JP6823186B2 - 圧縮気体供給装置及び圧縮気体供給装置の制御方法 - Google Patents

Description

本開示は、複数の圧縮機から吐出される圧縮気体を供給可能な圧縮気体供給装置及び圧縮気体供給装置の制御方法に関する。

圧縮気体を生成する圧縮機を複数備える圧縮気体供給装置が知られている。この種の圧縮気体供給装置では、例えば需要先に対して複数の圧縮機が並列に配置されることで、需要先で必要な圧縮空気を供給する。また、この種の圧縮気体供給装置は、特定の圧縮機が故障した場合であっても他の圧縮機で需要先への圧縮気体の供給を継続可能なバックアップを有する。このような圧縮気体供給装置では、各圧縮機の稼働状態を適切に制御することで、省エネを図っている。

例えば特許文献１には、インバータによって回転数制御が可能な複数の圧縮機が並列に配置された圧縮気体供給装置において、回転数が可変制御される圧縮機を１台のみに限定することで、動力消費を最小化して省エネを図ることが記載されている。この文献では、複数の圧縮機のうちいずれか一つの圧縮機において回転数の可変制御が行われており、負荷の減少に従って回転数が下限回転数に到達すると、当該圧縮機を停止させ、続く他の圧縮機の回転数が順次可変制御される。

また特許文献２では、インバータによって回転数制御が可能な複数の圧縮機が並列に配置された圧縮気体供給装置において、運転状態にある複数の圧縮機の全てに対して常時平等に回転数を可変制御することで無駄な消費電力を低減することが記載されている。

特開平１１−３４３９８６号公報 特開２００２−１２２０７８号公報

圧縮気体供給装置で使用される圧縮機は、回転数が低下するに従って二次曲線的に効率が低下する。これは、回転数が低下するほど、圧縮室で圧縮される気体がリークし、再圧縮を引き起こしやすくなることに起因している。一般的な圧縮機では、実用的な回転数の下限値は定格回転数の約３０％程度である。

上記特許文献１では、圧縮気体供給装置に含まれる複数の圧縮機のうち、一台の回転数のみが可変制御され、他の圧縮機は一律に定格運転がなされる。このような制御では、回転数が可変制御される圧縮機において、定格回転数と下限回転数との間の広い範囲にわたって回転数が変化するため、低回転領域における運転が多くなり、良好な効率が得られにくい。

また上記特許文献２では、運転中の複数の圧縮機の回転数が常時平等に制御される。負荷変動に伴って、これら圧縮機の回転数が下限回転数に到達すると、特定の圧縮機が停止される。このとき、他の圧縮機では、特定の圧縮機が停止された分だけ回転数が増加しなければならない。例えば、定格回転数に対して５０％の回転数で運転している２台の圧縮機の一方が停止すると、他方の圧縮機の回転数は５０％から１００％に急に増加しなければならない。しかしながら、実際の圧縮気体供給装置では、このような急激な変化に追従しきれないため、一時的に圧縮気体の吐出量が不足してしまう事象が発生しまう。

本発明の少なくとも一実施形態は上述の事情に鑑みなされたものであり、負荷変動に対して良好な追従性を有しつつ、消費エネルギを削減可能な圧縮機気体供給装置及び圧縮気体供給装置の制御方法を提供することを目的とする。

（１）上記課題を解決するために、本発明の少なくとも一実施形態に係る圧縮気体供給装置は、複数の圧縮機から吐出された圧縮気体を供給可能な圧縮気体供給装置であって、並列に配置された前記複数の圧縮機と、前記圧縮気体供給装置の負荷率を検出する負荷率検出部と、前記負荷率検出部で検出された前記負荷率に基づいて、前記複数の圧縮機の回転率をそれぞれ制御する制御部と、を備える。前記制御部は、（ｉ）前記負荷率が第１閾値以上である共通制御領域において前記複数の圧縮機が共通の回転率を有するように制御し、（ｉｉ）前記負荷率が前記第１閾値から前記第１閾値より小さい第２閾値までの独立制御領域において、前記複数の圧縮機のうち少なくとも１つの圧縮機の回転率が他の圧縮機の回転率より小さくなるように独立に制御し、（ｉｉｉ）前記負荷率が前記第２閾値未満である単独制御領域において、前記少なくとも１つの圧縮機を停止させるとともに前記他の圧縮機の回転率を制御する。

上記（１）の構成によれば、圧縮気体供給装置を構成する各圧縮機の回転数は、負荷率に応じた３種類の制御領域（共通制御領域、独立制御領域及び単独制御領域）に分かれて制御される。（ｉ）共通制御領域では、負荷率が第１閾値以上である場合に、運転中の複数の圧縮機の回転数が平等に制御される。そのため、各圧縮機の回転数が、効率が悪化する低回転数領域に含まれず、良好な運転効率が得られる。（ｉｉ）独立制御領域では、続く単独制御領域に移行した際に停止される少なくとも１つの圧縮機の回転数が、他の圧縮機の回転数より小さくなるように独立に制御する。これにより、負荷率の減少に伴って独立制御領域から単独制御領域に移行した際に、少なくとも１つの圧縮機が停止された分、他の圧縮回転数を増加させる際の変動量を小さく抑えることができる。その結果、運転中の圧縮機の台数を減少させる際に、運転を継続する圧縮機の回転数の追従性を向上させ、一時的に圧縮気体の吐出量が不足してしまう事象を緩和することができる。

