JP2018529881A - 流量調節とインペラの軸方向シフトによるサージ抑制を行う遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

チラー（１０）用の遠心圧縮機（２２）は、ケーシング（３０）と、入口案内羽根（３２）と、入口案内羽根（３２）の下流のインペラ（３４）と、モータ（３８）と、ディフューザ（３６）とを備える。ケーシング（３０）は、入口部分（３１ａ）及び出口部分（３１ｂ）を有し、入口案内羽根（３２）が入口部分（３１ａ）に配置されている。インペラ（３４）は、軸方向を規定する回転軸周りに回転可能であり、インペラ（３４）は少なくとも第１の流量位置と第２の流量位置との間において軸方向に沿ってケーシング（３０）内で調節可能に設けられている。モータ（３８）は、インペラ（３４）を回転させる。ディフューザ（３６）は、インペラ（３４）の下流で出口部分（３１ｂ）に配置されおり、出口部分（３１ｂ）の出口ポート（３７）がインペラ（３４）とディフューザ（３６）との間に位置している。

Description

本発明は概して、遠心圧縮機に関する。より詳細には、本発明は、サージ制御をする遠心圧縮機に関する。

チラーシステムは、媒体から熱を取り除く冷凍機械又は装置である。通常、水などの液体が媒体として使用され、チラーシステムは、蒸気圧縮冷凍サイクルにおいて動作する。そして、この液体は、熱交換器を循環することによって、空気又は機器を必要に応じて冷却することができる。これには必ず副生成物として冷媒による廃熱が生成されるため、この廃熱を周囲に排熱するか、効率を高めるために回収して加熱に用いるかが必要となる。従来のチラーシステムは、多くの場合、遠心圧縮機を利用する。この遠心圧縮機をターボ圧縮機と呼ぶことが多い。したがって、これらのチラーシステムをターボチラーと呼ぶことができる。あるいは、例えばスクリュー圧縮機等のその他の種類の圧縮機を利用することもできる。

従来の（ターボ）チラーにおいて、冷媒が遠心圧縮機において圧縮されてから熱交換器に送られると、熱交換器に置いて冷媒と熱交換媒体（液体）との間で熱交換がおこる。この熱交換器において冷媒が凝縮するため、この熱交換器は凝縮器と呼ばれる。結果として、熱が媒体（液体）に移るため、媒体が加熱される。凝縮器を出る冷媒は、膨張弁によって膨張されてから別の熱交換器に送られ、熱交換器に置いて冷媒と熱交換媒体（液体）との間で熱交換がおこる。この熱交換器において冷媒が加熱される（蒸発する）ため、この熱交換器は蒸発器と呼ばれる。結果として、熱が媒体（液体）から冷媒に伝達され、液体が冷却される。そして、蒸発器からの冷媒は遠心圧縮機に戻され、このサイクルが繰り返される。多くの場合、利用される液体は、水である。

従来の遠心圧縮機は基本的に、ケーシングと、入口案内羽根と、インペラと、ディフューザと、モータと、各種センサと、コントローラとを備える。冷媒は、入口案内羽根、インペラ、及びディフューザを順に流れる。したがって、入口案内羽根は、遠心圧縮機のガス吸気ポートに連結され、ディフューザは、インペラのガス出口ポートに連結される。入口案内羽根は、インペラに入る冷媒ガスの流量を制御する。インペラは、一般に冷媒ガスの圧力を変更することなく、その速度を上げる。ディフューザは、冷媒の速度を変更することなくその圧力を上げる。モータは、インペラを回転させる。コントローラは、モータ、入口案内羽根、及び膨張弁を制御する。こうして、冷媒は、従来の遠心圧縮機において圧縮される。入口案内羽根は、調節可能であり、モータ速度は、システムの容量を調節するために典型的には調節可能である。更に、このディフューザを、システムの容量を更に調節するために調節可能とすることができる。コントローラは、モータ、入口案内羽根、及び膨張弁を制御する。このコントローラはさらに、ディフューザ等のあらゆる制御可能な追加構成要素を制御することができる。

圧縮機より後方の圧力が圧縮機出口圧力よりも高いと、流体が圧縮機内に戻る、又は逆流さえする傾向にある。その結果、流体圧力が低下し、入口圧力が増加し、流れが再び反転する。サージと呼ばれるこの現象は、周期的に繰り返し発生する。サージが起こると、圧縮機はそのピークヘッドを維持する能力を失い、システム全体が不安定となる。圧縮機速度の変化又は入口案内羽根角度の変化中のサージ点の集合は、サージラインと称される。通常の条件下では、圧縮機は、サージラインの右側で動作する。しかし、始動中／緊急停止中は、流れが低減するため、動作点がサージラインに向かって移動する。動作点がサージラインに近づく条件になると、インペラ及びディフューザで流れの再循環が起こる。流れの再循環は、流れの分離を起こすため、最終的に吐出圧力の低下をもたらし、この状態で吸込みから排出への流れが再開する。サージングが起こると、圧縮機が、そのユニットの最大許容温度を超える点まで過熱しかねない。また、サージングによって、ロータが能動側から非能動側へ前後にシフトするため、スラスト軸受に損傷を起こしかねない。これが圧縮機のサージサイクルとして定義されるものである。

