(57)【要約】並列運転される遠心コンプレッサ（１０８、１１０）のいずれかが不安定な動作状態に陥った際に、遠心コンプレッサ（１０８、１１０）の安定な動作状態を維持する制御システムが提供される。制御システムは、各コンプレッサ（１０８、１１０）のモータ電流または消費電力、及びコンプレッサ（１０８、１１０）の予回転羽根（１２０、１２１）位置の情報を伝える信号（１７２、１７４、１７６、１７８）に応じて不安定性を決定する。一旦、不安定性が決定されると、制御システムは不安定性が補正されるようになるまで各コンプレッサ（１０８、１１０）の予回転羽根（１２０、１２１）を閉じる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数コンプレッサ式冷却システムにおけるコンプレッサの不安定性を検出する冷却システムコンプレッサ不安定性検出方法において、
前記複数コンプレッサ式冷却システムにおける第１のコンプレッサと第２のコンプレッサの双方について動作パラメータを決定するステップと、
前記第１のコンプレッサの前記動作パラメータと前記第２のコンプレッサの前記動作パラメータを比較するステップと、
前記第１のコンプレッサと前記第２のコンプレッサの双方について入口羽根位置を決定するステップと、
前記第１のコンプレッサの前記入口羽根位置と前記第２のコンプレッサの前記入口羽根位置を比較するステップと、
前記第１のコンプレッサと前記第２のコンプレッサの１つのコンプレッサが前記第１のコンプレッサと前記第２のコンプレッサの他方のコンプレッサよりも低い動作パラメータと大きく開いた入口羽根位置の両方を有することに応じて、前記第１のコンプレッサと前記第２のコンプレッサの１つのコンプレッサの不安定性を決定するステップと、
を有するコンプレッサ不安定性を検出する方法。
【請求項２】
前記第１のコンプレッサと前記第２のコンプレッサの１つの決定されたコンプレッサの不安定性が補正されるまで、前記第１のコンプレッサと前記第２のコンプレッサの双方の入口羽根を閉じるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１のコンプレッサと前記第２のコンプレッサの１つが所定期間内に不安定性を有した回数を決定するステップと、
前記決定された回数を所定の不安定性回数と比較するステップと、
前記決定された不安定性回数が前記所定の不安定性回数より大きいことに応答して、前記第１のコンプレッサと前記第２のコンプレッサの１つを停止するステップと、
さらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記所定の不安定性回数は３であり、前記所定期間は６０分である、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記動作パラメータを決定するステップは、
前記第１のコンプレッサのモータ電流を測定するステップと、
前記第２のコンプレッサのモータ電流を測定するステップと、
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記動作パラメータを決定するステップは、
前記第１のコンプレッサの前記測定されたモータ電流と前記第１のコンプレッサの全負荷電流値を用いて前記第１のコンプレッサの全負荷モータ電流の百分率を計算するステップと、
前記第２のコンプレッサの前記測定されたモータ電流と前記第２のコンプレッサの全負荷電流値を用いて前記第２のコンプレッサの全負荷モータ電流の百分率を計算するステップと、
を含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記第１のコンプレッサの前記動作パラメータと前記第２のコンプレッサの前記動作パラメータを用いて基準値を計算するステップと、
前記計算された基準値を所定値と比較するステップとをさらに含み、
前記前記第１のコンプレッサの前記入口羽根位置と前記第２のコンプレッサの前記入口羽根位置を比較するステップは、前記所定値より小さい前記計算された基準値に応答して実行される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記基準値を計算するステップは、前記第１のコンプレッサについて前記計算された動作パラメータの全負荷モータ電流の百分率及び前記第２のコンプレッサについて前記計算された動作パラメータの全負荷モータ電流の百分率を用いて比率値を計算するステップを含み、前記比率値は前記第１のコンプレッサについて前記計算された動作パラメータの全負荷モータ電流の百分率と前記第２のコンプレッサについて前記計算された動作パラメータの全負荷モータ電流の百分率間の比率である、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記比率値は、１００％未満であり、前記所定値は約６０％から約９０％の間である、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記所定値は８０％である、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１のコンプレッサの前記動作パラメータと前記第２のコンプレッサの前記動作パラメータを用いて基準値を計算するステップと、
前記計算された基準値を所定値と比較するステップとをさらに含み、
前記第１のコンプレッサの前記入口羽根位置と前記第２のコンプレッサの前記入口羽根位置を比較するステップは、前記所定値より大きい前記計算された基準値に応答して実行される、請求項６に記載の方法。
【請求項１２】
