JP2014020332A - 空気圧縮機の性能評価システムおよび性能評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】空気流量計が不要で、空気タンクの温度測定も不要である省コストな空気圧縮機の性能評価システムを提供する。
【解決手段】空気圧縮機１に入口側バルブ２を介し接続され、空気圧縮機１から圧縮空気が充気される容積が既知の空気タンク３と、空気タンク３内の圧力を計測する圧力計５と、時刻を計測する時間計測手段とを備え、圧力計５により計測された空気タンク３内の充気前の圧力と、空気圧縮機１の運転により空気タンク３内が目標圧力に到達し入口側バルブ２を閉じて圧力低下が収束した後の空気タンク３内の充気後圧力と、空気圧縮機１の運転開始時刻と、空気タンク３が目標圧力に達して入口側バルブ２を閉じた時の終了時刻とに基づいて、空気圧縮機１の吐出流量を算出して、空気圧縮機１の性能を評価する評価部９を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気圧縮機の性能評価システムおよび性能評価方法に関するものである。

空気圧縮機はメーカー出荷時に計測による性能評価が行われるものの、一旦、工場などの現場に設置して空気圧縮機が運転状態に入ると、継続的な性能評価試験が行われることは少ない。
しかしながら、近年、省エネルギーの重要性が強調されており、空気圧縮機の性能が低下していないか否か、という観点から、継続的な性能評価が望まれている。
従来の空気圧縮機の性能評価方法としては、以下の非特許文献に示される方法があり、これは、空気圧縮機に接続された空気タンクに充気する際の圧力変化，充気時間および空気タンク内の温度変化を計測して、空気圧縮機の吐出能力を算出し、空気圧縮機の性能を評価するものであった。

ＪＩＳ Ｂ８３４１ 容積形圧縮機−試験及び検査方法 附属書ＪＡ （規定）空気タンク充てん用圧縮機及び軸動力１１ｋＷ以下の小型圧縮機の試験方法 ＪＡ．３．１．４ 空気タンク充てん試験による平均吐出し空気量及び吐出し空気量

上記非特許文献１に開示されている空気圧縮機の性能評価方法においては、空気圧縮機に接続された空気タンク内の平均温度を正確に測定する必要がある。
しかし、空気タンク内の温度計測は、温度変化に対する応答速度や、空気タンク内に温度分布が発生することなどにより、平均温度を正確に測定することが困難であり、工場などの現場に設置後の計測には不向きであった。
また、別の空気圧縮機の性能評価方法として、空気流量計を設置して、空気圧縮機の吐出流量を空気流量計で計測する方法もある。しかし、この方法では空気流量計を設置する必要があり、空気流量計は高価で、また耐久性に乏しいものであるため、採用は困難なものであった。

本発明は、空気流量計を必要とせず、また、空気タンク内の温度計測が不要で、省コストで空気圧縮機の性能評価が可能な、空気圧縮機の性能評価システムおよび性能評価方法の提供を目的とし、この目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
本発明は、使用現場に設置された空気圧縮機から吐出される圧縮空気の吐出流量を求めて、該空気圧縮機の劣化の状況を評価する性能評価システムであって、
前記空気圧縮機に入口側バルブを介し接続され、該空気圧縮機からの圧縮空気が充気される容積が既知の空気タンクと、
前記空気タンク内の圧力を計測する圧力計測手段と、
前記空気タンク出口に設けられた出口側バルブと
時刻を計測する時間計測手段と、
前記圧力計測手段により計測された前記空気圧縮機運転前の前記空気タンク内の充気前圧力と、前記圧力計測手段により計測された前記空気圧縮機の運転により前記空気タンク内が目標圧力に到達した時に前記入口側バルブを閉じた状態において圧力低下が収束した後の前記空気タンク内の充気後圧力と、前記時間計測手段により計測された前記空気圧縮機の運転開始時の開始時刻と、前記時間計測手段により計測された前記空気タンクが目標圧力に達し前記入口側バルブを閉じた時の終了時刻とに基づいて、前記使用現場に設置した空気圧縮機の吐出流量を算出して該空気圧縮機の性能を評価する評価手段と
を備えたことを要旨とする。

