JP2004211620A

JP2004211620A - 圧縮機の圧力制御方法

Info

Publication number: JP2004211620A
Application number: JP2003000700A
Authority: JP
Inventors: Maki Yoshida; 真樹吉田
Original assignee: Nidec Sankyo Corp
Current assignee: Nidec Sankyo Corp
Priority date: 2003-01-06
Filing date: 2003-01-06
Publication date: 2004-07-29

Abstract

【課題】流量が少なくても多いときと同様の高い効率を得られると共に、圧縮機の小型化および長寿命化を図る。
【解決手段】圧縮機と、モータと、吐出圧を検出する圧力検出手段と、モータの電流を検出する電流検出手段と、各検出手段からの検出結果を受けると共にこれら検出結果と圧力指令値とに基づきモータを制御し圧力を制御する圧力制御補償手段と、吐出された流体を貯蔵するバッファタンクとを備える圧縮機ユニットでの圧縮機の圧力制御方法において、圧力が圧力上限値に達した際モータをオフすると共に圧力下限値に達した際モータをオンするオンオフ制御工程８と、圧縮機の使用流量に基づきモータの回転数を変更する回転数変更制御工程９とを備え、圧力制御補償手段によりタンク容量と流量と電流とに基づき２つの制御工程８，９から選択して実行する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧縮機の圧力制御方法に関する。更に詳述すると、本発明は、バッファタンクの容量が小さい圧縮機に適した制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧縮機としては、気体を圧縮する圧縮機本体と、この圧縮機本体を駆動するモータと、このモータの回転数を制御するインバータと、圧縮機本体から吐出される吐出空気圧の圧力を検出する圧力検出手段と、この圧力検出値をモータにフィードバックする情報伝達手段とを備えたものがある。この圧縮機では、圧力検出値に基づいてモータの回転数を制御して圧縮機の吐出空気量を加減するように制御している（特開平９−２０９９４９号公報参照）。
【０００３】
また、その他の圧縮機として、圧縮機の吸入側にオンオフ制御弁と吐出放風弁とを有したものがある。この圧縮機では、全負荷運転により吐出側圧力を上昇させ吐出側圧力が所定の設定値（圧力上限値）を越えるとオンオフ制御弁を閉じ、かつ吐出放風弁を開放して無負荷運転に切り換える。また、この圧縮機では、無負荷運転への切り換え後に吐出側のバッファタンク内の圧力が低下し所定の設定値（圧力下限値）以下になると、オンオフ制御弁を開にすると共に吐出放風弁を閉じて全負荷運転に切り換える（特開平１１−３２４９６３号公報参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−２０９９４９（段落番号：００１３〜００１４）
【特許文献２】
特開平１１−３２４９６３（段落番号：００１７〜００１８、００２４）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した圧力検出手段の圧力検出値に基づいて制御する方法では、流量が少なくなったときに効率が悪くなってしまう。すなわち、圧力を一定に保つために回転数を変化させるということは、使用流量に合わせた回転数で駆動する必要がある。また、圧力を一定に保つのでそれに応じた負荷がモータに掛かることになる。よって、モータはある一定負荷を受けたまま回転数を変更することになる。ここで、負荷については回転数によって若干の変動はあるが、圧力による負荷の変動の割合の方が十分に大きいので、圧力一定であれば回転数によらず一定負荷であると考える。これによると、流量が少ない場合は回転数が小さくなる。図１２に示すように、ある回転数の範囲では回転数の大きい方が高効率になる。よって、回転数が小さいときは効率が悪くなってしまう。
【０００６】
また、吐出側圧力に応じてオンオフ制御弁と吐出放風弁との開閉を制御する方法では、使用流量に対してある程度の大きさのバッファタンクを使用していると共にオンオフ制御弁および吐出放風弁を備えているので、圧縮機の小型化は困難である。
