JP2010031876A - ディフューザーシステム - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機が作動している間に容易に開閉できる、可変容量圧縮機用の可変形状ディフューザーを提供することを課題とする。
【解決手段】圧縮機（１００）は、ハウジング（１２０）内に回転可能に取り付けられているインペラ（１２４）と、前記インペラ（１２４）に隣接して前記ハウジング（１２０）に固定されている基板（１２６）を含んでいる。基板（１２６）は、ハウジング（１２０）と協働して、ディフューザー間隙（１３４）を画定する。駆動リング（２５０）には、駆動リング（２５０）の動きに応じて動くディフューザーリング（１３０）が接続されている。ディフューザーリング（１３０）は、間隙開口部を絞り、ディフューザー間隙（１３４）を通って流れる流体の量を制御するため、ディフューザー間隙（１３４）内にない引込位置とディフューザー間隙（１３４）内の伸張位置との間の任意の位置に配置することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、遠心圧縮機に関しており、より具体的には、可変容量ターボ圧縮機のディフューザー内の流れを制御するためのシステムに関する。

遠心圧縮機は、流体を圧縮する必要のある様々な装置に使うことができる。装置には、例えば、タービン、ポンプ、冷凍機等が含まれる。圧縮機は、回転するインペラの上に流体を流すことによって作動する。インペラは、流体に、流体の圧力を上げるように作用する。インペラの作動は、流れの中に逆の圧力勾配を作り出すので、多くの圧縮機の設計には、流体の流れを安定させるため、インペラの出口にディフューザーが配置されている。
圧縮機を通って流れる流体の量、又は圧縮機によって作り出される圧力差を変えることが必要な場合も多い。しかしながら、圧縮機を通る流体の流れを減らして同じ圧力差をインペラの前後で維持しようとすれば、圧縮機を通る流体の流れが不定になることが多い。流体の一部は圧縮機内で失速し、失速した流体のポケットは、インペラと共に回転し始める。これらの失速した流体のポケットは、ノイズを作り出し、振動を発生させ、圧縮機の効率を低下させる点で問題である。この状態は、回転失速又は初生サージとして知られている。流体の流れがもっと少なくなると、流体の流れは更に不安定になり、多くの場合、流体の流れが完全に逆転する。この現象は、サージと呼ばれているが、圧縮機を通って流体が交互に前後に揺動することが特徴である。流体のサージは、ノイズを作り出し、振動を発生させ、圧縮機効率を下げるだけでなく、圧力の急激な上昇を作り出し、圧縮機を損傷することになりかねない。

失速及びサージによって生じる問題の解決策は、インペラ出口のディフューザーの形状を変えることである。低い流体流量で運転する場合、インペラの出口の面積を減らすようにディフューザーの形状を狭くする。面積を減らすと、流体が失速し最終的にはインペラを通って揺動逆流するのを防ぐことができる。流体の流量が増したら、ディフューザーの形状を拡げて、追加の流れのために面積を広げればよい。圧縮機の作り出す圧力差が変化したときには、可変形状ディフューザーも調整することができる。圧力差が大きくなったら、流体の失速とサージを防ぐために、ディフューザーの形状を狭めてインペラ出口の面積を減らせばよい。同様に、圧力差が小さくなったら、ディフューザーの形状を拡げて、インペラの出口の面積を大きくすればよい。

ディフューザーの形状を変えるための装置が、幾つか先行技術に開示されている。例えば、Ｓｎｅｌｌへの米国特許第５，１１６，１９７号は、可変容量圧縮機用の可変形状ディフューザーを開示している。この装置、及びこれに類似したこの他の装置は、インペラ出口のディフューザーの形状を変えるため選択的に調整することのできる可動式駆動リングを含んでいる。このリングは、ディフューザーの１つの壁に隣接して配置されており、流体の流れの中に押し出してディフューザーの面積を少なくし、流体の流れの低下又は圧力差の増大に対処できるようになっている。

リングを流体の流れの中に配置すると、この既知の装置は、リングと壁との間に開口部を作り、その中へインペラを出た流体が流れ込む。リングを流体の流れの外に動かそうとすると、流体をリングと壁との間から取り除かなければならない。流体は壁の動きに逆らうように作用するので、この流体を押しのけてリングを動かすには、相当量の力を必要とする。

Ｓｎｅｌｌの特許に記載されているような装置は、駆動リングがノズル基板上を案内されているので高価である。ノズル基板は、その円筒形の外側表面に精密機械加工の軌道が機械加工されている。駆動リングは、その内径に、対応する球体ポケットを含んでいる。ボールは、ノズル基板と駆動リングの間に取り付けられており、軌道とポケット内を滑動し、装置は、駆動リングとノズル基板が非接続状態にならないようにしながら、駆動リングの回転運動を軸方向運動に変換する。しかしながら、このアッセンブリは、駆動リングの内径とノズル基板の外径との間に精密な許容差を維持しなければならないので、製作するのに費用が掛かる。更に、駆動リング上の球体ポケットは、ノズル基板上の軌道と整合しなければならない。更に、摩耗すると、最終的には駆動リングとノズル基板の両方を交換することになる。

他の方法が、関らへ発行されたＵＳ２００２／００１４０８８Ａ１に記載されている。この方法では、流体の流れの中に配置されるリングがケーシングで支持されている。ケーシングからの３つの突起が、ディフューザーリングの外周面上の溝に嵌め込まれている。ケーシングとディフューザーリングの間の摩擦接触を抑制するため、各突起には軸受が使用されている。ディフューザーリングは、シャフトに接続されている。シャフトが回転すると、ブラケットを介してディフューザーリングが円周方向に回転する。この円周方向の運動によって、突起がディフューザーリングを溝に沿って軸方向運動するように案内するにつれて、ディフューザーリングは軸方向に動く。この方法は効果的だが、突起をケーシング内に正確に配置しなければならないので費用が掛かる。シャフトを回転させるためのねじ付きシャフトとモーターも、このアッセンブリの費用を膨らませる。

