遠心圧縮機内の安定性を制御するシステム及び方法
【課題】失速及び（又は）サージに抵抗し、且つ遠心圧縮機の安定的な作動を実現するため遠心圧縮機内の可変形態ディフューザの制御の調和を図るシステム及び方法を提供する。
【解決手段】遠心圧縮機１０８に対する安定性制御アルゴリズムが提供される。安定性制御アルゴリズムは、圧縮機の不安定さの検出に応答して可変形態ディフューザ１１９と、高温ガスのバイパス弁１３４（設けられているとき）とを制御するため使用される。安定性制御アルゴリズムは、サージ状態又は失速状態の検出に応答して可変形態ディフューザ１１９内のディフューザリング２１０の位置を調節することができる。更に、可変形態ディフューザ１１９内のディフューザリング２１０は、ディフューザリング２１０の最適な位置を決定し得るよう調節することができる。連続的なサージ状態の検出に応答して高温ガスのバイパス弁１３４を開くため安定性制御アルゴリズムを使用することもできる。
【解決手段】遠心圧縮機１０８に対する安定性制御アルゴリズムが提供される。安定性制御アルゴリズムは、圧縮機の不安定さの検出に応答して可変形態ディフューザ１１９と、高温ガスのバイパス弁１３４（設けられているとき）とを制御するため使用される。安定性制御アルゴリズムは、サージ状態又は失速状態の検出に応答して可変形態ディフューザ１１９内のディフューザリング２１０の位置を調節することができる。更に、可変形態ディフューザ１１９内のディフューザリング２１０は、ディフューザリング２１０の最適な位置を決定し得るよう調節することができる。連続的なサージ状態の検出に応答して高温ガスのバイパス弁１３４を開くため安定性制御アルゴリズムを使用することもできる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体として、遠心圧縮機の安定性を制御する制御システム及びその制御方法に関する。より具体的には、本発明は、圧縮機の不安定な状態に応答して遠心圧縮機の可変形態ディフューザ機構を制御するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
遠心圧縮機は、圧縮機の作動中、サージ又は失速のような不安的状態に遭遇することがある。サージ又はサージングは、遠心圧縮機が軽負荷で、且つ高い圧力比にて作動するときに生じるであろう不安定な状態である。サージは、圧力及び流れが変動する遷移的な現象であり、場合によっては、圧縮機を通って完全に逆方向への流れが生じることがある。サージングは、制御されないならば、圧縮機の回転構成要素及び静止構成要素の双方に過剰な振動を生じさせ、また、圧縮機の恒久的な損傷が生じる結果となる。サージ状態を修正し又は修復する１つの技術は、高温ガスのバイパス弁を開いて、圧縮機の排出ガスの一部を圧縮機の入口に戻して、圧縮機入口における流れを増大させるステップを含むことができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
遠心圧縮機内の回転失速は、圧縮機の回転羽根又は羽根の下流の圧縮機の静止ディフューザ内にて生ずる可能性がある。その双方の場合、回転失速の存在は、圧縮機及び（又は）システムの性能に悪影響を与える可能性がある。羽根無しラジアルディフューザを有する混流遠心圧縮機は、その所期の作動範囲の一部にて、又は、場合によっては、その作動範囲に全部にて、ディフューザの回転失速を経験することがある。典型的に、ディフューザは、流れの一部がディフューザ通路内にて分離を経験せずには、全ての流れを受容することができない設計であるため、ディフューザの回転失速が生じる。ディフューザの回転失速の結果、低周波数の音エネルギすなわち脈動が形成されることになる。これらの脈動は、ガス流路内にて大きい値となり、また、圧縮機、その制御装置又はその他の関係した部品／システムが過早に故障する結果となる。遠心圧縮機の失速状態を修正し又は修復する１つの技術は、可変形態ディフューザ内のディフューザ空間を閉じることを含むことができる。ディフューザ空間を閉じることは、サージ状態に抵抗する圧縮機の能力を向上させることもできる。しかし、ディフューザ空隙の過剰な閉塞は、圧縮機を通る流量又は容量を減少させる可能性がある。
【０００４】
このため、失速及び（又は）サージに抵抗し、且つ遠心圧縮機の安定的な作動を実現するため遠心圧縮機内の可変形態ディフューザ（また、存在するならば、選択的な高温ガスバイパス弁）の制御の調和を図るシステム及び方法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の１つの実施の形態は、冷媒の蒸気を圧縮する形態とされた遠心圧縮機を有する液体冷却機システムに関する。遠心圧縮機は、圧縮されない冷媒蒸気を受ける圧縮機入口と、圧縮した冷媒蒸気を排出する圧縮機出口とを有している。内部にて、圧縮機は、ディフューザを通る圧縮した冷媒蒸気の流路を変化させる可調節型ディフューザリングを有するディフューザを備えている。液体冷却機は、また、圧縮機出口と入口との間に接続される選択的な高温ガスバイパス弁も有している。選択的な高温ガスバイパス弁は、圧縮した冷媒蒸気の一部分が圧縮機出口から圧縮機入口まで流れるのを許容する形態とされており、該バイパス弁は、圧縮機を通る冷媒蒸気の最小の流量を維持するため使用される。液体冷却機システムは、ディフューザ及び選択的な高温ガスバイパス弁を制御し、遠心圧縮機の安定的な作動を維持する安定性制御システムを更に有している。安定性制御システムは、遠心圧縮機内の失速状態の検出に応答してディフューザリングを制御する失速反応状態と、遠心圧縮機内のサージ状態の検出に応答してディフューザリングを制御するサージ反応状態と、遠心圧縮機内の第二のサージ状態の検出に応答して選択的な高温ガスバイパス弁を制御する高温ガスのオーバライド状態と、ディフューザリングに対する最適な位置を得ることができるようディフューザリングを制御する探査状態とを有している。
【０００６】
本発明の別の実施の形態は、閉冷媒回路内に接続された圧縮機と、凝縮器と、蒸発器とを有する冷却機システムに関する。圧縮機は、冷却機システムから圧縮されていない冷媒蒸気を受ける圧縮機入口と、圧縮した冷媒蒸気を冷却機システムまで排出する圧縮機出口と、圧縮機出口に隣接して配置されたディフューザとを有している。ディフューザは、圧縮した冷媒蒸気が圧縮機出口まで流れるのを許容する形態とされたディフューザ空間と、ディフューザ空間の寸法を変化させ、ディフューザ空間を通る圧縮した冷媒蒸気の流れを制御すべくディフューザ空間内に調節可能に配置されたディフューザリングとを有している。冷却機システムは、また、圧縮機内の失速状態及びサージ状態の検出に応答してディフューザ空間内のディフューザリングの位置を制御し、圧縮機の安定的な作動を維持する安定性制御システムも有している。
【０００７】
本発明の更に別の実施の形態は、圧縮機入口と、圧縮機出口と、調節可能な流路を有する可変形態ディフューザとを備える遠心圧縮機の安定的な作動を維持する安定性制御システムに関するものである。安定性制御システムは、遠心圧縮機内の失速状態及びサージ反応状態の検出に応答して可変形態ディフューザの流路を調節し、遠心圧縮機内のサージ状態の検出に応答して可変形態ディフューザの流路を調節する失速反応状態を有している。
【０００８】
本発明の更なる実施の形態は、調節可能な流路を有する可変形態ディフューザを備える遠心圧縮機内にて安定性制御を実現する方法に関する。この方法は、遠心圧縮機の作動中、遠心圧縮機内のサージ状態を反復的に検出するステップと、遠心圧縮機の作動中、遠心圧縮機内の失速状態を反復的に検出するステップと、遠心圧縮機内のサージ状態の検出に応答して所定のサージ反応時間、可変形態ディフューザの流路を連続的に閉じるステップと、遠心圧縮機内の失速状態の検出に応答して検出した失速状態が修正され又はサージ状態が検出される迄、可変形態ディフューザの流路を連続的に閉じるステップとを備えている。
【０００９】
本発明の１つの有利な効果は、遠心圧縮機をサージ状態及び失速状態の存在の双方に効果的に反応するよう制御することが可能な点である
。
【００１０】
本発明の別の有利な効果は、存在するならば、高温ガスバイパス弁の使用が最小限にてより大きいエネルギ効率を提供することである。
本発明のその他の特徴及び有利な効果は、単に一例として本発明の原理を示す添付図面と共に参照するとき、好ましい実施の形態の以下のより詳細な説明から明らかになるであろう。
【００１１】
可能な場合、図面の全体を通じて同一又は同様の部品を示すために同一の参照番号を使用する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の冷凍システムの概略図である。
【図２】本発明と共に使用される遠心圧縮機及びディフューザの部分断面図である。
【図３】図１に示した冷凍システムと共に使用される本発明の制御システム及び方法の状態線図である。