（２）幾つかの実施形態では上記（１）の構成において、前記制御部は、前記独立制御領域では、前記少なくとも１つの圧縮機の回転率の前記負荷率に対する変化度が前記共通制御領域に比べて大きくなるように制御する。

上記（２）の構成によれば、独立制御領域では、単独制御領域に移行した際に停止される少なくとも１つの圧縮機について、負荷率に対する変化度を増加させる。これにより、独立制御領域から単独制御領域に移行する際に、停止される圧縮機の回転数が小さくなり、当該圧縮機を停止した際に他の圧縮機で生じる回転数の変動量をより抑えることができる。その結果、運転中の圧縮機の台数を減少させる際に、運転を継続する圧縮機の回転数の追従性をより向上できる。

（３）幾つかの実施形態では上記（１）又は（２）の構成において、前記制御部は、前記負荷率が減少傾向にある場合、前記独立制御領域において、前記少なくとも１つの圧縮機の回転率を一定に維持する。

上記（３）の構成によれば、独立制御領域では単独制御領域に移行した際に運転が継続される圧縮機の回転数が一定に維持される。本願発明者の検証によれば、このような制御を行うことで、圧縮気体供給装置全体において良好な効率が得られることが見出された。

（４）幾つかの実施形態では上記（１）から（３）のいずれか一構成において、前記制御部は、前記負荷率が減少することにより前記独立制御領域から前記単独制御領域に移行した場合、前記負荷率が前記単独制御領域に所定期間保持されることを条件に、前記少なくとも１つの圧縮機を停止させる。

上記（４）の構成によれば、負荷率が減少することにより独立制御領域から単独制御領域に移行した場合に、負荷率が単独制御領域に所定期間保持された場合に、少なくとも１つの圧縮機の停止制御が実施される。これにより、負荷率が独立制御領域と単独制御領域との間を頻繁に行き来することによって圧縮機の停止と始動が頻繁に繰り返される事態を回避できる。

（５）幾つかの実施形態では上記（１）から（４）のいずれか一構成において、前記制御部は、前記負荷率の減少に伴って前記少なくとも１つの圧縮機を停止させる場合、前記他の圧縮機の回転率を最大回転率に制御する。

上記（５）の構成によれば、独立制御領域から単独制御領域に移行することで少なくとも１つの圧縮機が停止された際に、他の運転を継続する圧縮機の回転率が最大回転率に制御されることで、最も効率が良い状態に移行できる。

（６）幾つかの実施形態では上記（１）から（５）のいずれか一構成において、前記制御部は、前記負荷率が増加傾向にある場合、前記独立制御領域において、前記少なくとも１つの圧縮機の回転率を前記負荷率に応じて増加させるとともに、前記他の圧縮機の回転率を前記負荷率に応じて減少させる。

上記（６）の構成によれば、負荷率が増加することで単独制御領域から独立制御領域に移行することにより圧縮機の台数を増やす場合には、停止状態にある圧縮機を下限回転率で始動し、負荷率の増加に伴って増加するように制御される。このとき、他の圧縮機の回転率は、始動された圧縮機の回転率が増加するのと対照的に減少するように制御される。

（７）幾つかの実施形態では上記（１）から（６）のいずれか一構成において、前記制御部は、前記負荷率が増加することにより前記単独制御領域から前記独立制御領域に移行した場合、前記負荷率が前記独立制御領域に所定期間保持されることを条件に、前記少なくとも１つの圧縮機を始動させる。

上記（７）の構成によれば、負荷率が増加することにより単独制御領域から独立制御領域に移行した場合に、負荷率が独立制御領域に所定期間保持された場合に、少なくとも１つの圧縮機が始動するように実施される。これにより、負荷率が独立制御領域と単独制御領域との間を頻繁に行き来することによって圧縮機の停止と始動が頻繁に繰り返される事態を回避できる。

（８）また、上記課題を解決するために、本発明の少なくとも一実施形態に係る圧縮気体供給装置の制御方法は、並列に配置された複数の圧縮機から吐出された圧縮気体を供給可能な圧縮気体供給装置の制御方法であって、前記圧縮気体供給装置の負荷率を検出する負荷率検出工程と、前記検出された負荷率に基づいて、前記複数の圧縮機の回転数をそれぞれ制御す制御工程と、を備える。前記制御工程では、（ｉ）前記負荷率が第１閾値以上である共通制御領域において前記複数の圧縮機が共通の回転率を有するように制御し、（ｉｉ）前記負荷率が前記第１閾値から前記第１閾値より小さい第２閾値までの独立制御領域において、前記複数の圧縮機のうち少なくとも１つの圧縮機の回転率が他の圧縮機の回転率より小さくなるように独立に制御し、（ｉｉｉ）前記負荷率が前記第２閾値未満である単独制御領域において、前記少なくとも１つの圧縮機を停止させるとともに前記他の圧縮機の回転率を制御する。

上記（８）の方法は、上述の圧縮気体供給装置（上記各種態様を含む）によって好適に実施可能である。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、負荷変動に対して良好な追従性を有しつつ、消費エネルギを削減可能な圧縮気体供給装置及び圧縮気体供給装置の制御方法を提供できる。

