JPS60162099A - モ−タ駆動の遠心圧縮機を制御する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は遠心圧縮機に係り、さらに詳細には冷却システ
ムに於て用いられるようなモータ駆動の遠心圧縮機の作
動を制御することに係る。

冷却システムに於て用いられる遠心圧縮機の多くは、一
定の作動速度で回転すべく設置されている。圧縮機の要
領の制御は通常、圧縮機の入口に配属された一連の調節
されることが可能なガイドベーンの位置を変化させるこ
とによって達成されている。インペラへ送られる冷却剤
の質量流量は圧縮機に要求される負荷の変化にみあうべ
く変化させられる。最大流出時には、インペラから排出
される冷却剤の流量はディフューザが処理することがで
きる流」よりも多く、ディフューザののど部に於て閉塞
が生ずる。一方低流量時には、ディフューザを通過する
冷却剤の流れが不安定となって、部分的に逆流が生じて
騒音を発し圧縮機効率が大幅に低下する。そしてついに
は、流れが完全に逆流になり、圧縮機はストールもしく
はサージングを起こすのである。閉塞状態とサージング
開始状態との間の領域が概して圧縮機の作動領域を郭定
する。容量、制御を入ロガーイドベーンのみに依存して
いる様な圧縮機に於ては、この領域は非常に狭く、ディ
フューザに於てベーンが用いられる場合には特に狭い。

流量の変化に応じてインペラの回転速度が変化させられ
る可変速度圧縮機が、従来技術に於て用いられいくらか
成功してきた。しかしながら、かかる可変速度圧縮機は
とても複雑であり、従って製造し作動させるためのコス
トがかかる。結局これらは従来技術に於て広く受け入れ
られるには到らず、特に冷却システムに於ても受け入れ
られなかった。

遠心圧縮機の効率を上げるために多くの設計案が考案さ
れてきた。圧縮機のディフューザ部に於て、固定ベーン
と可動ベーンとの両方を用いる事は、非常に有効である
ことが見い出された。しかし実際には、ディフューザの
固定ベーンは作動領域を著しく制限する。作動領域は可
動ベーンの使用にによって拡大されることが可能である
。このような可動ベーンを有するディフューザ部は米国
特許第３．９５７．３９２号に記載されている。

遠心圧縮機の効率と作動領域とを改善するために行なわ
れた試みのうちより成功と思われるものは、可変幅のベ
ーン付きディフューザの使用である。この適用例に於て
、ディフューザは固定壁に対して選択的に位置が決めら
れる可動壁を含んでおり、これによりこれらの間を通過
する冷却剤の流れが制御されるのである。この可動壁を
採用Ｉノた遠心圧縮機は、カートランドによる保留中の
米国出願特許第５３１．０１９号（１９８３年９月１２
日）に記載されている。カートランドによって説明され
ている様に、圧縮機を通過する冷却剤の質量流量を調節
するために従来通り圧縮機の入口ガイドベーンが用いら
れ、一方サージングを防止するためにディフユーザ壁の
位Ｕが変化させられる。しかしカートランドによれば、
入口ガイドベーンの位置とディフユーザ壁の位置とは関
連づけられていない。しかしながら、可動壁ベーン（４
きディフューザの使用は圧縮機のサージマージンと全効
率とを改善することができるが、ガイドベーン角度に関
係なくディフューザの幅を任意に決めることは低流邑領
域に於て比較的悪い効率をもたらすことになる。

本発明の第一の目的は、冷却システムに於て用いられる
遠心圧縮機を改善することである。本発明のさらに他の
目的は、遠心圧縮機の有効作動領域を拡大することであ
る。

本発明のさらに他の目的は、広い作動領域に亙ってサー
ジングを発生させることな（遠心圧縮機の効率を最適化
することである。

本発明の他のひとつの目的は、特定の負荷線に沿って遠
心圧縮機の効率を改善することである。

本発明のさらに他のひとつの目的は、広い作動領域に亙
って圧縮機の安定性とＲ退動率とを確保するために、測
定可能なシステムパラメータに応じて可変幅ディフュー
ザの壁を正確に配置させることである。

本発明のさらに他のひとつの目的は、予め決められた作
動領域内にて圧縮機を最適作動点でさせ続けるために、
測定された負荷と流量とに従って遠心圧縮機のディフュ
ーザ部の幅を絶えず調節してやることである。

