JP6026763B2 - スクロール圧縮機の制御方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍サイクル等に使用されるスクロール圧縮機の制御装置に関し、特にその始動制御に関するものである。

従来周知のように、スクロール圧縮機は、固定スクロール部材と、旋回スクロール部材と、該旋回スクロール部材を所定の円軌道上に旋回させる駆動モータと備えている。この種のスクロール圧縮機は、ヒートポンプ式給湯装置やエアコンなどの冷凍サイクルにおいて多く用いられている。なお、スクロール圧縮機の駆動モータは、ブラシレスＤＣモータや無整流子電動機と呼ばれるタイプが用いられ、インバータ制御により駆動制御することが一般的である。このようなスクロール圧縮機では、運転停止時に圧縮室内部にオイルが溜まり、起動時にオイルが液圧縮され、起動不良やスクロールにダメージを与えることが考えられる。

このような問題を解決するため、起動時に運転範囲の下限周波数よりも低い周波数でスクロール圧縮機を所定時間回転させ、その後に下限周波数まで回転数を加速させる制御を行う技術が知られている（特許文献１参照）。このような制御技術では、起動時における回転制御により、スクロール圧縮機の圧縮室内部に溜まったオイルを排出し、これにより液圧縮による起動不具合やスクロールの破損を防止している。

特許３１２５６１４号公報

しかしながら、特許文献１に記載のものでは、実験の結果、起動時に排出されるオイル量に起動毎のバラツキがみられることが分かった。すなわち、オイル排出処理が安定的に行われず、上述した不具合を確実には排除できていものと考えられる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、起動時のオイル排出を安定的且つ確実に行うことができるスクロール圧縮機の制御方法及び装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本願発明は、固定スクロール部材と旋回スクロール部材と該旋回スクロール部材を所定の円軌道上に旋回させる駆動モータと備えたスクロール圧縮機を制御する制御装置において、前記駆動モータに電力を供給するインバータ回路と、スクロール圧縮機を起動するときには、オイルが液圧縮されることなく安定的且つ確実に排出される所定の回転位置において前記旋回スクロール部材を第１の所定時間停止させるよう前記インバータ回路を制御する第１の制御手段と、第１の制御手段による制御の後に、前記インバータ回路の出力周波数を運転範囲の下限周波数よりも低い第１の周波数範囲内において第２の所定時間出力するよう制御する第２の制御手段と、第２の制御手段による制御の後に、インバータ回路の出力周波数を目標周波数に向けて増大させるよう制御する第３の制御手段とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、第１の制御手段により旋回スクロール部材が所定の回転位置に停止された後に、第２の制御手段によりスクロール圧縮機の圧縮室内部に溜まったオイルの排出処理が行われる。すなわち、第２の制御手段によるオイル排出処理は、常に、スクロール圧縮機内の圧縮室形態が同じ状態から開始される。出願人は、第２の制御手段によるオイル排出量は、同処理開始時における旋回スクロール部材の回転位置により変動することを突き止めた。したがって、本発明によれば、第１の制御手段における前記所定の回転位置として、最もオイル排出量が多くなると期待される位置を設定することにより、安定的且つ確実なオイル排出処理が可能となる。

以上説明したように本発明によれば、オイル排出処理が、常に、スクロール圧縮機内の圧縮室形態が同一になっている状態から開始されるので、安定的且つ確実なオイル排出処理が可能になる。これにより、液圧縮による起動不良やスクロールへのダメージを確実に防止することができる。

スクロール圧縮機の制御装置の概略ブロック図 スクロール圧縮機の制御シーケンスを説明する図 区間Ｔ１における停止回転位置を説明する図（状態Ａ） 区間Ｔ１における停止回転位置を説明する図（状態Ｂ） 他の例に係るスクロール圧縮機の制御シーケンスを説明する図