前記基準値を計算するステップは、前記第１のコンプレッサについて前記計算された動作パラメータの全負荷モータ電流の百分率及び前記第２のコンプレッサについて前記計算された動作パラメータの全負荷モータ電流の百分率を用いて差の値を計算するステップを含み、前記差の値は前記第１のコンプレッサについて前記計算された動作パラメータの全負荷モータ電流の百分率と前記第２のコンプレッサについて前記計算された動作パラメータの全負荷モータ電流の百分率間の差である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記所定値は２０％である、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記動作パラメータを決定するステップは、前記第１のコンプレッサと前記第２のコンプレッサの双方に関して、吐出温度及び吐出流量のいずれかを測定するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
コンピュータ読み取り可能媒体で構成され、マイクロプロセッサにより実行可能であって、複数コンプレッサ式冷却システムにおけるコンプレッサの不安定性を検出するためのコンピュータプログラム製品において、
前記複数コンプレッサ式冷却システムにおける第１のコンプレッサと前記複数コンプレッサ式冷却システムにおける第２のコンプレッサの双方について動作パラメータを決定するステップと、
前記第１のコンプレッサの前記動作パラメータと前記第２のコンプレッサの前記動作パラメータを用いて基準値を計算するステップと、
前記計算された基準値を所定値と比較するステップと、
前記第１のコンプレッサと前記第２のコンプレッサの双方について入口羽根位置を決定するステップと、
前記所定値より小さい前記計算された基準値に応答して、前記第１のコンプレッサの前記入口羽根位置と前記第２のコンプレッサの前記入口羽根位置を比較するステップと、
前記第１のコンプレッサと前記第２のコンプレッサの１つのコンプレッサが前記第１のコンプレッサと前記第２のコンプレッサの他方のコンプレッサよりも低い動作パラメータと大きく開いた入口羽根位置の両方を有することに応じて、前記第１のコンプレッサと前記第２のコンプレッサの１つのコンプレッサの不安定性を決定するステップと、
実行するコンピュータ命令を有するコンピュータプログラム製品。
【請求項１６】
前記第１のコンプレッサと前記第２のコンプレッサの１つの不安定性が補正されるまで、前記第１のコンプレッサと前記第２のコンプレッサの双方の入口羽根を閉じるステップを実行するコンピュータ命令をさらに含む、請求項１５に記載のコンピュータプログラム製品。
【請求項１７】
前記第１のコンプレッサと前記第２のコンプレッサの１つが所定期間内にコンプレッサ不安定性を有する回数を決定するステップと、
前記決定された回数を所定の不安定性回数と比較するステップと、
前記決定された回数が前記所定の不安定性回数より大きいことに応じて、前記第１のコンプレッサと前記第２のコンプレッサの１つを停止するステップと、
を実行するコンピュータ命令をさらに含む、請求項１５に記載のコンピュータプログラム製品。
【請求項１８】
前記所定の不安定性回数は３であり、前記所定期間は６０分間である、請求項１７に記載のコンピュータプログラム製品。
【請求項１９】
前記動作パラメータを決定するステップは、
前記第１のコンプレッサのモータ電流を測定するステップと、
前記第２のコンプレッサのモータ電流を測定するステップと、
を含む、請求項１５に記載のコンピュータプログラム製品。
【請求項２０】
前記動作パラメータを決定するステップは、
前記第１のコンプレッサの前記測定されたモータ電流と前記第１のコンプレッサの全負荷電流値を用いて前記第１のコンプレッサの全負荷モータ電流の百分率を計算するステップと、
前記第２のコンプレッサの前記測定されたモータ電流と前記第２のコンプレッサの全負荷電流値を用いて前記第２のコンプレッサの全負荷モータ電流の百分率を計算するステップと、をさらに含む、請求項１９に記載のコンピュータプログラム製品。
【請求項２１】
前記基準値を計算するステップは、前記第１のコンプレッサについて前記計算された全負荷モータ電流の百分率及び前記第２のコンプレッサについて前記計算された全負荷モータ電流の百分率を用いて比率値を計算するステップを有し、前記比率値は前記第１のコンプレッサについて前記計算された全負荷モータ電流の百分率と前記第２のコンプレッサについて前記計算された全負荷モータ電流の百分率間の比率である、請求項２０に記載のコンピュータプログラム製品。
【請求項２２】
前記比率値は１００％未満であり、前記所定値は約６０％から約９０％の間である、請求項２１に記載のコンピュータプログラム製品。
【請求項２３】
前記所定値は８０％である、請求項２２に記載のコンピュータプログラム製品。
【請求項２４】
閉冷却回路に、先発コンプレッサ、後発コンプレッサ、凝縮器、及び蒸発器が接続され、前記先発コンプレッサ及び前記後発コンプレッサにはそれぞれ、アクチュエータで調整可能な複数の入口案内羽根が設けられた冷却システムの安定性制御システムにおいて、
前記先発コンプレッサの動作パラメータを検出し、前記先発コンプレッサの前記検出された動作パラメータに対応する第１の信号を発生するように構成且つ配置された第１のセンサと、
前記先発コンプレッサの前記複数の入口案内羽根の位置を検出し、前記先発コンプレッサの前記複数の入口案内羽根の前記検出された位置に対応する第２の信号を発生するように構成且つ配置された第２のセンサと、
前記後発コンプレッサの動作パラメータを検出し、前記後発コンプレッサの前記検出された動作パラメータに対応する第３の信号を発生するように構成且つ配置された第３のセンサと、
前記後発コンプレッサの前記複数の入口案内羽根の位置を検出し、前記後発コンプレッサの前記複数の入口案内羽根の前記検出された位置に対応する第４の信号を発生するように構成且つ配置された第４のセンサと、
