JP2015178802A - 気体圧縮機の制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】本体の体積を増やすことなく、過圧縮による効率悪化を防止できる気体圧縮機の制御装置を提供する。
【解決手段】シリンダ部材24の中空部に回転自在に配設されたロータ23と、ロータに突出収納自在に取付けられて先端がシリンダ部材の中空部の内周面に摺接することにより圧縮室を形成するベーン25と、シリンダ部材とロータとの間に、圧縮室の容積を変化させることにより気体の圧縮サイクルを行わせるシリンダ室27が形成された気体圧縮機を制御する気体圧縮機の制御装置であって、ロータを駆動するモータ11と、モータにより駆動されたロータの回転速度及び回転位置を算出する速度位置演算器14と、速度位置演算器で算出された回転位置が、圧縮室内が吐出圧以上になる範囲にある場合に、ロータの回転速度を所定の回転速度より低下させる速度制御部15〜20を備える。
【選択図】図4
【解決手段】シリンダ部材24の中空部に回転自在に配設されたロータ23と、ロータに突出収納自在に取付けられて先端がシリンダ部材の中空部の内周面に摺接することにより圧縮室を形成するベーン25と、シリンダ部材とロータとの間に、圧縮室の容積を変化させることにより気体の圧縮サイクルを行わせるシリンダ室27が形成された気体圧縮機を制御する気体圧縮機の制御装置であって、ロータを駆動するモータ11と、モータにより駆動されたロータの回転速度及び回転位置を算出する速度位置演算器14と、速度位置演算器で算出された回転位置が、圧縮室内が吐出圧以上になる範囲にある場合に、ロータの回転速度を所定の回転速度より低下させる速度制御部15〜20を備える。
【選択図】図4
Description
本発明は、例えば空調装置において気体を圧縮する気体圧縮機を制御する気体圧縮機の制御装置に関する。
気体圧縮機として、ベーンロータリ型のコンプレッサが知られている。このコンプレッサは、中空のシリンダ部材と、シリンダ部材の中空部に回転自在に配設されたロータと、ロータに突出収納自在に取付けられて先端がシリンダ部材の内周面に摺接することによりシリンダ部材の内部に複数の圧縮室を形成する複数のベーンを備える。
このコンプレッサでは、シリンダ部材とロータとの間に、圧縮室の容積を変化させて冷媒ガスの圧縮サイクルを行わせるシリンダ室が形成される。シリンダ室の上流側に冷媒ガスを吸入する吸入部、下流側に冷媒ガスを吐出する吐出部がそれぞれ設けられる。
しかし、ベーンロータリ型のコンプレッサは、一般的に過圧縮を生じやすい。そのため、過圧縮を低減させるベーンロータリ型の気体圧縮機が開示されている(特許文献1)。
図5は、特許文献1に記載された従来の気体圧縮機のロータの回転速度が一定である場合の圧縮室の内部の圧力とロータの回転角度との関係を示す図である。1つのシリンダ室の圧縮サイクルでは、線A1で示すように、冷媒ガスが半周の間に急激に圧縮されるので、ロータの回転には大きな動力が必要になる。また、冷媒ガスの吐出が始まるまでの間に過圧縮A2が発生する。
この過圧縮の発生をさけるために、特許文献1に開示された気体圧縮機は、近接部を周方向に1箇所にしてシリンダ室を単一化すると共に、シリンダ部材の内周面を、1周かけて冷媒ガスを緩やかに圧縮することが可能な形状(非対称形状)にしている。また、最大間隔部の位置を近接部から回転方向に90度よりも手前側に設定することにより、冷媒ガスをより早く吸入して、より長く緩やかに圧縮できるようにし(線C1)、圧縮に必要な動力を低減している。
即ち、この気体圧縮機においては、前記問題を解決するために、「冷媒ガスを急激に圧縮する際の過圧縮に起因する高負荷運転時の効率悪化」の原因である吐出弁の応答遅れを、シリンダ室の形状を変更することにより、冷媒ガスの圧縮速度を緩やかにして吐出弁の応答に合わせることが行われている。