米国特許第５，１１６，１９７号明細書 米国特許第６，１３９，２６２号明細書

以上を鑑み、圧縮機が作動している間に容易に開閉できる、可変容量圧縮機用の可変形状ディフューザーが必要とされている。この可変形状ディフューザーは、安価に製造することができ、組み立て易く、修理や取替えが簡単で、且つ制御器からの信号又は指令に応じて正確に位置決めするための確かな係合を提供しなければならない。

本発明は、流体を圧縮するための可変容量遠心圧縮機用のシステムを提供する。この圧縮機は、ハウジング内に回転可能に取り付けられたインペラを含んでいる。本システムは、インペラに隣接してハウジングに固定されているノズル基板を含んでいる。ノズル基板は、ハウジングの相対する内面と協働して、ディフューザー間隙、即ち流出路を画定する細長い表面を有している。基板は、ノズル基板の裏側に取り付けられている複数の機構支持ブロックを含んでいる。駆動リングは、支持ブロックに取り付けられており、支持ブロックとノズル基板に対して回転方向に可動である。駆動リングは、第１位置と第２位置の間を選択的に動くことができる。駆動リングには、駆動リングの運動に応じて動くディフューザーリングが接続されている。ディフューザーリングは、駆動リングの第１位置に対応する引込位置と、駆動リングの第２位置に対応する伸張位置との間を動く。開位置、即ち引込位置では、ディフューザーリングは溝の中に引き込まれているので、ディフューザーリングの面はノズル基板の面と同面で、ディフューザー間隙は遮られず、そこを通って流れる流体が最大となる。閉位置、即ち伸張位置では、ディフューザーリングはディフューザー間隙の中に外方向に伸張し、間隙開口を制約し、ディフューザー間隙を通る流体の流れを減らす。ディフューザーリングは、ディフューザー間隙を流れる流体の量を制御するため、その引込位置と伸張位置の間のどの場所にでも配置することができる。

駆動リングは、その外周面に作られた複数のカム軌道を含んでおり、各カム軌道は、位置が、機構支持ブロックに対応している。機構支持ブロックには、カム軌道内に組み込まれているカム従動子を有する駆動ピンが組み込まれている。作動ロッドは、駆動リングに取り付けられている。作動ロッドは、軸方向に動き、それによって駆動リングを回転させる。駆動リングが回転すると、カム軌道内のカム従動子は、駆動ピンを軸方向に動かす。ディフューザーリングは、駆動ピンの反対側の端部に取り付けられている結果として駆動リングに接続されており、駆動ピンの運動と共に、駆動リングの第１位置に対応するその引込位置と、駆動リングの第２部分に対応するその伸張位置との間を動く。駆動リングと、従ってディフューザーリングは、第１位置（完全引込位置）と第２位置（完全伸張位置）の間のどの中間位置にも停めることができる。

本発明の利点は、駆動リングの回転運動を、本発明の機構によって軸方向の運動に変換できることである。軸方向の運動は、制御器からの適切な信号に応じて、軸方向に移動可能な作動ロッドにより迅速且つ効果的に行うことができる。

本発明の別の利点は、本発明のディフューザーリングは、ディフューザーリングをディフューザー間隙の中に伸張させ、ディフューザー間隙から引き込む限りにおいて、圧縮機内のどの場所にでも配置できることである。支持ブロックがディフューザーリングの荷重を支えるので、ディフューザーリングは、勿論、ディフューザー間隙の中で伸張させ、又は引き込ませることができる限り、任意の位置を取ることができる。従って、先行技術の装置とは異なり、ディフューザーリングは、必要であれば、ディフューザー内のずっと下流に配置することもできる。ディフューザーリングは、ノズル基板の内径の様な構造体と嵌合させるため注意深く整合するように機械加工する必要がなく、ケーシングに支持されておらず、又、ディフューザー間隙内の流体の流れを制御するため、ディフューザーリングをディフューザー間隙の中で伸張させ又は引き込むのが必要なだけなので、ディフューザーリングの許容差を緩めることができ、従ってコストも下がる。

本発明の更に別の利点は、ディフューザーリングを安価に製造でき容易に交換できるばかりでなく、ディフューザーリングの運動を制御するための機構も、部品が摩耗したときに、容易且つ安価に交換できることである。

本発明の更に別の利点は、ディフューザーリングを制御するための機構が過剰移動に対する許容差を有しているので、ディフューザーリングを、完全伸張又は引込位置に、これらの終点の過剰な摩耗を気にすることなく迅速に動かせることである。
本発明の又別の利点は、過剰移動によって、制御論理がディフューザーリングの実際の位置による影響を被らないようになっていることである。代わりに、制御論理は、サージに伴うノイズだけに反応し、その状態が衰えるまでディフューザーリングを一杯に閉鎖する。

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に関する詳細な説明を、例を挙げて本発明の原理を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。

先行技術による可変形状ディフューザーを有する遠心圧縮機の断面図である。 遠心圧縮機内の本発明の可変形状ディフューザーの断面図である。 本発明のディフューザーリングが伸張位置、即ち閉位置にある状態の、遠心圧縮機内の本発明の可変形状ディフューザーの断面図である。 本発明のディフューザーリングが引込位置、即ち開位置にある状態の、遠心圧縮機内の本発明の可変形状ディフューザーの断面図である。 本発明の駆動ピンの斜視図である。 本発明のディフューザーリングの、上から見た斜視図である。 本発明のディフューザーリングに組み込まれている駆動ピンの斜視図である。 ノズル基板の前面の斜視図である。 ノズル基板の背面であり、そこに組み込まれている支持ブロックを示している。 ノズル基板に組み込まれている支持ブロックを示す、図９の拡大図である。 ノズル基板の支持ブロックに組み込まれている駆動ピンを示す、図９の拡大図である。 カム従動子が組み込まれているピンを示す、図９の側面図である。 本発明の駆動リングの斜視図である。 ノズル基板に、支持ブロックが取り付けられ、駆動リングが組み込まれているアッセンブリの斜視図である。 半径方向軸受アッセンブリと軸方向ベアリングアッセンブリが装着されている支持ブロックにアッセンブリされている駆動リングの内周面の斜視図である。 軸方向軸受アッセンブリの斜視図である。 半径方向軸受アッセンブリの分解図である。 駆動リングにアッセンブリされている作動器の斜視図である。 駆動リングに対する軸方向軸受調整を上から見た図である。 半径方向軸受のフランジ付きレース３００内の偏心穿孔取付穴３２０の斜視図である。

