JP2013241942A - 空気圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】低圧段圧縮機と高圧段圧縮機とを有する空気圧縮機で、無負荷時と低負荷時の消費動力を軽減する。
【解決手段】低圧段と高圧段の圧縮機本体の回転速度を変化させて利用側の消費空気量に応じた運転を行う空気圧縮機であって、低圧段圧縮機本体１を回転駆動する電動機４と、電動機の回転速度を変化させるインバータ８と、高圧段圧縮機本体２の吐出側に設けられた第１放気手段と、インバータと第１放気手段を制御するための制御手段１８とを備え、消費空気量が最大空気量から既定の設定空気量の範囲では、低圧段及び高圧段圧縮機本体の回転速度を変化させる負荷運転を行わせ、消費空気量がゼロの無負荷運転では低圧段及び高圧段圧縮機本体を夫々圧縮機本体毎の設定下限設定速度で運転させると共に第1放気手段から吐出側の圧縮空気を放気させ、消費空気量が設定空気量以下では、負荷運転と無負荷運転とを繰り返す。
【選択図】図４

Description

本発明は空気圧縮機に係り、特に、低圧段圧縮機本体と高圧段圧縮機本体を有する回転速度可変形の空気圧縮機に好適なものである。

従来の回転速度可変形スクリュー圧縮機は、例えば特許文献１に記載のように、低圧段スクリュー圧縮部と高圧段スクリュー圧縮部とを直列に連結し、この２つの圧縮部間にクーラを接続していた。そして、低圧段スクリュー圧縮部と高圧段スクリュー圧縮部にそれぞれモータを連結し、このモータをインバータで可変速駆動していた。このように構成した回転速度可変形スクリュー圧縮機では、低流量になると低圧段スクリュー圧縮部と高圧段スクリュー圧縮部とも低回転になり、内部漏れ量を無視できなくなるので、出口配管に放風弁を接続し、低圧段スクリュー圧縮部と高圧段スクリュー圧縮部を最低回転で運転しながら、放風制御していた。

特開平10-82391号公報

低圧段と高圧段の２段の圧縮機を有するオイルフリースクリュー圧縮機では、単段オイルフリースクリュー圧縮機よりも無負荷時の消費動力が全負荷時に比べて小さい。そのため、上記公報に記載の方法を無負荷運転時に適用しても、吸込み絞り弁を絞る従来の方法よりも消費動力がそれほど低下しない不具合があった。

本発明は上記従来の技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は低圧段圧縮機と高圧段圧縮機とを有する空気圧縮機において、無負荷時と低負荷時の消費動力を軽減することにある。

上記目的を達成する本発明の第１の特徴は、低圧段圧縮機本体と高圧段圧縮機本体の回転速度とを変化させて利用側の消費空気量に応じた運転を行う回転速度可変形の空気圧縮機において、前記低圧段圧縮機本体を回転駆動するための電動機と、前記電動機の回転速度を変化させるためのインバータと、前記高圧段圧縮機本体の吐出側に設けられた第１放気手段（高圧段パージ）と、前記インバータと前記第１放気手段を制御するための制御手段とを備え、前記制御手段が、消費空気量が最大空気量から予め定めた設定空気量の範囲では、前記低圧段圧縮機本体及び高圧段圧縮機本体の回転速度を変化させる負荷運転を行わせ、前記消費空気量がゼロの無負荷運転では低圧段圧縮機本体と高圧段圧縮機本体をそれぞれの圧縮機本体毎に予め定められた設定下限設定速度で運転させると共に前記第1放気手段（高圧段パージ）から吐出側の圧縮空気を放気させ、消費空気量が設定空気量以下では、前記負荷運転と前記無負荷運転とを繰り返すように制御する。

また、前記低圧段圧縮機本体の吸い込み側には、吸い込み絞り込み弁が設けられ、前記制御手段が、
前記無負荷運転で、前記吸い込み絞り弁を絞る制御を更に行うことが望ましい。

