JP5836867B2 - スクリュー圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍・空調用途等の冷凍サイクル内で用いられるスクリュー圧縮機に関するものである。

この種のスクリュー圧縮機として、一端が流体の吸入側となり他端が吐出側となるスクリューロータの回転軸方向へスライド移動する柱状のスライドバルブを有するものがある（例えば、特許文献１参照）。スライドバルブは、圧縮室で圧縮された高圧ガスの吐出開始（圧縮完了）位置を変更するものであり、吐出面積を変化させて吸入容積に対する吐出容積の比率を変更するものである。

特許文献１では、運転負荷に応じた運転圧力比（吐出圧力／吸入圧力）に対して、高い圧縮機効率が得られる容積比になるようにスライドバルブのスライド停止位置を制御しており、運転状態が全負荷運転なのか部分負荷運転なのかに応じてスライドバルブの位置を変化させている。具体的には、スライドバルブは、部分負荷運転時は吸入側に位置して吐出ポートの開度を大きくし、全負荷運転時は吐出側に位置して吐出ポートの開度を小さくするように位置が変化する。

特許文献１のスクリュー圧縮機の吐出ポートは、スクリューロータを収容するケーシングに設けた開口部の内壁面とスライドバルブの吐出側端面とで形成されており、可変ポートと固定ポートとを有している。可変ポートは、スライドバルブの移動によりスライドバルブによる閉塞部分が開放されるか又は逆方向の移動によって開放部分が閉塞されることにより面積変化するポートである。固定ポートは、可変ポートと、ケーシングにおいてゲートロータ歯が挿入される開口部（以下、ゲートロータ用開口部と称する）との間に設けられ、スライドバルブの位置によらず常に開放された状態のポートである。

特許文献１に記載の従来のスクリュー圧縮機では、固定ポート及び可変ポートに加えて更に、部分負荷運転時の吐出面積拡大を目的として平行四辺形形状の複数の副ポートが、可変ポートとゲートロータ用開口部との間において固定ポートの吸入側に並設されている。

ここで、固定ポートは、全負荷運転時のスライドバルブの位置に合わせて吐出面積が確保できるように形成される。また、副ポートはスライドバルブが吸入側にスライドする部分負荷運転で圧縮室及び可変ポートに連通し、スライドバルブが吐出側へスライドする全負荷運転ではスライドバルブによって閉塞されるように、固定ポートとは切り離して形成されている。特許文献１では、以上のように固定ポートと副ポートを設けることにより、圧力の異なる圧縮室同士が連通することを防止すると共に、部分負荷の運転状態において十分な大きさの吐出面積を確保することを可能としている。

特開２０１１−１３２８３４号公報（要約、図６）

ところで、吐出ポートを構成する開口部のうちゲートロータ用開口部側の内壁面とゲートロータ用開口部の吐出ポート側の内壁面との間の領域部分は、ゲートロータ歯の回転軸方向において低圧側と高圧側とを区画するシール部として機能する。特許文献１のスクリュー圧縮機は、このシール部に複数の副ポートが並設されているため、高圧側から低圧側へ冷媒ガスが漏れやすくなる。

つまり、副ポートや固定ポートの面積を拡大すると、吐出抵抗が低減するため吐出損失を低減させることができる一方、漏れ損失が多くなる。このように固定ポートや副ポートの拡大に関しては、圧縮機内部で発生する二大損失である漏れ損失と吐出損失がトレードオフの関係となり、特許文献１に記載の従来のスクリュー圧縮機は吐出損失の低減を重視したものとなっている。

スクリュー圧縮機が搭載される冷凍機の省エネルギーの指標として、従来は定格条件（全負荷条件：１００％負荷）での成績係数（能力／消費電力）を用いることが主流であった。しかし、最近では実運転条件に近い指標、例えば米国で定められている期間成績係数ＩＰＬＶ（Integrated Part Load Value)が注目されてきている。

一般的な冷凍機では、年間を通じて定格条件で運転される時間は非常に短く、年間を通した運転時間のうち９割以上が部分負荷で運転され、部分負荷のうち特に７５〜５０％負荷がその大半を占める。全負荷運転と部分負荷運転では、冷媒循環流量や運転圧縮比が異なり、成績係数も変化する。このような実運転の状況を考慮し、期間成績係数が注目されてきたのである。つまり、期間成績係数は部分負荷条件での成績係数を重視した指標となっている。

冷媒循環流量が少なくなるにつれ、圧縮機内部で発生する二大損失のうち吐出損失の占める割合は小さくなり、漏れ損失の占める割合は大きくなる。部分負荷運転では冷媒循環流量が全負荷運転時に比べて少なくなるため、漏れ損失の占める割合が大きくなる。それにもかかわらず、特許文献１の構成では、吐出損失の低減を重視した構成としているため、年間の運転時間の大半を占める部分負荷運転時の漏れ損失が多くなり、効率が低下する問題があった。

また、従来より、副ポートを設けず固定ポートのみを設けたスクリュー圧縮機がある。この種のスクリュー圧縮機において漏れ損失の低減を図るべく、むやみに固定ポートを無くしてしまうと、吐出行程終盤で吐出面積（スクリューロータの外周に設けたスクリュー溝（圧縮室）と吐出ポートとの対向領域）が無くなってしまう。このため、吐出行程終盤から吐出完了までの間、スクリューロータとスクリューロータを収容するケーシングとの間等の隙間からのみしか冷媒が排出されなくなり、圧縮室内の圧力が過度に上昇してしまう問題がある。

本発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、部分負荷運転時の吐出損失の増大を抑制しつつ、漏れ損失を低減でき、ひいては年間を通じて高効率な運転を可能とするスクリュー圧縮機を得ることを目的とする。

