(57)【要約】本発明は、作動空間に作動流体がなく囲繞圧縮機筐体(8)に２枚歯付き軸回転子(2)および３枚歯付き軸回転子(3)が設けられて、好適には２つの軸回転子の回転軸が非平行であって、とくに圧縮冷凍機に使用される軸流圧縮機に関する。適応的な出力調整を得る一方で効率を向上させるために、本発明によると、多段軸流圧縮機(1)を冷媒圧縮機として使用することが提案され、圧縮機筐体(8)および軸回転子(2および3)は、冷媒主流回路(24)から供される冷媒(39)の部分流分岐(25)を通して冷却され、圧縮機筐体(8)は制御されたやり方で冷媒蒸発(9)によって冷却され、冷媒蒸気はその後に入口(10)に供給され、また出力調整用に、入口供給部(11)の他に作動空間への入口後方供給部(12)が、また出口空間(13)からの出口排出部(14)の他に出口前方排出部(15)が、それぞれ専用の調整装置と共に設けられている。
2017518463.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒(39)が配置された冷媒主流回路(24)と、２軸回転圧縮機として構成され、その作動空間で作動流体がなく気体状供給媒体を搬送および圧縮する軸流圧縮機とを有し、該軸流圧縮機は２枚歯付き軸回転子(2)、３枚歯付き軸回転子(3)、および圧縮機筐体(8)を有し、該圧縮機筐体は、前記軸回転子(2、3)を囲繞するとともに、入口空間(10)および出口集合空間(13)を有する圧縮冷凍機において、
前記軸流圧縮機(1)は多段軸流圧縮機(1)であり、前記冷媒主流回路(24)は部分流分岐(25)を有し、前記圧縮機筐体(8)および前記軸回転子(2および3)は、前記部分流分岐(25)を介して前記冷媒主流回路(24)から供給される液体冷媒(39)により冷却されることを特徴とする圧縮冷凍機。
【請求項２】
冷媒の蒸発(9)により圧縮熱が前記圧縮機筐体(8)から消散され、液体冷媒が調整装置(18)を介して部分流分岐(25)により筐体冷媒蒸発システム(9)に送られ、開口部(19)を介して前記筐体冷媒蒸発システム(9)から漏れ出る冷媒蒸気が集合空間(20)に到達し、次に該冷媒蒸気は調整装置(18)が配設されている通路(21)を通って前記軸流圧縮機(1)の前記入口空間(10)に流入することを特徴とする請求項１に記載の軸流圧縮機を有する圧縮冷凍機。
【請求項３】
前記軸回転子(2および3) はそれぞれ大きな冷却内腔を有し、該軸回転子の状態（例えば直径および回転速度）に応じて、選択された冷媒の特性および熱伝達量(32および33)がそれぞれに供給された冷媒の蒸発に十分である場合、圧縮熱は、それぞれの場合において前記軸回転子(2および3)からそれぞれの冷却内腔内で冷媒蒸発(6および7)によって消散され、前記液体冷媒はとくに部分流分岐(25)によって、またそれぞれの調整装置(16および17)によって各軸回転子冷却内腔に送られることにより、それぞれの回転子冷媒蒸発(6および7)が行われ、調整装置(18)を備えた各開口部(22および23)を通してそれぞれの回転子冷媒蒸発(6および7)で漏れ出る前記冷媒蒸気は、前記入口空間(10)に送られることを特徴とする請求項１および２に記載の軸流圧縮機を有する圧縮冷凍機。
【請求項４】
前記２つの回転子(2および3)の回転軸は互いに非平行に延伸していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の軸流圧縮機を有する圧縮冷凍機。
【請求項５】
前記軸回転子の状態（例えば直径および回転速度）に応じて、前記選択された冷媒の特性および熱伝達量(32および33)がそれぞれに供給された冷媒の蒸発に不十分である場合、圧縮熱は、それぞれの場合において大きな冷却内腔の前記軸回転子(2および3)から、ドイツ知的所有権第10 2013 009 040号よる公知の熱交換器である液体冷媒を介して消散され、次に該液体冷媒は、例えばドイツ知的所有権第10 2013 009 040号によるピトー管ポンプによって各スピンドルモータから運び出され、本発明の方法により新規のやり方で前記圧縮機筐体の冷却システム(9)に送られ、さらに請求項２による方法で、該軸流圧縮機(1)の入口空間(10)にも到達することを特徴とする請求項１および２に記載の軸流圧縮機。
【請求項６】
特定用途向けとして前記回転子冷却システム(6)および(7)用に、請求項４に記載の熱交換器および請求項２に記載の蒸発器を混合形式として組み合わせて協働させることを特徴とする請求項１および２および４に記載の軸流圧縮機。
