(57)【要約】【課題】ターボ圧縮機において、冷凍サイクルの高低圧力差が小さい場合、サージングを検知できないこと。【解決手段】作動流体を圧縮するためのインペラ７と、前記インペラと一体となって回転する回転軸６を有する回転体５と、前記インペラ７の背面と対向するケーシング壁面９ａを有し、前記ケーシング壁面９ａと前記インペラ７の背面との間に第１空間１８ａを形成するように構成されたケーシング９と、前記第１空間１８ａの圧力を検出するための第１圧力検出器１４と、前記第１圧力検出器１４の検出値に基づいてサージングの発生を判定する制御器１５と、を備えた、ターボ圧縮機。【選択図】図２
2019127827.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体を圧縮するためのインペラと、
前記インペラと一体となって回転する回転軸を有する回転体と、
前記インペラの背面と対向するケーシング壁面を有し、前記ケーシング壁面と前記インペラの背面との間に第１空間を形成するように構成されたケーシングと、
前記第１空間の圧力を検出するための第１圧力検出器と、
前記第１圧力検出器の検出値に基づいてサージングの発生を判定する制御器と、
を備えた、ターボ圧縮機。
【請求項２】
作動流体を圧縮するためのインペラと、
前記インペラと一体となって回転する回転軸を有する回転体と、
前記インペラの背面と対向するケーシング壁面を有し、前記ケーシング壁面と前記インペラの背面との間に第１空間を形成し、前記回転体が貫通する領域を介して前記第１空間と連通する第２空間を形成するように構成されたケーシングと、
前記第２空間の圧力を検出するための第２圧力検出器と、
前記第２圧力検出器の検出値に基づいてサージングの発生を判定する制御器と、
を備えた、ターボ圧縮機。
【請求項３】
冷媒液を蒸発させ冷媒蒸気を発生する蒸発器と、前記蒸発器が発生する冷媒蒸気を吸入し、圧縮して吐出する請求項１または２に記載のターボ圧縮機と、前記ターボ圧縮機で圧縮された冷媒蒸気を導入し冷媒液を生成する凝縮器と、を備える冷凍サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、ターボ機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヒートポンプサイクルや冷凍サイクル装置では、回転の運動エネルギーにより冷媒の圧力を高めるターボ圧縮機が用いられる。ターボ圧縮機は、流量と圧力比の関係に制約があり、一定の回転数の場合、吐出弁を絞って流量を減らすと圧力比は上昇するが、流量がある程度以下となると、周期的な逆流現象、即ちサージングが発生する。サージングが発生すると、回転軸が異常振動を起こし、軸受が損傷する場合がある。一般的にサージング発生限界流量は回転数とともに増加する特性を持ち、このサージング発生限界流量よりも小さい流量側のサージング発生領域を避けるように、ターボ圧縮機は運転されるのが通常である。
【０００３】
しかし、実際の運転においては、意図せずサージングが発生してしまうことが想定される。このため、ターボ圧縮機の制御器はサージング検出装置を備え、サージング発生を検出した場合は、回転数減少などのサージング発生領域から離れる方向に運転条件を変更する技術があった。
【０００４】
図４に特許文献1に記載のサージング検出装置を示す。圧力検出器１０１で吐出配管１０２の圧力低下を検出し、サージング判定回路１０３がサージングと判定し、防止装置１０４を作動するような装置である。図５は特許文献１に記載されたサージングの判定原理を示すものである。曲線cはサージングを起こしている一例であって、この場合は、あらかじめ設定された時間ΔT1内に少なくとも２度急激な圧力低下Δpが起きているため、図４のサージング判定回路１０３はこれをサージングと判定し、サージングから自動脱出信号を出し防止装置１０４が作動する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公昭５８−１５６３９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、低外気温冷房運転や冷媒種類により作動圧力が低い運転条件など、冷凍サイクルの高低圧力差が小さい場合、サージング発生時に高圧側から冷媒が逆流すると高圧側に溜まっている液冷媒が蒸発し相変化するが、高圧側の熱容量が大きいために高圧側の温度変化が小さく、また、高圧側の圧力検出器の周囲圧力変化も微小で、サージングを検知できない課題があった。
