JP2019525058A - 遠心圧縮機及び遠心圧縮機用の磁気軸受バックアップシステム - Google Patents

Abstract

遠心圧縮機（２２、２２’）は、ケーシング（３０）と、インペラ（３４ａ、３４ｂ）と、モータ（３８）と、ディフューザ（３６ａ、３６ｂ）と、磁気軸受（４４、４６）と、少なくとも１つの動的気体軸受（８０）及び少なくとも１つの静圧気体軸受（８２）を含む軸受保持システム（５０）と、を含む。インペラ（３４ａ、３４ｂ）は、回転軸（Ｘ）を中心に回転自在にシャフト（４２）に取り付けられている。モータ（３８）は、インペラ（３４ａ、３４ｂ）を回転させるためにシャフト（４２）を回転させるように構成され配置される。磁気軸受（４４、４６）は回転自在にシャフト（４２）を支持する。磁気軸受バックアップシステム（５０）は、磁気軸受（４４、４６）が動作を停止したときにシャフト（４２）を支持するように構成され配置される。軸受保持システム（５０）の少なくとも１つの動的気体軸受（８０）及び少なくとも１つの静圧気体軸受（８２）は、磁気軸受（４４、４６）に対して径方向内側に配置されている。

Description

本発明は、概してチラーシステムに用いられる遠心圧縮機に関する。より詳細には、本発明は、磁気軸受バックアップシステムを備えた遠心圧縮機に関する。

チラーシステムは、媒体から熱を除去する冷凍機器又は冷凍装置である。一般に、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で動作する。この液体は、熱交換器を通して循環され、必要に応じて空気又は装置を冷却することができる。必然の副生成物として、冷却は廃熱を生成し、廃熱は周囲に排出するか、より効率的には、加熱目的で回収する必要がある。従来のチラーシステムは、ターボ圧縮機と呼ばれる遠心圧縮機を使用することが多い。したがって、そのよう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、他のタイプの圧縮機、例えば、スクリュー圧縮機を利用することができる。

従来の（ターボ）チラーでは、冷媒は遠心圧縮機で圧縮され、熱交換器に送られ、そこで冷媒と熱交換媒体（液体）との間で熱交換が生じる。この熱交換器では、冷媒がこの熱交換器で凝縮するので、凝縮器と呼ばれる。その結果、媒体（液体）に熱が伝達され、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、別の熱交換器に送られて、そこで冷媒と熱交換媒体（液体）との間で熱交換が生じる。この熱交換器では、冷媒がこの熱交換器で加熱される（蒸発する）ので、蒸発器と呼ばれる。その結果、媒体（液体）から冷媒に熱が伝達され、液体が冷却される。次に、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。利用される液体は、水であることが多い。

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ている。冷媒は、入口案内羽根、インペラ、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入口に連結され、一方、ディフューザは、インペラのガス出口に連結される。入口案内羽根は、インペラ内への冷媒ガスの流量を制御する。インペラは、冷媒ガスを増速する。ディフューザは、インペラによって与えられる冷媒ガスの速度（動圧）を（静的な）圧力に変換する働きをする。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。このようにして、冷媒は従来の遠心圧縮機で圧縮される。従来の遠心圧縮機は、１段又は２段を有することができる。モータはシャフトを介して１つ以上のインペラを回転させる。軸受システムは、このモータのシャフトを支持する。

従来の遠心圧縮機の軸受システムは、気体軸受を含むことができる。気体軸受は、冷媒ガスを使用してモータのシャフトを支持する。例えば、米国特許第５，８５７，３４８号を参照されたい。

遠心圧縮機では、磁気軸受も軸受システムとして使用可能である。磁気軸受は、磁力を利用してモータの回転軸を支持する。磁気軸受は、物理的接触なしに回転軸を支持するので潤滑剤を必要としないという利点を有するが、磁気軸受は、電力システム又は制御システムの故障の場合にバックアップ軸受システムを必要とする。

磁気軸受のバックアップ軸受システムとして、ボール軸受又はセラミック軸受などの転がり軸受を使用することができる。しかし、ボール軸受は潤滑剤が必要であり、そのようなオイル潤滑式軸受は信頼性の面で十分ではないことがわかっている。また、セラミック軸受は、潤滑剤を必要としないものの比較的高価であることがわかっている。

したがって、本発明の目的は、潤滑剤を必要とせず、比較的低コストで比較的高い信頼性を達成する磁気軸受バックアップシステムを備えた遠心圧縮機を提供することにある。

上述の目的の１つ以上は、基本的に、チラーシステムに使用されるように適合された以下の遠心圧縮機を提供することで実現される。遠心圧縮機は、ケーシング、インペラ、モータ、ディフューザ、磁気軸受、ならびに少なくとも１つの動的気体軸受及び少なくとも１つの静圧気体軸受を含む磁気軸受バックアップを備える。ケーシングは、入口部分と出口部分とを有する。インペラは、回転軸を中心に回転可能なシャフトに取り付けられている。モータは、シャフトを回転させてインペラを回転させるように構成され配置されている。ディフューザは、インペラの下流の出口部分に配置される。磁気軸受はシャフトを回転可能に支持する。磁気軸受バックアップシステムは、磁気軸受が動作を停止したときにシャフトを支持するように構成される。磁気軸受バックアップシステムの少なくとも１つの動的気体軸受及び少なくとも１つの静圧気体軸受は、磁気軸受に対して径方向内側に配置される。

