JP2018087535A - 回転速度制御装置、ロータリ圧縮機システム、制御システム及び回転速度制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータリ圧縮機において、高圧室から低圧室の冷媒ガスの漏れを防ぐ制御装置を提供する。【解決手段】回転速度制御装置は、ロータリ圧縮機においてピストンロータを駆動するクランクシャフトを回転駆動するモータの回転角度を取得し、シリンダにおける高圧室から低圧室への冷媒ガスの漏れ量に対応して予め設定された閾値と、取得したモータの回転角度に基づくクランクシャフトの回転角度とを比較して、モータの回転速度を変更するか否かを判定し、回転速度を変更すると判定した場合、モータへの回転速度指令値を変更する。【選択図】図４

Description

本発明は、回転速度制御装置、ロータリ圧縮機システム、制御システム及び回転速度制御方法に関する。

従来より、冷凍装置や空気調和装置などでは、冷媒を必要な圧力まで圧縮する圧縮機が使用されている。このような圧縮機の一つとして、ロータリ圧縮機が知られている。ロータリ圧縮機は、円筒形状のハウジングと、ハウジング内に配設されたモータと、モータにより駆動され冷媒を圧縮する全密閉型のロータリ圧縮機構とを備えて構成されている。

なお、特許文献１には、ロータリ圧縮機において発生する振動を低減するために、負荷トルクの変動に応じてロータリ圧縮機が備えるモータの発生トルクを変動させ、回転部分の回転数変動を抑制することができる制御方法について記載がある。

特開平１−２４７７９０号公報

ロータリ圧縮機では、１回の圧縮工程中にガス圧縮トルクが大きく変動する。このため、１回の圧縮工程でクランクシャフト１６の回転速度の変動が発生する。図６にこの様子を示す。図６は、ロータリ圧縮機におけるガス圧縮トルクの変動を説明する図である。１回の圧縮工程中、ピストンロータ１３は、図６の左上図の状態から左下図、右下図、右上図、左上図に示すようにシリンダ１２内の空間（シリンダ室）を偏心回転する。図中、ＬＰ、ＨＰ、ＭＰはピストンロータ１３とシリンダ１２の間に形成された空間でのガス状の冷媒の圧力状態を示している。ＬＰは低圧力、ＨＰは高圧力、ＭＰは中間圧力の状態を示している。左上図に示す状態では、ガス圧力は低く、ピストンロータ１３は圧縮冷媒ガスによる反力をあまり受けない。ところが左下図、右下図に示す状態へと進むにつれて、吐出口２８側の空間（高圧室）のガス圧力は中間圧力（ＭＰ）から高圧（ＨＰ）へと上昇していく。これに伴い、クランクシャフト１６の回転速度は徐々に遅くなり、高圧室と低圧室（吸入ポート２３側の空間）の圧力差が大きい程、クランクシャフト１６は圧縮冷媒ガスによる大きな反力を受け、例えば右下図に示す状態から右上図に示す状態へと移動する間、クランクシャフト１６は比較的低速で回転することになる。クランクシャフト１６の回転速度が低下すると、ピストンロータ１３の回転にそれだけ時間が掛かることになる。つまり、右下図に示す状態から右上図に示す状態への遷移は、相対的に長い時間をかけて行われる。ところで、図６に示す圧縮工程中、ピストンロータ１３とシリンダ１２の間のクリアランスを通じて高圧室から低圧室へと冷媒の漏れが発生する。冷媒が漏れる量は、高圧室と低圧室の圧力差が大きくなる程、多くなる。上記したように、高圧室と低圧室の圧力差が大きいとそれだけ回転に時間が掛かる。従って、１回の圧縮工程中、圧力差が大きい過程では、それだけ冷媒が長時間にわたって漏れ続けることになり、その結果、比較的多量の冷媒が漏れることになる。これにより、再圧縮損失が生じるという課題が存在する。

そこでこの発明は、上述の課題を解決することのできる回転速度制御装置、ロータリ圧縮機システム、制御システム及び回転速度制御方法を提供することを目的としている。

本発明の第１の態様は、ロータリ圧縮機においてシリンダ内でガスの圧縮を行うピストンロータを駆動するクランクシャフトを回転駆動するモータの回転角度を取得する角度情報取得部と、前記シリンダにおける高圧室から低圧室への冷媒ガスの漏れ量に対応して予め設定された前記クランクシャフトの回転角度の閾値と、前記角度情報取得部が取得したモータの回転角度に基づく前記クランクシャフトの回転角度と、を比較して前記モータの回転速度を変更するか否かを判定する回転速度切替判定部と、前記回転速度切替判定部が回転速度を変更すると判定した場合、前記モータへの回転速度指令値を変更する回転速度指令部と、を備える回転速度制御装置である。

本発明の第２の態様における前記回転速度切替判定部は、前記クランクシャフトの回転角度が、前記ピストンロータの上死点における前記クランクシャフトの回転角度を０°とし、前記クランクシャフトの回転方向を正の角度位置とした場合に、１８０°から３６０°の間で設定された所定の回転角度に到達すると、前記モータの回転速度を変更すると判定する。

本発明の第３の態様における前記回転速度切替判定部は、前記クランクシャフトの回転角度が、前記高圧室と前記低圧室の冷媒ガスの圧力差が所定の閾値以上となるときの回転角度に到達すると、前記モータの回転速度を変更すると判定する。

本発明の第４の態様における前記回転速度切替判定部は、前記クランクシャフトの回転角度が、前記ロータリ圧縮機の吐出側における冷媒の温度と吸入側における冷媒の温度の温度差が所定の閾値以上となるときの回転角度に到達すると、前記モータの回転速度を変更すると判定する。

