JP5542468B2 - 水注入式スクロール空気圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は空気を圧縮する圧縮機に係わり、特に圧縮室内に水を注入する方式の圧縮機に関する。

一般産業用の空気圧縮機のエネルギ効率を向上させる手段として、圧縮機本体の内部に吸入した空気に油や水を混入させて一緒に圧縮する油冷式や水注入式が知られている。

油や水は圧縮室が他の空間とつながる狭い隙間をシールして内部漏洩を低減する効果や、圧縮熱を吸収して圧縮動力を低減しつつ圧縮機部材の熱変形を防止する効果があり、いずれの効果もエネルギ効率を高める作用がある。油冷式は長い実績から信頼性に長けているが、供給する吐出空気にごくわずかながら油の成分が残留するため、食品や半導体など微少な油分であっても、その存在を許されない用途には使用されない場合が多い。

水注入式は供給空気に油分が混入しないものの、水の特性上、油に比較して錆や腐食、潤滑不良等への対策が必要なため油冷式に比較して普及が遅れていた。しかし、油分を含まないクリーンエアに対する市場要求から近年は水注入式空気圧縮機の開発が盛んになっており、例として特開２００９−１８００９９号公報（特許文献１）がある。

スクロール空気圧縮機を水注入式にする考え方は、特許文献２、特許文献３に記載されている。また、スクロール空気圧縮機に水を注入することで効率を向上した実験結果については、非特許文献１である論文で述べられている。

特開２００９−１８００９９号公報 特開平８−１２８３９５号号公報 特開２００２−８９４４７号公報

Performance of oil-free scroll-type air compressors, 著者：T Yanagisawa, M Fukuta, and Y Ogi (Shizuoka University)掲載論文集：Proceedings of International Conference on Compressors and Their Systems論文識別番号：IMechE 1999 C542/088 発行年：１９９９年９月出版学会：Institution of Mechanical Engineers (英国機械学会)、略称：IMechE

オイルフリースクロール圧縮機を水注入式とする場合、少なくとも以下の３つの課題が考えられ、スクリュー式と比べて製品化が進んでいない。
（１）バランスウエイトの寸法的制約および放熱特性から、スクロール母材には密度が小さく、熱伝導率に優れるアルミ合金が使用されるため、水を注入した際の母材の腐食が懸念される。
（２）圧縮室がスクロールラップに沿って外周から中心部に向かって半径を小さくしながらラジアル方向に移動するため、注入した水自身が不確定なアンバランスの要因となる。
（３）スクロール圧縮機の形状上、ラップ厚さを大きくすることには限界があり、特に中心部のラップの強度に裕度が少なくなるため、注入水が液圧縮された場合、ラップ破損につながる可能性がある。

また、特に本発明が解決しようとする課題は次のものである。
（４）起動時に圧縮室内に水が残存していると、液圧縮による過大トルクにより起動不良をおこしたり、熱的な過渡状態により、スクロールラップ同士に接触が生じたり、アンバランスが発生したりすることになり振動が増加したりする。
（５）停止時に圧縮室内に水が残存していると、例えばアルミニウム合金で製作した旋回スクロールや固定スクロールに腐食が発生する可能性がある。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、水を注入したことによる起動不良や停止時に圧縮室内に残った水によりスクロール母材が腐食する不具合を回避し、安定した運転が可能で信頼性の高い水注入式スクロール圧縮機を提供することを目的としている。

（１）上記課題を解決するため、本発明は、圧縮する空気を取り入れる吸入口、前記空気を圧縮する圧縮部材及び前記圧縮部材によって圧縮した空気を吐出す吐出口を有する圧縮機本体と、前記圧縮機本体によって吐出された圧縮空気の圧力を検出する手段と、前記吸入口から吐出口の圧縮経路内に水を注入する手段と、前記圧縮部材の駆動力を発生する駆動装置とを有する圧縮機であって、所定圧力よりも高い圧力に達すると、前記圧縮経路に水を注入する注水運転から水を注入しない無注水運転に切り替えて運転制御する。
また、渦巻き状のラップを有する旋回スクロール部材と、前記旋回スクロール部材のラップに対応した略渦巻き状のラップを有する固定スクロール部材と、前記固定スクロール部材に対して前記旋回スクロール部材を旋回運動させるための駆動力を発生する駆動装置とを備え、吸入口から吐出口までの圧縮経路を有し、前記圧縮経路内に水を注入するスクロール圧縮機において、注水をせずに運転を開始し（以降「無注水運転」とする）、運転開始からある時間を経過した後に水注入を開始する（以降「注水運転」とする）。
また、前記圧縮経路より吐出された圧縮ガスの温度および圧力の少なくとも一方を検出する手段を有し、前記検出手段および運転時間を演算する手段を備え、運転中に前記圧力、温度、運転時間の少なくとも１つのパラメータを用いた演算結果により注水運転を開始してもよい。
（２）上記課題を解決するため、本発明は渦巻き状のラップを有する旋回スクロール部材と、前記旋回スクロール部材のラップに対応した略渦巻き状のラップを有する固定スクロール部材と、前記固定スクロール部材に対して前記旋回スクロール部材を旋回運動させるための駆動力を発生する駆動装置とを備え、吸入口から吐出口までの圧縮経路を有し、前記圧縮経路内に水を注入するスクロール圧縮機において、前記駆動装置を停止すると同時に水注入を停止する、あるいは停止する前に無注水運転を実施する。

