(57)【要約】【課題】構造の単純化、小型化、メンテナンスの負担軽減等を可能とした２段スクリュ冷凍機を提供する。【解決手段】２段スクリュ冷凍機１Ａは、第１段スクリュ圧縮機１１、第２段スクリュ圧縮機１２、凝縮器１３、中間過冷却器１４、主膨張弁１５及び蒸発器１６を含む冷媒・油循環流路Iと、冷媒・油循環流路Iにおける凝縮器１３と中間過冷却器１４との間の部分から分岐し、過冷却用膨張弁１７を経て、中間過冷却器１４を通過した後、第１段スクリュ圧縮機１１の吐出側で第２段スクリュ圧縮機１２の吸込み側に位置する中間段部１８に合流する分岐流路IIとを設けて構成されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１段スクリュ圧縮機、第２段スクリュ圧縮機、凝縮器、中間過冷却器、主膨張弁及び蒸発器を含む冷媒・油循環流路と、
この冷媒・油循環流路における上記凝縮器と上記主膨張弁との間の部分から分岐し、過冷却用膨張弁を経て、上記中間過冷却器を通過した後、上記第１段スクリュ圧縮機の吐出側で上記第２段スクリュ圧縮機の吸込み側に位置する中間段部に合流する分岐流路とを設けたことを特徴とする２段スクリュ冷凍機。
【請求項２】
第１段スクリュ圧縮機、第２段スクリュ圧縮機、凝縮器、第１段中間過冷却器、第２段中間過冷却器、主膨張弁及び蒸発器を含む冷媒・油循環流路と、
この冷媒・油循環流路における上記凝縮器と上記第２中間冷却器との間の部分から分岐し、第１段過冷却用膨張弁を経て、上記第１段中間過冷却器を通過した後、上記第１段スクリュ圧縮機の吐出側で上記第２段スクリュ圧縮機の吸込み側に位置する中間段部に合流する第１段分岐流路と、
上記冷媒・油循環流路における上記第１段中間冷却器と上記主膨張弁との間の部分から分岐し、第２段過冷却用膨張弁を経て、上記第２段中間過冷却器を通過した後、上記第１段スクリュ圧縮機内のガス圧縮空間部に合流する第２段分岐流路とを設けたことを特徴とする２段スクリュ冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２段に直列配置されたスクリュ圧縮機及び過冷却器を用いた２段スクリュ冷凍機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、２段に直列配置されたスクリュ圧縮機及び過冷却器を用いた２段スクリュ冷凍機は公知である（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開平５−２９６５８４号公報
【０００３】
スクリュ圧縮機は、ロータ間、ロータとロータ室の内壁面との間のシール、圧縮に伴う昇温部の冷却、潤滑等の目的でロータ室内に油を注入する油冷式のスクリュ圧縮機と、ロータ室内に油を注入せず、軸受部がロータ室からシールにより完全に遮断され、雌雄ロータ間の回転駆動力伝達のために同期歯車が用いられる無給油式のスクリュ圧縮機とに大別される。圧縮機本体自体の構造は油冷式のスクリュ圧縮機に比して、無給油式のスクリュ圧縮機の方がかなり複雑であり、同一吐出風量とした場合、油冷式のスクリュ圧縮機に比して無給油式のスクリュ圧縮機の方が複雑化した分だけ高価となる。また、油冷式のスクリュ圧縮機に比して無給油式のスクリュ圧縮機の方が、ロータ間の隙間、及びロータとロータ室の内壁面との間の隙間は大きく、この隙間を介して漏れるガス量も多い。それ故に、圧縮ガス中に潤滑油が含まれるのが許されず、クリーンな圧縮ガスのみが要求される特別な用途以外では、一般的に、油冷式のスクリュ圧縮機が用いられ、無給油式のスクリュ圧縮機が用いられることはない。
