(57)【要約】【課題】スクリュー圧縮機の容量制御において、エネルギ効率の高い吸入絞り制御運転の制御範囲を自動的に拡大させること。【解決手段】高負荷領域では吸入側に設置された吸入絞り弁３を開閉させることにより吐出空気量を調整するととともに吐出空気圧力を略一定に保つ吸入絞り制御を行い、低負荷領域では吐出側に設置された放風弁４による放風制御を行い吐出圧力を略一定に調整して容量調整を行うスクリュー圧縮機であって、圧縮機本体１の吸入空気圧力Ｐｓと吐出空気圧力Ｐｄを検出し、吸入空気圧力と吐出空気圧力との比である圧力比Ｐｄ／Ｐｓが所定の圧力比値に達するまで放風制御を行わずに吸入絞り制御を続行すること。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高負荷領域では吸入側に設置された吸入絞り弁を開閉させることにより吐出空気量を調整するとともに吐出空気圧力を略一定に保つ吸入絞り制御を行い、低負荷領域では吐出側に設置された放風弁による放風制御を行い吐出圧力を略一定に調整して容量調整を行うスクリュー圧縮機であって、
圧縮機本体の吸入空気圧力Ｐｓと吐出空気圧力Ｐｄを検出し、吸入空気圧力と吐出空気圧力との比である圧力比Ｐｄ／Ｐｓが所定の圧力比値に達するまで前記吸入絞り制御を行う
ことを特徴とするスクリュー圧縮機の運転制御方式。
【請求項２】
高負荷領域では吸入側に設置された吸入絞り弁を開閉させることにより吐出空気量を調整するとともに吐出空気圧力を略一定に保つ吸入絞り制御を行い、低負荷領域では吐出側に設置された放風弁による放風制御を行い吐出圧力を略一定に調整して容量調整を行うスクリュー圧縮機であって、
圧縮機本体の吐出空気温度を検出し、前記吐出空気温度が所定の温度に達するまで前記吸入絞り制御を行う
ことを特徴とするスクリュー圧縮機の運転制御方式。
【請求項３】
スクリュー圧縮機本体の空気吸入側に設けた吸入絞り弁と、前記スクリュー圧縮機本体の空気吐出側に設けた放風弁と、前記スクリュー圧縮機本体の吸入配管に設けた吸入空気圧力検出器と、前記スクリュー圧縮機本体の吐出配管に設けた吐出空気圧力検出器と、を備えたスクリュー圧縮機において、
前記吸入絞り弁及び／又は前記放風弁を制御して吐出圧力を略一定にするとともに吐出空気量を調整し、
前記吐出圧力検出器からの吐出圧力と前記吸入圧力検出器からの吸入圧力との圧力比が所定値に達するまで放風制御を行わずに吸入絞り制御を行う
ことを特徴とするスクリュー圧縮機。
【請求項４】
スクリュー圧縮機本体の空気吸入側に設けた吸入絞り弁と、前記スクリュー圧縮機本体の空気吐出側に設けた放風弁と、前記スクリュー圧縮機本体の吐出配管に設けた吐出空気温度検出器と、を備えたスクリュー圧縮機において、
前記吸入絞り弁及び／又は前記放風弁を制御して吐出圧力を略一定にするとともに吐出空気量を調整し、
前記吐出空気温度検出器からの吐出空気温度が所定値に達するまで放風弁制御を行わずに吸入絞り弁制御を行う
ことを特徴とするスクリュー圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、吐出空気に油分の混入しないオイルフリースクリュー圧縮機に係り、特に、広い負荷領域での吸入絞り制御運転を可能にするスクリュー圧縮機及びスクリュー圧縮機の運転制御方式に関する。
【背景技術】
【０００２】
空気圧縮機は各種産業において欠かせない設備となっているが、電子関連、食品、化学などの油分の混入を嫌う産業分野においては、吐出空気に油分が混入しないオイルフリースクリュー圧縮機の需要が高い。
【０００３】
一般に空気圧縮機は、設定制御圧力範囲内で運転し、ユーザの空気使用量に応じた吐出空気量制御が必要である。また、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％を占めているため、省エネルギ対応の圧縮機が市場ニーズとなっている。
【０００４】
オイルフリースクリュー圧縮機の一般的な容量制御方式として２ステップ制御方式がある。２ステップ制御方式は、圧縮機の吐出空気圧力Ｐ０を検出し、ある設定された上限圧力Ｐ１と下限圧力Ｐ２に対してＰ１＞Ｐ０＞Ｐ２となるように負荷運転と無負荷運転を繰り返すことにより、圧縮空気使用量に合わせて設定圧力幅の中で圧縮機の運転を行う容量制御方式である（回転機を常に一定回転数で回転させ、吸入絞り弁を全閉又は全開させ同時に放風弁を全開又は全閉させる制御である）。