また、前記圧縮経路より吐出された圧縮ガスの温度および圧力の少なくとも一方を検出する手段を有し、前期検出手段および運転時間を演算する手段を備え、
運転中に前記圧力、温度、運転時間の少なくとも1つのパラメータを用いた演算結果により、前記圧縮経路内への水注入を停止または減少させても良い。

例えばライン圧力を検知して、その値と変化量から圧縮機が自動停止することを予測し、圧縮機停止前に水注入を停止する。この時、水注入量を圧力の値と変化量から徐々に水注入量を減少させてもよい。予測に反してライン圧力が急降下して圧縮機が自動停止しなかった場合は、別途定めた圧力または時間経過により注水運転を再開する。

また、例えば外部空気槽がなく前記圧力が急激に変動する場合は、常時水を停止してもよい。

これにより停止時には、圧縮室内の水はなくなり、スクロール母材の腐食や、起動時の不具合を回避できる。特にスクロール母材がアルミニウム合金の場合、装置の耐腐食性が高まる。
（３）上記（１）（２）においては以下の理由により可変速ドライブを備えていることが望ましい。

例えば吐出圧力の上昇によって圧縮機運転中に水注入を停止して無注水運転とし圧縮室内を乾燥した後に駆動装置を停止する場合、十分圧縮室が乾燥しないうちに圧力が設定した上限圧力を超えて、リリーフ弁が動作したりサーマルリレーなどの保護装置が動作したりすることが考えられる。また、これを避けるために圧縮室内が十分乾燥しないうちに圧縮機を停止することになる。発明者らの研究では圧縮室を乾燥させるのに約１分の乾燥運転が必要であるのに対し、たとえば圧縮流体を空気として、現在標準的に使用される圧縮機と空気槽の組み合わせ（吸込状態換算で１ｍ^３／ｍｉｎの吐出量の圧縮機に対しておよそ０．１〜０．２ｍ^３の空気槽）では、十分な乾燥時間が確保できない。そこで可変速ドライブを使用することにより、圧縮流体の使用率が低い場合は、駆動装置の回転数を低減して圧縮機をできるだけ停止しないように制御しつつ、空気使用率に応じた省エネ運転が可能となる。

また、より効果的に乾燥状態で圧縮機を停止するためには、駆動装置回転数がある程度低下した際に、水注入を停止して無注水運転としてもよい。
（４）上記（１）〜（３）において、圧縮機空気通過経路に逆止弁または保圧弁を備え、運転中に前記圧縮経路内への水注入を停止した後に、前記逆止弁または保圧弁の1次側の空気を大気に放気しながら運転を継続する（以降「無注水アンロード運転」とする）。これにより（３）に記載した保護装置の動作をさせることなく無注水運転が可能となり、また、無注水運転中に圧縮空気使用量が増加した場合には、放気を停止することで圧縮空気の供給が再開でき、またさらに圧縮空気使用量が増加した場合には、圧縮室内への水注入を再開することも可能である。
さらに空気使用量が少なく長時間自動停止が継続した場合は無注水アンロード運転を一定時間実施し、圧縮室内を乾燥する。
（５）上記（１）〜（４）において、圧縮機吸入側に吸込み絞り弁を備え、圧縮機停止前の無注水運転時に、この吸込み絞り弁を閉じることにより圧縮室内が負圧となり、より速く圧縮室内を乾燥させることが可能となる。吸込絞り弁を閉じた際には、前記の放気を実施すれば、圧縮比が低下して動力が低下し吐出温度上昇を低減できる。
（６）上記（４）、（５）において、放気する空気は水分を含んでいる可能性があるため、放気前には水分離機を利用することにより圧縮機装置周辺を保護できる。
（７）上記（１）〜（６）において、無注水運転を開始する圧力は上限圧力と同じ、または低く設定する。
（８）上記（１）〜（７）において、容量制御時、すなわちライン圧力に応じた自動停止時には注水と駆動装置停止を同時に実施し、現場からの停止指示、台数制御による停止指示、スケジュール運転による停止指令などライン圧力の変動と必ずしもリンクしない停止時のみ、無注水運転を実施するようにすれば、より省エネを図ることができる。
（９）上記のいずれかにおいて、前記旋回スクロール部材を旋回運動させるための駆動力を発生する駆動装置をモータとする。
（１０）上記のいずれかにおいて、自動停止状態が継続した場合に、無注水運転を一定時間実施し、吐出される空気は逆止弁または保圧弁の１次側から大気に放気するものとする。