本発明に係るスクリュー圧縮機は、複数条のスクリュー溝が外周面に形成され、一端が流体の吸入側となり他端が吐出側となるスクリューロータと、スクリュー溝に噛み合わされる複数の歯が外周部に形成されたゲートロータと、スクリューロータが収容される収容部及び吐出ポートを有するケーシングと、収容部の内壁面に形成され、スクリューロータの回転軸方向に延びるスライド溝と、スライド溝内に回転軸方向にスライド移動自在に収容され、部分負荷運転時には吸入側にスライドして吐出開始タイミングを早めると共に、全負荷運転時には吐出側にスライドして吐出開始タイミングを遅くするスライドバルブと、ケーシングに設けられ、収容部に開口するゲートロータ用開口部とを有し、ゲートロータの複数の歯がゲートロータ用開口部を介して収容部に挿入されてスクリュー溝と噛み合わされ、スクリューロータが回転することにより、収容部の内壁面、スクリュー溝及びゲートロータで囲まれた空間である圧縮室に流体を吸入して圧縮し、圧縮した流体を吐出ポートから吐出するスクリュー圧縮機であって、吐出ポートは、スライドバルブの移動によって開口面積と吐出開始のタイミング（具体的には吐出ポートと圧縮室とが連通し始めるタイミング）とを変更できる可変ポートと、可変ポートとゲートロータとの間に設けられ、スライドバルブが移動しても開口面積が変化しない固定ポートとを有し、固定ポートのゲートロータ側壁面とゲートロータとの距離が、回転軸方向の吐出側よりも吸入側が相対的に長くなるようにしたものである。

本発明によれば、固定ポートのゲートロータ側壁面とゲートロータとの距離が、スクリューロータの回転軸方向の吐出側よりも吸入側が相対的に長くなるようにし、吐出面積を確保しつつも流路抵抗を増す構成としたので、部分負荷運転時の吐出損失の増大を抑制しつつ、漏れ損失を低減できる。その結果、年間を通じて高効率な運転を可能とするスクリュー圧縮機を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機１００の概略断面図（平面断面図）である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機１００の吐出ポート１５近傍（収容部）を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機１００の吐出ポート１５近傍の説明図である。 本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機１００の収容部１Ａ内壁面及びスクリューロータ４外周面の展開図である。 本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機１００の吐出ポート１５を収容部１Ａ内から見た斜視図である。 本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機１００の圧縮原理を示す説明図である。 本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機１００におけるスクリューロータ４の回転角と圧縮室１１の容積との関係を示す特性図である。 スクリューロータ４とケーシング１との間に形成される隙間からの冷媒漏れ経路を模式的に示した説明図である。 本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機１００の全負荷運転におけるスクリュー回転角と吐出面積との関係を説明するための説明図である。 本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機１００の部分負荷運転におけるスクリュー回転角と吐出面積との関係を説明するための説明図である。 スクリュー圧縮機の負荷条件に応じたスライドバルブ配置における吐出面積を示す特性図である。 吐出面積に対応する固定ポート形状の概略図である。 図１３の各固定ポートの大きさに応じた、スクリュー回転角と吐出面積との関係を示す特性図である。 本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機１００におけるスクリュー回転角と吐出面積との関係を説明するための特性図である。 固定ポートのゲートロータ側壁面における段差位置の説明図である。 隙間と漏れ流路長さを変化させたときの漏れ流量特性を示す図である。 本発明の実施の形態２に係るスクリュー圧縮機１００の収容部１Ａ内壁面及びスクリューロータ４外周面の展開図である。 本発明の実施の形態２に係るスクリュー圧縮機１００の吐出ポート１５を収容部１Ａ内から見た斜視図である。 本発明の実施の形態３に係るスクリュー圧縮機１００の収容部１Ａ内壁面及びスクリューロータ４外周面の展開図である。 本発明の実施の形態３に係るスクリュー圧縮機１００の吐出ポート１５を収容部１Ａ内から見た斜視図である。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機１００について説明する。
図１は、本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機１００の概略断面図（平面断面図）である。また、図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。なお、図１、図２及び以下に示す図において、同一の符号を付したものは同一又はこれに相当するものであり、これは明細書の全文において共通している。更に、明細書全文に表れている構成要素の形態は、あくまで例示であってこれらの記載に限定されるものではない。

スクリュー圧縮機１００は、ケーシング１、スクリューロータ４、ゲートロータ７、スクリューロータ４を回転駆動させる電動機８及びスライドバルブ１２等を備えている。ケーシング１は、スクリューロータ４と、ゲートロータ７と、電動機８と、スライドバルブ１２等とを収容するものである。ケーシング１には、収容部１Ａに開口する吐出ポート１５（後述の図４参照）が形成されている。なお、吐出ポート１５の詳細については後述する。

ケーシング１の内部には略円柱状の空間である収容部１Ａが形成され、収容部１Ａ内部に略円柱形状のスクリューロータ４が収容されている。スクリューロータ４は、一端が流体の吸入側となり他端が吐出側となる。このスクリューロータ４の外周面には、複数条のスクリュー溝１０が螺旋状に形成されている。また、スクリューロータ４の中心には、駆動軸となる回転軸９が回転一体に設けられている。回転軸９は、ケーシング１に設けられた高圧側軸受２及び低圧側軸受３によって回転自在に支持されている。また、回転軸９の低圧側軸受３側の端部には、例えばインバータ（図示省略）で周波数制御される電動機８が接続されている。

ケーシング１には、収容部１Ａ（つまり、スクリューロータ４）を中心として対向するように、一対のゲートロータサポート室６が形成されている。各ゲートロータサポート室６には、略円板形状のゲートロータ７が収容されている。ゲートロータ７は、ゲートロータサポート室６に収容されたゲートロータサポート５に設けられている。

ゲートロータサポート５は、その中心軸（回転軸）５ｂがスクリューロータ４の回転軸９と略垂直となるように配置され、中心軸５ｂ方向に離間して対向配置された軸受５ａによって回転自在に支持されている。