本発明は、遠心圧縮機用の可変形状ディフューザー機構である。図１は、異なるディフューザー構造を有する先行技術による可変容量遠心圧縮機を示している。この先行技術のシステムは、可動壁を、インペラの出口に隣接して配置された環状リングとして使用している。この壁は、通常そうであるように、ディフューザーを通る流体の流れを制御するためにディフューザー空間内へ動かすことができる。環状リングは、基板上に配置されている。リングは、環状プッシュリングと壁に接続されたピンを含んでいる壁を動かすための複雑な支持構造体に接続されている。駆動リングは、玉軸受け装置を介して基板に取り付けられている。駆動リングは環状プッシュリングを押し、環状プッシュリングが壁を動かす。玉軸受け装置は、駆動リングのレースと基板の傾斜したレースに載っている。従って、何らかの適切な機構による駆動リングの回転運動によって、可動壁が軸方向に運動してディフューザーの空間に出入りする。この装置の構成と作動に関する更に詳細な説明は、本発明の譲受人に譲渡されている２０００年１０月３１日発行の米国特許第６，１３９，２６２号に記載されており、同特許を参考文献としてここに援用する。

図２は、本発明の可変形状ディフューザー１１０を有する遠心圧縮機１００の断面図である。図２に示しているように、圧縮機１００は、ハウジング又はディフューザープレート１２０と、インペラ１２４と、ノズル基板１２６とを含んでいる。ディフューザーリング１３０は、本発明の可変形状ディフューザー１１０の一部であるが、ノズル基板１２６内へと機械加工された溝１３２に組み込まれている。ディフューザーリング１３０は、溝１３２から外へ、ディフューザープレート１２０とノズル基板１２６を分離しているディフューザー間隙１３４内へと動かすことができる。完全に引っ込んだ位置では、ディフューザーリング１３０は、ノズル基板１２６内の溝１３２内に填り込んで、ディフューザー間隙１３４は、最大流量の状態にある。完全に伸張した位置では、ディフューザーリング１３０は、実質的にディフューザー間隙１３４を横切って伸張し、基本的にディフューザー間隙１３４を閉じる。ディフューザーリング１３０は、完全引込位置と完全伸張位置の間の何れの位置にでも動かすことができる。

圧縮機へ向かう流体の流れは、図１に符号２６で示している入口案内翼によって制御され、入口案内翼は、圧縮機を通過する流体の方向を制御し流量を調整するため、制限された様式でその軸の回りに回転させることができる。入口案内翼２６は、遠心圧縮機毎に位置がそれほど変わるわけではなく、インペラの上流に配置されており、その位置が本発明の作動にとって重要ではないので、他の図面には示していない。回転の範囲に亘る翼２６の回転は、圧縮機の容量を変化させる。翼２６は、通常、位置センサーの様なその相対位置を判定するための手段を含んでいるので、圧縮機を通る流体の流れを判定して、必要に応じて作動器で流量を調節することができるようになっている。

通常は冷媒か又は潤滑油ミストと混合した冷媒の形態をしている流体は、入口案内翼２６を通過した後、インペラ２４（図１）又は１２４（図２）に流れ込む。インペラ１２４の回転は、流体に仕事量を付与し、それによってその圧力を上げる。当該技術では周知のように、高圧の流体は、インペラを出て、ディフューザー間隙１３４を通過し、最終的には圧縮機出口に向かう。

圧縮機の負荷が下がると、入口案内翼２６は回転して、インペラ１２４に供給する流体の流量を減らす。しかしながら、インペラ２４の前後で同じ圧力が維持されると、圧縮機を出る流体の流れは不定になり、逆流して先に論じたサージ状態を作り出しかねない。サージ状態を防ぐために、流量の低下に応じて、ディフューザー間隙１３４を小さくしてインペラ出口の面積を減らし、流体の流れを安定させる。ディフューザー間隙１３４は、図３に示すように、ディフューザーリング１３０を間隙１３４内へと動かしてその面積を減らすか、或いは、図４の最大流量状態に示すように、ディフューザーリング１３０を溝 １３２内へと後退させて面積を増やすことによって、制御される。
本発明の可変形状ディフューザー１１０の構造と作動について、図面を参照しながら以下に詳細に説明する。

本発明の可変形状ディフューザー１１０は、ディフューザーリング１３０を備えている。ディフューザーリング１３０は、駆動ピン１４０に取り付けられている。図５に示すように、駆動ピン１４０は、第１端１４２と、ディフューザーリング１３０と係合する第２端１４４を有している。駆動ピン１４０の第１端１４２には、カム従動子穴１４６が設けられている。駆動ピン１４０の第２端１４４には、駆動ピン１４０をディフューザーリング１３０へ取り付けるための手段が設けられている。好適な実施形態では、取り付けるための手段は、図示の少なくとも１つの穴１４８であり、一対のねじ付穴を含んでいる。

図６に示しているディフューザーリング１３０は、第１面１５０と、反対側の第２面１５２と、第１面１５０と第２面１５２の間に伸張する内周壁１５４と、第１面１５０と第２面１５２の間に伸張し、内周壁１５４と実質的に同心の外周壁１５６とを有している。ディフューザーリング１３０は、内周壁１５４と外周壁１５６の間の距離で決まる所定の厚さと、第１面１５０と反対側の第２面１５２の間の距離で決まる所定の軸方向長さを有している。複数の穴１５８が、ディフューザーリング１３０の軸方向長さを貫通して伸張し、駆動ピン１４０とディフューザーリング１３０の間の取り付け手段の一部を形成している。この好適な実施形態に示しているように、複数の穴は、三対の穴１５８を含んでいる。各対の穴１５８は、駆動ピンの穴１４８に対応するように、リング１３０上に配置されている。ディフューザーリング１３０の第２面１５２（図５に図示せず）は、駆動ピン１４０の面に隣接して組み付けられる。第２面１５２には、必要であれば、随意的に、駆動ピン１４０を受け入れる座ぐり穴を穴１５８の反対側に設けてもよい。図７は、複数の駆動ピン１４０がディフューザーリング１３０に組み付けられている状態を示している。穴１５８を貫通して駆動ピン１４０の穴１４８内へと伸張するねじ付きファスナーが、駆動ピン１４０をディフューザーリングに固定している。図示のように、駆動ピン１４０のディフューザーリング１３０への取り付け手段は、穴１５８を貫通して穴１４８内に伸張しているねじ付きファスナーを含んでいる。しかしながら、取り付け手段はこれに限定されるものではなく、既知の機械的締結手段を使用してもよい。例えば、駆動ピンの第２端１４４にねじを切って、ディフューザーリングにねじ込んでもよい。代わりに、駆動ピン１４０を、例えばタック溶接で、リング１３０に固定してもよい。ピン１４０をディフューザーリング１３０に固定する手段は重要ではなく、どの様な手段でこれらの部品を一体化してもよい。

