JPH0135197B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は単軸スクリユー圧縮機を過給しかつ流
量制御する方法に関する。

本明細書において、制御とは要求量の変化に応
じて刻々と変化する予め設定された値に吐出量を
調節することを意味するものとし、圧縮機を恒久
的に調節することを意味するものではないものと
する。

単軸スクリユー圧縮機においては、スクリユー
は少なくとも１個一般には２個のピニオンホイー
ルと噛合つていて、ねじ山と、ケーシングと、噛
合したピニオン歯とによつて圧縮室が形成されて
おり、この圧縮室の容積は歯がねじ山に進むにつ
れて減少するようになつている。

本発明は、基本的に、かような圧縮機を冷凍機
に組込んで、ガス状の冷媒をコンデンサーに圧送
して凝縮させるために用いる場合に適用される。
凝縮された冷媒はアキユムレータに貯えられ、次
に膨張弁に送られ、そこからエバボレータに送ら
れて気化した後、ガス状で圧縮機に還流される。

凝縮された冷媒をコンデンサ圧力とエバポレー
タ圧力との間の中間的な圧力で膨張させ、膨張に
より発生したガスを分離し、液体はエバポレータ
に送り、前記ガスは吸入領域とは別個の（ただし
圧縮領域の始めに在る）点において圧縮機のケー
シングに設けた１個または数個の過給用オリフイ
スを介して圧縮機の吸入圧力と吐出圧力との間の
中間的圧力で圧縮機に帰還させることにより、圧
縮機の効率を改善することができることが知られ
ている。

その結果、圧縮機のなす仕事は多少増加する
が、圧縮機によつて掃気されるガスの質量流量は
はるかに大きな割合で増加し、したがつてその熱
力学的効率は改善される。過給による効果につい
て以下敷衍すると、冷凍機のコンデンサは機械が
高圧の下で冷却媒体を液化せしめる。冷凍効果
は、この液体を減圧することにより気化させ、同
時に外部からの熱を奪うことにより得られる。従
つて、蒸気は圧縮機により再圧縮を受け、コンデ
ンサに戻される。コンデンサからの液体が減圧さ
れたとき、液体は外気温度からより低い温度に指
向し、その結果、機械の冷却効果の一部が冷却冷
媒それ自体を冷却するために使用される。所謂エ
コノマイザと呼ばれる装置は、機械に低圧の下に
あるというよりは、中間圧力下にそれ自体ある冷
却流体を冷却せしめる。もつと特定すると、冷却
流体は機械の高圧から中間圧力に膨張するのが許
容される。これは、冷却媒体の一部が、冷却され
かつ液体状態に留まる残りの冷却媒体から奪われ
る熱のために気化することを意味する。かくし
て、冷凍効果の一部が得られ、他方では、それに
より発生されるガスは機械の低圧よりは中間圧力
にある。即ち、中間圧力のガスは、そのガスが機
械の低圧に膨張されるであつたとした場合より再
圧縮するのに必要な力が少ない。これは周知のエ
コノマイザ装置の第１の利点である。第２の利点
は中間圧力にあるガスは圧縮機を過給すること、
即ち、圧縮機の各々の圧縮室に、機械の低圧（気
化器）と連通するとき各室が吸引することができ
る量以上の量のガスを、導入することができるこ
とである。良く知られているように、圧縮機を過
給するために、吸入側より高い圧力のために、中
間圧力のガスが加圧室に、この加圧室が最早吸入
側と連通していないときに、導入される。かくし
て、圧縮室が低圧のガスで充填されていたとして
も、それ以上のガスが過給によつて導入される。
これは、冷凍機において同一の冷媒速度を得るた
めより小型の圧縮機を使用することを可能とす
る。

しかしながら、かような配置の利点ではスクリ
ユー圧縮機においては吐出量を制御するために用
いられる制御手段の性質によつて制限される。公
知の吐出量制御手段は一般に米国特許第4074957
号に記載されているような摺動部材からなり、か
ような摺動部材は圧縮の始点を遅延させるように
移動するので、過給オリフイスはまだ吸込口と連
通しているスクリユーねじ山と連通されることに
なる。過給オリフイスを摺動部材と共に移動させ
るのでない限り（これは複雑となる）圧縮機の全
負荷運転の付近でしか過給を行い得ないこととな
る。しかしながら、大低の場合部分負荷運転が行
われるのである。