したがって、サージを制御する技術が開発されている。例えば、特開平５−２６３７９６号を参照されたい。

従来の遠心圧縮機において、上記の技術又はその他の周知の技術によってサージが予測されると、圧縮機コントローラは、各種パーツを制御することによってサージを制御することができる。例えば、入口案内羽根及び／又は排出ディフューザ羽根が制御される、又は圧縮機の速度が上げられることによって、サージを制御することができる。これらの技術は比較的良好に機能しているが、これらのシステムが付加的な部品を要するため、コストを引き上げてしまう。更に、これらの技術は圧縮機の性能を低下しかねない。

したがって、本発明の１つの目的は、性能を低下することなくサージを制御する遠心圧縮機を提供することである。

本発明の別の目的は、過度に複雑な構造及び／又は追加パーツなしでサージを制御する遠心圧縮機を提供することである。

上記の目的の１つ以上は、基本的に、以下のような、チラーにおいて使用されるように適合された遠心圧縮機を提供することによって達成可能である。この遠心圧縮機は、入口部分よび出口部分を有するケーシングと、入口部分に配置された入口案内羽根と、入口案内羽根の下流に配置され、軸方向を規定する回転軸周りに回転可能であり、少なくとも第１の流量位置と第２の流量位置との間において軸方向に沿ってケーシング内で調節可能に実装されたインペラと、インペラを回転させるように配置及び構成されたモータと、インペラの下流で出口部分に配置されたディフューザであって、このとき出口部分の出口ポートがインペラとディフューザとの間に位置している、ディフューザと、を備える。

本発明の上記及びその他の目的、特徴、態様、及び効果は、以下の記載から当業者に明らかとなろう。以下の記載では、添付の図面と合わせて好適な実施形態を開示する。

ここで、本開示の一部を構成する添付の図面を参照する。

本発明の一実施形態に係るチラーを示す。

図１に示すチラーの遠心圧縮機の斜視図であり、説明のため一部を切り取り、その断面を示している。

図２に示した遠心圧縮機のインペラ、モータ、及び磁気軸受の縦断面図である。

図１〜図３に示す遠心圧縮機の軸受、インペラ、ケーシング、ディフューザ入口の一部を示す概略縦断面図であり、インペラは、ディフューザ入口を部分的に開口する（＜１００％）軸方向位置にある。

図１〜図４に示す遠心圧縮機の軸受、インペラ、ケーシング、ディフューザ入口の一部を示す概略縦断面図であり、インペラはディフューザ入口を完全に開口する（１００％）軸方向位置にある。

回転磁気軸受のシャフトの軸方向図であり、ラジアル磁気軸受の場所を示している。

遠心圧縮機の３種類の毎分回転数（ｒｐｍ）に対する流量と比べてヘッドを示すグラフであり、サージラインも示している。

図２及び図３に示したスラスト磁気軸受の部分断面平面図である。

図２、図３、及び図８に示したスラスト磁気軸受の破断斜視図である。

運転容量を増加することによってサージを制御する方法を示すフロー図である。

図１及び図２に示したチラーシステムのチラーコントローラの概略図である。

図１及び図２に示したチラーシステムの磁気軸受アセンブリ、磁気軸受制御セクション６１、サージ予測セクション６２、及びサージ制御セクション６３の関係を示す概略図である。

ここで、選択した実施形態を、図面を参照しながら説明する。以下の実施形態の説明は単なる例示であり、添付の請求項及びそれらの均等物で定義される本発明を限定するためのものではないことは、本開示から当業者に明らかであろう。

まず図１を参照して、本発明の一実施形態に係るチラーシステム１０を説明する。チラーシステム１０は、好ましくは、従来の方法で冷却水及びチラー水を利用する水冷チラーである。本開示に示すチラーシステム１０は、単段チラーシステムである。ただし、チラーシステム１０が多段チラーシステムでもよいことは、本開示から当業者に明らかであろう。チラーシステム１０は、基本的に、コントローラ２０と、圧縮機２２と、凝縮器２４と、膨張弁２６と、蒸発器２８とを備え、これらの構成要素は互いに直列に接続されてループ冷凍サイクルを形成している。更に、図１に示すように、この回路に亘って各種センサＳ及びＴが配置されている。チラーシステム１０は、本発明に従ってサージを制御する点を除き、従来のものである。

