JP6272479B2 - 気体圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、気体圧縮機に係り、回転数、吐出圧力に応じた軸受給油量を制御する気体圧縮機に関する。

圧縮作動室に油や水の供給を必要としない無給油式スクリュー圧縮機が知られている。例えば、非接触かつ無給油で回転可能な一対の雄雌のスクリューロータを有し、このスクリューロータによって空気等の気体を圧縮するスクリュー圧縮機等が知られている。無給油式スクリュー圧縮機の一般的な構成として、ロータの軸受、ギヤ及び圧縮機本体等を潤滑、冷却する潤滑油と、この潤滑油を熱交換する熱交換器を備えており、オイルポンプによって潤滑油を循環させるようになっている。

圧縮回転体であるロータの軸受潤滑に必要な潤滑油の供給量は、軸受の仕様による定数と、軸受目標温度と、回転数、吐出圧力及びギヤによる荷重とによって定義できる。圧縮機の運転中には、回転数若しくは吐出圧力が変数となり、そのどちらか一方によって給油量を変化させるようになっている。

このような技術として、特許文献１には、無負荷運転時若しくは低回転時に軸受への給油手段を制御し、負荷運転時よりも給油量を低下させ、消費動力を低減させると記載されている。

他方、圧縮機において、圧縮気体の圧力と、吐き出す気体量との関係は仕様によって種々設計可能である。例えば、同じ圧力でも気体量は大とする運転方法が知られている（特許文献２）。吐出気体量の増加は、回転数（スクリュー等の圧縮手段の回転数やこれを駆動する発動機の回転数等）によって制御を行う。このように吐出圧力を低下させるとともに回転数が増加等する運転は、「低圧増風運転」として知られている。

特開２００２−３６４５６８号公報 特開平９−２０９９４９号公報

圧縮機本体ロータを支持する軸受部に必要な潤滑油の供給量は、以下の数１によって定義されるものとする。

よって、例えば、低圧増風運転時の場合、吐出圧力（軸受荷重）又は回転数（軸受回転数）のどちらかによる軸受給油量の決定では給油過多になる虞がある。ロータ軸受に対する過剰な給油は、撹拌ロス等による消費電力の非効率化を招来する虞がある。また、他方、軸受の損傷等も招来する虞がある。

つまり、特許文献１は、回転数若しくは吐出圧力（軸受荷重）の何れか一方を利用して、無負荷運転時若しくは低回転時に軸受の給油量を低下させるが、吐出圧力と回転数の関係が反比例する運転となる場合等には、軸受給油量の適正な制御をすることはできない。吐出圧力（軸受荷重）と、回転数との種々の仕様に対して軸受給油量の適正な制御を行うことが望まれる。

上記課題を解決するために、例えば、特許請求の範囲に記載の構成を適用する。即ち一例を上げれば、気体を圧縮する回転体を有する圧縮機本体と、前記回転体を圧縮機本体ケーシングに支持する軸受と、前記軸受に供給する潤滑油を貯留する貯留部と、オイルケースから前記軸受に潤滑油が流通する潤滑油配管と、前記潤滑油配管を介して前記オイルケースから前記軸受に潤滑油を圧送するオイルポンプと、前記潤滑油配管を流通する潤滑油量を調整する流量制御手段と、前記回転体に動力を供給する電動機と、前記電動機に所定回転周波数の電力を出力するインバータと、前記圧縮機本体の吐出圧力を検出する圧力センサと、特定圧力及び特定風量の吐出気体を得るときの電動機の消費動力で、前記電動機の回転数を増加させ、前記特定圧力よりも低圧且つ前記特定風量より増加した吐出気体を前記圧縮機本体に吐出させる低圧増風運転制御を行う制御部とを有する気体圧縮機であって、前記制御部が、前記圧力センサの検出圧力に対応する前記軸受の荷重及び前記インバータが出力する電力の回転周波数に対応する前記回転体の回転数から前記軸受への潤滑油供給量を決定し、該潤滑油供給量に基づいて前記流量制御手段を制御するものであり、前記低圧増風運転制御時に、前記特定圧力に対応する前記軸受の荷重及び増加した前記回転数に対応する前記回転体の回転数から前記軸受への潤滑油供給量を決定し、該潤滑油供給量に基づいて前記流量制御手段を制御するものである気体圧縮機である。

