JP6058133B2 - スクリュー圧縮機及び冷凍サイクル装置 - 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、エコノマイザー機能を備えたスクリュー圧縮機及び冷凍サイクル装置に関するものである。

従来、冷凍サイクルの成績係数（圧縮機入力に対する冷凍能力の比）を高くする目的で、冷凍サイクルに中間冷却器を設け、中間冷却器からのエコノマイザーガスを圧縮室へ送るエコノマイザー運転を行う冷凍サイクル装置がある（例えば、特許文献１参照）。この冷凍サイクル装置では、エコノマイザー配管とスクリュー圧縮機のケーシング内に設けたエコノマイザーポートとを連結して中間冷却器からのエコノマイザーガスを圧縮室へ送るエコノマイザーサイクルの例が開示されている。

また、従来のスクリュー圧縮機として、容量制御を行うために、スクリューロータの外周に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設けた技術がある（例えば、特許文献２参照）。このようなスライドバルブを用いた容量制御は、回転数容量制御と区別して機械式容量制御と呼ばれる。スライドバルブを用いた容量制御は、圧縮室を吸入圧空間にバイパスする吸入バイパス口を、スライドバルブを吐出側へ移動することで開放し、吸入完了のタイミングを遅らせて小容量運転を可能とするものである。

特許文献２のスクリュー圧縮機には、中間冷却器からの冷媒ガスを圧縮室にインジェクションするためのエコノマイザー通路が備えられている。具体的には、スクリュー圧縮機のケーシングの内面側に、エコノマイザーポートを設けると共に、ケーシングの外面側に、ケーシングの外面とスライドバルブが収納されるスライド溝とを連通する中間吸入通路を設け、更に、スライドバルブ内に大径通路及び小径通路を設けている。このように構成された特許文献２では、小容量運転では小径通路を介して中間吸入通路とエコノマイザーポートとを連通させ、大容量運転では大径通路を介して中間吸入通路とエコノマイザーポートとを連通させる構成としている。

すなわち、スライドバルブ内に径の異なる流路を設け、スライドバルブの移動を利用してエコノマイザー通路の流路抵抗を変化させることで、中間冷却器と圧縮室との差圧が小さくなる小容量運転で中間圧を上昇させ、安定したエコノマイザー運転を行うことを可能としている。

特開平５−１０６１４号公報（第２頁、図１） 特開平４−１３６６６３号公報（第３頁、図１）

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ている。そして、部分負荷は、全負荷のうち特に７５〜５０％負荷での運転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、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。

全負荷運転では、冷凍サイクルの高低差圧が大きく大容量運転となり、部分負荷運転では、冷凍サイクルの高低差圧が小さく小容量運転となる。全負荷運転では、エコノマイザー運転をすることで成績係数を向上できるが、部分負荷運転では高低差圧が小さくなるほどエコノマイザー運転の効果が小さくなり、条件によっては成績係数が悪化してしまう。 そのため、全負荷運転と部分負荷運転でエコノマイザー運転の駆動／停止を切り替えて運転することで期間成績係数の向上が図れる。

しかし、特許文献２の技術では、スライドバルブ内に設けた大径通路及び小径通路が、ケーシング内に設けたエコノマイザーポートを介して圧縮室に連通する。そのため、エコノマイザー運転を停止した場合、スライドバルブを移動させてスライドバルブ内の通路を圧縮室から切り離したとしても、ケーシングに設けられているエコノマイザーポートが圧縮室に連通したままとなる。このため、エコノマイザーポートは吸入圧から吐出圧まで無駄に圧縮される容積部（デッドボリューム）となり、再膨張損失を発生させる要因となってしまっている。

また、エコノマイザーポートを設けた部分は、隣り合う圧縮室間の漏れ流路長さが短くなってしまうため、２５％負荷運転など極小容量の運転では漏れの影響が無視できない。このため、エコノマイザーポート径を、エコノマイザー運転を停止した場合に隣り合う圧縮室間の漏れ経路とならないように、スクリュー溝のランド幅（隣り合うスクリュー溝の間の溝山の幅）よりも小さくしておく必要がある。しかし、エコノマイザーポート径を小さくすると、今度はエコノマイザー運転時に流量を確保できなくなる。そこで、エコノマイザーポートに求められるこれらの要件を踏まえ、広い運転範囲で高い成績係数を実現するにあたって有効なエコノマイザーポートの設計改善が求められていた。

