JP6771552B2 - 空気圧縮機の運転方法 - Google Patents

Description

本発明は電動機により駆動される空気圧縮機に関する。

電動機で駆動される空気圧縮機では、原単位性能向上のため、空気圧縮機本体の効率向上だけでなく、電動機の効率向上も研究されている。その中でも、従来の可変速制御装置と誘導電動機の組合せではなく、電動機内の回転子として永久磁石回転子を搭載した永久磁石同期電動機により省エネルギー化を図る技術が普及している。永久磁石同期電動機は自身を冷却する自冷却ファンを搭載しているが、この自冷却ファンも動力損失になるため、高効率化のために自冷却ファンがない永久磁石同期電動機も存在する。この種類の電動機を使用した空気圧縮機では、空気圧縮機に搭載した熱交換器を冷却するための冷却ファンを利用して永久磁石同期電動機を冷却する。

特開2012-55119

永久磁石同期電動機では、その回転子に搭載した永久磁石が減磁してしまうと使用不可となるため、特開2012-55119に記載のように温度センサー等を使用して永久磁石が減磁する温度よりも低い温度を閾値として圧縮機の運転を停止する必要があった。ここで、圧縮機の運転が停止した場合は他冷却される圧縮機では冷却ファンの運転も停止してしまうため、自然放熱により永久磁石同期電動機の温度が下がるまでの間、圧縮機を再起動しても圧縮空気を供給できない問題点があった。

上記課題を解決するため、圧縮機本体を駆動する主電動機の温度により、主電動機と主電動機を冷却する熱交換器用電動機の起動または停止を個別に制御する。

本発明によれば圧縮機の起動不可時間を短縮することができる。

一般的なスクリュー圧縮機の系統図 一般的なスクリュー圧縮機の制御フロー図 第１実施例のスクリュー圧縮機の制御フロー図 第２実施例のスクリュー圧縮機の制御フロー図

まず一般的なスクリュー圧縮機について説明する。図１は一般的なスクリュー圧縮機の系統図である。
吸込空気は圧縮機から発生する騒音を低減する防音カバに設けられた開口部から吸入フィルタ１、吸入弁２を通過し、圧縮機制御基板９および永久磁石同期電動機制御装置１０を搭載した電気箱１１より電力を供給されて回転する永久磁石同期電動機４によって駆動される圧縮機本体３によって所定の圧力まで圧縮される。その後、油分離器５や調圧逆止弁６、アフタークーラ７、ドライヤ（図示しない）を通過したのち圧縮機の外部へ接続され、各用途に使用される。一方、循環油は圧縮機本体３で空気と共に圧縮され、油分離器５で圧縮空気と分離されたのちにオイルクーラ８で冷却され、オイルフィルタ（図示しない）等を通過したのちに圧縮機本体内部に収納された雌雄ロータ、軸受等に供給される経路を循環する。アフタークーラ７およびオイルクーラ８は冷却ファン１２を搭載した冷却ファン用電動機１３を駆動することにより冷却される。その冷却ファン用電動機１３を駆動することによる得られる冷却風を利用して、永久磁石同期電動機４も冷却される。永久磁石同期電動機４には減磁による機能停止を防止するために、温度検出装置１４が電動機表面に取り付けられ、異常温度検出時に圧縮機制御基板９で強制停止するよう制御している。

圧縮機制御基板９は、永久磁石同期電動機制御装置１０を含めたスクリュー圧縮機の動作を制御する。永久磁石同期電動機制御装置１０は圧縮機制御基板９からの指示を受け、永久磁石同期電動機４の回転速度や起動や停止を制御する。

図２は一般的なスクリュー圧縮機における制御フローチャート図である。
図２では、温度検出装置１４が検出する温度をＴ１、永久磁石同期電動機４に用いられる永久磁石の減磁温度をＴ３、減磁温度Ｔ３よりも低い閾値温度をＴ２と規定している。

Ｓ１０１：スクリュー圧縮機の起動、再起動が指示された場合、圧縮機制御基板９は温度検出装置１４が示す検出温度Ｔ１と予め記憶された閾値温度Ｔ２とを比較する。検出温度Ｔ１が閾値温度Ｔ２よりも低い場合（ＮＯ）の場合はＳ１０２に進み、検出温度Ｔ１が閾値温度Ｔ２よりも高い場合（ＹＥＳ）はＳ１０６に進む。

Ｓ１０２：圧縮機制御基板９は、永久磁石同期電動機４および冷却ファン用電動機１３を起動する。

Ｓ１０３：圧縮機制御基板９は、検出温度Ｔ１が閾値温度Ｔ２より高くなった場合（ＹＥＳ）にＳ１０６に進み、検出温度Ｔ１が閾値温度Ｔ２より低い場合（ＮＯ）にＳ１０４に進む。

Ｓ１０４：圧縮機制御基板９は、スクリュー圧縮機の停止が指示された場合（ＹＥＳ）はＳ１０５に進む。停止を指示されない場合（ＮＯ）はＳ１０３に戻るため、圧縮機制御基板９はスクリュー圧縮機の停止が指示されるまでの間、検出温度Ｔ１を監視することになる。