前述の目的の１つ以上は、チラーシステムに使用されるように適合された遠心圧縮機用の磁気軸受バックアップシステムを提供することによっても達成される。磁気軸受バックアップシステムは、動的気体軸受及び静圧気体軸受から選択される少なくとも１つの気体軸受を含む。少なくとも１つの気体軸受は、磁気軸受が動作を停止したときに遠心圧縮機のシャフトを支持するように構成され配置される。少なくとも１つの気体軸受は、遠心圧縮機の磁気軸受に対して径方向内側に配置される。

本発明のこれら及び他の目的、特徴、観点及び利点は、添付の図面と併せて、好適な実施形態を開示する以下の詳細な説明から当業者に明らかになるであろう。

ここで本開示内容の一部を形成する添付図面を参照する。

本発明の一実施形態による遠心圧縮機を有する一段チラーシステムを示す概略図である。

本発明の一実施形態による遠心圧縮機を有する二段チラーシステム（エコノマイザ付）を示す概略図である。

図２に示したチラーシステムの遠心圧縮機の斜視図であり、説明用に部分的に破断して断面で示してる。

本発明の一実施形態による磁気軸受バックアップシステムを備えた図２及び図３に示す遠心圧縮機のインペラ、モータ及び磁気軸受を示す概略縦断面図である。

本発明の一実施形態による磁気軸受バックアップシステムを備えた、図１〜図４に示された圧縮機のモータのシャフトの斜視図である。

磁気軸受バックアップシステム及び図５に示すシャフトの一部を示す拡大部分斜視図である。

図６の線７Ａ−７Ａに沿って見た、図５及び図６に示す磁気軸受バックアップシステムの静圧気体軸受の断面図である。

図６の断面線７Ｂ−７Ｂに沿って見た、図５及び図６に示す磁気軸受バックアップシステムの静圧気体軸受の断面図である。

図５〜図７に示す磁気軸受バックアップシステムの静圧気体軸受の斜視図であり、説明用に部分的に破断して断面で示している。

図５及び図６に示された磁気軸受バックアップシステムの動的気体軸受の斜視図であり、説明用に部分的に破断して断面で示している。

磁気軸受バックアップシステムの制御方法を示すフローチャートである。

以下、選択された実施形態を図面を参照して説明する。実施形態の以下の記載は、説明のためのみに提供され、添付の特許請求の範囲及びその等価物によって定義される本発明を限定する目的のためのものではないことは、本開示から当業者には明らかであろう。

最初に図１及び図２を参照すると、本発明の実施形態による遠心圧縮機２２及び２２’を有するチラーシステム１０及び１０’が示されている。図１の遠心圧縮機２２は一段圧縮機であり、したがって図１のチラーシステム１０は一段チラーシステムである。図２の遠心圧縮機２２’は２段圧縮機であり、したがって、図２のチラーシステム１０'は２段チラーシステムである。図２の２段チラーシステムは、オプションのエコノマイザも含む。図１および図２は、本発明による遠心圧縮機２２および２２’を使用することができるチラーシステムの２つの例を単に例示している。

チラーシステム１０及び１０’は、本発明による磁気軸受バックアップシステムを含む遠心圧縮機２２及び２２’を除いて従来のものである。したがって、チラーシステム１０及び１０’は、本発明による磁気軸受バックアップシステムを含む遠心圧縮機２２及び２２’を除いて、ここでは詳細に説明及び／又は図示されない。ただし、本発明の範囲を逸脱することなく、チラーシステム１０及び１０’の従来の部品を様々な方法で構成することができることは、当業者には明らかであろう。図示した実施形態では、チラーシステム１０及び１０’は、従来の方法で冷却水及び冷水を利用する水チラーであることが好ましい。

遠心圧縮機２２及び２２’は、遠心圧縮機２２’が２段圧縮機であることを除いて、互いに同一である。したがって、この開示から当業者には、一段圧縮機２２は、一部がないことを除いて、遠心圧縮機２２’と同一であることは明らかであろう。したがって、２段圧縮機２２’は、１段圧縮機２２の全ての部分を含み、追加部分も含む。したがって、圧縮の第２段に関する部分及び圧縮の第２段に関する変形（例えば、ハウジング形状、軸端形状など）を除いて、２段圧縮機２２’の説明及び図解は、１段圧縮機２２にも適用されることは、本開示から当業者には明らかであろう。これらの点を考慮し、かつ簡潔にするため、ここでは２段圧縮機２２’のみを詳細に説明及び／又は図示する。圧縮機２２’について以下に更に詳細に説明する。