本発明の少なくとも一実施形態に係る圧縮気体供給装置の全体構成を示す模式図である。 図１の制御装置で実施される圧縮気体供給装置の制御方法を工程毎に示すフローチャートである。 負荷率の減少時における圧縮気体供給装置の負荷率に対する圧縮機の回転率の制御例を示すグラフである。 図３に対応する圧縮気体供給装置の回転率と効率との関係の測定結果を示すグラフである。 図３に対応する圧縮気体供給装置における回転率の各圧縮機の内訳である。 第２比較例における回転率の各圧縮機の内訳である。 負荷率の増加時における圧縮気体供給装置の負荷率に対する圧縮機の回転率の制御例を示すグラフである。 ３台の圧縮機を備える圧縮気体供給装置の全体構成を示す模式図である。 図８に対応する圧縮気体供給装置の回転率に対する効率の測定結果を示すグラフである。 図８に対応する圧縮気体供給装置における回転率の各圧縮機の内訳である。 第６比較例における回転率の各圧縮機の内訳である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１は本発明の少なくとも一実施形態に係る圧縮気体供給装置１の全体構成を示す模式図である。圧縮気体供給装置１は、筐体（図示は省略）内に複数の圧縮機を備える。図１では、複数の圧縮機２Ａ、２Ｂを備える圧縮気体供給装置１が例示されている。本実施形態において、複数の圧縮機２Ａ、２Ｂのそれぞれは、外部から取り入れた気体を用いて圧縮気体を生成するスクリュー型空気圧縮機である（これら２台の圧縮機を総称する場合には、適宜「圧縮機２」と称する）。しかし、本発明において、各圧縮機はスクリュー型空気圧縮機に限定されず、例えばスクロール型空気圧縮機であってもよい。

圧縮機２Ａ、２Ｂは、生成した圧縮気体が吐出される吐出管４Ａ、４Ｂをそれぞれ備える。吐出管４Ａ、４Ｂは、下流側で主吐出管６に合流し、圧縮気体を貯留するための貯留タンク８に接続されている。このように複数の圧縮機２Ａ、２Ｂは、貯留タンク８に対して互いに並列に接続されており、圧縮機２Ａ、２Ｂから吐出された圧縮気体は、主吐出管６を介して、貯留タンク８に貯留される。なお、本発明において、貯留タンク８は、筐体内に含まれていてもよいし、筐体外に配置されてもよい。

貯留タンク８には、需要先１０に圧縮気体を供給するための供給路１２が設けられている。供給路１２には、開度を制御可能な調整バルブ１４が設置されている。圧縮気体供給装置１は、調整バルブ１４の開度を調整することにより需要先１０に所定の圧縮気体を供給することができる。また貯留タンク８には、貯留タンク８内の圧力を検出するための圧力センサ１５が設けられている。なお、本発明において、調整バルブ１４は、筐体内に含まれていてもよいし、筐体外に配置されてもよい。また、本発明において、貯留タンク８が、筐体内に含まれていてもよいし、筐体外に配置されてもよいため、貯留タンク８に設けられた圧力センサ１５についても同様に、筐体内に含まれていてもよいし、筐体外に配置されてもよい。

圧縮機２Ａ、２Ｂは、それぞれ、動力源となる電動モータ１６Ａ、１６Ｂと、電動モータ１６Ａ、１６Ｂの回転数を制御可能なインバータ装置１８Ａ、１８Ｂを備える。インバータ装置１８Ａ、１８Ｂは、電動モータ１６Ａ、１６Ｂの回転数をそれぞれ無段階に制御可能であり、電動モータ１６Ａ、１６Ｂの回転数制御を介して圧縮機２Ａ、２Ｂの出力をそれぞれ調整する。これにより、圧縮機２Ａ、２Ｂの回転数は互いに独立的に調整可能に構成されている。

尚、本実施形態では圧縮機２Ａ、２Ｂの出力を、それぞれインバータ装置１８Ａ、１８Ｂによって独立的に調整可能に構成された場合を例示しているが、例えば、圧縮機２Ａ、２Ｂに共通する単一のインバータ装置を用いて、同様に、圧縮機２Ａ、２Ｂの出力を独立的に調整可能に構成してもよい。

尚、本実施形態では圧縮機２Ａ、２Ｂは同等の仕様を有する場合について例示するが、本発明は、圧縮機２Ａ、２Ｂが互いに異なる仕様を有する場合にも適用可能である。以下の説明では、圧縮機２Ａ、２Ｂの仕様に依存しない一般的な説明をするために、定格回転数に対する回転数の比率として定義される回転率を適宜使用することとする（すなわち定格回転数は回転率１００％のときの回転数と等価である）。
尚、圧縮機２Ａ、２Ｂの各々における回転率は０〜１００％の間で表し、圧縮機２Ａ及び２Ｂの回転率を合計した合計回転率は０〜２００％の間で表すこととする（例えば、圧縮機２Ａ、２Ｂがそれぞれ１００％の回転率である場合、合計回転率は２００％となる）。