そこで部分負荷運転でも過給をおこない得るよ
うに米国特許第3869227号では単軸スクリユー圧
縮機において過給オリフイスを摺動部材と共に移
動させる手段を設けたものを提案している。即
ち、この従来技術では、夫々の部分圧縮機に二つ
の過給オリフイスと、夫々の過給オリフイスを開
閉する弁装置を設け、摺動弁の位置（即ち圧縮機
の吐出量）に応じて、二つの過給オリフイスを選
択的に開閉している。そのため、摺動弁の移動に
応じて変化する圧縮の始点に応じて過給オリフイ
スの位置が変化せしめられることになり、過給オ
リフイスが吸入口と連通しガスが漏れるというこ
とは避けられるので、全負荷だけでなく部分負荷
においても過給を行うことが可能となる。ところ
が、この米国特許第3869227号のように摺動弁の
位置に応じて過給オリフイスの位置に変化させる
とするとそのための作動機構が極端に複雑化し、
実機に応用することはコスト又は耐久性の点で問
題がある。

この発明の目的は装置の構成を複雑にすること
なく、部分負荷から全負荷の広範な負荷範囲に亙
つて過給を行い得るようにすることにある。

本発明の方法は、したがつて、少なくとも２個
のピニオンと協働する単軸スクリユーを具え、も
つてピニオンの数と同数の部分圧縮機を構成する
ようにした圧縮機を過給しかつ制御することを目
的とする。これらの部分圧縮機は並列に作動し、
それらの少なくとも１個は吐出量制御装置を具え
ている。本発明の方法は、前記部分圧縮機の１個
のみに過給流を送給し、かつ、過給流を送給しな
い方の部分圧縮機の吐出量を先に減少させること
によたて圧縮機の吐出量を最大吐出量からそれ以
下の量に制御することを特徴とする。

したがつて、過給作用に関与するガス回路とは
別のガス回路に対して流量制御が行われる。この
ため、過給と流量制御との２つの操作は相互に影
響し合わない。さらに、詳細は後述する如く、こ
のように非対称的に操作しても圧縮機全体の効率
に悪影響が及ぶことが無い。

本発明の方法の好ましい実施例に従えば、次
に、過給流の送給を行う方の部分圧縮機の吐出量
をこの部分圧縮機の制御装置の中間位置における
量まで減少させ、かつ、制御装置の前記中間位置
に対する圧縮機吸込口に過給オリフイスが連通し
ない点まで過給オリフイスを圧縮機の下流方向に
変位させる。

かくして、この部分圧縮機の吐出量をたとえば
二分の一まで減少させることが可能となる。先に
述べた操作によつて50％の減少が得られることを
考慮すれば、最大吐出量の25％まで吐出量を減少
させ得ることが明らかである。この値以下では過
給による経済的利益は無視し得るものとなる。

以下、添附図面を参照に本発明の実施例につい
て記載する。本発明の特徴ならびに利点はこれら
の記載に従い明らかとなるであろう。

第１図について述べるに、冷凍機は圧縮機１を
有する。この圧縮機１は米国特許第3180565号お
よび日本国特許第709897号（特公昭48−12203号）
に記載の如く、２個のピニオンと協働する単軸ス
クリユーを有する型式のものである。かような圧
縮機は実際には２つの部分圧縮機１ａおよび１ｂ
によつて形成されており、夫々の部分圧縮機はス
クリユーと係合する１個のピニオンに対応してい
るものと考えることができる。

２つの吐出口２ａおよび２ｂは夫々逆止弁４ａ
および４ｂを介してコンデンサ３に接続されてお
り、このコンデンサは液化された冷媒のリザーバ
５に通じている。このリザーバ５は第１膨張弁６
を介して中圧用リザーバ７に連通されている。中
圧用リザーバ７は第２膨張弁９を制御するフロー
ト８を備えており、前記第２膨張弁を経て流体は
エバポレータ１１に入る。一方、エバポレータ１
１は部分圧縮機１ａおよび１ｂの吸入口１２ａお
よび１２ｂに接続されている。

リザーバ７の上部は管路１３によつて過給オリ
フイス１４に接続されている。この過給オリフイ
スは、圧縮機１のケーシングにおいて半部圧縮機
１ｂに対応する部分に、後述のような位置におい
て形成されている。

