JP2012002156A - スクリュー圧縮機およびその制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】オンオフ式制御弁を備えたスクリュー圧縮機において、不要に高い圧力でスクリュー圧縮機を運転するのを防止する
【解決手段】スクリュー圧縮機１は、吸入側にオンオフ式制御弁を、吐出側に圧力検出手段３を有する。制御装置２に、全負荷運転及び無負荷運転のそれぞれのサイクル時間を検出する検出手段３０を設け、吐出圧力が下限圧力設定値になるとオンオフ制御弁をオンして全負荷運転し、吐出圧力が上限圧力設定値になるとオンオフ弁をオフして無負荷運転する。サイクル時間検出手段が検出したサイクル全負荷運転時間および無負荷運転時間から全負荷運転と無負荷運転の双方を含む１サイクルの時間内における消費流量を算出し、末端圧力が一定となるように上限圧力設定値および前記下限圧力設定値を自動調整する。また、制御装置にスクリュー圧縮機の運転条件および運転状態を表示する表示器２５を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、スクリュー圧縮機およびその制御装置に係り、特に吸入側にオンオフ式制御弁を備え、全負荷運転及び無負荷運転を繰り返すスクリュー圧縮機およびその制御装置に関する。

従来のオンオフ式制御弁を備えたスクリュー圧縮機の圧力制御装置の例が、特許文献１に記載されている。この公報に記載のスクリュー圧縮機では、その吸入側にオンオフ式制御弁と吐出放風弁を設けている。そして、オンオフ式制御弁を全開にする全負荷運転により吐出側圧力を上昇させ、吐出側圧力が予め設定した設定値を超えるとオンオフ式制御弁を閉じるとともに放風弁を開放し、無負荷運転に切り替える。その後、吐出側のガス貯槽内圧力が低下して設定値以下になったら、オンオフ制御弁を開にするとともに放風弁を閉じて全負荷運転に戻している。また、スクリュー圧縮機の吐出側圧力を圧力スイッチで検出し、この検出値に応じて制御装置から全負荷−無負荷運転の切替え指令信号を発している。

特公平１−３３６７６号公報

上記従来技術で示したオイルフリースクリュー圧縮機では、吐出側の温度上昇によるロータ同士の接触を防止するために、吸入側の制御弁をオンオフ式制御弁としており、全負荷−無負荷運転の切替え指令信号の基となる圧力設定値を固定している。そのため、スクリュー圧縮機の吐出圧力が所定の設定圧力になると、全負荷運転と無負荷運転が切り替えられていた。

ところで、末端（ユーザー設備におけるガス運用機器）での消費流量が大きければ大きいほど、スクリュー圧縮機の吐出口から末端までの間の圧力損失が大きくなり、末端の圧力が低下する。そこで、スクリュー圧縮機の吐出圧力の設定値を、予想される最大消費流量時でも必要最低圧力が得られるように定めている。

このように吐出圧力の設定値を定めているので、末端での消費流量が少なくなると、スクリュー圧縮機の吐出口から末端までの間の圧力損失が小さくなり、末端圧力が必要以上に上昇する。その結果、圧縮機は本来必要とされる圧力よりも高い吐出圧力で運転されることとなり、高圧運転により不要な電力を消費する。また、末端圧力が高いので、消費流量も必要以上に消費される。

本発明は、上記従来技術の不具合に鑑みなされたもので、その目的は、オンオフ式制御弁を備えたスクリュー圧縮機において、不要に高い圧力でスクリュー圧縮機を運転するのを防止することにある。また、本発明の他の目的は、オンオフ式制御弁を備えたスクリュー圧縮機において、消費電力量を低減するとともに、必要以上に消費流量が増加することを防止することにある。

