WO2016199292A1

WO2016199292A1 - スクリュー圧縮機および冷凍装置

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Publication number: WO2016199292A1
Application number: PCT/JP2015/067021
Authority: WO
Inventors: 雅浩神田; 雅章上川; 和幸塚本
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2015-06-12
Filing date: 2015-06-12
Publication date: 2016-12-15

Abstract

２つの圧縮室（５ａ）（５ｂ）のそれぞれを圧縮状態と無圧縮状態とに切り替える２つの切替弁（７ａ）（７ｂ）を有する。そして、圧縮室（５ａ）（５ｂ）の一方を圧縮状態、他方を無圧縮状態にする片側運転モードにおいて、圧縮室（５ａ）を無圧縮状態且つ圧縮室（５ｂ）を圧縮状態にする第１片側運転モードと、圧縮室（５ａ）を圧縮状態且つ圧縮室（５ｂ）を無圧縮状態にする第２片側運転モードとを有し、片側運転モードを行う場合に、第１片側運転モードと第２片側運転モードとを交互に切り替えて行う。

Description

スクリュー圧縮機および冷凍装置

　本発明は、例えば冷凍機の冷媒圧縮に用いられるスクリュー圧縮機および冷凍装置に関するものである。

　一般にスクリュー圧縮機には、１つのスクリューロータと２つのゲートロータとを備えたシングルスクリュー圧縮機がある。

　このシングルスクリュー圧縮機では、スクリューロータとゲートロータとがケーシング内に収容されている。スクリューロータには複数の螺旋状の溝（スクリュー溝）が形成されている。そして、この溝（スクリュー溝）はスクリューロータの径方向に配置された一対のゲートロータと噛み合い係合することにより圧縮室を形成する。ゲートロータは回転軸となるゲートロータサポートに固定されており、ゲートロータサポートの軸の両端は軸受を介してそれぞれ軸受サポートに支持されている。また、ケーシング内には、低圧空間と高圧空間が形成される。

　また、スクリューロータはスクリュー軸に固定されており、スクリュー軸の一端側は軸受を介して軸受サポートに支持されていると共に、他端側（吸込側）はモータロータに連結されている。そして、スクリューロータがモータにより回転駆動されると、低圧空間内の流体が圧縮室へ吸入されて圧縮され、圧縮室内で圧縮された流体が高圧空間へ吐出される。

　上述のような従来のスクリュー圧縮機においては、スクリューロータにおいてケーシングの吐出口付近は高圧であり、スクリューロータのスクリュー軸の一端側に接続された軸受付近は低圧空間となっている。この高圧空間と低圧空間とが互いに近傍にありそれらの間に差圧が発生するため、スクリューロータと軸受サポートとの隙間から軸受側へ高圧流体の漏れが生じる。また、スクリューロータ外周面とケーシングとの間にはスクリューロータが回転駆動できるための隙間が必要であり、この隙間からも高圧流体の漏れが生じる。

　また、インバータ制御が行われるスクリュー圧縮機では、運転負荷の小さい場合などにモータが比較的低い回転数へ制御されると、スクリュー圧縮機の吐出量に対する高圧流体の漏れ量の比率が増加し、高圧流体の漏れが大きいほど、圧縮機の運転効率は低下する。

　そこで、上述のようなモータが比較的低い回転数へ制御される運転状態における、スクリュー圧縮機の運転効率を向上させるために、圧縮室を圧縮状態または無圧縮状態に切替可能な切替弁を備えた技術がある（例えば、特許文献１）。この特許文献１では、２つある圧縮室の両方を圧縮状態とする両側運転モードと、２つある圧縮室のうちの１つを圧縮状態、もう一つを無圧縮状態へ制御する片側運転モードとを有している。そして、運転負荷の小さい場合などに両側運転モードから片側運転モードに切り替え、両側運転モードで必要としていた吐出量と同等の吐出量を維持するために、片側運転モード時よりもモータの回転数を高めるように制御することで、低負荷時の吐出量に対する高圧流体の漏れ量の低減を図っている。

