(57)【要約】エコノマイザ（２６）は、分離ホイール（６２）と、モータ（６４）と、液体貯留部（６６）と、を含む。分離ホイール（６２）は、冷媒をガス冷媒と液冷媒とに分離するように配置及び構成されている。分離ホイール（６２）は、回転軸周りで回転可能なシャフト（６３）に取り付けられている。モータ（６４）は、シャフト（６３）を回転させ、分離ホイール（６２）を回転させるように配置及び構成されている。液体貯留部（６６）は、液冷媒を貯留するように配置及び構成されている。エコノマイザ（２６）は、圧縮機（２２）、蒸発器（２８）、及び凝縮器（２４）を含むチラーシステム（１０）において使用されるように適合されている。
2019506584.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、蒸発器、及び凝縮器を含むチラーシステムにおいて使用されるように適合されているエコノマイザであって、
回転軸周りで回転可能なシャフトに取り付けられ、冷媒をガス冷媒と液冷媒とに分離するように配置及び構成されている分離ホイールと、
前記分離ホイールを回転させるために前記シャフトを回転させるように配置及び構成されているモータと、
前記液冷媒を貯留するように配置及び構成されている液体貯留部と、
を備えるエコノマイザ。
【請求項２】
前記分離ホイールの回転速度を調整するために前記モータを制御するように配置及び構成されている可変周波数ドライブと、
前記可変周波数ドライブを制御するようにプログラムされているコントローラと、
を更に備え、
前記エコノマイザは、前記圧縮機の中間段に接続され、それにより、前記冷媒が前記圧縮機の前記中間段にインジェクションされ、
前記コントローラは、前記圧縮機の中間圧力に基づいて前記可変周波数ドライブを制御するように更にプログラムされている、
請求項１に記載のエコノマイザ。
【請求項３】
前記モータは、前記エコノマイザの内部に配設されている、
請求項１に記載のエコノマイザ。
【請求項４】
前記モータは、前記エコノマイザの外部に配設されている、
請求項１に記載のエコノマイザ。
【請求項５】
前記モータは、磁気カップリングによって前記分離ホイールに結合されている、
請求項４に記載のエコノマイザ。
【請求項６】
前記分離ホイールは、動的な力によって前記冷媒を前記ガス冷媒と前記液冷媒とに分離するように更に構成されている、
請求項１に記載のエコノマイザ。
【請求項７】
前記圧縮機は、多段圧縮機である、
請求項２に記載のエコノマイザ。
【請求項８】
前記圧縮機は、遠心圧縮機である、
請求項７に記載のエコノマイザ。
【請求項９】
前記コントローラは、前記圧縮機の運転状態に基づいて、前記圧縮機の第１段圧縮比と前記圧縮機の第２段圧縮比との最適な比から前記圧縮機の目標中間圧力を計算するように更にプログラムされている、
請求項８に記載のエコノマイザ。
【請求項１０】
前記コントローラは、前記圧縮機の前記中間圧力が前記目標中間圧力に達するように前記可変周波数ドライブを制御するように更にプログラムされている、
請求項９に記載のエコノマイザ。
【請求項１１】
前記圧縮機はスクリュー圧縮機である、
請求項１に記載のエコノマイザ。
【請求項１２】
前記冷媒は、低地球温暖化係数の冷媒である、
請求項１から１１のいずれか１項に記載のエコノマイザ。
【請求項１３】
前記低地球温暖化係数の冷媒は、低圧冷媒である、
請求項１２に記載のエコノマイザ。
【請求項１４】
前記低圧冷媒は、Ｒ１２３３ｚｄを含む、
請求項１３に記載のエコノマイザ。
【請求項１５】
前記エコノマイザは、前記チラーシステム内で前記蒸発器と前記凝縮器との間に配設されている、
請求項１から１４のいずれか１項に記載のエコノマイザ。
【請求項１６】
請求項１から１５のいずれか１項に記載のエコノマイザを含むチラーシステムであって、
圧縮機、蒸発器、及び凝縮器、
を備えるチラーシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して、チラーシステムにおいて使用されるエコノマイザに関する。
【背景技術】
【０００２】
