JP7351017B2

JP7351017B2 - 給油式空気圧縮機

Info

Publication number: JP7351017B2
Application number: JP2022544462A
Authority: JP
Inventors: 茂幸頼金; 謙次森田; 雄太梶江
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2020-08-24
Filing date: 2021-08-16
Publication date: 2023-09-26
Anticipated expiration: 2041-08-16
Also published as: JPWO2022044863A1; WO2022044863A1; US11988217B2; CN115989363A; US20230358248A1

Description

本発明は、給油式空気圧縮機に関する。

特許文献１は、給油式空気圧縮機を開示する。この給油式空気圧縮機は、圧縮機本体、分離器、及び給油系統を備える。圧縮機本体は、圧縮室のシール、圧縮熱の冷却、及びロータの潤滑などを目的として圧縮室に油を注入しつつ、空気を圧縮する。分離器は、圧縮機本体から吐出された圧縮空気から油を分離して貯留する。

給油系統は、分離器で貯留された油を圧縮機本体の圧縮室等へ供給する。給油系統は、油を冷却するオイルクーラと、オイルクーラをバイパスするバイパス配管と、油の温度に応じてオイルクーラの分流比とバイパス配管の分流比を調節する温度調節弁とを備える。

特許文献２は、例えば車両のエンジンの潤滑剤として使用される油の劣化状態を判定する技術を開示する。特許文献２では、油流通管の上流側と下流側の差圧を検出する差圧センサを設け、差圧センサで検出された差圧に基づいて油の粘度を演算し、この粘度を予め設定された閾値と比較して油の劣化状態を判定する。

特開２００９－１４４６８５号公報実開平０２－０２６７１１号公報

給油式空気圧縮機で使用される油は、圧縮機本体と分離器の間で循環され、圧縮機本体にて空気と共に圧縮される。圧縮機本体の運転時間の経過に伴い、油の劣化が進行する。そのため、一般的に、圧縮機本体の運転時間に基づいて、油の交換時期が設定されている。しかしながら、圧縮機本体の使用環境や運転負荷によって、油の劣化の進行具合が変化するため、油の交換時期を変更することが好ましい。

そこで、給油式空気圧縮機において、特許文献２に記載の技術を採用して油の劣化状態を判定し、その判定結果に基づいて油を交換することが考えられる。すなわち、例えば、給油系統における上流側及び下流側の圧力をそれぞれ検出する第１及び第２の圧力センサを設け、第１の圧力センサで検出された圧力と第２の圧力センサで検出された圧力との差分を演算し、この差分に基づいて油の劣化状態を判定し、その判定結果に基づいて油を交換することが考えられる。

しかしながら、第１又は第２の圧力センサの位置における油の流量は、上述した温度調節弁の状態、すなわち、オイルクーラの分流比とバイパス配管の分流比に応じて変動する。例えばオイルクーラからの油とバイパス配管からの油が合流する合流部より下流側に、第１及び第２の圧力センサが配置された場合を想定して、詳細を説明する。オイルクーラの圧力損失がバイパス配管の圧力損失より大きいから、オイルクーラの分流比が大きくなるほど、第１又は第２の圧力センサの位置における油の流量が減少する。これに伴い、第１の圧力センサで検出された圧力と第２の圧力センサで検出された圧力との差分も変動する。したがって、油の劣化状態の判定精度が低下する。

