JPWO2017212623A1 - 空気圧縮機 - Google Patents

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Abstract

本発明は、圧縮空気中の水分の凝縮に配慮することにより信頼性を向上させた空気圧縮機を提供する。本発明は、圧縮機本体と、吸込空気を圧縮する前記圧縮機本体の圧縮室と、該圧縮室に潤滑油を供給する給油口と、前記圧縮室から吐出された圧縮空気と潤滑油を分離する油分離器と、前記給油口に供給する潤滑油の温度を調節する油温度調節手段と、該油温調節手段を制御する制御手段と、前記吸込空気の温度を検知する吸込空気温度検知手段と、前記吸込空気の湿度を検知する吸込空気湿度検知手段とを備え、前記吸込空気温度検知手段と前記吸込空気湿度検知手段の検知情報に基づいて前記油温度調節手段を制御する。

Description

本発明は、空気圧縮機に関する。
油冷式空気圧縮機の従来技術には、例えば特開2014−88876号公報(特許文献1)がある。特許文献1の要約欄には、「圧縮機要素部の圧縮室に注入弁から液体が注入される液体注入式圧縮機要素部の冷却方法であって、この圧縮機要素部の圧縮室に注入される液体の量を、他の可能な調整装置に関係なく、特定の制御パラメータに応じて制御するステップを含むことを特徴とする方法」が開示されている。
特開2014−88876号公報
一般に、圧縮室内の空気は、圧縮作用により圧力が上昇し、それに伴って温度が上昇するだけでなく、空気中の水分が凝縮する温度である露点温度も上昇する。このため、露点温度以下の潤滑油を圧縮室に供給すると、圧縮空気中の水分が凝縮し、潤滑油の信頼性を低下させる原因になる。
特許文献1に開示の空気圧縮機では、圧縮空気出口温度を低温に保つことはできるものの、圧縮室に供給する油温に対する配慮がなされていないために、圧縮室内における水分の凝縮に起因する錆の発生、油膜破断、潤滑油の酸化劣化等によって、例えば圧縮機の軸受の信頼性上の問題が生じることがあった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、圧縮空気中の水分の凝縮に配慮することにより信頼性の高い空気圧縮機を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、圧縮機本体と、吸込空気を圧縮する前記圧縮機本体の圧縮室と、該圧縮室に潤滑油を供給する給油口と、前記圧縮室から吐出された圧縮空気と潤滑油を分離する油分離器と、前記給油口に供給する潤滑油の温度を調節する油温度調節手段と、該油温調節手段を制御する制御手段と、前記吸込空気の温度を検知する吸込空気温度検知手段と、前記吸込空気の湿度を検知する吸込空気湿度検知手段とを備え、前記吸込空気温度検知手段と前記吸込空気湿度検知手段の検知情報に基づいて前記油温度調節手段を制御することを特徴とする。
本発明によれば、吸引空気の温湿度に基づいて空気圧縮機を運転するので、圧縮空気中の水分の凝縮を抑制または低減でき、信頼性の高い空気圧縮機を提供することができる。
本発明の実施形態に係る空気圧縮機の構成を表す図である。 本発明の実施形態に係る空気圧縮機の制御を表すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る空気圧縮機の運転モードを表す図である。 本発明の実施形態に係る空気圧縮機の制御状態を表すタイムチャートである。 圧縮空気の露点温度と圧力の関係を表す図である。 本発明の第二の実施形態に係る空気圧縮機の構成を表す図である。 本発明の第二の実施形態に係る空気圧縮機の制御を表すフローチャートである。 本発明の第三の実施形態に係る空気圧縮機の構成を表す図である。 本発明の第三の実施形態に係る空気圧縮機の制御を表すフローチャートである。 本発明の第四の実施形態例に係る空気圧縮機の構成を表す図である。 本発明の第四の実施形態例に係る空気圧縮機の潤滑油温度制御を表すフローチャートである。
以下、本発明に係る実施形態例について適宜図面を参照して説明する。
以下、本発明に係る第一の実施形態例について図1〜図5を参照しながら説明する。
図1は本実施形態例の空気圧縮機の構成図である。図1に示す通り空気圧縮機1は、圧縮機本体10、油分を分離する油分離器20、吐出空気を冷却する吐出空気冷却用熱交換器21、潤滑油を冷却する油冷却用熱交換器22、吐出空気冷却用熱交換器21と油冷却用熱交換器22に通風する回転数可変の送風機23を備えている。
空気圧縮機1は、圧縮機本体10の圧縮室10a内に大気を吸引して圧縮し、高温高圧空気(例えば、80℃、0.8MPa程度)を生成する。圧縮機本体10は、回転数可変のモータ10bと、モータ10bの動力を伝達する軸の軸受部10cを備えている。軸受部10cには軸受部給油口10dが、圧縮室10aには圧縮室給油口10eがそれぞれ備えられており、潤滑油が供給される。圧縮空気は潤滑油とともに吐出され、吐出流路24(図1中に太い実線で示す流路)を介して油分離器20に至り、空気と油に分離される。なお、空気と油は必ずしも完全に分離されている必要はなく、空気に所定値以下の油が混ざっていても良い。油分が分離された空気は、空気流路25(図1中に細い実線で示す流路)に入り、吐出空気冷却用熱交換器21に至る。圧縮空気は、吐出空気冷却用熱交換器21において、送風機23の駆動により形成される気流50(図1中に矢印で示す気流)によって大気と熱交換して使用温度域まで冷却され、空気圧縮機1の機外へ送られる。