しかしながら、冷媒ガスの圧縮速度を緩やかにすると、単位時間当たりの吐出量が減少してしまうため、気体圧縮機のシリンダ室の容積を増やしたり、ロータの回転数を上げたりする対応が必要になる。シリンダ室の容積を増やすと気体圧縮機の本体の体積を増加させるので車両への搭載が難しくなり、重量も増加してしまうという問題がある。
本発明の課題は、本体の体積を増やすことなく、過圧縮による効率悪化を防止できる気体圧縮機の制御装置を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明の気体圧縮機の制御装置は、シリンダ部材の中空部に回転自在に配設されたロータと、前記ロータに突出収納自在に取付けられ先端が前記シリンダ部材の中空部の内周面に摺接することにより圧縮室を形成するベーンと、前記シリンダ部材と前記ロータとの間に、前記圧縮室の容積を変化させることにより気体の圧縮サイクルを行わせるシリンダ室とが形成された気体圧縮機を制御する気体圧縮機の制御装置であって、前記ロータを駆動するモータと、前記モータにより駆動されたロータの回転速度及び回転位置を算出する速度位置演算器と、前記速度位置演算器で算出された回転位置が、前記圧縮室内が吐出圧以上になる範囲にある場合に前記ロータの回転速度を所定の回転速度より低下させる速度制御部とを備えることを特徴とする。
本発明によれば、速度位置演算器で算出された回転位置が、圧縮室内が吐出圧以上になる範囲にある場合に、速度制御部がロータの回転速度を所定の回転速度より低下させるので、本体の体積を増やすことなく、過圧縮による効率悪化を防止できる気体圧縮機の制御装置を提供できる。
以下、本発明の実施の形態の気体圧縮機の制御装置を図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態の気体圧縮機の要部の構造を示す断面図である。圧縮機(気体圧縮機)12の本体ケース21の内部の軸心位置には、図示しない軸受部により回転自在に支承された回転軸22が配設されている。回転軸22は、モータ11(図4及び図5参照)の回転軸に連結され、モータ11により回転駆動される。
回転軸22の外周にはロータ23が取付けられ、ロータ23を包囲するようにシリンダ部材24が設けられている。ロータ23は、シリンダ部材24と同一肉厚を有する真円形の円板状に形成されると共に、その中心に回転軸22が取付けられ、回転軸22と同心状に回転する。
シリンダ部材24は、本体ケース21の内径とほぼ等しい外径を有する所要厚さの部材からなり、その中央部には、ロータ23を収容するための中空部が軸線方向に同一形状となるように形成される。中空部の軸線方向に直行する面の形状は、例えば楕円形状とすることができる。ロータ23には、複数枚のベーン25が取付けられ、その先端がシリンダ部材24の内周面24aに摺接することにより、シリンダ部材24の内部に複数の圧縮室26が形成されている。
シリンダ部材24とロータ23との間の空間には、圧縮室26の容積を変化させることにより冷媒ガスの圧縮サイクルを行わせるシリンダ室27が形成されている。シリンダ室27の(ロータ23の回転方向の)上流側に冷媒ガスを吸入する吸入部(図示しない)が設けられるとともに、シリンダ室27の下流側に冷媒ガスを吐出する吐出部28が設けられる。
図示しない吸入部は、圧縮室26へ冷媒ガスを吸入させる吸入口と、吸入口へ冷媒ガスを導く吸入路を有している。吐出部28は、圧縮室26から冷媒ガスを吐出させる吐出穴28a、吐出穴28aを覆うように設けられた吐出弁28b(逆止弁)及び吐出穴28aから吐出弁28bを介して冷媒ガスを外部へ導く吐出路28cを有している。
