(57)【要約】スクリュー圧縮機はモータに接続され、圧縮空気消費量が少ない期間の間においてさえも上記モータにより駆動される。斯かる期間の間に上記スクリュー圧縮機は少なくとも部分的に負荷解除され、該圧縮機の駆動は更に容易かつ更に安価とされる。上記負荷解除は、上記圧縮機から空気を除去することで実施される。それは好適には、小さな能力の真空デバイスの空気取入口を上記スクリュー圧縮機の空気吐出口に連通することで行われる。上記真空デバイスからの吸引は上記スクリュー圧縮機の上記空気吐出口に伝えられて該スクリュー圧縮機からの空気を吸引することで、上記スクリュー圧縮機を回転するために必要なエンジン馬力が減少される。上記真空デバイスは、空気量および／または空気圧を増大するためにも使用され得る。上記システムは、地面に孔を掘削する掘削リグにおいて使用され得る。上記スクリュー圧縮機は、事前加圧式液圧アキュムレータからの加圧液体により上記真空デバイスを短時間だけ駆動することにより、上記モータの始動の間において負荷解除され得る。
2005526214.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気取入口と空気吐出口とを含むスクリュー圧縮機であって、上記空気取入口は該空気取入口を閉成する取入バルブを有するというスクリュー圧縮機と、
上記スクリュー圧縮機よりも相当に小さな最大能力の真空デバイスであって、該真空デバイスは空気取入口および空気吐出口を有し、該真空デバイスの上記空気取入口は上記スクリュー圧縮機の上記空気吐出口と連通可能とされることで、上記空気取入口バルブが閉成されたときに該真空デバイスが上記スクリュー圧縮機から空気を吸引して上記スクリュー圧縮機を負荷解除するのを可能にするという真空デバイスと、
を備えて成る、スクリュー圧縮機の負荷解除システム。
【請求項２】
前記スクリュー圧縮機の前記空気吐出口に接続された空気リザーバと、該空気リザーバから上記スクリュー圧縮機の上記空気吐出口への空気の逆流を防止すべく配置された逆止弁とを更に含む、請求項１記載のスクリュー圧縮機の負荷解除システム。
【請求項３】
前記真空デバイスの前記空気吐出口は、該真空デバイスが圧力ブースタを構成する如く、前記空気リザーバに接続されて該空気リザーバに圧縮空気を供給する、請求項２記載のスクリュー圧縮機の負荷解除システム。
【請求項４】
当該スクリュー圧縮機の負荷解除システムは、前記真空デバイスの前記空気取入口を外気の供給源に対して選択的に連通するバルブを更に含み、
上記真空デバイスは空気量ブースタを構成する、請求項３記載のスクリュー圧縮機の負荷解除システム。
【請求項５】
当該スクリュー圧縮機の負荷解除システムは、前記空気リザーバから前記スクリュー圧縮機へと潤滑油を導く管路を更に含み、
上記潤滑油は前記真空デバイスにより上記空気リザーバへと戻される、請求項３記載のスクリュー圧縮機の負荷解除システム。
【請求項６】
前記真空デバイスの前記空気取入口と前記スクリュー圧縮機の前記空気吐出口との間の連通を開閉すべく配置されたバルブを更に含む、請求項１記載のスクリュー圧縮機の負荷解除システム。
【請求項７】
前記スクリュー圧縮機の前記空気吐出口に接続された主要空気放出通路と、
上記主要空気放出通路内に配設された逆止弁と、
上記逆止弁の下流の箇所にて、前記真空デバイスの前記空気吐出口を上記主要空気放出通路に連通する二次的空気放出通路とを更に含む、請求項１記載のスクリュー圧縮機の負荷解除システム。
【請求項８】
前記二次的空気放出通路内における逆止弁を更に含む、請求項７記載のスクリュー圧縮機の負荷解除システム。
【請求項９】
前記真空デバイスはスクリュー圧縮機から成る、請求項１記載のスクリュー圧縮機の負荷解除システム。
【請求項１０】
当該スクリュー圧縮機の負荷解除システムは、前記真空デバイスの前記空気取入口を外気の供給源に連通すべく選択的に開成可能かつ閉成可能であるバルブを更に含み、
上記真空デバイスは空気量ブースタを構成する、請求項１記載のスクリュー圧縮機の負荷解除システム。
【請求項１１】
当該モータが回転しているときは常に前記スクリュー圧縮機を駆動するために該スクリュー圧縮機に対して作用可能に接続されたモータを更に含む、請求項１記載のスクリュー圧縮機の負荷解除システム。
【請求項１２】
前記真空デバイスを駆動する液圧モータと、
上記液圧モータに対して加圧済液圧液体を供給する液圧ポンプと、
上記ポンプと連通して加圧済液圧液体を蓄積するアキュムレータと、