本発明は、上記事柄に鑑みてなされたものであり、油の劣化状態の判定精度を高めることを課題の一つとするものである。

上記課題を解決するために、特許請求の範囲に記載の構成を適用する。本発明は、上記課題を解決するための手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、圧縮室に油を注入しつつ空気を圧縮する圧縮機本体と、前記圧縮機本体から吐出された圧縮空気から油を分離する分離器と、前記分離器で分離された油を前記圧縮機本体の圧縮室へ供給する給油系統とを備え、前記給油系統は、油を冷却するオイルクーラと、前記オイルクーラをバイパスするバイパス配管と、油の温度に応じて前記オイルクーラの分流比と前記バイパス配管の分流比を調節する温度調節弁とを備えた、給油式空気圧縮機において、前記給油系統に配置され、油の圧力を検出する第１の圧力センサと、前記給油系統における前記第１の圧力センサの下流側に配置され、油の圧力を検出する第２の圧力センサと、前記圧縮機本体の吐出側又は吸入側における空気の温度を検出する温度センサと、前記温度センサで検出された温度が所定値を超えることから、前記オイルクーラの分流比が１００％、前記バイパス配管の分流比が０％であると推定したときに、前記第１の圧力センサで検出された圧力と前記第２の圧力センサで検出された圧力との差分を演算し、前記差分に基づいて油の劣化状態を判定する制御装置とを備える。

本発明によれば、油の劣化状態の判定精度を高めることができる。

なお、上記以外の課題、構成及び効果は、以下の説明により明らかにされる。

本発明の第１の実施形態における給油式空気圧縮機の構成を表す概略図である。本発明の第１の実施形態における圧縮機本体の吸入側の空気温度と吐出側の空気温度と温度調節弁の状態との関係を表す図である。本発明の第２の実施形態における給油式空気圧縮機の構成を表す概略図である。本発明の一変形例における給油式空気圧縮機の構成を表す概略図である。

本発明の第１の実施形態を、図１及び図２を用いて説明する。図１は、本実施形態における給油式空気圧縮機の構成を表す図である。図２は、本実施形態における圧縮機本体の吸入側の空気温度と吐出側の空気温度と温度調節弁の状態との関係を表す図である。

本実施形態の給油式空気圧縮機１は、電動機２と、電動機２によって駆動され、空気を圧縮する圧縮機本体３と、圧縮機本体３の吸入側に設けられた吸入フィルタ４及び吸入弁５と、圧縮機本体３の吐出側に設けられた分離器６と、分離器６の上部に接続された圧縮空気系統７と、分離器６の下部と圧縮機本体３の間で接続された給油系統８と、制御装置９と、表示装置１０（詳細には、例えばディスプレイ又は表示灯）とを備える。なお、給油式空気圧縮機１は、前述した機器を筐体内に収納した圧縮機ユニットとして構成されている。

圧縮機本体３は、互いに噛み合う雌雄一対のスクリューロータ（図１では、一方のスクリューロータのみ示す）と、スクリューロータを収納するケーシングとを有しており、スクリューロータの歯溝に複数の圧縮室が形成されている。電動機２によってスクリューロータが回転すると、圧縮室がロータの軸方向（図１の右方向）に移動する。圧縮室は、吸入フィルタ４及び吸入弁５を介して空気を吸入し、空気を圧縮し、圧縮空気を分離器６へ吐出する。圧縮機本体３は、圧縮室のシール、圧縮熱の冷却、及びロータの潤滑などを目的として、圧縮室に油を注入するようになっている。

分離器６は、油を含む圧縮空気を旋回させる旋回流路を有し、遠心分離によって圧縮空気から油を一次分離し、分離した油を貯留する。分離器６の内部には、圧縮空気の温度Ｔ１を検出する吐出温度センサ１１が設けられている。

圧縮空気系統７は、分離器６で分離された圧縮空気を、圧縮機の外部へ供給する。圧縮空気系統７は、濾過分離によって圧縮空気から油を二次分離するセパレータエレメント１２と、セパレータエレメント１２の下流側に配置された調圧逆止弁１３と、調圧逆止弁１３の下流側に配置され、圧縮空気を冷却するアフタークーラ１４と、アフタークーラ１４の下流側に配置され、圧縮空気を除湿するドライヤ１５と、アフタークーラ１４とドライヤ１５の間に配置され、圧縮空気の圧力Ｐ１を検出する吐出圧力センサ１６とを備える。アフタークーラ１４は、冷却ファン１７で誘起された冷却風との熱交換により、圧縮空気を冷却する。

