制御システム
ＨＶＡＣ（加熱、通気、空調）、冷却又は液体チラーシステム（１００）内の遠心ガスコンプレッサ（１０８）を制御するシステム。コンプレッサを通るガスの流れがシステム内での失速及びサージ状態を阻止するため所望のパラメータを所定の範囲内に維持するように自動的に制御される。コンプレッサ内の可変幾何学ディフューザー（１１９）が、コンプレッサのインペラホイール（２０１）の排出部で冷媒ガスの流れを制御する。この構成は、マスフローを減少させ、流れ減少による失速を減少／排除し、部分負荷状態でのコンプレッサの作動効率を増大させる。可変速度ドライブ（ＶＳＤ）（１２０）と組み合わせた可変幾何学ディフューザー制御が、部分システム負荷でのコンプレッサの効率を増大させ、遠心コンプレッサの入口での予備回転ベーンの必要性を排除する。
【発明の詳細な説明】
【関連出願に対する相互参照】
【０００１】
本願は、参照としてここに組み込む２００７年１０月３１日に出願された「VARIABLE GEOMETRY DIFFUSERS AS CAPACITY CONTROL」という名称の米国仮特許出願第６０／９８４，０７３号の優先権及び利益を主張する。
【技術分野】
【０００２】
本願は、全体として、単段又は多段の遠心コンプレッサのための容量(capacity)制御システムに関する。本願は、特に、可変幾何学ディフューザー（ＶＧＤ; Variable Geometry Diffuser）を有するコンプレッサのための容量制御システムに関する。冷却システムにおいては、容量は冷却能力（cooling ability）を言い、一方、他のガス圧縮システムにおいては、容量は容積流れ（volumetric flow）を言う。
【背景技術】
【０００３】
[0003]従来、液体チラーのような冷却システムに使用するための遠心コンプレッサにおいては、冷却システムの冷却容量（cooling capacity）を制御するために、冷却又は加熱、通気、空調及び冷却（ＨＶＡＣ＆Ｒ）、及びガス圧縮、予備回転ベーン（ＰＲＶ）又は入口ガイドベーンが必要であった。蒸発器からコンプレッサへの入口では、１又はそれ以上のＰＲＶがコンプレッサへの冷媒の流れを制御する。コンプレッサへの冷媒の量を増大させるように、従って、システムの冷却容量を増大させるようにＰＲＶを開くために、アクチュエータを使用する。同様に、コンプレッサへの冷媒の量を減少させるように、従って、システムの冷却容量を減少させるようにＰＲＶを閉じるために、アクチュエータを使用する。
【０００４】
[0004] 可変幾何学ディフューザー（ＶＧＤ、複数）は遠心コンプレッサのディフューザー区域内で回転停止(stall)（失速）を制御するために使用されてきた。ＶＧＤの１つの実施の形態は、本願の譲受人に譲渡された、ネンスチール社(Nenstiel)の米国特許第６，８７２，０５０号の明細書に記載されており、これを参照としてここに組み込む。ＶＧＤは、測定された信号のレベルが所定のしきい値以下に低下するまで、遠心コンプレッサのディフューザー通路内へ延長される。その結果として、失速の排除、及び、内部の及び空気伝達の音レベルの双方における対応する低下が生じる。ある時間経過後又は状態の変化後、失速状態を検出したことを測定信号のレベルが表示するまで、ディフューザーギャップが段階的に又は増分的に再度開かれる。
【０００５】
[0005]失速及びサージ状態はコンプレッサの極限の作動状態を表す異なる物理的な現象である。失速はコンプレッサの１又はそれ以上の素子における局部的な流れ分離であり、インペラの回転周波数よりも小さな基本的周波数での排出圧力かく乱を特徴とする。遠心コンプレッサにおける回転失速はディフューザーにおいて優勢的に存在し、ＶＧＤにより排除することができる。対照的に、サージは圧縮ガスシステムにおけるシステムの幅広い不安定である。コンプレッサ内の主要な流れは瞬間的に方向を逆転し、サージは更に一層低い周波数、大きな圧力変動を特徴とする。
【０００６】
[0006]ＶＧＤは、圧縮ガスのための出口流れ経路であるディフューザーギャップを占領するように動くことのできるリングを含む。ＶＧＤは、リングが最大のガス流れを許容するように出口流れ経路の完全に外側にあるような引き戻し位置から、リングが出口流れ経路の一部を占めてガス流れの一部を制限するような伸張位置へ、移動することができる。リングは、遠心コンプレッサ内の失速の状態の検出に基づいて作動できる。可変幾何学ディフューザーは、差し迫った失速を検出するために排出圧力の交互の成分を測定するプローブ又はセンサに関連して使用される。
【０００７】
測定されたパラメータは、この測定されたパラメータに基づいて差し迫った失速を検出するようにプログラムされたコントローラへ送られる。次いで、コントローラは失速を排除し、その結果サージを回避するために可変幾何学ディフューザーを作動させるのに必要な時期を決定する。したがって、可変幾何学ディフューザーは、失速回避、サージ回避及びこのような状態を達成させるノイズの減少の利点を提供した。
【０００８】
[0007]遠心コンプレッサ内のディフューザーシステムの一部として、回転するインペラの下流側の静的圧力を回復するための多くのオプションがある。ディフューザーは、第１に、冷媒速度の接線方向の成分を減少させ、第２に、冷媒速度の半径方向の成分を減少させるように応答できる。冷媒速度が減少すると、静的圧力が増大する。性能が重大となるような主要な目標は、最小の合計圧力損失で静的圧力を回復させることである。
【０００９】
[0008]遠心コンプレッサにおける伝統的なディフューザーは、羽根無し形式、羽根付き（翼、楔、高硬度、低硬度）形式、パイプ形式、トンネル形式及びチャンネル形式又はこれらの形式の組み合わせを含む。ディフューザーの各形式は、その利点及び欠点を有する。たとえば、羽根無しディフューザーは、２つの壁を備え、インペラの高圧側に羽根を有しない。羽根無しディフューザー内での静的圧力の回復は、入来速度状態と半径比率とディフューザー中の幅との間の既知の関係の結果として得られる。
【００１０】
[0009]インペラの低圧側における入口ガイドベーンとしても知られるＰＲＶ、予備渦羽根等、可変速度ドライブ、高温ガスバイパス、可変ディフューザー羽根及び吸入スロットル弁を含む種々の方法が容量制御のために個々に又は組み合わせて適用されてきた。これらの容量制御方法の各々は、利点及び制限を提供する。最も普通に利用される容量制御方法は、ＰＲＶ、高温ガスバイパス及び可変速度ドライブを含む。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第６，８７２，０５０号明細書
【特許文献２】米国特許第７，３２８，５８７号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１２】
[0010]１つの実施の形態においては、ガス圧縮システムの容量を制御する方法を開示する。ガス圧縮システムは、コンプレッサ、冷媒凝縮器及び冷媒ループ内に接続された蒸発器を含む。方法は、コンプレッサの排出部においてディフューザーを提供する工程と、ガス圧縮システムの負荷を表す値を感知する工程と、ガス圧縮システムのシステム圧力差を決定する工程と、ガス圧縮システムの容量を制御するために感知された負荷値及び決定されたシステム圧力差に応答してディフューザーの位置を制御する工程と、を含む。
【００１３】
[0011]別の実施の形態においては、ガス圧縮システムは、コンプレッサ、冷媒凝縮器及び冷媒ループ内に接続された蒸発器を含む。ガス圧縮システムは、コンプレッサの排出部に位置するディフューザーを含む。ディフューザーは、コンプレッサからの冷媒の流れを規制するように配列される。主要な制御パネルガス圧縮システムは、容量制御システムを含む。容量制御システムは、退去冷液体の温度及びシステム圧力差に応答してガス圧縮システムの容量を制御するためにディフューザーの位置を調整するように配列される。
【００１４】
[0012]ここに開示される実施の形態のある利点は、ＨＶＡＣ＆Ｒシステムの素子及び制御の複雑さを減少させるために遠心コンプレッサ内でのＰＲＶの排除、及び部分的な負荷でのシステム効率を改善するために、単独で又は可変速度ドライブ（ＶＳＤ）と組み合わせて可変幾何学ディフューザーを使用する冷却システムにおける作動容量の減少を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、可変幾何学ディフューザーを適用できる例示的なＨＶＡＣ＆Ｒシステムを示す。
【図２】図２は、本発明で使用される遠心コンプレッサ及び可変幾何学ディフューザーの部分断面図を示す。
【図３】図３は、システムヘッド圧力に関連するＨＶＡＣ＆Ｒ制御システムの部分概略線図である。
【図４】図４は、冷水温度に関連するＨＶＡＣ＆Ｒ制御システムの部分概略線図である。
【図５】図５は、凝縮器の水の温度に関連するＨＶＡＣ＆Ｒ制御システムの部分概略線図である。
【図６Ａ】図６Ａは、システム容量及び可変幾何学ディフューザーの位置決めに関連するＨＶＡＣ＆Ｒ制御システムの部分概略線図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、コンプレッサ速度に関連するＨＶＡＣ＆Ｒ制御システムの部分概略線図である。
【図７】図７は、失速防止検出に関連するＨＶＡＣ＆Ｒ制御システムの部分概略線図である。
【図８】図８は、チラーユニットの制御システムの概略図である。
【図９】図９は、低硬度羽根付きディフューザーを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
[0023]一例として、本発明を適用できる一般的なＨＶＡＣ＆Ｒチラーシステム１００を図１に示す。例えばＨＶＡＣ＆Ｒ又は液体チラーシステム１００内の遠心ガスコンプレッサ１０８を制御するためのＨＶＡＣ＆Ｒシステム１００を以下に説明する。コンプレッサ１０８は、単段又は多段遠心コンプレッサとすることができる。コンプレッサ１０８を通る冷媒ガスの流れは、所望のパラメータを所定の範囲内に維持し、システム１００内での失速及びサージ状態を阻止するために自動的に制御される。
【００１７】
コンプレッサ１０８の各段におけるＶＧＤ１１９は、コンプレッサのインペラホイール２０１（図２参照）の排出部で冷媒ガスの流れを制御する。ＶＧＤ１１９の配列は、マスフローを減少させ、流れ減少による失速を減少又は排除し、部分的な負荷状態で作動する場合のコンプレッサ１０８の作動効率を増大させる。可変速度ドライブ（ＶＳＤ）１２０と組み合わせて可変幾何学ディフューザーを使用する容量制御は、部分的なシステム負荷でのコンプレッサ１０８の効率を増大させ、コンプレッサ１０８の出口でのＰＲＶの必要性を排除する。代わりの実施の形態においては、ＶＧＤ１１９は、多段コンプレッサ１０８における１又はそれ以上の段の排出部から排除することができる。
【００１８】
[0024]図示のように、ＨＶＡＣ＆Ｒチラーシステム１００は、コンプレッサ１０８と、凝縮器１１２と、水チラー又は蒸発器１２６と、制御パネル１４０とを含む。制御パネル１４０は、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ１４８と、マイクロプロセッサ１５０と、不揮発性メモリー１４４と、インターフェイスボード１４６とを含むことができる。制御パネル１４０の作動を以下に一層詳細に説明する。
【００１９】
[0025]コンプレッサ１０８は、冷媒蒸気を圧縮し、排出ライン１１３を通して蒸気を凝縮器１１２へ送給する。コンプレッサ１０８を駆動するため、システム１００は、コンプレッサ１０８のためのモータ又は駆動機構１５２を含む。「モータ」という用語は、コンプレッサ１０８のための駆動機構に関して使用するが、「モータ」という用語は、モータに限定されず、モータ１５２の駆動に関連して使用できる可変速度ドライブ及びモータ始動器のような任意の素子を包含することを意図するものであることを理解すべきである。本発明の好ましい実施の形態においては、駆動機構又はモータ１５２は、電気モータ、ＶＳＤ１２０及び関連する素子である。しかし、コンプレッサ１０８を駆動するために、蒸気又はガスタービン又はエンジンのような他の駆動機構１１４及び可変速度コントローラのような関連する素子を使用することができる。
【００２０】
[0026]コンプレッサ１０８により凝縮器１１２へ送給された冷媒蒸気は、例えば空気又は水のような流体と熱交換関係となり、流体との熱交換関係の結果として冷媒液体へと位相変化する。凝縮器１１２からの凝縮された液体冷媒は、膨張装置２２を通って蒸発器１２６へ流れる。膨張装置２２は、高温ガスバイパス弁（ＨＧＶ）１３４と並列に接続できる。フラッシュガスエコノマイザー又はインタークーラー１３２は、凝縮器１１６と蒸発器１２６との間を接続することができる。エコノマーザー１３２は、蒸発器１２６の圧力と凝縮器１１６の圧力との間の圧力で冷媒フラッシュガスをコンプレッサに導入する。中間圧力の冷媒ガスの導入は、熱力学サイクルの効率を改善する。好ましい実施の形態においては、凝縮器１１２内の冷媒蒸気は、水と熱交換関係になり、冷却塔１２２に接続された熱交換器１１６を通って流れる。凝縮器１１２内の冷媒蒸気は、熱交換器１１６内での水との熱交換関係の結果として冷媒液体へと位相変化する。
【００２１】
[0027]蒸発器１２６は、好ましくは冷却負荷１３０に接続された供給ライン１２８Ｓ及び帰還ライン１２８Ｒを有する熱交換器１２８を含むことができる。熱交換器１２８は、蒸発器１２６内の複数のチューブ束（図示せず）を含むことができる。水とすることのできる補助の液体又は例えばエチレン、塩化カルシウムブライン、塩化ナトリウムブラインのような任意の他の適当な補助の液体は、帰還ライン１２８Ｒを介して蒸発器１２６へ入り、供給ライン１２８Ｓを介して蒸発器１２６から出る。蒸発器１２６内の液体冷媒は、熱交換器１２８内の補助の液体と熱交換関係になり、熱交換器１２８内の補助の液体の温度を冷やす。
【００２２】
蒸発器１２６内の冷媒液体は、熱交換器１２８内の補助の液体との熱交換関係の結果として冷媒蒸気へと位相変化する。蒸発器１２６内の蒸気冷媒は、蒸発器１２６から出て、吸入ライン１２３によりコンプレッサ１０８へ帰還し、サイクルを完了する。凝縮器１１２及び蒸発器１２６のための好ましい実施の形態についてシステム１００を説明したが、凝縮器１１２及び蒸発器１２６内の適当な位相変化が得られる限り、凝縮器１１２及び蒸発器１２６の任意の適当な形状をシステム１００内で使用できることを理解すべきである。
【００２３】
