JP2013209953A - 2段圧縮装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】外部圧縮比に応じて内部圧縮比を調整できる2段圧縮装置を提供する。
【解決手段】低段圧縮部7と高段圧縮部8とを有し、低段圧縮部7および高段圧縮部8のスクリュロータ5,6の一方の軸が連結された2段圧縮装置1において、高段圧縮部8に容量調整手段14を設け、圧縮空間の中間流路10から隔離される瞬間の吸込容積と吐出流路11に接続される瞬間の吐出容積との比である容積比を、吐出容積を変化させることによって、中間流路10の圧力と吐出流路11の圧力との比に応じて変化させる。
【選択図】図1
【解決手段】低段圧縮部7と高段圧縮部8とを有し、低段圧縮部7および高段圧縮部8のスクリュロータ5,6の一方の軸が連結された2段圧縮装置1において、高段圧縮部8に容量調整手段14を設け、圧縮空間の中間流路10から隔離される瞬間の吸込容積と吐出流路11に接続される瞬間の吐出容積との比である容積比を、吐出容積を変化させることによって、中間流路10の圧力と吐出流路11の圧力との比に応じて変化させる。
【選択図】図1
Description
本発明は、2段圧縮装置に関する。
ケーシング内に形成したロータ室の中に互いに咬合する雌雄一対のスクリュロータを収容してなり、前記ロータ室内の空間を前記スクリュロータによって区分して、前記スクリュロータの回転にともなって容積が縮小する圧縮空間を形成し、吸込流路から前記圧縮空間に気体を吸い込んで圧縮して吐出流路に吐出するスクリュ圧縮機が広く利用されている。
そのようなスクリュ圧縮機は、吐出流路に接続される瞬間の圧縮空間の圧力が吐出流路の圧力と異なると、吐出流路から圧縮空間への気体の逆流や、吐出流路での気体の膨張のような負の仕事が発生し、効率が低下する。吐出流路に接続される瞬間の圧縮空間の圧力は、吸込流路から隔離される瞬間の圧縮空間の圧力、つまり、吸込流路の圧力に、吸込流路から隔離される瞬間の圧縮空間の容積と吐出流路に接続される瞬間の圧縮空間の容積との比である容積比によって決定される。
一般に、吸込流路から隔離される瞬間の圧縮空間の圧力と吐出流路に接続される瞬間の圧縮空間の圧力との比を内部圧縮比と呼び、吸込流路の圧力と吐出流路の圧力との比を外部圧縮比と呼ぶ。スクリュ圧縮機の効率を向上させるために、例えば特許文献1に記載されているように、スクリュ圧縮機の容積比を吸込流路の圧力および吐出流路の圧力に応じて変化させ、内部圧縮比を外部圧縮比に近づけるスライド弁のような機構が提案されている。
また、2台のスクリュ圧縮機を中間流路を介して直列に接続した2段圧縮装置も利用されている。このような2段圧縮装置においても、外部圧縮比に応じて内部圧縮比を調節して、効率を向上させることが望ましいが、特許文献1のスクリュ圧縮機2台を直列に接続した場合、低段側の圧縮機の内部圧縮比を調節すると、中間流路の圧力が変化するため、高段側の圧縮機の外部圧縮比も変化し、高段側の圧縮機に要求される内部圧縮比が変化してしまう。つまり、特許文献1のスクリュ圧縮機2台を直列に接続すると、2つのスクリュ圧縮機の内部圧縮比の調整が互いに干渉し合うため、制御が困難である。
前記問題点に鑑みて、本発明は、外部圧縮比に応じて内部圧縮比を調整できる2段圧縮装置を提供することを課題とする。
前記課題を解決するために、本発明による2段圧縮装置は、吸込流路から吸い込んだ気体を圧縮して中間流路に吐出する低段圧縮部と、前記中間流路から吸い込んだ気体を圧縮して吐出流路に吐出する高段圧縮部とを有し、前記低段圧縮部および前記高段圧縮部は、それぞれ、ケーシング内に形成したロータ室の中に互いに咬合する雌雄一対のスクリュロータを収容してなり、前記ロータ室内に、前記スクリュロータによって互いに隔離されて前記スクリュロータの回転にともなって容積が縮小する圧縮空間を形成し、前記低段圧縮部の前記スクリュロータの一方の軸と前記高段圧縮部の前記スクリュロータの一方の軸とが連結され、前記高段圧縮部は、前記圧縮空間の前記中間流路から隔離される瞬間の容積である吸込容積と前記吐出流路に接続される瞬間の容積である吐出容積との比である容積比を、前記吐出容積を変化させることによって、前記中間流路の圧力と前記吐出流路の圧力との比に応じて調整する容量調整手段を備えるものとする。
