(57)【要約】【課題】需要側へ圧縮気体を供給する圧縮装置をより簡単な構成で精度よく制御できる手段を提供しようとする。【解決手段】従来の需要側へ圧縮気体を供給する圧縮装置にかわって、気体を吸入口から吸気し圧縮気体を吐出圧力の吐出風量で吐出するターボ圧縮機を、備え、設定圧力値と前記吐出圧力が前記設定圧力値であるときにサージング現象を生ずる吐出風量値の最大値にマージン風量値を加えて得られる減量限界風量値とを定め、前記吐出風量が前記減量限界風量値を上回るときに、前記吐出圧力と前記設定圧力値との差が小さくなる様に前記ターボ圧縮機の回転数を変化させる、ものとした。【選択図】    図１
2005016464.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
需要側へ圧縮気体を供給する圧縮装置であって、
気体を吸入口から吸気し圧縮気体を吐出圧力の吐出風量で吐出するターボ圧縮機を、備え、
設定圧力値と前記吐出圧力が該設定圧力値であるときにサージング現象を生ずる吐出風量値の最大値にマージン風量値を加えて得られる減量限界風量値とを定め、
前記吐出風量が前記減量限界風量値を上回るときに、前記吐出圧力と前記設定圧力値との差が小さくなる様に前記ターボ圧縮機の回転数を変化させる、
ことを特徴とする圧縮装置。
【請求項２】
吐出圧力と吐出風量との２次元領域のなかでサージング現象を生ずる領域と生じない領域の境であるサージングラインと該サージングラインにサージング現象を生じない領域側へマージンを加えた境であるサージングコントロールラインとを定め、
前記吐出圧力と前記吐出風量とで定まる運転点が前記サージングコントロールラインに接近したときに、前記吐出圧力と前記吐出風量との関係が前記サージングコントロールラインに沿って変化する様に前記ターボ圧縮機の回転数を変化させる、
ことを特徴とする請求項１に記載の圧縮装置。
【請求項３】
需要側へ圧縮気体を供給する圧縮装置であって、
気体を吸入口から吸気し圧縮気体を吐出圧力の吐出風量で吐出するターボ圧縮機を、備え、
吐出圧力と吐出風量との２次元領域のなかでサージング現象を生ずる領域と生じない領域の境であるサージングラインと該サージングラインにサージング現象を生じない領域側へマージンを加えた境であるサージングコントロールラインとを定め、
前記吐出圧力と前記吐出風量との関係が前記サージングコントロールラインに沿って変化する様に前記ターボ圧縮機の回転数を変化させる、
ことを特徴とする圧縮装置。
【請求項４】
一方の口から気体を受け入れ他方の口を前記吸入口に連通する吸入開閉弁を備え、
設定圧力値より大きな上限圧力値と圧縮気体を吐出する際の回転数よりも低い回転数値である無負荷回転数値とを定め、
前記吐出圧力が前記上限圧力値に達したとき、前記吸入開閉弁を全閉にし、前記ターボ圧縮機の回転数を無負荷回転数値に下げる、
ことを特徴とする請求項２または請求項３のうちの一つに記載の圧縮装置。
【請求項５】
ターボ圧縮機を駆動する電動機を、
備え、
インバータによる駆動電源の周波数変換により前記電動機の回転数を変化させる、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４に記載の圧縮装置。
【請求項６】
気体を吸入口から吸気し圧縮気体を吐出圧力の吐出風量で吐出するターボ圧縮機を有し需要側へ圧縮気体を供給する圧縮装置の制御方法であって、
設定圧力値と前記吐出圧力が該設定圧力値であるときにサージング現象を生ずる吐出風量値の最大値にマージン風量値を加えて得られる減量限界風量値とを定める第１準備工程と、
前記吐出風量が前記減量限界風量値を上回るときに、前記吐出圧力と前記設定圧力値との差が小さくなる様に前記ターボ圧縮機の回転数を変化させる定圧制御工程とを、
備えることを特徴とする圧縮装置の制御方法。
【請求項７】
吐出圧力と吐出風量との２次元領域のなかでサージング現象を生ずる領域と生じない領域の境であるサージングラインと該サージングラインにサージング現象を生じない領域側へマージンを加えた境であるサージングコントロールラインとを定める第２準備工程と、
前記吐出圧力と前記吐出風量とで定まる運転点が前記サージングコントロールラインに接近したときに、前記吐出圧力と前記吐出風量との関係が前記サージングコントロールラインに沿って変化する様に前記ターボ圧縮機の回転数を変化させる非サージ制御工程と、
を備えることを特徴とする請求項６に記載の圧縮装置の制御方法。
【請求項８】
気体を吸入口から吸気し圧縮気体を吐出圧力の吐出風量で吐出するターボ圧縮機を有し需要側へ圧縮気体を供給する圧縮装置の制御方法であって、
吐出圧力と吐出風量との２次元領域のなかでサージング現象を生ずる領域と生じない領域の境であるサージングラインと該サージングラインにサージング現象を生じない領域側へマージンを加えた境であるサージングコントロールラインとを定める準備工程と、
前記吐出圧力と前記吐出風量との関係が前記サージングコントロールラインに沿って変化する様に前記ターボ圧縮機の回転数を変化させる非サージ制御工程と、
を備えることを特徴とする圧縮装置の制御方法。
【請求項９】
