JP5094256B2 - 圧縮機制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、トルク脈動を有する圧縮機の制御装置に関し、特に圧縮機の運転停止時の制御装置に関するものである。

従来の圧縮機の運転停止時の制御に関わる技術としては、例えば特許文献１に開示するものがある。これは、電動機によって駆動される圧縮機を備えた空気調和装置において、電源から電動機に電力を供給する電気回路に電磁接触器を設けるとともに、この電磁接触器を開閉することによって、電源から電動機への電力の供給および停止を伴う制御装置を設け、制御装置が圧縮機の停止を伴う制御を行った後に、圧縮機が運転状態であることを検知した場合には、電磁接触器が溶着異常であると判断し、圧縮機の停止を伴う制御を解除して圧縮機の運転を伴う制御を行うようにしたものである。つまり、電磁接触器の溶着異常が判明したときにはヒューズ等を設けることなく、停止できなくなった圧縮機を運転継続させることで保護しようとするものである。その後、圧縮機は手動で電源ブレーカをオフすることにより停止される。

特開２００６−１８９２４４号公報（請求項１、図１、図２）

しかし、圧縮機の運転を停止したときには機械振動が発生する。圧縮機には冷媒を吸入・吐出するための金属製の冷媒配管が接続されるため、圧縮機の振動が発生すると配管に金属疲労が生じて断裂する恐れがあり、機器の信頼性を低下させる要因となっていた。
また、圧縮機の振動は騒音の発生原因ともなる。特に、冷蔵庫や家庭用エアコン等では負荷トルク脈動の大きいシングルロータリ型の圧縮機やレシプロ型の圧縮機が用いられているため、これらの機器は居住空間に近接して設置されることから、機器の低振動・低騒音化に対する要求が高い。

本発明は、上記のような課題に鑑み、圧縮機の運転停止時の振動を抑制する圧縮機制御装置を得ることを目的とする。
また、本発明は、この圧縮機制御装置を適用した冷凍空調装置及びロータリ圧縮機を得ることを目的とする。

本発明に係る圧縮機制御装置は、回転に伴い周期的なトルク脈動を有する圧縮機本体と、前記圧縮機本体を駆動するモータと、前記圧縮機本体及び前記モータを支持する支持部材とを備えた圧縮機の制御装置において、
前記モータを可変速駆動するインバータと、前記インバータを介して前記モータを制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記圧縮機の停止要求があったとき、前記圧縮機の回転周波数ｆres[rps]が前記圧縮機及び前記モータのイナーシャＪsh、前記支持部材のバネ定数ｋsh及びダンピング定数Ｄshとするとき、圧縮機シェルの振動に関する運動方程式から導かれる下式を満足する機械共振周波数の近傍になるように前記インバータの出力周波数を変化させた後、前記インバータの出力をオフするシャットダウン制御手段を有する構成とするものである。

本発明のシャットダウン制御手段は上記のように構成されているので、圧縮機の停止時の振動を抑制し、冷媒配管の金属疲労を抑制するという効果がある。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１における圧縮機及び圧縮機制御装置の構成図である。
図１に示すように、例えば密閉式のロータリ圧縮機からなる圧縮機本体１は、密閉容器である圧縮機シェル３を備えおり、この圧縮機本体１を駆動するモータ２は圧縮機シェル３に内蔵されている。また、圧縮機本体１およびモータ２は支持部材４により支持されている。圧縮すべき流体（冷媒）は吸入配管５により圧縮機本体１内に導かれて圧縮され、吐出配管６へ流出される。モータ２は、直流電源（例えば、交流電力を直流電力に変換した直流電源）７に接続されたインバータ８により駆動される。インバータ８の出力する電流ないし電圧の制御信号は制御手段９により生成される。制御手段９はモータ２の回転数、および運転／停止を制御すべくインバータ８の駆動信号を生成する。制御手段９はシャットダウン制御手段１０を有しており、シャットダウン制御手段１０は制御手段９において圧縮機の停止要求が発生した場合において圧縮機停止までの運転シーケンスを実行する。ここに、制御手段９は例えばマイクロコンピュータ等で構成されており、シャットダウン制御手段１０はマイクロコンピュータのＳ／Ｗ（ソフトウエア）により構成されている。

