WO2019220562A1

WO2019220562A1 - スクリュー圧縮機

Info

Publication number: WO2019220562A1
Application number: PCT/JP2018/018915
Authority: WO
Inventors: 雅章上川; 下地　美保子; 英彰永田
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2018-05-16
Filing date: 2018-05-16
Publication date: 2019-11-21

Abstract

スクリュー圧縮機は、スクリューロータの回転軸方向の吸込側と吐出側との間をスライド移動するようにスライド溝内に配置されたスライドバルブを備えている。スライドバルブの吐出側端面は、傾斜の異なる少なくとも３つの面から構成され、３つの面のうち、スクリューロータの回転方向の先側の面は、吐出側のスライド位置においてスライドバルブと対向する、吐出を開始するタイミングのスクリュー溝の傾斜に沿う傾斜面であり、３つの面のうち、スクリューロータの回転方向の後側の面は、吸込側のスライド位置においてスライドバルブと対向する、吐出を開始するタイミングのスクリュー溝の傾斜に沿う傾斜面である。そして、３つの面のそれぞれの、スクリューロータの回転軸に垂直な平面からの傾斜角度を、順にα、β、γと定義すると、α＞β＜γの関係を有する。

Description

スクリュー圧縮機

　本発明は、スクリュー圧縮機の吐出口すなわちスライドバルブの形状に関するものである。

　従来より、スクリュー圧縮機は、外周部に複数のスクリュー溝を有するスクリューロータと、複数の歯が放射状に配置された円板状のゲートロータとを備えている。スクリューロータは、筒状のケーシング内の空間に回転可能に配置されており、ケーシングに形成された開口を通じてゲートロータの歯がスクリュー溝の歯に噛み合うように構成されている。そして、ゲートロータの歯がスクリュー溝の歯に噛み合うことで、ゲートロータの歯とスクリュー溝とケーシングの内筒面で囲まれた空間で圧縮室が形成されている。

　特許文献１のスクリュー圧縮機には、吸込完了（圧縮開始）時の圧縮室の容積と吐出寸前の圧縮室の容積との比である内部容積比を変更するスライドバルブが設けられている。スライドバルブは、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可能に配置されている。スライドバルブの吐出側端面は、圧縮された流体を吐出するための吐出口の一部を形成しており、スライドバルブは、スクリューロータの回転軸方向にスライドし、圧縮室で圧縮された高圧流体の吐出開始（圧縮完了）位置を変更することで、吐出開口タイミングを変化させ、内部容積比を変更するものである。このように内部容積比を変更するスライドバルブは、運転負荷に応じた圧縮比（吐出圧力／吸込圧力）に対して、高い圧縮機効率が得られる内部容積比となるように制御される。

　ところで、スライドバルブの吐出側端面は、吐出流体の圧力損失が小さくなるように、吐出側端面に対向するスクリュー溝に対応した形状に形成することが好ましい。そこで、運転負荷が高負荷（定格負荷）の状態にあるときの吐出流体の圧力損失を低減するべく、スライドバルブの吐出側端面を、高負荷時にスライドバルブの吐出側端面と対向するスクリュー溝の傾きに対応した形状とすると、以下の問題がある。

　高負荷時にスライドバルブの吐出側端面と対向するスクリュー溝の傾きは、低負荷時に吐出側端面と対向するスクリュー溝の傾きよりも急である。このため、吐出側端面を高負荷時にスライドバルブと対向するスクリュー溝の傾きに対応した形状とすると、低負荷時に、スライドバルブの吐出側端面が、傾きの緩やかな２つのスクリュー溝に跨がって対向してしまう。そのため、低負荷時に、隣り合う圧縮室同士が連通して所定の圧縮比が得られず、効率低下を招く虞がある。そこで、特許文献１では、スライドバルブの吐出側端面を、低負荷時のスライド位置に対向するスクリュー溝の傾きに対応した形状とすることで、スライドバルブの吐出側端面が、２つのスクリュー溝に跨がって対向して、隣り合う圧縮室同士が連通してしまうことを防止するようにしている。

特許第４７３５７５７号公報

　しかしながら、特許文献１において、スライドバルブを高負荷時のスライド位置に位置させた際には、スライドバルブの吐出側端面が、対向するスクリュー溝の傾斜とは異なる傾斜となり、吐出口の面積が小さくなることで吐出口での圧力損失が大きくなる。つまり、特許文献１の構造では、スライドバルブの吐出側端面を、低負荷時に対向するスクリュー溝の傾きに対応した形状としたことで、低負荷時の吐出口での圧力損失を低減できる一方、高負荷時の吐出口での圧力損失の増大を招くという問題があった。

