(57)【要約】  必要冷凍能力が小さくなった低速運転時の消費電力を低減する。インバータで回転速度を変更可能に駆動されるシングルスクリュー圧縮機であって、運転可能な最低回転速度で運転され、必要冷凍能力が小さくなった場合に、小さくなった必要冷凍能力に応じて第１スライドバルブの開弁位置を調整させて圧縮室と低圧空間との間の面積を大きくするように構成された。
2017094057.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
螺旋状の歯溝を有するスクリューと、
前記スクリューに嵌まり合うゲートローターと、
前記スクリューおよび前記ゲートローターを収容し、前記スクリューおよび前記ゲートローターと共に圧縮室を形成するケーシングと、
前記圧縮室で圧縮された作動流体の吐出口から離れた位置に配置され、前記圧縮室と前記ケーシング内の低圧空間とを連通させて作動流体を前記圧縮室内に吸い込む量を調整する第１スライドバルブと、
圧縮された作動流体の吐出タイミングを変更可能な第２スライドバルブと、
を備え、インバータで回転速度を変更可能に駆動されるシングルスクリュー圧縮機であって、
運転可能な最低回転速度で運転され、必要冷凍能力が小さくなった場合に、小さくなった前記必要冷凍能力に応じて前記第１スライドバルブの開弁位置を調整して前記圧縮室と前記低圧空間との間の面積を大きくするように構成されたシングルスクリュー圧縮機。
【請求項２】
小さくなった前記必要冷凍能力に応じて、前記第１スライドバルブの開弁位置を前記圧縮室と前記低圧空間との間の面積が最大となる位置に移動させた後に、前記第２スライドバルブの開弁位置を、冷媒回路内の高圧を低圧で除算して得られる運転圧力比に合わせて調整させ、前記運転圧力比と、圧縮開始直後の容積を前記圧縮室が吐出口と連通する時の圧縮容積で除算して得られる内部容積比と、が近くなるように構成された請求項１に記載のシングルスクリュー圧縮機。
【請求項３】
前記運転圧力比に合わせて調整させる前記第２スライドバルブの開弁位置は、前記運転圧力比が基準値以上の場合に、前記運転圧力比が基準値未満の場合よりも前記圧縮室に吸入できる吸入量を多くする位置に調整されるように構成された請求項２に記載のシングルスクリュー圧縮機。
【請求項４】
前記第１スライドバルブが配置されている低段と、
前記第２スライドバルブが配置されている高段と、
を備えた請求項１〜３のいずれか１項に記載のシングルスクリュー圧縮機。
【請求項５】
前記第１スライドバルブおよび前記第２スライドバルブが配置されている圧縮部を備えた請求項１〜３のいずれか１項に記載のシングルスクリュー圧縮機。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のシングルスクリュー圧縮機を備えた冷凍サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、必要冷凍能力が小さくなった場合のシングルスクリュー圧縮機および冷凍サイクル装置の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
シングルスクリュー圧縮機は、圧縮速度が速いために吐出圧力損失が大きいことが一般的に知られている。吐出圧力損失を低減する方法の一つに吐出流路抵抗を低減することが挙げられる。【０００３】
シングルスクリュー圧縮機の吐出流路の一部を形成する部品の一つにスライドバルブがある。スライドバルブは、吸入容量を調整する機能を持たせた部材と、吐出口の一部を形成する部材と、の間に棒状の連結部を設けて一体化させている。このような形状のスライドバルブが多用されている。このような形状のスライドバルブでは、棒状の連結部が吐出流路内に配置されてしまうため、吐出流路抵抗の増加の要因の一つであった。【０００４】
吸入容量を調整する機能を持たせた部材と、吐出口の一部を形成する部材と、を各々別体に設けることで、それらを一体化するための棒状の連結部を不要化し、吐出流路抵抗を低減させる技術がある（たとえば、特許文献１参照）。
特許文献１の技術では、吸入容量を調整する機能を持たせた部材は、専用の駆動装置でスクリュー軸方向に対して並行な位置に調整される。一方、吐出口の一部を形成する部材は、駆動装置に連結されず、ケーシングに加工されて形成される。このような構成であると、圧縮されたガスの吐出が開始される圧縮室の容積は一定であり、吐出タイミングは不変である。このため、吸入容量を調整する機能と吐出口の一部を形成する機能とを持たせた従来のスライドバルブを使用したシングルスクリュー圧縮機に比べ、吐出圧力損失を低減し、エネルギー効率の向上が図れている。【０００５】
特許文献１の技術では、高速運転時に影響が顕著となる吐出流路抵抗を低減でき、従来のスライドバルブを使用したシングルスクリュー圧縮機に比べると消費電力の低下を図れる。しかしながら、特許文献１には、低速運転時におけるエネルギー効率向上を図る吸入容量の調整専用のスライドバルブの制御方法またはインバータによる回転速度の制御方法が開示されていない。【０００６】
