JP6692170B2 - 流体圧縮装置 - Google Patents

Description

本発明は、流体圧縮装置に関する。

本発明の背景技術として特許文献１がある。特許文献１には、複数の圧縮機のそれぞれの起動/停止を行い、該圧縮機の吐出空気を空気槽にまとめる圧縮機に対し、「空気槽内の所定時間当たりの圧力変化を演算し、演算した所定時間当たりの圧力変化により空気槽内の圧力が所定圧力範囲の下限に到達する時間を演算予測し、演算予測した時間が所定時間より短いときは、停止中の圧縮機を起動させる」と記載されている。

特開平１１-２８７１８８

特許文献１に記載された方法では、演算予測した時間が所定時間より短くなると停止中の圧縮機を通常の回転速度で起動させるため、急激な回転速度変化を伴い、騒音を抑制することができない。

上記問題点に鑑みて本発明は、安定した圧力の流体を供給しつつもモータの急激な回転周波数変化に伴う騒音を抑制することが可能な流体圧縮装置の提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、例えば請求項に記載の発明を適用する。一例をあげるならば、流体圧縮装置であって、流体を圧縮する圧縮機本体と、前記圧縮機本体を駆動するモータと、前記モータの回転周波数を制御するインバータと、前記モータと前 記インバータとを制御する制御回路と、前記圧縮機本体で圧縮した流体を貯留するタンクを備え、前記制御回路は、前記圧縮機本体が停止中で、前記タンク内の流体の圧力が減少しており、予め決められた復帰圧力まで下降するまでの下降予測時間が予め決められた閾値よりも小さい場合、前記圧縮機本体を目標回転周波数で起動した後、必要回転周波数まで回転周波数を増加させるものであり、前記加工予測時間が長いほど緩やかに増加させるものである。

本発明によれば、安定した圧力の流体を供給しつつもモータの急激な回転周波数変化に伴う騒音を抑制することが可能な流体圧縮装置の提供が可能となる。

本発明の実施例１におけるインバータ式流体圧縮装置の外観を示す平面図である。 本発明の実施例１におけるインバータ式流体圧縮装置のプログラムを示すフローチャートである。 本発明の実施例２におけるインバータ式流体圧縮装置のプログラムを示すフローチャートである。 従来技術における使用空気量が多い場合の圧力と回転周波数の変化を示すグラフである。 実施例１における使用空気量が多い場合の圧力と回転周波数の変化を示すグラフである。 実施例２における使用空気量が多い場合の圧力と回転周波数の変化を示すグラフである。 従来技術における使用空気量が少ない場合の圧力と回転周波数の変化を示すグラフである。 実施例１における使用空気量が少ない場合の圧力と回転周波数の変化を示すグラフである。 実施例２における使用空気量が少ない場合の圧力と回転周波数の変化を示すグラフである。 実施例２における起動タイミングと目標回転周波数の関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。

以下、本発明の実施例１を図１、図２、図４、図５、図７、図８を用いて説明する。

図１に本実施例におけるインバータ式流体圧縮装置の全体構成を示す。図１のインバータ式流体圧縮装置（圧縮装置７）は、主に空気等の流体を圧縮する圧縮機本体１と、圧縮機本体１を駆動するモータ２と、モータ２の回転周波数を制御するインバータ３と、圧縮機本体１により圧縮された空気を貯留するタンク５によって構成される。また、モータ２の回転周波数を制御する指令をインバータ３に送る機能を持つ制御回路４を有している。制御回路４は、モータ２の運転・停止と回転周波数を制御することにより、圧縮機本体１を制御する。タンク５には内部の流体の圧力を検出する圧力センサ６が取り付けられている。圧力センサ６から得られたタンク５内の流体の圧力の情報は制御回路４に伝達される。本実施例による圧縮装置７は上述の通りの構成を有するものである。

次に、本実施例における圧縮装置７の制御処理について図１、図２を参照しつつ説明する。図２は本実施例の制御処理を示したフローチャートである。本制御処理はあらかじめ決められたサンプリング周期(例えば２００ms)毎に行うものである。

