JP4675774B2

JP4675774B2 - 空気圧縮機

Info

Publication number: JP4675774B2
Application number: JP2005365975A
Authority: JP
Inventors: 英晴田中
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2005-12-20
Filing date: 2005-12-20
Publication date: 2011-04-27
Anticipated expiration: 2025-12-20
Also published as: JP2007170216A

Description

本発明は、回転数が可変制御され吐出空気量が変動する空気圧縮機に関する。

空気圧縮機で生成した圧縮空気は、圧力上昇に伴い飽和水蒸気量が減少し、温度によってはドレン（凝縮水）が発生する。そして、供給先の空圧機器等にドレンが混入するのを防止するため、例えば除湿器、熱交換器、又は空気槽等で発生したドレンを排出可能なドレン排出弁を設ける。このドレン排出弁をドレン発生量に対し過度に作動させると、圧縮空気を無駄に放出し、エネルギーの浪費となる。かといって、ドレン排出弁をドレン発生量に対し少ない回数で作動させると、圧縮機や空圧機器等に悪影響を及ぼす可能性があった。

そこで従来、例えばドレンセンサを設け、このドレンセンサで所定のドレン発生量を検出したときにドレン排出弁を作動させる方法が知られている。ところが、ドレンセンサはドレン内に埋没させるため腐食する可能性があり、また誤検出してドレン排出弁を連続開放させる可能性があった。

そこで、例えば空気圧縮機の運転時間を積算し、この運転時間の積算値が所定の閾値に達したときにドレン排出弁を作動させる方法が提唱されている（例えば、特許文献１参照）。この従来技術では、空気圧縮機の運転時間の積算値によりドレン発生量を推定し、ドレン排出弁を作動させるようになっている。

特開平１１−３５１４９７号公報

しかしながら、上記従来技術には以下のような課題が存在する。
すなわち、上記従来技術においては、図等から明らかなように、吐出空気量がほぼ一定である空気圧縮機に適用したものであり、ドレン発生量＝（運転時間の積算値）×（吐出空気量）×（単位空気量当たりのドレン発生量）で推定するようになっている。ところが、近年、省エネを目的とし、使用空気量に応じて空気圧縮機の吐出空気量を変動させるため、圧縮機本体を駆動する電動機の回転数をインバータを介し可変制御する方法が知られている。このように吐出空気量が変動する空気圧縮機に上記従来技術を適用した場合、運転時間の積算値ではドレン発生量を正確に推測できないので、効率よくドレンを排出することができないと思料される。

本発明の目的は、吐出空気量の変動に対応し効率よくドレンを排出することができる空気圧縮機を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、空気を圧縮する圧縮機本体と、前記圧縮機本体を駆動する電動機と、前記圧縮機本体の吐出側圧力を検出する圧力検出手段と、前記圧力検出手段で検出した前記圧縮機本体の吐出側圧力と予め設定された所定の制御圧力との偏差に基づきＰＩＤ演算を行い、この演算結果を指令周波数として前記インバータに出力するコントローラと、前記コントローラからの指令周波数に応じて運転周波数を生成し、この運転周波数を前記電動機に出力して前記電動機の回転数を可変制御するインバータと、前記圧縮機本体から吐出された圧縮空気中のドレンを分離するドレン分離手段と、前記ドレン分離手段で分離したドレンを排出可能なドレン排出弁とを備えた空気圧縮機において、前記コントローラは、前記圧縮機本体の吐出側圧力に応じて閾値を設定し、前記指令周波数に基づいて前記圧縮機本体の運転負荷率を演算し積算し、この運転負荷率の積算値が前記閾値に達したときに前記ドレン排出弁を作動させる。

本発明においては、コントローラは、指令周波数に基づいて圧縮機本体の運転負荷率を演算し積算し、この運転負荷率の積算値（言い換えれば、吐出空気量の積算値）が閾値に達したときにドレン排出弁を作動させる。これにより、圧縮機本体の吐出空気量の変動に対応し、効率よくドレンを排出することができる。その結果、圧縮空気の無駄な放出を低減することができ、エネルギー損失の低減が図れる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記コントローラは、前記圧縮機本体の吐出側圧力の昇圧時間及び降圧時間を演算し、この昇圧時間の時間割合と前記指令周波数とに基づいて前記圧縮機本体の運転負荷率を演算し積算する。

