JP6012417B2

JP6012417B2 - 流体圧縮装置

Info

Publication number: JP6012417B2
Application number: JP2012247998A
Authority: JP
Inventors: 之家任; 高安　広宣; 広宣高安
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2012-11-12
Filing date: 2012-11-12
Publication date: 2016-10-25
Anticipated expiration: 2032-11-12
Also published as: JP2014095351A

Description

本発明は流体圧縮装置に関する。

本発明の背景技術として特許文献１がある。特許文献１には、流体を貯蓄するタンクの圧力上昇率と減少率により、圧縮機本体の運転台数を増加または減少させる流体圧縮装置が記載されている。

特開２００７-１２０４９７号公報

特許文献１の空気圧縮装置はタンクの容量が大きい場合、または流体の消費量が運転中の圧縮機本体の吐き出し量と近い場合、タンクの圧力の上昇が緩やかになり、圧縮機本体を停止させる時間閾値条件を満足させるには設定上限圧力に近い高い圧力まで運転しないとならず、消費電力の低減を図れなかった。

上記問題点に鑑み、本発明は、タンクの容量が大きい場合、または流体の消費量が運転中の圧縮機本体の吐き出し量と近い場合でも消費電力の低減を図ることができる流体圧縮装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は流体を圧縮する複数台の圧縮機本体と、前記圧縮機本体で圧縮された流体を貯留するタンクと、前記圧縮機本体の運転・停止の運転サイクルを制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記タンク内の圧力が停止圧力以上になると、複数台の前記圧縮機本体のうち、前の運転サイクルで運転を停止させてからの経過時間が所定時間以上となった前記圧縮機本体を停止させて運転台数を減少させ、前記タンク内の圧力が前記停止圧力よりも高い上限圧力よりも高くなると複数台の前記圧縮機本体を停止させ、前記圧縮機本体の起動時と単位時間前の前記タンク内の圧力の差圧と起動時と前記単位時間後の前記タンク内の圧力の差圧に応じて前記停止圧力を変更することを特徴とする流体圧縮装置を提供する。

本発明によれば、タンクの容量が大きい場合、または流体の消費量が運転中の圧縮機本体の吐き出し量と近い場合でも消費電力の低減を図ることができる流体圧縮装置を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る圧縮機台数制御システムの構成を示すブロック図である。図１中の空気圧縮装置による起動または停止制御処理を示す流れ図である。本発明の実施の形態に係るタンク圧力、電磁開閉機のON/OFF、電力の時間変化を示す特性線図である。本発明の実施の形態に係る圧縮機本体一台停止となる圧力しきい値Poffとその他の圧力要素値との関係を示す図である。

以下、本発明の実施の形態による空気圧縮装置を添付図面に従って詳細に説明する。なお、本実施例では空気を圧縮する空気圧縮装置について説明するが、例えば、冷媒を圧縮する冷媒圧縮装置であってもよく本発明は空気に限らず流体を圧縮する流体圧縮装置に適用することができる。

図１において、空気を圧縮して吐出する空気圧縮装置１は、駆動源としての電動モータ２と、該電動モータ２によって駆動される圧縮機本体３とを備えている。ここで、圧縮機本体３は、例えばレシプロ型、スクリュウ型、スクロール型等の各種の圧縮機構によって構成されている。

また、電動モータ２と電源との間には電磁開閉器４が設けられている。そして、電磁開閉器４は、そのＯＮ／ＯＦＦに応じて、電動モータ２に対する電力の供給／停止を切換える。これにより、電動モータ２は、電磁開閉器４によって、運転と停止とが切換わる構成となっている。

圧縮機本体３の吐出側に接続されたタンク５は、圧縮機本体３から吐出された圧縮空気を貯留する。また、タンク５には、取出し弁６を備えた出力配管７が取付けられている。これにより、タンク５は、出力配管７を介して外部の空圧機器（図示せず）に接続されると共に、取出し弁６を開弁することによって該空圧機器に向けて圧縮空気を供給するものである。

