JP2005069100A - 無給油式スクリュー圧縮機 - Google Patents

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Abstract

【課題】初期充気時間を短縮でき、且つ吐出圧力の低下を抑制することができる無給油式スクリュー圧縮機を提供する。
【解決手段】無給油状態で空気を圧縮する圧縮機本体１，２と、これら圧縮機本体１，２を駆動する電動機２５と、この電動機２５の回転数を可変に制御するインバータ３０と、圧縮機本体２の吐出圧力を検出する圧力センサ４３と、この圧力センサ４３で検出した吐出圧力に応じて電動機２５の回転数の可変制御範囲の上限値が運転中に自動的に変更されるように、インバータ３０を制御する制御装置３１とを備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、無給油状態で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電動機と、この電動機の回転数を制御するインバータとを有する可変速制御型の無給油式スクリュー圧縮機に関する。
無給油式スクリュー圧縮機の従来技術としては、タイミングギヤを介して連結され、非接触且つ無給油状態で回転することにより空気を圧縮するスクリューロータを備える圧縮機本体と、この圧縮機本体を駆動する電動機と、この電動機の回転数を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（圧力センサ）と、この圧力検出手段の検出した吐出圧力に応じてインバータを制御する制御手段とを有する可変速制御型の無給油式スクリュー圧縮機がある（例えば、特許文献１参照。）。この可変速制御型の無給油式スクリュー圧縮機では、制御手段によって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電動機の回転数を制御することにより、圧縮機の吐出圧力は設定圧力にほぼ一定となるように制御される。
特開２００１−３４２９８２号公報
上記従来技術のようなインバータを有する可変速制御型のスクリュー圧縮機の場合には、設定圧力を例えば０．６９ＭＰａから０．５９ＭＰａに０．１ＭＰａ下げて運転することで理論断熱空気動力を２段圧縮機では７．４％、１段圧縮機では８．４％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設定圧力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。
しかしながら、上記従来技術では以下のような課題が存在する。
すなわち、上記従来技術の無給油式スクリュー圧縮機では、特許文献１には明確には記載されていないが、通常、インバータによる電動機回転数の可変制御範囲の上限値は仕様圧力下における最大回転数に固定されている。したがって、上述したように消費電力の低減を図るために設定圧力を下げて運転する場合には、本来的には電動機の能力に余裕ができるにも拘らず、電動機回転数が上記上限値により制限されて定格空気量しか吐出することができないため、例えば供給先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、吐出空気量が不足して吐出圧力の一時的な低下を招く恐れがあった。
また、スクリュー圧縮機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電動機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、上記従来技術では電動機回転数が上限値に制限されるため、初期充気の遅延化防止の点でも改善の余地があった。
本発明は、上記従来技術の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、初期充気時間を短縮でき、且つ吐出圧力の低下を抑制することができる無給油式スクリュー圧縮機を提供することにある。
（１）上記目的を達成するために、本発明の無給油式スクリュー圧縮機は、無給油状態で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電動機と、この電動機の回転数を可変に制御するインバータと、前記圧縮機本体の吐出圧力を検出する第１の圧力検出手段と、この第１の圧力検出手段で検出した吐出圧力に応じて前記電動機の回転数の可変制御範囲の上限値が運転中に自動的に変更されるように、前記インバータを制御する第１の制御手段とを備えるものとする。
本発明の無給油式スクリュー圧縮機においては、第１の制御手段により、第１の圧力検出手段で検出した圧縮機本体の吐出圧力に応じてインバータを介して電動機の回転数を制御することにより、圧縮機本体の吐出圧力は設定圧力にほぼ一定となるように制御される。
このとき、本発明においては、第１の制御手段により、第１の圧力検出手段で検出した吐出圧力に応じて電動機の回転数の可変制御範囲の上限値が運転中に自動的に変更されるようにインバータを制御する。すなわち、第１の制御手段により、第１の圧力検出手段で検出した吐出圧力が減少した場合には自動的に電動機の回転数の可変制御範囲の上限値が大きくなり、第１の圧力検出手段で検出した吐出圧力が増加した場合には自動的に電動機の回転数の可変制御範囲の上限値が小さくなるように制御される。
これにより、例えば圧縮機起動時の初期充気時においては、第１の制御手段は最初は吐出圧力が０に近いために電動機の回転数の可変制御範囲の上限値を大きく増大させ、吐出圧力が上昇してくるにつれ、圧力の上昇過程に合わせて電動機の回転数の可変制御範囲の上限値が徐々に小さくなるように制御する。このようにして、初期充気時における電動機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で、電動機の回転数が固定された上限値によって制限される前述した従来技術のような構造に比べて電動機の回転数を大きく増大させることができるので、初期充気時間を短縮することができる。
また、例えば供給先における使用空気量が一時的に定格空気量を上回り吐出圧力が一時的に低下しようとした場合等においては、第１の制御手段で吐出圧力の低下にすばやく追従して電動機の回転数の可変制御範囲の上限値を増大することが可能である。このようにして、電動機の回転数をすばやく最適な値に変更することができるので、使用空気量が定格空気量を上回る際の吐出圧力の低下を抑制することができる。以上のことから、本発明によれば、初期充気時間を短縮でき、且つ吐出圧力の低下を抑制することができる。
（２）上記目的を達成するために、また本発明の無給油式スクリュー圧縮機は、無給油状態で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電動機と、この電動機の回転数を可変に制御するインバータと、前記電動機に入力される電流値を検出する電流検出手段と、この電流検出手段で検出した電流値に応じて前記電動機の回転数の可変制御範囲の上限値が運転中に自動的に変更されるように、前記インバータを制御する第２の制御手段とを備えるものとする。
本発明によれば、電流検出手段で電動機に入力される電流値を常に検出しつつ、その検出電流値が例えば電動機が許容可能な許容最大電流値以下となる範囲内において、検出電流値に応じて電動機の回転数の可変制御範囲の上限値を制御する。これにより、電動機をオーバーロードさせることなく上限回転数を増大させることができるので、電動機をより安全に運転することができる。
（３）上記（２）において、好ましくは、前記第２の制御手段は、前記電流検出手段で検出した電流値が前記電動機の許容可能な許容最大電流値以下となる範囲内において、前記電動機の回転数の可変制御範囲の上限値を変更するものとする。
（４）上記目的を達成するために、また本発明の無給油式スクリュー圧縮機は、無給油状態で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電動機と、この電動機の回転数を可変に制御するインバータと、前記圧縮機本体の吐出圧力を検出する第１の圧力検出手段と、前記圧縮機本体の吸込圧力を検出する第２の圧力検出手段と、この第２の圧力検出手段で検出した吸込圧力と前記第１の圧力検出手段で検出した吐出圧力との比に応じて前記電動機の回転数の可変制御範囲の上限値が運転中に自動的に変更されるように、前記インバータを制御する第３の制御手段とを備えるものとする。
