JP2020067028A - 圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】吸込流路内の圧力の変動に対する応答性を高めつつ、消費電力を低減する。【解決手段】圧縮機（ガス圧縮機１）は、ケーシングに固有の内部容積比を持つ容積型の圧縮機本体１０と、圧縮機本体１０に流体を流入させる吸込流路３０と圧縮機本体１０から流体を流出させる吐出流路３２とを連通させる吐出バイパス流路４０と、吐出バイパス流路４０に設けられる吐出バイパス弁４２と、圧縮機本体１０内の流体を吐出流路３２を介さずに吸込流路３０に還流させるエコノバイパス流路５０と、エコノバイパス流路５０に設けられるエコノバイパス弁５２と、吐出流路３２の流体の圧力に基づいて吐出バイパス弁４２の閉度およびエコノバイパス弁５２の閉度を調整する圧力調整部７２と、圧力調整部７２の調整結果に基づいて目標回転数を導出する回転数制御部７４と、目標回転数に従って圧縮機本体１０を駆動するモータ２０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、ケーシングに固有の内部容積比を持つ容積型の圧縮機能を有する圧縮機に関する。

特許文献１には、ガスタービンに供給する都市ガスなどのガスの圧力を調整するガス圧縮機が例示されている。このガス圧縮機は、圧縮機本体内のガス圧縮空間部を、流量調整弁（所謂、エコノバイパス弁）を介して吸込口に連通させるバイパス流路（所謂、エコノバイパス）と、吐出流路内のガスの圧力を一定の範囲内に保つように流量調整弁の開度を調整する圧力調整計とを備える。かかる技術によれば、急激な容量制御が可能となる。

特開平１０−２７４１８０号公報

ガス圧縮機の吸込流路は、都市ガスなどのガスが通る導管に接続される。導管内のガス（都市ガス）の圧力は、需要や外気温などによって変動する。これにより、ガス圧縮機の吸込流路内のガスの圧力も、導管内のガスの圧力の変動にしたがって変動する。

ガス圧縮機には、スクリュ式などのケーシングに固有の内部容積比を持つ容積型圧縮機がある。容積型圧縮機のうち高い内部容積比が選定される容積型圧縮機では、吸込流路内のガスの圧力が相対的に高い場合、吸込流路内のガスの圧力が相対的に低い場合に比べ、軸動力が大きくなる。つまり、このような容積型圧縮機では、吸込流路内のガスの圧力が高くなるほど、圧縮機本体を駆動するモータにおいて消費される消費電力が大きくなる。

本発明は、このような課題に鑑み、吸込流路内の圧力の変動に対する応答性を高めつつ、消費電力を低減することが可能なガス圧縮機を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の圧縮機は、ケーシングに固有の内部容積比を持つ容積型の圧縮機本体と、圧縮機本体に流体を流入させる吸込流路と圧縮機本体から流体を流出させる吐出流路とを連通させる吐出バイパス流路と、吐出バイパス流路に設けられる吐出バイパス弁と、圧縮機本体内の流体を吐出流路を介さずに吸込流路に還流させるエコノバイパス流路と、エコノバイパス流路に設けられるエコノバイパス弁と、吐出流路の流体の圧力に基づいて、吐出バイパス弁の閉度およびエコノバイパス弁の閉度を調整する圧力調整部と、圧力調整部の調整結果に基づいて目標回転数を導出する回転数制御部と、目標回転数にしたがって圧縮機本体を駆動するモータと、を備える。

また、回転数制御部は、圧力調整計の調整結果が、吐出バイパス弁の閉度が全閉であり、かつ、エコノバイパス弁の閉度が全閉以外の所定の閉度となるように目標回転数を導出してもよい。

また、回転数制御部は、吐出流路から吐出された流体を消費する装置の出力が定格出力となるモータの回転数に所定割合を乗じた回転数である第１下限値を、吸込流路の流体の圧力に基づいて導出し、目標回転数を第１下限値以上にしてもよい。

また、回転数制御部には、モータの軸トルクが定格軸トルクとなるモータの回転数である第２下限値が設定されおり、回転数制御部は、目標回転数を第２下限値以上にしてもよい。

また、回転数制御部には、モータの危険速度を含む所定回転数範囲が設定されており、回転数制御部は、目標回転数を所定回転数範囲外の回転数としてもよい。

また、回転数制御部におけるモータの回転数制御の制御周期は、圧力調整部における吐出バイパス弁およびエコノバイパス弁の開閉制御の制御周期よりも長くてもよい。

本発明によれば、吸込流路および吐出流路内の圧力の変動に対する応答性を高めつつ、消費電力を低減することが可能となる。

本実施形態によるガス圧縮機の構成を示す概略図である。 ＭＶ値について説明する説明図である。 第２下限値を説明する説明図である。 圧力調整部の動作を説明するフローチャートである。 回転数制御部の動作を説明するフローチャートである。 効果を説明する説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、本実施形態によるガス圧縮機１の構成を示す概略図である。図１では、信号の流れを破線の矢印で示し、流体としてのガスの流れの方向を一点鎖線の矢印で示している。以下では、本実施形態に関係する構成や処理について詳細に説明し、本実施形態と無関係の構成や処理については説明を省略する。圧縮機の一例であるガス圧縮機１は、例えば、スクリュ圧縮機などの容積型圧縮機である。

