JP5047234B2

JP5047234B2 - 往復動圧縮機

Info

Publication number: JP5047234B2
Application number: JP2009164588A
Authority: JP
Inventors: 省吾立山; 亨西村
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 2009-07-13
Filing date: 2009-07-13
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2029-07-13
Also published as: JP2011021487A

Description

本発明は、容積形圧縮機に関するものであり、特に、ピストンの往復運動によりシリンダ内の容積を変化させて流体を圧縮する往復動圧縮機に関するものである。

往復動圧縮機の容量制御（吐出量制御）には、バイパス弁、吸入弁アンローダ、クリアランスポケットなどが用いられている。バイパス弁を用いた吐出量制御では、シリンダの吸入側と吐出側とをつなぐバイパス流路に設けられたバイパス弁を必要に応じて開いて、シリンダから吐出された流体（ガス）の一部を吸入側へ戻して循環させる。これにより、後の圧縮プロセスでは、必要量から循環によって戻された量を差し引いた不足分のみをシリンダ内に送り込めば足りる。バイパス弁を用いた吐出量制御では、吐出量を無段階に変化させることができる。

吸入弁アンローダを用いた吐出量制御では、吸入弁を強制的に常時開いた状態にし、対象となるシリンダ室をアンロード状態に切り替える。

クリアランスポケットを用いた吐出量制御では、シリンダの圧縮室の隙間容積を増減させる。より正確には、圧縮室に連通した空間（クリアランスポケット）の容積を変化させることによって、圧縮機の実質的な容量を制御する。

特開平０９−２４２６７５号公報特開平１１−０８２３１４号公報特開平１０−１２２１３８号公報

上述のバイパス弁、吸入弁アンローダまたはクリアランスポケットを用いた往復動圧縮機の吐出量制御には、それぞれ次のような課題があった。まず、バイパス弁を用いた吐出量制御では、吐出量を無段階に調整することができるが、圧縮機は常にフル稼働している（フルロード運転している）。したがって、不必要な動力が消費され、無駄が多い。

吸入弁アンローダを用いた吐出量制御では、シリンダの圧縮室がアンロード状態にされるので、バイパス弁を用いた吐出量制御に比べれば動力が低減される。しかし、吸入弁アンローダを用いた吐出量制御では、シリンダの圧縮室をロード状態またはアンロード状態のいずれかに切り替える択一的な制御しかできないので、圧縮機の吐出量は０％−５０％−１００％といったように段階的に調整されるのが通常である。２連以上のシリンダを備えた圧縮機では、さらに細かい制御が可能となる場合もある。例えば、圧縮機の吐出量を０％−２５％−５０％−７５％−１００％に調整することができる。しかし、吐出量を段階的にしか調整できない（ステップ制御しかできない）ことに変わりはない。そこで、吸入弁アンローダは、バイパス弁と併用されることが多い。例えば、圧縮機の吐出量を６０％に調整したい場合には、吸入弁アンローダによって、圧縮室を７５％ロードの状態にするとともに、バイパス弁を介して１５％分を吸入側へ戻す。この場合、１５％分は不要な動力を消費していることになる。

一部には、吸入量を連続的に調整できるアンローダも存在する。しかし、このようなアンローダを用いた吐出量制御では、吸入弁を閉じるタイミングを１サイクル中で高速かつ正確に制御する高度な機構が必要になる。特に、中・大型の往復動圧縮機では、１つのシリンダ内に２つの圧縮室が設けられ、各圧縮室に２つの吸入弁が設けられることも多い。この場合、合計４つの吸入弁の動作タイミングを高速かつ正確に制御しなくてはならないので、高度で複雑な機構が要求される。しかし、このような高度で複雑な機構は、高価な上に故障のリスクが高い。

クリアランスポケットを用いた吐出量制御は、連続的に吐出量を調整可能であるだけでなく、安価でありながら信頼性も高い。しかし、シリンダの下方に位置する圧縮室にクリアランスポケットを設置することは困難であることから、吐出量の調整が行える範囲が限定される。