一般に、圧縮機の動力は、同一回転数の場合には吐出圧力が増加するにつれて動力も増加するが、吐出圧力が一定であっても吸込圧力が減少すれば動力は増加する。つまり、動力は吐出圧力と吸込圧力との比に応じて変化する性質を有する。
本発明によれば、吐出圧力と吸込圧力との比に応じて電動機の回転数の可変制御範囲の上限値を制御することで、例えば吸込みフィルタの詰まり等による圧縮機の動力の変動に対応して電動機の上限回転数を制御することが可能であり、より効率よく上限回転数の可変制御を行うことができる。
（５）上記目的を達成するために、また本発明の無給油式スクリュー圧縮機は、無給油状態で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電動機と、この電動機の回転数を可変に制御するインバータと、前記圧縮機本体の吐出圧力を検出する第１の圧力検出手段と、この第１の圧力検出手段で検出した吐出圧力の変化による理論断熱空気動力の増減に応じて前記電動機の回転数の可変制御範囲の上限値が運転中に自動的に変更されるように、前記インバータを制御する第４の制御手段とを備えるものとする。
（６）上記（１）乃至（５）のいずれかにおいて、また好ましくは、前記圧縮機本体を１段のみ有するものとする。
一般に、可変速型の空気圧縮機において、例えば設定圧力を０．６９ＭＰａから０．５９ＭＰａに０．１ＭＰａ下げて運転すると、理論断熱空気動力を２段圧縮機では７．４％、１段圧縮機では８．４％低減することができる。すなわち、理論上においては１段圧縮機の方が２段圧縮機よりも動力低減効果が大きく、その分電動機の回転数の可変制御範囲の上限値をさらに増大することが可能である。したがって、本発明によれば、上記（１）よりもさらに初期充気時間を短縮でき、且つ吐出圧力の低下を確実に抑制することができる。
（７）上記（１）乃至（６）のいずれかにおいて、また好ましくは、前記圧縮機本体に吸い込まれる空気量を調節する吸込み絞り弁と、前記圧縮機本体から吐出された圧縮空気を放気する放気弁とをさらに備え、前記第１、第２、第３、及び第４の制御手段のうちのいずれか１つの制御手段は、前記電動機の回転数が前記インバータの制御により可変制御範囲の下限値まで低下した場合に、前記電動機の回転数を前記下限値に固定しつつ、前記吸込み絞り弁を閉塞し、且つ前記放気弁を開放するものとする。
一般に、供給先における使用空気量が減少して吐出圧力が上昇しようとするとインバータにより回転数制御された電動機の回転数は低下し、ある回転数以下になると圧縮空気の吐出温度が上昇し始める。
本発明においては、電動機の回転数の可変制御範囲の下限値を例えば圧縮機が運転可能な吐出空気温度の許容値により決定される最低周波数に設定することで、例えば供給先の使用空気量が大幅に減少して圧縮機本体の回転数が低下しようとした場合にも、その回転数を下限値に固定することによって圧縮空気の吐出空気温度を許容値内に止めることができる。これにより、圧縮空気の吐出温度が過度に上昇して圧縮機内のプレクーラ、逆止弁、及びアフタークーラ等の機器が損傷や故障等を起こすのを防止することができる。
（８）上記（１）乃至（６）のいずれかにおいて、また好ましくは、前記圧縮機本体から吐出された圧縮空気を放気する放気弁をさらに備え、前記第１、第２、第３、及び第４の制御手段のうちのいずれか１つの制御手段は、前記電動機の回転数が前記インバータの制御により可変制御範囲の下限値まで低下した場合に、前記電動機の回転数を前記下限値に固定しつつ、前記放気弁を開放するものとする。
（９）上記（７）又は（８）において、また好ましくは、前記第１、第２、第３、及び第４の制御手段のうちのいずれか１つの制御手段は、前記電動機の回転数を前記下限値に固定した状態において前記第１の圧力検出手段で検出した吐出圧力が所定の圧力以上となった場合に、前記電動機の回転数を前記電動機が許容可能な許容最小回転数まで低下させるものとする。
（１０）上記（１）乃至（９）のいずれかにおいて、また好ましくは、前記第１、第２、第３、及び第４の制御手段のうちのいずれか１つの制御手段は、前記第１の圧力検出手段で検出した吐出圧力又は前記圧縮機本体から吐出される圧縮空気の温度に応じて前記電動機の回転数の可変制御範囲の下限値が運転中に自動的に変更されるように、前記インバータを制御するものとする。
（１１）上記（１）乃至（１０）のいずれかにおいて、また好ましくは、前記第１、第２、第３、及び第４の制御手段のうちのいずれか１つの制御手段は、前記圧縮機本体の回転数が前記圧縮機本体の許容可能な第１の許容最大回転数以下となる範囲内において、且つ前記電動機の回転数が前記電動機の許容可能な第２の許容最大回転数以下となる範囲内において、前記電動機の回転数の可変制御範囲の上限値を変更するものとする。
（１２）上記（１１）において、さらに好ましくは、前記電動機と前記圧縮機本体との間に設けられ、前記電動機の回転数が前記第２の許容最大回転数であるときに前記圧縮機本体の回転数が前記第１の許容最大回転数となるように増速比が設定された増速手段をさらに備えるものとする。
本発明によれば、第１の制御手段により、第１の圧力検出手段で検出した吐出圧力に応じて電動機の回転数の可変制御範囲の上限値が運転中に自動的に変更されるようにインバータを制御する。これにより、圧縮機起動時の初期充気時においては電動機の回転数を大きく増大させることができ、初期充気時間を短縮することができる。また、供給先における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おいても、第１の制御手段で吐出圧力の低下にすばやく追従して電動機の回転数を増大することができ、吐出圧力の低下を抑制することができる。したがって、初期充気時間を短縮でき、且つ吐出圧力の低下を抑制することができる。
以下、本発明の無給油式スクリュー圧縮機の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
まず、本発明の第１の実施の形態を図１乃至図３を参照しつつ以下に説明する。
図１は、本発明の無給油式スクリュー圧縮機の第１の実施の形態の全体機器構成及び圧縮空気、オイル、冷却水、冷却空気の流れを示すフロー図である。なお、この図１において、白抜きの矢印は圧縮空気の流れ、グレーの矢印は冷却空気の流れ、黒の細線の短い矢印はオイルの流れ、黒の細線の長い矢印は冷却水の流れを示している。
この図１において、本実施の形態の無給油式スクリュー圧縮機は２段圧縮機であり、１段圧縮機本体１と、２段圧縮機本体２とを備えている。１段圧縮機本体１のケーシング３及び２段圧縮機本体２のケーシング４は、ギヤケース５に固定されている。また、１段圧縮機本体１の吸込み空気通路６の上流側には吸込み絞り弁７、吸込みフィルタ８が設けられている。これら吸込みフィルタ８と吸込み絞り弁７を介し、大気が１段圧縮機本体１の圧縮室へ導入されるようになっている。
上記の１段圧縮機本体１及び２段圧縮機本体２は、それぞれの圧縮室内に一対のスクリューロータである雄ロータ１０及び雌ロータ１１、雄ロータ１２及び雌ロータ１３を収納している。これら１段圧縮機本体１のロータ１０，１１及び２段圧縮機本体２のロータ１２，１３はそれぞれ非接触状態で回転自在に配設されており、その外周部には容積が変化する空気通路としての溝（図示せず）が形成されている。なお、それぞれのロータ１０，１１及び１２，１３の軸端部には、互いに噛合したタイミングギヤ１４，１５及び１６，１７が設けられている。
１段圧縮機本体１の雄ロータ１０及び２段圧縮機本体２の雄ロータ１２の上記タイミングギヤ１４，１６と反対側の軸端部にはピニオンギヤ２０，２１がそれぞれ設けられており、これらはブルギヤ２２と噛合している。このブルギヤ２２の回転軸２３のギヤと反対側の軸端部には小径のプーリ２４が設けられている。このプーリ２４と、電動機２５の駆動軸端部に設けた大径のプーリ２６とはベルト２７によって巻き回されている。
