JPWO2014192114A1 - スクリュー圧縮機及び冷凍サイクル装置 - Google Patents

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Abstract

スライドバルブ12の移動によって開口面積と吐出開始のタイミングとを変更できる可変ポート16と、スライドバルブ12が移動しても開口面積が変化しない固定ポート17を設け、スライドバルブ12が最も吸入側に位置するときの吐出ポート開口部の吸入側端面形状が、可変ポート16側の傾斜面12dと、固定ポート17と可変ポート16との境界であるスライド面16lと、固定ポート17側の傾斜面17aと、を互いに角度を持って接続した略Z形状で形成するようにした。

Description

本発明は、冷凍・空調用途等の冷凍サイクル内で用いられるスクリュー圧縮機及び冷凍サイクル装置に関するものである。
この種のスクリュー圧縮機として、一端が流体の吸入側となり他端が吐出側となるスクリューロータの外周に、スクリューロータの回転軸方向へスライド移動する柱状のスライドバルブを設けたものがある(例えば、特許文献1、特許文献2、特許文献3、特許文献4参照)。スライドバルブは、圧縮室で圧縮された高圧ガスの吐出開始(圧縮完了)位置を変更するものであり、吐出面積を変化させて吸入容積に対する吐出容積の比率を変更するものである。
特許文献1では、運転負荷に応じた圧縮比(吐出圧力/吸入圧力)に対して、高い圧縮機効率が得られる容積比になるようにスライドバルブのスライド停止位置を制御している。つまり、運転状態が全負荷運転なのか部分負荷運転なのかに応じてスライドバルブの位置を変化させている。具体的には、スライドバルブは、部分負荷運転時は吸入側に位置して吐出ポートの開度を大きくし、全負荷運転時は吐出側に位置して吐出ポートの開度を小さくするように、位置が変化する。
特許文献1のスクリュー圧縮機の吐出ポートは、スクリューロータを収容するケーシングに設けた開口部の内壁面とスライドバルブの吐出側端面とで形成されており、可変ポートと固定ポートとを有している。可変ポートは、スライドバルブの移動によりスライドバルブによる閉塞部分が開放されるか又は逆方向の移動によって開放部分が閉塞されることにより面積変化するポートである。固定ポートは、可変ポートと、ケーシングにおいてゲートロータ歯が挿入される開口部(以下、ゲートロータ用開口部と称する)との間に設けられ、スライドバルブの位置によらず常に開放された状態のポートである。
特許文献1に記載の従来のスクリュー圧縮機では、固定ポート及び可変ポートに加えて更に、部分負荷運転時の吐出面積拡大を目的として複数の副ポートを設けている。複数の副ポートは、平行四辺形形状に形成され、可変ポートとゲートロータ用開口部との間において固定ポートの吸入側に並設されている。
ここで、固定ポートは、全負荷運転時のスライドバルブの位置に合わせて吐出面積が確保できるように形成される。また、副ポートはスライドバルブが吸入側にスライドする部分負荷運転で圧縮室及び可変ポートに連通し、スライドバルブが吐出側へスライドする全負荷運転ではスライドバルブによって閉塞されるように、固定ポートとは切り離して形成されている。
特許文献1では、以上のように固定ポートと副ポートとを設けることにより、圧力の異なる圧縮室同士が連通することを防止すると共に、部分負荷の運転状態において十分な大きさの吐出面積を確保することを可能としている。
また、特許文献2に記載の従来のスクリュー圧縮機においても、部分負荷での吐出面積を確保することを目的として、可変ポート及び固定ポートの他に副ポートを設ける点が開示されている。この特許文献2の副ポートは、スライドバルブよりもスクリューロータの反回転側に設けられ、全負荷に対して50%から75%の部分負荷運転のときに圧縮室をスクリューロータの吐出側空間に連通させるようにしている。
また、特許文献3には、スライドバルブの吐出側端面の傾斜を部分負荷運転の吐出開始時点のスクリュー溝の傾斜に合わせ、全負荷運転の効率よりも部分負荷運転の効率を優先するようにしたスクリュー圧縮機が開示されている。
また、特許文献1〜3においてスライドバルブは、棒状の連結部を介してガイド部に連結され、ガイド部が駆動機構によって駆動されることでスライド移動できるようになっている。この連結部は、吐出ポート上を横切って配置されることから、吐出流体の流路を閉塞する。このため、流路面積を縮小させ、吐出圧損を増大させる要因となっている。
そこで、特許文献4には、できるだけ吐出流路を遮らないように、連結部を可変ポートの反回転方向側へ偏らせて配置するようにした技術が開示されている。
特開2011−132834号公報(第11頁、図6) 特開2011−32957号公報([0033]、図2) 特許第4735757号公報(第12頁、図6) 特許第3214100号公報([0020]、図3)
スクリュー圧縮機が搭載される冷凍機の省エネルギーの指標として、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。
一般的な冷凍機では、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きたのである。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。
上記の背景から、特許文献1及び特許文献2に記載のスクリュー圧縮機は、部分負荷条件の効率を向上する目的で部分負荷条件での吐出面積を大きくするため、上記の構成を採用している。すなわち、従来の可変ポートに加え、部分負荷運転でのみ吐出側空間に連通する副ポートを設けている。
しかしながら、副ポートは、全負荷運転で圧縮途中の圧縮室と連通するように設けられているため、吸入圧から吐出圧まで無駄に圧縮される容積部(デッドボリューム)となり、損失を発生させる要因となってしまっている。
また、特許文献3に記載のスクリュー圧縮機は、スライドバルブの吐出側端面が部分負荷の吐出開始時点のスクリュー溝の傾斜に沿って形成されているため、部分負荷条件では吐出開始時点の吐出面積を十分に確保でき、運転効率が上がって効果的である。しかし、全負荷条件では、スライドバルブの吐出側端面が全負荷条件での吐出開始時点のスクリュー溝の傾斜に沿わなくなる。このため、その傾斜の違いが起因して部分負荷運転時にスクリュー溝の傾斜を合わせた場合の吐出開始時の吐出面積が、全負荷運転時にスクリュー溝の傾斜を合わせた時よりも小さくなり、吐出圧損が増大して効率が低下してしまう問題がある。
また、特許文献4のスクリュー圧縮機は、吐出流路をなるべく遮らないように連結部の位置を工夫しているものの、全負荷運転時及び部分負荷運転時、共に、連結部が可変ポート上にあることに変わりはない。このため、連結部によって吐出流路が遮られ、吐出圧損が増大する問題は依然として残されており、連結部による運転効率低下の改善が求められている。
また、特許文献1から特許文献4のスクリュー圧縮機は、1対のスライドバルブで機械式容量制御を行う場合に可変ポート面積を確保できるように、例えば、スライドバルブの中心をゲートロータの開口面から30°前後としている。なお、機械式容量制御とは、スライドバルブを吐出側に移動させてバイパス口(吸入側にあるスクリュー溝を低圧空間と連通させる開口)を開くことで、圧縮開始のタイミングを遅らせて容量制御を行う制御である。この角度位置に設けられたスライドバルブの外周面の外方には、吸入圧と吐出圧とを仕切る隔壁がある。スライドバルブを低圧縮比運転での吐出開始点に合わせて吸入側に移動させたとき、スライドバルブの吐出側端面が隔壁より吸入側に位置するように、スライドバルブと隔壁との位置関係が設定されている。このため、圧縮室から吸入圧側への流体漏れが発生する問題がある。
特許文献1、2、4の課題を解決するには、例えば以下を満足する構成とする方法が考えられる。すなわち、まず、スライドバルブのスクリューロータ周方向の長さを、部分負荷の吐出開始時点のスクリュー溝を覆う程度に長くして吐出面積を十分大きくとればよい。そして、連結部が吐出流路を遮らないよう、スクリューロータ周方向の長さを長くしたスライドバルブに、特許文献4の位置よりも更に反回転方向側へ偏らせて連結部を配置し、連結部が吐出ポートから完全に離して設ければよい。しかしながら、これらの2つを満足したとしても、特許文献3と同じ課題は残されている。
また、特許文献1、2、4の課題を解決するために、上述のようにスライドバルブのスクリューロータ周方向の長さを長くした場合、スライドバルブの外周面とその外周面の外方に設けた隔壁とのシール部分のシール線長さが長くなり、漏れ損失が増大する問題が新たに生じる。更には、スライドバルブの外周面の外側に設けられているゲートロータ支持部品とスライドバルブとが干渉してしまう問題も生じる。
このように、特許文献1〜4の技術では、高圧縮比から低圧縮比まで広い運転範囲で吐出損失の増大を抑制するための技術が各種開示されているものの、更なる改善の余地があった。
本発明は、上述のような問題の少なくとも一つを解決するためになされたものであり、広い運転範囲で吐出損失の増大を抑制できるスクリュー圧縮機及び冷凍サイクル装置を得ることを目的とする。