【０００４】
上記特許文献１に記載の２段スクリュ冷凍装置では、明記はされていないが、油分離器が用いられていることから明らかなように、油冷式の第１段及び第２段スクリュ圧縮機が用いられ、第１段スクリュ圧縮機に吸込まれた冷媒ガスは、第１段、及び第２段スクリュ圧縮機により圧縮された後、第２段スクリュ圧縮機から油を伴って吐出される。さらに、この圧縮された冷媒ガスと油は油分離器にて分離され、分離された油は油冷却器が介設された油流路により第１段、及び第２段スクリュ圧縮機に導かれ、繰り返し循環させられるようになっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した従来の２段スクリュ冷凍装置の場合、油分離回収器、油冷却器及び油流路のための油用配管を要し、これらが装置全体の容積に占める割合は大きく、装置が嵩高となり、その設置スペースが大きくなるとともに、装置が複雑な構造になり、それだけ高コストのものになるのに加えて、メンテナンスに多大な負担が強いられる等の問題があった。
本発明は、斯かる従来の問題をなくすことを課題としてなされたもので、構造の単純化、小型化、メンテナンスの負担軽減等を可能とした２段スクリュ冷凍機を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、第１発明は、第１段スクリュ圧縮機、第２段スクリュ圧縮機、凝縮器、中間過冷却器、主膨張弁及び蒸発器を含む冷媒・油循環流路と、この冷媒・油循環流路における上記凝縮器と上記主膨張弁との間の部分から分岐し、過冷却用膨張弁を経て、上記中間過冷却器を通過した後、上記第１段スクリュ圧縮機の吐出側で上記第２段スクリュ圧縮機の吸込み側に位置する中間段部に合流する分岐流路とを設けた構成とした。
【０００７】
第２発明は、第１段スクリュ圧縮機、第２段スクリュ圧縮機、凝縮器、第１段中間過冷却器、第２段中間過冷却器、主膨張弁及び蒸発器を含む冷媒・油循環流路と、この冷媒・油循環流路における上記凝縮器と上記第２中間冷却器との間の部分から分岐し、第１段過冷却用膨張弁を経て、上記第１段中間過冷却器を通過した後、上記第１段スクリュ圧縮機の吐出側で上記第２段スクリュ圧縮機の吸込み側に位置する中間段部に合流する第１段分岐流路と、上記冷媒・油循環流路における上記第１段中間冷却器と上記主膨張弁との間の部分から分岐し、第２段過冷却用膨張弁を経て、上記第２段中間過冷却器を通過した後、上記第１段スクリュ圧縮機内のガス圧縮空間部に合流する第２段分岐流路とを設けた構成とした。
【発明の効果】
【０００８】
第１発明に係る２段スクリュ冷凍機によれば、油を伴った冷媒を循環させるようにしてあり、第１段及び第２段スクリュ圧縮機には従来油冷式とされていたスクリュ圧縮機の構造と同一構造のものを採用することができ、かつ冷媒と油を分離・回収するための機器、分離した油を冷却する機器やこの油を繰り返し循環させて使用するための配管等が一切不要となり装置全体の構造の単純化、小型化、メンテナンスの負担軽減等が可能になるという効果を奏する。また、油を伴った冷媒を凝縮器から直接主膨張弁に至らせて、ここから蒸発器に送り込むようにすると、冷媒は本来冷却する必要のある対象を冷却する以外に、随伴する油も冷却することになり、上記対象を冷却する作用が低下することになるが、第１発明に係る２段スクリュ冷凍機によれば、この点が改善される。即ち、この２段スクリュ冷凍機によれば、凝縮器を出た冷媒・油は中間過冷却器で冷却された後に主膨張弁を経て蒸発器に導かれ、油の温度は既に下げられているため、この油が蒸発器での冷媒による冷却作用を阻害しないようになっている。
