JP6136499B2

JP6136499B2 - スクリュー圧縮機

Info

Publication number: JP6136499B2
Application number: JP2013083927A
Authority: JP
Inventors: 雅浩神田; 雅章上川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-04-12
Filing date: 2013-04-12
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2033-04-12
Also published as: JP2014206098A

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内部容積比（以下Ｖｉと称する）可変弁を備えた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けるＶｉというのは、例えば特許文献１に示されているように、吸込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、吸込が完了したときの容積と吐出口が開くときの容積との比を表している。そして、Ｖｉ可変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Ｖｉ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、吐出口が開く前にガスは吐出圧力以上に過圧縮され、余分な圧縮処理を行うことになる。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口が開くため、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。

このような課題に対して、吐出開始のタイミングを調整してＶｉを可変にするスライド弁であるＶｉ可変弁を備え、運転圧力比に応じて駆動装置からの駆動力によりＶｉ可変弁の開度を調整するようにしたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、特許文献２では図１、図２で示されるように、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Ｖｉ可変弁に連結した駆動装置で制御するとともに、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Ｖｉ可変弁の開度調整を行っている。

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

Ｖｉ可変式のスクリュー圧縮機では、Ｖｉ可変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うことから、Ｖｉ可変弁の位置を条件毎に変更するための複雑な構造と制御部が必要にな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、簡易な制御でＶｉ可変機構を実現し、高効率なスクリュー圧縮機を得ることを目的とする。

本発明に係わるスクリュー圧縮機は、ケーシングと、前記ケーシングの内部で冷媒を圧縮するスクリューローターと、前記スクリューローターを回転させるモーターと、前記ケーシングに摺動して内部容積比Ｖｉを変更するためのＶｉ可変弁を有する内部容積比可変機構と、を備え、前記内部容積比可変機構は、シリンダーと、前記シリンダーの内部に設けられ、開口が形成されたピストン隔壁と、前記Ｖｉ可変弁と第一のロッドを介して連結された第一のピストンと、前記第一のピストンと分離して設けられ、前記開口よりも直径が大きく、前記第一のピストンよりも直径が小さい第二のピストンと、前記第一のピストンに対して前記ピストン隔壁を挟んで設けられ、前記開口を貫通した第二のロッドで前記第二のピストンと連結された第三のピストンと、を有し、前記シリンダーの内部には、前記第一のピストン、前記第二のピストン及び前記第三のピストンにより少なくとも３つのシリンダー室が形成され、前記３つのシリンダー室内のうち少なくとも１つのシリンダー室内の圧力を変化させることで前記第一のピストンを動かして前記Ｖｉ可変弁の位置制御を行なうことを特徴とする。

本発明によれば、Ｖｉ可変機構のシリンダー内の圧力を入れ替えることでＶｉ可変弁の位置制御を実現できるため、複雑な制御部を必要とせずに安価な高効率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を示す側面視の断面図である。本発明の実施の形態１に係るＶｉ可変機構の側面視の断面図である。本発明の実施の形態１に係るＶｉ可変機構のＶｉ値大時の側面視の断面図である。本発明の実施の形態１に係るＶｉ可変機構のＶｉ値中時の側面視の断面図である。本発明の実施の形態１に係るＶｉ可変機構のＶｉ値小時の側面視の断面図である。本発明の実施の形態２に係るＶｉ可変機構のＶｉ値大時の側面視の断面図である。本発明の実施の形態２に係るＶｉ可変機構のＶｉ値中時の側面視の断面図である。本発明の実施の形態２に係るＶｉ可変機構のＶｉ値小時の側面視の断面図である。本発明の実施の形態３に係るＶｉ可変機構の側面視の断面図である。本発明の実施の形態３に係るＶｉ可変機構のＶｉ値１００％負荷時の側面視の断面図である。本発明の実施の形態３に係るＶｉ可変機構のＶｉ値７５％負荷時の側面視の断面図である。本発明の実施の形態３に係るＶｉ可変機構のＶｉ値５０％負荷時の側面視の断面図である。本発明の実施の形態３に係るＶｉ可変機構のＶｉ値２５％負荷時の側面視の断面図である。

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を示す側面視の断面図である。実施の形態１に係るスクリュー圧縮機は例えばシングルスクリュー圧縮機であり、筒状のケーシング本体１と、このケーシング本体１内に収容して冷媒を圧縮するスクリューローター２と、このスクリューローター２を回転駆動するモーター３とが備えられている。

モーター３はケーシング本体１に内接して固定したステーター３ａと、ステーター３ａの内側に配置したモーターローター３ｂにて構成され、インバーター方式で回転数が制御される。スクリューローター２とモーターローター３ｂ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上に固定されている。

スクリューローター２に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上に固定したモーターローター３ｂに連動してスクリュー溝が回転駆動される。スクリューローター２の円筒面に隣接して形成した溝の空間には、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）に囲まれて圧縮室５が形成される。

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に隔てられている。ケーシング本体１の吐出圧力側には、吐出室６と吐出室６に開口する吐出口７とが形成され、吸込圧力側には吸込室８が形成されている。
尚、吐出圧力と吸込圧力の関係は吐出圧力＞吸込圧力であり、吐出圧力が高圧となっている。

ケーシング本体１には、Ｖｉ可変機構の一部を形成する駆動装置１０と、第１ロッド９に連結されて軸方向に移動可能な一対のＶｉ可変弁１１が設けられており、Ｖｉ可変弁１１には吐出口７の一部が形成されている。

Ｖｉ可変弁１１の吐出口７を含む駆動装置１０方向の面は吐出室６と接しており、周囲の圧力は高圧の吐出圧力になっている。一方、Ｖｉ可変弁１１のモーター３方向の面は吐出室６と隔壁で隔てられた吸込室８と接しており、周囲の圧力は低圧の吸込圧力になっている。

