JP4864063B2

JP4864063B2 - 圧縮機ユニット

Info

Publication number: JP4864063B2
Application number: JP2008275262A
Authority: JP
Inventors: 裕治紙屋; 正彦高野; 智彦岡中; 正明戸田
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2008-10-27
Filing date: 2008-10-27
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2024-01-26
Also published as: JP2009068496A

Description

本発明は、複数台数の圧縮機を有する圧縮機ユニットに関する。

一般に、油冷式空気圧縮機の主要構成は、圧縮機本体、この圧縮機本体を駆動するモータ、圧縮エアとオイル（潤滑油）を分離するオイルセパレータ、圧縮エア及びオイルの冷却器、オイルを一定量保持するオイルタンク、吸入空気の異物を濾過する吸気フィルタ、吸気量調整弁、オイルフィルタ及び制御盤からなる。圧縮工程中にオイルを注入することのないオイルフリー型の圧縮機では、圧縮エアとオイルを分離するためのオイルセパレータが不要になるなど一部の変更点はあるが、ほぼ同等の構成からなる。

油冷式圧縮機の従来技術としては、１台のモータに１基の圧縮機本体を連結した構造又は１台のモータに２基の圧縮機本体を連結した構造を持つものがある（例えば、非特許文献１参照）。この従来技術は、前者及び後者共にモータを１台のみ有する構造である。したがって、後者の２基の圧縮機本体を有する構造であっても片方のみの単独運転はできないため、省エネ特性は２基の能力と同じ能力を有する１基の圧縮機本体である場合と同等となる。

上記非特許文献１に記載のような従来構造を、特に大型の圧縮機に適用した場合には、省エネ特性の不利な中間負荷領域での使用が多い場合や、大型モータの運転・停止にはモータ自身の冷却のため一定時間内における運転・停止の回数が規定されているため圧縮エアの使用量が減少した場合でも運転を継続しなければならないといったことから、省エネルギーの観点において不利な運転となることがある。また大型の圧縮機では、使用するモータの需要量が少なくなるため小型のものと比較して著しく高価であり、その他の部品についても同様のことが言えるため、経済的にも不利となることがある。

そこで、大型の圧縮機を複数の小型機にリプレースし、台数制御により省エネを図ることが行われている。このような圧縮機の従来技術としては、１ユニットにスクロール圧縮機を複数台数設置したものがある（例えば、非特許文献２参照）。この従来技術によれば、複数台数の小容量サイズのオイルフリー型スクロール圧縮機を１ユニットに搭載し、負荷に応じて運転・停止を自動切替して運転台数を制御することにより、省エネを図っている。

また、さらなる省エネを図るため、複数台数の圧縮機のうち１台のみのモータの回転数をインバータ制御し、その他の回転数を固定して運転する運転方式が提唱されている（例えば、特許文献１参照）。この従来技術によれば、圧縮エアの使用量の増減に対してほぼ直線的に消費動力を増減することができ、更なる省エネを図ることを可能としている。

「アトラスコプコ空気圧縮機ＧＡ90-315FFシリーズ＆ＧＡ180VSD-FF 給油式スクリュー圧縮機カタログ」アトラスコプコ（ベルギー）発行年不明「アネスト岩田無給油式コンプレッサカタログ２００３年」アネスト岩田株式会社２００３年特開平１１−３４３９８６号公報

ところで、上記のように１ユニットに複数台数の圧縮機を搭載した場合において、停止状態の圧縮機と運転状態の圧縮機とが混在すると、停止状態の圧縮機は運転状態にある圧縮機の運転振動を受けることとなる。ここで、圧縮機には圧縮機本体内部やモータ内部に軸受が多数使用されている。これらの軸受が、停止状態で微振動を連続して受けると、軸受の転動体と軌道面がたたかれて軌道面表面に損傷を生じる可能性がある。このような損傷が生じた場合、運転時にその軌道面表面の損傷が荷重を受けることにより進展して剥離し、軸受破損となり重大事故を発生させる恐れがある。

