JP2015151991A - 遠心圧縮機、ターボ冷凍機、過給機、及び遠心圧縮機の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】遠心圧縮機において、旋回失速発生を抑制し、旋回失速による騒音と軸振動を低減する。
【解決手段】軸線回りに回転して、軸方向から流入する流体を径方向外側に向かって排出する羽根車２２と、羽根車２２に流体を導入する流入流路３４と、流入流路３４に設けられて、周方向に間隔をあけて複数が配置されて開度が可変とされたインレットガイドベーン４３と、羽根車２２から排出される流体が流通するディフューザ３９と、ディフューザ３９の流路断面積を可変とする流路断面積調整装置４６と、ディフューザ３９に設けられて、周方向に間隔をあけて複数が配置されて角度が可変とされたディフューザベーン５５と、インレットガイドベーン４３の開度に基づいて流路断面積調整装置４６により流路断面積、及びディフューザベーン５５の角度を変化させる制御装置と、を備える遠心圧縮機２を提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、羽根車を用いて流体を圧縮する遠心圧縮機、この遠心圧縮機を備えたターボ冷凍機、過給機、及び遠心圧縮機の制御方法に関するものである。

ターボ冷凍機は、電気電子関連工場のようなクリーンルームを有する大型の工場空調や、地域冷暖房などの用途に幅広く使用されている大容量の熱源機器である。ターボ冷凍機は、主に羽根車を用いて冷媒ガスを圧縮する圧縮機、蒸発器、凝縮器、エコノマイザから構成され、第二圧縮段の上流にエコノマイザからの冷媒ガスを流入させる形式のものが知られている。

圧縮機としては、性能とコストの観点から二段圧縮機・二段膨張サイクルを採用した遠心圧縮機を用いている（例えば、特許文献１参照）。遠心圧縮機は、ターボ冷凍機の作動範囲を制御するために、第一圧縮段の羽根車の上流と第二圧縮段の羽根車の上流に流量制御用のインレットガイドベーン（ＩＧＶ）を設置し、運転状況に応じて角度を変更している。
ターボ冷凍機としては、旋回失速防止用に、凝縮器から蒸発器にホットガスバイパス管を設置しているものがある。

特開２０１１−４３１３０号公報

ところで、ターボ冷凍機を部分負荷運転で運転する際、遠心圧縮機が旋回失速する現象が知られている。これは、遠心圧縮機の運転点が旋回失速発生領域となることで発生し、遠心圧縮機の騒音の原因となり、また、高圧運転を行っている場合は、軸振動の原因となる。旋回失速を防止する観点から、ホットガスバイパスを行うこともできるが、内部循環量の増加によりターボ冷凍機としての性能が低下するという課題がある。
また、第一圧縮段と比較して効率が低い第二圧縮段の効率向上のために、ベーン付ディフューザ（ベーンドディフューザ）を採用することもできる。しかしながら、部分負荷運転ではディフューザにおける流れ角とベーン角度がミスマッチを起し性能が低下する。

この発明は、旋回失速発生が抑制され、旋回失速による騒音と軸振動を低減することができる遠心圧縮機、ターボ冷凍機、過給機、及び遠心圧縮機の制御方法を提供する。

本発明の第一の態様によれば、遠心圧縮機は、軸線回りに回転して、軸方向から流入する流体を径方向外側に向かって排出する羽根車と、前記羽根車に前記流体を導入する流入流路と、前記流入流路に設けられて、周方向に間隔をあけて複数が配置されて開度が可変とされたインレットガイドベーンと、前記羽根車から排出される流体が流通するディフューザと、前記ディフューザの流路断面積を可変とする流路断面積調整装置と、前記ディフューザに設けられて、周方向に間隔をあけて複数が配置されて角度が可変とされたディフューザベーンと、前記インレットガイドベーンの開度に基づいて前記流路断面積調整装置により前記流路断面積、及び前記ディフューザベーンの角度を変化させる制御装置と、を備えることを特徴とする。

上記構成によれば、インレットガイドベーンを絞った部分負荷運転を行い、遠心圧縮機の運転点が旋回失速発生領域となった場合に、流路断面積調整装置を用いてベーンレスディフューザの流路断面積を小さくするとともに、流路断面積に応じてディフューザベーンの角度を変更する。これにより、ディフューザ内の半径方向流速が増加して旋回角度が小さくなり、旋回失速発生が抑制される。また、羽根車とディフューザベーンの間のベーンレス部で発生する旋回失速又は流体の逆流を抑制することができる。これにより、旋回失速による騒音と軸振動を低減することができる。

