JP5818522B2 - スクリュー圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、スクリュー圧縮機に関し、特に、運転圧力比に応じて吐出開始のタイミングを調整する可変内部容積比Ｖｉ弁を備えたスクリュー圧縮機に関するものである。

従来のスクリュー圧縮機において、吐出開始のタイミングを調整して内部容積比Ｖｉを可変にする可変Ｖｉ弁を備え、運転圧力比に応じて駆動機構からの駆動力により可変Ｖｉ弁の開度を調整するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

従来の可変Ｖｉ弁は、図７、図８に示されるように、吐出圧力ＨＰと吸入圧力ＬＰとから最適Ｖｉ値を演算し、位置検出手段から現Ｖｉ値を求め、現Ｖｉ値と最適Ｖｉ値との差が小さくなるように可変Ｖｉ弁に連結した駆動機構により制御される。さらに、実運転時の最適Ｖｉ値に近づけるために、モーター駆動電力が最小となるように可変Ｖｉ弁の開度調整を行っている。

ここで、スクリュー圧縮機における内部容積比Ｖｉというのは、例えば特許文献２に示されているように、吸込み時の歯溝空間容積と吐出寸前の歯溝空間容積との比であり、吸込みが完了したときの容積と吐出ポートが開くときの容積との比を表している。そして、Ｖｉ弁が固定タイプのスクリュー圧縮機の場合、例えば中圧縮比のスクリュー圧縮機で低圧縮比の運転を行うと、吐出ポートが開く前にガスは吐出圧力以上に過圧縮され、余分な圧縮仕事を行うことになる。また逆に高圧縮比で運転を行うと、吐出圧力に到達する前に吐出ポートが開くため、ガスの逆流が生じる不足圧縮の状態となる。これらはいずれも動力のロスを生じ、効率の低下を招く。

特許第４１４７８９１号公報（図１、図２） 特開昭６２−８７６８７号公報（第２頁）

そこで、従来より可変Ｖｉ式のスクリュー圧縮機が提案されているが、かかる可変Ｖｉ式スクリュー圧縮機では、可変Ｖｉ弁の開度調整に吐出圧力、吸入圧力から演算された最適Ｖｉ値を用いるため、実際の最適Ｖｉ値とのずれが生じる問題があった。
また、このずれを小さくする従来の方法として、モーター駆動電力の変化推移を位置制御にフィードバックさせる制御が開示されているが、制御方法が複雑で制御装置が高価になる問題があった。

本発明は、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、可変Ｖｉ弁の内面吐出側端部より歯溝内圧を取り出し、制御に利用することで、運転圧力比の変更や、歯溝内圧が漏れなどによって変化した場合にも実際の吐出開始前後の歯溝内圧を検出し、吐出圧力との内部容積比が最適となるように可変Ｖｉ弁を移動させ、精度良く可変Ｖｉ弁を制御することで、簡素な機構で高効率なスクリュー圧縮機を提供することを目的とする。
また、前記可変Ｖｉ弁の内面吐出側端部から取り出された歯溝内圧を可変Ｖｉ弁に連結されたピストンを収納するシリンダー室へ導き、吐出開始前後の歯溝内圧力と吐出圧力との差により、最適な位置へ自動的に可変Ｖｉ弁を移動させることで、複雑な制御装置を必要とせず、簡素で安価な機構で高効率なスクリュー圧縮機を提供することを目的とする。

本発明に係るスクリュー圧縮機は、内部容積比Ｖｉを可変にするための可変Ｖｉ弁を含む内部容積比可変機構を備えたスクリュー圧縮機において、前記可変Ｖｉ弁は、吐出開始前後の歯溝内圧を取り出すための穴を有し、ロッドを介して前記内部容積比可変機構に連結され、前記内部容積比可変機構は、シリンダーと、前記シリンダー内の空間を隔てるピストン隔壁と、前記ピストン隔壁の両側に設けられた２つのピストンと、を有し、前記可変Ｖｉ弁に連結されたロッドは、前記ピストン隔壁と前記２つのピストンと前記シリンダーを貫通して設けられ、前記シリンダーの内部は、前記ピストン隔壁と前記２つのピストンにより４つの空間室に区画され、前記４つの空間室は、２つの吐出圧力室、前記穴と連結された歯溝内圧室、吸入圧力室から構成され、前記２つのピストンは、前記吐出圧力室、前記歯溝内圧室、前記吐出圧力室、吸入圧力室に導入された各圧力で前記内部容積比可変機構を駆動することにより前記可変Ｖｉ弁の位置制御を行うことを特徴とする。