本発明の目的は、軸受損傷を防止することができる圧縮機ユニットを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、スクリューロータを有する圧縮機本体、この圧縮機本体を駆動するモータ、及び補器類を有する複数台数の圧縮機と、負荷に応じて前記圧縮機の運転台数を制御する制御手段とを備え、前記圧縮機本体または前記モータが軸受により支持される圧縮機ユニットにおいて、前記制御手段は、負荷に応じて前記複数台数の圧縮機のうち一の圧縮機を駆動する一のモータの回転数をインバータにより可変に制御し、この一の圧縮機により供給可能な空気量より使用側の空気量が少ない場合には前記インバータにより前記一のモータの回転数を制御することで空気を供給し、使用側の空気量が前記一の圧縮機により供給可能な空気量を超えた場合に、前記複数台数の圧縮機のうちの前記一の圧縮機とは異なる他の圧縮機を起動させて空気を供給し、前記一のモータとは異なる他のモータであって前記他の圧縮機を駆動するものが一定時間停止状態であるとき、当該他のモータを強制的に起動して前記他の圧縮機のアンロード運転を行う運転指令を与えるものとする。

本発明によれば、軸受の接触箇所を定期的にずらすことが可能となり、軸受損傷を防止することができる。

（第１実施形態）
以下、本発明の圧縮機ユニットの第１実施形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の圧縮機ユニットの第１実施形態の全体構造を表す正面図、図２は平面図、図３は側面図であり、図４はエア及びオイルの流れを示すフロー図である。

本実施形態の圧縮機ユニットは、互いに軸平行で且つねじり方向が逆をなす雌雄１組のスクリューロータ（図示せず）によりエアを圧縮するスクリュー型の圧縮機ユニットである。このスクリュー圧縮機ユニットは、コモンベース１と、このコモンベース１上に並列に配置された２台のスクリュー圧縮機２Ａ，２Ｂと、コモンベース１上における一方のユニット側面側（図１及び図２中右側、図３中紙面手前側）に自立し、上記２台のスクリュー圧縮機２Ａ，２Ｂの運転を制御する制御盤（制御手段）３を有している。スクリュー圧縮機２Ａ，２Ｂは同様の構成を有するので、以下、スクリュー圧縮機２としてまとめて説明する。

スクリュー圧縮機２は、吸気フィルタ４、吸入弁５、及び雌雄１組のスクリューロータを有する圧縮機本体６を備える。圧縮機本体６はモータ８にフランジ接続されて駆動される。吸気フィルタ４、吸入弁５を通過し圧縮機本体６に吸い込まれた空気は圧縮されて圧縮エアとなり、圧縮工程の途中に供給されたオイル（潤滑油）と共に配管で接続されたオイルタンク９に吐出される。オイルタンク９内ではその上部の空間において圧縮エアとオイルの１次分離が行われ、下部は分離されたオイルのオイル溜まりを兼ねている。圧縮エアはオイルタンク９の上部で１次分離されたのち、タンク上方に配管で連結されたオイルセパレータ１０に入りさらに微細なオイルを分離される。この後、アフタークーラ（冷却機器）１１内にて外気と熱交換されて所定の温度まで冷却され、スクリュー圧縮機２Ａ，２Ｂ各々のアフタークーラ１１Ａ，１１Ｂの出口を連結した配管１２で合流されて、ユニット外部へ供給される。一方、オイルはオイルタンク９の下部よりオイルクーラ１４へと導かれ、同様に外気との熱交換により冷却されて圧縮機本体６へと向かう。アフタークーラ１１及びオイルクーラ１４は冷却ファン１５を内蔵したダクト１６の側面に配置される。そして、これらクーラ１１，１４、冷却ファン１５及びダクト１６を有する冷却装置１３は、冷却風の取り入れ側であるクーラ１１，１４側を圧縮機ユニットの後ろ側（背面側）となるようにモータ８の上方に配置される。