シリンダ室27は、シリンダ部材24とロータ23との間に両者が近接する近接部29を2箇所設けることにより、冷媒ガスの圧縮サイクルを、各圧縮室26につき1周に2回行うように形成されている。圧縮室26内の冷媒ガスの圧力が吐出圧P(図5参照)に達した時に、吐出弁28bが開放され、圧縮室26の圧力が抜かれる。なお、過圧縮は、吐出弁28bの開閉が吐出弁28bの内側と外側の圧力変化に追随できずに応答遅れが生じるため発生する。
ベーン25は、ロータ23に対して、周方向に等しい間隔で設けられた複数のベーン溝30の各々に対して突出収納自在に収容されて配置されている。第1の実施形態では、ベーン25の数は5枚とし、ベーン溝30の数は5個としているが、ベーン25の枚数やベーン溝30の設置個数は、これに限定されない。
ベーン25の先端は、シリンダ部材24の内周面24aに摺接できるように曲面状をしている。ベーン溝30の奥部にはベーン25を突出させるための背圧を付与可能な背圧室31が形成されている。背圧により突出したベーン25の先端がシリンダ部材24の内周面24aに押付けられることにより、ロータ23とシリンダ部材24との間の空間(シリンダ室27)に、隣接する一対のベーン25で囲まれた圧縮室26が形成されている。
ベーン25の先端は、シリンダ部材24の内周面24aに摺接できるように曲面状をしている。ベーン溝30の奥部にはベーン25を突出させるための背圧を付与可能な背圧室31が形成されている。背圧により突出したベーン25の先端がシリンダ部材24の内周面24aに押付けられることにより、ロータ23とシリンダ部材24との間の空間(シリンダ室27)に、隣接する一対のベーン25で囲まれた圧縮室26が形成されている。
シリンダ室27は、シリンダ部材24の内周面24aの形状が、近接部29または吸入部からほぼ最大間隔部(軸心から最も遠い内周面24aの部分)32へ向かって概ね容積が増加し(容積増加部)、また、ほぼ最大間隔部32から吐出部28または近接部29へ向かって概ね容積が減少する(容積減少部)ように形成されている。なお、圧縮室26の容積が最大となるのは、圧縮室26の両側のベーン25が最大間隔部32を挟んだある一点となるが、この位置はシリンダ室27の形状により異なる。
このように構成される圧縮機12における冷媒ガスの圧縮サイクルでは、冷媒ガスの吸入を行う吸入行程と、冷媒ガスの圧縮を行う圧縮行程と、冷媒ガスの吐出を行う吐出行程とが順に行われる(圧縮室26ごとに1周につき2回繰り返される。例えば、圧縮室26が5つ有る場合には、1周につき合計10回繰り返される)が、概略すると、容積増加部にて吸入行程が行われ、容積減少部にて圧縮行程と吐出行程とが行われる。
より詳細には、シリンダ室27の回転方向の前側のベーン25が吸入口の上流側の位置を通過してから後側のベーン25が吸入口の下流側の位置を通過するまでの区間が吸入行程となる。また、圧縮室26内の冷媒ガスの圧力が吐出圧に達して吐出弁28bが開いてから後側のベーン25が吐出穴28aを通過するまでの区間が吐出行程となる。吸入行程と吐出行程との間の区間が圧縮行程となる。吸入口及び吐出穴28aは、近接部29から下流側または上流側へ若干ズレた位置に設けられており、吐出行程と吸入行程との間は、吐出中の高圧の冷媒ガスと、吸入中の低圧の冷媒ガスとをシールするようになっている。従って、近接部29は、高圧の冷媒ガスと低圧の冷媒ガスとの間のシールとして作用する。
次に、第1の実施形態の圧縮機12の動作について説明する。まず、冷媒ガスの圧縮について説明する。蒸発器から供給されて圧縮機12の内部へ取入れられた冷媒ガスは、ロータ23とシリンダ部材24との間の空間(シリンダ室27)へ送られ、この空間の内部で隣接するベーン25により囲まれた各圧縮室26へ順に供給される。各圧縮室26に供給された冷媒ガスは、ロータ23の回転により圧縮されつつ吐出部28へ送られて吐出され、外部に取出されて下流側の凝縮器へ送出される。