例えば圧縮機本体の吐出空気量より使用空気量が少ない場合に圧縮機本体を負荷運転・無負荷運転に切換える構成においては、圧縮機本体の負荷運転時に圧縮機本体の吐出側圧力が上昇し、圧縮機本体の無負荷運転時に圧縮機本体の吐出側圧力が下降する。本発明においては、コントローラは、圧縮機本体の吐出側圧力の昇圧時間及び降圧時間を演算し、この昇圧時間の時間割合と指令周波数とに基づいて圧縮機本体の運転負荷率を演算し積算する。そして、運転負荷率の積算値（言い換えれば、吐出空気量の積算値）が閾値に達したときにドレン排出弁を作動させる。これにより、上記（１）同様、圧縮機本体の吐出空気量の変動に対応し、効率よくドレンを排出することができる。

（３）上記（１）又は（２）において、好ましくは、前記圧縮機本体の吸込側温度を検出する温度検出手段と、前記圧縮機本体の吸込側湿度を検出する湿度検出手段とを備え、前記コントローラは、前記温度検出手段及び湿度検出手段の検出結果に応じて前記閾値を設定変更する。

（４）上記（１）〜（３）のいずれか１つにおいて、好ましくは、前記ドレン分離手段は冷凍式エアドライヤである。

本発明によれば、吐出空気量の変動に対応し効率よくドレンを排出することができる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の空気圧縮機の一実施形態の全体構成を表す概略図である。

この図１において、空気圧縮機は、吸込フィルタ１を介し吸い込んだ空気（大気）を圧縮する圧縮機本体２と、この圧縮機本体２を駆動する電動機３と、電動機３の回転数を可変制御するインバータ４と、圧縮機本体２で生成した圧縮空気を供給先に供給する圧縮空気供給系統５とを備えている。

圧縮空気供給系統５には、圧縮機本体２から吐出された圧縮空気を一次冷却する熱交換器６と、この熱交換器６からの圧縮空気を二次冷却するとともに除湿する冷凍式エアドライヤ７（ドレン分離手段）とが設けられている。冷凍式エアドライヤ７の出口側には圧力センサ８が設けられており、圧力センサ８の検出信号がコントローラ９に出力されるようになっている。また、冷凍式エアドライヤ７で発生したドレン（凝縮水）を排出するためのドレン配管１０が設けられ、このドレン配管１０にはドレン排出弁（電磁弁）１１が設けられている。

コントローラ９は、まず第１の機能として、圧力センサ８から入力した圧縮機本体２の吐出側圧力Ｐと所定の制御圧力Ｐ_０（予め設定記憶された値又は入力設定された値）との偏差に基づきＰＩＤ演算を行い、この演算結果を指令周波数としてインバータ４に出力するようになっている。インバータ４は、コントローラ９からの指令周波数に応じて運転周波数（電源周波数）を生成し、この運転周波数を電動機３に出力して電動機３の回転数を制御する。その結果、圧縮機本体２の回転数すなわち吐出空気量が制御され、圧縮機本体２の吐出側圧力Ｐが所定の設定圧力Ｐ_０に維持されるようになっている。

そして、本実施形態の大きな特徴として、コントローラ９は、第２の機能として、インバータ４に出力する指令周波数に基づいて圧縮機本体２の運転負荷率（この場合、現在の指令周波数／運転負荷率１００％の指令周波数）を演算し、積算する。そして、運転負荷率の積算値が所定の閾値（例えば予め設定記憶された値又は設定入力された値）に達したかどうかを判定し、所定の閾値に達したときはドレン排出弁１１に駆動信号を出力するとともに、運転負荷率の積算値をゼロにリセットするようになっている。ドレン排出弁１１は、コントローラ９からの駆動信号に応じて一定時間開放し、ドレンを排出するようになっている。

次に、本実施形態の空気圧縮機１の運転動作を図２により説明する。図２は、指令周波数（運転負荷率）、運転負荷率積算値、及びドレン排出弁１１の動作状態の経時変化をそれぞれ表すタイムチャートである。

この図２において、例えば供給先の使用空気量が変動する場合、圧縮機本体２の吐出側圧力Ｐが所定の制御圧Ｐoとなるようにコントローラ９で演算した指令周波数がインバータ４に出力され、電動機３の回転数を可変制御し、圧縮機本体２の吐出空気量が変動する。このとき、供給先の使用空気量に追従して指令周波数が変動し、この指令周波数に基づいて運転負荷率が演算され積算される。そして、運転負荷率の積算値が所定の閾値Ｌに達したときに（図２中時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４，ｔ５，ｔ６）、ドレン排出弁１１を一定時間Ｔ開放してドレンを排出する。

