JP2004190583A - スクリュー圧縮機 - Google Patents
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Abstract
【課題】多様化したユーザのニーズに柔軟に対応することができるスクリュー圧縮機を提供する。
【解決手段】空気を圧縮する圧縮機本体１と、この圧縮機本体１を駆動するモータ２と、このモータ２の回転数を所定の可変制御範囲内で可変に制御するインバータ１３と、圧縮機本体１から吐出される圧縮空気の吐出圧力を検出する圧力センサ７と、モータ２の回転数の可変制御範囲を所定の範囲に固定してインバータ１３を制御する可変速モード１、モータ２の回転数の可変制御範囲を目標圧力設定Ｐｉに応じて変更するようにインバータ１３を制御する可変速モード２、モータ２の回転数の可変制御範囲を圧力センサ７で検出した吐出圧力Ｐ１に応じて運転中に自動的に変更するようにインバータ１３を制御する可変速モード３のいずれか１つに選択時に切り換えられ、そのモードでインバータ１３を制御する制御装置１４とを有する。
【選択図】 図２
【解決手段】空気を圧縮する圧縮機本体１と、この圧縮機本体１を駆動するモータ２と、このモータ２の回転数を所定の可変制御範囲内で可変に制御するインバータ１３と、圧縮機本体１から吐出される圧縮空気の吐出圧力を検出する圧力センサ７と、モータ２の回転数の可変制御範囲を所定の範囲に固定してインバータ１３を制御する可変速モード１、モータ２の回転数の可変制御範囲を目標圧力設定Ｐｉに応じて変更するようにインバータ１３を制御する可変速モード２、モータ２の回転数の可変制御範囲を圧力センサ７で検出した吐出圧力Ｐ１に応じて運転中に自動的に変更するようにインバータ１３を制御する可変速モード３のいずれか１つに選択時に切り換えられ、そのモードでインバータ１３を制御する制御装置１４とを有する。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インバータによりモータの回転数を可変制御し、吐出圧力を一定に制御するスクリュー圧縮機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、スクリュー圧縮機は、例えば空気を圧縮する圧縮機本体と、この圧縮機本体を駆動するモータと、このモータの回転数を可変制御するインバータと、圧縮機本体から吐出される圧縮空気の吐出圧力を検出する圧力検出手段と、この圧力検出手段の検出した吐出圧力と目標圧力設定との偏差に基づきインバータに演算結果を出力する制御手段とを備えており、この制御手段から入力された演算結果に応じた周波数をインバータがモータに出力してモータの回転数を制御することで、スクリュー圧縮機の吐出圧力はほぼ一定に目標圧力になるようになっている。なお、元来より、このインバータによるモータ回転数の可変制御範囲の上限値及び下限値は、所定の値に固定されていた（以下、元来の技術）。
【０００３】
ところで、近年、１９９７年１２月に開催された地球温暖化防止京都会議及びそれに伴う省エネ法の改正等により、工場事業所等における省エネ化の要望が急激に高まっている。特に、国内消費電力の５％を占める空気圧縮機の消費電力を削減することが急務となっている。このような気運の下、例えば１段の上記スクリュー圧縮機の場合、目標圧力設定を０．１ＭＰａ下げて運転することで理論断熱動力上の動力を例えば約７〜８％程度低減できることに着眼し、多くの工場事業所等において、空気圧縮機の現状の目標圧力設定を見直し適正な圧力に下げて運転することで消費電力の削減が図られている。
【０００４】
このように、目標圧力設定を下げて運転することでその分の動力を低減でき、モータの能力に余裕を作ることができる。しかしながら、例えば何らかの事情で圧縮機の出力側における使用空気量が一時的に定格空気量を上回る場合等においては、上記元来の技術のようにモータの回転数の可変制御範囲が固定されたスクリュー圧縮機ではその回転数が上限値により制限されてしまい、定格空気量しか吐出することができないために吐出空気量が不足して、モータの能力には余裕があるにも拘らず吐出圧力が一時的に大きく低下する事態を招いていた。また、これを回避するためには、モータと圧縮機本体との間のギヤ又はプーリの比率を変更し、圧縮機本体の回転数をより増加させる必要があった。
【０００５】
そこで、このような背景に基づき、従来、圧縮機本体からの吐出圧力の基準値を所望の圧力に設定可能な吐出圧力設定装置を設け、その目標圧力設定（吐出圧力設定値）に応じて制御手段（最高回転数制御装置）によりインバータを介しモータの回転数の可変制御範囲の上限値（最高回転数）を定めるスクリュー圧縮機が既に提唱されている（例えば、特許文献１参照。以下、従来技術）。これによれば、制御手段は、吐出圧力設定装置での目標圧力設定に略反比例してモータの回転数の可変制御範囲の上限値を決定するようになっている。すなわち、吐出圧力設定装置に定格圧力より小さい目標圧力を設定することでモータの回転数を比較的大きい回転数とすることができ、その結果、上記のように使用空気量が一時的に定格空気量を上回るような場合には定格空気量以上の吐出空気量を得ることができる。
【０００６】
このように、上記従来技術によればギヤ又はプーリの比率の変更を行わなくても吐出圧力の低下を抑制することができる。しかしながら、上記従来技術ではモータの回転数の可変制御範囲の上限値は予め設定入力された目標圧力設定に応じて演算により決定されるが、一度設定された目標圧力設定は運転中は固定であり、運転状態に応じてその都度設定されるものではないため、モータの回転数の可変制御範囲の上限値についても運転中は固定されることになる。このため、スクリュー圧縮機の圧力過渡状態、例えば起動時の初期充気時においては、吐出圧力が上昇してくるまでの低圧の間はその分モータの回転数を大きく増大させて吐出圧力の上昇促進を図る余地があるにも拘らず、上記従来技術ではモータの回転数が上限値に制限されるために、初期充気の遅延化を招く可能性があった。また、例えば運転時に使用空気量が何らかの理由で一時的に定格空気量を上回り吐出圧力が低下する場合においても、上記従来技術ではモータの回転数が上限値に制限されるために、吐出圧力の低下あるいは低下後の復帰の遅延化を招く可能性があった。
【０００７】
以上の背景に基づき、本願発明者等は、モータの回転数の可変制御範囲の上限値を圧力検出手段で検出した吐出圧力に応じて運転中に自動的に変更する制御手段を備えたスクリュー圧縮機を提唱した（特願２００２−１５６８６５号（出願日：平成１４年５月３０日）。以下、先願発明）。このスクリュー圧縮機によれば、初期充気時におけるモータの回転数を吐出圧力の過渡状態に合わせて最適な値に変更することができるので、上記従来技術に比べて初期充気時間を短縮することができ、また使用空気量が定格空気量を上回り吐出圧力が大きく低下するときにおいても、制御手段が吐出圧力の低下にすばやく追従してモータの回転数を最適な値に変更することができるので、上記従来技術に比べて吐出圧力の低下を抑制することが可能となる。
【０００８】
【特許文献１】
特開平９−２０９９４９号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本願発明者等のその後の検討によれば、上記先願発明には以下のような更なる改善の余地があることが分かった。
すなわち、近年におけるスクリュー圧縮機に対する需要は、圧縮空気の使用用途や圧縮機の使用環境等により多様化しており、例えば上記先願発明のように吐出空気量を増加して初期充気の遅延化防止や一時的な使用空気量増大時における吐出圧力低下の防止を図ることを主眼とする場合もあれば、上述の元来の技術のようにもっぱら消費動力低減のみを主眼とすれば足りる場合もあり、さらにはそれらの中間の、元来と比べて使用空気量が一時的に定格空気量を上回るような場合には吐出空気量の増加は図りたいが、先願発明のような初期充気の遅延化防止及び使用空気量増大時の吐出圧力低下防止までは望まず、むしろそのときの先願発明のように追従性のよい精密な制御を行うことによる機械的な劣化を避けたい場合（上記従来技術にほぼ相当）もある。このような多種多様なユーザのニーズに柔軟に対応できる圧縮機は従来存在しなかった。
【００１０】
一方、上記先願発明においては、モータの回転数の可変制御範囲の上限値を可変することで定格空気量以上の吐出空気量を得ることができるが、可変制御範囲の上限値のみを可変させ下限値については固定したままである。このため、上限値が可変して小さくなる場合には、モータの回転数の可変制御範囲が狭くなるために供給先の必要風量に応じた可変幅の広い回転数制御ができにくくなる可能性がある。しかも、圧縮機の運転領域全体に占めるロード・アンロード運転を行う領域の割合が増加するので、消費動力が増大することによる省エネルギ特性の低下及びロード・アンロード運転の際に動作する吸込み絞り弁等の機械寿命の低下を招く可能性がある。さらに、上限値が可変して大きくなる場合には、下限値が固定されているために可変制御範囲が必要以上に拡大され、共振する頻度が増加する可能性がある。
【００１１】
また、上記先願発明を含めた従来設備の圧縮機においては、圧力検出手段による吐出圧の検出を回転数可変制御の応答性を鑑みて吐出配管の比較的上流側で行うのが一般的である。したがって、圧力検出手段で検出する上流側の吐出圧と実際の供給先への供給圧となる下流側の吐出圧とは、通常、吐出配管の圧力損失によって差が生じる。この圧力損失は、供給先への圧縮空気の安定供給の観点からはなるべく小さくするのが好ましいが、一般に空気配管の圧力損失は空気流量の２乗に比例する性質を有するため、吐出空気量が多いほど飛躍的に増大する。すなわち、下流側の圧力は、モータの回転数が低いとき（圧縮機の吐出空気量が少ないとき）よりもモータの回転数が高いとき（圧縮機の吐出空気量が多いとき）の方が、上流側の圧力に対して低くなる度合いが大きくなる。したがって、上記先願発明においては、定格空気量以上の吐出空気量を得ることができる反面、上流側圧力と下流側圧力、すなわち目標圧力設定値と実際の供給先への供給圧との差が大きくなってしまうことが考えられ、圧縮空気の吐出空気量精度の点で向上の余地があった。なお、この圧力差を低減するために圧力検出手段を下流側に設けることも考えられるが、その場合には圧縮機本体と圧力検出手段との距離が長くなることで圧力変動の検出に遅れが生じるため、モータの回転数がハンチングを生じ、圧縮空気の供給が不安定となる可能性がある。
【００１２】
本発明の第１の目的は、多様化したユーザのニーズに柔軟に対応することができるスクリュー圧縮機を提供することにある。
また本発明の第２の目的は、供給先の必要風量に応じて可変幅の広い回転数制御を確実に行えるスクリュー圧縮機を提供することにある。
また本発明の第３の目的は、圧縮空気の吐出空気量精度を向上することができるスクリュー圧縮機を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
（１）上記第１の目的を達成するために、本発明のスクリュー圧縮機は、空気を圧縮する圧縮機本体と、この圧縮機本体を駆動するモータと、このモータの回転数を所定の可変制御範囲内で可変に制御するインバータと、前記圧縮機本体から吐出される圧縮空気の吐出圧力を検出する圧力検出手段と、前記モータの回転数の可変制御範囲を所定の範囲に固定して前記インバータを制御する第１の制御モード、前記モータの回転数の可変制御範囲を目標圧力設定に応じて変更するように前記インバータを制御する第２の制御モード、及び前記モータの回転数の可変制御範囲を前記圧力検出手段で検出した吐出圧力に応じて運転中に自動的に変更するように前記インバータを制御する第３の制御モードのいずれか１つに選択時に切り換えられ、その切り換えられたモードで前記インバータを制御する第１制御手段とを有するものとする。
【００１４】
本発明においては、スクリュー圧縮機を、第１の制御モード、第２の制御モード、及び第３の制御モードの３種類の中から任意に選択した制御モードにて運転する。すなわち、第１の制御モードが選択された場合には、第１制御手段はモータの回転数の可変制御範囲を所定の範囲に固定し、その範囲内においてモータの回転数を圧力検出手段で検出した吐出圧力に応じインバータを介して可変制御する。これにより、目標圧力設定を下げて運転した場合にモータ回転数が可変制御範囲の上限値に制限され、消費動力を低減することができる。一方、第３の制御モードが選択された場合には、第１制御手段は可変制御範囲を圧力検出手段で検出した吐出圧力に応じて運転中に自動的に変更しつつ、この変更した可変制御範囲内においてモータの回転数を圧力検出手段で検出した吐出圧力に応じてインバータを介して可変制御する。これにより、例えば起動時の初期充気時等の圧力過渡状態において、吐出空気量を吐出圧に追従して増加させ圧縮空気の初期充気時の遅延化防止を図ったり、一時的に供給先の使用空気量が増大した場合における吐出圧の低下の防止を図ることができる。他方において、第２の制御モードが選択された場合には、第１制御手段はモータの回転数の可変制御範囲を予め設定された目標圧力設定に応じて変更し、この変更した可変制御範囲内でモータの回転数を圧力検出手段で検出した吐出圧力に応じてインバータを介して可変制御する。これにより、例えば目標圧力をモータの仕様圧力より小さく設定した場合には、上記の第３の制御モードの場合と同様にモータの回転数の可変制御範囲の上限値を可変して大きくすることができ、その結果、吐出空気量を増加することができる。このとき、この第２の制御モードにおいては、上記第３の制御モードのように運転中の吐出圧力状態に追従して上限値を変更するのではなく、予め設定する目標圧力設定に応じて上限値が変更されるのみであるので、上記第３の制御モードのような運転状態に追従した精密な回転数制御を行う場合に比べて圧縮機の機械的な劣化を抑制することができる。
【００１５】
すなわち、本発明によれば、吐出空気量を増加して初期充気の遅延化防止や一時的な使用空気量増大時における吐出圧力低下の防止を図りたい場合には第３の制御モード、もっぱら消費動力低減のみを主眼としたい場合には第１の制御モード、吐出空気量の増加は図りたいがそれによる機械的な劣化は抑制したい場合には第２の制御モードといったように、スクリュー圧縮機がニーズに応じた制御モードにて運転されることで、ユーザの多種多様なニーズに対し柔軟に対応することができる。