設定圧力値より大きな上限圧力値と圧縮気体を吐出する際の回転数よりも低い回転数値である無負荷回転数値とを定める第３準備工程と、
前記吐出圧力が前記上限圧力値に達したとき、前記ターボ圧縮機の吸入口を全閉にし、前記ターボ圧縮機の回転数を無負荷回転数値に下げる無負荷運転工程と、
を備えることを特徴とする請求項７または請求項８のうちの一つに記載の圧縮装置の制御方法。
【請求項１０】
ターボ圧縮機が電動機により駆動され、
インバータによる駆動電源の周波数変換により前記電動機の回転数を変化させる、ことを特徴とする請求項６乃至請求項９に記載の圧縮装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、需要側へ圧縮気体を供給する圧縮装置に係る。特に圧縮のための制御手順に特徴のある圧縮装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラント等では、圧縮気体（特に圧縮空気）が多く使用されるので、圧縮気体を供給する圧縮装置が備えられる。
プラント等での圧縮気体の使用量は、プラントの稼働状況に応じて変動する。圧縮気体の需要が圧縮装置の定格風量よりも下回った際にも、圧縮装置を安定して運転することが求められる。
圧縮装置の形式の中に、多段のターボ圧縮機を利用したものがある。ターボ圧縮機を所定の風量（サージング限界風量という。）以下で使用すると、ターボ圧縮機の回転が不安定になる現象（サージング現象という。）が発生することが知られている。従って、ターボ圧縮機は、所定の値以下に吐出風量を下げることができない。
そこで、ターボ圧縮機を使用した圧縮装置では、ターボ圧縮機の吸入口にガイドベーン方式の吸入開閉弁を設け、吸入開閉弁の開口の開度を逐次調整して吐出風量を一定以上に維持し、かつ需要側の圧縮気体の消費量によって変動しようとする吐出圧力を一定の幅に保っている。
【０００３】
また、需要側の圧縮気体の消費量が減少して、吐出風量を一定以上に保つことが不可能になった場合には、吸入開閉弁を全閉にし、ターボ圧縮機を空回りさせる（これを無負荷運転と呼ぶ。）。
ターボ圧縮機の出口側にレシーバタンクを設けているので、ターボ圧縮機が無負荷運転になっても、需要側へは一定の圧力の圧縮気体を供給できる。時間が経過して、レシーバタンク内の圧縮気体が消費されレシーバタンクの圧力が低下すると、ターボ圧縮機が圧縮気体の吐出を再開する（負荷運転という。）。
圧縮装置の吐出風量と需要側の消費量とが近接している場合には、ターボ圧縮機が負荷運転と無負荷運転とを頻繁に繰り返す。
上記の吸入開閉弁は、吐出圧力を一定の幅に保つために精度の高い開度制御をできる性能を要求される。従って、従来、吸入開閉弁にはガイドベーン方式の開閉弁が用いられている。ガイドベーン方式の開閉弁は、構造が複雑であり、さらに大口径であるために高価であった。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−０８９２８７号公報
【特許文献２】
特開平９−１１９３７８号公報
【特許文献３】
特開平５−２２３４９３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述のようにターボ圧縮機の制御をより簡単な構成で精度よく行ないたいという要請があった。
【０００６】
本発明は以上に述べた問題点に鑑み案出されたもので、需要側へ圧縮気体を供給する圧縮装置をより簡単な構成で精度よく制御できる手段を提供しようとする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る需要側へ圧縮気体を供給する圧縮装置を、気体を吸入口から吸気し圧縮気体を吐出圧力の吐出風量で吐出するターボ圧縮機を、備え、設定圧力値と前記吐出圧力が前記設定圧力値であるときにサージング現象を生ずる吐出風量値の最大値にマージン風量値を加えて得られる減量限界風量値とを定め、前記吐出風量が前記減量限界風量値を上回るときに、前記吐出圧力と前記設定圧力値との差が小さくなる様に前記ターボ圧縮機の回転数を変化させる、ものとした。
【０００８】
上記本発明の構成により、ターボ圧縮機が気体を吸入口から吸気し圧縮気体を吐出圧力の吐出風量で吐出し、減量限界風量値が前記吐出圧力が前記設定圧力値であるときにサージング現象を生ずる吐出風量値の最大値にマージン風量値を加えた値であり、前記吐出風量が前記減量限界風量値を上回るときに、前記吐出圧力と前記設定圧力値との差が小さくなる様に前記ターボ圧縮機の回転数を変化させるので、吐出風量が需要側の需要により変動しても、サージング現象が生ずるのを回避しつつ吐出圧力を前記設定圧力値に近接させることができる。
【０００９】
さらに、本発明に係る圧縮装置は、吐出圧力と吐出風量との２次元領域のなかでサージング現象を生ずる領域と生じない領域の境であるサージングラインと該サージングラインにサージング現象を生じない領域側へマージンを加えた境であるサージングコントロールラインとを定め、前記吐出圧力と前記吐出風量とで定まる運転点がサージングコントロールラインに接近したときに、前記吐出圧力と前記吐出風量との関係が前記サージングコントロールラインに沿って変化する様に前記ターボ圧縮機の回転数を変化させる、のが好ましい。