【０００５】
ここで、負荷運転は、圧縮空気使用量が増加し吐出圧力が設定圧力値より低くなったとき、吸入側に設けた吸入弁を全開し、吐出口に設けた放風弁を閉塞することにより、圧縮空気を連続吐出する運転状態である。また、無負荷運転とは、圧縮空気使用量が減少し吐出空気圧力が設定圧力値に到達したとき、吸入側に設けた吸入弁を閉塞し、吐出側に設けた放風弁を開放することにより、圧縮仕事をせず、圧縮機の動力を低減する運転状態である。
【０００６】
しかし、この２ステップ制御方式は、低負荷時でもロータ回転速度は全負荷時と変わらず、圧縮仕事は低減するが機械損失は低減しないため、エネルギ効率が低下している。また、ある一定の圧力幅を確保する必要があり、その分、平均吐出空気圧力が高くなるため消費動力が大きくなる。また、圧力変動があるため圧縮空気の用途によっては使用が困難となる。
【０００７】
一方、２ステップ制御方式に対し、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容量制御方式として、インバータ駆動による回転数制御方式がある。圧縮機の吐出空気圧力が一定になるようにインバータによって主電動機の回転数を変化させ、消費動力を低減させることができる。また、吐出空気圧力の一定制御が可能であるため、平均吐出空気圧力を低減させることが可能であり、その分消費動力を低減させることができ、省エネ効果が高い。
【０００８】
しかし、インバータ駆動の回転数制御方式を例示した特許文献１記載のように、圧縮機の吐出空気圧力を使用空気圧力に保ちながら回転数制御を行なった場合、低回転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し、圧縮作動室内において上流側に漏れた空気を再圧縮することから圧縮空気の温度が上昇し、エネルギ効率も大幅に低下するため、ある回転数以下での運転が困難になる。そこで、低負荷領域である設定消費空気量以下の領域では、吐出側に設けられた放風弁を開放し、吐出空気を放風することにより容量制御を行う必要がある。
【０００９】
インバータによる回転数制御は全体的には省エネ効果が高いと言えるが、インバータロスがあるため高負荷領域では省エネ効果が小さくなってしまう。また、インバータ装置は特に容量の大きいクラスでは非常に高価であり、ユーザの初期投資の負担が大きくなってしまう。
【００１０】
一方、主に油冷式スクリュー圧縮機の容量制御方式として広く用いられている容量制御方式として吸入絞り制御方式がある（この吸入絞り制御方式では回転機の回転数は一定であり、吸入絞り弁の開度を加減調整して制御するものである。なお、後述するが、本発明はこの吸入絞り制御方式の改良版である）。吸入側に吸入絞り弁を設置し、検出した吐出空気圧力に比例して吸入絞り弁を開閉させて、吸入空気量を制限し、吐出空気圧力を一定に保つ容量制御方式である。オイルフリースクリュー圧縮機の場合には、低負荷領域において吸入絞り弁を絞ることにより、圧縮機本体の吸入空気圧力と吐出空気圧力との圧力比が大きくなる過圧縮状態となり、吐出空気温度が上昇して、圧縮機本体内の１対のロータが熱膨張し接触する危険性がある。
【００１１】
この過圧縮状態を避けるために、吸入絞り制御において運転可能な範囲で最も過酷な条件において過圧縮状態となりうる吸入絞り弁の限界開度を設定最小開度として設定し、低負荷となり吸入絞り弁の開度が設定最小開度に達した場合には、吸入絞り制御から、吐出側に設置された放風弁を開放することにより吐出圧力を一定に保つ放風制御に切り替える制御を行う必要がある。例えば、限界開度として設定された絞り弁の絞り開度が８０％に達したときには放風弁を開放して放風制御に切り替える制御を行うものである。
【００１２】
吸入絞り制御方式は、高負荷領域では圧力一定制御にて容量制御を行うことができるため吐出平均圧力を下げることにより消費動力が減少し、省エネ効果が高い。また、高価な装置等が必要無いため比較的安価に抑えることができる。