一方、油分離器20で分離された潤滑油(本実施例では、一般的な圧縮機用の油を用いる)は、油流路26(図1中に一点鎖線で示す流路)に入り、油冷却用熱交換器22に至る。潤滑油は、油冷却用熱交換器21において、送風機23の駆動により形成される気流によって大気と熱交換して冷却された後に、軸受部給油口10d、圧縮室給油口10eから軸受部10cと圧縮室10aに給油される。
本実施形態例の空気圧縮機1は、吸込空気の温度(T1)を検知する吸込空気温度センサ31、吸込空気の湿度(H1)を検知する吸込空気湿度センサ32を備えており、CPU、ROMやRAM等のメモリ、インターフェース回路等を搭載した図示しない制御基板(制御手段)と接続されている。圧縮機本体10のモータ10bのON/OFFや回転速度制御、送風機23のON/OFFや回転速度制御はROMに予め搭載されたプログラムにより制御手段から行われる。
図2は本実施形態例の空気圧縮機の潤滑油温度制御を表すフローチャートである。このフローチャートは、空気圧縮機1全体の動作を制御するメインプログラム(不図示)のサブルーチンとして実行されるものである。
本実施形態例の空気圧縮機1では、図2に示す制御フローにより圧縮室給油口10eに供給する潤滑油の温度が制御される。具体的には、まず吸込空気温度T1と、吸込空気湿度H1を検知し(ステップS101)、続いて検知した吸込空気温度T1と、吸込空気湿度H1に基づいて運転モード(後述)が選定される(ステップS102)。次に現在の運転モードと選定された運転モードが一致しているか否かが判定される(ステップS103)。運転モードが一致している場合(Yes)、潤滑油温度制御処理を終了しメインプログラムに戻る。一方、運転モードが一致していない場合(No)、ステップS102で選定された運転モードにモードが変更され、潤滑油温度制御処理を終了しメインプログラムに戻る。
図3は本実施形態例の空気圧縮機の運転モードを表す図である。図3に示す通り、本実施形態例の空気圧縮機1は、吸込空気温度T1と吸込空気湿度H1に基づいて運転モードが選定される。吸込空気温度T1、吸込空気湿度H1がそれぞれ高温、高湿の場合は、圧縮機本体1を低速、送風機23を低速で駆動する「モード1」が選定される。吸込空気温度T1と吸込空気湿度H1がそれぞれ低温、高湿の場合は、圧縮機本体1を高速、送風機23を低速で駆動する「モード2」が選定される。また、吸込空気温度T1によらず吸込空気湿度H1が低湿の場合は圧縮機本体1を高速、送風機23を高速で駆動する「モード3」が選定される。
なお、本実施形態例の空気圧縮機1においては、吸込空気温度T1が30℃以上を高温、30℃未満を低温、吸込空気湿度H1が相対湿度80%以上を高湿、相対湿度80%未満を低湿としている。また、圧縮機本体10(モータ10b)は高速時6000min−1、低速時4000min−1、送風機23は高速時2000min−1、低速時1000min−1で駆動される。なお、吸込空気の温度として30℃、湿度として80%を基準としたのは、実使用環境を考慮して設定した一例であり、必ずしもこれに限定されるものではない。
図4は本実施形態例の空気圧縮機の制御状態を表すタイムチャートである。図4に示す通り、時間t1以前においては、吸込空気温度T1が閾値Tth(本実施形態例の空気圧縮機1ではTth=30℃)より高い高温の状態、吸込空気湿度H1が閾値Hth(本実施形態例の空気圧縮機1ではHth=80%(相対湿度))より低い低湿の状態となっているので、運転は「モード3」が選定され、潤滑油温度は低い温度で保たれている。時間t1において、吸込空気温度T1は高温状態で維持されているが、湿度がHthに達しているので、吸込空気温度T1が高温、吸込空気湿度H1が高湿状態における運転モード「モード2」が選定され(図2のステップS102)、「モード2」による運転に切り替わる(ステップ103、ステップ104)。「モード2」による運転に切り替わったことにより図4上段に示すように、油冷却用熱交換器22における熱交換量が低下するので潤滑油温度が上昇する。
圧縮機本体10に給油された潤滑油は、圧縮機本体10における圧縮機構の摩擦熱や、圧縮により温度が上昇する空気からの熱で加熱されることで、温度が上昇して吐出される。潤滑油の温度上昇の度合いは圧縮機本体10の回転速度(回転数)に依存し、給油状態が同等であれば高速(高回転)であるほど温度上昇が大きくなる。一方、圧縮機本体1で温度が上昇した潤滑油は、油分離器20で分離された後に、油冷却用熱交換器22で冷却されるが、この冷却の度合いは、送風機23の回転速度(回転数)、換言すると送風量に依存し、高速(高回転)であるほど冷却(温度の低下)が促進される。すなわち、圧縮室10eから圧縮機本体1に給油される潤滑油の温度は、圧縮機本体(第一の油温度調節手段)10と、油冷却用熱交換器22に送風する送風機(第二の油温度調節手段)23により制御される。なお、送風機23を一定速とした場合、圧縮機本体1への導入空気量を弁等で制御することで、送風量を調整する構成であっても良い。
