ES2836261T3

ES2836261T3 - Compresor centrífugo con regulación de flujo y prevención de sobretensión por desplazamiento axial del impulsor

Info

Publication number: ES2836261T3
Application number: ES16784316T
Authority: ES
Inventors: Hossain, Md; Nobuhiro Umeda; Takatoshi Takigawa
Original assignee: Daikin Applied Americas Inc
Current assignee: Daikin Applied Americas Inc
Priority date: 2015-10-02
Filing date: 2016-09-30
Publication date: 2021-06-24
Anticipated expiration: 2036-09-30
Also published as: JP2018529881A; EP3356681A1; CN108138791B; JP6606280B2; US10330106B2; EP3356681B1; US20170097005A1; CN108138791A; WO2017059219A1

Abstract

Sistema de enfriador que incluye un compresor (22) centrífugo y un controlador (20), comprendiendo el compresor centrífugo: una carcasa (30) que tiene una porción (31a) de entrada y una porción (31b) de salida; una paleta (32) guía de entrada dispuesta en la porción (31a) de entrada; un impulsor (34) dispuesto aguas abajo de la paleta (32) guía de entrada, pudiendo rotar el impulsor (34) alrededor de un eje de rotación (x) que define una dirección axial, y montándose el impulsor (34) de manera ajustable dentro de la carcasa (30) a lo largo de la dirección axial entre al menos una primera posición de caudal y una segunda posición de caudal; un motor (38) dispuesto y configurado para hacer rotar el impulsor (34); un difusor (36) dispuesto en la porción (31b) de salida aguas abajo del impulsor (34) con un orificio (37) de la porción (31b) de salida dispuesto entre el impulsor (34) y el difusor (36); y un mecanismo de control de posición axial del impulsor configurado para controlar el ajuste del impulsor (34) entre al menos las posiciones de caudal primera y segunda; en el que el controlador (20) está configurado para controlar la sobretensión ajustando una posición axial del impulsor (34), caracterizado: porque el impulsor (34) está encerrado, porque una de las posiciones de caudal primera y segunda es una posición de mayor caudal y la otra de las posiciones de caudal primera y segunda es una posición de menor caudal, y porque la salida del impulsor se superpone axialmente menos del orificio (37) de la porción (31b) de salida en la posición de menor caudal que en la posición de mayor caudal.

Description

DESCRIPCIÓN

Compresor centrífugo con regulación de flujo y prevención de sobretensión por desplazamiento axial del impulsor Antecedentes

Campo de la invención

La presente invención se refiere en general a un compresor centrífugo. Más específicamente, la presente invención se refiere a un compresor centrífugo con control de sobretensión.

Información de antecedentes

Un sistema de enfriador es una máquina o un aparato de refrigeración que elimina el calor de un medio. Habitualmente, se usa un líquido tal como agua como medio y el sistema de enfriador funciona en un ciclo de refrigeración por compresión de vapor. Luego, este líquido puede hacerse circular a través de un intercambiador de calor para refrigerar el aire o equipos según sea necesario. Como subproducto necesario, la refrigeración crea calor residual que debe expulsarse al ambiente o, para una mayor eficiencia, recuperarse con propósitos de calefacción. Un sistema de enfriador convencional usa a menudo un compresor centrífugo, que se denomina a menudo turbocompresor. Por tanto, tales sistemas de enfriador pueden denominarse turboenfriadores. Alternativamente, pueden usarse otros tipos de compresores, por ejemplo un compresor de tornillo.

En un (turbo)enfriador convencional, el refrigerante se comprime en el compresor centrífugo y se envía a un intercambiador de calor en el que se produce el intercambio de calor entre el refrigerante y un medio de intercambio de calor (líquido). Este intercambiador de calor se denomina condensador porque el refrigerante se condensa en este intercambiador de calor. Como resultado, se transfiere calor al medio (líquido) para que el medio se caliente. El refrigerante que sale del condensador se expande mediante una válvula de expansión y se envía a otro intercambiador de calor en el que se produce el intercambio de calor entre el refrigerante y un medio de intercambio de calor (líquido). Este intercambiador de calor se denomina evaporador porque el refrigerante se calienta (evapora) en este intercambiador de calor. Como resultado, se transfiere calor del medio (líquido) al refrigerante y el líquido se enfría. El refrigerante del evaporador se devuelve luego al compresor centrífugo y se repite el ciclo. El líquido utilizado suele ser agua.

Un compresor centrífugo convencional incluye básicamente una carcasa, una paleta guía de entrada, un impulsor, un difusor, un motor, diversos sensores y un controlador. El refrigerante fluye en orden a través de la paleta guía de entrada, el impulsor y el difusor. Por tanto, la paleta guía de entrada se acopla a un orificio de admisión de gas del compresor centrífugo mientras que el difusor se acopla a un orificio de salida de gas del impulsor. La paleta guía de entrada controla el caudal de gas refrigerante al impulsor. El impulsor aumenta la velocidad del gas refrigerante, generalmente sin cambiar la presión. El difusor aumenta la presión del refrigerante sin cambiar la velocidad. El motor hace rotar el impulsor. El controlador controla el motor, la paleta guía de entrada y la válvula de expansión. De esta manera, el refrigerante se comprime en un compresor centrífugo convencional. La paleta guía de entrada es ajustable normalmente y la velocidad del motor es ajustable normalmente para ajustar la capacidad del sistema. Además, el difusor puede ser ajustable para ajustar adicionalmente la capacidad del sistema. El controlador controla el motor, la paleta guía de entrada y la válvula de expansión. El controlador puede controlar además cualquier elemento controlable adicional, tal como el difusor.

