JP4584599B2

JP4584599B2 - 圧縮機

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Publication number: JP4584599B2
Application number: JP2004024249A
Authority: JP
Inventors: 利雄井上; 喜之兼本; 博押上
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2004-01-30
Filing date: 2004-01-30
Publication date: 2010-11-24
Anticipated expiration: 2024-01-30
Also published as: JP2005214137A

Description

本発明は、例えば電動モータ等を動力源として空気等の気体を圧縮するのに好適に用いられる圧縮機に関する。

一般に、圧縮機は、例えば釘打ち機等の空圧機器を駆動する空気圧縮機として広く用いられている。この種の従来技術による空気圧縮機は、モータと、該モータにより駆動されて圧縮空気を吐出する圧縮部と、該圧縮部から吐出される圧縮空気を貯留するタンクとにより構成されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−２５４２５４号公報

そして、例えば工事現場で釘打ち作業等を行うときには、釘打ち機を空気圧縮機に接続し、圧縮機を作動させることにより、そのタンク内に圧縮空気を貯えつつ、タンク内の圧縮空気を釘打ち機に供給して釘打ち作業を行うものである。

また、従来技術の空気圧縮機には、タンク内の圧力を検出する圧力センサと、該圧力センサの検出結果を用いてモータの運転状態を制御するモータ制御手段とが設けられている。そして、モータ制御手段は、モータを運転することによりタンク内の圧力が上昇すると、例えば圧力が上限値に達したときにモータを一旦停止し、その後、釘打ち機の使用等によってタンク内の圧力が下限値以下となったときに、モータを再び運転する構成となっている。

ところで、上述した従来技術の空気圧縮機は、例えば民家が近い建築現場や夜間の作業現場において、釘打ち機等と一緒に用いることがあるため、モータの作動音を可能な限り抑え、圧縮機の騒音を小さくしたいという要求がある。

しかし、例えばモータの回転数を低く設定し、これによって騒音を抑える構成とした場合には、圧縮空気の供給量に制約が生じ易い。このため、圧縮機の使用時には、例えば多数の釘打ち作業を連続的に行うと、モータが運転中であってもタンク内の空気圧が不足してしまい、空気圧が十分に上昇するまで作業を中断せざるを得ないことがあり、作業効率が低下するという問題がある。

これに対し、モータの回転数を高くする構成とした場合には、モータを運転するときに騒音が増大し、作業現場や周囲の環境が悪化する。このように、従来技術では、モータの回転数を適切に設定するのが難しいという問題がある。

本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、モータの回転数を状況に応じて適切に制御でき、騒音を抑えつつ性能を向上できるようにした圧縮機を提供することにある。

上述した課題を解決するために本発明は、モータと、該モータにより駆動されて圧縮気体を吐出する圧縮部と、該圧縮部から吐出される圧縮気体を貯えるタンクと、該タンク内の圧力を検出する圧力検出手段と、該圧力検出手段により検出した圧力が低下して下限値以下となったときに前記モータを運転し前記圧力が上昇して上限値に達したときに前記モータを停止させるモータ制御手段とからなる圧縮機に適用される。

そして、請求項１の発明が採用する構成の特徴は、モータ制御手段は、前記圧力検出手段の検出結果を用いて前記タンク内の圧力が一定の時間に変化する圧力変化の値を演算する圧力変化演算手段と、前記タンク内の圧力に応じて異なり、前記タンク内の圧力の一次関数により決まる値であって、前記タンク内の前記圧縮気体の基準消費量に対応する圧力変化の値である圧力変化の判定値を演算する判定値演算手段と、該判定値演算手段により演算した前記判定値と前記圧力変化演算手段により演算した前記圧力変化との関係を判定する判定手段と、該判定手段の判定結果に応じてモータの回転数を低速側と高速側との間で切換える回転数切換手段とを備える構成としたことにある。

また、請求項２の発明によると、判定値演算手段は、モータを低速で運転しているときに低速運転用の判定値を演算する構成とし、回転数切換手段は、モータを低速で運転した状態でタンク内の圧力変化が低速運転用の判定値よりも小さいときにのみモータの回転数を低速から高速に切換える構成としている。

また、請求項３の発明によると、判定値演算手段は、モータを高速で運転しているときに高速運転用の判定値を演算する構成とし、回転数切換手段は、モータを高速で運転した状態でタンク内の圧力変化が高速運転用の判定値以上となったときにのみモータの回転数を高速から低速に切換える構成としている。

また、請求項４の発明によると、判定値演算手段は、モータを停止しているときに停止状態用の判定値を演算する構成とし、モータ制御手段には、モータを停止した状態でタンク内の圧力変化が停止状態用の判定値以上となったときにモータを停止状態から運転状態に復帰させる運転復帰手段を設ける構成としている。

また、請求項５の発明によると、判定値演算手段はモータの回転数とタンク内の圧力とを用いて判定値を演算する構成としている。

さらに、請求項６の発明によると、モータ制御手段は、圧力検出手段により検出されるタンク内の圧力を一定の検出時間毎に検出データとして記憶し、圧力変化演算手段は、各検出データのうち検出時間の２倍以上の時間間隔をもって記憶された２個の検出データの差を圧力変化として演算し、当該圧力変化の演算値を検出時間毎に更新する構成としている。

請求項１の発明によれば、圧力変化演算手段は、例えば圧力センサ等の検出信号を用いることにより、タンク内で一定の時間に生じる圧力変化の大きさを演算することができる。この場合、例えばモータの回転数を一定とした状態で、圧縮気体が一定の基準消費量をもって消費されているか否かを圧力変化によって判定しようとすると、この基準消費量に対応する圧力変化の大きさは、タンク内の圧力に応じて異なる値となる。従って、例えば基準消費量に対応する圧力変化の大きさを、タンク内の圧力に応じて異なり、タンク内の圧力の一次関数により決まる値である判定値の特性データとして予め記憶しておくことにより、判定値演算手段は、この特性データと圧力の検出値とを用いて、予め設定した基準消費量に対応する判定値を常に正確に演算することができ、圧力が変化しても、判定値が受ける影響を安定的に補償することができる。

