(57)【要約】【課題】インバータ装置による回転数制御を、全ての負荷領域で可能にしたスクリュー圧縮機を提供する。【解決手段】仕様空気量に対する空気消費量比が予め設定された空気消費量比以上の運転範囲では、インバータ装置４による回転数制御によりオイルフリースクリュー圧縮機として運転を行い、空気消費量比が予め設定された空気消費量比以下の運転範囲では、圧縮機本体１の圧縮作動室内に水を噴射することにより、水噴射式スクリュー圧縮機として運転を行うようにしたことから、インバータ装置４による回転数制御が全ての負荷領域で可能になる。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機本体を駆動する電動機をインバータ装置により回転数制御するスクリュー圧縮機であって、吐出圧力が予め設定された圧力よりも許容範囲を超えて高いときには、前記電動機の回転数を低下させるように指令し、吐出圧力が予め設定された圧力よりも許容範囲を超えて低いときには、前記電動機の回転数を上昇させるように指令するインバータ装置と、圧縮機本体より吐出される圧縮空気の供給先の消費空気量または負荷量が、予め設定した所定量以下となったときに、前記圧縮機本体の圧縮作動室内に水を噴射する水噴射手段とを具備したことを特徴とするスクリュー圧縮機。
【請求項２】
圧縮空気の供給先の消費空気量または負荷が所定量以下になったときに、前記圧縮機本体の空気吸い込み側にも水を噴射する水噴射手段を設けてなる請求項１に記載のスクリュー圧縮機。
【請求項３】
圧縮機本体を駆動する電動機をインバータ装置により回転数制御するスクリュー圧縮機の運転制御方法であって、仕様空気量に対する空気消費量比が予め設定された空気消費量比以上の運転範囲では、インバータ装置による回転数制御によりオイルフリースクリュー圧縮機として運転を行い、空気消費量比が予め設定された空気消費量比以下の運転範囲では、圧縮機本体の圧縮作動室内に水を噴射することにより、水噴射式スクリュー圧縮機として運転を行うことを特徴とするスクリュー圧縮機の運転制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はインバータ装置による回転数制御により、全負荷から無負荷までの全ての負荷領域で圧縮機本体の運転を可能にしたスクリュー圧縮機及びスクリュー圧縮機の運転制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
空気圧縮機は各種産業に使用されているが、電子関連、食品、化学などのように油分の混入を嫌う産業分野では、圧縮作動室内に潤滑油を給油する必要がないオイルフリースクリュー圧縮機が多く採用されている。
また空気圧縮機は、吐出圧力を一定に保った状態で使用されるため、ユーザの空気使用量に応じた吐出空気量を制御する必要があると共に、空気圧縮機の消費電力費は、工場設備における電力費の約２５％を占めていることから、省エネルギに対応した空気圧縮機が要望されている。
【０００３】
一方オイルフリースクリュー圧縮機の一般的な制御方式として吸い込み絞り制御方式がある。この吸い込み絞り制御方式は、圧縮空気供給先の使用量が減少し、吐出圧力が設定圧力値より高くなった場合、吸い込み口に設けた弁を閉じて吸い込み量を制限すると同時に吐出側を大気開放することにより、低負荷時の圧縮仕事量を低減する制御方法である。
前記吸い込み絞り制御方式に対し、スクリュー圧縮機の負荷の変動に対応させて高いエネルギ効率を得ることのできる運転制御方式として、インバータ装置による回転数制御方式があり、従来のインバータ装置により回転数制御を行なうようにしたスクリュー圧縮機としては、例えば特開２００１−３４２９８２号公報に記載された「スクリュー圧縮装置とその運転制御方法」が公知である。
【０００４】