Cuando la presión detrás del compresor es mayor que la presión de salida del compresor, el fluido tiende a revertir o incluso fluir de vuelta al compresor. Como consecuencia, la presión disminuirá, la presión de entrada aumentará y el flujo revierte de nuevo. Este fenómeno, denominado sobretensión, se repite y se produce en ciclos. El compresor pierde la capacidad de mantener la altura máxima cuando se produce una sobretensión y todo el sistema se vuelve inestable. Una colección de puntos de sobretensión durante una velocidad variable del compresor o un ángulo de la paleta guía de entrada variable se denomina línea de sobretensión. En condiciones normales, el compresor funciona en el lado derecho de la línea de sobretensión. Sin embargo, durante el arranque/parada de emergencia, el punto de funcionamiento se moverá hacia la línea de sobretensión porque el flujo se reduce. Si las condiciones son tales que el punto de funcionamiento se aproxima a la línea de sobretensión, se produce una recirculación de flujo en el impulsor y el difusor. La recirculación del flujo, que provoca la separación del flujo, eventualmente provocará una disminución de la presión de descarga y se reanudará el flujo de aspiración a descarga. Las sobretensiones pueden hacer que el compresor se sobrecaliente hasta el punto en que se supere la temperatura máxima permitida de la unidad. Además, las sobretensiones pueden dañar el cojinete de empuje debido al desplazamiento del rotor hacia atrás y hacia adelante del lado activo al inactivo. Esto se define como el ciclo de sobretensión del compresor.

Por tanto, se han desarrollado técnicas para controlar la sobretensión. Véase, por ejemplo, la publicación de patente japonesa n.° 5-263796.

El documento WO 2013/012491 A1 divulga un compresor que tiene un conjunto de alojamiento con un orificio de aspiración y un orificio de descarga. Un impulsor está soportado por un árbol que se monta para que la rotación se accione en al menos una primera condición para introducir fluido a través del orificio de aspiración y descargar el fluido desde el orificio de descarga. Un sistema de cojinete magnético soporta el árbol. Un controlador se acopla a un sensor de posición axial y está configurado para controlar la posición del impulsor.

El documento WO 2009/056987 A2 divulga un sistema y un método para sumar y restar etapas de compresión a un compresor cuando el compresor las requiera. Si el compresor sólo necesita una razón de presión baja, entonces el sistema y el método permiten que el compresor funcione sólo con un circuito de bombeo primario girando, mientras que están disponibles etapas adicionales, que forman un circuito de bombeo secundario, y que pueden requerirse en otros momentos cuando aumentan las razones de presión necesarias, se desacoplan del árbol rotatorio, de modo que el compresor bombea en su punto más eficiente y flexible. Además, un sistema y método para sumar y restar etapas de compresión a un compresor con el fin de aumentar y disminuir la capacidad de bombeo cuando sea necesario para satisfacer un requisito de carga dado.

El documento WO 2013/015885 A1 divulga un compresor que tiene un conjunto de alojamiento con un orificio de aspiración y un orificio de descarga. Se monta un árbol para la rotación alrededor de un eje y se monta un impulsor en el árbol para accionarse en al menos una primera condición para introducirse fluido a través del orificio de aspiración y descargar el fluido desde el orificio de descarga. Un sistema de cojinete magnético soporta el árbol. Un controlador se acopla a un sensor y está configurado para detectar al menos una de las paradas rotativas de sobretensión y pre-sobretensión y, en respuesta a dicha detección, tomar medidas para impedir o contrarrestar la sobretensión.

El documento JP 2009281213 A divulga un método para proporcionar un compresor centrífugo miniaturizado con una mayor eficiencia de compresión. El compresor centrífugo incluye un cojinete de lámina radial, un cojinete magnético axial y un dispositivo de control de cojinete magnético, y está dotado de un dispositivo de soporte de árbol rotatorio que soporta el árbol rotatorio. El dispositivo de control de cojinete magnético está dotado de un medio de control de zona de velocidad baja que desplaza una posición flotante en dirección axial del árbol rotatorio en una dirección que hace que un espacio entre un impulsor y una parte de alojamiento en espiral sea mayor que el valor de referencia (posición indicada por una línea mixta doble) por cantidad de desplazamiento cuando la velocidad de rotación del árbol rotatorio no es menor que un valor prescrito, y un medio de control de zona de velocidad normal que devuelve el espacio en una dirección para que sea el valor de referencia (posición indicada por una línea continua) cuando la velocidad de rotación del árbol rotatorio supera el valor prescrito.

Sumario

En un compresor centrífugo convencional, cuando se predice sobretensión mediante la técnica previa o cualquier otra técnica conocida, un controlador de compresor puede controlar diversas piezas para controlar la sobretensión. Por ejemplo, la paleta guía de entrada y/o la paleta difusora de descarga pueden controlarse o puede aumentarse la velocidad del compresor para controlar la sobretensión. Aunque estas técnicas funcionan relativamente bien, estos sistemas pueden requerir componentes adicionales y, por tanto, mayores costes. Además, estas técnicas pueden reducir el rendimiento del compresor.

Por tanto, un objeto de la presente invención es proporcionar un sistema de enfriador que controle la sobretensión sin reducir el rendimiento.

Otro objeto de la presente invención es proporcionar un sistema de enfriador que controle la sobretensión sin una construcción demasiado complicada y/o piezas adicionales.

Un sistema de enfriador según la presente invención se define mediante la reivindicación 1. Las reivindicaciones dependientes se refieren a realizaciones preferidas.

Estos y otros objetos, características, aspectos y ventajas de la presente invención resultarán evidentes para los expertos en la técnica a partir de la siguiente descripción detallada que, tomada junto con los dibujos adjuntos, divulga realizaciones preferidas.