上記の圧縮機を用いて、例えば冷凍サイクル装置に適用すると、図２のように構成される。図２において、１３０は圧縮機、１３１は四方弁、１３２は凝縮器として機能する室外熱交換器、１３３は蒸発器として機能する室内熱交換器、１３４は膨張弁、１３５は冷媒配管、１３６は吐出配管と吸入配管とに接続されたバイパス配管１３７に設けられたバイパス弁、１３８は室外ファン、１３９は室内ファンである。

ここで、上記のように構成される圧縮機の機械振動について図３により説明する。図３は圧縮機の機械振動を解析するためのモデル図である。圧縮機の各要素部材は、力学的には回転部（主に圧縮機のロータ、モータの回転子、シャフト等を含む）、圧縮機シェル（シェルのほか、圧縮機のシリンダ、モータの固定子等シェルに固定される部材を含む）、および支持部材の３つで構成される。ここで、回転部のイナーシャをＪｒ、圧縮機シェルのイナーシャをＪsh、支持部材のバネ定数をｋsh、ダンピング定数をＤsh、圧縮機シェルの振れ角をθ、モータの出力トルクをＴm、圧縮機の負荷トルクをＴlとすると、圧縮機シェルの振動に関する運動方程式は、式１で表される２階常微分方程式となる。

ここで、Ｄsh²＜４・Ｊsh・ｋshである場合は、トルク差Ｔl−Ｔm（以下、ΔＴと記す）によるシェル変位は減衰振動となる。前記減衰振動の固有周波数ωres[rad/s]、固有周波数（固有振動数）ｆres[Hz]、および圧縮機シェルの振れ角θは、式（２）、式（３）および式（４）で表される。式（４）において、Ｃ₁、Ｃ₂、Ｃ₃は、Ｊsh、Ｄsh、ｋshにより定まる定数である。

冷蔵庫やエアコンの室外ユニットなどでは圧縮機振動による騒音の拡散を防ぐ目的から、上記固有周波数は３０Ｈｚ以下の値が選定され、また圧縮機の運転周波数は一般にこの周波数よりも高い周波数（４０ｒｐｓ以上）で運転される。

式（４）から圧縮機シェルの振れ角θ（周方向振動）を抑制するためには圧延機の負荷トルクＴlとモータの出力トルクＴmとのトルク差ΔＴを小さくすることが必要である。そこでまず、圧縮機の負荷トルクについて図４に基づき説明する。図４はロータリ圧縮機のクランク角と負荷トルクの関係を示す図である。ロータリ圧縮機は流体の吸入・圧縮・吐出を順に行う機構となっているため、負荷トルクはロータ（ローリングピストンとも呼ばれる）の回転位置によって大きく変化する。この負荷トルクは吐出側の圧力に依存し、また吐出側の圧力は圧縮機の回転数に依存することから、低回転で動作する場合は負荷トルクは小さくなる。

次に、モータの出力トルクの変化とトルク差の関係について図５に基づき説明する。図５はモータ運転停止前後におけるトルクの変化を示す図である。図４のような負荷トルクを有する圧縮機を低振動で駆動するためには、モータ出力トルクを負荷トルクにほぼ一致させて運転させれば良い。すなわち、図５のモータ出力トルクをクランク角０〜７２０degの波形の如く発生させ、トルク差をほぼゼロとなるように制御すればよい。しかしながら、圧縮機を運転停止する場合、インバータからの電力供給はゼロとなるため、モータの出力トルクはほぼゼロとなり、トルク差は圧縮機の負荷トルクと等しくなり、トルク差としては急増する。すなわち、インバータ停止後の振動は圧縮機の負荷トルクの挙動に依存することとなる。また、現実的には運転中においても圧縮機負荷トルクとモータ出力トルクを完全に一致させることは困難であり、若干の加振力は残存する。このため、この加振力が振動になりやすい周波数（（２）式で示される共振周波数）は運転範囲からある程度離して設計する。冷蔵庫やエアコンの室外ユニットでは0.1〜10rps程度の運転禁止帯を設けることから、運転周波数の下限値ｆminは共振周波数＋運転禁止帯／２となる。すなわち、運転周波数の下限値ｆminは下記の式（５）を満たすように設定する。

