JP4565282B2 - 遠心コンプレッサのサージ検知方法 - Google Patents

Description

本発明は冷却システムに関する。特に、本発明は冷蔵システムと一体的な遠心コンプレッサのサーチ検知方法に関する。

サージとは冷蔵システムに使用される遠心コンプレッサ等のコンプレッサに生じる不安定な運転の状態である。このような状態はコンプレッサ排出圧力の増加または減少、あるいはコンプレッサへのガス流の減少によって生じる。これらは冷蔵システムの不適切な管理、システム部品の故障または人為的ミスによって生じることがある。頻度または規模のいずれかにおける過度なサージはコンプレッサの損傷や故障につながる。サージは過度な電力消費につながる非効率的な冷蔵システム運転ともなる。

過度のサージは運転中のコンプレッサを検査することで検知できるが、コンプレッサは殆ど振動を生じないサージ状態でも運転することができる。遠心コンプレッサのサージ状態を検知する別の方法は知られている。１つはサージ状態のコンプレッサから発生する振動を感知するためにコンプレッサの付近に振動検知機を設置してコンプレッサの振動をモニターする方法である。この方法の欠点としては非常に感度の良い振動センサの必要性とコンプレッサの始動時における誤サージ表示がある。

サージを検知する別の方法は、米国特許第３５５５８４４号に開示されているごとくコンプレッサ付近のガス流と圧力の相違をモニターする方法である。米国特許第２６９６３４５号で開示されている別のサージ検知手段は、サージに先行する温度の上昇を検知するために推進部の温度上流をモニターする方法である。同特許は軸流コンプレッサの排出サイドの温度をモニターするサージ検知方法も開示している。しかしながら、米国特許第４３６４５９６号で述べられているように、排出部へのガス流は基本的に停止しているため、コンプレッサの排出部温度はコンプレッサがサージ状態の時には実際は下降することから、排出部温度のモニターは冷蔵コンプレッサにおいては有効でない。

米国特許第４３６４５９６号は、推進部を通るガス流路の外部において、コンプレッサの推進チャンバスペース内で所定値を超えた温度上昇を測定することによってサージを検出する方法について述べている。この明細書では通常のコンプレッサがサージ状態の時に生じる運転温度を超えた温度上昇は、コンプレッサ効率の低下と熱除去ガス流の減少による熱の増加によって発生すると述べられている。この方法は推進チャンバ内の特定部位の温度上昇を測定するものであって、特定部位の温度は無サージ状態であってもコンプレッサの運転状態の変化に従って変動するということを考慮していない欠点を有する。例えば、始動時の状態では誤サージ表示の可能性がある。

米国特許第４１５１７２５号に開示されているシステムでは、制御システムがコンデンサ排出ラインの冷却剤の温度、蒸発装置を離れる飽和冷却剤の温度、冷却装置の蒸発装置から排出される冷却水の温度及び入口ガイド翼の位置をモニターすることで、サージに遭遇せずに最大の効率性を達成する。前述の４つのパラメータとセットポイント温度入力に基づき、米国特許第４１５１７２５号で説明されている制御システムは、コンプレッサのスピード調節と翼位置調整によって冷蔵システムを効果的に調節する。当業者であれば、測定温度は初期サージに影響されないことは認識できるであろう。

米国特許第５７４６０６２号はコンプレッサの吸引圧及び排出圧感知による遠心コンプレッサにおけるサージ検知方法を開示している。同特許はまたコンプレッサを駆動させる可変スピードモータードライブへの電流をモニターすることによるサージ検知についても開示している。システムの負荷の急激な変動は必ずしもサージに関係がないが、モーターに提供される電流にも影響を及ぼす可能性があるためサージ誤検知の可能性を増大させることは当業者には明らかである。この特許はさらにサージ検知のための圧力感知及び電流感知技術の両者の利用についても述べている。
米国特許第３５５５８４４号 米国特許第２６９６３４５号 米国特許第４３６４５９６号 米国特許第４１５１７２５号 米国特許第５７４６０６２号

冷蔵システムと一体的な遠心コンプレッサについての今までのサージ検知方法は、コンプレッサ付近の状態をモニターすることに集中している。これらのシステムの欠点の１つは、一般的にサージ状態を示すとは限らない局部の一時的な原因に影響されて誤表示を頻発させることがある点である。

