JP4701200B2 - 無給油式スクリュー圧縮機とその運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、雄，雌１対のスクリューロータを非接触で同期回転させ空気等のガスを圧縮し利用機器へ吐出する無給油式スクリュー圧縮機とその運転方法に係り、特に、インバータを用いて駆動電動機の回転数を変化させて容量を制御する圧縮機とその運転方法に関する。

従来、容積形圧縮機の容量制御装置としては、特許文献１に開示されている例がある。特許文献１には、インバータで回転数を変化させて容量制御を行う容積形圧縮機、例えばねじ形圧縮機において、必要エア量（吐出空気量）が大幅に少なくなり、かつインバータによる回転数制御ができない運転領域では、圧縮機の吐出空気を大気に開放することが記載されている。

特開平９−１１９３７９号公報

上記従来技術では、圧縮機の無負荷運転時の動力低減や、停電時に圧縮機吐出側の圧力を速やかに低下させて再起動に備える点などについては、何も開示されていなかった。

本発明の課題は、インバータにより回転数制御して容量を変化させる無給油式スクリュー圧縮機において、停電時に圧縮機吐出側の圧力を速やかに低下させて再起動に備えることにある。

上記課題を達成するため、無給油式スクリュー圧縮機を、空気を圧縮する圧縮機本体と、該圧縮機本体を回転駆動する電動機と、該電動機の回転制御するインバータと、前記圧縮機本体の吐出側に接続された本体吐出配管と、該本体吐出配管に介装された逆止弁と、前記圧縮機本体の吐出側と前記逆止弁の間の前記本体吐出配管に分岐して放気配管を設け、該放気配管に介装した第１の電磁弁と、該第１の電磁弁をバイパスするバイパス配管を設け、該バイパス配管に介装した第２の電磁弁と、前記逆止弁の下流側の吐出配管に装着されて管内圧力を検出する圧力検出器と、該圧力検出器の信号により前記第１の電磁弁、前記第２の電磁弁及び前記インバータ装置を制御する制御装置を備え、前記第１の電磁弁と前記第２の電磁弁の一方を通電時開形とし、他方を非通電時開形とし、停電発生時、前記圧縮機本体と前記逆止弁間の前記本体吐出管内の圧力をなくすように放気することを特徴とする。
この場合において、前記圧縮機本体内に備えられた軸受に給油するオイルポンプと、前記電動機の回転数に応じて前記オイルポンプの回転数を増減させるオイルポンプ駆動手段を設けることができる。

前記オイルポンプ駆動手段は、前記電動機の回転数に同期して回転するようオイルポンプを駆動するものとしてもよい。

なお、上記構成の圧縮機において、仕様空気量（定格吐出空気量）に対する吐出空気量の比（吐出空気量／仕様空気量）があらかじめ設定された吐出空気量比以上の運転範囲では、電動機の回転数制御により吐出圧力を設定仕様圧力に保ち、吐出空気量比が前記あらかじめ設定された吐出空気量比以下の運転範囲では、圧縮機本体出口から逆止弁までの位置に設けた第１と第２の電磁弁（放気弁）により圧縮機吐出側の圧縮空気を大気に放出し運転することができる。

吐出空気量は、吐出空気圧力を一定とした場合、電動機の回転数で決まる。したがって、前記予め設定された吐出空気量比となる量の圧縮空気を吐出する場合の電動機回転数も一意的に決まるから、これを下限回転数に設定し、電動機回転数が該下限回転数を下回っても、前記逆止弁下流側の圧力が設定された上限圧力以下にならないとき、前記第１と第２の電磁弁を開いて圧縮機吐出側の圧縮空気を大気に放出するようにすればよい。

第１と第２の電磁弁として口径の異なる少なくとも２個の弁を並列配置し、そのうちの１個を大口径として通電時開となるようにし、他の１個を小口径として非通電時、開となるように構成することができる。このように構成することにより、通常の放気時には両者を同時に開として圧縮機吐出側の圧力を速やかに低下させることができるので、電動機の消費動力を速やかに低減できる。また、停電時に自動的に前記複数の弁のうちの口径の小さいほうの弁が開かれて圧縮機吐出側の圧力を低下させるから、圧縮機の再起動を容易にできる。大口径の電磁弁を通電時開とすることにより、弁が閉である通常運転時は非通電として消費電力を少なくできる。一方、非通電時開となる電磁弁は通常運転時は閉としておくために通電しておかなければならないが、口径が小さければ消費電力は少なくて済む。