【００１６】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記第１の制御モード、第２の制御モード、及び第３の制御モードのいずれかが選択入力され、これに応じた選択信号を前記第１制御手段に出力する選択手段をさらに備えるものとする。
これにより、制御モードを第１の制御モード、第２の制御モード、及び第３の制御モードのいずれかに容易に切り換えることができる。
【００１７】
（３）上記第２の目的を達成するために、本発明のスクリュー圧縮機は、空気を圧縮する圧縮機本体と、この圧縮機本体を駆動するモータと、このモータの回転数を可変に制御するインバータと、前記圧縮機本体から吐出される圧縮空気の吐出圧力を検出する圧力検出手段と、前記モータの回転数の可変制御範囲の下限値を変更するように前記インバータを制御する第２制御手段とを備えるものとする。
【００１８】
本発明においては、例えば、第２制御手段で可変制御範囲の上限値を圧力検出手段で検出した吐出圧力に応じて運転中に自動的に変更すると共に、可変制御範囲の下限値についても上記吐出圧力に応じて自動的に変更し、その変更した可変制御範囲内において圧力検出手段で検出した圧縮空気の吐出圧力に応じてモータの回転数をインバータで制御して回転数可変制御を行う。これにより、例えば可変制御範囲の上限値のみを可変させる前述した先願発明のような構造と比べ、上限値が可変して小さくなる場合には可変制御範囲が縮小することを抑制できるので、供給先の必要風量に応じた比較的可変幅の広い回転数制御を行うことができる。さらに、圧縮機の運転領域全体に占めるロード・アンロード運転を行う領域の割合の増大を抑制することができるので、消費動力を低減することができ、且つロード・アンロード運転の際に動作する吸込み絞り弁等の機械寿命の低下を抑制することができる。一方、上限値が可変して大きくなる場合には、可変制御範囲の上限値のみを可変させる構造と比べて可変制御範囲が必要以上に拡大するのを抑制することができるので、共振する頻度が増大するのを抑制することができる。
【００１９】
（４）上記（３）において、好ましくは、前記第２制御手段は前記可変制御範囲の下限値を予め設定された目標圧力設定に応じて変更するものとする。
【００２０】
（５）上記（３）において、また好ましくは、前記第２制御手段は、前記可変制御範囲の下限値を前記圧力検出手段で検出した吐出圧力に応じて運転中に自動的に変更するものとする。
【００２１】
（６）上記第３の目的を達成するために、本発明のスクリュー圧縮機は、空気を圧縮する圧縮機本体と、この圧縮機本体を駆動するモータと、このモータの回転数を可変に制御するインバータと、前記圧縮機本体から吐出される圧縮空気の第１の検出位置での吐出圧力を検出する上流側圧力検出手段と、この上流側圧力検出手段で検出した前記第１の検出位置での吐出圧力に応じて、前記第１の検出位置より流れ方向下流側における第２の検出位置での吐出圧力が所定の範囲内となるように、前記モータの回転数を前記インバータを介して可変制御する第３制御手段とを備えるものとする。
【００２２】
一般に、スクリュー圧縮機においては、上流側圧力検出手段による吐出圧力の検出は回転数可変制御の応答性を鑑みて吐出配管の比較的上流側で行う。したがって、この上流側圧力検出手段で検出する上流側の第１の検出位置での吐出圧力と実際の供給先への供給圧となる下流側の第２の検出位置での吐出圧力とは、通常、吐出配管の圧力損失によって差が生じる。この圧力損失は、供給先への圧縮空気の安定供給の観点からはなるべく小さくするのが好ましいが、一般に空気配管の圧力損失は空気流量の２乗に比例するため、圧縮機の吐出空気量が多くなるほど飛躍的に増大する性質を有する。したがって、吐出空気量が多くなるほど上流側圧力と下流側圧力、すなわち目標圧力設定値と実際の供給先への供給圧との差が大きくなってしまい、圧縮空気の吐出空気量精度が悪化することになる。なお、この吐出空気量精度の悪化を防止するために上流側圧力検出手段を下流側の第２の検出位置に設けることも考えられるが、その場合には圧縮機本体と上流側圧力検出手段との距離が長くなることで圧力変動の検出に遅れが生じるため、モータの回転数がハンチングを生じ、圧縮空気の供給が不安定となる可能性がある。
【００２３】
本発明においては、第３制御手段で、上流側圧力検出手段で検出した第１の検出位置での吐出圧力に応じて、下流側の第２の検出位置での吐出圧力が所定の範囲内となるようにモータの回転数をインバータを介して可変制御する。これにより、実際の圧縮空気の供給先への供給圧力がほぼ所定の範囲内となるように制御することができるので、圧縮空気の吐出空気量精度を向上することができる。さらに、上流側圧力検出手段で上流側の第１の検出位置において検出した吐出圧力を回転数制御に用いるので、回転数制御のハンチングの発生を防止することができる。
【００２４】
（７）上記（６）において、好ましくは、前記第３制御手段は、前記上流側圧力検出手段で検出した前記第１の検出位置での吐出圧力に応じて前記第１の検出位置と前記第２の検出位置との間の圧力差を演算し、この演算した圧力差に応じて前記モータの回転数を可変制御するものとする。
これにより、第２の検出位置に圧力検出手段を設ける必要がなくなり、安価に本発明を実現することができる。
【００２５】
（８）上記（６）において、また好ましくは、前記第２の検出位置に下流側圧力検出手段をさらに備え、前記第３制御手段は、前記上流側圧力検出手段で検出した前記第１の検出位置での吐出圧力と前記下流側圧力検出手段で検出した前記第２の検出位置での吐出圧力との偏差に応じて前記モータの回転数を可変制御するものとする。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のスクリュー圧縮機の一実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明のスクリュー圧縮機の一実施の形態の全体構造を表す模式図である。なお、この図１中の黒の太線の矢印は圧縮空気の流れ、黒の細線の矢印はオイルの流れ、白抜きの矢印は冷却風の流れ、破線の矢印は信号の流れを示している。
【００２７】
この図１において、スクリュー圧縮機は、空気を圧縮する圧縮機本体１と、この圧縮機本体１を駆動するモータ２とを備えており、このモータ２により圧縮機本体１を回転駆動することで、大気圧の空気をフィルタ３を介して吸い込み圧縮するようになっている。圧縮機本体１により圧縮された圧縮空気は、オイルと共にオイルケース４内に導入されるときにオイルと１次分離され、オイルセパレータ５においてオイルと２次分離される。分離された圧縮空気は、アフタークーラ６で冷却されて吐出されるようになっている。
【００２８】
上記のオイルは、オイルケース４内の圧縮機本体吸込み側と吐出側との差圧によって循環されるようになっている。すなわち、オイルケース４内で圧縮空気から１次分離されたオイルはオイルクーラ８で冷却され、オイルフィルタ９を介して圧縮機本体１の吸い込み側に戻されて、圧縮空気と再度混合されるようになっている。また、オイルセパレータ５において圧縮空気と２次分離されたオイルについても、圧縮機本体１に回収されるようになっている。
【００２９】
なお、上記のモータ２、アフタークーラ６、及びオイルクーラ８等は、ファンモータ１０により駆動される冷却ファン１１によって作られる冷却風（その流れを図１中白抜きの矢印で示す）で冷却されるようになっている。
【００３０】
また、スクリュー圧縮機は、オイルセパレータ５の後段側に設けられ圧縮機本体１から吐出される圧縮空気の流れ方向上流側における吐出圧力を検出する圧力センサ７と、この圧力センサ７よりも流れ方向下流側における吐出圧力を検出する圧力センサ１２と、これら圧力センサ７及び圧力センサ１２で検出した吐出圧力に応じてインバータ１３を介してモータ２の回転数を可変に制御する制御装置１４とをさらに備えている。図２は、この制御装置１４の制御機能を表す機能ブロック図である。
【００３１】
この図２において、制御装置１４は、設定入力部１５と、ＰＩＤ演算部１６と、上限／下限演算部１７とを備えている。上記設定入力部１５は、例えば制御装置１４の盤面に備えられる入力端末（又は外部に設けた外部端末でもよい）であり、制御装置１４の適宜の場所に予め記憶（又は適宜設定入力してもよい）された圧力モード１、圧力モード２、及び圧力モード３の３つの圧力制御モードのうちの１つを設定入力できるようになっている。すなわち、設定入力部１５で圧力制御モードが圧力モード１として設定入力されると、上記ＰＩＤ演算部１６は上記圧力センサ７で検出した圧縮空気の上流側吐出圧力Ｐ１（図１も参照）を入力し、この入力された吐出圧力Ｐ１と設定入力部１５に予め記憶（又は適宜設定入力してもよい）された目標圧力設定Ｐｉとの偏差に基づきＰＩＤ演算を行うようになっている。
【００３２】
一方、設定入力部１５で圧力制御モードが圧力モード２として設定入力されると、ＰＩＤ演算部１６はまず、圧力センサ７で検出した上流側吐出圧力Ｐ１を入力する。このとき、ＰＩＤ演算部１６は、設定入力部１５に予め記憶（又は適宜設定入力してもよい）され仕様圧力Ｐｓと同じ圧力値の時の上流側吐出圧力Ｐ１と下流側吐出圧力Ｐ２との圧力差である圧力差設定Ｐdeltaを元に、上記入力した吐出圧力Ｐ１と吐出空気量の関係から現在の圧力差（Ｐ１−Ｐ２）′を演算する機能を備えており、上記入力された吐出圧力Ｐ１と、この演算された現在の圧力差（Ｐ１−Ｐ２）′を上記目標圧力設定Ｐｉに加算した第２の目標圧力設定Ｐｉ２（＝（Ｐ１−Ｐ２）′＋Ｐｉ）との偏差に基づきＰＩＤ演算を行うようになっている（詳細は後述）。
【００３３】
他方、設定入力部１５で圧力制御モードが圧力モード３として設定入力されると、ＰＩＤ演算部１６は圧力センサ７で検出した上流側吐出圧力Ｐ１及び上記圧力センサ１２で検出した圧縮空気の下流側吐出圧力Ｐ２（図１も参照）を入力し、この入力した吐出圧力Ｐ１と、これら入力した上流側吐出圧力Ｐ１と下流側吐出圧力Ｐ２との圧力差Ｐ１−Ｐ２を目標圧力設定Ｐｉに加算した第３の目標圧力設定Ｐｉ３（＝（Ｐ１−Ｐ２）＋Ｐｉ）との偏差に基づきＰＩＤ演算を行うようになっている（詳細は後述）。
【００３４】
このようにして、ＰＩＤ演算部１６は各圧力制御モードで演算した演算結果を演算値Ｓ（図１も参照）としてインバータ１３に出力し、インバータ１３はこのＰＩＤ演算部１６から入力された演算値Ｓに応じた周波数Ｆ（図１も参照）をモータ２に出力してモータ２の回転数を制御する。これにより、スクリュー圧縮機の吐出圧力は目標圧力設定Ｐｉにほぼ一定に制御されるようになっている。
【００３５】
なお、この図２において、制御装置１４が出力する演算値Ｓは０以上１以下の値である。したがって、制御装置１４が最大演算値１をインバータ１３に出力すると、インバータ１３はこれに対応して最高周波数設定Ｆmaxをモータ２に出力し、モータ２の回転数は最大回転数に制御される。一方、制御装置１４が最小演算値０をインバータ１３に出力すると、インバータ１３はこれに対応して最低周波数設定Ｆminをモータ２に出力し、モータ２の回転数は最小回転数に制御される。通常、制御装置１４は、圧力センサ７から入力される上流側吐出圧力Ｐ１に応じて演算値Ｓを上記０から１の可変制御範囲内において可変させることで、インバータ１３の周波数Ｆを上記最低周波数設定Ｆminから最高周波数設定Ｆmaxの範囲内において可変させ、これによりモータ２の回転数を上記最小回転数から最大回転数の範囲内において可変制御するようになっている。
【００３６】
このとき、制御装置１４の適宜の場所には可変速モード１、可変速モード２、及び可変速モード３の３つの可変速制御モードが予め記憶（又は適宜設定入力してもよい）されており、設定入力部１５でその可変速制御モードを設定入力できるようになっている。すなわち、設定入力部１５で可変速制御モードが可変速モード１として設定入力されると、上限／下限演算部１７は設定入力部１５に予め記憶（又は適宜設定入力してもよい）されている仕様圧力設定Ｐｓに応じて最高周波数割合ＫH1及び最低周波数割合ＫL1を演算し、ＰＩＤ演算部１６から出力される演算値Ｓの可変制御範囲が上記上限／下限演算部１７で演算された最高周波数割合ＫH1及び最低周波数割合ＫL1により制限される。これにより、インバータ１３からモータ２に出力される周波数Ｆは上記最高周波数割合ＫH1及び最低周波数割合ＫL1に対応した上限周波数から下限周波数までの可変制御範囲内で制御され、これによりモータ２の回転数は上記上限周波数と下限周波数とに対応した上限回転数から下限回転数までの可変制御範囲内において制御されるようになっている。
【００３７】
一方、設定入力部１５で可変速制御モードが可変速モード２として設定入力されると、上限／下限演算部１７は設定入力部１５に予め記憶（又は適宜設定入力してもよい）された目標圧力設定Ｐｉに応じて最高周波数割合ＫH2及び最低周波数割合ＫL2を演算し、ＰＩＤ演算部１６から出力される演算値Ｓの可変制御範囲が上記上限／下限演算部１７で演算された最高周波数割合ＫH2及び最低周波数割合ＫL2により制限されることで、インバータ１３からモータ２に出力される周波数Ｆは上記最高周波数割合ＫH2及び最低周波数割合ＫL2に対応した上限周波数から下限周波数までの可変制御範囲内で制御され、これによりモータ２の回転数は上記上限周波数と下限周波数とに対応した上限回転数から下限回転数までの可変制御範囲内において制御されるようになっている。
【００３８】
他方、設定入力部１５で可変速制御モードが可変速モード３として設定入力されると、上限／下限演算部１７は圧縮機運転中において常に圧力センサ７で検出した上流側吐出圧力Ｐ１を入力し、この入力した吐出圧力Ｐ１に応じて最高周波数割合ＫH3及び最低周波数割合ＫL3を演算する。これにより、ＰＩＤ演算部１６から出力される演算値Ｓの可変制御範囲が上記最高周波数割合ＫH3及び最低周波数割合ＫL3により運転中に自動的に制限され、インバータ１３からモータ２に出力される周波数Ｆは上記最高周波数割合ＫH3及び最低周波数割合ＫL3に対応した上限周波数から下限周波数までの可変制御範囲内に制御され、これによりモータ２の回転数は上記上限周波数と下限周波数とに対応した上限回転数から下限回転数までの可変制御範囲内において制御されるようになっている。
【００３９】
