(57)【要約】【課題】多段式ターボ圧縮機において、効率を低下させることなく、圧縮圧力を切換えられるようにする。【解決手段】モータ１９によってギヤ機構２０を介して第１乃至第４ターボ圧縮機１５，１６，１７，１８を駆動する。高圧圧縮運転時には、第１乃至第４ターボ圧縮機１５，１６，１７，１８によって４段階の圧縮を行って高圧の圧縮圧力を得る。低圧圧縮運転時には、運転切換弁２９を閉じ、運転切換弁３０を開いて管路２７によって第４ターボ圧縮機１８をバイパスすることにより、３段階の圧縮として、圧縮効率を低下させることなく低圧の圧縮圧力を得る。このとき、運転切換弁３７を閉じ、運転切換弁３８を開いて管路３６によって第４ターボ圧縮機１８をアンロード状態とすることにより、モータ１９の負荷の増大を軽減することができ、省エネルギー化を達成することができる。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のターボ圧縮機を直列に配置して多段圧縮を行う多段式ターボ圧縮機において、前記複数のターボ圧縮機の一部をバイパスするバイパス通路と、該バイパス通路によってバイパスされた前記ターボ圧縮機について吐出側と吸込側とを連通させてアンロード状態とするアンロード通路とを設け、高圧圧縮時には、前記複数のターボ圧縮機の全てによって多段圧縮を行い、低圧縮時には、前記バイパス通路および前記アンロード通路を開いて、前記複数のターボ圧縮機の一部をバイパスすると共にアンロード状態とすることを特徴とする多段式ターボ圧縮機。
【請求項２】
前記アンロード通路に絞りを設けたことを特徴とする請求項１に記載の多段式ターボ圧縮機。
【請求項３】
前記アンロード通路を大気に解放する通気手段を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の多段式ターボ圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、複数のターボ型圧縮機を直列に接続して高圧縮圧力を得るようにした多段式ターボ型圧縮機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の多段式ターボ圧縮機の一例について、図３を参照して説明する。多段式ターボ圧縮機１は、４段式ターボ圧縮機であって、モータ２によって歯車機構３を介して駆動される４つのターボ圧縮機４，５，６，７をインタクーラ８，９，１０を介して直列に接続したものである。なお、図３中、符号１１は吸込フィルタ、１２は吸込ガイドベーン、１３はアフタクーラを示す。
【０００３】
この構成により、吸込フィルタ１１から吸込ガイドベーン１２を介して吸入した空気をターボ圧縮機４，５，６，７によって多段階に圧縮することにより、高圧縮圧力を得ることができる。このような多段式ターボ圧縮機については、特許文献１等に参照することができる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−１１１０３２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来の多段式ターボ圧縮機では、次のような問題がある。例えば工場プラント等において、高圧（０．８ＭＰａ程度）と低圧（０．５ＭＰａ程度）の２種類の圧縮空気圧力を必要とする場合において、高圧側の圧縮空気圧力に対応する仕様の４段式ターボ圧縮機を用いて、低圧側の圧縮空気圧力を得ようとすると、第１段から第３段の圧縮によって既に必要な圧縮圧力に達しているにもかかわらず、さらに、第４段の圧縮を行って、高圧に達した後、低圧側の圧力まで圧縮圧力が低下するという事態が生じうる。このような事態が生じた場合、第４段で過度に圧縮する分、無駄な電力を消費することになり、効率が悪化することになる。また、インバータ等を用いてモータの回転速度を低下させることにより、圧縮圧力を制御することも考えられるが、インバータ回路による電力の損失が問題となり、また、インバータ等の制御回路が必要となり、設備コストが高くなる。