インバータ駆動の二段シングルスクリュー圧縮機において、内部容積比を変更可能にする可変Ｖｉ弁を低段もしくは高段に備える技術がある（たとえば、特許文献２参照）。
特許文献２の技術では、低段もしくは高段に設けた可変Ｖｉ弁に吐出開始前後のスクリュー歯溝の内圧を取り出すための穴を有する。そして、この穴から取り出されたスクリュー歯溝の内圧を参照して、低段もしくは高段の内部容積比の可変機構を駆動し、低段もしくは高段の可変Ｖｉ弁の位置制御を行う。
特許文献２には、不足圧縮運転時または過圧縮運転時の可変Ｖｉ弁の動作が開示されている。しかし、低速運転時の可変Ｖｉ弁の制御方法が開示されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１２−１１７４７７号公報
【特許文献２】特開２０１３−９２０９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記従来技術では、高速運転時の吐出圧力損失を低減できる。しかしながら、吸入容量の調整専用のスライドバルブとインバータとを備えた構成におけるシングルスクリュー圧縮機において、必要冷凍能力が小さくなった低速運転時の消費電力を低減する運転方法が開示されていない。【０００９】
本発明は、上記課題を解決するためのものであり、必要冷凍能力が小さくなった低速運転時の消費電力を低減するシングルスクリュー圧縮機および冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るシングルスクリュー圧縮機は、螺旋状の歯溝を有するスクリューと、前記スクリューに嵌まり合うゲートローターと、前記スクリューおよび前記ゲートローターを収容し、前記スクリューおよび前記ゲートローターと共に圧縮室を形成するケーシングと、前記圧縮室で圧縮された作動流体の吐出口から離れた位置に配置され、前記圧縮室と前記ケーシング内の低圧空間とを連通させて作動流体を前記圧縮室内に吸い込む量を調整する第１スライドバルブと、圧縮された作動流体の吐出タイミングを変更可能な第２スライドバルブと、を備え、インバータで回転速度を変更可能に駆動されるシングルスクリュー圧縮機であって、運転可能な最低回転速度で運転され、必要冷凍能力が小さくなった場合に、小さくなった前記必要冷凍能力に応じて前記第１スライドバルブの開弁位置を調整して前記圧縮室と前記低圧空間との間の面積を大きくするように構成されたものである。【００１１】
本発明に係る冷凍サイクル装置は、上記のシングルスクリュー圧縮機を備えたものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係るシングルスクリュー圧縮機および冷凍サイクル装置によれば、運転可能な最低回転速度で運転され、必要冷凍能力が小さくなった場合に、小さくなった必要冷凍能力に応じて第１スライドバルブの開弁位置を調整して圧縮室と低圧空間と間の面積を大きくする。
これによると、必要冷凍能力が小さくなった低速運転時に、圧縮仕事を低減することができ、その上で第２スライドバルブを適正な吐出タイミングに設定することができる。したがって、必要冷凍能力が小さくなった低速運転時に、エネルギー効率の向上が図れ、消費電力を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１に係るシングルスクリュー圧縮機の全体構造を示す説明図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係るシングルスクリュー圧縮機の低段の縦断面を示す説明図である。
【図３Ａ】本発明の実施の形態１に係るシングルスクリュー圧縮機の低段における吸入容量１００％時の状態を示す斜視図である。
【図３Ｂ】本発明の実施の形態１に係るシングルスクリュー圧縮機の低段における吸入容量調整時の状態を示す斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係るシングルスクリュー圧縮機の低段におけるスライドバルブの駆動系を示す模式図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係るシングルスクリュー圧縮機の高段の縦断面を示す説明図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係るシングルスクリュー圧縮機の高段におけるＶｉ弁を示す斜視図である。
【図７】本発明の実施の形態１に係るシングルスクリュー圧縮機の高段におけるＶｉ弁の駆動系を示す模式図である。
【図８】本発明の実施の形態１に係るシングルスクリュー圧縮機の低段におけるスライドバルブの動作を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態１に係るシングルスクリュー圧縮機の高段におけるＶｉ弁の動作を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態１に係るシングルスクリュー圧縮機の必要冷凍能力が小さくなった低速運転時のタイムチャートを示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態３に係るシングルスクリュー圧縮機を適用した冷凍サイクル装置を示す冷媒回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。