本発明によれば、特別な制御装置や、制御フローを必要とせず、吐出開始前後の歯溝内圧を検出することで可変Ｖｉ弁を制御、駆動させることができ、簡素な構成かつ安価にスクリュー圧縮機の性能を向上させることができる。

本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機の概略構成図である。 可変Ｖｉ弁の正面図である。 本発明の実施の形態１に係る内部容積比可変機構の概要図である。 不足圧縮状態でのｐ−ｖ線図およびピストン荷重を示す図である。 過圧縮状態でのｐ−ｖ線図およびピストン荷重を示す図である。 本発明の実施の形態２に係るスクリュー圧縮機の概略構成図である。 従来技術の可変Ｖｉ式スクリュー圧縮機の概略構成図である。 従来技術の可変Ｖｉ式スクリュー圧縮機の制御系を示す図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機の概略構成図である。
この実施の形態１に係るスクリュー圧縮機は、シングルスクリュー圧縮機であり、図１に概略の構成を示すように、筒状のケーシング本体１と、このケーシング本体１内に収容されたスクリューローター３と、このスクリューローター３を回転駆動するモーター２とを備えている。このモーター２は、ケーシング本体１に内接して固定されたステーター２ａと、ステーター２ａの内側に配置されたモーターローター２ｂとから構成され、インバーター方式で回転数が制御されるようになっている。スクリューローター３とモーターローター２ｂとは互いに同一軸線上に配置されており、いずれもスクリュー軸４に固定されている。また、スクリューローター３は、複数の螺旋状の溝（スクリュー溝）が形成されており、スクリュー軸４に固定されたモーターローター２ｂに連結されて回転駆動される。また、スクリューローター３の円筒面に形成された隣接する溝の空間は、ケーシング本体１の内筒面およびこの溝に噛み合い係合する一対のゲートローター（図示せず）によって囲まれて圧縮室５を形成する。また、ケーシング本体１は隔壁（図示せず）により吐出圧力側と吸入圧力側とが隔てられ、吐出圧力側には吐出室６に開口する一対の吐出口７が形成されている。さらに、ケーシング本体１には一対のロッド９および駆動装置１０に連結され軸方向に移動可能な一対の可変Ｖｉ弁８が設けられており、吐出口７の一部を形成している。なお、もう一方の可変Ｖｉ弁８に連結する駆動装置１０については図示を省略している。

図２は、可変Ｖｉ弁８を内面側から見た正面図である。
図２に示すように、可変Ｖｉ弁８は、弁本体８ａと、ガイド部８ｂと、連結部８ｃとから構成されており、ガイド部８ｂの内面吐出側端部８eには連結部８ｃが設けられ、駆動装置１０側端面８ｆには上記ロッド９が連結されている。また、弁本体８ａとガイド部８ｂとの間は連結部８ｃによって連結されるとともに、上記吐出口７に連通する空隙を形成している。そして、弁本体８ａの内面吐出側端部８ｄの近傍に歯溝内圧取り出し穴１４が設けられている。この歯溝内圧取り出し穴１４を通じて吐出開始前後の圧縮ガスの歯溝内圧が検出可能となっている。

図３は駆動装置１０を含む内部容積比可変機構の概要図である。
駆動装置１０は、内部容積比可変機構の一部であり、シリンダー１１内に設けられたピストン１２、１３と、可変Ｖｉ弁８とをロッド９にて連結する構成となっている。