以上のような本実施形態においては、電動機３の回転数に対応するパラメータに基づいて圧縮機本体２の運転負荷率を演算し、運転負荷率の積算値（言い換えれば、圧縮機本体２の吐出空気量の積算値）が所定の閾値Ｌに達したときにドレン排出弁１１を作動させる。これにより、圧縮機本体２の吐出空気量の変動に対応し効率よくドレンを排出することできる。その結果、圧縮空気の無駄な放出を低減することができ、エネルギー損失の低減が図れる。

本発明の他の実施形態を図３及び図４により説明する。本実施形態は、電動機３の回転数を可変制御するとともに、電動機３の下限回転数運転時に圧縮機本体２を負荷運転・無負荷運転に切換え制御する場合に適用した実施形態である。

図３は、本実施形態による空気圧縮機の全体構成を表す概略図であり、図４は、本実施形態による空気圧縮機の動作内容を説明するためのタイムチャートである。なお、図３において、上記一実施形態と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

本実施形態では、圧縮機本体２の吸込側には、吸込絞り弁１２が設けられている。また、熱交換器６と冷凍式エアドライヤ７との間には逆止弁１３が設けられ、この逆止弁１３の上流側と吸込絞り弁１２の上流側とを接続する放気配管１４が設けられている。放気配管１４には、コントローラ９Ａからの制御信号に応じて開閉する放気弁（電磁弁）１５が設けられており、吸込絞り弁１２は、例えば放気弁１５の下流側の分岐配管（図示せず）を介し導入した圧縮空気によって作動するようになっている。

コントローラ９Ａは、上記一実施形態同様、圧力センサ８から入力した圧縮機本体２の吐出側圧力Ｐと所定の制御圧力Ｐ_０との偏差に基づきＰＩＤ演算を行い、この演算結果を指令周波数としてインバータ４に出力し、電動機３の回転数を可変制御する。また、電動機３の制御回転数は、圧縮機内部の漏れや出力トルクの低下等の理由により、最高回転数の１０〜３０％程度を下限値としている。

そして、例えば電動機３の下限回転数運転時における圧縮機本体２の吐出空気量より使用空気量が少ない場合、圧縮機本体２の吐出側圧力Ｐが上昇する。圧縮機本体２の吐出側圧力Ｐが所定の上限圧力Ｐuに達したとき、コントローラ９Ａは放気弁１５への制御信号をＯＮ状態とする。放気弁１５は駆動信号に応じて開放し、また分岐配管を介し圧縮空気が導入された吸込絞り弁１４は閉塞し、これによって圧縮機本体２を無負荷運転させる。また、圧縮機本体２の無負荷運転中に、圧縮機本体２の吐出側圧力Ｐが下降し所定の制御圧力Ｐoに達したとき、コントローラ９Ａは放気弁１５への制御信号ＯＦＦ状態として放気弁１５を閉塞させ、また分岐配管を介し圧縮空気が導入されない吸込絞り弁１２は開放し、これによって圧縮機本体２を負荷運転に復帰させる。

そして、本実施形態の大きな特徴として、コントローラ９Ａは、電動機３の下限回転数運転時に、圧縮機本体２の吐出側圧力Ｐが所定の制御圧力Ｐoから所定の上限圧力Ｐuまで上昇する昇圧時間（負荷運転時間）Ｔaと所定の上限圧力Ｐuから所定の制御圧力Ｐoまで下降する降圧時間（無負荷時間）Ｔbとを演算し、昇圧時間の時間割合及び指令周波数に基づいて運転負荷率（詳細には、Ｔa／（Ｔa＋Ｔb）×指令周波数（百分率））を演算し積算する。そして、運転負荷率の積算値が所定の閾値Ｌに達したかどうかを判定し、所定の閾値Ｌに達したときは（図４中時刻ｔ７，ｔ８，ｔ９）ドレン排出弁１１に駆動信号を出力するとともに、運転負荷率の積算値をゼロにリセットする。ドレン排出弁１１は、コントローラ９Ａからの駆動信号に応じて一定時間Ｔ開放してドレンを排出する。

以上のように構成された本実施形態においても、上記一実施形態同様、圧縮機本体２の吐出空気量の変動に対応し効率よくドレンを排出することできる。

なお、上記実施形態においては、コントローラ９（又は９Ａ）は運転負荷率の積算値に対する閾値Ｌを固定値として設定した場合を説明したが、これに限られない。すなわち、例えば圧縮機本体２の吐出側圧力Ｐに応じて設定変更してもよい。このような変形例を図５により説明する。図５は、圧縮機本体２の吐出側圧力Ｐと閾値Ｌとの関係を表す特性図である。

