JP5634228B2 - スクリュー冷凍機 - Google Patents

Description

この発明は、２個もしくは２対のスクリューローターにより、二段階の冷媒圧縮を行う二段スクリュー圧縮機を備えたスクリュー冷凍機に関するものであり、特に各圧縮部に容量制御装置を備えた二段スクリュー圧縮機の容量制御に関する。

従来の二段スクリュー圧縮機（以下、単にスクリュー圧縮機あるいは圧縮機と呼ぶこともある）には、低段圧縮部、高段圧縮部のそれぞれにピストンによって駆動される容量制御装置を有し、外部に設けている電磁弁の開閉により、これら低段側と高段側のピストンへそれぞれ差圧を与えることでピストンを駆動し、冷媒ガスの流量を調節するスライドバルブを移動させて容量の調節を行うものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、低段圧縮部にピストンを用いた容量制御装置を有し、外部に設けている電磁弁の開閉により、これら低段側のピストンへ差圧を与えることでこのピストンを駆動し、冷媒ガスの流量を調節することで容量の調節を行うものが知られている（例えば、特許文献２参照）。
この特許文献２の二段スクリュー圧縮機を搭載したスクリュー冷凍機の一般的な構成を図１１及び図１２に示す。スクリュー冷凍機１は、圧縮機２、油分離器１２、凝縮器１３、膨張弁１４、蒸発器１５、油冷却器２５、およびこれらの構成要素を連結し、冷媒を循環させる冷媒配管を備えている。圧縮機２は、１つの電動機により駆動される低段圧縮部２２および高段圧縮部２３を有する二段形であり、低段圧縮部２２の吐出口と高段圧縮部２３の吸込口は連通している。油分離器１２にて分離された油２４は、油冷却器２５を経てスクリュー圧縮機２の低段圧縮部２２および高段圧縮部２３のそれぞれの軸受へ供給される。低段側の容量制御装置であるピストン３８には貫通孔３９が穿設されており、ピストン移動に伴い、冷媒ガスを低圧部にバイパスする貫通孔の数が変化する。このためピストンの移動を制御して貫通孔数を調整することで、容量制御が可能となる。
なお、特許文献２にて示されている二段スクリュー圧縮機２は、インバーターによって駆動され、高段側に容量制御装置を有していない。

従来のスクリュー冷凍機１の始動時の容量制御を図１３に示す。これはスター・デルタ始動の場合であり、インバーターによる可変周波数運転を行わない運転周波数が一定の冷凍機の例である。スクリュー冷凍機１を始動させる際は先ず、スクリュー圧縮機２の容量は、低段、高段ともに最小容量、例えば１２％にホールドされる。一定時間のスター結線による運転の後、デルタ結線へ切り替わる。デルタ結線への切替え後、設定時間を経過すると高段側を１００％までオンロードさせる。この状態を便宜的に２０％運転と言う。この後、さらに設定時間経過後に低段側を５０％までオンロードさせる。この状態を便宜的に６０％運転と言う。さらにこの６０％運転を一定時間経過した後は、冷凍機に対する負荷に応じて、高段、低段ともに１００％の１００％運転（高段を１００％に保持した状態で運転させるとともに低段も１００％までオンロードさせる）、先の６０％運転（高段を１００％に保持した状態で運転させ、低段も６０％に保持した状態で運転させる）、２０％運転（高段を１００％に保持した状態で運転させ、低段を２０％までアンロード運転させる）のいずれかの容量へ制御を行い定常運転となる。
定常運転においては、高圧圧力すなわち高段の吐出圧力、中間圧力すなわち高段吸込圧力、低圧圧力すなわち低段の吸込圧力の３つの圧力の大小に関らず、冷凍機の負荷、つまり、蒸発器１５を流れるブライン入口温度、もしくはブライン出口温度、蒸発温度、外部からの容量制御信号によって運転容量の制御を行っている。

特公平７−５９９５１号公報 特許第３８３７２９８号公報（第１頁および第３頁、第1図および第２図）

従来のスクリュー冷凍機の容量制御は前記のように定常運転においては、高圧圧力すなわち高段の吐出圧力、中間圧力すなわち高段吸込圧力、低圧圧力すなわち低段の吸込圧力の３つの圧力の大小に関らず、冷凍機の負荷、つまり、蒸発器１５を流れるブライン入口温度、もしくはブライン出口温度、蒸発温度、外部からの容量制御信号によって運転容量の制御を行っている。高圧圧力すなわち冷媒の凝縮温度は、凝縮器１３と熱交換をする空気や水に応じて変化する。低圧圧力すなわち冷媒の蒸発温度は、負荷側すなわち蒸発器１５と熱交換するブラインや空気に応じて変化する。

秋から春にかけて一般に外気温度が低い環境や寒冷地のように年間を通して外気温度が低い地域においては、凝縮器１３と熱交換する空気や水の温度が低く、冷媒の凝縮温度が低くなり、高圧圧力の絶対値が低くなる。さらに負荷が高く蒸発器１５と熱交換する空気やブラインの温度が高い場合は、冷媒の蒸発温度が高くなり、低圧圧力の絶対値が高くなる。このような条件では、低段の吐出圧力、すなわち中間圧力が高圧圧力よりも高くなることがある。

