(57)【要約】遠心圧縮機（２２，２２’）は、ケーシング（３０，３０’）、第１のインペラ（３４ａ，３４ａ’，３４ｂ，３４ｂ’）、モータ３８、冷却媒体送出機構（２３，２３’）、シャフト（４２）、および第１のベアリング（４４，４６）を含む。ケーシング３０（３０’）は、第１の入口部分（３１ａ，３１ｂ）と第１の出口部分（３３ａ，３３ｂ）とを有する。第１のインペラ３４ａ（３４ａ’）は、シャフト（４２）に取り付けられ、第１の入口部分（３１ａ，３１ｂ）と第１の出口部分（３３ａ，３３ｂ）との間に配置されている。第１のインペラ（３４ａ，３４ａ’，３４ｂ，３４ｂ’）とケーシング（３０，３０’）との間には、第１の軸方向ギャップ（Ｌ１，Ｌ２，Ｗｆ１，Ｗｒ１，Ｗｆ２，Ｗｒ２）が存在する。シャフト４２は，第１の軸受（４４，４６）によってケーシング（３０，３０’）に対して回転可能に支持されかつ軸方向に移動可能である。モータ（３８）は、シャフト（４２）を回転させるためにケーシング（３０，３０’）内に配置されている。冷却媒体送出機構（２３，２３’）は、ケーシング（３０，３０’）への冷却媒体の供給を変更するように構成されている。遠心圧縮機（２２，２２’）用のインペラ隙間量制御装置は，センサ（５８，ＴＳ１，ＴＳ２）と，コントローラ（２０）とを含む。コントローラ（２０）は，センサ（５８，ＴＳ１，ＴＳ２）の検出値に基づいて，ケーシング（３０，３０’）への冷却媒体の供給を制御する。
2019525064.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の入口部分及び第１の出口部分を有するケーシングと、
前記第１の入口部分と前記第１の出口部分との間に配置され、回転軸回りに回転可能なシャフトに装着されている第１のインペラであって、少なくとも前記第１のインペラの一部と前記ケーシングとの間に第１の軸方向ギャップが存在する、第１のインペラと、
前記第１のインペラを回転させるために、前記シャフトを回転させるように前記ケーシング内に配置されているモータであって、前記シャフトに取り付けられたロータ及び前記ロータの径方向外側に配置されているステータを含み、前記ロータと前記ステータとの間に径方向ギャップを形成している、モータと、
前記ケーシングに冷却媒体を供給するように位置する入口導管及び前記ケーシングから前記冷却媒体を排出するように位置する出口導管を含み、前記ケーシングに供給する前記冷却媒体の流量を変えるように構成されている冷却媒体送出機構と、
を含み、
前記シャフトは第１の端部及び第２の端部を有し、前記第１のインペラは前記シャフトの前記第１の端部に取り付けられており、
前記第１の端部と前記ロータとの間の前記シャフトの一部は、第１軸受によって前記ケーシングに対して支持されており、前記第１の軸受は、前記シャフトの軸方向において前記シャフトに対して移動可能である、
遠心圧縮機。
【請求項２】
前記第１のインペラは、前記第１のインペラのブレードを少なくとも部分的にカバーする第１のシュラウドを備えたクローズドインペラであり、前記第１の軸方向ギャップは、前記第１のシュラウドと前記ケーシングとの間の距離である、
請求項１に記載の遠心圧縮機。
【請求項３】
前記第１のインペラは、前記ケーシングの第１のシュラウド部分により囲まれたオープンインペラであり、前記第１の軸方向ギャップは、前記第１のインペラのブレードと前記ケーシングの前記第１のシュラウド部分との間の距離である、
請求項１に記載の遠心圧縮機。
【請求項４】
前記軸受は、磁気軸受である、
請求項１から３のいずれか１項に記載の遠心圧縮機。
【請求項５】
前記ケーシングは、前記シャフトの前記第１の端部と前記第２の端部との間に位置する中間位置に設けられたベローズジョイントを含む、
請求項１から４のいずれか１項に記載の遠心圧縮機。
【請求項６】
前記第１のインペラから前記モータの反対側で前記シャフトの前記第２の端部に装着されている第２のインペラをさらに含み、
前記第２のインペラは前記ケーシングの第２の入口部分と第２の出口部分との間に配置されており、
前記第２のインペラの少なくとも一部と前記ケーシングとの間に第２の軸方向ギャップが存在し、前記第２の端部と前記ロータとの間の前記シャフトの一部は第２の軸受によって前記ケーシングに対して支持されており、
前記第２の軸受は前記シャフトの前記軸方向に前記シャフトに対して移動可能である、
請求項１に記載の遠心圧縮機。
【請求項７】
前記第２のインペラは、前記第２のインペラのブレードを少なくとも部分的にカバーする第２のシュラウドを備えたクローズドインペラであり、前記第２の軸方向ギャップは、前記第２のシュラウドと前記ケーシングとの間にある、
請求項６に記載の遠心圧縮機。
【請求項８】
前記第２のインペラは、前記ケーシングの第２のシュラウド部分により囲まれたオープンインペラであり、前記第２の軸方向ギャップは、前記第２のインペラのブレードと前記ケーシングの前記第２のシュラウド部分との間の距離である、
請求項６に記載の遠心圧縮機。
【請求項９】
前記冷却媒体送出機構は、
前記ケーシングの第１側に冷却媒体を供給するように位置する第１の入口導管及び前記ケーシングの前記第１段側から前記冷却媒体を排出するように位置する第１の出口導管を有する第１側の冷却媒体送出機構と、
前記ケーシングの第２側に前記冷却媒体を供給するように位置する第２の入口導管及び前記ケーシングの前記第２側から前記冷却媒体を排出するように位置する第２出口導管を有する第２側の冷却媒体送出機構と、
を含み、
前記第１側の冷却媒体送出機構と前記第２側の冷却媒体送出機構とを隔てる仕切りが、前記ケーシングの軸方向中間地点において前記ケーシングの内側に形成されている、
請求項６から８のいずれか１項に記載の遠心圧縮機。
【請求項１０】
第１のベローズジョイントが前記ケーシングの前記第１側に設けられており、第２のベローズジョイントが前記ケーシングの前記第２側に設けられている、
請求項９に記載の遠心圧縮機。
【請求項１１】
遠心圧縮機用のインペラ隙間量コントローラであって、
前記圧縮機のインペラと前記圧縮機のケーシングの内側部分との間にある軸方向ギャップのサイズに相関する前記遠心圧縮機の状態を示す値を検出するように配置構成されたセンサと、
前記センサからの前記検出値を示す信号を受信するように構成されたコントローラであって、前記軸方向ギャップのサイズが目標軸方向ギャップ値に調整されるように、前記検出値に基づいて前記ケーシングへの冷却媒体の供給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、
を含む、インペラ隙間量コントローラ。
【請求項１２】
前記センサは前記遠心圧縮機のケーシングの温度を検出し、前記値は検出された前記温度を示す、
請求項１１に記載のインペラ隙間量コントローラ。
【請求項１３】
前記センサは前記遠心圧縮機の２つの部分間の軸方向距離を検出するように配置構成されているギャップセンサであり、前記値は検出された前記軸方向距離に相関する、
請求項１１に記載のインペラ隙間量コントローラ。
【請求項１４】
前記コントローラは、ケーシングの第１側への前記冷却媒体の第１の供給と、前記ケーシングの第２側への前記冷却媒体の第２の供給とを独立して制御するようにプログラムされている、
請求項１１に記載のインペラ隙間量コントローラ。
【請求項１５】
前記センサは、前記圧縮機の第１のインペラと前記ケーシングの第１の内部部分との間の第１の軸方向ギャップに相関する第１の値と、前記圧縮機の第２のインペラと前記ケーシングの第２の内部部分との間の第２の軸方向ギャップと相関する第２の値とを検出し、前記第１のインペラは前記ケーシングの前記第１側の内側に配置され、前記第２のインペラは前記ケーシングの前記第２側の内側に配置されており、
前記コントローラは、前記第１の値および前記第２の値に基づいて前記冷却媒体の前記第１の供給および前記冷却媒体の前記第２の供給を制御するようにプログラムされている、請求項１４に記載のインペラ隙間量コントローラ。
【請求項１６】
遠心圧縮機用のインペラ隙間量制御方法であって、
前記遠心圧縮機のインペラとケーシングとの間の軸方向ギャップのサイズを決定するステップと、
前記ケーシングの熱膨張及び熱収縮を利用して前記軸方向ギャップのサイズを目標の軸方向ギャップ値にまで調整するように、前記ケーシングへの冷却媒体の流れを制御するステップと、
を含む方法。
【請求項１７】
前記軸方向ギャップのサイズの決定が、前記遠心圧縮機の検出温度に基づく、
請求項１６に記載のケーシング冷却方法。
【請求項１８】
前記軸方向ギャップのサイズの決定が、前記遠心圧縮機の２つの部分間の検出距離に基づく、
