专利名称：涡轮冷冻机的离心式压缩机、涡轮冷冻机及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种通过作为涡轮机械的离心式压缩机可以进行制冷制热的涡轮冷冻机及其控制方法背景技术用于涡轮冷冻机的离心式压缩机在低风量且高扬程区域中会产生所谓旋转失速和喘振(失速)的不稳定状态。
为了避免上述问题的产生，以往进行热风分流控制，其使从离心式压缩机排出的热风的一部分返回离心式压缩机的吸入侧来确保风量(体积流量)(参照例如特开平8-233382号公报
)。
在进行保护热风分流控制等的压缩机的控制之前，必须预测或检测旋转失速和喘振。
在下述的特表2000-505525号公报(7～9页及图1)中表示检测喘振的方法。
在特表2000-505525号公报中公开了通过驱动压缩机的可变速驱动装置的电流变动和压缩机两端间的压差(具体地为冷凝器和蒸发器的压差)检测喘振的技术。
然而，上述特表2000-505525号公报所述的技术具有由于以下原因而不能高精度地检测出旋转失速和喘振的问题。
涡轮冷冻机的压缩机上连接有容积比压缩机大的冷凝器和蒸发器。因此，在通过压缩机两端之间的压力差检测旋转失速和喘振时即使产生由旋转失速和喘振引起的压力变动，也由于容积大的冷凝器和蒸发器吸收压力变动，故压缩机两端间的压力差的变动量衰减变小而时间延迟，不能确切地判断旋转失速和喘振。
另外，众所周知，可通过结合冷凝器内的压力和冷却冷凝器的冷却水温度检测喘振。然而，因为通过改变在外部冷却冷却水的冷却塔的运转台数来快速改变冷却水温度，故无论是否存在喘振，冷凝器内的压力都产生变动。因此，不能区别是冷却水温度的变动引起的压力变动还是喘振引起的压力变动。
发明内容
本发明是鉴于上述问题而开发的，其目的在于提供一种可高精度地检测出在离心式压缩机中产生的旋转失速和喘振的涡轮冷冻机及其控制方法。
为了解决上述问题，本发明的涡轮冷冻机的离心式压缩机、涡轮冷冻机以及其控制方法采用下述方式。
本发明的涡轮冷冻机的离心式压缩机在压缩制冷剂的叶轮的上游侧设有检测制冷剂温度的温度传感器。
因为产生喘振时由叶轮压缩排出的制冷剂反向流动，所以可通过使叶轮上游侧的制冷剂温度上升而检测出喘振。即，通过在叶轮上游侧设置检测制冷剂温度的温度传感器，可高精度地检测喘振。
另外，在压缩机吸入液体制冷剂的汽水共腾(キヤリ-オ-バ)中，因为液体制冷剂在叶轮上游侧膨胀，所以制冷剂温度下降。通过由温度传感器检测出上述状态而可检测出汽水共腾。
作为叶轮上游侧的温度传感器的位置，可以是设置在叶轮上游侧的入口叶片的下游侧、入口叶片上游侧且压缩机吸入配管下游侧或压缩机吸入配管内。越接近叶轮越适于进行喘振的检测。
因为温度传感器的检测精度和灵敏度高，所以测温部适于用小的测温电阻器。
另外，本发明的涡轮冷冻机的离心式压缩机具有压缩制冷剂的叶轮和设置在该叶轮外周的扩压器(デイフュ一ザ)，在上述扩压器的外周边缘部设有检测制冷剂压力的压力传感器。
通过使旋转失速成长而产生喘振。旋转失速产生在扩压器的外周边缘部。通过设置在扩压器外缘部的压力传感器可检测旋转失速。
本发明的涡轮冷冻机具有上述离心式压缩机、检测出驱动叶轮的电动机的驱动电流并判断电流的变动的变动电流判断装置、由上述温度传感器的输出来检测制冷剂温度的上升并判断喘振的喘振判断装置。
通过变动电流判断装置，检测电动机的驱动电流的变动，并检测出在离心式压缩机中喘振或汽水共腾的产生。
因为若产生喘振则叶轮上游侧的制冷剂温度上升，所以通过喘振判断装置判断喘振的发生。
通过结合上述装置来实现高精度的喘振检测。
另外，本发明涡轮冷冻机具有热风分流阀控制装置，其在由上述喘振判断装置判断为喘振之后，以规定量打开设置在将上述离心式压缩机排出侧的制冷剂的一部分向吸入侧引导的热风分流管上的热风分流泵的开度，根据由上述变动电流判断装置得到的电流的变动，进一步打开上述热风分流阀的开度。
