JP6090926B2 - ターボ圧縮機およびそれを用いたターボ冷凍機 - Google Patents

Description

本発明は、オープン型の羽根車を備え、回転軸が磁気軸受によって支持されているターボ圧縮機およびそれを用いたターボ冷凍機に関するものである。

ターボ冷凍機に適用されるターボ圧縮機において、回転軸を磁気軸受により支持しているターボ圧縮機は従来から知られている。特許文献１には、回転軸をラジアル磁気軸受およびスラスト磁気軸受により支持するとともに、回転軸にバランスピストンを設け、そのピストン室に導入される高圧を加減することにより、スラスト磁気軸受に作用するスラスト力を小さくし、スラスト磁気軸受を小型化したものが開示されている。また、特許文献２には、スラスト磁気軸受に供給される電流値が許容最大負荷に対応する電流値に到達したとき、入口ベーン開度を絞るようにしたものが開示されている。

さらに、特許文献３には、１段目の羽根車で圧縮した冷媒ガスの一部をモータの冷却用にバイパスさせ、モータを冷却した後、２段目の羽根車の吸込み側に戻すバイパス回路を設け、その冷媒ガスの圧力差によって、スラスト磁気軸受に作用するスラスト力を軽減するようにしたものが開示され、特許文献４には、羽根車の背面にスラスト方向変位センサを設け、そのセンサで回転軸のスラスト方向の変位を検出し、その出力信号によりスラスト磁気軸受の吸引力を制御するようにしたものが開示されている。

特許第２７５５７１４号公報 特許第２８０９３４６号公報 特開平５−２２３０９０号公報 特開平７−８３１９３号公報

シュラウドがケーシング側に設けられているオープン型の羽根車を備えたターボ圧縮機においては、回転軸を磁気軸受で支持した場合、軸受剛性が転がり軸受や滑り軸受に比べて低く、軸受隙間（最大稼働隙間）が大きくなることから、羽根車とシュラウド間の隙間やシール隙間を大き目にすることによって、羽根車とシュラウドの接触によりチップクリアランスが拡大することによる性能の低下や損傷の起点となるリスクを回避していた。特に、軸受剛性が低いと、圧縮機の起動・停止時や負荷変動時のように軸受荷重が急変したときに、回転軸の変動量が大きくなり、羽根車とシュラウドの接触によりチップクリアランスが拡大することによる性能の低下や損傷のリスクが高くなるため、それを見越して上記隙間を予め大きくする傾向があった。

一方、ターボ圧縮機において、消費エネルギーを少なくし、効率を高くして性能の向上を図るには、上記隙間を小さくしてガス漏れを低減する必要がある。このような羽根車とシュラウド間の隙間に関する相反する問題に対処するため、羽根車とシュラウドとの接触を回避しながら、如何にしてその隙間を最小化するかが課題となっていた。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、オープン型の羽根車を備えたターボ圧縮機にあって、シュラウドと羽根車間の隙間を運転時に最小化し、効率の向上および羽根車とシュラウドの接触を発生させない安全運転領域の拡大を図ったターボ圧縮機およびそれを用いたターボ冷凍機を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明のターボ圧縮機およびそれを用いたターボ冷凍機は、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかるターボ圧縮機は、シュラウドがケーシング側に設けられているオープン型の羽根車を備え、回転軸がラジアル磁気軸受およびスラスト磁気軸受により支持されているターボ圧縮機において、圧縮機の圧力分布によって生じる軸方向スラスト荷重を算出する荷重算出手段と、その軸方向スラスト荷重に基づいて前記スラスト磁気軸受による前記回転軸の軸方向支持位置を可変し、前記羽根車と前記シュラウド間の隙間を目標隙間に制御する軸方向支持位置制御手段とからなる制御部を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、オープン型の羽根車を備え、その回転軸を磁気軸受で支持しているターボ圧縮機にあって、圧縮機の圧力分布によって生じる軸方向スラスト荷重を算出する荷重算出手段と、その軸方向スラスト荷重に基づいてスラスト磁気軸受による回転軸の軸方向支持位置を可変し、羽根車とシュラウド間の隙間を目標隙間に制御する軸方向支持位置制御手段とからなる制御部を備えているため、運転状態で変化する圧縮機の圧力分布によって生じる軸方向スラスト荷重を、圧縮機の吸込み、吐出等の圧力または温度の計測値に基づいて荷重算出手段により算出し、その値に基づいて軸方向支持位置制御手段によりスラスト磁気軸受に分配供給する電流値を調節することによって、スラスト磁気軸受による回転軸の軸方向支持位置を可変し、羽根車とシュラウド間の隙間を目標隙間に制御することにより、両者間の隙間を互いの接触を回避して運転し得る最小の隙間に制御することができる。従って、羽根車とシュラウド間の隙間を最小化し、その隙間からの圧縮ガス漏れを低減して圧縮効率を高めることにより、ターボ圧縮機の性能を向上することができるとともに、安全運転領域を拡大することができる。

また、本発明のターボ圧縮機は、上記のターボ圧縮機において、前記軸方向支持位置制御手段は、前記軸方向スラスト荷重が急変する運転条件を検知した時、前記スラスト磁気軸受による前記回転軸の軸方向支持位置を、前記羽根車と前記シュラウド間の隙間が互いの接触に対して前記目標隙間よりも大きい隙間となる位置に補正制御する機能を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、軸方向支持位置制御手段が、軸方向スラスト荷重が急変する運転条件を検知した時、スラスト磁気軸受による回転軸の軸方向支持位置を、羽根車とシュラウド間の隙間が互いの接触に対して目標隙間よりも大きい隙間となる位置に補正制御する機能を備えているため、軸方向支持位置制御手段により軸方向スラスト荷重が急変するような過渡運転条件が検知された場合、羽根車とシュラウド間の隙間を、互いの接触を回避して運転し得る最小の隙間、すなわち目標隙間よりも大きい隙間に補正して運転することができる。従って、圧縮機が過渡運転時には、羽根車とシュラウドとの接触回避を優先してターボ圧縮機を運転し、接触による性能低下や損傷のリスクを低減して安全運転領域を拡大することができる。