上記アキュムレータと上記液圧モータとの間の連通を選択的に開閉することで、上記アキュムレータからの加圧済液圧液体が上記液圧モータおよび上記真空デバイスを一時的に駆動するのを可能とするバルブとを更に含む、請求項１記載のスクリュー圧縮機の負荷解除システム。
【請求項１３】
モータと、
上記モータに作用可能に接続されることで、該モータが回転するときは常に該モータにより駆動されるスクリュー圧縮機であって、該スクリュー圧縮機は空気取入口および空気吐出口を含み、上記空気取入口は該空気取入口を閉成する取入口バルブを有するというスクリュー圧縮機と、
空気リザーバと、
上記スクリュー圧縮機の上記空気吐出口を上記空気リザーバに接続する主要空気放出通路であって、上記スクリュー圧縮機の上記空気吐出口に対する圧縮空気の逆流を防止する第1逆止弁を含む主要空気放出通路と、
上記空気リザーバから上記スクリュー圧縮機へと潤滑油を導く管路と、
上記スクリュー圧縮機よりも相当に小さな最大能力であると共に空気取入口および空気吐出口を有する真空デバイスと、
上記第1逆止弁の下流の箇所にて上記真空デバイスの上記空気吐出口を上記主要空気放出通路に連通する二次的空気放出通路であって、上記真空デバイスの上記空気吐出口に対する圧縮空気の逆流を防止する第2逆止弁を有する二次的空気放出通路と、を備え、
上記真空デバイスの上記空気取入口は上記スクリュー圧縮機の上記空気吐出口と連通することで、上記取入口バルブが閉成されたときに上記真空デバイスが上記スクリュー圧縮機からの空気を吸引して該スクリュー圧縮機を負荷解除するのを可能とする、
スクリュー圧縮機の負荷解除システム。
【請求項１４】
前記真空デバイスを駆動する液圧モータと、
上記液圧モータに対して加圧済液圧液体を供給する液圧ポンプと、
上記ポンプと連通して加圧済液圧液体を蓄積するアキュムレータと、
上記アキュムレータと上記液圧モータとの間の連通を選択的に開閉することで、上記アキュムレータからの加圧済液圧液体が上記液圧モータおよび上記真空デバイスを一時的に駆動するのを可能とするバルブとを更に含む、請求項１３記載のスクリュー圧縮機の負荷解除システム。
【請求項１５】
モータと、
掘削ストリングを支持するマストと、
上記モータに作用可能に接続されて上記掘削ストリングを回転する液圧デバイスと、
上記掘削ストリングに供給されるべきフラッシング用圧縮空気を蓄積する空気リザーバと、
上記空気リザーバと上記掘削ストリングとの間の連通を選択的に開閉するフラッシング・バルブと、
上記モータに接続されることで、該モータが回転するときは常に該モータにより駆動されるスクリュー圧縮機であって、空気取入口と、上記空気リザーバに圧縮空気を供給する空気吐出口とを含むスクリュー圧縮機と、
上記スクリュー圧縮機の上記空気取入口を閉成する取入口バルブと、
上記スクリュー圧縮機よりも相当に小さな最大能力であると共に空気取入口および空気吐出口を含む真空デバイスであって、該真空デバイスの上記空気取入口は上記スクリュー圧縮機の上記空気吐出口に連通することで、上記フラッシング・バルブおよび上記取入口バルブが閉成されたときに該真空デバイスが上記スクリュー圧縮機からの空気を吸引して上記スクリュー圧縮機を負荷解除するのを可能にするという真空デバイスとを備えて成る、
掘削装置。
【請求項１６】
前記真空デバイスを駆動する液圧モータと、
上記液圧モータに対して加圧済液圧液体を供給する液圧ポンプと、
上記ポンプと連通して加圧済液圧液体を蓄積するアキュムレータと、
上記アキュムレータと上記液圧モータとの間の連通を選択的に開閉することで、上記アキュムレータからの加圧済液圧液体が上記液圧モータおよび上記真空デバイスを一時的に駆動するのを可能とするバルブとを更に含む、請求項１５記載の掘削装置。
【請求項１７】
Ａ）その空気取入口を閉成してスクリュー圧縮機を駆動する段階と、
Ｂ）段階Ａの間において上記スクリュー圧縮機から空気を除去して該スクリュー圧縮機を少なくとも部分的に負荷解除する段階とを備えて成る、
スクリュー圧縮機の負荷解除方法。
【請求項１８】
前記段階Ｂは、前記スクリュー圧縮機から空気を吸引することで該スクリュー圧縮機を実質的に負荷解除する段階を更に備えて成る、請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記段階Ｂは、前記スクリュー圧縮機の空気吐出口と連通する吸引デバイスにより上記スクリュー圧縮機から空気を吸引する段階を更に備えて成る、請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
前記真空デバイスの前記空気吐出口からの圧縮空気を空気リザーバに供給する段階を更に含む、請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