特許第５４４５１１８号公報

　上述のような片側運転モードでは、上述したように両側運転モード時よりもモータの回転数を高めるように制御される。また、片側運転モードでは、２つある圧縮室のうちの１つのみが圧縮状態となるため、ゲートロータが固定されているゲートロータサポートを支える軸受にかかる荷重が、圧縮状態となっている側の軸受のみにかかることになる。このように、片側運転モードでは、モータの回転数が高くなる上、軸受にかかる荷重に偏りが生じる。よって、圧縮状態となる側の軸受寿命が無圧縮状態となる側の軸受に比べて、短くなってしまう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になされたものであり、片側運転モードにおける、ゲートロータサポートの軸受への負荷の偏り、に起因した軸受寿命の短縮化を改善することが可能なスクリュー圧縮機および冷凍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、ケーシングと、ケーシング内に回転可能に配置され、外周面に複数のスクリュー溝が設けられたスクリューロータと、スクリューロータのスクリュー溝に嵌合する歯を有し、スクリューロータの回転に伴って回転する２枚のゲートロータと、ケーシング、スクリュー溝および２枚のゲートロータで囲まれた空間で形成された第１圧縮室および第２圧縮室と、ケーシングの内筒部に形成され、スクリューロータの回転軸方向に延びる２つのスライド溝と、第１圧縮室および第２圧縮室のそれぞれに対応して２つ設けられ、２つのスライド溝内でスクリューロータの回転軸方向にスライドすることで、第１圧縮室および第２圧縮室のそれぞれを圧縮状態と無圧縮状態とに切り替える２つの切替弁と、第１圧縮室および第２圧縮室の両方を圧縮状態にする両側運転モードと、第１圧縮室および第２圧縮室の一方を圧縮状態、他方を無圧縮状態にする片側運転モードとを、２つの切替弁を制御して切り替える制御装置とを備え、片側運転モードは、第１圧縮室を無圧縮状態且つ第２圧縮室を圧縮状態にする第１片側運転モードと、第１圧縮室を圧縮状態且つ第２圧縮室を無圧縮状態にする第２片側運転モードとを有し、制御装置は、片側運転モードを行う場合に、第１片側運転モードと第２片側運転モードとを交互に切り替えて行うものである。

　また、本発明に係る冷凍装置は、上記のスクリュー圧縮機と、凝縮器と、減圧装置と、蒸発器とを冷媒配管で接続した冷媒回路を備えたものである。

　本発明によれば、片側運転モードを行う場合に、第２圧縮室を圧縮状態にする第１片側運転モードと第１圧縮室を圧縮状態にする第２片側運転モードとを交互に切り替えて行うようにしたので、ゲートロータサポートの軸受への負荷の偏り、に起因した軸受寿命の短縮化を改善することが可能である。

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装置の冷媒回路図である。本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機の概略横断面図である。本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機の概略縦断面図である。本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機の両側運転モードにおける切替弁の位置を示す図である。本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機の片側運転モードＢにおける切替弁の位置を示す図である。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の切替弁制御方法のフローチャートである。本発明の実施の形態２に係る冷凍装置の冷媒回路図である。本発明の実施の形態２に係るスクリュー圧縮機の切替弁制御方法のフローチャートである。

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を備えた冷凍装置の冷媒回路図である。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。

　冷凍装置１００は、スクリュー圧縮機１０２と、凝縮器１０４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。

　スクリュー圧縮機１０２は電力供給源（図示せず）からインバータ１０１を介してモータ２へ電力供給されることにより駆動される。凝縮器１０４はスクリュー圧縮機１０２からの吐出冷媒ガスを冷却、凝縮させる。膨張弁１０５は凝縮器１０４からの冷媒液を絞り膨張させる。蒸発器１０６は膨張弁１０５を流出した冷媒を蒸発させる。

　冷凍装置１００にはさらに、膨張弁１０５の制御、インバータ周波数の制御、圧縮室を圧縮状態と無圧縮状態とに切替可能な切替弁の制御など、冷凍装置１００全体を制御可能な制御装置１０７を備えている。制御装置１０７は、例えばマイクロコンピュータで構成され、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭ等を備えており、ＲＯＭには制御プログラムおよび後述のフローチャートに対応したプログラムが記憶されている。

（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について、図２および図３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概略横断面図である。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概略縦断面図である。

　スクリュー圧縮機１０２は、筒状のケーシング１本体と、このケーシング１本体内に配置されたモータ２と、ケーシング１本体内に配置され、モータ２により回転駆動されるスクリューロータ３とを備えている。モータ２は、ケーシング１本体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とから構成されている。スクリューロータ３とモータロータ２ｂとは互いに同一軸線上に配置され、何れもスクリュー軸４に固定されている。スクリューロータ３は、スクリュー軸４に固定されたモータロータ２ｂに連結されて回転駆動される。

　スクリューロータ３の外周面には複数の螺旋状のスクリュー溝３ａが形成されている。そして、複数の螺旋状のスクリュー溝３ａと、ケーシング１本体内筒面と、スクリューロータ３に噛み合わされる複数の歯を有するゲートロータ６などとによって囲まれた空間で、圧縮室５ａと５ｂが形成されている。また、ケーシング１本体内は隔壁（図示せず）により低圧側と高圧側とに隔てられ、高圧側には吐出室（図示せず）に開口する吐出口１４（後述の図６参照）が形成されている。

