JPS6325398A - 遠心圧縮機及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、ターボ機械に係り、更に詳細にはターボ機械
に使用されるディフューザ構造体に係る。

従来の技術 ガス圧縮機の如き遠心ターボ機械に於ては、インペラよ
り高速度にて流出している流動する媒体の運動エネルギ
が圧力エネルギに変換され、圧縮機の効率及び安定性は
運動エネルギを静圧に変換する手段に依存している。圧
縮負荷が広範囲に亙り変化する冷凍システムに於て一定
の速度にて作動する遠心ガス圧縮機を使用する場合に生
じる主要な問題の一つは、圧縮機を流れる流体の流れの
安定性の問題である。圧縮機の入口、インペラ、及びデ
ィフューザ通路は所望の最大体積流量を達成し得るよう
な大きさに設定されければならない。

しかしディフューザののど面積が一定に維持された状態
で、ターボ機械に対する容量制御がターボ機械の入口に
配置された一連の調節可能なガイドベーンの位置を変化
させることにより達成される場合には、インペラへ供給
される冷媒の質量流量がターボ機械に課せられる変化す
る要求負荷に適合するよう変化される。しかし最大流量
に於ては、インペラより流出する冷媒は固定されたディ
フューザが処理し得る流量以上であり、従って冷媒の流
れはディフューザののど部に於てチョークされた状態に
なる。かかる圧縮機を流れる流体の体積流量が小さい場
合には、ディフューザは大きすぎて、流体の流れが不安
定になる。流体の体積流量が安定な範囲より低減される
と、流体の流れは僅かに不安定な流れの範囲に進入する
。この僅かに不安定な範囲に於ては、インペラ及びディ
フューザ内の流体の流れは流れ通路の全長に亙り流路壁
より剥離した状態になり、ディフューザ通路内に部分的
な逆流が生じ、これにより騒音が発生し、また圧縮機の
効率が低下される。この僅かに不安定な範囲よりも流量
が小さい範囲に於ては、圧縮機は所謂サージの領域に進
入し、ディフューザ通路内に流体全体の逆流が生じ、タ
ーボ機械の効率が大きく低下される。

多くの高性能の遠心圧縮段に於ては、運動エネルギの変
換を達成するために固定されたベーンのディフューザセ
クションが使用されている。何故ならば、固定されたベ
ーンのディフューザはベーンレスディフューザよりも設
計入射角に於ける効率が高いからである。流量の下限値
は、インペラよりの流体の流れが流量が減少するにつれ
て一層接線方向になる状態として生じるサージ、即ち失
速条件の開始に対応している。かかる流れ態様により、
固定されたディフューザベーンのリーディングエツジに
対する流体の流れ角度が大きくなり、流体の流れが著し
く不安定になる。流量の上限値は、流量が増大するにつ
れてインペラよりの流体の流れが一層半径方向になり、
遂にはディフューザののど部がチョークされて運動エネ
ルギの非常に大きい損失が生じることによって生じるチ
ョーク条件に対応している。ベーンレスディフューザは
入射損失を受けないためベーンディフューザよりも良好
な設計外性能を有しているので、ベーンレスディフュー
ザは設計外作動の範囲がかなり広い場合に選定されるこ
とが多い。

圧縮機のサージ限界とチョーク限界との間の範囲を増大
させるために従来より種々の方法が採用されている。流
入するガスの流れ方向及び量を変化させるために、圧縮
機の入口には従来よりガイドベーンが使用されている。

また流体の流量の変化によって変化する流れ方向とベー
ンを整合させ得るよう、従来より可動のディフューザベ
ーンが使用されている。

流量を変化させ得るようインペラの速度を変化させるよ
う構成された可変速度圧縮機が従来より使用されており
、成る程度の成功を収めている。

しかしかかる可変速度圧縮機は非常に複雑であり、従っ
て製造したり作動させたりすることが高価である。従っ
てかかる可変速度圧縮機は当技術分野に於ては、特に冷
凍の工業界に於ては広くは受入れられていない。

