JP5322016B2 - 単機スクリュー式多段圧縮機およびそれを用いた冷凍・冷却システム - Google Patents

Description

本発明は、同一芯を有する軸上に構成され１台のモータによって駆動される所謂単機多段スクリュー圧縮機に関し、特に、低段圧縮機にエコノマイザー冷却器が接続されるとともに高低段圧縮機の理論風量比（押しのけ量比）を従来の低段圧縮機にエコノマイザーが接続されない場合よりも大きく設定した多段スクリュー圧縮機、および該多段スクリュー圧縮機を用いて構成される冷凍・冷却システムに関する。

より低い冷凍温度を得るために、食品冷凍、真空凍結乾燥、プロセス冷却等の用途に２段圧縮機構が用いられている。また、小型、軽量化の点からこれら２段圧縮機が一体化したいわゆる単機構造の圧縮機が用いられている。例えば、２段スクリュー圧縮機を駆動モータとともに一体に組み合わせた単機多段スクリュー圧縮機が知られており、この単機多段スクリュー圧縮機については種々の提案がされている。

例えば、特許文献１（特許第２７８１５２３号公報）には、冷凍装置に用いられる２段式スクリュー圧縮機に関する発明が示されており、そこには、１段圧縮機の雌雄スクリューロータの歯数を５（雄側）、６（雌側）とし、２段圧縮機の雌雄スクリューロータの歯数を４（雄側）、６（雌側）として、第１段と第２段との吐出脈動周波数を異ならせて騒音低減を図る技術が示されている。

また、多段圧縮機の成績係数（以下ＣＯＰという）を向上させるために、圧縮機にエコノマイザー回路を付加することが行われていて、例えば特許文献２（特開２００６−２５８３９７号公報）には、図１０に示すように、低段側圧縮機０１と高段側圧縮機０２とが直列に接続された多段圧縮機０３について、複数の圧縮機の圧縮比を等しくなるように吸込み体積を制御すると共に、低段エコノマイザー回路０４、高段エコノマイザー回路０５を低段側圧縮機０１、高段側圧縮機０２にそれぞれ接続し、さらに中間冷却器０６が設けられる技術が示されている。

また、特許文献３（特開２００５−８３２６０号公報）には、多段でないが単段のスクリュー式圧縮機において、図１１に示すように、エコノマイザーポート０１０からスクリュー圧縮機０１１に効率よく冷媒を供給するためのポート形状について示されており、そこには、エコノマイザーポート０１０がスクリューロータ０１２の羽根０１３の長さ方向に沿って形成されることが示されている。

特許第２７８１５２３号公報 特開２００６−２５８３９７号公報（図１０） 特開２００５−８３２６０号公報

しかし、前記特許文献１に示される２段形スクリュー圧縮機は、１段圧縮機と２段圧縮機と駆動モータとを直列に一体に組立てられる構造が示されているが、１段圧縮機の雌雄スクリューロータの歯数の組み合わせと２段圧縮機の雌雄スクリューロータの歯数の組み合わせとを異ならせて振動騒音を抑える技術であり、圧縮機の高効率化とともに２段スクリュー圧縮機を用いた冷凍機の冷凍能力を、エコマイザー効果によって高める技術については示されていない。

また、前記特許文献２には、低段エコノマイザー回路０４、高段エコノマイザー回路０５を低段側圧縮機０１、高段側圧縮機０２にそれぞれ接続してエコマイザー効果による冷凍能力の向上について示されているが、この特許文献２の技術は、複数の圧縮機の圧縮比が等しくなるように吸込み体積を制御するものであり、高低段側圧縮機の風量比（押しのけ量比）を大きくして高圧縮比にして、低段側圧縮機のエコノマイザー効果を高めて冷凍能力を高めるとともに、高段側圧縮機を小容量化することについては示されていない。
また、エコノマイザーポートの具体的な設置構造の開示はなく実用的な構造までは示されていない。

さらに、前記特許文献３には、エコノマイザーポート０１０からスクリュー圧縮機に効率よく冷媒を供給するために、エコノマイザーポート０１０がスクリューロータ０１２のスクリュー羽根０１３の長さ方向に沿って形成されることが示されているが、羽根の枚数が少ない場合には加工が可能であるが、羽根の枚数が増えた場合には、隣り合う羽根の間隔が狭くなるため、隣り合う羽根の間に羽根の長さ方向に沿ってエコノマイザーポートを加工することが困難になるとともに、大量のエコノマイザー冷媒のスクリュー圧縮機へ供給するのが難しくなる問題がある。

以上のように特許文献１〜３には、スクリュー式圧縮機においてエコノマイザー回路を接続すること、さらにスクリュー式２段圧縮機において低段圧縮機、高段圧縮機にそれぞれエコノマイザー回路を接続することについて示されているが、単機スクリュー式２段圧縮機へのエコノマイザー回路を接続した場合において、低段圧縮機と高段圧縮機との最適な風量比の関係や、エコノマイザーの接続に際してエコノマイザーポートの開口面積を大きくして効率よく冷媒を圧縮機へ流入できるようにする構造等については、十分に示されてなく、冷凍、冷却装置に適用して高い冷凍能力が発揮されるような単機スクリュー式２段圧縮機の実用的な改良がさらに必要とされている。