本発明の空気圧縮機の性能評価システムでは、容積が既知の空気タンクの充気前圧力および充気後圧力と、空気タンクへの充気開始および充気終了の時刻を計測し、空気タンクを加圧する際の圧力変化と所定時間により、空気圧縮機から吐出される圧縮空気の流量を算出して空気圧縮機の吐出性能を評価することができ、一般的に空気圧縮機に付帯設備として備えられている空気タンク，圧力計，バルブなどの既存設備を用いて、空気圧縮機の吐出流量を算出することが可能であり、高価な空気流量計を設置する必要がなく、省コストの性能評価システムとすることができ、算出された空気圧縮機の吐出流量と定格値との比較等で空気圧縮機の劣化の状況を把握することができ、空気圧縮機のメンテナンスを適正な時期に行うことが可能で、省エネルギー，省コストが実現されるものである。

また、本発明の空気圧縮機の性能評価システムにおいて、前記空気圧縮機の吐出流量を以下の計算式で算出することができる。
Ｇ＝（Ｖ_１＋Ｖ_２）×（Ｐ_１−Ｐ_０）／０．１０１３×６０／（ｔ_１−ｔ_０）［ｍ^３／ｍｉｎ］
Ｇ［ｍ^３／ｍｉｎ］：吸込状態に換算した平均吐出流量
Ｖ_１［ｍ^３］：空気タンク入口側バルブから空気タンク出口側バルブまでの間の容積
Ｖ_２［ｍ^３］：空気圧縮機出口から空気タンク入口側バルブまでの間の容積
Ｐ_０［ＭＰａ］：充気前空気タンク内圧力
Ｐ_１［ＭＰａ］：充気後空気タンク内圧力
ｔ_０［ｓｅｃ］：充気開始時刻
ｔ_１［ｓｅｃ］：充気終了時刻
性能評価システムの評価手段は、この計算式を用いて、計測された空気タンクの充気前圧力および充気後圧力と、空気タンクへの充気開始および充気終了の時刻より、空気圧縮機の吐出流量を算出し、空気圧縮機の性能評価を精度良く行うことができる。

また、本発明の空気圧縮機の性能評価方法は、
（ａ）入口側と出口側にそれぞれバルブが設けられて空気圧縮機に接続された容積既知の空気タンクに対し、出口側のバルブを閉じた状態で該空気タンク内の圧力を計測し、
（ｂ）前記空気圧縮機を運転して圧縮空気を前記空気タンクに充気し該空気タンクの加圧を開始するとともに、計時を開始し、
（ｃ）前記空気タンク内の圧力が目標圧力に到達した時点で前記入口側のバルブを閉じて、計時を終了し、前記空気圧縮機を停止して、
（ｄ）前記空気タンクの圧力低下が収束するまで待機した後、該空気タンク内の圧力を計測し、
（ｅ）前記（ａ）で計測した空気タンク内の充気前圧力と前記（ｄ）で計測した空気タンク内の充気後圧力とにより得られる圧力変化と、前記（ｂ）と前記（ｃ）の計時により得られる空気タンクへの充気にかかる所要時間とに基づいて、前記空気圧縮機の吐出流量を算出して該空気圧縮機の吐出能力を評価する
ことを要旨とする。

本発明の空気圧縮機の性能評価方法では、空気流量計が不要であり、また、空気タンクの温度計測が不要であり、空気圧縮機の付帯設備として備えられている既存の設備を用いて、空気圧縮機から吐出される圧縮空気の流量を、空気タンクを加圧する際の圧力変化と所要時間により算出して、空気圧縮機の吐出能力を精度良く評価することができ、省コストで空気圧縮機の劣化の状況を把握して、メンテナンス等を適正な時期に行うことが可能となる。

空気圧縮機の性能評価システムの概略構成図である。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。
図１は、空気圧縮機の性能評価システムの一例を示す概略構成図であり、このシステムは、空気圧縮機の既存の付帯設備を利用し、既存の制御システムに付加機能として組み込んで構成した場合を例示している。