前記冷却システムの正常運転中に、前記第１の信号、前記第２の信号、前記第３の信号、及び前記第４の信号を取得し、前記先発コンプレッサと前記後発コンプレッサの１つにおけるサージ状態を決定するように構成される制御アルゴリズムに、前記第１の信号、前記第２の信号、前記第３の信号、及び前記第４の信号を供給することにより、前記先発コンプレッサ及び前記後発コンプレッサの前記複数の入口案内羽根の前記アクチュエータに対する制御信号を発生するように構成されたマイクロプロセッサと、
備えることを特徴とする安定性制御システム。
【請求項２５】
前記マイクロプロセッサは、前記第１のコンプレッサと前記第２のコンプレッサの１つが、前記第１のコンプレッサと前記第２のコンプレッサの他方のコンプレッサよりもより低い動作パラメータかつより開いた入口羽根位置を有することによりサージ状態に陥ったことを決定する前記制御アルゴリズムに応答して、前記先発コンプレッサ及び前記後発コンプレッサの前記複数の入口案内羽根の前記アクチュエータに対する前記制御信号を発生する、請求項２４に記載の安定性制御システム。
【請求項２６】
前記マイクロプロセッサから発生する前記制御信号は、前記先発コンプレッサ及び前記後発コンプレッサの前記複数の入口案内羽根の前記アクチュエータに対し、前記先発コンプレッサ及び前記後発コンプレッサの前記複数の入口案内羽根を閉じるように指示する、請求項２５に記載の安定性制御システム。
【請求項２７】
前記マイクロプロセッサから発生する前記制御信号は、前記第１のコンプレッサと前記第２のコンプレッサの１つが所定期間内に所定回数、サージ状態に陥ったことを決定する前記制御アルゴリズムに応答して、前記後発コンプレッサを停止する、請求項２５に記載の安定性制御システム。
【請求項２８】
前記第１のセンサは前記先発コンプレッサに対するモータ電流及び消費電力のひとつを測定する手段を有し、
前記第３のセンサは前記後発コンプレッサに対するモータ電流及び消費電力のひとつを測定する手段を有する、請求項２４に記載の安定性制御システム。
【請求項２９】
前記マイクロプロセッサは、前記先発コンプレッサと前記後発コンプレッサのそれぞれに関する全負荷消費電力比率を計算し、前記計算された全負荷消費電力比率を前記制御アルゴリズムに適用して前記制御信号を発生する、請求項２８に記載の安定性制御システム。
【請求項３０】
前記第１のセンサ、前記第２のセンサ、前記第３のセンサ、及び前記第４のセンサから前記第１の信号、前記第２の信号、前記第３の信号、及び前記第４の信号を取得し、前記第１の信号、前記第２の信号、前記第３の信号、及び前記第４の信号を前記マイクロプロセッサ用のデジタル信号に変換するアナログ／デジタル変換器と、
前記マイクロプロセッサから前記制御信号を取得し、前記制御信号を前記先発コンプレッサ及び前記後発コンプレッサの前記複数の入口案内羽根の前記アクチュエータに供給するインタフェースボードと、
さらに含む、請求項２４に記載の安定性制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して、並列運転されるコンプレッサの制御システムに関する。特に、本発明は、並列運転される二重遠心コンプレッサにおいて、一方の遠心コンプレッサがサージ状態などの不安定な動作状態に陥った際に、二重遠心コンプレッサの安定状態を回復する制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
冷却システムの冷却能力を強化する目的で、共通の冷却回路に２台のコンプレッサを並列接続することがある。冷却能力制御のために、多くの場合、一方のコンプレッサは「先発」コンプレッサとして指定され、他方のコンプレッサは「後発」コンプレッサとして指定される。システムの冷却能力や各コンプレッサの冷却能力は、各コンプレッサの吸込口の位置、あるいはその近くに組み込まれた、調節可能な予回転羽根または入口案内羽根を利用することにより、制御可能である。すなわち、要求される冷却システム能力に依存して、各コンプレッサの予回転羽根の位置を調整することでコンプレッサを通る冷媒流量を制御し、ひいては冷却システム能力を制御することが可能になる。予回転羽根の位置は完全に開いた位置から完全に閉じた位置まで移動可能である。コンプレッサを通る冷媒流量を増大して冷却システム能力を上げるには、コンプレッサの予回転羽根位置をさらに開いた位置に調整すればよく、コンプレッサを通る冷媒流量を減少して冷却システム能力を下げるには、コンプレッサの予回転羽根位置をさらに閉じた位置に調整すればよい。
【０００３】
冷却システム能力を制御するためによく使用される方法では、蒸発器の所望出力冷却水温度設定値からの偏差に応じて、コンプレッサの予回転羽根位置を調整する。並列な二台のコンプレッサを備えたシステムにおいて、先発コンプレッサの予回転羽根は冷却水出力温度に基づいて制御され、後発コンプレッサの予回転羽根は先発コンプレッサの冷却能力に追従するように制御される。先発コンプレッサの冷却能力に追従するための一技法において、後発コンプレッサの予回転羽根は、モータ実電流の全負荷電流に対する比率（後発コンプレッサの動作パラメータの全負荷値の百分率）が先発コンプレッサの動作パラメータの全負荷値の百分率と同一になるように位置調整される。
【０００４】
遠心コンプレッサでは、動作中に、不安定な状態またはサージが発生することがある。サージまたはサージングとは、遠心コンプレッサなどのコンプレッサが低負荷、高圧力比で動作しているときに起り易い不安定な状態である。サージは高周波数の振動が圧力と流量に生じる過渡的な現象であり、時にはコンプレッサに完全な逆流が発生する。サージングは、制御されなければ、コンプレッサの回転部品と静止部品の双方に過大な振動を引き起こし、コンプレッサに永久的な損傷を与えかねない。サージ状態において、コンプレッサの流量と圧力は一時的に減少することがある。さらに、コンプレッサの駆動軸から出力される正味のトルクや機械的な動力は低下する可能性がある。コンプレッサの駆動装置が電動機である場合、サージ状態に起因するトルク及び動力の振動はモータ電流に振動を発生させ、余分な電力が消費される要因になる。