本発明の第５の態様における前記回転速度切替判定部は、前記クランクシャフトの回転角度が、前記高圧室から前記低圧室への冷媒ガスの漏れが所定の閾値以上となるときの回転角度に到達すると、前記モータの回転速度を変更すると判定する。

本発明の第６の態様における前記回転速度切替判定部は、前記クランクシャフトの回転角度が、前記高圧室と前記低圧室の体積比が所定の割合となるときの回転角度に到達すると、前記モータの回転速度を変更すると判定する。

本発明の第７の態様における前記回転速度切替判定部は、前記クランクシャフトの回転角度が、前記高圧室の冷媒ガスから前記ピストンロータが受ける圧縮冷媒ガスの反力が所定の閾値以上となるときの回転角度に到達すると、前記モータの回転速度を変更すると判定する。

本発明の第８の態様における前記回転速度切替判定部は、前記クランクシャフトの回転角度が、前記高圧室の冷媒ガスから前記ピストンロータが受ける圧縮冷媒ガスの反力によって前記モータの回転速度が所定の閾値以下となるときの回転角度に到達すると、前記モータの回転速度を変更すると判定する。

本発明の第９の態様における前記回転速度指令部は、前記回転速度切替判定部が前記モータの回転速度を変更すると判定すると前記モータの回転速度を上昇させる。

本発明の第１０の態様における前記回転速度切替判定部は、前記クランクシャフトの回転角度が、前記ピストンロータの上死点となるときの回転角度に到達すると、前記モータの回転速度を変更すると判定し、前記回転速度指令部は、前記モータの回転速度を所定の速度まで低下させる。

本発明の第１１の態様における前記回転速度切替判定部は、前記クランクシャフトの回転角度に代えて、前記モータの回転角度に基づく前記ピストンロータの前記シリンダにおける位置情報と、前記高圧室から前記低圧室への冷媒ガスの漏れ量に対応して予め設定された閾値とを比較して、前記モータの回転速度を変更するか否かを判定する。

本発明の第１２の態様における前記角度情報取得部は、ＭＲＡＳ（model reference adaptive system）制御により推定された前記モータの回転角度を取得する。

本発明の第１３の態様における前記回転速度切替判定部は、１回の圧縮工程中に前記ロータリ圧縮機が備えるシリンダ数と同じ数だけ設定された前記回転角度の閾値に基づいて、前記モータの回転速度の変更を判定し、前記回転速度指令部は、当該判定に基づいて、１回の圧縮工程中に前記シリンダ数と同じ数だけ前記モータの回転速度を上昇させる。

本発明の第１４の態様は、ロータリ圧縮機と、上記の何れか１つに記載の回転速度制御装置と、前記回転速度制御装置が出力する回転速度指令値を取得してロータリ圧縮機が備えるモータの回転を制御するセンサレスベクトル制御回路と、を備えるロータリ圧縮機システムである。

本発明の第１５の態様における前記ロータリ圧縮機システムは、前記センサレスベクトル制御回路は、ＭＲＡＳ（model reference adaptive system）制御回路を備え、前記ＭＲＡＳ制御回路により前記モータの回転角度および回転速度を推定し、推定した前記モータの回転角度および回転速度に基づいて、前記モータの回転を制御する。

本発明の第１６の態様は、ロータリ圧縮機の制御に用いられる制御システムであって、上記の何れか１つに記載の回転速度制御装置と、前記回転速度制御装置が出力する回転速度指令値を取得してロータリ圧縮機が備えるモータの回転を制御するセンサレスベクトル制御回路と、を備える制御システムである。

本発明の第１７の態様は、回転速度制御装置が、ロータリ圧縮機においてシリンダ内で冷媒ガスの圧縮を行うピストンロータを駆動するクランクシャフトを回転駆動するモータの回転角度を取得し、前記シリンダにおける高圧室から低圧室への冷媒ガスの漏れ量に対応して予め設定された前記クランクシャフトの回転角度の閾値と、前記取得したモータの回転角度に基づく前記クランクシャフトの回転角度と、を比較して、前記モータの回転速度を変更するか否かを判定し、前記回転速度を変更すると判定した場合、前記モータへの回転速度指令値を変更する、回転速度制御方法である。

本発明によれば、ロータリ圧縮機における圧縮工程において、高圧室から低圧室への冷媒ガスの漏れを低減し、圧縮効率を高めることができる。

本発明の一実施形態におけるロータリ圧縮機の縦断面図である。 本発明の一実施形態におけるロータリ圧縮機の制御回路を示す第一の図である。 本発明の一実施形態におけるロータリ圧縮機の制御回路を示す第二の図である。 本発明の一実施形態におけるロータリ圧縮機の回転速度制御装置を示す図である。 本発明の一実施形態における回転速度制御装置のフローチャートである。 ロータリ圧縮機における圧縮工程を説明する図である。

＜実施形態＞
以下、本発明の一実施形態によるロータリ圧縮機システムについて図１〜図６を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態におけるロータリ圧縮機の側方断面図である。
図１に示すように、本実施形態に係る圧縮機１０は、モータ１８と、モータ１８によって回転されるクランクシャフト１６と、クランクシャフト１６の回転に伴って偏心回転するピストンロータ１３Ａ，１３Ｂと、ピストンロータ１３Ａ，１３Ｂを収容する圧縮室が内部に形成されたシリンダ１２Ａ，１２Ｂと、シリンダ１２Ａ，１２Ｂを囲うことで圧縮された冷媒が排出される吐出空間Ｖを形成するハウジング１１、を備えている。