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、エコノマイザーポートの位置を改善して、広い運転範囲で高い成績係数を実現できるスクリュー圧縮機及び冷凍サイクル装置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、吐出ポートが形成され、円筒状の内筒面部を有するケーシングと、ケーシングの内筒面部内に回転可能に収容され、複数のスクリュー溝が外周部に設けられたスクリューロータと、外周部にスクリュー溝に噛み合い係合する歯部が形成され、スクリュー溝及び内筒面部と共に圧縮室を形成するゲートロータと、ケーシング内に設けられ、吸入圧力雰囲気となっている吸入圧室と、ケーシングの内筒面部に形成され、スクリューロータの回転軸方向に延びるスライド溝と、スライド溝内にスクリューロータの回転軸方向にスライド移動自在に設けられ、吐出開始のタイミングを調整するスライドバルブと、ケーシング内に形成され、ケーシングの外部とスライド溝とを連通するエコノマイザー流路と、スライドバルブに形成され、スライドバルブの位置に応じて圧縮室にエコノマイザー流路を連通させるエコノマイザーポートとを備え、スライドバルブは、吐出側から吸入側に移動するに連れ、吐出開始のタイミングを早めるものであり、エコノマイザーポートは、スライドバルブが最も吸入側に移動した状態において吸入圧室に連通する位置に設けられ、エコノマイザーポートが吸入圧室に連通する位置にある場合は、エコノマイザーポートとエコノマイザー流路とが連通しない、または、エコノマイザー流路に接続されるエコノマイザー配管が閉止されるものである。

本発明によれば、スライドバルブが最も吸入側にある状態では、エコノマイザーポートを設けていない圧縮機とまったく同じ状態を作ることができ、エコノマイザーポートで発生する再膨張損失やエコノマイザーポートを経由する漏れが増大することがない。よって、広い運転範囲で高い成績係数を実現でき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を備えた冷凍サイクル装置２００の冷媒回路図である。 本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機１００の概略断面図である。 図２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に係るエコノマイザーポート１２ｐ近傍の説明図である。 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置２００のエコノマイザー運転時の冷凍サイクル説明図である。 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置２００の全負荷運転時の圧力−比エンタルピ線図である。 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置２００の部分負荷運転で高低差圧が小さいときの圧力−比エンタルピ線図である。 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回転角とエコノマイザーポート１２ｐ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におけるスクリュー回転角とエコノマイザーポート１２ｐ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２に係るスクリュー圧縮機１００のスライドバルブ１２０近傍の説明図である。 本発明の実施の形態２に係るスライドバルブ１２０が吐出側に配置された状態を示す図である。 本発明の実施の形態２に係るスライドバルブ１２０が吸入側に配置された状態を示す図である。 本発明の実施の形態２に係るスクリュー圧縮機１００におけるエコノマイザーポート１２ｐとエコノマイザー流路５０との位置関係の変形例の説明図である。 エコノマイザーポート１２ｐ，１２０ｐの径の変形例の説明図である。

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１００を備えた冷凍サイクル装置２００の冷媒回路図である。なお、図１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。

冷凍サイクル装置２００は、インバータ１０１で駆動されるスクリュー圧縮機１００と、凝縮器１０２と、中間冷却器１０３の高圧部と、減圧装置である膨張弁１０４と、蒸発器１０５とを順に冷媒配管で接続した冷媒回路を備えている。冷凍サイクル装置２００は更に、中間冷却器１０３と膨張弁１０４との間から分岐し、中間冷却器用膨張弁１０６及び中間冷却器１０３の低圧部を介してスクリュー圧縮機１００に接続されたエコノマイザー配管１０７を有している。

凝縮器１０２は、スクリュー圧縮機１００からの吐出ガスを冷却、凝縮させる。膨張弁１０４は、凝縮器１０２の分岐した液を絞り膨張させる。蒸発器１０５は、膨張弁１０４を流出した冷媒を蒸発させる。中間冷却器１０３は、凝縮器１０２と膨張弁１０４との間の高圧側冷媒と、高圧側冷媒の一部を中間冷却器用膨張弁１０６で減圧した低圧側冷媒とを熱交換させて高圧側冷媒を冷却する。

冷凍サイクル装置２００には更に、インバータ１０１、膨張弁１０４、中間冷却器用膨張弁１０６の制御、スクリュー圧縮機１００のスライドバルブ１２の位置の制御、後述のエコノマイザー運転の駆動及び停止等、冷凍サイクル装置全体を制御する制御装置２０１を備えている。

（スクリュー圧縮機）
以下、本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機１００を図２〜図６を用いて説明する。
図２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３は、図２のＡ−Ａ断面図である。

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（内筒面部）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、ゲートロータ用開口部１ａが、回転軸９（図２参照）方向に延びるように形成されている。また、ゲートロータ用開口部１ａは、背面のスクリュー溝１０の傾斜に沿って延長されて形成され、背面の圧縮室を形成する収容部１Ａの吸入壁１ｃと繋がって形成されている。

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１ａ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１ａ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、ケーシング１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）に連結部１２ｃを介して接続されており、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４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４は、図３の白抜き矢印Ｂ側から見た斜視図である。また、図４（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４（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４では、吐出ポート１５近傍をわかりやすく示すため、連結部１２ｃに連結されるガイド部等の図示は省略している。