【０００５】
上述したように、遠心コンプレッサのサージ状態ではコンプレッサのモータ電流や負荷が低下したり、コンプレッサの吐出圧や吐出温度が低下する可能性がある。したがって、コンプレッサのモータ電流や負荷を測定し、測定値に該当するような低下があるかを調べることにより、サージ状態の検出が可能になる。なお、サージ状態の発生を検出するのに、前記の動作パラメータに加えて、他の動作パラメータを用いてもよい。
【０００６】
二台のコンプレッサ適用のうち一方に、サージまたはポンピング条件不足が発生すると、サージを発生していない方のコンプレッサの冷媒流量は増大する。非サージングコンプレッサの冷媒流量が増大するため、サージングコンプレッサを不安定な状態から脱出させることは一層困難になる。二重コンプレッサ構成におけるサージ状態脱出法の１つが米国特許第4,646, 530号（以下、'530特許という）に開示されている。'530特許は並列に接続された二台の遠心コンプレッサを備えた冷却システムの運転に関する。後発コンプレッサがサージ状態にある間、コンプレッサに対する制御動作は正常制御動作からサージ制御動作に切り替えられる。',530特許において、サージ状態は、後発コンプレッサのモータ電流が先発コンプレッサのモータ電流より設定比率以上、低下したときに検出される。所定時間に亘り、サージ状態であることが検出されると、後発コンプレッサの冷媒流量と電流を増加するために、次の所定時間は、先発コンプレッサの入口案内羽根が閉じられる。所定時間に亘り、先発コンプレッサの入口案内羽根が閉じられた後、後発コンプレッサの電流が設定比率以上になると、コンプレッサの正常制御動作に復帰する。この技法の欠点の１つとして、後発コンプレッサのサージ状態を検知、訂正可能なだけで、先発コンプレッサのサージ状態には対応できない。他の欠点としては、サージ状態に対する応答を出力するまでに所定の時間経過が必要である。
【０００７】
二重コンプレッサ構成のサージを制御する別の技法が米国特許第5,845, 509号（以下、'509特許という）に開示されている。'509特許は並列運転される複数の遠心コンプレッサを用いた冷却システムに関する。二重コンプレッサシステムにおけるサージ防止のために、当初、負荷が低下した状況で、後発コンプレッサが切り離され（停止され）、これにより、他方のコンプレッサの回転速度を上げてサージ状態を回避しようとする。しかしながら、負荷の低下が継続して、サージ状態が回避されなければ、後発コンプレッサを再始動し、先発コンプレッサを停止してサージ状態の回避を試みる。この技法の欠点の１つとして、コンプレッサが、サージ条件から脱出しようとして、何度もオンとオフを繰り返すため、電力消費が大きくなる虞がある。
【特許文献１】米国特許第4,646, 530号
【特許文献２】米国特許第5,845, 509号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、求められるものは、並列運転される二重コンプレッサにおいて、「先発」コンプレッサと「後発」コンプレッサのいずれでもサージ状態を検出可能であり、かつ、複雑な手続きやコンプレッサのオンオフサイクルの反復なしに、コンプレッサのサージ状態を訂正可能な、二重コンプレッサ用制御システム及び方法である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一実施形態は、複数コンプレッサ式冷却システムにおけるコンプレッサの不安定性を検出する冷却システムコンプレッサ不安定性検出方法に関する。この方法は、前記複数コンプレッサ式冷却システムにおける第１のコンプレッサと第２のコンプレッサの双方について動作パラメータを決定するステップを有する。次に、前記第１のコンプレッサの前記動作パラメータと前記第２のコンプレッサの前記動作パラメータが比較される。次に、前記第１のコンプレッサと前記第２のコンプレッサの双方について入口羽根位置が決定される。最後に、前記第１のコンプレッサの前記入口羽根位置と前記第２のコンプレッサの前記入口羽根位置が比較され、前記第１のコンプレッサと前記第２のコンプレッサの１つのコンプレッサが他方のコンプレッサよりも動作パラメータが低く、かつ入口羽根位置の開きが大きいときに応じて、前記第１のコンプレッサと前記第２のコンプレッサの１つの不安定性が決定される。
【００１０】
本発明の別の実施形態は、コンピュータ読み取り可能媒体で構成され、マイクロプロセッサにより実行可能であって、複数コンプレッサ式冷却システムにおけるコンプレッサの不安定性を検出するためのコンピュータプログラム製品に関する。このコンピュータプログラム製品は、前記複数コンプレッサ式冷却システムにおける第１のコンプレッサと第２のコンプレッサの双方について動作パラメータを決定するステップと、前記第１のコンプレッサの前記動作パラメータと前記第２のコンプレッサの前記動作パラメータを用いて基準値を計算するステップと、前記計算された基準値を所定値と比較するステップを実行するコンピュータ命令を有する。さらに、このコンピュータプログラム製品は、前記第１のコンプレッサと前記第２のコンプレッサの双方について入口羽根位置を決定するステップと、前記計算された基準値が前記所定値より小さいときに応じて、前記第１のコンプレッサの前記入口羽根位置と前記第２のコンプレッサの前記入口羽根位置を比較するステップと、前記第１のコンプレッサと前記第２のコンプレッサの１つが第１のコンプレッサと前記第２のコンプレッサの他方のコンプレッサよりも動作パラメータが低く、かつ入口羽根位置の開きが大きいときに応じて、前記第１のコンプレッサと前記第２のコンプレッサの１つにおける不安定性を決定するステップを実行するコンピュータ命令を有する。
【００１１】
