(57)【要約】【課題】  部分負荷運転時等、流量が減少した場合においても効率低下を招くことなく広い流量範囲において運転可能なターボ冷凍機用遠心圧縮機を提供する。【解決手段】  ベーンが回動可能なディフューザ１１を備えるターボ冷凍機用遠心圧縮機１において、測定された前記圧縮機１の入口圧力，入口温度，出口圧力，出口温度，回転数に基づき、羽根車１０からの流出角とディフューザ１１のベーン角度と前記流出角との偏差を算出する演算処理器２２と、出力された駆動信号に応じてディフューザベーン角度を変更する駆動装置７とを備える。【選択図】図１
2008208810.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
羽根車の外周にディフューザベーンとを備えたターボ冷凍機用遠心圧縮機において、
前記圧縮機の入口圧力，入口温度，出口圧力，出口温度，回転数を測定する手段と、この測定手段からの出力を入力として前記羽根車からの流出角と前記ディフューザのベーン角度と前記流出角との偏差を計算する演算処理器と、この演算処理器からの出力を入力として前記ディフューザのベーン角度を変更する駆動装置とを備えたことを特徴とするターボ冷凍機用遠心圧縮機。
【請求項２】
請求項１記載のターボ冷凍機用遠心圧縮機において、
演算処理機は圧縮機の入口圧力，入口温度，出口圧力，出口温度を入力として、ターボ冷凍機の任意の運転状態における冷凍サイクルを決定し、前記冷凍サイクル上の状態点より読み取った温度，エンタルピ及び測定された圧縮機の回転数を用いて羽根車の出口における絶対周方向速度と羽根車出口周速を算出し、算出した羽根車の出口の絶対周方向速度と羽根車出口周速に基づいて羽根車からの流出角を求め、前記流出角と前記ディフューザのベーン角度との偏差を計算することを特徴とするターボ冷凍機用遠心圧縮機。
【請求項３】
請求項１記載のターボ冷凍機用遠心圧縮機において、
演算処理機は圧縮機の入口圧力，入口温度，出口圧力，出口温度を入力としてデータベースを参照し、前記データベースより読み取った温度，エンタルピ及び測定された圧縮機の回転数を用いて羽根車の出口における絶対周方向速度と羽根車出口周速を算出し、算出した羽根車の出口の絶対周方向速度と羽根車出口周速に基づいて羽根車からの流出角を求め、前記流出角と前記ディフューザのベーン角度との偏差を計算することを特徴とするターボ冷凍機用遠心圧縮機。
【請求項４】
請求項１記載のターボ冷凍機用遠心圧縮機において、
羽根車流出角度とディフューザベーン角度の偏差が−３°から３°の範囲となるように、ディフューザベーン角度を変更することを特徴としたターボ冷凍機用遠心圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はターボ冷凍機用遠心圧縮機及びその制御方法に係り、特にディフューザベーンの取付け角度が可変であるターボ冷凍機用遠心圧縮機及びその制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
空気調和機等に用いられるターボ冷凍機は蒸気圧縮式の冷凍サイクルを原理とした冷凍装置であり、空気などの被冷却物である低温の熱源から冷媒を介して高温の熱源へ熱を移動させている。この低温から高温への熱輸送を実現するために遠心圧縮機で動力を消費し、蒸発器を介して低温部より熱を取入れ、凝縮器において高温部へ熱を排出する。
【０００３】
ターボ冷凍機の性能は蒸発器の内部を通流する冷媒が冷却される熱量（冷凍効果）と、遠心圧縮機による断熱仕事量の比からなる成績係数ＣＯＰによって決定し、このＣＯＰが大きい程冷凍性能が高い。ＣＯＰを向上させる為には圧縮機効率の向上が不可欠である。
【０００４】
このように、圧縮機効率向上を図った従来技術としては特許文献１及び２が挙げられる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２１４８９６号公報
