JP4546136B2

JP4546136B2 - スクリュ冷凍装置

Info

Publication number: JP4546136B2
Application number: JP2004127017A
Authority: JP
Inventors: 昇壷井; 啓介田中
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2004-04-22
Filing date: 2004-04-22
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2024-04-22
Also published as: JP2005308330A

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。）。
特開平１−２７３８９４号公報

スクリュ圧縮機は、ロータ間、ロータとロータ室の内壁面との間のシール、圧縮に伴う昇温部の冷却、潤滑等の目的でロータ室内に油を注入する油冷式のスクリュ圧縮機と、ロータ室内に油を注入せず、軸受部がロータ室からシールにより完全に遮断され、雌雄ロータ間の回転駆動力伝達のために同期歯車が用いられる無給油式のスクリュ圧縮機とに大別される。圧縮機本体自体の構造は油冷式のスクリュ圧縮機に比して、無給油式のスクリュ圧縮機の方がかなり複雑であり、同一吐出風量とした場合、油冷式のスクリュ圧縮機に比して無給油式のスクリュ圧縮機の方が複雑化した分だけ高価となる。また、油冷式のスクリュ圧縮機に比して無給油式のスクリュ圧縮機の方が、ロータ間の隙間、およびロータとロータ室の内壁面との間の隙間は大きく、この隙間を介して漏れるガス量も多い。それ故に、圧縮ガス中に潤滑油が含まれるのが許されず、クリーンな圧縮ガスのみが要求される特別な用途以外では、一般的に、油冷式のスクリュ圧縮機が用いられ、無給油式のスクリュ圧縮機が用いられることはない。

上記特許文献１に記載のスクリュ冷凍装置では、油冷式のスクリュ圧縮機が用いられ、スクリュ圧縮機に吸込まれた冷媒ガスは、ロータ室にて油の注入を受けつつ圧縮された後、油を伴ってスクリュ圧縮機から吐出される。このため、このスクリュ圧縮機からの圧縮された冷媒ガスから油を分離、回収する油分離回収器（オイルセパレータ）、回収された油を冷却する油冷却器（オイルクーラ）、そしてこの油を清浄化する油フィルタ（オイルストレーナ）、およびこれらを経由した油を再度上記ロータ室に導き、繰返し循環させる油流路が設けられている。

上述した従来のスクリュ冷凍装置の場合、油分離回収器、油冷却器、油フィルタおよび油流路のための油用配管を要し、これらが装置全体の容積に占める割合は大きく、装置が嵩高となり、その設置スペースが大きくなるとともに、装置が複雑な構造になり、それだけ高コストのものになるのに加えて、メンテナンスに多大な負担が強いられる等の問題があった。
本発明は、斯かる従来の問題をなくすことを課題としてなされたもので、構造の単純化、小型化、メンテナンスの負担軽減等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、油を含む冷媒を作動流体として通じ、スクリュ圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器を含む冷媒・油循環流路を備えたスクリュ冷凍装置において、
上記凝縮器と上記膨張弁との間の上記冷媒・油循環流路の部分と上記スクリュ圧縮機内に収容された互いに噛み合う雌雄一対のスクリュロータを回転可能に支持する軸受とを連通させ、上記軸受に油を導く分岐流路と、
上記スクリュロータの吐出側の端部の外側に位置し、その下方に上記軸受に隣接し、上記軸受を冷媒とともに通過した油が貯められる油だまりが形成される空間と、
上記スクリュロータの吐出側の軸受部を上記スクリュ圧縮機内のガス圧縮空間部に連通させ、該空間にてガス化した冷媒をガス圧縮空間部に戻す戻し流路とが設けられた構成とした。

第２発明は、第１発明の構成に加えて、上記戻し流路の入口部にフィルタ部材が設けられた構成とした。

第１発明に係るスクリュ冷凍装置によれば、冷媒に油が含まれており、スクリュロータが収容されたロータ室内での潤滑、シール作用、および冷却作用を生じる故、複雑な構造の無給油式のスクリュ圧縮機に代えて従来油冷式とされていたスクリュ圧縮機の構造と同一構造のスクリュ圧縮機を採用しても、油分離回収器、油冷却器、油フィルタ、さらにこれらの潤滑油用機器を含む潤滑油循環のための油用配管等を設ける必要はなく、スクリュ冷凍装置全体の構造の単純化、小型化、メンテナンスの負担軽減等が可能になるという効果を奏する。また、凝縮器や蒸発器における熱伝達効率の低下防止の見地から冷媒とともに循環させる油の量を制限することによる軸受部での潤滑不足のおそれは、油だまりを設けることにより解消され、軸受寿命を長くすることが可能になるという効果を奏する。