なお、各図において、同一の符号を付したものは、同一のまた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。
さらに、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。
【００１５】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るシングルスクリュー圧縮機１００の全体構造を示す説明図である。
実施の形態１に係るシングルスクリュー圧縮機１００は、二段シングルスクリュー圧縮機である。シングルスクリュー圧縮機は、低段１０と、高段２０と、を備えている。
【００１６】
低段１０は、２枚のゲートローター１１、１２を有するツインゲートローター方式である。高段２０は、１枚のゲートローター２１を有するモノゲートローター方式である。
低段１０は、螺旋状の歯溝を有する低段スクリュー１３を備えている。高段２０は、螺旋状の歯溝を有する高段スクリュー２２を備えている。低段スクリュー１３および高段スクリュー２２は、軸支された回転軸３０に直列に配置されている。低段ゲートローター１１、１２は、低段スクリュー１３に嵌まり合う。高段ゲートローター２１は、高段スクリュー２２に嵌まり合う。
【００１７】
回転軸３０の一端には、電動機４０のモーターローター４１が備えられている。モーターローター４１の外周側には、隙間を空けてステーター４２が備えられている。電動機４０が駆動されることにより、回転軸３０が回転する。
電動機４０は、図示しないインバータを用い、回転軸３０の回転速度を加減速させて運転される。すなわち、低段スクリュー１３および高段スクリュー２２の配置されている回転軸３０は、インバータで回転速度を変更可能に駆動される。
【００１８】
ケーシング１は、低段スクリュー１３および高段スクリュー２２の配置されている回転軸３０と、２枚の低段ゲートローター１１、１２と、１枚の高段ゲートローター２１と、電動機４０と、を内部に収容している。
【００１９】
図２は、本発明の実施の形態１に係るシングルスクリュー圧縮機１００の低段１０の縦断面を示す説明図である。
低段１０には、２枚の低段ゲートローター１１、１２がケーシング１内に収容されている。図２に示すように、低段のケーシング１の内部には、圧縮室１４が回転軸３０の図示上側に形成される。また、圧縮室１５が回転軸３０の図示下側に形成される。２つの圧縮室１４、１５は、回転軸３０の軸心に対して１８０°対向した位置関係になっている。２つの圧縮室１４、１５は、低段ゲートローター１１、１２および低段スクリュー１３と共に低段１０のケーシング１によって形成される。
圧縮室１４は、吸入容量の調整専用のスライドバルブ１６を備えている。また、圧縮室１５は、吸入容量の調整専用のスライドバルブ１７を備えている。
【００２０】
図３Ａは、本発明の実施の形態１に係るシングルスクリュー圧縮機１００の低段１０における吸入容量１００％時の状態を示す斜視図である。図３Ｂは、本発明の実施の形態１に係るシングルスクリュー圧縮機１００の低段１０における吸入容量調整時の状態を示す斜視図である。
スライドバルブ１６、１７は、断面形状が三日月形の棒状であり、ケーシング１の一部を部分的に半径方向に突出させた空間内に摺動自在に収容されている。スライドバルブ１６の端面には、ロッド５６が固定され、スライドバルブ１６は、回転軸３０と並行に移動可能である。スライドバルブ１７の端面には、ロッド５７が固定され、スライドバルブ１７は、回転軸３０と並行に移動可能である。
スライドバルブ１６、１７は、回転軸３０と並行に移動することにより、圧縮室１４、１５とケーシング１内の低圧空間とを連通させて作動冷媒を圧縮室１４、１５内に吸い込む量を調整する。
なお、スライドバルブ１６、１７は、本発明の第１スライドバルブに相当する。
【００２１】
ここで、図３Ａ、図３Ｂに示すスライドバルブ１６は、低段１０側の吐出室に開口するようケーシング１に設けられた吐出口１８から低段スクリュー１３の周方向に離れた位置に配置されている。スライドバルブ１７も同様である。このため、スライドバルブ１６、１７およびスライドバルブ１６、１７の駆動系は、吐出流路抵抗にならない位置に配置されている。
【００２２】
図４は、本発明の実施の形態１に係るシングルスクリュー圧縮機１００の低段１０におけるスライドバルブ１６、１７の駆動系を示す模式図である。
スライドバルブ１６、１７の駆動装置５０は、シリンダ５１と、アーム５２と、バネ５３ａ、５３ｂと、を有している。
シリンダ５１は、高段２０側である高圧側の蓋体２に設けられている。
アーム５２は、シリンダ５１内に配置された可動部のピストン５４にロッド５５を連結させて構成されている。アーム５２の両端には、回転軸３０と並行に延びるロッド５６、５７が固定されている。ロッド５６、５７は、スライドバルブ１６、１７に連結されている。
