(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準運転周波数に運転しながら負荷変動を検出する負荷変動検出段階と、
該負荷変動が検出されると、前記運転周波数を加減させて運転領域における運転周波数を検出する運転周波数検出段階と、
前記高効率運転領域の運転周波数に該当するストローク指令値を決定した後、該ストローク指令値によってストローク制御を遂行する段階と、を順次行い、
上記負荷変動は、前記ストローク指令値を加減させてモータの電流とピストンのストロークとの位相差の変曲点を検出し、モータの電流とストロークとの位相差の変曲点が所定高効率運転領域区間に包含されるかの可否によって検出され、
上記運転周波数検出段階は、
前記変曲点における電流とストロークとの位相差が高効率運転領域区間の上限値より大きいと、運転周波数を増加させる段階と、
前記変曲点における前記電流とストロークとの位相差が高効率運転領域区間の下限値より小さいと、運転周波数を減少させる段階と、
前記加減された運転周波数による運転により前記変曲点が高効率運転領域区間内に包含されるかを判断して運転周波数を決定する段階と、を順次行うことを特徴とする往復動式圧縮機のストローク制御方法。
【請求項２】
高効率運転領域内に包含される位相差を検出して格納する段階が追加して包含されることを特徴とする請求項１記載の往復動式圧縮機のストローク制御方法。
【請求項３】
上記各運転周波数に該当するストロークを格納する段階が追加して包含されることを特徴とする請求項１記載の往復動式圧縮機のストローク制御方法。
【請求項４】
ストローク指令値を加減させてピストンのストロークとモータの電流との位相差変曲点を検出する位相差変曲点検出段階と、
前記ピストンのストロークと電流との位相差変曲点におけるピストンのストロークをストローク指令値に設定した後、負荷変動値を検出する負荷変動検出段階と、
該負荷変動値が検出されると、基準運転周波数を加減させ、前記加減された基準運転周波数に該当するストローク指令値によってストローク制御を遂行した後、前記位相差変曲点検出段階に戻る段階と、
前記負荷変動値が検出されないと、既設定されたストローク指令値によってピストンのストロークを制御する段階と、を順次行うことを特徴とする往復動式圧縮機のストローク制御方法。
【請求項５】
上記戻る段階は、電流とピストンのストロークとの位相差の変曲点における位相差が高効率運転領域の上限位置より大きいと運転周波数を増加させる段階と、
前記電流とピストンのストロークとの位相差変曲点が高効率運転領域の下限位置より小さいと運転周波数を減少させる段階と、を順次行うことを特徴とする請求項４記載の往復動式圧縮機のストローク制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、往復動式圧縮機のストローク制御装置及びその制御方法に係るもので、詳しくは、ストロークと電流との位相差を検出して、負荷が変動する都度、ピストンの行程距離が上死点（以下ＴＤＣと略称す）＝０’の位置に近接するように運転周波数を可変することで、往復動式圧縮機の運転効率を向上し得る往復動式圧縮機のストローク制御装置及びその制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、往復動式圧縮機は、スイッチング素子を利用してモータの内部に装着され、多相の固定子に巻線されたコイルに印加される電源を断続することで、モータの回転によってトルクを発生するが、このとき、回転子と固定子間の励磁状態が順次可変されることで、磁気吸入力による正方向のトルクが発生する。
【０００３】
そして、従来の往復動式圧縮機の運転制御装置においては、図７に示したように、使用者のストローク指令値によって内部モータに印加される電圧により内部のピストンが上下運動してストロークが可変されることで、運転が調節される往復動式圧縮機１０と、該往復動式圧縮機１０から発生する電流を検出する電流検出部２０と、前記往復動式圧縮機１０に印加される電圧によってピストンのストロークを検出するストローク検出部３０と、前記電流検出部２０及び前記ストローク検出部３０から検出された電流及びストロークの各位相の差値を検出する位相差検出部４０と、前記検出された位相差の変化量によってストロークの震えを検出するストロークの震え検出部５０と、該検出された震えにより前記往復動式圧縮機１０の駆動時に発生するストロークを計算して、該計算されたストロークと前記往復動式圧縮機１０の初期駆動時に入力されたストローク指令値とを比較して、ストローク制御のためのスイッチング制御信号を出力するストローク制御部６０と、前記スイッチング制御信号の入力を受けて、前記往復動式圧縮機１０を駆動させるインバータ７０と、を包含して構成されていた。
