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特表2025-503224ダイナミック・コンプレッサの動作範囲を拡張するためのシステム及び方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2025-01-30
(54)【発明の名称】ダイナミック・コンプレッサの動作範囲を拡張するためのシステム及び方法
(51)【国際特許分類】
F04D 27/02 20060101AFI20250123BHJP
F25B 49/02 20060101ALI20250123BHJP
【ＦＩ】
F04D27/02 A
F25B49/02 570A
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024544748
(86)(22)【出願日】2022-12-23
(85)【翻訳文提出日】2024-07-26
(86)【国際出願番号】 US2022082320
(87)【国際公開番号】W WO2023146719
(87)【国際公開日】2023-08-03
(31)【優先権主張番号】17/585,736
(32)【優先日】2022-01-27
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】511158339
【氏名又は名称】コープランド エルピー
(74)【代理人】
【識別番号】110004381
【氏名又は名称】弁理士法人ＩＴＯＨ
(72)【発明者】
【氏名】ペレヴォスチコフ，マイケル エム．
(72)【発明者】
【氏名】スワロー，マシュー ジェイ．
(72)【発明者】
【氏名】リウ，ゼージ
【テーマコード（参考）】
3H021
【Ｆターム（参考）】
3H021AA02
3H021BA13
3H021BA15
3H021CA01
3H021CA03
3H021DA11
3H021EA03
3H021EA16
(57)【要約】
システムは、ダイナミック・コンプレッサと、プロセッサ及びメモリを有するコントローラとを含む。コンプレッサは、第１の可変入口ガイドベーン（ＶＩＧＶ）を有する第１のコンプレッサ段と、第２のＶＩＧＶを有する第２のコンプレッサ段とを含む。メモリは、プロセッサに、コンプレッサを現在の速度、第１のＶＩＧＶの第１の位置、及び第２のＶＩＧＶの第２の位置で動作させて作動流体を圧縮させ、条件を満たしているかどうかを判定させるようにプログラムする命令を格納する。条件を満たしていない場合に、プロセッサは、コンプレッサを現在の速度、第１のＶＩＧＶの第１の位置、及び第２のＶＩＧＶの第２の位置で引き続き動作させるようにプログラムされる。条件を満たしている場合に、プロセッサは、第２のＶＩＧＶの第２の位置を第３の位置に変更し、第１のＶＩＧＶの第１の位置を維持するようにプログラムされる。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
システムであって、当該システムは、作動流体を圧縮するように動作可能なダイナミック・コンプレッサであって、
第１の可変入口ガイドベーン（ＶＩＧＶ）を有する第１のコンプレッサ段と、
第２のＶＩＧＶを有する第２のコンプレッサ段と、を含む、ダイナミック・コンプレッサと、
該ダイナミック・コンプレッサに接続したコントローラと、を含み、
該コントローラはプロセッサ及びメモリを含み、該メモリには、前記プロセッサに、
前記ダイナミック・コンプレッサを現在の速度、前記第１のＶＩＧＶの第１の位置、及び第２のＶＩＧＶの第２の位置で動作させて前記作動流体を圧縮させ、
前記ダイナミック・コンプレッサを動作させている間に、条件を満たしているかどうかを判定させ、
前記条件を満たしていない場合に、前記ダイナミック・コンプレッサを前記現在の速度、前記第１のＶＩＧＶの前記第１の位置、及び前記第２のＶＩＧＶの前記第２の位置で引き続き動作させ、
前記条件を満たしている場合に、前記第２のＶＩＧＶの前記第２の位置を該第２の位置とは異なる第３の位置に変更し、前記第１のＶＩＧＶの前記第１の位置を維持させるようにプログラムする命令が格納される、
システム。
【請求項2】
前記条件を満たしているかどうかを判定することは、前記ダイナミック・コンプレッサと流体連通している弁が開いているかどうかを判定することを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項3】
前記メモリには、前記弁が開いている場合に、前記プロセッサに、前記第２のコンプレッサ段の制限速度を決定させるようにプログラムする命令がさらに格納される、請求項２に記載のシステム。
【請求項4】
前記制限速度は前記第２のコンプレッサ段のチョーク速度であり、前記条件を満たしているかどうかを判定することは、前記弁が開いており、前記第２のコンプレッサ段の前記チョーク速度が前記ダイナミック・コンプレッサの前記現在の速度よりも遅い場合に、前記条件を満たしていると判定することをさらに含む、請求項３に記載のシステム。
【請求項5】
前記制限速度は前記第２のコンプレッサ段のサージ制御速度であり、前記条件を満たしているかどうかを判定することは、前記弁が開いており、前記第２のコンプレッサ段の前記サージ制御速度がダイナミック・コンプレッサの前記現在の速度よりも大きい場合に、前記条件を満たしていると判定することをさらに含む、請求項３に記載のシステム。
【請求項6】
前記メモリには、前記ダイナミック・コンプレッサの所定の動作点のマップがさらに格納される、請求項３に記載のシステム。
【請求項7】
前記所定の動作点の前記マップには、前記第２のコンプレッサ段の動作点が含まれ、前記第２のコンプレッサ段の前記制限速度を決定することは、前記所定の動作点の前記マップから前記第２のコンプレッサ段の動作点の値を取得することを含む、請求項６に記載のシステム。
【請求項8】
前記第２のコンプレッサ段の前記制限速度を決定することは、コンプレッサ圧力比、及び前記所定の動作点のマップから取得した前記制限速度の値に基づいて、並びに前記コンプレッサ圧力比、及び所定の定数に基づいて、前記第２のコンプレッサ段の前記制限速度を計算することを含む、請求項６に記載のシステム。
【請求項9】
前記第１のＶＩＧＶの前記第１の位置と前記第２のＶＩＧＶの前記第２の位置とが同じ位置である、請求項２乃至８のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項10】
前記弁は、一次冷媒ループの一部を二次冷媒ループに流体接続し、該二次冷媒ループは、前記第１のコンプレッサ段の出口を前記第２のコンプレッサ段の入口に接続する、請求項２乃至９のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項11】
前記一次冷媒ループは、前記第２のコンプレッサ段に流体結合した凝縮器と、
該凝縮器に流体結合した第１の膨張装置と、
該第１の膨張装置及び前記第１のコンプレッサ段に流体結合した蒸発器と、を含み、
前記二次冷媒ループは、
前記凝縮器に流体結合した第２の膨張装置と、
該第２の膨張装置、前記凝縮器、及び前記第２のコンプレッサ段に流体結合した熱交換器と、を含む、請求項１０に記載のシステム。
【請求項12】
第１のコンプレッサ段及び第２のコンプレッサ段を有するダイナミック・コンプレッサのためのコントローラであって、当該コントローラは、プロセッサと、
メモリを含み、該メモリには、前記プロセッサに、
前記ダイナミック・コンプレッサを現在の速度、前記第１のコンプレッサ段の第１のＶＩＧＶの第１の位置、及び前記第２のコンプレッサ段の第２のＶＩＧＶの第２の位置で動作させて作動流体を圧縮させ、
前記ダイナミック・コンプレッサを動作させている間に、条件を満たしているかどうかを判定させ、
前記条件を満たしていない場合に、前記コンプレッサを前記現在の速度、前記第１のＶＩＧＶの前記第１の位置、及び前記第２のＶＩＧＶの前記第２の位置で引き続き動作させ、
前記条件を満たしている場合に、前記第２のＶＩＧＶの前記第２の位置を該第２の位置とは異なる第３の位置に変更し、前記第１のＶＩＧＶの前記第１の位置を維持させるようにプログラムする命令が格納される、
