JP6430003B2 - スクリュー圧縮機、及びそのスクリュー圧縮機を備えた冷凍サイクル装置 - Google Patents
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Description
ツインゲートロータ方式は、スクリューロータの回転軸を中心に対向して2つの圧縮室がそれぞれ形成される。ガス圧が作用する圧縮室がスクリューロータの回転軸に対して対向する位置にあるため、回転軸に作用するガス荷重が互いに相殺される。
これに対し、モノゲートロータ方式は、スクリューロータの回転軸の一方側に圧縮室が形成される。本方式では、ツインゲートロータ方式のよう圧縮室がスクリューの回転軸に対して対向して配置されていないため、圧縮室のガス圧が圧縮室側から回転軸に対して作用する。
このような二段スクリュー圧縮機では、低段圧縮部において上記のようにガス圧が作用する圧縮室がスクリューの回転軸に対して対向する位置にあるため、回転軸に作用するガス荷重が互いに相殺され、スクリューの回転軸の撓みは小さい。
高段圧縮部で回転軸がたわむと、低段圧縮部においても回転軸にたわみが発生し、低段圧縮部の一方の圧縮室(高段圧縮部の圧縮室側)では、スクリューロータとケーシングとの間の内部隙間が拡大する。また、低段圧縮部の他方の圧縮室(高段側の圧縮室に対向する側)ではスクリューロータとケーシングとの間の内部隙間が縮小する。
すると、低段圧縮部の一対の圧縮室では内部隙間が不均一になるため、各圧縮室の内圧の推移は異なることとなる。すなわち、スクリューロータとケーシングとの間の内部隙間が拡大した一方の圧縮室は、圧縮工程中の内部漏洩量が増加するため、他方の圧縮室よりも内圧が上昇する。
したがって、低段圧縮部の一対の圧縮室の内圧が不均一となるため、スクリュー圧縮機の運転効率が低下するという課題があった。
はじめに、実施の形態1に係る二段シングルスクリュー圧縮機100の構成を説明する。
図1は、実施の形態1に係る二段シングルスクリュー圧縮機100の概略断面図である。
二段シングルスクリュー圧縮機100は、圧縮部1と、電動機部2とに大別される。
圧縮部1は、円筒形状のケーシング100a内に収納された低段圧縮部10と高段圧縮部20とに仕切られて構成されている。円筒形状のケーシング100aの中心軸部分には、低段圧縮部10と高段圧縮部20とを挿通する回転軸3が配置されている。ケーシング100aの外部から供給される低圧のガスは低段圧縮部10に第1吸入口10a及び第2吸入口10bを通って流入し、1次圧縮された後、高段圧縮部20に流入し2次圧縮され、高圧のガスとなってケーシング100a外に送り出される。
図2は、実施の形態1に係る低段圧縮部10の図1におけるA−A断面図である。
低段圧縮部10は、低段スクリューロータ11に2枚の第1低段ゲートロータ12aと、第2低段ゲートロータ12bを嵌め合わせるツインゲートロータ方式を採用している。低段スクリューロータ11は、外周面に複数の螺旋状のスクリュー溝11aが形成されている。
低段スクリューロータ11は、その外周面がケーシング100aの円柱状の内壁100bに接するようにケーシング100a内に収納されている。
これらの第1低段ゲートロータ12aと、第2低段ゲートロータ12bの歯部が低段スクリューロータ11のスクリュー溝11aと噛み合い、ケーシング100aの内壁100bとの間の空間に低段圧縮室15を形成する。
低段圧縮室15は、図2に示すように低段スクリューロータ11を中心として対向して配置され、第1低段ゲートロータ12aと、第2低段ゲートロータ12bとに対応して形成された第1圧縮室15aと、第2圧縮室15bとを含んでいる。ケーシング100aには、第1圧縮室15aと、第2圧縮室15bとに低圧ガスを供給する第1吸入口10a及び第2吸入口10bがそれぞれ開口している。第1吸入口10a及び第2吸入口10bは、回転軸3に対向して回転軸3の軸方向において同一位置に開口している。
