(57)【要約】【課題】単段スクリュー圧縮機における可変Ｖｉ弁についての従来の制御方法を二段スクリュー圧縮機に展開する場合、二段スクリュー圧縮機には低段側と高段側にそれぞれ吐出ポート弁を備えているため、単段スクリュー圧縮機における可変Ｖｉ弁についての従来の制御方法より複雑であり、制御装置が高価になる課題があった。【解決手段】内部容積比Ｖｉを可変にするための可変Ｖｉ弁を含む内部容積比可変機構を少なくとも低段もしくは高段に備えた、インバーター方式により回転数制御を行う二段スクリュー圧縮機において、低段もしくは高段の可変Ｖｉ弁８は、吐出開始前後の歯溝内圧を取り出すための穴１４を有し、この穴１４から取り出された歯溝内圧を参照して、低段もしくは高段の内部容積比可変機構（駆動装置１０）を駆動することにより低段もしくは高段の可変Ｖｉ弁８の位置制御を行う。【選択図】図１
2013092091.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部容積比Ｖｉを可変にするための可変Ｖｉ弁を含む内部容積比可変機構を少なくとも低段もしくは高段に備えた、インバーター方式により回転数制御を行う二段スクリュー圧縮機において、
前記低段もしくは高段の可変Ｖｉ弁は、吐出開始前後の歯溝内圧を取り出すための穴を有し、
前記穴から取り出された歯溝内圧を参照して、前記低段もしくは高段の内部容積比可変機構を駆動することにより前記低段もしくは高段の可変Ｖｉ弁の位置制御を行うことを特徴とする二段スクリュー圧縮機。
【請求項２】
内部容積比Ｖｉを可変にするための可変Ｖｉ弁を含む内部容積比可変機構を低段および高段に備えた、インバーター方式により回転数制御を行う二段スクリュー圧縮機において、
前記低段および高段の可変Ｖｉ弁は、吐出開始前後の歯溝内圧を取り出すための穴を有し、
前記穴から取り出された歯溝内圧を参照して、前記低段および高段の内部容積比可変機構を駆動することにより前記低段および高段の可変Ｖｉ弁の位置制御を行うことを特徴とする二段スクリュー圧縮機。
【請求項３】
前記歯溝内圧を取り出すための穴は、前記可変Ｖｉ弁の内面吐出側端部の近傍に設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の二段スクリュー圧縮機。
【請求項４】
前記可変Ｖｉ弁は、ロッドを介して前記内部容積比可変機構に連結され、
前記穴から取り出された歯溝内圧を参照して、前記内部容積比可変機構を制御する制御装置を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の二段スクリュー圧縮機。
【請求項５】
前記内部容積比可変機構は、シリンダーと、前記シリンダー内の空間を隔てるピストン隔壁と、前記ピストン隔壁の両側に設けられた２つのピストンとを有し、
前記可変Ｖｉ弁に連結されたロッドは、前記ピストン隔壁と前記２つのピストンと前記シリンダーを貫通して設けられ、
前記シリンダーの内部は、前記ピストン隔壁と前記２つのピストンにより４つの空間室に区画され、
前記可変Ｖｉ弁を低段に備える場合の前記４つの空間室は、当該可変Ｖｉ弁に近い順に、低段吐出圧力室、前記穴から取り出される低段歯溝内圧室、低段吐出圧力室、低段吸入圧力室として配置され、
前記可変Ｖｉ弁を高段に備える場合の前記４つの空間室は、当該可変Ｖｉ弁に近い順に、高段吐出圧力室、前記穴から取り出される高段歯溝内圧室、高段吐出圧力室、高段吸入圧力室として配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の二段スクリュー圧縮機。
【請求項６】
前記穴から取り出された歯溝内圧が前記内部容積比可変機構に連通する径路に、絞り機構を設けたことを特徴とする請求項５記載の二段スクリュー圧縮機。
【請求項７】
前記歯溝内圧を取り出すための穴に連通する連通路をスクリュー本体に設け、前記穴と前記連通路とは前記可変Ｖｉ弁の外周面に設けた軸方向に長い凹部を介して連通していることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の二段スクリュー圧縮機。
【請求項８】
前記内部容積比可変機構は、油圧シリンダーで構成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の二段スクリュー圧縮機。
【請求項９】
前記内部容積比可変機構は、位置制御機能を持つモーターで構成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の二段スクリュー圧縮機。
【請求項１０】