　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スライド溝１ａが形成されている。このスライド溝１ａ内にはスライド移動自在な切替弁７ａと７ｂが収容されており、この切替弁７ａと７ｂは圧縮室５ａと５ａを形成するため、ケーシング１と共に内筒面の一部を形成している。

　この切替弁７ａと７ｂの位置に応じて、圧縮状態と無圧縮状態との切り替えが可能となっており、切替弁７ａと７ｂのそれぞれが最も吸入側（図２の右側）に移動した状態では、圧縮室５ａと５ｂにおいて流体を圧縮することが可能になる。一方、切替弁７ａと７ｂのそれぞれが最も吐出側（図２の左側）へ移動した状態では、圧縮室を形成しているスクリュー溝３ａ同士が連通することになり、スクリューロータ３が回転しても流体の圧縮が行われない無圧縮状態となる。

　図２には、切替弁７ａが最も吐出側（図２の左側）に移動して圧縮室５ａが無圧縮状態となり、切替弁７ｂが最も吸入側（図２の右側に移動して圧縮室５ａが圧縮状態となっている状態を示している。なお、無圧縮状態では、圧縮室内は一定圧力で保持された状態となっている。また、一定圧力で保持された状態とは、圧縮室内の圧力が変動したとしても、その変動の度合いが圧縮状態と比較して非常に小さい場合も含んでいる。

　また、切替弁７ａと７ｂは、連結棒８を介してピストンなどの駆動装置９に接続されており、駆動装置９を駆動させることにより、スライド溝１ａと１ｂ内をそれぞれスクリューロータ３のスクリュー軸４の軸方向に移動する。ここで、駆動装置９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。

　また、図３に示すように、２つあるゲートロータ６ａと６ｂは、フローティングピン１０によりそれぞれゲートロータサポート１１ａと１１ｂに固定されている。ゲートロータサポート１１ａと１１ｂは、軸１５の一端部が軸受１２ａと１３ａに支えられ、軸１５の他端部が軸受１２ｂと１３ｂに支えられている。つまり、圧縮室５ａと５ｂの流体が圧縮されて圧力上昇する圧縮状態の場合に、ゲートロータサポート１１ａと１１ｂへ発生する荷重をそれぞれ軸受１２ａと１３ａおよび軸受１２ｂと１３ｂとで受けている。

（運転モード）
　次に、本実施の形態１のスクリュー圧縮機１０２の運転モードについて説明する。
　スクリュー圧縮機１０２は、圧縮室５ａと５ｂの両方を圧縮状態とする両側運転モードと、圧縮室５ａ、５ｂの一方を圧縮状態、他方を無圧縮状態とする片側運転モードとを有する。運転モードの切り替えは、切替弁７ａと７ｂの切り替えと、インバータ周波数の制御とで実現する。

（両側運転モード）
　図４は、本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機の両側運転モードにおける切替弁の位置を示す図である。
　図４に示すように、両側運転モードでは、切替弁７ａと７ｂを最も吸込側（図６の右側）へ移動することで圧縮室５ａと５ｂの両方を圧縮状態とする。

（片側運転モード）
　上記図２は、本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機の片側運転モードＡにおける切替弁７ａと７ｂの位置をしている。また、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片側運転モードＢにおける切替弁の位置を示す図である。
　片側運転モードには片側運転モードＡと片側運転モードＢとがある。片側運転モードＡでは、図２に示したように、切替弁７ａを最も吐出側（図２の左側）へ移動させて圧縮室５ａを無圧縮状態とし、切替弁７ｂを最も吸込側（図２の右側）へ移動させて圧縮室５ｂを圧縮状態とする。片側運転モードＢでは、図５に示すように、切替弁７ａを最も吸込側（図２の右側）へ移動させて圧縮室５ａを圧縮状態とし、切替弁７ｂを最も吐出側（図２の左側）へ移動させて圧縮室５ｂを無圧縮状態とする。

　運転モードの切り替えは制御装置１０７によって行われる。具体的には、制御装置１０７は、スクリュー圧縮機１０２の運転効率が良くなるように運転負荷に応じて両側運転モードと片側運転モードとを切り替える。具体的には、運転負荷が比較的小さく、両側運転モードで運転すると、モータ２のインバータ周波数があらかじめ設定された所定の閾値Ａより小さくなる場合、片側運転モードに切り替え、インバータ周波数を上昇させるようにしている。

　また、本実施の形態１においては、両側運転モードから片側運転モードに切り替えるにあたり、片側運転モードＡおよび片側運転モードＢのどちらを選択するかを、ゲートロータ６ａの回転を支持する軸受１２ａと１３ａと、ゲートロータ６ｂの回転を支持する軸受１２ｂと１３ｂと、のそれぞれの寿命に関する指標値（ここでは、積算運転時間）に基づいて選択する。すなわち、軸受１２ａと１３ａと、軸受１２ｂと１３ｂとで、寿命が偏らないようにすることを考慮して、片側運転モードＡおよび片側運転モードＢの選択を行う。