【請求項７】
前記軸流圧縮機構成要素(2および3ならびに8)の前記冷却システム(6および7ならびに9)は、それぞれの場合において、とくに圧力レベルおよび流量に応じてそれぞれの装置調整装置(16)、(17)、(18.1または18.2)、(21)、(22)および(23)によって使用することにより、前記軸回転子(2および3)間および圧縮機筐体(8)に対する間隙長がどのような作動状態においても所望の限度内で不変に維持されることを特徴とする前記請求項に記載の軸流圧縮機。
【請求項８】
前記回転子軸の長手方向において、前記入口空間(10)への前記入口供給部(11)の他に前記作動空間への入口後方供給部(12)が、また前記出口空間(13)からの前記出口排出部(14)の他に出口前方排出部(15)が存在し、該入口供給部(11および12)および該出口排出部(14および15)にはいずれも、それぞれ専用の調整装置が設けられて、実際に搬送される冷媒は、とくに該個々の入口供給部(11および12)および出口排出部(14および15)の結果としての部分流量を含む任意の組合せにより、とくに流量および圧力上昇の両方に対してそれぞれの作動状態に対応する出力調整について調整可能となることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の軸流圧縮機。
【請求項９】
調整装置(41)による様々な作動状況に応じた出力調整を行うために、前記作動空間への液体媒体の注入(40)も行われ、および／または周波数変換器(38)を用いて前記軸流圧縮機の前記駆動モータを駆動して回転速度を変化させて特定の出力調整を行うオプションが提供されることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の軸流圧縮機。
【請求項１０】
回転子内部を冷却する前記回転子内腔面は、滞留凹部(34)およびオーバーフロー斜面(35)を設けて熱伝達が向上するように構成され、該凹部および斜面は回転子軸長手方向における熱伝達条件に応じて様々な寸法で構成することにより、前記冷媒の熱吸収に適したそれぞれの保持時間と前記冷却内腔面全体への該冷媒の広範な分布の両方を実現できることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の軸流圧縮機。
【請求項１１】
前記冷媒によって濡れた前記回転子内腔の表面は、「円滑でない」という意味で粗く、溝および畝が走っていて、ねじ状に構成され、該冷媒によって濡れる熱伝達面が広くなり、とりわけ該冷媒の流れの動きを操作できることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の軸流圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【詳細な説明】
【０００１】
従来技術
ドライコンプレッサは産業用圧縮機技術においてますます重要になってきている。その理由は、環境規制に関する義務の拡大、運用コストおよび廃棄コストの上昇、ならびに供給媒体の純度に関する要求条件が厳しくなり、例えば液体リング式機械、回転翼型ポンプ、および油または水注入型スクリューコンプレッサなどの公知のウエットコンプレッサがドライコンプレッサに置き換えられる頻度が高まっているためである。ドライスクリューコンプレッサ、クローポンプ、ダイヤフラムポンプ、ピストンポンプ、スクロールマシン、ならびにルーツポンプは、いずれもドライコンプレッサである。しかし、これらの機械に共通して言えることは、依然として信頼性および耐久性について、さらには低価格であるのと同時に十分に効率のよい構造寸法および重量などについて、現今の要求条件を満たしていないことである。
【０００２】
公知の乾式圧縮型軸流圧縮機はこのような状況の改善策の１つのオプションであるが、その理由は、一般的な２軸往復型機械として、非常に簡単な方法で圧縮機回転子あたり一定数の外被を介して複数の密閉型作動室を直列に配置し、いわゆる「送りねじ」として必要な多段構成を実現するだけで高い圧縮能力を提供するものであり、作動空間内に作動流体を必要としない。さらに、２つの互いに逆方向に回転する軸回転子が非接触回転することにより、回転子の高い回転速度が得られるため、構造寸法に対する定格吸引能力および体積効率を同時に向上できる。この場合、乾式圧縮スピンドルマシンは真空中だけでなく過圧力条件下の両方で使用可能であり、過圧力条件下での出力条件は、最終圧力が２バール (絶対圧力) よりはるかに大きく最大15バールにも達する過圧力範囲において大きい圧力差を克服する必要があるため、当然のことながらかなり大きい。
