JPS61250399A - モ−タ駆動式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】 産業上の利用分野 本発明は、可動壁を備えたディフューザを有するモータ
駆動式遠心圧縮機が組込まれた冷凍システムに係り、特
に圧縮機の負荷の変化に応じて圧縮機を最適の運転条件
又はその近傍に連続的に維持すべく可動壁の位置をＩＩ
Ｉ　Ｉｎすることに係る。

発明の背景 当技術分野に於ては、カルノーサイクルを利用した加熱
及び冷却システムを流れる冷媒の量を制御ｌするために
可変速度遠心圧縮機が従来より使用されている。かかる
可変速度遠心圧縮機は非常に良好に機能するものではあ
るが、比較的高価であり、また保守が困難であることが
多い。従って可変速度遠心圧縮機は当工業界に於ては広
範囲には使用されていない。現在使用されている多くの
遠心圧縮機は一定の運転速度にて作動するよう構成され
ており、遠心圧縮機に対する制御はインペラホイールへ
の入口に配置されたガイドベーンの位置を調節すること
によって行われる。

定速遠心圧縮機を使用する冷凍システムに於ては、圧縮
機のインペラへ供給される流体の質ｍ流量はそのシステ
ムに課せられる変化する要件に適合するよう変化される
。最大流量の条件下に於ては、インペラのブレードの間
より流出する冷媒の量はディフューザセクションが処理
し得る量以上になることがあり、そのため冷媒の流れは
ディフューザの入口又は喉部に於て絞られた状態になる
。

比較的低い流量の状態に於ては、ディフューザセクショ
ンを流れる冷媒の流れは不安定になり、流れパターンが
部分的に逆転された状態になる。このことにより多層の
騒音が発生され、また圧縮機の効率が大きく低下せしめ
られる。究極的には流れパターンの完全な逆転が生じ、
圧縮機が失速し又はサージが生じる。一般に冷媒の流れ
が絞られる条件とサージがまじる条件との間に広がる流
量により圧縮機の運転範囲が決定される。流量制御を維
持するために入口ガイドベーンが使用される定速圧縮機
に於ては、かかる運転範囲は非常に狭い。

１９８３年９月１２日付にて出願された米国特許出願用
５３１，０１９号には、ディフューザ通路の幅が冷凍シ
ステムに課せられる種々の負荷条件に適合するよう変化
されるよう、一つの壁が移動可能に装着されたディフュ
ーザを有する遠心圧縮機が記載されている。また米国特
許第４．５０３．６８４号には、揚程及び圧縮機に課せ
られる負荷を検出し、可動壁の位置を調節して圧縮機を
最適の運転条件又はそれに近い条件に維持すべく、可変
幅ディフューザとの関連で使用される制御システムが記
載されている。負荷は圧縮機用モータに流れる電流を検
出することによって求められ、１！程は冷凍システムの
エバポレータ及びコンデンサより流出する水の温度を比
較することにより求められる。

上述の米国特許第４．５０３．６８４号に記載された制
御システムは非常に良好に機能するものではあるが、負
荷及び揚程の両方に追従するためにはマイクロコンピュ
ータが使用される必要がある。本発明は上述の米国特許
第４，５０３．６８４号に記載された制御システムの多
くの利点を是認し、少ない設備を用いてディフューザ幅
を変化させることができ、これにより圧縮機の運転効率
を大きく犠牲にすることなく冷凍システムのコストを低
減することのできる方法を提供するものである。

