JP2020101093A

JP2020101093A - 流体機械

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Publication number: JP2020101093A
Application number: JP2018237868A
Authority: JP
Inventors: 山本　明弘; Akihiro Yamamoto; 明弘山本; 兼本　喜之; Yoshiyuki Kanemoto; 喜之兼本; 大地岡; Daichi Oka
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2018-12-20
Filing date: 2018-12-20
Publication date: 2020-07-02
Anticipated expiration: 2038-12-20
Also published as: JP7236265B2; US20210310479A1; CN112469900A; US11976648B2; CN112469900B; WO2020129564A1; EP3901461A1; EP3901461A4

Abstract

【課題】圧縮機の温度が高くならない状態で運転している時に異常発熱が起きても異常を検知することができなかった。【解決手段】流体機械本体と、流体機械本体を駆動するモータと、流体機械本体の温度を計測する温度センサーと、流体機械本体を制御する制御部と、を備える流体機械において、制御部は、流体機械本体が吐出する流体の圧力及びモータに入力される電圧の周波数の少なくとも一方に基づき温度閾値を変更し、温度センサーが検出する圧縮機本体の温度が温度閾値を超えた場合に報知する。【選択図】図２

Description

本発明は流体機械に関する。

製造ラインでの動力源や、工作機、プレス機、エアブローなどのエア源、として利用される圧縮気体を生成する気体圧縮機が知られている。気体圧縮機は、ケーシングによって構成される圧縮室内で気体を圧縮する圧縮機本体を備え、圧縮された気体は吐出口から吐出配管を介して気体タンクに吐出させる構成となっている。また、圧縮機本体と、それを駆動するモータや、制御回路、操作パネル等を一体としてパーケージに収め、省スペース化を図ったパッケージ型気体圧縮機がある。このような気体圧縮機やその他の同様の構成を有する流体機械において、流体機械本体の消耗を検出し、破損する前にメンテナンスをすることは製品寿命を長くするために必要である。

本発明の背景技術として特許文献１がある。特許文献１では防音箱１内には、モータ１８によって圧縮機本体３と一緒に駆動される冷却ファン２３，２４と、圧縮機本体３を通常運転と無負荷運転との間で切換えるアンロード機構２５と、圧縮機本体３の周囲の温度を箱内温度Ｔ１として検出する温度センサ３６とを設け、箱内温度Ｔ１が上限温度Ｈを超えたときには、ＣＰＵ３８等によって圧縮機本体３を無負荷運転に切換え、箱内温度Ｔ１が復帰温度Ｌ以下となったときには、通常運転に復帰する。これにより、無負荷運転時には、圧縮機本体３の発熱量を抑えつつ、冷却ファン２３，２４によって防音箱１内の温度を低下させることができ、高温によるサーマルリレー３４等の誤作動を防止することができるという制御を行っている

特開２００８−３１９６５

特許文献１に記載の圧縮機では発熱量が大きい運転状態において異常と判断される温度を上限温度Ｈとしており、例えば、圧力が低い状態で運転している場合やインバータで回転速度を高速に制御している場合のように、圧縮機の温度が高くならない状態で運転している時に異常発熱が起きても異常を検知することができなかった。

上記の課題を解決するために、流体機械本体と、流体機械本体を駆動するモータと、流体機械本体の温度を計測する温度センサーと、流体機械本体を制御する制御部と、を備える流体機械において、制御部は、流体機械本体が吐出する流体の圧力及びモータに入力される電圧の周波数の少なくとも一方に基づき温度閾値を変更し、温度センサーが検出する圧縮機本体の温度が温度閾値を超えた場合に報知する構成とする。