制御装置９は、図示しないものの、プログラムに基づいて演算処理や制御処理を実行する演算制御部（例えばＣＰＵ）と、プログラムや演算処理の結果を記憶する記憶部（例えばＲＯＭ、ＲＡＭ）等を有するものである。制御装置９は、図示しない運転スイッチの操作等に応じて電動機２の駆動を制御する。

制御装置９は、吐出圧力センサ１６で検出された圧力Ｐ１が制御圧力となるように、図示しないインバータを介し電動機２の回転数を可変制御してもよい。また、制御装置９は、吐出圧力センサ１６で検出された圧力Ｐ１が上限圧力まで上昇したときに、吸入弁５を閉状態にして無負荷運転に切換え、吐出圧力センサ１６で検出された圧力Ｐ１が下限圧力まで下降したときに、吸入弁５を開状態にして負荷運転に切換えてもよい。

給油系統８は、分離器６と圧縮機本体３との圧力差により、分離器６で貯留された油を圧縮機本体３の圧縮室等へ供給する。給油系統８は、油を冷却するオイルクーラ１８と、オイルクーラ１８をバイパスするバイパス配管１９と、油の温度に応じてオイルクーラ１８の分流比とバイパス配管１９の分流比を調節する温度調節弁２０と、オイルクーラ１８からの油とバイパス配管１９からの油が合流する合流部より下流側に配置され、油中の不純物を除去するオイルフィルタ２１と、オイルフィルタ２１の上流側（詳細には、前述した合流部の下流側）に配置され、油の圧力Ｐ２を検出する圧力センサ２２Ａと、オイルフィルタ２１の下流側に配置され、油の圧力Ｐ３を検出する圧力センサ２２Ｂとを備える。オイルクーラ１８は、冷却ファン１７で誘起された冷却風との熱交換により、油を冷却する。

温度調節弁２０は、三方弁であって、例えば油の温度に応じてワックスの体積が変化することにより、オイルクーラ側出口の開口率とバイパス配管側出口の開口率が変化するように構成されている。そして、図２で示すように、圧縮機本体３の吸入側の空気温度が所定の範囲Ｔｓ１～Ｔｓ２内である場合に、温度調節弁２０は、圧縮機本体３の吐出側の空気温度が所定値Ｔｄ１（詳細には、ドレン発生限界温度以上の温度）となるように、オイルクーラ１８の分流比とバイパス配管１９の分流比を調節する。圧縮機本体３の吸入側の空気温度が所定値Ｔｓ２であるとき、オイルクーラ１８の分流比が１００％、バイパス配管１９の分流比が０％となる。

圧縮機本体３の吸入側の空気温度が所定値Ｔｓ２を超える場合に、オイルクーラ１８の分流比が１００％、バイパス配管１９の分流比が０％となり、圧縮機本体３の吐出側の空気温度が所定値Ｔｄ１を超える。この場合、圧縮機本体３の吸入側の空気温度の上昇に応じて、圧縮機本体３の吐出側の空気温度が上昇する。

ここで、本実施形態の最も大きな特徴として、制御装置９は、吐出温度センサ１１で検出された温度Ｔ１が所定値Ｔｄ１を超えるかどうかを判定し、吐出温度センサ１１で検出された温度Ｔ１が所定値Ｔｄ１を超えた場合に、オイルクーラ１８の分流比が１００％、バイパス配管１９の分流比が０％であると推定する。このとき、圧力センサ２２Ａで検出された圧力Ｐ２と圧力センサ２２Ｂで検出された圧力Ｐ３との差分ΔＰを演算し、差分ΔＰに基づいて油の劣化状態を判定する。

詳しく説明すると、制御装置９は、例えば、下記の式（１）を用いて、差分ΔＰから油の動粘度νを演算する。式中のＡは、比例定数であって、圧力センサ２２Ａ，２２Ｂの間における配管の長さや内径などによって変わる値である。式中のＱは、圧力センサ２２Ａ又は２２Ｂの位置における油の流量であって、オイルクーラ１８の分流比が１００％、バイパス配管１９の分流比が０％であるときの値である。式中のρは、油の密度である。制御装置９は、油の温度と密度との関係を記憶しており、吐出温度センサ１１で検出された圧縮空気の温度が油の温度とほぼ同じであることから、この温度に対応する油の密度ρを求める。

