KR101851927B1 - 연장된 경로를 갖는 가변 기하학적 디퓨저 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

원심형 압축기와 함께 사용하기 위한 개선된 가변 기하학적 디퓨저 (VGD) 기구가 개시된다. 이 VGD 기구는 디퓨저 갭 내로 실질적으로 완벽하게 연장되고, VGD 기구는 다른 작동기능들을 제어하도록 더욱 완전하게 사용될 것이다. VGD 기구는 디퓨저 갭이 디퓨저 링의 완전한 연장에 의해서 실질적으로 차단되기 때문에 압축기 정지과정 동안에 디퓨저 갭을 통한 냉매 가스의 역방향 유동을 방지함으로써, 압축기 정지과정 동안에 압축기 역회전 및 관련된 일시적인 부하를 최소화하기 위해서 사용될 것이다. 시동하는 동안에, 부하와 임펠러 속도가 증가함에 따라서 디퓨저 갭을 통한 가스 유동이 지연될 수 있어서 일시적인 서지 및 스톨이 효과적으로 제거될 수 있으며, 이에 의해서 저속하에 시동 부하에 의해서 야기되는 문제점들이 완화된다. VGD 기구는 저속하에서 보다 효과적인 턴다운을 달성하기 위해서 용량 제어를 위해 사용될 수 있다.

Description

연장된 경로를 갖는 가변 기하학적 디퓨저 및 그 제어방법{VARIABLE GEOMETRY DIFFUSER HAVING EXTENDED TRAVEL AND CONTROL METHOD THEREOF}

관련출원의 상호참조

본 출원은 "VARIABLE GEOMETRY DIFFUSER HAVING EXTENDED TRAVEL"라는 발명의 명칭으로 2012년 11월 9일자로 출원된 미국 임시출원 제 61/724,684 호의 우선권을 주장한다.

본 발명은 원심형 압축기에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 시동 및 정지를 포함하여 원심형 압축기의 완전작동범위에 걸쳐서 개선된 제어를 가능하게 하는 개선된 가변 기하학적 디퓨저 메카니즘에 관한 것이다.

원심형 압축기들은 냉각기와 같이 유체가 가압될 필요가 있는 다양한 장치들에서 유용하다. 압축기들은 회전 임펠러로 유체를 통과시킴으로써 작동한다. 임펠러는 유체의 압력을 증가시키기 위해서 유체에 작용한다. 임펠러의 작동은 유동에 있어서 불리한 압력 구배를 형성하기 때문에, 몇몇 압축기 설계들은 스톨(stall)이 발생하는 동안에 유량을 안정화하기 위해서 임펠러 출구에 위치한 가변 기하학적 디퓨저를 포함하며, 이에 의해서 스톨이 완화된다. 임펠러에 걸쳐서 압력차가 유지되는 동안에 냉매 유동이 감소함에 따라서 스톨이 생긴다. 스톨은 바람직스럽지 못한 소음을 발생시키고 진동을 유발하며 압축기 효율을 떨어뜨리게 된다.

스톨 상태는 압축기가 작동하는 시간의 단지 매우 작은 백분율에 해당하는 시간동안에만 존재하므로, 가변 기하학적 디퓨저의 작동은 한정되며, 그래서 디퓨저 기구의 전체 수명 완결성에 영향을 끼치는 마모와 파열, 부하 및 다른 기능들도 한정된다. 그런데, 가변 기하학적 디퓨저 기구의 이용을 증가시키면 디퓨저 기구의 전체적인 신뢰성과 수명에 극적으로 영향을 끼치게 된다.

효과적인 디퓨저 설계가 2005년 3월 29일자로 Nenstiel에게 허여된 미국특허 제 6,872,050 호("'050 특허")에 개시되어 있다. '050 특허는 압축기의 작동과정동안에 개방 및 폐쇄되는 가변 기하학적 디퓨저를 개시하고 있는데, 이것은 제조하기에 저렴하고, 조립이 쉬우며, 수리 또는 교체가 간단하고, 초기 스톨 상태에 반응하여 컨트롤러로부터 인가된 신호나 명령어에 반응하여 위치를 결정하기 위한 포지티브 결합을 제공한다.

'050 특허의 가변 기하학적 디퓨저 설계는 디퓨저 링을 이용하는데, 상기 디퓨저 링은, 디퓨저 갭을 통한 유동이 방해를 받지않는 제 1 수축위치와 스톨의 탐지에 반응하여 상기 디퓨저 갭을 통한 유량을 변경시키기 위해서 상기 디퓨저 링이 상기 디퓨저 갭 내로 연장되는 제 2 연장위치 사이에서 움직일 수 있다. 이것은 유량을 변경시키기 위해서 상기 디퓨저 갭을 대체로 가로질러서 상기 디퓨저 링을 연장시킴으로써 달성된다. 이러한 완화는 상기 디퓨저 갭의 약 75%에 걸쳐서 상기 디퓨저 링을 연장시킴으로써 달성될 수 있다. 상기 디퓨저 링은 상기 디퓨저 링의 제 1 수축위치에 대응하는 제 1 위치로부터 상기 디퓨저 링의 제 2 연장위치에 대응하는 제 2 위치, 그리고 상기 제 1 위치와 상기 제 2 위치 사이에 있는 중간위치로부터 이동가능한 드라이브 링에 의해서 구동된다. 제 2 위치는 디퓨저 갭의 약 75%에서 장치를 안정화시켜서 스톨이 완화되는 연장위치이다. 드라이브 링은 지지블록에 장착되고, 드라이브 링은 노즐 기저판의 배면에 장착된 지지블록들에 대하여 회전가능하게 이동할 수 있다. 노즐 기저판은 원심형 압축기의 임펠러에 인접한 하우징에 고정된다. 가변 기하학적 디퓨저 설계는 디퓨저 링이 그것의 제 2 연장위치에 있는 경우에 디퓨저 갭을 통한 유동을 변경시키는데 있어서 압축기 작동과정 동안에 효과적이며, 압축기가 저부하와 저속으로부터 고속으로 증가됨에 따라서 시동하는 동안에 압축기 역회전 및 연관된 일시적 부하를 방지하기 위해서 또는 일시적인 서지와 스톨을 회피하기 위해서 상기 디퓨저 링은 압축기가 정지하는 동안에 유동을 충분히 봉쇄하지 못한다.

가변 기하학적 디퓨저의 사용은 전체 링 영역에서의 압력차로 인하여 디퓨저 링에 부하를 발생시킨다. 디퓨저 링이 그것의 수축위치에 있는 경우에, 압축된 냉매는 디퓨저 링 표면을 통과하고, 매우 작은 부하를 경험하게 된다.그런데, 디퓨저 링이 그것의 연장위치로 디퓨저 갭 내로 이동함에 따라서, 고속의 가스가 디퓨저 링의 표면 위를 통과하면서 낮은 압력영역을 생성하게 된다. 노즐 기저판의 홈에서 높은 압력 가스는 디퓨저 링의 배면에 힘을 가하게 된다. 디퓨저 링 상의 부하와, 가변 기하학적 디퓨저 기구의 나머지가 계산될 수 있다. 이것은 디퓨저 링의 각 측에서 작용하는 가스 압력에 링의 면적을 곱한 것의 차이이다. 본 발명의 가변 기하학적 디퓨저는 비교적 큰 디퓨저 링을 포함하며, 이것의 작동은 상당한 힘을 극복해야만 하고 작동중에 상당한 힘을 견뎌야만 한다. 그러므로, 이 기구는 상당하고, 이러한 힘들을 극복하고 이러한 기구를 작동시키는데 필요한 에너지는 또한 상당하다. 그러나, 가변 기하학적 디퓨저는 압축기의 전체수명의 단지 매우 작은 백분율로서 결합되기 때문에, 가변 기하학적 디퓨저 기구에 의해서 경험하게 되는 부하와 마모와 파열은 수용가능하다.

