(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機能的に互いに連結された複数の機能単位から構成されるエネルギー変換装置を監視する方法であって、
少なくとも１つの機能単位の出力依存的な量が時間的間隔をおいて自動的に検出および／または算出され、前記量が、相互に比較され、または前記量から導き出された値と比較され、および／または所定の値と比較され、前記比較の結果に依存して相応の信号が生成され、
まず、モータの消費出力を規定するモータの電気量、及びポンプの水力学動作点を規定する少なくとも１つの量が検出されて記憶され、時間的間隔をおいて、以前に検出された対応する水力学動作点に達した時に、モータの消費出力を規定するモータの電気量が検出されて最初に記憶された量と比較され、前記比較に基づいて相応の信号が生成される方法。
【請求項２】
機能的に互いに連結された少なくとも２つの機能単位の出力に依存する量が、時間的間隔をおいて自動的に検出および／または算出されるとともに、１つの機能単位の出力依存的な出力量または前記量から導き出される量が、前記１つの機能単位の下流に機能的に連結された機能単位の出力依存的な入力量を形成する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
動作点に依存しない出力比較のための用途に定められ、かつ前記用途に適している比較量または比較関数が、出力依存的な量を用いて形成される、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
電気モータで駆動される遠心ポンプ機構のエネルギー消費量または効率を、動作最適化および／または監視するための方法であって、
動作時に、モータの少なくとも１つの出力依存的な量、およびポンプの少なくとも１つの水力学量、またはポンプの少なくとも２つの水力学量が、時間的間隔をおいて、相互に比較され、またはその数学的な組み合わせを用いて比較され、または所定の値と比較され、前記比較に依存してポンプ機構の動作状態を特徴付ける信号が生成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
使用規則に即した送出動作中に実施される、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
時間的間隔をおいて反復されるとともに、以前に検出された量または所定の値を基に比較が実施される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
まず、モータの消費出力を規定するモータの電気量、及びポンプの水力学動作点を規定する量が検出されて記憶され、時間的間隔をおいてこれらの量があらためて検出され、検出された前記量が数学的な電気モータモデルおよび／または数学的な水力学ポンプモデルを基に変換されてから記憶されている量と比較され、またはこれと逆の手順が行われ、前記比較に基づいて相応の信号が生成される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
モータおよび／またはポンプの出力依存的な量の検出は、少なくともポンプ機構の慣らし運転時間に相当する所定の時間の経過後に初めて行われる、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
所定の時間の経過後における監視段階中に少なくとも１つの動作プロファイルが自動的に検出され、場合により判定される効率変化を考慮した上で、予想されるエネルギー消費量が算定される、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
複数の動作点を用いて機能単位の出力に依存する多次元のモデル特性を有する面形状が判定されて記憶され、時間的間隔をおいてこのような面形状があらためて判定されて、以前に判定されたものと比較される、請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
所定の動作点における面形状の間隔、または各面の間に広がる容積が、効率低下を表す目安として使用される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
動作点を用いて面形状を判定するためにカルマンフィルタが利用される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
電気モータと、前記電気モータにより駆動される遠心ポンプと、を含んで構成される遠心ポンプ機構であって、
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の方法に基づいて作動する、前記機構の少なくとも１つの機能単位の出力特性を監視する装置が設けられている
ことを特徴とする遠心ポンプ機構。
【請求項１４】
電気モータと、前記電気モータにより駆動される容量型ポンプと、を含んで構成されるコンプレッサ機構であって、
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の方法に基づいて作動する、前記機構の少なくとも１つの機能単位の出力特性を監視する装置が設けられている
ことを特徴とするコンプレッサ機構。
【請求項１５】