本発明に係るスクリュー圧縮機は、複数条のスクリュー溝が外周面に形成され、一端が流体の吸入側となり他端が吐出側となるスクリューロータと、スクリュー溝に噛み合わされる複数の歯が外周部に形成されたゲートロータと、スクリューロータが収容される収容部及び吐出ポートを有するケーシングと、ケーシングの内壁面に形成され、スクリューロータの回転軸方向に延びるスライド溝と、スライド溝内に回転軸方向にスライド移動自在に収容され、回転軸方向にスライドして吐出開始タイミングを変化させるスライドバルブと、ケーシングに設けられ、収容部に開口するゲートロータ用開口部とを有し、ゲートロータの複数の歯がゲートロータ用開口部を介して収容部に挿入されてスクリュー溝と噛み合わされ、スクリューロータが回転することにより、収容部の内壁面、スクリュー溝及びゲートロータで囲まれた空間である圧縮室に流体を吸入して圧縮し、圧縮した流体を吐出ポートから吐出するスクリュー圧縮機であって、吐出ポートは、スライドバルブの移動によって開口面積と吐出開始のタイミングとを変更できる可変ポートと、可変ポートとゲートロータとの間に設けられ、スライドバルブが移動しても開口面積が変化しない固定ポートとを有し、スライドバルブが最も吸入側に配置されるときの吐出ポートの吸入側端面形状が、可変ポート側の傾斜面と、固定ポートと可変ポートとの境界にあって回転軸方向に延びるスライド面と、固定ポート側の傾斜面と、を互いに角度を持って接続したZ形状を有して形成され、固定ポート側の傾斜面が可変ポート側の傾斜面よりも吐出側に形成されている。
本発明によれば、広い運転範囲で吐出損失の増大を抑制できる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100の概略断面図(平面断面図)である。 図1のA−A断面図である。 本発明の実施の形態1に係るスクリュー圧縮機100の吐出ポート15近傍(収容部)を示す斜視図である。 本発明の実施の形態1に係るスクリュー圧縮機100の吐出ポート15近傍の説明図である。 本発明の実施の形態1に係るスクリュー圧縮機100の圧縮原理を示す説明図である。 本発明の実施の形態1に係るスクリュー圧縮機100のスライドバルブ12が吐出側に配置された状態でのスクリュー回転角と吐出面積との関係を説明するための説明図である。 図6の状態でのスクリュー回転角と吐出面積変化の関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態1に係るスクリュー圧縮機100のスライドバルブ12が吸入側に配置された状態でのスクリュー回転角と吐出面積との関係を説明するための説明図である。 図8の状態でのスクリュー回転角と吐出面積変化の関係を示すグラフである。 比較の対象となる従来の吐出ポート150近傍の説明図である。 高圧縮比運転で、図10の従来のスライドバルブ120が吐出側に配置された状態でのスクリュー回転角と吐出面積との関係を説明するための説明図である。 スライドバルブが吐出側に配置された状態での従来と本実施の形態との吐出面積の比較結果を示す図である。 低圧縮比運転で、図10の従来のスライドバルブ120が吸入側に配置された状態でのスクリュー回転角と吐出面積との関係を説明するための説明図である。 従来と本実施の形態1とのスライドバルブ配置の違いによる、低圧縮比運転での可変ポート面積の違いを説明するための説明図である。 スライドバルブが吸入側に配置された状態での従来と本実施の形態との吐出面積の比較結果を示す図である。 スライドバルブ12の中心をゲートロータ開口面から90°に配置したときの吐出面積変化の関係を示す図である。 スライドバルブ12の中心をゲートロータ開口面1aaから90°に設けた場合と従来との吐出面積の比較結果を示す図である。 低圧縮比運転で、スライドバルブ12、120が吸入側に配置された状態の横断面図である。 固定ポート17の吸入側壁面の他の例を示す図である。 本発明の実施の形態2に係る冷凍サイクル装置300の冷媒回路図である。 本発明の実施の形態2に係る冷凍サイクル装置300に備えられたスクリュー圧縮機200の要部端面図である。 本発明の実施の形態2に係る冷凍サイクル装置300に備えられたスクリュー圧縮機200の吐出ポート15近傍(収容部)を示す斜視図である。 本発明の実施の形態2に係る冷凍サイクル装置300に備えられたスクリュー圧縮機200の吐出ポート15近傍の説明図である。 本発明の実施の形態2に係るエコノマイザーポート近傍の説明図である。 本発明の実施の形態2に係る冷凍サイクル装置300のエコノマイザー運転時の冷凍サイクル説明図である。 本発明の実施の形態2に係る冷凍サイクル装置300の全負荷運転時の圧力−比エンタルピ線図である。 本発明の実施の形態2に係る冷凍サイクル装置300の部分負荷運転で高低差圧が小さいときの圧力−比エンタルピ線図である。 本発明の実施の形態2に係るスクリュー圧縮機200におけるスクリュー回転角とエコノマイザーポート12pとの関係を説明するための説明図である。 本発明の実施の形態2に係るスクリュー圧縮機200におけるスクリュー回転角とエコノマイザーポート12pとの関係を説明するための説明図である。 本発明の実施の形態2に係るスクリュー圧縮機200におけるエコノマイザーポート12pとエコノマイザー流路50との位置関係の変形例の説明図である。 エコノマイザーポート12pの径の変形例の説明図で、(a)は収容部1A内壁面及びスクリューロータ4外周面の展開図、(b)は(a)のd−d断面を示している。
実施の形態1.
以下、本発明の実施の形態1に係るスクリュー圧縮機100について説明する。
図1は、本発明の実施の形態1に係るスクリュー圧縮機100の概略断面図(平面断面図)である。また、図2は、図1のA−A断面図である。なお、図1、図2及び以下に示す図において、同一の符号を付したものは同一又はこれに相当するものであり、これは明細書の全文において共通している。更に、明細書全文に表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。
スクリュー圧縮機100は、ケーシング1、スクリューロータ4、ゲートロータ7、スクリューロータ4を回転駆動させる電動機8及びスライドバルブ12等を備えている。ケーシング1は、スクリューロータ4と、ゲートロータ7と、電動機8と、スライドバルブ12等とを収容するものである。ケーシング1には、収容部1Aに開口する吐出ポート15(後述の図3参照)が形成されている。なお、吐出ポート15の詳細については後述する。
ケーシング1の内部には略円柱状の空間である収容部1Aが形成され、収容部1A内部に略円柱形状のスクリューロータ4が収容されている。スクリューロータ4は、一端が流体の吸入側となり他端が吐出側となる。このスクリューロータ4の外周面には、複数条のスクリュー溝10が螺旋状に形成されている。また、スクリューロータ4の中心には、駆動軸となる回転軸9が回転一体に設けられている。回転軸9は、ケーシング1に設けられた高圧側軸受2及び低圧側軸受3によって回転自在に支持されている。また、回転軸9の低圧側軸受3側の端部には、例えばインバータ(図示省略)で周波数制御される電動機8が接続されている。
ケーシング1には、収容部1A(つまり、スクリューロータ4)を中心として対向するように、一対のゲートロータサポート室6が形成されている。各ゲートロータサポート室6には、略円板形状のゲートロータ7が収容されている。ゲートロータ7は、ゲートロータサポート室6に収容されたゲートロータサポート5に設けられている。
ゲートロータサポート5は、その中心軸(回転軸)5bがスクリューロータ4の回転軸9と略垂直となるように配置され、中心軸5b方向に離間して対向配置された軸受5aによって回転自在に支持されている。
図2において収容部1Aの左側に形成されたゲートロータサポート室6と、収容部1Aの右側に形成されたゲートロータサポート室6とのそれぞれに収容されているゲートロータ7及びゲートロータサポート5は、スクリューロータ4の回転軸9を中心にして180°回転させた配置となっている。
ゲートロータ7は、収容部1A及びスクリューロータ4と共に圧縮室11を形成するものであり、その外周部には、スクリュー溝10に噛み合わされる複数のゲートロータ歯7aが形成されている。より詳しくは、ケーシング1には、ゲートロータ用開口部1aが、回転軸9(図1参照)方向に延びるように形成されている。また、ゲートロータ用開口部1aは、背面のスクリュー溝10の傾斜に沿って延長されて形成され、背面の圧縮室を形成する収容部1Aの吸入壁1cと繋がって形成されている。
そして、ゲートロータ7の外周部は、ケーシング1に設けたゲートロータ用開口部1aに挿入されている。つまり、ゲートロータ7のゲートロータ歯7aは、ゲートロータ用開口部1aを介して収容部1A内に挿入され、スクリュー溝10に噛み合わされている。これにより、ゲートロータ7、収容部1Aの内壁面及びスクリューロータ4で囲まれた空間(換言すると、ゲートロータ7のゲートロータ歯7a及び収容部1Aで仕切られたスクリュー溝10)が形成され、この空間が圧縮室11となる。