前記空気リザーバから前記スクリュー圧縮機に対して潤滑油を供給し、該潤滑は前記真空デバイスにより上記空気リザーバに戻して導かれる段階を更に含む、請求項１９記載の方法。
【請求項２２】
当該方法は、前記スクリュー圧縮機に対して潤滑油の供給源から潤滑油を供給する段階を更に含み、
前記段階Ｂは、
上記スクリュー圧縮機の空気吐出口を開成し、且つ、該空気吐出口を介して上記スクリュー圧縮機から潤滑油および空気を送出する段階と、
送出された油および空気を、大気圧に維持されたタンクへと導く段階と、
上記タンクから上記油を上記供給源へと移送する段階とを備えて成る、
請求項１７記載の方法。
【請求項２３】
スクリュー圧縮機を負荷解除することにより該スクリュー圧縮機のための駆動モータの始動を促進する方法であって、
Ａ）上記スクリュー圧縮機の空気取入口を閉成する段階と、
Ｂ）上記スクリュー圧縮機よりも相当に小さな最大能力を有する真空デバイスを駆動する段階と、
Ｃ）上記真空デバイスの空気取入口を上記スクリュー圧縮機の空気吐出口に連通することで、上記真空デバイスが上記スクリュー圧縮機から空気を吸引して該スクリュー圧縮機を負荷解除する段階と、
Ｄ）上記駆動モータを始動して上記スクリュー圧縮機を駆動する段階とを備えて成る、方法。
【請求項２４】
前記真空デバイスの前記空気吐出口から圧縮空気を空気リザーバに供給する段階を更に含む、請求項２４記載の方法。
【請求項２５】
前記空気リザーバから前記スクリュー圧縮機に対して潤滑油を供給し、該潤滑は前記真空デバイスにより上記空気リザーバに戻して導かれる段階を更に含む、請求項２５記載の方法。
【請求項２６】
前記段階Ｂは、事前加圧式液圧アキュムレータからの加圧液体により前記真空デバイスを駆動する段階を備えて成る、請求項２４記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は空気加圧システムに関し、特に、他の機器も駆動するディーゼルエンジンもしくは電気モータなどのモータであって圧縮空気消費量が少ない期間の間においてさえも斯かる機器ならびにスクリュー圧縮機を駆動し続けるというモータにより駆動されるスクリュー圧縮機を採用するシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
モータ駆動式のスクリュー圧縮機は、多くの有用な機能を実施する圧縮空気の供給源を提供する。スクリュー圧縮機システムは、その堅牢性(robustness)、コンパクトさ及び信頼性の故に受け入れられて相当に発展してきた。それは(通常的には100,000時間を超える)長期の連続的動作に対して設計され、98％までの直結利用可能性(online availability)を提供する。そのエネルギ効率の高さと共に維持費は低いことから、操業コストは最小限とされる。またロータの回転動作は滑らかであることから、スクリュー圧縮機は最も困難な気体、汚染物もしくは液体スラグを振動なしで取り扱い得る。
【０００３】
スクリュー圧縮機を使用する多くの機械の例は掘削リグ(drilling rig)であり、その場合、地面すなわち大地および／または岩盤を掘削すべく掘削ストリング(drill string)の掘削ビットが回転される。掘削されつつある孔から掘屑(cutting)をフラッシングすべく、掘削ストリングを通して掘削ビットの前面まで下方に導かれる加圧空気を生成するスクリュー圧縮機を採用することは一般的である。上記空気が掘削ストリングの外部に沿い上方へと進行するときに、掘屑は空気流に捕捉されて地表へともたらされる。上記加圧空気はまた、掘削ビットの掘削要素を冷却する役割も果たす。
【０００４】
所謂る衝撃式工具(percussive tool)の場合に加圧空気は、掘削作用を増進すべくピストンから回転掘削ビットに衝撃的打突を付与する衝撃ピストンを往復動させる様にも機能する。上記ピストンは、掘削ビットの直上において地面の下方に配設される(すなわち所謂るダウンザホール・ハンマ[down-the-hole hammer])。
【０００５】
多くの圧縮空気用途においては液圧システム(hydraulic system)などの他の機器も駆動するモータ(すなわち燃料駆動エンジンもしくは電気駆動モータ)によりスクリュー圧縮機を駆動することが一般的であるが、上記液圧システムは：液圧モータ(hydraulic motors)に動力供給することで、掘削ストリングを上昇かつ下降し、掘削が進展するにつれて掘削ストリングに対して掘削ロッドを継ぎ足し、掘削ストリングが孔から引抜かれつつあるときに掘削ストリングから掘削ロッドを取り外し、掘削マストを上昇かつ下降し、水平化ジャッキを上昇かつ下降し、かつ、(移動式掘削リグの場合には)掘削リグを推進する。上記モータはまた、液圧ポンプと、冷却システムの冷却ファンも駆動する。