チラーシステムは、媒体から熱を除去する冷凍機又は冷凍装置である。一般に、水等の液体が媒体として使用され、チラーシステムは、蒸気圧縮冷凍サイクルで動作する。次いで、熱交換器を通してこの液体を循環させて、必要に応じて空気又は機器を冷却することができる。冷凍により、不可避の副生成物として廃熱が生じ、この廃熱を、周囲に排出しなければならない、又は加熱の目的でより効率的に回収しなければならない。従来のチラーシステムは、遠心圧縮機を利用することが多く、そのような遠心圧縮機は、ターボ圧縮機と呼ばれることもよくある。従って、そのようなチラーシステムを、ターボチラーと呼ぶことができる。あるいは、他のタイプの圧縮機、例えばスクリュー圧縮機を利用することもできる。
【０００３】
従来の（ターボ）チラーでは、冷媒は遠心圧縮機で圧縮されて熱交換器に送られ、熱交換器において冷媒と熱交換媒体（液体）との間で熱交換が行われる。この熱交換器は、内部で冷媒が凝縮するため、凝縮器と呼ばれる。その結果、媒体（液体）に熱が伝達され、媒体が加熱される。凝縮器から出た冷媒は、膨張弁によって膨張され、更なる熱交換器に送られ、その熱交換器において冷媒と熱交換媒体（液体）との間で熱交換が行われる。この熱交換器は、内部で冷媒が加熱（蒸発）されるため、蒸発器と呼ばれる。その結果、媒体（液体）から冷媒に熱が伝達され、液体が冷却される。次いで、蒸発器からの冷媒は遠心圧縮機に戻され、サイクルが繰り返される。利用される液体は、水であることが多い。
【０００４】
従来の遠心圧縮機は、基本的には、ケーシング、入口案内羽根、インペラ、ディフューザ、モータ、各種センサ、及びコントローラを含む。冷媒は、入口案内羽根、インペラ、及びディフューザを順に通って流れる。従って、入口案内羽根は、遠心圧縮機のガス吸引ポートに連結され、ディフューザは、インペラのガス出口ポートに連結される。入口案内羽根は、インペラ内への冷媒ガスの流量を制御する。インペラは、冷媒ガスの速度を増加させる。ディフューザは、インペラによって与えられる冷媒ガスの速度（動圧）を（静的な）圧力に変換する働きをする。モータがインペラを回転させる。コントローラは、モータ、入口案内羽根、及び膨張弁を制御する。従来の遠心圧縮機では、このようにして冷媒が圧縮される。
【０００５】
チラーシステムの効率を改善するために、エコノマイザが使用されている。例えば、米国特許出願公開第２０１０／０２５１７５０号及び米国特許第４９０３４９７号を参照されたい。エコノマイザが、二相（気液）冷媒から冷媒ガスを分離すると、この冷媒ガスは、圧縮機の中間圧力部分に導入される。従来のタイプのエコノマイザとして、フラッシュタンクエコノマイザが当技術分野においてよく知られている。例えば、米国特許出願公開第２０１０／０３２６１３０号を参照されたい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のフラッシュタンクエコノマイザでは、重力によって気液分離を行うためのタンクが設けられており、タンクの内部にフローティングバルブが配設されている。従来のフラッシュタンクエコノマイザでは、フローティングバルブのバルブディスクによってタンクの出口での冷媒流量が減少され、フローティングバルブによって冷媒の圧力が低下させられる。この技術は比較的良好に機能するが、このシステムは、放出されたガスを確実に乾燥させて冷媒ガスによる液滴形態でのキャリーオーバを避けるために大きなタンクを必要とし、その結果、コストが増大する。また、フローティングバルブは不安定であることが多く、エコノマイザシステムの信頼性を低下させる。
【０００７】
また、従来のフラッシュタンクエコノマイザでは、圧縮機の中間圧力を制御することが難しく、従って、高い性能係数（ＣＯＰ）を容易には実現できない。さらに、従来技術は、大径のエコノマイザを必要とする。
【０００８】
従って、本発明の目的は、安定したエコノマイザを、気液分離のために分離ホイールを使用することによって、コストの増加させずに提供することである。
【０００９】
本発明の別の目的は、圧縮機の中間圧力を能動的に制御することによって、高い性能係数（ＣＯＰ）を実現するエコノマイザを提供することである。
【００１０】
本発明の更に別の目的は、エコノマイザ直径が小型化されたエコノマイザを提供することである。
【００１１】
本発明の更に別の目的は、本発明に係るエコノマイザを使用するチラーシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の目的の１つ又は複数は、基本的に、圧縮機、蒸発器、及び凝縮器を含むチラーシステムにおいて使用されるように適合されたエコノマイザであって、冷媒をガス冷媒と液冷媒とに分離するように配置及び構成された分離ホイールであって、回転軸周りで回転可能なシャフトに取り付けられた分離ホイールと、シャフトを回転させ、分離ホイールを回転させるように配置及び構成されたモータと、液冷媒を貯留するように配置及び構成された液体貯留部と、を含むエコノマイザによって達成することができる。