【０００４】
以下、このように構成された従来の往復動式圧縮機のストローク制御装置の動作に対し、説明する。
先ず、使用者によって設定された初期ストローク指令値によって上記往復動式圧縮機１０のピストンが直線往復運動を遂行することで、前記ピストンのストロークが決定され、該ストロークが可変されることで、圧縮機１０が制御されるが、この時、上記電流検出部２０及びストローク検出部３０は、上記往復動式圧縮機１０から発生する電流及びストロークを検出する。
【０００５】
次いで、上記位相差検出部４０は、上記検出された電流及びストロークによる位相を検出した後、それに関する位相差値を算出して、前記位相差の変化量を利用してストロークの震えを判別する。
即ち、上記往復動式圧縮機１０の運転初期に、上記ストローク制御部６０は、初期ストローク指令値により前記往復動式圧縮機１０の運転を制御して、前記往復動式圧縮機１０の運転中には、上記ストロークの震え検出部５０からストロークの震え検出信号が入力されると、使用者の冷力要求の大きさによって、前記往復動式圧縮機１０を駆動させるためのインバーティング信号を上記インバータ７０に入力する。
このようにして、上記往復動式圧縮機１０が最大効率点で運転されるように運転制御が遂行される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
然るに、このような従来の往復動式圧縮機においては、機構的に運動特性が激しい非線型に構成されているために、該非線型を勘案しない線形的な制御方法によっては精密なストローク制御が不可能であると不都合な点があった。
従って、このような問題を解決するために、電流とストロークとの位相差変曲点を検出して往復動式圧縮機の制御を遂行することで運転効率を向上させることはできるが、往復動式圧縮機を継続して運転する場合には、周辺環境の変化によって負荷変動により運転効率が低下するという不都合な点があった。
【０００７】
本発明は、このような従来の課題に鑑みてなされたもので、上記ストロークと電流との位相差を検出して、負荷が変動する都度、運転周波数を可変することで、運転効率を向上し得る往復動式圧縮機のストローク制御装置及びその方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するため、本発明に係る往復動式圧縮機のストローク制御装置においては、前記往復動式圧縮機のモータに流れる電流を検出する電流検出部と、前記往復動式圧縮機のモータに印加される電圧及び電流を利用してピストンのストロークを検出するストローク検出部と、該ストローク検出部からピストンのストローク並びに前記電流検出部から検出されたモータの電流の入力を受けて位相差を検出する位相差検出部と、該検出された位相差によって運転領域に相応する運転周波数を決定する運転周波数決定部と、該決定された運転周波数別のピストンのストローク値が格納される周波数／ストローク格納部と、該周波数／ストローク格納部に既格納されたストローク値を利用して、前記決定された運転周波数に相応するストローク指令値を決定するストローク指令値決定器と、前記ストローク指令値と所定時点以後のピストンのストローク値とを比較してそれに関するストローク制御信号を出力する制御部と、該制御部のストローク制御信号によって運転周波数を可変して前記往復動式圧縮機のモータに印加される電圧を可変させるインバータと、を包含して構成されることを特徴とする。
【０００９】
又、このような目的を達成するため、本発明に係る往復動式圧縮機のストローク制御方法においては、基準運転周波数に運転しながら負荷変動を検出する段階と、該負荷変動が検出されると、前記運転周波数を加減させて運転領域の運転周波数を検出する段階と、前記高効率運転領域の運転周波数に該当するストローク指令値を決定した後、該ストローク指令値によりストローク制御を遂行する段階と、を順次行うことを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に対し、図面を用いて説明する。