前記公報の「スクリュー圧縮装置とその運転制御方法」では、低負荷領域である設定消費空気量以下の領域では、設定消費空気量比に対応した回転数で圧縮機を運転すると共に、この圧縮機の吐出圧力が上限圧力に達したときには、圧縮機の吐出空気を大気へ放気する容量制御を併用し、かつ消費空気量比が設定消費空気量比となるまでは、設定消費空気量比に対応した回転数よりも低い回転数で運転するようにしたもので、これにより無負荷運転時の消費動力を低減することができるなどの効果が得られるようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図４は、全負荷時の消費電力量比と空気消費量比をそれぞれ１００％としたときの、オイルフリースクリュー圧縮機の各運転制御方式の消費電力特性を示す線図で、破線ａが従来の吸い込み絞り制御方式の消費電力特性を示し、実線ｂが従来のインバータ装置による回転数制御方式の消費電力特性を示している。
また点線ｃは無負荷時の消費電力量が０となり、全負荷時から無負荷時までの負荷に対する消費電力量の変化が一定であるという理想状態の消費電力特性を示している。
【０００６】
しかし図４の破線ａで示す従来の吸い込み絞り制御方式では、低負荷時でもロータ回転速度は全負荷時と変らないことから、圧縮仕事量は減少するが機械損失は減少しないため、エネルギ効率は低下するなどの問題がある。
また吸い込み絞り制御方式と比較して、インバータ装置による従来の回転数制御方式では、高負荷領域における消費電力量比が小さくエネルギ効率も高いが、低空気消費量比すなわち低負荷領域では、押しのけ空気量に対する内部空気漏れ量比が増大するため、圧縮作動室内において上流側に漏れた空気を再圧縮し、圧縮空気の温度が上昇するため、エネルギ効率が大幅に低下するなどの問題がある。
【０００７】
本発明はかかる従来の問題点を改善するためになされたもので、インバータ装置による回転数制御を、全負荷から無負荷までの全ての負荷領域で可能にしたスクリュー圧縮機及びスクリュー圧縮機の運転制御方法を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため本発明のスクリュー圧縮機は、圧縮機本体を駆動する電動機をインバータ装置により回転数制御するスクリュー圧縮機であって、吐出圧力が予め設定された圧力よりも許容範囲を超えて高いときには、電動機の回転数を低下させるように指令し、吐出圧力が予め設定された圧力よりも許容範囲を超えて低いときには、電動機の回転数を上昇させるように指令するインバータ装置と、圧縮機本体より吐出される圧縮空気の供給先の消費空気量または負荷量が、予め設定した所定量以下となったときに、圧縮機本体の圧縮作動室内に水を噴射する水噴射手段とから構成したものである。
【０００９】
前記構成により、全負荷から無負荷までの全ての負荷領域においてインバータ装置による回転数制御によりスクリュー圧縮機の運転が可能になると共に、低空気消費量比すなわち低負荷領域では、圧縮機本体の圧縮作動室内に噴射された水によって各ロータ間がシールされるため、押しのけ空気量に対する内部空気漏れ量比が増大することがない。
これによって上流側に漏れた空気を圧縮作動室内において再圧縮圧することがないと同時に、圧縮作動室内に噴射された水によって圧縮空気が冷却されるため、エネルギ効率が大幅に向上すると共に、吐出空気の圧力変動が少ないスクリュー圧縮機が得られるようになる。
【００１０】
前記目的を達成するため本発明のスクリュー圧縮機は、圧縮空気の供給先の消費空気量または負荷が所定量以下になったときに、圧縮機本体の空気吸い込み側にも水を噴射する水噴射手段を設けたものである。
【００１１】
前記構成により、圧縮機本体に吸い込まれる空気に微粒化された水が混合されて圧縮過程中の空気の冷却効果を高めることができるため、エネルギ効率の向上が図れるようになる。
【００１２】