【０００６】
斯かる掘削機は圧縮空気を必要とするが、これには、掘屑をフラッシングし且つ／又は衝撃式工具の衝撃ピストンを駆動するフラッシング用空気の供給が関連する。故に掘削リグの長期の操作期間に対し、掘削ロッドの継ぎ足し又は取り外し、掘削リグの再配置、掘削リグの設定、昼休みなどの間において加圧空気は必要とされない。但し、これらの期間の間において掘屑をフラッシングすべく又は衝撃ピストンを往復動させるべく圧縮空気を循環させる必要はないが、各液圧機器に動力供給すべく上記モータを駆動することは依然として必要である。
【０００７】
典型的な空気加圧システムにおいてスクリュー圧縮機とモータとの間の駆動接続は、掘削が行われていないときにはスクリュー圧縮機の連続的動作が必要でないにも関わらずに、上記モータが駆動されるときは常にスクリュー圧縮機が駆動される如きである。斯かる場合において浪費されるモータのエネルギ消費量を減少せんとしてスクリュー圧縮機の空気取入口が閉成されるが、その結果として、スクリュー圧縮機を駆動するために必要なエネルギのおよそ25％のみが減少される、と言うのも、その取入口が閉成されたとしてもスクリュー圧縮機は依然として、その吐出口における空気を、すなわち、圧縮機吐出口と、該吐出口が通常的に接続される圧縮空気リザーバとの間に捕捉された空気を圧縮するからである。
【０００８】
不必要なエネルギ消費量を更に減少すべく取られ得る一定の措置が在る。たとえばエンジンとスクリュー圧縮機との間にクラッチを配備し、空気要求(air requirements)が低い期間中は圧縮機を負荷解除することが可能であるが、これは機器に対して相当のコストが加わり、かつ、上記圧縮機が頻繁に負荷解除されるという状況にて上記クラッチは早期に摩耗する。また、頻繁な時的間隔にて圧縮機をオン・オフ切換えすることは不経済かつ非実用的である。この点に関し、大量の圧縮空気が必要とされない期間の間においてさえも少量は依然として必要とされる可能性があり、その場合にスクリュー圧縮機は空気リザーバを十分に加圧保持すべくオン・オフを反復すべきこともある。
【０００９】
エネルギを節約する別の可能的な措置としてはスクリュー圧縮機を負荷解除する可変速度ギヤ駆動器を配備することが挙げられるが、斯かる駆動器は、クラッチによる二段変速ギヤ駆動器がそうである様に、複雑かつ比較的に高価である。可変速度ギヤ駆動器によれば、エネルギ消費量を減少するために圧縮機に関する毎分回転数(rpm)が減少され得る。
【００１０】
比較的低コストで可能な措置としては、圧力要求(pressure requirements)が低い期間中は容易に停止または減速され得る液圧モータによりスクリュー圧縮機を駆動することが挙げられる。但し、斯かる駆動は比較的に非効率(最大で80％)であることから、圧縮空気消費量が少ない期間の間に実現されたエネルギ節約の一切は、圧縮空気消費量が多い期間の間に失われてしまう。
【００１１】
故に、圧縮空気消費量が少ない期間の間においてモータにより駆動されるにも関わらずに比較的に安価であり乍らも簡素で信頼性の高い様式で動力消費量を最小限とするモータ駆動式スクリュー圧縮機を採用した空気加圧システムを提供すれば好適であろう。
【発明の開示】
【００１２】
本発明は、空気取入口および空気吐出口を含むスクリュー圧縮機を備えて成る、スクリュー圧縮機の負荷解除システム(unloading system)に関する。上記空気取入口を閉成する取入バルブが配備される。上記スクリュー圧縮機より相当に小さな最大能力の真空デバイスが配備される。該真空デバイスは空気取入口および空気吐出口を有する。上記真空デバイスの上記空気取入口は上記スクリュー圧縮機の上記空気吐出口と連通可能とされることで、上記空気取入口バルブが閉成されたときに上記真空デバイスが上記スクリュー圧縮機の上記空気取入口および空気吐出口における夫々の圧力を実質的に均等化することにより上記スクリュー圧縮機を負荷解除することが可能とされる。
【００１３】
本発明はまた、上記スクリュー圧縮機がその空気取入口を閉成されて駆動されつつあるときに該スクリュー圧縮機から空気を除去することで該スクリュー圧縮機を少なくとも部分的に負荷解除する方法にも関する。好適には、上記負荷解除は上記真空デバイスを用いて達成される。上記方法および装置は、スクリュー圧縮機を駆動するモータの始動を促進すべく、または、圧縮空気に対する必要性が低い期間の間において上記モータが上記スクリュー圧縮機を駆動するときに該モータの動作を経済的とするように、該スクリュー圧縮機を負荷解除するために使用され得る。
