JP4081093B2 - 往復動式圧縮器の運転制御方法 - Google Patents

往復動式圧縮器の運転制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、往復動式圧縮器(Reciprocating Compressor)に係るものであり、特に、往復動式圧縮器の運転制御方法に関するものである。
一般に、往復動式圧縮器は、前記圧縮器のピストンをシリンダーの内部で直線往復運動させながら前記シリンダー内部の冷媒ガスを圧縮する。ここで、前記往復動式圧縮器は、ピストンを駆動する方式により、ロータリー型(Rotary-type)とリニア型(Linear-type)とに区分される。
前記ロータリー型は、往復動式圧縮器の回転モータ(rotary motor)にクランクシャフト(crank shaft)を係合し、前記クランクシャフトにピストンを係合することで、前記回転モータの回転運動を前記ピストンの直線往復運動に転換する。又、前記リニア型は、直線モータ(linear motor)の可動子(mover)にピストンを直接係合し、前記可動子の直線往復運動に基づいて前記ピストンを直線往復運動させる。
又、前記リニア形の往復動式圧縮器は、前記ロータリー形の往復動式圧縮器とは違って、回転運動を直線往復運動に変換するクランクシャフトがないために、摩擦損失が少なく、よって、前記リニア方式の往復動式圧縮器が前記ロータリー形の往復動式圧縮器より運転効率(operational efficiency)が高い。
又、前記リニア形の往復動式圧縮器(linear-type compressor)(以下、圧縮器と略称す)は、ストローク指令値(stroke reference value)によって前記圧縮器のリニア モータ(以下、モータと略称す)に印加される電圧を制御してストロークを制御することにより前記圧縮器の圧縮比(compression ratio)を調節することができる。
以下、図５に基づいて前記圧縮器の運転制御装置を説明する。
図５は、従来の技術に係る圧縮器の運転制御装置の構成を示したブロック図で、図示されたように、従来の圧縮器の運転制御装置は、モータに印加される電圧を検出する電圧検出部１４０と、前記モータに印加される電流を検出する電流検出部１５０と、前記検出された電流値、検出された電圧値及びモータに対するパラメーターに基づいてストロークを演算するストローク演算器１６０と、前記演算されたストローク値とストローク指令値とを比較し、その比較結果による差異値を出力する比較器１１０と、前記出力された差異値に基づいて前記モータに印加される電圧を制御して前記圧縮器１３０のストロークを制御することにより、前記圧縮器の圧縮比を調節(adjust)する制御器１２０と、から構成される。
以下、図６に基づいて前記従来の技術に係る圧縮器の運転制御装置の動作を説明する。
図６は、従来の圧縮器の運転制御方法を示したフローチャートであり、図示されたように、従来の圧縮器の運転制御方法は、モータに印加される電圧を検出する段階(Ｓ２０１)と、前記モータに印加される電流を検出する段階(Ｓ２０２)と、前記検出された電流値、電圧値及びモータのパラメーターに基づいてストロークを演算する段階(Ｓ２０３)と、それら演算されたストローク値とストローク指令値とを比較し、その比較結果を出力する段階(Ｓ２０４)と、前記比較結果に基づいて前記モータに印加される電圧を制御して前記圧縮器のストロークを制御する段階(Ｓ２０５、Ｓ２０６)と、からなる。
以下、従来技術に係る圧縮器の運転制御方法を詳細に説明する。
まず、前記電圧検出部１４０は、前記モータに印加される電圧を検出し、その検出された電圧値を前記ストローク演算器１６０に出力する(Ｓ２０１)。
次いで、前記電流検出部１５０は、前記モータに印加される電流を検出し、その検出された電流値を前記ストローク演算器１６０に出力する(Ｓ２０２)。