Ｓ１０５：圧縮機制御基板９は、永久磁石同期電動機４および冷却ファン用電動機１３を停止する。

Ｓ１０６：永久磁石同期電動機４の永久磁石が減磁する可能性があるため、圧縮機制御基板９は永久磁石同期電動機４および冷却ファン用電動機１３を停止する（以下、電動機温度異常停止と呼ぶ）。

Ｓ１０７：圧縮機制御基板９は電動機温度異常停止したことを、ディスプレイやランプ（図示しない）によってユーザに通知する。

すなわち、予期しない運転状態において永久磁石同期電動機４が必要冷却風量を得られなくなった場合、徐々に永久磁石同期電動機４の温度が上昇し、温度検出装置１４から得られる検出温度Ｔ１が、永久磁石の減磁温度Ｔ３よりも低い閾値温度Ｔ２以上（Ｔ１≧Ｔ２）になった段階で、圧縮機の運転を停止する（以下、電動機温度異常停止とする）。

ここで、電動機温度異常停止した場合は冷却ファン用電動機１３も停止してしまい、永久磁石同期電動機４が冷却されないため、検出温度Ｔ１はオーバーシュートして閾値温度Ｔ２よりも高くなり、永久磁石が減磁する恐れがある（Ｔ１＞Ｔ２）。さらに、永久磁石同期電動機４は自然放熱でしか冷却されないため、検出温度Ｔ１が閾値温度Ｔ２よりも低くなる（Ｔ１＜Ｔ２）までの間、圧縮機を再起動できない、という問題があった。

図３は本発明の第１実施例のスクリュー圧縮機の制御フローチャート図を示す。本実施例のスクリュー圧縮機は、温度検出装置１４より得られる検出温度Ｔ１が閾値温度Ｔ２で圧縮機が停止した後の再始動時に、Ｔ１＞Ｔ２の場合、冷却ファン用電動機１３を先行で駆動させ、永久磁石同期電動機４の温度を閾値温度Ｔ２よりも低減した後に再始動する制御を備える構造とする。本実施例のスクリュー圧縮機はの動作は、図２で説明したフローのうち、Ｓ１０１でＹＥＳの場合にＳ１０８からＳ１１０が追加されたものとなっている。Ｓ１０１からＳ１０７までの動作は図２で説明したものと同様に動作する。

Ｓ１０８：Ｓ１０１でＹＥＳの場合、圧縮機制御基板９は冷却ファン用電動機１３を起動する。

Ｓ１０９：圧縮機制御基板９は、温度検出装置１４の検出温度Ｔ１を監視し、冷却ファン用電動機１３が作動することによりＴ１＜Ｔ２となった場合にＳ１１０に進む。

Ｓ１１０：圧縮機制御基板９は、永久磁石同期電動機４を起動し、Ｓ１０３に進む。

すなわち、永久磁石同期電動機４に使用される永久磁石は、構成磁石の違いにより減磁温度Ｔ３が異なるため、圧縮機の電気箱１１に搭載された圧縮機制御基板９に、あらかじめ決定された閾値温度Ｔ２（例えば、１００度、Ｔ２＜Ｔ３）が入力されている。圧縮機の運転中において、永久磁石同期電動機４の表面に取り付けられた温度検出装置１４から測定される検出温度Ｔ１（例えば、８０度）と閾値温度Ｔ２を比較し、Ｔ１＜Ｔ２の条件で連続運転を行う。予期しない運転状態（例えば、熱交換器の目詰まりや使用環境温度が高い状態）で圧縮機を運転し続けた場合、永久磁石同期電動機４を冷却するのに必要な冷却風量が不足し、徐々に検出温度Ｔ１が上昇する。Ｔ１≧電動機４の停止指令を出し、圧縮機のモニターに異常停止の表示（例えば、電動機温度異常停止）を行い、運転を停止する。

次に運転指令を受けた圧縮機制御基板９は、検出温度Ｔ１があらかじめ入力された閾値温度Ｔ２と比較し、Ｔ１＜Ｔ２の場合は通常起動を行うが、Ｔ１＜Ｔ２の場合は、永久磁石同期電動機４は起動せず、圧縮機の冷却ファン用電動機１３のみを先行運転し、永久磁石同期電動機４を冷却する。強制冷却された永久磁石同期電動機４は、自然放熱する場合に比べて検出温度Ｔ１が早く低減し、Ｔ１＜Ｔ２になった後に、圧縮機制御基板９から永久磁石同期電動機制御装置１０へ永久磁石同期電動機４の運転指令を出し、再び運転状態に入る。

このように再起動時に、永久磁石同期電動機４の温度により通常起動か冷却ファン用電動機１３を先行運転起動かを切り替える制御を行うことにより、永久磁石同期電動機４の信頼性を確保しつつ、電動機温度異常停止からの再起動では起動不可時間を短縮する圧縮機を提供することができる。