가변 기하학적 디퓨저 링의 사용을 증가시켜서 스톨 완화장치보다 많이 사용될 수 있게 하는 것이 바람직하다. 가변 기하학적 디퓨저는 시동 과도현상의 최소화 뿐만아니라 압축기 정지과정 동안에 압축기 역회전 및 관련된 일시적인 부하의 최소화, 용량 제어, 서지 제어, 개선된 턴다운을 위해서 그리고 스톨 완화를 위해서 사용된다. 가변 기하학적 디퓨저의 증가된 사용으로 인하여, 개선된 장치는 증가된 사용을 경험하는 가변 기하학적 디퓨저에 수명을 제공하면서 전체 원심형 압축기 작동에 바람직한 제어향상을 제공하는 것이 필요하다.

본 발명은 가변 기하학적 디퓨저 (VGD) 기구를 제공한다. VGD 기구는 VGD 기구의 예상대로 스톨을 완화시키는 디퓨저 갭 내로 연장되는 디퓨저 링을 포함한다.

그러나, 본 발명의 VGD 기구는 종래의 VGD 기구보다 디퓨저 갭 내로 더욱 연장되고, 그래서 본 발명의 VGD 기구는 다른 작동상의 기능들을 제어하도록 사용될 수 있다. 그러므로, VGD 기구는 압축기 정지과정 동안에 디퓨저 갭을 통한 냉매가스의 역류를 방지함으로써, 압축기 정지과정 동안에 압축기 역회전 및 이와 연관된 일시적인 부하를 최소화하도록 사용될 것이다. 디퓨저 갭은 디퓨저 링의 완전 연장에 의해서 실질적으로 봉쇄되기 때문에, 냉매가스의 역류는 방지된다. VGD 기구는 보다 양호하고 보다 효과적인 압축기 턴다운을 제공하고, 저 냉각용량 작동과정 동안에 상당한 고온 가스 바이패스에 대한 필요성을 감소시킨다. 시동과정 동안에, 부하와 임펠러 속도가 증가함에 따라서 디퓨저 갭을 통한 가스 유동을 저지하도록 가변 기하학적 디퓨저 링이 위치될 수 있으므로 일시적인 서지나 스톨은 또한 효과적으로 제거될 수 있으며, 이에 의해서 저속에서의 시동부하에 의해서 야기되는 문제점들이 완화된다. 본 발명의 VGD 기구는 저 부하에서 보다 효과적인 턴다운을 달성하기 위해서 용량 제어를 보다 잘 하도록 사용될 수 있다.

특정조건하에서 정상적인 작동과정 동안에 디퓨저 갭을 통한 줄어든 가스유동을 수용하기 위해서 디퓨저 링이 디퓨저 갭을 가로질러서 연장되는데, 임펠러 속도가 시동과정 동안에 크게 상승하거나 정지과정 동안에 크게 감소함에 따라서 가스유동이 상당히 감소하므로, 디퓨저 링은 정지 및 시동과정 동안에 디퓨적 갭을 실질적으로 완전히 가로질러서 연장되어야만 한다. 디퓨저 링이 디퓨적 갭을 가로질러서 완전히 연장되는 경우에 디퓨저 링의 외부 테두리는 디퓨저 갭을 통한 가스의 유동을 실질적으로 저지하는 플랜지로 이루어진다. 디퓨저 링에 작용하는 축방향 힘은 링의 각측 및 링의 영역에서 작용하는 압력차의 함수이다. 디퓨저 링이 디퓨저 갭 내로 연장되는 경우, 고속 가스가 저압 영역을 형성하는 링의 외면을 통과한다. 링의 제 1 측에서 고압의 가스는 링의 제 1 측에 힘을 제공한다. 링에 작용하는 전체적인 축방향 힘은 링의 제 1 측과 반대쪽인 링의 제 2 측 사이에서 가스압력의 차이에 링의 방사상 정면 면적을 곱한 것이다. 링에 작용하는 축방향 힘은 링의 영역을 감소시킴으로써 최소화될 것이다. 디퓨저 갭 내로 연장되는 링의 방사상 폭을 줄임으로써, 링에 작용하는 축방향 힘은 링의 폭에 비례하여 감소될 것이다. 부하를 낮추도록 링의 폭(두께)은 감소되는 반면에, 링은 링을 지나는 유동으로부터 제공되는 증가된 방사상 힘을 수용하도록 충분히 두꺼워야만 하며, 그렇지 못하면 가스유동을 효과적으로 봉쇄하도록 작용하지 못할 것이며 작동 실패를 겪게될 것이다. 링의 두께는 압축기의 용량에 따라서 압축기들 사이에서 변할 것이며, 링의 두께는 몇몇 요소들에 관련을 맺게 되는데, 가장 중요한 것은 특히 임펠러의 작동속도가 정지과정 동안에 저속이었다가 시동과정 동안에 급격하게 상승함에 따라서, 디퓨저 링의 제 1 내부 원통형 표면 및 제 2 외부 원통형 표면에 작용하는 순수 방사상 유동 힘이다. 큰 임펠러를 갖는 큰 압축기들은 큰 유동 힘을 발생시키고 큰 부하를 경험하게 되는데, 이것은 두꺼운 링을 필요로 하게 된다. 그러나, 압축기 크기에 관계없이, 링상에 작용하는 방사상 힘을 줄이면, VGD 기구를 작동시키는데 필요한 힘이 줄어들게 된다.

링에 작용하는 결과적인 축방향 부하는 액튜에이터 기구로 전달된다. 본 발명의 액튜에이터 기구는, 비록 그것의 작동이 제한되는 것은 아니지만, 무급유 환경하에서 작동할 수 있는 개선점들을 포함한다. 액튜에이터 기구는 변경되고, 그래서 하우징의 대향하는 내부면에 대한 디퓨저 링의 위치는 모니터링되고 필요에 따라서 컨트롤러에 의해서 조정될 수 있다. 연관된 캠 트랙기구는 또한 변경될 수 있고, 그래서 디퓨저 갭에서 링의 위치는 언제든지 결정될 수 있다.

압축기의 수명에 걸쳐서 방사상 부하를 담당하도록 링은 충분히 두꺼워야할 뿐만아니라, 링은 그것의 원주 주위로 균등한 갭을 제공하도록 대향하는 하우징과 인터페이스하여야 하고, 균등한 치수를 가져야만 하는 하우징의 내면과 효과적으로 부합하여야만 한다. 만약 갭이 실질적으로 균등하지 않으면, 즉 허용가능한 오차를 벗어나면, 가압된 가스는 허용가능한 것보다 큰 갭이 있는 위치에서 그 갭을 통해서 누설될 것이며, 이것은 정지 및 시동과정 동안에 일어나는 용량 제어, 서지와 관련된 문제점들을 줄임이 없이 폐쇄 디퓨저 링의 목적, 및 개선된 VGD 기구와 연관된 다른 작동상의 개선점들을 무효화하게 된다. 반면에 정지 및 시동과정 동안에 디퓨저 링 주위의 그러한 누설을 제거하는 것은 종래의 설계에서는 긴요하지는 않고 효과적이며, 본 발명의 하우징의 대향하는 내부면과 디퓨저 링은 주의깊게 제어된 부합하는 표면을 가져야만 하고, 그래서 VGD 기구의 적정한 작동이 일정범위의 조건에 걸쳐서 달성될 수 있다.