図２において収容部１Ａの左側に形成されたゲートロータサポート室６と、収容部１Ａの右側に形成されたゲートロータサポート室６とのそれぞれに収容されているゲートロータ７及びゲートロータサポート５は、スクリューロータ４の回転軸９を中心にして１８０°回転させた配置となっている。

ゲートロータ７は、収容部１Ａ及びスクリューロータ４と共に圧縮室１１を形成するものであり、その外周部には、スクリュー溝１０に噛み合わされる複数のゲートロータ歯７ａが形成されている。より詳しくは、ケーシング１には、収容部１Ａとゲートロータサポート室６とを連通する（収容部１Ａに開口する）ゲートロータ用開口部１ｄが、回転軸９（図１参照）方向に延びるように形成されている。

そして、ゲートロータ７の外周部は、ケーシング１に設けたゲートロータ用開口部１ｄに挿入されている。つまり、ゲートロータ７のゲートロータ歯７ａはゲートロータ用開口部１ｄを介して収容部１Ａ内に挿入され、スクリュー溝１０に噛み合わされている。これにより、ゲートロータ７、収容部１Ａの内壁面及びスクリューロータ４で囲まれた空間（換言すると、ゲートロータ７のゲートロータ歯７ａ及び収容部１Ａで仕切られたスクリュー溝１０）が形成され、この空間が圧縮室１１となる。

また、収容部１Ａの内壁面には、スクリューロータ４の回転軸９方向に延びる２つのスライド溝１４が形成されており、このスライド溝１４内にスライドバルブ１２がスライド移動自在に収容されている。詳しくは、２つのスライド溝１４は略円柱形状に形成され、内周面の一部が収容部１Ａと連通している。そして、これら２つのスライド溝１４は、スクリューロータ４の回転軸９を中心にして１８０°回転させた配置となっている。

スライド溝１４に設けられているスライドバルブ１２は、スライド溝１４と同様に、略円柱形状に形成されている。そして、スライドバルブ１２は、収容部１Ａと対向する対向面１ｅが収容部１Ａの外周壁に沿った形状となるように円柱の一部を切り欠いた形状となっている。スライドバルブ１２には直動アクチュエータ（図示せず）が接続されており、直動アクチュエータを駆動させることにより、スライド溝１４内をスライドバルブ１２がスクリューロータ４の回転軸９方向に移動する。

（吐出ポート１５近傍の詳細構成）
次に、本実施の形態１に係るスクリュー圧縮機１００の吐出ポート１５近傍の詳細構成について説明する。
図３は、本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機１００の吐出ポート１５近傍（収容部）を示す斜視図である。なお、図３は、図２の白抜き矢印側から見た斜視図である。また、図３（ａ）はスライドバルブ１２が吐出側に移動している状態を示し、図３（ｂ）はスライドバルブ１２が吸入側に移動している状態を示している。また、図３では、吐出ポート１５近傍をわかりやすく示すため、スライドバルブ１２において吐出ポート１５よりも吐出側に位置している部分（次の図４の左図のスライドバルブ１２における左端部分）の図示は省略している。図４は、図３のスクリュー圧縮機１００の吐出ポート１５近傍の説明図である。

図３に示すように、スライドバルブ１２は回転軸９（図１参照）と平行にスライド溝１４（図４参照）に移動可能に収容され、スライドバルブ１２の吐出側端面１２ｄの位置を変更することにより吐出開始のタイミングを調整する。すなわち、スライドバルブ１２は、部分負荷運転時には吸入側にスライドして吐出開始タイミングを早めると共に、全負荷運転時には吐出側にスライドして吐出開始タイミングを遅くする。つまり、吐出ポート１５は、ケーシング１に形成された開口部１Ｂ（より詳しくは、ケーシング１において収容部１Ａに開口する開口部）の内壁面とスライドバルブ１２の吐出側端面１２ｄとで形成されている。

ここで、以降の説明にあたり、図４に示すように吐出ポート１５を定義する。つまり、吐出ポート１５は、可変ポート１６（図中太斜線部）と固定ポート１７（図中細斜線部）とを有する。

可変ポート１６は、吐出ポート１５のうち、スライドバルブ１２と同じスクリューロータ中心角範囲に開口する領域で構成され、換言すれば、吐出ポート１５のうち、スライドバルブ１２の対向面１ｅをスライド方向に延長した領域と重なる領域部分で構成される。可変ポート１６は、スライドバルブ１２の吐出側端部の位置に応じて吐出開始のタイミングと開口面積とが可変とされるようになっている。

固定ポート１７は、吐出ポート１５のうち、可変ポート１６以外の領域であり、可変ポート１６とゲートロータ７（図３参照）との間に形成された部分である。また、固定ポート１７は、ゲートロータ７側の内壁面（以下、ゲートロータ側壁面という）１７Ａが段差を有しており、以下では、段差によって開口面積が小さくなった側（吸入側）を吸入側固定ポート１７ａ、それ以外の部分（吐出側）を吐出側固定ポート１７ｂとして区別する。固定ポート１７は、スライドバルブ１２が移動しても、開口面積が変化しないポートである。固定ポート１７は、以下に詳述するが、吐出完了直前のスクリュー溝１０が通過する領域を含んで形成され、吐出行程終盤で可変ポート１６からの流出がなくなっても流体を最後まで吐出できるように構成されている。

また、ゲートロータ用開口部１ｄの周壁の一部と、固定ポート１７のゲートロータ側壁面１７Ａとを、図３及び図４に示すように定義する。つまり、ゲートロータ用開口部１ｄの内壁面のうち、吐出ポート１５側の壁面をケーシングリップ面１ａと定義する。また、固定ポート１７のゲートロータ側壁面１７Ａのうち、吸入側固定ポート１７ａ側を吐出ポート壁面１ｂとし、吐出側固定ポート１７ｂ側を吐出ポート壁面１ｃとする。

