WO2024047780A1

WO2024047780A1 - 空気圧縮装置

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Publication number: WO2024047780A1
Application number: PCT/JP2022/032716
Authority: WO
Inventors: 樹央水野; 智夫鈴木; 良郎安齊
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2022-08-31
Filing date: 2022-08-31
Publication date: 2024-03-07
Anticipated expiration: 2025-02-28
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Abstract

空気戻り配管の所定に位置に設けられ戻り空気を一時的に貯めるバッファタンクを有する空気圧縮装置。

Description

空気圧縮装置

　本発明は、空気圧縮装置に関する。

　特許文献１には、「吐出ガスの一部を前記回転圧縮機の吸入側へ戻して吸入圧を上昇させることによって、あらかじめ定めてある圧縮比のままで吐出圧力を上昇させうるように、流量制御手段を備えた戻しガス配管を、上記吐出ガス配管から分岐して前記回転圧縮機の吸入側へ接続したことを特徴とする無給油式回転圧縮装置。」（段落１参照）が開示されている。

特開昭６０－１６６７８５号公報

　特許文献１に記載されている空気圧縮機は、吐出空気の一部を空気吸入側に配管により直接戻しているので吸入圧力が不安定になってしまう。

　本発明の目的は、空気圧縮装置において、吸入圧力を安定化させることにある。

　本発明の一態様である空気圧縮装置は、吸入口から空気吸入配管を介して吸入された吸入空気を圧縮する圧縮機と、圧縮された前記空気を冷却する熱交換器と、冷却された前記空気の内の一部を戻り空気として前記空気吸入配管に戻す空気戻り配管と、前記空気戻り配管の所定に位置に設けられ少なくとも前記戻り空気を一時的に貯めるバッファタンクとを有することを特徴とする。

　本発明の一態様によれば、上記課題の一部または全部を解決することができる。

実施例１の空気圧縮装置の構成を示す図である。実施例１の吐出空気戻し制御のフロー図である。実施例１の空気圧縮装置における各箇所の圧力、流量、温度及び密度を示す図である。実施例２の空気圧縮装置の構成を示す図である。実施例２の吐出空気戻し制御のフロー図である。実施例２の空気圧縮装置における各箇所の圧力、流量、温度及び密度を示す図である。実施例３の空気圧縮装置の構成を示す図である。実施例３の吐出空気戻し制御のフロー図である。実施例３の空気圧縮装置における各箇所の圧力、流量、温度及び密度を示す図である。実施例１及び実施例３の他の吐出空気戻し制御のフロー図である。実施例２の他の吐出空気戻し制御のフロー図である。

　以下、図面を用いて実施例について説明する。

　以下、本発明の実施例１を図１、図２、図３に沿って説明する。

　図１は実施例１の空気圧縮装置の構成を示す図であり、図中の実線は空気圧縮装置の空気の流れを示している。

　１９の破線内を空気圧縮装置のパッケージ内とする。空気吸入口１から取り込まれた外気は、エアフィルター２、逆止弁３、バッファタンク４を通り圧縮機７（空気圧縮装置本体の一段機）で圧縮される。圧縮された高温の空気はインタークーラ（熱交換器）１１で冷却され、圧縮機８（空気圧縮装置本体の二段機）で目標の圧力まで更に圧縮される。

　圧縮された空気はアフタークーラ（熱交換器）１２で冷却された後、吐出ポート１４から外部に吐き出される。吐出空気の一部は空気戻り配管１０を介してバッファタンク４に戻る。空気戻り配管１０にはオリフィス９及び調整バルブ５が取り付けられている。

　吸入圧力を圧力計６、中間圧力を圧力計１６、吐出圧力を圧力計１３、戻り空気を圧力計２０でそれぞれ測定し、図中の一点破線で示される制御線を介して制御盤１５がその値を取得する。調整バルブ５の制御は制御線を介して制御盤１５によって行われる。逆止弁１７はアンロード時、顧客側の空気が逆流しない為のものであり、１８はアンロード時の放風口である。