【特許文献２】特開２００３−２９３９９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記ターボ冷凍機に備え付けられる遠心圧縮機は、回転駆動する回転軸と、回転軸に取付けられた羽根車と、羽根車の外周に同心円状に取付けられた流体流路をなすディフューザを有す。遠心圧縮機に流入した冷媒は羽根車の遠心作用により運動エネルギーを得て昇圧され、ディフューザにて減速されるとともに運動エネルギーを内部エネルギーとして効率よく回収される。通常、遠心圧縮機は設計対象の流量で最高効率となるように設計されるが、流量が設計流量からずれると、羽根車の流出角とディフューザベーン角が一致せず効率の低下を招く。
【０００７】
したがって、このような羽根車の流出角とディフューザベーン角の不一致を解消し、流量が設計点からずれても効率の低下を抑制できるように前記公報に代表されるようなディフューザベーンの回動機構を設ける方法がある。しかし、適正なディフューザベーンの回動角を得るためにはターボ冷凍機の運転状態に応じて逐次変化する羽根車の流出状態を把握し、流出角を正確に算出することが課題である。
【０００８】
本発明の目的は、ターボ冷凍機に取付けたセンサによって任意の運転状態を把握し、その情報に基づいて羽根車の正確な流出角を求めることで、いかなる流量点でも最適なディフューザベーンの回動角を算出することが可能な制御装置を備えたターボ冷凍機用遠心圧縮機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的は、羽根車の外周にディフューザベーンとを備えたターボ冷凍機用遠心圧縮機において、前記圧縮機の入口圧力，入口温度，出口圧力，出口温度，回転数を測定する手段と、この測定手段からの出力を入力として前記羽根車からの流出角と前記ディフューザのベーン角度と前記流出角との偏差を計算する演算処理器と、この演算処理器からの出力を入力として前記ディフューザのベーン角度を変更する駆動装置とを備えたことにより達成される。
【００１０】
また上記目的は、演算処理機は圧縮機の入口圧力，入口温度，出口圧力，出口温度を入力として、ターボ冷凍機の任意の運転状態における冷凍サイクルを決定し、前記冷凍サイクル上の状態点より読み取った温度，エンタルピ及び測定された圧縮機の回転数を用いて羽根車の出口における絶対周方向速度と羽根車出口周速を算出し、算出した羽根車の出口の絶対周方向速度と羽根車出口周速に基づいて羽根車からの流出角を求め、前記流出角と前記ディフューザのベーン角度との偏差を計算することにより達成される。
【００１１】
また上記目的は、演算処理機は圧縮機の入口圧力，入口温度，出口圧力，出口温度を入力としてデータベースを参照し、前記データベースより読み取った温度，エンタルピ及び測定された圧縮機の回転数を用いて羽根車の出口における絶対周方向速度と羽根車出口周速を算出し、算出した羽根車の出口の絶対周方向速度と羽根車出口周速に基づいて羽根車からの流出角を求め、前記流出角と前記ディフューザのベーン角度との偏差を計算することにより達成される。
【００１２】
また上記目的は、羽根車流出角度とディフューザベーン角度の偏差が−３°から３°の範囲となるように、ディフューザベーン角度を変更することにより達成される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、いかなる流量点でも最適なディフューザベーンの回動角を算出することが可能な制御装置を備えたターボ冷凍機用遠心圧縮機を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施例を図にしたがって説明する。
【実施例１】
【００１５】
第１の実施例では蒸気圧縮式の冷凍サイクルを基本原理とした単段式ターボ冷凍機に本発明を適用する。
【００１６】
図４は本実施例におけるターボ冷凍機の構成を示す図である。  
図２は冷媒の状態変化を示したｐ−ｈ線図の一例を示す図である。  
図３はｐ−ｈ線図に基づいた冷凍サイクル線図を示す図である。  
図１は本発明を適用した単段遠心圧縮機本体及び制御系を模式的に示した図である。  
まず、図２のｐ−ｈ線図は冷媒の状態変化と所定の状態における圧力Ｐ，温度Ｔ，エンタルピｈの関係を示したものであり、圧力Ｐ，温度Ｔ，エンタルピｈのいずれか２点が既知ならば、残る未知の１点が算出可能である。
