JPH06173878A - 可変容量形圧縮機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】圧縮機１は容積形圧縮機の本体２とそれを回転
する電動機３，インバータ４，制御回路５からなり、吐
出配管７に副圧力センサ１１と末端部に主圧力センサ１
２が備えられる。使用空気量が増し吐出圧力が下降する
と主圧力センサ１２に検出され制御装置５に送られる。
制御装置５は圧縮機容量の増加を判断してインバータ４
に加速を指令し、それにより電動機３と圧縮機本体２の
回転速度が増加し吐出量も増加する。内部圧力は上昇し
目的とする値に回復する。空気使用量が減少した場合に
はこの動作とは逆に制御される。 【効果】圧縮空気の使用位置に近い吐出配管の末端で圧
力一定に制御され、使用量によらず圧縮空気の吐出圧力
が安定で高精度となり、応答も迅速。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は圧縮機に係り、特に、被
圧縮気体の消費量が増減しても吐出圧力を一定に制御す
る機能をもつ可変容量形圧縮機において、吐出圧力の変
動が少なく、応答性と精度が高い圧縮機に関する。

【０００２】

【従来の技術】圧縮機の基本的な機能は気体を吸入して
圧縮し、吐出することである。圧縮した気体（以下、被
圧縮気体と称する。空気である場合が多いが、化学プラ
ント用などで他の気体を圧縮することもある。）の吐出
圧力は一定であることが望ましいが、その使用量が刻々
変化することが多いので一定に保つことは次に述べるよ
うに難しい。例えば、被圧縮気体の使用量が一定で持続
し吐出圧力が目的の値に一致している定常状態から使用
量が急に増加した場合には圧縮機の吐出容量が不足し吐
出圧力が低下するし、逆に使用量が減少した場合には被
圧縮気体が余剰となり吐出圧力が高くなってしまう。旧
来は圧縮機の吐出圧力は精密に一定値にせずとも、ある
圧力幅の範囲内での変動は許されてきた。しかし、最近
は吐出圧力精度向上の要求があり、また省エネルギの観
点から必要以上の圧縮は望ましくないという傾向にあ
る。よって、圧縮機は被圧縮気体の使用量に応じて吐出
量を加減する能力を持つこと、すなわち、可変容量で、
なおかつ吐出圧一定の制御が可能であることが望まれて
いる。

【０００３】従来の圧縮機では、吐出端に設けた被圧縮
気体容器（被圧縮気体が空気である場合には空気槽と呼
ばれる）を経由して被圧縮気体を外部に供給し、その容
器の内部圧力が設定下限値を割ったら圧縮機を起動さ
せ、設定上限値を越えたら圧縮機を停止させるオンオフ
制御を採用している。この方法は簡単なので広く普及し
ているが、吐出圧力の変動幅が大きいので、精密な吐出
圧力が要求される用途には使用困難である。また、被圧
縮気体容器は概して大きく場所をとるという欠点があ
る。

【０００４】吐出圧力を一定に保つために、吐出容量を
制御する手段として、特開昭55−164792号公報にはイン
バータによりスクリュー圧縮機の回転数を制御し容量を
可変とする方法が示されている。本公知例では負荷デー
タ検出センサで負荷量を検出し、フィードバック制御に
利用する方法について具体的に述べられている。負荷デ
ータ検出センサは圧縮機本体の温度，圧力等のデータを
読み取り、制御回路にデータを転送すると述べられてい
る。しかし、圧力一定制御の実現方法については圧縮機
本体での状態量について言及され、被圧縮気体の使用位
置である吐出配管末端での吐出圧力検出については述べ
られていない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】被圧縮気体を使用する
のは圧縮機のすぐ近くとは限らず、ある程度の長さを持
った吐出配管を経て被圧縮気体を送り、その末端で使わ
れる場合が多い。吐出配管は流体力学的に流路抵抗であ
り、圧力損失が生じるので、圧縮機吐出直後の被圧縮気
体の圧力と使用位置である配管末端での圧力には差が生
じる。したがって、圧縮機側で吐出圧力を目的の値に一
定に制御しても、使用位置である末端では減圧してしま
い、目的の値より低くなってしまうという問題点があっ
た。この減圧量は吐出量や温度にも依存するので予め一
定値を見込んで吐出直後の圧力を高く設定しておくこと
も意味がない。