【図４】本発明による冷凍システムの１つの代替的な実施の形態を示す概略図である。
【図５】図４に示した冷凍システムと共に使用される本発明の制御システム及び方法の状態線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明を適用することのできる全体的なシステムは、単に一例として、図１に示されている。図示するように、冷凍又は液体冷却機システム１００であるＨＶＡＣは、圧縮機１０８と、凝縮器１１２と、水冷却機又は蒸発器１２６と、制御盤１４０とを有している。制御盤１４０は、アナログ対デジタル（Ａ／Ｄ）変換器１４８と、マイクロプロセッサ１５０と、不揮発性記憶装置１４４と、インターフェース盤１４６とを有することができる。制御盤１４０の作用については、以下により詳細に説明する。従来の液体冷却機システム１００は、図１に示さないその他の多くの特徴を備えている。これらの特徴は、図示を容易にすべく図面の簡略化のため意図的に省略されている。
【００１４】
圧縮機１０８は、冷媒蒸気を圧縮し、且つ、蒸気を排出管を通して凝縮器１１２に送り出す。圧縮機１０８は、遠心圧縮機であることが好ましい。圧縮機１０８を駆動するため、システム１００は、圧縮機１０８のモータ又は駆動機構１５２を有している。「モータ」という用語は、圧縮機１０８の駆動機構に関して使用するが、「モータ」という用語は、モータにのみ限定されず、可変速度駆動装置及びモータ始動器のようなモータ１５２の駆動に関連して使用することのできる任意の構成要素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１つの好ましい実施の形態において、モータ又は駆動機構１５２は、電気モータ及び関係した構成要素である。しかし、蒸気又はガスタービン又はエンジン及び関係した構成要素のようなその他の駆動機構を使用して圧縮機１０８を駆動することができる。
【００１５】
圧縮機１０８により凝縮器１１２に送り出された冷媒蒸気は、例えば、空気又は水のような流体との熱交換関係に入り、熱交換関係の結果、冷媒液体へと相変化する。凝縮器１１２からの凝縮した液体冷媒は、膨張装置（図示せず）を通って蒸発器１２６に流れる。１つの好ましい実施の形態において、凝縮器１１２内の冷媒蒸気は、冷却塔１２２と接続された熱交換コイル１１６を通って流れる水と熱交換する。凝縮器１１２内の冷媒蒸気は、熱交換器コイル１１６内の水と熱交換して冷媒液体に相変化する。
【００１６】
蒸発器１２６は、供給管１２８Ｓと、冷却負荷１３０と接続され戻し管１２８Ｒとを有する熱交換器コイル１２８を備えることが好ましい。熱交換器コイル１２８は、蒸発器１２６内に複数の管束を有することができる。水であることが好ましいが、例えば、エチレン、塩化カルシウム塩水又は塩化ナトリウム塩水のような任意の他の適宜な二次的液体とすることのできる第二の液体は、戻し管１２８Ｒを介して蒸発器１２６内に流れ、且つ供給管１２８Ｓを介して蒸発器１２６から出る。蒸発器１２６内の液体冷媒は、熱交換器コイル１２８内の第二の液体と熱交換し、熱交換器コイル１２８内の第二の液体の温度を冷却する。蒸発器１２６内の冷媒液体は、熱交換器コイル１２８内の第二の液体と熱交換して冷媒蒸気に相変化する。蒸発器１２６内の冷媒蒸気は、蒸発器１２６を出て、且つ吸引管により圧縮機１０８に戻りサイクルを完了させる。システム１００について凝縮器１１２及び蒸発器１２６に対する好ましい実施の形態に関して説明したが、凝縮器１１２及び蒸発器１２６内での冷媒の適宜な相変化が実現されるならば、凝縮器１１２及び蒸発器１２６の任意の適宜な形態がシステム１００内にて使用可能であることが理解される。
【００１７】
蒸発器１２６から圧縮機１０８への供給部又は入口において、圧縮機１０８への冷媒の流れを制御する１つ又はより多数の予回転ベーン（ＰＲＶ）又は入口案内ベーン１２０がある。アクチュエータを使用して予回転ベーン１２０を開き、圧縮機１０８への冷媒の量を増し、これによりシステム１００の冷却能力を増大させる。同様に、アクチュエータを使用して予回転ベーン１２０を閉じて圧縮機１０８への冷媒の量を減少させ、これによりシステム１００の冷却能力を低下させる。
【００１８】
図２には、本発明の好ましい実施の形態の圧縮機１０８の部分断面図が示されている。圧縮機１０８は、冷媒蒸気を圧縮する羽根２０２を有している。次に、圧縮された蒸気は、ディフューザ１１９を通って流れる。ディフューザ１１９は、可変幾何学的形態を有する羽根無しラジアルディフューザであることが好ましい。可変形態ディフューザ（ＶＧＤ）１１９は、冷媒蒸気が通るためディフューザ板２０６とノズル基部板２０８との間に形成されたディフューザ空間２０４を有している。ノズル基部板２０８は、ディフューザリング２１０と共に使用する形態とされている。ディフューザリング２１０を使用してディフューザ空間又は通路２０２を通って流れる冷媒蒸気の速度を制御する。ディフューザリング２１０は、ディフューザ通路２０２内に伸ばされ、該通路を通って流れる蒸気の速度を増し、また、ディフューザ通路２０２から後退させて該通路を通って流れる蒸気の速度を遅くすることができる。ディフューザリング２１０は、電気モータにより駆動される調節機構２１２を使用して伸ばされ且つ後退され、ディフューザ１１９の可変幾何学的形態を提供することができる。可変形態ディフューザ１１９の１つの型式の作用及び構成要素に関するより詳細な説明は、その内容を参考として引用し本明細書に含めた、２００２年１２月６日付けで出願された、米国特許出願明細書１０／３１３，３６４号に記載されている。しかし、本発明と共に任意の適宜なＶＧＤ１１９が使用可能であることを理解すべきである。
【００１９】
制御盤１４０は、システム１００の性能を表示するシステム１００からの入力信号を受け取ることが好ましいＡ／Ｄ変換器１４８を有している。例えば、制御盤１４０により受け取った入力信号は、予回転ベーン１２０の位置、蒸発器１２６から去る冷却した液体の温度、蒸発器１２６及び凝縮器１１２の圧力、圧縮機の排出通路内の音響学的又は音圧の測定値を含むことができる。制御盤１４０は、また、信号をシステム１００の構成要素に送信しシステム１００の作用を制御するインターフェース盤１４６も有している。例えば、制御盤１４０は、予回転ベーン１２０の位置を制御し、存在するならば、選択的な高温ガスバイパス弁１３４（図４参照）の位置を制御し、また、可変形態ディフューザ１１９内のディフューザリング２１０の位置を制御するため信号を送信することができる。制御盤１４０は、また、図１に示さない多数の特徴及び構成要素を含むことができる。これらの特徴及び構成要素は、図示を容易にすべく制御盤１４０を簡略化するため、意図的に省略されている。
【００２０】
制御盤１４０は、システム１００の作用を制御し且つ特に圧縮機の状態に応答して可変形態ディフューザ１１９内にてディフューザリング２１０を伸ばし、或いは後退させるべきときを決定し、システム及び圧縮機の安定性を維持するため制御アルゴリズムを使用する。更に、制御盤１４０は、特定の圧縮機の状態に応答して、存在するならば、選択的な高温ガスバイパス弁１３４（図４及び図５参照）を開き或いは閉じてシステム及び圧縮機の安定性を維持するため制御アルゴリズムを使用することができる。１つの実施の形態において、制御アルゴリズムは、マイクロプロセッサ１５０により実行可能な一連の命令を有する不揮発性記憶装置１４４内に記憶させたコンピュータプログラムとすることができる。制御アルゴリズムは、コンピュータプログラムにて具体化し、且つマイクロプロセッサ１５０により実行されることが好ましいが、制御アルゴリズムは、当該技術の当業者によりデジタル及び／又はアナログハードウェアを使用して具体化し、且つ実行することが可能であることを理解すべきである。ハードウェアを使用して制御アルゴリズムを実行するならば、必要な構成要素を内蔵し、また、例えば、Ａ／Ｄ変換器１４８のような、最早、不要である任意の構成要素を省くため、制御盤１４０の相応する形態を変更することができる。
【００２１】
図３及び図５は、圧縮機及びシステムの安定性を維持する本発明の安定性制御アルゴリズムの状態線図である。安定性制御アルゴリズムは、例えば、操作上の制御アルゴリズムのようなシステムに対するその他の制御アルゴリズムに関する別個のプログラムとして実行することが可能であり、或いは安定性制御アルゴリズムは、システムのその他の制御アルゴリズム内に組み込むことができる。図３に示すように、図１のシステム１００に対し安定性制御機能を提供する本発明の安定性制御アルゴリズムの１つの実施の形態に対する状態線図３００は、６つの主要な制御状態を有する。主要な制御状態は、始動／作動停止状態３０２と、失速待機状態３０４と、失速反応状態３０６と、探査状態３０８と、サージ待機状態３１０と、サージ反応状態３１２とを含む。
【００２２】
