JP2006234363A - スクリュ冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】騒音の低減、性能の向上を可能としたスクリュ冷凍装置を提供する。
【解決手段】スクリュ圧縮機１１、凝縮器１２、膨張弁１３及び蒸発器１４を含む冷媒循環流路Ｌ_１と、凝縮器１２と膨張弁１２との間の冷媒循環流路Ｌ_１の部分にて分岐し、可変絞り手段１５を経て、スクリュ圧縮機１１内のロータ室に通じるバイパス流路Ｌ_２とを備えたスクリュ冷凍装置１において、スクリュ圧縮機１１から吐出された冷媒ガスの温度を検出し、検出温度を示す温度信号を出力する温度検出器１６と、上記冷媒ガスの圧力を検出し、検出圧力を示す圧力信号を出力する圧力検出器１７と、予め使用冷媒に関する任意の圧力に対する飽和温度のデータが入力される一方、上記温度信号と上記圧力信号とを受け、上記検出圧力での冷媒ガスの飽和温度を求め、（上記検出温度−飽和温度）を１０℃以下にするとともに、＋０℃に近付けるように可変絞り手段１５の開度を調節するコントローラ１８とが設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、スクリュ圧縮機を用いたスクリュ冷凍装置に関するものである。

従来、スクリュ圧縮機を用いたスクリュ冷凍装置は公知である（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−２０５１９５号公報（段落［００２１］，［００２２］、図４）

特許文献１には、凝縮器と膨張弁との間の冷媒循環流路の部分にて分岐し、可変絞り手段を経て、スクリュ圧縮機内のロータ室に通じるバイパス流路と、上記スクリュ圧縮機と上記凝縮器との間における冷媒温度を検出し、検出温度に基づき上記可変絞り手段の開度を調節する吐出冷媒温度検出器とを設けたスクリュ冷凍装置が開示されている。さらに具体的には、上記開度は上記検出温度が高い場合には増大するように、逆に上記検出温度が低い場合には開度が縮小するように上記吐出冷媒温度検出器により調節される。このスクリュ冷凍装置によれば、油冷式圧縮機に要する油冷のための構造が不要となり、かつ冷凍負荷が変化した場合においても、上記スクリュ圧縮機の吐出温度が所望値に保たれる等の効果が得られる。

一般的に、高速回転部を備えた装置については、常に騒音の低減化が要求され、課題となっており、スクリュ冷凍装置に関しても、その例外ではない。
そのため、本願発明者は、種々の条件下でスクリュ冷凍機、なかでもスクリュ圧縮機の騒音発生について、実機テストを繰り返し、研究を続けてきた。その結果、スクリュ圧縮機から吐出された冷媒ガスの温度、即ち吐出温度が、この冷媒ガスの圧力、即ち吐出圧力での飽和温度よりも所定の温度、特には１０℃以上高くなるとスクリュ圧縮機の騒音が異常に高くなることが見出された。換言すれば、上記吐出温度を上記飽和温度に近付けることによりスクリュ圧縮機の騒音が小さくなり、これに伴いスクリュ圧縮機の性能も向上するという知見が得られた。

本発明は、上述した知見を実機に反映するという課題に基づきなされたもので、騒音の低減、性能の向上を可能としたスクリュ冷凍装置を提供しようとするものである。

上記課題を解決するために、第１発明は、スクリュ圧縮機、凝縮器、膨張弁及び蒸発器を含む冷媒循環流路と、上記凝縮器と上記膨張弁との間の上記冷媒循環流路の部分にて分岐し、可変絞り手段を経て、上記スクリュ圧縮機内のロータ室に通じるバイパス流路とを備えたスクリュ冷凍装置において、上記スクリュ圧縮機から吐出され、上記凝縮器に向かう冷媒ガスの温度を検出し、検出温度を示す温度信号を出力する温度検出器と、上記冷媒ガスの圧力を検出し、検出圧力を示す圧力信号を出力する圧力検出器と、予め使用冷媒に関する任意の圧力に対する飽和温度データが入力される一方、上記温度信号と上記圧力信号とを受け、上記検出圧力での冷媒ガスの飽和温度を求め、（上記検出温度−飽和温度）を所定の温度以下にするように上記可変絞り手段の開度を調節するコントローラとを設けた構成とした。

第２発明は、第１発明の構成に加えて、上記所定の温度が、１０℃である構成とした。

第３発明は、第１または第２発明の構成に加えて、上記コントローラが、（上記検出温度−飽和温度）を＋０℃に近付けるように上記可変絞り手段の開度を調節するものであるである構成とした。