【００１４】
本発明の目的および利点は、同一の番号が同一の要素を表す添付図面に関する以下の好適実施例の詳細な説明から明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１には従来の空気加圧システムが示されており、空気はスクリュー圧縮機10により圧縮され、圧縮空気は空気リザーバ12の取入口に対して放出口14aが接続された主要空気放出通路14を通して導かれる。空気リザーバ12は圧縮空気を蓄積すると共に、主要スクリュー圧縮機10を潤滑、シールかつ冷却すべく管路11により該主要スクリュー圧縮機に供給される潤滑油を収容する。上記油は、上記空気リザーバと主要スクリュー圧縮機との間における圧力差により該主要スクリュー圧縮機内へと注入される。代替的に、上記油を上記主要スクリュー圧縮機内に注入すべく(不図示の)ポンプが配備され得る。モータ18および主要スクリュー圧縮機10が作動停止されたときに管路11を閉成すべくバルブ13が配備される。
【００１６】
主要スクリュー圧縮機10は好適には、図２に示された一対の相互噛合スクリュー16a、16bを採用する。上記各スクリューは、適切な駆動継手20を介してモータ18により駆動される。
【００１７】
モータ18と主要スクリュー圧縮機10との間の継手20は、モータ18が駆動されるときは常に圧縮機10が駆動され、圧縮空気要求が最小限まで低下したときでさえも上記モータが駆動されることを特徴とする。すなわち、圧縮空気に対する要求が殆どもしくは全くないときでさえも上記モータは(たとえば液圧ポンプなどの)少なくともひとつの他のデバイス22を駆動する必要があることから、上記モータは動作し続ける。故に主要空気圧縮機10は駆動され続け、必要とされるよりも相当に大きな空気加圧機能を実施することから相当のエネルギが消費される。このことは、上記主要空気圧縮機の空気取入口26に配設された空気取入口バルブ24が閉成されたときでさえも生ずる、と言うのも、上記圧縮機は空気吐出口28における空気を圧縮し続けるからである。先に述べられた如く、上記モータと上記圧縮機との間にクラッチ、可変速度駆動器などを用いればエネルギの不必要な消費は排除もしくは減少され得るが、これらのメカニズムは相当に大きなコスト、複雑さおよび／または保守の問題に帰着し得る。
【００１８】
本発明に依れば、比較的に簡素、安価でありかつ信頼性の高いメカニズムにより、上記主要空気圧縮機が上記モータにより最高速度で駆動され続けたとしても該主要空気圧縮機により消費されるエネルギが相当に減少され得る。この点に関し、本発明の好適実施例に係る空気加圧システムを示す図３を参照されたい。其処に示されて図１および図２の各構成要素に対応する構成要素は、同一の番号により参照される。故に、図３の主要スクリュー圧縮機10は、モータ18により駆動される図１および図２の圧縮機10に対応することは理解される。本明細書中で使用される“モータ(motor)”という語句は、たとえば(内燃エンジンまたはディーゼルエンジンなどの様に)燃料により駆動されるか電気的に駆動されるかに関わらず、任意の適切な動力装置を意味する。
【００１９】
空気取入口32および空気吐出口34を有する小型真空デバイス30も配備される。該真空デバイスは、真空ポンプ、または圧縮機(たとえば小型スクリュー圧縮機)などの、真空を生成する任意のデバイスとされ得る。上記真空デバイスを駆動すべく、ベルト・ドライブおよびクラッチを有する電気モータ、または、図３に示された如く液圧ポンプ(hydraulic pump)36により駆動される可変速度式液圧モータ35を備えた液圧システムなどの、任意の適切な駆動機構が配備される。図３に示された上記液圧システムは、論じられるべき理由の故に、逆止弁37、液圧アキュムレータ38および遮断バルブ39も含む。
【００２０】
上記真空デバイスは好適には小型であり、すなわちそれは、主要空気圧縮機10よりも実質的に小さな能力を有することから、空気を圧縮するときに作動する上で必要とするエネルギは相当に少ない。たとえば、(小型スクリュー圧縮機などの)真空デバイスは、上記主要スクリュー圧縮機の最大能力(maximum capacity)の10％より小さい(最も好適には3〜7％の)最大能力を有し得る。
【００２１】
