JP2007525616A - スクリュー圧縮機を可変速度で作動させるためのシステムと方法 - Google Patents

Abstract

【解決手段】容量と効率を上げるために、スクリュー圧縮機（１０８）を可変速度で作動させるためのシステム及び方法が提供されている。スクリュー圧縮機（１０８）は、可変速度駆動装置（１０４）によって駆動される誘導発電機（１０６）に接続されており、スクリュー圧縮機（１０８）は、電動機（１０６）の出力速度によって決まる可変出力容量を有している。容量と効率を上げるために、スクリュー圧縮機（１０８）は、スクリュー圧縮機の定格速度より高い速度で作動し、滑り弁を含んでいない。定格速度より高いスクリュー圧縮機（１０８）の最高作動速度は、一定の時速又は一定のボルト／Ｈｚモードの下で、可変速度駆動装置（１０４）によって提供されている、電動機の定格電圧及び周波数より高い電圧及び周波数で作動しているときは、電動機（１０６）の最高作動速度に相関がある。

Description

本発明は、概括的には、スクリュー圧縮機の作動に関する。具体的には、本発明は、電動機に電動機の定格電圧及び周波数より高い入力電圧及び周波数を供給することのできる可変速度駆動装置によって電力供給されている電動機に接続されているスクリュー圧縮機を可変速度で作動させることに関する。

スクリュー圧縮機の容量は、スクリュー圧縮機に入ってくる気体の量と、気体を圧縮するスクリュー又はローターの回転速度に基づいている。これまでは、スクリュー圧縮機のローターの速度は、スクリュー圧縮機のローターを駆動する誘導電動機の最大定格出力速度に制限されていた。この単一速度スクリュー圧縮機は、スクリュー圧縮機のローター速度に基づく単一の出力容量を有することになる。誘導電動機の最大定格速度より高いローター速度と、それに対応するスクリュー圧縮機の出力容量の増加を達成するには、スクリュー圧縮機の電動機とローターの間にギア装置を接続しなければならなかった。しかしながら、スクリュー圧縮機のローター速度を上げるためにギア装置を導入すると、圧縮機システムの効率が低下し、圧縮機システムのコストと保守が増す結果となった。加えて、ローターは、まだ（たとえ速くても）単一の速度で駆動されているので、スクリュー圧縮機は、なお１つの出力容量しか持っていない。

次に、スクリュー圧縮機を可変容量とするため幾つかの技法が開発された。或る技法では、スクリュー圧縮機は、可変容量とするために滑り弁を備えている。滑り弁は、ローターによって圧縮されている気体の一部を、圧縮機の吐出から逸らすように作動する。滑り弁によって逸らされた気体は、圧縮機の吸入口に戻されることが多い。滑り弁を組み込むと、スクリュー圧縮機を可変出力容量にすることができるが、滑り弁を使うことには幾つかの欠点がある。第一に、滑り弁は、気体に漏れ経路を提供するので、圧縮機の効率が低下する。次に、滑り弁をスクリュー圧縮機に組み込むには、複雑な機械加工が必要になるので、対応してコストが上がる。最後に、スクリュー圧縮機の最大ローター速度及び容量は、電動機の最大定格速度に基づいており、定格電動機速度より高いローター速度を得るには、ギア装置が必要になる。

スクリュー圧縮機を可変容量とするための別の技法は、スクリュー圧縮機の電動機を可変速度駆動装置に接続することを伴っている。可変速度駆動装置は、電動機に供給する周波数及び／又は電圧を変えて、電動機の出力速度を変え、それによってローターの速度を変え、スクリュー圧縮機を可変出力容量とすることができる。しかしながら、大部分の可変速度駆動装置は、入力電圧より高い出力電圧を供給することはできない。可変速度駆動装置の出力電圧に関わるこの制限が、電動機の最高速度を、電源電圧で作動される電動機速度に対応する速度に制限する。先に論じたように、圧縮機のローター速度を更に高くするには、電動機とローターの間にギア装置を組み込んで、圧縮機のローターを駆動する電動機の出力回転速度を上げなければならない。

従って、必要とされているのは、滑り弁を備えておらず、ギア装置を使用すること無くローター速度を上げることができるスクリュー圧縮機を可変速度で作動させるためのシステム及び技法である。

本発明の或る実施形態は、スクリュー圧縮機の出力容量を上げる方法に向けられている。本方法は、所定の定格作動電圧及び周波数を有する電動機を提供する段階と、電動機の所定の定格作動電圧及び周波数よりも高い電圧及び周波数を電動機に供給することのできる可変速度駆動装置を提供する段階と、を含んでいる。電動機の所定の定格作動電圧及び周波数は、電動機の所定の出力速度を作り出す。次に、スクリュー圧縮機が電動機に接続される。スクリュー圧縮機は、電動機の所定の出力速度での作動に応じた所定の出力容量を有している。可変速度駆動装置は、電動機の所定の定格作動電圧及び周波数よりも高い電圧及び周波数を電動機に供給するように作動する。電動機に供給される電圧及び周波数は電動機の所定の定格作動電圧及び周波数よりも高いので、その結果、電動機は、電動機の所定の出力速度より高い出力速度を作り出す。最後に、スクリュー圧縮機は、作り出された電動機速度で駆動され、この速度は、電動機の所定の出力速度より高く、スクリュー圧縮機の所定の出力容量より高い出力容量が得られる。