始動／作動停止状態３０２は、システム１００の作動中、安定性制御アルゴリズム３００における最初及び最後の制御状態である。システム１００を不動作状態から始動させる、すなわち開始させると、安定性制御アルゴリズム３００は、始動／作動停止状態３０２に入る。同様に、システム１００を停止させ又は作動停止させるべきとき、システム１００を制御する別の制御アルゴリズム又は安定性制御アルゴリズム３００からの作動停止命令に応答して安定性制御アルゴリズム３００内のその他の制御状態の任意の１つから始動／作動停止状態３０２に入る。安定性制御アルゴリズム３００は、圧縮機１０８が始動する迄、始動／作動停止状態３０２に止まる。始動／作動停止状態３０２において、可変形態ディフューザ１１９のディフューザリング２１０は、完全に開いた位置すなわち後退した位置まで動き、これによりディフューザ空間２０４を完全に開く。
【００２３】
失速待機状態３０４には、圧縮機１０８が始動した後に入る。更に、失速待機状態３０４には、失速反応状態３０６における失速状態の修正後に入ることができる。次の状態の１つが生じる迄、すなわち所定の失速待機期間が満了し、サージ状態が検出され、失速状態が検出され、又は予回転ベーン１２０が所定のＰＲＶ変位量以上動く迄、安定性制御アルゴリズム３００は失速待機状態３０４に止まる。予回転ベーン１２０の動きは、圧縮機の状態（例えば、流れ及び（又は）ヘッド）が変化したこと、また、可変形態ディフューザ１１９を調節することが必要であることを示すインジケータとすることができる。本発明の１つの実施の形態において、所定の失速待機期間は、約０．５分ないし約１５分の範囲とすることができ、また、好ましくは、約１０分とし、所定のＰＲＶ変位量は、予回転ベーンが動く範囲の０％ないし約５％の範囲とし、好ましくは、約３％とすることができる。失速待機状態３０４において、可変形態ディフューザ１１９のディフューザリング２１０は、可変形態ディフューザ１１９のディフューザリング２１０がそれ以前にあった状態の位置と同一の位置に保持され又は維持され、これによりディフューザ空間２０４内の開口部を保持し又は維持する。
【００２４】
失速待機状態３０４又は探査状態３０８の何れかにて圧縮機１０８における失速の検出に応答して失速反応状態３０６に入る。圧縮機１０８における失速を検出する１つの技術の過程及び構成要素のより詳細な説明は、その内容を参考として引用し本明細書に含めた、２００３年８月１４日付けで出願された、米国特許明細書１０／６４１，２７７号に記載されている。しかし、本発明と共に任意の適宜な失速検出技術を使用することが可能であることが理解される。安定性制御アルゴリズム３００は、圧縮機１０８において検出された失速状態が修正又は修復される迄、又は圧縮機１０８においてサージ状態が検出される迄、失速反応状態３０６に止まる。本発明の１つの実施の形態において、失速状態は、相応する失速センサ電圧が所定の失速の最小閾値電圧以下となることに応答して修正又は修復されるものと考えられ、この所定の失速最小閾値電圧は、約０．４Ｖないし約０．８Ｖの範囲とすることができ、好ましくは、約０．６Ｖである。失速反応状態３０６において、可変形態ディフューザ１１９のディフューザリング２１０は、閉じた位置に向けて連続的に伸びて、これにより圧縮機１０８において検出された失速状態が修正又は修復される迄、ディフューザ空間２０４内の開口部を閉じる。失速反応状態３０６にて失速状態を修正し又は修復したならば、安定性制御アルゴリズム３００は、失速待機状態３０４に復帰する。
【００２５】
所定の失速待機期間が満了し又は予回転ベーン１２０が失速待機状態３０４にて所定のＰＲＶ変位量以上動くのに応答して探査状態３０８に入る。更に、サージ待機状態３１０にて所定のサージ待機期間が満了した後に探査状態３０８に入ることができる。圧縮機１０８において失速状態又はサージ状態が検出される迄、安定性制御アルゴリズム３００は探査状態３０８に止まる。本発明の１つの実施の形態において、相応する失速センサの電圧が所定の失速最大閾値電圧以上となるのに応答して失速状態が検出され、この所定の失速最大閾値電圧は、約０．６Ｖないし約１．２Ｖの範囲とすることができ、好ましくは、約０．８Ｖである。探査状態３０８において、可変形態ディフューザ１１９のディフューザリング２１０は開き又は後退して、これにより圧縮機１０８においてサージ状態又は失速状態が検出される迄、ディフューザ空間２０４内の開口部を増大させる。本発明の１つの実施の形態において、可変形態ディフューザ１１９のディフューザリング２１０は、約０．５秒ないし約５秒の範囲とすることができ、好ましくは、約１秒又は２秒である所定のパルス間隔を有するパルスにより起動される漸増量又はステップにて開きすなわち後退する。例えば、圧縮機の容量の７０％以下のような低圧縮機負荷のとき、典型的に失速状態が検知され、サージ状態が生じる前に制御される。しかし、例えば圧縮機の容量の７０％以上のような高圧縮機負荷のとき、また、極めて高い水頭又は揚力のとき、探査状態３０８にある間、サージ状態が生じ、この状態は、性質上、瞬間的であり、失速ノイズとして検出することはできない。
【００２６】
失速待機状態３０４、失速反応状態３０６又は探査状態３０８の何れかにて、圧縮機１０８におけるサージ状態の検出に応答してサージ反応状態３１２に入る。圧縮機１０８においてサージを検出する１つの技術に対する過程及び構成要素に関するより詳細な説明は、その内容を参考として引用し本明細書に含めた、米国特許明細書６，４２７，４６４号に記載されている。しかし、本発明と共に任意の適宜なサージ検出技術を使用することが可能であることを理解すべきである。安定性制御アルゴリズム３００は、所定のサージ反応時間が満了する迄、サージ反応状態３１２に止まる。本発明の１つの実施の形態において、所定のサージ反応時間は、約１秒ないし約３０秒の範囲とすることができ、好ましくは、約５秒である。サージ反応状態３１２において、可変形態ディフューザ１１９のディフューザリング２１０は、所定のサージ反応時間の期間に亙って閉じた位置に向けて連続的に伸びて、これによりディフューザ空間又は空隙２０４を減少させ、より安定的な圧縮機の作動能力を提供する。サージ時間の期間は、可変形態ディフューザリング機構２１２及び駆動アクチュエータモータの全体的な速度及びサージの安定性を実現するのに必要な望ましいＶＧＤリング２１０の動きに依存して変更可能である。
【００２７】
サージ反応状態３１２にて圧縮機１０８におけるサージ状態が修正又は修復されたとき、サージ待機状態３１０に入る。所定のサージ待機期間が満了し又は圧縮機１０８が別のサージ状態に入る迄、安定性制御アルゴリズム３００はサージ待機状態３１０に止まる。本発明の１つの実施の形態において、所定のサージ待機期間は、約０．５分ないし約１５分の範囲とすることができ、好ましくは、約１０分である。サージ待機状態３１０において、可変形態ディフューザ１１９のディフューザリング２１０は、それ以前の状態にて可変形態ディフューザ１１９のディフューザリング２１０があった位置と同一の位置に保持され又は維持され、これによりディフューザ空間２０４内の開口部を保持し又は維持する。１つの実施の形態において、サージ待機状態３１０にて別のサージ状態の検出に応答して、安定性制御アルゴリズム３００は、再度、サージ状態３１２に入ることができる。これと代替的に、サージ待機状態３１０にて別のサージ状態の検出に応答して別の制御アルゴリズムを使用してもよい。これらの追加的なサージ事象は、独立的にカウントし又は制御アルゴリズムの一部としてカウントし、圧縮機１０８の作動を停止するときを決定することができる。短い時間間隔にて連続的なサージが生じる場合、安定性制御アルゴリズム３００又は別の制御アルゴリズムは警報を発し又は圧縮機１０８の作動停止保護作用を提供し、圧縮機１０８の損傷を回避することができる。その他の場合、サージ待機状態３１０にて所定のサージ待機期間の満了に応答して、安定性制御アルゴリズム３００は探査状態３０８に入る。
【００２８】
図４には、本発明と共に使用することのできる冷凍システムの１つの代替的な実施の形態が示されている。図４に示した冷凍システム２００は、圧縮機１０８の出口又は排出側と予回転ベーン１２０の入口との間に高温ガスのバイパス管１３２及び高温ガスのバイパス（ＨＧＢＰ）弁１３４が接続され、サージ状態に応答してＨＧＢＰ弁が開いとき、圧縮機の排出側からの圧縮された冷媒を圧縮機１０８の入口に送り出し又は循環させて戻すことを許容し得る点を除いて、図１に示し且つ、上記に詳細に説明した冷凍システム１００と実質的に同様である。圧縮機１０８に提供される、圧縮した冷媒の量（存在すれば）を調節するためＨＧＢＰ弁１３４の位置が制御される。参考として引用し本明細書に含めた、米国特許明細書６，４２７，４６４号には、ＨＧＢＰ弁１３４に対する１つの制御過程が記載されている。しかし、本発明と共に、任意の適宜なＨＧＢＰ弁１３４及び相応する制御過程を使用することが可能であることを理解すべきである。