ガス圧縮機１は、圧縮機本体１０、モータ２０、吸込流路３０、吐出流路３２、吐出バイパス流路４０、吐出バイパス弁４２、エコノバイパス流路５０、エコノバイパス弁５２、吸込圧力計６０、吐出圧力計６２、吸込温度計６４、ガス圧縮機制御盤７０、モータ制御部８０を含んで構成される。

圧縮機本体１０は、スクリュ式などのケーシング１２に固有の内部容積比を持つ容積型の圧縮機本体である。圧縮機本体１０は、ケーシング１２と、互いに噛み合う一対のスクリュロータ１４とを含んで構成される。図１では、一対のスクリュロータ１４の一方を示している。スクリュロータ１４は、ケーシング１２内に、回転可能に収容されている。スクリュロータ１４は、モータ２０の回転軸に接続されている。

モータ２０は、例えば、同期電動機である。モータ２０は、モータ制御部８０による制御の下、圧縮機本体１０（スクリュロータ１４）を駆動させる。なお、モータ２０は、誘導電動機であってもよい。

圧縮機本体１０には、吸込流路３０および吐出流路３２が接続されている。吸込流路３０は、例えば、都市ガスなどのガスが通る導管（図示略）に接続される。圧縮機本体１０には、吸込流路３０を通じて導管からガス（都市ガス）が流入される。圧縮機本体１０は、圧縮機本体１０に流入されたガスを、スクリュロータ１４を回転することで圧縮する。

吐出流路３２は、例えば、ガスを消費する装置であるガスタービン（図示略）に接続される。圧縮機本体１０は、圧縮したガスを吐出流路３２を通じてガスタービンに供給する。つまり、圧縮されたガスは、吐出流路３２を通って流出される。

吐出バイパス流路４０は、吸込流路３０と吐出流路３２とを連通させる。吐出バイパス流路４０は、吐出流路３２のガスを吸込流路３０へ還流させる。吐出バイパス流路４０には、吐出バイパス弁４２が設けられている。吐出バイパス弁４２は、その閉度（開度）にしたがって、吐出流路３２から吸込流路３０へ還流させるガスの流量を調整する。

圧縮機本体１０におけるスクリュロータ１４の軸方向の途中には、エコノバイパス流路５０の一端が設けられている。エコノバイパス流路５０の他端は、吸込流路３０における吐出バイパス流路４０との接続ノード４４と、圧縮機本体１０との間の位置４６に接続されている。エコノバイパス流路５０は、圧縮機本体１０と吸込流路３０とを連通させる。エコノバイパス流路５０は、圧縮機本体１０内のガスを吐出流路３２を介さずに吸込流路３０に還流させる。エコノバイパス流路５０は、圧縮機本体１０に吸い込まれたガス量の４０％程度のガス（完全に圧縮される前のガス）を、その後のガスタービンに用いることなく、吸込流路３０に還流させることができる。

エコノバイパス流路５０には、エコノバイパス弁５２が設けられている。エコノバイパス弁５２は、その閉度（開度）にしたがって、圧縮機本体１０内から吸込流路３０へ還流させるガスの流量を調整する。

吸込圧力計６０は、吸込流路３０における吐出バイパス流路４０との接続ノード４４よりもガスの流れの上流に設けられる。吸込圧力計６０は、吸込流路３０を通るガスの圧力（吸込圧力）を計測する。吐出圧力計６２は、吐出流路３２における吐出バイパス流路４０との接続ノード４８よりもガスの流れの下流に設けられる。吐出圧力計６２は、吐出流路３２を通るガスの圧力（吐出圧力）を計測する。

吸込温度計６４は、吸込流路３０における吐出バイパス流路４０との接続ノード４４よりもガスの流れの上流に設けられる。吸込温度計６４は、吸込流路３０を通るガスの温度（吸込温度）を計測する。

ガス圧縮機制御盤７０は、ガス圧縮機１の各部を制御する各種の機器を収容する箱体である。ガス圧縮機制御盤７０には、圧力調整部７２および回転数制御部７４が収容される。

圧力調整部７２は、中央処理装置（ＣＰＵ）、不揮発性メモリ、揮発性メモリ等を含む半導体集積回路から構成される。

圧力調整部７２は、吐出圧力計６２によって計測された吐出圧力を取得する。圧力調整部７２は、吐出圧力が所定値に維持されるようなＭＶ値（Manipulative Variable値）を導出する。ＭＶ値は、吐出バイパス弁４２の閉度（開度）およびエコノバイパス弁５２の閉度（開度）に対応付けられている。