上記遠心圧縮機において、前記制御装置は、前記制御装置は、前記遠心圧縮機の吸込風量を反映した流量変数と、前記遠心圧縮機のヘッドとで表示されたマップ上に、前記遠心圧縮機が吸い込む前記流体の音速を示す複数の機械マッハ数線が示された第一特性マップを記憶した第一記憶部と、複数の機械マッハ数に応じて、前記流量変数と、前記ヘッドとで表示されたマップ上に、旋回失速となる旋回失速線、及び複数のインレットガイドベーン開度線が示された第二特性マップを記憶した第二記憶部と、前記流路断面積と前記ディフューザにおける前記流体の流れ角との関係が示された流れ角マップを記憶した第三記憶部と、前記流量変数及び前記ヘッドを算出し、前記第一特性マップから前記遠心圧縮機の機械マッハ数を決定する機械マッハ数決定部と、前記流量変数及び前記ヘッドと、前記機械マッハ数に対応した前記第二特性マップから、前記インレットガイドベーンの開度と、旋回失速が発生する限界流量変数を決定し、前記流量変数と比較する流量変数比較部と、を有し、前記流量変数比較部において、前記流量変数が前記限界流量変数より小さい場合に、前記流路断面積が減少するように流路断面積調整装置を制御し、前記流れ角マップを用いて前記流路断面積に応じた流れ角を決定し、前記流れ角に合わせて前記ディフューザベーンの角度を調整してもよい。

上記構成によれば、より正確に流路断面積、及びディフューザベーンの角度を調整できるため、性能低下を抑制することができる。

また、本発明は、上記いずれかの遠心圧縮機と、冷却水を冷却源として冷媒を凝縮する凝縮器と、冷媒を蒸発させて冷水を冷却する蒸発器と、を順次冷媒流路により接続して冷凍サイクルを構成したターボ冷凍機を提供する。

上記ターボ冷凍機において、前記凝縮器から前記蒸発器に高温冷媒ガスを供給するホットガスバイパス管を有し、前記制御装置は、前記ホットガスバイパス管に流入する高温の冷媒ガスの流量と、前記ターボ冷凍機の成績係数との関係が示された第一特性マップを記憶した第四記憶部と、前記流路断面積と、前記ターボ冷凍機の成績係数との関係が示された第二特性マップを記憶した第五記憶部と、前記高温冷媒ガスの流量と前記流路断面積を変化させる場合に、前記高温冷媒ガスの変化に伴う成績係数の低下量と、前記流路断面積の変化に伴う成績係数の低下量とを比較し、前記高温冷媒ガスの流量と前記流路断面積のうち低下量の少ない方のみを変化させる性能低下量比較部、とを有する構成としてもよい。

上記構成によれば、ターボ冷凍機の性能を大きく低下させることなく、遠心圧縮機の旋回失速を抑制することができる。

また、本発明は、上記いずれかの遠心圧縮機を備える過給機を提供する。

本発明の第二の態様によれば、遠心圧縮機の制御方法は、軸線回りに回転して、軸方向から流入する流体を径方向外側に向かって排出する羽根車と、前記羽根車に前記流体を導入する流入流路と、前記流入流路に設けられて、周方向に間隔をあけて複数が配置されて開度が可変とされたインレットガイドベーンと、前記羽根車から排出される流体が流通するディフューザと、前記ディフューザに設けられて、周方向に間隔をあけて複数が配置されて角度が可変とされたディフューザベーンと、を有する遠心圧縮機の制御方法であって、前記インレットガイドベーンの開度に基づいて前記ベーンレスディフューザの流路断面積、及び前記ディフューザベーンの角度を変化させる流路断面積調整工程を有することを特徴とする。

上記遠心圧縮機の制御方法において、前記流路断面積調整工程は、前記流量変数及び前記ヘッドを算出するパラメータ算出工程と、前記流量変数及び前記ヘッドを用いて前記遠心圧縮機が吸い込む前記流体の音速を示す複数の機械マッハ数を決定する機械マッハ数決定工程と、前記流量変数及び前記ヘッドと、前記機械マッハ数を用いて前記インレットガイドベーンの開度と、旋回失速が発生する限界流量変数を決定し、前記流量変数と比較する流量変数比較工程と、前記流量変数が前記限界流量変数より小さい場合に、前記流路断面積を減少させる流路断面積低減工程と、を有する構成としてもよい。

本発明によれば、インレットガイドベーンを絞った部分負荷運転を行い、遠心圧縮機の運転点が旋回失速発生領域となった場合に、流路断面積調整装置を用いてベーンレスディフューザの流路断面積を小さくするとともに、流路断面積に応じてディフューザベーンの角度を変更する。これにより、ディフューザ内の半径方向流速が増加して旋回角度が小さくなり、旋回失速発生が抑制される。また、羽根車とディフューザベーンの間のベーンレス部で発生する旋回失速又は流体の逆流を抑制することができる。これにより、旋回失速による騒音と軸振動を低減することができる。