さらに本発明の別に実施形態は、閉冷却回路に、先発コンプレッサ、後発コンプレッサ、凝縮器、及び蒸発器が接続された冷却システムの安定性制御システムに関する。前記先発コンプレッサ及び前記後発コンプレッサにはそれぞれ、アクチュエータで調整可能な複数の入口案内羽根が設けられる。この安定性制御システムは、前記先発コンプレッサの動作パラメータを検出し、前記先発コンプレッサの前記検出された動作パラメータに対応する第１の信号を発生するように構成、配置される第１のセンサと、前記先発コンプレッサに係る前記複数の入口案内羽根の位置を検出し、前記先発コンプレッサの前記複数の入口案内羽根の前記検出された位置に対応する第２の信号を発生するように構成、配置される第２のセンサと、前記後発コンプレッサの動作パラメータを検出し、前記後発コンプレッサの前記検出された動作パラメータに対応する第３の信号を発生するように構成、配置される第３のセンサと、前記後発コンプレッサの前記複数の入口案内羽根の位置を検出し、前記後発コンプレッサの前記複数の入口案内羽根の前記検出された位置に対応する第４の信号を発生するように構成、配置される第４のセンサを備える。さらに、この安定性制御システムは、前記冷却システムの正常運転中に、前記第１の信号、前記第２の信号、前記第３の信号、及び前記第４の信号を取得し、前記先発コンプレッサと前記後発コンプレッサの１つにおけるサージ状態を決定するように構成される制御アルゴリズムに前記第１の信号、前記第２の信号、前記第３の信号、及び前記第４の信号を適用することにより、前記先発コンプレッサ及び前記後発コンプレッサの前記複数の入口案内羽根の前記アクチュエータに対する制御信号を発生するように構成されるマイクロプロセッサを備える。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の効果の１つは、二重コンプレッサシステムに関わるいずれのコンプレッサについてもサージを検出し、制御できることである。
本発明の別の効果は、不安定な動作状態が検出された際に、長い遅延なしに不安定性を回避する制御応答が可能なことである。
【００１３】
本発明の他の効果については、本発明の諸原理を具体例として示す添付図面を参照してなされる、以下の、発明を実施するための最良の形態における詳細な説明から明らかにされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の適用される一般的な二重コンプレッサシステムが図１に、具体例として、示される。図に示されるように、ＨＶＡＣ、冷却システム、または液体冷却システム１００は、第１のコンプレッサ１０８、第２のコンプレッサ１１０、凝縮器１１２、水冷却室または蒸発器１２６、及び制御パネル１４０を備える。制御パネル１４０はアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器１４８、マイクロプロセッサ１５０、不揮発性メモリ１４４、及びインタフェースボード１４６を具備する。制御パネル１４０の動作については後で詳細に説明する。通常の液体冷却システムは図１に示されていない他の特徴を数多く備えている。これらの要素については、図示の簡略化のために省略してある。
【００１５】
コンプレッサ１０８及び１１０は、冷媒蒸気を圧縮し、個別の吐出管を介して凝縮器１１２に送る。本発明の別の実施形態において、コンプレッサ１０８及び１１０からの吐出管は、凝縮器１１２に冷媒蒸気を運ぶ１本の管にまとめられる。コンプレッサ１０８及び１１０としては遠心コンプレッサが好ましいが、本発明は、不安定性またはサージ状態を発生する可能性がある、任意のタイプのコンプレッサに適用可能である。凝縮器１１２に流入した冷媒蒸気は、クーリングタワー１２２に接続された熱交換器コイル１１６に流れる流体、好適には水との間で熱交換を行う。熱交換器コイル１１６の液体との間で行われる熱交換の結果、、凝縮器１１２内の冷媒蒸気は相変化して冷媒液体になる。凝縮器１１２から出た凝縮液体冷媒は蒸発器１２６に運ばれる。
【００１６】
蒸発器１２６は、冷却負荷１３０に接続された供給ライン１２８Ｓ及び戻りライン１２８Ｒを有する熱交換器コイル１２８を備える。熱交換器コイル１２８は、蒸発器１２６内において複数の管束として構成されてよい。２次冷媒液体が戻りライン１２８Ｒを介して蒸発器１２６に運び込まれ、供給ライン１２８Ｓを介して蒸発器１２６から出ていく。この２次冷媒液体としては水が好ましいが、任意の他の２次冷媒、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が使用できる。蒸発器１２６内の液冷媒は熱交換器コイル１２８に流れる液体との間で熱交換を行って、熱交換器コイル１２８に流れる液体を冷却する。熱交換器コイル１２８を通る液体との間で行われる熱交換の結果、蒸発器１２６内の液冷媒は相変化して冷媒蒸気になる。蒸発器１２６の蒸気冷媒は、個別の吸込ラインを介してコンプレッサ１０８及び１１０に戻り、サイクルが完成する。本発明の別の実施形態において、蒸発器１２６からコンプレッサ１０８及び１１０への吸込ラインは、１本のラインとして蒸発器１２６から出て、途中で分岐、分路してコンプレッサ１０８及び１１０に冷媒蒸気を運び込むもので構成してよい。
【００１７】
蒸発器１２６からコンプレッサ１０８及び１１０への入力または入口には、コンプレッサ１０８及び１１０への冷媒流量を制御する、１以上の予回転羽根または入口案内羽根１２０及び１２１が設けられている。アクチュエータより予回転羽根１２０及び１２１を開くとコンプレッサ１０８及び１１０の冷媒流量が増大してシステム１００の冷却能力が上がる。同様に、アクチュエータにより予回転羽根１２０及び１２１を閉じるとコンプレッサ１０８及び１１０の冷媒流量が減少してシステム１００の冷却能力が下がる。
【００１８】