【０００７】
本開示は、低外気温冷房運転や冷媒種類により作動圧力が低い運転条件など、冷凍サイクルの高低圧力差が小さい場合においても、ターボ圧縮機においてサージングの発生の有無を高精度に判断できる新たな技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示の第１態様は、
作動流体を圧縮するためのインペラと、
前記インペラと一体となって回転する回転軸を有する回転体と、
前記インペラの背面と対向するケーシング壁面を有し、前記ケーシング壁面と前記インペラの背面との間に第１空間を形成するように構成されたケーシングと、
前記第１空間の圧力を検出するための第１圧力検出器と、
前記第１圧力検出器の検出値に基づいてサージングの発生を判定する制御器と、
を備えた、ターボ圧縮機を提供する。
【０００９】
本開示の第２態様は、
作動流体を圧縮するためのインペラと、
前記インペラと一体となって回転する回転軸を有する回転体と、
前記インペラの背面と対向するケーシング壁面を有し、前記ケーシング壁面と前記インペラの背面との間に第１空間を形成し、前記回転体が貫通する領域を介して前記第１空間と連通する第２空間を形成するように構成されたケーシングと、
前記第２空間の圧力を検出するための第２圧力検出器と、
前記第２圧力検出器の検出値に基づいてサージングの発生を判定する制御器と、
を備えた、ターボ圧縮機を提供する。
【発明の効果】
【００１０】
低外気温冷房運転や冷媒種類により作動圧力が低い運転条件など、冷凍サイクルの高低圧力差が小さい場合においても、ターボ圧縮機においてサージングの発生の有無を高精度に判断できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態１に係る冷凍サイクル装置の構成図である。
【図２】実施形態１に係るターボ圧縮機の断面図である。
【図３】サージングにおける圧力時系列データの比較チャートである。
【図４】特許文献１に記載のサージング検出装置の構成図である。
【図５】特許文献１に記載のサージング検出装置の判定原理についての説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
<本発明者らの検討に基づく知見>
大型のヒートポンプサイクル及び冷凍サイクル装置において回転の運動エネルギーにより作動流体の圧力を高めるターボ圧縮機を使用することが考えられる。ターボ圧縮機を適切に運転するために、ターボ圧縮機における作動流体の流量と圧力比との関係には所定の制約がある。
【００１３】
ターボ圧縮機においてインペラの回転数が一定である場合、吐出流路における作動流体の流量を調節するための弁（吐出弁）を絞って作動流体の流量を減らすと圧力比が上昇する。この場合、作動流体の流量が所定値よりも少なくなると、周期的な作動流体の逆流現象、すなわち、サージングが発生する。ターボ圧縮機においてサージングが発生すると、回転軸が異常振動を起こし、軸受が損傷する可能性がある。加えて、ターボ圧縮機における吐出側空間の高温ガスの一部が吸入側空間に流れるので、インペラに吸い込まれる作動流体の温度が上昇してしまう。
【００１４】
サージングが発生する作動流体の流量の臨界値は、インペラの回転数が増加するにつれ大きくなる。従って、ターボ圧縮機は、典型的には、作動流体の流量が、サージングが発生する作動流体の流量の臨界値以下にならないように運転される。しかし、ターボ圧縮機の実際の運転では、サージングが意図せず発生してしまう可能性がある。このため、特許文献１に記載の技術のように、ターボ圧縮機にサージング検出装置を組み込み、サージングの発生を検出した場合に、サージングが解消されるようにターボ圧縮機の運転条件を変更することが考えられる。
【００１５】