バネ５３ａ、５３ｂは、ロッド５６、５７の高圧側端部に配置され、ロッド５６、５７の外周に組み合わされ、ロッド５６、５７に力を作用させている。バネ５３ａ、５３ｂは、常時、スライドバルブ１６、１７が圧縮室１４、１５と低圧空間とを連通させる方向に力を作用させている。具体的には、図４に示すように、バネ５３ａ、５３ｂは、スライドバルブ１６、１７が図示左側に移動するような方向に力を作用させている。
【００２３】
図５は、本発明の実施の形態１に係るシングルスクリュー圧縮機１００の高段２０の縦断面を示す説明図である。
高段２０は、ケーシング１内に高段ゲートローター２１および高段スクリュー２２を収容している。高段２０のケーシング１の内部には、１つの圧縮室２３が形成される。１つの圧縮室２３は、高段ゲートローター２１および高段スクリュー２２と共に高段２０のケーシング１によって形成される。
高段２０には、吐出タイミングを変更可能なＶｉ弁２４を１つ備えている。
なお、Ｖｉ弁２４は、本発明の第２スライドバルブに相当する。
【００２４】
図６は、本発明の実施の形態１に係るシングルスクリュー圧縮機１００の高段２０におけるＶｉ弁２４を示す斜視図である。
Ｖｉ弁２４は、高段側の吸入容量を調整する機能を持たせたガイド部２５と、吐出口の一部を形成するバルブ本体２６と、の間に棒状の連結部２７を設けて一体化させた形状である。Ｖｉ弁２４は、低段１０側のスライドバルブ１６、１７と機能並びに形状が異なっている。
【００２５】
図７は、本発明の実施の形態１に係るシングルスクリュー圧縮機１００の高段２０におけるＶｉ弁２４の駆動系を示す模式図である。
Ｖｉ弁２４の駆動装置６０は、シリンダ６１と、ピストン６２と、ロッド６３と、バネ６４と、を有している。
シリンダ６１は、高段２０側である高圧側の蓋体２に設けられている。
ピストン６２は、シリンダ６１内に配置されている。
ロッド６３は、一端がピストン６２に連結され、他端がＶｉ弁２４に連結されている。ロッド６３は、回転軸３０と並行に延びている。
バネ６４は、ピストン６２の端面と固定部６５との間に配置され、ロッド６３の外周に組み合わされている。図７に示すように、バネ６４は、ピストン６２を図示左側に動かし、Ｖｉ弁２４が図示左側に移動するような方向に力を作用させている。
【００２６】
次に実施の形態１に係るシングルスクリュー圧縮機１００の動作を説明する。
インバータで駆動される２段のシングルスクリュー圧縮機１００は、凝縮器および蒸発器並びにそれらの間に膨張弁を備え、閉ループで配管接続した冷媒回路で用いられる。
シングルスクリュー圧縮機１００を駆動する電動機４０は、インバータから信号を受けて起動する。スライドバルブ１６、１７は、起動前に圧縮室１４、１５と低圧空間が連通する開口面積が最大になる位置に開弁位置が調整されている。
【００２７】
電動機４０が起動すると、作動冷媒が一対の圧縮室１４、１５内に吸入され、各々の圧縮室１４、１５で同一のタイミングで吸入完了し、各圧縮室１４、１５にほぼ同一質量の冷媒が吸入される。
吸入完了後は、圧縮室１４、１５の容積が減じられ、圧縮室１４、１５の内圧が高められて行く。
圧縮室１４、１５内の作動冷媒を吐出させるタイミングは、一対の圧縮室１４、１５で同一に設定されており、設定された圧縮室容積まで減じられた後に圧縮室１４、１５が吐出口に連通し、吐出ガスが吐出室内に吐出される。
【００２８】
ここで、実施の形態１では、スライドバルブ１６、１７は、専用の駆動装置５０によって、複数段階の位置に調整される。
なお、無断階に連続的に位置調整できる駆動装置でも良く、複数段階に限定されるものではない。
【００２９】
図８は、本発明の実施の形態１に係るシングルスクリュー圧縮機１００の低段１０におけるスライドバルブ１６、１７の動作を示す図である。
図８に示すように、スライドバルブ１６、１７は、動作Ａ、動作Ｂおよび動作Ｃの３段階に移動可能としている。
動作Ａの時には、最大吸入容量の２０％を圧縮室１４、１５に吸入できる。
動作Ｂの時には、最大吸入容量の６０％を圧縮室１４、１５に吸入できる。
動作Ｃの時には、最大吸入容量の１００％を圧縮室１４、１５に吸入できる。
ここで、吐出されるタイミングは、動作Ａ、動作Ｂおよび動作Ｃにおいて同一に設定されている。
【００３０】
動作Ａの時には、吸入容量が動作Ｂの時より少なく、吐出されるタイミングが動作Ａおよび動作Ｂにおいて同一に設定されている。このため、動作Ｂの時には、内部容積比が動作Ａの時より高く設定できる。
また、同様に、動作Ｂの時には、吸入容量が動作Ｃの時より少なく、吐出されるタイミングが動作Ｂおよび動作Ｃにおいて同一に設定されている。このため、動作Ｃの時には、内部容積比が動作Ｂの時より高く設定できる。
【００３１】
スライドバルブ１６、１７の動作について説明する。
図４に示す駆動装置５０では、ピストン５４の背面空間に圧力を導入することにより、スライドバルブ１６、１７は、図示右側に移動して圧縮室１４、１５と低圧空間が連通しないように作用する。
