JP6177450B2 - スクリュー圧縮機および冷凍サイクル装置 - Google Patents
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Description
本発明は、スクリュー圧縮機および冷凍サイクル装置に関するものである。
従来、冷凍サイクル装置において能力増大、冷凍サイクルの性能および成績係数(圧縮機入力に対する冷凍能力の比)の向上を目的として冷凍サイクルに中間冷却器を設け、中間冷却器で主流液を冷却した後の冷媒ガス(以下、エコノマイザガス)を圧縮機中間部へ導くエコノマイザ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、冷凍サイクルの凝縮器と蒸発器との間に中間冷却器が配置され、凝縮器から蒸発器に至る途中で分岐するエコノマイザ配管と、エコノマイザ配管に設けられた中間冷却用膨張弁と、エコノマイザ配管が接続されるエコノマイザポートを有するスクリュー圧縮機とを備えている。
また、従来のスクリュー圧縮機として、スクリューロータとこのスクリューロータを収納するケーシングとを備え、このケーシングが、スクリューロータとケーシングの内面との間に形成される圧縮室に冷媒を噴出するためのエコノマイザポートを有するスクリュー圧縮機がある(例えば、特許文献2参照)。
また、従来のスクリュー圧縮機として、低圧室と圧縮室の吸入側とを連通するバイパス口と、スクリューロータの回転軸方向へスライド移動し、バイパス口の開口の大きさを調整することで運転容量を調整するスライドバルブとを備えたスクリュー圧縮機がある。
スクリュー圧縮機が搭載される冷凍サイクル装置の省エネルギの指標として、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。
一般的な冷凍サイクル装置では、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割以上が部分負荷運転で運転されている。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いる。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。
上記従来のスライドバルブの移動で運転容量を調整するスクリュー圧縮機では、全負荷運転時、バイパス口を閉じて圧縮ガスをバイパスさせないようにすることで、運転容量が100%の大容量運転となる。一方、部分負荷運転時、バイパス口を開いて圧縮ガスをバイパスさせることで、運転容量(負荷)を小さくする小容量運転となる。全負荷運転では上述したように圧縮ガスをバイパスさせないので、ケーシングにエコノマイザポートを設けて全負荷運転時にエコノマイザ運転をすることで、成績係数を向上できる。しかし、部分負荷運転では、エコノマイザポートを設けてエコノマイザ運転を行う場合に、以下の問題がある。
特許文献1および特許文献2の技術では、エコノマイザポートの位置は運転容量に関係無く固定である。このため、部分負荷運転を行うにあたりバイパス口が開いた場合、エコノマイザポートとバイパス口との位置関係によっては、エコノマイザポートからインジェクションされた冷媒ガスがバイパス口から低圧室へ流出することになる。この場合、吸入ガスがスクリュー溝に流入するのを大きく阻害し、その結果、成績係数が低下する。
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、エコノマイザポートとバイパス口との位置関係を調節可能として、広い運転範囲で高い成績係数を実現し、性能を向上させることができるスクリュー圧縮機および冷凍サイクル装置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、ケーシングと、ケーシング内で回転するように配置されたスクリューロータと、ケーシングとスクリューロータとの間に形成され、冷媒ガスを圧縮する圧縮室と、ケーシングに形成され、低圧室と圧縮室の吸入側とを連通するバイパス口と、ケーシング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、スライド移動することによりバイパス口の開口の大きさを調整して運転容量の調整を行う第1スライドバルブとケーシングの内筒面に形成され、スクリューロータの回転軸方向に延びるスライド溝と、ケーシングに形成され、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ガス流路と、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た第2スライドバルブと、第2スライドバルブに形成され、エコノマイザガス流路を圧縮室に連通させるエコノマイザポートと、を備え、第1スライドバルブと第2スライドバルブとが個別に移動可能であるものである。