本発明によれば、吐出圧力に応じた軸受荷重と、軸受回転数とに応じて適正量の潤滑油を軸受に供給することができる。本発明の他の課題、構成及び効果は、以下の記載から明らかになる。

本発明を適用した一実施の形態である無給油式圧縮機の全体概要構成を示す模式図である。 本実施形態の制御系の処理関係を示す模式図である。 本実施形態の軸受の給油量比を説明する図である。

以下、図面を用いて、本発明を実施するための形態について説明する。
図１に、本発明を適用した一実施形態である無給油式スクリュー圧縮機１００（以下、単に「圧縮機１００」という場合がある。）の全体構成を例示する。本例において、圧縮機１００は、空気（大気）を圧縮するものとする。なお、圧縮機１００は、無給油式スクリュー圧縮機に限定されるものではない。

圧縮機１００は、タイミングギヤにより非接触かつ無給油で回転可能な雄雌一対のスクリューロータ（回転体）を有する圧縮機本体１と、圧縮機本体１から吐き出される圧縮空気を冷却する圧縮空気用熱交換器１４ｂと、圧縮機本体１内外（吸気側、吐出側）の駆動部で使用される圧縮機軸受１６及びギヤ用の潤滑油１２と、潤滑油１２を冷却する潤滑油用熱交換器１４ｃと、圧縮機本体１のケーシング内部を冷却する冷却用潤滑油を冷却する本体用冷却油熱交換器１４ａと、この冷却潤滑油や潤滑油１２を保持しておくオイルケースを内包するギヤケース１１（貯留部）と、ギヤケース１１からスクリューロータの軸受１６や、ギヤ７及び８に送液するためのオイルポンプ１０と、圧縮機１００の運転制御を行う制御装置Ａとを主に備える。制御装置Ａは、プログラマブルコンピュータから構成され、圧縮機軸受１６の給油量を、吐出圧力（軸受荷重）及び回転数によって制御する点を特徴の一つとする。

また、圧縮機１００の筺体は、上面に筺体内の空気を掃気する掃気口４０を、筺体内気流の上流側に位置するモータ２に対向する筺体側面に外気を吸気する吸気口４１を備える。掃気口４０近傍の筺体内部には、掃気用の冷却ファン２０が設けられ、吸気口４１から概略モータ２、圧縮機本体１、熱交換器１４ａ・１４ｂの順で外気が流通し、排気ダクト３５に至った外気が、掃気口４０から筺体外部に掃気されるようになっている。なお、冷却ファン２０の回転数は、圧縮空気の圧力、モータ２の温度等を監視する種々のセンサ（不図示）からの検出信号に応じて、制御装置Ａが筺体内部温度を一定範囲に維持するように制御されるようになっている。

モータ２は、制御装置Ａを介してインバータ１９から任意の周波数の電力を受け、可変速に回転可能となっている。モータ２の出力軸端には、駆動用プーリ３ａが設置され、駆動用プーリ３ａに懸架された駆動用ベルト４を介して駆動用プーリ３ｂに伝わる。駆動用プーリ３ｂは、ギヤシャフト６の同軸に接続される。ギヤシャフト６は、ギヤケース１１内部に配置されたブルギヤ７と接続され、このブルギヤ７が、圧縮機本体１の雄（又は雌）ロータシャフトの端部に設置されたピニオンギヤ８と歯合し、モータ２の動力がスクリューロータに伝達するようになっている。

圧縮機本体１は、エアフィルタ５を介して吸気部から外気を吸い込み、圧縮する。圧縮空気は、配管２５ａに吐出される。配管２５ａは、圧縮空気用熱交換器１４ｂに接続されるが、その手前には放気経路２６への分岐がある。放気経路２６は、その下流側に設けられた電磁弁２７の開閉によって、大気に圧縮空気を放気することができるようになっている。即ち圧縮機１００は、ユーザ側の圧縮機空気の消費が減少し、圧縮空気の圧力が所定値に達すると、圧縮機本体１の負荷を軽減させて消費電力を低減させる無負荷運転を行うようになっている。通常運転において、配管２５ａに吐き出された圧縮空気は、圧縮空気用熱交換機１４ｂに流れる。