本発明の上述の目的及び他の目的は、冷却システムに於
て用いられるモータ駆動の遠心圧縮機に於て達成される
。前記圧縮機は、可動壁を有する可変壁のベーン付き、
あるいはベーンなしのディフユーザ部と、圧縮機のリフ
トと流量を決める測定手段と、拡大された作動領域に亙
って最適作動効率を提供するために、測定されたリフト
と流量とに応じて可動ディフューザを移動させる駆動機
構とを含んでいる。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例について
詳細に説明する。

第１図に於て、エバポレータ熱交換器１１の中の液体を
冷却するための冷却システムが慨して符号１０で示され
ている。冷却されるべき物質は流れ回路１２によってエ
バポレータ装置内にて循環させられ、ここで循環させら
れている物質の熱■ネルギが該物質を冷却している冷却
剤に吸収される。エバポレータ内にて形成された冷却剤
の蒸気は遠心圧縮機１５に吸引される。遠心圧縮機は冷
却剤の温度と圧力とを上昇させる。圧縮機から排出され
る若干加熱された蒸気は、コンデンサ熱交換器１８へ送
られ、コンデンサ熱交換器１８の中で流れ回路１９を流
れる冷却水によって加熱及び潜熱が取除かれる。コンデ
ンサから排出した冷却剤は、再びエバポレータ装置の入
口へ送られて冷却ループを完成させる前に、膨張弁２０
によってさらに温度を下げられる。

本システムに於て用いられている圧縮１１１５は基本的
には単段の圧縮機であるが、本発明が多段の圧縮機に対
しても本発明の範囲を離脱することなく適用されること
が可能であることは明らかである。カーランドによる保
留中の出願中特許に記載されている様に、圧縮機は第２
図に示されている如く軸方向に向いた入口２３を含んで
おり、入口２３は流入する冷却剤を一連の調節可能の入
口ガイドベーン２５−２５を通して従来技術の回転する
インペラ・ホール組立体２４へ送り込む。インペラ・ホ
イールは、回転組立体内を通る流路２８−２８を形成す
る複数のブレード２７−２７を支持する中央ハブ２６を
有している。ブレード流路内の冷却剤の流れは半径方向
に曲げられてディフューザ部３０に４ｊｌる。ディフュ
ーザ部はインペラホイールの周囲を取囲んでおり、冷却
剤をトロイド状のらせん部もしくはコレクタ３１へ送り
込む。ディフューザとらせん部との複合作用のもとで、
冷却剤に蓄えられていた運動エネルギは静圧に変換され
る。インペラホイールのハブ２６は駆動軸３５に連結さ
れており、駆動軸３５は電気駆動モータ３６（第１図）
に連結されている。この様な適用例に於て一般にそうで
ある様に、モータはインペラを一定の作動速度で回転さ
せるべく採用されている。

圧縮機１５に対して、第４図に示されている様な圧縮機
作動線図が流量とリフトとの関係として描かれる。曲ｇ
！４０は圧縮機の包絡線を表し、一方破線４１は入口ガ
イドベーンの種々の設定角度に対する圧縮機の作動特性
を表わす代表的な負荷線である。ブーりとケーブルとの
機構４３が、圧縮機内を通る冷却剤の流れを調節サベく
流れ＄す御装置４４（第１図）から送られる制御信号に
応じてガイドベーンのそれぞれの位置を均等に調節して
いる。本発明の実行に於ては、負荷線４１によって示さ
れる様に流量を変化させるために°、従来技術に於て知
られ用いられているいかなるガイドベーン制御システム
も用いられる事が可Ｏしである。

圧縮機のディフューザ部は、ディフューザ流路４６の背
部を形成する半径方向に配置された静止壁４５を有して
いる。可動壁４７は流路の反対側、即ち全部を形成して
いる。可動壁４７はまたインペラホイールの中心軸４８
に対して半径方向に延在しており、軸方向に移動して静
止壁との間の間隔を変化ざ「ることによってディフュー
ザ部の幅を変化させる。ディフューザの幅を変化させる
ことによって、この部分を通過する冷却剤流れは緻密に
制御され、流量が低下したときに発生するサージングが
避Ｇノられ、従って圧縮機の作動効率が改善される。

さらに、圧縮機のリフトと流量とを連続的に追うことに
よって、圧縮機をストールが発生することなしにナージ
ラインに近い最適作動点にて持続的に作動させることが
可能である。

ディフューザ”部の可動前部壁は、圧縮機内のシュラウ
ド５０と主圧縮機ケーシング５１との間に配置されてず
べり運動することが可能な概して環秋のキャリッジ４９
に取付けられている。図示されていないが、可動壁は適
切な手段によってキャリッジに取付けられており、この
２つの部品は協調してディフューザ部の静止壁に接近し
たり前れたりする。一連のディフューザベーン３２−３
２が可動壁を貫通して延在し静止壁に接触すべくばね５
２−５２によって静止壁の方へ押されている。