그러므로, 본 발명에 있어서, 디퓨저 갭을 통한 가스유동의 제어에 영향을 끼치기 위해서, 디퓨저 갭 내로의 디퓨저 링의 경로를 연장하는 물리적 변화가 VGD 기구에 요구된다. 디퓨저 갭의 실질적으로 완전한 폐쇄를 가능하게 하기 위해서 디퓨저 링의 길이를 디퓨저 갭 내로 연장하는 것에 추가하여, 디퓨저 링의 방사상 영역은 압력 힘에 반응하여 디퓨저 링 상에 작용하는 축방향 힘을 감소시키도록 감소된다. 또한, 센서들을 포함시킴으로써, 컨트롤러는 디퓨저 링의 위치를 정확하게 모니터링할 수 있고, 액튜에이터 기구로 하여금 압축기 작동 상태에 반응하여 완전히 개방되고 완전히 폐쇄된 위치들 사이에서 디퓨저 링을 정확히 이동시키게 할 수 있다. 신속-작용 기구는 링 위치의 양호한 제어를 달성하고, 압축기를 가로지르는 압력차하에서의 시동 및 정전종료와 같은 냉각장치의 일시적인 사건에 반응하도록 사용될 수 있다.

본 발명의 개선된 가변 기하학적 디퓨저의 추가적인 잇점은 용량 제어 및 시동 운영을 위해 전-회전 베인에 대한 필요성을 제거한 것이다. 전-회전 베인들 및 그들의 기구들은 복잡하고, 고가이며, 그들 자체의 구동 메카니즘 및 제어를 필요로 한다.

본 발명의 다른 특징들 및 장점들은 본 발명의 원리를 예로서 설명하는 첨부도면들을 참조한 다음의 바람직한 실시 예의 보다 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

도 1은 이동가능한 디퓨저 링을 이용하는 원심형 압축기의 종래의 가변 기하학적 디퓨저의 단면도.
도 2는 종래의 디퓨저 링의 사시도.
도 3은 본 발명의 가변 기하학적 디퓨저의 단면도.
도 4는 본 발명의 디퓨저 링의 평면도.
도 5는 본 발명의 디퓨저 링에서 부하 분포를 보여주는 단면도.
도 6은 가변 기하학적 디퓨저의 드라이브 링 작동을 나타낸 도면.
도 7은 본 발명의 드라이브 링에 대한 선형 액튜에이터의 배열을 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 드라이브 링의 원주에 있는 캠 트랙을 나타낸 도면.
도 9는 종래의 드라이브 링의 원주에 있는 캠 트랙을 나타낸 도면.

본 발명은 원심형 압축기를 위한 개선된 VGD 기구를 개시한다. 도 1은 종래의 가변 용량 원심형 압축기(100)를 단면도로 나타낸 것으로서, 상기 압축기는 본 발명의 양수인에게 양도되고 여기에서는 참고로서 통합된 미국특허 제 6,872,050 호에 개시된 바와 같이 디퓨저 갭(134)을 통한 유체의 유동을 제어하기 위해 가동 디퓨저 링(130)를 갖는 VGD 기구를 이용한다. 도 1은 현재 최첨단 가변 용량 원심형 압축기을 나타낸다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 압축기(100)는 도시된 바와 같이 압축기 하우징과 일체를 이루는 디퓨저 판(120), 임펠러(122), 및 노즐 기저판(126)을 포함한다. 가변 기하학적 디퓨저(110)의 일부인 디퓨저 링(130)은 노즐 기저판(126) 내로 기계가공된 홈(132) 내로 조립되고 드라이브 핀(140) 위로 장착된다. 도 1에 또한 단면으로 도시된 캠 팔로우어(200)는 드라이브 링(250) 내로 위치된 캠 트랙(262) 내로 삽입된다. 캠 팔로우어(200)는 드라이브 핀(140)에 연결된다. 이러한 기구들은, '050 특허에서 완전히 설명한 바와 같이, 드라이브 링(250)의 회전운동을 디퓨저 링(130)의 축방향운동으로 변환시킨다. 내부 원주상 홈(260)은 드라이브 링이 회전함에 따라서 드라이브 링(250)의 축방향 운동에 저항하는 축방향 베어링(도시되지 않음)을 지지한다.

디퓨저 링(130)은 홈(132)으로부터 디퓨저 판(120)과 노즐 기저판(126)을 분리하는 디퓨저 갭(134) 내로 이동할 수 있다. 냉매는 디퓨저(110)를 빠져나가는 냉매를 수용하는 볼류트(volute)(도시되지 않음)와 임펠러(122) 사이의 중간에 있는 디퓨저 갭(134)을 통과한다. 냉매는 볼류트를 통과해서 압축기의 추가적인 스테이지나 응축기(도시되지 않음)로 이동한다. 완벽한 수축위치에서, 디퓨저 링(130)은 노즐 기저판(126)에 있는 홈(132)에 수용되고, 디퓨저 갭(134)은 최대 냉매유동을 허용하는 상태에 놓인다. 완전하게 연장된 위치에서, 디퓨저 링(130)은 디퓨저 갭(134)을 가로질러서 연장되고, 이에 의해서 디퓨저 갭(134)을 통과하는 냉매를 위한 간격이 줄어들게 된다. 디퓨저 링(130)은 수축위치와 연장위치 사이의 어느 중간위치로 이동될 수 있다.

임펠러(122)의 회전은 유체, 통상적으로 임펠러 입구(124)로 들어가는 냉매에 대해 일을 부여하고, 이에 의해서 유체의 압력이 증가하게 된다. 해당기술분야에 잘 알려진 바와 같이, 고속의 냉매는 볼류트를 향하고 궁극적으로는 압축기 출구를 향함에 따라서 임펠러를 빠져나가서 디퓨저 갭(134)을 통과한다. 디퓨저 판(120), 노즐 기저판(126) 및 디퓨저 판(120)과 노즐 기저판(126) 사이에 형성된 디퓨저 갭(134), 디퓨저 갭(134)을 조정하도록 사용된 디퓨저 링(130)을 포함하는 디퓨저(110)는, 임펠러(122)로부터 나오는 냉매의 속도를 줄이고, 이에 의해서 디퓨저 출구에서 냉매의 압력을 증가시킨다.

만약 압축기 유량이 예를 들어 냉각기를 위한 냉각요구에서의 감소를 수용하도록 줄어들고 임펠러(122)를 가로질러서 동일한 압력이 유지되면, 임펠러(122)를 빠져나가는 유량은 불안정한 상태가 되고, 위에서 언급한 스톨 및/또는 서지상태를 조성하도록 후방 및 전방으로 번갈아서 유동할 것이다. 낮은 냉매 유동에 반응하여, 서지상태가 발전하는 것을 방지하기 위해서, 디퓨저 갭(134)은 임펠러 출구에서의 면적을 감소시키고 유량을 안정화시키도록 줄어들게 된다. 디퓨저 갭(134)은 홈(132) 내에서 디퓨저 링을 이동시킴으로써 디퓨저 갭(134)의 단면적을 감소시키거나 디퓨저 갭(134)의 단면적을 증가시키도록 디퓨저 링(130)을 디퓨저 갭(134) 내로 이동시킴으로써 변할 수 있다. 그러나, 이 기구는 디퓨저 링(130)을 구동시키도록 사용되기 때문에, 디퓨저 갭(134)에서 디퓨저 링의 정확한 위치는 디퓨저 링의 말단위치들, 즉, 완전히 연장되거나 완전히 수축되는 경우를 제외하고는 알려져있지 않다. 또한, 디퓨저 링과 디퓨저 판의 기하학은 '050 특허의 발명에서 주의깊게 제어되지 않았기 때문에, 디퓨저 링(130)이 완전히 연장되는 경우에도, 디퓨저를 통한 누설을 허용하는 갭은 여전히 존재할 것이다. 종래기술에 따른 디퓨저 링(130)이 '050 특허의 도 6과 7에 나타나 있고, '050 특허의 도 6은 여기에서는 도 2로서 다시 나타내었다. 그 특징들은 '050 특허에 완전하게 설명되어 있는데, 여기에서 150은 디퓨저 링(130)의 제 1 면이고, 152는 디퓨저 링(130)의 대향하는 제 2 면이며, 154는 디퓨저 링(130)의 내부 원주상 벽이고, 156은 디퓨저 링(130)의 외부 원주상 벽이고, 158은 디퓨저 링의 운동을 용이하게 하도록 대응 부품들에 디퓨저 링을 조립하도록 사용된 틈새들이다. 그런데, '050 특허의 VGD 기구는 관련된 소음과 진동을 기초하여 스톨의 제어를 위해 사용되므로, 이 구성은 그것의 의도된 목적을 위해 수용될 수 있으나, 다른 기능들의 사용은 제한된다.