さらに、本発明のターボ圧縮機は、上述のいずれかのターボ圧縮機において、前記制御部は、前記回転軸の軸方向位置を検知する手段が圧縮部から離れた位置に設置されている場合、所要部位の温度を検知して前記回転軸の熱膨張による軸長変化量と、前記シュラウドと前記羽根車の相対的位置関係を設定する前記ケーシングの軸方向変化量とから前記羽根車と前記シュラウド間の隙間の変化量を演算し、それに基づいて軸方向支持位置を補正する第１の補正手段を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、制御部が、回転軸の軸方向位置を検知する手段が圧縮部から離れた位置に設けられている場合、所要部位の温度を検知して回転軸の熱膨張による軸長変化量と、シュラウドと羽根車の相対的位置関係を設定するケーシングの軸方向変化量とから羽根車とシュラウド間の隙間の変化量を演算し、それに基づいて軸方向支持位置を補正する第１補正手段を備えているため、回転軸の軸方向位置を検知する手段が、例えば回転軸の反圧縮機側の端部に設けられたスラストディスクとスラスト磁気軸受間のギャップセンサとされた場合、回転軸およびケーシングの熱膨張が羽根車とシュラウド間の隙間制御に対して影響を及ぼすことになるが、第１補正手段により回転軸の温度あるいは回転軸を支持している軸受、ケーシング等の所要部位の温度を検知して回転軸の軸長変化量を演算し、それに基づいて回転軸の軸方向支持位置を補正することができる。従って、回転軸の軸方向位置検出手段の設置位置に関係なく、適正に羽根車とシュラウド間の隙間を制御することができ、検出手段の設置位置に関しての自由度を確保することができる。

さらに、本発明のターボ圧縮機は、上述のいずれかのターボ圧縮機において、前記制御部は、負荷の変動および／または冷却水温度の変動を検知し、前記軸方向スラスト荷重を演算するか、もしくは予め設定されている相関関数に基づいて前記回転軸の軸方向支持位置を補正する第２の補正手段を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、制御部が、負荷の変動および／または冷却水温度の変動を検知し、軸方向スラスト荷重を演算するか、もしくは予め設定されている相関関数に基づいて回転軸の軸方向支持位置を補正する第２の補正手段を備えているため、軸方向スラスト荷重が急変する直接の原因である負荷の変動（冷凍機の場合、冷水入口温度の変動）および／または冷却水温度の変動を検知して軸方向スラスト荷重を演算するか、もしくは予め設定されている相関関数に基づいて、第２補正手段により回転軸の軸方向支持位置を補正し、羽根車とシュラウド間の隙間を、互いの接触を回避して運転し得る最小の隙間である目標隙間よりも大きい隙間とすることができる。従って、羽根車とシュラウド間の隙間を、速やかに目標隙間よりも大きい隙間に制御し、羽根車とシュラウドとの接触を確実に回避して安全に運転することができる。

さらに、本発明のターボ圧縮機は、上述のいずれかのターボ圧縮機において、前記制御部は、圧縮機の入口ベーン開度の制御量変化および／または前記羽根車の回転数制御量の変化を用いて前記回転軸の軸方向支持位置を補正する第３の補正手段を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、制御部が、圧縮機の入口ベーン開度の制御量変化および／または羽根車の回転数制御量の変化を用いて回転軸の軸方向支持位置を補正する第３の補正手段を備えているため、負荷の変動や冷却水温度の変動に伴い、圧縮機の入口ベーン開度や羽根車の回転数（＝圧縮機の回転数）が変化するが、その制御量の変化を用いて第３補正手段により回転軸の軸方向支持位置を補正し、羽根車とシュラウド間の隙間を、互いの接触を回避することが可能な最小隙間よりも大きい隙間に制御することができる。この場合、制御量変化と同時にする軸方向位置を移動する荷重がかかるため、時間遅れなく、回転軸の軸方向支持位置を補正することができる。従って、速やかに羽根車とシュラウド間の隙間を互いの接触に対する最小隙間よりも大きくなる隙間に制御し、羽根車とシュラウドとの接触を確実に回避して安全運転することができる。

さらに、本発明のターボ圧縮機は、上述のいずれかのターボ圧縮機において、前記回転軸の軸方向支持位置を検知するギャップセンサを、前記回転軸および／または前記スラスト磁気軸受に近接して設置する以外に、前記羽根車の背面の外径側から軸方向位置を検出する第２のギャップセンサ設け、その検知信号を用いて前記回転軸の軸方向支持位置を補正する第４の補正手段を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、回転軸の軸方向支持位置を検知するギャップセンサを、回転軸および／またはスラスト磁気軸受に近接して接する以外に、羽根車の背面の外径側から軸方向位置を検出する第２のギャップセンサ設け、その検知信号を用いて回転軸の軸方向支持位置を補正する第４の補正手段を備えているため、高速回転時の遠心力による羽根車の変形およびガス力による変形を第２ギャップセンサにより検知し、それに基づいて第４の補正手段により回転軸の軸方向支持位置を補正することにより、羽根車の外径側の隙間を適正な隙間に制御することができる。つまり、羽根車の外径側の隙間の拡大は性能低下や消費エネルギーの増加に与える影響が大きい一方、高速回転時の遠心力による変形およびガス力による変形も大きいことから、羽根車の外径側の隙間を適正隙間とすることは、圧縮機の性能低下や消費エネルギーの増加を抑制する上で有益であり、これによって、羽根車とシュラウド間の隙間を最小化し、その隙間からのガス漏れを低減して効率を高め、ターボ圧縮機の性能向上を図ることができる。