この第1低段スライドバルブ13aと第2低段スライドバルブ13bは、図2に示すようにケーシング100aの内壁100bに形成された凹部100c内に収納されている。凹部100cは、回転軸3の軸方向と平行に形成された円弧形状の長溝部である。
第1低段スライドバルブ13aと第2低段スライドバルブ13bの内周面40は、低段スクリューロータ11を収容するケーシング100aの内壁100bと同一円弧面を形成している。また、低段スライドバルブ13の外周面41は、ケーシング100aの凹部100cと同一円弧面を有している。
なお、低段駆動機構14は、シリンダーとピストンで構成された例を示したが、低段スライドバルブ13を回転軸3と平行に移動させることができればその他の駆動機構を採用することができる。
図3は、実施の形態1に係る高段圧縮部20の図1におけるB−B断面図である。
高段圧縮部20は、高段スクリューロータ21に1枚の高段ゲートロータ22を嵌め合わせるモノゲートロータ方式を採用している。高段スクリューロータ21は、外周部に複数の螺旋状のスクリュー溝21aが形成されている。
高段スクリューロータ21は、その外周面がケーシング100aの円柱状の内壁100bに接するようにケーシング100a内に収納されている。
この高段ゲートロータ22の歯部が高段スクリューロータ21のスクリュー溝21aと噛み合い、ケーシング100aの円柱状の内壁100bとの間の空間に高段圧縮室25を形成する。高段圧縮室25は、回転軸3の軸方向に垂直な径方向において、低段圧縮部10の第1圧縮室15aと同一方向に配置されている。ここでの同一方向とは、少なくとも回転軸3を通る仮想面の一方側に高段圧縮室25と第1圧縮室15aとが配置されている状態をいう。
この高段スライドバルブ23は、低段スライドバルブ13と同様に図3に示すようにケーシング100aの内壁100bに形成された凹部100c内に収納されている。凹部100cは、回転軸3の軸方向と平行に形成された円弧形状の長溝部である。
高段スライドバルブ23の内周面40は、高段スクリューロータ21の外周面(高段スクリューロータ21を収容するケーシング100aの内壁100b)と同一円弧面を形成している。また、高段スライドバルブ23の外周面41は、ケーシング100aの凹部100cと同一円弧面を有している。
ここで、低段スライドバルブ13と高段スライドバルブ23の形状を詳述する。
図4は、実施の形態1に係る低段スライドバルブ13の斜視図である。
低段スライドバルブ13は、図4に示すようにバルブ本体30と、ガイド部31と、連結部32と、ロッド33とにより構成される。バルブ本体30とガイド部31との間の空間は、開口部34となっており、低段圧縮室15からの中圧ガス冷媒が流出する流路となる。バルブ本体30とガイド部31の内周面40は、上述のように低段スクリューロータ11を収容するケーシング100aの内壁100bと同一円弧面になる断面形状を有している。また、バルブ本体30とガイド部31の外周面41は、ケーシング100aの凹部100cと同一円弧面となる断面形状を有している。連結部32は、バルブ本体30とガイド部31に比べて小さい断面形状の例えば円柱形状となっている。
低段スライドバルブ13と高段スライドバルブ23は、ケーシング100aの凹部100c内で回転軸3と平行な軸方向に摺動自在となるように構成されている。
シングルスクリュー圧縮機における省エネルギー化の手段の一つにこのスライドバルブ13、23を使用し、内部容積比を可変にする技術開示がある。内部容積比とは、吸入完了時の圧縮室容積(以下、Vsと記す)と吐出工程が開始される直前の圧縮室容積(以下、Vdと記す)の比(=Vs÷Vd)で定義される。低圧と高圧から求まる運転圧力比において、エネルギー効率が最大化するよう内部容積比を調整する。