上記電動機２５は、例えば三相誘導電動機で構成されており、インバータ３０を介して制御装置３１により回転数が制御されるようになっている。そして、電動機２５が回転駆動されると、この電動機２５の回転駆動力がベルト２７、ギヤ２０，２１，２２を介して雄ロータ１０，１２に伝達される。これにより、雄ロータ１０，１２が回転駆動すると、それとともにタイミングギヤ１４，１６が回転し、これらタイミングギヤ１４，１６と噛み合うタイミングギヤ１５，１７がそれぞれ回転して、雌ロータ１１，１３が回転駆動するようになっている。なおこのとき、雄ロータ１０，１２と雌ロータ１１，１３とは無給油且つ非接触状態で回転駆動するようになっており、それらの回転に伴って空気通路６に導入された空気が順次圧縮され、圧縮された空気が吐出されるようになっている。
また、各ロータ１０，１１，１２，１３の回転軸を支持する軸受（図示せず）及び各ギヤ１４，１５，１６，１７，２０，２１，２２には、オイルポンプ３２の駆動によって、オイルクーラ３３、オイルフィルタ３４を介して潤滑用のオイルが供給されるようになっている。このとき、各ロータ１０，１１，１２，１３の回転軸に供給されたオイルが圧縮室内に侵入しないように、軸受と圧縮室の間には軸封装置（図示せず）が設けられており、この軸封装置の内側には溝がねじ状に加工されており、各ロータ１０，１１，１２，１３の回転により内部に圧力を発生させてオイルを押し戻す構造となっている。
また、１段圧縮機本体１のケーシング３及び２段圧縮機本体２のケーシング４には、冷却水が供給されるようになっている。ケーシング３，４を冷却した冷却水は、冷却水クーラ３５で冷却され、冷却水ポンプ３６により再びケーシング３，４に供給されるようになっている。
１段圧縮機本体１の吐出口には吐出配管３７が接続されており、インタークーラ３８を介し、２段圧縮機本体２の吸込み口へ接続されている。２段圧縮機本体２の吐出口には吐出配管３９が接続されており、逆止弁４０を介し、アフタークーラ４１へ接続されている。アフタークーラ４１出口部には吐出配管４２が接続されており、その管路端は負荷側の空気タンク（図示せず）へ接続されている。また、この吐出配管４２には、圧縮機の吐出圧力を検出する圧力センサ４３と、吐出配管４２内の圧力が異常に上昇した場合に圧縮空気を大気へ開放する安全弁４４が設けられている。
上記圧力センサ４３で検出した吐出圧力は制御装置３１に入力されるようになっており、これにより制御装置３１は、その圧力センサ４３から入力された吐出圧力に応じ、インバータ３０を介して電動機２５の回転数を制御するようになっている。
なお、一般に、上述したような構成の２段無給油式スクリュー圧縮機においては、一段圧縮機本体１に吸い込まれた空気は例えば約０．２０ＭＰａまで圧縮されてその温度は約１８０℃程度まで上昇し、その後インタークーラ３８で約５０℃まで一次冷却され、次に２段圧縮機本体２で通常設定圧力の０．６９ＭＰａまで圧縮されてその温度は再び約１８０℃程度まで上昇し、アフタークーラ４１で例えば約４５℃程度まで冷却されて、負荷側の空気タンクへと圧送されるようになっている。
図２は、制御装置３１の制御機能を表す機能ブロック図である。なお、この図２においては、前記のギヤ２０，２１，２２、プーリ２４，２６、及びベルト２７を総称して増速装置４５と記載する。この増速装置４５により、インバータ３０の周波数（電動機２５の回転数）は圧縮機本体１，２の回転数に増速されるようになっている。
この図２に示すように、制御装置３１は、入力部４７と、ＰＩＤ演算部４８と、上限周波数演算部４９とを有している。すなわち、上記ＰＩＤ演算部４８は、圧力センサー４３から入力される吐出圧力Ｐと上記入力部４７を介して予め設定入力された設定圧力Ｐ0との偏差に基づきＰＩＤ演算を行い、この演算した演算値をインバータ３０に出力する。インバータ３０はこの入力された演算値に応じた周波数Ｆを電動機２５に出力し、電動機２５の回転数を制御する。このようにして、無給油式スクリュー圧縮機の吐出圧力は設定圧力Ｐ0にほぼ一定に制御されるようになっている。
入力部４７では、上記設定圧力Ｐ0以外にも圧縮機が運転可能な最高設定圧力Ｐ0max（通常は仕様圧力とする）、この最高設定圧力Ｐ0max時に対応する最低上限周波数Ｆ0min、最低設定圧力Ｐ0min、この最低設定圧力Ｐ0min時に対応する最高上限周波数Ｆ0maxが設定入力されるようになっている。上記最低上限周波数Ｆ0min及び最高上限周波数Ｆ0maxは、吐出圧力が最高設定圧力Ｐ0max及び最低設定圧力Ｐ0minの場合において電動機１８が定格出力となるときの、インバータ３０から電動機２５に出力される周波数（すなわち電動機２５の回転数）である。
なお、これらの設定値は任意に変更できるようになっているが、特に最高上限周波数Ｆ0maxは、電動機２５の回転数が電動機２５の許容可能な許容最大回転数以下となるように、且つ１段圧縮機本体１及び２段圧縮機本体２の回転数がこれら圧縮機本体１，２の許容可能な許容最大回転数以内となるように設定するようになっている。すなわち、圧縮機の初期充気時のように吐出圧力Ｐが０に近く、ＰＩＤ演算部４８での演算値が極端に大きな値（すなわち１に近い値）となるような場合であっても、増大する周波数Ｆを最高上限周波数Ｆ0max以内に止め、電動機２５及び１段・２段圧縮機本体１，２に損傷や故障が生じるのを防止するためである。
上限周波数演算部４９は、上記入力部４７を介して設定された最高設定圧力Ｐ0max、最低設定圧力Ｐ0min、最低上限周波数Ｆ0min、及び最高上限周波数Ｆ0maxに基づき、圧力センサー４３で検出した吐出圧力Ｐに応じて上限周波数Ｆ0(P)を自動的に演算し、インバータ３０へ出力するようになっている。すなわち、上記ＰＩＤ演算部４８では上限値を制限するようにはなっておらず、上限周波数演算部４９で演算して決定した上限周波数Ｆ0(P)が、ＰＩＤ演算部４８で決定した周波数の上限側のリミッタとなるようになっている。
以上において、１段圧縮機本体１及び２段圧縮機本体２は特許請求の範囲各項記載の無給油状態で空気を圧縮する圧縮機本体を構成し、圧力センサ４３は圧縮機本体の吐出圧力を検出する第１の圧力検出手段を構成し、制御装置３１はインバータを制御する第１の制御手段を構成する。
次に、上記構成の本発明の無給油式スクリュー圧縮機の第１の実施の形態の作用を図３を用いて以下に説明する。図３は本実施の形態の無給油式スクリュー圧縮機の吐出圧力Ｐとインバータ３０から電動機２５に出力される周波数Ｆ（すなわち電動機２５の回転数）の可変制御範囲の上限値との関係を示した図である。なお、この図３において、実線Ａは本実施の形態の圧縮機における吐出圧力Ｐと周波数Ｆとの関係を示し、破線Ｂは電動機の上限回転数が固定された前述の従来技術のような構造の場合における吐出圧力Ｐと周波数Ｆとの関係を示している。
この図３中破線Ｂに示すように、上記従来技術のような構造の場合、インバータ３０から電動機２５に出力される周波数Ｆの可変制御範囲の上限値は最低上限周波数Ｆ0minに固定される。このため、吐出圧力Ｐが減少しても、インバータ３０の出力周波数Ｆの上限値（すなわち電動機２５の回転数の可変制御範囲の上限値）はＦ0minで一定となる。したがって、前述したように消費電力の低減を図るために設定圧力Ｐ0を下げて運転する場合に、電動機２５の能力には余裕ができるにも拘らず、電動機２５の回転数が上記上限値（最低上限周波数Ｆ0min）により制限されて定格空気量しか吐出することができないため、例えば供給先における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おいては、吐出空気量が不足して吐出圧力Ｐが一時的に低下する恐れがあった。
また、スクリュー圧縮機起動時の初期充気時においても、吐出圧力Ｐが上昇してくるまでの低圧の間はその分電動機２５の回転数を大きく増大させて吐出圧力Ｐの上昇促進を図る余地があるにも拘らず、電動機２５の回転数が上限値（最低上限周波数Ｆ0min）に制限されるために、初期充気の遅延化防止の点でも改善の余地があった。