このため、Ｖｉ可変弁１１の両端では吐出圧力と吸込圧力とによる差圧（吐出圧力−吸込圧力＞０）が発生し、Ｖｉ可変弁１１にはモーター３の方向（図２中の黒矢印の方向）に移動しようとする力が常時生じている。尚、もう一方のＶｉ可変弁１１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は実施の形態１に係る駆動装置１０を含むＶｉ可変機構の側面視の断面図である。駆動装置１０には内部にＶｉ可変弁１１の位置を移動するためのシリンダー１２が備えられている。シリンダー１２の内部にはＶｉ可変弁１１に近い方から順に第１ピストン１３、第２ピストン１４、第３ピストン１５が設けられている。

第１ピストン１３はＶｉ可変弁１１と第１ロッド９で連結され、第２ピストン１４と第３ピストン１５は第１ピストン１３から独立して第２ロッド１６で連結されている。

シリンダー１２の内部には一部が開口した第１ピストン隔壁１７が設けられている。第１ピストン隔壁１７を挟む構成で第２ピストン１４と第３ピストン１５とが設置されている。

第１ピストン１３と第３ピストン１５の直径はシリンダー１２の直径と同一とし、第１ピストン１３や第３ピストン１５がシリンダー１２の内周面と接触する部分にはシール部材１８が装着されている。第１ピストン１３の左右に接する空間、及び第３ピストン１５の左右に接する空間は、シール部材１８によってそれぞれ隔てられている。

第２ピストン１４の直径は第１ピストン隔壁１７の開口部の直径よりは大きく、かつシリンダー１２、第１ピストン１３及び第３ピストン１５の直径よりは小さい。この結果、第１ピストン１３と第３ピストン１５とに挟まれた空間が第２ピストン１４に隔てられることはない。

また、第１ピストン１３が左右の空間から圧力を受ける面積は、Ｖｉ可変弁１１が吐出室６から吐出圧力を受ける面積や、吸込室８から吸込圧力を受ける面積よりも大きいものとする。この結果、Ｖｉ可変弁１１がモーター３の方向に移動しようとする力を、第一ピストン１３が左右の空間から受ける力に比べて小さくすることができる。

シリンダー１２の内部には、第１ピストン１３、第３ピストン１５の設置に伴い、３つのシリンダー室が形成される。３つのシリンダー室とは、シリンダー１２のＶｉ可変弁１１側の壁と第１ピストン１３に挟まれた第１シリンダー室１９ａ、第１ピストン１３と第３ピストン１５に挟まれた第２シリンダー室１９ｂ、第３ピストン１５とＶｉ可変弁１１とは反対側の壁に挟まれた第３シリンダー室１９ｃである。

このとき、第３ピストン１５と第２ロッド１６で連結された第２ピストン１４は、第２シリンダー室１９ｂ内に設置される。
なお、第２ロッド１６の長さはシリンダー１２のＶｉ可変弁１１側の壁と第１ピストン隔壁１７との距離よりも短い。このため第２ピストン１４がＶｉ可変弁１１側の壁に接触することはない。

３つのシリンダー室には、それぞれ圧縮機内の圧力を導入するための圧力導入孔が設けられている。第１シリンダー室１９ａに設けられた圧力導入孔１１９aは吐出室６と連通しており、第１シリンダー室１９ａに吐出圧力が常時導入される。

シリンダー室１９ｂに設けられた圧力導入孔１１９ｂは電磁弁２０ａを介して吸込室８と連通しているとともに、電磁弁２０ｂを介して吐出室６と連通している。シリンダー室１９ｃに設けられた圧力導入孔１１９ｃは電磁弁２１ａを介して吸込室８と連通しているとともに、電磁弁２１ｂを介して吐出室６と連通している。

なお、電磁弁２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂは制御装置（図示せず）により、それぞれの開閉が制御される。

次に動作について説明する。本発明の実施の形態１におけるＶｉ可変機構では大、中、小３通りのＶｉ値に伴う制御が可能である。

（Ｖｉ値大時の動作）
図３は実施の形態１に係るＶｉ可変機構のＶｉ値大時の側面視の断面図である。Ｖｉ可変弁１１をシリンダー１２の方向に最も寄った箇所に位置することにより、吐出口７が開くタイミングを遅くすることが可能となる。なお、図２に示した構成と同じ構成には同一符号を付して説明を省略する。

Ｖｉ可変弁１１に最も近い位置にあるシリンダー室１９ａは吐出室６と連通しており、吐出室６から吐出圧力が常時導入されている。シリンダー室１９ｂには電磁弁２０ａを開、電磁弁２０ｂを閉にして吸込室８から吸込圧力が導入され、シリンダー室１９ｃには電磁弁２１ａを開、電磁弁２１ｂを閉にして吸込室８から吸込圧力が導入される。

この結果、シリンダー室１９ｂとシリンダー室１９ｃは等圧となり、シリンダー室１９ａの圧力はシリンダー室１９ｂ、シリンダー室１９ｃの圧力よりも高い状態になる。

第１ピストン１３が左右のシリンダー室から受ける圧力の面積は、Ｖｉ可変弁１１が吐出室６から受ける吐出圧力や、吸込室８から受ける吸込圧力の面積よりも大きい。このため、第１ピストン１３はシリンダー室１９ａとシリンダー室１９ｂとの差圧によりシリンダー室１９ｂの方向（Ｖｉ可変弁１１に対して逆方向）に移動する。