　このように本実施の形態１では、片側運転モードとして片側運転モードＡと片側運転モードＢとの２つを有し、片側運転モードにおいて２つの圧縮室５ａ、５ｂのうち無圧縮状態とする圧縮室を一方に限定せずに交互に切り替えるようにした点に特徴を有している。また、その切り替えを、軸受１２ａと１３ａと、軸受１２ｂと１３ｂと、のそれぞれの寿命に関する指標値に応じて行う点に特徴を有している。

（動作説明）
　次に、本実施の形態１におけるスクリュー圧縮機１０２の動作について説明する。
　図６は、本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機の圧縮原理を示す図である。ここで、図６で示す圧縮室５は圧縮室５ａまたは５ｂのどちらでもよいため、圧縮室５と図示する。
　図６に示すようにスクリューロータ３がモータ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６１が圧縮室５（スクリュー溝）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６においてドットで示した圧縮室５に着目して各行程について説明する。

　図６（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がモータ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６（ｂ）のように圧縮室５の容積が図６（ａ）に比べて縮小する。

　引き続きスクリューロータ３が回転すると、図６（ｃ）に示すように、圧縮室５が吐出口１４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１４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６では切替弁７ａと７ｂ、スライド溝１ａと１ｂについては図示を省略している。

　図７は、本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機の切替弁制御方法のフローチャートである。
　制御装置１０７（図１参照）は、スクリュー圧縮機１０２の運転が開始されて所定の起動パターンが終了すると、まず、両側運転モードを行う（Ｓ１）。すなわち、制御装置１０７は、図４に示すように、切替弁７ａと７ｂを最も吸込側へ移動する。また、制御装置１０７は、現在の運転負荷を処理するためにスクリュー圧縮機１０２に求められる冷凍能力を決定し、続いて、この冷凍能力を両側運転モードで得るために必要なインバータ周波数を決定する。両側運転モードでは、圧縮室５ａと５ｂの両方が圧縮状態となるため、ゲートロータサポート１１ａと１１ｂを支える軸受１２ａと１３ａおよび軸受１２ｂと１３ｂへ荷重が作用する。

　そして、制御装置１０７は、モータ２のインバータ周波数（モータ２の回転数）に基づいて、このまま両側運転モードを行うか、片側運転モードに切り替えるかを判断する。具体的には、決定したインバータ周波数とあらかじめ設定された所定の閾値Ａとを比較し（Ｓ２）、インバータ周波数が閾値Ａよりも高ければ、両側運転モード（Ｓ１）を継続する。

　一方、インバータ周波数が閾値Ａよりも低ければ、制御装置１０７は両側運転モードから片側運転モードＡ（Ｓ３）に切り替える。すなわち、制御装置１０７は、図２に示すように、切替弁７ａを最も吐出側へ移動させて圧縮室５ａを無圧縮状態とし、切替弁７ｂを最も吸込側へ移動させて圧縮室５ｂを圧縮状態とする。ここで、片側運転モードＡのインバータ周波数は、両側運転モードで必要であった冷凍能力を片側運転モードで得るために、両側運転モードのインバータ周波数の約２倍へ制御される。片側運転モードＡでは、圧縮室５ａが無圧縮状態となり、圧縮室５ｂが圧縮状態となるため、ゲートロータサポート１１ａを支える軸受１２ａと１３ａには荷重が作用せず、ゲートロータサポート１１ｂを支える軸受１２ｂと１３ｂに荷重が作用する。

　そして、制御装置１０７は、片側運転モードＡに切り替えることで両側運転モードのインバータ周波数の約２倍となったインバータ周波数に基づいて、片側運転モードＡを続けるかを判断する。具体的には、制御装置１０７は、片側運転モードＡにおけるインバータ周波数とあらかじめ設定された所定の閾値Ｂ（＞閾値Ａ）とを比較し（Ｓ４）、インバータ周波数が閾値Ｂよりも高ければ、片側運転モードＡから両側運転モードに切り替えると判断し、ステップＳ１に戻る。すなわち、制御装置１０７は、切替弁７ａを最も吸込側へ移動させて圧縮室５ａを圧縮状態とする一方、切替弁７ｂはそのまま最も吸込側に位置させて圧縮状態のままにすると共に、両側運転モードで必要な冷凍能力が得られるようにインバータ周波数を制御する（Ｓ１）。