ステップ１では、現在のタンク５内の圧力P(t)を一定のサンプリング周期Tsで測定する。

次にステップ２では現在圧縮機本体１が停止中であるか否かを判断する。もし、「Yes」と判別された場合はステップ３へ移行する。「No」と判別された場合はステップ１２へ移行する。

ステップ３では現在の圧力P(t)、１秒前の圧力P(t-１)を用いて数式１でタンク内の圧力変化ΔPを計算する。
(数式１)
ΔP＝[P(t)- P(t-１)]
圧力変化ΔPを計算後ステップ４へ移行し、単位時間当たりの圧力変化率Kを計算する。圧力変化率Kは数式２で計算する。
(数式２)
K＝ΔP/Ts
ステップ５では、ステップ４で計算した圧力変化率Kがマイナスの値か否か、すなわち圧力が減少しているか否かを判別する。「No」と判別された場合はステップ２１へ移行しリターンする。「Yes」と判別された場合はステップ６へと移行する。

次のステップ６では、サンプリング周期Tsあたりの使用空気量Quを計算する。使用空気量Quは、差圧ΔP、タンク容積V、時間Tを用いて数式３で計算を行う。ここで、T=１秒とする。
(数式３)
Qu＝(５９２*|ΔP|*V/T)
ステップ７では、ステップ６で計算した使用空気量Quに応じて圧縮機本体１の必要な回転周波数Fnを計算する。回転周波数Fnは換算係数Nを用いて数式４で計算を行う。ここで、Nは定数である。つまり、使用空気量Quが多いほど必要回転周波数Fnは大きい値となる。これにより、通常運転時において、使用空気量が多い場合であってもタンク５内の圧力が低下せず、安定した圧力の空気を供給することが可能となる。なお、回転周波数Fnには所定の下限値が設定されており、使用空気量Quが少なく、数式４で計算した値が所定の下限値よりも少なくなる場合には、Fn＝所定の下限値とする。
(数式４)
Fn＝N*Qu
次のステップ８では、圧力が復帰圧力まで下降する下降予測時間Tdを計算する。下降予測時間Tdは復帰圧力Pmin、現在の圧力P(t)、圧力変化率Kを用いて数式５で計算を行う。つまり、下降予測時間Tdは復帰圧力Pminと現在の圧力P(t)との圧力差を圧力変化率Kで割った時間である。
(数式５)
Td＝(Pmin-P(t))/K
ステップ９では、ステップ８で計算した下降予測時間Tdがあらかじめ決められたTdの閾値(例えば２秒)より小さいか否かを判別する。「No」と判定された場合は、ステップ２１へ移行しリターンする。「Yes」と判定された場合はステップ１０へと移行する。

ステップ１０では、圧縮機本体１を起動し、圧縮機本体１の運転状態を起動中と設定する。

次のステップ１１では、ステップ７で求めた必要な回転周波数Fnと、下降予測時間Tdを用いて数式６に示す目標回転周波数Frefを求め、目標回転周波数Frefで圧縮機本体１を起動する。目標回転周波数Frefは必要回転周波数Fnよりも少ない値である。このため、圧縮機本体１の起動時に急激な回転数変化を抑え、騒音の発生を抑制することができる。

このとき、下降予測時間Tdを例えば、サンプリング周期Tsと同じ値である０.２(閾値が２秒の場合の１/１０)で割った値でFnを割ることで、必要な回転周波数Fnに到達するまでの回転周波数変化を緩やかにすることが可能である。つまり、必要回転周波数Fnが大きいほど目標回転周波数Frefも大きい値となり、下降予測時間Tdが短いほど目標回転周波数Frefは大きい値となる。また、下記ステップ１３〜１７で示す通り、目標回転周波数Frefは起動後必要回転周波数Fnに近づくように起動時の値から変化する。なお、目標回転周波数FrefにはFnと同様に所定の下限値が設定されており、数式６で計算した値が所定の下限値よりも少なくなる場合には、Fref＝所定の下限値とする。この場合、FrefはFnと同一の値となる。
(数式６)
Fref＝Fn/(Td/０.２)
目標回転周波数Frefで起動後、ステップ２１へ移行しリターンする。

