JP7007146B2 - 往復動圧縮機の流れ検知 - Google Patents

Description

本明細書で開示される主題は、往復動圧縮機に関し、より具体的には、往復動圧縮機の運転事象（例えば、弁開閉）の検出に基づいて流れを推定するためのシステムおよび方法に関する。

往復動圧縮機は、チャンバ内で前後に移動するために駆動されるピストンを含んでもよく、それにより、流体（例えば、ガス）は、チャンバに引込まれ、チャンバ内で圧縮される。例えば、チャンバの一部分は、ピストンの上に配設される場合がある。ピストンが第１の方向に（例えば、チャンバの部分から離れて）移動するとき、その部分の体積は増加し、それにより、例えば、吸引弁を通して、ピストンの上のチャンバの部分にガスを引込む。ピストンが第１の方向に対向する第２の方向に（例えば、チャンバの部分に向かって）移動するとき、その部分の体積は減少し、それにより、チャンバの部分内のガスを圧縮する。圧縮ガスの圧力が閾値を超えた後、吐出弁が開口してもよく、それにより、圧縮ガスは、チャンバの部分から他の所へ、また、他の目的で運び去られる。

幾つかの構成において、圧縮機は調整可能体積を有する場合がある。可変容量圧縮機および一定容量圧縮機の運転は、検知システムを使用して検知される場合がある。しかし、個々の圧縮機を通る流量センサを使用する直接測定は、法外な費用がかかる性質または或る期間にわたる個々の流量センサの不信頼性のせいで非実用的である場合がある。

米国特許第８１４７２１１号明細書

当初特許請求される本発明と範囲が一致するいくつかの実施形態が以下で要約される。これらの実施形態は、特許請求される本発明の範囲を制限することを意図されるのではなく、むしろ、これらの実施形態は、本開示の考えられる形態の簡潔な要約を提供することだけを意図される。実際には、本開示は、以下で述べる実施形態と同様であるかまたは異なる場合がある種々の形態を包含してもよい。

第１の実施形態において、往復動圧縮機運転をモニターする方法は、センサを使用して往復動圧縮機内に配設される弁の弁開口を決定すること、および、弁開口時の往復動圧縮機のピストンの第１の場所を決定することを含む。方法は、同様に、センサを使用して弁の弁閉鎖を決定すること、および、弁閉鎖時のピストンの第２の場所を決定することを含む。更に、方法は、第１および第２の場所に少なくとも部分的に基づいて体積効率を推定することを含む。

第２の実施形態において、システムは、ピストンおよび弁を有する往復動圧縮機を含む。システムは、同様に、弁の弁開閉をモニターするように構成されるコントローラを含む。コントローラはプロセッサを備え、プロセッサは、往復動圧縮機に結合されるセンサから弁開口の指示を受信し、弁開口時のピストンの第１の場所を決定するように構成される。プロセッサは、同様に、センサから弁閉鎖の指示を受信し、弁閉鎖時のピストンの第２の場所を決定するように構成される。プロセッサは、第１および第２の場所に少なくとも部分的に基づいて体積効率を推定するように構成される。

第３の実施形態において、非一時的コンピュータ可読媒体は実行可能命令を含み、実行可能命令は、実行されると、往復動圧縮機の弁の弁開口の指示を、往復動圧縮機に結合されるセンサから受信し、弁開口時の往復動圧縮機のピストンの第１の場所を決定するようにプロセッサにさせる。命令は、同様に、センサから弁閉鎖の指示を受信し、弁閉鎖時のピストンの第２の場所を決定するようにプロセッサにさせる。命令は、同様に、第１および第２の場所に少なくとも部分的に基づいて往復動圧縮機について体積効率を推定するようにプロセッサにさせる。

本発明のこれらのまた他の特徴、態様、および利点は、以下の詳細な説明が添付図面を参照して読まれるとよりよく理解される。図面において、同様の記号は図面全体を通して同様の部分を示す。

本開示の一態様による、振動センサを有する往復動圧縮機の一実施形態の略断面図である。 本開示の一態様による、図１の往復動圧縮機および震動センサの一実施形態の略断面図である。 本開示の態様による、往復動圧縮機用の産出曲線の一実施形態の図である。 本開示の態様による、検知された弁事象を示すセンサデータのグラフの一実施形態の図である。 本開示の態様による、図１の往復動圧縮機の運転中にピストンがそこを通して走行するボアの一実施形態の略図である。 本開示の態様による、往復動圧縮機の運転をモニターするためのプロセスのフロー図である。