Breve descripción de los dibujos

Refiriéndose ahora a los dibujos adjuntos que forman parte de esta divulgación original:

La figura 1 ilustra un enfriador según una realización de la presente invención;

la figura 2 es una vista en perspectiva del compresor centrífugo del enfriador ilustrado en la figura 1 , con porciones en despiece ordenado y mostradas en sección transversal con el propósito de ilustración;

la figura 3 es una vista en sección transversal longitudinal del impulsor, motor y cojinete magnético del compresor centrífugo ilustrado en la figura 2;

la figura 4 es una vista longitudinal esquemática de parte del cojinete, el impulsor, la carcasa y la entrada del difusor del compresor centrífugo ilustrado en las figuras 1-3, con el impulsor en una posición axial abriendo parcialmente (<100%) la entrada del difusor;

la figura 5 es una vista longitudinal esquemática de parte del cojinete, el impulsor, la carcasa y la entrada del difusor del compresor centrífugo ilustrado en las figuras 1-4, con el impulsor en una posición axial abriendo completamente (100%) la entrada del difusor;

la figura 6 es una vista axial del árbol del cojinete magnético rotatorio que ilustra una ubicación de un cojinete magnético radial;

la figura 7 es un gráfico que ilustra la altura en comparación con el caudal para tres rpm diferentes del compresor centrífugo, con una línea de sobretensión ilustrada;

la figura 8 es una vista en planta en sección transversal parcial del cojinete magnético de empuje de las figuras 2 y 3;

la figura 9 es una vista en perspectiva recortada del cojinete magnético de empuje de las figuras 2, 3 y 8;

la figura 10 es un diagrama de flujo que ilustra un método para aumentar la capacidad operativa para controlar la sobretensión;

la figura 11 es un diagrama esquemático del controlador de enfriador del sistema de enfriador de las figuras 1 y 2 ; y la figura 12 es un diagrama esquemático que ilustra la relación entre el conjunto de cojinete magnético, la sección 61 de control de cojinete magnético, la sección 62 de predicción de sobretensión y la sección 63 de control de sobretensión del sistema de enfriador de las figuras 1 y 2.

Descripción detallada de realización/realizaciones

Se explicarán ahora realizaciones seleccionadas con referencia a los dibujos. Resultará evidente para los expertos en la técnica a partir de esta divulgación que las siguientes descripciones de las realizaciones se proporcionan sólo con propósitos ilustrativos y no con el propósito de limitar la invención tal como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Haciendo referencia inicialmente a la figura 1, se ilustra un sistema 10 de enfriador según una realización de la presente invención. El sistema 10 de enfriador es preferiblemente un enfriador refrigerado por agua que utiliza agua de refrigeración y agua enfriada de una manera convencional. El sistema 10 de enfriador ilustrado en el presente documento es un sistema de enfriador de una sola etapa. Sin embargo, resultará evidente para los expertos en la técnica a partir de esta divulgación que el sistema 10 de enfriador puede ser un sistema de enfriador de múltiples etapas. El sistema 10 de enfriador incluye básicamente un controlador 20, un compresor 22, un condensador 24, una válvula 26 de expansión y un evaporador 28 conectados juntos en serie para formar un ciclo de refrigeración en bucle. Además, se disponen diversos sensores S y T a lo largo del circuito tal como se muestra en la figura 1. El sistema 10 de enfriador es convencional excepto en que el sistema de enfriador controla la sobretensión según la presente invención.

Haciendo referencia a las figuras 1-3, en la realización ilustrada, el compresor 22 es un compresor centrífugo. El compresor 22 centrífugo de la realización ilustrada incluye básicamente una carcasa 30, una paleta 32 guía de entrada, un impulsor 34, un difusor 36, un motor 38 y un conjunto 40 de cojinete magnético así como diversos sensores convencionales (sólo se muestran algunos). El controlador 20 recibe señales de los diversos sensores y controla la paleta 32 guía de entrada, el motor 38 y el conjunto 40 de cojinete magnético de una manera convencional, tal como se explica con más detalle a continuación. El refrigerante fluye en orden a través de la paleta 32 guía de entrada, el impulsor 34 y el difusor 36. La paleta 32 guía de entrada controla el caudal de gas refrigerante al impulsor 34 de una manera convencional. El impulsor 34 aumenta la velocidad del gas refrigerante, generalmente sin cambiar la presión. La velocidad del motor determina la cantidad de aumento de la velocidad del gas refrigerante. El difusor 36 aumenta la presión del refrigerante sin cambiar la velocidad. El motor 38 hace rotar el impulsor 34 a través de un árbol 42. El conjunto 40 de cojinete magnético soporta magnéticamente el árbol 42. De esta manera, el refrigerante se comprime en el compresor 22 centrífugo. La carcasa tiene una porción 31a de entrada y una porción 31 b de salida. Un orificio 37 de salida de la porción 31 b de salida conduce al difusor 36.

En la realización ilustrada, el sistema 10 de enfriador predice la sobretensión de una manera convencional. Véase por ejemplo la patente estadounidense n.° 5.095.714. Sin embargo, cuando se predice una sobretensión, el sistema 10 de enfriador controla la sobretensión según la presente invención. En particular, el controlador 20 controla la corriente enviada al conjunto 40 de cojinete magnético para controlar una posición axial del impulsor 34, tal como se explica con más detalle a continuación.

Haciendo referencia a las figuras 2-3, el conjunto 40 de cojinete magnético es convencional y, por tanto, no se comentará y/o ilustrará con detalle en el presente documento, excepto en lo relacionado con la presente invención. Más bien, resultará evidente para los expertos en la técnica que puede usarse cualquier cojinete magnético adecuado sin apartarse de la presente invención. Tal como se observa en la figura 2, el conjunto 40 de cojinete magnético incluye preferiblemente un primer cojinete 44 magnético radial, un segundo cojinete 46 magnético radial y un cojinete 48 magnético axial (de empuje). En cualquier caso, al menos un cojinete 44 ó 46 magnético radial rotatorio soporta el árbol 42. El cojinete 48 magnético de empuje soporta el árbol 42 a lo largo de un eje de rotación X actuando sobre un disco 45 de empuje. El cojinete 48 magnético de empuje incluye el disco 45 de empuje que se une al árbol 42. El disco 45 de empuje se extiende radialmente desde el árbol 42 en una dirección perpendicular al eje de rotación X, y está fijo con respecto al árbol 42. Una posición del árbol 42 a lo largo del eje de rotación X (una posición axial) está controlada por una posición axial del disco 45 de empuje según la presente invención. Los cojinetes 44 y 46 magnéticos radiales primero y segundo se disponen en extremos axiales opuestos del motor 38, o pueden disponerse en el mismo extremo axial con respecto al motor 38 (no ilustrado). Diversos sensores, comentados con más detalle a continuación, detectan posiciones radiales y axiales del árbol 42 con respecto a los cojinetes 44, 46 y 48 magnéticos, y envían señales a la sección 61 de control de cojinete magnético de una manera convencional. La sección 61 de control de cojinete magnético controla entonces la corriente eléctrica enviada a los cojinetes 44, 46 y 48 magnéticos de una manera convencional para mantener el árbol 42 en la posición correcta. Dado que el accionamiento de los cojinetes magnéticos y los conjuntos de cojinete magnético tales como los cojinetes 44, 46 y 48 magnéticos del conjunto de cojinete 40 magnético se conocen bien en la técnica, el conjunto 40 de cojinete magnético no se explicará ni ilustrará con detalle en el presente documento, excepto cuando esté relacionado con el control de sobretensión según la presente invención.