この圧縮機１０は、円筒形状のハウジング１１に、ディスク状のシリンダ１２Ａ、１２Ｂが上下２段に設けられた、いわゆる２気筒タイプのロータリ圧縮機である。シリンダ１２Ａ、１２Ｂの内部には、各々、シリンダ内壁面の内側よりも小さな外形を有する円筒状のピストンロータ１３Ａ、１３Ｂが配置されている。ピストンロータ１３Ａ、１３Ｂは、各々、ハウジング１１の中心軸線に沿った回転軸の偏心軸部１４Ａ、１４Ｂに挿入固定されている。
上段側のシリンダのピストンロータ１３Ａと、下段側のピストンロータ１３Ｂとは、その位相が互いに１８０°だけ異なるように設けられている。
また、上下のシリンダ１２Ａ、１２Ｂの間には、ディスク状の仕切板１５が設けられている。仕切板１５により、上段側のシリンダ１２Ａ内の空間Ｒと、下段側の空間Ｒとが互いに連通せずに圧縮室Ｒ１とＲ２とに仕切られている。

クランクシャフト１６は、シリンダ１２Ａに固定された上部軸受部１７Ａ、及びシリンダ１２Ｂに固定された下部軸受部１７Ｂにより、軸線Ｏ回りに回転可能に支持されている。
クランクシャフト１６は、クランクシャフト１６の中心線に直交する方向にオフセットした偏心軸部１４Ａ、１４Ｂを有している。これら偏心軸部１４Ａ、１４Ｂがクランクシャフト１６の中心軸線回りに旋回することで、上下のピストンロータ１３Ａ、１３Ｂがこの旋回に追従してシリンダ１２Ａ、１２Ｂ内で、偏心回転する。

クランクシャフト１６は、上部軸受部１７Ａから上方（すなわち、圧縮機１０から見てモータ１８が位置する方向）に突出している。クランクシャフト１６における軸線Ｏ方向一方側の端部には、該クランクシャフト１６を回転駆動させるためのモータ１８のモータロータ１９が一体に設けられている。モータロータ１９の外周部に対向して、ステータ２０が、ハウジング１１の内周面に固定して設けられている。

圧縮機１０には、圧縮機１０に供給するのに先立って冷媒を気液分離するアキュムレータ２４がステー２５を介してハウジング１１に固定されている。アキュムレータ２４には、アキュムレータ２４内の冷媒を圧縮機１０に吸入させるための吸入管２６Ａ、２６Ｂが設けられている。吸入管２６Ａ、２６Ｂの先端部は、開口２２Ａ、２２Ｂを通して、吸入ポート２３Ａ、２３Ｂに接続されている。

圧縮機１０は、アキュムレータ２４の吸入口２４ａからアキュムレータ２４の内部に冷媒を取り込み、アキュムレータ２４内で冷媒を気液分離して、その気相を吸入管２６Ａ、２６Ｂから、シリンダ１２Ａ、１２Ｂの吸入ポート２３Ａ、２３Ｂを介し、シリンダ１２Ａ、１２Ｂの内部空間である圧縮室Ｒ１、Ｒ２に供給する。
そして、ピストンロータ１３Ａ、１３Ｂが偏心回転することにより、圧縮室Ｒ１、Ｒ２の容積が徐々に減少して冷媒が圧縮される。この冷媒は、モータ１８の周囲を通過してから、上部に設けられた吐出口を経由して冷凍サイクルを構成する配管２７に排出される。

なお、圧縮室Ｒ１と圧縮室Ｒ２のどちらか一方に注目し、その圧縮室内での圧縮工程を扱う場合、単に圧縮室Ｒ、シリンダ１２、ピストンロータ１３、偏心軸部１４、吸入ポート２３と記載する場合がある。また、ブレード２９（図６）によって圧縮室Ｒが高圧側の空間と低圧側の空間に区切られるが、高圧側の空間を高圧室、低圧側の空間を低圧室と記載する。

図２は、本発明の一実施形態におけるロータリ圧縮機の制御回路を示す第一の図である。
図２にモータ１８の制御を行うセンサレスベクトル制御回路１のブロック図を示す。図２に示すセンサレスベクトル制御回路１は、コンバータ３１と、コンデンサ３２と、リアクタ３３と、インバータ３４と、電流センサ３５と、電流検出回路３６と、Ａ／Ｄ変換回路３７と、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）デュ−ティ計算回路３８と、Ａ／Ｄ変換回路３９と、電圧検出回路４０と、フルベクトル制御回路４１と、を備えている。また、フルベクトル制御回路４１は、２相／３相変換回路４２と、２相／３相変換回路４３と、電流ＰＩ制御回路４４と、電流変換テーブル４５と、速度ＰＩ制御回路４６と、速度位置推定回路４７と、減算器４８と、減算器４９と、を備える。

コンバータ３１は、電力系統Ｅから入力される三相交流電流を整流する。コンデンサ３２、リアクタ３３は、整流された電圧を平滑化して直流電圧を生成する。インバータ３４は、ＰＷＭデュ−ティ計算回路３８が出力したデュ−ティ指令値に基づいて、直流入力電圧から３相の駆動電圧を生成し、圧縮機１０が備えるモータ１８に駆動電圧を供給する。これにより、センサレスベクトル制御回路１は、モータ１８を駆動する。

電流検出回路３６はモータ１８に流れる電流を検出し、Ａ／Ｄ変換回路３７へ出力する。Ａ／Ｄ変換回路３７は、電流検出回路３６が検出した電流をデジタル信号に変換し、変換後の信号をフルベクトル制御回路４１へ出力する。フルベクトル制御回路４１では、２相／３相変換回路４２が、Ａ／Ｄ変換回路３７から入力した３相の信号を座標変換（ｄｑ変換）し、変換後の電流値ｉｄ、ｉｑを速度位置推定回路４７に出力する。なお、２相／３相変換回路４２は、後述するモータロータ１９による磁極角度の前回の推定値θｅｓを参照する。速度位置推定回路４７は、電流値ｉｄ、ｉｑと、電流ＰＩ制御回路４４が出力したｄｑ座標系での電力指令値ｖｄ、ｖｑを入力し、モータ１８の回転速度の推定値ωｅｓとモータロータ１９の磁極角度（磁極位置の角度）の推定値θｅｓを、例えば、ＭＲＡＳ（model reference adaptive system：モデル規範適応システム）と呼ばれる方法で算出する。