본 발명의 개선된 가변 기하학적 디퓨저(VGD) 기구는 첨부도면들을 참조하여 보다 상세하게 설명될 것이다. 본 발명의 VGD 기구는 회전 스톨을 제어하는 것을 추가하여 여러 기능들을 수행하므로 다른 제어기구 뿐만아니라 다른 구성을 필요로 한다.

본 발명의 VGD 기구(810)가 도 3에 나타나 있다. 이것은 예전의 VGD 기구와 많은 유사성을 갖지만, 압축기의 작동에 영향을 끼치는 상당한 차이들을 갖는다. 본 발명의 디퓨저 링(830)은 종래 기술에 따른 디퓨저 링(130)과는 다른 단면 프로필을 갖는다. 디퓨저 링(130)은 도 2에 사시도로 도시되어 있고, 직사각형 단면을 갖는다. 대조적으로, 본 발명의 디퓨저 링(830)은 도 3 및 도 4에 단면으로 도시된 도시된 엘(L)자-형상 단면을 갖는다. 디퓨저 링(830)은 한쌍의 대체로 직각인 플랜지들, 디퓨저 갭(134) 내로 연장가능한 제 1 플랜지(833), 제 1 플랜지에 대하여 대체로 수직한 제 2 플랜지(835)를 포함하며, 상기 제 2 플랜지(835)는 디퓨저 갭과 가스 유동의 방향에 대하여 대체로 평행하게 연장된다. 대체로 직각인 플랜지들은 직각 플랜지들이 서로에 대하여 90°를 이루는 경우 서로에 대하여 90°± 15°를 포함한 범위 내에서 연장되는 플랜지들을 의미한다. 디퓨저 갭과 가스 유동의 방향에 대하여 대체로 평행하게 연장되는 상기 제 2 플랜지(835)는 0°가 평행인 경우, 0°± 15°를 포함한 범위 내에서 연장되는 직각 플랜지들을 의미한다. 디퓨저 링(830)이 VGD 기구(810)의 요소로서 압축기 내로 조립되는 경우, 제 1 플랜지(833)는 디퓨저 판(120)의 대향하는 면을 향하여 연장된다. 제 1 플랜지(833)가 축방향, 즉 디퓨저 갭(134) 내로 연장된 치수를 제공하므로, 제 1 플랜지(833)는 디퓨저 링(830)이 종래의 디퓨저 링(130) 보다 디퓨저 갭(134) 내로 더욱 연장될 수 있게 하는 것을 알 수 있을 것이다. 디퓨저 링(830)에 작용하는 축방향 힘은 제 1 플랜지(833)를 가로지르는 압력차의 결과이다. 디퓨저 링(830)이 완전히 수축되는 경우, 압력차가 존재하지 않으므로 축방향 힘은 최소가 된다. 그런데, 제 1 플랜지(833)가 디퓨저 갭(134) 내로 연장되는 경우, 고속의 가스가 저압영역을 조성하는 링의 제 1 플랜지(833)의 면 위를 통과한다. 노즐 기저판(126)의 홈에서 고압의 가스는 제 2 플랜지(835)에 압력을 가한다. 디퓨저 링이 디퓨저 갭(134)의 내외로 움직이게 하는 링(83)과 기구에 작용하는 힘은, 앞서 설명한 바와 같이, 가스압력 차에 제 1 플랜지(833)의 정면 면적을 곱한 것이다.

링(830)에 작용하는 축방향 힘은 제 1 플랜지(833)의 전체 방사상 두께(제 1 플랜지(833)가 연장되는 경우에 디퓨저 갭(134) 내로 연장되는 디퓨저 링(830)의 일부인)를 줄임으로써 줄어들고, 제 1 플랜지의 방사상 두께는 디퓨저 갭(134)에서의 가스 유동의 방향에 수직하다. 도 3 및 디퓨저 링(830)을 참조하면, 디퓨저 갭(134) 내로 돌출한 제 1 플랜지(833)의 영역은 종래의 디퓨저 링(130)의 디자인과 비교해서 감소된다. 제 1 플랜지(833)의 방사상 두께는 약 2/3만큼 줄어들고, 하중은 디퓨저 갭(134) 내에서 제 1 플랜지(833)의 표면적에 비례하므로, 이에 의해서 디퓨저 링에 작용하는 하중이 비례해서, 약 2/3만큼 감소하게 된다.

제 1 플랜지(833)의 방사상 두께의 감소는 디퓨저 링(830)을 그것의 수축위치로부터 연장위치로 이동시키는 작동수단을 부착시키기에 유용한 공간을 감소시킨다. 제 2 플랜지(835)는 도 3에 도시된 바와 같이 그러한 부착을 허용하도록 제공된다. 제 2 플랜지(835)는 노즐 기저판에 있는 홈(837)에 놓이고, 홈(837)에서 움직이는 제 2 플랜지(835)는 제 1 플랜지(833)가 디퓨저 갭(134)의 내외로 이동할 수 있게 한다. 노즐 기저판(126)에 있는 홈(837)은 VGD 기구에 대한 디퓨저 링(830)의 조립을 가능하게 하는데 필요하다. 제 2 플랜지(835) 주위의 큰 방사상 갭은 홈(837)으로 들어가는 고압 가스가 제 2 플랜지(835)의 각 측을 평형화할 수 있게 하고, 이에 의해서 디퓨저 링(830)에 작용하는 가스 압력과 연관된 부하에는 기여하지 않는다. 그러므로, 디퓨저 링(830) 상의 전체 압력하중은 디퓨저 갭(134) 내로 연장되는 경우에 제 1 플랜지(833)의 노출부위의 영역에 작용하는 냉매의 압력이다. 제거가능한 덮개판(839)은 노즐 기저판(126)에 조립되고, 디퓨저 링 구동기구의 조립을 용이하게 하도록 제공된다. 덮개 판(839)은 냉매가스가 압축기 배출구로 유동함에 따라서 냉매가스의 유동을 위한 매끄러운 공기역학적 표면을 제공하는데, 이것은 이러한 영역에서 난기류의 발생가능성을 줄인다.

제 1 플랜지(833)를 형성하는데 있어서, 제 1 플랜지(833)에 소정의 방사상 두께를 제공하기 위해서는 주의가 필요하다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 노즐 기저판(126)에 조립된 디퓨저 링(830)이 단면으로 도시되어 있는데, 디퓨저 링(830)이 디퓨저 갭(134) 내로 연장되는 경우에 냉매유동(863)으로 나타낸 바와 같이 고압냉매가 제 1 플랜지(833)에 부과된다. 도 5는 제 1 플랜지(833) 상에 작용하는 방사상 압력을 나타낸다. 제 1 플랜지(833)의 방사상 두께를 결정하는데 고려해야할 다른 요소는 상당한 압력변화에 노출되는 디퓨저 링(830)의 피로 수명이다. 또한, 본 발명에 있어서, VGD 기구의 용량 제어, 개선된 턴다운, 서지 제어 및 시동과 중단시에 압축기의 일시적인 부하를 최소화 하기 위한 능력을 증가시키기 위해서 디퓨저 링(830)은 디퓨저 판(120)에 가능한한 근접하여 연장되어야 한다. 갭을 가능한한 줄이기 위해서, 디퓨저 판(120)은 주의깊게 조절된 치수를 가지며, 제 1 플랜지(833)는 부합하는 디퓨저 판(120)의 표면 뿐만아니라 제 1 플랜지(833)의 표면의 평탄도에서 주의깊게 조절된 허용오차를 가져야만 한다. 만약 제 1 플랜지(833)가 너무 얇으면, 허용오차에 부정적 영향을 미칠 수 있는 스프링백과 같은 메카니즘이 발생할 수 있으므로, 바람직한 허용오차 내에서 이러한 기하학적 특징들을 유지할 수 없다. 허용오차로부터의 편차는 플랜지 주위와 디퓨저 갭을 통한 누설을 증가시킬 것이며, VGD기구가 스톨 완화에 있어서 그것의 능력을 유지하더라도, VGD 기구가 용량 제어, 턴다운, 시동 및 턴다운과 서지 동안에 일시적인 제어에 효과적으로 사용되는 것을 방해한다. 알 수있는 바와 같이, 디퓨저 링(830), 특히 제 1 플랜지(833)는 그것에 작용하는 힘을 최소화하기 위해 가능한 한 작게 플랜지 두께를 갖는 것이 이상적이지만, 제조 중에 스프링백을 피하고 작동중에 그것에 작용한 가스 압력의 힘에 저항하면서 피로를 만족시키기에 충분한 두께를 가지고 있어야 한다.