本発明に係る往復動式圧縮機のストローク制御装置においては、図１に示したように、使用者のストローク指令値によってモータに印加される電圧によりピストンを往復運動させてストロークを可変させることで、冷力を調節する往復動式圧縮機１００と、該往復動式圧縮機１００のモータに流れる電流を検出する電流検出部１１０と、前記往復動式圧縮機１００のモータに印加される電圧及び電流を利用してピストンのストロークを検出するストローク検出部１２０と、該ストローク検出部１２０からピストンのストローク及び前記電流検出部１１０から検出された電流が夫々入力されて位相差を検出する位相差検出部１３０と、前記往復動式圧縮機１００が運転領域で運転されるように予め実験によって検出された位相差の運転領域に該当する運転周波数が予め格納された後、前記位相差検出部１３０から検出された位相差が前記格納された位相差運転領域に包含されるかを比較することで、運転周波数を決定する運転周波数決定部１４０と、実験によって得た前記各運転周波数別のピストンのストローク値を予め格納する周波数／ストローク格納部１５０と、該周波数／ストローク格納部１５０に既格納されたストローク値を利用して前記運転周波数決定部１４０から出力された運転周波数に該当するストローク指令値を決定するストローク指令値決定器１６０と、前記ストローク指令値と現在のピストンのストローク値とを比較してそれに関するストローク制御信号を出力する制御部１７０と、該制御部１７０のストローク制御信号によって、運転周波数を可変して前記往復動式圧縮機１００のモータに印加される電圧を可変させるインバータ１８０と、を包含して構成されている。
【００１１】
又、上記運転周波数決定部１４０は、上記往復動式圧縮機１００が運転領域で運転されるように予め実験によって検出された位相差の運転領域に該当する運転周波数が予め格納される運転領域格納部１４１と、上記位相差検出部１３０から検出された位相差が前記位相差運転領域に包含されるかを比較する位相差比較器１４２と、基準運転周波数を所定周波数単位に加減させて、電流とピストンのストロークとの位相差が運転領域内に包含されたとき、前記位相差比較器１４２の比較信号によってその時点の周波数を運転周波数に決定する運転周波数決定器１４３と、から構成されている。
【００１２】
且つ、上記制御部１７０は、上記ストローク指令値と現在のピストンのストローク値とを比較する比較器１７１と、該比較値によって前記往復動式圧縮機を駆動するためのストローク制御信号を出力するストローク制御部１７２と、から構成されてある。
以下、このように構成された本発明に係る往復動式圧縮機のストローク制御装置の動作に対し、説明する。
【００１３】
本発明に係る往復動式圧縮機のストローク制御装置は、ピストンのストロークと電流との位相差が９０°±ｄになる運転領域内でモータが駆動されるように運転周波数を可変する方法であって、先ず、上記電流検出部１１０は、上記往復動式圧縮機１００のモータに印加される電流を検出し、上記ストローク検出部１２０は、モータに印加される電圧及び電流によってピストンのストロークを検出して、該検出された電流及びストロークを前記位相差検出部１３０に夫々出力する。次いで、上記運転周波数決定部１４０の運転周波数決定器１４３は、上記位相差検出部１３０から出力された前記位相差を受けて、次の運転周波数を決定する。
【００１４】
以下、運転周波数が決定される過程に対し、説明する。
先ず、上記運転領域格納部１４１は、上記往復動式圧縮機１００が機械的共振状態（往復動式圧縮機の最大効率点）にある時、即ち、モータの電流とピストンのストロークとの位相差が９０°になる地点を基準に、実験を行って所定値の±ｄを求めた後、これを格納する。
【００１５】
そして、負荷変動に従う上記往復動式圧縮機１００の高効率運転領域として、図２に示したように、上記位相差検出部１３０から検出されるピストンのストロークと電流との位相差が９０°になる地点で上記往復動式圧縮機１００の運転効率は最大になる。
次いで、上記位相差比較器１４２は、上記位相差検出部１３０から出力されるピストンのストロークと電流との位相差の入力を受けて、該位相差が上記運転領域格納部１４１に既格納された運転領域に包含されるかを比較して、それに関する比較信号を上記運転周波数決定器１４３に印加する。
【００１６】
次いで、上記運転周波数決定器１４３は、上記往復動式圧縮機１００の負荷が変動することで上記位相差の変曲点が運転領域を離れる場合、運転周波数を所定周波数単位に加減させて電流とピストンのストロークとの位相差の変曲点が運転領域に包含されるように制御を遂行する。次いで、上記位相差の変曲点が運転領域内に位置するように制御された前記運転周波数はストローク指令値決定器１６０に出力される。
【００１７】
併し、上記位相差の変曲点が運転領域に包含されている場合は、上記制御過程を経ずに、その時点の周波数を運転周波数に決定して直接ストローク指令値決定器１６０に出力される。即ち、上記運転周波数決定器１４３は、上記位相差比較器１４２の比較信号によって、上記制御された運転周波数を前記ストローク指令値決定器１６０に印加する。
【００１８】