圧縮機が全負荷運転（最大吐出量運転）されて
いる時には、２個の部分圧縮機から吐出された圧
縮ガスはコンデンサ３内で凝縮し、冷媒液は第１
リザーバ５内に貯えられる。そこから、冷媒液は
膨張弁６によつて部分的に気化しながら第２リザ
ーバ７に入る。膨張によつたて冷却された冷媒液
はエバポレータ１１に入り、他方、発生したガス
は管路１３を経て過給オリフイス１４に送られ
る。

過給オリフイス１４は、運転中、部分圧縮機１
ｂのピニオンの歯によつて吸込口１２ｂから隔て
られた独立した点においてケーシングに配置され
ている。この点は好ましく前記歯の圧縮衝程の初
期段階近傍に配置する。ケーシング上の所与の一
点はスクリユーが所与の角度（６条ねじの場合は
約60゜）回転する間は１本のねじ溝と協働するの
であるから、したがつて、ピニオンの歯によつて
吸込口から必ず隔てられる点であつてただしでき
るだけ圧力の低い点に過給オリフイス１４を配置
したい場合には、この過給オリフイスの中心は、
ピニオンの歯がねじ溝を閉鎖する点１６から約
30゜スクリユーが回転した状態に対応する点１５
（第２図）に配置しなければばならない。

また、ねじ山頂部の幅がより大きな区域にケー
シングの前記点を配置する場合には、前掲の60゜
の角度は小さくすることができることに注意すべ
きである。何故ならば、そのような場合には、ね
じ山のねじ溝部分はより小さな角距離にわたつて
いるからである。

その場合、英国特許第2024947号に記載した如
くピニオンを持上げて圧縮を無効にするかあるい
は米国特許第4074957号に記載した如くケーシン
グの一部分を連続的に移動させるかして、圧縮機
の吐出量を減少させたい場合には、かような持上
げまたは移動操作は閉鎖点１６を第２図の左方へ
変位させて圧縮始点を遅延させることになり、し
たがつて過給オリフイス１４を吸込口と連通させ
ることになるので、過給作用は停止する。

ピニオン・リフト方式のオン・オフ制御装置を
２つの部分圧縮機に設けた圧縮機を用いるような
通常の場合には、本発明の方法は先ず部分圧縮機
１ａの圧縮作用を無効にすることによつて圧縮機
吐出量を減少させることを特徴とする。

こうして、２つの定格吐出量すなわち100％と
50％とが得られ、過給作用はこれら両者において
維持される。また、部分圧縮機１ｂのピニオンを
も持上げれば、吐出量を０％とすることもでき
る。

さらに、部分圧縮機１ａに対応する部分におい
てケーシングに穴を設けてこの穴から出るガスを
吸込口に帰還させることによつて。たとえばねじ
溝の容容積の半分しか圧縮がされないようにする
ことにより、中間的な値の吐出量を得ることも可
能である。かようにして、過給作用をなお維持し
ながら、75％の中間量を得ることができる。

また、部分圧縮機１ｂのピニオンを持上げ、か
つ、部分圧縮機１ａを中間量で作動させれば、25
％の量を得ることも可能である。しかしながら、
この場合には過給作用の利益は失われる。

次に、米国特許第4074957号に基く吐出量制御
装置を具えた圧縮機の場合について本発明の方法
を説明する。理解を容易ならしめるため、第４図
ないし第６図を参照にして以下にこの制御装置の
原理を簡単に述べる。

第４図はスクリユー全体の展開図であつて、こ
のスクリユーは半部圧縮機１ａおよび１ｂに夫々
対応する２つの区域100aおよび100bと、これら
の区域を限定する２つのピニオン１０１ａおよび
１０１ｂを有する。前記ピニオンの歯はスクリユ
ーのねじ溝に噛合つている。通常運転時には、ね
じ山は矢印１０２の方向に動く。

前述の吐出量制御装置は摺動部材１０３ａおよ
び１０３ｂを有し、これらの摺動部材はケーシン
グに設けられていて、それらの位置に応じて可変
吐出オリフイス１０４ａおよび１０４ｂを形成し
得るようになつている。オリフイス１０４ａおよ
び１０４ｂは固定吐出オリフイス１０５ａおよび
１０５ｂの隣に位置する。