しかし、条件によっては、サージングが発生したときの作動流体の圧力変動又は温度変動が小さい場合がある。例えば、作動流体が常温（２０℃±１５℃：日本工業規格JIS Z 8703）において絶対圧で大気圧よりも低い飽和蒸気圧を有する場合又は軽度のサージングが発生する場合には、サージングが発生したときの作動流体の圧力変動又は温度変動が小さくなりやすい。この場合、サージングの発生の有無を判断するための作動流体の圧力の閾値を低く定めることも考えられるが、サージングが発生していない通常運転においてもその閾値を超える可能性があり、サージングの発生を誤検出してしまう。また、サージングの発生の有無を判断するための作動流体の圧力の閾値を高く定めると、実際にサージングが発生していてもサージングが非検出となる可能性がある。この場合、サージングが発生した状態でターボ圧縮機の運転が継続され、回転軸が異常振動して軸受が損傷する可能性がある。
【００１６】
そこで、本発明者らは、ターボ圧縮機において、サージングが発生したときの作動流体の圧力変動が小さい場合でも、サージングの有無を高精度に判断できる技術の開発を試みた。具体的に、本発明者らは、常温において絶対圧で大気圧よりも低い飽和蒸気圧を有する作動流体を用いるターボ圧縮機を試作した。そのうえで、本発明者らは、サージングが発生する条件でそのターボ圧縮機を運転させ、サージングの有無を高精度に判断できる技術について日夜検討を重ねた。検討の結果、本発明者らは、サージングが発生しているときにインペラ背面空間に流入した冷媒の圧力変化が大きく検出されることを新たに見出した。このような新たな知見に基づいて、本発明者らは本開示のターボ圧縮機を案出した。なお、上記の知見は、本発明者らの検討に基づく知見であり、先行技術として自認するものではない。
【００１７】
本開示の第１態様は、
作動流体を圧縮するためのインペラと、
前記インペラと一体となって回転する回転軸を有する回転体と、
前記インペラの背面と対向するケーシング壁面を有し、前記ケーシング壁面と前記インペラの背面との間に第１空間を形成するように構成されたケーシングと、
前記第１空間の圧力を検出するための第１圧力検出器と、
前記第１圧力検出器の検出値に基づいてサージングの発生を判定する制御器と、
を備えた、ターボ圧縮機を提供する。
【００１８】
本開示の第２態様は、
作動流体を圧縮するためのインペラと、
前記インペラと一体となって回転する回転軸を有する回転体と、
前記インペラの背面と対向するケーシング壁面を有し、前記ケーシング壁面と前記インペラの背面との間に第１空間を形成し、前記回転体が貫通する領域を介して前記第１空間と連通する第２空間を形成するように構成されたケーシングと、
前記第２空間の圧力を検出するための第２圧力検出器と、
前記第２圧力検出器の検出値に基づいてサージングの発生を判定する制御器と、
を備えた、ターボ圧縮機を提供する。
【００１９】
本開示によれば、サージング発生時、高圧側から一定の冷媒が逆流した際、インペラ背面空間に流入した冷媒が相変化しないため、圧力検出器の周囲の圧力変化が大きく検出される。よって、低外気温冷房運転や冷媒種類により作動圧力が低い運転条件など、冷凍サイクルの高低圧力差が小さい場合においても、サージングの有無を高精度に判断できる。
【００２０】
以下、本開示の実施形態について、図１〜図３を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は本発明の例示に過ぎず、本発明がこれらに限定されるわけではない。
【００２１】
<実施の形態１>
図１は、実施形態１に係る冷凍サイクル装置の構成図を示す。
【００２２】
冷凍サイクル装置１は、蒸発器３と、ターボ圧縮機２と、凝縮器４と、を備えている。冷凍サイクル装置１は、例えば、冷房専用の空気調和装置を構成している。冷凍サイクル装置１で用いられる作動流体（冷媒）は特に限定されないが、例えば、水、アルコール、又はエーテルを主成分として含む流体である。
【００２３】
ターボ圧縮機２は、インペラ（羽根車）の回転で冷媒にエネルギーを与えることにより、冷媒の圧力を上昇させる。
【００２４】
蒸発器３は、例えば、断熱性及び耐圧性を有する容器を含む。蒸発器３は、冷媒液を貯留するとともに、外部と熱交換することにより冷媒を容器の内部で蒸発させる。蒸発器３に貯留された冷媒液の温度、及び、蒸発器３で発生した冷媒蒸気の温度は、例えば５℃である。また、蒸発器３は、シェルチューブ熱交換器のように、冷媒液と他の熱媒体とが間接的に熱交換する間接型の熱交換器であってもよいし、噴霧式や充填材式のような直接接触型の熱交換器であってもよい。
【００２５】