図８は、ノズル基板１２６の前側１６０の斜視図である。溝１３２は、ノズル基板１２６の円周に沿って伸張している。複数の穴１６２が、溝１３２内でノズル基板１２６を貫通している。これらの穴には、ディフューザーリング１３０が取り付けられた駆動ピン１４０が差し込まれる。図８に示す好適な実施形態では、約１２０°間隔で３つの穴が配置されている。大きな中央の穴１６４には、インペラ１２４が取り付けられている圧縮機１００の駆動シャフト（図示せず）が入る。

図９は、ノズル基板１２６の裏側１７０を示している。ノズル基板１２６の裏側には、複数の支持ブロック１８０が取り付けられている。支持ブロック１８０は、基板１７０に組み付けられる別々の部品でもよく、後付け用には最も有用である。或いは、支持ブロック１８０は、ノズル基板１７０と一体の部分であってもよい。最も一般的には、これらのブロックは、鋳造の基板形状に組み込まれている。図９に示す好適な実施形態では、３つの支持ブロック１８０がある。各支持ブロックは、支持ブロック１８０を貫通する主要穴１８２を含んでいる。支持ブロック１８０は、支持ブロック１８０を貫通する各主要穴１８２が、ノズル基板１２６を貫通する各穴１６２と同軸になるように、基板１２６の裏側１７０に組み付けられている。これらの同軸の穴１６２、１８２には、それぞれ、駆動ピン１４０が差し込まれるが、以下に詳細に説明する。

図１０は、基板１２６に組み付けられた支持ブロック１８０の拡大斜視図である。ブッシング１８４が、穴１８２に組み込まれている。或る好適な実施形態では、このブッシング１８４は、テフロン（登録商標）被覆されており、穴１８２に圧入嵌めされている。駆動ピン１４０は、基板１２６に組み付けられた支持ブロック１８０に駆動ピン１４０が組み付けられている図１１の拡大図に示すように、ブッシング１８４に滑動可能に挿入されている。

図１１と図１２に示すように、駆動ピンの第１端１４２は、支持ブロック１８０の上方に伸張している。図１２に示すように、駆動ピンの第１端１４２は、カム従動子穴１４６の軸に垂直な平坦面１９０を有している。どの様な形状を利用してもよいが、この形状によって、カム従動子２００を駆動ピンの第１端１４２に容易に組み付けることができるようになる。カム従動子２００は、穴１４６を通して組み付けられ、ナット２０２で駆動ピン１２６に固定される。カム従動子２００が自由に回転できさえすれば、例えばロックピン装置など、どの様な手段でカム従動子２００を駆動ピン１２６に固定してもよい。好適な手段には、容易に組み立て、分解できる手段が含まれる。

図１３は、駆動リング２５０の斜視図である。駆動リング２５０は、外周面２５２と内周面２５４を含んでおり、共に、その上面２５６と下面２５８の間を伸張している。駆動リング２５０の軸方向長さは、上面２５６と下面２５８の間の軸方向距離であり、駆動リング２５０の軸は、上面と下面２５６と２５８を通って伸張する面を貫通してその面に垂直に伸張する仮想線であり、この軸は、概ね駆動リング２５０の幾何学中心に位置している。内周面２５４に沿って、内周溝２６０が設けられている。溝２６０は、以下に説明するように、軸方向軸受を受け入れるための予め選択された幅を有している。図１３に示すように、内周溝２６０は、容易に製造するため、内周面２５４に沿って３６０°伸張している。後に明らかになるが、溝２６０は、３６０°伸張していなければならないわけではない。１つだけしか図示していないが、外周面２５２には、複数のカム軌道２６２が設けられている。カム軌道２６２は、外周面２５２に、カム従動子２００を受け入れるために予め選択された深さと幅で作られた溝である。各カム軌道２６２は、支持ブロック１８０に対応し、これと嵌合するのが理想的である。従って、３つの支持ブロック１６０を描いている図９に示した好適な実施形態では、駆動リング２５０は、３つの対応するカム軌道２６２を有することになる。カム軌道２６２は、上面２５６と下面２５８の間を、駆動リングの軸に対して或る予め選択された角度で外周面に沿って伸張する溝を備えている。溝は、カム軌道２６２の一方の端部に、過剰移動を許容するため、上面２５６と下面２５８に実質的に平行な円周部分２６４を含んでいる。溝は、下面２５８に近接するカム軌道の端部に、カム従動子２００のアッセンブリが溝へ出入りできるようにするため下面２５８へと伸張する部分２６８を含んでいる。部分２６８は、駆動リング２５０の主軸に実質的に平行に図示しているが、組み付け易い形状であればどの様な形状でもよい。例えば、部分２６８は、水平方向から上向きに上面２５６まで伸張してもよい。カム軌道２６２は、２つの成分、即ち、駆動リング２５０の軸に平行な成分と、駆動リング２５０の回りに円周状に駆動リング２５０の軸に対して半径方向に伸張する成分とを有している。カム軌道２６２が駆動リング２５０の軸に平行に伸張する距離は、ディフューザー間隙１３４の幅に実質的に相当する。カムシャフト溝の角度は、予め選択されたどの様な角度でもよい。その角度が浅くなるほど、駆動リング２５０の制御、従って拡散リング１３０の制御が、正確になる。しかしながら、この角度には下限があり、それは、駆動リング２５０の直径と、駆動リング２５０の外径のカム従動子の数によって決まる。角度が大きくなれば、駆動リング２５０の位置決めは難しくなる。カムシャフト溝の角度は、駆動リング２５０の軸に対して約５°―４５°の間であるのが望ましく、約７°から約１４°の範囲内であるのが最も望ましい。