【０００９】
第２発明に係る２段スクリュ冷凍機によれば、上記同様のことが言えるのに加えて、中間過冷却器が２段に設けられているため、蒸発器に導かれる油の温度は中間過冷却器でさらに下げられ、冷媒による冷却作用を一層向上させることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
次に、本発明の実施形態を図面にしたがって説明する。
図１は第１発明に係る２段スクリュ冷凍機１Ａを示し、この２段スクリュ冷凍機１Ａは、第１段スクリュ圧縮機１１、第２段スクリュ圧縮機１２、凝縮器１３、中間過冷却器１４、主膨張弁１５及び蒸発器１６を含む冷媒・油循環流路Iと、この冷媒・油循環流路Iにおける凝縮器１３と中間過冷却器１４との間の部分から分岐し、過冷却用膨張弁１７を経て、中間過冷却器１４を通過した後、第１段スクリュ圧縮機１１の吐出側で第２段スクリュ圧縮機１２の吸込み側に位置する中間段部１８に合流する分岐流路IIとを備えている。
【００１１】
上記構成からなる２段スクリュ冷凍機１Ａにおいて、油を含む冷媒が第１段スクリュ圧縮機１１、第２段スクリュ圧縮機１２にて圧縮されて、凝縮器１３で熱交換により熱を奪われて凝縮し、凝縮器１３から中間過冷却器１４に至る途中で、油を含む凝縮した冷媒一部は分岐流路IIに分流する。この分流した油を含む冷媒は過冷却用膨張弁１７を経て絞り膨張し、温度低下するとともに気液混合状態になって中間過冷却器１４を通過し、この通過の過程で中間過冷却器１４を通過する冷媒・油循環流路I内の油を含む冷媒を冷却し、中間段部１８に流入する。
【００１２】
一方、中間過冷却器１４で冷却された冷媒・油循環流路I内の油を含む冷媒は、主膨張弁１５を経て絞り膨張して、さらに温度低下するとともに気液混合状態となり、蒸発器１６に至り、この蒸発器１６で周囲から熱を奪い、ガス状態となって第１段スクリュ圧縮機１１に戻り、上記同様の状態変化を繰り返し、循環する。
【００１３】
図２は、図１に示す２段スクリュ冷凍機１Ａにおいて循環する冷媒の状態変化を示すｐ（圧力）−ｉ（エンタルピ）線図、いわゆるモリエル線図で、図１の各アルファベット（ａ〜ｇ）の位置における冷媒の状態は、図２において同符号のアルファベットで示した状態が対応する。また、一例として、このｐ−ｉ線図の数カ所での、この２段スクリュ冷凍機１Ａにおける冷媒の具体的な温度及び圧力を示してある。
【００１４】
図示するように、この２段スクリュ冷凍機１Ａでは、蒸発器１６に至る前の油を含む冷媒を、まず中間過冷却器１４で４０℃から−１５℃まで冷却し、さらに冷媒を主膨張弁１５により−６０℃まで温度低下させるようにしてある。この中間過冷却器１４が設けられていない場合を考えると、主膨張弁１５にて冷媒を４０℃から−６０℃まで冷却すると同時に、油も４０℃から−６０℃まで冷却する必要があり、主膨張弁１５で絞り膨張して気液混合状態となる冷媒のエンタルピがかなり増大する。即ち、冷媒がこの主膨張弁１５を通過する過程で、油も大幅に温度低下させる必要があるため、蒸発器１６における冷媒による周囲に対する冷凍能力は大幅に低下する。これに対して、２段スクリュ冷凍機１Ａでは、中間過冷却器１４で、既に油を含む冷媒を−１５℃まで冷却しているため、主膨張弁１５では、この油を含む冷媒を−１５℃から−６０℃に冷却することになり、この温度差は小さくなる。従って、主膨張弁１５で油冷却のために冷媒が油から奪う熱量も少なくて済み、中間過冷却器１４がない場合に比して、蒸発器１６での冷凍能力は向上する。