凝縮器４は、例えば、断熱性及び耐圧性を有する容器を含む。凝縮器４は、冷媒液を貯留するとともに、外部と熱交換することにより冷媒蒸気を内部で凝縮させる。凝縮器４に導入される冷媒蒸気の温度は１００℃〜１５０℃、凝縮器４で凝縮した冷媒液の温度は、例えば３５℃である。また、凝縮器４は、シェルチューブ熱交換器のように冷媒と他の熱媒体とが間接的に熱交換する間接型の熱交換器であってもよいし、噴霧式や充填材式のような直接接触型の熱交換器であってもよい。
【００２６】
図２は、実施の形態１に係るターボ圧縮機２の断面図を示す。
【００２７】
ターボ圧縮機２は、回転体５と、ボリュート８と、ケーシング９と、軸受装置１０、電動機１１、圧縮機内吸入空間１６、圧縮機内吐出空間１７、インペラ背面空間１８を備えている。
【００２８】
回転体５は回転軸６とインペラ７とから構成される。
【００２９】
回転軸６は、例えば、水平に延びている円柱状の部材である。回転軸６は、高速で回転することでインペラ７を回転される。回転軸６の回転数は、例えば、5000rpm〜100000rpmである。回転軸６は、S45CHなどの強度の高い鉄系材料で構成される。
【００３０】
インペラ７は、回転軸６に接続され高速で回転する。インペラ７の回転数は例えば5000rpm〜100000rpmである。インペラ７は、例えば、アルミやジュラルミン、鉄、セラミックなどで構成され、冷媒蒸気に回転方向の速度を与える。
【００３１】
ボリュート８は、インペラ７より吐出される冷媒蒸気を集めるための吐出空間１７を形成する部品である。吐出空間１７は、円周方向に断面積が拡大することで、流速や角運動量が一定となるように構成される。ボリュート８は、FC250やFCD400、又は、SS400などの鉄系材料やACD12などのアルミ系材料で構成される。
【００３２】
ケーシング９は、圧縮機のケーシングとして作用する部材、あるいは、ベーンレスディフューザの流路を構成する部材である。ケーシング９は、FC250やFCD400、又は、SS400などの鉄系材料やACD12などのアルミ系材料で構成される。
【００３３】
軸受装置１０は、回転軸６の少なくともラジアル方向の荷重を支持する流体潤滑軸受である。潤滑剤には、冷媒の主成分と同じ主成分を含む流体が用いられる。
【００３４】
電動機１１は、回転子１２、固定子１３を含む。回転子１２は円筒状部材で、回転軸６に焼嵌めされる。固定子１３は回転子１２の外周側に一定のすきまを以って設置され、外周側をケーシング９よって固定される。ケーシング９はボリュート８に固定される。
【００３５】
圧縮機内吸入空間１６は、圧縮機２が吸入した冷媒蒸気をインペラ７に供給するための蒸気流路である。
【００３６】
圧縮機内吐出空間１７は、吐出された冷媒蒸気を圧縮機２の出口から吐出するための蒸気流路である。
【００３７】
インペラ背面空間１８は、インペラ背面７ａとインペラ背面７ａに対向するケーシング壁面９ａとの間に形成された第１空間１８ａ、および、第１空間１８ａに連通する空間のうち、インペラ背面７ａを挟んで圧縮機内吸入空間１６と反対側に形成された第２空間１８ｂで構成される。第２空間１８ｂは、例えば、回転軸６が貫通する領域１９（軸貫通部）を介して第１空間１８ａと連通した空間である。第２空間１８ｂは、電動機１１が収容される空間であってもよい。インペラ背面空間１８は、閉空間であってもよい。インペラ背面空間１８の第１空間１８ａは、オリフィスまたは隙間により狭い絞り部を有してしてもよい。絞り部の口径またはクリアランスは、例えばインペラ背面７ａと、インペラ背面７ａに対向するケーシング壁面９ａとの隙間の１０%〜６０%である。
【００３８】
サージング検出装置は、インペラ背面空間１８の圧力を検知する圧力検出器１４と、圧力検出器１４の出力信号を演算し、サージングを判定する制御器１５から構成される。
【００３９】
圧力検出器１４は、ケーシング９に設置されており、制御器１５に電気的に接続されている。圧力検出器１４は、第１空間１８ａの圧力を検出する第１圧力検出器１４ａまたは／および第２空間１８ｂの圧力を検出する第２圧力検出器１８ｂ（図示せず）から構成される。
【００４０】
以上のように構成された冷凍サイクル装置１、ターボ圧縮機２およびサージング検出装置について、以下のその動作、作用を説明する。
【００４１】