さらに、本発明にかかるターボ冷凍機は、ターボ圧縮機、凝縮器、絞り装置、蒸発器から構成されるターボ冷凍機において、前記ターボ圧縮機が、上述のいずれかのターボ圧縮機とされていることを特徴とする。

本発明によれば、ターボ圧縮機、凝縮器、絞り装置、蒸発器から構成されるターボ冷凍機のターボ圧縮機が上述のいずれかのターボ圧縮機とされているため、高効率化された圧縮機を搭載することにより、ターボ冷凍機として能力の向上やＣＯＰの向上、羽根車とシュラウドの接触を発生させない安全運転領域の拡大等を図ることができ、従って、ターボ冷凍機をより高性能化することができる。

本発明のターボ圧縮機およびターボ冷凍機によると、運転状態で変化する圧縮機の圧力分布によって生じる軸方向スラスト荷重を、圧縮機の吸込み、吐出等の圧力または温度の計測値に基づいて荷重算出手段により算出し、その値に基づいて軸方向支持位置制御手段によりスラスト磁気軸受に分配供給する電流値を調節することによって、スラスト磁気軸受による回転軸の軸方向支持位置を可変し、羽根車とシュラウド間の隙間を目標隙間に制御することにより、両者間の隙間を互いの接触を回避して運転し得る最小の隙間に制御することができるため、羽根車とシュラウド間の隙間を最小化し、その隙間からの圧縮ガス漏れを低減して圧縮効率を高めることにより、ターボ圧縮機の性能を向上することができるとともに、安全運転領域を拡大することができる。

本発明の一実施形態に係るターボ圧縮機の全体構成図である。 上記ターボ圧縮機の羽根車周りの構成図である。 上記ターボ圧縮機の動的制御の一例を示すタイミングチャート図である。

以下に、本発明にかかる一実施形態について、図１ないし図３を参照して説明する。
図１には、本発明の一実施形態に係るターボ圧縮機の全体構成図が示されている。
ターボ圧縮機１は、ターボ冷凍機、ターボヒートポンプ等（以下、総称してターボ冷凍機という。）に適用されるものであり、凝縮器、絞り装置、蒸発器と共に公知の冷凍サイクルを構成し、低圧の冷媒ガスを高圧の冷媒ガスに圧縮することによって冷凍サイクル内を循環させる機能を担うものである。

ここでのターボ圧縮機１は、モータ２により回転され、２段の羽根車３，４を回転する回転軸５が、ケーシング６側に設置された前後一対のラジアル磁気軸受７，８と、互いに対向配置された一対のスラスト磁気軸受９，１０とによって支持されたターボ圧縮機１とされている。モータ２は、ロータ２Ａとステータ２Ｂを備え、ケーシング６のモータ室６Ａ側の中央部位に固定設置されており、そのロータ２Ａに回転軸５の略中央部が固定連結された構成とされている。

回転軸５の後端部には、スラストディスク１１が固定設置され、このスラストディスク１１を挟んで、一対のスラスト磁気軸受９，１０が所定のギャップを介して対向配置されている。この一対のスラスト磁気軸受９，１０は、コイルに供給される電流により磁気吸引力を発生し、その中央にスラストディスク１１を位置せしめることにより、回転軸５にかかるスラスト荷重を支持する構成とされている。従って、各コイルに供給される電流の分配を調整し、スラストディスク１１に対する各軸受９，１０の磁気吸引力を制御することにより、回転軸５の軸方向支持位置を任意の位置に制御することが可能とされている。

ケーシング６の圧縮室６Ｂ側には、１段羽根車（単に、羽根車と称することもある。）３が配置された低段側圧縮部１２と、２段羽根車（単に、羽根車と称することもある。）４が配置された高段側圧縮部１３とからなる２段圧縮機構が内蔵され、吸入口１４から入口ベーン１５を介して吸込んだ低圧冷媒ガスを低段側圧縮部１２により圧縮し、その吐出ガスを高段側圧縮部１３により吸込み、高圧冷媒ガスに２段圧縮する構成とされている。各羽根車３，４は、回転軸５の前端側に直結され、モータ２によって回転駆動されるようになっている。

また、１段羽根車３および２段羽根車４は、シュラウド１６，１７が各羽根車３，４から分離され、それがケーシング６側に設けられた、いわゆるオープン型の羽根車とされており、それぞれの羽根車３，４とシュラウド１６，１７間に微小隙間Ｓが設けられるように配設されている。
なお、ラジアル磁気軸受７，８により回転軸５を支持しているターボ圧縮機では、ラジアル磁気軸受７，８が故障した場合や停止時に回転軸５を支持する、補助軸受（ラジアル軸受）が設けられているが、本実施形態では、記載が省略されているものとする。

回転軸５を磁気軸受７ないし１０で支持した構成のターボ圧縮機１においては、一般に転がり軸受や滑り軸受に比べて軸受剛性が低く、軸受隙間（最大稼働隙間）が大きくなることから、各羽根車３，４とシュラウド１６，１７の接触を避けるため、各羽根車３，４とシュラウド１６，１７間の隙間Ｓを大きく設定する傾向があった。しかるに、隙間Ｓは圧縮ガスの漏れに影響し、圧縮効率を左右することから、可及的に小さくすることが望ましい。そこで、本実施形態においては、隙間Ｓを出来る限り小さくするために、以下の構成を採用している。