コンプレッサ１０８及び１１０を駆動するために、システム１００は、第１のコンプレッサ１０８用のモータまたは駆動機構１５２と、第２のコンプレッサ１１０用のモータまたは駆動機構１５４を備える。用語「モータ」は、コンプレッサ１０８及び１１０の駆動機構に関して使用されるが、その意味はモータには限定されず、コンプレッサ１０８及び１１０を駆動するのに使用される任意の要素、例えば、可変速度ドライブ及びモータスタータなどを包含するものである。本発明の好適な実施形態において、モータまたは駆動機構１５２、１５４は電気モータ及び関連部品から構成される。しかしながら、コンプレッサ１０８及び１１０を駆動するのに、蒸気またはガスタービンまたはエンジン、及び関連部品のような、他の駆動機構を使用してもよい。
【００１９】
システム１００は第１のコンプレッサ１０８の動作パラメータを検出するセンサ１６０を備えてよく、好ましくは、センサ１６０は図１に示されるようにモータ１５２の動作パラメータを検出する。同様に、システム１００は第２のコンプレッサ１０８の動作パラメータを検出するセンサ１６２を備えてよく、好ましくは、センサ１６２は図１に示されるようにモータ１５４の動作パラメータを検出する。本発明の好適な実施形態において、センサ１６０及び１６２はモータ端子ボックスまたはモータスタータに設けられた変流器であり、モータ１５２及び１５４にそれぞれ供給される電流を測定する。本発明の別の実施形態において、モータ１５２及び１５４で消費される全キロワットまたは電力を計算するために、モータ１５２及び１５４にそれぞれ供給される電流、電圧の双方をセンサ１６０及び１６２で測定するようにすれば、モータ１５２及び１５４の消費電力が測定可能である。本発明の実施形態において、両モータに加わる電圧がほぼ等しい場合、モータ１５２及び１５４に供給される電流の測定値で、モータ消費電力が十分に表される。センサ１６０及び１６２の出力はそれぞれライン１７２、１７４を介して制御パネル１４０に送られる。本発明の別の実施形態において、コンプレッサ１０８及び１１０に関する他の動作パラメータ、例えば、コンプレッサ１０８及び１１０の吐出温度、過熱、吐出流量あるいは吐出圧などを測定するようにセンサ１６０及び１６２の選定、配置を行ってよい。
【００２０】
センサ１６４は第１のコンプレッサ１０８に関する予回転羽根（１２０）位置を検出するのに使用される。センサ１６６は第２のコンプレッサ１１０に関する予回転羽根（１２１）位置を検出するのに使用される。センサ１６４及び１６６は、好ましくは、予回転羽根１２０及び１２１のアクチュエータに対向して配置され、予回転羽根１２０及び１２１の位置に対応するアクチュエータ情報を出力する。しかしながら、センサ１６４及び１６６は、予回転羽根１２０及び１２１の位置を高精度で出力するかぎり、予回転羽根１２０及び１２１に対してどこに配置されても問題ない。センサ１６４及び１６６は、好ましくは、予回転羽根アクチュエータまたはリンケージの回転角度を測定する可変抵抗ポテンショメータで構成される。しかしながら、他のタイプのセンサを使用してもよい。センサ１６４及び１６６の出力はライン１７６及び１７８をそれぞれ介して制御パネル１４０に送られる。
【００２１】
センサ１６０〜１６６からライン１７２〜１７８を介して制御パネル１４０に入力される、典型的にアナログである入力信号はＡ／Ｄ変換器１４８によりデジタル信号またはワードに変換される。なお、センサ１６０〜１６６の１以上から制御パネル１４０にデジタル信号が入力される場合、これらの信号についてＡ／Ｄ変換器１４８による変換は不要である。第１のコンプレッサ動作パラメータ、第１のコンプレッサ予回転羽根位置、第２のコンプレッサ動作パラメータ、及び第２のコンプレッサ予回転羽根位置を表すデジタル信号は、マイクロプロセッサ１５０により、適宜、処理に合わせて対応する値に変換される。第１のコンプレッサ動作パラメータ及び予回転羽根位置、並びに第２のコンプレッサ動作パラメータ及び予回転羽根位置の処理値は、予回転羽根１２０及び１２１のアクチュエータに対する制御信号を生成するために、後段で詳述される制御アルゴリズムに入力される。予回転羽根１２０及び１２１のアクチュエータに対する制御信号は、マイクロプロセッサ１５０から制御パネル１４０のインタフェースボード１４６に出力される。そこで、インタフェースボード１４６はこの制御信号を予回転羽根１２０及び１２１のアクチュエータに供給し、予回転羽根１２０及び１２１の位置を適切な位置に調整する。
【００２２】
マイクロプロセッサ１５０は、制御アルゴリズムに基づいて、予回転羽根１２０及び１２１のアクチュエータをインタフェースボード１４６を介して制御する。一実施形態において、制御アルゴリズムはマイクロプロセッサ１５０により実行される一連の命令からなるコンピュータプログラムであってよい。制御アルゴリズムは、コンプレッサ１０８及び１１０のいずれかがサージ状態などの不安定な動作状態に陥ったことを判別し、その不安定性から脱出するため、予回転羽根１２０及び１２１を閉じるように予回転羽根１２０及び１２１のアクチュエータに指示する。
【００２３】
制御アルゴリズムは、コンピュータプログラムで構成されマイクロプロセッサ１５０で実行されるのが好ましいが、当業者においてなし得るように、デジタル及び／またはアナログハードウェアによる制御アルゴリズムの実装、実行が可能である。ハードウェアで制御アルゴリズムを実行する場合、それに必要な要素が制御パネル１４０に組み込まれ、不要になった要素、例えばＡ／Ｄ変換器１４８などが制御パネル１４０から除外されるようにして、制御パネル構成が変更される。
【００２４】