圧力調整部７２は、ＭＶ値に基づいて、吐出バイパス弁４２の閉度（開度）およびエコノバイパス弁５２の閉度（開度）を決定する。ＭＶ値、吐出バイパス弁４２の閉度（開度）およびエコノバイパス弁５２の閉度（開度）の決定については、後に詳述する。

圧力調整部７２は、吐出バイパス弁４２の閉度（開度）およびエコノバイパス弁５２の閉度（開度）が、決定された閉度（開度）となるように、吐出バイパス弁４２を開閉するアクチュエータ（図示略）およびエコノバイパス弁５２を開閉するアクチュエータ（図示略）を駆動させる。

回転数制御部７４は、中央処理装置（ＣＰＵ）、不揮発性メモリ、揮発性メモリ等を含む半導体集積回路から構成される。

回転数制御部７４は、圧力調整部７２からＭＶ値を取得する。回転数制御部７４は、ＭＶ値が所定値となるように、モータ２０の目標回転数を更新する。

また、回転数制御部７４は、吸込圧力計６０によって計測された吸込圧力（吸込圧力値）、および、吸込温度計６４によって計測された吸込温度を取得する。回転数制御部７４は、モータ２０の目標回転数の下限値である第１下限値ｎ１を、吸込圧力（吸込圧力値）および吸込温度に基づいて導出する。第１下限値ｎ１については、後に詳述する。回転数制御部７４は、第１下限値ｎ１を下回らないようにモータ２０の目標回転数を更新する。

回転数制御部７４は、更新された目標回転数を示す回転数指令信号をモータ制御部８０に送信する。モータ２０の目標回転数の更新については、後に詳述する。

モータ制御部８０は、例えば、マトリクスコンバータである。モータ制御部８０は、商用の交流電力を所望の周波数の交流電力に直接変換する。モータ制御部８０は、回転数制御部７４から送信される回転数指令信号を受信する。モータ制御部８０は、モータ２０の回転数が回転数指令信号により示される目標回転数となるような周波数の交流電力に変換し、変換された交流電力をモータ２０に供給する。なお、モータ制御部８０は、商用の交流電力を一旦直流電力に変換した後に所望の交流電力に変換するインバータであってもよい。

図２は、ＭＶ値について説明する説明図である。図２において、横軸は、ＭＶ値を示し、縦軸は、吐出バイパス弁４２の閉度およびエコノバイパス弁５２の閉度を示す。また、図２において、実線Ａ１はエコノバイパス弁５２の閉度を示し、一点鎖線Ａ２は吐出バイパス弁４２の閉度を示す。

ＭＶ値とエコノバイパス弁５２の閉度とは比例関係にある。同様に、ＭＶ値と吐出バイパス弁４２の閉度とは比例関係にある。また、エコノバイパス弁５２の閉度を示す実線Ａ１と、吐出バイパス弁４２の閉度を示す一点鎖線Ａ２とは、ＭＶ値の軸方向にずれている。

例えば、ＭＶ値１００％は、吐出バイパス弁４２の閉度が１００％（全閉）であり、かつ、エコノバイパス弁５２の閉度が１００％（全閉）に相当する。

また、ＭＶ値０％は、吐出バイパス弁４２の閉度が０％（全開）であり、かつ、エコノバイパス弁５２の閉度が０％（全開）に相当する。

また、例えば、ＭＶ値６０％は、吐出バイパス弁４２の閉度が１００％であり、かつ、エコノバイパス弁５２の閉度が約２０％に相当する。ＭＶ値５０％は、吐出バイパス弁４２の閉度が約８５％であり、かつ、エコノバイパス弁５２の閉度が０％に相当する。

吐出バイパス弁４２の閉度とエコノバイパス弁５２の閉度とが両方とも１００％（開度０％）の状態から、ガス圧縮機１からガスタービンなどに送出する送出ガス量を下げる場合、まず、吐出バイパス弁４２の閉度を１００％に維持した状態で、エコノバイパス弁５２の閉度を下げる（開度を上げる）。

エコノバイパス弁５２の閉度が約２０％となり、さらに、送出ガス量を下げる場合、エコノバイパス弁５２の閉度をさらに下げるとともに、吐出バイパス弁４２の閉度を１００％から下げていく。エコノバイパス弁５２の閉度が０％（開度１００％）となり、さらに、送出ガス量を下げる場合、エコノバイパス弁５２の閉度を０％に維持した状態で、吐出バイパス弁４２の閉度をさらに下げる。

このように、本実施形態のガス圧縮機１では、吐出バイパス弁４２よりもエコノバイパス弁５２が優先的に開かれる。

また、ガスタービンに供給するガスの圧力（吐出圧力）は、送出ガス量が変化しても、所定値に維持する必要がある。このため、圧力調整部７２は、吐出圧力計６２の吐出圧力が所定値に維持されるようなＭＶ値を導出する。そして、圧力調整部７２は、ＭＶ値から吐出バイパス弁４２の閉度およびエコノバイパス弁５２の閉度を導出する。