[0028]制御パネル１４０は、システム１００の性能を表示する入力信号をシステム１００から受け取るためにＡ／Ｄコンバータ１４８を有することができる。たとえば、制御パネル１４０により受け取られる入力信号は、蒸発器１２６から退去する冷えた液体の温度、蒸発器１２６及び凝縮器１１２内の冷媒圧力、及び、コンプレッサの排出通路内の聴覚的圧力即ち音響圧力測定値を含むことができる。制御パネル１４０は、システム１００の作動を制御するためにシステム１００の素子に信号を伝達するようにインターフェイスボード１４６を通して通信する。たとえば、制御パネル１４０は、存在する場合には随意の高温ガスバイパス弁１３４の位置を制御するために、及び、ＶＧＤ１１９内のディフューザーリング２１０（例えば図２参照）の位置を制御するために、信号を伝達することができる。
【００２４】
[0029]制御パネル１４０は、システム１００の作動を制御するために、及び、システム及びコンプレッサの安定性を維持するように特定のコンプレッサ状態に応答してＶＧＤ１１９内のディフューザーリング２１０の伸長及び引き戻しの時期を決定するために、制御アルゴリズム（単数又は複数）を使用し、この安定性は、この開示の目的にとっては、失速及びサージの無い状態である。更に、制御パネル１４０は、システム及びコンプレッサの安定性を維持するように特定のコンプレッサ状態に応答して、存在する場合には随意の高温ガスバイパス弁（ＨＧＶ）１３４を開閉するために制御アルゴリズム（単数又は複数）を使用することができる。１つの実施の形態においては、制御アルゴリズム（単数又は複数）は、マイクロプロセッサ１５０により実行できる一連のインストラクションを有する不揮発性メモリー１４４内に記憶されたコンピュータプログラムとすることができる。
【００２５】
制御アルゴリズムは、コンピュータプログラム（単数又は複数）内で具体化され、マイクロプロセッサ１５０により実行されるが、当業者なら、制御アルゴリズムは、デジタル及び（又は）アナログハードウエアを使用して履行及び実行できることを理解できよう。制御アルゴリズムを実行するためにハードウエアを使用した場合、制御パネル１４０の対応する形状は、必要な素子を組み込むように、及び、もはや必要となくなることのある例えばＡ／Ｄコンバータ１４８のような任意の素子を削除するように、変更することができる。
【００２６】
[0030]制御パネル１４０は、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）及びデジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）コンバータ１４８と、マイクロプロセッサ１５０と、不揮発性メモリー又は他の記憶装置１４４と、チラーシステム１００の種々のセンサ及び制御装置と通信するためのインターフェイスボード１４６とを含むことができる。更に、制御パネル１４０は、オペレータによる制御パネル１４０との相互作用を許容するユーザーインターフェイス１９４に接続するか又はこれを組み込むことができる。オペレータは、ユーザーインターフェイス１９４を介して制御パネル１４０のためのコマンドを選択又はエンターすることができる。更に、ユーザーインターフェイス１９４は、オペレータのためにチラーシステム１００の作動状況に関する制御パネル１４０からのメッセージ及び情報を表示することができる。ユーザーインターフェイス１９４は、チラーシステム１００又は制御パネル１４０上に装着されるような、制御パネル１４０の近くに位置することができるか、又は代わりに、ユーザーインターフェイス１９４は、チラーシステム１００から離れた別個の制御室内に位置するような、制御パネル１４０から遠くに位置することができる。
【００２７】
[0031]マイクロプロセッサ１５０は、コンプレッサ１０８、ＶＳＤ１２０、凝縮器１１２及びチラーシステム１００の他の素子を含むチラーシステム１００を制御するために単一の即ち主要な制御アルゴリズム又は制御システムを実行又は使用することができる。１つの実施の形態においては、制御システムは、マイクロプロセッサ１５０により実行できる一連のインストラクションを有するコンピュータプログラム又はソフトウエアとすることができる。別の実施の形態においては、制御システムは、当業者によりデジタル及び（又は）アナログハードウエアを使用して履行及び実行することができる。更に別の実施の形態においては、制御パネル１４０は、制御パネル１４０の出力を決定する主要なコントローラを伴う、各々別個の機能を遂行する多数のコントローラを組み込むことができる。制御アルゴリズムを実行するためにハードウエアを使用した場合、制御パネル１４０の対応する形状は、必要な素子を組み込むように、及び、もはや必要となくなることのある任意の素子を削除するように、変更することができる。
【００２８】
[0032]チラーシステム１００の制御パネル１４０は、チラーシステム１００の素子から多くの異なるセンサ入力を受け取ることができる。制御パネル１４０へのセンサ入力のいくつかの例を後に提供するが、制御パネル１４０は、チラーシステム１００の素子から任意の所望の又は適当なセンサ入力を受け取ることができることを理解すべきである。コンプレッサ１０８に関連する制御パネル１４０へのある入力は、コンプレッサ排出温度センサ、コンプレッサオイル温度センサ、コンプレッサオイル供給圧力センサ及びＶＧＤ位置センサからのものとすることができる。
【００２９】
[0033]制御パネル１４０上でマイクロプロセッサ１５０により実行される主要な制御アルゴリズムは、好ましくは冷却負荷を満足させるためにコンプレッサ１０８から所望の容量を発生させるように、ＶＳＤ１２０を介してのモータ１５２の速度従ってコンプレッサ１０８の速度を制御するための容量制御プログラム又はアルゴリズムを含む。容量制御プログラムは、好ましくはチラーシステム１００上の冷却負荷デマンドを表す温度である蒸発器１２６内の退去する冷えた液体の温度に直接応答して、モータ１５２及びコンプレッサ１０８のための所望の速度を自動的に決定することができる。所望の速度を決定した後、制御パネル１４０は、ＶＳＤ１２０へ制御信号を送るか又は伝達し、それによって、モータ１５２の速度を規制する。代わりの実施の形態においては、モータ１５２は、一定の電圧及び周波数において一定の速度で作動することができ、ＶＳＤ１２０からパワーを受け取らない。
【００３０】
[0034]容量制御プログラムは、チラーシステム１００の選択されたパラメータを予め選択された範囲内に維持するように形状づけることができる。このようなパラメータは、原動機速度、冷液体の出口温度、原動機パワー出力、及び、最小コンプレッサ速度及び可変幾何学ディフューザー位置のためのサージ防止限界を含む。容量制御プログラムは、モータ１５２及びコンプレッサ１０８の速度を連続的に監視し、システムの冷却負荷の変化に応答してこれらの速度を変化させるために、ここで述べる種々の作動パラメータを監視するセンサからの連続的なフィードバックを使用することができる。即ち、チラーシステム１００が付加的な又は減少した容量を必要とするとき、チラー１００内のコンプレッサ１０８の作動パラメータは、新たな冷却容量要求に応答して対応的に更新又は変更される。最大の作動効率を維持するため、コンプレッサ１０８の作動速度は、容量制御アルゴリズムにより頻繁に変更又は修正することができる。更に、システムの負荷要求とは別に、容量制御プログラムはまた、チラーシステム１００内の冷媒の容積流量を最適化し、コンプレッサ１０８の結果としての効率を最適化するために、冷媒システム圧力差を連続的に監視することができる。
【００３１】
[0035]モータ１５２は、可変速度で駆動されることのできる誘導モータ１５２とすることができる。誘導モータ１５２は、２極、４極又は６極を含む任意の適当な極構成を有することができる。誘導モータ１５２は、例えば図１に示すコンプレッサ１０８のような負荷を駆動するために使用される。別の実施の形態においては、モータ１５２は、永久磁石ロータを備えた同期モータとすることができる。１つの実施の形態においては、システム１００及び容量制御方法は、冷却システムのコンプレッサを駆動するために使用することができる。
【００３２】
[0036]図２は、本開示の例示的な実施の形態のコンプレッサ１０８の部分断面図を示す。コンプレッサ１０８は、冷媒蒸気を圧縮するためのインペラ２０１を含む。次いで、圧縮された蒸気は、ディフューザー１１９を通る。ディフューザー１１９は、好ましくは可変幾何学形状を有する羽根無しラジアルディフューザーである。可変幾何学ディフューザー（ＶＧＤ）１１９は、冷媒蒸気を通過させるための、ディフューザープレート２０６とノズルベースプレート２０８との間に形成されたディフューザー空間２０４を有する。ノズルベースプレート２０８は、ディフューザーリング２１０と一緒に使用するように形状づけられる。ディフューザーリング２１０は、ディフューザー空間又は通路２０２を通過する冷媒蒸気の速度を制御するために使用される。ディフューザーリング２１０は、通路を通って流れる蒸気の速度を増大させるためにディフューザー通路２０２内へ伸長することができ、通路を通って流れる蒸気の速度を減少させるためにディフューザー通路２０２から引き戻すことができる。
【００３３】
ディフューザーリング２１０は、ＶＧＤ１１９の可変幾何学形状を提供するために、アクチュエータ６５０（図６Ａ参照）により駆動される調整機構２１２を使用して伸長及び引き戻しできる。ＶＧＤ１１９の１つの形式の作動及び素子の一層詳細な説明は、２００２年１２月６日に出願された米国特許出願番号第１０／３１３，３６４号明細書である２００５年３月２９日に発行された「Variable Geometry Diffuser Mechanism」という名称の上記米国特許第６，８７２，０５０号明細書において提供されており、この特許を参照としてここに組み込む。しかし、本発明において任意の適当なＶＧＤ１１９を使用することができることを理解すべきである。また、コンプレッサインペラ（単数又は複数）２０１のための冷媒の流れを制御するために、従ってコンプレッサ１０８の容量を制御するために、２以上のＶＧＤ１１９を使用することができる。
【００３４】
ＶＧＤ１１９は、コンプレッサ１０８外への冷媒流れが実質上妨げられないような実質上開いた位置と、コンプレッサ１０８外への冷媒流れが制限されるような実質上閉じた位置との間の任意の位置へ位置決めできる。閉じた位置にある場合、ＶＧＤ１１９は、コンプレッサ１０８からの冷媒の流れを完全に停止できないことを理解すべきである。調整機構２１２は、連続的に又は別個の段階で増分的にディフューザーギャップを開閉できる。
【００３５】
[0037]容量制御装置は、サージ防止手段を提供するように主として管理される。１つの実施の形態においては、容量制御プログラムは、蒸発器１２６からの退去冷液体温度（ＬＣＬＴ）の変化に応答して、モータ１５２（及びコンプレッサ１０８）の速度、及び高温ガスバイパス弁１３４の位置を制御することができる。図４−７は、本発明の容量制御プログラムのための容量制御プロセス（工程）の実施の形態を示す。図４は、ＶＧＤ１１９位置制御アルゴリズム６０２（例えば図６Ａ参照）に対するシステムヘッド圧力入力変数（ＣＳＹＳＴＥＭ）を決定するためのシステムヘッド圧力感知制御を全体として示す。ブロック４０２において、システムは、蒸発器圧力を感知し、ブロック４０４において、システムは、凝縮器圧力を感知する。ブロック４０６において、ブロック４０２からの蒸発器圧力値は、ブロック４０４の凝縮器圧力値から差し引かれる。蒸発器圧力値とブロック４０４の凝縮器圧力値との間の差は、システムヘッド圧力を産む。システムヘッド圧力は、また飽和温度状態の差のような他の方法により画定（定義）することができる。問題のパラメータは、例えばガス又は冷媒のマスフローである。システムのヘッド圧力即ち差圧は、マスフローを表示する相似のパラメータである。ガス／冷媒のマスフローは、また温度に相似することができるか、又は、適当な器具を使用して測定することができる。
【００３６】
[0038]凝縮器圧力はまた、例えば１８０ｐｓｉの設定点値を有する比例／積分／微分（ＰＩＤ）排出オーバーライドのために、ブロック４０８へ入力される。同様に、蒸発器圧力は、例えば２８ｐｓｉの設定点値を有するＰＩＤ（比例積分微分）排出オーバーライドのために、ブロック４１２に入力される。ブロック４０８からの出力信号及びブロック４１２からの出力信号は、低セレクタリレー（ＬＳＲ）４１６への入力であり、ＬＳＲ４１６は、記号（Ｂ）４１８で示すように、２つの入力変数の低い方の値を、図４における次の制御プロセス線図区分へ送る。
【００３７】
[0039]次に、図４及び５を参照すると、ＬＳＲ４１６の出力信号は、別のＬＳＲ５０２へ入力される。システムの退去冷水温度は、ブロック５０８において感知される。感知された冷水温度は、ブロック５１０において、プロセス変数（ＰＶ）としてＰＩＤ冷水温度制御へ入力される。冷水温度は、例えば時間間隔当りのカ氏温度（°Ｆ）の変化の所定の割合で温度を制御するために、ブロック５１２において設定点制御出力と比較される。冷水温度設定点は、制御オペレータ５１５から発生する。
【００３８】
[0040]ＰＩＤコントローラ５１０からの冷水温度制御変数出力５１１は、低選択リレー（ＬＳＲ）５０４へ入力され、このリレーは、２つの入力のうちの低い方の値を選択し、低い方の値を出力値として送る。ＬＳＲ５０４への第２の入力は、ＰＩＤ熱温度制御５１４から受け取る。熱温度制御５１４は、退去凝縮器温度５１３及び熱設定点率即ち勾配（傾斜）５１６から決定される。熱設定点勾配５１６は、凝縮器水設定点入力５１７を受け取る。冷水ＰＩＤコントローラ５１０及び熱温度制御５１３のうちの低い方の値は、ＬＳＲ５０２に入力される。ＬＳＲ５０２は、ＬＳＲ５０４からの出力値を、ブロック（Ｂ）４１８からのシステムヘッド圧力を表す第２の入力と比較する。ＬＳＲ５０２は、ブロック４１８及びＬＳＲ５０４からの２つの入力値のうちの低い方の値を選択し、選択された値をＬＳＲ５０６へ入力する。
【００３９】
ＬＳＲ５０６は、ＰＩＤコントローラ５３０から負荷限界出力を表す第２の入力を受け取る。ＰＩＤコントローラ５３０は、ＬＳＲ５０６へ入力される負荷限界値５３６を決定するために、モータの全負荷の百分率としてのモータ負荷５３２を負荷限界設定点５３４と比較する。ＬＳＲ５０６は、入力値５０２、５３６の小さい方の値を計算リレー（ＣＲ）５４０へ入力する。ＣＲ５４０は、チラーシステム１００の容量の３つの作動範囲を決定するために使用することができる。図３−７の実施の形態においては、容量制御装置は、３つの負荷範囲を有するものとして考えることができる。低容量負荷範囲においては、システム容量は、ＨＧＶ１３４により制御され；中間容量負荷範囲においては、システム容量は、ＶＧＤ１１９により制御され、高容量負荷範囲においては、システム容量は、コンプレッサ速度により制御される。例示的な実施の形態は、３容量制御装置として示すが、制御信号は、一層多くの又は一層少ない範囲に分割することができる。
【００４０】
