JP5764998B2

JP5764998B2 - 空気圧縮機

Info

Publication number: JP5764998B2
Application number: JP2011066213A
Authority: JP
Inventors: 宏樹北川; 横田　伴義; 伴義横田; 松永　健一; 健一松永; 政広三浦
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2011-03-24
Filing date: 2011-03-24
Publication date: 2015-08-19
Anticipated expiration: 2031-03-24
Also published as: JP2012202270A

Description

本発明は、空気工具等に用いられる圧縮空気を生成する空気圧縮機に関する。

一般に、空気圧縮機は、空気の圧縮過程において発生する圧縮熱とモータ巻き線コイルの抵抗損によるジュール熱とを発生させる。これらの熱は、アルミニウム等の金属材料から形成される圧縮機の強度低下をもたらすおそれがあり、また、モータを焼損させるおそれがある。一方、圧縮機を冷却することによって、圧縮された空気の温度を下げ、圧縮効率を向上させることができる。そのため、例えば特許文献１に記載の空気圧縮機は、圧縮機の駆動軸に設けられ、駆動モータと同期して回転する冷却ファンにより圧縮機を冷却する。

特開平６−１２９３８３号公報

一般に、可搬型の空気圧縮機は、住宅建築工事現場で使用されており、騒音をできるだけ小さくすることが求められている。しかし、特許文献１に記載されている空気圧縮機においては、駆動モータと冷却ファンとが同期して動作するため、圧縮機の振動音、圧縮空気の吸気排気音、及び冷却ファンの羽根による風切音が同時に発生し、これらの音が共鳴して騒音が大きくなるという問題がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、騒音の低減を図ることが可能な空気圧縮機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る空気圧縮機は、
圧縮空気を生成する圧縮空気生成部と、
前記圧縮空気生成部を駆動する第１電動モータと、
前記圧縮空気生成部を冷却するファンを駆動する第２電動モータと、
前記圧縮空気生成部及び前記第１電動モータのうち少なくとも一方の温度を検出する温度検出部と、
前記第１電動モータの運転状態を検出する運転状態検出部と、
前記温度検出部により検出された温度と前記運転状態検出部により検出された前記第１電動モータの運転状態とに基づいて、前記第２電動モータの回転数を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記温度検出部により検出された温度が第１の所定温度よりも大きい場合において、前記運転状態検出部により検出された運転状態がオフ状態である場合に前記第２電動モータを第１所定回転数で運転し、前記運転状態検出部により検出された運転状態がオン状態である場合に前記第２電動モータを前記第１所定回転数よりも小さい第２所定回転数で運転、または停止させることを特徴とする。

前記制御部は、前記運転状態検出部により検出された運転状態がオン状態である場合において、前記温度検出部により検出された温度が第２の所定温度以上である場合に前記第２電動モータを所定回転数で運転し、前記温度検出部により検出された温度が前記第２の所定温度よりも小さい場合に前記第２電動モータを前記第２の所定温度以上である場合の前記第２電動モータの所定回転数よりも小さい所定回転数で運転、または停止させてもよい。

本発明によれば、騒音の低減を図ることが可能な空気圧縮機を提供できる。

本発明の実施形態に係る空気圧縮機の外観側面図である。本発明の実施形態に係る空気圧縮機の上面一部断面図である。本発明の実施形態に係る空気圧縮機の回路構成図である。本発明の実施形態に係る回転数設定ＤＢの一例を示す図である。本発明の実施形態に係る制御部が実行する冷却制御処理を説明するためのフローチャートである。（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施形態に係る空気圧縮機の空気タンク内圧力、圧縮空気生成部の温度、圧縮用モータの運転状態、及び冷却用モータの回転数のタイミングチャートの一例を表す図である。

以下、本発明の実施形態に係る空気圧縮機１を図面を用いて説明する。図１及び図２は、空気圧縮機１の外観側面図及び上面一部断面図である。空気圧縮機１は、図１に示すように、ハンドル１０１を備えた可搬型の空気圧縮機であり、カバー１０２により覆われている。空気圧縮機１は、図２に示すように、圧縮空気生成部１１０と、駆動部１２０と、冷却部１３０と、空気タンク部１４０と、操作パネル部１５０と、制御回路部１６０（図３参照）と、から構成される。