また、設定入力部１５においては、上記した仕様圧力Ｐｓ、目標圧力設定Ｐｉ、圧力差設定Ｐdeltaの他に、最高圧力設定Ｐmax、最低圧力設定Ｐmin、最高周波数設定Ｆmax、最低周波数設定Ｆmin、最小上限演算値Ｋmax、及び最小下限演算値Ｋminを適宜設定入力できるようになっている。上記最高圧力設定Ｐmax及び最低圧力設定Ｐminは、圧縮機が行う目標圧力設定Ｐｉを目標値とした圧力一定制御における圧力制御範囲を設定するものである。また、上記最高周波数設定Ｆmax（又は最低周波数設定Ｆmin、以下かっこ内の関係同様）はモータ２において構造的に定まる機械保護用の上限回転数（又は下限回転数）に対応した値に設定されている。これにより、例えば可変速制御モードが可変速モード３に設定され吐出圧力Ｐ１が極めて低い状態（又は高い状態）のとき等に、制御装置１４がインバータ１３に出力する演算値Ｓを最大演算値１まで増大（又は最小演算値０まで減少）させても、モータ２が破損・故障等を起こすことを防止することができるようになっている。また、最小上限演算値Ｋmaxと最小下限演算値Ｋminは、ＰＩＤ演算部１６からインバータ１３に出力される演算値Ｓの可変制御範囲を制限する最高・最低周波数割合ＫH，ＫLの最小値をそれぞれ設定するものであり、０以上１以下の数値で設定するようになっている。
【００４０】
このようにして設定入力された上記最高圧力設定Ｐmax、最低圧力設定Ｐmin、最小上限演算値Ｋmax、及び最小下限演算値Ｋminを用い、上限／下限演算部１７は各可変速モード１〜３において、仕様圧力設定Ｐｓ、目標圧力設定Ｐｉ、及び圧力センサ７から入力した上流側吐出圧力Ｐ１に応じてＰＩＤ演算部１６が出力する演算値Ｓの可変制御範囲を制限する最高周波数割合ＫH及び最低周波数割合ＫLを演算するようになっている。
【００４１】
以上のようにして設定入力された各圧力制御モード、各可変速制御モードに応じ、制御装置１４はモータ２の回転数可変制御を行うようになっている。以下、この制御内容の詳細について図３及び図４を用いて説明する。
図３は、制御装置１４の制御機能のうち、初期設定及び圧縮機運転前に行われる圧力一定制御及び可変速制御に係わる制御内容を表すフローチャートである。なお、この図３において、制御装置１４は例えば電源を投入されたときにこのフローを開始するようになっている。
【００４２】
まずステップ１０では、図３中に示す各設定入力項目（仕様圧力設定Ｐｓ、目標圧力設定Ｐｉ、最高圧力設定Ｐmax、最低圧力設定Ｐmin、最高周波数設定Ｆmax、最低周波数設定Ｆmin、最小上限演算値Ｋmax、最小下限演算値Ｋmin、圧力差設定Ｐdelta、圧力制御モード、及び可変速制御モード）について設定入力部１５に初期設定値を入力し、次のステップ２０に移る。なお、この各設定入力項目は図３中に示す条件１〜５を満たす値とする。
【００４３】
ステップ２０では、上記ステップ１０で設定入力部１５に入力した圧力制御モードをＰＩＤ演算部１６に読み出して圧力モード１〜圧力モード３のどれに設定してあるかを判定する。圧力モード２の場合には次のステップ３０に移る。
【００４４】
ステップ３０では、上記ステップ１０で設定入力部１５に入力した仕様圧力設定Ｐｓと目標圧力設定Ｐｉ、圧力差設定ＰdeltaをＰＩＤ演算部１６に読み出し、次式（１）にしたがってβを演算し、次のステップ４０に移る。
【００４５】
【数１】
なお、上記式（１）は、次式（２）に示す一般的な空気管の圧力損失計算式を変換し、さらに圧力の単位をｋｇｆ／ｃｍ２からＭＰａに変換したものである。
【００４６】
【数２】
上記式（２）において、ΔＰは直管における圧力効果（ｋｇｆ／ｃｍ２）、μは摩擦係数、Ｌは管の長さ（ｍ）、ｄは管の内径（ｍ）、γは流体の重さ（７６０ｍｍＨｇ，０℃において１．２９３１ｋｇ／ｍ３）、ｖは流体の平均速度（ｍ／ｓ）、ｇは重力加速度（９．８１ｍ／Ｓ２）である。なお、上記流体平均速度ｖは次式（３）で表される。
【００４７】
【数３】
上記式（３）において、ｑは大気圧・常温における空気流量（ｍ３／ｍｉｎ）、ｐは流体の圧力（ｋｇｆ／ｃｍ２）、Ａは配管の断面積（ｍ２）である。
【００４８】
なお、先のステップ２０において、圧力制御モードが圧力モード１又は３である場合には次のステップ４０に直接移る。
【００４９】
ステップ４０では、上記ステップ１０で設定入力部１５に入力した可変速制御モードを上限／下限演算部１７に読み出し、可変速モード１〜可変速モード３のどれに設定してあるかを判定する。可変速モード３の場合には本フローを終了する。また、可変速モード１又は２の場合には次のステップ５０に移る。
【００５０】
ステップ５０では、上記ステップ１０で設定入力部１５に入力した目標圧力設定Ｐｉ、最低圧力設定Ｐminを上限／下限演算部１７に読み出し、目標圧力設定Ｐｉ≧最低圧力設定Ｐminであれば判定が満たされ、次のステップ６０に移る。
【００５１】
ステップ６０では、上記ステップ４０で読み出した可変速制御モードが可変速モード１又は２のどちらであるかを判定する。可変速モード２の場合には次のステップ７０に移る。
【００５２】
ステップ７０では、上記ステップ１０で設定入力部１５に入力した目標圧力設定Ｐｉ、最高圧力設定Ｐmax、最低圧力設定Ｐmin、最小上限演算値Ｋmaxを上限／下限演算部１７に読み出し、次式（４）にしたがって最高周波数割合ＫH2(又はＫH1)を演算し、次のステップ９０に移る。
【００５３】
【数４】
なお、先のステップ５０において、目標圧力設定Ｐｉ＜最低圧力設定Ｐminである場合、判定が満たされずにステップ８０に移り、上限／下限演算部１７において最高周波数割合ＫH1（又はＫH2）を１とし、次のステップ９０に直接移る。
【００５４】
ステップ９０では、上記ステップ１０で設定入力部１５に入力した目標圧力設定Ｐｉ、最高圧力設定Ｐmax、最低圧力設定Ｐmin、最小下限演算値Ｋminを上限／下限演算部１７に読み出し、次式（５）にしたがって最低周波数割合ＫL2(又はＫL1)を演算し、本フローを終了する。
【００５５】
【数５】
なお、先のステップ６０において可変速モード１である場合にはステップ１００に移り、上記ステップ１０で設定入力部１５に入力した目標圧力設定Ｐｉ、仕様圧力設定Ｐｓを上限／下限演算部１７に読み出し、目標圧力設定Ｐｉ≦仕様圧力設定Ｐｓであるかどうかを判定する。目標圧力設定Ｐｉ＞仕様圧力設定Ｐｓであれば判定が満たされず、上記ステップ７０に移る。一方、目標圧力設定Ｐｉ≦仕様圧力設定Ｐｓであれば判定が満たされ、次のステップ１１０に移る。
【００５６】
ステップ１１０では、上記ステップ１０で設定入力部１５に入力した仕様圧力設定Ｐｓ、最高圧力設定Ｐmax、最低圧力設定Ｐmin、最小上限演算値Ｋmaxを上限／下限演算部１７に読み出し、次式（６）にしたがって最高周波数割合ＫH1を演算し、次のステップ１２０に移る。
【００５７】
【数６】
ステップ１２０では、上記ステップ１０で設定入力部１５に入力した仕様圧力設定Ｐｓ、最高圧力設定Ｐmax、最低圧力設定Ｐmin、最小下限演算値Ｋminを上限／下限演算部１７に読み出し、次式（７）にしたがって最低周波数割合ＫL1を演算し、本フローを終了する。
【００５８】
【数７】
図４は、制御装置１４の制御機能のうち、圧縮機運転後に行われる圧力一定制御及び可変速制御に係わる制御内容を表すフローチャートである。なお、制御装置１４は、図３のフローの終了後、スクリュー圧縮機が運転されて初めてこの図４のフローを開始する。
【００５９】
まずステップ２１０では、圧力センサ７で検出した圧縮空気の上流側吐出圧力Ｐ１を上限／下限演算部１７とＰＩＤ演算部１６に入力し、次のステップ２２０に移る。
【００６０】
ステップ２２０では、前記ステップ２０で読み出した圧力制御モードが圧力モード１〜３のどれであるかを判定する。圧力モード３の場合には次のステップ２３０に移る。
【００６１】
ステップ２３０では、圧力センサ１２で検出した下流側吐出圧力Ｐ２をＰＩＤ演算部１６に入力し、次のステップ２４０に移る。
【００６２】
ステップ２４０では、ＰＩＤ演算部１６に読み出された上流側吐出圧力Ｐ１、下流側吐出圧力Ｐ２、及び目標圧力設定Ｐｉを用いて次式（８）にしたがって前記の第３の目標圧力設定Ｐｉ３を演算し、この値をＰＩＤ演算目標値として次のステップ２７０に移る。
【００６３】
【数８】
なお、先のステップ２２０において、圧力制御モードが圧力モード１である場合にはステップ２５０に移り、ＰＩＤ演算部に読み出された目標圧力設定ＰｉをＰＩＤ演算目標値として次のステップ２７０に直接移る。また、先のステップ２２０において、圧力制御モードが圧力モード２である場合にはステップ２６０に移り、ＰＩＤ演算部に読み出された吐出圧力Ｐ１、目標圧力設定Ｐｉ、及び前述の式（１）により演算された演算値βを用いて次式（９）にしたがって前記の第２の目標圧力設定Ｐｉ２を演算し、この値をＰＩＤ演算目標値として次のステップ２７０に直接移る。
【００６４】
【数９】
ステップ２７０では、前記ステップ４０で読み出した可変速制御モードが可変速モード１〜３のどれであるかを判定し、可変速モード３の場合には次のステップ２８０に移る。
【００６５】
ステップ２８０では、吐出圧力Ｐ１及び最低圧力設定Ｐminを上限／下限演算部１７に読み出し、吐出圧力Ｐ１≧最低圧力設定Ｐminであれば次のステップ２９０に移る。
【００６６】
ステップ２９０では、吐出圧力Ｐ１及び最高圧力設定Ｐmaxを上限／下限演算部１７に読み出し、吐出圧力Ｐ１≦最高圧力設定Ｐmaxであれば次のステップ３００に移る。
【００６７】
ステップ３００では、上限／下限演算部１７に読み出された吐出圧力Ｐ１、最高圧力設定Ｐmax、最低圧力設定Ｐmin、最小上限演算値Ｋmaxを用い、次式（１０）にしたがって最高周波数割合ＫH3を演算し、次のステップ３３０に移る。
【００６８】
【数１０】
なお、先のステップ２８０において、吐出圧力Ｐ１＜最低圧力設定Ｐminである場合にはステップ３１０に移り、最高周波数割合ＫH3を１として次のステップ３３０に直接移る。また、先のステップ２９０において、吐出圧力Ｐ１＞最高圧力設定Ｐmaxである場合にはステップ３２０に移り、上限／下限演算部１７に読み出された最小上限演算値Ｋmaxを用いて次式（１１）にしたがって最高周波数割合ＫH3を演算し、次のステップ３３０に直接移る。
【００６９】
【数１１】
ステップ３３０では、上限／下限演算部１７に読み出された吐出圧力Ｐ１、最高圧力設定Ｐmax、最低圧力設定Ｐmin、最小下限演算値Ｋminを用い、次式（１２）にしたがって最低周波数割合ＫL3を演算し、次のステップ３４０に移る。
【００７０】
【数１２】
なお、先のステップ２７０において、可変速制御モードが可変速モード１又は２の場合には、次のステップ３４０に直接移る。
【００７１】
ステップ３４０では、ＰＩＤ演算部１６において、上記ステップ２４０、ステップ２５０、又はステップ２６０において演算されたＰＩＤ演算目標値と圧力センサ７から入力された吐出圧力Ｐ１との偏差に基づきＰＩＤ演算が行われ、次のステップ３５０に移る。なお、このＰＩＤ演算の演算結果である演算値Ｓは、前述したように０以上１以下の値である。
【００７２】
ステップ３５０では、先のステップ１０で設定入力部１５に入力した最高周波数設定Ｆmax及び最低周波数設定Ｆminと、前記のステップ７０〜９０、ステップ１１０、ステップ１２０、ステップ３００〜３２０、及びステップ３３０において上限／下限演算部１７で演算された最高周波数割合ＫH及び最低周波数割合ＫLと、ＰＩＤ演算部１６から読み出したＰＩＤ演算値Ｓとを用い、次式（１３）にしたがってインバータ出力周波数指令値Ｓ２（図２参照）を演算し、次のステップ３６０に移る。
【００７３】
【数１３】
ステップ３６０では、ステップ３５０で演算されたインバータ出力周波数指令値Ｓ２をインバータ１３へ出力し、ステップ２１０に戻る。
【００７４】
このようにして、制御装置１４が出力するインバータ出力周波数指令値Ｓ２に応じ、インバータ１３が周波数Ｆをモータ２に出力することで、制御装置１４は圧縮機本体１の回転数を制御するようになっている。なお、このときの周波数Ｆとインバータ出力周波数指令値Ｓ２は同一値である。
【００７５】
以上において、圧力センサ７は特許請求の範囲各項記載の圧縮機本体から吐出される圧縮空気の吐出圧力を検出する圧力検出手段を構成するとともに、圧縮機本体から吐出される圧縮空気の第１の検出位置での吐出圧力を検出する上流側圧力検出手段をも構成し、圧力センサ１２は第２の検出位置に備えられた下流側圧力検出手段を構成する。また、制御装置１４は切り換えられたモードでインバータを制御する第１制御手段を構成するとともに、モータの回転数の可変制御範囲の下限値を変更するようにインバータを制御する第２制御手段を構成し、さらに第３制御手段をも構成する。
【００７６】
次に、本発明のスクリュー圧縮機の一実施の形態の動作及び作用を以下に説明する。
設定入力部１５で可変速制御モードを可変速モード１として設定入力すると、図３に示すフローにおいてステップ１０〜ステップ６０→ステップ１００に進み、目標圧力設定Ｐｉ≦仕様圧力設定Ｐｓである場合にはこのステップ１００の判定が満たされて次のステップ１１０に進む。なお、目標圧力設定Ｐｉ＞仕様圧力設定Ｐｓである場合にはこのステップ１００の判定が満たされずにステップ７０に移り、後述する可変速モード２と同様に制御される。ステップ１１０及びステップ１２０において、最高・最低周波数割合ＫH1，ＫL1は仕様圧力設定Ｐｓに応じて固定した値に演算される。その後、圧縮機が運転されると、図４に示すフローにおいてステップ２１０〜ステップ２７０→ステップ３４０→ステップ３５０に進み、インバータ出力周波数指令値Ｓ２の可変制御範囲が上記上限／下限演算部１７で演算された最高・最低周波数割合ＫH1，ＫL1により制限されて、ステップ３６０でインバータ１３へ出力される。これにより、インバータ１３からモータ２に出力される周波数Ｆは、上記最高周波数割合ＫH1及び最低周波数割合ＫL1に対応した上限周波数から下限周波数までの固定された可変制御範囲内で制御される。
【００７７】