また、上記圧縮機の前記低圧段圧縮機本体と、前記高圧段圧縮機本体とを接続する配管の途中に、圧縮空気を放気するための第２放気手段を更に備え、前記制御手段が、前記無負荷運転で、前記第２放気手段から圧縮空気を更に放気する制御を行うのが望ましい。

また、上記圧縮機の前記高圧段圧縮機本体の吐出し側に、圧縮空気を冷却するアフタークーラと、前記低圧段圧縮機本体の吐出し側と前記高圧段圧縮機本体の吸い込み側の間に、圧縮空気を冷却するインタークーラとを更に備えるのが望ましい。

更に好ましくは、前記低圧段縮機本体及び前記高圧段圧縮機本体がスクリュー圧縮機であるのが望ましい。

更に好ましくは、前記低圧段圧縮機本体及び前記高圧段圧縮機本体がオイルフリー圧縮機であることが望ましい。

そして、前記高圧段圧縮機の吐出側に、前記消費空気量を検出する圧力検出器を備え、前記制御手段が、前記圧力検出器の検出信号を受信するようにしてもよい。

以上詳述したように、本発明によれば、回転速度可変型の２段の圧縮機本体を備えた空気圧縮機において、無負荷運転時に圧縮空気を大気に放気可能としたので、無負荷時の空気圧縮機の消費動力を大幅に低減できる。さらに、無負荷運転と設定下限回転速度での負荷運転とを繰り返す低負荷運転時にも消費動力を低減できる。

本発明に係るインバータ駆動形オイルフリースクリュー圧縮機の一実施例の構成図である。 図１に示したオイルフリースクリュー圧縮機の運転方法を説明する図である。 図１に示したオイルフリースクリュー圧縮機の消費動力特性を説明する図である。 本発明に係るインバータ駆動形オイルフリースクリュー圧縮機の他の実施例の構成図である。 図４に示したオイルフリースクリュー圧縮機の無負荷運転時の圧力特性を説明する図である。

以下、本発明のいくつかの実施例を、図面を用いて説明する。

図１は、オイルフリースクリュー圧縮機の構成図であり、図２および図３はこの図１に示されたオイルフリースクリュー圧縮機の運転方法を説明する図である。

オイルフリースクリュー圧縮機１００は、低圧段圧縮機本体１と高圧段圧縮機本体２とを有している。低圧段圧縮機１は、雌雄一対のロータを、外周部に冷却ジャケットが形成されたケーシング内に保持している。そして、一対のロータは、各ロータの軸端部に取付けられたタイミングギヤが噛合うことにより同期回転している。一方のロータのタイミングギヤ取付け端とは反対側の回転軸１Ａ端部には、ピニオンギヤ６が取付けられている。
同様に、高圧段圧縮機２は、雌雄一対のロータを、外周部に冷却ジャケットが形成されたケーシング内に保持している。そして、一対のロータは、各ロータの軸端部に取付けられたタイミングギヤが噛合うことにより同期回転している。一方のロータのタイミングギヤ取付け端とは反対側の回転軸２Ａ端部には、ピニオンギヤ７が取付けられている。

２個のピニオンギア６，７は、モータ４の回転軸４Ａにカップリング接続されたブル軸に取付けたブルギヤ５と噛合っている。モータ４は、インバータ８により駆動される可変速形のモータである。なお、ピニオンギヤ６，７及びブルギヤ５はギヤケーシング３に収容されている。ギヤケーシングの下部は各圧縮機本体１，２の軸受やブルギヤ５、ピニオン６，７を潤滑する潤滑油の油溜りになっている。

