WO2021229797A1

WO2021229797A1 - スクリュー圧縮機

Info

Publication number: WO2021229797A1
Application number: PCT/JP2020/019446
Authority: WO
Inventors: 直人上中居
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2020-05-15
Filing date: 2020-05-15
Publication date: 2021-11-18

Abstract

スクリュー圧縮機は、ケーシングと、駆動機構と、スクリュー軸と、圧縮機構と、制御部と、を備えている。ケーシングの内部は、圧縮機構の吸入側に設けられた低圧空間と、圧縮機構の吐出側に設けられた高圧空間とに区画され、低圧空間には油を溜める油滞留部が設けられている。油滞留部には、溜まった油の油量を検出する油検出手段が設けられている。制御部は、油検出手段の検出値に基づいて、油滞留部に溜まった油が目標の油量を超えると、当該油を回収するように駆動機構を制御する構成である。

Description

スクリュー圧縮機

　本開示は、例えば冷凍機等の冷媒圧縮に用いられるスクリュー圧縮機に関するものである。

　スクリュー圧縮機は、例えば冷凍機等に内蔵された冷媒回路の構成部材として使用されるものである。スクリュー圧縮機は、外郭を構成するケーシングと、ケーシングの内部に配置された駆動機構と、駆動機構によって回転駆動するスクリュー軸と、スクリュー軸から伝達される駆動力によって冷媒を圧縮する圧縮機構と、を有している。ケーシングの内部は、圧縮機構の吸入側に設けられた低圧空間と、圧縮機構の吐出側に設けられた高圧空間と、に区画されている。駆動機構は、低圧空間に配置されており、低圧の冷媒ガスによって冷却される。圧縮機構の吐出側には、圧縮機構から吐出された冷媒に混入された油を分離する油分離器が設けられている。

　ところで、低圧空間に設けられた摺動部を潤滑した油は、冷媒ガスの流れに乗って冷媒ガスと共に圧縮室に吸入される。そして、冷媒ガスと共に圧縮室から吐出された油は、油分離器で分離されて各摺動部に供給される。例えばスクリュー圧縮機が容量制御の運転等を行う場合では、冷媒ガスの流量が少なくなり、圧縮室に吸い込まれる油の量が少なくなるため、駆動機構が配置された低圧空間に油が滞留する。その結果、スクリュー圧縮機は、駆動機構のロータが油に浸かった状態で運転することによる攪拌ロスが生じたり、油が低圧空間の冷媒ガスの流路を塞ぐことのよって当該流路の圧損増大及び駆動機構の冷却効果の低下が発生したりするおそれがある。

　そこで、例えば特許文献１に開示されたスクリュー圧縮機では、複数の平板状のゲートが放射状に形成されたゲートロータと、ゲートロータを支持するロータ支持部材とを有している。ロータ支持部材は、低圧空間の底部から上方へゲートロータの回転軸上に延びる軸部と、軸部と一体的に形成され、複数のゲートに対応して放射状に延びて複数のゲートを下方から支持する複数のゲート支持部と、を有している。ロータ支持部材の内部には、軸部の下端から上方へ延び、低圧空間の底部に溜まった油を汲み上げてゲート支持部の周辺に吐出するように構成された搬送通路が形成されている。低圧空間の底部に溜まった油は、ロータ支持部材の回転に伴って生じるポンプ作用を利用して搬送通路に汲み上げられてゲート支持部の周辺に吐出され、圧縮室に吸入される。

特開２０１７－１５０５４号公報

　しかしながら、特許文献１のスクリュー圧縮機のように、低圧空間の底部に溜まった油を汲み上げてゲート支持部の周辺に吐出させるように搬送通路を形成するには、非常に高い寸法精度が必要とされ、加工が難しいため、それに伴う製造コストが嵩むおそれがある。また、搬送通路の精度によっては、低圧空間の底部に溜まった油を十分に汲み上げられない場合も想定され、信頼性の高い構成とは言い難い。

　本開示は、上記のような課題を解決するためになされたもので、簡易な構造でケーシングの内部の低圧空間に油が滞留する事態を抑制することができ、信頼性の高いスクリュー圧縮機を提供することを目的とする。