減算器４８は、回転速度制御装置６０による回転速度の指令値ωｃｍｄと、速度位置推定回路４７が推定した回転速度の推定値ωｅｓとの偏差Δωを算出して、速度ＰＩ制御回路４６へ出力する。速度ＰＩ制御回路４６は、Δωに基づいてＰＩ制御により、偏差を小さくする（０にする）トルク指令値を算出する。フルベクトル制御回路４１は、電流変換テーブル４５に基づいて、トルク指令値を電流指令値ｉｄ´、ｉｑ´に変換する。減算器４９は、電流指令値ｉｄ´、ｉｑ´と、２相／３相変換回路４２が出力したｉｄ、ｉｑとの偏差Δｉｄ、Δｉｑを算出して、電流ＰＩ制御回路４４へ出力する。電流ＰＩ制御回路４４は、偏差Δｉｄ、Δｉｑに基づいてＰＩ制御により、偏差を小さくする（０にする）電圧指令値ｖｄ、ｖｑを算出する。電流ＰＩ制御回路４４は、電圧指令値ｖｄ、ｖｑを２相／３相変換回路４３へ出力する。２相／３相変換回路４３は、速度位置推定回路４７が推定したモータロータ１９の磁極角度の推定値θｅｓを参照して電圧指令値ｖｄ、ｖｑの２相から３相への座標変換を行い、電圧指令値ＶをＰＷＭデュ−ティ計算回路３８へ出力する。ＰＷＭデュ−ティ計算回路３８は、電圧指令値Ｖと、電圧検出回路４０が検出したインバータ３４への直流入力電圧をＡ／Ｄ変換回路３９でデジタル変換した信号とを入力し、デュ−ティ指令値を算出する。ＰＷＭデュ−ティ計算回路３８は、算出したデュ−ティ指令値をインバータ３４へ出力する。

図３は、本発明の一実施形態におけるロータリ圧縮機の制御回路を示す第二の図である。
図３に速度位置推定回路４７のブロック図を示す。速度位置推定回路４７は、電流推定回路５０と、速度推定回路５１と、積分回路５２とを備える。電流推定回路５０は、電力指令値ｖｄ、ｖｑと、速度推定回路５１が推定したモータロータ１９の回転速度の推定値ω_Ｍを入力し、モータ１８をモデル化した適応モデル（Adjustable Model）に基づいて、電流推定値ｉｄ_ｅｓｔ、ｉｑ_ｅｓｔを推定する。速度推定回路５１は、電流推定値ｉｄ_ｅｓｔ、ｉｑ_ｅｓｔとｉｄ、ｉｑを入力し、回転速度の推定（ω_Ｍ）を行う。積分回路５２は、回転速度の推定値ω_Ｍを積分して、モータロータ１９の磁極角度の推定値θｅｓを算出する。速度位置推定回路４７は、速度推定回路５１が推定した回転速度の推定値ω_Ｍを回転速度の推定値ωｅｓとして、積分回路５２が算出したモータロータ１９の磁極角度の推定値θｅｓと共に出力する。

圧縮機１０の内部は、高温高圧環境となるためピストンロータ１３の位置を検出するセンサを設けることが難しい。図２、図３に示す制御回路によるセンサレスベクトル制御（例えばＭＲＡＳ制御）よれば、センサを用いることなくモータロータ１９の回転速度や磁極角度を高精度に検出することができる。以下、モータロータ１９の回転速度をモータ１８の回転速度、モータロータ１９の磁極角度をモータ１８の回転角度と記述する場合がある。

上述のようにモータ１８の回転によりクランクシャフト１６が回転駆動し、ピストンロータ１３がシリンダ１２内で偏心回転する。つまり、モータ１８の回転角度とピストンロータ１３の位置とは一定の位置関係にある。従って上記のセンサレスベクトル制御によりモータ１８の回転角度を推定できると、モータ１８によって偏心回転するピストンロータ１３の位置も推定できる。本実施形態では、センサレスベクトル制御によって、ピストンロータ１３の位置を高精度に推定し、シリンダ１２内で、ピストンロータ１３の回転速度が圧縮冷媒ガスの反力により遅くなる位置（冷媒ガスの漏れ量が所定の閾値以上になる位置）に達すると、モータ１８の回転速度を上昇させ、クランクシャフト１６の回転速度の変動を抑制する。また、ピストンロータ１３を速やかに偏心回転させることで冷媒ガスの漏れが生じる時間を短くし、高圧室から低圧室への冷媒ガスの漏れを低減する。
次にピストンロータ１３の位置に応じてモータ１８の回転速度を制御する回転速度制御装置６０について説明する。

図４は、本発明の一実施形態におけるロータリ圧縮機の回転速度制御装置を示す図である。
回転速度制御装置６０は、モータ１８の回転速度指令値を算出するＭＣＵ(Micro Controller Unit)などのコンピュータである。
図４に示すように回転速度制御装置６０は、角度情報取得部６１と、回転速度切替判定部６２と、回転速度指令部６３と、記憶部６４とを備えている。
角度情報取得部６１は、モータ１８の回転角度を取得する。
回転速度切替判定部６２は、モータ１８の回転角度に基づくクランクシャフト１６の回転角度を算出し（例えば、クランクシャフト１６の回転角度は、モータ１８の回転角度と等しい）、クランクシャフト１６の回転角度と冷媒ガスの漏れ量に対応して予め設定された閾値とに基づいて、モータ１８の回転速度を変更するか否かを判定する。または、回転速度切替判定部６２は、シリンダ１２内におけるピストンロータ１３の位置情報を算出し、ピストンロータ１３の位置情報と所定の閾値とに基づいて、モータ１８の回転速度を変更するか否かを判定する。
回転速度指令部６３は、回転速度切替判定部６２が回転速度を変更すると判定した場合、変更後のモータ１８の回転速度を決定し、変更後の回転速度指令値をフルベクトル制御回路４１へ出力する。
記憶部６４は、回転速度切替判定部６２が判定に用いる回転角度の閾値や、回転速度切替判定部６２が回転速度を変更すると判定した後のモータ１８の回転速度、モータ１８の回転角度からクランクシャフト１６の回転角度やシリンダ１２内におけるピストンロータ１３の位置情報（例えば偏心軸部１４の座標情報など）を算出する変換テーブルや関数等の情報を記憶する。