そして、判定手段は、圧力変化の大きさと判定値とを比較することにより、タンクから実際に消費される圧縮気体の消費量が基準消費量よりも多いか否かを容易に判定することができる。また、回転数切換手段は、例えば圧縮気体の消費量が少ないときに、モータの回転数を低速側に切換えて圧縮機を効率よく運転でき、圧縮気体の消費量が多いときには、モータの回転数を高速側に切換えてタンク内に圧縮気体を十分に供給することができる。この結果、例えば釘打ち機等の空圧機器を圧縮機によって作動させる場合には、これを連続的に使用するときだけモータを高速側に切換えて空圧機器を円滑に作動させたり、空圧機器を断続的に使用するときにモータを低速側に切換えて騒音、振動等を抑えることができる。

従って、モータの作動音を抑えつつ、圧縮気体の消費量に応じてモータの回転数を適切に制御でき、これによってタンク内の圧力を安定的に維持できると共に、低騒音で運転効率が高い省エネルギ型の圧縮機を実現することができる。また、圧縮気体が消費される流量を圧力変化によって検出することができ、流量計等を用いる必要がないから、その分だけ圧縮機をコンパクトに形成できると共に、コストダウンを図ることができる。

また、請求項２の発明によれば、モータを低速で運転している状態でも、タンク内の圧力が上昇するときの圧力変化が低速運転用の判定値以上であるときには、圧縮気体の消費量が少ないと判定できるので、回転数を低速に保持しつつ、タンク内の圧力を効率よく維持することができる。また、圧力変化が低速運転用の判定値よりも小さいときには、圧縮気体の消費量が多いと判定できるので、モータの回転数を高速に切換え、圧縮部からタンク内に吐出される圧縮気体の流量を空気消費量に応じて適切に増やすことができる。

また、請求項３の発明によれば、モータを高速で運転している状態でも、タンク内の圧力が上昇するときの圧力変化が高速運転用の判定値よりも小さいときには、圧縮気体の消費量が多いと判定できるので、回転数を高速に保持し、圧縮部からタンク内に多量の圧縮気体を吐出し続けることができる。また、圧力変化が高速運転用の判定値以上であるときには、圧縮気体の消費量が少ないと判定できるので、モータの回転数を低速に切換え、余分な高速運転を防ぐことができる。

また、請求項４の発明によれば、タンク内の圧力が上限値以上となり、モータが停止された状態で、タンク内の圧力変化（圧力低下）が停止状態用の判定値以上となったときには、多量の圧縮気体が消費されていると判定することができる。この場合には、タンク内の圧力が下限値まで低下する前に、運転復帰手段によってモータを停止状態から運転状態に復帰させることができ、タンク内の圧縮気体が消費されることによって圧力が下限値よりも低下するのを防止することができる。

また、請求項５の発明によれば、例えばモータの回転数（停止状態も含めて）に応じた流量の圧縮気体がタンク内に流入するときに、一定の基準消費量に対応する圧力変化の大きさを、モータの回転数とタンク内の圧力とに応じて変化する判定値の特性データとして予め記憶しておくことができる。これにより、判定値演算手段は、この特性データと、モータの回転数と、圧力の検出値とを用いて、基準消費量に対応する圧力変化の判定値を常に正確に演算することができる。

さらに、請求項６の発明によれば、モータ制御手段は、例えば圧力の検出データを検出時間毎に記憶し、データの記憶を行う毎に圧力変化を演算することができる。これにより、圧力変化の演算値を検出時間毎に更新でき、タンク内の実際の圧力が変化するときに、圧力変化の演算値の応答性を高めることができる。

この場合、圧力変化の計測区間となる時間間隔は、検出時間の２倍以上の長い時間として設定できるから、圧力変化の演算時には、例えば信号ノイズ等による個々の検出データの誤差と比較して、圧力変化の演算値を大きな値とすることができ、演算値のＳ／Ｎ比を十分に確保することができる。これにより、タンク内で実際に生じる圧力の変化に応じて圧力変化を精度よく演算することができる。

以下、本発明の実施の形態による圧縮機として、釘打ち機等の空圧機器に圧縮空気を供給する空気圧縮機を例に挙げ、添付図面に従って詳細に説明する。

１は例えば可搬式の圧縮機として構成された空気圧縮機で、該空気圧縮機１は、図１、図２に示す如く、後述のモータ２、圧縮部３、タンク４、圧力センサ５、モータ制御回路６により大略構成され、例えば釘打ち機等の空圧機器８に圧縮空気を供給するものである。

２は空気圧縮機１の動力源となる電動式のモータで、該モータ２は、例えばタンク４の上側に配置され、外部の電源からモータ制御回路６等を介して給電されることにより、圧縮部３を駆動するものである。この場合、モータ２の回転数Ｎは、後述の如くモータ制御回路６によって制御され、例えば１６００ｒｐｍ程度の低回転数Ｎ_Ｌと、２５００ｒｐｍ程度の高回転数Ｎ_Ｈとの間で切換設定される。

３はモータ２と共にタンク４の上側に設けられた圧縮部で、該圧縮部３は、例えば往復動型圧縮機、スクロール型圧縮機等からなり、モータ２によって駆動されるものである。そして、圧縮部３は、外部から空気を吸込んでタンク４内に圧縮空気を吐出し、その吐出量はモータ２の回転数Ｎが高くなるほど多くなる。

４は空気圧縮機１の下部側を構成するタンクで、該タンク４は、圧縮部３から吐出される圧縮空気を貯え、この圧縮空気を空圧機器８等に供給するものであり、本実施の形態では、例えば９リットル程度のタンク容量Ｖを有している。

５はタンク４に設けられた圧力検出手段としての圧力センサで、該圧力センサ５は、例えば汎用的な市販のセンサ部品等を用いて構成されている。そして、圧力センサ５は、図２に示す如く、タンク４内の圧力を検出し、その検出信号を圧力Ｐとしてモータ制御回路６に出力するものである。