本発明の１つまたは複数の特定の実施形態が以下で述べられる。これらの実施形態の簡潔な説明を提供しようとして、本明細書において、実際の実装形態の全ての特徴が述べられない場合がある。こうしたいかなる実際の実装形態の開発においても、いずれの工学的プロジェクトまたは設計プロジェクトの場合とも同様に、実装形態ごとに異なる場合があるシステム関連制約およびビジネス関連制約の順守等の、開発者の特定の目標を達成するための多数の実装形態特有の意思決定が行われなければならないことが認識されるべきである。更に、こうした開発努力が、複雑で時間がかかるが、それでも、本開示の利益を受ける当業者にとって、設計、製作、製造の日常的な仕事であることが認識されるべきである。

本発明の種々の実施形態の要素を導入するとき、冠詞「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、「その（ｔｈｅ）」、および「前記（ｓａｉｄ）」は、その要素の１つまたは複数が存在することを意味することを意図される。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」という用語は、包含的であることを意図され、挙げた要素以外の更なる要素が存在する場合があることを意味する。

開示される実施形態は、圧縮機の可変体積の幾何形状を知ることなく、圧縮機の流量および／または体積効率を間接的に決定するために使用される場合があるセンサ（例えば、振動センサまたは音響センサ）を使用する。センサは、ベースラインデータ（例えば、音または振動のフィンガープリント）を測定して、往復動圧縮機、より具体的には、往復動圧縮機の吸引弁および吐出弁をモニター、診断、および／または制御してもよい。往復動圧縮機をモニターするため振動センサを使用するとき、時として、振動センサシステムは、そのときには識別されない場合がある異常なまたは望ましくないノイズ等のノイズを記録する。付加的にまたは代替的に、振動センサは、通常のまたは望ましいノイズであるノイズを記録する場合があり、そのノイズは、過去に識別され特徴付けされている。例えば、往復動圧縮機による種々の動作中に往復動圧縮機によって発せられるノイズは、最初に工場内ベースライン作成プロセス中に特徴付けられてもよい。ベースライン作成プロセス中の特定の運転事象および状態（例えば、吐出および／または吸引弁開閉）についてのノイズ信号は、１つまたは複数の運転事象に関連するものとして処理されデータベースに記憶されてもよい。往復動圧縮機の通常運転中に、ベースライン作成プロセス中に特徴付けられる運転事象に関連する、データベースに記憶されたデータがアクセスされて、運転ノイズが、ベースライン作成プロセス中に特徴付けられた運転事象に対応するかどうかを判定してもよい。

有利には、本明細書で述べる技法は、ある往復動圧縮機の音またはノイズの音「フィンガープリント」を作成してもよい。フィンガープリント（例えば、プロファイル、比較演算子、および／または基準信号）は、上述したベースライン作成プロセス中に生成されてもよく、また、フィンガープリントは、ベースライン作成プロセス中に試験される特定の運転事象（例えば、弁開口または閉鎖）に対応してもよい。ベースライン作成プロセスが、往復動圧縮機の全運転中に、または、往復動圧縮機のいくつかのコンポーネント（例えば、ベースライン作成されている運転事象（複数可）に関連するコンポーネント）を運転しているだけの間に実施されてもよいことが留意されるべきである。例えば、幾つかの実施形態において、往復動圧縮機の種々の運転事象は、部分的運転または全運転中に工場内でベースライン作成されてもよい。

往復動圧縮機の全運転中に（例えば、ベースライン作成後に）、ノイズは１つまたは複数の振動センサによって検出されてもよく、また、結果として得られるノイズ信号は、処理され、往復動圧縮機に関連する種々のフィンガープリント（例えば、プロファイル、シグネチャ、比較演算子、基準信号、特有の印、特有の表現等）と比較されてもよい。フィンガープリントおよび被処理ノイズ信号が対応するまたは相関する（例えば、「整合する（ｍａｔｃｈ）」）場合、信号は、フィンガープリントに関連する運転事象（例えば、弁閉鎖）に対応するものとして確認されてもよい。ノイズ信号は、同様に処理されて、整合したフィンガープリントおよびノイズ信号に対応する運転事象に関連する時間依存情報を決定してもよい。例えば、ノイズ信号が、吸引弁または吐出弁の閉鎖に対応するフィンガープリントに整合する場合、ノイズ信号は、時間に対してプロットされて、例えば、吐出弁または吸引弁がいつ閉鎖されるかを決定してもよい。