【０００６】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、効率を低下させることなく、圧縮圧力を切換えることができる多段式ターボ圧縮機を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、請求項１に係る発明は、複数のターボ圧縮機を直列に配置して多段圧縮を行う多段式ターボ圧縮機において、前記複数のターボ圧縮機の一部をバイパスするバイパス通路と、該バイパス通路によってバイパスされた前記ターボ圧縮機について吐出側と吸込側とを連通させてアンロード状態とするアンロード通路とを設け、高圧圧縮時には、前記複数のターボ圧縮機の全てによって多段圧縮を行い、低圧縮時には、前記バイパス通路および前記アンロード通路を開いて、前記複数のターボ圧縮機の一部をバイパスすると共にアンロード状態とすることを特徴とする。
このように構成したことにより、高圧圧縮時には、全段のターボ圧縮機を用いて圧縮を行い、低圧圧縮時には、一部の段のターボ圧縮機を用いて圧縮を行うことによって、ターボ圧縮機の運転速度を変えることなく圧縮圧力を切換えることができる。
請求項２の発明に係る多段式ターボ圧縮機は、上記請求項１の構成において、前記アンロード通路に絞りを設けたことを特徴とする。
このように構成したことにより、アンロード通路の流量を適度に絞ることによって、アンロードされたターボ圧縮機の負荷を軽減することができる。
また、請求項３の発明に係る多段式ターボ圧縮機は、上記請求項１または２の構成において、前記アンロード通路を大気に解放する通気手段を設けたことを特徴とする。
このように構成したことにより、アンロード通路内の空気の圧縮、膨張を吸収することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態に係る多段式ターボ圧縮機１４は、４段式ターボ圧縮であって、第１、第２、第３および第４ターボ圧縮機１５，１６，１７，１８からなる４つのターボ圧縮機を備えている。こられの第１乃至第４ターボ圧縮機１５，１６，１７，１８は、１つのモータ１９によってギヤ機構２０を介して、それぞれのインペラが所定の回転速度で駆動される。
【０００９】
第１ターボ圧縮機１５の吸込側は、容量制御を行う吸込ガイドベーン２１を介して吸込フィルタ２２に接続されており、吐出側は、第１インタクーラ２３を介して第２ターボ圧縮機１６の吸込側に接続されている。第２ターボ圧縮機１６の吐出側は、第２インタクーラ２４を介して第３ターボ圧縮機１７の吸込側に接続されている。
【００１０】
第３ターボ圧縮機１７の吐出側の管路は２方向に分岐されており、その一方が管路２５によって第３インタクーラ２６の入口側に接続され、他方が管路２７（バイパス通路）によって、インタクーラ２６及び第４ターボ圧縮機１８をバイパスしてアフタクーラ２８の入口側に接続されている。管路２５，２７には、それぞれ運転切換弁２９，３０（開閉弁）が設けられている。運転切換弁２９，３０は、一方が開弁したとき他方が閉弁し、一方が閉弁したとき他方が開弁するように連動して開閉される。なお、運転切換弁２９，３０の代りに、第３ターボ圧縮機１７の出口側を管路２５又は２７に選択的に接続する３ポート２位置切換弁を設けることもできる。
【００１１】
第３インタクーラ２６の出口側の管路は、２方向に分岐されており、その一方が管路３１によって第４ターボ圧縮機１８の吸込側に接続され、他方が管路３２を介して大気に解放されている。管路３１，３２には、それぞれ運転切換弁３３，３４（開閉弁）が設けられている。運転切換弁３３，３４は、一方が開弁したとき他方が閉弁し、一方が閉弁したとき他方が開弁するように連動しており、さらに、運転切換弁３３は運転切換弁２９の開閉に連動して開閉し、運転切換弁３４（通気手段）は運転切換弁３０の開閉に連動して開閉するようになっている。また、運転切換弁３３は、閉弁状態でも、管路３１を完全に閉じず、所定の絞りをもって連通させるようになっている。なお、運転切換弁３３，３４の代りに、第３インタクーラ２６の出口側の管路を管路３１又は３２に選択的に接続する３ポート２位置切換弁を設けることもできる。