디퓨저 링(830)이 완전히 연장된 경우에 디퓨저 링(830) 주위와 디퓨저 갭(134)을 통한 누설을 최소화하도록 기하학적 허용오차를 유지하기 위해서 이러한 가동 디퓨저 링의 작동이 중요하다. 높은 냉각 용량을 갖는 압축기는 위에서 언급한 완벽한 설계 요구를 만족시키기 위해 더 넓은 디퓨저 폭에 걸쳐서 높은 압력의 힘을 수용하도록 플랜지 두께를 추가적으로 증가시키는 것이 필요할 것이다.

다른 고려 사항은, 본 발명의 가변 기하학적 디퓨저기구의 전체 설계에 또한 영향을 미친다. 최근의 압축기의 설계는 예전의 디자인에 통상적으로 사용된 기계적 베어링보다 전자기 베어링을 사용한다. 전자기 베어링을 이용하는 압축기는 오일의 사용을 피한다. 그러나, 기계적 베어링을 이용하는 압축기의 오일의 일부는 종래의 디자인에서 디퓨저 갭(134)에서 수축위치로부터 연장위치로 디퓨저 링(830)을 이동시키는데 사용된 액튜에이터 기구를 윤활하는것을 지원한다.

본 발명의 가변 기하학적 디퓨저 기구(810)는 표준 윤활이 적용된 기계적 베어링을 사용하는 종래의 원심형 압축기에서 작동가능하거나 실질적으로 무윤활 환경하에서 전자기 베어링을 이용하는 원심형 압축기와 작동할 수 있는 개선된 기구 설계를 이용한다. 일반적으로, 디퓨저 링(830)을 이동시키는 기구가 도 6에 도시되어 있는데, 이것은 캠 트랙(862)에서 이동하는 드라이브 핀(140)을 포함한다. 드라이브 핀(140)은 제 2 플랜지(835)를 드라이브 링(850)에 연결하고, 그래서 드라이브 링(850)의 회전운동은 디퓨저 갭(134) 내에서 가역적인 수축위치로부터 가역적인 연장위치로 디퓨저 링(830)의 병진운동을 야기한다. 드라이브 링(850)은 도 1에 도시된 드라이브 링(250)에 대응한다. 본 발명의 가변 기하학적 디퓨저 기구(810)에서 캠팔로우어(200)에 대한 드라이브 핀(140)의 배치는 도 1에 도시된 종래 기술의 기하학적 디퓨져(110)의 배치와 동일하다. 드라이브 핀(140)에 부착된 캠 팔로우어(200)는 드라이브 핀(140)이 캠 트랙(862) 내에서 이동함에 따라 드라이브 링(850)에서 캠 트랙(862)을 따른다. 본 발명의 드라이브 링(850)은 도 9에 잘 도시된 드라이브 링(250)의 캠 트랙 기하학(262) 및 도 6과 8에 도시된 드라이브 링(850)의 캠 트랙 기하학(862)에 있어서 중용한 차이들을 제외하고는 도 1의 드라이브 링(250)과 동일하다. 디퓨저 링(830)에 대한 드라이브 링(850)의 부착은 각각의 디퓨저 링(130) 및 (830)에 대한 드라이브 핀(140)의 연결 지점을 제외하고는, 디퓨저 링(230)에 대한 드라이브 링(250)의 부착과 같다. 본 발명의 디퓨저 링(830)은 플랜지 형상의 구성을 가지며, 드라이브 핀(140)은 디퓨저 링(830)의 제 2 플랜지(835)를 연결한다. 물론, 제 2 플랜지(835)는 도 1에 단면으로 도시된 바와 같아, 단순한 원통형 링이므로 디퓨저 링(130)에 존재하지는 않는다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 액튜에이터(811)는 컨트롤러와 연결하여 작동하고, 그래서 그것의 작동은 프로그래밍 될 수 있다. 액튜에이터(811)는 선형 액튜에이터이고, 구동 모터(898)에 부착된 구동 로드(896)를 포함한다. 구동 로드(896)는 드라이브 링(850)에 부착된 작동 레버(901)에 직접 부착된다. 구동 로드(896)의 선형운동은 드라이브 링(850)을 회전시킨다.

도 8을 참조하면, 드라이브 링(850)의 외부 원주상 표면(852)상에 위치한 캠 트랙(862)은 캠 팔로우어(200)를 수용하도록 소정의 폭과 깊이를 갖는다. 일반적으로, 비록 도 8에는 하나만 도시되어 있지만, 드라이브 링(850)의 원주상 표면(852)에는 3개의 캠 트랙(862)이 형성된다. 캠 트랙(862)은 드라이브 링(850)의 바닥면(825)으로부터 드라이브 링(850)의 상부면(856)으로 연장되는데, 이러한 표면들 사이에서 일정 각도로, 바람직하게는 대체로 직선으로 연장된다. 상기 램프의 각 단부에 평평한 부분(267) 및 (269)을 갖는 도 9에 도시된 종래의 캠 트랙(262)과는 구별되는 바와 같이, 캠 트랙(862)의 형상은 소정의 선형형상을 갖는 램프이다. 종래의 캠 트랙(262)의 평평한 부분들은 부정확한 위치들과 원 댐퍼 모터의 이동 능력을 고려한 것이고, 완전한 수축위치에서 기구의 조정을 수용하기 위해서 제공된 것이다. 평평한 부분들은 이동경로의 각 말단에서 평평한 부분들이 꽉들어찰 가능성을 제거함으로써 기구에 대한 손상을 방지하며, 부정확한 위치선정은 작동에 있어서 변수가 아니고 종래기술에 따른 캠트랙에서 일어날 수 있는 것이다.

대조적으로, 선형 액튜에이터의 일 실시 예에 있어서, 드라이브 링(850)을 제어하도록 선형 캠 트랙(862)과 함께 작동하여 디퓨저 갭(134)에서 디퓨저 링(830)의 위치를 조절하는 액튜에이터(811)는, 디퓨저 갭(134)에서 제 1 플랜지(833) 위치의 정확한 피드백, 신속 작용, 가변 속도, 위치 정확도를 제공한다. 본 발명의 장치는 디퓨저 링(830)의 말단에서 디퓨저 갭(134)에 대하여 디퓨저 링(830)의 교정을 가능하게 하고, 디퓨저 링(830)이 단순한 스톨 완화 이상으로 사용될 수 있게 한다. 물론, 드라이브 링(250)에 부착된 작동 레버(901)와 액튜에이터의 레버와 연결장치들 사이의 연결의 단순화는 추가적인 장점들을 제공한다.

