TWI696761B - 磁浮離心式壓縮機及其控制方法 - Google Patents

磁浮離心式壓縮機及其控制方法 Download PDF

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鐘震麒
劉中哲
洪國書
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Abstract

一種磁浮離心式壓縮機，包括磁浮主軸、止推碟盤、前軸向軸承與後軸向軸承、葉輪及至少一迷宮軸封。止推碟盤連接於磁浮主軸。後軸向軸承與止推碟盤具有第一間隙，前軸向軸承與止推碟盤具有第二間隙。葉輪連接於磁浮主軸。迷宮軸封相對於磁浮主軸之軸向方向傾斜配置，且迷宮軸封係與磁浮主軸及/或葉輪之間具有迷宮軸封間隙，藉由控制止推碟盤於軸向方向上的位置，改變第一間隙與第二間隙的間隙比值，以調整迷宮軸封間隙。此外，一種磁浮離心式壓縮機控制方法亦被提出。

Description

磁浮離心式壓縮機及其控制方法
本發明是有關於一種磁浮離心式壓縮機及其控制方法。
離心壓縮機係為葉輪對氣體作功使氣體的壓力與速度升高，完成氣體的運輸，使氣體流過葉輪的壓縮機。當葉輪高速旋轉時，氣體隨著旋轉，在離心力作用下，氣體被甩到後面的擴壓器中去，而在葉輪處形成真空地帶，這時外界的新鮮氣體進入葉輪。葉輪不斷旋轉，氣體不斷地吸入並甩出，從而保持了氣體的連續流動。
近年來，為了實現高速旋轉，利用磁軸承可旋轉地支撐離心壓縮機的主軸。使得主軸與軸承之間不接觸而不產生摩擦熱，並能夠使軸心達到高速旋轉之目的。
現有技術中，為了避免氣體洩漏，作無效的壓縮，造成無效能耗，故可藉由配置迷宮軸封，來調整氣體洩漏量，然而，由於迷宮軸封之間隙之固定的，無法調整迷宮軸封之間隙。因此，若迷宮軸封之間隙大，則會導致氣體洩漏量變大，若需要達到較佳的防止洩漏量，使壓縮機之效率提高，勢必需要將迷宮軸封之間隙縮小，但此舉會提升加工精度與製造困難度，且也不易組裝，並會提升製造成本。再者，氣體洩漏量與軸向力(axial force)係成反比，換言之，迷宮軸封之間隙縮小，氣體洩漏量小，使得軸向力變大；迷宮軸封之間隙變小，氣體洩漏量大，使得軸向力變小。由此可知，由於無法調整調整迷宮軸封之間隙，來調整氣體洩漏量與控制 軸向力的大小。
因此，如何改良並能提供一種『磁浮離心式壓縮機及其控制方法』來避免上述所遭遇到的問題，係業界所待解決之課題。
本發明提供一種磁浮離心式壓縮機，其藉由結構配置的改變，來達到調整迷宮軸封間隙之目的，進而能調整氣體洩漏量與控制軸向力的大小。
本發明另提供一種磁浮離心式壓縮機控制方法，其藉由控制方法，來達到調整迷宮軸封間隙之目的，進而能調整軸向力與控制氣體洩漏量的大小。
本發明之一實施例提出一種磁浮離心式壓縮機，包括一磁浮主軸、一止推碟盤、一前軸向軸承與一後軸向軸承、一葉輪以及至少一迷宮軸封。磁浮主軸於一軸向方向上移動，磁浮主軸包含一軸向力減力環。止推碟盤於一徑向方向上連接於磁浮主軸。前軸向軸承與後軸向軸承分別設置於止推碟盤之兩側，沿軸向方向，後軸向軸承與止推碟盤具有第一間隙，前軸向軸承與止推碟盤具有第二間隙。葉輪連接於磁浮主軸之前端。迷宮軸封相對於磁浮主軸之軸向方向傾斜配置，且各迷宮軸封係與磁浮主軸及/或葉輪之間具有迷宮軸封間隙，藉由控制止推碟盤於軸向方向上的位置，改變第一間隙與第二間隙的間隙比值，以調整迷宮軸封間隙。
本發明之另一實施例提出一種磁浮離心式壓縮機控制方法，包括以下步驟：提供一磁浮離心式壓縮機；監測磁浮主軸之軸向力是否位於一容許範圍；以及控制止推碟盤於軸向方向的位置，以調整迷宮軸封間隙，來調整軸向力與控制氣體洩漏量。
基於上述，在本發明磁浮離心式壓縮機及其控制方法中，將 磁浮主軸及/或葉輪之間的迷宮軸封係相對於磁浮主軸之軸向方向傾斜配置，藉由控制止推碟盤於軸向方向上的位置，以調整迷宮軸封間隙，來達到調整軸向力與控制氣體洩漏量之目的。
再者，習用水平結構之迷宮軸封之齒部(即迷宮軸封之齒部與軸向方向平行)，此種習用水平結構之迷宮軸封，需要利用加工機於徑向方向切削形成齒部，製造上較難加工，困難度高，且若將習用水平結構之迷宮軸封之間隙縮小，更加提升加工精度與製造困難度，於組裝上可能造成零件干涉或摩擦，而不容易組裝，除了會提升製造成本。尚須考量到組裝人員之技術；相較於前述習用水平結構之迷宮軸封之齒部(即迷宮軸封之齒部與軸向方向平行)，本發明之迷宮軸封之齒部為一具錐度結構(即迷宮軸封之齒部不平行於軸向方向)，可以降低迷宮軸封製造困難度，亦可降低迷宮軸封與其他零件組裝之困難度。
為讓本發明能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
1:磁浮離心式壓縮機
11:殼體
111:第一殼體
112:第二殼體
113:第三殼體
12:磁浮主軸
122:止推碟盤
124:軸向力減力環
13:軸向軸承
131:前軸向軸承
133:後軸向軸承
14:輔助軸承
141、142:前輔助軸承
143、144:後輔助軸承
15:徑向軸承
151、152:前徑向軸承
153、154:後徑向軸承
16:驅動裝置