本発明に係る冷凍サイクル装置は、上記のスクリュー圧縮機、凝縮器、中間冷却器の高圧部、減圧装置および蒸発器を順に冷媒配管で接続した冷媒回路と、中間冷却器と減圧装置との間から分岐し、中間冷却器用の膨張弁および中間冷却器の低圧部を介してスクリュー圧縮機のエコノマイザガス流路に接続されたエコノマイザ配管とを備えたものである。
本発明によれば、広い運転範囲で高い成績係数を実現し、性能を向上させることができるスクリュー圧縮機および冷凍サイクル装置を得ることができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。ここでは、1つのスクリューロータに2つのゲートロータが係合されたタイプのシングルスクリュー圧縮機の例で本発明の実施の形態を説明する。
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を備えた冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。ここで、図1を含め、以下の図面において、同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、以下に記載する実施の形態の全文において共通することとする。なお、明細書全文に示さ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。特に構成要素の組み合わせは、各実施の形態における組み合わせのみに限定するものではなく、他の実施の形態に記載した構成要素を別の実施の形態に適宜、適用することができる。そして、圧力の高低については、特に絶対的な値との関係で高低が定まっているものではなく、システム、装置等における状態、動作等において相対的に定まるものとする。
図1は、本発明の実施の形態1に係るスクリュー圧縮機を備えた冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。ここで、図1を含め、以下の図面において、同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、以下に記載する実施の形態の全文において共通することとする。なお、明細書全文に示さ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。特に構成要素の組み合わせは、各実施の形態における組み合わせのみに限定するものではなく、他の実施の形態に記載した構成要素を別の実施の形態に適宜、適用することができる。そして、圧力の高低については、特に絶対的な値との関係で高低が定まっているものではなく、システム、装置等における状態、動作等において相対的に定まるものとする。
冷凍サイクル装置100はスクリュー圧縮機102と、凝縮器103と、中間冷却器104の高圧部と、減圧装置である膨張弁105と、蒸発器106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100はさらに中間冷却器104と膨張弁105との間から分岐し、中間冷却器用膨張弁107および中間冷却器104の低圧部を介してスクリュー圧縮機102に接続されたエコノマイザ配管108を有している。
凝縮器103はスクリュー圧縮機102からの吐出ガスを冷却、凝縮させる。膨張弁105は中間冷却器104を流出した主流冷媒を絞り膨張させる。蒸発器106は膨張弁105を流出した主流冷媒を蒸発させる。中間冷却器104は上述したように高圧部と低圧部とを有しており、高圧部には凝縮器103と膨張弁105との間の主流冷媒である高圧側冷媒が通過し、低圧部には高圧側冷媒の一部を中間冷却器用膨張弁107で減圧した冷媒(冷凍サイクル全体でみたときに中間圧に相当する中間圧冷媒)が通過する。そして中間冷却器104は、高圧側冷媒と中間圧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100にはさらに制御装置101を備えている。制御装置101は、膨張弁105、中間冷却器用膨張弁107の制御、スクリュー圧縮機102の後述のスライドバルブ8、11の位置制御、エコノマイザガスを圧縮室にインジェクションするエコノマイザ運転の駆動および停止などの制御を行う。