上記の例によれば、無注水運転を適宜実施することにより、水注入による起動不良や停止時に圧縮室内に残った水によりスクロール母材が腐食する不具合を回避できる。

本発明によれば、安定した運連が可能で信頼性の高い圧縮機を提供することができる。

本発明の実施形態における装置構成図である。 本発明の実施形態におけるスクロール圧縮機の断面図である。 本発明の実施形態におけるスクロール圧縮機の平面図である。 本実施形態の第１の制御例におけるタイムチャートである。 本実施形態の第２の制御例におけるタイムチャートである。 本実施形態の第３の制御例におけるタイムチャートである。 本実施形態の第１の制御例におけるフローチャートである。 本実施形態の第１の制御例におけるフローチャートである。 本実施形態の第２の制御例におけるフローチャートである。 本実施形態の第２および第３の制御例におけるフローチャートである。 本実施形態の第３の制御例におけるフローチャートである。

以下、図面に基づき本発明の具体的実施形態を説明する。

図１は本実施例の水注入式スクロール圧縮機の全体構成を示す系統図である。後述するように、全てが必須の構成ではないが、各実施例ごとに特有の構成を制御することで、所望の効果が得られるようになっている。

図２はスクロール空気圧縮機本体の平面断面図、図３はスクロール空気圧縮機本体の側面断面図である。

図４〜図６は水注入式スクロール圧縮機の運転タイムチャートの例であり、図７〜図１１は制御フローチャートの例である。

全体構成を説明する前に図２と図３を用いて、スクロール圧縮機本体１の構造について説明する。

スクロール圧縮機本体１は、左右２つのスクロール機構２，３を備え、各スクロール機構は旋回側ラップと固定側ラップならびにそれらラップの底に相当する鏡板で構成される。左右２つの旋回側ラップは同一の旋回スクロール５に背中合わせに形成したもので、両ラップ鏡板にはさまれた旋回スクロール５の中央部には冷却風を通す貫通孔６を設けている。

旋回スクロール５のラップと噛み合う固定側ラップは左側の固定スクロール７と右側の固定スクロール８の内側に形成し、これら左右２つの固定スクロールは外周の結合部９でボルトにて結合し圧縮機本体１のケーシングとなる。両固定スクロール７，８の内側に設けたラップのちょうど反対面となる表面には冷却フィン１１，１２を形成する。

旋回スクロール５は、ラップよりも外周で軸受を介して主軸１３と副軸１４の偏心部によって支持される。２つの軸の偏心量は同一で平行４つ棒リンク機構が形成されている。主軸１３と副軸１４はケーシングに軸受を介して支持され、それらの端部に設けた同期用プーリにかかるタイミングベルト１５の働きにより同期回転する。本実施形態の駆動装置にはモータ１００（図１）を用いており、主軸１３は駆動用プーリ１６にかけたベルト１７を介しモータ１００の出力軸から動力を受ける。

両固定スクロール７，８のラップのすぐ外側には壁面を貫通する吸入口１８、１９を設ける。吸入口は片側に２個配するので、左右合計４個ある。外部から吸入口１８，１９を通ってケーシング内部に連なる流路は、ダストシール２０の内側まで続き、ラップを囲む外周室５４につながる。ダストシール２０は左右の固定スクロール７，８の内側に張り出しラップを取り囲む円筒状壁の先端に付け、旋回スクロール５の鏡板の外周近くを摺動する。ダストシール２０を付けた目的は圧縮室への異物の侵入防止である。

左右それぞれのラップ中央には固定スクロール７，８を貫通して最終段階の圧縮室と外部を連通させる吐出口２１、２２を設ける。左右の圧縮室のバランスをとるため旋回スクロール５の中央部を貫通して２つの吐出口２１，２２を連通する管路を設けてある。

上記の構成により、モータ１００によって旋回スクロール５が旋回し、吸入口１８、１９から吸入された空気がスクロール機構２、３で圧縮される。圧縮された空気は吐出口２１、２２より吐出され、後述する流路を経て外部へと供給される。

図１を用いて本実施形態の全体構成を説明する。

圧縮機本体ブロック１は渦巻き状のラップを有するスクロール部材を組み合わせた構成とし、例えば空気吸込み口から吸込み空気とともに圧縮室に水を注入できる構造となっている。また圧縮機本体ブロックはオイルフリー状態で運転ができるように最適隙間で構成されている。