そこで、本発明は、このような背景に鑑みなされたものであり、低段圧縮機と高段圧縮機とにそれぞれエコノマイザーを接続するとともに、低段圧縮機と高段圧縮機との風量比すなわち低段圧縮機の理論押しのけ量比を従来の低段圧縮機にエコノマイザーを接続しない場合に比べて大きく設定して、低段圧縮機を高圧縮比としてエコノマイザー効果を低段圧縮機において効果的に発揮させることができる単機構造のスクリュー式多段圧縮機を提供することを課題とする。

また、低段圧縮機を高圧縮化してエコノマイザー効果を発揮させるために、低段圧縮機へエコノマイザー冷却器からの冷媒がより流入しやすいエコノマイザーポート構造、および低段圧縮機からの吐出圧力が高くなることに伴う低段圧縮機に作用するスラスト荷重へ対応するための支持構造等を備えた単機スクリュー式多段圧縮機を提供することを課題とする。

さらに、本発明は、その単機スクリュー式多段圧縮機を用いて冷凍・冷却回路を構成することで、高いＣＯＰを発揮する冷凍・冷却システムを提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、単機スクリュー式多段圧縮機にかかる本発明の参考発明は、雄・雌一対のスクリューロータからなる低段圧縮機と高段圧縮機と、駆動モータとを直列に一体に組合せた単機スクリュー式多段圧縮機において、前記低段圧縮機には低段エコノマイザー冷却器が接続される低段エコノマイザーポートが設けられるとともに、前記高段圧縮機には高段エコノマイザー冷却器が接続される高段エコノマイザーポートが設けられ、前記低段圧縮機と前記高段圧縮機との理論風量比が略３．２以上に設定されていることを特徴とする。

さらに、好ましくは、前記参考発明は、前記低段圧縮機と前記高段圧縮機との理論風量比が３．２〜４．５に設定されていることを特徴とする。

かかる参考発明によれば、低段圧縮機にエコノマイザー冷却器が接続されて冷媒が圧縮機に流入されるため、該冷媒が流入しやすいように従来のエコノマイザーが接続されない場合に比べて、高段圧縮機に対する低段圧縮機の風量バランスを大きく設定する必要がある。
すなわち、高段圧縮機は、低段圧縮機で圧縮された流体をさらに圧縮するため、低段圧縮機より風量（押しのけ量）は小さくしてあり、低段圧縮機での風量と高段圧縮機での風量比は性能が最適に発揮されるようにバランスして設定されている。

低段圧縮機にエコノマイザーが接続されていない従来の単機２段スクリュー圧縮機の場合には、一般的な運転条件（蒸発温度−５０〜−２０℃、凝縮温度３０〜４５℃）でのＣＯＰの面から、低段圧縮機と高段圧縮機との理論風量比（低段圧縮機の高段圧縮機に対する理論風量比）は、３．０以下として設定されていた。すなわち、図９の風量比とＣＯＰとの関係に示すように、従来型の低段圧縮機のエコノマイザーがない場合には風量比が２．６〜２．７で最大となるため、３．０以下で使用していた。

ところが、低段圧縮機にエコノマイザーを接続する場合には、風量比を高めて、図９に示すような３．２以上の風量比とすることが好ましく、従来の単機２段スクリュー圧縮機の場合における最大ＣＯＰを上回るＣＯＰを発揮するためには、３．２〜４．５の範囲に設定することが最適である。

このように、低段圧縮機にエコノマイザーを接続すると共に低段圧縮機の風量比を増大して最適化することでＣＯＰを向上することができる。
さらに、低段圧縮機の風量比の増大は、低段圧縮機を大型化するか、または高段圧縮機を小型化することによって達成することができるので、高段圧縮機の小型化が可能になり、単機スクリュー式圧縮機の安全性が高まり設置場所に制限を受けずに設置が可能になる。

本発明の、単機スクリュー式多段圧縮機にかかる第１の発明は、雄・雌一対のスクリューロータからなる低段圧縮機と高段圧縮機と、駆動モータとを直列に一体に組合せた単機スクリュー式多段圧縮機において、前記低段圧縮機には低段エコノマイザー冷却器が接続される低段エコノマイザーポートが設けられ、前記モータを密閉式モータによって構成し、該モータを前記低段圧縮機の吸入側に連結し、前記低段圧縮機の吐出口と前記高段圧縮機の吸入口とを連結する中間圧力室の圧力、または前記高段圧縮機の圧縮行程部の圧力を前記モータ室に導くバランス通路が設けられていることを特徴とする。

低段圧縮機にエコノマイザー冷却器を接続して風量比を従来よりも大きくすると、例えば請求項１に記載の発明のように風量比を大きくすると、低段圧縮機の吐出圧力が高まるため、低段圧縮機の吐出口と高段圧縮機の吸入口とを連結する中間圧力室の圧力が従来よりも高くなって、低段圧縮機をモータ側へ押し付けるスラスト荷重が作用するため、低段圧縮機の軸受の寿命が低下する問題が生じやすい。