再び図１〜図２を参照して、チラーシステム１０及び１０’の構成要素について簡単に説明する。チラーシステム１０は、基本的に、チラーコントローラ２０と、圧縮機２２と、凝縮器２４と、膨張弁２７又はオリフィス（膨張機構）２７と、蒸発器２８とを含み、これらを互いに直列に接続してループ冷凍サイクルを構成している。チラーシステム１０’は、チラーコントローラ２０と、遠心圧縮機２２’と、凝縮器２４と、膨張弁２５又はオリフィス（膨張機構）２５と、エコノマイザ２６と、膨張弁２７又はオリフィス（膨張機構）２７と、蒸発器２８とを含み、これらを互いに直列に接続してループ冷凍サイクルを構成している。しかし、エコノマイザ２６は取り外すことができる。いずれの場合も、従来の方法でチラーシステム１０及び１０’を制御するために、様々なセンサ（図示せず）がチラーシステム１０及び１０’の回路全体に配置されている。膨張機構２５，２７として、キャピラリチューブを用いることができる。

チラーシステム１０及び１０’は、本発明による磁気軸受バックアップシステム５０に冷媒ガスを供給する膨張弁（膨張機構）２９を更に含む。膨張弁２９は、圧縮機２２又は２２’と凝縮器２４との間の領域を接続する冷媒供給ラインに配置され、以下でより詳細に説明するように、磁気軸受バックアップシステム５０に冷媒ガスを供給する。

ここで図１〜４、主に図３及び図４を参照して、圧縮機２２’をより詳細に説明する。圧縮機２２’は、図示の実施形態では２段遠心圧縮機である。したがって、本明細書に示す圧縮機２２’は、２つのインペラを含む。しかし、圧縮機２２’は、３つ以上のインペラ（図示せず）を含んでも、図１に示すように一段圧縮機であってもよい。圧縮機２２’が図３及び図４に示すような磁気軸受バックアップシステム５０を含み、冷媒ガスが、図１、２及び４に示すように磁気軸受バックアップシステム５０に供給される点を除き、図示の実施形態の２段遠心圧縮機２２’は従来のものである。

遠心圧縮機２２’は、第１段インペラ３４ａと第２段インペラ３４ｂとを含む。遠心圧縮機２２’は更に、第１段入口案内羽根３２ａ、第１のディフューザ／ボリュート３６ａ、第２段入口案内羽根３２ｂ、第２ディフューザ／ボリュート３６ｂ、圧縮機モータ３８、及び磁気軸受アセンブリ４０を含み、従来の多種センサ（１つのみ図示）も含む。ケーシング３０は、遠心圧縮機２２’を覆う。ケーシング３０は、圧縮機２２’の１段目に対する入口部分３１ａと出口部分３３ａとを有する。ケーシング３０はまた、圧縮機２２’の第２段に対する入口部分３１ｂ及び出口部分３３ｂを含む。

チラーコントローラ２０は、以下でより詳細に説明するように、従来の方法で、様々なセンサから信号を受信し、入口案内羽根３２ａ及び３２ｂ、圧縮機モータ３８及び磁気軸受アセンブリ４０を制御する。冷媒は、第１段入口案内羽根３２ａ、第１段インペラ３４ａ、第２段入口案内羽根３２ｂ、第２段インペラ３４ｂを順に流れる。入口案内羽根３２ａ、３２ｂは、それぞれ、従来のようにインペラ３４ａ、３４ｂへの冷媒ガスの流量を制御する。インペラ３４ａ及び３４ｂは、ほぼ圧力を変化させることなく、冷媒ガスの速度を増加させる。モータ速度は、冷媒ガスの速度の増加量を決定する。ディフューザ／ボリュート３６ａ及び３６ｂは、冷媒圧力を増加させる。ディフューザ／ボリュート３６ａ及び３６ｂは、ケーシング３０に対して移動不能に固定されている。圧縮機モータ３８は、シャフト４２を介してインペラ３４ａ及び３４ｂ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。

チラーシステム１０の運転時には、圧縮機２２’の第１段インペラ３４ａ及び第２段インペラ３４ｂが回転され、第１段インペラ３４ａによってチラーシステム１０内の低圧冷媒が吸入される。冷媒の流量は、入口案内羽根３２ａによって調整される。第１段インペラ３４ａに吸入された冷媒は中間圧に圧縮され、第１ディフューザ／ボリュート３６ａにより冷媒圧力が上昇してから、第２段インペラ３４ｂに導入される。冷媒の流量は、入口案内羽根３２ｂによって調整される。第２段インペラ３４ｂは、中間圧の冷媒を高圧に圧縮し、第２ディフューザ／ボリュート３６ｂにより冷媒の圧力が高められる。高圧ガス冷媒は、次いで、チラーシステム１０に排出される。

図３及び図４を参照すると、磁気軸受アセンブリ４０は従来のものであり、したがって、本発明に関連する場合を除いて、ここでは詳細に説明及び／又は図示しない。むしろ、当業者には、本発明から逸脱することなく、任意の適切な磁気軸受を使用できることが明らかであろう。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、第２のラジアル磁気軸受４６、及びアキシャル（スラスト）磁気軸受４８を含む。いずれの場合にも、少なくとも１つのラジアル磁気軸受４４又はラジアル磁気軸受４６がシャフト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シャフト４２を回転軸Ｘに沿って支持する。スラスト磁気軸受４８は、シャフト４２に取り付けられているスラストディスク４５を含む。

