JP5881403B2 - スクリュー圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、例えば冷凍機の冷媒圧縮に用いられるスクリュー圧縮機に関するものである。

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を可変にするスライド弁である可変Ｖｉ弁を備え、運転圧力比に応じて駆動装置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）。

単段スクリュー圧縮機に使用する従来の可変Ｖｉ弁は、特許文献１の図１、図２に示されるように、吐出圧力ＨＰと吸込圧力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弁に連結した駆動装置により制御される。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、例えば中圧縮比で適正圧縮を行うように内部容積比を設定した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、従来から可変Ｖｉ式のスクリュー圧縮機が提案されているが、可変Ｖｉ機構の制御方法として吐出圧力や吸込圧力に加えて、回転周波数や電流、電圧を検出して圧縮機駆動電力が最小となるように制御を行い、可変Ｖｉ弁の位置を条件毎に変えるため、複雑な制御部が必要であるという課題があった。

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、簡易な可変Ｖｉ機構と制御により、高効率な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、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、可変Ｖｉ弁の位置を２段階で制御するものであり、可変Ｖｉ弁の位置は、４つの運転負荷毎に重みを付けて算出される期間成績係数において、重みが大きい上位２つの運転負荷に基づいて設定されていることを特徴とするものである。

本発明によれば、２段階の制御で複雑な制御部を必要とせずに可変Ｖｉ弁の位置決めを正確に行うことができるため、簡素で安価な構成で年間の運転効率が高い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の概略構成図である。 本発明の実施の形態１に係る内部容積比可変機構の概略図である。 本発明の実施の形態１に係る内部容積比Ｖｉが大のときの動作の概要図である。 本発明の実施の形態１に係る内部容積比Ｖｉが小のときの動作の概要図である。 本発明の実施の形態２に係る内部容積比Ｖｉが大のときの動作の概要図である。 本発明の実施の形態２に係る内部容積比Ｖｉが小のときの動作の概要図である。 本発明の実施の形態３に係るスクリュー圧縮機の概略構成図である。

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込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１において、１６は吸込室を示す。

図２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（以下、可変Ｖｉ機構という）の一部を構成するものであり、シリンダー１１内に設けられたピストン１２と可変Ｖｉ弁８をロッド９にて連結する構成となっている。また、ピストン１２の面積は可変Ｖｉ弁８の吐出圧力を受ける面積に比べて大きくなっている。
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の吐出口側端部８ｅには連結部８ｃが設けられ、駆動装置１０側の端面には上記ロッド９が連結されている。また、弁本体８ａの吐出口側端部８ｄとガイド部８ｂの吐出口側端部８ｅ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に連通する吐出空隙８ｆを形成している。

シリンダー１１内はピストン１２により空間が隔てられ、ピストン１２の前側（可変Ｖｉ弁方向）と後ろ側（反可変Ｖｉ弁方向）には２つのシリンダー室１３ａ、１３ｂが形成されている。
可変Ｖｉ弁８に対して近い方にあるシリンダー室１３ａには圧力導入孔１１３ａが、可変Ｖｉ弁８に対して遠い方にあるシリンダー室１３ｂについては圧力導入孔１１３ｂが設けられている。シリンダー室１３ａの圧力導入孔１１３ａは、常時吐出圧力を導入するように流路１５ａで図１の吐出室６に接続されている。シリンダー室１３ｂの圧力導入孔１１３ｂは、吐出圧力を導入するように止め弁１４ｂを介して流路１５ｂで吐出室６に接続されており、さらに流路１５ｂには止め弁１４ａを介して吸込圧力を導入するように流路（分岐流路）１５ｃで図１の吸込室１６に接続されている。また、上記の止め弁１４ａ、１４ｂは一例であり、流路の開閉または切り替えができる弁手段であればよく、例えば電磁弁や三方弁でもよい。流路の切り替えが可能な三方弁の場合、流路の分岐部に１つ設ければよく、したがって止め弁１４ａ、１４ｂを省略することができる。また、流路１５ａ、１５ｂ、１５ｃはケーシング本体１およびシリンダー１１の壁内部に形成してもよく、配管を用いて接続するようにしてもよい。

