(57)【要約】      （修正有）【課題】複数台のスクロール圧縮機を備えた圧縮気体供給ユニットにおいて、頻繁な負荷変動に対して常に一定の吐出圧力に保持した安定運転を可能にすると共に、消費動力を低減する。【解決手段】複数台のスクロール圧縮機１４ａ〜ｃの吐出空気は、主供給路１８を経て貯留タンク１２に貯留された後、供給路２８から需要先２６へ供給される。スクロール圧縮機１４ａ〜ｃは夫々駆動モ−ター２０ａ〜ｃの回転数を独立して制御できるインバータ装置２２ａ〜ｃを備えている。制御装置３２は、スクロール圧縮機１４ａ〜ｃの上限回転数及び下限回転数を設定する上下限回転数設定部３２０と、圧縮気体供給ユニット１０の負荷に基づいて、スクロール圧縮機１４ａ〜ｃの合計回転数を算出する合計回転数算出部３２２と、算出された合計回転数を各スクロール圧縮機１４ａ〜ｃに振り分け、各スクロール圧縮機１４ａ〜ｃの回転数を設定する回転数設定部３２４とを有している。【選択図】  図１
2013231396.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のスクロール圧縮機と、各スクロール圧縮機の回転数を独立して制御可能にするインバータ装置と、該複数のスクロール圧縮機の吐出気体を合流する配管又は貯留タンクと、該複数のスクロール圧縮機の吐出圧力を検出する圧力センサーと、前記インバータ装置を制御して各スクロール圧縮機の回転数を制御する制御装置とを備えた圧縮気体供給ユニットにおいて、
前記制御装置は、前記複数のスクロール圧縮機の上限回転数及び下限回転数を設定する上下限回転数設定手段と、圧縮空気供給ユニットの負荷に基づいて前記複数のスクロール圧縮機の合計回転数を算出する算出手段と、算出された合計回転数を各スクロール圧縮機に振り分けて各スクロール圧縮機の回転数を設定する回転数設定手段とを有し、
前記回転数設定手段は、前記算出手段で算出された算出合計回転数が各スクロール圧縮機の上限回転数の合計である全上限合計値より下回るとき、前記算出合計回転数と前記全上限合計値との差分だけ第１のスクロール圧縮機の回転数を低減すると共に、他のスクロール圧縮機を上限回転数とし、前記差分が第１のスクロール圧縮機の上限回転数を上回るとき、第１のスクロール圧縮機を停止させると共に、前記差分と第１のスクロール圧縮機の上限回転数との差だけ第２のスクロール圧縮機の回転数を低減するものであることを特徴とする圧縮気体供給ユニット。
【請求項２】
前記回転数設定手段は、前記差分が前記第１のスクロール圧縮機の上限回転数と下限回転数との第２の差分より大きく、かつ第１のスクロール圧縮機の上限回転数より小さいとき、第１のスクロール圧縮機を下限回転数にすると共に、前記第２のスクロール圧縮機の回転数を前記差分と前記第２の差分との差だけ低減するものであることを特徴とする請求項１に記載の圧縮気体供給ユニット。
【請求項３】
前記上限回転数設定手段において、前記スクロール圧縮機の無潤滑運転の下限回転数を潤滑運転の下限回転数より高い回転数に設定したことを特徴とする請求項１に記載の圧縮気体供給ユニット。
【請求項４】
無潤滑運転のスクロール圧縮機の下限回転数を該スクロール圧縮機の負荷率３０％に対応する回転数に設定したことを特徴とする請求項３に記載の圧縮気体供給ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のスクロール圧縮機を備えた圧縮気体供給ユニットであって、頻繁な負荷変動に対して安定運転を可能にした圧縮気体供給ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧縮気体供給ユニットで圧縮気体を製造して需要先に供給する場合、１台のみの圧縮機を備えた圧縮気体供給ユニットでは、１台の圧縮機が故障した場合、圧縮気体を供給できなくなる。そこで、複数台の圧縮機を備え、負荷（圧縮気体需要量）に応じて稼働台数を制御しながら圧縮気体を需要先に供給する圧縮気体供給ユニットが知られている。かかる圧縮気体供給ユニットでは、圧縮機の稼働台数を必要最小限に制御することで、省エネを図っている。
【０００３】
特許文献１には、複数の圧縮機から吐出された気体を貯留する共通の貯留タンクと、該貯留タンクの圧力を検出する圧力センサーとを備え、消費ガス量の変化を貯留タンクの圧力で捉え、該圧力センサーの検出値に応じて、圧縮機の駆動台数を制御する圧縮気体供給ユニットが開示されている。
【０００４】