また、ケーシング1の内壁面には、スクリューロータ4の回転軸9方向に延びる2つのスライド溝14が形成されており、このスライド溝14内にスライドバルブ12がスライド移動自在に収容されている。詳しくは、2つのスライド溝14は略円柱形状に形成され、内周面の一部が収容部1Aと連通している。そして、これら2つのスライド溝14は、スクリューロータ4の回転軸9を中心にして180°回転させた配置となっている。
スライド溝14に設けられているスライドバルブ12は、スライド溝14と同様に、略円柱形状に形成されている。そして、スライドバルブ12は、収容部1Aと対向する対向面1eが収容部1Aの外周壁に沿った形状となるように円柱の一部を切り欠いた形状となっている。スライドバルブ12には直動アクチュエータ(図示せず)に連結部12cを介して接続されており、直動アクチュエータを駆動させることにより、スライド溝14内をスライドバルブ12がスクリューロータ4の回転軸9方向に移動する。
(吐出ポート15近傍の詳細構成)
次に、本実施の形態1に係るスクリュー圧縮機100の吐出ポート15近傍の詳細構成について説明する。
図3は、本発明の実施の形態1に係るスクリュー圧縮機100の吐出ポート15近傍(収容部)を示す斜視図である。なお、図3は、図2の白抜き矢印B側から見た斜視図である。また、図3(a)はスライドバルブ12が吐出側に移動している状態を示し、図3(b)はスライドバルブ12が吸入側に移動している状態を示している。また、図3では、吐出ポート15近傍をわかりやすく示すため、連結部12cに連結されるガイド部等の図示は省略している。
図4は、図3のスクリュー圧縮機100の吐出ポート15近傍の説明図で、スライドバルブ12が最も吸入側に位置するときの状態を示している。なお、ここでいう「最も吸入側」とは、吐出タイミングを調整する上でのスライドバルブ12の移動範囲における「最も吸入側」を意味しているものであって、スライドバルブ12のスライド範囲全体における「最も吸入側」とは必ずしも一致するわけではない。つまり、吐出タイミングを調整する上でのスライドバルブ12の移動範囲と、スライドバルブ12のスライド範囲とが同じ場合は一致するが、そうでない場合、ここでいう「最も吸入側」が、スライドバルブ12のスライド範囲の「最も吸入側」よりも吐出側の位置となることもある。以下の説明における「最も吐出側」についても同様の意味である。
図3に示すように、スライドバルブ12は回転軸9(図1参照)と平行にスライド溝14(図4参照)に移動可能に収容され、スライドバルブ12の吐出側端面12dの位置を変更することにより吐出開始のタイミングを調整する。すなわち、スライドバルブ12は、部分負荷運転で比較的圧縮比が小さい場合には吸入側にスライドして吐出開始タイミングを早めると共に、全負荷運転の場合及び部分負荷運転で比較的圧縮比が大きい場合には吐出側にスライドして吐出開始タイミングを遅くする。
つまり、吐出ポート15は、ケーシング1に形成された開口部1B(より詳しくは、ケーシング1において収容部1Aに開口する開口部)の内壁面とスライドバルブ12の吐出側端面12dとで形成されている。
ここで、以降の説明にあたり、図4に示すように吐出ポート15を定義する。つまり、吐出ポート15は、可変ポート16(図中太斜線部)と固定ポート17(図中細斜線部)とを有する。
可変ポート16は、吐出ポート15のうち、スライドバルブ12と同じスクリューロータ中心角範囲φ1に開口する領域で構成される。換言すれば、可変ポート16は、吐出ポート15のうち、スライドバルブ12の対向面1eをスライド方向に延長した領域と重なる領域部分で構成される。また、可変ポート16は、スライドバルブ12の吐出側端部の位置に応じて吐出開始のタイミングを可変する。また、可変ポート16は、スライドバルブ12の吐出側端部の位置に応じて自身の開口面積が可変とされるようになっている。
固定ポート17は、吐出ポート15のうち、可変ポート16以外の領域であり、可変ポート16とゲートロータ7(図3参照)との間に形成された部分である。
ここで、可変ポート16の回転側スライド面を16l、反回転側スライド面を16rと定義する。また、固定ポート17の吸入側端面は段差を有しており、以下では、段差部分を境として可変ポート16側から傾斜面17a、垂直面17bと定義する。また、以下では、固定ポート17を段差部分で周方向に2つに分割した部分のうち、傾斜面17aを含む部分を分割固定ポート17ax、垂直面17bを含む部分を分割固定ポート17bxとして区別する場合がある。
図4の左図に示すようにスライドバルブ12が最も吸入側に位置する状態では、吐出ポート15の吸入側端面の形状が略Z形状となっている。すなわち、吐出ポート15の吸入側端面は、垂直面17bを含むことから完全なZ形状ではないものの、スライドバルブ12の吐出側端面12d(以下、傾斜面12dという場合がある)とスライド面16lと傾斜面17aとが互いに角度を持って接続されたZ形状を有するように形成されており、全体として略Z形状となっている。このZ形状は、吐出ポート15の吸入側端面のうち、固定ポート17側の傾斜面17aが可変ポート16側の傾斜面12dよりも高圧側に形成されたZ形状である。
なお、固定ポート17のうち分割固定ポート17bxは、吐出行程終盤で最後まで流体を吐出できるようにケーシング1に設けられている。具体的には、ここでは分割固定ポート17bxの吸入側端面が垂直面17bとなっているが、形状や位置はこれに限らない。
次に、スライドバルブ12の取り付け位置を説明する。ここでは、図4に示すように、ゲートロータ用開口部1aのスライドバルブ12側の端面(以下、ゲートロータ開口面という)1aaからスライドバルブ12の中心までの角度をφ3と定義し、φ3の角度でスライドバルブ12の取り付け位置を示す。φ3の下限は、吐出面積を大きくできる従来の30°より大きい値とする。φ3の上限はスライドバルブ12が、反対面のゲートロータ支持部品と干渉しない角度である。これは、スライドバルブ12の大きさによって変化し、例えばスライドバルブ12の大きさが従来並(スクリューロータ4の中心角φ1で幅40°前後)の場合は、φ3の上限が100°となる。なお、分割固定ポート17bx部分の形成範囲は、スクリューロータ中心角範囲でφ2であり、例えば10゜程度である。
(動作説明)
続いて上記のように構成されたスクリュー圧縮機100の動作について説明する。
図5は、本発明の実施の形態1に係るスクリュー圧縮機100の圧縮原理を示す説明図である。
図5に示すように、スクリューロータ4が電動機8(図1参照)により回転軸9(図1参照)を介して回転させられることで、ゲートロータ7のゲートロータ歯7aがスクリュー溝10内を相対的に移動する。これにより、圧縮室11内では、吸入行程、圧縮行程及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5においてグレーで示した圧縮室11に着目して各行程について説明する。
図5(a)は吸入行程における圧縮室11の状態を示している。スクリューロータ4が電動機8により駆動されて実線矢印の方向に回転すると、図5に示す下側のゲートロータ7はスクリューロータ4の回転に伴い、白抜き矢印の方向に回転する。また、図5に示す上側のゲートロータ7は、白抜き矢印で示すように、下側のゲートロータ7とは反対方向に回転する。吸入行程では、圧縮室11は最も拡大した容積を有し、ケーシング1(図1参照)の低圧空間と連通しており、低圧の冷媒ガスが満たされている。
更にスクリューロータ4が回転すると、その回転に連動して2つのゲートロータ7のゲートロータ歯7aが順次吐出ポート15の方へ回転移動する。これにより図5(b)のように圧縮室11の容積(体積)が縮小する。なお、図5(b)においてスライドバルブ12の図示を省略しているが、図5(b)では可変ポート16はスライドバルブ12によってほとんど閉じられており、図5(a)よりも圧縮室11の容積が縮小して、圧縮室11内の冷媒ガスを圧縮している。
引き続きスクリューロータ4が回転すると、図5(c)に示すように、圧縮室11が吐出ポート15に連通する。これにより、圧縮室11内で圧縮された高圧の冷媒ガスが吐出ポート15より外部へ吐出される。そして、再びスクリューロータ4の背面で同様の圧縮が行われる。なお、ケーシング1(つまり、収容部1Aの内壁面)に覆われていない開放されたスクリュー溝10内は、反対側のゲートロータ7及びゲートロータサポート室6と連通し、吸入圧力雰囲気となっている。
次に、吐出面積の変化について、図6〜図9を用いて詳細に説明する。図6〜図9は、本発明の実施の形態1に係るスクリュー圧縮機100におけるスクリュー回転角と吐出面積との関係を説明するための説明図である。図6と図8は、収容部1A内壁面及びスクリューロータ4外周面の展開図を示している。図6は、スライドバルブ12が吐出側に配置される時の状態(比較的圧縮比の大きい運転状態)を示し、図8は、スライドバルブ12が吸入側に配置される時の状態(部分負荷運転でも比較的圧縮比の小さい運転状態)を示す。
なお、スクリュー圧縮機100の実質的な吐出面積は、吐出ポート15とスクリュー溝10との対向領域面積であり、図6、図8において格子線部C1〜C3と、右斜め下向きの斜線で示す斜線部D1〜D3及び横線で示すE1〜E2は、それぞれ実質的な吐出面積(吐出ポート15とスクリュー溝10との対向領域)を示している。