【０００７】
ここで、バッファタンクの容量を小さくすると、図１３〜図１５に示すように十分大きな容量のバッファタンクを備える場合に比べて直ぐに圧力上限値に達して無負荷状態になってしまう。そして、負荷が直ぐに掛かり始めてしまうので、最高効率点での運転時間の割合が小さくなってしまい、効率が悪くなってしまう。
【０００８】
また、この制御方法では全負荷と無負荷との細かい繰り返しを行っているので、圧縮機の寿命が短くなってしまう。しかも、無負荷運転時には仕事をしないので、電力ロスを生じてしまう。
【０００９】
そこで、本発明は、流量が少なくても多いときと同様の高い効率を得られると共に、圧縮機の小型化および長寿命化を図ることのできる圧縮機の圧力制御方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するため、請求項１記載の発明は、圧縮機と、該圧縮機を駆動するモータと、圧縮機の吐出圧の圧力を検出する圧力検出手段と、圧力検出手段からの検出結果を受けると共にこれら検出結果と圧力指令値とに基づきモータを制御し圧力を制御する圧力制御補償手段と、圧縮機から吐出された流体を貯蔵するバッファタンクとを備える圧縮機ユニットでの圧縮機の圧力制御方法において、圧力制御補償手段により実行され尚かつ圧力が所定の圧力上限値に達した際モータをオフすると共に所定の圧力下限値に達した際モータをオンするオンオフ制御工程と、圧力制御補償手段により実行されると共に使用流量に基づきモータの回転数を変更する回転数変更制御工程とを備え、圧力制御補償手段によりタンク容量と流量とに基づき２つの制御工程から選択して実行するようにしている。
【００１１】
したがって、モータのオンオフと回転数変更とを吐出圧の圧力に応じて選択して行っているので、従来のように細かいオンオフ切り替えをする必要が無いと共にモータを高効率点で運転することができるようになる。よって、バッファタンクの容量によらずモータの高い効率と長い寿命を維持することができるので、バッファタンクを小型化することができる。しかも、従来のように電磁弁を使用していないので、圧縮機全体の小型化および軽量化を図ることができる。
【００１２】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の圧縮機の圧力制御方法において、使用流量に対しバッファタンクの容量が小さいものとしている。したがって、圧縮機全体の小型化および軽量化を図ることができる。
【００１３】
さらに、請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の圧縮機の圧力制御方法において、オフセットをかけてバッファタンクの容量を認識するようにしている。したがって、タンク容量を自動的に検知することができるので、作業工程を簡略化することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。
【００１５】
図２〜図４に、本発明の圧縮機の圧力制御方法に使用される圧縮機ユニット１の実施形態の一例を示す。この圧縮機ユニット１は、圧縮機２と、該圧縮機２を駆動するモータ３と、圧縮機２の吐出圧の圧力を検出する圧力検出手段４と、モータ３に流れている電流を検出する電流検出手段５と、圧力検出手段４および電流検出手段５からの検出結果を受けると共にこれら検出結果と圧力指令値６とに基づきモータ３を制御し圧力を制御する圧力制御補償手段７と、圧縮機２から吐出された流体を貯蔵するバッファタンク１６とを備えるものとしている。流体としては気体および液体のいずれも含むものとしている。
【００１６】
そして、この圧縮機２の圧力制御方法は、図１に示すようにオンオフ制御工程８と回転数変更制御工程９とを備えている。オンオフ制御工程８は、圧力制御補償手段７により実行され、尚かつ圧力が所定の圧力上限値に達した際にモータ３をオフすると共に所定の圧力下限値に達した際にモータ３をオンする。回転数変更制御工程９は、圧力制御補償手段７により実行されると共に、圧縮機２の使用流量に基づきモータ３の回転数を変更する。さらに、圧力制御補償手段７によりタンク容量と流量とに基づき２つの制御工程８，９から選択して実行するようにしている。これにより、従来のように細かいオンオフ切り替えをする必要が無いと共にモータ３を高効率点で運転することができるようになる。よって、バッファタンクの容量によらずモータ３の高い効率と長い寿命を維持することができるので、バッファタンクを小型化することができる。