161:馬達轉子
162:馬達定子
17:葉輪
171:入口
172:背板部
18、19:迷宮軸封
AD:軸向方向
AX:中心軸
C:中心位置
C1:第一間隙
C2:第二間隙
C3:第一輔助軸承間隙
C4:第二輔助軸承間隙
C5、C6、C61、C521、C522:迷宮軸封間隙
C7:第一徑向軸承間隙
C8:第二徑向軸承間隙
C9:第三輔助軸承間隙
C10:第四輔助軸承間隙
L:移動方向
RD:徑向方向
E1:葉輪斜面部
E2:磁浮主軸斜面部
P1:第一壓力
P2:第二壓力
P3:第三壓力
PG1:第一壓力梯度分布
PG2:第二壓力梯度分布
θ:傾斜角度之範圍
ΔC6:間隙差異數值
ΔX:徑向方向之間隙差
ΔZ:位移距離
S100:磁浮離心式壓縮機控制方法
S110~S130:步驟
S50:磁浮離心式壓縮機控制方法
S51~S554:步驟
圖1為本發明之磁浮離心式壓縮機一實施例的剖面結構示意圖。
圖2為圖1之葉輪、磁浮主軸與輔助軸承之連接區域的局部放大示意圖。
圖3A為圖1之迷宮軸封、葉輪與迷宮軸封間隙一實施例之局部放大示意圖。
圖3B為解釋圖3A之葉輪移動與迷宮軸封間隙之三角關係的示意圖。
圖3C為圖1之迷宮軸封與迷宮軸封間隙另一實施例之局部放大示意圖。
圖4A為本發明之磁浮離心式壓縮機一移動狀態的局部剖面結構示意圖。
圖4B為本發明之磁浮離心式壓縮機另一移動狀態的局部剖面結構示意圖。
圖5為本發明磁浮離心式壓縮機控制方法的流程示意圖。
圖6A為本發明磁浮離心式壓縮機控制方法一具體實施方式的流程示意圖。
圖6B為接續圖6A之磁浮離心式壓縮機控制方法的流程示意圖。
以下結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步描述。以下實施例僅用於更加清楚地說明本發明的技術方案，而不能以此限制本發明的保護範圍。需說明的是，在各個實施例的說明中，「上方/上」、「下方/下」、「前端/前」或「後端/後」、「左」或「右」等的描述係以圖式為基準進行說明，但亦包含其他可能的方向轉變。此外，所謂的「第一」、「第二」、「第三」、及「第四」係用以描述不同的元件，這些元件並不因為此類謂辭而受到限制。為了說明上的便利和明確，圖式中各元件的厚度或尺寸，係以誇張或省略或概略的方式表示，且各元件的尺寸並未完全為其實際的尺寸。
圖1為本發明之圖1為本發明之磁浮離心式壓縮機一實施例的剖面結構示意圖。圖2為圖1之葉輪、磁浮主軸與輔助軸承之連接區域的局部放大示意圖。請參閱圖1及圖2，本實施例之磁浮離心式壓縮機1包括殼體11、磁浮主軸(spindle with magnetic bearing)12、止推碟盤(thrust disk)122、軸向軸承(axial bearing)13、輔助軸承(touch down bearing)14、徑向軸承(radial bearing)15、驅動裝置(driving device)16、葉輪 (impeller)17以及至少一個迷宮軸封(labyrinth seal)18、19。
在本實施例中，磁浮主軸12位於殼體11內，以圖1為例，磁浮主軸12例如為沿著軸向方向AD延伸之一柱體，且磁浮主軸12可移動地設置於一第一殼體111與該第一殼體111連接之一第二殼體112之內。葉輪17可轉動地連接於磁浮主軸12之前端。驅動裝置16包括一馬達轉子161與一馬達定子162，馬達轉子161耦接於馬達定子161，馬達轉子161配置於磁浮主軸12之外側。驅動裝置16用以驅動磁浮主軸12，經由通電使馬達定子162產生磁力，透過電磁力使得磁浮主軸12能維持在殼體11內一固定距離，並可藉由轉動馬達轉子161帶動磁浮主軸12轉動，使得磁浮主軸12沿著軸向方向AD移動，並能帶動葉輪17轉動，氣體由葉輪17之入口171進入，葉輪17經旋轉產生離心力，進而產生壓縮氣體作用。磁浮主軸12包含一軸向力減力環124，軸向力減力環124套設於磁浮主軸12之前端，且軸向力減力環124鄰近葉輪17之背板部172，軸向力減力環124可減少葉輪17之背板部172的壓力作用之截面積，進而有效降低軸向力。需說明的是，在此所用「軸向方向」之詞彙，係指該物件之中心軸的方向，以圖1為例，係指磁浮主軸12繞一中心軸AX的旋轉方向。此外，在此所用「徑向方向」之詞彙，係指垂直於軸心的直線方向，以圖1為例，中心軸AX作為磁浮主軸12之軸心，因此，磁浮主軸12之徑向方向RD係指垂直於磁浮主軸12的中心軸AX的直線方向。
在本實施例中，止推碟盤122設置於殼體11的第二殼體112內，止推碟盤122於一徑向方向RD上連接於磁浮主軸12，即磁浮主軸12之外表面於徑向方向RD上延伸形成止推碟盤122。軸向軸承13設置於殼體11的第二殼體112內，且軸向軸承13位於磁浮主軸12之外側，軸向軸承13包括一前軸向軸承131與一後軸向軸承133，前軸向軸承131與後軸向軸承133 分別設置於止推碟盤122之前、後兩側，後軸向軸承133沿軸向方向AD與止推碟盤122之間具有一第一間隙C1，前軸向軸承131沿軸向方向AD與止推碟盤122之間具有一第二間隙C2。以圖1為例，止推碟盤122位於前軸向軸承131與後軸向軸承133之中心位置C，使得第一間隙C1等於第二間隙C2，即第一間隙C1與第二間隙C2的間隙比值為1。在本實施中，可藉由前軸向軸承131與後軸向軸承133作用於止推碟盤122上，以克服之磁浮離心式壓縮機1所產生指向葉輪17方向之推力。