６はモータ２の運転状態を制御するモータ制御手段としてのモータ制御回路で、該モータ制御回路６は、例えばモータ用の駆動回路を含んだ電子回路等からなり、後述の記憶回路７を備えている。また、モータ制御回路６には、その入力側には圧力センサ５等が接続され、その出力側にモータ２が接続されている。

そして、モータ制御回路６は、圧力センサ５から入力される検出信号を用いて後述の図７に示すモータ制御を行い、タンク４内の圧力Ｐが後述の上限値Ｐmax（例えば、３．０ＭＰａ程度）に達したときにモータ２を停止し、この圧力Ｐが下限値Ｐmin（例えば、２．６ＭＰａ程度）以下となったときにモータ２を再び運転する。また、モータ制御回路６は、後述の図８ないし図１０に示す如く、空圧機器８により消費される圧縮空気の消費量（流量）等に応じてモータ２の回転数Ｎを制御するものである。

この場合、モータ制御回路６は、まず圧力センサ５により検出したタンク４内の圧力Ｐを、例えば０．５秒程度の検出時間ｔ毎に読込んで後述の記憶回路７に記憶し、その記憶内容を用いて、例えば３秒程度の時間間隔Ｔの間にタンク４内の圧力が変化（上昇または低下）する値を圧力変化ΔＰとして演算する。

また、モータ制御回路６は、後述の如くモータ２の回転数Ｎと、タンク４内の圧力Ｐとを用いて判定値（低速運転用の判定値Ｓ_Ｌ、高速運転用の判定値Ｓ_Ｈ及び停止状態用の判定値Ｓ_Ｗのうちの何れか）を演算する。そして、演算した判定値と圧力変化ΔＰとの大小関係を比較、判定することにより、この判定結果に応じてモータ２の回転数Ｎを低速運転（低回転数Ｎ_Ｌ）と、高速運転（高回転数Ｎ_Ｈ）との間で切換える。

ここで、判定値Ｓ_Ｌ，Ｓ_Ｈ，Ｓ_Ｗとは、後述する数１ないし数３の式に示す如く、モータ２の運転状態を切換えるか否かの判定基準となる圧縮空気の消費量（後述の基準消費量Ｋ_Ｌ，Ｋ_Ｈ，Ｋ_Ｗ）を、圧力変化に換算した値である。従って、圧力変化ΔＰと判定値Ｓ_Ｌ，Ｓ_Ｈ，Ｓ_Ｗとを比較する処理は、タンク４内の圧縮空気が基準消費量Ｋ_Ｌ，Ｋ_Ｈ，Ｋ_Ｗよりも多く消費されているか否かを判定する処理に相当している。

そして、モータ制御回路６は、例えばモータ２を低速運転した状態で、タンク４内の上昇方向の圧力変化ΔＰ（圧力が短時間で上昇するほど値が大きくなる圧力上昇ΔＰ）が低速運転用の判定値Ｓ_Ｌ以上であると判定したときに、図３に示す如く、モータ２を低回転数Ｎ_Ｌに保持する。即ち、この場合には、後述する図８中の区間ａ2に示す如く、後述する低速運転時の基準消費量Ｋ_Ｌ（例えば、２０リットル／分程度）よりも圧縮空気の消費量が少量であり、タンク４内の圧力は、モータ２を低速運転していても適切な割合で上昇しているので、圧縮機を低速で効率よく運転できるものである。

また、タンク４内の圧力変化ΔＰが判定値Ｓ_Ｌよりも小さくなったときには、例えば図８中の区間ａ3に示す如く、圧縮空気の消費量が基準消費量Ｋ_Ｌよりも増大し、低速運転ではタンク４内の圧力が速やかに上昇しない状態であると判定し、図３に示すように、モータ２を高回転数Ｎ_Ｈに切換える。

一方、モータ２を高速運転した状態で、タンク４内の上昇方向の圧力変化ΔＰが高速運転用の判定値Ｓ_Ｈよりも小さいときには、図８中の区間ａ4に示す如く、後述する高速運転用の基準消費量Ｋ_Ｈ（例えば、１０リットル／分程度）よりも圧縮空気の消費量が多いために圧力の上昇割合が緩やかである状態と判断し、モータ２を高回転数Ｎ_Ｈに保持する。また、圧力変化ΔＰが判定値Ｓ_Ｈ以上となったときには、区間ａ5に示すように、圧縮空気の消費量が基準消費量Ｋ_Ｈよりも少なくなったので、低速運転でも十分な圧力を維持できると判定し、モータ２を低回転数Ｎ_Ｌに切換える構成としている。

さらに、モータ制御回路６は、モータ２を停止した状態において、タンク４内の圧力が低下することにより、低下方向の圧力変化ΔＰ（圧力が短時間で低下するほど値が大きくなる圧力低下ΔＰ）が停止状態用の判定値Ｓ_Ｗ以上となったときには、図９に示す如く、停止状態用の基準消費量Ｋ_Ｗ以上となる多量の圧縮空気が消費されていると判定し、モータ２を停止状態から復帰させると共に、これを高回転数Ｎ_Ｈで運転する構成としている。この場合、低下方向の圧力変化ΔＰが判定値Ｓ_Ｗよりも小さいときには、図１０に示す如く、タンク４内の圧力Ｐが下限値Ｐmin以下となるまで、モータ２が停止状態に保持される。

また、モータ制御回路６は、図６に示す如く、例えば０．５秒程度の検出時間ｔ毎に圧力センサ５の検出信号を読込み、これを検出データＤとして記憶回路７に記憶する。このとき、例えば新たな検出信号を読込む毎に、最新の検出データＤと、時間間隔Ｔだけ前に記憶した検出データＤとの差（例えばＤ_n-1−Ｄ_n-7、Ｄ_n−Ｄ_n-6、Ｄ_n+1−Ｄ_n-5等）を圧力変化ΔＰとして演算する。これにより、モータ制御回路６は、圧力変化ΔＰの演算値を検出時間ｔ毎に更新でき、タンク４内の実際の圧力が変化するときに、圧力変化ΔＰの演算値の応答性を高めることができる。