　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、広い運転範囲で吐出口での圧力損失の低減を図ることが可能なスクリュー圧縮機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、筒状のケーシングと、ケーシング内で回転するように配置され、外周面に複数のスクリュー溝が形成された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を外周部に備えたゲートロータと、ケーシングの内筒面、スクリュー溝およびゲートロータで囲まれた空間であり、スクリューロータが回転することにより流体を圧縮して吐出する圧縮室と、ケーシングの内筒面に形成され、スクリューロータの回転軸方向に延びるスライド溝と、回転軸方向の吸込側と吐出側との間をスライド移動するようにスライド溝内に配置されたスライドバルブと、スライドバルブの吐出側端面は、傾斜の異なる少なくとも３つの面から構成され、３つの面のうち、スクリューロータの回転方向の先側の面は、吐出側のスライド位置においてスライドバルブと対向する、吐出を開始するタイミングのスクリュー溝の傾斜に沿う傾斜面であり、３つの面のうち、スクリューロータの回転方向の後側の面は、吸込側のスライド位置においてスライドバルブと対向する、吐出を開始するタイミングのスクリュー溝の傾斜に沿う傾斜面であり、３つの面のそれぞれの、スクリューロータの回転軸に垂直な平面からの傾斜角度を、順にα、β、γと定義すると、α＞β＜γの関係を有するものである。

　本発明によれば、スライドバルブの吐出側端面を、傾斜の異なる少なくとも３つの面で構成し、各面の傾斜が、スライドバルブを吐出側と吸入側のそれぞれの位置に位置させた状態において、吐出口を広く確保する傾斜に形成されている。このため、広い運転範囲で吐出口での圧力損失の低減を図ることが可能な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の縦断面概略図である。本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機の圧縮原理を示した図である。本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機のスライドバルブをスクリューロータの外周面と対向する側から見た斜視図である。本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機のスライドバルブの平面図である。本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機の高負荷時におけるケーシングの内筒面およびスクリューロータの展開図である。本発明の実施の形態１に係るスクリュー圧縮機の低負荷時におけるケーシングの内筒面およびスクリューロータの展開図である。

　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。

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の縦断面概略図である。ここで、図１を含め、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。なお、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、装置等における状態、動作等において相対的に定まるものとする。

（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１を用いて説明する。
　図１に示すように、スクリュー圧縮機は、筒状のケーシング１と、このケーシング１に収容された円柱状のスクリューロータ３と、このスクリューロータ３を回転駆動する電動機２とを備えている。この電動機２は、ケーシング１に内接して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ーロータ２ｂとから構成される。電動機２は、インバーターにより回転数が制御されるインバーター式でもよいし、一定の回転数で運転する定速式でもよい。

　スクリューロータ３とモーターロータ２ｂとは互いに同一軸線上に配置されており、いずれも回転軸４に固定されている。スクリューロータ３は、一端が冷媒等の流体の吸込側となり他端が吐出側となる。このスクリューロータの外周面には、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、回転軸４に固定されたモーターロータ２ｂに連結されて回転駆動される。また、スクリューロータ３に形成されたスクリュー溝５ａ内の空間は、ケーシング１の内筒面と、このスクリュー溝５ａに噛み合う歯６ａを外周部に備えた一対のゲートロータ６とによって囲まれて圧縮室５を形成する。また、ケーシング１内は、隔壁（図示せず）により低圧側（吸込側）と高圧側（吐出側）とに区画されており、高圧側には吐出室（図示せず）に開口する吐出口７（後述の図２）が形成されている。

　また、図１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、内部容積比調整用のスライドバルブ８が、スクリューロータ３の回転軸方向の吸込側（図１の右側）と吐出側（図１の左側）との間をスライド移動するように配置されている。スライドバルブ８は、圧縮室５を形成するため、ケーシング１とともに内筒面の一部を形成している。

　スライドバルブ８は、連結棒９を介してピストンなどの駆動装置１０に接続されており、駆動装置１０を駆動させることにより、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。ここで、スライドバルブ８を駆動する駆動装置１０は流体圧で駆動するもの、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、スライドバルブ８は吐出口７（後述の図２）の一部を形成しており、回転軸方向に移動させることで内部容積比、すなわち吐出タイミングを変更することができる。つまり、スライドバルブ８を吸込側（図１の右側）に位置させて吐出口７が開くタイミングを早くすることで、吐出タイミングを早めることができる。一方、スライドバルブ８を吐出側（図１の左側）に移動させて吐出口７が開くタイミングを遅くすることで、吐出タイミングを遅くすることができる。すなわち、吐出タイミングを早めると内部容積比が低い運転となり、吐出タイミングを遅らせると内部容積比が高い運転となる。