(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102について図2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の縦断面概略図である。
図2に示すように、スクリュー圧縮機102を構成する筒状のケーシング1内に電動機2が配置されている。この電動機2はケーシング1に内接固定されたステータ2aとステータ2aの内側に配置されたモータロータ2bとを備えている。
以下、本発明の実施の形態1に係るスクリュー圧縮機102について図2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の縦断面概略図である。
図2に示すように、スクリュー圧縮機102を構成する筒状のケーシング1内に電動機2が配置されている。この電動機2はケーシング1に内接固定されたステータ2aとステータ2aの内側に配置されたモータロータ2bとを備えている。
ケーシング1内にはスクリューロータ3が配置されており、このスクリューロータ3とモータロータ2bとは互いに同一軸線上に配置され、両ロータ3、2bはスクリュー軸4に固定されている。スクリューロータ3はその外周面に複数の螺旋状のスクリュー溝5aが形成され、スクリュー軸4に固定されたモータロータ2bに連結され回転駆動される。ゲートロータ6の歯6aは、スクリュー溝5aに噛み合わされており、ゲートロータ6の歯6a、スクリュー溝5aおよびケーシング1の内筒面で囲まれた空間が圧縮室5となる。また、ケーシング1内は隔壁1d(後述の図7参照)により低圧側(吸入側)と高圧側(吐出側)とに区画され、高圧側には高圧室(後述の図7参照)に開口する吐出口7(後述の図3、図7参照)が形成されている。
また、スクリュー圧縮機102は、運転容量の調整を行う第1のスライドバルブであるスライドバルブ11(後述の図5参照)と、エコノマイザ運転で用いられる第2のスライドバルブであるスライドバルブ8(図2、後述の図5参照)とを備えている。以下、スライドバルブ11、スライドバルブ8について説明する。
ケーシング1の内筒面には、スクリューロータ3の回転軸方向に延びる第1スライド溝であるスライド溝1e(後述の図7参照)が形成されている。このスライド溝1e内に、第1スライドバルブである機械(バイパス)式容量制御用のスライドバルブ11(後述の図5および図7参照)がスライド移動自在に収納されている。さらに、このスライドバルブ11は圧縮室5を形成するため、ケーシング1とともに内筒面の一部を形成している。
また、ケーシング1には、圧縮室5と圧縮室5の吸入側(低圧室1f)(後述の図8参照)とを連通し、スライドバルブ11により開閉されるバイパス口1c(後述の図6、図8参照)が貫通形成されている。バイパス口1cは、スライドバルブ11の移動により、開放時の開口の大きさが調整される。このように、バイパス口1cの大きさを調整することで、圧縮機運転容量(負荷)を調整する。具体的には、スライドバルブ11が後述の図5および図7に示すように吸入側に移動した場合にバイパス口1cが閉じられ、後述の図6および図8に示すように吐出側に移動した場合にバイパス口1cが開かれ、圧縮室5内のガスが低圧室1fにバイパスされるようになっている。
また、図2に示すとおり、ケーシング1の内筒面には、スクリューロータ3の回転軸方向に延びる第2スライド溝であるスライド溝1aが形成されている。このスライド溝1a内に、第2スライドバルブであるエコノマイザポート移動用のスライドバルブ8がスライド移動自在に収納されている。さらに、このスライドバルブ8は圧縮室5を形成するため、ケーシング1とともに内筒面の一部を形成している。また、スライドバルブ8にはエコノマイザポート8aが形成されている。エコノマイザポート8aは、スライドバルブ8においてスライド溝1aとの摺接面である外周面から、スライドバルブ8においてスクリューロータ3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。図2にはエコノマイザポート8aを形成したスライドバルブ8をケーシング1内に1つ設けた場合の図を示している。
