JP6685379B2 - スクリュー圧縮機および冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、たとえば冷媒圧縮を行うスクリュー圧縮機および冷凍サイクル装置に係るものである。特にエコノマイザポートを有するスクリュー圧縮機などに関するものである。

従来の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）の向上などを目的として、冷媒回路を構成する機器として、冷媒間の熱交換を行う中間冷却器を有する装置がある。中間冷却器を有する冷凍サイクル装置では、たとえば、中間冷却器において液状の冷媒が冷却された後のガス状の冷媒（以下、エコノマイザガスという）を圧縮機中間部へ導くエコノマイザ運転を行うことができるものがある。

このような冷凍サイクル装置において、中間冷却器は、冷媒回路を構成する凝縮器と蒸発器との間に配置される。また、凝縮器から蒸発器に至る途中で主となる冷媒回路から分岐したエコノマイザ配管を有している。また、エコノマイザ配管には、中間冷却用膨張弁が設置されている。そして、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を有している。

スクリュー圧縮機は、スクリューロータ、スクリューロータを収容するケーシング、低圧室と圧縮室の吸込側とを連通するバイパス口およびスクリューロータの回転軸方向へスライド移動されて、バイパス口の一部または全部を塞ぎ、バイパス口の開口部分の大きさを調整するスライドバルブを備えている。スクリュー圧縮機には、ケーシングの内面とスクリューロータとゲートロータとの間に少なくとも２つの圧縮室を有しているものがある。従来技術において、前述したエコノマイザポートは、一方の圧縮室にのみ設置されている。そして、たとえば、制御装置は、エコノマイザポートが設けられていない他方の圧縮室のスライドバルブを先に移動させてバイパス口の開口部分を調整し、圧縮機の容量を調整する。このとき、エコノマイザガスが、バイパス口を経由して吸込側へ流入することがなく、吸込する冷媒の阻害を抑制する（たとえば、特許文献１参照）。

特許第１５５１２０４号公報

前述したとおり、スライドバルブを移動させてバイパス口の開口部分の大きさを調整して容量制御を行うスクリュー圧縮機に対して、圧縮されたガス状の冷媒をバイパスさせることで発生する損失を低減するため、インバータ装置による制御により、電動機の運転回転数を変化させて容量を調整するスクリュー圧縮機がある。たとえば、インバータ制御により容量を調整するスクリュー圧縮機は、低回転数運転時には吐出量に対する漏れの割合が大きく、性能が悪化してしまう。そこで、一方の圧縮室に対して、スライドバルブを移動してバイパス口の開口部分の大きさを調整する。そして、バイパス口を開けることで、一方の圧縮室を無負荷状態とし、圧縮機の吸込容積を約１／２にする休筒運転を行って、吸込容積と冷媒ガスが漏れるシール長さを減少させる。休筒運転を行うことで、所定の能力を得るために圧縮機の運転回転数を増加させることができ、吐出量に対する漏れの割合が小さくなって部分負荷における性能を向上させることができる。

上記のように電動機の運転回転数を変化させて容量を調整するスクリュー圧縮機においては、運転回転数を変化させて容量を調整するため、バイパス口を開口して容量を調整する運転モードが減り、部分負荷時の性能を向上させることができる。しかしながら、エコノマイザ配管が接続され、エコノマイザポートが設けられているスクリュー圧縮機において、エコノマイザ運転を停止した際に課題がある。エコノマイザポートは通常二つの圧縮室にそれぞれ設けられ、エコノマイザ運転を停止した際の課題があるが、一方の圧縮室にのみ設けた場合であっても、以下の同様の課題がある。特許文献１のように、バイパス口を開口しない側の圧縮室にエコノマイザポートを設けると、低負荷条件で運転圧力差（冷凍サイクルの高低差圧）が小さい条件では、エコノマイザガスが流入しにくくなり、サイクルが不安定となり、エコノマイザーサイクルによる冷凍能力の向上効果が得られず、成績係数が悪化してしまう。そのため、エコノマイザ運転を停止すると、エコノマイザポートおよび流路の容積部がデッドボリュームとなり、再圧縮損失を生じる、漏れ流路として作用するなど、成績係数が低下す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、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、運転回転数を変更可能な電動機と、複数のスクリュー溝を外周面に有するスクリューロータと、電動機からの駆動力をスクリューロータに伝達してスクリューロータを回転させるスクリュー軸と、スクリュー軸に対して点対称に、スクリューロータの両側にそれぞれ配置され、スクリュー溝に噛み合わされる複数の歯を外周部に有する第１ゲートロータおよび第２ゲートロータと、筒形状を有し、筒の内側にスクリューロータを収容するケーシングと、第１ゲートロータ、スクリュー溝およびケーシングで囲まれた空間である第１圧縮室と、第２ゲートロータ、スクリュー溝およびケーシングで囲まれた空間である第２圧縮室と、第１圧縮室側のみに設置され、スクリュー軸の方向にスライド移動自在の第１スライドバルブを有するバイパス装置と、第１圧縮室側のみに設置され、外部からの流体をケーシング内に流入させるエコノマイザポートと、第２圧縮室の外周面に設置され、スクリュー軸の方向にスライド移動自在の第２スライドバルブと、第２スライドバルブをスライド移動させて、第２圧縮室が有する吐出口からの流体の吐出タイミングを調整する内部容積比可変機構とを備え、第１スライドバルブは、第１圧縮室と吸込圧力雰囲気となる低圧室とを連通可能にスライドして、第１圧縮室からの流体の吐出量を調整するものであり、エコノマイザポートは、ケーシングに第１圧縮室と連通して設けられているものである。