　スクリュー圧縮機は、低い低圧縮比で運転を行うと、吐出口７が開くまでに圧縮された流体は吐出圧力以上に過圧縮され、余分な圧縮仕事を行うことになる。また逆に高い高圧縮比で運転を行うと、吐出圧力に到達する前に吐出口７が開き、流体の逆流を生じる圧縮不足の状態となる。そこで、スライドバルブ８は、吐出のタイミングが運転負荷に応じて最適となるように位置が調整される。つまり、スライドバルブ８は、上述したように運転負荷に応じた圧縮比（吐出圧力／吸込圧力）に対して、高い圧縮機効率が得られる内部容積比となるようにその位置が調整される。具体的には、高負荷時には、スライドバルブ８を吐出側に移動させ、低負荷時には、スライドバルブ８を吸込側に移動させることになる。なお、高負荷とは運転負荷が高く、高凝縮温度または高圧縮比などとなる運転状態を示し、低負荷とは運転負荷が小さく、低凝縮温度または低圧縮比などとなる運転状態を示す。

（動作説明）
　次に、本実施の形態１に係るスクリュー圧縮機動作について説明する。

　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圧縮原理を示した図である。図２において（ａ）が吸込行程、（ｂ）が圧縮行程、（ｃ）が吐出行程を示している。
　図２に示すようにスクリューロータ３が電動機２（図１参照）により回転軸４（図１参照）を介して回転させられることで、ゲートロータ６の歯６ａが圧縮室５内を相対的に移動する。これにより、圧縮室５内では吸込行程、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２においてドット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２（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により駆動されて実線矢印の方向に回転すると、この回転に連動してゲートロータ６が回転する。これにより、図２（ｂ）のように圧縮室５の容積が縮小し、圧縮室５内の流体が圧縮される。

　引き続きスクリューロータ３が回転すると、図２（ｃ）に示すように、圧縮室５が吐出口７に連通する。これにより、圧縮室５内で圧縮された高圧の流体が吐出口７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。

　次に、スライドバルブ８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のスライドバルブをスクリューロータの外周面と対向する側から見た斜視図である。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スライドバルブの平面図である。
　スライドバルブ８は、本体部８ａと、ガイド部８ｂと、連結部８ｃとから構成されている。本体部８ａは、円柱の一部を、回転軸方向にスクリュー径の円弧で削り落とした形状となっており、圧縮室５の一部を形成する。ガイド部８ｂは円柱状であり、回転するスクリューロータ３との接触を抑制するための部分である。連結部８ｃは本体部８ａとガイド部８ｂとを連結する部分である。本体部８ａとガイド部８ｂとの間は、吐出口７に連通する吐出通路となっている。

　本実施の形態１は、スライドバルブ８の吐出側端面８０の形状に特徴がある。スライドバルブ８の吐出側端面８０は吐出口７の一部を形成しており、吐出のタイミングを決定する面となっている。スライドバルブ８の吐出側端面８０は、上述したように、吐出される流体の圧力損失が小さくなるように、対向するスクリュー溝５ａに対応した形状に形成することが好ましい。そこで、本実施の形態１では、スライドバルブ８の吐出側端面８０を、傾斜の異なる複数の面で形成し、高負荷時と低負荷時のそれぞれにおいて吐出口７の開口面積を十分に確保できるようにしている。以下、具体的に説明する。

　スライドバルブ８の吐出側端面８０は、少なくともスクリューロータ３の回転方向の先側（図３の上側、図４の下側）から後側（図３の下側、図４の上側）の順に、面８０ａ、面８０ｂおよび面８０ｃの３つの面で形成されている。そして、本実施の形態１は各面８０ａ～８０ｃのそれぞれの、回転軸４に垂直な平面からの傾斜角度を、順にα、β、γと定義すると、α＞β＜γとしている。「α＞β＜γ」とはつまり、「α＞β、且つ、β＜γであり、αとγとの大小は特定しない」ということである。なお、βは、ここでは０°に設定した例を示しており、面８０ｂは回転軸４に垂直な平面に平行な面となっている。

　また、傾斜角度αは、高負荷時のスライドバルブ８の位置を考慮して設定され、傾斜角度γは低負荷時のスライドバルブ８の位置を考慮して設定される。傾斜角度βは、上記の様に、αとγの間の角度に設定されれば良い。以下、図を参照して、面８０ａの傾斜角度αおよび面８０ｃの傾斜角度γの設定について説明する。