真空デバイス30の空気取入口32は、逆止弁15の上流(すなわち主要空気放出通路14を通る空気流の方向に関して上流)の箇所にて主要スクリュー圧縮機10の空気吐出口28と連通する。
【００２２】
上記二次的真空デバイスの空気吐出口34から延在して逆止弁15の下流の箇所にて主要空気放出通路14に接続される二次的空気放出通路48内には、逆止弁46が配設される。
【００２３】
次に、図３に関して開示される上記システムの作用は、特定用途にて使用されるシステムすなわち図６に示された移動式掘削リグ50と共に論じられる。但し、上記システムは他の多くの用途においても利用され得ることを理解すべきである。掘削リグ50は、上昇もしくは下降され得るマスト54が取付けられる主要フレーム52を含む。上昇されたときに上記マストは掘削ストリングを形成する掘削ロッド56を支持するが、該掘削ストリングは引き続き掘削操作の間に地中へと下降可能であり、掘削は上記掘削ストリングの下端部に配設された掘削ビット58により実施される。掘削操作の間において上記掘削ビットは、モータ18により駆動される液圧ポンプ22からの加圧済液圧流体が供給される液圧機構により回転される。上記掘削ビットにより生成された掘屑は、上記掘削ストリングを貫通して下方へと送給されるフラッシング用圧縮空気であって其処から上記掘削ストリングの外部に沿い上方へと導かれるフラッシング用圧縮空気により地表へと搬送される。上記フラッシング用空気は、モータ18により駆動される主要スクリュー圧縮機10により供給される。上記掘削ストリングに対するフラッシング用空気の流れを制御すべく、フラッシング・バルブ59が配備される。而して、液圧流体を冷却すべく水冷システム60が配備されるが、該冷却システムはモータ18により駆動される水ポンプおよびファンを含む。
【００２４】
硬質の地面もしくは岩盤を掘削するときには衝撃式掘削が実施され得るが、その場合には、掘削ビットが回転するにつれて該掘削ビットに下向きの衝撃を付与すべく往復動ピストンが配備される。該ピストンは、地面の上方、または、地面の下方すなわち上記掘削ビットの直上に配設され得る。地面の上方に配設されたピストンは典型的に加圧済液圧液体により駆動されるが、掘削ビットの直上に配置された(すなわち所謂るダウンザホール掘削での)ピストンは、その後に掘削ビットへと進行するフラッシング用圧縮空気により駆動される。柔軟な地面を掘削するとき、上記掘削ビットは一切のピストン衝撃を伴わずに回転される(すなわち所謂る回転掘削)。故に、ダウンザホール式の衝撃式掘削の間においては回転掘削よりも大きな空気圧が必要なことが理解される。
【００２５】
掘削：
掘削操作(すなわち回転掘削もしくは衝撃式掘削)の間において空気取入バルブ24は開成され、且つ、主要スクリュー圧縮機10はモータ18により最高速度で駆動され、真空デバイス30は駆動されるかまたは非駆動とされる。故に上記主要スクリュー圧縮機は空気取入口24からの空気を受けてそれを圧縮し、それを空気リザーバ12に供給する。圧縮空気は上記空気リザーバから引き出されて種々の機能を実施するが、主として、上記掘削ビットをフラッシングかつ冷却すると共に掘屑を地表まで搬送するフラッシング用空気であって、(もしダウンザホール衝撃式掘削が実施さていれば)可能的にはピストンも往復動させるフラッシング用空気の役割を果たす。
【００２６】
モータ動作の間におけるスクリュー圧縮機の負荷解除：
たとえば掘削ロッドを継ぎ足し又は取り外し、掘削のためにドリルを設定し、掘削リグを再配置するなどの場合には結果的に掘削操作を一時停止する必要があり、それと同時にフラッシング用空気は必要とされなくなる。故に、フラッシング・バルブ59は閉成される。モータ18は、たとえば冷却システム60、および、上記掘削ロッドを上昇もしくは下降している液圧ポンプなどの他の機器を作動させるべく駆動され続ける。主要スクリュー圧縮機10は、上記モータと接続された性質の故に駆動され続ける。故に、空気リザーバ12内に蓄積された空気圧は最大必要圧力に到達し且つ実際の圧縮空気消費量がゼロもしくは最小限であるとしても、主要スクリュー圧縮機10は高速で駆動され続けることでエネルギを不必要に消費する。そのエネルギ消費量の一定部分は空気取入バルブ26を閉成することで減少され得るが、上記主要スクリュー圧縮機が空気吐出口28における空気を圧縮し続けるならば依然として相当の量のエネルギが消費される。
【００２７】
