JP6915152B2 - 気体圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、気体圧縮機に関し、全負荷運転と無負荷運転（アンロード制御運転）を実行して使用気体量に対する吐出気体量を制御する気体圧縮機に関する。

気体圧縮機の一例として空気を吸込み高圧の圧縮空気を吐き出す空気圧縮機を用いて説明する。

特許文献１が開示するように、全負荷運転と無負荷運転を繰り返して使用空気量に対する最大吐出空気量を制御する空気圧縮機において、圧縮機の運転方法には大きく分けて以下３通りのものがある。

１つ目は、圧力調整弁を使用して使用空気量≦最大吐出空気量とし、吐出圧力が徐々に上昇することで圧力調整弁が作動し、吸込絞り弁を徐々に閉めることで大気からの吸込む空気量を少なくする吸込絞り制御方法である。この制御方法によれば、吸込絞り弁の開度を調整することで吸い込む空気量制御することで、例えば、使用空気量比０％時の動力比は約６５％程度まで動力低減することができる。

２つ目は、圧力設定Ｈ（上限圧力Ｈ）、圧力設定Ｌ（下限圧力Ｌ）、Ｈ＞Ｌとしたときに、全負荷運転で吐出圧力がＨ未満からＨに到達すると、吸込絞り弁を全閉にすると共に、吸込絞り弁から逆止弁までの圧縮機ユニット内の圧力を大気解放し、圧縮機動力を大きく低減する無負荷運転とし、無負荷運転で吐出圧力≦Ｌとなると、大気解放を止めると共に吸込絞り弁を全開とする全負荷運転とし、この全負荷運転と無負荷運転を繰り返すパージ制御方法である。この制御方法によれば、吸込絞り弁の開度を調整することで吸い込む気体量を制御することで、例えば、使用空気量比０％時の動力比は約６５％程度まで動力低減することができる。

３つ目は、吸込絞り方法とパージ方法を併用したもので、圧縮空気の使用量が多いときは吸込絞り方法、使用空気量が少ないときはパージ方法を使用する方法の切替えをする方法である。では、使用空気量が少ないときは前記吸込絞り弁の開度を全閉として吸い込む気体の量をほぼゼロにすると共に、吸込絞り弁から逆止弁までの圧縮機ユニット内の圧力即ち内圧を大気解放して大幅に内圧を低下させることで、例えば、動力比約３５％程度まで動力低減することができる。

これら以外にも、圧縮機を駆動する電動機をインバータを介して回転数を制御し、圧縮機の吐出圧力をＰＩまたはＰＩＤ制御により目標圧力付近で一定に制御する可変速圧縮機が知られている。特許文献１は、これは吐出圧力が一定となるように使用空気量の変化に対して電動機の回転数を全速からトルク不足とならぬ程度の最低速まで可変制御し、更に使用空気量が減少した場合は前記電動機の回転数は最低速の状態で目標圧力以上の上限圧力まで昇圧制御を行い、上限圧力まで上昇した場合は前記電動機の回転数を最低速の状態でパージ制御を行い、更に使用空気量が減少した場合は電動機を停止させる可変速制御方法を開示する。

この制御方法によれば、例えば、使用空気量比１００％から３０％程度までは吐出圧力を一定以内にしつつ前記電動機の回転数を全速から約３０％まで可変することで、動力比は１００％から３０％程度まで動力低減することができ、使用空気量比３０％から０％程度までは前記昇圧制御と前記電動機最低速での前記パージ制御を行うことで動力比約１０％程度まで動力低減することができる。

特開平９−２８７５８０号公報

ここで、電動機が一定速型であれば、上記最初の３つの制御方法では、吸込絞り弁を閉として吸込む空気の量を少なくすることや内圧を大気解放することで動力低減を図ったとしても、動力低減も限界がある。

また、上記可変速制御方法では、電動機の回転数を全速から約３０％まで高速かつスムーズに変更が可能な高機能かつ高価な可変速装置、吐出圧力を一定以内とするためのＰＩまたはＰＩＤ制御を行う高機能かつ高価な装置が必要となる。また、ＰＩまたはＰＩＤ制御の最適化に対して最適調整のために多大な開発時間が必要であり、電動機の回転数を全速から約３０％まで変更する際に発生する圧縮機ユニットの共振点に対して共振を抑制する為の補強や防振構造の検討や可変速装置のジャンプ機能を利用した共振回避方法等を行う必要があり、開発の複雑さやコスト増を招来する可能性が高い。
より簡易な構成で、より多くの動力低減を図る気体圧縮機が望まれる。

上記目的を達成するために、請求の範囲記載の構成を適用する。即ち、例えば、気体を圧縮する圧縮機本体と、前記圧縮機本体を駆動する駆動源と、前記圧縮機本体の気体吸込量を調整する吸込絞り弁と、前記圧縮機本体の吐出気体を大気圧環境に放気する放気弁と、前記駆動源の回転数を変更する回転数変換手段と、吐出気体系統の吐出圧力を検出する圧力検出装置と、上限圧力Ｈと下限圧力Ｌの関係がＨ＞Ｌであり、前記吐出圧力が上限圧力Ｈに達するまでは、前記吸込絞り弁を開、前記放気弁を閉として前記駆動源を全負荷回転数で運転し、前記吐出圧力が上限圧力Ｈに達すると、前記吸込絞り弁を閉及び前記放気弁を開として吐出圧力を所定の範囲内まで減圧することの少なくとも一方を実行し、前記吐出圧力が下限圧力Ｌに降圧すると負荷運転に切り替える制御装置を備えた気体圧縮機であって、前記制御装置が、前記吐出圧力が上昇して前記上限圧力Ｈに達すると前記回転数変換手段に前記全負荷回転数より低い回転数の指令を出力し、前記吐出圧力が降圧して前記下限圧力Ｌに達すると前記回転数変換手段に前記全負荷回転数の指令を出力するものであり、更に、前記制御装置が、単位時間当たりの吐出圧力低下値を演算する機能と、２次式を設定及び記憶する機能を有し、前記上限圧力Ｈに対しＨ’を、下限圧力Ｌに対しＬ’を、圧力低下値が０の場合は等しく設定し、圧力低下値がある一定値以上の場合は予め記憶した圧力値分を下げた値とし、圧力設定Ｈ’及び圧力設定Ｌ’の差と、圧力低下値とに対し２次式の演算を行い、前記吐出圧力が低下して圧力設定Ｌ‘に到達すると前記吸込み絞り弁を開及び前記放気弁を閉とすることの少なくとも一方を実行して前記回転数変換手段に全負荷回転数の指令を出力し、前記吐出圧力が上昇して圧力設定Ｈ’に到達すると前記吸込み絞り弁を閉及び前記放気弁を開とすることの少なくとも一方実行して前記回転数変換手段に前記低い回転数の指令を出力するものである。