一方、駆動装置５０では、ピストン５４の背面空間の圧力を減じることにより、圧力およびバネ５３ａ、５３ｂの作用力のバランスによって、スライドバルブ１６、１７は、反対方向のバイパス口を開いて行く方向に移動し、圧縮室１４、１５と低圧空間とが連通するように作用する。
このように、ピストン５４の前後の空間の圧力からスライドバルブ１６、１７に作用する圧力と、バネ５３ａ、５３ｂの作用力と、のバランスを調整することにより、スライドバルブ１６、１７が移動する。このスライドバルブ１６、１７の移動により、バイパス口の開口度合い、すなわち圧縮室１４、１５と低圧空間の開口面積が調整され、作動冷媒を圧縮室１４、１５内に吸い込む量を調整することができる。これにより、スライドバルブ１６、１７は、動作Ａ、動作Ｂおよび動作Ｃに調整可能となる。
【００３２】
高段２０のＶｉ弁２４についても、スライドバルブ１６、１７の動作方法と同様に、シリンダ６１内のピストン６２の背面空間の圧力の作用により、ピストン６２を移動させてＶｉ弁２４の開弁位置を調整する。
高段２０のＶｉ弁２４も連続的にまたは複数段階的に開度調整が可能である。
図９は、本発明の実施の形態１に係るシングルスクリュー圧縮機１００の高段２０におけるＶｉ弁２４の動作を示す図である。
図９に示すように、Ｖｉ弁２４は、動作Ｄおよび動作Ｅの２段階に移動可能としている。
動作Ｄの時には、高段２０の最大吸入容量の２０％を圧縮室２３に吸入できる。
動作Ｅの時には、高段２０の最大吸入容量の１００％を圧縮室２３に吸入できる。
【００３３】
動作Ｄの時には、動作Ｅの時より吸入完了のタイミングが遅くなる。このため、動作Ｄの時には、内部容積比が動作Ｅの時より小さく設定できる。
【００３４】
Ｖｉ弁２４の動作について説明する。
図７に示す駆動装置６０では、ピストン６２の前後の空間に圧力差がない場合には、バネ６４は、ピストン６２を図示左側に動かす力を作用させている。ピストン６２の背面空間に高圧を作用させた場合には、Ｖｉ弁２４は、作用圧力と作用面積の関係から、図示右側に動く。
ピストン６２の背面空間に低圧を作用させた場合には、Ｖｉ弁２４は、作用圧力と作用面積の関係から、図示左側に動く。
【００３５】
電動機４０が起動する時には、起動トルクを小さくするため、動作Ａによって、圧縮室１４、１５とケーシング１内の吸入空間が連通する位置であって、開口面積が最大になる位置にスライドバルブ１６、１７を移動させた上で起動させる。
起動後に所定の回転速度もしくは所定の運転時間に到達した時点で、低段１０のスライドバルブ１６、１７が圧縮室１４、１５と吸入空間とが連通しない位置に順次移動する制御が実施される。すなわち、動作Ｂおよび動作Ｃが実施される。
【００３６】
上記で説明した冷媒回路でブラインを冷却し、冷却されたブラインを利用して別の冷却対象を冷却するシステムを例に挙げる。
本システムでは、冷媒回路内を循環する冷媒と別の閉ループ回路を循環するブラインを熱交換させる蒸発器のブライン出口温度を利用し、冷凍能力の過不足を判定する。
【００３７】
蒸発器内で熱を奪われて冷却されたブラインが冷却対象と熱交換した後に蒸発器に戻って来る。その時の蒸発器のブライン入口温度をＴｂとする。蒸発器では、ブラインは、ブライン入口温度Ｔｂが目標ブライン出口温度Ｔａまで冷却される(Ｔｂ＞Ｔａ)。
【００３８】
この状態から冷却対象を冷却するための必要冷凍能力が小さくなってくると、ブライン入口温度Ｔｂと目標ブライン出口温度Ｔａとの差が小さくなってくる。つまり、ブライン出口温度のブラインは、冷却対象との温度差が小さくなってくると、熱交換量が減少し、ブライン入口温度Ｔｂが低下しないため、ブライン出口温度との差が小さくなる。これにより、蒸発器でブラインを冷却するための必要冷凍能力は小さくなり、冷凍能力を小さくする制御を実施する。
以上から運転中は、冷凍能力の過不足を、ブライン出口温度を検出して判定することができる。
【００３９】
実施の形態１では、冷媒回路にて冷凍能力が不足と判定した場合には、動作Ａから動作Ｂ、次に動作Ｃのように、吸入容量を調整するスライドバルブ１６、１７が圧縮室１４、１５と吸入空間を連通させない位置に調整して行く。その上で、目標ブライン出口温度Ｔａに到達させるよう冷凍能力を増大させるためにインバータによって回転軸３０の回転速度を増速して行く。
【００４０】
次に必要冷凍能力が得られた判定を行った場合の動作を説明する。
運転中の回転軸３０の回転速度が運転可能な最大回転速度より低い場合には、運転圧力比と内部容積比が近くなるよう高段２０のＶｉ弁２４の開弁位置を調整する。すなわち、必要冷凍能力が得られた時には、運転圧力比に合わせて高段２０のＶｉ弁２４の開弁位置を調整し、内部容積比を変化させる制御を実施する。
【００４１】
高段２０に設けられたＶｉ弁２４では、計測された冷媒回路内の高圧と低圧との数値を用い、高圧を低圧で除算して得られる数値を運転圧力比と表記する。また、圧縮開始直後の容積を圧縮室２３が吐出口と連通する時の圧縮容積で除算して得られる数値を内部容積比と表記する。Ｖｉ弁２４は、内部容積比が運転圧力比に近くなるよう開弁位置が調整される。すなわち、運転圧力比が基準値以上の場合には、動作Ｅを行う。運転圧力比が基準値未満の場合には、動作Ｄを行う。基準値は、予め実験や検証などによって設定された運転圧力比を内部容積比に近づけるための区切りとなる閾値である。