上記本発明の構成により、サージングラインが吐出圧力と吐出風量との２次元領域のなかでサージング現象を生ずる領域と生じない領域の境であり、サージングコントロールラインが該サージングラインにサージング現象を生じない領域側へマージンを加えた境であり、前記吐出圧力と前記吐出風量とで定まる運転点が前記サージングコントロールラインに接近したときに、前記吐出圧力と前記吐出風量との関係が前記サージングコントロールラインに沿って変化する様に前記ターボ圧縮機の回転数を変化させるので、吐出風量が需要側の需要により変動して、前記吐出圧力と前記吐出風量とで定まる運転点が前記サージングラインに接近した際に、サージング現象が生ずるのを回避することができる。
【００１０】
また、上記目的を達成するため、本発明に係る需要側へ圧縮気体を供給する圧縮装置を、気体を吸入口から吸気し圧縮気体を吐出圧力の吐出風量で吐出するターボ圧縮機を、備え、吐出圧力と吐出風量との２次元領域のなかでサージング現象を生ずる領域と生じない領域の境であるサージングラインと該サージングラインにサージング現象を生じない領域側へマージンを加えた境であるサージングコントロールラインとを定め、前記吐出圧力と前記吐出風量との関係が前記サージングコントロールラインに沿って変化する様に前記ターボ圧縮機の回転数を変化させるものとした。
【００１１】
上記本発明の構成により、ターボ圧縮機が気体を吸入口から吸気し圧縮気体を吐出圧力の吐出風量で吐出し、サージングラインが吐出圧力と吐出風量との２次元領域のなかでサージング現象を生ずる領域と生じない領域の境であり、サージングコントロールラインが該サージングラインにサージング現象を生じない領域側へマージンを加えた境であり、前記吐出圧力と前記吐出風量との関係が前記サージングコントロールラインに沿って変化する様に前記ターボ圧縮機の回転数を変化させるので、吐出風量が需要側の需要により変動しても、サージング現象が生ずるのを回避することができる。
【００１２】
さらに、本発明に係る圧縮装置は、一方の口から気体を受け入れ他方の口を前記吸入口に連通する吸入開閉弁を備え、設定圧力値より大きな上限圧力値と圧縮気体を吐出する際の回転数よりも低い回転数値である無負荷回転数値とを定め、前記吐出圧力が前記上限圧力値に達したとき、前記吸入開閉弁を全閉にし、前記ターボ圧縮機の回転数を無負荷回転数値に下げる、のが好ましい。
上記本発明の構成により、吸入開閉弁が一方の口から気体を受け入れ他方の口を前記吸入口に連通し、上限圧力値が設定圧力値より大きく、無負荷回転数が圧縮気体を吐出する際の回転数よりも低い回転数値であり、前記吐出圧力が前記上限圧力値に達したとき、前記吸入開閉弁を全閉にし、前記ターボ圧縮機の回転数を無負荷回転数値に下げるので、吐出風量が需要側の需要により変動しても、サージング現象が生ずるのを回避し、吐出圧力を上限圧力より大きく上回らないようにすることができる。
【００１３】
さらに、本発明に係る圧縮装置は、ターボ圧縮機を駆動する電動機を、備え、インバータによる駆動電源の周波数変換により前記電動機の回転数を変化させる、のが好ましい。
上記本発明の構成により、電動機がターボ圧縮機を駆動し、インバータによる駆動電源の周波数変換により前記電動機の回転数を変化させるので、ターボ圧縮機の回転数を連続的に変化させ、吐出圧力をスムーズに変化させることができる。
【００１４】
上記目的を達成するため、本発明に係る気体を吸入口から吸気し圧縮気体を吐出圧力の吐出風量で吐出するターボ圧縮機を有し需要側へ圧縮気体を供給する圧縮装置の制御方法を、設定圧力値と前記吐出圧力が前記設定圧力値であるときにサージング現象を生ずる吐出風量値の最大値にマージン風量値を加えて得られる減量限界風量値とを定める第１準備工程と、前記吐出風量が前記減量限界風量値を上回るときに、前記吐出圧力と前記設定圧力値との差が小さくなる様に前記ターボ圧縮機の回転数を変化させる定圧制御工程とを、備える、ものとした。
【００１５】
上記本発明の構成により、減量限界風量値が前記吐出圧力が前記設定圧力値であるときにサージング現象を生ずる吐出風量値の最大値にマージン風量値を加えた値であり、定圧制御工程で、前記吐出風量が前記減量限界風量値を上回るときに、前記吐出圧力と前記設定圧力値との差が小さくなる様に前記ターボ圧縮機の回転数を変化させるので、吐出風量が需要側の需要により変動しても、サージング現象が生ずるのを回避しつつ吐出圧力を前記設定圧力に近接させることができる。
【００１６】
さらに、本発明に係る圧縮装置は、吐出圧力と吐出風量との２次元領域のなかでサージング現象を生ずる領域と生じない領域の境であるサージングラインと該サージングラインにサージング現象を生じない領域側へマージンを加えた境であるサージングコントロールラインとを定める第２準備工程と、前記吐出圧力と前記吐出風量とで定まる運転点がサージングコントロールラインに接近したときに、前記吐出圧力と前記吐出風量との関係が前記サージングコントロールラインに沿って変化する様に前記ターボ圧縮機の回転数を変化させる非サージ制御工程と、を備えるのが好ましい。