内部容積比は、スクリューロータの回転軸方向におけるスライドバルブの位置を制御することでガスの圧縮工程からの吐出タイミングを変更し調整する。なお、圧縮工程とは、圧縮室に吸入口からガスが流入を完了した時点(位置)からスライドバルブの開口部34から圧縮されたガスが圧縮室の外部へと吐出された時点(位置)までの時間、又は、回転軸3の軸方向における長さと定義される。
二段シングルスクリュー圧縮機100は、低段圧縮部10と高段圧縮部20の各々の圧縮過程において、エネルギー効率を最大化するための最適な内部容積比が異なるため、低段圧縮部10、高段圧縮部20の各々において位置の調整が可能なスライドバルブ13、23を配置する。
低段スライドバルブ13は、一対のバルブとして第1低段スライドバルブ13aと第2低段スライドバルブ13bとにより構成されている。第1低段スライドバルブ13aは、第1ロッド33aに支持され、第1圧縮室15aに対応して低段スクリューロータ11の外周面に配置されている。また、第2低段スライドバルブ13bは、第2ロッド33bに支持され、第2圧縮室15bに対応して低段スクリューロータ11の外周面に配置されている。
低段圧縮部10の第1圧縮室15aは、回転軸3の軸方向と垂直な径方向において、高段圧縮部20の高段圧縮室25と同一方向に配置されているので、高段圧縮室25側の第1圧縮室15aの圧縮工程が、対向する第2圧縮室15bの圧縮工程よりも短くなるように構成されている。
次に実施の形態1に係る二段シングルスクリュー圧縮機100の動作について説明する。
二段シングルスクリュー圧縮機100は、熱交換器としての凝縮器と蒸発器と、それらの熱交換器の間に配置した膨張弁とを閉ループで配管接続した冷媒回路に用いられる。
二段シングルスクリュー圧縮機100を駆動する電動機部2は、インバータ回路から起動信号を受けて起動する。
第1圧縮室15aと第2圧縮室15bへの低圧ガス冷媒の吸入は、同一のタイミングで完了し、各々の圧縮室には、ほぼ同一質量のガス冷媒が吸入される。吸入完了後は、低段スクリューロータ11の回転とともに各圧縮室の容積が減じられ、内圧が高められてゆく。
すなわち、圧縮室内のガス冷媒は、第2圧縮室15bよりも第1圧縮室15aの方が先に圧縮室から吐出される構成となっている。
圧縮室からガス冷媒が吐出する際には、ガス冷媒が低段スライドバルブの開口部34を通って流出する。
高段圧縮室25内の冷媒は、高段スクリューロータ21の回転とともに容積を減じられて圧縮され、内圧がする。そして、高圧のガス冷媒となって高段スライドバルブ23の開口部34から吐出する。
吐出した高圧のガス冷媒は凝縮器に流入する。
図5は、従来の二段シングルスクリュー圧縮機に係る低段圧縮部の第1圧縮室と第2圧縮室の圧力推移を示す説明図である。
図6は、実施の形態1に係る二段シングルスクリュー圧縮機100の低段圧縮部10における第1圧縮室15aと第2圧縮室15bの圧力推移を示す説明図である。
図5及び図6において縦軸は、第1圧縮室15aと第2圧縮室15bの内圧を示し、横軸は、圧縮工程の時間、又は、圧縮工程を行う回転軸3の軸方向長さを示している。
低段圧縮部10にツインゲートロータ方式、高段圧縮部20にモノゲートロータ方式を採用した二段シングルスクリュー圧縮機100では、高段圧縮部20で、高段圧縮室25のガス圧が回転軸3に対して一方向側から作用する。すなわち、高段圧縮部20では、高段圧縮室25が回転軸3の一方側に配置され高段圧縮室25内のガス圧が吐出圧力まで高められるのに対し、回転軸3に対して高段圧縮室25の反対側はガス圧が中間圧力の雰囲気のため、これらの差圧が回転軸3に作用する。すると、高段圧縮部20では、この差圧によるガス荷重によって、回転軸3が高段圧縮室25の反対側へたわみ、撓み量が大きくなる。
また、第1圧縮室15aでは内圧が上昇しやすいため、図5に示すように設定吐出圧力を超える過圧縮領域が発生し、無駄なエネルギーを消費することとなる。