また、第１発明に係るスクリュ冷凍装置によれは、上記効果に加えてスクリュロータの吐出側の軸受部から戻し流路を経てガス圧縮空間部への冷媒の流れが形成され、油だまりへの油の絶え間ない補給が確保され易くなるという効果を奏する。

第２発明に係るスクリュ冷凍装置によれば、第１発明による効果に加えて、ガス圧縮空間部に供給される油が多くなり過ぎることがなくなり、この油が多くなり過ぎることによる不具合が防止され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は参考例に係るスクリュ冷凍装置１Ａを示し、このスクリュ冷凍装置１Ａは、スクリュ圧縮機１１、凝縮器１２、膨張弁１３および蒸発器１４を含む冷媒・油循環流路Iと、凝縮器１２と膨張弁１３との間の冷媒・油循環流路Iの部分から分岐し、絞り手段１５を経て、スクリュ圧縮機１１内の吸込みおよび吐出状態にないガス圧縮空間部に通じるバイパス流路IIとを備えている。この絞り手段１５としては、絞り作用を有するものであればよく、例えばオリフィス、固定絞り弁、可変絞り弁が含まれる。なお、図中、二つの※印同士は連続していることを表しており、以下の図においても同様である。

スクリュ圧縮機１１は、圧縮機ケーシング２１内に収容された互いに噛み合う雌雄一対のスクリュロータ２２を有し、スクリュロータ２２の一方に吸込口２３、他方に吐出口２４が形成されている。なお、スクリュロータ２２については、雌雄一対の内の一方のみが図示されており、以下、この一方に関する説明がなされているが、他方についても同様である。

スクリュロータ２２の両側に張り出したロータ軸２５および２６は軸受２７および２８により回転可能に支持されている。また、凝縮器１２と膨張弁１３との間の冷媒・油循環流路Iの部分から分岐した分岐流路III，IVの内、分岐流路IIIが吸込み側の軸受２７とスクリュロータ２２との間のロータ軸２５を取巻く空隙部に連通し、分岐流路IVが吐出側の軸受２８とスクリュロータ２２との間のロータ軸２６を取巻く空隙部に連通している。

圧縮機ケーシング２１の吸込み側には、これと一体的に結合されたモーターケーシング３１を有するモータ３２が配設されており、そのロータ３３はロータ軸２５の延長部に片持ち支持されている。即ち、モータ３２の回転軸がロータ軸２５となっている。また、モーターケーシング３１の圧縮機ケーシング２１に対向する側には、蒸発器１４を出た冷媒・油循環流路Iの部分が接続しており、この冷媒・油循環流路Iの部分からモータ３２のロータ３３とステータ３４との間の空隙部を経て、吸込口２３に至るモータ３２内の空間が冷媒・油循環流路Iの一部となっている。また、吸込み側の軸受２７の外輪はモータ３２側から軸受押さえ部材３５により押し付けられており、上記外輪と軸受押さえ部材３５との間の環状空間の下部には軸受２７に隣接した油だまり３６が形成されている。

吐出側の軸受２８の外輪はロータ軸２６の端部の外側に空間３７を形成する軸受押さえ部材３８により押し付けられており、空間３７の下部には軸受２８に隣接した油だまり３９が形成されている。

上記構成からなるスクリュ冷凍装置１Ａは油を含む冷媒を作動流体としており、スクリュ圧縮機１１により吸込まれた油を伴っ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、ここで熱交換により外部に熱を奪われ、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油を伴った状態でバイパス流路II、分岐流路IIIおよび分岐流路IVに分流し、残りの油を伴った冷媒が膨張弁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て、気液混合状態で蒸発器１４に至る。さらに、この油を伴った冷媒は蒸発器１４を通過する過程で熱交換により外部から熱を奪い、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。

バイパス流路IIに油を伴って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、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内の上記ロータ室に導かれる。そして、この油を伴った液状態の冷媒により、ロータ間、ロータとロータ室の内壁面との間のシールおよび潤滑を行うとともに、気液混合状態の冷媒により、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IIからの冷媒はロータ室内にて完全にガス状態になり、スクリュロータ２２により吸込口２３を経て吸込まれた冷媒とともに圧縮されて吐出口２４より油を随伴して凝縮器１２に送り出され、上記同様に繰返し循環する。

一方、分岐流路III内の油を伴った冷媒は、ロータ軸２５の外周の空隙部に導かれて、この空隙部をシールしつつ、軸受２７を経て、油だまり３６に貯められる油を除き、モータ３２内に流入した後、吸込口２３に吸込まれる。

また、分岐流路IV内の油を伴った冷媒は、ロータ軸２６の外周の空隙部に導かれて、この空隙部をシールしつつ、軸受２８を経て、空間３７に流入し、油は油だまり３９に貯められる。