上記本発明の構成により、サージングラインが吐出圧力と吐出風量との２次元領域のなかでサージング現象を生ずる領域と生じない領域の境であり、サージングコントロールラインが該サージングラインにサージング現象を生じない領域側へマージンを加えた境であり、非サージ制御工程で、前記吐出圧力と前記吐出風量とで定まる運転点がサージングコントロールラインに接近したときに、前記吐出圧力と前記吐出風量との関係が前記サージングコントロールラインに沿って変化する様に前記ターボ圧縮機の回転数を変化させるので、吐出風量が需要側の需要により変動して、前記吐出圧力と前記吐出風量とで定まる運転点が前記サージングラインに接近した際に、サージング現象が生ずるのを回避することができる。
【００１７】
上記目的を達成するため、本発明に係る気体を吸入口から吸気し圧縮気体を吐出圧力の吐出風量で吐出するターボ圧縮機を有し需要側へ圧縮気体を供給する圧縮装置の制御方法を、吐出圧力と吐出風量との２次元領域のなかでサージング現象を生ずる領域と生じない領域の境であるサージングラインと該サージングラインにサージング現象を生じない領域側へマージンを加えた境であるサージングコントロールラインとを定める準備工程と、前記吐出圧力と前記吐出風量との関係が前記サージングコントロールラインに沿って変化する様に前記ターボ圧縮機の回転数を変化させる非サージ制御工程と、を備えるものとした。
【００１８】
上記本発明の構成により、サージングラインが吐出圧力と吐出風量との２次元領域のなかでサージング現象を生ずる領域と生じない領域の境であり、サージングコントロールラインが該サージングラインにサージング現象を生じない領域側へマージンを加えた境であり、非サージ制御工程で前記吐出圧力と前記吐出風量との関係が前記サージングコントロールラインに沿って変化する様に前記ターボ圧縮機の回転数を変化させるので、吐出風量が需要側の需要により変動しても、サージング現象が生ずるのを回避することができる。
【００１９】
さらに、本発明に係る圧縮装置は、設定圧力値より大きな上限圧力値と圧縮気体を吐出する際の回転数よりも低い回転数値である無負荷回転数値とを定める第３準備工程と、前記吐出圧力が前記上限圧力値に達したとき、前記ターボ圧縮機の吸入口を全閉にし、前記ターボ圧縮機の回転数を無負荷回転数値に下げる無負荷運転工程と、を備えるのが好ましい、
上記本発明の構成により、上限圧力値が設定圧力値より大きく、無負荷回転数値が圧縮気体を吐出する際の回転数よりも低い回転数値であり、無負荷運転工程で、前記吐出圧力が前記上限圧力値に達したとき、前記ターボ圧縮機の吸入口を全閉にし、前記ターボ圧縮機の回転数を無負荷回転数値に下げるので、吐出風量が需要側の需要により変動しても、サージング現象が生ずるのを回避し、吐出圧力を上限圧力を大きく上回らないようにすることができる。
【００２０】
さらに、本発明に係る圧縮装置は、ターボ圧縮機が電動機により駆動され、インバータによる駆動電源の周波数変換により前記電動機の回転数を変化させる、のが好ましい。
上記本発明の構成により、インバータによる駆動電源の周波数変換により前記電動機の回転数を変化させるので、ターボ圧縮機の回転数を連続的に変化させ、吐出圧力をスムーズに変化させることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を、図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００２２】
本発明の実施形態に係る需要側へ圧縮気体を供給する圧縮装置を説明する。図１は、本発明の実施形態に係る圧縮装置の配管系統図である。
【００２３】
圧縮装置１は、需要側へ圧縮気体を供給する装置であって、原動機２とトルク伝達機構３とターボ圧縮機４とクーラ５と吸入フィルタ６とレシーバタンク７と吸入開閉弁８と放風弁９とディフューザ１０と逆止弁１１と圧力センサ１２と制御装置１３と原動機ドライバ１４と送気配管１５とで構成される。
【００２４】
原動機２は、ターボ圧縮機４を回転駆動させるものであり、例えば、誘導式電動機である。誘導式電動機は、駆動電源の周波数により決まる回転数（例えば、３６００ｒｐｍ）で回転する。
誘導式電動機は、インバータ盤１４によりＰＷＭ方式によって周波数を変えられた駆動電源により駆動される。
駆動電源の周波数が変化すると、誘導式電動機の回転数はその周波数に対応して変化する。
原動機２の駆動軸は、後述するトルク伝達機構３に連結する。
【００２５】
トルク伝達機構３は、原動機２の出力トルクをターボ圧縮機４へ伝達する機構であり、ブルギアとピニオンギアとを持つ。
ピニオンギアとブルギアとが互いに噛み合って回転する。
原動機２の駆動軸がブルギアの回転軸に連結する。
ターボ圧縮機４の回転軸がピニオンギアの回転軸に連結する。
トルク伝達機構３は、原動機２の回転を増速してターボ圧縮機４に伝達する。
ターボ圧縮機４は、原動機２の回転数に増速比を乗じた回転数で回転する。
【００２６】
ターボ圧縮機４は、電動機２にトルク伝達機構３を介して回転され、気体を吸入口から吸引し圧縮気体を吐出口から吐出することのできるターボ式の圧縮機である。その電動機２は、インバータ盤１４により周波数を変換された駆動電源により駆動される。