第２ピストン１４は第１ピストン１３に押されてシリンダー室１９ｃの方向に移動する。第２ピストン１４と第２ロッド１６で連結された第３ピストン１５も連動してＶｉ可変弁１１とは反対側の壁方向に移動する。第２ピストン１４が第１ピストン隔壁１７と接する地点で停止すると、第３ピストン１５、第１ピストン１３も同じように停止する。

Ｖｉ可変弁１１は第１ピストン１３と第１ロッド９で連結されているため、第１ピストン１３と連動してシリンダー１２の方向に移動し、吐出口７を開くタイミングが最も遅くなる位置で停止する。

（Ｖｉ値中時の動作）
図４は実施の形態１に係るＶｉ可変機構のＶｉ値中時の側面視の断面図である。Ｖｉ可変弁１１をＶｉ値大時の位置よりもモーター３の方向に寄った箇所に位置することにより、Ｖｉ値大時に比べて吐出口７が開くタイミングを早くすることが可能となる。なお、図２に示した構成と同じ構成には同一符号を付して説明を省略する。

シリンダー室１９ａは吐出室６と連通しており、吐出室６から吐出圧力が常時導入される。シリンダー室１９ｂには電磁弁２０ａを開、電磁弁２０ｂを閉にして吸込室８から吸込圧力が導入され、シリンダー室１９ｃには電磁弁２１ａを閉、電磁弁２１ｂを開にして吐出室６から吐出圧力が導入される。

この結果、シリンダー室１９ａとシリンダー室１９ｃは等圧となり、シリンダー室１９ｂの圧力はシリンダー室１９ａ、シリンダー室１９ｃの圧力よりも低い状態になる。

シリンダー室１９ｂの圧力がシリンダー室１９ｃの圧力よりも低くなるため、差圧によって第３ピストン１５はＶｉ可変弁１１の方向（図４中の黒矢印の方向）に移動する。第１ピストン１３は、第３ピストン１５と第２ロッド１６で連結された第２ピストン１４に押されてＶｉ可変弁１１の方向に移動する。

第３ピストン１５が第１ピストン隔壁１７と接する地点で停止すると第２ピストン１４も連動して停止し、第１ピストン１３も同じように停止する。
Ｖｉ可変弁１１は第１ピストン１３と第１ロッド９で連結されていることから、第１ピストン１３と連動して位置を移動する。第１ピストン１３の停止に伴い、Ｖｉ値大時に比べて吐出口７を開くタイミングが早くなる位置でＶｉ可変弁１１は停止する。

（Ｖｉ値小時の動作）
図５は実施の形態１に係るＶｉ可変機構のＶｉ値小時の側面視の断面図である。Ｖｉ可変弁１１をＶｉ値中時の位置よりもモーター３の方向に寄った箇所に位置することにより、Ｖｉ値中時に比べて吐出口７が開くタイミングを早くすることが可能となる。なお、図２に示した構成と同じ構成には同一符号を付して説明を省略する。

シリンダー室１９ａは吐出室６と連通しており、吐出室６から吐出圧力が常時導入されている。シリンダー室１９ｂには電磁弁２０ａを閉、電磁弁２０ｂを開にして吐出室６から吐出圧力が導入され、シリンダー室１９ｃには電磁弁２１ａを開、電磁弁２１ｂを閉にして吸込室８から吸込圧力が導入される。

この結果、シリンダー室１９ａとシリンダー室１９ｂは等圧となり、圧力シリンダー室１９ｃの圧力はシリンダー室１９ａ、シリンダー室１９ｂよりも低い状態になる。
シリンダー室１９ａとシリンダー室１９ｂとの間には差圧がなく、第１ピストン１３は左右のシリンダー室から差圧を受けることはない。このため、第１ピストン１３は、Ｖｉ可変弁１１が吐出室６と吸込室８から受けている差圧の影響を受けることになる。

Ｖｉ可変弁１１にはモーター３の方向に移動しようとする力が常時生じていることから、Ｖｉ可変弁１１はモーター３の方向に位置を移動する。第１ピストン１３がＶｉ可変弁１１側の壁と接して停止するまで移動し、Ｖｉ可変弁１１はＶｉ値中時に比べて吐出口７を開くタイミングが早くなる位置で停止する。

また、シリンダー室１９ｃの圧力がシリンダー室１９ｂの圧力よりも低くなるため、差圧により第３ピストン１５はＶｉ可変弁１１の方向とは逆方向（図５で左側に記載した黒矢印の方向）に移動する。第２ピストン１４が第１ピストン隔壁１７と接する地点で停止すると、第２ロッド１６で連結された第３ピストン１５も連動して停止する。

なお、Ｖｉ値小時の制御において、電磁弁２１ａを閉、電磁弁２１ｂを開にして吐出圧力をシリンダー室１９ｃに導入しても良い。この場合、シリンダー室１９ａ、シリンダー室１９ｂ、シリンダー室１９ｃはいずれも吐出圧力で等圧となり、３つのシリンダー室には差圧がない状態になる。

第２ピストン１４と第３ピストン１５には位置を保持する差圧の力が作用せず、Ｖｉ可変弁１１が受ける、吐出室６と吸込室８との差圧の影響も受けないために停止状態が不安定になる。しかし第１ピストン１３は第２ピストン１４と第３ピストン１５の状態に影響を受けることはなく、Ｖｉ可変弁１１が受けている吐出室６と吸込室８との差圧の影響によりＶｉ可変弁１１の方向に移動し、Ｖｉ可変弁１１側の壁と接して停止する。

第１ピストン１３がＶｉ可変弁１１側の壁と接して停止状態を保持することで、Ｖｉ可変弁１１はＶｉ値中時に比べて吐出口７を開くタイミングが早くなる位置に停止する。

ここで、Ｖｉ可変機構における大、中、小３通りのＶｉ値について説明する。Ｖｉ値には任意の値を設定することが可能である。冷凍空調機器においてＣＯＰという定格の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り、この値を設定することで効率的な制御が可能になる。