上記目的を達成するための本発明の特徴は、雄ロータと、雌ロータと、雄ロータと雌ロータを同期駆動するためのタイミングギアとを有し、吸入側から吸込まれたガスを圧縮する圧縮機本体と、この圧縮機本体の吸入側に設けられ吸入ガス量を制御するオンオフ式制御弁と、前記圧縮機本体の吐出側に設けられこの圧縮機本体から吐出される圧縮ガスの圧力を検出する圧力検出手段と、前記圧縮機本体に隣り合って配置され、前記オンオフ式制御弁を前記吐出圧力検出手段が検出した吐出圧力に応じて制御する制御装置と、を備えたスクリュー圧縮機において、全負荷運転と無負荷運転を切り替える上限圧力設定値および下限圧力設定値を、全負荷運転と無負荷運転の双方を含む１サイクルの時間内における全負荷運転の割合に基づいて前記制御装置が変更するために、全負荷運転及び無負荷運転のそれぞれのサイクル時間を検出する検出手段を前記制御装置に設けたことにある。

そしてこの特徴において、スクリュー圧縮機に接続される負荷側の圧力を検出する末端圧力検出手段を設け、この末端圧力検出手段が検出した圧力に基づいて前記制御装置が前記オンオフ式制御弁を制御するのがよく、前記制御装置にスクリュー圧縮機の運転条件および運転状態を表示する表示器を設け、この表示器は表示ボタンを有し、表示ボタンが押されると前記表示器は表示内容を運転条件からテンキーに切り替えるようにしてもよい。

上記目的を達成する本発明の他の特徴は、吸入側にオンオフ式制御弁を吐出側に圧力検出手段をそれぞれ有するスクリュー圧縮機に設けられ、前記オンオフ式制御弁を前記吐出圧力検出手段が検出した吐出圧力に応じて制御する制御装置において、全負荷運転と無負荷運転を切り替える上限圧力設定値および下限圧力設定値を、全負荷運転と無負荷運転の双方を含む１サイクルの時間内における全負荷運転の割合に基づいて前記制御装置が変更するために、全負荷運転及び無負荷運転のそれぞれのサイクル時間を検出する検出手段を設けたことにある。この特徴において、スクリュー圧縮機の運転条件および運転状態を表示する表示器を有し、この表示器は表示ボタンを備え、この表示ボタンが押されると前記表示器は表示内容を運転条件からテンキーに切り替えるようにしてもよい。

本発明によれば、オンオフ式制御弁を備えたスクリュー圧縮機において、スクリュー圧縮機の容量制御のための圧力設定値を、末端の消費流量に応じて自動調整したので、不要に高い圧力でスクリュー圧縮機を運転するのを防止できる。また、オンオフ式制御弁を備えたスクリュー圧縮機において、消費電力量を低減するとともに、必要以上に消費流量が増加するのを防止できる。

本発明に係るスクリュー圧縮機の一実施の形態の全体構成を示す図である。 図１に示したスクリュー圧縮機を備える圧縮機設備の系統図である。 図１に示したスクリュー圧縮機を備える他の圧縮機設備の系統図である。 図１に示したスクリュー圧縮機における吐出圧力の変化を説明する線図である。 図１に示したスクリュー圧縮機における動力の変化を説明する線図である。 本発明に係るスクリュー圧縮機の制御フローチャートの一例である。 図１に示したスクリュー圧縮機が備える制御装置の外観図である。 図7に示した制御装置が備える表示器の表示例である。

以下、本発明のいくつかの実施の形態について図１ないし図６を参照して説明する。図１は、本発明に係るスクリュー圧縮機１の全体構成を示す系統図である。図２および図３は、図１に示したスクリュー圧縮機を備える圧縮機設備の異なる系統図である。図２，３に示す圧縮機設備では、図１に示したスクリュー圧縮機が採用されており、ユーザー設備として示されている。

図２，３を参照して、圧縮機設備の全体構成を説明する。図２，３において、１はスクリュー圧縮機、２は制御装置、３はスクリュー圧縮機１の吐出圧力を検出する圧力検出器である。圧力検出器３は、圧縮機吐出口４に備えられている。５は、吐出側に設けたガス貯槽、６はフィルター、７はガス分離装置または除湿装置、８はガスヘッダー、９は需要側のガス運用機器である。これらガス貯槽５、フィルター６、ガス分離装置または除湿装置７、ガスヘッダー８、需要側のガス運用機器９は、需要側の所謂ユーザー設備を構成する。