【００１７】
バッファタンクとはタンクとして別個に設けたものを意味する他に、吐出流体が流れる管路のように吐出流体に対してバッファ作用を有する全てのものを含む概念である。本実施形態では、使用流量に対しバッファタンクの容量が小さいものとしている。例えば、図２に示すような流体回路の場合には、独立したタンクを設けずに吐出流体が流れる管路をバッファタンクとして機能させている。このため、圧縮機ユニット１の小型化および軽量化を図ることができる。
【００１８】
また、圧力制御補償手段７と圧力検出手段４と電流検出手段５とは制御基板１０に設置されている。圧力制御補償手段７としては、既知の圧力制御補償回路、例えばＰＩＤ制御を行う回路を利用している。圧力検出手段４としては圧力センサを採用している。圧縮機２は吐出口１１と吸入口１２と回転軸１３とを備えた圧縮ポンプとしている。吐出口１１と圧力検出手段４とは図２に示すバッファタンク１６としてのエア管（図３及び図４には示さず）により接続されている。圧縮機２の回転軸１３はモータ３の出力軸１４にジョイント１５により連結されている。モータ３としては直流モータを使用している。なお、圧縮機２やモータ３の構造は特に限られず、既知のあるいは新規のものを採用することができる。
【００１９】
上述した圧縮機の圧力制御方法による圧縮機２の動作を図１に示すフローチャートに沿って説明する。
【００２０】
本実施形態では、オフセットをかけてバッファタンクの容量を認識するようにしている。すなわち、運転開始時にバッファタンク容量を把握しているか判断する（ステップ１（Ｓ１））。把握していなければ（ステップ１（Ｓ１）；Ｎｏ）、バッファタンク容量の認識が行われる（ステップ２（Ｓ２））。
【００２１】
バッファタンク容量の認識は、本実施形態では回転数を一定にして回転させた時に圧力上限値まで到達するのにかかる時間からバッファタンク容量を認識させる方法を採用する。この際、流量は”０”とすることが必要である。１回目のデータは潤滑油が回り切っていない等の問題で正確な時間が計れない事から２〜５回目までのデータの平均値を採用する。
【００２２】
図５に示すように、最初に圧力開放した後に流量を”０”にして回転数を一定にし、圧力上限値まで回転させる。圧力上限値にまで達したら回転を止め（Ｔ１_ｏｆｆ）、圧力を開放する。その後圧力が”０”になったら、開放を止め流量を”０”にし再び回転数一定で回転を始める（測定２開始）。圧力が測定開始圧力に到達した時点から計測を開始する（Ｔ２_ｏｎ）。その後、圧力上限値に圧力が達したら計測を止めるのと同時に回転を止める（Ｔ２_ｏｆｆ）。そして（Ｔ２_ｏｎ−Ｔ２_ｏｆｆ）が測定２の結果になる。
【００２３】
この後はＴ１_ｏｆｆ〜Ｔ２_ｏｆｆの動作を繰り返し、測定５まで測定を行なう。そして、圧縮機２の特性と測定２〜測定５で得られたオフセットデータからバッファタンク容量を把握する。ここでのオフセットデータは数式１により求める。
【数１】
（（Ｔ２ｏｎ−Ｔ２ｏｆｆ）＋（Ｔ３ｏｎ−Ｔ３ｏｆｆ）＋（Ｔ４ｏｎ−Ｔ４ｏｆｆ）＋（Ｔ５ｏｎ−Ｔ５ｏｆｆ））／４
【００２４】
そして、このオフセットデータはＥＥＰＲＯＭに書き込まれる（ステップ３（Ｓ３））。これにより、オフセットは終了する。なお、このオフセットデータはバッファタンク容量が変化しない限り有効である。
【００２５】
一方、運転開始時にバッファタンク容量を把握していれば（ステップ１（Ｓ１）；Ｙｅｓ）、バッファタンク容量を例えばＥＥＰＲＯＭから読み出す（ステップ４（Ｓ４））。そして、圧力制御補償手段７により、図６に示すように０ＭＰａから圧力上限値まで最高回転、即ち最高効率点でモータ３を作動させ、圧力上限値に達したことが圧力検出手段４により検出されたら（Ｔ１）止める（ステップ５（Ｓ５））。その後、流体は吐出され圧力は徐々に下がる。
【００２６】