本発明の一実施の形態に係るスクロール圧縮機の制御装置について図面を参照して説明する。図１はスクロール圧縮機の制御装置の概略ブロック図である。

本実施の形態に係る制御装置は、図１に示すように、直流電源１が供給されたインバータ回路１００と、直流電源１による供給されている電流を検出するための抵抗器１５０と、マイクロコンピュータからなるインバータ制御回路２００とを備えている。インバータ回路１００には、スクロール圧縮機を駆動する駆動モータ１０が接続されている。

駆動モータ１０は、３相・４極・６スロットのブラシレスＤＣモータからなる。駆動モータ１０は、Ｕ相コイル１１，Ｖ相コイル１２，Ｗ相コイル１３を備えており、各コイル１１〜１３はスター結線されている。駆動モータ１０の回転軸はスクロール圧縮機の旋回スクロール部材の駆動軸とギア比１：１で接続している。したがって、駆動モータ１０の位相（回転角）は旋回スクロール部材の位相（回転角）と一致する。なお、本実施の形態で用いる駆動モータ１０は、ホール素子などの位置検出センサは備えていない点に留意されたい。

インバータ回路１００は、各相に対応する一対のスイッチング素子１１１及び１１２，１２１及び１２２，１３１及び１３２が直列接続されており、その接続点がそれぞれＵ相コイル１１、Ｖ相コイル１２、Ｗ相コイル１３に接続している。各スイッチング素子１１１，１１２，１２１，１２２，１３１，１３２は、インバータ制御回路２００により制御される。

インバータ制御回路２００は、スクロール圧縮機の回転速度が運転指令により指示された回転速度となるように各スイッチング素子１１１，１１２，１２１，１２２，１３１，１３２を制御する。ここでインバータ制御回路２００は、ＰＷＭ制御により駆動モータ１０に供給される駆動電流がそれぞれ１２０°位相がずれた三相交流となるように、抵抗器１５０の両端電圧から算出した電流値に基づき各スイッチング素子１１１，１１２，１２１，１２２，１３１，１３２をフィードバック制御する。

次に、インバータ制御回路２００によるスクロール圧縮機の起動時におけるインバータ回路１００の制御シーケンスについて図２を参照して説明する。インバータ制御回路２００は、運転指令を受けるとまず、スクロール圧縮機の旋回スクロール部材が所定の回転位置で且つ所定の停止時間だけ停止するようインバータ回路１００を制御する（区間Ｔ１）。具体的には、各コイル１１，１２，１３に所定の停止時間（区間Ｔ１の時間）所定のパターンで通電させることにより、駆動モータ１０を所定の回転位置に固定させる。例えば、スイッチング素子１１１，１２２，１３２をオンに制御し、スイッチング素子１１２，１２１，１３１をオフに制御する。このように区間Ｔ１では、実質的に駆動モータ１０に直流を供給していることから、図２においては出力周波数がゼロとなっている点に留意されたい。

ここで、所定の回転位置は、１つだけでなく複数であってもよい。本実施の形態では、駆動モータ１０として３相・４極・６スロットのブラシレスＤＣモータを用いている。このため、上述のようなスイッチング素子の制御パターンで停止制御可能な回転位置の範囲は１８０°であり、しかも同一の制御パターンで停止する回転位置は互いに位相が１８０°ずれた２箇所存在することになる。したがって本実施の形態において「所定の回転位置に制御する」ことは「特定の回転位置又は該回転位置に対して１８０°ずれた回転位置の何れかの回転位置に制御する」ことを意味する。例えば、回転角が１０°の位置に停止制御しようとすると、旋回スクロール部材は１０°又は１９０°の位置の何れかで停止する。そこで本願発明では、所定の回転位置の数は、インバータ制御回路２００による制御で停止しうる回転位置の数であるものとする。なお、どのような回転位置に制御することが好ましいかについては後述する。