これに対し、本実施の形態においては、上述したように制御装置３１の上限周波数演算部４９により入力した吐出圧力Ｐに応じて上限周波数Ｆ0(P)を演算し、インバータ３０に出力してインバータ３０から電動機２５に出力される周波数Ｆの可変制御範囲の上限値を可変させる。これにより、図３中実線Ａに示すように吐出圧力Ｐが最高設定圧力Ｐ0maxから最低設定圧力Ｐ0minの範囲内で増減した場合、周波数Ｆの可変制御範囲の上限値は最低上限周波数Ｆ0minから最高上限周波数Ｆ0maxの範囲内で可変する。すなわち、上記範囲内において吐出圧力Ｐが減少した場合には自動的に周波数Ｆの可変制御範囲の上限値が大きくなり、吐出圧力Ｐが増加した場合には自動的に周波数Ｆの可変制御範囲の上限値が小さくなる。
この結果、圧縮機起動時の初期充気時においては、最初は吐出圧力Ｐが０に近いためにインバータ３０の出力周波数Ｆ（すなわち電動機２５の回転数）の上限値は最大である最高上限周波数Ｆ0maxまで大きく増大し、吐出圧力Ｐが上昇してくるにつれ、圧力の上昇過程に合わせて周波数Ｆは徐々に小さくなる。このようにして、初期充気時における電動機２５の回転数を吐出圧力Ｐの過渡状態に合わせて最適な値に変更することにより、電動機２５の回転数が最低上限周波数Ｆ0minに固定された従来技術のような構造に比べ、電動機２５の回転数を大きく増大させることができるので、初期充気時間を短縮することができる。
さらに、供給先における使用空気量が一時的に定格空気量を上回り吐出圧力Ｐが大きく低下しようとするような場合においても、制御装置３１の制御により吐出圧力Ｐの低下にすばやく追従して電動機２５の回転数の可変制御範囲の上限値を増大することが可能である。このようにして、電動機２５の回転数をすばやく増大させて最適な値に変更することが可能であるので、使用空気量が定格空気量を上回るような場合でも吐出圧力Ｐの低下を抑制することができる。以上のことから、本実施の形態によれば、初期充気時間を短縮でき、且つ吐出圧力の低下を抑制することができる。
次に、本発明の無給油式スクリュー圧縮機の第２の実施の形態を図４乃至図６を参照しつつ説明する。本実施の形態は、本発明を圧縮機本体を１機のみ有する１段無給油式スクリュー圧縮機に適用したものである。
図４は本発明の無給油式スクリュー圧縮機の第２の実施の形態の全体機器構成及び圧縮空気、オイル、冷却水、冷却空気の流れを示すフロー図である。なお、この図４において、太い白抜きの矢印は圧縮空気の流れ、グレーの矢印は冷却空気の流れ、黒の細線の矢印はオイルの流れ、細い白抜きの矢印は冷却水の流れを示している。
この図４において、本実施の形態の無給油式スクリュー圧縮機は１段圧縮機であり、圧縮機本体５５を１機備えている。この圧縮機本体５５の吸込み空気通路５６の上流側には吸込み絞り弁５７、吸込みフィルタ５８が設けられている。また、上記圧縮機本体５５は、圧縮室内に一対のスクリューロータである雄ロータ６０及び雌ロータ６１を収納している。これらロータ６０，６１は非接触状態で回転自在に配設されており、その外周部には容積が変化する空気通路としての溝（図示せず）が形成されている。なお、それぞれのロータ６０，６１の軸端部には互いに噛合したタイミングギヤ６２，６３が設けられている。
上記雄ロータ６０のタイミングギヤ６２と反対側の軸端部にはピニオンギヤ６５が設けられており、このピニオンギヤ６５はブルギヤ６６と噛合している。このブルギヤ６６の回転軸６７のギヤと反対側の軸端部には小径のプーリ６８が設けられており、電動機７０の駆動力が大径のプーリ７１、ベルト７２を介して伝達されるようになっている。また、上記電動機７０は、インバータ７５を介して制御装置７６により回転数が制御されるようになっている。
なお、各ロータ６０，６１の回転軸を支持する軸受（図示せず）及び各ギヤ６２，６３，６５，６６には、前記回転軸６７により駆動されるオイルポンプ７７によってオイルクーラ７８、オイルフィルタ７９を介して潤滑用のオイルが供給されるようになっている。また、圧縮機本体５５のケーシング８０には、冷却水ポンプ８１によって冷却水クーラ８２で冷却された冷却水が供給されるようになっている。
圧縮機本体５５の吐出口には吐出配管８３が接続されており、プレクーラ８４及び逆止弁８５を介し、アフタークーラ８６へ接続されている。アフタークーラ８６の出口部には吐出配管８７が接続されており、その管路端は負荷側の空気タンク（図示せず）へ接続されている。この吐出配管８７には、圧縮機の吐出圧力を検出する圧力センサ８８が設けられ、この圧力センサ８８で検出した吐出圧力は前記の制御装置７６に入力されるようになっている。制御装置７６は、この圧力センサ８８から入力された吐出圧力に応じ、インバータ７５を介して電動機７０の回転数を制御するようになっている。
８９は前記の吸込み絞り弁５７と一体的に設けられ、圧縮機本体５５と逆止弁８５との間から分岐した放気管７３を介して圧縮機本体５５から吐出された圧縮空気を放気する放気弁、７４はこの放気弁８９の末端に設けられたサイレンサである。これら吸込み絞り弁５７及び放気弁８９は、制御装置７６により必要に応じて自動的に開放・閉塞され、無負荷運転が行われるようになっている。
なお、一般に、上述したような構成の１段無給油式スクリュー圧縮機においては、圧縮機本体５５に吸い込まれた空気は例えば通常設定圧力の０．６９ＭＰａまで圧縮されるとその温度は約３００℃程度まで上昇するが、プレクーラ８４で一次冷却されて約１８０℃程度まで冷却されるようになっている。これにより、逆止弁８５やアルミ等の材質で形成されているアフタークーラ８６の許容温度を超えないようになっている。その後、圧縮空気はアフタークーラ８６で例えば約４５℃程度まで冷却されて、負荷側の空気タンクへと圧送されるようになっている。
図５は、制御装置７６の制御機能を表す機能ブロック図である。なお、この図５においては、前記のギヤ６５，６６、プーリ６８，７１、及びベルト７２を総称して増速装置９０と記載する。
この図５に示すように、制御装置７６は、前述の第１の実施の形態における制御装置３１と同様に入力部９１と、ＰＩＤ演算部９２と、上限周波数演算部９３とを有すると共に、下限周波数演算部９４を有している。
入力部９１では、第１の実施の形態と同様の設定圧力Ｐ0、最高設定圧力Ｐ0max、最低設定圧力Ｐ0min、最高上限周波数Ｆ0max、及び最低上限周波数Ｆ0minに加え、下限周波数Ｆ１が設定入力されるようになっている。この下限周波数Ｆ１は、吐出温度の許容値又は軸封性能の許容値により決定されるものであり、圧縮機が安全に運転可能な範囲における最小周波数である。
上記下限周波数演算部９４は、上記入力部９１を介して設定入力された下限周波数Ｆ１をインバータ７５へ出力するようになっている。この下限周波数演算部９４から出力した下限周波数Ｆ１が、ＰＩＤ演算部９２で決定した周波数の下限側のリミッタとなるようになっている。
なお、これ以外の制御装置７６の制御機能については前述の第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
以上において、圧力センサ８８は特許請求の範囲各項記載の圧縮機本体の吐出圧力を検出する第１の圧力検出手段を構成し、制御装置７６は第１の制御手段を構成する。
上記構成の本発明の無給油式スクリュー圧縮機の第２の実施の形態の作用を図６を用いて以下に説明する。図６は本実施の形態の無給油式スクリュー圧縮機の吐出圧力Ｐとインバータ７５から電動機７０に出力される周波数Ｆ（すなわち電動機７０の回転数）の可変制御範囲との関係を示した図である。なお、この図３において、実線Ｃに囲まれたグレーの領域は本実施の形態の圧縮機における吐出圧力Ｐに対する周波数Ｆの可変制御範囲を示し、破線Ｄより下の斜線部分領域は電動機の上限回転数が固定された前述の従来技術のような構造の場合における吐出圧力Ｐに対する周波数Ｆの可変制御範囲を示している。
この図６に示すように、本実施の形態においても、制御装置７６の上限周波数演算部９３により入力された吐出圧力Ｐに応じて上限周波数Ｆ0(P)を演算し、インバータ７５に出力してこのインバータ７５から電動機７０に出力される周波数Ｆの可変制御範囲の上限値を可変させることにより、吐出圧力Ｐが減少した場合には自動的に周波数Ｆの可変制御範囲の上限値（電動機７０の回転数の可変制御範囲の上限値）を大きくすることができるので、前述の第１の実施の形態と同様に初期充気時間を短縮でき、且つ吐出圧力の低下を抑制することができる。