　空気圧縮装置には、温度計２１、温度計２２、温度計２３及び温度計２４がそれぞれ設けられている。温度計２１は吸込み空気温度を計測する。温度計２２は戻り空気温度を計測する。温度計２３は１段吐出温度を計測する。温度計２４は吐出温度を計測する。

　バッファタンク４は外気から吸入した空気と吐出空気の一部を混合し、昇圧した吸入空気を貯める場所である。バッファタンク４に空気を一度貯めることで、圧力の安定した空気を圧縮機７（一段機）に送り込むことができる。これにより、調整バルブ５のチャタリングを防止する。ここで、チャタリングとは、吐出空気の使用量の変化や吐出圧力の変動により、戻り空気量を微調整しようと調整バルブ５が細かく開閉を繰り返すことを指す。チャタリングにより調整バルブ５の短命化や制御上のエラー等が発生する。

　また、バッファタンク４に送り込まれた吐出空気の一部が空気吸入口１から逆流することを防ぐため、バッファタンク４の入口には逆止弁３が取付けられている。

　吐出空気の一部を戻す空気戻り配管１０には調整バルブ５が取付けてあり、この調整バルブ５を開閉することでバッファタンク４への戻し量を調整することができる。しかし、吐出空気をそのまま調整バルブ５に送り込むと、高圧の空気を受けながら弁を開閉することになり、調整バルブ５の劣化や故障につながりやすい。これを防ぐため、空気戻り配管１０にオリフィス９が取付けられている。また、オリフィス９には戻り流量を制御する際、吐出圧力の細かな変動に応じて調整バルブ５が過剰な頻度で開閉することを防ぐ役割もある。

　図２に、実施例１の調整バルブ５の制御フローを示す。一連の調整バルブ５の制御は制御盤１５が行う。以下制御フローを解説する。

　圧縮機起動（Ｓ２０１）後は、まず調整バルブ５が閉状態で通常運転（Ｓ２０２）を行う。制御盤１５は、圧力計１３で測定する吐出空気圧力（Ｐ_ｄ）があらかじめ設定された目標圧力（目標値）付近（例えば目標圧力の±１０％以内）であるかどうかを判定する（Ｓ２０３）。Ｐ_ｄが目標圧力付近である場合（Ｓ２０３：Ｙｅｓ）は通常運転Ｓ２０２を継続し、所定時間ごとにＰ_ｄが目標圧力付近であるかどうかの判定Ｓ２０３を行う。

　Ｓ２０３の判定の結果、目標圧力付近ではない場合（Ｓ２０３：Ｎｏ）、調整バルブ５を調整する（Ｓ２０４）。具体的には、例えば目標圧力の９０％以下である場合は調整バルブ５を所定量だけ開き、圧縮空気をバッファタンク４に戻す量を増やし、目標圧力の１１０％以上である場合は調整バルブ５を所定量だけ閉じ、圧縮空気をバッファタンク４に戻す量を減らす。

　Ｓ２０４によりバッファタンク４に圧縮空気が戻り、圧縮機７の一段機吸込み空気圧が上昇し、圧力計６で測定されたバッファタンク４から出る空気圧力（吸込圧力Ｐ_ｓ）が予め設定された目標圧力（目標値）付近（例えば目標圧力の±１０％以内）であるかどうかを判定する（Ｓ２０５）。

　目標圧力付近ではない（Ｓ２０５：Ｎｏ）場合、調整バルブ５を更に調整する（Ｓ２０４）。具体的には、例えば目標圧力の９０％以下である場合は調整バルブ５を所定量だけ開き、圧縮空気をバッファタンク４に戻す量を増やし、目標圧力の１１０％以上である場合は調整バルブ５を所定量だけ閉じ、圧縮空気をバッファタンク４に戻す量を減らすことで、圧縮機７の一段機吸込み空気圧が目標圧力付近になるように調節する。

　圧力計６で測定されたバッファタンク４から出る空気圧力が予め設定された目標値（Ｓ２０５：Ｙｅｓ）となった場合、圧縮機８（２段機）の圧縮比πｉ２（中間圧力と吐出圧力の比：Ｐｄ／Ｐ１）を測定し予め設定された基準値を超えたかどうかを判定する（Ｓ２０６）。圧縮比が高くなりすぎると圧縮空気が過熱し、圧縮機８が破損する恐れがあるためである。