因为热风分流控制在冷冻循环中不使用压缩的制冷剂，而使其返回压缩机吸入侧，所以从热效率的观点来看是不利的。由热风流量阀控制装置分数次打开热风分流阀的开度，可尽可能防止热效率降低。
本发明的涡轮冷冻机使上述电动机通过来自转速控制装置的指示值控制转速，并具有转速超量判断装置，其判断该转速控制装置的指示值是否从额定值超出了规定量。
施加与喘振无关的阶跃干扰而超过了电动机额定转速时，不需要当场进行喘振检测的控制。具有变换器等的转速控制装置的电动机即使对涡轮冷冻机施加阶跃干扰也通过其他设备的反应延迟而仅超过额定转速一定的量。因此，通过转速超量判断装置，容许转速上升规定量并延迟转向喘振检测控制，防止由阶跃干扰产生的喘振的误检测。
本发明的涡轮冷冻机的控制方法为在离心式压缩机的叶轮上游侧的制冷剂温度上升时判断为喘振。
由于检测叶轮上游的制冷剂温度的上升，所以可高精度地检测出喘振。
根据本发明可实现以下效果。
由于在叶轮上游侧设置检测制冷剂温度的温度传感器，所以可高精度检测出喘振。
由于在扩压器的外缘部设置压力传感器，所以可检测喘振初期现象的旋转失速，并可高精度检测出喘振。
由于由喘振判断装置判断喘振的产生，并由变动电流判断装置检测电动机的驱动电流的变动，故可实现更加高精度的喘振检测。
由于可用热风流量阀控制装置分数次打开热风分流阀的开度，所以可尽可能防止热效率降低。
由于由转速超量判断装置容许转速上升规定量并延迟转向喘振检测控制，所以可防止由阶跃干扰而产生的喘振的误检测。
图1是表示本发明涡轮冷冻机的一实施例的图；图2是表示压缩机四周的剖面图；图3是表示喘振检测的控制流程的流程图。
具体实施例方式
以下参照
本发明的实施例。
图1表示涡轮冷冻机1的示意结构图。
涡轮冷冻机1具有压缩制冷剂的压缩机3、使由压缩机3压缩成的高温高压的气体制冷剂冷凝的冷凝器5、使在冷凝器5中冷凝的液体制冷剂膨胀的膨胀阀7、使由膨胀阀7膨胀的液体制冷剂蒸发的蒸发器9。
压缩机3是可得到高压比的离心式压缩机。
如图2所示，压缩机3具有绕轴线L旋转的叶轮20、位于叶轮20外周的扩压器22。
在叶轮20的制冷剂流动的上游侧(以下简单称为“上游侧”)设有调节流入的制冷剂流量的入口叶片24。该入口叶片24通过入口叶片驱动电机26改变旋转角，由此调节流入的制冷剂流量。
在叶轮20的上游侧，即入口叶片24的制冷剂流动的下游侧(以下简单称为“下游侧”)设置有测温电阻器(温度传感器)25。通过该测温电阻器25检测制冷剂温度的变动。
如图1所示，将测温电阻器25的输出送给喘振判断装置34。测温电阻器25的导线直径为1.6mm左右。
喘振判断装置34根据由测温电阻器25测定的叶轮25的吸入温度Tsuc来判断是否发生喘振。
具体来说，吸入温度Tsuc通常比从蒸发器9的蒸发压力PE算出的蒸发温度TE高1～2℃。而现有的吸入温度Tsuc产生高出最近30秒的取样平均的平均吸入温度3～5℃的状态时，由喘振判断装置34判断为喘振。即，产生喘振时，压缩后的高温制冷剂从叶轮20的高压侧流向低压侧，叶轮的吸入温度Tsuc上升。通过检测伴随该温度上升的温度变动而判断喘振。
喘振的周期根据冷冻机的容量而不同，短的为2～5秒左右，所以测温电阻器25的取样周期比该周期短。
如图2所示，在入口叶片24的上游侧连接有压缩机吸入配管28。在该压缩机吸入配管28的上游侧连接有从位于压缩机3下方的蒸发器9向上方延伸的蒸发器出口配管30的上端。
扩压器22将从叶轮20流出的制冷剂的动能作为势能来吸收，并具有圆环状的空间。
该扩压器22的外周边缘部设置有压力传感器32。该压力传感器32检测由旋转失速而产生的扩压器22的外周边缘部的压力变动。
在扩压器22的外周设置有蜗室33，制冷剂介由该蜗室33向下游侧的冷凝器5流出。
