JP4147891B2 - 可変ｖｉ式インバータスクリュー圧縮機 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、スクリュー圧縮機の吸入容積と吐出容積との比である内部容積比ＶＩを可変にした可変ＶＩ(内部容積比)式インバータスクリュー圧縮機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、上記内部容積比ＶＩを可変にしたＶＩ可変スクリュー型圧縮機として、図７に示すようなものがある(例えば、特許文献１参照)。
【０００３】
このＶＩ可変スクリュー型圧縮機では、上記内部容積比ＶＩを変更する必要がある場合には、ステップモータ１によってロッド２を回転させてＶＩ可変弁３を例えば後退させる。その際に、容量制御弁４は、ＶＩ可変弁３の後退と共に後退し、ＶＩ可変弁３が新たな設定位置に固定された場合にはＶＩ可変弁３に接触した状態で再び固定される。こうして、上記容量制御弁４の先端は、変動後の内部容積比ＶＩに対応した位置まで後退して、新たに吐出ポート５の開口度を規定する。
【０００４】
この場合、上記内部容積比ＶＩは、運転時のロータとケーシング７内壁とで形成される空間が吐出空間に連通する直前の圧力Ｐd1を検出し、この検出圧力Ｐd1と吐出圧力Ｐd2との差ΔＰを最小にするようにステップモータ１に信号を与えることによって指定される。あるいは、運転時の吸入圧力,吐出圧力等のパラメータを制御装置１０で傾向解析することによって最適内部容積比ＶＩを予測し、この最適ＶＩの値を表わす信号をステップモータ１に与えることによって指定される。
【０００５】
上記構成において、吸入孔６から吸入された流体は、ケーシング７内においてオスメスロータ(図示せず)によって圧縮された後に、吐出ポート５を経て吐出孔８に吐出される。
【０００６】
この状態で、ＶＩ可変スクリュー型圧縮機に掛る負荷が変動し、容量制御が必要となった場合には、その制御指令に基づいて油圧ピストン９が前進動作して容量制御弁４を必要量だけ前進させるので、ＶＩ可変弁３と容量制御弁４との間には隙間が生ずる。そして、圧縮途中の流体はＶＩ可変弁３と容量制御弁４との隙間から吸入側にバイパスされるのである。
【０００７】
すなわち、上記特許文献１においては、全負荷能力(１００％ロード)時における運転時の高低圧力条件に合わせて最高の圧縮機効率になるように、容量制御弁４から吐出する圧縮ガスの内部容積比ＶＩを可変にしているのである。
【０００８】
【特許文献１】
特許第３１５９７６２号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の特許文献１に開示されたＶＩ可変スクリュー型圧縮機においては、以下のような問題がある。
【００１０】
すなわち、上記従来のＶＩ可変スクリュー型圧縮機における可変ＶＩ技術は、運転時の高低圧力条件に合わせて最高の圧縮機効率になるように吐出ポート５から吐出される圧縮ガスの内部容積比ＶＩを可変にしているが、全負荷能力(１００％ロード)時に合わせた設定となっている。そして、部分負荷能力時(パートロード時)においては、圧縮途中の流体をＶＩ可変弁３と容量制御弁４との隙間から吸入側にバイパスすることによって、能力調整(アンロード制御)を行っているために効率が悪いと言う問題がある。
【００１１】
また、内部容積比ＶＩを変更するＶＩ可変弁３と容量制御を行う容量制御弁４とを備えているため、内部容積比ＶＩ変更時のＶＩ可変弁３制御機構と容量制御時の容量制御弁４制御機構とを個別に備える必要があり、弁制御機構が複雑であると言う問題もある。
【００１２】
そこで、この発明の目的は、負荷(運転条件)に応じて常時最大効率運転が可能なＶＩ可変スクリュー型圧縮機を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に係る発明の可変ＶＩ式インバータスクリュー圧縮機は、
スクリュー圧縮部における圧縮工程の終了時点を変更することによって、内部容積比ＶＩを可変にする可変ＶＩ弁と、
上記スクリュー圧縮部を回転駆動する電動機と、
上記電動機の回転周波数を負荷に応じて制御するインバータと、
上記スクリュー圧縮部における吸入側圧力および吐出側圧力と、上記電動機の回転周波数と、に基づいて、上記可変ＶＩ弁の開度を制御する制御部と
を備え、
上記制御部は、上記インバータによって設定された上記電動機の回転周波数に応じた最高の圧縮機効率になるように、上記内部容積比ＶＩを制御する
ことを特徴としている。
【００１４】
上記構成によれば、負荷に応じて圧縮能力を調整する場合には、インバータによって電動機の回転周波数が制御される。こうして、アンロード制御を行うことなく能力調整が行われる。そして、調整された上記電動機の回転周波数に応じた最高の圧縮機効率になるように、可変ＶＩ弁の開度が制御されて、スクリュー圧縮部における圧縮工程の終了時点が設定される。その結果、負荷に応じて常時最大効率運転が可能になる。
【００１５】
さらに、上記可変ＶＩ時には、制御部によって、上記スクリュー圧縮部における吸入側圧力および吐出側圧力と上記電動機の回転周波数とに基づいて、上記可変ＶＩ弁の開度が制御され、上記インバータによって設定された上記電動機の回転周波数に応じた最高の圧縮機効率になるように、上記内部容積比ＶＩが制御される。したがって、予め定められた圧縮比と電動機の回転周波数と最適内部容積比ＶＩとの関係を用いることによって、上記内部容積比ＶＩが、上記インバータによって調整された上記電動機の回転周波数に応じた最高の圧縮機効率になるように、的確且つ容易に制御される。
【００１６】
また、請求項２に係る発明は、
請求項１に係る発明の可変ＶＩ式インバータスクリュー圧縮機において、
上記インバータは、上記電動機の駆動電圧および駆動電流を検出可能になっており、
上記制御部は、上記電動機の駆動電圧および駆動電流が最小になるように上記可変ＶＩ弁の開度を制御することによって、最高の圧縮機効率になるように上記内部容積比ＶＩを制御する
ことを特徴としている。
【００１７】
上記構成によれば、上記スクリュー圧縮部を回転駆動する電動機の駆動電圧および駆動電流に基づいて、上記インバータによって設定された上記電動機の回転周波数に応じた最高の圧縮機効率になるように上記内部容積比ＶＩが制御される。
【００１８】
また、請求項３に係る発明は、
請求項１に記載の可変ＶＩ式インバータスクリュー圧縮機において、
上記インバータは、上記電動機の駆動電力を検出可能になっており、
上記制御部は、上記電動機の駆動電力が最小になるように上記可変ＶＩ弁の開度を制御することによって、最高の圧縮機効率になるように上記内部容積比ＶＩを制御する
ことを特徴としている。
【００１９】