圧縮空気生成部１１０は、アルミニウム等の金属材料から形成されたシリンダ及びピストンから主に構成され、シリンダ内でピストンを駆動部１２０の圧縮用モータ１２１により往復運動させ、シリンダの吸気弁からシリンダ内に引き込まれた空気を圧縮することにより、圧縮空気を生成する。圧縮空気生成部１１０は、具体的には、図２に示すように、１段目圧縮装置１１１と、２段目圧縮装置１１２とから構成され、１段目圧縮装置１１１と２段目圧縮装置１１２はクランクケース１１３を介し、対向するように配置される。１段目圧縮装置１１１は、クランクケース１１３の内部を経由して流入した外部空気（大気圧）を圧縮し、２段目圧縮装置１１２に圧縮空気を供給する。２段目圧縮装置１１２は、１段目圧縮装置１１１から供給される圧縮空気を、例えば３．０〜４．５ＭＰａの許容最高圧力まで圧縮し、空気タンク１４１ａ、１４１ｂに供給する。

また、図３に示すように、圧縮空気生成部１１０には、圧縮空気生成部１１０の温度を検出するための温度センサ１１４が設けられている。温度センサ１１４は、例えば、２段目圧縮装置１１２のシリンダヘッドに設けられ、検出信号を制御回路部１６０に出力する。

駆動部１２０は、図２に示すように、圧縮空気生成部１１０のピストンを往復運動させるための駆動力を発生させる電動モータである圧縮用モータ１２１と、圧縮用モータ１２１の回転軸に取り付けられたクランク軸１２２とから構成される。圧縮用モータ１２１は、クランク軸１２２を介して圧縮空気生成部１１０のピストンを往復運動させる。また、圧縮用モータ１２１は、制御回路部１６０により、その運転状態を、運転している状態を示すオン状態、または運転を停止している状態を示すオフ状態のいずれかに制御される。

冷却部１３０は、冷却ファン１３１と、冷却ファン１３１を回転駆動させる電動モータである冷却用モータ１３２とから構成され、圧縮空気生成部１１０と圧縮用モータ１２１を通風冷却する。冷却用モータ１３２は、その運転の開始・停止、回転数等を制御される。

空気タンク部１４０は、１対の空気タンク１４１ａ、１４１ｂと、圧力センサ１４２と、減圧弁１４３と、カプラ１４４とから構成される。

空気タンク１４１ａ、１４１ｂは、長胴型に形成され、互いに長手方向に略平行になるように配置されている。空気タンク１４１ａと空気タンク１４１ｂとは連結管により連通しており、空気タンク１４１ａと空気タンク１４１ｂ内の圧力は、略同一に保たれる。圧縮装置１１０で生成された圧縮空気は、配管を介して空気タンク部１４０に供給され、空気タンク１４１ａと空気タンク１４１ｂの双方に貯留される。

圧力センサ１４２は、空気タンク１４１ａ、１４１ｂ内の圧縮空気の圧力を検出する。圧力センサ１４２による検出信号は、制御回路部１６０に出力され、圧縮用モータ１２１の運転制御に用いられる。

減圧弁１４３ａ、１４３ｂは、空気タンク１４１ａ、１４１ｂに貯留された圧縮空気を所定の圧力（例えば、０．８ＭＰａ）に減圧する。カプラ１４４ａ、１４４ｂは、減圧弁１４３ａ、１４３ｂにより減圧された圧縮空気の取り出し口であり、エアホースを介して接続された空気工具に圧縮空気を供給する。

操作パネル部１５０は、電源スイッチ１５１と、表示部１５２とから構成される。電源スイッチ１５１は、空気圧縮機１に供給される交流電源２（図３参照）のオン・オフ操作を行うためのスイッチである。電源スイッチ１５１を介して供給される交流電源２は、後述する電源回路１６２により直流電源に変換され、制御回路部１６０、圧縮用モータ１２１、及び冷却用モータ１３２の駆動電源として用いられる。表示部１５２は、例えば空気タンク１４１ａ、１４１ｂ内の圧力、推奨される使用するタンクの数、過負荷等の警告を表示する。表示部１５２は、例えばＬＥＤ（Light-Emitting Diode）から構成される。