【００１７】
図４に示すように、第１の実施例におけるターボ冷凍機には、冷水と冷媒との間の熱交換により冷水を冷却し冷媒を蒸発・気化する蒸発器５と、蒸発器５によって気化された冷媒を昇圧する遠心圧縮機１と、昇圧された冷媒を冷却・液化する凝縮器２と、液化した冷媒を一時的に貯蓄する受液器３と、液化した冷媒を減圧する膨張手段として膨張弁４とを備える。また、遠心圧縮機１にはモータ６が備え付けられている。更に遠心圧縮機１出入口，モータ６及び凝縮器２に対してセンサが設けられており、遠心圧縮機１の入口圧力，入口温度，出口圧力，出口温度，回転数及び凝縮器２の出口温度が計測され、演算処理器８へ受け渡される。演算処理器８には図２に示すようなｐ−ｈ線図が予め記憶されており、計測値に基づき、冷凍サイクル上の状態点を決定する。
【００１８】
図２に示したｐ−ｈ線図において、ａ−ｂ曲線，ｂ−ｃ曲線はそれぞれ飽和液線及び乾き飽和蒸気線を表し、これら線上の冷媒の状態は飽和液，乾き飽和蒸気である。また、点ｂを通るｄ−ｂ−ｅ曲線は点ｂと同じ温度の等温線であり、この温度以上では冷媒を液化することができない。更に、ａ−ｂ−ｄより左側は過冷却液を、ｃ−ｂ−ｅより右側は過熱蒸気を、ａ−ｂ−ｃの内側は湿り蒸気を示す。また、Ｔ−Ｔ線は等温度線を、ｓ−ｓ線は過熱蒸気における断熱線を示す。
【００１９】
図３を用いて本実施例におけるターボ冷凍機の原理を説明する。  
図３において、状態点４において湿り蒸気である冷媒は蒸発器５にて被冷却物より熱を奪い状態点１に達する。過熱蒸気に状態変化した冷媒は遠心圧縮機１によって断熱圧縮されることで内部エネルギーが増大し、より大きな過熱度の状態点２へ昇圧される。圧力
Ｐ2 まで昇圧された冷媒は、凝縮器２を通過する過程で冷却水へ輸送した熱量を受け渡し、冷却され、乾き飽和蒸気，湿り蒸気，飽和液と状態変化を経たのち、過冷却液である状態点３へと達する。過冷却液となった冷媒は状態点３のまま受液器３を通過し、膨張弁４での絞り膨張によって減圧され、状態点４にて湿り蒸気に戻り、再度同様のサイクルを繰り返す。
【００２０】
図１に示すように遠心圧縮機１は、単段式のターボ型遠心圧縮機が採用されており、回転駆動する回転軸９と、回転軸９に保持され円周方向にほぼ等間隔で設けられた羽根を持つ羽根車１０と、羽根車外周に取付けられ円周方向にほぼ等間隔で設けられたベーン１２を持つディフューザ１１を有し、また冷媒を排出するスクロール１３を備えている。羽根車の回転により吸込口から吸入した冷媒は羽根車１０の遠心作用により増速，昇圧され、ディフューザ１１を通過する過程で減速されることにより運動エネルギ−を内部エネルギーに変換されスクロール１３より流出する。
【００２１】
本発明の遠心圧縮機１では図４に示すとおりディフューザベーン１２がディフューザベーン回動軸１４を介して回動可能に支持され、ベーンに備え付けられた駆動装置７によって回動する。そして、ベーン回動を制御するために、前記ターボ冷凍機に備えられたセンサより検出した測定値を処理する演算処理器８が接続され、演算処理器８ではディフューザベーン回動角を算出しディフューザベーン駆動装置７へ駆動信号を伝達する。このように構成した本発明の実施例のターボ冷凍機用遠心圧縮機において、ディフューザベーン回動角を制御する考え方を説明する。
【００２２】
図５に示した速度三角形は羽根車出口部における羽根車周速Ｕ，冷媒の相対速度Ｗ、及び絶対速度Ｃの関係性を模式化したものであり、これによると、羽根車出口部における冷媒の流出角αは、子午面速度Ｃmと周方向絶対速度Ｃθにより決まる。
【００２３】
図６は設計流量での羽根車からの流出角αとディフューザ角度αdif の関係を示したものである。通常遠心圧縮機は設計点流量において、ディフューザベーン角度αdif と羽根車からの流出角αが一致するよう設定されているため、動圧を静圧としてうまく回収することができるので最高効率を得る事ができる。
【００２４】