在本實施例中，徑向軸承15設置於殼體11的第二殼體112內，徑向軸承15於徑向方向RD上位於磁浮主軸12之邊緣，即磁浮主軸12之外表面於徑向方向RD上設置有徑向軸承15。以圖1為例，徑向軸承15包含一對前徑向軸承151、152以及一對後徑向軸承153、154，其中前徑向軸承151、152位於止推碟盤122之前端，後徑向軸承153、154位於止推碟盤122之後端。本實施例之前徑向軸承151位於磁浮主軸12之上方，且前徑向軸承151沿徑向方向RD與磁浮主軸12之間具有一第一徑向軸承間隙C7，前徑向軸承152位於磁浮主軸12之下方，且前徑向軸承152沿徑向方向RD與磁浮主軸12之間具有一第二徑向軸承間隙C8。同理，後徑向軸承153位於磁浮主軸12之上方，後徑向軸承154位於磁浮主軸12之下方，且後徑向軸承153與後徑向軸承154沿徑向方向RD分別亦與磁浮主軸12之間具有徑向軸承間隙，其中後徑向軸承153沿徑向方向RD與磁浮主軸12之間的徑向軸承間隙等同於第一徑向軸承間隙C7，後徑向軸承154沿徑向方向RD與磁浮主軸12之間的徑向軸承間隙等同於第二徑向軸承間隙C8。
在本實施例中，輔助軸承14設置於殼體11內，輔助軸承14於徑向方向RD上位於磁浮主軸12之邊緣，即磁浮主軸12之外表面於徑向方向RD上設置有輔助軸承14。以圖1為例，徑向軸承15設置於輔助軸承14與 止推碟盤122之間，輔助軸承14包含一對前輔助軸承141、142以及一對後輔助軸承143、144，其中前輔助軸承141、142位於止推碟盤122之前端，後輔助軸承143、144位於止推碟盤122之後端。本實施例之前輔助軸承141位於磁浮主軸12之上方，前輔助軸承141沿徑向方向RD與磁浮主軸12之間具有一第三輔助軸承間隙C9，且前輔助軸承141沿軸向方向AD與磁浮主軸12之間具有一第一輔助軸承間隙C3與一第二輔助軸承間隙C4；前輔助軸承142位於磁浮主軸12之下方，前輔助軸承142沿徑向方向RD與磁浮主軸12之間具有一第四輔助軸承間隙C10，且前輔助軸承142與前輔助軸承141相同，前輔助軸承142沿軸向方向AD與磁浮主軸12之間具有第一輔助軸承間隙C3與第二輔助軸承間隙C4。同理，後輔助軸承143位於磁浮主軸12之上方，後輔助軸承144位於磁浮主軸12之下方，且後輔助軸承143與後輔助軸承144沿徑向方向RD分別亦與磁浮主軸12之間具有輔助軸承間隙，其中後輔助軸承143沿徑向方向RD與磁浮主軸12之間的輔助軸承間隙等同於第三輔助軸承間隙C9，後輔助軸承144沿徑向方向RD與磁浮主軸12之間的輔助軸承間隙等同於第四輔助軸承間隙C10；同理，後輔助軸承143與後輔助軸承144沿軸向方向AD分別亦與磁浮主軸12之間具有輔助軸承間隙。
在上述的配置之下，本實施例之磁浮主軸12沿著軸向方向AD移動，並可繞繞中心軸AX旋轉。第一間隙C1大於第一輔助軸承間隙C3，且第一間隙C1大於第二輔助軸承間隙C4；第二間隙C2大於第一輔助軸承間隙C3，且第二間隙C2大於第二輔助軸承間隙C4，以限制磁浮主軸12於軸向方向AD之移動。透過上述第一間隙C1或第二間隙C2均大於輔助軸承14沿軸向方向AD與磁浮主軸12之間隙的關係，即第一輔助軸承間隙C3與第二輔助軸承間隙C4均小於第一間隙C1或第二間隙C2，此舉可以防止磁浮主軸12墜落(Touch Down)時，可先由輔助軸承14承接所墜落撞擊的 磁浮主軸12時，不會撞擊損壞前軸向軸承131與後軸向軸承133，僅係替換輔助軸承14，並達到保護前軸向軸承131與後軸向軸承133之目的。
另一方面，第一徑向軸承間隙C7大於第三輔助軸承間隙C9，第一徑向軸承間隙C7大於第四輔助軸承間隙C10，第二徑向軸承間隙C8大於第三輔助軸承間隙C9，且第二徑向軸承間隙C8大於第四輔助軸承間隙10，以限制磁浮主軸12於徑向方向RD之移動。透過上述第一徑向軸承間隙C7或第二徑向軸承間隙C8均大於輔助軸承14沿徑向方向RD之間隙的關係，即第三輔助軸承間隙C9與第四輔助軸承間隙C10均小於第一徑向軸承間隙C7或第二徑向軸承間隙C8，此舉可以防止磁浮主軸12墜落(Touch Down)時，可先由輔助軸承14承接所墜落撞擊的磁浮主軸12時，不會撞擊損壞前徑向軸承151、152與後徑向軸承153、154，僅係替換輔助軸承14，並達到保護前徑向軸承151、152與後徑向軸承153、154之目的。
在本實施例中，葉輪17之入口171設置迷宮軸封19，迷宮軸封19係固定於殼體11之第三殼體113，磁浮主軸12之軸向力減力環124會設置迷宮軸封18，迷宮軸封18係固定於殼體11之第三殼體112，透過上述迷宮軸封18、19之設置，以降低磁浮離心式壓縮機1運轉時的氣體洩漏量。然本發明不對此加以限制，在其他實施例中，迷宮軸封僅配置於葉輪17或磁浮主軸12，端視實際產品而可調整配置。本實施例之迷宮軸封18、19於軸向方向AD上係呈一角度(具錐度)配置，即迷宮軸封18、19相對於磁浮主軸12之軸向方向AD傾斜配置，且迷宮軸封18係與磁浮主軸12之軸向力減力環124之間具有一迷宮軸封間隙C5，迷宮軸封19係與葉輪17之間具有一迷宮軸封間隙C6。