工場等の現場に設置された空気圧縮機１には、入口側のバルブ２を介して空気タンク３が配管接続されており、この空気タンク３は容積が既知のものである。
この空気タンク３には、空気タンク３内の圧力を計測する圧力計５が設けられており、また、空気タンク３から現場の負荷設備へ連通する配管には出口側のバルブ４が設けられている。この空気タンク３，圧力計５，バルブ２，４は、空気圧縮機１の付帯設備として現場に備えられているものである。なお、空気圧縮機１から入口側のバルブ２に至る配管には、放気用バルブ１１を備えたサイレンサ１２，ドライヤ１３，フィルタ１４が設けられている。

また、空気圧縮機１を制御する制御部７を備えたコントロールパネル６が設けられており、このコントロールパネル６内に、空気圧縮機１の制御システムの付加機能として計測部８，評価部９，表示部１０が組み込まれている。
即ち、既存の設備を用い、空気圧縮機１の制御システムに付加機能として性能評価システムを組み込んで、省コストな空気圧縮機１の性能評価システムが実現されている。なお、高価な空気流量計は設置する必要がないために経済的なシステムとなっている。

このような性能評価システムにより空気圧縮機の性能評価を行う方法を以下に説明する。
なお、空気圧縮機の性能評価は、空気圧縮機１が停止した終業後や休日などに自動的に行うことができる。
性能評価を行う際には、空気タンク３から負荷設備側へ空気が流れないように制御部７を介して出口側のバルブ４が閉じられ、空気タンク３内の充気前の圧力が圧力計５で計測される。この圧力計５からの圧力検出信号はコントロールパネル６の計測部８に入力される。

次に、制御部７を介して空気圧縮機１を運転して、空気圧縮機１から圧縮空気を空気タンク３内に充気し、空気タンク３の加圧を開始する。この加圧開始時に、計測部８内に設けられている時間計測手段（タイマー）により計時を開始する。
空気タンク３内の圧力が予め定めておいた目標圧力に到達した時点で、入口側のバルブ２を閉じて、時間計測手段（タイマー）による計時を終了し、空気圧縮機１を停止する。
この状態で、空気タンク３の圧力低下が収束するまで待機し、圧力変化が収束した後に、圧力計５により空気タンク３内の圧力を計測し、圧力計５からの検出信号は、コントロールパネル６の計測部８に伝送され、空気タンク３内の充気後の圧力が計測される。
このように、計測部８において計測された計測データは、評価部９に送られる。

評価部９には、上記計測データに基づいて空気圧縮機１の性能を評価するための、以下の式１および性能評価プログラムが予め格納されている。
Ｇ＝（Ｖ_１＋Ｖ_２）×（Ｐ_１−Ｐ_０）／０．１０１３×６０／（ｔ_１−ｔ_０）［ｍ^３／ｍｉｎ］・・・式１
Ｇ［ｍ^３／ｍｉｎ］：吸込状態に換算した平均吐出流量
Ｖ_１［ｍ^３］：空気タンク入口側バルブ２から空気タンク出口側バルブ４までの間の容積
Ｖ_２［ｍ^３］：空気圧縮機１出口から空気タンク入口側バルブ２までの間の容積
Ｐ_０［ＭＰａ］：充気前空気タンク内圧力
Ｐ_１［ＭＰａ］：充気後空気タンク内圧力
ｔ_０［ｓｅｃ］：充気開始時刻
ｔ_１［ｓｅｃ］：充気終了時刻
この式１に基づき、評価部９内で空気圧縮機１の吐出流量が算出される。

なお、空気タンク３を充気すると内部の温度が上昇し、これを補正しないと吐出流量の計算結果に誤差が生ずることとなり、温度補正を行うためには温度計測が必要となるが、本例の性能評価システムにおいては、温度計測を行うことなく、誤差を排除するために、空気タンク３への充気後に入口側のバルブ２を閉じて空気タンク３を閉め切った状態にし、外部との熱交換によって空気タンク３の内部の温度が充気前の温度と等しくなるまで待機した後に、空気タンク３内の圧力を計測することで、温度変化による誤差を回避している。ここで、温度変化を把握する方法として、温度計を用いずに圧力計５を使用している。
具体的には、温度が変化している間は圧力が変化するため、圧力の変化が収束した後に、空気タンク３内の圧力を計測して、これにより空気圧縮機１の吐出流量を式１より算出する。