上記構成によれば、上記スクリュー圧縮部を回転駆動する電動機の駆動電力に基づいて、上記インバータによって設定された上記電動機の回転周波数に応じた最高の圧縮機効率になるように上記内部容積比ＶＩが制御される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。図１は、本実施の形態の可変ＶＩ式インバータスクリュー圧縮機における概略構成図である。尚、図１(a)は低ＶＩ時を示しており、図１(b)は高ＶＩ時を示している。
【００２１】
図１において、１１は電動機であり、ケーシング(図示せず)に対して固定されたステータ１２と主軸１４の一端側に固定されて回転するロータ１３とを有している。電動機１１は、インバータ１５によってインバータ駆動される。上記主軸１４の両端は軸受１６,１７で支持されており、主軸１４の他端側にはスクリューロータ１８が取り付けられている。そして、電動機１１によって主軸１４が回転されるとスクリューロータ１８が回転して、外周面のスクリュー溝(図示せず)によって吸入ガスが圧縮される。軸方向に所定長の吐出口２０を有すると共に、スクリューロータ１８の外周面に対向した円筒状のスライド弁１９が設けられており、スクリューロータ１８で圧縮されたガスは吐出口２０がら吐出される。
【００２２】
上記スライド弁１９の反電動機１１側の端面には支持板２１によって摺動自在に支持された複数のロッド２２の一端が取り付けられている。そして、各ロッド２２の他端は１枚の連結板２３に取り付けられている。支持板２１における反スクリューロータ１８側の表面中央にはシリンダ２４が設けられ、このシリンダ２４に収納されたピストン２５の反スクリューロータ１８側に取り付けられたピストンロッド２６の先端には、連結板２３が取り付けられている。こうして、ピストン２５の軸方向への移動に連れてピストンロッド２６,連結板２３およびロッド２２を介してスライド弁１９が軸方向へ移動するようになっている。
【００２３】
上記シリンダ２４内におけるピストン２５の両側の作動室に給排される作動流体は、圧縮部コントローラ２７からの制御信号に基づいて、流体制御装置２８によって制御される。尚、上記流体制御装置２８の具体的構成は、内部容積比ＶＩを低下させる場合には、図１(a)に示すごとくピストン２５をスクリューロータ１８側に移動させる一方、内部容積比ＶＩを上昇させる場合には、図１(b)に示すごとくピストン２５を反スクリューロータ１８側に移動させる構成を有していれば、特に限定するものではない。
【００２４】
上記構成の可変ＶＩ式インバータスクリュー圧縮機においては、負荷に対する能力調整は、インバータ１５による電動機１１の回転数制御によって行う。こうすることによって、能力調整時にアンロード制御を行う必要が無く、運転効率の低下を抑制できる。さらに、容量制御を行う容量制御弁を無くすことができ、弁制御機構を簡素化することができるのである。
【００２５】
これに対して、上記可変ＶＩは、運転状態に応じた最高の効率になるように、スライド弁１９の位置を圧縮部コントローラ２７によって制御するのである。そして、低ＶＩ指令時には、スライド弁１９(つまり、吐出口２０の開始位置)を軸方向電動機１１側に移動させることによって、圧縮部における圧縮工程の終了時点を速めて圧縮ガスを早く吐出させる。一方、高ＶＩ指令時には、スライド弁１９(つまり、吐出口２０の開始位置)を軸方向ピストン２５側に移動させることによって、圧縮部における圧縮工程の終了時点を遅めて圧縮ガスを遅く吐出させるのである。すなわち、本実施の形態においては、上記可変ＶＩ弁をスライド弁１９によって構成するのである。
【００２６】
そして、上述のようにして、上記インバータ１５によって電動機１１の回転数が設定され、圧縮部コントローラ２７によってスライド弁１９の位置が設定されると、吸入口から吸入された吸入ガスは、電動機１１内を通過してスクリューロータ１８に導かれる。そして、スクリューロータ１８の外周面に形成された上記スクリュー溝によって圧縮され、スライド弁１９の吐出口２０がら吐出されるのである。
【００２７】
以下、本実施の形態における電動機１１の回転数制御およびスライド弁１９の位置制御について述べる。
【００２８】
図２は、本可変ＶＩ式インバータスクリュー圧縮機における能力・ＶＩ制御系を示す図である。図２においては、冷凍機に搭載されて冷媒を圧縮加熱するスクリュー圧縮機３１を例に説明する。
【００２９】
上記冷凍機は、スクリュー圧縮機３１,凝縮器３２,膨張弁３３および蒸発器３４が順次環状に接続されて構成されている。そして、スクリュー圧縮機３１から吐出された高温高圧の冷媒は凝縮器３２で冷却水または空気との熱交換によって凝縮され、低温高圧の液冷媒となって膨張弁３３に供給される。そして、膨張弁３３で減圧された低温低圧の液冷媒は、蒸発器３４で水との熱交換によって蒸発し、低圧の気体となってスクリュー圧縮機３１に戻る。そして、蒸発器３４で冷却された冷水が冷房に用いられる。
【００３０】
上記蒸発器３４の冷媒管には温度センサ３５が取り付けられ、この温度センサ３５からの冷却水温Ｔwを表す検出信号が制御装置３６の回転数出力部３７に入力される。そうすると、回転数出力部３７は、入力された検出信号に基づく冷却水温Ｔwを負荷側の情報として、例えば設定温度との差に基づいて、必要とする冷凍能力を得るための電動機１１の回転周波数Ｈzを算出し、制御装置３６の最適ＶＩ出力部３８とインバータ１５とに出力する。インバータ１５は、上記受け取った回転周波数Ｈzに基づいて電動機１１の回転数を制御する。こうして、負荷に対する能力調整が行われるのである。
【００３１】
一方、上記スクリューロータ１８およびスライド弁１９を含むスクリュー圧縮部３９の吸込み側には低圧側圧力センサ４０が取り付けられ、吐出側には高圧側圧力センサ４１が取り付けられている。そして、低圧側圧力センサ４０からの低圧力ＬＰを表す検出信号と、高圧側圧力センサ４１からの高圧力ＨＰを表す検出信号とが、最適ＶＩ出力部３８に入力される。そうすると、最適ＶＩ出力部３８は、入力された検出信号に基づく吸込み側の低圧力ＬＰと吐出側の高圧力ＨＰとに基づいて、電動機１１の回転数設定後における運転状況を検知する。そして、低圧力ＬＰと高圧力ＨＰと回転数出力部３７からの回転周波数Ｈzとに基づいて演算処理を行い、現在の回転周波数Ｈzにおける最適ＶＩを算出して圧縮部コントローラ２７に出力する。そうすると、圧縮部コントローラ２７は、上記受け取った内部容積比ＶＩに基づいて流体制御装置２８の動作を制御する。こうして、運転状況に応じたＶＩ制御が行われるのである。
【００３２】
ところで、上記流体制御装置２８の構成が、スライド弁１９の軸方向への移動に比例した動作を行う要素(パイロット弁を操作する外部駆動モータ等)を有している場合には、上記要素の動作位置によってスライド弁１９の位置を検知することができる。その場合には、流体制御装置２８からのスライド弁１９の位置ＳＶを表す検出信号を、圧縮部コントローラ２７を介してまたは直接最適ＶＩ出力部３８に入力する。そして、最適ＶＩ出力部３８では、上記受け取ったスライド弁１９の位置ＳＶに基づいて現在のＶＩ値を求めて、最適ＶＩ値をフィードバック制御するのである。こうすることによって、精度良く可変ＶＩ制御を行うことができるのである。
