JP5689385B2 - 圧縮装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮装置に関する。

特許文献１に記載されているように、駆動機たるモータ等と、プーリとベルトや、大小の歯車の組み合わせによる増速機、減速機を介して、雌雄一対のスクリュロータなどから構成される圧縮機ロータを回転駆動させる構成からなる圧縮機が知られている。

特許文献１の圧縮装置では、パッケージの内部が隔壁で二つの空間に区分されている。第１側の内部空間には、圧縮機本体、プーリおよびベルトを介して圧縮機本体のスクリュロータを駆動するモータ、並びに、油分離回収器が収納されており、第２側の内部空間には、モータの出力軸に取り付けたシロッコファン、アフタークーラおよびオイルクーラが配設されている。そして、第１側の内部空間の外壁に空気入口が設けられ、隔壁には第１側の内部空間から第２側の内部空間へ空気を流すための貫通孔が設けられている。

このような圧縮装置において、回転数を調節するためには、プーリの径やベルトの形状、あるいは歯車比などを変更する（すなわち、プーリ、ベルト、あるいは歯車といった部品の交換作業を実施する）必要があるが、その作業には時間を要する。したがって、このような圧縮機において、圧縮空気の供給先の仕様のような、圧縮機の使用条件を頻繁に変更することは、現実的ではない。

特開平１−３１３６９４号公報

そこで、本発明の課題は、雌雄一対のスクリュロータなどの圧縮機ロータを回転駆動させる圧縮装置において、使用条件の変更に柔軟に応じうる圧縮装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明による圧縮装置は、 回転駆動されるロータを収容した圧縮機本体と、前記圧縮機本体の吸い込み口に接続され、任意の開度に設定できる吸込調整弁が設けられた吸込流路と、前記圧縮機本体の吐出口に接続され、吐出圧力センサが設けられた吐出流路と、前記ロータの回転数を設定回転数に定める回転数設定手段と、
前記吐出圧力センサが検出した吐出圧力に基づいて、前記吐出流路の圧力を設定圧力に維持するように、前記吸込調整弁の開度をＰＩＤ制御する弁制御手段と、ユーザが選択した条件に基づいて、前記設定回転数および前記設定圧力を定める制御装置とを有するものとする。

この構成によれば、回転数設定手段によって圧縮機本体の容量が定められ、弁制御手段によって吐出圧力を設定条件に正確に一致させる。このため、使用条件の変更のための部品交換等が必要なく、容易に使用条件を変えられる。

また、本発明の圧縮装置は、回転駆動されるロータを収容した圧縮機本体と、前記圧縮機本体の吸い込み口に接続され、吸込調整弁が設けられた吸込流路と、前記圧縮機本体の吐出口に接続され、吐出圧力センサが設けられた吐出流路と、前記ロータの回転数を設定回転数に定める回転数設定手段と、前記吐出圧力センサが検出した吐出圧力に基づいて、前記吐出流路の圧力を設定圧力に維持するように、前記吸込調整弁を制御する弁制御手段と、ユーザが選択した条件に基づいて、前記設定回転数および前記設定圧力を定める制御装置とを有し、前記吸込調整弁は、全閉および全開のいずれかの状態となる切換弁であり、前記制御装置は、単位時間当たりの前記吸込調整弁の全閉の状態の時間の比率に応じて、前記設定回転数を増減するものとした。

この構成によれば、吸込調整弁で吐出を低下させる時間（無負荷状態で運転する時間）を適切な割合に保つので、エネルギー効率が高く（消費動力を低減でき）、且つ、負荷の変動にも対応できる。

また、本発明の圧縮装置において、前記制御装置は、単位時間当たりの前記吸込調整弁が全閉状態である時間の比率である全閉比が所定の上限比率より大きい場合には、前記設定回転数を第１の所定量だけ減少し、前記全閉比が所定の下限比率より小さい場合には、前記設定回転数を第２の所定量だけ増加してもよい。

この構成によれば、設定回転数の演算が簡単であるので、制御装置を安価にできる。

また、本発明の圧縮装置において、前記制御装置は、前記設定回転数の初期値をユーザからの入力に基づいて定め、前記設定回転数が前記初期値以上である場合には、前記設定回転数を増加しないようにしてもよい。