図５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近傍の説明図で、スライドバルブ１２が最も吸入側に位置するときの状態を示している。なお、ここでいう「最も吸入側」とは、吐出タイミングを調整する上でのスライドバルブ１２の移動範囲における「最も吸入側」を意味しているものであって、スライドバルブ１２のスライド範囲全体における「最も吸入側」とは必ずしも一致するわけではない。つまり、吐出タイミングを調整する上でのスライドバルブ１２の移動範囲と、スライドバルブ１２のスライド範囲とが同じ場合は一致するが、そうでない場合、ここでいう「最も吸入側」が、スライドバルブ１２のスライド範囲の「最も吸入側」よりも吐出側の位置となることもある。以下の説明における「最も吐出側」についても同様の意味である。

図４に示すように、スライドバルブ１２は回転軸９（図２参照）と平行にスライド溝１４（図５参照）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、部分負荷運転で比較的圧縮比が小さい場合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、全負荷運転の場合及び部分負荷運転で比較的圧縮比が大きい場合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５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φ１に開口する領域で構成される。換言すれば、可変ポート１６は、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。また、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を可変する。また、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自身の開口面積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４参照）との間に形成された部分である。

次に、スライドバルブ１２の取り付け位置を説明する。ここでは、図４に示すように、ゲートロータ用開口部１ａのスライドバルブ１２側の端面（以下、ゲートロータ開口面という）１ａａからスライドバルブ１２の中心までの角度をφ３と定義し、φ３の角度でスライドバルブ１２の取り付け位置を示す。φ３の下限は、吐出面積を大きくできる従来の３０°より大きい値とする。φ３の上限はスライドバルブ１２が、反対面のゲートロータ支持部品と干渉しない角度である。これは、スライドバルブ１２の大きさによって変化し、例えばスライドバルブ１２の大きさが従来並（スクリューロータ４の中心角φ１で幅４０°前後）の場合は、φ３の上限が１００°となる。

ここで、可変ポート１６の回転側スライド面を１６ｌ、反回転側スライド面を１６ｒと定義する。また、固定ポート１７の吸入側端面は段差を有しており、以下では、段差部分を境として可変ポート１６側から傾斜面１７ａ、垂直面１７ｂと定義する。また、以下では、固定ポート１７を段差部分で周方向に２つに分割した部分のうち、傾斜面１７ａを含む部分を分割固定ポート１７ａｘ、垂直面１７ｂを含む部分を分割固定ポート１７ｂｘとして区別する場合がある。なお、分割固定ポート１７ｂｘ部分の形成範囲は、スクリューロータ中心角範囲でφ２であり、例えば１０゜程度である。

スクリュー圧縮機１００は更に、中間冷却器１０３からの冷媒ガスを圧縮室１１（圧縮過程にあるスクリュー溝１０）に導くためのエコノマイザー流路５０（図３参照）をケーシング１に備えている。エコノマイザー流路５０は、ケーシング１の外部とスライド溝１４とを連通するようにケーシング１に設けられている。

そして、エコノマイザー流路５０にエコノマイザー配管１０７が接続され、中間冷却器１０３とエコノマイザー流路５０とが連結される。また、スクリュー圧縮機１００は更に、スライドバルブ１２の円柱部にエコノマイザーポート１２ｐが形成されている。エコノマイザーポート１２ｐは、図５右図に示すように、スライドバルブ１２においてスライド溝１４との摺接面である外周面から、スライドバルブ１２においてスクリューロータ４との摺接面である内周面に貫通するように形成されている。

（エコノマイザーポート１２ｐ近傍の詳細構成）
次に、本実施の形態１に係るエコノマイザーポート１２ｐ近傍の詳細構成について説明する。
図６は、本発明の実施の形態１に係るエコノマイザーポート１２ｐ近傍の説明図である。
エコノマイザー流路５０は、エコノマイザー配管１０７に接続する管路５０ａとスライド溝１４側に接続する長溝５０ｂとを有する。長溝５０ｂはスライドバルブ１２のスライド面に沿って延びるように構成され、長溝５０ｂの長さｌは、エコノマイザー運転を行う運転範囲のスライドバルブ制御位置に対応した長さとしている。

なお、エコノマイザー運転とは、中間冷却器用膨張弁１０６を開いてエコノマイザー配管１０７とスクリュー圧縮機１００とを連通させ、中間冷却器１０３の低圧部を通過後のエコノマイザーガスをスクリュー圧縮機１００の圧縮室１１にインジェクションする運転である。また、長溝５０ｂの溝幅（スクリューロータ周方向の長さ）は、図６の右図に示すようにエコノマイザーポート１２ｐの径ｄより大きくしている。エコノマイザーポート径ｄは、スクリューロータ４の隣り合う圧縮室１１を連通しない最大径（最小歯厚以下）としている。