詳細而言，在本實施例中，當迷宮軸封18設置於磁浮主軸12之軸向力減力環124時，軸向力減力環124具有一磁浮主軸斜面部E2，磁浮 主軸斜面部E2與迷宮軸封18之齒部呈同一傾斜角度之傾斜配置，且迷宮軸封18朝止推碟盤122之方向為一漸擴結構，即沿軸向方向AD由殼體11之第一殼體111之前端至後端，迷宮軸封18之齒部在徑向方向RD上相對於磁浮主軸12之中心軸AX之距離尺寸漸漸變大，換言之，本實施例之迷宮軸封18之齒部為一具錐度結構。
磁浮主軸斜面部E2與迷宮軸封18之齒部係錐度對稱配置，故磁浮主軸斜面部E2朝止推碟盤122之方向為一漸擴結構，即沿軸向方向AD由殼體11之第一殼體111之前端至後端，磁浮主軸斜面部E2在徑向方向RD上相對於磁浮主軸12之中心軸AX之距離尺寸之尺寸漸漸變大。
另一方面，當迷宮軸封19設置於葉輪17時，葉輪17之入口171具有一葉輪斜面部E1，葉輪斜面部E1與迷宮軸封19之齒部呈同一傾斜角度之傾斜配置，且迷宮軸封19朝止推碟盤122之方向為一漸擴結構，即沿軸向方向AD由葉輪17之入口171之前端至後端，迷宮軸封19之齒部在徑向方向RD上相對於磁浮主軸12之中心軸AX之距離尺寸漸漸變大。葉輪17之葉輪斜面部E1與迷宮軸封19之齒部係錐度對稱配置，故葉輪斜面部E1朝止推碟盤122之方向為一漸擴結構，即沿軸向方向AD由葉輪17之入口171之前端至後端，葉輪斜面部E1在徑向方向RD上相對於磁浮主軸12之中心軸AX之距離尺寸漸漸變大。
需說明的是，習用水平結構之迷宮軸封之齒部(即迷宮軸封之齒部與軸向方向AD平行)，此種習用水平結構之迷宮軸封，需要利用加工機於徑向方向RD切削形成齒部，製造上較難加工，困難度高，且若將習用水平結構之迷宮軸封之間隙縮小，更加提升加工精度與製造困難度，於組裝上可能造成零件干涉或摩擦，而不容易組裝，除了會提升製造成本。尚須考量到組裝人員之技術；相較於前述習用水平結構之迷宮軸封之齒部 (即迷宮軸封之齒部與軸向方向AD平行)，本實施例之迷宮軸封18、19之齒部為一具錐度結構(即迷宮軸封之齒部不平行於軸向方向AD)，可以降低迷宮軸封製造困難度，亦可降低迷宮軸封與其他零件組裝之困難度。
請配合參閱圖1、圖2、圖3A至圖3C，其中圖3A為圖1之迷宮軸封、葉輪與迷宮軸封間隙一實施例之局部放大示意圖；圖3B為解釋圖3A之葉輪移動與迷宮軸封間隙之三角關係的示意圖；圖3C為圖1之迷宮軸封與迷宮軸封間隙另一實施例之局部放大示意圖。在本實施例中，葉輪17之入口171的葉輪斜面部E1與迷宮軸封19之間具有迷宮軸封間隙C6，且傾斜角度之範圍θ為大於0且小於或等於90度。以圖1至圖3A為例，傾斜角度之範圍θ為大於0且小於90度；以圖3C為例，傾斜角度之範圍θ為等於90度。
在上述的配置之下，如圖1所示，止推碟盤122的位置控制為保持其在前軸向軸承131與後軸向軸承133之間的中心位置C，使得第一間隙C1等於第二間隙C2，即第一間隙C1與第二間隙C2的間隙比值為1，當控制止推碟盤122之中心位置C往前移動，使磁浮主軸12沿軸向方向AD朝葉輪17方向移動，使第一間隙C1大於第二間隙C2，即第一間隙C1與第二間隙C2的間隙比值大於1，與此同時，將磁浮主軸12之軸向力減力環124及/或葉輪17之間的迷宮軸封18、19係相對於磁浮主軸12之軸向方向AD傾斜配置，透過迷宮軸封18、19之傾斜結構設計，使得葉輪17之入口171向迷宮軸封19靠近，使得迷宮軸封間隙C6減小。如圖3A所示，葉輪17之入口171的葉輪斜面部與迷宮軸封19具有一初始的迷宮軸封間隙C6，葉輪17之入口171的葉輪斜面部沿軸向方向AD朝一移動方向L前進一位移距離ΔZ，葉輪17移動後，葉輪17之入口171的葉輪斜面部與迷宮軸封19具有一移動後之迷宮軸封間隙C61，ΔC6為間隙差異數值，即ΔC6為C6減去C61的數 值，其中ΔC6=ΔZ×sin θ，成一正弦函數關係，在傾斜角度θ等於90度時，如圖3C所示，ΔC6=ΔZ，具有最大間隙調整比值，即磁浮主軸12沿軸向方向AD朝葉輪17之位移距離等於迷宮軸封間隙C6之尺寸變化。此外，ΔX為徑向方向之間隙差，其中ΔX=ΔZ×tan θ。
舉例而言，假設ΔZ等於0.06mm，θ為15度，則ΔC6等於0.0155m，換言之，葉輪17沿軸向方向AD朝一移動方向L前進一位移距離ΔZ為0.06mm，間隙差異數值ΔC6為0.0155m；假設迷宮軸封間隙C6為0.15mm，間隙差異數值ΔC6為0.0155m，則移動後之迷宮軸封間隙C61為迷宮軸封間隙C6減去間隙差異數值ΔC6，即移動後之迷宮軸封間隙C61等於0.1345mm。
此外，於氣體洩漏量之計算上，可由方程式(1)表示：
Figure 107140363-A0305-02-0014-1