本発明によれば、より簡易な構成で大幅な省エネルギ効果を発揮することができる。本発明の他の課題・構成・効果は以下の記載から明らかになる。

本発明を適用した実施例１による空気圧縮機の構成を模式的に示すブロック図である。 比較例による空気圧縮機の容量制御タイムチャートである。 実施例１による空気圧縮機の容量制御タイムチャートである。 実施例２による空気圧縮機の容量制御タイムチャートである。 実施例３による空気圧縮機の容量制御タイムチャートである。 本発明を適用した実施例４による空気圧縮機の構成を模式的に示すブロック図である。 実施例４による空気圧縮機の容量制御タイムチャートである。 実施例５の空気圧縮機の容量制御タイムチャートである。 実施例６の空気圧縮機の容量制御タイムチャートである。 実施例７の空気圧縮機の容量制御タイムチャートである。

以下、図面を用いて本発明を実施する形態について説明する。

本発明を適用した実施例として、空気を圧縮する空気圧縮機１００（以下、「圧縮機１００」と称する場合がある。）を用いて説明する。
図１及び図３に実施例１による圧縮機１００の構成及び動作例等を示す。図１は、圧縮機１００の構成を模式的に示したブロック図である。図２は、比較例による空気圧縮機の容量制御の様を示すタイムチャートである。図３は、本実施例の圧縮機１００による容量制御の様を示すタイムチャートである。

図１において、圧縮機１００は、圧縮機本体１と、これを駆動する電動機２（駆動源）と、電動機２の回転速度を制御する多段速装置３（回転数変換手段）と、多段速装置３に運転指令及び回転数指令を出力して圧縮機本体１の運転を制御する制御装置４とを主に備える。なお、本実施例では、多段速装置３としてインバータを用いるものとして説明するが、電動機２と多段速装置３の組合せはポールチェンジモータやギアチェンジモータでもよい。

圧縮機１００は、圧縮機本体１の回転駆動により、吸込みフィルタ６を介して空気の吸込みを行なう。吸い込まれた空気は、吸込絞り弁５を通過して圧縮機本体１の圧縮室に吸流入し、圧縮されるようになっている。

吸込み絞り弁５は、機械式或いは電動機等の駆動力を利用した電磁式の開閉弁である。圧縮機１００は吸込み絞り弁５の開閉やその程度によって、圧縮室に吸い込む空気の量を制御するようになっている。本実施例では、機械式の吸込み絞り弁５を利用するものとして説明する。

圧縮室で圧縮された空気は、圧縮機本体１から吐出配管系統に吐き出され、逆止弁８を介して圧縮機１００の外部（圧縮空気の使用者側）に吐き出されるようになっている。なお、不図示であるが、圧縮機１００から吐き出された圧縮空気は、空気槽やエアフィルタ等を経て配管系統の末端機器に供給されるようになっている。

圧縮機本体１で圧縮された空気は、圧縮機１００の操作圧力としても利用される。具体的には、吐出配管系統は途中で吸込み絞り弁５に接続する分岐配管を備え、この分岐配管上には制御装置４からの制御指令に応じて圧縮空気の流通が許可・制限する電磁弁１３を備える。電磁弁が開となることで、吸込み絞り弁５に制御圧が供給され、吸い込み絞り弁５が閉弁されるようになっている。

また、圧縮機１００は、吐出配管系統で、この分岐配管との分岐点から下流及び逆止弁８の上流に放気弁１４を備える。放気弁１４は、逆止弁８から上流側の圧縮空気を大気圧環境に解放する電磁式又は機械式の弁体であり、制御装置４からの制御信号によって開閉動作を行うようになっている。本実施例では、電磁式の弁体を適用するものとして説明する。

吐出配管上で、逆止弁８の下流には、圧力センサ９が配置する。圧力センサ９が検出した圧力は、制御装置４に出力される。制御装置４は、例えば演算回路とプログラムの協働によって機能部を実現し、圧縮機１００の種々の制御を行う。なお、制御装置４は、一部又は全部をアナログ制御回路構成するものであってもよい。

制御装置４は、操作入出力Ｉ／Ｆ２０を介して入力された設定圧力に応じた圧力に対応する回転数の回転数指令を多段速制置３に出力し、電動機２の出力回転数を制御する。即ち圧縮機１００は、一定速制御の圧縮機である。

具体的には、操作入出力Ｉ／Ｆ２０を介して入力された設定圧力が圧力Ｌ（Ｐｈａ）である場合、定格での全負荷回転数に基づいて演算により圧力Ｌ（Ｐｈａ）に対応する回転数を所定の間隔（任意の時間間隔）で演算し、演算結果を多段速装置３に出力するようになっている。

なお、本発明はこれに限定するものではなく、例えば、予め設定圧力に対応する回転数を定めた回転数情報を予め制御装置４に格納しておき、これに基づいて回転数指令を多段速装置３に出力するようにしてもよい。

また、制御装置４は、圧力センサ９で検出された吐出圧力が所定の圧力になった時、駆動エネルギを省力するために「アンロード運転制御（無負荷運転制御）」を行うようになっている。ここで、「アンロード運転制御」とは、制御装置４が、電磁弁１３に指令を出し電磁弁１３を閉弁し吸気量を制限する事と、放気弁１４を開として逆止弁８から上流側の圧縮空気を大気解放する事と、多段速装置３に所定の指令を出力することで電動機２の回転数を所定の回転数まで低下させる事とにより圧縮機１００の動力削減を図る運転制御である。

