(57)【要約】【課題】  消費量にあわせて圧縮ガスの供給ができる効率が高い安定した圧力の圧縮ガス供給装置を提供する。【解決手段】  圧縮ガス供給装置は、インバータ１を有し、吐出量を調整できる大容量圧縮機２と、少なくとも１台の小容量圧縮機３，４と、大容量圧縮機２および小容量圧縮機３，４のすべての吐出流路が接続されたレシーバタンク５とを備え、レシーバタンク５の圧力を一定に保つようにインバータ１の周波数ｆを制御することで大容量圧縮機２の回転数Ｎを制御する回転数制御手段７と、インバータ１の周波数ｆが、大容量圧縮機２の回転数Ｎが所定の上限回転数ＮＨになる上限周波数ｆＬより高いときは、小容量圧縮機３，４を１台追加起動し、インバータ１の周波数ｆが、大容量圧縮機２の回転数Ｎが所定の上限回転数ＮＬになる下限周波数ｆＨより低いときは、小容量圧縮機３，４を１台停止する台数制御手段８とを有する。【選択図】図１
2006312900.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転数制御される大容量圧縮機と、
前記大容量圧縮機に並列して配設された少なくとも１台の小容量圧縮機と、
前記大容量圧縮機および前記小容量圧縮機のすべての吐出流路が接続されたレシーバタンクと、
前記レシーバタンクの圧力を一定に保つように前記大容量圧縮機の回転数を制御する回転数制御手段と、
前記大容量圧縮機の回転数が所定の上限回転数より大きいときは、前記小容量圧縮機を１台追加起動し、前記大容量圧縮機の回転数が所定の下限回転数より小さいときは、前記小容量圧縮機を１台停止する台数制御手段とを備えたことを特徴とする圧縮ガス供給装置。
【請求項２】
前記上限回転数は、前記大容量圧縮機の比動力が最小となる該大容量圧縮機の回転数より大きく、
前記下限回転数は、前記大容量圧縮機の比動力が最小となる該大容量圧縮機の回転数より小さいことを特徴とする請求項１に記載の圧縮ガス供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、並列に設置された圧縮機からなる圧縮ガス供給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の圧縮ガス供給装置は、圧縮機が並列に設置され、圧縮ガスの消費量に応じて、或いは、圧縮ガスの消費量の変動によらない圧力の変動に応じて圧縮機の運転台数を変える台数制御が行われる。
【０００３】
また、特許文献１には、それぞれインバータ駆動される容量の等しい複数の圧縮機が並列に設置され、レシーバタンクの圧力を一定に保つように運転中のインバータの周波数を等しく制御し、各圧縮機が定格回転数を超えない範囲でできるだけ多くの圧縮機を運転する圧縮ガス供給装置の制御方法が記載されている。
【特許文献１】特開２００２−１２２０７８号公報
【０００４】
一般的なスクリュ圧縮機では、圧縮ガスの一部がスクリュロータ間およびスクリュロータとロータ室壁との間の隙間から低圧側に漏れることが避けられないが、低回転域ではこの圧縮ガスの漏れの吐出量に対する比率が大きくなる。このため、圧縮機は、低回転域では効率が低くなり、吐出容量あたりの消費電力（比動力）が大きくなる。また、高回転域では、摩擦等の機械的損失が大きくなるのでやはり比動力が大きくなる。
【０００５】
特許文献１の方法で、圧縮機を常に比動力の小さい領域（中間領域）で運転できるようにするには、標準的な圧縮ガスの消費量のときに複数台の圧縮機が同時に運転されるように、より小さい容量の圧縮機を並列して設置することが必要である。
【０００６】