上述方程式(1)中，氣體洩漏量Q、氣體密度ρ、流量係數Cv，此方程式(1)說明了上下游壓力差Δp固定時，氣體洩漏量Q與迷宮軸封間隙之截面積A成正比，而截面積A會與直徑與迷宮軸封間隙有關，在迷宮軸封之齒數、直徑等條件不變時，截面積A與迷宮軸封間隙成正比，即迷宮軸封間隙變小，截面積A跟隨變小，迷宮軸封間隙變大，截面積A跟隨變大。舉例而言，由前述可知間隙差異數值ΔC6與迷宮軸封間隙C6之比率例如為10.3%，換言之，調整止推碟盤122位於前軸向軸承131與後軸向軸承133之中心位置C，使磁浮主軸12沿軸向方向AD朝葉輪17方向移動，進而使第一間隙C1大於第二間隙C2，即第一間隙C1與第二間隙C2的間隙比值大於1，迷宮軸封間隙C6會縮小，例如迷宮軸封間隙C6縮小之比率為10.3%，與此同時，迷宮軸封間隙之截面積亦縮小10.3%，表示磁浮離心式壓縮機1運轉時之氣體洩漏量減少10.3%，進而提升磁浮離心式壓縮機1之性能與效 率。
由上述可知，在本實施例之磁浮離心式壓縮機1中，將磁浮主軸12及/或葉輪17之間的迷宮軸封18、19係相對於磁浮主軸12之軸向方向AD傾斜配置，藉由控制止推碟盤122於軸向方向AD上的位置，改變第一間隙C1與第二間隙C2的一間隙比值，以調整迷宮軸封間隙C5、C6，來達到控制氣體洩漏量之目的。
在本實施例中，亦可透過調整迷宮軸封間隙C5、C6來達到調整軸向力之目的。如圖4A與圖4B所示，圖4A為本發明之磁浮離心式壓縮機一移動狀態的局部剖面結構示意圖。圖4B為本發明之磁浮離心式壓縮機另一移動狀態的局部剖面結構示意圖。圖4A與圖4B分別顯示於葉輪17之入口171具有一第一壓力P1，於葉輪17之背板部172具有一第二壓力P2，於迷宮軸封18處具有一第三壓力P3，其中第二壓力P2高於第一壓力P1，且第二壓力P2高於第三壓力P3，即第一壓力P1與第三壓力P3係處在相對低壓之位置，而第二壓力P2係處在相對高壓之位置。圖4A與圖4B之差異在於：圖4A之迷宮軸封間隙C521的尺寸大於圖4B之迷宮軸封間隙C522的尺寸，在此迷宮軸封間隙之差異，使得圖4A於葉輪17之背板部172之第一壓力梯度分布PG1不同於圖4B於葉輪17之背板部172之第二壓力梯度分布PG1。此外，磁浮主軸12之軸向力可由下述方程式(2)表示：F=P×AF=∫ PG×AF (2)。
上述方程式(2)中，軸向力F、葉輪17之背板部172之壓力P、壓力梯度分布PG、壓力作用之截面積AF，此方程式(2)說明了在壓力作用在相同之截面積AF時，軸向力F與葉輪17之背板部172之壓力成正比，而葉輪17之背板部172之壓力會由壓力梯度分布PG積分而成，換言之，軸向力F會與壓力梯度分布PG成正比。因此，圖4A之迷宮軸封間隙C521的尺寸大 於圖4B之迷宮軸封間隙C522的尺寸，相較於圖4B之葉輪17之背板部172之第二壓力梯度分布PG2，圖4A之葉輪17之背板部172之第一壓力梯度分布PG1於軸向方向較小，導致軸向力小；相對地，可縮小迷宮軸封間隙C521之間隙，如圖4B之迷宮軸封間隙C522，相較於圖4A之葉輪17之背板部172之第一壓力梯度分布PG1，圖4B之葉輪17之背板部172之第二壓力梯度分布PG1於軸向方向較大，導致軸向力變大。需說明的是，圖4A與圖4B係以配置於軸向力減力環124上的迷宮軸封18作為舉例，而葉輪17之迷宮軸封19亦在上述同樣情況中會具有相同功效，故在此不重複贅述。
由上述可知，在本實施例之磁浮離心式壓縮機1中，將磁浮主軸12及/或葉輪17之間的迷宮軸封18、19係相對於磁浮主軸12之軸向方向AD傾斜配置，藉由控制止推碟盤122於軸向方向AD上的位置，改變第一間隙C1與第二間隙C2的一間隙比值，以調整迷宮軸封間隙C5、C6，除了能控制氣體洩漏量以外，本實施例更能達到調整軸向力與控制氣體洩漏量之目的。
圖5為本發明磁浮離心式壓縮機控制方法的流程示意圖。請參閱圖5，本實施例磁浮離心式壓縮機控制方法S100用以調整磁浮主軸之軸向力與控制氣體洩漏量，其可用於如圖1之磁浮離心式壓縮機1。磁浮離心式壓縮機控制方法S100包括以下步驟S110至步驟S130。
首先，進行步驟S110，提供一磁浮離心式壓縮機1，其磁浮離心式壓縮機1可參考圖1至圖4B之說明，特別是迷宮軸封18、19相對於磁浮主軸之軸向方向係呈一角度(具錐度)配置，且迷宮軸封18、19係與磁浮主軸12之軸向力減力環124及/或葉輪17之間具有迷宮軸封間隙C5、C6。針對本實施例對於磁浮主軸12之軸向力的監控，於初始設定上，控制止推碟盤122位於前軸向軸承131與後軸向軸承133之中心位置C，使得第一間隙 C1等於第二間隙C2，即第一間隙C1與第二間隙C2的間隙比值為1。此外，本實施例還另設定以下參數，包含：容許軸向力、第一輔助軸承間隙C3之最小值與第二輔助軸承間隙C4之最小值。
進行步驟S120，監測磁浮主軸12之軸向力是否位於一容許範圍，即監測磁浮主軸12之軸向力是否位於容許軸向力之範圍內。進行步驟S130，控制止推碟盤122於軸向方向AD的位置，以調整迷宮軸封間隙C5、C6，來達到調整軸向力與控制氣體洩漏量之目的。