電気モータと、前記電気モータにより駆動される容量型ポンプと、気化器と、凝縮器と、を含んで構成される冷却機構であって、
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の方法に基づいて作動する、前記機構の少なくとも１つの機能単位の出力特性を監視する装置が設けられている
ことを特徴とする冷却機構。
【請求項１６】
バーナと、前記バーナにより加熱可能な少なくとも１つの水循環路と、を含んで構成される暖房設備であって、
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の方法に基づいて作動する、前記設備の少なくとも１つの機能単位の出力特性を監視する装置が設けられている
ことを特徴とする暖房設備。
【請求項１７】
前記装置は、前記機構／設備が使用開始されてから所定の時間後に、効率判定に関連する量の検出と記憶とを自動的に開始することを特徴とする、請求項１３〜１６のいずれか１項に記載の機構／設備。
【請求項１８】
前記装置は、少なくとも測定の開始時に検出される量、またはこれから導き出される量が内部で保存される測定値記憶装置を有していることを特徴とする、請求項１７に記載の機構／設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機能的に相互に連結された複数の機能単位から構成されるエネルギー変換装置を監視する方法に関する。このような本発明の意味におけるエネルギー変換装置は、例えば電気モータで駆動される遠心ポンプ機構、電気モータで駆動されるコンプレッサ、これらを装備している設備などであってよく、機能的に相互に連結された複数の機能単位で構成されており、例えば電気モータおよび遠心ポンプ、電気モータおよび容量型ポンプ、または内燃機関および電気発電機などで構成されている。このような種類のエネルギー変換装置は、今日、家庭用の分野も含めたほとんど全ての技術分野で適用されている。
【背景技術】
【０００２】
資源が乏しくなっていく中で、機械、設備、またはその他のエネルギー変換装置をできるだけ高い変換効率で長期間にわたって作動させようとする尽力が常になされているが、現実問題としては、当初は高かった変換効率が次第に低下していき所望の変換効率を既に長期間有さなくなっているにもかかわらず、その装置を引き続き稼動させ続けるという問題が多々生じている。こうした現象は、例えば暖房用循環ポンプや冷蔵庫などで観察される。典型的な場合、故障が明らかになった時や、その装置が使用規則に即した働きを完全に失った時にしか交換、修理は行われない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、こうした多くのケースでは装置を事前に交換するか、あるいは少なくとも故障した機能単位または作動に不具合のある機能単位を取り替える、または保守整備するほうが経済的に有意義である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
以上を背景とする本発明の解決法は、少なくとも１つの機能単位の出力依存的な量が時間的間隔をおいて自動的に検出および／または算出され、前記量が、相互に比較され、またはこれから導き出された値と比較され、および／または所定の値と比較され、この比較に依存して相応の信号が生成される、機能的に相互に連結された複数の機能単位から構成されるエネルギー変換装置を監視する方法を提供することを意図している。そして、この信号を参照して、その装置がまだ所望の効率性を発揮して作動しているかどうか、場合により１つまたは複数の機能単位の出力が不十分になっていないかどうか、ないしは低下した効率のままで作動していないかどうか、を判断することができ、これにより、装置を保守整備または交換すべきであることが判明する。
【０００５】
本発明による方法の基本思想は、少なくとも１つの機能単位を時間的間隔をおいてその効率に関して監視し、その結果を信号によって表示し、または自動的に評価可能にするということにある。この時、もっとも単純な形態では、時間的間隔をおいて機能単位の出力依存的な量が自動的に検出され、この量が、所定の値、以前に判定された値、またはこれから導き出される値と比較される。例えば装置の使用開始直後に判定された１つの機能単位の出力依存的な量を所定の量と比較することで、工場側で意図した所定のパフォーマンスを発揮しているか否かを判断することができる。そしてその後、好ましくは比較的長い時間的間隔をおいて、少なくとも１つの出力依存的な量を所定の値等と比較することで、その機能単位の効率が低下しているかどうか、その低下の度合いを判断することができる。この時、本発明では、１つの機能単位だけはなく、好ましくは装置の効率を主として規定する全ての機能単位が、前述した方法で監視されるとよい。出力挙動の監視と相応の信号処理によって、エネルギー変換装置、すなわち特に機構、機械、または設備が、その個別の出力特性、その結果として生じる動作挙動、予想耐用年数などを自己学習式で判定して表示することができる。
【０００６】
本発明の意味における出力依存的な量とは、機能単位の出力特性と何らかの意味で関連している量である。例えば不連続的に作動する機関、例えば冷蔵庫のコンプレッサなどでは、ターンオンプロセスとターンオフプロセスとの時間的な推移も、本発明の意味における出力依存的な量であり得る。
【０００７】