圧縮される流体の流れは以下となる。

圧縮機本体ブロック１の吸込み側には吸込フィルタ１０１があり、この２次側に容量調整用の吸込絞り弁１０２があっても良い。

圧縮機本体ブロック１で圧縮された流体は本体逆止弁１０３を通過してアフタークーラ１０４にて冷却され、その後に水が除去される構成を経て吐出される。本実施形態では、アフタークーラ１０４を通過した圧縮空気が水セパレータタンク１０５にて水分を分離した後、保圧逆止弁１０６を通過し、要求露点仕様によってはドライヤ１１７を通過して水分がさらに除去されて吐出される。水セパレータタンク１０５内または水セパレータ二次側には水セパレータエレメント１２８があっても良い。アフタークーラ１０４には熱交換器が用いられ、例えば、図示しない冷却ファンによって送風される風と熱交換されて圧縮空気が冷却される。

無注水運転時には圧縮機本体ブロックの吐出流体温度が水の沸点を超えて約２００℃となるが、アフタークーラ１０４を圧縮機本体ブロック１と水セパレータタンク１０５の間に配置して、水セパレータタンクの入口流体温度を水の沸点以下の１００℃未満に冷却することにより、無注水運転が可能となる。

すなわち、本構成により、１台の圧縮機で注水運転と無注水運転が可能となる。

圧縮機本体ブロック１への注入水の流れは以下となる。

注入水は注入制御弁１０７の開閉により、圧縮機本体ブロック１へ注入される。注入水は圧縮される流体とともに本体逆止弁１０３を通過してアフタークーラ１０４にて冷却され、水セパレータタンク１０５にて分離される。分離された水分はストレーナ１０８と水フィルタ１０９にて浄化され、注入制御弁１０７の開閉度合いに応じて、再度圧縮機本体ブロック１へ注入される。

このように、水セパレータタンク１０５と圧縮機本体ブロック１の吸込側とを連通する水供給経路を有し（図１に破線で図示）、この水供給経路を流通して水セパレータタンク１０５内の水が、ストレーナ１０８、水フィルタ１０９を介して圧縮機本体ブロック１へと供給される構成としており、注水制御弁１０７を制御することで注水を可能としている。また、圧縮機本体ブロック１に注入された水は、上述のように圧縮空気とともに吐出配管を経由して水セパレータタンク１０５へと至るため、これらの各流路により水の循環経路が構成されることになる。

駆動系はモータ１００の駆動力をＶベルト１７を介して圧縮機本体ブロック１を駆動する。制御盤１１３には可変速ドライブ１２２が内蔵されていてもよく、これよりモータ１００の回転速度が調整できる。

放気ラインは以下の第１または第２の少なくとも１方があればよく、またなくても良い。
第１の放気ラインは、圧縮機本体ブロック１とアフタークーラ１０４の間にあり、圧縮後の高温流体を放気するため、アフタークーラ１０４の排風を利用するなどして冷却した後に水セパレータ１１４を通過して放気電磁弁１１５より放気される。

第２の放気ラインは、水セパレータ１０５と保圧弁１０６の間にあり、水セパレータ１２４を通過した後に放気電磁弁１２５より放気される。放気ラインが水セパレータの２次側にある場合はアフタークーラ逆止弁１１６が不要となる。また、水セパレータタンク１０５あるいは水セパレータエレメント１２８で十分に水分が除去される場合は、水セパレータ１２４は省略できる。なお、放気ラインは、アフタークーラ１０４と水セパレータ１０５の間にあっても良い。

制御系は、以下のように構成される。

可変速ドライブ１２２があればモータ１００の回転速度を制御できる。起動盤１１３には、圧力センサー１１８、１１９、温度センサー１２０、１２１の信号入力、および運転時間、停止時間、可変速ドライブ１２２から指示されるモータ１００の回転数等を演算できる演算装置１２３が組み込まれており、これらを演算してモータ１００の起動−停止、吸込み絞り弁１０２の開閉、放気電磁弁１１５、１２５の開閉、注水制御弁１０７の開度調整、可変速ドライブ１２２から指示するモータ１００の回転速度を調整できる。圧力センサー１１８、１１９および温度センサー１２０、１２１はそれぞれ圧力スイッチおよび温度スイッチでも良い。

以上が本実施形態の全体構成であるが、次に、制御例を説明する。以下の制御において、圧力センサ（１１８、１１９）からの検出情報やカウント時間が用いられる。検出情報は図示しない制御装置に入力され、また、カウント時間も制御装置によって演算される（もちろん、外部の時間カウンタを用いても良い。）。また、各種の弁の開閉、モータの運転／停止、回転数制御指令などの各種指令もこの制御装置から発信される。圧縮機の運転指令や停止指令は操作者が外部から入力可能であるが、この入力情報は制御装置に送信され、制御装置がこの入力情報に基づいて各制御対象へ制御指令を送信する。

本実施形態の第１の制御例及び動作を図４、図７および図８を用いて説明する。

この説明では、構成は図３に対して、放気電磁弁１１５、１２５および水セパレータ１１４、１２４は設置せず、アフタークーラ逆止弁は不付、制御系は可変速ドライブがなく、吸込み絞り弁１０２も不付である場合を想定するが、本制御に反しなければこれらが存在していても差し支えない。