在一實施例中，迷宮軸封洩漏量與軸向力之控制策略：假設額定之最大軸向力為1500N，軸向力容許值為1000N，剩餘500N的預度係供磁浮離心式壓縮機1喘震發生時控制。當監測磁浮主軸12之軸向力小於1000N，控制止推碟盤122沿軸向方向AD並朝葉輪17之方向移動，使第一間隙C1大於第二間隙C2，即第一間隙C1與第二間隙C2的間隙比值大於1，與此同時，透過迷宮軸封18、19之傾斜結構設計，使得迷宮軸封間隙C5、C6減小，除了增加軸向力以外，同時降低氣體洩漏量，並可提升磁浮離心式壓縮機1之效率；若監測磁浮主軸12之軸向力大於1000N，控制止推碟盤122沿軸向方向AD並遠離葉輪17之方向移動，使第一間隙C1小於第二間隙C2，即第一間隙C1與第二間隙C2的間隙比值小於1，與此同時，透過迷宮軸封18、19之傾斜結構設計，使得迷宮軸封間隙C5、C6增大，除了降低軸向力以外，同時增加氣體洩漏量，來保護磁浮離心式壓縮機1。
在一具體實施方式中，請參閱圖6A與圖6B，圖6A為本發明磁浮離心式壓縮機控制方法一具體實施方式的流程示意圖。圖6B為接續圖6A之磁浮離心式壓縮機控制方法的流程示意圖。本實施例磁浮離心式壓縮機控制方法S50用以調整磁浮主軸之軸向力與控制氣體洩漏量，其可用於如圖1之磁浮離心式壓縮機1。磁浮離心式壓縮機控制方法S50包括以下步 驟S51至步驟S554。
首先，進行步驟S51，提供一磁浮離心式壓縮機1，其磁浮離心式壓縮機1可參考圖1至圖4B之說明，特別是迷宮軸封18、19相對於磁浮主軸之軸向方向係呈一角度(具錐度)配置，且迷宮軸封18、19係與磁浮主軸12之軸向力減力環124及/或葉輪17之間具有迷宮軸封間隙C5、C6。針對本實施例對於磁浮主軸12之軸向力的監控，於初始設定上，控制止推碟盤122位於前軸向軸承131與後軸向軸承133之中心位置C，使得第一間隙C1等於第二間隙C2，即第一間隙C1與第二間隙C2的間隙比值為1。
接著，進行步驟S52，參數設定步驟。在此步驟S52中，可設定以下參數，包含：容許軸向力、第一輔助軸承間隙最小值、第二輔助軸承間隙最小值、間隙之最大移動量容許值、軸向力之上、下中立帶(Dead band)、間隙控制之單位移動量以及控制週期時間，其中所述最大移動量容許值係指止推碟盤122之最大移動量容許值，所述間隙控制之單位移動量係為間隙控制比例係數相乘每次間隙控制的移動量，所述控制週期時間指每隔一段時間控制磁浮主軸12，所述軸向力之上、下中立帶係為軸向力額定之最大值、最小值。
接著，進行步驟S53，監測磁浮主軸12之軸向力及量測第一輔助軸承間隙C3、第二輔助軸承間隙C4，並等待控制週期時間。
接著，進行步驟S54，判斷軸向力是否大於容許軸向力加上一上中立帶。若步驟S54判斷為是，進行步驟S541，判斷量測第一輔助軸承間隙C3是否大於第一輔助軸承間隙最小值；若步驟S541判斷為否，即步驟S53量測之第一輔助軸承間隙C3並未大於第一輔助軸承間隙最小值，進一步，如圖6A所示，回到B階段，即步驟S53繼續監測磁浮主軸12之軸向力及量測第一輔助軸承間隙C3、第二輔助軸承間隙C4，並等待控制週期時 間。
若步驟S541判斷為是，即步驟S53量測之第一輔助軸承間隙C3大於第一輔助軸承間隙最小值，進行步驟S542，判斷間隙控制之單位移動量是否大於或等於間隙之最大移動量容許值；若步驟S542判斷為是，即間隙控制之單位移動量大於或等於間隙之最大移動量容許值，進行步驟S543，控制磁浮主軸12中心，使止推碟盤122於軸向方向AD朝後軸向軸承133移動間隙之最大移動量容許量，以縮小第一輔助軸承間隙C3。另一方面，若判斷步驟S542為否，即間隙控制之單位移動量小於間隙之最大移動量容許值，進行步驟S544，控制磁浮主軸12中心，使止推碟盤122於軸向方向AD朝後軸向軸承133移動間隙控制之單位移動量，以縮小第一輔助軸承間隙C3，換言之，依據間隙控制之單位移動量是否超過間隙之最大移動量容許值，作為止推碟盤122移動之數值。此外，此時監測磁浮主軸12之軸向力大於容許軸向力加上一上中立帶，可藉由上述步驟S543或步驟S544，控制止推碟盤122沿軸向方向AD並遠離葉輪17之方向移動，使第一間隙C1小於第二間隙C2，即第一間隙C1與第二間隙C2的間隙比值小於1，與此同時，透過迷宮軸封18、19之傾斜結構設計，使得迷宮軸封間隙C5及/或迷宮軸封間隙C6增大，除了降低軸向力以外，同時增加氣體洩漏量，來保護磁浮離心式壓縮機1。進一步，於上述步驟S543或步驟S544達到降低軸向力與增加氣體洩漏量之目的後，如圖6A所示，回到B階段，即步驟S53繼續監測磁浮主軸12之軸向力及量測第一輔助軸承間隙C3、第二輔助軸承間隙C4，並等待控制週期時間。
上述係以監測磁浮主軸12之軸向力大於容許軸向力加上一上中立帶之說明，若判斷步驟S54為否，即監測磁浮主軸12之軸向力並未大於容許軸向力加上一上中立帶，進入A階段，即圖6B，進行步驟S55，判 斷軸向力是否小於容許軸向力加上一下中立帶；若否，表示此時軸向力不大於容許軸向力加上一上中立帶且也不小於容許軸向力加上一下中立帶，即軸向力位於一容許範圍(即監測安全範圍)，進一步，回到B階段，即如圖6A所示步驟S53繼續監測磁浮主軸12之軸向力及量測第一輔助軸承間隙C3、第二輔助軸承間隙C4，並等待控制週期時間。