すなわち、各圧縮室内の内部隙間の不均一化が発生しても、高効率な運転が可能な二段シングルスクリュー圧縮機100を実現することができる。
また、実施の形態1では、第1低段スライドバルブ13aと第2低段スライドバルブ13bとで同一形状のものを使用するため、同一の型や加工方法で製造することが可能で製造コストを削減することができる。
実施の形態1に係るスクリュー圧縮機は、ガスを圧縮する低段圧縮部10と、低段圧縮部10で圧縮されたガスをさらに圧縮する高段圧縮部20と、を有するケーシング100aと、低段圧縮部10と高段圧縮部20とを貫通し、ケーシング100a内で回転可能に配置された回転軸3と、低段圧縮部10内の回転軸3に取り付けられ、複数のスクリュー溝11aが外周面に形成された低段スクリューロータ11と、低段スクリューロータ11のスクリュー溝11aに噛み合う歯部が形成され、低段スクリューロータ11のスクリュー溝11aとケーシング100aとの間で一対の低段圧縮室15を形成する一対の低段ゲートロータ12と、一対の低段圧縮室15に配置され、回転軸3の軸方向に移動することで低段圧縮部10からガスが吐出するタイミングを調整する一対の低段スライドバルブ13と、を有し、一対の低段スライドバルブ13は、回転軸3の軸方向においてそれぞれ異なる位置に配置されるため、各低段圧縮室15内に内部隙間の不均一化が発生しても、高効率な運転が可能な二段シングルスクリュー圧縮機100を実現することができる。
実施の形態2に係る二段シングルスクリュー圧縮機100では、低段スライドバルブ13の構造、及び、各ロッド33の長さが実施の形態1と異なるため、この点を主に説明する。
図7は、実施の形態2に係る低段スライドバルブ213の斜視図である。
実施の形態2では、低段圧縮部10の第1圧縮室15aと第2圧縮室15bに配置された第1低段スライドバルブ213a及び第2低段スライドバルブ213bの形状が実施の形態1に係る低段スライドバルブ13と異なる。
また、図7に示す第1低段スライドバルブ213a及び第2低段スライドバルブ213bの全長L、及び、バルブ本体30の傾斜部30aの高さHと幅Wについては同一寸法である。
よって、最大距離W1を変更するとガイド部31の幅W2が変更され、開口部34の幅寸法が変更される。
すると、開口部34の幅寸法は、第1低段スライドバルブ213aの第1開口34aが第2低段スライドバルブ213bの第2開口34bよりも大きくなる。
なお、実施の形態1に係る低段スライドバルブ13と同様に低段スライドバルブ213の一端には、ロッド33を備えるが、第1低段スライドバルブ213a及び第2低段スライドバルブ213bとで各ロッド33の長さは同一寸法となっている。
より詳しくは、第1低段スライドバルブ213aの第1開口34aと第1吸入口10aとの距離が第2低段スライドバルブ213bの第2開口34bと第2吸入口10bとの距離よりも短くなるように構成されている。
実施の形態2に係るスクリュー圧縮機において、第1低段スライドバルブ213aは、第1圧縮室内のガスを吐出させる第1開口34aを有し、第2低段スライドバルブ213bは、第2圧縮室15b内のガスを吐出させる第2開口34bを有し、第1開口34aの回転軸3の軸方向の長さは、第2開口34bの回転軸3の軸方向の長さよりも長く構成されている。すなわち、第1低段スライドバルブ13aの第1開口34aは、第2低段スライドバルブ13bの第2開口34bよりも低段圧縮部10における圧縮工程の軸方向の長さが短くなるように、低圧ガスの第1吸入口10aとの距離が短くなる位置まで開口している。
よって、図6に示すように第1圧縮室15a内の圧縮室内圧力Pが過度に上昇することがなくなり、設定吐出圧力に対して均等にガス冷媒を圧縮することが可能となる。
すなわち、各圧縮室内の内部隙間の不均一化が発生しても、高効率な運転が可能な二段シングルスクリュー圧縮機100を実現することができる。
Claims (6)