また、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、中間冷却器の高圧側流路、減圧装置および蒸発器を順に冷媒配管で接続し、流体である冷媒を循環させる冷媒回路を構成し、中間冷却器と減圧装置との間の配管から分岐し、中間冷却器用絞り装置および中間冷却器の中間圧側流路を介してスクリュー圧縮機が有するエコノマイザポートに接続されるエコノマイザ配管を備えるものである。

本発明によれば、エコノマイザポートとバイパス装置を第１圧縮室側に設けるようにしたので、たとえば、高負荷運転時にはエコノマイザ運転をしてエコノマイザ効果が得られ、低負荷運転時には、第１圧縮室を無負荷状態にすることで運転回転数を増加でき、さらにはエコノマイザを停止運転とした場合においても、デッドボリュームによる損失を低減することが可能となる。このため、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など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１０２を備えた冷凍サイクル装置１００の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機１０２における内部構成を説明する図である。 本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機１０２におけるケーシング１、スクリューロータ３およびゲートロータ６と、圧縮室５との関係を示す図である。 本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機１０２の圧縮原理を示す図である。 本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機１０２において、吸込側バイパス口１ｄが開口していないときの状態を示す概略図である。 本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機１０２において、吸込側バイパス口１ｄが開口していないときのケーシング１の内筒面およびスクリューロータ３を展開した図である。 本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機１０２において、吸込側バイパス口１ｄを開口させたときの状態を示す概略図である。 本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機１０２において、吸込側バイパス口１ｄを開口させたときのケーシング１の内筒面およびスクリューロータ３を展開した図である。 本発明の実施の形態２に係るスクリュー圧縮機１０２を備えた冷凍サイクル装置１００の構成を示す図である。 本発明の実施の形態２に係るスクリュー圧縮機１０２において、吸込側バイパス口１ｄが開口していないときの状態を示す概略図である。 本発明の実施の形態２に係るスクリュー圧縮機１０２において、吸込側バイパス口１ｄが開口していないときのケーシング１の内筒面およびスクリューロータ３を展開した図である。 本発明の実施の形態２に係るスクリュー圧縮機１０２において、吸込側バイパス口１ｄを開口させたときの状態を示す概略図である。 本発明の実施の形態２に係るスクリュー圧縮機１０２において、吸込側バイパス口１ｄを開口させたときのケーシング１の内筒面およびスクリューロータ３を展開した図である。

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、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。また、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、装置などにおける状態、動作などにおいて相対的に定まるものとする。また、添字で区別などしている複数の同種の機器などについて、特に区別したり、特定したりする必要がない場合には、添字などを省略して記載する場合がある。

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１０２を備えた冷凍サイクル装置１００の構成を示す図である。以下においては、スクリュー圧縮機１０２は、冷媒回路を構成する機器である。このため、実施の形態１などのスクリュー圧縮機１０２が吸込、圧縮および吐出する流体が、冷媒であるものとして説明する。

実施の形態１の冷凍サイクル装置１００は、インバータ装置１０１から電力供給されて駆動するスクリュー圧縮機１０２と、凝縮器１０３と、中間冷却器１０４の高圧側流路と、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て構成した、主となる冷媒回路を有している。冷凍サイクル装置１００は、さらに、中間冷却器１０４と膨張弁１０５との間において主流冷媒が流れる配管から一端が分岐したエコノマイザ配管１０８を有している。エコノマイザ配管１０８の別の一端は、中間冷却器用膨張弁１０７および中間冷却器１０４の中間圧側流路を介してスクリュー圧縮機１０２に接続される。また、エコノマイザ配管１０８には、エコノマイザ配管１０８に冷媒を通過させるまたは通過させないようにする、開閉装置となる電磁弁１０９が設けられている。

インバータ装置１０１は、スクリュー圧縮機１０２への電力供給を制御して、スクリュー圧縮機１０２の運転回転数を制御する。スクリュー圧縮機１０２については後述する。また、凝縮器１０３は、スクリュー圧縮機１０２から吐出されたガス状の冷媒である吐出ガスを冷却し、凝縮させる。膨張弁１０５は、中間冷却器１０４の高圧側流路から流出した主流冷媒を減圧させ、膨張させる。さらに、蒸発器１０６は、膨張弁１０５から流出した冷媒を蒸発させる。中間冷却器１０４は、主流冷媒である高圧側冷媒と中間圧冷媒とを熱交換させる。高圧側冷媒は、凝縮器１０３と膨張弁１０５との間の高圧側流路を流れる冷媒である。また、中間圧冷媒は、中間冷却器用膨張弁１０７により高圧側冷媒の一部が減圧されて、中間圧側流路を流れる冷媒である。熱交換により、高圧側冷媒は冷却される。また、中間圧冷媒は加熱されて、エコノマイザガスとなる。