容量制御の方法は、無負荷容量値に最も近い範囲の副区分に対する相対効率に基づいて指定される。例示的な実施の形態においては、ＨＧＶは、容量制御の最低効率方法に対応する。容量制御の最も効率的な方法は、負荷される容量値に関連する容量範囲の副区分で指定され、これは、例示的な実施の形態では、速度制御である。その理由は、これは一般的に容量制御の最も効率的な方法と考えられるからである。例示的な実施の形態においては、中間の範囲は最も無負荷の状態及び最も負荷された状態を表す範囲間の容量負荷範囲の中央の副区分である。ＶＧＤは、中間の容量負荷範囲において容量を制御するように指定される。コンプレッサシステムが完全無負荷から完全負荷へと負荷を増大させると、容量装置は、分割された総合範囲にわたって順々に適用される。コンプレッサ速度設定点を負荷しない又は負荷した場合、ＶＧＤの位置及びＨＧＶの位置は、連続的に決定され、コンプレッサシステム上に与えられる負荷を供給するために、効率的な作動を得るように変調される。
【００４１】
サージ防止又は失速防止アルゴリズム（例えば図６Ａ、６Ｂ、７のアルゴリズム１及びアルゴリズム２参照）により不安定として定義されるいかなる区域もが、回避又は除外すべき不安定範囲とみなされ、コンプレッサは、このような作動範囲に入るのを阻止され、総合範囲の次の副区分が、ＬＳＲ４の上流側のすべてのアルゴリズムにより指令されるようなシステムの負荷又は無負荷を満たすために使用される。
【００４２】
[0041]次に、図６Ａを参照すると、第１の制限リレー５４２は、経路６２０を選択し、制限リレー５４２の出力値を計算リレー（ＣＲ）６２２へ入力する。ＣＲ６２２は、高値選択リレー（ＨＳＲ）６２４への入力のための容量範囲値の百分率を計算する。ＨＳＲ６２４は、ＣＲ６２２からの容量範囲出力及び高温ガス弁（ＨＧＶ）勾配６２６のうちの高い方の値を選択し、これは、時間間隔当りの百分率変化を制限する。ＣＲ６２２からの容量範囲出力及び変化制限アルゴリズムのＨＧＶ率又はＨＳＲ６２４からの勾配６２６のうちの大きい方の値は、ＨＧＶ６２５へ入力される。
【００４３】
[0042]制御線図の可変幾何学ディフューザー容量制御部分６００は、破線で示す。ＣＲ６１２は、１００％−２００％の範囲の容量信号６１０を受け取る。ＣＲ６１２は、１００％−２００％の範囲を表す経路６１０からの入力値から１００を差し引く（入力−１００）ことにより範囲を標準化即ち再縮尺化する。次いで、ＬＳＲ６１４は、第１の入力でＣＲ６１２の出力を及び第２の入力で可変幾何学ディフューザー勾配範囲６１５を受け取り、ＬＳＲ６１４は、第１及び第２の入力信号のうちの低い方の値を選択し、選択した値をＬＳＲ６１６へ入力する。ＬＳＲ６１６において、ＬＳＲ６１４の出力及び失速防止コントローラ７１０（例えば図７参照）からの出力信号７１５の２つの値のうちの低い方の値が選択され、選択された値は、ＨＳＲ６１８へ入力される。ＨＳＲ６１８は、ＬＳＲ６１６の出力、及び、ボックス６０２及びリミットスイッチ６０３の出力を受け取り、最小サージ防止位置を計算する。最小サージ防止位置は、ボックス６０２内のアルゴリズム１を適用することにより発生する。ボックス６０２内で適用されるアルゴリズムは、次の通りである「アルゴリズム１」：
【００４４】
【数１】
【００４５】
[0043]アルゴリズム１は、０ないし１００％の間の百分率値として必要なシステム容量Ｙを決定する。ここに、ＰＤ＝実際のシステムヘッド圧力、ＰＤ１＝最大システムヘッド圧力、ＰＤ２＝最小システムヘッド圧力、ＭＶＰ１＝最小可変幾何学ディフューザー高ヘッド圧力、ＭＶＰ２＝最小可変幾何学ディフューザー低ヘッド圧力である。
【００４６】
アルゴリズム１は、サージ防止位置を決定する１つの方法であって、例として提供されるが、本開示は、サージ防止位置を決定する特定の方法に限定されない。実際のシステムヘッド圧力は、図３に関して上述したように決定され、アルゴリズム６０２に入力される。
【００４７】
[0044]ＨＳＲ６１８に戻ると、アルゴリズム６０２の必要なシステム容量は、ＬＳＲ６１６の出力と比較される。ＬＳＲ６１６の出力は、失速防止制御信号７１５又はシステム容量デマンド信号の低い方を表す。リミットスイッチ６０３及びＬＳＲ６１６のうちの高い方の値は、位置コントローラ６４０を介して可変幾何学ディフューザーモータ６５０を制御するために適用される。１つの実施の形態においては、位置コントローラ６４０は、可変幾何学ディフューザーパルス幅変調（ＰＷＭ）位置コントローラである。位置コントローラ６４０は、ブロック６４４で決定される現在の可変幾何学ディフューザー位置の基準入力に基づいて出力信号を決定する。
【００４８】
[0045]上述のように、図３ないし７で示した制御体系は、コンプレッサシステムの積分容量制御を提供し、圧力についてのオーバーライド制限、デマンド制限、サージ防止制御及び初期の失速回避制御を提供する。コンプレッサシステムの容量制御は、ＰＲＶを必要とせずに、ＶＧＤ１１９を使用して積分される。図４を参照すると、ＬＳＲ４（５０６）の成果(resultant)は、所定のアナログ値範囲により表されるようなチラーの無負荷又は負荷に対するコマンドを提供する。この範囲の一方の極限において、コマンドは、完全無負荷を表し、この範囲の他方に極限においては、完全負荷を表す。
【００４９】
計算リレー５４０、リミットスイッチ５４２、リミットスイッチ５４４及びリミットスイッチ５４６の組み合わせの実施の形態は、アナログ値範囲を所定の副区分に分割し、１つの副区分は、図４に関して上述したように、各容量制御装置のためのものである。計算リレー６３２は、標準化された信号をＨＳＲ６３４に送る。ＨＳＲ６３４は、最小速度設定点Ｙを表す第２の入力信号をボックス６３２から受け取る。最小速度設定点Ｙは、次のようなボックス６３８内のアルゴリズム２の適用により決定される。
【００５０】
【数２】
［アルゴリズム２］
【００５１】
[0046]アルゴリズム２は、サージ防止計算のための最小速度Ｙを決定する。ここに、ＳＰＤ１＝最大システムヘッド圧力、ＳＰＤ２＝最小システムヘッド圧力、ＭＳＰ１＝最小速度高ヘッド圧力、ＭＳＰ２＝最小速度低ヘッド圧力、である。
【００５２】
[0047]コンプレッサ１０８の最小回転速度は、全開ディフューザーギャップでのマスフローを表すコンプレッサ１０８の速度と比較された、コンプレッサ１０８のヘッド圧力要求を表す差圧により定義される。コンプレッサ１０８の各与えられたヘッド圧力要求に対して、コンプレッサ１０８内でのサージ状態の発生を阻止するのに必要な対応する最小回転速度が存在する。アルゴリズム２は、コンプレッサ１０８のためのサージ防止ロジックの例示的な実施の形態を表す。上述したパラメータは、経験的に又はアルゴリズム２と同様のサージ検出アルゴリズムにより決定することができる。他のサージ検出アルゴリズムは、当業者にとって既知であり、アルゴリズム２と交換することができる。
【００５３】
[0048]最小ガス流れの考察は、また排出ディフューザーギャップ２０２の閉鎖について考慮される。各ヘッド圧力要求に対して、コンプレッサ１０８のインペラホイール２０１を通過する所定のマスフローを制御するためにディフューザーにとって必要な対応する最小開度即ちギャップ幅が存在する。ディフューザーギャップが大き過ぎる場合、ディフューザーは、コンプレッサ１０８を通るマスフローを妨げることによりコンプレッサ１０８内にサージを生じさせてしまう。アルゴリズム２は、サージ防止アルゴリズム６０２（図６Ａ）の例示的な実施の形態である。
【００５４】
[0049]次いで、全モータ速度の０ないし１００％の間の百分率としてのコンプレッサモータ速度は、計算リレーＣＲ６３２からの速度範囲百分率出力と比較され、２つの百分率のうちの大きい方の百分率は、可変速度ドライブ（ＶＳＤ）に入力され、それに従ってコンプレッサ駆動モータの速度を調整する。図６の実施の形態に示すように、ＣＲ６３２からの速度百分率出力及びＣＲ６３６のサージ防止速度値出力のうちの大きい方の値を表すＨＳＲ６３４の出力は、ＣＲ６３５に適用される。ＣＲ６３５は、ＣＲ６３４からの入力値をモータ最大速度の０ないし１００％の範囲の比例信号に変換し、ブロック６３７で速度設定点を出力する。ブロック６３７からの速度設定点信号は、コンプレッサモータ速度を制御するためにＶＳＤ１２０に入力される。手動での速度設定点選択を許容するために、随意のセレクタスイッチ６３９をＨＳＲ６３４とＣＲ６３５との間で接続することができる。
【００５５】
[0050]次に図７を参照すると、失速防止制御回路７００は、排出失速圧力センサ７１２を含む。センサ７１２からの信号は、可変幾何学ディフューザー失速検出ボード７１４に適用され、そこで、排出圧力を表す信号が処理され、プロセス変数として失速防止直接活動（ＤＩＲ）コントローラ７１０に入力される。失速検出ボード７１４は制御パネル１４０に又は制御パネル１４０とデータ通信する別個の独立のモジュールに組み込むことができる。実際の排出圧力は、一組の失速関連パラメータを産むように処理され、これらのパラメータは、これらに限定されないが、ノイズ電圧デッドバンド、始動位置、最大及び最小制御変数（ＣＶ）、プローブ速度、待ち時間、反応勾配及び信号設定点失速しきい値を含む、一組の失速関連設定点値７１３と比較される。
【００５６】
[0051]失速防止アルゴリズムは、図７において全体的に履行される。失速無負荷信号７１５は、失速防止コントローラ７１０から出力される。失速防止アルゴリズムは、上述の失速パラメータの結果として高ノイズ状態が検出されたときに、無負荷アルゴリズムとしてコンプレッサ制御体系に統合される。失速無負荷信号７１５は、ＨＳＲ６１８において上述のアルゴリズム１によりオーバーライドされる。これらに限定されないが、可変幾何学ディフューザーノイズデッドバンド、可変幾何学ディフューザープローブ速度、待ち時間、反応／勾配率最大値ＣＶ及び最小値ＣＶを含む、複数の設定点７１３は、コントローラ７１０へ挿入される。
【００５７】
[0052]別の実施の形態においては、容量制御システムは、コンプレッサ１０８を駆動するために蒸気タービンを使用して履行することができる。蒸気タービンは、コンプレッサ１０８を稼動するための代わりの原動機１１４を提供するために、図１に示すＶＳＤ１２０及びモータ１５２と交換される。その全体を参照としてここに組み込む「INTEGRATED ADAPTIVE CAPACITY CONTROL FOR A STEAM TURBINE POWERED CHILLER UNIT」という名称の本出願人に係る米国特許第７，３２８，５８７号明細書は、タービンで稼動されるチラーユニットを開示しており、このユニットにおいては、コンプレッサに提供される冷媒の流れを制御し、それによって、コンプレッサの容量を制御する１又はそれ以上のＰＲＶ又は入口ガイドベーンが存在する。蒸気タービンで駆動されるチラーシステムは、ＰＲＶを排除し、ＶＧＤ１１９及び図３ないし７に関して上述したような関連する制御を組み込むように修正することができる。
【００５８】
[0053]図１に示す実施の形態においては、高温ガスバイパス接続部１３３及びＨＶＤ１３４は、冷媒凝縮器１１６及び蒸発器１２６を接続し、膨張装置２２をバイパスする。別の実施の形態においては、高温ガスバイパス接続部１３３及び高温ガスバイパス弁１３４はコンプレッサ吸入ライン１２３及びコンプレッサ排出ライン１１３を接続することができる。高温ガスバイパス弁１３４は、好ましくは冷媒凝縮器１１６を介してコンプレッサ１０８の排出ライン１１３から蒸発器１２６を介してコンプレッサ１０８の吸入ライン１２３へ冷媒ガスを再循環させるようにコンプレッサ１０８のための再循環ラインとして使用される。高温ガスバイパス弁１３４は、冷媒流れが本質的に妨げられないような実質上開いた位置と、冷媒流れが制限されるような実質上閉じた位置との間の任意の位置に調整することができる。高温ガスバイパス弁１３４は、連続的な方法、又は、段階的又は増分的な方法で開閉することができる。高温ガスバイパス弁１３４が開くと、コンプレッサ１０８内でのサージ状態の発生を阻止するためにコンプレッサの吸入部へ供給される冷媒ガスの量を増大させることができる。
【００５９】
[0054]図８は、原動機１１４の作動のための付加的な入力及び制御を統合するように修正された、チラーシステム１００のための制御システム１４０の実施の形態の概略線図を示す。図８に示すように、制御パネル１４０は、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ１４８及びデジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）コンバータ１４９と、マイクロプロセッサ１５０と、不揮発性メモリー又は他の記憶装置１４４と、チラーシステム１００の種々のセンサ及び制御装置との通信のためのインターフェイスボード１４６とを含む。更に、制御パネル１４０は、オペレータによる制御パネル１４０との相互作用を許容するユーザーインターフェイス１９４に接続するか又はこれを組み込むことができる。オペレータは、ユーザーインターフェイス１９４を介して制御パネル１４０のためのコマンドを選択又はエンターすることができる。
【００６０】
更に、ユーザーインターフェイス１９４は、オペレータのためにチラーシステム１００の作動状況に関する制御パネル１４０からのメッセージ及び情報を表示することができる。ユーザーインターフェイス１９４は、チラーシステム１００又は制御パネル１４０上に装着されるような、制御パネル１４０の近くに位置することができるか、又は、代わりに、ユーザーインターフェイス１９４は、チラーシステム１００から離れた別個の制御室内に位置するような、制御パネル１４０から遠くに位置することができる。
【００６１】
[0055]マイクロプロセッサ１５０は、コンプレッサ１０８、原動機１１４及びチラーシステム１００の他の素子を含むチラーシステム１００を制御するために単一の即ち主要な制御アルゴリズム又は、制御システムを実行又は使用することができる。１つの実施の形態においては、制御システムは、マイクロプロセッサ１５０により実行できる一連のインストラクションを有するコンピュータプログラム又は、ソフトウエアとすることができる。別の実施の形態においては、制御システムは、当業者によりデジタル及び（又は）アナログハードウエアを使用して履行及び実行することができる。更に別の実施の形態においては、制御パネル１４０は、制御パネル１４０の出力を決定する主要なコントローラを伴う、各々別個の機能を遂行する多数のコントローラを組み込むことができる。制御アルゴリズムを実行するためにハードウエアを使用した場合、制御パネル１４０の対応する形状は、必要な素子を組み込むように、及び、もはや必要となくなることのある任意の素子を削除するように、変更することができる。
【００６２】