第５図に示した摺動部材１０３は部分的に変位
し帰還オリフイス１０６（これを介してガスが圧
縮の開始時に吸込口に戻る）を部分的に開口して
いるが、一方、可変オリフイス１０４は部分的に
閉じられている。

第６図においては、摺動部材１０３は完全に移
動していて、ねじ溝１０８全体は常に吸込口に連
通しており、このためもはや圧縮は起らない。

第４図はねじ山の頂部の幅以内になるように寸
法決めした過給オリフイス１４を示しており、こ
のオリフイスはねじ溝１０８が前述した如くの配
置に従つてピニオン１０９の歯によつて吸込口か
ら遮断されている時にはねじ溝１０８と連通して
いる。

前述した如く、効率を良くするためには、過給
オリフイスはねじ溝１０８が歯１０９によつて閉
じられると同時に過給オリフイスがねじ溝１０８
を連通するように位置決めするのが望ましい。し
かしながら、そうした場合には、摺動部材１０３
を動かすと直ちにねじ溝がオリフイス１４および
帰還通路１０６と連通するので、過給作用が不可
能となる。

したがつて、本発明の方法を摺動部材を有する
吐出量制御装置を具えた圧縮機に適用する場合に
は、部分圧縮機１ｂの摺動部材を動かすこと無
く、部分圧縮機１ａ（これは過給オリフイスを有
さない）の摺動部材のみを操作することによつて
吐出量を連続的に調節することが本発明の方法に
よつて可能となる。すなわち、部分圧縮機１ａの
摺動部材をその全衝程にわたつて変位させること
によつて、過給作用の利益を維持しながら吐出量
を100％から50％まで連続的に制御することがで
きる。

さらに、本発明によれば予想外の効果が得られ
る。すなわち、２つの回路オリフイスの代りに単
一の過給オリフイスを使用すれば通常な装置の効
率が低下する。何故ならば、通常２つの部分圧縮
機に供給すべきところの過給流を唯一の部分圧縮
機のねじ溝に供給することによつて、過給された
ねじ溝内における平均圧が増加し、したがつて第
２リザーバ７内に圧力が高まる。

その結果、リザーバ７内の温度が上昇し、過給
オリフイスに送られるガス量が減少するととも
に、エバポレータに無駄に送られるガスが増加す
る。このエバポレータに送られるガスは、したが
つて、それが過給オリフイスを介して送られた場
合には部分的にしか再圧縮されないのに対して、
圧縮機により完全に再圧縮される。

しかしながら、実験結果によれば、このような
現象が実際に起るにも拘らず、他の有利な現象が
この損失を補つて余り有ることが判つた。

すなわち、過給手段を介してガスをねじ溝に送
れば圧縮機の容積漏れは増加するが、同じガス流
を２つの部分圧縮機に送る代わりに唯一の部分圧
縮機に送つた場合には前記の漏れは著るしく少な
いことが実証された。

たとえば、3000rpmにおける掃気容量が1600
であつて３ないし12バールの冷媒Ｒ−22を圧縮し
ている単軸スクリユー圧縮機において、夫々約
1.5cm²の２つのオリフイスからなされる過給作用
により平均圧力5.1バールのガスが還流されるこ
とになる。

この結果、消費動力が約５％増加し圧縮機吐出
量が約８％（過給を行わない場合の吐出量に比
較）減少する代りに、吸込ガスの約20.4％これら
のオリフイスを介して圧縮機に還流させることが
可能となる。したがつて、過給作用によつて得ら
れるエネルギーゲインは約20.4％−５％−８％＝
7.4％である。

２cm²の単一のオリフイスを介して還流する場合
には過給されるねじ山に作用する平均圧力は5.8
バールに増加し、還流ガスの百分率は18％に減少
し、消費動力の増加は同じく約５％に留るが、吐
出量の減少は５％にすぎない。したがつて、過給
作用によりエネルギーゲインは18％−５％−５％
＝８％となる。このように、効率は基本的に変ら
ないことが明らかである。