上記のように中間圧力が高圧圧力よりも高くなると、特許文献１に示された従来例では、高段の容量制御装置を駆動できなくなり、結果として高段圧縮部２３ではオンロード運転ができなくなり、負荷に見合った冷却能力を発揮できないという問題が発生する。
その理由について、図１４を用いて具体的に説明する。図１４に示すように、スクリュー圧縮機２の高段容量制御装置６７は、スライドバルブ７１と呼ばれる容量調節弁とこれにロッド７２によって連結された容量制御ピストン７４、ケーシング５１、ピストン７４とケーシング５１によって形成されるピストン室７６、バネ７３、電磁弁７５によって構成される。

また、ピストン室７６はピストン７４によってスライド弁側室（図１４における右室）７６１と反スライド弁側室（図１４における左室）７６２に区画され、スライド弁側室７６１には、ピストン７４を左側に押圧するバネ７３が設けられており、常時高段圧縮部２３から高圧圧力ＨＰが与えられている。一方、反スライド弁側室７６２には電磁弁７５の開閉により高段圧縮部の吐出直前のこの冷凍サイクルにおいて最も高い高圧圧力ＨＰ+α1（これをＨＰ1とする。）が与えられるかあるいは中間圧力が与えられる。また、スライドバルブ７１には図１４に示すようにその片面に高段圧縮部２３の吐出圧力すなわち高圧圧力が作用し、その反対面には低段圧縮部２２の吐出圧力すなわち高段圧縮部２３の吸い込み圧力である中間圧力が作用している。

このような状況において、中間圧力が高圧圧力よりも高くなると、高段圧縮部２３をオンロードさせようとする場合、制御部は容量制御信号を高段容量制御装置６７に送る。これにより、電磁弁の駆動装置は、電磁弁７５をオフとすることでピストン室７６の反スライド弁側室７６２内を高圧圧力ＨＰ1に保つ。これにより、ピストン７４のスライド弁側室（図１４における右室）７６１に対し反スライド弁側室（図１４における左室）７６２の圧力がα1だけ高くなる。一方、スライドバルブ７１の片側に高圧圧力ＨＰ、反対側に高圧圧力ＨＰよりも高圧の中間圧力ＭＰが作用しているため、総合した差圧はアンロード方向（図１４の左向き）に作用し、アンロード方向に付勢力が作用するバネ力も加勢するので、アンロード方向へ移動する。すなわち、スライドバルブ７１はオンロード方向（図１４の右側）へ移動できない。
この結果、高段圧縮部２３ではオンロード運転ができなくなり、負荷に見合った冷却能力を発揮できなくなる。以上が理由である。

一方、スクリュー圧縮機２のモーター冷却は高圧圧力の冷媒液を断熱膨張により減圧し、中間圧力室であるモーター室へ断熱膨張によって得られた冷却冷媒を注入することで、実現している。また、高段圧縮部２３へスクリューローターとケーシング５１の焼付きを防止するために油分離器１２内の高圧圧力を搬送力として油インジェクションを注入している。中間圧力が高圧圧力よりも高くなると、モーター冷却用の冷媒を流すことができなくなり、モーター２１が過熱し異常停止する。また、油インジェクションが注入できなくなり、高段圧縮部２３のスクリューローターとケーシング５１の焼付きが発生し、圧縮ができなくなる。

以上のように従来の二段スクリュー圧縮機を搭載したスクリュー冷凍機において、高圧圧力が低く、低圧圧力が高いという条件において、高段圧縮部２３のオンロード運転ができなくなり、負荷に見合った冷却能力を発揮できないという問題があった。また、モーター冷却冷媒を流すことができなくなりモーター過熱異常が発生するという問題があった。さらに、油インジェクションが注入できなくなり、高段圧縮部２３のスクリューローターとケーシング５１の焼付きが発生し、圧縮ができなくなるという問題があった。

このように高圧圧力が低く、低圧圧力が高いという条件の場合、特許文献２にて示されたスクリュー冷凍機においては、差圧調節器が高段圧縮部である第二段圧縮部の吐出圧力すなわち高圧圧力と、低段圧縮部である第一段圧縮部の吐出圧力すなわち中間圧力との圧力差、いわゆる差圧を検出して、この差圧に基づいて第一段圧縮部（低段圧縮部）を負荷調節手段により、部分負荷運転させることにより、第一段圧縮部２２の吐出圧力すなわち中間圧力を下げ、オンロード運転不可能に陥る事態の発生を未然に防ぐことで運転継続を可能にしている。

しかしながら、特許文献２の二段スクリュー圧縮機の容量制御は差圧に基づいているため、高圧圧力が低く、低圧圧力が高いという条件において、外気温度条件の急激な変化に対してオンロード運転不可能に陥る事態の発生を未然に防ぐことに不安があり、さらに予防能力の改善された容量制御が望まれている。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、第１の目的は高圧圧力が低く、低圧圧力が高いという条件において、高段圧縮部のオンロード運転を特許文献１に示す従来よりも確実に可能とし、負荷に見合った冷却能力を発揮できるようにする二段スクリュー圧縮機を搭載したスクリュー冷凍機を得ることにある。また、第２の目的は、モーター冷却冷媒を流すことを可能とし、モーター過熱異常の発生を回避し、高段圧縮部のスクリューローターとケーシングの焼付きを回避して圧縮を行うことができる二段スクリュー圧縮機を搭載したスクリュー冷凍機を得ることにある。