本発明の往復動圧縮機は、シリンダの内部空間がピストンによって第１の空間と第２の空間とに区画され、それら第１の空間および第２の空間の双方において流体を圧縮して吐出する往復動圧縮機であって、前記第１の空間および前記第２の空間にそれぞれ設けられた吸入弁と、前記第１の空間および前記第２の空間にそれぞれ設けられた吐出弁と、前記第１の空間に連通するクリアランスポケットと、前記第２の空間に設けられた前記吸入弁を強制的に開いて、前記第２の空間をアンロード状態にするアンローダとを備え、前記クリアランスポケットは、前記第１の空間から吐出される流体の量を０（零）にすることができる容積を有し、かつ、前記クリアランスポケットの容積が可変である。さらに、往復動圧縮機は、前記クリアランスポケット内に設けられたピストンと、該ピストンを往復移動させて、前記クリアランスポケットの容積を変更する駆動手段とを有する。前記駆動手段は、前記クリアランスポケット内の前記ピストンを往復駆動する油圧アクチュエータと、前記油圧アクチュエータに作動油を供給する油圧ユニットと、前記油圧アクチュエータと前記油圧ユニットとの間に形成された第１の作動油供給ラインおよび第２の作動油供給ラインと、を有する。前記第２の作動油供給ラインは、前記第１の作動油供給ラインに比べて、単位時間当たりの前記作動油の流量が多く、前記第２の空間の、ロード状態またはアンロード状態への切り替えと同時に前記クリアランスポケットの容積を変更する際には、前記第２の作動油供給ラインを介して前記油圧ユニットに前記作動油が供給され、前記第２の空間がロード状態またはアンロード状態に保持された状態で前記クリアランスポケットの容積を変更する際には、前記第１の作動油供給ラインを介して前記油圧ユニットに前記作動油が供給される。

本発明によれば、往復動圧縮機の吐出量を連続的に、かつ、広範囲に亘って制御することができる。

本発明の往復動圧縮機の実施形態の一例を示す模式図である。図１に示す往復動圧縮機の吐出量を徐々に増加させた場合の吐出量と経過時間との関係を示す図である。図１に示す往復動圧縮機の吐出量を徐々に減少させた場合の吐出量と経過時間との関係を示す図である。

以下、本発明の往復動圧縮機の実施形態の一例について説明する。本実施形態に係る往復動圧縮機は、１つのシリンダ内のピストンの上方と下方の両方で圧縮仕事を行うダブルアクティング往復動圧縮機である。もっとも、以下の説明では、単に「往復動圧縮機」と呼ぶ場合もある。

図１は、本実施形態に係る往復動圧縮機の構造を示す模式図である。同図に示すように、本実施形態に係る往復動圧縮機は、フレーム１に支持されたシリンダ２を有する。シリンダ２内には、ピストン３が設けられている。ピストン３は、ピストンロッド４を介して駆動され、シリンダ２内で往復動される。図１から明らかなように、シリンダ２は、ピストン３よりも上側の空間（上室２ａ）と下側の空間（２ｂ）の双方で流体を圧縮するダブルアクティング式のシリンダである。

シリンダ２には、流体（吸入ガス６）が送り込まれる吸入口５と、流体（吐出ガス９）が送り出される吐出口８とが設けられている。さらに、上室２ａおよび下室２ｂと、吸入口５または吐出口８との間にはシリンダ弁が設けられている。具体的には、上室２ａおよび下室２ｂの吸入側には、吸入口５を連通する不図示の吸入ポートがそれぞれ設けられ、各吸入ポートには、吸入弁７がそれぞれ設けられている。また、上室２ａおよび下室２ｂの吐出側には、吐出口８を連通する不図示の吐出ポートがそれぞれ設けられ、各吐出ポートには、吐出弁１０がそれぞれ設けられている。これらシリンダ弁（吸入弁７および吐出弁１０）は、前後の差圧によって開閉する逆止弁である。

ここで、下室２ｂの行程容積は、上室２ａの行程容積に比べて、ピストンロッド４の体積分だけ少ない。したがって、上室２ａおよび下室２ｂの双方がロード状態のときのシリンダ２の吐出量を１００％と定義すると、下室２ｂがアンロード状態のときの吐出量は、５０％よりも若干大きくなる。しかし、一般的には上記のような状態を５０％ロード（または５０％ロード状態）と呼ぶ。そこで、本明細書においても、上記のような状態を５０％ロード（または５０％ロード状態）と定義する。