この場合、圧力変化ΔＰの計測区間となる時間間隔Ｔは、検出時間ｔの２倍以上（本実施の形態では６倍として例示）の長い時間として設定されている。これにより、モータ制御回路６は、例えば信号ノイズ等による個々の検出データＤの誤差と比較して、圧力変化ΔＰの演算値を大きな値とすることができ、演算値のＳ／Ｎ比を十分に確保することができる。これにより、タンク４内で実際に生じる圧力の変化に応じて圧力変化ΔＰを精度よく演算することができる。

７はモータ制御回路６に設けられた例えばＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶回路で、該記憶回路７には、モータ制御のプログラムと、この制御で用いる上限値Ｐmax、下限値Ｐmin、復帰用設定値Ｐon，初期設定値Ｐstart等とが予め記憶されている。

この場合、タンク４内の圧力の上限を定める上限値Ｐmaxは、例えば３ＭＰａ程度の圧力に設定され、圧力の上限を定める下限値Ｐminは、例えば２．６ＭＰａ程度に設定されている。また、復帰用設定値Ｐonは、モータ２を停止状態から復帰させるときの上限値であり、例えば２．９ＭＰａ程度に設定されている。さらに、初期設定値Ｐstartは、電源投入時にタンク４内の圧力が十分な大きさであるか否かを判定する判定基準であり、例えば２．４ＭＰａ程度に設定されている。

また、記憶回路７には、低速運転用，高速運転用，停止状態用の判定値Ｓ_Ｌ，Ｓ_Ｈ，Ｓ_Ｗが予め記憶されている。これらの判定値について述べると、まず低速運転用の判定値Ｓ_Ｌは、図３中の特性線９に示す如く、モータ２が低回転数Ｎ_Ｌで運転されているときに、タンク４内の圧力Ｐに応じて設定され、モータ２を高回転数Ｎ_Ｈに切換えるか否かを判定するものである。この判定値Ｓ_Ｌは、後述する数８の式によって導かれ、例えば下記数１の式のように定められている。

この式の右辺は、モータ２を低速運転することによってタンク４内に所定流量の圧縮空気が流入しつつ、この圧縮空気が一定の基準消費量Ｋ_Ｌをもって消費されるときに、タンク４内の圧力変化ΔＰの大きさに対応している。この式から判るように、例えばモータ２の回転数Ｎを一定とすれば、基準消費量Ｋ_Ｌに対応する圧力変化ΔＰの大きさは、タンク４内の圧力に応じて異なる値となる。

そして、例えば圧縮空気の消費量が基準消費量Ｋ_Ｌよりも増大したときには、タンク４内に流入する空気流量が消費量の増大分だけ実質的に減少するため、タンク４内の圧力変化ΔＰは、前記数１の右辺、即ち判定値Ｓ_Ｌよりも小さくなる。また、圧縮空気の消費量が基準消費量Ｋ_Ｌよりも減少したときには、タンク４内に流入する空気流量が実質的に増えた状態となるため、圧力変化ΔＰは判定値Ｓ_Ｌよりも大きくなる。

このように、前記数１の式の判定値Ｓ_Ｌと圧力変化ΔＰとを比較することにより、低速運転時の圧縮空気の消費量が基準消費量Ｋ_Ｌよりも多いか否かを判定でき、空気消費量が基準消費量Ｋ_Ｌよりも多いときには、モータ２を低速運転から高速運転に切換えることができる。この低速運転時の基準消費量Ｋ_Ｌは、モータ２を高速運転しないとタンク４内の空気圧が不足するような流量値、例えば２０リットル／分程度の比較的大きな流量値として設定されている。

一方、高速運転用の判定値Ｓ_Ｈは、図３中の特性線１０に示す如く、モータ２が高回転数Ｎ_Ｈで運転されているときに、タンク４内の圧力Ｐに応じて設定され、モータ２を低回転数Ｎ_Ｌに切換えるか否かを判定するものである。そして、判定値Ｓ_Ｈは、後述する数１０の式によって導かれ、例えば下記数２の式のように定められている。

この式の右辺は、低速運転用の判定値Ｓ_Ｌの場合とほぼ同様に、モータ２を高速運転し、タンク４内の圧縮空気が一定の基準消費量Ｋ_Ｈをもって消費されているときに、圧力変化ΔＰの大きさを表すものである。このため、前記数２の式の判定値Ｓ_Ｈと圧力変化ΔＰとを比較することにより、高速運転時の圧縮空気の消費量が基準消費量Ｋ_Ｈよりも多いか否かを判定することができる。

そして、タンク４内の圧力変化ΔＰが判定値Ｓ_Ｈ以上となったとき、即ち空気消費量が基準消費量Ｋ_Ｈ以下となったときには、モータ２を高速運転から低速運転に切換えることができる。この高速運転時の基準消費量Ｋ_Ｈは、モータ２を高速運転しなくてもタンク４内の空気圧が維持できるような流量値、例えば１０リットル／分程度の比較的小さな流量値として設定されている。

さらに、停止状態用の判定値Ｓ_Ｗは、図５中の特性線１１に示す如く、モータ２が停止しているときに、タンク４内の圧力Ｐに応じて設定され、モータ２を停止状態から復帰させて高回転数Ｎ_Ｈで運転するか否かを判定するものである。この判定値Ｓ_Ｗは、後述する数１１の式によって導かれ、例えば下記数３の式のように定められている。

次に、図４を参照しつつ、判定値Ｓ_Ｌ，Ｓ_Ｈ，Ｓ_Ｗを設定する前記数１ないし数３の導出方法について説明する。

まず、低速運転用の判定値Ｓ_Ｌについて述べると、例えばモータ２が低速運転に保持され、タンク４から流出する圧縮空気の流出量（消費量）が零である場合を考えてみる。この場合、圧縮部３からタンク４内に吐出される空気流量Ｑ（リットル／分）は、タンク４内の圧力Ｐ（ＭＰａ）が高くなるほど減少するが、これらの関係は、例えば図４中の特性線１２に示す如く、近似的に一次関数として表すことができる。この特性線１２は、圧縮機１の仕様等に応じて異なる固有のものであり、これを数式化すると、下記数４の式のようになる。