この発明に係るスクリュー冷凍機は、第１の冷媒ガスを吸い込んで圧縮し、第１の冷媒ガスよりも高温且つ高圧の第２の冷媒ガスを第１の圧縮室に吐出する低段圧縮部と、この低段圧縮部から吐出された第２の冷媒ガスを吸い込んで圧縮し、第２の冷媒ガスよりも高温且つ高圧の第３の冷媒ガスを第２の圧縮室に吐出する高段圧縮部と、を有するスクリュー型二段圧縮機と、低段圧縮部から吐出された第２の冷媒ガスの圧力すなわち中間圧力を検出する第１の圧力検出器と、高段圧縮部から吐出された第３の冷媒ガスの圧力すなわち高圧圧力を検出する第２の圧力検出器と、を備え、スクリュー型二段圧縮機は、低段圧縮部の第１圧縮室の冷媒の容量を制御する第１の容量制御装置と、高段圧縮部の第２圧縮室の冷媒の容量を制御する第２の容量制御装置とを備え、第１の圧力検出器の出力と第２の圧力検出器の出力に基づき、高圧圧力と中間圧力の圧力比を演算し、算出された圧力比の大小に応じて低段圧縮部の運転負荷を変えるように低段圧縮部の第１の容量制御装置を制御する制御部を備え、圧力比は、高圧圧力を中間圧力で除算した値であり、制御部は、圧力比が予め設定した基準値よりも大きい場合に、第１の負荷で運転するように低段圧縮部の第１の容量制御装置を制御し、算出された圧力比が基準値以下である場合に、第１の負荷よりも小さい第２の負荷で運転するように低段圧縮部の容量制御装置を制御するものである。

この発明によれば、制御部は、第１の圧力検出器によって検出された高圧圧力の絶対圧力を第２の圧力検出器によって検出された中間圧力の絶対圧力により除算することで圧力比を算出し、予め十分な余裕を見込んで設定した圧力比よりも算出した実際の圧力比が高い場合は、低段圧縮部がほぼ１００％へオンロード（全負荷）運転することを許可し、予め設定した圧力比より実際の圧力比が低い場合は、低段圧縮部を部分負荷運転すなわち６０％運転するように容量制御装置の調節を行うので、高圧圧力が低く、低圧圧力が高いという条件において、高段圧縮部のオンロード運転を可能とし、負荷に見合った冷却能力を発揮できるようにするとともに、モーター冷却冷媒を流すことを可能とし、モーター過熱異常の発生を回避し、圧縮を行うことができる。さらに、高段圧縮部のスクリューローターとケーシングの焼付きを回避することができる。

この発明の実施の形態１に係るスクリュー冷凍機の全体構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係るスクリュー冷凍機の二段スクリュー圧縮機の側断面図である。 一般的なスクリュー圧縮機のスライド弁による容量制御機構を表す図である。 この発明の実施の形態１に係るスクリュー冷凍機の二段スクリュー圧縮機の低段容量制御装置図である。 図３において、アンロード動作を表す図である。 図３において、オンロード動作を表す図である。 中間圧力が高圧圧力より低いときの高段容量制御装置の状態を表す図である。 この発明の実施の形態１によって低段圧縮部２２の容量制御を行う圧力条件を示した図である。 この発明の実施の形態１に係るスクリュー冷凍機の制御系統の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１に係るスクリュー冷凍機の制御部の容量制御フローチャートである。 この発明の実施の形態１によって低段圧縮部２２の容量制御を行う圧力条件と特許文献１により、低段圧縮部２２の容量制御を行う圧力条件を示した図である。 従来の二段スクリュー冷凍機１の全体構成を示す図である。 特許文献１に示されている二段スクリュー圧縮機２の断面図である。 従来の二段スクリュー圧縮機２の始動時の容量制御を表した図である。 中間圧力が高圧圧力より高いときの高段容量制御装置の状態を表す図である。

実施の形態１．
（１．１）構成の詳細な説明
図１は、この発明の実施の形態１であるスクリュー冷凍機の全体構成図である。
図１において、スクリュー冷凍機１は、二段スクリュー圧縮機（以下、単にスクリュー圧縮機あるいは圧縮機と呼ぶこともある）２、油分離器１２、凝縮器１３、膨張弁１４ａ、１４ｂ、蒸発器１５、油冷却器２５、電磁弁６８およびこれらの構成要素を連結し、冷媒を循環させる冷媒配管を備えている。圧縮機２は、１つのモーター２１により駆動される低段圧縮部２２および高段圧縮部２３を有する二段形のもので、低段圧縮部２２の吐出口と高段圧縮部２３の吸込口は連通している。圧縮機２の吐出圧力である高圧圧力を検出する圧力検出器６１、圧縮機２の内部の高段吸込圧力すなわち低段吐出圧力である中間圧力を検出する圧力検出器６２、圧縮機２の吸い込み圧力（低圧圧力）を検出する低圧圧力検出器６３、圧力検出器６１、６２より得られた圧力信号より圧力比を算出し、圧縮機２の高段容量制御装置６７へ容量制御信号を出す制御部６４を備えている。なお、膨張弁１４ａは冷凍サイクルの主流を流れる冷媒（主液）を減圧するためのものであり、膨張弁１４ｂは油冷却器２５を冷却するために設けられたものであり、冷媒を減圧して低温の冷媒を油冷却器２５に流し込んでいる。また、電磁弁６８は、二段スクリュー圧縮機２が停止したとき、この電磁弁６８を同時に閉じることで蒸発器１５内の冷媒を全て凝縮器１３内に集めて待避させておくことができる。運転再開時には、この電磁弁６８を開くことで、凝縮器１３に溜まっていた冷媒を冷凍サイクル内に戻すことができる。