図５は、図３のスクリュー圧縮機１００の収容部１Ａ内壁面及びスクリューロータ４外周面の展開図である。また、図６は、このスクリュー圧縮機１００の吐出ポート１５を収容部１Ａ内から見た斜視図である。

図５及び図６に示すように、本実施の形態１では、ゲートロータ用開口部１ｄのケーシングリップ面１ａから固定ポート１７の吐出ポート壁面１ｂ、１ｃまでの距離ｈ１、ｈ２を、スライドバルブ１２のスライド方向（図５の左右方向）で異ならせている。すなわち、吐出側固定ポート１７ｂ側は開口面積が大きくなるように、ゲートロータ用開口部１ｄのケーシングリップ面１ａから吐出側固定ポート１７ｂの吐出ポート壁面１ｃまでの距離ｈ２を短くしている。一方、吸入側固定ポート１７ａ側はゲートロータ用開口部１ｄのケーシングリップ面１ａから吸入側固定ポート１７ａの吐出ポート壁面１ｂまでの距離ｈ１が長くなるようにしている。

（動作説明）
続いて上記のように構成されたスクリュー圧縮機１００の動作について説明する。
図７は、本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機１００の圧縮原理を示す説明図である。図８は、このスクリュー圧縮機１００におけるスクリューロータ４の回転角と圧縮室１１の容積との関係を示す特性図である。図８において横軸がスクリュー回転角［゜］、縦軸が圧縮室容積を示している。

図７に示すように、スクリューロータ４が電動機８（図１参照）により回転軸９（図１参照）を介して回転させられることで、ゲートロータ７のゲートロータ歯７ａがスクリュー溝１０内を相対的に移動し、圧縮室１１内で吸入行程、圧縮行程及び吐出行程を行い、これを繰り返すようになっている。ここでは、図７においてグレーで示した圧縮室１１に着目して説明する。

図７（ａ）は吸入行程における圧縮室１１の状態を示している。スクリューロータ４が電動機８により駆動されて実線矢印の方向に回転すると、図７に示す下側のゲートロータ７はスクリューロータ４の回転に伴い、白抜き矢印の方向に回転する。また、図７に示す上側のゲートロータ７は、白抜き矢印で示すように、下側のゲートロータ７とは反対方向に回転する。吸入行程では、圧縮室１１は最も拡大した容積を有し、ケーシング１（図１参照）の低圧空間と連通しており、低圧の冷媒ガスが満たされている。

更にスクリューロータ４が回転すると、その回転に連動して２つのゲートロータ７のゲートロータ歯７ａが順次吐出ポート１５の方へ回転移動し、これにより図７（ｂ）のように圧縮室１１の容積（体積）が縮小し、圧縮室１１内の冷媒ガスが圧縮される。

引き続きスクリューロータ４が回転すると、図７（ｃ）に示すように、圧縮室１１が吐出ポート１５に連通する。これにより、圧縮室１１内で圧縮された高圧の冷媒ガスが吐出ポート１５より外部へ吐出される。そして、再びスクリューロータ４の背面で同様の圧縮が行われる。なお、ケーシング１（つまり、収容部１Ａの内壁面）に覆われていない開放されたスクリュー溝１０内は、反対側のゲートロータ７及びゲートロータサポート室６と連通し、吸入圧力雰囲気となっている。

本実施の形態１に係るスクリュー圧縮機１００においては、上述した圧縮開始から吐出完了までの圧縮動作が、スクリューロータ４の回転角度（以下、スクリュー回転角とも称する）が０°から１８０°以下の範囲で行われる。スクリュー回転角に対する圧縮室１１の容積変化は図８に示すように、スクリュー回転角０゜から大きくなるにつれて圧縮室容積が次第に小さくなる。

上記の圧縮動作を行うには、スクリューロータ４とゲートロータ７とを相対移動させる必要があり、また、スクリューロータ４とケーシング１とを相対移動させる必要がある。このため、スクリューロータ４とゲートロータ７との間、及びスクリューロータ４とケーシング１との間には隙間を形成する必要があり、圧縮室１１は完全な密閉状態とはなっていない。このため、これらの隙間を通って高圧の圧縮室１１内の冷媒ガスが、低圧の圧縮室１１やゲートロータサポート室６に漏れることを防止する対策として、冷凍機油等の油（潤滑な液体）を圧縮室１１内に積極的に注入することにより、隙間からの冷媒漏れを低減している。

図９は、スクリューロータ４とケーシング１との間に形成される隙間からの冷媒漏れ経路を模式的に示した説明図である。図９おいて、矢印（１）は、隣り合う圧縮室１１間の冷媒漏れ経路である。本実施の形態１に係るスクリュー圧縮機１００においては、複数の圧縮室１１を形成して隣接する圧縮室同士間の漏れ差圧を小さくすることにより、圧縮室１１間の冷媒漏れを抑制している。

矢印（２）は、圧縮室１１から高圧側軸受２（図１参照）が収納される吸入圧空間への冷媒漏れ経路である。本実施の形態１に係るスクリュー圧縮機１００においては、スクリューロータ４の端部に直交形ラビリンスシール（図示省略）を設けることにより、当該経路からの冷媒漏れを抑制している。

また、矢印（３）は、固定ポート１７からゲートロータサポート室６（図２参照）への冷媒漏れ経路である。本実施の形態１に係るスクリュー圧縮機１００においては、冷媒漏れ経路となる固定ポート１７のゲートロータ側壁面１７Ａを上述したように段付き形状（１ｂと１ｃ）とし、吐出ポート壁面１ｂ側のケーシングリップ面１ａまでの距離（以下、この距離を漏れ流路長さという場合がある）ｈ１（図５参照）を長くして冷媒漏れ経路の摩擦抵抗を増すことにより、冷媒漏れを抑制している。