【００３３】
尚、上記流体制御装置２８の構成が、スライド弁１９の位置を検知できない構成(例えば、配管と電磁弁とで構成)である場合には、最適ＶＩ出力部３８は、起動時からの出力ＶＩ値を積算しておく。そして、この積算ＶＩ値を現在のＶＩ値として最適ＶＩ値への制御量ΔＶＩを算出することによって、フィードバック制御を行うことができる。
【００３４】
図３は、図２とは異なる能力・ＶＩ制御系を示す図である。図３においてもスクリュー圧縮機３１を冷凍機に搭載している。また、制御装置５１およびインバータ５４は図２とは異なる構成を有している。以下、図２と同じ部材には同じ番号を付して制御装置５１およびインバータ５４の動作について主に説明する。
【００３５】
図２の場合と同様に、温度センサ３５からの冷却水温Ｔwを表す検出信号が制御装置５１の回転数出力部５２に入力される。また、低圧側圧力センサ４０からの低圧力ＬＰを表す検出信号と高圧側圧力センサ４１からの高圧力ＨＰを表す検出信号とが、制御装置５１の最適ＶＩ出力部５３に入力される。そして、回転数出力部５２によって、冷却水温Ｔwに基づいて必要とする冷凍能力を得るための電動機１１の回転周波数Ｈzが算出され、インバータ５４によって電動機１１の回転数が制御される。こうして、負荷に対する能力調整が行われる。
【００３６】
本実施の形態におけるインバータ５４は、上記電動機１１の駆動電圧Ｖおよび駆動電流Ａを(または駆動電力Ｗを)検出可能になっており、この検出した駆動電圧Ｖおよび駆動電流Ａを(または駆動電力Ｗを)回転数出力部５２に返送する。そして、回転数出力部５２によって、上記算出された回転周波数Ｈzと上記受け取った駆動電圧Ｖおよび駆動電流Ａとが(または駆動電力Ｗとが)、最適ＶＩ出力部５３に送出される。
【００３７】
そうすると、上記最適ＶＩ出力部５３は、図２の場合と同様に、圧力センサ４０,４１からの低圧力ＬＰおよび高圧力ＨＰと回転数出力部５２からの回転周波数Ｈzと流体制御装置２８からのスライド弁１９の位置ＳＶとに基づいて演算処理を行い、最適ＶＩへの制御量ΔＶＩを算出して、圧縮部コントローラ２７に出力する。
【００３８】
さらに、本実施の形態においては、上記最適ＶＩ出力部５３によって、回転数出力部５２からの駆動電圧Ｖおよび駆動電流Ａ(または駆動電力Ｗ)の変化推移が記憶される。そして、上述したＶＩ動作を繰り返しながら、駆動電圧Ｖおよび駆動電流Ａ(または駆動電力Ｗ)が最小になるようにＶＩ制御を行うのである。
【００３９】
以後、図２の場合と同様に、上記圧縮部コントローラ２７によって、上記受け取った制御量ΔＶＩに基づいて流体制御装置２８の動作が制御されて、運転状況に応じた内部容積比ＶＩがフィードバック制御される。
【００４０】
尚、その場合に、図２の場合と同様に、上記流体制御装置２８の構成がスライド弁１９の位置を検知できない構成である場合には、最適ＶＩ出力部５３は、起動時からの出力ＶＩ値を積算した積算ＶＩ値を現在のＶＩ値として、最適ＶＩ値の制御量ΔＶＩを算出するのである。
【００４１】
ところで、図２および図３に示す制御装置３６,５１の最適ＶＩ出力部３８,５３においては、演算処理を行って最適ＶＩへの制御量ΔＶＩを算出するようにしている。しかしながら、低圧側圧力センサ４０からの低圧力ＬＰと、高圧側圧力センサ４１からの高圧力ＨＰと、回転数出力部３７,５２からの回転周波数Ｈzとを、順次メモリに格納しておく。そして、低圧力ＬＰと高圧力ＨＰと回転周波数Ｈzとを前回のＶＩ動作時の低圧力ＬＰと高圧力ＨＰと回転周波数Ｈzと比較し、それらの変化の推移に基づいて最適ＶＩへの制御量ΔＶＩを求めるようにすることも可能である。
【００４２】
図４は、上記高圧側圧力センサ４１からの高圧力ＨＰと低圧側圧力センサ４０からの低圧力ＬＰとの比(ＨＰ/ＬＰ)で表わされる圧縮比と、最適内部容積比ＶＩとの、運転周波数Ｈz(＝３０Ｈz,６０Ｈz,９０Ｈz)毎の関係を示す。図４中直線は、ＶＩ＝(ＨＰ/ＬＰ)1/k（ｋ：冷媒比熱比）で示される理論値である。このような圧縮比と最適内部容積比ＶＩと運転周波数Ｈzとの関係を冷媒毎に求め、図２および図３に示す最適ＶＩ出力部３８,５３によって演算処理を行う際の演算式に上記関係を盛り込むのである。
【００４３】
こうすることによって、上記最適ＶＩ出力部３８,５３による演算処理によって現在の回転周波数Ｈzにおける最適ＶＩへの制御量ΔＶＩを的確に算出することができるのである。
【００４４】
以上のごとく、本実施の形態においては、スクリュー圧縮機における電動機１１を、インバータ１５によってインバータ駆動するようにしている。また、吐出の開始位置を規定するスライド弁１９の軸方向位置を、圧縮部コントローラ２７からの制御信号に基づいて流体制御装置２８によってシリンダ２４内の作動室に給排される作動流体を制御することによって、制御するようにしている。
【００４５】
そして、負荷に対する能力調整は、制御装置３６,５１を構成する回転数出力部３７,５２によって、冷却水温Ｔwを負荷側の情報として必要とする冷凍能力を得るための回転周波数Ｈzを算出し、インバータ１５,５４によって電動機１１の回転数をこの回転周波数Ｈzになるように制御することによって行うようにしている。したがって、能力調整時におけるアンロード制御の必要性を無くして、運転効率の低下を抑制することができる。さらに、容量制御を行う容量制御弁を無くして、弁制御機構を簡素化することができるのである。
【００４６】
さらに、上記可変ＶＩは、上記制御装置３６,５１の最適ＶＩ出力部３８,５３によって、吸込み側の低圧力ＬＰと吐出側の高圧力ＨＰと回転周波数Ｈzとに基づいて演算処理を行って現在の回転周波数Ｈzにおける最適ＶＩ(またはΔＶＩ)を算出し、圧縮部コントローラ２７および流体制御装置２８でスライド弁１９の軸方向位置を設定して吐出の開始位置を規定することによって行うようにしている。したがって、電動機１１の回転周波数Ｈzに応じた最高の圧縮機効率になるように、内部容積比ＶＩを設定することができる。
【００４７】
したがって、この実施の形態によれば、負荷に対する能力調整を行うためにスクリュー圧縮機３１の回転周波数Ｈzを制御した場合における圧縮機効率の低下を、最小限に抑えることができるのである。
【００４８】
図５は、冷凍能力と圧縮機効率との関係を示す。横軸は冷凍能力Ｑを示し、従来の可変ＶＩとアンロード制御とを併用したＶＩ可変スクリュー圧縮機における６０Ｈz時における冷凍能力を１００％とした百分率で表わしている。一方、縦軸は圧縮機効率を示している。さらに、上記圧縮比を２.１，３.９，５.５，７.９に変化させている。
【００４９】