本発明によれば、温度が高くならない状態で運転していても異常発熱を検知可能となる。

本発明の１実施形態の圧縮機本体の断面図である。本発明の実施例１における周波数と温度、圧力と温度の関係の模式図である。本発明の実施例１における周波数と温度、圧力と温度の関係に閾値を加えた場合の模式図である。本発明の実施例１における閾値のマップである。実施例１で圧縮機を運転・停止した際の温度値である。実施例１で周波数と圧力が変化した場合の閾値の変化を示したものである。実施例１で閾値を決定する際のシーケンス図である。実施例２における圧力と温度の関係に閾値を加えた場合の模式図である。実施例２における圧力と温度の関係に閾値を加えた場合の模式図である。実施例２で閾値を決定する際のシーケンス図である。実施例３における圧力と電流の関係に閾値を加えた場合の模式図である。実施例３における圧力と電流の関係に閾値を加えた場合の模式図である。実施例３で閾値を決定する際のシーケンス図である。実施例４における圧力と電力の関係に閾値を加えた場合の模式図である。実施例４における圧力と電力の関係に閾値を加えた場合の模式図である。実施例４で閾値を決定する際のシーケンス図である。

本実施例では圧縮機本体の圧縮方式として、固定スクロールと旋回スクロールとの間で圧縮室を構成し、旋回運動によって空気を圧縮するスクロール圧縮機を例に説明する。

図１は本実施例における圧縮機本体の断面図である。図１に示すように本圧縮機はステータ１０１とロータ１０２から構成されたモータから旋回スクロール１０４と固定スクロール１０５で構成された圧縮機にシャフト１０３を介して動力を伝達している。モータはインバータ１０７から出力される電圧の周波数で回転速度が変化する。冷却ファン１０６はシャフト１０３から動力が伝達されており、発生した冷却風を図示しないダクトを介して旋回スクロール１０４と固定スクロール１０５の冷却フィンに送り、圧縮機を冷却している。温度センサ１０８は固定スクロール１０５の冷却フィンの先端に配置されており、測定した温度を用いて圧縮機の異常を検知し、異常が検知された場合に報知を行う。

制御部１１０には圧縮機本体に備えられた温度センサ１０８や温度センサ１０９が検知した温度情報やインバータ１０７が有する電流計が検出した電流値などの情報が入力されている。インバータ１０７は制御部により出力する電圧の周波数を制御されている。

図２は、実施例１におけるインバータ１０７から出力される電圧の周波数と温度センサ１０８で測定される温度、圧縮機から吐出される圧力と温度センサ１０８で測定される温度の関係の模式図である。図２（１）が周波数ｆと温度Ｔの関係、図２（２）が圧力Ｐと温度Ｔの関係を示している。

図２（１）に示すように周波数ｆは最低周波数２０１と最高周波数２０２の間で、吐出する圧縮空気の空気量が変化した場合に圧力が一定になるように変化する。周波数ｆが低下すると圧縮機と同じシャフト１０３で回転している冷却ファンの回転速度が低下するため、冷却風の風量が減少し、それに伴い、圧縮機の温度Ｔが上昇する。その関係は２０３のように変化し、周波数ｆが低くなると圧縮機の温度Ｔが上昇する。

また、圧力Ｐと温度Ｔの関係は図２（２）に示す通りであり、圧力は０ＭＰａから最高圧力２０６の間で変化する。圧力Ｐが高くなると圧縮空気の温度上昇に伴い固定スクロール１０５の温度が上昇し、温度Ｔも上昇する。従来の製品は周波数ｆおよび圧力Ｔに対して閾値を２０４のように固定値として制御していた。そのため、従来の製品では周波数ｆが高くなった場合や、圧力が低くなった場合であっても２０４まで温度が上昇するまで異常を検知することができず、圧縮機に発生した異常に対処するのが遅れてしまう可能性があった。そのため、２０５、２０８のように周波数および圧力に閾値を依存させることで異常検知を早期に検出できるように制御する。

