Screw compressor

本発明は、スクリュー圧縮機に係り、特にスクリューチラー用のスクリュー圧縮機に好適なものである。

従来の冷凍装置に用いられるクリュー圧縮機として、特開昭和５９−２１１７９０号公報（特許文献１）に記載されたものがある。 この特許文献１のスクロールラップ圧縮機は、冷凍機容量が１００〜７５％の容量制御範囲では容量制御弁（スライド弁）によるアンロード制御によって容積比を可変する運転を行う。 また、冷凍機容量が７５〜３７．５％の容量制御範囲ではインバータによりスクリュー圧縮機の回転数を１．５倍に増速し、容量制御弁を冷凍機容量が５０〜２５％の範囲で使用することで容積比を可変とする運転を行う。 かかる運転を行うことで１００％負荷運転よりも良い効率になるようにしている。

また、従来の別のスクリュー圧縮機として、特開２００４−１３７９３４号公報（特許文献２）に記載されたものがある。 この特許文献２のスクリュー圧縮機は、スクリュー圧縮機の運転状況に応じた最適な圧縮機効率になるように、能力調整時に、インバータによる回転数制御と可変ＶＩ弁により圧縮工程終了時点を変更して容積比を可変する圧縮比制御とを併用するようにしている。

特開昭５９−２１１７９０号公報

特開２００４−１３７９３４号公報

上述した特許文献１のスクリュー圧縮機では、回転数を一定回転数に増速し、容量制御弁を５０〜２５％の範囲で使用する運転方法としているので、増速による機械損失の増加と容量制御弁によるバイパスにより大幅な性能向上は見込めないという問題がある。

そして、特許文献１、２におけるスクリュー圧縮機では、スクリューチラー用として効率よく用いることについて開示されていない。 即ち、スクリューチラー用の圧縮機では、定格冷凍能力比１００％で運転されるよりも低い冷凍能力比、例えば定格の８０％付近で運転されることが多いが、特許文献１、２におけるスクリュー圧縮機では、定格運転で最高効率点となるように制御されるため、スクリューチラー用の圧縮機として効率の良い運転が行われていなかった。

本発明の目的は、スクリューチラー用として効率の良い運転が可能なスクリュー圧縮機を得ることにある。

前述の目的を達成するために、本発明は、一対のスクリューロータとこれを収納するケーシング、容積比を可変する容量制御弁、前記スクリューロータを駆動するモータ及びこのモータの回転数を可変するインバータを備えるスクリューチラー用のスクリュー圧縮機において、負荷に応じて前記インバータによる回転数制御手段と前記容量制御弁による機械的容量制御手段とを単独あるいは併用して制御すると共に、前記インバータによる単独容量制御した場合の最高効率点を定格運転点より低い回転数側に設定し、当該最高効率点より回転数大の領域は定格回転数より高回転数側まで前記インバータのみで制御する構成にしたことにある。

係る本発明のより好ましい具体的な構成例は次の通りである。
（１）前記最高効率点以下の回転数域での運転が要求されるときには、能力に応じて、前記インバータによる回転数制御手段と前記容量制御弁による機械的容量制御手段とを併用して効率が最大になるよう運転すること。
（２）前記容量制御弁は前記ケーシングに設けられた圧縮開始位置を可変するものであること。
（３）前記インバータによる単独容量制御した場合の最高効率点を定格冷凍能力の８０％付近に設定したこと。
（４）前記一対のスクリューロータの吸入側圧力及び吐出側圧力と負荷とに応じて、前記モータの回転数に基づいて前記容量制御弁の位置を制御すること。
（５）前記インバータに異常が発生して当該インバータによる前記モータの運転継続が不可能になった場合に、応急的に当該モータを商用電源に直結してそれまで通りの前記容量制御弁による容量制御運転を継続すること。

本発明によれば、スクリューチラー用として効率の良い運転が可能なスクリュー圧縮機を得ることができる。

以下、本発明の一実施例について図１から図３を用いて説明する。 図１は本発明の一実施例を示すスクリュー圧縮機の断面図、図２は図１の容量制御弁の作動説明図、図３は図１のスクリュー圧縮機における冷凍能力比に対する圧縮機効率の特性曲線を示す図である。

本実施形態のスクリュー圧縮機５０は、圧縮機部１７、モータ部１８及び制御装置２３からなるスクリューチラー用スクリュー圧縮機で構成されている。 圧縮される冷媒ガスは、モータ部１８を経て圧縮機部１７へ流れ、圧縮機部１７で圧縮された後に圧縮機外に吐出される。 容量制御を行うスクリュー圧縮機５０は、圧力が一定になるように回転数と容量制御弁の位置を変化させる運転を行うが、この制御圧力は任意の圧力に設定される。