制御装置９は、上記の式（１）を用いて演算された動粘度νを予め設定された閾値と比較して、油の劣化状態を判定する。そして、動粘度νが閾値以上である場合に、例えば、表示装置１０に表示指令を出力して、油の交換を促すためのメッセージをディスプレイに表示させるか、若しくは、表示灯を点灯させる。

以上のように本実施形態では、圧力センサ２２Ａで検出された圧力Ｐ２と圧力センサ２２Ｂで検出された圧力Ｐ３との差分ΔＰを演算し、差分ΔＰに基づいて油の劣化状態を判定することができる。また、吐出温度センサ１１で検出された温度が所定値Ｔｄ１を超えるという条件、すなわち、オイルクーラ１８の分流比が１００％、バイパス配管１９の分流比が０％であって、圧力センサ２２Ａ又は２２Ｂの位置における油の流量が変動しない条件で、前述した演算及び判定を行う。そのため、油の劣化状態の判定精度を高めることができる。

本発明の第２の実施形態を、図３を用いて説明する。図３は、本実施形態における給油式空気圧縮機の構成を表す図である。なお、本実施形態において、第１の実施形態と同等の部分は同一の符号を付し、適宜、説明を省略する。

本実施形態の給油式空気圧縮機１は、圧縮機本体３の吸入側における空気の温度Ｔ２を検出する吸入温度センサ（大気温度センサ）２３を備える。

本実施形態の制御装置９は、吸入温度センサ２３で検出された温度Ｔ２が所定値Ｔｓ２（上述の図２参照）を超えるかどうかを判定し、吸入温度センサ２３で検出された温度Ｔ２が所定値Ｔｓ２を超えた場合に、オイルクーラ１８の分流比が１００％、バイパス配管１９の分流比が０％であると推定する。このとき、圧力センサ２２Ａで検出された圧力Ｐ２と圧力センサ２２Ｂで検出された圧力Ｐ３との差分ΔＰを演算し、差分ΔＰに基づいて油の劣化状態を判定する。

詳しく説明すると、制御装置９は、例えば、上記の式（１）を用いて、差分ΔＰから油の動粘度νを演算する。なお、制御装置９は、油の温度と密度との関係や、圧縮機本体３の吸入側の空気の温度と吐出側の圧縮空気の温度との関係を記憶しており、吸入温度センサ２３で検出された温度から吐出側の圧縮空気の温度を求める。そして、圧縮空気の温度が油の温度とほぼ同じであることから、この油の温度に対応する油の密度ρを求める。

以上のように本実施形態では、圧力センサ２２Ａで検出された圧力Ｐ２と圧力センサ２２Ｂで検出された圧力Ｐ３との差分ΔＰを演算し、差分ΔＰに基づいて油の劣化状態を判定することができる。また、吸入温度センサ２３で検出された温度Ｔ２が所定値Ｔｓ２を超えるという条件、すなわち、オイルクーラ１８の分流比が１００％、バイパス配管１９の分流比が０％であって、圧力センサ２２Ａ又は２２Ｂの位置における油の流量が変動しない条件で、前述した演算及び判定を行う。そのため、油の劣化状態の判定精度を高めることができる。

なお、第１及び第２の実施形態において、制御装置９は、圧力の差分ΔＰに基づいて演算された油の動粘度νを、油の温度に依らずに固定された閾値と比較して、油の劣化状態を判定する場合を例にとって説明したが、これに限られない。例えば、制御装置９は、圧力の差分ΔＰに基づいて演算された油の動粘度νを、油の温度に応じて可変された閾値と比較して、油の劣化状態を判定してもよい。