（動作説明）
次に、本実施の形態１の動作について説明する。
まず、全負荷運転での冷媒回路の動作を説明する。

図７は、本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置２００のエコノマイザー運転時の冷凍サイクル説明図である。図８は、本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置２００の全負荷運転時の圧力−比エンタルピ線図である。図７中の矢印は冷媒の流れを示し、実線は冷媒液、破線は冷媒ガスである。図８中の（）内の各数字の位置の冷媒状態は、図７のそれぞれ対応する数字の配管位置の冷媒状態に対応している。

図７、図８において、蒸発器１０５を出た圧力Ｐｓの冷媒ガス（１）はスクリュー圧縮機１００に吸い込まれ、圧力Ｐｄまで圧縮された後、吐出される。吐出された冷媒ガス（５）は、凝縮器１０２で（６）の状態まで過冷却される。高圧の過冷却液（６）は、中間冷却器１０３の高圧部に入り、更に冷却されて（８）の状態となる。中間冷却器１０３から出た高圧液（８）は、その一部が分岐され、中間冷却器用膨張弁１０６で中間圧力Ｐｍまで絞り膨張され、（７）の状態で再び中間冷却器１０３の低圧部に流れ込む。

凝縮器１０２を出て直接、中間冷却器１０３の高圧部に流入した高圧液（高圧側冷媒）（６）は、中間冷却器用膨張弁１０６を経て再び中間冷却器１０３の低圧部に流入した冷媒液（低圧側冷媒）との熱交換により、過冷却状態が（８）の状態まで大きくなる。すなわち、この過冷却の増加によって、蒸発器１０５の冷凍効果は増えることになる。

一方、中間冷却器１０３の低圧部に再び流入した冷媒液（低圧側冷媒）（７）は、高圧側冷媒との熱交換により蒸発して冷媒ガス（７ａ）となる。そして、この冷媒ガス（７ａ）は、エコノマイザー配管１０７及びエコノマイザー流路５０を経由して、スライドバルブ１２に設けたエコノマイザーポート１２ｐから圧縮中のスクリュー溝１０にインジェクションされ、圧縮ガスと混合する（（２）−（３））。

このとき、スクリュー圧縮機１００へのガス流入量や流入するタイミングによって、圧縮動力が変化する。したがって、できるだけ圧縮動力を増さずに冷凍能力を大きくすることが成績係数を高くするポイントとなり、最適な中間圧力Ｐｍが存在する。

次に、部分負荷運転で高低差圧が小さいときの冷媒回路の動作を説明する。
図９は、本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置２００の部分負荷運転で高低差圧が小さいときの圧力−比エンタルピ線図である。
部分負荷運転で高低差圧が小さいときは、図９に示すように中間圧（中間冷却器出口）と圧縮室間の差圧が小さく、エコノマイザー運転時に過渡的に中間圧＜圧縮室１１となって動作が不安定となる。その上、冷凍能力の拡大効果が小さく、エコノマイザーガスが圧縮途中に流入することによる動力増加の方が大きくなって成績係数が低下する。そのため、高低差圧が小さい条件では、図７の中間冷却器用膨張弁１０６を閉止し、エコノマイザー運転を行わないようにしている。

（圧縮機の動作説明）
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１０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１０に示すように、スクリューロータ４が電動機８（図２参照）により回転軸９（図２参照）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内を相対的に移動する。これにより、圧縮室１１内では、吸入行程、圧縮行程及び吐出行程を一サイクルとして、このサイクルを繰り返すようになっている。ここでは、図１０においてグレーで示した圧縮室１１に着目して各行程について説明する。

図１０（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１０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１０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２参照）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の方へ回転移動する。これにより図１０（ｂ）のように圧縮室１１の容積（体積）が縮小する。なお、図１０（ｂ）においてスライドバルブ１２の図示を省略しているが、図１０（ｂ）では可変ポート１６はスライドバルブ１２によって閉じられており、図１０（ａ）よりも圧縮室１１の容積が縮小して、圧縮室１１内の冷媒ガスを圧縮している。

引き続きスクリューロータ４が回転すると、図１０（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（図４参照）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（図４には示されていない方のゲートロータ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。以降、収容部１Ａの内壁面によって覆われておらず、吸入圧力雰囲気となっているケーシング１内の空間（ゲートロータサポート室６も含む）を吸入圧室１Ｃと定義する。