更に、本開示の実施形態によれば、センサ（複数可）（例えば、ノックセンサまたは近接センサ）によって記録または検出されるノイズは、複数の運転事象、すなわち、往復動圧縮機の複数の吸引および／または吐出弁の開口または閉鎖を捕捉してもよい。吸引および／または吐出弁の開口または閉鎖に対応するノイズ信号の振幅は、時間／ピストンの移動に対してプロットされ、往復動圧縮機の流量および／または体積効率を決定するために使用されてもよい。例えば、異なる吸引および／または吐出弁の開閉の間のある期間が、モニターされてもよく、また、開口事象と閉鎖事象との間にピストンが走行した距離が、ピストンの全体ストロークと比較されて、体積効率を決定してもよい。体積効率は、流量を決定するために使用されてもよい。これらのパラメータが使用されて、健全度および／または同調運転パラメータ（例えば、体積および／またはＲＰＭ）を決定してもよい。

図面を考えると、図１および２は、シリンダ１６のチャンバ１４内に配設されるピストン１２を有する可変容量往復動圧縮機１０の一部分の一実施形態の断面図を示し、チャンバ１４は２つのセクション１８、２０を含み、ピストン１２のいずれかの側に１つのセクションがある。例えば、図１では、ピストン１２は第１のセクション１８に向かってかつ第２のセクション２０から離れて第１の方向（矢印２２で示す）に移動し、一方、図２では、ピストン１２は第２のセクション２０に向かってかつ第１のセクション１８から離れて第２の方向（矢印２４で示す）に移動する。

ピストン１２を作動させるため、シャフト２６は、作動源（図示せず）からシリンダ１６内にまたピストン１２を貫通して延在してもよい。シャフト２６は、ピストン１２と強固に（ｒｉｇｉｄｌｙ）結合されてもよい、または、ピストン１２と一体であってもよい。更に、作動源（図示せず）は、モータによって駆動されるクランクシャフトを含む、任意の適した作動源であってもよい。一般に、作動源は、第１の方向２２へのまた第２の方向２４へのシャフト２６および対応するピストン１２の往復動をもたらす。

例示された実施形態に示すように、ピストン１２は、チャンバ１４を２つの離散的なセクション１８、２０に分離する。換言すれば、セクション１８、２０は、互いから流体的に隔離されてもよい。ピストン１２は、リング２８を含んでもよく、リング２８は、シリンダ１６の壁に係合または接触して、チャンバ１４の第１のセクション１８をチャンバ１４の第２のセクション２０からシールする。

往復動圧縮機１０は、同様に、チャンバ１４のセクション１８、２０に結合した一連の弁を含んでもよい。例えば、示す実施形態における往復動圧縮機１０は、２つの吐出弁３０および２つの吸引弁３２を含む。他の実施形態において、往復動圧縮機は、どれだけの数のセクション１８、２０が往復動圧縮機１０のチャンバ１４に含まれるかに応じて、および／または、どれだけの数のシリンダ１６（従って、どれだけの数の対応するチャンバ１４およびピストン１２）が往復動圧縮機１０に含まれるかに応じて、３つ以上の吐出弁３０および３つ以上の吸引弁３２を含んでもよい。図示するように、チャンバ１４の各セクション１８、２０は、吐出弁３０のうちの１つの吐出弁３０および吸引弁３２のうちの１つの吸引弁３２を含む。

引き続き図１に示す実施形態を参照して、ピストン１２がチャンバ１４の第２のセクション２０から離れて移動するとき、第２のセクション２０のサイズ（例えば、体積）が増加する。チャンバ１４の第２のセクション２０の体積増加は、チャンバ１４の第２のセクション２０内の流体と、シリンダ１６の第２のセクション２０と吸引弁３２において結合される吸引マニホルド３４内の流体との間に圧力差（例えば、負圧）をもたらす。圧力差が吸引弁３２に関連する閾値圧力を超えると、吸引弁３２は開口し、吸引マニホルド３４とチャンバ１４の第２のセクション２０との間の流体連通を可能にする。吸引弁３２が開口した後、圧力差は、同様に、第２のセクション２０の吸引弁３２を通してチャンバ１４の第２のセクション２０に流体（例えば空気）が引込まれる（例えば、吸引される）ようにさせる。従って、第２のセクション２０は流体（例えば空気）で充満する。

更に、ピストン１２が図１のチャンバ１４の第１のセクション１８に向かって移動するにつれて、第１のセクション１８の体積は減少する。従って、第１のセクション１８内の流体（例えば空気）は、ピストン１２が第１のセクション１８に向かって移動するにつれて圧縮される。チャンバ１４の第１のセクション１８内の流体の流体圧（例えば、空気圧）が第１のセクション１８に関連する吐出弁３０の閾値圧力を超えた後に、吐出弁３０が開口する。吐出弁３０が開口するため、吐出弁３０は、チャンバ１４の第１のセクション１８と吐出弁３０においてシリンダ１６に結合される吐出マニホルド３６との間の流体連通を可能にする。チャンバ１４の第１のセクション１８内の流体と吐出マニホルド３６内の流体との間の圧力差によって、第１のセクション１８内の圧縮流体（例えば、圧縮空気）は、吐出マニホルド３６に向かってかつ吐出マニホルド３６に入るように流れる。圧縮流体は、その後、他の目的で他の所に運び去られる。例えば、圧縮流体は、石油精製、ガスパイプライン、化学プラント、天然ガス処理、冷凍プラント、空気分離プラント、バイオガス、肥料生産、ガスリフト、水素化処理、ポリマー生産、地下ガス貯蔵、あるいは任意の他の適したシステムまたは方法によって利用されてもよい。