まず、起動と運転について図４及び図７を用いて説明する。図４において、実線で示した「ライン圧力」は圧力センサ１１９によって検出され、矢印付破線で示した「圧縮機本体ブロック出口圧力」は圧力センサ１１８にて検出されるが、常に２つのセンサを用いる必要はなく、制御例に示すように「ライン圧力」のみで制御を行うことも可能である。以下、詳述する。

まず、圧縮機起動時に、運転開始指令がＯＮとなると（図７のステップＳ１００１）、無注水運転を開始する（Ｓ１００２）。この無注水運転は注水制御弁１０７が閉の状態での運転である。

無注水運転は、予め定められた一定時間ｔ１継続する。運転開始後時間ｔ１経過すると注制御水弁１０７を開として注水運転を開始する（Ｓ１００３〜Ｓ１００４）。

注水量に関しては、発明者らの検証により、少量で効率が飛躍的に向上することが明らかになっている。本実施形態でも少量の水注入で高効率化を図ることを目的としており、これに即した制御を行う。具体的には、吸入空気流量に対する注入水流量の体積比である注入水量比が５×１０−５〜４０×１０^−５の範囲内で、且つ注入水量比の増加幅１×１０^−５当たりの圧縮機の全断熱効率の増加幅が２％未満となる特性を有する注入水量比の範囲内で、水を圧縮機本体の吸入側（あるいは圧縮室）に注入するようにしている。

また、本実施形態ではライン圧力（あるいは圧縮機本体ブロック出口圧力）を用いて注水の制御を行う。そのため、供給圧力の範囲を定める上限圧力Ｐ２と下限圧力Ｐ３との間の圧力値となる注水停止圧力Ｐ１を予め設定している。

制御においては、注水運転時にライン圧力が注水停止圧力Ｐ１に達したかどうかを判断し（Ｓ１００５）、Ｐ１に到達すると注水を停止して無注水運転に移行する（Ｓ１００６）。

無注水運転時は注水運転時に比べてスクロールラップ間のシールがなくなるため、吐出空気量が減少し、圧力の上昇カーブも緩やかになって次第に低下してくる。無注水運転中に、ライン圧力がＰ２に達する前に時間ｔ２経過した場合は、モータ１００を停止する。また、時間ｔ２経過前にライン圧力がさらに上昇し上限圧力Ｐ２到達した場合も、モータ１００を停止する（Ｓ１００７〜Ｓ１００９参照）。

次に、モータ１００が停止した状態では圧縮空気が供給されないため、圧縮空気が使用されるとライン圧力が低下してくる。そして、ライン圧力が低下し下限圧力Ｐ３に到達したら、運転を再開する。具体的には無注水運転として再開される（Ｓ１０１０〜Ｓ１０１１）。

運転再開後も時間をカウントしており（Ｓ１０１２）、時間ｔ３経過したら注水運転に移行する（Ｓ１０１３）。以後、圧力Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３及び時間ｔ２、ｔ３と検出圧力及びカウント時間とを対比することで、注水運転と無注水運転とを繰り返す制御が行われる。

次に、停止時の制御について図４及び図８を用いて説明する。運転中に停止指令がでた場合（図４においてＴ１のタイミング、Ｓ１５０１）は、注水運転中であるか否かを判断する（Ｓ１５０２）。図４の例では注水運転中であるため、まず注水弁１０７を閉として無注水運転に移行したのち（Ｓ１５０３）、時間ｔ４経過後にモータ１００を停止する（Ｓ１５０４〜Ｓ１５０５）。

停止指令が出たタイミングが注水運転中ではない場合、無注水運転であれば（Ｓ１５０６）、上述と同様、時間ｔ４の経過後にモータ１００を停止する（Ｓ１５０７〜Ｓ１５０５）。さらに、運転中でない場合には（Ｓ１５０８）には無注水運転を行い、上述と同様に制御を行う（Ｓ１５０９→Ｓ１５１０→Ｓ１５０５）。

上述のように停止制御を行うことで、停止前に無注水運転が行われるため、停止時には圧縮時の熱により圧縮機本体ブロック１を乾燥することができ、信頼性を高めることができる。

なお、上限圧力Ｐ２の近傍で停止指令が出た場合にも、無注水運転を行う。このとき、無注水運転の時間ｔ４を確保することが必要となる。すなわち、無注水運転によって圧力が上昇する場合があり、上限圧力Ｐ２を超える場合が想定される。このために、上限圧力Ｐ２は、装置の真の上限圧力Ｐ４、たとえばリリーフ弁１２７（図３参照。保圧逆止弁１０６と圧縮機本体ブロック１との間に配置。）の設定圧力よりも低く設定する必要がある。本実施形態では、制御上の上限圧力Ｐ２よりも高い圧力値として第２の上限圧力Ｐ４を設定しており、ライン圧力がＰ４を超えないように制御されることとしている。