圧縮機部１７は、メインケーシング１、スクリューロータ２、容量制御弁１１、ロッド１２、油圧ピストン１３、コイルばね１４、吐出ケーシング２１、ころ軸受６、７及び玉軸受８などを備えている。

メインケーシング１は、吸入ポート９、吐出ポート１０及び吐出口１９などを形成している。 吸入ポート９はスクリューロータ２への吸込み流路を形成するものであり、吐出ポート１０はスクリューロータ２からの吐出通路を形成するものであり、吐出口１９は外部への吐出流路を形成するものである。 吐出ケーシング２１は、メインケーシング１の反モータ側に配置され、メインケーシング１に固定されている。

スクリューロータ２は、互いに噛合わされた一対の雄ロータ２Ａ及び雌ロータ(図示せず)から構成され、一対の円筒状ボア(図示せず)に収納されている。 雄ロータ２Ａの両側に設けられた軸部は、メインケーシング１に設置されたころ軸受６と吐出ケーシング２１に設置されたころ軸受７及び玉軸受８とにより支持されている。

容量制御弁１１は、スクリューロータ２の噛合い部に吸込まれた吸入冷媒ガスの一部を吸入側へバイパスして容量制御するためのものであり、横方向に延びる凹部１ｂに移動可能に収納されている。 インバータ５によって制御されたモータ回転周波数に応じ、最高効率となるような容量制御弁１１の位置が制御される。 そして、吸入冷媒ガスの一部を吸入側へバイパスする容量制御は、吐出ガスの一部を吐出側にバイパスする容量制御に比較して、効率よく容量制御できる。 油圧ピストン１３は、ロッド１２を介して容量制御弁１１を左右に駆動するものであり、横方向に延びるシリンダ１５に摺動可能に収納されている。 コイルばね１４は、シリンダ１５の容量制御弁室側に配置され、油圧ピストン１３を常に容量制御弁側に押圧する力を付与している。 容量制御弁１１、ロッド１２、油圧ピストン１３、及びコイルばね１４により容量制御機構（機械的容量制御手段）を構成している。

モータ部１８は、モータケーシング１６及び駆動用モータ２２などを備え、モータ部１８の駆動力を圧縮機部１７に伝達するように設置されている。 モータケーシング１６とメインケーシング１とは、端面同士が密着して固定されると共に、互いの内部が連通されている。 モータケーシング１６の反圧縮機部側の側面には、圧縮される冷媒ガスを吸入するための吸入口２０が形成されている。

駆動用モータ２２は、モータステータ３及びモータロータ４から構成され、モータケーシング１６内に配置されている。 モータステータ３はモータケーシング１６の内周面に装着されている。 モータロータ４は、雄ロータ２Ａの一側に形成された軸部に固着され、モータステータ３内に回転自在に配置されている。 係る構成によって、駆動用モータ２２の駆動力は雄ロータ２Ａに伝達される。 なお、雌ロータは雄ロータ２Ａにより駆動される。

制御装置２３は、駆動用モータ２２を回転数制御するためのインバータ５と、容量制御弁１１の位置を制御するための弁制御部２６とを備えている。

インバータ５はモータ部２２の回転周波数を負荷に応じて制御する。 制御装置２３には、電源、吸入圧力センサー２４及び吐出圧力センサー２５が接続されている。 吸入圧力センサー２４は、圧縮機の吸入側圧力、例えば吸入口２０の圧力を検出して制御装置２３に入力するものである。 吐出圧力センサー２５は、圧縮機の吐出側圧力、例えば吐出口２０の圧力を検出して制御装置２３に入力するものである。

スクリュー圧縮機５０は、負荷に応じてインバータ５による回転数制御手段と容量制御弁１１による機械的容量制御手段とを単独あるいは併用して制御するように構成されている。 また、スクリュー圧縮機５０は、インバータ５による単独容量制御した場合の最高効率点を定格運転点より低い回転数側に設定し、当該最高効率点より回転数大の領域は定格回転数より高回転数側までインバータのみで制御するように構成されている。 さらには、スクリュー圧縮機５０は、最高効率点以下の回転数域での運転が要求されるときには、能力に応じて、インバータ５による回転数制御手段と容量制御弁１１による機械的容量制御手段とを併用して効率が最大になる運転をするように構成されている。

弁制御部２６は、インバータ５に何らかの異常が発生し、インバータ５による運転継続が不可能になった場合でも、容量制御弁１１による容量制御が有効となるように応急的にモータ２２を商用電源に直結し、それまで通りの容量制御弁１１による容量制御運転を継続するように制御する。 これによって、スクリュー圧縮機５０の運転信頼性を向上することができる。

かかる構成のスクリュー圧縮機５０において、駆動用モータ２２にインバータ５を通して電力を供給することにより、インバータ５による所定回転数で駆動用モータ２２が回転され、さらには圧縮機部１７が回転される。 これによって、圧縮される冷媒ガスは、吸入口２０を通してモータケーシング１６の内部に吸入され、駆動用モータ２２を冷却した後、吸入ポート９を通してスクリューロータ２に吸込まれ、スクリューロータ２で圧縮された後、吐出ポート１０より吐出流路に吐出され、さらには吐出口１９から外部流路に吐出される。