引き続き図２に示す実施形態を参照して、ピストン１２がチャンバ１４の第１のセクション１８から離れて移動するにつれて、第１のセクション１８のサイズ（または体積）は増加する。チャンバ１４の第１のセクション１８の体積増加は、チャンバ１４の第１のセクション１８内の流体（例えば空気）と、シリンダ１６の第２のセクション２０と吸引弁３２において結合される吸引マニホルド３４内の流体（例えば空気）との間に圧力差（例えば、負圧）をもたらす。圧力差が吸引弁３２に関連する閾値圧力を超えると、吸引弁３２は開口し、吸引マニホルド３４とチャンバ１４の第１のセクション１８との間の流体連通を可能にする。吸引弁３２が開口した後、圧力差は、同様に、第１のセクション１８の吸引弁３２を通してチャンバ１４の第１のセクション１８に流体（例えば空気）が引込まれる（例えば、吸引される）ようにさせる。従って、第１のセクション１８は流体（例えば空気）で充満する。

更に、ピストン１２が図２のチャンバ１４の第２のセクション２０に向かって移動するにつれて、第２のセクション２０の体積は減少する。従って、第２のセクション２０内の流体（例えば空気）は、ピストン１２が第２のセクション２０に向かって移動するにつれて圧縮される。チャンバ１４の第２のセクション２０内の流体の流体圧（例えば、空気圧）が第２のセクション２０に関連する吐出弁３０の閾値圧力を超えた後に、吐出弁３０が開口する。吐出弁３０が開口するため、吐出弁３０は、チャンバ１４の第２のセクション２０と吐出弁３０においてシリンダ１６に結合される吐出マニホルド３６との間の流体連通を可能にする。チャンバ１４の第２のセクション２０内の流体（例えば空気）と吐出マニホルド３６内の流体（例えば空気）との間の圧力差によって、第２のセクション２０内の圧縮流体（例えば、圧縮空気）は、吐出マニホルド３６に向かってかつ吐出マニホルド３６に入るように流れる。圧縮流体は、その後、上述したように他の目的で他の所に運び去られる。

更に、図１および２の圧縮機１０は、可変容量圧縮機であってもよい。そのため、セクション１８および２０の最大クリアランスまたは体積は可変であってもよい。可変容量を達成するため、ヘッド３８は、チャンバに更なる体積を付加することによってチャンバ１４を拡張してもよい。換言すれば、ヘッド３８はチャンバ１４の側壁として作用してもよい。漏れが全くないことを保証するため、ヘッド３８は、ヘッド３８の周りのガスの流れを減少させるまたは阻止する１つまたは複数のガスケット３９あるいは他の抑制器を含んでもよい。ヘッド３８は、圧縮機１０内のヘッド３８の場所を調整するねじ４０を使用してチャンバ１４の体積を調整するため摺動式に移動してもよい。ねじ４０は、チャンバ１４の最大体積を調整するため圧縮機内のクリアランスの量を制御する制御デバイス４２（例えば、ハンドル）を使用して、対応する体積を有する複数の場所のうちの１つの場所までいずれかの方向にヘッド３８を押し進めてもよい。

チャンバ１４の最大体積を拡張することによって、圧縮機１０は、再拡張期間を効果的に増加させる。その理由は、シリンダ内にトラップされる、より大きな体積の流体が、吸引圧力まで再拡張するためピストン１２ストローク中に更に移動する必要があるからである。圧縮サイクルに関し、ピストン１２は、同様に、加圧すべき体積が存在するため、ストロークに沿って更に走行して、吐出圧力に達する。全ストローク距離にわたる弁開口を伴う吐出ストローク距離（または弁開口を伴う吸引ストローク距離）の比は、吐出（または吸引）体積効率である。シリンダの体積効率（ＶＥ：ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）が小さければ小さいほど、有効容量が小さくなる。ＶＥを減少させることは、馬力消費（曲線の内側の面積）および移動容積を減少させる。

ガス採取用途の場合、変位が増加すると、流体の流量（Ｑ）が減少することになり、吸引圧力は増加することになる（源泉またはパッケージに対する圧力制限／制御がないと仮定する）。図３は理論的産出曲線の一実施形態５５を示す。示すように、クリアランスが増加するため、ピストン１２変位と圧力との間に直接的関係を有するピストン１２変位が増加する。