次に、吐出面積の変化について、図１０〜図１２を用いて詳細に説明する。図１０、図１１は、本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機１００におけるスクリュー回転角と吐出面積との関係を説明するための説明図で、収容部１Ａ内壁面及びスクリューロータ４外周面の展開図を示している。図１０はスライドバルブ１２が吐出側に配置される全負荷（１００％負荷）運転時の状態を示し、図１１はスライドバルブ１２が吸入側に配置される部分負荷運転時の状態を示す。

なお、スクリュー圧縮機１００の実質的な吐出面積は、吐出ポート１５とスクリュー溝１０との対向領域面積であり、図１０、図１１において横線で示す横線部Ｃ１〜Ｃ３及び右斜め下向きの斜線で示す斜線部Ｄ１、Ｄ２は、それぞれ実質的な吐出面積（吐出ポート１５とスクリュー溝１０との対向領域）を示している。

また、図１２は、負荷条件に応じたスライドバルブ配置における吐出面積を示す特性図である。図１２において横軸はスクリュー回転角、縦軸は吐出面積である。図１２の（ａ）は全負荷の場合の特性を示している。図１２の（ｂ）及び（ｃ）は部分負荷の場合の特性を示しており、（ｂ）の方が（ｃ）よりも負荷割合が大きい場合の特性を示している。何れの負荷の場合も、吐出面積は、スクリュー回転角１１０°〜１２０°付近で極大となり、上に凸の放物線で表される。

（全負荷運転時）
以下、図１０及び図１２を参照して全負荷運転時の吐出面積の変化を説明する。全負荷運転時において、図１０（ａ）は、スクリュー回転角８０°付近の吐出面積Ｃ１と、スクリュー回転角１４０°付近の吐出面積Ｄ１とを示している。図１０（ｂ）は、スクリュー回転角９０°付近の吐出面積Ｃ２と、スクリュー回転角１５０°付近の吐出面積Ｄ２を示している。また、図１０（ｃ）は、スクリュー回転角１３０°付近の吐出面積Ｃ３を示している。

よって、スクリュー回転角８０゜付近で吐出面積（対向領域）がＣ１となり、スクリュー回転角９０゜付近で吐出面積（対向領域）がＣ２となる。そして、スクリュー回転角１３０゜付近で吐出面積（対向領域）がＣ３となり、スクリュー回転角１４０゜付近で吐出面積（対向領域）がＤ１となり、スクリュー回転角１５０゜付近で吐出面積（対向領域）がＤ２となる。

つまり、スクリュー回転角が８０゜に達する付近（図１０（ａ））で圧縮室１１内が吐出圧力に達し、吐出ポート１５の可変ポート１６が開口し始める（Ｃ１）。そして、９０゜付近（図１０（ｂ））では可変ポート１６の吐出面積が増大していくと共に、固定ポート１７のうち吸入側固定ポート１７ａが開口し始める（Ｃ２）。その後、可変ポート１６及び固定ポート１７の吐出面積が増大していき、１２０゜付近で最大に達する（図１２参照）。

そして、１３０゜付近（図１０（ｃ））では、可変ポート１６の吐出面積は減少に転じ始める一方、固定ポート１７は、吸入側固定ポート１７ａに加えて更に吐出側固定ポート１７ｂも開口し始める（Ｃ３）が、全体としては図１２に示すように吐出面積は減少していく。そして、１４０゜付近（（図１０（ａ））では可変ポート１６の吐出面積が減っていく一方、固定ポート１７の吐出側固定ポート１７ｂ側は最大開口となる（Ｄ１）。そして、１５０゜付近（図１０（ｂ））では、可変ポート１６側の吐出面積は無くなり、吐出側固定ポート１７ｂのみが開口した状態となる（Ｄ２）。

（部分負荷運転時）
以下、図１１及び図１２を参照して部分負荷運転時の吐出面積の変化を説明する。なお、図１１は、図１２の（ｂ）に対応している。
図１１（ａ）は、スクリュー回転角８０°付近の吐出面積Ｃ１と、スクリュー回転角１４０°付近の吐出面積Ｄ１とを示している。図１０の（ｂ）は、スクリュー回転角９０°付近の吐出面積Ｃ２と、スクリュー回転角１５０°付近の吐出面積Ｄ２を示している。また、図１０の（ｃ）は、スクリュー回転角７０°付近の吐出面積Ｃ０と、スクリュー回転角１３０°付近の吐出面積Ｃ３を示している。

よって、スクリュー回転角７０゜付近で吐出面積（対向領域）がＣ０となり、スクリュー回転角８０゜付近で吐出面積（対向領域）がＣ１となり、スクリュー回転角９０゜付近で吐出面積（対向領域）がＣ２となり、スクリュー回転角１３０゜付近で吐出面積（対向領域）がＣ３となり、スクリュー回転角１４０゜付近で吐出面積（対向領域）がＤ１となり、スクリュー回転角１５０゜付近で吐出面積（対向領域）がＤ２となる。

つまり、部分負荷運転の場合は、スクリュー回転角が全負荷運転よりも小さい７０゜に達する付近（図１１（ｃ））で圧縮室１１内が吐出圧力に達し、吐出ポート１５の可変ポート１６が開口し始める（Ｃ０）。そして、８０゜付近（図１１（ａ））では可変ポート１６の吐出面積が増大していくと共に、固定ポート１７のうち吸入側固定ポート１７ａが開口し始め（Ｃ１）、９０゜付近（図１１（ｂ））でもその傾向が続く（Ｃ２）。その後、可変ポート１６及び固定ポート１７の吐出面積が増大していき、１１０゜付近で最大に達する（図１２参照）。

その後、１３０゜付近（図１１（ｃ））では可変ポート１６の吐出面積は減少に転じ始める一方、固定ポート１７は、吸入側固定ポート１７ａに加えて更に吐出側固定ポート１７ｂも開口し始めるが、全体としては図１２に示すように吐出面積は減少していく（Ｃ３）。そして、１４０゜付近（図１１（ａ））では可変ポート１６の吐出面積が減っていく一方、固定ポート１７の吐出側固定ポート１７ｂ側は最大開口となり（Ｄ１）、１５０゜付近（図１１（ｂ））では、可変ポート１６側の吐出面積は無くなり、吐出側固定ポート１７ｂのみが開口した状態となる（Ｄ２）。