発明の概要 従って本発明の一つの目的は、改良された冷凍システム
を提供することである。

本発明の他の一つの目的は、冷凍システムに使用される
遠心圧縮機内に於けるディフューザ幅を変化させるため
に使用される制御装置を単純化することである。

本発明の更に他の一つの目的は、可変幅ディフューザを
使用する遠心圧縮機の設備費を低減することである。

本発明の更に他の一つの目的は、可変幅ディフューザを
使用する圧縮機内に於けるデイフユーザ壁の位置を制御
するに必要な設備の量を低減することである。

本発明の上述の目的及び他の目的は、或る所望の運転範
囲内に於て変化する負荷条件に適合するようディフュー
ザ通路の幅が変化されることを可能にする可動壁がディ
フューザ内に配置されたモータ駆動式遠心圧縮機が組込
まれた冷凍システムによって達成される。圧縮機用モー
タに流れる電流の全負荷電流に対するパーセンテージが
連続的に検出され、これにより圧縮機の現在の負荷の全
負荷に対するパーセンテージが示される。モータの電流
をディフューザ通路の幅に関連付ける所望のコンデンサ
水スケジュール曲線が、所望の１１度範囲について最適
の負荷に対し最適の揚程をプロットすることにより形成
される。検出された負荷について壁を最適の運転位置に
保持すべく、ディフユーザ壁の位置が検出された圧縮機
用モータ電流の変化に応答して変化される。

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。

実施例 添付の第１図に、エバポレータの熱交換器（水急冷装置
）１１内に於て水等を急冷するために使用される冷凍シ
ステム１０が示されている。急冷されるべき水は流れ回
路１２によりエバポレータを経て循環され、これにより
冷媒によって水よりエネルギ（熱）が吸収され、これに
より水が冷却される。加熱された冷媒は水急冷装置２１
１内に於て完全に又は部分的に蒸発せしめられ、冷媒は
符号１５にて全体的に示されたモータ駆動式遠心圧縮機
により水急冷装置より吸引される。作動に於ては、圧縮
機は高温且高圧にて冷媒をポンプ送りし、これにより冷
媒蒸気を僅かに過熱する。圧縮機より流出する冷媒はコ
ンデンサの熱交換器１８に通される。熱交換器１８に於
ては、流れ回路１９により該熱交換器に通される冷却水
へ熱を伝達することにより過熱及び蒸発潜熱が奪われる
。コンデンサより流出する冷媒は水急冷装置１１の入口
へ再度供給され、これにより冷凍ループを完成する前に
、膨張弁２０により低温度に絞られる。

本発明の冷凍システムに使用される圧縮ｌｌ１１５は或
る一定の速度にて作動するよう設計された単段圧縮機で
ある。しかし本発明の範囲内にて冷凍システムに多段圧
縮機が使用されてもよいことは当業者にとって明らかで
あろう。前述の米国特許出願筒５３１．０１９号に記載
されている如く、第２図に示されている如き圧縮機は軸
線方向に整合された入口２３を含んでおり、該入口は流
入する冷媒を一連の調節可能な入口ガイドベーン２５を
経て回転インペラホイール２４のブレード２７の間へ導
く。インペラホイール２４は中央ハブ２６を含んでおり
、該中央ハブはブレードがインペラホイールを経て冷媒
を導くための通路２８を構成するようブレードを支持し
ている。ブレードの間の通路２８内を流れる冷媒は半径
方向に方向転換され、符号３０にて全体的に示されたデ
ィフューザセクション内へ吐出される。ディフューザセ
クションはインペラホイール２４を囲繞しており、イン
ペラのブレードの先端の間より流出する冷媒を回旋状の
渦巻き通路、即ちコレクタ３１内へ導く。ディフューザ
セクション及びコレクタの組合せ作用により、冷媒が保
有する運動エネルギが冷媒が制御された条件下に於て膨
張する際に静圧に変換される。インペラホイール２４の
中央ハブ２６は駆動軸３５により電気駆動モータ３６（
第１図）に連結されている。駆動モータ３６は或る一定
の運転速度にてインペラを回転駆動するようになってい
る。