（高負荷時）
　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高負荷時におけるケーシングの内筒面およびスクリューロータの展開図である。
　高負荷の場合、吐出タイミングを遅らせるために内部容積比を大きくする。すなわち、制御装置（図示せず）は、スライドバルブ８を図５の矢印に示すように吐出側（図５の左側）に移動させて吐出タイミングを遅らせる。なお、図５において太い点線で示したスクリュー溝５ａは、吐出を開始するタイミングのスクリュー溝５ａを示している。

　吐出側端面８０の面８０ａは、高負荷時のスライド位置、つまり吐出側のスライド位置においてスライドバルブ８と対向する、吐出開始タイミングのスクリュー溝５ａの傾斜に沿う傾斜面としている。具体的には、面８０ａは、吐出開始タイミングのスクリュー溝５ａの吐出側壁部５０の形状に沿う傾斜面とされ、その傾斜面の傾斜角度がαとなる。なお、図５において細い点線のライン８１は、従来構造との違いを明確にするために、従来構造のスライドバルブの吐出側端面の形状の図示したものである。なお、従来構造とは、スライドバルブ８の吐出側端面８０全体を、高負荷時の吐出開始タイミングのスクリュー溝５ａの形状に沿う傾斜面とした構造である。

（低負荷時）
　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低負荷時におけるケーシングの内筒面およびスクリューロータの展開図である。
　低負荷の場合、吐出タイミングを早めるために内部容積比を大きくする。すなわち、制御装置（図示せず）は、スライドバルブ８を図６の矢印に示すように吸込側（図６の右側）に移動させて吐出タイミングを早める。また、図６において点線で示したスクリュー溝５ａは、吐出を開始するタイミングのスクリュー溝５ａを示している。

　吐出側端面８０の面８０ｃは、低負荷時のスライド位置、つまり吸込側のスライド位置においてスライドバルブ８と対向する、吐出開始タイミングのスクリュー溝５ａの傾斜に沿う傾斜面としている。具体的には、面８０ｃは、吐出開始タイミングのスクリュー溝５ａの吐出側壁部５０の形状に沿う傾斜面とされ、その傾斜面の傾斜角度がγとなる。

　次に、以上のように形成されたスライドバルブ８による運転時の作用について説明する。

　高負荷時、スライドバルブ８は図５に示す位置に位置する。スライドバルブ８がこの位置にあるとき、スライドバルブ８の吐出側端面８０の面８０ａが、吐出開始タイミングのスクリュー溝５ａの吐出側壁部５０の形状に沿っているため、高負荷時において吐出口７の開口面積を最大とすることができる。吐出口７の開口面積は、図５においてハッチングで示した部分である。このように、高負荷時において吐出口７の開口面積を最大とすることができるため、吐出時の圧力損失を低減することができ、スクリュー圧縮機の性能を向上させることができる。

　また、低負荷時、スライドバルブ８は図６に示す位置に位置する。スライドバルブ８がこの位置にあるとき、スライドバルブ８の吐出側端面８０の面８０ｃが、吐出開始タイミングのスクリュー溝５ａの吐出側壁部５０の形状に沿っている。このため、従来構造のライン８１とした場合に比べて、図６において横線のハッチングで示した領域分、吐出口７の開口面積を拡大できる。このため、従来構造に比べて、低負荷時においても、吐出時の圧力損失を低減することができ、スクリュー圧縮機の性能を向上させることができる。

　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８の吐出側端面８０を傾斜の異なる３つの面８０ａ～８０ｃから構成する。そして、スクリューロータ３の回転方向の先側の面８０ａを、高負荷時のスライド位置においてスライドバルブ８と対向する、吐出開始タイミングのスクリュー溝５ａの傾斜に沿う傾斜面としている。また、面８０ａ～８０ｃのうちスクリューロータ３の回転方向の後側の面８０ｃを、低負荷時のスライド位置においてスライドバルブ８と対向する、吐出開始タイミングのスクリュー溝５ａの傾斜に沿う傾斜面としている。そして、各面８０ａ～８０ｃの傾斜角度をα＞β＜γとしている。

　以上の構成により、高負荷時などの吐出のタイミングを遅らせるためにスライドバルブ８を吐出側に移動させた場合に最大の吐出口７を形成し、吐出面積を確保することで吐出口７の圧力損失を低減することができる。また、低負荷時などの吐出のタイミングを早めるためにスライドバルブ８を吸込側に移動させた場合においても、吐出口７をより大きく形成することができ、吐出口７の圧力損失を低減することができ、スクリュー圧縮機の性能を向上することができる。