図によれば、本実施の形態における可変ＶＩとインバータ制御とを併用した可変ＶＩ式インバータスクリュー圧縮機の場合は、可変ＶＩとアンロード制御とを併用した従来のＶＩ可変スクリュー圧縮機の場合に比較して、１００％以下の冷凍能力Ｑにおいて、何れの圧縮比の場合であっても圧縮機効率を高めることができる。然も、低冷凍能力である程より大きく圧縮機効率を高めることができ、より大きな効果を得ることができる。また、本可変ＶＩ式インバータスクリュー圧縮機の場合には、負荷に対する能力調整をインバータ制御によって行っている。したがって、１００％以上の能力調整を行うことができるのである。尚、負荷に対する能力調整をアンロード制御によって行う従来のスクリュー圧縮機の場合には、当然ながら１００％以上の能力調整を行うことはできない。
【００５０】
ところで、スクリュー圧縮機の場合には、同じ圧力条件下においても回転周波数によって内圧に差が生ずるために、各周波数に応じた最適な内部容積比ＶＩの値が存在することになる。図６に、周波数３０Ｈzの場合(図６(a))と周波数９０Ｈzの場合(図６(b))とにおける内容積と圧力との関係を示す。図中点線は、内部容積比ＶＩを周波数６０Ｈzにおける最適ＶＩ値に固定した固定ＶＩの場合における内容積と圧力との関係を示す曲線である。尚、一点鎖線は、理論断熱圧縮時における内容積と圧力との関係を示す曲線である。上記固定ＶＩにおいては、周波数３０Ｈzの場合には、時点(Ａ)で圧縮不足が発生して圧力が急激に減少している。また、周波数９０Ｈzの場合には、時点(Ｂ)で過圧縮が発生して圧力が理論値よりもかなり増大している。以上のことから、単純にスクリュー圧縮機の容量制御にインバータを適用することはできないのである。
【００５１】
ところが、本実施の形態のごとく、可変ＶＩにすることによって、実線で示すように、固定ＶＩ時に周波数３０Ｈzの場合に発生していた圧縮不足を無くすと共に、圧力変動の幅を小さくすることができる。また、固定ＶＩ時に周波数９０Ｈzの場合に、発生していた過圧縮を無くして圧力変動の幅を小さくすることができるのである。
【００５２】
尚、上記実施の形態においては、本可変ＶＩ式インバータスクリュー圧縮機における能力・ＶＩ制御系の説明を冷凍機に適用された場合を例に行っているが、この発明はこれに限定されるものではない。要は、図２および図３において、制御装置３６,５１の回転数出力部３７,５２に入力される検出信号が、負荷の状態を表す信号であればよいのである。
【００５３】
【発明の効果】
以上より明らかなように、請求項１に係る発明の可変ＶＩ式インバータスクリュー圧縮機は、インバータで電動機の回転周波数を制御することによって負荷に応じた圧縮能力の調整を行うので、アンロード制御を行うことなく能力調整を行うことができる。したがって、能力調整時における運転効率の低下を抑制することができる。さらに、アンロード制御を行うための容量制御弁を無くして、弁制御機構を簡素化してコストダウンを図ることができる。
【００５４】
そして、可変ＶＩ弁で圧縮工程の終了時点を変更することによって内部容積比ＶＩを設定するので、圧縮機効率を上記調整された電動機の回転周波数に応じた最高の効率になるように設定することが可能になる。したがって、負荷に応じた最大効率運転を常時行うことが可能になる。
【００５５】
さらに、上記可変ＶＩ時には、制御部によって、上記スクリュー圧縮部における吸入側圧力および吐出側圧力と上記電動機の回転周波数とに基づいて、上記可変ＶＩ弁の開度を制御し、上記インバータによって設定された上記電動機の回転周波数に応じた最高の圧縮機効率になるように、上記内部容積比ＶＩを制御するので、予め圧縮比と電動機の回転周波数と最適内部容積比ＶＩとの関係を定めておくことによって、上記内部容積比ＶＩを、上記インバータによって調整された上記電動機の回転周波数に応じた最高の圧縮機効率になるように、的確且つ容易に制御することができる。
【００５６】
さらに、上記可変ＶＩを行うことによって、インバータスクリュー圧縮機において回転周波数に応じて生ずる圧縮不足や過圧縮を解消することができるのである。
【００５７】
また、請求項２に係る発明の可変ＶＩ式インバータスクリュー圧縮機は、上記制御部によって、上記インバータで検出された上記電動機の駆動電圧および駆動電流が最小になるように上記可変ＶＩ弁の開度を制御するので、上記スクリュー圧縮部を回転駆動する電動機の駆動電圧および駆動電流に基づいて、上記インバータによって設定された上記電動機の回転周波数に応じた最高の圧縮機効率になるように、上記内部容積比ＶＩを制御することができる。
【００５８】
また、請求項３に係る発明の可変ＶＩ式インバータスクリュー圧縮機は、上記制御部によって、上記インバータで検出された上記電動機の駆動電力が最小になるように上記可変ＶＩ弁の開度を制御するので、上記スクリュー圧縮部を回転駆動する電動機の駆動電力に基づいて、上記インバータによって設定された上記電動機の回転周波数に応じた最高の圧縮機効率になるように、上記内部容積比ＶＩを制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の可変ＶＩ式インバータスクリュー圧縮機における要部構成図である。
【図２】 図１に示す可変ＶＩ式インバータスクリュー圧縮機における能力・ＶＩ制御系を示す図である。
【図３】 図２とは異なる能力・ＶＩ制御系を示す図である。
【図４】 圧縮比と最適内部容積比との各運転周波数毎の関係を示す図である。
【図５】 冷凍能力と圧縮機効率との各圧縮比毎の関係を示す図である。
【図６】 スクリュー型圧縮機における内容積と圧力との関係を示す図である。
【図７】 従来のＶＩ可変スクリュー型圧縮機の断面図である。
【符号の説明】
１１…電動機、
１４…主軸、
１５,５４…インバータ、
１８…スクリューロータ、
１９…スライド弁、
２０…吐出口、
２４…シリンダ、
２５…ピストン、
２７…圧縮部コントローラ、
２８…流体制御装置、
３１…スクリュー圧縮機、
３２…凝縮器、
３３…膨張弁、
３４…蒸発器、
３６,５１…制御装置、
３７,５２…回転数出力部、
３８,５３…最適ＶＩ出力部、
３９…スクリュー圧縮部。
【発明の属する技術分野】
この発明は、スクリュー圧縮機の吸入容積と吐出容積との比である内部容積比ＶＩを可変にした可変ＶＩ(内部容積比)式インバータスクリュー圧縮機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、上記内部容積比ＶＩを可変にしたＶＩ可変スクリュー型圧縮機として、図７に示すようなものがある(例えば、特許文献１参照)。
【０００３】
このＶＩ可変スクリュー型圧縮機では、上記内部容積比ＶＩを変更する必要がある場合には、ステップモータ１によってロッド２を回転させてＶＩ可変弁３を例えば後退させる。その際に、容量制御弁４は、ＶＩ可変弁３の後退と共に後退し、ＶＩ可変弁３が新たな設定位置に固定された場合にはＶＩ可変弁３に接触した状態で再び固定される。こうして、上記容量制御弁４の先端は、変動後の内部容積比ＶＩに対応した位置まで後退して、新たに吐出ポート５の開口度を規定する。