【００１３】
本発明の上記及びその他の目的、特徴、態様、及び効果は、以下の詳細な説明から当業者に明らかとなろう。以下の詳細な説明では、添付の図面と合わせて好適な実施形態を開示する。
【００１４】
ここで、本開示の一部を成す添付図面を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態によるエコノマイザを含むチラーシステムを示す図である。
【００１６】
【図２】図１に示すチラーシステムの遠心圧縮機の斜視図であり、説明のために一部が破断されて断面で示されている。
【００１７】
【図３】図２に示す遠心圧縮機のインペラ、モータ、及び磁気軸受の概略長手方向断面図である。
【００１８】
【図４】スクリュー圧縮機の斜視図である。
【００１９】
【図５】図１に示すチラーシステムのエコノマイザの長手方向断面図であり、モータがエコノマイザ内部に配設されている。
【００２０】
【図６】モータがエコノマイザ内部に配設されている、図５に示すエコノマイザの側面図であり、説明のためにその一部が破断されて断面で示されている。
【００２１】
【図７】モータがエコノマイザ内部に配設されている、図５に示すエコノマイザの概略長手方向断面図である。
【００２２】
【図８】エコノマイザの概略長手方向断面図であり、モータがエコノマイザ外部に配設されている。
【００２３】
【図９Ａ】性能係数（ＣＯＰ）と、第１段圧縮比と第２段圧縮比との比と、の関係を示すグラフである。
【図９Ｂ】性能係数（ＣＯＰ）と、第１段圧縮比と第２段圧縮比との比と、の関係を示すグラフである。
【図９Ｃ】性能係数（ＣＯＰ）と、第１段圧縮比と第２段圧縮比との比と、の関係を示すグラフである。
【００２４】
【図１０】エコノマイザを使用するチラーシステムを制御する方法を示すフロー図である。
【００２５】
【図１１】エコノマイザのサイズと、第１段圧縮比と第２段圧縮比との比と、の関係を示すグラフである。
【００２６】
【図１２】図１のチラーシステムのコントローラの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
ここで、選択した実施形態を、図面を参照しながら説明する。以下の実施形態の説明は単なる例示であり、添付の請求項及びそれらの等価物で定義される本発明を限定するためのものではないことは、本開示から当業者に明らかであろう。
【００２８】
まず図１を参照すると、本発明の一実施形態によるエコノマイザ２６を含むチラーシステム１０が示されている。チラーシステム１０は、好ましくは、従来の方法で冷却水及びチラー水を利用する水冷チラーである。本明細書に示すチラーシステム１０は、２段チラーシステムである。しかし、チラーシステム１０が単段チラーシステム又は３段以上を含む多段チラーシステムでもよいことは、本開示から当業者に明らかであろう。
【００２９】
チラーシステム１０は、基本的には、チラーコントローラ２０、圧縮機２２、凝縮器２４、エコノマイザ２６、膨張弁２５、２７、及び蒸発器２８を含み、これらは、直列に接続されてループ冷凍サイクルを形成する。更に、様々なセンサ（図示せず）がチラーシステム１０の回路全体に配設されている。チラーシステム１０は、膨張弁２５、２７の代わりにオリフィスを含んでもよい。
【００３０】
図１〜図３を参照すると、圧縮機２２は、例示の実施形態では２段遠心圧縮機である。本明細書に示す圧縮機２２は、２つのインペラを含む２段遠心圧縮機である。しかし、圧縮機２２は、３つ以上のインペラを含む多段遠心圧縮機でもよい。あるいは、圧縮機２２は、スクリュー圧縮機でもよい。例示の実施形態の２段遠心圧縮機２２は、第１段インペラ３４ａ及び第２段インペラ３４ｂを含む。遠心圧縮機２２は、更に、第１段入口案内羽根３２ａ、第１のディフューザ／ボリュート３６ａ、第２段入口案内羽根３２ｂ、第２のディフューザ／ボリュート３６ｂ、圧縮機モータ３８、及び磁気軸受アセンブリ４０、並びに様々な従来のセンサ（一部のみ図示）を含む。
【００３１】
