第二の表面とを有し；
前記弁本体は、前記第二の表面に対向する第三の表面と、前記第三の表面と反対側の第四の表面とを有する柱状の弁体部を有し、さらに、前記ピストンと前記弁体部とをつなぐロッドを有し；
前記第二の表面と前記弁ケーシングの内側表面と前記第三の表面とは、前記第一の室を形成し；
前記第一の表面と前記弁ケーシングの内側表面とは、前記第二の室を形成し；
前記第四の表面と前記弁ケーシングの内側表面とは、前記第三の室を形成し；
前記容積比弁は、前記ピストンと前記ロッドと前記弁体部とを貫通し、前記第二の室と前記中間口とを連通する第一の連通路を有し、さらに、前記第一の室と前記第三の室とを連通する第二の連通路を有する；
請求項１に記載のスクリュー圧縮機。
前記第一の室と前記第三の室とを連通する第三の連通路と、前記吸入口と前記第三の室とを連通する第四の連通路を有し；
前記第三の連通路は、開閉することにより前記第一の室と第三の室とを連通遮断する吐出ガス連通弁を備え；
前記第四の連通路は、開閉することにより前記第三の室と吸入口とを連通遮断する吸込ガス連通弁を備える；
請求項１に記載のスクリュー圧縮機。
冷媒液を前記スクリュー圧縮機の上流側で蒸発させて冷媒ガスを発生する蒸発器と；
前記冷媒ガスを吸い込んで圧縮し吐き出す請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のスクリュー圧縮機と；
冷却媒体を導入し前記冷却媒体を用いて、前記冷媒ガスを前記スクリュー圧縮機の下流側で凝縮させる凝縮器とを備える；
冷凍機。