【００２９】
図５は、システム及び圧縮機の安定性を維持するための安定性制御アルゴリズムの１つの代替的な実施の形態を示す状態線図である。図５に示すように、図４のシステム２００に対して安定性制御を提供する安定性制御アルゴリズムの１つの実施の形態に対する状態線図５００は、以下に説明する、第七の主要な制御状態である、高温ガスのオーバライド状態３１４及び高温ガスのオーバライド状態３１４に対する相応した内部接続部を追加する点を除いて、図３に示し且つ上述した安定性制御アルゴリズム３００に対する状態線図と同様である。
【００３０】
サージ待機状態３１０にある間に、別のサージ状態の検出に応答してサージ反応状態３１２に戻らずに又は、安定性制御アルゴリズム３００に対して上述したように、別の制御アルゴリズムを使用することに代えて、圧縮機１０８が第二のサージ状態を経験するのに応答して、高温度ガスのオーバライド状態３１４に入る。更に、システムを制御する別の制御アルゴリズムからのＨＧＢＰ弁の開き命令の検出に応答して、安定性制御アルゴリズム５００は失速待機状態３０４、失速反応状態３０６又は探査状態３０８から高温ガスオーバライド状態３１４に入ることができる。ＨＧＢＰ弁の開き命令は、その内容を参考として引用し本明細書に含めた、米国特許明細書６，４２７，４６４号に記載されたように、又は任意の他の適宜なＨＧＢＰ弁の制御過程を使用して発生させることができる。更に、高温ガスのオーバライド状態３１４におけるＨＧＢＰ弁１３４の作動は、上述したように制御される。ＨＧＢＰ弁１３４が閉じた位置に戻る迄、安定性制御アルゴリズム５００は、高温ガスのオーバライド状態３１４に止まる。高温ガスのオーバライド状態３１４において、可変形態ディフューザ１１９のディフューザリング２１０は、ＨＧＢＰ弁１３４が開いた位置にあるとき必ず所要位置に保持され又は固定され、これによりディフューザ空間２０４内の開口部を保持し又は固定し、その後にシステムのヘッドが下降し、ＨＧＢＰ弁１３４が閉じられたとき、可変形態ディフューザ１１９を同様のサージ安定位置に維持する。高温ガスのオーバライド状態３１４にてＨＧＢＰ弁１３４が閉じられたとき、安定性制御アルゴリズム５００は、失速待機状態３０４に入る。
【００３１】
本発明の別の実施の形態において、モータ１５２は、モータ１５２の速度を変化させる可変速度駆動装置（図示せず）と接続されている。可変速度駆動装置（ＶＳＤ）により圧縮機の速度を変化させることは、システムを通る冷媒蒸気の流量に影響を与え、また、サージ状態に対する圧縮機の安定性にも影響を与えるであろう。上述した安定性制御アルゴリズム３００、５００は、可変速度駆動装置と共に使用することができる。可変速度駆動装置が存在するとき、システムの作動パラメータ及び圧縮機のＰＲＶ位置情報を利用する順応型容量制御論理装置を使用して、安定性制御アルゴリズム３００、５００がサージ反応状態３１２にある間に、サージが検出されたとき、圧縮機をより速い速度にて作動させることができる。更に、過去の性能パラメータを描出し、且つ記憶装置に記憶させ順応型容量制御論理装置により将来のサージ状態を回避する。１つの順応型容量制御過程の説明は、その内容を参考として引用し本明細書に含めた、米国特許明細書４，６０８，８３３号に記載されている。しかし、本発明と共に任意の適宜な順応型容量制御過程を使用することができる。
【００３２】
本発明は、１つの好ましい実施の形態に関して説明したが、当該技術の当業者は、本発明の範囲から逸脱せずに、いろいろな変更を為し、且つその要素を等価物にて置換することが可能であることが理解されよう。更に、その必須の範囲から逸脱せずに、特定の状況又は材料は、本発明の教示に適応させるため多くの形態変更を加えることができる。このため、本発明は、本発明を実施するのに最良であると考えられるものとして開示した特定の実施の形態に限定するものではなく、本発明は、特許請求の範囲に属する全ての実施の形態を包含することを意図するものである。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体として、遠心圧縮機の安定性を制御する制御システム及びその制御方法に関する。より具体的には、本発明は、圧縮機の不安定な状態に応答して遠心圧縮機の可変形態ディフューザ機構を制御するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
遠心圧縮機は、圧縮機の作動中、サージ又は失速のような不安的状態に遭遇することがある。サージ又はサージングは、遠心圧縮機が軽負荷で、且つ高い圧力比にて作動するときに生じるであろう不安定な状態である。サージは、圧力及び流れが変動する遷移的な現象であり、場合によっては、圧縮機を通って完全に逆方向への流れが生じることがある。サージングは、制御されないならば、圧縮機の回転構成要素及び静止構成要素の双方に過剰な振動を生じさせ、また、圧縮機の恒久的な損傷が生じる結果となる。サージ状態を修正し又は修復する１つの技術は、高温ガスのバイパス弁を開いて、圧縮機の排出ガスの一部を圧縮機の入口に戻して、圧縮機入口における流れを増大させるステップを含むことができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
遠心圧縮機内の回転失速は、圧縮機の回転羽根又は羽根の下流の圧縮機の静止ディフューザ内にて生ずる可能性がある。その双方の場合、回転失速の存在は、圧縮機及び（又は）システムの性能に悪影響を与える可能性がある。羽根無しラジアルディフューザを有する混流遠心圧縮機は、その所期の作動範囲の一部にて、又は、場合によっては、その作動範囲に全部にて、ディフューザの回転失速を経験することがある。典型的に、ディフューザは、流れの一部がディフューザ通路内にて分離を経験せずには、全ての流れを受容することができない設計であるため、ディフューザの回転失速が生じる。ディフューザの回転失速の結果、低周波数の音エネルギすなわち脈動が形成されることになる。これらの脈動は、ガス流路内にて大きい値となり、また、圧縮機、その制御装置又はその他の関係した部品／システムが過早に故障する結果となる。遠心圧縮機の失速状態を修正し又は修復する１つの技術は、可変形態ディフューザ内のディフューザ空間を閉じることを含むことができる。ディフューザ空間を閉じることは、サージ状態に抵抗する圧縮機の能力を向上させることもできる。しかし、ディフューザ空隙の過剰な閉塞は、圧縮機を通る流量又は容量を減少させる可能性がある。
【０００４】
このため、失速及び（又は）サージに抵抗し、且つ遠心圧縮機の安定的な作動を実現するため遠心圧縮機内の可変形態ディフューザ（また、存在するならば、選択的な高温ガスバイパス弁）の制御の調和を図るシステム及び方法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の１つの実施の形態は、冷媒の蒸気を圧縮する形態とされた遠心圧縮機を有する液体冷却機システムに関する。遠心圧縮機は、圧縮されない冷媒蒸気を受ける圧縮機入口と、圧縮した冷媒蒸気を排出する圧縮機出口とを有している。内部にて、圧縮機は、ディフューザを通る圧縮した冷媒蒸気の流路を変化させる可調節型ディフューザリングを有するディフューザを備えている。液体冷却機は、また、圧縮機出口と入口との間に接続される選択的な高温ガスバイパス弁も有している。選択的な高温ガスバイパス弁は、圧縮した冷媒蒸気の一部分が圧縮機出口から圧縮機入口まで流れるのを許容する形態とされており、該バイパス弁は、圧縮機を通る冷媒蒸気の最小の流量を維持するため使用される。液体冷却機システムは、ディフューザ及び選択的な高温ガスバイパス弁を制御し、遠心圧縮機の安定的な作動を維持する安定性制御システムを更に有している。安定性制御システムは、遠心圧縮機内の失速状態の検出に応答してディフューザリングを制御する失速反応状態と、遠心圧縮機内のサージ状態の検出に応答してディフューザリングを制御するサージ反応状態と、遠心圧縮機内の第二のサージ状態の検出に応答して選択的な高温ガスバイパス弁を制御する高温ガスのオーバライド状態と、ディフューザリングに対する最適な位置を得ることができるようディフューザリングを制御する探査状態とを有している。
【０００６】
本発明の別の実施の形態は、閉冷媒回路内に接続された圧縮機と、凝縮器と、蒸発器とを有する冷却機システムに関する。圧縮機は、冷却機システムから圧縮されていない冷媒蒸気を受ける圧縮機入口と、圧縮した冷媒蒸気を冷却機システムまで排出する圧縮機出口と、圧縮機出口に隣接して配置されたディフューザとを有している。ディフューザは、圧縮した冷媒蒸気が圧縮機出口まで流れるのを許容する形態とされたディフューザ空間と、ディフューザ空間の寸法を変化させ、ディフューザ空間を通る圧縮した冷媒蒸気の流れを制御すべくディフューザ空間内に調節可能に配置されたディフューザリングとを有している。冷却機システムは、また、圧縮機内の失速状態及びサージ状態の検出に応答してディフューザ空間内のディフューザリングの位置を制御し、圧縮機の安定的な作動を維持する安定性制御システムも有している。