遠心圧縮機の効率及び運転範囲を改善することに関する
より一層有効な方法は、可変幅ベーン式ディフューザを
使用する方法である。この方法に於ては、ディフューザ
は可動壁を含み、該可動壁はそれと固定壁との間に於け
る冷媒の流れを制御すべく固定壁に対し選択的に位置決
めされ得るようになっている。可動壁の制御に於ては、
ディフューザの可動壁の位置を変化させてサージを防止
しつつ圧縮機を流れる質量流量を制御する従来の要領に
て、圧縮機の入口ガイドベーンが使用される。可動壁を
有するベーン式ディフューザの外面は負荷条件に拘らず
最適の入射角を維持するために使用される。可動壁を内
方へ移動させ、これによりディフューザの幅を低減する
ことによって流体の流れを絞ることにより、流体の流れ
方向がより一層半径方向になる。何故ならば、ディフュ
ーザ幅の低減によって半径方向の速度成分が増大される
（質量の保存）が、接線方向の速度成分は影響を受けな
い（角方向の運動量の保存）からである。

発明の概要 本発明によれば、固定ベーン式ディフューザに軸線方向
に運動可能なスリーブリングが組込まれる。

本発明の一つの目的は、安定な流量範囲を大きくすべく
遠心圧縮機の容量を変化させる方法及び装置を提供する
ことである。

本発明の他の一つの目的は、流量が非常に小さい流量で
ある場合に於て圧縮機を流れるガスの流れを安定化させ
る手段を内部に有する遠心ガス圧縮機を提供することで
ある。

本発明の更に他の一つの目的は、圧縮機の効率が広範囲
の流量について最適化される遠心圧縮機を提供すること
である。

本発明の更に他の一つの目的は、流体の流れ角度をイン
ペラのベーン角度に適合させることである。

本発明の更に他の一つの目的は、ベーン式ディフューザ
内に於ける回転失速を遅らせることによって圧縮機の安
定な作動範囲を拡げる可動のスリーブリングが設けられ
たディフューザを有する遠心圧縮機を提供することであ
る。

本発明の更に他の一つの目的は、可動のスリーブリング
との組合せにて捩られたディフューザベーンを使用する
ことを可能にすることである。

本発明の更に他の一つの目的は、ベーンと可動壁に設け
られた溝との間の間隙を経て流体が漏洩することに起因
する流れの損失を排除し、また可動壁とベーンとの間の
接触及び衝突を排除するよう構成された遠心圧縮機を提
供することである。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例について
詳細に説明する。

実施例 第１図に於て、遠心式蒸気圧縮冷凍システム３１が図示
されており、該システムはそれを作動させるための制御
装置３３を有している。第１図に示されている如く、冷
凍システム３１は圧縮機３２と、コンデンサ３４と、エ
バポレータ３５と、膨張装置３６とを含んでいる。作動
に於ては、圧縮されたガス状冷媒が圧縮機３２より吐出
導管３７を経てコンデンサ３４へ吐出され、該コンデン
サ内に於てガス状冷媒がコンデンサ３４内のチューブ３
８を流れる比較的低温の凝縮用の水により凝縮される。

凝縮された液体冷媒はコンデンサより冷媒導管３９及び
膨張装置３６を経てエバポレータ３５へ流れる。エバポ
レータ３５内の液体冷媒は蒸発されて、エバポレータ３
５内のチューブ１０を流れる水の如き熱伝達流体を冷却
する。この冷却された熱伝達流体は建物を冷房するため
に使用され、或いはこれと同様の他の目的で使用される
。エバポレータ３５よりのガス状冷媒は、圧縮機の入口
ガイドベーン１２の制御下にて圧縮機の吸入導管１１を
経て圧縮機３２へ戻る。圧縮機３２へ流入したガス状冷
媒は、圧縮機３２より出口渦巻き通路４７を経て吐出さ
れ、圧縮機の吐出導管３７を経て圧縮機より流出するこ
とにより冷凍サイクルを完了する。この冷凍サイクルは
冷凍システム３１の通常の運転中には連続的に繰返され
る。

また第１図に示されている如く、冷凍システム１の遠心
圧縮機３２は、制御装置３３の制御下にある圧縮機３２
を駆動するための電気モータ２５を含んでいる。また圧
縮機の入口ガイドベーン１２は制御装置３３により制御
されるガイドベーンアクチュエータ１４により開閉され
るようになっている。更に制御弁５０．５１及びアクチ
ュエータ５３により制御される可動のスリーブリング４
１及び４２が設けられている。

制御装置３３は圧縮機モータスタータ２２と、システム
インタフェースボード１６とプロセッサボード１７とを
含んでいる。またチューブ１０を経てエバポレータ３５
より流出する熱伝達流体の温度を検出する温度センサ１
３が、導線２０により直接プロセッサボード１７に接続
されている。