コントローラ。
【請求項13】
前記条件を満たしているかどうかを判定することは、前記ダイナミック・コンプレッサと流体連通している弁が開いているかどうかを判定することと、
前記弁が開いている場合に、前記第２のコンプレッサ段の制限速度を決定することと、を含む、請求項１２に記載のコントローラ。
【請求項14】
前記制限速度は前記第２のコンプレッサ段のチョーク速度であり、前記条件を満たしているかどうかを判定することは、前記弁が開いており、前記第２のコンプレッサ段の前記チョーク速度が前記ダイナミック・コンプレッサの前記現在の速度よりも遅い場合に、前記条件を満たしていると判定することをさらに含む、請求項１３に記載のコントローラ。
【請求項15】
前記制限速度は前記第２のコンプレッサ段のサージ制御速度であり、前記条件を満たしているかどうかを判定することは、前記弁が開いており、前記第２のコンプレッサ段の前記サージ制御速度が前記ダイナミック・コンプレッサの現在の速度よりも大きい場合に、前記条件を満たしていると判定することをさらに含む、請求項１３に記載のコントローラ。
【請求項16】
前記メモリには、前記ダイナミック・コンプレッサの所定の動作点のマップがさらに格納される、請求項１３に記載のコントローラ。
【請求項17】
前記所定の動作点の前記マップには、前記第２のコンプレッサ段の動作点が含まれ、前記第２のコンプレッサ段の前記制限速度を決定することは、前記所定の動作点のマップから前記第２のコンプレッサ段の動作点の値を取得することを含む、請求項１６に記載のコントローラ。
【請求項18】
前記第２のコンプレッサ段の前記制限速度を決定することは、コンプレッサ圧力比、及び前記所定の動作点のマップから取得した前記制限速度の値に基づいて、並びに前記コンプレッサ圧力比、及び所定の定数に基づいて、前記第２のコンプレッサ段の前記制限速度を計算することを含む、請求項１６に記載のコントローラ。
【請求項19】
作動流体を圧縮しているダイナミック・コンプレッサの動作範囲を拡張する方法であって、前記ダイナミック・コンプレッサには第１のコンプレッサ段及び第２のコンプレッサ段があり、当該方法は、前記ダイナミック・コンプレッサを現在の速度、前記第１のコンプレッサ段の第１のＶＩＧＶの第１の位置、及び前記第２のコンプレッサ段の第２のＶＩＧＶの第２の位置で動作させて作動流体を圧縮するステップと、
前記ダイナミック・コンプレッサを動作させている間に、条件を満たしているかどうかを判定するステップと、
前記条件を満たしていない場合に、前記コンプレッサを前記現在の速度、前記第１のＶＩＧＶの前記第１の位置、及び前記第２のＶＩＧＶの前記第２の位置で引き続き動作させるステップと、
前記条件を満たしている場合に、前記第２のＶＩＧＶの前記第２の位置を該第２の位置とは異なる第３の位置に変更し、前記第１のＶＩＧＶの前記第１の位置を維持するステップと、を含む、
方法。
【請求項20】
前記条件を満たしているかどうかを判定するステップは、前記ダイナミック・コンプレッサと流体連通している弁が開いているかどうかを判定するステップと、
前記弁が開いている場合に、前記第２のコンプレッサ段の制限速度を決定するステップと、を含む、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願への相互参照
本願は、２０２２年１月２７日に出願した米国特許出願第１７／５８５，７３６号の優先権を主張するものであり、その開示内容全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本願は、２０２２年１月２７日に出願した米国特許出願第１７／５８５，７３６号の優先権を主張するものであり、その開示内容全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【0002】
開示の分野
本開示の分野は、制御システム、より具体的には、ダイナミック・コンプレッサのための制御システムに関する。
本開示の分野は、制御システム、より具体的には、ダイナミック・コンプレッサのための制御システムに関する。
【背景技術】
【0003】
遠心コンプレッサを含むダイナミック・コンプレッサは、プロセス産業、並びに暖房、換気、空調（ＨＶＡＣ）システムで一般的に使用される。コンプレッサは、複数のコンプレッサ段をサポートするシャフトを介してモータに動作可能に接続される。モータは、指定した需要まで冷媒を圧縮するために選択した回転速度及び負荷条件で、シャフトを介してコンプレッサ段を回転させる。モータの速度及び負荷を制御して、コンプレッサを幅広い動作条件下で動作させることができる。コンプレッサの動作範囲は、低流量でのサージ領域と、高流量でのチョーク領域とによって制限される。コンプレッサの正確な動作点の知見は、サージ又はチョークでの動作を回避するのに役立つ。
【0004】
多段コンプレッサでは、冷媒は、異なる圧力及び体積流量で各コンプレッサ段に入る。従って、各段は他の段と「一致する」ように設計する必要があり、そうすることで、各段は前の段から受け取った流体を効果的に処理でき、コンプレッサは幅広い動作条件下で安全且つ効率的に動作できる。
【0005】
ダイナミック・コンプレッサに加えて、殆どのＨＶＡＣシステムには、ダイナミック・コンプレッサに閉ループで流体結合した凝縮器、膨張装置、及び蒸発器が含まれる。一部のアプリケーションでは、基本サイクルが、追加のコンポーネント又は代替構成で修正され、システムの性能及び効率を向上させる。例えば、一部のＨＶＡＣシステムでは、低温液体冷媒の一部を凝縮器の下流から熱交換器又はフラッシュタンクを介して迂回させメインフローを冷却するエコノマイゼーションループを使用している。熱交換器又はフラッシュタンクの下流では、フロー（ｆｌｏｗ：流れ）の追加部分が中温蒸発器に迂回される場合がある。迂回した部分、つまりエコノマイゼーションフローは、次に、低温、中圧ガスとしてコンプレッサ段同士の間に注入され、システム全体の効率を向上させる。他のシステムでは、コンプレッサ段同士の間からフローを取り除き、追加の凝縮器に迂回させて、追加の用途を可能にする。
【0006】
このようなシステムでは、コンプレッサ段同士の間でフローを追加又は除去すると、ステージ（ｓｔａｇｅ：段）がもはや空気力学的に一致（ｍａｔｃｈ：整合）しなくなる。ステージの適切な一致がないと、注入の下流ステージが、コンプレッサの残りの部分とは異なる条件で望ましくないフロー状態になり、機械全体の性能、効率、及び安全性が損なわれる可能性がある。こうして、ステージ同士の間の質量流量の変化の有無にかかわらず、ステージ同士の間で空気力学的整合を維持することが望ましい。
【0007】
このセクションは、以下に説明及び／又は特許請求する本開示の様々な態様に関連し得る技術の様々な態様を読者に紹介することを目的としている。この説明は、本開示の様々な態様をよりよく理解できるように、読者に背景技術情報を提供するのに役立つと考えられる。従って、これらの記述は、この観点から読むべきであり、先行技術を認めるものではないことを理解する必要がある。
【発明の概要】
【0008】
本開示の一態様はシステムに関し、システムは、作動流体を圧縮するように動作可能なダイナミック・コンプレッサと、ダイナミック・コンプレッサに接続したコントローラとを有する。ダイナミック・コンプレッサは、第１の可変入口ガイドベーン（ｖａｎｅ：翼）（ＶＩＧＶ）を有する第１のコンプレッサ段と、第２のＶＩＧＶを有する第２のコンプレッサ段とを含む。コントローラは、プロセッサ及びメモリを含む。メモリは、プロセッサに、ダイナミック・コンプレッサを現在の速度、第１のＶＩＧＶの第１の位置、及び第２のＶＩＧＶの第２の位置で動作させて作動流体を圧縮させ、条件を満たしているかどうかを判定させるようにプログラムする命令を格納する。条件を満たしていない場合に、メモリに格納した命令は、プロセッサに、コンプレッサを現在の速度、第１のＶＩＧＶの第１の位置、及び第２のＶＩＧＶの第２の位置で引き続き動作させるようにプログラムする。条件を満たしている場合に、メモリに格納した命令は、プロセッサに、第２のＶＩＧＶの第２の位置を第２の位置とは異なる第３の位置に変更し、第１のＶＩＧＶの第１の位置を維持させるようにプログラムする。