【０００７】
本発明の更に別の実施の形態は、圧縮機入口と、圧縮機出口と、調節可能な流路を有する可変形態ディフューザとを備える遠心圧縮機の安定的な作動を維持する安定性制御システムに関するものである。安定性制御システムは、遠心圧縮機内の失速状態及びサージ反応状態の検出に応答して可変形態ディフューザの流路を調節し、遠心圧縮機内のサージ状態の検出に応答して可変形態ディフューザの流路を調節する失速反応状態を有している。
【０００８】
本発明の更なる実施の形態は、調節可能な流路を有する可変形態ディフューザを備える遠心圧縮機内にて安定性制御を実現する方法に関する。この方法は、遠心圧縮機の作動中、遠心圧縮機内のサージ状態を反復的に検出するステップと、遠心圧縮機の作動中、遠心圧縮機内の失速状態を反復的に検出するステップと、遠心圧縮機内のサージ状態の検出に応答して所定のサージ反応時間、可変形態ディフューザの流路を連続的に閉じるステップと、遠心圧縮機内の失速状態の検出に応答して検出した失速状態が修正され又はサージ状態が検出される迄、可変形態ディフューザの流路を連続的に閉じるステップとを備えている。
【０００９】
本発明の１つの有利な効果は、遠心圧縮機をサージ状態及び失速状態の存在の双方に効果的に反応するよう制御することが可能な点である
。
【００１０】
本発明の別の有利な効果は、存在するならば、高温ガスバイパス弁の使用が最小限にてより大きいエネルギ効率を提供することである。
本発明のその他の特徴及び有利な効果は、単に一例として本発明の原理を示す添付図面と共に参照するとき、好ましい実施の形態の以下のより詳細な説明から明らかになるであろう。
【００１１】
可能な場合、図面の全体を通じて同一又は同様の部品を示すために同一の参照番号を使用する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の冷凍システムの概略図である。
【図２】本発明と共に使用される遠心圧縮機及びディフューザの部分断面図である。
【図３】図１に示した冷凍システムと共に使用される本発明の制御システム及び方法の状態線図である。
【図４】本発明による冷凍システムの１つの代替的な実施の形態を示す概略図である。
【図５】図４に示した冷凍システムと共に使用される本発明の制御システム及び方法の状態線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明を適用することのできる全体的なシステムは、単に一例として、図１に示されている。図示するように、冷凍又は液体冷却機システム１００であるＨＶＡＣは、圧縮機１０８と、凝縮器１１２と、水冷却機又は蒸発器１２６と、制御盤１４０とを有している。制御盤１４０は、アナログ対デジタル（Ａ／Ｄ）変換器１４８と、マイクロプロセッサ１５０と、不揮発性記憶装置１４４と、インターフェース盤１４６とを有することができる。制御盤１４０の作用については、以下により詳細に説明する。従来の液体冷却機システム１００は、図１に示さないその他の多くの特徴を備えている。これらの特徴は、図示を容易にすべく図面の簡略化のため意図的に省略されている。
【００１４】
圧縮機１０８は、冷媒蒸気を圧縮し、且つ、蒸気を排出管を通して凝縮器１１２に送り出す。圧縮機１０８は、遠心圧縮機であることが好ましい。圧縮機１０８を駆動するため、システム１００は、圧縮機１０８のモータ又は駆動機構１５２を有している。「モータ」という用語は、圧縮機１０８の駆動機構に関して使用するが、「モータ」という用語は、モータにのみ限定されず、可変速度駆動装置及びモータ始動器のようなモータ１５２の駆動に関連して使用することのできる任意の構成要素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１つの好ましい実施の形態において、モータ又は駆動機構１５２は、電気モータ及び関係した構成要素である。しかし、蒸気又はガスタービン又はエンジン及び関係した構成要素のようなその他の駆動機構を使用して圧縮機１０８を駆動することができる。
【００１５】
圧縮機１０８により凝縮器１１２に送り出された冷媒蒸気は、例えば、空気又は水のような流体との熱交換関係に入り、熱交換関係の結果、冷媒液体へと相変化する。凝縮器１１２からの凝縮した液体冷媒は、膨張装置（図示せず）を通って蒸発器１２６に流れる。１つの好ましい実施の形態において、凝縮器１１２内の冷媒蒸気は、冷却塔１２２と接続された熱交換コイル１１６を通って流れる水と熱交換する。凝縮器１１２内の冷媒蒸気は、熱交換器コイル１１６内の水と熱交換して冷媒液体に相変化する。
【００１６】
蒸発器１２６は、供給管１２８Ｓと、冷却負荷１３０と接続され戻し管１２８Ｒとを有する熱交換器コイル１２８を備えることが好ましい。熱交換器コイル１２８は、蒸発器１２６内に複数の管束を有することができる。水であることが好ましいが、例えば、エチレン、塩化カルシウム塩水又は塩化ナトリウム塩水のような任意の他の適宜な二次的液体とすることのできる第二の液体は、戻し管１２８Ｒを介して蒸発器１２６内に流れ、且つ供給管１２８Ｓを介して蒸発器１２６から出る。蒸発器１２６内の液体冷媒は、熱交換器コイル１２８内の第二の液体と熱交換し、熱交換器コイル１２８内の第二の液体の温度を冷却する。蒸発器１２６内の冷媒液体は、熱交換器コイル１２８内の第二の液体と熱交換して冷媒蒸気に相変化する。蒸発器１２６内の冷媒蒸気は、蒸発器１２６を出て、且つ吸引管により圧縮機１０８に戻りサイクルを完了させる。システム１００について凝縮器１１２及び蒸発器１２６に対する好ましい実施の形態に関して説明したが、凝縮器１１２及び蒸発器１２６内での冷媒の適宜な相変化が実現されるならば、凝縮器１１２及び蒸発器１２６の任意の適宜な形態がシステム１００内にて使用可能であることが理解される。
【００１７】
蒸発器１２６から圧縮機１０８への供給部又は入口において、圧縮機１０８への冷媒の流れを制御する１つ又はより多数の予回転ベーン（ＰＲＶ）又は入口案内ベーン１２０がある。アクチュエータを使用して予回転ベーン１２０を開き、圧縮機１０８への冷媒の量を増し、これによりシステム１００の冷却能力を増大させる。同様に、アクチュエータを使用して予回転ベーン１２０を閉じて圧縮機１０８への冷媒の量を減少させ、これによりシステム１００の冷却能力を低下させる。
【００１８】
図２には、本発明の好ましい実施の形態の圧縮機１０８の部分断面図が示されている。圧縮機１０８は、冷媒蒸気を圧縮する羽根２０２を有している。次に、圧縮された蒸気は、ディフューザ１１９を通って流れる。ディフューザ１１９は、可変幾何学的形態を有する羽根無しラジアルディフューザであることが好ましい。可変形態ディフューザ（ＶＧＤ）１１９は、冷媒蒸気が通るためディフューザ板２０６とノズル基部板２０８との間に形成されたディフューザ空間２０４を有している。ノズル基部板２０８は、ディフューザリング２１０と共に使用する形態とされている。ディフューザリング２１０を使用してディフューザ空間又は通路２０２を通って流れる冷媒蒸気の速度を制御する。ディフューザリング２１０は、ディフューザ通路２０２内に伸ばされ、該通路を通って流れる蒸気の速度を増し、また、ディフューザ通路２０２から後退させて該通路を通って流れる蒸気の速度を遅くすることができる。ディフューザリング２１０は、電気モータにより駆動される調節機構２１２を使用して伸ばされ且つ後退され、ディフューザ１１９の可変幾何学的形態を提供することができる。可変形態ディフューザ１１９の１つの型式の作用及び構成要素に関するより詳細な説明は、その内容を参考として引用し本明細書に含めた、２００２年１２月６日付けで出願された、米国特許出願明細書１０／３１３，３６４号に記載されている。しかし、本発明と共に任意の適宜なＶＧＤ１１９が使用可能であることを理解すべきである。
【００１９】
制御盤１４０は、システム１００の性能を表示するシステム１００からの入力信号を受け取ることが好ましいＡ／Ｄ変換器１４８を有している。例えば、制御盤１４０により受け取った入力信号は、予回転ベーン１２０の位置、蒸発器１２６から去る冷却した液体の温度、蒸発器１２６及び凝縮器１１２の圧力、圧縮機の排出通路内の音響学的又は音圧の測定値を含むことができる。制御盤１４０は、また、信号をシステム１００の構成要素に送信しシステム１００の作用を制御するインターフェース盤１４６も有している。例えば、制御盤１４０は、予回転ベーン１２０の位置を制御し、存在するならば、選択的な高温ガスバイパス弁１３４（図４参照）の位置を制御し、また、可変形態ディフューザ１１９内のディフューザリング２１０の位置を制御するため信号を送信することができる。制御盤１４０は、また、図１に示さない多数の特徴及び構成要素を含むことができる。これらの特徴及び構成要素は、図示を容易にすべく制御盤１４０を簡略化するため、意図的に省略されている。