次に図６を用いて、回転速度制御装置６０による回転速度の制御について説明する。
図６は、ロータリ圧縮機における圧縮工程を説明する図である。
図６は、圧縮機１０の圧縮機構の横断面図である。圧縮機構は、シリンダ１２と、ピストンロータ１３と、ブレード２９等を備える。ピストンロータ１３は、クランクシャフト１６に嵌合され、偏心軸部１４とともに偏心回転する。ブレード２９は、シリンダ室（シリンダ１２内部の空間）に突出し、ピストンロータ１３の外周面にブレード２９の先端が圧接されている。シリンダ室は、ブレード２９によって、吸入ポート２３に連通する低圧室と、ブレード２９の他方側に設けられて吐出口２８に連通する高圧室とに仕切られている。図６に示すようにピストンロータ１３の偏心回転に伴って吸入ポート２３から低圧室へと低圧の冷媒ガスが吸入され、一方、前回の偏心回転時に吸入された高圧室側に存在する冷媒ガスはピストンロータ１３により圧縮され、圧縮された冷媒ガスは、吐出口２８から吐出される。このとき、高圧室の圧力が最大値に達すると、それ以降は、冷媒ガスが吐出口２８から吐出されるため、高圧室の圧力は一定のままとなる。

図６の左上図、左下図、右下図、右上図、左上図と圧縮工程が繰り返される中、角度情報取得部６１は、速度位置推定回路４７が推定したモータ１８の回転角度を継続的にして取得する。モータ１８（モータロータ１９）、クランクシャフト１６、ピストンロータ１３は連動して回転駆動するのでモータ１８の回転角度から、クランクシャフト１６の回転角度やピストンロータ１３のシリンダ１２内における位置が算出できる。回転速度切替判定部６２は、角度情報取得部６１が取得したモータ１８の回転角度の推定値に基づいて、クランクシャフト１６の回転角度（または、ピストンロータ１３の位置）を算出する。記憶部６４には予め高圧室と低圧室の圧力差が所定の閾値以上となるときのクランクシャフト１６の回転角度（第一変更角度）やピストンロータ１３の位置情報（第一変更位置）が記録されている。回転速度切替判定部６２は、クランクシャフト１６が回転を継続する中、クランクシャフト１６の回転角度が第一変更角度に至るかどうかを監視する。例えば、第一変更角度は、クランクシャフト１６の回転状態が図６の右下図の状態となる位置での角度に設定されていて、回転速度切替判定部６２は、クランクシャフト１６の回転角度が図６の右下図が示す角度（第一変更角度）に至ると回転速度を変更する（上昇する）と判定する。例えば、第一変更角度は、シリンダ１２においてピストンロータ１３がブレード２９を最も押し上げた状態（上死点）におけるクランクシャフト１６の回転角度を０°とし、クランクシャフト１６の回転方向を正の角度位置とした場合に、クランクシャフト１６の回転角度１８０°〜３６０°のうちのどこか（例えば２７０°）に設定されている。

図６の右下図の状態で回転速度切替判定部６２が回転速度を上昇すると判定すると、回転速度指令部６３は、速度位置推定回路４７へより高速な回転速度指令値を出力する。すると、従来よりも短い時間で図６の右下図の状態から右上図の状態へと遷移し、この間の冷媒ガスの漏れを防ぐことができる。回転速度切替判定部６２は、クランクシャフト１６の回転角度の監視を続け、回転角度が第二変更角度に至ると回転速度を変更する（低下する）と判定する。第二変更角度は、例えば０°に設定されていて、回転速度切替判定部６２は、図６の左上図の状態に至ると回転速度を低下する（回転速度の上昇を解除する）と判定する。すると、回転速度指令部６３は、速度位置推定回路４７へ高速化する前の元の回転速度指令値を出力する。ピストンロータ１３は高圧室と低圧室との圧力差が所定の閾値以下の間は所定の回転速度で回転する。このように、本実施形態の回転速度制御装置６０は、高圧室と低圧室の圧力差が大きくなり、冷媒ガスの漏れが生じやすくなると回転速度を上げて、ガス圧の高低差が少ない状態となると所定の回転速度に戻すという制御を行う。