本発明の別の実施形態は、所定の定格作動電圧及び周波数を有する電動機と、電動機に電力供給するために電動機に接続されている可変速度駆動装置と、電動機に接続されているスクリュー圧縮機とを含んでいる圧縮システムに向けられている。電動機は、所定の定格作動電圧及び周波数での作動に応えて所定の出力速度を作り出すように構成されている。可変速度駆動装置は、可変出力電圧と可変出力周波数を電動機に供給するように構成されている。可変出力電圧と可変出力周波数は、所定の定格作動電圧及び周波数より低い出力電圧及び出力周波数と、所定の定格作動電圧及び周波数より高い出力電圧及び出力周波数の間の範囲にある。スクリュー圧縮機は、電動機の所定の出力速度で駆動されることに応えて、所定の出力容量を提供するように構成されている。電動機は、所定の定格作動電圧及び周波数より高い供給電圧及び周波数での作動に応えて、所定の出力速度より高い出力速度を作り出すことができ、スクリュー圧縮機は、電動機の所定の出力速度より高い電動機の出力速度で駆動されていることに応えて、所定の出力容量より高い出力容量を提供する。

本発明の１つの利点は、ローターの速度を上げることによって、気体の漏れが減り、ローターのシール性が上がり、スクリュー圧縮機の作動が効率的になることである。
本発明の別の利点は、誘導電動機の作動効率、速度、及び馬力を上げることができることである。

本発明の更に別の利点は、部分又は部分的負荷状態でシステム効率を上げることができることである。
本発明の更なる利点は、圧縮機の容量を上げることができることである。

本発明の更に別の利点は、１つの電動機と圧縮機の構成を、様々な入力電圧及び周波数で使用できることである。
本発明のこの他の特徴及び利点は、以下の好適な実施形態の詳細な説明を、本発明の原理を例として示している添付図面と関連付けて読めば、明らかになるであろう。

可能な限り、各図面を通して同じ又は同様の部品には、同じ参照番号を付している。
図１は、本発明のシステム構成を全体的に示している。ＡＣ電源１０２は可変速度駆動装置（ＶＳＤ）１０４に電力供給し、可変速度駆動装置（ＶＳＤ）１０４は電動機１０６に電力供給し、電動機はスクリュー圧縮機１０８を駆動する。ＡＣ電源１０２は、現場に在るＡＣ電力網又は配電システムからＶＳＤ１０４に、単相又は多相（例えば３相）の固定電圧、固定周波数ＡＣ電力を供給する。ＡＣ電源１０２は、対応するＡＣ電力網次第で、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの電源周波数で、２００Ｖ、２３０Ｖ、３８０Ｖ、４６０Ｖ又は６００ＶのＡＣ電圧又は電源電圧を、ＶＳＤ１０４に供給できるのが望ましい。

ＶＳＤ１０４は、ＡＣ電源１０２から特定の固定線間電圧と固定線間周波数を有するＡＣ電力を受け取り、ＡＣ電力を、所望の電圧及び所望の周波数で電動機１０６に提供するが、この電圧と周波数は、具体的な要件を満たすように変えることができる。ＶＳＤ１０４は、電動機１０６の定格電圧及び周波数より高い電圧及び周波数と、低い電圧及び周波数とを有するＡＣ電力を電動機１０６に提供できるのが望ましい。図２は、ＶＳＤ１０４の或る実施形態の幾つかの構成要素を概略的に示している。ＶＳＤ１０４は、コンバータステージ２０２、ＤＣリンクステージ２０４、及びインバーターステージ２０６の３つのステージを有している。コンバータ２０２は、ＡＣ電源１０２からの固定線間周波数、固定線間電圧のＡＣ電力を、ＤＣ電力に変換する。ＤＣリンク２０４は、コンバータ２０２からのＤＣ電力にフィルターを掛け、凝縮器及び／又は誘導器のようなエネルギー貯蔵構成要素を提供する。最後に、インバーター２０６は、ＤＣリンク２０４からのＤＣ電力を、電動機１０６用の可変周波数、可変電圧のＡＣ電力に変換する。

ＶＳＤ１０４が適切な出力電圧及び周波数を電動機１０６に提供できる限り、コンバータ２０２、ＤＣリンク２０４、及びインバーター２０６の具体的な構成は、重要ではない。例えば、コンバータ２０２は、ＶＳＤ１０４の入力電圧より高い出力電圧をＶＳＤ１０４から得るために、上昇したＤＣ電圧をＤＣリンク２０４に送る目的でブーストＤＣ／ＤＣコンバータに連結されているダイオード又はサイリスタ整流器であってもよい。別の例では、コンバータ２０２は、上昇したＤＣ電圧をＤＣリンク２０４に送り、ＶＳＤ１０４の入力電圧より高い出力電圧をＶＳＤ１０４から得るために、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を有するパルス幅変調ブースト整流器であってもよい。本発明の或る好適な実施形態では、ＶＳＤ１０４は、電動機１０６の定格電圧及び周波数の少なくとも２倍の出力電圧及び周波数を提供することができる。更に、ＶＳＤ１０４は、ＶＳＤ１０４が適切な出力電圧及び周波数を電動機１０６に提供できる限り、図２に示している構成要素とは異なる構成要素を組み込んでもよいと理解頂きたい。

ＶＳＤ１０４は、電動機１０６の始動の際に大きな流入電流が電動機１０６に達するのを防ぐことができる。ＶＳＤ１０４のインバーター２０６は、電動機１０６に、約１の力率を有する電力を提供することができる。最後に、ＶＳＤ１０４は、電動機１０６への出力電圧と出力周波数の両方を調整する能力があるので、異なる電源に対して電動機１０６又はスクリュー圧縮機１０８を変更する必要無しに、様々な外国及び国内の電力網で作動することができる。