電動機２を所定の回転数に低下させるときは、定格による全負荷回転数よりも低い回転数指令を制御装置４から多段速装置３に出力する。この低い回転数は、吸い込み絞り弁５等の制御圧力を確保できる圧力を提供し得る回転数であってもよいし、全負荷回転数よりも低く且つ制御圧力を確保し得る圧力を提供し得る回転数より高い回転数であってもよい。即ち制御圧力を確保し得る圧力を提供し得る回転数を、仮に圧縮機１００の定常運転での下限回転数とすれば、当該回転数を「アンロード運転制御」時の回転数としてもよいし、これよりも高く且つ全速回転数よりも低い回転数としてもよい。下限回転数とすれば、電動機２の省電力をより効果的に得る事ができるし、下限回転数より高く全速回転数より低い回転数とすれば、その分の省電力効果と、「アンロード運転制御」から「ロード運転（負荷運転）制御」に復帰する際、吐出圧力への追従性が向上するという効果と得ることができる。

なお、本発明は「アンロード運転制御」を実現する上で上記方法に限定するものではなく、吸込絞り弁５を閉じる事と、放気弁１４を開とする事とのいずれか一方のみを行う方式であっても実現することができる。

また、「アンロード運転制御」において、吸い込み絞り弁５の閉弁、放気弁１４の開弁及び電動機２の回転数を所定の回転数まで低下させることの指令を制御装置４から出力する実行タイミングは、制御装置４の処理速度や性能条件に応じて実質同じタイミング（制御装置４の指令出力性能に応じたタイミング）であるが、本発明はこれに限定するものではなく、その趣旨に逸脱しない範囲で厳密に同一のタイミングで実行されることに限定されるものではない。

次いで、圧縮機１００の運転制御について説明する。
図３に、圧縮機１００の運転による吐出の圧力、圧縮機の回転数比、動力比の関係を時系列で示す。吐出圧力７０は逆止弁８の二次側圧力であり圧力センサ９の検出した圧力である。内部圧力７１は逆止弁８の一次側圧力であり圧縮機本体１の二次側圧力である。圧縮機回転数比７２は圧縮機本体１の回転数比である。動力比７３は圧縮機本体１を回転する電動機２を駆動するための多段速装置３の動力比である。縦軸は、それぞれ圧力（ＭＰａ）、回転数比（％）、動力比（％）を示し、横軸が時間（秒）を示す。

本実施例の圧縮機１００は、仕様圧力が０．７ＭＰａであり、吐出圧力が０．７ＭＰａで圧縮機本体１の回転数比及び吐出空気量比が１００％の時に動力比が１００％となるものを例として説明する。また、同図において、吐出空気量比１００％の空気量と使用空気量比１００％の空気量は同じとし、使用空気量比は５０％とする。また、制御装置４に備わる圧力設定Ｈ（０．７ＭＰａ）と圧力設定Ｌ（０．６ＭＰａ）の関係はＨ＞Ｌとする。そして、全負荷運転中には、吸込絞り弁５を開、放気弁１４を閉として電動機２を全負荷回転数で運転するものとし、吐出圧力７０が圧力設定Ｈに到達すると、吸込絞り弁５を閉、放気弁１４を開として電動機２の回転数を所定の回転数まで低下させた固定回転数で吐出圧力を所定の範囲内まで減圧する「アンロード制御運転」に切り替えるものとする。更に、吐出圧力７０が圧力設定Ｈから圧力設定Ｌに降圧すると、吸込絞り弁５を開、放気弁１４を閉とし、電動機２の回転数を全負荷回転数に切り替えるものとする。

時間ａのとき、吐出圧力７０および内部圧力７１は、０．６ＭＰａ、圧縮機回転数比は１００％であり、動力比７３は仕様圧力０．７ＭＰａに対し吐出圧力は０．６ＭＰａと圧力が０．１ＭＰａ低い為、動力は１００％よりも低い約９３％である。

時間ａから時間ｂの間では、吐出空気量比が１００％に対し使用空気量比は５０％の為、吐出圧力７０および内圧７１は０．６ＭＰａから０．７ＭＰａまで上昇し、回転数比は１００％のままであるが動力比は吐出圧力が上昇するため９３％から１００％まで上昇する。

時間ｂのとき、制御装置４が圧力センサ９により検出した圧力つまり吐出圧力７０が圧力Ｈ（０．７ＭＰａ）となると、制御装置４は、吸込絞り弁５を閉又放気弁１４を開とし、更に圧縮機回転数を全負荷回転数による回転数より低速の固定回転数とする指令を多段速装置３に出力し、「アンロード制御運転」に切り替える。

時間ｂからｃのとき、吸込絞り弁５が閉となることから圧縮機本体１の吸込空気は無くなり又圧縮機本体１からの吐出空気量も無く、使用空気量比は５０％のままのため吐出圧力７０は０．７ＭＰａから徐々に低下していく。加えて内部圧力７１は大気へ放気も行うため０．７ＭＰａから低下し０．２ＭＰａに収束していく。また、制御装置４は多段速装置３に低速指令を出力し、電動機２の回転数を所定の固定低速回転とする指令を出力し、圧縮機回転数比７２は３０％となる。このとき、内部圧力７１が低下すると共に圧縮機回転数比７２が低下することにより、動力比７３は１００％から約１３％まで下がる。

時間ｃからｄの間では、内部圧力７１は０．２ＭＰａで圧縮機回転数比７２は３０％で動力比７３は約１３％の状態で、吐出空気量比はゼロで使用空気量比は５０％のため吐出圧力７０は徐々に低下し０．６ＭＰａとなる。

時間ｄのとき、制御装置４が圧力センサ９により検出した圧力つまり吐出圧力７０が０．６ＭＰａとなると、制御装置４は吸込絞り弁５を開、放気弁１４を閉とし、圧縮機回転数を全負荷回転数とする指令を出力する。