図5は、吸込空気(ここでは大気圧下で30℃の空気)が断熱圧縮された場合の温度変化と、露点温度の変化を示す図である。図5中に破線で示すように、大気圧下(0.1MPa)で30℃の空気を0.8MPaまで断熱圧縮すると温度は約275℃まで上昇する。このとき、露点温度も同時に上昇する。例えば、図5中に示すように、大気圧下で30℃、相対湿度50%の空気は、露点温度が約18℃から約57℃に上昇し、30℃、相対湿度95%の空気は、露点温度が約29℃から約71℃に上昇する。このように吸込空気の温度が同じであっても湿度が高いほど圧縮過程における露点も高くなるため、圧縮室10aに露点温度以下の潤滑油を供給すると、圧縮空気中の水分が凝縮し、錆の発生、油膜破断、潤滑油の酸化劣化等の信頼性低下の要因になる。
したがって本実施形態例の空気圧縮機1では、吸込空気温度T1と吸込空気湿度H1を検知して、その検知情報に基づいて油温調節手段(本実施例では圧縮機本体1の回転数と送風機23の送風量)を制御するようにしている。これにより、圧縮空気中における水分の凝縮による信頼性低下が起こりやすい状態を見極めて、油温調節手段を制御することができるため、錆の発生、油膜破断、潤滑油の酸化劣化等が起こり難い信頼性が高い空気圧縮機を提供できる。
本実施形態例の空気圧縮機1では、圧縮機本体(第一の油温度調節手段)10と、油冷却用熱交換器22に通風する送風機(第二の油温度調節手段)23と、の二つの油温調節手段を備えている。これにより、よりきめ細かい制御が実現でき、錆の発生、油膜破断、潤滑油の酸化劣化等が起こり難い信頼性が高い空気圧縮機を提供できる。
また、本実施形態例の空気圧縮機1では、吸込空気温度T1がほぼ一定の場合、吸込空気湿度H1の上昇に伴って、 潤滑油の温度が上昇するように油温調節手段(圧縮機本体1の回転速度と送風機23の回転速度)を制御する(モード3からモード1、または、モード3からモード2に運転モードを切り替える)。これにより、圧縮空気中における水分の凝縮に起因する錆の発生、油膜破断、潤滑油の酸化劣化等が起こり難い信頼性が高い空気圧縮機としている。
また、本実施形態例の空気圧縮機1では、吸込空気湿度(相対湿度)H1がほぼ一定の場合、吸込空気温度T1の上昇に伴って、潤滑油の温度が上昇するように油温調節手段(圧縮機本体1の回転速度と送風機23の回転速度)を制御する(モード2からモード1に運転モードを切り替える)。これにより、圧縮空気中における水分の凝縮に起因する錆の発生、油膜破断、潤滑油の酸化劣化等が起こり難い信頼性が高い空気圧縮機となる。
以下、本発明に係る第二の実施形態例について図6及び図7を参照しながら説明する。第一の実施形態例と同一機能部品については、同一符号を付すことで重複説明を省略する。
図6は、第二の実施形態例の空気圧縮機の構成を表す図である。図6に示す通り、本実施形態例の空気圧縮機1は、油冷却用熱交換器22から圧縮室給油口10eに至る経路に油温度センサ34を備えている。また、吐出空気冷却用熱交換器21への通風用の回転数可変の送風機23aと、油冷却用熱交換器22に通風する回転数可変の送風機23b(油温調節手段)をそれぞれ備えており、それぞれ独立に制御できるようにしている。吐出空気冷却用熱交換器21には送風機23aの駆動により気流50a(図6中の右から上に向かう矢印で示す気流)が形成され、油冷却用熱交換器22には送風機23bの駆動により気流50b(図6中の右から下に向かう矢印で示す気流)が形成される。
図7は、第二の実施形態例の空気圧縮機の潤滑油温度制御を表すフローチャートである。このフローチャートは、空気圧縮機1全体の動作を制御するメインプログラム(不図示)のサブルーチンとして実行されるものである。
本実施形態例の空気圧縮機1は、図7に示す制御フローにより圧縮室給油口10eに供給する潤滑油の温度を制御する。図7に示す通り、本実施形態例の空気圧縮機1は、吸込空気温度T1と、吸込空気湿度H1を検知し(ステップS201)、その検知情報に基づいて、潤滑油目標温度Tgoalを算出する(ステップS202)。なお、本実施形態例の空気圧縮機1では、圧縮室給油口10eが設置される位置の圧力における露点温度(Tsat)を算出(推定)して潤滑油目標温度Tgoalとする。例えば、Tgoal=Tsat+ΔTとして、安全定数(ΔT)を加えて潤滑油目標温度Tgoalを算出する。
次に潤滑油温度T3と目標温度Tgoalの差が5℃より小さいか否かが判定される(ステップS203)。ステップS203が成立している場合(Yes)、続いて潤滑油温度T3と目標温度Tgoalの差が2℃より大きいか否かが判定される(ステップS204)。ステップS204が成立している場合(Yes)は潤滑油温度制御処理を終了しメインプログラムに戻る。なお、ステップS203の5℃、ステップS204の2℃の基準温度は一例であって、特にこれに限定するものではない。