[0056]チラーシステム１００の制御パネル１４０は、チラーシステム１００の素子から多くの異なるセンサ入力を受け取ることができる。制御パネル１４０へのセンサ入力のいくつかの例を後に提供するが、制御パネル１４０は、チラーシステム１００の素子から任意の所望の又は適当なセンサ入力を受け取ることができることを理解すべきである。コンプレッサ１０８に関連する制御パネル１４０へのある入力は、コンプレッサ排出温度センサ、コンプレッサオイル温度センサ、コンプレッサオイル供給圧力センサ及び可変幾何学ディフューザー位置センサからのものとすることができる。
【００６３】
[0057]冷媒凝縮器１１２に関連する制御パネル１４０へのある入力は、入来冷媒凝縮器水温度センサ、退去凝縮器水温度センサ、冷媒液体温度センサ、冷媒凝縮器圧力センサ、サブクーラー冷媒液体レベルセンサ及び冷媒凝縮器水流れセンサからのものとすることができる。蒸発器１２８に関連する制御パネル１４０へのある入力は、退去冷液体温度センサ、帰還冷液体温度センサ、蒸発器冷媒蒸気圧力センサ、冷媒液体温度センサ及び冷水流れセンサからものとすることができる。更に、コントローラ１４０への他の入力は、サーモスタット又は他の同様な温度制御システムからのＨＶＡＣ＆Ｒデマンド入力を含む。
【００６４】
[0058]更に、チラーシステム１００の制御パネル１４０は、チラーシステム１００の素子のための多くの異なる制御信号を提供又は発生することができる。制御パネル１４０からの制御信号のある例は以後に提供されるが、制御パネル１４０は、チラーシステム１００のための任意の所望の又は適当な制御信号を提供できることを理解すべきである。制御パネル１４０からのある制御信号は、コンプレッサオイルヒータ制御信号、可変速度オイルポンプ制御信号、高温ガスバイパス弁制御信号、サブクーラー冷媒液体レベル制御信号、可変幾何学ディフューザー位置制御信号を含むことができる。更に、制御パネル１４０は、熟練者が停止コマンドをユーザーインターフェイス１９４へ入力したとき、又は、記憶装置１４４内に記録された所定のパラメータからの逸れが検出されたときに、原動機１１４を停止させるために信号を送ることができる。
【００６５】
[0059]主要な制御アルゴリズムは、またチラーシステム１００の始動及びルーチン作動中にチラーシステム１００のための種々の作動パラメータの監視機能を制御パネル１４０に提供する他のアルゴリズム及び（又は）ソフトウエアを含む。チラーシステム１００を停止させるようなロジック機能を伴った望ましくない作動パラメータが制御パネル１４０内でプログラムされることがある。更に、主要な制御アルゴリズムは、チラーシステム１００の多くの作動パラメータのための所定の限界を有し、これらの限界外で熟練者がチラーシステム１００を手動で作動させるのを阻止することができる。
【００６６】
[0060]好ましい実施の形態においては、容量制御プログラムは、蒸発器１２６からの退去冷液体温度（ＬＣＬＴ）の変化に応答して、コンプレッサ１０８の速度、ＶＧＤ１１９の位置及び高温ガスバイパス弁１３４の位置を制御することができる。図３−７は、本発明の容量制御プログラムのための容量制御プロセスの実施の形態を示す。
【００６７】
[0061]次に図９を参照すると、別の実施の形態において、一層高いコンプレッサ効率を提供し、付加的な容量制御を提供するために、ＶＧＤ１１９及び可変速度制御と組み合わせて、羽根付きディフューザーを使用することができる。インペラ２０１の低圧側に位置するＰＲＶとは異なり、羽根付きディフューザーは、インペラ２０１の高圧側に位置する。高圧側に羽根を有しない遠心コンプレッサは、羽根無しディフューザーとして参照する。羽根付きディフューザー１７４を図９に示す。
【００６８】
[0062]本出願は、以下の説明に記載し、図面に示す詳細又は方法論に限定されないことを理解すべきである。また、ここで使用する専門語及び用語は説明の目的のためのものであり、限定とみなすべきではないことを理解すべきである。開示した実施の形態は、ＨＶＡＣ＆Ｒチラーシステム、及び、プロセスが与えられた温度又は他の状態において冷えた液体又はガスを必要とするようなプロセス機械のためのコンプレッサ制御を特に参照したが、ＶＧＤ１１９は、コンプレッサ１０８の容量を制御するために使用することができる。
【００６９】
[0063]本発明のある特徴及び実施の形態のみを図示し、説明したが、当業者なら、特許請求の範囲に記載された要旨の新規な教示及び利点から逸脱することなく、多くの修正及び変更（例えば、種々の素子のサイズ、寸法、構造、形状及び比率、パラメータ（例えば、温度、圧力等）の値、材料の使用、色彩及び方位等の変更）を行うことができる。それ故、特許請求の範囲は、本発明の真の精神内に入るすべてのそのような修正及び変更をカバーすることを意図するものであることを理解すべきである。
【００７０】
更に、例示的な実施の形態の簡潔な説明を提供する努力において、実際の履行のすべての特徴は説明しなかったことがある（即ち、本発明を実行するのに現時点で最良と思われるものに関連しないもの、又は、特許請求の範囲の発明を可能にすることに関連しないものは説明しなかった）。任意のこのような実際の履行の開発において、任意の技術的又はデザイン的なプロジェクトにおけるように、多数の履行上の特定の決定を行うことができることを認識すべきである。このような開発努力は、複雑で、時間を費やすものであるが、それにも拘らず、この開示の利益を有する当業者にとっては、過度の経験を伴わない、デザイン、製作及び製造の日常の仕事となろう。
【符号の説明】
【００７１】
１００:チラーシステム、１０８：コンプレッサ、１１９：ＶＧＤ、１１２：凝縮器、１２０：ＶＳＤ、１２６：蒸発器、１３４：高温ガスバイパス弁、１４０：制御パネル、１５０：マイクロプロセッサ、１５２：モータ、２０１：インペラホイール、２１０：ディフューザーリング。
【関連出願に対する相互参照】
【０００１】
本願は、参照としてここに組み込む２００７年１０月３１日に出願された「VARIABLE GEOMETRY DIFFUSERS AS CAPACITY CONTROL」という名称の米国仮特許出願第６０／９８４，０７３号の優先権及び利益を主張する。
【技術分野】
【０００２】
本願は、全体として、単段又は多段の遠心コンプレッサのための容量(capacity)制御システムに関する。本願は、特に、可変幾何学ディフューザー（ＶＧＤ; Variable Geometry Diffuser）を有するコンプレッサのための容量制御システムに関する。冷却システムにおいては、容量は冷却能力（cooling ability）を言い、一方、他のガス圧縮システムにおいては、容量は容積流れ（volumetric flow）を言う。
【背景技術】
【０００３】
[0003]従来、液体チラーのような冷却システムに使用するための遠心コンプレッサにおいては、冷却システムの冷却容量（cooling capacity）を制御するために、冷却又は加熱、通気、空調及び冷却（ＨＶＡＣ＆Ｒ）、及びガス圧縮、予備回転ベーン（ＰＲＶ）又は入口ガイドベーンが必要であった。蒸発器からコンプレッサへの入口では、１又はそれ以上のＰＲＶがコンプレッサへの冷媒の流れを制御する。コンプレッサへの冷媒の量を増大させるように、従って、システムの冷却容量を増大させるようにＰＲＶを開くために、アクチュエータを使用する。同様に、コンプレッサへの冷媒の量を減少させるように、従って、システムの冷却容量を減少させるようにＰＲＶを閉じるために、アクチュエータを使用する。
【０００４】
[0004] 可変幾何学ディフューザー（ＶＧＤ、複数）は遠心コンプレッサのディフューザー区域内で回転停止(stall)（失速）を制御するために使用されてきた。ＶＧＤの１つの実施の形態は、本願の譲受人に譲渡された、ネンスチール社(Nenstiel)の米国特許第６，８７２，０５０号の明細書に記載されており、これを参照としてここに組み込む。ＶＧＤは、測定された信号のレベルが所定のしきい値以下に低下するまで、遠心コンプレッサのディフューザー通路内へ延長される。その結果として、失速の排除、及び、内部の及び空気伝達の音レベルの双方における対応する低下が生じる。ある時間経過後又は状態の変化後、失速状態を検出したことを測定信号のレベルが表示するまで、ディフューザーギャップが段階的に又は増分的に再度開かれる。
【０００５】
[0005]失速及びサージ状態はコンプレッサの極限の作動状態を表す異なる物理的な現象である。失速はコンプレッサの１又はそれ以上の素子における局部的な流れ分離であり、インペラの回転周波数よりも小さな基本的周波数での排出圧力かく乱を特徴とする。遠心コンプレッサにおける回転失速はディフューザーにおいて優勢的に存在し、ＶＧＤにより排除することができる。対照的に、サージは圧縮ガスシステムにおけるシステムの幅広い不安定である。コンプレッサ内の主要な流れは瞬間的に方向を逆転し、サージは更に一層低い周波数、大きな圧力変動を特徴とする。
【０００６】
[0006]ＶＧＤは、圧縮ガスのための出口流れ経路であるディフューザーギャップを占領するように動くことのできるリングを含む。ＶＧＤは、リングが最大のガス流れを許容するように出口流れ経路の完全に外側にあるような引き戻し位置から、リングが出口流れ経路の一部を占めてガス流れの一部を制限するような伸張位置へ、移動することができる。リングは、遠心コンプレッサ内の失速の状態の検出に基づいて作動できる。可変幾何学ディフューザーは、差し迫った失速を検出するために排出圧力の交互の成分を測定するプローブ又はセンサに関連して使用される。
【０００７】
測定されたパラメータは、この測定されたパラメータに基づいて差し迫った失速を検出するようにプログラムされたコントローラへ送られる。次いで、コントローラは失速を排除し、その結果サージを回避するために可変幾何学ディフューザーを作動させるのに必要な時期を決定する。したがって、可変幾何学ディフューザーは、失速回避、サージ回避及びこのような状態を達成させるノイズの減少の利点を提供した。
【０００８】
[0007]遠心コンプレッサ内のディフューザーシステムの一部として、回転するインペラの下流側の静的圧力を回復するための多くのオプションがある。ディフューザーは、第１に、冷媒速度の接線方向の成分を減少させ、第２に、冷媒速度の半径方向の成分を減少させるように応答できる。冷媒速度が減少すると、静的圧力が増大する。性能が重大となるような主要な目標は、最小の合計圧力損失で静的圧力を回復させることである。
【０００９】
[0008]遠心コンプレッサにおける伝統的なディフューザーは、羽根無し形式、羽根付き（翼、楔、高硬度、低硬度）形式、パイプ形式、トンネル形式及びチャンネル形式又はこれらの形式の組み合わせを含む。ディフューザーの各形式は、その利点及び欠点を有する。たとえば、羽根無しディフューザーは、２つの壁を備え、インペラの高圧側に羽根を有しない。羽根無しディフューザー内での静的圧力の回復は、入来速度状態と半径比率とディフューザー中の幅との間の既知の関係の結果として得られる。
【００１０】
[0009]インペラの低圧側における入口ガイドベーンとしても知られるＰＲＶ、予備渦羽根等、可変速度ドライブ、高温ガスバイパス、可変ディフューザー羽根及び吸入スロットル弁を含む種々の方法が容量制御のために個々に又は組み合わせて適用されてきた。これらの容量制御方法の各々は、利点及び制限を提供する。最も普通に利用される容量制御方法は、ＰＲＶ、高温ガスバイパス及び可変速度ドライブを含む。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第６，８７２，０５０号明細書
【特許文献２】米国特許第７，３２８，５８７号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１２】
[0010]１つの実施の形態においては、ガス圧縮システムの容量を制御する方法を開示する。ガス圧縮システムは、コンプレッサ、冷媒凝縮器及び冷媒ループ内に接続された蒸発器を含む。方法は、コンプレッサの排出部においてディフューザーを提供する工程と、ガス圧縮システムの負荷を表す値を感知する工程と、ガス圧縮システムのシステム圧力差を決定する工程と、ガス圧縮システムの容量を制御するために感知された負荷値及び決定されたシステム圧力差に応答してディフューザーの位置を制御する工程と、を含む。
【００１３】
[0011]別の実施の形態においては、ガス圧縮システムは、コンプレッサ、冷媒凝縮器及び冷媒ループ内に接続された蒸発器を含む。ガス圧縮システムは、コンプレッサの排出部に位置するディフューザーを含む。ディフューザーは、コンプレッサからの冷媒の流れを規制するように配列される。主要な制御パネルガス圧縮システムは、容量制御システムを含む。容量制御システムは、退去冷液体の温度及びシステム圧力差に応答してガス圧縮システムの容量を制御するためにディフューザーの位置を調整するように配列される。
【００１４】
[0012]ここに開示される実施の形態のある利点は、ＨＶＡＣ＆Ｒシステムの素子及び制御の複雑さを減少させるために遠心コンプレッサ内でのＰＲＶの排除、及び部分的な負荷でのシステム効率を改善するために、単独で又は可変速度ドライブ（ＶＳＤ）と組み合わせて可変幾何学ディフューザーを使用する冷却システムにおける作動容量の減少を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、可変幾何学ディフューザーを適用できる例示的なＨＶＡＣ＆Ｒシステムを示す。
【図２】図２は、本発明で使用される遠心コンプレッサ及び可変幾何学ディフューザーの部分断面図を示す。
【図３】図３は、システムヘッド圧力に関連するＨＶＡＣ＆Ｒ制御システムの部分概略線図である。
【図４】図４は、冷水温度に関連するＨＶＡＣ＆Ｒ制御システムの部分概略線図である。
【図５】図５は、凝縮器の水の温度に関連するＨＶＡＣ＆Ｒ制御システムの部分概略線図である。
【図６Ａ】図６Ａは、システム容量及び可変幾何学ディフューザーの位置決めに関連するＨＶＡＣ＆Ｒ制御システムの部分概略線図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、コンプレッサ速度に関連するＨＶＡＣ＆Ｒ制御システムの部分概略線図である。
【図７】図７は、失速防止検出に関連するＨＶＡＣ＆Ｒ制御システムの部分概略線図である。
【図８】図８は、チラーユニットの制御システムの概略図である。
【図９】図９は、低硬度羽根付きディフューザーを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
[0023]一例として、本発明を適用できる一般的なＨＶＡＣ＆Ｒチラーシステム１００を図１に示す。例えばＨＶＡＣ＆Ｒ又は液体チラーシステム１００内の遠心ガスコンプレッサ１０８を制御するためのＨＶＡＣ＆Ｒシステム１００を以下に説明する。コンプレッサ１０８は、単段又は多段遠心コンプレッサとすることができる。コンプレッサ１０８を通る冷媒ガスの流れは、所望のパラメータを所定の範囲内に維持し、システム１００内での失速及びサージ状態を阻止するために自動的に制御される。