本発明に依れば、空気吐出口28における空気の圧縮を中断すべく、主要スクリュー圧縮機10は負荷解除される。これは、空気取入口バルブ24を閉成すると共に真空デバイス30を駆動することで達成される。故に上記真空デバイスの空気取入口32は主要スクリュー圧縮機10の空気吐出口28に連通して載置されることで該空気吐出口28において真空引きを行なうことにより逆止弁15を閉成して上記圧縮機から空気を吸引することから、上記圧縮機スクリューには圧縮されるべき空気は残されずもしくは非常に希薄な空気が残される。結果的に、上記主要スクリュー圧縮機の内側の空気の密度は実質的に減少され、且つ、上記主要スクリュー圧縮機の両側における吸引および排出圧力は実質的に均等化される。結果として上記圧縮機は負荷解除されることから、その回転は更に容易とされ、該主要スクリュー圧縮機を動作させるために必要なエネルギは相当に減少される。従って、モータ18は更に低い馬力かつ低い操業コストにて動作されることから、モータの寿命および圧縮機の寿命は長くなる。
【００２８】
重要な点として上記システムは、上記主要スクリュー圧縮機を負荷解除するか否かに関わらず、主要スクリュー圧縮機10の潤滑に障害もしくは中断が無い様に設計される。すなわち上記空気リザーバは上記主要スクリュー圧縮機に対して潤滑／冷却油を供給し続け得る、と言うのも、真空デバイス30はその油を上記空気リザーバに戻すからである。
【００２９】
真空デバイス30は掘削操作の間に駆動されることで、空気リザーバ12に供給される圧縮空気の圧力を増大する圧力ブースタとして機能し得ることは理解される。
【００３０】
モータの始動時におけるスクリュー圧縮機の負荷解除：
本発明の付加的利点は、上記モータの始動を更に容易とするために該モータの始動の間に主要スクリュー圧縮機10を負荷解除する機能である。斯かる利点は、特に燃料により動力供給されるエンジンの場合に非常に寒い天気においてモータ18および主要スクリュー圧縮機を始動するときに、且つ／又は、最大空気消費量の状態の間に上記主要スクリュー圧縮機を作動させるときよりも始動の間において可能的には５〜６倍のアンペアを消費する電気モータを始動するときに非常に有用である。このような電気モータの場合、結果として大きな電流を取り扱うための過大な電源ケーブルおよびブレーカが必要となる。
【００３１】
モータの始動の間(または直前)における上記主要スクリュー圧縮機の負荷解除は、真空デバイス30を駆動することで達成される。モータ始動の間において上記真空デバイスを駆動する最も好適な様式は、図３に示された如き事前加圧アキュムレータ38を使用することである。この点に関し、モータの作動停止に先立ち液圧ポンプ36を駆動すれば、液圧モータ35に対して液圧液体が供給されるだけでなく、ポンプ36の吐出口に連通する液圧アキュムレータ38も加圧される。モータ18が作動停止されたとき、液圧モータ35とアキュムレータ38との間に配設された遮断バルブ39は閉成されており、上記アキュムレータは加圧状態に置かれる。上記モータの引き続く始動の間において又は直前においてバルブ39は開成されることから、上記アキュムレータからの液圧液体はモータ35を一時的に駆動する一方、該モータは、上記主要スクリュー圧縮機における真空を生成することで該主要スクリュー圧縮機のスクリューを回転するに必要な動力を最小限とすべく、たとえば数秒間に亙り真空デバイス30を駆動する。結果として、始動しつつあるモータに対する負荷は更に小さくなり、その始動が促進される。もちろん、上記圧縮機の負荷解除および上記エンジンの始動の間において空気取入口26は閉成される。
【００３２】
改変例：
図４および図５には本発明の２つの改変形態が示されており、その各々によれば真空デバイス30は圧力ブースタとして且つ空気量ブースタ(air volume booster)として選択的に機能し得る。図４を参照すると、一対の通路70、72が真空デバイス30の空気取入口側32を主要スクリュー圧縮機10の空気吐出口28および空気取入口26に対して夫々接続している。また通路70、72を夫々選択的に開閉するために一対の遮断バルブ76、78が配備される。掘削操作の間においてはバルブ76および78が閉成され得ることから、主要スクリュー圧縮機10はフラッシング用空気の唯一の圧縮機として機能する。たとえば上記システムは、回転掘削の間において(すなわち往復動衝撃ピストンが配備されていない場合に)そのモードで動作され得る。もし上記システムが、(フラッシング用空気が衝撃ピストンを往復動させるという)衝撃式掘削動作において代わりに使用されたとすれば、バルブ76は上記真空デバイスの空気取入口32を主要スクリュー圧縮機10の空気吐出口28に連通すべく開成され得る結果、上記真空デバイスは圧力ブースタとして機能する。
【００３３】