ここで、図５は、可変速制御モードが可変速モード１である場合のスクリュー圧縮機におけるインバータ周波数Ｆに対する消費動力Ｌの特性を示す図である。この図５において、▲１▼は目標圧力設定Ｐｉ＞仕様圧力設定Ｐｓの場合、▲２▼は目標圧力設定Ｐｉ＝仕様圧力設定Ｐｓの場合、▲３▼は目標圧力設定Ｐｉ＜仕様圧力設定Ｐｓの場合の消費動力特性を示している。この図５に示すように、目標圧力設定Ｐｉが仕様圧力設定Ｐｓ以下となる範囲では、インバータ周波数Ｆが上記最高周波数割合ＫH1によって目標圧力設定Ｐｉ＝仕様圧力設定Ｐｓとなるときの周波数ＦSに固定される。これにより、目標圧力設定Ｐｉを仕様圧力設定Ｐｓより小さく設定することで、図５中▲３▼に示すように同じインバータ周波数ＦSの状態で▲２▼と比べて消費動力をＬ１からＬ２まで低減することができる。したがって、可変速モード１を選択した場合には、このように目標圧力設定Ｐｉを仕様圧力設定Ｐｓより下げて圧縮機を運転することでその分の動力を低減でき、モータ２の能力に余裕を作ることができる。
【００７８】
一方、設定入力部１５で可変速制御モードを可変速モード３として設定入力すると、図３に示すフローにおいて初期設定入力され、圧縮機運転後、図４中ステップ２１０〜ステップ２８０と進み、このステップ２８０〜ステップ３２０において最高周波数割合ＫH3が圧力センサ７で検出した上流側吐出圧力Ｐ１に応じて演算され、次のステップ３３０において最低周波数割合ＫL3についても上流側吐出圧力Ｐ１に応じて演算される。その後、上記の可変速モード１の場合と同様に、ステップ３５０においてインバータ出力周波数指令値Ｓ２の可変制御範囲が上記最高・最低周波数割合ＫH3，ＫL3により制限されて、ステップ３６０でインバータ１３へ出力される。
【００７９】
ここで、図６は、可変速制御モードが可変速モード３である場合のインバータ周波数に対する消費動力の特性を示す図である。この図６において、▲４▼は吐出圧力Ｐ１＝最高圧力設定Ｐmaxの場合、▲５▼は吐出圧力Ｐ１＝仕様圧力設定Ｐｓの場合、▲６▼は吐出圧力Ｐ１＝最低圧力設定Ｐminの場合の消費動力特性を示している。このとき、可変速モード３では上述したように最高周波数割合ＫH3が運転中に圧力センサ７で検出した実際の吐出圧力Ｐ１に応じて逐次演算・更新されるので、目標圧力設定Ｐｉを仕様圧力設定Ｐｓに設定していた場合であっても、例えば吐出圧力Ｐ１が最低圧力設定Ｐminまで低下した際に、上記可変速モード１の場合にはインバータ周波数はＦSまでしか上昇しないのに対し、この可変速モード３では図６中▲６▼に示すようにインバータ周波数Ｆが追従して最高周波数設定Ｆmaxまで上昇し、スクリュー圧縮機の仕様を超えない範囲で最大限の空気量を吐出することができる。したがって、例えば起動時の初期充気時等の圧力過渡状態において、吐出圧力Ｐ１が最低圧力設定Ｐminに達するまでの間はインバータ周波数Ｆを最高周波数設定Ｆmaxまで上昇させて吐出空気量を最大限に増加させることにより初期充気時の遅延化防止を図ったり、一時的に供給先の使用空気量が増大した場合にそのときの吐出圧力Ｐ１の低下に追従して吐出空気量を増加することで供給圧力の低下の防止を図ることができる。
【００８０】
他方において、設定入力部１５で可変速制御モードを可変速モード２として設定入力すると、図３中ステップ１０〜ステップ７０に進み、このステップ７０及び次のステップ８０において最高・最低周波数割合ＫH2，ＫL2が目標圧力設定Ｐｉに応じた値に演算される。その後、圧縮機が運転されてからの制御内容は上記の可変速モード１の場合と同様である。
【００８１】
ここで、図７は、可変速制御モードが可変速モード２である場合のインバータ周波数に対する消費動力の特性を示す図である。この図７において、▲７▼は目標圧力設定Ｐｉ＞仕様圧力設定Ｐｓの場合、▲８▼は目標圧力設定Ｐｉ＝仕様圧力設定Ｐｓの場合、▲９▼は目標圧力設定Ｐｉ＜仕様圧力設定Ｐｓの場合の消費動力特性を示している。このとき、可変速モード２では上述したように最高周波数割合ＫH2が目標圧力設定Ｐｉに応じた値に演算されるので、目標圧力設定Ｐｉを仕様圧力設定Ｐｓより小さく設定した場合には、上記可変速モード１の場合にはインバータ周波数はＦSまでしか上昇しないのに対し、この可変速モード２では図７中▲９▼に示すようにインバータ周波数Ｆを周波数ＦSより上のそのときの目標圧力設定Ｐｉに対応する周波数まで上昇させることができる。このように、可変速モード２においては目標圧力設定Ｐｉを仕様圧力設定Ｐｓより小さく設定することで、インバータ周波数Ｆの上限値を増大させ圧縮機の吐出空気量を定格空気量以上に増大させることができる。なお、この可変速モード２では上記可変速モード３のように運転中の吐出圧力状態に追従して上限値を変更するのではなく、予め設定する目標圧力設定Ｐｉに応じて上限値を変更するにすぎないので、上記可変速制御モード３のような運転状態に追従した精密な回転数制御を行う場合に比べて圧縮機の機械的な劣化を抑制する効果を得ることができる。
【００８２】
以上説明したように、本実施の形態のスクリュー圧縮機によれば、吐出空気量を増加して初期充気の遅延化防止や一時的な使用空気量増大時における吐出圧力低下の防止を図りたい場合には可変速モード３、もっぱら消費動力低減のみを主眼としたい場合には可変速モード１、吐出空気量の増加は図りたいがそれによる機械的な劣化は抑制したい場合には可変速モード２を選択してその制御モードにて運転することで、ユーザの多種多様なニーズに対し柔軟に対応することができる。
【００８３】
また本実施の形態においては、可変速制御モードが可変速モード１であって目標圧力設定Ｐｉが仕様圧力設定Ｐｓ以下である場合を除き、上述したように、可変速モード２の場合には図３中ステップ９０において最低周波数割合ＫL2が目標圧力設定Ｐｉに応じた値に演算され、また可変速モード３の場合には図４中ステップ３３０において最低周波数割合ＫL3が上流側吐出圧力Ｐ１に応じた値に演算される。したがって、インバータ周波数Ｆの可変範囲の下限値は、可変速モード３の場合には図６中アに示す範囲で上限値の変更に追従して上流側吐出圧力Ｐ１に応じて運転中に自動的に変更され、可変速モード２の場合には図７中イに示す範囲で上限値の変更に追従して目標圧力設定Ｐｉに応じて自動的に変更される。これにより、インバータ周波数Ｆの可変制御範囲の上限値のみを可変させる前述した先願発明のような構造と比べて、上限値が可変して小さくなる場合には可変制御範囲が減縮されるのを抑制することができるので、供給先の必要風量に応じて比較的可変幅の広い回転数制御を行うことができる。さらに、下限値が可変しない構造に比べ、インバータ周波数の０から上限値までの領域中に占めるロード・アンロード運転が行われる領域の割合が増大するのを抑制することができるので、消費動力を低減することができ、且つ、ロード・アンロード運転の際に動作する吸込み絞り弁１９（図１参照）等の機械寿命が低下するのを抑制することができる。またこれに加えて、上限値が可変して大きくなる場合には、下限値が可変しない構造に比べて可変制御範囲が必要以上に拡大するのを抑制することができるので、共振する頻度が増大するのを抑制することができる。
【００８４】
また本実施の形態においては、設定入力部１５で圧力制御モードを圧力モード１として設定入力すると、運転後において図４中ステップ２１０で圧力センサ７で検出した上流側吐出圧力Ｐ１を入力し、ステップ２５０でＰＩＤ演算目標値を目標圧力設定Ｐｉとし、ステップ３４０でこのＰＩＤ演算目標値である目標圧力設定Ｐｉと上流側吐出圧力Ｐ１との偏差に基づいてＰＩＤ演算が行われる。すなわち、圧力センサ７で検出した上流側吐出圧力Ｐ１が目標圧力設定Ｐｉとなるように圧力一定制御が行われる。
【００８５】
ここで、本実施の形態のスクリュー圧縮機において、上流側吐出圧力Ｐ１を検出する圧力センサ７は、圧力一定制御の応答性を鑑みて吐出配管系統の比較的上流側であるオイルセパレータ５とアフタークーラ６との間に設けられている。したがって、この圧力センサ７で検出する上流側吐出圧力Ｐ１と、実際の供給先への供給圧に近似する吐出配管系統下流側での下流側吐出圧力Ｐ２は、通常、その間の吐出配管の圧力損失によって差が生じる。この圧力損失は圧縮空気流量の２乗に比例する性質を有するため、圧縮機の吐出空気量が多くなるほど飛躍的に増大する。したがって、本実施の形態のスクリュー圧縮機においては、上述したように可変速制御モードを可変速モード２又は３とした場合には吐出空気量を定格空気量以上に増大することができるので、特に可変速モード２又は３とした場合に圧力制御モードを上記圧力モード１とすると、上流側吐出圧力Ｐ１と実際の供給圧力、すなわち目標圧力設定Ｐｉと実際の供給先への供給圧との差が大きくなってしまい、圧縮空気の吐出空気量精度が悪化してしまう可能性がある。
【００８６】
そこで本実施の形態においては、設定入力部１５で圧力制御モードを圧力モード２として設定入力すると、図３中ステップ３０で圧力センサ７と圧力センサ１２との間の圧力損失を演算値βとして算出し、図４中ステップ２１０において圧力センサ７で検出した上流側吐出圧力Ｐ１を入力し、さらにステップ２６０において上記演算値β（正確には単位換算したもの）に目標圧力設定Ｐｉを加算した第２の目標圧力設定Ｐｉ２をＰＩＤ演算目標値とする。そして、ステップ３４０でこのＰＩＤ演算目標値である目標圧力設定Ｐｉ２と上流側吐出圧力Ｐ１との偏差に基づいてＰＩＤ演算が行われる。すなわち、実際に検出した上流側吐出圧力Ｐ１に基づいて圧力センサ７と圧力センサ１２との間の吐出配管の圧力損失を演算し、その演算した圧力損失を供給先への目標供給圧力である目標圧力設定Ｐｉに加算することで演算上の上流側吐出圧力を設定し、実際の上流側吐出圧力Ｐ１がこの演算上の上流側吐出圧力となるように圧力一定制御が行われる。
【００８７】
また本実施の形態においては、設定入力部１５で圧力制御モードを圧力モード３として設定入力すると、図４中ステップ２１０において圧力センサ７で検出した上流側吐出圧力Ｐ１を入力した後、ステップ２３０で圧力センサ１２で検出した下流側吐出圧力Ｐ２を入力し、さらにステップ２４０でこれら上流側吐出圧力Ｐ１と下流側吐出圧力Ｐ２との偏差に目標圧力設定Ｐｉを加算した第３の目標圧力設定Ｐｉ３をＰＩＤ演算目標値とする。そして、ステップ３４０でこのＰＩＤ演算目標値である目標圧力設定Ｐｉ３と上流側吐出圧力Ｐ１との偏差に基づいてＰＩＤ演算が行われる。すなわち、実際に検出した上流側吐出圧力Ｐ１と下流側吐出圧力Ｐ２との偏差に供給先への目標供給圧力である目標圧力設定Ｐｉを加算することで上流側吐出圧力を設定し、実際の上流側吐出圧力Ｐ１がこの設定された上流側吐出圧力となるように圧力一定制御が行われる。
【００８８】
以上のように、圧力制御モードを圧力モード２又は３とすることで、圧力センサ７で検出した吐出圧力Ｐ１に応じて下流側吐出圧力Ｐ２（すなわち供給先への供給圧）が一定範囲内となるように圧力一定制御を行うことができる。これにより、実際の圧縮空気の供給先への供給圧力がほぼ所定の範囲内となるように制御することができるので、圧縮空気の吐出空気量精度を向上することができる。したがって、上記したように特に可変速モード２又は３として定格空気量以上の吐出空気量を得ようとした場合でも、圧力制御モードを圧力モード２又は３とすることで圧縮空気の吐出空気量精度の悪化を防止することができる。また、圧力モード２及び３においては、下流側吐出圧力Ｐ２を直接ＰＩＤ演算に用いずに、圧力損失を加算した上流側吐出圧力Ｐ１をＰＩＤ演算に用いるので、圧縮機本体１と吐出圧力検出位置との距離が離れている場合に生じるモータ回転数のハンチングを防止でき、圧縮空気の供給が不安定となるのを防止することができる。
【００８９】
なお、上記本発明の一実施の形態においては、圧力制御モード及び可変速制御モードの設定入力を設定入力部１５でするようにしたが、これに限らない。すなわち、制御装置１４の外部に設けた外部端末１８（図２中破線で図示）等により制御モードの選択がなされ、この外部端末１８から出力される選択信号Ｍにより設定入力部１５の制御モードが切り換えられるようにしてもよい。また、その他の各種設定値についても、この外部端末１８等から設定入力するようにしてもよい。このとき、外部端末１８は請求項２記載の選択信号を第１制御手段に出力する選択手段を構成する。
【００９０】
【発明の効果】
請求項１記載の本発明によれば、もっぱら消費動力低減のみを主眼としたい場合には第１の制御モード、吐出空気量の増加は図りたいがそれによる機械的な劣化は抑制したい場合には第２の制御モード、吐出空気量を増加して初期充気の遅延化防止や一時的な使用空気量増大時における吐出圧力低下の防止を図りたい場合には第３の制御モードといったように、ニーズに応じた制御モードにてスクリュー圧縮機を運転することができる。これにより、ユーザの多種多様なニーズに対し柔軟に対応することができる。
【００９１】
請求項３記載の本発明によれば、第２制御手段で可変制御範囲の下限値を変更し、その変更した可変制御範囲内において圧力検出手段で検出した圧縮空気の吐出圧力に応じてモータの回転数をインバータで制御して回転数可変制御を行う。これにより、可変制御範囲の上限値のみを可変させる場合と比べて、上限値が可変して小さくなる場合には可変制御範囲が減縮することを抑制できるので、供給先の必要風量に応じて可変幅の広い回転数制御を行うことができる。さらに、圧縮機の運転領域全体に占めるロード・アンロード運転を行う領域の割合が増大するのを抑制することができるので、消費動力を低減することができ、且つロード・アンロード運転の際に動作する吸込み絞り弁等の機械寿命の低下を抑制することができる。一方、上限値が可変して大きくなる場合には、可変制御範囲が必要以上に拡大するのを抑制することができるので、共振する頻度が増大するのを抑制することができる。
【００９２】
請求項６記載の本発明によれば、第３制御手段により、上流側圧力検出手段で検出した第１の検出位置での吐出圧力に応じて、下流側の第２の検出位置での吐出圧力が所定の範囲内となるように制御する。これにより、実際の圧縮空気の供給先への供給圧力がほぼ所定の範囲内となるように制御することができるので、圧縮空気の吐出空気量精度を向上することができる。さらに、上流側圧力検出手段で上流側の第１の検出位置において検出した吐出圧力を回転数制御に用いるので、ハンチングの発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスクリュー圧縮機の一実施の形態の全体構造を表す模式図である。
【図２】本発明のスクリュー圧縮機の一実施の形態を構成する制御装置の制御機能を表す機能ブロック図である。