図１〜図３を参照すると、この例示実施形態において、圧縮機２２は遠心圧縮機である。この例示実施形態の遠心圧縮機２２は、基本的に、ケーシング３０と、入口案内羽根３２と、インペラ３４と、ディフューザ３６と、モータ３８と、磁気軸受アセンブリ４０とを備え、従来の各種センサ（一部のみ図示）も備えている。コントローラ２０は、以下で更に詳細に説明するように、各種センサから信号を受信し、入口案内羽根３２、モータ３８、及び磁気軸受アセンブリ４０を従来の方法で制御する。冷媒は、入口案内羽根３２、インペラ３４、及びディフューザ３６の中を順に流れる。入口案内羽根３２は、インペラ３４に入る冷媒ガスの流量を従来の方法で制御する。インペラ３４は、一般に冷媒ガスの圧力を変更することなく、その速度を増加させる。モータ速度によって、冷媒ガスの速度の増加量が決まる。ディフューザ３６は、冷媒速度を変更することなく冷媒圧力を増加させる。モータ３８は、シャフト４２を介してインペラ３４を回転させる。磁気軸受アセンブリ４０は、シャフト４２を磁気的に支持する。このようにして、冷媒は遠心圧縮機２２で圧縮される。ケーシングは、入口部分３１ａ及び出口部分３１ｂを有する。出口部分３１ｂの出口ポート３７は、ディフューザ３６に至る。

この例示実施形態において、チラーシステム１０は、従来の方法でサージを予測する。例えば、米国特許第５０９５７１４号を参照されたい。しかし、チラーシステム１０は、サージを予測する際、本発明に従いサージを制御する。特に、コントローラ２０は、以下でより詳細に説明するように、磁気軸受アセンブリ４０に送られる電流を制御することによって、インペラ３４の軸方向位置を制御する。

図２〜図３を参照すると、磁気軸受アセンブリ４０は従来のものである。したがって、本発明に関連する内容を除き、ここにおいて詳細に説明及び／又は図示しない。つまり、本発明から逸脱することなく好適な磁気軸受であればいずれも使用可能であることは、当業者に明らかである。図２からわかるように、磁気軸受アセンブリ４０は、好ましくは、第１のラジアル磁気軸受４４と、第２のラジアル磁気軸受４６と、アキシャル（スラスト）磁気軸受４８とを備える。いずれの場合においても、少なくとも１つのラジアル磁気軸受４４又は４６は、シャフト４２を回転可能に支持する。スラスト磁気軸受４８は、スラストディスク４５に作用することによって、回転軸Ｘに沿ってシャフト４２を支持する。スラスト磁気軸受４８は、シャフト４２に装着されたスラストディスク４５を備える。スラストディスク４５は、回転軸Ｘに直交する方向にシャフト４２から径方向に延び、シャフト４２に固定されている。回転軸Ｘに沿ったシャフト４２の位置（軸方向位置）は、本発明に従って、スラストディスク４５の軸方向位置によって制御される。第１及び第２のラジアル磁気軸受４４、４６を、モータ３８の対向する軸方向端部に配してもよいが、モータ３８に対して同じ軸方向端部に配することも可能である（不図示）。以下でより詳細に説明する各種センサは、磁気軸受４４、４６、４８に対するシャフト４２の径方向及び軸方向位置を検知し、従来の方法で信号を磁気軸受制御セクション６１に送信する。磁気軸受制御セクション６１は、次に、従来の方法で、磁気軸受４４、４６、４８に送信される電流を制御することによって、シャフト４２を正しい位置に維持する。磁気軸受アセンブリ４０の磁気軸受４４、４６、４８等の磁気軸受及び磁気軸受アセンブリの動作は、当該技術分野において周知であるため、磁気軸受アセンブリ４０について、本発明に従ったサージ制御に関する内容を除き、ここでは詳細に説明及び／又は図示しない。

磁気軸受アセンブリ４０は、好ましくは、能動型磁気軸受４４、４６、４８の組み合わせであり、非接触型位置センサ５４、５６、５８を利用してシャフト位置を監視し、シャフト位置を示す信号を磁気軸受制御セクション６１に送信する。したがって、磁気軸受４４、４６、４８はそれぞれ、好ましくは、能動型磁気軸受である。磁気軸受制御セクション６１は、この情報を使用することによって、磁気アクチュエータへの所要電流を調節し、径方向及び軸方向の両方において適切なロータ位置を維持する。能動型磁気軸受は当該技術分野において周知であるため、本発明に従ったサージ制御に関する内容を除き、ここでは詳細に説明及び／又は図示しない。

図１、図２、及び図１１を参照すると、コントローラ２０は、磁気軸受制御セクション６１と、サージ予測セクション６２と、サージ制御セクション６３と、可変周波数ドライブ６４と、モータ制御セクション６５と、入口案内羽根制御セクション６６と、膨張弁制御セクション６７とを備える。磁気軸受制御セクション６１、サージ予測セクション６２、サージ制御セクション６３、可変周波数ドライブ６４、モータ制御セクション６５、及び入口案内羽根制御セクション６６は、圧縮機２２のＩ／Ｏインターフェース５０に電気的に連結される遠心圧縮機制御部分のパーツを形成している。