図２に示すように、ＭＶ値が９５％のとき、吐出バイパス弁４２の閉度は１００％であり、かつ、エコノバイパス弁５２の閉度は９０％である。例えば、圧力調整部７２は、吐出圧力計６２の吐出圧力が所定値に維持されるようなＭＶ値として、ＭＶ値９５％を導出したとする。この場合、圧力調整部７２は、吐出バイパス弁４２の閉度を１００％に決定し、かつ、エコノバイパス弁５２の閉度を９０％に決定する。そして、回転数制御部７４は、ＭＶ値９５％を圧力調整部７２から取得することとなる。

回転数制御部７４は、圧力調整部７２のＭＶ値の目標値を９５％±２％とし、ＭＶ値が９５％±２％となるように、モータ２０の目標回転数を導出する。以後、ＭＶ値に基づいて導出されるモータ２０の目標回転数を目標回転数ｎ０と呼ぶ。なお、ＭＶ値の目標値における中心値は、９５％に限らず、ＭＶ値の目標値における中心値からの範囲は、±２％に限らない。

例えば、回転数制御部７４が圧力調整部７２から取得するＭＶ値は、ＭＶ値の現在値を示す。また、ＭＶ値の目標値を９５％とする。回転数制御部７４は、ＭＶ値の現在値が目標値（９５％）になるように、例えば、ＰＩＤフィードバック制御などによってＭＶ値の制御値を導出する。また、回転数制御部７４には、ＭＶ値の制御値とモータ２０の目標回転数ｎ０とを関連付けたテーブル（回転数テーブル）が記憶されている。回転数制御部７４は、ＭＶ値の制御値と回転数テーブルとから、モータ２０の目標回転数ｎ０を導出する。

ここで、ガスタービンを低出力で運転する場合には、ガスタービンに供給するガス量は少なくてよいため、モータ２０の回転数は低くてもよい。例えば、ガスタービンに供給するガス量が少ない場合（換言すると、ガスタービンが低出力運転の場合）、ＭＶ値を相対的に小さくしなければ（吐出バイパス弁４２およびエコノバイパス弁５２を開かなければ）ならない。ＭＶ値が小さくなると、そのＭＶ値を目標値に近づけるため、回転数制御部７４は、モータ２０の目標回転数ｎ０を小さくする。こうして、モータ２０の回転数は低回転数となり、ＭＶ値は９５％に戻る。

ガスタービンが低出力運転であり、かつ、モータ２０の回転数が低回転数である状態からガスタービンの出力が急激に増加すると、ガスタービンに供給すべきガス量が急激に多くなる。このとき、吐出バイパス弁４２およびエコノバイパス弁５２の開閉制御のみでは供給すべきガス量を確保できないため、モータ２０の回転数を、ガスタービンの出力の増加（供給すべきガス量の増加）に追従して上昇させる必要がある。

しかし、モータ２０の回転数を低回転数から高回転数に上昇させるには時間がかかり、モータ２０の回転数をガスタービンの出力の増加に追従して上昇させることができない（換言すると、モータ２０の回転数制御の応答遅れが生じる）場合がある。

そこで、本実施形態のガス圧縮機１では、モータ２０の目標回転数の下限値である第１下限値ｎ１が設けられる。第１下限値ｎ１は、ガスタービンの出力が定格出力となるモータ２０の回転数（換言すると、ガスタービンが最大出力運転時のモータ２０の回転数）に所定割合を乗じた回転数に設定される。所定割合は、１００％以下の、例えば、８０％に設定される。

ここで、ガスタービンの出力が定格出力となるモータ２０の回転数は、吐出圧力、吸込圧力、吸込温度に基づいて決定することができる。吐出圧力は、固定値あるいは設定値である。しかし、吸込圧力は、導管内のガスの圧力変動にしたがって変動する。また、吸込温度は、導管内のガスの温度変動にしたがって変動する。このため、ガスタービンの出力が定格出力となるモータ２０の回転数に所定割合（例えば、８０％）を乗じた回転数（第１下限値ｎ１）は、吸込圧力および吸込温度に基づいて導出可能である。

そこで、回転数制御部７４は、吸込圧力と吸込温度と第１下限値ｎ１との関係を示すマップ（第１下限値マップ）などを予め記憶しておき、第１下限値マップと吸込圧力計６０の吸込圧力と吸込温度計６４の吸込温度とから、第１下限値ｎ１を導出する。なお、第１下限値マップは、吐出圧力の設定値ごとに複数設定されてもよい。

そして、回転数制御部７４は、モータ２０の目標回転数を第１下限値ｎ１以上にする。具体的には、回転数制御部７４は、ＭＶ値に基づいて導出される目標回転数ｎ０が第１下限値ｎ１以上の場合、目標回転数ｎ０をモータ２０の目標回転数とし、ＭＶ値に基づいて導出される目標回転数ｎ０が第１下限値ｎ１を下回る場合、第１下限値ｎ１をモータ２０の目標回転数とする。