前記穴から取り出された歯溝内圧が前記内部容積比可変機構に連通する経路であって、吸入圧力室に連通する経路および該経路の途中に電磁弁を設け、前記電磁弁の操作により圧力の経路を変更することで、前記内部容積比可変機構を制御する制御装置を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の二段スクリュー圧縮機。
【請求項１１】
前記内部容積比可変機構は、シリンダー、ピストン、バネを有し、
前記可変Ｖｉ弁に連結されたロッドは、前記ピストンに連結して設けられ、
前記シリンダーの内部は、前記ピストンにより２つの空間室に区画され、
前記２つの空間室は、前記可変Ｖｉ弁に近い順に、吐出圧力室、前記穴から取り出される歯溝内圧室として配置され、
前記バネは、前記ピストンを前記歯溝内圧室の方へ押圧するように付勢して前記吐出圧力室に配置されていることを特徴とする請求項１０に記載の二段スクリュー圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二段スクリュー圧縮機に関し、特に、運転圧力比に応じて吐出開始のタイミングを調整する内部容積比Ｖｉ可変機構を備えたインバーター方式により回転数制御を行う二段スクリュー圧縮機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
単段スクリュー圧縮機において、吐出開始のタイミングを調整して内部容積比Ｖｉを可変にするスライド弁である可変Ｖｉ弁を備え、運転圧力比に応じて駆動装置からの駆動力により可変Ｖｉ弁の開度を調整するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
単段スクリュー圧縮機に使用する従来の可変Ｖｉ弁は、特許文献１の図１、図２に示されるように、吐出圧力ＨＰと吸入圧力ＬＰとから最適Ｖｉ値を演算し、位置検出手段から現Ｖｉ値を求め、現Ｖｉ値と最適Ｖｉ値との差が小さくなるように可変Ｖｉ弁に連結した駆動装置により制御される。さらに、実運転時の最適Ｖｉ値に近づけるために、モーター駆動電力が最小となるように可変Ｖｉ弁の開度調整を行っている。
【０００４】
ここで、スクリュー圧縮機における内部容積比Ｖｉというのは、例えば特許文献２に示されているように、吸込み時の歯溝空間容積と吐出寸前の歯溝空間容積との比であり、吸込みが完了したときの容積と吐出ポートが開くときの容積との比を表している。そして、Ｖｉ弁が固定タイプのスクリュー圧縮機の場合、例えば中圧縮比のスクリュー圧縮機で低圧縮比の運転を行うと、吐出ポートが開く前にガス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。また逆に高圧縮比で運転を行うと、吐出圧力に到達する前に吐出ポートが開くため、ガスの逆流が生じる不足圧縮の状態となる。これらはいずれも動力のロスを生じ、効率の低下を招く。
【０００５】
また、従来の二段スクリュー圧縮機におけるスライド弁は、低段側および高段側のそれぞれのスクリューに対し軸平行に設けており、軸平行に移動することで、吸込んだ冷媒ガスを吸込み側にバイパスさせ、必要に応じた圧縮容量になるようにスライド弁に連結した駆動装置により制御される（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４１４７８９１号公報（図１、図２）
【特許文献２】特開昭６２−８７６８７号公報（第２頁）
【特許文献３】特許第３４３１８１３号公報（第２〜３頁、第１〜３図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１に記載された単段スクリュー圧縮機における従来の可変Ｖｉ弁の制御方法を二段スクリュー圧縮機に適用する場合、二段スクリュー圧縮機には低段側と高段側にそれぞれスライド弁を備えているため、単段スクリュー圧縮機における可変Ｖｉ弁の制御方法より複雑となり、制御装置が高価になるという課題があった。
【０００８】
上記特許文献３に記載された従来の二段スクリュー圧縮機において、圧縮機容量制御はスライド弁を軸平行に移動し、吸込んだ冷媒ガスを吸込み側にバイパスさせるため、インバーターによる回転数制御による圧縮機容量制御に比べ、性能が悪化するという課題があった。
【０００９】
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、簡素な機構および制御により、運転圧力比の条件に応じ、内部容積比が最適となるように可変Ｖｉ弁を移動させることで高効率な二段スクリュー圧縮機を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る二段スクリュー圧縮機は、内部容積比Ｖｉを可変にするための可変Ｖｉ弁を含む内部容積比可変機構を少なくとも低段もしくは高段に備えた、インバーター方式により回転数制御を行う二段スクリュー圧縮機において、