El conjunto 40 de cojinete magnético es preferiblemente una combinación de cojinetes 44, 46 y 48 magnéticos activos, que utiliza sensores 54, 56 y 58 de posición sin contacto para monitorizar la posición del árbol y enviar señales indicativas de la posición del árbol a la sección 61 de control de cojinete magnético. Por tanto, cada uno de los cojinetes 44, 46 y 48 magnéticos son preferentemente cojinetes magnéticos activos. Una sección 61 de control de cojinete magnético usa esta información para ajustar la corriente requerida a un accionador magnético para mantener la posición apropiada del rotor tanto radial como axialmente. Los cojinetes magnéticos activos se conocen bien en la técnica y, por tanto, no se explicarán y/o ilustrarán con detalle en el presente documento, excepto en lo relacionado con el control de sobretensión según la presente invención.

Con referencia a las figuras 1, 2 y 11, el controlador 20 incluye una sección 61 de control de cojinete magnético, una sección 62 de predicción de sobretensión, una sección 63 de control de sobretensión, un variador 64 de frecuencia, una sección 65 de control de motor, una sección 66 de control de paleta guía de entrada y una sección 67 de control de válvula de expansión. La sección 61 de control de cojinete magnético, la sección 62 de predicción de sobretensión, la sección 63 de control de sobretensión, el variador 64 de frecuencia, la sección 65 de control de motor y la sección 66 de control de paleta guía de entrada forman parte de una porción de control de compresor centrífugo que se acopla eléctricamente a una interfaz 50 de E/S del compresor 22.

Debido a que la sección 61 de control de cojinete magnético se conecta a varias porciones del conjunto 40 de cojinete magnético y se comunica con diversas secciones del controlador 20, las diversas secciones del controlador 20 pueden recibir señales de los sensores 54, 56 y 58 del compresor 22, realizar cálculos y transmitir señales de control a partes del compresor 22 tales como el conjunto 40 de cojinete magnético. De manera similar, las diversas secciones del controlador 20 pueden recibir señales de los sensores S y T, realizar cálculos y transmitir señales de control al compresor 22 (por ejemplo, el motor) y la válvula 26 de expansión. Las secciones de control y el variador 64 de frecuencia pueden ser controladores independientes o pueden ser meras secciones del controlador de enfriador programadas para ejecutar el control de las partes descritas en el presente documento. Dicho de otro modo, resultará evidente para los expertos en la técnica a partir de esta divulgación que el número, la ubicación y/o la estructura precisos de las secciones de control, la porción de control y/o el controlador 20 pueden cambiarse sin apartarse de la presente invención durante tanto tiempo. ya que el uno o más controladores están programados para ejecutar el control de las partes del sistema 10 de enfriador tal como se define en la reivindicación 1.

El controlador 20 es convencional y, por tanto, incluye al menos un microprocesador o una CPU, una interfaz de entrada/salida (E/S), memoria de acceso aleatorio (RAM), memoria de sólo lectura (ROM), un dispositivo de almacenamiento (temporal o permanente) que forma un medio legible por computadora programado para ejecutar uno o más programas de control para controlar el sistema 10 de enfriador. El controlador 20 puede incluir opcionalmente una interfaz de entrada tal como un teclado para recibir entradas de un usuario y un dispositivo de visualización usado para visualizar diversos parámetros para un usuario. Las partes y la programación son convencionales, excepto en lo relacionado con el control de sobretensión y, por tanto, no se comentarán con detalle en el presente documento, excepto cuando sea necesario para comprender la(s) realización/realizaciones.

La sección 61 de control de cojinete magnético normalmente recibe señales de los sensores 54, 56 y 58 del conjunto 40 de cojinete magnético, y transmite señales eléctricas a los cojinetes 44, 46 y 48 magnéticos para mantener el árbol 42 en la posición deseada de una manera convencional. Más específicamente, la sección 61 de control de cojinete magnético está programada para ejecutar un programa de control de cojinete magnético para mantener el árbol 42 en la posición deseada de una manera convencional durante el funcionamiento normal cuando no se predice una sobretensión. Sin embargo, si se predice una sobretensión, la posición axial del árbol 42 puede ajustarse usando la sección 62 de control de sobretensión y el cojinete 48 magnético axial. Por tanto, la posición axial del impulsor 34, que está fijado al árbol 42, puede ajustarse con relación al difusor 36, tal como se explica con más detalle a continuación.