次に可変Ｖｉ弁８の動作について説明する。この可変Ｖｉ機構によればＶｉ値を大と小の２通りに設定できる。
（ｉ）Ｖｉ値大のときの動作
図３に、Ｖｉ値大のときの可変Ｖｉ機構内の各部の圧力と可変Ｖｉ機構の移動方向を示す。
Ｖｉ値大のときは、駆動装置１０が可変Ｖｉ弁８を図中矢印で示す左方向に位置させることで、吐出口７が開くタイミングを遅くしている。

すなわち、Ｖｉ値大のときは、止め弁１４ａを開、止め弁１４ｂを閉とすることでシリンダー室１３ｂ内を吸込圧力とする。一方、シリンダー室１３ａは吐出室６と連結しており、常時吐出圧力が導入されているので、シリンダー室１３内の圧力差によりピストン１２は図中左方向へ移動しようとする。
一方、ピストン１２に連結されている可変Ｖｉ弁８については、弁本体８ａの吸込側端部８ｇには吸込圧力が作用し、吐出口側端部８ｄには吐出直後の吐出圧力が作用している。また、ガイド部８ｂの吐出口側端部８ｅには吐出口側端部８ｄに作用する圧力と同じ圧力が互いに逆向きに作用し、駆動装置側端部８ｈには吐出圧力が作用している。
したがって、可変Ｖｉ弁８内部の吐出口側端部８ｄと８ｅに作用する荷重は相殺されるので、可変Ｖｉ弁８は駆動装置側端部８ｈと吸込側端部８ｇに作用する圧力差により図中右方向へ移動しようとするが、可変Ｖｉ弁８の駆動装置側端部８ｈの面積よりピストン１２の面積の方が大きく設定されているため、両面積が受ける圧力差によりピストン１２および可変Ｖｉ弁８は図中左方向へ移動する。よって、可変Ｖｉ弁８はピストン１２がシリンダー室１３の壁面と当たる位置で停止するため、Ｖｉ値大の位置に正確に位置決めすることができる。

（ｉｉ）Ｖｉ値小のときの動作
図４に、Ｖｉ値小のときの可変Ｖｉ機構内の各部の圧力と可変Ｖｉ機構の移動方向を示す。
Ｖｉ値小のときは、駆動装置１０が可変Ｖｉ弁８を図中矢印で示す右方向に位置させることで、吐出口７が開くタイミングを早めている。

すなわち、Ｖｉ値小のときは、止め弁１４ａを閉、止め弁１４ｂを開とすることでシリンダー室１３ｂ内を吐出圧力とする。一方、シリンダー室１３ａは吐出室６と連結しており、常時吐出圧力が導入されているので、シリンダー室１３内の圧力差はない状態となっている。
一方、ピストン１２に連結されている可変Ｖｉ弁８については、弁本体８ａの吸込側端部８ｇには吸込圧力が作用し、吐出口側端部８ｄには吐出直後の吐出圧力が作用している。また、ガイド部８ｂの吐出口側端部８ｅには吐出口側端部８ｄに作用する圧力と同じ圧力が互いに逆向きに作用し、駆動装置側端部８ｈには吐出圧力が作用している。
したがって、シリンダー室１３内は圧力差がない状態となっているので、可変Ｖｉ弁８は、駆動装置側端部８ｈに作用する吐出圧力と吸込側端部８ｇに作用する吸込圧力との差圧により図中右方向へ移動する。よって、可変Ｖｉ弁８はピストン１２がシリンダー室１３の壁面と当たる位置で停止するため、Ｖｉ値小の位置に正確に位置決めすることができる。