つまり、本実施形態においては、低段側圧縮部１２および高段側圧縮部１３の圧力分布によって生じ、回転軸５にかかる軸方向スラスト荷重Ｆ_ｔを算出し、その軸方向スラスト荷重Ｆ_ｔに基づいてスラスト磁気軸受９，１０による回転軸５の軸方向支持位置を可変することにより、１段羽根車３および２段羽根車４とシュラウド１６，１７間の隙間Ｓを目標隙間Ｓ１（例えば、０．１ｍｍ）に制御できるようにしている。この目標隙間Ｓ１は、各羽根車３，４とシュラウド１６，１７間の隙間Ｓを互いの接触を回避して運転し得る最小の隙間に設定されているものとする。

上記ターボ圧縮機１の軸方向スラスト荷重Ｆ_ｔは、以下により算出することができる。
図２に示されるように、１段羽根車３の吸込側、吐出側、２段羽根車４の吸込側、吐出側にそれぞれ圧力センサ１８，１９，２０，２１を設け、その検出値を
Ｐ_１ｆ：１段羽根車吸込圧力［ＭＰａ］
Ｐ_１ｂ：１段羽根車吐出圧力［ＭＰａ］
Ｐ_２ｆ：２段羽根車吸込圧力［ＭＰａ］
Ｐ_２ｂ：２段羽根車吐出圧力［ＭＰａ］
とする。

また、
Ｄ_１ｆ：１段羽根車前面側径［ｍｍ］
Ｄ_１ｏ：１段羽根車外径［ｍｍ］
Ｄ_１ｂ：１段羽根車背面側径［ｍｍ］
Ｄ_２ｆ：２段羽根車前面側径［ｍｍ］
Ｄ_２ｏ：２段羽根車外径［ｍｍ］
Ｄ_２ｂ：２段羽根車背面シール外径［ｍｍ］
Ｆ_１ｆ：１段羽根車前面側スラスト荷重［Ｎ］
Ｆ_１ｂ：１段羽根車背面側スラスト荷重［Ｎ］
Ｆ_２ｆ：２段羽根車前面側スラスト荷重［Ｎ］
Ｆ_２ｂ：２段羽根車前面側スラスト荷重［Ｎ］
Ｆ_ｔ：軸方向スラスト荷重［Ｎ］
π：円周率
としたとき、各スラスト荷重［Ｎ］Ｆ_１ｆ、Ｆ_１ｂ、Ｆ_２ｆ、Ｆ_２ｂは、下記（１）ないし（４）式から算出することができる。

Ｆ_１ｆ＝［π＊Ｄ_１ｆ ^２＊Ｐ_{ｖａｎｅ1}／４＋π／２＊（Ｄ_１ｏ−Ｄ_１ｆ）＊｛（Ｐ_１ｂ−Ｐ_{ｖａｎｅ1}）＊（Ｄ_１ｏ ^３−Ｄ_１ｆ ^３）／３＋（Ｐ_{ｖａｎｅ1}＊Ｄ_１ｏ−Ｐ_１ｂ＊Ｄ_１ｆ）＊（Ｄ_１ｏ ^２−Ｄ_１ｆ ^２）／２｝］／１００＊９．８０６６５ ・・・（１）

Ｆ_１ｂ＝｛π＊Ｐ_１ｂ＊（Ｄ_１ｏ ^２−Ｄ_１ｂ ^２）／４｝／１００＊９．８０６６５ ・・・（２）

Ｆ_２ｆ＝［π＊Ｐ_１ｆ＊（Ｄ_２ｆ ^２−Ｄ_１ｆ ^２）／４＋π／２＊（Ｄ_２ｏ−Ｄ_２ｆ）＊｛（Ｐ_２ｂ−Ｐ_２ｆ）＊（Ｄ_２ｏ ^３−Ｄ_２ｆ ^３）／３＋（Ｐ_２ｆ＊Ｄ_２ｏ−Ｐ_２ｂ＊Ｄ_２ｆ）＊（Ｄ_２ｏ ^２−Ｄ_２ｆ ^２）／２｝］／１００＊９．８０６６５ ・・・（３）

Ｆ_２ｂ＝｛π＊Ｐ_ｔａｎｋ＊Ｄ_２ｒｒ ^２／４＋π＊Ｐ_２ｂ／４＊（Ｄ_２ｏ ^２＋Ｄ_２ｒｒ ^２）｝／１００＊９．８０６６５ ・・・（４）

従って、ターボ圧縮機１の軸方向スラスト荷重［Ｎ］Ｆ_ｔは、上記（１）ないし（４）式の合計値として、下記（５）式により算出することができる。
Ｆ_ｔ＝Ｆ_１ｆ＋Ｆ_１ｂ＋Ｆ_２ｆ＋Ｆ_２ｂ・・・（５）

ターボ圧縮機１の制御部２２は、圧力センサ１８，１９，２０，２１の検出値に基づいて上記（１）ないし（５）式により、回転軸５にかかる軸方向スラスト荷重［Ｎ］Ｆ_ｔを算出する荷重算出手段２３と、その算出値に基づいてスラスト磁気軸受９，１０に分配供給する電流値を制御することにより、スラスト磁気軸受９，１０による回転軸５の軸方向支持位置を可変制御し、各羽根車３，４とシュラウド１６，１７間の隙間Ｓを目標隙間Ｓ１に制御する軸方向支持位置制御手段２４と、を備えた構成とされている。なお、目標隙間Ｓ１は、上記したように、各羽根車３，４とシュラウド１６，１７間の隙間Ｓを互いの接触を回避して運転し得る最小の隙間に設定されている。