磁気軸受制御セクション６１は、磁気軸受アセンブリ４０のいくつかの部分に接続され、コントローラ２０の様々なセクションと通信しているため、コントローラ２０の様々なセクションは、圧縮機２２のセンサ５４，５６，５８から信号を受信し、計算を行い、磁気軸受アセンブリ４０等の圧縮機２２のパーツに制御信号を送信することができる。同様に、コントローラ２０の様々なセクションは、センサＳ、Ｔから信号を受信し、計算を行い、圧縮機２２（例えば、モータ）及び膨張弁２６に制御信号を送信することができる。制御セクション及び可変周波数ドライブ６４は、別個のコントローラであっても、又は本開示に記載するパーツの制御を実行するようにプログラミングされたチラーコントローラの単にセクションであってもよい。言い換えると、本開示で説明するように、１つ以上のコントローラがチラーシステム１０のパーツの制御を実行するようにプログラミングされている限り、本発明から逸脱することなく、制御セクション、制御部分、及び／又はコントローラ２０の厳密な数、場所、及び／又は構造が変更可能であることは、本開示から当業者に明らかである。

コントローラ２０は、従来のものであり、したがって、少なくとも１つのマイクロプロセッサ又はＣＰＵと、入力／出力（Ｉ／Ｏ）インターフェースと、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）と、リード・オンリ・メモリ（ＲＯＭ）と、（一時又は永久）記憶装置とを備え、１つ以上の制御プログラムを実行することによってチラーシステム１０を制御するようにプログラミングされたコンピュータ可読媒体を形成している。コントローラ２０は、任意で、キーパッド等のユーザからの入力を受信する入力インターフェースと、ユーザに対して各種パラメータを表示するために使用される表示装置とを備えてもよい。これらのパーツ及びプログラミングは、サージ制御に関する内容以外は従来のものであるため、実施形態の理解に必要である場合を除き、ここでは詳細に説明しない。

磁気軸受制御セクション６１は、通常、磁気軸受アセンブリ４０のセンサ５４、５６、５８から信号を受信し、磁気軸受４４、４６、４８に電気信号を送信することによって、従来の方法でシャフト４２を所望の位置に維持する。より具体的には、磁気軸受制御セクション６１は、サージが予測されていない通常動作の間、磁気軸受制御プログラムを実行することによって、従来の方法でシャフト４２を所望の位置に維持するようにプログラミングされている。しかし、サージが予測されたら、シャフト４２の軸方向位置を、サージ制御セクション６２及びアキシャル磁気軸受４８を使用して調節することができる。したがって、シャフト４２に固定されるインペラ３４の軸方向位置は、以下でより詳細に説明するように、ディフューザ３６に対して調節可能である。

可変周波数ドライブ６４及びモータ制御セクション６５は、少なくとも１つのモータセンサ（不図示）から信号を受信し、モータ３８の回転速度を制御して、従来の方法で圧縮機２２の容量を制御する。より具体的には、可変周波数ドライブ６４及びモータ制御セクション６５は、従来の方法で圧縮機２２の容量を制御するため、モータ３８の回転速度を制御するモータ制御プログラムを１つ以上実行するようにプログラミングされている。入口案内羽根制御セクション６６は、少なくとも１つの入口案内羽根センサ（不図示）から信号を受信し、入口案内羽根３２の位置を制御して、従来の方法で圧縮機２２の容量を制御する。より具体的には、入口案内羽根制御セクション６６は、従来の方法で圧縮機２２の容量を制御するため、入口案内羽根３２の位置を制御する入口案内羽根制御プログラムを実行するようにプログラミングされている。膨張弁制御セクション６７は、膨張弁２６の開度を制御することによって、従来の方法でチラーシステム１０の容量を制御する。より具体的には、膨張弁制御セクション６７は、従来の方法でチラーシステム１０の容量を制御するため、膨張弁２６の開度を制御する膨張弁制御プログラムを実行するようにプログラミングされている。モータ制御セクション６５及び入口案内羽根制御セクション６６は協働し、膨張弁制御セクション６７と共に、従来の方法でチラーシステム１０の全容量を制御する。コントローラ２０は、センサＳ、並びに、任意でセンサＴから信号を受信することによって、従来の方法で全容量を制御する。任意のセンサＴは、温度センサである。センサＳは、好ましくは、上記制御を行うために従来の方法で使用される、従来の圧力センサ及び／又は温度センサである。

各磁気軸受４４は、複数のアクチュエータ７４と、少なくとも１つの増幅器８４とを備える。同様に、各磁気軸受４６は、複数のアクチュエータ７６と、少なくとも１つの増幅器８６とを備える。同じく、各磁気軸受４８は、複数のアクチュエータ７８と、少なくとも１つの増幅器８８とを備える。各磁気軸受４４、４６、４８の増幅器８４、８６、８８は、その数のアクチュエータを制御するマルチチャンネル増幅器であってもよいし、各アクチュエータ７４、７６、７８に対して個別の増幅器を備えていてもよい。いずれの場合においても、増幅器８４、８６、８８は、各磁気軸受４４、４６、４８のアクチュエータ７４、７６、７８に電気的に接続される。