図１４は、支持ブロック１８０に組み付けられた駆動リング２５０の斜視図である。支持ブロック１８０は、駆動リング２５０の下側に伸張している。支持ブロック１８０は、ノズル基板１２６に組み付けられている。図１１に示すように、駆動ピン１４０は、支持ブロック１８０に組み込まれて、ノズル基板１２６を貫通して下へと伸張している。図１４では見えないが、図１２に示しているように構成されているカム従動子２００は、カム軌道２６２に組み込まれている。図１４で分かるように、支持ブロック１８０は、駆動リング２５０の下面２５８の下側を伸張している。

図１５は、駆動リング２５０の下側を伸張している支持ブロック１８０の１つの斜視図である。この図は、駆動リング２５０の内周面２５４と内周溝２６０を示している。軸受ブロック１８０には、軸方向軸受アッセンブリ２８０と半径方向軸受アッセンブリ２９０が組み付けられている。

軸方向軸受アッセンブリ２８０の斜視図を、図１６に示す。軸方向軸受アッセンブリ２８０は、軸方向軸受２８４の支持構造体２８２と、支持構造体２８２を支持ブロック１８０に固定する取付手段２８６を備えている。シャフト（図示せず）が、支持構造体２８２を貫通して伸張している。シャフトの一端には、ブッシング２８４が設けられており、このブッシングは偏心しているのが望ましい。好適な実施形態に示しているように、取付手段２８６は、実質的に、支持ブロック１８０の連結穴に捕捉されている一対のねじ付き部材である。支持構造体２８２を支持ブロック１８０に固定するのに、他の周知のどの様な手段を使用してもよい。図１５に戻るが、軸方向軸受２８４は、固定手段２８８によって支持ブロック２８２に取り付けられている。図１５に示すように、軸方向軸受２８４を支持ブロック２８２に固定するための手段は、支持ブロック２８２を貫通して伸張するシャフトのねじ付き端部に締め付けられたナットである。ブッシング２８５は、このシャフトの反対側の端部の回りに自由に回転する。この場合も、軸方向軸受２８４を内周溝２６０に面する位置に固定するのに、他のどの様な装置を使用してもよい。図１５に示すように、軸方向軸受２８４（視野から隠れている）は、内周溝２６０に組み込まれている。軸方向軸受２８４は、駆動リング２５０が回転するときに、駆動リングの軸方向運動を阻む。軸方向軸受２８４は、駆動リング２５０の軸方向運動を阻むだけでなく、駆動リング２５０の軸方向の位置を微妙に調整できるようにしている。この調整は、駆動ピン１４０の長さのばらつきに対処するために必要である。軸方向軸受２８４のシャフトに装着された偏心ブッシング２８５によって、調整が可能になる。軸方向軸受２８４を駆動リング２５０に組み付けた後、駆動ピンのカム従動子２００が穴２６６の隣りのカム軌道２６２の行程の端部にくるように、駆動リング２５０が回される。これによって、軸方向軸受２８４が、カム軌道２６２に隣接する穴２６６と整列する。図１９に示しているこの位置で、六角（アレン）レンチの様な工具を、穴２６６を通して、レンチヘッドと合致する造形部、ここでは軸方向軸受２８４に設けられたレンチの六角頭部と整合する六角穴に挿入することができる。軸方向軸受２８４は、必要なら駆動リング２５０のブッシング２８５に対する軸方向位置を調整するため、時計回りか反時計回りに回される。位置が正しくなると、軸方向軸受２８４は、シャフトの反対側の端部のナットを締めることによって固定される。駆動リング２５０の好適な調整は、ディフューザーリングが一杯に引っ込んだ位置にあるときに、ディフューザーリング１３０の面が、ノズル基板１２５の面と同面になるようにすることである。

図１５は、支持ブロック１８０上に取り付けられた半径方向軸受アッセンブリ２９０も示している。図１７は、半径方向軸受アッセンブリ２９０の分解図を示している。半径方向軸受アッセンブリ２９０は、ローラー２９２と、ローラー２９２に装着されている少なくとも１つのブッシング２９４と、ローラー２９２の片側に１つづつの、望ましくは２つのフランジ付きブッシング２９４を備えている。フランジ付きのレース３００が、前記少なくとも１つのブッシング２９４の中に組み込まれている。或る好適な実施形態では、一対のフランジ付きブッシング２９４は、ローラー２９２の片側に１つづつ装着されている２つのテフロン（登録商標）・フランジ付きブッシングで構成されている。一部にねじが切られたシャフト２９６が、レース３００を貫通して伸張し、アッセンブリを支持ブロック１８０に固定している。座金２９８が、ローラー２９２と支持ブロック１８０の間に加えられている。半径方向軸受アッセンブリ２９０の内の１つは、図２０に示すように、フランジ付きレース３００に偏心して穿孔された取付穴３２０を採用している。この偏心した取付穴によって、半径方向軸受２９０を調整することができる。この調整は、駆動リング２５０の内径のばらつきを補正するのに必要である。好適な調整とは、全ての半径方向軸受を、駆動リング２５０の内側表面と丁度接触させることである。半径方向軸受アッセンブリ２９０は、駆動リング２５０が回転するときに、駆動リングの半径方向の運動を阻む。駆動リング２５０が回転するときに、駆動リングの半径方向運動を阻むことができるのであれば、他の適切などの様な半径方向軸受アッセンブリを使用してもよい。