幾つかの実施形態において、圧縮機１０内の体積は、体積が可変であるため決定することが難しい場合がある。幾つかの実施形態は、チャンバ１４の体積が含まれる状態または含まれない状態で、更なる部分４４の体積を推定しようと試みる、圧縮機の制御デバイス４２、ねじ４０、または他の部分上のゲージ４３（例えば、ルーラ）を含んでもよいが、これらの試みは正確でない場合がある。体積は、決定することが難しい場合があるため、流量は、同様に、決定することが難しい場合がある。幾つかの事例において、各ガス圧縮機ユニット用の個々の流量センサは非実用的でかつ高価である場合がある。代わりに、仮想流量センサシステムが使用されて、流量および／または体積効率を決定してもよい。幾つかの実施形態において、これらの仮想流量センサシステムは、振動センサを使用し、振動センサデータに関して解析を実施して実装されてもよい。

図１および２を参照すると、往復動圧縮機１０（またはその制御システム）は、４つの振動センサ６０を含んでもよく、各振動センサ６０は、４つの吐出または吸引弁３０、３２のうちの１つの弁に関連付けられる。付加的にまたは代替的に、１つの振動センサ６０は、圧縮機１０のいずれかの側で使用されてもよい。例えば、単一の振動センサ６０が、圧縮機１０の共通の側の吸引弁３０および吐出弁３２がいつ開口したかおよび／または閉鎖したかを決定するために使用されてもよく、また、別の振動センサ６０が、圧縮機１０の他の側の吸引弁３０および吐出弁３２がいつ開口したかおよび／または閉鎖したかを決定するために使用されてもよい。

付加的にまたは代替的に、単一のノック６０センサが、任意の吸引弁３０がいつ開口したかおよび／または閉鎖したかを決定するために使用されてもよく、一方、第２の振動センサ６０が、任意の吐出弁３２がいつ開口したかおよび／または閉鎖したかを決定するために使用されてもよい。代替的に、１つの振動センサ６０は、吸引および吐出弁３０、３２の４つの全てをモニターしてもよい。示す実施形態の振動センサ６０は、圧電加速度計、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサ、ホール効果センサ、磁気抵抗センサ、および／または、（弁３０、３２の）振動、加速度、音、および／または移動を検知するように設計される任意の他のセンサであってもよい。他の実施形態において、センサ６０は、従来の意味の振動センサではなく、振動、圧力、加速度、変位、近接性、および／または移動を検知してもよい任意のセンサ（例えば、レーザセンサ）であってもよい。往復動圧縮機１０の震動的性質のせいで、振動センサ（複数可）６０は、シリンダ１６の内部または外部上に搭載されると、ノイズシグネチャを検出することが可能であってもよい。

往復動圧縮機１０は、同様に、プロセッサ５２およびメモリ５４を含む圧縮機制御ユニット（ＣＣＵ：ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｕｎｉｔ）５０を含んでもよい。メモリ５４は、命令を記憶する非一時的で有形なコンピュータ可読媒体を含み、その命令は、本明細書で論じるプロセス等の特定の動作をプロセッサ５２に実施させるように構成される。

ＣＣＵ５０は、振動センサ６０のそれぞれに通信可能に結合される。ＣＣＵ５０のメモリ５４は、ＣＣＵ５０のプロセッサ５２によって実行されてもよいコンピュータ命令を記憶してもよい。一般に、ＣＣＵ５０は、例えば、吐出および／または吸引弁３０、３２の開口および／または閉鎖をモニターすることによって、往復動圧縮機１０の運転をモニターし制御する。

有利には、本明細書で述べる技法は、ＣＣＵ５０を使用して、振動センサ６０からデータを受信し、その後、振動センサ６０データを時間に対してプロットすることによって「ノイズ」シグネチャを作成してもよい。ＣＣＵ５０は、その後、データを解析して、通常シグネチャ（例えば、知られているまた予想される（ｅｘｐｅｃｔｅｄ）ノイズ）および幾つかの実施形態では異常シグネチャ（例えば、知られていないまたは予想されないノイズ）を導出するプロセスを通過してもよい。ＣＣＵ５０は、その後、以下でより詳細に述べるように、シグネチャを特徴付けてもよい。シグネチャ解析を実現することによって、本明細書で述べる技法は、往復動圧縮機１０のより最適でかつより効率的な運転およびメンテナンスを可能にしてもよい。例えば、単一の吐出または吸引弁３０、３２の閉鎖のサイクル間の時間遅延または期間を解析することによって、ＣＣＵ５０は、弁３０、３２が適切な時間に閉鎖しているかどうかを判定してもよい。付加的にまたは代替的に、２つの異なる吐出および／または吸引弁３０、３２の閉鎖の間の時間遅延または期間を解析することによって、ＣＣＵ５０は、弁３０、３２が、互いに対して適切な時間に閉鎖しているかどうかを判定してもよい。いくつかの実施形態において、ＣＣＵ５０は、外部コンピューティングシステム等の、圧縮機１０の外部のシステムであってもよい。