冷凍サイクル装置１００は、さらに制御装置１１０を備えている。制御装置１１０は、インバータ装置１０１、膨張弁１０５、中間冷却器用膨張弁１０７などを制御する。特に、実施の形態１では、制御装置１１０は、バイパス制御装置１１１および開閉制御装置１１２を有している。バイパス制御装置１１１は、後述するように、スクリュー圧縮機１０２が有するスライドバルブ８の位置制御などを行う。また、開閉制御装置１１２は、電磁弁１０９の開閉を制御する。

（スクリュー圧縮機）
図２は、本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機１０２における内部構成を説明する図である。また、図３は、本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機１０２におけるケーシング１、スクリューロータ３およびゲートロータ６と、圧縮室５との関係を示す図である。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および図３を用いて説明する。

図２に示すように、実施の形態１のスクリュー圧縮機１０２は、ケーシング１、スクリューロータ３、ゲートロータ６、スクリューロータ３を回転駆動させる電動機２およびスライドバルブ８などを備えている。筒状のケーシング１は、スクリューロータ３、ゲートロータ６、電動機２、スライドバルブ８などを筒の内側に収容する。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。電動機２は、インバータ装置１０１から供給された電力に基づく運転回転数で駆動する。

また、ケーシング１内にはスクリューロータ３が配置されている。スクリューロータ３とモータロータ２ｂとは、互いに、回転軸となるスクリュー軸４の周りに配置され、固定されている。スクリューロータ３は、外周面に複数の螺旋状のスクリュー溝５ａが形成されている。スクリューロータ３は、スクリュー軸４に固定されたモータロータ２ｂの回転に伴って回転する。また、実施の形態１のスクリュー圧縮機１０２は、２つのゲートロータ６を有している。２つのゲートロータ６は、スクリュー軸４に対して点対称となる位置であって、スクリューロータ３の両側にそれぞれ配置されている。ここで、一方を第１ゲートロータ６ｂとし、他方を第２ゲートロータ６ｃとする。ゲートロータ６は、円板状の形状をしており、外周面には周方向に沿って複数の歯６ａが設けられている。ゲートロータ６の歯６ａは、スクリュー溝５ａに噛み合わされている。そして、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の筒内面側によって囲まれた空間が圧縮室５となる。

図３に示すように、圧縮室５は、スクリューロータ３の径方向中心に対して、点対称となる位置に複数形成される。ここで、実施の形態１では、ケーシング１、スクリューロータ３および第１ゲートロータ６ｂの歯６ａで囲まれる圧縮室５を第１圧縮室５ｂとする。また、ケーシング１、スクリューロータ３および第２ゲートロータ６ｃの歯６ａで囲まれる圧縮室５を第２圧縮室５ｃとする。そして、第１圧縮室５ｂと第２圧縮室５ｃとを区別する必要がない場合には、圧縮室５として説明する。

ここで、スクリュー圧縮機１０２内は、隔壁（図示せず）により冷媒の吸込側となる低圧側と冷媒の吐出側となる高圧側とに区画される。低圧側の空間は、吸込圧力雰囲気となる低圧室（図示せず）となる。また、高圧側の空間は、吐出圧力雰囲気となる高圧室（図示せず）となる。ケーシング１において、圧縮室５の高圧側となる位置には、高圧室と圧縮室５とを連通させる吐出口７（後述する図４を参照）が設けられている。

さらに、ケーシング１の内側において、第１圧縮室５ｂに対応する位置に、スクリューロータ３の回転軸方向に延びるスライド溝１ａが形成されている。そして、スライド溝１ａ内には、バイパス装置となるスライドバルブ８が、スライド溝１ａに沿ってスライド移動自在に収容されている。スライドバルブ８は、ケーシング１と一体となって、ケーシング１とともに第１圧縮室５ｂを形成している。実施の形態１では、２つの圧縮室５のうち、一方の圧縮室５側にのみ、スライドバルブ８が設けられている。図２では、第１圧縮室５ｂにのみ、バイパス装置となるスライドバルブ８が設けられている。実施の形態１では、第１圧縮室５ｂ側だけにスライド溝１ａおよびスライドバルブ８が設けられているスクリュー圧縮機１０２について説明するが、スライド溝１ａおよびスライドバルブ８が第２圧縮室５ｃ側だけにあってもよい。このとき、第２圧縮室５ｃが第１圧縮室となる。