【0009】
本開示の別の態様は、第１のコンプレッサ段及び第２のコンプレッサ段を有するダイナミック・コンプレッサのためのコントローラに関する。コントローラは、プロセッサ及びメモリを含む。メモリは、プロセッサに、ダイナミック・コンプレッサを現在の速度、第１のコンプレッサ段の第１のＶＩＧＶの第１の位置、及び第２のコンプレッサ段の第２のＶＩＧＶの第２の位置で動作させて作動流体を圧縮させ、条件を満たしているかどうかを判定させるようにプログラムする命令を格納する。条件を満たしていない場合に、メモリに格納した命令は、プロセッサに、コンプレッサを現在の速度、第１のＶＩＧＶの第１の位置、及び第２のＶＩＧＶの第２の位置で引き続き動作させようにプログラムする。条件を満たしている場合に、メモリに格納した命令は、プロセッサに、第２のＶＩＧＶの第２の位置を第２の位置とは異なる第３の位置に変更し、第１のＶＩＧＶの第１の位置を維持させるようにプログラムする。
【0010】
本開示の別の態様は、作動流体を圧縮している第１のコンプレッサ段及び第２のコンプレッサ段を有するダイナミック・コンプレッサの動作範囲を拡張する方法に関する。この方法は、ダイナミック・コンプレッサを現在の速度、第１のコンプレッサ段の第１のＶＩＧＶの第１の位置、及び第２のコンプレッサ段の第２のＶＩＧＶの第２の位置で動作させて作動流体を圧縮するステップと、条件を満たしているかどうかを判定するステップとを含む。この方法は、条件を満たしていない場合に、コンプレッサを現在の速度、第１のＶＩＧＶの第１の位置、及び第２のＶＩＧＶの第２の位置で引き続き動作させるステップと、条件を満たしている場合に、第２のＶＩＧＶの第２の位置を第２の位置とは異なる第３の位置に変更し、第１のＶＩＧＶの第１の位置を維持するステップとをさらに含む。
【0011】
本開示の上述した態様に関連して記載した特徴には、様々な改良点がある。本開示の上述した態様には、更なる特徴も組み込まれ得る。これらの改良点及び追加の特徴は、個別に、又は任意の組合せで存在し得る。例えば、本開示の図示した実施形態のいずれかに関連して以下で説明する様々な特徴は、本開示の上記の態様のいずれかに、単独で、又は任意の組合せで組み込まれ得る。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】組み立てたダイナミック・コンプレッサの斜視図である。
【図11】第２のコンプレッサ段の上流で流れを注入し、第２のＶＩＧＶを第２の位置から第２の位置とは異なる位置に移動した場合の、図１及び図２に示されるダイナミック・コンプレッサの第２のコンプレッサ段の動作マップである。
【発明を実施するための形態】
【0013】
対応する参照符号は、図面全体を通じて対応する部分を示す。
【0014】
簡潔にするために、遠心コンプレッサに関して例を説明する。しかしながら、本明細書で説明する方法及びシステムは、任意の適切なダイナミック・コンプレッサに適用することができる。ＨＶＡＣシステムの性能及び効率は、メインフローの一部を補助ループ及び循環コンポーネントに迂回させることによって向上させることができる。このようなシステムでは、各ステージが異なる質量流量を有するように、コンプレッサ段同士の間で流れを注入又は除去することができる。しかしながら、望ましくない条件での動作を回避するために、このようなフロー変更の有無にかかわらず、ステージ（段）同士の間の空気力学的マッチングを維持する必要がある。制御戦略を使用して、ステージがフローマッチングされなくなったかどうかを判定して、各ステージの入口にある可変入口ガイドベーン（ＶＩＧＶ）を調整し、適切なステージマッチングを復元することができる。
【0015】
図１を参照すると、２段冷媒コンプレッサが一般に１００で示される。コンプレッサ１００は、作動流体（例えば、冷媒）を圧縮するように動作可能であり、少なくとも１つの密閉したキャビティを形成するコンプレッサハウジング１０２を含み、キャビティ内で各ステージの冷媒圧縮が実行される。コンプレッサ１００は、第１のコンプレッサ段（図１ではラベルなし）に冷媒蒸気を導入する第１の冷媒入口１１０、第１の冷媒出口１１４、第１のコンプレッサ段から第２のコンプレッサ段に圧縮冷媒を移送する冷媒移送導管１１２、第２のコンプレッサ段（図１ではラベルなし）に冷媒蒸気を導入する第２の冷媒入口１１８、及び第２の冷媒出口１２０を含む。冷媒移送導管１１２は、反対側の端部で、第１の冷媒出口１１４及び第２の冷媒入口１１８それぞれに動作可能に接続される。冷媒移送導管１１２は、第１のコンプレッサ段と第２のコンプレッサ段との間の流れを追加又は除去するためのポート１２２をさらに含む。第２の冷媒出口１２０は、圧縮冷媒を第２のコンプレッサ段から、コンプレッサ１００が組み込まれる冷却システムに送出する（図３～図６）。
【0016】
図２を参照すると、コンプレッサハウジング１０２は、コンプレッサ１００の反対側の端部で第１のコンプレッサ段１２４及び第２のコンプレッサ段１２６を囲んでいる。第１のコンプレッサ段１２４は、第１の冷媒入口１１０を介して流入する冷媒に運動エネルギーを加えるように構成された第１の圧縮機構１０６を含む。いくつかの実施形態では、第１の圧縮機構１０６はインペラである。第１の圧縮機構１０６によって冷媒に与えられた運動エネルギーは、冷媒の速度がボリュート（ｖｏｌｕｔｅ：渦巻）１３２内に形成された密閉したキャビティ（例えば、ディフユーザ）に移送される際に遅くなるため、冷媒圧力の増大に変換される。第１のコンプレッサ段１２４は、第１の圧縮機構１０６の上流の第１の冷媒入口１１０に配置された第１の可変入口ガイドベーン（ＶＩＧＶ）１３４をさらに含む。第１のＶＩＧＶ１３４は、位置を制御できる複数のベーンを含み、ベーンの位置によって、第１の冷媒入口１１０に入るガス状冷媒に予旋回（ｐｒｅ－ｗｈｉｒｌ）を導入する。
【0017】
同様に、第２のコンプレッサ段１２６は第２の圧縮機構１１６を含み、第２の圧縮機構１１６は、第２の冷媒入口１１８を介して流入する、第１のコンプレッサ段１２４から移送される冷媒に運動エネルギーを加えるように構成される。いくつかの実施形態では、第２の圧縮機構１１６はインペラである。第２の圧縮機構１１６によって冷媒に与えられた運動エネルギーは、冷媒の速度がボリュート１３２内に形成された密閉したキャビティ（例えば、ディフユーザ）に移送される際に遅くなるため、冷媒圧力の増大に変換される。圧縮した冷媒は、第２の冷媒出口１２０（図２には示さず）を介して第２のコンプレッサ段１２６から排出される。第２のコンプレッサ段１２６は、第２の冷媒入口１１８の第２の圧縮機構１１６の上流に配置された第２の可変入口ガイドベーン（ＶＩＧＶ）１３６をさらに含む。第２のＶＩＧＶ１３６は複数のベーンを含み、ベーンの位置を制御して、第２の冷媒入口１１８に入るガス状冷媒に予旋回を導入することができる。
【0018】
第１の圧縮機構１０６及び第２の圧縮機構１１６は、シャフト１０４の反対側の端部に接続される。シャフト１０４は、第１の圧縮機構１０６と第２の圧縮機構１１６との間に位置付けされたモータ１０８に動作可能に接続され、第１の圧縮機構１０６及び第２の圧縮機構１１６は、第２の冷媒出口１２０（図２には示さず）から出る冷媒を予め選択した圧力まで圧縮するように選択した回転速度で回転する。コンプレッサ１００には、電気モータを含むがこれに限定されない任意の適切なモータを組み込むことができる。
【0019】
図３は、図１及び図２のコンプレッサ１００を設置できる第１の例示的なＨＶＡＣシステム３００の概略図である。システム３００は、コンプレッサ１００、凝縮器３２０、第１の膨張装置３３０、及び蒸発器３４０を含む単一の閉じた冷媒ループ３１０を有する。冷媒は、低圧、低温のガスとして第１の冷媒入口１１０からコンプレッサ１００に入る。第１のコンプレッサ段１２４及び第２のコンプレッサ段１２６は、冷媒に運動エネルギーを加えて圧力上昇に変換し、冷媒は、高圧、高温のガスとして第２の冷媒出口１２０からコンプレッサ１００から出る。冷媒は、第２のコンプレッサ段１２６に流体結合した凝縮器３２０に入り、熱Ｑｏｕｔが除去されて冷媒ガスが高圧、高温の液体に変換される。