これにより、モータ２０は、ガスタービンの出力状況に依らず、第１下限値ｎ１以上の回転数で駆動される。このため、ガス圧縮機１は、モータ２０の回転数制御よりも応答が早い吐出バイパス弁４２およびエコノバイパス弁５２の開閉制御によって、供給すべきガス量の急激な増加に追従して吐出するガス量を上昇させることができる。

図３は、第２下限値ｎ２を説明する説明図である。図３において、実線Ｂ１は、モータ２０の軸トルクを示し、一点鎖線Ｂ２は、モータ２０の出力を示し、破線Ｂ３は、モータ２０の回転数を示す。また、横軸は、吸込圧力を示し、縦軸は、モータ２０における定格値に対する割合（定格軸トルクに対する軸トルクの割合、定格出力に対する出力の割合、および、定格回転数に対する回転数の割合）を示す。定格軸トルクは、例えば、約２４０Ｎｍであり、定格出力は、例えば、約９０ｋＷであり、定格回転数は、例えば、約３６００ｒｐｍである。

吐出圧力を一定に制御する場合、破線Ｂ３で示すように、吸込圧力が高くなるほどモータ２０の回転数を低下させる。モータ２０の回転数を低下させると、一点鎖線Ｂ２で示すように、モータ２０の出力は、モータ２０の回転数に合わせて低下する。つまり、モータ２０の出力については、問題がない。

しかし、高い内部容積比が選定される圧縮機などにおいては、実線Ｂ１で示すように、モータ２０の軸トルクは、モータ２０の回転数が低下する（すなわち、吸込圧力の上昇）にしたがって上昇する。そして、モータ２０の軸トルクは、モータ２０の回転数が所定の吸込圧力（図３では、０．１６ＭＰａ）に対応する所定の回転数（図３では、定格回転数の約６７％）を下回ると、定格軸トルク（軸トルク１００％）を超えてしまう。モータ２０が同期電動機の場合、モータ２０の軸トルクが定格軸トルクを超えると、モータ２０が脱調するおそれがある。

そこで、回転数制御部７４には、モータ２０の目標回転数の下限値として、第２下限値ｎ２が設定される。第２下限値ｎ２は、モータ２０の軸トルクが定格軸トルク（軸トルク１００％）となるモータ２０の回転数（図３では、定格回転数の約６７％）に設定される。

そして、回転数制御部７４は、モータ２０の目標回転数を第２下限値ｎ２以上にする。具体的には、回転数制御部７４は、ＭＶ値に基づいて導出される目標回転数ｎ０が第２下限値ｎ２以上の場合、目標回転数ｎ０をモータ２０の目標回転数とし、ＭＶ値に基づいて導出される目標回転数ｎ０が第２下限値ｎ２を下回る場合、第２下限値ｎ２をモータ２０の目標回転数とする。

これにより、モータ２０は、吸込圧力が相対的に高くなっても、第２下限値ｎ２以上の回転数で駆動される。このため、ガス圧縮機１では、モータ２０の軸トルクが定格軸トルクを超える軸トルクとならず、モータ２０が脱調することを防止することができる。

また、モータ２０には、電磁振動の振動数における共振によって回転子の振動が大きくなる危険速度（危険回転数）がある。モータ２０が危険速度で回転を継続すると、回転子の振動によって回転子や回転軸が破損するおそれがある。また、回転子の振動が圧縮機本体１０に伝達されて、圧縮機本体１０が破損するおそれもある。

そこで、回転数制御部７４には、モータ２０の危険速度を含む所定回転数範囲が設定される。

そして、回転数制御部７４は、モータ２０の目標回転数を、所定回転数範囲外の回転数（所定回転数範囲内の回転数を除く回転数）とする。具体的には、回転数制御部７４は、ＭＶ値に基づいて導出される目標回転数ｎ０が、所定回転数範囲の上限値以上の場合、または、所定回転数範囲の下限値以下の場合、目標回転数ｎ０をモータ２０の目標回転数とする。また、回転数制御部７４は、ＭＶ値に基づいて導出される目標回転数ｎ０が、所定回転数範囲の上限値より小さく、かつ、所定回転数範囲の下限値より大きい場合、所定回転数範囲の上限値をモータ２０の目標回転数とする。

これにより、ガス圧縮機１は、モータ２０の回転速度が危険速度となることを防止することができ、モータ２０や圧縮機本体１０の破損を防止することが可能となる。

また、回転数制御部７４は、目標回転数ｎ０、第１下限値ｎ１、第２下限値ｎ２のうち最大値を導出し、その最大値が所定回転数範囲外にある場合、その最大値をモータ２０の目標回転数に決定する。また、回転数制御部７４は、導出された最大値が所定回転数範囲内にある場合、その所定回転数範囲の上限値をモータ２０の目標回転数に決定する。つまり、モータ２０の目標回転数は、基本的には目標回転数ｎ０であるが、目標回転数ｎ０が第１下限値ｎ１、第２下限値ｎ２のいずれかを下回った場合には、第１下限値ｎ１、第２下限値ｎ２のうちの最大値となり、目標回転数ｎ０、第１下限値ｎ１、第２下限値ｎ２のうちの最大値が所定回転数範囲内にある場合、所定回転数範囲の上限値となる。