圧縮機内を流れる冷媒の流れは、当技術分野に於てよ（
知られ月利用されている要領にて入口ガイドベーンの位
置を調節することによって制御される。ベーンの位置は
符＠４３にて示されたケーブル及びブーり機構により選
択的に調節され、ケーブル及びブーり機構４３は流れ制
御袋ｗ１４４（第１図）よりの制御信号に応答して各ベ
ーンの位置を同時に変化させるよう構成されている。圧
縮機のディフューザセクションはディフューザ通路４６
の背面を構成する半径方向に配設された固定壁４５を含
んでいる。ディフューザ通路４６の反対側、即ち前面の
側には可動壁４７が配置されている。可動壁４７はイン
ペラホイール２４の中心線４日に対し半径方向に延在し
ており、ディフューザ通路４６の幅を変化させるべく固
定壁４５へ向けて又はこれより離れる方向へ軸線方向に
運動し得るようになっている。ディフューザ通路４６の
幅を変化させることにより、この重要なセクションを流
れる冷媒の流量を厳密に制御し、これにより流量の小さ
い領域に於けるサージを回避し、これにより圧縮機の比
較的広い運転範囲に厘り運転効率を改善し得るようにな
っている。後に詳細に説明する如く、圧縮機を駆動する
モータに流れる電流を連続的に検出することにより、失
速を生じることなくサージラインに近い最適の運転条件
に圧縮機を設定し維持することができる。

ディフューザセクションの可動壁４７は実質的に環状の
キャリッジ４９に固定されており、キャリッジ４９はシ
ュラウド５０とメインケーシング５１との間にて圧縮機
内に摺動可能に収容されている。可動壁４７は該可動壁
及びキャリッジ４９が一体となってディフューザセクシ
ョンの固定壁４５へ向けて又はこれより離れる方向へ運
動し得るよう、適当な手段によりキャリッジに固定され
ている。一連のディフューザベーン３２が可動壁４７を
貫通してディフューザ通路４６内へ延在しており、ばね
５２により固定壁４５に対し付勢されてこれに接触した
状態に維持されている。第２図に於ては、キャリッジ４
９はメインケーシング５１に当接するよう後退され、こ
れによりディフューザ通路４６が完全に開かれた状態に
て図示されている。

キャリッジ４９はねじコネクタ等により二重作用ピスト
ン５４に固定されている。ピストン５４はシュラウド５
０とメインケーシング５１との間に形成されたシリンダ
３４内に往復動可能に装着されており、これにより軸線
方向に何れの方向にも駆動され得るようになっている。

ピストン５４及びシリンダ３４は互いに共働して液圧ア
クチュエータ７３を構成している。第一の流体チャンネ
ル５３がシリンダ３４の前室５５内へ又は前室より外へ
液圧流体を導き得るよう構成されている。

同様に第二の流体チャンネル５６がシリンダの後室５７
内へ又は後室より外へ流体を導き得るよう構成されてい
る。一対の制御導管５９及び６０が二つの流体チャンネ
ルを制御装置１６２（第１図）と接続している。液圧流
体は制御装置６２と内部にピストンを有するシリンダの
二つの室との間に選択的に交換され、これによりピスト
ンが駆動され・これによりディフューザの可動壁４７が
所望の方向に駆動されるようになっている。

制御装置６２は第３図に詳細に示されており、二つの流
体導管６６及び６７により互いに接続されたポンプ６４
と液圧流体溜り６５とを含んでいる。流体導管６６は一
対のソレノイド弁６８及び６９を含んでおり、流体導管
６７は一対のソレノイド弁７０及び７１を含んでいる。

これらのソレノイド弁の量弁位置を電気的に制御するこ
とにより、液圧流体をシリンダの前室又は後室へ選択的
に導いて可動壁を所望の位置に駆動することができる。

ピストンを何れかの方向へ駆動させるためには、上述の
四つのソレノイド弁のうちの二つのソレノイド弁を励磁
して開弁させる必要がある。

例えば第３図に於て矢印により示さている如く、ソレノ
イド弁６８及び７１を励磁すると、液圧流体が導管５９
を経てシリンダの前室５５へ供給され、これと同時に液
圧流体がシリンダの後室５７より吸引され、導管６０を
経て液圧流体溜り６５へ排出される。かくしてソレノイ
ド弁６８及び７１を励磁することにより、ピストンを駆
動して可動壁を閉じる方向へ移動さ仕ることができる。