前記低段もしくは高段の可変Ｖｉ弁は、吐出開始前後の歯溝内圧を取り出すための穴を有し、
前記穴から取り出された歯溝内圧を参照して、前記低段もしくは高段の内部容積比可変機構を駆動することにより前記低段もしくは高段の可変Ｖｉ弁の位置制御を行うことを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明に係る二段スクリュー圧縮機は、内部容積比Ｖｉを可変にするための可変Ｖｉ弁を含む内部容積比可変機構を低段および高段に備えた、インバーター方式により回転数制御を行う二段スクリュー圧縮機において、
前記低段および高段の可変Ｖｉ弁は、吐出開始前後の歯溝内圧を取り出すための穴を有し、
前記穴から取り出された歯溝内圧を参照して、前記低段および高段の内部容積比可変機構を駆動することにより前記低段および高段の可変Ｖｉ弁の位置制御を行うことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、低段側または高段側のいずれかにおいて、可変Ｖｉ弁に設けた穴から歯溝内圧を検出することで、検出された歯溝内圧に基づいて可変Ｖｉ弁を制御、駆動させることができ、簡素な構成でかつ安価に二段スクリュー圧縮機の性能を向上させることができる。
【００１３】
また、本発明によれば、低段側および高段側の両方において、それぞれの可変Ｖｉ弁に設けた穴から歯溝内圧を検出することで、検出された歯溝内圧に基づいて低段および高段の可変Ｖｉ弁を制御、駆動させることができ、簡素な構成でかつ安価に二段スクリュー圧縮機の性能の更なる向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１に係る二段スクリュー圧縮機の概略構成図である。
【図２】可変Ｖｉ弁の正面図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る内部容積比可変機構の概要図である。
【図４】不足圧縮状態でのｐ−ｖ線図およびピストン荷重を示す図である。
【図５】過圧縮状態でのｐ−ｖ線図およびピストン荷重を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係る低段および高段の内部容積比可変機構の概要図である。
【図７】本発明の実施の形態１に係る過圧縮状態でのｐ−ｖ線図およびピストン荷重を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態２に係る二段スクリュー圧縮機の概略構成図である。
【図９】本発明の実施の形態３に係る二段スクリュー圧縮機の概略構成図である。
【図１０】本発明の実施の形態３に係る過圧縮状態でのピストン荷重を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る二段スクリュー圧縮機の実施の形態について図面に基づいて説明する。なお、以下では低段側及び高段側の両方の可変Ｖｉ弁に歯溝内圧取り出し穴を設けた例を示すが、この歯溝内圧取り出し穴はいずれか一方の可変Ｖｉ弁に設けてもよいものである。
【００１６】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る二段スクリュー圧縮機の概略構成図である。なお、図１以下の図面および説明において構成品を示す符号について、数字に付加する「Ｌ」は低段側の構成品を意味し、「Ｈ」は高段側の構成品を意味するものとする。また、特に断らない限り低段側および高段側の構成品を総称するとき、あるいはいずれか一方の段の構成品をいうときは、数字のみであらわすものとする。
【００１７】
この実施の形態１に係る二段スクリュー圧縮機は、図１に概略の構成を示すように、筒状のケーシング本体１と、このケーシング本体１内に収容された低段スクリューローター３Ｌ、高段スクリューローター３Ｈと、これらのスクリューローター３Ｌ、３Ｈを同時に回転駆動する共通のモーター２とを備えている。このモーター２は、ケーシング本体１に内接して固定されたステーター２ａと、ステーター２ａの内側に配置されたモーターローター２ｂとから構成され、インバーターで駆動することにより回転数が制御されるようになっている。スクリューローター３Ｌ、３Ｈとモーターローター２ｂとは互いに同一軸線上に配置されており、いずれもスクリュー軸４に固定されている。また、スクリューローター３Ｌ、３Ｈは、それぞれ複数の螺旋状の溝（スクリュー溝）が形成されており、スクリュー軸４に固定されたモーターローター２ｂに連結されて回転駆動される。また、スクリューローター３の円筒面に形成された隣接する溝の空間は、ケーシング本体１の内筒面およびこの溝に噛み合い係合するゲートローター（図示せず）によって囲まれた圧縮室５Ｌ、５Ｈを、それぞれ低段、高段に形成している。