なお、外気温の変動により圧縮エアおよびオイルの冷却後の温度は変化することから、オイルの過冷却防止のために、オイルの冷却系統にはオイルクーラ１４をバイパスするバイパス配管１７を設けている。そして、マニホールド（図示せず）に内蔵された温度調整弁１８は、オイルのバイパス量を調整して圧縮機本体６の運転中の温度を一定に保ち、外気温による影響を排除するように働く。このように温度調整されたオイルはオイルフィルタ１９を経て圧縮工程中の圧縮エアに注入され、再びオイルタンク９内へと吐出されて、循環して使用される。

コモンベース１上には、スクリュー圧縮機２Ａ，２Ｂを覆うように圧縮機ユニットの周囲４側面及び上面に防音カバー（図示せず）が設けられるようになっている。この防音カバーには必要最小限の開口部が設けられる。なお、スクリュー圧縮機ユニット正面側の防音カバーは、日常メンテナンスのために開閉可能な方式にしておくとよい。

次に、本実施形態のスクリュー圧縮機ユニットの運転方式について説明する。図５は本実施形態のスクリュー圧縮機ユニットの省エネ特性図、図６は制御圧力に対するライン圧力の経時変化の一例を示す図である。

制御盤３内には、圧縮機本体６Ａを駆動するモータ８Ａの回転数を可変に制御するインバータ２０が収納されている。本実施形態においては、２台のスクリュー圧縮機２Ａ，２Ｂのうちスクリュー圧縮機（第１の圧縮機）２Ａのみを上記インバータ２０で回転数制御し、スクリュー圧縮機（第２の圧縮機）２Ｂについてはモータ８Ｂの回転数を一定にして運転する。以下、説明簡素化のため、インバータ制御側であるスクリュー圧縮機２Ａを１号機、一定回転数で運転する側であるスクリュー圧縮機２Ｂを２号機と呼ぶ。

まず、停止状態から運転開始する場合には、１号機を優先しスタートさせる。使用側の必要量が内蔵機１台分より少ない場合には、１号機は指定された圧力（以下、制御圧力）を目標として運転し、ライン圧力と制御圧力に偏差が生じればその偏差量にしたがって、圧縮機の回転数を加減速して圧縮エアの供給量をコントロールする。さらにエア使用量が増加し１台分の供給量を超えた場合には、ライン圧力が低下していくので、制御圧力より下側に設定した起動圧力まで低下した時点で、２号機をスタートさせて不足分を補う。この場合、１号機が省エネ特性にすぐれたインバータ制御機なので、２号機は単独で圧縮エア供給量を調整しないよう全負荷に固定しておく必要があり、２号機が起動し圧縮エアの供給を開始した直後に１号機は速やかに圧縮機の回転数を減速させて合計供給量を調整する。その後のエア使用量の増加とともに１号機の圧縮機の回転数を上昇させて供給量を増加させ制御圧力を維持する。２号機に加え１号機が定格回転数に到達した状態が本圧縮機ユニットの最高仕様点となる。

次に、エア使用量が減少してきた場合には、制御圧力が一定となるように１号機の回転数を減少させて供給量を調整する。エア使用量がさらに減少し１台分以下となった場合にはライン圧力が上昇していくので、制御圧力より上側に設定した停止圧力に到達した時点で２号機を停止させて１号機のみの運転に移行する。このようにして、２号機は中負荷から高負荷時にのみ運転し、供給量の調整を１号機により行うことで、全運転領域において大型のインバータ制御機と同等の省エネ特性とすることが可能となる。

以上のような構成の圧縮機ユニットにおいて、本実施形態の最大の特徴は、設置スペースの増大を抑制しつつメンテナンス性を向上できるようにコモンベース１上に各機器を配置したことである。以下、その内容について説明する。