ここで、図１０と図１１とを比較して明らかなように、図１１に示す部分負荷条件の方が、図１０に示す全負荷運転条件に比べて同じスクリュー回転角での可変ポート面積（Ｃ１〜Ｃ３領域）が大きく、吐出行程前半の吐出面積が大きくなる。また、図１２に示したように、負荷割合が小さくなるにつれ、吐出行程前半において同じスクリュー回転角での吐出面積が大きくなる。

ところで、固定ポート１７は、吐出行程終盤において圧縮室１１が可変ポート１６に連通しなくなる状態（スクリュー溝１０(圧縮室１１）と可変ポート１６との対向領域である吐出面積が無くなる状態）のとき（図１０及び図１１の例では、スクリュー回転角１４０゜から１５０゜の間付近）、吐出面積を確保できるように形成される。ここで、本発明の目的は、上述したように年間を通じて冷凍機の運転パターンの大半を占める部分負荷運転時の吐出損失の増大抑制、漏れ損失の低減にあり、漏れ損失を低減するには固定ポート１７を縮小すればよい。しかし、固定ポート１７をむやみに縮小すると、吐出損失が大きくなってしまう。よって、本実施の形態１では、部分負荷運転時において吐出損失を増大させない範囲で固定ポート１７の開口面積を縮小し、漏れ損失を低減するようにしている。以下、固定ポート１７の大きさや形状に関わる事項について説明する。

部分負荷運転時はスライドバルブ１２が全負荷運転時より吸入側に配置されるため、スクリュー溝１０が可変ポート１６に連通している吐出行程前半から中盤は比較的大きな吐出面積を確保でき、吐出損失の増大抑制が可能である。一方、可変ポート１６に連通しなくなる吐出行程終盤は固定ポート１７によって吐出面積を確保する必要がある。よって、部分負荷運転時の漏れ損失を低減するために固定ポート１７を縮小するにあたっては、吐出行程の前半から中盤に利用される吸入側固定ポート１７ａ側の開口面積を小さくし、吐出行程の終盤に利用される吐出側固定ポート１７ｂ側については縮小しないようにしている。以下、吸入側固定ポート１７ａ側の開口面積を縮小することによる吐出面積の変化について検討する。

図１３（ａ）〜（ｄ）は、固定ポート１７を最大限確保した状態から順次縮小していった場合の各固定ポート形状の概要図である。図１３において、Ｐで示す部分が最大で、次にＱ、Ｒ、Ｓの順に固定ポート１７を縮小している。図１４は、図１３の各固定ポート１７の大きさに応じた、スクリュー回転角と吐出面積との関係を示す特性図である。図１４のＰ、Ｑ、Ｒ、Ｓは、図１３のＰ、Ｑ、Ｒ、Ｓに対応している。

吐出面積を最大としたＰ形状と、Ｐ形状よりも次に小さいＱ形状とを比較すると、吐出面積が比較的確保される９０〜１３０°付近では、Ｐ形状の方が吐出面積が大きい。すなわち固定ポートを拡大したことによる吐出面積の増加量が大きい。しかし、１３０°以上になるとＰ形状とＱ形状の吐出面積の差が小さくなり、１４０°以上、言い換えれば吐出行程終盤ではＰ形状としてもＱ形状としても吐出面積は同じになる。つまり、固定ポート１７に対しては、吐出行程終盤における吐出面積の確保が要求されるが、吸入側固定ポート１７ａ側をシール性向上の観点からある程度縮小しても、吐出行程終盤の吐出面積の確保には影響がないことがわかる。なお、Ｒ形状とＳ形状のように固定ポート１７の吐出面積を小さくしすぎると、吐出行程中盤から後半にかけて吐出面積が小さくなるため、吐出損失に関しては好ましくない状況となる。

図１５は、スクリュー回転角と吐出面積との関係を説明するための特性図である。図１５において横軸はスクリュー回転角、縦軸は吐出面積である。図１５において、（ａ）は、全負荷運転時のスライドバルブ位置で固定ポートを、図１３（ａ）のＰ形状のように最大とした場合を示しており、（ｂ）は部分負荷運転時のスライドバルブ位置で固定ポートを図１３（ｂ）のＱ形状のように縮小した場合を示している。また、図１５において点線は、部分負荷運転で固定ポートを最大（Ｐ形状）とした場合を示している。

図１５から明らかなように、部分負荷運転ではスライドバルブ１２が吸入側に配置されるため可変ポート１６の開口面積が大きく、固定ポート１７をＰからＱに縮小しても全負荷運転で固定ポート１７を最大とした場合の吐出面積と大差ない面積を確保できることがわかる。

次に、固定ポート１７の開口形状について検討する。

固定ポート１７を縮小するにあたっては、吸入側固定ポート１７ａ側を縮小するとして説明したが、図１３に示したように固定ポート１７の吸入側を完全に削除して縮小するのではなく、吐出面積確保の観点から、ある程度開口面積を残しつつ縮小する。具体的には、本実施の形態１では、固定ポート１７のゲートロータ側壁面１７Ａを、ゲートロータ７との距離（漏れ流路長さ）が吐出側よりも吸入側が相対的に長くなるような段差形状としている。なお、ここでは段差を一段としているが、一段に限られず多段としてもよい。

次に、段差を設ける境界部分の位置について説明する。図１６は、固定ポート１７のゲートロータ側壁面１７Ａにおける段差位置の説明図で、可変ポート１６が略閉塞された状態を示している。ゲートロータ側壁面１７Ａのうち、吐出側の吐出ポート壁面１ｃについては、吐出側固定ポート１７ｂの吐出面積を大きく取る観点から、ゲートロータ７側に最大限に寄せて設けている（図１６の吐出ポート壁面１ｃの位置）。