また、軸方向支持位置制御手段２４は、軸方向スラスト荷重［Ｎ］Ｆ_ｔが急変する運転条件が検知された時、すなわちターボ圧縮機１が過渡運転状態と判断された場合、各羽根車３，４とシュラウド１６，１７間の隙間Ｓが互いの接触を回避して運転し得る最小の隙間である目標隙間Ｓ１（０．１ｍｍ）に対して、それより大きな隙間Ｓ２（例えば、０．２ｍｍ）となる位置に回転軸５の軸方向支持位置を補正制御する機能を備えた構成とされている。

過渡運転状態としては、
（Ａ）圧縮機の起動または停止時
（Ｂ）サージングの発生時
（Ｃ）負荷の変動時
（Ｄ）冷却水温度の変動時
（Ｅ）回転数の急変時
（Ｆ）冷凍機が異常停止時
等が想定され、これらの運転状態では、軸方向スラスト荷重Ｆ_ｔが急変することから、その運転状態が検知されると、軸方向支持位置制御手段２４は、各羽根車３，４とシュラウド１６，１７間の隙間Ｓを、軸方向スラスト荷重Ｆ_ｔの急変によって回転軸５の位置が変動しても両者が接触することがないように、目標隙間Ｓ１よりも大きい隙間Ｓ２に補正するようにしている。

なお、本実施形態では、冷凍機の異常停止時（Ｆ）には、他の過渡運転状態時（Ａ）ないし（Ｅ）に比べ、羽根車３，４とシュラウド１６，１７間の隙間Ｓが一段と大きい隙間Ｓ３に補正制御される構成としている。つまり、本実施形態では、回転軸５の軸方向支持位置の最大制御幅を、図３に示されるように、軸の最大制御幅（前方）から軸の最大制御幅（後方）までの範囲とし、軸の最大制御幅（前方）のときに、各羽根車３，４とシュラウド１６，１７間の隙間Ｓが目標隙間Ｓ１となり、軸の最大制御幅（後方）のときに、羽根車３，４とシュラウド１６，１７間の隙間Ｓが最大隙間Ｓ３、その中間のときに、隙間Ｓ２となるように設定している。

そして、羽根車３，４とシュラウド１６，１７間の隙間Ｓを隙間Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３に制御するため、スラスト磁気軸受９，１０により支持されている回転軸５の軸方向支持位置を検知するギャップセンサ（スラスト方向変位センサ）２５，２６，２７が、回転軸５の前端位置と、一対のスラスト磁気軸受９，１０位置とに設置されている。なお、ギャップセンサ２５は、回転軸５の前端位置を直接検知してその軸方向支持位置を検知するものであるのに対し、ギャップセンサ２６，２７は、一対のスラスト磁気軸受９，１０とスラストディスク１１間のギャップから回転軸５の軸方向支持位置を検知するものである。

また、上記の隙間制御を可能にするため、例えば、一対のスラスト磁気軸受９，１０とスラストディスク１１間のギャップを検知するギャップセンサ２６，２７は、各々０．３ｍｍの基準ギャップとして設置されており、各羽根車３，４とシュラウド１６，１７間の隙間Ｓを目標隙間Ｓ１に制御する際、スラストディスク１１、すなわち回転軸５が前方側に０．１ｍｍ移動され、各々のギャップが、前方側が０．２ｍｍ、後方側が０．４ｍｍとなる軸方向位置に支持されるようにしている。

同様に、隙間Ｓ２に制御する場合、各々のギャップが、前方側が０．３ｍｍ、後方側が０．３ｍｍの基準ギャップとなるセンター位置にスラストディスク１１が支持され、隙間Ｓ３に制御する場合、各々のギャップが、前方側が０．４ｍｍ、後方側が０．２ｍｍの軸方向位置にスラストディスク１１が支持される。これにより、各羽根車３，４とシュラウド１６，１７間の隙間Ｓを安定運転時には、目標隙間Ｓ１（０．１ｍｍ）に制御し、過渡運転時には、それより大きい隙間Ｓ２（０．２ｍｍ）に、また、過渡運転の１つである異常停止時には、更に大きい隙間Ｓ３（０．３ｍｍ）に制御できる構成としている。

さらに、本実施形態では、上記制御部２２に対して、以下の補正手段を設けている。
（１）上記の実施形態では、回転軸５の軸方向位置を検知する手段であるギャップセンサ２６，２７が、低段側圧縮部１２および高段側圧縮部１３から離れた位置に設置されている。この場合、各羽根車３，４とシュラウド１６，１７間の隙間Ｓの制御に際し、回転軸５の熱膨張が影響することが考えられる。
そこで、回転軸５あるいはそれを支持する軸受７、更にはケーシング６等の所要部位の温度を温度センサ３０，３１により検知し、回転軸５の熱膨張による軸長変化量と、シュラウド１６，１７と羽根車３，４の相対的位置関係を設定するケーシング６の軸方向変化量とから羽根車３，４とシュラウド１６，１７間のチップクリアランス隙間の変化量を演算し、その演算値に基づいて回転軸５の軸方向支持位置を補正する補正手段（第１の補正手段）４０を設け、ギャップセンサ２６，２７による回転軸５の軸方向支持位置を補正することにより、上記隙間Ｓを隙間Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３に制御するようにしてもよい。

（２）また、上記実施形態では、ターボ圧縮機１の過渡運転状態を軸方向スラスト荷重［Ｎ］Ｆ_ｔの急変により検知しているが、負荷の変動および／または冷却水温度の変動については、ターボ冷凍機の蒸発器の冷水入口温度、凝縮器の冷却水入口温度を検知している温度センサ３２，３３からの検出値を用い、それに基づいて軸方向スラスト荷重［Ｎ］Ｆ_ｔを演算するか、もしくは予め設定されている相関関数に基づいて回転軸５の軸方向支持位置を補正する補正手段（第２の補正手段）５０を設け、その第２補正手段５０により上記隙間Ｓを隙間Ｓ２に制御するようにしてもよい。