温度センサ１３はエバポレータ３５より流出する熱伝達
流体内に配置された検出部を有し、その抵抗値がプロセ
ッサポード１７によりモニタされるサーミスタの如き温
度応答抵抗器装置であることが好ましい。勿論本発明が
関連する技術分野の当業者には容易に理解され得る如く
、温度センサ１３はエバポレータ３５より流出する熱伝
達流体の温度を示す信号を発生し該信号をプロセッサボ
ード１７へ出力するに適した種々の温度センサの何れで
あってもよい。

プロセッサボード１７は、複数の入力信号を受け、受け
た入力信号を予めプログラムされた手続に従って処理し
、その処理された入力信号に応答して所望の出力制御信
号を発生する任意の装置又は装置の組合せであってよい
。例えばプロセッサボード１７はアメリカ合衆国カリフ
ォルニア用、リンク・クララ所在のインテル・コーポレ
イション（Ｉｎｔｃｌ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｌｏｎ　）よ
り販売されているモデル８０３１マイクロコンピユータ
の如きマイクロコンピュータを含んでいてよい。

システムインタフェースポード１６は、電源（図示せず
）よりシステムインタフェースポード１６を経てガイド
ベーンアクチュエータ１４、制御弁アクチュエータ５３
、圧縮機３２を駆動するモータ２５へ供給される電流を
制御する腹数個のスイッチ装置を含んでいる。各スイッ
チ装置はアメリカ合衆国ニューヨーク州、オーパーン所
在のゼネラル・エレクトリック・カンパニー（Ｇｅｎｅ
ｒａＩ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｃｏａ＋ｐａｎｙ）より販
売されているモデル５Ｃ−１４０トライアツクであって
よい。当業者には容易に理解され得る如く、スイッチ装
置としてトライアックスイッチ以外の他のスイッチが使
用されてもよい。

システムインタフェースポード１６上のスイッチ装置は
、プロセッサボード１７よりスイッチ装置へ供給される
制御信号に応答して制御される。

かくしてガイドベーンアクチュエータ１４、制御弁５０
及び５１を作動させる制御弁アクチュエータ５３、圧縮
機３２を駆動するモータ２５はプロセッサボード１７に
より制御される。

ガイドベーンアクチュエータ１４及び制御弁アクチュエ
ータ５３は、それぞれ導ａ２１又は２３を経て供給され
る電気信号に応答して、ガイドベーン１２を全開位置又
は全開位置へ向けて駆動し、又は制御弁５０及び５１を
開閉するに適した任意の装置であってよい。例えばガイ
ドベーンアクチュエータ１４及び制御弁アクチュエータ
５３は、システムインタフェースポード１６上の二つの
スイッチ装置の何れがプロセッサボード１７よりスイッ
チ装置へ供給される制御信号に応答して作動させるかに
応じてガイドベーン１２及び制御弁５０．５１を全開位
置又は全閉位置へ駆動するアメリカ合衆国イリノイ州、
ロックフォード所在のバーバー・コールマン・カンパニ
ー（Ｂａｒｂｏｒ−Ｃｏｌｅａ＋ａｎ　Ｃｏｍｐａｎｙ
）より販売されているモデルＭＣ−３５１モータの如き
電気モータであってよい。ガイドベーンアクチュエータ
１４及び制御弁アクチュエータ５３は、冷凍システム３
１に課せられる負荷に適合するよう冷凍システムの容量
を制御し、またディフューザ入口のベーンに於ける流体
の流れ角度をベーンの角度に適合させるよう設計された
種々の制御方法の任意の何れかに従って、ガイドベーン
１４及び制御弁５０．５１を全開位置又は全開位置へ駆
動するよう制御されてよい。弁５０及び５１は検出手段
５５により検出されたガイドベーン１２の位置に応答し
て作動される。検出手段５５は圧縮機３２を流れる流体
が絞られたことを示す所定の位置ヘガイドベーン１２が
運動することに応答してガイドベーンにより駆動される
リミットスイッチや制御リンク機構であってよい。

圧縮機モータスタータ２２はモータ２５を始動して回転
させるべく電源２３より圧縮機３２の電気モータ２５へ
電力を供給する装置であってよい。

例えば圧縮機モータスタータ２２は従来のワイーデルタ
（Ｙ−Δ）コンタクタ型モータスタータであってよい。

勿論当業者には容易に理解され得る如く、圧縮機モータ
スタータ２２はモータ２５を始動させて回転させるべく
電源２３より電気モータ２５へ電力を供給する種々の装
置の任意の何れかであってよい。