【０００６】また、吐出配管は流体力学的に容積を持っ
た容器でもあり被圧縮気体の使用量の変化があった場合
に圧力波が末端から圧縮機に到達するのに時間がかかっ
てしまう。したがって急な負荷の変動に対する迅速な応
答が無理であるという問題があった。

【０００７】この現象を詳述する。例えば、被圧縮気体
の使用量が増加したとすると、気体の供給はそのままな
ので使用位置での圧力が低下する。圧力の低下は下流か
ら吐出配管を遡り、ある時間の後に圧縮機にたどりつ
く。その時点でセンサに感知される。センサからデータ
を受けて制御回路は圧縮機の回転数を上げるよう指令
し、吐出量を増加させる。それにより回復した吐出圧力
が圧縮機から送り出されて配管を伝わり、ある時間の後
に使用位置に到達して圧力が回復する。この間、使用位
置での圧力は低下したままであるので、それだけ応答が
遅い制御系であり、迅速な対応が不可能である。また、
被圧縮気体の使用量に頻繁な変動があると、圧力が回復
した時には使用量が減少していてかえって圧力が高くな
ってしまうなど、の問題がある。これは発振する可能性
のある不安定な制御系となりやすいことを意味しており
大きな問題点である。

【０００８】本発明の目的は、長い吐出配管の末端付近
である使用位置での被圧縮気体の吐出圧力を精密に一定
値に維持できる可変容量形圧縮機を提供することにあ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は以下の手段を用いる。すなわち、圧縮機から
引き出した吐出管路の延長上のなるべく被圧縮気体の使
用位置に近い末端付近に内部を流れる被圧縮気体の圧力
検出手段を備える。そしてその検出手段の出力を圧縮機
内部の制御装置へ送る配線がなされる。制御装置は前記
検出手段などからの情報を取り込むインタフェースや必
要なデータを記憶，再生する記憶手段を備えたものとす
る。また、制御装置の出力インタフェースは圧縮機本体
の容量を増減する手段の指令入力へ接続される。

【００１０】また、前記吐出配管の末端近くに設けた圧
力検出手段に代えて、圧縮機内部に圧縮後の被圧縮気体
の圧力検出手段と流量検出手段の両方を備えてもよい。
その場合にはそれら両方の検出手段の出力を各々制御装
置へ送る配線がなされる。流量検出手段はオリフィス
式，タービン式，熱線式などの流路抵抗の少ない一般的
な流量計を用いてもよい。圧縮機内部には被圧縮気体が
圧縮で高温になったのを冷却するための熱交換器が設け
られている場合が多く、その場合には熱交換器自体の流
路抵抗を活用して熱交換器の入口と出口の圧力差から流
量を演算して流量検出手段として利用することもでき
る。

【００１１】

【作用】被圧縮気体の使用量が一定の時には制御装置は
それにみあった回転数を指令し、圧縮機本体は指令され
た量の気体を圧縮し、それが吐出配管を通り使用位置ま
で送られる。使用位置での圧力は圧力検出手段によりモ
ニタされている。

【００１２】次に、被圧縮気体の使用量が増加したとす
る。使用位置での被圧縮気体の圧力は低下し圧力検出手
段に感知される。その情報はすぐに制御装置に送られ
る。制御装置はその情報から判断して吐出量の増加を指
令する。圧縮機本体が吐出量を増加すると、まず、圧縮
機の吐出直後の被圧縮気体の圧力がすぐに増加し回復す
る。その圧力は圧力波として吐出配管を伝わり、末端ま
で至り使用位置での圧力が回復する。圧力検出手段から
制御装置までの情報伝達時間は吐出配管を伝わる圧力に
比較して格段に速いので、被圧縮気体の使用量の変化に
対する応答は従来に比較して速い。