図7、図9は、それぞれ図6と図8に対応した吐出面積を示す特性図である。図7、図9において横軸はスクリュー回転角、縦軸は吐出面積である。図7、図9の(a)は可変ポート面積の変化、(b)は固定ポート面積の変化を示しており、それぞれ上に凸の放物線で表され、(a)と(b)の合計が吐出ポート面積となる。
(高圧縮比運転の場合)
以下、図6、図7を参照して、高圧縮比運転の場合、つまり全負荷運転の場合及び部分負荷運転で比較的圧縮比が大きい場合の吐出面積の変化を説明する。高圧縮比運転では、スライドバルブ12を吐出側へ移動した状態で運転を行う。
図6(a)は、スクリュー回転角θA(1)の吐出面積C1と、スクリュー回転角θA(4)の吐出面積D1とを示している。図6(b)は、スクリュー回転角θA(2)の吐出面積C2と、スクリュー回転角θA(5)の吐出面積D2を示している。また、図6(c)は、スクリュー回転角θA(3)の吐出面積C3と、スクリュー回転角θA(6)の吐出面積D3を示している。すなわち、図6にはスクリュー溝10が回転角θA(1)→θA(2) →θA(3) →θA(4)→θA(5)→θA(6)の順に進行し、吐出面積(対向領域)がC1→C2→C3→D1→D2→D3と変化する様子を示している。
つまり、スクリュー回転角がθA(1)に達する付近(図6(a))で圧縮室11内が吐出圧力に達する一方、吐出ポート15の固定ポート17が開口し始める(C1)。このときの固定ポート17の吸入側端面(傾斜面17a)は、最大の吐出面積を確保できるように、対向するスクリュー溝10の傾斜に沿って形成されている。つまり、固定ポート17の吸入側端面が、対向するスクリュー溝10の傾斜に沿って形成されていると、スクリューロータ4の回転に伴って図6ではスクリュー溝10が下方向に移動した際、傾斜面17aの全体から吐出面積が広がっていくことになる。このため、最大の吐出面積を確保できるのである。
なお、固定ポート17の傾斜面17aは、必ずしも、対向するスクリュー溝10の傾斜に沿って形成されていなくてもよく、要は、吐出開始時の吐出ポート15の開口面積をできるだけ大きく確保することを考慮して形成されていればよい。
そして、θA(2)(図6(b))では固定ポート17の吐出面積が増大していくと共に、可変ポート16が開口し始める(C2)。その後、可変ポート16の吐出面積は縮小し、図7に示すようにθA*で消滅するが、固定ポート17の吐出面積はθA*付近で最大に達する。このように、吐出面積が小さく吐出流速が大きくなる吐出過程前半に可変ポート16の吐出面積が追加されるので、吐出損失の増大を抑制できる。
そして、θA*付近以降は、図7に示すように固定ポート17の吐出面積は減少に転じ始め、スクリューロータ4の回転がθA(3) →θA(4)→θA(5)→θA(6)と進むにつれて吐出面積は減少していく。
このように全負荷運転の場合及び部分負荷運転で比較的圧縮比が大きい場合には、スライドバルブ12を吐出側に移動させ、圧縮した流体を主に固定ポート17側から吐出するようにしている。
(低圧縮比運転の場合)
以下、図8及び図9を参照して、低圧縮比運転の場合、つまり部分負荷運転で比較的圧縮比の小さい場合の吐出面積の変化を説明する。
図8(a)は、スクリュー回転角θB(1)の吐出面積C1と、スクリュー回転角θB(4)の吐出面積D1と、スクリュー回転角θB(7)の吐出面積E1とを示している。図8(b)は、スクリュー回転角θB(2)の吐出面積C2と、スクリュー回転角θB(5)の吐出面積D2と、スクリュー回転角θB(8)の吐出面積E2とを示している。また、図8(c)は、スクリュー回転角θB(3)の吐出面積C3と、スクリュー回転角θB(6)の吐出面積D3を示している。すなわち、図8にはスクリュー溝10が回転角θB(1)→θB(2) →θB(3) →θB(4)→θB(5)→θB(6) →θB(7)→θB(8)の順に進行し、吐出面積(対向領域)がC1→C2→C3→D1→D2→D3→E1→E2と変化する様子を示している。
つまり、スクリュー回転角がθB(1)に達する付近(図8(a))で圧縮室11内が吐出圧力に達する一方、吐出ポート15の可変ポート16が開口し始める(C1)。このときのスライドバルブ12の吐出側端面12dは、最大の吐出面積を確保できるように対向するスクリュー溝10の傾斜に沿って形成されている。つまり、スライドバルブ12の吐出側端面12dが、対向するスクリュー溝10の傾斜に沿って形成されていると、スクリューロータ4の回転に伴って図8ではスクリュー溝10が下方向に移動した際、スライドバルブ12の吐出側端面12dの全体から吐出面積が広がっていくことになる。このため、最大の吐出面積を確保できるのである。
なお、スライドバルブ12の吐出側端面12dは、必ずしも、対向するスクリュー溝10の傾斜に沿って形成していなくともよく、要は、吐出開始時の吐出ポート15の開口面積をできるだけ大きく確保することを考慮して形成されていればよい。
そして、θB(2)(図8(b))では可変ポート16の吐出面積が増大していき(C2)、更にθB(3)(図8(c)、図9)になると、固定ポート17の吐出面積C3’が加わる(C3)。
その後、θB(4)→θB(5)とスクリューロータ4の回転が進むにつれ可変ポート16は縮小し、θB*(図9)でなくなる。可変ポート16が縮小する一方で、固定ポート17の吐出面積は増大するので、吐出ポート15の吐出面積は、θB(3) 〜θB*ではゆるやかな変化で比較的大きく確保された状態(図8参照)が続く。そして、θB(3)以降、吐出ポート15の吐出面積は、図8のD3→E1→E2に示すように、図7のD1→D2→D3と同様の面積変化をたどる。
このように部分負荷運転でも比較的圧縮比が小さい場合には、スライドバルブ12を吸入側に移動させ、可変ポート16と固定ポート17の両方から圧縮した流体を吐出するようにしている。
ここで、従来と本実施の形態1との吐出ポート形状の違いについて説明する。図10は、比較の対象となる従来の吐出ポート150近傍の説明図である。
吐出ポート150は、可変ポート160と、略矩形状の固定ポート170とから構成されている。また、スライドバルブ120は、本実施の形態1のスライドバルブ12と位置が異なり、この例ではスライドバルブ120の角度幅は、φ1=40°で、スライドバルブ120の中心をゲートロータ開口面1aaからφ3=30°の位置に設けている。また、固定ポート170の形成範囲は、スクリューロータ中心角範囲でφ2であり、図4に示したφ2と同等の例えば10゜程度である。
以下では、動作の詳細な説明は省略し、本発明と異なる従来動作のみ説明する。
(高圧縮比運転の場合)
図11は、圧縮比が大きく、図10の従来のスライドバルブ120が吐出側に配置された状態でのスクリュー回転角と吐出面積との関係を説明するための説明図である。図12は、スライドバルブが吐出側に配置された状態での従来と本実施の形態1との吐出面積の比較結果を示す図である。
図11の見方は、図6の見方と同様である。すなわち、図11には、スクリュー回転角がθA(1)→θA(2)→θA(3)→θA(4)→θA(5)→θA(6)の順に、吐出面積がC1→C2→C3→D1→D2→D3のように変化することが示されている。
従来構成において高圧縮比運転の場合では、図11に示すように、吐出過程前半から後半に渡って可変ポート160から圧縮した流体が吐出される。そのため、スライドバルブ120の連結部120cが、常に吐出ポート150上に位置することになり、吐出流路が閉塞される。
これに対し、本実施の形態1では連結部12cが、吐出ポート15から吐出される吐出流体を遮らず、且つ吐出開始時の吐出面積を最大限に確保できるよう以下の構成としている。すなわち、スライドバルブ12を、従来のスライドバルブ120よりも反回転方向側(後述の図15では上方側)へ配置すると共に、スライドバルブ12が吐出側に配置された状態において、圧縮した流体が主に固定ポート17側から吐出されるようにしている。そして、固定ポート17の吸入側端面のうち可変ポート16側を、垂直面ではなく傾斜面17aとしている。なお、吐出開始時の吐出面積を最大限に確保する上で傾斜面17aが有効な点については、上述の通りである。
このように構成したことにより、図6から明らかなように、吐出ポート15内の吐出流路が連結部12cによってほとんど閉塞されることがない。よって、吐出圧損を低減できる効果がある。
更に、図12から明らかなように、本実施の形態1の吐出面積は、吐出開始のタイミングを変更することなく、従来の固定ポート17の吐出面積に加えて、可変ポート16からの吐出面積を増やすことができる。これにより、吐出面積が小さく吐出流速が大きくなる吐出過程前半の吐出面積を増やせるため、吐出損失を更に低減できる効果がある。
(低圧縮比運転の場合)
図13は、低圧縮比運転で、図10の従来のスライドバルブ120が吸入側に配置された状態でのスクリュー回転角と吐出面積との関係を説明するための説明図である。図13Aは、従来と本実施の形態1とのスライドバルブ配置の違いによる、低圧縮比運転での可変ポート面積の違いを説明するための説明図である。図14は、スライドバルブが吸入側に配置された状態での従来と本実施の形態1との吐出面積の比較結果を示す図である。図14Aは、スライドバルブ12の中心をゲートロータ開口面1aaから90°に設けた場合の吐出面積の変化を示す図である。図14Bは、スライドバルブ12の中心をゲートロータ開口面1aaから90°に設けた場合と従来との吐出面積の比較結果を示す図である。