本発明の方法による好ましい実施形態および本発明の方法に基づいて作動する装置は、その他の請求項、以下の説明および図面に記載されている。
【０００８】
本発明の好ましい発展例では、機能的に相互に連結された少なくとも２つの機能単位の出力依存的な量が、好ましくは全ての機能単位の出力依存的な量が、時間的間隔をおいて自動的に検出および／または算出され、１つの機能単位の出力依存的な出力量またはこれから導き出される量が、この１つの機能単位の出力を受けるように該１つの機能単位の下流に機能的に連結された機能単位の出力依存的な入力量を形成する。このような組み合わせによって計算の時に数学的モデルを利用することができ、測定されるべき比較的少ない量を基に、前述した監視の課題を高信頼をもって達成することができる。
【０００９】
機能単位が常に同じ動作点で作動していると、装置または装置の少なくともいくつかの機能単位の効率監視は、本発明に基づく効率監視によれば比較的簡単に行うことができる。そうすれば典型的な場合、１つの測定値を用いることで、それぞれの単位の使用規則に即した、または低下した出力／効率を判定することができる。しかしこのことは、例えば暖房用循環ポンプのようなエネルギー変換装置を監視すべき場合には複雑になる。このような種類の機構は、典型的な場合、モータおよび遠心ポンプの機能単位で構成されており、遠心ポンプは典型的な場合、暖房設備の配管網抵抗が外的要因に基づいて変化するために、その動作点を絶えず変化させている。その時に比較可能な出力依存的な量を得るために、電気機械式のモータモデルを用いて得られる量、ならびに機械水力学式のポンプモデルに基づいて得られる量を、モータとポンプとの間のインターフェースで適用する。このようにして、ポンプ機構の出力状況を判定するとよい。別案として、ポンプの２つの水力学量、典型的には送出力と揚程が判定され、相応のモデル計算を通じて、モータから出される機械的出力と同一視されることにより、判定を行うこともできる。
【００１０】
動作点が絶えず変動しており、そのために、時間的に間隔をおいて行われる測定で同一の動作点が再び実現されることがまず見込まれないと考えられるこのような種類の装置では、時間的に短い間隔をおいて複数回の測定を実施する。そしてこのようにして判定された動作点を参照し、出力依存的な量、場合によっては多次元の面形状を各機能単位相互のインターフェースで判定して、以前に判定されたものと比較すると特に好ましい。この時、計算で求められるこのような面はカルマンフィルタを用いて近似されるとよく、それにより、比較的少数回の測定だけで、その都度の出力を規定する面を十分に正確に決定することができる。そして、特定の動作点で比較的長い時間的間隔をおいて判定されるこのような面の間隔、または各面の間に広がる容積を、典型的には効率低下である効率変化を表す目安として使用することができる。
【００１１】
本発明による方法は装置の通常動作中に、すなわちポンプ機構の場合であれば使用規則に即した送出動作中に実施されるとよく、面形状を判定するためにほぼ同時の動作点を検出する時間的間隔は例えば分単位であってよく、それに対して、比較測定が実施される時間インターバルは機器の型式に応じて日単位、週単位、または月単位であってもよい。比較的長いインターバルは、例えば暖房用循環ポンプの場合に得られるのに対し、短いインターバルは、特に冷房設備用のコンプレッサの場合に好都合であり得る。このような監視方法により、効率の劣化だけでなく、場合により予想される装置の故障も検知することができる。
【００１２】
このように、比較のためにふさわしい出力依存的な量が判定される時間的間隔は、機械の型式だけでなく利用目的にも左右される。しかしながら比較は、以前に検出された量または所定の値を基に行われるとよく、後者の方法は、使用開始時に既に存在している機能不良も検出可能であるという利点がある。
【００１３】
まず、モータの消費出力を規定するモータの電気量、及びポンプの水力学動作点を規定する少なくとも１つの量が検出されて記憶され、その後の比較測定のために、以前に検出された水力学動作点にあらためて達するまで待機する。次いで、モータの消費出力を規定するモータの量が検出されて、最初に記憶された量と比較されると、明らかに少ない測定工学上および計算上のコストで本発明の方法を実施することができる。こうすれば直接的な比較を行うことができ、動作点の相違およびこれに伴う前述した面形状を判定する必要がない。
【００１４】
別案として、後の比較測定のために検出される量も設備の任意の動作点で検出することができる。これは、検出される量が数学的、電気的なモータモデル、および／または数学的、水力学的なポンプモデルを基に変換、すなわち動作点に依存しない量に換算され、この換算量が記憶されている量と比較される場合、またはこの逆の手順が行われる場合である。これによって動作点に依存することなく、出力を規定する量の比較が可能となる。
【００１５】
本発明の方法は、所定の時間の経過後に初めて適用されるとよく、この所定の時間は、機構ののうち特にポンプ機構の慣らし運転時間に少なくとも相当している。このことは、機構の機械部品が調整され、起こり得る慣らし運転の抵抗が軸受で克服され、次いで慣らし運転時間の後に、通常の出力を規定する機器特性についてのベースを形成する準定常的な動作状態に、まずは達することができるようにするために有意義であり、それにより、この状態との相違だけが後に検出される。
【００１６】