しかし、本第1発明によれば、モータを密閉式モータによって構成し、前記低段圧縮機の吐出口と前記高段圧縮機の吸入口とを連結する中間圧力室の圧力、または前記高段圧縮機の圧縮工程部の圧力を前記密閉式のモータ室に導くことで、低段圧縮機のモータ方向に作用するスラスト荷重を打ち消すように逆向きに作用させるので、低段圧縮機のスラスト荷重をバランスさせることで、低段圧縮機の軸受に作用する荷重を軽減して長寿命化を達成することができる。このように、高効率と長寿命の両立を達成することができる。

さらに、好ましくは、第１の発明において、前記低段圧縮機の軸受けに供給された冷媒溶解潤滑油を前記密閉式モータのモータ室内に戻すように構成したことを特徴とし、かかる発明によれば、冷媒が溶解した油を潤滑油として使用する場合に低段圧縮機の軸受に給油した後に、低段圧縮機のロータ内に戻すと溶解していた冷媒が噴出して性能を著しく低下する問題が生じやすいが、低段圧縮機の軸受けに供給された冷媒溶解潤滑油を密閉式のモータ室内に戻すことで、該モータ室内が中間圧力室の圧力、または高段圧縮機の圧縮工程部の圧力を導いて高圧になっているため、冷媒溶解潤滑油が噴出して性能を著しく低下する問題を回避することができる。

また、好ましくは、第１の発明において、前記低段圧縮機のスクリューロータを水平配置し、前記高段圧縮機のスクリューロータを前記低段圧縮のスクリューロータの配置方向に直角に縦配置し、前記バランス通路を前記低段圧縮機の水平配置されたスクリューロータの下方を通って配置されることを特徴とする。
このように低段側を水平配置、高段側を縦配置の構成とすることによって、水平配置された低段側のスクリューロータの下方のスペースを利用してバランス通路を設置することができるので、低段圧縮機と高段圧縮機と駆動モータとを直列に一体に組合せた単機スクリュー式多段圧縮機を大型化せずにコンパクトに構成することができる。

次に、第3の発明は、冷凍・冷却システムにかかる発明であり、請求項１乃至６の何れか１項に記載の単機スクリュー式多段圧縮機と凝縮器と蒸発器と膨張手段とによって形成される主冷媒回路と、前記凝縮器の下流側でかつ前記蒸発器の上流側で前記主冷媒回路に高段エコノマイザー回路と、低段エコノマイザー回路とを備え、前記高段エコノマイザー回路の高段エコノマイザー通路を前記高段圧縮機の高段エコノマイザーポートに接続し、前記低段エコノマイザー回路の低段エコノマイザー通路を前記低段圧縮機の低段エコノマイザーポートに接続したことを特徴とする。

かかる発明によれば、前記説明の単機スクリュー式多段圧縮機を備えているので、低段圧縮機の風量比が大きく設定されるとともに、低段圧縮機にエコノマイザー冷却器が接続されるため、冷凍・冷却システムのＣＯＰが向上する。さらに、高段圧縮機を小型、小容量化したシステムを構築することが可能になり、安全性が高まり設置場所の自由度が増える。

さらに、上記低段圧縮機の軸受の長寿命化、さらに低段圧縮機のエコノマイザーポートの開口面積の拡大によるエコノマイザー効果の拡大によって、冷凍・冷却システムの長寿命化と高効率との両立を達成できる。

本発明によれば、低段圧縮機と高段圧縮機とにそれぞれエコノマイザーを接続するとともに、低段圧縮機と高段圧縮機との風量比すなわち高低段圧縮機の理論押しのけ量比を従来の低段圧縮機にエコノマイザーを接続しない場合に比べて大きく設定して、低段圧縮機を高圧縮比としてエコノマイザー効果を低段圧縮機において効果的に発揮させることができる単機構造のスクリュー式多段圧縮機を提供することができる。

また、低段圧縮機を高圧縮化してエコノマイザー効果を発揮させるために、低段圧縮機へエコノマイザー冷却器からの冷媒がより流入しやすいエコノマイザーポート構造、および低段圧縮機からの吐出圧力が高くなることに伴う低段圧縮機に作用するスラスト荷重へ対応するための支持構造等を備えた単機スクリュー式多段圧縮機を提供することができる。

さらに、本発明によれば、その単機スクリュー多段圧縮機を用いて冷凍・冷却回路を構成することで、高いＣＯＰを発揮する冷凍・冷却システムを提供することができる。

本発明にかかる単機スクリュー式多段圧縮機の実施形態を示す側面断面図である。 本発明にかかる単機スクリュー式多段圧縮機の実施形態を示す平面断面図である。 図１のＡ−Ａ線拡大断面図である。 図２のＢ−Ｂ線拡大断面図である。 本発明の実施形態にかかわる単機スクリュー式多段圧縮機を用いた冷凍・冷却システムの概略構成図である。 図５の冷凍・冷却システムのモリエル線図である。 本発明の実施形態にかかわる単機スクリュー式多段圧縮機を用いた冷凍・冷却システムの他の実施形態を示す概略構成図である。 図７の冷凍・冷却システムのモリエル線図である。 低段圧縮機と高段圧縮機との風量比と、成績係数（ＣＯＰ）との関係を示す特性図である。 従来技術の説明図である。 従来技術の説明図である。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。但しこの実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