この構成によれば、実際の負荷がユーザが選択した使用条件を超えた場合に、圧縮装置の出力が追従して上昇しないので、消費動力が、ユーザが選択した使用条件において想定される最大動力よりも大きくならない。

また、本発明の圧縮装置において、前記設定回転数は、前記ユーザが選択する条件に対して予め定められた回転数に固定されてもよい。

この構成によれば、回転数設定手段の構成を簡素化して、圧縮装置を安価に提供することができる。

以上のように、本発明によれば、圧縮機本体の容量を変更する回転数設定手段と、吐出圧力を設定条件に一致させる弁制御手段とを有するので、使用条件の変更のための部品交換等が必要なく、容易に使用条件を変えられる。

本発明の第１実施形態の圧縮装置の構成図である。 図１の圧縮装置における設定条件を示す表である。 本発明の第２実施形態の圧縮装置の構成図である。 図３の圧縮装置における吐出圧力と吸込調整弁の変動を例示する図である。

これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１に、本発明の第１実施形態の圧縮装置の構成を示す。本実施形態の圧縮装置は、互いに咬合する雌雄一対のスクリュロータを収容し、スクリュロータによって空気を圧縮する圧縮機本体１と、圧縮機本体１の吸込口に接続された吸込流路２と、圧縮機本体１の吐出口に接続された吐出流路３とを有する。

圧縮機本体１のスクリュロータは、交流電源４に接続したインバータ（回転数設定手段）５により回転数を設定可能なモータ６によって回転駆動されるようになっている。吸込流路２には、エアフィルタ７と吸込調整弁８とが設けられている。吐出流路３には、吐出圧力センサ９とアフタークーラ１０とが設けられている。

吸込調整弁８は、ＰＩＤコントローラ（弁制御手段）１１によって開度が調整されるようになっている。具体的には、ＰＩＤコントローラ１１は、吐出圧センサ９が検出した吐出圧力Ｐｄに基づいて、吐出流路３の圧力を所定の設定圧力Ｐｄ＿ｓｅｔに維持するように、吸込調整弁８の開度をＰＩＤ制御する。

インバータ５によるスクリュロータの設定回転数Ｒｅｖ＿ｓｅｔ（インバータ５の設定周波数）およびＰＩＤコントローラ１１の設定圧力Ｐｄ＿ｓｅｔは、制御装置１２によって定められる。制御装置１２は、マイクロプロセッサを含む演算部１３と、ユーザ（オペレータ）が入力可能なキーボードやスイッチのような入力部１４と、ディスプレイのような表示部１５とを有する。

本実施形態において、制御装置１２は、図２に示す表にしたがって、設定回転数Ｒｅｖ＿ｓｅｔおよび設定圧力Ｐｄ＿ｓｅｔを定める。演算部１３には、図２に示したデータが予め記憶されている。ユーザは、入力部１４において、図示した３つの条件のいずれか（条件１、条件２または条件３）を選択する。図示した吐出空気量は、各条件において供給可能な空気量の目安であり、ユーザが条件を選択する際に参考にするものであって、圧縮装置の制御に関与するものではない。

設定回転数Ｒｅｖ＿ｓｅｔは、吐出圧力Ｐｄが設定圧力Ｐｄ＿ｓｅｔである場合に、圧縮機本体１が図示した吐出空気量を十分に確保できるような回転数に定められている。ＰＩＤコントローラ１１は、吸込調整弁８の開度を調節することによって圧縮機本体１の吸込口における空気の圧力を調節し、吐出圧力Ｐｄが設定圧力Ｐｄ＿ｓｅｔになるようにする。

このように、本実施形態の圧縮装置は、制御装置１２への入力だけで、吐出圧力や吐出空気量を変更できる。すなわち、従来では、圧縮空気の供給先の仕様の変更（圧縮機の使用条件の変更）に応じて、回転数を調節（変更）するためには、プーリ、ベルト、あるいは歯車といった部品の交換作業を実施するか、大仰な機械的な変速手段を装備する必要があったところ、本実施形態の圧縮装置であれば、上述の交換作業などを伴う事無く、制御装置１２への入力だけで、圧縮空気の供給先の仕様の変更に応じることができる。また、動力の伝達手段に、プーリ、ベルト、あるいは歯車といった部品を必要とせず、それらに替えて、後述のとおり、比較的簡素な構成からなる、安価なインバータを採用することができる。