図１１及び図１２を参照すると、磁気軸受制御セクション６１は、サージ制御セクション６３に電気的に接続され、サージ制御セクション６３から信号を受信する。磁気軸受制御セクション６１は、シャフト４２の所望の軸方向位置を磁気軸受４８のシフト可能な範囲内の任意の箇所に調節することができる。磁気軸受制御セクション６１は、シャフト４２の軸方向位置を調節するため、磁気軸受４８の増幅器８８に対する電気信号を調節するようにプログラミングされている。磁気軸受４８は、２つのチャンネルを有し、磁気軸受４８の各アクチュエータ７８を独立に制御する増幅器８８を有してもよいし、又は磁気軸受４８の各アクチュエータ７８に対応する固有の増幅器８８を有していてもよい。磁気軸受４８のアクチュエータ７８は、磁力を働かせてスラストディスク４５に作用する。磁気軸受４８のアクチュエータ７８は、電流に基づいて磁力を発生する。したがって、この磁力は、以下で更に詳細に説明するように、各アクチュエータ７８に供給される電流量を制御することによって、様々に制御可能である。

例示の実施形態において、磁気軸受４８は、スラストディスク４５と、スラストディスク４５の対向面に配された２つのアクチュエータ７８と、スラストディスク４５の対向面に配された２つの位置センサ５８と、２つのアクチュエータ７８に電気的に接続された増幅器８８と、磁気軸受制御セクション６１とを備える。磁気軸受制御セクション６１は、コントローラ２０の増幅器８８、位置センサ５８、及びその他の部分に電気的に接続される。各アクチュエータ７８は、増幅器８８からそれぞれの電流を受信する。それぞれ電流は、磁気軸受制御セクション６１によって決定され、信号で増幅器８８に伝達される。磁気軸受４８のアクチュエータ７８は、２つのアクチュエータ７８の合力が平衡に至る軸方向位置にスラストディスク４５を付勢する。通常動作の間、シャフト４２は、図５に示すように流量が１００％である軸方向位置に配置される。

本発明の磁気軸受制御セクション６１は、少なくとも１つの外部信号を受信するように設けられる点で、従来の磁気軸受コントローラと異なる。この少なくとも１つの外部信号は、所望の軸方向位置への調節を示し、サージが予測されることに応答して必要となる調節信号である。磁気軸受制御セクション６１は、この調節信号を受信し、磁気軸受４８の増幅器８８に出力される、磁気軸受４８のアクチュエータ７８に供給される電流量を示す信号を調節するようにプログラミングされている。言い換えると、本発明の磁気軸受制御セクション６１は、受信する調節信号に基づいてシャフト４２の軸方向位置を調節する。

チラー１０のその他の全ての態様が一定である場合、その入口に対するインペラ３４の軸方向位置によって、インペラ３４から出る冷媒の流量及び冷媒流れの速度が決定される。この冷媒の流量はまた、圧縮機２２の容量に影響を与える。シャフト４２が磁気軸受４８のシフト可能な範囲内の任意の箇所にシフト可能であり、インペラ３４がシャフト４２に装着されているため、インペラ３４も軸方向において無数の位置にシフト可能である。インペラの軸方向位置はそれぞれ、固有の流量及び固有の速度をもたらす。したがって、圧縮機のインペラ３４からの冷媒の流量及び速度は、無限に調節可能である。図４は、流量が１００％未満であるインペラ３４の軸方向位置を示し、この位置は、ディフューザ３６に対して最も近接する位置（図５参照）を除く、シフト可能な範囲内の任意の箇所であってもよい。図５は、流量が１００％であるインペラ３４の軸方向位置を示し、このインペラ３４は、シフト可能な範囲の、ディフューザ３６に最も近接した箇所に配置されている。

サージ制御セクション６３は、サージ予測セクション６２からの信号受信時にサージを制御するようにプログラミングされている。サージ予測セクション６２からの信号は、サージが起こるとの予測を示す。サージ予測セクション６２は、米国特許第５０９５７１４号で説明される例などの従来の方法でサージを予測しても、本開示に照らして明らかであるように、本発明の範囲を逸脱することなくその他の任意の手法を用いてサージを予測してもよい。しかし、この例示実施形態では、サージ制御セクション６３は、インペラ３４の軸方向位置を調節することによって（本開示に示す複数の図では右側にインペラを移動することによって）、即ち図５に示す流量１００％位置から、開きが少なくなる流量＜１００％位置（図４においてのみ図示）に向かって調節することによって、サージを制御する。軸方向でインペラ３４をいっぱいに位置調節してもサージ予測セクション６２で予測されたサージの除去に不十分な場合には、本開示で説明及び図示する手法に加えて、モータ３８の回転速度の増加及び／又は入口案内羽根の調節等の他の従来の手法を任意に使用可能である。ただし、ここに開示するインペラ３４の軸方向位置調節から実現されるサージ制御を用いれば、１つ以上の従来のサージ制御手法を回避及び／又は省くことができる。例えば、ディフューザ羽根を用いるサージ制御を省くことができる。