しかしながら、一般的に、回転数制御される複数の小容量の圧縮機を設置する方が大容量の圧縮機を１台設置するよりも比動力が大きく、エネルギー効率が低いという問題がある。さらに、回転数制御される複数の小容量の圧縮機を設置すると、イニシャルコストが高くなるという問題もある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明は、前記問題点に鑑みて、消費量にあわせて安定した圧力の圧縮ガスの供給ができる効率が高い圧縮ガス供給装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するために、本発明による圧縮ガス供給装置は、回転数制御される大容量圧縮機と、前記大容量圧縮機に並列して配設された少なくとも１台の小容量圧縮機と、前記大容量圧縮機および前記小容量圧縮機のすべての吐出流路が接続されたレシーバタンクと、前記レシーバタンクの圧力を一定に保つように前記大容量圧縮機の回転数を制御する回転数制御手段と、前記大容量圧縮機の回転数が所定の上限回転数より大きいときは、前記小容量圧縮機を１台追加起動し、前記大容量圧縮機の回転数が所定の下限回転数より小さいときは、前記小容量圧縮機を１台停止する台数制御手段とを備えたものとする。
【０００９】
この構成によれば、圧縮ガスの消費量の変化に応じて回転数制御手段が大容量圧縮機の回転数を制御することで大容量圧縮機の吐出量を調整し、大容量圧縮機の回転数が比動力が小さく効率の高い回転域より高くなる場合は、小容量圧縮機を１台起動することで大容量圧縮機の分担負荷を減らすので、エネルギー効率の高い大型の大容量圧縮機を効率の高い回転域でのみ運転できる。逆に、大容量圧縮機の回転数が低くなる場合は、小容量圧縮機を１台停止して大容量圧縮機の分担負荷を増やすことで、大容量圧縮機を効率の高い回転域で運転のみできる。また、小容量圧縮機は、回転数制御されるものである必要はなく、低速で運転されるか、停止されるかのいずれかの状態に選択される、いわゆるＯＮ−ＯＦＦ制御されるものであれば足り、イニシャルコストが低く、装置が複雑化しない。
【００１０】
また、本発明の圧縮ガス供給装置において、前記上限回転数は、前記大容量圧縮機の比動力が最小となる該大容量圧縮機の回転数より大きく、前記下限回転数は、前記大容量圧縮機の比動力が最小となる該大容量圧縮機の回転数より小さくてもよい。
【００１１】
この構成によれば、大容量圧縮機が、最大効率を示す範囲でのみ運転されるので、常に高効率である。
【００１２】
小容量圧縮機を１台起動した際に大容量圧縮機の回転数が下限回転数より低くなったり、小容量圧縮機を１台停止した際に大容量圧縮機の回転数が上限回転数より高くなったりすると小容量圧縮機の起動・停止を繰り返すハンチングを起こして運転不能に陥るので、大容量圧縮機の上限回転数における吐出容量と下限回転数における吐出容量との差は、小容量圧縮機１台の吐出容量より大きくする必要がある。
【００１３】
一般的なスクリュ圧縮機において、比動力が低く常用可能な吐出量の下限は、最大吐出容量の３０〜４０％であり、常用可能な吐出量の上限は、最大吐出容量の７５〜８０％である。よって、小容量圧縮機の吐出容量を大容量圧縮機の最大吐出容量の５０％以下にすれば、小容量圧縮機の運転台数を調節することで大容量圧縮機の回転数を最大回転数の３０〜８０％の範囲から外れないようして高効率に圧縮ガスを供給することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、容量の大きな大容量圧縮機を効率の高い回転域でのみ運転できるので、圧縮ガスの消費量によらずエネルギー効率が高く、インバータが１台でよいので装置が安価で複雑化しない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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は、本発明の１つの実施形態である圧縮ガス供給装置の構成を示すフローシートである。本実施形態の圧縮ガス供給装置は、インバータ１で回転数が決定されるモータによって駆動されるスクリュ圧縮機である大容量圧縮機２と、２つのスクリュ圧縮機で構成した小容量圧縮機３，４と、大容量圧縮機２および小容量圧縮機３，４の吐出流路が合流して接続されたレシーバタンク５とからなり、レシーバタンク５から圧縮ガスが消費先に供給される。