ステップ２で「No」と判定した場合は、ステップ１２に移り、圧縮機本体１が起動中か否かを判定する。「No」と判定した場合はステップ１９に移行する。「Yes」と判定した場合は、ステップ１３へ移る。起動中における目標回転周波数Frefの変化について以下ステップ１３〜１７で説明する。

ステップ１３では、現在の圧力P(t)、１秒前の圧力P(t-１)を用いて数式１でタンク内の圧力変化ΔPを計算する。

圧力変化ΔPを計算後ステップ１４へ移行し、圧力変化率Kを計算する。圧力変化率Kは数式２で計算する。

次のステップ１５では、圧力が復帰圧力まで下降する下降予測時間Tdを計算する。下降予測時間Tdは復帰圧力Pmin、現在の圧力P(t)、圧力変化率Kを用いて数式５で計算を行う。

ステップ１６では、ステップ１５で求めた下降予測時間Tdと、現在の圧縮機回転周波数Fcと、必要な回転周波数Fnを用いて数式７に示す目標回転周波数Frefを求め、圧縮機本体１の回転周波数を圧縮機回転周波数Fcから目標回転周波数Frefに変更する。このとき、ステップ１１と同様に下降予測時間Tdを例えば、サンプリング周期Tsと同じ値である０.２(閾値が２秒の場合の１/１０)で割った値で(Fn-Fc)を割ることで、必要な回転周波数Fnに到達するまでの回転周波数変化を緩やかにすることが可能である。つまり、下降予測時間Tdが長い場合、回転周波数変化は緩やかになり、騒音を抑制することが可能となる。一方、下降予測時間Tdが短い場合、速やかに回転周波数を増加させることにより、安定した圧力の空気を供給することが可能になる。
(数式７)
Fref＝Fc+((Fn-Fc)/(Td/０.２))
次のステップ１７では、現在の圧縮機回転周波数Fcが、必要な回転周波数Fn以上であるかどうかを判定する。「No」と判定した場合は、ステップ２１へ移りリターンする。「Yes」と判定した場合は、ステップ１８へ移行する。

ステップ１８では、圧縮機本体１の運転状態を通常運転中と設定し、ステップ２１へ移行しリターンする。

ステップ１２で「No」と判定した場合は、ステップ１９へ移り、圧縮機本体１が通常運転中か否かを判定する。「No」と判定した場合はステップ２１へ移りリターンする。「Yes」と判定した場合はステップ２０へ移る。

ステップ２０では圧力一定制御、つまり、数式４から使用空気量Quに応じて回転周波数Fnを変更する制御を行い、ステップ２１へ移りリターンする。

上記の制御によれば、インバータ式圧縮機でON-OFF運転を行う時に、復帰圧力まで到達する前に圧縮機を起動し０.２秒（サンプリング周期Ts）ごとに回転周波数を少しずつ増加させることができる。そのため、タンク内の圧力が復帰圧力以下となることがなく、安定した圧力の空気を供給することができ、急激な回転速度の変化による騒音を低減することができる。

また、図４、図５を参照しながら、使用空気量が多い場合の本実施例の効果について説明する。

ここで、従来技術において、復帰圧力までの予測時間を計算しない場合、使用空気量が多いと、復帰圧力になっときに圧縮機を起動させるため、起動時からしばらくの間タンク内の圧力が復帰圧力未満に低下し、安定した圧力で空気を提供できない可能性がある。

また、従来技術において、特許文献１のように、復帰圧力までの予測時間を計算していたとしても、インバータ制御を実施しておらず、圧縮機の起動時に急激に回転周波数を増加させるため、急激に回転周波数が変化し、騒音を抑制することができない。

また、仮に従来技術においてインバータ制御を実施したとしても、本実施例とは異なり、回転周波数を少しずつ増加させる制御は行っていない。そのため、使用空気量が多い場合には、圧力を上昇させるために瞬時に回転速度を増加させ、圧力が復帰圧力以上に上昇してしまう。また、その後瞬時に回転速度を減少させるため、急激に回転周波数が変化し、騒音を抑制することができない。