圧縮空気用熱交換機１４ｂは、チューブ式やプレート式の熱交換器からなる。圧縮空気用熱交換機１４ｂは、図示しない冷却液（水やクーラント）の供給を受け、圧縮空気を冷却液との熱交換によって所望の温度に冷却し、その後、配管２５ｂを介してユーザ側に吐き出すようになっている。

配管２５ｂの下流には、吐出し圧力値を計測し、制御装置Ａに出力する圧力センサ１８が設置される。即ち圧力センサ１８は、圧縮空気の利用側（ユーザ側）の圧力値を測定するようになっている。

次いで、潤滑油１２の循環系統について説明する。
圧縮機本体１の回転機構と同様にして、ギヤシャフト６上でプーリ３ｂと反対側の軸端には、オイルポンプ駆動用ギヤ９が設置される。ポンプ駆動用ギヤ９は、オイルポンプ１０に接続された被駆動用ギヤと歯合し、モータ２の動力がオイルポンプ１０に伝わるようになっている。オイルポンプ１０は、潤滑油配管１３ａを介して、ギヤケース１１に貯留された潤滑油１２を潤滑油用熱交換器１４ｃに圧送する。潤滑油用熱交換機１４ｃで所定の温度以下に冷却された潤滑油１２は、潤滑油用配管１３ｂ及びオイルフィルタ１５を介して、吐出し側及び吸気側夫々の圧縮機軸受１６に送られ、その後、ギヤケース１１に回収されるようになっている。

なお、オイルポンプ１０は、ポンプ駆動用ギヤ９等を介して圧縮機本体１の駆動系を利用するようになっている。即ちモータ２の回転数が上昇・低下に応じて潤滑油の供給量も増減することになる。本実施形態では、通常の運転（所謂定格運転）において、オイルポンプ１０から回転数に応じて供給される潤滑油の必要供給量Ｑが、下記〔数１〕を満たすようにオイルポンプ１０を設計するものとする。

また、潤滑油配管１３ａの上流となるオイルポンプ１０の２次側とギヤケース１１の間には、潤滑油の供給を制御する流量制御手段として、排油電磁弁１７及び潤滑油配管１３ｃが設けられる。制御装置Ａからの指令に応じて排油電磁弁１７を「開（ＯＮ）」とすることで、ポンプ１０から搬送された潤滑油１２が、潤滑油配管１３ａを介してギヤケース１１に戻るようになっている。即ち排油電磁弁１７の「開（ＯＮ）・閉（ＯＦＦ）」によって、潤滑油経路１３ａ、１３ｂを流通する潤滑油の量が制御可能となり、その結果、軸受１６の給油量を増減するようになる。即ち後述する「低圧増風運転」時では、供給する潤滑油の量を制限する必要があるためである。

また、排油電磁弁１７は、「開（ＯＮ）」とした場合に、全ての潤滑油が潤滑油配管１３ｃからギヤケース１１に還流されるものではなく、一部が還流され、他は潤滑油配管１３ａ等に圧送される様に構成される。「開（ＯＮ）」となった場合に、潤滑油配管１３ａに圧送する潤滑油の量は、軸受荷重と軸受回転数に応じて適切な量となる必要供給量（Ｑ）に相当する。必要供給量（Ｑ）については、後述する。
なお、潤滑油１２の供給量を制御する手段は、排油電磁弁１７に限るものではなない。例えば、ポンプ１０に自律型の発動機（モータ等）を適用し、制御装置Ａ等からの指令値に応じて駆動の程度を制御する様に構成してもよいし、これらを組み合わせてもよい。また、本実施例では、排油電磁弁１７の切替が「開」と「閉」の２段階にするものとして説明するが、これに限るものではなく、より多段階とすることもできる。