また本実施形態では、同等の仕様を有する圧縮機２Ａ、２Ｂは、上限回転率として１００％、下限回転率として３０％が規定されている場合を例示する。下限回転率は圧縮機２Ａ、２Ｂが機械的に可動な下限値として規定されていてもよいし、圧縮機２Ａ、２Ｂの効率が基準値を下回る下限値として規定されていてもよい。

圧縮機２Ａ、２Ｂには、それぞれの吐出圧力を検出するための圧力センサ２０Ａ、２０Ｂが設置されている。圧力センサ２０Ａ、２０Ｂから検出された圧力は、例えば後述する制御装置１００に送られ、制御装置１００に記憶させておいた目標とする設定圧力と比較される。検出された圧力が設定圧力未満である場合、インバータ装置１８Ａ、１８Ｂは、電動モータ１６Ａ、１６Ｂの負荷率が増加するように電動モータ１６Ａ、１６Ｂを制御する。検出された圧力が設定圧力以上である場合、インバータ装置１８Ａ、１８Ｂは、電動モータ１６Ａ、１６Ｂの負荷率が減少するように電動モータ１６Ａ、１６Ｂを制御する。

また、圧縮気体供給１は、制御装置１００を備える。制御装置１００は、圧縮気体供給装置１のコントローラであり、例えばコンピュータのような電子演算機に予め所定のプログラムがインストールされることにより、所定の機能が発揮可能に構成される。例えば、制御装置１００は、インバータ装置１８Ａ、１８Ｂを制御することで、圧縮機２Ａ、２Ｂの回転数を調整する。また、制御装置１００は、調整バルブ１４の開度を調整することで、貯留タンク８の圧力を常に需要先１０が要求する圧力に制御する。

図１では、このような制御装置１００の内部構成のうち、後述する制御内容に関連する機能ブロックが代表的に示されている。制御装置１００は、圧縮気体供給装置１の負荷率Ｌを検出する負荷率検出部１０２と、負荷率検出部１０２で検出された負荷率Ｌに基づいて、複数の圧縮機２Ａ、２Ｂの回転数をそれぞれ制御する制御部１０４と、を備える。

続いて制御装置１００による圧縮気体供給装置１の制御方法について具体的に説明する。図２は図１の制御装置１００で実施される圧縮気体供給装置１の制御方法を工程毎に示すフローチャートである。

まず負荷率検出部１０２は、圧縮気体供給装置１が備える２台の圧縮機２Ａ、２Ｂにそれぞれ設けられた圧力センサ２０Ａ、２０Ｂの検出値をそれぞれ取得する（ステップＳ１）。そして負荷率検出部１０２は、圧力センサ２０Ａ、２０Ｂから取得した圧力に基づいて圧縮気体供給装置１の負荷率Ｌを算出する（ステップＳ２）。

ここで負荷率とは、定格負荷（電動モータを定格回転数で運転し、仕様圧力を得るときの負荷）に対する負荷（消費電力又は仕事（Ｗ））の比率として定義される。負荷率は回転数によって得られ、負荷率と回転数には密接な関係がある。ステップＳ２では、例えば、圧力センサ２０Ａ、２０Ｂで検出された圧縮機２Ａ、２Ｂのそれぞれの圧力の実測値に基づく負荷を、予め規定された圧縮機２Ａ、２Ｂの定格負荷で割ることにより、圧縮機２Ａ、２Ｂのそれぞれの負荷率が算出される。そして、負荷率検出部１０２は、このように算出された圧縮機２Ａ、２Ｂのそれぞれの負荷率を加算することで、圧縮気体供給装置１の負荷率Ｌを算出する（例えば、圧縮機２Ａ、２Ｂがそれぞれ１００％の負荷率である場合、圧縮気体供給装置１の負荷率は２００％となる）。

続いて制御部１０４は、負荷率検出部１０２で検出された圧縮気体供給装置１の負荷率Ｌに基づいて、複数の圧縮機２Ａ、２Ｂの回転数をそれぞれ制御する（ステップＳ３）。このような制御部１０４による圧縮機２Ａ、２Ｂの制御は、それぞれ対応するインバータ装置１８Ａ、１８Ｂを制御することにより行われる。

ここで図２のステップＳ３における制御内容について詳しく説明する。まず圧縮気体供給装置１の負荷率Ｌが定格負荷Ｌ_ｍａｘ（２００％）から次第に減少するように変化した場合を例に説明する。図３は負荷率Ｌの減少時における圧縮気体供給装置１の負荷率Ｌに対する圧縮機２Ａ、２Ｂの回転率の制御例を示すグラフである。

負荷率Ｌが定格負荷Ｌ_ｍａｘ（２００％）から第１閾値Ｌ１で規定される共通制御領域Ｒ１では、複数の圧縮機２Ａ、２Ｂは共通の回転率を有するように制御される。つまり負荷率Ｌが減少するに従って、圧縮機２Ａ、２Ｂの回転率は互いに等しい状態を維持したまま減少するように可変制御される。すなわち、共通制御領域Ｒ１では、共通のインバータ装置で２つの圧縮機２Ａ、２Ｂの回転率を制御する場合と実質的に等価な制御が行われる。