この機構の作動について、図２、３、４並びに図１８を参照しながら以下に説明する。図１８は、駆動リング２５０の上面２５６に取り付けられている作動手段３１０の斜視図である。図１８に示すように、作動手段３１０は、軸方向にだけ動く機械式の作動器であり、これを動かすモーターに取り付けられている。機械式作動器を用いているが、駆動リング２５０を回転させるのには、油圧作動器、空圧作動器、駆動リング２５０に取り付けられているねじ機構、又はリング２５０を回転させることのできる他のシステムを含め、他の既知のどの様な手段を使用してもよい。そのストロークの方向と長さは、制限されている。作動器の軸方向の運動が、駆動リングを回転させる。モーターは、弁護士訴訟事件一覧表２０７１２−００５９「遠心圧縮機の回転失速を検出するためのシステム及び方法」として特定されている仮特許出願に記載されている様な制御手段に応答して起動する。しかしながら、作動器には他のどの様な制御手段を使用してもよい。図４に示しているようにディフューザーリングが引込位置にあり、圧縮機が通常のモードで作動しているときに、失速又は初生サージの開始をセンサーが検出すると、信号が制御器に送られ、制御器がディフューザー間隙１３４を閉じる方向にモーターを起動する。モーターは、作動手段３１０を動かし、作動手段３１０が駆動リング２５０を回転させる。駆動リング２５０は、駆動リングが支持ブロック１８０上に載っている面内での回転運動に制約されている。駆動リング２５０が回転するにつれ、各カム従動子２００は、カム軌道の溝が駆動リング２５０の上面２５６に近接しているカム軌道２６２の第１位置から、軌道に沿って、駆動リング２５０の下面２５８へ向かって動く。駆動リング２５０とカム軌道２６２が回転するにつれ、カム従動子２００は、軌道２６２に沿って下向きに押される。従動子が下向きに動くと、駆動ピン１４０は支持ブロック１８０の中へと動く。ディフューザーリング１３０は、ノズル基板１２６の反対側で駆動ピン１４０の反対側の端部に取り付けられているので、駆動ピン１４０が支持ブロック１８０の中へと動くと、駆動ピン１４０の反対側はノズル基板から離れる方向に動き、ディフューザーリング１３０をディフューザー間隙１３４の中へと動かす。カム従動子２００が、カム軌道２６２内を、上面２５６に近い位置から、下面２５８に近い位置まで完全に移動すると、ディフューザー間隙１３４は、実質的に一杯に絞られた、即ち閉じられた状態になる。カム軌道２６２の水平溝部分２６４が、作動手段３１０とカム従動子２００の過剰移動に配慮しているので、これらの要素が多少動き過ぎても、拡散リング１３０が更に動いて、圧縮機１００、駆動リング２５０、作動手段３１０及び作動手段モーターの１つ又は全てに損傷を与えることのないようになっている。

制御システムに従って、作動手段３１０は、駆動リング２５０の回転を、作動手段３１０の一杯に伸張した位置と一杯に引っ込んだ位置の間の任意の中間の位置で停止することもできる。作動手段３１０は、これを制御手段からの信号に応じて行う。その結果、ディフューザーリング１３０は、図４に示す一杯に引っ込んだ位置と図３に示す一杯に伸張した位置の間の、図２に示す中間位置の様な任意の位置に止められることになる。ディフューザーリングは、制御手段からの信号が駆動リング２５０の追加の運動を引き起こし、その結果ディフューザーリング１３０が位置決めし直されるまで、この位置に留まる。

或る好適な実施形態では、サージ又は初生失速の開始の検出を示す信号が制御手段に送信されると、先に述べたように駆動リング２５０を回転させる１つの指令（又は一連の指令）が起動され、それによって、サージ又は初生失速を取り除くか、或いはサージ又は失速状態の形成を防ぐのに必要な量だけ、ディフューザーリング１３０が伸張位置まで動かされる（ディフューザー間隙１３４を通る流体の流れを実質的に絞る）。或る実施形態では、タイミング関数が、ディフューザーリング１３０を所望の位置に維持する制御器内で起動される。予め選択された期間の終わりに、駆動リング２５０は反対方向に回され、それによって、ディフューザーリング１３０は、サージ又は初生失速の開始が再び検出されるまで引込位置へ動かされる。センサーの信号に応じて上記プロセスが繰り返され、１つの指令（又は一連の指令）が再び起動され、駆動リング２５０を回転させ、ディフューザーリング１３０を動かし又は伸張させて、ディフューザー間隙１３４を通る流体の流れを、サージ又は初生失速状態を取り除くのに必要な量だけ再び絞る。このプロセスは、サージ又は初生失速状態が検出される限り繰り返される。ディフューザーリング１３０が引っ込んでいるときにサージ又は初生失速状態が検出されなければ、ディフューザーリング１３０は、一杯に引っ込んだ位置、即ち開位置まで引っ込んだ状態を続けるので、冷媒の流れ全てがディフューザー間隙１３４を通過することができる。ディフューザーリング１３０は、制御手段が、サージ又は初生失速の開始を示す信号に応じて、１つの指令又は一連の指令を起動させるまで、この位置に留まる。

以上、本発明を、好適な実施形態を参照しながら説明してきたが、当業者には理解頂けるように、本発明の範囲を逸脱することなく、様々な変更を加え、その要素を等価物で置き換えることもできる。更に、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は材料を本発明の教示に適合させるため、多くの修正を加えることができる。従って、本発明は、本発明を実行するために考えられる最良の方式として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に述べる内容に該当するの全ての実施形態を包含するものとする。

１００ 圧縮機
１１０ ディフューザー
１２４ インペラ
１２６ ノズル基板
１３０ ディフューザーリング
１３４ ディフューザー間隙
１８０ 支持ブロック
２５０ 駆動リング
２８０ 軸方向軸受アッセンブリ
２９０ 半径方向軸受アッセンブリ

Claims (36)