反之，若步驟S55判斷為是，即判斷軸向力小於容許軸向力加上一下中立帶，進行步驟S551，判斷量測第二輔助軸承間隙C4是否大於第二輔助軸承間隙最小值；若步驟S551判斷為否，即步驟S53量測之第二輔助軸承間隙C4小於第二輔助軸承間隙最小值，進一步，回到B階段，即如圖6A所示步驟S53繼續監測磁浮主軸12之軸向力及量測第一輔助軸承間隙C3、第二輔助軸承間隙C4，並等待控制週期時間。
若步驟S551判斷為是，進行步驟S552，判斷間隙控制之單位移動量是否大於或等於間隙之最大移動量容許值；若步驟S552判斷為是，進行步驟S553，控制磁浮主軸12中心，使止推碟盤122於軸向方向AD朝前軸向軸承131移動間隙之最大移動量容許量，以縮小第二輔助軸承間隙C4。另一方面，若判斷步驟S552為否，即間隙控制之單位移動量小間隙之最大移動量容許值，進行步驟S554，控制磁浮主軸12中心，使止推碟盤122於軸向方向AD朝前軸向軸承131移動間隙控制之單位移動量，以縮小第二輔助軸承間隙C4，換言之，依據間隙控制之單位移動量是否超過間隙之最大移動量容許值，作為止推碟盤122移動之數值。此外，此時監測磁浮主軸12之軸向力小於容許軸向力加上一下中立帶，可藉由上述步驟S553或步驟S554，控制止推碟盤122沿軸向方向AD並朝葉輪17之方向移動，使第一間隙C1大於第二間隙C2，即第一間隙C1與第二間隙C2的間隙比值大於1，與此同時，透過迷宮軸封18、19之傾斜結構設計，使得迷宮軸封間隙C5及/ 或迷宮軸封間隙C6降低，除了增加軸向力以外，同時降低氣體洩漏量，並可提升磁浮離心式壓縮機1之效率。進一步，於上述步驟S553或步驟S554達到增加軸向力與降低氣體洩漏量之目的後，回到B階段，即如圖6A所示步驟S53繼續監測磁浮主軸12之軸向力及量測第一輔助軸承間隙C3、第二輔助軸承間隙C4，並等待控制週期時間。
綜上所述，在本發明磁浮離心式壓縮機及其控制方法中，將磁浮主軸及/或葉輪之間的迷宮軸封係相對於磁浮主軸之軸向方向傾斜配置，藉由控制止推碟盤於軸向方向上的位置，以調整迷宮軸封間隙，來達到調整軸向力與控制氣體洩漏量之目的。
再者，習用水平結構之迷宮軸封之齒部(即迷宮軸封之齒部與軸向方向平行)，此種習用水平結構之迷宮軸封，需要利用加工機於徑向方向切削形成齒部，製造上較難加工，困難度高，且若將習用水平結構之迷宮軸封之間隙縮小，更加提升加工精度與製造困難度，於組裝上可能造成零件干涉或摩擦，而不容易組裝，除了會提升製造成本。尚須考量到組裝人員之技術；相較於前述習用水平結構之迷宮軸封之齒部(即迷宮軸封之齒部與軸向方向平行)，本發明之迷宮軸封之齒部為一具錐度結構(即迷宮軸封之齒部不平行於軸向方向)，可以降低迷宮軸封製造困難度，亦可降低迷宮軸封與其他零件組裝之困難度。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (18)

  1. 一種磁浮離心式壓縮機，包括：一磁浮主軸，沿一軸向方向移動，該磁浮主軸包含一軸向力減力環；一止推碟盤，於一徑向方向上連接於該磁浮主軸；一前軸向軸承與一後軸向軸承，分別設置於該止推碟盤之兩側，沿該軸向方向，該後軸向軸承與該止推碟盤之間具有一第一間隙，該前軸向軸承與該止推碟盤之間具有一第二間隙；一葉輪，連接於該磁浮主軸之前端；以及至少一迷宮軸封，相對於該磁浮主軸之該軸向方向傾斜配置，且各該迷宮軸封係與該磁浮主軸及/或該葉輪之間具有一迷宮軸封間隙，其中藉由控制該止推碟盤於該軸向方向上的位置，改變該第一間隙與該第二間隙的一間隙比值，以調整該迷宮軸封間隙。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之磁浮離心式壓縮機，其中當該迷宮軸封設置於該葉輪時，該葉輪具有一葉輪斜面部，該葉輪斜面部與該迷宮軸封呈同一傾斜角度之傾斜配置，使該葉輪斜面部與該迷宮軸封之間具有該迷宮軸封間隙，且該傾斜角度之範圍為大於0且小於或等於90度。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之磁浮離心式壓縮機，其中當該迷宮軸封設置於該軸向力減力環時，該軸向力減力環具有一磁浮主軸斜面部，磁浮主軸斜面部與該迷宮軸封呈同一傾斜角度之傾斜配置，使該磁浮主軸斜面部與該迷宮軸封之間具有該迷宮軸封間隙，且該傾斜角度之範圍為大於0且小於或等於90度。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之磁浮離心式壓縮機，其中該迷宮軸封朝該止推碟盤之方向為一漸擴結構。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之磁浮離心式壓縮機，更包括： 至少一輔助軸承，位於該磁浮主軸之邊緣，沿該軸向方向，各該輔助軸承與該磁浮主軸之間具有一第一輔助軸承間隙與一第二輔助軸承間隙，該第一間隙大於該第一輔助軸承間隙，該第一間隙大於該第二輔助軸承間隙，該第二間隙大於該第一輔助軸承間隙，且該第二間隙大於該第二輔助軸承間隙，以限制該磁浮主軸於該軸向方向之移動。