次に、図５のトルク差の急変による圧縮機シェルの振動の発生について、図６、図７に基づき説明する。図６、図７はいずれもインバータを停止した場合の圧縮機シェルの振れ角（周方向振動）の時間遷移を示すものであり、図６は低速運転時、図７は高速運転時である。
圧縮機の周方向振動はインバータの出力停止と同時に発生するが、高速回転時は、図７に示すように、負荷トルクの振幅が大きくなり、式（４）のΔＴが大となり、結果、振れ角（周方向振動）は大となる。

以上のことから次に、本発明の実施の形態１におけるシャットダウン制御手段の動作について、図８に基づき説明する。図８は実施の形態１における圧縮機停止時の運転周波数（インバータ出力回転数）の変化を示す図である。圧縮機運転中に停止する必要を生じた場合、まずインバータの運転周波数を（２）式の固有周波数にむけて減少させる。次に、運転周波数が前記（５）式で示される運転周波数下限値ｆminに近づいたときに、インバータからの駆動信号を停止しモータ出力をオフする。

以上のように制御することで、インバータ停止時の圧縮機シェル振動の要因である負荷トルクを抑制することが可能であり、停止時のトルク急変によるシェル振動が抑制される。図９はインバータを停止する運転周波数と圧縮機の振動の関係を示す図であり、圧縮機振動の最小値は機械共振周波数ｆresの近傍（ｆresの２倍以内）では低速となる程小さくなる傾向がある。したがって、運転周波数の上限値ｆmaxは、下記の式（６）を満たすように設定する。

実施の形態２．
本発明の効果を奏する実施の形態２について説明する。圧縮機及び圧縮機制御装置の構成は図１と同一であり、説明は実施の形態１と同様であるので省略し、ここでは主に、圧縮機の振動抑制原理について説明する。

図１０はインバータの停止位相と圧縮機のシェル振動の解析結果を示す図であり、式（１）〜（４）に諸定数を設定して停止位相と圧縮機のシェル振動の関係を解析した図である。

次に、動作について図１１のフローチャートに基づいて説明する。まず、圧縮機を始動し運転する（ステップ１〜２）。ここで、制御手段９は運転終了指令を確認し、運転終了すべき状況である場合はシャットダウン制御手段１０に圧縮機を停止するためのシーケンスの実行を指示する（ステップ３）。運転終了の指示をうけたシャットダウン制御手段１０は、まずインバータ８の出力回転数を通電終了するための回転数へと変化する。この周波数の与え方については実施の形態１と同一であるので説明を省略する（ステップ４、５）。次に、シャットダウン制御手段１０は圧縮機の回転位相（クランク角）が、上記で説明した停止時の振動が低下する位相（６０〜３００deg）であるか否かを判断し、そうである場合はインバータ８への通電を停止し、モータ２の出力トルクをＯＦＦする（ステップ７）。
以上のように制御することで、インバータ停止時の圧縮機のシェル振動を抑制することができる。