図１を参照して、ユーザー設備が備えるスクリュー圧縮機１の圧力制御装置の構成を説明する。図１では、スクリュー圧縮機１の空気系統と容量制御装置を併せて示している。スクリュー圧縮機1では、歯数４枚の雄ロータ３１と歯数６枚の雌ロータ３２がタイミングギア３３を用いて、非接触で同期回転している。これら、雄ロータ３１と雌ロータ３２とタイミングギア３３とは、ケーシングに内蔵されており、圧縮機本体（エアブロック）１６を構成する。一方のロータの軸端部には、駆動機であるモータ３５がカップリング接続されている。

スクリュー圧縮機１（図２，３参照）を全負荷で運転した状態では、吸入口１１から吸入した空気は吸入フィルター１２を通り、全開状態の吸入弁（オンオフ式制御弁）１３を通り圧縮機本体１６へ流入する。圧縮機本体１６で圧縮された高温高圧のガスは、逆止弁１７、アフタークーラー１８を通ってガス貯槽５へ送り込まれる。ガス貯槽５内に流入し溜められたガスは、ガス消費ライン１９へ送られ消費される。なお、この状態では、吸入弁１３と連動する放風弁１４が閉になるように、放風弁を設定する。

消費流量が最大となる場合を除いて、全負荷運転時には消費流量よりもスクリュー圧縮機１の吐出量の方が多くなるようにスクリュー圧縮機設備を設定するのが一般的であるから、全負荷運転時には吐出側圧力が上昇していく。上昇する吐出側圧力は圧力検出器３で検出され、制御装置２へ送られる。制御装置２では、検出された吐出側圧力Ｐが予め設定した上限圧力設定値Ｐｍａｘ（後述する図４参照）に達すると、四方電磁弁２４に指令信号を発して、四方電磁弁２４の油通路を切り替える。そして、油圧ピストン１５を作動させて吸入弁１３を閉にし、それとともに放風弁１４を開にして圧縮機本体１６を無負荷運転状態にする。吸入弁１３から圧縮機本体１６へ漏れこんだガスは、圧縮機本体１６から流出したのち、放風弁１４および放風サイレンサ２０を通って放風口２１から大気へ放風される。

無負荷運転状態では、圧縮機本体１６からガス貯槽５へガスは供給されない。その結果、ガス貯槽５を含む吐出側圧力Ｐが次第に低下する。予め設定した下限圧力設定値Ｐｍｉｎ（後述する図４参照）まで吐出側圧力Ｐが低下すると、制御装置２は四方電磁弁２４を切り替えて再度全負荷運転状態に戻す。

図１および図３を参照して、上記ユーザー設備に採用されたスクリュー圧縮機１の圧力制御方法について説明する。本発明のスクリュー圧縮機の圧力制御方法は、スクリュー圧縮機１の吸入側に設けたオンオフ式制御弁（吸入弁）１３をスクリュー圧縮機１の吐出側に設けた圧力検出器３の検出圧力に応じて制御することで実行される。その際、スクリュー圧縮機１は全負荷運転および無負荷運転を繰り返すものであり、圧力制御装置は、スクリュー圧縮機１の負荷側の消費流量を算出し、この使用量に応じて、オンオフ式制御弁１３をオフする上限圧力設定値およびオンオフ式制御弁１３をオンする下限圧力設定値を変化させる。

以下により詳細を説明する。オンオフ式制御弁（吸入弁）１３のオンオフ圧力設定値を、以下のように設定する。圧縮機設備は、ガス運用機器９のような多数の末端機器を有している。この多数の末端の機器の中で、最低動作（使用）圧力が最も低い機器を予め選定し、その選定された末端機器の最低使用圧力に、裕度を考慮した圧力分だけ加算した暫定設定値圧力（下限値）を定める。