【００４２】
次に必要冷凍能力が小さくなり、目標冷凍能力を小さく修正した場合の動作を説明する。
まず、吸入容量を調整するスライドバルブ１６、１７の制御を実施する前に、インバータにより回転軸３０の回転速度を減速させる。すなわち、スライドバルブ１６、１７は、圧縮室１４、１５と低圧空間とが連通していない位置に維持された上で、回転軸３０の回転速度を減速させる。回転速度の減速は、目標ブライン出口温度Ｔａに到達するまでインバータにより実施して行く。
【００４３】
目標ブライン出口温度Ｔａに到達した時点で、運転圧力比に合わせて、内部容積比が運転圧力比に近くなる位置に高段２０のＶｉ弁２４の開弁位置を調整する。この場合でも、計測された冷媒回路内の高圧と低圧の数値を用い、高圧を低圧で除算して得られる数値を運転圧力比と表記する。また、圧縮開始直後の容積を圧縮室２３が吐出口と連通する時の圧縮容積で除算して得られる数値を内部容積比と表記する。そして、内部容積比が運転圧力比に近くなるよう、Ｖｉ弁２４の開弁位置を調整する。すなわち、運転圧力比が基準値以上の場合には、動作Ｅを行う。運転圧力比が基準値未満の場合には、動作Ｄを行う。
【００４４】
図１０は、本発明の実施の形態１に係るシングルスクリュー圧縮機１００の必要冷凍能力が小さくなった低速運転時のタイムチャートを示す図である。
図１０に示すように、回転軸３０の回転速度が運転可能な最低回転速度に到達した運転にて、目標冷凍能力を小さく修正する場合には、計測された運転圧力比によらず、スライドバルブ１６、１７の開弁位置を動作Ｃから動作Ｂ、次に動作Ａと順次調整する。これにより、圧縮室１４、１５と低圧空間とが連通されて行く。
つまり、最低回転速度の運転では、さらに冷凍能力を小さくするために、計測された運転圧力比によらず、スライドバルブ１６、１７の開度を順次開けて行く制御を行う。
その上で、動作Ａに調整後の所定時間経過後に、運転圧力比と内部容積比が近くなるよう高段２０のＶｉ弁２４の開弁位置を調整する。すなわち、運転圧力比が基準値以上の場合には、動作Ｅを行う。運転圧力比が基準値未満の場合には、動作Ｄを行う。さらに冷凍能力を小さくする場合には、Ｖｉ弁２４は、動作Ｅから動作Ｄに移行する。
【００４５】
冷凍能力が不足と判定され、高い目標冷凍能力に修正された時の動作は、先に説明したように、まず、スライドバルブ１６、１７の開弁位置が圧縮室１４、１５と低圧空間とを連通しないように調整する。すなわち、スライドバルブ１６、１７は、閉弁位置に調整される。
スライドバルブ１６、１７が閉弁されても冷凍能力が不足と判定された場合には、目標ブライン出口温度Ｔａになるようにインバータにより回転軸３０の回転速度を増速して行く。必要冷凍能力に達し、目標ブライン出口温度Ｔａを得られた後の制御については、前述した通りである。
【００４６】
実施の形態１の効果を説明する。
従来は、低速運転時において、圧縮室と低圧空間とが連通しないように低段のスライドバルブを閉弁していたため、最小の冷凍能力は、インバータによる電動機の最低回転速度で決まっていた。
一方、実施の形態１では、インバータによる電動機４０の最低回転速度にて、低段１０のスライドバルブ１６、１７を開けて行き、圧縮室１４、１５と低圧空間とを連通させて、吸入完了のタイミングを遅くさせる。したがって、従来に対して圧縮仕事を低減させることができる。最小圧縮仕事に調整した後に、運転圧力比に合わせて、高段２０のＶｉ弁２４の位置を制御するため、シングルスクリュー圧縮機１００の消費電力を低減することができる。
【００４７】
大型チラーにおける年間を通した運転を考えた場合には、低負荷時には、低差圧運転になる場合が多い。このため、低負荷時に圧縮仕事を低減させて入力を小さくし、その上で高段２０のＶｉ弁２４を制御する。よって、高いエネルギー効率を発揮する運転ができる。
【００４８】
実施の形態２．
上記実施の形態１では、二段のシングルスクリュー圧縮機１００の例を説明した。しかし、本発明は、単段のシングルスクリュー圧縮機にも適用できる。実施の形態２では、単段のシングルスクリュー圧縮機の例を説明する。
実施の形態２では、実施の形態１と異なる点のみ説明する。
【００４９】
実施の形態２では、実施の形態１における低段または高段の単段のみ用い、インバータにより回転軸の回転速度を制御される電動機によって駆動する。
ここで、単段の圧縮部は、ゲートローターが２枚のツインゲートローター方式若しくはゲートローターが１枚のモノゲートローター方式のいずれかである。
【００５０】
ケーシングに設けられた圧縮作動流体の吐出口には、吐出タイミングを調整できるＶｉ弁が配置されている。実施の形態１における高段に設けていたＶｉ弁およびＶｉ弁の駆動装置を、実施の形態２では、単段の圧縮部に備えている。
実施の形態２でのスライドバルブおよびＶｉ弁の駆動方法または制御方法については、実施の形態１と同じである。
【００５１】
実施の形態３．
図１１は、本発明の実施の形態３に係るシングルスクリュー圧縮機１００を適用した冷凍サイクル装置２００を示す冷媒回路図である。