【図３】本発明のスクリュー圧縮機の一実施の形態を構成する制御装置の制御機能のうち、初期設定及び圧縮機運転前に行われる圧力一定制御及び可変速制御に係わる制御内容を表すフローチャートである。
【図４】本発明のスクリュー圧縮機の一実施の形態を構成する制御装置の制御機能のうち、圧縮機運転後に行われる圧力一定制御及び可変速制御に係わる制御内容を表すフローチャートである。
【図５】本発明のスクリュー圧縮機の一実施の形態において、可変速制御モードが可変速モード１である場合のインバータ周波数に対する消費動力の特性を示す図である。
【図６】本発明のスクリュー圧縮機の一実施の形態において、可変速制御モードが可変速モード３である場合のインバータ周波数に対する消費動力の特性を示す図である。
【図７】本発明のスクリュー圧縮機の一実施の形態において、可変速制御モードが可変速モード２である場合のインバータ周波数に対する消費動力の特性を示す図である。
【符号の説明】
１ 圧縮機本体
２ モータ
７ 圧力センサ（圧力検出手段；上流側圧力検出手段）
１２ 圧力センサ（圧力検出手段；下流側圧力検出手段）
１３ インバータ
１４ 制御装置（第１制御手段；第２制御手段；第３制御手段）
１８ 外部端末（選択手段）
【発明の属する技術分野】
本発明は、インバータによりモータの回転数を可変制御し、吐出圧力を一定に制御するスクリュー圧縮機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、スクリュー圧縮機は、例えば空気を圧縮する圧縮機本体と、この圧縮機本体を駆動するモータと、このモータの回転数を可変制御するインバータと、圧縮機本体から吐出される圧縮空気の吐出圧力を検出する圧力検出手段と、この圧力検出手段の検出した吐出圧力と目標圧力設定との偏差に基づきインバータに演算結果を出力する制御手段とを備えており、この制御手段から入力された演算結果に応じた周波数をインバータがモータに出力してモータの回転数を制御することで、スクリュー圧縮機の吐出圧力はほぼ一定に目標圧力になるようになっている。なお、元来より、このインバータによるモータ回転数の可変制御範囲の上限値及び下限値は、所定の値に固定されていた（以下、元来の技術）。
【０００３】
ところで、近年、１９９７年１２月に開催された地球温暖化防止京都会議及びそれに伴う省エネ法の改正等により、工場事業所等における省エネ化の要望が急激に高まっている。特に、国内消費電力の５％を占める空気圧縮機の消費電力を削減することが急務となっている。このような気運の下、例えば１段の上記スクリュー圧縮機の場合、目標圧力設定を０．１ＭＰａ下げて運転することで理論断熱動力上の動力を例えば約７〜８％程度低減できることに着眼し、多くの工場事業所等において、空気圧縮機の現状の目標圧力設定を見直し適正な圧力に下げて運転することで消費電力の削減が図られている。
【０００４】
このように、目標圧力設定を下げて運転することでその分の動力を低減でき、モータの能力に余裕を作ることができる。しかしながら、例えば何らかの事情で圧縮機の出力側における使用空気量が一時的に定格空気量を上回る場合等においては、上記元来の技術のようにモータの回転数の可変制御範囲が固定されたスクリュー圧縮機ではその回転数が上限値により制限されてしまい、定格空気量しか吐出することができないために吐出空気量が不足して、モータの能力には余裕があるにも拘らず吐出圧力が一時的に大きく低下する事態を招いていた。また、これを回避するためには、モータと圧縮機本体との間のギヤ又はプーリの比率を変更し、圧縮機本体の回転数をより増加させる必要があった。
【０００５】
そこで、このような背景に基づき、従来、圧縮機本体からの吐出圧力の基準値を所望の圧力に設定可能な吐出圧力設定装置を設け、その目標圧力設定（吐出圧力設定値）に応じて制御手段（最高回転数制御装置）によりインバータを介しモータの回転数の可変制御範囲の上限値（最高回転数）を定めるスクリュー圧縮機が既に提唱されている（例えば、特許文献１参照。以下、従来技術）。これによれば、制御手段は、吐出圧力設定装置での目標圧力設定に略反比例してモータの回転数の可変制御範囲の上限値を決定するようになっている。すなわち、吐出圧力設定装置に定格圧力より小さい目標圧力を設定することでモータの回転数を比較的大きい回転数とすることができ、その結果、上記のように使用空気量が一時的に定格空気量を上回るような場合には定格空気量以上の吐出空気量を得ることができる。
【０００６】
このように、上記従来技術によればギヤ又はプーリの比率の変更を行わなくても吐出圧力の低下を抑制することができる。しかしながら、上記従来技術ではモータの回転数の可変制御範囲の上限値は予め設定入力された目標圧力設定に応じて演算により決定されるが、一度設定された目標圧力設定は運転中は固定であり、運転状態に応じてその都度設定されるものではないため、モータの回転数の可変制御範囲の上限値についても運転中は固定されることになる。このため、スクリュー圧縮機の圧力過渡状態、例えば起動時の初期充気時においては、吐出圧力が上昇してくるまでの低圧の間はその分モータの回転数を大きく増大させて吐出圧力の上昇促進を図る余地があるにも拘らず、上記従来技術ではモータの回転数が上限値に制限されるために、初期充気の遅延化を招く可能性があった。また、例えば運転時に使用空気量が何らかの理由で一時的に定格空気量を上回り吐出圧力が低下する場合においても、上記従来技術ではモータの回転数が上限値に制限されるために、吐出圧力の低下あるいは低下後の復帰の遅延化を招く可能性があった。
【０００７】
以上の背景に基づき、本願発明者等は、モータの回転数の可変制御範囲の上限値を圧力検出手段で検出した吐出圧力に応じて運転中に自動的に変更する制御手段を備えたスクリュー圧縮機を提唱した（特願２００２−１５６８６５号（出願日：平成１４年５月３０日）。以下、先願発明）。このスクリュー圧縮機によれば、初期充気時におけるモータの回転数を吐出圧力の過渡状態に合わせて最適な値に変更することができるので、上記従来技術に比べて初期充気時間を短縮することができ、また使用空気量が定格空気量を上回り吐出圧力が大きく低下するときにおいても、制御手段が吐出圧力の低下にすばやく追従してモータの回転数を最適な値に変更することができるので、上記従来技術に比べて吐出圧力の低下を抑制することが可能となる。
【０００８】
【特許文献１】
特開平９−２０９９４９号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本願発明者等のその後の検討によれば、上記先願発明には以下のような更なる改善の余地があることが分かった。
すなわち、近年におけるスクリュー圧縮機に対する需要は、圧縮空気の使用用途や圧縮機の使用環境等により多様化しており、例えば上記先願発明のように吐出空気量を増加して初期充気の遅延化防止や一時的な使用空気量増大時における吐出圧力低下の防止を図ることを主眼とする場合もあれば、上述の元来の技術のようにもっぱら消費動力低減のみを主眼とすれば足りる場合もあり、さらにはそれらの中間の、元来と比べて使用空気量が一時的に定格空気量を上回るような場合には吐出空気量の増加は図りたいが、先願発明のような初期充気の遅延化防止及び使用空気量増大時の吐出圧力低下防止までは望まず、むしろそのときの先願発明のように追従性のよい精密な制御を行うことによる機械的な劣化を避けたい場合（上記従来技術にほぼ相当）もある。このような多種多様なユーザのニーズに柔軟に対応できる圧縮機は従来存在しなかった。
【００１０】
一方、上記先願発明においては、モータの回転数の可変制御範囲の上限値を可変することで定格空気量以上の吐出空気量を得ることができるが、可変制御範囲の上限値のみを可変させ下限値については固定したままである。このため、上限値が可変して小さくなる場合には、モータの回転数の可変制御範囲が狭くなるために供給先の必要風量に応じた可変幅の広い回転数制御ができにくくなる可能性がある。しかも、圧縮機の運転領域全体に占めるロード・アンロード運転を行う領域の割合が増加するので、消費動力が増大することによる省エネルギ特性の低下及びロード・アンロード運転の際に動作する吸込み絞り弁等の機械寿命の低下を招く可能性がある。さらに、上限値が可変して大きくなる場合には、下限値が固定されているために可変制御範囲が必要以上に拡大され、共振する頻度が増加する可能性がある。
【００１１】
また、上記先願発明を含めた従来設備の圧縮機においては、圧力検出手段による吐出圧の検出を回転数可変制御の応答性を鑑みて吐出配管の比較的上流側で行うのが一般的である。したがって、圧力検出手段で検出する上流側の吐出圧と実際の供給先への供給圧となる下流側の吐出圧とは、通常、吐出配管の圧力損失によって差が生じる。この圧力損失は、供給先への圧縮空気の安定供給の観点からはなるべく小さくするのが好ましいが、一般に空気配管の圧力損失は空気流量の２乗に比例する性質を有するため、吐出空気量が多いほど飛躍的に増大する。すなわち、下流側の圧力は、モータの回転数が低いとき（圧縮機の吐出空気量が少ないとき）よりもモータの回転数が高いとき（圧縮機の吐出空気量が多いとき）の方が、上流側の圧力に対して低くなる度合いが大きくなる。したがって、上記先願発明においては、定格空気量以上の吐出空気量を得ることができる反面、上流側圧力と下流側圧力、すなわち目標圧力設定値と実際の供給先への供給圧との差が大きくなってしまうことが考えられ、圧縮空気の吐出空気量精度の点で向上の余地があった。なお、この圧力差を低減するために圧力検出手段を下流側に設けることも考えられるが、その場合には圧縮機本体と圧力検出手段との距離が長くなることで圧力変動の検出に遅れが生じるため、モータの回転数がハンチングを生じ、圧縮空気の供給が不安定となる可能性がある。
【００１２】
本発明の第１の目的は、多様化したユーザのニーズに柔軟に対応することができるスクリュー圧縮機を提供することにある。
また本発明の第２の目的は、供給先の必要風量に応じて可変幅の広い回転数制御を確実に行えるスクリュー圧縮機を提供することにある。
また本発明の第３の目的は、圧縮空気の吐出空気量精度を向上することができるスクリュー圧縮機を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
（１）上記第１の目的を達成するために、本発明のスクリュー圧縮機は、空気を圧縮する圧縮機本体と、この圧縮機本体を駆動するモータと、このモータの回転数を所定の可変制御範囲内で可変に制御するインバータと、前記圧縮機本体から吐出される圧縮空気の吐出圧力を検出する圧力検出手段と、前記モータの回転数の可変制御範囲を所定の範囲に固定して前記インバータを制御する第１の制御モード、前記モータの回転数の可変制御範囲を目標圧力設定に応じて変更するように前記インバータを制御する第２の制御モード、及び前記モータの回転数の可変制御範囲を前記圧力検出手段で検出した吐出圧力に応じて運転中に自動的に変更するように前記インバータを制御する第３の制御モードのいずれか１つに選択時に切り換えられ、その切り換えられたモードで前記インバータを制御する第１制御手段とを有するものとする。
【００１４】
本発明においては、スクリュー圧縮機を、第１の制御モード、第２の制御モード、及び第３の制御モードの３種類の中から任意に選択した制御モードにて運転する。すなわち、第１の制御モードが選択された場合には、第１制御手段はモータの回転数の可変制御範囲を所定の範囲に固定し、その範囲内においてモータの回転数を圧力検出手段で検出した吐出圧力に応じインバータを介して可変制御する。これにより、目標圧力設定を下げて運転した場合にモータ回転数が可変制御範囲の上限値に制限され、消費動力を低減することができる。一方、第３の制御モードが選択された場合には、第１制御手段は可変制御範囲を圧力検出手段で検出した吐出圧力に応じて運転中に自動的に変更しつつ、この変更した可変制御範囲内においてモータの回転数を圧力検出手段で検出した吐出圧力に応じてインバータを介して可変制御する。これにより、例えば起動時の初期充気時等の圧力過渡状態において、吐出空気量を吐出圧に追従して増加させ圧縮空気の初期充気時の遅延化防止を図ったり、一時的に供給先の使用空気量が増大した場合における吐出圧の低下の防止を図ることができる。他方において、第２の制御モードが選択された場合には、第１制御手段はモータの回転数の可変制御範囲を予め設定された目標圧力設定に応じて変更し、この変更した可変制御範囲内でモータの回転数を圧力検出手段で検出した吐出圧力に応じてインバータを介して可変制御する。これにより、例えば目標圧力をモータの仕様圧力より小さく設定した場合には、上記の第３の制御モードの場合と同様にモータの回転数の可変制御範囲の上限値を可変して大きくすることができ、その結果、吐出空気量を増加することができる。このとき、この第２の制御モードにおいては、上記第３の制御モードのように運転中の吐出圧力状態に追従して上限値を変更するのではなく、予め設定する目標圧力設定に応じて上限値が変更されるのみであるので、上記第３の制御モードのような運転状態に追従した精密な回転数制御を行う場合に比べて圧縮機の機械的な劣化を抑制することができる。
【００１５】
すなわち、本発明によれば、吐出空気量を増加して初期充気の遅延化防止や一時的な使用空気量増大時における吐出圧力低下の防止を図りたい場合には第３の制御モード、もっぱら消費動力低減のみを主眼としたい場合には第１の制御モード、吐出空気量の増加は図りたいがそれによる機械的な劣化は抑制したい場合には第２の制御モードといったように、スクリュー圧縮機がニーズに応じた制御モードにて運転されることで、ユーザの多種多様なニーズに対し柔軟に対応することができる。
【００１６】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記第１の制御モード、第２の制御モード、及び第３の制御モードのいずれかが選択入力され、これに応じた選択信号を前記第１制御手段に出力する選択手段をさらに備えるものとする。
これにより、制御モードを第１の制御モード、第２の制御モード、及び第３の制御モードのいずれかに容易に切り換えることができる。
【００１７】