次いで、図２に制御装置Ａの制御系統を模式的に示す。制御装置Ａは、演算装置や揮発・不揮発のメモリを備えるプログラマブルコンピュータであり、ソフトウェアと、演算装置との協働によって、圧縮機１００の各部と制御信号の入出力を行う。また、制御装置Ａは、筺体外周等に設置された入力パネル（不図示）や、ネットワークを介して圧縮機１００の外部から制御機器（ＰＣやサーバを含む。）から入力された操作者からの設定圧力値の入力を受け、これをメモリ（不図示）に記憶するようになっている。

制御装置Ａは、圧力センサ１８から出力される現在の圧力値をリアルタイム若しくは所定の間隔で受け、メモリに記憶した設定圧力値と比較し、現在の圧力値が設定圧力値になるまでは、圧縮機本体１を負荷運転するようにインバータ１９に所定の回転周波数を指令する。そして、制御装置Ａは、インバータ１９から現在の周波数値のフィードバックを受けるようになっている。

他方、圧力センサ１８からの現在の圧力値が設定圧力値に達すると、制御装置Ａは、無負荷運転の制御に切り替わる。無負荷運転において、制御装置Ａは、放気弁２７を開にして放気サイレンサを経由して放気すると共に圧縮機本体ロータの回転数を低下させるために、インバータ１９に回転周波数の低下指令を出力する。その後、圧力センサ１８からの現在の圧力値を監視し続け、ユーザ側の圧縮機空気の消費に応じて、当該圧力値が設定圧力に以下或いは設定圧力付近まで低下したときに、放気弁２７を「閉」とし、設定圧力値になるまで、インバータ１９に回転周波数の上昇を指令し、負荷運転を再開するようになっている。

また、制御装置Ａは、圧力センサ１８が検出した圧力と、それに基づいて得られたモータ２の出力周波数指令値の結果を予め定められた設定値と比較し、排油電磁弁１７の開・閉を決定する。本排油電磁弁１７の制御を説明する前に、圧縮機１００の低圧増風運転について説明する。

本実施形態において、圧縮機１００は、低圧増風運転を行うことができるように構成している。ここで、低圧増風運転とは、圧縮機本体１の吐出圧力に対して、圧縮機ロータの回転数を増加させ、吐出し圧力に対する空気量が増加する運転をいう。また、圧縮機ロータの回転数の増加は、通常運転時の消費動力と同一の範囲で上昇させるようになっている。これによって、消費動力が一定で、空気量が増加し且つ低圧の圧縮空気を生成することができる。

このような制御は、インバータ１９の出力周波数を変更することによって行われる。例えば、通常運転（定格運転）において、制御装置Ａはインバータ１９に対して、設定圧力値に対応する予め設定された周波数でモータ２を駆動させる。この時の周波数を定格周波数とすれば、低圧増風運転では、定格よりも高い周波数でモータ２を駆動させるようになっている。

低圧増風運転は、上述した入力パネル等を介して、操作者が圧力と風量を入力設定することで運転状態を変更するようにしてもよいし、低圧増風運転の初期値として圧力と周波数値が予めメモリ上に記憶させておき、操作者が入力パネルから運転モードを切り替える構成してもよい。なお、本実施形態では、定格運転に対して圧力が低く且つ周波数がより高くなる運転を低圧増風運転として説明するが、本発明は、何れの運転時の周波数を定格とする場合にも適用できるものである。

定格運転と低圧増風運転のように、吐出圧力（軸受荷重）と、ロータの回転数との関係が一律でなくなると、軸受１６に供給するべき潤滑油の量も各運転条件に応じて変更する必要がある。即ち低圧増風運転時の潤滑油供給量を、定格運転時の供給量のままにすると供給過多となり、機械損失に起因する。

図３に、回転周波数比と軸受給油量比の関係と、排油電磁弁１７の動作とを示す。図中、Ｃ線は回転周波数比に対して軸受に供給される給油量との関係を示す線である。この時、軸受１６への必要給油量は、例えば、上述の〔数１〕であるものとする。

〔数１〕によれば、回転周波数が増加しても軸受１６の荷重が低下（作動室の圧縮圧力が低下）すれば、軸受１６への必要給油量は変化しない。例えば、低圧増風運転において、回転周波数比が１２０％になった場合、荷重は８０％となり、必要給油量は回転周波数比１００％のときと同等でよいこととなる。