　つまり、本実施の形態１によれば、スライドバルブ８の吐出側端面８０を構成する各面８０ａ～８０ｃの傾斜が、スライドバルブ８が吐出側と吸入側とのそれぞれの位置に位置した際に、吐出口７を広く確保する傾斜に形成されている。このため、高負荷時および低負荷時のそれぞれにおいて、吐出口７の開口面積を確保することができ、吐出時の圧力損失を低減することができる。よって、広い運転範囲で高い性能を実現できるスクリュー圧縮機を得ることができる。

　また、吐出側端面８０の面８０ｃを、仮に低負荷時のスライド位置においてスライドバルブ８と対向する、吐出開始タイミングのスクリュー溝５ａの傾斜に沿う形状としない場合、以下の問題がある。具体的には例えば、吐出側端面８０の面８０ｃを前記傾斜よりも小さい傾斜面とした場合、低負荷時に、圧縮室５が吐出圧力に達する前に吐出口７が開口する。このため、高圧流体が圧縮室５に逆流して不適正圧縮となり、性能が低下する。しかしながら、本実施の形態１では、このような不適正圧縮による効率の低下を抑制することができる。

　なお、本実施の形態１では、吐出側傾斜面が３つの面８０ａ～８０ｃで構成されていたが、３つ以上の面で構成されていてもよい。例えば４つの面で構成されている場合、スクリューロータの回転方向の先側から後側の順に、各面の傾斜角度をα、β１、β２、γとすると、α＞β１＞β２＜γとすればよい。

　また、本実施の形態１は一例であり、スライドバルブ８を設ける角度範囲は図示の角度範囲に限られない。

　また、本実施の形態１では、ゲートロータ６が圧縮機に２つ設けられているが、本発明はゲートロータ６が１つの圧縮機にも適用することもできる。また、ゲートロータ６の歯６ａは平行歯でも、扇形形状のものでもよい。

　またさらに、本実施の形態１では、スライドバルブ８が内部容積比を可変とするスライドバルブであったが、本発明は、運転容量を調整するためにバイパス口の開口の大きさを調整するスライドバルブにも適用できる。

　１　ケーシング、１ａ　スライド溝、２　電動機、２ａ　ステータ、２ｂ　モーターロータ、３　スクリューロータ、４　回転軸、５　圧縮室、５ａ　スクリュー溝、６　ゲートロータ、６ａ　歯、７　吐出口、８　スライドバルブ、８ａ　本体部、８ｂ　ガイド部、８ｃ　連結部、９　連結棒、１０　駆動装置、５０　吐出側壁部、８０　吐出側端面、８０ａ　面、８０ｂ　面、８０ｃ　面、８１　ライン。

Claims

　筒状のケーシングと、
　前記ケーシング内で回転するように配置され、外周面に複数のスクリュー溝が形成された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を外周部に備えたゲートロータと、
　前記ケーシングの内筒面、前記スクリュー溝および前記ゲートロータで囲まれた空間であり、前記スクリューロータが回転することにより流体を圧縮して吐出する圧縮室と、
　前記ケーシングの内筒面に形成され、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、
　前記回転軸方向の吸込側と吐出側との間をスライド移動するように前記スライド溝内に配置されたスライドバルブと、
　前記スライドバルブの吐出側端面は、傾斜の異なる少なくとも３つの面から構成され、前記３つの面のうち、前記スクリューロータの回転方向の先側の面は、吐出側のスライド位置において前記スライドバルブと対向する、吐出を開始するタイミングの前記スクリュー溝の傾斜に沿う傾斜面であり、前記３つの面のうち、前記スクリューロータの回転方向の後側の面は、吸込側のスライド位置において前記スライドバルブと対向する、吐出を開始するタイミングの前記スクリュー溝の傾斜に沿う傾斜面であり、前記３つの面のそれぞれの、前記スクリューロータの回転軸に垂直な平面からの傾斜角度を、順にα、β、γと定義すると、α＞β＜γの関係を有するスクリュー圧縮機。
　吐出を開始するタイミングの前記スクリュー溝の傾斜に沿う傾斜面とは、吐出を開始するタイミングの前記スクリュー溝の吐出側壁部の形状に沿う傾斜面である請求項１記載のスクリュー圧縮機。
　前記傾斜角度βが０°である請求項１または請求項２記載のスクリュー圧縮機。
　インバーターで駆動され、前記スクリューロータを回転させる電動機を備えた請求項１～請求項３のいずれか一項に記載のスクリュー圧縮機。