再び図１を参照する。下室２ｂの吸入弁７には、アクチュエータ（アンローダ１１）が設けられている。アンローダ１１は、電磁弁１６ｃを介して接続された圧縮空気源１５が発生する空気圧によって駆動されて、下室２ｂの吸入弁７を強制的に開状態に保持する。具体的には、電磁弁１６ｃが励磁されると、アンローダ１１が作動し、下室２ｂがアンロード状態になる。このため、圧縮行程であっても、アンローダ１１が作動している状態（ＯＮ状態）では吸入弁７が開かれているので、下室２ｂに流入した吸入ガス６は圧縮されず、吸入口５側に逆流する。すなわち、アンローダ１１がＯＮ状態のときには下室２ｂにおいて圧縮仕事は行われず、したがって、下室２ｂから吐出口８へ流体が送り出されることもない。

一方、シリンダ２の上室２ａには、クリアランスポケット１２が設けられている。クリアランスポケット１２内には、油圧アクチュエータ１３によって駆動されるピストン１２ａが設けられており、ピストン１２ａの位置を変更することによってクリアランスポケット１２の容積を自在に（無段階に）調整することができる。クリアランスポケット１２の容積は、該クリアランスポケット１２が全開になったときに上室２ａの体積効率を略０（零）にできるように設定されている。ここで、「クリアランスポケット１２が全開になったとき」とは、クリアランスポケット１２の容積が最大となったときであり、ピストン１２ａが図１の紙面上方に最も引き上げられたときを意味する。さらに、上室２ａの体積効率を略０（零）にすることができるとは、上室２ａの流体吐出量の変化に伴う圧力変動が無視し得る程度の圧力変動に抑制されることを意味し、例えば、上室２ａがロード状態のときの流体吐出量を１００％としたとき、１０％以下にすることができることを意味する。

ここで、シリンダの体積効率ηは次式で求められる。

すなわち、シリンダ２の隙間容積とクリアランスポケット１２の容積とを合計した容積が、上記体積効率ηを０（零）とする容積であれば、クリアランスポケット１２を全開にしたときに、上室２ａの吐出量を０（零）とすることができる。

クリアランスポケット１２内のピストン１２ａを駆動する油圧アクチュエータ１３は、第１の作動油供給ラインＡまたは第２の作動油供給ラインＢを介して油圧ユニット１４から供給される作動油によって作動する。具体的には、第１の作動油供給ラインＡおよび第２の作動油供給ラインＢには、それぞれ電磁弁１６ａ、１６ｂが設けられており、これら電磁弁１６ａ、１６ｂを操作することによって、油圧アクチュエータ１３が作動する。より具体的には、電磁弁１６ａ、１６ｂは、４ポート３位置式の方向切替弁であり、一方のソレノイドが励磁されると、油圧アクチュエータ１３のロッドが前進し（押し出され）、他方のソレノイドが励磁されると、油圧アクチュエータ１３のロッドが後退する（引き戻される）。換言すれば、一方のソレノイドが励磁されると、クリアランスポケット１２内のピストン１２ａが図１の紙面下方に向けて降下し、他方のソレノイドが励磁されると、ピストン１２ａが図１の紙面上方に向けて上昇する。

さらに、第１の作動油供給ラインＡには、相対的に絞り量が多い第１の絞り１７ａが設けられ、第２の作動油供給ラインＢには、相対的に絞り量が少ない第２の絞り１７ｂが設けられている。したがって、第１の作動油供給ラインＡと第２の作動油供給ラインＢとを選択的に使用することによって、油圧アクチュエータ１３の動作速度を高速と低速とに切り替えることができる。すなわち、クリアランスポケット１２内のピストン１２ａの移動速度を段階的（本実施形態では二段階）に切り替えることができる。なお、第１の作動油供給ラインＡまたは第２の作動油供給ラインＢの選択は、電磁弁１６ａ、１６ｂの開閉操作によって行われることはもちろんである。本実施形態では、第１の作動油供給ラインＡを使用した場合、油圧アクチュエータ１３の動作速度が約10mm/sec（低速）、第２の作動油供給ラインＢを使用した場合、約100mm/sec（高速）となる。もっとも、各ラインを使用した場合の油圧アクチュエータ１３の動作速度は任意に設定することができる。