これに対して、従来の回転周波数の増大に応じて軸受給油量の増加量を決定する方式では、高速回転領域におけるＤの範囲が必要な給油量に対して給油過多の状態となる。

圧縮機１００の消費動力には、圧縮機軸受１６で発生する機械損失が含まれるが、機械損失には、回転速度に応じて変化する損失と、給油温度や給油量により変化する摩擦損失とが主に含まれる。制御装置Ａは、回転周波数比が１００％を超える低圧増風時に、排油電磁弁１７を「開」として、軸受１６の給油量を低減させる。これにより摩擦損失などによる消費動力を低減することができる（仕様に応じて異なるが、例えば、１〜数％程度の低減。）。

具体的には、制御装置Ａは、圧力センサ１８からの現在圧力値に対応する軸受荷重（Ｆ）と、インバータ１９からフィードバックされる出力周波数値に対応する軸受回転数（ｎ）と、係数（ａ）とから必要供給量（Ｑ）を求め、当該出力周波数値に対応するオイルポンプ１０の圧送量が、求めた必要供給量（Ｑ）が超えるかを判定し、超える場合には、排油電磁弁１７を「開（ＯＮ）」とする指令をし、潤滑油配管１３ａ、１３ｂに圧送する潤滑油量を制限する。その後も、制御装置Ａは、圧力センサ１８からの現在圧力値と、インバータ１９からフィードバックされる出力周波数とから対応する軸受荷重と、対応する軸受回転数とに基づいて必要供給量と現在のオイルポンプ１０の圧送量とを監視し、排油電磁弁１７の「開（ＯＮ）・閉（ＯＦＦ）」の制御を行うことで、軸受１６に対して、軸受荷重と軸受回転数に応じた適当な給油量を制御するようになっている。

このように、圧縮機１００によれば、回転周波数と、吐出圧力との関係に応じて動的に最適な潤滑油１２の給油量を得ることができ、不要な損失を軽減させて消費動力の軽減を向上させることができる。

また、圧縮機１００では、排油電磁弁１７が「開」の状態でも一定の潤滑油が潤滑油配管１３ａに圧送されるため、圧縮機本体１の駆動時に、軸受１６等への潤滑油の供給が無くなることが無い。

また、圧縮機１００では、軸受１６等に供給する潤滑油量の調整に対して潤滑油配管１３ｃ及び排油電磁弁１７を設ける構成であり、構成の効率化を図るためにオイルポンプの駆動系に圧縮機本体の駆動系を利用するという構成上の利点を確保したまま潤滑油量の調整を行うことができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更や均等物に及ぶものであることは言うまでもない。

また、本実施形態では、制御装置が現在の圧力センサ値と、入力設定圧力値と、インバータ１９への周波数指令値との夫々に対応する軸受荷重、軸受回転数に応じて適切な潤滑油量を演算する例を説明したが、予めメモリ上に、圧力及び周波数に応じた給油量が計算された対応テーブルを記憶させておき、これに基づいて排油制御弁１７の開・閉を判断するように構成してもよい。演算処理負荷の低減を図ることができる。

また、この様な対応テーブルを通常運転時及び低圧増風運転時用に夫々記憶させておき、運転モードと共に切り替えるようにしてもよい。更には、通常運転時又は低圧増風運転時でテーブルを利用し、他方の運転では制御装置Ａで演算するようにしてもよいし、その逆にするようにしてもよい。

また、本実施形態では、オイルポンプ１０の駆動系を圧縮機本体１の駆動系と共通化する例を説明したが、小型電動機を用いてオイルポンプ１０の駆動系を独立させ、制御装置Ａからオイルポンプ１０に駆動指令を出力することで、潤滑油の供給量を調節するように構成してもよい。即ち制御装置Ａの求めた潤滑油の必要供給量（Ｑ）が、現在のオイルポンプ１０の供給量より多い場合には、必要供給量（Ｑ）となるように、制御装置Ａから小型電動機の回転数を減少させる指令を出力し、少ない場合には増加させる指令を出力する。