さらに、本実施の形態では１段圧縮機に本発明を適用している。ここで、前述したように、一般に可変速型の空気圧縮機において、例えば設定圧力を０．６９ＭＰａから０．５９ＭＰａに０．１ＭＰａ下げて運転すると、理論断熱空気動力を２段圧縮機では７．４％、１段圧縮機では８．４％低減することができる。すなわち、理論上においては１段圧縮機の方が２段圧縮機よりも動力低減効果が大きい。これは、通常、２段圧縮機では１段圧縮機本体と２段圧縮機本体の仕事量のバランスが重要であり、通常仕様吐出圧力で一番効率がよくなるように設計されているからである。このため、２段圧縮機において吐出圧力Ｐを変更したり回転数を変更した場合には、上記バランスが崩れて吐出圧力Ｐを減少したにも拘らず１段圧縮機本体の仕事量は変わらない場合もあり、この場合には動力低減効果は小さくなり、回転数の上昇率（＝吐出空気量の増加率）も大きくは望めない。
一方、１段圧縮機の場合には上記仕事量のバランスを考慮する必要がないため、動力低減効果はほぼ理論値通りとなる。したがって、本実施の形態によれば前述の第１の実施の形態のような２段圧縮機よりも効果的に動力を低減することができ、その分電動機７０の回転数の可変制御範囲の上限値をさらに増大することが可能である。したがって、本実施の形態によれば、第１の実施の形態よりもさらに初期充気時間を短縮でき、且つ吐出圧力の低下を確実に抑制することができる。
また本実施の形態によれば、入力部９１で下限周波数Ｆ１を設定入力して周波数Ｆの可変制御範囲の下限値を固定することにより、図６に示すように本実施の形態の周波数Ｆの可変制御範囲（図６中グレーの領域）を従来構造の場合の周波数Ｆの可変制御範囲（図６中斜線領域）より広くとることができ、吐出圧力Ｐが小さい場合には周波数Ｆ（すなわち電動機７０の回転数）の可変制御幅をより大きくすることが可能である。
次に、本発明の無給油式スクリュー圧縮機の第３の実施の形態を図７を参照しつつ説明する。本実施の形態は、２つの下限周波数（最高下限周波数及び最低下限周波数）を設定し、空気使用量が減少したときに電動機の回転数をまず最高下限周波数に固定し、さらに空気使用量が減少した場合には電動機の回転数を最低下限周波数まで低下させた上で、無負荷運転を行うようにしたものである。
図７は、本実施の形態の無給油式スクリュー圧縮機を構成する制御装置１００の制御機能を表す機能ブロック図である。なお、この図７において、前述の第２の実施の形態における図５と同様の部分には同符号を付し、説明を省略する。
この図７において、制御装置１００は前述した本発明の第２の実施の形態と同様に入力部１０１、ＰＩＤ演算部１０２、上限周波数演算部１０３、及び下限周波数演算部１０４を有している。
上記入力部１０１では、第１の実施の形態と同様の設定圧力Ｐ0、最高設定圧力Ｐ0max、最低設定圧力Ｐ0min、最高上限周波数Ｆ0max、及び最低上限周波数Ｆ0minに加え、最高下限周波数Ｆ1max及び最低下限周波数Ｆ1minを設定入力するようになっている。この最高下限周波数Ｆ1maxは、ＰＩＤ演算部１０２で演算され決定されたインバータ出力周波数Ｆの下限側のリミッタとなる下限周波数であり、本実施の形態の無給油式スクリュー圧縮機において、吐出圧力Ｐが最低設定圧力Ｐ0minから最高設定圧力Ｐ0maxの範囲内である場合の運転可能な吐出温度の許容値により決定される最低周波数である。また最低下限周波数Ｆ1minは、吐出圧力Ｐに関係なく電動機７０及び圧縮機本体５５の回転数のみによって定まり（軸封装置等の許容によって定まり）、スクリュー圧縮機が安全に運転できる範囲における最小周波数であり、固定値である。なお、本実施の形態の無給油式スクリュー圧縮機のその他の構成については、前述の第２の実施の形態と同様である。
このような構成の本実施の形態においては、供給先における使用空気量が減少して吐出圧力Ｐが上昇しようとするとＰＩＤ制御によりインバータ７５の周波数Ｆ（すなわち電動機７０の回転数）が低下し、ある回転数以下になると圧縮空気の吐出温度が上昇し始めることから、インバータ７５の周波数Ｆが、圧縮空気の吐出温度が許容温度となる最高下限周波数Ｆ1maxまで低下すると、下限周波数演算部１０４が最高下限周波数Ｆ1maxをインバータ７５に出力して、インバータ７５の出力周波数Ｆをこの最高下限周波数Ｆ1maxに固定する。その後、さらに使用空気量が減少し、圧力センサ８８で検出した吐出圧力Ｐが予め設定した所定の圧力を超えた場合には、下限周波数演算部１０４が最低下限周波数Ｆ1minをインバータ７５に出力して、インバータ７５の出力周波数Ｆをこの最低下限周波数Ｆ1minに固定した上で、制御装置１００の制御により吸込み絞り弁５７（前述の図４参照）を閉塞すると共に放気弁８９（前述の図４参照）を開放し、無負荷運転を行うようになっている。
なお、上記以外の制御装置１００の制御機能については前述の第２の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。また、本実施の形態における最高下限周波数Ｆ1maxは請求項７乃至９記載の可変制御範囲の下限値に相当し、最低下限周波数Ｆ1minは請求項９記載の電動機が許容可能な許容最小回転数に相当するものである。
以上のように制御される本発明の無給油式スクリュー圧縮機の第３の実施の形態によれば、前述の第２の実施の形態と同様に初期充気時間を短縮でき、且つ吐出圧力の低下を確実に抑制することができる上に、さらに使用空気量が減少した場合にも圧縮空気の吐出温度を許容温度内に止めることにより、圧縮空気の吐出温度が過度に上昇して後段のプレクーラ８４、逆止弁８５、及びアフタークーラ７８等の機器が損傷や故障等を起こすのを防止することができる。
次に、本発明の無給油式スクリュー圧縮機の第４の実施の形態を図８を参照しつつ説明する。本実施の形態は、電動機の回転数の可変制御範囲の下限値を吐出圧力に応じて自動的に変更するようにしたものである。
図８は、本実施の形態の無給油式スクリュー圧縮機を構成する制御装置１００’の制御機能を表す機能ブロック図である。なお、この図８において、前述の第３の実施の形態における図７と同様の部分には同符号を付し、説明を省略する。
この図８において、制御装置１００’は前述した本発明の第３の実施の形態と同様に入力部１０１、ＰＩＤ演算部１０２、上限周波数演算部１０３、及び下限周波数演算部１０４’を有している。
本実施の形態では、圧力センサ８８で検出した吐出圧力Ｐは、ＰＩＤ演算部１０２及び上限周波数演算部１０３に加え、上記下限周波数演算部１０４’に対しても出力される。この下限周波数演算部１０４’は、圧力センサ８８から入力された吐出圧力Ｐに応じて最高下限周波数Ｆ1max(P)を演算し、インバータ７５に出力するようになっている。すなわち、圧縮空気の吐出温度は吐出圧力Ｐが下がれば低下することから、吐出圧力Ｐが低下した場合には吐出温度によって決定される最高下限周波数Ｆ1maxについても下げることが可能である。したがって、下限周波数演算部１０４’は、吐出圧力Ｐが小さい場合には最高下限周波数Ｆ1max(P)を最低下限周波数Ｆ1minに近づけるように制御する。このようにして、インバータ７５の出力周波数Ｆ（すなわち電動機７０の回転数）の可変制御範囲の下限値は、吐出圧力Ｐに応じて自動的に可変制御されるようになっている。なお、本実施の形態の無給油式スクリュー圧縮機のその他の構成については、前述の第３の実施の形態と同様である。
上記構成の本実施の形態によれば、吐出圧力Ｐが小さい場合に出力周波数Ｆ（すなわち電動機７０の回転数）の可変制御範囲の下限値が小さく制御されるので、前述の第３の実施の形態と同様に、初期充気時間の短縮及び吐出圧力の低下の抑制効果を得ることができ、且つ使用空気量が減少した場合でも圧縮空気の吐出温度を許容温度内に止めることができる上に、さらに、吐出圧力Ｐが小さい場合には電動機７０の回転数可変制御幅をより大きくすることが可能である。
なお、上記本発明の第４の実施の形態においては、インバータ７５の出力周波数Ｆ（電動機７０の回転数）の可変制御範囲の下限値を吐出圧力Ｐに応じて可変させるようにしたが、これに限らず、例えば吐出配管８３等に吐出される圧縮空気の温度を検出する温度センサを設け、検出した温度に応じて可変制御範囲の下限値を可変させるようにしてもよい。このように圧縮空気の吐出温度を常時検出するようにしたことで、さらに安全に圧縮機を運転することが可能である。