第２図に示されているキャリッジは圧縮機ケーシング内
に完全に引き込まれており、ディフューザに１００％間
の状態を提供している。

キャリッジはねじ等によってダブルアクションピストン
５４に取付けられている。ピストン５４はシコラウドと
圧ｓｒｉ！ｗケーシングとの間に形成されたチャンバ３
４の中に於て往復運動すべく支持されており、軸方向ど
ちらにも作動させられることが可能である。第一〇流路
５３が、チャンバ３４の前１部５５へ圧力流体を導入し
、また排出するために配置されている。第二の流路５６
も同様に、チャンバ３４の後部５７へ流体を導入し排出
するために配置されている。一対の制御管路５９及び６
０がこの２つの流路と壁制御装置６２（第１図）とを連
結している。ピストンを駆動し、それによってさらにデ
ィフューザの可動壁を要求される方向に移動させるため
に、制御装置６２とチャンバ３４との間で圧力流体が選
択的に交換される。壁制御装置６２は第３図により詳細
に示されている。

壁制御装置６２は２つの管路６６及び６７によって連結
されたポンプ６４と圧力流体だめ６５とを有している。

管路６６は電気的に作動される一対のソレノイド弁６８
及び６９を含んでおり、一方管路６７も同様１＝、一対
の弁７０及び７１を含んでいる。弁の位置を電気的に制
御することによって、圧力流体がピストンチャンバのひ
とつの側へ送られ、と同時にチャンバの反対側からはｔ
ｌ＋出される、という操作が可能である。ピストンをど
ちらかの方向へ運動させ始めるためには、４つの弁のう
ちの一組の弁を作動させて（開いて）やる必要がある。

例えば、第３図に於て矢印で示されている如く弁６８及
び７１が作動させられると、圧力流体は管路５９を経て
ピストンチャンバの前部へ送られ、またチャンバの後部
からは流体が排出されかかる流体は管路６０を経て圧力
流体だめ６５へ送られる。

この動作は壁を閉じる方向にピストンを勤か寸。

またもうひとつの弁の絹６９及び７０を作動させること
によって壁は全開の位置へ向かって動かされる。壁制御
装置内の弁を適切な順序で作動させることによって、可
動壁はその作動範囲内のいかなる要求される位置へも移
動させるられることが可能である。第４図をさらに参照
して、大流昂時に於て壁は通常全開の位置に粒持される
。流入する冷却剤の流台を制限すべく入口ガイドベーン
が閉じられると、圧縮機の作動点はサージング条イ１に
近づく。この点が作動線図上で符号７５モ示されている
。ガイドベーンがさらに閉じられると圧縮機はサージン
グ状態に入り、全開のディフューザを通過する流れは不
安定になる。

本システムに於ては、リージング状態の開始は、リフト
とＷＬ＠とを表わすあるキイ・システム・パラメータを
監視することによって検知される。この情報はマイクロ
プロセッサ８０へ送られる。マイクロプロセッサ８０は
、以下でより詳細に説明される通り、リフトと流■の状
態を追跡しサージングを避けるべくディフユーザ壁を絶
えず移動さぜる様にプログラムされている。マイクロプ
ロセッサは壁を要求される位置へ移動させるために、壁
制御装階に連結され弁の組に適用されている。

マイクロプロセッサはさらに圧縮機の効率を最適化する
ために、サージングを発生ざ往ずがっ作動点をサージ・
ラインにできる限り近接する点に維持すべくプログラム
されている。

第４図に示されている様に、ディフューザ可動壁が１０
０％間の位置に保たれている時圧縮機は最大流伍で作動
している。壁が全開の位置にある場合に対するサージ・
ラインが作動線図上で符号７６で示されている。圧縮機
の作動点がサージ・ラインに接近して例えば点７５へ移
ｖｊすると、プログラム可能なマイクロプロセッサはサ
ージングの開始を事前に感知して壁をより閉の位置へ勤
がすべく壁制御装置に指令する。この方法によって壁の
位置を移動させてやることによって、ディフューザの幅
は減じられてサージ・ラインは新たイｒイｌ７ｖｌＪへ
移動し、圧縮機の効率的４ｒ作動範囲が拡大される。１
フ−−ジ・ライン７９は、壁が２５％閉の位置にある場
合のサージ領域を表わしている。図から判る通り、同一
の負荷線に沿って作動点が移動すると圧縮機はリーテン
グを起こすことなく第２の作動点７７まで移動させられ
ることが可能である。作動点が点７５から点７７まで移
動するとき、マイクロプロセッサは負荷ど流量の状態を
絶えず追跡し壁の位置を作動点の僅か前方の位置に保っ
て、全ディフューザ作動範囲内に亙っで最適作動効率を
確実に雇持する。