（３）さらに、負荷の変動や冷却水温度の変動に伴い、冷凍能力を制御するため、圧縮機の入口ベーン１５の開度および／または羽根車３，４の回転数が制御されるので、上記第２の補正手段５０に代え、入口ベーン１５の開度制御量の変化や羽根車３，４の回転数制御量の変化を用いて回転軸５の軸方向支持位置を補正する補正手段（第３の補正手段）６０を設け、その第３補正手段６０により上記隙間Ｓを隙間Ｓ２に制御するようにしてもよい。

（４）また、上記実施形態では、ギャップセンサ２５，２６，２７を回転軸５の前端位置と、一対のスラスト磁気軸受９，１０位置に設置し、回転軸５の軸方向支持位置を検知しているが、これに加えて、羽根車３，４の背面の外径側位置に、その背面側から軸方向位置を検知するギャップセンサ（第２のギャップセンサ）２８，２９を設け、その検知信号で回転軸５の軸方向支持位置を補正する補正手段（第４の補正手段）７０を設けることにより、上記隙間Ｓを隙間Ｓ２に制御するようにしてもよい。

上記の如く、羽根車３，４の外径側の変形量を検知して隙間Ｓを制御することは、羽根車３，４の羽根（インペラー）の変形による外径側の隙間Ｓの拡大が、性能低下や消費エネルギーの増加に与える影響が大きい一方、羽根車３，４の高速回転時の遠心力による変形およびガス力による変形が大きいことから、羽根車３，４の外径側の隙間Ｓを適正な隙間に制御することは、ガス漏れを低減し、圧縮機１の性能低下や消費エネルギーの増加を抑制する上で有益と云える。

以上に説明の構成により、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
ターボ圧縮機１が運転されることにより、１段羽根車３および２段羽根車４の吸込み側および吐出側において、それぞれ吸込み圧、吐出力が立ち、その圧力分布によって高圧側から低圧側に向う軸方向スラスト荷重Ｆ_ｔが図２に示す矢印方向に発生し、それが回転軸５にかかることになる。この回転軸５にかかる軸方向スラスト荷重Ｆ_ｔは、一対のスラスト磁気軸受９，１０を介して支持される。

スラスト磁気軸受９，１０は、各コイルに供給される電流の分配を制御することによりスラストディスク１１、すなわち回転軸５の軸方向支持位置を可変し、羽根車３，４とシュラウド１６，１７間の隙間Ｓを制御可能とされており、図３に示されるように、スラスト磁気軸受９，１０間において、最大制御幅のセンター位置にスラストディスク１１が位置されたとき、各羽根車３，４とシュラウド１６，１７間の隙間Ｓを、隙間Ｓ２（０．２ｍｍ）に制御でき、最大制御幅の前方側にスラストディスク１１が位置されたとき、隙間ＳをＳ１（０．１ｍｍ）に制御できるようにされ、更に、最大制御幅の後方側にスラストディスク１１が位置されたときに、隙間ＳをＳ３（０．３ｍｍ）に制御できるようにされている。

一方、回転軸５にかかる軸方向スラスト荷重Ｆ_ｔは、制御部２２の荷重算出手段２３により羽根車３，４の吸込みおよび吐出圧力を検知する圧力センサ１８，１９，２０，２１からの検出値に基づき、上記（１）ないし（５）式により算出することができる。この軸方向スラスト荷重Ｆ_ｔに基づいて、軸方向支持位置制御手段２４は、スラスト荷重Ｆ_ｔが急変する運転条件を検知した時、ターボ圧縮機１が上記（Ａ）ないし（Ｅ）の過渡運転状態にあると判断し、図３に示されるように、スラスト磁気軸受９，１０によりスラストディスク１１をそのセンター位置に位置せしめ、上記隙間ＳをＳ２とし、羽根車３，４とシュラウド１６，１７との接触回避を優先してターボ圧縮機１を運転できるようにしている。

図３は、上記ターボ圧縮機１の運転時における動的制御の一例を示すタイミングチャート図であり、このタイミングチャート図にも示されているとおり、過渡運転状態の１つである冷凍機の異常停止時（Ｆ）には、スラストディスク１１を最大制御幅の後方側に位置せしめ、隙間Ｓを更に大きい隙間Ｓ３（０．３ｍｍ）に制御できるようにしいる。

さらに、軸方向スラスト荷重Ｆ_ｔが急変せず安定しているときは、軸方向支持位置制御手段２４によりターボ圧縮機１が安定運転状態にあると判断し、スラスト磁気軸受９，１０によりスラストディスク１１を最大制御幅の前方側に位置せしめ、各羽根車３，４とシュラウド１６，１７の隙間Ｓを、互いの接触を回避して運転し得る最小の隙間である目標隙間Ｓ１（０．１ｍｍ）に制御してターボ圧縮機１を運転できるようにしている。

斯くして、本実施形態によると、運転状態で変化するターボ圧縮機１の圧力分布によって生じる軸方向スラスト荷重Ｆ_ｔを、ターボ圧縮機１の吸込み、吐出等の圧力の計測値に基づいて荷重算出手段２３により算出し、その値に基づいて軸方向支持位置制御手段２４によりスラスト磁気軸受９，１０に分配供給する電流値を調節することによって、スラスト磁気軸受９，１０による回転軸５の軸方向支持位置を可変し、羽根車３，４とシュラウド１６，１７間の隙間Ｓを目標隙間Ｓ１に制御することにより、その隙間Ｓを互いの接触を回避して運転し得る最小の隙間（目標隙間Ｓ１）に制御することができる。