電動機１０６は、様々な速度で作動させることのできる誘導電動機であるのが望ましい。誘導電動機は、２極、４極又は６極を含め、適していればどの様な極配置を有していてもよい。誘導電動機は、スクリュー圧縮機１０８を駆動するのに用いられる。スクリュー圧縮機１０８は、スクリュー圧縮機１０８のローターを駆動する電動機１０６の出力速度によって決まる可変出力容量を有している。つまり、電動機１０６の出力速度は、スクリュー圧縮機１０８の出力容量を制御することができる。例えば、電動機の出力速度が低いと圧縮機の出力容量は低くなり、電動機の出力速度が高いと圧縮機の出力容量は高くなる。本発明の或る実施形態では、本発明のシステム及び方法は、冷却又は冷凍システムに用いて冷却又は冷凍システムの能力を高めることができる。図３は、冷却又は冷凍システムに組み込まれた本発明のシステムの或る実施形態を全体的に示している。

図３に示すように、ＨＶＡＣ冷却又は液体冷凍システム３００は、スクリュー圧縮機１０８、凝縮器３０４、蒸発器３０６、及び制御パネル３０８を含んでいる。制御パネル３０８は、冷却システム３００の作動を制御するために、アナログツーデジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ、マイクロプロセッサ、不揮発性メモリ、及びインターフェース盤のような様々な異なる構成要素を含んでいる。制御パネル３０８は、ＶＳＤ１０４、電動機１０６、及びスクリュー圧縮機１０８の作動を制御するのにも用いられる。従来型の冷却システム３００は、図３には示していないが、他にも多くの機構を含んでいる。これらの機構は、図面を単純化して分かり易くするため、意図的に省いている。

スクリュー圧縮機１０８は、吸入口で冷媒の蒸気を受け取り、冷媒の蒸気を、スクリュー圧縮機１０８の噛み合いローターで圧縮する。次に、スクリュー圧縮機１０８は、吐出配管を通して圧縮された蒸気を吐出する。先に論じたように、スクリュー圧縮機１０８の出力容量は、スクリュー圧縮機１０８のローターの速度に基づいており、ローター速度は、ＶＳＤ１０４経由で電力供給される電動機１０６の出力速度に依って決まる。圧縮機１０８によって凝縮器３０４に送られる冷媒の蒸気は、空気又は水などの流体との熱交換関係に進み、流体との熱交換関係の結果、冷媒の液体へと位相変化する。凝縮器３０４からの凝縮した液体冷媒は、膨張装置（図示せず）を通って蒸発器３０６に流れる。

蒸発器３０６内の液体の冷媒は、空気又は水などの第２流体との熱交換関係に入り、第２流体の温度を下げる。蒸発器３０６内の冷媒の液体は、第２流体との熱交換の結果、冷媒の蒸気へと位相変化する。蒸発器３０６内の蒸気の冷媒は、蒸発器３０６を出て、吸入配管によってスクリュー圧縮機１０８へ戻り、サイクルが完了する。凝縮器３０４及び蒸発器３０６内で冷媒が適切に位相変化するのであれば、凝縮器３０４と蒸発器３０６は、適していればどの様な構成でも、システム３００に使用することができるものと理解すべきである。

本発明は、スクリュー圧縮機１０８をスクリュー圧縮機の定格速度より高い速度で作動させ、且つ滑り弁をスクリュー圧縮機１０８に組み込まないことによって、スクリュー圧縮機１０８の容量と効率を上げる。スクリュー圧縮機１０８の最高作動速度は、一定の磁束又は一定のボルト／Ｈｚモードで電動機の定格電圧及び周波数より高い電圧及び周波数で作動しているときは、電動機１０６の最高作動速度と相関がある。スクリュー圧縮機１０８の定格速度より高い速度で作動しているとき、スクリュー圧縮機１０８は、ローターの間のシール性が高くなり、気体の漏れが減るので、圧縮機の効率が上がる。更に、スクリュー圧縮機内の滑り弁を無くすと、気体が漏れる可能性のある経路が取り除かれることになり、結果として、更に効率が上がる。

スクリュー圧縮機１０８は、可変速度駆動装置１０４経由で電力供給されている電動機１０６に接続されているので、高い速度及び容量に加えて、低い速度及び容量で作動させることができる。可変速度駆動装置１０４は、電動機１０６に、入力周波数及び電圧を下げて供給することができるので、電動機１０６の出力速度を下げることができ、その結果、スクリュー圧縮機１０８のローター速度が下がり、それに対応してスクリュー圧縮機１０８の出力容量も下がる。

更に、スクリュー圧縮機の様な一定トルク負荷の場合、一定の磁束又は一定のボルト／Ｈｚモードで、電動機の定格速度より高い速度で電動機１０６を作動させると、電動機の作動効率が上がる。一定のトルク負荷で駆動すると、電動機１０６への入力電圧及び周波数が上がるので、電動機１０６によって引き出される電流は、比較的一定のままである。電動機電流が比較的一定のままなので、電動機１０６の損失も比較的一定のままである。従って、電動機１０６の馬力は上がるが、電動機１０６によって引き出される電動機電流と、それに対応する電動機１０６の損失は実質的に同じに維持されるので、同じ電動機１０６が電動機１０６の定格電圧及び周波数で駆動される場合と比べて、電動機の効率が上がる。