タンク５に接続された圧力検出手段としての圧力センサ８は、タンク５内の圧縮空気の圧力Ｐを検出し、圧力Ｐに応じた圧力信号を出力する。

圧縮機本体３Ａ〜３Ｃの圧縮運転と圧縮停止とを切換えて、圧縮機本体３Ａ〜３Ｃの運転・停止の運転サイクルを制御し、空気圧縮装置１を構成する圧縮機本体３の運転台数を変更することにより吐出容量を制御する制御部としての制御回路９は、圧力センサ８および電磁開閉器４Ａ〜４Ｃに接続されている。ここで、運転サイクルとは、圧縮機本体３の運転・停止の繰り返しのサイクルをいう。また、停止状態にある圧縮機本体を運転させてから停止し、次に運転させるまでのサイクルを１運転サイクルという。制御回路９は、圧縮機本体３の運転・停止のタイミングを制御することにより、運転時間・停止時間を制御する。また、制御回路９には、例えばタンク５内の圧力下限値（下限圧力）Ｐmin（ＭＰａ）と圧力上限値（上限圧力）Ｐmax（ＭＰａ）等が予め記憶されている。このとき、圧力下限値Ｐminは、圧縮運転を再開するために予め設定されたタンク５内の圧力値である。一方、圧力上限値Ｐmaxは、圧縮運転を停止するために予め設定されたタンク５内の圧力値である。制御回路９は停止サイクルタイマ１０Ａ〜１０Ｃを備え、停止サイクルタイマ１０Ａ〜１０Ｃは、予め値（例えば２０秒）を圧縮機本体３単体の停止サイクル制御時間とし、圧縮機本体３Ａ〜３Ｃが停止する毎に起動し、カウントダウンする。さらに、制御回路９はＰoff計算用タイマ１１を備え、Ｐoff計算用タイマ１１は、下述する停止圧力Ｐoffを計算するタイミングを決める役割であり、圧縮機本体３を起動させた瞬間にＰoff計算用タイマ１１を起動させ、カウントダウンする。

そして、制御回路９は、後述する運転制御処理を行い、タンク５内の圧力Ｐに基づいて電磁開閉器４Ａ〜４ＣのＯＮ／ＯＦＦを制御する。これにより、制御回路９は、電動モータ２Ａ〜２Ｃの運転と停止を切換えることによって、圧縮機本体３Ａ〜３Ｃ圧縮運転と圧縮停止を切換える構成となっている。

本実施の形態による空気圧縮装置１は上述の如き構成を有するもので、次に、図１および図２を参照しつつ、タンク５の圧力Ｐ等に応じて圧縮運転と圧縮停止とを切換える運転制御処理について説明する。

なお、図２に示す運転制御処理は、予め決められたサンプリング周期（例えば２００ｍｓ）毎に行うものである。

まず、ステップ１では、圧力センサからの圧力信号を用いて、一定のサンプリング周期で現在のタンク内の圧力Ｐ(t)を計測する。

次に、ステップ２では、現在の停止圧力Ｐoff設定（圧縮運転を停止するためのタンク５内の圧力値が計算されたか否かの設定）が0であるか否か、すなわち空気圧縮装置１が通電後に初回の運転か否かを判定する。そして、「Ｎｏ」と判定した時ステップ５に移る。一方、「ＹＥＳ」と判定した時、下記の数式１に示すように、定められた上限圧力Ｐmaxより０．０５MPa低い圧力値を初回の停止圧力Ｐoffとする。その次のステップ４では電磁開閉器を全てONに切換え、電動モータ２を全て駆動する。これより、圧縮機本体３を全台数駆動させ、圧縮運転を開始する。その後、ステップ５に移る。
（数式１）
Ｐoff ＝ Pmax - 0.05MPa
ステップ５では、現在の圧力P（t）が停止圧力Poffよりも高い上限圧力Pmaxより高いか否かを判定する。そして、「YES」と判定した時、ステップ６で電動モータ２を全てOFFに切換え、これより、圧縮機本体３を全台数停止する。その後、ステップ１７に移る。一方、ステップ５では、「No」と判定した時、ステップ１４に移る。