前記目的を達成するため本発明のスクリュー圧縮機の運転制御方法は、圧縮機本体を駆動する電動機をインバータ装置により回転数制御するスクリュー圧縮機の運転制御方法であって、仕様空気量に対する空気消費量比が予め設定された空気消費量比以上の運転範囲では、インバータ装置による回転数制御によりオイルフリースクリュー圧縮機として運転を行い、空気消費量比が予め設定された空気消費量比以下の運転範囲では、圧縮機本体の圧縮作動室内に水を噴射することにより、水噴射式スクリュー圧縮機として運転を行うようにしたものである。
【００１３】
前記方法により、全負荷から無負荷までの全ての負荷領域においてインバータ装置による回転数制御によりスクリュー圧縮機の運転が可能になると共に、低空気消費量比すなわち低負荷領域では、圧縮機本体の圧縮作動室内に噴射された水によって各ロータ間がシールされるため、押しのけ空気量に対する内部空気漏れ量比が増大することがない。
これによって上流側に漏れた空気を圧縮作動室内において再圧縮圧することがないと同時に、圧縮作動室内に噴射された水によって圧縮空気が冷却されるため、エネルギ効率が高く、しかも吐出空気の圧力変動が少ないスクリュー圧縮機の運転制御方法を提供することが可能になる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、図面を参照して詳述する。
図１は第１の実施の形態になるスクリュー圧縮機の構成図を示すもので、作動ガスとして主に空気を用いる圧縮機本体１と、水噴射運転時に圧縮機本体１の吐出空気から水を分離し、かつ分離した水を貯えるセパレータ７と、吐出空気を冷却するアフタークーラ８と、圧縮機本体１を駆動する電動機３及び増速機２と、電動機３の回転数制御を行なうためのインバータ装置４と、インバータ装置４の制御を行う制御装置５と、アフタークーラ８の下流に接続された圧縮空気供給配管２５に装着されて、圧縮空気供給配管２５内の吐出圧力を測定する圧力センサ１３と、圧縮機本体１の軸受け（図示せず）とタイミングギア１ｆ及び増速機２に潤滑油を供給するためのオイルポンプ９と、オイルクーラ１０等で主要部が構成されている。
【００１５】
圧縮機本体１は、１対の噛み合わされた雄のスクリューロータ１ａと雌のスクリューロータ１ｂを備えており、これら両スクリューロータ１ａ，１ｂはケーシング１ｃに形成されたボアに収容されていると共に、両スクリューロータ１ａ，１ｂの両軸端部は軸受けに回転自在に支承されている。
雄のスクリューロータ１ａの外周部には例えば４枚の歯部がネジ状に形成されており、雌のスクリューロータ１ｂの外周部には例えば６枚の歯部がネジ状に形成されていると共に、各スクリューロータ１ａ，１ｂの両軸端部を支承する軸受けとスクリューロータ１ａ，１ｂの歯部の間には軸封装置（図示せず）がそれぞれ設けられていて、軸受けと圧縮作動室間の空気と水及び潤滑油の漏れを防止しており、軸受け及び軸封装置はそれぞれケーシングに保持されている。
【００１６】
圧縮機本体１に収容されている雄のスクリューロータ１ａより突設された駆動軸１ｄは、圧縮機本体１の増速機２側へ突出されていて、増速機２に設けられた増速ギア２ａ，２ｂを介して電動機３の回転軸３ａに接続されおり、電動機３の動力で圧縮機本体１の各スクリューロータ１ａ，１ｂが駆動されるようになっている。
【００１７】
吐出空気量比が予め設定された吐出空気量比以上の運転範囲である定常運転時には、圧縮機本体１の運転と共に外気から吸い込まれた空気は、フィルタ６及び吸い込み配管２２を通って圧縮機本体１内へ導かれ、回転する１対のスクリューロータ１ａ，１ｂとケーシング１ｃによって形成される圧縮作動室内に吸い込まれて、スクリューロータ１ａ，１ｂの回転と共に圧縮作動室の容積が減少することにより加圧される。そして加圧圧縮された空気は、圧縮作動室から吐出された後、空気配管２３、セパレータ７、圧縮空気供給配管２４を通ってアフタークーラ８へ導かれ、アフタークーラ８によって冷却された後、圧縮空気供給配管２５、逆止弁１４を通って供給先へ供給されるようになっている。なお１５は安全弁を示す。
【００１８】