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に対して固定されている。回転軸Ｘ（軸方向位置）に沿ったシャフト４２の位置は、スラストディスク４５の軸方向位置により制御されている。第１のラジアル磁気軸受４４及び第２のラジアル磁気軸受４６は、圧縮機モータ３８の対向する軸方向両端に配置されている。様々なセンサが、磁気軸受４４、４６及び４８に対するシャフト４２の径方向及び軸方向の位置を検出し、従来の方法でチラーコントローラ２０に信号を送る。そして、チラーコントローラ２０は、シャフト４２を正しい位置に維持するために、従来の方法で磁気軸受４４、４６および４８に送られる電流を制御する。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の組み合わせである。この組み合わせは、ギャップセンサ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チラーコントローラ２０に送る。したがって、磁気軸受４４、４６及び４８の各々は、好ましくは能動型磁気軸受である。

ここで図３〜図６を参照して、本発明による磁気軸受バックアップシステム５０を詳細に説明する。磁気軸受バックアップシステム５０は、圧縮機２２’のシャフト４２の軸方向の両端にそれぞれ隣接して配置されている。図示の実施形態では、第１の磁気軸受バックアップシステム５０ａは、圧縮機２２’の第１段側でシャフト４２の端部に隣接して配置され、第２の磁気軸受バックアップシステム５０ｂが、圧縮機２２’の第２段側でシャフトの端部に隣接して配置されている。磁気軸受バックアップシステム５０ａ及び磁気軸受バックアップシステム５０ｂの構造は、互いに鏡像であることを除いて同一であることは、本開示から当業者には明らかであろう。したがって、以下では、磁気軸受バックアップシステム５０ａ及び磁気軸受バックアップシステム５０ｂを総称して磁気軸受バックアップシステム５０と呼ぶ。

シャフト４２は、第１のラジアル磁気軸受部分６４と、第２のラジアル磁気軸受部分６６と、軸方向磁気軸受支持部分（図示せず）と、拡大部分７０とを含む。また、シャフト４２の両端部にはバックアップ軸受部分７２ａ、７２ｂが設けられている。磁気軸受バックアップシステム５０ａ、５０ｂは、シャフト４２のバックアップ軸受部分７２ａ、７２ｂをそれぞれ取り囲むように配置され、以下に詳細に説明するように、停電やシステム故障などの場合にシャフト４２を径方向に支持する。

第１のラジアル磁気軸受部分６４は、従来の方法で第１のラジアル磁気軸受４４によって磁気的に径方向に支持されている。軸方向磁気軸受支持部分は、従来のように固定装着されているスラストディスク４５を有する。スラストディスク４５は、従来の方法でアキシャル磁気軸受４８によって軸方向に磁気的に支持されている。第２のラジアル磁気軸受部分６６は、第２のラジアル磁気軸受４６によって従来の方法で磁気的に径方向に支持されている。

バックアップ軸受部分７２ａ、７２ｂは、第１のラジアル磁気軸受部分６４及び第２のラジアル磁気軸受部分６６よりも小径である。また、磁気軸受バックアップシステム５０ａ、５０ｂとバックアップ軸受部分７２ａ、７２ｂとの間のギャップＮは、図４に示すように、ラジアル磁気軸受４４、４６とラジアル磁気軸受部分６４、６６とのギャップＭより小さい。この構成により、磁気軸受バックアップシステム５０ａ、５０ｂは、第１のラジアル磁気軸受４４及び第２のラジアル磁気軸受４６の径方向内側に配置される。したがって、停電やシステム故障等の場合には、ラジアル磁気軸受４４、４６の一部が磁気軸受部分６４、６６に接触することはない。バックアップ軸受部分７２ａ、７２ｂの外周面には、複数の溝７４が形成されている。溝７４は、シャフト４２の外周方向に沿って互いに略等間隔に設けられている。溝７４は、以下により詳細に説明するように、シャフト４２の回転によって発生する冷媒ガスの流れを案内する。

図６〜図９を参照して、磁気軸受バックアップシステム５０をここでより詳細に説明する。磁気軸受バックアップシステム５０は、シャフト４２の軸方向に互いに位置合わせされた動的気体軸受８０及び静圧気体軸受８２を含む。図示の実施形態では、動的気体軸受８０はシャフト４２の軸方向の内側に配置され、静圧気体軸受８２はシャフト４２の軸方向の外側に配置される。ただし、動的気体軸受８０と静圧気体軸受８２との位置は交換可能である。図示の実施形態では、磁気軸受バックアップシステム５０は、１つの動的気体軸受と１つの静圧気体軸受とを含む。ただし、磁気軸受バックアップシステム５０は、２つ以上の動的気体軸受と、２つ以上の静圧気体軸受とを含むことができる。あるいは、磁気軸受バックアップシステム５０は、動的気体軸受及び静圧気体軸受から選択された１つの気体軸受のみを含んでもよい。

