JP4131931B2

JP4131931B2 - 往復動型圧縮機

Info

Publication number: JP4131931B2
Application number: JP2002381099A
Authority: JP
Inventors: 誠大菊; 貴久平澤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-12-27
Filing date: 2002-12-27
Publication date: 2008-08-13
Anticipated expiration: 2022-12-27
Also published as: JP2004211582A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば往復動ピストン、揺動ピストン（ロッキングピストン）等をシリンダ内で往復動させることにより、空気等の気体を圧縮するのに好適に用いられる往復動型圧縮機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、往復動型圧縮機としては、例えば往復動ピストン、揺動ピストン等を用いた各種の圧縮機が知られており、これらの圧縮機は、例えば電動モータ等の回転源を用いてシリンダ内でピストンを往復動させることにより、空気等の圧縮を行うものである。
【０００３】
この種の従来技術による空気圧縮機として、往復動ピストンを用いた圧縮機を例に挙げて述べると、この圧縮機は、クランクケースと、該クランクケースに回転可能に設けられたクランク軸と、クランクケースに設けられたシリンダと、前記クランク軸に連接棒を介して連結され該シリンダ内で往復動することにより気体を圧縮するピストンとを備えている。この場合、クランク軸と連接棒とは、電動モータ等の回転をピストンの往復動に変換する動作変換機構を構成している。
【０００４】
そして、空気圧縮機の運転時には、電動モータ等によってクランク軸を回転駆動すると、その回転がクランク軸、連接棒等を介してピストンの往復動に変換され、ピストンがシリンダ内で摺動する。これにより、空気圧縮機は、ピストンの往復動に応じてシリンダ内に空気を吸込んで圧縮し、この圧縮空気を外部のエアタンク等に向けて吐出するものである。
【０００５】
ここで、圧縮機の運転中には、例えばクランク軸、連接棒、ピストン等の部品に異常が生じると、これらの部品が高温となって劣化したり、他の部品が連鎖的に損傷することがある。特に、ピストンの連接棒が折損した場合には、圧縮機を正常に運転できないばかりでなく、折れた連接棒によってシリンダ、ピストン等を損傷する虞れがあるため、運転を速やかに停止する必要がある。
【０００６】
このため、従来技術では、例えば振動センサ等を用いて圧縮機の運転中に発生する振動を検出し、検出結果を用いて故障診断を行う構成とした圧縮機もある（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開昭６２−１５３５８３号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来技術では、圧縮機の振動を検出して故障診断を行う構成としている。しかし、圧縮機の使用中には、例えば外部から振動、衝撃等が加わったり、圧縮機の運転開始、停止等によって振動レベルが変化すると、圧縮機が正常であっても、これらの振動、衝撃等が圧縮機の故障として誤診断されるという問題がある。
【０００９】
特に、例えば圧力式運転等の運転モードで圧縮機を用いる場合には、圧縮機の運転、停止を繰返すことによってエアタンク側の圧力を調整するため、運転の停止時、再開時に発生する大きな振動が故障として誤診断され易い。また、例えばアンロード式の圧縮機等では、アンロード弁を開，閉することによってエアタンク側の圧力を調整するため、アンロード弁の開，閉動作時に発生する大きな振動によって正確な故障診断を行うのが難しくなる。
【００１０】
本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、簡単な構造によって故障を診断でき、故障以外の振動、衝撃等による誤診断を防止できると共に、耐久性、信頼性を向上できるようにした往復動型圧縮機を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために本発明は、ケーシングと、該ケーシングに設けられ回転源の回転を往復動に変換する動作変換機構と、前記ケーシングに設けられたシリンダと、前記動作変換機構に連結され該シリンダ内で往復動することにより気体を圧縮するピストンとを備えた往復動型圧縮機に適用される。
【００１２】
そして、請求項１の発明が採用する構成の特徴は、前記ケーシングの振動を検出する振動検出手段を設け、該振動検出手段により検出される振動のうち正常運転時に発生する振動レベルよりも大きな振動が発生するときに、１つの振動が発生してから次の振動が発生するまでの時間を振動の発生周期として計測する周期計測手段を設け、該周期計測手段により計測された前記振動の発生周期が予め定められた診断用周期と一致しているときに故障と診断する故障診断手段を設ける構成としたことにある。
【００１３】
このように構成することにより、圧縮機の運転時には、例えば汎用的な圧電素子等からなる振動検出手段を用いて比較的簡単な構造で圧縮機の振動を検出でき、検出した振動のうち正常運転時の振動レベルよりも大きな振動（異常振動）の発生周期を周期計測手段によって計測することができる。このとき、周期計測手段は、１つの異常振動が生じてから次の異常振動が生じるまでの時間を振動の発生周期として計測するから、単発の異常振動が生じても振動の発生周期は計測されない。このため、単発の異常振動によって故障と診断することがない。そして、故障診断手段は、異常振動の発生周期と予め定められた診断用周期とを比較することにより、往復動機構の故障によって真の異常振動が発生したのか、または他の原因により異常振動が発生したのかを判別でき、往復動機構が実際に故障したときにのみ、故障と診断することができる。