チラーコントローラ２０は、以下でより詳細に説明するように、様々なセンサからの信号を受信し、従来の方法で入口案内羽根３２ａ、３２ｂ、圧縮機モータ３８、及び磁気軸受アセンブリ４０を制御する。冷媒は、第１段入口案内羽根３２ａ、第１段インペラ３４ａ、第２段入口案内羽根３２ｂ、及び第２段インペラ３４ｂを順に通って流れる。入口案内羽根３２ａ、３２ｂはそれぞれ、従来の方法でインペラ３４ａ、３４ｂへの冷媒ガスの流量を制御する。インペラ３４ａ、３４ｂは、圧力をほぼ変更することなく、冷媒ガスの速度を増加させる。モータ速度が、冷媒ガスの速度の増加量を決定する。ディフューザ／ボリュート３６ａ、３６ｂは、冷媒圧力を増加させる。ディフューザ／ボリュート３６ａ、３６ｂは、圧縮機ケーシング３０に対して移動不能に固定されている。圧縮機モータ３８は、シャフト４２を介してインペラ３４ａ、３４ｂを回転させる。磁気軸受アセンブリ４０は、シャフト４２を磁気的に支持する。あるいは、この軸受システムは、ローラ要素、動圧軸受、静圧軸受、及び／又は磁気軸受、又はこれらの任意の組合せを含むことができる。このようにして、冷媒は遠心圧縮機２２内で圧縮される。
【００３２】
チラーシステム１０の動作中、圧縮機２２の第１段インペラ３４ａ及び第２段インペラ３４ｂが回転され、チラーシステム１０内の低圧の冷媒が第１段インペラ３４ａによって吸引される。冷媒の流量は、入口案内羽根３２ａによって調整される。第１段インペラ３４ａに吸引された冷媒は、中間圧力に圧縮され、第１のディフューザ／ボリュート３６ａによって冷媒圧力を増加され、次いで第２段インペラ３４ｂに導入される。冷媒の流量は、入口案内羽根３２ｂによって調整される。第２段インペラ３４ｂは、中間圧力の冷媒を高圧に圧縮し、第２のディフューザ／ボリュート３６ｂによって冷媒圧力が増加される。次いで、高圧ガス冷媒がチラーシステム１０に放出される。
【００３３】
図２及び図３を参照すると、磁気軸受アセンブリ４０は従来のものであるため、本発明に関連する内容を除き、ここでは詳細には説明及び／又は図示しない。むしろ、本発明から逸脱することなく任意の適切な磁気軸受を使用することができることは当業者に明らかであろう。磁気軸受アセンブリ４０は、好ましくは、第１のラジアル磁気軸受４４、第２のラジアル磁気軸受４６、及び軸方向（スラスト）磁気軸受４８を含む。いずれの場合も、少なくとも１つのラジアル磁気軸受４４、４６が、シャフト４２を回転可能に支持する。スラスト磁気軸受４８は、スラストディスク４５に作用することによって、回転軸Ｘに沿ってシャフト４２を支持する。スラスト磁気軸受４８は、シャフト４２に取り付けられたスラストディスク４５を含む。
【００３４】
スラストディスク４５は、シャフト４２から回転軸Ｘに垂直な方向へ径方向に延び、シャフト４２に対して固定されている。回転軸Ｘに沿ったシャフト４２の位置（軸方向位置）は、スラストディスク４５の軸方向位置によって制御される。第１のラジアル磁気軸受４４及び第２のラジアル磁気軸受４６は、圧縮機モータ３８の軸方向両端に配設されている。様々なセンサが、磁気軸受４４、４６、４８に対するシャフト４２の径方向及び軸方向の位置を検出し、従来の方法でチラーコントローラ２０に信号を送信する。それにより、チラーコントローラ２０は、従来の方法で、磁気軸受４４、４６、４８に送られる電流を制御してシャフト４２を適正位置に維持する。
【００３５】
磁気軸受アセンブリ４０は、好ましくは、能動型磁気軸受４４、４６、４８の組合せであり、この組合せは、ギャップセンサ５４、５６、５８を利用してシャフト位置を監視し、シャフト位置を示す信号をチラーコントローラ２０に送信する。従って、各磁気軸受４４、４６、４８は、好ましくは能動型磁気軸受である。磁気軸受制御セクション７１は、この情報を使用して磁気アクチュエータに必要な電流を調整し、径方向と軸方向の両方について適切なロータ位置を維持する。
【００３６】
上述したように、本発明によれば、チラーシステム１０はエコノマイザ２６を有する。エコノマイザ２６は、以下でより詳細に説明するように、圧縮機２２の中間段に接続されて、ガス冷媒を圧縮機２２の中間段にインジェクションする。チラーシステム１０では、エコノマイザ２６が蒸発器２８と凝縮器２４との間に配設されている。
【００３７】