スクリューチラーを構成する冷凍サイクルは、図１に示すように、スクリュー圧縮機５０、凝縮器２７、膨張弁２８および蒸発器２９が順次環状に接続されて構成されている。 そして、スクリュー圧縮機５０から吐出された高温高圧の冷媒は凝縮器２７でファン３０による空気との熱交換によって凝縮され、低温高圧の液冷媒となって膨張弁２８に供給される。 そして、膨張弁２８で減圧された低温低圧の液冷媒は、蒸発器２９の冷媒配管２９ａで冷水配管２９ｂの水と熱交換して蒸発し、低圧の気体となってスクリュー圧縮機５０に戻る。 そして、冷水配管２９ｂ冷却された冷水が冷房に用いられる。

蒸発器３４の冷水配管２９ｂには温度センサー３５が取り付けられ、この温度センサー３１からの冷却水温を表す検出信号が制御装置２３に入力される。 そうすると、制御装置２３は、入力された検出信号に基づく冷却水温を負荷側の情報として、インバータ５及び容量制御弁１１を制御することにより、負荷に対する能力調整を行う。

上記構成の容量制御弁式インバータスクリュー圧縮機５０において、負荷に対する能力調整は、吸入圧力センサー２４からの信号と吐出圧力センサー２５からの信号とを制御装置２３に入力すると共に、温度センサー３１からの信号を制御装置２３に入力し、これらの信号に基づいてインバータ５による駆動用モータ２２の回転数制御と弁制御部２６による容量制御弁１１の位置制御とを行うことによってなされる。

この負荷に対する能力調整は、上述したように、インバータ５による単独容量制御した場合の最高効率点より回転数大の領域は定格回転数より高回転数側までインバータ５のみで制御することにより行われ、最高効率点以下の回転数域では、能力に応じて効率が最大になるようにインバータ５による回転数制御と容量制御弁１１による機械的容量制御とを併用することにより行なわれる。

ここで、最高効率点となる冷凍能力比（本実施例では定格の８０％の冷凍能力比）より冷凍能力比大の領域では、図２（ａ）に示すように、容量制御弁１１を軸方向のモータ側に移動して冷媒ガスをバイパスしないようにし、駆動モータ２２の回転数をインバータ５で制御する。 また、最高効率点以下の回転数域では、図２（ｂ）に示すように、容量制御弁１１を軸方向の反モータ側に移動して冷媒ガスを吸込み側にバイパスすると共に、駆動モータ２２の回転数をインバータ５で制御する。

スクリュー圧縮機５０の全断熱効率と冷凍能力に関し、図３を参照しながら説明する。 図３に本発明の全断熱効率を図に示し、横軸は冷凍能力比を示す。 図中の一点鎖線はインバータによる回転制御による効率曲線であり、破線はインバータ駆動で回転数を変え、それぞれの回転数に固定し、同時に容量制御弁による容量制御を行った場合での効率曲線を示す。 なお、図中実線はインバータによる回転数制御と容量制御弁による容量制御を組合せ最高効率と成るよう制御を行った場合での効率曲線を示す。

図３より明らかなように本実施例でのインバータ５による制御と容量制御弁１１による制御とを併用したインバータ駆動スクリュー圧縮機５０の場合は、８０％以下の冷凍能力比において圧縮機効率を高めることができ、特に冷凍能力比が低い領域においては大きく圧縮機効率を高めることができる。

本実施例によれば、スクリューチラー用として効率の良い運転が可能なスクリュー圧縮機を得ることできる。

本発明の一実施例を示すスクリュー圧縮機の断面図である。

図１の容量制御弁の作動説明図である。

図１のスクリュー圧縮機における冷凍能力比に対する圧縮機効率の特性曲線を示す図である。

符号の説明

１…メインケーシング、１ｂ…凹部、２…スクリューロータ、２Ａ…雄ロータ、３…モータステータ、４…モータロータ、５…インバータ、６、７…ころ軸受、８…玉軸受、９…吸入ポート、１０…吐出ポート、１１…容量制御弁、１２…ロッド、１３…油圧ピストン、１４…コイルばね、１５…シリンダ、１６…モータケーシング、１７…圧縮機部、１８…モータ部、１９…吐出口、２０…吸入口、２１…吐出ケーシング、２２…モータ部、２３…制御装置、２４…吸入圧力センサー、２５…吐出圧力センサー、２６…弁制御部、２７…凝縮器、２８…膨張弁、２９…蒸発器、２９ａ…冷媒配管、２９ｂ…冷水配管、３０…ファン、３１…温度センサー。