　本開示に係るスクリュー圧縮機は、外郭を構成するケーシングと、前記ケーシングの内部に配置された駆動機構と、前記駆動機構によって回転駆動するスクリュー軸と、前記スクリュー軸に接続され、前記スクリュー軸から伝達される駆動力によって冷媒を圧縮する圧縮機構と、前記駆動機構の制御を行う制御部と、を備え、前記ケーシングの内部は、前記圧縮機構の吸入側に設けられた低圧空間と、前記圧縮機構の吐出側に設けられた高圧空間とに区画され、前記低圧空間には油を溜める油滞留部が設けられており、前記油滞留部には、溜まった油の油量を検出する油検出手段が設けられており、前記制御部は、前記油検出手段の検出値に基づいて、前記油滞留部に溜まった油が目標の油量を超えると、当該油を回収するように前記駆動機構を制御する構成である。

　本開示のスクリュー圧縮機によれば、油検出手段の検出値に基づいて、油貯留部に溜まった油が目標の油量を超えると、当該油を回収するように駆動機構を制御する構成なので、簡易な構造でケーシングの内部の低圧空間に油が滞留する事態を確実に抑制することができる。

本実施の形態に係るスクリュー圧縮機の内部構造を示した断面図である。本実施の形態に係るスクリュー圧縮機の油検出手段の設置状態を模式的に示した説明図である。

　以下、図面を参照して、本開示の実施の形態について説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には、同一符号を付して、その説明を適宜省略又は簡略化する。また、各図に記載の構成について、その形状、大きさ、及び配置等は、適宜変更することができる。

　実施の形態１．
　図１は、本実施の形態に係るスクリュー圧縮機の内部構造を示した断面図である。図２は、本実施の形態に係るスクリュー圧縮機の油検出手段の設置状態を模式的に示した説明図である。本実施の形態に係るスクリュー圧縮機１００では、シングルスクリュー圧縮機を例に説明する。スクリュー圧縮機１００は、図１に示すように、外郭を構成するケーシング１と、駆動機構２と、駆動機構２によって回転駆動するスクリュー軸３と、スクリュー軸３から伝達される駆動力によって冷媒を圧縮する圧縮機構４と、駆動機構２の制御を行う制御部８と、を備えている。

　ケーシング１は、筒状とされており、内部に駆動機構２と圧縮機構４とが設けられている。ケーシング１の内部は、圧縮機構４の吸入側に設けられた低圧空間Ｓ１と、圧縮機構４の吐出側に設けられた高圧空間Ｓ２と、に区画されている。低圧空間Ｓ１は、吸入圧力雰囲気であり、冷媒回路の蒸発器から低圧の冷媒ガスが流入されるとともに低圧ガスを圧縮機構４へ案内する空間である。低圧空間Ｓ１には、低圧空間Ｓ１内の油１０を溜める油滞留部１１が設けられている。高圧空間Ｓ２は、吐出圧力雰囲気であり、圧縮機構４で圧縮された冷媒ガスが吐出される空間である。なお、図示することは省略したが、ケーシング１の外部の一端側には、油分離器が設けられている。油分離器は、圧縮機構４で圧縮された冷媒ガスに混入された油を分離するものである。

　駆動機構２は、ケーシング１の内部に内接して固定されたステーター２ａと、ステーター２ａの内側に回転自在に配置されたロータ２ｂと、を有している。駆動機構２は、低圧空間Ｓ１に配置されており、低圧の冷媒ガスによって冷却される。ロータ２ｂは、スクリュー軸３の軸端部に接続されている。スクリュー圧縮機１００は、駆動機構２が駆動してスクリュー軸３を回転させる。駆動機構２は、図示することは省略したインバータによって回転速度を可変に駆動されており、スクリュー軸３の回転速度を加減速させて運転される。

　スクリュー軸３は、ケーシング１の管軸方向に延びている。スクリュー軸３は、一方の軸端部が駆動機構２に連結され、低圧空間Ｓ１側の軸受３０によって回転自在に支持されている。軸受３０は、軸受ホルダ３２によって保持されている。また、スクリュー軸３は、他方の軸端部が高圧空間Ｓ２側に配置された軸受３１によって回転自在に支持されている。軸受３１は、ケーシング１の内筒面に固定された軸受ホルダ３３によって保持されている。また、スクリュー軸３には、ケーシング１の管軸方向に延びる給油通路３ａが設けられている。給油通路３ａは、低圧空間Ｓ１と高圧空間Ｓ２とを連通させるように形成されている。なお、軸受は、スクリュー軸３の両端部に設ける構成に限定されず、例えば駆動機構２と圧縮機構４との間に位置するスクリュー軸３に設けてもよい。