請求項１６に記載のケーシング冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、遠心圧縮機、遠心圧縮機のインペラ隙間量コントローラ、及び遠心圧縮機のインペラ隙間量制御方法に関する。より具体的には、本発明は、インペラを支持し、シャフトの軸方向に移動可能なベアリングによって支持される回転シャフトを有し、遠心圧縮機のケースに冷却媒体を調節可能に供給する冷却媒体送出システムを有する遠心圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
遠心圧縮機（ラジアル圧縮機又はターボ圧縮機とも呼ばれる）は、遠心圧縮機を通って流れる流体に速度又は運動エネルギ与えるためにロータ又はインペラを使用して圧力上昇を達成する。遠心圧縮機の１つの用途は、媒体から熱を除去する冷凍機又は装置であるチラーシステムで使用される冷媒を圧縮することである。通常、水などの液体がその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して液体を冷却する。冷却後、その液体を熱交換器に循環させて、必要に応じて空気又は機器を冷却することができる。この冷凍サイクルの必須の副産物は廃熱であり、廃熱は冷媒から周囲空気に排出されるか、又は、より効率的には加熱目的で回収されなければならない。遠心圧縮機を含むチラーシステムは、ターボチラーと呼ばれることがある。
【０００３】
従来の（ターボ）チラーでは、冷媒が遠心圧縮機で圧縮されて熱交換器に送られ、そこで冷媒と熱交換媒体（液体）との間で熱交換が行われる。この熱交換器内で冷媒が凝縮するので、この熱交換器は凝縮器と呼ばれる。その結果、熱が媒体（液体）に伝達され、媒体が加熱される。凝縮器を出る冷媒は、膨張弁によって膨張されて別の熱交換器に送られ、そこで冷媒と熱交換媒体（液体）との間の熱交換が起こる。この熱交換器において冷媒が加熱（蒸発）されるので、この熱交換器は蒸発器と呼ばれる。その結果、熱が液体媒体（例えば、上述のように水）から冷媒に伝達され、液体が冷却される。蒸発器からの冷媒は次に遠心圧縮機に戻され、このサイクルが繰り返される。
【０００４】
従来の遠心圧縮機は、基本的に、ケーシングと、入口案内羽根と、インペラと、ディフューザと、モータと、各種センサと、コントローラと、を備えている。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。したがって、入口案内羽根は遠心圧縮機のガス吸入口に連結され、ディフューザはインペラのガス出口に連結される。入口案内羽根は、インペラに入る冷媒ガスの流量を制御する。インペラは、モータによって回転するシャフトに取り付けられている。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。モータがシャフトを回転させると、インペラはケーシングの内側で回転し、遠心圧縮機に流入する冷媒ガスの速度を上げる。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）圧力に変換するように働く。このようにして、冷媒は従来の遠心圧縮機で圧縮される。従来の遠心圧縮機は１段又は２段を有することができる。モータがその１つ以上のインペラを駆動する。
【０００５】
遠心圧縮機に使用されるインペラには、オープンインペラとクローズドインペラの２つの基本型がある。オープンインペラは、露出しているかインペラの外側から見える羽根すなわちブレードを有する。クローズドインペラは、カバーすなわちシュラウドを有し、このシュラウドは、羽根すなわちブレードを外側から覆い、インペラと一体に回転するように羽根すなわちブレードに固定されている。オープンインペラの場合、インペラを囲むケーシングの一部を「シュラウド」と呼ぶことがある（以下、「シュラウドカバー部」という）。オープンインペラを有する圧縮機のシュラウドカバー部は、オープンインペラのシュラウドカバー部がケーシングに固定され、インペラと一体的に回転しないという点で、クローズドインペラのシュラウドとは異なる。
【０００６】
従来技術の例として、米国特許第７，９４２，６２８号及び米国特許出願公開第２０１０／０２５１７５０号を参照のこと。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
インペラが回転したときにインペラがケーシングに接触しないように、インペラとケーシングの内側との間には隙間が設けられている。特に、インペラの軸方向外向きの面とケーシングの軸方向内向きの面との間には、軸方向の隙間が設けられている（例えば、後述の実施形態における隙間量Ｌ１、Ｌ２、Ｗｆ１、Ｗｆ２を参照）。オープンインペラの場合、その軸方向の隙間は、インペラの羽根すなわちブレードの軸方向外側の縁と、ケーシングのシュラウドカバー部分との間にある。一方、クローズドインペラの場合、その軸方向隙間は、シュラウド（インペラの羽根すなわちブレードの外側に固定されている）の軸方向外向き表面とケーシングの軸方向内向き表面との間にある。また、クローズドインペラの場合は、インペラの軸方向内向き表面とケーシングの軸方向外向き表面との間の軸方向隙間も考慮に入れることができる（例えば、後述する図示の実施形態における隙間量Ｗｒ１、Ｗｒ２を参照）。
【０００８】
ところで、モータの作動及び冷媒の圧縮作用によって発生する熱は、熱膨張により圧縮機のケーシングを膨張させる可能性があることがわかっている。一方、モータ及び／又はケーシングを冷却するために設けられた冷却機構は、ケーシングを収縮させることがある。したがって、遠心圧縮機の運転中には、ケーシングに対するインペラの軸方向の隙間量は、ケーシングの温度変化、及びインペラの軸方向外側の空間とインペラの軸方向内側の空間との間の圧力差などの要因によって異なる。このような軸方向隙間量の変化は、遠心圧縮機の性能に悪影響を及ぼす危険性がある。例えば、隙間量が小さくなりすぎると、インペラが回転しているときにインペラがケーシングに接触して遠心圧縮機に損傷を与えるリスクがある。一方、軸方向隙間量が大きくなりすぎると、遠心圧縮機からの冷媒漏洩量が増加する危険性がある。冷媒の過剰な漏れは、圧縮機の効率を低下させるおそれがあり、また使用される冷媒の種類によっては環境問題を引き起こしかねない。最適な軸方向隙間量は、特定の遠心圧縮機の構造的特徴に応じて変わり得る。しかし一般に、漏れを最小にする、ケーシングに関して安全な隙間量を維持するといった要因の間で最適なバランスが達成される軸方向の隙間量又は軸方向の隙間量の範囲がある。
【０００９】
したがって、遠心圧縮機の運転中、インペラとケーシングとの間の軸方向隙間量を調整できるようにその遠心圧縮機を構成する必要がある。軸方向隙間量を調整する能力は、遠心圧縮機の構造によって異なる。例えば、遠心圧縮機のインペラを支持する回転シャフトがケーシングに対してローラ軸受又は滑り軸受に対して支持されている場合、軸受構造は通常、ケーシングに対するシャフトの軸方向の移動を許容しないため、遠心圧縮機の運転中に軸方向隙間を調整することはできない。一方、シャフト軸受が磁気軸受又は流体軸受（例えば、ガス軸受）であれば、その場合には、シャフトとケーシングとの間にわずかな変位を生じさせることによってインペラの軸方向の隙間量を調整することが可能である。例えば、磁気軸受の場合、軸方向の磁力がケーシングに対してシャフトをわずかに変位させるように作用するように、磁気軸受に供給される動作電流を調整することによって軸方向隙間を調整することが可能である。
【００１０】
１段のみのインペラを有する単段遠心圧縮機の場合、軸を支持する磁気軸受に供給する動作電流を調整することにより軸方向隙間量を調整することは有効な方法となり得る。しかし、例えば遠心圧縮機が一方の側に第１段インペラをそして他方の側に第２段インペラを有する２段圧縮機であり、両方のインペラが単一シャフトの軸方向両端に配置されている場合、一方のインペラの軸方向隙間量を他方のインペラの軸方向隙間量に影響を与えずに調整することが非常に困難になる可能性がある。例えば、第１段インペラがケーシングに対する軸方向隙間量を減少させるために軸方向外方に移動するように、少なくとも１つの磁気軸受に供給される電流が調整される場合、同時に、第２段のインペラの位置は軸方向内側に移動し、その結果、第２段インペラの軸方向隙間量が増大する。第１段インペラと第２段インペラの両方の軸方向隙間量は、典型的には同じ方法で調整される必要があるので（すなわち、両方とも増加又は両方とも減少）、２段のうちの一方において軸方向隙間量を最適値に調整することは、２段のうちの他方における軸方向隙間量を最適値に向かってではなく最適値からさらに遠くにずらす結果になりかねない。したがって、磁気軸受に供給される電流を調整することによって二段圧縮機内の第１及び第２段インペラの両方の軸方向隙間量を調整することには問題がある。