次に、エコノマイザーポート１２ｐとスクリュー溝１０との位置関係を図１１と図１２を用いて説明する。
図１１と図１２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エコノマイザーポート１２ｐとの関係を説明するための説明図である。図１１は、スライドバルブ１２が吐出側に配置される時の状態（全負荷運転など圧縮比が大きい運転状態）を示している。図１２は、スライドバルブ１２が吸入側に配置される時の状態（部分負荷運転でも比較的圧縮比の小さい運転状態）を示している。また、図１１（ａ）〜（ｃ）と図１２（ａ）〜（ｃ）は、スクリューロータ４外周面の展開図を示している。図１１（ｄ）と図１２（ｄ）は、図１１（ａ）と図１２（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。

図１１のＡ１〜Ａ９及び図１２のＢ１〜Ｂ１１は、それぞれスクリュー回転角θＡ（１）〜θＡ（９）、θＢ（１）〜θＢ（１１）のスクリュー溝１０を示している。すなわち、図１１は、スクリュー溝１０が回転角θＡ（１）→θＡ（２）→θＡ（３）→θＡ（４）→θＡ（５）→θＡ（６）→θＡ（７）→θＡ（８）→θＡ（９）の順に進行し、スクリュー溝１０の容積が縮小する様子を示している。そして、図１２は、スクリュー溝１０が回転角θＢ（１）→θＢ（２）→θＢ（３）→θＢ（４）→θＢ（５）→θＢ（６）→θＢ（７）→θＢ（８）→θＢ（９）→θＢ（１０）→θＢ（１１）の順に進行し、スクリュー溝１０の容積が縮小する様子を示している。

図１２において斜線でハッチングしたスクリュー溝Ｂ１、Ｂ２は、吸入過程のスクリュー溝１０である。つまり、スクリュー溝Ｂ１、Ｂ２は、ゲートロータ７と収容部１Ａの内壁面とで完全に閉じ込まれている状態ではない位置にある。また、図１１と図１２において塗りつぶされたスクリュー溝Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ｂ３は圧縮過程にあるスクリュー溝１０である。また、塗りつぶされていないスクリュー溝Ａ４〜Ａ９、Ｂ４〜Ｂ１１は、吐出過程にあるスクリュー溝１０である。吐出過程で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１１、図１２の格子線部で示している。

（全負荷運転時の場合）
図１１を用いて、全負荷運転時のエコノマイザーポート１２ｐとスクリュー溝１０との位置関係を説明する。
全負荷運転ではエコノマイザー運転を行う。エコノマイザー運転では、スライドバルブ１２は図１１（ｄ）に示すように吐出側に移動し、図１１（ａ）〜（ｃ）に示すように可変ポート１６を完全に閉塞する位置に配置される。また、ケーシング１に設けられたエコノマイザー流路５０とエコノマイザーポート１２ｐとは連通した状態になっている。

図１１（ａ）に示すようにエコノマイザーポート１２ｐは、吸入を完了した直後の低圧のスクリュー溝Ａ１に連通し始める。そして、エコノマイザーポート１２ｐは、圧縮行程中のスクリュー溝Ａ２→Ａ３上を進行する。エコノマイザーポート１２ｐがスクリュー溝Ａ２→Ａ３上を進行する間、中間圧力Ｐｍとスクリュー溝１０との差圧により、エコノマイザーガスがエコノマイザーポート１２ｐからスクリュー溝１０にインジェクションされる。高圧となるスクリュー溝１０にエコノマイザーポート１２ｐを開口させると中間圧が上昇し、エコノマイザー運転による能力拡大効果（図８の（８）の過冷却度）が小さくなる。よって、ここでは、できるだけ低圧のスクリュー溝１０にエコノマイザーガスをインジェクションするようにしている。

また吸入過程のスクリュー溝１０に多量の冷媒ガスがインジェクションされると冷媒循環量が減少し、冷凍能力を低下させる要因となる。このため、吸入をほぼ完了するタイミングでエコノマイザーポート１２ｐがスクリュー溝１０に連通するようにしている。すなわち、エコノマイザーポート１２ｐは、図１１（ａ）に示すように圧縮開始時のスクリュー溝Ａ１から連通し始め、圧縮過程中のスクリュー溝Ａ２、Ａ３を通過し、スクリュー溝Ａ４で完全にスクリュー溝に開口しなくなり、これが繰り返される。

なお、部分負荷運転でも比較的高低差圧が大きく、エコノマイザー効果が得られる条件では、ケーシング１に設けられたエコノマイザー流路５０とエコノマイザーポート１２ｐとを連通させて、エコノマイザー運転を行う。部分負荷運転でのエコノマイザー運転では、スライドバルブ１２を全負荷運転より吸入側へ移動させるか、全負荷運転と同じスライド位置に位置させる。