エコノマイザ２６は、図５〜図８に示すように、分離ホイール６２、エコノマイザモータ６４、及び液体貯留部６６を含む。分離ホイール６２、エコノマイザモータ６４、及び液体貯留部６６は、エコノマイザケーシング６０内に配設されている。分離ホイール６２は、二相冷媒をガス冷媒と液冷媒とに分離する。分離ホイール６２は、回転軸周りで回転可能なエコノマイザシャフト６３に取り付けられている。エコノマイザモータ６４は、分離ホイール６２を回転させるためにエコノマイザシャフト６３を回転させる。このようにして、分離ホイール６２は、動的な力によって冷媒をガス冷媒と液冷媒とに分離する。エコノマイザ２６はそれ独自のモータを有しているため、様々な体積流量要件に合わせたスケーラビリティが可能になる。エコノマイザ２６は、エコノマイザ可変周波数ドライブ６７を更に含む。エコノマイザ可変周波数ドライブ６７は、分離ホイール６２の回転速度を調整するためにエコノマイザモータ６４を制御する。チラーコントローラ２０は、エコノマイザ可変周波数ドライブ６７を制御するために、以下でより詳細に説明するエコノマイザ制御プログラムを実行するようにプログラムされている。液体貯留部６６は、二相冷媒から分離された液冷媒を貯留する。
【００３８】
エコノマイザ２６は、入口ポート６１ａ、液体出口ポート６１ｂ、及びガス出口ポート６１ｃを更に含む。入口ポート６１ａは、二相冷媒を凝縮器２４からエコノマイザ２６内に導入するために設けられている。液体出口ポート６１ｂは、二相冷媒から分離された液冷媒を蒸発器２８に放出するために設けられている。ガス出口ポート６１ｃは、二相冷媒から分離されたガス冷媒をエコノマイザ２６に放出するために設けられている。入口ポート６１ａに流入する冷媒の流量は、凝縮器２４とエコノマイザ２６との間に配設された膨張弁２５によって制御される。本発明によれば、膨張弁２５はエコノマイザ２６から離して配設される。これにより、液体の高さの維持を監視するための圧力がより正確に設定される。また、過冷却された液体は膨張弁２５に達するまで液体のままであり、これによりパイプサイズが減少し、圧力の増加によって更なる過冷却が得られる。
【００３９】
図５〜図７に示す実施形態では、エコノマイザモータ６４がエコノマイザ２６の内部に配設されている。しかし、図８に示すように、エコノマイザモータ６４をエコノマイザ２６の外部に配設することもできる。エコノマイザモータ６４がエコノマイザ２６の外部に配設される場合、エコノマイザモータ６４は、磁気カップリング６５によって分離ホイール６２に結合される。このようにして、エコノマイザモータ６４は、磁気カップリング６５を介してエコノマイザシャフト６３を回転させ、分離ホイール６２を回転させる。
【００４０】
動作中、凝縮器２４内で冷却されて凝縮した冷媒は、膨張弁２５によって中間圧力に減圧され、次いでエコノマイザ２６内に導入される。入口ポート６１ａからエコノマイザ２６内に導入された二相冷媒は、動的な力によって分離ホイール６２内でガス冷媒と液冷媒とに分離される。このガス冷媒は、エコノマイザ２６のガス出口ポート６１ｃからパイプを通して圧縮機２２の中間段にインジェクションされる。液冷媒は、液体出口ポート６１ｂから蒸発器２８に案内される、又は液体貯留部６６に貯留される。
【００４１】
圧縮機２２の中間段にインジェクションされたガス冷媒は、次いで、圧縮機２２の第１段インペラ３４ａによって圧縮された中間圧力の冷媒と混合される。混合された冷媒は、第２段インペラ３４ｂに流れ、更に圧縮される。
【００４２】
圧縮機２２は、図４に示すようなスクリュー圧縮機であってもよい。このスクリュー圧縮機は、スクリューロータと、スクリューロータに挿入されてスクリューロータを駆動する駆動シャフトと、スクリューロータに噛合するゲートロータとを含む。図４に示すスクリュー圧縮機は、シングルロータタイプと呼ばれる。代わりに、圧縮機２２は、ツインロータタイプ又はトリロータタイプでもよい。スクリュー圧縮機の場合、エコノマイザ２６からのガス冷媒がスクリューロータの中心にインジェクションされる。
【００４３】
図１及び図１２を参照すると、チラーコントローラ２０は、磁気軸受制御セクション７１、圧縮機可変周波数ドライブ７２、圧縮機モータ制御セクション７３、入口案内羽根制御セクション７４、膨張弁制御セクション７５、及びエコノマイザ制御セクション７６を含む。例示の実施形態では、エコノマイザ制御セクション７６は、チラーコントローラ２０の一部である。しかし、チラーコントローラ２０とエコノマイザ制御セクション７６とは、別々のコントローラでも単一のコントローラでもよい。また、圧縮機可変周波数ドライブ７２と圧縮機モータ制御セクション７３とは、単一のセクションでよい。
【００４４】
