JP2019132220A - スクリュー圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮空気を排出するまでの時間を短縮し、スクリューの回転の加速時間を短くすることが可能なスクリュー圧縮機を提供する。【解決手段】ケーシング３１と、ケーシング３１に収容された雄ロータ３２および雌ロータ３３と、インバータにより制御され、雄ロータ３２を回転させるＰＭモータ３４と、ケーシング３１内に空気を供給する吸込配管１３に設けられた吸気調整弁３５と、を有する圧縮機本体１１と、吸気調整弁３５の開閉を制御するコントローラ４と、を有する。ＰＭモータ３４のモータ軸は、雄ロータ３２に直結されており、コントローラ４は、雄ロータ３２の回転の加速中に吸気調整弁３５を開く。【選択図】図２

Description

本発明は、スクリュー圧縮機に関する。

特許文献１には、インバータの回転数信号により吸込側を制御するインバータ駆動スクリュー圧縮機が開示されている。インバータからの回転数信号によってスクリュー圧縮機の起動前に吸込側を閉じ、スクリュー圧縮機が通常の負荷起動の際の起動トルクのピーク値を通過して低い起動トルクの回転数に達したときに吸込側を開にする。これにより、スクリュー圧縮機の起動トルクを、通常の負荷起動の際の起動トルクおよび低負荷時の起動トルクを上回らないように制御することができる。

特許第３２６１４３０号明細書

ところで、スクリュー圧縮機が圧縮空気を排出（エア出し）するまでの時間が短いほど、機械としてのメリットは大きい。

しかし、スクリューを回転させるモータが誘導モータである場合、起動トルクが大きいため、エア出しを早い段階で行おうとすると、吸気調整弁の動作時の負荷変動で脱調する可能性がある。また、誘導モータは、「すべり」によってトルクが生じるため、スクリューの回転が安定する前に吸気調整弁を開くと、変動トルクが大きくなり、モータが出力できるトルクを超過して停止したり、脱調したりする可能性がある。したがって、誘導モータの場合、エア出しを早い段階で行うことが難しい。

特許文献１では、起動トルクがピーク値を通過して低い起動トルクの回転数に達したとき、即ち、負荷変動の許容量が増加したときに、吸気調整弁を開くことで、脱調を防止しているが、最低トルクとなる時点まで、エア出しを待たなければならない。

これに対して、ＰＭ（Permanent Magnet）モータは、モータの回転数とモータの実回転数とが同期しているため、常にモータの回転は安定している。しかし、モータとスクリューとの間に増速ギヤを介在させている場合、エア出しを早い段階で行おうとすると、ギヤ部のバックラッシ等による応答性の低下や、増速による速度分解能の低下（増速比６であれば、モータ側の分解能はスクリューの１／６となる）により、制御性が低下し、脱調する恐れがある。また、慣性が大きいギヤを加速する必要があり、スクリューの回転の加速時間を短くすることが難しい。

本発明の目的は、圧縮空気を排出するまでの時間を短縮し、スクリューの回転の加速時間を短くすることが可能なスクリュー圧縮機を提供することである。

本発明は、ケーシングと、前記ケーシングに収容された雄ロータおよび雌ロータと、インバータにより制御され、前記雄ロータを回転させる同期モータと、前記ケーシング内に空気を供給する供給路に設けられた吸気調整弁と、を有する圧縮機本体と、前記吸気調整弁の開閉を制御する制御手段と、を有し、前記同期モータのモータ軸は、前記雄ロータに直結されており、前記制御手段は、前記雄ロータの回転の加速中に前記吸気調整弁を開くことを特徴とする。