なお、空気圧縮機１の出口から空気タンク３の入口までの間の配管は容積を有し、ドライヤ１３やフィルタ１４等の付帯設備が設けられている場合は、それら付帯設備も内部に容積を有する。また、空気タンク３の出口から出口側のバルブ４までの配管についても同様に容積を有する。
そのため空気タンク入口側のバルブ２と空気タンク出口側のバルブ４の間の容積をＶ_１、空気圧縮機１から空気タンク入口側のバルブ２までの間の容積をＶ_２として前記式１が成立している。
ここで、容積Ｖ_１は既知である必要があるため、空気タンクの入口側バルブ２および出口側バルブ４はできる限り空気タンク３の直近に設置し、空気タンク３と各バルブ２，４との間に容積が不明なものが存在しないようにすることが望ましい。

容積Ｖ_２は、配管だけであれば内径と長さから容積を求めることができるが、ドライヤ１３やフィルタ１４などの内部容積については一般的には公開されておらず、把握することが困難である。
Ｖ_２が判明している場合はその値を用いれば良いが、次の手順でＶ_２を計測することも可能である。
（１）出口側バルブ４を閉じた空気タンク３を設定圧力まで充気し、入口側バルブ２を閉じる。
（２）空気圧縮機１を停止する。
（３）空気圧縮機１出口と空気タンク入口バルブ２の間に設けられた放気用バルブ１１を開放し、配管内の圧力を大気圧にする。大気圧となった後、放気放気用バルブ１１を閉じる。
（４）空気タンク３の圧力の変化が収束するまで待機し、圧力（Ｐ_０）を計測する。
（５）空気タンク入口側バルブ２を開ける。
（６）空気タンク３の圧力の変化が収束するまで待機し、圧力（Ｐ_１）を計測する。
（７）次式によりＶ_２を求める。
Ｖ_２=Ｖ_１×（Ｐ_０−Ｐ_１）／Ｐ_１［ｍ^３］

なお、空気圧縮機１の停止時間が長く、空気圧縮機１の温度が周囲温度と同程度である時に運転開始した際、吐出流量は運転開始直後より徐々に減少し、その後一定になる。即ち、空気圧縮機１の構造上、圧縮機部分の温度が高くなると、機器内部で圧縮中に高圧側から低圧側への漏れが発生し、吐出流量が減少する。
このような空気圧縮機１の温度による吐出流量の変化に対し、以下のような対策が考えられる。
対策案１：機器が充分温まる時間を設定し、その時間事前に空気圧縮機１を運転した後に計測を行う。
対策案２：機器内部の温度または空気の吐出温度を計測し、温度変化が収束してから計測を開始する。
対策案３：計測動作を連続して繰り返し行い、前回の計測結果と今回の計測結果の差がある一定の範囲内に収まるまで繰り返す。

空気圧縮機１の吐出流量を式１より算出した後、評価部９内の性能評価プログラムの実行により、空気圧縮機１のメーカー定格値との比較評価が行われ、空気圧縮機１の性能が評価される。評価部９で評価された性能は表示部１０に表示されるとともに上記計測データも表示される。なお、計測データおよび性能評価結果は、評価部９の図示していないメモリーに記録される。
上記性能評価を断続的に行うことにより、空気圧縮機１の劣化状況を把握することが可能となり、空気圧縮機１のメンテナンスを適正な時期に行うことが可能となる。

このように、本例の性能評価システムにおいては、空気タンク３を加圧する際の圧力変化と所要時間により空気圧縮機１の吐出能力（吐出流量）を求め、劣化の状況を把握できるものである。