ステップS203が成立していない場合(No)は、続いて送風機23bの回転数が上限回転数に到達しているか否かが判定される(ステップS250)。ちなみに、本実施形態例の空気圧縮機1では、送風機23bの上限回転数は3000min−1である。ステップS250で送風機23bの回転数が上限に達していると判定された場合(Yes)、続いて、圧縮機本体10(モータ10b)の回転数が下限回転数に到達しているか否かが判定される(ステップS251)。ちなみに、本実施形態例の空気圧縮機1では、圧縮機本体10の下限回転数は2000min−1である。ステップS251で圧縮機本体10の回転数が下限回転数に到達していると判定された場合(Yes)、空気圧縮機1は運転を停止(圧縮機本体10、送風機23a、23bを停止)して(ステップS252)、潤滑油温度制御処理を終了しメインプログラムに戻る。この場合、外気温度が高温であること等が想定されるので、異常の報知等を行う。なお、上述の送風機23bの上限回転数3000min−1、圧縮機本体10(モータ10b)の下限回転数2000min−1は一例であって、特にこれに限定するものではない。
ステップS251で圧縮機本体10の回転数が下限回転数に到達していないと判定された場合(No)、圧縮機本体10の回転数が低減され(ステップS253)、ステップS203に戻る。ステップS250で送風機23bの回転数が上限に達していないと判定された場合(No)、送風機23bの回転数が増加され(ステップS254)、ステップS203に戻る。
ステップS204が成立していない場合(No)、続いて送風機23bが停止しているか否かが判定される(ステップS260)。ステップS260が成立している場合(Yes)、潤滑油温度制御処理を終了しメインプログラムに戻る。ステップS260が成立していない場合(No)、送風機23bの回転数が低減され(ステップS261)、ステップS204に戻る。ちなみに、本実施形態例の空気圧縮機1では、送風機23bの下限回転数は500min−1であり、ステップS260において500min−1であった場合には、ステップS261で送風機23bは停止する。なお、送風機23bの下限回転数500min−1は一例であり、これに限定されるものではない。
なお、本実施形態例の空気圧縮機1ではステップS253、S254、S261における操作量は、潤滑油温度T3と目標温度Tgoalの偏差と、潤滑油温度T3と目標温度Tgoalの偏差の時間積分にあらかじめ定めた定数を乗ずることにより求める。
以上のように、本実施形態例の空気圧縮機1は、吸込空気温度T1と吸込空気湿度H1とともに、潤滑油温度T3を検知して潤滑油の温度制御を行っている。これにより、よりきめ細かく潤滑油温度T3を制御できるようになるので、圧縮空気中における水分の凝縮に起因する錆の発生、油膜破断、潤滑油の酸化劣化等が起こり難い信頼性が高い空気圧縮機を提供することができる。
本実施形態例の空気圧縮機1は、吐出空気冷却用熱交換器21への通風用の送風機23aと、油冷却用熱交換器22に通風する送風機23b(油温調節手段)をそれぞれ備えており、吐出空気冷却用熱交換器21と油冷却用熱交換器22への送風を独立に制御できるようにしている。これにより、吐出空気を所望の温度域に冷却するための温度制御と、潤滑油の温度制御を両立しやすくなるので、圧縮空気中における水分の凝縮に起因する錆の発生、油膜破断、潤滑油の酸化劣化等が起こり難い信頼性が高い空気圧縮機となる。
本実施形態例の空気圧縮機1は、吸込空気温度T1と吸込空気湿度H1に基づいて潤滑油目標温度Tgoalを算出するステップ(ステップS202)と、潤滑油温度T3と潤滑油目標温度Tgoalを比較するステップ(ステップS203、S204)と、潤滑油温度T3と潤滑油目標温度Tgoalの偏差を解消するように潤滑油温度制御手段を制御するステップ(ステップS252、S253、S254、S261)を備えている。これにより、吸込空気温度T1と吸込空気湿度H1が変化した場合に、よりきめ細かく潤滑油温度T3を追従させることができ、圧縮空気中における水分の凝縮に起因する錆の発生、油膜破断、潤滑油の酸化劣化等が起こり難い信頼性が高い空気圧縮機となる。
本実施形態例の空気圧縮機1は、潤滑油温度T3が潤滑油目標温度Tgoalに対して所定値以上高い場合に(ステップS203)、送風機23bの回転数を上げる(ステップS254)、あるいは、圧縮機本体10の回転数を下げる(ステップS253)ように制御する。これにより潤滑油温度を低下させることができるので、水分の凝縮を抑制または低減して信頼性を確保しつつ、圧縮過程における空気の冷却を促進でき圧縮機の効率を高めることができる。
本実施形態例の空気圧縮機1は、圧縮室給油口10eが設置される位置の圧力における露点温度を潤滑油目標温度Tgoalとしている。図5に示す通り圧縮過程で空気の露点温度は上昇するので、圧縮室給油口が設置さられる位置の圧力によって露点温度は異なる。そこで、本実施形態例の空気圧縮機1では、圧縮室給油口10eが設置される位置における露点温度を算出(推定)し、潤滑油目標温度Tgoalとすることで、より確実に水分の凝縮を抑制でき、錆の発生、油膜破断、潤滑油の酸化劣化等が起こり難い信頼性が高い空気圧縮機となる。
以下、本発明に係る第三の実施形態例について図8及び図9を参照しながら説明する。第一及び第二の実施形態例と同一機能部品については、同一符号を付すことで重複説明を省略する。