また、圧縮室５Ｌ、５Ｈの吐出側には吐出室６Ｌ、６Ｈに開口する吐出口７Ｌ、７Ｈがそれぞれ形成されている。さらに、ケーシング本体１にはロッド９Ｌ、９Ｈおよび駆動装置１０Ｌ、１０Ｈに連結され軸方向に移動可能な可変Ｖｉ弁８Ｌ、８Ｈがそれぞれ設けられており、それぞれ吐出口７Ｌ、７Ｈの一部を形成している。なお、低段側と高段側は同様の構成となっている。
【００１８】
次に、冷媒ガスの流れについて図１を用いて説明する。
吸込み流路１１より吸込まれた冷媒ガスは、低段圧縮室５Ｌにて圧縮され、低段吐出口７Ｌ、低段吐出室６Ｌを通過し、中間圧室１３へ導かれ、高段圧縮室５Ｈにて更に圧縮され、高段吐出口７Ｈ、高段吐出室６Ｈを通過し、吐出流路１２より圧縮機外部に吐出される。
【００１９】
図２は、低段側及び高段側の可変Ｖｉ弁８を内面側から見た正面図である。
図２に示すように、可変Ｖｉ弁８は、弁本体８ａと、ガイド部８ｂと、連結部８ｃとから構成されており、ガイド部８ｂの吐出口側端部８ｅには連結部８ｃが設けられ、駆動装置１０側端面８ｆには上記ロッド９が連結されている（図１参照）。また、弁本体８ａとガイド部８ｂとの間は連結部８ｃによって連結されるとともに、上記吐出口７に連通する空隙８ｇを形成している。そして、弁本体８ａの吐出口側端部８ｄの近傍に歯溝内圧取り出し穴１４が設けられている。この歯溝内圧取り出し穴１４を通じて吐出開始前後の圧縮ガスの歯溝内圧が検出可能となっている。
【００２０】
図３は駆動装置１０を含む内部容積比可変機構の概要図である。
駆動装置１０は、内部容積比可変機構の一部を構成するものであり、シリンダー１５内に設けられたピストン１６、１７と、可変Ｖｉ弁８とをロッド９にて連結する構成となっている。
【００２１】
駆動装置１０は、図３に示すように、シリンダー１５内の空間を隔てるピストン隔壁１８を設け、このピストン隔壁１８の両側に第１ピストン１６と第２ピストン１７を設けたものである。可変Ｖｉ弁８に連結するロッド９は、これら第１ピストン１６、及びピストン隔壁１８を貫通している。第１ピストン１６、第２ピストン１７のシリンダー嵌合部およびピストン隔壁等にはシール部材１９が装着されている。
また、ピストン隔壁１８に対して前側（可変Ｖｉ弁方向）にある第１ピストン１６の両側には２つの第１シリンダー室２０ａ、２０ｂが形成され、ピストン隔壁１８に対して後ろ側（反可変Ｖｉ弁方向）にある第２ピストン１７の両側にも同様に２つの第２シリンダー室２１ａ、２１ｂが形成される。つまり、駆動装置１０のピストン格納部は、ピストン隔壁１８と２つのピストン１６、１７とによって、前方から順に４つのシリンダー室２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂに分けられている。
また、各シリンダー室２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂには、それぞれ吐出室６、歯溝内圧取り出し穴１４、吐出室６、圧縮前の圧力室（低段側では吸入圧力室、高段側では中間圧室１３をいう）と連結する圧力導入孔１２０ａ、１２０ｂ、１２１ａ、１２１ｂを設けている。
【００２２】
次に、歯溝内圧取り出し穴１４と圧力導入孔１２０ｂとの連通経路について図１を用いて説明する。
ケーシング本体１等のスクリュー本体には歯溝内圧取り出し穴１４に連通する連通路２２が設けられ、この連通路２２と歯溝内圧取り出し穴１４とは可変Ｖｉ弁８の表面（外周面）において軸方向に延びる溝状の凹部２３を介して連通している。すなわち、凹部２３は、可変Ｖｉ弁８が所定の距離を移動しても常に連通路２２の一方の開口端が凹部２３内にあるような範囲に設けられており、連通路２２と歯溝内圧取り出し穴２１とが確実に連結するように構成されている。
連通路２２はケーシング本体１の壁内部に設けてあり、連通路２２の他方の開口端は圧力導入孔１２０ｂを介して上記の第１シリンダー室２０ｂに接続されている。
【００２３】
次に可変Ｖｉ弁８の動作について説明する。ここでは、低段側の可変Ｖｉ弁８Ｌの動作について説明するが、高段側の可変Ｖｉ弁８Ｈについても同様の動作を行うものとする。
（ｉ）不足圧縮状態からの動作
図４に不足圧縮状態からの動作説明図を示す。図４において、（ａ）は圧力バランス前の圧縮室内の圧力変化、（ｂ）は圧力バランス後の圧縮室内の圧力変化、（ｃ）は（ａ）の状態における内部容積比可変機構に作用する圧力と内部容積比可変機構の駆動方向を示す図である。なお、図４（ａ）、（ｂ）において、横軸は冷媒ガスの容積（Ｖ）、縦軸は冷媒ガスの圧力（Ｐ）を示す。
【００２４】