マイクロプロセッサ１５０は、制御アルゴリズムを使用、実行することによって、いずれかのコンプレッサ１０８、１１０に関するサージ状態の検出及び解消を行うだけでなく、システム１００の正常運転期間、すなわち、コンプレッサ１０８及び１１０が共に安定な状態で正常に動作している期間では、予回転羽根１２０及び１２１のアクチュエータ制御を行う。しかしながら、本発明の別の実施形態において、正常期間中のシステム（１００）制御には第２の制御アルゴリズムがマイクロプロセッサ１５０で使用、実行される。システム１００の正常運転中において、コンプレッサ１０８及び１１０のうち、一方は「先発」コンプレッサとして指定され、他方のコンプレッサは「後発」コンプレッサとして指定される。コンプレッサ１０８及び１１０のいずれが先発コンプレッサ、あるいは後発コンプレッサとして指定されるかは、コンプレッサ運転時間やコンプレッサ能力を等しくするなどの様々なファクター、制御目標に依存する。加えて、先発コンプレッサ、後発コンプレッサの指定は、制御アルゴリズムの動作に影響が出ないように周期的に入れ替えてよい。以下の説明では、第１のコンプレッサ１０８が先発コンプレッサとして指定され、第２のコンプレッサ１１０が後発コンプレッサとして指定される。
【００２５】
本発明の好適な実施形態において、マイクロプロセッサ１５０は、システム１００の正常運転中、蒸発器１２６の供給ライン１２８Ｓから、入力として、出力冷却液体温度（ＬＣＨＬＴ）信号を取得する。そこで、マイクロプロセッサ１５０は、先発コンプレッサ１０８に係る予回転羽根１２０のアクチュエータ制御信号を発生する。ＬＣＨＬＴ信号に応じて、予回転羽根１２０の位置は、様々な周知の手続きに基づいて決定される。先発コンプレッサ１０８の予回転羽根（１２０）位置が決定された後で、後発コンプレッサ１１０の予回転羽根（１２１）位置が決定される。後発コンプレッサ１１０の予回転羽根（１２１）位置は、後発コンプレッサ１１０が先発コンプレッサ１０８の能力に追従するように調整される。先発コンプレッサ１０８の能力に追従させるために、後発コンプレッサ１１０の予回転羽根（１２１）位置は、後発コンプレッサモータ１５４に供給される電流（または消費電力）を後発コンプレッサモータ１５４の全負荷電流に対する比率で表すと、この後発コンプレッサモータ１５４の動作パラメータの全負荷値の百分率が先発コンプレッサモータ１５２の動作パラメータの全負荷値の百分率と同一になるように調整される。本発明の別の実施形態において、先発コンプレッサ１０８の能力に追従させるために、後発コンプレッサ１１０の予回転羽根（１２１）位置は、後発コンプレッサ１１０の吐出圧または吐出温度が先発コンプレッサ１０８の吐出圧または吐出温度に一致するように調整される。
【００２６】
図２は、複数のコンプレッサの運転中に不安定な状態またはサージ状態を検出し、解消する本発明の制御アルゴリズムを示したものである。不安定性の検出処理は、コンプレッサ１０８及び１１０の正常運転中にステップ２０２から開始する。ステップ２０２において、コンプレッサ１０８及び１１０の双方に関して動作パラメータが検出される。本発明の好適な実施形態において、コンプレッサモータ１５２及び１５４の動作パラメータ、例えばモータ電流または消費電力が検出される。検出された、各コンプレッサ１０８、１１０の動作パラメータは、ステップ２０４で、当該コンプレッサ１０８、１１０の動作パラメータの全負荷値に対する百分率に変換される。検出された動作パラメータを、当該コンプレッサに関する動作パラメータの全負荷値の百分率に変換することにより、サイズや定格が異なるコンプレッサ同士を高精度で比較可能になる。さらに、上述したように、動作パラメータの全負荷値の百分率を利用して、正常運転中に後発コンプレッサ１１０の予回転羽根１２１の位置調整が行われる。
【００２７】
ステップ２０６において、コンプレッサ１０８及び１１０に関する動作パラメータの百分率が互いに割り算され、比率または基準値が求められる。例えば、先発コンプレッサ１０８の動作パラメータの百分率が７５％で、後発コンプレッサ１１０の動作パラメータの百分率が６０％である場合、比率値は（６０／７５）×１００＝８０％になる。本発明の好適な実施形態において、比率値は、この例のように後発コンプレッサの動作パラメータ百分率が先発コンプレッサの百分率で割られる場合、１００％未満として計算される。次に、比率値は所定値と比較され、比率値が所定値より小さいか決定される。比率値が所定値より小さいということはコンプレッサの負荷が等しくないことを示し、不安定な動作状態の可能性がある。前記所定値は、好ましくは、６０％と９０％の間の任意の値であってよく、好適な値は８０％である。しかしながら、所定値は所望されるサージ検出感度に応じた任意の値であってよい。
【００２８】
本発明の別の実施形態において、コンプレッサ１０８及び１１０の動作パラメータの百分率はステップ２０６で互いに減算されて、差または基準値が求められる。例えば、先発コンプレッサ１０８の動作パラメータの百分率が７５％で、後発コンプレッサ１１０の動作パラメータの百分率が６０％である場合、差は７５−６０＝１５％になる。この実施形態において、差の値は、後発コンプレッサの動作パラメータの百分率が先発コンプレッサの動作パラメータの百分率から差し引かれることから、正値として計算される。次に、差の値はステップ２０６で所定値と比較され、差の値が所定値より大きいか決定される。差の値が所定値より大きいということはコンプレッサの負荷が等しくないことを示し、不安定動作状態の可能性がある。所定値は、好ましくは、１０％と３０％の間の任意の値であってよく、好適な値は２０％である。しかしながら、所定値は所望されるサージ検出感度に応じた任意の値であってよい。
【００２９】