これまで説明した３つの電磁弁１６ａ、１６ｂ、１６ｃの開閉は、制御装置１８によって制御されている。具体的には、当該往復動圧縮機の吐出圧力を検出する不図示のセンサの出力信号が制御装置１８に入力されるようになっている。制御装置１８は、入力信号の変化に基づいて（吐出圧力の変動に基づいて）、電磁弁１６ａ、１６ｂ、１６ｃを開閉させる。

次に、図１及び図２を参照して本実施形態に係る往復動圧縮機の動作について説明する。なお、図２は、往復動圧縮機の吐出量と経過時間との関係を示しており、図２Ａは圧縮機の吐出量を徐々に増加させた場合、同図Ｂは吐出量を徐々に減少させた場合の上記関係を示している。

図２Ａ中のａ点では、往復動圧縮機の吐出量は０％である。換言すれば、容量は０％である。なお、上室２ａおよび下室２ｂの双方がロード状態のときの当該往復動圧縮機の吐出量（容量）を１００％と定義することは既述のとおりである。

このとき、クリアランスポケット１２は全開状態（上室２ａの吐出量は０％）であり、下室２ｂはアンロード状態である。すなわち、ピストン１２ａは最上位置まで後退しており、アンローダ１１はＯＮ状態である。この状態から電磁弁１６ａを操作してピストン１２ａを最下位置まで低速で徐々に前進させる。この間、往復動圧縮機の吐出量は０％から連続的に増加し（図２Ａ中のｂの範囲）、最終的にクリアランスポケット１２が全閉状態になると、吐出量が５０％に達する（図２Ａ中のｃ点）。

吐出量が５０％に達したら、電磁弁１６ｃを操作してアンローダ１１をＯＦＦ状態に切り替えると共に、ピストン１２ａを最上位置まで後退させて、クリアランスポケット１２を全開状態にする（図２Ａ中のｄ点）。

ここで、アンローダ１１はほぼ瞬時にＯＮ状態からＯＦＦ状態に切り替えられるのに対し、ピストン１２ａを最下位置から最上位置まで移動させるのには長時間を要する。換言すれば、アンローダ１１の動作時間に対してクリアランスポケット１２の動作時間は長く、クリアランスポケット１２を全閉状態から全開状態、または全開状態から全閉状態に切り替えるのには相対的に時間がかかる。結果、アンローダ１１をＯＮ状態からＯＦＦ状態に切り替えた直後、吐出量が一時的に１００％に近い状態まで増加する（図２Ａ中のｃ点とｄ点の間）。

さらに、第１の作動油供給ラインＡを使って油圧アクチュエータ１３を駆動した場合、最下位置にあったピストン１２ａを最上位置まで後退させるには数十秒を要する。すなわち、図２Ａ中のｃ点とｄ点の間に見られる吐出量の不連続な変化が数十秒継続することになる。

そこで、アンローダ１１のＯＮ/ＯＦＦの切り替えと同時にクリアランスポケット１２の全閉/全開を切り換える場合には、第２の作動油供給ラインＢを使って油圧アクチュエータ１３を駆動する。すなわち、ピストン１２ａを高速で移動させて、クリアランスポケット１２の全閉/全開の切り換えに要する時間を短縮する。換言すれば、クリアランスポケット１２とアンローダ１１との動作時間差を短縮する。これにより、図２Ａ中のｃ点とｄ点の間に見られる吐出量の不連続な変化の継続時間が短縮される。

クリアランスポケット１２が全開状態になったら、再び第１の作動油供給ラインＡを使って油圧アクチュエータ１３を駆動して、ピストン１２ａを最下位置まで低速で徐々に前進させる。この間、往復動圧縮機の吐出量は５０％から連続的に増加し（図２Ａ中のｅの範囲）、最終的にクリアランスポケット１２が全閉状態になると、吐出量が１００％に達する（図２Ａ中のｆ点）。