駆動装置１０は図３に示すようにシリンダー１１内の空間を隔てるピストン隔壁１５を設け、このピストン隔壁１５の両側に第１ピストン１２と第２ピストン１３を設けたものである。可変Ｖｉ弁８に連結するロッド９は、これら第１ピストン１２、ピストン隔壁１５、及び第２ピストン１３を貫通している。第１ピストン１２、第２ピストン１３のシリンダー嵌合部およびピストン隔壁等にはシール部材１８が装着されている。
また、ピストン隔壁１５に対して前側（可変Ｖｉ弁方向）にある第１ピストン１２の両側には２つの第１シリンダー室１６ａ、１６ｂが形成され、ピストン隔壁１５に対して後ろ側（反可変Ｖｉ弁方向）にある第２ピストン１３の両側にも同様に２つの第２シリンダー室１７ａ、１７ｂが形成される。つまり、シリンダー１１の内部は、ピストン隔壁１５と２つのピストン１２、１３とによって、前方から順に４つのシリンダー室１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂに分けられている。
また、各シリンダー室１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂには、それぞれ吐出室６、歯溝内圧取り出し穴１４、吐出室６、ケーシング本体１内の吸入圧力室と連結する圧力導入孔１１６ａ、１１６ｂ、１１７ａ、１１７ｂを設けている。

次に、歯溝内圧取り出し穴１４と圧力導入孔１１６ｂとの連通経路を図１を用いて説明する。
ケーシング本体１には歯溝内圧取り出し穴１４に連通する連通路１９が設けられ、この連通路１９と歯溝内圧取り出し穴１４とは可変Ｖｉ弁８の表面（外周面）において軸方向に延びる溝状の凹部２０を介して連通している。すなわち、凹部２０は、可変Ｖｉ弁８が所定の距離を移動しても常に連通路１９が凹部２０内にあるような範囲に設けており、連通路１９と歯溝内圧取り出し穴１４とが確実に連結するように構成されている。
連通路１９はケーシング本体１の壁内部をシリンダー１１の方向に延ばして設けてあり、上記の第１シリンダー室１６ｂに接続されている。

次に可変Ｖｉ弁８の動作について説明する。
（ｉ）不足圧縮状態からの動作
図４に不足圧縮状態からの動作説明図を示す。図４において（ａ）は圧力バランス前の圧縮室内の圧力変化、（ｂ）は圧力バランス後の圧縮室内の圧力変化、（ｃ）は（ａ）の状態における可変Ｖｉ機構内の圧力分布図である。

スクリュー圧縮機では冷媒ガスが圧縮され、圧力が上昇した後、吐出口７が開いて吐出されることになるが、図４（ａ）に示すように高圧縮比運転時の場合には、吐出が開始する時点においても歯溝内圧が吐出圧力に到達しておらず、不足圧縮状態となっている。このように、不足圧縮状態では吐出が開始される時点においても歯溝内圧が吐出圧力に到達していないため、冷媒ガスの逆流が発生し、それにより動力ロスが発生する。
次に、各ピストンと可変Ｖｉ弁に作用する圧力と動作を図４（ｃ）を用いて説明する。
弁本体８ａの吸入側端部には吸入圧力が作用し、端部８ｄには吐出直後の圧力が作用している。またガイド８ｂの端部８ｅには端部８ｄに作用するのと同じ圧力が作用し、端部８ｆには吐出室６の圧力が作用している。すなわち、可変Ｖｉ弁内部の端面８ｄと８ｅに作用する荷重は相殺されるので、可変Ｖｉ弁には両端に作用する吸入圧力と吐出圧力の差圧による荷重が作用することになる。
第２シリンダー室１７において、第２ピストン１３のロッド９を連結した端面側には吐出室６の圧力を導入、反対側には吸入圧力が導入される。第２ピストン１３に作用する圧力方向が可変Ｖｉ弁とは逆方向に作用し、さらに作用面積についてもロッド９の有無を一致しているので、可変Ｖｉ弁に作用する荷重が第２ピストンに作用する荷重で相殺される。