時間ｄからｅの間では、吸込絞り弁が開、放気弁１４が閉となり、内部圧力７１は０．２ＭＰａから昇圧を開始する。また、制御装置４は多段速装置に全負荷回転数指令を出力し、電動機２の回転数が全負荷回転数とすることから、内部圧力は０．６ＭＰaとなり圧縮機回転数比７２は３０％から１００％となる。このとき、圧縮機回転数比７２が上昇することにより、動力比７３は約９３％まで上がる。

時間ｅからｆの間では、圧縮機回転数比７２は１００％の状態で、吐出空気量比は１００％で使用空気量比は５０％のため吐出圧力７０は徐々に上昇し０．７ＭＰａとなり、動力比７３は１００％まで上がる。時間ｆ以降は、時間ｂ以降と同様の動作を繰り返す。

比較例として「アンロード制御運転」において、電動機２の回転数を全負荷回転数に固定した場合の圧力、回転数比、動力比を図２に示す。同図において、時間ｂからｃでは吸込絞り弁５を閉、放気弁１４を開としたのみで圧縮機回転数比７２は１００％の状態のままである。このため動力比７３は約３５％までしか下がらない。

任意の使用空気量の時のおおよその使用空気量比すなわち負荷率と動力計算方法については、全負荷運転時間ｄｆと無負荷運転時間ｂｄとこの１サイクル時間（ｄｆ＋ｂｄ）においてｄｆ／（ｄｆ＋ｂｄ）×１００が演算負荷率（％）、吐出圧力０．７ＭＰａ時の全負荷運転の動力と吐出圧力０．６ＭＰａ時の全負荷運転の動力を加算して２で割った値が全負荷運転時の平均動力とした場合の前記演算負荷率時の動力は、｛前記演算負荷率×前記全負荷運転時の平均動力＋（１００−前記演算負荷率）×無負荷運転時の動力｝となる。

使用空気量が１００％またはそれ以上でない限りは、必ず全負荷運転とアンロード制御運転を交互に繰り返すこととなり、使用空気量が多ければ全負荷運転の割合は多く、動力は高いままとなるが、使用空気量が下がる程に１サイクルに対する無負荷運転の時間の割合は増えるため、無負荷運転時に圧縮機回転数を低速とすることで平均動力を下げることができる。

このように本実施形態においては、全負荷運転で電動機２の回転数を一定速（固定）回転数として運転を行う圧縮機において、アンロード運転時には圧縮機の回転数を低減させることで、大幅な省エネルギ化を図ることができる。

本発明を適用した圧縮機１００の実施例２について説明する。以下、図面を用いて実施例２を説明するが、実施例１と同一の要素については同一符号を用い、詳細な説明を省略する場合がある。実施例１では、圧縮機１００の吐出圧力が圧力Ｈ（０．７ＭＰａ）となったことを契機として「アンロード制御運転」を実行するものであるが、実施例２では、圧縮機１００の負荷率に応じて「アンロード制御運転」を実行する契機となる圧力Ｈを変化させることで、全負荷運転において一定速（固定）回転数として運転を行う圧縮機１００の動力を更に低減することを特徴の１つとする。

以下、図面を用いて実施例２を説明するが、実施例１と同一の要素については同一符号を用い、詳細な説明を省略する場合がある。

図４に、実施例２による圧縮機１００の吐出の圧力、圧縮機の回転数比、動力比の関係を時系列で示す。
時間ｂからｄの間は、実施例１と同様の「アンロード制御運転」を行う様を示す。これに対し時間ｄにおいて、制御装置４は「アンロード制御運転」を実行する契機となる圧力Ｈをそれまでの０．７ＭＰａから０．６５ＭＰａに変化させ、時間ｄ以降の「アンロード制御運転」は吐出圧力が０．６５ＭＰａになったことを契機として実行するようになっている。即ち吐出圧力が０．６ＭＰａを超えてから再度０．６ＭＰａまで戻るまでの時間を１サイクルとし、そのサイクルにおける負荷率（時間ａｂとｂｄの比率）に応じて、次の「アンロード制御運転」における圧力Ｈを算出し、「アンロード制御運転」を実行するようになっている。

具体的には、制御装置４は、時間ｄのとき（ａｂ＋ｂｄ）／Ｔ２＝２を演算し、次回の「アンロード制御運転」の圧力設定Ｈ＝圧力設定Ｌ＋（上限圧力設定−圧力設定Ｌ）／２を演算し、圧力設定Ｈは０．６＋（０．７−０．６）／２＝０．６５ＭＰａを演算結果として記憶する。

制御装置４は、時間ｆで、吐出圧力が０．６５になると、「アンロード制御運転」を実行するようになっている。また、時間ｆ以降で再度圧力が０．６まで降圧すると（時間ｇ）、上記前回のサイクル（時間ｄｇ）における負荷率を算出し、時間ｇ以降において、その次の「アンロード制御運転」の契機となる新たな圧力Ｈを算出して「アンロード制御運転」を実行するようになっている。

このように実施例２は、一定速制御で運転する圧縮機１００において、「アンロード制御運転」時に、実施例１の効果に加えて、圧縮空気の使用者側の空気使用傾向を考慮した更なる省エネルギ化を図ることができる。

本発明の実施例３について、図を用いて説明する。なお、実施例１及び２と同様の構成については同一符号を用い、詳細な説明は省略する場合がある。実施例３の特徴としては、「アンロード制御運転」から全負荷運転に復帰する場合、吐出圧力（圧力センサ９の検出値）が圧力Ｌを検出する前に、「アンロード運転中」における吐出圧力の降圧傾向を考慮し、圧力Ｌに達する前に全負荷運転に切り替える事を特徴の一つとする。

図５に、実施例３の空気圧縮機による容量制御タイムチャートを示す。図５において、ここでは（ａｂ＋ｂｄ）／Ｔ２＝１とする。時間ｃからｃ‘の間では、内部圧力７１は０．２ＭＰａで圧縮機回転数比７２は３０％で動力比７３は約１３％の状態で、吐出空気量比はゼロで使用空気量比は５０％のため吐出圧力７０は徐々に低下し０．６ＭＰａへと向かっていく。