【００１２】
第４ターボ圧縮機１８の吐出側の管路は、２方向に分岐されており、その一方が管路３５を介してアフタクーラ２８の入口側に接続され、他方が管路３６（アンロード通路）を介して、第４ターボ圧縮機１８の吸込側に連通する第３インタクーラ２６の入口側に接続されている。管路３５，３６には、それぞれ運転切換弁３７，３８（開閉弁）が設けられている。運転切換弁３７，３８は、一方が開弁したとき他方が閉弁し、一方が閉弁したとき他方が開弁するように連動して開閉され、また、運転切換弁３７は運転切換弁２９および３３の開閉に連動して開閉し、運転切換弁３８は運転切換弁３０および３４の開閉に連動して開閉するようになっている。なお、運転切換弁３７，３８の代りに、第４ターボ圧縮機１８の出口側の管路を管路３５又は３６に選択的に接続する３ポート２位置切換弁を設けることもできる。アフタクーラ２８の出口側は、送気管３９によって、各種空気圧機器等の圧縮空気の供給先へ接続される。
【００１３】
運転切換弁２９，３０，３３，３４，３７，３８は、例えば、空気圧によって開閉する空気圧開閉弁、電磁力によって開閉する電磁式開閉弁あるいは電磁力および空気圧によって開閉する電磁式パイロット型開閉弁とすることができる。
【００１４】
以上のように構成した本実施形態の作用について次に説明する。
高圧圧縮運転時には、運転切換弁２９，３３，３７を開弁させ、運転切換弁３０，３４，３８を閉弁させる。この状態でモータ１９によってギヤ機構２０を介して第１乃至第４ターボ圧縮機１５，１６，１７，１８のインペラを所定の速度で回転させると、吸込フィルタ２２から吸込ガイドベーン２１を介して吸入された大気は、第１ターボ圧縮機１５で圧縮され、第１インタクーラ２３によって冷却されて、第２ターボ圧縮機１６で圧縮され、第２インタクーラ２４で冷却され、さらに、第３ターボ圧縮機１７で圧縮される。
【００１５】
そして、第３ターボ圧縮１７から吐出された圧縮空気は、運転切換弁２９が開き、運転切換弁３０が閉じているので、管路２５を通って第３インタクーラ２６に流入して冷却される。第３インタクーラ２６で冷却された圧縮空気は、運転切換弁３３が開き、運転切換弁３４が閉じているので、管路３１を通り、第４ターボ圧縮機１８で更に圧縮される。第４ターボ圧縮機１８から吐出された圧縮空気は、運転切換弁３７が開き、運転切換弁３８が閉じているので、管路２７を通ってアフタクーラ２８に流入し、冷却されて、送気管３９から供給先へ供給される。このようにして、第１乃至第４ターボ圧縮機１５，１６，１７，１８の全てを通して４段階の圧縮を行うことにより、高い圧縮圧力を得ることができる。
【００１６】
低圧圧縮運転時には、運転切換弁２９，３３，３７を閉弁させ、運転切換弁３０，３４，３８を開弁させる。この状態で、モータ１９によってギヤ機構２０を介して第１乃至第４ターボ圧縮機１５，１６，１７，１８のインペラを所定の速度で回転させると、吸込フィルタ２２から吸込ガイドベーン２１を介して吸入された大気は、上記高圧圧縮運転時と同様、第１、第２および第３ターボ圧縮機１５，１６，１７によって第１及び第２インタクーラ２３，２４を通して順次圧縮される。
【００１７】
そして、第３ターボ圧縮１７から吐出された圧縮空気は、運転切換弁２９が閉じ、運転切換弁３０が開いているので、管路２７を通って直接アフタクーラ２８に流入し、冷却されて、送気管３９から供給先へ供給される。このようにして、第３インタクーラ２６および第４ターボ圧縮機１８をバイパスし、第１、第２および第３ターボ圧縮機１５，１６，１７のみを通して３段階の圧縮を行うことにより、モータ１９の回転速度を変えることなく、低圧の圧縮圧力を得ることができる。
【００１８】