（部分負荷運転で高低差圧が小さい場合）
次に図１２を用いて、部分負荷運転で高低差圧が小さいときのエコノマイザーポート１２ｐとスクリュー溝１０との位置関係を説明する。
部分負荷運転で高低差圧が小さいときはエコノマイザー運転を停止する。エコノマイザー運転を停止する場合、スライドバルブ１２は、図１２（ｄ）に示すように吸入側に移動し、エコノマイザーポート１２ｐを、図４（ｂ）に示すように収容部１Ａの内壁面のない部分（吸入圧室１Ｃ）に配置させる。この状態では、ケーシング１に設けられたエコノマイザー流路５０とエコノマイザーポート１２ｐとは連通しない状態になっている。また、エコノマイザー運転中、エコノマイザーポート１２ｐは、常に吸入圧室１Ｃに連通した状態になっている。したがって、部分負荷運転で高低差圧が小さいときは、吸入過程から吐出過程までエコノマイザーポート１２ｐがスクリュー溝１０に関与しない状態で運転が行われる。

上記特許文献２では、上述したように、エコノマイザー運転を停止した状態でエコノマイザーポートがスクリュー溝上を通過するときに再膨張損失が発生する。しかし、本実施の形態１の構成では、エコノマイザー運転を停止する運転においてエコノマイザーポート１２ｐがまったく関与しなくなるので、再膨張損失による性能低下を防止できる。また、部分負荷運転は容量が小さく、隣り合う圧縮室間の漏れの影響が顕著となるが、本実施の形態１の構成では、エコノマイザー運転を停止した場合にエコノマイザーポート１２ｐがまったく関与しなくなることで、エコノマイザーポート１２ｐを経由することによるスクリュー溝１０間の漏れをなくすことができる。

以上説明したように、実施の形態１では以下の効果が得られる。すなわち、本実施の形態１では、スライドバルブ１２が最も吐出側に位置した状態において、圧縮室１１及びエコノマイザー流路５０に連通する位置にエコノマイザーポート１２ｐを設けた。また、スライドバルブ１２が最も吸入側に位置した状態において、吸入圧室１Ｃに連通する位置にエコノマイザーポート１２ｐを設けた。この構成により、エコノマイザー効果の大きい、高低差圧が大きい全負荷運転などでは、エコノマイザー運転による成績係数の向上が図れる。一方、エコノマイザー運転によって成績係数の向上が見込めない低差圧の部分負荷運転では、エコノマイザー運転を停止することで、更に、エコノマイザーポート１２ｐによる再膨張損失や漏れ損失が発生しない高い成績係数を得ることができる。つまり、本実施の形態１によれば、広い運転範囲で高い成績係数を実現できるスクリュー圧縮機１００及び冷凍サイクル装置２００を得ることができる。

実施の形態２.
実施の形態１ではスライドバルブ１２の取付位置において、ゲートロータ開口面１ａａからスライドバルブ１２の中心までの角度をφ３とすると３０°＜φ３＜９０°の範囲に設けたが、実施の形態２ではφ３＝３０°の例を説明する。

図１３は、本発明の実施の形態２に係るスクリュー圧縮機１００のスライドバルブ１２０近傍の説明図である。
なお、本実施の形態２では実施の形態１との差異点を説明するものとし、本実施の形態２で説明されていない構成は実施の形態１と同様である。

本実施の形態２では、図１３に示すように、スライドバルブ１２０の中心をφ３＝３０°に配置している。すなわち、実施の形態２の固定ポート１７０は、実施の形態１の分割固定ポート１７ｂｘ部分のみとなっており、分割固定ポート１７ａｘが無い構成となっている。

次に、実施の形態２のエコノマイザーポート１２０ｐとスクリュー溝１０との関係を説明する。

図１４は、本発明の実施の形態２に係るスライドバルブ１２０が吐出側に配置された状態を示す図である。図１５は、本発明の実施の形態２に係るスライドバルブ１２が吸入側に配置された状態を示す図である。図１４、図１５のハッチング等の説明は図１１、図１２と同様のため省く。

実施の形態２では、実施の形態１の図１１と図１４とを比較して明らかなように、可変ポート１６すなわちスライドバルブ１２０が設けられる角度範囲のスクリュー溝１０のランド幅が、実施の形態１に比べて小さい。よって、実施の形態２では、エコノマイザーポート１２０ｐをスクリュー溝１０の傾斜に沿って複数個設け、流路面積を確保するようにしている。なお、エコノマイザーポート１２０ｐは、実施の形態１と同様、スライドバルブ１２０が最も吐出側に位置した状態において、圧縮室１１及びエコノマイザー流路５０に連通する位置に設けられている。また、エコノマイザーポート１２０ｐは、実施の形態１と同様、スライドバルブ１２０が最も吸入側に位置した状態において、吸入圧室１Ｃに連通する位置に設けられている。

（全負荷運転時の場合）
全負荷運転では、図１４（ｄ）に示すように、ケーシング１に設けられたエコノマイザー流路５０とエコノマイザーポート１２０ｐとは連通した状態になっており、実施の形態１と同様にエコノマイザー運転を行う。