そして、回転数制御部７４は、決定されたモータ２０の目標回転数を示す回転数指令信号をモータ制御部８０に送信する。モータ制御部８０は、決定された目標回転数でモータ２０を回転させる。

図４は、圧力調整部７２の動作を説明するフローチャートである。圧力調整部７２は、例えば、所定の制御周期で図４に示す一連の処理を行う。所定制御周期は、例えば、１分などであるが、これに限らず、１分より小さくてもよいし、１分より大きくてもよい。

まず、圧力調整部７２は、吐出圧力計６２から吐出圧力を取得する（Ｓ１００）。次に、圧力調整部７２は、吐出圧力計６２の吐出圧力が所定値（一定値）に維持されるようなＭＶ値を導出する（Ｓ１１０）。例えば、圧力調整部７２は、吐出圧力の現在値と設定値とに差が生じた場合、その差分にしたがって、ＭＶ値を現在値から増減させて新たなＭＶ値を導出する。

次に、圧力調整部７２は、ＭＶ値、吐出バイパス弁４２の閉度（開度）およびエコノバイパス弁５２の閉度（開度）が関連付けられたテーブルなどを参照して、導出されたＭＶ値に対応する吐出バイパス弁４２の閉度（開度）およびエコノバイパス弁５２の閉度（開度）を導出する（Ｓ１２０）。

次に、圧力調整部７２は、導出された吐出バイパス弁４２の閉度（開度）およびエコノバイパス弁５２の閉度（開度）となるように、吐出バイパス弁４２の閉度（開度）およびエコノバイパス弁５２の閉度（開度）の調整を行い（Ｓ１３０）、一連の処理を終了する。

図５は、回転数制御部７４の動作を説明するフローチャートである。回転数制御部７４は、例えば、圧力調整部７２の制御周期よりも長い制御周期で図５に示す一連の処理を行う。なお、回転数制御部７４の制御周期は、圧力調整部７２の制御周期と同じであってもよい。

まず、回転数制御部７４は、圧力調整部７２からＭＶ値を取得する（Ｓ２００）。次に、回転数制御部７４は、取得したＭＶ値に基づいて、目標回転数ｎ０を導出する（Ｓ２１０）。例えば、回転数制御部７４は、上述の回転数テーブルなどを参照して、ＭＶ値が９５％±２％となるように目標回転数ｎ０を導出する。

次に、回転数制御部７４は、吸込圧力計６０から吸込圧力を取得する（Ｓ２２０）。次に、回転数制御部７４は、吸込温度計６４から吸込温度を取得する（Ｓ２３０）。次に、回転数制御部７４は、吸込圧力および吸込温度に基づいて第１下限値ｎ１を導出する（Ｓ２４０）。例えば、回転数制御部７４は、上述の第１下限値マップなどを参照して第１下限値ｎ１を導出する。

次に、回転数制御部７４は、導出された目標回転数ｎ０と、導出された第１下限値ｎ１と、予め設定された第２下限値ｎ２と、予め設定された所定回転数範囲とをそれぞれ比較し、モータ２０の新たな目標回転数を決定する（Ｓ２５０）。例えば、回転数制御部７４は、目標回転数ｎ０、第１下限値ｎ１、第２下限値ｎ２のうち最大値を導出する。回転数制御部７４は、導出された最大値が所定回転数範囲外にあるか否かを判定する。所定回転数範囲外にある場合、回転数制御部７４は、導出された最大値をモータ２０の目標回転数に決定する。所定回転数範囲外にない場合、回転数制御部７４は、所定回転数範囲の上限値をモータ２０の目標回転数に決定する。

次に、回転数制御部７４は、決定された新たな目標回転数を示す回転数指令信号をモータ制御部８０に送信し（Ｓ２６０）、一連の処理を終了する。

回転数指令信号を受信したモータ制御部８０は、受信した回転数指令信号が示す目標回転数となるように、モータ２０の回転数を制御する。例えば、モータ制御部８０は、モータ２０の回転数が目標回転数となるような周波数の交流電力をモータ２０に供給する。

以上のように、本実施形態のガス圧縮機１では、エコノバイパス弁５２の開閉制御に加え、圧縮機本体１０を駆動するモータ２０の回転数制御が行われる。

図６は、効果を説明する説明図である。図６において、横軸は吸込圧力を示し、縦軸はモータ２０の軸動力を示す。破線Ｃ１は、エコノバイパス流路５０を有し、かつ、モータ２０を固定速度で駆動させる比較例のガス圧縮機を示す。実線Ｃ２は、エコノバイパス流路５０を有し、かつ、モータ２０の回転数制御を行う本実施形態のガス圧縮機１を示す。

破線Ｃ１で示す比較例のガス圧縮機は、吸込圧力が変化してもモータ２０の軸動力が概ね８０ｋＷとなっている。このため、比較例のガス圧縮機では、吸込圧力が高くなってもモータ２０の消費電力が下がらない。