【００１１】
したがって、遠心圧縮機の磁気軸受に供給される電流を調整する以外の方法によってインペラの軸方向隙間量を調整することができる、遠心圧縮機及びインペラ隙間量コントローラが更に必要である。特に、二段式遠心圧縮機、及び、第１段のインペラの軸方向隙間量と第２段の圧縮機の軸方向隙間と量を別々に調整可能な、又は、そうではなくとも、一方のインペラの軸方向隙間量を調整しても、他方のインペラの軸方向隙間量に悪影響を与えないように調整することを可能にするインペラ隙間量制御が必要である。本発明の目的は、そのような遠心圧縮機、及び、遠心圧縮機のインペラ隙間量を制御するための装置及び方法を提供することである。本発明の他の目的は、そのような遠心圧縮機、及び、遠心圧縮機のコスト及び複雑さを増大させる可能性がある追加のセンサ及び機械部品を必要としないインペラ隙間量コントローラを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述目的の１つ以上は、ケーシング、第１のインペラ、モータ、シャフト及び冷却媒体送出機構を含む遠心圧縮機を提供することによって基本的に達成することができる。ケーシングは、第１の入口部分と第１の出口部分とを有する。第１のインペラは、第１の入口部分と第１の出口部分との間に配置されている。シャフトには第１のインペラが取り付けられており、シャフトは回転軸を中心に回転可能である。第１のインペラとケーシングとの間に第１の軸方向ギャップ(gap)が存在する。モータは、第１のインペラを回転させるために、シャフトを回転させるようにケーシング内に配置されている。モータは、シャフトに取り付けられたロータと、ロータの半径方向外側に配置されてロータとステータとの間に径方向ギャップを形成するステータとを含む。冷却媒体送出機構は、冷却媒体をケーシングに供給するように位置する入口導管と、ケーシングから冷却媒体を排出するように位置する出口導管とを含む。この冷却媒体送出機構は、ケーシングに供給する冷却媒体の流量を変えるように構成されている。シャフトは第１の端部と第２の端部とを有し、シャフトの第１の端部に第１のインペラが取り付けられている。第１の端部とロータとの間のシャフトの一部は、第１の軸受によってケーシングに対して支持されている。第１の軸受は、シャフトの軸方向においてシャフトに対して移動可能である。
【００１３】
前述の目的はさらに、センサと、ケーシングの熱膨張及び収縮を利用して第１の軸方向ギャップが軸方向ギャップ目標値に調整されるように、センサによって検出された値に基づいてケーシングへの冷却媒体の供給を制御するようにプログラムされたコントローラと、を含む制御装置を提供することによって達成され得る。
【００１４】
本発明のこれら及び他の目的、特徴、態様及び利点は、添付の図面と併せて好ましい実施形態を開示する以下の詳細な説明から当業者には明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
ここで、この原開示の一部を形成する添付図面を参照する。
【００１６】
【図１】本発明に係る２段遠心圧縮機を有する（エコノマイザを備えた）２段チラーシステムを示す概略図である。
【図２】説明のために一部を破断して断面で示した、オープンインペラを特徴とする第１の実施形態に係る図１に示すチラーシステムの遠心圧縮機の斜視図である。
【図３】図２に示す遠心圧縮機の内部部品（例えば、シャフト、インペラ、磁気軸受及びモータ）の簡略化した内部側面図であり、インペラ隙間量調整を示す図である。
【図４】図３に示す遠心圧縮機の内部部品（例えば、シャフト、インペラ、磁気軸受及びモータ）の簡略化した内部側面図であり、第１の実施形態に係る冷却媒体送出機構の配置を示す。
【図５】第１の実施形態における第１段インペラの軸方向隙間量を調整するための制御ロジックを示すフローチャートである。
【図６】クローズドインペラを有する第１の実施形態の変形例において第１段インペラの軸方向隙間量を調整するための制御ロジックを示すフローチャートである。
【図７】クローズドインペラを特徴とする、第２の実施形態に係る図１に示したチラーシステムの遠心圧縮機の斜視図であり、説明のために一部を破断して断面で示している。
【図８】図７に示す遠心圧縮機の内部部品（例えば、シャフト、インペラ、磁気軸受及びモータ）の簡略化した内部側面図であり、インペラ隙間量調整を示している。
【図９】図８に示す遠心圧縮機の内部部品（例えば、シャフト、インペラ、磁気軸受及びモータ）の簡略化した内部側面図であり、第２の実施形態に係る冷却媒体送出機構の配置を示す。
【図１０】第２の実施形態における第１及び第２段インペラの軸方向隙間量を調整するための制御ロジックを示すフローチャートである。
【図１１】オープンインペラを有する第２の実施形態の変形例における第１及び第２段インペラの軸方向隙間量を調整するための制御ロジックを示すフローチャートである。
【図１２】第１及び第２の実施形態においてケーシングの温度を制御するために使用される制御ロジックの一例を示すフローチャートである。
【図１３】第１及び第２の実施形態の冷却媒体送出システムに適用可能なステータ及びロータ冷却流路の第１の例を示す部分概略図である。
【図１４】第１及び第２の実施形態の冷却媒体送出システムに適用可能なステータ及びロータ冷却流路の第２の例を示す部分概略図である。
【図１５】第１及び第２の実施形態の冷却媒体送出システムに適用可能なステータ及びロータ冷却流路の第３の例を示す部分概略図である。
【図１６】第１及び第２の実施形態の冷却媒体送出システムに適用可能なステータ及びロータ冷却流路の第４の例を示す部分概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
次に、選択された実施形態（すなわち、第１の実施形態、第２の実施形態、及びそれらの変形形態）について、図面を参照しながら説明する。この開示から当業者には明らかなように、以下の実施形態の説明は例示のみを目的として提供されており、添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物によって定義される本発明を限定する目的とするものではない。特に、第１の実施形態に示されたいくつかの特徴は、第２の実施形態の特徴と交換可能である。例えば、第１の実施形態は、オープンインペラ、ケーシングの第１段側と第２段側を分離する仕切り、及びケーシング内のベローズジョイントを特徴とするが、第２の実施形態のクローズドインペラと一緒に第２の実施形態に仕切りやベローズジョイントを用いてもよい。
【００１８】
最初に図１を参照すると、本発明の一実施形態に係る遠心圧縮機２２を有するチラーシステム１０が示されている。図１の遠心圧縮機２２（２２’）は２段圧縮機であり、したがって、図１のチラーシステム１０は２段チラーシステムである。図１の２段チラーシステムは、また、任意選択でエコノマイザ２６を含む。遠心圧縮機２２と、遠心圧縮機２２のケーシング３０に冷却媒体を供給する冷却媒体送出機構とを除いて、チラーシステム１０は従来のものである。したがって、チラーシステム１０は、遠心圧縮機２２及び遠心圧縮機２２の冷却媒体送出機構に関するものを除いて、本明細書では詳細に説明及び／又は図示しない。しかし、本発明の範囲から逸脱することなく、チラーシステム１０の従来の部品を様々な方法で構成できることは当業者には明らかであろう。
【００１９】
図示の実施形態では、チラーシステム１０は、従来の方法で冷却水及び冷水を利用する水チラーであることが好ましい。図１は、本発明に係る遠心圧縮機２２を使用することができるチラーシステム１０の一例を示すにすぎない。例えば、本発明は単段遠心圧縮機に採用してもよい。しかし、本発明は、２段遠心圧縮機、又は圧縮機の軸方向両端に配置された２つのインペラを有する他の任意の圧縮機において特に有利であると考えられる。
【００２０】
再び図１を参照して、チラーシステム１０の構成要素について簡単に説明する。チラーシステム１０は、基本的に、チラーコントローラ２０、ループ冷凍サイクルを形成するために直列に接続されている、遠心圧縮機２２（２２’）、凝縮器２４、膨張弁又はオリフィス２５、エコノマイザ２６、膨張弁又はオリフィス２７、及び蒸発器２８を含む。従来の方法でチラーシステム１０を制御するため、様々なセンサ（図示せず）がチラーシステム１０の回路全体に配置されている。そのセンサ及びそのセンサからの情報を使用してチラーシステム１０を制御することは従来通りであるため、本発明に係る遠心圧縮機２２の制御に関する内容以外は、本明細書では詳細に説明及び／又は図示しない。したがって、遠心圧縮機２２の構造及び動作に関連する場合を除き、チラーシステム１０の通常の動作の説明が簡潔にするために省略されていることは、本開示から当業者には明らかであろう。