具体的に説明すると、従来技術において復帰圧力までの予測時間を計算しない場合、図４に示すとおり圧力が復帰圧力Ponに達してから起動を開始するため、圧力が復帰圧力以下となってしまう。また、通常運転の回転数にて運転を開始するため、回転周波数が急激に増加する。本実施例によれば、図５に示すとおり、復帰圧力までの予測時間を計算し、復帰圧力まで低下する前にあらかじめ圧縮機を起動することで復帰圧力を下回らないようにして安定した圧力の空気を供給することができる。

次に、図７、図８を参照しながら、使用空気量が少ない場合の本実施例の効果について説明する。

従来技術において復帰圧力までの予測時間を計算しない場合、図７に示すとおり圧力が復帰圧力Ponに達してから起動し、急激に回転周波数が増加する。仮にインバータ制御を行っていたとしても、使用空気量が少ない場合、急激に圧力が増加するため、圧力を復帰圧力に戻すために回転周波数を急激に減少させる。このことから、タンク内の圧力が急激に上昇するとともに、回転周波数が急激に変化するため騒音を抑制することができない。本実施例によれば、図８に示すとおり復帰圧力までの予測時間を計算し、復帰圧力まで低下する前にあらかじめ圧縮機を起動することで復帰圧力を下回らないようにして安定した圧力の空気を供給することができる。また、本実施例では、回転周波数を少しずつ増加させる制御を行っており、回転速度の急激な変化がないため騒音を抑制することができる。

図１、図３、図４、図６、図７、図９、図１０を用いて本発明の実施例２を説明する。

図１は、本実施例におけるインバータ式圧縮機の全体構成であり、実施例１と同様の構成のため説明を省略する。

次に、本実施例の制御処理について図１、図３を参照しつつ説明する。図３は本実施例における制御処理を示したフローチャートである。実施例１と同一のフローについてはその説明を省略する。実施例１と同様に本制御処理はあらかじめ決められたサンプリング周期(例えば２００ms)毎に行うものである。

本実施例では実施例１に対してステップ８の処理が異なる。

本実施例において、ステップ８では、図１０を参照して下降予測時間Tdの閾値（起動タイミング）を決定する。下降予測時間Tdの閾値は、必要な回転周波数Fnを用いて数式８で計算する。ここで、f(Fn)は、Fnに対して単調増加する関数である。つまり、Tdの閾値は、必要な回転周波数Fnに対して単調増加し、使用空気量に対しても単調増加する。図１０に示すとおり、使用空気量（必要回転周波数Fn）に応じTdの閾値（起動タイミング）を変化させることで、使用空気量が多い時は必要回転周波数Fnが増加するため、下降予測時間Tdの閾値が増加し、緩やかに起動する。一方、使用空気量が少ない時はFnが減少するため、下降予測時間Tdの閾値が減少し、起動を遅らせ、復帰圧力付近で圧縮機本体１を運転するようにする。また、数式６、７によって決定される回転周波数FrefはTd閾値が大きいほど小さくなるため、使用空気量が多くなり、必要回転周波数Fnが多くなっても少ない回転周波数Frefで起動させることができる。
(数式８)
Td閾値＝f(Fn)
ステップ８以外の処理は実施例１と同様のため説明を省略する。

本実施例の効果について説明する。本実施例では使用空気量により起動タイミングを可変とすることで、使用空気量が多い場合でもタンク５内の圧力が復帰圧力以下とならずに、実施例１と比較してさらに安定した圧力の空気の供給が可能となる。さらに圧縮機の急激な回転周波数の変化を抑えることができる。

ここから、図１０を参照しながら圧縮機の起動タイミングについて説明する。本実施例によれば、使用空気量が多い場合は、回転速度の急激な変化を抑えるためにTd閾値を増加させることで起動タイミングを早め、少ない回転周波数でゆっくり徐々に起動することができる。使用空気量が少ない時は、起動タイミングが早いと復帰圧力よりも高い圧力で一定かそれ以上の圧力となってしまうため、Td閾値を減少させて起動タイミングを遅くすることで復帰圧力付近での運転を可能とし、電力の低減を図ることができる。