制御弁５０．５１及びアクチュエータ５３は固定された
ガイドベーン４８を収容するディフューザ通路４６内に
て可動のスリーブリング４１及び４２を軸線方向に駆動
するに適した任意の装置であってよい。

本発明によれば、第２図に示されている如く、可動のス
リーブリング４１はリセス２８及びディフューザ通路１
６内に於て開位置と最大絞り位置との間に運動するよう
支持されている。最大絞り位置に於ては、可動のスリー
ブリング４１はディフューザ通路１６を流れる蒸気の流
れを絞り、開位置に於ては、スリーブリングは蒸気が絞
られることなくディフューザ通路を流れることを許す。

スリーブリング４１とピストン６３との間には、スリー
ブリング４１を全開位置へ向けて付勢する付勢手段１９
が設けられている。付勢手段１９はリセス２８内に配置
されたばねの如き弾性手段を含んでいることが好ましい
。ケーシング６７上に装着された制御弁５１は、スリー
ブリング４１を最大絞り位置へ向けて駆動すべく、付勢
手段１９の付勢力とは反対方向にピストン６３に対し圧
力を与える。より詳細には、スリーブリング４１が第２
図で見て左方より右方へ前方へ移動する際には、該スリ
ーブリングはアクチュエータ５３により開閉される制御
弁５１により制御される導管６５内の流体圧によって制
御される。スリーブリング４１は流れ損失を低減し、ま
た全負荷時に於ける圧縮機の効率を向上させるべく、固
定ガイドベーン４８に近接して配置されている。

以上に於ては本発明を特定の実施例について詳細に説明
したが、本発明はかかる実施例に限定されるものではな
く、本発明の範囲内にて他の種々の実施例が可能である
ことは当業者にとって明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による可動のリングが組込まれた遠心圧
縮機を含む冷凍システムを示す概略構成図である。 第２図はスリーブリングを開位置にて示す第１図に示さ
れた遠心圧縮機の要部を示す拡大部分断面図である。 １０・・・チューブ、１１・・・吸入導管、１２０１．
入口ガイドベーン、１３・・・温度センサ、１４・・・
ガイドベーンアクチュエータ、１６・・・システムイン
タフェースポード、１７・・・プロセッサボード、１８
・・・ディフューザ通路、２０．２１・・・導線、２２
・・、圧縮機モータスタータ、２３・・・電源、２５・
・・電気モータ、３１・・・冷凍システム、３２・・・
圧縮機、３３・・・制御装置、３４・・・コンデンサ、
３５・・・エバポレータ、３６・・・膨張装置、３７・
・・吐出導管、３８・・・チューブ、３９・・・冷媒導
管、４１．４２・・・スリーブリング、４６・・・ディ
フューザ通路、４７・・・出口渦巻き通路、４８・・・
固定ガイドベーン、５０．５１・・・制御弁、５３・・
・制御弁アクチュエータ、６３・・・ピストン、６５・
・・導管、６７・・・ケーシング特許出願人　　キャリ
ア・コーポレイション代　　理　　人　　　弁理士　　
　明　　石　　昌　　毅ＦＩＧ、　／

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）入口より環状ディフューザ通路を経て出口渦巻き
   通路へ作動流体を移動させるインペラが内部に回転可能
   に装着されたケーシングを有する遠心圧縮機にして、 前記環状ディフューザ通路の一部を郭定する固定壁と、 前記環状ディフューザ通路内に配置され前記固定壁に固
   定された複数個の固定されたベーンと、前記複数個の固
   定されたベーンの上流側に配置され前記固定壁に対し相
   対的に運動し得るよう装着された可動リング手段であっ
   て、最大流量より最大絞りの流量まで前記ディフューザ
   通路内を流れる作動流体の流量を調節する可動のリング
   手段と、 を含む遠心圧縮機。
2. （２）遠心圧縮機のインペラの出口に設けられた環状デ
   ィフューザ通路を流れる流体の流量を制御する方法にし
   て、 前記環状ディフューザ通路内にて固定された位置に複数
   個のガイドベーンを固定する過程と、前記環状ディフュ
   ーザ通路内を流れる流体の流れ角度が前記固定されたベ
   ーンに於ける流れ角度と適合されるよう、前記環状ディ
   フューザ通路内に可動のリングを運動可能に位置決めす
   る過程と、を含む方法。