図１は、本発明にかかる単機スクリュー式多段圧縮機の実施形態を示す側面断面図であり、図２は単機スクリュー式多段圧縮機の実施形態を示す平面断面図である。
図３は図１のＡ−Ａ線拡大断面図であり、図４は図２のＢ−Ｂ線拡大断面図である。
図５は本発明の実施形態にかかわる単機スクリュー式多段圧縮機を用いた冷凍・冷却システムの概略構成図であり、図６は図５の冷凍・冷却システムのモリエル線図である。
図７は本発明の実施形態にかかわる単機スクリュー式多段圧縮機を用いた冷凍・冷却システムの他の実施形態を示す概略構成図であり、図８は図７の冷凍・冷却システムのモリエル線図である。図９は、低段圧縮機と高段圧縮機との風量比と、成績係数（ＣＯＰ）との関係を示す特性図である。

図１に示すように、単機スクリュー式多段圧縮機として低段圧縮機１と高段圧縮機３とからなる単機スクリュー式２段圧縮機５について説明する。
低段圧縮機１は雄・雌一対のスクリューロータ７、９が噛合って回転可能に、低段圧縮機ケーシング１１内に収容され、高段圧縮機３は雄・雌一対のスクリューロータ１３、１５が噛合って回転可能に高段圧縮機ケーシング１７内に収容されている。また、図１、２に示すように、低段圧縮機１の雄・雌一対のスクリューロータ７、９は左右に並んで配設され、高段圧縮機３の雄・雌一対のスクリューロータ１３、１５は上下に並んで配設されるように、低段側を水平配置し高段側を縦配置してそれぞれ直交する方向に並んで配設されている。

低段圧縮機１の低段雄ロータ７のロータ軸１９と高段圧縮機３の高段雄ロータ１３のロータ軸２１とは、スプラインカップリング２３を介して一体回転可能に結合される。すなわち、低段圧縮機１と高段圧縮機３とは分割軸構造からなり、スプラインカップリング２３によって一体結合されるため、低段圧縮機１および高段圧縮機３を連続した一体軸によって連結する構造に比べて、軸の加工精度が要求されないため、加工製造が容易で低コストで製造できる。

また、低段雄ロータ７のロータ軸１９は、モータ（駆動モータ）２５の回転軸２７を兼ねていて一体軸構造となっている。このモータ２５は、モータケーシング２９が低段圧縮機ケーシング１１に気密状態で取付けられことによって密封式のモータ２５に構成されるとともに、モータ２５は、モータロータ内部に永久磁石が埋め込まれるいわゆるＩＰＭモータによって構成されている。
モータ２５の回転軸２７とロータ軸１９とロータ軸２１とは一体回転するようになっている。

モータ２５の回転軸２７は軸受３１によって低段圧縮機ケーシング１１に支持され、低段雄ロータ７の吐出側のロータ軸１９は、中間ケーシング３３に軸受３５によって支持され、低段雌ロータ９のロータ軸３７は、軸受３９によって低段圧縮機ケーシング１１に、軸受４１によって中間ケーシング３３にそれぞれ支持されている。
また、高段雄ロータ１３のロータ軸２１は、軸受４３によって高段圧縮機ケーシング１７に支持され、軸受４５によって吐出口ケーシング４７に支持されている。また、高段雌ロータ１５のロータ軸２２も同様に、軸受４９によって高段圧縮機ケーシング１７に支持され、軸受５１によって吐出口ケーシング４７に支持されている。

高段雄ロータ１３のロータ軸２１の端部には、該端部を覆う端部ケーシング５３が取付けられ、さらに蓋５５が取付けられる。

また、低段圧縮機ケーシング１１には作動流体（冷媒）の吸込口５７が設けられ、低段雄ロータ７および低段雌ロータ９のそれぞれのモータ２５側の端面に対向して開口して設けられている。
低段圧縮機１の吐出口５９は、吸込口５７とは反対側の前記低段雄、雌ロータ７、９の端面に設けられ、吐出通路６１を介して中間圧力室６３に連通している。
中間圧力室６３には、高段圧縮機３の吸込口６５が開口し、前記高段雄、雌ロータ１３、１５の端面から冷媒が流入されるようになっている。
さらに、高段圧縮機３の吐出口６７（図２）が、吐出口ケーシング４７に形成され、高段圧縮機３で圧縮された冷媒が吐出されるようになっている。

前記した、モータケーシング２９、低段圧縮機ケーシング１１、中間ケーシング３３、高段圧縮機ケーシング１７、吐出口ケーシング４７、端部ケーシング５３、および蓋５５はボルト等の締結手段によってそれぞれ結合されて一体に組み立てられて、単機構造を構成している。