また、図７は部分負荷運転等で流量が減少した場合での羽根車からの流出角αとディフューザ角度αdif の関係を示したものである。部分負荷運転等では、流量減少に伴い子午面速度Ｃm が減少するため、羽根車からの流出角αとディフューザ角度αdif はずれている。
【００２５】
このため、不適切な角度でディフューザベーンに侵入した冷媒は、動圧が静圧に十分変換されず、残ったエネルギーは損失となり、結果的に効率の低下を招くこととなる。このような効率の低下を防ぐため、部分負荷運転時等に流量が減じた場合には、羽根車出口部での冷媒の周方向速度ＣΘ、羽根車出口部での冷媒の子午面速度Ｃm 及び羽根車からの流出角αを算出し、図７に示すとおり、回動軸１４によってディフューザベーン１２を軸中心に回動させることでα＝αdif となるようなディフューザ角度αdif を得る。
【００２６】
第１の実施例において、センサにより計測された遠心圧縮機１の入口圧力，入口温度，出口圧力，出口温度，回転数及び凝縮器２の出口温度から冷凍サイクルを決定するためのフローチャートを図８に示す。なおこの処理は演算処理器８のデータ記憶部に予め記憶された図２に示すようなｐ−ｈ線図に基づいて算出する。  
まず、演算処理器ではセンサから出力された遠心圧縮機の入口圧力Ｐ1，入口温度Ｔ1，出口圧力Ｐ2，出口温度Ｔ2，回転数Ｎ及び蒸発器出口温度Ｔ3 の入力を受ける（ステップ１０１）。このうち、入口圧力Ｐ1，入口温度Ｔ1，出口圧力Ｐ2，出口温度Ｔ2より、図９において等温線Ｔ1とＰ1、等温線Ｔ2とＰ2との交点をそれぞれ状態点１(ステップ１０２)，状態点２（ステップ１０３）とする。
【００２７】
状態点２から状態点３は等圧過程すなわちＰ3＝Ｐ2であるので、等温線Ｔ3とＰ2との交点を状態点３とする（ステップ１０４）。更に、状態点３から状態点４は絞り膨張の等エンタルピ過程でありｈ4＝ｈ3となる。また、状態点４から状態点１は等圧過程でありＰ4＝Ｐ1 となるので、ｈ3とＰ1の交点が状態点４として確定する（ステップ１０５）。以上の処理を受けて任意の運転状態における冷凍サイクルが確定し、各状態点における圧力Ｐ，温度Ｔ，エンタルピｈが明らかとなる（ステップ１０６）。なお、各状態点における圧力Ｐ，温度Ｔ，エンタルピｈは冷凍サイクルを確定する代わりに別途データベースを参照することで算出しても良いものとする。
【００２８】
続いて、上記処理により算出した各状態点における圧力Ｐ，温度Ｔ，エンタルピｈを用いて自動的に羽根車からの流出角αを算出し、ベーン回動角Δｉを決定するためのフローチャートを図１０に示す。流出角αと回動角Δｉを求めるのに必要な定圧比熱Ｃp ，羽根径ｒ，重力加速度ｇ，羽根車出口の流路断面積Ａ及びターボ冷凍機の冷凍能力Φは定数であり予めプログラムに組み込まれているものとし、圧力Ｐ，温度Ｔ，エンタルピｈの添え字は全て図３（図９）での状態点に対応しているものとする。まず、入口温度Ｔ1 ，出口温度Ｔ2と冷媒の定圧比熱Ｃpより、式（１）
Ｈth＝Ｃp（Ｔ2−Ｔ1）          （１）
で圧縮機の理論ヘッドＨthが求まる（ステップ２０１）。更に、羽根車出口部での冷媒の絶対周方向速度ＣΘは、回転数Ｎ，羽根車径ｒから求めた羽根車出口周速ｕ＝２πｒＮ／
６０に基づき、理論ヘッドＨth，重力加速度ｇを用いて、式（２）
Ｃθ＝ｇ・Ｈth／ｕ             （２）
で算出される（ステップ２０２）。
【００２９】
一方、羽根車出口部での冷媒の子午面速度Ｃm は冷媒循環量ｑと羽根車出口の流路断面積Ａより、式（３）
Ｃm＝ｑ／Ａ                    （３）
で求まる。冷媒循環量ｑは状態点１でのエンタルピｈ1、状態点でのエンタルピｈ4及びターボ冷凍機の冷凍能力Φより、式（４）
ｑ＝Φ／（ｈ4−ｈ1）           （４）
で求まる。
【００３０】
このようにして算出したｈ1及びｈ4を式（４）に代入し、冷媒循環量ｑを求める（ステップ２０３）。そして、冷媒循環量ｑを式（３）に代入することにより、羽根車出口部での冷媒の子午面速度Ｃmが算出される（ステップ２０４）。
【００３１】
以上の過程を経て算出した羽根車出口部での冷媒の絶対周方向速度ＣΘと羽根車出口部での冷媒の子午面速度Ｃmに基づき、羽根車出口における冷媒の流出角αを、式（５）