請求項２の発明によると、前記故障診断手段は、前記振動の発生周期が予め定められた診断用周期と一致する回数が予め定められた所定数を越えたときに故障と診断する構成としている。
これにより、振動の発生周期が予め定められた診断用周期と一致する回数が所定数を越えたときに故障と診断できると共に、所定数よりも少ないときには故障以外の原因により異常振動を検出したものとして判別することができる。
請求項３の発明によると、前記故障診断手段は、前記周期計測手段により計測した前記振動の発生周期が予め定められた診断用周期として前記回転源の回転周期と一致しているときに前記動作変換機構と前記ピストンとを含む往復動圧縮機構を故障と診断する構成としている。
このように構成することにより、故障診断手段は、異常振動の発生周期と診断用周期としての回転源の回転周期とを比較する。これにより、例えば１気筒のシリンダが故障したときには、故障診断手段は、異常振動の周期が回転源の回転周期と一致することによって故障を診断することができる。
【００１４】
また、請求項４の発明によると、シリンダは回転源の回転に対し位相差をもって複数気筒設け、故障診断手段は振動の発生周期が予め定められた診断用周期と一致しているときに故障と診断する構成とし、前記診断用周期は、前記回転源の回転周期に等しい周期として設定された第１の診断用周期と、前記複数気筒のシリンダ間の位相差に相当する周期として設定された第２の診断用周期とを含む構成とし、前記故障診断手段は、前記周期計測手段により計測した前記振動の発生周期が第１，第２の診断用周期のうち少なくともいずれか一方の診断用周期と一致しているときに故障と診断する構成としている。
【００１５】
これにより、例えば複数気筒のシリンダのうち１気筒のシリンダで往復動機構が故障したときには、この故障による異常振動が回転源の回転に同期して発生する。また、例えば２気筒以上のシリンダで往復動機構が故障したときには、故障したシリンダ間の位相差に相当する周期をもって異常振動が発生する。従って、故障診断手段は、異常振動の発生周期と第１，第２の診断用周期のうち少なくともいずれか一方の診断用周期と一致しているときに故障と診断するから、１気筒のシリンダが故障した場合だけでなく、２気筒以上のシリンダが故障した場合も故障を診断することができる。
【００１６】
また、請求項５の発明によると、前記診断用周期は、回転源の回転数が変化するときに、当該回転数に応じて可変に設定される構成としている。
【００１７】
これにより、例えば回転源の回転数が高いときには、往復動機構が故障すると、回転源の回転周期に対応して発生する異常振動の周期が時間的に短くなるので、診断用周期を短い周期に設定することができる。また、回転源の回転数が低いときには、異常振動の周期が時間的に長くなるので、診断用周期を長い周期に設定することができる。従って、回転源の回転周期に応じて異常振動の周期が変化する場合でも、これらに追従して診断用周期を可変に設定することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態による往復動型圧縮機を、添付図面に従って詳細に説明する。
【００１９】
ここで、図１ないし図１２は第１の実施の形態を示し、本実施の形態では、往復動ピストンまたは揺動ピストンを用いた圧縮機のうち、往復動ピストンを用いた３気筒型の空気圧縮機を例に挙げて述べる。
【００２０】
１は圧縮空気を貯蔵するエアタンクで、該エアタンク１の上部側には、後述の電源回路２９から給電されることによりクランク軸６を回転駆動する回転源としての電動モータ２が設けられている。そして、電動モータ２の出力側は、プーリ３、ベルト４等を介してクランク軸６と連結されている。
【００２１】
５はエアタンク１上に設けられたケーシングとしてのクランクケースで、該クランクケース５は金属ケース等からなり、その上部側には、図２、図３に示す如く、後述のシリンダ７，８，９が搭載されている。
【００２２】
６はクランクケース５に軸受等を介して回転可能に設けられたクランク軸で、該クランク軸６は、後述の連接棒１８と協働して電動モータ２の回転をピストン１６の往復動に変換する動作変換機構を構成している。そして、クランク軸６は、その端部側がクランクケース５から突出してプーリ３と連結され、電動モータ２により図３中の軸線Ｏ−Ｏを中心として回転駆動されるものである。
【００２３】
７，８，９はクランクケース５上に設けられた例えば３気筒のシリンダで、該シリンダ７，８，９は、図２に示す如く、電動モータ２によるクランク軸６の回転に対し間隔（位相差）をもって配置され、これらの間隔はクランク軸６の中心Ｏ（軸線Ｏ−Ｏ）を基準として例えば６０°程度の角度θに設定されている。また、シリンダ７〜９を左側から順番に第１シリンダ７、第２シリンダ８、第３シリンダ９とした場合に、第１シリンダ７と第３シリンダ９との間には、角度θと径方向の反対側に位置して例えば２４０°程度の間隔が設けられている。
【００２４】
ここで、シリンダ７〜９のうち第１シリンダ７を例に挙げて説明すると、該第１シリンダ７の上部側には、図３に示す如く、弁板１０を介してシリンダヘッド１１が搭載されている。また、シリンダヘッド１１内には、弁板１０との間に位置して吸込室１２、吐出室１３が画成され、弁板１０には、吸込室１２と後述の圧縮室１７との間を連通，遮断する吸込弁１４と、吐出室１３と圧縮室１７との間を連通，遮断する吐出弁１５とが取付けられている。一方、第２，第３シリンダ８，９も、第１シリンダ７とほぼ同様に構成されているものである。
【００２５】