実施の形態３．
次に、本発明の効果を奏する実施の形態３について図１２に基づき説明する。図１２は本発明の実施の形態３におけるロータリ圧縮機の概略の断面を示す構成図である。
このロータリ圧縮機１３０は、シリンダ１１１内でロータ１１２が偏心回転運動を行うようになっている。ロータ１１２はシャフト１１３に偏心して取り付けられており、図示しないモータにより回転駆動される。また、先端がロータ１１２に当接するベーン１１４がシリンダ１１１に摺動自在に設けられており、ベーン１１４はロータ１１２の回転に伴い所定の方向（この例では、上下方向）に移動し、シリンダ１１１内の空間を吸入側の吸入室１１５と吐出側の圧縮室１１６とに分離する。ベーン１１４の位置はアクチュエータ１１７によって制御される。圧縮すべき流体は吸入口１１８を通じて吸入室１１５に吸入され、ロータ１１２の回転によって圧縮室１１６内の圧縮された流体は吐出弁１１９から吐出される。アクチュエータ１１７は通電ＯＮすると、ベーン１１４をロータ１１２から離れた位置に動作し、吸入側圧力と吐出側圧力との差圧をゼロとする。

次に、動作について図１３を参照して説明する。圧縮機の通常運転時はアクチュエータ１１７はＯＦＦとして圧縮動作を行う。すなわち、ロータ１１２が図１３（ａ）→（ｂ）→（ｃ）→（ａ）の順に偏心回転運動を行うことによって流体の吸入・圧縮・吐出が繰り返し行われる。このような圧縮機の運転状態から圧縮機１を停止する場合はアクチュエータ１１７をＯＮする。そうすると、図１３（ｄ）〜（ｆ）に示すように、ベーン１１４は開放位置へ引き上げられることで吸入室１１５と圧縮室１１６が連通しアンロード状態となる。したがって、圧縮機負荷トルクはほぼゼロとなる。この後圧縮機１３０の駆動力であるモータの通電をＯＦＦする。この通電の前後ではトルク差はほとんど無くなるため停止時の振動は抑制される。

実施の形態４．
次に、本発明の効果を奏する実施の形態４について図１４に基づき説明する。図１４は本発明の実施の形態４における冷凍サイクル装置の構成を示す。この冷凍サイクル装置は、図２と同様に、圧縮機１３０、室外熱交換器１３２、膨張弁１３４、室内熱交換器１３３、四方弁１３１が冷媒配管１３５で接続されて冷凍サイクルを構成している。また、圧縮機１の吐出側と吸入側とはバイパス弁１１６を有するバイパス配管１３７で接続されている。図中、１３８は室外ファン、１３９は室内ファン、１６１は電源、１６２は圧縮機１のモータ（図示せず）への投入電力をＯＮ／ＯＦＦする開閉器である。

次に、動作について説明する。圧縮機１の運転中に停止要求が発生した場合は、図示しない制御手段によって、先ずバイパス弁１３６を開き、圧縮機１の吸入側圧力と吐出側圧力との圧力差をゼロにする。これにより圧縮機１の負荷トルクおよびその脈動は極めて小さくなる。この後開閉器１６２を閉（ＯＮ）から開（ＯＦＦ）とし、圧縮機１の運転を停止する。以上により停止に伴うトルク変動は抑制され、低振動にて停止する。

実施の形態５．
なお、実施の形態４はバイパス弁を設ける方法にて説明したが、時間的な制約がなければバイパス弁を用いずに膨張弁制御で代替しても良い。この場合の構成図は図１５の通りとなる。また動作は図１６の通りとなる。圧縮機１の停止要求が発生した場合は膨張弁１３４の開度を大きくし、圧縮機１の吸入側圧力と吐出側圧力との圧力差を漸減させる。そして所定時間経過した後圧縮機１を停止させる。上記の動作により低振動に圧縮機を停止することが可能となる。

本発明は、以上に述べた実施の形態に限られるものではない。例えば、本発明の活用例として、冷凍空調用のインバータ圧縮機の低振動・低騒音化が挙げられる。冷蔵庫および家庭用エアコン等では負荷トルク脈動の大きいシングルロータリ型或いはレシプロ型の圧縮機が用いられる。これらの機器は、居住空間に近接して設置されるため、機器の低振動・低騒音化に対する要求も高い。
また、本発明は冷媒配管にかかる応力を低下するため、金属疲労による配管断裂の予防の効果があり、冷凍空調機器の経年劣化抑制が出来る。