制御回路部１６０は、圧力センサ１４３により検出された空気タンク１４１ａ、１４１ｂ内の圧力に基づいて、圧縮用モータ１２１を制御する。また、制御回路部１６０は、温度センサ１１４により検出された圧縮空気生成部１１０の温度に基づいて、冷却用モータ１３２を制御する。制御回路部１６０は、図３に示すように、制御部１６１と、電源回路１６２と、駆動回路１６３ａ、１６３ｂと、電流検出回路１６４とから構成される。

制御部１６１は、例えば、内部にタイマを備えるＣＰＵ（Central Processing Unit）１６１ａと、ワークエリアとなるＲＡＭ（Random Access Memory）１６１ｂと、後述する処理を実行するための各種プログラム等を格納するＲＯＭ（Read-Only Memory）１６１ｃと、入出力インターフェイス（Ｉ／Ｆ）１６１ｄと、回転数設定ＤＢ１６１ｅとから構成される。ＣＰＵ１６１ａは、入出力インターフェイス１６１ｄを介して圧力センサ１４２からの空気タンク１４１ａ、１４１ｂ内の圧力を示す信号を取得し、その信号に基づいて、圧縮用モータ１２１のオン・オフを制御する運転制御処理を実行する。また、ＣＰＵ１６１ａは、入出力インターフェイス１６１ｄを介して電流検出回路１６４からの圧縮用モータ１２１の運転状態を示す信号と、温度センサ１１４からの圧縮空気生成部１１０の温度を示す信号を取得し、その取得した信号に基づいて、冷却用モータ１３２の回転数を制御する冷却制御処理を実行する。

回転数設定ＤＢ１６１ｅは、ハードディスク等の書き換え可能な記憶装置から構成され、圧縮空気生成部１１０の温度と、圧縮用モータ１２１の運転状態と、冷却用モータ１３２の回転数と、を対応付けて記憶するものである。図４に回転数設定ＤＢ１６１ｅの一例を示す。本実施形態における制御部１６１は、図４に示す回転数設定ＤＢ１６１ｅを参照して、冷却用モータ１３２の回転数を３段階、すなわちＮ０、Ｎ１、Ｎ２に制御する。ここで、Ｎ０、Ｎ１、Ｎ２は、それぞれ、Ｎ０＝０ｒｐｍ、Ｎ１＝２５００ｒｐｍ、Ｎ２＝３５００ｒｐｍである。なお、本発明はこのような例に限定されるものではなく、冷却用モータ１３２の回転数を多段階に制御することも可能であり、また、Ｎ０、Ｎ１、Ｎ２の値は、Ｎ０＜Ｎ１＜Ｎ２の関係を満たす限り、任意に設定することができる。また、所定温度Ｔａ、Ｔｂは、冷却用モータ１３２の回転数を制御する際の基準となる温度であって、例えば、Ｔａ＝１００℃、Ｔｂ＝１５０℃である。これらの所定温度Ｔａ、Ｔｂは、圧縮空気生成部を構成する材料に応じて適宜設定することができる。

電源回路１６２は、整流回路、平滑回路、定電圧回路等から構成され、交流電源２から圧縮用モータ１２１、冷却用モータ１３２等に供給される電源を直流に変換する。

駆動回路１６３ａ、１６３ｂは、制御部１６１からの制御信号に従って、それぞれ圧縮用モータ１２１と冷却用モータ１３２の運転開始・停止、回転数を制御する。

電流検出回路１６４は、駆動回路１６３ａから圧縮用モータ１２１に流れる電流を検出する。電流検出回路１６４により検出された検出信号は、制御部１６１に出力され、圧縮用モータ１２１の運転状態を判別するために用いられる。

次に、以上のように構成される空気圧縮機１の制御部１６１が実行する処理について説明する。

まず、制御部１６１が実行する圧縮用モータ１２１の運転制御処理について説明する。制御部１６１が実行する運転制御処理は、例えば特開２０１０−０３１７４１号公報等に記載された手法を用いて実行される。具体的には、電源スイッチ１５１がオンされると、制御部１６１に電源電力が供給され、制御部１６１は、圧縮用モータ１２１への電力の供給を開始する。これにより、圧縮用モータ１２１が駆動し、圧縮空気生成部１１０のシリンダ内をピストンが往復動して圧縮空気が生成される。そして、生成された圧縮空気は、空気タンク１４１ａ、１４１ｂ内に貯留される。