次いで、前記ストローク演算器１６０は、前記入力された電流値、前記入力された電圧値及び前記モータのパラメーター(モータ常数、抵抗(resistance)、インダクタンス(inductance))に基づいて、次の式（１）によってストローク(Ｘ)を演算し、その演算結果を前記比較器１１０に出力する(Ｓ２０３)。
Figure 0004081093
 式中、αは、前記モータのモータ常数(Motor Constant)であり、ＶMは前記モータで検出された電圧値であり、ｉは前記モータで検出された電流値であり、Ｒは前記モータの抵抗値であり、Ｌは前記モータのインダクタンス値である。
その後、前記比較器１１０は、前記入力されたストローク値とストローク指令値とを比較し、その比較結果を前記制御器１２０に出力する(Ｓ２０４)。
次いで、前記制御器１２０は、前記入力された比較結果に基づいて前記モータに印加される電圧を制御する。つまり、前記制御器１２０は、前記演算されたストローク値が前記ストローク指令値より小さい場合は、前記モータに印加される電圧を増加させ(Ｓ２０５)、前記演算されたストローク値が前記ストローク指令値より大きい場合は、前記モータに印加される電圧を減少させることにより(Ｓ２０６)、前記圧縮器のストロークを制御する。
しかしながら、前記圧縮器のピストンがシリンダーの内部を往復運動する時、前記圧縮器で機械的振動(mechanical oscillation)が発生し、この時、前記圧縮器は、固有の機械的共振周波数を有する。
一方、従来の技術に係る圧縮器は、運転周波数に応じて前記圧縮器の運転効率が変わるが、以下、前記圧縮器の運転効率と前記圧縮器の運転効率との関係を説明する。
図７は、従来の圧縮器において、圧縮器の運転周波数の変化による前記圧縮器の運転効率の変化を示したグラフであり、図示されたように、従来の圧縮器において、前記圧縮器の現在運転周波数(current operating frequency)と前記圧縮器の機械的共振周波数(mechanical resonance frequency)とが一致する場合、前記圧縮器の運転効率(operational efficiency)が最大になる。
従って、圧縮器から機械的振動が発生する時、前記圧縮器は、圧縮器負荷の変化により圧縮器の機械的共振周波数が変化されても、運転周波数(operating frequency)は変化されずに常に一定の運転周波数で運転されるため、圧縮器の運転効率が低下するという問題点があった。
従って、本発明の目的は、圧縮器の負荷が変化する度に、前記圧縮器の機械的共振周波数を演算し、該演算された機械的共振周波数に基づいて前記圧縮器の運転周波数指令値を発し、該発せられた運転周波数指令値に基づいて前記圧縮器の運転周波数を制御することにより、前記圧縮器の運転効率を向上し得る圧縮器の運転制御方法を提供することにある。
このような目的を達成するための本発明に係る圧縮器の運転制御方法は、圧縮器の機械的共振周波数を演算する段階と、該演算された機械的共振周波数と前記圧縮器の現在運転周波数とを比較し、その比較結果に基づいて運転周波数指令値を発生する段階と、該発生された運転周波数指令値によって現在運転周波数を制御する段階と、を行うようになっている。
本発明は、前記圧縮器の機械的共振周波数を演算し、該演算された機械的共振周波数と前記圧縮器の現在運転周波数とが一致するように前記運転周波数を調節することにより、前記圧縮器の運転効率を向上し得るという効果がある。
以下、図１〜図４に基づいて、圧縮器の負荷が変化する度に、前記圧縮器の機械的共振周波数を演算し、前記演算された機械的共振周波数に基づいて前記圧縮器の運転周波数指令値を発し、前記発せられた運転周波数指令値に基づいて前記圧縮器の現在運転周波数を調節することで、前記圧縮器の運転効率を向上し得る圧縮器の運転制御装置及び方法の実施形態に関して説明する。