この構成によれば、低段側の圧縮部の内部圧縮比を固定し、高段側の圧縮部の内部圧縮比のみを変化させるので、制御が容易であり、2段圧縮装置全体の内部圧縮比を外部圧縮比に一致させて高い効率を得ることができる。
また、本発明の2段圧縮装置において、前記低段圧縮部の吐出流路の圧力は、前記吸込流路の圧力から算出してもよい。
この構成によれば、圧縮装置の内部で圧力を検出する必要がなく、前後の配管において圧力を検出できるので、構造が複雑にならない。
また、本発明の2段圧縮装置において、前記容量調整手段は、前記高段圧縮部の前記ロータ室の壁面の一部を形成し、前記スクリュロータの軸方向に進退して前記ロータ室の前記吐出流路に対する開口位置を変化させられるスライド弁であってもよい。
この構成によれば、連続的に内部圧縮比を変化させられるため、内部圧縮比を外部圧縮比に一致させることにより、高い効率を実現できる。
また、本発明の2段圧縮装置において、前記容量調整手段は、前記高段圧縮部の前記ロータ室の壁面の一部を開口して前記吐出流路に連通させられるバイパス機構であってもよい。
この構成によれば、構成が簡素であり、安価でありながら、2つの内部圧縮比を選択することにより、効率を向上させられる。
また、本発明の2段圧縮装置において、前記低段圧縮部および前記高段圧縮部の前記スクリュロータは、回転数制御可能なモータにより駆動されてもよい。
この構成によれば、回転数制御により、段圧縮装置全体の内部圧縮比を実質的に維持したまま、吐出流量を調整できるので、吸込流路や吐出流路の圧力変動を防止できる。
以上のように、本発明によれば、2段圧縮装置において、高段側の圧縮部の内部圧縮比のみを変化させるので、制御が容易であり、2段圧縮装置全体の内部圧縮比を外部圧縮比に一致させて高い効率を得ることができる。
これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図1に、本発明の第1実施形態である2段圧縮装置1の構成を示す。2段圧縮装置1は、ケーシング2内に形成したロータ室3,4の中に互いに咬合する雌雄一対のスクリュロータ5,6を収容してなる低段圧縮部7および高段圧縮部8を有する。低段圧縮部7の一方のスクリュロータ5の軸は、高段圧縮部8の一方のスクリュロータ6の軸と一体に連結されている。
低段圧縮部7および高段圧縮部8は、ロータ室3,4内をスクリュロータ5,6によって区分して、互いに隔離された複数の圧縮空間をそれぞれ形成する。低段圧縮部7は、圧縮空間内にケーシング2に形成した吸込流路9から気体を吸い込み、スクリュロータ5の回転にともなって圧縮空間の体積を小さくすることによって気体を圧縮し、ケーシング2に形成した中間流路10に圧縮した気体を吐出する。高段圧縮部8は、圧縮空間内に中間流路10から気体を吸い込んで、スクリュロータ6の回転によって気体を圧縮し、ケーシング2に形成した吐出流路11に吐出する。
スクリュロータ5,6は、インバータ12から電力が供給されることで回転数を調節可能なモータ13によって駆動される。高段圧縮部8は、ロータ室4の内壁の一部分を構成し、スクリュロータ6の軸方向に移動可能なスライド弁14を備える。スライド弁14は、油圧シリンダ15によって駆動され、高段圧縮部8の圧縮空間が吐出流路11に連通する位置を調整する。つまり、スライド弁14は、高段圧縮部8の圧縮空間が吐出流路11に接続される瞬間の体積を調整できる容量調整手段である。
この2段圧縮装置1は、油圧シリンダ15を駆動するための油圧回路16を有する。油圧回路16は、油圧シリンダ15のピストン17の前後の空間に圧油を供給または両空間のいずれかから油を排出するように流路を切り替える4方切り替え制御弁18と、4方切り替え制御弁18を駆動する圧空の給排気を切り替える2つの電磁弁19,20とを有する。