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運転効率の重みが異なる。特に７５％負荷時と５０％負荷時はそれぞれ０．４２と０．４５であり、重み付けが大きくなっている。

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おり、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付けが大きくなっている。
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

加えて、１００％負荷時のＣＯＰは冷凍空調機器においてその性能が評価される最も重要な指標となっている。このため３段階のＶｉ値を、Ｖｉ値大時には１００％負荷時の最適値、Ｖｉ値中時には７５％負荷時の最適値、Ｖｉ値小時には５０％負荷時または２５％負荷時の最適値となるように設定することで、効率的な制御が可能である。

なお、本発明は１００%負荷、７５％負荷、５０％負荷、２５％負荷に基づく場合分けにのみ限定されるものではなく、負荷の大小に応じてＶｉ値の大小を任意に設定し、そのＶｉ値に対応した位置に電磁弁の開閉を制御してＶｉ可変弁１１を移動させればよい。例えば０〜１００%負荷を三段階（大負荷＞中負荷＞小負荷）に分けた場合、大負荷のときはＶｉ値大、中負荷のときはＶｉ値中、小負荷のときはＶｉ値小に設定する。

制御装置（図示せず）は、設定温度と庫内温度との差によって、何％負荷でスクリュー圧縮機を駆動するかを判断する。１００%負荷時、７５％負荷時、５０％負荷時、２５％負荷時に基づく場合分けでＶｉ値を制御する場合には、以下の負荷パターンから３つを抽出して三段階の制御とし、電磁弁２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂの開閉制御を実施する。
１００％負荷時負荷が７５％を超過した場合
７５％負荷時負荷が５０％を超過した場合、又は７５％以下となった場合
５０％負荷時負荷が２５％を超過した場合、又は５０％以下となった場合
２５％負荷時負荷が２５％以下となった場合

この実施の形態１によれば、電磁弁２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂの開閉によって生じる、シリンダー室１９ａ、１９ｂ、１９ｃの吐出圧力と吸込圧力の圧力差のみに基づいたＶｉ可変弁１１のシンプルな可動制御により、特別な装置を不要として年間を通して高効率で安価なスクリュー圧縮機を得ることが可能である。

なお、第１ピストン隔壁１７の形状は特に限定するものではない。第２ロッド１６を貫通させたうえで、第１ピストン隔壁１７と第２ピストン１４とが接した位置で第２ピストン１４を停止させることが可能であれば、如何なる形状でも動作に影響はない。

また、シリンダー室１９ａ、１９ｂ、１９ｃに導入する圧力として、吐出圧力と吸込圧力に限定するものではない。例えば吐出圧力よりは低圧であり、吸込圧力よりは高圧となる中間圧力を導入しても良い。

加えて、圧力の入れ替えを行なう弁２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂは電磁弁に限定するものではなく、例えば電動弁を導入しても良い。

実施の形態２
この発明の実施の形態２として、シリンダー室１９ａの圧力を可変とし、中央に位置するシリンダー室１９ｂに吸込圧力を常時導入する場合の実施例を示す。図６は実施の形態２に係るＶｉ可変機構のＶｉ大時の側面視の断面図である。なお、図２に示した構成と同じ構成には同一符号を付して説明を省略する。

実施の形態２におけるシリンダー１２内のシリンダー室は次の構成とする。第１シリンダー室１９ａに設けられた圧力導入孔１１９aは電磁弁２０ａを介して吸込室８と連通しているとともに、電磁弁２０ｂを介して吐出室６と連通している。シリンダー室１９ｂに設けられた圧力導入孔１１９ｂは吸込室８と連通しており、第２シリンダー室１９ｂに吸込圧力を常時導入する。シリンダー室１９ｃに設けられた圧力導入孔１１９ｃは電磁弁２１ａを介して吸込室８と連通しているとともに、電磁弁２１ｂを介して吐出室６と連通している。

実施の形態２においても、実施の形態１と同様にＶｉ可変機構として大、中、小３通りのＶｉ値を設定することが可能である。各設定時の動作について説明する。

（Ｖｉ値大時の動作）
図６は実施の形態２に係るＶｉ可変機構のＶｉ値大時の側面視の断面図である。Ｖｉ可変弁１１をシリンダー１２の方向に最も寄った箇所に位置することにより、吐出口７が開くタイミングを遅くすることが可能となる。なお、図２に示した構成と同じ構成には同一符号を付して説明を省略する。

シリンダー室１９ａには電磁弁２０ａを閉、電磁弁２０ｂを開にして吐出圧力が導入される。シリンダー室１９ｂは吸込室８と連通しており吸込圧力が常時導入され、シリンダー室１９ｃには電磁弁２１ａを開、電磁弁２１ｂを閉にして吸込圧力が導入される。

この結果、シリンダー室１９ｂとシリンダー室１９ｃは等圧となり、シリンダー室１９ａの圧力は、シリンダー室１９ｂ、シリンダー室１９ｃの圧力よりも高い状態になる。

第１ピストン１３が左右のシリンダー室から受ける圧力の面積は、Ｖｉ可変弁１１が吐出室６から受ける吐出圧力や吸込室８から受ける吸込圧力の面積よりも大きい。このため、第１ピストン１３はシリンダー室１９ａとシリンダー室１９ｂとの差圧によりシリンダー室１９ｂの方向（Ｖｉ可変弁１１に対して逆方向）に移動する。