本実施形態において、小容量圧縮機３，４は、大容量圧縮機２の最大吐出容量の約４０％の吐出容量を有している。レシーバタンク５内の圧縮ガスの圧力を計測する圧力センサ６の出力は、ＰＩＤ制御装置（回転数制御手段）７に入力され、レシーバタンク５内の圧力を所定の圧力に保つようにインバータ１の周波数ｆ、ひいては大容量圧縮機２の回転数Ｎが制御される。また、大容量圧縮機２の回転数Ｎに比例するインバータ１の周波数を示す信号が台数制御装置（台数制御手段）８に入力され、台数制御装置８は、インバータ１の周波数ｆ、ひいては大容量圧縮機２の回転数Ｎに応じて小容量圧縮機３および小容量圧縮機４の起動や停止を行う。
【００１６】
図２は、大容量圧縮機２のスクリュの回転数Ｎと吐出量あたりの消費電力（比動力）との関係を示す。この図２は、回転数Ｎが低くても高くても比動力が大きくなり、エネルギー効率が低下することを示している。大容量圧縮機２の回転数Ｎは、インバータ１の周波数ｆに比例する。回転数Ｎｍｉｎは大容量圧縮機２が運転可能なスクリュの最小回転数であり、回転数Ｎｍａｘは大容量圧縮機２が運転可能なスクリュの最大回転数である。通常、圧縮機には運転可能なスクリュの回転数の範囲内で、比動力が低く高効率で適切とされるスクリュの回転数の範囲があるが、大容量圧縮機２において、下限回転数ＮＬから上限回転数ＮＨまでが比動力の低い適切な運転範囲である。下限回転数ＮＬにおけるインバータ１の周波数ｆが下限周波数ｆＬであり、上限回転数ＮＨにおけるインバータ１の周波数ｆが上限周波数ｆＨである。本実施形態の大容量圧縮機２は、下限回転数ＮＬにおいて最大回転数Ｎｍａｘのときの最大吐出容量の３０％の吐出量があり、上限回転数ＮＨにおいて最大回転数Ｎｍａｘのときの最大吐出容量の８０％の吐出量がある。下限周波数ｆＬと上限周波数ｆＨは、採用する大容量圧縮機２の仕様に応じて定められるが、必ずしもスクリュの回転数Ｎの仕様上適切とされる範囲にぴったり一致させる必要はない。
【００１７】
続いて、図３に図１の圧縮ガス供給装置の圧縮ガス供給運転のフローチャートを示す。先ず、ステップＳ１で大容量圧縮機２を起動する。大容量圧縮機２を起動すると、ＰＩＤ制御装置７は、インバータ１の周波数ｆを変更することで大容量圧縮機２のスクリュの回転数Ｎを変更し、圧縮ガスの吐出量を増減してレシーバタンク５の圧力が設定圧力になるように制御する。ステップＳ１では、大容量圧縮機２を起動してからインバータ１の周波数ｆ、ひいては大容量圧縮機２の回転数Ｎが過渡的な変動を経て安定するのを待つために所定の時間が経過してからステップＳ２に進む。ステップＳ２において、インバータ１の周波数ｆが上限周波数ｆＨより高いと判断した場合、すなわち、大容量圧縮機２の回転数Ｎが上限回転数ＮＨより高いと判断した場合、ステップＳ３に進み、台数制御装置８が小容量圧縮機３および小容量圧縮機４のうち、その時点で停止しているいずれか１台を起動する。既に小容量圧縮機３，４が共に運転中である場合は、これ以上起動できる小容量圧縮機がないのでそのままステップＳ４に進む。また、ステップＳ２において、インバータ１の周波数ｆが上限周波数ｆＨ以下であると判断した場合、すなわち、大容量圧縮機２の回転数Ｎが上限回転数ＮＨ以下であると判断した場合、ステップＳ５に進み、周波数ｆが下限周波数ｆＬより低いか否か、すなわち、回転数Ｎが下限回転数ＮＬより低いか否かを確認する。ステップＳ５において周波数ｆが下限周波数ｆＬより低いと判断した場合、すなわち、回転数Ｎが下限回転数ＮＬより低いと判断した場合、ステップＳ６に進み、台数制御装置８が小容量圧縮機３および小容量圧縮機４のうち、その時点で運転しているいずれか１台を停止する。ステップＳ６で小容量圧縮機３，４がいずれも運転していない場合は停止できる小容量圧縮機が残っていないので、そのままステップＳ４に進む。ステップＳ５で周波数ｆが下限周波数ｆＬ以上であると判断した場合、つまりｆＬ≦ｆ≦ｆＨ、ひいてはＮＬ≦Ｎ≦ＮＨである場合は、直接ステップＳ４に進む。