【００２１】
遠心圧縮機２２（２２’）は２段圧縮機である。しかし、圧縮機２２は、３つ以上のインペラ（図示せず）を含んでもよく、又は単段圧縮機であってもよい。この開示から、本発明は単段圧縮機に適用可能であるが、本発明は、従来技術を用いて第１段側及び第２段側の両方でインペラ隙間量を調整するという問題のために、２段圧縮機（例えば遠心圧縮機２２）に特に関連することが、当業者には明らかであろう。したがって、二段圧縮機２２は単段圧縮機の全ての部品を含み、更に追加の部品も含む。そのため、この開示から、２段圧縮機２２の説明及び図示は、２段圧縮に関するパーツ及び２段圧縮に関する変更（例えば、ハウジング形状、シャフト端部形状など）を除いて、単段圧縮機にも適用されることは当業者に明らかであろう。これらの点を考慮し、また簡潔さを目的として、ここでは２段圧縮機２２のみを詳細に説明及び／又は図示する。
【００２２】
ここで図２〜図１１を簡単に参照すると、この開示から当業者には、チラーシステム１０におけるインペラの種類及び遠心圧縮機２２（第１の実施形態）の冷却媒体送出機構２３又は遠心圧縮機２２’（第２の実施形態）の冷却媒体送出機構２３’の構成に関して、いくつかの選択肢があることが理解されるであろう。特に、遠心圧縮機２２又は２２’はオープンインペラ又はクローズドインペラを有することができる。また、ケーシング３０には、第１段側と第２段側とを隔てる内部仕切り７４が設けられても設けられなくてもよく、冷却媒体の別々の供給を受け取るために第１段側と第２段側とに別々の通路が設けられても設けられなくてもよい。図１に冷却媒体送出機構の内部経路を示すのは困難であるため、図１には、図４及び図９に示す冷却媒体送出機構２３及び２３’を示していない。ただし、図４及び図９に示される選択肢のいずれも、「図面の簡単な説明」からわかるように、図１に示されるチラーシステム１０への組み込みが可能であることが、この開示から当業者には明らかであろう。より詳細な構成の更なる例が図１０及び図１１に示されている。さらに、図４及び図９に示すように、チラーシステム１０のエコノマイザ２６は、遠心圧縮機２２又は２２’のケーシングに冷却媒体を供給するために使用されない場合には省くことができることもこの開示から当業者には明らかであろう。
【００２３】
再び図２〜図１１を参照して、第１の実施形態及び第２の実施形態を説明する。第１の実施形態と第２の実施形態との間の主な違いは、第１の実施形態は、ケーシング３０を第１段側と第２段側とに分離する仕切り７４をケーシング３０内に備えており、ケーシング３０の第１段側と第２段側に、それぞれ個別の冷却媒体送出通路２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄが設けられていることにある。逆に、第２の実施形態はパーティションを含まず、同じ冷却媒体送出通路２３ａ’及び２３ｂ’を使用して、第１段側と第２段側の両方でインペラ隙間量を調整する。第１の実施形態と第２の実施形態との間には他の違いがあるが、前述のように、これらの他の特徴の多くは２つの実施形態の間で交換可能に使用することができることは、この開示から当業者には明らかであろう。例えば、第１の実施形態は、ケーシング３０内にベローズジョイントを備えており、第２の実施形態は、ベローズジョイントを備えていない。しかし、第２の実施形態にベローズジョイントを用いてもよい。同様に、第２の実施形態は、回転シャフト４２とケーシング３０との間のラビリンス(labyrinth)シールを特徴とする。しかし、第１の実施形態にラビリンスシールを使用することも可能である。次に、第１及び第２の実施形態について詳細に説明する。
＜第１の実施形態＞
【００２４】
第１の実施形態を図２〜図６に示す。第１の実施形態では、圧縮機２２は２段遠心圧縮機である。遠心圧縮機２２は、モータ３８と、第１段インペラ３４ａと、第２段インペラ３４ｂと、を収容するケーシング３０を備えている。第１の実施形態では、第１段インペラ３４ａ及び第２段インペラ３４ｂはオープンインペラである。しかし、第１段及び第２段インペラ３４ａ、３４ｂをクローズドインペラとしてもよい。図２及び図３に示すように、モータ３８は、第１段インペラ３４ａと第２段インペラ３４ｂとの間に配置されている。ケーシング３０は、冷媒を第１段インペラ３４ａに向けてかつ第１段インペラ３４ａから離れるように案内する第１の入口部分３１ａ及び第１の出口部分３３ａを含む。同様に、ケーシング３０は、冷媒を第２段インペラ３４ｂに向けてかつ第２段インペラ３４ｂから離れるように案内する第２の入口部分３１ｂ及び第２の出口部分３３ｂを含む。遠心圧縮機２２はさらに、第１の入口部分３１ａと第１段インペラ３４ａとの間に配置された第１段入口案内羽根３２ａと、第１段インペラ３４ａと第１の出口部分３３ａとの間に配置された第１ディフューザ／ボリュート（volute）３６ａとを含む。同様に、遠心圧縮機２２は、第２の入口部分３１ｂと第２段インペラ３４ｂとの間に配置された第２段入口案内羽根３２ｂと、第２段インペラ３４ｂと第２の出口部分３３ｂとの間に配置された第２ディフューザ／ボリュート３６ｂとを含む。
【００２５】
ケーシング３０は、軸方向に第１段インペラ３４ａと第２段インペラ３４ｂとの間に配置され、モータ３８を囲むように構成されたモータ収容部３５をさらに含む。図示の実施形態では、モータ収容部３５は、略円筒形であり、モータ収容部３５の内側にモータ３８のステータ６０を固定支持している。図示の実施形態のモータ３８は、ステータ６０に加えて、回転シャフト４２の中央部に取り付けられた回転子６２も含む。シャフト４２は、第１段インペラ３４ａが取り付けられる第１端と、第２段インペラ３４ｂが取り付けられる第２端とを有する。モータ収容部３５は、冷却媒体送出機構２３、２３’によって供給された冷却媒体をケーシング３０から排出するための少なくとも１つのポート５５（５５ａ、５５ｂ）を含む。冷却媒体をケーシング３０に供給するために、同様の１つ又は複数のポート（図示せず）を設けてもよい。ポートの数及び配置は、冷却媒体送出機構２３又は２３’の特定の構成にしたがって変更可能である。図示の実施形態の遠心圧縮機２２は、モータ３８と、第１のインペラ３４ａ及び第２のインペラ３４ｂの両方が取り付けられた単一のシャフト４２とを有するが、本発明は、圧縮機の第１段側と第２段側のそれぞれに別々のモータとシャフトとを備えた遠心圧縮機にも適用可能である。また、前述したように、本発明は単段圧縮機にも適用可能である。
【００２６】
図２に示すように、ケーシング３０はさらに、モータ収容部３５の第１端に接合し且つ第１段インペラ３４ａを囲む第１の端部３７を含む。ケーシング３０はまた、モータ収容部３５の第２端に接合し且つ第２段インペラ３４ｂを囲む第２の端部３９を含む。第１の端部３７は、第１段インペラ３４ａの入口側（軸方向外側）で第１段インペラ３４ａに近接して配置された第１シュラウドカバー部８０を含む。図示の実施形態では、第１シュラウドカバー部８０は、第１段インペラ３４ａの入口側の輪郭にほぼ対応する湾曲形状を有する。同様に、第２の端部３９は、第２段インペラ３４ｂの入口側（軸方向外側）で第２段インペラ３４ｂに近接して配置された第２シュラウドカバー部８２を含む。図示の実施形態では、第２シュラウドカバー部８２は、第２段インペラ３４ｂの入口側の輪郭にほぼ対応する湾曲形状を有する。後で詳しく説明するように、第１シュラウドカバー部８０と第１段インペラ３４ａとの間に第１の軸方向ギャップすなわちインペラ隙間量Ｌ１が存在し、第２シュラウドカバー部８２と第２段インペラ３４ｂとの間に第２の軸方向ギャップすなわちインペラ隙間量Ｌ２が存在する。
【００２７】
図示した実施形態の遠心圧縮機２２のシャフト４２は、ケーシング３０に固定支持されている磁気軸受組立体４０に支持されている。磁気軸受組立体４０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、及びアキシャル磁気軸受４８を含む。図３に示すように、アキシャル磁気軸受４８は、スラストディスク４５に作用することによって、シャフト４２を回転軸Ｘに沿って支持する。アキシャル磁気軸受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。スラストディスク４５は、シャフト４２から回転軸Ｘと直交する方向に径方向に延び、シャフト４２に対して固定されている。
【００２８】