負荷率が第１閾値Ｌ１から第２閾値Ｌ２（１００％）で規定される独立制御領域Ｒ２では、複数の圧縮機２Ａ、２Ｂのうち少なくとも１つの圧縮機の回転率が他の圧縮機の回転率より小さくなるように独立に制御される。本実施形態では、圧縮機２Ｂの回転率が圧縮機２Ａの回転率より小さくなるように制御される。このような制御は、インバータ装置１８Ａ、１８Ｂによって圧縮機２Ａ、２Ｂを独立的に制御することによって実現される。

独立制御領域Ｒ２において圧縮機２Ｂでは、回転率の負荷率に対する変化度が共通制御領域Ｒ１に比べて大きくなるように制御される。図３に示されるように、圧縮機２Ｂの回転率推移の負荷率Ｌに対する傾きは、共通制御領域Ｒ１に比べて独立制御領域Ｒ２の方が急になっている。
一方、独立制御領域Ｒ２において圧縮機２Ａでは、回転率は一定に維持されるように制御される。図３では、第１閾値Ｌ１における回転率が独立制御領域Ｒ２にわたって一定値Ａ１に維持されている。

負荷率Ｌが第２閾値Ｌ２未満である単独制御領域Ｒ３では、圧縮機２Ｂを停止させ、圧縮機２Ａの一台のみで単独運転が行われる。ここで独立制御領域Ｒ２と単独制御領域Ｒ３との境界を規定する第２閾値Ｌ２は、圧縮機２Ａが一定の回転率Ａ１に維持された状態で、圧縮機２Ｂが予め設定された下限回転率（例えば３０％）に到達する負荷率である。言い換えれば、第２閾値Ｌ２は、それ未満では圧縮機２Ｂを停止させる負荷率として規定される。そのため、独立制御領域Ｒ２では２台の圧縮機２Ａ、２Ｂを用いて運転を行っていたが、単独制御領域Ｒ３では、圧縮機２Ｂを停止することにより運転台数が減少する。

ここで仮に、独立制御領域Ｒ２を有さない比較例（すなわち負荷率Ｌが定格負荷率Ｌ_ｍａｘから第２閾値Ｌ２において、上述の共通制御領域Ｒ１と同様に、圧縮機２Ａ、２Ｂが共通の回転率を有するように制御される場合）を考えると、第２閾値Ｌ２において一方の圧縮機２Ｂが停止され、他方の圧縮機２Ａのみの運転に切り替えられる際に、運転が継続される圧縮機２Ａの目標回転率が定格回転率１００％に急増する。しかしながら、実際の圧縮機２Ａの回転率は、このように急増する目標回転率に追従しきれず、ラグが発生してしまい、一時的に圧縮気体の吐出量が不足してしまう。

これに対して、本実施形態の圧縮気体供給装置１では、図３に示されるように、独立制御領域Ｒ２では、単独制御領域Ｒ３で停止される圧縮機２Ｂの回転数は、運転が継続される圧縮機２Ａに比べて小さくなっている。そのため、負荷率が第２閾値Ｌ２に到達して圧縮機２Ｂを停止した際に、圧縮機２Ａの回転率を増加させるが、その変動量が少なく済む。その結果、圧縮機２の運転台数が変化する際における回転率の追従性が向上し、吐出量不足も軽減できる。

また負荷率Ｌが第２閾値Ｌ２に到達して圧縮機２Ｂを停止させる際、運転が継続される圧縮機２Ａの回転率を増加させるが、この場合の圧縮機２Ａの回転率は最大回転率（１００％）に設定される。これにより、単独制御領域Ｒ３に移行後の圧縮機２Ａでは、エネルギ効率が良好な領域での運転が可能となる。

尚、負荷率Ｌが単調に減少して第２閾値Ｌ２に到達したとしても、その後、負荷率Ｌが変動することにより、頻繁に独立制御領域Ｒ２と単独制御領域Ｒ３との間の移行が生じる場合も考えられる。このような場合、移行の度に圧縮機２の台数を変更してしまうと無駄にエネルギを消費してしまうとともに、劣化等が進行してしまうおそれがある。そこで、負荷率Ｌが第２閾値Ｌ２に到達した場合には、負荷率Ｌが単独制御領域Ｒ３に所定期間保持されることを条件に、圧縮機２Ｂを停止させるようにしてもよい。

図４は図３に対応する圧縮気体供給装置１の回転率と効率との関係の測定結果を示すグラフである。
尚、図４では本実施形態の測定結果とともに、３つの比較例における測定結果が合わせて示されている。第１比較例は、負荷率Ｌが定格負荷Ｌ_ｍａｘ（２００％）から第１閾値Ｌ１に至るまで圧縮機２Ａを定格運転（１００％の回転率）で維持しながら、圧縮機２Ｂのみを負荷率Ｌに応じて可変制御し、第１閾値Ｌ１未満では下限回転率に到達した圧縮機２Ｂを停止させて、圧縮機２Ａを負荷率Ｌに応じて可変制御した例（つまり複数の圧縮機２のうち一台のみを可変制御する制御例）である。第２比較例は、負荷率Ｌが定格負荷Ｌ_ｍａｘ（２００％）から第２閾値Ｌ２（１００％）に至るまで圧縮機２Ａ、２Ｂが共通の回転率を有するように可変制御し、第２閾値Ｌ２（１００％）未満では、一方の圧縮機２Ｂを停止させ、他方の圧縮機２Ａのみを可変制御した例（つまり、負荷率Ｌが第２閾値Ｌ２になるまで本実施形態の共通制御領域Ｒ１と同様に、運転状態にある全圧縮機２の回転率が共通になるように制御した例）である。第３比較例は、単一の圧縮機のみを用いた場合であり、本実施形態や他の比較例と同等に比較するために、負荷率及び回転率のスケールが２倍表示されている。