α＝tan-1（Ｃm／ＣΘ）          （５）
で算出する（ステップ２０５）。
【００３２】
求めた流出角αとディフューザベーン入口角αdif との偏差をインシデンスｉとして算出し、このインシデンスｉが予め設定した範囲ｉ1≦ｉ≦ｉ2に収まっているか否かを判断する（ステップ２０６）。インシデンスｉが設定範囲内である場合にはベーン固定のまま運転を継続し、設定範囲から外れている場合にはｉ1≦ｉ≦ｉ2に収まるよう回動角Δｉを設定し（ステップ２０７）、それを駆動信号としてベーン回動機構へ伝達する（ステップ２０８）。
【００３３】
上記したような一連の処理を部分負荷運転時等に作動させることで、図１１に示すように設計点流量Ｑd よりも流量が少ない側では、ベーンを回動した場合の効率が回動しない場合に比べて格段に上昇する。また、図１２によるとベーンを回動した場合の低流量側におけるヘッドがベーンを回動させない場合と比較して増加していることがわかる。これは羽根車出口における冷媒の流出角αとディフューザベーン入口角のずれを解消したことにより、ディフューザベーンでの流れの失速が抑制され、作動範囲が拡大したことを示す。
【００３４】
インシデンスの設定範囲は、ディフューザベーン回動誤差を見込んだ上で−３°≦ｉ≦３゜とした。図１３に示すとおりこの範囲内で多少効率は変動するものの、図１４によると安定したヘッドが得られる範囲であることがわかる。この範囲を外れるとディフューザベーン翼面における流れの剥離を招き、効率の低下をもたらすだけでなく、サージなどの不安定現象を引き起こす。したがって、本発明において偏差の設定範囲−３°≦ｉ≦３゜は高効率と作動範囲を両立できる最適な範囲である。
【００３５】
上記したような一連の処理を部分負荷運転時等に作動させ、かつ、インシデンスの設定範囲を−３°≦ｉ≦３゜とすることで高効率と広い作動範囲を得ることができる。
【実施例２】
【００３６】
第２の実施例では蒸気圧縮式のエコノマイザ付冷凍サイクルを基本原理としたターボ冷凍機に本発明を適用する。
【００３７】
図１５は本実施例におけるターボ冷凍機の構成を示す図である。  
図１６はｐ−ｈ線図に基づいた冷凍サイクル線図を示す図である。  
図１８及び図１９は２段遠心圧縮機本体及び、制御系を模式的に示した図である。  
図１５に示すように、第２の実施例におけるターボ冷凍機では、遠心圧縮機１５とエコノマイザ１６を備えている。更に遠心圧縮機１５出入口，モータ６，凝縮器２及びエコノマイザ１６に対してセンサが設けられており、遠心圧縮機１５の入口圧力，入口温度，出口圧力，出口温度，回転数，凝縮器２の出口温度及びエコノマイザ１６の圧力が計測され、演算処理器８へ受け渡される。演算処理器８には図２に示すようなｐ−ｈ線図が予め記憶されており、計測値に基づき、冷凍サイクル上の状態点を決定する。
【００３８】
図１６を用いて本実施例における２段式ターボ冷凍機の原理を説明する。状態点９において湿り蒸気である冷媒は蒸発器５にて被冷却物より熱を奪い状態点１に達する。過熱蒸気に状態変化した冷媒は圧縮機１段目によって断熱圧縮されることで内部エネルギーが増大し、より大きな過熱度の状態点２へ昇圧される。状態点２における冷媒はエコノマイザ１６にて絞り膨張時に発生したフラッシュ蒸気を取入れ、状態点３に至る。状態点３では圧縮機２段目によって圧力Ｐ4 まで昇圧され更なる過熱度を持つ状態点４となる。
【００３９】
その後冷媒は凝縮器２を通過する過程で、輸送した熱量を冷却水へ受け渡し、冷却され、乾き飽和蒸気，湿り蒸気，飽和液と状態変化を経たのち、過冷却液である状態点５へと達する。過冷却液となった冷媒は状態点５のまま受液器３を通過し、エコノマイザ１６に流入する。エコノマイザ１６では、中間圧力Ｐeco まで一旦減圧され、その際に生じたフラッシュ蒸気と高圧液に分離される。このうち高圧液のみが蒸発圧力Ｐ1 まで絞り膨張され、状態点９にて湿り蒸気に戻り、再度同様のサイクルを繰り返す。
【００４０】