【００１５】
例えば、第１段スクリュ圧縮機１１の理論行程体積を１００ｍ３／ｈｒ，容積効率を０．８とすると、中間過冷却器１４を設けないで、中間段部１８に合流する分岐流路IIに膨張弁のみを介設した場合に比して、図１に示すように、中間過冷却器１４を設けた場合、正確には、さらに分岐流路II、過冷却用膨張弁１７を設けた場合、冷凍能力は、冷媒に対して油が３重量％含まれる場合には、冷凍能力が約３％向上し、同じく油が５重量％含まれる場合には、約５％向上する。
【００１６】
また、この２段スクリュ冷凍機１Ａでは、油を含んだ冷媒を循環させる作動流体としており、油分離回収器、油冷却器、油フィルタ、及びこれらを含む油循環用の油用配管等の従来装置全体の容積、設置面積の増大、及びコスト上昇の要因になっていた機器、配管類が一切不要となり、構造が単純化されている。さらに、これに伴って、この２段スクリュ冷凍機１Ａでは、従来かなりの手間を要した油関連のメンテナンスも一切不要となっている。
【００１７】
図３は、第２発明に係る２段スクリュ冷凍機１Ｂを示し、この２段スクリュ冷凍機１Ｂにおいて、図１に示す２段スクリュ冷凍機１Ａと互いに共通する部分については、同一番号を付して説明を省略する。
この２段スクリュ冷凍機１Ｂでは、凝縮器１３と主膨張弁１５との間に第１段中間過冷却器１４ｘと第２段中間過冷却器１４ｙとが設けられている。第１段中間過冷却器１４ｘには、図１における中間過冷却器１４と同様、これと凝縮器１３との間にて冷媒・油循環流路Iから分岐し、第１段過冷却用膨張弁１７ｘが介設された第１段分岐流路IIｘが通過しており、この第１段分岐流路IIｘは中間段部１８に接続している。また、第２段中間過冷却器１４ｙには、これと第１段中間過冷却器１４ｘとの間にて冷媒・油循環流路Iから分岐し、第２段過冷却用膨張弁１７ｙが介設された第２段分岐流路IIｙが通過しており、
この第２段分岐流路IIｙは第１段スクリュ圧縮機１１の吸込過程、吐出過程のいずれの部分にも連通しないガス圧縮空間に通じている。
【００１８】
上記構成からなる２段スクリュ冷凍機１Ｂでは、冷媒・油循環流路Iにおける油を含む冷媒を、第１段中間過冷却器１４ｘで冷却し、さらに第２段中間過冷却器１４ｙで冷却することにより、以下に述べるように、主膨張弁１５にて油を冷却するための負荷を軽減し、冷媒による蒸発器での冷凍能力をより一層向上させている。
【００１９】
図４は、図３に示す２段スクリュ冷凍機１Ｂにおいて循環する冷媒の状態変化を示すモリエル線図で、図３の各アルファベット（ａ〜ｊ）の位置における冷媒の状態は、図４において同符号のアルファベットで示した状態が対応する。また、一例として、このｐ−ｉ線図の数カ所での、この２段スクリュ冷凍機１Ｂにおける冷媒の具体的な温度及び圧力を示してある。
【００２０】
図示するように、この２段スクリュ冷凍機１Ｂでは、蒸発器１６に至る前の油を含む冷媒を、まず第１段中間過冷却器１４ｘで４０℃から−１５℃まで冷却し、さらに第２段中間過冷却器１４ｙで−１５℃から−３５℃まで冷却し、この冷媒を主膨張弁１５により−６０℃まで温度低下させるようにしてある。この２段スクリュ冷凍機１Ｂを上述した２段スクリュ冷凍機１Ｂと比較すると、この２段スクリュ冷凍機１Ｂでは主膨張弁１５の一次側でガスを含んだ冷媒は−２０℃も温度が低くなっており、この温度低下により主膨張弁１５での冷媒による油の温度を低下させるための負荷が軽減され、その分、蒸発器１６での冷媒による冷凍能力は向上する。