【００１７】
コンプレッサ１０８の各段におけるＶＧＤ１１９は、コンプレッサのインペラホイール２０１（図２参照）の排出部で冷媒ガスの流れを制御する。ＶＧＤ１１９の配列は、マスフローを減少させ、流れ減少による失速を減少又は排除し、部分的な負荷状態で作動する場合のコンプレッサ１０８の作動効率を増大させる。可変速度ドライブ（ＶＳＤ）１２０と組み合わせて可変幾何学ディフューザーを使用する容量制御は、部分的なシステム負荷でのコンプレッサ１０８の効率を増大させ、コンプレッサ１０８の出口でのＰＲＶの必要性を排除する。代わりの実施の形態においては、ＶＧＤ１１９は、多段コンプレッサ１０８における１又はそれ以上の段の排出部から排除することができる。
【００１８】
[0024]図示のように、ＨＶＡＣ＆Ｒチラーシステム１００は、コンプレッサ１０８と、凝縮器１１２と、水チラー又は蒸発器１２６と、制御パネル１４０とを含む。制御パネル１４０は、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ１４８と、マイクロプロセッサ１５０と、不揮発性メモリー１４４と、インターフェイスボード１４６とを含むことができる。制御パネル１４０の作動を以下に一層詳細に説明する。
【００１９】
[0025]コンプレッサ１０８は、冷媒蒸気を圧縮し、排出ライン１１３を通して蒸気を凝縮器１１２へ送給する。コンプレッサ１０８を駆動するため、システム１００は、コンプレッサ１０８のためのモータ又は駆動機構１５２を含む。「モータ」という用語は、コンプレッサ１０８のための駆動機構に関して使用するが、「モータ」という用語は、モータに限定されず、モータ１５２の駆動に関連して使用できる可変速度ドライブ及びモータ始動器のような任意の素子を包含することを意図するものであることを理解すべきである。本発明の好ましい実施の形態においては、駆動機構又はモータ１５２は、電気モータ、ＶＳＤ１２０及び関連する素子である。しかし、コンプレッサ１０８を駆動するために、蒸気又はガスタービン又はエンジンのような他の駆動機構１１４及び可変速度コントローラのような関連する素子を使用することができる。
【００２０】
[0026]コンプレッサ１０８により凝縮器１１２へ送給された冷媒蒸気は、例えば空気又は水のような流体と熱交換関係となり、流体との熱交換関係の結果として冷媒液体へと位相変化する。凝縮器１１２からの凝縮された液体冷媒は、膨張装置２２を通って蒸発器１２６へ流れる。膨張装置２２は、高温ガスバイパス弁（ＨＧＶ）１３４と並列に接続できる。フラッシュガスエコノマイザー又はインタークーラー１３２は、凝縮器１１６と蒸発器１２６との間を接続することができる。エコノマーザー１３２は、蒸発器１２６の圧力と凝縮器１１６の圧力との間の圧力で冷媒フラッシュガスをコンプレッサに導入する。中間圧力の冷媒ガスの導入は、熱力学サイクルの効率を改善する。好ましい実施の形態においては、凝縮器１１２内の冷媒蒸気は、水と熱交換関係になり、冷却塔１２２に接続された熱交換器１１６を通って流れる。凝縮器１１２内の冷媒蒸気は、熱交換器１１６内での水との熱交換関係の結果として冷媒液体へと位相変化する。
【００２１】
[0027]蒸発器１２６は、好ましくは冷却負荷１３０に接続された供給ライン１２８Ｓ及び帰還ライン１２８Ｒを有する熱交換器１２８を含むことができる。熱交換器１２８は、蒸発器１２６内の複数のチューブ束（図示せず）を含むことができる。水とすることのできる補助の液体又は例えばエチレン、塩化カルシウムブライン、塩化ナトリウムブラインのような任意の他の適当な補助の液体は、帰還ライン１２８Ｒを介して蒸発器１２６へ入り、供給ライン１２８Ｓを介して蒸発器１２６から出る。蒸発器１２６内の液体冷媒は、熱交換器１２８内の補助の液体と熱交換関係になり、熱交換器１２８内の補助の液体の温度を冷やす。
【００２２】
蒸発器１２６内の冷媒液体は、熱交換器１２８内の補助の液体との熱交換関係の結果として冷媒蒸気へと位相変化する。蒸発器１２６内の蒸気冷媒は、蒸発器１２６から出て、吸入ライン１２３によりコンプレッサ１０８へ帰還し、サイクルを完了する。凝縮器１１２及び蒸発器１２６のための好ましい実施の形態についてシステム１００を説明したが、凝縮器１１２及び蒸発器１２６内の適当な位相変化が得られる限り、凝縮器１１２及び蒸発器１２６の任意の適当な形状をシステム１００内で使用できることを理解すべきである。
【００２３】
[0028]制御パネル１４０は、システム１００の性能を表示する入力信号をシステム１００から受け取るためにＡ／Ｄコンバータ１４８を有することができる。たとえば、制御パネル１４０により受け取られる入力信号は、蒸発器１２６から退去する冷えた液体の温度、蒸発器１２６及び凝縮器１１２内の冷媒圧力、及び、コンプレッサの排出通路内の聴覚的圧力即ち音響圧力測定値を含むことができる。制御パネル１４０は、システム１００の作動を制御するためにシステム１００の素子に信号を伝達するようにインターフェイスボード１４６を通して通信する。たとえば、制御パネル１４０は、存在する場合には随意の高温ガスバイパス弁１３４の位置を制御するために、及び、ＶＧＤ１１９内のディフューザーリング２１０（例えば図２参照）の位置を制御するために、信号を伝達することができる。
【００２４】
[0029]制御パネル１４０は、システム１００の作動を制御するために、及び、システム及びコンプレッサの安定性を維持するように特定のコンプレッサ状態に応答してＶＧＤ１１９内のディフューザーリング２１０の伸長及び引き戻しの時期を決定するために、制御アルゴリズム（単数又は複数）を使用し、この安定性は、この開示の目的にとっては、失速及びサージの無い状態である。更に、制御パネル１４０は、システム及びコンプレッサの安定性を維持するように特定のコンプレッサ状態に応答して、存在する場合には随意の高温ガスバイパス弁（ＨＧＶ）１３４を開閉するために制御アルゴリズム（単数又は複数）を使用することができる。１つの実施の形態においては、制御アルゴリズム（単数又は複数）は、マイクロプロセッサ１５０により実行できる一連のインストラクションを有する不揮発性メモリー１４４内に記憶されたコンピュータプログラムとすることができる。
【００２５】
制御アルゴリズムは、コンピュータプログラム（単数又は複数）内で具体化され、マイクロプロセッサ１５０により実行されるが、当業者なら、制御アルゴリズムは、デジタル及び（又は）アナログハードウエアを使用して履行及び実行できることを理解できよう。制御アルゴリズムを実行するためにハードウエアを使用した場合、制御パネル１４０の対応する形状は、必要な素子を組み込むように、及び、もはや必要となくなることのある例えばＡ／Ｄコンバータ１４８のような任意の素子を削除するように、変更することができる。
【００２６】
[0030]制御パネル１４０は、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）及びデジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）コンバータ１４８と、マイクロプロセッサ１５０と、不揮発性メモリー又は他の記憶装置１４４と、チラーシステム１００の種々のセンサ及び制御装置と通信するためのインターフェイスボード１４６とを含むことができる。更に、制御パネル１４０は、オペレータによる制御パネル１４０との相互作用を許容するユーザーインターフェイス１９４に接続するか又はこれを組み込むことができる。オペレータは、ユーザーインターフェイス１９４を介して制御パネル１４０のためのコマンドを選択又はエンターすることができる。更に、ユーザーインターフェイス１９４は、オペレータのためにチラーシステム１００の作動状況に関する制御パネル１４０からのメッセージ及び情報を表示することができる。ユーザーインターフェイス１９４は、チラーシステム１００又は制御パネル１４０上に装着されるような、制御パネル１４０の近くに位置することができるか、又は代わりに、ユーザーインターフェイス１９４は、チラーシステム１００から離れた別個の制御室内に位置するような、制御パネル１４０から遠くに位置することができる。
【００２７】
[0031]マイクロプロセッサ１５０は、コンプレッサ１０８、ＶＳＤ１２０、凝縮器１１２及びチラーシステム１００の他の素子を含むチラーシステム１００を制御するために単一の即ち主要な制御アルゴリズム又は制御システムを実行又は使用することができる。１つの実施の形態においては、制御システムは、マイクロプロセッサ１５０により実行できる一連のインストラクションを有するコンピュータプログラム又はソフトウエアとすることができる。別の実施の形態においては、制御システムは、当業者によりデジタル及び（又は）アナログハードウエアを使用して履行及び実行することができる。更に別の実施の形態においては、制御パネル１４０は、制御パネル１４０の出力を決定する主要なコントローラを伴う、各々別個の機能を遂行する多数のコントローラを組み込むことができる。制御アルゴリズムを実行するためにハードウエアを使用した場合、制御パネル１４０の対応する形状は、必要な素子を組み込むように、及び、もはや必要となくなることのある任意の素子を削除するように、変更することができる。
【００２８】
[0032]チラーシステム１００の制御パネル１４０は、チラーシステム１００の素子から多くの異なるセンサ入力を受け取ることができる。制御パネル１４０へのセンサ入力のいくつかの例を後に提供するが、制御パネル１４０は、チラーシステム１００の素子から任意の所望の又は適当なセンサ入力を受け取ることができることを理解すべきである。コンプレッサ１０８に関連する制御パネル１４０へのある入力は、コンプレッサ排出温度センサ、コンプレッサオイル温度センサ、コンプレッサオイル供給圧力センサ及びＶＧＤ位置センサからのものとすることができる。
【００２９】
[0033]制御パネル１４０上でマイクロプロセッサ１５０により実行される主要な制御アルゴリズムは、好ましくは冷却負荷を満足させるためにコンプレッサ１０８から所望の容量を発生させるように、ＶＳＤ１２０を介してのモータ１５２の速度従ってコンプレッサ１０８の速度を制御するための容量制御プログラム又はアルゴリズムを含む。容量制御プログラムは、好ましくはチラーシステム１００上の冷却負荷デマンドを表す温度である蒸発器１２６内の退去する冷えた液体の温度に直接応答して、モータ１５２及びコンプレッサ１０８のための所望の速度を自動的に決定することができる。所望の速度を決定した後、制御パネル１４０は、ＶＳＤ１２０へ制御信号を送るか又は伝達し、それによって、モータ１５２の速度を規制する。代わりの実施の形態においては、モータ１５２は、一定の電圧及び周波数において一定の速度で作動することができ、ＶＳＤ１２０からパワーを受け取らない。
【００３０】
[0034]容量制御プログラムは、チラーシステム１００の選択されたパラメータを予め選択された範囲内に維持するように形状づけることができる。このようなパラメータは、原動機速度、冷液体の出口温度、原動機パワー出力、及び、最小コンプレッサ速度及び可変幾何学ディフューザー位置のためのサージ防止限界を含む。容量制御プログラムは、モータ１５２及びコンプレッサ１０８の速度を連続的に監視し、システムの冷却負荷の変化に応答してこれらの速度を変化させるために、ここで述べる種々の作動パラメータを監視するセンサからの連続的なフィードバックを使用することができる。即ち、チラーシステム１００が付加的な又は減少した容量を必要とするとき、チラー１００内のコンプレッサ１０８の作動パラメータは、新たな冷却容量要求に応答して対応的に更新又は変更される。最大の作動効率を維持するため、コンプレッサ１０８の作動速度は、容量制御アルゴリズムにより頻繁に変更又は修正することができる。更に、システムの負荷要求とは別に、容量制御プログラムはまた、チラーシステム１００内の冷媒の容積流量を最適化し、コンプレッサ１０８の結果としての効率を最適化するために、冷媒システム圧力差を連続的に監視することができる。
【００３１】
[0035]モータ１５２は、可変速度で駆動されることのできる誘導モータ１５２とすることができる。誘導モータ１５２は、２極、４極又は６極を含む任意の適当な極構成を有することができる。誘導モータ１５２は、例えば図１に示すコンプレッサ１０８のような負荷を駆動するために使用される。別の実施の形態においては、モータ１５２は、永久磁石ロータを備えた同期モータとすることができる。１つの実施の形態においては、システム１００及び容量制御方法は、冷却システムのコンプレッサを駆動するために使用することができる。
【００３２】
[0036]図２は、本開示の例示的な実施の形態のコンプレッサ１０８の部分断面図を示す。コンプレッサ１０８は、冷媒蒸気を圧縮するためのインペラ２０１を含む。次いで、圧縮された蒸気は、ディフューザー１１９を通る。ディフューザー１１９は、好ましくは可変幾何学形状を有する羽根無しラジアルディフューザーである。可変幾何学ディフューザー（ＶＧＤ）１１９は、冷媒蒸気を通過させるための、ディフューザープレート２０６とノズルベースプレート２０８との間に形成されたディフューザー空間２０４を有する。ノズルベースプレート２０８は、ディフューザーリング２１０と一緒に使用するように形状づけられる。ディフューザーリング２１０は、ディフューザー空間又は通路２０２を通過する冷媒蒸気の速度を制御するために使用される。ディフューザーリング２１０は、通路を通って流れる蒸気の速度を増大させるためにディフューザー通路２０２内へ伸長することができ、通路を通って流れる蒸気の速度を減少させるためにディフューザー通路２０２から引き戻すことができる。
【００３３】
ディフューザーリング２１０は、ＶＧＤ１１９の可変幾何学形状を提供するために、アクチュエータ６５０（図６Ａ参照）により駆動される調整機構２１２を使用して伸長及び引き戻しできる。ＶＧＤ１１９の１つの形式の作動及び素子の一層詳細な説明は、２００２年１２月６日に出願された米国特許出願番号第１０／３１３，３６４号明細書である２００５年３月２９日に発行された「Variable Geometry Diffuser Mechanism」という名称の上記米国特許第６，８７２，０５０号明細書において提供されており、この特許を参照としてここに組み込む。しかし、本発明において任意の適当なＶＧＤ１１９を使用することができることを理解すべきである。また、コンプレッサインペラ（単数又は複数）２０１のための冷媒の流れを制御するために、従ってコンプレッサ１０８の容量を制御するために、２以上のＶＧＤ１１９を使用することができる。
【００３４】