【0020】
凝縮器３２０は、冷媒の圧力を下げる第１の膨張装置３３０に流体結合される。いくつかの実施形態では、圧力は、液体冷媒の現在の温度がその圧力での沸点温度になるまで下げられ、液体冷媒の一部が沸騰してガスに変わると、冷媒は２相混合物になる。第１の膨張装置３３０は、固定オリフィス、熱膨張弁、電子膨張弁、又はＨＶＡＣシステム３００が本明細書で説明するように機能できるようにする任意のタイプの膨張装置であり得る。第１の膨張装置３３０は蒸発器３４０に流体結合され、蒸発器３４０は、低圧、低温の液体冷媒、又は液体及びガス状冷媒の２相混合物を入口で受け取る。蒸発器３４０では、冷媒は熱Ｑｉｎを吸収して液体からガスに相変化する。蒸発器３４０は第１のコンプレッサ段１２４に流体結合され、サイクルが再び開始する。
【0021】
図４は、図１及び図２のコンプレッサ１００を設置できる第２の例示的なＨＶＡＣシステム４００の概略図である。システム４００は一次冷媒ループ４１０を有しており、一次冷媒ループ４１０は、コンプレッサ１００、凝縮器３２０、熱交換器４９０の第１の流れ４９２、第１の膨張装置３３０、及び蒸発器３４０を含む。システム４００は二次冷媒ループ４６０も有しており、二次冷媒ループ４６０は、一次冷媒ループ４１０の一部に流体接続され、本明細書でさらに詳細に説明するエコノマイゼーション（ｅｃｏｎｏｍｉｚａｔｉｏｎ）弁４７０によって制御される。
【0022】
二次冷媒ループ４６０には、エコノマイゼーション弁４７０、第２の膨張装置４８０、熱交換器４９０の第２の流れ４９４、第２のコンプレッサ段１２６、及び凝縮器３２０が含まれる。図４に示される実施形態では、二次冷媒ループ４６０のコンポーネントは、列挙した順序で流体結合されており、凝縮器３２０は、二次冷媒ループ４６０を閉じるために、さらに第２の膨張装置４８０に結合される。
【0023】
エコノマイゼーション弁４７０は、完全に開くか、部分的に開くか、又は完全に閉じることができ、その状態によって、冷媒が二次冷媒ループ４６０を流れるかどうかが決まる。つまり、エコノマイゼーション弁４７０が完全に閉じている場合に、全ての冷媒が一次冷媒ループ４１０を通って流れ、システム４００は、図３に示されるシステム３００と実質的に同じように動作する。エコノマイゼーション弁４７０が開いている場合に、凝縮器３２０から排出される液体冷媒は２つの流れに分かれ、冷媒の大部分が一次冷媒ループ４１０を通って流れ、残りは二次冷媒ループ４６０に迂回される。エコノマイゼーション弁４７０は、電磁弁、電子膨張弁、又はシステム４００が本明細書で説明したように機能できる任意のタイプの弁とすることができる。
【0024】
エコノマイゼーション弁４７０は、開いている場合に、第２の膨張装置４８０に流体結合され、液体冷媒の現在の温度がその圧力での沸点温度になるまで液体エコノマイザ流の圧力を下げる。二次冷媒ループ内の冷媒は、熱交換器４９０に入ると液体冷媒の一部が沸騰してガスに変わるため、２相混合物になる。第２の膨張装置は、エコノマイゼーション弁４７０が開いているときに、二次冷媒ループ４６０を通して特定の量の冷媒（例えば、総質量流量の０～２０パーセント、又はシステム４００が本明細書で説明するように機能できる任意の量の冷媒流量）を迂回させるようにサイズ設定及び選択できる。
【0025】
いくつかの実施形態では、第２の膨張装置４８０は、熱交換器４９０の熱負荷に基づいて、二次冷媒ループ４６０を通る冷媒流量を調整する熱膨張弁（ＴＸＶ）である。ＴＸＶは、熱交換器４９０の第２の流れ４９４の下流に位置するバルブ（ｂｕｌｂ）４９６と組み合わせて動作する。ＴＸＶ内の膜は、バルブ内の冷媒圧力と熱交換器４９０の上流の冷媒圧力とのバランスをとるために可動式である。膜の動きは、弁の位置を設定するニードルに結合され、それにより二次冷媒ループ４６０を通って流れる冷媒の量を制御する。更なる実施形態では、第２の膨張装置４８０は、固定オリフィス、電子膨張弁、又はシステム４００が本明細書で説明するように機能できる任意のタイプの膨張装置とすることができる。
【0026】
冷媒は、第２の膨張装置４８０から出て、低圧液体又は２相混合物として熱交換器４９０の第２の流れ４９４に入る。第２の流れ４９４は、一次冷媒ループ４１０の凝縮器３２０から高圧液体冷媒を運ぶ第１の流れ４９２と熱的に連通する。２つの流れ４９２、４９４の間の熱接触により、第１の流れ４９２の冷媒が冷却され、第２の流れ４９４の冷媒が温められ、沸騰する。第１の流れ４９２の冷却した冷媒は、低温高圧液体として熱交換器４９０から出て、第２の流れ４９４の沸騰した冷媒は、低温中圧ガスとして熱交換器４９０から出る。熱交換器４９０は、向流熱交換器、交差流熱交換器、並列流熱交換器、シェルアンドチューブ式熱交換器、混合チャンバ、又はシステム４００が本明細書で説明するように機能することができる任意のタイプの熱交換器とすることができる。更なる実施形態では、熱交換器４９０の代わりに、又は熱交換器４９０に加えて、フラッシュタンクを使用してもよい。
【0027】
熱交換器４９０の第２の流れ４９４から排出される低温中圧ガスは、次に、コンプレッサ１００の冷媒移送導管１１２に注入され、第２のコンプレッサ段１２６に到達する前に、一次冷媒ループ４１０の冷媒流と混合される。一次冷媒ループ４１０及び二次冷媒ループ４６０は、第２のコンプレッサ段１２６で合流し、冷媒が凝縮器３２０から排出された後に再び分岐する。
【0028】
図５は、図１及び図２のコンプレッサ１００を設置できる第３の例示的なＨＶＡＣシステム５００である。システム５００には、低温一次冷媒ループ５１０、中温二次冷媒ループ５６０、及びそれらに流体結合した三次冷媒ループ５８０が含まれる。凝縮器３２０の下流では、冷媒の流れは第１の膨張装置５３０で絞られ、液体冷媒の一部が沸騰するまで圧力が下がり、２相混合物が形成される。フラッシュタンク５９０は、２相冷媒混合物を液体と気体の部分に分離し、それぞれ一次ループ５１０及び三次ループ５８０に分岐する。特定の実施形態では、フラッシュタンク５９０の代わりに、又はフラッシュタンク５９０に加えて、熱交換器を使用してもよい。一次ループ５１０内の液体冷媒は、第２の膨張装置５３２で絞られ、再び分岐し、冷媒の一部は一次ループ５１０に沿って引く続き進み、残りは二次ループ５６０に分かれる。二次ループ５６０では、冷媒は中温蒸発器５４０を通過し、ここで冷媒が沸騰してガスに変換され、中温空間に冷却を提供する。一次ループ５１０では、液体冷媒５１０は、低温蒸発器３４０に入る前に第３の膨張装置３３０で絞られ、ここで冷媒は沸騰してガスに変換され、低温空間に冷却を提供する。次に、冷媒は第１のコンプレッサ段１２４に入り、ここで中温蒸発器５４０の圧力まで圧縮される。三次ループ５８０のガス状冷媒は、第４の膨張装置５３４で中温蒸発器５４０の圧力まで絞り込まれる。二次ループ５６０及び三次ループ５８０のガス状冷媒は結合され、第１のコンプレッサ段１２４と第２のコンプレッサ段１２６との間の冷媒転送導管１１２に注入される。
【0029】
図６は、図１及び図２のコンプレッサ１００を設置できる第４の例示的なＨＶＡＣシステム６００を示す。システム６００は一次冷媒ループ６１０を含み、一次冷媒ループ６１０には、コンプレッサ１００、凝縮器３２０、第１の膨張装置３３０、及び蒸発器３４０が含まれる。システムには、一次冷媒ループ６１０の一部に流体接続され、弁６７０によって制御される二次冷媒ループ６６０も含まれる。弁６７０が完全に閉じている場合に、全ての冷媒は一次ループ６１０を通って流れ、システム６００は、図３に示されるシステム３００と略同じように動作する。弁６７０が開いている場合に、冷媒の流れの一部は、第１のコンプレッサ段１２４と第２のコンプレッサ段１２６との間の冷媒転送導管１１２から二次ループ６６０を通って迂回される。迂回した流れは、第２の膨張装置６３０によって絞られた補助凝縮器６２０を通過し、一次ループ６１０に再び合流してから、蒸発器３４０に入る。
【0030】