【特許文献１】特開２００１−３４２９８２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、吸入絞り制御は高負荷領域では省エネ効果が高いが、低負荷領域では放風制御に切り替える必要があるため省エネ効果が小さくなる。吸入絞り制御の吸入絞り弁の設定最小開度は運転可能条件（吸入空気温度、吸入エアフィルタの圧損など）内で最も過酷な条件にて決定しているため、実際に設定最小開度に達した場合でも過圧縮状態に達していない場合が多い。そこで、吸入絞り制御の省エネ効果を高めるためには、実運転状態にて可能な限り吸入絞り制御範囲を自動的に拡大することのできる制御方式が望まれる。
【００１４】
本発明の目的は、エネルギ効率の高い吸入絞り制御の制御範囲を拡大することのできるスクリュー圧縮機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記課題を解決するために、本発明は次のような構成を採用する。  
高負荷領域では吸入側に設置された吸入絞り弁を開閉させ吐出空気量を調整することにより吐出空気圧力を略一定に保つ吸入絞り制御を行い、低負荷領域では吐出側に設置された放風弁による放風制御を行い吐出圧力を略一定に調整して容量調整を行うスクリュー圧縮機であって、
圧縮機本体の吸入空気圧力Ｐｓと吐出空気圧力Ｐｄを検出し、吸入空気圧力と吐出空気圧力との比である圧力比Ｐｄ／Ｐｓが所定の圧力比値に達するまで前記吸入絞り制御を行う構成とする。
【００１６】
また、高負荷領域では吸入側に設置された吸入絞り弁を開閉させることにより吐出空気量を調整するとともに吐出空気圧力を略一定に保つ吸入絞り制御を行い、低負荷領域では吐出側に設置された放風弁による放風制御を行い吐出圧力を一定に調整して容量調整を行うスクリュー圧縮機であって、
圧縮機本体の吐出空気温度を検出し、前記吐出空気温度が所定の温度に達するまで前記吸入絞り制御を行う構成とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、安価で容易に、吐出空気の圧力変動が小さくエネルギ効率の高い吸入絞り制御運転の制御範囲を自動的に拡大させ、広範囲にわたって運転可能とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の実施形態に係るスクリュー圧縮機の運転制御方式について、図１と図２を参照しながら以下詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施形態に係るスクリュー圧縮機の運転制御方式の系統構成図であり、図２は本発明の第２の実施形態に係るスクリュー圧縮機の運転制御方式の系統構成図である。ここで、１は圧縮機本体、２は吸入エアフィルタ、３は吸入絞り弁、４は放風弁、５は放風サイレンサ、６は逆止弁、７は制御装置、８は吐出圧力検出器、９は吸入圧力検出器、１０は吐出温度検出器、１１は吸入配管、１２は吐出配管、１３は吐出２次配管、１４は放風配管、をそれぞれ表す。本発明の第１及び第２の実施形態として説明するオイルフリースクリュー圧縮機は、説明を簡略化するためにアフタークーラの無い単段機とする。アフタークーラが設置される場合や圧縮機本体が低圧段本体と高圧段本体の２つある２段圧縮機の場合にも適用可能であるが、説明は省略する。
【００１９】
本実施形態に関するスクリュー圧縮機の設定目標吐出圧力は、圧縮空気の用途や、使用機器までの圧縮空気の圧力損失などによって決定される。圧力比は吐出空気圧力と吸入空気圧力の絶対圧の比（吐出空気圧力／吸入空気圧力）であり、許容圧力比は圧縮機本体の設計条件によって決定され、圧縮機本体内のロータの熱膨張量により決定される。
【００２０】
スクリュー圧縮機は容積型圧縮機であり、理論的には断熱圧縮過程によって空気を圧縮する。吸入空気状態が圧力Ｐｓ、容積Ｖｓ、温度Ｔｓであり、吐出空気状態が圧力Ｐｄ、容積Ｖｄ、温度Ｔｄである場合、Ｐｓ・Ｖｓｎ＝Ｐｄ・Ｖｄｎ、Ｔｓ／Ｐｓ（ｎ−１）／ｎ＝Ｔｄ／Ｐｄ（ｎ−１）／ｎという関係が成立する。ここで、ｎとはポリトロープ指数であり、断熱圧縮の場合には１．４となる。
【００２１】