ＶＧＤ１１９は、コンプレッサ１０８外への冷媒流れが実質上妨げられないような実質上開いた位置と、コンプレッサ１０８外への冷媒流れが制限されるような実質上閉じた位置との間の任意の位置へ位置決めできる。閉じた位置にある場合、ＶＧＤ１１９は、コンプレッサ１０８からの冷媒の流れを完全に停止できないことを理解すべきである。調整機構２１２は、連続的に又は別個の段階で増分的にディフューザーギャップを開閉できる。
【００３５】
[0037]容量制御装置は、サージ防止手段を提供するように主として管理される。１つの実施の形態においては、容量制御プログラムは、蒸発器１２６からの退去冷液体温度（ＬＣＬＴ）の変化に応答して、モータ１５２（及びコンプレッサ１０８）の速度、及び高温ガスバイパス弁１３４の位置を制御することができる。図４−７は、本発明の容量制御プログラムのための容量制御プロセス（工程）の実施の形態を示す。図４は、ＶＧＤ１１９位置制御アルゴリズム６０２（例えば図６Ａ参照）に対するシステムヘッド圧力入力変数（ＣＳＹＳＴＥＭ）を決定するためのシステムヘッド圧力感知制御を全体として示す。ブロック４０２において、システムは、蒸発器圧力を感知し、ブロック４０４において、システムは、凝縮器圧力を感知する。ブロック４０６において、ブロック４０２からの蒸発器圧力値は、ブロック４０４の凝縮器圧力値から差し引かれる。蒸発器圧力値とブロック４０４の凝縮器圧力値との間の差は、システムヘッド圧力を産む。システムヘッド圧力は、また飽和温度状態の差のような他の方法により画定（定義）することができる。問題のパラメータは、例えばガス又は冷媒のマスフローである。システムのヘッド圧力即ち差圧は、マスフローを表示する相似のパラメータである。ガス／冷媒のマスフローは、また温度に相似することができるか、又は、適当な器具を使用して測定することができる。
【００３６】
[0038]凝縮器圧力はまた、例えば１８０ｐｓｉの設定点値を有する比例／積分／微分（ＰＩＤ）排出オーバーライドのために、ブロック４０８へ入力される。同様に、蒸発器圧力は、例えば２８ｐｓｉの設定点値を有するＰＩＤ（比例積分微分）排出オーバーライドのために、ブロック４１２に入力される。ブロック４０８からの出力信号及びブロック４１２からの出力信号は、低セレクタリレー（ＬＳＲ）４１６への入力であり、ＬＳＲ４１６は、記号（Ｂ）４１８で示すように、２つの入力変数の低い方の値を、図４における次の制御プロセス線図区分へ送る。
【００３７】
[0039]次に、図４及び５を参照すると、ＬＳＲ４１６の出力信号は、別のＬＳＲ５０２へ入力される。システムの退去冷水温度は、ブロック５０８において感知される。感知された冷水温度は、ブロック５１０において、プロセス変数（ＰＶ）としてＰＩＤ冷水温度制御へ入力される。冷水温度は、例えば時間間隔当りのカ氏温度（°Ｆ）の変化の所定の割合で温度を制御するために、ブロック５１２において設定点制御出力と比較される。冷水温度設定点は、制御オペレータ５１５から発生する。
【００３８】
[0040]ＰＩＤコントローラ５１０からの冷水温度制御変数出力５１１は、低選択リレー（ＬＳＲ）５０４へ入力され、このリレーは、２つの入力のうちの低い方の値を選択し、低い方の値を出力値として送る。ＬＳＲ５０４への第２の入力は、ＰＩＤ熱温度制御５１４から受け取る。熱温度制御５１４は、退去凝縮器温度５１３及び熱設定点率即ち勾配（傾斜）５１６から決定される。熱設定点勾配５１６は、凝縮器水設定点入力５１７を受け取る。冷水ＰＩＤコントローラ５１０及び熱温度制御５１３のうちの低い方の値は、ＬＳＲ５０２に入力される。ＬＳＲ５０２は、ＬＳＲ５０４からの出力値を、ブロック（Ｂ）４１８からのシステムヘッド圧力を表す第２の入力と比較する。ＬＳＲ５０２は、ブロック４１８及びＬＳＲ５０４からの２つの入力値のうちの低い方の値を選択し、選択された値をＬＳＲ５０６へ入力する。
【００３９】
ＬＳＲ５０６は、ＰＩＤコントローラ５３０から負荷限界出力を表す第２の入力を受け取る。ＰＩＤコントローラ５３０は、ＬＳＲ５０６へ入力される負荷限界値５３６を決定するために、モータの全負荷の百分率としてのモータ負荷５３２を負荷限界設定点５３４と比較する。ＬＳＲ５０６は、入力値５０２、５３６の小さい方の値を計算リレー（ＣＲ）５４０へ入力する。ＣＲ５４０は、チラーシステム１００の容量の３つの作動範囲を決定するために使用することができる。図３−７の実施の形態においては、容量制御装置は、３つの負荷範囲を有するものとして考えることができる。低容量負荷範囲においては、システム容量は、ＨＧＶ１３４により制御され；中間容量負荷範囲においては、システム容量は、ＶＧＤ１１９により制御され、高容量負荷範囲においては、システム容量は、コンプレッサ速度により制御される。例示的な実施の形態は、３容量制御装置として示すが、制御信号は、一層多くの又は一層少ない範囲に分割することができる。
【００４０】
容量制御の方法は、無負荷容量値に最も近い範囲の副区分に対する相対効率に基づいて指定される。例示的な実施の形態においては、ＨＧＶは、容量制御の最低効率方法に対応する。容量制御の最も効率的な方法は、負荷される容量値に関連する容量範囲の副区分で指定され、これは、例示的な実施の形態では、速度制御である。その理由は、これは一般的に容量制御の最も効率的な方法と考えられるからである。例示的な実施の形態においては、中間の範囲は最も無負荷の状態及び最も負荷された状態を表す範囲間の容量負荷範囲の中央の副区分である。ＶＧＤは、中間の容量負荷範囲において容量を制御するように指定される。コンプレッサシステムが完全無負荷から完全負荷へと負荷を増大させると、容量装置は、分割された総合範囲にわたって順々に適用される。コンプレッサ速度設定点を負荷しない又は負荷した場合、ＶＧＤの位置及びＨＧＶの位置は、連続的に決定され、コンプレッサシステム上に与えられる負荷を供給するために、効率的な作動を得るように変調される。
【００４１】
サージ防止又は失速防止アルゴリズム（例えば図６Ａ、６Ｂ、７のアルゴリズム１及びアルゴリズム２参照）により不安定として定義されるいかなる区域もが、回避又は除外すべき不安定範囲とみなされ、コンプレッサは、このような作動範囲に入るのを阻止され、総合範囲の次の副区分が、ＬＳＲ４の上流側のすべてのアルゴリズムにより指令されるようなシステムの負荷又は無負荷を満たすために使用される。
【００４２】
[0041]次に、図６Ａを参照すると、第１の制限リレー５４２は、経路６２０を選択し、制限リレー５４２の出力値を計算リレー（ＣＲ）６２２へ入力する。ＣＲ６２２は、高値選択リレー（ＨＳＲ）６２４への入力のための容量範囲値の百分率を計算する。ＨＳＲ６２４は、ＣＲ６２２からの容量範囲出力及び高温ガス弁（ＨＧＶ）勾配６２６のうちの高い方の値を選択し、これは、時間間隔当りの百分率変化を制限する。ＣＲ６２２からの容量範囲出力及び変化制限アルゴリズムのＨＧＶ率又はＨＳＲ６２４からの勾配６２６のうちの大きい方の値は、ＨＧＶ６２５へ入力される。
【００４３】
[0042]制御線図の可変幾何学ディフューザー容量制御部分６００は、破線で示す。ＣＲ６１２は、１００％−２００％の範囲の容量信号６１０を受け取る。ＣＲ６１２は、１００％−２００％の範囲を表す経路６１０からの入力値から１００を差し引く（入力−１００）ことにより範囲を標準化即ち再縮尺化する。次いで、ＬＳＲ６１４は、第１の入力でＣＲ６１２の出力を及び第２の入力で可変幾何学ディフューザー勾配範囲６１５を受け取り、ＬＳＲ６１４は、第１及び第２の入力信号のうちの低い方の値を選択し、選択した値をＬＳＲ６１６へ入力する。ＬＳＲ６１６において、ＬＳＲ６１４の出力及び失速防止コントローラ７１０（例えば図７参照）からの出力信号７１５の２つの値のうちの低い方の値が選択され、選択された値は、ＨＳＲ６１８へ入力される。ＨＳＲ６１８は、ＬＳＲ６１６の出力、及び、ボックス６０２及びリミットスイッチ６０３の出力を受け取り、最小サージ防止位置を計算する。最小サージ防止位置は、ボックス６０２内のアルゴリズム１を適用することにより発生する。ボックス６０２内で適用されるアルゴリズムは、次の通りである「アルゴリズム１」：
【００４４】
【数１】
【００４５】
[0043]アルゴリズム１は、０ないし１００％の間の百分率値として必要なシステム容量Ｙを決定する。ここに、ＰＤ＝実際のシステムヘッド圧力、ＰＤ１＝最大システムヘッド圧力、ＰＤ２＝最小システムヘッド圧力、ＭＶＰ１＝最小可変幾何学ディフューザー高ヘッド圧力、ＭＶＰ２＝最小可変幾何学ディフューザー低ヘッド圧力である。
【００４６】
アルゴリズム１は、サージ防止位置を決定する１つの方法であって、例として提供されるが、本開示は、サージ防止位置を決定する特定の方法に限定されない。実際のシステムヘッド圧力は、図３に関して上述したように決定され、アルゴリズム６０２に入力される。
【００４７】
[0044]ＨＳＲ６１８に戻ると、アルゴリズム６０２の必要なシステム容量は、ＬＳＲ６１６の出力と比較される。ＬＳＲ６１６の出力は、失速防止制御信号７１５又はシステム容量デマンド信号の低い方を表す。リミットスイッチ６０３及びＬＳＲ６１６のうちの高い方の値は、位置コントローラ６４０を介して可変幾何学ディフューザーモータ６５０を制御するために適用される。１つの実施の形態においては、位置コントローラ６４０は、可変幾何学ディフューザーパルス幅変調（ＰＷＭ）位置コントローラである。位置コントローラ６４０は、ブロック６４４で決定される現在の可変幾何学ディフューザー位置の基準入力に基づいて出力信号を決定する。
【００４８】
[0045]上述のように、図３ないし７で示した制御体系は、コンプレッサシステムの積分容量制御を提供し、圧力についてのオーバーライド制限、デマンド制限、サージ防止制御及び初期の失速回避制御を提供する。コンプレッサシステムの容量制御は、ＰＲＶを必要とせずに、ＶＧＤ１１９を使用して積分される。図４を参照すると、ＬＳＲ４（５０６）の成果(resultant)は、所定のアナログ値範囲により表されるようなチラーの無負荷又は負荷に対するコマンドを提供する。この範囲の一方の極限において、コマンドは、完全無負荷を表し、この範囲の他方に極限においては、完全負荷を表す。
【００４９】
計算リレー５４０、リミットスイッチ５４２、リミットスイッチ５４４及びリミットスイッチ５４６の組み合わせの実施の形態は、アナログ値範囲を所定の副区分に分割し、１つの副区分は、図４に関して上述したように、各容量制御装置のためのものである。計算リレー６３２は、標準化された信号をＨＳＲ６３４に送る。ＨＳＲ６３４は、最小速度設定点Ｙを表す第２の入力信号をボックス６３２から受け取る。最小速度設定点Ｙは、次のようなボックス６３８内のアルゴリズム２の適用により決定される。
【００５０】
【数２】
［アルゴリズム２］
【００５１】
[0046]アルゴリズム２は、サージ防止計算のための最小速度Ｙを決定する。ここに、ＳＰＤ１＝最大システムヘッド圧力、ＳＰＤ２＝最小システムヘッド圧力、ＭＳＰ１＝最小速度高ヘッド圧力、ＭＳＰ２＝最小速度低ヘッド圧力、である。
【００５２】
[0047]コンプレッサ１０８の最小回転速度は、全開ディフューザーギャップでのマスフローを表すコンプレッサ１０８の速度と比較された、コンプレッサ１０８のヘッド圧力要求を表す差圧により定義される。コンプレッサ１０８の各与えられたヘッド圧力要求に対して、コンプレッサ１０８内でのサージ状態の発生を阻止するのに必要な対応する最小回転速度が存在する。アルゴリズム２は、コンプレッサ１０８のためのサージ防止ロジックの例示的な実施の形態を表す。上述したパラメータは、経験的に又はアルゴリズム２と同様のサージ検出アルゴリズムにより決定することができる。他のサージ検出アルゴリズムは、当業者にとって既知であり、アルゴリズム２と交換することができる。
【００５３】
[0048]最小ガス流れの考察は、また排出ディフューザーギャップ２０２の閉鎖について考慮される。各ヘッド圧力要求に対して、コンプレッサ１０８のインペラホイール２０１を通過する所定のマスフローを制御するためにディフューザーにとって必要な対応する最小開度即ちギャップ幅が存在する。ディフューザーギャップが大き過ぎる場合、ディフューザーは、コンプレッサ１０８を通るマスフローを妨げることによりコンプレッサ１０８内にサージを生じさせてしまう。アルゴリズム２は、サージ防止アルゴリズム６０２（図６Ａ）の例示的な実施の形態である。
【００５４】
[0049]次いで、全モータ速度の０ないし１００％の間の百分率としてのコンプレッサモータ速度は、計算リレーＣＲ６３２からの速度範囲百分率出力と比較され、２つの百分率のうちの大きい方の百分率は、可変速度ドライブ（ＶＳＤ）に入力され、それに従ってコンプレッサ駆動モータの速度を調整する。図６の実施の形態に示すように、ＣＲ６３２からの速度百分率出力及びＣＲ６３６のサージ防止速度値出力のうちの大きい方の値を表すＨＳＲ６３４の出力は、ＣＲ６３５に適用される。ＣＲ６３５は、ＣＲ６３４からの入力値をモータ最大速度の０ないし１００％の範囲の比例信号に変換し、ブロック６３７で速度設定点を出力する。ブロック６３７からの速度設定点信号は、コンプレッサモータ速度を制御するためにＶＳＤ１２０に入力される。手動での速度設定点選択を許容するために、随意のセレクタスイッチ６３９をＨＳＲ６３４とＣＲ６３５との間で接続することができる。
【００５５】
[0050]次に図７を参照すると、失速防止制御回路７００は、排出失速圧力センサ７１２を含む。センサ７１２からの信号は、可変幾何学ディフューザー失速検出ボード７１４に適用され、そこで、排出圧力を表す信号が処理され、プロセス変数として失速防止直接活動（ＤＩＲ）コントローラ７１０に入力される。失速検出ボード７１４は制御パネル１４０に又は制御パネル１４０とデータ通信する別個の独立のモジュールに組み込むことができる。実際の排出圧力は、一組の失速関連パラメータを産むように処理され、これらのパラメータは、これらに限定されないが、ノイズ電圧デッドバンド、始動位置、最大及び最小制御変数（ＣＶ）、プローブ速度、待ち時間、反応勾配及び信号設定点失速しきい値を含む、一組の失速関連設定点値７１３と比較される。
【００５６】
[0051]失速防止アルゴリズムは、図７において全体的に履行される。失速無負荷信号７１５は、失速防止コントローラ７１０から出力される。失速防止アルゴリズムは、上述の失速パラメータの結果として高ノイズ状態が検出されたときに、無負荷アルゴリズムとしてコンプレッサ制御体系に統合される。失速無負荷信号７１５は、ＨＳＲ６１８において上述のアルゴリズム１によりオーバーライドされる。これらに限定されないが、可変幾何学ディフューザーノイズデッドバンド、可変幾何学ディフューザープローブ速度、待ち時間、反応／勾配率最大値ＣＶ及び最小値ＣＶを含む、複数の設定点７１３は、コントローラ７１０へ挿入される。
【００５７】