【００２０】
制御盤１４０は、システム１００の作用を制御し且つ特に圧縮機の状態に応答して可変形態ディフューザ１１９内にてディフューザリング２１０を伸ばし、或いは後退させるべきときを決定し、システム及び圧縮機の安定性を維持するため制御アルゴリズムを使用する。更に、制御盤１４０は、特定の圧縮機の状態に応答して、存在するならば、選択的な高温ガスバイパス弁１３４（図４及び図５参照）を開き或いは閉じてシステム及び圧縮機の安定性を維持するため制御アルゴリズムを使用することができる。１つの実施の形態において、制御アルゴリズムは、マイクロプロセッサ１５０により実行可能な一連の命令を有する不揮発性記憶装置１４４内に記憶させたコンピュータプログラムとすることができる。制御アルゴリズムは、コンピュータプログラムにて具体化し、且つマイクロプロセッサ１５０により実行されることが好ましいが、制御アルゴリズムは、当該技術の当業者によりデジタル及び／又はアナログハードウェアを使用して具体化し、且つ実行することが可能であることを理解すべきである。ハードウェアを使用して制御アルゴリズムを実行するならば、必要な構成要素を内蔵し、また、例えば、Ａ／Ｄ変換器１４８のような、最早、不要である任意の構成要素を省くため、制御盤１４０の相応する形態を変更することができる。
【００２１】
図３及び図５は、圧縮機及びシステムの安定性を維持する本発明の安定性制御アルゴリズムの状態線図である。安定性制御アルゴリズムは、例えば、操作上の制御アルゴリズムのようなシステムに対するその他の制御アルゴリズムに関する別個のプログラムとして実行することが可能であり、或いは安定性制御アルゴリズムは、システムのその他の制御アルゴリズム内に組み込むことができる。図３に示すように、図１のシステム１００に対し安定性制御機能を提供する本発明の安定性制御アルゴリズムの１つの実施の形態に対する状態線図３００は、６つの主要な制御状態を有する。主要な制御状態は、始動／作動停止状態３０２と、失速待機状態３０４と、失速反応状態３０６と、探査状態３０８と、サージ待機状態３１０と、サージ反応状態３１２とを含む。
【００２２】
始動／作動停止状態３０２は、システム１００の作動中、安定性制御アルゴリズム３００における最初及び最後の制御状態である。システム１００を不動作状態から始動させる、すなわち開始させると、安定性制御アルゴリズム３００は、始動／作動停止状態３０２に入る。同様に、システム１００を停止させ又は作動停止させるべきとき、システム１００を制御する別の制御アルゴリズム又は安定性制御アルゴリズム３００からの作動停止命令に応答して安定性制御アルゴリズム３００内のその他の制御状態の任意の１つから始動／作動停止状態３０２に入る。安定性制御アルゴリズム３００は、圧縮機１０８が始動する迄、始動／作動停止状態３０２に止まる。始動／作動停止状態３０２において、可変形態ディフューザ１１９のディフューザリング２１０は、完全に開いた位置すなわち後退した位置まで動き、これによりディフューザ空間２０４を完全に開く。
【００２３】
失速待機状態３０４には、圧縮機１０８が始動した後に入る。更に、失速待機状態３０４には、失速反応状態３０６における失速状態の修正後に入ることができる。次の状態の１つが生じる迄、すなわち所定の失速待機期間が満了し、サージ状態が検出され、失速状態が検出され、又は予回転ベーン１２０が所定のＰＲＶ変位量以上動く迄、安定性制御アルゴリズム３００は失速待機状態３０４に止まる。予回転ベーン１２０の動きは、圧縮機の状態（例えば、流れ及び（又は）ヘッド）が変化したこと、また、可変形態ディフューザ１１９を調節することが必要であることを示すインジケータとすることができる。本発明の１つの実施の形態において、所定の失速待機期間は、約０．５分ないし約１５分の範囲とすることができ、また、好ましくは、約１０分とし、所定のＰＲＶ変位量は、予回転ベーンが動く範囲の０％ないし約５％の範囲とし、好ましくは、約３％とすることができる。失速待機状態３０４において、可変形態ディフューザ１１９のディフューザリング２１０は、可変形態ディフューザ１１９のディフューザリング２１０がそれ以前にあった状態の位置と同一の位置に保持され又は維持され、これによりディフューザ空間２０４内の開口部を保持し又は維持する。
【００２４】
失速待機状態３０４又は探査状態３０８の何れかにて圧縮機１０８における失速の検出に応答して失速反応状態３０６に入る。圧縮機１０８における失速を検出する１つの技術の過程及び構成要素のより詳細な説明は、その内容を参考として引用し本明細書に含めた、２００３年８月１４日付けで出願された、米国特許明細書１０／６４１，２７７号に記載されている。しかし、本発明と共に任意の適宜な失速検出技術を使用することが可能であることが理解される。安定性制御アルゴリズム３００は、圧縮機１０８において検出された失速状態が修正又は修復される迄、又は圧縮機１０８においてサージ状態が検出される迄、失速反応状態３０６に止まる。本発明の１つの実施の形態において、失速状態は、相応する失速センサ電圧が所定の失速の最小閾値電圧以下となることに応答して修正又は修復されるものと考えられ、この所定の失速最小閾値電圧は、約０．４Ｖないし約０．８Ｖの範囲とすることができ、好ましくは、約０．６Ｖである。失速反応状態３０６において、可変形態ディフューザ１１９のディフューザリング２１０は、閉じた位置に向けて連続的に伸びて、これにより圧縮機１０８において検出された失速状態が修正又は修復される迄、ディフューザ空間２０４内の開口部を閉じる。失速反応状態３０６にて失速状態を修正し又は修復したならば、安定性制御アルゴリズム３００は、失速待機状態３０４に復帰する。
【００２５】
所定の失速待機期間が満了し又は予回転ベーン１２０が失速待機状態３０４にて所定のＰＲＶ変位量以上動くのに応答して探査状態３０８に入る。更に、サージ待機状態３１０にて所定のサージ待機期間が満了した後に探査状態３０８に入ることができる。圧縮機１０８において失速状態又はサージ状態が検出される迄、安定性制御アルゴリズム３００は探査状態３０８に止まる。本発明の１つの実施の形態において、相応する失速センサの電圧が所定の失速最大閾値電圧以上となるのに応答して失速状態が検出され、この所定の失速最大閾値電圧は、約０．６Ｖないし約１．２Ｖの範囲とすることができ、好ましくは、約０．８Ｖである。探査状態３０８において、可変形態ディフューザ１１９のディフューザリング２１０は開き又は後退して、これにより圧縮機１０８においてサージ状態又は失速状態が検出される迄、ディフューザ空間２０４内の開口部を増大させる。本発明の１つの実施の形態において、可変形態ディフューザ１１９のディフューザリング２１０は、約０．５秒ないし約５秒の範囲とすることができ、好ましくは、約１秒又は２秒である所定のパルス間隔を有するパルスにより起動される漸増量又はステップにて開きすなわち後退する。例えば、圧縮機の容量の７０％以下のような低圧縮機負荷のとき、典型的に失速状態が検知され、サージ状態が生じる前に制御される。しかし、例えば圧縮機の容量の７０％以上のような高圧縮機負荷のとき、また、極めて高い水頭又は揚力のとき、探査状態３０８にある間、サージ状態が生じ、この状態は、性質上、瞬間的であり、失速ノイズとして検出することはできない。
【００２６】
失速待機状態３０４、失速反応状態３０６又は探査状態３０８の何れかにて、圧縮機１０８におけるサージ状態の検出に応答してサージ反応状態３１２に入る。圧縮機１０８においてサージを検出する１つの技術に対する過程及び構成要素に関するより詳細な説明は、その内容を参考として引用し本明細書に含めた、米国特許明細書６，４２７，４６４号に記載されている。しかし、本発明と共に任意の適宜なサージ検出技術を使用することが可能であることを理解すべきである。安定性制御アルゴリズム３００は、所定のサージ反応時間が満了する迄、サージ反応状態３１２に止まる。本発明の１つの実施の形態において、所定のサージ反応時間は、約１秒ないし約３０秒の範囲とすることができ、好ましくは、約５秒である。サージ反応状態３１２において、可変形態ディフューザ１１９のディフューザリング２１０は、所定のサージ反応時間の期間に亙って閉じた位置に向けて連続的に伸びて、これによりディフューザ空間又は空隙２０４を減少させ、より安定的な圧縮機の作動能力を提供する。サージ時間の期間は、可変形態ディフューザリング機構２１２及び駆動アクチュエータモータの全体的な速度及びサージの安定性を実現するのに必要な望ましいＶＧＤリング２１０の動きに依存して変更可能である。
【００２７】