従って、各羽根車３，４とシュラウド１６，１７間の隙間Ｓを最小化し、その隙間Ｓからの圧縮ガス漏れを低減して圧縮効率を高めることにより、ターボ圧縮機１の性能を向上することができる。

また、軸方向支持位置制御手段２４が、軸方向スラスト荷重が急変する運転条件を検知した時、スラスト磁気軸受９，１０による回転軸５の軸方向支持位置を、羽根車３，４とシュラウド１６，１７と間の隙間Ｓが互いの接触に対して目標隙間Ｓ１よりも大きい隙間Ｓ２となる位置に補正制御する機能を備えているため、軸方向支持位置制御手段２４によって軸方向スラスト荷重が急変するような過渡運転条件が検知された場合、シュラウド１６，１７と羽根車３，４間の隙間Ｓを、互いの接触を回避して運転し得る最小隙間、すなわち目標隙間Ｓ１よりも大きい隙間Ｓ２に補正して運転することができる。

これにより、ターボ圧縮機１が過渡運転時には、羽根車３，４とシュラウド１６，１７との接触回避を優先してターボ圧縮機１を運転し、接触による性能低下や損傷のリスクを低減して安全運転領域を拡大することができる。

また、本実施形態のように、回転軸５の軸方向位置を検知する手段であるギャップセンサ２６，２７が圧縮部１２，１３から離れた位置に設けられている場合、回転軸５の熱膨張がシュラウド１６，１７と羽根車３，４間の隙間Ｓの制御に対して影響を及ぼすことになるが、制御部２３に第１の補正手段４０を設け、回転軸５の温度あるいは回転軸５を支持している軸受７、ケーシング６等の所要部位の温度を検知し、回転軸５の熱膨張による軸長変化量と、シュラウド１６，１７と羽根車３，４の相対的位置関係を設定するケーシング６の軸方向変化量とから羽根車３，４とシュラウド１６，１７間のチップクリアランス隙間の変化量を演算し、それに基づいて回転軸５の軸方向支持位置を補正するようにしているため、回転軸５の軸方向位置を検出する手段の設置位置に関係なく、羽根車３，４とシュラウド１６，１７間の隙間Ｓを適正に制御することができ、従って、検出手段であるギャップセンサ２６，２７の設置位置に関しての自由度を確保することができる。

さらに、上記制御部２２に対し、負荷の変動および／または冷却水温度の変動を冷水入口温度センサ３２、冷却水入口温度センサ３３で検知し、軸方向スラスト荷重Ｆ_ｔを演算するか、もしくは予め設定されている相関関数に基づいて回転軸５の軸方向支持位置を補正する第２の補正手段５０を設け、軸方向スラスト荷重Ｆ_ｔが急変する直接の原因である負荷の変動（冷凍機の場合、蒸発器冷水入口温度の変動）および／または凝縮器冷却水入口温度の変動を検知して軸方向スラスト荷重Ｆ_ｔを演算するか、もしくは予め設定されている相関関数に基づいて、第２補正手段５０により回転軸５の軸方向支持位置を補正するようにしている。

このため、負荷の変動および／または冷却水温度の変動時、羽根車３，４とシュラウド１６，１７の隙間Ｓを、互いの接触を回避して運転し得る最小の隙間である目標隙間Ｓ１よりも大きい隙間Ｓ２とすることができ、従って、羽根車３，４とシュラウド１６，１７の隙間Ｓを、速やかに目標隙間Ｓ１よりも大きい隙間Ｓ２に制御し、羽根車３，４とシュラウド１６，１７との接触を確実に回避して安全に運転することができる。

また、制御部２２に、ターボ圧縮機１の入口ベーン１５の開度制御量の変化および／または羽根車３，４の回転数制御量の変化を用いて回転軸４の軸方向支持位置を補正する第３の補正手段６０を設けている。このため、負荷の変動や冷却水温度の変動に伴い、ターボ圧縮機１の入口ベーン１５の開度や羽根車３，４の回転数（＝圧縮機の回転数）が変化するが、その制御量の変化を用いて第３補正手段６０により回転軸５の軸方向支持位置を補正し、羽根車３，４とシュラウド１６，１７と間の隙間Ｓを、互いの接触を回避することが可能な最小隙間Ｓ１よりも大きい隙間Ｓ２に制御することができる。この場合、制御量変化と同時にする軸方向位置を移動する荷重がかかるため、時間遅れなく、回転軸５の軸方向支持位置を補正することができる。

従って、負荷の変動や冷却水温度の変動時のターボ圧縮機１の入口ベーン１５の開度や羽根車３，４の回転数が変化するが、その制御量の変化を捉えて速やかに羽根車３，４とシュラウド１６，１７間の隙間Ｓを互いの接触に対する最小隙間Ｓ１よりも大きくなる隙間Ｓ２に制御し、羽根車３，４シュラウド１６，１７との接触を確実に回避して安全運転することができる。

さらに、本実施形態においては、回転軸５の軸方向支持位置を検知するギャップセンサ２５，２６，２７を回転軸５および／またはスラスト磁気軸受９，１０に近接して設置する以外に、羽根車３，４の背面の外径側位置に、その背面側から軸方向位置を検知する第２のギャップセンサ２８，２９設け、その検知信号を用いて回転軸の軸方向支持位置を補正する第４の補正手段７０を設けた構成としている。このため、羽根車３，４の高速回転時の遠心力による変形およびガス力による変形を第２のギャップセンサ２８，２９により検知し、それに基づいて第４の補正手段７０により回転軸５の軸方向支持位置を補正することにより、羽根車３，４の外径側の隙間Ｓを適正な隙間に制御することができる。