さらに、過給オリフイスを摺動部材上に配置す
ることによつて過給オリフイスを連続的に移動さ
せるか、あるいはまた、第３図に示したように、
第２図の圧縮ダイヤグラムの点１８（この点は点
１５よりも点１６からより遠だかつている）に対
応する第２の過給オリフイス１７を設けて、部分
圧縮機１ｂと協働する摺動部材の衝程の一部分に
わたつてこのオリフイス１７が吸込口から遮断さ
れるようにオリフイスを変位させれば、50％以下
の吐出量においても過給作用が行なわれるように
することが可能である。たとえば、ねじ溝の容積
が全容積の半分に減少した時だけしか過給オリフ
イスがねじ溝と連通しないようにすることができ
る。

吐出量が50％以下に際下した時には、オリフイ
ス１４に連結した弁１９は閉じ、オリフイス１７
に連結した弁20を開く。

このような配置により、部分圧縮機１ｂのねじ
溝が半ば充される点まで、すなわち吐出量25％ま
で、過給作用の行われる範囲を拡張することが可
能となる。前記値以下では圧縮機は通常ほとんど
稼働しないので、この値以下では過給作用による
経済的利益は無視し得るものとなる。

本発明の範囲を逸脱することなく、中間圧にお
けるガスの分離はフロート付リザーバ７以外の
種々の方法を用いて行うことができるが了解され
る。たとえば、遠心分離機を用いることも可能で
あるし、あるいはまた、二段式装置において従来
行われてるように、中間圧において冷媒液の一部
を気化させかつ残りの凝縮された冷媒液を熱交換
器で過冷却することよつて分離することも可能で
ある。

２つのピニオンしたがつて二つの部分圧縮機を
用いる代りに３つのピニオンしたがつて３つの部
分圧縮機を用いて、１つまたは２つの過給オリフ
イスをこれら３つの部分圧縮機に分散配置する場
合や、あるいは、米国特許第4074957号に記載し
たような円筒状スクリユー圧縮機と平らなピニオ
ンとを用いる代りにたとえば米国特許第3180565
号および日本国特許第709897号（特公昭48−
12203号）に記載したような平らな又は円筒状の
ピニオンを具えた円筒状、円錐状または平らなス
クリユーを有する圧縮機を使用する場合にも、本
発明の方法を適用することが可能であり、その作
用効果は異ることがない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法を冷凍回路に具体化した
場合の圧縮機の概略図、第２図はこの圧縮機内に
生ずる圧縮のダイヤグラムであつて、スクリユー
のねじ山が吸込口から遮断されている位置からの
スクリユーの回転角θに応じたスクリユーねじ山
内の圧力Ｐを表わし、第３図は本発明の方法の修
正実施例に基く第１図の圧縮機概略図、第４図は
摺動式吐出量制御装置を具えた圧縮機のスクリユ
ーの展開図、第５図および第６図は摺動部材の位
置を示す図である。 １……単軸スクリユー圧縮機、１ａ，１ｂ……
部分圧縮機、２ａ，２ｂ……吐出口、１４……過
給オリフイス（送給オリフイス）、１０１ａ，１
０１ｂ……ピニオン、１０９……ピニオンの歯、
１０３，１０３ａ，１０３ｂ……摺動部材、１７
……第２の過給オリフイス。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 少なくとも２個のピニオンと協働する単軸ス
   クリユーを具えもつてピニオンの数と同数の複数
   の部分圧縮機が構成されているような圧縮機であ
   つて、前記部分圧縮機は並列に作動するとともに
   その少なくとも１個に吐出量制御装置が設けられ
   ているような単軸スクリユー圧縮機を過給しかつ
   流量制御する方法であつて、前記複数の部分圧縮
   機の１個のみに過給流を送給し、かつ、過給流を
   送給しない方の部分圧縮機の吐出量を先ず減少さ
   せることによつて圧縮機の吐出量を最大吐出量か
   らそれ以下の量に制御することを特徴とする単軸
   スクリユー圧縮機を過給しかつ流量制御する方
   法。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の方法において、
   過給流送給を行う部分圧縮機の吐出量を該部分圧
   縮機の制御装置の中間位置における制御量まで減
   少させ、かつ、制御装置の前記中間位置に対する
   圧縮機吸込口に過給オリフイスが連通しない点ま
   で過給オリフイスを下流方向に変位させることを
   特徴とする単軸スクリユー圧縮機を過給しかつ流
   量制御する方法。