本実施形態の圧縮機ユニットにおいては、図１及び図２に示すように、補器類のうち吸気フィルタ４、オイルセパレータ１０、オイルフィルタ１９及びオイルタンク９をユニット正面側（図１中紙面手前側、図２中下側、図３中左側）に配置する。なお、オイルタンク９については図示しないオイル補給口がユニット正面側を向くように配置される。これにより、定期的に交換が必要な吸気フィルタ４、オイルセパレータ１０及びオイルフィルタ１９の交換作業、及びオイルタンク９のオイル補給口を介して行うオイルの補充・交換作業をユニット正面側から容易に行うことができ、メンテナンス性を向上することができる。

また、本実施形態においては、インバータ制御を行うスクリュー圧縮機２Ａについては前記図５で説明したように常時運転となり、もう一方の一定回転数のスクリュー圧縮機２Ｂに比べて運転時間が長くなることから、スクリュー圧縮機２Ａの圧縮機本体６Ａ及びモータ８Ａのオーバーホール等のメンテナンス頻度はもう一方のスクリュー圧縮機２Ｂと比べて多くなる。そこで本実施の形態では、インバータ制御を行うスクリュー圧縮機２Ａを他方のユニット側面側（図１及び図２中左側、図３中紙面奥側。すなわち制御盤３と反対側）に配置し、当該スクリュー圧縮機２Ａについてはユニット正面側及び側面側の２方向からアクセス可能とする。これにより、上記圧縮機本体６Ａ及びモータ８Ａのオーバーホール等のメンテナンス性を向上することができる。なお、一定回転数のスクリュー圧縮機２Ｂについてはメンテナンス頻度が比較的少ないことから、ユニット正面側からのみアクセス可能とすれば足りる。また、インバータ２０を含む制御盤３のメンテナンスについては、一方のユニット側面側（図１及び図２中右側、図３中紙面手前側）から行う。

さらに、本実施形態においては、アフタークーラ１１、オイルクーラ１４、冷却ファン１５及びダクト１６を有する冷却装置１３を、冷却風の取り入れ側であるクーラ１１，１４側が圧縮機ユニットの背面側となるようにモータ８の上方に配置する。このような構成とすることにより、モータ８の上方のスペースを有効に活用することができ、圧縮機ユニットの設置スペースの増大を抑制することができる。またこのようにして、冷却空気をユニット背面側から取り入れ上方に排出するようにしたことによって、ユニット正面側及び側面側におけるメンテナンス作業性に影響を与えることなくクーラ１１，１４を冷却可能とすると共に、モータ８の冷却についても効率よく行うことができる。なお、クーラ１１，１４の清掃等のメンテナンス作業については、ユニット両側面側からそれぞれ行うことが可能である。

以上のことから、本実施形態によれば、スクリュー圧縮機ユニットの設置スペースの増大を招くことなく、メンテナンス性を向上することができる。その結果、メンテナンスコストが増大して省エネ効果が目減りするといった事態を防止でき、本実施形態の圧縮機ユニットが有する大型のインバータ制御機と同等の省エネ特性を活かすことができる。

（第２実施形態）
本発明の圧縮機ユニットの第２実施形態について、第１実施形態と相違する点を中心に以下に説明する。本実施形態は、２台のスクリュー圧縮機２Ａ，２Ｂの運転を回転数を固定して行うものである。よって、第１実施形態で制御盤３内に内蔵したインバータ２０が不要となる。なお、このインバータ２０が不要となる以外の構成は前述の第１実施形態と同様であるので、本実施形態の構成については図示省略する。

本実施形態におけるスクリュー圧縮機２Ａ，２Ｂの運転は、設定された圧力を基準に負荷変動に応じて追従や停止を行うことにより行われる。スクリュー圧縮機２Ａ，２Ｂにおいては、優先的に運転する主機と主機だけでは供給量が不足する場合に不足分を補う従機を予め定めておく。なお、このように主機と従機を定めた場合、主機の方の運転が優先して行われるために従機より運転時間が長くなり、運転時間がアンバランスになる。したがって、この両機の運転時間のアンバランスを解消するため、例えば一定時間経過後に主機と従機の入れ替えを自動的に行い、運転時間を平準化するようにしてもよい。