図8は、第三の実施形態例の空気圧縮機の構成を表す図である。図8に示す通り、本実施形態例の空気圧縮機1は、油分離器20の下流側で、油冷却用熱交換器22に向かう流路26aと、油冷却用熱交換器22を流れないバイパス流路26bに分岐している。流路26aに入った潤滑油は、油冷却用熱交換器22で冷却された後に、バイパス流路26bを流れる油冷却用熱交換器22で冷却されていない潤滑油と合流する。バイパス流路26bには潤滑油の流量を制御する油流量制御弁51が備えられており、油流量制御弁51の開度によって、バイパス流路26bを流れる流量と、油冷却用熱交換器22を流れる流量の比率が制御される。なお、油冷却用熱交換器22と、吐出空気冷却用熱交換器21には、送風機23の駆動によって気流が形成される。なお、油流量制御弁51以外にも、ポンプ等で潤滑油の流量を制御する構成であっても良い。
以上の構成とすることで、油冷却用熱交換器22における潤滑油の冷却量は、圧縮機本体(第一の油温度制御手段)10、送風機(第二の油温度制御手段)23の送風量によって制御されるとともに、油流量制御弁(第三の油温度制御手段)51の開度によっても制御可能となる。油流量制御弁51の開度が大きいと、バイパス流路26bを流れる流量が増え、相対的に油冷却用熱交換器22を流れる流量が少なくなることで熱交換量が減少し、合流後の潤滑油温度T3(油温度センサ34での検出値)が上昇する。なお、本実施形態例の空気圧縮機1における流量制御弁51は、ステッピングモータにより開度を自在に調節できるバタフライ弁である。なお、これ以外にも、油流量制御弁51はニードル式弁、電磁弁等、流量を調整可能な構成であれば、あらゆる公知の弁を採用することができる。
図9は、第三の実施形態例の空気圧縮機の潤滑油温度制御を表すフローチャートである。このフローチャートは、空気圧縮機1全体の動作を制御するメインプログラム(不図示)のサブルーチンとして実行されるものである。
本実施形態例の空気圧縮機1は、図9に示す制御フローにより圧縮室給油口10eに供給する潤滑油の温度を制御する。図9に示す通り、本実施形態例の空気圧縮機1は、吸込空気温度T1と、吸込空気湿度H1を検知し(ステップS301)、その検知情報に基づいて、潤滑油目標温度Tgoalを算出する(ステップS302)。本実施形態例の空気圧縮機1では断熱圧縮を仮定した場合の圧縮機本体10の吐出圧における露点温度を算出して潤滑油目標温度Tgoalとする。次に潤滑油温度T3と目標温度Tgoalの差が5℃より小さいか否かが判定される(ステップS303)。ステップS303が成立している場合(Yes)は、続いて潤滑油温度T3と目標温度Tgoalの差が2℃より大きいか否かが判定される(ステップS304)。ステップS304が成立している場合(Yes)は潤滑油温度制御処理を終了しメインプログラムに戻る。
ステップS303が成立していない場合(No)は、続いて弁51が全閉か否かが判定される(ステップS350)。ステップS350が成立している場合(Yes)、続いて、送風機23の回転数が上限回転数に到達しているか否かが判定される(ステップS351)。ちなみに、本実施形態例の空気圧縮機1では、送風機23の上限回転数は3000min−1である。ステップS351が成立している場合(Yes)、潤滑油温度制御処理を終了しメインプログラムに戻る。なお、送風機23の送風量を制御すると、油冷却用熱交換器22だけでなく吐出空気冷却用熱交換器21の熱交換量、すなわち吐出空気温度にも影響が出ることがある。そこで、本実施例では、ステップS350で弁51の開度を調整した後、
ステップS351で送風機23の送風量を調整している。
ステップS351で送風機23の回転数が上限回転数に到達していないと判定された場合(No)、送風機23の回転数が増加され(ステップS352)、ステップS303に戻る。ステップS350で弁51が全閉ではないと判定された場合(No)、弁51の開度が縮小され(ステップS353)、ステップS303に戻る。
ステップS304が成立していない場合(No)、続いて弁51が全開か否かが判定される(ステップS360)。ステップS360が成立している場合(Yes)、続いて、送風機23の回転数が下限回転数に到達しているか否かが判定される(ステップS361)。ちなみに、本実施形態例の空気圧縮機1では、送風機23の下限回転数は500min−1である。ステップS361が成立している場合(Yes)、潤滑油温度制御処理を終了しメインプログラムに戻る。
ステップS361で送風機23の回転数が下限回転数に到達していないと判定された場合(No)、送風機23の回転数が低減され(ステップS362)、ステップS304に戻る。ステップS360で弁51が全開ではないと判定された場合(No)、弁51の開度が増加され(ステップS363)、ステップS304に戻る。
なお、本実施形態例の空気圧縮機1ではステップS352、S353、S362、S363における操作量は、潤滑油温度T3と目標温度Tgoalの偏差と、潤滑油温度T3と目標温度Tgoalの偏差の時間積分にあらかじめ定めた定数を乗ずることにより求める。
以上のように本実施形態例の空気圧縮機1では、油冷却用熱交換器22を流れる油量を増減することで潤滑油温度T3を制御している。これにより、油冷却用熱交換器22の熱交換能力を容易に調整でき、所望の潤滑油温度が得られやすくなるので、より確実に水分の凝縮を抑制でき、錆の発生、油膜破断、潤滑油の酸化劣化等が起こり難い信頼性が高い空気圧縮機となる。