１６はシリンダ７〜９内にそれぞれ往復動可能に設けられたピストンで、該各ピストン１６は、ピストンピン１６Ａを介して後述の連接棒１８と連結され、シリンダ７〜９内に圧縮室１７を画成している。
【００２６】
ここで、シリンダ７〜９内の各ピストン１６が上死点に達するタイミングは、クランク軸６の回転角に対して角度θ分だけ互いに位相差をもって設定されている。このため、圧縮機の運転時には、クランク軸６が角度θだけ回転する毎に第１，第２及び第３シリンダ７，８，９が順次上死点となる。
【００２７】
１８はクランク軸６とピストン１６との間を連結する連接棒で、該連接棒１８は、図３に示す如く、その大端部側が軸受１８Ａを介してクランク軸６に回転可能に連結され、その小端部側が他の軸受１８Ｂを介してピストン１６のピストンピン１６Ａに揺動可能に連結されている。
【００２８】
１９は吸気時の騒音を低減するためにシリンダ７〜９の吸込室１２側に設けられた吸込サイレンサ、２０はシリンダ７〜９の吐出室１３側をエアタンク１に対して並列に接続する吐出配管である。
【００２９】
そして、電動モータ２によりクランク軸６が回転駆動されると、その回転がクランク軸６、連接棒１８等を介してピストン１６の往復動に変換され、シリンダ７〜９内で各ピストン１６がそれぞれ往復動する。これにより、シリンダ７〜９は、吸込サイレンサ１９、吸込室１２、吸込弁１４等を介して圧縮室１７内に空気を吸込んで圧縮し、この圧縮空気を吐出弁１５を介して吐出室１３側に吐出すると共に、吐出配管２０を介してエアタンク１に貯留するものである。
【００３０】
次に、図４を参照しつつ、圧縮機の故障診断装置について説明する。２１はエアタンク１に取付けられた故障診断装置で、該故障診断装置２１は、後述の圧電素子２２と、診断処理回路２３とを含んで構成されている。
【００３１】
そして、診断処理回路２３は、シリンダ７〜９内でピストン１６が往復動するときの振動を圧電素子２２を用いて検出し、例えばクランク軸６、ピストン１６、ピストンピン１６Ａ、連接棒１８、軸受１８Ａ，１８Ｂ、ピストンリング等を含めた往復動機構の故障診断を行うものである。
【００３２】
２２は圧縮機の振動を検出する振動検出手段としての圧電素子で、該圧電素子２２は、例えば歪み変形することにより電荷（電圧）を発生する汎用的な圧電材料等を用いて形成され、図３に示す如く、リード線等の配線２２Ａを用いて診断処理回路２３と接続されている。また、圧電素子２２は、３気筒のシリンダ７〜９から伝わる振動の伝達状態がシリンダ７〜９間でほぼ均等となるように、例えばクランク軸６の軸線Ｏ−Ｏ上となる位置でクランクケース５の外面側に取付けられ、シリンダ７〜９に対する圧電素子２２の距離は互いにほぼ等しくなっている。
【００３３】
そして、圧電素子２２は、シリンダ７〜９内でピストン１６が往復動するときに発生する振動を検出し、この振動波形に対応する検出信号Ｓを診断処理回路２３に出力するものである。この場合、圧電素子２２に伝わる振動は、例えば個々のシリンダ７〜９が上死点の近傍で空気の圧縮、吐出動作を行うときに大きくなり、これらの上死点はクランク軸６の回転方向に対して角度θだけ互いにずれている。
【００３４】
このため、検出信号Ｓの信号波形は、図６に示す如く、シリンダ７〜９が順次上死点の近傍となる毎に周期的に増大するようになり、その周期は、シリンダ７〜９間の角度θに対応する一定の周期ｔ_θとなる。また、シリンダ７〜９のうちいずれか１気筒のシリンダに着目すると、このシリンダが上死点の近傍に達する毎に検出信号Ｓが増大するときの周期は、クランク軸６が１回転する周期（回転周期）ｔ_REVと等しくなる。
【００３５】
２３は圧電素子２２の出力側に接続された診断処理回路で、該診断処理回路２３は、圧電素子２２の検出信号Ｓを増幅する増幅器２４と、検出信号Ｓのノイズを除去するフィルタ２５と、検出信号Ｓの信号波形の包絡線とほぼ等しい波形の包絡線信号Ｓ′（図６中に点線で図示）を出力する包絡線検波器２６と、後述の比較器２７、ＣＰＵ２８、警報器３０等を含んで構成されている。
【００３６】
２７は包絡線検波器２６の出力側に接続された比較器で、該比較器２７は、予め定められた故障判定値Ｖk（図７参照）と包絡線信号Ｓ′との大小関係を比較し、包絡線信号Ｓ′が故障判定値Ｖkを超えたときには、パルス状の故障信号ＫをＣＰＵ２８に出力するものである。
【００３７】
ここで、シリンダ７〜９を構成する往復動機構の各部品に異常が生じた場合には、ピストン１６が円滑に往復動できなくなるため、故障したシリンダの上死点近傍では、圧電素子２２に伝わる振動レベルが異常に大きくなる。このため、故障判定値Ｖkは、例えば圧縮機の正常運転時に発生する振動レベルよりも大きな振動（異常振動）に対応する電圧値として予め設定されているものである。
【００３８】
これにより、例えばシリンダ７でピストンリング等の摩耗が進んだり、連接棒１８が折損した場合には、図７に示す如く、その上死点の近傍で検出信号Ｓ（包絡線信号Ｓ′）が判定値Ｖkを超えるようになり、故障信号Ｋが出力される。また、シリンダ８，９でも同様に、往復動機構に異常が生じると、各シリンダの上死点の近傍で故障信号Ｋが出力される。
【００３９】
２８は電源回路２９により給電されるＣＰＵで、該ＣＰＵ２８は、例えばＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶部２８Ａを有するマイクロコンピュータ等からなり、後述の周期計測タイマと待機移行用タイマとによる計時機能を備えている。そして、記憶部２８Ａには、後述の図１０ないし図１２に示す故障診断プログラムと、後述の周期別カウンタＣ1，Ｃ2，Ｃ3，Ｃ4，Ｃ5，Ｃ6、故障判定用カウンタ値Ｃk等とが記憶されている。
【００４０】
ここで、ＣＰＵ２８は、比較器２７により１つの故障信号Ｋが入力されてから次の故障信号Ｋが入力されるまでの時間（即ち、圧縮機の正常運転時に発生する振動レベルよりも大きな振動の発生周期）Ｔを計測し、この周期Ｔを用いて故障信号Ｋが圧縮機の故障による真の故障信号であるか否かを判別する。