上記実施例では、被圧縮流体を空気としているが、他のガスであっても構わない。上記実施例では、圧縮機本体へ注入する液体を油としているが、水やその他液体であっても構わない。また圧縮機本体へ注入する液体を必要としない非注入式の圧縮機でも構わない。さらに圧縮方式をスクリュー式としているがその他の圧縮方式でも構わない。

上記実施例では、圧縮機内の冷却ファン用電動機１３により冷却される、他冷却式の永久磁石同期電動機４としているが、自冷却式の永久磁石同期電動機や誘導電動機であっても構わない。
上記実施例では、温度検出装置１３を永久磁石同期電動機４の表面に取り付けられた温度検出装置としているが、軸受温度やコイル温度を測定する温度検出装置であっても構わない。

図４は本発明の第２実施例のスクリュー圧縮機の制御フローチャート図である。なお第１の実施例と共通する部分については説明を省略する。本実施例のスクリュー圧縮機の動作は、図２で説明したフローのうち、Ｓ１０６の処理がＳ１１１からＳ１１４の処理に置き換えたものとなっている。Ｓ１０１からＳ１０５およびＳ１０７の動作は図２で説明したものと同様に動作する。

Ｓ１１１：Ｓ１０３で検出温度Ｔ１が閾値温度Ｔ２より高くなった場合（ＹＥＳ）に、永久磁石同期電動機４の永久磁石の減磁を防止するため、圧縮機制御基板９は永久磁石同期電動機４を停止する。この段階では冷却ファン用電動機１３は停止しない。

Ｓ１１２：圧縮機制御基板９は温度異常により永久磁石同期電動機４を停止し、永久磁石同期電動機４を冷却中であることを、ディスプレイやランプ（図示しない）によってユーザに通知する。

Ｓ１１３：冷却ファン用電動機１３が動作している状態で圧縮機制御基板９は、温度検出装置１４の検出温度Ｔ１を監視し、冷却ファン用電動機１３が作動することによりＴ１＜Ｔ２となった場合にＳ１１４に進む。

Ｓ１１４：圧縮機制御基板９は冷却ファン用電動機１３を停止する。

すなわち、第２の実施例では温度検出装置１４より得られる検出温度Ｔ１が閾値温度Ｔ２以上になった場合（Ｔ１＞Ｔ２）、圧縮機制御基板９から永久磁石同期電動機制御装置１０へ永久磁石同期電動機４の停止指令を出し、圧縮機のモニターに異常の表示（例えば、電動機冷却中）を行うが、冷却ファン用電動機１３は運転をし続け、永久磁石同期電動機４を強制冷却する。強制冷却をし続けＴ１＜Ｔ２となった後に、冷却ファン用電動機１３の運転を停止する。

このように停止条件が発生した時に、永久磁石同期電動機４をのみ停止し、冷却ファン用電動機１３を運転し続ける制御を行い、永久磁石同期電動機４を強制冷却することにより、永久磁石同期電動機４の信頼性を確保しつつ、電動機温度異常停止からの再起動では起動不可時間を短縮する圧縮機を提供することができる。

ただし本実施例では永久磁石同期電動機４の停止中に冷却ファン用電動機１３のみ連続運転するため、アフタークーラ７やオイルクーラ８内に留まった圧縮空気や潤滑油を過冷却してしまうため、ドレンの発生が懸念される。

また、本実施例について、図４では、Ｓ１１２でユーザに永久磁石同期電動機４が冷却中であることを通知しているが、これに加えてＳ１１３の後で電動機温度異常停止したことをディスプレイやランプでユーザに通知してもよい。

１ 吸入フィルタ、８ オイルクーラ、２ 吸入弁、９ 圧縮機制御基板、３ 圧縮機本体、１０ 永久磁石同期電動機制御装置、４ 永久磁石同期電動機、１１ 電気箱、５ 油分離器、１２ 冷却ファン、６ 調圧逆止弁、１３ 冷却ファン用電動機、 ７ アフタークーラ、１４ 温度検出装置

Claims (4)

1. 圧縮機本体を駆動する主電動機と、
   前記主電動機を冷却する熱交換機用電動機と、を備える圧縮機であって、
   前記圧縮機の起動時において、
   前記主電動機の温度が所定の閾値を超えている場合に、前記熱交換機用電動機を起動し、
   前記主電動機の温度が前記所定の閾値を下回った場合に、前記主電動機を起動し、
   前記主電動機は、永久磁石を回転子に用いた永久磁石同期電動機であり、
   前記所定の閾値は、前記主電動機に用いられる永久磁石の減磁温度より低く設定された値であることを特徴とする圧縮機。
2. 前記圧縮機の動作中において、
   前記主電動機の温度が前記所定の閾値を超えた場合に、前記主電動機および前記熱交換機用電動機を停止する請求項１に記載の圧縮機。
3. 前記圧縮機の動作中において、
   前記主電動機の温度が前記所定の閾値を超えた場合に、前記主電動機を停止し、
   前記主電動機の停止後であって、前記主電動機の温度が前記所定の閾値を下回った場合に、前記熱交換機用電動機を停止する請求項１に記載の圧縮機。
4. 前記主電動機の温度を検出する温度検出装置を備える請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の圧縮機。

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