このように２段遠心圧縮機とエコノマイザを組み合わせることでエコノマイザの無い場合よりも高い冷凍効果を得ることができる。図１７において、１→Ａ→５→Ｂはエコノマイザの無い場合での冷凍サイクルを示し、この時冷凍効果は（ｈ1−ｈA）である。一方、エコノマイザ付冷凍サイクルの冷凍効果は（ｈ1−ｈ9）であり、エコノマイザ無しと比較すると（ｈB−ｈ9）有利であることが判る。
【００４１】
図１８及び図１９に示すように遠心圧縮機１５は、２段式のターボ型遠心圧縮機が採用されており、各段は回転駆動する回転軸９と、回転軸９に保持され円周方向にほぼ等間隔で設けられた羽根を持つ羽根車１０と、羽根車外周に取付けられ円周方向にほぼ等間隔で設けられたベーンを持つディフューザ１１を有し、更に段と段とを連結する静止流路としてリターンチャネル１７，冷媒を排出するスクロール１３を備えている。
【００４２】
第１段羽根車の回転により吸込口から吸入した冷媒は羽根車１段目１０ａの遠心作用により増速，昇圧され、ディフューザ１段目１１ａを通過する過程で減速されることにより運動エネルギ−を内部エネルギーに変換され、更にリターンチャネル１７を通過し昇圧された後、羽根車２段目１０ｂへと導かれ第１段と同様の作用を受け昇圧し、ディフューザ２段目１１ｂを通過する過程で再度減速されることにより運動エネルギ−を内部エネルギーに変換され、最終的にはスクロール１３より流出する。
【００４３】
この遠心圧縮機ではディフューザベーン１２がディフューザベーン回動軸１４に支持され、ベーンに備え付けられた駆動装置７によって、各段のディフューザベーン１段目12ａ及びディフューザベーン２段目１２ｂが独立して回動する。そして、それぞれのベーン回動を制御するために、前記ターボ冷凍機に備えられたセンサより検出した測定値を処理する演算処理器８が接続され、演算処理器８ではディフューザベーン回動角を算出し、ディフューザベーン駆動装置７へ各段独立した駆動信号を伝達する。
【００４４】
第２の実施例において、測定値より冷凍サイクルを決定するためのフローチャートを図
２０に示す。なおこの処理は演算処理器のデータ記憶部に予め記憶されたプログラムに基づいて自動的に実行されるものである。まず、演算処理器ではセンサから出力された遠心圧縮機の入口圧力Ｐ1，入口温度Ｔ1，出口圧力Ｐ4，出口温度Ｔ4，回転数Ｎ，凝縮器出口温度Ｔ5 及びエコノマイザ圧力Ｐeco の入力を受ける（ステップ３０１）。このうち、遠心圧縮機の入口圧力Ｐ1，入口温度Ｔ1，出口圧力Ｐ4，出口温度Ｔ4及びエコノマイザ圧力Ｐeco より、図２１に示したｐ−ｈ線図から状態点１，状態点２，状態点３，状態点４を決定する。
【００４５】
図２１において等温線Ｔ1及びＰ1の交点を状態点１（ステップ３０２），等温線Ｔ4 及びＰ4 の交点を状態点４とし（ステップ３０３）、これら状態点１及び状態点４が乗る断熱線をｓ1，ｓ4とすればｓ1，ｓ4と中間圧力Ｐeco の交点がそれぞれ状態点２（ステップ３０４）及び状態点３（ステップ３０５）である。続いて、蒸発器出口温度Ｔ5 より状態点６を決定する。
【００４６】
図２１において状態点４から状態点５は等圧過程すなわちＰ5＝Ｐ4とすれば、等温線
Ｔ5とＰ4の交点が状態点５（ステップ３０６）、また、状態点５から状態点６は絞り膨張（等エンタルピ過程）すなわちｈ5＝ｈ6のためｈ5と中間圧力Ｐecoとの交点が状態点６である（ステップ３０７）。最後に状態点７，状態点８及び状態点９を決定する。状態点７はエコノマイザ内で発生したフラッシュ蒸気（乾き飽和蒸気）を表し、中間圧力Ｐeco と乾き飽和蒸気線（ｂ−ｃ曲線）の交点である（ステップ３０８）。
【００４７】
一方、状態点８は中間圧力Ｐecoと飽和液線（ａ−ｂ曲線）の交点であり、エコノマイザにおいてフラッシュ蒸気と分離された飽和液を表す（ステップ３０９）。状態点８から状態点９は絞り膨張（等エンタルピ過程）すなわちｈ8＝ｈ9を経て蒸発圧力Ｐ1 へ戻るので、ｈ8とＰ1との交点を状態点９とする（ステップ３１０）。このようにして、測定値より状態点１から状態点９を求めることで、任意の運転状態における冷凍サイクル線図及び各状態点での圧力Ｐ，温度Ｔ，エンタルピｈが決定する（ステップ３１１）。なお、各状態点における圧力Ｐ，温度Ｔ，エンタルピｈは冷凍サイクルを確定する代わりに別途データベースを参照することで算出しても良いものとする。