【００４１】
このため、故障診断プログラムには、故障信号Ｋの周期Ｔを判別する複数個の周期帯が予め設定されており、本実施の形態では、下記表１に示す如く、例えば６個の周期帯Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆが所定の境界値Ｔ1〜Ｔ5を用いて設定されている。
【００４２】
【表１】

【００４３】
そして、ＣＰＵ２８の記憶部２８Ａには、図５に示す如く、これらの周期帯Ａ〜Ｆに対応して周期別カウンタＣ1〜Ｃ6が設けられている。これにより、ＣＰＵ２８は、カウンタＣ1〜Ｃ6によって故障信号Ｋの発生回数を周期帯Ａ〜Ｆ毎に個別に計数、記憶し、後述の理由によりカウンタＣ3，Ｃ5のいずれかが故障判定用カウンタ値Ｃk以上となったときには、往復動機構が故障したと診断する。そして、故障診断時には、警報器３０を作動させると共に、リレー駆動回路３１を介して電源リレー３２を開成（ＯＦＦ）し、圧縮機を停止させるものである。
【００４４】
３０はＣＰＵ２８の出力側に接続された警報器で、該警報器３０は、例えば警報ランプ、表示モニタ、ブザー等を含んで構成され、圧縮機が故障したときに警報を発生する。また、３１はＣＰＵ２８の出力側に接続されたリレー駆動回路で、該リレー駆動回路３１は、電動モータ２と電源回路２９との間に設けられた電源リレー３２を開，閉するものである。
【００４５】
ここで、圧縮機の故障モードと故障信号Ｋの周期Ｔとの関係について説明する。まず、例えばシリンダ７〜９のうちいずれか１気筒のシリンダが故障した場合（１気筒故障モード）には、図７に示す如く、故障したシリンダが上死点の近傍となる毎に故障信号Ｋが発生するため、故障信号Ｋは電動モータ２（クランク軸６）の回転に同期して出力され、その周期はクランク軸６の回転周期ｔ_REVと等しくなる。
【００４６】
このため、周期帯Ｅは、下記数１の式に示すように、１気筒故障モードに対応する第１の診断用周期としての周期ｔ_REVを含んで設定されている。
【００４７】
【数１】
Ｔ4≦ｔ_REV＜Ｔ5
【００４８】
次に、例えば３気筒型の圧縮機において、シリンダ７〜９のうち２気筒以上のシリンダが故障した場合（多気筒故障モード）について述べる。まず、例えばシリンダ７，８が故障した場合には、図８に示す如く、これらの上死点近傍で発生する故障信号Ｋの周期がシリンダ７，８間の角度（位相差）θに相当する周期ｔ_θとなる。また、シリンダ７，９が故障したときには、図９に示す如く、故障信号Ｋの周期がシリンダ７，９間の角度２θに相当する周期ｔ_２θ（＝ｔ_θ×２）となる。さらに、シリンダ８，９が故障した場合と、全てのシリンダ７〜９が故障した場合（いずれも図示せず）には、故障信号Ｋの周期に周期ｔ_θが含まれるようになる。
【００４９】
このため、周期帯Ｃは、下記数２の式に示す如く、多気筒故障モードに対応する第２の診断用周期としての周期ｔ_θ，ｔ_２θを含んで設定されている。
【００５０】
【数２】
Ｔ2≦ｔ_θ＜ｔ_２θ＜Ｔ3
【００５１】
そして、ＣＰＵ２８は、故障信号Ｋの周期Ｔが周期帯Ｅに含まれるとき（電動モータ２およびクランク軸６の回転周期ｔ_REVと一致、同期しているとき）、または故障信号Ｋの周期Ｔが周期帯Ｃに含まれるとき（周期ｔ_θ，ｔ_２θに一致しているとき）に、これらの周期帯Ｃ，Ｅで発生する故障信号Ｋの発生回数をカウンタＣ3，Ｃ5によって計数する。これにより、カウンタＣ3，Ｃ5のいずれかが許容限度であるカウンタ値Ｃk以上となったときには、圧縮機の往復動機構が故障したことを診断できると共に、他の周期帯Ａ，Ｂ，Ｄ，Ｆで発生する故障信号Ｋを誤った信号として判別できるものである。
【００５２】
本実施の形態による空気圧縮機は上述の如き構成を有するもので、次に図１０ないし図１２を参照しつつ、ＣＰＵ２８による診断処理について説明する。
【００５３】
まず、圧縮機に電源が投入されると、図１０に示す如く、ステップ１で各種のタイマ、メモリ等を含めてＣＰＵ２８の初期設定を行い、このときにカウンタＣ1〜Ｃ6等を零にクリアする。そして、ステップ２では、比較器２７から故障信号Ｋが入力されたか否かを判定する。
【００５４】
この場合、圧縮機の運転中には、図７に示す如く、シリンダ７〜９のいずれかが故障すると、比較器２７から故障信号Ｋが入力されるようになるので、ステップ２で「ＹＥＳ」と判定し、後述のステップ３に移る。また、ステップ２で「ＮＯ」と判定したときには、故障信号Ｋが入力されるまで待機する。
【００５５】
次に、ステップ３では、後述の計測実行フラグをチェックすることにより、故障信号Ｋの周期を計測していない状態（待機状態）であるか否かを判定する。そして、ステップ３で「ＹＥＳ」と判定したときには、ステップ４で周期計測タイマをスタートし、ステップ５で待機移行用タイマをスタートし、ステップ６で計測実行フラグを１（周期計測状態）にセットした後に、ステップ２に戻る。
【００５６】
これにより、圧縮機の運転中に故障信号Ｋが発生したときには、最初の故障信号Ｋを起点として周期計測が開始され、ＣＰＵ２８が周期計測状態となる。この場合、２回目の故障信号Ｋが一定の時間内に入力されないときには、後述の図１２に示す待機移行処理によってＣＰＵ２８が再び待機状態となる。
【００５７】
また、ＣＰＵ２８が周期計測状態であるときに２回目の故障信号Ｋが入力されると、ステップ３で「ＮＯ」と判定するので、ステップ７に移る。そして、ステップ７では、周期計測タイマの値を読込み、この読込値を故障信号Ｋの周期Ｔとして記憶し、ステップ８では、次回の周期計測を行うために周期計測タイマを零から再スタートする。このとき、待機移行用タイマも零から再スタートする。
【００５８】