低圧段圧縮機本体１の吸込み流路には、周囲空気を濾過して低圧段圧縮機本体１に供給するためのフィルタ１４が取付けられており、このフィルタの下流側には吸込み口１４Ａが形成されている。低圧段圧縮機本体１の吐出側と高圧段圧縮機本体２の吸込み側との間には、インタークーラ１０が設けられており、このインタークーラ１０は低圧段圧縮機本体１とは空気配管９で、高圧段圧縮機本体２とは空気配管９Ａで配管接続されている。高圧段圧縮機本体２の下流には、逆止弁１２を介してアフタークーラ１３が空気配管１１で配管接続されている。

低圧段圧縮機本体１とインタークーラを接続する空気配管９の途中から、低圧段放気配管２０が分岐している。そして、この低圧段放気配管２０には、低圧段放気二方弁２０が設けられている。同様に、高圧段圧縮機本体２とアフタークーラ１３とを接続する空気配管１１の途中であって逆止弁１２の上流側から、高圧段放気配管１５が分岐している。この高圧段放気配管１５には、高圧段放気二方弁１６が設けられている。アフタークーラ１３で冷却された圧縮空気を利用側に供給するため、吐出空気配管２３がアフタクーラ１３の下流に設けられている。

この吐出空気配管２３の途中には、オイルフリースクリュー圧縮機１００から吐出される圧縮空気の圧力を計測する圧力検出器１７が取付けられている。圧力検出器１７が検出した圧力は、制御装置１８に入力される。

このように構成した本実施例の作用を以下に説明する。モータ４が運転されると、モータ４の回転力がブルギヤ５およびピニオンギヤ６，７を介して低圧段圧縮機本体１および高圧段圧縮機本体２に伝達される。これにより、低圧段圧縮機本体１および高圧段圧縮機本体２が備える各々一対のロータが同期回転し、作動ガスである空気を圧縮する。吸込み口１４Ａから吸込まれた圧縮用の周囲空気は、低圧段圧縮機本体１で圧縮されて圧力が上昇するとともに温度上昇する。この高温の圧縮ガスは空気配管９を経てインタークーラ１０に導かれ、インタークーラ１０で冷却される。インタークーラ１０で冷却された圧縮空気は、空気配管９Ａを経て高圧段圧縮機本体２に導かれ、さらに所定の吐出圧力まで昇圧されるとともに温度上昇する。温度上昇した圧縮空気は、空気配管１１を経てアフタークーラ１３に導かれ、アフタークーラ１３で冷却された後、吐出空気配管２３から利用側に供給される。

利用側の消費空気量が減少すると、圧力検出器１７で検出される吐出圧力は上昇する。この検出された吐出圧力は、制御装置１８に入力される。吐出圧力が上昇すると、制御装置１８はモータ４の回転速度を低下させる指令信号を、インバータ８に出力する。モータ４の回転速度が低下すると、低圧段圧縮機本体１および高圧段圧縮機本体２が備えるロータの回転速度が低下し、オイルフリースクリュー圧縮機１００の吐出空気量が低下する。

つまり、消費空気量が減少して、オイルフリースクリュー圧縮機から吐出される空気量が仕様吐出空気量の100％から約50％で良いときには、制御装置１８は吐出圧力を一定にするため、モータ４の回転数を図２（運転範囲Ｄ）に示すように吐出空気量比に比例して制御する。これに対して、吐出空気量が仕様吐出空気量の約50％以下でよいときには、制御装置１８は放気減圧運転を指令する。具体的には、圧力検出器１７が検出した吐出圧力が制御装置１８に予め設定された設定上限圧力を超えていれば、制御装置１８は設定下限回転速度を維持するようにインバータに指令する。それとともに、高圧段放気二方弁１６を開くためにこの高圧段放気二方弁１６に開指令する。高圧段放気二方弁１６が開いたことにより、高圧段圧縮機本体２で圧縮された圧縮空気は、アフタークーラ１３に導かれることなく大気開放される。