ケーシング1は、中間冷却器104からの冷媒ガスを圧縮室5(圧縮行程にあるスクリュー溝5a)に導くためのエコノマイザガス流路1bを有しており、エコノマイザガス流路1bは、エコノマイザポート8aを介して圧縮室5に連通する。そして、エコノマイザガス流路1bにはエコノマイザ配管108が接続されている。かかる構成により、中間冷却器104から流出して分岐し、主流液を冷却した冷媒ガスが、エコノマイザ配管108、エコノマイザガス流路1bおよびエコノマイザポート8aを通して圧縮室5に流入するようになっている。ここで、ケーシング1内のこのエコノマイザガス流路1bには、ガスが流れる際の脈動を抑制するための空間(図示せず)が設けられ、この空間を経由して圧縮室5へ連通するものもある。
スライドバルブ8は、連結棒9を介してピストンなどの駆動装置10に接続されており、駆動装置10を駆動させることにより、スライド溝1a内をスクリューロータ3の回転軸方向に移動する。また、スライドバルブ11も同様に、駆動装置(図示せず)を駆動させることにより、スライド溝1e内をスクリューロータ3の回転軸方向に移動する。この説明から明らかなように、スライドバルブ8とスライドバルブ11とは個別に移動可能である。ここで、スライドバルブ8を駆動する駆動装置10およびスライドバルブ11を駆動する駆動装置はガス圧で駆動するもの、油圧で駆動するもの、ピストンとは別にモータなどにより駆動するものなど、駆動方法を限定しない。
(冷媒回路の動作説明)
次に、本実施の形態1の冷媒回路動作を図1を参照して説明する。ここでは、スライドバルブ8が図2に示す位置にあり、エコノマイザガス流路1bと圧縮室5とがエコノマイザポート8aを介して連通し、エコノマイザ運転を行う場合の冷媒回路動作について説明する。
次に、本実施の形態1の冷媒回路動作を図1を参照して説明する。ここでは、スライドバルブ8が図2に示す位置にあり、エコノマイザガス流路1bと圧縮室5とがエコノマイザポート8aを介して連通し、エコノマイザ運転を行う場合の冷媒回路動作について説明する。
蒸発器106から流出した冷媒ガスはスクリュー圧縮機102に吸い込まれて圧縮された後、吐出される。吐出された冷媒ガスは、凝縮器103で冷却される。凝縮器103で冷却された冷媒は、中間冷却器104に流入する。中間冷却器104では、凝縮器103を流出して高圧部に流入した高圧側冷媒と、中間冷却器104を通過後に分岐され、中間冷却器用膨張弁107で減圧されて低圧部に流入した中間圧冷媒とが熱交換される。すなわち、凝縮器103を出て直接、中間冷却器104の高圧部に流入した高圧側冷媒は、中間圧冷媒との熱交換により、過冷却される。この過冷却の増加によって、蒸発器106の冷凍効果は増えることになる。
一方、中間冷却器104の低圧部に流入した中間圧冷媒は、高圧部側の高圧側冷媒を冷却後、エコノマイザ配管108およびエコノマイザガス流路1bを経由して、スライドバルブ8に設けたエコノマイザポート8aから圧縮室5にインジェクションされる。すなわち、高圧およびエコノマイザガスの中間圧力と圧縮室5内の圧力との差圧により、エコノマイザガスがエコノマイザポート8aから圧縮室5にインジェクションされ、圧縮ガスと混合する。
(スクリュー圧縮機の動作説明)
次に、本実施の形態1に係るスクリュー圧縮機102の動作について説明する。
図3は、本発明の実施の形態1に係るスクリュー圧縮機の圧縮原理を示した図である。
図3に示すようにスクリューロータ3が電動機2(図2参照)によりスクリュー軸4(図2参照)を介して回転させられることで、ゲートロータ6の歯6aが圧縮室5(スクリュー溝5a)内を相対的に移動する。これにより、圧縮室5内では吸入行程、圧縮行程およ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3においてドットのハッチングで示した圧縮室5に着目して各行程について説明する。
次に、本実施の形態1に係るスクリュー圧縮機102の動作について説明する。
図3は、本発明の実施の形態1に係るスクリュー圧縮機の圧縮原理を示した図である。
図3に示すようにスクリューロータ3が電動機2(図2参照)によりスクリュー軸4(図2参照)を介して回転させられることで、ゲートロータ6の歯6aが圧縮室5(スクリュー溝5a)内を相対的に移動する。これにより、圧縮室5内では吸入行程、圧縮行程およ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3においてドットのハッチングで示した圧縮室5に着目して各行程について説明する。