　圧縮機構４は、図１に示すように、スクリューロータ５と、一対のゲートロータ６と、図示省略のゲートロータサポートと、一対のスライドバルブ７と、を有している。

　スクリューロータ５は、円柱体の外周面に複数の螺旋状のスクリュー溝を有した構成である。スクリューロータ５は、スクリュー軸３に固定され、ロータ２ｂと同一軸線上に配置されている。スクリューロータ５は、駆動機構２によって回転するスクリュー軸３と共に回転する。スクリューロータ５は、回転軸方向における低圧空間Ｓ１側が冷媒の吸入側となり、スクリュー溝が低圧空間Ｓ１と連通する。また、スクリューロータ５は、回転軸方向における高圧空間Ｓ２側が冷媒の吐出側となり、スクリュー溝が高圧空間Ｓ２と連通する。

　ゲートロータ６は、スクリューロータ５のスクリュー溝に噛み合う複数のゲートロータ歯部６ａが外周に形成されている。一対のゲートロータ６は、スクリューロータ５を径方向に挟むように配置されている。圧縮機構４は、スクリューロータ５のスクリュー溝と、ゲートロータ６のゲートロータ歯部６ａと、ケーシング１の内筒面と、スライドバルブ７とによって囲まれた空間が、冷媒ガスを圧縮する圧縮室４０となる。スクリュー圧縮機１００は、１つのスクリューロータ５に対し、２つのゲートロータ６を１８０度ずらして対向させて配置した構成であるため、スクリュー軸３の上側と、スクリュー軸３の下側とで２つ圧縮室４０を有している。圧縮室４０には、高圧側の軸受３１の潤滑及び圧縮室４０のシールを行うために油１０が注入される。軸受３１を通過した油１０は、スクリュー軸３の給油通路３ａを通過して低圧側の軸受３０の到達し、該軸受３０を潤滑するために使用される。

　ゲートロータサポートは、複数のゲートロータ歯部６ａと対向して設けられた複数のゲートロータサポート歯部を有しており、ゲートロータ６を支持するものである。

　スライドバルブ７は、図１に示すように、ケーシング１の内筒面に形成されたスライド溝内に配置され、スクリューロータ５の回転軸方向にスライド移動自在に設けられている。スライドバルブ７は、一例として内部容積比調整弁である。スライドバルブ７には、圧縮室４０で圧縮された冷媒の吐出口７ａが設けられている。吐出口７ａから吐出された冷媒は、吐出ガス通路１２を通じて高圧空間Ｓ２に吐出される。

　スライドバルブ７は、一端面に固定されたロッド７０を介して図示省略のスライドバルブ駆動装置に接続されている。スライドバルブ７は、スライドバルブ駆動装置の駆動により軸方向に動作するロッド７０によって、スクリュー軸３と並行に移動する。スライドバルブ駆動装置は、例えばガス圧で駆動する構成、油圧で駆動する構成、又はモータで駆動する構成等である。

　スクリュー圧縮機１００は、スライドバルブ７がスクリュー軸３と並行に移動することで、圧縮室４０で圧縮された冷媒ガスの吐出タイミングが調整される。具体的には、スライドバルブ７は、スライド位置に応じて吐出口７ａの吐出面積を変化させることで冷媒ガスの吐出タイミングを調整し、内部容積比を変更させる。すなわち、スクリュー圧縮機１００は、冷媒ガスの吐出タイミングを早めると低内部容積比の運転となり、冷媒ガスの吐出タイミングを遅らせると、高内部容積比の運転となる。

　制御部８は、スクリュー圧縮機１００の制御を行うものである。制御部８は、例えばマイコン又はＣＰＵのような演算装置と、その上で実行されるソフトウェアとにより構成される。なお、制御部８は、その機能を実現する回路デバイスのようなハードウェアにより構成されてもよい。