スクリュー圧縮機では冷媒ガスが圧縮され、圧力が上昇した後、吐出口７が開いて吐出されることになるが、図４（ａ）に示すように高圧縮比運転時の場合には、吐出が開始する時点においても歯溝内圧力が吐出圧力に到達しておらず、不足圧縮状態となっている。このように、不足圧縮状態では吐出が開始される時点においても歯溝内圧力が吐出圧力に到達していないため、冷媒ガスの逆流が発生し、それにより動力ロスが発生する。
【００２５】
次に、各ピストンと可変Ｖｉ弁に作用する圧力と動作を図４（ｃ）を用いて説明する。
弁本体８ａの吸込側端部には吸入圧力が作用し、吐出口側端部８ｄには吐出直後の圧力が作用している。またガイド８ｂの吐出口側端部８ｅには端部８ｄに作用する圧力と同じ圧力が作用し、駆動装置側端部８ｆには吐出室６の圧力が作用している。すなわち、可変Ｖｉ弁内部の吐出口側端部８ｄと８ｅに作用する荷重は相殺されるので、可変Ｖｉ弁には両端に作用する吸入圧力と吐出圧力との差圧による荷重が作用することになる。
第２シリンダー室２１において、第２ピストン１７のロッド９を連結した端面側には吐出室６の圧力を導入し、反対側には吸入圧力が導入される。第２ピストン１７に作用する圧力方向が可変Ｖｉ弁８とは逆方向に作用し、さらに作用面積についてもロッド９の有無が一致しているので、可変Ｖｉ弁８に作用する荷重が第２ピストンに作用する荷重で相殺される。
【００２６】
一方、第１シリンダー室２０においては、第１ピストン１６の可変Ｖｉ弁側に吐出室６の圧力を導入し、反対側には歯溝内圧取り出し穴１４より取り出された歯溝内圧が導入される。不足圧縮状態では、吐出圧力と吐出開始前後の歯溝内圧との圧力差によって可変Ｖｉ弁８が、駆動装置１０側（破線矢印の方向）に移動する。すなわち、吐出開始のタイミングを遅らせる方向（Ｖｉ値を大きくする方向）へと可変Ｖｉ弁８が移動し、歯溝内圧と吐出開始圧力とがほぼ一致する状態（最適Ｖｉ値）に達する。圧縮室内の圧力変化は、動力ロスの大きい図４（ａ）から動力ロスの小さい図４（ｂ）のように変化し、可変Ｖｉ弁を駆動する第１シリンダー室２０ａと２０ｂとの差圧も小さくなるため、動力ロスの小さい状態で運転が継続される。
なお、可変Ｖｉ弁８の内面吐出側端部８ｄの歯溝内圧取り出し穴１４より取り出される歯溝内圧は図４（ａ）の白抜き矢印のように検出範囲があり、歯溝内圧取り出し穴１４の穴径や位置によって調整可能である。
これらのことから、不足圧縮による動力ロスが小さくなる運転が可能となり、スクリュー圧縮機の効率を向上させることができる。
【００２７】
（ｉｉ）過圧縮状態からの動作
図５に過圧縮状態からの動作説明図を示す。図５において、（ａ）は圧力バランス前の圧縮室内の圧力変化、（ｂ）は圧力バランス後の圧縮室内の圧力変化、（ｃ）は（ａ）の状態における内部容積比可変機構に作用する圧力と内部容積比可変機構の駆動方向を示す図である。なお、図５（ａ）、（ｂ）において、横軸は冷媒ガスの容積（Ｖ）、縦軸は冷媒ガスの圧力（Ｐ）を示す。
図５（ａ）に示すように低圧縮比運転時の場合には、逆に冷媒ガスの吐出が開始する前に歯溝内圧力が既に吐出圧力を超えており、過圧縮状態となっている。このように、過圧縮状態では吐出が開始される前に既に歯溝内圧力が吐出圧力を超えているため、余分な圧縮仕事がなされており、それにより動力ロスが発生する。また、可変Ｖｉ弁８の内面吐出側端部８ｄの歯溝内圧取り出し穴１４より取り出される歯溝内圧は図５（ａ）に示すような圧力検出範囲を有している。このような状態から吐出圧力と吐出開始前後の歯溝内圧との関係は吐出圧力が吐出開始前後の歯溝内圧より低くなることにより、第１シリンダー室２０ａ、２０ｂでは可変Ｖｉ弁（図５（ｃ）中右）方向へ荷重が作用することとなり、第１、第２ピストンおよび可変Ｖｉ弁８は可変Ｖｉ弁（図５（ｃ）中右）方向すなわち内部容積比が小さくなる方向へ移動することとなる。そして、可変Ｖｉ弁８が可変Ｖｉ弁（図５（ｃ）中右）方向すなわち内部容積比が小さくなる方向へ移動することにより、吐出口７が開くタイミングが早くなるため、吐出開始前後の歯溝内圧は低下する。このとき、不足圧縮状態の場合と同様、第２シリンダー室内に設けられている第２ピストン１７に作用する荷重と可変Ｖｉ弁８に作用する荷重とはどちらも吐出圧力と吸入圧力との差圧となるため、相殺されている。これらのことから可変Ｖｉ弁８は図５（ｂ）に示すような歯溝内圧と吐出圧力との差圧が小さい位置すなわち最適Ｖｉ値となる位置まで移動する。そのため、過圧縮による動力ロスが小さくなる運転が可能となり、スクリュー圧縮機の効率を向上させることができる。
【００２８】
図６は内部容積比可変機構を低段、高段それぞれに設けた際の概要図である。
低段可変Ｖｉ弁８Ｌに連結する駆動装置１０Ｌの圧力は吸入圧力、中間圧力（低段吐出圧力）、低段歯溝圧力で構成し、第１シリンダー室２０ａＬには中間圧力（低段吐出圧力）を、第１シリンダー室２０ｂＬには低段歯溝内圧取り出し穴から取り出された低段歯溝圧力を、第２シリンダー室２１ａＬには中間圧力（低段吐出圧力）を、第２シリンダー室２１ｂＬには吸入圧力を、それぞれこの順で各シリンダー室に導入する。