またソレノイド弁６９及び７０を励磁すると、液圧流体
の流れパターンが逆転され、可動壁がより完全に開かれ
た位置へ向けて戻る方向へ駆動される。

多くの水急冷装置の用途に於ては、水急冷装置（エバポ
レータ）より流出する水のｍｓは比較的一定であるが、
コンデンサの水濃度は負荷条件の変化に応じて変化する
。従ってコンデンサの水濃度の低下は圧縮機の負荷の低
下を反映している。

従って或る与えられたシステムについて、第６図に図示
されている如く、負荷の変化が揚程に対しプロットされ
た圧縮機マツプを形成することができる。揚程はコンデ
ンサへ流入する水濃度にて表現されてよく、負荷は圧縮
機用モータに流れる電流の量により表わされてよい。曲
線４０はマツプ上に於ける冷凍システムの境界を表わし
ており、曲１４１は６０下（１５，６℃）と８５”Ｆ（
２９゜４℃）との間の運転範囲を有するコンデンサにつ
いての前記・境界内に於ける典型的な負荷ラインを示し
ている。冷凍システムの定格化及び試験を行うための米
国冷凍協会（ＡＲＩ　：　Ａｍｅｒｉｃａｎ　　Ｒｅ４
ｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ　　（ｎ５ｔｉｔｕｔｅ）の基準
を用いて、冷凍システムの最も効率的な運転を行わせる
ための負荷に対する所望のｍ程を示す負荷ライン４１と
同様の任意の数の負荷ラインを形成することができる。

この関係は比較的直線的であり、これによりコンデンサ
の水濃度の低下につれて負荷が一様に低下する。

かくして圧縮機の最適のｍ程（水頭）はその圧縮機に課
せられる負荷と或る特定の関係を有している。ディフュ
ーザ通路の幅も揚程及び負荷の関数であるので、ディフ
ューザ通路の幅をこれら二つのパラメータの一方にて表
現することができる。

本発明に於ては、圧縮機を駆動するモータに流れる電流
により表わされた負荷が、冷凍システムに課せられる負
荷要件が変化しても圧縮機を最適の運転効率又はそれに
近い状態に維持すべく、ディフューザ通路の所望の幅を
決定するために使用される。

第４図は広い運転範囲に亙り圧縮機の効率的な運転を達
成すべく、圧縮機を駆動するモータに流れる電流の変化
に応答してディフューザの可動壁の位置決めを行う壁位
置決め装置８６を示すブロック線図である。壁位置決め
装置ａ８６はオーバーロール制御装置６２の一部を構成
している。説明の目的で、コンデンサは第６図に示され
た負荷ラインに従うものと仮定する。第１図に示されて
いる如く、電流センサ８５が圧縮機駆動用のモータ３６
に接続されている。センサ８５はモータの電流を検出し
、モータの電流を示す出力信号を導線８３を経てディフ
ユーザ壁制御モジュール８７へ供給する。制御モジュー
ル８７にはりニアフィードバックポテンシオメータ９０
により第二の入力信号が供給される。

フィードバックポテンシオメータ９０はディフューザの
可動壁４７の位置を検出し、検出された位置を示す出力
信号を発生するようになっている。

フィードバックポテンシオメータ９０は、第２図に示さ
れている如く、ベローズ９３に連結され可動壁のキャリ
ッジ４９に接触するよう押付けられた検出ロッド９２を
含んでいる。検出ロッド９２はアーム９１によりポテン
シオメータの入力端に接続されており、これにより出力
信号が可動壁の位置の変化に応答して直線的に変化する
ようになっている。