ところで、第一変更角度や第一変更位置は次のような考え方に基づいて、予め実験や計算等によって定めておくことができる。
１．ピストンロータ１３によるシリンダ１２内部の冷媒ガスの圧縮によって生じる高圧室と低圧室の冷媒ガスの圧力差が所定の閾値以上となるとき、または圧力差が最も大きくなるときのクランクシャフト１６の回転角度を第一変更角度に設定する。あるいはそのときのピストンロータ１３の位置を第一変更位置に設定する。
２．高圧室の冷媒ガスの圧力が所定の閾値（例えば最大値）となるときのクランクシャフト１６の回転角度を第一変更角度に設定する。あるいはそのときのピストンロータ１３の位置を第一変更位置に設定する。
３．高圧室から低圧室への冷媒ガスの漏れが所定の閾値以上となるときのクランクシャフト１６の回転角度を第一変更角度に設定する。あるいはそのときのピストンロータ１３の位置を第一変更位置に設定する。
４．シリンダ１２内部での冷媒ガスの圧縮工程において高圧室と低圧室の体積比が所定の割合となるときのクランクシャフト１６の回転角度を第一変更角度に設定する。あるいはそのときのピストンロータ１３の位置を第一変更位置に設定する。
５．冷媒ガスの圧縮によって生じる高圧室から受ける圧縮冷媒ガスによる反力が所定の閾値以上となるときのクランクシャフト１６の回転角度を第一変更角度に設定する。あるいはそのときのピストンロータ１３の位置を第一変更位置に設定する。
６．圧縮冷媒ガスからの反力を受けてモータ１８（モータロータ１９）の回転速度が低下し、回転速度の推定値ωｅｓが所定の閾値以下となるときのクランクシャフト１６の回転角度を第一変更角度に設定する。あるいはそのときのピストンロータ１３の位置を第一変更位置に設定する。
７．モータ１８への回転速度指令値ωｃｍｄと回転速度の推定値ωｅｓとの差Δωが所定の閾値以上となるときのクランクシャフト１６の回転角度を第一変更角度に設定する。あるいはそのときのピストンロータ１３の位置を第一変更位置に設定する。
８．設計上、冷媒ガスの漏れが最も生じやすく、例えばピストンロータ１３とシリンダ１２の内壁とのクリアランスが最も小さくなるよう設計された位置にピストンロータ１３が至ったときのクランクシャフト１６の回転角度を第一変更角度に設定する。あるいはそのときのピストンロータ１３の位置を第一変更位置に設定する。次に説明する第二変更角度とともに回転速度を上昇させる角度の範囲を（第一変更位置、第一変更位置）で表すと、例えば、（１８０、３６０）、または、（２２５、３６０）、または、（２７０、３６０）、または、（３２０、３６０）などと設定してもよい。
９．圧縮機１０の吐出側の冷媒の温度と吸入側の冷媒の温度の温度差が所定の閾値以上となるときのクランクシャフト１６の回転角度を第一変更角度に設定する。あるいはそのときのピストンロータ１３の位置を第一変更位置に設定する。圧縮機１０の吐出側の冷媒の温度は高圧室の圧力と対応し、圧縮機１０の吸入側の冷媒の温度は低圧室の圧力と対応している。そこで、圧縮機１０の吐出側および吸入側の各々にて温度センサで冷媒の温度を計測し、その温度を、例えばＮＩＳＴ（National Institute of Science and Technology）のＲＥＦＰＲＯＰ（Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties Database）等を用いて圧力に変換する。上記の１の高圧室と低圧室の冷媒ガスの圧力差の考え方を適用して、圧力差が所定の閾値以上となるときの高圧室の圧力に対応する冷媒の温度と低圧室の圧力に対応する冷媒の温度の温度差を求める。そして、この温度差となるときのクランクシャフト１６の回転角度を第一変更角度に設定する。なお、温度差による判定の場合、実際の圧縮機１０の運転中にも、圧縮機１０の吐出側および吸入側の配管に温度センサを設け、２つの温度センサで計測した温度の差が閾値以上となると、回転速度を上昇させるという制御を行ってもよい。

なお、第二変更角度については、例えば、上死点（０°＝３６０°）でのクランクシャフト１６の回転角度を第二変更角度と設定する。その他、冷媒ガスの漏れ量が所定の閾値以下に収まるときのクランクシャフト１６の回転角度を第二変更角度に設定してもよい。ピストンロータ１３の位置を示す第二変更位置についても同様である。

次に回転速度制御装置６０による回転速度制御の流れについて説明する。
本発明の一実施形態における回転速度制御装置のフローチャートである。
前提として回転速度制御装置６０は、所定の大きさの回転速度指令を速度位置推定回路４７に出力し、所望の回転速度でピストンロータ１３Ａ、１３Ｂを転動させてロータリ圧縮機１０Ａを駆動しているとする。また、角度情報取得部６１は、速度位置推定回路４７からモータ１８の回転角度（モータロータ１９の磁極角度の推定値θｅｓ）を継続的にして取得し、その値を回転速度切替判定部６２に出力している。
まず、回転速度切替判定部６２は、角度情報取得部６１から取得したモータ１８の回転角度をクランクシャフト１６の回転角度に変換する（例えば、モータ１８の回転角度とクランクシャフト１６の回転角度は同じ）。回転速度切替判定部６２は、クランクシャフト１６の回転角度を記憶部６４に記録された第一変更角度とを比較して、クランクシャフト１６の回転角度が第一変更角度に到達したかどうかを判定する（ステップＳ１１）。第一変更角度に到達した場合（ステップＳ１１；Ｙｅｓ）、回転速度切替判定部６２は、その判定結果を回転速度指令部６３へ出力する。回転速度指令部６３は、取得した判定結果に基づいて、フルベクトル制御回路４１に出力する回転速度指令値を上昇させる（ステップＳ１３）。具体的には、回転速度指令部６３は、記憶部６４から速度を上昇させたときの回転速度指令値を読み出してフルベクトル制御回路４１へ出力する。すると、図２、図３で例示したセンサレスベクトル制御回路により、モータ１８は以前より速い回転速度で回転する。