本発明によると、インバータによる回転数制御を行う無給油式スクリュー圧縮機において、低負荷時の消費動力が低減できる。

本発明の実施の形態を図１、図２により説明する。図1は本発明の実施の形態に係るインバータ駆動形無給油式スクリュー圧縮機の要部構成を示す系統摸式図である。図２は本発明による無給油式スクリュー圧縮機の運転制御方法を示す説明図である。

図１に示す無給油式スクリュー圧縮機は、圧縮機本体１と、ベルト４を介して圧縮機本体を回転駆動する電動機２と、電動機２を回転数制御するインバータ装置２０と、圧縮機本体１の吐出側に接続された本体吐出配管２１と、本体吐出配管２１に介装された圧力保持手段（吐出空気を放気したときに、負荷側の圧力低下を防ぐもの）である逆止弁１３と、逆止弁１３の上流側の本体吐出配管２１に介装されたプレクーラ１２と、逆止弁１３の下流側の本体吐出配管２１に介装されたアフタークーラ１４と、逆止弁１３とプレクーラ１２の間の本体吐出配管２１に分岐して設けられ大口径二方電磁弁（大径放気弁）２６を介装した放気配管２２と、放気配管２２の下流端（大気開放端）に装着された放気サイレンサ１９と、放気配管２２に前記大口径二方電磁弁２６をバイパスするように接続されたバイパス配管２２Ａと、バイパス配管２２Ａに介装された小口径二方電磁弁（小径放気弁）２７と、前記アフタークーラ１４の空気出側に接続された吐出配管１５と、吐出配管１５に装着されて管内圧力を出力する圧力検出器（圧力センサ）２４と、圧力検出器２４、前記大口径二方電磁弁２６、小口径二方電磁弁２７及び前記にインバータ装置２０に接続して設置された制御装置１７と、を含んで構成されている。

ここでいう大口径、小口径は、二つの電磁弁を比較した際の大小を表す。また、本実施の形態では、小口径二方電磁弁２７はバイパス配管２２Ａに介装されているが、これは放気サイレンサ１９を共用するためであり、バイパス配管２２Ａの下流端を放気配管２２に接続せず、別のサイレンサを装着して大気に開放しても差し支えない。

前記制御装置１７は、圧力検出器２４から出力される圧力があらかじめ設定された圧力（定格吐出圧力）を許容範囲を超えて高いとき，前記インバータ装置２０に電動機２の回転数を低下させるように指令し、圧力検出器２４から出力される圧力があらかじめ設定された圧力（定格吐出圧力）を許容範囲を超えて低いとき，前記インバータ装置２０に電動機の回転数を上昇させるように指令する。また、制御装置１７には電動機２の回転数（あるいは圧縮機本体１、つまり後述するスクリューロータの回転数、以下単に電動機２の回転数という）が入力されるようになっており、電動機２の回転数があらかじめ設定された下限回転数になっても、圧力検出器２４から出力される圧力があらかじめ設定された圧力（設定上限圧力）を超えている場合、前記電磁弁２６，２７に開指令を出力する。前記下限回転数は、本実施の形態においては、定格吐出圧力において、吐出空気量が仕様空気量の３０％となる回転数に設定されているが、必ずしも３０％に限定する必要はなく、圧縮機の特性、容量などに応じて適宜選定すればよい。

圧縮本体１は、ケーシング内に互いに噛み合うように配置され同期回転して空気を圧縮する雄，雌一対のスクリューロータ３と、該一対のスクリューロータ３のうちの一方に結合された増速ギヤ５と、増速ギヤ５の軸の一端に結合されたオイルポンプギヤ２９と、このオイルポンプギヤ２９に結合されたオイルポンプ２８と、前記ケーシングの空気吸込み側に装着された吸込みフィルタ６と、を含んで構成されている。前記ベルト４は増速ギヤ５の軸の他端に結合されたプーリに懸け回され、増速ギヤ５を介して前記一対のスクリューロータを回転させるとともに、オイルポンプギヤ２９を介して前記オイルポンプ２８を駆動するようになっている。