また、制御部１６１は、圧力センサ１４２により検出された空気タンク１４１ａ、１４１ｂ内の圧力が、停止圧力よりも高いと判別した場合、圧縮用モータ１２１への電力供給を停止し、圧縮空気生成部１１０による圧縮空気の生成を停止させる。ここで、停止圧力とは、空気タンク１４１ａ、１４１ｂ内に圧縮空気を蓄積する予定量として、予め設定されている圧力を表す。

また、制御部１６１は、圧力センサ１４２により検出された空気タンク１４１ａ、１４１ｂ内の圧力が、再起動圧力よりも低いと判別した場合、圧縮用モータ１２１を起動し、圧縮空気生成部１１０による圧縮空気の生成を再開させる。ここで、再起動圧力は、停止圧力よりも低い圧力であって、圧縮空気が消費されることにより空気タンク１４１ａ、１４１ｂ内の圧力が低下した場合に圧縮用モータ１２１を再起動させる基準となる圧力を表す。以上の処理を、制御部１６１は、例えば、電源スイッチ１５１がオフされるまで繰り返す。

次に、以上のようの構成される空気圧縮機１の制御部１６１が実行する冷却制御処理について図５のフローチャートを用いて説明する。

制御部１６１は、例えば、空気圧縮機１が交流電源２に接続され、電源スイッチ１５１が操作されることにより、制御部１６１に電源が供給されたことを契機として、冷却制御処理を開始する。

制御部１６１は、温度センサ１１４により圧縮空気生成部１１０の温度Ｔを検出する（ステップＳ１１）。

次に、制御部１６１は、圧縮用モータ１２１の運転状態を検出する（ステップＳ１２）。具体的には、制御部１６１は、電流検出回路１６４により駆動回路１６３ａから圧縮用モータ１２１に流れる電流値を取得する。そして取得した電流値が所定値以上である場合に、圧縮用モータ１２１がオン状態であると判別する。また、取得した電流値が所定値よりも小さい場合に、圧縮用モータ１２１がオフ状態であると判別する。

次に、制御部１６１は、ステップＳ１１において検出された温度ＴとステップＳ１２において検出された圧縮用モータ１２１の運転状態とに基づいて、冷却用モータ１３２の回転数を取得する（ステップＳ１３）。

具体的には、制御部１６１は、ステップＳ１１において取得された温度Ｔと、ステップＳ１２において検出された圧縮用モータ１２１の運転状態とに基づいて、回転数設定ＤＢ１６１ｅを参照して、冷却用モータ１３２の回転数を取得する。例えば、ステップＳ１１において検出した温度ＴがＴａ＜Ｔ＜Ｔｂであり、ステップＳ１２において取得された圧縮用モータ１２１の運転状態がオン状態である場合、制御部１６１は、回転数設定ＤＢ１６１ｅを参照して、冷却用モータ１３２の回転数としてＮ０を取得する。

次に、制御部１６１は、ステップＳ１３において取得した冷却用モータ１３２の回転数で駆動する旨の制御信号を駆動回路１６３ｂに出力する（ステップＳ１４）。この制御信号を受信した駆動回路１６３ｂは、冷却用モータ１３２をステップＳ１３において取得した冷却用モータ１３２の回転数で駆動する。そして、制御部１６１は、処理をステップＳ１１に戻す。

そして、制御部１６１は、例えば、空気圧縮機１の電源スイッチ１５１が操作されることにより、圧縮用モータ１２１の運転が停止するまで、以上の処理を繰り返す。

次に、以上のように構成される空気圧縮機１の動作を図６を用いて説明する。図６は、（ａ）空気圧縮機１の空気タンク１４１ａ、１４１ｂ内圧力Ｐ、（ｂ）圧縮空気生成部１１０の温度Ｔ、（ｃ）圧縮用モータ１２１の運転状態、及び（ｄ）冷却用モータ１３２の回転数のタイミングチャートの一例である。