本実施形態では、インバータ５は、設定回転数Ｒｅｖ＿ｓｅｔを図２に定められた回転数のいずれかに設定すればよく、設定回転数Ｒｅｖ＿ｓｅｔの値を頻繁に変更する必要がない。したがって、インバータ５は、比較的簡素な構成で安価なものを採用できる。また、インバータ５とモータ６との組み合わせに替えて、極数変換モータと極数選択回路との組み合わせ等を採用してもよい。

さらに、図３に、本発明の第２実施形態の圧縮装置の構成を示す。本実施形態の説明において、第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付して、重複する説明を省略する。本実施形態の圧縮装置では、吸込調整弁は、全閉および全開のいずれかの状態となる切換弁８ａである。このため、本実施形態では、吸込調整弁８ａを制御する弁制御手段として、ハイ・ロー制御を行うＨＩ／ＬＯコントローラ１１ａが用いられている。

ＨＩ／ＬＯコントローラ１１ａは、図４に示すように、吐出圧力Ｐｄが所定の上限圧力Ｐｄ＿ｓｅｔ＿Ｈ以上になると吸込調整弁８ａを閉鎖して圧縮機本体１を無負荷状態で運転し、吐出圧力Ｐｄが所定の下限圧力Ｐｄ＿ｓｅｔ＿Ｌ以下になると吸込調整弁８ａを開放して圧縮機本体１を全負荷状態で運転する。上限圧力Ｐｄ＿ｓｅｔ＿Ｈおよび下限圧力Ｐｄ＿ｓｅｔ＿Ｌは、ユーザが選択する使用条件に対して、それぞれ、予め設定されている。

本実施形態において、インバータ５の設定回転数Ｒｅｖ＿ｓｅｔは、制御装置１２によって、刻々と変化させられる。設定回転数Ｒｅｖ＿ｓｅｔの初期値Ｒｅｖ＿ｓｐｅｃは、ユーザが選択する条件に対して、それぞれ、予め設定されている。この初期値Ｒｅｖ＿ｓｐｅｃは、選択された使用条件におけるインバータ５の設定回転数Ｒｅｖ＿ｓｅｔの上限値でもある。

制御装置１２は、所定の単位時間Δｔの間で、吸込調整弁８ａが全閉状態となっている時間（ｔ１，ｔ２，ｔ３）の比率である全閉比ｔｒ＝Σｔｎ／Δｔを算出する。そして、制御装置１２は、全閉比ｔｒが所定の上限比率ｔｒ＿Ｈより大きい場合には、設定回転数Ｒｅｖ＿ｓｅｔを予め設定された第１の所定値ΔＲ１だけ減少し、全閉比ｔｒが所定の下限比率ｔｒ＿Ｌより小さい場合には、設定回転数Ｒｅｖ＿ｓｅｔを予め設定された第２の所定値ΔＲ２だけ増加する。

吸込調整弁８ａが全閉である場合、圧縮機本体１は、圧縮空気を生成しないが、全負荷時の幾分か（例えば、約２０％）の動力を消費する。したがって、全閉比ｔｒが大きくなり過ぎないように、上限比率ｔｒ＿Ｈを、制御が可能な範囲内で、できるだけ小さく定めることで、圧縮装置の消費動力を低減できる。

また、全閉比ｔｒが所定の上限比率ｔｒ＿Ｈより大きい場合に、設定回転数Ｒｅｖ＿ｓｅｔを予め設定された第１の所定値ΔＲ１だけ減少させることで、その後の全閉比ｔｒを減少、すなわち、無負荷状態で運転される割合を減少することができる。逆に、全閉比ｔｒが所定の下限比率ｔｒ＿Ｌより小さい場合には、設定回転数Ｒｅｖ＿ｓｅｔを予め設定された第２の所定値ΔＲ２だけ増加させることで、負荷が増大した場合でも、設定回転数が低い状態で且つ吸込調整弁８ａが全開のままの状態、つまり、その吸込調整弁８ａの適切なハイ・ロー制御が行われない状態に陥ることを回避することができる。すなわち、本実施形態においては、吸込調整弁で吐出を低下させる時間（無負荷状態で運転する時間）を適切な割合に保つので、エネルギー効率が高く（消費動力を低減でき）、且つ、負荷の変動にも対応できる。また、設定回転数の演算が簡単であるので、制御装置１２を安価にできる。