また、2段圧縮装置1は、吸込流路9の圧力である吸込圧力Psを検出する吸込圧力検出器21と、吐出流路11の圧力である吐出圧力Pdを検出する吐出圧力検出器22と、油圧シリンダ15のピストン17の位置を検出するポジショナ23とを有する。さらに、2段圧縮装置1は、吸込圧力検出器21が検出した吸込圧力Psに基づいて中間流路10の圧力である中間圧力Pmを算出する中間圧力演算部24と、中間圧力演算部24が算出した中間圧力Pmおよび吐出圧力検出器22が検出した吐出圧力Pdに基づいて、スライド弁14の目標位置、つまり、ポジショナ23が検出すべきピストン17の位置を算出する弁目標位置演算部25と、ポジショナ23の検出値を弁目標位置演算部25が算出した位置に近づけるように、油圧回路16の電磁弁19,20を制御する弁位置制御部26とを有する。
ここで、中間圧力演算部24における、中間圧力Pmの算出方法について説明する。低段圧縮部7の行程体積をVt1、高段圧縮部8の行程体積をVt2、低段圧縮部7の体積効率をη1、高段圧縮部8の体積効率をη2、吸込流路9における気体の温度である吸込温度をTs、中間流路8における気体の温度である中間温度をTm、とする。すると、中間流路10における気体の圧力である中間圧力Pmは、Pm=Ps×(Vt1×η1/Ts)/(Vt2×η2/Tm)と表せる。従って、低段圧縮部7の外部圧縮比は、Pm/Ps=(Vt1×η1/Ts)/(Vt2×η2/Tm)=(Vt1/Vt2)×(η1/η2)×(Tm/Ts)となる。ここで、行程体積をVt1、Vt2は、スクリュロータ5,6の形状および大きさに依存し、モータ13の回転数に比例するため、(Vt1/Vt2)は一定である。また、体積効率η1,η2、吸込温度Tsおよび中間温度Tmは、外的要因によって変動することはあるが、2段圧縮装置1自体の運転パラメータによっては殆ど変化しない。このため、中間圧力Pmは、吐出圧力Pdとは無関係に、スクリュロータ5,6の形状によって定められる係数と吸込圧力検出器21が検出した吸込圧力Psとに基づいて算出できる。
また、低段圧縮部7の圧縮空間の吸込流路9から隔離される瞬間の容積である吸込体積をVs1、中間流路10に接続される瞬間の容積である吐出体積をVd1、低段圧縮部7の吸込体積Vs1と吐出体積Vd1との比である容積比をVi1、低段圧縮部7の圧縮空間の中間流路10に接続される瞬間の圧力である低段内部圧力Pd1とすると、ポリトロープ変化の公式に基づき、比熱比κを用いて、Ps×Vs1κ=Pd1×(Vs/Vi1)κの関係が成り立つ。従って、低段内部圧力Pd1=Ps×Vi1κと表すことができる。
同様に、高段圧縮部8の圧縮空間の中間から隔離される瞬間の容積である吸込体積をVs2、吐出流路11に接続される瞬間の容積である吐出体積をVd2、高段圧縮部8の吸込体積Vs2と吐出体積Vd2との比である容積比をVi2、高段段圧縮部8の圧縮空間の吐出流路に接続される瞬間の圧力である高段内部圧力をPd2とすると、ポリトロープ変化の公式に基づき、Pm×Vs2κ=Pd×Vd2κであるから、Vs2/Vd2=(Pd/Pm)1/κ・・・(1)となる。
吐出圧力Pdと高段内部圧力Pd2とに差があると、吐出流路11から圧縮空間への気体の逆流や、圧縮空間において過剰に圧縮された気体が吐出空間において瞬間的な膨張が生じ、エネルギの損失を招く。そこで、2段圧縮装置1は、弁目標位置演算部25において、吐出圧力Pdと高段内部圧力Pd2とが等しくなるような高段圧縮部8の容積比Vi2の目標容積比Viaを算出する。具体的には、Via=Vi2=Vs2/Vd2とし、これに、前記ポリトロープ変化の式(1)を代入すると、目標容積比Via=(Pd/Pm)1/κとなる。高段圧縮部8の吸込体積Vs2は一定であるから、この目標容積比Viaを達成するため、スライド弁14によって設定すべき高段圧縮部8の吐出体積Vd2が算出でき、ポジショナ23が検出すべきピストン17の位置を決定できる。