以下、本発明に係る第四の実施形態例について図10及び図11を参照しながら説明する。第一乃至第三の実施形態例と同一機能部品については、同一符号を付すことで重複説明を省略する。
図10は、第四の実施形態例の空気圧縮機の構成を表す図である。図10に示す通り、本実施形態例の空気圧縮機1は、油分離器20の下流側に油流量制御弁51を備えている。油流量制御弁51は、入口51aと出口51bと51cを備えた三方弁であり、出口51bと出口51cをともに開放状態(状態A)、出口51bを開放状態として、出口51cを閉鎖状態(状態B)、出口51bを閉鎖状態として、出口51cを開放状態(状態C)、に制御可能な弁である。油流量制御弁51の出口51aと51bは、それぞれ流路26aと流路26bに接続され、流路26aと流路26bは、油冷却用熱交換器22の一部22aを流れる流路と残りの部分22bを流れる流路にそれぞれ接続される。油冷却用熱交換器22の一部22aの空気側の伝熱面積は油冷却用熱交換器22の残りの部分22bより大きくしてある。また、油冷却用熱交換器22の一部22aと残りの部分22bの出口は、それぞれ流路26cと流路26dに接続され、接続部26eで合流する。
油流量制御弁51が状態Aに制御される場合、潤滑油は油冷却用熱交換器22の一部22aと残りの部分22bの両方を流れるので、油冷却用熱交換器22の全体で空気と熱交換して温度が低下する。また、油流量制御弁51が状態Bに制御される場合、潤滑油は油冷却用熱交換器22の一部22aのみに流れる。さらに、油流量制御弁51が状態Cに制御される場合、潤滑油は油冷却用熱交換器22の残りの部分22bのみに流れる。状態B及び状態Cでは、油冷却用熱交換器22の全体で空気と熱交換する状態Aより熱交換量が小さくなるため、潤滑油の温度低下は小さくなる。また、油冷却用熱交換器22の一部22aの空気側の伝熱面積は、油冷却用熱交換器22の残りの部分22bより大きいので、状態Bの方が、状態Cより熱交換量が大きくなる(温度低下が大きくなる)。
以上から、油流量制御弁51の制御状態と熱交換量の大小関係は、状態A>状態B>状態Cとなり、同等の送風条件下では、潤滑油温度T3は状態Aが最も低く、状態Cが最も高くなる。
図11は、第四の実施形態例の空気圧縮機の潤滑油温度制御を表すフローチャートである。このフローチャートは、空気圧縮機1全体の動作を制御するメインプログラム(不図示)のサブルーチンとして実行されるものである。
本実施形態例の空気圧縮機1は、図11に示す制御フローにより、圧縮室給油口10eに供給する潤滑油の温度を制御する。図11に示す通り、本実施形態例の空気圧縮機1は、吸込空気温度T1と、吸込空気湿度H1を検知し(ステップS401)、その検知情報に基づいて、潤滑油目標温度Tgoalを算出する(ステップS402)。本実施形態例の空気圧縮機1では、断熱圧縮を仮定した場合の圧縮機本体10の吐出圧における露点温度を算出して潤滑油目標温度Tgoalとする。次に、潤滑油温度T3と目標温度Tgoalの差が5℃より小さいか否かが判定される(ステップS403)。ステップS403が成立している場合(Yes)は、続いて潤滑油温度T3と目標温度Tgoalの差が2℃より大きいか否かが判定される(ステップS404)。ステップS404が成立している場合(Yes)は潤滑油温度制御処理を終了しメインプログラムに戻る。
ステップS403が成立していない場合(No)は、続いて弁51が状態A(出口51b開放状態、出口51c開放状態)か否かが判定される(ステップS450)。ステップS450が成立している場合(Yes)、続いて、送風機23の回転数が上限回転数に到達しているか否かが判定される(ステップS451)。ステップS451が成立している場合(Yes)、潤滑油温度制御処理を終了しメインプログラムに戻る。
ステップS451で送風機23の回転数が上限回転数に到達していないと判定された場合(No)、送風機23の回転数が増加され(ステップS452)、ステップS403に戻る。ステップS450で弁51が状態Aではないと判定された場合(No)、続いて弁51が状態B(出口51b開放状態、出口51c閉鎖状態)か否かが判定され(ステップS453)、ステップS453が成立している場合(Yes)、弁51は状態Aに制御され(ステップS454)、ステップS403に戻る。ステップS453が成立していない場合(No)、弁51は状態Bに制御され(ステップS455)、ステップS403に戻る。
ステップS304が成立していない場合(No)、続いて弁51が状態C(出口51b閉鎖状態、出口51c開放状態)か否かが判定される(ステップS460)。ステップS460が成立している場合(Yes)、続いて、送風機23の回転数が下限回転数に到達しているか否かが判定される(ステップS461)。ステップS461が成立している場合(Yes)、潤滑油温度制御処理を終了しメインプログラムに戻る。
ステップS341で送風機23の回転数が下限回転数に到達していないと判定された場合(No)、送風機23の回転数が低減され(ステップS462)、ステップS404に戻る。ステップS460で弁51が状態Cではないと判定された場合(No)、続いて弁51が状態Bか否かが判定され(ステップS463)、ステップS463が成立している場合(Yes)、弁51は状態Cに制御され(ステップS464)、ステップS403に戻る。ステップS463が成立していない場合(No)、弁51は状態Bに制御され(ステップS465)、ステップS403に戻る。