본 발명의 VGD 기구(810)의 초기 설정과정 동안 또는 후속 교정이 바람직한 경우에, 액튜에이터는 드라이브 링(250)을 회전시키고 캠 팔로우어(200)를 캠 트랙(862)에서 이동경로의 일단부로부터 캠 트랙(862)에서 이동경로의 타단부를 향하여 이동시키도록 간단히 작동한다. 캠 트랙(862)에서 캠 팔로우어(200)를 이동시키는 장치가 바람직하지만, 이러한 임무를 달성할 수 있는 액튜에이터나 모터가 사용될 것이다. 회전 액튜에이터가 사용될 한가지 변형 예의 경우, 선형 액튜에이터가 바람직하다. 캠 트랙(862)의 각 단부에서 이동경로의 말단들은 제 1 플랜지(833)의 완전 연장위치 및 제 1 플랜지(833)의 완전 수축위치에 대응한다. 제 1 플랜지(833)에서 디퓨저 갭(134)의 최대 치수(덮개 판(839)의 외면에 대한 디퓨저 판(120) 사이의 거리)는 제조 및 조립을 기초로 결정되거나 측정될 수 있는 알려진 거리이다. 컨트롤러의 프로그래밍 기능들은 디퓨저 링(830)의 말단 위치들, 제 1 플랜지(833)에서 특히 디퓨저 판(120), 덮개 판(839) 및 액튜에이터(811)와 관련하여 제 1 플랜지(833)에서 디퓨저 갭(134)의 최대 치수를 저장할 수 있는 능력을 포함하며, 그래서 말단 위치들이 알려지고 (제 1 플랜지(833)의 위치를 기초하여) 아무때나 디퓨저 갭(134)이 개방되고, 디퓨저 갭(134)에서 개방은 압축기(100)의 작동조건들을 변화시키는 것에 기초하여 신속하게 조정될 수 있다. 이동경로의 말단에서 디퓨저 링(830)의 위치는 교정될 수 있고, 이러한 말단들 내에서 디퓨저 링의 위치는 추가적인 센서들의 사용없이 결정될 수 있다. 액튜에이터로부터 나오는 신호는 교정후에 디퓨저 링(830)의 위치를 결정하는 것 뿐만아니라 교정 절차의 일부로서 사용될 것이다. 또한, 만약 디퓨저 링(830)의 위치의 정확도에 관한 질문이 작동중에 발생하면, 재교정이 원하는 만큼 달성될 수 있다. 프로그래밍 기능들은 원심형 압축기(811)가 정상 모드에서 디퓨저 링(830)을 작동 및 이동시킬 수 있게 하고, 그 운동은 압축기(100)의 정상적인 과도현상에 기초한다. 그런데, 액튜에이터(811)는 급속모드로 작동할 수 있는데, 임박한 서지 또는 스톨이 탐지됨에 따라 요구되는 바와 같이 디퓨저 갭(134)이 완전히 제한되는 완전 연장위치로 디퓨저 링(830)이 이동할 수 있게 한다. 여기에서 사용된 바와 같이, 완전히 제한된 디퓨저 갭(134)은 디퓨저 링(830)이 완전히 연장되어 디퓨저 갭(134)의 개방이 최소화되는 것이다. VGD 기구(810)의 설계는 디퓨저 링(830)이 완전연장위치에 있을 때 100% 가스 밀봉을 제공하지는 않으며, 디퓨저 링(830)이 완전연장위치에 있을 때 디퓨저 갭(134)에서 단지 약 75% 감소를 제공한다. 본 발명의 개선은 턴다운 또는 시동 및 서지 종료의 냉각기 제어에 더이상 영향을 끼치지 않을 정도로 누설이 최소화될 수 있게 하는 것이다. 그러므로, 완전히 제한된 디퓨저 갭(134) 및/또는 완전 연장된 디퓨저 링(130)은 턴다운 또는 시동 및 서지 종료의 냉각기 제어에 영향을 끼치기 위한 것이 아니다.

액튜에이터(811)에 의해서 디퓨저 링(830)을 급속하게 위치선정할 수 있는 능력은 정상적인 작동과정 동안에 원심형 압축기의 용량 제어를 가능하게 한다. 또한, 디퓨저 링(830)의 위치선정을 조절하기 위한 능력 그래서 디퓨저 갭(134)을 통한 냉매의 유동이 한정되는 것은 고온 냉매가스 바이패스의 사용이 요구되기전에 큰 냉각기 턴다운을 위해서 허용된다. 냉각기 턴다운은 압축기를 정지시킴이 없이 연속적인 작동을 허용하면서 압축기에 의해서 달성될 수 있는 최소 용량으로서 한정된다. 압축기에 냉매유동을 인공적으로 로딩하는데 필요하므로, 고온가스 바이패스 또는 다른 유사한 수단이 낮은 압축기 용량을 달성하기 위한 매우 비효율적인 수단이기 때문에, 이것은 장점이다.

액튜에이터(811)에 의한 디퓨저 링(830)의 급속한 위치선정은 정지과정 동안에 디퓨저 갭(134)을 통한 가스 유동의 빠른 제어를 가능하게 한다. 냉각기의 냉각사이클은 냉각 압력 상승을 만들어내고 냉매를 증발상태로부터 응축상태로 이동시키기 위해서 기계적인 일(압축기/모터)을 필요로 한다. 보통의 "부드러운(soft)" 정지과정 동안에, 증발기와 응축기 쉘에서 압력의 균등화를 허용하도록 제어된 방식으로 압축기 속도는 감소되고, 이에 의해서 정지과정 동안에 큰 일시적이거나 변동상태를 제거한다. 그러나, 장치가 모터로의 전력의 손실에 의한 것과 같이 즉각적인 정지(동력 중단, 실패, 안전성 등)를 필요로 하는 경우, 응축기 쉘에서 고압을 유지하기 위한 수단은 존재하지 않는다. 장치 압력에 대한 균형을 이루기 위한 수단은 압축기를 통해서 고압 응축기로부터 저압 증발기로 냉매의 역류이다. 압축기에 대한 전력공급이 없는 상태에서, 임펠러는 냉매압력이 평형화되고 냉매가 저압(증발기)측으로 유동함에 따라서 응축기에 있는 고압 유체로부터 압축기로의 에너지 전달이 이루어지고 압축기 임펠러가 거꾸로(설계 목적과는 반대로) 회전되는 터빈으로서 바람직스럽지 못하게 거동한다. 전력 손실의 상황하에서, VGD가 정지 모드에서 작동을 유지하는 것을 보장하도록 액튜에이터(811)에 전력을 공급하기 위한 배터리 백업이 제공될 것이다. 또한, 베어링 부하는 정지, 역회전, 스톨 또는 서지가 발생하는 동안에도 그들의 최고수준으로 유지될 수 있다. VGD 기구(810)에 의한 디퓨저 갭(134)의 신속대응 폐쇄는 정지하에서 베어링 안정성 이슈들을 회피한다. 또한 이렇게 높은 부하의 일부를 경감시켜서 낮은 부하 베어링이 사용될 수 있고, 그러한 베어링들은 저가이기 때문에 비용절감을 할 수 있다. 디퓨저 갭(134)을 폐쇄시키면, 압축기(100)를 통한 냉매의 역류에 대한 저항을 조성하게 된다.

액튜에이터(811)에 의한 디퓨저 링(830)의 급속한 위치선정은 시동과정 동안에 디퓨저 갭(134)을 통한 가스유동의 급속한 제어를 허용한다. 시동과정 동안에, 만약 워터펌프가 증발기를 통해서 냉수가 유동하고 응축기를 통해서 온수가 유동하는 상황하에서 이미 작동하면, 압축기에는 이미 상당한 부하가 존재하게 된다. 이러한 경우에 있어서, 장치 압력차를 극복하기 위해서 충분한 속도가 달성될 때까지 압축기는 스톨과 서지를 통과할 수 있다. 폐쇄된 VGD 상태로 시동하는 것은 이러한 상태하에서 일시적인 서지를 회피할 수 있다. 그러므로, 시동하기 전에, 컨트롤러는 디퓨저 갭(134)을 폐쇄하는 완전 연장위치로 디퓨저 링(830)을 이동시키도록 액튜에이터(811)에 자동적으로 명령을 내릴 것이다. 그러면, 컨트롤러는 감지된 압력이나 압축기 속도와 같이 감지된 상태를 기초하여 그것의 최대 연장위치로부터 디퓨저 링(830)을 수축하기 위해서 필요한 경우에 사전프로그램된 알고리즘에 따라서 액튜에이터(811)에 명령을 내릴 것이다.