ところで本実施例では、低圧段圧縮機本体１の吐出側の空気配管９の途中から分岐して空気配管２０を設けている。そしてこの配管２０に低圧段放気二方弁２１を介在させている。それは以下の理由による。オイルフリースクリュー圧縮機から吐出される空気量が、仕様吐出空気量の100％から約50％の範囲は、負荷運転の領域である。この負荷運転領域では、圧縮空気の全量を利用側に供給したいので、低圧段放気二方弁２１を閉じるように制御装置１８が低圧段放気二方弁２１に指令する。これにより、低圧段圧縮機本体１が圧縮した圧縮空気の全量が高圧段圧縮機本体２に供給される。

利用側の圧縮空気消費が減少し、利用側へ圧縮空気を供給する必要がなくなった無負荷運転時には、低圧段圧縮機本体１および高圧段圧縮機本体２の回転速度が設定下限値になるように、制御装置１８はインバータ８に指令する。それとともに低圧段放気二方弁２１に開指令を出力し、低圧段圧縮機本体１で圧縮された圧縮空気の一部を大気に開放する。

利用側への圧縮空気の供給量が少ないとき、すなわち、吐出空気量が仕様吐出空気量の約50％以下である低負荷運転のときには、低圧段圧縮機本体１と高圧段圧縮機本体２の双方の回転速度が設定下限値となるように制御装置１８がインバータ８に指令する。そして制御装置１８は、上記した無負荷運転と負荷運転を繰り返すように、低圧段放気二方弁２１と高圧段放気二方弁１６を制御する。なお、上記いずれの運転においても、圧縮空気の消費量は吐出空気配管２３中に設けた圧力検出器１７が検出した圧力に基づいて求めている。

このように制御装置１８がインバータ８および低圧段放気二方弁２１と高圧段放気二方弁１６を制御したときの、オイルフリースクリュー圧縮機の消費動力の変化を図３に示す。図３において、横軸はオイルフリースクリュー圧縮機の吐出空気量を仕様吐出空気量で割った値であり、縦軸は仕様吐出空気量に吐出空気量がなったときの消費動力を100％としたときのオイルフリースクリュー圧縮機の消費動力である。図中Ｆ線は比較のために記載したものであり、低圧段圧縮機本体１の吸込側に負荷に応じて開閉する吸込み絞り弁を用いた、従来の容量制御法を用いた場合の消費動力の変化である。この制御法においては、低圧段圧縮機本体および高圧段圧縮機本体の双方を回転速度一定のまま運転し、無負荷運転時には圧縮空気を放気している。なお、点fはこの従来型の容量制御法を適用したときの無負荷運転時の消費動力である。

また、図３中のＧ線も本発明との比較のために記載したものであり、低圧段放気二方弁を有せず、高圧段放気二方弁１６のみを有する可変速型のオイルフリースクリュー圧縮機の消費動力の変化である。この従来のオイルフリースクリュー圧縮機は、低圧段圧縮機本体および高圧段圧縮機本体を備えており、各圧縮機本体はインバータ駆動のモータで運転されている。そして点gは、この従来型の回転速度制御法を適用したときの無負荷運転時の消費動力である。

図３中のＨ線は、上述した本発明に係る制御方法を適用した場合のオイルフリースクリュー圧縮機の消費動力特性である。吐出空気量比が100％〜50％までは、消費動力は吐出空気量比に比例して変化する。吐出空気量比が50％以下では、その変化は大流量時（100％〜50％）に比べて緩やかになるが、従来技術であるＦ線やＧ線よりも消費動力は少ない。しかも無負荷運転時の消費動力を示すｈ点は、明らかにｆ点やｇ点を下回っている。