掘削操作の間において付加的な空気量が必要な場合、バルブ78を開成して上記真空デバイスの空気取入口32を主要スクリュー圧縮機10の空気取入口26に連通させることのみが必要である。その場合に上記真空デバイスの毎分回転数(rpm)は、たとえば付加的な空気を吸引すべく上記真空デバイスに対して可変速度駆動器を用いることで増大される。
【００３４】
先に記述された如く上記真空デバイスが主要スクリュー圧縮機10を負荷解除するという圧縮機負荷解除操作の間においてバルブ76は開成され且つバルブ78は開成もしくは閉成され得ることは理解される、と言うのも、主要スクリュー圧縮機10の空気取入口および空気吐出口における夫々の圧力は、バルブ78が開成されるか閉成されるかに関わらずに実質的に均等化されるからである。上記システムから通路72およびバルブ78が省略され得ることは理解される。代わりに、通路72およびバルブ78により実施される主要機能、すなわち付加的な空気量を提供するという機能は、図５に係る改変例において示された如く二次的スクリュー圧縮機に対するバルブ調節式空気取入口80を配備することで実施され得る。図３に関して開示された上記実施例においては同様の手段が提供され得る。
【００３５】
圧縮空気消費量が少ない期間の間に主要スクリュー圧縮機から空気を除去することにより、その除去が完全ではないとしても、利点が達成されることは理解される。この点に関して図７には、主要スクリュー圧縮機から空気を吸引する真空デバイスを採用しない負荷解除システムが示される。代わりに、図６に示された如く取入バルブ24が閉成され且つバルブ76が開成されたときに主要スクリュー圧縮機により潤滑油が送り込まれる小型タンク90が配備される。タンク90は、襲用のエアブリーザ92により大気へと開放される。タンク90からの油94は、液圧ポンプ96により空気リザーバ12へと圧送される。これにより、逆止弁15も閉成される。空気リザーバ12もまた大気に開放される。主要スクリュー圧縮機10に対しては、ポンプ98が油を圧送する。上記主要スクリュー圧縮機が油を送出するときに、それは空気も送出するので該主要スクリュー圧縮機内の空気密度が減少され、スクリューの回転が更に容易とされる。回転の容易さは、上記主要スクリュー圧縮機が油を送出するときに大気圧すなわち0.1MPa(14.5psi)に対してのみ作用するという事実から帰着するものでもある。
【００３６】
上記圧縮機は、前記主要スクリュー圧縮機において真空が確立されるという前述の実施例におけるのと同一の程度までは負荷解除されないが、それでも該圧縮機は、該圧縮機を動作させるために必要な動力を相当に減少するに十分な量だけ負荷解除される。
【００３７】
前述の各実施例の種々のバルブの起動は手動で実施され得るが、好適には自動的に実施される。
【００３８】
所望であれば、圧縮機ノイズを低減することが必要ならば、空気取入口バルブ24は自身を貫通して穿孔された小寸孔を備えることで、該バルブ24が閉成されたときでさえも該バルブ24を少量の空気が通過するのを可能とし得る。但し、斯かる孔を通過する空気の量は、本明細書中で定義される如く、上記空気取入口が依然として“閉成されている”と見做されるほどに少ないものである。
【００３９】
本発明に依れば、主要スクリュー圧縮機を連続的に駆動し乍ら、または、モータを始動し乍ら、比較的に簡素で経済的な様式でモータの動力消費量が相当程度まで減少され得ることは理解される。
【００４０】
本発明はその好適実施例に関して記述されたが、当業者であれば、特に記述されない付加、削除、改変および置換は添付の各請求項において定義された本発明の精神および範囲から逸脱せずに為され得ることを理解し得よう。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】図１は、スクリュー圧縮機を利用する従来の空気加圧システムの概略図である。
【図２】図２は、モータにより駆動されつつある従来のスクリュー圧縮機を断面で示す概略図である。
【図３】図３は、本発明の第１実施例に係る空気加圧システムの概略図である。
【図４】図４は、本発明の第２実施例に係る空気加圧システムの概略図である。
【図５】図５は、本発明の第３実施例に係る空気加圧システムの概略図である。
【図６】図６は、地面に孔を掘削すると共に本発明が効果的に利用され得るという従来の掘削装置の側面図である。
【図７】図７は、本発明の第４実施例に係る空気加圧システムの概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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