ターボ圧縮機４は、例えば、第１段ターボ圧縮機４ａと第２段ターボ圧縮機４ｂとで構成される。
第１段ターボ圧縮機４ａが吸入口から気体を吸入し、第１段ターボ圧縮機４ａと第２段ターボ圧縮機４ｂとが気体を順番に圧縮し、第２段ターボ圧縮機４ｂが吐出口から圧縮気体を吐出する。
第１段ターボ圧縮機４ａの回転軸がピニオンギアの回転軸の一方の端部に連結し、第２段ターボ圧縮機４ｂの回転軸がピニオンギアの回転軸の他方の端部に連結する。
サージング現象がターボ式の圧縮機に発生することが知られている。サージング現象は、ターボ式の圧縮機を所定の限界風量より低い吐出風量で運転した時に運転が不安定になる現象である。
限界風量は、ターボ圧縮機の回転数と吐出圧力により定まる。回転数が一定である場合、吐出圧力が高くなると所定の限界風量も大きくなる。
吐出圧力と吐出風量の２次元領域で、吐出風量と限界風量とで定まる運転点をプロットして繋いだラインがサージングラインという。
ターボ圧縮機４の吸入口を全閉にすると、ターボ圧縮機４が空転し、圧縮気体を吐出しなくなる。この状態を無負荷運転という。
【００２７】
クーラ５は、圧縮気体を冷却する冷却器であり、インタークーラ５ａとアフタークーラ５ｂとで構成される。
インタークーラ５ａは、第１段ターボ圧縮機４ａから吐出した圧縮気体を受け入れて、圧縮気体を冷却した後、第２段ターボ圧縮機４ｂへ送る。
アフタークーラ５ｂは、第２段ターボ圧縮機４ｂから吐出した圧縮気体を受け入れて、圧縮気体を冷却した後、レシーバタンク７へ送る。
【００２８】
吸入フィルタ６は、圧縮装置１が取り込む気体をフィルタリングする装置である。例えば気体が空気であれば、吸入フィルタ６の入口が大気に開放され、吸入フィルタ６の出口が後述する吸入開閉弁８の入口に連通する。
【００２９】
レシーバタンク７は、圧縮気体を一時貯留した後、圧縮気体を需要側へ送る容器である。
レシーバタンク７の入口が、逆止弁１１の出口と連通する。
レシーバタンク７の出口が、送気配管１５と連通する。
圧縮気体がレシーバタンク１０で一時貯留するので、需要側へ送られる圧縮気体の圧力が安定する。
【００３０】
吸入開閉弁８は、一方の口から気体を受け入れ他方の口をターボ圧縮機４の吸入口に連通する開閉弁であり、例えばオン−オフ開閉弁である。オン−オフ開閉弁は、オン信号を受けると全閉にし、オフ信号を受けると全開にする。吸入開閉弁８の入口が吸入フィルタ６の出口に連通し、吸入開閉弁８の出口が第１段ターボ圧縮機４ａの吸入口に連通する。
吸入開閉弁８を全開にすると、ターボ圧縮機４が気体を吸入口から取り込んで圧縮し、圧縮気体を吐出口から吐出する。この状態を負荷運転という。
吸入開閉弁８を全閉にすると、気体がターボ圧縮機４に取り込まれず、ターボ圧縮機４が空回りし、圧縮気体を吐出しない。この状態を無負荷運転という。
【００３１】
放風弁９は、一方の口にターボ圧縮機の吐出口からの圧縮気体を受け入れ、他方の口から気体を放出するオン−オフ開閉弁である。例えば、オン−オフ開閉弁は、オン信号を受けると全閉し、オフ信号をうけると全開する。
放風弁９が、一方の口をアフタークーラ５ｂの出口に連通し、他方の口を後述するデフューザ１０の入口に連通する。
吸入開閉弁８を全閉したときに、放風弁９の全開にするのが好ましい。
また、吸入開閉弁８を全開したときに、放風弁９の全閉にするのが好ましい。
【００３２】
ディフューザ１０は、放風弁９から放風された圧縮空気を大気圧に拡散させる装置である。
ディフューザ１０の入口が放風弁９の出口に連通し、出口が吸入フィルタ６と吸入開閉弁８を連通する配管に連通する。
【００３３】
逆止弁１１は、圧縮気体の逆方向への送気を防止する弁である。逆止弁１１の入口はアフタークーラ５ｂの出口に連通し、逆止弁１１の出口はレシーバタンク７の入口に連通する。
従って、ターボ圧縮機４の状態が無負荷運転になり吐出圧力が下がっても、レシーバタンク７内の気体が圧縮装置１へ逆送される恐れがない。
【００３４】
圧力センサ１２は、ターボ圧縮機４の吐出圧を検出し、圧力信号を制御装置１３へ送るセンサである。
例えば、圧力センサ１２は、逆止弁１１とレシーバタンク７とを連通する配管の途中に設けられる。従って、逆止弁１１が閉止した場合は、圧力センサ１２の検知する圧力は、レシーバタンク７の圧力を表す。
【００３５】
制御装置１３は、圧縮装置１を制御する装置であり、例えば、マイコン制御盤である。
制御装置１３は、圧力センサ１２からの圧力信号を入力し、所定の手順に従って、吸入開閉弁８と放風弁９と原動機ドライバ１４とを制御する。
制御装置１３の手順は、後述する。
【００３６】
原動機ドライバ１４は、制御装置１３の指令を受けて原動機２をドライブする装置であり、例えば、原動機２が誘導電動機である場合にはインバータ盤である。
インバータ盤は、制御装置１３からの回転数を表す指令信号を受けて、インバータによるＰＷＭ制御により周波数を変化させた駆動電源を電動機２に供給する。電動機２は、周波数に対応した回転数で回転する。
【００３７】