スライドバルブ８は、連結棒９を介して、たとえば、ピストンなどのバイパス駆動装置１０に接続されている。バイパス駆動装置１０を駆動させることにより、スライドバルブ８は、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。制御装置１１０のバイパス制御装置１１１は、第１圧縮室５ｂが有する吐出口７からの流体の吐出量＜第２圧縮室５ｃが有する吐出口からの流体の吐出量となる位置に、スライドバルブ８を位置させる指示をバイパス駆動装置１０に送り、スクリュー圧縮機１０２の容量制御運転を行う。ここで、スライドバルブ８を駆動するバイパス駆動装置１０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、駆動の動力源を限定しない。

また、ケーシング１は、中間冷却器１０４から流出したエコノマイザガスを、第１圧縮室５ｂに導くエコノマイザガス流路１ｂを有している。エコノマイザガス流路１ｂは、エコノマイザポート１ｃを介して第１圧縮室５ｂに連通する。そして、エコノマイザ配管１０８が、エコノマイザガス流路１ｂに接続される。中間冷却器１０４から流出して分岐し、主流冷媒液を冷却したエコノマイザガスが、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１ｃを通って第１圧縮室５ｂに流入する。

ここで、中間冷却器１０４からエコノマイザガスを導くためのエコノマイザガス流路１ｂおよびエコノマイザポート１ｃは、前述したように、第１圧縮室５ｂと連通し、第１圧縮室５ｂ側のみに設けられている。また、ケーシング１内のエコノマイザガス流路１ｂにおいて、冷媒ガスが流れる際の脈動を抑制する空間（図示せず）が設けられ、この空間を経由して第１圧縮室５ｂと連通するものもある。

（冷媒回路の動作説明）
次に、実施の形態１の冷凍サイクル装置１００の動作について、図１〜図３を参照して説明する。

スクリュー圧縮機１０２は、ガス状の冷媒である冷媒ガスを吸込して圧縮した後、吐出する。スクリュー圧縮機１０２から吐出された吐出ガスは、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の高圧側流路に流入する。中間冷却器１０４では、高圧側流路を通過する高圧側冷媒と、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で減圧されて中間圧側流路を通過する中間圧冷媒とが熱交換される。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。冷媒が過冷却されることで、蒸発器１０６における冷凍効果は増えることになる。過冷却された冷媒は、蒸発器１０６で加熱され、冷媒ガスとなる。蒸発器１０６から流出した冷媒ガスはスクリュー圧縮機１０２に吸い込まれる。

一方、中間冷却器１０４の中間圧側流路を通過する中間圧冷媒は、高圧側冷媒を冷却した後、エコノマイザガスとなり、エコノマイザ配管１０８およびエコノマイザガス流路１ｂを通過する。そして、高圧およびエコノマイザガスの中間圧力と第１圧縮室５ｂ内の圧力との差圧により、エコノマイザガスが、ケーシング１に設けられたエコノマイザポート１ｃから第１圧縮室５ｂにインジェクションされる。インジェクションされたエコノマイザガスは、圧縮途中の冷媒ガスと混合し、スクリュー圧縮機１０２から吐出される。

（スクリュー圧縮機１０２の動作説明）
図４は、本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機１０２の圧縮原理を示す図である。次に、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。たとえば、スクリューロータ３が、図２に示す電動機２により、図２に示すスクリュー軸４を介して回転させられると、図４に示すように、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。このとき、圧縮室５内では、吸込行程、圧縮行程および吐出行程が順次行われる。吸込行程、圧縮行程および吐出行程を１つのサイクルとして、サイクルが繰り返される。ここでは、図４においてドット状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４（ａ）は、吸込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により駆動して、実線矢印の方向に回転する。スクリューロータ３が回転すると、図４（ｂ）に示すように圧縮室５の容積が縮小していく。

引き続き、スクリューロータ３が回転すると、図４（ｃ）に示すように、圧縮室５が吐出口７を介して、外部と連通する。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から外部へ吐出される。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。

図４では、エコノマイザポート１ｃおよびスライドバルブ８およびスライド溝１ａについては図示を省略している。ここで、エコノマイザ運転時には、圧縮行程において、エコノマイザガスが、エコノマイザポート１ｃを介して圧縮室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、冷媒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。

実施の形態１のスクリュー圧縮機１０２は、片側の圧縮室５（実施の形態１の例では第１圧縮室５ｂ）のみにエコノマイザポート１ｃを設け、エコノマイザ運転を行うものである。そして、エコノマイザ運転において、さらに、低負荷の状態で運転する低負荷運転時に、エコノマイザポート１ｃがデッドボリュームとなることを防止することを目的とする。以下、詳細に説明する。ここで、実施の形態１のスクリュー圧縮機１０２における特徴を明確にするため、高負荷運転時と低負荷運転時の吸込バイパス制御とエコノマイザポート１ｃの関係とを比較して、圧縮行程時の動作を説明する。ここで、低負荷は、制御装置１１０がスクリュー圧縮機１０２の運転の判断基準とする所定の負荷である。一般的には、２０Ｈｚ〜３０Ｈｚ程度以下の低回転数でスクリュー圧縮機１０２を駆動し、冷媒回路内が低差圧運転となる場合が多い。低負荷運転は、低負荷における運転である。また、高負荷運転は、一般的に、高回転数でスクリュー圧縮機１０２を駆動し、冷媒回路内が高差圧となる状態が多い。