一方、実線Ｃ２で示す本実施形態のガス圧縮機１は、吸込圧力が約０．０８ＭＰａで、破線Ｃ１の比較例のガス圧縮機と同様に、モータ２０の軸動力が概ね８０ｋＷとなっている。しかし、実線Ｃ２で示す本実施形態のガス圧縮機１は、吸込圧力が高くなるにしたがってモータ２０の軸動力が漸減している。つまり、本実施形態のガス圧縮機１の軸動力は、吸込圧力が相対的に高くなっても、圧縮すべき圧力差に対応する適切な値となっている。

このように、本実施形態のガス圧縮機１は、上述の比較例に比べ、吸込圧力が高くなるほどモータ２０の軸動力を小さくすることができる。このため、本実施形態のガス圧縮機１によれば、上述の比較例に比べ、モータ２０の消費電力を低減することが可能となる。

また、本実施形態のガス圧縮機１では、エコノバイパス弁５２の開閉制御が行われる。エコノバイパス弁５２の開閉制御は、モータ２０の回転数制御よりも応答が早く、吸込流路３０内の圧力の変動に対する応答性がよい。例えば、エコノバイパス弁５２の開閉制御は、吸込圧力が僅かに変動したときなどにおいて、吸込圧力の変動に追従することができる。

したがって、本実施形態のガス圧縮機１によれば、吸込流路３０内の圧力の変動に対する応答性を高めつつ、消費電力を低減することが可能である。

また、例えば、ＭＶ値の目標値を１００％に設定すると、ガス圧縮機１の動力損失を無くすことができる。しかし、吐出バイパス弁４２およびエコノバイパス弁５２の開閉制御によるＭＶ値の上限が１００％であるため、ＭＶ値の目標値が１００％に設定されると、吸込圧力の変動によってＭＶ値１００％よりも高いＭＶ値が要求されたとき、吐出バイパス弁４２およびエコノバイパス弁５２の開閉制御で対応することができない。この場合、モータ２０の回転数を増加させて吸込圧力の変動に対応することとなるが、モータ２０の回転数制御は吐出バイパス弁４２およびエコノバイパス弁５２の開閉制御に比べ応答性が低いため、吸込圧力の変動に早期に対応できないおそれがある。

一方、ＭＶ値の目標値を小さく設定すると、吐出バイパス弁およびエコノバイパス弁の開閉制御で吸込圧力の変動に対応することができるため、吸込圧力の変動に早期に対応可能となる。しかし、ＭＶ値の目標値を小さく設定すると、ガス圧縮機１の動力損失が大きくなる。

これに対し、本実施形態の回転数制御部７４は、圧力調整部７２の調整結果（ＭＶ値）が、吐出バイパス弁４２が全閉であり、かつ、エコノバイパス弁５２が全閉に近い値（９０％）を示す値（９５％）となるように、モータ２０の目標回転数を導出している。

これにより、本実施形態のガス圧縮機１は、ガス圧縮機１の動力損失を極力小さくしつつ、吸込圧力の変動に早期に対応可能である。

また、本実施形態のガス圧縮機１には、モータ２０の目標回転数の下限値である第１下限値ｎ１が設けられている。このため、本実施形態のガス圧縮機１は、ガスタービンの出力が低出力から増加したとしても、ガスタービンの出力の増加に対応することができる。

また、本実施形態のガス圧縮機１には、モータ２０の目標回転数の下限値である第２下限値ｎ２が設けられている。このため、本実施形態のガス圧縮機１は、同期電動機であるモータ２０の脱調を防止することができる。

また、本実施形態のガス圧縮機１には、モータ２０の危険速度を含む所定回転数範囲が設定されている。このため、本実施形態のガス圧縮機１は、モータ２０が危険速度となることを防止することができ、モータ２０を安全に駆動させることが可能となる。

また、本実施形態のガス圧縮機１では、モータ２０の回転数が、回転数制御の１周期内で一定となる。そして、本実施形態のガス圧縮機１では、回転数制御部７４の制御周期が圧縮調整部の制御周期よりも長くなっている。このため、本実施形態のガス圧縮機１では、回転数制御の１周期内において、モータ２０の回転数が一定の状態で、吐出バイパス弁４２およびエコノバイパス弁５２の開閉制御が行われることとなる。したがって、本実施形態のガス圧縮機１では、回転数制御と開閉制御とが並行して行われても、制御量が目標値に収束しないことを防止できる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態において、回転数制御部７４は、圧力調整部７２のＭＶ値が９５％（±２％）となるように、モータ２０の目標回転数を導出していた。しかし、回転数制御部７４は、圧力調整部７２のＭＶ値が９５％（±２％）となるようにモータ２０の目標回転数を導出する態様に限らない。例えば、回転数制御部７４は、圧力調整部７２の調整結果（ＭＶ値）が、吐出バイパス弁４２の閉度が全閉であり、かつ、エコノバイパス弁５２の閉度が全閉以外の所定の閉度となるように、モータ２０の目標回転数を導出してもよい。この態様では、ガス圧縮機１の動力損失を抑えつつ、エコノバイパス弁５２の開閉制御で吸込圧力の変動に対応することができ、吸込圧力の変動に早期に対応可能である。