　ところで、スクリュー圧縮機１００では、低圧空間Ｓ１に設けられた摺動部を潤滑した油１０が、冷媒ガスの流れに乗って冷媒ガスと共に圧縮室４０に吸入される。そして、冷媒ガスと共に圧縮室４０から吐出された油１０は、油分離器で分離されて各摺動部に供給される。例えばスクリュー圧縮機１００が容量制御の運転等を行う場合では、冷媒ガスの流量が少なくなり、圧縮室４０に吸い込まれる油１０の量が少なくなるため、駆動機構２が配置された低圧空間Ｓ１に油１０が滞留する。その結果、スクリュー圧縮機１００は、駆動機構２のロータ２ｂが油１０に浸かった状態で運転することによる攪拌ロスが生じたり、油１０が低圧空間Ｓ１の冷媒ガスの流路を塞ぐことによって当該流路の圧損増大及び駆動機構２の冷却効果の低下が発生したりするおそれがある。

　そこで、本実施の形態に係るスクリュー圧縮機１００では、図１及び図２に示すように、油滞留部１１に溜まった油１０の油量を検出する油検出手段９が設けられている。油検出手段９は、例えばＯＮ及びＯＦＦ接点式のフロートスイッチである。フロートスイッチは、図２に示すように、油滞留部１１の油位の増減によって支持部材９１を上下移動するフロート９０と、フロート９０の移動の上限を規制する上部ストッパー９２と、フロート９０の移動の下限を規制する下部ストッパー９３と、を有している。上部ストッパー９２及び下部ストッパー９３は、支持部材９１に設けられている。支持部材９１の内部には、ＯＮ及びＯＦＦ接点としてリードスイッチが設けられている。フロート９０には、磁石が内蔵されており、該磁石によってリードスイッチがＯＮ又はＯＦＦに切り替えられる。フロートスイッチは、フロート９０が支持部材９１を上下移動し、リードスイッチをＯＮ又はＯＦＦに切り替えることで、油面を検出するものである。なお、フロートスイッチは、図示した構造に限定されず、油滞留部１１に滞留した油１０の油量を検出することができれば、他の構造でもよい。

　油検出手段９は、ＯＮ及びＯＦＦの接点位置が予め定められた位置となるように取り付けられている。予め定められた位置とは、例えばロータ２ｂが油１０に浸からない位置又は冷媒ガスの流路が油１０によって塞がれない位置など自由に設定することができる。なお、ＯＮ及びＯＦＦの接点位置は、センサ誤差又は設計裕度を見込んだ位置となるように設定してもよい。

　また、油滞留部１１は、図２に示すように、防波壁１１ａで区画された防波空間Ｓ３を有している。防波空間Ｓ３とその他の空間とは、底部に形成された油通路１１ｂで連通しており、油１０が流通するようになっている。油検出手段９は、防波空間Ｓ３に設けられている。油検出手段９を防波空間Ｓ３に設けることにより、油面の荒れによる油検出手段９の検知精度の悪化を抑制することができる。

　油検出手段９は、有線又は無線で制御部８に接続されている。制御部８は、油検出手段９の検出に基づいて、油滞留部１１に溜まった油１０が目標の油量を超えると、低圧空間Ｓ１に溜まった油１０を回収するように駆動機構２を制御する。具体的には、制御部８は、油検出手段９のＯＮ／ＯＦＦの変化を検知すると、駆動機構２を制御してインバータ駆動による増速運転を行う。つまり、スクリュー圧縮機１００は、目標位置に定めた油面の上限を超えると、油検出手段９が油面の上限を超えたことを検出し、駆動機構２を増速運転させることで低圧空間Ｓ１に溜まった油１０を冷媒ガスの流れで圧縮室４０へ押し流す。これにより、スクリュー圧縮機１００は、低圧空間Ｓ１に油１０が滞留する事態を抑制することができる。

　以上のように、本実施の形態に係るスクリュー圧縮機１００は、外郭を構成するケーシング１と、ケーシング１の内部に配置された駆動機構２と、駆動機構２によって回転駆動するスクリュー軸３と、スクリュー軸３に接続され、スクリュー軸３から伝達される駆動力によって冷媒を圧縮する圧縮機構４と、駆動機構２の制御を行う制御部８と、を備えている。ケーシング１の内部は、圧縮機構４の吸入側に設けられた低圧空間Ｓ１と、圧縮機構４の吐出側に設けられた高圧空間Ｓ２とに区画され、低圧空間Ｓ１に油１０を溜める油滞留部１１が設けられている。油滞留部１１には、溜まった油１０の油量を検出する油検出手段９が設けられている。制御部８は、油検出手段９の検出値に基づいて、油滞留部１１に溜まった油１０が目標の油量を超えると、低圧空間Ｓ１に溜まった油１０を回収するように駆動機構２を制御する構成である。