次いで、上記ストローク指令値決定器１６０は、入力された運転周波数によりストローク指令値を決定するが、この時、上記周波数／ストローク格納部１５０は、実験によって、上記運転周波数決定部１４０から出力された運転周波数に相応するピストンのストロークを算出して格納し、前記ストローク指令値決定器１６０は、前記運転周波数に該当するピストンのストロークを読み出してそれをストローク指令値に決定する。
【００１９】
次いで、上記比較器１７１及び前記ストローク制御機１７２から構成された上記制御部１７０は、上記往復動式圧縮機１００を駆動するためのストローク制御信号を以下のようにインバータ１８０に印加する。
先ず、上記制御部１７０の上記比較器１７１は、上記ストローク指令値決定器１６０から出力されるストローク指令値を受けて、該ストローク指令値と上記ストローク検出部１２０のピストンのストロークとを比較してそれに関するストローク制御信号を出力するが、このとき、前記比較器１７１は、前記ストローク指令値とピストンのストロークとを比較した差値を出力し、該差値によって、補正されたストローク制御信号を上記ストローク制御機１７２が出力して上記インバータ１８０に印加する。
【００２０】
次いで、上記インバータ１８０は、上記制御部１７０から出力される前記ストローク制御信号によって運転周波数を可変させ、モータに印加される電圧を可変されることで、上記往復動式圧縮機１００が最大効率点の運転領域で運転されるように運転制御が行われる。
以下、本発明に係る往復動式圧縮機のストローク制御方法に対して、図３〜図６に基づいて説明する。
【００２１】
本発明に係る往復動式圧縮機のストローク制御方法においては、基準運転周波数に運転されながら負荷変動を検出する段階と、該負荷変動が検出されると、前記運転周波数を加減させて運転領域における運転周波数を検出する段階と、前記高効率運転領域の運転周波数に該当するストローク指令値を決定した後、該ストローク指令値によってストローク制御を行う段階と、を順次行うことを特徴とする。
【００２２】
即ち、上記往復動式圧縮機１００を基準ストロークの基準運転周波数に運転しながら負荷変動を検出するがＳＰ１、ＳＰ２、この時、前記負荷変動は、ピストンのストロークとモータの電流との位相差（ＰＨＡＳＥ−ＣＳ）の変曲点が所定運転領域区間（９０°−ｄ〜９０°＋ｄ）内に位置してあるかの可否を確認することで検出される。この時、上記ピストンのストロークとモータの電流との位相差（ＰＨＡＳＥ−ＣＳ）の変曲点は、図２に示したように、負荷の変動による機械的共振周波数の増減によって可変される。
【００２３】
又、負荷の変動による往復動式圧縮機の機械的共振周波数の変化は、図４に示したように、前記往復動式圧縮機１００のストロークが所定値の時、前記往復動式圧縮機１００の負荷が増加すると、該往復動式圧縮機１１０の運転点は’Ａ’点から’Ｂ’点に移動する。即ち、機械的共振周波数が増加する。
併し、負荷が減少されると、圧縮機１００の運転点は’Ａ’点から’Ｃ’点に移動して、機械的共振周波数が減少される。このように、上記往復動式圧縮機１００の負荷変動によって機械的共振周波数が変動されると、前記往復動式圧縮機１００の最大効率点である運転領域が変動される。
【００２４】
結局、上記往復動式圧縮機１００の負荷変動による機械的共振周波数の増減によって、前記往復動式圧縮機１００のストローク制御が不円滑になるので、負荷変動による機械的共振周波数の増減を補償するために、前記ストローク及びモータの電流位相差の変曲点が運転領域区間内に位置するように運転周波数を可変して制御を遂行する。
【００２５】
従って、上記負荷変動が検出されて、上記ピストンのストロークと電流との位相差変曲点が上記所定領域区間（９０°−ｄ〜９０°＋ｄ）内に位置されると、上記往復動式圧縮機の初期駆動時に入力された基準運転周波数に継続運転を遂行し、前記ピストンのストロークと電流との位相差変曲点が前記所定領域区間に位置されないと、再び前記位相差の変曲点が所定領域区間（９０°＋ｄ）より大きい値を有するかを判断するＳＰ３。
【００２６】
次いで、上記位相差変曲点が所定領域区間（９０°＋ｄ）より大きい値を有すると、運転周波数を増加させＳＰ４、前記位相差変曲点が前記所定領域区間（９０°＋ｄ）より小さい値を有すると、運転周波数を減少させた後ＳＰ５、上記運転領域区間（９０°−ｄ〜９０°＋ｄ）内に包含されるかを判断した後ＳＰ６、包含されると、運転周波数に決定するＳＰ７。一方、上記増減された運転周波数が上記運転領域区間（９０°−ｄ〜９０°＋ｄ）内に包含されないと、これが満足されるまで上記ストローク制御段階を遂行する。
【００２７】
この時、上記運転周波数の決定は、図５（Ａ）（Ｂ）に示したように、負荷の変動による位相差の変動と、該位相差の変動による運転周波数の関係とを夫々示したグラフを利用することで次のように行われる。