本発明では、コンプレッサの正確なサージ検知方法を提供するため、冷蔵システムの遠心コンプレッサ付近以外の運転状態を利用する。本発明は、コンプレッサ推進部への入口における吸引温度と蒸発水温度との温度差をモニターするセンサーを利用することを特徴の１つとする。本発明はさらに、吸引温度と蒸発水温度との温度差を冷蔵システムの多様な運転状況に対応するデータポイントと比較することを特徴とする。サージ状態が存在するか否かの決定において全冷蔵システムの運転状況のより広範な情報を利用することで、本発明は一時的な状態による影響を減少させる。

本発明はコンプレッサ駆動システムにおけるコンプレッサのサージ検知方法並びに装置に関する。コンプレッサ駆動冷蔵システムはその一例である。図１は本発明の第１実施例によるサージ検知システムの概要図である。図１で、符号１０は基本冷蔵システムを示す。図１に図示の如く、基本冷蔵システム１０は吸引サイド２５と排出サイド３０を有する遠心コンプレッサ２０及びコンプレッサ推進部（図示なし）を含む。排出サイド導管３５は排出サイド３０をコンデンサ４０へ接続する。コンプレッサは冷却剤を圧縮し圧縮ガスをコンデンサ４０へ送る。コンデンサ４０は冷却タワー６０に接続された入口５０と出口５５を有する熱交換コイル４５あるいは熱交換コイル４５を通って水等の冷却流動体を循環させる他の冷却システムを含んでいる。コンデンサ４０を通過する冷却剤は熱を熱交換コイル４５を通して循環する冷却流動体と交換し、圧縮ガスを液体冷却剤へと液化する。

コンデンサ４０からの液化した冷却剤は蒸発装置７０へ流れる。蒸発装置７０へのライン内の開口部７５は蒸発装置への冷却剤流を調節する圧力降下を生じさせる。蒸発装置７０は冷却コイル９５に接続されている供給ライン８５とリターンライン９０及び熱交換コイル８０を通って循環する水等の冷却流動体を有する第２熱交換コイル８０を含んでいる。液体冷却剤は蒸発装置７０を通るため、冷却流動体は熱を液体冷却剤と交換し蒸発させることで冷却流動体を冷やす。蒸発装置からの気体冷却剤は吸引ライン１００を通ってコンプレッサへ戻る。

図１の符号“Ａ”は冷却流動体の第１測定温度２００が測定される蒸発装置７０の吸引入口１２０付近の位置を例示している。別の実施例では、第１測定温度をリターンライン９０内で測定することもできる。図２の符号“Ｂ”は冷却剤の第２測定温度２１０が測定されるコンプレッサ推進部（図示なし）への入口を構成する吸引サイド２５の位置を例示している。別の実施例では、第２測定温度２１０を推進部付近のコンプレッサ内で測定することができる。

図２は本発明の１実施例による測定温度が測定される符号“Ａ”と“Ｂ”の相対的位置を図示している。典型的な冷却システムは図１及び図２に示されていないその他の多くの特徴を含んでいる。図示されていない特徴は本発明の説明に必ずしも必要ではない。

運転時、本発明の例示的実施例は図１と図２で示すように符号“Ａ”と“Ｂ”付近に設置された温度センサーを利用する。温度センサーは測定温度を示す信号値を発生させることができる。例えば、信号は測定温度に比例する電圧であってもよい。吸引温度センサー２２０はコンプレッサ推進部（符号“Ｂ”）への入口等のコンプレッサ付近の第２測定温度２１０を示す値を測定する。蒸発水温度センサー２２５は蒸発装置への水ライン入口（符号“Ａ”）等の蒸発装置付近の第１温度値２００を示す値を測定する。サージが生じない通常の運転状態では、吸引温度２１０は蒸発水温度２００とかけ離れていてはならない。コンプレッサがサージ状態である場合は、コンプレッサに流入する冷却ガスに熱形態で熱エネルギーを追加し、第２測定温度２１０を上昇させるであろう。本発明の別の特徴は、冷蔵システム運転をモニター及び制御するための公知手段によって２つのセンサー（“Ａ”と“Ｂ”それぞれに位置する）間の差をモニターする手段を含むことである。