サージ制御セクション６３は、軸受制御セクション６１に電気的に接続される。サージ制御セクション６３は、磁気軸受制御セクション６１に調節信号を送信して、サージを制御する。より具体的には、サージ制御セクション６３は、シャフト４２を軸方向にシフトすることによってサージを制御する。より具体的には、サージ制御セクション６３は、インペラ３４の軸方向位置への調節を示す調節信号を出力するようにプログラミングされている。この調節は、調節可能範囲の一部に対応する。例えば、各調節は、調節可能範囲の５％、１０％、又は１５％になり得る。したがって、サージ制御セクション６３は、インペラ３４を段階的にシフトすると発生する圧縮機２２の流量を調節することによってサージを制御するようにプログラミングされている。

サージ制御セクション６３は、通常の動作位置（図５に例示）から多数の調節位置（図４に１つのみ例示）にインペラ３４の軸方向位置を調節するようにプログラミングされている。前述のような段階的な調節は、本開示に従ってインペラの軸方向位置を調節できる方法の単なる一例である。これに代えて、調節信号は、サージ制御セクション６３が算出するような予測サージの制御にどのくらいシフト量が必要かの決定、又は、以下で更に詳細に説明するようなマップ等の所定値に基づいて、サージ制御セクション６３から磁気軸受制御セクション６１に送信される単一の調節量を示してもよい。

サージ制御セクション６３は、インペラ３４の位置の調節量を決定するようにプログラミングされている。サージ制御セクション６３は、圧縮機２２の少なくとも１つの動作パラメータに基づいて調節量を決定するようにプログラミングされている。より具体的には、サージ制御セクション６３は、本開示に照らして明らかであるように、予測サージに基づいて対象流量を決定するようにプログラミングされている。例えば、対象流量は、インペラ３４の入口における冷媒の圧力、及び、ディフューザ内の冷媒の圧力のうち少なくとも一方に基づいて決定可能である。サージ制御セクション６３が対象流量を決定すると、サージ制御セクション６３は、次に、その対象流量をもたらすインペラ３４の軸方向位置への調節量を算出する。するとサージ制御セクション６３は、インペラ３４の軸方向位置へのその調節量を示す信号を磁気軸受制御セクション６１に送信する。非限定的な例として、サージは、冷媒の速度を増加させることによって制御可能である。冷媒の速度が増加すると、動作範囲が広がる。したがって、サージ制御セクション６３は、調節可能範囲の一部に対応する調節信号を生成することができる。例えば、調節信号から得られる各調節量を、調節可能範囲の５％、１０％、又は１５％とすることができる。

上記調節信号に応答して、磁気軸受制御セクション６１は、通常の動作位置からその調節位置に軸方向にインペラをシフトさせる。通常の動作位置では第１流量であり、調節位置では第２流量となる。非限定的な例として、第１流量は、図５に示すように圧縮機２２のピーク流量（１００％）であり、第２流量は、図４に示すように圧縮機２２のピーク流量未満である。調節信号も、サージ制御セクション６３が実行するようにプログラミングされているサージ制御方法に基づいて決定される異なる流量に依存する。サージの予測に基づいて必要な調節量を算出する各種方法を使用可能であることは、本開示に照らして当業者に明らかである。

図４及び図５を参照すると、流量は、インペラ３４を出る冷媒の速度に影響を与える。インペラ３４の通常の動作位置において、間隙Ｃは小さく、冷媒がインペラを出るギャップＧは大きい。図４〜図５において、圧縮機のこの間隙及び構造は、理解しやすいように大幅に簡素化されている。この通常配置（図５）において、インペラ３２から出る冷媒の流量は通常であり、速度も通常である。図４に示すように、サージが起こるとの予測に応答してインペラ３４がシフトすると、ギャップＧが通常の動作位置と比較すると小さくなる。調節後の配置では、インペラ３２から出る冷媒の流量は、通常配置における冷媒の流量よりも少なく、冷媒の速度は、通常配置における冷媒の速度よりも大きくなる。間隙Ｃも拡大するが、図２から分かるように、間隙Ｃはインペラに冷媒を供給する入口案内羽根からの好適なシールとなることから、間隙Ｃはインペラ３４を出る冷媒の流量及び速度への影響を与えない。冷媒の流量及び速度の違いは、調節後の配置で狭くなったギャップＧの結果である。本開示に照らして明らかなように、また上述したように、一般に、間隙Ｃに対する変化は冷媒の流量及び速度に対する変化を妨げることはない。