電動機１０６の馬力と効率を上げ、スクリュー圧縮機１０８の容量を上げるための本発明の或る実施形態は、電動機１０６を、電動機の定格電圧及び周波数より高い入力電圧及び入力周波数を電動機１０６に供給することのできるＶＳＤ１０４に接続することを含んでいる。或る例では、電動機１０６は、対応する電源電圧と電源周波数に対して定格値が定められており、ＶＳＤ１０４は、電動機１０６に、電源電圧及び電源周波数より高い出力電圧及び出力周波数を供給することができる。或いは、電動機１０６は、対応する電源周波数と、対応する電源電圧より低い電圧とに対して定格値が定められていて、ＶＳＤ１０４は、電源電圧と実質的に等しい出力電圧と、電源周波数より高い出力周波数を供給するようにしてもよい。どちらの装置でも、電動機１０６は、電動機の定格電圧及び周波数より高い入力電圧と入力周波数を受け取っている。

加えて、ＶＳＤ１０４は、可変入力電圧と可変入力周波数を電動機１０６に供給することができるので、電動機１０６及びスクリュー圧縮機１０８は、システムの具体的な要件に依って様々な異なるレベルで作動され得る。好ましくは、制御パネル、マイクロプロセッサ又は制御器は、ＶＳＤ１０４に制御信号を送ってＶＳＤ１０４の作動を制御し、制御パネルが受け取った具体的なセンサー読み取り値に基づいて、電動機１０６とスクリュー圧縮機１０８を最適な作動状態に設定することができる。例えば、図３の冷却システム３００では、制御パネル３０８は、冷却システム３００の変化する状態に対応してＶＳＤ１０４の出力電圧及び周波数を調整することができ、即ち、制御パネル３０８は、電動機１０６の所望の作動速度と圧縮機１０８の所望の出力容量を達成するために、圧縮機１０８の負荷条件の増減に応じて、ＶＳＤ１０４の出力電圧及び周波数を増減させることができる。

図４は、本発明を組み込んだ冷却システムの１つの具体的な実施形態を示している。冷却システム４００は、Ｒ−１３４ａ冷媒を使って装置の様々な部位に冷却した液体を循環させる液体冷凍システムである。冷却システム４００は、１つ又は複数の可変速度駆動装置４０６経由で電力供給される対応する電動機４０４によって駆動される２つ又はそれ以上のスクリュー圧縮機４０２、凝縮器システム４０８、蒸発器システム４１０、エコノマイザ４１２、及び制御パネル（図示せず）という主要構成要素を含んでいる。冷却システム４００は、更に、ここでは詳細に論じないが、この他にも多くの二次的な構成要素と機構を含んでいる。これらの構成要素は、図面を単純化して分かり易く説明するために、意図的に省略している。

図４に示す冷却システム４００は、２つの並列冷媒回路で冷媒を圧縮する２つの圧縮機４０２を含んでいる。各冷媒回路の構成要素は、対応する冷媒回路に依って、対応する添数「−１」又は「−２」で識別している。例えば、第１冷媒回路の圧縮機は、参照番号４０２−１によって識別されている。別の実施形態では、各冷媒回路は、並列に接続されている２つ以上の圧縮機４０２を含んでいる。更に別の実施形態では、冷却システム４００は、追加の並列冷媒回路に接続された追加の圧縮機４０２を含んでいる。各スクリュー圧縮機４０２は、冷媒気体をローターのねじに引き込み、冷媒気体を圧縮し、冷媒気体を吐出口から放出する、従来型の固定体積比の回転式スクリュー圧縮機である。スクリュー圧縮機４０２は、雄型と雌型のローターを有しており、ローターは、個々の突出部と溝部の間に小さな間隙ができる状態に互いに嵌り合うよう機械加工されている。或る実施形態では、ローターは、５＋７ローブの組み合わせである。ローターの直径は、１４５．３ｍｍ、１３６．４ｍｍ、及び１２４ｍｍの間で変化し、その全てが、約１．４のＬ／Ｄを有している。

或る実施形態では、スクリュー圧縮機４０２のケーシングは、漏れ抵抗を改良し、機械加工性を改良し、音の減衰を増し、コストを下げるため、ねずみ鋳鉄で、クラス３０である。スクリュー圧縮機４０２への吸入及び吐出接続部は、軸方向に向いており、３００クラスサービス用のＡＮＳＩ接続である。スクリュー圧縮機４０２の軸受は、ＩＳＯ式軸受クラスＡＢＥＣ１の転動体でもよい。スクリュー圧縮機４０２は、半径方向の荷重には、円筒ローラー軸受を使用してもよい。スクリュー圧縮機４０２は、スラスト又は軸方向荷重には、アンギュラ接触軸受を使用してもよい。或る実施形態では、冷媒をろ過するための３ミクロン絶対フィルターがスクリュー圧縮機４０２の本体に組み込まれており、交換の際には外部からアクセスすることができる。最後に、スクリュー圧縮機４０２は、スケジュール４０パイプで作られ、２００Ｈｚの圧縮器ポンピング周波数に合わせて調整された反応区画、並びに（高周波数騒音を吸収する）ケブラー入りグラスファイバのケーシングを含む受動区画を含んでいる、外部ハイブリッドマフラーを有していてもよい。マフラーは、長さが２５インチ、直径が６インチである。更に別の実施形態では、マフラーは、反応区画しか含んでおらず、長さは約１８インチである。