このとき、第４ターボ圧縮機１８の吸込側の運転切換弁３３は閉弁しているが前述のように管路３１を所定の絞りをもって連通させており、また、吐出側の運転切換弁３８が開弁しているので、第４ターボ圧縮機１８の吸込側と吐出側とが管路３６、第３インタクーラ２６および管路３１を介して連通されることになる。これにより、第４ターボ圧縮機１８から吐出された空気が吸込側に循環されて、第４ターボ圧縮機１８は、アンロード状態で運転されることになるので、第４ターボ圧縮機１８を駆動することによるモータ１９の負荷の増大を最小限に抑えることができる。
【００１９】
そして、第４ターボ圧縮機１８の吐出側から吸込側へ循環する空気の流れを運転切換弁３３（絞り）によって適度に絞ることにより、循環空気流量の増大によるエネルギーの損失を軽減することができる。この循環空気は、第３インタクーラ２６を通過して冷却されるので、第４ターボ圧縮機１８の過熱を防止することができる。また、運転切換弁３４を開いて管路３２を大気に解放することにより、循環空気の温度による体積変化を吸収することができる。
【００２０】
このようにして、高圧圧縮運転時には、４段階の圧縮によって高い圧縮圧力を得て、低圧圧縮運転時には、３段階の圧縮によって効率よく低い圧縮圧力を得ることができるので、ターボ圧縮機の効率を低下させることなく、モータ１９の負荷を軽減することができ、省エネルギー化を達成するすることができる。
【００２１】
本実施形態に係る４段式ターボ圧縮機１４の性能曲線を図２に示す。図２において、曲線▲１▼、▲２▼、▲３▼および▲４▼は、それぞれ第１、第２、第３及び第４ターボ圧縮機１５，１６，１７，１８の圧縮比と吐出流量との関係を示しており、所定の吐出流量Ｑ１において、第４ターボ圧縮機１８の吐出側までの圧縮比は９．７であり、約０．８ＭＰａの高圧圧縮運転に必要な圧縮圧力を得ることができ、第３ターボ圧縮機１７の吐出側までの圧縮比は約６．５となっており、約０．６５ＭＰａの圧縮圧力に達することが可能であるから、０．５ＭＰａの低圧運転時には、第４ターボ圧縮機１８による圧縮は不要である。ここで、第４ターボ圧縮機１８の吐出側においても、吐出流量を増大させることによって圧縮圧力を低くすることが理論的には可能であるが、実際には、吐出流量の増大によりモータが過負荷状態となるため、実用上問題がある。
【００２２】
なお、上記実施形態では、一例として、本発明を４段式ターボ圧縮機に適用し、最終段の第４ターボ圧縮機１８をバイパスすることによって３段式ターボ圧縮機として作動可能としたものについて説明しているが、本発明は、これに限らず、他の段数の多段式ターボ圧縮機についても、一部の段階のターボ圧縮機をバイパスすると共にアンロード可能とすることにより、同様に適用することができる。
【００２３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明に係る多段式ターボ圧縮機によれば、一部のターボ圧縮機をバイパスすると共にアンロード状態とすることにより、圧縮効率を低下させることなく、適宜圧縮段数を切換えて所望の圧縮圧力を得ることができ、省エネルギー化を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る多段式ターボ圧縮機の概略構成を示す回路図である。
【図２】図１に示す多段式ターボ圧縮機の各圧縮段階のターボ圧縮機の特性を示すグラフ図である。
【図３】従来の４段式ターボ圧縮機の概略構成を示す回路図である。
【符号の説明】
１４　多段式ターボ圧縮機。
１５　第１ターボ圧縮機
１６　第２ターボ圧縮機
１７　第３ターボ圧縮機
１８　第４ターボ圧縮機
２７　管路（バイパス通路）
３３　運転切換弁（絞り）
３４　運転切換弁（通気手段）
３６　管路（アンロード通路）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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