図２は、この発明の実施の形態１に係るスクリュー冷凍機の二段スクリュー圧縮機の側断面図である。上述したように、圧縮機２は、１つのモーター２１により駆動される低段圧縮部２２および高段圧縮部２３を有する二段形のもので、低段圧縮部２２の吐出口と高段圧縮部２３の吸込口は連通している。圧縮部は低段、高段それぞれ１つのスクリューローターと２つのゲートローターによって構成されるシングルスクリュータイプであるが、低段は２つのゲートローター、高段は１つのゲートローターによって構成されるシングルスクリュータイプであっても同様に本実施の形態１は成立する。また、図示していない低段、高段それぞれ１対のスクリューローターによって構成されるツインスクリュータイプであっても本実施の形態１は成立する。低段圧縮部２２、高段圧縮部２３はそれぞれ容量制御装置６６、６７を備えており、圧縮機２内の高圧圧力、中間圧力、低圧圧力の大小関係を利用して、駆動される。なお、低段スクリューローターと高段スクリューローターは同一の軸に連結されている。低段および高段スクリューローターの偏心を防止するために低段・高段それぞれ１対のゲートローター同士を軸の周方向に互いに１８０度対称の位置に配置している。また、高段ゲートローターが１つのタイプにあっては、高段ゲートローター８６を低段ゲートローター８７に対し、軸の周方向に９０度ずらして配置している。
低段容量制御装置６６は、スライドバルブ８４、ロッド９１、ピストン８５を備えており、高段容量制御装置６７は、スライドバルブ７１、ロッド７２、バネ７３、ピストン７４を備えている。
図２Ａは，一般的なスライドバルブによる容量制御機構を表した図であり、低段側圧縮部および高段側圧縮部ともに構成は同じであるため、便宜上高段側圧縮部で説明する。
図２Ａの右側の図は左側の図を拡大した図であり、スライドバルブ７１がアンロードの場合の様子を示している。オンロード（１００％）運転時、スライドバルブ７１が図の破線の位置まで移動し、バイパスを塞ぐため、スクリューローター５２と高段ゲートローター８６の噛み合いにより圧縮された冷媒ガスは最大の吐出圧を有するガスとなって冷媒回路へ吐き出される。一方、アンロード運転の場合、一部の冷媒がバイパスされるため、スクリューローター５２と高段ゲートローター８６の噛み合いにより圧縮された冷媒ガスは圧力がその分低くなった状態で冷媒回路へ吐き出される。

図３は低段圧縮部２２の低段容量制御装置６６を表した図である。図３に示すように、低段圧縮部２２の低段容量制御装置６６は、スライドバルブ８４と、ピストン８５と、ピストン８５とスライドバルブ８４とを連結するロッド９１および連結アーム９６から構成されている。ピストン８５は、ピストン室９３内に収容され、ピストン室９３内をスライド弁側室（図３における右室）９３１と反スライド弁側室（図３における左室）９３２に区画している。また、ロッド９１には、ピストン８５をアンロード側（図３中の左向き）に付勢力を作用するバネ９２が設けられている。スライド弁側室９３１には、常時低段圧縮部２２の吐出側から中間圧力ＭＰが与えられている。この図では、説明を簡単にするために、連結アーム９６の長手方向の中心を軸としてピストン８５と対称位置に有るもう一方のスライドバルブ８４についての記載を省略している。