ステップＳ３およびステップＳ６で小容量圧縮機３，４を起動または停止した場合も、ステップＳ１で大容量圧縮機２を起動したときと同様に周波数ｆ、ひいては回転数Ｎを安定させるために所定の時間が経過してからステップＳ４に進む。ステップＳ４で圧縮ガス供給装置の運転停止を指示する信号が入力されていないことが確認されればステップＳ２に戻って運転を継続するが、ステップＳ４で運転停止信号を確認した場合は、ステップＳ７で大容量圧縮機２および小容量圧縮機３，４を停止して圧縮ガス供給運転を終了する。
【００１８】
図４は、例として、圧縮ガスの消費量が一定の割合で増加した後、一定の割合で減少したときの大容量圧縮機２および小容量圧縮機３，４がそれぞれ吐出する圧縮ガスの量、つまりそれぞれが分担する負荷を示したものでる。図５は、図４における大容量圧縮機２の回転数Ｎおよび小容量圧縮機３，４の運転状態を示したものである。圧縮ガスの消費量の変化は、ＰＩＤ制御装置７による制御の応答時間に比べて十分に大きく、小容量圧縮機３，４の起動停止に伴う周波数ｆの過渡的な変動は図には現れていない。ＰＩＤ制御装置７は、直接には、インバータ１の周波数ｆを制御するが、図５の大容量圧縮機２の回転数Ｎのグラフを、ＮＬ＝ｆＬ、ＮＨ＝ｆＨ、Ｎｍａｘ＝ｆｍａｘと置き換えると、そのまま、周波数ｆの変化を示すグラフになる。
【００１９】
図示した例では、最初の圧縮ガスの消費量は、大容量圧縮機２の回転数Ｎが下限回転数ＮＬより高く、上限回転数ＮＨより低いとき（インバータ１の周波数ｆが下限周波数ｆＬより高く、上限周波数ｆＨより低いとき）に大容量圧縮機２が吐出する量、である。先ず、大容量圧縮機２が起動され、大容量圧縮機２が１台で消費されるすべての圧縮ガスを供給する。圧縮ガスの消費量が増加するにつれ、ＰＩＤ制御装置７がインバータ１の周波数ｆを増大させることで、大容量圧縮機２の回転数Ｎを増大させて圧縮ガスの供給量を増加させる。
【００２０】
インバータ１の周波数ｆが上限周波数ｆＨに達し、大容量圧縮機２の回転数Ｎが上限回転数ＮＨに達する（このとき大容量圧縮機２の吐出量は最大吐出容量の８０％に達する）と、台数制御装置８が小容量圧縮機３を起動する。小容量圧縮機３は、大容量圧縮機２の最大吐出容量の４０％の負荷を分担するので、大容量圧縮機２は最大吐出容量の４０％の圧縮ガスを吐出すればよく、これに見合うスクリュの回転数になるように、インバータ１の周波数ｆが制御される。こうして、大容量圧縮機２の回転数Ｎは、大容量圧縮機２が最大吐出容量の３０％を吐出する下限回転数ＮＬよりも高く、上限回転数ＮＨより低い回転数に（周波数ｆは、下限周波数ｆＬよりも高く、上限周波数ｆＨよりも低く）なる。
【００２１】
さらに圧縮ガスの消費量が増加すると、インバータ１の周波数ｆが再び上限周波数ｆＨに達する。今度は、小容量圧縮機４が起動され、小容量圧縮機４が大容量圧縮機２の最大吐出容量の４０％を分担する。これによって、再び大容量圧縮機２が最大吐出容量の４０％の圧縮ガスを吐出するようにインバータ１の周波数ｆが低下し、大容量圧縮機２の回転数Ｎも低下する。さらに圧縮ガスの消費量が増加して、インバータ１の周波数ｆが再び上限周波数ｆＨに達しても、もはや起動できる小容量圧縮機が残っていないので、大容量圧縮機２のスクリュが最大回転数Ｎｍａｘに達するまでは、インバータ１の周波数ｆを増加させて大容量圧縮機２の回転数Ｎを増加させることで圧縮ガスの供給量を増加させられる。
【００２２】