また、第１及び第２の実施形態において、制御装置９は、圧力の差分ΔＰに基づいて油の動粘度νを演算する場合を例にとって説明したが、これに限られない。例えば、制御装置９は、圧力の差分ΔＰを、油の温度に依らずに固定された閾値と比較して、油の劣化状態を判定してもよい。また、例えば、制御装置９は、圧力の差分ΔＰを、油の温度に応じて可変された閾値と比較して、油の劣化状態を判定してもよい。

また、第１及び第２の実施形態において、圧力センサ２２Ａは、オイルフィルタ２１の上流側（詳細には、オイルクーラ１８からの油とバイパス配管１９からの油が合流する合流部より下流側）に配置され、圧力センサ２２Ｂは、オイルフィルタ２１の下流側に配置された場合を例にとって説明したが、これに限られない。例えば図４で示す変形例のように、圧力センサ２２Ａは、オイルクーラ１８の上流側（詳細には、オイルクーラ１８とバイパス配管１９へ油が分流する分流部より下流側）に配置されてもよい。

また、第１及び第２の実施形態において、圧縮機本体３は、スクリューロータ式であって、雌雄一対のスクリューロータを備えた場合を例にとって説明したが、これに限られない。圧縮機本体は、例えば、１つのスクリューロータと複数のゲートロータを備えてもよい。また、圧縮機本体は、スクリューロータ式以外の他の容積形（詳細には、ツース式又はレシプロ式など）であってもよいし、ターボ形であってもよい。

１…給油式空気圧縮機、３…圧縮機本体、６…分離器、８…給油系統、９…制御装置、１０…表示装置、１１…吐出温度センサ、１８…オイルクーラ、１９…バイパス配管、２０…温度調節弁、２１…オイルフィルタ、２２Ａ，２２Ｂ…圧力センサ、２３…吸入温度センサ

Claims

圧縮室に油を注入しつつ空気を圧縮する圧縮機本体と、前記圧縮機本体から吐出された圧縮空気から油を分離する分離器と、前記分離器で分離された油を前記圧縮機本体の圧縮室へ供給する給油系統とを備え、
前記給油系統は、油を冷却するオイルクーラと、前記オイルクーラをバイパスするバイパス配管と、油の温度に応じて前記オイルクーラの分流比と前記バイパス配管の分流比を調節する温度調節弁とを備えた、給油式空気圧縮機において、
前記給油系統に配置され、油の圧力を検出する第１の圧力センサと、
前記給油系統における前記第１の圧力センサの下流側に配置され、油の圧力を検出する第２の圧力センサと、
前記圧縮機本体の吐出側又は吸入側における空気の温度を検出する温度センサと、
前記温度センサで検出された温度が所定値を超えることから、前記オイルクーラの分流比が１００％、前記バイパス配管の分流比が０％であると推定したときに、前記第１の圧力センサで検出された圧力と前記第２の圧力センサで検出された圧力との差分を演算し、前記差分に基づいて油の劣化状態を判定する制御装置とを備えたことを特徴とする給油式空気圧縮機。
請求項１に記載の給油式空気圧縮機において、
前記給油系統は、油中の不純物を除去するオイルフィルタを備え、
前記第１の圧力センサは、前記オイルフィルタの上流側に配置され、
前記第２の圧力センサは、前記オイルフィルタの下流側に配置されたことを特徴とする給油式空気圧縮機。
請求項１に記載の給油式空気圧縮機において、
前記給油系統は、前記オイルクーラからの油と前記バイパス配管からの油が合流する合流部より下流側に配置され、油中の不純物を除去するオイルフィルタを備え、
前記第１の圧力センサは、前記オイルクーラの上流側に配置され、
前記第２の圧力センサは、前記オイルフィルタの下流側に配置されたことを特徴とする給油式空気圧縮機。
請求項１に記載の給油式空気圧縮機において、
前記制御装置で判定された油の劣化状態を表示する表示装置を備えたことを特徴とする給油式空気圧縮機。