　判定の結果、圧縮比πｉ２が基準値を超えた場合（Ｓ２０６：Ｎｏ）、調整バルブ５を開く（Ｓ２０４）ことで中間圧を下げる。判定の結果、圧縮比πｉ２が予め設定された基準値を超えていない場合（Ｓ２０６：Ｙｅｓ）は、調整バルブ５の開閉状態を維持したままＳ２０２の通常運転に戻る。

　以上で説明したように、吐出空気圧力Ｐｄ、一段機吸込み空気圧力Ｐｓ、二段機の圧縮比πｉ２に応じて調整バルブ５を開閉することにより、簡易な構成で圧縮機８を保護しつつ吸入圧力を安定化させることができる。

　次に、図１０の制御フローを参照して、図２で説明した処理を高速化するための手段について説明する。ここで、一連の調整バルブ５の制御は制御盤１５が行う。

　図２に示す調整バルブ５の制御フローとほぼ同様であり、異なる点は、ステップ２０６が省略されている点である。その他のステップは図２に示す制御フローとほぼ同様なのでその説明は省略する。

　図２の処理では、調整バルブ５の開閉量を所定の値としており、調整バルブ５を開閉した後に各部の圧力が目標圧力になったかどうかを判定するまでに時間がかかってしまうことが懸念される。

　特に圧縮比πｉ２が基準値を超えて警報値に至ると圧縮機８の損傷を防ぐために警報が報知され、空気圧縮装置を停止しなければならないため、処理の高速化は有用である。そこで、図１０の制御フローでは、ステップ２０６を省略して処理の高速化を図った。

　本手段を採用することで各部の圧力を目標圧力にするための調整バルブ５の開閉量を算出することができ、調整バルブ５を開閉した後に各部の圧力を再測定する必要がなくなり、処理が高速化する。

　まず、吐出流量の内、どの程度の量の圧縮空気を戻す必要があるのかについての例を示す。図３に空気圧縮装置のパッケージ１９内の各位置における圧力Ｐ、体積流量Ｑ、質量流量Ｇ、温度Ｔ、空気の密度ρを示す。

　１段吸込み流量は吸込み流量と戻り流量の合計値であることから、ボイルシャルルの法則より以下の式（１）で表すことができる。

　ここで、計算条件として、吸込空気圧Ｐｓ＝８０［ｋＰａ］（標高２０００ｍ付近の大気圧）に設定し、戻し空気により１段吸込圧Ｐｓ＋ｒを１００［ｋＰａ］に増圧する

　［式１］

　この式（１）を戻り流量Ｑｒの式にすると以下の通り式（２）に表すことができる。

　［式２］

　ここで、吸込空気圧をＱｓ＝８０ｋＰａ、吸込温度Ｔｓ＝３０３．１５Ｋ、密度ρｓ＝０．９２ｋｇ／ｍ³、戻り空気圧力をＰｒ＝７８０ｋＰａ、戻り温度Ｔｒ＝４２３．１５Ｋ、密度ρｒ＝６．４３ｋｇ／ｍ³、一段吸込み空気圧力をＰｓ＋ｒ＝１００ｋＰａ、一段吸込流量Ｑｓ＋ｒ＝５０ｍ³／ｍｉｎ、吸込温度Ｔｓ＋ｒ＝３０３．１５Ｋ、密度ρｓ＋ｒ＝１．１５ｋｇ／ｍ³とし、吸込空気量Ｑｓと一段エアエンドの吸込空気量Ｑｓ＋ｒが同等であると仮定すると、戻り流量Ｑｒは以下の式（３）の通り計算することができる。

　［式３］

　ここで、質量流量は温度によらず一定であることから、１段機吸込質量流量Ｇｓ＋ｒは吐出質量流量Ｇｄと同等である。戻り質量流量Ｇｒと１段機吸込質量流量Ｇｓ＋ｒの比が、戻すべき流量であることがわかる。