ところで、オイルフリースクリュー圧縮機の消費動力は、空気を圧縮する動力と軸受等で発生する機械損失との和である。無負荷運転時においては、圧縮機本体の回転速度が全負荷運転時の約半分の回転速度に制御されているから、機械損失の割合が小さく、空気圧縮に必要な動力が大半である。本実施例では、無負荷運転時に低圧段圧縮機本体で圧縮された圧縮空気の一部を大気に放出しているので、高圧段圧縮機本体に供給される圧縮空気量が放気空気量だけ減少する。空気圧縮による消費動力は圧縮機本体が吸込む空気量にほぼ比例するから、低圧段圧縮機本体で圧縮された圧縮空気の50％を放出したとすると、高圧段圧縮機本体における空気圧縮による消費動力はほぼ半分となる。したがって、全負荷運転における空気圧縮による消費動力が低圧段圧縮機本体と高圧段圧縮機本体とでほぼ等しいときには、低圧段圧縮機本体で圧縮された圧縮空気の50％を放気すれば、低圧段圧縮機本体および高圧段圧縮機本体における空気圧縮による消費動力を25％低減することができることになる。

アンロード効率は２段圧縮機の方が一般的に高いので、２段圧縮機の無負荷時の消費動力は、単段圧縮機よりも相対的に小さくなる。そのため、従来の容量制御法における無負荷時の消費動力（ｆ点）と回転速度制御法における無負荷時の消費動力（ｇ点）とでは差が非常に少なくなる。一方、本実施例によれば、図３に示したように吐出空気量が少ないところでは、低圧段圧縮機で圧縮した圧縮空気を大気に放気して高圧段圧縮機の圧縮仕事を減らしているので、消費動力が低減される。なお、回転速度一定の低圧段圧縮機本体と高圧段圧縮機本体を有する２段オイルフリースクリュー圧縮機を吸い込み絞り弁を用いて容量制御すると、低圧段圧縮機本体から吐出される圧縮空気の圧力は負圧となるので、低圧段圧縮機本体で圧縮された圧縮空気を大気に放気することは困難である。

本発明の他の実施例を、図４および図５を用いて説明する。図４は本実施例に係るインバータ駆動オイルフリースクリュー圧縮機の全体構成図であり、図５は図４に示したオイルフリースクリュー圧縮機を回転速度を変えて運転したときの吐出圧力の変化を示す図である。本実施例が図１に示した実施例と異なる点は、低圧段圧縮機本体１の吸込口に吸込絞り弁３１を設けたこと、高圧段放気二方弁１６の代りに吸込絞り弁３１の開閉に連動する放気弁３２を設けたこと、および放気弁３２の２次側に放気サイレンサ３３を設けたことにある。

このように構成した本実施例では、利用側へ圧縮空気を供給する負荷運転時に制御装置１８は、圧力検出器１７が検出した吐出圧に基づいて得られた利用側の必要空気量をオイルフリー圧縮機が供給できるように、モータ４の回転速度をインバータ８に指令する。それとともに、吸込絞り弁３１を開けるように指示する。

利用側へ圧縮空気を供給しない無負荷運転時には、制御装置１８は吸込絞り弁３１を閉じるように指令するとともに、モータ４の回転速度が設定下限回転速度となるようにインバータ８に指令する。さらに、制御装置１８は放気弁３２を開けることも指令する。この無負荷運転時には、低圧段圧縮機本体１の回転速度は設定下限回転速度であるから低圧段圧縮機本体１が吸込む空気量が減少すると、吸込絞り弁３１の二次側である低圧段圧縮機本体１の吸込圧力が低下する。ところが、この吸込み絞り弁３１を共用化するため大形のもの、例えば22kWの２段圧縮機では100kW用のものを使用しているので、吸込み絞り弁３１を絞っても吸込み側圧力は極端には低下しない。その結果、吸込圧力に圧力比を乗じた値である低圧段圧縮機本体１の吐出圧力を、正圧にすることができる。そこで、低圧段放気二方弁２１を開けば、低圧段圧縮機本体１で圧縮された圧縮空気を大気に放気することができる。これにより、高圧段圧縮機本体２に供給する圧縮空気量を低減できる。なお、吸込み絞り弁３１を定格動力に応じたものとしたときには、低圧段圧縮機の吐出圧が負圧にならないように吸込み絞り弁を制御する。