次に、ステップ９では、計測した周期Ｔを用いて後述の図１１に示す故障判定処理を行い、ステップ１０では、この判定結果を用いて圧縮機が故障しているか否かを判定する。そして、ステップ１０で「ＹＥＳ」と判定したときには、シリンダ７〜９のいずれかで往復動機構が故障しているので、ステップ１１では、警報器３０を作動させ、ステップ１２では、電源リレー３２を開成して圧縮機を停止し、ステップ１３で終了する。
【００５９】
また、ステップ１０で「ＮＯ」と判定したときには、ステップ２に戻って故障信号Ｋの待受状態となり、圧縮機の電源スイッチがＯＦＦされない限りは、ステップ２〜ステップ１３の処理を繰返し実行する。
【００６０】
次に、図１１を参照しつつ、故障信号Ｋの計測周期を用いて行う故障判定処理について説明する。
【００６１】
まず、ステップ２１では、故障信号の周期Ｔが境界値Ｔ1よりも小さいか否かを判定し、「ＹＥＳ」と判定したときには、計測した周期Ｔが図５中の周期帯Ａに含まれるので、ステップ２２で周期帯ＡのカウンタＣ1を１だけ加算し、後述のステップ３２に移る。
【００６２】
また、ステップ２１で「ＮＯ」と判定したときには、ステップ２３で周期Ｔが境界値Ｔ2よりも小さいか否かを判定し、「ＹＥＳ」と判定したときには、ステップ２４で周期帯ＢのカウンタＣ2を１だけ加算し、ステップ３２に移る。また、ステップ２３で「ＮＯ」と判定したときには、ステップ２５〜ステップ３１で同様の処理を行う。これにより、圧縮機の運転中には、ＣＰＵ２８に故障信号Ｋが入力される毎に、周期別カウンタＣ1〜Ｃ6のうち故障信号Ｋの周期Ｔに対応するカウンタが増加するようになる。
【００６３】
このため、ステップ３２では、周期帯Ｃ（多気筒故障モード）のカウンタＣ3と、周期帯Ｅ（１気筒故障モード）のカウンタＣ5の少なくとも一方が故障判定用カウンタ値Ｃk以上となったか否かを判定する。
【００６４】
そして、ステップ３２で「ＹＥＳ」と判定したときには、ステップ３３で圧縮機を故障と判定する。また、ステップ３２で「ＮＯ」と判定したときには、ステップ３４で圧縮機が正常であると判定し、ステップ３５でリターンする。
【００６５】
これにより、圧縮機の運転中には、正常運転時の振動レベルよりも大きな振動によって故障信号Ｋが発生し、かつ故障信号Ｋの周期Ｔが予め想定された１気筒故障モードの周期帯Ｅまたは多気筒故障モードの周期帯Ｃに一致したときにのみ、圧縮機を故障と診断することができる。そして、これ以外の周期帯Ａ，Ｂ，Ｄ，Ｆで故障信号Ｋが発生したとしても、この信号を故障以外の原因による誤った故障信号として判別することができる。
【００６６】
次に、図１２を参照しつつ、ＣＰＵ２８の待機移行処理について説明すると、この処理は、例えば待機移行用タイマのオーバフローをトリガとする割込処理等として設定され、図１０に示す処理と並列に実行されるものである。
【００６７】
まず、ステップ４１では、１つの故障信号Ｋを受けてから次の故障信号Ｋが入力されるまで一定の時間が経過したか否かを、待機移行用タイマがオーバフローしたか否かによって判定する。そして、ステップ４１で「ＹＥＳ」と判定したときには、入力された故障信号が単発の信号であるか、またはこの入力を最後として故障信号が停止したと判断し、後述のステップ４２に移る。また、ステップ４１で「ＮＯ」と判定したときには、タイマがオーバフローするまで待機する。
【００６８】
次に、ステップ４２では、周期計測タイマを零にクリアして停止し、ステップ４３では、待機移行用タイマをクリアして停止する。そして、ステップ４４では、計測実行フラグを０（待機状態）にセットし、ステップ４５で待機移行処理を終了する。
【００６９】
これにより、ＣＰＵ２８は、故障信号Ｋが新たに入力されるまで待機状態となるので、圧縮機の運転中には、図７に示す如く、例えば故障以外の原因により圧電素子２２から検出信号Ｓｘが出力されたとしても、これに伴って生じる単発の故障信号Ｋや周期帯Ｃ，Ｅに含まれない故障信号Ｋを故障診断の処理から除外でき、誤診断を確実に防止することができる。
【００７０】
かくして、本実施の形態によれば、故障診断装置２１には、圧縮機の振動を検出する圧電素子２２と、該圧電素子２２により検出される振動が異常に大きくなったときに出力される故障信号Ｋの周期Ｔを計測し、この周期Ｔが所定の周期帯Ｃ，Ｅとなったときに圧縮機の往復動機構を故障と診断する診断処理回路２３とを設ける構成としている。
【００７１】
これにより、圧縮機の運転時には、例えば汎用的な圧電素子２２等を用いて比較的簡単な構造でシリンダ７〜９の振動を検出でき、検出した振動が正常運転時の振動レベル等と比較して異常に大きくなったときには、比較器２７から故障信号Ｋを出力することができる。
【００７２】
そして、故障信号Ｋの周期ＴをＣＰＵ２８の周期計測タイマ等によって計測でき、この周期Ｔが予め設定された周期帯Ｃ，Ｅに一致した場合にのみ、圧縮機を故障と診断できると共に、これ以外の場合には、故障信号Ｋを故障以外の原因による誤った信号として確実に判別することができる。
【００７３】
従って、圧縮機の運転時には、例えば振動、衝撃等の外力が加わったり、圧縮機の運転開始、停止時に振動等が生じることによって圧縮機が故障と誤診断されるのを確実に防止することができる。これにより、例えば圧力式運転等の運転モードで圧縮機を運転する場合、またはアンロード式の圧縮機等を用いる場合でも、往復動機構の故障診断を高い精度で行うことができ、故障診断装置２１を各種の圧縮機に対して容易に適用することができる。
【００７４】
そして、故障が発生したときには、これを診断して圧縮機を直ちに停止できるから、故障部品の周囲に位置する他の部品等を保護できると共に、圧縮機の耐久性、信頼性を向上させることができる。また、従来技術のように高価な加速度センサやＦＦＴ用の信号処理回路等を用いる必要がなくなり、診断装置の簡略化やコストダウンを促進することができる。
【００７５】