この場合、所定の時間の経過後に、すなわち典型的には慣らし運転時間の経過後に、少なくとも１つの動作プロファイルが自動的に検出され、場合により判定される効率変化を考慮した上で、予想されるエネルギー消費量が算定されて、適当な手段により表示されると特に好ましい。この方法により、出力／効率に関する所定値を機構が満たしているかどうか、ないしは、所定値を超えて変化するエネルギー消費が効率の劣化に基づいて予期されるかを、慣らし運転時間の経過後に自動的に判定することが可能である。
【００１７】
本発明の方法による好ましい発展例では、比較測定のために同一の動作点に達する必要がない。むしろ複数の動作点を参照して、機能単位の出力に依存する多次元のモデル特性を有する面形状を判定して記憶させ、時間的間隔をおいてあらためてこのような面形状を判定して記憶させて比較することができ、またはこのあらためて判定された面形状と、以前に判定された面形状と、を比較することができる。そして、所定の動作点、動作領域における各面形状の間隔、または各面形状の間に広がる容積が、効率変化を表す目安として使用される。このような評価が特別に好ましい理由は、機械の動作挙動に対していかなる介入もすることなく、連続動作中に行うことができるからである。このような方法は、特に、例えば絶えず変化する動作点で作動するのが通常である暖房用循環ポンプとして利用される遠心ポンプ機構の場合に好ましい。動作点を参照して面形状を判定するために、カルマンフィルタが利用されると好ましい。この反復法は、ここで対象とされている差異を検出して定量的に算定できるようにするために、比較的少数の測定された動作点によって面形状を十分に正確に判定することを可能にする。
【００１８】
本発明による方法は、原則として、相互に機能的に連結された複数の機能単位から構成される任意のエネルギー変換装置において、監視のために適用することができる。また、本発明による方法は、典型的には何年、何十年にわたって効率の劣化が目立つことがなく、または故障の予兆が現れることなく稼働する遠心ポンプ機構、コンプレッサ、暖房設備、冷蔵庫、冷凍キャビネットなどでの適用が特に好ましい。このように本発明による監視方法は、機構または少なくとも機構の１つの機能単位の早期の交換が経済的に有意義であると考えられる性能劣化運転、すなわち効率の低下を検知して表示するのに適しているばかりでなく、例えば冷凍キャビネットや冷凍庫などで特に好ましいように、代替品を適時に用意することができるようにするために、機構の予想される故障を表示できるようにするのにも適している。本発明による方法は、運転停止が経済的帰結をもたらす大型の機械の場合でも、故障が迫っていることを適時にあらかじめ表示することができるため効果的である。当然ながらその場合、機械の効率変化ないし出力変化の推移を参照して故障時期を少なくとも大まかに判定できるように、実験室での実験であらかじめ判定された相応の特性値が設定されるのが好都合である。
【００１９】
本発明による方法は、現代の機構にもともと備わっているデジタル式の制御・調節エレクトロニクスに、ソフトウェアプログラムの形態で実装されるとよい。ポンプ機構やコンプレッサの場合、このような制御・調節エレクトロニクスは機構自体だけでなく機構の端子ボックスや接続ボックスに設けられていてもよい。
【００２０】
本発明による方法は、電気モータと、これにより駆動される遠心ポンプとを備える遠心ポンプ機構の場合、そこに設けられている、機構の少なくとも１つの機能単位の出力特性を監視する装置に適用されるとよい。電気モータと、これにより駆動される容量型ポンプと、を備えるコンプレッサ機構の場合にも、本発明の方法に基づいて作動するこのような出力特性を監視する装置が、特に効率の検出と監視のために設けられるとよい。電気モータと、これにより駆動される容量型ポンプと、気化器と、凝縮器と、を備える冷却機構は、本発明の方法に基づいて作動する出力特性を監視する装置を備えるとよい。この場合、出力特性の監視はモータおよび容量型ポンプに限定されるものではなく、気化器と凝縮器をも含んでいるとよい。
【００２１】
特に冷蔵庫の場合、装置の設置後におけるコンプレッサの運転時間が監視されることによって効率の低下が判定される。これは、例えば２４時間以内での運転時間が判定され、その後に、例えば６ヶ月後に、その際に得られる２４時間以内での運転時間と比較されることによって行うことができる。もっとも単純な形態では、一定に保たれる環境状況と利用者挙動に基づき、設備の効率の低下によるターンオン時間の増大が生じているものと考えられる。いっそう厳密な推定は、コンプレッサ運転時間の時間的推移の分析によって判定することができる。
【００２２】
暖房設備の場合にもこれと同様の方法で、バーナおよびこれにより加熱可能な少なくとも１つの水循環路の出力特性を監視する装置が設けられるとよく、そのようにして、例えば一次熱交換器における燃焼残滓およびこれに伴って生じる効率の低下を検出することができる。したがってその場合、相応の信号ランプを取り付けることで清掃サービスが必要であることを指示することもでき、そのようにして、清掃サービスを必要性に応じて規定することができる。
【００２３】