図７は、ダイナミック・コンプレッサ１００を含むシステム７００の例示的な実施形態を示す。コンプレッサ１００は、コンプレッサハウジング１０２、圧縮機構７０７、モータ１０８、速度センサ７１７、圧力センサ７０９、及びコントローラ７１０を含む。この実施形態では、ダイナミック・コンプレッサ１００は２段遠心コンプレッサであり、圧縮機構７０７は各段のインペラである。他の実施形態では、ダイナミック・コンプレッサ１００は軸流コンプレッサであり、圧縮機構７０７は軸流ロータである。速度センサ７１７はコンプレッサ１００の回転速度を測定し、圧力センサ７０９は、冷媒入口及び冷媒出口を含むコンプレッサ流路に沿った様々なポイントでの圧力を測定する。温度センサ、流量センサ、電流センサ７０８、電圧センサ、回転速度センサ、及び任意の他の適切なセンサが含まれるが、これらに限定されない追加のセンサをコンプレッサ１００に設置して、動作に関するデータを提供することができる。コンプレッサ１００は、システム７００内の特定の構成に限定されず、図１及び図２で説明したコンプレッサ１００と同様に構成してもよく、又は異なる方法で構成してもよい。システム７００は、さらに、アンロード装置７０１、可変周波数ドライブ（ＶＦＤ）７１６、及びユーザインターフェイス７１５を含む。
【0031】
コントローラ７１０は、コンプレッサ１００に動作可能に接続され、上述した測定パラメータに部分的に基づいて、コンプレッサ１００の動作を制御する。コントローラ７１０は、プロセッサ７１１、メモリ７１２、及びアンロードインターフェイス７１４を含む。メモリ７１２には、コンプレッサ１００の複数の所定の動作点５０のマップ１０００（図１４を参照）が格納され、このマップは、テーブル、又はマトリックス等の任意の適切なデータ構造で格納できる。マップ１０００には、第１のコンプレッサ段１２４のみの複数の所定の動作点、第２のコンプレッサ段１２６のみの複数の所定の動作点、又はコンプレッサ１００全体の複数の所定の動作点が含まれる。メモリ７１２には、プロセッサ７１１によって実行される命令も格納され、命令によってコンプレッサ１００を動作させて作動流体を圧縮し、第１のコンプレッサ段１２４及び第２のコンプレッサ段１２６の流れが一致しなくなったかどうかを判定し、必要に応じて各コンプレッサ段１２４、１２６の入口１１０、１１８にあるアンロード装置７０１を調整して適切なステージ（段）マッチングを復元する。所定の動作点５０のマップ１０００と、コンプレッサ段１２４、１２６が一致しているかどうかを判定する方法１３００については、以下でさらに詳しく説明する。
【0032】
システム７００には、コントローラ７１０をＶＦＤ７１６に接続するためのインターフェイスと、ＶＦＤ７１６をモータ１０８に接続するためのモータインターフェイス７１３とが含まれる。特定の実施形態では、ＶＦＤ７１６はコントローラ７１０の制御下で動作する。更なる実施形態では、ＶＦＤ７１６はコントローラ７１０の一部である。システム７００には、コントローラ７１０をアンロード装置７０１に接続するためのアンロードインターフェイス７１４も含まれる。
【0033】
コントローラ７１０は、アンロードインターフェイス７１４を介してアンロード装置７０１に動作可能に結合されており、アンロードインターフェイス７１４は、起動及び停止ルーチン中、検出したサージイベント中、及びコントローラ７１０によって指示された場合に、コンプレッサ１００の負荷を除去及び／又は軽減する。例示的な実施形態では、アンロード装置７０１は、各インペラ段の入口にある可変入口ガイドベーン（ＶＩＧＶ）である（図２）。他の実施形態では、アンロード装置７０１は可変ディフユーザであってもよい。コントローラ７１０は、各ＶＩＧＶの位置等、アンロード装置７０１の少なくとも１つの動作パラメータを制御するように構成される。
【0034】
他の実施形態では、アンロード装置７０１はバイパス弁である。冷媒バイパス弁等のバイパス弁は、ガスの代替経路を提供し、それによりモータ１０８が起動時にどれだけゆっくりと加速しているか、又は停止時にどれだけゆっくりと減速しているかに関係なく、コンプレッサ１００の圧力上昇を制限し、潜在的なサージイベントを防止する。他の実施形態では、アンロード装置７０１は膨張弁である。さらに他の実施形態では、アンロード装置７０１は、サーボ弁等の可変オリフィス又は直径弁、及びデューティサイクルに従って開閉を制御するように構成された電磁弁又はパルス幅変調（ＰＷＭ）弁等の固定オリフィス又は直径弁であってもよい。ここでは多くの種類のアンロード装置について説明しているが、アンロード装置７０１は、コンプレッサ１００の負荷を軽減する任意の適切な装置、又は装置の組合せであってもよい。アンロード装置７０１は、さらに、コンプレッサ１００の負荷を増やすための負荷装置として使用してもよい。
【0035】
システム７００には、システム７００に関連する（例えば、ユーザからの）情報を出力（例えば、表示）及び／又は受け取るように構成されたユーザインターフェイス７１５がさらに含まれる。いくつかの実施形態では、ユーザインターフェイス７１５は、ユーザからのアクティブ化及び／又は非アクティブ化の入力を受け取って、システム７００をアクティブ化及び非アクティブ化（つまり、オン及びオフ）するか、又はシステム７００の動作を有効にするように構成される。さらに、いくつかの実施形態では、ユーザインターフェイス７１５は、システム７００の１つ又は複数の動作特性に関連する情報を出力するように構成され、この出力される情報には、例えば、重大度アラート、発生アラート、障害アラート、モータ速度アラート等の警告インジケータ、及び他の適切な情報等が含まれるが、これらに限定されない。
【0036】
ユーザインターフェイス７１５には、ユーザインターフェイス７１５が本明細書で説明するように機能できるようにする任意の適切な入力装置及び出力装置が含まれ得る。例えば、ユーザインターフェイス７１５は、キーボード、マウス、タッチスクリーン、ジョイスティック、スロットル、ボタン、スイッチ、及び／又は他の入力装置を含むが、これらに限定されない入力装置を含むことができる。さらに、ユーザインターフェイス７１５には、ディスプレイ（例えば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）又は有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）ディスプレイ）、スピーカ、表示灯、計器、及び／又は他の出力装置が含まれ得るが、これらに限定されない。さらに、ユーザインターフェイス７１５は、システムコントローラ（図示せず）等の別のコンポーネントの一部であってもよい。他の実施形態には、ユーザインターフェイス７１５が含まれない。
【0037】
コントローラ７１０は、一般に、コンプレッサ１００の動作を制御するように構成される。コントローラ７１０は、別の装置又はコントローラからのプログラミング及び命令を通じて動作を制御するか、又はシステムコントローラを通じてシステム７００と統合される。いくつかの実施形態では、例えば、コントローラ７１０は、ユーザインターフェイス７１５からユーザ入力を受け取り、そのようなユーザ入力に応答してシステム７００の１つ又は複数のコンポーネントを制御する。例えば、コントローラ７１０は、ユーザインターフェイス７１５から受け取ったユーザ入力に基づいてモータ１０８を制御することができる。いくつかの実施形態では、システム７００は、リモート制御インターフェイスによって制御してもよい。例えば、システム７００は、システム７００のリモート制御及び起動を可能にするワイヤレス制御インターフェイスへの接続用に構成された通信インターフェイス（図示せず）を含むことができる。ワイヤレス制御インターフェイスは、タブレット又はスマートフォン等のポータブルコンピューティング装置上に具体化してもよい。
【0038】