次に、本発明の無給油式スクリュー圧縮機の第５の実施の形態を図９を参照しつつ説明する。本実施の形態は、吸込み絞り弁を省略した構成としたものである。
図９は本発明の無給油式スクリュー圧縮機の第５の実施の形態の全体機器構成及び圧縮空気、オイル、冷却水、冷却空気の流れを示すフロー図である。なお、この図９において、前述の第２の実施の形態における図４と同様の部分には同符号を付し、説明を省略する。
本実施の形態の無給油式スクリュー圧縮機の構成において、前述した第２乃至第４の実施の形態と異なる点は、圧縮機本体５５の吸込み空気通路５６の上流側に吸込み絞り弁を設けずに吸込みフィルタ５８のみを設けたことである。その結果、放気弁８９’はプレクーラ８４と逆止弁８５との間から分岐して設けた放気管７３’の末端に単独で設けられ、その先にはサイレンサ７４’が設けられている。
このような構成の本実施の形態において、制御装置１０５は、インバータ７５から電動機７０へ出力される周波数Ｆが圧縮空気の吐出温度が許容温度となる最高下限周波数Ｆ1maxまで低下すると、インバータ７５の出力周波数Ｆをこの最高下限周波数Ｆ1maxに固定し、その後、さらに使用空気量が減少し、圧力センサ８８で検出した吐出圧力Ｐが予め設定した所定の圧力を超えた場合には、インバータ７５の出力周波数Ｆを最低下限周波数Ｆ1minまで低下して放気弁８９’を開放し、無負荷運転を行うようになっている。
なお、これ以外の制御装置１０５の制御機能については前述の第４の実施の形態における制御装置１００’と同様であるので、説明を省略する。また、本実施の形態における最高下限周波数Ｆ1maxは、請求項８記載の可変制御範囲の下限値に相当するものである。
以上のように制御される本発明の無給油式スクリュー圧縮機の第５の実施の形態によれば、前述の第４の実施の形態と同様の効果を得ることができる上に、吸込み絞り弁を省略することで吸込み抵抗を低減できることから、吐出圧力Ｐに応じて電動機７０の回転数の可変制御範囲の上限値を変更する際に前述の第２乃至第４の実施の形態より最高上限周波数Ｆ0maxをさらに高く設定でき、且つ最低下限周波数Ｆ1minをさらに低く設定することができる。したがって、電動機７０の回転数の可変制御幅を大きくすることができる。さらに、吸込み絞り弁を省ける分、コストを低減することが可能である。
次に、本発明の無給油式スクリュー圧縮機の第６の実施の形態を図１０を参照しつつ説明する。本実施の形態は、吐出圧力の代わりに電動機に入力される電流値に応じて電動機の回転数の可変制御範囲の上限値を制御するようにしたものである。
図１０は、本実施の形態の無給油式スクリュー圧縮機を構成する制御装置１０６の制御機能を表す機能ブロック図である。なお、この図１０において、前述の第４の実施の形態における図８と同様の部分には同符号を付し、説明を省略する。
この図１０において、制御装置１０６は、前述した本発明の第４の実施の形態と同様に入力部１０７、ＰＩＤ演算部１０８、上限周波数演算部１０９、及び下限周波数演算部１１０を有している（なお、下限周波数演算部１１０については設けなくともよい）。
入力部１０７では、設定圧力Ｐ0、最高設定圧力Ｐ0max、最高上限周波数Ｆ0max、最低上限周波数Ｆ0min、最高下限周波数Ｆ1max、最低下限周波数Ｆ1minに加え、最高電流値Ａmaxを設定入力するようになっている。なお、本実施の形態においては最低設定圧力Ｐ0minについては設定入力しないようになっている。これは、電動機７０の上限回転数を圧力によって制限しないようにするためであり、これにより後述する電流検出器１１１で検出した電動機７０の入力電流値が電動機７０の許容電流値以内となる範囲内において、電動機７０の上限回転数を最大限に増大することができるようになっている。したがって、本実施の形態では、最高上限周波数Ｆ0maxは電動機７０が許容可能な回転数（周波数）としている。
また、１１１はインバータ７５と電動機７０との間に設けた電流検出器であり、電動機７０の入力電流値を検出できるようになっている（なお、インバータ７５の出力電流値を検出するようにしてもよい）。
このように構成される本実施の形態の無給油式スクリュー圧縮機においては、電流検出器１１１で検出された電動機７０の電流値Ａが上限周波数演算部１０９に入力される。上限周波数演算部１０９は、この入力された電流値Ａが最大電流値Ａmaxに到達するような周波数を上限として、その電流値Ａに応じた最高上限周波数Ｆ0(A)を演算してインバータ７５に出力し、この最高上限周波数Ｆ0(A)がＰＩＤ演算部１０８で決定した周波数の上限側のリミッタとなるようになっている。
なお、これ以外の制御装置１０６の制御機能については前述の第４の実施の形態における制御装置１００’と同様であるので、説明を省略する。また、本実施の形態において、電流検出器１１１は請求項２記載の電動機に入力される電流値を検出する電流検出手段を構成し、制御装置１０６はインバータを制御する第２の制御手段を構成する。また、最大電流値Ａmaxは請求項３記載の電動機の許容可能な許容最大電流値に相当する。
上記構成の本実施の形態の無給油式スクリュー圧縮機によれば、電動機７０の電流値を常に検出しつつ、その検出電流値が許容電流値である最大電流値Ａmax以内となる範囲内において、その検出電流値に応じて電動機７０の回転数の可変制御範囲の上限値を可変制御するので、電動機７０をより安全に運転することができる。
次に、本発明の無給油式スクリュー圧縮機の第７の実施の形態を図１１を参照しつつ説明する。本実施の形態は、圧縮機本体の吐出圧力と共に吸込圧力についても検出し、これら吐出圧力と吸込圧力との比に応じて電動機の回転数の可変制御範囲の上限値を制御するようにしたものである。
図１１は、本実施の形態の無給油式スクリュー圧縮機を構成する制御装置１１２の制御機能を表す機能ブロック図である。なお、この図１１において、前述の第４の実施の形態における図８と同様の部分には同符号を付し、説明を省略する。
この図１１において、制御装置１１２は、前述した本発明の第４の実施の形態と同様に入力部１１３、ＰＩＤ演算部１１４、上限周波数演算部１１５、及び下限周波数演算部１１６を有している（なお、下限周波数演算部１１６については設けなくともよい）。
入力部１１３では、設定圧力Ｐ0、最高設定圧力Ｐ0max、最高上限周波数Ｆ0max、最低上限周波数Ｆ0min、最高下限周波数Ｆ1max、最低下限周波数Ｆ1minに加え、最低吸込圧力Ｐsminを設定入力するようになっている。この最低吸込圧力Ｐsminは、本実施の形態の無給油式スクリュー圧縮機が最高設定圧力Ｐ0maxである場合に許容される吸込圧力の下限値である。なお、本実施の形態においても前述の第６の実施の形態と同様に、最低設定圧力Ｐ0minについては設定入力しないようになっている。
また、１１７は圧縮機本体５５の上流側に設けた圧力センサであり、圧縮機本体５５の吸込圧力を検出するようになっている。
このように構成される本実施の形態の無給油式スクリュー圧縮機においては、圧力センサ８８で検出した圧縮機本体５５の吐出圧力Ｐと共に、圧力センサ１１７で検出した圧縮機本体５５の吸込圧力Ｐsが上限周波数演算部１１５に入力される。上限周波数演算部１１５は、この入力された吐出圧力Ｐと吸込圧力Ｐsとの比（Ｐ／Ｐs）に応じた最高上限周波数Ｆ0(Ｐ／Ｐs)を演算してインバータ７５に出力する。この最高上限周波数Ｆ0(Ｐ／Ｐs)がＰＩＤ演算部１１４で決定したインバータ出力周波数Ｆの上限側のリミッタとなるようになっている。
以上において、圧力センサ１１７は請求項４記載の圧縮機本体の吸込圧力を検出する第２の圧力検出手段を構成し、制御装置１１２はインバータを制御する第３の制御手段を構成する。
上記構成の本発明の第７の実施の形態の作用を以下に説明する。
すなわち、一般に圧縮機の動力は、同一回転数の場合には吐出圧力Ｐが増加するにつれて動力も増加するが、吐出圧力Ｐが一定であっても吸込圧力Ｐsが減少すれば動力は増加する。このように、圧縮機の動力は吐出圧力Ｐと吸込圧力Ｐsとの比(Ｐ／Ｐs、但しＰ，Ｐsとも絶対圧力)に応じて変化する性質を有する。