冷凍サイクル装置１内は、ある一定期間（例えば夜間）放置された場合、ほぼ室温に均温、均圧されている。まず初めにターボ圧縮機２を起動すると、蒸発器３内の冷媒蒸気圧力が低下し、外気から吸熱することで冷媒蒸気が発生する。蒸発器３内で発生した冷媒蒸気は、ターボ圧縮機２に吸入、圧縮され、吐出される。ターボ圧縮機２から吐出された高圧の冷媒蒸気は、凝縮器４に導入され、外気に熱を放熱することで凝縮し冷媒液となる。凝縮器４内で生成した冷媒液は、管路を通って蒸発器３に戻される。
【００４２】
以上のように蒸発器３、ターボ圧縮機２、凝縮器４の一連の動作により冷凍サイクル装置１は例えば冷房専用の空気調和機を実現している。
【００４３】
ターボ圧縮機２は、電動機１１が作動することによって回転軸６及びインペラ７が回転する。これにより、冷媒蒸気が圧縮機内吸入空間１６に流入し、インペラ７に導入される。インペラ７は、回転軸６の回転によって圧縮機内吸入空間１６から冷媒蒸気を導入し、冷媒蒸気を圧縮する。圧縮された冷媒蒸気は圧縮機内吐出空間１７を通って凝縮器４へ吐出される。
【００４４】
サージング発生時には、インペラ背面とケーシングの壁面との間の流路からガスがインペラ背面空間１８に流入する。
【００４５】
前記のサージング検出装置は、圧力検出器１４を備え、インペラ背面空間圧力が一定時間における変化率が基準値を超える場合、(例えば０．１５〜０．６ｋＰａ／ｓｅｃ)、サージング発生と判定する。制御器１５はサージング回避運転を実施するため、固定子１２に与える回転磁界の周波数を下げ、回転体５の回転周波数を下げる。ただし、サージング回避運転の手段は回転数低下だけではなく、入口案内弁や放風弁(バイパス弁)など、ターボ圧縮機が備える制御手段に応じて選択される。
【００４６】
回避運転が開始後、一定時間(例えば１ｍｉｎ)以内に再びサージングを検出しなかった場合、回避運転を終了し通常運転に戻る。回避運転中再びサージングを検出した場合、さらにサージング発生領域から離れる方向へ運転条件を変更し回避運転を続け、一定時間(例えば1min)以内に再びサージングを検出しなかったら、回避運転を終了し通常運転に戻る。
【００４７】
図３は、サージングにおける圧力時系列データの例である。
【００４８】
サージング発生時、高圧側から蒸気が逆流し、高圧側の圧力が低下するが、高圧側の熱容量が大きく凝縮器４に溜まっている液が蒸発するため、圧力検出器の周囲の圧力変化が小さい(例えば変化率０．０９ｋＰａ／ｓｅｃ)。
【００４９】
サージング発生時、高圧側から蒸気が逆流し、低圧側の圧力が上昇するが、低圧側の熱容量が大きく逆流した蒸気は蒸発器３で凝縮するため、圧力検出器の周囲の圧力変化が小さい(例えば変化率０．０３ｋＰａ／ｓｅｃ)。
【００５０】
通常時、インペラ背面空間圧力はインペラ７の遠心力作用とディフューザー作用による静圧と等しいため、高圧側の圧力より低い。サージング発生時、高圧側から一定の蒸気が逆流しインペラ背面空間の圧力が上昇する。インペラ背面空間は閉空間、または絞り部で流れが止められる。また熱容量が小さく、かつ流入したガスが凝縮しないため、圧力検出器の周囲の圧力変化が大きく検出される(例えば変化率０．２３ｋＰａ／ｓｅｃ)。
【００５１】
以上のように本実施形態においては、低外気温冷房運転や冷媒種類により作動圧力が低い運転条件など、冷凍サイクルの高低圧力差が小さく高圧側吐出管では検知できない場合においても、サージングを検出できる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本開示のターボ圧縮機は、ヒートポンプ、冷凍機及び空調機に有用である。
【符号の説明】
【００５３】
１    冷凍サイクル装置
２    ターボ圧縮機
３    蒸発器
４    凝縮器
５    回転体
６    回転軸
７    インペラ
７ａ    インペラ背面
８    ボリュート
９    ケーシング
９ａ    インペラ背面に対向する壁面
１０    軸受装置
１１    電動機
１２    回転子
１３    固定子
１４    圧力検出器
１５    制御器
１６    圧縮機内吸入空間
１７    圧縮機内吐出空間
１８    インペラ背面空間
【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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