가변 기하학적 디퓨저의 조립의 대부분은 이전의 설계로부터 변하지 않은 상태로 유지될 것이다. 그러나, 본 발명에 있어서, 그 설계는 변경되고, 그래서 디퓨저 판(120)에 대한 디퓨저 링(830)의 정확한 위치는 보통의 압축기 작동과정 동안에 항상 알려져 있어서 디퓨저 갭(134)의 정확한 개방이 항상 알려질 수 있다. 이것은 추가적인 프로세스 윤활을 필요로하거나 이용함이 없는 기구에 의해서 달성된다. 본 발명의 VGD 기구(810)는 종래의 VGD 기구와는 달리, 전자기 베어링들을 이용하는 것과 같이 무급유 압축기에서 바람직하게 사용될 것이다. 그러나, 무급유 베어링을 이용하는 압축기들에서도 또한 사용될 수 있다.

디퓨저 링(830)을 정확히 위치시키기 위한 능력은 압축기 요구 및/또는 출력(즉, 냉각기 냉각부하 및 응축기와 증발기 사이의 압력차)을 기초하여 압축기 작동과정 동안에 디퓨저 갭(134)에 대한 미세한 조정을 가능하게 하며, 이러한 미세한 조정들은 교정 절차동안에 컨트롤러 내로 프로그램될 수 있고 컨트롤러에 저장될 수 있다. 예를 들면, 공기조화가 이루어지는 온도가 변함에 따라서, 디퓨저 갭(134)은 냉각기에서의 냉각 요구, 압축기 요구에 대응하는 압력변화에 대응하도록 변경될 수 있다. 압축기에서의 요구조건은 실제적인 압축기 출력에 비교될 수 있다. 그러므로, 공간을 약간 냉각시키거나 공간을 일정온도로 유지하는 것(외부온도가 증가함에 따라서)과 같이 만일 요구조건이 약간 증가되고 만약 요구조건이 압축기 출력에서의 약간의 증가를 요청하면, 디퓨저 갭(134)은 약간 증가될 수 있다. 공간에서 온도를 상당히 낮추고 그에 대응하여 압축기 출력에서 큰 증가가 요구되는 것과 같이 요구조건이 크게 증가되면, 디퓨저 갭(134)은 증가된 냉매유동을 수용하도록 완전히 개방될 수 있다. 디퓨저 링(830)의 위치 그러므로 디퓨저 갭(134)의 개방은 교정될 수 있고, 교정 결과는 컨트롤러에 저장될 수 있다. 그러므로, 압축기 요구가 100%인 경우, 디퓨저 링(830)이 완전히 수축함에 따라서 디퓨저 갭(134)이 완전히 개방될 수 있다. 제 1 플랜지(833)가 홈(832) 내에서 완전히 수축됨에 따라서 완전히 수축된 디퓨저 링(830)이 제공된다. 압축기 정지과 같이 제 1 플랜지(833)가 디퓨저 갭(134) 내로 완전히 연장됨에 따라서 완전히 연장된 디퓨저 링(830)이 제공된다. 이러한 2가지 상태는 압축기 작동의 극단적인 상태들을 나타낸다.

앞서 언급한 바와 같이, 컨트롤러는 이러한 극단적인 위치들에서 디퓨저 링(830)의 위치 및 이러한 극단적인 위치들 사이에서 디퓨저 링(830)의 위치를 결정하는 액튜에이터로부터 나온 신호를 이용하여 프로그래밍 될 수 있다. 또한, 작동 상태들은 디퓨저 링의 위치와 상관될 수 있다. 그러므로, 컨트롤러는 예를 들어 증발기(냉각 부하)를 떠나는 물의 온도에서 디퓨저 링(830)의 위치를 "learn"하도록 프로그래밍될 수 있다. 이 장치의 다른 정상적으로 모니터링되고 감지된 상태들은 디퓨저 링(830) 및 액튜에이터의 위치와 상관될 수 있다. 또한, 비록 서지와 스톨의 감지는 그러한 음향센서의 사용으로 한정될지라도 스톨과 서지는 음향센서를 사용하여 감지될 수 있으며, 서지와 스톨이 임박한 때를 결정하기 위해서 다른 방법들이 이용될 것이다. 물론, 본 발명에 있어서, 컨트롤러는 언제든지 디퓨저 링(830)의 위치를 결정할 수 있으므로, 냉매 유동 거동, 압축기 효율, 서지와 스톨의 탐지를 기초하여 디퓨저 링(830)을 이동시키도록 이 위치는 컨트롤러에 의해서 이용될 수 있으며, 이러한 상태들중 어느 것의 영향은 디퓨저 링(830)의 위치에 대하여 선형으로 관계되지는 않는다.

예를 들면, 시동시에, 압축기 요구가 10%로 요청되는 경우에, 디퓨저 갭(134)은 디퓨저 링(830)을 완전히 연장된(폐쇄된) 위치로부터 제 1 소정위치로 이동시킴으로써 개방될 수 있다. 디퓨저 링(830)의 운동은 디퓨저 링 운동의 비선형 효과로 인하여 압축기 요구에 있어서 10% 변화에 대하여 항상 동일하지는 않을 것이다. 운동은 디퓨저 링(830)의 초기 및 최종 위치들에 의존한다. 유사하게, 압축기 요구가 50%(위의 10% 요구보다 40% 증가)로 요청되는 경우에, 디퓨저 갭(134)은 제 1 소정위치로부터 제 2 소정위치로 디퓨저 링(830)을 위치선정함으로써 더욱 개방될 수 있다. 이러한 방식에 있어서, 값들의 전체범위는 압축기의 효율적인 작동을 제공하기 위해서 요청에 따라서 컨트롤러에 저장될 수 있고, 이러한 값들은 압축기 듀티가 변함에 따라서 소환(또는 추가로 평가)될 수 있으며, 디퓨저 링(830)은 정상상태 작동조건들을 달성하기 위해서 컨트롤러에 의해서 신속하게 재위치될 수 있다.

일단 음향센서에 의해서 탐지된 서지나 스톨 또는 장치로의 전력공급 손실과 같이 해로운 사건의 발생이 탐지되면, 컨트롤러는 스톨이나 서지가 완화될 때까지 디퓨저 갭(134)을 통한 냉매의 유동을 제한하기 위해서 프로그램된 설정값들을 무지하고 디퓨저 링(830)을 디퓨저 갭(134) 내로 빠르게 연장시킬 수 있다. 비록 서지나 스톨이 디퓨저를 통한 냉매유동을 센서들에 의해서 모니터링함으로써 탐지될지라도, 서지나 스톨을 모니터링하는 바람직한 방법은 서지나 스톨 및 원하지않는 소음이 상당히 발생함에 따라서 음향센서를 사용하는 것이며, 상기 음향센서는 컨트롤러와 통신한다. 서지나 스톨을 탐지하기 위한 다른 방법들은, 2008년 4월 15일자로 "System and Method for Stability Control in a 원심형 압축기"라는 발명의 명칭으로 허여된 미국특허 제 7,356,999 호, 2011년 3월 15일자로 "Control System"라는 발명의 명칭으로 허여된 미국특허 제 7,905, 102 호, 2011년 3월 15일자로 "Method for Detecting Rotating 스톨 in a Compressor"라는 발명의 명칭으로 허여된 미국특허 제 7,905,702 호에서 발표한 것과 같이 서지나 스톨을 탐지하는 알고리즘을 이용하며, 회전 스톨을 탐지하고 교정하기 위해서 디퓨저 링 하류의 압력변환기를 이용한다. 이러한 특허들은 본 발명의 양수인에게 모두 양도되었고, 여기에서는 참조로서 통합된다. 서지와 스톨이 교정된 후에, 압축기 요구를 기초한 디퓨저 링(830)의 위치의 프로그램된 작동은 위에서 언급한 바와 같이 컨트롤러에 의해서 복원될 것이다.