このように、スクリュ冷凍装置１Ａでは、スクリュロータ２２が収容されたロータ室内での上述したシール、潤滑および冷却のために、上述した油分離回収器を設け、ここで冷媒ガスから分離された油が油用配管を経て用いられるのではなく、バイパス流路IIからの油を含む冷却された気液混合状態の冷媒が用いられている。このように、このスクリュ冷凍装置１Ａでは、従来油を用いる場合に、構造の複雑化、装置全体の容積、設置面積の増大およびコスト上昇等において大きな比重を占めていた油分離回収器、油冷却器、油フィルタ、これらの潤滑油用機器を含む潤滑油循環のための油用配管が一切不要となり、極めて単純なバイパス流路IIがこれらにとって代わり、この結果油を用いた場合に負担となっていた油関連のメンテナンスも不要となっている。また、凝縮器１２および蒸発器１４における熱伝達効率の低下を実用上無視し得る程度に止めるために、冷媒に含ませる油の量を制限しても、分岐流路III，IVおよび軸受２７，２８のそれぞれに隣接する油だまり３６，３８を設けているため、軸受２７，２８の箇所での潤滑不足の発生は防止でき、軸受寿命を長くすることが可能となっている。

図２は、第１発明に係るスクリュ冷凍装置１Ｂを示し、このスクリュ冷凍装置１Ｂにおいて上述したスクリュ冷凍装置１Ａと互いに共通する部分については、同一番号を付して説明を省略する。
スクリュ冷凍装置１Ｂでは、吐出側の軸受２８をスクリュ圧縮機１１内のガス圧縮空間部に連通させる戻し流路Vが設けられ、この戻し流路Vにより空間３７内の冷媒ガスを上記ガス圧縮空間に戻される。分岐流路IVからの油を伴った冷媒は軸受２８を経て、主として油が油だまり３９に貯められ、残りが空間３７に流入し、冷媒がガス化し、主としてこの冷媒ガスが戻し流路Vを介してガス圧縮空間部に戻される。この結果、軸受２８から戻し流路Vへの冷媒の流れが形成され、油だまり３９への油の絶え間ない補給が確保され易くなる。

図３は、第２発明に係るスクリュ冷凍装置１Ｃを示し、このスクリュ冷凍装置１Ｃにおいて上述したスクリュ冷凍装置１Ｂと互いに共通する部分については、同一番号を付して説明を省略する。
スクリュ冷凍装置１Ｃでは、戻し流路Vの入口部にフィルタ部材２が設けられている。空間３７内には主として冷媒ガスが充満しているが、ミスト状の油も浮遊している可能性もあり、このスクリュ冷凍装置１Ｃにおいては、フィルタ部材２によりこの油を除去し、油を含まない冷媒ガスのみを上記ガス圧縮空間部に戻している、このような構成とすることにより、ガス圧縮空間部に供給される油が多くなり過ぎて、逆に油だまり３９に溜まる油の量が少なくなり、軸受２８の潤滑が不十分となったりするような不具合の発生を防止するようになっている。また、フィルタ部材２は、戻し流路Vの入口部に設けられており、フィルタ部材２にて、捕捉された油はそこから自然に空間３７に滴下するようになっており、特別な油用配管等を設ける必要がない。

参考例に係るスクリュ冷凍装置の全体構成を示す図である。第１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。第２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。

１Ａ，１Ｂ，１Ｃスクリュ冷凍装置
２フィルタ部材
１１スクリュ圧縮機
１２凝縮器
１３膨張弁
１４蒸発器
１５絞り手段
２１圧縮機ケーシング
２２スクリュロータ
２３吸込口
２４吐出口
２５，２６ロータ軸
２７，２８軸受
３１モーターケーシング
３２モータ
３３ロータ
３４ステータ
３５軸受押さえ部材
３６油だまり
３７空間
３８軸受押さえ部材
３９油だまり
I 冷媒・油循環流路
II バイパス流路
III，IV 分岐流路
V 戻し流路

Claims

油を含む冷媒を作動流体として通じ、スクリュ圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器を含む冷媒・油循環流路を備えたスクリュ冷凍装置において、
上記凝縮器と上記膨張弁との間の上記冷媒・油循環流路の部分と上記スクリュ圧縮機内に収容された互いに噛み合う雌雄一対のスクリュロータを回転可能に支持する軸受とを連通させ、上記軸受に油を導く分岐流路と、
上記スクリュロータの吐出側の端部の外側に位置し、その下方に上記軸受に隣接し、上記軸受を冷媒とともに通過した油が貯められる油だまりが形成される空間と、
上記スクリュロータの吐出側の軸受部を上記スクリュ圧縮機内のガス圧縮空間部に連通させ、該空間にてガス化した冷媒をガス圧縮空間部に戻す戻し流路とが設けられたことを特徴とするスクリュ冷凍装置。
上記戻し流路の入口部にフィルタ部材が設けられたことを特徴とする請求項１に記載のスクリュ冷凍装置。