サージ反応状態３１２にて圧縮機１０８におけるサージ状態が修正又は修復されたとき、サージ待機状態３１０に入る。所定のサージ待機期間が満了し又は圧縮機１０８が別のサージ状態に入る迄、安定性制御アルゴリズム３００はサージ待機状態３１０に止まる。本発明の１つの実施の形態において、所定のサージ待機期間は、約０．５分ないし約１５分の範囲とすることができ、好ましくは、約１０分である。サージ待機状態３１０において、可変形態ディフューザ１１９のディフューザリング２１０は、それ以前の状態にて可変形態ディフューザ１１９のディフューザリング２１０があった位置と同一の位置に保持され又は維持され、これによりディフューザ空間２０４内の開口部を保持し又は維持する。１つの実施の形態において、サージ待機状態３１０にて別のサージ状態の検出に応答して、安定性制御アルゴリズム３００は、再度、サージ状態３１２に入ることができる。これと代替的に、サージ待機状態３１０にて別のサージ状態の検出に応答して別の制御アルゴリズムを使用してもよい。これらの追加的なサージ事象は、独立的にカウントし又は制御アルゴリズムの一部としてカウントし、圧縮機１０８の作動を停止するときを決定することができる。短い時間間隔にて連続的なサージが生じる場合、安定性制御アルゴリズム３００又は別の制御アルゴリズムは警報を発し又は圧縮機１０８の作動停止保護作用を提供し、圧縮機１０８の損傷を回避することができる。その他の場合、サージ待機状態３１０にて所定のサージ待機期間の満了に応答して、安定性制御アルゴリズム３００は探査状態３０８に入る。
【００２８】
図４には、本発明と共に使用することのできる冷凍システムの１つの代替的な実施の形態が示されている。図４に示した冷凍システム２００は、圧縮機１０８の出口又は排出側と予回転ベーン１２０の入口との間に高温ガスのバイパス管１３２及び高温ガスのバイパス（ＨＧＢＰ）弁１３４が接続され、サージ状態に応答してＨＧＢＰ弁が開いとき、圧縮機の排出側からの圧縮された冷媒を圧縮機１０８の入口に送り出し又は循環させて戻すことを許容し得る点を除いて、図１に示し且つ、上記に詳細に説明した冷凍システム１００と実質的に同様である。圧縮機１０８に提供される、圧縮した冷媒の量（存在すれば）を調節するためＨＧＢＰ弁１３４の位置が制御される。参考として引用し本明細書に含めた、米国特許明細書６，４２７，４６４号には、ＨＧＢＰ弁１３４に対する１つの制御過程が記載されている。しかし、本発明と共に、任意の適宜なＨＧＢＰ弁１３４及び相応する制御過程を使用することが可能であることを理解すべきである。
【００２９】
図５は、システム及び圧縮機の安定性を維持するための安定性制御アルゴリズムの１つの代替的な実施の形態を示す状態線図である。図５に示すように、図４のシステム２００に対して安定性制御を提供する安定性制御アルゴリズムの１つの実施の形態に対する状態線図５００は、以下に説明する、第七の主要な制御状態である、高温ガスのオーバライド状態３１４及び高温ガスのオーバライド状態３１４に対する相応した内部接続部を追加する点を除いて、図３に示し且つ上述した安定性制御アルゴリズム３００に対する状態線図と同様である。
【００３０】
サージ待機状態３１０にある間に、別のサージ状態の検出に応答してサージ反応状態３１２に戻らずに又は、安定性制御アルゴリズム３００に対して上述したように、別の制御アルゴリズムを使用することに代えて、圧縮機１０８が第二のサージ状態を経験するのに応答して、高温度ガスのオーバライド状態３１４に入る。更に、システムを制御する別の制御アルゴリズムからのＨＧＢＰ弁の開き命令の検出に応答して、安定性制御アルゴリズム５００は失速待機状態３０４、失速反応状態３０６又は探査状態３０８から高温ガスオーバライド状態３１４に入ることができる。ＨＧＢＰ弁の開き命令は、その内容を参考として引用し本明細書に含めた、米国特許明細書６，４２７，４６４号に記載されたように、又は任意の他の適宜なＨＧＢＰ弁の制御過程を使用して発生させることができる。更に、高温ガスのオーバライド状態３１４におけるＨＧＢＰ弁１３４の作動は、上述したように制御される。ＨＧＢＰ弁１３４が閉じた位置に戻る迄、安定性制御アルゴリズム５００は、高温ガスのオーバライド状態３１４に止まる。高温ガスのオーバライド状態３１４において、可変形態ディフューザ１１９のディフューザリング２１０は、ＨＧＢＰ弁１３４が開いた位置にあるとき必ず所要位置に保持され又は固定され、これによりディフューザ空間２０４内の開口部を保持し又は固定し、その後にシステムのヘッドが下降し、ＨＧＢＰ弁１３４が閉じられたとき、可変形態ディフューザ１１９を同様のサージ安定位置に維持する。高温ガスのオーバライド状態３１４にてＨＧＢＰ弁１３４が閉じられたとき、安定性制御アルゴリズム５００は、失速待機状態３０４に入る。
【００３１】
本発明の別の実施の形態において、モータ１５２は、モータ１５２の速度を変化させる可変速度駆動装置（図示せず）と接続されている。可変速度駆動装置（ＶＳＤ）により圧縮機の速度を変化させることは、システムを通る冷媒蒸気の流量に影響を与え、また、サージ状態に対する圧縮機の安定性にも影響を与えるであろう。上述した安定性制御アルゴリズム３００、５００は、可変速度駆動装置と共に使用することができる。可変速度駆動装置が存在するとき、システムの作動パラメータ及び圧縮機のＰＲＶ位置情報を利用する順応型容量制御論理装置を使用して、安定性制御アルゴリズム３００、５００がサージ反応状態３１２にある間に、サージが検出されたとき、圧縮機をより速い速度にて作動させることができる。更に、過去の性能パラメータを描出し、且つ記憶装置に記憶させ順応型容量制御論理装置により将来のサージ状態を回避する。１つの順応型容量制御過程の説明は、その内容を参考として引用し本明細書に含めた、米国特許明細書４，６０８，８３３号に記載されている。しかし、本発明と共に任意の適宜な順応型容量制御過程を使用することができる。
【００３２】
本発明は、１つの好ましい実施の形態に関して説明したが、当該技術の当業者は、本発明の範囲から逸脱せずに、いろいろな変更を為し、且つその要素を等価物にて置換することが可能であることが理解されよう。更に、その必須の範囲から逸脱せずに、特定の状況又は材料は、本発明の教示に適応させるため多くの形態変更を加えることができる。このため、本発明は、本発明を実施するのに最良であると考えられるものとして開示した特定の実施の形態に限定するものではなく、本発明は、特許請求の範囲に属する全ての実施の形態を包含することを意図するものである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却機システムにおいて、
閉冷媒回路内に接続された圧縮機と、凝縮器と、蒸発器と、を備え、
圧縮機は、
冷却機システムから圧縮されていない冷媒蒸気を受容する圧縮機入口と、
圧縮した冷媒蒸気を冷却機システムに排出する圧縮機出口と、
圧縮機出口の近くに配置されたディフューザであって、圧縮した冷媒蒸気が圧縮機出口まで流れるのを許容する形態とされたディフューザ空間と、ディフューザ空間の寸法を変化させ、ディフューザ空間を通る圧縮した冷媒蒸気の流れを制御すべくディフューザ空間内に調節可能に配置されたディフューザリングとを有する、ディフューザと、を備え、
圧縮機における失速状態またはサージ状態の検出に応答し、前記検出された失速状態またはサージ状態が修正されるまでディフューザ空間内のディフューザリングの位置を調整し、圧縮機の安定的な作動を維持する安定性制御システムを備える、
冷却機システム。
【請求項２】
前記安定性制御システムは、サージ状態の検出に応答してディフューザリングをディフューザ空間内に伸ばす、請求項１に記載の冷却機システム。
【請求項３】
前記安定性制御システムは、サージ状態の検出に応答して所定のサージ反応時間の期間、ディフューザリングをディフューザ空間内に連続的に伸ばす、請求項２に記載の冷却機システム。
【請求項４】
所定のサージ反応時間の期間は、約１秒ないし約３０秒の範囲にある、請求項３に記載の冷却機システム。
【請求項５】
前記安定性制御システムは、失速状態の検出に応答してディフューザリングをディフューザ空間内に伸ばす、請求項１に記載の冷却機システム。
【請求項６】
前記安定性制御システムは、検出された失速状態が修正され又はサージ状態が検出される迄、ディフューザリングをディフューザ空間内に連続的に伸ばす、請求項５に記載の冷却機システム。
【請求項７】
前記安定性制御システムは、失速状態またはサージ状態の修正に応答してディフューザリングをディフューザ空間内の所要位置に保持する、請求項１に記載の冷却機システム。
【請求項８】
前記安定性制御システムは、探査状態に応答してディフューザリングをディフューザ空間から後退させる、請求項１に記載の冷却機システム。
【請求項９】
圧縮機出口と圧縮機入口との間に接続された高温ガスのバイパス弁を更に備え、高温ガスのバイパス弁は、圧縮した冷媒蒸気の一部分が圧縮機出口から圧縮機入口まで流れるのを許容する形態とされる、請求項１に記載の冷却機システム。
【請求項１０】