図3(a)は吸入行程における圧縮室5の状態を示している。スクリューロータ3が電動機2により駆動されて実線矢印の方向に回転する。これにより図3(b)のように圧縮室5の容積が縮小する。
引き続きスクリューロータ3が回転すると、図3(c)に示すように、圧縮室5が吐出口7に連通する。これにより、圧縮室5内で圧縮された高圧の冷媒ガスが吐出口7より外部へ吐出される。そして、再びスクリューロータ3の背面で同様の圧縮が行われる。
なお、図3ではエコノマイザポート8aおよびそれを備えたスライドバルブ8、スライド溝1aについては図示を省略しているが、エコノマイザ運転時には、圧縮行程においてエコノマイザポート8aよりエコノマイザガスが圧縮室5に流入する。そして、圧縮室5に流入したエコノマイザガスは吸入ガスと一緒に圧縮され、吐出行程において外部に吐出される。
次に、運転容量調整用のスライドバルブ11とエコノマイザポート8aの位置変更用のスライドバルブ8との位置関係について説明する。本実施の形態1は、運転容量調整用のスライドバルブ11を備えたスクリュー圧縮機においてエコノマイザ運転を効果的に行うことを目的としたものである。本実施の形態1では、その目的を達成するにあたり、スライドバルブ11とエコノマイザポート8aを有するスライドバルブ8とのそれぞれの位置を個別に移動可能とした点を特徴としており、バイパス口1cの開口の大きさに応じてエコノマイザポート8aの位置を変更可能としている。以下、特徴部分について詳細に説明する。
まず、スライドバルブ8は、全負荷運転時と部分負荷運転時とで異なる位置に位置し、エコノマイザポート8aの位置を変更している。以下ではまず、全負荷運転時など、バイパス口1cが開かない(閉じている)場合のエコノマイザポート8aの位置について、エコノマイザ運転とともに説明する。その後、部分負荷運転時など、バイパス口1cが開く場合のエコノマイザポート8aの位置について、エコノマイザ運転とともに説明する。
(バイパス口1cが開かない場合)
図4は、本発明の実施の形態1に係るスクリュー圧縮機において、全負荷運転時など、バイパス口が開かない場合におけるエコノマイザポート位置を示す断面概略図である。図5は、本発明の実施の形態1に係るスクリュー圧縮機の全負荷運転時など、バイパス口が開かない場合におけるケーシング内筒面およびスクリューロータの展開図である。
図4は、本発明の実施の形態1に係るスクリュー圧縮機において、全負荷運転時など、バイパス口が開かない場合におけるエコノマイザポート位置を示す断面概略図である。図5は、本発明の実施の形態1に係るスクリュー圧縮機の全負荷運転時など、バイパス口が開かない場合におけるケーシング内筒面およびスクリューロータの展開図である。
バイパス口1cが開かない場合(全負荷(運転容量100%))の機械式容量制御では、図5および図7に示すように容量制御用のスライドバルブ11が吸入側に移動してバイパス口1cが閉じられる。バイパス口1cを閉じた状態でのエコノマイザ運転では、上述したように通常のエコノマイザ効果が得られる。ここで、本実施の形態1では、エコノマイザ運転を効率的に行うことのできる位置にエコノマイザポート8aを設けるようにしており、その位置について以下に説明する。
エコノマイザ運転を行う場合、制御装置109は、エコノマイザポート8aを有するスライドバルブ8を図4および図5の白抜き矢印で示すように吸込側(図4および図5の右側)に移動し、圧縮行程中にエコノマイザポート8aと圧縮室5とが連通する位置に位置させる。これにより、ケーシング1に設けられたエコノマイザガス流路1bがエコノマイザポート8aを介して圧縮室5に連通する。
圧縮行程中、圧縮室5がエコノマイザポート8aに連通している間、エコノマイザガスがエコノマイザガス流路1bを経由してエコノマイザポート8aから圧縮室5にインジェクションされる。この際、エコノマイザポート8aが圧縮室5に連通している際の圧力(中間圧)が上昇するとエコノマイザ運転による能力拡大効果が小さくなる。また、圧縮室5の閉じ込みが完了していない状態でエコノマイザガスを圧縮室5にインジェクションすると、エコノマイザガスが圧縮室5から吸込側に流出して吸込ガスがスクリュー溝5aに流入するのを阻害する。よって、吸込ガスが圧縮室5に流入するのを阻害しない範囲でできるだけ、低圧の圧縮室5にエコノマイザガスがインジェクションされるように、スライドバルブ8を移動してエコノマイザポート8aを図5に示す位置に位置させるようにしている。