まずは、高負荷運転において、低圧室と圧縮室５との間にある吸込側バイパス口１ｄが開かず、両側の圧縮室５にて圧縮が行われる場合における圧縮行程およびエコノマイザ回路について説明する。高負荷運転時には能力を確保するため、吸込側バイパス口１ｄを塞いで開口させないようにし、２つの圧縮室５で冷媒を圧縮する。

図５は、本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機１０２において、吸込側バイパス口１ｄが開口していないときの状態を示す概略図である。また、図６は、本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機１０２において、吸込側バイパス口１ｄが開口していないときのケーシング１の内筒面およびスクリューロータ３を展開した図である。

高負荷運転時には、冷凍効果、成績係数などを向上させるために、エコノマイザ運転を行う。エコノマイザ運転を行う際、制御装置１１０のバイパス制御装置１１１は、図５および図６の白抜き矢印で示すように、スライドバルブ８を、吸込側（図５および図６における右側）に移動させる。スライドバルブ８は、吸込側バイパス口１ｄを開口させないようにする位置（第１位置）となる。吸込側バイパス口１ｄが開口していないので、ケーシング１に設けられたエコノマイザガス流路１ｂと第１圧縮室５ｂとはエコノマイザポート１ｃを介して連通しているが、低圧室とは連通していない。

圧縮行程中、エコノマイザポート１ｃが第１圧縮室５ｂに位置している間、エコノマイザガス流路１ｂを通過したエコノマイザガスが、エコノマイザポート１ｃから第１圧縮室５ｂにインジェクションされる。ここで、エコノマイザポート１ｃが第１圧縮室５ｂに位置している間において、第１圧縮室５ｂ内における冷媒の圧力（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、第１圧縮室５ｂの閉じ込みが完了していない状態でエコノマイザガスが第１圧縮室５ｂに流入すると、エコノマイザガスが第１圧縮室５ｂから低圧室側に流出し、冷媒ガスがスクリュー溝５ａに流入することを阻害する。そこで、冷媒ガスが圧縮室５に流入するのを阻害しない範囲で、できるだけ、第１圧縮室５ｂの低圧部分にエコノマイザガスが流入するような位置に、エコノマイザポート１ｃを配置する。

このように、低圧室と第１圧縮室５ｂとを連通する吸込側バイパス口１ｄを開口させないことで、スクリュー圧縮機１０２には２つの圧縮室５が形成される。そして、エコノマイザ配管１０８などを介して、第１圧縮室５ｂにエコノマイザガスが流入することから、高負荷運転時に必要な冷凍能力を確保することができる。さらに、エコノマイザ効果により、高い成績係数を実現することができる。

次に、たとえば、低負荷運転について、第１圧縮室５ｂの吸込側バイパス口１ｄを開口する場合の圧縮行程およびエコノマイザ回路について説明する。吸込側バイパス口１ｄが開口した状態にあると、第１圧縮室５ｂと低圧室とが連通して、第１圧縮室５ｂにおいて圧縮が行われない。このため、スクリュー圧縮機１０２における吸込容積が半分（１／２）程度となり、第１圧縮室５ｂが無負荷状態となる片肺運転（片側運転）となる。

図７は、本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機１０２において、吸込側バイパス口１ｄを開口させたときの状態を示す概略図である。また、図８は、本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機１０２において、吸込側バイパス口１ｄを開口させたときのケーシング１の内筒面およびスクリューロータ３を展開した図である。

たとえば、低負荷運転時には、能力を調整するため、運転回転数を低下させる。しかし、運転回転数が低い場合には、吐出量に対する漏れの割合が大きくなり、性能が悪化する。そこで、実施の形態１では、スライドバルブ８を吐出側に移動させ、低圧室と第１圧縮室５ｂの吸込側バイパス口１ｄを開口させる位置に移動させる。吸込側バイパス口１ｄを開口させることで、第１圧縮室５ｂでは圧縮行程が行われず、無負荷状態となる。そして、第２圧縮室５ｃだけで圧縮行程が行われるため、吸込側バイパス口１ｄを開口していない場合に対し、排除容積は半分（１／２）程度となる。したがって、２つの圧縮室５において圧縮した場合と同様の排除容積にして冷凍能力を確保するため、運転回転数を増加させて駆動させる。運転回転数が増加することで、吐出量に対する漏れの割合の悪化を抑えることができる。