一方吐出空気量比が予め設定された吐出空気量比以下である低負荷運転時には、定常運転時と同様に外気から吸い込まれた空気は、フィルタ６及び吸い込み配管２２を通って圧縮機本体１内へ導かれ、回転する１対のスクリューロータ１ａ，１ｂとケーシング１ｃによって形成される圧縮作動室内に吸い込まれて加圧圧縮されるが、この圧縮過程中に、水配管３５または水配管３６からノズルを介して圧縮機本体１内へ水が噴射される。
同時に吸い込み配管２２内部にも水配管３５または水配管３６からノズルを介して水を噴射され、吸い込み空気に微粒化した水を混合することによって、圧縮過程中の空気の冷却効果を高めることにより、エネルギ効率を向上させている。
【００１９】
吐出空気量比が予め設定された吐出空気量比以下になると、電磁弁２１が開となって、セパレータ７内に貯留された水が圧縮機本体１より吐出される空気圧力により水配管３８へ押し出され、水クーラ３７によって冷却された後水配管３２、水フィルタ２０及び水配管３６を通ってノズルにより圧縮機本体１の圧縮作動室内に噴射される。
なおセパレータ７内の水が設定量以下の時には、電磁弁２１は閉、電磁弁１９が開となっていて、外部給水源からの水がバルブ３９、水配管２６、水フィルタ１８、水配管２７、水配管３５を通って、ノズルによって圧縮機本体１の圧縮作動室内に噴射されるようになっており、電磁弁１９及び電磁弁２１は、圧縮機停止時及び定常運転時は共に閉となっている。
【００２０】
ノズルは圧縮機本体１のケーシング１ｃの中間部で、かつ圧縮作動室が密閉空間を形成する位置に形成されており、圧縮作動室内では、噴射された水によるシール効果によってスクリューロータ１ａ，１ｂが低速回転であっても空気の漏れが低減され、同時に冷却効果によって圧縮動力が低減されるため、低負荷運転時においてもエネルギ効率が低下しない。
また圧縮空気は水と混合した状態で圧縮機本体１の圧縮作動室から吐出された後、空気配管２３を通ってセパレータ７に達し、セパレータ７で圧縮空気から水が分離されて、水のみがセパレータ７の下部に貯留されると共に、セパレータ７の上部には圧縮空気供給配管２４が接続されており、セパレータ７の底面近くの側壁部に、前述した水を圧縮機本体１に供給する給水配管３８が接続されている。
【００２１】
セパレータ７から吐出された圧縮空気は、圧縮空気供給配管２４を通ってアフタークーラ８に達し、アフタークーラ８により冷却された後、アフタークーラ８の吐出側に設けられたドレンセパレータ８ａにより圧縮空気よりドレンが分離され、圧縮空気は圧縮空気供給配管２５及び逆止弁１４を通ってから外部の供給先へ供給され、ドレンセパレータ８ａにより分離されたドレンは、水配管３１及びドレン弁４０を通って外部へ排出されるようになっている。
【００２２】
一方オイルポンプ９より吐出された潤滑油は、圧縮機本体１内の軸受けとタイミングギア１ｆ、電動機３の動力を圧縮機本体１に伝達する増速機２のギア２ａ，２ｂの潤滑に用いられるが、この潤滑油は増速機２のギアケーシング２ｃ下部に設けられたオイルタンク２ｄに貯留されていて、オイルポンプ９によってオイルクーラ１０へ循環され、オイルクーラ１０により冷却された後、油フィルタ１１、オイルヘッダ１２を通って、圧縮機本体１内の各軸受けとタイミングギア１ｆ及び増速機２内の増速ギア１ａ，２ｂに供給されるようになっており、各部を潤滑した潤滑油は増速機２のギアケーシング２ｃ下部のオイルタンク２ｄに戻される。
圧縮機本体１や吸い込み空気を冷却する冷却水は、外部給水源からバルブ３９、給水配管２６、２８を通ってオイルクーラ１０内へ一部が導かれ、オイルクーラ１０内で潤滑油と熱交換して潤滑油を冷却した後、配管２９を通ってアフタークーラ８内に導かれ、アフタークーラ８内で吐出空気と熱交換して、さらに圧縮空気を冷却するようになっており、アフタークーラ８から排出された水は、水配管３０、４９及びバルブ４１を通って外部へ排出される。
【００２３】