コントローラ７１０は、一般に、通信可能に互いに結合され、独立して、又は互いに接続して動作することができるコンピュータ、処理装置等の任意の適切な組合せを含む、任意の適切なコンピュータ及び／又は他の処理装置を含むことができる（例えば、コントローラ７１０は、コントローラネットワークの全部又は一部を形成することができる）。コントローラ７１０は、１つ又は複数のモジュール又は装置を含み得、そのうちの１つ又は複数はシステム７００内に収容されるか、又はシステム７００から離れた場所に配置され得る。コントローラ７１０は、コンプレッサ１００の一部であっても、別個であってもよく、ＨＶＡＣシステム内のシステムコントローラの一部であってもよい。コントローラ７１０及び／又はコントローラ７１０のコンポーネントは、システム７００の他のコンポーネント内に統合又は組み込んでもよい。コントローラ７１０は、様々なコンピュータ実装機能（例えば、本明細書で開示する計算、決定、及び機能の実行）を実行するように構成された１つ又は複数のプロセッサ７１１及び関連するメモリ装置７１２を含む。
【0039】
本明細書で使用する場合に、「プロセッサ」という用語は、集積回路だけでなく、コントローラ、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、プログラマブル論理コントローラ（ＰＬＣ）、特定用途向け集積回路、及び他のプログラマブル回路も指す。さらに、コントローラ７１０のメモリ装置７１２は、一般的に、コンピュータ可読媒体（例えば、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ））、コンピュータ可読不揮発性媒体（例えば、フラッシュメモリ）、フロッピーディスク、コンパクトディスク読み取り専用メモリ（ＣＤ－ＲＯＭ）、磁気光ディスク（ＭＯＤ）、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、及び／又は他の適切なメモリ要素を含むが、これらに限定されないメモリ要素であるか、又はメモリ要素を含むことができる。このようなメモリ装置７１２は、一般的に、適切なコンピュータ可読命令を格納するように構成することができ、命令がプロセッサ７１１によって実施されると、コントローラ７１０が、システム７００の制御、モータ１０８の動作の制御、ユーザインターフェイス７１５からの入力の受け取り、ユーザインターフェイス７１５を介してオペレータに出力を提供すること、アンロード装置７０１の制御、及び／又は他の様々な適切なコンピュータ実装機能を含むが、これらに限定されない、本明細書で説明する様々な機能を実行するように構成又は実行させる。
【0040】
図８を参照すると、例示的な遠心ダイナミック・コンプレッサ１００の動作エンベロープ又は動作マップ８００が示される。この動作マップ８００は、メモリ７１２が記憶した複数の所定の動作点５０のマップ１０００の１つのグラフィカル表現である。動作マップ８００は、流量、ヘッド（ｈｅａｄ）、及び速度の観点からコンプレッサの性能をグラフィカルに表示する。動作マップ８００は、コンプレッサ１００の設計点におけるヘッド対入口質量流量を、それらの値のパーセンテージとして示す。ヘッドは、出口圧力と入口圧力の合計圧力比である。入口質量流量は、圧縮機構７０７を通って流れる冷媒等の作動流体の量の尺度である。動作マップ８００には、複数のコンプレッサ速度ライン８０７が示される。この例では、設計速度の７０％～設計速度の１１０％までの範囲の５つの速度ライン８０７があり、各線は１０％の差で区切られる。この例では、これらの特定の速度ラインが示されるが、コンプレッサの設計速度の任意の異なるパーセンテージでの任意の数の速度ラインを、任意のタイプのコンプレッサに対して示すことができる。
【0041】
サージ限界ライン８０４は、サージ領域８０６（つまり、サージ限界ライン８０４の左側）でサージが発生する前の最小流量を示す。サージ制御ライン８０３は、コンプレッサ１００がサージに陥るリスクなしに安全に動作できる最小流量を大まかに示す。サージ制御ライン８０３は、サージ限界ライン８０４からのサージマージン８０５によって規定される。サージ制御ライン８０３の右側で動作することにより、コンプレッサ１００はサージを回避する。同様に、チョークライン８０１は、その右側で動作することでコンプレッサ１００がチョークフローで動作することを示す。
【0042】
コンプレッサ１００の第１の動作点８０９は、速度ライン、入口質量流量値、及び総圧力比値の交点として動作マップ８００上に表示される。例えば、動作マップ８００に示される第１の動作点８０９は、入口質量流量１１２％、ヘッド９０％、速度１００％であるが、任意のタイプのコンプレッサに対して任意の数の動作点を表示できる。動作点は、コンプレッサ１００の現在の動作パラメータを規定し、動作マップ８００は、現在の動作点が、不安定な状態（すなわち、サージ）又は非効率的な状態（すなわち、チョーク）での動作にどれだけ近いかを示す。
【0043】
図８に示される第１の動作点８０９は、第１のコンプレッサ段１２４及び第２のコンプレッサ段１２６が同じ質量流量を受け取るときのコンプレッサ１００の動作を表すことができる。例えば、第１の動作点８０９は、図３に示される第１の例示的なＨＶＡＣシステム３００に設置されたコンプレッサ１００の動作を表すことができる。あるいはまた、第１の動作点８０９は、ＨＶＡＣシステム４００のエコノマイゼーション弁４７０を閉じているとき、すなわち、冷媒が一次ループ４１０のみを循環し、コンプレッサ段１２４とコンプレッサ段１２６との間にエコノマイザの流れが追加さないときの、図４に示される第２の例示的なＨＶＡＣシステム４００に設置されたコンプレッサ１００の動作を表すことができる。第１の動作点８０９は、弁６７０が閉じているとき、すなわち、冷媒が一次ループ６１０のみを循環し、コンプレッサ段１２４とコンプレッサ段１２６との間から流れが除去されないときの、図６に示される第４の例示的なＨＶＡＣシステム６００に設置したコンプレッサ１００の動作を表すこともできる。
【0044】
図９は、ダイナミック・コンプレッサ１００の第２のコンプレッサ段１２６の動作マップ９００を示す。第２の動作点９０９は、上記の構成のように、第１のコンプレッサ段１２４及び第２のコンプレッサ段１２６が同じ質量流量を受け取るときの、第２のコンプレッサ段１２６の動作を表すことができる。第３の動作点９１３は、コンプレッサ段１２４とコンプレッサ段１２６との間に流れが追加されるときの、第２のコンプレッサ段１２６の動作条件を表すことができる。例えば、第３の動作点９１３は、エコノマイゼーション弁４７０を開いているときの、システム４００に設置されたコンプレッサ１００の動作を表すことができる。また、第３の動作点９１３は、図５に示されるシステム５００に設置したコンプレッサ１００の動作を表すこともできる。
【0045】
第２のコンプレッサ段１２６は、同じコンプレッサ速度でより高い質量流量に対して同じ圧力上昇を達成することができない。その結果、第２のコンプレッサ段１２６の現在の動作点は、１００％速度ラインに沿って第２の動作点９０９から第３の動作点９１３まで右にシフトする。従って、第３の動作点９１３は、第２の動作点９０９と同じ速度で第２のコンプレッサ段１２６が動作することを示すが、入口質量流量はより大きく、ヘッドはより低い。第２のコンプレッサ段１２６の第３の動作点９１３が第２の段チョークライン９０１を超えてシフトすると、第２のコンプレッサ段１２６はチョークフローで動作する。これにより、コンプレッサ１００全体がチョークフローで動作し、その性能及び効率が低下する。
【0046】
図１０を参照すると、第４の動作点９１９は、上述した構成のように、第１のコンプレッサ段１２４及び第２のコンプレッサ段１２６が同じ質量流量を受け取る場合の、第２のコンプレッサ段１２６の動作の別の例示的な表現である。第５の動作点９２３は、コンプレッサ段１２４とコンプレッサ段１２６との間の流れを除去したときの、第２のコンプレッサ段１２６の動作条件を表す。例えば、第５の動作点９２３は、弁６７０が開いており、コンプレッサ段１２４とコンプレッサ段１２６との間の流れを除去したときの、図６に示される第４の例示的なＨＶＡＣシステム６００に設置したコンプレッサ１００の動作を表すことができる。第２のコンプレッサ段１２６を通る質量流量を減らすと、その動作点は１００％速度ラインに沿って、第４の動作点９１９から第５の動作点９２３に左にシフトする。従って、第５の動作点９２３は、第４の動作点９１９と同じ速度で、ただし入口流量が低減された状態での第２のコンプレッサ段１２６が動作していることを示す。第２のコンプレッサ段１２６の第５の動作点９２３が第２のステージ（コンプレッサ段）のサージ制御ライン９０３又はサージ限界ライン９０４を超えてシフトすると、第２のコンプレッサ段１２６はサージに陥る危険がある。第２のコンプレッサ段１２６でサージが発生すると、機械全体が混乱し、構造的な損傷につながる可能性がある。