（３）上記第２の目的を達成するために、本発明のスクリュー圧縮機は、空気を圧縮する圧縮機本体と、この圧縮機本体を駆動するモータと、このモータの回転数を可変に制御するインバータと、前記圧縮機本体から吐出される圧縮空気の吐出圧力を検出する圧力検出手段と、前記モータの回転数の可変制御範囲の下限値を変更するように前記インバータを制御する第２制御手段とを備えるものとする。
【００１８】
本発明においては、例えば、第２制御手段で可変制御範囲の上限値を圧力検出手段で検出した吐出圧力に応じて運転中に自動的に変更すると共に、可変制御範囲の下限値についても上記吐出圧力に応じて自動的に変更し、その変更した可変制御範囲内において圧力検出手段で検出した圧縮空気の吐出圧力に応じてモータの回転数をインバータで制御して回転数可変制御を行う。これにより、例えば可変制御範囲の上限値のみを可変させる前述した先願発明のような構造と比べ、上限値が可変して小さくなる場合には可変制御範囲が縮小することを抑制できるので、供給先の必要風量に応じた比較的可変幅の広い回転数制御を行うことができる。さらに、圧縮機の運転領域全体に占めるロード・アンロード運転を行う領域の割合の増大を抑制することができるので、消費動力を低減することができ、且つロード・アンロード運転の際に動作する吸込み絞り弁等の機械寿命の低下を抑制することができる。一方、上限値が可変して大きくなる場合には、可変制御範囲の上限値のみを可変させる構造と比べて可変制御範囲が必要以上に拡大するのを抑制することができるので、共振する頻度が増大するのを抑制することができる。
【００１９】
（４）上記（３）において、好ましくは、前記第２制御手段は前記可変制御範囲の下限値を予め設定された目標圧力設定に応じて変更するものとする。
【００２０】
（５）上記（３）において、また好ましくは、前記第２制御手段は、前記可変制御範囲の下限値を前記圧力検出手段で検出した吐出圧力に応じて運転中に自動的に変更するものとする。
【００２１】
（６）上記第３の目的を達成するために、本発明のスクリュー圧縮機は、空気を圧縮する圧縮機本体と、この圧縮機本体を駆動するモータと、このモータの回転数を可変に制御するインバータと、前記圧縮機本体から吐出される圧縮空気の第１の検出位置での吐出圧力を検出する上流側圧力検出手段と、この上流側圧力検出手段で検出した前記第１の検出位置での吐出圧力に応じて、前記第１の検出位置より流れ方向下流側における第２の検出位置での吐出圧力が所定の範囲内となるように、前記モータの回転数を前記インバータを介して可変制御する第３制御手段とを備えるものとする。
【００２２】
一般に、スクリュー圧縮機においては、上流側圧力検出手段による吐出圧力の検出は回転数可変制御の応答性を鑑みて吐出配管の比較的上流側で行う。したがって、この上流側圧力検出手段で検出する上流側の第１の検出位置での吐出圧力と実際の供給先への供給圧となる下流側の第２の検出位置での吐出圧力とは、通常、吐出配管の圧力損失によって差が生じる。この圧力損失は、供給先への圧縮空気の安定供給の観点からはなるべく小さくするのが好ましいが、一般に空気配管の圧力損失は空気流量の２乗に比例するため、圧縮機の吐出空気量が多くなるほど飛躍的に増大する性質を有する。したがって、吐出空気量が多くなるほど上流側圧力と下流側圧力、すなわち目標圧力設定値と実際の供給先への供給圧との差が大きくなってしまい、圧縮空気の吐出空気量精度が悪化することになる。なお、この吐出空気量精度の悪化を防止するために上流側圧力検出手段を下流側の第２の検出位置に設けることも考えられるが、その場合には圧縮機本体と上流側圧力検出手段との距離が長くなることで圧力変動の検出に遅れが生じるため、モータの回転数がハンチングを生じ、圧縮空気の供給が不安定となる可能性がある。
【００２３】
本発明においては、第３制御手段で、上流側圧力検出手段で検出した第１の検出位置での吐出圧力に応じて、下流側の第２の検出位置での吐出圧力が所定の範囲内となるようにモータの回転数をインバータを介して可変制御する。これにより、実際の圧縮空気の供給先への供給圧力がほぼ所定の範囲内となるように制御することができるので、圧縮空気の吐出空気量精度を向上することができる。さらに、上流側圧力検出手段で上流側の第１の検出位置において検出した吐出圧力を回転数制御に用いるので、回転数制御のハンチングの発生を防止することができる。
【００２４】
（７）上記（６）において、好ましくは、前記第３制御手段は、前記上流側圧力検出手段で検出した前記第１の検出位置での吐出圧力に応じて前記第１の検出位置と前記第２の検出位置との間の圧力差を演算し、この演算した圧力差に応じて前記モータの回転数を可変制御するものとする。
これにより、第２の検出位置に圧力検出手段を設ける必要がなくなり、安価に本発明を実現することができる。
【００２５】
（８）上記（６）において、また好ましくは、前記第２の検出位置に下流側圧力検出手段をさらに備え、前記第３制御手段は、前記上流側圧力検出手段で検出した前記第１の検出位置での吐出圧力と前記下流側圧力検出手段で検出した前記第２の検出位置での吐出圧力との偏差に応じて前記モータの回転数を可変制御するものとする。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のスクリュー圧縮機の一実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明のスクリュー圧縮機の一実施の形態の全体構造を表す模式図である。なお、この図１中の黒の太線の矢印は圧縮空気の流れ、黒の細線の矢印はオイルの流れ、白抜きの矢印は冷却風の流れ、破線の矢印は信号の流れを示している。
【００２７】
この図１において、スクリュー圧縮機は、空気を圧縮する圧縮機本体１と、この圧縮機本体１を駆動するモータ２とを備えており、このモータ２により圧縮機本体１を回転駆動することで、大気圧の空気をフィルタ３を介して吸い込み圧縮するようになっている。圧縮機本体１により圧縮された圧縮空気は、オイルと共にオイルケース４内に導入されるときにオイルと１次分離され、オイルセパレータ５においてオイルと２次分離される。分離された圧縮空気は、アフタークーラ６で冷却されて吐出されるようになっている。
【００２８】
上記のオイルは、オイルケース４内の圧縮機本体吸込み側と吐出側との差圧によって循環されるようになっている。すなわち、オイルケース４内で圧縮空気から１次分離されたオイルはオイルクーラ８で冷却され、オイルフィルタ９を介して圧縮機本体１の吸い込み側に戻されて、圧縮空気と再度混合されるようになっている。また、オイルセパレータ５において圧縮空気と２次分離されたオイルについても、圧縮機本体１に回収されるようになっている。
【００２９】
なお、上記のモータ２、アフタークーラ６、及びオイルクーラ８等は、ファンモータ１０により駆動される冷却ファン１１によって作られる冷却風（その流れを図１中白抜きの矢印で示す）で冷却されるようになっている。
【００３０】
また、スクリュー圧縮機は、オイルセパレータ５の後段側に設けられ圧縮機本体１から吐出される圧縮空気の流れ方向上流側における吐出圧力を検出する圧力センサ７と、この圧力センサ７よりも流れ方向下流側における吐出圧力を検出する圧力センサ１２と、これら圧力センサ７及び圧力センサ１２で検出した吐出圧力に応じてインバータ１３を介してモータ２の回転数を可変に制御する制御装置１４とをさらに備えている。図２は、この制御装置１４の制御機能を表す機能ブロック図である。
【００３１】
この図２において、制御装置１４は、設定入力部１５と、ＰＩＤ演算部１６と、上限／下限演算部１７とを備えている。上記設定入力部１５は、例えば制御装置１４の盤面に備えられる入力端末（又は外部に設けた外部端末でもよい）であり、制御装置１４の適宜の場所に予め記憶（又は適宜設定入力してもよい）された圧力モード１、圧力モード２、及び圧力モード３の３つの圧力制御モードのうちの１つを設定入力できるようになっている。すなわち、設定入力部１５で圧力制御モードが圧力モード１として設定入力されると、上記ＰＩＤ演算部１６は上記圧力センサ７で検出した圧縮空気の上流側吐出圧力Ｐ１（図１も参照）を入力し、この入力された吐出圧力Ｐ１と設定入力部１５に予め記憶（又は適宜設定入力してもよい）された目標圧力設定Ｐｉとの偏差に基づきＰＩＤ演算を行うようになっている。
【００３２】
一方、設定入力部１５で圧力制御モードが圧力モード２として設定入力されると、ＰＩＤ演算部１６はまず、圧力センサ７で検出した上流側吐出圧力Ｐ１を入力する。このとき、ＰＩＤ演算部１６は、設定入力部１５に予め記憶（又は適宜設定入力してもよい）され仕様圧力Ｐｓと同じ圧力値の時の上流側吐出圧力Ｐ１と下流側吐出圧力Ｐ２との圧力差である圧力差設定Ｐdeltaを元に、上記入力した吐出圧力Ｐ１と吐出空気量の関係から現在の圧力差（Ｐ１−Ｐ２）′を演算する機能を備えており、上記入力された吐出圧力Ｐ１と、この演算された現在の圧力差（Ｐ１−Ｐ２）′を上記目標圧力設定Ｐｉに加算した第２の目標圧力設定Ｐｉ２（＝（Ｐ１−Ｐ２）′＋Ｐｉ）との偏差に基づきＰＩＤ演算を行うようになっている（詳細は後述）。
【００３３】
他方、設定入力部１５で圧力制御モードが圧力モード３として設定入力されると、ＰＩＤ演算部１６は圧力センサ７で検出した上流側吐出圧力Ｐ１及び上記圧力センサ１２で検出した圧縮空気の下流側吐出圧力Ｐ２（図１も参照）を入力し、この入力した吐出圧力Ｐ１と、これら入力した上流側吐出圧力Ｐ１と下流側吐出圧力Ｐ２との圧力差Ｐ１−Ｐ２を目標圧力設定Ｐｉに加算した第３の目標圧力設定Ｐｉ３（＝（Ｐ１−Ｐ２）＋Ｐｉ）との偏差に基づきＰＩＤ演算を行うようになっている（詳細は後述）。
【００３４】
このようにして、ＰＩＤ演算部１６は各圧力制御モードで演算した演算結果を演算値Ｓ（図１も参照）としてインバータ１３に出力し、インバータ１３はこのＰＩＤ演算部１６から入力された演算値Ｓに応じた周波数Ｆ（図１も参照）をモータ２に出力してモータ２の回転数を制御する。これにより、スクリュー圧縮機の吐出圧力は目標圧力設定Ｐｉにほぼ一定に制御されるようになっている。
【００３５】
なお、この図２において、制御装置１４が出力する演算値Ｓは０以上１以下の値である。したがって、制御装置１４が最大演算値１をインバータ１３に出力すると、インバータ１３はこれに対応して最高周波数設定Ｆmaxをモータ２に出力し、モータ２の回転数は最大回転数に制御される。一方、制御装置１４が最小演算値０をインバータ１３に出力すると、インバータ１３はこれに対応して最低周波数設定Ｆminをモータ２に出力し、モータ２の回転数は最小回転数に制御される。通常、制御装置１４は、圧力センサ７から入力される上流側吐出圧力Ｐ１に応じて演算値Ｓを上記０から１の可変制御範囲内において可変させることで、インバータ１３の周波数Ｆを上記最低周波数設定Ｆminから最高周波数設定Ｆmaxの範囲内において可変させ、これによりモータ２の回転数を上記最小回転数から最大回転数の範囲内において可変制御するようになっている。
【００３６】
このとき、制御装置１４の適宜の場所には可変速モード１、可変速モード２、及び可変速モード３の３つの可変速制御モードが予め記憶（又は適宜設定入力してもよい）されており、設定入力部１５でその可変速制御モードを設定入力できるようになっている。すなわち、設定入力部１５で可変速制御モードが可変速モード１として設定入力されると、上限／下限演算部１７は設定入力部１５に予め記憶（又は適宜設定入力してもよい）されている仕様圧力設定Ｐｓに応じて最高周波数割合ＫH1及び最低周波数割合ＫL1を演算し、ＰＩＤ演算部１６から出力される演算値Ｓの可変制御範囲が上記上限／下限演算部１７で演算された最高周波数割合ＫH1及び最低周波数割合ＫL1により制限される。これにより、インバータ１３からモータ２に出力される周波数Ｆは上記最高周波数割合ＫH1及び最低周波数割合ＫL1に対応した上限周波数から下限周波数までの可変制御範囲内で制御され、これによりモータ２の回転数は上記上限周波数と下限周波数とに対応した上限回転数から下限回転数までの可変制御範囲内において制御されるようになっている。
【００３７】
一方、設定入力部１５で可変速制御モードが可変速モード２として設定入力されると、上限／下限演算部１７は設定入力部１５に予め記憶（又は適宜設定入力してもよい）された目標圧力設定Ｐｉに応じて最高周波数割合ＫH2及び最低周波数割合ＫL2を演算し、ＰＩＤ演算部１６から出力される演算値Ｓの可変制御範囲が上記上限／下限演算部１７で演算された最高周波数割合ＫH2及び最低周波数割合ＫL2により制限されることで、インバータ１３からモータ２に出力される周波数Ｆは上記最高周波数割合ＫH2及び最低周波数割合ＫL2に対応した上限周波数から下限周波数までの可変制御範囲内で制御され、これによりモータ２の回転数は上記上限周波数と下限周波数とに対応した上限回転数から下限回転数までの可変制御範囲内において制御されるようになっている。
【００３８】
他方、設定入力部１５で可変速制御モードが可変速モード３として設定入力されると、上限／下限演算部１７は圧縮機運転中において常に圧力センサ７で検出した上流側吐出圧力Ｐ１を入力し、この入力した吐出圧力Ｐ１に応じて最高周波数割合ＫH3及び最低周波数割合ＫL3を演算する。これにより、ＰＩＤ演算部１６から出力される演算値Ｓの可変制御範囲が上記最高周波数割合ＫH3及び最低周波数割合ＫL3により運転中に自動的に制限され、インバータ１３からモータ２に出力される周波数Ｆは上記最高周波数割合ＫH3及び最低周波数割合ＫL3に対応した上限周波数から下限周波数までの可変制御範囲内に制御され、これによりモータ２の回転数は上記上限周波数と下限周波数とに対応した上限回転数から下限回転数までの可変制御範囲内において制御されるようになっている。
【００３９】
また、設定入力部１５においては、上記した仕様圧力Ｐｓ、目標圧力設定Ｐｉ、圧力差設定Ｐdeltaの他に、最高圧力設定Ｐmax、最低圧力設定Ｐmin、最高周波数設定Ｆmax、最低周波数設定Ｆmin、最小上限演算値Ｋmax、及び最小下限演算値Ｋminを適宜設定入力できるようになっている。上記最高圧力設定Ｐmax及び最低圧力設定Ｐminは、圧縮機が行う目標圧力設定Ｐｉを目標値とした圧力一定制御における圧力制御範囲を設定するものである。また、上記最高周波数設定Ｆmax（又は最低周波数設定Ｆmin、以下かっこ内の関係同様）はモータ２において構造的に定まる機械保護用の上限回転数（又は下限回転数）に対応した値に設定されている。これにより、例えば可変速制御モードが可変速モード３に設定され吐出圧力Ｐ１が極めて低い状態（又は高い状態）のとき等に、制御装置１４がインバータ１３に出力する演算値Ｓを最大演算値１まで増大（又は最小演算値０まで減少）させても、モータ２が破損・故障等を起こすことを防止することができるようになっている。また、最小上限演算値Ｋmaxと最小下限演算値Ｋminは、ＰＩＤ演算部１６からインバータ１３に出力される演算値Ｓの可変制御範囲を制限する最高・最低周波数割合ＫH，ＫLの最小値をそれぞれ設定するものであり、０以上１以下の数値で設定するようになっている。