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之磁浮離心式壓縮機，其中沿該徑向方向，各該輔助軸承與該磁浮主軸之間具有一第三輔助軸承間隙與一第四輔助軸承間隙。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之磁浮離心式壓縮機，更包括：至少一徑向軸承，位於該磁浮主軸之邊緣，且各該徑向軸承設置於該輔助軸承與該止推碟盤之間，沿該徑向方向，各該徑向軸承與該磁浮主軸之間具有一第一徑向軸承間隙與一第二徑向軸承間隙，該第一徑向軸承間隙大於該第三輔助軸承間隙，該第一徑向軸承間隙大於該第四輔助軸承間隙，該第二徑向軸承間隙大於該第三輔助軸承間隙，且該第二徑向軸承間隙大於該第四輔助軸承間隙，以限制該磁浮主軸於該徑向方向之移動。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之磁浮離心式壓縮機，更包括：一驅動裝置，用以驅動該磁浮主軸。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之磁浮離心式壓縮機，其中該驅動裝置包括一馬達轉子與一馬達定子，該馬達轉子耦接於該馬達定子，該馬達轉子配置於該磁浮主軸之外側。
  10. 一種磁浮離心式壓縮機控制方法，包括以下步驟：提供一如請求項1所述之磁浮離心式壓縮機；監測該磁浮主軸之軸向力是否位於一容許範圍；以及控制該止推碟盤於該軸向方向的位置，以調整該迷宮軸封間隙。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之磁浮離心式壓縮機控制方法，其中所述提供該磁浮離心式壓縮機的步驟後，包括以下步驟：參數設定步驟，設定一容許軸向力、一第一輔助軸承間隙最小值、一第二輔助軸承間隙最小值、一間隙之最大移動量容許值、一上中立帶、一下中立帶、一間隙控制之單位移動量以及一控制週期時間。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之磁浮離心式壓縮機控制方法，其中所述監測該磁浮主軸之該軸向力是否位於該容許範圍的步驟，包括以下步驟：監測該磁浮主軸之該軸向力及量測一第一輔助軸承間隙、一第二輔助軸承間隙，並等待該控制週期時間。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之磁浮離心式壓縮機控制方法，其中所述監測該磁浮主軸之該軸向力及量測該第一輔助軸承間隙、該第二輔助軸承間隙，並等待該控制週期時間的步驟後，包括以下步驟：判斷該軸向力是否大於該容許軸向力加上該上中立帶；以及若是，判斷量測該第一輔助軸承間隙是否大於該第一輔助軸承間隙最小值。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之磁浮離心式壓縮機控制方法，其中所述控制該止推碟盤於該軸向方向的位置，以調整該迷宮軸封間隙的步驟，包括以下步驟：若判斷量測該第一輔助軸承間隙是否大於該第一輔助軸承間隙最小值為是，判斷該間隙控制之單位移動量是否大於或等於該間隙之最大移動量容許值；以及若是，控制該磁浮主軸中心，使該止推碟盤於該軸向方向朝該後軸向軸承移動該間隙之最大移動量容許量，以縮小該第一輔助軸承間隙。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之磁浮離心式壓縮機控制方法，其中所述判斷該間隙控制之單位移動量是否大於或等於該間隙之最大移動量容許值的步驟，若判斷為否，包括以下步驟：控制該磁浮主軸中心，使該止推碟盤於該軸向方向朝該後軸向軸承移動該間隙控制之單位移動量，以縮小該第一輔助軸承間隙。
  16. 如申請專利範圍第13項所述之磁浮離心式壓縮機控制方法，其中所述判斷軸向力是否大於該容許軸向力加上該上中立帶的步驟，若判斷為否，包括以下步驟：判斷該軸向力是否小於該容許軸向力加上該下中立帶；若是，判斷量測該第二輔助軸承間隙是否大於該第二輔助軸承間隙最小值。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之磁浮離心式壓縮機控制方法，其中所述控制該止推碟盤於該軸向方向的位置，以調整該迷宮軸封間隙的步驟，包括以下步驟：若判斷量測該第二輔助軸承間隙是否大於該第二輔助軸承間隙最小值為是，判斷該間隙控制之單位移動量是否大於或等於該間隙之最大移動量容許值；以及若是，控制該磁浮主軸中心，使該止推碟盤於該軸向方向朝該前軸向軸承移動該間隙之最大移動量容許量，以縮小該第二輔助軸承間隙。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之磁浮離心式壓縮機控制方法，其中所述判斷該間隙控制之單位移動量是否大於或等於該間隙之最大移動量容許值的步驟，若判斷為否，包括以下步驟：控制該磁浮主軸中心，使該止推碟盤於該軸向方向朝該前軸向軸承移動該間隙控制之單位移動量，以縮小該第二輔助軸承間隙。
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