【０００３】
乾式圧縮軸流圧縮機に関しては、ドイツ知的財産権第10 2013 009 040.7号において、非平行型２軸回転軸によって内部圧縮比を高めて段数を多くする一方で、同時に、送出ガスの入口側と出口側の間で直列接続された複数の作動室間の内部漏れを最小限に抑える方法を記載している。圧縮冷凍機の場合、この出力範囲の圧縮技術は今日でもスクリューコンプレッサが大半を占めており、スクリューコンプレッサは作動空間に作動流体を必要とし、所望の出力調整は、複雑な調整用摺動弁によって行うことが最多である。さらに、より高い回路作動圧を得るために、往々にして、２台の直列連結された圧縮機が必要となる上に、効率はほどほどに満足のゆく程度でしかない。
【０００４】
この状況には改善の余地がある。
【０００５】
本発明は、作動空間内に作動流体を有さず、効率を改善すると同時に、高い回路圧においても高い信頼性が得られ、圧縮機は１台のみ使用し、同時に非常に適応性があり簡単な出力調整を行うのに加え、少なくとも部分的に密閉された構造であるとともに騒音を極力低減させた圧縮冷凍機の冷媒圧縮機を稼働させることを目的とする。
【０００６】
本発明によると、上記目的は多段軸流圧縮機として構成された冷媒圧縮機(1)によって達成可能である。すなわち、本圧縮機は、好適には、非平行回転軸を備え、作動空間に作動流体がなく、気体状冷媒を入口(10)から出口集合空間(13)まで搬送して圧縮するものであり、軸回転子(2)および(3)、ならびに囲繞圧縮機筐体(8)はとくに別々の冷媒蒸発器(6)および(7)によってその都度冷却され、また圧力レベルおよび流量に対して液体媒体の部分流分岐(25)を介して調整装置(16)、(17)、(18.1または18.2)、(21)、(22)および(23)によってそれぞれ調整されることにより、軸回転子(2および3)間および圧縮機筐体(8)に対する間隙長がどのような動作状態においても所望の限度内で不変に維持され、回路作動圧のレベルは、入口(10)および出口(13)間の圧縮機作動空間の２枚歯付き回転子(2)および３枚歯付き回転子(3)間に直列連結された作動室として構成された複数の段を介して実現され、また圧縮機出力の調整は、要求条件に対応する適応性が高く、回転子軸長手方向において、入口(10)への供給部(11)の他に作動空間への入口後方供給部(12)によって、また出口集合空間(13)からの出口排出部(14)の他に出口前方排出部(15)によって行われ、入口供給部(11および12)および出口排出部(14および15)のいずれもそれぞれ専用の調整装置が設けられて、実際に搬送される冷媒は、特に個々の入口供給部(11および12)および出口排出部(14および15)の結果としての部分流量を含む任意の組合せにより、体積流量および圧力上昇の両方に対して調整可能であり、また、独立した調整装置(41)を用いて液体媒体を注入(40)して出力を調整し、加えて、任意で軸流圧縮機の駆動モータを周波数変換器(38)によって駆動して回転速度を変化させ、特定の出力調整を行うことも任意で提案され、さらには、それぞれの回転子内部冷却システムに対する冷媒(39)の特性ならびに／または熱伝達量(32)および(33)が冷媒を蒸発させるのに不十分な用途に対しては、本発明に基づいて、その場合、それぞれの回転子内部冷却システム(6)および(7)を、液体冷媒に関するドイツ知的財産権第10 2013 009 040.7号に従って熱交換器として構成し、次に例えばドイツ知的財産権第10 2013 009 040.7号によるピトー管ポンプによって当該液体冷媒を軸回転子ごとに搬送し、その後、本発明に基づいて新規の方法で圧縮機筐体の蒸発冷却システム(9)に送り、その場合、用途に応じて、回転子冷却システム(6)および(7)について熱交換器と蒸発器との混合形態をとることも可能であり、さらに、本発明に基づき、回転子内部の冷却を行う回転子内腔面を構成して滞留凹部(34)およびオーバーフロー斜面(35)を設けて熱伝達を改善することが提案され、これらは、回転子軸長手方向における各熱伝達条件に対応して異なる寸法に構成され、また液体冷媒によって濡れた回転子内腔の表面は「平滑でない」という意味で粗く、溝や畝が走っていて、ねじ状に構成されていてもよい。