第２流量及び第２速度（インペラ３４の調節位置）は、いくつかの手法で決定可能である。一実施形態において、サージ制御セクション６３は、流量を段階的に調節可能である。例えば、サージ制御セクション６３がサージ予測セクション６２から信号を受信した場合に、サージ制御セクションは、インペラ３４の位置を調節することによって、流量を５％調節することができる。サージ制御セクション６３が流量を５％調節した後、サージ予測セクション６２がサージを予測すると、サージ制御セクション６３は、インペラ３４の位置調節により、流量を１０％調節する。この流量の段階的調節のサイクルは、サージ予測セクション６２によるサージ予測がなくなるか、サージ制御セクション６３が最大調節量に至るまで継続される。

あるいは、第２流量及び第２速度（インペラ３４の調節位置）を、サージの予測量に基づいてサージ制御セクション６３によって決定してもよい。言い換えると、サージ制御セクション６３は、サージ予測セクション６２がサージ量Ｘを予測する場合、サージ量Ｘに見合う調節量を決定するようにプログラミングされてもよい。サージ量Ｘに見合う調節量に基づいて、サージ制御部は、その調節量に基づいて調節信号を生成し、インペラ３４の位置を調節することができる。

また、第２流量及び第２速度（インペラ３４の調節位置）を、所定量に基づいてサージ制御セクション６３によって決定してもよい。例えば、調節量を、静的値、又は所定のマップに基づくものにすることができる。サージ制御セクション６３は、サージ制御セクション６３がサージを予測する信号を受信し、インペラ３４の位置を所定値に調節するたびに、デフォルトで所定の静的調節量となってもよい。あるいは、サージ制御セクション６３は、所定マップに基づいて調節量を決定してもよい。この所定マップは、サージ予測セクション６２がサージを予測した時点又は継続時間に対する調節量を示し、インペラ３４の位置を所定マップに基づいて決定した位置に調節することができる。このような所定マップは大抵、実験から生成されてコントローラ２０にプログラミングされる。

従来、入口案内羽根制御セクション６６は、入口案内羽根３２を制御することによって、インペラへの冷媒ガスの流量を制御する。例えば、案内羽根制御セクションは、システムの対象容量を決定し、対象容量に至るために必要な案内羽根３２の調節量を決定し、対象容量を達成するように案内羽根３２を制御して、サージを制御することができる。しかし、調節可能な案内羽根３２は、従来のチラーシステムを複雑にし、それが搭載される従来のチラーシステムでは１つの破損点となる。同じく、遠心圧縮機には調節可能なディフューザ羽根を利用しているものがあるが、この羽根を省略することができる。

ここに記載する技術を用いてサージを制御することによって、チラーシステム１０は、入口案内羽根／案内羽根制御セクション、及び／又は、調節可能なディフューザ案内羽根を介してサージを制御するものには限定されなくなる。更に、その他の調節構造も省略できる、又は不要とできる可能性がある。言い換えると、ディフューザは、ディフューザ羽根（調節可能なディフューザ羽根）（不図示）を有さなくてもよい。あるいは、入口案内羽根を、固定し、調節可能としなくてもよい（不図示）。案内羽根３２をなくすことによって、チラーシステム１０の信頼性が増加し、コストを削減することができる。

図７を参照すると、サージは、圧縮機における定常流の完全な崩壊であり、通常、低流量時に起こる。図７は、サージラインＳＬを示し、このラインは、ｒｐｍ１、ｒｐｍ２、及びｒｐｍ３におけるサージ点Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３をそれぞれ繋いている。これらの点は、圧縮機によって生成される圧力がその圧縮機下流のパイプ圧力を下回っているピーク点である。これらの点は、サージサイクルの開始を示す。破線ＰＡは、サージ制御ラインを示している。ラインＰＡとラインＳＬとの間に距離があると、サージ制御方法が非効率であることになる。サージ制御ラインＰＡとサージラインＳＬとの差を低減することによって、圧縮機２２をより効率的に制御することができる。上記サージ制御方法の１つの利点は、新規のサージ制御方法を提供すること、これにより、これまでの方法と比べてサージ制御ラインＰＡをサージラインＳＬに近づけられることである。
＜用語の一般的解釈＞

本発明の範囲を理解するにあたって、ここで使用する用語「含む／備える(comprising)」及びその派生語は、上記で述べた特徴、要素、部品、群、数値、及び／又は工程の存在を明記するものであるが、述べていないその他の特徴、要素、部品、群、数値、及び／又は工程の存在を除外しない非限定的用語であることを意図している。また、上記は、用語「備える／含む／有する(including、having)」及びその派生語等の同様の意味を有する単語にも適用される。さらに、用語「パーツ(part)」、「セクション(section)」、「部分(portion)」、「部材(member)」、「要素(element)」は、単数形で使用されていても、単数複数双方の意味を有し得る。

部品、セクション、装置等が実行する動作又は機能の説明のためにここで使用する用語「検出」は、物理的な検出を要するものではなく、その動作又は機能を実行するための決定、測定、モデリング、予測、演算等を含む。