一方、第１シリンダー室１６においては、第１ピストン１２の可変Ｖｉ側に吐出室６の圧力を導入し、反対側には歯溝取り出し内圧が導入される。不足圧縮状態では、吐出圧力と吐出開始前後の歯溝内圧力との圧力差によって可変Ｖｉ弁８が、駆動装置１０側（破線矢印の方向）に移動する。すなわち、吐出開始のタイミングを遅らせる方向（Ｖｉ値を大きくする方向）へと可変Ｖｉ弁８が移動し、歯溝内圧と吐出開始圧力がほぼ一致する状態（最適Ｖｉ値）に達する。圧縮室内の圧力変化は、動力ロスの大きい図４（ａ）から動力ロスの小さい図４（ｂ）のように変化し、可変Ｖｉ弁を駆動する第１シリンダー室１６との差圧も小さくなるため、動力ロスの小さい状態で運転が継続される。
なお、可変Ｖｉ弁８の内面吐出側端部の歯溝内圧取り出し穴１４より取り出される歯溝内圧は図４の白抜き矢印のように検出範囲があり、歯溝内圧取り出し穴１４の穴径や位置によって調整可能である。
これらのことから、不足圧縮による動力ロスが小さくなる運転が可能となり、スクリュー圧縮機の効率を向上させることができる。

（ｉｉ）過圧縮状態からの動作
図５に過圧縮状態からの動作説明図を示す。図５において（ａ）は可変Ｖｉ機構圧力バランス前の圧縮室内の圧力変化、（ｂ）は可変Ｖｉ機構圧力バランス後の圧縮室内の圧力変化、（ｃ）は（ａ）における可変Ｖｉ機構に作用する圧力と可変Ｖｉ機構の駆動方向である。
図５（ａ）に示すように低圧縮比運転時の場合には、逆に冷媒ガスの吐出が開始する前に歯溝内圧力が既に吐出圧力を超えており、過圧縮状態となっている。このように、過圧縮状態では吐出が開始される前に既に歯溝内圧力が吐出圧力を超えているため、余分な圧縮仕事がなされており、それにより動力ロスが発生する。また、可変Ｖｉ弁８の内面吐出側端部の歯溝内圧取り出し穴１４より取り出された歯溝内圧は図５（ａ）に示すような圧力検出範囲となっている。このような状態から吐出圧力と吐出開始前後の歯溝内圧の関係は吐出圧力が吐出開始前後歯溝内圧より低くなることにより、第１シリンダー室は可変Ｖｉ弁（図５（ｃ）中右）方向へ荷重が作用することとなり、ピストンおよび可変Ｖｉ弁は可変Ｖｉ弁（図５（ｃ）中右）方向すなわち内部容積比が小さくなる方向へ移動することとなる。そして、可変Ｖｉ弁８が可変Ｖｉ弁（図５（ｃ）中右）方向すなわち内部容積比が小さくなる方向へ移動することにより、吐出口が開くタイミングが早くなるため、吐出開始前後の歯溝取り出し圧力は低下する。このとき、不足圧縮状態の場合同様、第２シリンダー内に設けられているピストン１３の荷重と可変Ｖｉ弁８に作用される荷重はどちらも吐出圧力と吸入圧力の差圧となるため、相殺されている。これらのことから可変Ｖｉ弁８は図５（ｂ）に示すような歯溝取り出し圧力と吐出圧力の差圧が小さい位置すなわち最適Ｖｉ値となる位置まで移動する。そのため、過圧縮による動力ロスが小さくなる運転が可能となり、スクリュー圧縮機の効率を向上させることができる。

以上のように本実施の形態１によれば、可変Ｖｉ弁に作用する荷重を圧力バランスにより相殺させる（機能をもつ）第２シリンダー室および第２ピストンを設けるとともに、可変Ｖｉ弁に設けた歯溝内圧取り出し穴からの歯溝内圧と吐出圧力との差圧を利用して可変Ｖｉ弁８を最適な位置へ自動的に移動・調整する機能をもつ第１シリンダー室および第１ピストンからなる駆動機構を設けたので、特別な装置を必要とせず、簡素で安価な機構で高効率なスクリュー圧縮機を得ることができる。

実施の形態２．
図６は本発明の実施の形態２に係るスクリュー圧縮機の概略構成図である。
上記の実施の形態１では可変Ｖｉ弁８の軸方向移動を各圧力の差圧およびバランスにより自動的に制御する駆動装置１０をそれぞれの弁に対して一つ設ける構成を示したが、この実施の形態２では可変Ｖｉ弁８の内面吐出側端部近傍に設けた歯溝内圧取り出し穴１４より検出された歯溝内圧を参照し、内部容積比可変機構を構成する駆動装置２１により可変Ｖｉ弁８の軸方向へ駆動するとともに、この駆動装置２１および可変Ｖｉ弁８の位置を制御する内部容積比制御装置２２を設ける構成とする。