また、故障診断用の周期として、クランク軸６の回転周期ｔ_REVを含む１気筒故障モード用の周期帯Ｅと、シリンダ７〜９間の角度θに対応する周期ｔ_θ，ｔ_２θを含む多気筒故障モード用の周期帯Ｃとを設けたので、例えばシリンダ７〜９のうち１気筒のシリンダが故障したときには、故障信号Ｋの周期Ｔが周期帯Ｅ（周期ｔ_REV）と一致することによって故障を診断でき、また２気筒以上のシリンダが故障したときには、故障信号Ｋの周期Ｔが周期帯Ｃ（周期ｔ_θ，ｔ_２θ）と一致することによって故障を診断することができる。これにより、１気筒故障モードだけでなく、多気筒故障モードの故障診断も行うことができ、信頼性をより高めることができる。
【００７６】
また、圧電素子２２をクランク軸６の軸線Ｏ−Ｏ上となる位置でクランクケース５に取付けたので、３気筒のシリンダ７〜９からクランクケース５を介して圧電素子２２に伝わる振動レベルをシリンダ７〜９間でほぼ等しくすることができる。これにより、シリンダ７〜９のうちいずれのシリンダが故障した場合でも、故障による振動レベルの変化を圧電素子２２によって均等に検出でき、その故障診断を安定的に行うことができる。
【００７７】
次に、図１３ないし図１６は本発明による第２の実施の形態を示し、本実施の形態の特徴は、クランク軸の回転数に応じて診断用周期を可変に設定する構成としたことにある。なお、本実施の形態では、前記第１の実施の形態と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。
【００７８】
４１は空気圧縮機に搭載された故障診断装置で、該故障診断装置４１は、第１の実施の形態とほぼ同様に、圧電素子２２と、診断処理回路４２とにより構成され、診断処理回路４２は、増幅器２４、フィルタ２５、包絡線検波器２６、比較器２７、警報器３０と、後述のＣＰＵ４３を含んで構成されている。
【００７９】
４３はマイクロコンピュータ等からなるＣＰＵで、該ＣＰＵ４３は、第１の実施の形態とほぼ同様に、例えばＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶部４３Ａを有し、計時機能を備えている。また、記憶部４３Ａには、図１４に示す如く、例えば所定の境界値Ｔ1′〜Ｔ5′により区分された周期帯Ａ′，Ｂ′，Ｃ′，Ｄ′，Ｅ′，Ｆ′毎に故障信号Ｋの発生回数を個別に計数する周期別カウンタＣ1，Ｃ2，Ｃ3，Ｃ4，Ｃ5，Ｃ6と、故障判定用カウンタ値Ｃk等とが記憶されている。
【００８０】
そして、ＣＰＵ４３は、故障信号Ｋの周期Ｔを計測し、カウンタＣ1〜Ｃ6によって故障信号Ｋの発生回数を周期帯Ａ′〜Ｆ′毎に個別に計数、記憶する。また、ＣＰＵ４３は、後述のモータ駆動回路４４から入力される回転数信号に応じて周期帯Ａ′〜Ｆ′のうちいずれか１個の周期帯を、診断用周期としての周期ｔ_REV，ｔ_θ，ｔ_２θ等が含まれる監視周期帯として可変に設定する。そして、この監視周期帯のカウンタがカウンタ値Ｃk以上となったときには、故障信号Ｋの周期Ｔが周期ｔ_REV，ｔ_θ，ｔ_２θ等のいずれかと一致、同期していると判断し、往復動機構が故障したと診断する。
【００８１】
これにより、故障診断装置４１は、例えば電動モータ２の回転数が変化するタイプの空気圧縮機等において、周期帯Ａ′〜Ｆ′のうち故障診断を行う監視周期帯をモータ２の回転数に追従して変化させることにより、常に適切な周期帯で故障診断を行うものである。
【００８２】
４４は例えばインバータ回路等を含んで構成されたモータ駆動回路で、該モータ駆動回路４４は、電動モータ２に駆動信号を出力し、例えばエアタンク１内を所望の圧力に保持するために電動モータ２（クランク軸６）の回転数を可変に制御する。また、モータ駆動回路４４は、電動モータ２の回転数に対応する回転数信号をＣＰＵ４３に出力するものである。
【００８３】
本実施の形態による空気圧縮機は上述の如き構成を有するもので、次に図１５、図１６を参照しつつ、ＣＰＵ４３による診断処理について説明する。
【００８４】
まず、圧縮機の運転時には、図１５に示す監視周期帯設定処理を行う。この処理は、例えばタイマのオーバフローをトリガとする割込処理等として設定され、例えば１０〜１００ｍｓｅｃ程度の一定時間毎に繰返されるものである。
【００８５】
そして、ステップ５１では、例えばタイマがオーバフローしたか否かによって一定の時間が経過したことを判定し、「ＹＥＳ」と判定したときには、ステップ５２に移り、「ＮＯ」と判定したときには、タイマがオーバフローするまで待機する。
【００８６】
次に、ステップ５２では、モータ駆動回路４４から入力される回転数信号を読込み、ステップ５３では、この回転数信号に応じて周期帯Ａ′〜Ｆ′のうちいずれか１個の周期帯を、故障信号Ｋの発生回数を監視するための監視周期帯として選択する。
【００８７】
この場合、例えば電動モータ２の回転数が高いときには、クランク軸６の回転周期に同期して発生する故障信号Ｋの周期ｔ_REV，ｔ_θ，ｔ_２θ等が時間的に短くなり、これらの周期は、周期帯Ａ′〜Ｆ′のうち短周期側に位置する周期帯（例えば図１４中の周期帯Ａ′，Ｂ′等）に含まれるようになるので、この短周期側の周期帯を監視周期帯として設定する。
【００８８】
また、電動モータ２の回転数が低いときには、故障信号の周期ｔ_REV，ｔ_θ，ｔ_２θ等が時間的に長くなり、これらの周期は、長周期側に位置する周期帯（例えば周期帯Ｅ′，Ｆ′等）に含まれるようになるので、この長周期側の周期帯を監視周期帯として設定するものである。そして、監視周期帯を設定した後には、ステップ５４で監視周期帯設定処理を終了する。
【００８９】
次に、図１６を参照しつつ、故障判定処理について説明する。ここで、本実施の形態では、圧縮機を運転するときに、前述した監視周期帯設定処理と並行して第１の実施の形態とほぼ同様の診断処理（図１０のステップ１〜１３参照）を実行する。そして、図１６に示す故障判定処理は、第１の実施の形態の故障判定処理（図１１参照）に代えて実行するものである。