　［式４］

　式（４）より戻り質量流量Ｇｒは吐出質量流量Ｇｄの内約２０％を必要とすることが分かる。ここで、制御盤１５は調整バルブ５の開閉量と戻り質量流量Ｇｒとを関連付けるテーブルまたは数式を図示しない記憶部に記憶しており、必要とする戻り質量流量Ｇｒをバッファタンク４に戻すために必要な調整バルブ５の開閉量を求めることができる。

　従って、図２のＳ２０４において、求めた開閉量だけ調整バルブ５を開閉することにより、吸入圧力の安定化をより高速に実行することができる。

　以下、本発明の実施例２を図４、図５、図６に沿って説明する。

　図４は実施例２の空気圧縮装置の構成を示す図であり、図中の実線は空気圧縮装置の空気の流れを示している。

　実施例２は、吐出空気の一部を圧縮機７（１段機）と圧縮機８（２段機）の間（熱交換器１１と２段吸込口の間）に戻す構造である。

　図１に示す実施例１の空気圧縮装置と異なる構成は、バッファタンク４と逆止弁３の配置である。さらに、実施例２では、圧力センサ２５と温度計２６が新たに配置されている。圧力センサ２５は、２段吸込圧力（Ｐｃ＋ｒ）を測定するセンサであり、一点破線により制御部１５に接続される。温度計２６は、２段吸込空気温度（Ｔｃ＋ｒ）を測定する温度計であり、一点破線により制御部１５に接続される。

　バッファタンク４からの空気の出口は、圧縮機７と圧縮機８の間に設けられており、バッファタンク４は戻り空気を一時的に貯めて戻り空気を圧縮機８に送り込む。この際、逆止弁３は、バッファタンク４の出口側に設けられ、熱交換器１１により冷却された空気がバッファタンク４に逆流することを防ぐ。

　バッファタンク４に空気を一度貯めることで、圧力の安定した空気を圧縮機８に送り込むことができる。これにより調整バルブ５のチャタリングを防止する。

　その他の構成は図１に示す実施例１の空気圧縮装置の構成とほぼ同様なので詳細な説明は省略する。

　図５に実施例２の調整バルブ５の制御フローを示す。

　図２に示す実施例１の調整バルブ５の制御フローとほぼ同様であり、異なる点は、調整バルブ５を調整した後の参照する圧力が２段吸入圧力Ｐ１＋ｒになる点である（Ｓ２０５参照）。その他のステップは図２に示す実施例１とほぼ同様なのでその説明は省略する。

　次に、図１１の制御フローを参照して、図５で説明した処理を高速化するための手段について説明する。ここで、一連の調整バルブ５の制御は制御盤１５が行う。

　図５に示す調整バルブ５の制御フローとほぼ同様であり、異なる点は、ステップ２０６が省略されている点である。その他のステップは図５に示す制御フローとほぼ同様なのでその説明は省略する。

　図５の処理では、調整バルブ５の開閉量を所定の値としており、調整バルブ５を開閉した後に各部の圧力が目標圧力になったかどうかを判定するまでに時間がかかってしまうことが懸念される。

　特に圧縮比πｉ２が基準値を超えて警報値に至ると圧縮機８の損傷を防ぐために警報が報知され、空気圧縮装置を停止しなければならないため、処理の高速化は有用である。そこで、図１１の制御フローでは、ステップ２０６を省略して処理の高速化を図った。

　次に、実施例１と同様に、吐出流量の内、どの程度戻す必要があるのかについての例を示す。図６に各位置の圧力Ｐ、体積流量Ｑ、質量流量Ｇ、温度Ｔ、空気の密度ρを示す。１段吸込み流量は吸込み流量と戻り流量の合計値であることから、ボイルシャルルの法則より以下の式（５）で表すことができる。

　ここで、中間圧力Ｐｃ＋ｒを２００ｋＰａから２５０ｋＰａに増圧すると仮定する。計算結果より戻し量は吐出の２０％となる。Ｔｃはインタークーラ（熱交換器）１１の出口温度である。