【０００４】
この場合、上記内部容積比ＶＩは、運転時のロータとケーシング７内壁とで形成される空間が吐出空間に連通する直前の圧力Ｐd1を検出し、この検出圧力Ｐd1と吐出圧力Ｐd2との差ΔＰを最小にするようにステップモータ１に信号を与えることによって指定される。あるいは、運転時の吸入圧力,吐出圧力等のパラメータを制御装置１０で傾向解析することによって最適内部容積比ＶＩを予測し、この最適ＶＩの値を表わす信号をステップモータ１に与えることによって指定される。
【０００５】
上記構成において、吸入孔６から吸入された流体は、ケーシング７内においてオスメスロータ(図示せず)によって圧縮された後に、吐出ポート５を経て吐出孔８に吐出される。
【０００６】
この状態で、ＶＩ可変スクリュー型圧縮機に掛る負荷が変動し、容量制御が必要となった場合には、その制御指令に基づいて油圧ピストン９が前進動作して容量制御弁４を必要量だけ前進させるので、ＶＩ可変弁３と容量制御弁４との間には隙間が生ずる。そして、圧縮途中の流体はＶＩ可変弁３と容量制御弁４との隙間から吸入側にバイパスされるのである。
【０００７】
すなわち、上記特許文献１においては、全負荷能力(１００％ロード)時における運転時の高低圧力条件に合わせて最高の圧縮機効率になるように、容量制御弁４から吐出する圧縮ガスの内部容積比ＶＩを可変にしているのである。
【０００８】
【特許文献１】
特許第３１５９７６２号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の特許文献１に開示されたＶＩ可変スクリュー型圧縮機においては、以下のような問題がある。
【００１０】
すなわち、上記従来のＶＩ可変スクリュー型圧縮機における可変ＶＩ技術は、運転時の高低圧力条件に合わせて最高の圧縮機効率になるように吐出ポート５から吐出される圧縮ガスの内部容積比ＶＩを可変にしているが、全負荷能力(１００％ロード)時に合わせた設定となっている。そして、部分負荷能力時(パートロード時)においては、圧縮途中の流体をＶＩ可変弁３と容量制御弁４との隙間から吸入側にバイパスすることによって、能力調整(アンロード制御)を行っているために効率が悪いと言う問題がある。
【００１１】
また、内部容積比ＶＩを変更するＶＩ可変弁３と容量制御を行う容量制御弁４とを備えているため、内部容積比ＶＩ変更時のＶＩ可変弁３制御機構と容量制御時の容量制御弁４制御機構とを個別に備える必要があり、弁制御機構が複雑であると言う問題もある。
【００１２】
そこで、この発明の目的は、負荷(運転条件)に応じて常時最大効率運転が可能なＶＩ可変スクリュー型圧縮機を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に係る発明の可変ＶＩ式インバータスクリュー圧縮機は、
スクリュー圧縮部における圧縮工程の終了時点を変更することによって、内部容積比ＶＩを可変にする可変ＶＩ弁と、
上記スクリュー圧縮部を回転駆動する電動機と、
上記電動機の回転周波数を負荷に応じて制御するインバータと、
上記スクリュー圧縮部における吸入側圧力および吐出側圧力と、上記電動機の回転周波数と、に基づいて、上記可変ＶＩ弁の開度を制御する制御部と
を備え、
上記制御部は、上記インバータによって設定された上記電動機の回転周波数に応じた最高の圧縮機効率になるように、上記内部容積比ＶＩを制御する
ことを特徴としている。
【００１４】
上記構成によれば、負荷に応じて圧縮能力を調整する場合には、インバータによって電動機の回転周波数が制御される。こうして、アンロード制御を行うことなく能力調整が行われる。そして、調整された上記電動機の回転周波数に応じた最高の圧縮機効率になるように、可変ＶＩ弁の開度が制御されて、スクリュー圧縮部における圧縮工程の終了時点が設定される。その結果、負荷に応じて常時最大効率運転が可能になる。
【００１５】
さらに、上記可変ＶＩ時には、制御部によって、上記スクリュー圧縮部における吸入側圧力および吐出側圧力と上記電動機の回転周波数とに基づいて、上記可変ＶＩ弁の開度が制御され、上記インバータによって設定された上記電動機の回転周波数に応じた最高の圧縮機効率になるように、上記内部容積比ＶＩが制御される。したがって、予め定められた圧縮比と電動機の回転周波数と最適内部容積比ＶＩとの関係を用いることによって、上記内部容積比ＶＩが、上記インバータによって調整された上記電動機の回転周波数に応じた最高の圧縮機効率になるように、的確且つ容易に制御される。
【００１６】
また、請求項２に係る発明は、
請求項１に係る発明の可変ＶＩ式インバータスクリュー圧縮機において、
上記インバータは、上記電動機の駆動電圧および駆動電流を検出可能になっており、
上記制御部は、上記電動機の駆動電圧および駆動電流が最小になるように上記可変ＶＩ弁の開度を制御することによって、最高の圧縮機効率になるように上記内部容積比ＶＩを制御する
ことを特徴としている。
【００１７】
上記構成によれば、上記スクリュー圧縮部を回転駆動する電動機の駆動電圧および駆動電流に基づいて、上記インバータによって設定された上記電動機の回転周波数に応じた最高の圧縮機効率になるように上記内部容積比ＶＩが制御される。
【００１８】
また、請求項３に係る発明は、
請求項１に記載の可変ＶＩ式インバータスクリュー圧縮機において、
上記インバータは、上記電動機の駆動電力を検出可能になっており、
上記制御部は、上記電動機の駆動電力が最小になるように上記可変ＶＩ弁の開度を制御することによって、最高の圧縮機効率になるように上記内部容積比ＶＩを制御する
ことを特徴としている。
【００１９】
上記構成によれば、上記スクリュー圧縮部を回転駆動する電動機の駆動電力に基づいて、上記インバータによって設定された上記電動機の回転周波数に応じた最高の圧縮機効率になるように上記内部容積比ＶＩが制御される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。図１は、本実施の形態の可変ＶＩ式インバータスクリュー圧縮機における概略構成図である。尚、図１(a)は低ＶＩ時を示しており、図１(b)は高ＶＩ時を示している。
【００２１】
図１において、１１は電動機であり、ケーシング(図示せず)に対して固定されたステータ１２と主軸１４の一端側に固定されて回転するロータ１３とを有している。電動機１１は、インバータ１５によってインバータ駆動される。上記主軸１４の両端は軸受１６,１７で支持されており、主軸１４の他端側にはスクリューロータ１８が取り付けられている。そして、電動機１１によって主軸１４が回転されるとスクリューロータ１８が回転して、外周面のスクリュー溝(図示せず)によって吸入ガスが圧縮される。軸方向に所定長の吐出口２０を有すると共に、スクリューロータ１８の外周面に対向した円筒状のスライド弁１９が設けられており、スクリューロータ１８で圧縮されたガスは吐出口２０がら吐出される。
【００２２】