【００１３】また、吐出配管延長上の圧力検出手段に代
えて、圧縮機内部に圧力検出手段と流量検出手段の両者
を備えた場合には、次のように作用する。吐出配管の流
路抵抗をあらかじめ別な手段、例えば、実測や計算で求
めておく。被圧縮気体の吐出直後の圧力と流量を上記両
検出手段によって得られれば、吐出配管の流路抵抗のデ
ータを加えて、吐出配管末端での圧力を演算によって導
くことができる。この演算値を吐出配管延長上の圧力検
出手段の検出値に代えて上記した制御に用いることがで
きる。

【００１４】

【実施例】以下、図１を用いて、本発明の第１の実施例
を説明する。

【００１５】図１は本実施例の可変容量空気圧縮機の系
統図である。圧縮機１は圧縮機本体２といくつかの補機
から構成される。圧縮機本体２はスクリュー式，スクロ
ール式などの容積形圧縮機で、回転速度に比例して吐出
容量を増減できる。圧縮機本体２は回転動力を電動機３
によって供給されて動作し、空気を吸入口８から吸い込
み、圧縮した後に吐出口９から吐き出す。電動機３はイ
ンバータ４から三相交流を供給されて回転する。インバ
ータ４は圧縮機１内部の制御回路５からの速度指令値を
受けて、外部から供給される商用交流電力６を指令され
た周波数と電圧に変換して出力できる。

【００１６】圧縮機本体２の吐出口９には吐出配管７が
接続され、外部まで長く引き出されている。吐出配管７
の末端には調整弁１０が備えられ、さらに下流に接続す
る圧縮空気使用機器（図示せず）の使用空気量を調整す
る。吐出配管７のつけ根である圧縮機１内部には副圧力
センサ１１が、同じ吐出配管７の調整弁１０近くに主圧
力センサ１２が備えられる。両者の出力はそれぞれ電気
信号として制御装置５に送られるように配線する。ま
た、同配線は制御装置５から両圧力センサに電力を供給
するのにも用いられる。

【００１７】本実施例の空気圧縮機は以下のように動作
する。

【００１８】起動時は制御装置５の指令でインバータ４
が出力電力の周波数と電圧を徐々に増加させる。それに
ほぼ比例して電動機３とそれに直結した圧縮機本体２の
回転速度も増し、圧縮が開始され徐々に吐出量が増加す
る。吐出量が空気使用量に近づくと吐出配管７内部の圧
力が次第に上昇する。その圧力が主圧力センサ１２によ
って検出されて制御装置に送られると加速が徐々に抑制
されはじめ、目的圧力に到達して起動動作が完了する。

【００１９】圧縮機稼働中の使用空気量の変動に対して
は次のように制御系が動作する。使用空気量が一定であ
る定常状態から調整弁１０がより開けられて使用空気量
が増すと吐出配管７に入る空気よりも出る空気の方が多
くなるので一時的に吐出配管７内部の圧力が下降する。
主圧力センサ１２によって吐出圧力は常に監視されてお
り、圧力降下が起きるとすぐに制御装置５にそのデータ
が送られる。制御装置５は受け取ったデータに基づいて
圧縮機容量の増加と増加すべき量を判断しインバータ４
にそれにみあった加速を指令する。指令によるインバー
タ４の出力電力の周波数増加に伴い電動機３と圧縮機本
体２の回転速度が増加し、それに比例して吐出量も増加
する。吐出配管７に流れ込む空気量が増加するので、内
部圧力は上昇し目的とする値に回復する。この回復に要
する時間は主圧力センサ１２が圧縮機２内部にある場合
に比較して吐出配管７の中を圧力波が遡る時間だけ短
い。

【００２０】逆に、空気使用量が定常状態から減少した
場合には上記動作と逆に制御される。吐出圧力が目的値
よりも上昇すると、圧縮機本体２の回転速度ならびに吐
出量が抑制され、一時的に超過した吐出圧力が減少し目
的値に回復する。