次に動作について説明する。容量制御は、冷媒ガスがバイパスするためのポートを、スライドバルブ８４を移動させることによって開閉させて行う。スライドバルブ８４の両端には、それぞれ図３に示すように中間圧力ＭＰと低圧圧力ＬＰが作用しており、中間圧力が高圧圧力より高いとき、制御部６４は圧力比に基づいて中間圧力ＭＰが高圧圧力ＨＰより高いことを検出すると、容量制御装置６６に対して、アンロードさせるように容量制御信号を出力する。これにより、アンロードが実行される。この場合、図示しない電磁弁駆動装置の駆動により図４に示すように電磁弁９４を開き（ON）、ピストン室９３の反スライド弁側室（図３における左室）９３２に作用している高段圧縮開始後の中間圧力よりα2だけ高い中間圧力ＭＰ＋α2（これをＭＰ１とする。）ガスを低圧圧力部側へ逃がす。これにより、ピストン室９３の反スライド弁側室（図３における左室）９３２にはピストン８５を右向きに押す低圧圧力が作用する。一方、反スライド弁側室（図３における右室）９３２にはピストン８５を左向きに押す中間圧力ＭＰとともに連結アーム９６を介して、左向きに押す比較的弱いバネ力が作用している。また、スライドバルブ８４には右向きに押す中間圧力ＭＰと左向きに押す低圧圧力ＬＰが作用している。ピストン８５に作用する中間圧力ＭＰと低圧圧力ＬＰの左向きの差圧とスライドバルブ８４に作用する中間圧力ＭＰと低圧圧力ＬＰの右向きの差圧がほぼ等しくなるが、ピストン８５の受圧面積がスライドバルブ８４の受圧面積に比べてはるかに大きいこと、さらに、ピストン８５には左向きに押すバネ力が作用するのでスライドバルブ８４を図４に示すようにアンロード側（左向き）へ移動する。
これにより、低段圧縮部２２は容量制御され、冷媒ガスがバイパスされるため、吐出される冷媒の中間圧力は低下する。従って、中間圧力が高圧圧力よりも低くなることにより、高段圧縮部２３でのオンロード運転が可能となる。

一方、中間圧力が高圧圧力より低いとき、制御部６４は圧力比に基づいて中間圧力が高圧圧力より低いことを検出し、低段容量制御装置６６に対して、オンロードさせるように容量制御信号を出力する。これにより、図示しない電磁弁駆動装置が図５に示すように電磁弁９４・９５を閉（OFF）とし、ピストン室９３の反スライド弁側室９３２内を高段圧縮開始直後の中間圧力よりα2だけ高い中間圧力ＭＰ＋α2（ＭＰ1）とする。これにより、ピストン室９３の反スライド弁側室（図３における左室）９３２にはピストン８５を右向きに押す中間圧力ＭＰ1が作用する。一方、スライド弁側室（図３における右室）９３１にはピストン８５を左向きに押す中間圧力ＭＰと左向きに押す比較的弱いバネ力が作用している。また、スライドバルブ８４には右向きに押す中間圧力ＭＰと左向きに押す低圧圧力ＬＰが作用している。ピストン８５に作用する中間圧力ＭＰ1と中間圧力ＭＰの差圧α2と、スライドバルブ８４に作用する中間圧力ＭＰと低圧圧力ＬＰによる右向きの差圧がロッドに作用し右向きの力が加勢されるため、力のバランスより左向きの比較的弱いバネ力に打ち勝ち、スライドバルブ８４はオンロード方向へ移動する。
なお、この場合は、中間圧力が高圧圧力より低いので、高段圧縮部２３でもオンロード運転が可能である。
高段圧縮部２３でほぼ１００％の全負荷運転を行うために、高段圧縮部２３の高段容量制御装置６７によりオンロード動作させる必要がある。以下、これについて説明する。
高段側をオンロードさせる場合、制御部６４は、高段容量制御装置６７に対して、オンロードさせるように容量制御信号を出力する。これにより、図示しない電磁弁駆動装置が図６に示すように電磁弁７５を閉（OFF）とし、ピストン室７６の反スライド弁側室７６２内を高圧圧力ＨＰ＋α1とする。これにより、ピストン室７６の反スライド弁側室（図６における左室）７６２にはピストン７４を右向きに押す高圧圧力ＨＰ1が作用する。一方、スライド弁側室（図６における右室）７６１にはピストン７４を左向きに押す高圧圧力ＨＰと左向きに押す比較的弱いバネ力が作用している。また、スライドバルブ７１には右向きに押す高圧圧力ＨＰと左向きに押す中間圧力ＭＰが作用している。この場合、中間圧力ＭＰは低段側容量制御により高圧圧力ＨＰよりも低くなっている。ピストン７４に作用する高圧圧力ＨＰ1と高圧圧力ＨＰによる右向きの差圧α1とスライドバルブ７１に作用する高圧圧力ＨＰと中間圧力ＭＰによる右向きの差圧がロッド７２に作用し右向きの力が加勢されるため、力のバランスより左向きの比較的弱いバネ力に打ち勝ち、スライドバルブ７１はオンロード方向へ移動する。

なお、高段側をオンロード方向へ移動するためには、以下の条件が成立しなければならない。
高圧圧力をＨＰ、中間圧力をＭＰ、ピストン受圧面積をＡ、スライドバルブ受圧面積をａ、ロッド受圧面積をｂ、バネ定数をｋ、バネ変位をｘとして、

(ＨＰ+α1)×Ａ−ｋ×ｘ−ＨＰ×(Ａ−ｂ)＋ＨＰ×(ａ−ｂ)−ＭＰ×ａ＞０…(式１)
ｋ×ｘ＝Ｆ、とおいて、式１を整理すると
ＨＰ＞ ＭＰ＋(Ｆ−α1×Ａ)/ａ…(式２)