図４に示されるように、圧縮気体供給装置１の回転率が１７０％以上では、本実施形態と第１乃至第３比較例との間に明確な差はないが、圧縮気体供給装置１の回転率が１７０％を下回ると、本実施形態と第２比較例はともに、第１比較例に比べて良好な効率が得られている。これは、共通制御領域Ｒ１では、２台の圧縮機２Ａ、２Ｂの回転率が共通に制御されることで、第１比較例のように一方の圧縮機のみを可変制御する場合に比べて良好な効率が得られていることを示している。

また圧縮気体供給装置１の回転率が１００％を下回ると、本実施形態は、第２比較例に比べて更に良好な効率が得られている。ここで図５は図３に対応する圧縮気体供給装置１における回転率の各圧縮機２Ａ、２Ｂの内訳であり、図６は第２比較例における回転率の各圧縮機２Ａ、２Ｂの内訳である。図５及び図６を比較して明らかなように、本実施形態では、第２比較例に比べて、効率に不利な低回転領域における運転割合が少なくなっており、その結果、良好な効率が得られている。
尚、図５及び図６では横軸に圧縮機２Ａ、２Ｂの回転率の合計である合計回転率が示されている。

また上述したように、独立制御領域Ｒ２では、単独制御領域Ｒ３で停止される圧縮機２Ｂの回転数は、運転が継続される圧縮機２Ａに比べて小さくなっているため、負荷率が第２閾値Ｌ２に到達した際に、圧縮機２Ｂの停止に伴う圧縮機２Ａの目標回転率の変動量が他の比較例に比べて少なく済む。その結果、圧縮機２の運転台数を減少させる際の回転率の追従性が向上し、一時的に生じる吐出量不足も軽減できる。

また図４に示されるように、本実施形態では３０％の回転率に至るまで運転が可能であるため、第３比較例に比べて、より広い回転率をカバーできている（第３比較例では回転率６０％が運転限界であるのに対して、本実施形態では回転率３０％が運転限界である）。

続いて圧縮気体供給装置１の負荷率を下限負荷率Ｌ_ｍｉｎ（３０％）から次第に増加するように変化させた場合における回転率の制御内容について具説明する。図７は負荷率Ｌの増加時における圧縮気体供給装置１の負荷率Ｌに対する圧縮機２Ａ、２Ｂの回転率の制御例を示すグラフである。

まず単独制御領域Ｒ３では、一方の圧縮機２Ａの回転率が負荷率Ｌに応じて単調に増加するように制御される。このとき他方の圧縮機２Ｂは停止状態にあるため、無駄なエネルギが消費されず、圧縮気体供給装置１は全体として良好な効率が得られる。

負荷率Ｌが増加して第２閾値Ｌ２に到達すると、圧縮機２Ｂが始動される。始動時の圧縮機２Ｂの回転率は、予め仕様として規定された下限回転率（３０％）に設定される。そして独立制御領域Ｒ２では、圧縮機２Ｂの回転率を負荷率Ｌに応じて増加させるとともに、圧縮機２Ａの回転率を負荷率Ｌに応じて減少させる。図３の例では、独立制御領域Ｒ２における圧縮機２Ａ、２Ｂの回転率は負荷率に対して二次関数的に振る舞うように制御される。

このように独立制御領域Ｒ２で独立的に制御される圧縮機２Ａ、２Ｂの回転率は、独立制御領域Ｒ２と共通制御領域Ｒ１の境界である第１閾値Ｌ１で一致するように制御される。第１閾値Ｌ１における回転率は、負荷率Ｌを減少する際に独立制御領域Ｒ２で圧縮機２Ａの回転率が一定に維持される値Ａ１と等しく設定される（図３を参照）。

そして共通制御領域Ｒ１では、圧縮機２Ａ、２Ｂが共通の回転率を有しながら、負荷率が増加するに従って単調に増加するように制御される。

尚、負荷率Ｌが増加して第２閾値Ｌ２に到達したとしても、その後、負荷率Ｌが変動することにより、頻繁に単独制御領域Ｒ３と独立制御領域Ｒ２との間の移行が生じる場合も考えられる。このような場合、移行の度に圧縮機２の台数を変更してしまうと無駄にエネルギを消費してしまうとともに、劣化が進行してしまうおそれがある。そこで、負荷率Ｌが第２閾値Ｌ２に到達した場合には、負荷率Ｌが独立制御領域Ｒ２に所定期間保持されることを条件に、圧縮機２Ｂを始動させるようにしてもよい。