送気配管１５は、圧縮装置の供給する圧縮気体を需要側へ送気する配管である。送気配管１５の一方の端部がレシーバタンク７の出口に連通し、送気配管１５の他方の端部が需要側の受け入れ口に連通する。
【００３８】
次に、本発明の実施形態に係る圧縮装置の制御方法とその作用を説明する。図２は、本発明の実施形態に係る圧縮装置の風量−圧力グラフ図である。図３は、本発明の実施形態に係る圧縮装置の制御の状態遷移図である。
以下では、原動機２が誘導電動機であり、原動機ドライバ１４がインバータ盤であるとして説明する。
【００３９】
制御装置１３は、指令信号をインバータ盤１４へ送る。インバータ盤１４は、指令信号に対応した周波数を持った駆動電源を電動機２に送る。
誘導電動機２が駆動電源に対応した回転数で回転すると、第１段ターボ圧縮機４ａと第２段ターボ圧縮機４ｂとが回転する。
気体が、吸入フィルタ６から吸い込まれ、吸入開閉弁８を通って第１段ターボ圧縮機４ａの吸入口へ入る。気体は、第１段ターボ圧縮機４ａと第２段ターボ圧縮機４ｂとを順に通って、圧縮される。圧縮されたために昇温した圧縮空気は、インタークーラ５ａで冷却される。
第２段ターボ圧縮機４ｂを出た圧縮気体は、アフタークーラ５ｂを経て、レシーバタンク７へ入る。圧縮気体は、需要要求に応じて、送気配管１５を経て、需要側へ送られる。
【００４０】
制御装置１３は、圧力信号を入力し、圧縮装置を低圧制御し若しくは非サージ制御し、または無負荷運転にする。以下に、制御方法を、第１準備工程と低圧制御と第２準備工程と非サージ制御工程と第３準備工程と無負荷運転工程とに分けて説明する。
図２では、ａ領域が圧縮装置の起動時の状態を示し、ｂ領域が需要側の消費気体量が定格風量よりも大きい場合の状態を示し、ｃ領域が定圧制御している状態を示し、ｄ領域が非サージ制御をしている状態を示し、ｅ点が非サージ制御から無負荷運転に移る点を示している。
【００４１】
（第１準備工程）
設定圧力値を定める。設定圧力値は、ターボ圧縮機の仕様圧力または仕様圧力より低い希望使用圧力とする。
さらに、減量限界風量値を定める。減量限界風量値は、吐出圧力が設定圧力値であるときにサージング現象を生ずる吐出風量値の最大値にマージン風量値を加えて得られる値である。
設定圧力値と減量限界風量値とを制御装置１３にセットする。
【００４２】
（定圧制御工程）
定圧制御の目的は、需要側の消費気体量の変動にあわせてターボ圧縮機の吐出風量を制御し、常にターボ圧縮機の吐出圧力を一定の値に保ち、ターボ圧縮機を安定して運転することである。
制御装置１３は、吐出風量が減量限界風量値を上回るときに、前記吐出圧力と設定圧力値との差が小さくなる様にターボ圧縮機４の回転数を変化させる。
図２のｃ領域が、サージング現象が生じない範囲で、吐出風量を調整して吐出圧力を一定にする様子を示している。
【００４３】
この制御では、制御装置１３は、圧力センサ１２の出力を基に所定の制御手続に従ってインバータ盤１４に指令信号を送る。インバータ盤１４は、指令信号に対応した所定の周波数の駆動電源を電動機２に供給する。電動機２は、トルク伝達機構３を介してターボ圧縮機４を回転させる。
制御装置１３は、ターボ圧縮機４の吐出圧力が設定圧力値になるように、インバータ盤１４の出力する駆動電源の周波数を指令信号（例えば、４〜２０ｍＡＤＣ）により操作し、需要側への吐出風量を増減させる。
【００４４】
例えば、指令信号が４ｍＡＤＣの時に、インバータ出力周波数は最低回転数に対応し、ターボ圧縮機４の吐出風量は最低になる。指令信号が２０ｍＡＤＣの時に、インバータ出力周波数は最大回転数に対応し、ターボ圧縮機４の吐出風量は最大になる。
需要側の消費する気体の量が減少すると、ターボ圧縮機４の特性曲線に応じて吐出圧力が上昇する。制御装置１３は、この吐出圧力の上昇傾向を検知し、インバータ盤１４への指令信号を下げる。インバータ盤１４は、指令信号の低下にともない電動機２へ供給する駆動電源の周波数を下げる。ターボ圧縮機４の回転数が低下すると、ターボ圧縮機４の吸入風量が低下するので、吐出風量が減少して、吐出圧力が低下する。
制御装置１３は、吐出圧力が設定圧力に戻るまで、インバータ盤１４への指令信号を徐々に減らす。インバータ盤１４は、ターボ圧縮機の吐出圧力が設定圧力になるまで、電動機２の回転数を下げる。
【００４５】
逆に、需要側の消費する気体の量が増加すると、ターボ圧縮機４の特性曲線に応じて吐出圧力が低下する。制御装置１３は、この吐出圧力の下降傾向を検知し、インバータ盤１４への指令信号を上げる。インバータ盤１４は、指令信号の上昇にともない電動機２へ供給する駆動電源の周波数を上げる。ターボ圧縮機４の回転数が上昇すると、ターボ圧縮機４の吸入風量が上昇するので、吐出風量が上昇して、吐出圧力が上昇する。
制御装置１３は、吐出圧力が設定圧力に戻るまで、インバータ盤１４への指令信号を徐々に上げる。インバータ盤１４は、ターボ圧縮機の吐出圧力が設定圧力になるまで、電動機２の回転数を上げる。
【００４６】
（第２準備工程）
予め吐出圧力と吐出風量との２次元領域のなかでサージング現象を生ずる領域と生じない領域の境であるサージングラインＸを定める。さらに、サージングラインＸにサージング現象を生じない領域側へマージンを加えた境であるサージングコントロールラインＹを定める。サージングラインＸとサージングコントロールラインＹとを御装置１３にセットする。