図13の見方は、図6の見方と同様である。すなわち、図13には、スクリュー回転角がθB(1)→θB(2) →θB(3) →θB(4)→θB(5)→θB(6) →θB(7)→θB(8)の順に、吐出面積がC1→C2→C3→D1→D2→D3→E1→E2のように変化することが示されている。
従来構成において低圧縮比運転では、図13に示すように、従来のスライドバルブ120が本実施の形態1に比べてより吸入側に配置される。この違いによる吐出面積変化について図13Aを用いて説明する。
図13Aは、従来のスライドバルブ120と本実施の形態1のスライドバルブ12とを並べて示し、スライドバルブの位置の違いよる吐出面積の違いを比較した図である。図13には、吐出過程前半から吐出過程途中(θB(1)→θB(2)→θB(4))までの状態を(a)→(b)→(c)に順に示している。また、図13Aにおいて斜線部はスライドバルブ12の位置とした場合の吐出面積、格子線部はスライドバルブ120の位置とした場合の吐出面積である。
スクリュー圧縮機では、ケーシング1に設けた開口部とスクリュー溝10との対向面が吐出面積となる。そのため、図13A(b)の一点鎖線に示すように吐出側と吸入側のスクリュー溝10がまったく同じ傾斜で吸入側から吐出側に向かって制限なく形成されているとすれば、可変ポート16の吐出面積はスライドバルブ12がどの位置にあっても同じになる。しかし、スクリュー溝10の形状は吸入側と吐出側で異なり、図13A(a)に示すようにスクリュー軸方向に対する傾斜角Φは吸入側傾斜角Φs>吐出側傾斜角Φdとなっている。更に、吐出側端面12dではスクリュー溝10がなくなる。
すなわち、スライドバルブ12の取付位置によって吐出面積変化に違いが生じる。スライドバルブ12の吐出側端面12dが従来のスライドバルブ120の吐出側端面120dよりも吐出側に配位置する本実施の形態1では、図13A(a)、(b)に示すように吐出過程前半は、スクリュー溝10の傾斜角Φが小さく、可変ポート面積を従来より大きく取れる。すなわち、図13A(a)、(b)において斜線部と格子線部とを比較すると、斜線部の面積の方が大きくなっている。しかし、図13A(c)の吐出過程途中以降はスライドバルブ12側のスクリュー溝10がなくなるため、スライドバルブ12側の可変ポート面積は従来のスライドバルブ120側の可変ポート面積より小さくなる。しかし、本実施の形態1では、分割固定ポート17axを設けているので、吐出過程途中以降は分割固定ポート17axで吐出面積を確保できるようになっている。
結果的に、本実施の形態1の吐出面積は、図14に示すようになり、従来と吐出過程の総吐出面積は同等で、吐出行程中の吐出面積の均一化が図れる構成となっている。
なお、スライドバルブ12をゲートロータ開口面1aa(図4参照)から離しすぎると、吐出面積が縮小してしまう。この点について、スライドバルブ12を図13Aに示した位置から更にゲートロータ開口面1aaから離し、スライドバルブ12の中心をゲートロータ開口面1aaから90°に設けた場合と比較して以下に説明する。
図14Bは、スライドバルブ12の中心をゲートロータ開口面1aaから90°に設けた場合と従来との吐出面積の比較結果を示す図である。
吐出側端面12dでスクリュー溝10がなくなるため、図14A(a)に示すようにスライドバルブ12の可変ポート面積が小さく、早い段階で可変ポート面積がなくなってしまう。その結果、スライドバルブ12の中心をゲートロータ開口面1aaから90°に設けた場合は、図14Bに示すように従来に比べて、吐出過程前半の吐出面積が小さく、更に総吐出面積も小さくなる。
以上から、本実施の形態1において、スライドバルブ12の中心位置は、30°<φ3<90°の範囲に最適点がある。
ここで、吐出ポート15の吸入側端面形状について改めて整理する。連結部12cによる流路閉塞の改善及び吐出過程前半の吐出面積の増大化を図るにあたり、上述したように高圧縮比で運転される場合には、スライドバルブ12の吸入側端面のうち分割固定ポート17axを、垂直面ではなく傾斜面17aとすることが有効である。また、低圧縮比で運転される場合には、つまりスライドバルブ12が最も吸入側に位置する状態では、スライドバルブ12の吐出側端面12dを、スクリュー溝10の傾斜に沿う傾斜面とすることが有効である。よって、これらをまとめて吐出ポート15の吸入側端面形状を検討すると、スライドバルブ12が最も吸入側に位置する状態において、吐出ポート15の吸入側端面の形状が略Z形状とすることが有効であるということになる。
次に、スライドバルブ12の外周面に設けた隔壁部分での流体漏れの改善について説明する。
図15は、低圧縮比運転で、スライドバルブ12、120が吸入側に配置された状態の横断面図である。(a)は従来、(b)は本実施の形態1を示す。また、図15(a)、(b)は、スクリュー回転角が互いに同じθB1(図8及び図13参照)の場合を示している。
図15において、18は吸入圧と吐出圧とを区画する隔壁で、太一点鎖線はシール面の中心を示す。
図15(a)に示すように従来は、圧縮比が小さいときの吐出開始のタイミングにあわせて吸入側にスライドバルブ120の軸方向位置を調整すると、スライドバルブ120の吐出側端面120dが隔壁18を越えて吸入圧側に位置してしまう。これにより、シール面が形成されず、白抜き矢印で示すように圧縮室から吸入圧側への流体漏れが発生する。
一方、本実施の形態1では、スライドバルブ12が、従来のスライドバルブ120よりもゲートロータ7の設置位置から反回転方向側(図15では上方側)へ配置される。このため、圧縮室の回転方向側(図15の下側)の端辺10aのうち、スクリューロータ周方向(図15の上下方向)におけるスライドバルブ位置と重なる部分が、本実施の形態1では従来よりも吐出側(図15の左側)に位置する。よって、吐出開始点におけるスクリュー回転角θB1での端辺10a位置に合わせて決められるスライドバルブ12の吐出側端面12dの位置が、従来よりも吐出側(図15において左側)となる。よって、スライドバルブ12の吐出側端面12dが隔壁18よりも吐出側にくるので、シール面が形成され、漏れが発生しない。
以上説明したように、本実施の形態1によれば、スライドバルブ12が最も吸入側に配置されるときの吐出ポート15の吸入側端面形状をZ形状としたので、以下の効果が得られる。
すなわち、高圧縮比で運転される場合には、連結部12cで遮られない吐出流路を形成することができ、吐出圧損を低減できる効果がある。
また、低圧縮比で運転される場合には、吐出面積の小さい吐出過程前半において可変ポート面積を大きく取れることに加えて、途中から固定ポート面積が加わり、吐出面積変化の均一化が図れる。このため、(効果的に)吐出面積を拡大でき、また、吐出過程後半は連結部12cで遮られない吐出流路が形成され、吐出圧損を低減できる効果がある。
また、従来構造では、図15に示したように、低圧縮比で運転される場合のスライドバルブ120の吐出側端面120dが隔壁18より吸入側に位置し、漏れが発生して効率低下を招く問題がある。しかし、本実施の形態1では、スライドバルブ12を従来のスライドバルブ120よりも反回転方向側(図15では上方側)へ配置した。このため、吐出開始点のスクリュー溝10に合わせてスライドバルブ12を調整した時のスライドバルブ12の位置が従来よりも吐出側に位置する。よって、スライドバルブ12の吐出側端面12dが吸入圧と吐出圧とを区画する隔壁18を越えずに(漏れが発生しない)運転できる低圧縮比側の運転範囲が拡大できる効果がある。
以上の結果、高圧縮比から低圧縮比まで広い運転範囲で吐出圧損を低減でき、ひいては、年間を通じて高効率な運転を可能とするスクリュー圧縮機100を得ることができる。
また、スライドバルブ12をスクリューロータ4の周方向に長くすることなく、上記効果を得ることが可能であるため、スライドバルブ12を周方向に長くした場合に生じる、漏れ損失の増大、ゲートロータ支持部品とスライドバルブ12との干渉といった不都合が生じない。
なお、本実施の形態1は一例であり、スライドバルブ12を設ける角度範囲は図4等に示した範囲に限られない。
また、本実施の形態1では、固定ポート17の吸入側端面の一部が垂直面17bを有する形状としたが、これに限られたものではない。他に例えば、図16に示すように垂直面17bを持たせず、傾斜面17aの傾斜をそのまま延長させて全体として傾斜する傾斜面17cとしてもよい。
また、以上の実施の形態1では、2つのゲートロータ7を設けたタイプのスクリュー圧縮機について説明した。しかし、これに限らず、1つのゲートロータ7を設けたタイプのスクリュー圧縮機であっても、吐出ポート15を上記実施の形態1で示した形状とすることにより、総合的に損失の小さい高効率なスクリュー圧縮機とすることができる。
以上の結果、高圧縮比から低圧縮比まで広い運転範囲で吐出損失の増大を抑制できるスクリュー圧縮機100を得ることができる。
実施の形態2.