以上の内容をまとめると、以下の通りとなる。
スクリュー冷凍機１において、高圧圧力よりも中間圧力が高くなると図１４に示すように、制御部６４が高段容量制御装置６７をオンロードさせようとしても力のバランスより、スライドバルブ７１をオンロード方向へ移動させることができない場合が生じる。
高段圧縮部２３をオンロードできないと、負荷に見合った冷却能力を発揮できないという問題が生じる。また、モーター冷却冷媒を流すことができなくなりモーター２１が異常に過熱するといった問題を生じる。さらに、油インジェクションが注入できなくなり、高段圧縮部２３のスクリューローターとケーシング５１の焼付きが発生し、圧縮ができなくなるという問題があった。このような状態になることを防止するために、制御部６４は、常に高圧圧力と中間圧力を圧力検出器６１、６２により検出し、この圧力検出器６１、６２より得られた圧力信号より圧力比を算出し、圧力比が予め設定した値を下回ると、低段圧縮部２２をアンロードさせるよう圧縮機の低段容量制御装置６６へ容量制御信号を出力する。この容量制御信号に基づき、低段圧縮部２２が例えば６０％容量へアンロードすると、低段圧縮部２２の吐出圧力すなわち中間圧力が低下する。中間圧力が低下することによって、高圧圧力との圧力比が予め設定した値を上回り、高段圧縮部２３のスライドバルブ７１を駆動することができるようになる。

図７にこの制御により運転が可能となる運転領域の一例を示す。圧力比が１．５となる線を破線、高圧圧力と中間圧力が等しくなる線を実線で示す。図７において、領域１は、高圧圧力＞中間圧力×圧力比設定値となる領域であり、安定して高段圧縮部２３をオンロードさせることができる領域である。
領域２は、中間圧力＜高圧圧力≦中間圧力×圧力比設定値となる領域であり、この領域では高段圧縮部２３のオンロード動作が不安定となり、前記のような機能面、信頼性面での問題が発生する。このため、低段圧縮部２２をアンロードさせ、中間圧力を低下させる制御を行い、これらの問題の発生を防止する領域である。
領域３は、高圧圧力≦中間圧力となる領域であり、この領域では、高段圧縮部２３のオンロード動作が不可能となり、前記のような機能面、信頼性面での問題が発生する。このため、低段圧縮部２２をアンロードさせ、中間圧力を低下させる制御を行い、これらの問題の発生を防止する領域である。

図８はこの発明の実施の形態１に係るスクリュー冷凍機の制御系統の構成を示すブロック図である。図８において、制御部６４は、例えばマイコンやDSPなどから構成されており、入出力バス６５を介して、高圧圧力検出器６１、中間圧力検出器６２、低圧圧力検出器６３と接続されており、これらから検出信号を入力する。また、低段容量制御装置６６及び高段容量制御装置６７とも接続され、低段容量制御装置６６に対しては、電磁弁駆動装置９４ｃを介して電磁弁９４・９５の開閉を制御する。また、高段容量制御装置６７に対しては、電磁弁駆動装置７５ｃを介して電磁弁７５の開閉を制御する。
また、図９はスクリュー冷凍機１の制御部６４による容量制御の動作を示すフローチャートである。フローを簡素に説明するために、これらに付随する保護制御や電子膨張弁制御の制約については省略しているが、本制御へそのような冷凍機を保護する制御および機能を確保するための電子膨張弁などの冷凍機構成要素の制御を条件として付加することは、差し支えない。

次に制御部６４の動作を図８〜図９を用いて説明する。制御部６４は、常に高圧圧力と中間圧力を圧力検出器６１、６２の出力を取得し（ステップＳ１）、中間圧力に対する高圧圧力の比を圧力比として演算する（ステップＳ２）。この圧力比を予め十分に余裕を見込んで設定した値と比較し（ステップＳ３）、圧力比が設定値を下回るならば、中間圧力が高圧圧力よりも大きいため高段側をオンロードできず、モーター過熱の虞があって危険であるから低段圧縮部２２を例えば圧縮機容量６０％へアンロード（容量ダウン）させた（ステップＳ４）上でステップＳ１から同様の処理を繰り返す。この低段圧縮部２２のアンロードにより、低段圧縮部２２の吐出圧力すなわち中間圧力が低下する。そして、ステップＳ３の比較において、圧力比が上記設定値より大きくなれば、低段圧縮部２２がオンロード運転しても高段圧縮部２３は安全な状態でオンロード運転できるから制御部６４は、低段圧縮部２２のオンロードを許可し（ステップＳ５）、さらにステップＳ１から同様の処理を繰り返す。

この高圧圧力と圧力比による制御により低段圧縮部２２をアンロードさせる領域と従来の特許文献１に示されている高圧圧力と中間圧力の差圧に基づき制御を行う領域の比較を図１０に示す。一例として、圧力比１．５の線を破線、差圧０．１５ＭＰａの線を二点鎖線、０．３ＭＰａの線を一点鎖線、高圧圧力＝中間圧力の線を実線で示している。領域Ａは高圧圧力と中間圧力の差圧が０．１５ＭＰａ以下となる領域で従来の制御が作用する領域例である。この領域は、圧力比１．５となる領域よりも同じ高圧圧力に対し、中間圧力が高くならないと制御が発動しないため、運転の過程において、中間圧力が次第に上昇してくるときに、制御開始が遅くなり、信頼性の面において、不具合が生じ易くなる。領域Ｂは高圧圧力と中間圧力の差圧が０．３ＭＰａ以下となる領域で従来の制御が作用する領域例である。この場合、高圧圧力が高い場合は、同じ高圧圧力において、圧力比１．５で容量制御を行う場合よりも中間圧力が高くならないと制御が発動しないため、運転の過程において、中間圧力が次第に上昇してくるときに、制御開始が遅くなり、信頼性の面において、不具合が生じ易くなる。高圧圧力が低い場合は、同じ高圧圧力において、圧力比１．５で容量制御を行う場合よりも中間圧力が低くならないと制御が発動しないため、運転の過程において、中間圧力が次第に上昇してくるときに、制御開始が早くなり、機能面において低段圧縮側の周波数制御による容量制御が早く作動し、冷却能力の確保の点で劣る。