【００９０】
まず、ステップ６１では、周期帯Ａ′〜Ｆ′のうち計測した故障信号Ｋの周期Ｔが含まれる周期帯を判定し、この周期帯に対応するカウンタＣｉ（ｉ＝１〜６）を１だけ加算する。この加算処理は、例えば第１の実施の形態における図１１中のステップ２１〜３１とほぼ同様の処理によって実行される。
【００９１】
次に、ステップ６２では、故障信号Ｋの周期Ｔを含む周期帯が監視周期帯であるか否かを判定し、「ＹＥＳ」と判定したときには、ステップ６３で、この周期帯のカウンタＣｉが故障判定用カウンタ値Ｃk以上となったか否かを判定する。
【００９２】
そして、ステップ６３で「ＹＥＳ」と判定したときには、クランク軸６の回転周期に対応する監視周期帯で故障信号Ｋが発生しているので、ステップ６４で圧縮機を故障と判定する。また、ステップ６３で「ＮＯ」と判定したときには、ステップ６５で圧縮機が正常であると判定し、ステップ６６でリターンする。
【００９３】
一方、ステップ６２で「ＮＯ」と判定したときには、クランク軸６の回転周期と関係ない周期帯で故障信号Ｋが発生しているので、ステップ６５で圧縮機が正常であると判定し、ステップ６６でリターンする。
【００９４】
かくして、このように構成される本実施の形態でも、前記第１の実施の形態とほぼ同様の作用効果を得ることができる。そして、特に本実施の形態では、クランク軸６の回転数に応じて周期帯Ａ′〜Ｆ′のうちいずれか１個の周期帯を監視周期帯として設定する構成としたので、クランク軸６の回転周期に応じて故障信号Ｋの周期Ｔが変化する場合でも、これに追従して監視周期帯を適切に設定することができる。
【００９５】
これにより、故障診断装置４１は、圧縮機が高回転側と低回転側のいずれで運転される場合でも、これらの運転状態で故障が発生したときに生じる故障信号のみを確実に検出、診断でき、圧縮機の回転数が変化したとしても、故障以外の振動、衝撃等による誤診断を防止することができる。従って、例えば回転数可変型の空気圧縮機等においても、故障診断を高い精度で行うことができる。
【００９６】
なお、前記各実施の形態では、図１０中のステップ２〜８が周期計測手段の具体例を示し、ステップ９が故障診断手段の具体例を示している。
【００９７】
また、各実施の形態では、故障信号Ｋの周期Ｔを６個の周期帯Ａ〜Ｆ，Ａ′〜Ｆ′に区分する構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、例えば５個以下の周期帯、または７個以上の周期帯に区分する構成としてもよい。
【００９８】
また、実施の形態では、圧縮機の電源を投入したときにＣＰＵ２８の初期設定を行い、カウンタＣ1〜Ｃ6等を零にクリアする構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、例えば圧縮機が正常に運転されている状態で一定の時間が経過したときに、カウンタＣ1〜Ｃ6等を零にクリアする構成としてもよい。
【００９９】
また、実施の形態では、比較器２７をＣＰＵ２８，４３と別個に設ける構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、例えば比較器２７を廃止して検出信号Ｓ（包絡線信号Ｓ′）をＣＰＵ２８，４３に直接入力し、包絡線信号Ｓ′と判定値Ｖkとの比較判定処理をソフトウェアによって行う構成としてもよい。
【０１００】
また、実施の形態では、３気筒型の空気圧縮機を例に挙げて説明した。しかし、本発明は多気筒型の圧縮機に限るものではなく、例えば１気筒のシリンダを有する単気筒型の圧縮機に適用してもよい。
【０１０１】
また、実施の形態では、往復動ピストンを用いた圧縮機を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限らず、揺動ピストン（ロッキングピストン）を用いた空気圧縮機に適用してもよい。
【０１０２】
また、本発明は、例えば２気筒のシリンダまたは４気筒以上のシリンダがエアタンク１に対して並列に接続された多気筒型の圧縮機や、例えば複数気筒のシリンダが直列に接続され、低圧側のシリンダから高圧側のシリンダに向けて空気を複数段階で順次高圧に圧縮する構成とした多段式の圧縮機に適用してもよい。さらに、本発明は、空気以外の気体を圧縮する各種の往復動型圧縮機にも適用できるのは勿論である。
【０１０３】
【発明の効果】
以上詳述した通り、請求項１の発明によれば、圧縮機には、振動検出手段、周期計測手段および故障診断手段を設ける構成としたので、例えば汎用的な圧電素子等を用いて比較的簡単な構造で圧縮機の振動を検出でき、診断装置の簡略化やコストダウンを促進することができる。また、周期計測手段は、１つの異常振動が生じてから次の異常振動が生じるまでの時間を振動の発生周期として計測するから、単発の異常振動が生じても振動の発生周期は計測されない。このため、単発の異常振動によって故障と診断することがない。そして、異常に大きな振動が予め定められた診断用周期と一致するときには、圧縮機を故障と診断でき、これ以外の振動は、故障以外の原因によるものとして確実に判別することができる。これにより、例えば圧力式運転等の運転モードで圧縮機を運転する場合、またはアンロード式の圧縮機等を用いる場合でも、故障以外の振動等によって故障と誤診断されるのを確実に防止することができる。従って、各種の圧縮機の故障診断を高い精度で行うことができ、耐久性、信頼性を向上させることができる。
請求項２の発明によれば、故障診断手段は、振動の発生周期が予め定められた診断用周期と一致する回数が予め定められた所定数を越えたときに故障と診断するから、振動の発生周期が診断用周期と一致する回数が所定数を越えたときに故障と診断できると共に、所定数よりも少ないときには故障以外の原因により異常振動を検出したものとして判別することができる。
