JP2015178802A - 気体圧縮機の制御装置 - Google Patents

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

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。

特開２０１３−１３０１８５号公報

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。

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。 本発明の第１の実施形態の気体圧縮機のロータの回転角度と回転速度との関係を従来のそれと比較して説明するための図である。 本発明の第１の実施形態の気体圧縮機の制御装置の構成を示す回路図である。 本発明の第２の実施形態の気体圧縮機の制御装置の構成を示す回路図である。 特許文献１に記載された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。

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。

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。

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。

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

Claims (2)

1. 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。
2. 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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