本発明のさらに別の特徴は吸引温度センサー２２０と蒸発水温度センサー２２５によって感知された差がコンプレッサの運転状態を示すセットポイントパラメータを超えるか否かを判定することである。運転時、セットポイントパラメータは遠心コンプレッサ２０の運転状態によって変動する。第１運転状態はコンプレッサが“オフ”状態又は非運転の時である。この運転状態をオフ状態と呼ぶ。コンプレッサが非運転状態の時、温度差を比較する手段は自動的に非サージ故障信号を送る。

第２運転状態はコンプレッサが“スタート”状態の時である。コンプレッサケース内に設置された吸引温度センサー２２０はギヤケースヒーターと周囲の環境気温によって過度に加熱されることがあるため、この状態はユニークである。コンプレッサ２０をスタートさせる前、冷蔵システム１０の他の冷却剤によって蒸発水温度は低温に保たれることができる。従って、吸引温度が進入蒸発水温度よりも高い場合、始動時に時間とともに温度が上昇する際、サージ検知システムはサージを検知することでシステムを保護するであろう。吸引温度が水温よりも速く上昇する時、サージ検知システムはコンプレッサを停止させるためにサージ故障信号を出す。吸引温度が、通常運転時にサージ故障信号を生じさせるセットポイントより多少下がると、サージ検知システムは後述の如く通常サージ故障保護信号へと切替える。

サージ検知システムが遭遇する第３の運転状態はコンプレッサの通常運転時である。サージ故障信号が登録され、コンプレッサが運転している間に吸引温度と蒸発水温度の差がセットポイントを超えるとコンプレッサは停止される。

図３は本発明の実施例による基準ポイント“Ａ”と“Ｂ”の測定温度の一例を示す図である。

本発明の好適実施例による冷蔵システムは主マイクロプロセッサ２９０を有する冷却制御パネル２８０をさらに含んでいる。アナログ回路、デジタルプロセッサ、ソフトウエア、ファームウエアあるいはこれらのあらゆる組み合わせをマイクロプロセッサボード２９０の代わりに使用することができることは当業者には明らかである。１実施例では、マイクロプロセッサ２９０は吸引温度センサー２２０と蒸発水温度センサー２２５それぞれからの吸引温度と蒸発水温度の代表信号を受領する。２位置それぞれの温度を測定するために２つのセンサーを用いる代わりに２位置の温度差を適切なセンサーで測定できることは当業者には明らかである。さらに、温度信号は継続的に又は定期的に取得することができる。マイクロプロセッサ２９０はまた遠心コンプレッサの運転状態の変化を検知し、検知した運転状態に対応するセットポイントを計算する。１実施例では、セットポイントからの温度偏差は特定のサージ状態を表す。サージ検知においてマイクロプロセッサ２９０は冷蔵システムの運転を調整するための制御信号を発生させることが望ましい。

本発明を前述の好適実施例によって説明したが、本発明はこれに限られないことは当業者には明らかであろう。

本発明の第１実施例によるサージ検知システムの概要図である。 図１のサージ検知システムのさらに詳細な概要図である。 本発明で利用される測定温度の１例を示す図である。

符号の説明

１０ 冷蔵システム
２０ 遠心コンプレッサ
４０ コンデンサ
７０ 蒸発装置
８０ 熱交換コイル
８５ 供給ライン
９０ リターンライン
１００ 吸引ライン
１２０ 吸引入口
２００ 第１温度
２１０ 第２温度
２２０ 吸引温度センサー（第２温度センサー）
２２５ 蒸発水温度センサー（第１温度センサー）
Ａ 第１位置
Ｂ 第２位置

Claims (18)