　ステップＳ２およびステップＳ４の判断より、両側運転モードで運転することでインバータ周波数が閾値Ａよりも低くなったとしても、片側運転モードに切り替えた場合に片側運転モードでのインバータ周波数が閾値Ｂより大きくなるときには、両側運転モードから片側運転モードに切り替えず、両側運転モードを継続する制御としている。つまり、両側運転モードで運転することでインバータ周波数が閾値Ａよりも低くなり、且つ、片側運転モードに切り替えた場合にインバータ周波数が閾値よりも低くなるときに、両側運転モードから片側運転モードに切り替えるようにしている。

　そして、ステップＳ４の判断においてインバータ周波数が閾値Ｂよりも低ければ、制御装置１０７は、片側運転モードＡを続けるかを判断する。言い換えれば、２つある片側運転モードのうちの片側運転モードＡを続けるか、それとも片側運転モードＢに切り替えるかを判断する。ここでは、片側運転モードＡおよび片側運転モードＢのそれぞれの積算運転時間が一方に偏って長くならないようにする、という考え方の基で片側運転モードＡ、片側運転モードＢのどちらを行うかの判断を行う。具体的には、後述のステップＳ５およびステップＳ７の判断処理を用いて、片側運転モードＡの積算運転時間と片側運転モードＢの積算運転時間との差が、あらかじめ設定された所定の閾値Ｃを超える度に、積算運転時間が長い方の片側運転モードから、積算運転時間が短い方の片側運転モードへ切り替える制御としている。以下、フローチャートに基づいて具体的に説明する。

　制御装置１０７は、片側運転モードＡの積算運転時間から片側運転モードＢの積算運転時間を引いた値と、あらかじめ設定された所定の閾値Ｃとを比較する（Ｓ５）。片側運転モードＡの積算運転時間から片側運転モードＢの積算運転時間を引いた値が閾値Ｃよりも小さければ、ステップＳ３に戻り、片側運転モードＡを継続する。

　一方、片側運転モードＡの積算運転時間から片側運転モードＢの積算運転時間を引いた値が閾値Ｃより大きければ、片側運転モードＡ側に運転時間が偏るのを避けるため、片側運転モードＡから片側運転モードＢに切り替える（Ｓ６）。ここで、片側運転モードＢのインバータ周波数は、片側運転モードＡのインバータ周波数と同様、両側運転モードで必要であった冷凍能力を片側運転モードで得るために、両側運転モードのインバータ周波数の約２倍となる。片側運転モードＢでは、圧縮室５ａが圧縮状態となり、圧縮室５ｂが無圧縮状態となるため、ゲートロータサポート１１ａを支える軸受１２ａと１３ａへは荷重が作用し、ゲートロータサポート１１ｂを支える軸受１２ｂと１３ｂへは荷重が作用しない。

　そして、制御装置１０７は、片側運転モードＢのインバータ周波数に基づいて片側運転モードＢを続けるか、それとも両側運転モードに切り替えるかを判断する。具体的には、制御装置１０７は、片側運転モードＢのインバータ周波数とあらかじめ設定された所定の閾値Ｂ（＞閾値Ａ）とを比較し（Ｓ７）、インバータ周波数が閾値Ｂよりも高ければ、片側運転モードＢを続けることを止めると判断し、ステップＳ１に戻って片側運転モードＢから両側運転モードに切り替える。

　一方、ステップＳ７の判断においてインバータ周波数が閾値Ｂよりも低ければ、制御装置１０７は、積算運転時間に基づいて片側運転モードＢを続けるかを判断する。言い換えれば、２つある片側運転モードのうちの片側運転モードＢを続けるか、それとも片側運転モードＡに切り替えるかを判断する。具体的には、制御装置１０７は、片側運転モードＢの積算運転時間から片側運転モードＡの積算運転時間を引いた値と、あらかじめ設定された閾値Ｃとを比較する（Ｓ８）。片側運転モードＢの積算運転時間から片側運転モードＡの積算運転時間を引いた値が閾値Ｃよりも小さければ、ステップＳ６に戻り、片側運転モードＢ（Ｓ６）を継続する。一方、片側運転モードＢの積算運転時間から片側運転モードＡの積算運転時間を引いた値が閾値Ｃより大きければ、片側運転モードＢに運転時間が偏るのを避けるため、ステップＳ３に戻って片側運転モードＢから片側運転モードＡに切り替える。

　以上のように、本実施の形態１では切替弁７ａと７ｂを用いて片側運転モードにおいて無圧縮状態とする圧縮室を一方に限定せずに交互に切り替え、ゲートロータサポート１１ａと１１ｂを支えている軸受１２ａと１２ｂおよび軸受１３ａと１３ｂへの負荷を交互に切り替えるようにした。そして、その切り替えを、片側運転モードＡと片側運転モードＢとのそれぞれの運転積算時間が偏らないようにすることを目的として行うようにした。