一方、第一変更角度に到達していない場合（ステップＳ１１；Ｎｏ）、回転速度切替判定部６２は、クランクシャフト１６の回転角度を記憶部６４に記録された第二変更角度と比較して、クランクシャフト１６の回転角度が第二変更角度に到達したかどうかを判定する（ステップＳ１２）。第二変更角度に到達しない場合（ステップＳ１２；Ｎｏ）、ステップＳ１１からの処理を繰り返す。第二変更角度に到達した場合（ステップＳ１２；Ｙｅｓ）、回転速度切替判定部６２は、その判定結果を回転速度指令部６３へ出力する。次に回転速度指令部６３は、取得した判定結果に基づいて、フルベクトル制御回路４１に出力する回転速度指令値を低下させる（ステップＳ１４）。具体的には、回転速度指令部６３は、記憶部６４から所定の（通常の）回転速度指令値を読み出してフルベクトル制御回路４１へ出力する。すると、センサレスベクトル制御回路により、モータ１８は所定の回転速度で回転する。以降、圧縮機１０の動作中、ステップＳ１１からの処理を繰り返す。これにより、クランクシャフト１６の角速度変動を制御し、高圧室から低圧室への冷媒ガスの漏れを低減できる。従って、圧縮機１０の再圧縮効率を高めることができる。

なお、ここでは、クランクシャフト１６の回転角度に基づいて回転速度制御を行ったが、ピストンロータ１３のシリンダ１２内における位置情報を磁極角度の推定値θｅｓに基づいて算出し、算出した位置情報と第一変更位置、第二変更位置と比較して回転速度制御を行ってもよい。また、モータロータ１９の磁極角度の推定値θｅｓと第一変更角度および第二変更角度に相当する閾値とを比較して回転速度制御を行ってもよい。
また、角度情報取得部６１はモータ１８の回転角度に代えて速度位置推定回路４７から回転速度の推定値を取得し、回転速度切替判定部６２は、回転速度の推定値が所定の閾値より遅くなると、ピストンロータ１３が第一変更位置に至ったと判定し、回転速度指令部６３に回転速度の上昇を指示してもよい。

また、上記の説明では１つのシリンダ１２に生じるガス圧の変動に注目して回転速度制御を例に説明を行った。上記の制御方法は、１気筒のロータリ圧縮機に適用できる。図１に示す２気筒のロータリ圧縮機１０の場合、ピストンロータ１３Ａとピストンロータ１３Ｂとが１８０°の位相差をもって回転する。従って、２気筒のロータリ圧縮機１０では、上記の方法で設定した第一変更角度と１８０°逆の回転角度に２つ目の第一変更角度に設定する。また、第二変更角度と１８０°を加算した回転角度を２つ目の第二変更角度に設定する。同様に３気筒のロータリ圧縮機１０では、第一変更角度および第二変更角度に１２０°の位相差をつけて３つずつ設定する。４気筒以上についても同様である。つまり、多気筒のロータリ圧縮機の場合、シリンダ数と同じ数だけ設定された閾値に基づいて、回転速度を上昇させる判断を行う。

本実施形態によれば、センサレスベクトル制御（ＭＲＡＳ制御）によって、モータ１８の回転角度の推定を精度よく行って回転速度を制御することにより、ピストンロータ１３の偏心回転速度の変動を抑制することができる。そのため、従来であれば、高圧室と低圧室の冷媒ガスの圧力差が大きくなり回転速度が低下する場面でも、回転速度を維持し（または上昇させ）、冷媒ガスの漏れを低減することができる。これにより、再圧縮損失を低減し、ロータリ圧縮機の高効率化を図ることができる。
なお、モータ１８は、永久磁石同期モータ、誘導モータなど各種モータを適用することができる。また、本実施形態の回転速度制御は多気筒のロータリ圧縮機に適用することができる。また、本実施形態の制御回路にはＭＲＡＳ制御以外のセンサレスベクトル制御を適用してもよい。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。また、この発明の技術範囲は上記の実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。なお、第一変更角度、第二変更角度、第一変更位置、第二変更位置、シリンダにおける高圧室から低圧室への冷媒ガスの漏れ量に対応して予め設定された閾値の一例である。なお、ロータリ圧縮機システムは、回転速度制御装置６０とセンサレスベクトル制御回路１とロータリ圧縮機１０とを含んで構成される。また、制御システムは、回転速度制御装置６０とセンサレスベクトル制御回路１とを含んで構成される。本実施形態のロータリ圧縮機システムは、例えば空調機に使用される。速度位置推定回路４７はＭＲＡＳ制御回路の一例である。

１・・・センサレスベクトル制御回路
１０・・・圧縮機
１１・・・ハウジング
１２Ａ，１２Ｂ・・・シリンダ
１３Ａ，１３Ｂ・・・ピストンロータ
１６・・・クランクシャフト
１８・・・モータ
２２Ａ、２２Ｂ・・・開口
２３Ａ、２３Ｂ・・・吸入ポート
２４・・・アキュムレータ
２５・・・ステー
２６Ａ、２６Ｂ・・・吸入管
３１・・・コンバータ
３２・・・コンデンサ
３３・・・リアクタ
３４・・・インバータ
３５・・・電流センサ
３６・・・電流検出回路
３７・・・Ａ／Ｄ変換回路
３８・・・ＰＷＭデュ−ティ計算回路
３９・・・Ａ／Ｄ変換回路
４０・・・電圧検出回路
４１・・・フルベクトル制御回路
４２、４３・・・２相／３相変換回路
４４・・・電流ＰＩ制御回路
４５・・・電流変換テーブル
４６・・・速度ＰＩ制御回路
４７・・・速度位置推定回路
４８・・・減算器
４９・・・減算器
５０・・・電流推定回路
５１・・・速度推定回路
５２・・・積分回路

Claims (17)