各スクリュー圧縮機４０２の機械的スクリュー機構又はローターは、対応する可変速度駆動装置４０６によって電力供給される対応する電動機４０４で駆動される。或る実施形態では、電動機４０４は、標準的な４極、１３８ＶＡＣ、６０Ｈｚ、６８．１Ｈｐの誘導電動機である。電動機４０４は、可変速度駆動装置４０６を使って、電動機４０４の定格電圧及び周波数の倍数である４６０ＶＡＣ／２００Ｈｚの最大電圧／周波数まで、線形ボルト／Ｈｚ様式で作動させることができる。可変速度駆動装置４０６は、先に論じた線形ボルト／Ｈｚ様式で作動している電動機４０４に、定格馬力より上げるため高くした電圧と周波数を供給するように設計されている。可変速度駆動装置４０６は、電動機４０４に、約２０−２００Ｈｚの範囲の周波数を有する電圧を供給することができる。電動機４０４に掛けられる負荷は、実質的に一定トルクのスクリュー圧縮機の負荷である。電動機４０４は、負荷に対して、約１６９．３ＫＷ（２２７Ｈｐ）を約９３．５％の効率で供給する。圧縮機４０２に入る吸引気体は、電動機４０４を冷却する。

別の実施形態では、１つの可変速度駆動装置（ＶＳＤ）４０６が、多数の電動機４０４に電力供給している。多数の電動機４０４に電力供給する１つのＶＳＤ４０６は、対応する各圧縮機電動機４０４に専用の出力モジュールを提供するために、１つ又は２つの入力ＡＣ対ＤＣコンバータ、各コンバータ毎の対応するＤＣリンク、及び各ＤＣリンク毎の多数のＤＣ対ＡＣインバーターモジュールを使用する。２つ又は３つの圧縮機を有する冷却システム４００の幾つかの実施形態では、１つのＶＳＤ４０６に１つのコンバータとＤＣリンクが用いられており、一方、４つの圧縮機を有する冷却システム４００の構成は、１つのＶＳＤ４０６に２つのコンバータと２つのＤＣリンクを使用している。ＶＳＤ４０６は、略２０−２００Ｈｚの範囲の周波数を有する電動機４０４に電圧を供給することができる。先に述べたように電動機４０４のために上昇された電圧は、ＡＣ電源又は電源電圧に対応するためＤＣリンク電圧を約６２１ＶＤＣに維持することによって、ＶＳＤ４０６から得ることができる。公称配電電圧が４８０ＶＡＣでない状況では、単巻変圧器をＶＳＤ４０６に組み込んで、入力電圧を４８０ＶＡＣに調整し、ＶＳＤ４０６によって更に昇圧することもできる。

別体の冷却システムが、ＶＳＤ４０６を冷却するために用いられる。ＶＳＤ４０６を冷却するには、プロピレングリコールと水の混合物の塩性溶液のループを用いるのが望ましい。プロピレングリコールと水の混合物が望ましいが、ＶＳＤ冷却システムのループには、適していれば、エチレングリコールと水の混合物の様な、どの様なブライン（ｂｒｉｎｅ）又は冷却液を使用してもよい旨理解されたい。ＶＳＤ冷却システムからの暖かいブラインは、周囲の大気で冷却することもできる。凝縮器システム４０８内の幾つかの管又はコイルを、ＶＳＤ４０６を冷却するために割り当ててもよい。

スクリュー圧縮機４０２を、線形ボルト／Ｈｚ方式で作動する誘導電動機−ＶＳＤの組み合わせと直列にして主周波数より高い周波数で作動させると、全体効率が高くなる。この高い効率は、電動機４０４が、定格電動機の表示電圧及び周波数より高い電圧及び周波数で作動し、スクリュー圧縮機４０２を、滑り弁無しで定格速度より高い速度で作動させることによる。滑り弁を取り除くと、漏れが少なくなり、信頼性が上がる。より高速で作動させると、圧縮機４０２のシーリング性能が高くなり、圧縮機の効率が上がる。

ＶＳＤ４０６を使用して電動機４０４の速度を変え、それにより圧縮機４０２の速度、更には圧縮機４０２の負荷を変えることによって、圧縮機４０２に対し負荷を加え／負荷を減らすことができる。圧縮機４０２に対し負荷を加え／負荷を減らすのは、圧縮機４０２の最小速度点と最大速度点の間で、本質的に無限に可変である。圧縮機４０２の最小負荷点は、ＶＳＤ４０６が対応する入力電圧を約２０Ｈｚで電動機４０４に供給することに対応している。

先に論じたように、ＶＳＤ４０６は、制御パネルから受け取った制御信号に応えて圧縮機４０２を所望の容量とするため、電動機４０４（及び圧縮機４０２）の速度を変える。制御パネルは、ファジィ論理制御ルーチンを使用して、ＶＳＤ４０６の適切な作動速度と稼動させる圧縮機４０２の適切な数を求め、特定のシステムの状態に最適なシステム作動状態を作り出す。制御パネルは、次に、ＶＳＤ４０６に適切な制御信号を送って、ＶＳＤの出力を調整する。ファジィ理論制御ルーチンは、蒸発器４１０で測定された出て行く冷凍液の温度ＬＣＨＬＴと所定の設定値の差である、出て行く冷凍液の温度（ＬＣＨＬＴ）誤差と、サンプル採取周期に亘るＬＣＨＬＴの変化率であるＬＣＨＬＴ誤り率とを、入力として受け取る。更に、制御パネルは、圧縮機４０２の吐出圧力、電動機電流、圧縮機４０２の吸入圧力、及び電動機温度を入力として監視する別の制御アルゴリズムを使って、何時、圧縮機４０２に対し負荷を加え／負荷を減らすかを判断する。