吸入状態から吐出状態に移行する圧縮過程において、圧縮機本体内部の１対の噛み合わされたロータが回転することによって吸入空気容積Ｖが小さくなり、圧縮空気圧力Ｐが上昇すると共に、空気温度Ｔが上昇する。空気温度Ｔが上昇すると圧縮機本体内のロータが加熱されて熱膨張するため２本のロータ間の隙間が小さくなり、ある許容温度を超えるとロータが接触してしまう。吐出空気温度は圧縮機の吐出空気圧力と吸入空気圧力との圧力比に比例して変化するため、この許容温度に対する圧力比が決まる。
【００２２】
換言すると、Ｔｓ／Ｐｓ（ｎ−１）／ｎ＝Ｔｄ／Ｐｄ（ｎ−１）／ｎという関係式からも分かるように、吐出空気温度Ｔｄは、ＰｄとＰｓの比とＴｓとによって決まり、Ｔｄが上昇し過ぎるとロータ接触という異常事態が生じ得、また、Ｐｓは吸入絞り弁の開度によって決まるので、異常事態が生じないように、吸入絞り弁の最小開度、例えば８０％が設定されていて、この最小開度に達したときには放風弁を開けるように一律的に制御するのである。
【００２３】
本発明の第１の実施形態における制御方式は、吸入絞り弁の設定された最小開度による一律的な制御を行うことなく、圧力比（Ｐｄ／Ｐｓ）を監視し、許容圧力比に達するまで吸入絞り制御が可能であると判断し、吸入絞り制御範囲を拡大するもの（放風弁の開閉制御を行わない）である。第１の実施形態は、高負荷領域では吸入側に設置された吸入絞り弁を開閉させることにより吐出空気量を調整し吐出空気圧力を一定（又は一定範囲）に保つ吸入絞り制御を行い、低負荷領域では吐出側に設置された放風弁による放風制御を行い吐出圧力を一定に調整して容量調整を行うスクリュー圧縮機において、圧縮機本体の吸入空気圧力と吐出空気圧力を検出し、吐出空気圧力と吸入空気圧力との比である圧力比が所定の圧力比値に到達するまで吸入絞り制御範囲を自動的に拡大することを特徴とする。即ち、圧力比（Ｐｄ／Ｐｓ）を検出して所定値に達すると、吸入絞り弁の開度をその時の開度を維持させたままで、放風弁を開動作させるのである。
【００２４】
次に、本発明の第１の実施形態に係るスクリュー圧縮機の運転制御方式を図１を用いて具体的に説明する。図１において、スクリュー圧縮機は圧縮機本体１と圧縮機本体を駆動する電動機や潤滑油を循環させるオイルポンプ、オイルクーラ等の補機から構成される。圧縮機本体１は、１対の噛み合わされた雄スクリューロータと雌スクリューロータを備えており、これら両ロータはケーシングに形成されいるボアと呼ばれる一部重複する円筒状の２本の穴に収容されている。これら両ロータの両軸端部は軸受で支持されている。雄ロータの外周部には４枚の歯がネジ状に形成されており、雌ロータの外周部には６枚の歯がネジ状に形成されている。ロータの両軸端部の軸受とロータ歯部の間には軸封装置がそれぞれ設けられており、軸受と圧縮作動室間の空気と潤滑油の漏れを防止する。軸受及び軸封装置はそれぞれケーシングに保持されている。
【００２５】
圧縮機本体１は電動機によって回転動作し、吸入空気は吸入エアフィルタ２から圧縮機内に吸入し、吸入絞り弁３によって吸入空気量を調整され、吸入配管１１を通って圧縮機本体１に吸入される。圧縮機本体１で圧縮された圧縮空気は圧縮機本体１から吐出され、吐出配管１２を通り、逆止弁６の１次側に対して２次側の圧力が小さい場合には、逆止弁６が開状態となるため、吐出２次配管１３を通って、逆止弁６を通過し、圧縮空気がラインに供給される。
【００２６】
また、放風弁４が開状態にある場合には、圧縮空気の一部は放風配管１４を通って、放風弁４を通過し、放風サイレンサ５から大気開放される。吸入絞り弁３と放風弁４の開閉動作は制御装置７から動作指令信号が発信される。
【００２７】
吐出配管１２内の吐出空気圧力Ｐｄを吐出空気圧力検出器８によって検出し、設定した目標吐出圧力Ｐに対してＰｄ＜Ｐとなる場合には、吸入絞り弁３に開動作の指令信号を発信し、吸入絞り弁３の弁開度を広げることにより吸入風量を増加させてＰｄを上げる。また、Ｐｄ＞Ｐとなる場合には、吸入絞り弁３に閉動作の指令信号を発信し、吸入絞り弁３の弁開度を絞ることにより吸入風量を減少させてＰｄを下げる。また、Ｐｄ＝Ｐとなる場合には、吸入絞り弁３に開閉動作の指令信号を発信せず、吸入絞り弁３の弁開度を固定することにより、吐出空気圧力Ｐｄが目標吐出圧力Ｐで一定になるように容量制御する。このとき、放風弁４には閉状態固定の指令信号を継続発信し、放風弁４を全閉状態に保つ。この状態が吸入絞り制御となる。
【００２８】