本発明の第一実施形態のターボ冷凍機を示す概略構成図である。 本発明の第一実施形態の遠心圧縮機を示す概略断面図である。 本発明の第一実施形態の流路断面積調整装置の分解斜視図である。 第一記憶部に記憶された第一特性マップである。 第二記憶部に記憶された第二特性マップである。 第三記憶部に記憶された流れ角マップである。 本発明の第一実施形態の遠心圧縮機の制御方法を説明するフローチャートである。 第二可動ベーンの開度と第二ディフューザの流路断面積との関係を示すマップである。 本発明の第二実施形態のターボ冷凍機の制御装置のブロック図である。 第二ディフューザの流路断面積とターボ冷凍機の成績係数との関係が示された第一成績係数マップである。 高温冷媒ガスの流量とターボ冷凍機の成績係数との関係が示された第二成績係数マップである。 本発明の第二実施形態の遠心圧縮機の制御方法を説明するフローチャートである。 本発明の第三実施形態の過給機を示す概略断面図である。

（第一実施形態）
以下、本発明の第一実施形態の遠心圧縮機２を備えたターボ冷凍機１について図面を参照して詳細に説明する。図１に示すように、本実施形態のターボ冷凍機１は、冷媒を圧縮する圧縮機２と、圧縮機２によって圧縮された高温高圧の流体である冷媒ガスを冷却水によって凝縮する凝縮器３と、凝縮器３にて凝縮された液相の冷媒（液冷媒）に対して過冷却を与えるサブクーラ４と、サブクーラ４からの液冷媒を膨張させる高圧膨張弁５と、高圧膨張弁５に接続されるとともに圧縮機２の中間段及び低圧膨張弁６に接続されるエコノマイザ７（中間冷却器）と、低圧膨張弁６によって膨張させられた液冷媒を蒸発させると共に冷媒と冷水とを熱交換する蒸発器８と、を備えている。
ターボ冷凍機１は、遠心圧縮機２、凝縮器３、蒸発器８を順次冷媒流路により接続して冷凍サイクルを構成している。また、ターボ冷凍機１は、各センサーからの入力に応じて遠心圧縮機２を制御する制御装置９を備えている。

圧縮機２は、遠心式の２段圧縮機であり、電源からの入力周波数を変更するインバータにより回転数制御された電動モータ１１によって駆動されている。
サブクーラ４は、凝縮器３の冷媒ガス下流側に、凝縮された冷媒に対して過冷却を与えるように設けられている。
凝縮器３及びサブクーラ４には、これらを冷却するための冷却伝熱管１２が挿通されており、冷却水を冷却源として冷媒ガスを凝縮している。冷却伝熱管１２の冷却水の入口には、冷却水入口温度センサー１３が設けられ、冷却伝熱管１２の冷却水の出口には、冷却水出口温度センサー１４が設けられている。冷却水入口温度センサー１３及び冷却水出口温度センサー１４の出力は、制御装置９に入力される。

蒸発器８は、冷水を用いて吸熱することによって定格温度（例えば７℃）の冷媒ガスを生成する装置である。蒸発器８には、冷水伝熱管１５が挿通されている。
蒸発器８よりも上流側の冷水伝熱管１５には、蒸発器８内へ流入する冷水の入口温度を計測する冷水入口温度センサー１７が設けられている。蒸発器８よりも下流側の冷水出口ノズルには、蒸発器８から流出した冷水の出口温度を計測する冷水出口温度センサー１８が設けられている。冷水入口温度センサー１７及び冷水出口温度センサー１８の出力は、制御装置９に入力される。また、冷水伝熱管１５には、冷水の流量を計測する冷水流量センサー１６が設けられている。

凝縮器３の気相部と蒸発器８の気相部との間には、ホットガスバイパス管２４が設けられている。ホットガスバイパス管２４には、ホットガスバイパス管２４内を流れる高温冷媒ガスの流量を制御するためのホットガスバイパス弁２５が設けられている。また、ホットガスバイパス管２４には、高温冷媒ガスの流量を計測するホットガスバイパス流量センサー２６が設けられている。

図２に示すように、遠心圧縮機２は、外郭をなすケーシング２８と、ケーシング２８内に回転可能に支持されている回転軸２９と、回転軸２９を回転駆動するモータ（図示せず）と、回転軸２９に軸線方向に離間して配置されている第一インペラ２１、及び第二インペラ２２とを有している。第一インペラ２１及び第二インペラ２２は回転軸２９に固定されており、回転軸２９の回転に伴い回転することで遠心力を利用して冷媒ガスを圧縮する。

ケーシング２８の軸線方向一方側には冷媒ガスを外部から流入させる吸込口３０が設けられ、軸線方向他方側には他端側には冷媒ガスを排出するスクロール３１が設けられている。ケーシング２８には、吸込口３０とスクロール３１とを連通させる内部空間３２が形成されている。
第一インペラ２１及び第二インペラ２２は、内部空間３２に配置されており、第一インペラ２１は第一圧縮段、第二インペラ２２は第二圧縮段を構成している。内部空間３２は第一インペラ２１の流路出口に接続されたリターン流路３３と、リターン流路３３と第二インペラ２２とを接続する吸込流路３４（流入流路）とを備えている。