さらに、圧力が圧力下限値に達したか否か検出する（ステップ６（Ｓ６））。達していなければ（ステップ６（Ｓ６）；Ｎｏ）、再び検出する（ステップ６（Ｓ６））。図６でＴ２になり圧力下限値に達していれば（ステップ６（Ｓ６）；Ｙｅｓ）、使用流量を算出して制御変更点より流量が多いか否かを判断する（ステップ７（Ｓ７））。圧力上限値からある一定量の流量が流れた場合、バッファタンク容量が既知であれば圧力上限値から圧力下限値までに達する時間（Ｔ１−Ｔ２）により流量を算出することができる。
【００２７】
ここで、オンオフ制御工程８と回転数変更制御工程９との選定方法を説明する。図７に示すように、回転数可変制御とオンオフ制御との効率特性は、流量ポイントＡを境に逆転していることが分かる。このポイントが制御切り替えポイント（Ａ）、即ち制御変更点になる。この制御切り替えポイント（Ａ）は、図８に示すように圧縮機性能とタンク容量によって決定される。したがって、最初にバッファタンク容量データを読み込んできた時に制御切り替えポイント（Ａ）が決定する。この値とステップ７（Ｓ７）で得られた使用流量とを比べて制御工程８，９を選定する。
【００２８】
具体的には、制御変更点より使用流量が多いか判断して（ステップ７（Ｓ７））、制御変更点よりも使用流量が少なければ（ステップ７（Ｓ７）；Ｎｏ）、オンオフ制御工程８を選択し、モータ３をオンして最高回転で駆動する（ステップ５（Ｓ５））。よって、オンオフ制御工程８はステップ５（Ｓ５）〜ステップ７（Ｓ７）を繰り返すことになる。この間、図９に示すように圧力が圧力上限値に達したらモータ３をオフ、圧力下限値に達したらオンにする。このとき、圧力上限値から圧力下限値までの時間を常に計算し、使用流量を算出する（ステップ７（Ｓ７））。そして、制御変更点よりも使用流量が多くなれば（ステップ７（Ｓ７）；Ｙｅｓ）、回転数変更制御工程９を選択する。
【００２９】
ここでは、圧縮機２およびモータ３の特性と使用流量と基準圧力の関係から、モータ３に加える回転数を導き出す。これを初期回転数としてモータ３に加えることにより、流量に合わせた初期回転を開始する（ステップ８（Ｓ８））。図１０に示すように、流量の変化に合わせて回転数を変更しながら圧力を一定に保つ（ステップ９（Ｓ９））。そして、圧力が圧力下限値に達したか判断し（ステップ１０（Ｓ１０））、達していなければ（ステップ１０（Ｓ１０）；Ｎｏ）、圧力上限値に達したか判断する（ステップ１１（Ｓ１１））。圧力上限値に達していなければ（ステップ１１（Ｓ１１）；Ｎｏ）、回転数変更制御を繰り返す（ステップ９（Ｓ９））。
【００３０】
しかし、例えば流量が制御変更点より少なくなってしまった場合などは、再び流量の計測を行なう。図１１に示すように、Ｔｘで流量が少なくなってオンオフ制御領域の流量まで達すると、圧力制御補償手段７の制御範囲を超えてしまうため圧力は圧力上限値にまで達する（Ｔ１）（ステップ１１（Ｓ１１）；Ｙｅｓ）。これにより、モータ３が停止され（ステップ１２（Ｓ１２））、圧力下限値に達したか判断される（ステップ６（Ｓ６））。もしくは、制御変更点から導き出される回転数より小さい回転数が一定時間続いた場合、流量が制御変更点より少なくなったと判断する。その後、流体は吐出され圧力は徐々に下がり、圧力が圧力下限値に達していれば（Ｔ２）（ステップ６（Ｓ６）；Ｙｅｓ）、時間（Ｔ１−Ｔ２）の値を得ることができるので使用流量を算出する（ステップ７（Ｓ７））。そして、再び制御工程８，９の選定を行なう。
【００３１】
また、回転数変更制御工程９で使用流量が急激に減って、これに圧力制御補償手段７が追従できない場合も同様の動きをする。逆に増えた場合には、圧力が圧力下限値に達する（ステップ１０（Ｓ１０）；Ｙｅｓ）。そして、最高回転数で作動させて圧力上限値に達したらモータ３をオフにして（ステップ５（Ｓ５））、再び圧力下限値まで下げて（ステップ６（Ｓ６））、使用流量を計算する（ステップ７（Ｓ７））。
【００３２】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば本実施形態ではバッファタンクは吐出流体の管路であったが、これには限られずバッファタンクが独立したタンクであっても良い。
【００３３】
また、本実施形態では圧縮機２は圧縮ポンプであるが、これには限られず吸引ポンプであっても良い。この場合、気体を吸引し大気に開放することを細かいサイクルで行うときに、回転数を変更し一定の負圧を作って効率を高めることができる。