如图1所示，压缩机3由电动机11驱动。电动机11通过用变换器(转速控制装置)进行的频率控制来适当改变转速。
变换器指示实现涡轮冷冻机1的额定运转的额定频率。设置超过该额定频率规定量时判断为超过转速的转速超量判断装置12。本实施例的情况，若将额定转速的指示频率设为100％，则超出103％时判断为转速超量。另外，成为转速超量的判断基准的103％的值可根据冷冻机的使用状态而适当改变。
在电动机11上设有检测驱动电动机11的驱动电流的电流计13。并且，该驱动电流的变动由变动电流判断装置15进行判断。该变动电流判断装置15根据规定时间中的电流的振幅、变动频率以及规定时间的平均值的变化程度进行驱动电流变动的判断。本实施例中，把10秒内的两振幅在驱动电流平均值的5％以上，在30秒内返回该状态，并且该30秒内每10秒的平均值的差在2％以上的情况判断为驱动电流变动。
在冷凝器5和蒸发器9之间设有热风分流管40。在热风分流管40上设有调节在热风分流管40内流动的制冷剂流量的热风分流阀40a。
热风分流管40在向压缩机3流入的制冷剂形成低风量时，通过使冷凝器5侧的高温制冷剂(热风)分流并流向压缩机3，消除低风量并使压缩机3在稳定区域运转。因此，压缩机3在稳定区域运转时热风分流阀40a完全关闭。
热风分流阀40a的阀开度由喘振控制部36控制。
在冷凝器5上设有从外部导入冷却水的冷却配管5a。通过在该冷却配管5a中流动的冷却水冷却在冷凝器5中流动的制冷剂。冷凝器5内的制冷剂压力PC由压力传感器5b检测。另外，冷却水由外部的冷却塔(未图示)冷却。
对喘振控制部36输入来自转速超量判断装置12、变动电流判断装置15以及喘振判断装置34的输出信号。
从喘振控制部36对热风分流阀40a和电动机11输出控制信号。
接下来参照图3说明喘振检测的流程。
电动机11的电流值(驱动电流值)不产生变动时，进行常规的运转(S0)，不进行喘振检测。
电动机11的电流值(驱动电流值)产生变动时(S1)，进行喘振检测。
电流值是否产生变动，由变动电流判断装置15进行下面的判断。即，10秒间的两振幅在驱动电流平均值的5％以上，在30秒之间返回该状态并且该30秒之间的每10秒的平均值的差在2％以上时，判断为驱动电流变动。
判断为驱动电流变动时，通过喘振判断装置34(参照图1)进行吸入温度Tsuc是否上升的判断(S2)。
即，吸入温度Tsuc通常比由蒸发器9的蒸发压力PE算出的蒸发温度TE高1～2℃。而现有的吸入温度Tsuc在比最近30秒中的取样平均的平均吸入温度高3～5℃的状态下，由喘振判断装置34判断为喘振(S3)。
吸入温度Tsuc不上升时，判断为汽水共腾(S4)，由喘振控制部36(参照图1)的指示而停止电动机11(S5)。
若判断为喘振(S3)则判断电动机11的变换器指示频率是否在103％以上(S6)。
变换器指示频率不超过103％时，使变换器指示频率仅增大1％并继续运转(S7)。
变换器指示频率在103％以上时，通过喘振控制部36的指示，仅将热风分流阀40a(HGBP)打开40％(S8)。
这样，只要变换器指示频率不超过103％，就不进行喘振控制动作。
阀开度打开40％而经过30秒后，与上述S2同样地，通过变动电流判断装置15再次判断电流值是否变动(S9)。
在电流值仍然变动的情况下，将热风分流阀40a进一步打开至60％(S10)。
电流值不变动的情况下，判断为喘振消除，并在5分钟之后返回常规的运转(S0)。
阀开度打开60％并经过10秒后，与上述S2同样，通过变动电流判断装置15再次判断电流值是否变动(S11)。
电流值仍然变动的情况下，将热风分流阀40a完全打开(100％)(S12)。
电流值不变动的情况下，5分钟之后将热风分流阀40a的开度关闭至40％(S8)。并且进一步判断电流值是否仍然变动(S9)。
阀开度打开100％并经过10秒后，与上述S2同样，通过变动电流判断装置15再次判断电流值是否变动(S13)。