図１１に示すように、冷凍サイクル装置２００は、シングルスクリュー圧縮機１００、凝縮器８０、膨張弁８１および蒸発器８２を備えている。これらシングルスクリュー圧縮機１００、凝縮器８０、膨張弁８１および蒸発器８２が冷媒配管で接続されて冷凍サイクル回路を形成している。そして、蒸発器８２から流出した冷媒は、シングルスクリュー圧縮機１００に吸入されて高温高圧となる。高温高圧となった冷媒は、凝縮器８０において凝縮されて液体になる。液体となった冷媒は、膨張弁８１で減圧膨張されて低温低圧の気液二相となり、気液二相の冷媒が蒸発器８２において熱交換される。
実施の形態１、２のシングルスクリュー圧縮機１００は、このような冷凍サイクル装置２００に適用できる。なお、冷凍サイクル装置２００としては、たとえば冷凍空調装置などが挙げられる。
【００５２】
以上の実施の形態１〜３によると、シングルスクリュー圧縮機１００は、螺旋状の歯溝を有するスクリュー１３、２２と、スクリュー１３、２２に嵌まり合うゲートローター１１、１２、２１と、スクリュー１３、２２およびゲートローター１１、１２、２１を収容し、スクリュー１３、２２およびゲートローター１１、１２、２１と共に圧縮室１４、１５、２３を形成するケーシング１と、圧縮室１４、１５で圧縮された作動流体の吐出口１８から離れた位置に配置され、圧縮室１４、１５とケーシング１内の低圧空間とを連通させて作動流体を圧縮室１４、１５内に吸い込む量を調整するスライドバルブ１６、１７と、吐出タイミングを変更可能なＶｉ弁２４と、を備え、インバータで回転速度を変更可能に駆動される。そして、運転可能な最低回転速度で運転され、必要冷凍能力が小さくなった場合に、小さくなった必要冷凍能力に応じてスライドバルブ１６、１７の開弁位置を調整して圧縮室１４、１５と低圧空間との間の面積を大きくする。
この構成によると、スライドバルブ１６、１７を開弁して行き、圧縮室１４、１５と低圧空間とを連通させて、吸入完了のタイミングを遅くさせる。よって、従来に対して圧縮仕事を低減させ、最小圧縮仕事に調整することができる。また、その上でＶｉ弁２４を適正な吐出タイミングに設定することができる。したがって、必要冷凍能力が小さくなった低速運転時に、エネルギー効率の向上が図れ、消費電力を低減することができる。
【００５３】
小さくなった必要冷凍能力に応じて、スライドバルブ１６、１７の開弁位置を圧縮室１４、１５と低圧空間との間の面積が最大となる位置に移動させた後に、Ｖｉ弁２４の開弁位置を、冷媒回路内の高圧を低圧で除算して得られる運転圧力比に合わせて調整させ、運転圧力比と、圧縮開始直後の容積を圧縮室２３が吐出口と連通する時の圧縮容積で除算して得られる内部容積比と、が近くなるようにする。
この構成によると、最小圧縮仕事に調整した後に、Ｖｉ弁２４を適正な吐出タイミングに設定することができる。したがって、必要冷凍能力が小さくなった低速運転時に、エネルギー効率の向上が図れ、消費電力を低減することができる。
【００５４】
運転圧力比に合わせて調整させるＶｉ弁２４の開弁位置は、運転圧力比が基準値以上の場合に、運転圧力比が基準値未満の場合よりも圧縮室２３に吸入できる吸入量を多くする位置に調整される。
この構成によると、最小圧縮仕事に調整した後に、Ｖｉ弁２４を適正な吐出タイミングに設定することができる。したがって、必要冷凍能力が小さくなった低速運転時に、エネルギー効率の向上が図れ、消費電力を低減することができる。
【００５５】
スライドバルブ１６、１７が配置されている低段１０と、Ｖｉ弁２４が配置されている高段２０と、を備えている。
この構成によると、必要冷凍能力が小さくなった低速運転時に、エネルギー効率の向上が図れ、消費電力を低減することができるシングルスクリュー圧縮機１００が、２段のシングルスクリュー圧縮機に適用することができる。
【００５６】
スライドバルブおよびＶｉ弁が配置されている圧縮部を備えている。
この構成によると、必要冷凍能力が小さくなった低速運転時に、エネルギー効率の向上が図れ、消費電力を低減することができるシングルスクリュー圧縮機が、単段のシングルスクリュー圧縮機に適用することができる。
【００５７】
冷凍サイクル装置２００は、シングルスクリュー圧縮機１００を備えている。
この構成によると、冷凍サイクル装置２００は、低負荷時に圧縮仕事を低減させて入力を小さくし、その上で高段２０のＶｉ弁２４を制御する。よって、高いエネルギー効率を発揮する運転ができる。そして、消費電力を低減することができる。
【符号の説明】
【００５８】