まず、時刻ｔ＝０で、空気圧縮機１の圧縮用モータ１２１は運転を開始する。なお、この時点において温度ＴはＴａよりも低いため、冷却用モータ１３２の回転数はＮ０、すなわち停止している。

そして、圧縮空気生成部１１０の駆動により温度Ｔが上昇し、時刻ｔ＝ｔ_１において、温度ＴがＴａに達する。この時、圧縮用モータ１２１は運転しているため、冷却用モータ１３２の回転数はＮ０、すなわち停止している。

そして、時刻ｔ＝ｔ_２において、温度ＴがＴｂに達する。このとき、圧縮用モータ１２１は運転しているため、冷却用モータ１３２は、回転数Ｎ１で運転を開始する。以降、圧縮空気生成部１１０は運転している状態のまま、冷却ファン１３１により冷却される。これにともない、温度Ｔは時刻ｔ_２以前よりもゆるやかに温度が上昇する。

そして、時刻ｔ＝ｔ_３において、空気タンク１４１ａ、１４１ｂ内の圧力Ｐが停止圧力である４．５ＭＰａに達すると、圧縮用モータ１２１は運転を停止する。この時点以降、温度ＴはＴｂを超え、かつ圧縮用モータ１２１は運転を停止しているため、冷却用モータ１３２は回転数Ｎ２で運転を開始する。そのため、時刻ｔ＝ｔ_３以降、温度Ｔは減少する。

そして、時刻ｔ＝ｔ_４において、温度ＴがＴｂに達する。この時点において、圧縮用モータ１２１は運転を停止しているため、冷却用モータ１３２は、回転数Ｎ１で運転を開始する。

時刻ｔ＝ｔ_５以降、カプラ１４４ａ、１４４ｂに接続された空気工具により空気タンク１４１ａ、１４１ｂ内の圧縮空気が消費される。これにともない、空気タンク１４１ａ、１４１ｂ内の圧力Ｐが減少していく。

そして、時刻ｔ＝ｔ_６において、温度ＴがＴａに達する。この時点において、圧縮用モータ１２１は運転を停止しているため、冷却用モータ１３２は、運転を停止する。

そして、時刻ｔ＝ｔ_７において、１次タンク１３１ａ内の圧力Ｐが再起動圧力である３．５ＭＰａに達すると、圧縮用モータ１２１は運転を開始する。そして、圧縮空気生成部１１０の駆動により温度Ｔは上昇する。この時点において、温度ＴはＴａよりも低いため、冷却用モータ１３２の回転数はＮ０、すなわち停止している。

このように、本実施形態に係る空気圧縮機１において、冷却ファン１３１は、圧縮用モータ１２１と直結するように設けられず、冷却用モータ１３２により、駆動される。そして、冷却用モータ１３２は、圧縮空気生成部１１０の温度と圧縮用モータ１２１の運転状態とに基づいて、運転を制御される。従って、空気圧縮機１の運転時における騒音を、冷却ファンと圧縮用モータが同期して駆動する従来の空気圧縮機の騒音よりも低減することができる。

また、本実施形態において、圧縮空気生成部１１０の温度Ｔが所定温度Ｔｂ以下である場合には、圧縮用モータ１２１が運転していても、冷却用モータ１３２は運転しない。そのため、圧縮空気生成部１１０の温度が高温となって冷却が必要な時のみ冷却用モータ１３２が運転し、圧縮空気生成部１１０の温度低い場合には冷却用モータ１３２は運転しない。従って、効率的に圧縮空気生成部１１０を冷却しつつ、圧縮用モータ１２１の運転中における騒音を低減することができる。

また、本実施形態において、圧縮空気生成部１１０の温度Ｔが所定温度Ｔよりも高い場合、圧縮用モータ１２１がオフ状態における冷却用モータ１３２の回転数は、圧縮用モータ１２１がオン状態における冷却用モータ１３２の回転数よりも高い。そのため、圧縮用モータ１２１がオン状態の場合、冷却用モータ１３２の回転数を低くすることにより、耳障りな高周波数の騒音レベルを低下させることができる。また、圧縮用モータ１２１がオフ状態の場合、冷却用モータ１３２を駆動させても、圧縮用モータ１２１は停止しているため、共鳴が起きない。従って、冷却用モータ１３２を、圧縮用モータ１２１がオン状態における回転数よりも高い回転数で運転させることにより、効果的に冷却することができる。