周波数ｆに対応した閾値Ｔ（ｆ）の決定方法は正常な場合の温度Ｔｏ（ｆ）に対して一定値を足した値とする式（１）や任意の係数ｋ、βを用いた周波数ｆの関数で閾値を表す式（２）等があり、より一般的には式（３）であればよい。
Ｔ（ｆ）＝Ｔｏ（ｆ）＋α （１）
Ｔ（ｆ）＝−ｋｆ＋β （２）
Ｔ（ｆ＋Δｆ）≧Ｔ（ｆ）（Δｆ＞０）（３）
圧力Ｐに対応した閾値Ｔ（Ｐ）の決定方法は正常な場合の温度Ｔｏ（Ｐ）に対して一定値を足した値とする式（４）や任意の係数ｍ、βを用いた圧力Ｐの関数で閾値を表す式（５）等があり、より一般的には式（６）であればよい。
Ｔ（Ｐ）＝Ｔｏ（Ｐ）＋α （４）
Ｔ（Ｐ）＝ｍＰ＋β （５）
Ｔ（Ｐ＋ΔＰ）≦Ｔ（Ｐ）（ΔＰ＞０）（６）
図３は図２の閾値の決定方法を単純化したものである。図３の閾値の決定方法は周波数および圧力を範囲で分け、その範囲毎に３０３および３０５のように一定の閾値として段階的に変化させる。閾値３０３および３０５は正常な場合の温度３０３、３０４より大きい値となる。この範囲を分割する場合は一定の範囲でも部分によって範囲の大きさを分けてもよい。また、分割数も任意である。

図４は圧力と周波数に対する温度の閾値をマップにしたものとなっている。実際に閾値を決定する場合は圧力と周波数の両方を元に閾値を決定する必要があるため、各閾値と周波数の範囲の中にある閾値を温度異常の判定値として使用する。周波数や圧力が変化すれば、それに伴って閾値を変化させる。例えば、周波数２６０Ｈｚ、圧力０．５ＭＰａで運転していた場合には閾値は４０Ｋとなる。ここから周波数は変化せず、圧力が０．６５ＭＰａまで上昇した場合、閾値は４５Ｋに変化し、判定を行う。ここで、単位Ｋ（ケルビン）は圧縮機の周囲温度（気温）と比較した検出温度であり、３０Ｋであれば周囲温度から３０℃上昇していることを示す。

図５は図１の１０８の部分で温度を測定した場合の圧縮機の温度５０２と吐出温度５０１および圧縮機の運転状態５０３の関係を表したものである。圧縮機が停止した図４のｔ１からｔ２の期間では、気体の圧縮が行われないため吐出温度５０１は低下するが、圧縮機温度５０２は冷却ファン１０６が停止するため圧縮機内部の最も温度が高いところからの伝熱によって温度が上昇する。ｔ２で運転を開始すると、吐出温度は再び上昇し、圧縮機の温度は冷却ファンで冷却され、温度が下がる。しかし、連続で運転している状態まで温度が下がるにはｔ３までの時間が必要となる。すなわち、ｔ１からｔ３までの間は定常時よりも温度が高い状態であることが正常であり、この範囲で温度異常の判定を行うと閾値を超える場合がある。そのため、本実施例ではｔ１からｔ３までの範囲は判定を行わない。

図６に圧力６０１および周波数６０２が変化した場合における圧縮機の温度上昇値６０５と閾値６０４との関係の時間変化のグラフを示す。閾値を上昇させる場合と減少させる場合とでは閾値の変化量を調整することで誤検知の可能性を低減することが出来る。

本制御では、時間ｔ１のように閾値を上昇する場合は、閾値上昇６０６のように閾値を時間ｔ１における閾値４５Ｋであるので、即座に閾値を４５Ｋに上昇させる。一方で、時間ｔ２のように閾値を下降する場合、閾値下降６０７のように閾値を時間ｔ２における閾値５０Ｋに即座に下降させるのではなく、段階的又は線形的又は非線形的に時間をかけて閾値を下げるよう制御する。これは、圧縮機の温度低下には時間がかかるため、即座に閾値を下降させると異常がないにも係わらず、圧縮機異常として検知してしまう可能性があるためである。