本実施の形態2は、冷凍サイクル装置に関する。
図17は、本発明の実施の形態2に係る冷凍サイクル装置300の冷媒回路図である。
冷凍サイクル装置300は、インバータ101で駆動されるスクリュー圧縮機200と、凝縮器102と、中間冷却器103の高圧部と、減圧装置である膨張弁104と、蒸発器105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300は更に、中間冷却器103と膨張弁104との間から分岐し、中間冷却器用膨張弁106及び中間冷却器103の低圧部を介してスクリュー圧縮機100に接続されたエコノマイザー配管107を有している。
凝縮器102は、スクリュー圧縮機200からの吐出ガスを冷却、凝縮させる。膨張弁104は、凝縮器102の分岐した液を絞り膨張させる。蒸発器105は、膨張弁104を流出した冷媒を蒸発させる。中間冷却器103は、凝縮器102と膨張弁104との間の高圧側冷媒と、高圧側冷媒の一部を中間冷却器用膨張弁106で減圧した低圧側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300には更に、インバータ101、膨張弁104、中間冷却器用膨張弁106の制御、スクリュー圧縮機200のスライドバルブ12の位置の制御、後述のエコノマイザー運転の駆動及び停止等、冷凍サイクル装置全体を制御する制御装置301を備えている。
図18は、本発明の実施の形態2に係る冷凍サイクル装置300に備えられたスクリュー圧縮機200の要部端面図である。図19は、本発明の実施の形態2に係る冷凍サイクル装置300に備えられたスクリュー圧縮機200の吐出ポート15近傍(収容部)を示す斜視図である。図20は、本発明の実施の形態2に係る冷凍サイクル装置300に備えられたスクリュー圧縮機200の吐出ポート15近傍の説明図である。
スクリュー圧縮機200は、実施の形態1のスクリュー圧縮機100と略同様であり、以下、スクリュー圧縮機200がスクリュー圧縮機100と異なる点を中心に説明する。スクリュー圧縮機200は、中間冷却器103からの冷媒ガスを圧縮室11(圧縮過程にあるスクリュー溝10)に導くためのエコノマイザー流路50をケーシング1に備えている。エコノマイザー流路50は、ケーシング1の外部とスライド溝14とを連通するようにケーシング1に設けられている。
エコノマイザー配管107は、エコノマイザー流路50に接続され、中間冷却器103とエコノマイザー流路50とを連結する。また、スクリュー圧縮機200は更に、スライドバルブ12の円柱部にエコノマイザーポート12pが形成されている。エコノマイザーポート12pは、図20右図に示すように、スライドバルブ12においてスライド溝14との摺接面である外周面から、スライドバルブ12においてスクリューロータ4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。
なお、実施の形態1でも説明したように、ケーシング1(つまり、収容部1Aの内壁面)に覆われていない開放されたスクリュー溝10(図19参照)内は、反対側のゲートロータ7及びゲートロータサポート室6(図19には示されていない方のゲートロータ7及びゲートロータサポート室6)と連通し、吸入圧力雰囲気となっている。以降、収容部1Aの内壁面によって覆われておらず、吸入圧力雰囲気となっているケーシング1内の空間(ゲートロータサポート室6も含む)を吸入圧室1Cと定義する。
(エコノマイザーポート12p近傍の詳細構成)
次に、本実施の形態2に係るエコノマイザーポート12p近傍の詳細構成について説明する。
図21は、本発明の実施の形態2に係るエコノマイザーポート近傍の説明図である。
エコノマイザー配管107とスライド溝14とを連通するエコノマイザー流路50は、図21に示すようにケーシング1に設けられている。エコノマイザー流路50は、エコノマイザー配管107に接続する管路50aとスライド溝14側に接続する長溝50bとを有する。長溝50bはスライドバルブ12のスライド面に沿って延びるように構成され、長溝50bの長さlは、エコノマイザー運転を行う運転範囲のスライドバルブ制御位置に対応した長さとしている。
なお、エコノマイザー運転とは、中間冷却器用膨張弁106を開いてエコノマイザー配管107とスクリュー圧縮機100とを連通させ、中間冷却器103の低圧部を通過後のエコノマイザーガスをスクリュー圧縮機100の圧縮室11にインジェクションする運転である。また、長溝50bの溝幅(スクリューロータ周方向の長さ)は、図21の右図に示すようにエコノマイザーポート12pの径dより大きくしている。エコノマイザーポート径dは、スクリューロータ4の隣り合う圧縮室を連通しない最大径(最小歯厚以下)としている。
(動作説明)
次に、本実施の形態2の動作について説明する。
まず、全負荷運転での冷媒回路の動作を説明する。
図22は、本発明の実施の形態2に係る冷凍サイクル装置300のエコノマイザー運転時の冷凍サイクル説明図である。図23は、本発明の実施の形態2に係る冷凍サイクル装置300の全負荷運転時の圧力−比エンタルピ線図である。図22中の矢印は冷媒の流れを示し、実線は冷媒液、破線は冷媒ガスである。図23中の()内の各数字の位置の冷媒状態は、図22のそれぞれ対応する数字の配管位置の冷媒状態に対応している。
図22、図23において、蒸発器105を出た圧力Psの冷媒ガス(1)はスクリュー圧縮機100に吸い込まれ、圧力Pdまで圧縮された後、吐出される。吐出された冷媒ガス(5)は、凝縮器102で(6)の状態まで過冷却される。高圧の過冷却液(6)は、中間冷却器103の高圧部に入り、更に冷却されて(8)の状態となる。中間冷却器103から出た高圧液(8)は、その一部が分岐され、中間冷却器用膨張弁106で中間圧力Pmまで絞り膨張され、(7)の状態で再び中間冷却器103の低圧部に流れ込む。
凝縮器102を出て直接、中間冷却器103の高圧部に流入した高圧液(高圧側冷媒)(6)は、中間冷却器用膨張弁106を経て再び中間冷却器103の低圧部に流入した冷媒液(低圧側冷媒)との熱交換により、過冷却状態が(8)の状態まで大きくなる。すなわち、この過冷却の増加によって、蒸発器105の冷凍効果は増えることになる。
一方、中間冷却器103の低圧部に再び流入した冷媒液(低圧側冷媒)(7)は、高圧側冷媒との熱交換により蒸発して冷媒ガス(7a)となる。そして、この冷媒ガス(7a)は、エコノマイザー配管107及びエコノマイザー流路50を経由して、スライドバルブ12に設けたエコノマイザーポート12pから圧縮中のスクリュー溝10にインジェクションされ、圧縮ガスと混合する((2)−(3))。
このとき、スクリュー圧縮機200へのガス流入量や流入するタイミングによって、圧縮動力が変化する。したがって、できるだけ圧縮動力を増さずに、冷凍能力を大きくすることが成績係数を高くするポイントとなり、最適な中間圧力Pmが存在する。
次に、部分負荷運転で高低差圧が小さいときの冷媒回路の動作を説明する。
図24は、本発明の実施の形態2に係る冷凍サイクル装置300の部分負荷運転で高低差圧が小さいときの圧力−比エンタルピ線図である。
部分負荷運転で高低差圧が小さいときは、図24に示すように中間圧(中間冷却器出口)と圧縮室間の差圧が小さく、エコノマイザー運転時に過渡的に中間圧<圧縮室となって動作が不安定となる。その上、冷凍能力の拡大効果が小さく、エコノマイザーガスが圧縮途中に流入することによる動力増加の方が大きくなって成績係数が低下する。そのため、高低差圧が小さい条件では、図22の中間冷却器用膨張弁106を閉止し、エコノマイザー運転を行わないようにしている。
次に、エコノマイザーポート12pとスクリュー溝10との位置関係を図25と図26を用いて説明する。
図25と図26は、本発明の実施の形態2に係るスクリュー圧縮機200におけるスクリュー回転角とエコノマイザーポートとの関係を説明するための説明図である。図25は、スライドバルブ12が吐出側に配置される時の状態(全負荷運転など圧縮比が大きい運転状態)を示している。図26は、スライドバルブ12が吸入側に配置される時の状態(部分負荷運転でも比較的圧縮比の小さい運転状態)を示している。また、図25(a)〜(c)と図26(a)〜(c)は、スクリューロータ4外周面の展開図を示している。図25(d)と図26(d)は、図25(a)と図26(a)のC−C断面図である。