このように高圧圧力と中間圧力の圧力比で容量制御を行うことにより、特許文献２よりもより適切に機能面の維持、信頼性の確保が可能となる。
なお、上記の例では、圧力比に基づいて低段圧縮部の容量を制御するように構成したが、所定の圧力未満では従来の技術である高圧圧力と前記中間圧力との差圧に基づいて低段圧縮部の容量制御を行い、所定の圧力以上では前記圧力比に基づいて容量制御を行うようにしても良い。即ち、図１０において、中間圧力が０．６ＭＰａ(ａｂｓ)未満では、圧力比の破線（ＨＰ＝ＭＰ×１．５の線）よりも差圧の一点鎖線（ＨＰ＝ＭＰ＋０．３の線）の方が高圧圧力が高いため、差圧で判断した方が安全である。一方、中間圧力が０．６ＭＰａ(ａｂｓ)以上では、逆に差圧の一点鎖線よりも圧力比の破線の方が高圧圧力が高いので、圧力比で判断した方が安全である。従って、このような場合には、制御部は、中間圧力が０．６ＭＰａ(ａｂｓ)未満では、差圧により容量制御し、０．６ＭＰａ(ａｂｓ)以上では、圧力比で容量制御する。

１ スクリュー冷凍機、２ スクリュー圧縮機、１２ 油分離器、１３ 凝縮器、１４、１４ａ 膨張弁（主液）、１４ｂ 膨張弁（油冷却器）、１５ 蒸発器、２１ モーター、２２ 第一段圧縮部（低段圧縮部）、２３ 第二段圧縮部（高段圧縮部）、２４ 油、２５ 油冷却器、５１ ケーシング、５２ スクリューローター、６１ 高圧圧力検出器、６２ 中間圧力検出器、６３ 低圧圧力検出器、６４ 制御部、６５ 入出力バス、６６ 低段容量制御装置、６７ 高段容量制御装置、６８ 電磁弁、７１ スライドバルブ、７２ 高段容量制御用ロッド、７３ バネ、７４ ピストン、７５ 電磁弁、７５Ｃ 電磁弁駆動装置、７６ ピストン室、７６１ スライド弁側室、７６２ 反スライド弁側室、８４ スライドバルブ、８５ ピストン、８６ 高段ゲートローター、８７ 低段ゲートローター、８８ 主軸受、８９ 中間軸受、９０ 副軸受、９１ ロッド、９２ バネ、９３ ピストン室、９３１ スライド弁側室、９３２ 反スライド弁側室、９４ 電磁弁、９４Ｃ 電磁弁駆動装置、９５ 電磁弁、９６ 連結アーム、ＨＰ 高圧圧力、ＨＰ１ 高圧圧力(吐出直前)、α1 吐出直前高圧圧力と高圧圧力の差圧、ＭＰ 中間圧力、ＭＰ１ 中間圧力(高段圧縮開始後)、α2 高段圧縮開始後中間圧力と中間圧力の差圧、ＬＰ 低圧圧力。

Claims (5)