本発明の実施の形態１における圧縮機及び圧縮機制御装置の構成図。 冷凍サイクル装置の構成図。 圧縮機の機械振動を解析するためのモデル図。 ロータリ圧縮機のクランク角と負荷トルクの関係を示す図。 モータ運転停止前後におけるトルクの変化を示す図。 低速運転中にインバータを停止した場合の圧縮機シェルの振動を示す図。 高速運転中にインバータを停止した場合の圧縮機シェルの振動を示す図。 実施の形態１における圧縮機停止時の運転周波数の変化を示す図。 インバータを停止する運転周波数と圧縮機の振動の関係を示す図。 インバータの停止位相と圧縮機のシェル振動の解析結果を示す図。 実施の形態２の動作説明図。 本発明の実施の形態３における圧縮機の構成図。 実施の形態３の動作説明図。 本発明の実施の形態４における冷凍サイクル装置の構成図。 本発明の実施の形態５における冷凍サイクル装置の構成図。 実施の形態５の動作説明図。

符号の説明

１ 圧縮機本体、２ モータ、３ 圧縮機シェル、４ 支持部材、５ 吸入配管、６ 吐出配管、７ 直流電源、８ インバータ、９ 制御手段、１０ シャットダウン制御手段、１１１ シリンダ、１１２ ロータ、１１３ シャフト、１１４ ベーン、１１５ 吸入室、１１６ 圧縮室、１１７ アクチュエータ、１１８ 吸入口、１１９ 吐出弁、１３０ 圧縮機、１３１ 四方弁、１３２ 室外熱交換器、１３３ 室内熱交換器、１３４ 膨張弁、１３５ 冷媒配管、１３６ バイパス弁、１３７ バイパス配管、１３８ 室外ファン、１３９ 室内ファン、１６１ 電源、１６２ 開閉器。

Claims (3)

1. 回転に伴い周期的なトルク脈動を有する圧縮機本体と、前記圧縮機本体を駆動するモータと、前記圧縮機本体及び前記モータを支持する支持部材とを備えた圧縮機の制御装置において、
   前記モータを可変速駆動するインバータと、前記インバータを介して前記モータを制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記圧縮機の停止要求があったとき、前記圧縮機の回転周波数ｆres[rps]が前記圧縮機及び前記モータのイナーシャＪsh、前記支持部材のバネ定数ｋsh及びダンピング定数Ｄshとするとき、圧縮機シェルの振動に関する運動方程式から導かれる下式を満足する機械共振周波数の近傍になるように前記インバータの出力周波数を変化させた後、前記インバータの出力をオフするシャットダウン制御手段を有することを特徴とする圧縮機制御装置。
   

   
2. 回転に伴い周期的なトルク脈動を有する圧縮機本体と、前記圧縮機本体を駆動するモータと、前記圧縮機本体及び前記モータを支持する支持部材とを備えた圧縮機の制御装置において、
   前記モータを可変速駆動するインバータと、前記インバータを介して前記モータを制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記圧縮機の停止要求があったとき、前記圧縮機の回転周波数ｆres[rps]が前記圧縮機及び前記モータのイナーシャＪsh、前記支持部材のバネ定数ｋsh及びダンピング定数Ｄshとするとき、圧縮機シェルの振動に関する運動方程式から導かれる下式を満足する所定の回転数範囲になるように前記インバータの出力周波数を変化させるとともに、前記圧縮機の回転位相を圧縮機の振動が低下する所定位相へ移行させた後、前記インバータの出力をオフするシャットダウン制御手段を有することを特徴とする圧縮機制御装置。
   

   
3. 前記所定の回転数範囲の上限値ｆmax[rps]は、前記圧縮機及び前記モータのイナーシャをＪsh、前記支持部材のバネ定数をｋsh、ダンピング定数をＤshとするとき、下式を満たすことを特徴とする請求項１または２記載の圧縮機制御装置。
   

   

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