また、本実施形態において、設定回転数Ｒｅｖ＿ｓｅｔの初期値Ｒｅｖ＿ｓｐｅｃは、ユーザが選択した使用条件における最大回転数である。したがって、制御装置１２は、全閉比ｔｒが所定の下限比率ｔｒ＿Ｌより小さい場合でも、そのときの設定回転数Ｒｅｖ＿ｓｅｔが初期値Ｒｅｖ＿ｓｐｅｃ以上であれば、設定回転数Ｒｅｖ＿ｓｅｔをそれ以上は増加しない。これにより、実際の負荷がユーザの予想を超えて増大しても、圧縮装置の消費動力が選択された使用条件により定められる値までしか上昇しない（消費動力が、ユーザが選択した使用条件において想定される最大動力よりも大きくならない）。

初期値Ｒｅｖ＿ｓｐｅｃを上限値として使用しない場合、インバータ５やモータ６の仕様によって、設定回転数Ｒｅｖ＿ｓｅｔの上限値および下限値を別途定めてもよい。その場合、初期値Ｒｅｖ＿ｓｐｅｃは、圧縮装置の起動時の容量を定めるためにのみ使用される。

第１および第２の所定値ΔＲ１、ΔＲ２は、単位時間Δｔや圧縮機本体１の定格回転数等に応じて、予め最適な値が選択されて、制御装置１２の演算部１３に記憶されていることが好ましい。所定値ΔＲ１、ΔＲ２は、シミュレーションによる他、経験的および実験的に定めることができる。

１…圧縮機本体
２…吸込流路
３…吐出流路
５…インバータ（回転数設定手段）
６…モータ
８，８ａ…吸込調整弁
９…吐出圧力センサ
１１…ＰＩＤコントローラ（弁制御手段）
１１ａ…ＨＩ／ＬＯコントローラ（弁制御手段）
１２…制御装置
１３…演算部
１４…入力部
１５…表示部

Claims (5)

1. 回転駆動されるロータを収容した圧縮機本体と、
   前記圧縮機本体の吸い込み口に接続され、任意の開度に設定できる吸込調整弁が設けられた吸込流路と、
   前記圧縮機本体の吐出口に接続され、吐出圧力センサが設けられた吐出流路と、
   前記ロータの回転数を設定回転数に定める回転数設定手段と、
   前記吐出圧力センサが検出した吐出圧力に基づいて、前記吐出流路の圧力を設定圧力に維持するように、前記吸込調整弁の開度をＰＩＤ制御する弁制御手段と、
   ユーザが選択した条件に基づいて、前記設定回転数および前記設定圧力を定める制御装置とを有することを特徴とする圧縮装置。
2. 回転駆動されるロータを収容した圧縮機本体と、
   前記圧縮機本体の吸い込み口に接続され、吸込調整弁が設けられた吸込流路と、
   前記圧縮機本体の吐出口に接続され、吐出圧力センサが設けられた吐出流路と、
   前記ロータの回転数を設定回転数に定める回転数設定手段と、
   前記吐出圧力センサが検出した吐出圧力に基づいて、前記吐出流路の圧力を設定圧力に維持するように、前記吸込調整弁を制御する弁制御手段と、
   ユーザが選択した条件に基づいて、前記設定回転数および前記設定圧力を定める制御装置とを有し、
   前記吸込調整弁は、全閉および全開のいずれかの状態となる切換弁であり、
   前記制御装置は、単位時間当たりの前記吸込調整弁の全閉の状態の時間の比率に応じて、前記設定回転数を増減することを特徴とする圧縮装置。
3. 前記制御装置は、単位時間当たりの前記吸込調整弁が全閉状態である時間の比率である全閉比が所定の上限比率より大きい場合には、前記設定回転数を第１の所定量だけ減少し、前記全閉比が所定の下限比率より小さい場合には、前記設定回転数を第２の所定量だけ増加することを特徴とする請求項２に記載の圧縮装置。
4. 前記制御装置は、前記設定回転数の初期値を前記ユーザが選択した条件に基づいて定め、前記設定回転数が前記初期値以上である場合には、前記設定回転数を増加しないことを特徴とする請求項３に記載の圧縮装置。
5. 前記設定回転数は、前記ユーザが選択する条件に対して予め定められた回転数に固定されることを特徴とする請求項１に記載の圧縮装置。

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