次に、圧縮ガスの消費量が減少する場合、ＰＩＤ制御装置７がインバータ１の周波数ｆを低下させて大容量圧縮機２の回転数Ｎを低下させることで、圧縮ガスの供給量を減少させる。インバータ１の周波数ｆが下限周波数ｆＬにまで低下し、大容量圧縮機２の回転数Ｎが下限回転数ＮＬにまで低下（このとき大容量圧縮機２の吐出量は最大吐出容量の３０％に減少）したならば、台数制御装置８が小容量圧縮機４を停止する。これによって小容量圧縮機４が分担していた大容量圧縮機２の最大吐出容量の４０％を大容量圧縮機２がさらに負担することになる。このとき大容量圧縮機２は最大吐出容量の７０％を分担するので、大容量圧縮機２の回転数Ｎは上限回転数ＮＨを（インバータ１の周波数ｆは上限周波数ｆＨを）越えることがない。さらに、圧縮ガスの消費量が減少してインバータ１の周波数ｆが下限周波数ｆＬにまで低下して大容量圧縮機２の回転数Ｎが下限周波数ＮＬに低下すると、次は、小容量圧縮機３が停止されて大容量圧縮機２の吐出量がふたたび増加する。もう一度インバータ１の周波数ｆが下限周波数ｆＬにまで低下し、大容量圧縮機２の回転数Ｎが下限周波数ＮＬにまで低下しても、小容量圧縮機３，４は既に停止しているので、ＰＩＤ制御装置７は、大容量圧縮機２のスクリュの回転数が最小回転数Ｎｍｉｎになるまでインバータ１の周波数ｆを低下させる。
【００２３】
本実施形態において、小容量圧縮機３，４は、回転数制御されておらず、大容量圧縮機２は、容量が大きいので小容量の複数の圧縮機を回転数制御するよりも効率が高く、殆どの領域で最大吐出量の３０％から８０％の範囲で運転されるのでより効率が高い。
【００２４】
また、実際の設計においては、大容量圧縮機２の容量は、最も圧縮ガスの消費量が少ないときにインバータ１の周波数ｆが下限周波数ｆＬより大きくなるように選定され、最も圧縮ガスの消費量が多いときに、インバータ１の周波数ｆが下限周波数ｆＬより大きくなるように小容量圧縮機の台数が選定されるので、インバータ１の周波数ｆを下限周波数ｆＬより小さくしたり上限周波数ｆＨより大きくしないようにしてもよい。
【００２５】
また、図４および５において、小容量圧縮機４よりも小容量圧縮機３が優先的に運転されているが、交互に起動したり、延べ運転時間が短い方を優先して起動するなどいずれの小容量圧縮機を起動してもよい。また、小容量圧縮機３，４のうちいずれを停止するかについても、延べ運転時間が長い方を優先して停止するなどの制御を行ってもよい。
【００２６】
また、インバータ１、ＰＩＤ制御装置７、台数制御装置８は、それぞれ独立したものである必要はなく、一体的に構成されたものであってもよい。
【００２７】
本発明において、小容量圧縮機の吐出容量が小さ過ぎると、多数の小容量圧縮機が必要になり、非効率な装置になる。しかし、すべての小容量圧縮機の吐出容量が、大容量圧縮機の上限回転数ＮＨにおける吐出容量と下限回転数ＮＬにおける吐出容量との差よりも小さいように構成する必要がある。仮に、小容量圧縮機の吐出容量が、大容量圧縮機の上限回転数ＮＨにおける吐出容量と下限回転数ＮＬにおける吐出容量との差よりも大きいとすると、大容量圧縮機の回転数Ｎが上限回転数ＮＨに達して小容量圧縮機を１台起動したときに、大容量圧縮機の回転数Ｎが上限回転数ＮＬよりも低くなり、すぐに小容量圧縮機を停止することになる。すると、再び大容量圧縮機の回転数Ｎが上限回転数ＮＨを越えることになり、小容量圧縮機を起動・停止を繰り返すハンチングを起こすからである。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施形態の圧縮ガス供給装置のフローシート。
【図２】図１の大容量圧縮機の性能曲線。
【図３】図１の圧縮ガス供給装置の運転の流れ図。
【図４】図１の圧縮ガス供給装置の圧縮ガス供給量の分担量の変化を例示する図。
【図５】図４の圧縮ガス供給量の分担量における各圧縮機の運転状態変化を示す図。
【符号の説明】
【００２９】
１  インバータ
２  大容量圧縮機
３  小容量圧縮機
４  小容量圧縮機
５  レシーバタンク
６  圧力センサ
７  ＰＩＤ制御装置（回転数制御手段）
８  台数制御装置（台数制御手段）
【図１】
2006312900.tif 000003
【図２】
2006312900.tif 000004
【図３】
2006312900.tif 000005
【図４】
2006312900.tif 000006
【図５】
2006312900.tif 000007