第２ピストン１４は第１ピストン１３に押されてシリンダー室１９ｃの方向に移動する。第２ピストン１４と第２ロッド１６で連結された第３ピストン１５も連動して、Ｖｉ可変弁１１とは反対側の壁方向に移動する。第２ピストン１４が第１ピストン隔壁１７と接する地点で停止すると、第１ピストン１３、第３ピストン１５も同じように停止する。

Ｖｉ可変弁１１は第１ピストン１３と第１ロッド９で連結されているため、第１ピストン１３と連動して移動し、吐出口７を開くタイミングが最も遅くなる位置で停止する。

（Ｖｉ値中時の動作）
図７は実施の形態２に係るＶｉ可変機構のＶｉ値中時の側面視の断面図である。Ｖｉ可変弁１１をＶｉ値大時の位置よりもモーター３の方向に寄った箇所に位置することにより、吐出口７が開くタイミングをＶｉ値大時に比べて早くすることが可能となる。なお、図２に示した構成と同じ構成には同一符号を付して説明を省略する。

シリンダー室１９ａには電磁弁２０ａを閉、電磁弁２０ｂを開にして吐出圧力が導入される。シリンダー室１９ｂは吸込室８と連通しており吸込圧力が常時導入され、シリンダー室１９ｃには電磁弁２１ａを閉、電磁弁２１ｂを開にして吐出圧力が導入される。

シリンダー室１９ｃの圧力がシリンダー室１９ｂの圧力よりも高くなるため、差圧によって第３ピストン１５はＶｉ可変弁１１の方向（図７中の黒矢印の方向）に移動する。第３ピストン１５と第２ロッド１６で連結された第２ピストン１４も連動してＶｉ可変弁１１の方向に移動し、第１ピストン１３も第２ピストン１４に押されてＶｉ可変弁１１の方向に移動する。

第３ピストン１５が第１ピストン隔壁１７と接する地点で停止すると、第２ピストン１４も連動して停止、第１ピストン１３も同じように停止する。

Ｖｉ可変弁１１は第１ピストン１３と第１ロッド９で連結されているため、第１ピストン１３と連動して位置を移動する。第１ピストン１３の停止に伴い、Ｖｉ値大時に比べて吐出口７を開くタイミングが早くなる位置で停止する。

（Ｖｉ値小時の動作）
図８は実施の形態２に係るＶｉ可変機構のＶｉ値小時の側面視の断面図である。Ｖｉ可変弁１１をＶｉ値中時の位置よりもモーター３の方向に寄った箇所に位置することにより、Ｖｉ値中時に比べて吐出口７が開くタイミングを早くすることが可能となる。なお、図２に示した構成と同じ構成には同一符号を付して説明を省略する。

シリンダー室１９ａには電磁弁２０ａを開、電磁弁２０ｂを閉にして吸込圧力が導入される。シリンダー室１９ｂは吸込室８と連通しており吸込圧力は常時導入され、シリンダー室１９ｃに電磁弁２１ａを閉、電磁弁２１ｂを開にして吐出圧力が導入される。

この結果、シリンダー室１９ａとシリンダー室１９ｂは等圧となり、シリンダー室１９ｃはシリンダー室１９ａ、シリンダー室１９ｂの圧力よりも高い状態になる。

シリンダー室１９ａとシリンダー室１９ｂとの間に差圧がないため、第１ピストン１３は左右のシリンダー室からの影響を受けることはない。このため第１ピストン１３は、Ｖｉ可変弁１１が吐出室６と吸込室８から受ける差圧の影響を受けることになる。

Ｖｉ可変弁１１には常時モーター３の方向に移動しようとする力が生じていることから、Ｖｉ可変弁１１はモーター３の方向に位置を移動する。第１ピストン１３がＶｉ可変弁１１側の壁と接して停止するまで移動し、Ｖｉ可変弁１１はＶｉ値中時に比べて吐出口７を開くタイミングが早くなる位置で停止する。

また、シリンダー室１９ｃの圧力がシリンダー室１９ｂの圧力よりも高くなるため、差圧によって第３ピストン１５はＶｉ可変弁１１の方向に移動する。第３ピストン１５と第２ロッド１６で連結された第２ピストン１４も連動して移動する。第３ピストン１５は第１ピストン隔壁１７と接する地点で停止し、第２ピストン１４も連動して停止する。

Ｖｉ値小時の制御において、実施の形態１と同様に電磁弁２１ａを開、電磁弁２１ｂを閉とし、吸込圧力をシリンダー室１９ｃに導入してシリンダー室１９ａ、シリンダー室１９ｂ、シリンダー室１９ｃをいずれも吸込圧力で等圧としても良い。

この実施の形態２によれば、中央に位置するシリンダー室１９ｂの圧力を固定した場合においても、実施の形態１と同様の効果を得ることが可能である。

また実施の形態１と同様に、シリンダー室１９ａ、１９ｂ、１９ｃに導入する圧力として吐出圧力と吸込圧力に限定するものではなく、例えば中間圧力を導入しても良い。

実施の形態３
この発明の実施の形態３として、シリンダー１２の内部に４つのシリンダー室を設けた場合の実施例を示す。図９は実施の形態４に係るＶｉ可変機構の側面視の断面図である。なお、図２に示した構成と同じ構成には同一符号を付して説明を省略する。

シリンダー１２の内部にはＶｉ可変弁１１に近い方から順に第１ピストン１３、第２ピストン１４、第３ピストン１５、第４ピストン２２、第５ピストン２３が設けられる。第４ピストン２２と第５ピストン２３は第３ロッド２４にて連結され、第１ピストン１３、第２ピストン１４、第３ピストン１５からは独立した構成とする。