（低段エコノマイザー、高段エコノマイザー）
次に、低段エコノマイザーポート７０、高段エコノマイザーポート７２について図１、２を参照して説明する。
低段エコノマイザーポート７０は、低段エコノマイザー冷却器（後述の冷凍システムで説明）からの冷媒を低段圧縮機１の圧縮室内に供給するポートであり、中間ケーシング３３に一箇所形成された低段エコノマイザーポート入口７４から、低段雄ロータ７の雄側エコノマイザーポート７６と、低段雌ロータ９の雌側エコノマイザーポート７８へとそれぞれ連通している。

この雄側エコノマイザーポート７６、雌側エコノマイザーポート７８はそれぞれ、中間ケーシング３３に形成され、低段雄・雌ロータ７、９の軸方向であって吸込口５７と反対側の雄・雌ロータ７、９端面に対向する位置に開口している。
そして、前記雄側および雌側エコノマイザーポート７６、７８はそれぞれ雄・雌ロータ７、９に形成されているスクリュー羽根の間に位置される大きさに形成されている（図３参照）。

このように、低段エコノマイザーポート７０が雄・雌ロータ７、９の軸方向端面に対向して形成されているため、ロータのスクリュー羽根の枚数が増えて羽根の厚さが薄くなっても、そのスクリュー羽根の間に冷媒を流入するポートの加工が容易であり、またポート数の増減に対しては対応しやすく、エコノマイザーの冷媒流入量の増大への対応が容易である。

また、雄側エコノマイザーポート７６と雌側エコノマイザーポート７８との両方から低段圧縮機１に冷媒が流入するようになるため、低段エコノマイザーポート７０の開口面積が大きくとれるため、エコノマイザー量を増大させることができる。
さらに、低段エコノマイザーポート７０が雄・雌ロータ７、９の端面側の中間ケーシング３３にまとめて形成されるため、エコノマイザーポートの加工、製造が容易になる。

さらに、雄側および雌側エコノマイザーポート７６、７８は、それぞれ雄・雌ロータ７、９のスクリュー羽根の間に位置される大きさに形成されるため、雄ロータ７および雌ロータ９の圧縮行程に確実に冷媒を流入することができる。

高段エコノマイザーポート７２は、中間圧力室６３が形成されている高段圧縮機ケーシング１７に形成され、中間圧力室６３から高段圧縮機３に冷媒が吸込まれるようになっている。

（バランス通路）
次に、バランス通路８０について図１を参照して説明する。
このバランス通路８０とは、中間圧力室６３とモータケーシング２９内のモータ室８２とを連通する通路であり、中間圧力室６３内の高圧の冷媒をモータ室８２内に導くものである。また、中間圧力室６３内の圧力でなくても、高段圧縮機３の圧縮行程部の圧力をモータ室８２に導くようにしてもよい。

低段圧縮機１に低段エコノマイザーを接続して風量比を従来よりも大きくすると、低段圧縮機１の吐出口５９と高段圧縮機３の吸込口６５とを連結する中間圧力室６３内の圧力が従来よりも高くなって、低段圧縮機１をモータ２５の方へ押し付けるスラスト荷重が作用するため、低段圧縮機１の軸受３１、３５、３９、４１の寿命が低下する問題が生じやすい。

しかし、モータ２５を密閉式によって構成し、中間圧力室６３内の圧力、または高段圧縮機３の圧縮行程部の圧力を密閉式のモータ室８２に導くことで、低段圧縮機１のモータ２５方向に作用するスラスト荷重を打ち消すように逆向きに作用させるので、低段圧縮機１のスラスト荷重をバランスさせることで、低段圧縮機１の軸受３１、３５、３９、４１に作用する荷重を軽減して長寿命化を達成することができる。

また、低段圧縮機１の軸受３１には、冷媒溶解潤滑油が供給され、前記密閉式モータのモータ室８２内に戻すように構成されている。なお、モータ室８２および中間圧力室６３の底部には冷媒溶解潤滑油が貯留されるようになっていて、連通路８４によって、それぞれの貯留部が連通されている。そして、連通路８４によってモータ室８２内の油を中間圧力室６３から高段圧縮機３へ容易に戻すことができるようになっている。

さらに、図１に示すように、低段圧縮機１の雄・雌ロータ７、９が水平配置され、高段圧縮機３の雄・雌ロータ１３、１５が縦配置の構成となっていることによって、水平配置された低段側のスクリューロータの下方のスペースを利用して前記バランス通路８０および連通路８４を設置することができるので、単機スクリュー式多段圧縮機を大型化せずにコンパクトにバランス通路８０および連通路８４を設置することができる。

冷媒が溶解した油を潤滑油として使用する場合に低段圧縮機１の軸受３１に給油した後に、低段圧縮機１の雄・雌ロータ７、９内に戻すと溶解していた冷媒が噴出して性能を著しく低下する問題が生じやすいが、低段圧縮機１の軸受３１に供給された冷媒溶解潤滑油を密閉式のモータ室８２内に戻すことで、該モータ室８２内が中間圧力室６３の圧力、または高段圧縮機３の圧縮行程部の圧力を導いて高圧になっているため、冷媒溶解潤滑油が噴出して性能を著しく低下する問題を回避することができる。