図25のA1〜A9及び図26のB1〜B11は、それぞれスクリュー回転角θA(1)〜θA(9)、θB(1)〜θB(11)のスクリュー溝10を示している。すなわち、図25は、スクリュー溝10が回転角θA(1)→θA(2)→θA(3)→θA(4)→θA(5)→θA(6)→θA(7)→θA(8)→θA(9)の順に進行し、スクリュー溝10の容積が縮小する様子を示している。そして、図26は、スクリュー溝10が回転角θB(1)→θB(2)→θB(3)→θB(4)→θB(5)→θB(6)→θB(7)→θB(8)→θB(9)→θB(10)→θB(11)の順に進行し、スクリュー溝10の容積が縮小する様子を示している。
図26において斜線でハッチングしたスクリュー溝B1、B2は、吸入過程のスクリュー溝10である。つまり、スクリュー溝B1、B2は、ゲートロータ7と収容部1Aの内壁面とで完全に閉じ込まれている状態ではない位置にある。また、図25と図26において塗りつぶされたスクリュー溝A1、A2、A3、B3は圧縮過程にあるスクリュー溝10である。また、塗りつぶされていないスクリュー溝A4〜A9、B4〜B11は、吐出過程にあるスクリュー溝10である。吐出過程での実質的な吐出面積は、吐出ポート15とスクリュー溝10との対向領域面積であり、図25、図26の格子線部で示している。
(全負荷運転時の場合)
図25を用いて、全負荷運転時のエコノマイザーポート12pとスクリュー溝10との位置関係を説明する。
全負荷運転ではエコノマイザー運転を行う。エコノマイザー運転では、スライドバルブ12は図25(d)に示すように吐出側に移動し、図25(a)〜(c)に示すように可変ポート16を完全に閉塞する位置に配置される。また、ケーシング1に設けられたエコノマイザー流路50とエコノマイザーポート12pとは連通した状態になっている。
図25(a)に示すようにエコノマイザーポート12pは、吸入を完了した直後の低圧のスクリュー溝A1に連通し始める。そして、エコノマイザーポート12pは、圧縮行程中のスクリュー溝A2→A3上を進行する。エコノマイザーポート12pがスクリュー溝A2→A3上を進行する間、中間圧力Pmとスクリュー溝10との差圧により、エコノマイザーガスがエコノマイザーポート12pからスクリュー溝10にインジェクションされる。高圧となるスクリュー溝10にエコノマイザーポート12pを開口させると中間圧が上昇し、エコノマイザー運転による能力拡大効果(図23の(8)の過冷却度)が小さくなる。よって、ここでは、できるだけ低圧のスクリュー溝10にエコノマイザーガスをインジェクションするようにしている。
また吸入過程のスクリュー溝10に多量の冷媒ガスがインジェクションされると冷媒循環量が減少し、冷凍能力を低下させる要因となる。このため、吸入をほぼ完了するタイミングでエコノマイザーポート12pがスクリュー溝10に連通するようにしている。すなわち、エコノマイザーポート12pは、図25(a)に示すように圧縮開始時のスクリュー溝A1から連通し始め、圧縮過程中のスクリュー溝A2、A3を通過し、スクリュー溝A4で完全にスクリュー溝に開口しなくなり、これが繰り返される。
なお、部分負荷運転でも比較的高低差圧が大きく、エコノマイザー効果が得られる条件では、ケーシング1に設けられたエコノマイザー流路50とエコノマイザーポート12pとを連通させて、エコノマイザー運転を行う。部分負荷運転でのエコノマイザー運転では、スライドバルブ12を全負荷運転より吸入側へ移動させるか、全負荷運転と同じスライド位置に位置させる。
(部分負荷運転で高低差圧が小さい場合)
次に図26を用いて、部分負荷運転で高低差圧が小さいときのエコノマイザーポート12pとスクリュー溝10との位置関係を説明する。
部分負荷運転で高低差圧が小さいときはエコノマイザー運転を停止する。エコノマイザー運転を停止する場合、スライドバルブ12は、図26(d)に示すように吸入側に移動し、エコノマイザーポート12pを、図19(b)に示すように収容部1Aの内壁面のない部分(吸入圧室1C)に配置させる。この状態では、ケーシング1に設けられたエコノマイザー流路50とエコノマイザーポート12pとは連通しない状態になっている。また、エコノマイザー運転を停止中、エコノマイザーポート12pは、常に吸入圧室1Cに連通した状態になっている。したがって、部分負荷運転で高低差圧が小さいときは、吸入過程から吐出過程までエコノマイザーポート12pがスクリュー溝10に関与しない状態で運転が行われる。
ところで、エコノマイザー運転に対応可能な従来のスクリュー圧縮機として、エコノマイザー配管と圧縮室とを、ケーシングの外周面側に設けた通路と、スライドバルブ内に設けた流路と、ケーシングの内周面側に設けたエコノマイザーポートとを介して連通させる構成のスクリュー圧縮機がある(例えば、特開平4−13663号公報)。この技術では、エコノマイザー運転を停止し、スライドバルブを移動させてスライドバルブ内の流路を圧縮室から切り離したとしても、ケーシングに設けられているエコノマイザーポートが圧縮室に連通したままとなる。このため、エコノマイザーポートが吸入圧から吐出圧まで無駄に圧縮される容積部(デッドボリューム)となる。よって、エコノマイザー運転を停止した状態でエコノマイザーポートがスクリュー溝上を通過するときに再膨張損失が発生してしまう。
しかし、本実施の形態2の構成では、エコノマイザー運転を停止する運転においてエコノマイザーポート12pがまったく関与しなくなるので、再膨張損失による性能低下を防止できる。また、部分負荷運転は容量が小さく、隣り合う圧縮室間の漏れの影響が顕著となるが、本実施の形態2の構成では、エコノマイザー運転を停止した場合にエコノマイザーポート12pがまったく関与しなくなることで、エコノマイザーポート12pを経由することによるスクリュー溝10間の漏れをなくすことができる。
なお、実施の形態2では、エコノマイザー運転を行わない場合、エコノマイザー流路50とエコノマイザーポート12pとが連通しないようにした。しかし、図26A(スライドバルブが吸入側にある場合)に示すように、中間冷却器用膨張弁106などでエコノマイザー配管107を閉止すれば、吸入側へエコノマイザーガスが漏れて吸入ガスの圧縮室11への流入を阻害することがない。このため、部品共通化などの観点から、エコノマイザー流路50とエコノマイザーポート12pとが連通するようにしてもよく、この場合も同様の効果がある。
図27は、エコノマイザーポート12pの径の変形例の説明図で、(a)は収容部1A内壁面及びスクリューロータ4外周面の展開図、(b)は(a)のd−d断面を示している。
本実施の形態2では、エコノマイザーポート12pは隣り合う圧縮室を連通しない径となっている。しかし、エコノマイザー運転でのみエコノマイザーポート12pを使用する場合、インジェクションされる冷媒の流れが、図27(b)の白抜き矢印に示すような流れであれば、隣り合う圧縮室間の漏れはない。よって、使用範囲によってはエコノマイザーポート12pを図27(a)に示すようにランド幅(隣り合うスクリュー溝の間の溝山の幅)より大きくしてもよく、この場合も実施の形態2と同様の効果がある。
ここで、スクリューロータ4のランド幅は、スライドバルブ12の位置がゲートロータ7から離れるほど大きくなる。そのため、エコノマイザーポート径をランド幅よりも小さくする設計では、スライドバルブ12の取付位置を、従来のφ3=30°より大きく、スライドバルブ12が反対側のゲートロータ7の支持部品と干渉しない100°程度の範囲に設けておく方が、エコノマイザーポート径を大きく取れ、安定した流量制御を行える効果がある。
以上説明したように、本実施の形態2は、実施の形態1と同様の効果が得られると共に、以下の効果が得られる。すなわち、本実施の形態2では、スライドバルブ12に設けたエコノマイザーポート12pの位置を、スライドバルブ12が最も吐出側にある時には、エコノマイザーポート12pがエコノマイザー流路50に連通する位置とし、スライドバルブ12が最も吸入側にある時には、エコノマイザーポート12pが吸入圧室1Cに連通する位置とした。この構成により、エコノマイザー効果の大きい、高低差圧が大きい全負荷運転などでは、エコノマイザー運転による成績係数の向上が図れる。一方、エコノマイザー運転によって成績係数の向上が見込めない低差圧の部分負荷運転では、エコノマイザー運転を停止し、更に、エコノマイザーポート12pによる再膨張損失や漏れ損失が発生しない高い成績係数を得ることができる。