制御装置４は、圧力センサ９により検出した単位時間当たりの吐出圧力低下値を演算する機能を有している。また、この実施例では圧縮機回転数比７２を３０％から１００％まで加速するために必要な加速時間をＴ１（秒）とする。

時間ｃ‘からｄの間では、吐出圧力７０は徐々に低下し０．６ＭＰａへと向かってきているが、前記加速時間Ｔ１に対し吐出圧力７０の圧力値Ｐ１（ＭＰａ）と、圧力低下量ΔＰ（ＭＰａ／秒）との関係が｛Ｐ１≦０．６０＋ΔＰ×Ｔ１｝となった時点で制御装置４は多段速装置３への回転数指令を低回転から全速回転に切り替えることで圧縮機回転数比を３０％から１００％に向かい加速を始め、それと共に動力比７３は約１３％から９３％に向かい増加する。即ち吐出圧力が０．６ＭＰａに到達する迄の時間が加速時間Ｔ１と近似する範囲になるときに、電動機２が全速回転数での運転を開始するようになっている。

時間ｄのとき、吐出圧力７０は０．６ＭＰａまで低下するとほぼ同時に、圧縮機回転数比７２は１００％まで加速を終え、動力比７３は９３％となる。

時間ｄからｆの間では、吸込絞り弁が開となると共に内圧７１は大気への放気も止めるため０．２ＭＰａから瞬時に０．６ＭＰａまで上昇する。圧縮機回転数比７２は１００％の状態で、吐出空気量比は１００％で使用空気量比は５０％のため、その後吐出圧力７０は徐々に上昇し０．７ＭＰａとなり、動力比７３は１００％まで上がる。

実施例１の場合、使用空気量が比較的多いときは、例えば時間ｃ‘からｄの間において吐出圧力７０の低下量が前記加速時間を上回ると、時間ｄのときにおいて吐出圧力７０は０．６ＭＰａを下回る可能性があるが、本実施例の場合は時間ｄのときに既に圧縮機回転数比は加速が終わり１００％となっているため０．６ＭＰａを下回ることがなくなる。

なお、実施例３の制御に加えて実施例２の負荷率に応じた圧力Ｈの変更処理を適用することもできる。

このように実施例３による圧縮機１００によれば、一定速制御で運転する圧縮機１００において、「アンロード制御運転」時に、実施例１の効果を得ることができると共に「アンロード制御運転」から全負荷運転への切り替えに際し、圧縮機１００の動力特性（電動機２等が全負荷運転になるまでの時間差）を考慮して、所定圧力以上の圧縮空気を生成し得るという効果を得ることができる。また、実施例３の制御に加えて実施例２の負荷率に応じた圧力Ｈの変更処理を適用することも可能である。

なお、実施例３は、一定速制御の圧縮機におけるアンロード制御運転のみでなく、可変速制御におけるアンロード運転に適用することもできる。例えば、可変速制御の圧縮機の場合、アンロード運転中に駆動源（例えば電動機）の回転数を最低回転数等にして動力の削減を図るが、負荷運転への復帰時に最低回転数からＰ、ＰＩ又はＰＩＤ制御に復帰する場合にも、復帰圧力である下限圧力までの降圧傾向を考慮して、下限圧力に達する前に駆動源の回転数を増速するようにすれば、実施例３と同様な効果を得ることが期待できる。

次いで、本発明を適用した実施例４について図を用いて説明する。なお、実施例１から３と同様の構成については同一符号を用い、詳細な説明は省略する場合がある。実施例４は、「アンロード制御運転」を実行する契機となる圧力Ｈを、圧力センサ９の検出圧力のみではなく、圧縮機１００が生成した圧縮空気を利用する末端機器の圧力（以下、「末端圧力」と称する場合がある。）、を基準として「アンロード制御運転」を行うことを特徴の１つとする。
図６は、実施例４による空気圧縮機の構成を模式的に示したブロック図である。図７は、実施例４に空気圧縮機の容量制御タイムチャートである。

まず、構成について説明する。図６において、圧縮機１００は実施例１及び２（図１）と同様である。実施例４では、圧縮機１００から吐き出された圧縮空気を貯留する圧力容器である空気槽（気体槽）１５と、その下流配管に配置するエアフィルタ１６と、その下流側の圧力を検出する末端圧力センサ１７を備える。末端圧力センサ１７は制御装置４に有線又は無線接続し、その検出圧力は制御装置４に所定の時間間隔で出力されるようになっている。１８は配管系統の末端を示し、１９は圧縮機１００から吐き出された圧縮空気が流通する末端側配管系統で生ずる圧力損失ΔＰを示す。

圧力センサ９の検出位置での吐出圧力７０に対し、圧縮空気消費側の配管系統の末端１８での圧力即ち配管系統の末端圧力センサ１７での圧力は、末端配管系、空気槽１５及びエアフィルタ１６を経て圧力損失１９のΔＰの分だけ低下するが、本実施例においては圧力センサ９の検出位置での圧力と空気槽１５の圧力の差即ち圧力損失は０として説明する。

吐出空気の配管系の全配管容量に変化がない場合は、「アンロード制御運転」時の吐出圧力７０の単位時間当たりの圧力低下値と、使用空気量比とは比例の関係があり、前記圧力低下値が２倍になれば使用空気量比もほぼ２倍となる。また、使用空気量比と圧力損失ΔＰには二次式の関係があり、使用空気量比１００％時のΔＰが０．１ＭＰａとすると、使用空気量比５０％時のΔＰは約１／４の０．０２５ＭＰａとなる。制御装置４は圧力低下値と使用空気量比との関係と、使用空気量比と圧力損失ΔＰとの関係を設定記憶する機能を有している。

この実施例での圧力設定Ｈは０．７ＭＰａ、圧力設定Ｌは０．６ＭＰａとし、使用空気量比１００％時の吐出圧力０．７ＭＰａ時の圧力損失ΔＰを０．１ＭＰａとする。

かかる構成での容量制御の遷移を図７に示す。なお、使用空気量比は、時間ａからｄの間では約７０％、時間ｄからｈの間では約１０％とする。また、ここでは（ａｂ＋ｂｄ）／Ｔ２＝（ｄｆ＋ｆｈ）／Ｔ２＝１とする。