図７Ａ、図７Ｂ及び図８に示すように、静圧気体軸受８２は、シャフト４２を囲む軸受ステータ９２と、軸受ステータ９２を覆う軸受ケーシング８８と、を有する。軸受ケーシング８８は、環状リング９３によって軸受ステータ９２に固定されている。軸受ケーシング８８と軸受ステータ９２との間のギャップＧ１は、環状リング９３によって流体シールされる。静圧気体軸受８２は、また、入口導管８４及び複数のオリフィス８６を有する。複数のオリフィス８６は、軸受ステータ９２の内周面から軸受ステータ９２の外周面に径方向に延びる軸受ステータ９２に形成された貫通孔である。図示の実施形態では、オリフィス８６は、円周方向に等間隔に配置されている。入口導管８４は、軸受ケーシング８８内に配置され、図１，２及び４に示す冷媒供給ラインＳＬに流体的に連結される。入口導管８４は、軸受ケーシング８８と軸受ステータ９２との間のギャップＧ１に開口している。入口導管８４は、ギャップＧ１を介してオリフィス８６に接続されている。

電力システム又は制御システムの故障の場合、以下でより詳細に説明するように、冷媒ガスは、圧縮機２２又は２２’とチラーシステム１０又は１０’の凝縮器２４との間の領域から、冷媒供給ラインＳＬを介して入口導管８４に供給される。入口導管８４から供給された冷媒ガスは、軸受ケーシング８８と軸受ステータ９２とのギャップＧ１に導入され、ギャップＧ１を通ってオリフィス８６に流れる。オリフィス８６に流入した冷媒ガスは、軸受ステータ９２とシャフト４２とのギャップＧ２に達し、図８に示すように冷媒ガスの流れを発生させる。図８は、簡略化した図であり、したがって、シャフト４２の一部を示していないことに留意されたい。このようにして、シャフト４２は、軸受ステータ９２とシャフト４２との間のギャップＧ２内に発生した冷媒ガスの流れによって径方向に支持される。

図９に示すように、動的気体軸受８０は、シャフト４２を取り囲む軸受ステータ９０と、軸受ステータ９０を覆う軸受ケーシング８７とを有する。図９は、簡略図であり、したがって、シャフト４２の一部を示していないことに留意されたい。前述したように、シャフト４２は、シャフト４２の外周面に形成された溝７４を有する。溝７４は、図５及び図６に示すように、バックアップ軸受部分７２ａ及び７２ｂ全体に沿って延びる軸方向長さを有してもよい。更に、溝７４は、図５及び図６に示すように、互いに同一で、かつ平行に配置されてもよい。あるいは、溝７４は、動的気体軸受８０の幅に実質的に対応する軸方向長さを有してもよい。また、各溝７４は、図９に示すように、第１方向に配列された第１溝部分７４ａと、第１方向と交差する第２方向に配列された第２溝部分７４ｂとを有していてもよい。いずれにせよ、動的気体軸受８０は、シャフト４２の溝７４を囲む位置に配置されている。遠心圧縮機２２又は２２’の作動中にシャフト４２が回転方向に回転すると、溝７４によって軸受ステータ９０とシャフト４２との間のギャップＧ３に冷媒ガスの流れが発生する。図示の実施形態では、冷媒の流れは、図９に示すように溝７４によって案内される。このようにして、シャフト４２は、軸受ステータ９０とシャフト４２との間のギャップＧ３に発生した冷媒ガスの流れによって径方向に支持される。

例示した実施形態の気体軸受構成は単なる例に過ぎない。しかし、磁気軸受バックアップシステム５０に使用される動的気体軸受８０及び静圧気体軸受８２に様々な変更及び修正を加えることができることは、本開示から当業者には明らかであろう。例えば、静圧気体軸受８２のオリフィス８６及び入口導管８４の正確な数、位置及び／又は構造を変更することができる。また、正確な溝構成は、冷媒流シミュレーション及び／又はシャフト４２の溝７４の特性に基づいて計算され、動的気体軸受８０をより効率的にすることができる。

通常の動作では、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。しかし、電力システム又は制御システムの故障の場合に磁気軸受アセンブリ４０が動作を停止すると、磁気軸受バックアップシステム５０は、磁気軸受アセンブリ４０のバックアップとしてシャフト４２を支持する。上述のように、チラーシステム１０及び１０’は、膨張弁２９を有する。膨張弁２９は、圧縮機２２又は２２’と凝縮器２４との間を接続する冷媒供給ラインＳＬに配置されて、電力システム又は制御システムの故障の場合に、冷媒ガスを圧縮機２２又は２２’と凝縮器２４との間の領域から磁気軸受バックアップシステム５０に供給する。膨張弁２９は、通常時には電力源が供給されて閉じられる電磁弁又は電動弁であり、膨張弁２９は磁気軸受アセンブリ４０と電力供給を共有する。したがって、電力システムが停止すると、磁気軸受アセンブリ４０が動作を停止すると、同時に膨張弁２９が開く。これにより、冷媒ガスが膨張弁２９を介して圧縮機２２又は２２’と凝縮器２４との間の領域から磁気軸受バックアップシステム５０に流入できる。

圧縮機２２又は２２’の吸入側と吐出側との圧力差が大きい場合、入口導管８４を介して静圧気体軸受８２に導入される冷媒ガスの圧力が高くなり、図８に示すように、静圧気体軸受８２の軸受ステータ９２とシャフト４２との間のギャップＧ２に冷媒ガスの流れが発生する。その結果、静圧気体軸受８２は、ギャップＧ２に発生した冷媒ガスの流れによってシャフト４２を支持することができる。また、シャフト４２の回転速度が速い場合には、図９に示すように、シャフト４２の溝７４によって、動的気体軸受８０の軸受ステータ９０とシャフト４２とのギャップＧ３に冷媒ガスの流れが発生する。これにより、ギャップＧ３に発生した冷媒ガスの流れにより、動的気体軸受８０がシャフト４２を支持することができる。このようにして、本発明によれば磁気軸受バックアップシステム５０に流入する冷媒ガスを潤滑剤として使用することができる。