上記スライド弁１９の反電動機１１側の端面には支持板２１によって摺動自在に支持された複数のロッド２２の一端が取り付けられている。そして、各ロッド２２の他端は１枚の連結板２３に取り付けられている。支持板２１における反スクリューロータ１８側の表面中央にはシリンダ２４が設けられ、このシリンダ２４に収納されたピストン２５の反スクリューロータ１８側に取り付けられたピストンロッド２６の先端には、連結板２３が取り付けられている。こうして、ピストン２５の軸方向への移動に連れてピストンロッド２６,連結板２３およびロッド２２を介してスライド弁１９が軸方向へ移動するようになっている。
【００２３】
上記シリンダ２４内におけるピストン２５の両側の作動室に給排される作動流体は、圧縮部コントローラ２７からの制御信号に基づいて、流体制御装置２８によって制御される。尚、上記流体制御装置２８の具体的構成は、内部容積比ＶＩを低下させる場合には、図１(a)に示すごとくピストン２５をスクリューロータ１８側に移動させる一方、内部容積比ＶＩを上昇させる場合には、図１(b)に示すごとくピストン２５を反スクリューロータ１８側に移動させる構成を有していれば、特に限定するものではない。
【００２４】
上記構成の可変ＶＩ式インバータスクリュー圧縮機においては、負荷に対する能力調整は、インバータ１５による電動機１１の回転数制御によって行う。こうすることによって、能力調整時にアンロード制御を行う必要が無く、運転効率の低下を抑制できる。さらに、容量制御を行う容量制御弁を無くすことができ、弁制御機構を簡素化することができるのである。
【００２５】
これに対して、上記可変ＶＩは、運転状態に応じた最高の効率になるように、スライド弁１９の位置を圧縮部コントローラ２７によって制御するのである。そして、低ＶＩ指令時には、スライド弁１９(つまり、吐出口２０の開始位置)を軸方向電動機１１側に移動させることによって、圧縮部における圧縮工程の終了時点を速めて圧縮ガスを早く吐出させる。一方、高ＶＩ指令時には、スライド弁１９(つまり、吐出口２０の開始位置)を軸方向ピストン２５側に移動させることによって、圧縮部における圧縮工程の終了時点を遅めて圧縮ガスを遅く吐出させるのである。すなわち、本実施の形態においては、上記可変ＶＩ弁をスライド弁１９によって構成するのである。
【００２６】
そして、上述のようにして、上記インバータ１５によって電動機１１の回転数が設定され、圧縮部コントローラ２７によってスライド弁１９の位置が設定されると、吸入口から吸入された吸入ガスは、電動機１１内を通過してスクリューロータ１８に導かれる。そして、スクリューロータ１８の外周面に形成された上記スクリュー溝によって圧縮され、スライド弁１９の吐出口２０がら吐出されるのである。
【００２７】
以下、本実施の形態における電動機１１の回転数制御およびスライド弁１９の位置制御について述べる。
【００２８】
図２は、本可変ＶＩ式インバータスクリュー圧縮機における能力・ＶＩ制御系を示す図である。図２においては、冷凍機に搭載されて冷媒を圧縮加熱するスクリュー圧縮機３１を例に説明する。
【００２９】
上記冷凍機は、スクリュー圧縮機３１,凝縮器３２,膨張弁３３および蒸発器３４が順次環状に接続されて構成されている。そして、スクリュー圧縮機３１から吐出された高温高圧の冷媒は凝縮器３２で冷却水または空気との熱交換によって凝縮され、低温高圧の液冷媒となって膨張弁３３に供給される。そして、膨張弁３３で減圧された低温低圧の液冷媒は、蒸発器３４で水との熱交換によって蒸発し、低圧の気体となってスクリュー圧縮機３１に戻る。そして、蒸発器３４で冷却された冷水が冷房に用いられる。
【００３０】
上記蒸発器３４の冷媒管には温度センサ３５が取り付けられ、この温度センサ３５からの冷却水温Ｔwを表す検出信号が制御装置３６の回転数出力部３７に入力される。そうすると、回転数出力部３７は、入力された検出信号に基づく冷却水温Ｔwを負荷側の情報として、例えば設定温度との差に基づいて、必要とする冷凍能力を得るための電動機１１の回転周波数Ｈzを算出し、制御装置３６の最適ＶＩ出力部３８とインバータ１５とに出力する。インバータ１５は、上記受け取った回転周波数Ｈzに基づいて電動機１１の回転数を制御する。こうして、負荷に対する能力調整が行われるのである。
【００３１】
一方、上記スクリューロータ１８およびスライド弁１９を含むスクリュー圧縮部３９の吸込み側には低圧側圧力センサ４０が取り付けられ、吐出側には高圧側圧力センサ４１が取り付けられている。そして、低圧側圧力センサ４０からの低圧力ＬＰを表す検出信号と、高圧側圧力センサ４１からの高圧力ＨＰを表す検出信号とが、最適ＶＩ出力部３８に入力される。そうすると、最適ＶＩ出力部３８は、入力された検出信号に基づく吸込み側の低圧力ＬＰと吐出側の高圧力ＨＰとに基づいて、電動機１１の回転数設定後における運転状況を検知する。そして、低圧力ＬＰと高圧力ＨＰと回転数出力部３７からの回転周波数Ｈzとに基づいて演算処理を行い、現在の回転周波数Ｈzにおける最適ＶＩを算出して圧縮部コントローラ２７に出力する。そうすると、圧縮部コントローラ２７は、上記受け取った内部容積比ＶＩに基づいて流体制御装置２８の動作を制御する。こうして、運転状況に応じたＶＩ制御が行われるのである。
【００３２】
ところで、上記流体制御装置２８の構成が、スライド弁１９の軸方向への移動に比例した動作を行う要素(パイロット弁を操作する外部駆動モータ等)を有している場合には、上記要素の動作位置によってスライド弁１９の位置を検知することができる。その場合には、流体制御装置２８からのスライド弁１９の位置ＳＶを表す検出信号を、圧縮部コントローラ２７を介してまたは直接最適ＶＩ出力部３８に入力する。そして、最適ＶＩ出力部３８では、上記受け取ったスライド弁１９の位置ＳＶに基づいて現在のＶＩ値を求めて、最適ＶＩ値をフィードバック制御するのである。こうすることによって、精度良く可変ＶＩ制御を行うことができるのである。
【００３３】
尚、上記流体制御装置２８の構成が、スライド弁１９の位置を検知できない構成(例えば、配管と電磁弁とで構成)である場合には、最適ＶＩ出力部３８は、起動時からの出力ＶＩ値を積算しておく。そして、この積算ＶＩ値を現在のＶＩ値として最適ＶＩ値への制御量ΔＶＩを算出することによって、フィードバック制御を行うことができる。
【００３４】
図３は、図２とは異なる能力・ＶＩ制御系を示す図である。図３においてもスクリュー圧縮機３１を冷凍機に搭載している。また、制御装置５１およびインバータ５４は図２とは異なる構成を有している。以下、図２と同じ部材には同じ番号を付して制御装置５１およびインバータ５４の動作について主に説明する。
【００３５】