본 발명의 개선된 가변 기하학적 디퓨저 기구(810)의 장점들은 이 기구에 작용하는 힘들을 줄이는 이동가능한 엘(L)-형상 플랜지의 사용을 포함한다. 이러한 엘(L)-형상 플랜지는 종래의 가변 기하학적 디퓨저 기구에서 사용된 가동 플랜지들보다 무게가 가볍다. 줄어든 힘과 줄어든 무게는 VGD가 훨씬 빠르게 반응할 수 있게 한다. 이것은 또한 훨씬 가볍고 저가인 액튜에이터들의 사용을 가능하게 한다. 또한, 개선된 가변 기하학적 디퓨저의 능력은 완전히 폐쇄할 수 있고, 감지된 장치 상태들을 기초하여 압축기 작동을 제어하도록 조정될 수 있으며, 가변 기하학적 디퓨저를 서지 및 스톨 완화 뿐만아니라 용량제어를 위해서 사용될 수 있게 한다. 이러한 용량제어 특징은 과거에 사용된 예비-회전 베인(PRV)의 제거를 가능하게 한다. 그러므로, 비록 개선된 가변 기하학적 디퓨저가 더 사용될지라도, 낮은 힘을 경험하게 될 것이며 그것의 작은 하중은 긴 수명과 감소된 마모를 초래하고, 결국 증가된 신뢰성을 제공하게 될 것이다.

본 발명은 바람직한 실시 예를 참조하여 설명되었지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역을 벗어남이 없이 본 발명의 다양한 변경이 이루어질 수 있고 등가물들이 본 발명의 요소들을 대체할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 필수적인 영역으로부터 벗어남이 없이 특별한 상황이나 재료를 채택하도록 본 발명의 가르침에 대한 많은 변형들이 이루어질 수 있다. 그러므로, 본 발명은 본 발명을 수행하기 위하여 고려된 최선의 모드로서 발표한 특정 실시 예로서 제한되지 않으며, 본 발명은 첨부된 특허청구범위의 영역 내에 있는 모든 실시 예들을 포함할 것이다.

Claims (8)

1. 가변 기하학적 디퓨저 기구(810)를 갖는 원심형 압축기(100)의 용량을 제어하기 위한 방법으로서, 상기 가변 기하학적 디퓨저 기구는 임펠러와 상기 압축기의 볼류트 사이에서 연장되는 디퓨저 갭(134) 내에서 이동가능하고 상기 디퓨저 갭(134)을 통한 냉매 유체 유동을 제어하는 디퓨저 링(830), 및 디퓨저 링 위치들 및 유량을 저장하여 상기 디퓨저 갭을 통한 냉매 유체 유량을 최대로부터 최소로 제어하는 컨트롤러를 포함하는 방법에 있어서,
   상기 디퓨저 링은 엘(L)자 형상의 단면을 가지며, 디퓨저 판(120)을 향하여 상기 디퓨저 갭(134) 내로 연장가능한 제 1 플랜지(833), 및 상기 제 1 플랜지에 대하여 수직한 제 2 플랜지(835)를 포함하도록 구성되고,
   상기 제 2 플랜지에서 상기 디퓨저 갭 내의 가스 유동에 평행한 일면에는 작동수단이 부착되며, 상기 작동수단은 캠 트랙(862) 및 상기 캠 트랙 내의 드라이브 핀(140)을 갖는 드라이브 링(850)을 포함하는 기구이고,
   상기 제 1 플랜지는 상기 제 2 플랜지의 방사상 면적에 비하여 감소된 면적을 가짐에 따라 상기 디퓨저 갭에서 가스유동으로부터 상기 연장된 디퓨저 링에 가해지는 부하가 감소하게 되고, 감소된 부하는 신속한 작용 메카니즘을 제공하도록 구성되며,
   상기 방법은, 예비-회전 가이드 베인들 없이, 감소된 냉각 용량 작동과정 동안에 저부하에서 상기 디퓨저 갭(134) 내로 상기 디퓨저 링(830)을 연장시켜서 상기 압축기의 턴다운에 의해 용량을 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 저부하에서 상기 디퓨저 갭(134) 내로 상기 디퓨저 링(830)을 연장시키는 단계는, 고온 가스 바이패스에 대한 필요성을 감소시키면서 상기 컨트롤러에 저장된 유체 유량과 디퓨저 링 위치들의 값들을 기초하여 상기 디퓨저 갭 내에서 소정의 연장된 위치로 상기 디퓨저 링을 위치시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 디퓨저 갭을 통한 냉매 가스 유동을 제어하도록 저부하에서 상기 디퓨저 갭(134) 내로 상기 디퓨저 링(830)을 연장시키는 단계는, 냉각장치 내에서 상기 컨트롤러로 전송된 작동조건들을 나타내는 감지된 조건들의 신호에 기초하여 상기 디퓨저 갭(134) 내의 소정 연장위치로 상기 디퓨저 링을 위치시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 3 항에 있어서, 감지된 위치들의 신호들에 기초하여 상기 디퓨저 링을 위치시킴으로써 상기 디퓨저 갭을 통한 냉매 유동(863)을 제어하도록 저부하에서 상기 디퓨저 갭(134) 내로 상기 디퓨저 링(830)을 연장시키는 단계를 포함하며, 상기 감지된 조건은 증발기를 떠나는 물 온도이고, 상기 물 온도는 상기 컨트롤러에 저장된 디퓨저 링 위치에 상관되는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 디퓨저 링(830)을 이동시키기 위한 보조 파워 소오스를 제공하는 단계; 및
   전력의 손실하에서 압축기가 정지하는 동안에 상기 보조 파워 소오스를 사용하여 상기 디퓨저 링(830)을 상기 디퓨저 갭(134) 내로 급속하게 그리고 완전하게 연장시킴에 따라 상기 디퓨저 갭과 상기 압축기를 통한 고압 냉매의 역류가 방지되고, 압축기 역회전이 방지되는 단계;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 원심형 압축기 하우징 내의 압력을 감지하거나 또는 압축기 속도를 감지하도록 센서들을 제공하는 단계;
   상기 압축기 하우징 압력과 압축기 속도를 상기 컨트롤러에 통신하는 단계;
   상기 디퓨저 갭을 통한 냉매유동을 최소화하기 위해서 압축기 시동과정 동안에 상기 디퓨저 갭(134) 내에서 완전히 폐쇄된 위치로 상기 디퓨저 링(830)을 이동시키는 단계;
   상기 컨트롤러가 감지된 압축기 하우징 압력의 하나를 신호로 보내거거나 압축기 속도가 소정의 값에 도달하는 경우에 상기 디퓨저 링의 위치를 완전히 폐쇄된 위치로부터 조정하는 단계;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 압축기의 하우징에 음향센서들을 제공하는 단계;
   상기 음향센서들에 의해서 탐지된 음향을 상기 컨트롤러에 통신하는 단계; 그리고
   상기 컨트롤러가 확인하는 탐지된 신호가 서지를 나타내는 경우에 상기 디퓨저 링의 위치를 완전히 폐쇄된 위치로 조정하는 단계;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 압축기의 하우징에 음향센서들을 제공하는 단계;
   상기 음향센서들에 의해서 탐지된 음향을 상기 컨트롤러에 통신하는 단계; 그리고
   상기 컨트롤러가 확인하는 탐지된 신호가 서지를 나타내는 경우에 상기 디퓨저 갭을 폐쇄시키도록 상기 디퓨저 링의 위치를 조정하는 단계;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.

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