　［式５］

　実施例１と同様に、この式（５）を戻り流量Ｑｒの式にすると以下の通りに式（６）で表すことができ、戻り流量Ｑｒは以下の式（７）の通り計算することができる。式（８）により戻し流量は吐出流量の内約２０％を必要とすることがわかり、実施例１と同様にＳ２０４における戻り流量の調整のための調整バルブ５の開閉量の決定に用いることができる。

　［式６］

　［式７］

　［式８］

　以下、本発明の実施例３を図７、図８、図９に沿って説明する。

　図７は実施例３の空気圧縮装置の構成を示す図であり、実線は空気圧縮装置の空気の流れを示している。

　図１に示す実施例１の空気圧縮装置と異なる主な構成は、空気圧縮装置本体の圧縮機８（二段機）と熱交換器１２が存在しない点である。このように、実施例３の空気圧縮装置は単段構成の空気圧縮装置である。

　図７に示すように、空気吸入口１から外気を取り込み、エアフィルター２、逆止弁３、バッファタンク４を通り圧縮機７で圧縮される。圧縮された高温の空気は熱交換器１１で冷却された後、吐出ポート１４から外部に吐き出される。

　その他の構成は図１に示す実施例１の空気圧縮装置の構成とほぼ同様なのでその説明は省略する。

　図８に実施例３の調整バルブ５の制御フローを示す。

　図２に示す実施例１の調整バルブ５の制御フローとほぼ同様であり、異なる点は、圧縮比の参照値がπｉ１になることである（Ｓ２０６参照）。πｉ１とは、一段機の圧縮比であり、吐出圧力と吸込圧力の比Ｐｄ／Ｐ１を示す。その他のステップは図２に示す実施例１とほぼ同様なのでその説明は省略する。

　次に、図８で説明した処理を高速化するための手段について説明する。制御フローは図２の制御フローとほぼ同様であるので、その説明は省略する。ここで、一連の調整バルブ５の制御は制御盤１５が行う。

　図８の処理では、調整バルブ５の開閉量を所定の値としており、調整バルブ５を開閉した後に各部の圧力が目標圧力になったかどうかを判定するまでに時間がかかってしまうことが懸念される。

　特に圧縮比πｉ１が基準値を超えて警報値に至ると圧縮機８の損傷を防ぐために警報が報知され、空気圧縮装置を停止しなければならないため、処理の高速化は有用である。そこで、図２の制御フローでは、ステップ２０６を省略して処理の高速化を図った。

　次に、実施例１と同様に、吐出流量の内、どの程度戻す必要があるのかについての例を示す。図９に各位置の圧力Ｐ、体積流量Ｑ、質量流量Ｇ、温度Ｔ、空気の密度ρを示す。１段吸込み流量は吸込み流量と戻り流量の合計値であることから、ボイルシャルルの法則より以下の式（９）で表すことができる。

　ここで、計算条件として、吸込空気圧Ｐｓ＝８０［ｋＰａ］（標高２０００ｍ付近の大気圧）に設定し、戻し空気により吸込圧Ｐｓ＋ｒを１００［ｋＰａ］に増圧する。目標吐出圧力Ｐｄ＝Ｐｒ＝３３０［ｋＰａ］とする。

　［式９］

　実施例１と同様に、この式（９）を戻り流量Ｑｒの式にすると以下の通りに式（１０）で表すことができ、戻り流量Ｑｒは以下の式（１１）の通り計算することができる。式（１２）により戻し流量は吐出流量の内約２０％を必要とすることがわかり、実施例１と同様にＳ２０４における戻り流量の調整のための調整バルブ５の開閉量の決定に用いることができる。

　［式１０］

　［式１１］

　［式１２］

　上記実施例１～３に示すように、単段機、２段機及び空気戻し位置に関係なく、計算により求められた量の吐出空気を戻すことで増圧させ、目標の吐出し空気圧力を維持することが可能である。

　上記実施例によれば、吸入側に設置したバッファタンクに吐出空気の一部を戻すことで吸入圧力を安定して昇圧することができる。さらに、空気戻し配管に取付けた調整バルブ５のチャタリングを防ぐことができる。