請求項３の発明によれば、故障診断手段は、周期計測手段により計測した振動の発生周期が診断用周期としての回転源の回転周期と一致しているときに往復動圧縮機構を故障と診断するから、故障診断手段は、例えば１気筒のシリンダが故障したことを診断することができる。
【０１０４】
また、請求項４の発明によれば、診断用周期は、回転源の回転周期に等しい周期として設定された第１の診断用周期と、複数気筒のシリンダ間の位相差に相当する周期として設定された第２の診断用周期とを含む構成とし、故障診断手段は、周期計測手段により計測した前記振動の発生周期が第１，第２の診断用周期のうち少なくともいずれか一方の診断用周期と一致しているときに故障と診断する構成とした。このため、例えば１気筒のシリンダが故障したときには、異常振動の周期が第１の診断用周期と一致することによって故障を診断でき、また２気筒以上のシリンダが故障したときには、異常振動の周期が第２の診断用周期と一致することによって故障を診断することができる。これにより、１気筒故障モードだけでなく、多気筒故障モードの故障診断も行うことができ、信頼性をより高めることができる。
【０１０５】
また、請求項５の発明によれば、回転源の回転数が変化するときに診断用周期を回転数に応じて可変に設定する構成としたので、圧縮機の故障時に生じる異常振動の周期が回転源の回転周期に応じて変化する場合でも、これに追従して監視周期帯を適切に設定することができる。これにより、圧縮機が高回転側と低回転側のいずれで運転される場合でも、これらの運転状態で故障が発生したときに生じる異常振動のみを確実に検出、診断でき、圧縮機の回転数が変化したとしても、故障以外の振動、衝撃等による誤診断を防止することができる。従って、例えば回転数可変型の圧縮機等においても、故障診断を高い精度で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による３気筒型の空気圧縮機を示す正面図である。
【図２】図１中のクランクケース、各シリンダ等を拡大して示す空気圧縮機の部分拡大正面図である。
【図３】図２中の矢示III−III方向からみたシリンダ等の拡大断面図である。
【図４】圧縮機の故障診断装置を示す回路構成図である。
【図５】故障信号の周期を区分する複数個の周期帯と各周期帯のカウンタとを示す特性線図である。
【図６】全てのシリンダが正常なときの圧電素子の検出信号と故障信号とを示す特性線図である。
【図７】第１シリンダが故障した１気筒故障モードにおける圧電素子の検出信号と故障信号とを示す１気筒故障モードの特性線図である。
【図８】第１，第２シリンダが故障した多数気筒故障モードにおける圧電素子の検出信号と故障信号とを示す特性線図である。
【図９】第１，第３シリンダが故障した多数気筒故障モードにおける圧電素子の検出信号と故障信号とを示す多数気筒故障モードの特性線図である。
【図１０】圧縮機の診断処理を示す流れ図である。
【図１１】図１０中の故障判定処理を示す流れ図である。
【図１２】図１０の診断処理と並列に実行される待機移行処理を示す流れ図である。
【図１３】本発明の第２の実施の形態による空気圧縮機の故障診断装置を示す回路構成図である。
【図１４】故障信号の周期を区分する複数個の周期帯と各周期帯のカウンタとを示す特性線図である。
【図１５】監視周期帯設定処理を示す流れ図である。
【図１６】故障判定処理を示す流れ図である。
【符号の説明】
２電動モータ（回転源）
５クランクケース（ケーシング）
６クランク軸（動作変換機構）
７，８，９シリンダ
１６ピストン
１８連接棒（動作変換機構）
２１，４１故障診断装置
２２圧電素子（振動検出手段）
２３，４２診断処理回路
２８，４３ＣＰＵ
ｔ_REV 回転周期（第１の診断用周期）
ｔ_θ，ｔ_２θ 周期（第２の診断用周期）
θ 角度（位相差）
Ａ〜Ｆ，Ａ′〜Ｆ′ 周期帯
Ｃ1〜Ｃ6 カウンタ

Claims

ケーシングと、該ケーシングに設けられ回転源の回転を往復動に変換する動作変換機構と、前記ケーシングに設けられたシリンダと、前記動作変換機構に連結され該シリンダ内で往復動することにより気体を圧縮するピストンとを備えた往復動型圧縮機において、
前記ケーシングの振動を検出する振動検出手段を設け、
該振動検出手段により検出される振動のうち正常運転時に発生する振動レベルよりも大きな振動が発生するときに、１つの振動が発生してから次の振動が発生するまでの時間を振動の発生周期として計測する周期計測手段を設け、
該周期計測手段により計測された前記振動の発生周期が予め定められた診断用周期と一致しているときに故障と診断する故障診断手段を設ける構成としたことを特徴とする往復動型圧縮機。
前記故障診断手段は、前記振動の発生周期が予め定められた診断用周期と一致する回数が予め定められた所定数を越えたときに故障と診断する構成としてなる請求項１に記載の往復動圧縮機。
前記故障診断手段は、前記周期計測手段により計測した前記振動の発生周期が予め定められた診断用周期として前記回転源の回転周期と一致しているときに前記動作変換機構と前記ピストンとを含む往復動圧縮機構を故障と診断する構成としてなる請求項１または２に記載の往復動圧縮機。
前記シリンダは前記回転源の回転に対し位相差をもって複数気筒設け、前記診断用周期は、前記回転源の回転周期に等しい周期として設定された第１の診断用周期と、前記複数気筒のシリンダ間の位相差に相当する周期として設定された第２の診断用周期とを含む構成とし、
前記故障診断手段は、前記周期計測手段により計測した前記振動の発生周期が第１，第２の診断用周期のうち少なくともいずれか一方の診断用周期と一致しているときに故障と診断する構成としてなる請求項１，２または３に記載の往復動型圧縮機。
前記診断用周期は、前記回転源の回転数が変化するときに、当該回転数に応じて可変に設定される構成としてなる請求項１，２，３または４に記載の往復動型圧縮機。