本発明によれば、同期モータのモータ軸を雄ロータに直結し、雄ロータの回転の加速中に吸気調整弁を開く。同期モータと雄ロータとの間に増速ギヤを介在させないことで、増速ギヤを介在させた場合と比べて、同期モータの応答性が悪化しない。よって、同期モータの回転数と雄ロータの回転数とが同じであると考えることができて、応答良くこれらの回転数を制御することができる。これにより、雄ロータの回転の加速中に吸気調整弁を開いても、脱調が発生しにくいので、雄ロータの回転の加速中のどの時点においても、吸気調整弁の動作が可能となる。よって、雄ロータの回転の加速中に吸気調整弁を開くことで、圧縮空気を排出するまでの時間を短縮することができる。また、同期モータと雄ロータとの間に増速ギヤが介在する場合、吸気調整弁を開いた後の負荷状態では、雄ロータの回転の加速に使えるトルクが減少するため、無負荷時と比較して、雄ロータの回転の加速時間が長くなることが想定される。これに対して、同期モータのモータ軸を雄ロータに直結した場合、ギヤの慣性が無いため、回転系の慣性が小さく、急加速、急減速が可能となる。これにより、加速トルクを増大させ、雄ロータの回転の加速時間を短くすることができる。

スクリュー圧縮機の構成図である。 １段目圧縮機本体の構成図である。 雄ロータの回転数とトルクとの関係を示す図である。 雄ロータの回転数とトルクとの関係を示す図である。 本体ユニットの回路図である。 雄ロータの回転の加速時間とトルクとの関係を示す図である １段目圧縮機本体および２段目圧縮機本体の加速時間を示す図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

（スクリュー圧縮機の構成）
本実施形態によるスクリュー圧縮機は、空気を圧縮するものである。スクリュー圧縮機１は、例えば、オイルフリー圧縮機であり、構成図である図１に示すように、本体ユニット２と、熱回収ユニット３と、を有している。

本体ユニット２は、１段目圧縮機本体１１と、２段目圧縮機本体１２と、をそれぞれ圧縮機本体として有している。１段目圧縮機本体１１には、吸込配管１３が接続されている。１段目圧縮機本体１１と２段目圧縮機本体１２とは、中間配管１４で接続されている。２段目圧縮機本体１２には、吐出配管１５が接続されている。

吸込配管１３は、吸込フィルタ１６を介して外部の空気を１段目圧縮機本体１１内に導入する。中間配管１４は、１段目圧縮機本体１１で圧縮された空気を２段目圧縮機本体１２内に導入する。吐出配管１５は、２段目圧縮機本体１２で圧縮された空気を外部に導出する。

熱回収ユニット３は、インタークーラ１７と、アフタークーラ１８と、オイルクーラ１９と、熱交換器２０と、を有している。

インタークーラ１７は、中間配管１４に設けられ、１段目圧縮機本体１１で圧縮された空気を冷却水で冷却する。アフタークーラ１８は、吐出配管１５に設けられ、２段目圧縮機本体１２で圧縮された空気を冷却水で冷却する。

オイルクーラ１９は、１段目圧縮機本体１１および２段目圧縮機本体１２で使用された潤滑油を冷却水で冷却する。熱交換器２０は、インタークーラ１７、アフタークーラ１８、オイルクーラ１９の順に流れた冷却水から熱を回収する。

吐出配管１５の下流には、圧縮空気の逆流を防止するための逆止弁２１が設けられている。また、吐出配管１５からは、放風弁２２が設けられた放風配管２３が分岐している。スクリュー圧縮機１の負荷運転時に、後述する吸気調整弁が全開されるとともに、放風弁２２が閉塞される。一方、スクリュー圧縮機１の無負荷運転時に、吸気調整弁が閉塞されると、圧力スイッチによって放風弁２２が開けられ、圧縮機本体の圧力が調整される。

（圧縮機本体の構成）
次に、１段目圧縮機本体１１の構成について説明する。なお、２段目圧縮機本体１２は、後述する吸気調整弁を除いて、１段目圧縮機本体１１と構成が同じであるため、その説明を省略する。