ステップ１４では、現在の圧力P（t）がステップ３でおよび後述するステップ２２で計算された停止圧力Ｐoff以上か否かを判定する。そして、「YES」と判定した時、ステップ１５に移る。ステップ１５では現在の圧力P（t）が上昇中か否かを判定する。「NO」と判定した時、即ち現在の圧力P（t）が停止圧力Ｐoff以上であるが、圧力が下降中であれば、ステップ１９に移る。一方、「YES」と判定した時、ステップ１６で現在各自の停止サイクルタイマ１０がタイムアップ（または停止中）した運転中の圧縮機本体３の中で、停止優先順位の一番高い圧縮機本体３のうち１台を停止対象とする。ここで、それぞれの圧縮機本体３Ａ、３Ｂ、３Ｃについて、ある運転サイクルで停止させてから次の運転サイクルで停止させるまでの時間を１運転サイクル時間とする。１運転サイクル時間が所定時間以上になるように停止サイクルタイマ１０は前の運転サイクルにおいて停止したときから所定時間以上が経過するとタイムアップするものである。また、停止優先順位は停止サイクルタイマ１０がタイムアップした順番に従って決められる。即ち、前の運転サイクルで停止してからの経過時間が長い圧縮機本体から優先的に停止させる。例えば、前の運転サイクルで３Ａ、３Ｂ、３Ｃの順番でそれぞれの圧縮機本体３を停止させた場合は、３Ａ、３Ｂ、３Ｃの優先順位で停止させることになる。これにより、それぞれの圧縮機本体３Ａ、３Ｂ、３Ｃについて、運転時間が偏らなくなり、メンテナンスの回数を減らすことができる。そして、ステップ１７で、その停止対象となった圧縮機本体３Ａを停止させて圧縮機本体の運転台数を減少させる。その次のステップ１８では、停止した圧縮機本体３Ａの停止サイクルタイマを起動させて、ステップ１９に移る。

上記のステップ１４で、「NO」と判定した時、ステップ７に移る。ステップ７では、現在圧力Ｐが下限圧力Ｐmin以下か否かを判定する。「NO」と判定した時、ステップ１９に移る。一方、「YES」と判定した時、その次のステップ８で圧力が下降中か否かを判定する。ステップ８で「NO」と判定した時、即ち現在の圧力P（t）が下限圧力Ｐmin以下であるが、圧力上昇中の場合、再び圧縮機本体３を起動させる必要がないため、そのままステップ１９に移る。一方、ステップ８で「YES」と判定した時、即ち、現在の圧力P（t）が下限圧力Ｐmin以下かつ圧力下降中であれば、圧縮機本体３を起動させる必要があり、その次のステップ９で停止サイクルタイマ１０のカウント値が一番小さい、即ち、停止させてからの経過時間が最も長い圧縮機本体３を選び優先的に起動対象とする。次のステップ１０で起動対象となった圧縮機本体３を起動させる。これにより、それぞれの圧縮機本体３Ａ、３Ｂ、３Ｃについて、運転時間が偏らなくなり、メンテナンスの回数を減らすことができる。ステップ１１で圧縮機本体３を起動させた瞬間の圧力をＰstとして記録する。ステップ１２で、下記の数式２に示すように、Ｐstと圧縮機本体起動時の１秒前の圧力P（k-5）との差ΔＰdを求める。なお、サンプリング周期200ｍｓごとに運転制御を行っているため、１秒前の圧力は圧力P（k-5）となる。
（数式２）
ΔＰd ＝ P（k-5） - Ｐst
ステップ１２後のステップ１３ではＰoff計算用タイマ１１（１秒）を起動させ、ステップ１９に移る。