以上説明したように本実施形態によれば、圧縮気体供給装置１を構成する各圧縮機２の回転数は、負荷率Ｌに応じた３種類の制御領域（共通制御領域Ｒ１、独立制御領域Ｒ２及び単独制御領域Ｒ３）に分かれて制御される。（ｉ）共通制御領域Ｒ１では、負荷率Ｌが第１閾値Ｌ１以上である場合に、運転中の複数の圧縮機の回転数が平等に制御される。そのため、圧縮気体供給装置が、効率が悪化する低回転数領域で運転される割合が少なくなり、良好な効率が得られる。（ｉｉ）独立制御領域Ｒ２では、続く単独制御領域Ｒ３に移行した際に停止される少なくとも１つの圧縮機２Ｂの回転数が、他の圧縮機２Ａの回転数より小さくなるように独立に制御する。これにより、負荷率Ｌの減少に伴って独立制御領域Ｒ２から単独制御領域Ｒ３に移行した際に、少なくとも１つの圧縮機２Ｂが停止された分、他の圧縮機２Ａの回転数を増加させる際の変動量を小さく抑えることができる。その結果、運転中の圧縮機２の台数を減少させる際に、運転を継続する圧縮機２の回転数の追従性を向上させ、一時的に圧縮気体の吐出量が不足してしまう事象を緩和することができる。

上記では圧縮気体供給装置１が２台の圧縮機２Ａ、２Ｂを有する場合について説明したが、以下のように、より多くの台数の圧縮機２を有してもよい。図８は３台の圧縮機２を備える圧縮気体供給装置１の全体構成を示す模式図である。この例では、図１の場合に対して、圧縮機２Ａ、２Ｂに加えて、３台目の圧縮機２Ｃが備えられており、これら３台の圧縮機２は互いに同等の構成を有する。

圧縮機２Ｃは、インバータ装置１８Ｃによって回転数を制御可能な電動モータ１６Ｃを備えており、生成した圧縮空気を吐出管４Ｃから吐出する。吐出管４Ｃは、吐出管４Ａ、４Ｂとともに主吐出管６に合流している。また圧縮機２Ｃの負荷は、圧力センサ２０Ｃによって検出可能に構成されている。

負荷率検出部１０２は、圧力センサ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの検出値を取得することにより、圧縮機２Ａ、２Ｂ、２Ｃの負荷率を取得し、これらを合計することにより、圧縮気体供給装置１全体の負荷率Ｌを算出する。本実施形態では、圧縮気体供給装置１は３台の圧縮機２を有するため、最大負荷率Ｌ_ｍａｘは３００％となる。

制御部１０４は、負荷率検出部１０２で算出される圧縮気体供給装置１の負荷率Ｌに基づいて、圧縮機２Ａ、２Ｂ、２Ｃの回転率を制御する。このような圧縮機２Ａ、２Ｂ、２Ｃの回転率制御は、上述の２台の圧縮機２Ａ、２Ｂを有する場合の回転率制御を拡張して適用可能である。すなわち、負荷率Ｌを定格負荷率（３００％）から減少させる場合を考えると、負荷率Ｌが２００％までの間は圧縮機２Ａ、２Ｂ、２Ｃが駆動されるが、負荷率２００％に到達すると圧縮機２Ｃが停止され、負荷率２００％未満では圧縮機２Ａ、２Ｂのみが駆動される。このように負荷率２００％にて圧縮機２Ｃが停止される際には、負荷率が２００％より大きな所定値（第１閾値Ｌ１に相当）までは３台の圧縮機２Ａ、２Ｂ、２Ｃは共通の回転率を有するように制御されるが、負荷率が当該所定値から２００％（第２負荷率L２に相当）では、圧縮機２Ａ、２Ｂより圧縮機２Ｃの回転率が小さくなるように独立制御される。このとき、負荷率が２００％未満においても運転が継続される圧縮機２Ａ、２Ｂの回転率は一定に維持されてもよい。これにより、負荷率が２００％に到達して圧縮機２Ｃを停止させるとき、圧縮機２Ａ、２Ｂの回転率が目標回転率に追従しやすくなり、吐出量不足を抑制できる。
尚、負荷率が２００％未満では、運転中の圧縮機２は２台となるので、上述の実施形態と同様となる。

図９は図８に対応する圧縮気体供給装置１の回転率に対する効率の測定結果を示すグラフである。図９では、本実施形態との比較例として、第５比較例（負荷率Ｌが３００％から２００％の範囲で圧縮機２Ａ、２Ｂが１００％の回転率を維持されるとともに圧縮機２Ｃのみが可変制御され、負荷率Ｌが２００％から１００％の範囲で圧縮機２Ａが１００％の回転率を維持されるとともに圧縮機２Ｂが可変制御されるとともに圧縮機２Ｃは停止され、負荷率Ｌが１００％未満では圧縮機２Ａのみが可変制御されるとともに圧縮機２Ｂ、２Ｃは停止される例）と、第６比較例（負荷率Ｌが３００％から２００％の範囲で３台の圧縮機２Ａ、２Ｂ、２Ｃが共通の回転率を有するように制御し、負荷率Ｌが２００％から１００％の範囲で２台の圧縮機２Ａ、２Ｂが共通の回転率を有するように制御するとともに圧縮機２Ｃは停止され、負荷率Ｌが１００％未満では圧縮機２Ａのみが運転されるとともに圧縮機２Ｂ、２Ｃは停止される）と、第７比較例（１台のみの圧縮機２を可変制御し、他の実施形態や比較例と同等に評価するために回転率及び負荷率の表示スケールを三倍にしたもの）とが示されている。