リターン流路３３は、第一インペラ２１の径方向外側の流路出口から、第二インペラ２２の径方向内側の流路入口に向かって冷媒ガスを流通している。リターン流路３３は、第一ディフューザ３５と、ベンド部３６と、リターン部３７とを有している。第一インペラ２１から径方向外側に排出される冷媒ガスが流通する第一ディフューザ３５には、翼（ディフューザベーン、羽根）が形成されていない、所謂ベーンレスディフューザである。

第一ディフューザ３５は、第一インペラ２１によって圧縮されて第一インペラ２１の流路出口から径方向外側へと排出された冷媒ガスを径方向外側に案内している。第一ディフューザ３５の径方向外側は、ベンド部３６を介してリターン部３７に連通されている。
ベンド部３６の下流側のリターン部３７には全周にわたって放射状にリターンベーン３８が配置されている。

第二インペラ２２内で圧縮された冷媒ガスは、第二インペラ２２の周囲に設けられた第二ディフューザ３９を経てスクロール３１から吐出される。第二インペラ２２の下流側の第二ディフューザ３９には、周方向に間隔をあけて複数が配置されて角度が可変とされたディフューザベーン５５が設けられている。即ち、第二ディフューザは、ベーンドディフューザである。
ディフューザベーン５５は、例えば、第二ディフューザ３９に流入する流体の流れ角に応じて角度が変更可能である。ディフューザベーン５５は、遠心圧縮機２に設けられた駆動装置５６によって駆動される。

遠心圧縮機２には、エコノマイザ７（図１参照）で発生する冷媒ガスを第一インペラ２１の吐出流に合流させて第二インペラ２２に供給する中間吸込チャンバー４０が設けられている。中間吸込チャンバー４０は、第二インペラ２２の入口部周囲を囲む円環状の空間として形成されている。中間吸込みチャンバーには、エコノマイザ７からの冷媒ガスが供給される。
中間吸込チャンバー４０の内周部には、全周にわたってスリット４１が設けられており、中間吸込チャンバー４０の内部とリターン流路３３のリターン部３７とが接続されている。

また、遠心圧縮機２の吸込口３０であって第一圧縮段の第一インペラ２１の入口には、運転状況に応じて角度を変更することができる第一可動ベーン４２（インレットガイドベーン，ＩＧＶ）が設けられている。さらに、リターン流路３３の吸込流路３４であって第二圧縮段の第二インペラ２２入口には、運転状況に応じて角度（開度）を変更することができる第二可動ベーン４３が設けられている。第一可動ベーン４２及び第二可動ベーン４３は、周方向に間隔をあけて複数が配置されている。遠心圧縮機２には、第二可動ベーン４３を駆動するための駆動装置４４が設けられている。
また、遠心圧縮機２の第二段羽根車の下流側の第二ディフューザ３９には、第二ディフューザ３９の幅、即ち、第二ディフューザ３９の流路断面積、即ち、第二ディフューザ３９の軸方向の幅を変更する流路断面積調整装置４６が設けられている。

図３は、流路断面積調整装置４６の分解斜視図である。組み立てられた状態の流路断面積調整装置４６においては、駆動リング４９の内周側に幅調整リング５０が配置される。図３に示すように、流路断面積調整装置４６は、図示しないモータによって長手方向に駆動可能な駆動シャフト４７と、ブラケット４８を介して駆動シャフト４７に接続されている駆動リング４９と、駆動リング４９の回転によってケーシング２８から進退可能な幅調整リング５０と、を有している。

駆動リング４９は、軸方向（回転軸２９の軸線に沿う方向）の移動が規制され、駆動シャフト４７の駆動により周方向に回動可能な環状の部材である。
幅調整リング５０は、軸方向に移動可能な環状の部材である。幅調整リング５０は、駆動リング４９の内周側に、幅調整リング５０の外周面と駆動リング４９の内周面とが摺動自在に接触するように配置されている。幅調整リング５０の軸方向の一端は、第二ディフューザ３９に露出するように配置されている。

駆動リング４９と幅調整リング５０とは、駆動リング４９の回動に伴い、幅調整リング５０が軸方向に移動するように構成されている。これにより、幅調整リング５０の軸方向の一端が第二ディフューザ３９の幅を絞るように移動する。

図１に戻って、制御装置９は、ターボ冷凍機１の全体の制御を司り、ターボ冷凍機１の機械マッハ数（回転数）を決定する機械マッハ数決定部６１と、遠心圧縮機２の吸込風量を反映した流量変数θが旋回失速が発生する流量変数か否かを判定する流量変数比較部６２と、を有している。
また、制御装置９は、図４に示すような、遠心圧縮機２の吸込風量を反映した流量変数θと、遠心圧縮機２のヘッドＨとで表示されたマップ上に、遠心圧縮機２が吸い込む冷媒ガスの音速を示す複数の機械マッハ数線が示された第一特性マップ６５を記憶した第一記憶部６３を有している。第一特性マップ６５は、予め遠心圧縮機２の運転試験を綿密に行うことで作成されるものであり、横軸を流量変数θ、縦軸をヘッドＨとしたマップ上に、旋回失速線Ｌ、及び複数の機械マッハ数線が示したものである。本実施形態において、この第一特性マップ６５は、第一可動ベーン４２の開度が最大開度である１００％のものである。