また、上記実施形態では、第１下限値ｎ１、第２下限値ｎ２、所定回転数範囲が設けられていた。しかし、第１下限値ｎ１、第２下限値ｎ２、所定回転数範囲が設けられなくてもよい。また、第１下限値ｎ１、第２下限値ｎ２、所定回転数範囲のうちのいずれか１個または２個のみが設けられてもよい。

また、上記実施形態では、吸込圧力および吸込温度に基づいて第１下限値ｎ１が導出された。しかし、回転数制御部７４は、吸込圧力および吸込温度の両方に基づいて第１下限値ｎ１を導出する態様に限らない。例えば、回転数制御部７４は、少なくとも吸込圧力に基づいて第１下限値ｎ１を導出してもよい。

また、上記実施形態の圧縮機本体１０は、ガスを圧縮していた。しかし、本発明における圧縮機は、ガスを圧縮するガス圧縮機１に限らない。例えば、本発明による圧縮機は、空気などの流体を圧縮してもよい。

本発明は、ケーシングに固有の内部容積比を持つ容積型の圧縮機本体を有する圧縮機に利用することができる。

１ ガス圧縮機
１０ 圧縮機本体
２０ モータ
３０ 吸込流路
３２ 吐出流路
４０ 吐出バイパス流路
４２ 吐出バイパス弁
５０ エコノバイパス流路
５２ エコノバイパス弁
７２ 圧力調整部
７４ 回転数制御部
８０ モータ制御部

上記課題を解決するために、本発明の圧縮機は、ケーシングに固有の内部容積比を持つ容積型の圧縮機本体と、圧縮機本体に流体を流入させる吸込流路と圧縮機本体から流体を流出させる吐出流路とを連通させる吐出バイパス流路と、吐出バイパス流路に設けられる吐出バイパス弁と、圧縮機本体内の流体を吐出流路を介さずに吸込流路に還流させるエコノバイパス流路と、エコノバイパス流路に設けられるエコノバイパス弁と、吐出流路の流体の圧力に基づいて、吐出バイパス弁の閉度およびエコノバイパス弁の閉度を調整する圧力調整部と、圧力調整部の調整結果に基づいて目標回転数を導出する回転数制御部と、目標回転数にしたがって圧縮機本体を駆動するモータと、を備え、回転数制御部は、吐出流路から吐出された流体を消費する装置の出力が定格出力となるモータの回転数に所定割合を乗じた回転数である第１下限値を、吸込流路の流体の圧力に基づいて導出し、目標回転数を第１下限値以上にする。

Claims (6)

1. ケーシングに固有の内部容積比を持つ容積型の圧縮機本体と、
   前記圧縮機本体に流体を流入させる吸込流路と前記圧縮機本体から流体を流出させる吐出流路とを連通させる吐出バイパス流路と、
   前記吐出バイパス流路に設けられる吐出バイパス弁と、
   前記圧縮機本体内の流体を前記吐出流路を介さずに前記吸込流路に還流させるエコノバイパス流路と、
   前記エコノバイパス流路に設けられるエコノバイパス弁と、
   前記吐出流路の流体の圧力に基づいて、前記吐出バイパス弁の閉度および前記エコノバイパス弁の閉度を調整する圧力調整部と、
   前記圧力調整部の調整結果に基づいて目標回転数を導出する回転数制御部と、
   前記目標回転数にしたがって前記圧縮機本体を駆動するモータと、
   を備える圧縮機。
2. 前記回転数制御部は、前記圧力調整部の調整結果が、前記吐出バイパス弁の閉度が全閉であり、かつ、前記エコノバイパス弁の閉度が全閉以外の所定の閉度となるように前記目標回転数を導出する請求項１に記載の圧縮機。
3. 前記回転数制御部は、前記吐出流路から吐出された流体を消費する装置の出力が定格出力となる前記モータの回転数に所定割合を乗じた回転数である第１下限値を、前記吸込流路の流体の圧力に基づいて導出し、前記目標回転数を前記第１下限値以上にする請求項１または２に記載の圧縮機。
4. 前記回転数制御部には、前記モータの軸トルクが定格軸トルクとなる前記モータの回転数である第２下限値が設定されおり、
   前記回転数制御部は、前記目標回転数を前記第２下限値以上にする請求項１または２に記載の圧縮機。
5. 前記回転数制御部には、前記モータの危険速度を含む所定回転数範囲が設定されており、
   前記回転数制御部は、前記目標回転数を前記所定回転数範囲外の回転数とする請求項１または２に記載の圧縮機。
6. 前記回転数制御部における前記モータの回転数制御の制御周期は、前記圧力調整部における前記吐出バイパス弁および前記エコノバイパス弁の開閉制御の制御周期よりも長い請求項１から５のいずれか１項に記載の圧縮機。

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