（雄・雌ロータのスクリュー羽根）
次に、低段雄ロータ７と低段雌ロータ９とのスクリュー羽根の断面形状、および噛合い状態を図３を参照し、高段雄ロータ１３と高段雌ロータ１５とについては図４を参照して説明する。
図３、図４に示すように、低段雄ロータ７は５枚羽根で、低段雌ロータ９は６枚羽根で構成され、また、高段雄ロータ１３も５枚羽根で、高段雌ロータ１５も６枚羽根で、高段雄ロータ１３も５枚羽根で構成されている。
このように、低段圧縮機１および高段圧縮機３ともに、５枚と６枚の組合で同一枚数に設定している。従って、５枚と６枚との組み合わせによって噛合い長さが長く採れることで、シール性を向上し、高圧縮の圧縮機へ対応できる。

また、低段圧縮機１および高段圧縮機３ともに、５枚と６枚の組合であるため、低段圧縮機１と高段圧縮機３との吐出脈動の周波数が一致して、振動騒音の問題が生じやすいため、スプラインカップリング２３による結合時に、低段圧縮機１と高段圧縮機３との両者の回転位相を適切にずらして組合わせるようにしている。

また、図３に示すように、雄側エコノマイザーポート７６が、低段雄ロータ７のスクリュー羽根の間に開口するように形成され、雌側エコノマイザーポート７８が、低段雌ロータ９のスクリュー羽根の間に開口するように形成されている。
なお、図３、４の矢印方向は、それぞれのロータの回転方向を示す。

（風量比）
次に、低段圧縮機１と高段圧縮機３との風量比について説明する。
高段圧縮機３は、低段圧縮機１で圧縮された冷媒等の流体をさらに圧縮するため、低段圧縮機１より風量（押しのけ量）は小さくしてあり、低段圧縮機１での風量と高段圧縮機３での風量比は性能が最適に発揮されるようにバランスして設定されている。

低段圧縮機１にエコノマイザーが接続されていない従来の単機２段スクリュー圧縮機の場合には、一般的な運転条件（蒸発温度−５０〜−２０℃、凝縮温度３０〜４５℃）でのＣＯＰの面から、低段圧縮機と高段圧縮機との理論風量比（低段圧縮機の高段圧縮機に対する理論風量比）は３．０以下として設定されていた。すなわち、図９の風量比とＣＯＰとの関係に示すように、従来型の低段圧縮機のエコノマイザーがない場合には風量比が２．６〜２．７で最大となるため、３．０以下で使用していた。

ところが、低段圧縮機１にエコノマイザーを接続する場合には、風量比を高めて、図９に示すような３．２以上の風量比とすることが好ましく、従来の単機２段スクリュー圧縮機の場合における最大ＣＯＰを上回るＣＯＰを発揮するためには、３．２〜４．５の範囲に設定することが最適である。

このように、低段圧縮機１にエコノマイザーを接続すると共に低段圧縮機の風量比を増大して最適化することでＣＯＰを向上することができる。
さらに、低段圧縮機１の風量比の増大は、低段圧縮機１を大型化するか、または高段圧縮機３を小型化することによって達成することができるので、高段圧縮機３の小型化が可能になり、スクリュー式２段圧縮機５の安全性が高まり設置場所に制限を受けずに設置が可能になる。

（冷凍・冷却システム）
次に、冷凍・冷却システムについて図５〜８を参照して説明する。
図５は、単機スクリュー式２段圧縮機５を冷凍・冷却システムに適用した場合の構成図であり、冷媒はアンモニアを用いた例である。
冷凍システム１００は、前記の単機構造のスクリュー式２段圧縮機５と、凝縮器１０２と、蒸発器１０４と、膨張手段１０６と、によって形成される主冷媒回路１０８に、前記凝縮器１０２の下流側でかつ前記蒸発器１０４の上流側で前記主冷媒回路１０８に高段エコノマイザー回路１１０と、低段エコノマイザー回路１１２とを備えて構成されている。

高段エコノマイザー回路１１０の高段エコノマイザー通路１１４を高段圧縮機３の高段エコノマイザーポート７２に接続し、低段エコノマイザー回路１１２の低段エコノマイザー通路１１６を低段圧縮機の低段エコノマイザーポート７０に接続している。

高段エコノマイザー回路１１０は、主冷媒回路１０８から分流した冷媒が、高段エコノマイザー膨張弁１１８に導かれて減圧され、低圧低温の冷媒となり高段エコノマイザー冷却器１２０に流入して主冷媒回路１０８の冷媒を冷却して、高段エコノマイザー通路１１４を通って高段圧縮機３の高段エコノマイザーポート７２へ流入するように構成されている。