【0047】
図９及び図１０に示される性能及び動作範囲の低下は、第２のＶＩＧＶ１３６の位置を調整することによって緩和することができ、それにより第２のコンプレッサ段１２６の動作マップがシフトされ、第２のコンプレッサ段１２６がコンプレッサ１００の前で全体としてチョークしたりサージしたりすることがなくなる。図９及び図１０は、第１のＶＩＧＶ１３４及び第２のＶＩＧＶ１３６が同じ位置にある場合の第２のコンプレッサ段１２６の動作マップ９００を示す。換言すれば、第１のＶＩＧＶ１３４の第１の位置と第２のＶＩＧＶ１３６の第２の位置とは同じ位置である。
【0048】
図１１は、第２のＶＩＧＶ１３６が第２の位置とは異なる第３の位置に移動したときの第２のコンプレッサ段１２６の動作マップ１１００を示す。動作マップ１１００は、第２の動作点９０９及び第３の動作点９１３を含む、図９に示される動作マップ９００に重ね合わされる。第２のＶＩＧＶ１３６を第３の位置に調整すると、第２のコンプレッサ段１２６に入る冷媒ガスに追加される予旋回が変化し、その動作エンベロープが右にシフトしてチョーク範囲が広がる。第２のコンプレッサ段１２６の速度が同じままなので、現在の動作点は、第３の動作点９１３から第６の動作点１１１３まで、第２のコンプレッサ段１２６の新しい１００％速度ラインまで上方にシフトされる。第６の動作点１１１３が新しいチョークライン１１０１の左側にあるため、第２のコンプレッサ段１２６はもはやチョークフローで動作しなくなる。これにより、ＨＶＡＣシステム４００、５００は、コンプレッサ１００の性能及び動作範囲を損なうことなく、エコノマイゼーションループ又はブースターシステムの利点を享受できる。
【0049】
図１２を参照すると、第２のＶＩＧＶ１３６の第３の位置は、第２のコンプレッサ段１２６の動作エンベロープが左にシフトしてコンプレッサ１００のサージ範囲が拡張されるように選択することもできる。図１２は、第２のＶＩＧＶ１３６が、コンプレッサ１００のサージ範囲を拡張する第３の位置に調整されたときの、第２のコンプレッサ段１２６の動作マップ１２００を示す。動作マップ１２００は、第４の動作点９１９及び第５の動作点９２３を含む、図９に示される動作マップ９００に重ねられる。現在の動作点は、第５の動作点９２３から第７の動作点１２２３に、第２のコンプレッサ段１２６の新しい１００％速度ラインに下方にシフトされる。第７の動作点１２２３が新しいサージ制御ライン１２０３の右側にあるため、第２のコンプレッサ段１２６は、コンプレッサ１００の残りの部分よりも先にサージが発生するリスクがなくなる。
【0050】
メモリ７１２には、プロセッサ７１１に、上記のようにコンプレッサ１００の動作範囲を拡張させるようにプログラムした命令が格納される。例示的な方法１３００を図１３に示す。プロセッサ７１１は、コンプレッサ１００を現在の速度、第１のＶＩＧＶ１３４の第１の位置、及び第２のＶＩＧＶ１３６の第２の位置で動作させて、作動流体を圧縮する（１３０２）。いくつかの実施形態では、第１のＶＩＧＶ１３４の第１の位置と第２のＶＩＧＶ１３６の第２の位置とは同じ位置である。ダイナミック・コンプレッサ１００を動作させている間に（１３０２）、プロセッサ７１１は条件を満たしているかどうかを判定する。条件を満たしていない場合に、メモリ７１２に格納した命令は、プロセッサ７１１に、現在の速度、第１のＶＩＧＶ１３４の第１の位置、及び第２のＶＩＧＶ１３６の第２の位置でコンプレッサ１００を引き続き動作させるようにプログラムする（１３１０）。条件が満たされる場合に、メモリ７１２に格納した命令は、プロセッサ７１１に、第２のＶＩＧＶ１３６の第２の位置を第２の位置とは異なる第３の位置に変更させ、第１のＶＩＧＶ１３４の第１の位置を維持させるようにプログラムする（１３１２）。
【0051】
図１３に示される例示的な方法では、条件を満たしているかどうかを判定するステップは、コンプレッサ１００と流体連通している弁が開いているかどうかを判定するステップを含む（１３０４）。特定の実施形態では、弁は、図４に示されるシステム４００のエコノマイゼーション弁４７０である。他の実施形態では、弁は、図６に示されるシステム６００の弁６７０であり得る。弁は、完全に又は部分的に開いており、一次冷媒ループの一部が弁で二次冷媒ループに流体接続される場合に、開いているとみなされる。弁が開いていない場合には、条件は満たされず、コンプレッサ１００は現在の条件で引き続き動作する（１３１０）。
【0052】
弁が開いている場合に、プロセッサ７１１は、第２のコンプレッサ段１２６の制限速度を決定するようにさらにプログラムされる（１３０６）。弁が図４に示されるシステム４００のエコノマイゼーション弁４７０である実施形態では、第２のコンプレッサ段１２６の制限速度は、第２のコンプレッサ段１２６のチョーク速度であってもよい。このような実施形態では、プロセッサ７１１が、第２のコンプレッサ段１２６のチョーク速度がダイナミック・コンプレッサ１００の現在の速度以上であると判定した場合に（１３０８）、条件は満たされず、コンプレッサは現在の条件で動作し続ける（１３１０）。プロセッサ７１１が、第２のコンプレッサ段１２６のチョーク速度がダイナミック・コンプレッサ１００の現在の速度よりも遅いと判定した場合に（１３０８）、条件は満たされ、第２のＶＩＧＶ１３６の第２の位置は、第２の位置とは異なる第３の位置に変化し（１３１２）、第１のＶＩＧＶ１３４の第１の位置が維持される。こうして、エコノマイゼーション弁４７０が開いており、第２のコンプレッサ段１２６のチョーク速度がダイナミック・コンプレッサ１００の現在の速度よりも遅い場合に、条件は満たされる。
【0053】
弁が図６に示されるシステム６００の弁６７０である実施形態では、第２のコンプレッサ段１２６の制限速度は、第２のコンプレッサ段１２６のサージ制御速度であってもよい。このような実施形態では、プロセッサ７１１が、第２のコンプレッサ段１２６のサージ制御速度がダイナミック・コンプレッサ１００の現在の速度以下である場合に、条件は満たされず、コンプレッサは現在の条件で動作し続ける（１３１０）。プロセッサ７１１が、第２のコンプレッサ段１２６のサージ制御速度がダイナミック・コンプレッサ１００の現在の速度よりも大きいと判定した場合に（１３０９）、条件は満たされ、第２のＶＩＧＶ１３６の第２の位置は、第２の位置とは異なる第３の位置に変更され（１３１２）、第１のＶＩＧＶ１３４の第１の位置が維持される。こうして、弁６７０が開いており、第２のコンプレッサ段１２６のサージ制御速度がダイナミック・コンプレッサ１００の現在の速度よりも大きい場合に、条件は満たされる。
【0054】
方法１３００は、メモリ７１２がコンプレッサ１００の所定の動作点５０のマップ１０００をさらに格納する実施形態において使用してもよい。図１４は、メモリ７１２が格納した所定の動作点５０のマップ１０００の代表的な図である。各所定の動作点５０は、コンプレッサ速度値とステージ圧力比値の交点として示される。入口質量流量は、各所定の動作点５０に対して規定される。マップ１０００には、機械サージライン１０２０及び機械チョークライン１０３０に沿った点までの範囲の所定の動作点５０が含まれる。メモリ７１２には、各所定のサージポイントのサージポイント質量流量と、全ての所定のチョークポイントのチョークポイント質量流量とが格納される。マップ１０００には、サージライン１０２０より上又はチョークライン１０３０より下のポイントは含まれない。これは、サージライン１０２０より上又はチョークライン１０３０より下のポイントは回避すべきであり、こうして「動作点」ではないためである。他の実施形態では、サージライン１０２０より上又はチョークライン１０３０より下のポイントの入口質量流量を含み得る。