実施の形態２において可変Ｖｉ弁８は、ロッド９により駆動装置２１に連結されて軸方向に移動する。この駆動装置２１は、内部容積比可変機構の一例を示すものであり、例えばシリンダー２３内に設けられたピストン２４と、可変Ｖｉ弁８に連結されたロッド９とを連結板２５で連結する構成となっている。したがって、ピストン２４の軸方向への移動に応じて、可変Ｖｉ弁８が移動し、可変Ｖｉ弁８によって形成されている吐出口７が移動することで内部容積比Ｖｉを連続的に変化させることができる。

また、歯溝内圧取り出し穴１４から取り出された歯溝内圧は、図６に示すように、内部容積比制御装置２２に導かれる。つまり、内部容積比制御装置２２が歯溝内圧取り出し穴１４を通じて吐出開始前後の歯溝内圧を検出する。そして、この内部容積比制御装置２２は、検出された歯溝内圧が運転条件（運転圧縮比）に対応する最適な値となるように流体の供給量を制御し、上記駆動装置２１のピストン２４前後のシリンダー室２６ａ、２６ｂに供給し、可変Ｖｉ弁８を軸方向に最適な位置へ移動制御するのである。

以上のように本実施の形態２によれば、可変Ｖｉ弁８の内面吐出側端部近傍に設けた歯溝内圧取り出し穴１４より取り出された歯溝内圧を参照し、内部容積比制御装置２２にて駆動装置２１のシリンダー室２６へ供給する流体の供給量を制御することなどにより、可変Ｖｉ弁８の軸方向移動、すなわち内部容積比を制御し、簡易な構造で動力ロスを低減してスクリュー圧縮機の性能を向上させることができる。

実施の形態３．
以上に説明した実施の形態１、２において、可変Ｖｉ弁８の内面吐出端部近傍の穴より取り出された圧力は圧縮ガスの歯溝内圧であるため、図４、図５に示されるように検出範囲内で圧力変化があること、また、歯溝間を跨ぐ際にも圧力変化が発生するため、圧力脈動が発生し、この圧力脈動が可変Ｖｉ弁８の駆動へ微小な振動などの影響を与える場合がある。したがって、この圧力脈動がピストン１２、１３などの内部容積比駆動機構へ伝播することを低減する必要があり、そのためには、可変Ｖｉ弁８の歯溝内圧取り出し穴１４より取り出された圧力の経路内に絞り機構（図示せず）を設ける構成とする。これにより、可変Ｖｉ弁８の歯溝内圧取り出し穴１４より取り出された圧力の検出時に発生する圧力脈動を低減でき、精度良く内部容積比を制御することが可能となり、より安定したスクリュー圧縮機の性能向上が可能なる。

また、可変Ｖｉ弁８に連結されたピストン１２、１３、２４は、図６に示すように可変Ｖｉ弁２個に対してピストン１個であってもよく、図１に示すように可変Ｖｉ弁１個に対してピストン１個であってもよく、可変Ｖｉ弁８に対するピストンの個数は限定しないものとする。

さらに、ピストン１２、１３、２４およびピストン隔壁１５の外周、内周にシール部材１８を設けることで、シリンダー室間のガス漏れを防止し、各シリンダー室内の圧力を正確に保持することができ、精度良く可変Ｖｉ弁８を駆動させることができる。