1. 流体を圧縮するための可変容量式遠心圧縮機用のディフューザーシステムであって、前記圧縮機はハウジングとインペラを有しており、前記インペラは前記ハウジング内に回転可能に取り付けられている、ディフューザーシステムにおいて、
   前記インペラに隣接して前記ハウジングに接続されているノズル基板であって、前記ハウジングの相対する内側表面と協働してディフューザー間隙を画定する細長い表面を有しており、前記細長い表面は前記ディフューザー間隙に隣接する溝を有している、ノズル基板と、
   前記ノズル基板の、前記ディフューザー間隙とは反対側の、裏側に取り付けられている複数の支持ブロックと、
   前記支持ブロックに回転可能に取り付けられており、第１位置と第２位置との間で動くことができる駆動リングであって、前記駆動リングの外周上に配置されている複数のカム軌道を含んでおり、前記複数のカム軌道の内の少なくとも２つは、前記複数の支持ブロックの内の少なくとも２つと整列している、駆動リングと、
   前記駆動リングに取り付けられており、第１軸方向位置と第２軸方向位置との間を動いて、前記駆動リングを前記第１位置と前記第２位置との間で動かすことができる作動手段と、
   複数の駆動ピンであって、各駆動ピンは、対応する前記支持ブロックと前記ノズル基板を貫通して伸張しており、前記各駆動ピンは、第１端と、前記第１端の反対側の第２端を有しており、前記駆動ピンの前記第１端は、前記駆動リングのカム軌道内に取り付けられるカム従動子を含んでおり、前記駆動ピンの前記第２端は、前記ノズル基板を貫通して、前記ノズル基板の表面の溝の中に伸張している、駆動ピンと、
   前記複数の駆動ピンそれぞれの前記第２端に取り付けられているディフューザーリングであって、前記駆動ピンは、前記ノズル基板表面の溝の中に伸張している、ディフューザーリングと、を備えており、
   前記駆動リングの第１位置と第２位置の間の回転運動は、前記カム従動子を前記カム軌道内で動かして前記駆動ピンを軸方向に動かし、前記駆動ピンの前記軸方向運動は、前記ディフューザーリングを、前記ディフューザーリングが前記ノズル基板の前記溝の中に在る引込位置と、前記ディフューザーリングが前記ディフューザー間隙を実質的に閉じて前記ディフューザー間隙を通る流体の流れを減らす伸張位置との間で動かす、システム。
2. 前記複数の支持ブロックは、それぞれ、前記複数のカム軌道の内の１つと整列している、請求項１に記載のシステム。
3. ３つの支持ブロックが、前記ノズル基板の裏側に取り付けられている、請求項１に記載のシステム。
4. 前記駆動リングは３つのカム軌道を含んでおり、各カム軌道は支持ブロックと整列している、請求項３に記載のシステム。
5. 前記ノズル基板の溝は、前記ディフューザーリングが前記引込位置にあるときには、前記ディフューザーリングの一部でも、前記ディフューザー間隙内へと外向きに伸び出ることのないように、前記ディフューザーリングを収納できるだけの深さを有している、請求項１に記載のシステム。
6. 前記複数の支持ブロックは、締結手段によって、前記ノズル基板の裏側に取り付けられている、請求項１に記載のシステム。
7. 前記締結手段は、前記各支持ブロックのねじ穴と前記ノズル基板の対応するねじ穴の中に伸張しているねじ付きファスナーを含んでいる、請求項６に記載のシステム。
8. 前記複数の支持ブロックは、前記ノズル基板と一体に製造されている、請求項１に記載のシステム。
9. 前記複数の支持ブロックは、ノズル基板鋳造材内に鋳造要素として含まれている、請求項８に記載のシステム。
10. 前記駆動リングは、上面、下面、前記上面と前記下面の間を軸方向に伸張する内周面、前記上面と前記下面の間を軸方向に伸張する外周面、及び、前記内周面の少なくとも一部に沿って伸張する円周状の溝を含んでおり、前記円周状の溝は、軸方向に予め選択された幅と、予め選択された長さとを有している、請求項１に記載のシステム。
11. 各カム軌道は、前記外周面に溝として製作されており、前記溝は、前記カム従動子の１つを受け入れることができるだけの予め選択された幅と、予め選択された深さを有しており、前記溝は、前記駆動リングの軸に対して予め選択された角度で伸張している、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記予め選択された角度は約５°―４５°の間にある、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記予め選択された角度は約７°―１４°の間にある、請求項１１に記載のシステム。
14. 前記溝は、前記上面に平行な面内の第１端部にある部分と、前記下面に平行な面内の反対側の端部にある部分を含んでおり、これらの部分は、前記カム従動子の１つの過剰移動に対処することができる、請求項１１に記載のシステム。
15. 複数の軸方向軸受アッセンブリを更に含んでおり、各軸方向軸受アッセンブリは、支持構造体と、前記軸方向軸受アッセンブリを前記支持構造体に固定するための第１手段と、前記支持構造体を貫通して伸張するシャフト上に前記シャフトの回りに回転可能に支持されている軸方向軸受と、前記軸方向軸受を前記支持構造体に固定するための第２手段と、を備えており、前記軸受が前記支持構造体に組み付けられ、前記支持構造体が、前記軸受の前記溝から出る動きを防ぐために固定されているときには、前記各軸方向軸受は、前記円周状の溝の中に配置されており、前記駆動リングが回転する際に、前記駆動リングの軸方向運動を妨げる、請求項１０に記載のシステム。
16. 前記軸方向軸受アッセンブリを前記支持構造体に固定する前記第１手段は、前記支持構造体の穴を通り、前記支持ブロック内の係合ねじ穴の中へ伸張する一対のねじ付きファスナーを含んでおり、それによって、前記支持構造体は、前記支持ブロックに前記ファスナーで固定される、請求項１５に記載のシステム。
17. 前記軸方向軸受アッセンブリを前記支持構造体に固定する前記第２手段は、前記シャフトのねじ付き端部に取り付けられているねじ付きナットを含んでおり、前記シャフトの前記ねじ付き端部は、前記支持構造体を貫通して、前記支持構造体の前記軸方向軸受とは反対の側に伸張している、請求項１５に記載のシステム。