本実施形態によれば、インバータ２０を用いない分第１実施形態に比較して省エネ特性は劣るものの、インバータ２０が不要となるため、さらに安価な圧縮機ユニットを提供することができる。また、上記の運転時間の平準化を行った場合には、メンテナンスの計画的実施に資することができる。

（第３実施形態）
本発明の圧縮機ユニットの第３実施形態について、第１及び第２実施形態と相違する点を中心に以下に説明する。本実施形態は、スクリュー圧縮機２Ａ，２Ｂの運転制御に軸受損傷防止運転を追加したものである。なお、本実施形態の構成についても前述の第１実施形態と同様であるので、図示省略する。

前述した第１及び第２実施形態によれば、１ユニットに２台のスクリュー圧縮機２Ａ，２Ｂを搭載し、各々のモータ８Ａ，８Ｂで駆動することにより中間負荷時の省エネ特性の向上と同一出力の１モータ機に対して低価格を実現することが可能であるが、それゆえ中負荷〜低負荷時には片方の圧縮機は停止状態となり、他方の圧縮機の運転振動を受けることとなる。

ここで、スクリュー圧縮機２には圧縮機本体６内部やモータ８内部に図示しない軸受が多数使用されている。これらの軸受が、停止状態で微振動を連続して受けると、軸受の転動体と軌道面がたたかれて軌道面表面に損傷を生じる可能性がある。このような損傷が生じた場合、運転時にその軌道面表面の損傷が荷重を受けることにより進展して剥離し、軸受破損となり重大事故を発生させる恐れがある。

これに対し、本実施形態においては、制御盤（強制起動手段；軸受損傷防止運転手段）３から停止中のスクリュー圧縮機（ここでは２号機）に対して一定時間経過毎に起動の指令を与え、軸受の接触点を移動させる軸受損傷防止運転を加える制御を加え、軸受損傷の危険性を排除する。すなわち、第１及び第２実施形態の圧縮機ユニットでは、インバータ制御である１号機は容量調整のため優先的に運転され、１号機の能力を上回る使用量となった場合に２号機が起動し不足分を補う運転制御を行うため、停止機会の多い２号機に軸受損傷の恐れがある。そこで本実施形態では、１号機が運転中且つ２号機の停止時間Ｔがたとえば３０分以上となった場合に、２号機に軸受損傷防止運転指令を与えるようにする。この軸受損傷防止制御の内容を図７を用いて説明する。図７は制御盤３が行う軸受損傷防止制御の内容を示すフローチャートである。

ステップ１０では１号機が運転中であるかどうかを判定し、運転中であればステップ２０に移る。

ステップ２０では２号機が停止中であるかどうかを判定し、停止中であればステップ３０に移る。

ステップ３０では２号機の停止時間Ｔが例えば３０分以上であるかどうかを判定する。停止時間Ｔが３０分以上である場合にはステップ４０に移り、軸受損傷防止運転を行う。

なお、回転数固定制御機である２号機の起動はモータの起動方式で一般的な人-Δ（スター−デルタ）起動によって行われるが、この軸受損傷防止運転はモータ８を人（スター）結線のみで駆動して行われる。本実施形態では、軸受損傷防止運転を時間にして例えば５〜１０秒間だけアンロード運転により行われる。図８は軸受損傷防止運転が行われる際の１号機と２号機の回転数と時間の関係を示す図である。この運転により、軸受の接触箇所を定期的にずらすことが可能となり、軸受損傷を防止することができる。なお、上記では停止時間Ｔを３０分としたが、モータ出力に応じて変更可能にしておくのが好ましい。

なお、以上説明してきた本発明の第１乃至第３実施形態においては、１ユニットに２台の圧縮機を有する場合について説明してきたが、これに限らず、例えば３台以上の圧縮機を搭載することも可能である。その場合には、制御盤３からもっとも離れた圧縮機（すなわち制御盤３と反対側のユニット側面側に位置する圧縮機）をインバータ制御機とする。