図４は、吸引弁３０のクランク角変位に対して振動センサ（複数可）６０で測定されるデータと、吐出弁３２のクランク角変位に対して振動センサ（複数可）６０で測定されるデータとの間の対応を示すグラフ１００の一実施形態を示す。示すように、各「ノック（ｋｎｏｃｋ）」１０２は、それぞれの弁の開口または閉鎖に対応する場合がある。例えば、ノック１０２は、吸引弁３０開口１０４、吸引弁３０閉鎖１０６、および吐出弁３２開口１０８に順次対応する場合がある。これらの期間を使用して、圧縮機に関する情報が決定されてもよい。例えば、単一の吸引弁３０の開口および閉鎖が使用されて、体積効率（ＶＥ）を推定してもよい。ＶＥは、（吸引ストローク中に）シリンダに引込まれる流体の体積とシリンダの体積の比である。換言すれば、ＶＥは、ピストン１２によって実際に変位される流体の体積とその工程体積の比である。工程体積は、式１：

を使用して決定されてもよく、式中、ｒ_bはボアの半径であり、Ｓはピストン１２のストロークである。換言すれば、工程体積は、ピストン１２が吸引または吐出ストローク中にそこを通って走行するシリンダの体積である。ＶＥが、変位される実際の体積とボア内の体積の比であるため、ボア内の体積は、同様に計算されてもよい。ボアの体積は、式２：

を使用して計算されてもよく、式中、Ｉ_bはピストンの物理的変位長である。ＶＥは、式３：

を使用して推定されてもよい。更に、式３の分子および分母のπｒ_b ²は、相殺されて、式４：

を形成してもよい。更に、ストローク長は、１つまたは複数の吸引弁３０が吸引ストロークにおいて開口している間にピストン１２の移動として推定されてもよい。幾つかの実施形態において、この長さは、それぞれの弁の開口（または閉鎖）の検出が起こったときにクランクシャフトの角度位置を決定することによって決定されてもよい。そのため、検出される弁事象中のピストン１２の位置が使用されて、体積効率を推定してもよい。

先のまた以下の式が、更なる較正係数で更に修正されて、流量制限（例えば、弁の部分的な開口）、圧力損失、または他の流れ因子を反映してもよいことは注目に値する。

図５は、圧縮機１０内に位置するボア１１０の部分の図を示す。ボア１１０の体積は、ピストン１２の物理的変位長（例えば、クランク半径の２倍）に対応する長さ１１２およびボアの半径１１４を使用して計算されてもよい。ピストン１２のストローク中に、弁（例えば、吸引弁３０）は、第１のピストン場所１１６で開口し、第２のピストン場所１１８で閉鎖したと判定される場合がある。第１のピストン場所１１６と弁開口を伴う第２のピストン場所１１８との間で走行される距離１２０は、上記式４についてストローク長１２０として推定されてもよい。ピストンの物理的変位長１１２に対応するボアの長さに沿う部分１２２および／または１２４等の幾つかの部分は、ピストン１２がこれらのエリアを横断する間に流体を吸引せず、圧縮機１０の体積効率を減少させる場合がある。これらの領域は、吸引ストローク中にボアに引込まれない、かつ／または、吐出ストローク中にボアから吐出（ｄｉｓｐｅｌｌ）されない流体の体積に対応する。変位されるストローク長１２０に沿ってボア１１０に取込まれる残りの流体の体積は、ストローク長がピストンの物理的変位長に比例するためボアの全体積にほぼ比例する。そのため、体積効率は、流体の流れがいつ起こったかおよび／または停止したかを決定する仮想流量センサシステムを使用して推定されてもよい。

直接測定される場合がある他の情報と共に、流量は、実際の物理的流量センサなしでかつ往復動圧縮機１０の正確な体積を知ることなく推定されるＶＥから決定されてもよい。体積流量（Ｑ）は、式５：

を使用して計算されてもよく、式中、Ｐ_Sは吸引の圧力であり、Ｔ_Sは吸引時の温度であり、Ｚ_stdは標準状態における流体の圧縮係数であり、Ｚ_Sは吸引時の実際の状態の流体の圧縮係数であり、ＤＩＳＰはシリンダの変位であり、ＣＬは１０進の変位体積分率としてのクリアランス量であり、Ｒはシリンダの前後の圧力比であり、Ｎは運転状態における等エントロピー体積指数である。