図７は圧縮機の温度異常判定をする際のフローチャートである。周波数および圧力を取得後、７０１で図４で示した閾値マップから暫定の閾値を取得する。７０２で暫定の閾値が現在の閾値より大きかった場合は暫定閾値を新たな閾値７０５として温度異常判定７０６を行う。７０２で暫定の閾値が閾値より小さかった場合、７０３の通り閾値を一定時間ごとに１Ｋずつ閾値を暫定閾値まで低下させながら判定７０６を行う。７０３を行っている途中で圧力の上昇や周波数の低下が発生し、７０４の判定で暫定の閾値が閾値より大きくなった場合、一定時間ごとに１Ｋずつ閾値を暫定閾値まで低下させる処理を中止し、暫定閾値を閾値として温度異常判定を行う。

このように閾値を固定値とせず、圧力、周波数に応じて変化させることで、より圧縮機の消耗による温度上昇の検出精度が上がり、圧縮機消耗による破損の前にメンテナンスを行うことが可能となる。

図７では閾値の取得に閾値マップを用いる方法を採用しているが、閾値を計算で取得する方法を採用する場合は暫定閾値を取得する７０１および７０３の３番目のステップを暫定閾値計算とすることで同様の制御を行うことが出来る。

なお、本実施例はインバータ機を対象として説明したが、インバータを使用しない一定速制御の圧縮機に使用してもよい、その場合は圧力の変化に対する閾値変化のみ行うことで同様に検出精度の高い判定が可能となる。

また、本実施例では圧力及び周波数に応じて閾値を変更する例について説明したが、圧力のみ、または周波数のみに応じて閾値を変更することも可能である。

図８は圧力が変化した時に、図１の温度センサー１０９が圧縮気体の吐出口において測定した圧縮機の吐出温度である。吐出温度については圧力に依存したものとなり、圧力が高くなった場合に吐出温度も高くなる。圧力Ｐに対応した８０２の閾値Ｔ’（Ｐ）の決定方法は８０１の正常な場合の温度Ｔｏ’（Ｐ）に対して一定値を足した値とする式（７）や任意の係数ｍ、βを用いた圧力Ｐの関数で閾値を表す式（８）等があり、より一般的には式（９）であればよい。
Ｔ’（Ｐ）＝Ｔｏ’（Ｐ）＋α （７）
Ｔ’（Ｐ）＝ｍＰ＋β （８）
Ｔ’（Ｐ＋ΔＰ）≧Ｔ’（Ｐ）（ΔＰ＞０）（９）
図９は図３同様に図８の閾値の決定方法を単純化したものである。図９の閾値の決定方法は圧力を範囲で分け、その範囲毎に９０２のように一定の閾値とする。閾値９０２は正常な場合の温度９０１より大きい値となる。この範囲を分割する場合は一定の範囲でも部分によって範囲の大きさを分けてもよい。また、分割数も任意である。

図１０は吐出温度で圧縮機の異常判定をする際のフローチャートである。吐出温度は圧縮した空気を直接測定するため、実施例１の伝熱を測定する場合より圧力の変化に敏感に反応する。そのため、圧縮機の温度を測定するより、フローが単純になり、１００１で圧力取得し、１００２の閾値マップから閾値を決定し、１００３の温度異常判定を行うフローとなる。

図１１は圧力が変化した時の電流値にて検出する方法である。モータに入力される電流値は気体を圧縮するための動力であるため、圧力が高くなった場合に電流値も高くなる。そこで、制御部１１０はインバータ１０７が備える電流計（非図示）から取得した電流値Iが閾値Ｉ（Ｐ）を超えた場合に
圧力Ｐに対応した１１０２の閾値Ｉ（Ｐ）の決定方法は１１０１の正常な場合の電流値Ｉｏ（Ｐ）に対して一定値を足した値とする式（１０）や任意の係数ｍ、βを用いた圧力Ｐの関数で閾値を表す式（１１）等があり、より一般的には式（１２）であればよい。
Ｉ（Ｐ）＝Ｉｏ（Ｐ）＋α （１０）
Ｉ（Ｐ）＝ｍＰ＋β （１１）
Ｉ（Ｐ＋ΔＰ）≧Ｉ（Ｐ）（ΔＰ＞０）（１２）
図１２は図３同様に図１１の閾値の決定方法を単純化したものである。図１２の閾値の決定方法は圧力を範囲で分け、その範囲毎に１２０２のように一定の閾値とする。閾値１２０２は正常な場合の温度１２０１より大きい値となる。この範囲を分割する場合は一定の範囲でも部分によって範囲の大きさを分けてもよい。また、分割数も任意である。