図示した実施形態では、圧縮機２２又は２２’と凝縮器２４との間の領域から導入された冷媒ガスが、図１及び図２に示すように、チラーシステム１０及び１０’内の圧縮機２２又は２２’と蒸発器２８との間の領域に戻される。ただし、図示の実施形態の構成は一例に過ぎない。この構成には様々な変更及び修正が可能であることが本開示から当業者には明らかであろう。例えば、圧縮機２２又は２２’と凝縮器２４との間の領域から導入された冷媒ガスを、圧縮機２２又は２２’と膨張弁２７又はオリフィス２７との間の任意の領域に戻してもよい。

図１０を参照して、磁気軸受バックアップシステム５０の制御プロセスを、ここでより詳細に説明する。磁気軸受アセンブリ４０に電力損失（Ｐｏｗｅｒ Ｌｏｓｓ）が生じた場合（ステップＳ１０１）、ステップＳ１０２において、チラーコントローラ２０は、圧縮機２０又は２２’の吸入側と吐出側の圧力差を算出する。次にステップＳ１０３において、チラーコントローラ２０は、圧縮機２０又は２２’の吸入側と吐出側との現在の圧力差における静圧気体軸受８２によるシャフト支持力を計算する。次に、静圧気体軸受８２のそのシャフト軸支持力に応じて静圧気体軸受８２がシャフト４２を支持できるか否かを判断する（ステップＳ１０４）。シャフト支持力が十分である場合（ステップＳ１０４でＹｅｓ）、シャフト４２は静圧気体軸受８２に供給された冷媒ガスの流れを用いて、静圧気体軸受８２により支持される（ステップＳ１０５）。シャフト支持力が十分でない場合（ステップＳ１０４でＮｏ）、ステップＳ１０６に進む。

ステップＳ１０６において、チラーコントローラ２０は、圧縮機２０又は２２’のシャフト４２の回転速度を計算する。次に、チラーコントローラ２０は、ステップＳ１０７において、圧縮機２０又は２２’のシャフト４２の現在の回転速度における動的気体軸受８０によるシャフト支持力を計算する。次に、動的気体軸受８０のシャフト支持力に応じて、動的気体軸受８０がシャフト４２を支持できるか否かを判断する（ステップＳ１０８）。シャフト支持力が十分である場合（ステップＳ１０８でＹｅｓ）、シャフト４２は、溝７４によって発生した冷媒ガスの流れを用いて、動的気体軸受８０によって支持される（ステップＳ１０９）。シャフト支持力が十分でない場合（ステップＳ１０８でＮｏ）、ステップＳ１０２に戻る。図１０の＊Ｂを参照されたい。

ステップＳ１０５において、シャフト４２が静圧気体軸受８２に供給された冷媒ガスの流れを用いて静圧気体軸受８２により支持されると、ステップＳ１０６にも進む。図１０の＊Ａを参照されたい。この場合、ステップＳ１０９において、溝７４によって発生した冷媒ガスの流れを利用して、シャフト４２も動的気体軸受８０によって支持されていれば、シャフト４２は静圧気体軸受８２と動的気体軸受８０の両方によって支持される。

図１０に示すように、本発明による方法では、圧縮機２０又は２２の吸入側と吐出側との圧力差に基づいて静圧気体軸受８２がシャフト４２を支持できるか否かを判断し、圧縮機２０又は２２’のシャフト４２の回転速度に基づいて、動的気体軸受８０がシャフト４２を支持することができるか否かを判定する。ステップＳ１０５及びＳ１０９の状態は、チラーコントローラ２０を使用せずに自動的に達成／実行され、チラーコントローラ２０は、静圧気体軸受８２及び動的気体軸受８０を監視するために使用される。このプロセスは、圧縮機２０又は２２’の動作状態に応じて繰り返すことができる。

本発明に係る磁気軸受バックアップシステム５０では、動的気体軸受８０及び静圧気体軸受８２は、上述した電力システム又は制御システムの故障の場合に、磁気軸受アセンブリ４０のバックアップとしてシャフト４２を支持する。要するに、シャフト４２の回転速度が速く、圧縮機２０又は２２’の圧力差が大きい場合には、動的気体軸受８０及び静圧気体軸受８２の両方がシャフト４２を支持する。シャフト４２の回転速度が速く、圧縮機２０又は２２’の圧力差が小さい場合には、主に動的気体軸受８０がシャフト４２を支持する。シャフト４２の回転速度が遅く、圧縮機２０、２２’の圧力差が大きい場合、主に静圧気体軸受８２がシャフト４２を支持する。下記の表１を参照されたい。ちなみに、電力システム又は制御システムの故障の場合とは、シャフト４２が磁気軸受アセンブリ４０によって支持されない事象すべてを含む。