なお、本発明は、上記の実施形態に限定されず、種々の変形及び応用が可能である。

例えば、本実施形態に係る空気圧縮機１において、温度センサ１１４は２段目圧縮装置１１２に設けられているが、温度センサ１１４が設けられる位置はこれに限られない。空気圧縮機の運転により発生する熱による強度低下のおそれがある材料で構成されている部分の温度を検出できる位置であればよい。例えば、１段目圧縮装置１１１、または圧縮用モータ１２１に設けてもよい。なお、圧縮空気生成部１１０に温度センサ１１４を設けることで、圧縮効率の向上と静音化を両立することができ、好ましい。一方、圧縮用モータ１２１に温度センサ１１４を設けた場合は、１つの温度センサからの信号により、冷却用モータ１３２の制御と圧縮用モータ１２１過熱時の焼損防止を兼ねることができ、合理的である。また、圧縮空気生成部１１０及び圧縮用モータ１２１の両方に温度センサ１１４を設けてもよい。複数箇所に温度センサ１１４を設けることで、熱による強度低下をより広範囲に渡って防止することができる。

また、本実施形態に係る空気圧縮機１において、圧縮用モータ１２１がオン状態における冷却用モータ１３２の回転数を、圧縮用モータ１２１の回転数より小さくしてもよい。これにより、圧縮用モータ１２１により発生する騒音と冷却用モータ１３２により発生する騒音とは、周波数が異なるため、共鳴しない。従って、空気圧縮機１から発生する騒音の騒音レベルを低下させることができる。

１空気圧縮機
１０１ハンドル
１０２カバー
１１０圧縮空気生成部
１１１１段目圧縮装置
１１２２段目圧縮装置
１１３クランクケース
１１４温度センサ
１２０駆動部
１２１圧縮用モータ
１３０冷却部
１３１冷却ファン
１３２冷却用モータ
１４０空気タンク部
１４１ａ、１４１ｂ空気タンク
１４２圧力センサ
１４３ａ、１４３ｂ減圧弁
１４４ａ、１４４ｂカプラ
１５０操作パネル部
１５１電源スイッチ
１５２表示部
１６０制御回路部
１６１制御部
１６１ａＣＰＵ
１６１ｂＲＡＭ
１６１ｃＲＯＭ
１６１ｄ入出力Ｉ／Ｆ
１６１ｅ回転数設定ＤＢ
１６２電源回路
１６３ａ、１６３ｂ駆動回路
２交流電源

Claims

圧縮空気を生成する圧縮空気生成部と、
前記圧縮空気生成部を駆動する第１電動モータと、
前記圧縮空気生成部を冷却するファンを駆動する第２電動モータと、
前記圧縮空気生成部及び前記第１電動モータのうち少なくとも一方の温度を検出する温度検出部と、
前記第１電動モータの運転状態を検出する運転状態検出部と、
前記温度検出部により検出された温度と前記運転状態検出部により検出された前記第１電動モータの運転状態とに基づいて、前記第２電動モータの回転数を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記温度検出部により検出された温度が第１の所定温度よりも大きい場合において、前記運転状態検出部により検出された運転状態がオフ状態である場合に前記第２電動モータを第１所定回転数で運転し、前記運転状態検出部により検出された運転状態がオン状態である場合に前記第２電動モータを前記第１所定回転数よりも小さい第２所定回転数で運転、または停止させる、
ことを特徴とする空気圧縮機。
前記制御部は、前記運転状態検出部により検出された運転状態がオン状態である場合において、前記温度検出部により検出された温度が第２の所定温度以上である場合に前記第２電動モータを所定回転数で運転し、前記温度検出部により検出された温度が前記第２の所定温度よりも小さい場合に前記第２電動モータを前記第２の所定温度以上である場合の前記第２電動モータの所定回転数よりも小さい所定回転数で運転、または停止させる、
ことを特徴とする請求項１に記載の空気圧縮機。