　油検出手段９は、ＯＮ及びＯＦＦ接点式のフロートスイッチである。駆動機構２は、インバータによって回転速度を可変に駆動される構成とされている。制御部８は、インバータ駆動による増速運転を行って、低圧空間Ｓ１に溜まった油１０を回収する運転を行うように駆動機構２を制御する構成である。

　よって、本実施の形態に係るスクリュー圧縮機１００は、油検出手段９の検出値に基づいて、油滞留部１１に溜まった油１０が目標の油量を超えると、低圧空間Ｓ１に溜まった油１０を回収するように駆動機構２を制御する構成なので、簡易な構造でケーシング１の内部の低圧空間Ｓ１に油１０が滞留する事態を確実に抑制することができる。

　また、油滞留部１１は、防波壁１１ａで区画された防波空間Ｓ３を有している。油検出手段９は、防波空間Ｓ３に設けられている。つまり、スクリュー圧縮機１００では、油検出手段９を防波空間Ｓ３に設けているので、油面の荒れによる油検出手段９の検知精度の悪化を抑制することができる。

　以上に、スクリュー圧縮機１００を実施の形態に基づいて説明したが、スクリュー圧縮機１００は上述した実施の形態の構成に限定されるものではない。例えばスクリュー圧縮機１００は、上述した構成要素に限定されるものではなく、他の構成要素を含んでもよい。また、スクリュー圧縮機１００は、ツインスクリュー圧縮機でもよい。また、油検出手段９は、ＯＮ又はＯＦＦ接点式のフロートスイッチに限定されず、他の検出装置でもよい。また、スライドバルブ７は、機械式の容量制御機構とした構成でもよい。また、防波壁１１ａで区画された防波空間Ｓ３は、必ずしも設ける必要はなく省略してもよい。要するに、スクリュー圧縮機１００は、その技術的思想を逸脱しない範囲において、当業者が通常に行う設計変更及び応用のバリエーションの範囲を含むものである。

　１　ケーシング、２　駆動機構、２ａ　ステーター、２ｂ　ロータ、３　スクリュー軸、３ａ　給油通路、４　圧縮機構、５　スクリューロータ、６　ゲートロータ、６ａ　ゲートロータ歯部、７　スライドバルブ、７ａ　吐出口、８　制御部、９　油検出手段、１０　油、１１　油滞留部、１１ａ　防波壁、１１ｂ　油通路、１２　吐出ガス通路、３０、３１　軸受、３２、３３　軸受ホルダ、４０　圧縮室、７０　ロッド、９０　フロート、９１　支持部材、９２　上部ストッパー、９３　下部ストッパー、１００　スクリュー圧縮機、Ｓ１　低圧空間、Ｓ２　高圧空間、Ｓ３　防波空間。

Claims

　外郭を構成するケーシングと、
　前記ケーシングの内部に配置された駆動機構と、
　前記駆動機構によって回転駆動するスクリュー軸と、
　前記スクリュー軸に接続され、前記スクリュー軸から伝達される駆動力によって冷媒を圧縮する圧縮機構と、
　前記駆動機構の制御を行う制御部と、を備え、
　前記ケーシングの内部は、前記圧縮機構の吸入側に設けられた低圧空間と、前記圧縮機構の吐出側に設けられた高圧空間とに区画され、前記低圧空間には油を溜める油滞留部が設けられており、
　前記油滞留部には、溜まった油の油量を検出する油検出手段が設けられており、
　前記制御部は、前記油検出手段の検出値に基づいて、前記油滞留部に溜まった油が目標の油量を超えると、当該油を回収するように前記駆動機構を制御する構成である、スクリュー圧縮機。
　前記油検出手段は、ＯＮ及びＯＦＦ接点式のフロートスイッチである、請求項１に記載のスクリュー圧縮機。
　前記駆動機構は、インバータによって回転速度を可変に駆動される構成とされ、
　前記制御部は、前記駆動機構を制御してインバータ駆動による増速運転を行い、前記低圧空間に溜まった油を回収する、請求項１又は２に記載のスクリュー圧縮機。
　前記油滞留部は、防波壁で区画された防波空間を有しており、
　前記油検出手段は、前記防波空間に設けられている、請求項１～３のいずれか一項に記載のスクリュー圧縮機。