実施の形態１では、図１１に示したようにスライドバルブ１２０で可変ポート１６を閉塞したが、本実施の形態２では、吐出面積を確保するため、スライドバルブ１２０は可変ポート１６を開放する。図１４（ａ）に示すようにエコノマイザーポート１２０ｐは、吸入を完了する少し前の低圧のスクリュー溝Ａ１に連通し始める。そして、エコノマイザーポート１２０ｐは、圧縮行程中のスクリュー溝Ａ２→Ａ３上を進行し、エコノマイザーポート１２０ｐからスクリュー溝１０にエコノマイザーガスが中間圧力Ｐｍとスクリュー溝１０との差圧でインジェクションされる。

ここで、エコノマイザーポート１２０ｐの大きさは、隣り合う圧縮室１１が連通しない径とすると、小さい径しかとれず、中間圧が上昇してエコノマイザー運転による能力拡大効果（図８の（８）の過冷却度）が小さくなる。よって、本実施の形態２では、複数のエコノマイザーポート１２０ｐを設け、流入量を確保できるようにしている。

（部分負荷運転で高低差圧が小さい場合）
次に、図１５を用いて、部分負荷運転で高低差圧が小さいときのエコノマイザーポート１２０ｐとスクリュー溝１０の関係を説明する。
部分負荷運転で高低差圧が小さいときはエコノマイザー運転を停止する。エコノマイザー運転を停止する場合、スライドバルブ１２０は、図１５（ｄ）に示すように吸入側に移動し、エコノマイザーポート１２０ｐを、収容部１Ａの吸入壁１ｃの境界に位置させる。また、ケーシング１に設けられたエコノマイザー流路５０とスライドバルブ１２０に設けられたエコノマイザーポート１２０ｐとは連通しない状態になっている。

エコノマイザー運転を停止中、エコノマイザーポート１２０ｐは、吸入過程にあるスクリュー溝Ｂ１とスクリュー溝Ｂ２上を通過し、圧縮開始時のスクリュー溝Ｂ３をわずかに通過する。しかし、この間のスクリュー溝１０の昇圧量は小さく、再圧縮損失や漏れ損失に及ぼす影響は小さい。

以上説明したように、実施の形態２によれば、実施の形態１と同様の効果が得られると共に、以下の効果が得られる。すなわち、実施の形態２では、（実施の形態１に比べてスライド量が小さくなるため、対応可能な圧縮比幅は縮小するが）、スライドバルブ１２０の位置を実施の形態１よりゲートロータ７側に配置することで、スクリュー中心角９０°付近に別の構造部品や構造を作るスペースを確保できる。

スライドバルブ１２０の位置を実施の形態１よりゲートロータ７側に配置することで、上述した効果が得られる一方、スライドバルブ１２０が設けられる角度範囲のスクリュー溝１０のランド幅が実施の形態１に比べて小さくなる。この場合、エコノマイザーポート径をランド幅よりも小さくする設計では、エコノマイザーポート１２０ｐが一つであると、流路面積を確保できない。しかし、本実施の形態２では、エコノマイザーポート１２０ｐをスクリュー溝１０の傾斜に沿って複数個設けているため、流路面積を確保することができる。

なお、実施の形態１及び実施の形態２では、エコノマイザー運転を行わない場合、エコノマイザー流路５０とエコノマイザーポート１２ｐ，１２０ｐとが連通しないようにした。しかし、図１５Ａ（スライドバルブが吸入側にある場合）に示すように、中間冷却器用膨張弁１０６などでエコノマイザー配管１０７を閉止すれば、吸入側へエコノマイザーガスが漏れて吸入ガスの圧縮室１１への流入を阻害することがない。このため、部品共通化などの観点から、エコノマイザー流路５０とエコノマイザーポート１２ｐとが連通するようにしてもよく、この場合も同様の効果がある。

図１６は、エコノマイザーポート１２ｐ，１２０ｐの径の変形例の説明図で、（ａ）は収容部１Ａ内壁面及びスクリューロータ４外周面の展開図、（ｂ）は（ａ）のｄ−ｄ断面を示している。
実施の形態１及び実施の形態２では、エコノマイザーポート１２ｐ，１２０ｐは隣り合う圧縮室１１を連通しない径となっている。しかし、エコノマイザー運転でのみエコノマイザーポート１２ｐ，１２０ｐを使用する場合、インジェクションされる冷媒の流れが、図１６（ｂ）の白抜き矢印に示すような流れであれば、隣り合う圧縮室間の漏れはない。よって、使用範囲によってはエコノマイザーポート１２ｐ，１２０ｐを図１６（ａ）に示すようにランド幅より大きくしてもよく、この場合も実施の形態１及び実施の形態２と同様の効果がある。