弁位置制御部26は、高段圧縮部8の容積比Vi2を目標値Viaに近づけるように、油圧回路16を制御する。典型的には、高段圧縮部8の吐出体積Vd2は、スライド弁14の位置に比例して変化する。この場合、高段圧縮部8の容積比Vi2は、高段圧縮部8の吸込体積Vs2が一定であるので、ポジショナ21が検出したピストン15の位置に比例する。そこで、弁位置制御部26は、ポジショナ21の検出値から算出した容積比Vi2が目標値Viaよりも所定の許容偏差α、例えば0.1を超えて大きい場合(Vi2−Via>α)には、電磁弁19を排気位置とし、電磁弁20を圧空供給位置とすることにより、油圧シリンダ15を伸長させてスライド弁14の開度を大きくし、容積比Vi2を低下させる。逆に、弁位置制御部26は、検出した容積比Vi2が目標値Viaよりも所定の許容偏差α、例えば0.1を超えて小さい場合(Vi2−Via<−α)には、電磁弁19を圧空供給位置とし、電磁弁20を排気位置とすることにより、油圧シリンダ15を短縮させてスライド弁14の開度を小さくする。
以上のように、2段圧縮装置1は、高段圧縮部8の吐出容量Vd2を変化させて高段圧縮部8の容積比Vi2を調整することによって、高段圧縮部8の内部圧縮比を高段圧縮部8の外部圧縮比(Pd/Pm)に略一致させる。つまり、2段圧縮装置1全体の内部圧縮比は、高段圧縮部8の容積比Vi2の調整によって、2段圧縮装置1全体の外部圧縮比(Ps/Pd)に合わせられるので、動力ロスが少なく、効率が高い。
また、2段圧縮装置1は、インバータ12により周波数制御されるモータ13により駆動されるので、低段圧縮部7および高段圧縮部8の内部圧縮比を実質的に維持したまま、需要に応じて圧縮した気体の吐出量を調整できる。このため、吸込流路9や吐出流路11の圧力変動を防止できる。
続いて、図2に、本発明の第2実施形態である2段圧縮装置1aを示す。尚、本実施形態において、第1実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付して、重複する説明を省略する。
本実施形態の2段圧縮装置1aにおいて、スライド弁14aは、スプリングリターン式の油圧シリンダ15aによってスクリュロータ6の軸方向に吸込側と吐出側の2つの位置のいずれかに配置される。このスライド弁14aは、連通孔27を有し、吐出側に移動することによって、ロータ室4の外壁の一部を開放し、連通孔27を介して吐出流路11に連通させる。つまり、スライド弁14aは、高段圧縮部8の容積比Vi2を2段階に変化させる容量調整手段である。このため、油圧回路16aは、油圧シリンダ15aに圧油を供給する給油位置と、油圧シリンダ15aから油を排出する排油位置との間で切り替えられる電磁弁28を1つだけ備える簡素なものである。
また、2段圧縮装置1aは、中間流路10において中間圧力Pmを直接検出する中間圧力検出器29を有する。このため、中間圧力検出器29が検出値Pmと吐出圧力検出器22の検出値Pdとから、スライド弁14aの位置を直接決定し、油圧回路16の電磁弁28を、スライド弁14aの位置に対応する給油位置または排油位置に切り替える弁位置決定部30を有する。
図3に、スライド弁14aの位置による、外部圧縮比に対する断熱効率の変化を示す。図示するように、スライド弁14aが吸込側に位置する場合と吐出側に位置する場合とで断熱効率が等しくなる外部圧縮比πaがある。よって、この断熱効率が等しくなる外部圧縮比πaを境に、スライド弁14aの位置を切り替えればよい。
本発明によれば、容量調整手段は、第1実施形態のスライド弁14や第2実施形態の連通孔27を有するスライド弁14aの他、高段圧縮部8の容積比Vi2を変化させられるものであれば、どのようなものであってもよい。例えば、ロータ室4の軸方向の端面に開口を設け、この開口を吐出流路11に連通させ得るピストンバルブのような弁機構を容量調整手段として採用してもよい。
1,1a…2段圧縮装置
2…ケーシング
3,4…ロータ室
5,6スクリュロータ
7…低段圧縮部
8…高段圧縮部
9…吸込流路