インバータ装置４を制御する制御装置５は、圧力センサ１３で検出された吐出圧力が予め設定された圧力（定格吐出圧力）よりも許容範囲を超えて高いときに、インバータ装置４に電動機３の回転数を低下させるように指令し、圧力センサ１３で検出される吐出圧力が予め設定された圧力（定格吐出圧力）よりも許容範囲を超えて低いときには、インバータ装置４に電動機３の回転数を上昇させるように指令することにより、常に吐出圧力が予め設定された圧力（定格吐出圧力）の許容範囲内となるように電動機３の回転数を制御するようになっており、制御装置５には電動機３の回転数が入力されていて、電動機３の回転数が予め設定された下限回転数以下のときに、電磁弁１９または電磁弁２１に弁を開く指令を出力することにより、圧縮機本体１の圧縮作動室内に水を噴射させるなっている。
【００２４】
次に前記構成されたスクリュー圧縮機の運転制御方法を説明すると、吐出空気量比が予め設定された吐出空気量比以上の運転範囲である定常運転時には、圧縮機本体１の運転と共に外気から吸い込まれた空気は、フィルタ６及び吸い込み配管２２を通って圧縮機本体１内へ導かれて圧縮機本体１により加圧された後、空気配管２３、セパレータ７、圧縮空気供給配管２４を通ってアフタークーラ８へ導かれ、アフタークーラ８によって冷却された後、圧縮空気供給配管２５、逆止弁１４を通って供給先へ供給される。
【００２５】
また制御装置５は、圧力センサ１３で検出された吐出圧力が予め設定された圧力よりも許容範囲を超えて高いときには、インバータ装置４に電動機３の回転数を低下させるように指令し、圧力センサ１３で検出される吐出圧力が予め設定された圧力よりも許容範囲を超えて低いときには、インバータ装置４に電動機３の回転数を上昇させるように指令することにより、常に吐出圧力が予め設定された圧力の許容範囲内となるように電動機３の回転数が制御されており、これによって例えば空気消費量比が１００％〜４０％の負荷領域では、圧縮機本体１の各スクリューロータ１ａ，１ｂの間に空気層が形成されて、各スクリューロータ１ａ，１ｂ同士が接触することがないため、インバータ駆動による回転数制御によりオイルフリー圧縮機の高負荷運転が可能になる。
【００２６】
一方吐出空気量比が予め設定された吐出空気量比以下である低負荷運転時には、制御装置５からの指令により電磁弁２１が開となって、セパレータ７内に貯留された水が圧縮機本体１より吐出される空気圧力により水配管３８へ押し出され、水クーラ３７によって冷却された後水配管３２、水フィルタ２０及び水配管３６を通ってノズルにより圧縮機本体１の圧縮作動室内に噴射される。
これによって例えば空気消費量比が４０％〜０％の低負荷領域では、圧縮作動室内に噴射された水によるシール効果によってスクリューロータ１ａ，１ｂが低速回転であっても、空気の漏れが低減されると同時に、圧縮作動室内に噴射された水の冷却効果によって圧縮動力が低減されるため、インバータ装置４による回転数制御によりオイルフリー圧縮機の低負荷運転が可能になると共に、低負荷運転時においてもエネルギ効率が低下することがない。
【００２７】
図２は前記運転方法による消費電力特性を線図にしたもので、一点鎖線ｄで示す曲線が前記実施の形態による消費電力の特性を示しており、破線ａは吸い込み絞り制御方式の消費電力特性を、そして点線ｃは全負荷時から無負荷時までの負荷に対する消費電力量の変化が一定であるという理想状態の消費電力特性を示している。
なお前記第１の実施の形態では電動機３の下限回転数を、吐出空気量が仕様空気量の４０％となるときの回転数に設定しているが、必ずしも４０％に限定する必要はなく、圧縮機本体１の特性や容量などに応じて適宜選定すればよい。
【００２８】
一方図３は第２の実施の形態を示すもので、圧縮機本体１の圧縮作動室に噴射する水を外部からのみ供給することにより、水噴射式スクリュー圧縮機の運転時に吐出空気から分離した水を貯えるためのセパレータ７を省略したもので、アフタークーラ８内で吐出空気から水を分離し、分離した水は外部へ排出するようになっており、その他は前記第１の実施の形態とほぼ同様な構成のため、同一部分は同一符号を付して、その説明を省略する。
【００２９】