El variador 64 de frecuencia y la sección 65 de control de motor reciben señales de al menos un sensor de motor (no mostrado) y controlan la velocidad de rotación del motor 38 para controlar la capacidad del compresor 22 de una manera convencional. Más específicamente, el variador 64 de frecuencia y la sección 65 de control de motor están programados para ejecutar uno o más programas de control de motor para controlar la velocidad de rotación del motor 38 para controlar la capacidad del compresor 22 de una manera convencional. La sección 66 de control de paleta guía de entrada recibe señales de al menos un sensor de paleta guía de entrada (no mostrado) y controla la posición de la paleta 32 guía de entrada para controlar la capacidad del compresor 22 de una manera convencional. Más específicamente, la sección 66 de control de paleta guía de entrada está programada para ejecutar un programa de control de paleta guía de entrada para controlar la posición de la paleta 32 guía de entrada para controlar la capacidad del compresor 22 de una manera convencional. La sección 67 de control de válvula de expansión controla el grado de apertura de la válvula 26 de expansión para controlar la capacidad del sistema 10 de enfriador de una manera convencional. Más específicamente, la sección 67 de control de válvula de expansión está programada para ejecutar un programa de control de válvula de expansión para controlar el grado de apertura de la válvula 26 de expansión para controlar la capacidad del sistema 10 de enfriador de una manera convencional. La sección 65 de control de motor y la sección 66 de control de paleta guía de entrada actúan juntas y con la sección 67 de control de válvula de expansión para controlar la capacidad total del sistema 10 de enfriador de una manera convencional. El controlador 20 recibe señales de los sensores S y opcionalmente T para controlar la capacidad total de una manera convencional. Los sensores T opcionales son sensores de temperatura. Los sensores S son preferiblemente sensores de presión y/o sensores de temperatura convencionales usados de manera convencional para realizar el control.

Cada cojinete magnético 44 incluye una pluralidad de accionadores 74 y al menos un amplificador (amp) 84. De manera similar, cada cojinete 46 magnético incluye una pluralidad de accionadores 76 y al menos un amplificador 86. Asimismo, cada cojinete 48 magnético incluye una pluralidad de accionadores 78 y al menos un amplificador 88. Los amplificadores 84, 86 y 88 de cada cojinete 44, 46 y 48 magnético pueden ser un amplificador multicanal para controlar el número de accionadores de los mismos, o pueden incluir amplificadores independientes para cada accionador 74, 76 y 78. En cualquier caso, los amplificadores 84, 86 y 88 se conectan eléctricamente a los accionadores 74, 76 y 78 de cada cojinete 44, 46 y 48 magnético respectivo.

Haciendo referencia a las figuras 11 y 12, la sección 61 de control de cojinete magnético se conecta eléctricamente a la sección 63 de control de sobretensión y recibe señales de la sección 63 de control de sobretensión. La sección 61 de control de cojinete magnético puede ajustar la posición axial deseada del árbol 42 para ser cualquier punto dentro de un rango desplazable del cojinete 48 magnético. La sección 61 de control de cojinete magnético está programada para ajustar la señal eléctrica al amplificador 88 del cojinete 48 magnéti

del árbol 42. El cojinete 48 magnético puede incluir un amplificador 88 con dos canales para controlar independientemente cada accionador 78 del cojinete 48 magnético respectivamente, o cada accionador 78 del cojinete 48 magnético puede tener un amplificador 88 correspondiente único. Los accionadores 78 del cojinete 48 magnético actúan sobre el disco 45 de empuje ejerciendo una fuerza magnética. Los accionadores 78 del cojinete 48 magnético generan una fuerza magnética que se basa en una corriente eléctrica. Por tanto, la fuerza magnética puede controlarse de manera variable controlando la cantidad de corriente suministrada a cada accionador 78, tal como se explicará con más detalle a continuación.

En la realización ilustrada, el cojinete 48 magnético incluye el disco 45 de empuje, dos accionadores 78 dispuestos en lados opuestos del disco 45 de empuje, dos sensores 58 de posición dispuestos en lados opuestos del disco 45 de empuje, un amplificador 88 conectado eléctricamente a los dos accionadores 78, y la sección 61 de control de cojinete magnético. La sección 61 de control de cojinete magnético se conecta eléctricamente al amplificador 88, los sensores 58 de posición y las otras porciones del controlador 20. Cada accionador 78 recibe una corriente respectiva del amplificador 88 y determinándose cada corriente por la sección 61 de control de cojinete magnético y comunicándose al amplificador 88 mediante una señal. Los accionadores 78 del cojinete 48 magnético desvían el disco 45 de empuje hasta una posición axial en la que la fuerza neta de los dos accionadores 78 alcanza un equilibrio. Durante el funcionamiento normal, el árbol 42 se dispondrá en una posición axial en la que el caudal es del 100% tal como se ilustra en la figura 5.

La sección 61 de control de cojinete magnético de la presente invención se diferencia de un controlador de cojinete magnético convencional en que se dispone para recibir al menos una señal externa. La al menos una señal externa es una señal de ajuste que indica un ajuste a la posición axial deseada, que es necesario en respuesta a la sobretensión que se predice. La sección 61 de control de cojinete magnético está programada para recibir la señal de ajuste y ajustar la señal emitida al amplificador 88 del cojinete 48 magnético que indica la cantidad de corriente que va a suministrarse a los accionadores 78 del cojinete 48 magnético. Dicho de otro modo, la sección 61 de control de cojinete magnético de la presente invención ajustará la posición del árbol 42 en la dirección axial basándose en una señal de ajuste recibida.

La posición axial del impulsor 34 con relación a la entrada determinará el caudal del refrigerante y la velocidad del flujo de refrigerante fuera del impulsor 34 cuando todos los demás aspectos del enfriador 10 permanecen constantes. El caudal del refrigerante también afectará a la capacidad del compresor 22. Debido a que el árbol 42 puede desplazarse hasta cualquier punto dentro del rango desplazable del cojinete 48 magnético, y el impulsor 34 se une al árbol 42, el impulsor 34 también puede desplazarse hasta un número infinito de posiciones en la dirección axial. Cada posición axial del impulsor da como resultado un caudal y una velocidad únicos. Por tanto, el caudal y la velocidad del refrigerante desde el impulsor 34 del compresor pueden ajustarse de manera infinita. La figura 4 ilustra una posición axial del impulsor 34 en la que el caudal es menor del 100%, que puede ser cualquier punto dentro del rango desplazable que no sea el más cercano al difusor 36 (mostrado en la figura 5). La figura 5 ilustra una posición axial del impulsor 34 en la que el caudal es del 100% y el impulsor 34 se dispone en el punto del rango desplazable más cercano al difusor 36.