【００４８】
次に、上記にて決定された各状態点での圧力Ｐ，温度Ｔ，エンタルピｈを用いて羽根車からの流出角αを各段毎個別に算出し、ベーン回動角Δｉを決定する。
【００４９】
図２２は第２の実施例におけるベーン回動フローチャートを示す。  
以下、定圧比熱Ｃp，羽根径ｒ，重力加速度ｇ，羽根車出口の流路断面積Ａ及びターボ冷凍機の冷凍能力Φは定数であり予めプログラムに組み込まれているものとし、圧力Ｐ，温度Ｔ，エンタルピｈの添え字は全て図１６（図２１）での状態点に対応しているものとする。また、添え字１ｓｔ及び２ｓｔはそれぞれ圧縮機１段目，圧縮機２段目を表す。まず、理論ヘッドＨth1st，Ｈth2stが、圧縮機１段目入口温度Ｔ1 ，圧縮機１段目出口温度Ｔ2，圧縮機２段目入口温度Ｔ3，圧縮機２段目出口温度Ｔ4 と定圧比熱Ｃｐを用いて、式（６），式（７）
Ｈth1st＝Ｃp（Ｔ2−Ｔ1）          （６）
Ｈth2st＝Ｃp（Ｔ4−Ｔ3）          （７）
により求まる（ステップ４０１）。
【００５０】
更に、羽根車出口部での冷媒の絶対周方向速度Ｃθ1st，Ｃθ2stが、回転数Ｎ，１段目羽根車径ｒ1st，２段目羽根車径ｒ2st、から求めた羽根車出口周速ｕ1st＝２πｒ1stＮ／
６０，ｕ2st＝２πｒ2stＮ／６０に基づき、理論ヘッドＨth1，Ｈth2、重力加速度ｇを用いて、式（８），式（９）
Ｃθ1st＝ｇ・Ｈth1／ｕ1st          （８）
Ｃθ2st＝ｇ・Ｈth2／ｕ2st          （９）
により算出される（ステップ４０２）。
【００５１】
一方、羽根車出口部での冷媒の子午面速度Ｃm1st，Ｃm2stは冷媒循環量ｑと羽根車出口の流路断面積Ａより、式（１０），式（１１）
Ｃm1st＝ｑ1st／Ａ1st                （１０）
Ｃm2st＝ｑ2st／Ａ2st                （１１）
で求まる。
【００５２】
ここで、圧縮機１段目における冷媒循環量ｑ1stは状態点１でのエンタルピｈ1、状態点９でのエンタルピｈ9及びターボ冷凍機の冷凍能力Φより、式（１２）
ｑ1st＝Φ／（ｈ9−ｈ1）             （１２）
で求まる（ステップ４０３）。また、圧縮機２段目での冷媒循環量ｑ2sはエコノマイザでのフラッシュ蒸気量ｑecoを含むので、式（１３）
ｑ2s＝ｑ1st＋ｑeco＝Φ（ｈ7−ｈ8）／（ｈ1−ｈ9）（ｈ7−ｈ6）      （１３）
より求まる。
【００５３】
この式（１３）に状態点１でのエンタルピｈ1、状態点６でのエンタルピｈ6、状態点７でのエンタルピｈ7、状態点８でのエンタルピｈ8及び状態点９でのエンタルピｈ9 を代入することで圧縮機２段目での冷媒循環量ｑ2st が決定する（ステップ４０４）。以上、算出した圧縮機１段目における冷媒循環量ｑ1st及び圧縮機２段目における冷媒循環量ｑ2stをそれぞれ式（１０），式（１１）に代入すれば、羽根車出口部での冷媒の子午面速度
Ｃm1st，Ｃm2stが求まる（ステップ４０５）。
【００５４】
以上の過程を経て算出した羽根車出口部での冷媒の絶対周方向速度Ｃθ1st，Ｃθ2stと羽根車出口部での冷媒の子午面速度Ｃm1st，Ｃm2stに基づき、羽根車出口における冷媒の流出角α1st，α2stを、式（１４），式（１５）
α1st＝tan-1（Ｃm1st／ＣΘ1st）          （１４）
α2st＝tan-1（Ｃm2st／ＣΘ2st）          （１５）
で算出する（ステップ４０６）。
【００５５】
求めた各段の流出角α1st，α2stとディフューザベーン入口角αdif1st，αdif2stとの偏差をインシデンスｉ1st，ｉ2stとして個別に算出し（ステップ４０７）、このインシデンスｉ1st，ｉ2stが予め設定した範囲ｉ1≦ｉ1st≦ｉ2，ｉ1≦ｉ2st≦ｉ2に収まっているか否かを判断する（ステップ４０８）。インシデンスｉ1st，ｉ2stが設定範囲内である場合にはベーン固定のまま運転を継続し、設定範囲から逸脱した場合にはｉ1≦ｉ1st≦ｉ2，ｉ1≦ｉ2st≦ｉ2に収まるよう回動角Δｉ2st，Δｉ2stを設定し（ステップ４０９）、それを駆動信号としてベーン回動機構へ伝達する（ステップ４１０）。上記遠心圧縮機では、インシデンスの設定範囲はディフューザ効率が低下し難く作動範囲の広い−３°≦ｉ≦３゜とする。