従来、複数台の圧縮機を備えた圧縮気体供給ユニットにおいては、負荷（圧縮気体需要量）の変化に対して、圧縮機の吐出側合流配管又は貯留タンクの圧力を需要先が要求する圧力に保持することで、需要先が要求する圧力の圧縮気体を供給できる。そこで、圧縮機の回転数を可変とするインバータ装置を設け、インバータ装置で圧縮機の回転数を制御し、圧縮機の吐出側圧力を需要先が希望する圧力に制御していた。圧縮空気供給ユニットの負荷が低い場合、圧縮機を低速回転で運転させるが、低速回転では効率が悪くなり、消費動力が増大するという問題がある。
【０００５】
特許文献２には、電動機によって駆動されるスクリュー圧縮機を複数台並列に設置し、その吐出空気系統を一つの配管又は空気槽に合流した圧縮空気製造装置が開示されている。この圧縮空気製造装置は、各スクリュー圧縮機の電動機の回転数を可変とするインバータ装置と、合流した配管又は空気槽に設けられた圧力センサーと、該圧力センサーの検出値が予め設定された上限圧力値と下限圧力値の範囲内となるように、複数台のスクリュー圧縮機を制御する制御装置とを備えている。該制御装置は、さらに、複数台のスクリュー圧縮機のうち１台のみをインバータ装置によって回転数を制御させ、その他のスクリュー圧縮機は全負荷運転に固定して運転するか、停止させるように制御するものである。これによって、消費動力を使用空気量にほぼ直線的に比例させ、消費動力を減少できるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１９０１９７号公報
【特許文献２】特開平１１−３４３９８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献２に開示された圧縮空気製造装置は、複数台の圧縮機を単純に回転数制御する場合と比べて、消費動力を低減できる。しかし、負荷が頻繁に変動するとき、負荷の変化に即応して各圧縮機の回転数を制御し、圧縮機の吐出圧力を需要先の要求する圧力に安定制御することはできない。
【０００８】
スクロール圧縮機は、小型軽量で、振動、騒音が少なく、かつ部品点数が少なく、製作は容易であるという長所があり、小型圧縮機として車両用冷凍機や過給機等に広く用いられている。また、インバータ装置による可変速に適する回転数―トルク特性をもつため、インバータ装置と組み合わせて用いられ、負荷の頻繁な変動に対する即応性に優れている。
【０００９】
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、圧縮機としてスクロール圧縮機を用い、複数台のスクロール圧縮機を備えた圧縮気体供給ユニットにおいて、頻繁な負荷変動に即応して、圧縮気体の吐出圧力を需要先の要求圧に安定制御可能にすると共に、消費動力を低減可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の圧縮気体供給ユニットは、複数のスクロール圧縮機と、各スクロール圧縮機の回転数を独立して制御可能にするインバータ装置と、該複数のスクロール圧縮機の吐出気体を合流する配管又は貯留タンクと、該複数のスクロール圧縮機の吐出圧力を検出する圧力センサーと、インバータ装置を制御して各スクロール圧縮機の回転数を制御する制御装置とを備えている。
【００１１】
そして、前記制御装置は、複数のスクロール圧縮機の上限回転数及び下限回転数を設定する上下限回転数設定手段と、圧縮空気供給ユニットの負荷に基づいて、複数のスクロール圧縮機の合計回転数を算出する算出手段と、算出された合計回転数を各スクロール圧縮機に振り分けて各スクロール圧縮機の回転数を設定する回転数設定手段とを有している。
【００１２】
前記上下限回転数設定手段では、スクロール圧縮機の上限回転数を設定し、スクロール圧縮機を駆動する電動機が正常作動できない過負荷となる回転数を排除している。また、下限回転数を設けて、比エネルギ（消費動力／吐出気体量）が極端に増大する低回転数を排除している。前記算出手段では、圧縮気体供給ユニットの負荷に基づいて、複数のスクロール圧縮機の合計回転数を算出し、前記回転数設定手段では、算出された合計回転数を各スクロール圧縮機に振り分けて各スクロール圧縮機の回転数としている。
【００１３】
これによって、スクロール圧縮機の回転数を、正常作動範囲でかつ消費動力が小さい範囲に維持できると共に、圧縮気体供給ユニットの負荷に対応した各スクロール圧縮機の回転数を早期に設定できるので、圧縮気体の吐出圧力を需要先の要求圧に早期に安定制御できる。