１  ケーシング、２  蓋体、１０  低段、１１  低段ゲートローター、１２  低段ゲートローター、１３  低段スクリュー、１４  圧縮室、１５  圧縮室、１６  スライドバルブ、１７  スライドバルブ、１８  吐出口、２０  高段、２１  高段ゲートローター、２２  高段スクリュー、２３  圧縮室、２４  Ｖｉ弁、２５  ガイド部、２６  バルブ本体、２７  連結部、３０  回転軸、４０  電動機、４１  モーターローター、４２  ステーター、５０  駆動装置、５１  シリンダ、５２  アーム、５３ａ  バネ、５３ｂ  バネ、５４  ピストン、５５  ロッド、５６  ロッド、５７  ロッド、６０  駆動装置、６１  シリンダ、６２  ピストン、６３  ロッド、６４  バネ、６５  固定部、８０  凝縮器、８１  膨張弁、８２  蒸発器、１００  シングルスクリュー圧縮機、２００  冷凍サイクル装置。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年2月20日(2018.2.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
本発明に係るシングルスクリュー圧縮機は、螺旋状の歯溝を有するスクリューと、前記スクリューに嵌まり合うゲートローターと、前記スクリューおよび前記ゲートローターを収容し、前記スクリューおよび前記ゲートローターと共に圧縮室を形成するケーシングと、前記圧縮室で圧縮された作動流体の吐出口から離れた位置に配置され、前記圧縮室と前記ケーシング内の低圧空間とを連通させて作動流体を前記圧縮室内に吸い込む量を調整する第１スライドバルブと、圧縮された作動流体の吐出タイミングを変更可能な第２スライドバルブと、を備え、インバータで回転速度を変更可能に駆動されるシングルスクリュー圧縮機であって、前記第１スライドバルブが配置されている低段と、前記第２スライドバルブが配置されている高段と、を備え、運転可能な最低回転速度で運転され、必要冷凍能力が小さくなった場合に、小さくなった前記必要冷凍能力に応じて前記第１スライドバルブの開弁位置を調整して前記圧縮室と前記低圧空間との間の面積を大きくし、小さくなった前記必要冷凍能力に応じて、前記第１スライドバルブの開弁位置を前記圧縮室と前記低圧空間との間の面積が最大となる位置に移動させるとともに、前記第２スライドバルブの開弁位置を、冷媒回路内の高圧を低圧で除算して得られる運転圧力比に合わせて調整させ、前記運転圧力比と、圧縮開始直後の容積を前記圧縮室が吐出口と連通する時の圧縮容積で除算して得られる内部容積比と、が近くなるように構成されたものである。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
螺旋状の歯溝を有するスクリューと、
前記スクリューに嵌まり合うゲートローターと、
前記スクリューおよび前記ゲートローターを収容し、前記スクリューおよび前記ゲートローターと共に圧縮室を形成するケーシングと、
前記圧縮室で圧縮された作動流体の吐出口から離れた位置に配置され、前記圧縮室と前記ケーシング内の低圧空間とを連通させて作動流体を前記圧縮室内に吸い込む量を調整する第１スライドバルブと、
圧縮された作動流体の吐出タイミングを変更可能な第２スライドバルブと、
を備え、インバータで回転速度を変更可能に駆動されるシングルスクリュー圧縮機であって、
前記第１スライドバルブが配置されている低段と、
前記第２スライドバルブが配置されている高段と、
を備え、
運転可能な最低回転速度で運転され、必要冷凍能力が小さくなった場合に、小さくなった前記必要冷凍能力に応じて前記第１スライドバルブの開弁位置を調整して前記圧縮室と前記低圧空間との間の面積を大きくし、
小さくなった前記必要冷凍能力に応じて、前記第１スライドバルブの開弁位置を前記圧縮室と前記低圧空間との間の面積が最大となる位置に移動させるとともに、前記第２スライドバルブの開弁位置を、冷媒回路内の高圧を低圧で除算して得られる運転圧力比に合わせて調整させ、前記運転圧力比と、圧縮開始直後の容積を前記圧縮室が吐出口と連通する時の圧縮容積で除算して得られる内部容積比と、が近くなるように構成されたシングルスクリュー圧縮機。
【請求項２】
小さくなった前記必要冷凍能力に応じて、前記第１スライドバルブの開弁位置を前記圧縮室と前記低圧空間との間の面積が最大となる位置に移動させた後に、前記第２スライドバルブの開弁位置を、冷媒回路内の高圧を低圧で除算して得られる運転圧力比に合わせて調整させ、前記運転圧力比と、圧縮開始直後の容積を前記圧縮室が吐出口と連通する時の圧縮容積で除算して得られる内部容積比と、が近くなるように構成された請求項１に記載のシングルスクリュー圧縮機。
【請求項３】
前記運転圧力比に合わせて調整させる前記第２スライドバルブの開弁位置は、前記運転圧力比が基準値以上の場合に、前記運転圧力比が基準値未満の場合よりも前記圧縮室に吸入できる吸入量を多くする位置に調整されるように構成された請求項１または２に記載のシングルスクリュー圧縮機。
【請求項４】
前記第１スライドバルブおよび前記第２スライドバルブが配置されている圧縮部を備えた請求項１〜３のいずれか１項に記載のシングルスクリュー圧縮機。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のシングルスクリュー圧縮機を備えた冷凍サイクル装置。
【国際調査報告】
2017094057.tif 000015
2017094057.tif 000016
2017094057.tif 000017
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