La sección 63 de control de sobretensión está programada para controlar la sobretensión al recibir una señal de la sección 62 de predicción de sobretensión. La señal de la sección 62 de predicción de sobretensión indica que se predice que se producirá una sobretensión. La sección 62 de predicción de sobretensión puede predecir sobretensión de una manera convencional, tal como las que se establecen en la patente estadounidense n.° 5.095.714, o usando cualquier otra técnica sin apartarse del alcance de esta invención, tal como resultará evidente a la luz de esta divulgación. Sin embargo, en la realización ilustrada, la sección 63 de control de sobretensión controla la sobretensión ajustando la posición axial del impulsor 34 (moviendo el impulsor hacia la derecha en las vistas que se muestran en el presente documento), es decir, desde la posición de caudal del 100% que se muestra en la figura 5 hacia una posición de caudal <100% menos abierta (sólo se muestra una en la figura 4). Si el ajuste total de la posición axial del impulsor 34 es insuficiente para eliminar la sobretensión que predice la sección 62 de predicción de sobretensión, pueden usarse opcionalmente otras técnicas convencionales, tales como aumentar la velocidad de rotación del motor 38 y/o ajustar la paleta guía de entrada, además de la técnica comentada e ilustrada en el presente documento. Sin embargo, usando el control de sobretensión logrado a partir del ajuste de la posición axial del impulsor 34 divulgado en el presente documento, pueden evitarse y/o eliminarse una o más técnicas convencionales de control de sobretensión. Por ejemplo, puede eliminarse el control de sobretensión mediante una paleta difusora.

La sección 63 de control de sobretensión se conecta eléctricamente a la sección 61 de control de cojinete. La sección 63 de control de sobretensión envía una señal de ajuste a la sección 61 de control de cojinete magnético para controlar la sobretensión. Más específicamente, la sección 63 de control de sobretensión controla la sobretensión desplazando el árbol 42 en la dirección axial. Más específicamente, la sección 63 de control de sobretensión está programada para emitir una señal de ajuste que indica un ajuste a la posición axial del impulsor 34. El ajuste corresponde a una porción del rango ajustable. Por ejemplo, cada ajuste puede ser del 5%, el 10% o el 15% del rango ajustable. Por tanto, la sección 63 de control de sobretensión está programada para controlar la sobretensión ajustando el caudal del compresor 22 que se produce cuando el impulsor 34 se desplaza en incrementos.

La sección 63 de control de sobretensión está programada para ajustar la posición axial del impulsor 34 desde una posición de funcionamiento normal (ilustrada en la figura 5) hasta numerosas posiciones ajustadas (sólo una ilustrada en la figura 4). El ajuste incremental tal como se mencionó anteriormente es simplemente un ejemplo de cómo puede ajustarse la posición axial del impulsor según esta divulgación. Alternativamente, la señal de ajuste puede indicar una sola cantidad de ajuste que va a enviarse desde la sección 63 de control de sobretensión a la sección 61 de control de cojinete magnético basándose en una determinación de cuánto de un desplazamiento debe realizarse para controlar la sobretensión predicha calculada por la sección 63 de control de sobretensión, o basándose en valores predeterminados tales como un mapa tal como se explicará con más detalle a continuación.

La sección 63 de control de sobretensión está programada para determinar la cantidad de ajuste de la posición del impulsor 34. La sección 63 de control de sobretensión está programada para determinar la cantidad de ajuste basándose en al menos un parámetro de funcionamiento del compresor 22. Más específicamente, la sección 63 de control de sobretensión está programada para determinar un caudal objetivo basándose en la sobretensión predicha, tal como resultará evidente a la luz de esta divulgación. Por ejemplo, el caudal objetivo puede determinarse basándose en al menos una de la presión del refrigerante en la entrada del impulsor 34 y la presión del refrigerante dentro del difusor. Una vez que la sección 63 de control de sobretensión ha determinado el caudal objetivo, la sección 63 de control de sobretensión calcula entonces un ajuste a la posición axial del impulsor 34 que daría como resultado el caudal objetivo. La sección 63 de control de sobretensión envía luego una señal de ajuste a la sección 61 de control de cojinete magnético que indica el ajuste a la posición axial del impulsor 34. Como ejemplo no limitativo, la sobretensión puede controlarse aumentando la velocidad del refrigerante. El aumento de la velocidad del refrigerante amplía el rango de funcionamiento. Por tanto, la sección 63 de control de sobretensión puede generar una señal de ajuste correspondiente a una porción del rango ajustable. Por ejemplo, cada ajuste resultante de la señal de ajuste puede ser del 5%, el 10% o el 15% del rango ajustable.

En respuesta a la señal de ajuste, la sección 61 de control de cojinete magnético desplaza el impulsor en la dirección axial desde la posición de funcionamiento normal hasta la posición ajustada. La posición de funcionamiento normal tiene un primer caudal y una posición ajustada tiene un segundo caudal. Como ejemplo no limitativo, el primer caudal es un caudal máximo (100%) del compresor 22 tal como se ilustra en la figura 5, mientras que el segundo caudal es menor que el caudal máximo del compresor 22 tal como se ilustra en la figura 4. La señal de ajuste también puede depender de diferentes caudales según se determine basándose en el método de control de sobretensión para el que la sección 63 de control de sobretensión está programada para ejecutar. Resultará evidente para un experto en la técnica, a la luz de esta divulgación, que pueden usarse diversos métodos para calcular la cantidad de ajuste necesaria basándose en una predicción de aumento.