この装置は、機構ないし設備が使用開始されてから所定時間経過後に、出力特性の監視に関連する量、特に効率判定と効率監視に関連する量の検出と記憶を自動的に開始し、適当な時間的間隔をおきながらこの量をあらためて検出し、事前に記憶されている量および／または当初から記憶されている量と比較し、場合により許容されない高い誤差を表示するように構成されるとよい。したがってこの装置は、本発明の発展例では、少なくとも測定の開始時に検出される量、またはこれから導き出される量が内部で保存される測定値記憶装置を有しているとよい。
【００２４】
本発明の方法は、可能な限り機械の全体を監視するとよい。しかしながら、機械の１つの機能単位だけを監視すれば十分な場合もある。このことは特に、典型的な場合、他のどの機能単位よりも摩耗またはその他の形で明らかに故障しやすい機能単位を機械が有している場合に有意義であり得る。
【００２５】
エネルギー変換装置すなわち機械、機構、または設備の複数または好ましくは全部の機能単位が検出されると特に好ましく、これにより、効率の劣化のケースにおいてはこれを的確に１つまたは複数の機能単位に割り当てて、この１つまたは複数の機能単位だけを的確に保守整備または交換することができる。このことは、特に大型の機械の場合に経済的に有意義であり得る。
次に、図面に示されている実施例を参照しながら本発明について詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】出力面を用いて実施される本発明の監視方法の基本的な原理を見取り図で示す。
【図２ａ】遠心ポンプ機構を例にとって示す図１の監視方法を示す。
【図２ｂ】遠心ポンプの別の監視方法を示す。
【図２ｃ】遠心ポンプのさらに別の態様の監視方法を示す。
【図３】コンプレッサを例にとって示す監視方法を示す。
【図４】冷却機器を例にとって示す監視方法を示す。
【図５】暖房設備を例にとって示す監視方法を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図１には、数多くある機械、設備および機関についての一例として、機能単位１および機能単位２で構成されるエネルギー変換装置が示されている。図示した実施例では、機能単位１および機能単位２は互いに独立して監視される。ここでは、図１に符号３で示すように、まず機能単位１により消費される出力Ｐ１が１つまたは複数の変数数１−１に依存して検出されて記憶される。変数数１−１は数１−２と数１−３によって形成されているので、符号３で図示している面は、入力部における機能単位１のエネルギーバランスに相当している。同様にして出力部では、同じく変数数１−１に依存して決まる出力Ｐ２が生じている。この面は符号４で図示されている。機能単位１および機能単位２は、例えばシャフトを介して互いに機能的に連結されているので、符号４は符号５に対応しており、この符号５は、機能単位２の入力部におけるエネルギーバランスに相当する出力Ｐ２を数１−４に依存して定義し、しかも変数数１−５および数１−６に依存して定義する。機能単位２の出力部では、符号６で示すように数１−４に依存して決まる出力Ｐ３が生じている。
【数１−１】
0005439378.tif 000002
【数１−２】
0005439378.tif 000003
【数１−３】
0005439378.tif 000004
【数１−４】
0005439378.tif 000005
【数１−５】
0005439378.tif 000006
【数１−６】
0005439378.tif 000007
【００２８】
符号３から符号６に斜線で表示している面は、本方法の開始時に判定される。これは工場側で行うことができ、または、作動後にある程度時間が経ってから初めて行うことができる。このことは初期化プロセスで行うことができ、または作動中に行うことができる。いずれのケースにおいてもこれは所定の時点ｔ１で行われ、この時点は、複数の動作点が検出されるべきである場合には、所定の時間範囲であってもよい。
【００２９】
そして所定の時点ｔ２で、機能単位１の入力部、機能単位１の出力部、機能単位２の入力部、および機能単位２の出力部におけるエネルギーバランスが同じ方法で作成される。これに対応して符号３’、４’、５’および６’が付されている。同じく、所定の時間範囲であってもよい時点ｔ２で判定されたこれらの量ないし面を、時点ｔ１で判定されて記憶されている量ないし面と比較することで、個々の機能単位１、２の効率低下を検出することができ、この時、３および３’、ないし４および４’、ないし５および５’、ないし６および６’の斜線のある面の間隔が所定の動作点で判定され、または、これらの各面の間に広がる容積が判定され、所定の値を上回っている時には、交換、補修、即座の交換または即座の補修が好ましいと考えられる効率低下が機械で生じていることを利用者に知らせる信号が生成される。この時、複数の所定の閾値を設けてその段階付けによって様々に異なる信号を生成することができ、例えば、ある程度の値だけ低下した効率を指摘する第１の警報信号と、交換または補修を必要とするほどの効率の低下を指摘する第２の信号と、を生成することができる。さらに、機能単位１および機能単位２は互いに別々に監視されるので、どちらの機能単位が全面的または部分的に効率低下の原因となっているか否かを判断することができる。
【００３０】