本発明に係るスクリュ冷凍装置によれば、騒音の低減、所要動力の低減による性能の向上が可能になるという効果を奏する。

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は本発明に係るスクリュ冷凍装置１を示し、このスクリュ冷凍装置１には、スクリュ圧縮機１１、凝縮器１２、膨張弁１３及び蒸発器１４を含む冷媒循環流路Ｌ_１と、凝縮器１２と膨張弁１３との間の冷媒循環流路Ｌ_１の部分から分岐し、可変絞り手段１５を経て、上記ロータ室に通じるバイパス流路Ｌ_２とが設けられている。さらに、このスクリュ冷凍装置１には、温度検出器１６と圧力検出器１７とコントローラ１８とが設けられている。

スクリュ圧縮機１１は、図示しないロータ室内に回転可能に収容された互いに噛合う雌雄一対のスクリュロータを有している。

温度検出器１６は、スクリュ圧縮機１１の吐出側で、スクリュ圧縮機１１と凝縮器１２との間の冷媒循環流路Ｌ_１の部分に設けられている。そして、温度検出器１６によりスクリュ圧縮機１１から吐出され、凝縮器１２に向かう冷媒ガスの温度、即ち吐出温度が検出され、検出温度を示す温度信号が出力される。

圧力検出器１７は、スクリュ圧縮機１１の吐出側で、スクリュ圧縮機１１と凝縮器１２との間の冷媒循環流路Ｌ_１の部分に設けられている。そして、圧力検出器１７によりスクリュ圧縮機１１から吐出され、凝縮器１２に向かう冷媒ガスの圧力、即ち吐出圧力が検出され、検出圧力を示す圧力信号が出力される。

コントローラ１８は、温度検出器１６、圧力検出器１７のそれぞれと可変絞り手段１５との間に介設され、温度検出器１６からの温度信号と圧力検出器１７からの圧力信号とを受けている。また、コントローラ１８には、予め使用冷媒に関する任意の圧力に対する飽和温度のデータが入力され、以下に述べるようにコントローラ１８により可変絞り弁１５の制御が行われる。

次に、上記構成からなるスクリュ冷凍装置１の作動状況について説明する。
スクリュ圧縮機１１により吸込まれたガス状態の冷媒は、圧縮され、スクリュ圧縮機１１から凝縮器１２に吐出され、ここで低温熱源に熱を奪われ、冷却されて凝縮し、液状態で膨張弁１３に向かう。この液状態の冷媒の一部はバイパス流路Ｌ_２に分流し、残りの冷媒が膨張弁１３に導かれ、膨張弁１３を通過する過程で断熱膨張により一部を残して気化し、気液混合状態で蒸発器１４に至る。さらに、この冷媒は蒸発器１４を通過する過程で高温熱源から熱を奪い、これにより液状態の冷媒も蒸発し、ガス状態になった冷媒が蒸発器１４からスクリュ圧縮機１１に送り出され、吸込まれる。

一方、バイパス流路Ｌ_２に分流した液状態の冷媒は、凝縮器１２にて熱を奪われ、冷却されており、可変絞り手段１５を通過する過程で、部分的に気化し、気液混合状態、例えば液状態の冷媒が６０ＷＴ％、ガス状態の冷媒が４０ＷＴ％の状態となって、スクリュ圧縮機１１内のロータ室に導かれる。そして、この液状態の冷媒により、スクリュロータ間、スクリュロータとロータ室の内壁面との間のシール及び潤滑を行うとともに、液状態及びガス状態の冷媒により、特に液状態の冷媒が気化する際に周囲から気化熱を奪う作用によりロータ室内での圧縮作用に伴う昇温部を冷却する。やがて、バイパス流路Ｌ_２からの冷媒はロータ室内にて完全にガス状態になり、蒸発器１４からスクリュ圧縮機１１に吸込まれた冷媒とともに圧縮されて凝縮器１２に送り出され、このガス状態の冷媒は再度凝縮器１２を経て液状態になった後、膨張弁１３側と可変絞り手段１５側に分流し、以後、上記同様にして繰返し循環する。

ところで、このスクリュ冷凍装置１には、温度検出器１６、圧力検出器１７及びコントローラ１８が設けられており、このコントローラ１８により、圧力検出器１７による検出圧力での冷媒ガスの飽和温度が求められ、（上記検出温度−飽和温度）の温度差を１０℃以下にするとともに、＋０℃に近付けるように可変絞り手段１５に対してその開度を調節する制御信号が出力される。

ここでいう「＋０℃に近付ける」とは、後述するように、検出温度から飽和温度を減じた値を＋側から０℃に近付けることを意味する。また、冷媒が気相の状態を保つためには、検出温度と飽和温度が等しくならず、検出温度は飽和温度より高いことが必要となる。従って、検出温度が飽和温度より僅か（例えば、約０．５℃）だけ高い温度を目標温度と設定して、検出温度から上記目標温度を減じた値が大きいほど可変絞り手段１５の開度を大きくし、その値が小さいほど可変絞り手段１５の開度を小さくする制御を、いわゆるＰＩＤ制御等に基づいて行うこと等が、可変絞り手段１５の開度の具体的な調節方法として挙げられる。