ステップ１９では、Ｐoff計算用タイマ（１秒）がタイムアップしたか否かを判定する。即ち、ステップ１０で起動した圧縮機本体３を起動後１秒間経過したか否かを判定する。「NO」と判定した場合、そのままリターンする。一方、「YES」と判定した時、即ち圧縮機本体３を起動後１秒間経過したため、次の停止圧力Poffを計算する。その次のステップ２０で数式３に示すように、圧縮機本体３の停止時から次の圧縮機本体３の停止までの時間しきい値Tcは圧縮機本体の停止サイクル制限時間Tsを空気圧縮機装置内の圧縮機本体台数で割った値にする。ここで、圧縮機本体の停止サイクル制限時間Tsは、電磁開閉器の切換え回数に基づいて決定している。具体的には、圧縮機本体のメンテナンス時間が予め決められているときには、メンテナンス時間を電磁開閉器が寿命となるまでの切換え回数で割った値よりも大きな値に設定されている。例えば、空気圧縮気本体のメンテナンス時間を１００００時間とし、電気的または機械的寿命となる電磁開閉器の切換回数が２００万回とすると、このメンテナンス時間を切換回数で割った値は１８秒となる。このため、実験的に求めた停止時間Ｔbの誤差マージン（例えば２秒）を考慮して、圧縮機本体３の停止サイクル制限時間Tsは例えば２０秒に設定されている。ここで、Ts（例えば２０秒）を圧縮機本体の台数n（例えば３台）で割った値は約７秒で、この７秒は圧縮機本体停止から次の圧縮機本体（任意）停止までの時間しきい値Ｔcとなる。
（数式３）
Tc = Ts／n
次のステップ２１では、下記数式４に示すように、現在の圧力Ｐ(k)と前述したステップ１１で記録した起動時の圧力Ｐstの差圧ΔＰuを計算する。
（数式４）
ΔＰu = Ｐ(k) - Ｐst
最後、下記数式５、６に示すように、次の停止圧力Ｐoffを計算してからリターンする。
（数式５）
ΔＰoff＝Tc*(ΔPu*ΔPd/(ΔPu+ΔPd))
（数式６）
Ｐoff＝ΔＰoff + Ｐmin
ここで、ΔＰoffは圧縮機本体起動時の1秒前の圧力P(k-5)と起動時の圧力Pstの差圧ΔＰd、圧縮機本体３の起動１秒後の圧力P(k)と起動時の圧力Pstの差圧ΔＰuにより求められる。ここで、圧縮空気の使用量に大きな変化がなかった場合は、タンク５内の圧力が計算された停止圧力Ｐoffになった時に圧縮機本体３を停止させれば、圧縮機本体３を１台停止させてから次の圧縮機本体３を１台停止させるまでの時間がステップ２０で計算された時間しきい値Tcを満足できる。停止圧力Ｐoffを計算せずに固定値としてもよいが、上記のように計算することで、空気の使用量に対応して停止圧力Ｐoffを変更して、停止圧力Ｐoffになるタイミングと圧縮機本体３の停止サイクルタイマがタイムアップするタイミングとをほぼ一致させることができ、より低い圧力で圧縮機本体３を停止させ、消費電力の低減を図ることができる。

ここで、停止圧力Poffを求める方法を図４に基づいて説明する。まず、空気使用量が一定であることを前提とすると、圧縮機本体３を１台停止した後または起動した後の空気タンクの圧力上昇率または下降率は一定である。そこで圧縮機本体３を１台起動する１秒前の圧力値P(k-5)を記録し、圧縮機本体３の起動時の圧力Pstとの差圧ΔPdが求められる。次に、下限圧力Pminと停止圧力Poffの差圧をΔPoffとして、圧縮機本体３を１台停止してから次の圧縮機本体３を起動させる時までの時間T1とΔPdは以下の数式７の関係が存在する。
（数式７）
T1＝（ΔPoff／ΔPd）×1sec
そして、圧縮機本体３を１台起動してからの１秒後のP（k）を記録し、圧縮機本体３の起動時の圧力Pstとの差圧Δpuを数式４によって求める。次に、圧縮機本体３を１台起動してから停止圧力Poffになるまでの時間T2とΔPuは以下数式８の関係が存在する。
（数式８）
T2＝（ΔPoff／ΔPu）×1sec
そして、圧縮機本体３を１台停止から次の圧縮機本体３を１台停止までの時間がしきい値Tｃと等しくなるためには、以下数式９の条件が必要となる。
（数式９）
Tc＝T１＋T2
そこで、数式７と数式８を数式９に代入すれば、上記の数式５が導かれる。

次に、従来技術と同様な比較例による制御処理と、本実施の形態による制御処理とを比較した結果を図３に示す。なお、図３中の実線は、本実施の形態による制御処理を行った場合のタンク５内の圧力Pを示している。一方、図３中の点線は、比較例による制御処理として、圧力下限値Pminと圧力上限値Pmax付近に到達するたびに圧縮運転と圧縮停止を切換える場合のタンク５内の圧力P´を示している。