电流值仍然变动的情况下，将热风分流阀40a完全打开并强制继续运转(S14)。
电流值不变动的情况下，5分钟之后将热风分流阀40a的开度关闭至60％(S10)。并且进一步判断电流值是否仍然变动(S11)。
根据本实施例的涡轮冷冻机可实现以下作用效果。
因为在叶轮22的上游侧，即叶轮22和入口叶片24之间设有检测制冷剂温度的测温电阻器25，所以可高精度检测喘振。即，因为通过温度检测由喘振产生的制冷剂的反向流动，所以与使用不能避免由冷凝器5和蒸发器9的容积而产生的衰减的叶轮20两端间的压力差的方法相比，可直接发现喘振。
另外，虽然仅检测电动机的驱动电流的变动，难以区分喘振和汽水共腾，但根据测温电阻器25可发现制冷剂温度的下降，所以可区分并检测出喘振和汽水共腾。
通过变动电流判断装置15检测电动机的驱动电流的变动并检测出离心式压缩机上产生的喘振或汽水共腾，然后通过喘振判断装置34判断为产生喘振，所以可高精度检测出喘振。
因为分三次打开热风分流阀40a的开度，所以能够尽可能防止由进行热风分流控制而产生的热效率的降低。
通过转速超量判断装置12，只要不超过额定的103％就不进行喘振检测后的控制动作，所以即使在施加与作为冷却水的急剧地温度变动的喘振无关的阶跃干扰而超过电动机11的额定转速时，也可容许转速上升一定程度并可使向喘振检测控制转换的延迟。因此，可防止通过阶跃干扰而产生的喘振的误检测。
另外，在上述喘振检测的判断方法基础上，还可通过设置在扩压器22的外周边缘部的压力传感器32(参照图2)检测旋转失速。因为由在扩压器22外周边缘部产生的旋转失速的成长而产生喘振，所以通过由压力传感器32发现该旋转失速，可进一步提高喘振检测的精度。
另外，在本实施例中，作为温度传感器使用测温电阻器25，但如果测定灵敏度高则不限于此，可以是例如非铠装型的线径细的热电偶。
另外，本实施例的测温电阻器25设置在叶轮20和入口叶片24之间，也可以代替该位置而设置在入口叶片24上游侧，即压缩机吸入配管28下游侧(图2的T2)或压缩机吸入配管28内(图2的T3)。
权利要求
1.一种涡轮冷冻机的离心式压缩机，其特征在于，在压缩制冷剂的叶轮的上游侧设有检测制冷剂温度的温度传感器。
2.如权利要求1所示的涡轮冷冻机的离心式压缩机，其特征在于，在配置于所述叶轮外周的扩压器的外周边缘部设置有检测制冷剂压力的压力传感器。
3.一种涡轮冷冻机，其特征在于，具有权利要求1所述的离心式压缩机；检测驱动所述叶轮的电动机的驱动电流，并判断电流的变动的变动电流判断装置；由所述温度传感器的输出来检测制冷剂温度的上升，并判断喘振的喘振判断装置。
4.如权利要求3所述的涡轮冷冻机，其特征在于，具有热风分流阀控制装置，其在由所述喘振判断装置判断为喘振之后，以规定量打开设置在将所述离心式压缩机排出侧的制冷剂的一部分向吸入侧引导的热风分流管的热风分流阀的开度，根据由所述变动电流判断装置得到的电流的变动进一步打开所述热风分流阀的开度。
5.如权利要求3所述的涡轮冷冻机，其特征在于，所述电动机通过来自转速控制装置的指示控制转速，具有转速超量判断装置，其判断该转速控制装置的指示值是否从额定值超过了规定量。
6.一种涡轮冷冻机的控制方法，其特征在于，在离心式压缩机的叶轮上游侧的制冷剂温度上升时判断为喘振。
全文摘要
本发明提供一种可高精度检测出离心式压缩机中产生的喘振的涡轮冷冻机。在具有压缩制冷剂的叶轮的涡轮冷冻机的离心式压缩机中，在叶轮的上游设置检测制冷剂温度的测温电阻器。由此，检测由喘振产生的温度的上升并高精度地检测出喘振。
文档编号F25B1/053GK1786480SQ20041010034
公开日2006年6月14日 申请日期2004年12月6日 优先权日2004年12月6日
发明者上田宪治, 白方芳典 申请人:三菱重工业株式会社