　この構成により、軸受１２ａと１２ｂおよび軸受１３ａと１３ｂへの負荷の偏りを低減し、負荷をほぼ均等に分けることができ、軸受寿命を延ばすことができる。

　また、一般的に、軸受への負荷に偏りがある場合、その負荷に耐えられるように軸受サイズを大きくする必要が生じる。しかし、本実施の形態１では、軸受への負荷の偏りを低減できるため、軸受サイズを従来よりも小さくすることができる。その結果、小型で安価なスクリュー圧縮機および冷凍装置を得ることができる。

実施の形態２．
　実施の形態１では、片側運転モードＡと片側運転モードＢとの切り替え判断に用いる、軸受寿命に関する指標値として積算運転時間を用いていた。これに対し、本実施の形態２では運転負荷値を用いるようにしたものである。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。

　図８は、本発明の実施の形態２に係る冷凍装置の冷媒回路図である。
　本実施の形態２に係る冷凍装置１００は、実施の形態１で示した構成に加え、圧力センサー２０１と圧力センサー２０２と温度センサー２０３とを備えている。

　圧力センサー２０１は、スクリュー圧縮機１０２の吐出側から膨張弁１０５の入口側までの間の冷媒の圧力（高圧側圧力）を検出するものである。本実施の形態２では、圧力センサー２０１は、スクリュー圧縮機１０２の吐出側と凝縮器１０４との間の冷媒配管に設けられている。また、圧力センサー２０２は、膨張弁１０５の出口側からスクリュー圧縮機１０２の吸入側までの間の冷媒の圧力（低圧側圧力）を検出するものである。また、温度センサー２０３は、蒸発器１０６の出口側からスクリュー圧縮機１０２の吸入側までの間の冷媒の温度（圧縮機吸込温度）を検出するものである。ここで、圧力センサー２０１が本発明の高圧側圧力検出装置に相当し、圧力センサー２０２が本発明の低圧側圧力検出装置に相当し、温度センサー２０３が本発明の圧縮機吸込側温度検出装置に相当する。

　このように構成された冷凍装置１００において、制御装置１０７は、スクリュー圧縮機１０２のインバータ周波数に加え、片側運転モードの運転時間と、圧力センサー２０１、圧力センサー２０２および温度センサー２０３のそれぞれの検出値も用いて、スクリュー圧縮機１０２の切替弁７ａと７ｂの位置を制御する。具体的には、制御装置１０７は、以下のように切替弁７ａと７ｂの位置を制御する。

　図９は、本発明の実施の形態２に係るスクリュー圧縮機の切替弁制御方法のフローチャートである。図９のフローチャートは、図７に示した実施の形態１のフローチャートのステップＳ５がステップＳ５ａに変わり、ステップＳ８がステップＳ８ａに変わっており、それ以外は実施の形態１と同様である。以下、本実施の形態２が実施の形態１と異なるステップについて説明する。

　実施の形態１では、両側運転モードから片側運転モードに切り替えた後（Ｓ１～Ｓ４）、片側運転モードとして片側運転モードＡ、片側運転モードＢのどちらを行うかを、ステップＳ５で判断していた。すなわち、片側運転モードＡの積算運転時間から片側運転モードＢの積算運転時間を引いた値と所定の閾値Ｃとを比較した結果に基づいて判断していた。これに対し、実施の形態２では、片側運転モードＡの運転負荷値を用いて判断する（Ｓ５ａ）。

　ステップＳ５ａにおいて、片側運転モードＡの運転負荷値は、片側運転モードＡの「運転時間」と、圧縮機吐出側の圧力（高圧側圧力）と吸込側の圧力（低圧側圧力）とから算出される「高低差圧」と、軸受１２ａと１３ａの「回転数」と、圧縮機吸込側の「温度」と、から算出される。運転負荷値の算出は、具体的には例えば、まず、圧縮機吸込側の「温度」と「高低差圧」とを、あらかじめ設定された軸受荷重の関数へ適用して「軸受荷重Ｐ」を算出する。次に、算出した「軸受荷重Ｐ」と「回転数」とを式（１）または（２）へ適用して、現運転時における軸受寿命を算出する。そして、現運転時の軸受寿命と設計軸受寿命と片側運転モードの運転時間とから運転負荷値［単位は時間］が算出される。

　そして、制御装置１０７は、片側運転モードＡの運転負荷値とあらかじめ設定された所定の閾値Ｄとを比較し（Ｓ５ａ）、運転負荷値が閾値Ｄよりも低ければ、ステップＳ３に戻り、片側運転モードＡを継続する。一方、片側運転モードＡの運転負荷値が閾値Ｄよりも高ければ、片側運転モードＡ側に負荷が偏るのを避けるため、片側運転モードＡから片側運転モードＢに切り替える（Ｓ６）。