【００５６】
図１１に示すように設計点流量Ｑdよりも流量が少ない側で、ベーンを回動した場合の効率が、回動しない場合に比べて高くなっている。また、図１２に示すとおりベーンを回動した場合のヘッドが低流量側で回復している。したがって、上記したような一連の処理を部分負荷運転時等に作動させることで、羽根車出口における冷媒の流出角αとディフューザベーン入口角の整合性が保たれるため、効率が高く保たれる。
【００５７】
以上のごとく、本発明によれば、ターボ冷凍機用圧縮機では、ターボ冷凍機に備え付けられたセンサにより測定した圧縮機の入口圧力，入口温度，出口圧力，出口温度に基づいて求めたターボ冷凍機の冷凍サイクルより羽根車の流出角を算出することができるので、いかなる運転状態においても正確にディフューザベーンの回動角を制御することができる。その結果、流量が設計流量からずれても、羽根車流出角と、ディフューザベーン角が適正な範囲にあり、圧縮機効率の低下を抑制し作動範囲を拡大できる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の第１の実施例を備えた遠心圧縮機の断面図である。
【図２】ｐ−ｈ線図を示す概略図である。
【図３】第１の実施例を備えた冷凍サイクル線図である。
【図４】第１の実施例を備えたターボ冷凍機用遠心圧縮機のシステム構成を示す概略図である。
【図５】羽根車出口における速度三角形を示した図である。
【図６】設計点流量における羽根車からの流出角αとディフューザ角度αdifとの関係図である。
【図７】部分負荷運転時等での羽根車からの流出角αとディフューザ角度αdifの関係図である。
【図８】第１の実施例において状態点を決定する処理の流れを示す図である。
【図９】第１の実施例における状態点を決定する方法を説明する冷凍サイクル線図である。
【図１０】第１の実施例における処理の流れを示す図である。
【図１１】流量と効率の関係性を示す図である。
【図１２】流量とヘッドの関係性を示す図である。
【図１３】インシデンスと効率の関係性を示す図である。
【図１４】インシデンスとヘッドの関係性を示す図である。
【図１５】第２の実施例におけるターボ冷凍機用遠心圧縮機のシステム構成を示す図である。
【図１６】第２の実施例における冷凍サイクル線図である。
【図１７】エコノマイザの有り無しによる冷凍効果の違いを説明する冷凍サイクル線図である。
【図１８】本発明に係る第２の実施例を示す図であって、遠心圧縮機の断面図である。
【図１９】第２の実施例におけるベーン回動制御部の詳細図である。
【図２０】第２の実施例において状態点を決定する処理の流れを示す図である。
【図２１】第２の実施例において状態点を決定する方法を説明する冷凍サイクル線図である。
【図２２】第２の実施例における処理の流れを示す図である。
【符号の説明】
【００５９】
１，１５  遠心圧縮機
２  凝縮器
３  受液器
４  膨張弁
５  蒸発器
６  モータ
７  駆動装置
８  演算処理器
９  回転軸
１０  羽根車
１０ａ  羽根車１段目
１０ｂ  羽根車２段目
１１  ディフューザ
１１ａ  ディフューザ１段目
１１ｂ  ディフューザ２段目
１２  ディフューザベーン
１２ａ  ディフューザベーン１段目
１２ｂ  ディフューザベーン２段目
１３  スクロール
１４  ディフューザベーン回動軸
１４ａ  ディフューザベーン回動軸１段目
１６  エコノマイザ
１７  リターンチャネル
【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９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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