たとえば、水冷チラーなどでは、一般的に低負荷運転の場合、吸込圧力もしくは圧縮室５内の圧力と吐出圧力が低差圧状態であることが多い。このため、エコノマイザ運転をしてもエコノマイザ効果が小さい。さらに、エコノマイザガスが圧縮室５に流入しにくい。このため、エコノマイザポート１ｃがデッドボリュームとなり、再圧縮損失、漏れ損失が生じてしまう。ここで、デッドボリュームとは、無駄に圧縮される容積部である。

また、低負荷運転においては、エコノマイザ運転をしてもエコノマイザガスが圧縮室５に流入しにくく、冷凍サイクルが不安定な状態となる。したがって、制御装置１１０において、開閉制御装置１１２が、エコノマイザ配管１０８にある電磁弁１０９を閉止させ、エコノマイザ運転を停止状態とする。

そこで、実施の形態１では、第１圧縮室５ｂ側に、エコノマイザポート１ｃおよび吸込側バイパス口１ｄを設置する。そして、低負荷運転時に、バイパス制御装置１１１は、スライドバルブ８を移動させ、吸込側バイパス口１ｄを開口させて、休筒運転を行う。

制御装置１１０のバイパス制御装置１１１は、図７および図８の白抜き矢印で示すように、スライドバルブ８を、吐出側（図７および図８における左側）に移動させる。スライドバルブ８は、吸込側バイパス口１ｄを開口させる位置（第２位置）となる。第１圧縮室５ｂは休筒しているため、第１圧縮室５ｂにおいて圧縮行程が行われない。このため、エコノマイザポート１ｃおよびエコノマイザガス流路１ｂがデッドボリュームになり得ない。

このように、スライドバルブ８を移動させて吸込側バイパス口１ｄを開口させた状態において、エコノマイザポート１ｃおよびエコノマイザガス流路１ｂは吸込側バイパス口１ｄが開口される第１圧縮室５ｂに形成されている。このため、低負荷運転時においても片肺運転とすることで、運転回転数の増加によって漏れ損失抑制効果を確保することができる。そして、デッドボリュームとなる空間の影響を受けないため、再圧縮損失や漏れ損失を低減できる。以上のことから、実施の形態１のスクリュー圧縮機１０２は、高い成績係数を実現する圧縮機となる。

以上、説明したように、実施の形態１のスクリュー圧縮機１０２によれば、エコノマイザポート１ｃおよびエコノマイザガス流路１ｂと、吸込側バイパス口１ｄおよびスライドバルブ８とを第１圧縮室５ｂに設けるようにしたので、吸込側バイパス口１ｄを開口させ、吸込容積を約半分にできる片肺運転を行うことで、漏れ損失を低減させ、さらにはデッドボリュームによる損失を低減することができ、成績係数を向上させることができる。したがって、実施の形態１の冷凍装置においては、スクリュー圧縮機１０２および冷凍サイクル装置１００において高負荷運転においてはエコノマイザ効果を得ることができ、低負荷運転においてはデッドボリューム損失および漏れ損失を低減できるので、広い運転範囲において、高い成績係数を実現することができる。

実施の形態２．
図９は、本発明の実施の形態２に係るスクリュー圧縮機１０２を備えた冷凍サイクル装置１００の構成を示す図である。ここでは、実施の形態１の冷凍サイクル装置１００と異なる部分について説明する。実施の形態２の冷凍サイクル装置１００は、スクリュー圧縮機１０２および制御装置１１０の構成が、実施の形態１の冷凍サイクル装置１００と異なる。

（スクリュー圧縮機）
実施の形態２におけるスクリュー圧縮機１０２は、第１スライドバルブ８ａおよび第２スライドバルブ８ｂを有している。第１スライドバルブ８ａは、第１圧縮室５ｂに設置されている。第１スライドバルブ８ａは、実施の形態１で説明したスライドバルブ８と同様に、バイパス装置としての動作を行う。

また、実施の形態２におけるスクリュー圧縮機１０２は、実施の形態１のスクリュー圧縮機１０２と比較して、第１圧縮室５ｂ側だけでなく、第２圧縮室５ｃ側にも第２スライドバルブ８ｂを設置している。第２スライドバルブ８ｂは、スクリューロータ３の軸方向に移動可能に設置されている。また、第２スライドバルブ８ｂの位置を変化させる内部容積比可変機構１１が設置されている。内部容積比とは、吸込完了（圧縮開始）時の圧縮室５の容積と吐出寸前の圧縮室５の容積との比である。内部容積比の変更は、冷媒が吐出口７から吐出されるタイミングを調整することで行う。具体的には、低負荷運転時には、第２スライドバルブ８ｂが吸込側に位置して、吐出口７の開口タイミングを早くして容積比を減らすように位置を変化させる。また、高負荷運転時には、第２スライドバルブ８ｂが吐出側に位置して、吐出口７の開口タイミングを遅くして容積比を増やすように位置を変化させる。

このように、第２スライドバルブ８ｂは吐出口７の一部を構成することになる。このため、内部容積比可変機構１１が第２スライドバルブ８ｂを移動させることで、吐出のタイミングを調整し、内部容積比を変更することができる。したがって、高負荷運転時の不足圧縮および低負荷運転時の過圧縮を抑制し、性能を向上させるものである。