この際、ロータ23とシリンダ部材24との間の空間には、吸入部から吐出部28までの間の部分に、各圧縮室26につき1周で2回分の圧縮サイクルを行わせるシリンダ室27が形成され、この圧縮サイクルにより、圧縮室26ごとに吸入行程、圧縮行程、吐出行程がそれぞれ順に行われ、高温高圧の冷媒ガスとされる。
(第1の実施形態の特徴部分)
次に、モータ11の回転、即ち、圧縮機12のロータ23の回転を制御する気体圧縮機の制御装置10を説明する。第1の実施形態の気体圧縮機の制御装置10は、図2に示すように、特許文献1の回転速度の一定制御(点線)に対して、実線で示すように、ロータ23の回転角度が過圧縮の部分にある時に回転速度を所定の回転速度よりも低下するように制御する。
次に、モータ11の回転、即ち、圧縮機12のロータ23の回転を制御する気体圧縮機の制御装置10を説明する。第1の実施形態の気体圧縮機の制御装置10は、図2に示すように、特許文献1の回転速度の一定制御(点線)に対して、実線で示すように、ロータ23の回転角度が過圧縮の部分にある時に回転速度を所定の回転速度よりも低下するように制御する。
より詳しくは、気体圧縮機の制御装置10は、シリンダ室27の圧力が吐出部28の圧力以上になって吐出弁28bが開き始める時にモータ11の回転速度を低下させ始め、所定値(図2に示す例では80rps)に至った時に回転速度を上昇させ始め、シリンダ室27の圧力が吐出部28の圧力以下になった時に、モータ11の回転速度を元の状態に戻すように制御する。
ロータ22の過圧縮が発生する範囲を示す回転位置(回転角度)は、圧縮機12の吸入圧力と出力圧力との差圧から決まる負荷条件と回転速度とから求められる。即ち、モータ11のトルクは、モータ駆動電流に比例するので、差圧は、モータ駆動電流から推定でき、その結果、モータ駆動電流から負荷条件を求めることができる。
従って、モータ11の回転速度を低下させ始める位置、回転速度を上昇させ始める位置(上記所定値)及び元の状態に戻す位置を負荷条件と回転速度から求めることができる。以上の過圧縮が発生する部分でモータ11の回転速度を低下させる制御により圧縮室26内の冷媒ガスが緩やかに圧縮されるので、過圧縮の発生を抑止し又は小さくすることができる。
図3は、第1の実施形態の気体圧縮機の制御装置10の構成を示すブロック図である。気体圧縮機の制御装置10は、モータ11、圧縮機12、速度検出器13、速度位置演算器14、減算器15、速度制御器16、過圧縮抑制制御器17、加算器18、電流制御器19及びインバータ20を有して構成されている。
減算器15、速度制御器16、過圧縮抑制制御器17、加算器18、電流制御器19及びインバータ20は、本発明の速度制御部に対応する。
モータ11は、インバータ20からのモータ駆動電流の周波数に応じて回転速度を変化させて回転駆動され、圧縮機12の回転軸22を回転させる。これにより、回転軸22に連結された圧縮機12のロータ23が、可変速度で回転される。
圧縮機12は、図示しない冷媒ガスを圧縮して高温高圧の冷媒ガスとし、図示しない凝縮器へ送る。速度検出器13は、圧縮機12の回転軸22に取り付けられ、ロータ23が回転する速度を検出し、検出速度信号を速度位置演算器14に出力する。
速度位置演算器14は、速度検出器13からの検出速度信号に基づきロータ23の回転速度(回転数に対応)と回転位置(回転角度に対応)を算出し、算出された回転速度を減算器15に出力し、算出された回転位置を過圧縮抑制制御器17に出力する。
減算器15は、外部から指示された目標回転数と、速度位置演算器14からの回転速度により示される回転数との差を算出し、この差を差信号として速度制御器16及び過圧縮抑制制御器17に出力する。