シリンダー１２の内部には一部を開口とした第１ピストン隔壁１７と第２ピストン隔壁２５とが設けられる。第４ピストン２２と第５ピストン２３とは、第２ピストン隔壁２５を挟む構成で設置される。

第５ピストン２３の直径はシリンダー１１の直径と同一とし、シリンダー１２の内周面と接するシリンダー接触部にはシール部材１８を装着して第５ピストン２３の左右に接する空間をそれぞれ隔てている。

第４ピストン２２の直径は第２ピストン隔壁２５の開口部の直径よりは大きく、かつシリンダー１２、第３ピストン１５及び第５ピストン２３の直径よりは小さい。この結果、第３ピストン１５と第５ピストン２３とに挟まれた空間を第４ピストン２２が隔てないものとする

シリンダー１２の内部には、第５ピストン２３の設置に伴い、４つのシリンダー室が形成される。４つのシリンダー室はシリンダー１２のＶｉ可変弁１１側の壁と第１ピストン１３に挟まれた第１シリンダー室１９ａ、第１ピストン１３と第３ピストン１５に挟まれた第２シリンダー室１９ｂ、第３ピストン１５と第５ピストン２３に挟まれた第３シリンダー室１９ｄ、第５ピストン２３とＶｉ可変弁１１とは反対側の壁に挟まれた第４シリンダー室１９ｅである。このとき、第５ピストン２３と第３ロッド２４で連結された第４ピストン２２は第３シリンダー室１９ｄ内に設置される。

第２ロッド１６の長さはシリンダー１２のＶｉ可変弁１１側の壁と第１ピストン隔壁１７との距離よりも短い。このため第２ピストン１４がＶｉ可変弁１１側の壁に接触することはない。また、第３ロッド２４の長さは第１ピストン隔壁１７と第２ピストン隔壁２５との距離よりも短い。このため第４ピストン２２が第１ピストン隔壁１７に接触することはない。

４つのシリンダー室には、それぞれ圧縮機内の圧力を導入するための圧力導入孔が設けられている。第１シリンダー室１９ａに設けられた圧力導入孔１１９aは吐出室６と連通しており、第１シリンダー室１９ａには吐出圧力が常時導入される。

シリンダー室１９ｂに設けられた圧力導入孔１１９ｂは電磁弁２０ａを介して吸込室８と連通しているとともに、電磁弁２０ｂを介して吐出室６と連通している。シリンダー室１９ｄに設けられた圧力導入孔１１９ｄは電磁弁２６ａを介して吸込室８と連通しているとともに、電磁弁２６ｂを介して吐出室６と連通している。シリンダー室１９ｅに設けた圧力導入孔１１９ｅは電磁弁２７ａを介して吸込室８と連通しているとともに、電磁弁２７ｂを介して吐出室６と連通している。

なお、電磁弁２０ａ、２０ｂ、２６ａ、２６ｂ、２７ａ、２７ｂは制御装置（図示せず）により、それぞれの開閉が制御される。

次に動作について説明する。実施の形態３においては、Ｖｉ可変機構として４通りのＶｉ値を設定することが可能である。例えば４段階のＶｉ値を１００％負荷時の最適値、７５％負荷時の最適値、５０％負荷時の最適値、２５％負荷時の最適値となるように設定することで、効率的な制御が可能である。

（Ｖｉ値１００％負荷時の動作）
図１０は実施の形態３に係るＶｉ可変機構のＶｉ値１００％負荷時の側面視の断面図である。Ｖｉ可変弁１１をシリンダー１２の方向に最も寄った箇所に位置することにより、吐出口７が開くタイミングを遅くすることが可能となる。なお、図９に示した構成と同じ構成には同一符号を付して説明を省略する。

シリンダー室１９ａには吐出室６と連結して吐出圧力が常時導入されている。シリンダー室１９ｂには電磁弁２０ａを開、電磁弁２０ｂを閉にして吸込圧力が導入され、シリンダー室１９ｄには電磁弁２６ａを開、電磁弁２６ｂを閉にして吸込圧力が導入される。

シリンダー室１９ｅに電磁弁２７ａを開、電磁弁２７ｂを閉にして吸込圧力が導入されることで、シリンダー室１９ｂ、シリンダー室１９ｄ、シリンダー室１９ｅは等圧となり、シリンダー室１９ａの圧力はシリンダー室１９ｂ、シリンダー室１９ｄ、シリンダー室１９ｅの圧力よりも高い状態になる。

第１ピストン１３が受ける圧力の面積は、Ｖｉ可変弁１１が吐出室６から受ける吐出圧力や吸込室８から受ける吸込圧力の面積よりも大きいため、第１ピストン１３はシリンダー室１９ａとシリンダー室１９ｂとの差圧によりシリンダー室１９ｂの方向（Ｖｉ可変弁１１に対して逆方向）に移動する。

第２ピストン１４は第１ピストン１３に押されてシリンダー室１９ｄの方向に移動し、第２ピストン１４と第２ロッド１６で連結された第３ピストン１５も連動してシリンダー室１９ｄの方向に移動する。第２ピストン１４が第１ピストン隔壁１７と接する地点で停止すると、第３ピストン１５、第１ピストン１３も同じように停止する。

Ｖｉ可変弁１１は第１ピストン１３と第１ロッド９で連結されていることから第１ピストン１３と連動してモーター３の方向に位置を移動し、吐出口７を開くタイミングが最も遅くなる位置で停止する

また、シリンダー室１９ｄとシリンダー室１９ｅとの間には差圧がないため、第４ピストン２２、第５ピストン２３には位置を保持する差圧の力が作用せず、Ｖｉ可変弁１１が受ける吐出室６と吸込室８との差圧の影響も受けない。