また、実施の形態２の制御装置１１０は、内部容積比制御装置１１３をさらに有している。内部容積比制御装置１１３は、指示を内部容積比可変機構１１に送り、第２スライドバルブ８ｂを内部容積比に基づいて位置させる制御を行う。

次に、実施の形態２の特徴を明確とするため、実施の形態１と同様に高負荷運転時と低負荷運転時における第１スライドバルブ８ａおよび第２スライドバルブ８ｂの位置制御とエコノマイザポート１ｃの関係とを比較して、圧縮行程時の動作について説明する。

図１０は、本発明の実施の形態２に係るスクリュー圧縮機１０２において、吸込側バイパス口１ｄが開口していないときの状態を示す概略図である。また、図１１は、本発明の実施の形態２に係るスクリュー圧縮機１０２において、吸込側バイパス口１ｄが開口していないときのケーシング１の内筒面およびスクリューロータ３を展開した図である。図１０および図１１に基づいて、高負荷運転時のスクリュー圧縮機１０２の動作などについて説明する。

高負荷運転時には、冷凍効果、成績係数などを向上させるために、エコノマイザ運転を行う。エコノマイザ運転を行う際、実施の形態１と同様に、制御装置１１０のバイパス制御装置１１１は、図１０および図１１の白抜き矢印で示すように、第１スライドバルブ８ａを、吸込側（図１０および図１１における右側）に移動させる。第１スライドバルブ８ａは、吸込側バイパス口１ｄを開口させないようにする位置（第１位置）となる。

一方、制御装置１１０の内部容積比制御装置１１３は、内部容積比可変機構１１に指示を送り、第１圧縮室５ｂと第２圧縮室５ｃとにおいて内部容積比が同じとなり、吐出口７から冷媒が吐出するタイミングが同じになるように、第２スライドバルブ８ｂを位置させる。具体的には、図１０および図１１の白抜き矢印で示すように、たとえば、第２スライドバルブ８ｂを、吐出側（図１０および図１１の左側）に移動させる。

このように、低圧室と第１圧縮室５ｂとを連通する吸込側バイパス口１ｄを開口させないことで、スクリュー圧縮機１０２には２つの圧縮室５が形成される。そして、エコノマイザ配管１０８などを介して、第１圧縮室５ｂにエコノマイザガスが流入することから、高負荷運転時に必要な冷凍能力を確保することができる。さらに、エコノマイザ効果および内部容積比が適正な位置となるように調整することにより、高い成績係数を実現することができる。

次に、第１圧縮室５ｂの吸込側バイパス口１ｄを開口する場合の圧縮行程並びに第１スライドバルブ８ａおよび第２スライドバルブ８ｂの動作について説明する。ここで、実施の形態２の低負荷運転においては、実施の形態１同様に、第１圧縮室５ｂを休筒状態として片肺運転とする。

図１２は、本発明の実施の形態２に係るスクリュー圧縮機１０２において、吸込側バイパス口１ｄを開口させたときの状態を示す概略図である。また、図１３は、本発明の実施の形態２に係るスクリュー圧縮機１０２において、吸込側バイパス口１ｄを開口させたときのケーシング１の内筒面およびスクリューロータ３を展開した図である。

実施の形態２において、低負荷となる運転条件では、エコノマイザ運転を行わない。したがって、制御装置１１０の開閉制御装置１１２は、電磁弁１０９を閉止させ、エコノマイザガスが第１圧縮室５ｂに流入しないようにする。制御装置１１０のバイパス制御装置１１１は、図１２および図１３の白抜き矢印で示すように、スライドバルブ８を、吐出側（図１２および図１３における左側）に移動させる。スライドバルブ８は、吸込側バイパス口１ｄを開口させる位置（第２位置）となる。第１圧縮室５ｂは休筒しているため、第１圧縮室５ｂにおいて圧縮行程が行われない。

一方、制御装置１１０の内部容積比制御装置１１３は、内部容積比可変機構１１に指示を送り、運転に適した位置に第２スライドバルブ８ｂを移動させる。具体的には、図１２および図１３の白抜き矢印で示すように、たとえば、第２スライドバルブ８ｂを、内部容積比を減らす方向である吸込側（図１２および図１３の右側）に移動させる。

以上、説明したように、実施の形態２のスクリュー圧縮機１０２によれば、第１スライドバルブ８ａを移動させて吸込側バイパス口１ｄを開口させた状態において、エコノマイザポート１ｃおよびエコノマイザガス流路１ｂは吸込側バイパス口１ｄが開口される第１圧縮室５ｂに形成されている。このため、低負荷運転時においても片肺運転とし、運転回転数の増加によって漏れ損失抑制効果を確保することができる。そして、デッドボリュームとなる空間の影響を受けないため、再圧縮損失や漏れ損失を低減できる。したがって、実施の形態２のスクリュー圧縮機１０２は、高い成績係数を実現するスクリュー圧縮機１０２を得ることができる。また、内部容積比可変機構１１に第２スライドバルブ８ｂを移動させて、吐出口７から冷媒を吐出するタイミングを調整するようにしたので、第２圧縮室５ｃにおける内部容積比を適正に設定することができる。このため、不足圧縮および過圧縮による動力損失を抑制することができ、広い運転範囲でさらに高い成績係数を実現することができる。