そして、ゲートロータ側壁面１７Ａにおいて吐出側から数えて一段目の境界壁面１７Ｂの回転軸９方向の位置は、可変ポート１６が閉塞されて可変ポート１６からの流出がなくなるタイミングにおけるスクリュー溝１０の吸入側壁面１１ａより吸入側にあり、スライドバルブ１２の吐出側端面１２ｄのゲートロータ７側の端部１２ｅ（図１６参照）より吐出側の位置に形成している。この例では、図１６に示すように、可変ポート１６が閉塞されるときの圧縮室１１のスクリュー溝１０の吸入側壁面１１ａと一段目の境界壁面１７Ｂとの交点が、スクリュー溝１０の吸入側壁面１１ａと吐出ポート壁面１ｃとの交点に一致するように形成している。なお、実施の形態１では、可変ポート１６が閉塞されるタイミングに合わせて１段目の境界壁面１７Ｂの位置を上記のように決定したが、運転条件や漏れ隙間の大きさによって最適位置は変わり、漏れ損失と吐出損失が最小となる位置に決定されればよく、これに限らない。

そして、吸入側固定ポート１７ａのケーシングリップ面１ａまでの距離（漏れ流路長さ）ｈ１については、漏れ損失と吐出損失との兼ね合いから決定する。以下、この点について説明する。

図１７は、隙間と漏れ流路長さを変化させたときの漏れ流量特性を示す図で、ケーシング１とスクリューロータ４との間の隙間が、大、中、小の３つの場合の漏れ流量特性を示している。なお、横軸は漏れ流路長さ、縦軸は摩擦を考慮した漏れ流量を摩擦を考慮しない時の漏れ流量で標準化したものである。

図１７に示すように、漏れ流量特性は漏れ流路長さに対して線形に変化せず、その傾きは、漏れ流路長さが長くなるにつれて緩やかとなっている。すなわち、漏れ流量の低減効率は漏れ流路長さが短い範囲では高いが、漏れ流路長さが長くなるにつれ次第に低下していく。つまり、漏れ流路長さを長くすればするほど漏れ流量を少なくすること自体はできるが、漏れ流量の低減効率は低下する。一方、漏れ流路長さを長くするほど、固定ポート１７の開口面積が減るため吐出損失が大きくなる。よって、漏れ流量の低減効率が高い範囲で、且つ、吐出損失を考慮して、漏れ流路長さを決定すればよい。

以上説明したように、本実施の形態１によれば、部分負荷運転時はスライドバルブ１２が全負荷運転時より吸入側に配置されるので、スクリュー溝１０が可変ポート１６に連通している吐出行程前半から中盤において、比較的大きな吐出面積を確保できる。そして、可変ポート１６に連通しなくなる吐出行程終盤は、固定ポート１７によって吐出面積が確保されているので圧縮室１１内の圧力が過度に上昇せず、吐出損失の増大を小さくできる。更に、吐出行程前半から中盤に利用される吸入側固定ポート１７ａのゲートロータ側壁面１７Ａとゲートロータ用開口部１ｄの吐出ポート側壁面であるケーシングリップ面１ａとの距離を吐出側固定ポート１７ｂ側よりも長くし、流路抵抗を増しているので、特に冷媒循環流量の小さい部分負荷運転で漏れを抑制できる効果がある。

固定ポート１７のゲートロータ側壁面１７Ａの形状として、実施の形態１では吸入側の漏れ流路長さを長くした段付き形状とし、部分負荷運転において吐出損失を増大させない範囲で漏れ損失を最小化できる固定ポート形状としたので、部分負荷運転での圧縮機効率が高いスクリュー圧縮機１００を得ることができる。よって、このスクリュー圧縮機１００を冷凍機に搭載することにより、年間を通して高効率な冷凍機を構成することができる。

なお、実施の形態１では、固定ポート１７のゲートロータ側壁面１７Ａを段付き形状としたが、これに限らず、要は、固定ポート１７のゲートロータ側壁面１７Ａを、ゲートロータ７との距離が吸入側よりも吐出側が相対的に短くなる形状に形成すればよい。以下、固定ポート１７の他の形状例について、実施の形態２及び実施の形態３で説明する。

実施の形態２．
図１８は、本発明の実施の形態２に係るスクリュー圧縮機１００の収容部１Ａ内壁面及びスクリューロータ４外周面の展開図である。図１９は、本発明の実施の形態２に係るスクリュー圧縮機１００の吐出ポート１５を収容部１Ａ内から見た斜視図である。
実施の形態２のスクリュー圧縮機１００は、実施の形態１では段付き形状としていた固定ポート１７のゲートロータ側壁面１７Ａのうち、吐出ポート壁面１ｂを、吐出側から吸入側に向かうにつれてゲートロータ７から離れる方向に傾斜する傾斜面としたものである。なお、特に記述しない項目については実施の形態１と同様とする。

以上、本実施の形態２に係るスクリュー圧縮機１００においても、実施の形態１と同様の効果が得られると共に、固定ポート１７のゲートロータ側壁面１７Ａとケーシングリップ面１ａとの距離（漏れ流路長さ）を保持しつつ、適度な吐出面積を確保できるので、部分負荷運転での圧縮機効率の高い圧縮機を得ることができる。

実施の形態３．
図２０は、本発明の実施の形態３に係るスクリュー圧縮機１００の収容部１Ａ内壁面及びスクリューロータ４外周面の展開図である。図２１は、本発明の実施の形態３に係るスクリュー圧縮機１００の吐出ポート１５を収容部１Ａ内から見た斜視図である。
実施の形態３のスクリュー圧縮機１００は、固定ポート１７のゲートロータ側壁面１７Ａを、全体に亘って連続的に傾斜する傾斜面１ｆとしたものである。すなわち、ゲートロータ側壁面１７Ａを、吐出側から吸入側に向かうにつれてゲートロータ７から離れる方向に連続して傾斜する傾斜面１ｆとしたものである。この形状とすると、図２０と実施の形態２の図１８とを比較して明らかなように、固定ポート１７のゲートロータ側壁面１７Ａとケーシングリップ面１ａとの距離（漏れ流路長さ）を、実施の形態２よりも長く確保することができる。なお、特に記述しない項目については実施の形態１と同様とする。