また、低段エコノマイザー回路１１２も同様に、高段エコノマイザー冷却器１２０から吐出された冷媒の一部が分流して低段エコノマイザー膨張弁１２２に導かれて減圧され、低圧低温の冷媒となり低段エコノマイザー冷却器１２４に流入して、高段エコノマイザー冷却器１２０から吐出した冷媒を冷却して、低段エコノマイザー通路１１６を通って低段圧縮機１の低段エコノマイザーポート７０に流入するように構成されている。

図６は、図５の冷凍サイクルのモリエル線図であり、図５および図６を参照して冷媒の流れを説明する。
スクリュー式２段圧縮機５によって圧縮されて高圧、高温（Ｔｄ２）となった冷媒は、凝縮器１０２に流入してその熱を外部に放出して凝縮（凝縮温度Ｔｃ）して液化、低温化（ＴＬ）し、その後冷媒は分流し分流した冷媒は、高段エコノマイザー膨張弁１１８で減圧低温化（Ｔｍ２）されて高段エコノマイザー冷却器１２０を経て、高段エコノマイザーポート７２に流入する。また、分流せずに残った冷媒は、高段エコノマイザー冷却器１２０で冷却されて低温化（ＴＬ１）される。

さらに、高段エコノマイザー冷却器１２０で冷却、低温化（ＴＬ１）された冷媒は、さらにその一部が分流されて、分流した冷媒は、低段エコノマイザー膨張弁１２２で減圧低温化（Ｔｍ１）されて低段エコノマイザー冷却器１２４を経て、低段エコノマイザーポート７０に流入する。また、分流せずに残った冷媒は、低段エコノマイザー冷却器１２４で冷却されて低温化（ＴＬ２）される。

低段エコノマイザー冷却器１２４からの冷媒は、主冷媒回路１０８の膨張手段１０６によって減圧低温化（Ｔｅ）されて蒸発器１０４に流入する。蒸発器１０４では、外部から熱を奪い蒸発（蒸発温度Ｔｅ）してガス冷媒と液冷媒とに分離されて、ガス冷媒（Ｔｓ１）が低段圧縮機１の吸込口５７から吸い込まれ、吸込まれたガス冷媒は再び低段圧縮機１、および高段圧縮機３によって圧縮される。

なお、低段圧縮機１の吐出温度をＴｄ１、高段圧縮機３の吸込温度をＴｓ２、高段エコノマイザーポート７２の流入温度をＴｍ２ｓで示し、低段エコノマイザーポート７０の流入温度をＴｍ１ｓで示し、その低段エコノマイザーが流入する低段圧縮機１の圧縮行程部の温度をＴｉ１で示す。

以上のように、冷媒が、主冷媒回路１０８の膨張手段１０６に送られる前に、高段エコノマイザー冷却器１２０、低段エコノマイザー冷却器１２４によって確実に冷却されるため、蒸発器１０４入口での比エンタルピーｈを低下させることができ、冷凍・冷却システム１００の冷却能力を向上することができる。
また、低段、高段それぞれのエコノマイザー回路１１０、１１２に注入する冷媒分だけ、低段圧縮機１、高段圧縮機３の圧縮仕事が減り、成績係数ＣＯＰを向上することができる。

従来、単機構造のスクリュー式２段圧縮機においては、低圧段側には、エコノマイザー効果が得られにくく設置されていなかったが、本発明のように低段圧縮機１側でエコノマイザー効果が発揮されるような改良を加えることで、図６中に太実線で示されるＴＬ１からＴｍ１のラインで示されるような、低段圧縮機１側でのエコノマイザー効果が発揮されて、前記したような冷凍能力の向上によって冷凍・冷却システム１００のＣＯＰを向上することができる。

次に、冷凍・冷却システムの他の実施形態について図７、８を参照して説明する。
図５、図６に示した実施形態に対して、低段エコノマイザー冷却器１２４と高段エコのマイザー冷却器１２０の構造が異なるだけで他の構成は同一のため、同一符号を付して説明は省略する。

図７に示すように、冷凍・冷却システム２００は、低段エコノマイザー回路１３０の低段エコノマイザー冷却器１３２および高段エコノマイザー回路１３４の高段エコノマイザー冷却器１３６がそれぞれフラッシュ型冷却器によって構成されている。

凝縮器１０２を出た主冷媒回路１０８を流れる冷媒が、分流せずに全量が高段エコノマイザー膨張弁１１８に送られて、減圧低温化された後に高段エコノマイザー冷却器１３６でガス冷媒と液冷媒に分離される。そして、ガス冷媒だけが高段エコノマイザー通路１１４を通って高段エコノマイザーポート７２へ流入されるようになっている。

さらに、高段エコノマイザー冷却器１３６から液冷媒だけが、低段エコノマイザー膨張弁１２２に送られて、減圧低温化されて低段エコノマイザー冷却器１３２でガス冷媒と液冷媒に分離される。そして、ガス冷媒だけが低段エコノマイザー通路１１６を通って低段エコノマイザーポート７０へ流入されるようになっている。