図１は、本発明に係る圧縮器の運転制御装置の第１実施形態の構成を示したブロック図である。
図１に図示したように、本発明に係る圧縮器の運転制御装置の第１実施形態は、圧縮器４３０のストロークを検出するストローク検出部４４０と、前記圧縮器４３０のモータに印加される電流を検出する電流検出部４５０と、前記検出された電流値及びストローク値に基づいてガススプリング常数(Gas spring constant)を演算し、該演算されたガススプリング常数に基づいて機械的共振周波数を演算する共振周波数演算部４６０と、該演算された機械的共振周波数と前記圧縮器４３０の現在運転周波数との差異値に基づいて運転周波数指令値を発生する運転周波数指令値発生部４７０と、前記発生された運転周波数指令値と前記圧縮器４３０の現在運転周波数とを比較し、その比較結果による差異値を出力する第１比較器４１０と、前記検出されたストローク値とストローク指令値とを比較し、その比較結果による差異値を出力する第２比較器４８０と、該第２比較器４８０から入力された差異値によって前記圧縮器４３０に印加される電圧を制御してストロークを制御し、前記第１比較器４１０から入力された差異値によって前記圧縮器の運転周波数を制御する制御器４２０と、を有して構成されている。
以下、図２Ａ及び図２Ｂに基づいて、本発明に係る圧縮器の運転制御装置の第１実施形態の動作を説明する。
図２Ａ及び図２Ｂは、本発明に係る圧縮器の運転制御装置の第１実施形態の制御方法を示したフローチャートである。
図２Ａ及び図２Ｂに図示したように、本発明係る圧縮器の第１実施形態の運転制御方法は、予め設定された周期で圧縮器４３０のモータに印加される電流を検出する段階(Ｓ５０１)と、前記予め設定された周期で前記圧縮器４３０のストロークを検出する段階(Ｓ５０２)と、前記検出されたストローク値及び前記検出された電流値に基づいてガススプリング常数(ｋg)を演算する段階(Ｓ５０３)と、前記演算されたガススプリング常数(ｋg)に基づいて機械的共振周波数(ｆm)を演算する段階(Ｓ５０４)と、前記圧縮器の現在運転周波数(ｆc)と前記演算された機械的共振周波数(ｆm)との差異値を予め設定された高効率の運転周波数領域と比較し、該比較結果に基づいて運転周波数指令値を発生する段階(Ｓ５０５〜Ｓ５０９)と、該発生された運転周波数指令値によって現在運転周波数を調節する段階(Ｓ５１０〜Ｓ５１３)と、を順次行う。
以下、前記圧縮器の運転制御方法をより詳細に説明する。
まず、前記電流検出部４５０は、前記圧縮器４３０のモータに印加される電流を予め設定された周期で検出し、前記検出された電流値を共振周波数演算部４６０に出力する(Ｓ５０１)。
且つ、前記ストローク検出部４４０は、前記圧縮器４３０のストロークを予め設定された周期で検出し、前記検出されたストローク値を前記第２比較器４８０及び前記共振周波数演算部４６０に出力する(Ｓ５０２)。
次いで、前記第２比較器４８０は、前記入力されたストローク値とストローク指令値とを比較し、その比較結果による差異値を制御器４２０に出力する。
次いで、前記制御器４２０は、前記入力された差異値によって前記圧縮器４３０に印加される電圧を制御してストロークを制御する。
前記共振周波数演算部４６０は、前記ストローク検出部４４０から入力された前記検出されたストローク値及び前記電流検出部４５０から入力された前記検出された電流値に基づいてガススプリング常数(ｋg)を演算し(Ｓ５０３)、該演算されたガススプリング常数(ｋg)に基づいて機械的共振周波数(ｆm)を演算してこれを運転周波数指令値発生部４７０に出力する(Ｓ５０４)。ここで、前記ガススプリング常数(ｋg)は、以下の式（２）により演算され、前記機械的共振周波数(ｆm)は、以下の式（３）により演算される。
Figure 0004081093