【００４０】
このようにして設定入力された上記最高圧力設定Ｐmax、最低圧力設定Ｐmin、最小上限演算値Ｋmax、及び最小下限演算値Ｋminを用い、上限／下限演算部１７は各可変速モード１〜３において、仕様圧力設定Ｐｓ、目標圧力設定Ｐｉ、及び圧力センサ７から入力した上流側吐出圧力Ｐ１に応じてＰＩＤ演算部１６が出力する演算値Ｓの可変制御範囲を制限する最高周波数割合ＫH及び最低周波数割合ＫLを演算するようになっている。
【００４１】
以上のようにして設定入力された各圧力制御モード、各可変速制御モードに応じ、制御装置１４はモータ２の回転数可変制御を行うようになっている。以下、この制御内容の詳細について図３及び図４を用いて説明する。
図３は、制御装置１４の制御機能のうち、初期設定及び圧縮機運転前に行われる圧力一定制御及び可変速制御に係わる制御内容を表すフローチャートである。なお、この図３において、制御装置１４は例えば電源を投入されたときにこのフローを開始するようになっている。
【００４２】
まずステップ１０では、図３中に示す各設定入力項目（仕様圧力設定Ｐｓ、目標圧力設定Ｐｉ、最高圧力設定Ｐmax、最低圧力設定Ｐmin、最高周波数設定Ｆmax、最低周波数設定Ｆmin、最小上限演算値Ｋmax、最小下限演算値Ｋmin、圧力差設定Ｐdelta、圧力制御モード、及び可変速制御モード）について設定入力部１５に初期設定値を入力し、次のステップ２０に移る。なお、この各設定入力項目は図３中に示す条件１〜５を満たす値とする。
【００４３】
ステップ２０では、上記ステップ１０で設定入力部１５に入力した圧力制御モードをＰＩＤ演算部１６に読み出して圧力モード１〜圧力モード３のどれに設定してあるかを判定する。圧力モード２の場合には次のステップ３０に移る。
【００４４】
ステップ３０では、上記ステップ１０で設定入力部１５に入力した仕様圧力設定Ｐｓと目標圧力設定Ｐｉ、圧力差設定ＰdeltaをＰＩＤ演算部１６に読み出し、次式（１）にしたがってβを演算し、次のステップ４０に移る。
【００４５】
【数１】
【００４６】
【数２】
【００４７】
【数３】
【００４８】
なお、先のステップ２０において、圧力制御モードが圧力モード１又は３である場合には次のステップ４０に直接移る。
【００４９】
ステップ４０では、上記ステップ１０で設定入力部１５に入力した可変速制御モードを上限／下限演算部１７に読み出し、可変速モード１〜可変速モード３のどれに設定してあるかを判定する。可変速モード３の場合には本フローを終了する。また、可変速モード１又は２の場合には次のステップ５０に移る。
【００５０】
ステップ５０では、上記ステップ１０で設定入力部１５に入力した目標圧力設定Ｐｉ、最低圧力設定Ｐminを上限／下限演算部１７に読み出し、目標圧力設定Ｐｉ≧最低圧力設定Ｐminであれば判定が満たされ、次のステップ６０に移る。
【００５１】
ステップ６０では、上記ステップ４０で読み出した可変速制御モードが可変速モード１又は２のどちらであるかを判定する。可変速モード２の場合には次のステップ７０に移る。
【００５２】
ステップ７０では、上記ステップ１０で設定入力部１５に入力した目標圧力設定Ｐｉ、最高圧力設定Ｐmax、最低圧力設定Ｐmin、最小上限演算値Ｋmaxを上限／下限演算部１７に読み出し、次式（４）にしたがって最高周波数割合ＫH2(又はＫH1)を演算し、次のステップ９０に移る。
【００５３】
【数４】
【００５４】
ステップ９０では、上記ステップ１０で設定入力部１５に入力した目標圧力設定Ｐｉ、最高圧力設定Ｐmax、最低圧力設定Ｐmin、最小下限演算値Ｋminを上限／下限演算部１７に読み出し、次式（５）にしたがって最低周波数割合ＫL2(又はＫL1)を演算し、本フローを終了する。
【００５５】
【数５】
【００５６】
ステップ１１０では、上記ステップ１０で設定入力部１５に入力した仕様圧力設定Ｐｓ、最高圧力設定Ｐmax、最低圧力設定Ｐmin、最小上限演算値Ｋmaxを上限／下限演算部１７に読み出し、次式（６）にしたがって最高周波数割合ＫH1を演算し、次のステップ１２０に移る。
【００５７】
【数６】
【００５８】
【数７】
【００５９】
まずステップ２１０では、圧力センサ７で検出した圧縮空気の上流側吐出圧力Ｐ１を上限／下限演算部１７とＰＩＤ演算部１６に入力し、次のステップ２２０に移る。
【００６０】
ステップ２２０では、前記ステップ２０で読み出した圧力制御モードが圧力モード１〜３のどれであるかを判定する。圧力モード３の場合には次のステップ２３０に移る。
【００６１】
ステップ２３０では、圧力センサ１２で検出した下流側吐出圧力Ｐ２をＰＩＤ演算部１６に入力し、次のステップ２４０に移る。
【００６２】
ステップ２４０では、ＰＩＤ演算部１６に読み出された上流側吐出圧力Ｐ１、下流側吐出圧力Ｐ２、及び目標圧力設定Ｐｉを用いて次式（８）にしたがって前記の第３の目標圧力設定Ｐｉ３を演算し、この値をＰＩＤ演算目標値として次のステップ２７０に移る。
【００６３】
【数８】
【００６４】
【数９】
【００６５】
ステップ２８０では、吐出圧力Ｐ１及び最低圧力設定Ｐminを上限／下限演算部１７に読み出し、吐出圧力Ｐ１≧最低圧力設定Ｐminであれば次のステップ２９０に移る。
【００６６】
ステップ２９０では、吐出圧力Ｐ１及び最高圧力設定Ｐmaxを上限／下限演算部１７に読み出し、吐出圧力Ｐ１≦最高圧力設定Ｐmaxであれば次のステップ３００に移る。
【００６７】
ステップ３００では、上限／下限演算部１７に読み出された吐出圧力Ｐ１、最高圧力設定Ｐmax、最低圧力設定Ｐmin、最小上限演算値Ｋmaxを用い、次式（１０）にしたがって最高周波数割合ＫH3を演算し、次のステップ３３０に移る。
【００６８】
【数１０】
【００６９】
【数１１】
【００７０】
【数１２】
【００７１】
ステップ３４０では、ＰＩＤ演算部１６において、上記ステップ２４０、ステップ２５０、又はステップ２６０において演算されたＰＩＤ演算目標値と圧力センサ７から入力された吐出圧力Ｐ１との偏差に基づきＰＩＤ演算が行われ、次のステップ３５０に移る。なお、このＰＩＤ演算の演算結果である演算値Ｓは、前述したように０以上１以下の値である。
【００７２】
ステップ３５０では、先のステップ１０で設定入力部１５に入力した最高周波数設定Ｆmax及び最低周波数設定Ｆminと、前記のステップ７０〜９０、ステップ１１０、ステップ１２０、ステップ３００〜３２０、及びステップ３３０において上限／下限演算部１７で演算された最高周波数割合ＫH及び最低周波数割合ＫLと、ＰＩＤ演算部１６から読み出したＰＩＤ演算値Ｓとを用い、次式（１３）にしたがってインバータ出力周波数指令値Ｓ２（図２参照）を演算し、次のステップ３６０に移る。
【００７３】
【数１３】
【００７４】
このようにして、制御装置１４が出力するインバータ出力周波数指令値Ｓ２に応じ、インバータ１３が周波数Ｆをモータ２に出力することで、制御装置１４は圧縮機本体１の回転数を制御するようになっている。なお、このときの周波数Ｆとインバータ出力周波数指令値Ｓ２は同一値である。
【００７５】
以上において、圧力センサ７は特許請求の範囲各項記載の圧縮機本体から吐出される圧縮空気の吐出圧力を検出する圧力検出手段を構成するとともに、圧縮機本体から吐出される圧縮空気の第１の検出位置での吐出圧力を検出する上流側圧力検出手段をも構成し、圧力センサ１２は第２の検出位置に備えられた下流側圧力検出手段を構成する。また、制御装置１４は切り換えられたモードでインバータを制御する第１制御手段を構成するとともに、モータの回転数の可変制御範囲の下限値を変更するようにインバータを制御する第２制御手段を構成し、さらに第３制御手段をも構成する。
【００７６】
次に、本発明のスクリュー圧縮機の一実施の形態の動作及び作用を以下に説明する。
設定入力部１５で可変速制御モードを可変速モード１として設定入力すると、図３に示すフローにおいてステップ１０〜ステップ６０→ステップ１００に進み、目標圧力設定Ｐｉ≦仕様圧力設定Ｐｓである場合にはこのステップ１００の判定が満たされて次のステップ１１０に進む。なお、目標圧力設定Ｐｉ＞仕様圧力設定Ｐｓである場合にはこのステップ１００の判定が満たされずにステップ７０に移り、後述する可変速モード２と同様に制御される。ステップ１１０及びステップ１２０において、最高・最低周波数割合ＫH1，ＫL1は仕様圧力設定Ｐｓに応じて固定した値に演算される。その後、圧縮機が運転されると、図４に示すフローにおいてステップ２１０〜ステップ２７０→ステップ３４０→ステップ３５０に進み、インバータ出力周波数指令値Ｓ２の可変制御範囲が上記上限／下限演算部１７で演算された最高・最低周波数割合ＫH1，ＫL1により制限されて、ステップ３６０でインバータ１３へ出力される。これにより、インバータ１３からモータ２に出力される周波数Ｆは、上記最高周波数割合ＫH1及び最低周波数割合ＫL1に対応した上限周波数から下限周波数までの固定された可変制御範囲内で制御される。
【００７７】
ここで、図５は、可変速制御モードが可変速モード１である場合のスクリュー圧縮機におけるインバータ周波数Ｆに対する消費動力Ｌの特性を示す図である。この図５において、▲１▼は目標圧力設定Ｐｉ＞仕様圧力設定Ｐｓの場合、▲２▼は目標圧力設定Ｐｉ＝仕様圧力設定Ｐｓの場合、▲３▼は目標圧力設定Ｐｉ＜仕様圧力設定Ｐｓの場合の消費動力特性を示している。この図５に示すように、目標圧力設定Ｐｉが仕様圧力設定Ｐｓ以下となる範囲では、インバータ周波数Ｆが上記最高周波数割合ＫH1によって目標圧力設定Ｐｉ＝仕様圧力設定Ｐｓとなるときの周波数ＦSに固定される。これにより、目標圧力設定Ｐｉを仕様圧力設定Ｐｓより小さく設定することで、図５中▲３▼に示すように同じインバータ周波数ＦSの状態で▲２▼と比べて消費動力をＬ１からＬ２まで低減することができる。したがって、可変速モード１を選択した場合には、このように目標圧力設定Ｐｉを仕様圧力設定Ｐｓより下げて圧縮機を運転することでその分の動力を低減でき、モータ２の能力に余裕を作ることができる。
【００７８】
一方、設定入力部１５で可変速制御モードを可変速モード３として設定入力すると、図３に示すフローにおいて初期設定入力され、圧縮機運転後、図４中ステップ２１０〜ステップ２８０と進み、このステップ２８０〜ステップ３２０において最高周波数割合ＫH3が圧力センサ７で検出した上流側吐出圧力Ｐ１に応じて演算され、次のステップ３３０において最低周波数割合ＫL3についても上流側吐出圧力Ｐ１に応じて演算される。その後、上記の可変速モード１の場合と同様に、ステップ３５０においてインバータ出力周波数指令値Ｓ２の可変制御範囲が上記最高・最低周波数割合ＫH3，ＫL3により制限されて、ステップ３６０でインバータ１３へ出力される。
【００７９】
ここで、図６は、可変速制御モードが可変速モード３である場合のインバータ周波数に対する消費動力の特性を示す図である。この図６において、▲４▼は吐出圧力Ｐ１＝最高圧力設定Ｐmaxの場合、▲５▼は吐出圧力Ｐ１＝仕様圧力設定Ｐｓの場合、▲６▼は吐出圧力Ｐ１＝最低圧力設定Ｐminの場合の消費動力特性を示している。このとき、可変速モード３では上述したように最高周波数割合ＫH3が運転中に圧力センサ７で検出した実際の吐出圧力Ｐ１に応じて逐次演算・更新されるので、目標圧力設定Ｐｉを仕様圧力設定Ｐｓに設定していた場合であっても、例えば吐出圧力Ｐ１が最低圧力設定Ｐminまで低下した際に、上記可変速モード１の場合にはインバータ周波数はＦSまでしか上昇しないのに対し、この可変速モード３では図６中▲６▼に示すようにインバータ周波数Ｆが追従して最高周波数設定Ｆmaxまで上昇し、スクリュー圧縮機の仕様を超えない範囲で最大限の空気量を吐出することができる。したがって、例えば起動時の初期充気時等の圧力過渡状態において、吐出圧力Ｐ１が最低圧力設定Ｐminに達するまでの間はインバータ周波数Ｆを最高周波数設定Ｆmaxまで上昇させて吐出空気量を最大限に増加させることにより初期充気時の遅延化防止を図ったり、一時的に供給先の使用空気量が増大した場合にそのときの吐出圧力Ｐ１の低下に追従して吐出空気量を増加することで供給圧力の低下の防止を図ることができる。
【００８０】
他方において、設定入力部１５で可変速制御モードを可変速モード２として設定入力すると、図３中ステップ１０〜ステップ７０に進み、このステップ７０及び次のステップ８０において最高・最低周波数割合ＫH2，ＫL2が目標圧力設定Ｐｉに応じた値に演算される。その後、圧縮機が運転されてからの制御内容は上記の可変速モード１の場合と同様である。
【００８１】
ここで、図７は、可変速制御モードが可変速モード２である場合のインバータ周波数に対する消費動力の特性を示す図である。この図７において、▲７▼は目標圧力設定Ｐｉ＞仕様圧力設定Ｐｓの場合、▲８▼は目標圧力設定Ｐｉ＝仕様圧力設定Ｐｓの場合、▲９▼は目標圧力設定Ｐｉ＜仕様圧力設定Ｐｓの場合の消費動力特性を示している。このとき、可変速モード２では上述したように最高周波数割合ＫH2が目標圧力設定Ｐｉに応じた値に演算されるので、目標圧力設定Ｐｉを仕様圧力設定Ｐｓより小さく設定した場合には、上記可変速モード１の場合にはインバータ周波数はＦSまでしか上昇しないのに対し、この可変速モード２では図７中▲９▼に示すようにインバータ周波数Ｆを周波数ＦSより上のそのときの目標圧力設定Ｐｉに対応する周波数まで上昇させることができる。このように、可変速モード２においては目標圧力設定Ｐｉを仕様圧力設定Ｐｓより小さく設定することで、インバータ周波数Ｆの上限値を増大させ圧縮機の吐出空気量を定格空気量以上に増大させることができる。なお、この可変速モード２では上記可変速モード３のように運転中の吐出圧力状態に追従して上限値を変更するのではなく、予め設定する目標圧力設定Ｐｉに応じて上限値を変更するにすぎないので、上記可変速制御モード３のような運転状態に追従した精密な回転数制御を行う場合に比べて圧縮機の機械的な劣化を抑制する効果を得ることができる。