【００２１】副圧力センサ１１は以上述べた閉ループ制
御系に対して補助的な働きをする。例えば、何らかの原
因で吐出配管７の途中が詰まってしまい流路抵抗が増加
した場合に、吐出口９付近の圧力が異常に高くなること
を察知し、回転速度を強制的に落して危険を回避する。
また、使用空気量が周期的に変化する場合には圧力セン
サ１２の検出値と比較することによって、発振を防止で
きる。また、主圧力センサ１２は圧縮機１の外部に設け
られるため、配線が断線する可能性が高い。そこで主圧
力センサ１２からの信号が途絶したと制御装置５が判断
したときには副圧力センサ１１が代わって吐出圧力を検
出し、制御性は劣るが応急運転することができる。

【００２２】本実施例によれば、圧縮空気の使用位置に
近い吐出配管７の末端で圧力一定に制御されるので、使
用空気量によらず圧力の安定した圧縮空気を供給するこ
とができる。また、使用空気量に変化があった場合にも
速やかに吐出量が応答し、圧力の安定性もよい。さらに
圧力センサが二つあることで、万一の検出信号途絶など
の場合にも対処可能で信頼性の高い圧縮機とすることが
できる。

【００２３】以下、図２を用いて、本発明の第２の実施
例を説明する。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。

【００２４】図２は本実施例の可変容量空気圧縮機の系
統図である。圧縮機１内部の吐出配管７には圧力センサ
２１と流量センサ２２が設けられる。流量センサ２２は
オリフィス式，タービン式，熱線式などの流路抵抗の少
ない一般的な流量計なら形式を問わない。吐出配管７の
末端に備えられた調圧弁１０の下流側には圧縮空気を消
費する圧縮空気使用機器（図示せず）が配管接続され
る。吐出配管７の上流側の近傍には一時的に外部圧力セ
ンサ２３を付加することができる。外部圧力センサ２３
の出力は電気信号として外部配線２４を経て制御装置５
に至る。外部配線２４は外部圧力センサ２３と圧縮機１
の表面に設けられたコネクタ２５とを相互に接続する。

【００２５】本実施例では圧縮機１の据付けと吐出配管
７の設置完了時に吐出配管７の流路抵抗測定を行ってお
く。この時は外部圧力センサ２３を取付け、外部配線２
４も接続する。制御装置５を「流路抵抗測定モード」に
設定し、調整弁１０を徐々に全閉から開放にすると空気
流量は次第に増加する。この時、圧力センサ２１と外部
圧力センサ２３の検出値の差、すなわち、吐出配管７の
両端部の差圧が求められる。流量センサ２２の出力とこ
の差圧から吐出配管７の流路抵抗が計算され、これは流
路抵抗データとして制御装置５内部に記憶される。圧力
センサ２１，流量センサ２２や外部圧力センサ２３には
温度センサを付属させてもよく、その場合には温度条件
も同時に求められるので流路抵抗データの精度が向上す
る。また、吐出配管７の断面形状や配管が単純な場合に
は上記の流路抵抗測定の手順によらず、計算のみで概略
値を導くことができるので、その値を制御装置に直接入
力する方法もある。

【００２６】圧縮機１の通常の使用時には外部圧力セン
サ２３と外部配線２４を取り去ってよい。圧縮機１を
「運転モード」として動作させる。圧縮機本体２の吐出
口９より出た圧縮空気は流量センサ２２を通り、圧力セ
ンサ２１で圧力を検出された後、吐出配管７を経て使用
位置へ送られる。使用位置である調整弁１０付近での圧
力はそこに圧力センサが無くても、圧縮機１内部の圧力
センサ２１と流量センサ２２の検出値ならびにあらかじ
め取って記憶しておいた吐出配管７の流路抵抗データか
ら演算で導かれる。この演算による吐出圧力が一定にな
るように圧縮機本体２の回転速度が制御される。

【００２７】本実施例によれば設置時の初期設定を除い
て圧縮機１の外部にセンサを必要としないにもかかわら
ず、圧縮機１から離れた使用位置での吐出圧力を一定に
制御することができる。また、圧縮機１から外部に伸び
る配線が無いため、その断線の心配が無い。