1. 冷蔵システムのサージ状態を検知する方法であって、前記冷蔵システムは、
   推進部とコンプレッサ入口を有する遠心コンプレッサと、
   流動体冷却剤を受領する蒸発装置と、
   前記冷却剤を前記蒸発装置から前記コンプレッサ入口へ流す吸引ラインと、
   を含んでおり、
   前記蒸発装置は供給ラインを通って前記蒸発装置へ入る液体が供給された熱交換コイルを含んでおり、
   前記液体は前記蒸発装置内に前記冷却剤と熱交換関係で配置されており、
   本方法は、
   前記蒸発装置に入る前記供給ライン付近の前記液体の流動体温度を測定するステップと、
   前記コンプレッサ入口付近の前記冷却剤の冷却剤温度を測定するステップと、
   前記流動体温度と前記冷却剤温度を前記冷蔵システムのサージ検知に使用するステップと、を自動的及び定期的に実行するものであり、
   流動体温度と冷却剤温度をサージ検知に使用する前記ステップは、
   前記遠心コンプレッサの運転状態を示すコンプレッサ状況パラメータを発生させるステップと、
   前記コンプレッサ状況パラメータからセットポイントパラメータを引き出すステップと、
   前記流動体温度と前記冷却剤温度の差を示す値を計算するステップと、
   前記差を示す値を前記セットポイントパラメータと比較するステップと、を含み、
   前記差を示す値が前記セットポイントパラメータを超えるか否かに基づいて、サージ状態を検知する、ことを特徴とするサージ検知方法。
2. 遠心コンプレッサの運転状態は、オフ状態、スタート状態及び通常運転状態から選択されることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 蒸発装置と通流関係にあるコンプレッサ入口を有する遠心コンプレッサのサージ状態を検知する方法であって、
   前記蒸発装置は流動体冷却剤を受領するようになっており、吸引入口で前記蒸発装置へ入り該蒸発装置内に設置された熱交換コイルを通って通流する液体と熱交換関係にて提供されており、
   本方法は、
   前記遠心コンプレッサのための運転状況を定義するコンプレッサ状況パラメータを発生させるステップと、
   前記コンプレッサ状況パラメータに従ってセットポイントパラメータを計算するステップと、
   冷却剤温度を測定するために前記コンプレッサ入口付近に第１温度センサーを提供するステップと、
   液体温度を測定するために前記吸引入口付近に第２温度センサーを提供するステップと、
   前記液体温度、前記冷却剤温度及び前記セットポイントパラメータをサージ検知に使用するステップと、を自動的及び定期的に実行するものであり、
   前記液体温度と前記冷却剤温度との差が前記セットポイントパラメータを超えるか否かに基づいて、サージ状態を検知する、ことを特徴とするサージ状態の検知方法。
4. コンプレッサ入口の蒸発装置と通流関係にある遠心コンプレッサのサージを検知する装置であって、前記蒸発装置は蒸発装置吸引入口付近で前記蒸発装置に入る液体と熱交換関係にある冷却剤流動体を通流させ、
   本装置は、
   前記コンプレッサ入口付近の前記冷却剤の第１温度を検知する温度センサーと、
   前記蒸発装置吸引入口付近の前記液体の第２温度を検知する温度センサーと、
   前記第１温度と前記第２温度の温度差を決定する手段と、
   前記遠心コンプレッサのための運転状況を定義するコンプレッサ状況パラメータに従ってセットポイントパラメータを計算する手段と、
   前記温度差を前記セットポイントパラメータと比較してサージを検知する手段と、
   を備え、
   前記温度差が前記セットポイントパラメータを超えるか否かに基づいて、サージ状態を検知する、ことを特徴とする装置。
5. 温度差を決定する手段とサージを検知する手段は、アナログ回路、デジタルプロセッサ、ソフトウエア、ファームウエアあるいはこれらのあらゆる組み合わせから選択される運転アレンジメントとして実行されることを特徴とする請求項４記載の装置。
6. 温度差を決定する手段は前記温度差に反応して遠心コンプレッサの運転状況を制御することを特徴とする請求項５記載の装置。
7. コンプレッサ入口の蒸発装置に連続接続されて通流関係にある遠心コンプレッサのサージを検知する方法であって、前記蒸発装置は蒸発装置吸引入口付近で前記蒸発装置に入る液体と熱交換関係にある冷却剤流動体を通流させ、
   本方法は、