実施の形態３．
上述した実施の形態２では特に限定しなかったが、たとえば、制御装置１１０が行うスクリュー圧縮機１０２における第２スライドバルブ８ｂ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。

１ ケーシング、１ａ スライド溝、１ｂ エコノマイザガス流路、１ｃ エコノマイザポート、１ｄ 吸込側バイパス口、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、５ｂ 第１圧縮室、５ｃ 第２圧縮室、６ ゲートロータ、６ａ 歯、６ｂ 第１ゲートロータ、６ｃ 第２ゲートロータ、７ 吐出口、８ スライドバルブ、８ａ 第１スライドバルブ、８ｂ 第２スライドバルブ、９ 連結棒、１０ バイパス駆動装置、１１ 内部容積比可変機構、１００ 冷凍サイクル装置、１０１ インバータ装置、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、１０９ 電磁弁、１１０ 制御装置、１１１ バイパス制御装置、１１２ 開閉制御装置、１１３ 内部容積比制御装置。

Claims (8)

1. 運転回転数を変更可能な電動機と、
   複数のスクリュー溝を外周面に有するスクリューロータと、
   前記電動機からの駆動力を前記スクリューロータに伝達して前記スクリューロータを回転させるスクリュー軸と、
   前記スクリュー軸に対して点対称に、前記スクリューロータの両側にそれぞれ配置され、前記スクリュー溝に噛み合わされる複数の歯を外周部に有する第１ゲートロータおよび第２ゲートロータと、
   筒形状を有し、筒の内側に前記スクリューロータを収容するケーシングと、
   前記第１ゲートロータ、前記スクリュー溝および前記ケーシングで囲まれた空間である第１圧縮室と、
   前記第２ゲートロータ、前記スクリュー溝および前記ケーシングで囲まれた空間である第２圧縮室と、
   前記第１圧縮室側のみに設置され、前記スクリュー軸の方向にスライド移動自在の第１スライドバルブを有するバイパス装置と、
   前記第１圧縮室側のみに設置され、外部からの流体を前記ケーシング内に流入させるエコノマイザポートと、
   前記第２圧縮室の外周面に設置され、前記スクリュー軸の方向にスライド移動自在の第２スライドバルブと、
   該第２スライドバルブをスライド移動させて、前記第２圧縮室が有する吐出口からの前記流体の吐出タイミングを調整する内部容積比可変機構と
   を備え、
   前記第１スライドバルブは、前記第１圧縮室と吸込圧力雰囲気となる低圧室とを連通可能にスライドして、前記第１圧縮室からの前記流体の吐出量を調整するものであり、
   前記エコノマイザポートは、前記ケーシングに前記第１圧縮室と連通して設けられているスクリュー圧縮機。
2. 前記第１圧縮室が有する吐出口からの流体の吐出量が、前記第２ゲートロータ、前記スクリュー溝および前記ケーシングで囲まれた空間である第２圧縮室が有する吐出口からの流体の吐出量より少なくなる位置に、前記第１スライドバルブを位置させる請求項１に記載のスクリュー圧縮機。
3. 前記第１圧縮室内における前記流体の圧力が上昇しない無負荷状態となる位置まで前記第１スライドバルブを移動させる請求項１または請求項２に記載のスクリュー圧縮機。
4. 前記ケーシングの前記低圧室と前記第１圧縮室との間に、吸込側バイパス口が設けられている請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のスクリュー圧縮機。
5. 前記第１スライドバルブは、前記吸込側バイパス口を開口させないようにする第１位置と、前記吸込側バイパス口を開口させる第２位置とに移動が制御される請求項４に記載のスクリュー圧縮機。
6. 所定の負荷より小さいときに、内部容積比を減らす方向に前記第２スライドバルブを移動させる請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載のスクリュー圧縮機。
7. 請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載のスクリュー圧縮機、凝縮器、中間冷却器の高圧側流路、減圧装置および蒸発器を順に冷媒配管で接続し、流体である冷媒を循環させる冷媒回路を構成し、
   前記中間冷却器と前記減圧装置との間の配管から分岐し、中間冷却器用絞り装置および前記中間冷却器の中間圧側流路を介して前記スクリュー圧縮機が有するエコノマイザポートに接続されるエコノマイザ配管を備える冷凍サイクル装置。
8. 装置の負荷が、所定の負荷よりも小さいと判断すると、前記エコノマイザ配管に前記冷媒を通過させない開閉装置をさらに備える請求項７に記載の冷凍サイクル装置。

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