- ガスを圧縮する低段圧縮部と、該低段圧縮部で圧縮されたガスをさらに圧縮する高段圧縮部と、を有するケーシングと、
前記低段圧縮部と前記高段圧縮部とを貫通し、前記ケーシング内で回転可能に配置された回転軸と、
前記低段圧縮部内の前記回転軸に取り付けられ、複数のスクリュー溝が外周面に形成された低段スクリューロータと、
該低段スクリューロータのスクリュー溝に噛み合う歯部が形成され、前記低段スクリューロータのスクリュー溝と前記ケーシングとの間で一対の低段圧縮室を形成する一対の低段ゲートロータと、
前記一対の低段圧縮室に配置され、前記回転軸の軸方向に移動することで前記低段圧縮室からガスが吐出するタイミングを調整する一対の低段スライドバルブと、
前記高段圧縮部内の前記回転軸に取り付けられ、複数のスクリュー溝が外周面に形成された高段スクリューロータと、
該高段スクリューロータのスクリュー溝に噛み合う歯部が形成され、前記高段スクリューロータのスクリュー溝と前記ケーシングとの間で1つの高段圧縮室を形成する1つの高段ゲートロータと、
を有し、
前記低段圧縮室は、第1圧縮室と、該第1圧縮室に対して前記回転軸を中心に対向して配置された第2圧縮室と、を有し、
前記高段圧縮室は、前記第1圧縮室と前記回転軸の軸方向に垂直な径方向において同一方向に配置されており、
前記一対の低段スライドバルブは、前記第1圧縮室に配置された第1低段スライドバルブと前記第2圧縮室に配置された第2低段スライドバルブとにより構成され、
前記第1低段スライドバルブと前記第2低段スライドバルブとを駆動する駆動機構を備え、
前記第1低段スライドバルブは、前記駆動機構に第1ロッドを介して接続され、
前記第2低段スライドバルブは、前記駆動機構に第2ロッドを介して接続され、
前記第1ロッドと前記第2ロッドは、前記低段圧縮室からみて前記高段圧縮室側に配置された同一の連結板に接続されているとともに、前記第1ロッドの前記軸方向の長さは、前記第2ロッドの前記軸方向の長さよりも長く構成され、
前記第1低段スライドバルブと前記第2低段スライドバルブとは、前記連結板を駆動する前記駆動機構により、前記第1ロッドと前記第2ロッドを介して前記回転軸に沿って同時に移動するスクリュー圧縮機。 - 前記第1圧縮室と前記第2圧縮室の各圧縮工程において、前記第1低段スライドバルブは、前記第2低段スライドバルブよりも早いタイミングで前記第1圧縮室内のガスを吐出させ、前記第1圧縮室の圧縮工程を前記第2圧縮室の圧縮工程よりも短縮させる請求項1に記載のスクリュー圧縮機。
- 前記第1圧縮室にはガスが供給される第1吸入口が開口し、前記第2圧縮室にはガスが供給される第2吸入口が開口し、
前記第1低段スライドバルブは、前記第1圧縮室内のガスを吐出させる第1開口を有し、
前記第2低段スライドバルブは、前記第2圧縮室内のガスを吐出させる第2開口を有し、
前記第1吸入口と前記第1開口との間の長さは、前記第2吸入口と前記第2開口との間の長さよりも短く構成された請求項1又は2に記載のスクリュー圧縮機。 - 前記第1低段スライドバルブは、前記第1圧縮室内のガスを吐出させる第1開口を有し、
前記第2低段スライドバルブは、前記第2圧縮室内のガスを吐出させる第2開口を有し、
前記第1開口の前記軸方向の長さは、前記第2開口の前記軸方向の長さよりも長く構成された請求項1又は2に記載のスクリュー圧縮機。 - 前記第1低段スライドバルブは、前記第1圧縮室内のガスを吐出させる前記第1開口を有し、
前記第2低段スライドバルブは、前記第2圧縮室内のガスを吐出させる前記第2開口を有し、
前記第1開口の前記軸方向の長さは、前記第2開口の前記軸方向の長さよりも長く構成された請求項3に記載のスクリュー圧縮機。 - 請求項1〜5のいずれか1項に記載のスクリュー圧縮機を備えた冷凍サイクル装置。
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