【０００７】
圧縮冷凍機の圧縮機に関する先行技術との比較において、本発明の上記の特徴は以下の発明の利点によって急進展をとげるものである。
１）このように、圧縮機の効率の度合いが多段圧縮時の効率的な熱発散によって改善される。
２）圧縮時の効率的な熱発散は冷媒を使用して得られ、しかもそれはいずれにしても存在するものであるため、圧縮機には独立型の冷凍装置を必要としない。
３）さらに、軸流圧縮機は作動空間に圧縮機自体の作動流体がなくても作動するが、比較されるスクリューコンプレッサでは作動空間に作動流体として油を必要とすることから、本技術は従来技術と比較して著しく改善されている。
４）同時に、軸流圧縮機は多段構成であることから、単一の機械で望ましい圧縮比を達成できるため、従来技術に比べると、従来２台の圧縮機が必要となる高い圧縮比であっても、圧縮機を２台設ける必要がない。
５）同時に、圧縮機の信頼性および寿命が向上するが、その理由は、半径方向力および軸方向力がより小さいため軸流圧縮機の軸受負荷がより少なく、軸受の信頼性と寿命に即座に良い影響をもたらすため、結果として、圧縮機、ひいては冷凍機全体に良い影響をもたらす。
６）所望の出力調整を行うのに従来必要とされた複雑で不安定な調整用摺動弁をなくすことも可能であり、その理由は、この構成では、本発明による軸流圧縮機を使用して、入口以降出口まで実質的にあらゆる体積流量および圧力段階を実現できるからである。
７）提案された構成により、軸流圧縮機を密閉型機械として直接的且つ熱力学的に常に安全を期して実現できる。
８）段数の多い複数段構成であるため、出口における圧力変動は現今のスクリューコンプレッサに比べてはるかに小さく、そのため軸流圧縮機は騒音がかなり少ない。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
本発明について、以下の図を用いてさらに詳細に述べる。
【図１】本発明の一例として、作業機械として軸流圧縮機を備えた圧縮冷凍機の冷凍回路を概略的に示す図である。
【図２】本発明の一例として、図１に示した圧縮冷凍機の回路における核心構成要素としての軸流圧縮機の断面図を示す。
【図３】本発明の一例として、後述の滞留凹部(34)およびオーバーフロー斜面(35)の実現可能な構成例に関し、冷媒による回転子内部の冷却の詳細な構造の拡大図を示す。
【発明の詳細な説明】
【０００９】
図１の例においては、様々な相状態を含む冷媒の流れ方向を描いている。圧縮機構成要素、すなわち軸回転子ペアおよび圧縮機筐体を効率的に冷却する本発明による液体冷媒の分岐部も、明確に記載されている。さらに、所望の出力調整を行う様々な入口後方供給部(12)および出口前方排出部(15)を示し、本構成によれば、これらと対応の調整装置による入口供給部(11)および出口排出部(14)との任意の組合せによって、実質的にあらゆる体積流量および圧力値で調整が可能となる。
【００１０】
軸流圧縮機(1)は本図では単に概略的に示し、その構造の一例を次の図２に示す。
【００１１】
図２については、これまでの説明においてすでに十分な情報を提供しているため、本例ではこれ以上繰り返す必要がないことは明らかであろう。
【００１２】
図３において、滞留凹部(34)およびオーバーフロー斜面(35)は、一方では冷媒への熱伝達を最適な方法で行い、他方では回転子軸方向の冷却内腔面内での冷媒の効率のよい配分を実現するように構成すべきである。さらに、冷媒への熱伝達は当該内腔面の構成に大きく影響されるものであり、本例では、内腔面は例として鋸歯状線で示すことで、冷媒によって濡れた回転子内腔の表面が「平滑でない」という意味で粗く、溝や畝が走っている状態を表し、また例えば雌ねじとして表す。
【００１３】
軸流圧縮機は、作動流体のない作動空間、囲繞圧縮機筐体(8)に設けられた２枚歯付き軸回転子(2)、および３枚歯付き軸回転子(3)を備え、好適には２本の軸回転子の回転軸が非平行であり、特に圧縮冷凍機に使用されるものである。効率を改善しつつ適応的な出力調整を提供するために、本発明では、１台の多段軸流圧縮機(1)を冷媒圧縮機として使用することを提案し、圧縮機筐体(8)および軸回転子(２および３)は、冷媒主流回路(24)からの冷媒(39)の部分流分岐(25)によって冷却され、圧縮機筐体(8)は制御されたやり方で冷媒蒸発(9)によって冷却され、冷媒蒸気はその後入口(10)に供給され、さらに出力調整用に、入口供給部(11)の他に作動空間への入口後方供給部(12)を、また出口空間(13)からの出口排出部(14)の他に出口前方排出部(15)を設け、それぞれに専用の調整装置を設けることを提案する。