上記の圧縮機の起動タイミングの変化を踏まえ、使用空気量に対する本発明の効果について説明する。

まず、図４、図６を参照しながら、使用空気量が多い場合の本実施例の効果について説明する。従来技術では、図４に示すとおり復帰圧力までの予測時間を計算しない場合、圧力が復帰圧力Ponに達してから起動を開始するため、圧力が復帰圧力以下となってしまう。本実施例によれば、実施例１と同様に、図６に示すとおり、復帰圧力までの予測時間を計算し、復帰圧力まで低下する前にあらかじめ圧縮機を起動することで復帰圧力を下回らないようにして安定した圧力の空気を供給することができる。また、実施例１と比較して、Td閾値を増加させて起動タイミングを早くし、圧縮機を起動することで、復帰圧力を下回らずにかつ回転速度をゆっくりと上昇させることが可能となり、実施例１に対してさらに騒音を抑制することができる。

次に、図７、図９を参照しながら、使用空気量が少ない場合の本実施例の効果について説明する。従来技術において、復帰圧力までの予測時間を計算しない場合、図７に示すとおり圧力が復帰圧力Ponに達してから起動し、急激に回転周波数が増加する。仮にインバータ制御を行っていたとしても、使用空気量が少ない場合、急激に圧力が増加するため、圧力を復帰圧力に戻すために回転周波数を急激に減少させる。このことから、タンク内の圧力が急激に上昇するとともに、回転周波数が急激に変化するため騒音を抑制することができない。本実施例によれば、実施例１と同様に、図９に示すとおり、復帰圧力までの予測時間を計算し、復帰圧力まで低下する前にあらかじめ圧縮機を起動することで復帰圧力を下回らないようにして安定した圧力の空気を供給することができる。また、本実施例では、回転周波数を少しずつ増加させる制御を行っており、回転速度の急激な変化がないため騒音を抑制することができる。また、実施例１と比較して、Td閾値を減少させて圧縮機の起動時のタイミングを遅らせることで、回転速度の急激な変化を防止し騒音を抑制するとともに、起動時のタンク内の圧力が低い状態で起動するため、実施例１よりも圧縮機の起動にかかる電力を低減させることが可能である。

これまで説明してきた実施例は、何れも本発明を実施するに当たっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されない。すなわち、本発明はその技術思想、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

１ 圧縮機本体
２ モータ
３ インバータ
４ 制御回路
５ タンク
６ 圧力センサ
７ 圧縮装置

Claims (7)

1. 流体を圧縮する圧縮機本体と、前記圧縮機本体を駆動するモータと、前記モータの回転周波数を制御するインバータと、前記モータと前記インバータとを制御する制御回路と、
   前記圧縮機本体で圧縮した流体を貯留するタンクを備え、
   前記制御回路は、前記圧縮機本体が停止中で、前記タンク内の流体の圧力が減少しており、予め決められた復帰圧力まで下降するまでの下降予測時間が予め決められた閾値よりも小さい場合、前記圧縮機本体を目標回転周波数で起動した後、必要回転周波数まで回転周波数を増加させるものであり、前記下降予測時間が長いほど緩やかに増加させることを特徴とする流体圧縮装置。
2. 前記下降予測時間はタンク内の流体の現在の圧力から復帰圧力までの圧力差を単位時間当たりの圧力変化率で割った時間であることを特徴とする請求項１に記載の流体圧縮装置。
3. 使用空気量が多いほど前記必要回転周波数は大きい値となることを特徴とする請求項１に記載の流体圧縮装置。
4. 前記必要回転周波数が大きい値であるほど前記目標回転周波数が大きい値となることを特徴とする請求項１に記載の流体圧縮装置。
5. 前記下降予測時間が短いほど前記目標回転周波数は大きい値となることを特徴とする請求項４に記載の流体圧縮装置。
6. 前記下降予測時間の閾値は使用空気量に応じて変化することを特徴とする請求項１に記載の流体圧縮装置。
7. 使用空気量が多くなると前記下降予測時間の閾値が増加することを特徴とする請求項６に記載の流体圧縮装置。

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