以上、実施の形態３に係るスクリュー圧縮機１００においても、実施の形態１と同様の効果が得られると共に、固定ポート１７のゲートロータ側壁面１７Ａを、段差が無く連続する傾斜面１ｆとし、ゲートロータ７との距離（ケーシングリップ面１ａとの距離）を実施の形態２よりも確保するようにしたので、実施の形態２よりも漏れを低減でき、より部分負荷運転での圧縮機効率が高い圧縮機を得ることができる。

なお、以上の各実施の形態（実施の形態１〜実施の形態３）では、２つのゲートロータ７を設けたタイプのスクリュー圧縮機について説明した。しかし、これに限らず、１つのゲートロータを設けたタイプのスクリュー圧縮機であっても、吐出ポート１５を上記各実施の形態で示した形状とすることにより、総合的に損失の小さい高効率なスクリュー圧縮機とすることができる。

１ ケーシング、１Ａ 収容部、１Ｂ 開口部、１ａ ケーシングリップ面、１ｂ 吐出ポート壁面、１ｃ 吐出ポート壁面、１ｄ ゲートロータ用開口部、１ｅ 対向面、１ｆ 傾斜面、２ 高圧側軸受、３ 低圧側軸受、４ スクリューロータ、５ ゲートロータサポート、５ａ 軸受、５ｂ 中心軸、６ ゲートロータサポート室、７ ゲートロータ、７ａ ゲートロータ歯、８ 電動機、９ 回転軸、１０ スクリュー溝、１１ 圧縮室、１１ａ 吸入側壁面、１２ スライドバルブ、１２ｄ 吐出側端面、１２ｅ 吐出側端面のゲートロータ側の端部、１４ スライド溝、１５ 吐出ポート、１６ 可変ポート、１７ 固定ポート、１７Ａ ゲートロータ側壁面、１７Ｂ 境界壁面、１７ａ 吸入側固定ポート、１７ｂ 吐出側固定ポート、１００ スクリュー圧縮機。

Claims (7)

1. 複数条のスクリュー溝が外周面に形成され、一端が流体の吸入側となり他端が吐出側となるスクリューロータと、
   前記スクリュー溝に噛み合わされる複数の歯が外周部に形成されたゲートロータと、
   前記スクリューロータが収容される収容部及び吐出ポートを有するケーシングと、
   前記収容部の内壁面に形成され、前記スクリューロータの回転軸方向に延びるスライド溝と、
   前記スライド溝内に前記回転軸方向にスライド移動自在に収容され、部分負荷運転時には吸入側にスライドして吐出開始タイミングを早めると共に、全負荷運転時には吐出側にスライドして吐出開始タイミングを遅くするスライドバルブと、
   前記ケーシングに設けられ、前記収容部に開口するゲートロータ用開口部とを有し、
   前記ゲートロータの前記複数の歯が前記ゲートロータ用開口部を介して前記収容部に挿入されて前記スクリュー溝と噛み合わされ、前記スクリューロータが回転することにより、前記収容部の内壁面、前記スクリュー溝及び前記ゲートロータで囲まれた空間である圧縮室に流体を吸入して圧縮し、圧縮した流体を前記吐出ポートから吐出するスクリュー圧縮機であって、
   前記吐出ポートは、
   前記スライドバルブの移動によって開口面積と吐出開始のタイミングとを変更できる可変ポートと、
   前記可変ポートと前記ゲートロータとの間に設けられ、前記スライドバルブが移動しても開口面積が変化しない固定ポートとを有し、
   前記固定ポートのゲートロータ側壁面と前記ゲートロータとの距離が、前記回転軸方向の吐出側よりも吸入側が相対的に長くなるようにしたことを特徴とするスクリュー圧縮機。
2. 前記固定ポートの前記ゲートロータ側壁面を段付き形状としたことを特徴とする請求項１記載のスクリュー圧縮機。
3. 前記段付き形状において吐出側から数えて一段目の境界壁面は、前記可変ポートからの流出がなくなるタイミングにおける前記スクリュー溝の吸入側壁面より吸入側にあり、前記スライドバルブの吐出側端面の前記ゲートロータ側の端部より吐出側に形成したことを特徴とする請求項２記載のスクリュー圧縮機。
4. 前記固定ポートの前記ゲートロータ側壁面の吐出側を、前記ゲートロータ側に最大限に寄せて設けた位置とし、前記ゲートロータ側壁面の吸入側を、前記ゲートロータから離れる方向に傾斜する傾斜面としたことを特徴とする請求項１記載のスクリュー圧縮機。
5. 前記固定ポートの前記ゲートロータ側壁面の吐出側と前記ゲートロータ側壁面の吸入側との境界部分を、前記可変ポートからの流出がなくなるタイミングにおける前記スクリュー溝の吸入側壁面より吸入側とし、前記スライドバルブの吐出側端面の前記ゲートロータ側の端部より吐出側としたことを特徴とする請求項４記載のスクリュー圧縮機。
6. 前記固定ポートの前記ゲートロータ側壁面を、吐出側から吸入側に向かうにつれて前記ゲートロータから離れる方向に連続して傾斜する傾斜面としたことを特徴とする請求項１記載のスクリュー圧縮機。
7. 駆動軸を介して前記スクリューロータと接続され、前記スクリューロータを回転させる電動機を備え、
   前記電動機は、インバータで駆動される電動機であることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載のスクリュー圧縮機。