この運転条件で、タンク４内の圧縮空気が一定の流出量をもって外部に流出する状態を考えると、この状態は、前記数４の式の空気流量Ｑが流出量分だけ減少した状態（即ち、特性線１２を流出量分だけ平行移動した状態）と等価的に扱うことができる。このため、例えば圧縮空気の流出量が２０リットル／分程度の基準消費量Ｋ_Ｌとなった場合の特性線は、図４中に仮想線で示す特性線１３のようになり、下記数５の式のように表すことができる。

一方、タンク４内の圧力の変化ΔＰ′（ｋｇ・ｆ／ｍ^２／分）と、空気流量Ｑ（リットル／分）と、タンク４の容量Ｖ（リットル）との間には、ΔＰ′＝Ｑ／Ｖとなる関係があるので、前記数５の式は、下記数６の式のように書換えることができる。

また、モータ制御回路６により演算する時間間隔Ｔ（秒）間の圧力変化ΔＰ（ＭＰａ／秒）と、前記圧力の変化ΔＰ′（ｋｇ・ｆ／ｍ^２／分）との間には、単位系の差異等により、下記数７に示す関係がある。

このため、前記数７の式に数６の式を代入することにより、下記数８の式を得ることができる。

この数８の式は、モータ２が低速運転に保持され、圧縮空気が基準消費量Ｋ_Ｌで消費されているときの圧力変化ΔＰの大きさを表している。従って、この式中の圧力変化ΔＰを判定値Ｓ_Ｌに置換え、例えば時間間隔Ｔ＝３（秒）、タンク容量Ｖ＝９（リットル）を代入すれば、基準消費量Ｋ_Ｌに対応する判定値Ｓ_Ｌを前記数１の式として得ることができる。

このように、判定値Ｓ_Ｌは、圧縮部３から吐出される空気量と圧力Ｐとの関係を表す特性線１２を用いて導出されており、圧力Ｐが高くなるほど吐出空気量が減少したとしても、その影響が補償されている。従って、圧縮機の低速運転時には、圧力Ｐの大きさに影響されることなく、圧縮空気の消費量が基準消費量Ｋ_Ｌよりも多いか否かを判定値Ｓ_Ｌによって常に安定的に判定することができる。

次に、高速運転用の判定値Ｓ_Ｈの導出方法について述べると、モータ２が高速運転状態で圧縮空気の消費量が零であるときに、空気流量Ｑと圧力Ｐとの関係は、例えば図４中に示す特性線１４のようになり、下記数９の式として表される。

この運転条件で、例えば圧縮空気の消費量が１０リットル／分程度の基準消費量Ｋ_Ｈとなった場合の特性線は、低速運転の場合とほぼ同様に、図４中に仮想線で示す特性線１５のようになり、下記数１０の式のように表すことができる。

この数１０の式を前記数６ないし数８の式と同様の手順で変形することにより、前記数２の式を得ることができる。さらに、停止状態用の判定値Ｓ_Ｗについても、適切な大きさの基準消費量Ｋ_Ｗに対応する特性線（例えば、下記数１１の式）を変形することにより、前記数３の式を導出することができる。

本実施の形態による空気圧縮機１は上述の如き構成を有するもので、次に、図７を参照しつつ、モータ制御について説明する。

まず、圧縮機の電源を投入すると、ステップ１では、圧力センサ５により検出したタンク４内の圧力Ｐを検出時間ｔ毎に読込み、これを記憶回路７に記憶する。この場合、図７中のステップ１，５，１１，１７，２０，２５に記載した圧力Ｐの読込・記憶処理は、例えばモータ制御の実行途中で検出時間ｔ毎に繰返し実行される割込み処理等であり、これを複数箇所に図示したものである。

次に、ステップ２では、例えば圧力Ｐが２．４ＭＰａ程度の初期設定値Ｐstart以上であるか否かを判定し、「ＮＯ」と判定したときには、例えば図８中の区間ａ1に示す如く、電源投入後の初期状態におけるタンク４内の空気量が少ないので、ステップ３では、モータ２を高回転数ＮＨで運転し、圧力Ｐを初期設定値Ｐstart以上の大きさまで速やかに上昇させる。そして、ステップ２で「ＹＥＳ」と判定したときには、タンク４内に十分な量の圧縮空気が貯えられたので、ステップ４に移り、モータ２の低速運転を行う。

この低速運転時には、まずステップ４でモータ２の回転数を低回転数Ｎ_Ｌに切換え、ある程度の吐出空気量でタンク４内の圧力を上昇させつつ、ステップ５で圧力Ｐを読込み、ステップ６では、圧力Ｐの上昇方向を正として時間間隔Ｔの間の圧力変化（圧力上昇）ΔＰを演算する。そして、ステップ７では、圧力Ｐの読込値と、記憶回路７に記憶された特性データ（図３中の特性線９）とを用いて低速運転用の判定値Ｓ_Ｌを演算する。

次に、ステップ８では、圧力の上昇方向を正とする圧力変化ΔＰが判定値Ｓ_Ｌ以上であるか否かを判定し、「ＹＥＳ」と判定したときには、図８中の区間ａ2に示す如く、圧縮空気の消費がないために、タンク４内の圧力Ｐが適切な割合で上昇している。そこで、ステップ９では、圧力Ｐが上限値Ｐmax以上となったか否かを判定し、「ＹＥＳ」と判定したときには、後述のステップ１６で停止状態に移行する。また、ステップ９で「ＮＯ」と判定したときには、ステップ４に戻り、圧力Ｐが上限値Ｐmaxに達するまで低速運転を続行する。

一方、ステップ８で「ＮＯ」と判定したときには、例えば図８中の区間ａ3に示す如く、例えば釘打ち機等の空圧機器８が連続的に使用されることにより、低速運転用の基準消費量Ｋ_Ｌよりも多量の圧縮空気が消費され、圧力Ｐの上昇割合が緩やかになったので、ステップ１０に移ってモータ２の高速運転を行う。これにより、区間ａ4に示す如く、タンク４内の圧力を円滑に上昇させることができる。