１段目圧縮機本体１１は、構成図である図２に示すように、ケーシング３１と、雄ロータ３２および雌ロータ３３と、ＰＭモータ（同期モータ）３４と、吸気調整弁３５と、を有している。

雄ロータ３２および雌ロータ３３は、ケーシング３１に収容されている。ＰＭモータ３４は、インバータ（図示せず）により制御され、雄ロータ３２を回転させる。これにより、雌ロータ３３が回転する。ここで、ＰＭモータとは、ＩＰＭ(Interior Permanent Magnet)モータ、および、ＳＰＭ(Surface Permanent Magnet)モータの総称である。ＩＰＭモータは、ロータの内部に磁石を埋め込んだ構造の同期モータである。ＳＰＭモータは、ロータの表面に磁石を貼り付けた構造の同期モータである。なお、ＰＭモータ３４以外の同期モータを用いてもよい。

本実施形態において、ＰＭモータ３４のモータ軸は、雄ロータ３２に直結されている。即ち、ＰＭモータ３４と雄ロータ３２との間に、増速ギヤが介在していない。

吸気調整弁３５は、ケーシング３１内に空気を供給する吸込配管（供給路）１３に設けられている。

また、スクリュー圧縮機１は、吸気調整弁３５の開閉を制御するコントローラ（制御手段）４を有している。

コントローラ４は、雄ロータ３２の回転の加速中に吸気調整弁３５を開く。さらに、コントローラ４は、雄ロータ３２の回転数が下限値のときに、吸気調整弁３５を開く。雄ロータ３２の回転数の下限値は、例えばモータの制御性や、スクリュー内の戻り空気による温度上昇などによって決定される。

本実施形態では、ＰＭモータ３４のモータ軸を雄ロータ３２に直結し、ＰＭモータ３４と雄ロータ３２との間に増速ギヤを介在させない。これにより、増速ギヤを介在させた場合と比べて、ＰＭモータ３４の応答性が悪化しない。よって、ＰＭモータ３４の回転数と雄ロータ３２の回転数とが同じであると考えることができて、応答良くこれらの回転数を制御することができる。これにより、雄ロータ３２の回転の加速中に吸気調整弁３５を開いても、脱調が発生しにくいので、雄ロータ３２の回転の加速中のどの時点においても、吸気調整弁３５の動作が可能となる。よって、雄ロータ３２の回転の加速中に吸気調整弁３５を開くことで、圧縮空気を排出するまでの時間を短縮することができる。

また、雄ロータ３２の回転数が下限値のときに、吸気調整弁３５を開くことで、圧縮空気を排出するまでの時間を十分に短縮することができる。

雄ロータ３２の回転数とトルクとの関係を示す図である図３を用いて、吸気調整弁３５を開くタイミングについて説明する。

インバータ制御でなく、誘導モータで雄ロータ３２を回転させる場合、雄ロータ３２の回転が安定する前に吸気調整弁３５を開くと、変動トルクが大きくなり、モータが出力できるトルクを超過して停止したり、脱調したりする可能性がある。よって、誘導モータの場合、雄ロータ３２の回転が安定するまで、圧縮空気の排出（エア出し）を待たなければならない。

一方、本実施形態の場合、雄ロータ３２の回転数が下限値のときに、吸気調整弁３５を開くことで、圧縮空気を排出するまでの時間を十分に短縮することができる。

また、ＰＭモータ３４と雄ロータ３２との間に増速ギヤが介在する場合、吸気調整弁３５を開いた後の負荷状態では、雄ロータ３２の回転の加速に使えるトルクが減少するため、無負荷時と比較して、雄ロータ３２の回転の加速時間が長くなることが想定される。これに対して、ＰＭモータ３４のモータ軸を雄ロータ３２に直結した場合、ギヤの慣性が無いため、回転系の慣性が小さくなる。これにより、加速トルクを増大させ、雄ロータ３２の回転の加速時間を短くすることができる。