以上のように本実施形態例の空気圧縮機1では、油冷却用熱交換器22内を流れる潤滑油の状態を制御することで潤滑油温度T3を制御している。これにより、油冷却用熱交換器22の熱交換能力を容易に調整でき、所望の潤滑油温度が得られやすくなるので、より確実に水分の凝縮を抑制でき、錆の発生、油膜破断、潤滑油の酸化劣化等が起こり難い信頼性が高い空気圧縮機となる。
なお、本実施形態例では油流量制御弁51として2つの出口を開閉可能な三方弁を用いているが、複数の開閉弁を組み合わせて流量制御弁51を構成したり、開度を多段階で切り替え可能な弁を用いてよりきめ細かく制御したりしても良い。
以上で本発明の実施形態例を説明したが、本発明は上記した各実施形態例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、第一の実施形態例の空気圧縮機では、3つの運転モードを切り替えるように制御するが、複数の運転モード(少なくとも2つの運転モード)を吸込空気温度T1と吸込空気湿度H1に基づいて切り替える他の実施形態としてもよい。また、各実施形態例の温度センサや湿度センサは、その目的を満たすことができれば設置位置は変えてもよい。すなわち、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明したものであり、必ずしも説明した構成を備えるものに限定されるものではない。
1 空気圧縮機
10 圧縮機本体(第一の油温度調節手段)
10a 圧縮室
10b モータ
10c 軸受部
10d 軸受部給油口
10e、10f 圧縮室給油口
20 油分離器
21 吐出空気冷却用熱交換器
22 油冷却用熱交換器
23 送風機(第二の油温度調節手段)
31 吸込空気温度センサ(吸込空気温度検知手段)
32 吸込空気湿度センサ(吸込空気湿度検知手段)
34 油温度センサ
50 気流
51 油流量制御弁(第三の油温度調節手段)
一方、油分離器20で分離された潤滑油(本実施例では、一般的な圧縮機用の油を用いる)は、油流路26(図1中に一点鎖線で示す流路)に入り、油冷却用熱交換器22に至る。潤滑油は、油冷却用熱交換器2において、送風機23の駆動により形成される気流によって大気と熱交換して冷却された後に、軸受部給油口10d、圧縮室給油口10eから軸受部10cと圧縮室10aに給油される。
図3は本実施形態例の空気圧縮機の運転モードを表す図である。図3に示す通り、本実施形態例の空気圧縮機1は、吸込空気温度T1と吸込空気湿度H1に基づいて運転モードが選定される。吸込空気温度T1、吸込空気湿度H1がそれぞれ高温、高湿の場合は、圧縮機本体1を低速、送風機23を低速で駆動する「モード1」が選定される。吸込空気温度T1と吸込空気湿度H1がそれぞれ低温、高湿の場合は、圧縮機本体1を高速、送風機23を低速で駆動する「モード2」が選定される。また、吸込空気温度T1によらず吸込空気湿度H1が低湿の場合は圧縮機本体1を高速、送風機23を高速で駆動する「モード3」が選定される。
圧縮機本体10に給油された潤滑油は、圧縮機本体10における圧縮機構の摩擦熱や、圧縮により温度が上昇する空気からの熱で加熱されることで、温度が上昇して吐出される。潤滑油の温度上昇の度合いは圧縮機本体10の回転速度(回転数)に依存し、給油状態が同等であれば高速(高回転)であるほど温度上昇が大きくなる。一方、圧縮機本体1で温度が上昇した潤滑油は、油分離器20で分離された後に、油冷却用熱交換器22で冷却されるが、この冷却の度合いは、送風機23の回転速度(回転数)、換言すると送風量に依存し、高速(高回転)であるほど冷却(温度の低下)が促進される。すなわち、圧縮室10から圧縮機本体1に給油される潤滑油の温度は、圧縮機本体(第一の油温度調節手段)10と、油冷却用熱交換器22に送風する送風機(第二の油温度調節手段)23により制御される。なお、送風機23を一定速とした場合、圧縮機本体1への導入空気量を弁等で制御することで、送風量を調整する構成であっても良い。
したがって本実施形態例の空気圧縮機1では、吸込空気温度T1と吸込空気湿度H1を検知して、その検知情報に基づいて油温調節手段(本実施例では圧縮機本体1の回転数と送風機23の送風量)を制御するようにしている。これにより、圧縮空気中における水分の凝縮による信頼性低下が起こりやすい状態を見極めて、油温調節手段を制御することができるため、錆の発生、油膜破断、潤滑油の酸化劣化等が起こり難い信頼性が高い空気圧縮機を提供できる。
また、本実施形態例の空気圧縮機1では、吸込空気温度T1がほぼ一定の場合、吸込空気湿度H1の上昇に伴って、 潤滑油の温度が上昇するように油温調節手段(圧縮機本体1の回転速度と送風機23の回転速度)を制御する(モード3からモード1、または、モード3からモード2に運転モードを切り替える)。これにより、圧縮空気中における水分の凝縮に起因する錆の発生、油膜破断、潤滑油の酸化劣化等が起こり難い信頼性が高い空気圧縮機としている。