磁気軸受は、シャフトが非常に低い摩擦で回転することができるように磁力を用いて回転シャフトを浮揚させる軸受である。磁気軸受組立体４０とシャフト４２との間の相対的な軸方向の動きは、磁気軸受組立体４０の構造及び動作機構により、少なくともある程度まで許容される。そのため、ケーシング３０の温度変化によってケーシング３０がシャフト４２の軸方向に伸縮すると、磁気軸受組立体４０により、ケーシング３０はシャフト４２に対して動くことができるようになる。本明細書では磁気軸受について記載されているが、軸受がシャフト４２の軸方向移動を許容できるのであれば、他の種類及び形態の軸受を本発明に係る圧縮機に使用できることが、この開示から当業者には明らかであろう。例えば、気体軸受又は他の流体型軸受を使用することができる。いずれにせよ、この開示から当業者には明らかなように、本発明は磁気軸受を有する圧縮機に特に適している。
【００２９】
第１の実施形態では、ケーシング３０のモータ収容部３５に２つのベローズジョイント７０、７２が設けられている。一方のベローズジョイント７０は、シャフト４２の軸方向に沿って第１段インペラ３４ａとモータ３８との間の位置に設けられている。他方のベローズジョイント７２は、シャフト４２の軸方向に沿って第２段インペラ３４ｂとモータ３８との間の位置に設けられている。後で説明するように、ベローズジョイント７０及び７２は、ケーシング３０の温度変化に応答してケーシング３０の熱膨張及び収縮の促進に役立ち、それによって本発明によるインペラ隙間量の制御を補助する。
【００３０】
図示の第１の実施形態の２段遠心圧縮機２２は従来のものである。ただし、図４に示すように、圧縮機２２は、冷却媒体を圧縮機２２のケーシング３０に供給するための冷却媒体送出機構２３を含む点が異なる。冷却媒体送出機構２３は、圧縮機２２の通常運転中にモータ３８を冷却する目的でも設けられる構造とすることができる。冷却媒体は、チラーシステム１０全体で使用されるのと同じ冷媒であってもよく、チラーシステム１０の冷凍回路の適切な部分から供給されてよい。例えば、第１の実施形態では、冷却媒体（例えば冷媒）は、チラーシステム１０の凝縮器２４から供給されて蒸発器２８に戻されてもよいし、チラーシステム１０の蒸発器２８から供給されて蒸発器２８に戻されてもよい（図１３〜図１６を参照）。あるいは、チラーシステム１０の冷凍回路とは別に、圧縮機２２のケーシング３０を冷却するための専用の冷凍回路を設けてもよい。冷却及び空調分野の当業者であれば、冷却媒体送出機構２３を構成できる様々な方法があることがわかるであろう。したがって、本開示は、冷却媒体送出機構２３の可能な構成すべての広範な説明を提供するものではない。ただし、図１３〜図１６に示す例の説明は、本明細書の後半（第２の実施形態の説明後）に行う。
【００３１】
第１の実施形態では、図２に示すように、内部仕切り７４が、ケーシング３０の第１段側とケーシング３０の第２段側とを隔てるようにケーシング３０の内部に設けられている。第１の実施形態では、仕切り７４は、シャフト４２の軸方向に沿ってケーシング３０の略中央位置に設けられている。また、第１の実施形態では、冷却媒体送出機構２３は、ケーシング３０の第１段側とケーシング３０の第２段側とに別々の冷却媒体通路をそれぞれ有するように構成されている。したがって、図４に示すように、第１の実施形態の冷却媒体送出機構２３は、第１段冷却媒体供給通路２３ａ、第１段冷却媒体戻り流路２３ｂ、第２段冷却媒体供給通路２３ｃ、及び第２段冷却媒体戻り流路２３ｄを含む。しかし、冷却媒体送出機構２３は、図４に示される特定の構造に限定されない。冷却媒体を送出するための様々な構成が可能である。例えば、ケーシング３０の第１段側及び第２段側のそれぞれに対して、複数の冷却媒体供給通路及び／又は複数の冷却媒体戻り通路を設けることができる。さらに、当業者であれば、冷却媒体でケーシングを冷却するため、ケーシング３０を通して冷却媒体を送るために様々な構成を採用できることをこの開示から理解できるであろう。
【００３２】
チラーコントローラ２０は、従来の方法で、様々なセンサから信号を受信し、入口案内羽根３２ａ，３２ｂ、圧縮機モータ３８、ならびに磁気軸受組立体４０を制御する。したがって、入口案内羽根３２ａ，３２ｂ、圧縮機モータ３８、及び磁気軸受組立体４０の制御及び動作の詳細な説明は、簡潔にするために本明細書では省略する。第１の実施形態では、チラーコントローラ２０は、以下に説明するように、本発明にしたがってケーシング３０への冷却媒体の供給も制御する。当業者には、本発明が、インペラ隙間量Ｌ１、Ｌ２を制御するために、冷却媒体送出機構２３を介したケーシング３０への冷却媒体の供給を制御するためにチラーシステム１０のチラーコントローラ２０を使用することに限定されないことは認識されるであろう。例えば、冷却媒体送出機構２３を介した冷却媒体の供給を制御するための専用のコントローラを別途設けてもよい。
【００３３】
次に、図５を参照して、第１の実施形態によるコントローラ２０によるインペラ隙間量（隙間量Ｌ１、Ｌ２）の制御について説明する。制御は、圧縮機２２の第１段側を参照して説明されるが、同じ制御ステップが圧縮機２２の第２段側に関して実行されてもよいことを理解されたい。ステップＳ１０において、コントローラ２０は、インペラ隙間量制御を開始する。ステップＳ２０において、コントローラ２０は、圧縮機２２の回転速度、第１段インペラ３４ａ前後の圧力差、及び圧縮機２２の第１段側を通る冷媒の流量などの要因に基づいて、圧縮機２２の第１段側の効率を算出する。ステップＳ３０において、コントローラ２０は、算出した圧縮機２２の第１段側の効率が所定の最大効率値であるか否かを判定する。算出した効率がその最大効率である場合、コントローラ２０はインペラ隙間量制御を終了する。そうではなく、算出した効率が最大効率を下回っている場合、コントローラ２０はステップＳ４０に進む。
【００３４】
ステップＳ４０において、コントローラ２０は、第１段の効率が最大となる軸方向隙間量Ｌ１の値を算出する。するとステップＳ５０において、コントローラ２０は、軸方向隙間量Ｌ１が、圧縮機の第１段の効率が最大になる計算軸方向隙間量値に等しくなるはずのケーシングの温度を算出する。ステップＳ６０において、コントローラ２０は、ケーシングの温度を、ステップＳ５０で算出したケーシング温度に合わせるように変更する制御を実行する。コントローラ２０は、例えば、冷却媒体送出機構２３の流量制御弁（例えば、図１３〜図１６参照）の開度を調整して、ケーシング３０の第１段側に流れる冷却媒体の流量を制御することにより、ケーシング３０の温度を変化させるための制御を実行する。例えば、１対の温度センサＴＳ１，ＴＳ２が検出した現在のケーシングの温度が、ステップＳ５０において算出されたケーシング温度よりも高い場合、コントローラ２０は、ケーシング３０の実際の温度は低下するように、流量制御弁の開度を大きくして冷却媒体の流量を大きくするように制御することができる。逆に、現在のケーシング温度がステップＳ５０で算出されたケーシング温度より低い場合、コントローラ２０は、ケーシング３０の実際の温度が上昇するように、流量制御弁の開度を小さくして冷却媒体の流量を少なくするように制御することができる。これにより、コントローラ２０は、第１段インペラ３４ａの軸方向隙間量Ｌ１の大きさをステップＳ４０で算出した値までに制御することができる。ステップＳ６０の制御ロジックの例については図１２（後述）を参照のこと。
【００３５】
次に、ステップＳ７０において、コントローラ２０は、算出した圧縮機２２の第１段側の効率が所定の最大効率値であるか否かを再度判定する。ステップＳ７０の結果、圧縮機２２の第１段側の算出効率が所定の最大効率値であれば、コントローラ２０はこの制御シーケンスを終了する。ステップＳ７０の結果、算出された効率が所定の最大効率値を下回っていると判定された場合、コントローラ２０は制御シーケンスのステップＳ２０に戻る。
【００３６】
図５に示す制御シーケンスを実行することによって、コントローラ２は、圧縮機の第１段側が最大効率で作動するように、ケーシング３０の温度を調整して第１段インペラ３４ａの軸方向隙間量Ｌ１を調整する。つまり、コントローラ２０は、軸方向隙間量Ｌ１をステップＳ４０で算出した値にまで制御する。上述のように、圧縮機２２の第１段の最大効率を計算する際には様々な要因を考慮に入れることができる。例えば、冷媒漏洩量、性能レベル、及びケーシング３０に対するインペラ３４ａの接触の可能性は、軸方向の隙間量Ｌ１に相関し得る。このため、各種要因の理想的なバランスに対応する軸方向隙間量Ｌ１の目標値は、ステップＳ４０において算出された第１段の効率が最大化されることになる軸方向隙間量Ｌ１の値として選択することができる。例えば、下記の表１を参照のこと。
【表１】
2019525064.tif 000003