雄ロータ３２の回転数とトルクとの関係を示す図である図４を用いて、雄ロータ３２の回転の加速時間について説明する。

ＰＭモータ３４と雄ロータ３２との間に増速ギヤが介在する場合、雄ロータ３２の回転の加速中に吸気調整弁３５を開き、且つ、吸気調整弁３５を閉じたままの場合と同じ加速時間で加速しようとすると、空気を圧縮しながら加速を行うことになり、必要な加速トルクが増大する。よって、雄ロータ３２の回転の加速時間を長くしたり、モータを大きくしたりする必要がある。

一方、本実施形態の場合、ギヤの慣性が無いため、空気を圧縮するために必要なトルクを減少させることができる。これにより、加速トルクを増大させ、雄ロータ３２の回転の加速時間を短くすることができる。

本体ユニット２の回路図である図５に示すように、コントローラ４は、１段目圧縮機本体１１のインバータ３６と、２段目圧縮機本体１２のインバータ３６と、をそれぞれ制御している。各インバータ３６とコントローラ４との間での通信には、数十μｓｅｃの時間が必要である。

インバータ３６は、ＰＭモータ３４を制御することで、所定の加速時間をかけて雄ロータ３２を加速させる。ＰＭモータ３４には、ＰＭモータ３４の回転数を検知する回転数センサ３７が設けられている。回転数センサ３７が検知した回転数は、インバータ３６に入力される。なお、回転数センサ３７を設けず、センサレス制御としてもよい。

ここで、本実施形態では、１段目圧縮機本体１１のインバータ３６と、２段目圧縮機本体１２のインバータ３６との間で、ＰＭモータ３４の回転数および電流値を相互に通信している。この通信に要する時間は、数μｓｅｃである。

インバータ３６は、所定の加速時間をかけて雄ロータ３２を加速させている最中に、ＰＭモータ３４の回転数およびトルクを計測する。ここで、トルクは、ＰＭモータ３４の電流値から算出する。そして、インバータ３６は、他のインバータ３６との間で相互通信を行い、所定の加速時間が経過する前に、いずれか１つのＰＭモータ３４のトルクが最大値に達した場合に、このＰＭモータ３４に追随するように、他のＰＭモータ３４の回転数を変更する。

ＰＭモータ３４は、最大値（通常は定格値）以上のトルクが出せないため、トルクが最大値に達すると、これ以上加速できなくなる。所定の加速時間が経過する前に、複数のＰＭモータ３４のいずれかのトルクが最大値に達して、加速できなくなると、他のＰＭモータ３４との回転数比が崩れ、複数の圧縮機本体１１，１２間で圧縮比が変化し、吐出温度上昇などの故障に繋がる。そこで、トルクが最大値に達したＰＭモータ３４に追随するように、他のＰＭモータ３４の回転数を変更する。これにより、複数の圧縮機本体１１，１２間で圧縮比が変化するのを抑制することができる。

また、各圧縮機本体１１，１２のインバータ３６間で、ＰＭモータ３４の回転数および電流値を相互に通信する。これにより、通信速度を短くすることができるので、通信によるタイムラグを低減させることができる。

雄ロータ３２の回転の加速時間とトルクとの関係を示す図である図６を用いて、雄ロータ３２の回転の加速時間について説明する。

所定の加速時間をかけて雄ロータ３２を加速させていくとき、トルクと速度とは、図中の従来トルクと従来速度のようになる。ここで、いずれかのＰＭモータ３４のトルクが最大値に達して、加速できなくなると、他のＰＭモータ３４との回転数比が崩れる。そこで、トルクが最大値に達したＰＭモータ３４に追随するように、他のＰＭモータ３４の回転数を変更する。具体的には、他のＰＭモータ３４の回転数を増加させることで、加速時間を短縮する。これにより、複数の圧縮機本体１１，１２間で圧縮比が変化するのを抑制することができる。