冷却システム４００の凝縮器システム４０８は、圧縮機からの高温の冷媒気体を周囲の大気で冷却し、凝縮器システム４０８を出る冷媒を過熱させず（ｄｅｓｕｐｅｒｈｅａｔ）、凝縮させ、過冷却する空冷式凝縮器である。凝縮器システム４０８は、各冷媒回路毎に複数の別々の銅管のコイルを含んでおり、その銅管は、外側が滑らかで、内側が強化されており、銅管の回りはアルミニウムフィンが取り巻いている。つまり、各冷媒回路は、凝縮器システム４０８内に固有のコイルのセットを有している。コイルは、「Ｖ」又は「Ｗ」字形に作られている。具体的なシステムの状態に応じてファンの速度及び数を調整するため、制御パネルから受信した制御指示に基づいて、複数のファンが、コイルに空気を送る。凝縮器のファンアッセンブリは、６極、２ＨＰの電動機で駆動される９００ｍｍの３枚羽根のクローリーファンである。代わりに、凝縮器のファンアッセンブリは、６極、１．５ＨＰの電動機で駆動される３０インチのレブコ前方掃引式金属インペラであってもよい。凝縮器システム４０８は、システム４００内のオイルを冷却するのにも用いられる。凝縮器システム４０８の幾つかの銅管は、オイル冷却専用であり、別々のオイル回路からオイルを受け取る。凝縮器システム４０８内で冷却されたオイルは、圧縮機４０２に戻される。

別の実施形態では、冷却システム４００の凝縮器システム４０８は、空冷凝縮器ではなく水冷凝縮器である。先に述べたように、各冷媒回路毎に凝縮器コイル内を流れる冷媒蒸気は、水との熱交換関係に進み、冷却タワーに接続されているパイプを通って流れる。凝縮器システム４０８内の冷媒蒸気は、水との熱交換関係の結果として、位相が冷媒液体に変わる。

冷却システム４００の蒸発器システム４１０は、各冷媒回路毎に複数の別々のコイル又は管を有している。冷媒は、各回路の管を通って循環し、冷却負荷となる冷凍対象の液体に取り巻かれる。蒸発器システム４１０は、冷却負荷から暖められた液体を受け取り、冷凍液体を冷却負荷に送るパイプ接続部を有している。二次液体は、水であるのが望ましいが、エチレン、塩化カルシウムブライン、又は塩化ナトリウムブラインのような他の適切な二次液体でもよく、この二次液体は、戻り配管を経由して蒸発器システム４１０に入り、供給配管を経由して蒸発器システム４１０を出る。蒸発器システム４１０の別々の冷媒回路のコイル内の液体冷媒は、二次液体との熱交換関係に入り、二次液体の温度を下げる。蒸発器システム４１０のコイル内の冷媒液体は、二次液体との熱交換関係の結果として、位相が冷媒蒸気に変わる。蒸発器システム４１０のコイル内の蒸気冷媒は、蒸発器システム４１０を出て、吸入配管によって冷媒回路の対応する圧縮機４０２へ戻り、サイクルが完了する。

代わりに、蒸発器システム４１０は、浸水式蒸発器でもよい。浸水式蒸発器は、冷媒をシェル側に配し、管の内側に冷却対象流体を流す、シェルと管の熱交換器である。蒸発器シェル内に仕切り板と隔壁を用いることによって、蒸発器システム４１０内に、別々の冷媒回路が維持される。蒸発器システム４１０は、冷却負荷に接続されている供給配管と戻り配管を有する熱交換器コイルを含んでいるのが望ましい。熱交換器コイルは、蒸発器４１０内に複数の管束を含んでいてもよい。

Ｒ−１３４ａ冷媒の場合、Ｒ−２２冷媒と同様の容量を達成するためにより高い流量で汲み出すことになり、冷却システム４００の配管の寸法は、一般的には大きくなければならない。冷却システム４００は、システムの容量と性能を上げるため、各冷媒回路にエコノマイザ４１２を組み込んでいる。エコノマイザ４１２は、接続口に接続されているフラッシュタンクによって、圧縮機４０２内の指定圧力で供給され、追加の容量／能力ゲインを提供する。加えて、ローターの速度を変えて圧縮機４０２の負荷を下げることによって、エコノマイザ４１２は、負荷を下げる操作をしている間でも、エコノマイザの接続口は性能を落とすことになる圧縮機４０２の吸入圧に曝されることは決して無いので、有効であり、従って、（妥当な範囲内の）非常に低い負荷でも追加的な性能と容量を提供する。負荷が非常に軽いと、エコノマイザのへの供給はソレノイド弁を使って閉鎖され、電動機の負荷が軽減される。更に、フラッシュタンクは、部分的に上昇した圧力で気体を液体から分離するのに用いられる。気体は、フラッシュタンクの上部からエコノマイザ４１２に供給される。フラッシュタンクは、部分的に膨張した液体−気体の流体混合物を供給するために、凝縮器４０８からの膨張供給弁を備えた簡単な垂直タンクである。液体は、フラッシュタンクから第２膨張排水弁を通って、蒸発器４１０に放出される。

以上、本発明を、好適な実施形態に関連付けて説明してきたが、当業者には理解頂けるように、本発明には、その範囲から逸脱すること無く、様々な変更を施し、その要素を等価物に置換することもできる。更に、本発明の本来の範囲から逸脱すること無く、特定の状況又は材料に合わせて、本発明の教示に多くの修正を加えることもできる。従って、本発明を実行するために考えられる最良の方法として開示している特定の実施形態に、本発明を限定する意図はなく、本発明は、特許請求項の範囲に含まれる全ての実施形態を包含するものとする。

本発明の全体的なシステム構成を概略的に示している。 本発明に用いられる可変速度駆動装置の或る実施形態を概略的に示している。 本発明と共に使用することのできる冷却システムを概略的に示している。 本発明と共に使用することのできる冷却システムの別の実施形態を概略的に示している。