図5において点線で囲った圧縮室5は、吸入ガスの吸入(吸入ガスの閉じ込み)を完了した位置にある。よって、図5に示すエコノマイザポート8aの位置は、吸込ガスの閉じこみ完了(圧縮開始)時に圧縮室5に連通し始める位置(第1位置)に相当する。この位置にエコノマイザポート8aを位置させることで、吸込ガスが圧縮室5に流入するのを阻害しない範囲でできるだけ、低圧の圧縮室5にエコノマイザガスをインジェクションすることが可能となる。
(バイパス口1cが開く場合)
図6は、本発明の実施の形態1に係るスクリュー圧縮機において部分負荷(100%よりも小さい)の場合の機械式容量制御におけるケーシング内筒面およびスクリューロータの展開図である。図7は、図5のA−A断面図である。図8は、図6のB−B断面図である。
図6は、本発明の実施の形態1に係るスクリュー圧縮機において部分負荷(100%よりも小さい)の場合の機械式容量制御におけるケーシング内筒面およびスクリューロータの展開図である。図7は、図5のA−A断面図である。図8は、図6のB−B断面図である。
部分負荷(運転容量が100%よりも小さい)の場合の機械式容量制御では、図6および図8に示すように容量制御用のスライドバルブ11が吐出側に移動してバイパス口1cが開かれ、ガスを圧縮室5から低圧室1fに逃がしながら圧縮行程が進んでいく。このように、圧縮が開始されるときのスクリュー溝5aの容積が小さくなる、あるいは圧縮したガスが低圧室1fに流出されるので、運転容量が減少することになる。
ここで、本実施の形態1におけるエコノマイザポート8aの位置の特徴を明確にするため、本実施の形態1におけるエコノマイザポート8aの位置と、この位置よりも吸入側にズレた位置にエコノマイザポートを設けた場合とを比較して圧縮行程時の動作を説明する。なお、「本実施の形態1におけるエコノマイザポート8aの位置よりも吸入側にズレた位置」の一例として、ここでは、図5に示した全負荷運転の場合のエコノマイザポート8aの位置(第1位置)を例に挙げ、この第1位置にエコノマイザポート8aを位置させた場合と比較して部分負荷運転時の動作を説明する。
図9は、エコノマイザポートの位置を第1位置とした場合の、部分負荷運転時の動作説明図で、圧縮室の移動に伴う、エコノマイザポート、圧縮室、バイパス口の位置関係の変化を3つまとめて示した図である。図10は、本発明の本実施の形態1に係るスクリュー圧縮機におけるエコノマイザポートの位置とした場合の、部分負荷運転時の動作説明図で、圧縮室の移動に伴う、エコノマイザポート、圧縮室、バイパス口の位置関係の変化を3つまとめて示した図である。
なお、図9(a)および図10(a)は、全負荷運転であれば(つまりバイパス口1cが閉じられていれば)閉じ込みが完了する位置に圧縮室5が位置した状態を示している。ただし、ここでは部分負荷運転時の動作を説明しているため、図9(a)および図10(a)においてバイパス口1cは開いた状態を示している。また、図9(b)および図10(b)は、圧縮室5にエコノマイザポート8aが開き始めた状態を示している。また、図9(c)は、圧縮室5がバイパス口1cを通り過ぎて完全に閉じ込み完了した状態、を示している。
図9(a)および図10(a)に示した圧縮室5の位置では、圧縮室5に対してバイパス口1cの少なくとも一部が連通している。このため、全負荷運転の場合には閉じ込みが完了する位置に圧縮室5が位置する時点において、部分負荷運転の場合には閉じ込みはまだ完了していない状態にある。
そして、部分負荷運転では、第1位置よりもスライドバルブ8を吐出側に移動させ、エコノマイザポート8aの位置を第1位置よりも吐出側(図10の左側)に位置させている。言い換えれば、実施の形態1では、第1位置に比べて圧縮室5の閉じ込みが進んで、バイパス口1cと圧縮室5との連通終了が近づいた時点で圧縮室5に連通し始める位置(以下、第2位置)にエコノマイザポート8aを位置させるようにしている。バイパス口1cの開口の大きさは負荷によって変わるため、部分負荷運転におけるスライドバルブ8の位置は一意に決められるものではなく、スライドバルブ11のスライド位置に応じたバイパス口1cの開口の大きさに応じて異なった位置となる。具体的には、バイパス口1cの開口が大きい程、エコノマイザポート8aの圧縮室5への連通開始タイミングが圧縮行程の後半方向に移動するようにスライドバルブ11の位置が制御される。