速度制御器16は、減算器15からの差信号に応じて、ロータ23の回転数を増減するための速度制御信号を生成し、加算器18に出力する。速度制御信号は、ロータ23の回転数が目標回転数になるように修正するための信号である。
過圧縮抑制制御器17は、減算器15からの差信号により示される回転数の差、速度位置演算器14からの回転位置及びインバータ20からの電流の大きさに基づき過圧縮を抑制するための抑制制御信号を生成し、加算器18に出力する。加算器18は、速度制御器16からの速度制御信号と、過圧縮抑制制御器17からの抑制制御信号とを加算して電流制御器19に出力する。
電流制御器19は、加算器18からの信号に応じてインバータ20からの電流の大きさを変更するための電流制御信号を生成し、生成された電流制御信号をインバータ20に出力する。
インバータ20は、電流制御器19からの電流制御信号を、モータ11を駆動するためのモータ駆動電流に変換し、得られたモータ駆動電流をモータ11に出力するとともに、電流制御器19及び過圧縮抑制制御器17にフィードバックする。
次に、このように構成される気体圧縮機の制御装置10の動作を説明する。まず、圧縮サイクルが開始されるとモータ11が回転駆動され、圧縮機12による冷媒ガスの圧縮行程が実行される。即ち、モータ11は、インバータ20から送られてくるモータ駆動電流の周波数に応じた速度で回転し、圧縮機12の回転軸22に取り付けられたロータ23を回転させる。
そして、圧縮機12の回転軸22に取り付けられた速度検出器13は、ロータ23の回転速度を検出し、検出速度信号として速度位置演算器14に出力する。速度位置演算器14は、速度検出器13からの検出速度信号に基づきロータ23の回転速度を算出して減算器15に出力するとともに、回転位置を算出して過圧縮抑制制御器17に出力する。
減算器15は、速度位置演算器14から回転速度を入力し、外部から指示された目標回転数と、回転速度により示される回転数との差を算出し、差信号を速度制御器16及び過圧縮抑制制御器17に出力する。
速度制御器16は、減算器15から入力した差信号に応じて、ロータ23の回転数を増減するための速度制御信号を生成し、加算器18に出力する。過圧縮抑制制御器17は、減算器15からの差信号により示される回転数の差、速度位置演算器14からの回転位置、及び、インバータ20からの電流の大きさに基づき抑制制御信号を生成し、加算器18に出力する。抑制制御信号は、ロータ23が所定角度(例えば、36度)回転するごとに、その回転数を、図2に示すように、例えば100rps→80rps→100rpsに変化させるための信号である。
速度制御器16からの速度制御信号と、過圧縮抑制制御器17からの抑制制御信号とは、加算器18で加算され、電流制御器19に送られる。電流制御器19では、加算器18からの信号に応じて、インバータ20から送られてくる電流の大きさを変更するための電流制御信号を生成し、インバータ20に送る。インバータ20では、電流制御器19からの電流制御信号に基づき、モータ11を駆動するためのモータ駆動電流を生成し、モータ11に送るとともに、電流制御器19及び過圧縮抑制制御器17にフィードバックする。
このように第1の実施形態によれば、速度位置演算器14で算出された回転位置(回転角度)が、圧縮室26の内部が過圧縮となる範囲にある場合に、ロータ23の回転速度を低下させるので、本体の体積を増やすことなく、過圧縮による効率低下を抑制できる。
なお、第1の実施形態では、圧縮機12の吸入圧力と出力圧力との差圧は、モータ駆動電流から推定するように構成したが、吐出弁28bの内側(シリンダ室27側)に内部圧力センサ41を配置するとともに、吐出弁28bの外側(吐出穴28a側)に外部圧力センサ42を配置し、内部圧力センサ41で検出された圧力と外部圧力センサ42で検出された圧力とに基づき直接に差圧を得るようにしても良い。