以上の結果、高圧縮比から低圧縮比まで広い運転範囲で高い成績係数にできる、年間を通じて高効率な運転を可能とするスクリュー圧縮機200及び冷凍サイクル装置300を得ることができる。
1 ケーシング、1A 収容部、1B 開口部、1C 吸入圧室、1a ゲートロータ用開口部、1aa ゲートロータ開口面、1c 吸入壁、1e 対向面、2 高圧側軸受、3 低圧側軸受、4 スクリューロータ、5 ゲートロータサポート、5a 軸受、5b 中心軸、6 ゲートロータサポート室、7 ゲートロータ、7a ゲートロータ歯、8 電動機、9 回転軸、10 スクリュー溝、10a 端辺、11 圧縮室、12 スライドバルブ、12c 連結部、12d 可変ポート側の傾斜面(吐出側端面)、12p エコノマイザーポート、14 スライド溝、15 吐出ポート、16 可変ポート、16l スライド面(回転側スライド面)、16r 反回転側スライド面、17 固定ポート、17a 固定ポート側の傾斜面、17ax 分割固定ポート、17b 垂直面、17bx 分割固定ポート、17c 傾斜面、18 隔壁、50 エコノマイザー流路、50a 管路、50b 長溝、100 スクリュー圧縮機、101 インバータ、102 凝縮器、103 中間冷却器、104 膨張弁、105 蒸発器、106 中間冷却器用膨張弁、107 エコノマイザー配管、120 スライドバルブ、120c 連結部、120d 吐出側端面、150 吐出ポート、160 可変ポート、170 固定ポート、200 スクリュー圧縮機、300 冷凍サイクル装置、301 制御装置。
本発明に係るスクリュー圧縮機は、複数条のスクリュー溝が外周面に形成され、一端が流体の吸入側となり他端が吐出側となるスクリューロータと、スクリュー溝に噛み合わされる複数の歯が外周部に形成されたゲートロータと、スクリューロータが収容される収容部及び吐出ポートを有するケーシングと、ケーシングの内壁面に形成され、スクリューロータの回転軸方向に延びるスライド溝と、スライド溝内に回転軸方向にスライド移動自在に収容され、回転軸方向にスライドして吐出開始タイミングを変化させるスライドバルブと、ケーシングに設けられ、収容部に開口するゲートロータ用開口部とを有し、ゲートロータの複数の歯がゲートロータ用開口部を介して収容部に挿入されてスクリュー溝と噛み合わされ、スクリューロータが回転することにより、収容部の内壁面、スクリュー溝及びゲートロータで囲まれた空間である圧縮室に流体を吸入して圧縮し、圧縮した流体を吐出ポートから吐出するスクリュー圧縮機であって、ゲートロータとスライドバルブとの組を一対備え、吐出ポートは、スライドバルブの移動によって開口面積と吐出開始のタイミングとを変更できる可変ポートと、可変ポートとゲートロータとの間に設けられ、スライドバルブが移動しても開口面積が変化しない固定ポートとを有し、スライドバルブが最も吸入側に配置されるときの吐出ポートの吸入側端面形状が、可変ポート側の面と、固定ポートと可変ポートとの境界にあって回転軸方向に延びるスライド面と、固定ポート側の面と、を互いに角度を持って接続した形状を有し、固定ポート側の面が可変ポート側の面よりも吐出側に形成され、一対のスライドバルブのそれぞれの中心位置が、それぞれ同じ組のゲートロータに対応するゲートロータ用開口部におけるスライドバルブ側の端面から、スクリューロータ中心角度で、30°より大きく100°より小さい範囲に設けられているものである。

Claims (7)

  1. 複数条のスクリュー溝が外周面に形成され、一端が流体の吸入側となり他端が吐出側となるスクリューロータと、
    前記スクリュー溝に噛み合わされる複数の歯が外周部に形成されたゲートロータと、
    前記スクリューロータが収容される収容部及び吐出ポートを有するケーシングと、
    前記ケーシングの内壁面に形成され、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、
    前記スライド溝内に前記回転軸方向にスライド移動自在に収容され、前記回転軸方向にスライドして吐出開始タイミングを変化させるスライドバルブと、
    前記ケーシングに設けられ、前記収容部に開口するゲートロータ用開口部とを有し、
    前記ゲートロータの前記複数の歯が前記ゲートロータ用開口部を介して前記収容部に挿入されて前記スクリュー溝と噛み合わされ、前記スクリューロータが回転することにより、前記収容部の内壁面、前記スクリュー溝及び前記ゲートロータで囲まれた空間である圧縮室に流体を吸入して圧縮し、圧縮した流体を吐出ポートから吐出するスクリュー圧縮機であって、
    前記吐出ポートは、
    前記スライドバルブの移動によって開口面積と吐出開始のタイミングとを変更できる可変ポートと、
    前記可変ポートと前記ゲートロータとの間に設けられ、前記スライドバルブが移動しても開口面積が変化しない固定ポートとを有し、
    前記スライドバルブが最も吸入側に配置されるときの前記吐出ポートの吸入側端面形状が、前記可変ポート側の傾斜面と、前記固定ポートと前記可変ポートとの境界にあって回転軸方向に延びるスライド面と、前記固定ポート側の傾斜面と、を互いに角度を持って接続したZ形状を有して形成され、前記固定ポート側の傾斜面が前記可変ポート側の傾斜面よりも吐出側に形成されていることを特徴とするスクリュー圧縮機。
  2. 前記吐出ポートの吸入側端面を形成する前記可変ポート側の傾斜面と前記固定ポート側の傾斜面との少なくとも一方が、対向するスクリュー溝の傾斜に沿って形成されていることを特徴とする請求項1記載のスクリュー圧縮機。
  3. 前記ケーシング内に設けられ、吸入圧力雰囲気となっている吸入圧室と、
    前記ケーシング内に形成され、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ー流路と、
    前記スライドバルブに形成され、前記スライドバルブの位置に応じて、前記圧縮室に前記エコノマイザー流路を連通させるエコノマイザーポートとを備え、
    前記スライドバルブは、吐出側から吸入側に移動するに連れ、吐出開始のタイミングを早めるものであり、
    前記エコノマイザーポートは、前記スライドバルブが最も吸入側に移動した状態にあるときに前記吸入圧室に連通する位置に設けられていることを特徴とする請求項1又は請求項2記載のスクリュー圧縮機。
  4. 前記エコノマイザーポートは、前記スライドバルブが最も吐出側に移動した状態にあるときに前記圧縮室及び前記エコノマイザー流路に連通する位置に設けられていることを特徴とする請求項3記載のスクリュー圧縮機。
  5. 前記ゲートロータと前記スライドバルブとの組を一対備え、一対の前記スライドバルブのそれぞれの中心位置が、それぞれ同じ組の前記ゲートロータに対応する前記ゲートロータ用開口部における前記スライドバルブ側の端面から、スクリューロータ中心角度で、30°より大きく100°より小さい範囲に設けられていることを特徴とする請求項1〜請求項4の何れか一項に記載のスクリュー圧縮機。
  6. 駆動軸を介して前記スクリューロータと接続され、前記スクリューロータを回転させる電動機を備え、
    前記電動機は、インバータで駆動される電動機であることを特徴とする請求項1〜請求項5の何れか一項に記載のスクリュー圧縮機。
  7. 請求項3〜請求項6の何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、減圧装置及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、中間冷却器用膨張弁及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ー流路に接続されたエコノマイザー配管とを備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
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