時間ｂからｄの間で、制御装置４は圧力低下値から使用空気量比を７０％と演算し、ΔＰを０．０５ＭＰａと演算した結果、吐出圧力７０が圧力設定Ｌすなわち０．６ＭＰａとに対し、使用空気量比１００％時の最大圧力損失０．１ＭＰａに対するΔＰが０．０５ＭＰａすなわち０．６−（０．１−０．０５）ＭＰａである圧力設定Ｌ‘の０．５５ＭＰａまで「アンロード制御運転」を継続する。

時間ｄのとき、吐出圧力７０が０．５５ＭＰａで圧力損失ΔＰは０．０５ＭＰａであり末端の圧力つまり配管系統の末端１８の末端圧力７４は０．５ＭＰａである。このとき、制御装置４が圧力センサ９により検出した圧力つまり吐出圧力７０が０．５５ＭＰａとなると、制御装置４は、吸込絞り弁５を開、放気弁１４を閉又電動機２の回転数を全速回転数とする指令を出力する。

時間ｄからｆの間で、全負荷運転で吐出圧力７０が０．５５ＭＰａから徐々に上昇する。時間ｆのとき、圧力設定Ｈ‘の０．６５ＭＰａに到達すると「アンロード制御運転」に切替える。

時間ｆからｈの間で、制御装置４は圧力低下値から使用空気量比を１０％と演算し、ΔＰを０．００１ＭＰａと演算した結果、吐出圧力７０が圧力設定Ｌ即ち０．６ＭＰａに対し、使用空気量比１００％時の最大圧力損失０．１ＭＰａに対するΔＰが０．００１ＭＰａ即ち０．６−（０．１−０．００１）ＭＰａである圧力設定Ｌ‘の０．５０１ＭＰａまで「アンロード制御運転」を継続する。

時間ｈのとき、吐出圧力７０が０．５０１ＭＰａで圧力損失ΔＰは０．００１ＭＰａであり末端の圧力つまり配管系統の末端１８の末端圧力７４は０．５ＭＰａである。このとき、制御装置４が圧力センサ９により検出した圧力つまり吐出圧力７０が０．５０１ＭＰａとなると、制御装置４は、吸込絞り弁５を開、放気弁１４を閉、電動機２の回転数を全速運転とする指令を出力する。

このように本実施例によれば一定速制御の圧縮機１００において、圧力損失ΔＰを考慮して末端圧力を一定以内に保持する共に省エネルギ化を図れことができる。

本発明を適用した実施例５について図面を用いて説明する。なお、上記他の実施例と同様の構成については同一符号を用い、詳細な説明は省略する場合がある。

図８は、実施例の空気圧縮機の容量制御タイムチャートである。なお、ここでは（ａｂ＋ｂｄ）／Ｔ２＝２とする。圧力センサ９の検出位置での圧力と空気槽１５の圧力の差即ち圧力損失は、全負荷運転中は０．０２５ＭＰａで無負荷運転中は０とする。

時間ｂのとき、制御装置４が圧力センサ９により検出した圧力つまり吐出圧力７０が０．７ＭＰａとなると、制御装置４は吸込絞り弁５を閉、放気弁１４を開とする。このとき、吐出圧力７０は前記全負荷運転中の圧力損失０．０２５ＭＰａ分低下するため０．６７５ＭＰａまで低下するが、この圧力損失分の低下が終了した後に、制御装置４は電動機２の回転数を低速回転とする指令を出力する。即ち「アンロード制御運転」を実行する。また、圧力損失分の降圧は吐出圧力が低下するのを検出して判断してもよいし、所定の時間設定記憶した値を経過し事をもって判断するようにしてもよい。

時間ｄのとき、制御装置４が圧力センサ９により検出した圧力つまり吐出圧力７０が０．６ＭＰａとなると、制御装置４は、吸込絞り弁５を開、放気弁１４を閉又電動機２の回転数を全速回転とする指令を出力する。このとき、制御装置４は（ａｂ＋ｂｄ）／Ｔ２＝２となるため、圧力設定Ｈ＝圧力設定Ｌ＋（上限圧力設定−圧力設定Ｌ）／２を演算し、圧力設定Ｈは０．６＋（０．７−０．６）／２＝０．６５ＭＰａを演算結果とする。

時間ｆのとき、吐出圧力７０は圧力設定Ｈ＝０．６５ＭＰａに到達するため無負荷運転に切り替わる。このとき、吐出圧力７０は前記全負荷運転中の圧力損失０．０２５ＭＰａ分低下するため０．６２５ＭＰａまで低下するが、圧力設定Ｌの０．６ＭＰａに対し吐出圧力７０が０．６２５ＭＰａと圧力差が０．０２５ＭＰａしかなく、制御装置４はこの圧力差が所定の圧力差設定である０．０３ＭＰａ以下のため、圧縮機回転数を低速回転へと促すのを止め高速回転を維持する。この圧力差設定は、設定、記憶することができる。

このように、全負荷運転から「アンロード制御運転」に切り替わる時の圧力損失分の圧力低下により、吐出圧力７０が圧力設定Ｌに近くなる場合、圧縮機回転数を低速回転へと促しても低速回転に到達する前に吐出圧力７０は圧力設定Ｌに到達してしまうため、圧縮機回転数を低速とすることによる動力低減効果を発揮できなくなる。このような場合には圧縮機回転数は高速回転のまま維持することで、次回の圧力設定Ｈを高くし次回の無負荷運転時の圧縮機回転数を低速回転にすることによる動力低減を圧力低減による動力低減よりも優先し、全体的に動力低減効果を良くする機能を有する。

また、このとき次回の圧力設定Ｈは、上述の式を無視し上限圧力設定である０．７ＭＰａに戻す。制御装置４はこの機能を有する。

時間ｇのとき、制御装置４が圧力センサ９により検出した圧力つまり吐出圧力７０が０．６ＭＰａとなると、制御装置４は電磁弁１３にＯＮの指令を出力し励磁をすることで吸込絞り弁５を開とし、それと共に圧縮機本体１から逆止弁８までの内圧からの大気への放気を止め、すなわち全負荷運転とし、圧縮機回転数は高速回転を維持し、圧力設定Ｈは０．７ＭＰａに戻す。