装置の部品、セクション、又はパーツの説明のためにここで使用する用語「構成される」は、所望の機能を実行するために構築及び／又はプログラミングされたハードウェア及び／又はソフトウェアを含む。

ここで使用する「略(substantially)」、「約(about)」、「およそ(approximately)」等の度合いを示す用語は、最終結果が実質的に変わらないような被修飾語の妥当な偏移量を意味する。

本発明を説明するために特定の実施形態のみを選択してきたが、ここでは、添付の請求項において定義される発明の範囲を逸脱することなく種々の変更及び修正が可能であることは、本開示から当業者に明らかである。例えば、各種部品のサイズ、形状、場所、又は向きは、必要又は所望に応じて変更可能である。互いに直接的に接続又は接触するように示されている部品は、それらの間に中間構造体を配してもよい。単一要素の機能を、２つの要素で実行可能であり、その逆も同様である。一実施形態の構造及び機能を、別の実施形態で用いてもよい。特定の実施形態に全ての利点が同時に含まれていなくてもよい。従来技術と比べて固有の特徴はすべて、単独としてもその他の特徴と組み合わせとしても、これら１つ以上の特徴によって具体化される構造的及び／又は機能的概念を含む、本出願人による更なる発明の別個の記載として見なされるべきものである。したがって、本発明に係る実施形態の上記説明は、単なる例示であり、添付の請求項及びそれらの均等物によって定義される発明の限定を目的とするものではない。

Claims (14)

1. チラーにおいて使用されるように適合された遠心圧縮機であって、
   入口部分及び出口部分を有するケーシングと、
   前記入口部分に配置された入口案内羽根と、
   前記入口案内羽根の下流に配置され、軸方向を規定する回転軸周りに回転可能であり、少なくとも第１の流量位置と第２の流量位置との間において前記軸方向に沿って前記ケーシング内で調節可能に設けられたインペラと、
   前記インペラを回転させるように配置及び構成されたモータと、
   前記インペラの下流で前記出口部分に配置されたディフューザであって、前記出口部分の出口ポートが前記インペラと前記ディフューザとの間に位置している、ディフューザと、を備える、遠心圧縮機。
2. 少なくとも前記第１の流量位置及び前記第２の流量位置の間において前記インペラの調節を制御するように構成されたインペラ軸方向位置制御機構を更に備える、
   請求項１に記載の遠心圧縮機。
3. 前記インペラは、前記モータによって回転されるように配置及び構成されたシャフトに取り付けられており、
   前記インペラ軸方向位置制御機構は、前記シャフトに装着されたスラスト軸受を備え、前記スラスト軸受は、少なくとも前記第１の流量位置及び前記第２の流量位置の間において前記インペラが移動するように前記ケーシング内で調節可能に設けられている、
   請求項２に記載の遠心圧縮機。
4. 前記スラスト軸受はスラスト磁気軸受であり、前記スラスト磁気軸受に対する電流の流れを調節することによって調節可能である、
   請求項３に記載の遠心圧縮機。
5. 前記シャフトは、ラジアル磁気軸受によって回転可能に支持されている、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の遠心圧縮機。
6. 前記インペラ軸方向位置制御機構は、前記遠心圧縮機の少なくとも１つの運転パラメータに基づいて、前記スラスト磁気軸受の調節を制御するようにプログラミングされたコントローラを更に備える、
   請求項４に記載の遠心圧縮機。
7. 前記遠心圧縮機の前記少なくとも１つの動作パラメータは、前記インペラの入口における圧力及び前記ディフューザ内の圧力の少なくとも一方を含む、
   請求項６に記載の遠心圧縮機。
8. 前記遠心圧縮機の前記少なくとも１つの動作パラメータは、前記インペラの入口における圧力と前記ディフューザ内の圧力との差を含む、
   請求項７に記載の遠心圧縮機。
9. 前記第１の流量位置及び前記第２の流量位置のうち一方は流量１００％位置であり、前記第１の流量位置及び前記第２の流量位置のうち他方は流量＜１００％位置である、
   請求項１から８のいずれか１項に記載の遠心圧縮機。
10. 前記インペラは、前記流量＜１００％位置において、前記流量１００％位置よりも、前記出口部分との軸方向の重なりが少ない、
    請求項９に記載の遠心圧縮機。
11. 前記インペラは、前記軸方向に沿って無数の流量位置の間で前記ケーシング内に調節可能に設けられている、
    請求項１から１０のいずれか１項に記載の遠心圧縮機。
12. 前記ディフューザは、ディフューザ羽根を含まない、
    請求項１から１１のいずれか１項に記載の遠心圧縮機。
13. 前記ディフューザは、調節可能な案内羽根を含まない、
    請求項１から１２のいずれか１項に記載の遠心圧縮機。
14. 前記入口案内羽根は、調節可能ではない、
    請求項１から１３のいずれか１項に記載の遠心圧縮機。

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