また、制御装置９は、図５に示すような、複数の機械マッハ数に応じて、流量変数θと、ヘッドＨとで表示されたマップ上に、旋回失速となる旋回失速線Ｌ、及び複数のインレットガイドベーン開度線が示された第二特性マップ６６を記憶した第二記憶部６４を有している。
第二特性マップ６６は、横軸を流量変数θ、縦軸をヘッドＨとしたマップ上に、旋回失速線Ｌ、及び複数のインレットガイドベーン開度線が示されたものである。このインレットガイドベーン開度線は、第二可動ベーン４３の開度を示すものである。また、第二特性マップ６６において、旋回失速線Ｌよりも下側の領域は、旋回失速やサージングを起こさない安定領域Ｓとされ、旋回失速線Ｌよりも上側の領域は、旋回失速やサージングを起こす不安定領域ＮＳとされる。

また、制御装置９は、図６に示すような、第二ディフューザ３９の流路断面積と第二ディフューザにおける冷媒ガスの流れ角との関係が示された流れ角マップ６７を記憶した第三記憶部を有している。図６に示す流れ角マップ６７は、流路断面積が大きい程、冷媒ガスの流れ角が大きくなることを示している。

機械マッハ数決定部６１は、流量変数θ及びヘッドＨを算出し、第一特性マップ６５から遠心圧縮機２の機械マッハ数Ｍを決定する。
流量変数比較部６２は、流量変数θ及びヘッドＨと、機械マッハ数Ｍに対応した第二特性マップ６６から、第二可動ベーン４３の開度と、旋回失速が発生する限界流量変数θｒｓを決定し、流量変数θと比較する。

次に、本実施形態のターボ冷凍機１の制御方法について、図７に示すフローチャートを参照して説明する。
（パラメータ算出工程Ｓ１）
制御装置９は、冷水流量センサー１６によって計測された冷水の流量、冷水入口温度センサー１７によって計測された冷水の入口温度、及び冷水出口温度センサー１８によって計測された冷水の出口温度を用いて遠心圧縮機２の吸込風量を反映した流量変数θを算出する。
また、制御装置９は、冷却水入口温度センサー１３によって計測された冷却水の入口温度、及び冷却水出口温度センサー１４によって計測された冷却水の出口温度を用いてヘッドＨを算出する。

（機械マッハ数決定工程Ｓ２）
次に、制御装置９の機械マッハ数決定部６１は、第一記憶部６３に記憶された第一特性マップ６５を用いて、機械マッハ数Ｍを決定する。
具体的には、第一特性マップ６５に流量変数θ及びヘッドＨをプロット（図４に符号Ｐで示す）する。
電動モータ１１がインバータを有する場合、プロット点Ｐが旋回失速線Ｌより下の運転点であれば、点Ｐとなるマッハ数Ｍに調整されるため、そのマッハ数ＭでＩＧＶ１００％で運転される。旋回失速線Ｌより上の運転点であれば点Ｐより右側にあるマッハ数Ｍが選択される（任意のマッハ数Ｍを選ぶことができる）。
一方、回転数が一定の機械（固定速機）ではギヤで決まる回転数に相当するマッハ数ＭでＩＧＶを絞った運転となる。ディフューザ絞りが必要となる可能性がある運転は、定格点より小流量側でヘッドＨが小さい運転点になるため、固定速機の部分負荷運転は必ずＩＧＶを絞った運転となる。

（流量変数比較工程Ｓ３）
次に、制御装置９の流量変数比較部６２は、第二記憶部６４に記憶された第二特性マップ６６を用いて、流量変数θを比較する。具体的には、第二特性マップ６６に流量変数θ及びヘッドＨをプロットして（図５に符号Ｐで示す）第二可動ベーン４３の開度を決定する。例えば、図５に示すプロット点Ｐによれば、第二可動ベーン４３の開度は７０％である。
次に、流量変数比較部６２は、第二可動ベーン４３の開度７０％において、旋回失速を発生しない限界点ＰＬを決定し、この限界点における流量変数θを限界流量変数θｒｓと設定する。そして、パラメータ算出工程にて算出された流量変数θと、限界流量変数θｒｓとを比較する。
制御装置９は、流量変数θが限界流量変数θｒｓよりも大きい場合は、第二ディフューザ３９の流路断面積の調整を行わない（ステップＳ４）。