以下、上記構成の圧縮機の運転につき、説明する。始動後、圧縮機本体１は電動機２の回転をベルト４と増速ギヤ５により伝達され、所定の回転数まで増速する。この時大口径二方電磁弁２６は開放（小口径二方電磁弁２７は閉）されていて無負荷起動し、電動機２が所定の回転数になると、数秒後、大口径二方電磁弁２６が閉となって、負荷運転になる。この時、空気は圧縮機本体１により所定の圧力まで昇圧され、プレクーラ１２により１次冷却され、逆止弁１３を通過し、アフタークーラ１４によりさらに冷却された後、吐出される。空気使用量が変化し吐出配管１５中の圧力が上昇或いは下降すると、圧力検出器（圧力スイッチ）２４がその変化を検出し、制御装置１７の指令によりインバータ装置２０が電動機の回転数を制御して吐出圧力を設定圧力に保持する。

本実施の形態においては、容量制御における圧縮機気回転数は、吐出空気量比が３０％となる回転数が下限回転数に設定されており、使用空気量（吐出空気量）がそれ以下に低下しても、圧縮機回転数は低減されない。このため、吐出空気量比が３０％を下回ると、圧力検出器２４で検出される吐出圧力が次第に上昇し、あらかじめ設定されている上限圧力に達する。圧力検出器２４で検出される吐出圧力が前記上限圧力を超えると、制御装置１７は、前記大口径二方電磁弁２６及び小口径二方電磁弁２７を開いて放気し、無負荷運転をする。負荷側で圧縮空気が消費されて圧力検出器２４で検出される吐出圧力が許容範囲以下に低下すると、制御装置１７は前記大口径二方電磁弁２６及び小口径二方電磁弁２７を再び閉じて負荷側に圧縮空気を送り込む。

本発明に係る圧縮機では、図に示すように、電動機２の回転数制御にインバータ装置２０を使用する。また、圧縮機本体１の吸込側に吸込み絞り弁を設けず、吸込フィルタ６が直接配置されている。そして、本発明の特徴は、逆止弁１３とプレクーラ１２の間の本体吐出配管２１に分岐して設けられ一端が大気に開放された放気配管２２に、大口径二方電磁弁（大径放気弁）２６を介装し、放気配管２２に前記大口径二方電磁弁２６をバイパスするようにバイパス配管２２Ａを接続し、このバイパス配管２２Ａに小口径二方電磁弁２７を介装し、前記大口径二方電磁弁２６、小口径二方電磁弁２７を吐出配管１５の管内圧力および電動機回転数を入力とする制御装置１７で開閉制御するように構成した点にある。

本実施の形態では、図２に示すように、吐出空気量が仕様吐出空気量（定格吐出空気量）に対して１００％から約３０％の運転範囲（吐出圧力一定運転範囲Ｄ）では、吐出配管１５内の空気圧力を圧力検出器（圧力センサー）２４で検出し、検出された圧力に基づいて制御装置１７の指令により、インバータ装置２０が電動機２の駆動周波数を変化させ、吐出圧力を一定範囲（定格吐出圧力に対する許容範囲）に保ちながら回転数制御する。一方、吐出空気量が低減されるにつれて圧縮機の回転数は低減される（設定された吐出圧力を維持しながら回転数が低減される）が、圧縮機の回転数制御においては、前述のように下限回転数が設定されていて、仕様吐出空気量に対して約３０％以下の運転範囲（減圧運転範囲Ｅ）になると、圧縮機回転数は前記設定された下限回転数に保持され、それ以下には降下されない。このため、吐出空気量がさらに低下すると、吐出空気量に対して回転数が大きくなり、吐出圧力が上昇する。圧力検出器（圧力センサー）２４で検出した吐出圧力が設定上限圧力に到達すると、制御装置１７の指令により大口径二方電磁弁２６、小口径二方電磁弁２７を開き、放気サイレンサ１９より本体吐出配管２１の圧縮空気を大気に放出する。