【符号の説明】
【００１４】
１．多段軸流圧縮機、好適には複数の非平行軸回転子の回転軸を有する
２．２枚歯付き軸回転子
３．３枚歯付き軸回転子
４．両軸端回転子軸受、作動空間軸封止部、冷却流体供給部および同期歯車を備えた２枚歯付き軸回転子(2)の支持軸
５．両軸端回転子軸受、作動空間軸封止部、冷却流体供給部および同期歯車を備えた３枚歯付き軸回転子(3)の支持軸
６．２枚歯付き軸回転子(2)の回転子内部冷却システム、好適には、軸回転子の状態（例えば直径および回転速度）に基づいて選択された冷媒の特性および熱伝達量(32)が２枚歯付き軸回転子(2)の冷却内腔における冷媒の蒸発に十分である場合に冷媒蒸発器として機能する、
その他の場合には、２枚歯付き軸回転子(2)の回転子内部冷却システム(6)はドイツ知的財産権第10 2013 009 040.7号に基づいて熱交換器として構成されるか、もしくは
特定用途において、蒸発器および熱交換器の役割を同時に果たす混合形式で構成される
７．３枚歯付き軸回転子(3)の回転子内部冷却システム、好適には、軸回転子の状態（例えば直径および回転速度）に基づいて選択された冷媒の特性および熱伝達量(33)が３枚歯付き軸回転子(3)の冷却内腔における冷媒の蒸発に十分である場合に冷媒蒸発器として機能する、
その他の場合には、３枚歯付き軸回転子(3)の回転子内部冷却システム(7)はドイツ知的財産権第10 2013 009 040.7号に基づいて熱交換器として構成されるか、もしくは
特定用途において、蒸発器および熱交換器の役割を同時に果たす混合形式で構成される
８．ドイツ知的財産権第10 2012 011 823.6号と同様の封入金属板ジャケットを備えた圧縮機筐体
９．好適には表面にリブが設けられている圧縮機筐体の冷媒蒸発器冷却システム
１０．気体冷媒用の軸流圧縮機の入口集合空間
１１．気体冷媒用の調整装置付き入口供給部
１２．気体冷媒用の調整装置付き入口後方供給部
１３．気体冷媒用の軸流圧縮機の出口集合空間
１４．気体冷媒用の調整装置付き出口排出部
１５．気体冷媒用の調整装置付き出口前方排出部
１６．調整装置を備えた２枚歯付き回転子内部蒸発器冷却システムへの液体冷媒供給部
１７．調整装置を備えた３枚歯付き回転子内部蒸発器冷却システムへの液体冷媒供給部
１８．圧縮機筐体蒸発器冷却システムに液体冷媒供給部
１８．１  各小型冷媒軸流圧縮機用の共通調整装置
１８．１  大型冷媒軸流圧縮機用の個別調整装置
１９．圧縮機筐体冷却システム(9)の圧縮機筐体を封入する金属板ジャケットに設けられた蒸発器開口部
２０．外部に対して密閉された、蒸発した筐体冷媒の集合空間
２１．筐体の冷媒蒸気を通す調整装置付き通路
２２．２枚歯付き回転子内部の冷媒蒸気を通す調整装置付き通路
２３．３枚歯付き回転子内部の冷媒蒸気を通す調整装置付き通路
２４．冷媒の主流回路、流れ方向を例示
２５．軸流圧縮機冷却用の液体冷媒の分岐分流
２６．主流回路内の冷媒の凝縮器
２７．主流回路内の冷媒の蒸発器
２８．軸流圧縮機の駆動力
２９．筐体冷却システム(9)への熱伝達
３０．冷媒凝縮器(26)の熱放散
３１．冷媒蒸発器(27)の熱吸収
３２．２枚歯付き回転子内部冷却システム(6)への熱伝達
３３．３枚歯付き回転子内部冷却システム(7)への熱伝達
３４．回転子内部冷却用の液体冷媒の滞留凹部
３５．回転子を冷却するための滞留凹部(34)間に設けられたオーバーフロー斜面
３６．主流回路内の液体冷媒のスロットルとして機能する膨張弁
３７．軸流圧縮機構成要素を冷却する液体冷媒の分岐部
３８．駆動モータの周波数変換器
３９．冷媒回路内の２つの相状態を定常的に通過する冷媒
液体冷媒として  （閉じた六角形環の六角形ハッチングで示す）
気体冷媒として  （点状ハッチングで示す）
４０．圧縮機の作動空間に液体冷媒を注入
４１．圧縮機の作動空間への冷媒注入用調整装置
【図１】
2017518463.tif 000003
【図２】
2017518463.tif 000004
【図３】
2017518463.tif 000005
【国際調査報告】
2017518463.tif 000006
2017518463.tif 000007
2017518463.tif 000008
2017518463.tif 000009