また、図７の冷凍サイクルのモリエル線図は図８に示すようになり、前記図５、６の実施形態と同様に、冷媒が、主冷媒回路１０８の膨張手段１０６に送られる前に、高段エコノマイザー冷却器１３６、低段エコノマイザー冷却器１３２によって確実に冷却されるため、蒸発器１０４入口での比エンタルピーｈを低下させることができ、冷凍・冷却システム２００の冷却能力を向上することができる。
また、低段、高段それぞれのエコノマイザー回路に注入する冷媒分だけ、低段圧縮機１、高段圧縮機３の圧縮仕事が減り、冷凍・冷却システム２００のＣＯＰを向上することができる。

以上のように、単機スクリュー式２段圧縮機５を備えて冷凍サイクルを構成しているので、低段圧縮機１の風量比が大きく設定されるとともに、低段圧縮機１にエコノマイザー冷却器１２４、１３２が接続されるため、冷凍・冷却システムのＣＯＰが向上する。
さらに、高段圧縮機３を小型、小容量化したシステムを構築することが可能になり、安全性が高まり設置場所の自由度が増える。

さらに、低段圧縮機１の軸受３１、３５、３９、４１の長寿命化、さらに低段圧縮機１のエコノマイザーポート７０の開口面積の拡大によるエコノマイザー効果の拡大によって、冷凍・冷却システムの長寿命化と高効率との両立を達成することができる。

本発明によれば、低段圧縮機と高段圧縮機とにそれぞれエコノマイザーを接続するとともに、低段圧縮機と高段圧縮機との風量比すなわち低段圧縮機の理論押しのけ量を従来の低段圧縮機にエコノマイザーを接続しない場合に比べて大きく設定して、低段圧縮機を高圧縮比としてエコノマイザー効果を低段圧縮機において効果的に発揮させることができる単機構造のスクリュー式多段圧縮機を提供することができる。
また、低段圧縮機を高圧縮化してエコノマイザー効果を発揮させるために、低段圧縮機へエコノマイザー冷却器からの冷媒がより流入しやすいエコノマイザーポート構造、および低段圧縮機からの吐出圧力が高くなることに伴う低段圧縮機に作用するスラスト荷重へ対応するための支持構造等を備えた単機スクリュー式多段圧縮機を提供することができる。
さらに、本発明によれば、その単機スクリュー多段圧縮機を用いて冷凍・冷却回路を構成することで、高いＣＯＰを発揮する冷凍・冷却システムを提供することができる。
このため、単機スクリュー多段圧縮機を用いて構成する冷凍・冷却回路への適用に際して有益である。

１ 低段圧縮機
３ 高段圧縮機
５ 単機スクリュー式２段（多段）圧縮機
７ 低段雄ロータ
９ 低段雌ロータ
１３ 高段雄ロータ
１５ 高段雌ロータ
２５ モータ
５７、６５ 吸込口
５９、６７ 吐出口
６３ 中間圧力室
７０ 低段エコノマイザーポート
７２ 高段エコノマイザーポート
７６ 雄側エコノマイザーポート
７８ 雌側エコノマイザーポート
８０ バランス通路
１０２ 凝縮器
１０４ 蒸発器
１０６ 膨張手段
１０８ 主冷媒回路
１２４、１３２ 低段エコノマイザー冷却器
１２０、１３６ 高段エコノマイザー冷却器
１１０、１３４ 高段エコノマイザー回路
１１２、１３０ 低段エコノマイザー回路

Claims (4)

1. 雄・雌一対のスクリューロータからなる低段圧縮機と高段圧縮機と、駆動モータとを直列に一体に組合せた単機スクリュー式多段圧縮機において、
   前記低段圧縮機には低段エコノマイザー冷却器が接続される低段エコノマイザーポートが設けられ、前記モータを密閉式モータによって構成し、該モータを前記低段圧縮機の吸入側に連結し、前記低段圧縮機の吐出口と前記高段圧縮機の吸入口とを連結する中間圧力室の圧力、または前記高段圧縮機の圧縮行程部の圧力を前記モータ室に導くバランス通路が設けられていることを特徴とする単機スクリュー式多段圧縮機。
2. 前記低段圧縮機の軸受けに供給された冷媒溶解潤滑油を前記密閉式モータのモータ室内に戻すように構成したことを特徴とする請求項１記載の単機スクリュー式多段圧縮機。
3. 前記低段圧縮機のスクリューロータを水平配置し、前記高段圧縮機のスクリューロータを前記低段圧縮のスクリューロータの配置方向に直角に縦配置し、前記バランス通路を前記低段圧縮機の水平配置されたスクリューロータの下方を通って配置されることを特徴とする請求項１記載の単機スクリュー式多段圧縮機。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載の単機スクリュー式多段圧縮機と凝縮器と蒸発器と膨張手段とによって形成される主冷媒回路と、前記凝縮器の下流側でかつ前記蒸発器の上流側で前記主冷媒回路に高段エコノマイザー回路と、低段エコノマイザー回路とを備え、前記高段エコノマイザー回路の高段エコノマイザー通路を前記高段圧縮機の高段エコノマイザーポートに接続し、前記低段エコノマイザー回路の低段エコノマイザー通路を前記低段圧縮機の低段エコノマイザーポートに接続したことを特徴とする冷凍・冷却システム。

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