図１３は電流値で圧縮機の異常判定をする際のフローチャートである。電流値は圧縮した空気に直接的に影響を受けるため、実施例１の伝熱を測定する場合より圧力の変化に敏感に反応する。そのため、圧縮機の温度を測定するより、フローが単純になり、１３０１で圧力取得し、１３０２の閾値マップから閾値を決定し、１３０３の異常判定を行うフローとなる。

図１４は圧力が変化した時の入力電力値にて検出する方法である。入力電力値は実施例３と同様に圧力に依存した値であり、圧力が高くなった場合に入力値も高くなる。圧力Ｐに対応した１４０２の閾値Ｗ（Ｐ）の決定方法は１４０１の正常な場合の入力値Ｗ（Ｐ）に対して一定値を足した値とする式（１３）や任意の係数ｍ、βを用いた圧力Ｐの関数で閾値を表す式（１４）等があり、より一般的には式（１５）であればよい。
Ｗ（Ｐ）＝Ｗｏ（Ｐ）＋α （１３）
Ｗ（Ｐ）＝ｍＷ＋β （１４）
Ｗ（Ｐ＋ΔＰ）＝Ｗ（Ｐ）（ΔＰ＞０）（１５）
図１５は図３同様に図１４の閾値の決定方法を単純化したものである。図１５の閾値の決定方法は圧力を範囲で分け、その範囲毎に１５０２のように一定の閾値とする。閾値１５０２は正常な場合の温度１５０１より大きい値となる。この範囲を分割する場合は一定の範囲でも部分によって範囲の大きさを分けてもよい。また、分割数も任意である。

図１６は入力値で圧縮機の異常判定をする際のフローチャートである。入力値については圧縮した空気を直接測定するため、圧力の変化に敏感に反応する。そのため、圧縮機の温度を測定するより、単純になり、１６０１で圧力取得し、１６０２の閾値マップから閾値を決定し、１６０３の異常判定を行うフローとなる。

なお、式（３）、（６）、（９）、（１２）、（１５）は正常な場合の温度または電流または電力の分布に応じて、２次関数や指数関数等の式を使用したり、記憶部に記憶した式（３）、（６）、（９）、（１２）、（１５）の傾向に合う値を使用することも可能である。

なお、本発明においてスクロール式の圧縮機を例として説明したが、本発明はスクロール式の機械に限られるものではなく、流体機械本体又は吐出流体温度を測定する温度センサー、モータに入力される電流や電力を測定するセンサーを有する流体機械であればツイン／シングルスクリュー式、レシプロ式、ターボ式などの流体機械で採用可能である。また、圧縮機としては空気のように混合気体を圧縮する圧縮機や窒素ガスや酸素ガスなどの単一の気体を圧縮する圧縮機にも採用可能である。さらに、圧縮機以外にも冷凍機、ポンプなど同様の機構を有する流体機械に採用することが可能である。

また、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。実施例２の吐出流体の温度、実施例３のモータへの入力電流、実施例４のモータの消費電力を用いた場合も実施例１と同様に、図５を用いて説明した流体機械の起動時に閾値を超えたことによる報知を行わないように制御することや、インバータの出力する電圧の周波数に基づく閾値の変更ができることは言うまでもない。