【0055】
マップ１０００では、所定の動作点５０は、速度が１０％～３５％の範囲、圧力比が５％～５０％の範囲にあり、各ポイントは両軸に対して５％ずつ離れている。この例では、これらの特定の動作点５０が示されるが、任意のタイプのコンプレッサに対して、任意の数の動作点を任意の値及び任意の解像度で表示できる。各所定の動作点５０の速度、圧力比、入口質量流量、及びＶＩＧＶ位置の値は、コンピュータ上でダイナミック・コンプレッサ１００の動作をシミュレートすること、制御した環境でダイナミック・コンプレッサ１００をテストすること、シミュレーションとテストを組み合わせること、又は各所定の動作点５０の速度、圧力比、入口質量流量、及びＶＩＧＶ位置の値を予め決定するための他の適切な方法によって生成することができる。
【0056】
図１４に示されるマップ１０００には、第２のコンプレッサ段１２６のみの所定の動作点５０が含まれる場合がある。マップ１０００は、機械チョークライン１０３２及びサージ制御ライン１０２０に加えて、コンプレッサ段１２４とコンプレッサ段１２６との間に流れが追加されたときの第２のコンプレッサ段１２６のチョークライン１０５０と、コンプレッサ段１２４とコンプレッサ段１２６との間で流れを除去したときの第２のコンプレッサ段１２６のサージライン１０４０とも示す。このような実施形態では、第２のコンプレッサ段１２６の制限速度を決定するステップ（１３０６）は、所定の動作点５０のマップ１０００から第２のコンプレッサ段１２６の所定の動作点５０の値を取得するステップを含む。
【0057】
マップ１０００から取得した所定の動作点５０は、現在の動作点１００９での第２のコンプレッサ段１２６のチョーク速度又はサージ制御速度を示してもよく、又は、それら動作点５０は、現在の動作点におけるチョーク速度又はサージ制御速度をグラフィカルに決定するために使用してもよい。例えば、現在の動作点１００９における第２のコンプレッサ段１２６のチョーク速度は１０３４で示され、サージ制御速度は１０２４で示される。所定の動作点５０は、第２のコンプレッサ段１２６の現在の動作点１００９と同じ速度、圧力比、及び入口質量流量を有してもよい。更なる実施形態では、現在の動作点１００９に最も近い所定の動作点５０を取得してもよい。更なる実施形態では、現在の動作点１００９に対応する新しいポイントを所定の動作点５０から補間してもよい。複数の所定の動作点を使用する質量流量補間の方法は、米国特許出願第１７／２４３，７８７号に開示されており、この文献の全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【0058】
マップ１０００には、代替的に、コンプレッサ１００全体の所定の動作点が含まれてもよい。このような実施形態では、第２のコンプレッサ段１２６の制限速度は、直接取得するのではなく、計算することができる。図１５は、コンプレッサ段１２４とコンプレッサ段１２６との間で流れを追加又は除去するときに、第２のコンプレッサ段１２６の制限速度を決定する（１３０８、１３０９）ための例示的な制御アルゴリズム１５１０、１５２０のフローチャートを示す。コンプレッサチョーク速度は、所与の圧力上昇に対してコンプレッサ１００がチョークする速度であり、マップ１０００からグラフィカルに決定することができる。例えば、図１４を参照すると、現在の動作点１００９のコンプレッサチョーク速度１０３４は、コンプレッサ設計速度の約３３％である。システム４００のエコノマイゼーション弁４７０が開いている場合に、第２のコンプレッサ段１２６のチョーク速度を計算し、コンプレッサ１００の現在の速度と比較することができる。図１５に示される制御アルゴリズム１５１０では、第２のコンプレッサ段１２６のチョーク速度をコンプレッサチョーク速度から計算することができる。例えば、第２のコンプレッサ段のチョーク速度は、所定の動作点５０のマップ１０００から取得したコンプレッサチョーク速度と、コンプレッサ圧力比ＰＲ及び所定の定数ｋの積との間の差として計算できる：
Ｎｃｈｏｋｅ，２Ｓ＝Ｎｃｈｏｋｅ，ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ－ＰＲ＊ｋ
いくつかの実施形態では、所定の定数ｋは５００である。
Ｎｃｈｏｋｅ，２Ｓ＝Ｎｃｈｏｋｅ，ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ－ＰＲ＊ｋ
いくつかの実施形態では、所定の定数ｋは５００である。
【0059】
コンプレッササージ制御速度は、コンプレッサ１００が所与の圧力上昇でサージし得る速度を超えるが、マップ１０００からグラフィカルに決定できる。例えば、図１４を参照すると、現在の動作点１００９のコンプレッササージ制御速度１０２４は、コンプレッサ設計速度の約１７％である。システム６００の弁６７０が開いている場合に、第２のコンプレッサ段１２６のサージ制御速度を計算し、コンプレッサ１００の現在の速度と比較することができる。図１５に示される制御アルゴリズム１５２０では、第２のコンプレッサ段１２６のサージ制御速度をコンプレッササージ制御速度から計算することができる。例えば、第２のコンプレッサ段のサージ制御速度は、所定の動作点５０のマップ１０００から取得したコンプレッササージ制御速度と、コンプレッサ圧力比ＰＲ及び所定の定数ｋの積との合計として計算できる。
Ｎｓｕｒｇｅ ｃｏｎｔｒｏｌ，２Ｓ＝Ｎｓｕｒｇｅ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ＋ＰＲ＊ｋ
いくつかの実施形態では、所定の定数ｋは５００である。
Ｎｓｕｒｇｅ ｃｏｎｔｒｏｌ，２Ｓ＝Ｎｓｕｒｇｅ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ＋ＰＲ＊ｋ
いくつかの実施形態では、所定の定数ｋは５００である。
【0060】
本明細書で説明する方法及びシステムの技術的な利点は次のとおりである：（ａ）サイクルの修正により、コンプレッサの性能及び動作範囲を損なうことなく、システムの容量及び効率を高めることで、ＨＶＡＣシステムの効率を向上させることができる、（ｂ）各コンプレッサ段階でＶＩＧＶを個別に制御することで、コンプレッサの動作範囲をどちらの方向にも拡張できる。
【0061】
本明細書で使用する場合に、「約」、「実質的に」、「本質的に」及び「およそ」という用語は、寸法、濃度、温度、又は他の物理的又は化学的特性又は特徴の範囲と組み合わせて使用される場合に、特性又は特徴の範囲の上限及び／又は下限に存在し得る変動をカバーすることを意図しており、これには、例えば、四捨五入、測定方法、又は他の統計的変動から生じる変動が含まれる。
【0062】
本開示又はその実施形態の要素を紹介する場合に、「１つの（ａ， ａｎ）」、「その（ｔｈｅ）」、及び「前記（ｓａｉｄ）」という冠詞は、１つ又は複数の要素があることを意味する。「備える、有する、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む、有する（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「含む（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」、及び「有する、含む（ｈａｖｉｎｇ）」という用語は包括的であることを意図しており、列挙した要素以外の追加の要素が存在する可能性があることを意味する。特定の向きを示す用語（「上部」、「下部」、「側面」等）の使用は、説明の便宜のためであり、説明するアイテムの特定の向きを要求するものではない。
【0063】
上記の構成及び方法には、本開示の範囲から逸脱することなく様々な変更を加えることができるため、上記の説明に含まれる事項及び添付の図面に示される事項は全て、例示として解釈されるものであり、限定的な意味ではないものとする。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【国際調査報告】