   前記コンプレッサ入口付近の前記冷却剤流動体内で測定される第１温度と、前記蒸発装置吸引入口付近の前記液体内で測定される第２温度の温度差を、前記遠心コンプレッサの運転状況を表わすと共に当該遠心コンプレッサの運転状況によって変化するセットポイント温度と定期的に比較するステップを含んでおり、
   前記温度差が前記セットポイント温度を超えるか否かに基づいて、サージ状態を検知する、ことを特徴とする方法。
8. 遠心コンプレッサの運転状況は、オフ状態、スタート状態及び通常運転状態から選択されることを特徴とする請求項７記載の方法。
9. 推進部と、該推進部と通流関係にあるコンプレッサ入口とを有する遠心コンプレッサのサージ検知方法であって、前記コンプレッサ入口は蒸発装置と接続されており、該蒸発装置はコンデンサから冷却剤を受領するようになっており、該冷却剤は蒸発吸引入口で前記蒸発装置に入る液体と熱交換関係にて提供され、前記蒸発装置内に配置された熱交換コイル内を通流し、
   本方法は、
   前記コンプレッサ入口へ入る前の前記冷却剤の第１温度をモニターするステップと、
   前記蒸発装置吸引入口へ入る前の前記液体の第２温度をモニターするステップと、
   前記第１温度、前記第２温度及びセットポイントパラメータを含む計算からサージを検知するステップと、を含み、
   前記計算からサージを検知するステップでは、選択された値によって遠心コンプレッサの運転状況を表わすセットポイントパラメータからの第１温度及び第２温度間の温度偏差に応じてサージを検知する、ことを特徴とする方法。
10. 前記セットポイントからの温度偏差は、アナログ回路、デジタルプロセッサ、ソフトウエア、ファームウエアあるいはこれらのあらゆる組み合わせから選択される運転アレンジメントによって測定されることを特徴とする請求項９記載の方法。
11. 遠心コンプレッサの運転状況はオフ状態、スタート状態及び通常運転状態から選択されることを特徴とする請求項９記載の方法。
12. 冷蔵システムのサージ状態を検知する方法であって、該冷蔵システムは、
    推進部とコンプレッサ入口を有する遠心コンプレッサ手段と、
    流動体冷却剤を受領する蒸発装置手段と、
    前記冷却剤を前記蒸発装置手段から前記コンプレッサ入口へ通流させる吸引ラインと、
    を含んでおり、
    前記蒸発装置手段は前記蒸発装置手段に入る供給ラインを通る液体が供給される熱交換コイル手段を含んでおり、前記液体は前記蒸発装置手段内の前記冷却剤と熱交換関係にて提供されており、
    本方法は、
    前記蒸発装置手段に入る前記供給ライン付近の前記液体の流動体温度を測定するステップと、
    前記コンプレッサ入口付近の前記冷却剤の冷却剤温度を測定するステップと、
    前記流動体温度と前記冷却剤温度を前記冷蔵システムのサージ状態検知に使用するステップと、を自動的及び定期的に実行するものであり、
    前記流動体温度と前記冷却剤温度をサージ状態検知に使用するステップは、
    前記遠心コンプレッサ手段の運転状況を定期的に決定するステップと、
    流動体温度、冷却剤温度及び前記運転状況からサージを表わすパラメータを取得するステップと、をさらに含んでおり、
    前記流動体温度と前記冷却剤温度との差が前記サージを表わすパラメータを超えるか否かに基づいて、サージ状態を検知する、ことを特徴とする方法。
13. 流動体温度を測定するステップは、蒸発装置に入る供給ライン付近に第１温度センサーを提供するステップを含んでいることを特徴とする請求項１２記載の方法。
14. 冷却剤温度を測定するステップは、コンプレッサ入口付近に第２温度センサーを提供するステップを含んでいることを特徴とする請求項１２記載の方法。
15. コンプレッサの運転状況はオフ状態、スタート状態及び通常運転状態から選択されることを特徴とする請求項１２記載の方法。
16. 冷却剤温度を測定するステップは、コンプレッサ入口付近の吸引ラインに第２温度センサーを提供するステップを含んでいることを特徴とする請求項１２記載の方法。
17. 流動体温度を測定するステップは、リターンラインに第１温度センサーを提供するステップを含んでいることを特徴とする請求項１２記載の方法。
18. 冷却剤温度を測定するステップは、推進部付近に第２温度センサーを提供するステップを含んでいることを特徴とする請求項１２記載の方法。

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