【００２１】
例えば、第１段スクリュ圧縮機１１の理論行程体積を１００ｍ３／ｈｒ，容積効率を０．８とすると、第１段中間過冷却器１４ｘ及び第１段中間過冷却器１４ｙは設けずに、上記同様、中間段部１８に合流する分岐流路に膨張弁のみを介設した場合に比して、図３に示すように、第１段中間過冷却器１４ｘ及び第１段中間過冷却器１４ｙを設けた場合、正確には、さらに第１段分岐流路IIｘ、第１段過冷却用膨張弁１７ｘ、第２段分岐流路IIｙ、第２段過冷却用膨張弁１７ｙを設けた場合、冷凍能力は、冷媒に対して油が３重量％含まれる場合には、冷凍能力が約４％向上し、同じく油が５重量％含まれる場合には、約６．６％向上する。
【００２２】
また、上記同様、この２段スクリュ冷凍機１Ｂでも、油を含んだ冷媒を循環させる作動流体としており、油分離回収器、油冷却器、油フィルタ、及びこれらを含む油循環用の油用配管等の従来装置全体の容積、設置面積の増大、及びコスト上昇の要因になっていた機器、配管類が一切不要となり、構造が単純化されている。さらに、これに伴って、この２段スクリュ冷凍機１Ｂでも、従来かなりの手間を要した油関連のメンテナンスも一切不要となっている。
【００２３】
２段スクリュ冷凍機１Ａにおける中間過冷却器１４、過冷却用膨張弁１７、及び分岐流路IIの構成については、図５に示すように、分岐流路IIの冷媒・油循環流路Iからの分岐部を中間過冷却器１４の二次側とし、この分岐流路IIにおける分岐部と中間冷却器１４との間に過冷却用膨張弁１７を介設したものであってもよい。第１段中間過冷却器１４ｘ、第１段過冷却用膨張弁１７ｘ、及び第１段分岐流路IIｘの構成、第２段中間過冷却器１４ｙ、第２段過冷却用膨張弁１７ｙ、及び第２段分岐流路IIｙの構成についても上記同様、分岐点が第１段中間過冷却器１４ｘ、第２段中間過冷却器１４ｙ、の二次側であってもよい。
【００２４】
なお、上記説明、図面において挙げた温度、圧力に関する具体的な数値は、一例であり、本発明はこれらの数値に何等限定されるものではない。
また、冷媒に含まれる油は、この油による蒸発器１６における熱伝達効率の低下を実用上無視し得る程度の量であり、具体的には、冷媒の５重量％を上限とする。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】第１発明に係る２段スクリュ冷凍機の全体構成を示す図である。
【図２】図１に示す２段スクリュ冷凍機における冷媒の状態変化を示すモリエル線図である。
【図３】第２発明に係る２段スクリュ冷凍機の全体構成を示す図である。
【図４】図３に示す２段スクリュ冷凍機における冷媒の状態変化を示すモリエル線図である。
【図５】図１に示す２段スクリュ冷凍機における中間過冷却器の部分の別の形態を示す図である。
【符号の説明】
【００２６】
１Ａ，１Ｂ  ２段スクリュ冷凍機
１１  第１段スクリュ圧縮機
１２  第２段スクリュ圧縮機
１３  凝縮器
１４  中間過冷却器
１４ｘ  第１段中間過冷却器
１４ｙ  第２段中間過冷却器
１５  主膨張弁
１６  蒸発器
１７  過冷却用膨張弁
１７ｘ  第１段過冷却用膨張弁
１７ｙ  第２段過冷却用膨張弁
１８  中間段部
I  冷媒・油循環流路
II  分岐流路
IIｘ  第１段分岐流路
IIｙ  第２段分岐流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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