再び第１図を参照して、温度センサ７３及び７４がエバ
ポレータ装置とコンデンサ装置とから出る冷却剤管路中
に設置されている。冷却剤の飽和温度の情報はデータ線
８１及び８２を経てマイクロプロセッサへ絶えず送られ
る。同様に、圧縮機モータにはアンペア計８５が取付け
られており、アンペア計８５は第３のデータ線８３を通
してマ、イクロプロヒッサに電流の情報を提供する。マ
イクロプロセラ４Ｊに送られた情報はリフトと流量とを
決めるために用いられ、このことによって圧縮１幾の作
動線図上での作動点が絶えず追跡されることが可ＯＬと
なっている。

ディフューザ可変壁４７の位置はポテンショメータ（Ｍ
２図）によって監視されている。センサ０ツド９２が、
ロッド９２をキャリッジに押しあてるべく採用されてい
る〜ローズ９３を貫通して延在しており、キャリッジが
前後に運動する時ロッドは絶えずその位置を検知する。

ロッドはアーム９１を介してポテンショメータ９０に連
結しており、壁の位置の変化に従ってポテンショメータ
の出力信号が変化する。このデータはデータ線９６を紅
でマイクロプロセッサへ送られ、正確な壁の位置に関す
る情報がプロセッサに提供されることに１．【る。

この情報が用いられれば、最適効率を１１？供するため
のディフューザ流路の望ましい幅が決められることが可
能となり、壁制御装置は制ｔｉＩ線８４を通じて壁をこ
の特定の位置に設定すべく指令を受ける。上述の通り本
圧縮機に於ては、容量の制御は従来技術の可動入口ガイ
ドベーンによって達成され、一方低減された流ａ下での
最適効率を達成するためにディフューザ流路の幅が変化
させられる。ディフューザ流路の幅は次の関係式に従っ
て変化させ−うねる。

但しここで、％ＷＩＤＴ）−１とはディフューザ流路の
幅の全開幅に対でる比をパーセントで表したものであり
１００は最大流路幅を表わす。また、９６△ＭＰＳとは
測定された圧縮機モータの電流値のモータ全能力におけ
る電流値に対する比をパーセントで表したものである。

またり、　ｒ　Ｆ　Ｔどけコンデンサ装置とエバポレー
タ装置とに於て測定された冷却剤の飽和温度に基づく圧
縮機のリフトを度で表わしたものである。またｃｌと０
２とｃ３とは定数である。リフトは以下の関係式によっ
てめられる。

１−　Ｉ　ＦＴ＝　（Ｔ）Ｄ　ＩＡ、ＭＵＩ　Ｔ。

但しここで、１−はエバポレータ装置から出た冷却剤と
コンデンサ装置から出た冷却剤との温度差を度で表わし
たものであり、Ｄ　ＩＡ、Ｍ（ＪＬＴ、とは、計粋され
た圧縮機のリフトをインペラの直径に基づいて修正する
修正乗数である。

訂幹されたディフューザ幅が１００以上であった場合、
つまり圧縮機が人流台領域で作動している１易合には、
プロセラ１ブは壁制御装置に壁を全開の位置までＵ）か
じ流量がより低い領域までイル下するまで壁をかかる位
置に保つ様に指令を送るべ（プログラムされている。流
量が低下覆ると、マイクロプロセッサへ送られた情報に
基づいて壁制御装置は圧縮機の作動点をサージ点に近接
する位置にて維持すべくピストン、更にはディフユーザ
壁を新たイＴより制限された位置へ移ａさせるべく指令
される。このことによって流量が減少したときに於ても
圧縮機の最適作動効率が確保される。同様に、流量が増
加した時には、壁は再び全開の位置に達するまで反対向
きに動がされるのである。

本発明の装置が、圧縮機の作動点を作動線図上で絶えず
追跡しそれに応じてディフユーザ壁の位置を調節して非
常に広い絶「■に亙って作！７１グ１″＄を最適としつ
つかつサージングを回避しつつ圧縮１幾を作動させるこ
とが可能であることが、明らかとなったであろう。