1. 第１の冷媒ガスを吸い込んで圧縮し、前記第１の冷媒ガスよりも高温且つ高圧の第２の冷媒ガスを第１の圧縮室に吐出する低段圧縮部と、この低段圧縮部から吐出された第２の冷媒ガスを吸い込んで圧縮し、前記第２の冷媒ガスよりも高温且つ高圧の第３の冷媒ガスを第２の圧縮室に吐出する高段圧縮部と、を有するスクリュー型二段圧縮機と、
   前記低段圧縮部から吐出された前記第２の冷媒ガスの圧力すなわち中間圧力を検出する第１の圧力検出器と、
   前記高段圧縮部から吐出された前記第３の冷媒ガスの圧力すなわち高圧圧力を検出する第２の圧力検出器と、を備え、
   前記スクリュー型二段圧縮機は、前記低段圧縮部の第１圧縮室の冷媒の容量を制御する第１の容量制御装置と、前記高段圧縮部の第２圧縮室の冷媒の容量を制御する第２の容量制御装置とを備え、
   前記第１の圧力検出器の出力と前記第２の圧力検出器の出力に基づき、前記高圧圧力と前記中間圧力の圧力比を演算し、算出された圧力比の大小に応じて前記低段圧縮部の運転負荷を変えるように前記低段圧縮部の第１の容量制御装置を制御する制御部を備え、
   前記圧力比は、前記高圧圧力を前記中間圧力で除算した値であり、
   前記制御部は、前記圧力比が予め設定した基準値よりも大きい場合に、第１の負荷で運転するように前記低段圧縮部の第１の容量制御装置を制御し、前記算出された圧力比が前記基準値以下である場合に、前記第１の負荷よりも小さい第２の負荷で運転するように前記低段圧縮部の容量制御装置を制御することを特徴とするスクリュー冷凍機。
2. 前記第１の負荷での運転は、ほぼ１００％の負荷で運転する全負荷運転であり、前記第２の負荷での運転は、前記１００％よりも小さい所定の負荷で運転する部分負荷運転であることを特徴とする請求項１に記載のスクリュー冷凍機。
3. 第１の冷媒ガスを吸い込んで圧縮し、前記第１の冷媒ガスよりも高温且つ高圧の第２の冷媒ガスを第１の圧縮室に吐出する低段圧縮部と、この低段圧縮部から吐出された第２の冷媒ガスを吸い込んで圧縮し、前記第２の冷媒ガスよりも高温且つ高圧の第３の冷媒ガスを第２の圧縮室に吐出する高段圧縮部と、を有するスクリュー型二段圧縮機と、
   前記低段圧縮部から吐出された前記第２の冷媒ガスの圧力すなわち中間圧力を検出する第１の圧力検出器と、
   前記高段圧縮部から吐出された前記第３の冷媒ガスの圧力すなわち高圧圧力を検出する第２の圧力検出器と、を備え、
   前記スクリュー型二段圧縮機は、前記低段圧縮部の第１圧縮室の冷媒の容量を制御する第１の容量制御装置と、前記高段圧縮部の第２圧縮室の冷媒の容量を制御する第２の容量制御装置とを備え、
   前記第１の圧力検出器の出力と前記第２の圧力検出器の出力に基づき、前記高圧圧力と前記中間圧力の圧力比を演算し、算出された圧力比の大小に応じて前記低段圧縮部の運転負荷を変えるように前記低段圧縮部の第１の容量制御装置を制御する制御部を備え、
   前記第１の容量制御装置は、所定の方向に移動することで前記低段圧縮部の第１の圧縮室の容量を調節するスライドバルブと、
   ピストン室と、
   前記スライドバルブとロッドを介して連結され、前記ピストン室を反スライド弁側室と、常時中間圧力が与えられるスライド弁側室に区画するピストンと、
   前記反スライド弁側室に付与する冷媒の圧力を高段圧縮開始後の中間圧力にするか低圧圧力にするかを制御する電磁弁と、
   前記スライド弁側室に配置され前記ピストンを反スライド弁側に押圧するバネと、を備え、
   前記制御部は、前記圧力比に基づき、前記電磁弁の開閉を制御して前記ピストンに前記中間圧力と前記低圧圧力の差圧または前記高段圧縮開始後の中間圧力と前記中間圧力の差圧を与えることで前記ピストンを所定の方向またはその逆方向に駆動して、前記スライドバルブを前記ピストンと同じ方向に移動させることを特徴とするスクリュー冷凍機。
4. 前記制御部は、前記圧力比に基づいて前記中間圧力が前記高圧圧力以下であることを検出したとき、前記電磁弁を閉じることで、前記反スライド弁側室の内圧を高段圧縮開始後の中間圧力にし、前記スライドバルブに作用する中間圧力と低圧圧力との差圧により前記ピストンをオンロード側に移動させ、前記圧力比に基づいて前記中間圧力が前記高圧圧力よりも高いことを検出したとき、前記電磁弁を開くことで、前記反スライド弁側室の内圧を低圧圧力にし、前記中間圧力と前記低圧圧力の差圧により前記ピストンをアンロード側に移動させることを特徴とする請求項３に記載のスクリュー冷凍機。
5. 第１の冷媒ガスを吸い込んで圧縮し、前記第１の冷媒ガスよりも高温且つ高圧の第２の冷媒ガスを第１の圧縮室に吐出する低段圧縮部と、この低段圧縮部から吐出された第２の冷媒ガスを吸い込んで圧縮し、前記第２の冷媒ガスよりも高温且つ高圧の第３の冷媒ガスを第２の圧縮室に吐出する高段圧縮部と、を有するスクリュー型二段圧縮機と、
   前記低段圧縮部から吐出された前記第２の冷媒ガスの圧力すなわち中間圧力を検出する第１の圧力検出器と、
   前記高段圧縮部から吐出された前記第３の冷媒ガスの圧力すなわち高圧圧力を検出する第２の圧力検出器と、を備え、
   前記スクリュー型二段圧縮機は、前記低段圧縮部の第１圧縮室の冷媒の容量を制御する第１の容量制御装置と、前記高段圧縮部の第２圧縮室の冷媒の容量を制御する第２の容量制御装置とを備え、
   前記第１の圧力検出器の出力と前記第２の圧力検出器の出力に基づき、前記高圧圧力と前記中間圧力の圧力比を演算し、算出された圧力比の大小に応じて前記低段圧縮部の運転負荷を変えるように前記低段圧縮部の第１の容量制御装置を制御する制御部を備え、
   前記制御部は、前記中間圧力が所定の圧力を下回るとき、前記高圧圧力と前記中間圧力との差圧に基づいて容量制御を行い、前記所定の圧力以上のときには前記圧力比の大小による容量制御を行うことを特徴とするスクリュー冷凍機。