図３を参照してスクリュー圧縮機１の他の圧力制御方法について説明する。図１に示した圧縮機１を用いた圧縮機設備において、容量制御の精度を向上させるものである。圧縮機設備末端のガス運用機器９部に設けた圧力検出器１０が検出した圧力と圧縮機の吐出部に設けた圧力検出器３の検出した圧力との圧力差を演算する。この圧力差と、全負荷−無負荷運転サイクル中にサンプル演算した圧力損失との偏差を、オンオフ式制御弁１３をオフにする上限圧力設定値およびオンオフ式制御弁１３をオンにする下限圧力設定値を自動調整する演算機能にフィードバックする。

上述した上限圧力設定および下限圧力設定値の自動調整演算を、図４および図５を参照して説明する。図４は本発明に係るスクリュー圧縮機１における吐出圧力の変化を示す線図、図５はその動力の変化を示す線図である。図４では横軸に経過時間、縦軸に吐出圧力の変化を示しており、図５では、横軸に経過時間、縦軸に動力の変化を示している。

図４に示すように、スクリュー圧縮機１を全負荷状態で運転したときは、圧縮機が１供給する空気量は消費流量より多い。そのため、圧縮機１の吐出側圧力が上昇し、上限圧力設定値Ｐｍａｘに達すると、スクリュー圧縮機１は全負荷運転から無負荷運転に切り替わる。

無負荷運転状態では、スクリュー圧縮機１から空気が供給されないので、ガス貯槽５内の空気が消費される。それに伴って圧縮機設備の圧力が低下する（線ａ参照）。吐出側圧力が下限圧力設定値Ｐｍｉｎまで低下すると、スクリュー圧縮機１は無負荷運転から全負荷運転に切り替わり、吐出側圧力が再び上昇する。以後、同様の動作を繰り返す。

すなわち、図４において、Δｔｏは全負荷運転状態時間、Δｔｕは無負荷運転状態時間、Δｔ１は、全負荷運転状態時間Δｔｏと無負荷運転状態時間Δｔｕとを合計した第１サイクルの時間を示し、Δｔ２は、次の全負荷運転状態時間Δｔｏ’と無負荷運転状態時間Δｔｕ’とを合計した第２サイクルの時間を示している。以後第３、第４、・・・とサイクルを繰り返す。

このとき、スクリュー圧縮機１の全負荷状態の動力は、以下のようになると考えられる。前述したように全負荷運転状態時間をΔｔｏ、無負荷運転状態時間Δｔｕとし、スクリュー圧縮機１の吐出風量をＱとすると、消費流量Ｑ’は次式で表される。

ｑ’＝ｑ×Δｔｏ／（Δｔｏ＋Δｔｕ） （式１）
図２における圧縮機吐出口４とガス運用機器９との間の圧力損失ΔＰは、一般的には消費流量ｑ’の二乗に比例して変化することが知られている。消費流量ｑ’が小さくなると圧力損失ΔＰも小さくなる。ここで、圧力検出器３の上限圧力設定値Ｐｍａｘと下限圧力設定値Ｐｍｉｎが変化しなければ、ガス運用機器９における圧力は、圧力損失ΔＰが小さくなった分だけ必然的に高くなる。

ガス運用機器９における圧力を必要以上に高くする必要は無いので、圧力損失ΔＰが小さくなった分だけ圧力検出器３の設定値を図４に示す上限圧力設定値P’max、下限圧力設定値P’minに下げ（線ｂ参照）れば、ガス運用機器９における圧力の上昇を防止できるとともに消費流量Ｑ’の増加を防止できる。さらに、スクリュー圧縮機１の全負荷状態での運転動力も低減できる。