なお、運転時の制御に用いられる時間ｔ１と時間ｔ３は同一でも良い。図４において、「Ａ１」〜「Ａ５」で表した区間が無注水運転区間となる。

次に、本実施形態の第２の制御例及び動作を図５、図９および図１０を用いて説明する。この例は放気弁開放による無負荷運転を採用した制御である。

構成は、第１の制御例の形態に対して放気電磁弁１２５および水セパレータ１２４を追加したものとする他、特に説明しない事項については上記の第１の制御例と同様である。また、本制御に反しない範囲で他の構成が存在していても差し支えない。

まず、起動と運転について図５及び図９を用いて説明する。圧縮機起動時に、運転開始指令がＯＮとなると（図９のステップＳ２００１）、無注水運転を開始する（Ｓ２００２）。この無注水運転は、電磁放気弁１２５及び注水制御弁１０７が閉の状態での運転である。運転開始後時間ｔ１経過したら、注水制御弁１０７を開とし注水運転に移行する（Ｓ２００３〜Ｓ２００４）。

注水運転において、ライン圧力が上限圧力Ｐ２に到達したら、注水を停止し、さらに放気電磁弁１２５を開とし圧縮機本体ブロック１の出口から保圧逆止弁１０６の間の空気を開放して無注水アンロード運転に移行する（Ｓ２００５〜Ｓ２００６）。この無注水アンロード運転は、圧縮空気の供給が不要な場合に放気電磁弁１２５を開放することで負荷を軽減した状態での運転であり、この状態では注水制御弁１０７を閉とする制御を行う。この時、圧縮機本体ブロック１の出口圧力は圧縮流体吐出量と放気電磁弁１２５の内径でバランスする圧力Ｐ４となる。圧力Ｐ４は上限圧力Ｐ２より低いのはいうまでもなく、下限圧力Ｐ３よりも低いため、モータ１００の負荷がその分軽減される。

無注水アンロード運転が所定時間経過したら圧縮空気の供給が不要な時間が継続していると判断し、圧縮機の運転を停止する。本制御例では、無注水アンロード運転の時間をカウントしており、無注水アンロード開始後時間ｔ２を経過したら、モータ１００を停止する（Ｓ２００７〜Ｓ２００８）。このとき、放気電磁弁１２５を閉とする。

モータ１００が停止した状態で空気供給先で圧縮空気が使用される等によって、ライン圧力は低下する。このライン圧力が下限圧力Ｐ３まで低下したら、モータ１００を起動し無注水運転を再開する（Ｓ２００８→Ｓ２００９→Ｓ２０１０）。なお、無注水アンロード運転中、時間ｔ２経過前にライン圧力が下限圧力Ｐ３まで低下した場合も圧縮空気の供給が必要であると判断し、無注水運転を再開する（Ｓ２００７→Ｓ２００９→Ｓ２０１０）。

無注水運転開始から時間ｔ３経過後注水運転に移行する。注水運転以降後は図９のステップＳ２００４以降と同様の制御を行い、ライン圧力が上限圧力Ｐ２に到達したら、注水を停止し、さらに放気電磁弁１２５を開とし圧縮機本体ブロック１の出口から保圧逆止弁１０６の間の空気を開放して無注水アンロード運転に移行する（Ｓ２００５〜Ｓ２００６）。

そして、無注水アンロード運転中にライン圧力がＰ３まで低下した場合、電磁弁１２５を閉とし注水運転に移行する。すなわち、圧力Ｐ２、Ｐ３及び時間ｔ３と検出圧力及びカウント時間とを対比することで、注水運転と無注水運転とを繰り返す制御が行われる。

次に、停止時の制御について図５及び図１０を用いて説明する。運転中に停止指令がでた場合（図５においてＴ１のタイミング。Ｓ２５０１）は、この例では注水運転中であるので、注水制御弁１０７を閉、放気電磁弁１２５を開として無注水アンロード運転に移行したのち（Ｓ２５０２〜Ｓ２５０３）、無注水運転時間が時間ｔ４経過後モータ１００を停止する（Ｓ２５０４〜Ｓ２５０５）。無注水運転中に停止指令がＯＮとなった場合は（Ｓ２５０１〜Ｓ２５０２）、注水制御弁１０７は閉のままで維持し、放気電磁弁１２５を開として無注水アンロード運転に以降する（Ｓ２５０３）。そして、無注水運転時間が時間ｔ４経過した後にモータ１００を停止する（Ｓ２５０４〜Ｓ２５０５）。