また、コントローラ４は、圧縮比に応じて、各ＰＭモータ３４の回転数を決定する。ここで、圧縮比とは、吸込配管１３内の空気の圧力と、吐出配管１５内の空気の圧力との比である。

設計にもよるが、一般に、スクリュー圧縮機１の圧縮比は約３が上限である。雄ロータ３２の回転の加速時間は、負荷により変化する場合があり、この場合には、他のＰＭモータ３４との回転数比が崩れ、スクリュー圧縮機１の圧縮比が変わる。また、雄ロータ３２の回転の加速時間を短くした場合、スクリュー圧縮機１の圧縮比が崩れる時間も短くなる。そこで、圧縮比に応じて、各ＰＭモータ３４の回転数を決定する。

例えば、１段目圧縮機本体１１および２段目圧縮機本体１２の加速時間を示す図である図７に示すように、１段目圧縮機本体１１において負荷が増大し、１段目圧縮機本体１１の加速時間が長くなることで、２段目圧縮機本体１２の圧縮比が増大傾向にある場合には、２段目圧縮機本体１２の加速時間が長くなるように、２段目圧縮機本体１２のＰＭモータ３４の回転数を減少させる。これにより、２段目圧縮機本体１２の圧縮比が変化することによる、吐出温度の上昇などの故障を抑制することができる。

（効果）
以上に述べたように、本実施形態に係るスクリュー圧縮機１によると、ＰＭモータ３４のモータ軸を雄ロータ３２に直結し、雄ロータ３２の回転の加速中に吸気調整弁３５を開く。ＰＭモータ３４と雄ロータ３２との間に増速ギヤを介在させないことで、増速ギヤを介在させた場合と比べて、ＰＭモータ３４の応答性が悪化しない。よって、ＰＭモータ３４の回転数と雄ロータ３２の回転数とが同じであると考えることができて、応答良くこれらの回転数を制御することができる。これにより、雄ロータ３２の回転の加速中に吸気調整弁３５を開いても、脱調が発生しにくいので、雄ロータ３２の回転の加速中のどの時点においても、吸気調整弁３５の動作が可能となる。よって、雄ロータ３２の回転の加速中に吸気調整弁３５を開くことで、圧縮空気を排出するまでの時間を短縮することができる。また、ＰＭモータ３４と雄ロータ３２との間に増速ギヤが介在する場合、吸気調整弁３５を開いた後の負荷状態では、雄ロータ３２の回転の加速に使えるトルクが減少するため、無負荷時と比較して、雄ロータ３２の回転の加速時間が長くなることが想定される。これに対して、ＰＭモータ３４のモータ軸を雄ロータ３２に直結した場合、ギヤの慣性が無いため、回転系の慣性が小さく、急加速、急減速が可能となる。これにより、加速トルクを増大させ、雄ロータ３２の回転の加速時間を短くすることができる。

また、雄ロータ３２の回転数が下限値のときに、吸気調整弁３５を開く。これにより、圧縮空気を排出するまでの時間を十分に短縮することができる。

また、インバータ３６は、所定の加速時間をかけて雄ロータ３２を加速させている最中に、ＰＭモータ３４の回転数およびトルクを計測し、所定の加速時間が経過する前に、いずれか１つのＰＭモータ３４のトルクが最大値に達した場合に、このＰＭモータ３４に追随するように、他のＰＭモータ３４の回転数を変更する。ＰＭモータ３４は、最大値（通常は定格値）以上のトルクが出せないため、トルクが最大値に達すると、これ以上加速できなくなる。所定の加速時間が経過する前に、複数のＰＭモータ３４のいずれかのトルクが最大値に達して、加速できなくなると、他のＰＭモータ３４との回転数比が崩れ、スクリュー圧縮機１の圧縮比が変わり、吐出温度の上昇などの故障に繋がる。そこで、トルクが最大値に達したＰＭモータ３４に追随して、加速時間が短くなるように、他のＰＭモータ３４の回転数を変更する。これにより、スクリュー圧縮機１の圧縮比が変わるのを抑制することができるので、故障を抑制することができる。