図２の場合と同様に、温度センサ３５からの冷却水温Ｔwを表す検出信号が制御装置５１の回転数出力部５２に入力される。また、低圧側圧力センサ４０からの低圧力ＬＰを表す検出信号と高圧側圧力センサ４１からの高圧力ＨＰを表す検出信号とが、制御装置５１の最適ＶＩ出力部５３に入力される。そして、回転数出力部５２によって、冷却水温Ｔwに基づいて必要とする冷凍能力を得るための電動機１１の回転周波数Ｈzが算出され、インバータ５４によって電動機１１の回転数が制御される。こうして、負荷に対する能力調整が行われる。
【００３６】
本実施の形態におけるインバータ５４は、上記電動機１１の駆動電圧Ｖおよび駆動電流Ａを(または駆動電力Ｗを)検出可能になっており、この検出した駆動電圧Ｖおよび駆動電流Ａを(または駆動電力Ｗを)回転数出力部５２に返送する。そして、回転数出力部５２によって、上記算出された回転周波数Ｈzと上記受け取った駆動電圧Ｖおよび駆動電流Ａとが(または駆動電力Ｗとが)、最適ＶＩ出力部５３に送出される。
【００３７】
そうすると、上記最適ＶＩ出力部５３は、図２の場合と同様に、圧力センサ４０,４１からの低圧力ＬＰおよび高圧力ＨＰと回転数出力部５２からの回転周波数Ｈzと流体制御装置２８からのスライド弁１９の位置ＳＶとに基づいて演算処理を行い、最適ＶＩへの制御量ΔＶＩを算出して、圧縮部コントローラ２７に出力する。
【００３８】
さらに、本実施の形態においては、上記最適ＶＩ出力部５３によって、回転数出力部５２からの駆動電圧Ｖおよび駆動電流Ａ(または駆動電力Ｗ)の変化推移が記憶される。そして、上述したＶＩ動作を繰り返しながら、駆動電圧Ｖおよび駆動電流Ａ(または駆動電力Ｗ)が最小になるようにＶＩ制御を行うのである。
【００３９】
以後、図２の場合と同様に、上記圧縮部コントローラ２７によって、上記受け取った制御量ΔＶＩに基づいて流体制御装置２８の動作が制御されて、運転状況に応じた内部容積比ＶＩがフィードバック制御される。
【００４０】
尚、その場合に、図２の場合と同様に、上記流体制御装置２８の構成がスライド弁１９の位置を検知できない構成である場合には、最適ＶＩ出力部５３は、起動時からの出力ＶＩ値を積算した積算ＶＩ値を現在のＶＩ値として、最適ＶＩ値の制御量ΔＶＩを算出するのである。
【００４１】
ところで、図２および図３に示す制御装置３６,５１の最適ＶＩ出力部３８,５３においては、演算処理を行って最適ＶＩへの制御量ΔＶＩを算出するようにしている。しかしながら、低圧側圧力センサ４０からの低圧力ＬＰと、高圧側圧力センサ４１からの高圧力ＨＰと、回転数出力部３７,５２からの回転周波数Ｈzとを、順次メモリに格納しておく。そして、低圧力ＬＰと高圧力ＨＰと回転周波数Ｈzとを前回のＶＩ動作時の低圧力ＬＰと高圧力ＨＰと回転周波数Ｈzと比較し、それらの変化の推移に基づいて最適ＶＩへの制御量ΔＶＩを求めるようにすることも可能である。
【００４２】
図４は、上記高圧側圧力センサ４１からの高圧力ＨＰと低圧側圧力センサ４０からの低圧力ＬＰとの比(ＨＰ/ＬＰ)で表わされる圧縮比と、最適内部容積比ＶＩとの、運転周波数Ｈz(＝３０Ｈz,６０Ｈz,９０Ｈz)毎の関係を示す。図４中直線は、ＶＩ＝(ＨＰ/ＬＰ)1/k（ｋ：冷媒比熱比）で示される理論値である。このような圧縮比と最適内部容積比ＶＩと運転周波数Ｈzとの関係を冷媒毎に求め、図２および図３に示す最適ＶＩ出力部３８,５３によって演算処理を行う際の演算式に上記関係を盛り込むのである。
【００４３】
こうすることによって、上記最適ＶＩ出力部３８,５３による演算処理によって現在の回転周波数Ｈzにおける最適ＶＩへの制御量ΔＶＩを的確に算出することができるのである。
【００４４】
以上のごとく、本実施の形態においては、スクリュー圧縮機における電動機１１を、インバータ１５によってインバータ駆動するようにしている。また、吐出の開始位置を規定するスライド弁１９の軸方向位置を、圧縮部コントローラ２７からの制御信号に基づいて流体制御装置２８によってシリンダ２４内の作動室に給排される作動流体を制御することによって、制御するようにしている。
【００４５】
そして、負荷に対する能力調整は、制御装置３６,５１を構成する回転数出力部３７,５２によって、冷却水温Ｔwを負荷側の情報として必要とする冷凍能力を得るための回転周波数Ｈzを算出し、インバータ１５,５４によって電動機１１の回転数をこの回転周波数Ｈzになるように制御することによって行うようにしている。したがって、能力調整時におけるアンロード制御の必要性を無くして、運転効率の低下を抑制することができる。さらに、容量制御を行う容量制御弁を無くして、弁制御機構を簡素化することができるのである。
【００４６】
さらに、上記可変ＶＩは、上記制御装置３６,５１の最適ＶＩ出力部３８,５３によって、吸込み側の低圧力ＬＰと吐出側の高圧力ＨＰと回転周波数Ｈzとに基づいて演算処理を行って現在の回転周波数Ｈzにおける最適ＶＩ(またはΔＶＩ)を算出し、圧縮部コントローラ２７および流体制御装置２８でスライド弁１９の軸方向位置を設定して吐出の開始位置を規定することによって行うようにしている。したがって、電動機１１の回転周波数Ｈzに応じた最高の圧縮機効率になるように、内部容積比ＶＩを設定することができる。
【００４７】
したがって、この実施の形態によれば、負荷に対する能力調整を行うためにスクリュー圧縮機３１の回転周波数Ｈzを制御した場合における圧縮機効率の低下を、最小限に抑えることができるのである。
【００４８】
図５は、冷凍能力と圧縮機効率との関係を示す。横軸は冷凍能力Ｑを示し、従来の可変ＶＩとアンロード制御とを併用したＶＩ可変スクリュー圧縮機における６０Ｈz時における冷凍能力を１００％とした百分率で表わしている。一方、縦軸は圧縮機効率を示している。さらに、上記圧縮比を２.１，３.９，５.５，７.９に変化させている。
【００４９】
図によれば、本実施の形態における可変ＶＩとインバータ制御とを併用した可変ＶＩ式インバータスクリュー圧縮機の場合は、可変ＶＩとアンロード制御とを併用した従来のＶＩ可変スクリュー圧縮機の場合に比較して、１００％以下の冷凍能力Ｑにおいて、何れの圧縮比の場合であっても圧縮機効率を高めることができる。然も、低冷凍能力である程より大きく圧縮機効率を高めることができ、より大きな効果を得ることができる。また、本可変ＶＩ式インバータスクリュー圧縮機の場合には、負荷に対する能力調整をインバータ制御によって行っている。したがって、１００％以上の能力調整を行うことができるのである。尚、負荷に対する能力調整をアンロード制御によって行う従来のスクリュー圧縮機の場合には、当然ながら１００％以上の能力調整を行うことはできない。
【００５０】
ところで、スクリュー圧縮機の場合には、同じ圧力条件下においても回転周波数によって内圧に差が生ずるために、各周波数に応じた最適な内部容積比ＶＩの値が存在することになる。図６に、周波数３０Ｈzの場合(図６(a))と周波数９０Ｈzの場合(図６(b))とにおける内容積と圧力との関係を示す。図中点線は、内部容積比ＶＩを周波数６０Ｈzにおける最適ＶＩ値に固定した固定ＶＩの場合における内容積と圧力との関係を示す曲線である。尚、一点鎖線は、理論断熱圧縮時における内容積と圧力との関係を示す曲線である。上記固定ＶＩにおいては、周波数３０Ｈzの場合には、時点(Ａ)で圧縮不足が発生して圧力が急激に減少している。また、周波数９０Ｈzの場合には、時点(Ｂ)で過圧縮が発生して圧力が理論値よりもかなり増大している。以上のことから、単純にスクリュー圧縮機の容量制御にインバータを適用することはできないのである。