18. 半径方向軸受アッセンブリを更に含んでおり、前記半径方向軸受アッセンブリは、内側の穴を有するローラーと、前記ローラーの前記内側の穴の中に装着されている少なくとも１つのフランジ付きブッシングと、前記半径方向軸受を、前記駆動リングの前記内周と接触させて前記駆動リングの半径方向の動きを妨げるため、堅く固定するためのシャフトと、を更に含んでいる、請求項１０に記載のシステム。
19. 前記半径方向軸受アッセンブリは、一対のフランジ付きブッシングを含んでいる、請求項１８に記載のシステム。
20. 前記少なくとも１つのフランジ付きブッシングは、テフロン（登録商標）・フランジを含んでいる、請求項１８に記載のシステム。
21. 前記半径方向軸受シャフトは、前記半径方向軸受を支持ブロックに固定している、請求項１８に記載のシステム。
22. 前記作動手段は、第１引込位置と第２伸張位置の間を直線状に動くことのできるシリンダを有する機械式作動器に取り付けられたモーターを含んでおり、前記モーターを起動すると、前記駆動リングを回転させる前記機械式作動器を直線状に動かすことになる、請求項１に記載のシステム。
23. 前記作動手段は、第１引込位置と第２伸張位置の間を直線状に動くことのできるシリンダを有する油圧作動器を含んでおり、前記油圧作動器が加えられる流体からの圧力に応じて直線状に動くと、前記駆動リングが回転することになる、請求項１に記載のシステム。
24. 前記作動手段は、ねじ付き部材を有する機械式作動器に取り付けられたモーターを含んでおり、前記モーターは、起動すると、前記ねじ付き部材を回転させ、前記作動器を第１引込位置と第２伸張位置との間で動かし、前記作動器の動きが前記駆動リングを回転させることになる、請求項１に記載のシステム。
25. 失速状態の有無を感知して信号を送るために前記圧縮機の中に配置されているセンサーと、前記センサー及び前記作動手段と通信している制御器と、を更に含んでおり、前記制御器は、前記作動手段に信号を送り、前記駆動リングと、接続されている前記ディフューザーリングとを、前記センサーから受け取った信号に応じて位置決めする、請求項１に記載のシステム。
26. 前記センサーは、前記インペラに隣接して配置されている、請求項２５に記載のシステム。
27. 遠心圧縮機において、
    ハウジングと、
    流体入口と、
    前記入口を通して導入される流体を圧縮するために、前記ハウジング内でシャフトに回転可能に取り付けられているインペラアッセンブリと、
    前記インペラから圧縮された流体を放出するための流体出口と、
    前記インペラに隣接して前記ハウジングに接続されているノズル基板であって、前記ハウジングの相対する内側表面と協働してディフューザー間隙を画定する細長い表面を有しているノズル基板と、
    前記ノズル基板の、前記ディフューザー間隙とは反対側の、裏側に配置されている複数の支持ブロックと、
    前記支持ブロックに回転可能に取り付けられており、第１位置と第２位置の間を動くことのできる駆動リングであって、前記駆動リングの外周上に配置されている複数のカム軌道を含んでおり、前記複数のカム軌道の内の少なくとも２つは、前記複数の支持ブロックの内の少なくとも２つと整列している、駆動リングと、
    軸方向に動くことができ、前記駆動リングに取り付けられていて、前記駆動リングを前記第１位置と前記第２位置の間で動かすために、第１軸方向位置と第２軸方向位置の間を動くことのできる作動手段と、
    複数の駆動ピンであって、各駆動ピンは、対応する前記支持ブロックと前記ノズル基板を通って伸張しており、前記各駆動ピンは、第１端と、前記第１端と反対側の第２端を有しており、前記駆動ピンの前記第１端は、前記駆動リング上の前記複数のカム軌道の１つに取り付けられているカム従動子を含んでおり、前記駆動ピンの前記第２端は、前記ノズル基板を貫通して伸張し、前記細長い表面から突き出ている、駆動ピンと、
    前記ノズル基板表面から突き出ている前記複数の駆動ピンそれぞれの前記第２端に取り付けられているディフューザーリングと、を備えており、
    前記駆動リングが第１位置と第２位置の間で回転運動することによって、前記駆動ピンを軸方向に動かす前記カム軌道内で前記カム従動子が動き、前記駆動ピンが前記軸方向に動くことによって、前記ディフューザーリングが、前記ディフューザーリングが前記ハウジングの前記相対する内側表面から遠くにあって前記ディフューザー間隙を通る流体の流れを増している引込位置と、前記ディフューザーリングが前記ハウジングの前記相対する内側表面の近くにあって前記ディフューザー間隙を実質的に閉じて前記ディフューザー間隙を通る流体の流れを減らしている伸張位置との間で動くことになる、遠心圧縮機。
28. 前記複数の支持ブロックは、それぞれ、前記複数のカム軌道の内の１つと整列している、請求項１に記載のシステム。
29. ３つの支持ブロックが、前記ノズル基板の裏側に取り付けられている、請求項１に記載のシステム。
30. 前記駆動リングは３つのカム軌道を含んでおり、各カム軌道は支持ブロックと整列している、請求項３に記載のシステム。
31. 前記ノズル基板は、その細長い表面上に、前記ディフューザーリングが前記引込位置にあるときには、前記ディフューザーリングの一部でも前記ディフューザー間隙内に外向きに伸び出ることのないように、前記ディフューザーリングを収納できるだけの深さを有する溝を、更に含んでいる、請求項１に記載のシステム。
32. 前記複数の支持ブロックは、締結手段によって、前記ノズル基板の裏側に取り付けられている、請求項１に記載のシステム。
33. 前記締結手段は、前記各支持ブロックのねじ穴と前記ノズル基板の対応するねじ穴の中に伸張しているねじ付ファスナーを含んでいる、請求項６に記載のシステム。
34. 前記複数の支持ブロックは、前記ノズル基板と一体に製造されている、請求項１に記載のシステム。
35. 前記複数の支持ブロックは、ノズル基板鋳造材内に鋳造要素として含まれている、請求項８に記載のシステム。
36. 前記駆動リングは、上面、下面、前記上面と前記下面の間を軸方向に伸張する内周面、前記上面と前記下面の間を軸方向に伸張する外周面、及び、前記内周面の少なくとも一部に沿って伸張する円周状の溝を含んでおり、前記円周状の溝は、軸方向に予め選択された幅と、予め選択された長さとを有している、請求項１に記載のシステム。

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