一方、無注水アンロード運転中に停止指令が発せられた場合には、停止信号から時間ｔ４経過後にモータ１００を停止させる（Ｓ２５０６→Ｓ２５０４→Ｓ２５０５）。ただし、無注水アンロード運転時間をカウントし、停止指令ＯＮ時に既にｔ４経過している場合には、これに限られず、ただちにモータ１００を停止させても差し支えなく、停止指令ＯＮ前の経過時間とＯＮ後の経過時間との合算値がｔ４を超えた場合に停止させても良い。なお、停止指令ＯＮ時に自動停止中であれば、そのまま停止としておく（Ｓ２５０７→Ｓ２５０５）。

図５中の「Ａ１」〜「Ａ４」で表した区間が無注水運転区間となる。

このように１つ目の形態に放気電磁弁１２５を追加することにより、上限圧力を超えることなく無注水運転に移行でき、さらに十分な無注水運転の時間を確保できるようになる。

次に、本実施形態の第３の制御例及び動作を図６および図１１を用いて説明する。停止のフローは図１０と同一である。構成は、第２の制御例の形態に可変速ドライブ１２２を追加したものとする。すなわち、モータ１００の回転数制御が可能な形態である。特に説明しない事項については上記の第２の制御例と同様である。また、本制御に反しない範囲で他の構成が存在していても差し支えない。

起動時に運転開始指令がＯＮとなると、放気弁１２５閉、注水制御弁１０７閉の状態で、無注水運転を開始する（Ｓ３００１〜Ｓ３００２）。運転開始後時間ｔ１経過したら、注水制御弁１０７を開とし注水運転に移行する（Ｓ３００３〜Ｓ３００４）。

圧力が上昇し、ライン圧力が制御圧力（本制御では「下限圧力」に相当）Ｐ３に達したら、可変速制御により負荷変動に追従した形で圧力一定制御を行う（Ｓ３００６）。すなわち、この制御例では可変速ドライブ１２２を搭載しているため、顧客の空気使用量に応じてモータ１００の回転数を制御でき、これにより制御圧力Ｐ３で一定となるような制御が可能となっている。

空気使用量が少なく、可変速ドライブ１２２によるロード最低回転数でもライン圧力が上昇していった場合、これが上限圧力Ｐ２に達したら、注水制御弁１０７閉、放気電磁弁１２５開とし、無注水アンロード運転に移行する（Ｓ３００７〜Ｓ３００８）。このとき、モータ１００の回転数は可変速ドライブ１２２の最低回転数に維持されることが望ましい。

この無注水アンロード運転において、ライン圧力がＰ３まで下降しないまま時間ｔ２を経過したら、空気の供給が必要ないと判断してモータ１００を停止する（Ｓ３００９〜Ｓ３０１０）。この状態で空気供給先で圧縮空気が使用される等により、ライン圧力は低下する。そして、制御圧力（下限圧力）Ｐ３に到達したら運転を再開する。この制御例では、注水制御弁１０７閉とした無注水運転を再開（Ｓ３０１１〜Ｓ３０１２）、運転再開後時間ｔ３経過したら、注水運転に移行する（Ｓ３０１３〜Ｓ３０１４）。その後、ステップＳ３００６に戻り、ライン圧力がＰ２まで上昇したら無注水アンロード運転に移行する（Ｓ３００７〜Ｓ３００８）。

次に、圧力Ｐ２に達して無注水アンロード運転に移行後において、時間ｔ２経過前に圧力が下限圧力Ｐ３まで低下した場合の制御について述べる（図６の区間「Ａ３」に相当）。この制御においては、モータ１００の回転速度、すなわち、可変速ドライブ１２２からの回転数指令値の制御パラメータを導入することが好ましい。このパラメータは、回転数指令上限値と下限値の間の指令値として定められる設定値とする。

時間ｔ２経過前に圧力がＰ３まで低下した場合、さらに可変速ドライブ１２２により制御されるモータ１００の回転速度と、上記の設定値とを対比する（Ｓ３００９→Ｓ３０１５→Ｓ３０１６）。この回転速度が設定値よりも遅い場合、放気電磁弁１２５を閉とし無注水運転に移行する（Ｓ３０１７）。一方、圧力がＰ３まで低下し、さらにモータ１００の回転速度が設定値よりも早い場合、注水を開始し、圧力一定制御を行う（Ｓ３０１５→Ｓ３０１６→Ｓ３０２０）。

このように可変速ドライブ１２２を追加することにより、制御圧力（下限圧力）Ｐ３で圧力一定制御ができるため省エネが図れる。また「Ａ３」の区間はロード最低回転数で無注水運転をするので、ここで停止指示が入れば、停止指示後の無注水運転時間を最小にでき、省エネを図ることが可能となる。また停止指示後の無注水運転時も、最低回転数で実施すれば、可変速ドライブがない場合に比べて、省エネを図ることができる。図中の「Ａ１」〜「Ａ４」で表した区間が無注水運転区間となる。