1. ロータリ圧縮機においてシリンダ内でガスの圧縮を行うピストンロータを駆動するクランクシャフトを回転駆動するモータの回転角度を取得する角度情報取得部と、
   前記シリンダにおける高圧室から低圧室への冷媒ガスの漏れ量に対応して予め設定された前記クランクシャフトの回転角度の閾値と、前記角度情報取得部が取得したモータの回転角度に基づく前記クランクシャフトの回転角度と、を比較して前記モータの回転速度を変更するか否かを判定する回転速度切替判定部と、
   前記回転速度切替判定部が回転速度を変更すると判定した場合、前記モータへの回転速度指令値を変更する回転速度指令部と、
   を備える回転速度制御装置。
2. 前記回転速度切替判定部は、前記クランクシャフトの回転角度が、前記ピストンロータの上死点における前記クランクシャフトの回転角度を０°とし、前記クランクシャフトの回転方向を正の角度位置とした場合に、１８０°から３６０°の間で設定された所定の回転角度に到達すると、前記モータの回転速度を変更すると判定する、
   請求項１に記載の回転速度制御装置。
3. 前記回転速度切替判定部は、前記クランクシャフトの回転角度が、前記高圧室と前記低圧室の冷媒ガスの圧力差が所定の閾値以上となるときの回転角度に到達すると、前記モータの回転速度を変更すると判定する、
   請求項１に記載の回転速度制御装置。
4. 前記回転速度切替判定部は、前記クランクシャフトの回転角度が、前記ロータリ圧縮機の吐出側における冷媒の温度と吸入側における冷媒の温度との温度差が所定の閾値以上となるときの回転角度に到達すると、前記モータの回転速度を変更すると判定する、
   請求項１に記載の回転速度制御装置。
5. 前記回転速度切替判定部は、前記クランクシャフトの回転角度が、前記高圧室から前記低圧室への冷媒ガスの漏れが所定の閾値以上となるときの回転角度に到達すると、前記モータの回転速度を変更すると判定する、
   請求項１に記載の回転速度制御装置。
6. 前記回転速度切替判定部は、前記クランクシャフトの回転角度が、前記高圧室と前記低圧室の体積比が所定の割合となるときの回転角度に到達すると、前記モータの回転速度を変更すると判定する、
   請求項１に記載の回転速度制御装置。
7. 前記回転速度切替判定部は、前記クランクシャフトの回転角度が、前記高圧室の冷媒ガスから前記ピストンロータが受ける圧縮冷媒ガスの反力が所定の閾値以上となるときの回転角度に到達すると、前記モータの回転速度を変更すると判定する、
   請求項１に記載の回転速度制御装置。
8. 前記回転速度切替判定部は、前記クランクシャフトの回転角度が、前記高圧室の冷媒ガスから前記ピストンロータが受ける圧縮冷媒ガスの反力によって前記モータの回転速度が所定の閾値以下となるときの回転角度に到達すると、前記モータの回転速度を変更すると判定する、
   請求項１に記載の回転速度制御装置。
9. 前記回転速度指令部は、前記回転速度切替判定部が前記モータの回転速度を変更すると判定すると前記モータの回転速度を上昇させる、
   請求項１から請求項８の何れか１項に記載の回転速度制御装置。
10. 前記回転速度切替判定部は、前記クランクシャフトの回転角度が、前記ピストンロータの上死点となるときの回転角度に到達すると、前記モータの回転速度を変更すると判定し、
    前記回転速度指令部は、前記モータの回転速度を所定の速度まで低下させる、
    請求項１から請求項９の何れか１項に記載の回転速度制御装置。
11. 前記回転速度切替判定部は、前記クランクシャフトの回転角度に代えて、前記モータの回転角度に基づく前記ピストンロータの前記シリンダにおける位置情報と、前記高圧室から前記低圧室への冷媒ガスの漏れ量に対応して予め設定された閾値とを比較して、前記モータの回転速度を変更するか否かを判定する
    請求項１から請求項１０の何れか１項に記載の回転速度制御装置。
12. 前記角度情報取得部は、ＭＲＡＳ（model reference adaptive system）制御により推定された前記モータの回転角度を取得する、
    請求項１から請求項１１の何れか１項に記載の回転速度制御装置。
13. 前記回転速度切替判定部は、１回の圧縮工程中に前記ロータリ圧縮機が備えるシリンダ数と同じ数だけ設定された前記回転角度の閾値に基づいて、前記モータの回転速度の変更を判定し、
    前記回転速度指令部は、当該判定に基づいて、１回の圧縮工程中に前記シリンダ数と同じ数だけ前記モータの回転速度を上昇させる、
    請求項１から請求項１２の何れか１項に記載の回転速度制御装置。
14. ロータリ圧縮機と、
    請求項１から請求項１３の何れか１項に記載の回転速度制御装置と、
    前記回転速度制御装置が出力する回転速度指令値を取得してロータリ圧縮機が備えるモータの回転を制御するセンサレスベクトル制御回路と、
    を備えるロータリ圧縮機システム。
15. 前記センサレスベクトル制御回路は、ＭＲＡＳ（model reference adaptive system）制御回路を備え、前記ＭＲＡＳ制御回路により前記モータの回転角度および回転速度を推定し、推定した前記モータの回転角度および回転速度に基づいて、前記モータの回転を制御する、
    請求項１４に記載のロータリ圧縮機システム。
16. ロータリ圧縮機の制御に用いられる制御システムであって、
    請求項１から請求項１３の何れか１項に記載の回転速度制御装置と、
    前記回転速度制御装置が出力する回転速度指令値を取得してロータリ圧縮機が備えるモータの回転を制御するセンサレスベクトル制御回路と、
    を備える制御システム。
17. 回転速度制御装置が、
    ロータリ圧縮機においてシリンダ内で冷媒ガスの圧縮を行うピストンロータを駆動するクランクシャフトを回転駆動するモータの回転角度を取得し、
    前記シリンダにおける高圧室から低圧室への冷媒ガスの漏れ量に対応して予め設定された前記クランクシャフトの回転角度の閾値と、前記取得したモータの回転角度に基づく前記クランクシャフトの回転角度と、を比較して、前記モータの回転速度を変更するか否かを判定し、
    前記回転速度を変更すると判定した場合、前記モータへの回転速度指令値を変更する、
    回転速度制御方法。

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