10…中間流路
11…吐出流路
12…インバータ
13…モータ
14,14a…スライド弁
15,15a…油圧シリンダ
16,16a…油圧回路
21…吸込圧力検出器
22…吐出圧力検出器
23…ポジショナ
24…中間圧力演算部
25…弁目標位置演算部
26…弁位置制御部
27…連通孔
29…中間圧力検出器
30…弁位置決定部
2…ケーシング
3,4…ロータ室
5,6スクリュロータ
7…低段圧縮部
8…高段圧縮部
9…吸込流路
10…中間流路
11…吐出流路
12…インバータ
13…モータ
14,14a…スライド弁
15,15a…油圧シリンダ
16,16a…油圧回路
21…吸込圧力検出器
22…吐出圧力検出器
23…ポジショナ
24…中間圧力演算部
25…弁目標位置演算部
26…弁位置制御部
27…連通孔
29…中間圧力検出器
30…弁位置決定部
Claims (5)
- 吸込流路から吸い込んだ気体を圧縮して中間流路に吐出する低段圧縮部と、前記中間流路から吸い込んだ気体を圧縮して吐出流路に吐出する高段圧縮部とを有し、
前記低段圧縮部および前記高段圧縮部は、それぞれ、ケーシング内に形成したロータ室の中に互いに咬合する雌雄一対のスクリュロータを収容してなり、前記ロータ室内に、前記スクリュロータによって互いに隔離されて前記スクリュロータの回転にともなって容積が縮小する圧縮空間を形成し、
前記低段圧縮部の前記スクリュロータの一方の軸と前記高段圧縮部の前記スクリュロータの一方の軸とが連結され、
前記高段圧縮部は、前記圧縮空間の前記中間流路から隔離される瞬間の容積である吸込容積と前記吐出流路に接続される瞬間の容積である吐出容積との比である容積比を、前記吐出容積を変化させることによって、前記中間流路の圧力と前記吐出流路の圧力との比に応じて調整する容量調整手段を備えることを特徴とする2段圧縮装置。 - 前記低段圧縮部の吐出流路の圧力は、前記吸込流路の圧力から算出することを特徴とする請求項1に記載の2段圧縮装置。
- 前記容量調整手段は、前記高段圧縮部の前記ロータ室の壁面の一部を形成し、前記スクリュロータの軸方向に進退して前記ロータ室の前記吐出流路に対する開口位置を変化させられるスライド弁であることを特徴とする請求項1または2に記載の2段圧縮装置。
- 前記容量調整手段は、前記高段圧縮部の前記ロータ室の壁面の一部を開口して前記吐出流路に連通させられるバイパス機構であることを特徴とする請求項1または2に記載の2段圧縮装置。
- 前記低段圧縮部および前記高段圧縮部の前記スクリュロータは、回転数制御可能なモータにより駆動されることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の2段圧縮装置。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012081312A JP2013209953A (ja) | 2012-03-30 | 2012-03-30 | 2段圧縮装置 |
PCT/JP2013/058563 WO2013146674A1 (ja) | 2012-03-30 | 2013-03-25 | 2段圧縮装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012081312A JP2013209953A (ja) | 2012-03-30 | 2012-03-30 | 2段圧縮装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2012081312A Pending JP2013209953A (ja) | 2012-03-30 | 2012-03-30 | 2段圧縮装置 |
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WO (1) | WO2013146674A1 (ja) |
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