【００３７】
第２段インペラ３４ｂの軸方向隙間量Ｌ２についても、表１と同様の表を作成することができる。圧縮機２２の構造に応じて、第２段インペラ３４ｂの軸方向隙間量Ｌ２の反応は、第１段インペラ３４ａの軸方向隙間量Ｌ１の応答と実質的に同じであり得る。すなわち、ケーシング３０の温度と軸方向隙間量Ｌ２の値との間の相関が、ケーシング３０の温度と軸方向隙間量Ｌ１の値との間の相関とほぼ同じであれば、コントローラ２０は、第２段冷却媒体供給通路２３ｃに供給される冷却媒体の流量を、第１段冷却媒体供給通路２３ａに供給される冷却媒体の流量と略同一に制御することができる。一方、第１の実施形態では、ケーシング３０の第１段側に供給される冷却媒体の流れを、ケーシング３０の第２段側に供給される冷却媒体の流れとは独立して制御することができるので、コントローラ２０は、ケーシングの第１段側に送出される冷却媒体の供給とは異なる流量でケーシングの第２段側に送出される冷却媒体の供給を制御することが可能である。このようにして、軸方向隙間量Ｌ１及び軸方向隙間量Ｌ２の制御を微調整して、第１段側及び第２段側の条件にそれぞれを合わせることができる。
【００３８】
次に、図６を参照して、第１の実施形態の変形例について説明する。この変形例では、第１段インペラ３４ａ及び第２段インペラ３４ｂは、いずれもインペラ３４ａ又は３４ｂのブレードに固定されたシュラウドＳを有するクローズドインペラである。クローズドインペラの場合、ケーシング３０への冷却媒体の供給を制御することによって軸方向隙間量を制御するという点で、本発明は基本的にオープンインペラの場合と同じように作用する。しかし、クローズドインペラの使用時、インペラの後側（軸方向内側）と前側（軸方向外側）との間の圧力バランスが、インペラの軸方向隙間量と圧縮機２２の効率との間の関係に影響を及ぼす。具体的には、インペラの背面側の圧力がインペラの前面側の圧力よりも高い場合には、インペラの後面とケーシングの内部との間の軸方向隙間量を減少させることが好ましい。例えば、下記の表２及び図８を参照されたい。クローズドインペラの場合、隙間量は１対の軸方向のギャップＷｆ及びＷｒによって定義されるが、この２つの軸方向ギャップＷｆ及びＷｒの合計は典型的には実質的に一定であることが判明した。したがって、例えば、基本的に上述した軸方向隙間量Ｌ１に対応する軸方向隙間量Ｗｆ１のみに基づいてクローズド第１段インペラ３４ａの軸方向隙間量を制御することも可能である。
【表２】
2019525064.tif 000004
【００３９】
したがって、上記の表２に示すように、圧縮機２２の性能は、例えば、それぞれのインペラ３４ａ又は３４ｂの前側及び後側の圧力Ｐｆ（Ｐｆ１又はＰｆ２）及びＰｒ（Ｐｒ１又はＰｒ２）に応じて、第１段インペラ３４ａ及び第２段インペラ３４ｂの軸方向隙間量Ｗｆ１、Ｗｒ１、Ｗｆ２、Ｗｒ２を制御することにより、最大性能レベルに調整することができる。次に、図６を参照して、第１の実施形態の変形例に係るコントローラ２０によるインペラ隙間量（隙間量Ｗｆ１、Ｗｒ１）の制御について説明する。以下、制御は圧縮機２２の第１段側を参照して説明するが、圧縮機２２の第２段側に関しても同じ制御ステップを実行することができることが理解されたい。圧力Ｐｆ、Ｐｒは、インペラ３４ａ、３４ｂの前側及び後側に適宜配置された圧力センサＰＳ１ｆ、ＰＳ１ｒ、ＰＳ２ｆ、ＰＳ２ｒによって測定することができる。
【００４０】
ステップＳ１１０において、コントローラ２０は、インペラ隙間量の制御を開始する。ステップＳ１２０において、コントローラ２０は、圧縮機２２の第１段側の効率を、例えば、第１段インペラ３４ａの後側（軸方向内側）の圧力Ｐｒ１と、第１段インペラ３４ａの前側（軸方向外側）の圧力Ｐｆ１とに基づいて算出する。次にステップＳ１３０において、コントローラ２０は、算出した圧縮機２２の第１段側の効率が所定の最大効率値であるか否かを判定する。算出した効率が最大効率であれば、コントローラ２０はこのインペラ隙間量制御を終了する。そうではなく、算出した効率が最大効率を下回る場合、コントローラ２０はステップＳ１４０に進む。
【００４１】
ステップＳ１４０において、コントローラ２０は、圧縮機２２の第１段の効率は最大になるはずである、第１段インペラ３４ａの前側の軸方向隙間量Ｗｆ１の値と、第１段インペラ３４ａの後側の軸方向隙間量Ｗｒ１の値とを算出する。次にステップＳ１５０において、コントローラ２０は、軸方向隙間量Ｗｆ１及び軸方向隙間量Ｗｒ１がステップＳ１４０で算出した値と等しくなるはずのケーシング温度を算出する。ステップＳ１６０では、コントローラ２０は、ケーシングの温度を、ステップＳ１５０で算出したケーシング温度に合わせるように変更する制御を実行する。ステップＳ６０に関して上述したように、コントローラ２０は、ケーシング３０の温度を変化させる制御を実行する。
【００４２】
次に、ステップＳ１７０において、コントローラ２０は、算出した圧縮機２２の第１段側の効率が所定の最大効率値であるか否かを再度判定する。ステップＳ１７０の結果、算出した圧縮機２２の第１段側の効率が所定の最大効率値であれば、コントローラ２０はこの制御シーケンスを終了する。ステップＳ１７０の結果、算出した効率が所定の最大効率値を下回ると判定された場合、コントローラ２０は制御シーケンスのステップＳ１２０に戻る。
【００４３】
このように、上述のように、第１の実施形態は、第１段インペラ３４ａと第２段インペラ３４ｂとがオープンインペラであってもクローズドインペラであっても、基本的に同様に実施可能である。しかし、軸方向ギャップの目標値を決定する際に考慮される要素は、クローズドインペラ又はオープンインペラのどちらが使用されるかによって異なる可能性がある。
＜第２の実施形態＞
【００４４】
次に、本発明の第２の実施形態を図７から図１１を参照して説明する。図７〜図９に示すように、第２の実施形態は第１の実施形態と同様である。なお、第１の実施形態と同一のパーツについては、第１の実施形態と同一の符号を付して示し、その説明を簡略化のため省略する。主な違いは、第２の実施形態のケーシング３０’は仕切りを含まず、第２の実施形態の冷却媒体送出機構２３’は、ケーシング３０’の第１段側及び第２段側に冷却媒体を別々に供給送出するようには構成されていないことである。代わりに、図９に示されるように、第２の実施形態の冷却媒体送出機構２３’は冷却媒体をケーシング３０’に供給する単一の冷却媒体供給通路２３ａ’を有し、冷却媒体をケーシング３０’から排出する単一の冷却媒体戻し通路２３ｂ’を有する。冷却及び空調分野の当業者であれば、冷却媒体送出機構２３’に多くの変形が可能であることを認識するであろう。例えば、冷却媒体をケーシング３０’に通すための内部構造が、ケーシング３０’の第１段側と第２段側とで共通でさえあれば（別々でなければ）、冷却媒体供給通路２３ａ’と冷却媒体戻し通路２３ｂ’とをそれぞれ複数設けることができる。さらに、冷却媒体を送るための内部構造の様々な構成が可能である。
【００４５】
さらに、図７に示す第２の実施形態では、ケーシング３０’はベローズジョイントを有さず、第１段及び第２段インペラ３４ａ’及び３４ｂ’は、オープンインペラではなくクローズドインペラである。しかし、第２の実施形態のケーシング３０’がベローズジョイントを有することは許容範囲内であり、第２の実施形態がオープンインペラを有する圧縮機を用いて実装されることも許容範囲内である。また、第２の実施形態は、図８に示すように、インペラ３４ａ’、３４ｂ’の端部とケーシング３０’との間のラビリンスシールＬＳを特徴としている。
【００４６】
次に、図１０を参照して、第２の実施形態においてコントローラ２０’が実行する制御について説明する。この制御ステップは、基本的に第１の実施形態に関する上述の変形例１と同じである（図６参照）。ただし、この制御ステップは、冷却媒体送出機構２３’が圧縮機２２’の第１段側及び第２段側に対して冷却媒体を別々に供給するように構成されていないため、圧縮機２２’の第１段側と第２段側の両方に適用される。
【００４７】
ステップＳ２１０において、コントローラ２０’は、インペラ隙間量の制御を開始する。ステップＳ２２０では、コントローラ２０’は、少なくとも第１段インペラ３４ａの後側（軸方向内側）の圧力Ｐｒ１と、第１段インペラ３４ａの前側（軸方向外側）の圧力Ｐｆ１とに基づいて、及び、少なくとも第２段インペラ３４ｂの後側（軸方向内側）の圧力Ｐｒ２と、第２段インペラ３４ｂの前側（軸方向外側）の圧力Ｐｆ２とに基づいて、圧縮機２２’の第１段側及び段側の効率を算出する。次にステップＳ２３０において、コントローラ２０’は、算出した圧縮機２２’の第１段側及び第２段側の効率が所定の最大効率値であるか否かを判定する。算出した効率が最大効率であれば、コントローラ２０’はインペラ隙間量制御を終了する。そうではなく、算出した効率が最大効率を下回る場合、コントローラ２０’はステップＳ２４０に進む。