一方、高段可変Ｖｉ弁８Ｈに連結する駆動装置１０Ｈの圧力は中間圧力（高段吸入圧力）、吐出圧力、高段歯溝圧力で構成し、第１シリンダー室２０ａＨには吐出圧力を、第１シリンダー室２０ｂＨには高段歯溝内圧取り出し穴から取り出された高段歯溝圧力を、第２シリンダー室２１ａＨには吐出圧力を、第２シリンダー室２１ｂＨには中間圧力（高段吸入圧力）を、それぞれこの順で各シリンダー室に導入する。
【００２９】
図７は二段スクリュー圧縮機における過圧縮状態でのｐ−ｖ線図およびピストン荷重を示す図である。図７において、（ａ）は圧力バランス前の圧縮室内の圧力変化、（ｂ）は圧力バランス後の圧縮室内の圧力変化、（ｃ）は（ａ）の状態における低段内部容積比可変機構に作用する圧力と低段内部容積比可変機構の駆動方向を示す図、（ｄ）は（ａ）の状態における低段内部容積比可変機構に作用する圧力と低段内部容積比可変機構の駆動方向を示す図である。なお、図７（ａ）、（ｂ）において、横軸は冷媒ガスの容積（Ｖ）、縦軸は冷媒ガスの圧力（Ｐ）を示す。
【００３０】
図７に示すように、低段および高段それぞれに可変Ｖｉ弁８および駆動装置１０を設けることで、低段、高段それぞれの差圧、圧力バランスにより最適Ｖｉとなる位置まで低段可変Ｖｉ弁８Ｌおよび高段可変Ｖｉ弁８Ｈが移動するため、動力ロスを低減することができる。すなわち、低段内部容積比可変機構においては、低圧縮比運転時の場合、冷媒ガスの吐出開始前に低段歯溝内圧力が中間圧力を超えており、過圧縮状態となっているため、余分な圧縮仕事がなされており、それにより動力ロスが発生する。このような状態から中間圧力と吐出開始前後の低段歯溝内圧との関係は中間圧力が吐出開始前後の低段歯溝内圧より低くなることにより、第１シリンダー室２０ａ、２０ｂでは低段可変Ｖｉ弁（図７（ｃ）中右）方向へ荷重が作用することとなり、ピストンおよび低段可変Ｖｉ弁８Ｌは低段可変Ｖｉ弁（図７（ｃ）中右）方向すなわち内部容積比が小さくなる方向へ移動することとなる。そして、低段可変Ｖｉ弁８Ｌが低段可変Ｖｉ弁（図７（ｃ）中右）方向すなわち内部容積比が小さくなる方向へ移動することにより、吐出口７が開くタイミングが早くなるため、吐出開始前後の低段歯溝内圧は低下する。このとき、第２ピストン１７に作用する荷重と低段可変Ｖｉ弁８Ｌに作用する荷重とはどちらも中間圧力と吸入圧力との差圧となるため、相殺されている。これらのことから低段可変Ｖｉ弁８Ｌは図７（ｂ）に示すような低段歯溝内圧と中間圧力との差圧が小さい位置すなわち最適Ｖｉ値となる位置まで移動する。
【００３１】
高段内部容積比可変機構においては、低圧縮比運転時の場合、冷媒ガスの吐出開始前に高段歯溝内圧力が吐出圧力を超えており、過圧縮状態となっている。したがって、このような状態から吐出圧力と吐出開始前後の高段歯溝内圧との関係は吐出圧力が吐出開始前後の高段歯溝内圧より低くなることにより、第１シリンダー室２０ａ、２０ｂでは高段可変Ｖｉ弁（図７（ｄ）中右）方向へ荷重が作用することとなり、第１、第２ピストンおよび高段可変Ｖｉ弁８Ｈは高段可変Ｖｉ弁（図７（ｄ）中右）方向すなわち内部容積比が小さくなる方向へ移動することとなる。そして、高段可変Ｖｉ弁８Ｈが高段可変Ｖｉ弁（図７（ｄ）中右）方向すなわち内部容積比が小さくなる方向へ移動することにより、吐出口７が開くタイミングが早くなるため、吐出開始前後の高段歯溝内圧は低下する。このときもまた、第２ピストン１７に作用する荷重と高段可変Ｖｉ弁８Ｈに作用する荷重とはどちらも吐出圧力と中間圧力の差圧となるため、相殺されている。
【００３２】
以上により、低段、高段それぞれの内部容積比可変機構における差圧、圧力バランスにより最適Ｖｉ値となる位置まで低段可変Ｖｉ弁８Ｌおよび高段可変Ｖｉ弁８Ｈが移動するため、動力ロスを低減することができ、スクリュー圧縮機の効率を向上させることができる。
【００３３】
また、二段スクリュー圧縮機における不足圧縮状態からの動作については図示していないが、図４に準じて低段および高段それぞれに可変Ｖｉ弁８および駆動装置１０を設けることで、低段、高段それぞれの内部容積比可変機構における差圧、圧力バランスにより最適Ｖｉ値となる位置まで低段可変Ｖｉ弁８Ｌおよび高段可変Ｖｉ弁８Ｈが移動するため、動力ロスを低減することができ、スクリュー圧縮機の効率を向上させることができる。
【００３４】
また、運転条件（運転圧力比）によっては、低段は不足圧縮状態、高段は過圧縮状態となる場合や、逆に低段は過圧縮状態、高段は不足圧縮状態となる場合があり、この実施の形態１に係る二段スクリュー圧縮機は、どのような運転条件（運転圧力比）にも好適に対応することができる。
【００３５】