例示の実施形態では、制御セクションは、本明細書で述べるパーツの制御を実行するようにプログラムされたチラーコントローラ２０のセクションである。磁気軸受制御セクション７１、圧縮機可変周波数ドライブ７２、圧縮機モータ制御セクション７３、入口案内羽根制御セクション７４、膨張弁制御セクション７５、及びエコノマイザ制御セクション７６は互いに接続され、圧縮機２２のＩ／Ｏインターフェースに電気的に結合された遠心圧縮機制御部の一部を成す。しかし、本明細書で説明するようにチラーシステム１０のパーツの制御を実行するように１つ又は複数のコントローラがプログラムされている限り、本発明から逸脱することなく、制御セクション、部分、及び／又はチラーコントローラ２０の正確な数、位置、及び／又は構造を変更することができることは、本開示から当業者に明らかであろう。
【００４５】
エコノマイザ制御セクション７６は、エコノマイザ２６のエコノマイザ可変周波数ドライブ６７に接続され、チラーコントローラ２０の様々なセクションと通信する。このようにして、エコノマイザ制御セクション７６は、圧縮機２２のセンサから信号を受信し、計算を行い、エコノマイザ２６のエコノマイザ可変周波数ドライブ６７に制御信号を送信することができる。
【００４６】
コントローラ２０は、従来のものであり、従って少なくとも１つのマイクロプロセッサ又はＣＰＵと、入力／出力（Ｉ／Ｏ）インターフェースと、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）と、リード・オンリ・メモリ（ＲＯＭ）と、１つ以上の制御プログラムを実行することによってチラーシステム１０を制御するようにプログラミングされたコンピュータ可読媒体を形成する（一時又は永久）記憶装置と、を備える。チラーコントローラ２０は、任意で、キーパッド等のユーザからの入力を受信する入力インターフェースと、ユーザに対して各種パラメータを表示するために使用される表示装置とを備えてもよい。これらのパーツ及びプログラミングは、エコノマイザ２６の制御に関する内容以外は従来のものであるため、１つ以上の実施形態の理解に必要である場合を除き、ここでは詳細に説明しない。
【００４７】
図９Ａ〜図９Ｃを参照すると、第１段圧縮比と第２段圧縮比との比が、圧縮機の性能係数（ＣＯＰ）に影響を及ぼす。図９Ａは、圧縮機の第１段の等エントロピー効率が圧縮機の第２段の等エントロピー効率と同じ場合を示す。図９Ｂ及び図９Ｃは、圧縮機の第１段の等エントロピー効率が圧縮機の第２段の等エントロピー効率とは異なる場合を示す。
【００４８】
図９Ａに示すように、圧縮機の第１段の等エントロピー効率が圧縮機の第２段の等エントロピー効率と同じ場合、性能係数（ＣＯＰ）は、第１段圧縮比と第２段圧縮比との比が約１．０のときに最大になる。しかし、通常、圧縮機の第１段の等エントロピー効率は、圧縮機の第２段の等エントロピー効率と同じではない。従って、第１段圧縮比と第２段圧縮比との比が１．０となるように圧縮機が動作しても、圧縮機の性能係数（ＣＯＰ）は最大にならない。
【００４９】
図９Ｂに示すように、圧縮機の第１段の等エントロピー効率が圧縮機の第２段の等エントロピー効率と異なる場合、性能係数（ＣＯＰ）のピークは、第１段圧縮比と第２段圧縮比との比によって異なる。圧縮機の第１段の等エントロピー効率が圧縮機の第２段の等エントロピー効率よりも小さい場合、性能係数（ＣＯＰ）のピークは図９Ｂの左側にシフトする。例示の実施形態では、第１段圧縮比と第２段圧縮比との比が約０．６５のときに性能係数（ＣＯＰ）のピークが達成される。他方、圧縮機の第１段の等エントロピー効率が圧縮機の第２段の等エントロピー効率よりも大きい場合、性能係数（ＣＯＰ）のピークは図９Ｂの右側にシフトする。例示の実施形態では、第１段圧縮比と第２段圧縮比との比が約１．３５であるときに性能係数（ＣＯＰ）のピークが実現される。
【００５０】
図９Ｃは、図９Ｂに示す性能係数（ＣＯＰ）のピーク近傍を拡大したグラフである。図９Ｃに示すように、第１段圧縮比と第２段圧縮比との比を制御する目標範囲は、０．６５〜１．３５である。
【００５１】
図１０を参照して、ここで、エコノマイザ２６を使用してチラーシステム１０を制御する方法をより詳細に説明する。
【００５２】