【００８２】
以上説明したように、本実施の形態のスクリュー圧縮機によれば、吐出空気量を増加して初期充気の遅延化防止や一時的な使用空気量増大時における吐出圧力低下の防止を図りたい場合には可変速モード３、もっぱら消費動力低減のみを主眼としたい場合には可変速モード１、吐出空気量の増加は図りたいがそれによる機械的な劣化は抑制したい場合には可変速モード２を選択してその制御モードにて運転することで、ユーザの多種多様なニーズに対し柔軟に対応することができる。
【００８３】
また本実施の形態においては、可変速制御モードが可変速モード１であって目標圧力設定Ｐｉが仕様圧力設定Ｐｓ以下である場合を除き、上述したように、可変速モード２の場合には図３中ステップ９０において最低周波数割合ＫL2が目標圧力設定Ｐｉに応じた値に演算され、また可変速モード３の場合には図４中ステップ３３０において最低周波数割合ＫL3が上流側吐出圧力Ｐ１に応じた値に演算される。したがって、インバータ周波数Ｆの可変範囲の下限値は、可変速モード３の場合には図６中アに示す範囲で上限値の変更に追従して上流側吐出圧力Ｐ１に応じて運転中に自動的に変更され、可変速モード２の場合には図７中イに示す範囲で上限値の変更に追従して目標圧力設定Ｐｉに応じて自動的に変更される。これにより、インバータ周波数Ｆの可変制御範囲の上限値のみを可変させる前述した先願発明のような構造と比べて、上限値が可変して小さくなる場合には可変制御範囲が減縮されるのを抑制することができるので、供給先の必要風量に応じて比較的可変幅の広い回転数制御を行うことができる。さらに、下限値が可変しない構造に比べ、インバータ周波数の０から上限値までの領域中に占めるロード・アンロード運転が行われる領域の割合が増大するのを抑制することができるので、消費動力を低減することができ、且つ、ロード・アンロード運転の際に動作する吸込み絞り弁１９（図１参照）等の機械寿命が低下するのを抑制することができる。またこれに加えて、上限値が可変して大きくなる場合には、下限値が可変しない構造に比べて可変制御範囲が必要以上に拡大するのを抑制することができるので、共振する頻度が増大するのを抑制することができる。
【００８４】
また本実施の形態においては、設定入力部１５で圧力制御モードを圧力モード１として設定入力すると、運転後において図４中ステップ２１０で圧力センサ７で検出した上流側吐出圧力Ｐ１を入力し、ステップ２５０でＰＩＤ演算目標値を目標圧力設定Ｐｉとし、ステップ３４０でこのＰＩＤ演算目標値である目標圧力設定Ｐｉと上流側吐出圧力Ｐ１との偏差に基づいてＰＩＤ演算が行われる。すなわち、圧力センサ７で検出した上流側吐出圧力Ｐ１が目標圧力設定Ｐｉとなるように圧力一定制御が行われる。
【００８５】
ここで、本実施の形態のスクリュー圧縮機において、上流側吐出圧力Ｐ１を検出する圧力センサ７は、圧力一定制御の応答性を鑑みて吐出配管系統の比較的上流側であるオイルセパレータ５とアフタークーラ６との間に設けられている。したがって、この圧力センサ７で検出する上流側吐出圧力Ｐ１と、実際の供給先への供給圧に近似する吐出配管系統下流側での下流側吐出圧力Ｐ２は、通常、その間の吐出配管の圧力損失によって差が生じる。この圧力損失は圧縮空気流量の２乗に比例する性質を有するため、圧縮機の吐出空気量が多くなるほど飛躍的に増大する。したがって、本実施の形態のスクリュー圧縮機においては、上述したように可変速制御モードを可変速モード２又は３とした場合には吐出空気量を定格空気量以上に増大することができるので、特に可変速モード２又は３とした場合に圧力制御モードを上記圧力モード１とすると、上流側吐出圧力Ｐ１と実際の供給圧力、すなわち目標圧力設定Ｐｉと実際の供給先への供給圧との差が大きくなってしまい、圧縮空気の吐出空気量精度が悪化してしまう可能性がある。
【００８６】
そこで本実施の形態においては、設定入力部１５で圧力制御モードを圧力モード２として設定入力すると、図３中ステップ３０で圧力センサ７と圧力センサ１２との間の圧力損失を演算値βとして算出し、図４中ステップ２１０において圧力センサ７で検出した上流側吐出圧力Ｐ１を入力し、さらにステップ２６０において上記演算値β（正確には単位換算したもの）に目標圧力設定Ｐｉを加算した第２の目標圧力設定Ｐｉ２をＰＩＤ演算目標値とする。そして、ステップ３４０でこのＰＩＤ演算目標値である目標圧力設定Ｐｉ２と上流側吐出圧力Ｐ１との偏差に基づいてＰＩＤ演算が行われる。すなわち、実際に検出した上流側吐出圧力Ｐ１に基づいて圧力センサ７と圧力センサ１２との間の吐出配管の圧力損失を演算し、その演算した圧力損失を供給先への目標供給圧力である目標圧力設定Ｐｉに加算することで演算上の上流側吐出圧力を設定し、実際の上流側吐出圧力Ｐ１がこの演算上の上流側吐出圧力となるように圧力一定制御が行われる。
【００８７】
また本実施の形態においては、設定入力部１５で圧力制御モードを圧力モード３として設定入力すると、図４中ステップ２１０において圧力センサ７で検出した上流側吐出圧力Ｐ１を入力した後、ステップ２３０で圧力センサ１２で検出した下流側吐出圧力Ｐ２を入力し、さらにステップ２４０でこれら上流側吐出圧力Ｐ１と下流側吐出圧力Ｐ２との偏差に目標圧力設定Ｐｉを加算した第３の目標圧力設定Ｐｉ３をＰＩＤ演算目標値とする。そして、ステップ３４０でこのＰＩＤ演算目標値である目標圧力設定Ｐｉ３と上流側吐出圧力Ｐ１との偏差に基づいてＰＩＤ演算が行われる。すなわち、実際に検出した上流側吐出圧力Ｐ１と下流側吐出圧力Ｐ２との偏差に供給先への目標供給圧力である目標圧力設定Ｐｉを加算することで上流側吐出圧力を設定し、実際の上流側吐出圧力Ｐ１がこの設定された上流側吐出圧力となるように圧力一定制御が行われる。
【００８８】
以上のように、圧力制御モードを圧力モード２又は３とすることで、圧力センサ７で検出した吐出圧力Ｐ１に応じて下流側吐出圧力Ｐ２（すなわち供給先への供給圧）が一定範囲内となるように圧力一定制御を行うことができる。これにより、実際の圧縮空気の供給先への供給圧力がほぼ所定の範囲内となるように制御することができるので、圧縮空気の吐出空気量精度を向上することができる。したがって、上記したように特に可変速モード２又は３として定格空気量以上の吐出空気量を得ようとした場合でも、圧力制御モードを圧力モード２又は３とすることで圧縮空気の吐出空気量精度の悪化を防止することができる。また、圧力モード２及び３においては、下流側吐出圧力Ｐ２を直接ＰＩＤ演算に用いずに、圧力損失を加算した上流側吐出圧力Ｐ１をＰＩＤ演算に用いるので、圧縮機本体１と吐出圧力検出位置との距離が離れている場合に生じるモータ回転数のハンチングを防止でき、圧縮空気の供給が不安定となるのを防止することができる。
【００８９】
なお、上記本発明の一実施の形態においては、圧力制御モード及び可変速制御モードの設定入力を設定入力部１５でするようにしたが、これに限らない。すなわち、制御装置１４の外部に設けた外部端末１８（図２中破線で図示）等により制御モードの選択がなされ、この外部端末１８から出力される選択信号Ｍにより設定入力部１５の制御モードが切り換えられるようにしてもよい。また、その他の各種設定値についても、この外部端末１８等から設定入力するようにしてもよい。このとき、外部端末１８は請求項２記載の選択信号を第１制御手段に出力する選択手段を構成する。
【００９０】
【発明の効果】
請求項１記載の本発明によれば、もっぱら消費動力低減のみを主眼としたい場合には第１の制御モード、吐出空気量の増加は図りたいがそれによる機械的な劣化は抑制したい場合には第２の制御モード、吐出空気量を増加して初期充気の遅延化防止や一時的な使用空気量増大時における吐出圧力低下の防止を図りたい場合には第３の制御モードといったように、ニーズに応じた制御モードにてスクリュー圧縮機を運転することができる。これにより、ユーザの多種多様なニーズに対し柔軟に対応することができる。
【００９１】
請求項３記載の本発明によれば、第２制御手段で可変制御範囲の下限値を変更し、その変更した可変制御範囲内において圧力検出手段で検出した圧縮空気の吐出圧力に応じてモータの回転数をインバータで制御して回転数可変制御を行う。これにより、可変制御範囲の上限値のみを可変させる場合と比べて、上限値が可変して小さくなる場合には可変制御範囲が減縮することを抑制できるので、供給先の必要風量に応じて可変幅の広い回転数制御を行うことができる。さらに、圧縮機の運転領域全体に占めるロード・アンロード運転を行う領域の割合が増大するのを抑制することができるので、消費動力を低減することができ、且つロード・アンロード運転の際に動作する吸込み絞り弁等の機械寿命の低下を抑制することができる。一方、上限値が可変して大きくなる場合には、可変制御範囲が必要以上に拡大するのを抑制することができるので、共振する頻度が増大するのを抑制することができる。
【００９２】
請求項６記載の本発明によれば、第３制御手段により、上流側圧力検出手段で検出した第１の検出位置での吐出圧力に応じて、下流側の第２の検出位置での吐出圧力が所定の範囲内となるように制御する。これにより、実際の圧縮空気の供給先への供給圧力がほぼ所定の範囲内となるように制御することができるので、圧縮空気の吐出空気量精度を向上することができる。さらに、上流側圧力検出手段で上流側の第１の検出位置において検出した吐出圧力を回転数制御に用いるので、ハンチングの発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスクリュー圧縮機の一実施の形態の全体構造を表す模式図である。
【図２】本発明のスクリュー圧縮機の一実施の形態を構成する制御装置の制御機能を表す機能ブロック図である。
【図３】本発明のスクリュー圧縮機の一実施の形態を構成する制御装置の制御機能のうち、初期設定及び圧縮機運転前に行われる圧力一定制御及び可変速制御に係わる制御内容を表すフローチャートである。
【図４】本発明のスクリュー圧縮機の一実施の形態を構成する制御装置の制御機能のうち、圧縮機運転後に行われる圧力一定制御及び可変速制御に係わる制御内容を表すフローチャートである。
【図５】本発明のスクリュー圧縮機の一実施の形態において、可変速制御モードが可変速モード１である場合のインバータ周波数に対する消費動力の特性を示す図である。
【図６】本発明のスクリュー圧縮機の一実施の形態において、可変速制御モードが可変速モード３である場合のインバータ周波数に対する消費動力の特性を示す図である。
【図７】本発明のスクリュー圧縮機の一実施の形態において、可変速制御モードが可変速モード２である場合のインバータ周波数に対する消費動力の特性を示す図である。
【符号の説明】
１ 圧縮機本体
２ モータ
７ 圧力センサ（圧力検出手段；上流側圧力検出手段）
１２ 圧力センサ（圧力検出手段；下流側圧力検出手段）
１３ インバータ
１４ 制御装置（第１制御手段；第２制御手段；第３制御手段）
１８ 外部端末（選択手段）
Claims (8)
- 空気を圧縮する圧縮機本体と、
この圧縮機本体を駆動するモータと、
このモータの回転数を所定の可変制御範囲内で可変に制御するインバータと、前記圧縮機本体から吐出される圧縮空気の吐出圧力を検出する圧力検出手段と、
前記モータの回転数の可変制御範囲を所定の範囲に固定して前記インバータを制御する第１の制御モード、前記モータの回転数の可変制御範囲を目標圧力設定に応じて変更するように前記インバータを制御する第２の制御モード、及び前記モータの回転数の可変制御範囲を前記圧力検出手段で検出した吐出圧力に応じて運転中に自動的に変更するように前記インバータを制御する第３の制御モードのいずれか１つに選択時に切り換えられ、その切り換えられたモードで前記インバータを制御する第１制御手段とを有することを特徴とするスクリュー圧縮機。 - 請求項１記載のスクリュー圧縮機において、前記第１の制御モード、第２の制御モード、及び第３の制御モードのいずれかが選択入力され、これに応じた選択信号を前記第１制御手段に出力する選択手段をさらに備えることを特徴とするスクリュー圧縮機。
- 空気を圧縮する圧縮機本体と、
この圧縮機本体を駆動するモータと、
このモータの回転数を可変に制御するインバータと、
前記圧縮機本体から吐出される圧縮空気の吐出圧力を検出する圧力検出手段と、
前記モータの回転数の可変制御範囲の下限値を変更するように前記インバータを制御する第２制御手段とを備えたことを特徴とするスクリュー圧縮機。 - 請求項３記載のスクリュー圧縮機において、前記第２制御手段は前記可変制御範囲の下限値を予め設定された目標圧力設定に応じて変更することを特徴とするスクリュー圧縮機。
- 請求項３記載のスクリュー圧縮機において、前記第２制御手段は、前記可変制御範囲の下限値を前記圧力検出手段で検出した吐出圧力に応じて運転中に自動的に変更することを特徴とするスクリュー圧縮機。
- 空気を圧縮する圧縮機本体と、
この圧縮機本体を駆動するモータと、
このモータの回転数を可変に制御するインバータと、
前記圧縮機本体から吐出される圧縮空気の第１の検出位置での吐出圧力を検出する上流側圧力検出手段と、
この上流側圧力検出手段で検出した前記第１の検出位置での吐出圧力に応じて、前記第１の検出位置より流れ方向下流側における第２の検出位置での吐出圧力が所定の範囲内となるように、前記モータの回転数を前記インバータを介して可変制御する第３制御手段とを備えたことを特徴とするスクリュー圧縮機。 - 請求項６記載のスクリュー圧縮機において、前記第３制御手段は、前記上流側圧力検出手段で検出した前記第１の検出位置での吐出圧力に応じて前記第１の検出位置と前記第２の検出位置との間の圧力差を演算し、この演算した圧力差に応じて前記モータの回転数を可変制御することを特徴とするスクリュー圧縮機。
- 請求項６記載のスクリュー圧縮機において、前記第２の検出位置に下流側圧力検出手段をさらに備え、前記第３制御手段は、前記上流側圧力検出手段で検出した前記第１の検出位置での吐出圧力と前記下流側圧力検出手段で検出した前記第２の検出位置での吐出圧力との偏差に応じて前記モータの回転数を可変制御することを特徴とするスクリュー圧縮機。
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