また、各圧縮機本体１１，１２のインバータ３６間で、ＰＭモータ３４の回転数および電流値を相互に通信する。これにより、通信速度を短くすることができるので、通信によるタイムラグを低減させることができる。

また、圧縮比に応じて、各ＰＭモータ３４の回転数を決定する。設計にもよるが、一般に、スクリュー圧縮機１の圧縮比は約３が上限である。雄ロータ３２の回転の加速時間は、負荷により変化する場合があり、この場合には、他のＰＭモータ３４との回転数比が崩れ、スクリュー圧縮機１の圧縮比が変わる。また、雄ロータ３２の回転の加速時間を短くした場合、スクリュー圧縮機１の圧縮比が崩れる時間も短くなる。そこで、圧縮比に応じて、各ＰＭモータ３４の回転数を決定する。例えば、１段目圧縮機本体１１の加速時間が長くなることで、２段目圧縮機本体１２の圧縮比が増大傾向にある場合には、２段目圧縮機本体１２の加速時間が長くなるように、２段目圧縮機本体１２のＰＭモータ３４の回転数を減少させる。これにより、２段目圧縮機本体１２の圧縮比が変化することによる、吐出温度の上昇などの故障を抑制することができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、具体例を例示したに過ぎず、特に本発明を限定するものではなく、具体的構成などは、適宜設計変更可能である。また、発明の実施の形態に記載された、作用及び効果は、本発明から生じる最も好適な作用及び効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用及び効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

１ スクリュー圧縮機
２ 本体ユニット
３ 熱回収ユニット
４ コントローラ（制御手段）
１１ １段目圧縮機本体（圧縮機本体）
１２ ２段目圧縮機本体（圧縮機本体）
１３ 吸込配管（供給路）
１４ 中間配管
１５ 吐出配管
１６ 吸込フィルタ
１７ インタークーラ
１８ アフタークーラ
１９ オイルクーラ
２０ 熱交換器
２１ 逆止弁
２２ 放風弁
２３ 放風配管
３１ ケーシング
３２ 雄ロータ
３３ 雌ロータ
３４ ＰＭモータ（同期モータ）
３５ 吸気調整弁
３６ インバータ
３７ 回転数センサ

Claims (5)

1. ケーシングと、
   前記ケーシングに収容された雄ロータおよび雌ロータと、
   インバータにより制御され、前記雄ロータを回転させる同期モータと、
   前記ケーシング内に空気を供給する供給路に設けられた吸気調整弁と、
   を有する圧縮機本体と、
   前記吸気調整弁の開閉を制御する制御手段と、
   を有し、
   前記同期モータのモータ軸は、前記雄ロータに直結されており、
   前記制御手段は、前記雄ロータの回転の加速中に前記吸気調整弁を開くことを特徴とするスクリュー圧縮機。
2. 前記制御手段は、前記雄ロータの回転数が下限値のときに、前記吸気調整弁を開く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. 前記圧縮機本体を複数有し、
   前記インバータは、所定の加速時間をかけて前記雄ロータを加速させている最中に、前記同期モータの回転数およびトルクを計測し、前記所定の加速時間が経過する前に、いずれか１つの前記同期モータのトルクが最大値に達した場合に、この同期モータに追随するように、他の前記同期モータの回転数を変更することを特徴とする請求項１又は２に記載のスクリュー圧縮機。
4. 各圧縮機本体の前記インバータ間で、前記同期モータの回転数および電流値を相互に通信することを特徴とする請求項３に記載のスクリュー圧縮機。
5. 前記制御手段は、圧縮比に応じて、各同期モータの回転数を決定することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のスクリュー圧縮機。

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