【００４７】
（非サージ制御工程）
非サージ制御の目的は、需要側での消費気体量が減少して、ターボ圧縮機４の吐出圧力と吐出風量で定まる運転点がサージング領域に近づいた時に、吐出風量が少なくなってサージングラインを越えることがないようにして、ターボ圧縮機のサージング現象の発生を防止することである。
制御装置１３は、吐出圧力と吐出風量で定まる運転点がサージングコントロールラインＹに接近し、サージングコントロールラインＹをサージングラインＸの側へ跨いだときに、吐出圧力と吐出風量との関係がサージングコントロールラインＹに沿って変化する様にターボ圧縮機４の回転数を変化させる。
【００４８】
図２のｄ領域が、非サージ制御をしている様子を示している。サージラインＸは、ターボ圧縮機の理論上のサージング現象をおこす境界である。サージコントロールラインＹは、サージラインにマージンを付加した制御用の設定ラインである。
定圧制御モードで制御中に吐出風量が減量限界風量を下回ったときに、運転点がサージコントロールラインＹに接近したと判断して、非サージ制御にうつる。減量限界風量はサージコントロールライン上の運転点の吐出風量である。
定圧制御の時には、吐出風量値と電動機の電流値とは概略比例している。
吐出風量の低下を電動機の電流でとらえ、ターボ圧縮機４の電流値がサージ防止値以下になったときに、吐出風量を減量限界風量値以上に維持するために、インバータ盤１４への指令信号を徐々に上昇させる。
ここで、サージ防止設定値は、ターボ圧縮機４に固有の特性であるサージラインＸと、検出している吐出圧力から自動的に算出し、安全マージンを加えた値である。すなわち、吐出圧力に対応するサージコントロールラインＹ上の吐出風量を求め、その吐出風量に対応する電動機の電流値をサージ防止設定値とする。  サージ防止設定値は、吐出圧力が変化すれば、それに応じて変化する。
従って、吐出圧力と吐出風量とで定まる運転点は、サージコントロールラインＹに沿って移動する。
【００４９】
（第３準備工程）
上限圧力値と下限圧力値と無負荷回転数値とを定める。
ここで、上限圧力値は、設定圧力値より大きな値である。下限圧力値Ｐｌは、設定圧力値よりも低い値である。
無負荷回転数値は、圧縮気体を吐出する際の回転数よりも低い回転数値である。
上限圧力値と下限圧力値と無負荷回転数値とを制御装置１３にセットする。
【００５０】
（無負荷運転工程）
ターボ圧縮機４の状態を無負荷運転にするために、吐出圧力が上限圧力値に達したとき、吸入開閉弁８を全閉にし、放風弁９を全開にし、ターボ圧縮機４の回転数を無負荷回転数値に下げる。
定圧制御の最中または非サージ制御の最中に、需要側の気体消費量がさらに減少し、吐出圧力が上限圧力値にまで達すると、吸入開閉弁８を全閉にし、放風弁９を全開にする。気体がターボ圧縮機４に入らないので、ターボ圧縮機４が空回りし無負荷運転の状態になる。ターボ圧縮機４の状態が無負荷運転の状態になると、制御装置１３は、さらに指令信号を下げる。インバータ盤１４は、電動機２に供給する駆動電源の周波数をさらに下げる。ターボ圧縮機４の回転数が、無負荷回転数になる。
図２のｅ点が、設定圧力値が上限圧力値Ｐｈを上回る状態を示している。
ターボ圧縮機４の吐出圧力がレシーバタンク７の圧力よりも低下すると、逆止弁１１が作動する。圧力センサ１２の出力は、レシーバタンク７の圧力を表す。
【００５１】
圧力センサ１２の出力が下限圧力値まで低下したときは、吸入開閉弁８を全開にし、放風弁９を全閉にする。その後、制御装置１３は、インバータ盤１４への指令信号を上げる。ターボ圧縮機４の回転数が上昇し、定圧制御を再開する。
図２において、ａ領域が吸入開閉弁８を開いてターボ圧縮機４を負荷状態にする状態を表している。
【００５２】
ターボ圧縮機４の状態を無負荷運転にしてから負荷運転にするまでの時間である無負荷時間が長くなると無負荷回転数を低くするのが好ましい。
例えば、制御装置１３は、ターボ圧縮機４の状態を無負荷運転にしてから負荷運転にするまでの時間を無負荷時間として予め記録し、その無負荷時間に対応して、無負荷時間が長くなると無負荷回転数が低くなる様にする。
【００５３】
発明者らの試算によれば、ターボ圧縮機とトルク伝達機構と原動機の機械ロスは、定格動力の２０〜３０％である。機械ロスは回転数の２乗に比例するので、無負荷回転数を定格回転数の１／２すれば、機械ロスは１／４に低下し、大きな省エネルギー効果が期待できる。
【００５４】
上述の実施形態の圧縮装置を用いれば、以下の効果を発揮できる。
減量限界風量値を定め、吐出風量が減量限界風量値以上である場合に、ターボ圧縮機４の回転数をインバータ制御により変化させて制御し、吐出圧力と設定圧力値との差が小さくなる様にするので、サージング現象が起きるおそれのない領域で、ターボ圧縮機４の吐出圧力を設定圧力近辺に制御できる。