一方、制御装置９は、流量変数θが限界流量変数θｒｓよりも小さい場合は、旋回失速発生を抑制する流路断面積を算出する（ステップＳ５）。
次いで、制御装置９は、流路断面積調整装置４６を用いて第二ディフューザ３９の流路断面積の調整を行う（流路断面積調整工程Ｓ６）。具体的には、制御装置９は、流路断面積が減少する方向に調整を行う。これにより、第二ディフューザ３９内の半径方向流速が増加して旋回速度が小さくなり、旋回失速の発生が抑制される。
図８に示すように、第二可動ベーン４３の開度と第二ディフューザ３９の流路断面積とをデータベース化して、第二可動ベーン４３の回動に応じて第二ディフューザ３９の流路断面積を変化させるようにしてもよい。

次いで、制御装置９は、第三記憶部６９に記憶された流れ角マップ６７を用いて、第二ディフューザ３９の流路断面積に対応した冷媒ガスの流れ角を決定する。そして、冷媒ガスの流れ角に応じてディフューザベーン５５の角度を変更する（流路断面積調整工程Ｓ７）。

上記実施形態によれば、第二可動ベーン４３を絞った部分負荷運転を行い、遠心圧縮機２の運転点が旋回失速発生領域となった場合に、流路断面積調整装置４６を用いて第二ディフューザ３９の流路断面積を小さくするとともに、流路断面積に応じてディフューザベーン５５の角度を変更する。これにより、第二ディフューザ３９内の半径方向流速が増加して旋回角度が小さくなり、旋回失速発生が抑制される。また、第二インペラ２２とディフューザベーン５５との間のベーンレス部で発生する旋回失速又は流体の逆流を抑制することができる。これにより、旋回失速による騒音と軸振動を低減することができる。

また、第一特性マップ６５を用いて機械マッハ数Ｍを決定するとともに、第二特性マップ６６を用いて旋回失速が発生する限界流量変数θｒｓを決定することによって、より正確に流路断面積を調整できるため、流路断面積を絞りすぎることによる性能低下を抑制することができる。
また、流れ角マップ６７を用いてディフューザベーン５５の角度を変更することによって、より正確にディフューザベーンの角度を調整できるため、性能低下を抑制することができる。

なお、流路断面積調整装置４６の構造は、上記実施形態に示されたものに限ることはない。例えば、流路断面積調整装置４６の構造は、駆動シャフト４７及び駆動リング４９を用いることなく、幅調整リング５０を油圧シリンダーなどのアクチュエータを用いて駆動するような構成としてもよい。

（第二実施形態）
以下、本発明の第二実施形態の遠心圧縮機２を備えたターボ冷凍機１を図面に基づいて説明する。なお、本実施形態では、上述した第一実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
本実施形態の遠心圧縮機２の制御装置９Ｂは、ホットガスバイパス管２４に流入する高温冷媒ガスの流量を考慮する制御を行うことを特徴としている。
図９に示すように、本実施形態の制御装置９Ｂは、ホットガスバイパス管２４に導入される高温冷媒ガスの流量と、第二ディフューザ３９の流路断面積を変化させる場合に、高温冷媒ガスの変化に伴う成績係数の低下量と、流路断面積の変化に伴う成績係数の低下量とを比較する成績係数比較部６８を有している。

また、制御装置９Ｂは、図１０に示すような、第二ディフューザ３９の流路断面積と、ターボ冷凍機１の成績係数ＣＯＰとの関係が示された第一成績係数マップ７１を記憶した第四記憶部７０を有している。
さらに、制御装置９Ｂは、図１１に示すような、ホットガスバイパス管２４に導入される高温冷媒ガスの流量とターボ冷凍機１の成績係数ＣＯＰとの関係が示された第二成績係数マップ７２を記憶した第五記憶部７３を有している。

次に、本実施形態のターボ冷凍機１の制御方法について、図１２に示すフローチャートを参照して説明する。このフローチャートにおけるステップＳ１Ｂ〜ステップＳ４Ｂは第一実施形態のステップＳ１〜Ｓ４と同様であるので説明を省略する。

（流路断面積の変化に伴う成績係数の低下量算出工程Ｓ５Ｂ）
制御装置９Ｂは、第三記憶部６９に記憶された第一成績係数マップ７１を参照して、第二ディフューザ３９の流路断面積を変化させる場合の、成績係数の低下量Δη１（効率低下量、図９を参照）を算出する。

（ホットガスバイパスに伴う成績係数の低下量算出工程Ｓ６Ｂ）
制御装置９Ｂは、第四記憶部７０に記憶された第二成績係数マップ７２を参照して、ホットガスバイパス管２４に高温冷媒ガスを導入する場合の、成績係数の低下量Δη２（効率低下量、図１０を参照）を算出する。