　片側運転モードＡから片側運転モードＢに切り替えた後、実施の形態１と同様に、片側運転モードＢのインバータ周波数とあらかじめ設定された閾値Ｂとの比較により、片側運転モードＢを続けるか、それとも両側運転モードに切り替えるかを判断する（Ｓ７）。そして、インバータ周波数が閾値Ｂよりも高ければ、片側運転モードＢを続けることを止めると判断し、ステップＳ１に戻って片側運転モードＢから両側運転モードに切り替える。

　一方、Ｓ７の判断においてインバータ周波数が閾値Ｂよりも低ければ、制御装置１０７は、片側運転モードＢを続けるかを判断する。言い換えれば、２つある片側運転モードのうちの片側運転モードＢを続けるか、それとも片側運転モードＡに切り替えるかを判断する。この判断を行うにあたり、実施の形態１では積算運転時間を用いていたが、実施の形態２では片側運転モードＢの運転負荷値を用いて判断する（Ｓ８ａ）。

　ステップＳ８ａにおいて、片側運転モードＢの運転負荷値は、片側運転モードＢの「運転時間」と、圧縮機吐出側の圧力（高圧側圧力）と吸込側の圧力（低圧側圧力）とから算出される「高低差圧」と、軸受１２ｂと１３ａの「回転数」と、圧縮機吸込側の「温度」と、から算出される。運転負荷値の算出は、具体的には例えば、まず、圧縮機吸込側の「温度」と「高低差圧」とを、あらかじめ設定された軸受荷重の関数へ適用して「軸受荷重Ｐ」を算出する。次に、算出した「軸受荷重Ｐ」と「回転数」とを式（１）または（２）へ適用して、現運転時における軸受寿命を算出する。そして、現運転時の軸受寿命と設計軸受寿命と片側運転モードの運転時間とから運転負荷値［単位は時間］が算出される。

　そして、制御装置１０７は、片側運転モードＢの運転負荷値と、あらかじめ設定された所定の閾値Ｄとを比較し（Ｓ８ａ）、片側運転モードＢの運転負荷値が閾値Ｄよりも低ければ、ステップＳ６に戻り、片側運転モードＢ（Ｓ６）を継続する。一方、片側運転モードＢの運転負荷値が閾値Ｄよりも高ければ、片側運転モードＢ側に負荷が偏るのを避けるため、片側運転モードＢから片側運転モードＡに切り替える（Ｓ３）。

　以上のように、本実施の形態２では実施の形態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、片側運転モードＡと片側運転モードＢとの切り替え判断（切替弁７ａと７ｂの切り替え判断）に用いる、軸受寿命に関する指標値として、実施の形態１で用いていた積算運転時間に代えて、片側運転モードの「運転時間」と、「高低差圧」と、軸受１２ａと１３ａの「回転数」と、圧縮機吸込側の「温度」とを用いて算出した、運転負荷値を用いるようにした。つまり、実施の形態１に比べて複数のパラメータを用いて算出した指標を用いて切り替え判断を行うようにした。このため、実施の形態２は、実施の形態１よりも軸受１２ａと１３ａおよび軸受１２ｂと１３ｂへの負荷の偏りを低減し、負荷をほぼ均等に分けることができ、実施の形態１よりも軸受寿命を延ばすことができる。

　片側運転モードの運転負荷値を算出して切替弁７ａと７ｂを制御することで実施の形態１よりも軸受寿命を延ばすことができる理由について、以下に補足する。

　軸受１２ａと１２ｂおよび軸受１３ａと１３ｂの一般的な種類としては玉軸受およびコロ軸受といったものがある。一般的に玉軸受には式（１）、コロ軸受には式（２）に示すような軸受の基本定格寿命を求める基本式が定義されている。式（１）と式（２）中のｎは軸受の回転数を示す。

　また、式（１）と式（２）中の基本動定格荷重Ｃは、軸受の内輪を回転させて外輪を静止させた条件で定格疲れ寿命が１００万回転となるような方向と大きさとが変動しない荷重を示し、圧縮機の運転状態では左右されない定数である。また、式（１）と式（２）中のＰは動等価荷重と呼ばれるもので、軸受１２ａと１２ｂおよび軸受１３ａと１３ｂに対してそれぞれ作用する荷重を示す。