放気中の動力をより軽減するためには、圧縮機２次側の圧力を大気圧に近づける必要があり、放気口を大きくする必要があり、放気弁として、電磁弁の１次側と２次側の圧力差（仕様圧力：0.69Mpa）があっても全開となる通電時開形の大口径の二方電磁弁（大口径二方電磁弁２６）を使用する。しかし、この大口径二方電磁弁２６のみでは、停電発生時には圧縮機本体１と逆止弁１３間の本体吐出配管２１中に圧力が残るため、非通電時に圧力差が仕様圧力（0.69Mpa）以上でも全開となる非通電時開形の小口径の二方電磁弁（小口径二方電磁弁２７）を並列に設ける。以上により、放気時に２個の電磁弁を同時に開として急速に本体吐出配管２１の圧力を低下させるので速やかに消費動力が低減され、かつ停電時でも圧縮機本体１と逆止弁１３間の本体吐出配管２１中に圧力を残すことがなくなる。

なお、本実施の形態では、電動機の下限回転数は、圧縮機の吐出空気量が仕様空気量の３０％となる回転数に設定されているが、前述のように必ずしも３０％にする必要はなく、圧縮機の特性や容量、負荷の特性などに応じて設定することができる。

本実施の形態によれば、放気時、本体吐出配管２１の圧力を速やかに大気圧に近づけることができるので、消費動力を直ちに低下させることができ、運転コストを低減させる効果が得られる。また、停電時、自動的に本体吐出配管２１の圧力を低下させるので、停電復旧時に直ちに再起動することが容易になる。

また、上記構成の圧縮機においては、電動機２で駆動される増速ギヤ５の軸端にオイルポンプ２８の駆動軸をオイルポンプ駆動手段であるオイルポンプギヤ２９を介して結合したので、オイルポンプ２８の駆動回転数、本体圧縮機１の回転数が同期して同じ比率で変化する。圧縮機本体１内の軸受（図示省略）への給油量は圧縮機の回転数が低下すればそれに応じて少なくしてよいが、上記構成によれば、オイルポンプ２８の回転数を圧縮機の回転数に応じて変化させることができ、圧縮機低回転時にオイルポンプ回転数を圧縮機高速回転時の回転数に維持しなくて済むので、オイルポンプ運転に伴なうメカロスが低減できる。

本発明の実施の形態であるインバータ駆動形無給油式スクリュー圧縮機の要部構成を示す系統模式図である。 本発明の実施の形態におけるインバータ駆動形無給油式スクリュー圧縮機の運転制御方法を説明する説明図である。

符号の説明

１ 圧縮機本体
２ 電動機
３ 一対のスクリューロータ
４ ベルト
５ 増速ギヤ
６ 吸込みフィルタ
１２ プレクーラ
１３ 逆止弁
１４ アフタークーラ
１５ 吐出配管
１６ 圧力検出器（圧力スイッチ）
１７ 制御装置
１９ 放気サイレンサー
２０ インバータ装置
２１ 本体吐出配管
２２ 放気配管
２２Ａ 放気バイパス配管
２４ 圧力検出器（圧力センサー）
２６ 大口径二方電磁弁
２７ 小口径二方電磁弁
２８ オイルポンプ
２９ オイルポンプギヤ

Claims (1)

1. 空気を圧縮する圧縮機本体と、
   該圧縮機本体を回転駆動する電動機と、
   該電動機の回転制御するインバータと、
   前記圧縮機本体の吐出側に接続された本体吐出配管と、
   該本体吐出配管に介装された逆止弁と、
   前記圧縮機本体の吐出側と前記逆止弁の間の前記本体吐出配管に分岐して放気配管を設け、該放気配管に介装した第１の電磁弁と、
   該第１の電磁弁をバイパスするバイパス配管を設け、該バイパス配管に介装した第２の電磁弁と、
   前記逆止弁の下流側の吐出配管に装着されて管内圧力を検出する圧力検出器と、
   該圧力検出器の信号により前記第１の電磁弁、前記第２の電磁弁及び前記インバータ装置を制御する制御装置を備え、
   前記第１の電磁弁と前記第２の電磁弁の一方を通電時開形とし、他方を非通電時開形とし、停電発生時、前記圧縮機本体と前記逆止弁間の前記本体吐出管内の圧力をなくすように放気することを特徴とする無給油式スクリュー圧縮機。

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