さらに、冷媒の状態変化について、図２を参照しつつ、説明する。
図２（横軸：エンタルピ、縦軸：圧力）は使用冷媒に関するモリエル線図を示し、臨界点Ｋを境として、これより低エンタルピ側が飽和液線Ａで、高エンタルピ側が飽和蒸気線Ｂになっており、図中、四角形ａｂｃｄは冷凍サイクルであって、冷媒循環流路Ｌ_１で繰り返される冷媒の状態変化を示している。即ち、四角形ａｂｃｄにおいて、点ａ→点ｂはスクリュ圧縮機１１での圧縮過程における状態変化、点ｂ→点ｃは凝縮器１２での凝縮過程における状態変化、点ｃ→点ｄは膨張弁１３での絞り膨張過程における状態変化、点ｄ→点ａ過程は蒸発器１４での蒸発過程における状態変化のそれぞれを示している。ちなみに、図中二点鎖線は、使用冷媒は同一とした場合において、バイパス流路Ｌ_２を備えていない従来のスクリュ冷凍装置における圧縮過程から凝縮過程に移行してゆく部分の冷媒の状態変化を例示したもので、この場合、圧縮過程での冷媒の状態変化は点ａ→点ｂ'となり、凝縮過程での冷媒の状態変化は点ｂ'→点ｃとなる。

冷媒の圧力とその飽和温度とは一対一の関係にあり、例えばＲ２２冷媒の場合、以下のようになっている。

例えば、冷媒が圧縮された後の吐出圧力が１．５３MPaの場合を考えると、点ｂから点ｃに至る線分と飽和液線Ａ、飽和蒸気線Ｂのそれぞれと交わる点での温度は４０℃、点ｂ’での温度は８０℃〜１００℃となる。そして、点ａ→点ｂの移行のための所要動力は両矢印Iの長さに比例する値となり、点ａ→点ｂ'の移行のための所要動力は両矢印IIの長さに比例する値となる。

本発明の場合、図２において点ｂが飽和蒸気線の近接位置に示されているように、（温度検出器１６による検出温度−検出された吐出圧力での冷媒ガスの飽和温度）の温度差が１０℃以下になるようにコントローラ１８により可変絞り手段１５の開度が調節されるとともに、この温度差が＋側から０℃に近づくように可変絞り手段１５の開度が調節されている。このため、本願発明者が行ってきた種々の実機テストから明らかなように、騒音が低減される。また、図２において、点、ａ→点ｂ'における圧縮は断熱圧縮であるのに対して、
本発明の場合、点、ａ→点ｂにおける圧縮は等温圧縮に近くなるため、両矢印IIに比して短い両矢印Iにより示されるように、従来よりも所要動力も少なくなる。

本発明に係るスクリュ冷凍装置の全体構成を示す図である。 図１に示すスクリュ冷凍装置における冷凍サイクルをモリエル線図上に示した図である。

符号の説明

１ スクリュ冷凍装置
１１ スクリュ圧縮機
１２ 凝縮器
１３ 膨張弁
１４ 蒸発器
１５ 可変絞り手段
１６ 温度検出器
１７ 圧力検出器
１８ コントローラ
Ａ 飽和液線
Ｂ 飽和蒸気線
Ｋ 臨界点
Ｌ_１ 冷媒循環流路
Ｌ_２ バイパス流路

Claims (3)

1. スクリュ圧縮機、凝縮器、膨張弁及び蒸発器を含む冷媒循環流路と、上記凝縮器と上記膨張弁との間の上記冷媒循環流路の部分にて分岐し、可変絞り手段を経て、上記スクリュ圧縮機内のロータ室に通じるバイパス流路とを備えたスクリュ冷凍装置において、
   上記スクリュ圧縮機から吐出され、上記凝縮器に向かう冷媒ガスの温度を検出し、検出温度を示す温度信号を出力する温度検出器と、
   上記冷媒ガスの圧力を検出し、検出圧力を示す圧力信号を出力する圧力検出器と、
   予め使用冷媒に関する任意の圧力に対する飽和温度データが入力される一方、上記温度信号と上記圧力信号とを受け、上記検出圧力での冷媒ガスの飽和温度を求め、（上記検出温度−飽和温度）を所定の温度以下にするように上記可変絞り手段の開度を調節するコントローラとを設けたことを特徴とするスクリュ冷凍装置。
2. 上記所定の温度が、１０℃であることを特徴とする請求項１に記載のスクリュ冷凍装置。
3. 上記コントローラが、（上記検出温度−飽和温度）を＋０℃に近付けるように上記可変絞り手段の開度を調節するものであることを特徴とする請求項１または２に記載のスクリュ冷凍装置。
   

Images