体積効率は、体積流量に比例し、また、式６：

を使用して決定されてもよい。換言すれば、ＶＥは、式７

に示す流量式に代入される。

そのため、流量センサおよびピストン１２の位置を使用してＶＥを推定することによって、圧縮機１０を通る流量が、圧縮機１０に関連する変位特性と共に、圧力、温度、および圧縮係数等の流体に関する特性を使用して推定されてもよい。更に、これらの測定は、金銭的に非実用的であり、信頼性がなく、かつ／または実装するのが困難な場合がある直接的な流量センサではなく、仮想流量センサシステムを使用して行われてもよい。

先の議論は、体積効率および吸引弁を通る流量を扱ったが、同様な原理が、吐出弁および状態に適用されて、体積効率の代わりに、「吐出効率（ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）」を決定してもよいことは注目に値する。換言すれば、体積効率の式は、修正されて、吸引時の測定値を吐出時の測定値で置換してもよい。例えば、吸引時の温度は、吐出時の温度で置換されてもよい。体積効率は、流れ方向において吸引側からの効率を測定しようと試み、吐出効率は、反対方向から、吐出側から効率を測定しようと試みる。換言すれば、圧縮機の効率および／または流量は、体積効率を使用して吸引弁を使用して決定されてもよいか、もしくは、吐出効率を使用して吐出弁を使用して決定されてもよい。

図６は、圧縮機１０の流れ特徴またはパワーを決定するために使用されてもよいプロセス２００を示す。圧縮機１０の運転中に、ＣＣＵ５０は、弁（例えば、弁３０）が、いつ１回目に開口したかを決定する（ブロック２０２）。例えば、センサ６０は、弁が開口したことを示すデータを送信する。ＣＣＵ５０は、その後、１回目のピストン１２の第１の場所を決定する（ブロック２０４）。ピストン１２が移動するにつれて、弁は閉鎖することになる。ＣＣＵ５０は、この弁が２回目に閉鎖するときを追跡する（ブロック２０６）。例えば、センサ６０は、弁が閉鎖したことを示すデータを送信する。ＣＣＵ５０は、２回目のピストン１２の第２の場所を決定する（ブロック２０８）。ＣＣＵ５０は、弁の決定された開口および閉鎖に基づいて圧縮機１０についての体積効率を推定する（ブロック２１０）。例えば、ＣＣＵ５０は、式８：

を使用して体積効率を決定してもよく、式中、Ｄ₀は開口時の第１の場所までの距離であり、Ｄ_Cは第２の場所までの距離である。

ＣＣＵ５０は、体積効率を使用して、圧縮機１０を運転してもよい。例えば、体積効率が閾値より小さい場合、ＣＣＵ５０は、圧縮機１０について体積を減少させてもよく、かつ／または、ＲＰＭを増加させてもよい。ＣＣＵ５０は、同様に、圧縮機１０を運転するための他の指示子を含んでもよい。例えば、ＣＣＵ５０は、推定された体積効率に少なくとも部分的に基づいて圧縮機１０を通る流量を計算してもよい（ブロック２１２）。これらの更なる運転指示子（例えば、流量）は、体積効率に加えて、温度、圧力、または他の被検知値等の更なる測定値を使用して決定されてもよい。これらの更なる運転指示子は、体積効率に加えてまたは体積効率の代わりに、圧縮機１０を運転するために使用されてもよい。

更に、圧縮機のシリンダを通る流量が、多段圧縮機の各段に関して決定される場合があるため、多段圧縮機を通る漏れは、こうした測定値から導出されてもよい。例えば、流量が第１段から第２段へと閾値パーセンテージより大きな値だけ低下する場合、流量の損失は、第１段の漏れ、第２段の漏れ、および／または第１段と第２段との間の漏れのせいである場合がある。

１０ 可変容量往復動圧縮機
１２ ピストン
１４ チャンバ
１６ シリンダ
１８ 第１のセクション
２０ 第２のセクション
２６ シャフト
２８ リング
３０ 吐出弁
３２ 吸引弁
３４ 吸引マニホルド
３６ 吐出マニホルド
３８ ヘッド
４０ ねじ
４２ 制御デバイス
４３ ゲージ
４４ 更なる部分
５０ 圧縮機制御ユニット（ＣＣＵ）
５２ プロセッサ
５４ メモリ
６０ 振動センサ

Claims (18)