そして、この高速運転時には、まずステップ１０でモータ２の回転数を高回転数Ｎ_Ｈに切換え、最大の吐出空気量でタンク４内の圧力を上昇させつつ、ステップ１１で圧力Ｐを読込み、ステップ１２では、圧力Ｐの上昇方向を正として時間間隔Ｔの間の圧力変化（圧力上昇）ΔＰを演算する。そして、ステップ１３では、圧力Ｐの読込値と、記憶回路７の特性データ（特性線１０）とを用いて高速運転用の判定値Ｓ_Ｈを演算する。

次に、ステップ１４では、圧力変化ΔＰが判定値Ｓ_Ｈ以上であるか否かを判定する。そして、ステップ１４で「ＹＥＳ」と判定したときには、例えば図８中の区間ａ5に示す如く、例えば空圧機器８の使用が断続的となることにより、空気消費量が高速運転用の基準消費量Ｋ_Ｈ以下となり、圧力Ｐの上昇割合が必要以上に大きくなっている。そこで、この場合には、区間ａ6に示す如く、ステップ４に戻って低速運転に移行し、低速運転で圧力Ｐが上限値Ｐmax以上となったときには、区間ａ7に示す如く、後述のステップ１６で停止状態に移行する。

一方、ステップ１４で「ＮＯ」と判定したときには、圧縮部３の吐出空気量が適切に設定され、圧力Ｐが適切な割合で上昇している。そこで、ステップ１５では、圧力Ｐが上限値Ｐmax以上となったか否かを判定し、「ＹＥＳ」と判定したときには、ステップ１６で停止状態に移行する。また、ステップ１５で「ＮＯ」と判定したときには、圧力Ｐが上限値Ｐmaxに達するまで高速運転を続行する。

次に、ステップ１６では、タンク４内の圧力Ｐが上限値Ｐmax以上となったので、モータ２の運転を停止させる。そして、この停止状態中には、ステップ１７で圧力Ｐを読込み、ステップ１８では、例えば圧力Ｐが２．９ＭＰａ程度の復帰用設定値Ｐon以下となったか否かを判定し、「ＮＯ」と判定したときには、例えば図９中の区間ｂ1に示す如く、圧力Ｐが十分な大きさに維持されているので、ステップ１７，１８を繰返しつつ停止状態を保持する。

また、ステップ１８で「ＹＥＳ」と判定したときには、ステップ１９で圧力Ｐを読込み、ステップ２０では、圧力Ｐの低下方向を正として時間間隔Ｔの間の圧力変化（圧力低下）ΔＰを演算する。そして、ステップ２１では、圧力Ｐの読込値と、記憶回路７の特性データ（特性線１１）とを用いて停止状態用の判定値Ｓ_Ｗを演算する。

次に、ステップ２２では、圧力変化ΔＰが判定値Ｓ_Ｗ以上であるか否かを判定する。そして、ステップ２２で「ＹＥＳ」と判定したときには、例えば図９中の区間ｂ2に示す如く、空圧機器８が連続的に使用されることにより、空気消費量が停止状態用の基準消費量Ｋ_Ｗよりも多くなり、タンク４内の圧力Ｐが大きな割合で減少している。そこで、ステップ２３では、区間ｂ3に示す如く、モータ２を停止状態から復帰させ、高速で運転する。

そして、この高速運転時には、ステップ２４で圧力Ｐを読込み、ステップ２５で圧力Ｐが上限値Ｐmax以上となったか否かを判定し、「ＹＥＳ」と判定したときには、ステップ１６で停止状態に戻る。また、ステップ２５で「ＮＯ」と判定したときには、ステップ２４，２５を繰返しつつ高速運転を続行する。

このように、圧縮機が一旦停止状態となった後に、空圧機器８が多量の圧縮空気機を消費するときには、例えば図９中の区間ｂ4に示す如く、高速運転と停止状態とを交互に繰返すことができ、タンク４内の圧力を上限値Ｐmaxと復帰用設定値Ｐonとの間に安定的に保持することができる。

一方、ステップ２２で「ＮＯ」と判定したときには、空圧機器８による圧縮空気の消費量が少なく、例えば図１０中の区間ｃ1，ｃ2に示す如く、停止状態から圧力Ｐが緩やかに減少している。そこで、ステップ２６では、例えば圧力Ｐが２．６ＭＰａ程度の下限値Ｐmin以下となったか否かを判定する。

そして、ステップ２６で「ＹＥＳ」と判定したときには、タンク４内の圧力が補充の必要な状態に達したので、図１０中の区間ｃ3に示す如く、モータ２の停止状態を解除し、ステップ４に戻って低速運転を行う。また、ステップ２６で「ＮＯ」と判定したときには、ステップ１９〜２２，２６を繰返して実行し、圧力Ｐが下限値Ｐmin以下となるまで停止状態を保持する。

このように、圧縮機が一旦停止状態となった後に、空圧機器８の空気消費量が比較的少ないときには、図１０中の区間ｃ2〜ｃ4に示すように、モータ２を高速運転することなく、低速運転と停止状態とを交互に繰返すことができ、タンク４内の圧力を上限値Ｐmaxと下限値Ｐminとの間に効率よく保持することができる。

かくして、本実施の形態によれば、圧力センサ５により検出したタンク４内の圧力Ｐを用いて時間間隔Ｔの間の圧力変化ΔＰを演算し、またモータ２の回転数Ｎとタンク４内の圧力Ｐとに応じて判定値Ｓ_Ｌ，Ｓ_Ｈ，Ｓ_Ｗを演算すると共に、圧力変化ΔＰと判定値Ｓ_Ｌ，Ｓ_Ｈ，Ｓ_Ｗとの大小関係を判定し、その判定結果に応じてモータ２の回転数Ｎを低速側と高速側との間で切換える構成としている。