この図において、横軸は圧縮機本体の吐出側圧力Ｐをとって表し、縦軸は運転負荷率の積算値に対する閾値Ｌをとって表している。閾値Ｌは、吐出側圧力Ｐ１で最大閾値Ｌ１であり、吐出側圧力Ｐの増加に応じて単調減少し、吐出側圧力Ｐ２で最小閾値Ｌ２となっている。コントローラは、これに基づいて圧縮機本体の吐出側圧力Ｐに対し閾値Ｌを設定し、運転負荷率の積算値が閾値Ｌに達したかどうか判定する。このような変形例においても、上記実施形態同様の効果を得ることができる。

また、詳細は図示しないが、例えば圧縮機本体２の吸込側に温度センサ及び湿度センサを設け、これら温度センサ及び湿度センサで検出した温度及び湿度に応じて閾値Ｌを設定変更してもよい。具体的には、温度センサ及び湿度センサで検出した温度及び湿度に応じて空気中の水蒸気量を演算し、この水蒸気量が多いときは閾値Ｌが小さくなるように、水蒸気が少ないときは閾値Ｌが大きくなるように設定する。この場合にも、上記実施形態同様の効果を得ることができる。

なお、以上においては、冷凍式エアドライヤ７で生じたドレンを排出可能なドレン排出弁１１を設けた場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、例えばそれ以外の除湿器（例えばペルチェ式エアドライヤ、吸着式エアドライヤ、膜式エアドライヤ等）や熱交換器６、空気槽等に生じたドレンを排出可能なドレン排出弁を設けてもよい。この場合も上記同様の効果を得ることができる。

本発明の空気圧縮機の一実施形態の全体構成を表す概略図である。本発明の空気圧縮機の一実施形態の動作内容を説明するためのタイムチャートである。本発明の空気圧縮機の他の実施形態の全体構成を表す概略図である。本発明の空気圧縮機の他の実施形態の動作内容を説明するためのタイムチャートである。本発明の空気圧縮機の一変形例として圧縮機本体２の吐出側圧力Ｐと閾値Ｌとの関係を表す特性図である。

符号の説明

２圧縮機本体
３電動機
４インバータ
７冷凍式エアドライヤ（ドレン分離手段）
８圧力センサ（圧力検出手段）
９コントローラ（運転負荷率積算手段、ドレン排出制御手段）
９Ａコントローラ（運転負荷率積算手段、ドレン排出制御手段）
１１ドレン排出弁

Claims

空気を圧縮する圧縮機本体と、前記圧縮機本体を駆動する電動機と、前記圧縮機本体の吐出側圧力を検出する圧力検出手段と、前記圧力検出手段で検出した前記圧縮機本体の吐出側圧力と予め設定された所定の制御圧力との偏差に基づきＰＩＤ演算を行い、この演算結果を指令周波数として前記インバータに出力するコントローラと、前記コントローラからの指令周波数に応じて運転周波数を生成し、この運転周波数を前記電動機に出力して前記電動機の回転数を可変制御するインバータと、前記圧縮機本体から吐出された圧縮空気中のドレンを分離するドレン分離手段と、前記ドレン分離手段で分離したドレンを排出可能なドレン排出弁とを備えた空気圧縮機において、
前記コントローラは、前記圧縮機本体の吐出側圧力に応じて閾値を設定し、前記指令周波数に基づいて前記圧縮機本体の運転負荷率を演算し積算し、この運転負荷率の積算値が前記閾値に達したときに前記ドレン排出弁を作動させることを特徴とする空気圧縮機。
請求項１記載の空気圧縮機において、前記コントローラは、前記圧縮機本体の吐出側圧力の昇圧時間及び降圧時間を演算し、この昇圧時間の時間割合と前記指令周波数とに基づいて前記圧縮機本体の運転負荷率を演算し積算することを特徴とする空気圧縮機。
請求項１又は２記載の空気圧縮機において、前記圧縮機本体の吸込側温度を検出する温度検出手段と、前記圧縮機本体の吸込側湿度を検出する湿度検出手段とを備え、前記コントローラは、前記温度検出手段及び湿度検出手段の検出結果に応じて前記閾値を設定変更することを特徴とする空気圧縮機。
請求項１〜３のいずれか１項記載の空気圧縮機において、前記ドレン分離手段は冷凍式エアドライヤであることを特徴とする空気圧縮機。