また、本実施形態では、圧縮機１００として単段機を例としたが、低圧段圧縮機及び高圧段圧縮機からなる多段機であってもよい。更には、圧縮手段は雌雄一対のスクリュー圧縮機本体に限定されるものではなく、軸受に潤滑油を給油する構成の圧縮手段に適用することもできる（例えば、スクロール型、クロー型、シングルやトリプルスクリュー型等）。

また、本実施形態では圧縮機の回転体としてダブルロータ形式のスクリュー圧縮機を説明したが、シングルロータやトリプルロータでもよく、更には、スクロール形式、往復動形式、クロー形式、スクリューと回転圧縮板との混合形式等の圧縮機の軸受給油量制御に適用できるものである。

１…圧縮機本体、２…モータ、３ａ、３ｂ…プーリ、４…ベルト、５…エアフィルタ、６…ギヤシャフト、７…ブルギヤ、８…ピニオンギヤ、９…オイルポンプ駆動用ギヤ、１０…オイルポンプ、１１…ギヤケース、１２…潤滑油、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ…潤滑油配管、１４ａ…本体冷却液用熱交換器、１４ｂ…圧縮空気用熱交換機、１５…オイルフィルタ、１６…圧縮機軸受、１７…排油電磁弁、１８…圧力センサ、１９…インバータ、２０…冷却ファン、２５ａ…圧縮空気配管、２６…放気配管、２７…放気制御弁、２８…放気サイレンサ、２９…逆止弁、３０…二方電磁弁、３５…エアダクト、Ａ…制御装置

Claims (5)

1. 気体を圧縮する回転体を有する圧縮機本体と、
   前記回転体を圧縮機本体ケーシングに支持する軸受と、
   前記軸受に供給する潤滑油を貯留する貯留部と、
   オイルケースから前記軸受に潤滑油が流通する潤滑油配管と、
   前記潤滑油配管を介して前記オイルケースから前記軸受に潤滑油を圧送するオイルポンプと、
   前記潤滑油配管を流通する潤滑油量を調整する流量制御手段と、
   前記回転体に動力を供給する電動機と、
   前記電動機に所定回転周波数の電力を出力するインバータと、
   前記圧縮機本体の吐出圧力を検出する圧力センサと、
   特定圧力及び特定風量の吐出気体を得るときの電動機の消費動力で、前記電動機の回転数を増加させ、前記特定圧力よりも低圧且つ前記特定風量より増加した吐出気体を前記圧縮機本体に吐出させる低圧増風運転制御を行う制御部とを有する気体圧縮機であって、
   前記制御部が、
   前記圧力センサの検出圧力に対応する前記軸受の荷重及び前記インバータが出力する電力の回転周波数に対応する前記回転体の回転数から前記軸受への潤滑油供給量を決定し、該潤滑油供給量に基づいて前記流量制御手段を制御するものであり、
   前記低圧増風運転制御時に、前記特定圧力に対応する前記軸受の荷重及び増加した前記回転数に対応する前記回転体の回転数から前記軸受への潤滑油供給量を決定し、該潤滑油供給量に基づいて前記流量制御手段を制御するものである気体圧縮機。
2. 請求項１に記載の気体圧縮機であって、
   前記潤滑油配管から前記貯留部に潤滑油が還流する排油配管を備え、
   前記流量制御手段が、二方電磁弁であり、
   前記排油配管に、該二方電磁弁が配置されるものである気体圧縮機。
3. 請求項２に記載の気体圧縮機であって、
   前記オイルポンプが、前記電動機の動力によって駆動するものである気体圧縮機。
4. 請求項１に記載の気体圧縮機であって、
   前記オイルポンプが、前記電動機とは異なる他の電動機によって駆動するものである気体圧縮機。
5. 請求項１に記載の気体圧縮機であって、
   前記制御部が、
   前記圧縮機本体が吐出す圧縮気体の圧力に対応する前記軸受の荷重及び前記インバータの出力する回転周波数に対応する前記軸受の回転数に応じた前記軸受への潤滑油供給量の対応テーブルを予め記憶し、
   前記対応テーブルを参照して、前記圧力センサの検出圧力及び前記インバータの出力する回転周波数の少なくとも一方の入力値に対応する潤滑油量に基づいて、前記流量制御手段を制御するものである気体圧縮機。

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