このことを具体的な適用例で見ることができるように、一例として図２ａ、図２ｂおよび図２ｃが示されている。ここに図示されているのは、電気モータ１ａと、消費部７に供給を行うポンプ２ａと、を含んで構成される装置である。モータ１ａで消費される電気出力は符号Ｐ１で表されている。モータは、電気出力を回転数ωｒでトルクＴｅに変換する。モータ１ａの出力部に生じるこの機械出力Ｐ２は、同時に、ポンプ２ａの入力部に生じる機械出力Ｐ２でもあり、これがポンプ内部で水力学出力Ｐ３に変換される。この水力学出力Ｐ３は、ポンプにより吸込側と圧力側の間で生成される圧力差Δｐと、ポンプを通る容積流ｑと、によって規定される。図２ａにおいてモータ１ａとポンプ２ａとで構成される装置を完全に監視するために、各々の可能な動作点でのそれぞれの入力部と出力部における各機能単位の出力をそれぞれ含んでいる面を、それぞれのインターフェースで規定するとよい。
【００３１】
この時、数式の関係は以下のように表される。
【００３２】
変数
・  ｑ〜ポンプを通る容積流［ｍ３／ｈ］
・  Δｐ〜ポンプにより生成される圧力差［ｂａｒ］
・  ωｒ〜ポンプを駆動するシャフトの速度［Ｕ／ｓｅｃ］
・  Ｔｅ〜シャフトのトルク［Ｎｍ］
・  Ｖ〜供給電圧［Ｖ］
・  Ｉ〜供給電流［Ａ］
・  φ〜供給電圧Ｖとモータ電流Ｉの間の角度［Ｕ］
・  ωｅ〜供給周波数［Ｕ／ｓｅｃ］
・  Ｐ１〜モータに供給される電気出力［Ｗ］
・  Ｐ２〜モータシャフトにおける機械出力［Ｗ］。出力Ｐ２はモータのスリップｓに比例する。これはＰ２∝ｓである。
・  Ｐ３〜ポンプの水力学出力［ｗ］
・  ηｍ〜モータ効率
・  ηｐ〜ポンプ効率
【００３３】
これらの変数は、次のように相互に組み合わされている。
ｓ＝ωｅ−ωｒ／ωｅ
Ｐ１＝ＶＩｃｏｓ（φ）
Ｐ２＝ωｒＴｅ
Ｐ３＝κｑΔｐ
ηｍ＝Ｐ２／Ｐ１
ηｐ＝Ｐ３／Ｐ２
【００３４】
したがって、符号８で示すモータの出力を全ての動作点で定義する面の数学的な記述は、次式から得られる。
【数８】
0005439378.tif 000008
この時、前提となるのは、供給電圧がベクトル数８−１によって与えられることである。Ｒｓ（ステータ抵抗）、ＬｌＳ（ステータの誘導損失）、Ｌｍ（磁気誘導）、Ｌｌｒ（ロータの誘導損失）、Ｒｒ（ロータ抵抗）、およびＪ（マトリクス数８−２）はモータの定数である。
【数８−１】
0005439378.tif 000009
【数８−２】
0005439378.tif 000010
【００３５】
符号９で示すポンプ２ａの入力部における出力は、周知のとおり、ポンプ方程式によって記述される。
【数９】
0005439378.tif 000011
この式において、定数ａＰ２、ａＰ１、ａＰ０およびＢはポンプ定数である。
【００３６】
符号１０で示すポンプ２ａの出力部で生じる出力は、次式によって記述することができる。
【数１０】
0005439378.tif 000012
この式において、定数はａｐ２、ａｐ１、ａｐ０およびｐｏｆｆｓｅｔである。
【００３７】
機能単位１ａおよび２ａの前、中間、および後におけるインターフェースでの出力をそれぞれ表す、図２ａの符号８、９および１０で図示している三次元の面は、時点ｔ１で検出されて記憶される。この検出は、典型的には通常の動作中に、監視インターバル（ｔ１からｔ２までの時間）に対して無視することができるほど短時間内に行われ、次いでこれよりも長い時間後に、すなわち時点ｔ２で、このプロセスが反復され、それによって符号８’、９’および１０’で示す面が得られる。その際に、時点ｔ１とｔ２における面８と８’、９と９’、および最後に１０と１０’が相互に比較される。各面が一致していれば、機構は変わらずに作動している。これに対して、これら２つの面が１つの動作時点で互いに間隔をおいている時は、機能単位のうちの１つがその出力特性に関して変化しており、典型的には劣化している。すなわち、例えば符号１０および１０’で示す各面の間で間隔が確認され、それ以外では一致する各面が確認されたとすると、モータ１ａは変わらない効率で作動しているが、ポンプ２ａの内部では効率を変化させるプロセスが生じたと考えることができる。逆に、符号９および９’で示す各面に変化がある時は、ポンプ出力特性は同じに保たれているが、モータ効率が変化していると推定することができる。
【００３８】
図２ａに図示しているような監視では、各々の機能単位１ａ、２ａの前後で出力監視が行われる。しかしながら、このことは用途によっては不要な場合もある。また、式８、９および１０によって定義されるような、入力部または出力部の出力を表す多次元でモデル特性を有する面形状を必ず判定しなければならないわけではなく、図２ｂに示す実施例が明示しているように、例えば図２ａの符号１０で示す出力Ｐ３に代えて水力学出力特性を代替的に判定することもできる。すなわち、ポンプ２ａにより印加される圧力差を、駆動回転数ωｒおよび流量ｑに依存して判定することもでき、時点ｔ１で検出されて記憶することができる。符号１０ａによって挙げられている多次元の面、および時点ｔ２で符号１０ａ’によって挙げられている面は、それぞれ次式によって定義される。
【数１０ａ】
0005439378.tif 000013
【００３９】
図２ｃには、機能単位１ａおよび機能単位２ａから構成されるこのようなポンプ機構を監視するさらに別の選択肢が示されている。符号１１で示されているように、ここでは出力Ｐ１は符号８ａで示すωｅおよびＱに依存して検出され、ｔ１およびｔ２の間の時間的間隔をおいて、符号８ａ’で示す対応する出力と比較される。出力Ｐ２も、符号９ａないし９ａ’で示すように、ここではΔｐおよびωｒに依存して判定される。最後に、図２ｃに示す監視コンセプトでは、符号１１ａおよび１１ｂ、ないし１１ａ’および１１ｂ’で示すように、モータ効率ηｍとポンプ効率ηｐが直接的に監視される。この相違は、機能単位であるモータ１ａとポンプ２ａから構成される遠心ポンプを例にとって明示したように、機構装置全体またはその機能単位の出力特性を監視する多数の選択肢があることを明示するためのものにすぎない。