　したがって、軸受１２ａと１２ｂの軸受寿命および軸受１３ａと１３ｂの軸受寿命は、前記回転数ｎと前記軸受荷重Ｐとから変動する。このため、積算運転時間の検知に加え、「高低差圧」と軸受１２ａと１３ａの「回転数」とをさらに用いて算出した、運転負荷値を用いて片側運転モードＡと片側運転モードＢとの切り替えを行うことで、実施の形態１よりも軸受１２ａと１３ａおよび軸受１２ｂと１３ｂへの負荷の偏りを低減し、負荷をほぼ均等に分けることができ、実施の形態１よりも軸受寿命を延ばすことができる。つまり、実施の形態２によれば、実施の形態１よりも軸受サイズを小さくすることができ、小型で安価なスクリュー圧縮機および冷凍装置を得ることができる。

　１　ケーシング、１ａ　スライド溝、２　モータ、２ａ　ステータ、２ｂ　モータロータ、３　スクリューロータ、３ａ　スクリュー溝、４　スクリュー軸、５　圧縮室、５ａ　圧縮室、５ｂ　圧縮室、６　ゲートロータ、６ａ　ゲートロータ、６ｂ　ゲートロータ、７ａ　切替弁、７ｂ　切替弁、８　連結棒、９　駆動装置、１０　フローティングピン、１１ａ　ゲートロータサポート、１１ｂ　ゲートロータサポート、１２ａ　軸受、１２ｂ　軸受、１３ａ　軸受、１４　吐出口、１５　軸、６１　歯、１００　冷凍装置、１０１　インバータ、１０２　スクリュー圧縮機、１０４　凝縮器、１０５　膨張弁、１０６　蒸発器、１０７　制御装置、２０１　圧力センサー、２０２　圧力センサー、２０３　温度センサー。

Claims

　ケーシングと、
　前記ケーシング内に回転可能に配置され、外周面に複数のスクリュー溝が設けられたスクリューロータと、
　該スクリューロータのスクリュー溝に嵌合する歯を有し、前記スクリューロータの回転に伴って回転する２枚のゲートロータと、
　前記ケーシング、前記スクリュー溝および２枚の前記ゲートロータで囲まれた空間で形成された第１圧縮室および第２圧縮室と、
　前記ケーシングの内筒部に形成され、前記スクリューロータの回転軸方向に延びる２つのスライド溝と、
　前記第１圧縮室および前記第２圧縮室のそれぞれに対応して２つ設けられ、２つの前記スライド溝内で前記スクリューロータの回転軸方向にスライドすることで、前記第１圧縮室および前記第２圧縮室のそれぞれを圧縮状態と無圧縮状態とに切り替える２つの切替弁と、
　前記第１圧縮室および前記第２圧縮室の両方を圧縮状態にする両側運転モードと、前記第１圧縮室および前記第２圧縮室の一方を圧縮状態、他方を無圧縮状態にする片側運転モードとを、２つの前記切替弁を制御して切り替える制御装置とを備え、
　前記片側運転モードは、前記第１圧縮室を無圧縮状態且つ前記第２圧縮室を圧縮状態にする第１片側運転モードと、前記第１圧縮室を圧縮状態且つ前記第２圧縮室を無圧縮状態にする第２片側運転モードとを有し、
　前記制御装置は、前記片側運転モードを行う場合に、前記第１片側運転モードと前記第２片側運転モードとを交互に切り替えて行うスクリュー圧縮機。
　前記制御装置は、前記第１片側運転モードと前記第２片側運転モードとの切り替えを、前記ゲートロータの回転を支持する軸受の寿命に関する指標値に応じて行う請求項１記載のスクリュー圧縮機。
　前記指標値は、前記第１片側運転モードおよび前記第２片側運転モードのそれぞれの運転積算時間である請求項２記載のスクリュー圧縮機。
　前記制御装置は、前記第１片側運転モードと前記第２片側運転モードとを交互に切り替えるにあたり、前記第１片側運転モードの前記運転積算時間と前記第２片側運転モードの運転積算時間との差が、あらかじめ設定した閾値を超える度に、積算運転時間が長い方の片側運転モードから、積算運転時間が短い方の片側運転モードへ切り替える請求項３記載のスクリュー圧縮機。
　前記指標値は、運転時間と、圧縮機吐出側の圧力と吸込側の圧力とから算出される高低差圧と、前記ゲートロータの回転を支持する軸受の回転数と、圧縮機吸入側の温度とから求めた運転負荷値である請求項２記載のスクリュー圧縮機。
　前記制御装置は、前記片側運転モードにおいて２つの前記切替弁を交互に切り替えるにあたり、前記運転負荷値があらかじめ設定した閾値を超えた場合に切り替えを行う請求項５記載のスクリュー圧縮機。
　請求項１～請求項６の何れか一項に記載のスクリュー圧縮機と、凝縮器と、減圧装置と、蒸発器とを冷媒配管で接続した冷媒回路を備えた冷凍装置。