Haciendo referencia a las figuras 4 y 5, el caudal afectará a la velocidad del refrigerante que sale del impulsor 34. En una posición de funcionamiento normal del impulsor 34, el huelgo C es pequeño y el espacio G por el que sale el refrigerante del impulsor es grande. En las figuras 4-5, el huelgo y la estructura del compresor se simplifican en gran medida para facilitar la comprensión. En esta disposición normal (figura 5), el caudal del refrigerante que sale del impulsor 32 es normal y la velocidad es normal. Después de que el impulsor 34 se desplaza en respuesta a una predicción de que se producirá una sobretensión, tal como se ilustra en la figura 4, el espacio G es más pequeño, en relación con la posición de funcionamiento normal. En la disposición ajustada, el caudal del refrigerante que sale del impulsor 32 es menor que el caudal del refrigerante en la disposición normal, y la velocidad del refrigerante es mayor que la velocidad del refrigerante en la disposición normal. El huelgo C también crece, pero tal como se entiende a partir de la figura 2, el huelgo C no tendrá un impacto sobre el caudal o la velocidad del refrigerante que sale del impulsor 34 porque el huelgo C es el sello preferible de la paleta guía de entrada que suministra refrigerante al impulsor. Las diferencias en el caudal y la velocidad del refrigerante son el resultado del estrechamiento del espacio G en la disposición ajustada. Generalmente, los cambios en el huelgo C no interfieren con los cambios en el caudal y la velocidad del refrigerante, tal como se entenderá a la luz de esta divulgación y tal como se mencionó anteriormente.

El segundo caudal y la segunda velocidad (la posición ajustada del impulsor 34) pueden determinarse según diversas técnicas. En una realización, la sección 63 de control de sobretensión puede ajustar de manera incremental el caudal. Por ejemplo, si la sección 63 de control de sobretensión recibe una señal de la sección 62 de predicción de sobretensión, la sección de control de sobretensión puede ajustar el caudal en el 5% ajustando la posición del impulsor 34. Si la sección 62 de predicción de sobretensión predice sobretensión después de que la sección 63 de control de sobretensión haya ajustado el caudal en el 5%, la sección 63 de control de sobretensión ajustaría el caudal en el 10% ajustando la posición del impulsor 34. Este ciclo de ajuste incremental del caudal continuaría hasta que no se predice sobretensión por la sección 62 de predicción de sobretensión, o la sección 63 de control de sobretensión haya alcanzado una cantidad máxima de ajuste.

Alternativamente, el segundo caudal y la segunda velocidad (la posición ajustada del impulsor 34) pueden determinarse por la sección 63 de control de sobretensión basándose en una cantidad de sobretensión predicha. Dicho de otro modo, si la sección 62 de predicción de sobretensión predice una sobretensión de cantidad X, la sección 63 de control de sobretensión puede programarse para determinar una cantidad de ajuste para tener en cuenta una sobretensión de cantidad X. Basándose en la cantidad de ajuste para tener en cuenta una sobretensión de cantidad X, la sección de control de sobretensión puede generar una señal de ajuste basada en la cantidad de ajuste y ajustar la posición del impulsor 34.

Además, el segundo caudal y la segunda velocidad (la posición ajustada del impulsor 34) pueden determinarse por la sección 63 de control de sobretensión basándose en una cantidad predeterminada. Por ejemplo, la cantidad de ajuste puede ser un valor estático o basarse en un mapa predeterminado. La sección 63 de control de sobretensión puede tener por defecto una cantidad predeterminada de ajuste estático durante cada caso que la sección 63 de control de sobretensión recibe una señal que predice sobretensión y ajusta la posición del impulsor 34 a una posición predeterminada. Alternativamente, la sección 63 de control de sobretensión puede determinar la cantidad de ajuste basándose en un mapa predeterminado. El mapa predeterminado puede indicar una cantidad de ajuste respectiva a un tiempo o una duración que la sección 63 de predicción de sobretensión ha predicho sobretensión, y ajustar la posición del impulsor 34 a una posición determinada basándose en el mapa predeterminado. Un mapa predeterminado de este tipo se genera normalmente a partir de experimentos y se programa en el controlador 20.

De manera convencional, la sección 66 de control de paleta guía de entrada controla el caudal de gas refrigerante al impulsor controlando la paleta 32 guía de entrada. Por ejemplo, la sección de control de paleta guía puede determinar una capacidad objetivo del sistema, determinar la cantidad de ajuste a la paleta 32 guía necesaria para alcanzar la capacidad objetivo, y controlar la paleta 32 guía para lograr la capacidad objetivo para controlar la sobretensión. Sin embargo, una paleta 32 guía ajustable aumenta la complejidad de un sistema de enfriador convencional y es un punto de fallo para los sistemas de enfriador convencionales así equipados. Asimismo, algunos compresores centrífugos usan una paleta difusora ajustable, que puede eliminarse.

Controlando la sobretensión usando las técnicas descritas en el presente documento, el sistema 10 de enfriador ya no está limitado a controlar la sobretensión a través de la sección de control de paleta guía de entrada/paleta guía y/o una paleta guía difusora ajustable. Además, otras estructuras de ajuste pueden eliminarse o volverse innecesarias. Dicho de otro modo, el difusor puede no tener paletas difusoras (paletas difusoras ajustables) (no se ilustra). Alternativamente, la paleta guía de entrada puede ser fija y no ajustable (no se ilustra). Al renunciar a la paleta 32 guía, puede aumentarse la fiabilidad del sistema 10 de enfriador y puede reducirse el coste.

Haciendo referencia a la figura 7, la sobretensión es la ruptura completa del flujo estacionario en el compresor, que generalmente se produce a un bajo caudal. La figura 7 ilustra una línea SL de sobretensión, que conecta los puntos S1, S2 y S3 de sobretensión a rpm1, rpm2 y rpm3, respectivamente. Estos puntos son los puntos máximos en los que la presión generada por el compresor es menor que la presión de tubería aguas abajo del compresor. Estos puntos ilustran el inicio del ciclo de sobretensión. La línea PA discontinua ilustra una línea de control de sobretensión. La distancia entre la línea PA y SL muestra la ineficiencia de los métodos de control de sobretensión. Reduciendo la diferencia entre una línea PA de control de sobretensión y la línea SL de sobretensión, el compresor 22 puede controlarse para que sea más eficiente. Una ventaja de los métodos de control de sobretensión mencionados anteriormente es que proporcionan nuevos métodos para controlar la sobretensión; por tanto, la línea PA de control de sobretensión puede estar más cerca de la línea SL de sobretensión en comparación con los métodos anteriores.