ここで、冷凍空調機器においては、ＣＯＰというエネルギー消費効率を示す成績係数の他にＩＰＬＶ（期間成績係数）という期間を通じた冷凍機の成績係数がある。米国冷凍空調工業会において、ＩＰＬＶは下記の計算式により算出される。
ＩＰＬＶ＝０．０１×Ａ＋０．４２×Ｂ＋０．４５×Ｃ＋０．１２×Ｄ
Ａ＝１００％負荷時のＣＯＰ、Ｂ＝７５％負荷時のＣＯＰ、
Ｃ＝５０％負荷時のＣＯＰ、Ｄ＝２５％負荷時のＣＯＰ
この計算式によれば、運転時の負荷により成績係数が異なり、また７５％負荷時は年間の運転時間の４２％、５０％負荷時は年間の運転時間の４５％を占め、この２条件における重みが大きくなっている。
また、日本冷凍空調工業会においても同様の指標が以下の式のように定められている。
ＩＰＬＶ＝０．０１×Ａ＋０．４７×Ｂ＋０．３７×Ｃ＋０．１５×Ｄ
Ａ＝１００％負荷時のＣＯＰ、Ｂ＝７５％負荷時のＣＯＰ、
Ｃ＝５０％負荷時のＣＯＰ、Ｄ＝２５％負荷時のＣＯＰ
このように米国冷凍空調工業会と同様に７５％負荷時と５０％負荷時における重みが大きい。

この実施の形態１は、上記２段階のＶｉ値をこの２条件において最適な値に設定することで、吐出圧力と吸込圧力のみに基づいたシンプルな制御で、しかも特別な装置を必要とせずに、安価で年間を通して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．
実施の形態１においては、シリンダー室１３ａの圧力導入孔１１３ａを吐出室６と連結し、シリンダー室１３ｂの圧力導入孔１１３ｂについてはケーシング本体１内の吐出室６と吸込室１６とにそれぞれ止め弁１４ａ、１４ｂを介して流路１５ｂ、１５ｃで連結した構成を示したが、この実施の形態２では、圧力導入孔１１３ａをケーシング１内の吐出室６と吸込室１６とにそれぞれ止め弁１４ａ、１４ｂを介して流路１５ｂ、１５ｃで連結し、圧力導入孔１１３ｂについてはケーシング１内の吸込室１６と連結した構成とするものである。

次に、この実施の形態２における可変Ｖｉ弁８の動作について説明する。実施の形態１と同様にＶｉ値を大と小の２通りに設定できる。
（ｉ）Ｖｉ値大のときの動作
図５に、Ｖｉ値大のときの可変Ｖｉ機構内の各部の圧力と可変Ｖｉ機構の移動方向を示す。
Ｖｉ値大のときは、駆動装置１０が可変Ｖｉ弁８を図中矢印で示す左方向に位置させることで、吐出口７が開くタイミングを遅くしている。

すなわち、Ｖｉ値大のときは、止め弁１４ａを閉、止め弁１４ｂを開とすることでシリンダー室１３ａ内を吐出圧力とする。一方、シリンダー室１３ｂは吸込室１６と連結しており、常時吸込圧力が導入されているので、シリンダー室１３内の圧力差によりピストン１２が図中左方向へ移動しようとする。
一方、ピストン１２に連結されている可変Ｖｉ弁８については、弁本体８ａの吸込側端部８ｇには吸込圧力が作用し、吐出口側端部８ｄには吐出直後の吐出圧力が作用している。また、ガイド部８ｂの吐出口側端部８ｅには吐出口側端部８ｄに作用する圧力と同じ圧力が互いに逆向きに作用し、駆動装置側端部８ｈには吐出圧力が作用している。
したがって、可変Ｖｉ弁８内部の吐出口側端部８ｄと８ｅに作用する荷重は相殺されるので、可変Ｖｉ弁８は駆動装置側端部８ｈと吸込側端部８ｇに作用する圧力差により図中右方向へ移動しようとするが、可変Ｖｉ弁８の駆動装置側端部８ｈの面積よりピストン１２の面積の方が大きく設定されているため、両面積が受ける圧力差によりピストン１２および可変Ｖｉ弁８は図中左方向へ移動する。よって、可変Ｖｉ弁８はピストン１２がシリンダー室１３の壁面と当たる位置で停止するため、Ｖｉ値大の位置に正確に位置決めすることができる。

（ｉｉ）Ｖｉ値小のときの動作
図６に、Ｖｉ値小のときの可変Ｖｉ機構内の各部の圧力と可変Ｖｉ機構の移動方向を示す。
Ｖｉ値小のときは、駆動装置１０が可変Ｖｉ弁８を図中矢印で示す右方向に位置させることで、吐出口７が開くタイミングを早めている。