図9(b)および図10(b)は、図9(a)および図10(a)の状態からスクリューロータ3の回転が進み、エコノマイザポート8aが開き始めた状態を示している。図9(b)では圧縮室5が完全にバイパス口1cにかかっているのに対して図10(b)ではバイパス口1cを5割程度通り過ぎて閉じ込み完了に近づいた状態となっている。このように完全に閉じ込みは完了していないが、図10(b)の方がより閉じ込み完了に近い状態でのエコノマイザポート8aの圧縮室5への開き始め(連通始め)となっている。
そして、図9(c)および図10(c)は、さらにスクリューロータ3の回転が進み、圧縮室5がバイパス口1cを通り過ぎて完全に閉じ込んだ状態を示している。図9(c)ではエコノマイザポート8aも通り過ぎてしまっている状態となっており、エコノマイザポート8aおよびバイパス口1cは次の閉じ込み完了の圧縮室5に連通した状態となっている。すなわち、エコノマイザポート8aが第1位置にある場合、圧縮室5がバイパス口1cを通り始めてから通り過ぎるまでの間、常にエコノマイザポート8aとバイパス口1cとが圧縮室5を介して連通する状態となる。このようにエコノマイザポート8aとバイパス口1cとが圧縮室5を介して連通することで、エコノマイザポート8aから圧縮室5にインジェクションされた冷媒がバイパス口1cから低圧室1fへ流出する。これにより、吸入ガスが阻害されることになる。
それに対して、本実施の形態1の場合、圧縮室5がバイパス口1cを通り過ぎ、完全に閉じ込みが完了する状態に近づいた時点で、エコノマイザポート8aが圧縮室5に連通するようにしている。そして、図10(c)に示すように圧縮室5がバイパス口1cを通り過ぎ、完全に閉じ込みが完了した状態となって以降もエコノマイザポート8aが圧縮室5に連通するようにしている。言い換えれば、本実施の形態1では、エコノマイザポート8aが圧縮室5に連通開始するスクリュー回転角度を、第1位置よりも後半にずらし、エコノマイザポート8aとバイパス口1cとの両方が圧縮室5に連通する領域(スクリュー回転角度範囲)を短くしている。このように、バイパス口1cが開く運転(部分負荷運転)では、エコノマイザポート8aを第2位置に位置させることで、吸入ガスの阻害を抑制することが可能となる。
図11は、本発明の実施の形態1に係るスクリュー圧縮機における部分負荷(100%負荷より小さい容量)運転時のエコノマイザポートの位置(第2位置)と全負荷運転時のエコノマイザポートの位置(第1位置)との違いに応じた圧縮室への開口タイミングの違いの説明図である。図11にはさらに、部分負荷運転時と全負荷運転時とのそれぞれについて、スクリュー回転角度と圧縮室5の圧力(スクリュー溝5aの内圧)との関係を示している。また、図11において点線で囲った領域(スクリュー回転角度範囲)は、部分負荷運転時にバイパス口1cが圧縮室5に連通している領域であって、この領域において、バイパス口1cに加えてエコノマイザポート8aも圧縮室5に連通する場合に、吸入側へエコノマイザガスが流出することになる。
図11から明らかなように、エコノマイザポート8aが圧縮室5に開口する開口タイミングは、エコノマイザポート8aを第2位置に位置させた方が第1位置に位置させた場合に比べて遅いため、図11において点線で囲った領域と重なるスクリュー回転角度範囲は僅かである。つまり、エコノマイザガスが吸入側に流出するスクリュー回転角度範囲は僅かである。よって、部分負荷運転時は、エコノマイザポート8aを第2位置に位置させることで、吸入ガスの阻害を抑制することができる。
以上説明したように本実施の形態1によれば、バイパス口1cの開口の大きさをスライドバルブ11の位置に応じて調整することで容量制御を行うスクリュー圧縮機102において以下の効果が得られる。すなわち、スライドバルブ11とスライドバルブ8とを個別に移動可能としたため、バイパス口1cの開口の大きさに応じてエコノマイザ運転を効果的に行える位置にエコノマイザポート8aの位置を調整することができる。
具体的には、バイパス口1cが閉じている際は、エコノマイザポート8aを第1位置に位置させることで、エコノマイザ運転を効率的に行うことができる。また、バイパス口1cが開いている際は、エコノマイザポート8aを第2位置に位置させることで、吸込ガスの阻害を抑制でき、また、エコノマイザ効果を得ることができて成績係数を向上することができる。つまり、実施の形態1によれば、機械式容量制御方式のスクリュー圧縮機102および冷凍サイクル装置100においても高い成績係数を実現することができる。
実施の形態2.