ここで、例えば一定回転数の圧縮機の場合には吸込圧力Ｐsは吸込みフィルタの圧力損失分となるが、使用するうちに吸込みフィルタの詰まりによって圧力損失が増加するため、圧縮機の動力も増大することになる。このような事態に備えて、通常は初期状態における圧縮機の動力には余裕を持たせてあるが、吸込みフィルタの圧力損失が所定の値まで上昇した時点で警報を鳴らす等の処置が取られる。
本実施の形態の無給油式スクリュー圧縮機の場合、電動機７０の上限周波数を可変させて吐出空気量を増大することが可能であるが、この場合には圧縮機の吸込空気量も増大するため吸込みフィルタ５８における圧力損失も増大し、圧縮機の動力についても増大することになる。したがって、本実施の形態によれば、吐出圧力Ｐと吸込圧力Ｐsとの比(Ｐ／Ｐs)に応じて電動機７０の回転数の可変制御範囲の上限値を可変制御することで、圧縮機の動力の変動に対応したより効率のよい上限回転数の可変制御を行うことが可能となる。
次に、本発明の無給油式スクリュー圧縮機の第８の実施の形態を図１２及び図１３を参照しつつ説明する。本実施の形態は、吐出圧力の変化による理論断熱空気動力の増減に応じて電動機の回転数の可変制御範囲の上限値を制御するようにしたものである。
図１２は、本実施の形態の無給油式スクリュー圧縮機を構成する制御装置１２０の制御機能を表す機能ブロック図である。なお、この図１２において、前述の第４の実施の形態における図８と同様の部分には同符号を付し、説明を省略する。
この図１２において、制御装置１２０は、前述した本発明の第４の実施の形態と同様に入力部１２１、ＰＩＤ演算部１２２、上限周波数演算部１２３、及び下限周波数演算部１２４を有している（なお、下限周波数演算部１２４については設けなくともよい）。
入力部１２１では、設定圧力Ｐ0、最高設定圧力Ｐ0max、最高上限周波数Ｆ0max、最低上限周波数Ｆ0min、最高下限周波数Ｆ1max、最低下限周波数Ｆ1minを設定入力するようになっている。なお、本実施の形態においても前述の第６の実施の形態と同様に、最低設定圧力Ｐ0minについては設定入力しないようになっている。
図１３は、本実施の形態の無給油式スクリュー圧縮機の吐出圧力Ｐとインバータ７５から電動機７０に出力される周波数Ｆ（すなわち電動機７０の回転数）の可変制御範囲の上限値との関係を示した図である。なお、この図１３において、実線Ｅは本実施の形態の圧縮機における吐出圧力Ｐと周波数Ｆの上限値との関係を示し、破線Ｆは前述した第１の実施の形態（図３中実線Ａ）及び第２の実施の形態（図６中実線Ｃ）における吐出圧力Ｐと周波数Ｆの上限値との関係を示し、また実線Ｇは、動力が定格以内に収まるように吐出圧力Ｐに対して周波数Ｆの上限値を直線的（比例的）に制御する場合の比較例である。
この図１３中破線Ｆに示すように、前述した第１及び第２の実施の形態では、吐出圧力Ｐが最低設定圧力Ｐ0minから最高設定圧力Ｐ0maxまでである範囲内において、周波数Ｆの上限値を直線的に変化するように制御している。しかしながら、例えば吐出圧力を０．６９ＭＰａから０．５９ＭＰａに０．１ＭＰａ低下した場合には一段圧縮機における理論断熱空気動力は８．４％低減できるが、０．６９ＭＰａから０．４９ＭＰａに０．２ＭＰａ低下した場合には１７．７％低減することができるといったように、実際には吐出圧力Ｐを低下させた場合の動力低減率は必ずしも直線的ではない。したがって、吐出圧力Ｐを低くした場合の可能な回転数増加率も、直線的ではないことになる。
そこで、上記理論断熱空気動力の低減率に応じた吐出圧力Ｐと回転数Ｆの上限値との関係を示すと、図１３中実線Ｅのようになる。すなわち、吐出圧力Ｐの減少に対して回転数Ｆの上限値の増加率は一定でなく徐々に大きくなるような傾向を有する。
本実施の形態では、上限周波数演算部１２３に図１３中実線Ｅに示す関係（例えば２次式等に近似してもよい）を予め設定入力しておく。これにより、上限周波数演算部１２３は入力された吐出圧力Ｐに応じて上記実線Ｅの関係から理論断熱空気動力の増減に応じた最高上限周波数Ｆ0(Ｐ)を演算し、演算した最高上限周波数Ｆ0(Ｐ)をインバータ７５に出力する。この最高上限周波数Ｆ0(Ｐ)がＰＩＤ演算部１２２で決定した周波数の上限側のリミッタとなるようになっている。これにより、より実際の定格動力に近い状態となるように周波数Ｆ（電動機７０の回転数）の可変制御範囲の上限値を制御することが可能である。
なお、破線Ｇに示した比較例のように、吐出圧力Ｐが最低設定圧力Ｐ0minから最高設定圧力Ｐ0maxまでである範囲内において、動力が定格以内に収まるように周波数Ｆの上限値を直線的に変化させた場合には、最低設定圧力Ｐ0minにおける上限周波数がＦ0midとなり上限回転数が小さくなってしまう。これに対し、本実施の形態によれば、動力が実際の定格以内に収まる範囲内において最大限に上限周波数を大きくすることができる。
また本実施の形態によれば、上述したように上限周波数演算部１２３の演算によって実際の定格動力に即して電動機７０の回転数の可変制御範囲の上限値を制御することが可能であるので、前述の第６及び第７の実施の形態のように電流検出器１１１や吸込圧力検出用の圧力センサ１１７を設ける必要がない。
なお、本実施の形態において、制御装置１２０は請求項５記載のインバータを制御する第４の制御手段を構成する。
次に、本発明の無給油式スクリュー圧縮機の第９の実施の形態を図１４を参照しつつ説明する。本実施の形態は、電動機の回転数が許容される最大回転数である場合に、圧縮機の回転数が許容される最大回転数となるようにしたものである。
図１４は、本実施の形態の無給油式スクリュー圧縮機を構成する制御装置１２０の制御機能を表す機能ブロック図である。なお、この図１４において、前述の第８の実施の形態における図１２と同様の部分には同符号を付し、説明を省略する。また、この図１４においては、インバータ７５から電動機７０に出力される出力（指令）周波数をＦＭ、増速装置を介して増速された圧縮機本体５５の回転数をＦＨとして示している。
本実施の形態における制御装置１２０の制御機能は前述の第８の実施の形態と同様であるので説明を省略する。
図１４において、１２５は前述したようにギヤ、プーリ及びベルトを総称した増速装置であり、所定の増速比が設定されている。本実施の形態においては、この増速装置１２５の増速比を、インバータ７５から電動機７０へ出力される出力周波数ＦＭが最大値ＦＭmaxである場合に、圧縮機本体５５の回転数ＦＨが最大値ＦＨmaxとなるような増速比（すなわち、ＦＨmax／ＦＭmax）とする。なお、上記最大値ＦＭmaxは電動機７０が許容可能な許容最大回転数となるときのインバータ７５から電動機７０へ出力される出力周波数であり、最大値ＦＨmaxは圧縮機本体５５が許容可能な許容最大回転数である。
このように構成される本実施の形態によれば、例えば増速装置１２５の増速比が大きい場合には、電動機７０の回転数を増大させる際に上限値まで増大する前に圧縮機本体５５の回転数ＦＨが最大値ＦＨmaxとなり電動機回転数が制限されてしまったり、反対に増速比が小さい場合には電動機７０の回転数制御幅に対して圧縮機本体５５の回転数制御幅が小さくなってしまうのに対し、このような事態を防止することができる。すなわち、電動機７０の回転数制御幅を小さくすることなく且つ圧縮機本体５５の回転数制御幅を最大限に活かせるように、電動機７０の回転数の可変制御範囲の上限値を制御することが可能である。
なお、本実施の形態において、増速装置１２５は請求項１２記載の増速手段を構成する。また、最大値ＦＨmaxは請求項１１記載の圧縮機本体の許容可能な第１の許容最大回転数に相当し、最大値ＦＭmaxは同じく請求項１１記載の電動機の許容可能な第２の許容最大回転数に相当するものである。