【００４８】
ステップＳ２４０では、コントローラ２０’は、圧縮機２２’の第１段の効率が最大になるはずである、第１段インペラ３４ａの前側の軸方向隙間量Ｗｆ１の値と、１段目のインペラ３４ａの後側の軸方向隙間量Ｗｒ１の値とを算出する。さらに、コントローラ２０’は、圧縮機２２’の第１段の効率が最大になるはずである、第２段インペラ３４ｂの前方側の軸方向隙間量Ｗｆ２の値と、第２段インペラ３４ｂの後方側の軸方向隙間量Ｗｒ２の値とを算出する。次にステップＳ２５０において、コントローラ２０’は、軸方向隙間量Ｗｆ１、Ｗｒ１、Ｗｆ２、Ｗｒ２がステップＳ２４０で算出した値と等しくなるはずのケーシング温度を算出する。ステップＳ２６０では、コントローラ２０’は、ケーシング３０’の温度を、ステップＳ２５０にて算出したケーシング温度と一致するように変更する制御を実行する。第１の実施形態の図５のステップＳ６０に関して上述したように、コントローラ２０’は、ケーシング３０’の温度を変化させるための制御を実行する。ステップＳ２６０の制御ロジックの例については図１２を参照のこと。
【００４９】
さらに、ステップＳ２５０及びＳ２６０に関して、圧縮機２２’の第１の側と第２の側とで効率が異なる場合、コントローラ２０’が圧縮機２２’の両側の軸方向隙間の適切にバランスのとれた調整量に対応するケーシング温度を計算するように、コントローラ２０’をプログラムすることができる。例えば、コントローラ２０’を、第１段側の効率に基づいて第１のケーシング温度を、第２段側の効率に基づいて第２のケーシング温度を計算するようにプログラムすることができる。その後、ステップＳ２６０において、コントローラは、第１ケーシング温度と第２ケーシング温度の平均値を目標ケーシング温度として使用することができる。
【００５０】
次に、ステップＳ２７０において、コントローラ２０’は、算出した圧縮機２２’の第１段側及び第２段側の効率が所定の最大効率値であるか否かを再度判定する。ステップＳ１７０の結果、算出された圧縮機２２’の第１段側及び第２段側の効率が所定の最大効率値であれば、コントローラ２０’はこの制御シーケンスを終了する。ステップＳ２７０の結果、算出された効率が所定の最大効率値を下回っていると判定された場合、コントローラ２０’は制御シーケンスのステップＳ２２０に戻る。
【００５１】
次に、図１１を参照して、第２実施形態の変形例について説明する。この変形例では、第１の実施形態で説明したように、第１段インペラ３４ａ及び第２段インペラ３４ｂがともにオープンインペラである。したがって、図１１に示す制御ステップは、両インペラ３４ａ、３４ｂの軸方向隙間量Ｌ１、Ｌ２を同時に考慮すること以外は、基本的に第１の実施形態の図５に示す制御ステップと同じである。
【００５２】
ステップＳ３１０において、コントローラ２０’は、インペラ隙間量の制御を開始する。
ステップＳ３２０において、コントローラ２０’は、圧縮機２２’の回転速度、第１段インペラ３４ａと第２段インペラ３４ｂとの間の圧力差、及び圧縮機２２の第１段側及び第２段側を通る冷媒の流量などの要因に基づいて、圧縮機２２’の第１段側及び第２段側の効率をそれぞれ算出する。そして、ステップＳ３３０において、コントローラ２０’は、算出した圧縮機２２’の第１段側及び第２段側の効率が所定の最大効率値であるか否かを判定する。算出した効率が最大効率であれば、コントローラ２０’はこのインペラ隙間量制御を終了する。そうではなく、算出した効率が最大効率を下回る場合、コントローラ２０’はステップＳ３４０に進む。
【００５３】
ステップＳ３４０において、コントローラ２０’は、第１段及び第２段の効率が最大になる軸方向隙間量Ｌ１の値及び軸方向隙間量Ｌ２の値を計算する。次に、ステップＳ３５０において、コントローラ２０’は、軸方向隙間量Ｌ１及びＬ２が、圧縮機２２’の第１段及び第２段の効率が最大になる算出された軸方向隙間値に等しくなるはずのケーシング温度を計算する。ステップＳ３６０では、コントローラ２０’は、ケーシングの温度を、ステップＳ３５０で算出したケーシング温度に合わせるように変更する制御を実行する。第１の実施の形態で説明したように、コントローラ２０’は、例えば冷却媒体送出機構２３の流量制御弁（図示せず）の開度を調整してケーシング３０’に流れる冷却媒体の流量を制御することにより、ケーシング３０’の温度を変化させる制御を実行する。ステップＳ３６０の制御ロジックの例については図１２を参照のこと。
【００５４】
さらに、ステップＳ３５０及びＳ３６０に関して、圧縮機２２’の第１の側と第２の側との効率が異なる場合には、コントローラ２０’が圧縮機２２’の両側の軸方向隙間の適切にバランスのとれた調整量に対応するケーシング温度を計算するように、コントローラ２０’をプログラムすることができる。例えば、第１段側の効率に基づいて第１のケーシング温度を計算し、第２段側の効率に基づいて第２のケーシング温度を計算するようにコントローラ２０’をプログラムすることができる。これにより、Ｓ３６０においてコントローラは、第１ケーシング温度と第２ケーシング温度との平均値を目標ケーシング温度として使用することができる。
【００５５】
次に、ステップＳ３７０において、コントローラ２０’は、算出した圧縮機２２’の第１段側の効率が所定の最大効率値であるか否かを再度判定する。ステップＳ３７０の結果、算出した圧縮機２２’の第１段側の効率が所定の最大効率値であれば、コントローラ２０’は、制御シーケンスを終了する。ステップＳ３７０の結果、算出した効率が所定の最大効率値を下回っていると判定された場合、コントローラ２０’は制御シーケンスのステップＳ３２０’に戻る。
【００５６】
図１２の制御ロジックを説明する。ステップＳ４１０において、コントローラ２０又は２０’は現在検出されているケーシング温度をチェックし、その検出されたケーシング温度を所望の軸方向隙間量が達成される目標温度と比較する。この目標温度は、例えば、図５のステップＳ５０、図６のステップＳ１５０、図１０のステップＳ２５０、又は図１１のステップＳ３５０で算出された温度である。ケーシング３０の温度は、例えば、図２及び図７に示す温度センサＴＳ１及びＴＳ２によって検出される。ステップＳ４２０では、コントローラ２０、２０’は、検出したケーシング温度が目標温度より高いか否かを判定する。検出された温度が目標温度より高い場合、コントローラ２０、２０’はステップＳ４３０に進む。そうでない場合、コントローラ２０又は２０’はステップＳ４４０に進む。ステップＳ４３０では、コントローラ２０、２０’が弁を制御してその弁の開度を大きくし、これによりケーシング３０への冷却媒体の流れを増加させる。ステップＳ４４０では、コントローラ２０、２０’が弁を制御してその弁の開度を小さくし、これによりケーシング３０への冷却媒体の流れを減少させる。例えば、コントローラ２０又は２０’は、図１３〜図１６のいずれかに示されている電磁弁ＳＯＶを制御する。
【００５７】
ステップＳ４３０又はＳ４４０の後、コントローラ２０又は２０’はステップＳ４１０に戻って、検出されたケーシング温度が目標温度に等しいかどうかをチェックする。検出されたケーシング温度が目標温度と等しくない場合、コントローラ２０又は２０’はステップＳ４２０を繰り返す。検出されたケーシング温度が目標温度と等しければ、コントローラ２０又は２０’はこの温度制御を終了する。
【００５８】
第２の実施形態の冷却媒体送出機構２３’の回路構成の例を図１３〜図１６を参照しながら提示する。第１の実施形態の冷却媒体送出機構２３に対して同様の構成をとることができる。これらの実施例は、米国特許出願第１５／０７２，９７５号から借用されたものであり、本発明を限定することを意図するものではない。これらの例は、モータ冷却用途向けに設計されているが、ケーシング３０の冷却にも使用可能である。ケーシング３０の温度を調節するために冷媒又は他の冷却媒体を圧縮機２２又は２２’に様々な方法で供給することができる構成であればいずれも許容範囲内である。
【００５９】
図１３〜図１６のそれぞれにおいて、ステータ供給ラインＳＳ及びステータ戻りラインＳＲが同じ構成で設けられている。各ステータ供給ラインＳＳは、ドライヤフィルタＤＦを間に挟む２つの電磁弁ＳＯＶを含む。各ステータ戻りラインＳＲは電磁弁ＳＯＶを含む。さらに、図３〜図６のそれぞれのロータ戻りラインＲＲも同じである。ただし、図３〜図６のロータ供給ラインＲＳは異なっている。
【００６０】