時間ｉのとき、制御装置４が圧力センサ９により検出した圧力つまり吐出圧力７０が０．７ＭＰａとなると、制御装置４は無負荷運転とし、吐出圧力７０が０．６７５ＭＰａまで低下した後に圧縮機回転数を低速回転へと促す。

このように、無負荷運転切替、圧力設定Ｈ切替、圧縮機回転数切替、それぞれによる動力低減効果を考慮して運転を行うため、運転の全体的な動力低減効果を最大限発揮することができる。

本発明を適用した実施例６について図面を用いて説明する。なお、上記他の実施例と同様の構成については同一符号を用い、詳細な説明は省略する場合がある。

図９は、実施例６による空気圧縮機の容量制御タイムチャートである。
本実施例の制御装置４は、圧縮機回転数比７２を、圧力センサ９の検出した吐出圧力７０が圧力設定Ｈつまり０．７ＭＰａでは１００％で、吐出圧力７０が圧力設定Ｌつまり０．６ＭＰａでは１０７％で、圧力設定Ｈと圧力設定Ｌとの間において比例関係で可変する機能を有している。

図９において、ここでは（ａｂ＋ｂｄ）／Ｔ２＝１とする。時間ｄからｅの間では、吸込絞り弁が開となると共に内圧７１は大気への放気も止めるため０．２ＭＰａから瞬時に０．６ＭＰａまで上昇する。それと共に制御装置４は多段速装置に高速指令を出力し、電動機２および圧縮機本体１の回転数を高速回転へと促すが、吐出圧力７０が０．６ＭＰａのため圧縮機回転数比７２は３０％から１０７％となる。このとき、圧縮機回転数比７２が上昇することにより、動力比７３は１００％まで上がる。

時間ｅからｆの間では、吐出圧力７０が０．６ＭＰａから０．７ＭＰａまで上昇するのと比例して圧縮機回転数比７２は１０７％から１００％まで低下する。吐出圧力７０と圧縮機回転数比７２との関係から動力比７３はほぼ１００％を維持する。

吐出圧力７０と圧縮機回転数比７２との関係は比例つまり直線式ではなくても、二次式等でも構わなく、動力比７３がほぼ一定となる関係であれば構わない。また、吐出圧力７０が０．７ＭＰａ時の圧縮機回転数比が１００％に対し、吐出圧力７０が０．６ＭＰａ時の圧縮機回転数比は１０７％で１００％を超えているが、これは相対的表現であり、１０７％であってもオーバーロードということではない。

このように本実施例によれば、一定速制御で運転する圧縮機１００において、「アンロード制御運転」時に圧縮機の回転数を低減することで大幅な省エネルギ化が図れると共に、吐出圧力７０が低いときは吐出空気量を増やし吐出圧力７０が高いときは吐出空気量を減らすことで、圧縮機１００がオーバーロードすることなく吐出圧力７０が低い時に使用空気量が増加した場合でも圧力低下の抑制を図れる。

本発明を適用した実施例７について図面を用いて説明する。なお、上記他の実施例と同様の構成については同一符号を用い、詳細な説明は省略する場合がある。

図１０は、実施例７の空気圧縮機の容量制御タイムチャートである。

図１０において、ここでは（ａｂ＋ｂｄ）／Ｔ２＝１とする。時間ａからｂの間や時間ｄからｆの間の圧縮機回転数比は、高速時は常に１０７％となり、動力比は吐出圧力７０が圧力設定Ｈの時に１００％となる。

圧力設定Ｈが０．６ＭＰａ時の圧縮機回転数比が１０７％で圧力設定Ｈが０．７ＭＰａ時の圧縮機回転数比が１００％の時に比べ超えているが相対的表現であり、１０７％であってもオーバーロードということではない。

このように本実施例によれば、一定速制御で運転する圧縮機１００において、「アンロード制御運転」時に圧縮機の回転数を低減することで大幅な省エネルギ化が図れると共に、圧力設定を低く設定しても動力比７３をほぼ１００％を超えることなく吐出空気量を増やすことができる。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で置換や変更が可能である。

例えば、上記例では空気圧縮機を例として説明したが、他の気体を圧縮する圧縮機にも本発明を適用することができる。また圧縮機本体１は、容積型やターボ型の圧縮機を適用できる。容積型としては回転式や往復動式を含み、回転式にはスクロール、ベーン及びクロー式を含み、往復動式はレシプロ式を含む。また、圧縮作動室に水や油と言った液体を供給する給液型圧縮機や無給液型圧縮機を含み、単段や複数段構成の圧縮機であってもよい。

また、駆動源として電動機２を例として説明したが、内燃機関であってもよい。この場合、多段速装置３としては、ギヤ変換や供給燃料の増減によって回転数の制御を行うこととなる。

１…圧縮機本体、２…電動機、３…多段速装置、４…制御装置、５…吸込絞り弁、６…吸込みフィルタ、８…逆止弁、９…圧力センサ（圧力検出手段）、１３…電磁弁、１４…放気弁、１５…空気槽、１６…エアフィルタ、１７…配管系統の末端圧力センサ、１８…配管系統の末端、１９…圧力損失ΔＰ、２０…操作入力Ｉ／Ｆ、７０…吐出圧力（逆止弁８の二次側）、７１…内部圧力（逆止弁８の一次側、圧縮機本体１の二次側）、７２…圧縮機回転数比、７３…動力比、７４…末端圧力、１００…空気圧縮機（圧縮機）

Claims (3)