（成績係数比較工程Ｓ７Ｂ）
制御装置９Ｂの成績係数比較部６８は、低下量Δη１と低下量Δη２とを比較する。即ち、第二ディフューザ３９の流路断面積を変化させる場合と、ホットガスバイパスを行う場合とで、どちらがより成績係数が低下するかを判断する。
制御装置９Ｂは、第二ディフューザ３９の流路断面積を変化させた場合の成績係数ＣＯＰの低下量Δη１の方が大きかった場合は、ホットガスバイパスで旋回失速抑制を行う（ステップＳ８Ｂ）。
一方、制御装置９Ｂは、ホットガスバイパスを行う場合の成績係数の低下量Δη２の方が大きかった場合は、第二ディフューザ３９の流路断面積の調整によって旋回失速抑制を行う（ステップＳ９Ｂ）。
次いで、制御装置９Ｂは、第三記憶部６９に記憶された流れ角マップ６７を用いて、第二ディフューザ３９の流路断面積に対応した冷媒ガスの流れ角を決定する。そして、冷媒ガスの流れ角に応じてディフューザベーン５５の角度を変更する（ステップＳ１０Ｂ）。

上記実施形態によれば、ターボ冷凍機１の成績係数を大きく低下させることなく、遠心圧縮機２の旋回失速を抑制することができる。

（第三実施形態）
以下、本発明の第三実施形態の遠心圧縮機２Ｃを備えた過給機１０を図面に基づいて説明する。なお、本実施形態では、上述した第一実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
図１２に示すように、本実施形態の遠心圧縮機２Ｃを備える過給機１０は、外郭をなすケーシング２８と、回転軸２９と、インペラ２１、とを有しており、ケーシング２８の外部から導入したガスや空気などの流体を圧縮する。

ケーシング２８の軸線方向一方側には流体を外部から流入させる吸込口３０が設けられ、軸線方向他方側には流体を排出するスクロール３１が設けられている。
過給機の吸込口３０であってインペラ２１の入口には、運転状況に応じて角度を変更することができる可動ベーン４２が設けられている。

インペラ２１の下流側のディフューザ３９には、周方向に間隔をあけて複数が配置されて角度が可変とされたディフューザベーン５５が設けられている。ディフューザベーン５５は、過給機１０に設けられた駆動装置５６によって駆動される。
また、過給機１０のインペラ２１の下流側のディフューザ３９には、ディフューザ３９の軸方向の幅を変更する流路断面積調整装置４６が設けられている。

過給機１０は、第一実施形態又は第二実施形態の遠心圧縮機２と同様の制御装置を備えている。即ち、過給機１０は、可動ベーン４２を絞った部分負荷運転を行い、過給機１０の運転点が旋回失速発生領域となった場合に、流路断面積調整装置４６を用いてディフューザ３９の流路断面積を小さくするとともに、流路断面積に応じてディフューザベーン５５の角度を変更する。これにより、ディフューザ３９内の半径方向流速が増加して旋回角度が小さくなり、旋回失速発生が抑制される。また、インペラ２１とディフューザベーン５５との間のベーンレス部で発生する旋回失速又は流体の逆流を抑制することができる。これにより、旋回失速による騒音と軸振動を低減することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、クレームの範囲によってのみ限定される。

１ ターボ冷凍機
２ 圧縮機
３ 凝縮器
４ サブクーラ
５ 高圧膨張弁
６ 低圧膨張弁
７ エコノマイザ
８ 蒸発器
９ 制御装置
１０ 過給機
１１ 電動モータ
１２ 冷却伝熱管
１３ 冷却水入口温度センサー
１４ 冷却水出口温度センサー
１５ 冷水伝熱管
１６ 冷水流量センサー
１７ 冷水入口温度センサー
１８ 冷水出口温度センサー
２１ 第一インペラ
２２ 第二インペラ（羽根車）
２４ ホットガスバイパス管
２５ ホットガスバイパス弁
２６ ホットガスバイパス流量センサー
２８ ケーシング
２９ 回転軸
３０ 吸込口
３１ スクロール
３２ 内部空間
３３ リターン流路
３４ 吸込流路（流入流路）
３５ 第一ディフューザ
３６ ベンド部
３７ リターン部
３８ リターンベーン
３９ 第二ディフューザ（ディフューザ）
４０ 中間吸込チャンバー
４２ 第一可動ベーン
４３ 第二可動ベーン（インレットガイドベーン）
４４ 駆動装置
４６ 流路断面積調整装置
４７ 駆動シャフト
４８ ブラケット
４９ 駆動リング
５０ 幅調整リング
５２ リング駆動溝
５５ ディフューザベーン
５６ 駆動装置
６１ 機械マッハ数決定部
６２ 流量変数比較部
６３ 第一記憶部
６４ 第二記憶部
６５ 第一特性マップ
６６ 第二特性マップ
６７ 流れ角マップ
６８ 成績係数比較部（性能低下量比較部）
６９ 第三記憶部
７０ 第四記憶部
７１ 第一成績係数マップ
７２ 第二成績係数マップ
７３ 第五記憶部
Ｈ ヘッド
Ｍ 機械マッハ数
θ 流量変数
θｒｓ 限界流量変数

Claims (7)