図３において、ロータ供給ラインＲＳは、蒸発器２８からモータ３８へ冷却流体を送出する。図４において、ロータ供給ラインＲＳは、エコノマイザ２６からモータ３８へ冷却流体を送出する。図５において、ロータ供給ラインＲＳは、冷却流体を凝縮器２４からモータ３８に送出する。この選択肢では、ロータ供給ラインＲＳは、間にストレーナＳＴを挟む電磁弁ＳＯＶを含み、下流に膨張弁ＥＸＶがある。図６では、ロータ供給ラインＲＳは、冷却流体を凝縮器２４からモータ３８に送出する。この選択肢では、ロータ供給ラインＲＳは、間にストレーナＳＴを挟む電磁弁ＳＯＶを含み、下流にオリフィスＯを有する。これらの各構成において、ケーシング３０の温度は、電磁弁ＳＯＶを制御することによって調整することができる。
【００６１】
以上説明した実施形態及びその変形例から明らかなように、本発明によれば、圧縮機のケーシングの温度を制御することにより、圧縮機のインペラの軸方向隙間量を調整することができる。本発明は、上述の実施形態に提示した特定の構成及び配置に限定されるものではない。例えば、上述したように、ケーシング３０又は３０’の温度を変えるために冷却媒体の供給を調整することができる限りにおいて、冷却媒体送出機構２３及び２３’に様々な変更を加えることができる。
【００６２】
さらに、本発明は、最大効率が達成される目標ケーシング温度を決定し、ケーシングの温度が目標ケーシング温度に調整されるように冷却媒体の供給を制御することに限定されるものではない。例えば、軸方向隙間量（例えば、Ｌ１、Ｌ２、Ｗｆ１、Ｗｒ１、Ｗｆ２、及びＷｒ２のいずれか１つ又はその組み合わせ）は、ギャップセンサ５８を用いて検出され、冷却媒体の供給は、軸方向隙間量を特定の値又は特定の値の範囲内に維持するようにフィードバックロジックを使用して制御されてもよい。軸方向隙間量は、例えば、軸方向隙間量を直接測定するように構成されたセンサを用いて、又は磁気軸受のギャップを測定するように構成されたギャップセンサを用いて測定する（次に、軸方向隙間量を磁気軸受のギャップの測定値に基づいて計算することができる）ことができる。図示の実施形態では、ギャップセンサ５８は、磁気軸受４８の軸方向ギャップを測定するように配置されている。
【００６３】
また、図示の実施形態は２段遠心圧縮機２２または２２’を特徴としているが、本発明はこのような圧縮機に限定されるものではない。例えば、圧縮機は、互いに軸方向に対向して配置されているが２段配置では接続されていない２つのインペラを有する２つの側面を有することができる。さらに、本発明は、圧縮機の幾何学的形状および構造がケーシングの温度を制御することによって軸方向隙間量を調整する限り、単一インペラまたは３つ以上のインペラを有する圧縮機に適用可能である。さらに、図示の実施形態は２つの温度センサＴＳ１およびＴＳ２を特徴としているが、ケーシング３０または３０’の温度を決定するために１つの温度センサまたは３つ以上の温度センサを使用することも可能である。第１の実施形態において、ケーシングの第１段側の温度を検出するための第１温度センサＴＳ１と、ケーシングの第２段側の温度を検出するための第２温度センサＴＳ２とを設けて、第１及び第２温度センサＴＳ１及びＴＳ２の検出温度それぞれに基づいて、ケーシングの第１段及び第２段側への冷却媒体の供給を独立して制御することもできる。
【００６４】
ここで、ケーシング温度と熱膨張及び収縮によるケーシングの移動量との間の代表的な対応を実証する実験データを提示する。以下の表３を参照のこと。この種のデータを用いて、ケーシング温度に対する軸方向隙間の調整量を決定することができる。本明細書に提示するデータは、実験的に得ることができるデータの単なる例である。実際の測定値は、特定の圧縮機の構造及び運転条件によって異なる。
【００６５】
この表では、室温（６８°Ｆ）が基準として使用されているため、移動量は６８°Ｆで０インチとする。また、表３は、ケーシングにベローズジョイントが設けられていない場合のデータを示す（第２実施形態と同様）。
【表３】
2019525064.tif 000005
【００６６】
ケーシング内にベローズジョイントが設けられている場合の実験温度及びケーシングの動きのデータを以下の表４に示す。表３と比較したデータが示すように、移動量は、ベローズジョイント無しの場合よりもベローズジョイント有りの方が大きい。
【表４】
2019525064.tif 000006
【００６７】
圧縮機２２又は２２’のハウジング（ケーシング３０）及びシャフト４２の材料は、ケーシング３０及びシャフト４２の両方の温度変化に応答してシャフト４２に対するケーシング３０の適切な動きが得られるように選択される。いくつかの構成では、シャフト４２の温度にも影響を与えずにケーシング３０の温度を調整することは不可能となる。したがって、ケーシング３０の温度を制御することに応答してシャフト４２に対するケーシング３０の十分な動きを確実にするために、ケーシング３０とシャフト４２との相対的な熱膨張係数を考慮する。
【００６８】
また、モータ収容部３５を含むがこれに限定されないケーシング３０の形状は、温度変化に応じたケーシング３０の軸方向移動は均一であり、かつ遠心圧縮機２２又は２２’の運転中に生じる温度変化に応じてケーシング３０が曲げ変形又はねじれ変形を受けないことを確実にするように設計されている。さらに、ケーシングの材質と形状は、たとえケーシングの温度が遠心圧縮機２２又は２２’の運転中に当然予想されるのと少なくとも同じ幅の温度範囲にわたって変化するときでもケーシング材料の応力許容差を超えないことを確実にするように設計されている。
＜用語の一般的解釈＞
【００６９】
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、上述で述べた特徴、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。更に、用語「部品(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。
【００７０】
構成要素、セクション、装置等によって行われる動作又は機能の記載に本明細書で使用する用語「検出する(detect)」は、物理的検出を必要とせず、その動作又は機能を行うための判断、測定、モデリング、予測、又は演算等を含む構成要素、セクション、機器等を含む。
【００７１】
装置の構成要素、セクション、又は部品の説明のためにここで使用する用語「構成されている」は、所望の機能を実行するために構築及び／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。
【００７２】
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に被修飾語の妥当な偏移量を意味する。
【００７３】
本発明を説明するために選択した実施形態のみを選択してきたが、添付の請求項で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ろう。例えば、各種部品のサイズ、形状、位置、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構成要素は、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すべて、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。したがって、本発明に係る実施形態の上述説明は、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本発明を限定するためのものではない。
【図１】
2019525064.tif 000007
【図２】
2019525064.tif 000008
【図３】
2019525064.tif 000009
【図４】
2019525064.tif 000010
【図５】
2019525064.tif 000011
【図６】
2019525064.tif 000012
【図７】
2019525064.tif 000013
【図８】
2019525064.tif 000014
【図９】
2019525064.tif 000015
【図１０】
2019525064.tif 000016
【図１１】
2019525064.tif 000017
【図１２】
2019525064.tif 000018
【図１３】
2019525064.tif 000019
【図１４】
2019525064.tif 000020
【図１５】
2019525064.tif 000021
【図１６】
2019525064.tif 000022
【国際調査報告】
2019525064.tif 000023
2019525064.tif 000024
2019525064.tif 000025