次に、インバータ制御回路２００は、スクロール圧縮機の圧縮室内に溜まったオイルを排出するためにインバータ回路１００を制御して駆動モータ１０を駆動する（区間Ｔ２）。このオイル排出処理で重要な点は、運転範囲の下限周波数（ｆ_min）より低いオイル排出用周波数（ｆ_oil）で回転させること、及び、駆動モータ１０を（すなわち旋回スクロール部材を）少なくとも１回転以上させることである。本実施の形態では、図２に示すように、インバータ回路１００の出力周波数をオイル排出用周波数（ｆ_oil）まで一定の加速度で増加させている。

次に、インバータ制御回路２００は、インバータ回路１００の出力周波数を運転範囲の下限周波数（ｆ_min）に向けて徐々に増大させるよう制御する（区間Ｔ３）。本実施の形態では、図２に示すように、インバータ回路１００の出力周波数を前記区間Ｔ２と同一の加速度で増加させている。

その後、インバータ制御回路２００は、インバータ回路１００の出力周波数が目標の出力周波数（ｆ_goal）となるようにフィードバック制御を開始する（区間Ｔ４）。

次に、前記区間Ｔ１での停止制御においてスクロール圧縮機の旋回スクロール部材をどの回転位置に停止させるか、換言すればオイル排出運転時における旋回スクロール部材の始動位置はどこがよいか、について図３及び図４を参照して説明する。

スクロール圧縮機は、図３に示すように、螺旋状の溝９１が形成された固定スクロール部材９０と、該固定スクロール部材９０の溝９１内に配置された旋回スクロール部材９５とを備えている。螺旋状の溝９１の外周側端部には吸入口９２が形成され、内周側端部には吐出口９３が形成されている。

実験の結果、前記区間Ｔ１での停止制御において旋回スクロール部材９５は、図３に示すように、その外周側端部の内面側が固定スクロール部材９０に接した状態、すなわち吸入口９２から吐出口９３への経路において吸入口９２側からみた場合の圧縮室の閉鎖点がもっとも近い状態（以下状態Ａと言う。）であることが好ましいことが分かった。逆に最も好ましくないのは、図４に示すように、旋回スクロール部材９５の外周側端部の外面側が固定スクロール部材９０に接した状態、すなわち吸入口９２から吐出口９３への経路において吸入口９２側からみた場合の圧縮室の閉鎖点がもっとも遠い状態（以下状態Ｂと言う。）である。この状態Ａと状態Ｂは互いに回転角（位相）が１８０°ずれた状態である。なお、回転位置の評価は排出されたオイル量により行い、排出オイル量が多い方が好ましいものとした。

したがって、スクロール圧縮機の制御装置によって一意の回転位置に旋回スクロール部材９５を位置させることができる場合には、前記状態Ａとなるように制御すればよい。

一方、本実施の形態に係るスクロール圧縮機の制御装置は、前述したように、旋回スクロール部材９５をある特定の回転位置又は該回転位置から回転角（位相）が１８０°ずれた回転位置の何れかにのみ制御可能であり、どちらの回転位置となるかは制御不能である。したがって、前記状態Ａとなるように制御しても、制御開始前の旋回スクロール部材９５の初期位置によっては、前記状態Ｂとなる場合がある。そこでこのような場合には、ある回転位置でのオイル排出量と該回転位置から１８０°ずれた回転位置でのオイル排出量との和が最も少なくなるような回転位置を選択すると好適である。本実施の形態では、状態Ａから９０°回転角（位相）がずれた回転位置に旋回スクロール部材９５を停止させるよう制御するようにした。これにより、最も好ましくない状態Ｂとなることを防止し、且つ、平均的にオイル排出量が良好なものとなる。

以上のように本実施の形態に係るスクロール圧縮機の制御装置によれば、区間Ｔ１において旋回スクロール部材９５が所定の回転位置に停止された後に、区間Ｔ２においてスクロール圧縮機の圧縮室内部に溜まったオイルの排出処理が行われる。すなわち、区間Ｔ２におけるオイル排出処理は、常に、スクロール圧縮機内の圧縮室形態が同じ状態から開始される。したがって、区間Ｔ１における前記所定の回転位置として、最もオイル排出量が多くなると期待される位置を設定することにより、安定的且つ確実なオイル排出処理が可能となる。