実施の形態2は、実施の形態1と比較して、エコノマイザポート8aを有するスライドバルブ8の吸込側端面形状のみ異なったものである。
実施の形態2は、実施の形態1と比較して、エコノマイザポート8aを有するスライドバルブ8の吸込側端面形状のみ異なったものである。
図12は、本発明の実施の形態2に係るスクリュー圧縮機のケーシング内筒面およびスクリューロータの展開図である。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。
実施の形態2ではエコノマイザポート8aを有するスライドバルブ8の吸込側端面8bがスクリュー溝5aの傾斜に沿った形状となっている。このような形状としたことにより、実施の形態1のようにスライドバルブ8の吸込側端面8bをスクリュー軸4に対して垂直な面とした場合に比べて、以下の効果が得られる。すなわち、スライドバルブ8が駆動するための余分な空間を必要とせず、部品の小型化を達成しながら、実施の形態1と同様の効果が得られる。なお、ここではスライドバルブ8の吸込側端面8bをスクリュー溝5aの傾斜に沿った形状としたが、要するに傾斜面で形成されていればよい。ただし、スライドバルブ8の吸込側端面8bをスクリュー溝5aの傾斜に沿った形状とすることでスクリュー溝5aの閉じ込みに必要な面を確保できるので、より最適形状(小型化)が可能となる。
なお、本発明のスクリュー圧縮機における機械式容量制御用の第1スライドバルブおよびエコノマイザポート移動用の第2スライドバルブの移動に関する制御は、連続的であってもよいし、段階的であってもよい。
また、本発明のスクリュー圧縮機としてシングルスクリュー圧縮機以外に、一対の雌雄スクリューロータを有し、その噛み合いにて圧縮室5を形成するツインスクリュー圧縮機に適用してもよい。
1 ケーシング、1a スライド溝、1b エコノマイザガス流路、1c バイパス口、1d 隔壁、1e スライド溝、1f 低圧室、2 電動機、2a ステータ、2b モータロータ、3 スクリューロータ、4 スクリュー軸、5 圧縮室、5a スクリュー溝、6 ゲートロータ、6a ゲートロータ歯、7 吐出口、8 スライドバルブ、8a エコノマイザポート、8b 吸込側端面、9 連結棒、10 駆動装置、11 スライドバルブ、 100 冷凍サイクル装置、101 制御装置、102 スクリュー圧縮機、103 凝縮器、104 中間冷却器、105 膨張弁、106 蒸発器、107 中間冷却器用膨張弁、108 エコノマイザ配管。
Claims (8)
- ケーシングと、
前記ケーシング内で回転するように配置されたスクリューロータと、
前記ケーシングと前記スクリューロータとの間に形成され、冷媒ガスを圧縮する圧縮室と、
前記ケーシングに形成され、低圧室と前記圧縮室の吸入側とを連通するバイパス口と、
前記ケーシング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、スライド移動することにより前記バイパス口の開口の大きさを調整して運転容量の調整を行う第1スライドバルブと
前記ケーシングの内筒面に形成され、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、
前記ケーシングに形成され、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ガス流路と、
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た第2スライドバルブと、
前記第2スライドバルブに形成され、前記エコノマイザガス流路を前記圧縮室に連通させるエコノマイザポートと、
を備え、
前記第1スライドバルブと前記第2スライドバルブとが個別に移動可能であるスクリュー圧縮機。 - 前記第2スライドバルブは、前記第1スライドバルブのスライド位置に基づく前記バイパス口の開口の大きさに応じて前記エコノマイザポートの位置を調整するものである請求項1記載のスクリュー圧縮機。
- 前記第2スライドバルブは、前記バイパス口が開いている場合に、前記圧縮室における冷媒ガスの閉じ込みが進み、前記圧縮室と前記バイパス口との連通終了が近づいた時点で前記エコノマイザポートが前記圧縮室に連通し始める動作が得られるように前記エコノマイザポートの位置を調整するものである請求項2記載のスクリュー圧縮機。
- 前記第2スライドバルブは、前記バイパス口の開口が大きい程、前記エコノマイザポートの前記圧縮室への連通開始タイミングが圧縮行程の後半方向に移動するように前記エコノマイザポートの位置を調整するものである請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載のスクリュー圧縮機。
- 前記第2スライドバルブは、前記バイパス口が閉じている場合に、前記圧縮室への冷媒ガスの閉じ込み完了時に前記エコノマイザポートが前記圧縮室に連通し始める位置で、前記エコノマイザガス流路を前記圧縮室に連通させるものである請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載のスクリュー圧縮機。
- 前記第2スライドバルブの吸入側端面は傾斜面である請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載のスクリュー圧縮機。
- 前記傾斜面は、前記圧縮室を構成するスクリュー溝の傾斜に沿う傾斜面である請求項6記載のスクリュー圧縮機。
- 請求項1〜請求項7のいず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、減圧装置およ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、前記中間冷却器用の膨張弁およ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ガス流路に接続されたエコノマイザ配管とを備えた冷凍サイクル装置。
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