また、さらに内部容積比Ｖｉの調整は可変Ｖｉ弁８が吸入側へのガスバイパス操作を併用するものであってもよい。

また、内部容積比可変機構は油圧シリンダーであってもよく、位置制御機能を持つモーターであってもよい。

また、実施の形態１では、歯溝内圧取り出し穴１４を一対設けたが、２個の可変Ｖｉ弁８のどちらか一方に設けてもよく、加工コストを低減できる効果がある。

また、さらに所望の運転圧力比を得るための容量制御をモーター２のインバーター駆動による回転数制御することで実現することができる。

１ ケーシング本体、２ モーター、２ａ ステーター、２ｂ モーターローター、３ スクリューローター、４ スクリュー軸、５ 圧縮室、６ 吐出室、７ 吐出口、８ 可変Ｖｉ弁、８ａ 弁本体、８ｂ ガイド部、８ｃ 連結部、８ｄ 内面吐出側端部、９ ロッド、１０ 駆動装置、１１ シリンダー、１２ 第１ピストン、１３ 第２ピストン、１４ 歯溝内圧取り出し穴、 １５ ピストン隔壁、１６、１６ａ、１６ｂ 第１シリンダー室、１７、１７ａ、１７ｂ 第２シリンダー室、１８ シール部材、１９ 連通路、２０ 凹部、２１ 駆動装置、２２ 内部容積比制御装置、２３ シリンダー、２４ ピストン、２５ 連結板、２６、２６ａ、２６ｂ シリンダー室、１１６ａ、１１６ｂ、１１７ａ、１１７ｂ 圧力導入孔。

Claims (5)

1. 内部容積比Ｖｉを可変にするための可変Ｖｉ弁を含む内部容積比可変機構を備えたスクリュー圧縮機において、
   前記可変Ｖｉ弁は、吐出開始前後の歯溝内圧を取り出すための穴を有し、ロッドを介して前記内部容積比可変機構に連結され、
   前記内部容積比可変機構は、
   シリンダーと、前記シリンダー内の空間を隔てるピストン隔壁と、前記ピストン隔壁の両側に設けられた２つのピストンと、を有し、
   前記可変Ｖｉ弁に連結されたロッドは、
   前記ピストン隔壁と前記２つのピストンと前記シリンダーを貫通して設けられ、
   前記シリンダーの内部は、
   前記ピストン隔壁と前記２つのピストンにより４つの空間室に区画され、
   前記４つの空間室は、
   ２つの吐出圧力室、前記穴と連結された歯溝内圧室、吸入圧力室から構成され、
   前記２つのピストンは、
   前記吐出圧力室、前記歯溝内圧室、前記吐出圧力室、吸入圧力室に導入された各圧力で前記内部容積比可変機構を駆動することにより前記可変Ｖｉ弁の位置制御を行うことを特徴とするスクリュー圧縮機。
2. 内部容積比Ｖｉを可変にするための可変Ｖｉ弁を含む内部容積比可変機構を備えたスクリュー圧縮機において、
   前記可変Ｖｉ弁は、吐出開始前後の歯溝内圧を取り出すための穴を有し、ロッドを介して前記内部容積比可変機構に連結され、
   前記内部容積比可変機構は、
   シリンダーと、前記シリンダー内の空間を隔てるピストン隔壁と、前記ピストン隔壁の両側に設けられた２つのピストンと、を有し、
   前記可変Ｖｉ弁に連結されたロッドは、
   前記ピストン隔壁と前記２つのピストンと前記シリンダーを貫通して設けられ、
   前記シリンダーの内部は、
   前記ピストン隔壁と前記２つのピストンにより４つの空間室に区画され、
   前記４つの空間室は、
   前記可変Ｖｉ弁に近い順に、吐出圧力室、前記穴と連結された歯溝内圧室、吐出圧力室、吸入圧力室として配置されており、
   前記２つのピストンは、
   前記吐出圧力室、前記歯溝内圧室、前記吐出圧力室、吸入圧力室に導入された各圧力で前記内部容積比可変機構を駆動することにより前記可変Ｖｉ弁の位置制御を行うことを特徴とするスクリュー圧縮機。
3. 前記歯溝内圧を取り出すための穴は、
   前記可変Ｖｉ弁の内面吐出側端部の近傍に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のスクリュー圧縮機。
4. 前記穴から取り出された歯溝内圧が前記内部容積比可変機構に連通する径路に、絞り機構を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載のスクリュー圧縮機。
5. 前記歯溝内圧を取り出すための穴に連通する連通路をケーシング本体に設け、前記穴と前記連通路とは前記可変Ｖｉ弁の外周面に設けた軸方向に長い凹部を介して連通していることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のスクリュー圧縮機。

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