第４ピストン２２が第３ピストン１５と接触する位置にあった場合には、第４ピストン２２は第３ピストン１５に押されてシリンダー室１９ｅの方向に移動し、第３ロッド２４で連結した第５ピストン２３に連動して移動するが、第３ピストン１５が停止するとともに第４ピストン２２、第５ピストン２３も停止する。

（Ｖｉ値７５％負荷時の動作）
図１１は実施の形態３に係るＶｉ可変機構のＶｉ値７５％負荷時の側面視の断面図であり、Ｖｉ可変弁１１をＶｉ値１００％負荷時に比べてモーター３の方向に寄った箇所に位置することにより、吐出口７が開くタイミングをＶｉ値１００％負荷時より早くすることが可能となる。なお、図９に示した構成と同じ構成には同一符号を付して説明を省略する。

シリンダー室１９ｅに電磁弁２７ａを閉、電磁弁２７ｂを開にして吐出圧力が導入されることで、シリンダー室１９ｂとシリンダー室１９ｄとの間は差圧がない状態になり、シリンダー室１９ａ、シリンダー室１９ｅの圧力はシリンダー室１９ｂ、シリンダー室１９ｄの圧力よりも高い状態になる。

シリンダー室１９ｅの圧力がシリンダー室１９ｄの圧力よりも高くなるため、差圧によって第５ピストン２３はＶｉ可変弁１１の方向に移動する。第５ピストン２３と第３ロッド２４で連結した第４ピストン２２も連動してＶｉ可変弁１１の方向に移動した後、第５ピストン２３が第２ピストン隔壁２５と接する地点で停止する。

第３ピストン１５は第４ピストン２２に押されてＶｉ可変弁１１の方向に移動する。第３ピストン１５と第２ロッド１６で連結した第２ピストン１４も連動して移動し、第２ピストン１４に押されて第１ピストン１３もＶｉ可変弁１１の方向に移動する。第５ピストン２３の停止に連動して第４ピストン２２、第３ピストン１５、第２ピストン１４及び第１ピストン１３も停止する。

Ｖｉ可変弁１１は第１ピストン１３と第１ロッド９で連結されていることから、第１ピストン１３と連動してモーター３の方向に位置を移動する。Ｖｉ可変弁１１は、第１ピストン１３の停止に伴い、Ｖｉ値１００％負荷時に比べて吐出口７を開くタイミングが早くなる位置で停止する。

（Ｖｉ値５０％負荷時の動作）
図１２は実施の形態３に係るＶｉ可変機構のＶｉ値５０％負荷時の側面視の断面図であり、Ｖｉ可変弁１１をＶｉ値７５％負荷時に比べてモーター３の方向に寄った箇所に位置することにより、吐出口７が開くタイミングをＶｉ値７５％負荷時より早くすることが可能となる。なお、図９に示した構成と同じ構成には同一符号を付して説明を省略する。

シリンダー室１９ａには吐出室６と連結して吐出圧力が常時導入されている。シリンダー室１９ｂには電磁弁２０ａを開、電磁弁２０ｂを閉にして吸込圧力が導入され、シリンダー室１９ｄには電磁弁２６ａを閉、電磁弁２６ｂを開にして吐出圧力が導入される。

シリンダー室１９ｅに電磁弁２７ａを開、電磁弁２７ｂを閉にして吸込圧力が導入されることで、シリンダー室１９ａとシリンダー室１９ｄの圧力はシリンダー室１９ｂとシリンダー室１９ｅの圧力よりも高い状態になる。

シリンダー室１９ｄの圧力がシリンダー室１９ｂの圧力よりも高くなるため、差圧によって第３ピストン１５はＶｉ可変弁１１の方向に移動する。第３ピストン１５と第２ロッド１６で連結した第２ピストン１４も連動してＶｉ可変弁１１の方向に移動した後、第３ピストン１５が第１ピストン隔壁１７と接する地点で停止する。第１ピストン１３は第２ピストン１４に押されてＶｉ可変弁１１の方向に移動し、第３ピストン１５が停止すると第２ピストン１４、第１ピストン１３も停止する。

Ｖｉ可変弁１１は第１ピストン１３と第１ロッド９で連結されていることから、第１ピストン１３と連動してモーター３の方向に位置を移動する。第１ピストン１３の停止に伴い、Ｖｉ値７５％負荷時に比べて吐出口７を開くタイミングが早くなる位置で停止する。

また、シリンダー室１９ｄの圧力がシリンダー室１９ｅの圧力よりも高くなるため、差圧によって第５ピストン２３はシリンダー室１９ｅの方向（Ｖｉ可変弁１１に対して逆方向）に移動する。第５ピストン２３と第３ロッド２４で連結された第４ピストン２２も連動して、Ｖｉ可変弁１１とは反対側の壁方向に移動する。第４ピストン２２が第２ピストン隔壁２５と接する地点で停止すると、第５ピストン２３も同じように停止する。

（Ｖｉ値２５％負荷時の動作）
図１３は実施の形態３に係るＶｉ可変機構のＶｉ値２５％負荷時の側面視の断面図であり、Ｖｉ可変弁１１をモーター３の方向に最も寄った箇所に位置することにより、吐出口７が開くタイミングをＶｉ値５０％負荷時より早くすることが可能となる。なお、図９に示した構成と同じ構成には同一符号を付して説明を省略する。

シリンダー室１９ａには吐出室６と連結して吐出圧力が常時導入されている。シリンダー室１９ｂには電磁弁２０ａを閉、電磁弁２０ｂを開にして吐出圧力が導入され、シリンダー室１９ｄには電磁弁２６ａを開、電磁弁２６ｂを閉にして吸込圧力が導入される。