ディフユーザ壁１ＩｉＩＪＩＩｌｌモジユール８７は第
７図に示されている如くパルス成形皿Ｍ９Ｂと一対の比
較器９４及び９５とを含んでいる。電流センサ８５より
制御モジュール８７へ供給される出力信号はまずパルス
成形回路９８に通され、二つの比較器の入力端子の一方
へ入力される。パルス成形回路９８は比較器へ入力され
る出力信号が比較的平清な曲線に従うよう、電流検出信
号のゲインを種々のブレークポイントにてＷＲ節するよ
う構成されている。フィードバックポテンシオメータ９
０の出力信号は二つの比較器９４及び９５の他方の入力
端子に入力される。かくして比較器にはモータの負荷に
基づく所望の最適壁位置示す第一の入力信号と、実際の
壁位置を示す第二の入力信号とが入力される。

第５図に示されている如く、コンデンサ水スケジュール
曲線が第６図との関連で上述したＡＰＩ運転特性曲線よ
り形成されてよい。符号１０１にて示された曲線は低Ｉ
Ｉ程設計点に於ける典型的なスケジュールを示しており
、符号１０２にて示された曲線は高１程設計点に於ける
典型的なスケジュールを示している。スケジュール曲線
９９は圧縮機マツプ上に示されたＡＲ１負荷ライン４１
より導かれたものであり、負荷ラインに沿う幾つかの運
転点について圧縮機の負荷、即ちモータ電流を最適の壁
位置に関連付けるものである。比較器９４及び９５はこ
の既知の関係を利用して入力信号を手掛りに実際の壁位
置を所望の壁位置に比較するものである。比較器９４は
、変化する負荷要件に適合するようディフューザ通路の
幅が増大される必要がある場合には、駆動信号をソレノ
イド弁６８及び７１へ供給するようになっている。この
比較器９４は負荷要件が増大している場合にのみ出力信
号を発生し、負荷要件が減少している時には出力信号を
発生しないよう構成されている。

同様に比較器９５はディフューザ通路の幅が低減されな
ければならない場合に駆動信号をソレノイド弁６９及び
７０へ供給する。比較器９５も負荷要件が減少している
場合にのみ出力信号を発生するよう構成されている。

以上の説明より明らかである如く、比較器９４及び９５
は実際の壁位置に関連する信号を所望の壁位置に関連す
る信号と比較し、ソレノイド弁に信号を出力して可動壁
を所望の最適運転位置にもたらすに必要な適宜な補正作
用を行わせる。遠心圧縮機のモータ電流をコンデンサの
最適水スケジュールと関連付けることにより、ディフュ
ーザの可動壁の適正な設定を高価な設備や複雑な１ｉｌ
ＪＩＩＩ装置を要することなく迅速に且正確に実施する
ことができる。ディフューザの可動壁の位置をＩＩＪｔ
ｌｌする本発明の方法は比較的低廉であり、しかも圧縮
機を所望の運転範囲に維持するに有効なものである。