【００２８】以下、図３を用いて、本発明の第３の実施
例を説明する。なお、第１，２の実施例と共通する部分
については説明を省略する。

【００２９】図３は本実施例の可変容量空気圧縮機の系
統図である。第２の実施例の流量センサ２２の具体例と
して、熱交換器３１の入口と出口の差圧を検出する差圧
センサ３２が備えられる。熱交換器３１は圧縮熱で高温
になった圧縮空気を冷却する目的で一般の空気圧縮機に
は備えられていることが多く、新たに設ける必要はな
い。熱交換器３１は空気流路が狭く長いので流路抵抗は
一般の吐出配管に比較して大きい。そのため、オリフィ
スやノズルのように差圧の検出は比較的容易である。制
御装置５には差圧センサ３２の出力を流量に換算するた
めの演算が組み込まれる。

【００３０】本実施例の制御動作は第２の実施例と同一
であるが、流量の検出は以下のとおりである。流量が少
ない時には熱交換器３１による圧力降下は少なく、差圧
センサ３２の出力は小さい。流量が多い時には熱交換器
３１による圧力降下が多く、差圧センサ３２の出力は大
きい。差圧センサ３２の出力値は制御装置５の内部でハ
ード的な電気回路による演算、もしくはソフト的なデジ
タル数値演算されて流量が導かれる。その値と圧力セン
サ２１の検出値、それに吐出配管７の流路抵抗データを
用いて配管末端での圧力が演算され、その値を一定に保
つように圧縮機本体２の容量が制御される。

【００３１】本実施例によれば、流量センサを特に設け
ずとも、差圧センサ３２がその役目を担うので圧縮機１
内部の補機の簡素化が図れる。

【００３２】以下、図４を用いて、本発明の第３の実施
例を説明する。なお、第１〜３の実施例と共通する部分
については説明を省略する。

【００３３】図４は本発明による可変容量空気圧縮機の
系統図である。圧縮機本体２の吐出口９と熱交換器３１
の間には空気槽４１が挿入される。空気槽４１は単なる
圧力容器であっても、あるいは油分離器を兼ねたもので
あってもよい。空気槽４１の内圧を検出する目的で圧力
センサ４２を設ける。また、電動機３ならびに圧縮機本
体２の回転速度を検出するために回転速度センサ４３が
回転軸に設けられる。回転速度センサ４３はタコジェネ
レータやパルスカウンタなど形式を問わないが応答の速
いものが好適である。

【００３４】本実施例では吐出流量を第３の実施例と同
様に熱交換器３１の両側の圧力差によって検出する。制
御装置５は圧力センサ４２と圧力センサ２１の検出値の
差をとり、それを差圧として流量を演算する。

【００３５】本実施例では制御工学における状態変数で
ある電動機３と圧縮機本体２の回転速度とそれに比例し
た吐出量、圧力容器４１の内圧、熱交換器３１を通る流
量のすべてが検出可能である。そのため制御特性を設計
する自由度が高く、応答性，安定性，精度のいずれかが
特に優れた制御系やこれら３者がバランスよく組み合わ
された制御系を実現することができる。

【００３６】

【発明の効果】本発明による可変容量形圧縮機は被圧縮
気体の吐出圧力を吐出配管の末端である使用位置におい
て精密に一定に維持できる。また、被圧縮気体の使用量
に変化があった時にも応答速度が速く安定した制御系を
持つ可変容量形圧縮機を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の系統図。

【図２】本発明の第２の実施例の系統図。

【図３】本発明の第３の実施例の系統図。

【図４】本発明の第４の実施例の系統図。

【符号の説明】

１…圧縮機、２…圧縮機本体、３…電動機、４…インバ
ータ、５…制御回路、６…商用交流電力、７…吐出配
管、８…吸入口、９…吐出口、１０……調整弁、１１…
圧力センサ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】吐出圧力をほぼ一定に保ちながら単位時間
   当たりの被圧縮気体の吐出量を変える機能を有する圧縮
   機において、前記圧縮機から引き出した吐出管路の延長
   上に内部を流れる被圧縮気体の圧力検出手段と、前記圧
   力検出手段の検出値を前記圧縮機に帰還する情報伝達手
   段を備え、前記検出値を利用し前記圧縮機の吐出量を加
   減する機能を持つ制御装置を内部に備えたことを特徴と
   する可変容量形圧縮機。