図３に示すように、比較例では圧力P´が圧力上限値Pmaxまで上昇する時間を予測し、予め設定されたしきい値より小さい場合の圧縮機本体を１台を停止させる。このため、圧力P´の増加率が小さい時には、圧力P´が高い領域（圧力上限値Pmax付近）で圧縮運転を行う時間が長くなり、消費電力が増加する傾向がある
これに対し、本実施の形態による制御処理では、圧縮機本体３の停止サイクル制限時間Tsと圧縮機本体３の起動時から単位時間前（例えば１秒前）と単位時間後（例えば１秒）のタンク圧力の差圧に基づいて、圧縮機本体３の停止サイクル時間Tsが一定になるように停止圧を求めた。このため、タンク内の圧力Ｐの増加率が小さいときでも、圧力Ｐが圧力上限値Pmaxに到達する前に圧縮機本体３を停止させることができる。この結果、全体的に圧力Pが低い領域、即ち消費電力が少ない領域で圧縮運転を行うことができる。図３中で電力同士を比較すると、本実施例の形態による電力量（電力の時間積分量）が比較例の電力量よりも下回ることがわかる。

そして、本実施の形態によれば、複数台の圧縮機本体３を有しているため、停止サイクル制限時間が経過しておらず停止できない圧縮機本体３の代わりに、他の停止サイクル制限時間が経過した圧縮機本体３を停止させることで、圧力の無駄な上昇を抑えることが可能である。即ち、停止サイクル時間Tsを短く設定することができる。これにより、圧縮機本体３の台数が多いほど、停止サイクル時間Tsをより短く設定することができ、タンク内の圧力をより低い範囲内に抑えることが可能であり、消費電力を一層低減することができる。

さらに、本実施の形態によれば、空気の使用量に応じて停止圧力Ｐoffを変更することにより、停止圧力Ｐoffになるタイミングと圧縮機本体３の停止サイクルタイマがタイムアップするタイミングとをほぼ一致させることができ、より低い圧力で圧縮機本体３を停止させ、消費電力のより一層低減をさせることができる。

これまで説明してきた実施例は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されない。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

１空気圧縮装置
２電動モータ
３圧縮機本体
４電磁開閉器
５タンク
６取出し弁
７出力配管
８圧力センサ
９制御回路
１０停止サイクルタイマ
１１Ｐoff計算用タイマ

Claims

流体を圧縮する複数台の圧縮機本体と、
前記圧縮機本体で圧縮された流体を貯留するタンクと、
前記圧縮機本体の運転・停止の運転サイクルを制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記タンク内の圧力が停止圧力以上になると、複数台の前記圧縮機本体のうち、前の運転サイクルで運転を停止させてからの経過時間が所定時間以上となった前記圧縮機本体を停止させて運転台数を減少させ、前記タンク内の圧力が前記停止圧力よりも高い上限圧力よりも高くなると複数台の前記圧縮機本体を停止させ、前記圧縮機本体の起動時と単位時間前の前記タンク内の圧力の差圧と起動時と前記単位時間後の前記タンク内の圧力の差圧に応じて前記停止圧力を変更することを特徴とする流体圧縮装置。
前記制御部は、複数台の前記圧縮機本体のうち、前の運転サイクルで停止させてからの経過時間が長い圧縮機本体を優先的に停止させることを特徴とする請求項１に記載の流体圧縮装置。
前記制御部は、前記タンク内の圧力が前記停止圧力以上であって上昇中のときに前記圧縮機本体の運転台数を減少させることを特徴とする請求項１に記載の流体圧縮装置。
前記制御部は、前記タンク内の圧力が前記停止圧力よりも低い下限圧力以下であって下降中のとき、複数台の前記圧縮機本体のうち、停止させてから所定時間が経過した前記圧縮機本体を起動させて運転台数を増加させることを特徴とする請求項１に記載の流体圧縮装置。
前記制御部は、複数台の前記圧縮機本体のうち、停止させてからの経過時間が長い圧縮機本体を優先的に起動させることを特徴とする請求項４に記載の流体圧縮装置。
前記制御部は、予め決められた停止サイクル制限時間と前記圧縮機本体の台数とに応じて前記停止圧力を変更することを特徴とする請求項１に記載の流体圧縮装置。