上記往復動式圧縮機の負荷変化による位相差変曲点の変化と、前記位相差変曲点の変化による運転周波数との変化は、図５（Ａ）（Ｂ）に示したように、前記二つの特性曲線の性質を利用して往復動式圧縮機の負荷変動を補償することで運転制御を行う。
【００２８】
即ち、上記往復動式圧縮機の負荷変動によってピストンのストロークと電流との位相差変曲点が可変される場合、運転周波数を増減させることで前記ピストンのストロークと電流との位相差変曲点を前記高効率運転領域区間内に位置するようにする。そして、このようにすると、上記往復動式圧縮機が運転領域で運転される途中、負荷が増加すると、上記高効率運転領域区間を離れるが、この時、上記運転周波数を所定値に増加させることで、再び高効率運転領域区間に戻ってくるようになる。
【００２９】
且つ、上記往復動式圧縮機の負荷変動に対して、上記運転周波数を増減することでストローク制御を行う方法は、図６に示したように、上記往復動式圧縮機が所定時点の運転時に所定速度に運転される場合、負荷変動が激しくないと前記往復動式圧縮機のピストンのストロークと電流との位相差が安定領域内にあるため、運転周波数が変動されない。
【００３０】
併し、負荷が増加して運転時点が安定領域より大きくなると、実線方向に運転周波数が移動され、負荷が減少して安定領域より小さくなると点線方向に運転周波数が移動されるので、負荷変動が発生しても圧縮機の運転点がＴＤＣ＝０の位置に近接されるように運転周波数を可変することで、負荷変動に対する前記圧縮機の運転効率が向上される。
【００３１】
次いで、上記決定された運転領域での運転周波数に該当するストローク指令値が決定された後ＳＰ８、該ストローク指令値によってストローク制御が遂行されるＳＰ９。この時、安定した運転を行うための運転領域区間に包含される位相差の変曲点及びこれに該当する運転周波数は、実験によって、予め検出して格納され、又前記各運転周波数別のストロークも予め検出されて格納される。
次いで、上記往復動式圧縮機は、上記制御過程が反復遂行されることで、機械的共振点である最大効率点における運転が可能になる。
【００３２】
上記往復動式圧縮機のストローク制御過程中、負荷変動による上記位相差の変動がない場合には、只初期のピストンのストロークと所定時点以後のストロークとを比較することで、制御を遂行することができる。
即ち、初期のピストンのストロークが所定時点以後のストローク指令値より大きいと圧縮機の入力が減少されて、前記ピストンのストロークが所定時点以後のストローク指令値より小さいと圧縮機の入力が増加される（未図示）。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る往復動式圧縮機のストローク制御装置及びその方法においては、共振周波数領域のピストンの行程距離が’ＴＤＣ＝０’の附近になるように運転周波数を可変してストロークを制御することで、運転効率を向上し得るという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る往復動式圧縮機のストローク制御装置を示したブロック図である。
【図２】本発明に係る往復動式圧縮機の安定した高効率運転領域を示したグラフである。
【図３】本発明に係る往復動式圧縮機のストローク制御方法を示したフローチャートである。
【図４】本発明に係る往復動式圧縮機の負荷の変動に従う機械的共振周波数の変化を示したグラフである。
【図５】本発明に係る往復動式圧縮機の運転周波数又は負荷が一定の場合、負荷の変動による位相差の変動と、周波数の変動による位相差の変動と、を夫々示したグラフで、（Ａ）は周波数が一定であるときの負荷の変動に対する位相差を示し、（Ｂ）は負荷が一定であるときの周波数の変動に対する位相差を示したグラフである。
【図６】本発明に係る往復動式圧縮機の負荷の変動に対して、運転周波数を増減することでストロークの制御を遂行することを示したグラフである。
【図７】従来の往復動式圧縮機のストローク制御装置を示したブロック図である。
【符号の説明】
１００…往復動式圧縮機
１１０…電流検出部
１２０…ストローク検出部
１３０…位相差検出部
１４０…運転周波数決定部
１４１…運転領域格納部
１４２…位相差比較器
１４３…運転周波数決定器
１５０…周波数／ストローク格納部
１６０…ストローク指令値決定器
１７０…制御部
１７１…比較器
１７２…ストローク制御部
１８０…インバータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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