つまり、羽根車３，４の外径側の隙間Ｓの拡大は性能低下や消費エネルギーの増加に与える影響が大きい一方、高速回転時の遠心力による変形およびガス力による変形も大きいことから、羽根車３，４の外径側の隙間Ｓを適正隙間とすることは、ターボ圧縮機１の性能低下や消費エネルギーの増加を抑制する上で有益であり、これによって、羽根車３，４とシュラウド１６，１７間の隙間Ｓを最小化し、その隙間Ｓからのガス漏れを低減して効率を高め、ターボ圧縮機１の性能向上を図ることができる。

また、ターボ冷凍機に対して、上述のように高効率化されたターボ圧縮機１を搭載することにより、ターボ冷凍機として能力の向上やＣＯＰの向上、羽根車３，４とシュラウド１６，１７の接触を発生させない安全運転領域の拡大を図ることができ、従って、ターボ冷凍機をより高性能化することができる。

なお、本発明は、上記実施形態にかかる発明に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、適宜変形が可能である。例えば、上記実施形態では、羽根車を２段に設けた２段ターボ圧縮機の例について説明したが、単段ターボ圧縮機あるいは３段以上の多段ターボ圧縮機にも同様に適用できることは云うまでもない。
また、上記実施形態では、吸込み／中間吸込み／吐出の各圧力を検出して軸方向スラスト荷重を算出する例について説明したが、それぞれの温度を検出し、その飽和圧力から軸方向スラスト荷重を算出するようにしてもよいことはもちろんである。

さらに、上記実施形態では、スラストディスク１１を回転軸５の後方端に設けた例について説明したが、モータ２と高段側圧縮部１３との間等において、圧縮部に接近させて設置してもよく、この場合、第１の補正手段４０を省略することも可能である。また、上記した実施形態において例示した羽根車３，４とシュラウド１６，１７間の隙間Ｓの具体的設定値Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３やギャップセンサ２６，２７の具体的設定値は、仮定の設定値であって、実際の設計値ではないことに留意されたい。

１ ターボ圧縮機
２ モータ
３ １段羽根車（羽根車）
４ ２段羽根車（羽根車）
５ 回転軸
６ ケーシング
７，８ ラジアル磁気軸受
９，１０ スラスト磁気軸受
１１ スラストディスク
１５ 入口ベーン
１６，１７ シュラウド
１８，１９，２０，２１ 圧力センサ
２２ 制御部
２３ 荷重算出手段
２４ 軸方向支持位置制御手段
２５，２６，２７ ギャップセンサ
２８，２９ 第２のギャップセンサ
３０，３１ 温度センサ
３２ 冷水入口温度センサ
３３ 冷却水入口温度センサ
４０ 第１の補正手段
５０ 第２の補正手段
６０ 第３の補正手段
７０ 第４の補正手段
Ｆ_ｔ 軸方向スラスト荷重
Ｓ 羽根車とシュラウド間の隙間

Claims (7)

1. シュラウドがケーシング側に設けられているオープン型の羽根車を備え、回転軸がラジアル磁気軸受およびスラスト磁気軸受により支持されているターボ圧縮機において、
   圧縮機の圧力分布によって生じる軸方向スラスト荷重を算出する荷重算出手段と、
   その軸方向スラスト荷重に基づいて前記スラスト磁気軸受による前記回転軸の軸方向支持位置を可変し、前記羽根車と前記シュラウド間の隙間を目標隙間に制御する軸方向支持位置制御手段とからなる制御部を備えていることを特徴とするターボ圧縮機。
2. 前記軸方向支持位置制御手段は、前記軸方向スラスト荷重が急変する運転条件を検知した時、前記スラスト磁気軸受による前記回転軸の軸方向支持位置を、前記羽根車と前記シュラウド間の隙間が互いの接触に対して前記目標隙間よりも大きい隙間となる位置に補正制御する機能を備えていることを特徴とする請求項１に記載のターボ圧縮機。
3. 前記制御部は、前記回転軸の軸方向位置を検知する手段が圧縮部から離れた位置に設置されている場合、所要部位の温度を検知して前記回転軸の熱膨張による軸長変化量と、前記シュラウドと前記羽根車の相対的位置関係を設定する前記ケーシングの軸方向変化量とから前記羽根車と前記シュラウド間の隙間の変化量を演算し、それに基づいて軸方向支持位置を補正する第１の補正手段を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載のターボ圧縮機。
4. 前記制御部は、負荷の変動および／または冷却水温度の変動を検知し、前記軸方向スラスト荷重を演算するか、もしくは予め設定されている相関関数に基づいて前記回転軸の軸方向支持位置を補正する第２の補正手段を備えていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のターボ圧縮機。
5. 前記制御部は、圧縮機の入口ベーン開度の制御量変化および／または前記羽根車の回転数制御量の変化を用いて前記回転軸の軸方向支持位置を補正する第３の補正手段を備えていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のターボ圧縮機。
6. 前記回転軸の軸方向支持位置を検知するギャップセンサを、前記回転軸および／または前記スラスト磁気軸受に近接して設置する以外に、前記羽根車の外径位置に対して第２のギャップセンサ設け、その検知信号を用いて前記回転軸の軸方向支持位置を補正する第４の補正手段を備えていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のターボ圧縮機。
7. ターボ圧縮機、凝縮器、絞り装置、蒸発器から構成されるターボ冷凍機において、
   前記ターボ圧縮機が、請求項１ないし６のいずれかに記載のターボ圧縮機とされていることを特徴とするターボ冷凍機。
   
   

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