1. 気体を圧縮する圧縮機本体と、前記圧縮機本体を駆動する駆動源と、前記圧縮機本体の気体吸込量を調整する吸込絞り弁と、前記圧縮機本体の吐出気体を大気圧環境に放気する放気弁と、前記駆動源の回転数を変更する回転数変換手段と、吐出気体系統の吐出圧力を検出する圧力検出装置と、上限圧力Ｈと下限圧力Ｌの関係がＨ＞Ｌであり、前記吐出圧力が上限圧力Ｈに達するまでは、前記吸込絞り弁を開、前記放気弁を閉として前記駆動源を全負荷回転数で運転し、前記吐出圧力が上限圧力Ｈに達すると、前記吸込絞り弁を閉及び前記放気弁を開として吐出圧力を所定の範囲内まで減圧することの少なくとも一方を実行し、前記吐出圧力が下限圧力Ｌに降圧すると負荷運転に切り替える制御装置を備えた気体圧縮機であって、
   前記制御装置が、
   前記吐出圧力が上昇して前記上限圧力Ｈに達すると前記回転数変換手段に前記全負荷回転数より低い回転数の指令を出力し、
   前記吐出圧力が降圧して前記下限圧力Ｌに達すると前記回転数変換手段に前記全負荷回転数の指令を出力するものであり、
   更に、前記制御装置が、
   単位時間当たりの吐出圧力低下値を演算する機能と、２次式を設定及び記憶する機能を有し、
   前記上限圧力Ｈに対しＨ’を、下限圧力Ｌに対しＬ’を、圧力低下値が０の場合は等しく設定し、圧力低下値がある一定値以上の場合は予め記憶した圧力値分を下げた値とし、圧力設定Ｈ’及び圧力設定Ｌ’の差と、圧力低下値とに対し２次式の演算を行い、
   前記吐出圧力が低下して圧力設定Ｌ‘に到達すると前記吸込み絞り弁を開及び前記放気弁を閉とすることの少なくとも一方を実行して前記回転数変換手段に全負荷回転数の指令を出力し、
   前記吐出圧力が上昇して圧力設定Ｈ’に到達すると前記吸込み絞り弁を閉及び前記放気弁を開とすることの少なくとも一方実行して前記回転数変換手段に前記低い回転数の指令を出力するものである気体圧縮機。
2. 気体を圧縮する圧縮機本体と、前記圧縮機本体を駆動する駆動源と、前記圧縮機本体の気体吸込量を調整する吸込絞り弁と、前記圧縮機本体の吐出気体を大気圧環境に放気する放気弁と、前記駆動源の回転数を変更する回転数変換手段と、吐出気体系統の吐出圧力を検出する圧力検出装置と、上限圧力Ｈと下限圧力Ｌの関係がＨ＞Ｌであり、前記吐出圧力が上限圧力Ｈに達するまでは、前記吸込絞り弁を開、前記放気弁を閉として前記駆動源を全負荷回転数で運転し、前記吐出圧力が上限圧力Ｈに達すると、前記吸込絞り弁を閉及び前記放気弁を開として吐出圧力を所定の範囲内まで減圧することの少なくとも一方を実行し、前記吐出圧力が下限圧力Ｌに降圧すると負荷運転に切り替える制御装置を備えた気体圧縮機であって、
   前記制御装置が、
   前記吐出圧力が上昇して前記上限圧力Ｈに達すると前記回転数変換手段に前記全負荷回転数より低い回転数の指令を出力し、
   前記吐出圧力が降圧して前記下限圧力Ｌに達すると前記回転数変換手段に前記全負荷回転数の指令を出力するものであり、
   更に、前記制御装置が、
   負荷運転時の動力が一定以内となる吐出圧力と前記駆動源の回転数の関係を設定及び記憶する機能を有し、
   前記駆動源が全負荷回転時のときの吐出圧力が高いときは、動力を一定以内として回転数を低くし、
   前記駆動源が全負荷回転時のときの吐出圧力が低いときは、動力を一定以内で回転数を高くするものである気体圧縮機。
3. 気体を圧縮する圧縮機本体と、前記圧縮機本体を駆動する駆動源と、前記圧縮機本体の気体吸込量を調整する吸込絞り弁と、前記圧縮機本体の吐出気体を大気圧環境に放気する放気弁と、前記駆動源の回転数を変更する回転数変換手段と、吐出気体系統の吐出圧力を検出する圧力検出装置と、上限圧力Ｈと下限圧力Ｌの関係がＨ＞Ｌであり、前記吐出圧力が上限圧力Ｈに達するまでは、前記吸込絞り弁を開、前記放気弁を閉として前記駆動源を全負荷回転数で運転し、前記吐出圧力が上限圧力Ｈに達すると、前記吸込絞り弁を閉及び前記放気弁を開として吐出圧力を所定の範囲内まで減圧することの少なくとも一方を実行し、前記吐出圧力が下限圧力Ｌに降圧すると負荷運転に切り替える制御装置を備えた気体圧縮機であって、
   前記制御装置が、
   前記吐出圧力が上昇して前記上限圧力Ｈに達すると前記回転数変換手段に前記全負荷回転数より低い回転数の指令を出力し、
   前記吐出圧力が降圧して前記下限圧力Ｌに達すると前記回転数変換手段に前記全負荷回転数の指令を出力するものであり、
   更に、前記制御装置が、
   吐出圧力が前記上限圧力の設定でかつ気体圧縮機の仕様圧力と等しいときの吐出圧力が前記上限圧力の設定で全負荷回転数の動力に対し、設定変更後の前記上限圧力と吐出圧力が等しいときの全負荷運転時の動力を同じとなるように前記上限圧力Ｈ、前記下限圧力Ｌ及び前記駆動源の回転数の関係を記憶し、
   前記上限圧力Ｈ及び前記下限圧力Ｌが気体圧縮機の仕様圧力よりも高いときは、前記吸込み絞り弁を開、前記放気弁を閉の少なくとも一方を実行し且つ前記全負荷回転数で駆動源を駆動するときの動力が一定以内になるように前記回転数変換手段に回転数を低くする指令を出力し、
   前記上限圧力Ｈ及び前記下限圧力Ｌが前記気体圧縮機の仕様圧力よりも低いときは、前記吸込み絞り弁を開、前記放気弁を閉の少なくとも一方を実行し且つ前記全負荷回転数で駆動源を駆動するときの動力を一定以内となるように前記回転数変換手段に回転数を高くする指令を出力するものである気体圧縮機。

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