図１及び図２を参照すると、チラーコントローラ２０は、従来の方法で従来の部品を制御するようにプログラムされた多数の制御部を含むことができる。例えば、従来の磁気軸受制御部、従来の圧縮機可変周波数駆動装置、従来の圧縮機モータ制御部、従来の入口案内翼制御部、従来の膨張弁制御部などがある。これらの部は、分離していても組み合わされていてもよい。

図示の実施形態では、制御部が、本明細書に記載された部品の制御を実行するようにプログラムされたチラーコントローラ２０のセクションである。しかし、これら制御部、部分及び／又はチラーコントローラ２０の正確な数、位置及び／又は構造は、１つ又は複数のコントローラが、本開示内で説明したように、チラーシステム１０又は１０’の部品の制御を実行するようにプログラムされている限り、本発明から逸脱することなく変更可能であることは、本開示から当業者には明らかであろう

チラーコントローラ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、入出力（Ｉ／Ｏ）インターフェース、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、１つ又は複数の制御プログラムを実行して、チラーシステム１０又は１０’を制御するようにプログラムされたコンピュータ可読媒体を形成する（一時又は固定）記憶装置を含む。チラーコントローラ２０は、ユーザからの入力を受信するためのキーパッドなどの入力インターフェースと、ユーザに様々なパラメータを表示するために使用される表示装置とを任意に含むことができる。部品及びプログラミングは従来のものであるので、実施形態を理解するために必要な場合を除いて、ここでは詳細には説明しない。

地球環境保護の観点から、Ｒ１２３３ｚｄ、Ｒ１２３４ｚｅなどの新しい低ＧＷＰ（地球温暖化係数）冷媒の使用がチラーシステムに適している。地球温暖化係数が低い冷媒の地球温暖化係数（ＧＷＰ）は、概ね３００以下である。地球温暖化係数の低い冷媒の一例は、蒸発圧力が大気圧以下の低圧冷媒である。例えば、低圧冷媒Ｒ１２３３ｚｄは、不燃性、無毒性、低コストであり、現在主流の冷媒Ｒ１３４ａの代替物質であるＲ１２３４ｚｅ等の他の候補と比較して高いＣＯＰを有するので、遠心チラー用途における候補である。図示の実施形態では、冷却媒体は、チラーシステム１０又は１０’で使用される冷媒である。好ましくは、冷媒は、低圧冷媒（ＬＰＲ）と低地球温暖化係数（ＧＷＰ）冷媒とのうちの少なくとも一方である。より具体的には、低圧冷媒（ＬＰＲ）はＲ１２３３ｚｄであり、及び／又は、低地球温暖化係数（ＧＷＰ）冷媒はＲ１２３４ｚｅ又はＲ１２３４ｙｆであり得る。冷媒は、上述した低地球温暖化係数（ＧＷＰ）冷媒の少なくとも１つを含む混合冷媒であってもよい。しかし、本発明による磁気軸受バックアップシステムは、上述の冷媒のいずれかを使用するチラーシステムに適用することができる。
＜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、ここに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「含む(including)／有する(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。更に、用語「部品(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。

構成要素、セクション、装置等によって行われる動作又は機能を述べるために本明細書で使用する用語「検出する」は、物理的検出を必要とせずに動作又は機能を行うための判断、測定、モデリング、予測、又は演算等を含む構成要素、セクション、デバイス等を含む。

装置の構成要素、セクション、又は部品の説明のためにここで使用する用語「構成されている」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「ほぼ」、「約」、「およそ」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、添付した請求の範囲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ここにおいて可能であることは、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、必要及び／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構成要素は、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の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等価物によって定義される本発明を限定するためのものではない。

Claims (19)