 式中、αは前記モータのモータ常数であり、Ｉ（ｊω）は前記圧縮器のモータから検出された電流値であり、Ｘ（ｊω）は前記圧縮器から検出されたストローク値であり、θi,xは前記モータに印加される電流と前記圧縮器から検出されたストロークとの位相差(phase difference)であり、ｍは運動質量(moving mass)であり、ωは２＊π＊ｆc(ここで、ｆcは前記圧縮器の現在運転周波数)であり、ｋmは前記圧縮器の機械的スプリング常数である。
次いで、前記運転周波数指令値発生部４７０は、前記入力された機械的共振周波数(ｆm)と現在運転周波数(ｆc)とを比較し、その比較結果による差異値を予め設定された高効率の運転周波数領域と比較し、その比較結果に基づいて運転周波数指令値を発生し、その発生された運転周波数指令値を前記制御器４２０に出力する(Ｓ５０５〜Ｓ５０９)。
その後、前記制御器４２０は、前記入力された運転周波数指令値によって、前記圧縮器の運転周波数を調節して前記圧縮器４３０を制御する(Ｓ５１０〜Ｓ５１３)。
以下、図３に基づいて、前記運転周波数指令値を発生する方法及び前記発生された運転周波数指令値によって前記圧縮器４３０を制御する方法に関して詳細に説明する。
図３は、本発明に係る圧縮器の運転制御装置において、圧縮器の運転周波数の変化に対する前記圧縮器の運転効率の変化を示したグラフに示されたように、前記運転周波数指令値発生部４７０は、前記現在運転周波数(ｆc)から前記演算された機械的共振周波数(ｆm)を差し引いた差異値が前記予め設定された高効率の運転周波数領域(０＋−δ)内の値である場合、現在の運転周波数(ｆc)を変更せずに前記運転周波数(ｆc)を運転周波数指令値として発生し、その値を前記制御器４２０に出力する(Ｓ５０５、Ｓ５０６、Ｓ５０９)。
しかしながら、前記運転周波数指令値発生部４７０は、前記現在運転周波数(ｆc)から前記演算された機械的共振周波数(ｆm)を差し引いた差異値が前記予め設定された高効率の運転周波数領域の上限値(upper limit value)(０＋δ)より大きい場合は、後述する予め設定された第１及び第２レベルのうち、予め設定された第１レベルだけ前記現在運転周波数(ｆc)を減少させ(Ｓ５０５、Ｓ５０７)、前記現在運転周波数(ｆc)から前記演算された機械的共振周波数(ｆm)を差し引いた差異値が前記予め設定された高効率の運転周波数領域の下限値(lower limit value)(０−δ)より小さい場合は、予め設定された前記第１レベルだけ前記現在運転周波数(ｆc)を増加させる(Ｓ５０５、Ｓ５０６、Ｓ５０８)。
次いで、前記運転周波数指令値発生部４７０は、段階Ｓ５０５〜Ｓ５０８を繰り返しながら、前記現在運転周波数(ｆc)と前記演算された機械的共振周波数(ｆm)との差異値が前記予め設定された高効率の運転周波数領域(０＋−δ)内の値になるまで、現在運転周波数を調節し、その調節された値を運転周波数指令値に発生して前記制御器４２０に出力する(Ｓ５０９)。
この時、前記制御器４２０は、前記運転周波数指令値発生部４７０から入力された運転周波数指令値が現在運転周波数より大きい場合、現在運転周波数を予め設定された第２レベルだけ増加させ(Ｓ５１０、Ｓ５１２)、現在運転周波数より小さい場合は、現在運転周波数を予め設定された前記第２レベルだけ減少させ(Ｓ５１１、Ｓ５１３)、前記現在運転周波数を運転周波数指令値に一致させることにより、運転効率が最大になるように前記圧縮器４３０を制御する。
例えば、演算された機械的共振周波数が６０．０Ｈｚであり、δが０．５Ｈｚ(大略０．１Ｈｚ〜０．５Ｈｚ程度)である時、予め設定された高効率の運転周波数領域は５９．５Ｈｚ〜６０．５Ｈｚである。この時、運転周波数指令値発生部４７０は、現在運転周波数が５９．７Ｈｚであると、現在運転周波数を運転周波数指令値として発生する。しかしながら、現在運転周波数が５８．７Ｈｚであると、現在運転周波数を予め設定された前記第１レベル(例えば、０．５Ｈｚ)だけ増加させながらその値が５９．５Ｈｚ〜６０．５Ｈｚの領域内に入るまで増加させ(５８．７Ｈｚ→５９．２Ｈｚ→５９．７Ｈｚ)、その増加された値５９．７Ｈｚを運転周波数指令値として発生する。