以上のように本実施の形態１によれば、可変Ｖｉ弁に作用する荷重を圧力バランスにより相殺させる（機能をもつ）第２シリンダー室および第２ピストンを設けるとともに、可変Ｖｉ弁に設けた歯溝内圧取り出し穴からの歯溝内圧と吐出圧力との差圧を利用して可変Ｖｉ弁８を最適な位置へ自動的に移動・調整する機能をもつ第１シリンダー室および第１ピストンからなる駆動装置を低段および高段に設けることで、特別な装置を必要とせず、簡素で安価な機構で高効率な二段スクリュー圧縮機を得ることができる。
【００３６】
実施の形態２．
図８は本発明の実施の形態２に係る二段スクリュー圧縮機の概略構成図である。
上記の実施の形態１では可変Ｖｉ弁８の軸方向移動を各圧力の差圧およびバランスにより自動的に制御する駆動装置１０を設ける構成を示したが、この実施の形態２では可変Ｖｉ弁８の内面吐出側端部８ｄ近傍に設けた歯溝内圧取り出し穴１４より検出された歯溝内圧を参照し、内部容積比可変機構を構成する駆動装置３１により可変Ｖｉ弁８を軸方向へ駆動するとともに、この駆動装置３１および可変Ｖｉ弁８の位置を制御する内部容積比制御装置３２を設ける構成とするものである。ここで、低段および高段の構成品については、低段の構成品をＬ、高段の構成品をＨにて図示中に示す。
【００３７】
実施の形態２において、可変Ｖｉ弁８は、ロッド９により駆動装置３１に連結されて軸方向に移動する。この駆動装置３１は、例えばシリンダー３３内に設けられたピストン３４と、ピストン３４及び可変Ｖｉ弁８に連結されたロッド９とを備えている。したがって、ピストン３４の軸方向への移動に応じて、可変Ｖｉ弁８が移動し、可変Ｖｉ弁８によって形成されている吐出口７が移動することで内部容積比Ｖｉを連続的に変化させることができる。
【００３８】
また、歯溝内圧取り出し穴１４から取り出された歯溝内圧は、図８に示すように、内部容積比制御装置３２に導かれる。つまり、内部容積比制御装置３２が歯溝内圧取り出し穴１４を通じて吐出開始前後の歯溝内圧を検出する。そして、この内部容積比制御装置３２は、検出された歯溝内圧が運転条件（運転圧力比）に対応する最適な値となるように流体の供給量を制御し、上記駆動装置３１のピストン３４前後のシリンダー室３５ａ、３５ｂに供給し、可変Ｖｉ弁８を軸方向に最適な位置へ移動制御するのである。
【００３９】
以上のように本実施の形態２によれば、可変Ｖｉ弁８の内面吐出側端部８ｄ近傍に設けた歯溝内圧取り出し穴１４より取り出された歯溝内圧を参照し、内部容積比制御装置３２にて駆動装置３１のシリンダー室３５ａ、３５ｂへ供給する流体の供給量を制御することなどにより、可変Ｖｉ弁８の軸方向移動、すなわち内部容積比を制御し、簡易な構造で動力ロスを低減してスクリュー圧縮機の性能を向上させることができる。
【００４０】
実施の形態３．
図９は本発明の実施の形態３に係る二段スクリュー圧縮機の概略構成図である。
駆動装置４１は、内部容積比可変機構の一部を構成するものであり、シリンダー４２内の空間を隔てるピストン４３によりシリンダー室４４ａ、４４ｂが形成される。また、シリンダー室４４ａにはピストン４３をシリンダー室４４ｂの方へ押圧するように付勢するバネ４５を設け、ピストン４３は可変Ｖｉ弁８とロッド９にて連結する構成となっている。また、駆動装置４１に連通する連通路２２に圧縮部吸込み前の空間（低段側では吸入圧力室、高段側では中間圧室１３をいう）に連通する連通路４６を設け、さらにこの連通路４６の途中に電磁弁４７を設ける構成とする。
【００４１】
上記の実施の形態１では可変Ｖｉ弁８の軸方向移動を各圧力の差圧およびバランスにより自動的に制御する駆動装置１０を設ける構成を示したが、この実施の形態３では、バネ４５によるバネ力、電磁弁４７の開閉操作による歯溝圧力の経路変更により、可変Ｖｉ弁８の軸方向への移動を段階的に制御するのである。
【００４２】
図１０は、本発明の実施形態３に係る二段スクリュー圧縮機のピストン荷重を示す図である。
シリンダー４２のシリンダー室４４ａには、吐出室６の圧力を導入し、ピストン４３を隔てたシリンダー室４４ｂには連通路２２からの圧力を導入する。
電磁弁４７が閉じた際、歯溝圧力はシリンダー室４４ｂのみに導入するため、シリンダー室４４ｂ側からピストン４３にかかる荷重（歯溝内圧）の方が、シリンダー室４４ａ側からピストン４３にかかる荷重（吸入圧力＋バネ力）より大きく、可変Ｖｉ弁８は反駆動装置４１側（破線矢印の方向）に移動する。
一方、電磁弁４７が開いた際には、歯溝圧力はシリンダー室４４ｂおよび吸込み側に導入するため、シリンダー室４４ｂは低段では吸入圧力室に、高段では中間圧室１３と連通し、シリンダー室４４ｂ側からピストン４３にかかる荷重（歯溝内圧）より、シリンダー室４４ａ側からピストン４３にかかる荷重（吸入圧力＋バネ力）の方が大きく、可変Ｖｉ弁８は駆動装置４１側（破線矢印の方向）に移動する。