【００５１】
ところが、本実施の形態のごとく、可変ＶＩにすることによって、実線で示すように、固定ＶＩ時に周波数３０Ｈzの場合に発生していた圧縮不足を無くすと共に、圧力変動の幅を小さくすることができる。また、固定ＶＩ時に周波数９０Ｈzの場合に、発生していた過圧縮を無くして圧力変動の幅を小さくすることができるのである。
【００５２】
尚、上記実施の形態においては、本可変ＶＩ式インバータスクリュー圧縮機における能力・ＶＩ制御系の説明を冷凍機に適用された場合を例に行っているが、この発明はこれに限定されるものではない。要は、図２および図３において、制御装置３６,５１の回転数出力部３７,５２に入力される検出信号が、負荷の状態を表す信号であればよいのである。
【００５３】
【発明の効果】
以上より明らかなように、請求項１に係る発明の可変ＶＩ式インバータスクリュー圧縮機は、インバータで電動機の回転周波数を制御することによって負荷に応じた圧縮能力の調整を行うので、アンロード制御を行うことなく能力調整を行うことができる。したがって、能力調整時における運転効率の低下を抑制することができる。さらに、アンロード制御を行うための容量制御弁を無くして、弁制御機構を簡素化してコストダウンを図ることができる。
【００５４】
そして、可変ＶＩ弁で圧縮工程の終了時点を変更することによって内部容積比ＶＩを設定するので、圧縮機効率を上記調整された電動機の回転周波数に応じた最高の効率になるように設定することが可能になる。したがって、負荷に応じた最大効率運転を常時行うことが可能になる。
【００５５】
さらに、上記可変ＶＩ時には、制御部によって、上記スクリュー圧縮部における吸入側圧力および吐出側圧力と上記電動機の回転周波数とに基づいて、上記可変ＶＩ弁の開度を制御し、上記インバータによって設定された上記電動機の回転周波数に応じた最高の圧縮機効率になるように、上記内部容積比ＶＩを制御するので、予め圧縮比と電動機の回転周波数と最適内部容積比ＶＩとの関係を定めておくことによって、上記内部容積比ＶＩを、上記インバータによって調整された上記電動機の回転周波数に応じた最高の圧縮機効率になるように、的確且つ容易に制御することができる。
【００５６】
さらに、上記可変ＶＩを行うことによって、インバータスクリュー圧縮機において回転周波数に応じて生ずる圧縮不足や過圧縮を解消することができるのである。
【００５７】
また、請求項２に係る発明の可変ＶＩ式インバータスクリュー圧縮機は、上記制御部によって、上記インバータで検出された上記電動機の駆動電圧および駆動電流が最小になるように上記可変ＶＩ弁の開度を制御するので、上記スクリュー圧縮部を回転駆動する電動機の駆動電圧および駆動電流に基づいて、上記インバータによって設定された上記電動機の回転周波数に応じた最高の圧縮機効率になるように、上記内部容積比ＶＩを制御することができる。
【００５８】
また、請求項３に係る発明の可変ＶＩ式インバータスクリュー圧縮機は、上記制御部によって、上記インバータで検出された上記電動機の駆動電力が最小になるように上記可変ＶＩ弁の開度を制御するので、上記スクリュー圧縮部を回転駆動する電動機の駆動電力に基づいて、上記インバータによって設定された上記電動機の回転周波数に応じた最高の圧縮機効率になるように、上記内部容積比ＶＩを制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の可変ＶＩ式インバータスクリュー圧縮機における要部構成図である。
【図２】 図１に示す可変ＶＩ式インバータスクリュー圧縮機における能力・ＶＩ制御系を示す図である。
【図３】 図２とは異なる能力・ＶＩ制御系を示す図である。
【図４】 圧縮比と最適内部容積比との各運転周波数毎の関係を示す図である。
【図５】 冷凍能力と圧縮機効率との各圧縮比毎の関係を示す図である。
【図６】 スクリュー型圧縮機における内容積と圧力との関係を示す図である。
【図７】 従来のＶＩ可変スクリュー型圧縮機の断面図である。
【符号の説明】
１１…電動機、
１４…主軸、
１５,５４…インバータ、
１８…スクリューロータ、
１９…スライド弁、
２０…吐出口、
２４…シリンダ、
２５…ピストン、
２７…圧縮部コントローラ、
２８…流体制御装置、
３１…スクリュー圧縮機、
３２…凝縮器、
３３…膨張弁、
３４…蒸発器、
３６,５１…制御装置、
３７,５２…回転数出力部、
３８,５３…最適ＶＩ出力部、
３９…スクリュー圧縮部。
Claims (3)
- スクリュー圧縮部(３９)における圧縮工程の終了時点を変更することによって、内部容積比ＶＩを可変にする可変ＶＩ弁(１９)と、
上記スクリュー圧縮部(３９)を回転駆動する電動機(１１)と、
上記電動機(１１)の回転周波数を負荷に応じて制御するインバータ(１５)と、
上記スクリュー圧縮部 ( ３９ ) における吸入側圧力および吐出側圧力と、上記電動機 ( １１ ) の回転周波数と、に基づいて、上記可変ＶＩ弁 ( １９ ) の開度を制御する制御部 ( ３６ , ５１ , ２７ , ２８ ) と
を備え、
上記制御部 ( ３６ , ５１ , ２７ , ２８ ) は、上記インバータ ( １５ ) によって設定された上記電動機 ( １１ ) の回転周波数に応じた最高の圧縮機効率になるように、上記内部容積比ＶＩを制御する
ことを特徴とする可変ＶＩ式インバータスクリュー圧縮機。 - 請求項１に記載の可変ＶＩ式インバータスクリュー圧縮機において、
上記インバータ ( １５ ) は、上記電動機(１１)の駆動電圧および駆動電流を検出可能になっており、
上記制御部(３６,５１,２７,２８)は、上記電動機 ( １１ ) の駆動電圧および駆動電流が最小になるように上記可変ＶＩ弁 ( １９ ) の開度を制御することによって、最高の圧縮機効率になるように上記内部容積比ＶＩを制御する
ことを特徴とする可変ＶＩ式インバータスクリュー圧縮機。 - 請求項１に記載の可変ＶＩ式インバータスクリュー圧縮機において、
上記インバータ ( １５ ) は、上記電動機 ( １１ ) の駆動電力を検出可能になっており、
上記制御部 ( ３６ , ５１ , ２７ , ２８ ) は、上記電動機 ( １１ ) の駆動電力が最小になるように上記可変ＶＩ弁 ( １９ ) の開度を制御することによって、最高の圧縮機効率になるように上記内部容積比ＶＩを制御する
ことを特徴とする可変ＶＩ式インバータスクリュー圧縮機。
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