【００４０】
モータ効率ηｍはＰ２とＰ１の商であり、ωｅ（供給周波数）とモータのスリップｓとに依存して決まる。モータ効率は、図２ｃでは符号１１ａで、グラフの面によって各々の動作点について示されている。符号９ａでは、出力Ｐ２がΔｐとｑに依存して示されている。これにより、符号１１ｂで示す面が明示するように、ポンプ回転数（ωｒ）と送出量ｑに依存してポンプの効率ηｐが得られる。符号８ａでは、モータ１ａの出力Ｐ１が供給周波数とポンプの流量に依存して、同じく面の形態で示されている。図１と同様に、面８ａ、９ａ、１１ａおよび１１ｂに示す出力ないし効率は、時点ｔ１で判定されて保存されたものであり、それに対して時点ｔ２では、これらに対応する比較面が判定されており、効率変化を表す目安として、符号１１ａおよび１１ａ’、ならびに１１ｂおよび１１ｂ’の各面の間隔が援用される。例えばポンプ２ａの効率が時間ｔ１からｔ２の経過中に軸受の損傷によって低下すると、符号１１ａおよび１１ａ’の各面は合致するのに対して、符号１１ｂおよび１１ｂ’の各面は動作点に関して明らかな相互間隔を有することになる。このような間隔に代えて容積を定義することもできる。
【００４１】
図３には、本発明の方法によってコンプレッサをどのように監視することができるかが、一例として図示されている。コンプレッサは、モータの形態の機能単位１ｂと、これにより駆動される、消費部７ｂに供給を行う容量型ポンプの形態の機能単位２ｂと、を有している。この場合にも、モータ出力を表す符号１２で示す面が時点ｔ１で判定されるとともに、ポンプ出力を表す符号１３で示す面が判定されて記憶され、時間的間隔をおいて、例えば時点ｔ２で、符号１２’および１３’で示すように時点ｔ２における最新の値に基づいて判定されて、記憶されている値と比較され、この場合にも、符号１２および１２’、ないし１３および１３’で示す各面の間隔、およびこれらの間に広がる容積が、効率低下を表す目安として使用される。計算上の関係は次のようにして得られる。
・  ｐｉｎ〜コンプレッサの入力圧力［ｂａｒ］
・  ｐｏｕｔ〜コンプレッサの出力圧力［ｂａｒ］
・  Ｔｉｎ〜コンプレッサの入力温度［°Ｋ］
・  Ｔｏｕｔ〜コンプレッサの出力温度［°Ｋ］
・  ωｒ〜コンプレッサを駆動するシャフトの回転数［Ｕ／ｓｅｃ］
・  Ｐ１〜モータにより消費される電気出力［Ｗ］
・  Ｐ２〜駆動シャフトにおける出力［Ｗ］。出力Ｐ２はモータのスリップｓに比例する。これはＰ２∝ｓである。
【００４２】
さらに、次の数学的関係が成り立つ。
Ｐ２＝ωｒＴｅ
ｎ−１／ｎ＝ｌｎ（Ｔｏｕｔ）−ｌｎ （Ｔｉｎ）／ｌｎ（Ｐｏｕｔ）−ｌｎ（Ｐｉｎ）
【００４３】
したがって断熱圧縮サイクルの場合、出力Ｐ２は次のようにして得られる。
【数１３】
0005439378.tif 000014
この時、ｋ＝Δｖ／（２π）である。
コンプレッサ回路で断熱プロセスが進行しないケースについては、次のようにして出力を表すことができる。
【数１３−１】
0005439378.tif 000015
この時、ｋ＝Δｖｎ／（ｎ−１）／（２π）であり、ｎは圧縮中の熱流を表す１とは異なる定数である。したがってプロセスが一定の温度下で進行する時、ｎは同じく一定であると仮定することができる。式ｎ／（ｎ−１）は次式から得られる。
Ｔｏｕｔ＝Ｔｉｎ（Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎ）（ｎ−１）／ｎ
これは、温度ＴｉｎおよびＴｏｕｔ、ならびに圧力ＰｏｕｔおよびＰｉｎを用いて、この式を次にように求めることができることを意味している。
ｎ−１／ｎ＝ｌｎ（Ｔｏｕｔ）−ｌｎ （Ｔｉｎ）／ｌｎ（Ｐｏｕｔ）−ｌｎ（Ｐｉｎ）
モータ出力Ｐ１は、上と同様のやり方で、式（８）が表すように監視することができる。
【００４４】
図４には、モータ１ｃと、出力部が気化器３に作用する容量型ポンプ２ｃとで構成される冷蔵庫についての本発明の方法が示されており、気化器はスロットル４ｃを介して凝縮器５ｃと接続されており、凝縮器の出力部はポンプ２ｃの入力部と出力接続されている。冷却室には符号７ｃが付されている。
このシステムでは次の変数が生じる。
・  Ｔｌ〜気化器３ｃの出口における温度
・  Ｔｈ〜凝縮器５ｃの入口における温度
・  Ｔｂｏｘ〜冷却室７ｃ内の温度
・  Ｔａｍｂ〜周囲温度
・  Ｑ１〜冷却出力
・  Ｑ２〜周囲へ放出される出力
・  Ｗ〜ポンプ２ｃから出される出力
・  ωｒ〜モータシャフトの速度［Ｕ／ｓｅｃ］
・  Ｔｅ〜トルク［Ｎｍ］
・  Ｐ２〜モータから出される機械的な出力
【００４５】
これらの変数は次の数学的関係にある。
Ｐ２＝ωｒＴｅ
Ｔｅｑ＝（Ｔｈ−Ｔｌ／Ｔｌ）・（Ｔａｍｂ−Ｔｂｏｘ）
【００４６】
モータ１ｃの出力を表す符号１４の面は、図３の符号１２、ないし図２ａの符号８で表す図にそれぞれ対応している。出力Ｐ２およびＰ３を定義する面については、次の関係式が得られる。
【数１５】
0005439378.tif 000016
【数１７】
0005439378.tif 000017