ここで、吸入配管１１内の吸入圧力Ｐｓを吸入圧力検出器９にて検出し、検出した吐出空気圧力Ｐｄと吸入空気圧力Ｐｓとの圧力比、すなわちＰｄ／Ｐｓを制御装置７にて計算し、本圧縮機本体の設計条件によって定められた設定許容圧力比以下の条件の場合には上記の吸入絞り制御を継続するが、設定許容圧力比に達した場合には、吸入絞り弁３に弁開度固定信号を継続発信し吸入絞り弁３の開度を保ち、吐出配管１２内の吐出空気圧力Ｐｄを吐出空気圧力検出器８によって検出し、目標吐出圧力Ｐに対してＰｄ＜Ｐとなる場合には放風弁４に閉動作の指令信号を発信し、放風弁４の弁開度を絞ることにより放風風量を減少させてＰｄを上げる。また、Ｐｄ＞Ｐとなる場合には、放風弁４に開動作の指令信号を発信し、放風弁４の弁開度を広げることにより放風風量を増加させてＰｄを下げ、また、Ｐｄ＝Ｐとなる場合には、放風弁４に開閉動作の指令信号を発信せず、放風弁４の弁開度を固定することによりＰｄを目標吐出圧力Ｐで一定になるように容量制御する。この状態が放風制御となる。
【００２９】
次に、本発明の第２の実施形態に係るスクリュー圧縮機の運転制御方式を図２を用いて具体的に説明する。図２において、第１の実施形態と共通する部分については説明を省略する。
【００３０】
図２において、吸入絞り制御と放風制御範囲の切り替え条件を、吐出空気温度検出器１０によって検出された吐出配管１２内の吐出空気温度Ｔｄより制御装置７によって判断する。吐出空気温度Ｔｄが圧縮機本体１の設計条件によって定められた許容吐出空気温度Ｔと比較し、Ｔｄ＜Ｔとなる場合には吸入絞り制御により容量制御を行い、Ｔｄ＞＝Ｔとなる場合には放風制御により容量制御を行う。
【００３１】
以上説明したように、本発明は、高負荷領域では吸込み側に設置された吸入絞り弁を開閉させることにより吐出空気量を調整し吐出空気圧力を一定に保つ吸入絞り制御を行い、低負荷領域では吐出側に設置された放風弁による放風制御を行い容量調整を行うスクリュー圧縮機の運転制御方式において、実運転状態下で省エネ効果の高い吸入絞り制御の運転範囲を可能な限り拡大し、広い負荷領域での吸入絞り制御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式に関する。
【００３２】
そして、具体的には、本発明の実施形態に係るスクリュー圧縮機の運転制御方式は、圧縮機本体の吸入空気圧力と吐出空気圧力との圧力比を検出し、この圧力比が過圧縮状態となる圧力比に達するまで吸入絞り制御範囲を自動的に拡大する制御方式である。吸入空気圧力と吐出空気圧力の圧力比により制御するため、各運転状態及び環境において可能な限り吸入絞り制御範囲を自動的に拡大することができる。また、本発明の他の実施形態に係るスクリュー圧縮機の運転制御方式は、圧縮機本体の吐出空気温度を検出し、圧縮機本体内部のロータ温度が高温となり熱膨張して、圧縮機本体内の１対のロータが接触する危険性のある吐出空気温度に達するまで吸入絞り制御範囲を自動的に拡大する制御方式である。圧縮機の吐出空気温度は吸入空気温度や圧縮機本体の吸入空気圧力と吐出空気圧力との圧力比等により変化するため、吐出空気温度により制御することにより、各運転状態及び環境において可能な限り吸入絞り制御範囲を自動的に拡大することができる。このように、本発明の実施形態によれば、吸入空気温度が低い場合や目標設定吐出圧力が低い場合に、設定等を変更することなく自動的に吸入絞り制御範囲を拡大し、さらなる省エネ効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るスクリュー圧縮機の運転制御方式の系統構成図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係るスクリュー圧縮機の運転制御方式の系統構成図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  圧縮機本体
２  吸入エアフィルタ
３  吸入絞り弁
４  放風弁
５  放風サイレンサ
６  逆止弁
７  制御装置
８  吐出圧力検出器
９  吸入圧力検出器
１０  吐出温度検出器
１１  吸入配管
１２  吐出配管
１３  吐出２次配管
１４  放風配管
【図１】
2005351169.tif 000003
【図２】
2005351169.tif 000004