以上に於ては本発明を特定の実施例について詳細に説明
したが、本発明はかかる実施例に限定されるものではな
く、本発明の範囲内にて他の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図は本発明が組込まれた冷凍システムを示す概略構
成図である。　゛ 第２図は第１図に示された冷凍システムに組込まれたモ
ータ駆動式遠心圧縮機の縦断面図である。 第３図はディフューザの可動壁の位置決めを行い、これ
によりディフューザ通路の幅を変化させる本発明に採用
される制御ｌｌ装置を示す概略構成図である。 第４図は本発明の実施に使用されるディフューザの可動
壁の位置決めを行う方法を示す流れ図である。 第５図はコンデンサ水−負荷スケジュールを示すグラフ
であり、ディフューザの最適運転幅についてのパーセン
テージが検出された圧縮機駆動用モータの電流に対しプ
ロットされている。 １６図は本発明の遠心圧縮機についての圧縮機マツプで
あり、最適の揚程が或る特定のコンデンサ水温度の範囲
内にて最適の負荷に対しプロットされている。 第７図は検出されたモータ電流の変化に応答してディフ
ューザの可動壁の位置決めを行うために使用される回路
を示ずブロック線図である。 １０・・・冷凍システム、１１・・・熱交換器（水急冷
装置）、１５・・・遠心圧縮機、１８・・・熱交換器、
１９・・・流れ回路、２３・・・入口、２４・・・イン
ペラホイール、２５・・・入口ガイドベーン、２６・・
・中央ハブ。 ２７・・・ブレード、２８・・・通路、３０・・・ディ
フューザセンジョン、３１・・・コレクタ、３２・・・
ディフューザベーン、３４・・・シリンダ、３５・・・
駆動軸、３６・・・駆動モータ、４３・・・ケーブル及
びプーリ機構。 ４４・・・流れ制御装置、４５・・・固定壁、４６・・
・ディフューザ通路、４７・・・可動壁、４８・・・中
心線、４９・・・キャリッジ、５０・・・シュラウド、
５１・・・メインケーシング、５２・・・ばね、５３・
・・第一の流体チャンネル、５５・・・前室、５６・・
・第二の流体チャンネル、５７・・・後室、５９．６０
・・・制御導管、６２・・・制御装置、６４・・・ポン
プ、６５・・・液圧流体溜り。 ６６．６７・・・流体導管、６８〜７１・・・ソレノイ
ド弁、７３・・・液圧アクチュエータ、８３・・・導線
、８５・・・電流センサ、８６・・・壁位置決め装置、
８７・・・ディフューザ！Ｉ！　ＩＩＪＪ　ａｌｌモジ
ュール、９０・・・フィードバックポテンシオメータ、
９１・・・アーム、９２・・・検出ロッド、９３・・・
ベローズ、９４．９５・・・比較器、９８・・・パルス
成形回路 特許出願人　　キャリア・コーポレイション代　　理　
　人　　　弁理士　　　明　　石　　昌　　毅Ｆｌ（３
，ｊ Ｆｌ６．５ 一／、頁有　　　　１００″／− Ｆｌ（３，６

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）冷凍システムに使用されるモータ駆動式遠心圧縮
   機を制御する方法にして、 ディフューザ通路の幅が変化され、これにより前記圧縮
   機の運転特性が変化する負荷条件に適合するよう変化さ
   れるよう、前記圧縮機のディフューザ内に少なくとも一
   つの壁を移動可能に装着する過程と、 或る所望の運転範囲内にて最適の壁位置を圧縮機用モー
   タの電流負荷に関連付ける過程と、前記圧縮機用モータ
   の実際の電流負荷を検出して最適の壁位置を求める過程
   と、 実際の壁位置を検出する過程と、 検出された壁位置をその電流負荷についての最適の壁位
   置と比較する過程と、 前記圧縮機の運転特性が変化する負荷条件に適合するよ
   う変化されるよう、前記圧縮機用モータの電流負荷の変
   化に応じて前記壁を最適の位置へ自動的に移動させる過
   程と、 を含む方法。
2. （２）冷凍システムに使用されるモータ駆動式遠心圧縮
   機内のディフューザの幅を制御する装置にして、 前記ディフューザの幅を変化させるべく固定壁へ向けて
   又はこれより離れる方向へ移動し得るよう配設された可
   動壁を有するディフューザと、電気制御信号に応答して
   前記可動壁を位置決めする駆動手段と、 圧縮機用モータを横切る電流負荷を検出し、検出された
   電流負荷についての最適の壁位置を示す第一の出力信号
   を発生する手段と、 前記可動壁の実際の位置を検出し、実際の壁位置を示す
   第二の出力信号を発生する手段と、前記第一及び第二の
   出力信号を比較し、比較された前記第一及び第二の出力
   信号が相互に異なっている場合には前記駆動手段へ制御
   信号を出力して前記可動壁を移動させる制御手段と、 を含む装置。