1. 軸線回りに回転して、軸方向から流入する流体を径方向外側に向かって排出する羽根車と、
   前記羽根車に前記流体を導入する流入流路と、
   前記流入流路に設けられて、周方向に間隔をあけて複数が配置されて開度が可変とされたインレットガイドベーンと、
   前記羽根車から排出される流体が流通するディフューザと、
   前記ディフューザの流路断面積を可変とする流路断面積調整装置と、
   前記ディフューザに設けられて、周方向に間隔をあけて複数が配置されて角度が可変とされたディフューザベーンと、
   前記インレットガイドベーンの開度に基づいて前記流路断面積調整装置により前記流路断面積、及び前記ディフューザベーンの角度を変化させる制御装置と、を備えることを特徴とする遠心圧縮機。
2. 前記制御装置は、
   前記遠心圧縮機の吸込風量を反映した流量変数と、前記遠心圧縮機のヘッドとで表示されたマップ上に、前記遠心圧縮機が吸い込む前記流体の音速を示す複数の機械マッハ数線が示された第一特性マップを記憶した第一記憶部と、
   複数の機械マッハ数に応じて、前記流量変数と、前記ヘッドとで表示されたマップ上に、旋回失速となる旋回失速線、及び複数のインレットガイドベーン開度線が示された第二特性マップを記憶した第二記憶部と、
   前記流路断面積と前記ディフューザにおける前記流体の流れ角との関係が示された流れ角マップを記憶した第三記憶部と、
   前記流量変数及び前記ヘッドを算出し、前記第一特性マップから前記遠心圧縮機の機械マッハ数を決定する機械マッハ数決定部と、
   前記流量変数及び前記ヘッドと、前記機械マッハ数に対応した前記第二特性マップから、前記インレットガイドベーンの開度と、旋回失速が発生する限界流量変数を決定し、前記流量変数と比較する流量変数比較部と、を有し、
   前記流量変数比較部において、前記流量変数が前記限界流量変数より小さい場合に、前記流路断面積が減少するように流路断面積調整装置を制御し、
   前記流れ角マップを用いて前記流路断面積に応じた流れ角を決定し、前記流れ角に合わせて前記ディフューザベーンの角度を調整することを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
3. 請求項１又は請求項２に記載の遠心圧縮機と、
   冷却水を冷却源として冷媒を凝縮する凝縮器と、
   冷媒を蒸発させて冷水を冷却する蒸発器と、を順次冷媒流路により接続して冷凍サイクルを構成したことを特徴とするターボ冷凍機。
4. 前記凝縮器から前記蒸発器に高温冷媒ガスを供給するホットガスバイパス管を有し、
   前記制御装置は、
   前記ホットガスバイパス管に流入する高温の冷媒ガスの流量と、前記ターボ冷凍機の成績係数との関係が示された第一特性マップを記憶した第四記憶部と、
   前記流路断面積と、前記ターボ冷凍機の成績係数との関係が示された第二特性マップを記憶した第五記憶部と、
   前記高温冷媒ガスの流量と前記流路断面積を変化させる場合に、前記高温冷媒ガスの変化に伴う成績係数の低下量と、前記流路断面積の変化に伴う成績係数の低下量とを比較し、前記高温冷媒ガスの流量と前記流路断面積のうち低下量の少ない方のみを変化させる性能低下量比較部、とを有することを特徴とする請求項３に記載のターボ冷凍機。
5. 請求項１又は請求項２に記載の遠心圧縮機を備えることを特徴とする過給機。
6. 軸線回りに回転して、軸方向から流入する流体を径方向外側に向かって排出する羽根車と、
   前記羽根車に前記流体を導入する流入流路と、
   前記流入流路に設けられて、周方向に間隔をあけて複数が配置されて開度が可変とされたインレットガイドベーンと、
   前記羽根車から排出される流体が流通するディフューザと、
   前記ディフューザに設けられて、周方向に間隔をあけて複数が配置されて角度が可変とされたディフューザベーンと、を有する遠心圧縮機の制御方法であって、
   前記インレットガイドベーンの開度に基づいて前記ディフューザの流路断面積、及び前記ディフューザベーンの角度を変化させる流路断面積調整工程を有することを特徴とする遠心圧縮機の制御方法。
7. 吸込風量を反映した流量変数及び前記遠心圧縮機のヘッドを算出するパラメータ算出工程と、
   前記流量変数及び前記ヘッドを用いて前記遠心圧縮機が吸い込む前記流体の音速を示す複数の機械マッハ数を決定する機械マッハ数決定工程と、
   前記流量変数及び前記ヘッドと、前記機械マッハ数を用いて前記インレットガイドベーンの開度と、旋回失速が発生する限界流量変数を決定し、前記流量変数と比較する流量変数比較工程と、
   前記流量変数が前記限界流量変数より小さい場合に、前記流路断面積を減少させる流路断面積調整工程と、を有することを特徴とする請求項６に記載の遠心圧縮機の制御方法。

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