図９に示されるように、本実施形態では第５〜第７比較例に対して、広い範囲で良好な効率が得られている。これは図４を参照して上述した効果と対応しており、圧縮機２の台数が増加した場合であっても、同等の効果が得られることを示している。

また図１０は図８に対応する圧縮気体供給装置１における回転率の各圧縮機２Ａ、２Ｂ、２Ｃの内訳であり、図１１は第６比較例における回転率の各圧縮機２Ａ、２Ｂ、２Ｃの内訳である。図１０においても、本実施形態では図１１に比べて低回転率における運転領域が狭くなっていることが示されている。これは、本実施形態では、エネルギ効率が低い低回転領域が削減されることによって、良好なエネルギ効率が得られることを示している。

以上説明したように上述の実施形態によれば、負荷変動に対して良好な追従性を有しつつ、消費エネルギを削減可能な圧縮気体供給装置及び圧縮気体供給装置の制御方法を提供できる。

１ 圧縮気体供給装置
２Ａ、２Ｂ 圧縮機
４Ａ、４Ｂ 吐出管
６ 主吐出管
８ 貯留タンク
１０ 需要先
１２ 供給路
１４ 調整バルブ
１５ 圧力センサ
１６Ａ、１６Ｂ 電動モータ
１８Ａ、１８Ｂ インバータ装置
２０Ａ、２０Ｂ 圧力センサ
１００ 制御装置
１０２ 負荷率検出部
１０４ 制御部

Claims (8)

1. 複数の圧縮機から吐出された圧縮気体を供給可能な圧縮気体供給装置であって、
   並列に配置された前記複数の圧縮機と、
   前記圧縮気体供給装置の負荷率を検出する負荷率検出部と、
   前記負荷率検出部で検出された前記負荷率に基づいて、前記複数の圧縮機の回転率をそれぞれ制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、（ｉ）前記負荷率が第１閾値以上である共通制御領域において前記複数の圧縮機が共通の回転率を有するように制御し、（ｉｉ）前記負荷率が前記第１閾値から前記第１閾値より小さい第２閾値までの独立制御領域において、前記複数の圧縮機のうち少なくとも１つの圧縮機の回転率が他の圧縮機の回転率より小さくなるように独立に制御し、（ｉｉｉ）前記負荷率が前記第２閾値未満である単独制御領域において、前記少なくとも１つの圧縮機を停止させるとともに前記他の圧縮機の回転率を制御する、
   圧縮気体供給装置。
2. 前記制御部は、前記独立制御領域では、前記少なくとも１つの圧縮機の回転率の前記負荷率に対する変化度が前記共通制御領域に比べて大きくなるように制御する、請求項１に記載の圧縮気体供給装置。
3. 前記制御部は、前記負荷率が減少傾向にある場合、前記独立制御領域において、前記少なくとも１つの圧縮機の回転率を一定に維持する、請求項１又は２に記載の圧縮気体供給装置。
4. 前記制御部は、前記負荷率が減少することにより前記独立制御領域から前記単独制御領域に移行した場合、前記負荷率が前記単独制御領域に所定期間保持されることを条件に、前記少なくとも１つの圧縮機を停止させる、請求項１から３のいずれか一項に記載の圧縮気体供給装置。
5. 前記制御部は、前記負荷率の減少に伴って前記少なくとも１つの圧縮機を停止させる場合、前記他の圧縮機の回転率を最大回転率に制御する、請求項１から４のいずれか一項に記載の圧縮気体供給装置。
6. 前記制御部は、前記負荷率が増加傾向にある場合、前記独立制御領域において、前記少なくとも１つの圧縮機の回転率を前記負荷率に応じて増加させるとともに、前記他の圧縮機の回転率を前記負荷率に応じて減少させる、請求項１から５のいずれか一項に記載の圧縮気体供給装置。
7. 前記制御部は、前記負荷率が増加することにより前記単独制御領域から前記独立制御領域に移行した場合、前記負荷率が前記独立制御領域に所定期間保持されることを条件に、前記少なくとも１つの圧縮機を始動させる、請求項１から６のいずれか一項に記載の圧縮気体供給装置。
8. 並列に配置された複数の圧縮機から吐出された圧縮気体を供給可能な圧縮気体供給装置の制御方法であって、
   前記圧縮気体供給装置の負荷率を検出する負荷率検出工程と、
   前記検出された負荷率に基づいて、前記複数の圧縮機の回転数をそれぞれ制御す制御工程と、
   を備え、
   前記制御工程では、（ｉ）前記負荷率が第１閾値以上である共通制御領域において前記複数の圧縮機が共通の回転率を有するように制御し、（ｉｉ）前記負荷率が前記第１閾値から前記第１閾値より小さい第２閾値までの独立制御領域において、前記複数の圧縮機のうち少なくとも１つの圧縮機の回転率が他の圧縮機の回転率より小さくなるように独立に制御し、（ｉｉｉ）前記負荷率が前記第２閾値未満である単独制御領域において、前記少なくとも１つの圧縮機を停止させるとともに前記他の圧縮機の回転率を制御する、圧縮気体供給装置の制御方法。

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