(第2の実施形態)
図4は、第2の実施形態の気体圧縮機の制御装置10の構成を示すブロック図である。この気体圧縮機の制御装置10は、第1の実施形態の構成の速度検出器13を削除し、速度位置演算器14aを用いて構成されている。
図4は、第2の実施形態の気体圧縮機の制御装置10の構成を示すブロック図である。この気体圧縮機の制御装置10は、第1の実施形態の構成の速度検出器13を削除し、速度位置演算器14aを用いて構成されている。
第2の実施形態では、速度位置演算器14aは、インバータ20からの電流及び電圧に基づきロータ23の回転速度(回転数)と回転位置(回転角度)を推定し、推定された回転速度を減算器15に出力し、回転位置を過圧縮抑制制御器17に出力する。
このように構成される第2の実施形態の気体圧縮機の制御装置によれば、第1の実施形態の気体圧縮機の制御装置と同様の動作及び効果が得られるとともに、速度検出器を必要としないので、気体圧縮機の構造が簡単且つ安価になる。
本発明は、ベーンロータリ方式を採用する種々のタイプの電動コンプレッサに適用可能である。
10 モータ制御装置
11 モータ
12 圧縮機
13 速度検出器
14,14a 速度位置演算器
15 減算器
16 速度制御器
17 過圧縮抑制制御器
18 加算器
19 電流制御器
20 インバータ
21 本体ケース
22 回転軸
23 ロータ
24 シリンダ部材
24a 内周面
25 ベーン
26 圧縮室
27 シリンダ室
28 吐出部
28a 吐出口
28b 吐出弁
29 近接部
30 ベーン溝
31 背圧室
32 最大間隔部
11 モータ
12 圧縮機
13 速度検出器
14,14a 速度位置演算器
15 減算器
16 速度制御器
17 過圧縮抑制制御器
18 加算器
19 電流制御器
20 インバータ
21 本体ケース
22 回転軸
23 ロータ
24 シリンダ部材
24a 内周面
25 ベーン
26 圧縮室
27 シリンダ室
28 吐出部
28a 吐出口
28b 吐出弁
29 近接部
30 ベーン溝
31 背圧室
32 最大間隔部
Claims (2)
- シリンダ部材(24)の中空部に回転自在に配設されたロータ(23)と、前記ロータに突出収納自在に取付けられ先端が前記シリンダ部材の中空部の内周面に摺接することにより圧縮室(26)を形成するベーン(25)と、前記シリンダ部材と前記ロータとの間に、前記圧縮室の容積を変化させることにより気体の圧縮サイクルを行わせるシリンダ室(27)とが形成された気体圧縮機(12)を制御する気体圧縮機の制御装置(10)であって、
前記ロータを駆動するモータ(11)と、
前記モータにより駆動されたロータの回転速度及び回転位置を算出する速度位置演算器(14)と、
前記速度位置演算器で算出された回転位置が、前記圧縮室内が吐出圧以上になる範囲にある場合に前記ロータの回転速度を所定の回転速度より低下させる速度制御部(16,17)と、
を備えることを特徴とする気体圧縮機の制御装置。 - 前記速度制御部は、前記モータに供給されるモータ駆動電流と前記速度位置演算器で算出された回転速度とに基づき前記ロータの回転速度を低下させる回転位置の範囲を決定することを特徴とする請求項1記載の気体圧縮機の制御装置。
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2014
- 2014-03-19 JP JP2014056310A patent/JP2015178802A/ja not_active Ceased
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