[0052]別の実施の形態においては、容量制御システムは、コンプレッサ１０８を駆動するために蒸気タービンを使用して履行することができる。蒸気タービンは、コンプレッサ１０８を稼動するための代わりの原動機１１４を提供するために、図１に示すＶＳＤ１２０及びモータ１５２と交換される。その全体を参照としてここに組み込む「INTEGRATED ADAPTIVE CAPACITY CONTROL FOR A STEAM TURBINE POWERED CHILLER UNIT」という名称の本出願人に係る米国特許第７，３２８，５８７号明細書は、タービンで稼動されるチラーユニットを開示しており、このユニットにおいては、コンプレッサに提供される冷媒の流れを制御し、それによって、コンプレッサの容量を制御する１又はそれ以上のＰＲＶ又は入口ガイドベーンが存在する。蒸気タービンで駆動されるチラーシステムは、ＰＲＶを排除し、ＶＧＤ１１９及び図３ないし７に関して上述したような関連する制御を組み込むように修正することができる。
【００５８】
[0053]図１に示す実施の形態においては、高温ガスバイパス接続部１３３及びＨＶＤ１３４は、冷媒凝縮器１１６及び蒸発器１２６を接続し、膨張装置２２をバイパスする。別の実施の形態においては、高温ガスバイパス接続部１３３及び高温ガスバイパス弁１３４はコンプレッサ吸入ライン１２３及びコンプレッサ排出ライン１１３を接続することができる。高温ガスバイパス弁１３４は、好ましくは冷媒凝縮器１１６を介してコンプレッサ１０８の排出ライン１１３から蒸発器１２６を介してコンプレッサ１０８の吸入ライン１２３へ冷媒ガスを再循環させるようにコンプレッサ１０８のための再循環ラインとして使用される。高温ガスバイパス弁１３４は、冷媒流れが本質的に妨げられないような実質上開いた位置と、冷媒流れが制限されるような実質上閉じた位置との間の任意の位置に調整することができる。高温ガスバイパス弁１３４は、連続的な方法、又は、段階的又は増分的な方法で開閉することができる。高温ガスバイパス弁１３４が開くと、コンプレッサ１０８内でのサージ状態の発生を阻止するためにコンプレッサの吸入部へ供給される冷媒ガスの量を増大させることができる。
【００５９】
[0054]図８は、原動機１１４の作動のための付加的な入力及び制御を統合するように修正された、チラーシステム１００のための制御システム１４０の実施の形態の概略線図を示す。図８に示すように、制御パネル１４０は、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ１４８及びデジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）コンバータ１４９と、マイクロプロセッサ１５０と、不揮発性メモリー又は他の記憶装置１４４と、チラーシステム１００の種々のセンサ及び制御装置との通信のためのインターフェイスボード１４６とを含む。更に、制御パネル１４０は、オペレータによる制御パネル１４０との相互作用を許容するユーザーインターフェイス１９４に接続するか又はこれを組み込むことができる。オペレータは、ユーザーインターフェイス１９４を介して制御パネル１４０のためのコマンドを選択又はエンターすることができる。
【００６０】
更に、ユーザーインターフェイス１９４は、オペレータのためにチラーシステム１００の作動状況に関する制御パネル１４０からのメッセージ及び情報を表示することができる。ユーザーインターフェイス１９４は、チラーシステム１００又は制御パネル１４０上に装着されるような、制御パネル１４０の近くに位置することができるか、又は、代わりに、ユーザーインターフェイス１９４は、チラーシステム１００から離れた別個の制御室内に位置するような、制御パネル１４０から遠くに位置することができる。
【００６１】
[0055]マイクロプロセッサ１５０は、コンプレッサ１０８、原動機１１４及びチラーシステム１００の他の素子を含むチラーシステム１００を制御するために単一の即ち主要な制御アルゴリズム又は、制御システムを実行又は使用することができる。１つの実施の形態においては、制御システムは、マイクロプロセッサ１５０により実行できる一連のインストラクションを有するコンピュータプログラム又は、ソフトウエアとすることができる。別の実施の形態においては、制御システムは、当業者によりデジタル及び（又は）アナログハードウエアを使用して履行及び実行することができる。更に別の実施の形態においては、制御パネル１４０は、制御パネル１４０の出力を決定する主要なコントローラを伴う、各々別個の機能を遂行する多数のコントローラを組み込むことができる。制御アルゴリズムを実行するためにハードウエアを使用した場合、制御パネル１４０の対応する形状は、必要な素子を組み込むように、及び、もはや必要となくなることのある任意の素子を削除するように、変更することができる。
【００６２】
[0056]チラーシステム１００の制御パネル１４０は、チラーシステム１００の素子から多くの異なるセンサ入力を受け取ることができる。制御パネル１４０へのセンサ入力のいくつかの例を後に提供するが、制御パネル１４０は、チラーシステム１００の素子から任意の所望の又は適当なセンサ入力を受け取ることができることを理解すべきである。コンプレッサ１０８に関連する制御パネル１４０へのある入力は、コンプレッサ排出温度センサ、コンプレッサオイル温度センサ、コンプレッサオイル供給圧力センサ及び可変幾何学ディフューザー位置センサからのものとすることができる。
【００６３】
[0057]冷媒凝縮器１１２に関連する制御パネル１４０へのある入力は、入来冷媒凝縮器水温度センサ、退去凝縮器水温度センサ、冷媒液体温度センサ、冷媒凝縮器圧力センサ、サブクーラー冷媒液体レベルセンサ及び冷媒凝縮器水流れセンサからのものとすることができる。蒸発器１２８に関連する制御パネル１４０へのある入力は、退去冷液体温度センサ、帰還冷液体温度センサ、蒸発器冷媒蒸気圧力センサ、冷媒液体温度センサ及び冷水流れセンサからものとすることができる。更に、コントローラ１４０への他の入力は、サーモスタット又は他の同様な温度制御システムからのＨＶＡＣ＆Ｒデマンド入力を含む。
【００６４】
[0058]更に、チラーシステム１００の制御パネル１４０は、チラーシステム１００の素子のための多くの異なる制御信号を提供又は発生することができる。制御パネル１４０からの制御信号のある例は以後に提供されるが、制御パネル１４０は、チラーシステム１００のための任意の所望の又は適当な制御信号を提供できることを理解すべきである。制御パネル１４０からのある制御信号は、コンプレッサオイルヒータ制御信号、可変速度オイルポンプ制御信号、高温ガスバイパス弁制御信号、サブクーラー冷媒液体レベル制御信号、可変幾何学ディフューザー位置制御信号を含むことができる。更に、制御パネル１４０は、熟練者が停止コマンドをユーザーインターフェイス１９４へ入力したとき、又は、記憶装置１４４内に記録された所定のパラメータからの逸れが検出されたときに、原動機１１４を停止させるために信号を送ることができる。
【００６５】
[0059]主要な制御アルゴリズムは、またチラーシステム１００の始動及びルーチン作動中にチラーシステム１００のための種々の作動パラメータの監視機能を制御パネル１４０に提供する他のアルゴリズム及び（又は）ソフトウエアを含む。チラーシステム１００を停止させるようなロジック機能を伴った望ましくない作動パラメータが制御パネル１４０内でプログラムされることがある。更に、主要な制御アルゴリズムは、チラーシステム１００の多くの作動パラメータのための所定の限界を有し、これらの限界外で熟練者がチラーシステム１００を手動で作動させるのを阻止することができる。
【００６６】
[0060]好ましい実施の形態においては、容量制御プログラムは、蒸発器１２６からの退去冷液体温度（ＬＣＬＴ）の変化に応答して、コンプレッサ１０８の速度、ＶＧＤ１１９の位置及び高温ガスバイパス弁１３４の位置を制御することができる。図３−７は、本発明の容量制御プログラムのための容量制御プロセスの実施の形態を示す。
【００６７】
[0061]次に図９を参照すると、別の実施の形態において、一層高いコンプレッサ効率を提供し、付加的な容量制御を提供するために、ＶＧＤ１１９及び可変速度制御と組み合わせて、羽根付きディフューザーを使用することができる。インペラ２０１の低圧側に位置するＰＲＶとは異なり、羽根付きディフューザーは、インペラ２０１の高圧側に位置する。高圧側に羽根を有しない遠心コンプレッサは、羽根無しディフューザーとして参照する。羽根付きディフューザー１７４を図９に示す。
【００６８】
[0062]本出願は、以下の説明に記載し、図面に示す詳細又は方法論に限定されないことを理解すべきである。また、ここで使用する専門語及び用語は説明の目的のためのものであり、限定とみなすべきではないことを理解すべきである。開示した実施の形態は、ＨＶＡＣ＆Ｒチラーシステム、及び、プロセスが与えられた温度又は他の状態において冷えた液体又はガスを必要とするようなプロセス機械のためのコンプレッサ制御を特に参照したが、ＶＧＤ１１９は、コンプレッサ１０８の容量を制御するために使用することができる。
【００６９】
[0063]本発明のある特徴及び実施の形態のみを図示し、説明したが、当業者なら、特許請求の範囲に記載された要旨の新規な教示及び利点から逸脱することなく、多くの修正及び変更（例えば、種々の素子のサイズ、寸法、構造、形状及び比率、パラメータ（例えば、温度、圧力等）の値、材料の使用、色彩及び方位等の変更）を行うことができる。それ故、特許請求の範囲は、本発明の真の精神内に入るすべてのそのような修正及び変更をカバーすることを意図するものであることを理解すべきである。
【００７０】
更に、例示的な実施の形態の簡潔な説明を提供する努力において、実際の履行のすべての特徴は説明しなかったことがある（即ち、本発明を実行するのに現時点で最良と思われるものに関連しないもの、又は、特許請求の範囲の発明を可能にすることに関連しないものは説明しなかった）。任意のこのような実際の履行の開発において、任意の技術的又はデザイン的なプロジェクトにおけるように、多数の履行上の特定の決定を行うことができることを認識すべきである。このような開発努力は、複雑で、時間を費やすものであるが、それにも拘らず、この開示の利益を有する当業者にとっては、過度の経験を伴わない、デザイン、製作及び製造の日常の仕事となろう。
【符号の説明】
【００７１】
１００:チラーシステム、１０８：コンプレッサ、１１９：ＶＧＤ、１１２：凝縮器、１２０：ＶＳＤ、１２６：蒸発器、１３４：高温ガスバイパス弁、１４０：制御パネル、１５０：マイクロプロセッサ、１５２：モータ、２０１：インペラホイール、２１０：ディフューザーリング。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒ループに接続されたコンプレッサ、冷媒凝縮器、及び蒸発器を有するガス圧縮システムの容量を制御する方法であって、
コンプレッサ排出部にディフューザーを設ける工程と、
ガス圧縮システムの負荷を表す値を感知する工程と、
ガス圧縮システムのシステム圧力差を決定する工程と、
ガス圧縮システムの容量を制御するために、感知された負荷値及び決定されたシステム圧力差に応答してディフューザーの位置を制御する工程と、を有することを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１の方法であって、更にコンプレッサを駆動するための可変速度で制御可能な状態で作動できる原動機を提供する工程と、感知された負荷値及び決定されたシステム圧力差に応答して原動機の速度を制御する工程と、を有することを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項２の方法であって、更にガス圧縮システムの高圧側とガス圧縮システムの低圧側との間の冷媒の流れを規制するために高温ガスバイパス弁を提供する工程と、ガス圧縮システムの容量を制御するために、感知された負荷値及び決定されたシステム圧力差に応答して高温ガスバイパス弁を制御する工程と、を有することを特徴とする方法。
【請求項４】
前記原動機の速度を制御する工程が、所望のシステム負荷状態を維持するためにコンプレッサの速度を調整する工程を含み、ディフューザーの位置を制御する工程が、所定の最小位置にディフューザーを位置決めする工程を含み、所定の最小位置がシステム圧力差に基づくようにされており、高温ガスバイパス弁を制御する工程が、閉じた位置に高温ガスバイパス弁を位置決めする工程を含む、ことを特徴とする請求項３の方法。
【請求項５】
請求項３の方法であって、更にサージ状態又は初期の失速状態を表示する複数のガス圧縮システム作動パラメータを感知する工程と、サージ状態又は初期の失速状態の徴候を検出する工程と、サージ状態又は初期の失速状態の徴候の検出に応答して、感知された負荷値及び決定されたシステム圧力差に対する応答をオーバーライドさせる工程と、を有することを特徴とする方法。
【請求項６】
前記ディフューザーのための所定の最小位置がサージ状態でのコンプレッサの作動を阻止することを特徴とする請求項４の方法。
【請求項７】
前記原動機の速度を制御する工程が、所定の最小速度でコンプレッサを作動させる工程を含み、所定の最小速度がシステム圧力差に基づくようにされており、ディフューザーの位置を制御する工程が、所望のシステム負荷状態を維持するためにディフューザーの位置を調整する工程を含み、高温ガスバイパス弁を制御する工程が、閉じた位置に高温ガスバイパス弁を位置決めする工程を含む、ことを特徴とする請求項３の方法。
【請求項８】
前記原動機のための所定の最小速度が、サージ状態でのコンプレッサの作動を阻止することを特徴とする請求項４の方法。
【請求項９】
請求項３の方法であって、前記原動機の速度を制御する工程が、所定の最小速度でコンプレッサを作動させる工程を含み、所定の最小速度がシステム圧力差に基づくようにされており、ディフューザーの位置を制御する工程が、所定の最小位置にディフューザーを位置決めする工程を含み、所定の最小位置がシステム圧力差に基づくようにされており、高温ガスバイパス弁を制御する工程が所望のシステム負荷状態を維持するために高温ガスバイパス弁の位置を調整する工程を含むことを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項２の方法であって、ディフューザーの位置を制御する工程が、決定されたシステム圧力差に応答してディフューザーのための最小位置を決定する工程と、可変幾何学ディフューザーの位置を決定された最小位置に設定するために制御信号をディフューザーへ送る工程とを含み、ディフューザーのための決定された最小位置が、サージ状態でのコンプレッサの作動を阻止することを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１の方法であって、コンプレッサの速度を制御する工程が、決定されたシステム圧力差に応答してコンプレッサのための最小速度を決定する工程と、コンプレッサの速度を決定された最小速度に設定するために制御信号をコンプレッサへ送る工程と、を含み、コンプレッサのための決定された最小速度がサージ状態でのコンプレッサの作動を阻止する、ことを特徴とする方法。