図６に示したフローチャートを用いて、この様子を説明する。はじめにスクリュー圧縮機１の運転状態を調べる。スクリュー圧縮機１の運転状態が、全負荷運転（ロード）であれば、タイマ機能を用いて全負荷運転時間であるロード時間Δｔｏを計測する。運転状態が無負荷運転になるまでロード時間Δｔｏを更新する。無負荷運転（アンロード）に切り替わったら、タイマ機能を用いて無負荷運転時間Δｔｕを計測する。無負荷運転が終了するまで無負荷運転時間Δｔｕを更新し続ける。全運転時間における全負荷運転時間の比から、（式１）で圧縮機負荷率ｑを演算する。

この圧縮機負荷率ｑを用いて、配管圧力損失ΔPlossおよび制御圧力設定値シフト量ΔPsftを計算する。

ΔPloss＝ΔP100＊ｑ＊＊k
ΔPsft＝ΔP100−ΔP （式２）
ここで、q＊＊kはqのk乗を表し、＊は２つの量の積を表す。ΔP100は、100%負荷時の圧縮機吐出口４から圧縮機設備の末端のガス運用機器９までの圧力損失である。全負荷−無負荷運転の幾つかのサイクルをサンプリングする。この動作を、所定時間間隔で実行する。

現状の負荷での配管圧力損失が、指標kの関数で示される。この指標kは、圧縮機吐出口４から圧縮機設備の末端のガス運用機器９までの設備構成により変化する。多くの機器での流動抵抗は速度の二乗に比例して増加するので、流量の二乗に比例して増加する。しかしながら除湿器等では必ずしも速度の二乗、すなわち流量の二乗に応じて流動抵抗は増加しない。その結果、指標kは多くの場合１〜２までの値となる。

この指標kを予め各末端機器構成を考慮して求めておけば、または機器構成に応じた係数テーブル等を利用して求めておけば、上記暫定設定値圧力以上であって、オンオフ式制御弁１３をオフとする上限圧力設定値およびオンオフ制御弁１３をオンとする下限圧力設定値の最適値(P’max,P’min)を制御装置が逐次自動調整する。

P’max=Pmax-ΔPsft
P’min=Pmin-ΔPsft （式３）
さらに自動調整された上限圧力設定値および下限圧力設定値で全負荷―無負荷運転を適宜繰り返し、この運転サイクルをフィードバックして刻々と変化する消費流量に対応する。すなわち、図６に示すように、スクリュー圧縮機１の全負荷運転時の動力は、Ｌｍａｘ〜Ｌｍｉｎから、Ｌ’ｍａｘ〜Ｌ’ｍｉｎへ低減できる。これは、図５の線ａ（改善前）、線ｂ（改善後）に対応する。

以上述べたように、本実施の形態によれば、スクリュー圧縮機の負荷側における消費流量の使用量に応じて、吐出圧力の上限圧力設定値および下限圧力設定値を自動調整するので、スクリュー圧縮機の運転圧力を最適化できると共に、末端圧力を一定にすることができる。また、消費流量とスクリュー圧縮機の運転動力の増加を防止することができる。

図７に、図２および図３で用いた制御装置２の外観を示す。制御装置２の表面には、液晶表示器２５、ボタン２６およびランプ２７等が設置されており、圧縮機１のたとえば、負荷無負荷切替圧力、省エネ設定、スケジュール運転設定等の設定、運転操作および運転状態を表示する。制御装置２の内部には、コントローラ（ＰＬＣ）および入出力基板、リレー、タイマ３０、電磁接触器、圧力検出器、温度検出器、四方電磁弁２４が設置されている。

圧力検出器３が検出した圧力信号は、入出力基板を介してデジタルデータとしてコントローラ内に取り込まれ、コントローラ内で演算され、たとえば圧力設定値が閾値(設定値)を超えたときのような最適なタイミングで、四方電磁弁のオンオフ制御信号に変換されて出力される。これにより、圧縮機が効果的にオンオフ制御される。