また、第２の制御例と比較し、可変速ドライブ１２２を追加することにより、下限圧力での圧力一定制御や、上限圧力Ｐ２をより低く設定できるといった省エネ効果がある。

１…圧縮機本体ブロック（スクロール圧縮機本体）、１０１…吸込フィルタ、１０２…吸込絞り弁、１０３…本体逆止弁、１０４…アフタークーラ、１０５…水セパレータタンク、１０６…保圧逆止弁、１０７…注水制御弁、１０８…ストレーナ、１０９…水フィルタ、１１３…制御盤、１１４…水セパレータ、１１５…放気電磁弁、１１６…アフタークーラ電磁弁、１１７…ドライヤ、１１８〜１１９…圧力センサ、１２０〜１２１…温度センサ、１２２…可変速ドライブ、１２３…演算装置、１２４…水セパレータ、１２５…放気電磁弁、１２７…リリーフ弁、１２８…水セパレータエレメント。

Claims (18)

1. 圧縮する空気を取り入れる吸入口、前記空気を圧縮する圧縮部材及び前記圧縮部材によって圧縮した空気を吐出す吐出口を有する圧縮機本体と、前記圧縮機本体によって吐出された圧縮空気の圧力を検出する手段と、前記吸入口から吐出口の圧縮経路内に水を注入する手段と、前記圧縮部材の駆動力を発生する駆動装置とを有する圧縮機であって、
   所定圧力よりも高い圧力に達すると、前記圧縮経路に水を注入する注水運転から水を注入しない無注水運転に切り替えて運転制御する圧縮機。
2. 請求項１に記載の圧縮機において、
   前記駆動装置の運転開始後に水の注入を開始する圧縮機。
3. 請求項１又は２に記載の圧縮機において、
   注水運転から無注水運転に切り替え後に前記駆動装置を停止する圧縮機。
4. 請求項１〜３の何れか一項に記載の圧縮機において、
   停止指示があった場合に、ある時間、無注水運転後に前記駆動装置を停止する圧縮機。
5. 請求項１〜４の何れか一項に記載の圧縮機であって、
   前記圧力を検出する手段の運転時間を演算する手段を備え、
   駆動装置起動後、前記圧力及び運転時間のパラメータをもとにした演算結果に応じた時間に達した後に、前記圧縮経路内への水注入を開始する圧縮機。
6. 請求項１〜４の何れか一項に記載の圧縮機であって、
   前記圧力を検出する手段の運転時間を演算する手段を備え、
   運転中に前記圧力及び運転時間のパラメータを用いた演算結果により、前記圧縮経路内への水注入を停止または減少させる圧縮機。
7. 請求項１〜６の何れか一項に記載の圧縮機において、
   可変速ドライブを備え、空気使用量の変動に応じて駆動装置回転数を可変とする圧縮機。
8. 請求項７において、
   駆動装置回転数が低い場合は前記圧縮経路内への水注入を停止する圧縮機。
9. 請求項１〜８の何れか一項に記載の圧縮機において、
   圧縮機空気通過経路に逆止弁または保圧弁を備え、運転中に前記圧縮経路内への水注入を停止した後に、前記逆止弁または保圧弁の１次側の空気を大気に放気しながら運転を継続する圧縮機。
10. 請求項９に記載の圧縮機において、
    放気する空気を大気に開放する前に、水分離機を通過する圧縮機。
11. 請求項１〜１０の何れか一項に記載の圧縮機において、
    圧縮機吸入側に吸込絞り弁を備え、水注入を停止した場合に、これを閉じる圧縮機。
12. 請求項１〜１１の何れか一項に記載の圧縮機において、
    圧縮部材の母材をアルミニウム合金で構成した圧縮機。
13. 請求項１〜１２の何れか一項に記載の圧縮機において、
    水注入を停止する圧力が、容量制御の上限圧力と同じまたは低く設定されている圧縮機。
14. 請求項１〜１３の何れか一項に記載の圧縮機において、
    停止指示を入力する外部入力手段又は制御手段を備え、該停止指示が入力された時、無注水運転に移行または無注水運転を継続し、ある時間経過後に駆動装置を停止する圧縮機。
15. 請求項１４に記載の圧縮機において、
    前記外部入力手段又は制御手段から停止指示が入力された時、前記駆動装置が自動停止中であった場合に、無注水運転を開始し、ある時間経過後に駆動装置を停止することを特徴とする圧縮機。
16. 請求項１〜１５の何れか一項に記載の圧縮機において、前記駆動装置がモータである圧縮機。
17. 請求項１〜１６の何れか一項に記載の圧縮機において、前記駆動装置の自動停止状態が継続した場合に、無注水運転を一定時間実施し、吐出される空気は逆止弁または保圧弁の１次側から大気に放気することを特徴とする圧縮機。
18. 請求項１〜１８の何れか一項に記載の圧縮機において、
    前記圧縮機本体の圧縮機部材は、渦巻き状のラップを有する旋回スクロール部材と、前記旋回スクロール部材のラップに対応した略渦巻き状のラップを有する固定スクロール部材とからなる圧縮機。

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