以上、本発明の一実施の形態について詳述したが本発明はこれに限定されるものではない。例えば、上記実施の形態では、旋回スクロール部材９５を停止させる回転位置を一意には制御できないものであったが、該旋回スクロール部材９５を任意の位置に停止制御できる駆動モータやインバータ回路を用いてもよい。この場合には、区間Ｔ１における旋回スクロール部材９５の停止位置は前記状態Ａとすると好ましい。

また上記実施の形態では、区間Ｔ２のオイル排出処理においてインバータ回路１００の出力周波数を徐々に増加させていたが、図５に示すように、一定時間、オイル排出用周波数（ｆ_oil）以下の一定周波数（図５ではオイル排出用周波数（ｆ_oil））で出力させるようにしてもよい。

１０…駆動モータ、１１，１２，１３…コイル、１００…インバータ回路、１１１，１１２，１２１，１２２，１３１，１３２…スイッチング素子、２００…インバータ制御回路、９０…固定スクロール部材、９５…旋回スクロール部材

Claims (6)

1. 固定スクロール部材と旋回スクロール部材と該旋回スクロール部材を所定の円軌道上に旋回させる駆動モータと備えたスクロール圧縮機を制御する制御装置において、
   前記駆動モータに電力を供給するインバータ回路と、
   スクロール圧縮機を起動するときには、オイルが液圧縮されることなく安定的且つ確実に排出される所定の回転位置において前記旋回スクロール部材を第１の所定時間停止させるよう前記インバータ回路を制御する第１の制御手段と、
   第１の制御手段による制御の後に、前記インバータ回路の出力周波数を運転範囲の下限周波数よりも低い第１の周波数範囲内において第２の所定時間出力するよう制御する第２の制御手段と、
   第２の制御手段による制御の後に、インバータ回路の出力周波数を目標周波数に向けて増大させるよう制御する第３の制御手段とを備えた
   ことを特徴とするスクロール圧縮機の制御装置。
2. 前記駆動モータは、多相の同期モータからなり、
   前記第１の制御手段では、所定のパターンで各相のコイルに第１の所定時間通電させ、当該通電により決定されるうる複数の回転位置の１つに旋回スクロール部材を停止させる
   ことを特徴とする請求項１記載のスクロール圧縮機の制御装置。
3. 前記第２の制御手段では、前記インバータ回路の出力周波数を徐々に増大させるとともに、前記第３の制御手段では前記第２の制御手段における出力周波数の増加率と同じ増加率で前記インバータ回路の出力周波数を徐々に増大させる
   ことを特徴とする請求項１又は２何れか１項記載のスクロール圧縮機の制御装置。
4. 前記第２の制御手段では、前記インバータ回路の出力周波数が一定となるように制御する
   ことを特徴とする請求項１又は２何れか１項記載のスクロール圧縮機の制御装置。
5. 前記所定の回転位置は、前記旋回スクロール部材の外周側端部の内面側が前記固定スクロール部材に接する回転位置から９０°回転角がずれた回転位置である
   ことを特徴とする請求項１乃至４何れか１項記載のスクロール圧縮機の制御装置。
6. 固定スクロール部材と旋回スクロール部材と該旋回スクロール部材を所定の円軌道上に旋回させる駆動モータと備えたスクロール圧縮機の制御方法であって、
   スクロール圧縮機を起動するときには、オイルが液圧縮されることなく安定的且つ確実に排出される所定の回転位置において前記旋回スクロール部材を第１の所定時間停止させるようインバータ回路制御する第１の制御ステップと、
   第１の制御ステップによる制御の後に、前記インバータ回路の出力周波数を運転範囲の下限周波数よりも低い第１の周波数範囲内において第２の所定時間出力するよう制御する第２の制御ステップと、
   第２の制御ステップによる制御の後に、インバータ回路の出力周波数を目標周波数に向けて増大させるよう制御する第３の制御ステップとを備えた
   ことを特徴とするスクロール圧縮機の制御方法。

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