図６に示した制御フローを実行するために、基準上限圧力設定値および基準下限圧力設定値、圧縮機風量設定値、圧力損失設定値を、制御装置２が有する表示器２５から入力する。図８に表示器２５の表示内容の一例を示すように、表示器２５が備えるボタン２６によりページめくり方式で入力設定項目を変更できる。表示器２は液晶タッチパネルであり、ユーザーは容易に設定変更が可能である。図８では、機器構成が変化したとき、たとえばバルブの開閉により末端構成が変化したときに、指標kを更新入力する様子を示している。設定項目を選択すると表示手段がテンキーを表示し、タッチパネルからk値を１〜２の範囲で入力する。

以上述べたように本実施例によれば、無負荷−全負荷運転を繰り返すスクリュー圧縮機において、末端側の構成が変化しても指標kを制御装置から入力するだけで、タイマ機能により無負荷運転と全負荷運転の比から負荷率を自動的に求め、基準上限圧力設定値および下限圧力設定値を変化させているので、圧縮機に無駄に高圧を発生させることがなく、省エネが図られる。また、比較的簡単な構成で省エネが可能になる。

１…スクリュー圧縮機、２…制御装置、３…圧力検出器、４…圧縮機吐出口、５…ガス貯槽、８…ガスヘッダー、９…ガス運用機器、１０…末端圧力検出器、１３…吸入弁、１４…放風弁、１６…圧縮機本体（エアブロック）、１８…アフタークーラー、１９…ガス消費ライン、２４…四方電磁弁、２５…表示器、２６…ボタン、２７…ランプ、３０…タイマ、３１…雄ロータ、３２…雌ロータ、３３…タイミングギア、３５…モータ。

Claims (5)

1. 雄ロータと、雌ロータと、雄ロータと雌ロータを同期駆動するためのタイミングギアとを有し、吸入側から吸込まれたガスを圧縮する圧縮機本体と、
   この圧縮機本体の吸入側に設けられ吸入ガス量を制御するオンオフ式制御弁と、
   前記圧縮機本体の吐出側に設けられこの圧縮機本体から吐出される圧縮ガスの圧力を検出する圧力検出手段と、前記圧縮機本体に隣り合って配置され、前記オンオフ式制御弁を前記吐出圧力検出手段が検出した吐出圧力に応じて制御する制御装置と、を備えたスクリュー圧縮機において、
   全負荷運転と無負荷運転を切り替える上限圧力設定値および下限圧力設定値を、全負荷運転と無負荷運転の双方を含む１サイクルの時間内における全負荷運転の割合に基づいて前記制御装置が変更するために、全負荷運転及び無負荷運転のそれぞれのサイクル時間を検出する検出手段を前記制御装置に設けたことを特徴とするスクリュー圧縮機。
2. スクリュー圧縮機に接続される負荷側の圧力を検出する末端圧力検出手段を設け、この末端圧力検出手段が検出した圧力に基づいて前記制御装置が前記オンオフ式制御弁を制御することを特徴とする請求項１に記載のスクリュー圧縮機。
3. 前記制御装置にスクリュー圧縮機の運転条件および運転状態を表示する表示器を設け、この表示器は表示ボタンを有し、表示ボタンが押されると前記表示器は表示内容を運転条件からテンキーに切り替えるものであることを特徴とする請求項１または２に記載のスクリュー圧縮機。
4. 吸入側にオンオフ式制御弁を吐出側に圧力検出手段をそれぞれ有するスクリュー圧縮機に設けられ、前記オンオフ式制御弁を前記吐出圧力検出手段が検出した吐出圧力に応じて制御する制御装置において、
   全負荷運転と無負荷運転を切り替える上限圧力設定値および下限圧力設定値を、全負荷運転と無負荷運転の双方を含む１サイクルの時間内における全負荷運転の割合に基づいて前記制御装置が変更するために、全負荷運転及び無負荷運転のそれぞれのサイクル時間を検出する検出手段を設けたことを特徴とするスクリュー圧縮機の制御装置。
5. スクリュー圧縮機の運転条件および運転状態を表示する表示器を有し、この表示器は表示ボタンを備え、この表示ボタンが押されると前記表示器は表示内容を運転条件からテンキーに切り替えるものであることを特徴とする請求項４に記載のスクリュー圧縮機の制御装置。

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