【００４３】
以上のように本実施の形態３によれば、バネ４５によるバネ力、電磁弁４７の開閉操作による歯溝圧力経路の変更により、駆動装置４１のシリンダー室４４ｂへ歯溝圧力を制御することなどにより、可変Ｖｉ弁８の軸方向移動、すなわち内部容積比を制御し、簡易な構造で動力ロスを低減してスクリュー圧縮機の性能を向上させることができる。
【００４４】
実施の形態４．
以上に説明した実施の形態１、２、３において、可変Ｖｉ弁８の内面吐出端部８ｄ近傍の穴より取り出された圧力は圧縮ガスの歯溝内圧であるため、図４、図５、図７に示されるように検出範囲内で圧力変化があること、また、歯溝間を跨ぐ際にも圧力変化が発生するため、圧力脈動が発生し、この圧力脈動が可変Ｖｉ弁８の駆動へ微小な振動などの影響を与える場合がある。したがって、この圧力脈動がピストン１６、１７、３４、４３などの内部容積比駆動装置へ伝播することを低減する必要があり、そのためには、可変Ｖｉ弁８の歯溝内圧取り出し穴１４より取り出された圧力の経路内に絞り機構（図示せず）を設ける構成とする。これにより、可変Ｖｉ弁８の歯溝内圧取り出し穴１４より取り出された圧力の検出時に発生する圧力脈動を低減でき、精度良く内部容積比を制御することが可能となり、より安定したスクリュー圧縮機の性能向上が可能となる。
【００４５】
また、低段可変Ｖｉ弁８Ｌに連結されたピストン１６Ｌ、１７Ｌ、３４Ｌ、４３Ｌは、図８に示すように可変Ｖｉ弁２個に対してピストン１個であってもよく、高段可変Ｖｉ弁８Ｈに示すように可変Ｖｉ弁１個に対してピストン１個であってもよく、可変Ｖｉ弁８に対するピストンの個数は限定しないものとする。
【００４６】
さらに、ピストン１６、１７、３４、４３およびピストン隔壁１８の外周、内周にシール部材１９を設けることで、シリンダー室間のガス漏れを防止し、各シリンダー室内の圧力を正確に保持することができ、精度良く可変Ｖｉ弁８を駆動させることができる。
【００４７】
また、内部容積比可変機構は油圧シリンダーであってもよく、検出された歯溝内圧に基づいて可変Ｖｉ弁８の位置を制御する位置制御機能を持つモーターであってもよい。
【００４８】
また、モーター２の回転数をインバーター駆動により制御することで容量制御を実現することができる。
【００４９】
また、上記の実施の形態１〜４においては、歯溝内圧取り出し穴１４は低段および高段の可変Ｖｉ弁８のそれぞれに設けた場合を示したが、どちらか一方の段の可変Ｖｉ弁８に設けても良好な効果が得られるものである。
【符号の説明】
【００５０】
１  ケーシング本体、２  モーター、２ａ  ステーター、２ｂ  モーターローター、３、３Ｌ、３Ｈ  スクリューローター、４  スクリュー軸、５、５Ｌ、５Ｈ  圧縮室、６、６Ｌ、６Ｈ  吐出室、７、７Ｌ、７Ｈ  吐出口、８、８Ｌ、８Ｈ  可変Ｖｉ弁、８ａ  弁本体、８ｂ  ガイド部、８ｃ  連結部、８ｄ  内面吐出側端部、８ｅ  吐出口側端部、８ｆ  駆動装置側端部、８ｇ  隙間、９、９Ｌ、９Ｈ  ロッド、１０、１０Ｌ、１０Ｈ  駆動装置、１１  吸込み流路、１２  吐出流路、１３  中間圧室、１４、１４Ｌ、１４Ｈ  歯溝内圧取り出し穴、１５  シリンダー、１６、１６Ｌ、１６Ｈ  第１ピストン、１７、１７Ｌ、１７Ｈ  第２ピストン、１８、１８Ｌ、１８Ｈ  ピストン隔壁、１９、１９Ｌ、１９Ｈ  シール部材、２０、２０ａ、２０ｂ  第１シリンダー室、２１、２１ａ、２１ｂ  第２シリンダー室、２２、２２Ｌ、２２Ｈ  連通路、２３、２３Ｌ、２３Ｈ  凹部、１２０ａ、１２０ｂ、１２１ａ、１２１ｂ  圧力導入孔、３１、３１Ｌ、３１Ｈ  駆動装置、３２、３２Ｌ、３２Ｈ  内部容積比制御装置、３３、３３Ｌ、３３Ｈ  シリンダー、３４、３４Ｌ、３４Ｈ  ピストン、３５、３５Ｌ、３５Ｈ  シリンダー室、４１、４１Ｌ、４１Ｈ  駆動装置、４２、４２Ｌ、４２Ｈ  シリンダー、４３、４３Ｌ、４３Ｈ  ピストン、４４、４４Ｌ、４４Ｈ  シリンダー室、４５、４５Ｌ、４５Ｈ  バネ、４６、４６Ｌ、４６Ｈ  連通路、４７、４７Ｌ、４７Ｈ  電磁弁。
【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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【図６】
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【図７】
2013092091.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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