また、上記本発明の第１乃至第３実施形態においては、冷却ファンを用いた空冷方式の圧縮機ユニットについて述べたが、これに限らず、水冷方式としてもよい。

またさらに、上記本発明の第１乃至第３実施形態においては、１組のスクリューロータによりエアを圧縮するスクリュー圧縮機を複数台有する圧縮機ユニットに本発明を適用した場合について説明したが、これに限らない。すなわち、本発明は、例えば固定スクロールと旋回スクロールからなる１組のスクロールによりエアを圧縮するスクロール圧縮機を複数台有する圧縮機ユニットについても適用可能であり、同様の効果を得ることができる。

本発明の圧縮機ユニットの第１実施形態の全体構造を表す正面図である。本発明の圧縮機ユニットの第１実施形態の全体構造を表す平面図である。本発明の圧縮機ユニットの第１実施形態の全体構造を表す側面図である。本発明の圧縮機ユニットの第１実施形態におけるエア及びオイルの流れを示すフローである。本発明の圧縮機ユニットの第１実施形態の省エネ特性図である。本発明の圧縮機ユニットの第１実施形態における制御圧力に対するライン圧力の経時変化の一例を示す図である。本発明の圧縮機ユニットの第３実施形態において、制御盤が行う軸受損傷防止制御の内容を示すフローチャートである。本発明の圧縮機ユニットの第３実施形態における軸受損傷防止運転時の１号機と２号機の回転数と時間の関係を示す図である。

符号の説明

２Ａスクリュー圧縮機（第１の圧縮機）
２Ｂスクリュー圧縮機（第２の圧縮機）
３制御盤（制御手段；強制起動手段；軸受損傷防止運転手段）
４Ａ，４Ｂ吸気フィルタ（補器類）
６Ａ，６Ｂ圧縮機本体
８Ａ，８Ｂモータ
９Ａ，９Ｂオイルタンク（補器類）
１０Ａ，１０Ｂオイルセパレータ（補器類）
１１Ａ，１１Ｂアフタークーラ（補器類）
１３Ａ，１３Ｂ冷却装置（冷却機器；補器類）
１４Ａ，１４Ｂオイルクーラ（補器類）
１９Ａ，１９Ｂオイルフィルタ（補器類）
２０インバータ

Claims

スクリューロータを有する圧縮機本体、この圧縮機本体を駆動するモータ、及び補器類を有する複数台数の圧縮機と、負荷に応じて前記圧縮機の運転台数を制御する制御手段とを備え、前記圧縮機本体または前記モータが軸受により支持される圧縮機ユニットにおいて、
前記制御手段は、負荷に応じて前記複数台数の圧縮機のうち一の圧縮機を駆動する一のモータの回転数をインバータにより可変に制御し、この一の圧縮機により供給可能な空気量より使用側の空気量が少ない場合には前記インバータにより前記一のモータの回転数を制御することで空気を供給し、
使用側の空気量が前記一の圧縮機により供給可能な空気量を超えた場合に、前記複数台数の圧縮機のうちの前記一の圧縮機とは異なる他の圧縮機を起動させて空気を供給し、
前記一のモータとは異なる他のモータであって前記他の圧縮機を駆動するものが一定時間停止状態であるとき、当該他のモータを強制的に起動して前記他の圧縮機のアンロード運転を行う運転指令を与えることを特徴とする圧縮機ユニット。
前記制御手段は、前記一のモータが運転中の場合に、前記他のモータの停止時間に基づいて前記運転指令を与えることを特徴とする請求項１記載の圧縮機ユニット。
前記複数台数の圧縮機が１つのコモンベースに配置されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の圧縮機ユニット。
前記一のモータは前記インバータにより回転数が可変に制御され、前記他のモータは回転数を一定にして運転することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の圧縮機ユニット。
前記運転指令による前記他のモータの起動は、スター結線による駆動のみで行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の圧縮機ユニット。