なお、実施例では、空気圧縮機１の性能評価を自動化したものを例示しているが、これに限らず、空気圧縮機１の付帯設備としての空気タンク３，圧力計５，バルブ２，４を操作することで空気圧縮機１の吐出流量を求めて、空気圧縮機１の劣化の状況を評価することも可能である。

また、実施例では、空気圧縮機１台についての性能評価を行っているが、１台の空気タンク３に対して空気圧縮機１が複数台並列に設置されている場合でも、１台ずつ順次試験を行うことで、何れの空気圧縮機１についても吐出流量を求めることができ、性能評価を行えるものである。

１ 空気圧縮機
２ 入口側のバルブ
３ 空気タンク
４ 出口側のバルブ
５ 圧力計
６ コントロールパネル
７ 制御部
８ 計測部
９ 評価部
１０ 表示部

Claims (3)

1. 使用現場に設置された空気圧縮機から吐出される圧縮空気の吐出流量を求めて、該空気圧縮機の劣化の状況を評価する性能評価システムであって、
   前記空気圧縮機に入口側バルブを介し接続され、該空気圧縮機からの圧縮空気が充気される容積が既知の空気タンクと、
   前記空気タンク内の圧力を計測する圧力計測手段と、
   前記空気タンク出口に設けられた出口側バルブと
   時刻を計測する時間計測手段と、
   前記圧力計測手段により計測された前記空気圧縮機運転前の前記空気タンク内の充気前圧力と、前記圧力計測手段により計測された前記空気圧縮機の運転により前記空気タンク内が目標圧力に到達した時に前記入口側バルブを閉じた状態において圧力低下が収束した後の前記空気タンク内の充気後圧力と、前記時間計測手段により計測された前記空気圧縮機の運転開始時の開始時刻と、前記時間計測手段により計測された前記空気タンクが目標圧力に達し前記入口側バルブを閉じた時の終了時刻とに基づいて、前記使用現場に設置した空気圧縮機の吐出流量を算出して該空気圧縮機の性能を評価する評価手段と
   を備えたことを特徴とする空気圧縮機の性能評価システム。
2. 前記空気圧縮機の吐出流量を算出する計算式が以下の式である請求項１に記載の空気圧縮機の性能評価システム。
   Ｇ＝（Ｖ_１＋Ｖ_２）×（Ｐ_１−Ｐ_０）／０．１０１３×６０／（ｔ_１−ｔ_０）［ｍ^３／ｍｉｎ］
   Ｇ［ｍ^３／ｍｉｎ］：吸込状態に換算した平均吐出流量
   Ｖ_１［ｍ^３］：空気タンク入口側バルブから空気タンク出口側バルブまでの間の容積
   Ｖ_２［ｍ^３］：空気圧縮機出口から空気タンク入口側バルブまでの間の容積
   Ｐ_０［ＭＰａ］：充気前空気タンク内圧力
   Ｐ_１［ＭＰａ］：充気後空気タンク内圧力
   ｔ_０［ｓｅｃ］：充気開始時刻
   ｔ_１［ｓｅｃ］：充気終了時刻
3. （ａ）入口側と出口側にそれぞれバルブが設けられて空気圧縮機に接続された容積既知の空気タンクに対し、出口側のバルブを閉じた状態で該空気タンク内の圧力を計測し、
   （ｂ）前記空気圧縮機を運転して圧縮空気を前記空気タンクに充気し該空気タンクの加圧を開始するとともに、計時を開始し、
   （ｃ）前記空気タンク内の圧力が目標圧力に到達した時点で前記入口側のバルブを閉じて、計時を終了し、前記空気圧縮機を停止して、
   （ｄ）前記空気タンクの圧力低下が収束するまで待機した後、該空気タンク内の圧力を計測し、
   （ｅ）前記（ａ）で計測した空気タンク内の充気前圧力と前記（ｄ）で計測した空気タンク内の充気後圧力とにより得られる圧力変化と、前記（ｂ）と前記（ｃ）の計時により得られる空気タンクへの充気にかかる所要時間とに基づいて、前記空気圧縮機の吐出流量を算出して該空気圧縮機の吐出能力を評価する
   ことを特徴とする空気圧縮機の性能評価方法。

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