この場合、記憶回路７には、例えば一定の基準消費量Ｋ_Ｌ，Ｋ_Ｈ，Ｋ_Ｗに対応する圧力変化の大きさを、モータ２の回転数Ｎとタンク４内の圧力Ｐとに応じて変化する特性線９，１０，１１のデータとして予め記憶しておくことができる。従って、圧縮機１の運転時には、これらの特性線９，１０，１１と、モータ２の回転数Ｎと、タンク４内の圧力Ｐとに応じて、予め設定した基準消費量Ｋ_Ｌ，Ｋ_Ｈ，Ｋ_Ｗに対応する判定値Ｓ_Ｌ，Ｓ_Ｈ，Ｓ_Ｗを常に正確に演算でき、圧力Ｐが変化しても、判定値Ｓ_Ｌ，Ｓ_Ｈ，Ｓ_Ｗが受ける影響を安定的に補償することができる。

そして、圧力変化ΔＰの大きさと判定値Ｓ_Ｌ，Ｓ_Ｈ，Ｓ_Ｗとを比較することにより、タンク４から実際に消費される圧縮空気の消費量が基準消費量Ｋ_Ｌ，Ｋ_Ｈ，Ｋ_Ｗよりも多いか否かを容易に判定することができる。これにより、例えば圧縮空気の消費量が少ないときには、モータ２の回転数を低回転数Ｎ_Ｌに切換えて圧縮機を効率よく運転でき、圧縮空気の消費量が多いときには、モータ２の回転数を高回転数Ｎ_Ｈに切換えてタンク４内に圧縮空気を十分に供給することができる。

このため、例えば釘打ち機等の空圧機器８を圧縮機によって作動させる場合には、これを連続的に使用するときだけモータ２を高速側に切換えて空圧機器８を円滑に作動させることができる。また、空圧機器８を断続的に使用するときには、モータ２を低速側に切換えて騒音、振動等を抑制することができる。

従って、モータ２の作動音を抑えつつ、圧縮空気の消費量に応じてモータ２の回転数Ｎを適切に制御でき、これによってタンク４内の圧力を安定的に維持できると共に、低騒音で運転効率が高い省エネルギ型の圧縮機１を実現することができる。また、圧縮空気が消費される流量を圧力変化ΔＰによって検出することができ、流量計等を用いる必要がないから、その分だけ圧縮機をコンパクトに形成できると共に、コストダウンを図ることができる。

この場合、モータ２の回転数Ｎを低回転数Ｎ_Ｌに切換えた状態でタンク４内の圧力変化ΔＰが低速運転用の判定値Ｓ_Ｌ以上であるときに低回転数Ｎ_Ｌを保持し、圧力変化ΔＰが判定値Ｓ_Ｌよりも小さくなったときに高回転数Ｎ_Ｈに切換えるようにしたので、圧縮空気の消費量が基準消費量Ｋ_Ｌ以上であるときには、低回転数Ｎ_Ｌを保持しつつ、タンク４内の圧力を効率よく維持することができる。また、圧縮空気の消費量が基準消費量Ｋ_Ｌよりも多いときには、モータ２の回転数を高回転数Ｎ_Ｈに切換えることができ、圧縮部３からタンク４内に吐出される圧縮空気の流量を空気消費量に応じて適切に増やすことができる。

また、モータ２の回転数を高回転数Ｎ_Ｈに切換えた状態で圧力変化ΔＰが高速運転用の判定値Ｓ_Ｈよりも小さいときに高回転数Ｎ_Ｈを保持し、圧力変化ΔＰが判定値Ｓ_Ｈ以上となったときに低回転数Ｎ_Ｌに切換えるようにしたので、圧縮空気の消費量が基準消費量Ｋ_Ｈよりも多いときには、高回転数Ｎ_Ｈを保持することにより圧縮部３からタンク４内に多量の圧縮空気を吐出し続けることができる。また、圧縮空気の消費量が基準消費量Ｋ_Ｈ以下であるときには、低回転数Ｎ_Ｌに切換えて余分な高速運転を防ぐことができ、モータ２の消費電力を節約することができる。

また、モータ２の停止状態中には、タンク４内の圧力が低下して判定値Ｓ_Ｗ以上の圧力変化ΔＰが生じたときに、モータ２を停止状態から復帰させて高回転数Ｎ_Ｈで運転するようにしたので、モータ２の停止状態中に多量の圧縮気体が消費されたときには、モータ２を速やかに停止状態から復帰させて高速で運転することができ、タンク４内の圧力が下限値Ｐminまで低下する前に、タンク４内に多量の圧縮空気を送込むことができる。これにより、タンク４内の圧縮空気が急速に消費されることによって空気圧が不足するのを確実に防止することができる。

なお、前記実施の形態では、図７中のステップ６，１２，２０が圧力変化演算手段の具体例を示し、ステップ７，１３，２１が判定値演算手段の具体例を示している。また、ステップ８，１４，２２が判定手段の具体例、ステップ４，１０が回転数切換手段の具体例、ステップ２３が運転復帰手段の具体例をそれぞれ示している。

また、実施の形態では、判定値演算手段として前記数１ないし数３の式を用いることにより、タンク４内の圧力Ｐ等に応じて判定値Ｓ_Ｌ，Ｓ_Ｈ，Ｓ_Ｗを演算する構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、例えば低速運転、高速運転及び停止状態からなる個々の運転状態毎に、前記数１ないし数３の式に相当する圧力と判定値との関係をマップデータとして記憶回路７内にそれぞれ記憶しておき、これらのマップデータにより判定値演算手段を構成してもよい。これにより、圧縮機の運転時には、モータ２の回転数Ｎとタンク４内の圧力Ｐとに応じて前記各マップデータの何れかを参照することにより、判定値を演算することができる。

また、実施の形態では、判定手段として圧力変化ΔＰと判定値Ｓ_Ｌ，Ｓ_Ｈ，Ｓ_Ｗの大小関係を判定することにより、モータ２の回転数Ｎを低速と高速の何れかに設定する構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、例えば圧力変化ΔＰと判定値Ｓ_Ｌ，Ｓ_Ｈ，Ｓ_Ｗとの値の組合わせに応じて個々の組合せ毎にモータ２の回転数Ｎを設定するマップデータを記憶回路７内に予め記憶しておき、このマップデータによって判定手段を構成してもよい。