本発明の無給油式スクリュー圧縮機の第１の実施の形態の全体機器構成及び圧縮空気、オイル、冷却水、冷却空気の流れを示すフロー図である。 本発明の無給油式スクリュー圧縮機の第１の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。 本発明の無給油式スクリュー圧縮機の第１の実施の形態における吐出圧力とインバータから電動機に出力される周波数の可変制御範囲の上限値との関係を示した図である。 本発明の無給油式スクリュー圧縮機の第２の実施の形態の全体機器構成及び圧縮空気、オイル、冷却水、冷却空気の流れを示すフロー図である。 本発明の無給油式スクリュー圧縮機の第２の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。 本発明の無給油式スクリュー圧縮機の第２の実施の形態における吐出圧力とインバータから電動機に出力される周波数の可変制御範囲との関係を示した図である。 本発明の無給油式スクリュー圧縮機の第３の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。 本発明の無給油式スクリュー圧縮機の第４の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。 本発明の無給油式スクリュー圧縮機の第５の実施の形態の全体機器構成及び圧縮空気、オイル、冷却水、冷却空気の流れを示すフロー図である。 本発明の無給油式スクリュー圧縮機の第６の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。 本発明の無給油式スクリュー圧縮機の第７の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。 本発明の無給油式スクリュー圧縮機の第８の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。 本発明の無給油式スクリュー圧縮機の第８の実施の形態における吐出圧力とインバータから電動機に出力される周波数の可変制御範囲の上限値との関係を示した図である。 本発明の無給油式スクリュー圧縮機の第９の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。
符号の説明
１ １段圧縮機本体（圧縮機本体）
２ ２段圧縮機本体（圧縮機本体）
７ 吸込み絞り弁
２５ 電動機
３０ インバータ
３１ 制御装置（第１の制御手段）
４３ 圧力センサ（第１の圧力検出手段）
５５ 圧縮機本体
５７ 吸込み絞り弁
７０ 電動機
７５ インバータ
７６ 制御装置（第１の制御手段）
８８ 圧力センサ（第１の圧力検出手段）
８９ 放気弁
８９’ 放気弁
１００ 制御装置（第１の制御手段）
１００’ 制御装置（第１の制御手段）
１０５ 制御装置（第１の制御手段）
１０６ 制御装置（第２の制御手段）
１１１ 電流検出器（電流検出手段）
１１２ 制御装置（第３の制御手段）
１１７ 圧力センサ（第２の圧力検出手段）
１２０ 制御装置（第４の制御手段）
１２５ 増速装置（増速手段）

Claims (12)

  1. 無給油状態で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電動機と、
    この電動機の回転数を可変に制御するインバータと、
    前記圧縮機本体の吐出圧力を検出する第１の圧力検出手段と、
    この第１の圧力検出手段で検出した吐出圧力に応じて前記電動機の回転数の可変制御範囲の上限値が運転中に自動的に変更されるように、前記インバータを制御する第１の制御手段とを備えることを特徴とする無給油式スクリュー圧縮機。
  2. 無給油状態で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電動機と、
    この電動機の回転数を可変に制御するインバータと、
    前記電動機に入力される電流値を検出する電流検出手段と、
    この電流検出手段で検出した電流値に応じて前記電動機の回転数の可変制御範囲の上限値が運転中に自動的に変更されるように、前記インバータを制御する第２の制御手段とを備えることを特徴とする無給油式スクリュー圧縮機。
  3. 請求項２記載の無給油式スクリュー圧縮機において、前記第２の制御手段は、前記電流検出手段で検出した電流値が前記電動機の許容可能な許容最大電流値以下となる範囲内において、前記電動機の回転数の可変制御範囲の上限値を変更することを特徴とする無給油式スクリュー圧縮機。
  4. 無給油状態で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電動機と、
    この電動機の回転数を可変に制御するインバータと、
    前記圧縮機本体の吐出圧力を検出する第１の圧力検出手段と、
    前記圧縮機本体の吸込圧力を検出する第２の圧力検出手段と、
    この第２の圧力検出手段で検出した吸込圧力と前記第１の圧力検出手段で検出した吐出圧力との比に応じて前記電動機の回転数の可変制御範囲の上限値が運転中に自動的に変更されるように、前記インバータを制御する第３の制御手段とを備えることを特徴とする無給油式スクリュー圧縮機。
  5. 無給油状態で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電動機と、
    この電動機の回転数を可変に制御するインバータと、
    前記圧縮機本体の吐出圧力を検出する第１の圧力検出手段と、
    この第１の圧力検出手段で検出した吐出圧力の変化による理論断熱空気動力の増減に応じて前記電動機の回転数の可変制御範囲の上限値が運転中に自動的に変更されるように、前記インバータを制御する第４の制御手段とを備えることを特徴とする無給油式スクリュー圧縮機。
  6. 請求項１乃至５のいずれか１項記載の無給油式スクリュー圧縮機において、前記圧縮機本体を１段のみ有することを特徴とする無給油式スクリュー圧縮機。
  7. 請求項１乃至６のいずれか１項記載の無給油式スクリュー圧縮機において、前記圧縮機本体に吸い込まれる空気量を調節する吸込み絞り弁と、前記圧縮機本体から吐出された圧縮空気を放気する放気弁とをさらに備え、前記第１、第２、第３、及び第４の制御手段のうちのいずれか１つの制御手段は、前記電動機の回転数が前記インバータの制御により可変制御範囲の下限値まで低下した場合に、前記電動機の回転数を前記下限値に固定しつつ、前記吸込み絞り弁を閉塞し、且つ前記放気弁を開放することを特徴とする無給油式スクリュー圧縮機。
  8. 請求項１乃至６のいずれか１項記載の無給油式スクリュー圧縮機において、前記圧縮機本体から吐出された圧縮空気を放気する放気弁をさらに備え、前記第１、第２、第３、及び第４の制御手段のうちのいずれか１つの制御手段は、前記電動機の回転数が前記インバータの制御により可変制御範囲の下限値まで低下した場合に、前記電動機の回転数を前記下限値に固定しつつ、前記放気弁を開放することを特徴とする無給油式スクリュー圧縮機。
  9. 請求項７又は８記載の無給油式スクリュー圧縮機において、前記第１、第２、第３、及び第４の制御手段のうちのいずれか１つの制御手段は、前記電動機の回転数を前記下限値に固定した状態において前記第１の圧力検出手段で検出した吐出圧力が所定の圧力以上となった場合に、前記電動機の回転数を前記電動機が許容可能な許容最小回転数まで低下させることを特徴とする無給油式スクリュー圧縮機。
  10. 請求項１乃至９のいずれか１項記載の無給油式スクリュー圧縮機において、前記第１、第２、第３、及び第４の制御手段のうちのいずれか１つの制御手段は、前記第１の圧力検出手段で検出した吐出圧力又は前記圧縮機本体から吐出される圧縮空気の温度に応じて前記電動機の回転数の可変制御範囲の下限値が運転中に自動的に変更されるように、前記インバータを制御することを特徴とする無給油式スクリュー圧縮機。
  11. 請求項１乃至１０のいずれか１項記載の無給油式スクリュー圧縮機において、前記第１、第２、第３、及び第４の制御手段のうちのいずれか１つの制御手段は、前記圧縮機本体の回転数が前記圧縮機本体の許容可能な第１の許容最大回転数以下となる範囲内において、且つ前記電動機の回転数が前記電動機の許容可能な第２の許容最大回転数以下となる範囲内において、前記電動機の回転数の可変制御範囲の上限値を変更することを特徴とする無給油式スクリュー圧縮機。
  12. 請求項１１記載の無給油式スクリュー圧縮機において、前記電動機と前記圧縮機本体との間に設けられ、前記電動機の回転数が前記第２の許容最大回転数であるときに前記圧縮機本体の回転数が前記第１の許容最大回転数となるように増速比が設定された増速手段をさらに備えることを特徴とする無給油式スクリュー圧縮機。
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