図３に示す第２の実施の形態では、吐出空気量比が予め設定された吐出空気量比以下である低負荷運転時においては、空気は定常運転時と同様に外気から吸い込みフィルタ６を通り、吸い込み配管２２を通って圧縮機本体１へ導かれ、圧縮機本体１内で加圧されるが、このとき電磁弁１９が開となり、外部給水源からの水が、バルブ３９、水配管２６、水フィルタ１８、水配管２７、水配管３５を経てノズルによって圧縮機本体１の圧縮作動室内及び吸い込み配管２２の内部に噴射され、このとき電磁弁１９は圧縮機停止時及び定常運転時は閉となっている。
【００３０】
ノズルは吸い込み配管２２及び圧縮機本体１のケーシング１ｃの中間部で、かつ圧縮作動室が密閉空間を形成する位置に形成されており、圧縮空気は水と混合した状態で圧縮作動室から吐出された後、空気配管２３を通って、アフタークーラ８へ吐出され、アフタークーラ８で圧縮空気が冷却される共に、圧縮空気から分離された水は水配管３１より外部へ排出され、また圧縮空気は圧縮空気供給配管２５、逆止弁１４を通って外部の供給先に吐出される。
【００３１】
なお従来の水噴射式スクリュー圧縮機は、常時圧縮作動室内に水を噴射するため水の使用量が多いことから、水を循環させることにより外部からの給水量を節約する方法が用いられていたが、循環式の場合、水に病原菌等の細菌が繁殖したり、金属イオンの溶融等の問題を解決するため、高価な水質保全装置が必要である。
しかし前記第１、第２の実施の形態になるスクリュー圧縮機によれば、圧縮機本体１の低負荷時にのみ水を噴射させるため、水の使用量が比較的少ない上、第２の実施の形態になるスクリュー圧縮機によれば水を循環させる必要がないため、外部から供給した水を圧縮作動室内に噴射し、吐出空気から分離した水をそのまま圧縮機外に排出することにより、水質保全装置への負担を軽減させることができる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明は以上詳述したように、仕様空気量に対する空気消費量比が予め設定された空気消費量比以上の運転範囲では、インバータ装置による回転数制御によりオイルフリースクリュー圧縮機として運転を行い、空気消費量比が予め設定された空気消費量比以下の運転範囲では、圧縮機本体の圧縮作動室内に水を噴射することにより、水噴射式スクリュー圧縮機として運転を行うようにしたことから、全負荷から無負荷までの全ての負荷領域においてインバータ装置による回転数制御によりスクリュー圧縮機の運転が可能になると共に、低空気消費量比すなわち低負荷領域では、圧縮機本体の圧縮作動室内に噴射された水によって各ロータ間がシールされるため、押しのけ空気量に対する内部空気漏れ量比が増大することがない。
これによって上流側に漏れた空気を圧縮作動室内において再圧縮圧することがないと同時に、圧縮作動室内に噴射された水によって圧縮空気が冷却されるため、エネルギ効率が大幅に向上すると共に、吐出空気の圧力変動が少ないスクリュー圧縮機及びその運転制御方法が得られるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態になるスクリュー圧縮機の構成図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態になるスクリュー圧縮機の消費電力特性を示す線図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態になるスクリュー圧縮機の構成図である。
【図４】従来のスクリュー圧縮機の消費電力特性を示す線図である。
【符号の説明】
１　圧縮機本体
２　増速機
３　電動機
４　インバータ
５　制御装置
６　吸い込みフィルタ
８　セパレータ
９　オイルポンプ
１０　オイルクーラ
１３　圧力センサ
２５　圧縮空気供給管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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