さらに、前述した圧力Ｐと判定値Ｓ_Ｌ，Ｓ_Ｈ，Ｓ_Ｗとの関係を示すマップデータと、圧力変化ΔＰと判定値Ｓ_Ｌ，Ｓ_Ｈ，Ｓ_Ｗとに応じて回転数Ｎを設定するマップデータとを組合せて一体化することにより、圧力Ｐと圧力変化ΔＰとの値の組合わせに応じて個々の組合せ毎にモータ２の回転数Ｎを設定するマップデータを形成し、このマップデータによって判定値演算手段と判定手段とを構成してもよい。そして、この場合には、圧力Ｐが実質的な判定値として機能する。

一方、実施の形態では、低回転数Ｎ_Ｌ、高回転数Ｎ_Ｈ、基準消費量Ｋ_Ｌ，Ｋ_Ｈ、、タンク容量Ｖ、検出時間ｔ、時間間隔Ｔ、上限値Ｐmax、下限値Ｐmin、復帰用設定値Ｐon、初期設定値Ｐstart等として、各種の具体的な数値を例に挙げて述べた。しかし、これらの数値は実施の形態で用いた一例に過ぎず、本発明はこれらの数値に限定されるものではないのは勿論である。

また、実施の形態では、圧力センサ５によりタンク４内の圧力を直接的に検出する構成とした。しかし、本発明の圧力検出部位はタンク４内に限るものではなく、タンク４内とほぼ同様の圧力が生じる任意の部位で圧力を検出すればよいものであり、例えばタンク４に接続された配管等の圧力を検出する構成としてもよい。

さらに、実施の形態では、空気圧縮機１を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限らず、空気以外の気体を圧縮する各種の圧縮機にも適用できるものである。

本発明の実施の形態による空気圧縮機を示す外観図である。空気圧縮機の回路構成を示す構成図である。低速運転用及び高速運転用の各判定値とタンク内の圧力との関係を示す特性線図である。タンクに出入りする圧縮空気の流量とタンク内の圧力との関係を示す特性線図である。停止状態用の判定値とタンク内の圧力との関係を示す特性線図である。圧力センサの検出信号の読込みタイミングと圧力変化の演算タイミングとの関係を示す説明図である。モータ制御を示す流れ図である。圧縮機が初期状態から低速運転と高速運転とを行なう状態を示す特性線図である。圧縮機が停止状態から高速運転に復帰する状態を示す特性線図である。圧縮機が停止状態から低速運転に移行する状態を示す特性線図である。

符号の説明

１空気圧縮機（圧縮機）
２モータ
３圧縮部
４タンク
５圧力センサ（圧力検出手段）
６モータ制御回路（モータ制御手段）
７記憶回路
８空圧機器
Ｎ回転数
Ｎ_Ｌ低回転数
Ｎ_Ｈ高回転数
Ｐ圧力
ｔ検出時間
Ｔ時間間隔
ΔＰ圧力変化
Ｓ_Ｌ，Ｓ_Ｈ，Ｓ_Ｗ判定値
Ｋ_Ｌ，Ｋ_Ｈ，Ｋ_Ｗ基準消費量
Ｐmax 上限値
Ｐmin 下限値

Claims

モータと、該モータにより駆動されて圧縮気体を吐出する圧縮部と、該圧縮部から吐出される圧縮気体を貯えるタンクと、該タンク内の圧力を検出する圧力検出手段と、該圧力検出手段により検出した圧力が低下して下限値以下となったときに前記モータを運転し前記圧力が上昇して上限値に達したときに前記モータを停止させるモータ制御手段とからなる圧縮機において、
前記モータ制御手段は、
前記圧力検出手段の検出結果を用いて前記タンク内の圧力が一定の時間に変化する圧力変化の値を演算する圧力変化演算手段と、
前記タンク内の圧力に応じて異なり、前記タンク内の圧力の一次関数により決まる値であって、前記タンク内の前記圧縮気体の基準消費量に対応する圧力変化の値である圧力変化の判定値を演算する判定値演算手段と、
該判定値演算手段により演算した前記判定値と前記圧力変化演算手段により演算した前記圧力変化との関係を判定する判定手段と、
該判定手段の判定結果に応じて前記モータの回転数を低速側と高速側との間で切換える回転数切換手段とを備える構成としたことを特徴とする圧縮機。
前記判定値演算手段は、前記モータを低速で運転しているときに低速運転用の判定値を演算する構成とし、前記回転数切換手段は、前記モータを低速で運転した状態で前記タンク内の圧力変化が前記低速運転用の判定値よりも小さいときにのみ前記モータの回転数を低速から高速に切換える構成としてなる請求項１に記載の圧縮機。
前記判定値演算手段は、前記モータを高速で運転しているときに高速運転用の判定値を演算する構成とし、前記回転数切換手段は、前記モータを高速で運転した状態で前記タンク内の圧力変化が前記高速運転用の判定値以上となったときにのみ前記モータの回転数を高速から低速に切換える構成としてなる請求項１または２に記載の圧縮機。
前記判定値演算手段は、前記モータを停止しているときに停止状態用の判定値を演算する構成とし、前記モータ制御手段には、前記モータを停止した状態で前記タンク内の圧力変化が前記停止状態用の判定値以上となったときに前記モータを停止状態から運転状態に復帰させる運転復帰手段を設けてなる請求項１，２または３に記載の圧縮機。
前記判定値演算手段は前記モータの回転数と前記タンク内の圧力とを用いて前記判定値を演算する構成としてなる請求項１，２，３または４に記載の圧縮機。
前記モータ制御手段は、前記圧力検出手段により検出される前記タンク内の圧力を一定の検出時間毎に検出データとして記憶し、前記圧力変化演算手段は、前記各検出データのうち前記検出時間の２倍以上の時間間隔をもって記憶された２個の検出データの差を前記圧力変化として演算し、当該圧力変化の演算値を前記検出時間毎に更新する構成としてなる請求項１，２，３，４または５に記載の圧縮機。