Interpretación general de términos

Para comprender el alcance de la presente invención, el término “que comprende” y sus derivados, tal como se usan en el presente documento, pretenden ser términos abiertos que especifican la presencia de las características, los elementos, componentes, grupos, números enteros y/o las etapas indicados pero no excluyen la presencia de otras características, elementos, componentes, grupos, números enteros y/o etapas no indicados. Lo anterior también se aplica a términos que tienen significados similares, tales como los términos “que incluye”, “que tiene” y sus derivados. Además, los términos “parte”, “sección”, “porción”, “miembro” o “elemento” cuando se usan en singular pueden tener el doble significado de una sola parte o una pluralidad de partes.

El término “detectar” tal como se usa en el presente documento para describir una operación o función llevada a cabo por un componente, una sección, un dispositivo o similar incluye un componente, una sección, un dispositivo o similar que no requiere detección física, sino que incluye determinar, medir, modelar, predecir o computar o similar para llevar a cabo la operación o función.

El término “configurado” tal como se usa en el presente documento para describir un componente, una sección o parte de un dispositivo incluye hardware y/o software que está construido y/o programado para llevar a cabo la función deseada.

Los términos de grado tales como “sustancialmente”, “aproximadamente” y “de manera aproximada” tal como se usan en el presente documento significan una cantidad razonable de desviación del término modificado de manera que el resultado final no cambie significativamente.

Aunque sólo se han elegido realizaciones seleccionadas para ilustrar la presente invención, resultará evidente para los expertos en la técnica a partir de esta divulgación que pueden realizarse diversos cambios y modificaciones en el presente documento sin apartarse del alcance de la invención tal como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Claims

REIVINDICACIONES

i. Sistema de enfriador que incluye un compresor (22) centrífugo y un controlador (20), comprendiendo el compresor centrífugo:

una carcasa (30) que tiene una porción (31a) de entrada y una porción (31 b) de salida;

una paleta (32) guía de entrada dispuesta en la porción (31a) de entrada;

un impulsor (34) dispuesto aguas abajo de la paleta (32) guía de entrada, pudiendo rotar el impulsor (34) alrededor de un eje de rotación (x) que define una dirección axial, y montándose el impulsor (34) de manera ajustable dentro de la carcasa (30) a lo largo de la dirección axial entre al menos una primera posición de caudal y una segunda posición de caudal;

un motor (38) dispuesto y configurado para hacer rotar el impulsor (34);

un difusor (36) dispuesto en la porción (31b) de salida aguas abajo del impulsor (34) con un orificio (37) de la porción (31 b) de salida dispuesto entre el impulsor (34) y el difusor (36); y

un mecanismo de control de posición axial del impulsor configurado para controlar el ajuste del impulsor (34) entre al menos las posiciones de caudal primera y segunda;

en el que el controlador (20) está configurado para controlar la sobretensión ajustando una posición axial del impulsor (34),

caracterizado:

porque el impulsor (34) está encerrado,

porque una de las posiciones de caudal primera y segunda es una posición de mayor caudal y la otra de las posiciones de caudal primera y segunda es una posición de menor caudal,

y porque la salida del impulsor se superpone axialmente menos del orificio (37) de la porción (31b) de salida en la posición de menor caudal que en la posición de mayor caudal.
2. Sistema de enfriador según la reivindicación 1, en el que

el impulsor (34) se une a un árbol (42) dispuesto y configurado para hacerse rotar por el motor (38), el mecanismo de control de posición axial del impulsor incluye un cojinete de empuje que incluye un disco (45) de empuje unido al árbol (42), y el disco (45) de empuje se monta de manera ajustable dentro de la carcasa para mover el impulsor (34) entre al menos las posiciones de caudal primera y segunda.
3. Sistema de enfriador según la reivindicación 2, en el que

el cojinete de empuje es un cojinete magnético de empuje ajustable ajustando el flujo de corriente al cojinete magnético de empuje.
4. Sistema de enfriador según cualquiera de las reivindicaciones 2 ó 3, en el que

el árbol (42) está soportado de manera rotatoria por un cojinete magnético radial.
5. Sistema de enfriador según la reivindicación 3, en el que

el mecanismo de control de posición axial del impulsor incluye además un controlador programado para controlar el ajuste del cojinete magnético de empuje basándose en al menos un parámetro de funcionamiento del compresor (22) centrífugo.
6. Sistema de enfriador según la reivindicación 5, en el que

el al menos un parámetro de funcionamiento del compresor (22) centrífugo incluye al menos una presión en una entrada del impulsor (34) y una presión dentro del difusor (36).
7. Sistema de enfriador según la reivindicación 6, en el que

el al menos un parámetro de funcionamiento del compresor (22) centrífugo incluye una diferencia entre la presión en una entrada del impulsor (34) y la presión dentro del difusor (36).
8. Sistema de enfriador según cualquiera de las reivindicaciones 1-7, en el que

la posición de mayor caudal es una posición de caudal del 100% y la posición de menor caudal es una posición de caudal de <100%.
9. Sistema de enfriador según cualquiera de las reivindicaciones 1-8, en el que

el impulsor (34) se monta de manera ajustable dentro de la carcasa (30) a lo largo de la dirección axial entre un número infinito de posiciones de caudal.
10. Sistema de enfriador según cualquiera de las reivindicaciones 1-9, en el que

el difusor (36) no incluye paletas difusoras.
11. Sistema de enfriador según cualquiera de las reivindicaciones 1-10, en el que

el difusor (36) no incluye paletas guía orientables.
12. Sistema de enfriador según cualquiera de las reivindicaciones 1-11, en el que

la paleta (32) guía de entrada no es ajustable.