比率値が所定値より大きい場合（あるいは差の値が所定値より小さい場合）、処理はステップ２０２に戻って、コンプレッサモータ１５２及び１５４の動作パラメータを検出する。比率値が所定値より小さければ（あるいは差の値が所定値より大きければ）、両コンプレッサ１０８及び１１０の予回転羽根位置がステップ２０８で検出される。次にステップ２１０で、低いまたは小さい方の動作パラメータの百分率を有するコンプレッサの予回転羽根位置と高いまたは大きい方の動作パラメータの百分率を有するコンプレッサの予回転羽根位置を比較し、低いまたは小さい方の動作パラメータの百分率を有するコンプレッサの予回転羽根位置が高いまたは大きい方の動作パラメータの百分率を有するコンプレッサの予回転羽根位置よりも開いているか、すなわち多くの冷媒流量を通すことが可能かを決定する。小さい方の動作パラメータの百分率を有するコンプレッサの予回転羽根位置が、大きい方の動作パラメータの百分率を有するコンプレッサの予回転羽根位置よりも開いていれば、小さい方の動作パラメータの百分率を有するコンプレッサは不安定状態またはサージ状態であると決定され、サージ状態を補正するための手続きが取られる。小さい方の動作パラメータの百分率を有するコンプレッサの予回転羽根位置が、大きい方の動作パラメータの百分率を有するコンプレッサの予回転羽根位置よりも開いていなければ、小さい方の動作パラメータの百分率（より低いパワー）を有するコンプレッサには、何らか別の原因があって、例えば低流量負荷になっていてそのために動作パラメータの全負荷値の百分率が小さくなっていると考えられ、不安定状態またはサージ状態にはなっていないと考えられる。そこで処理はステップ２０２に戻って不安定性検出処理を繰り返す。本発明の別の実施形態において、不安定性またはサージ状態は、小さい方の動作パラメータの百分率を有するコンプレッサの予回転羽根位置が大きい方またはより高い動作パラメータの百分率を有するコンプレッサの予回転羽根位置より所定量以上開いている場合に、検出される。
【００３０】
ステップ２１０で不安定性またはサージ状態が検出された後、制御アルゴリズムはステップ２１２で、所定の期間内に不安定性またはサージ状態が所定回数検出されたかを決定する。先発コンプレッサ１０８または後発コンプレッサ１１０のいずれかについて、所定の期間内に不安定性またはサージ状態が所定回数検出されたならば、ステップ２１４において、後発コンプレッサ１１０は作業から停止されまたは切り離され、制御パネル１４０上に警告が表示されて、オペレータに伝えられる。本発明の一実施形態において、サージ状態が６０分間、検出されると後発コンプレッサ１１０が停止される。一定時間内にサージ状態が検出されるということは、コンプレッサ１０８及び１１０の一方あるいは双方に問題があり、またはシステム１００の操作に問題があることを示しており、オペレータによる点検が必要になる。本発明の別の実施形態では、先発コンプレッサ１０８において所定回数以上サージ状態が検出された場合に先発コンプレッサ１０８を停止してもよい。しかしながら、先発コンプレッサ１０８がサージ状態であれば、先発コンプレッサモータ１５２に供給される電流も、それに応じて低減されているはずで、その結果、上述した正常運転手続きに基づいて後発コンプレッサ１１０の電流が低減されるため、先発コンプレッサ１０８には後発コンプレッサ１１０の流量低減によるサージ状態を補正する機会が与えられることから、先発コンプレッサ１０８を停止する必要性はない。
【００３１】
ステップ２１６において、所定期間内に所定回数の不安定性またはサージ状態が検出されなければ、コンプレッサ１０８及び１１０の予回転羽根１２０及び１２１は閉じられる。コンプレッサ１０８及び１１０の予回転羽根１２０及び１２１が閉じられるとコンプレッサ１０８及び１１０への冷媒流量が絞られるため、サージングコンプレッサはサージ状態を補正可能になる。ステップ２１８において、コンプレッサ１０８及び１１０を評価してサージングコンプレッサのサージ状態が補正されたかを決定する。本発明の好適な実施形態において、サージ状態は、ステップ２１８で、コンプレッサモータ１５２と１５４の比率値が所定値より大きくなった時点で補正されたと決定される。ステップ２１８におけるサージ状態の補正決定処理は、上述したステップ２０２〜２０６において行われる不安定性またはサージ状態の決定処理と同様である。
【００３２】
ステップ２１８で不安定性またはサージ状態が補正されていれば、ステップ２２０でコンプレッサ１０８及び１１０の予回転羽根１２０及び１２１が開けられ、システムは正常運転に復帰する。システムが正常運転に復帰した後、不安定性またはサージ状態を検出、補正する制御アルゴリズムはステップ２０２から再開する。
【００３３】
本発明の別の実施形態において、制御アルゴリズムのステップ２０２〜２０６は、サージ状態の可能性を表す他のシステム動作パラメータと比較するステップに置き換えられる。例えば、羽根位置の検出に加え、コンプレッサ吐出温度や加熱やコンプレッサ吐出流量が低下したことを利用してサージ状態の有無を決定することができる。さらに本発明の別の実施形態において、制御アルゴリズムは、サージ状態の検出、補正のため、複数コンプレッサシステムに含まれる三台以上のコンプレッサのうち、任意の二台のコンプレッサに適用可能である。
【００３４】
以上、本発明は好適な実施形態について説明されてきたが、当業者には明らかなように、各種要素について本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更、変形が可能であり、均等物で代替可能である。また、本発明の本質的範囲から逸脱することなしに、本発明の教示に従って特定の状況または材質に適合するように様々な変更が可能である。したがって、本発明は、本発明を実施するための最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されるものでなく、添付される特許請求項の範囲に含まれる全ての実施形態を包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の冷却システムを模式的に示す。
【図２】不安定な動作状態を検出し、補正する制御アルゴリズムのフローチャートを示す。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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