Claims (35)

1. スクリュー圧縮機の出力容量を上げる方法において、
   所定の定格作動電圧及び周波数を有する電動機を提供する段階であって、前記電動機の所定の定格作動電圧及び周波数は、前記電動機の所定の出力速度を作り出す、段階と、
   前記電動機に、前記電動機の所定の定格作動電圧及び周波数より高い電圧及び周波数を供給することのできる可変速度駆動装置を提供する段階と
   スクリュー圧縮機を前記電動機に接続する段階であって、前記スクリュー圧縮機は、前記電動機の所定の出力速度での作動に応じた所定の出力容量を有している、段階と、
   前記可変速度駆動装置を作動させ、前記電動機の所定の定格作動電圧及び周波数より高い電圧及び周波数を前記電動機に供給する段階であって、前記電動機は、前記電動機に供給される電圧及び周波数が前記電動機の所定の定格作動電圧及び周波数より高い結果として、前記電動機の所定の出力速度より高い出力速度を作り出す、段階と、
   前記スクリュー圧縮機を、前記電動機の所定の出力速度より高い前記作り出された電動機の速度で駆動し、前記スクリュー圧縮機から、前記スクリュー圧縮機の所定の出力容量より高い出力容量を得る段階と、から成る方法。
2. 前記電動機を、一定の磁束作動モードで作動させる段階を更に含んでいる、請求項１に記載の方法。
3. 前記可変速度駆動装置の出力電圧を、前記可変速度駆動装置への入力電圧の少なくとも２倍に昇圧する段階を更に含んでいる、請求項１に記載の方法。
4. 前記電動機の所定の定格作動電圧は、前記可変速度駆動装置への入力電圧と実質的に等しい、請求項３に記載の方法。
5. 前記電動機の所定の定格作動電圧は、前記可変速度駆動装置への入力電圧より低い、請求項１に記載の方法。
6. 前記スクリュー圧縮機から、容量制御のための滑り弁を取り除く段階を更に含んでいる、請求項１に記載の方法。
7. 圧縮システムにおいて、
   所定の定格作動電圧及び周波数を有する電動機であって、前記所定の定格作動電圧及び周波数での作動に応えて、所定の出力速度を作り出すように構成されている、電動機と、
   前記電動機に電力供給するために前記電動機に接続されている可変速度駆動装置であって、前記電動機に、可変出力電圧と可変出力周波数を供給するように構成されており、前記可変出力電圧と可変出力周波数は、前記所定の定格作動電圧及び周波数より低い出力電圧及び周波数と、前記所定の定格作動電圧及び周波数より高い出力電圧及び周波数との間の範囲に亘っている、可変速度駆動装置と、
   前記電動機に接続されているスクリュー圧縮機であって、前記電動機の所定の出力速度で駆動されることに応えて所定の出力容量を提供するように構成されている、スクリュー圧縮機と、を備えており、
   前記電動機は、前記所定の定格作動電圧及び周波数より高い供給電圧及び周波数での作動に応えて、前記所定の出力速度より高い出力速度を作り出し、前記スクリュー圧縮機は、前記電動機の所定の出力速度より高い前記電動機の出力速度で駆動されることに応えて、前記所定の出力容量より高い出力容量を提供する、圧縮システム。
8. 前記可変速度駆動装置は、前記電動機に、前記可変速度駆動装置への入力電圧より高い出力電圧を提供するように構成されている、請求項７に記載の圧縮システム。
9. 前記可変速度駆動装置は、前記電動機に、前記可変速度駆動装置への入力電圧の少なくとも２倍の出力電圧を提供するように構成されている、請求項８に記載の圧縮システム。
10. 前記電動機の所定の定格作動電圧は、前記可変速度駆動装置への入力電圧と実質的に等しい、請求項９に記載の圧縮システム。
11. 前記電動機の所定の定格作動電圧は、前記可変速度駆動装置への入力電圧より低い、請求項７に記載の圧縮システム。
12. 前記可変速度駆動装置は、前記電動機に、前記電動機が一定磁束作動モードで作動できる出力電圧と出力周波数を供給する、請求項７に記載の圧縮システム。
13. 前記スクリュー圧縮機は、前記電動機の所定の出力速度より高い前記電動機の出力速度で駆動されることに応じてローターのシール性が向上する、請求項７に記載の圧縮システム。
14. 前記スクリュー圧縮機は、滑り弁を省いて前記スクリュー圧縮機の気体漏れを少なくするように構成されている、請求項７に記載の圧縮システム。
15. 冷凍システムにおいて、
    閉じた冷媒ループに接続されている第１圧縮機、第１凝縮器装置、及び第１蒸発器装置を備えている第１冷媒回路と、
    閉じた冷媒ループに接続されている第２圧縮機、第２凝縮器装置、及び第２蒸発器装置を備えている第２冷媒回路と、
    前記第１圧縮機を駆動するため前記第１圧縮機に接続されている第１電動機であって、所定の定格作動電圧及び周波数を有しており、前記第１電動機の前記所定の定格作動電圧及び周波数が前記第１電動機に供給されることに応えて、前記第１圧縮機を所定の速度で駆動するように構成されており、前記第１圧縮機は、前記所定の速度で駆動されることに応じた所定の容量を有している、第１電動機と、
    前記第２圧縮機を駆動するため前記第２圧縮機に接続されている第２電動機であって、所定の定格作動電圧及び周波数を有しており、前記第２電動機の前記所定の定格作動電圧及び周波数が前記第２電動機に供給されることに応えて、前記第２圧縮機を所定の速度で駆動するように構成されており、前記第２圧縮機は、前記所定の速度で駆動されることに応じた所定の容量を有している、第２電動機と、