以上に於ては本発明を特定の実施例に付いて詳細に説明
したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものでは
なく、本発明の範囲内にて種々の実施例が可能であるこ
とは当業者にとって明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を実現する冷却システムを示す概要図
である。 第２図は、第１図に図示されたシステムに於て用いられ
る遠心圧縮機の縦断面図であり、可変幅デイフユーザと
それに関連した駆動機構を示している。 第３図は、ディフユーザ壁の位置を正確に決めるために
用いられる駆動ビスミーンを動かすための弁作動による
圧力気体制Ｗ装置を示す概要図である。 第４図は、本圧縮機の作ｉＪＩ＋線図であり、買出流台
に対してリフ１〜がプ［Ｊットされている。 １０・・・冷却システム、１１・・・エバポレータ熱交
換器、１２・・・流れ回路、１５・・・遠心圧縮機、１
８・・・コンデン寸熱交換器、１９・・・流れ回路、２
０・・・膨張弁、２３・・・入口、２４・・・インペラ
・ホイール絹立体、２５・・・入口ガイドベーン、２６
・・・中央ハブ、２７・・・ブレード、２８・・・流路
、３０・・・ディフューザ部、３１・・・らせん部、３
２・・・ディフューザ・ベーン、３４・・・チャンバ、
３５・・・駆動軸、３６・・・モータ、４０・・・包絡
線、４１・・・負荷線、４３・・・ブーリドケーブルと
の機構、４４・・・流れ制御装置。 ４５・・・静Ｉ）：壁、４６・・・ディフューザ流路、
７１Ｉ７・・・可動壁、４８・・・中心軸、４９・・・
キャリッジ、５０・・・シュラウド、５１・・・圧縮機
ケーシング、５２・・・ばね、５３・・・第一の流路、
５４・・・ダブル・アクション・ピストン、５５・・・
チャンバ（３４）の前部。 ５６・・・第二の流路、Ｆ５７・・・チャンバ（３４）
の後部、５９・・・制御管路、６０・・・制御管路、６
２・・・壁制御ｉｌＩ装置、６４・・・ポンプ、６５・
・・圧ツノ流体だめ。 ６６・・・管路、６７・・・管路、６８・・・ソレノイ
ド弁。 ６９・・・ソレノイド弁、７０・・・ソレノイド弁、７
１・・・ソレノイド弁、７３・・・温度センサ、７４・
・・温度センＵ−，７５・・・作動点、７６・・・壁が
全開の位置にあるときのり一−ジ・ライン、７７・・・
作！Ｌ＋ａ、７９・・・壁が２５％閉の位置にあるどき
の１ノージ・ライン、８０・・・マイクロ・ブロセッ４
ｊ、８１・・・データ線、８２・・・データ線、８３・
・・データ線、８４川制御線、８５・・・アンペアｆｆ
ｔ、９０・・・ポテンショメータ、９１・・・アーム、
９２・・・ヒンサロツド、９３・・・ベローズ、９６・
・・データ線 特許出願人　キャリア・コーポレイション代　埋　人　
弁　理　士　明石　昌毅 ＦＩ６．３

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）冷却システムに於て用いられるモータ駆動の遠心
   圧縮機を制御する方法にして、前記圧縮機内に於けるデ
   ィフューザ部にして、該ディフューザ部の幅を変化させ
   このことによって予め設定された作動領域内にて圧縮機
   のサージ点を変えてやるための可動壁を有するディフュ
   ーザ部を提供する階段と、前記圧縮機のリフトと流量と
   を測定してかかる測定値に応じて圧縮機サージングを回
   避しつつ最高の作動効率を提供すべく、前記ディフュー
   ザの可動壁の最適位置を郭定する段階と、前記ディフユ
   ーザ壁を前記最適位置へ移動する段階とを含む方法。
2. （２）冷却システムに於て用いられるモータ駆動の遠心
   圧縮機のサージングを防ぐ装置にして、前記圧縮機内に
   於ｔノるディフューザ部にして、該ディフューザ流路の
   幅を変化させて前記圧縮機のサージ点を予め設定された
   作動領域内にて変化させることが可能となる様に、反対
   側に延在する固定壁に対して接近したり離れたりする可
   動壁を有するディフューザ部と、制御入力信号に応じて
   前記可動壁の位置を設定する制御手段と、圧縮機のリフ
   トと流量とを表わすシステムパラメータを監視しそのデ
   ータに関する出力信号を１を供する測定手段と、圧縮機
   サージングを回避しつつ最高の作動効率を提供づべく前
   記データ信号を受けて、測定されたリフトと流量とに応
   じた最適位置へ前記壁を移動させるための制御信号を提
   供するプログラム可能の手段とを含む装置。