吐出量を徐々に減少させる場合には、上記と逆の手順で動作させる。この場合、アンローダ１１をＯＦＦ状態からＯＮ状態に切り替えた直後、吐出量が一時的に０％に近い状態まで減少する。よって、このときは、第２の作動油供給ラインＢを使ってピストン１２ａを高速で移動させる。

これまでの説明から理解できるように、本実施形態に係る往復動圧縮機では、必要に応じて第１の作動油供給ラインＡと第２の作動油供給ラインＢを使い分けている。具体的には、アンローダ１１の切り替え時には、ピストン１２ａを高速で移動させることが可能な第２の作動油供給ラインＢを使用することによって、吐出量の不連続な変化の継続時間を短縮している。一方、アンローダ１１の切り替え時以外には、ピストン１２ａを低速で移動させることが可能な第１の作動油供給ラインＡを使用することによって、吐出量の制御の正確性を優先している。

なお、当該往復動圧縮機の吐出圧力は、吐出口８に接続されたライン（当該往復動圧縮機の構成要素ではない）に設けられているバルブの絞り量に依存する。すなわち、バルブが絞られれば、吐出量に変化はなくても吐出圧力は上昇する。一方、バルブが開かれれば、吐出量に変化はなくても吐出圧力は低下する。

１フレーム
２シリンダ
２ａ上室
２ｂ下室
３ピストン
４ピストンロッド
５吸入口
６吸入ガス
７吸入弁
８吐出口
９吐出ガス
１０吐出弁
１１アンローダ
１２クリアランスポケット
１２ａピストン
１３油圧アクチュエータ
１４油圧ユニット
１５圧縮空気源
１６ａ〜１６ｃ電磁弁
１７ａ、１７ｂ絞り
１８制御装置
Ａ第１の作動油供給ライン
Ｂ第２の作動油供給ライン

Claims

シリンダの内部空間がピストンによって第１の空間と第２の空間とに区画され、それら第１の空間および第２の空間の双方において流体を圧縮して吐出する往復動圧縮機において、
前記第１の空間および前記第２の空間にそれぞれ設けられた吸入弁と、
前記第１の空間および前記第２の空間にそれぞれ設けられた吐出弁と、
前記第１の空間に連通するクリアランスポケットと、
前記第２の空間に設けられた前記吸入弁を強制的に開いて、前記第２の空間をアンロード状態にするアンローダと、を備え、
前記クリアランスポケットは、前記第１の空間から吐出される流体の量を略０（零）にすることができる容積を有し、かつ、前記クリアランスポケットの容積が可変であり、
前記往復動圧縮機は、前記クリアランスポケット内に設けられたピストンと、該ピストンを往復移動させて、前記クリアランスポケットの容積を変更する駆動手段とを有し、
前記駆動手段は、前記クリアランスポケット内の前記ピストンを往復駆動する油圧アクチュエータと、前記油圧アクチュエータに作動油を供給する油圧ユニットと、前記油圧アクチュエータと前記油圧ユニットとの間に形成された第１の作動油供給ラインおよび第２の作動油供給ラインと、を有し、
前記第２の作動油供給ラインは、前記第１の作動油供給ラインに比べて、単位時間当たりの前記作動油の流量が多く、
前記第２の空間の、ロード状態またはアンロード状態への切り替えと同時に前記クリアランスポケットの容積を変更する際には、前記第２の作動油供給ラインを介して前記油圧ユニットに前記作動油が供給され、
前記第２の空間がロード状態またはアンロード状態に保持された状態で前記クリアランスポケットの容積を変更する際には、前記第１の作動油供給ラインを介して前記油圧ユニットに前記作動油が供給される、往復動圧縮機。
請求項１に記載の往復動圧縮機であって、該往復動圧縮機の吐出量が最大量の０％以上５０％未満の範囲では、前記第２の空間がアンロード状態に保持された状態で前記クリアランスポケットの容積が変更され、前記吐出量が最大量の５０％以上の範囲では、前記第２の空間がロード状態に保持された状態で前記クリアランスポケットの容積が変更される、往復動圧縮機。
請求項１または２に記載の往復動圧縮機であって、前記駆動手段は、前記クリアランスポケット内の前記ピストンが前記クリアランスポケット内を往復移動する速度を変更可能である、往復動圧縮機。