【００３４】
さらに、本実施形態ではオフセットをかけてバッファタンクの容量を認識しているが、これには限られずバッファタンクの容量が既知であればオフセットを掛ける必要は無い。
【００３５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１記載の圧縮機の圧力制御方法によれば、モータのオンオフと回転数変更とを吐出圧の圧力に応じて選択して行っているので、従来のように細かいオンオフ切り替えをする必要が無いと共にモータを高効率点で運転することができるようになる。よって、バッファタンクの容量によらずモータの高い効率と長い寿命を維持することができるので、バッファタンクを小型化することができる。換言すると、バッファタンクを小型化したときでも、モータを高効率点で使用できると共に、モータの高効率化および長寿命化を図ることができる。また、バッファタンクの小型化を図れることから、選定の幅を広げることができる。
【００３６】
しかも、従来のような電磁弁を使用していないので、圧縮機ユニットの小型化および軽量化を図ることができる。更に、流量データを圧力情報（圧力情報、タンク容量）等から判断しているため圧縮機ユニットの小型化を図ることができる。
【００３７】
また、請求項２記載の圧縮機の圧力制御方法によれば、圧縮機の使用流量に対しバッファタンクの容量が小さいので、圧縮機全体の小型化および軽量化を図ることができる。
【００３８】
さらに、請求項３記載の圧縮機の圧力制御方法によれば、オフセットをかけてバッファタンクの容量を認識しているので、バッファタンク容量を自動的に検知することができ、作業工程を簡略化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧縮機の圧力制御方法の流れを示すフローチャート図である。
【図２】圧縮機ユニットを示すブロック線図である。
【図３】圧縮機ユニットを示す平面図である。
【図４】圧縮機ユニットを示す側面図である。
【図５】タンク容量認識時の圧力の動きを示すグラフである。
【図６】始動時の圧力の動きを示すグラフである。
【図７】オンオフ制御と回転数変更制御との効率特性を示すグラフである。
【図８】制御切り替えポイントとタンク容量との関係を示すグラフである。
【図９】オンオフ制御での圧力の動きを示すグラフである。
【図１０】回転数変更制御での圧力の動きを示すグラフである。
【図１１】回転数変更制御で圧力が急に上昇したときの圧力の動きを示すグラフである。
【図１２】直流モータの回転数の変化による効率−電流特性を示すグラフである。
【図１３】使用流量に対してタンクが大きい場合の負荷特性を示すグラフである。
【図１４】使用流量に対してタンクが小さい場合の負荷特性を示すグラフである。
【図１５】誘導モータのＮＴ特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１圧縮機ユニット
２圧縮機
３モータ
４圧力検出手段
５電流検出手段
６圧力指令値
７圧力制御補償手段
８オンオフ制御工程
９回転数変更制御工程

Claims

圧縮機と、該圧縮機を駆動するモータと、前記圧縮機の吐出圧の圧力を検出する圧力検出手段と、前記圧力検出手段からの検出結果を受けると共にこれら検出結果と圧力指令値とに基づき前記モータを制御し前記圧力を制御する圧力制御補償手段と、前記圧縮機から吐出された流体を貯蔵するバッファタンクとを備える圧縮機ユニットでの圧縮機の圧力制御方法において、前記圧力制御補償手段により実行され尚かつ前記圧力が所定の圧力上限値に達した際前記モータをオフすると共に所定の圧力下限値に達した際前記モータをオンするオンオフ制御工程と、前記圧力制御補償手段により実行されると共に使用流量に基づき前記モータの回転数を変更する回転数変更制御工程とを備え、前記圧力制御補償手段により前記タンク容量と流量とに基づき前記２つの制御工程から選択して実行することを特徴とする圧縮機の圧力制御方法。
使用流量に対し前記バッファタンクの容量が小さいことを特徴とする請求項１記載の圧縮機の圧力制御方法。
オフセットをかけて前記バッファタンクの容量を認識することを特徴とする請求項１または２記載の圧縮機の圧力制御方法。