【請求項１２】
前記ガス圧縮システムの負荷を表す値を感知する工程が、蒸発器からの退去冷液体温度を決定する工程を含むことを特徴とする請求項１の方法。
【請求項１３】
請求項１の方法であって、システム圧力差を決定する工程が、凝縮器圧力を測定する工程と、蒸発器圧力を測定する工程と、システム圧力差を決定するために、測定された凝縮器圧力から測定された蒸発器圧力を差し引く工程と、を含むことを特徴とする方法。
【請求項１４】
前記原動機が蒸気タービンであることを特徴とする請求項２の方法。
【請求項１５】
前記原動機が可変速度ドライブにより稼動されるモータであることを特徴とする請求項２の方法。
【請求項１６】
冷媒ループに接続されたコンプレッサ、冷媒凝縮器、及び、蒸発器を有するガス圧縮システムであって、
コンプレッサの排出部に位置し、コンプレッサからの冷媒の流れを規制するように形状づけられたディフューザーと、容量制御システムを備えた主要な制御パネルガス圧縮システムと、を有し、
容量制御システムが退去冷液体温度及びシステム圧力差に応答してガス圧縮システムの容量を制御するためにディフューザーの位置を調整するように形状づけられることを特徴とするガス圧縮システム。
【請求項１７】
前記ガス圧縮システムが更に退去冷液体温度及びシステム圧力差に応答してコンプレッサの速度を調整するように形状づけられた容量制御システムを有することを特徴とする請求項１６のガス圧縮システム。
【請求項１８】
前記ガス圧縮システムが更に、ガス圧縮システムの高圧側とガス圧縮システムの低圧側との間で冷媒の流れを規制するための高温ガスバイパス弁を有し、容量制御システムが、退去冷液体温度及びシステム圧力差に応答してガス圧縮システムの容量を制御するために高温ガスバイパス弁の位置を調整するように形状づけられることを特徴とする請求項１７のガス圧縮システム。
【請求項１９】
請求項１８のガス圧縮システムであって、制御システムが更に、サージ状態又は初期の失速状態の徴候を検出し、サージ状態又は初期の失速状態の徴候の検出に応答して、冷液体温度及び決定されたシステム圧力差に対する応答をオーバーライドさせるように形状づけられることを特徴とするガス圧縮システム。
【請求項２０】
請求項１８のガス圧縮システムであって、容量制御システムが、サージ状態でのコンプレッサの作動を阻止するために、ディフューザー、高温ガスバイパス弁、及び、コンプレッサの速度を制御するように形状づけられることを特徴とするガス圧縮システム。
【請求項２１】
請求項１８のガス圧縮システムであって、容量制御システムが、ガス圧縮システムの容量を制御するために、高温ガスバイパス制御モード、ディフューザー制御モード又はタービン速度制御モードのうちの１つにおいて作動するように形状づけられることを特徴とするガス圧縮システム。
【請求項２２】
請求項２１のガス圧縮システムであって、高温ガスバイパス制御モードが所定の最小タービン速度及び所定の最小ディフューザー位置での作動を含み、ディフューザー制御モードが、閉じた高温ガスバイパス弁による所定の最小タービン速度での作動を含み、タービン速度制御モードが、閉じた高温ガスバイパス弁による所定の最小ディフューザー位置での作動を含むことを特徴とするガス圧縮システム。
【請求項２３】
前記ディフューザーが更に羽根を有することを特徴とする請求項１６のガス圧縮システム。
【請求項２４】
前記羽根が低硬度羽根及び高硬度羽根のうちの１つから選択されることを特徴とする請求項２３のガス圧縮システム。
【請求項２５】
請求項１７のガス圧縮システムであって、蒸気タービン及び蒸気ループに接続された蒸気凝縮器を更に有し、コンプレッサが蒸気タービンにより駆動されることを特徴とするガス圧縮システム。
【請求項２６】
前記コンプレッサの速度を変更するように制御できる可変速度ドライブを更に有することを特徴とする請求項１６のガス圧縮システム。
【請求項２７】
前記コンプレッサが複数の段を有し、複数段のコンプレッサの各段がその中に位置する排出ディフューザーを有することを特徴とする請求項１６のガス圧縮システム。
【請求項１】
冷媒ループに接続されたコンプレッサ、冷媒凝縮器、及び蒸発器を有するガス圧縮システムの容量を制御する方法であって、
コンプレッサ排出部にディフューザーを設ける工程と、
ガス圧縮システムの負荷を表す値を感知する工程と、
ガス圧縮システムのシステム圧力差を決定する工程と、
ガス圧縮システムの容量を制御するために、感知された負荷値及び決定されたシステム圧力差に応答してディフューザーの位置を制御する工程と、を有することを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１の方法であって、更にコンプレッサを駆動するための可変速度で制御可能な状態で作動できる原動機を提供する工程と、感知された負荷値及び決定されたシステム圧力差に応答して原動機の速度を制御する工程と、を有することを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項２の方法であって、更にガス圧縮システムの高圧側とガス圧縮システムの低圧側との間の冷媒の流れを規制するために高温ガスバイパス弁を提供する工程と、ガス圧縮システムの容量を制御するために、感知された負荷値及び決定されたシステム圧力差に応答して高温ガスバイパス弁を制御する工程と、を有することを特徴とする方法。
【請求項４】
前記原動機の速度を制御する工程が、所望のシステム負荷状態を維持するためにコンプレッサの速度を調整する工程を含み、ディフューザーの位置を制御する工程が、所定の最小位置にディフューザーを位置決めする工程を含み、所定の最小位置がシステム圧力差に基づくようにされており、高温ガスバイパス弁を制御する工程が、閉じた位置に高温ガスバイパス弁を位置決めする工程を含む、ことを特徴とする請求項３の方法。
【請求項５】
請求項３の方法であって、更にサージ状態又は初期の失速状態を表示する複数のガス圧縮システム作動パラメータを感知する工程と、サージ状態又は初期の失速状態の徴候を検出する工程と、サージ状態又は初期の失速状態の徴候の検出に応答して、感知された負荷値及び決定されたシステム圧力差に対する応答をオーバーライドさせる工程と、を有することを特徴とする方法。
【請求項６】
前記ディフューザーのための所定の最小位置がサージ状態でのコンプレッサの作動を阻止することを特徴とする請求項４の方法。
【請求項７】
前記原動機の速度を制御する工程が、所定の最小速度でコンプレッサを作動させる工程を含み、所定の最小速度がシステム圧力差に基づくようにされており、ディフューザーの位置を制御する工程が、所望のシステム負荷状態を維持するためにディフューザーの位置を調整する工程を含み、高温ガスバイパス弁を制御する工程が、閉じた位置に高温ガスバイパス弁を位置決めする工程を含む、ことを特徴とする請求項３の方法。
【請求項８】
前記原動機のための所定の最小速度が、サージ状態でのコンプレッサの作動を阻止することを特徴とする請求項４の方法。
【請求項９】
請求項３の方法であって、前記原動機の速度を制御する工程が、所定の最小速度でコンプレッサを作動させる工程を含み、所定の最小速度がシステム圧力差に基づくようにされており、ディフューザーの位置を制御する工程が、所定の最小位置にディフューザーを位置決めする工程を含み、所定の最小位置がシステム圧力差に基づくようにされており、高温ガスバイパス弁を制御する工程が所望のシステム負荷状態を維持するために高温ガスバイパス弁の位置を調整する工程を含むことを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項２の方法であって、ディフューザーの位置を制御する工程が、決定されたシステム圧力差に応答してディフューザーのための最小位置を決定する工程と、可変幾何学ディフューザーの位置を決定された最小位置に設定するために制御信号をディフューザーへ送る工程とを含み、ディフューザーのための決定された最小位置が、サージ状態でのコンプレッサの作動を阻止することを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１の方法であって、コンプレッサの速度を制御する工程が、決定されたシステム圧力差に応答してコンプレッサのための最小速度を決定する工程と、コンプレッサの速度を決定された最小速度に設定するために制御信号をコンプレッサへ送る工程と、を含み、コンプレッサのための決定された最小速度がサージ状態でのコンプレッサの作動を阻止する、ことを特徴とする方法。
【請求項１２】
前記ガス圧縮システムの負荷を表す値を感知する工程が、蒸発器からの退去冷液体温度を決定する工程を含むことを特徴とする請求項１の方法。
【請求項１３】
請求項１の方法であって、システム圧力差を決定する工程が、凝縮器圧力を測定する工程と、蒸発器圧力を測定する工程と、システム圧力差を決定するために、測定された凝縮器圧力から測定された蒸発器圧力を差し引く工程と、を含むことを特徴とする方法。
【請求項１４】
前記原動機が蒸気タービンであることを特徴とする請求項２の方法。
【請求項１５】
前記原動機が可変速度ドライブにより稼動されるモータであることを特徴とする請求項２の方法。
【請求項１６】
冷媒ループに接続されたコンプレッサ、冷媒凝縮器、及び、蒸発器を有するガス圧縮システムであって、
コンプレッサの排出部に位置し、コンプレッサからの冷媒の流れを規制するように形状づけられたディフューザーと、容量制御システムを備えた主要な制御パネルガス圧縮システムと、を有し、
容量制御システムが退去冷液体温度及びシステム圧力差に応答してガス圧縮システムの容量を制御するためにディフューザーの位置を調整するように形状づけられることを特徴とするガス圧縮システム。
【請求項１７】
前記ガス圧縮システムが更に退去冷液体温度及びシステム圧力差に応答してコンプレッサの速度を調整するように形状づけられた容量制御システムを有することを特徴とする請求項１６のガス圧縮システム。
【請求項１８】
前記ガス圧縮システムが更に、ガス圧縮システムの高圧側とガス圧縮システムの低圧側との間で冷媒の流れを規制するための高温ガスバイパス弁を有し、容量制御システムが、退去冷液体温度及びシステム圧力差に応答してガス圧縮システムの容量を制御するために高温ガスバイパス弁の位置を調整するように形状づけられることを特徴とする請求項１７のガス圧縮システム。
【請求項１９】
請求項１８のガス圧縮システムであって、制御システムが更に、サージ状態又は初期の失速状態の徴候を検出し、サージ状態又は初期の失速状態の徴候の検出に応答して、冷液体温度及び決定されたシステム圧力差に対する応答をオーバーライドさせるように形状づけられることを特徴とするガス圧縮システム。
【請求項２０】
請求項１８のガス圧縮システムであって、容量制御システムが、サージ状態でのコンプレッサの作動を阻止するために、ディフューザー、高温ガスバイパス弁、及び、コンプレッサの速度を制御するように形状づけられることを特徴とするガス圧縮システム。
【請求項２１】
請求項１８のガス圧縮システムであって、容量制御システムが、ガス圧縮システムの容量を制御するために、高温ガスバイパス制御モード、ディフューザー制御モード又はタービン速度制御モードのうちの１つにおいて作動するように形状づけられることを特徴とするガス圧縮システム。
【請求項２２】
請求項２１のガス圧縮システムであって、高温ガスバイパス制御モードが所定の最小タービン速度及び所定の最小ディフューザー位置での作動を含み、ディフューザー制御モードが、閉じた高温ガスバイパス弁による所定の最小タービン速度での作動を含み、タービン速度制御モードが、閉じた高温ガスバイパス弁による所定の最小ディフューザー位置での作動を含むことを特徴とするガス圧縮システム。
【請求項２３】
前記ディフューザーが更に羽根を有することを特徴とする請求項１６のガス圧縮システム。
【請求項２４】
前記羽根が低硬度羽根及び高硬度羽根のうちの１つから選択されることを特徴とする請求項２３のガス圧縮システム。
【請求項２５】
請求項１７のガス圧縮システムであって、蒸気タービン及び蒸気ループに接続された蒸気凝縮器を更に有し、コンプレッサが蒸気タービンにより駆動されることを特徴とするガス圧縮システム。
【請求項２６】
前記コンプレッサの速度を変更するように制御できる可変速度ドライブを更に有することを特徴とする請求項１６のガス圧縮システム。
【請求項２７】
前記コンプレッサが複数の段を有し、複数段のコンプレッサの各段がその中に位置する排出ディフューザーを有することを特徴とする請求項１６のガス圧縮システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７】
【図８】
【図９】
【公表番号】特表２０１１−５０２２２７（Ｐ２０１１−５０２２２７Ａ）
【公表日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５３２２３８（Ｐ２０１０−５３２２３８）
【出願日】平成２０年１０月３０日（２００８．１０．３０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０８１７４７
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０５８９７５
【国際公開日】平成２１年５月７日（２００９．５．７）
【出願人】（５９８１４７４００）ジョンソン コントロールズ テクノロジー カンパニー (224)
【氏名又は名称原語表記】Ｊｏｈｎｓｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｍｐａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月３０日（２００８．１０．３０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０８１７４７
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０５８９７５
【国際公開日】平成２１年５月７日（２００９．５．７）
【出願人】（５９８１４７４００）ジョンソン コントロールズ テクノロジー カンパニー (224)
【氏名又は名称原語表記】Ｊｏｈｎｓｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｍｐａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
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