また、本実施形態例の空気圧縮機1では、吸込空気湿度(相対湿度)H1がほぼ一定の場合、吸込空気温度T1の上昇に伴って、潤滑油の温度が上昇するように油温調節手段(圧縮機本体1の回転速度と送風機23の回転速度)を制御する(モード2からモード1に運転モードを切り替える)。これにより、圧縮空気中における水分の凝縮に起因する錆の発生、油膜破断、潤滑油の酸化劣化等が起こり難い信頼性が高い空気圧縮機となる。
ステップS303が成立していない場合(No)は、続いて弁51が全閉か否かが判定される(ステップS350)。ステップS350が成立している場合(Yes)、続いて、送風機23の回転数が上限回転数に到達しているか否かが判定される(ステップS351)。ちなみに、本実施形態例の空気圧縮機1では、送風機23の上限回転数は3000min−1である。ステップS351が成立している場合(Yes)、潤滑油温度制御処理を終了しメインプログラムに戻る。なお、送風機23の送風量を制御すると、油冷却用熱交換器22だけでなく吐出空気冷却用熱交換器21の熱交換量、すなわち吐出空気温度にも影響が出ることがある。そこで、本実施例では、弁51の開度を調整した後、送風機23の送風量を調整している。
図10は、第四の実施形態例の空気圧縮機の構成を表す図である。図10に示す通り、本実施形態例の空気圧縮機1は、油分離器20の下流側に油流量制御弁51を備えている。油流量制御弁51は、入口51aと出口51bと51cを備えた三方弁であり、出口51bと出口51cをともに開放状態(状態A)、出口51bを開放状態として、出口51cを閉鎖状態(状態B)、出口51bを閉鎖状態として、出口51cを開放状態(状態C)、に制御可能な弁である。油流量制御弁51の出口51と51は、それぞれ流路26aと流路26bに接続され、流路26aと流路26bは、油冷却用熱交換器22の一部22aを流れる流路と残りの部分22bを流れる流路にそれぞれ接続される。油冷却用熱交換器22の一部22aの空気側の伝熱面積は油冷却用熱交換器22の残りの部分22bより大きくしてある。また、油冷却用熱交換器22の一部22aと残りの部分22bの出口は、それぞれ流路26cと流路26dに接続され、接続部26eで合流する。
ステップS04が成立していない場合(No)、続いて弁51が状態C(出口51b閉鎖状態、出口51c開放状態)か否かが判定される(ステップS460)。ステップS460が成立している場合(Yes)、続いて、送風機23の回転数が下限回転数に到達しているか否かが判定される(ステップS461)。ステップS461が成立している場合(Yes)、潤滑油温度制御処理を終了しメインプログラムに戻る。
ステップS461で送風機23の回転数が下限回転数に到達していないと判定された場合(No)、送風機23の回転数が低減され(ステップS462)、ステップS404に戻る。ステップS460で弁51が状態Cではないと判定された場合(No)、続いて弁51が状態Bか否かが判定され(ステップS463)、ステップS463が成立している場合(Yes)、弁51は状態Cに制御され(ステップS464)、ステップS40に戻る。ステップS463が成立していない場合(No)、弁51は状態Bに制御され(ステップS465)、ステップS40に戻る。

Claims (5)

  1. 圧縮機本体と、吸込空気を圧縮する前記圧縮機本体の圧縮室と、該圧縮室に潤滑油を供給する給油口と、前記圧縮室から吐出された圧縮空気と潤滑油を分離する油分離器と、前記給油口に供給する潤滑油の温度を調節する油温度調節手段と、該油温調節手段を制御する制御手段と、前記吸込空気の温度を検知する吸込空気温度検知手段と、前記吸込空気の湿度を検知する吸込空気湿度検知手段とを備え、前記制御手段は、前記吸込空気温度検知手段と前記吸込空気湿度検知手段の検知情報に基づいて前記油温度調節手段を制御することを特徴とする空気圧縮機。
  2. 前記吸込空気温度検知手段により検知される吸込空気の温度が略一定で、前記吸込空気湿度検知手段により検知される吸込空気の湿度が上昇した場合に、前記給油口に供給する潤滑油の温度が上昇するように前記油温度調節手段を制御することを特徴とする、請求項1に記載の空気圧縮機。
  3. 潤滑油を冷却する油冷却用熱交換器と、該油冷却用熱交換器に通風する送風機と、を備え、
    前記油温度調節手段は、前記圧縮機本体及び前記送風機の少なくとも一つであることを特徴とする、請求項1または2に記載の空気圧縮機。
  4. 前記油分離器の下流側で、前記油冷却用熱交換器に向かう流路と、前記油冷却用熱交換器をバイパスした後に前記流路と合流するバイパス流路と、を備え、
    該バイパス流路に潤滑油の流量を制御する油流量制御弁を備えたことを特徴とする、請求項3に記載の空気圧縮機。
  5. 前記給油口に供給する潤滑油の温度を検知する油温度検知手段を備え、該油温度検知手段により検知される潤滑油温度と、前記吸込空気温度検知手段により検知される吸込空気温度と前記吸込空気湿度検知手段により検知される吸込空気湿度とから目標温度を算出し、前記潤滑油温度と前記目標温度との差異を縮小するように、前記油温調節手段を制御することを特徴とする、請求項1乃至3の何れかに記載の空気圧縮機。
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