    前記第１電動機及び前記第２電動機に電力供給するため前記第１電動機及び前記第２電動機に接続されている少なくとも１つの可変速度駆動装置であって、前記第１電動機及び前記第２電動機に可変出力電圧及び可変出力周波数を供給するよう構成されており、前記可変出力電圧及び可変出力周波数は、前記第１電動機及び第２電動機の前記所定の定格作動電圧及び周波数より低い出力電圧及び出力周波数と、前記第１電動機及び第２電動機の前記所定の定格作動電圧及び周波数より高い出力電圧及び出力周波数との間の範囲に亘っている、可変速度駆動装置と、を備えており、
    前記第１電動機は、前記少なくとも１つの可変速度駆動装置から供給される出力電圧及び出力周波数が前記第１電動機の前記所定の定格作動電圧及び周波数より高いことに応えて、前記第１圧縮機を前記所定の速度より高い速度で駆動し、前記第１圧縮機は、前記第１電動機によって、前記所定の出力速度より高い出力速度で駆動されることに応えて前記所定の出力容量より高い出力容量を提供し、
    前記第２電動機は、前記少なくとも１つの可変速度駆動装置から供給される出力電圧及び出力周波数が前記第２電動機の前記所定の定格作動電圧及び周波数より高いことに応えて、前記第２圧縮機を前記所定の速度より高い速度で駆動し、前記第２圧縮機は、前記第２電動機によって、前記所定の出力速度より高い出力速度で駆動されることに応えて前記所定の出力容量より高い出力容量を提供する、冷凍システム。
16. 前記第１圧縮機と前記第２圧縮機は、スクリュー圧縮機である、請求項１５に記載の冷凍システム。
17. 前記第１スクリュー圧縮機と前記第２スクリュー圧縮機は、それぞれ、前記所定の速度より高い速度で駆動されることに応じてローターのシール性が向上する、請求項１６に記載の冷凍システム。
18. 前記第１スクリュー圧縮機と前記第２スクリュー圧縮機は、滑り弁を省いて、前記第１スクリュー圧縮機と前記第２スクリュー圧縮機の気体漏れを少なくするように構成されている、請求項１６に記載の冷凍システム。
19. 前記少なくとも１つの可変速度駆動装置は、
    前記第１電動機に電力供給するため前記第１電動機に接続されている第１可変速度駆動装置と、
    前記第２電動機に電力供給するため前記第２電動機に接続されている第２可変速度駆動装置と、を備えている、請求項１５に記載の冷凍システム。
20. 前記少なくとも１つの可変速度駆動装置は、前記第１電動機に接続されている第１インバーター区画と、前記第２電動機に接続されている第２インバーター区画を備えている単一の可変速度駆動装置からなる、請求項１５に記載の冷凍システム。
21. 前記第１電動機及び前記第２電動機の前記所定の定格作動電圧及び周波数は、１３８ＶＡＣと６０Ｈｚである、請求項１５に記載の冷凍システム。
22. 前記少なくとも１つの可変速度駆動装置は、前記第１電動機と前記第２電動機に、４６０ＶＡＣの出力電圧と、２００Ｈｚの出力周波数を供給するように構成されている、請求項２１に記載の冷凍システム。
23. 前記少なくとも１つの可変速度駆動装置によって供給される前記可変出力周波数は、約２０Ｈｚから約２００Ｈｚまでの範囲に亘っている、請求項２１に記載の冷凍システム。
24. 前記第１圧縮機と前記第２圧縮機は、それぞれマフラーシステムを備えている、請求項１５に記載の冷凍システム。
25. 前記第１凝縮器装置と前記第２凝縮器装置は、それぞれ組み合わせられた凝縮器システムの一部を備えている、請求項１５に記載の冷凍システム。
26. 前記組み合わせられた凝縮器システムは空冷される、請求項２５に記載の冷凍システム。
27. 前記第１蒸発器装置及び前記第２蒸発器装置は、それぞれ組み合わせられた蒸発器システムの一部を備えている、請求項１５に記載の冷凍システム。
28. 前記少なくとも１つの可変速度駆動装置を冷却するためＶＳＤ冷却システムを更に備えている、請求項１５に記載の冷凍システム。
29. 前記ＶＳＤ冷却システムは、エチル−グリコールと水の混合物のブラインのループを備えている、請求項２８に記載の冷凍システム。
30. 前記ＶＳＤ冷却システムは、プロピレン−グリコールと水の混合物のブラインのループを備えている、請求項２８に記載の冷凍システム。
31. 前記第１凝縮器装置、前記第２凝縮器装置、及び前記ＶＳＤ冷却システムの前記ブラインのループは、それぞれ組み合わせられた凝縮器システムの一部を備えている、請求項３０に記載の冷凍システム。
32. 前記組み合わせられた凝縮器システムは、空冷される、請求項３１に記載の冷凍システム。
33. 前記第１冷媒回路は第１エコノマイザを備えており、
    前記第２冷媒回路は第２エコノマイザを備えている、請求項１５に記載の冷凍システム。
34. 前記第１エコノマイザと前記第２エコノマイザは、それぞれフラッシュタンクを備えている、請求項３２に記載の冷凍システム。
35. 前記第１冷媒回路と前記第２冷媒回路は、それぞれＲ−１３４ａ冷媒を循環させる、請求項１５に記載の冷凍システム。

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