すなわち、Ｖｉ値小のときは、止め弁１４ａを開、止め弁１４ｂを閉とすることでシリンダー室１３ａ内を吸込圧力とする。一方、シリンダー室１３ｂは吸込室１６と連結しており、常時吸込圧力が導入されているので、シリンダー室１３内の圧力差はない状態となっている。
一方、ピストン１２に連結されている可変Ｖｉ弁８については、弁本体８ａの吸込側端部８ｇには吸込圧力が作用し、吐出口側端部８ｄには吐出直後の吐出圧力が作用している。また、ガイド部８ｂの吐出口側端部８ｅには吐出口側端部８ｄに作用する圧力と同じ圧力が互いに逆向きに作用し、駆動装置側端部８ｈには吐出圧力が作用している。
したがって、シリンダー室１３内は圧力差がない状態となっているので、可変Ｖｉ弁８は、駆動装置側端部８ｈに作用する吐出圧力と吸込側端部８ｇに作用する吸込圧力との差圧により図中右方向へ移動する。よって、可変Ｖｉ弁８はピストン１２がシリンダー室１３の壁面と当たる位置で停止するため、Ｖｉ値小の位置に正確に位置決めすることができる。

本実施の形態２によれば、上記２段階のＶｉ値をＩＰＬＶにおいて重みの大きい２条件において最適となる値に設定することで、吐出圧力と吸込圧力のみに基づいたシンプルな制御で、しかも特別な装置を必要とせずに、安価で年間を通して高効率なスクリュー圧縮機を得ることができる。
また、ピストン１２と可変Ｖｉ弁８にかかる吐出圧力と吸込圧力との圧力差を調整することにより、可変Ｖｉ弁８の位置を段階的に制御することができる。

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に連結されているピストン１２は、図７に示すように、ピストンロッド１７を共通の取付板１８を介して２個の可変Ｖｉ弁８のロッド９に連結することで、可変Ｖｉ弁２個に対して１個であってもよく、図１に示すような可変Ｖｉ弁１個に対して１個のピストンであってもよく、可変Ｖｉ弁８に対するピストン１２の個数は限定しないものとする。

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と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 吐出口側端部、８ｅ 吐出口側端部、８ｆ 吐出空隙、８ｇ 吸込側端部、８ｈ 駆動装置側端部、９ ロッド、１０ 駆動装置、１１ シリンダー、１２ ピストン、１３、１３ａ、１３ｂ シリンダー室、１４、１４ａ、１４ｂ 止め弁、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ 流路、１６ 吸込室、１７ ピストンロッド、１８ 取付板、１１３ａ、１１３ｂ 圧力導入孔。

Claims (4)

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弁の位置を２段階で制御するものであり、
   前記可変Ｖｉ弁の位置は、
   ４つの運転負荷毎に重みを付けて算出される期間成績係数において、重みが大きい上位２つの運転負荷に基づいて設定されている
   ことを特徴とするスクリュー圧縮機。
2. 前記内部容積比可変機構は、シリンダーと、１つのピストンとを有し、
   前記可変Ｖｉ弁は、ロッドを介して前記ピストンに連結されており、
   前記シリンダーの内部は、前記ピストンにより２つの空間室に区間され、
   前記２つの空間室は、前記可変Ｖｉ弁に近い順に、常時吐出圧力を導入するシリンダー室と、弁手段を介して吸込圧力または吐出圧力を導入するシリンダー室として配置されていることを特徴とする請求項１記載のスクリュー圧縮機。
3. 前記内部容積比可変機構は、シリンダーと、１つのピストンとを有し、
   前記可変Ｖｉ弁は、ロッドを介して前記ピストンに連結されており、
   前記シリンダーの内部は、前記ピストンにより２つの空間室に区間され、
   前記２つの空間室は、前記可変Ｖｉ弁に近い順に、弁手段を介して吸込圧力または吐出圧力を導入するシリンダー室と、常時吸込圧力を導入するシリンダー室として配置されていることを特徴とする請求項１記載のスクリュー圧縮機。
4. インバーター回転数制御により容量制御を行う請求項１から３のいずれか一項に記載のスクリュー圧縮機。

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