利用側へ圧縮空気を少量だけ供給する低負荷時には、制御装置１８は、低圧段圧縮機本体１と高圧段圧縮機本体２の回転速度が下限値となるようにインバータ８に指令する。そして、上記の無負荷運転と負荷運転を繰り返すように、吸込み絞り弁３１と放気二方弁２１，３２とを制御装置１８が制御する。

図５に、本実施例におけるオイルフリースクリュー圧縮機の各部の圧力を示す。この図５では無負荷運転時を示している。横軸は定格回転速度に対する比である。低圧段圧縮機本体１の回転速度が定格のほぼ60％以下になると、低圧段圧縮機本体１から吐出される圧縮空気の圧力が大気圧を越えることがわかる。したがって、定格速度の50％に設定する無負荷運転では、低圧段圧縮機本体１で圧縮された圧縮空気を大気に放気できることがわかる。

１…低圧段圧縮機本体、２…高圧段圧縮機本体、４…モータ、８…インバータ、９…空気配管、１１…空気配管、１２…逆止弁、１６…高圧段放気二方弁、１７…圧力検出器、１８…制御装置、２１…低圧段放気二方弁、３１…吸込絞り弁、３２…放気弁。

Claims (7)

1. 低圧段圧縮機本体と高圧段圧縮機本体の回転速度とを変化させて利用側の消費空気量に応じた運転を行う圧縮機において、
   前記低圧段圧縮機本体を回転駆動するための電動機と、
   前記電動機の回転速度を変化させるためのインバータと、
   前記高圧段圧縮機本体の吐出側に設けられた第１放気手段と、
   前記インバータと前記第１放気手段を制御するための制御手段とを備え、
   前記制御手段は、
   消費空気量が最大空気量から予め定めた設定空気量の範囲では、前記低圧段圧縮機本体及び高圧段圧縮機本体の回転速度を変化させる負荷運転を行わせ、
   前記消費空気量がゼロの無負荷運転では低圧段圧縮機本体と高圧段圧縮機本体をそれぞれの圧縮機本体毎に予め定められた設定下限設定速度で運転させると共に前記第1放気手段から吐出側の圧縮空気を放気させ、
   消費空気量が設定空気量以下では、前記負荷運転と前記無負荷運転とを繰り返すように制御する
   ことを特徴とする回転速度可変形圧縮機。
2. 請求項１に記載の圧縮機であって、
   前記低圧段圧縮機本体の吸い込み側には、吸い込み絞り込み弁が設けられ、
   前記制御手段が、
   前記無負荷運転で、前記吸い込み絞り弁を絞る制御を更に行う圧縮機。
3. 請求項１又は２に記載の圧縮機であって、
   前記低圧段圧縮機本体と、前記高圧段圧縮機本体とを接続する配管の途中に、圧縮空気を放気するための第２放気手段を更に備え、
   前記制御手段が、
   前記無負荷運転で、前記第２放気手段から圧縮空気を更に放気する制御を行う圧縮機。
4. 請求項１〜３の何れか一項に記載の圧縮機であって、
   前記高圧段圧縮機本体の吐出し側に、圧縮空気を冷却するアフタークーラと、
   前記低圧段圧縮機本体の吐出し側と前記高圧段圧縮機本体の吸い込み側の間に、圧縮空気を冷却するインタークーラとを更に備える圧縮機。
5. 請求項１〜４の何れか一項に記載の圧縮機であって、
   前記低圧段縮機本体及び前記高圧段圧縮機本体がスクリュー圧縮機である圧縮機。
6. 請求項１〜５の何れか一項に記載の圧縮機であって、
   前記低圧段圧縮機本体及び前記高圧段圧縮機本体がオイルフリー圧縮機である圧縮機。
7. 請求項１〜６の何れか一項に記載の空気圧縮機であって、
   前記高圧段圧縮機の吐出側に、前記消費空気量を検出する圧力検出器を備え、前記制御手段が、前記圧力検出器の検出信号を受信する圧縮機。

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