上述したように、エコノマイザ２６は、圧縮機２２の中間段にガス冷媒をインジェクションするためにチラーシステム１０に設けられている。例示の実施形態では、圧縮機２２は２段遠心圧縮機である。チラーコントローラ２０の圧縮機可変周波数ドライブ７２は、圧縮機２２を制御する（Ｓ１０１）ようにプログラムされている。圧縮機可変周波数ドライブ７２は、米国特許出願公開第２０１４／０２６０３８５号及び米国特許出願公開第２０１４／０２６０３８８号に開示されているような従来の方法で圧縮機２２を制御するようにプログラムされている。
【００５３】
Ｓ１０２において、エコノマイザ制御セクション７６は、現在の動作ステータスから、圧縮機２２の第１段の等エントロピー効率及び圧縮機２２の第２段の等エントロピー効率を計算する。次に、Ｓ１０３において、エコノマイザ制御セクション７６は、圧縮機２２の第１段圧縮比と第２段圧縮比との最適な比を計算する。上述したように、圧縮機２２の性能係数（ＣＯＰ）のピークは、第１段圧縮比と第２段圧縮比との比が最適であるときに実現される。
【００５４】
次に、Ｓ１０４において、エコノマイザ制御セクション７６は、第１段圧縮比と第２段圧縮比との最適な比に基づいて圧縮機２２の目標中間圧力を計算する。
【００５５】
Ｓ１０５において、エコノマイザ制御セクション７６は、圧縮機２２の現在の中間圧力が最大効率であるか否か、すなわち圧縮機２２の現在の中間圧力が、Ｓ１０４で計算された圧縮機２２の目標中間圧力であるか否かを判断する。エコノマイザ制御セクション７６が圧縮機２２の現在の中間圧力が最大効率であると判断した場合（Ｓ１０５においてＹｅｓ）、制御方法は終了される。エコノマイザ制御セクション７６が圧縮機２２の現在の中間圧力が最大効率ではないと判断した場合（Ｓ１０５においてＮｏ）、エコノマイザ制御セクション７６はＳ１０６に進む。
【００５６】
Ｓ１０６において、エコノマイザ制御セクション７６は、圧縮機２２の目標中間圧力を実現するよう、膨張弁２５の開度及びエコノマイザ可変周波数ドライブ６７の速度を決定する。Ｓ１０７において、エコノマイザ制御セクション７６は、圧縮機２２の目標中間圧力を実現するよう、膨張弁２５の開度及びエコノマイザ可変周波数ドライブ６７の速度を調整する。このようにして、入口ポート６１ａに流入する冷媒の流量が膨張弁２５によって制御され、エコノマイザ２６の分離ホイール６２の回転速度がエコノマイザ可変周波数ドライブ６７によって制御され、圧縮機２２の目標中間圧力が実現される。
【００５７】
Ｓ１０８において、エコノマイザ制御セクション７６は、圧縮機２２の現在の中間圧力が最大効率であるか否か、すなわち圧縮機２２の現在の中間圧力が圧縮機２２の目標中間圧力であるか否かを判断する。エコノマイザ制御セクション７６が圧縮機２２の現在の中間圧力が最大効率であると判断した場合（Ｓ１０８においてＹｅｓ）、制御方法は終了される。エコノマイザ制御セクション７６が圧縮機２２の現在の中間圧力が最大効率でないと判断した場合（Ｓ１０８においてＮｏ）、エコノマイザ制御セクション７６はＳ１０２に戻り、制御方法が繰り返される。例えば、以下の条件の少なくとも１つが生じたときに上述したプロセスを繰り返すことができる：圧縮機可変周波数ドライブ７２の速度が毎分１０％以上変化する；圧縮機２２の放出圧力が毎分１０％以上変化する；及び、圧縮機２２の吸引圧力が毎分１０％以上変化する。
【００５８】
図１１は、エコノマイザ２６のサイズと、圧縮機２２の第１段圧縮比と第２段圧縮比との比と、の関係を示すグラフである。
【００５９】
図１１を参照すると、例示の実施形態におけるエコノマイザ２６は、エコノマイザ２６の直径の小型化という利点を有する。図１１での実線は、エコノマイザ２６の直径を示している。図１１での点線は、従来のフラッシュタンクエコノマイザの直径を示している。第１段圧縮比と第２段圧縮比との比が最適となるように、すなわち第１段圧縮比と第２段圧縮比との比が１．０になるように制御されない場合、従来のフラッシュタンクエコノマイザは、重力により気液分離を行うため、少なくとも０．９９ｍの直径を必要とする。これに対し、例示の実施形態でのエコノマイザ２６では、その直径を、動的な力により気液分離を行う分離ホイール６２を用いることにより小型化することができる。すなわち、第１段圧縮比と第２段圧縮比との比が最適となるように制御されない場合でさえ、エコノマイザ２６の直径は０．３３ｍであり、直径を約３３％に小型化している。図１１のケース（１）を参照されたい。
【００６０】