１　空気吸込口
２　吸込みフィルタ
３　逆止弁
４　バッファタンク
５　流量調整バルブ
６　吸込み圧力センサ
７　圧縮機（一段機）
８　圧縮機（二段機）
９　オリフィス（減圧弁）
１０　空気戻り配管
１１　インタークーラ
１２　アフタークーラ
１３　吐出圧力センサ
１４　吐出ポート
１５　制御盤
１６　中間圧力センサ
１７　逆止弁
１８　ブロー配管

Claims

吸入口から空気吸入配管を介して吸入された吸入空気を圧縮する圧縮機と、
圧縮された前記空気を冷却する熱交換器と、
冷却された前記空気の内の一部を戻り空気として前記空気吸入配管に戻す空気戻り配管と、
前記空気戻り配管の所定に位置に設けられ、少なくとも前記戻り空気を一時的に貯めるバッファタンクと、
を有することを特徴とする空気圧縮装置。
前記バッファタンクは、
前記空気吸入配管から吸入された吸入空気と前記戻り空気とを一時的に貯めて、前記吸入空気と前記戻り空気とが混合された混合空気を前記圧縮機に送り込むことを特徴とする請求項１に記載の空気圧縮装置。
前記バッファタンクは、
前記圧縮機の入口側に設けられ、
前記熱交換器は、
前記圧縮機の出口側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の空気圧縮装置。
前記空気戻り配管の所定に位置に設けられた調整バルブと、
前記調整バルブを制御する制御盤と、を更に有し、
前記制御盤は、
前記調整バルブを開閉することにより前記バッファタンクへの前記戻り空気の流量を調整することを特徴とする請求項１に記載の空気圧縮装置。
前記空気戻り配管の所定に位置にオリフィスを更に有することを特徴とする請求項１に記載の空気圧縮装置。
前記空気吸入配管の所定の位置に設けられ、前記バッファタンクに貯められた前記戻り空気が前記空気吸入配管に逆流することを防ぐ逆止弁を更に有することを特徴とする請求項１に記載の空気圧縮装置。
空気吸入口から吸入された空気を圧縮する第１の圧縮機と、
前記第１の圧縮機で圧縮された空気をさらに圧縮する第２の圧縮機と、
前記第１の圧縮機により圧縮された前記空気を冷却する第１の熱交換器と、
前記第２の圧縮機により圧縮された前記空気を冷却する第２の熱交換器と、
前記第２の熱交換器により冷却された前記空気の内の一部を戻り空気として空気吸入側に戻す空気戻り配管と、
前記空気戻り配管に接続され、少なくとも前記戻り空気を一時的に貯めるバッファタンクと、
を有することを特徴とする空気圧縮装置。
前記バッファタンクは、
前記第１の圧縮機の入口側に設けられており、
前記空気吸入口から取り込まれた吸入空気と前記戻り空気とを一時的に貯めて、前記吸入空気と前記戻り空気とが混合された混合空気を前記第１の圧縮機に送り込むことを特徴とする請求項７に記載の空気圧縮装置。
前記バッファタンクの入口側に設けられ、前記戻り空気が前記空気吸入側に逆流することを防ぐ逆止弁を更に有することを特徴とする請求項８に記載の空気圧縮装置。
前記バッファタンクは、
前記第１の圧縮機と前記第２の圧縮機の間に設けられており、
前記戻り空気を一時的に貯めて、前記戻り空気を前記第２の圧縮機に送り込むことを特徴とする請求項７に記載の空気圧縮装置。
前記バッファタンクの出口側に設けられ、前記第１の熱交換器により冷却された前記空気が前記バッファタンクに逆流することを防ぐ逆止弁を更に有することを特徴とする請求項１０に記載の空気圧縮装置。
前記空気戻り配管の所定に位置に設けられた調整バルブと、
前記調整バルブを制御する制御盤と、を更に有し、
前記制御盤は、
前記調整バルブを開閉することにより前記バッファタンクへの前記戻り空気の戻し量を調整することを特徴とする請求項７に記載の空気圧縮装置。
前記空気戻り配管の所定に位置に設けられ、前記戻り空気により前記調整バルブが劣化又は故障するのを防ぐオリフィスを更に有することを特徴とする請求項７に記載の空気圧縮装置。