また、検出している吐出圧力から自動的にサージライン上の吐出風量に対応する電流値を算出し、その電流値に安全マージンを加えてサージ防止設定値を求め、電動機２の電流値がサージ防止設定値以下になったときに、インバータ盤１４への指令信号を徐々に上昇させるので、吐出圧力と吐出風量の関係が、サージングコントロールラインＹに沿って変化し、サージング現象の発生を防止できる。
また、設定圧力より大きな上限圧力を定め、吐出圧力が上限圧力に達すると、吸入開閉弁８を全閉にし、放風弁９を全開にし、ターボ圧縮機４の回転数を無負荷回転数にするので、ターボ圧縮機４が空運転し、サージング現象の発生を防止しつつ、吐出圧力の変化を一定の幅に押さえることができ、また無負荷運転中の機械ロスを少なくすることができる。
また、ターボ圧縮機の回転数をインバータ制御により変化させるので、吐出圧力がスムースに変化し、また機械ロスの発生を最小限に抑えることができる。
また、無負荷運転の時間が長くなるに応じて無負荷回転数を下げるので、無負荷時間が長い運転条件の場合に、より機械ロスを少なくすることができる。
また、従来はターボ圧縮機の吐出圧力を制御する吸気開閉弁に開度を連続的に変化させることのできる高価な開閉弁をもちいていたのに比べ、簡易な構造のオン−オフ開閉弁を用いることができる。
【００５５】
本発明は以上に述べた実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で各種の変更が可能である。
サージングラインＸとサージングコントロールラインＹとを制御装置１３にセットしたがこれに限定されず、回転数毎にサージングラインＸとサージングコントロールラインＹとを制御装置１３にセットしてもよい。
また、予めサージングコントロールラインＹや減量限界風量値をセットするとして説明したがこれに限定されず、制御中にサージングラインのデータから自動生成してもよい。
また、原動機ドライバをインバータ盤としたがこれに限定されず、例えば、連続的に減速比または増速比を変化させることのできる機能を持ったトルク伝達機構を制御するものでもよい。
また非サージ制御において、吐出風量の低下を電動機の電流でとらえる例で説明したがこれに限定されず、風量センサを送風配管に設けて、風量センサの出力から吐出風量を知ってもよい。
また、ターボ圧縮機は、２段ターボ圧縮機であるとして説明したがこれに限定されず、例えば、単段圧縮機、３段圧縮機、４段圧縮機またはＮ段圧縮機でもよい。
また、放風弁の後にディフューザを設け、ディフューザの出口が吸入フィルタ６と吸入開閉弁８を連通する配管に連通するとして説明したがこれに限定されず、例えば放風弁の後に放風サイレンサーを設け、放風サイレンサーの出口を大気に解放してもよい。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の需要側へ圧縮気体を供給する圧縮装置とその制御方法は、その構成により、以下の効果を有する。
サージング現象が起きない減量限界風量を余裕をもって定め、吐出風量が減量限界風量以上である場合に、ターボ圧縮機の回転数を制御して吐出圧力を設定圧力値になるようにするので  吐出風量が需要側の需要により変動しても、サージング現象が生ずるのを回避しつつ吐出圧力を前記設定圧力値に近似して維持させることができる。
また、サージング現象を起こす領域から余裕を持って離れたサージングコントロールラインを定め、回転数を制御してターボ圧縮機の運転点がサージングコントロールラインに沿うようにするので、吐出風量が需要側の需要により変動して運転点が前記サージングラインに接近したときに、サージング現象が生ずるのを回避することができる。
また、上限圧力をさだめ、吐出圧力が上限圧力に達すると、ターボ圧縮機を空転させて回転数を下げるので、吐出風量が需要側の需要により変動しても、サージング現象が生ずるのを回避し、吐出圧力を上限圧力より大きく上回らないようにすることができる。
また、インバータ制御によりターボ圧縮機の回転数を制御するので、ターボ圧縮機の回転数を連続的に変化させ、吐出圧力をスムーズに変化させることができる。
従って、需要側へ圧縮気体を供給する圧縮装置をより簡単な構成で精度よく制御できる手段を提供できる。
【００５７】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る圧縮装置の配管系統図である。
【図２】本発明の実施形態に係る圧縮装置の風量−圧力グラフ図である。
【図３】本発明の実施形態に係る圧縮装置の制御の状態遷移図である。
【符号の説明】
１    圧縮装置
２    原動機（電動機）
３    トルク伝達機構
４    ターボ圧縮機
４ａ  第１段ターボ圧縮機
４ｂ  第２段ターボ圧縮機
５    クーラ
５ａ  インタークーラ
５ｂ  アフタークーラ
６    吸入フィルタ
７    レシーバタンク
８    吸入開閉弁
９    放風弁
１０    ディフューザ
１１    逆止弁
１２    圧力センサ
１３    制御装置（マイコン制御盤）
１４    原動機ドライバ（インバータ盤）
１５    送気配管
【図１】
2005016464.tif 000003
【図２】
2005016464.tif 000004
【図３】
2005016464.tif 000005