第１段圧縮比と第２段圧縮比との比が０．６５に制御された場合、従来のフラッシュタンクエコノマイザは、処理すべき流量が増加するため、１．７７ｍの直径を必要とする。他方、エコノマイザ２６の直径は、分離ホイール６２の速度を増加させることによって０．３３ｍに維持することができる。従って、直径を約１９％に小型化することができる。図１１のケース（２）を参照されたい。
【００６１】
第１段圧縮比と第２段圧縮比との比が１．３５になるように制御される場合、従来のフラッシュタンクエコノマイザは０．５４ｍの直径を必要とする。他方、エコノマイザ２６の直径は０．３３ｍに維持することができる。従って、直径を約６１％に小型化することができる。図１１のケース（３）を参照されたい。このようにして、本発明に係るエコノマイザ２６は、エコノマイザ２６の直径の小型化に利点がある。また、本発明に係るエコノマイザ２６を使用するチラーシステム１０では、必要な冷媒の体積が低減される。
【００６２】
地球環境保護の観点から、チラーシステムにＲ１２３３ｚｄ、Ｒ１２３４ｚｅ等の新たな低ＧＷＰ（地球温暖化係数）冷媒を使用することが検討されている。低地球温暖化係数が低い冷媒の一例は、蒸発圧力が大気圧以下である低圧冷媒である。例えば、低圧冷媒Ｒ１２３３ｚｄは、不燃性、無毒性、低コストの特徴と、現在主流の冷媒Ｒ１３４ａの代替物質であるＲ１２３４ｚｅ等の他の候補と比較して高いＣＯＰとを有するので、遠心チラー用途における候補である。特に、低圧冷媒を使用する場合、本発明に係るエコノマイザは、その直径の小型化を実現するので有利である。また、気液分離のための本発明に係るエコノマイザには、種々の低圧冷媒を使用することができる。
＜用語の一般的解釈＞
【００６３】
本発明の範囲を理解するにあたって、ここで使用する用語「含む／備える(comprising)」及びその派生語は、述べた特徴、要素、部品、群、数値、及び／又は工程の存在を明記するものであるが、述べていないその他の特徴、要素、部品、群、数値、及び／又は工程の存在を除外しない非限定的用語であることを意図している。また、上記は、用語「備える／含む／有する(including、having)」及びその派生語等の同様の意味を有する単語にも適用される。さらに、用語「パーツ(part)」、「セクション(section)」、「部分(portion)」、「部材(member)」、「要素(element)」は、単数形で使用されていても、単数複数双方の意味を有し得る。
【００６４】
構成要素、セクション、デバイス等によって行われる動作又は機能を述べるために本明細書で使用する用語「検出する(detect)」は、構成要素、セクション、デバイス等が物理的に検出することを必要とせず、動作又は機能を行うための決定、測定、モデリング、予測、又は演算等を含む。
【００６５】
デバイスの構成要素、セクション、又はパーツを説明するために使用する用語「構成される(configured)」は、所望の機能を行うために構成及び／又はプログラムされたハードウェア及び／又はソフトウェアを含む。
【００６６】
ここで使用する「略(substantially)」、「約(about)」、「およそ(approximately)」等の度合いを示す用語は、最終結果が実質的に変わらないような被修飾語の妥当な偏移量を意味する。
【００６７】
本発明を説明するために特定の実施形態のみを選択してきたが、添付の請求項において定義される発明の範囲を逸脱することなく種々の変更及び修正がここにおいて可能であることは、本開示から当業者に明らかである。例えば、各種部品のサイズ、形状、場所、又は向きは、必要及び／又は所望に応じて変更可能である。互いに直接的に接続又は接触するように示されている部品は、それらの間に中間構造体を配してもよい。単一要素の機能を、２つの要素で実行可能であり、その逆も同様である。一実施形態の構造及び機能を、別の実施形態で用いてもよい。特定の実施形態に全ての利点が同時に含まれていなくてもよい。従来技術と比べて固有の特徴は全て、単独としてもその他の特徴との組み合わせとしても、これら１つ以上の特徴によって具体化される構造的及び／又は機能的概念を含む、本出願人による更なる発明の別個の記載として見なされるべきものである。従って、本発明に係る実施形態の上記説明は、単なる例示であり、添付の請求項及びそれらの等価物によって定義される発明の限定を目的とするものではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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