1. 冷媒を圧縮するために使用され、蒸発器、凝縮器、及び膨張機構を含むチラーシステムに使用されるように適合されている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、
   回転軸を中心に回転可能なシャフトに取り付けられたインペラと、
   前記インペラを回転させるために前記シャフトを回転させるように構成され配置されているモータと、
   前記インペラの下流で前記出口部分に配置されているディフューザと、
   前記シャフトを回転自在に支持する磁気軸受と、
   前記磁気軸受が動作を停止したときに前記シャフトを支持するように構成され配置されている磁気軸受バックアップシステムであって、
   少なくとも１つの動的気体軸受と、
   少なくとも１つの静圧気体軸受と、
   を含み、前記少なくとも１つの動的気体軸受及び前記少なくとも１つの静圧気体軸受は、前記磁気軸受に対して径方向内側に配置されている、磁気軸受バックアップシステムと、
   を備える遠心圧縮機。
2. 前記少なくとも１つの動的気体軸受及び前記少なくとも１つの静圧気体軸受は、それぞれ、前記圧縮機の前記シャフトの軸方向の両端に隣接して配置される、
   請求項１に記載の遠心圧縮機。
3. 前記少なくとも１つの動的気体軸受は、前記シャフトを取り囲む軸受ステータを有し、
   前記シャフトには、前記シャフトの外周面に形成されている溝が設けられている、
   請求項１に記載の遠心圧縮機。
4. 前記少なくとも１つの動的気体軸受は、前記圧縮機の前記シャフトの回転により発生する冷媒ガスの流れにより前記シャフトを支持し、
   前記冷媒ガスの流れは、前記シャフトの前記溝により案内される、
   請求項３に記載の遠心圧縮機。
5. 前記シャフトの前記溝は、前記シャフトの外周方向に沿って互いに略等間隔に設けられている、
   請求項３又は４に記載の遠心圧縮機。
6. 前記少なくとも１つの静圧気体軸受は、
   前記シャフトを囲む、オリフィスが設けられている軸受ステータであって、前記軸受ステータと前記シャフトとの間に前記オリフィスを介して冷媒ガスを供給する軸受ステータと、
   前記軸受ステータの前記オリフィスに接続されて冷媒ガスを導入する入口導管と、
   を含む、
   請求項１に記載の遠心圧縮機。
7. 前記少なくとも１つの静圧気体軸受は、前記チラーシステム内の前記圧縮機と前記凝縮器との間の領域から前記入口導管を介して導入される冷媒ガスにより、前記シャフトを支持する、
   請求項６に記載の遠心圧縮機。
8. 前記チラーシステム内の前記膨張機構は、電磁弁及びモータ作動弁のうちの少なくとも１つを含み、前記膨張機構は、前記磁気軸受と共有される電力源によって電力供給され、
   前記電力源から電力供給が停止すると、前記磁気軸受が停止した後も前記少なくとも１つの静圧気体軸受が前記冷媒ガスによって前記シャフトを支持し続けるように、前記膨張機構が開放されて前記冷媒ガスが前記少なくとも１つの静圧気体軸受に向かって流れることを可能とする、
   請求項７に記載の遠心圧縮機。
9. 前記シャフトの回転速度が速く、前記圧縮機の吸入側と吐出側との圧力差が大きい場合には、前記少なくとも１つの動的気体軸受と前記少なくとも１つの静圧気体軸受との両方が前記シャフトを支持する、
   請求項１に記載の遠心圧縮機。
10. 前記シャフトの回転速度が速く、前記圧縮機の吸入側と吐出側との圧力差が小さい場合には、主に前記少なくとも１つの動的気体軸受が前記シャフトを支持する、
    請求項１に記載の遠心圧縮機。
11. 前記シャフトの回転速度が遅く、前記圧縮機の吸入側と吐出側との圧力差が大きい場合には、主に前記静圧気体軸受が前記シャフトを支持する、
    請求項１に記載の遠心圧縮機。
12. 前記冷媒は、地球温暖化係数（ＧＷＰ）が低い冷媒である、
    請求項１に記載の遠心圧縮機。
13. 冷媒を圧縮するために使用され、かつチラーシステムに使用されるように適合された遠心圧縮機で用いる磁気軸受バックアップシステムであって、
    動的気体軸受と静圧気体軸受とから選択される少なくとも１つの気体軸受であって、磁気軸受が動作を停止したときに前記遠心圧縮機のシャフトを支持するように構成され配置されている少なくとも１つの気体軸受を備え、
    前記少なくとも１つの気体軸受は、前記遠心圧縮機の磁気軸受に対して径方向内側に配置されている、
    磁気軸受バックアップシステム。
14. 前記少なくとも１つの気体軸受は、冷媒ガスを潤滑剤として使用して前記シャフトを支持する、
    請求項１３に記載の磁気軸受バックアップシステム。
15. 冷媒を圧縮するために使用され、かつチラーシステムに使用されるように適合された遠心圧縮機で用いる磁気軸受バックアップシステムであって、
    少なくとも１つの動的気体軸受と、
    少なくとも１つの静圧気体軸受と、
    を備え、
    前記少なくとも１つの動的気体軸受及び前記少なくとも１つの静圧気体軸受は、磁気軸受が動作を停止したときに前記遠心圧縮機のシャフトを支持するように構成及び配置されており、
    前記少なくとも１つの動的気体軸受及び前記少なくとも１つの静圧気体軸受は、前記遠心圧縮機の磁気軸受に対して径方向内側に配置されている、
    磁気軸受バックアップシステム。
16. 前記少なくとも１つの動的気体軸受及び前記少なくとも１つの静圧気体軸受は、冷媒ガスを潤滑剤として使用することにより前記シャフトを支持する、
    請求項１５に記載の磁気軸受バックアップシステム。
17. 前記少なくとも１つの動的気体軸受は、前記シャフトを取り囲む軸受ステータを有し、
    前記軸受ステータと、前記シャフトの外周面に形成されている溝を有する前記シャフトとの間に、前記冷媒ガスの流れが発生する、
    請求項１５に記載の磁気軸受バックアップシステム。
18. 前記少なくとも１つの静圧気体軸受は、
    前記シャフトを囲む、オリフィスが設けられている軸受ステータであって、前記軸受ステータと前記シャフトとの間に前記オリフィスを介して冷媒ガスを供給する軸受ステータと、
    前記軸受ステータの前記オリフィスに接続されて冷媒ガスを導入する入口導管と、を含む、
    請求項１５に記載の磁気軸受バックアップシステム。
19. 前記冷媒は、地球温暖化係数（ＧＷＰ）が低い冷媒である、
    請求項１３又は１５に記載の磁気軸受バックアップシステム。

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