圧縮機入口と、圧縮機出口と、調節可能な流路を有する可変形態ディフューザとを備える遠心圧縮機の安定的な作動を維持する安定性制御システムにおいて、
遠心圧縮機内の失速状態の検出に応答して、前記検出された失速状態が修正されるまで可変形態ディフューザの流路を連続的に調節する失速反応状態と、
遠心圧縮機内のサージ状態の検出に応答して、前記検出されたサージ状態が修正されるまで可変形態ディフューザの流路を連続的に調節するサージ反応状態とを備える、安定性制御システム。
【請求項１１】
前記サージ反応状態は、所定のサージ反応時間の期間、可変形態ディフューザの流路を連続的に閉じる形態とされる、請求項１０に記載の安定性制御システム。
【請求項１２】
前記所定のサージ反応時間の期間は、約１秒ないし約３０秒の範囲にある、請求項１１に記載の安定性制御システム。
【請求項１３】
前記失速反応状態は、検出された失速状態が修正され又はサージ状態が検出される迄、可変形態ディフューザの流路を連続的に閉じる形態とされる、請求項１２に記載の安定性制御システム。
【請求項１４】
前記圧縮機を始動させる前に、可変形態ディフューザの流路を完全に開く始動状態を更に備える、請求項１０に記載の安定性制御システム。
【請求項１５】
調節可能な流路を有する可変形態ディフューザを備える遠心圧縮機内にて安定性の制御を提供する方法において、
遠心圧縮機が作動する間、遠心圧縮機におけるサージ状態または失速状態を反復的に検出するステップと、
遠心圧縮機におけるサージ状態の検出に応答して、所定のサージ反応時間の期間、可変形態ディフューザの流路を連続的に閉じるステップと、
遠心圧縮機の失速状態の検出に応答して、検出された失速状態が修正され又はサージ状態が検出される迄、可変形態ディフューザの流路を連続的に閉じるステップと、
を備える、遠心分離機内にて安定性の制御を提供する方法。
【請求項１６】
前記所定のサージ反応時間の期間は約１秒ないし約３０秒の範囲にある、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
所定の状態に応答して、失速状態及びサージ状態の一方が検出される迄、可変形態ディフューザの流路を漸増的に開くステップを更に備える、請求項１５に記載の方法。
囲にある、方法。
【請求項１８】
遠心圧縮機の停止に応答して、可変形態ディフューザの流路を完全に開くステップを更に備える、請求項１５に記載の方法。
【請求項１】
冷却機システムにおいて、
閉冷媒回路内に接続された圧縮機と、凝縮器と、蒸発器と、を備え、
圧縮機は、
冷却機システムから圧縮されていない冷媒蒸気を受容する圧縮機入口と、
圧縮した冷媒蒸気を冷却機システムに排出する圧縮機出口と、
圧縮機出口の近くに配置されたディフューザであって、圧縮した冷媒蒸気が圧縮機出口まで流れるのを許容する形態とされたディフューザ空間と、ディフューザ空間の寸法を変化させ、ディフューザ空間を通る圧縮した冷媒蒸気の流れを制御すべくディフューザ空間内に調節可能に配置されたディフューザリングとを有する、ディフューザと、を備え、
圧縮機における失速状態またはサージ状態の検出に応答し、前記検出された失速状態またはサージ状態が修正されるまでディフューザ空間内のディフューザリングの位置を調整し、圧縮機の安定的な作動を維持する安定性制御システムを備える、
冷却機システム。
【請求項２】
前記安定性制御システムは、サージ状態の検出に応答してディフューザリングをディフューザ空間内に伸ばす、請求項１に記載の冷却機システム。
【請求項３】
前記安定性制御システムは、サージ状態の検出に応答して所定のサージ反応時間の期間、ディフューザリングをディフューザ空間内に連続的に伸ばす、請求項２に記載の冷却機システム。
【請求項４】
所定のサージ反応時間の期間は、約１秒ないし約３０秒の範囲にある、請求項３に記載の冷却機システム。
【請求項５】
前記安定性制御システムは、失速状態の検出に応答してディフューザリングをディフューザ空間内に伸ばす、請求項１に記載の冷却機システム。
【請求項６】
前記安定性制御システムは、検出された失速状態が修正され又はサージ状態が検出される迄、ディフューザリングをディフューザ空間内に連続的に伸ばす、請求項５に記載の冷却機システム。
【請求項７】
前記安定性制御システムは、失速状態またはサージ状態の修正に応答してディフューザリングをディフューザ空間内の所要位置に保持する、請求項１に記載の冷却機システム。
【請求項８】
前記安定性制御システムは、探査状態に応答してディフューザリングをディフューザ空間から後退させる、請求項１に記載の冷却機システム。
【請求項９】
圧縮機出口と圧縮機入口との間に接続された高温ガスのバイパス弁を更に備え、高温ガスのバイパス弁は、圧縮した冷媒蒸気の一部分が圧縮機出口から圧縮機入口まで流れるのを許容する形態とされる、請求項１に記載の冷却機システム。
【請求項１０】
圧縮機入口と、圧縮機出口と、調節可能な流路を有する可変形態ディフューザとを備える遠心圧縮機の安定的な作動を維持する安定性制御システムにおいて、
遠心圧縮機内の失速状態の検出に応答して、前記検出された失速状態が修正されるまで可変形態ディフューザの流路を連続的に調節する失速反応状態と、
遠心圧縮機内のサージ状態の検出に応答して、前記検出されたサージ状態が修正されるまで可変形態ディフューザの流路を連続的に調節するサージ反応状態とを備える、安定性制御システム。
【請求項１１】
前記サージ反応状態は、所定のサージ反応時間の期間、可変形態ディフューザの流路を連続的に閉じる形態とされる、請求項１０に記載の安定性制御システム。
【請求項１２】
前記所定のサージ反応時間の期間は、約１秒ないし約３０秒の範囲にある、請求項１１に記載の安定性制御システム。
【請求項１３】
前記失速反応状態は、検出された失速状態が修正され又はサージ状態が検出される迄、可変形態ディフューザの流路を連続的に閉じる形態とされる、請求項１２に記載の安定性制御システム。
【請求項１４】
前記圧縮機を始動させる前に、可変形態ディフューザの流路を完全に開く始動状態を更に備える、請求項１０に記載の安定性制御システム。
【請求項１５】
調節可能な流路を有する可変形態ディフューザを備える遠心圧縮機内にて安定性の制御を提供する方法において、
遠心圧縮機が作動する間、遠心圧縮機におけるサージ状態または失速状態を反復的に検出するステップと、
遠心圧縮機におけるサージ状態の検出に応答して、所定のサージ反応時間の期間、可変形態ディフューザの流路を連続的に閉じるステップと、
遠心圧縮機の失速状態の検出に応答して、検出された失速状態が修正され又はサージ状態が検出される迄、可変形態ディフューザの流路を連続的に閉じるステップと、
を備える、遠心分離機内にて安定性の制御を提供する方法。
【請求項１６】
前記所定のサージ反応時間の期間は約１秒ないし約３０秒の範囲にある、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
所定の状態に応答して、失速状態及びサージ状態の一方が検出される迄、可変形態ディフューザの流路を漸増的に開くステップを更に備える、請求項１５に記載の方法。
囲にある、方法。
【請求項１８】
遠心圧縮機の停止に応答して、可変形態ディフューザの流路を完全に開くステップを更に備える、請求項１５に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−２６１４６４（Ｐ２０１０−２６１４６４Ａ）
【公開日】平成２２年１１月１８日（２０１０．１１．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１９０６３５（Ｐ２０１０−１９０６３５）
【出願日】平成２２年８月２７日（２０１０．８．２７）
【分割の表示】特願２００６−５３４３８５（Ｐ２００６−５３４３８５）の分割
【原出願日】平成１６年１０月８日（２００４．１０．８）
【出願人】（５９２０３５７３０）ヨーク・インターナショナル・コーポレーション (34)
【氏名又は名称原語表記】ＹＯＲＫ ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月１８日（２０１０．１１．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月２７日（２０１０．８．２７）
【分割の表示】特願２００６−５３４３８５（Ｐ２００６−５３４３８５）の分割
【原出願日】平成１６年１０月８日（２００４．１０．８）
【出願人】（５９２０３５７３０）ヨーク・インターナショナル・コーポレーション (34)
【氏名又は名称原語表記】ＹＯＲＫ ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【Ｆターム（参考）】
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