以後、前記制御器４２０は、前記発生された運転周波数指令値(５９．７Ｈｚ)が現在運転周波数(５８．７Ｈｚ)より大きいため、前記現在運転周波数(５８．７Ｈｚ)を予め設定された前記第２レベル(例えば、０．１Ｈｚ)だけ増加させながら、その値が５９．７Ｈｚと同一になるまで調節する(５８．７Ｈｚ→５８．８Ｈｚ→５８．９Ｈｚ→・・・→５９．６Ｈｚ→５９．７Ｈｚ)。
以下、図４に基づいて、本発明に係る圧縮器の運転制御装置の第２実施形態を説明する。
図４は、本発明に係る圧縮器の運転制御装置の第２実施形態の構成を示したブロック図であり、図示されたように、本発明に係る圧縮器の運転制御装置の第２実施形態は、圧縮器４３０のストロークを検出するストローク検出部４４０と、前記圧縮器４３０のモータに印加される電流を検出する電流検出部４５０と、前記検出された電流値及び前記検出されたストローク値に基づいて機械的共振周波数を演算する共振周波数演算部４６０と、前記演算された機械的共振周波数と前記圧縮器４３０の現在運転周波数との差異値に基づいて運転周波数指令値を発生する運転周波数指令値発生部４７０と、前記発生された運転周波数指令値と前記圧縮器４３０の現在運転周波数とを比較し、その比較結果による差異値を出力する第１比較器４１０と、前記圧縮器のＴＤＣ(Top Dead Center)を検出するＴＤＣ検出部７２０と、前記検出されたＴＤＣ値とＴＤＣ指令値とを比較し、その比較結果による差異値を出力する第３比較器７１０と、前記第３比較器７１０から出力された差異値により前記圧縮器４３０に印加される電圧を制御してＴＤＣを制御し、前記第１比較器４１０から入力された差異値により前記圧縮器４３０の運転周波数を制御する制御器４２０と、を含んで構成されている。
以下、本発明に係る圧縮器の運転制御装置の第２実施形態の動作を説明する。
まず、前記電流検出部４５０は、前記圧縮器４３０のモータに印加される電流を予め設定された周期で検出し、前記検出された電流値を共振周波数演算部４６０に出力する。
次いで、前記ストローク検出部４４０は、前記圧縮器４３０のストロークを予め設定された周期で検出し、前記検出されたストローク値を前記共振周波数演算部４６０に出力する。
次いで、前記ＴＤＣ検出部７２０は、圧縮器のＴＤＣを検出して該検出されたＴＤＣ値を第３比較器７１０に出力する。
該第３比較器７１０は、前記入力されたＴＤＣ値とＴＤＣ指令値とを比較し、該比較結果による差異値を前記制御器４２０に出力する。
次いで、前記制御器４２０は、前記入力された差異値により前記圧縮器４３０に印加される電圧を制御することでＴＤＣを制御する。
その後、前記第１実施形態と同様に、前記運転周波数指令値が演算され、該演算された運転周波数指令値と現在運転周波数とが比較され、その比較結果に基づいて運転周波数指令値が発生され、該発生された運転周波数指令値に基づいて前記圧縮器が制御される。
本発明に係る圧縮器の運転制御装置の第１実施形態の構成を示したブロック図である。 図１の運転制御装置の第１実施形態の制御方法を示したフローチャートの一部である。 図１の運転制御装置の第１実施形態の制御方法を示したフローチャートの残り一部である。 図１の運転制御装置において、圧縮器の運転周波数の変化に対する前記圧縮器の運転効率の変化を示したグラフである。 本発明に係る圧縮器の運転制御装置の第２実施形態の構成を示したブロック図である。 従来の圧縮器の運転制御装置の構成を示したブロック図である。 従来の圧縮器の運転制御方法を示したフローチャートである。 従来の圧縮器において、圧縮器の運転周波数の変化に対する前記圧縮器の運転効率の変化を示したグラフである。
符号の説明
４１０ 第１比較器
４２０ 制御器
４３０ リニア圧縮器