なお、スクリューロータ４のランド幅は、スライドバルブ１２の位置がゲートロータ７側に近づくほど小さくなる。そのため、エコノマイザーポート径をランド幅よりも小さくする設計では、スライドバルブ１２の取付位置を、従来のφ３＝３０°より大きく、スライドバルブ１２が反対側のゲートロータ７の支持部品と干渉しない１００°程度の範囲に設けておく方が、エコノマイザーポート径を大きく取れ、安定した流量制御を行える効果がある。

以上の結果、高圧縮比から低圧縮比まで広い運転範囲で高い成績係数にできる、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１００を得ることができる。

１ ケーシング、１Ａ 収容部（内筒面部）、１Ｂ 開口部、１Ｃ 吸入圧室、１ａ ゲートロータ用開口部、１ａａ ゲートロータ開口面、１ｃ 吸入壁、１ｅ 対向面、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、１２ スライドバルブ、１２ｃ 連結部、１２ｄ 傾斜面（吐出側端面）、１２ｐ エコノマイザーポート、１４ スライド溝、１５ 吐出ポート、１６ 可変ポート、１６ｌ スライド面（回転側スライド面）、１６ｒ 反回転側スライド面、１７ 固定ポート、１７ａ 傾斜面、１７ａｘ 分割固定ポート、１７ｂ 垂直面、１７ｂｘ 分割固定ポート、５０ エコノマイザー流路、５０ａ 管路、５０ｂ 長溝、１００ スクリュー圧縮機、１０１ インバータ、１０２ 凝縮器、１０３ 中間冷却器、１０４ 膨張弁、１０５ 蒸発器、１０６ 中間冷却器用膨張弁、１０７ エコノマイザー配管、１２０ スライドバルブ、１２０ｐ エコノマイザーポート、１７０ 固定ポート、２００ 冷凍サイクル装置、２０１ 制御装置。

Claims (6)

1. 吐出ポートが形成され、円筒状の内筒面部を有するケーシングと、
   前記ケーシングの前記内筒面部内に回転可能に収容され、複数のスクリュー溝が外周部に設けられたスクリューロータと、
   外周部に前記スクリュー溝に噛み合い係合する歯部が形成され、前記スクリュー溝及び前記内筒面部と共に圧縮室を形成するゲートロータと、
   前記ケーシング内に設けられ、吸入圧力雰囲気となっている吸入圧室と、
   前記ケーシングの前記内筒面部に形成され、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スクリューロータの回転軸方向にスライド移動自在に設けられ、吐出開始のタイミングを調整するスライドバルブと、
   前記ケーシング内に形成され、前記ケーシングの外部と前記スライド溝とを連通するエコノマイザー流路と、
   前記スライドバルブに形成され、前記スライドバルブの位置に応じて前記圧縮室に前記エコノマイザー流路を連通させるエコノマイザーポートとを備え、
   前記スライドバルブは、吐出側から吸入側に移動するに連れ、吐出開始のタイミングを早めるものであり、
   前記エコノマイザーポートは、前記スライドバルブが最も吸入側に移動した状態において前記吸入圧室に連通する位置に設けられ、
   前記エコノマイザーポートが前記吸入圧室に連通する位置にある場合は、前記エコノマイザーポートと前記エコノマイザー流路とが連通しない、又は、前記エコノマイザー流路に接続されるエコノマイザー配管が閉止される
   ことを特徴とするスクリュー圧縮機。
2. 前記エコノマイザーポートは、前記スライドバルブが最も吐出側に移動した状態にあるときに前記圧縮室及び前記エコノマイザー流路に連通する位置に設けら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. 前記ゲートロータと該ゲートロータが形成する圧縮室の吐出開始のタイミングを調整する前記スライドバルブとの組を一対備え、一対の前記スライドバルブのそれぞれの中心位置が、それぞれ同じ組の前記ゲートロータの前記歯部が挿通する前記ケーシングの開口であるゲートロータ用開口部における前記スライドバルブ側の端面から、スクリューロータ中心角度で、３０°より大きく１００°より小さい範囲に設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のスクリュー圧縮機。
4. 前記エコノマイザーポートを、前記スクリュー溝の傾斜に沿って複数個設けたことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか一項に記載のスクリュー圧縮機。
5. 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〜請求項４の何れか一項に記載のスクリュー圧縮機。
6. 請求項１〜請求項５の何れか一項に記載のスクリュー圧縮機、凝縮器、中間冷却器の高圧部、減圧装置及び蒸発器を順に冷媒配管で接続した冷媒回路と、
   前記中間冷却器と前記減圧装置との間から分岐し、中間冷却器用膨張弁及び前記中間冷却器の低圧部を介して前記スクリュー圧縮機の前記エコノマイザー流路に接続されたエコノマイザー配管とを備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。

Images