1. 往復動圧縮機運転をモニターする方法であって、
   センサ（６０）を使用して前記往復動圧縮機（１０）内に配設される弁の弁開口を決定すること、
   前記弁開口時の前記往復動圧縮機（１０）のピストン（１２）の第１の場所を決定すること、
   前記センサを使用して前記弁の弁閉鎖を決定すること、
   前記弁閉鎖時の前記ピストン（１２）の第２の場所を決定すること、
   前記第１および第２の場所に少なくとも部分的に基づいて体積効率を推定すること、および、
   前記体積効率が閾値より小さい場合、コントローラ（５０）は前記往復動圧縮機（１０）についてＲＰＭを増加させること、
   を含む、方法。
2. 前記センサは振動センサを備える、請求項１記載の方法。
3. 前記センサは近接センサを備える、請求項１記載の方法。
4. 前記体積効率を推定することは、
   前記第１の場所と前記第２の場所との間の距離を決定すること、および、
   前記距離を、前記ピストン（１２）がその中で移動するボアの長さで割ることを含む、請求項１記載の方法。
5. 前記体積効率を推定することは、以下の式：
   

   

   を含み、式中、Ｄ₀は前記ピストン（１２）がその中で走行するボアの端から前記第１の場所までの距離であり、Ｄ_Cは前記ボアの端から前記第２の場所までの距離であり、ｌ _ｂ は前記ピストン（１２）の物理的変位である、請求項１記載の方法。
6. 前記推定される体積効率に少なくとも部分的に基づいて、流体を圧縮する前記往復動圧縮機（１０）を通る流量を計算することを含む、請求項１記載の方法。
7. 前記流量を計算することは、以下の式：
   

   

   を使用することを含み、式中、Ｐ_Sは吸引圧力であり、Ｔ_Sは吸引の温度であり、Ｚ_stdは、前記流体が標準状態で圧縮される圧縮係数であり、Ｚ_sは、前記往復動圧縮機（１０）の周りの実際の状態における前記流体の圧縮係数であり、ＤＩＳＰは前記往復動圧縮機（１０）のシリンダの変位である、請求項６記載の方法。
8. 前記計算される流量に少なくとも部分的に基づいて前記往復動圧縮機（１０）を運転することを含む、請求項６記載の方法。
9. システムであって、
   ピストン（１２）および弁を有する往復動圧縮機（１０）と、
   前記弁の弁開閉をモニターするように構成されるコントローラとを備え、前記コントローラはプロセッサ（５２）を備え、前記プロセッサ（５２）は、
   前記往復動圧縮機（１０）に結合されるセンサから前記弁開口の指示を受信し、
   前記弁開口時の前記ピストン（１２）の第１の場所を決定し、
   前記センサから前記弁閉鎖の指示を受信し、
   前記弁閉鎖時の前記ピストン（１２）の第２の場所を決定し、
   前記第１および第２の場所に少なくとも部分的に基づいて体積効率を推定し、
   前記体積効率が閾値より小さい場合、前記コントローラ（５０）は前記往復動圧縮機（１０）についてＲＰＭを増加させる
   ように構成される、システム。
10. 前記センサは振動センサを備える、請求項９記載のシステム。
11. 前記センサは近接センサを備える、請求項９記載のシステム。
12. 前記コントローラは、前記推定される体積効率に少なくとも部分的に基づいて前記往復動圧縮機（１０）を通る流量を計算するように構成される、請求項９記載のシステム。
13. 前記弁は、前記往復動圧縮機（１０）のチャンバの吸引弁を備える、請求項９記載のシステム。
14. 前記弁は、前記往復動圧縮機（１０）のチャンバの吐出弁を備える、請求項９記載のシステム。
15. 実行可能命令を含む非一時的コンピュータ可読媒体であって、前記実行可能命令は、実行されると、
    往復動圧縮機（１０）の弁の弁開口の指示を、前記往復動圧縮機（１０）に結合されるセンサから受信し、
    前記弁開口時の前記往復動圧縮機（１０）のピストン（１２）の第１の場所を決定し、
    前記センサから前記弁閉鎖の指示を受信し、
    前記弁閉鎖時の前記ピストン（１２）の第２の場所を決定し、
    前記第１および第２の場所に少なくとも部分的に基づいて前記往復動圧縮機（１０）について体積効率を推定し、
    前記体積効率が閾値より小さい場合、コントローラ（５０）は前記往復動圧縮機（１０）についてＲＰＭを増加させる
    ようにプロセッサ（５２）にさせる、非一時的コンピュータ可読媒体。
16. 前記センサは振動センサを備える、請求項１５記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
17. 前記体積効率を推定することは、前記第１および第２の場所の間の距離に基づく、請求項１５記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
18. 前記命令は、前記推定される体積効率に少なくとも部分的に基づいて流量を計算するように前記プロセッサ（５２）にさせるように構成される、請求項１５記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
    

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