４４０ ストローク検出部
４５０ 電流検出部
４６０ 共振周波数演算部
４７０ 運転周波数指令値発生部
４８０ 第２比較器
７１０ 第３比較器
７２０ ＴＤＣ検出部

Claims (7)

  1. 圧縮器の機械的共振周波数を演算する段階と、
    前記演算された機械的共振周波数と前記圧縮器の現在運転周波数とを比較し、その比較結果に基づいて運転周波数指令値を発生する段階と、
    前記発生された運転周波数指令値により現在運転周波数を制御する段階と、
    を順次行い、
    前記機械的共振周波数は、
    前記圧縮器のモータに印加される電流及び前記圧縮器のストロークに基づいてガススプリング常数を演算し、前記演算されたガススプリング常数に基づいて演算され、
    前記ガススプリング常数(ｋg)は、
    Figure 0004081093
     の式により求められ、
    上式において、αは前記モータのモータ常数であり、Ｉ（ｊω）は前記圧縮器のモータで検出された電流値であり、Ｘ（ｊω）は前記圧縮器で検出されたストローク値であり、θi,xは前記モータに印加された電流と前記圧縮器で検出されたストロークとの位相差(phase difference)であり、ｍは運動質量(moving mass)であり、ωは２＊π＊ｆc(ここで、ｆcは前記圧縮器の現在運転周波数)であり、ｋmは前記圧縮器の機械的スプリング常数であることを特徴とする往復動式圧縮器の運転制御方法。
  2. 前記機械的共振周波数(ｆm)は、
    Figure 0004081093
    の式により求められ、
    上式において、ｋgは前記ガススプリング常数であり、ｋmは前記圧縮器の機械的スプリング常数であり、ｍは運動質量(moving mass)であることを特徴とする請求項１に記載の往復動式圧縮器の運転制御方法。
  3. 前記運転周波数指令値を発生する段階は、
    前記現在運転周波数から前記演算された機械的共振周波数を差し引いた差異値が予め設定された運転周波数領域内の値である場合、前記現在運転周波数を前記運転周波数指令値として発生することを特徴とする請求項１に記載の往復動式圧縮器の運転制御方法。
  4. 前記運転周波数指令値を発生する段階は、
    前記現在運転周波数から前記演算された機械的共振周波数を差し引いた差異値が予め設定された運転周波数領域の上限値より大きい場合、予め設定されたレベルだけ前記現在運転周波数を減少させた後、その減少された運転周波数を前記運転周波数指令値として発生し、前記現在運転周波数から前記演算された機械的共振周波数を差し引いた差異値が前記予め設定された運転周波数領域の下限値より小さい場合、前記予め設定されたレベルだけ前記現在運転周波数を増加させた後、その増加された運転周波数を前記運転周波数指令値として発生することを特徴とする請求項１に記載の往復動式圧縮器の運転制御方法。
  5. 前記予め設定された運転周波数領域は、
    前記圧縮器の運転効率が最大になるように設定することを特徴とする請求項３に記載の往復動式圧縮器の運転制御方法。
  6. 前記圧縮器のストロークとストローク指令値とを比較する段階と、
    該比較結果により前記圧縮器のモータに印加される電圧を可変する段階と、をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の往復動式圧縮器の運転制御方法。
  7. 前記圧縮器のＴＤＣ(Top Dead Center)とＴＤＣ指令値とを比較する段階と、
    該比較結果により前記圧縮器のモータに印加される電圧を可変する段階と、をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の往復動式圧縮器の運転制御方法。
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