【００４７】
ここで式１５はコンプレッサの入力部における出力Ｐ２を記述しているのに対し、式１７はコンプレッサの出力部における出力を記述している。特に符号１７が示しているように、ここで各機能単位のインターフェースにおける出力を判定するための判定面は二次元または多次元であってよい。符号１７で示す面は二次元であり、すなわち線である。ここに図示しているその他の面は全て三次元である。当然ながら、監視されるべき機械の種類や、その背後にある数学的、物理学的な関係に応じて、これらの面は場合により三次元を超えていてもよい。
【００４８】
この場合にも監視は同様の方法で行われ、そのために、各機能単位のインターフェースにおける出力を表す、符号１４、１５および１７で示す面が時点ｔ１で、ならびに時間的間隔をおいて時点ｔ２で判定され（それにより符号１４’、１５’および１７’で示す面が得られる）、次いで、各面の間隔ないしその間に広がる容積を判定して、機能単位１ｃ、２ｃのどちらの効率が低下しているのか、どの程度低下しているのかを判断する。
【００４９】
最後に図５には、本発明による監視方法を暖房設備の一次回路でどのように適用可能であるのかが示されている。暖房設備はバーナ２０を有しており、このバーナが燃焼室２１で配管２２の水を暖める。バーナ２０で暖められた水は暖房設備の一次回路で案内されて、熱を放出した後に熱交換器２３に到達し、そこで燃焼室２１から出る排ガスが熱を水に与える。排ガスは出口２４を介して外に出る。このシステムの変数は次のとおりである。
・  ｑ〜配管２２を通って流れる水の容積流量
・  数１６−１〜排ガス質量
【数１６−１】
0005439378.tif 000018
・  Ｔｗ，ｏｕｔ〜配管２２から出ていく水の温度
・  Ｔｗ，ｉｎ〜配管２２に入っていく水の温度
・  Ｔｇ，ｏｕｔ〜出口における排ガスの温度
・  Ｔｇ，ｉｎ〜燃焼温度
・  Ｔａｍｂ〜周囲温度
・  Ｐ１〜燃料によってシステムへ持ち込まれる出力
・  Ｐ２〜水によってシステムから持ち出される出力
【００５０】
この時、次の関係式が得られる。
Ｐ２＝ρｗｑＣｐｗ（Ｔｗ，ｏｕｔ−Ｔｗ，ｉｎ）
ここでρｗは水の密度、Ｃｐｗは水の比熱容量を表している。この時、算出されるべき面は次のようにして得られ、時点ｔ１では符号１６によって示されており、時点ｔ２では符号１６’によって示されている。
【数１６】
0005439378.tif 000019
ここでＣｐｇとＣｐｗは排ガスの比熱容量、Ｕは熱伝達係数、Ａはバーナ２０と配管２２の間の熱伝達面積である。この時、排ガスによって持ち出される出力数１６−２と排ガスの質量流量数１６−３は一定として仮定されており、周囲温度数１６−４も同様である。場合により、これらの量は測定によって簡単な方法で判定することもできる。
【数１６−２】
0005439378.tif 000020
【数１６−３】
0005439378.tif 000021
【数１６−４】
0005439378.tif 000022
【００５１】
以上の各実施例が明示するように、本発明による方法は機構、機械および設備といった多種多様な装置で適用することができ、機能単位相互のインターフェースにおける出力を各々の任意の動作点で定義する多次元の面が常に判定されるのが好ましく、そのようにして、これらを異なる時点（例えばｔ１とｔ２）で相互に比較すれば、各機能単位の出力特性を表す、ならびに相応の評価をすれば装置全体の出力特性を表す、信頼度の高い目安が得られる。当然ながら、時点ｔ１およびｔ２はここでは一例としてのみ解されるべきであり、時点ｔ１で判定された値は、後で比較できるようにするために常に保存されるとよい。しかし、場合により変化の速度も検出するために中間値も保存しておくことを排除するものではなく、これは、相応の評価装置で評価することができる。この点に関しては、比較可能な評価について詳細に説明されている欧州特許出願公開第１，５６４，４１１Ａ１号公報を特に援用する。
【００５２】
ここで付言しておくと、上記の各実施例では各機能単位のインターフェースにおける出力バランスを判定するために常に二次元または多次元の面が利用されているが、その理由は、これによってその都度の動作点に事実上関わりない評価が可能になるからである。動作点が実質的に一定であれば、このような評価を簡素化して行うこともでき、そのためには、個々の量が時間的間隔をおいて相互に比較され、それを通じて効率に関する推定を直接的または間接的に行うことができる。ここで取り上げている二次元または多次元の面は動作中に判定されるのが好ましく、適当な補間法によって、できる限り少ない異なる動作点を基に、各面の高い精度を実現することが試みられる。このことは特に、先に既に説明したとおりカルマンフィルタを利用して実現することができる。しかしながら、これ以外の適切な補間法を適用することもできる。また、例えばポンプ機構の場合、特定の動作点へ的確に到達させて、出力バランスを表す面をできるだけ高い精度で検出したり、または、定義された動作点への的確な到達によって、このような面の判定を省略できるようにすることも考えられる。
【図１】
0005439378.tif 000023
【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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