シリンダー室１９ｅに電磁弁２７ａを閉、電磁弁２７ｂを開にして吐出圧力が導入されることで、シリンダー室１９ａ、シリンダー室１９ｂ、シリンダー室１９ｅの圧力は等圧となり、シリンダー室１９ｄの圧力よりも高い状態になる。

シリンダー室１９ａとシリンダー室１９ｂとの間に差圧がなく、第１ピストン１３は左右のシリンダー室からの差圧を受けないため、Ｖｉ可変弁１１が吐出室６と吸込室８から受けている差圧の影響を受ける。

Ｖｉ可変弁１１には常時モーター３の方向に移動しようとする力が生じていることから、Ｖｉ可変弁１１はモーター３の方向に位置を移動する。第１ピストン１３がＶｉ可変弁１１側の壁と接して停止するまで移動し、Ｖｉ可変弁１１は５０％負荷時に比べて吐出口７を開くタイミングが早くなる位置で停止する。

また、シリンダー室１９ｂの圧力がシリンダー室１９ｄの圧力よりも高くなるため、差圧によって第３ピストン１５はシリンダー室１９ｄの方向（Ｖｉ可変弁１１に対して逆方向）に移動する。

シリンダー室１９ｅの圧力もシリンダー室１９ｄの圧力よりも高くなるため、差圧によって第５ピストン２３はシリンダー室１９ｄの方向（Ｖｉ可変弁１１の方向）に移動する。
第５ピストン２３と第３ロッド２４で連結された第４ピストン２２も連動して移動し、第３ピストン１５と接触した箇所で停止する。

シリンダー室１９ｂ、シリンダー室１９ｅの圧力がいずれもシリンダー室１９ｄの圧力よりも高いことに伴って発生する差圧により、第３ピストン１５と第４ピストン２２とは接触して停止した状態を保持する。

この実施の形態３によれば、吐出圧力と吸込圧力のみに基づいたシンプルな制御により、４段階のＶｉ値で制御することを可能とし、より高効率で安価なスクリュー圧縮機を得ることが可能である。

この実施の形態３ではシリンダー室１９ａの圧力を固定としたが、他のシリンダー室を固定としても良い。また、シリンダー室１９ａ、１９ｂ、１９ｄ、１９ｅに導入する圧力は吐出圧力と吸込圧力に限定するものではない。加えて、圧力の入れ替えを行なう弁２６ａ、２６ｂ、２６ａ、２６ｂは電磁弁に限定するものではない。

第１ピストン隔壁１７と同様に、第２ピストン隔壁２５の形状は特に限定するものではなく、第３ロッド２４を貫通させたうえで第２ピストン隔壁２５と第４ピストン２２とが接した位置で第４ピストン２２を停止させることが可能であれば如何なる形状でも動作に影響はない。

１ケーシング本体、２スクリューローター、３モーター、３ａステーター、３ｂモーターローター、４スクリュー軸、５圧縮室、６吐出室、７吐出口、８吸込室、９第１ロッド、１０駆動装置、１１Ｖｉ可変弁、１２シリンダー、１３第１ピストン、１４第２ピストン、１５第３ピストン、１６第２ロッド、１７第１ピストン隔壁、１８シール部材、１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄ、１９ｅシリンダー室、２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂ、２６ａ、２６ｂ、２７ａ、２７ｂ電磁弁、１１９ａ、１１９ｂ、１１９ｃ、１１９ｄ、１１９ｅ圧力導入孔、２２第４ピストン、２３第５ピストン、２４第３ロッド、２５第２ピストン隔壁

Claims

ケーシングと、
前記ケーシングの内部で冷媒を圧縮するスクリューローターと、
前記スクリューローターを回転させるモーターと、
前記ケーシングに摺動して内部容積比Ｖｉを変更するためのＶｉ可変弁を有する内部容積比可変機構と、を備え、
前記内部容積比可変機構は、
シリンダーと、
前記シリンダーの内部に設けられ、開口が形成されたピストン隔壁と、
前記Ｖｉ可変弁と第一のロッドを介して連結された第一のピストンと、
前記第一のピストンと分離して設けられ、前記開口よりも直径が大きく、前記第一のピストンよりも直径が小さい第二のピストンと、
前記第一のピストンに対して前記ピストン隔壁を挟んで設けられ、前記開口を貫通した第二のロッドで前記第二のピストンと連結された第三のピストンと、を有し、
前記シリンダーの内部には、前記第一のピストン、前記第二のピストン及び前記第三のピストンにより少なくとも３つのシリンダー室が形成され、
前記３つのシリンダー室内のうち少なくとも１つのシリンダー室内の圧力を変化させることで前記第一のピストンを動かして前記Ｖｉ可変弁の位置制御を行なうことを特徴とするスクリュー圧縮機。
前記３つのシリンダー室には、それぞれに圧力導入孔が設けられており、前記圧力導入孔により、弁手段を介して圧縮機内の圧力を導入することを特徴とする請求項１に記載のスクリュー圧縮機。
前記３つのシリンダー室には、吐出圧力または吸込圧力を導入することを特徴とする請求項１または２に記載のスクリュー圧縮機。
前記３つのシリンダー室は、Ｖｉ可変弁に最も近い位置にあるシリンダー室に圧縮機内の吐出圧力を導入し、他の２つのシリンダー室に導入する吐出圧力と吸込圧力とを入れ替えることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のスクリュー圧縮機。
前記３つのシリンダー室は、中央に位置するシリンダー室に圧縮機内の吸込圧力を導入し、他の２つのシリンダー室に導入する吐出圧力と吸込圧力とを入れ替えることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のスクリュー圧縮機。
前記Ｖｉ可変弁は、少なくとも３段階に設定したＶｉ値に基づいて位置制御することを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載のスクリュー圧縮機。