１０３：シャフト、１０４：旋回スクロール、１０５：固定スクロール、１０６：冷却ファン、１０７：インバータ、１０８：圧縮機温度測定位置、１０９：吐出温度測定位置

Claims

流体機械本体と、
前記流体機械本体を駆動するモータと、
前記流体機械本体の温度を計測する温度センサーと、
前記流体機械本体を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記流体機械本体が吐出する流体の圧力及び前記モータに入力される電圧の周波数の少なくとも一方に基づき温度閾値を変更し、前記温度センサーが検出する前記圧縮機本体の温度が前記温度閾値を超えた場合に報知する流体機械。
前記制御部が前記流体機械本体が吐出する流体の圧力に基づき前記温度閾値を変更している場合において、流体の圧力が高い場合における前記温度閾値は流体の圧力が低い場合における前記温度閾値以上の値である請求項１に記載の流体機械。
前記制御部が前記モータに入力される電圧の周波数に基づき前記温度閾値を変更している場合において、電圧の周波数が高い場合における前記温度閾値は電圧の周波数が低い場合における前記温度閾値以下の値である請求項１に記載の流体機械。
前記制御部は、前記流体機械本体の運転の開始から所定時間の間は、前記温度センサーが測定する温度が前記温度閾値を超えたことによる報知を行わない請求項１に記載の流体機械。
前記温度センサーが計測する前記流体機械本体の温度とは、前記流体機械本体の作動室で発生した熱を放熱する放熱フィンにおける温度である請求項１に記載の流体機械。
前記温度センサーが計測する前記流体機械本体の温度とは、前記流体機械の作動室で発生した熱を放熱する放熱フィンにおける温度である請求項１に記載の流体機械。
前記制御部は、前記温度閾値を第１の温度閾値から、前記第１の温度閾値よりも低い温度である第２の温度閾値に変更する場合に、前記第１の温度閾値と前記第２の温度閾値の間の温度である第３の温度閾値に前記温度閾値を変更後に前記第２の温度閾値に変更する請求項５に記載の流体機械。
流体機械本体と、
前記流体機械本体を駆動するモータと、
前記モータに入力される電流を測定する電流計と、
前記流体機械本体を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記流体機械本体が吐出する流体の圧力及び前記モータに入力される電圧の周波数の少なくとも一方に基づき電流閾値を変更し、前記電流計が検出する電流が前記電流閾値を超えた場合に報知する流体機械。
前記制御部が前記流体機械本体が吐出する流体の圧力に基づき前記電流閾値を変更している場合において、流体の圧力が高い場合における前記電流閾値は流体の圧力が低い場合における前記電流閾値以上の値である請求項８に記載の流体機械。
前記制御部が前記モータに入力される電圧の周波数に基づき前記電流閾値を変更している場合において、電圧の周波数が高い場合における前記電流閾値は電圧の周波数が低い場合における前記電流閾値以下の値である請求項８に記載の流体機械。
前記制御部は、前記流体機械本体の運転の開始から所定時間の間は、前記電流計が測定する電流が前記電流閾値を超えたことによる報知を行わない請求項８に記載の流体機械。
流体機械本体と、
前記流体機械本体を駆動するモータと、
前記モータに入力される電流を測定する電流計と、
前記流体機械本体を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記流体機械本体が吐出する流体の圧力及び前記モータに入力される電圧の周波数の少なくとも一方に基づき電力閾値を変更し、前記電流計が検出する電流から求められた電力が前記電力閾値を超えた場合に報知する流体機械。
前記制御部が前記流体機械本体が吐出する流体の圧力に基づき前記電力閾値を変更している場合において、流体の圧力が高い場合における前記電力閾値は流体の圧力が低い場合における前記電力閾値以上の値である請求項１２に記載の流体機械。
前記制御部が前記モータに入力される電圧の周波数に基づき前記電力閾値を変更している場合において、電圧の周波数が高い場合における前記電力閾値は電圧の周波数が低い場合における前記電力閾値以下の値である請求項１２に記載の流体機械。
前記制御部は、前記流体機械本体の運転の開始から所定時間の間は、前記電流計が測定する電流から求められた電力が前記電力閾値を超えたことによる報知を行わない請求項１２に記載の流体機械。