【００１４】
また、回転数設定手段は、算出手段で算出された算出合計回転数が全スクロール圧縮機の上限回転数の合計である全上限合計値より下回るとき、算出合計回転数と全上限合計値との差分だけ第１のスクロール圧縮機の回転数を低減すると共に、他のスクロール圧縮機を上限回転数とし、前記差分が第１のスクロール圧縮機の上限回転数を上回るとき、第１のスクロール圧縮機を停止させると共に、前記差分と第１のスクロール圧縮機の上限回転数との差だけ第２のスクロール圧縮機の回転数を低減する。これによって、一部のスクロール圧縮機のみ低回転数とし、他のスクロール圧縮機を高回転数で運転できるので、圧縮気体供給ユニットの比エネルギを低減できる。
【００１５】
このように、本発明によって、回転数の頻繁な変更を要する用途に適したスクロール圧縮機を用い、負荷の頻繁な変動に即応して各スクロール圧縮機の回転数を設定できる。そのため、負荷の頻繁な変動に対しても、圧縮気体の吐出圧力を需要先の要求圧に安定制御でき、かつ消費動力を低減可能な圧縮気体供給ユニットを実現できる。
【００１６】
本発明において、回転数設定手段は、算出合計回転数と全上限合計値との差分が第１のスクロール圧縮機の上限回転数と下限回転数との第２の差分より大きく、かつ第１のスクロール圧縮機の上限回転数より小さいとき、第１のスクロール圧縮機を下限回転数にすると共に、第２のスクロール圧縮機の回転数を前記差分と第２の差分との差だけ低減するものであるとよい。これによって、低回転数とするスクロール圧縮機の数を少なくし、消費動力を低減しつつ、全スクロール圧縮機の合計回転数を算出合計回転数に容易に合わせることができる。
【００１７】
無潤滑運転のスクロール圧縮機は、オイルミストを全く含まないクリーンエアを供給できるので、広い用途に適用されている。しかし、無潤滑運転の場合、圧縮室にクリアランスが生じ、このクリアランスから圧縮気体が漏れ、圧縮機の効率が低下するという問題がある。特に低回転のとき、この傾向が強い。そのため、スクロール圧縮機の無潤滑運転の下限回転数を潤滑運転の下限回転数より高い回転数に設定するとよい。これによって、無潤滑運転でのスクロール圧縮機の効率低下を防止し、消費動力の増加を抑えることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、複数のスクロール圧縮機の回転数を制御する制御装置が、上下限回転数設定手段と、複数のスクロール圧縮機の合計回転数を算出する算出手段と、算出された合計回転数から各スクロール圧縮機の回転数を設定する回転数設定手段とを有しているので、頻繁な負荷変動に即応して、各スクロール圧縮機の回転数を早期に設定できるので、圧縮気体の吐出圧力を需要先の要求圧に早期に安定制御できる。また、一部のスクロール圧縮機のみ低回転数とし、他のスクロール圧縮機を高回転数で運転できるので、圧縮気体供給ユニットの比エネルギを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る圧縮空気供給ユニットの系統図である。
【図２】（Ａ）は前記第１実施形態の制御方法を示す図表であり、（Ｂ）は比較例としての制御方法を示す図表であり、（Ｃ）は１台の圧縮機を用い、これを回転数制御する従来方法を示す図表である。
【図３】図２に示す第１実施形態、比較例及び従来方法の消費動力を示す線図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る制御方法を示す図表である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。
【００２１】
（実施形態１）
本発明を無潤滑のスクロール型空気圧縮機を備えた圧縮空気供給ユニットに適用した第１実施形態を図１〜図３によって説明する。図１において、圧縮空気供給ユニット１０は、１個の貯留タンク１２と、３台のスクロール圧縮機１４ａ〜ｃとを備えている。各スクロール圧縮機１４ａ〜ｃの吐出路１６ａ〜ｃは、主供給路１８に合流し、主供給路１８は貯留タンク１２に接続されている。各スクロール圧縮機１４ａ〜ｃから吐出された圧縮空気は、主供給路１８を経て貯留タンク１２に一旦貯留される。
【００２２】
各スクロール圧縮機１４ａ〜ｃは、駆動モ−ター２０ａ〜ｃと、駆動モ−ター２０ａ〜ｃの回転数を独立して無段階に制御できるインバータ装置２２ａ〜ｃが設けられている。貯留タンク１２には、貯留タンク１２内の圧縮空気圧を検出する圧力センサー２４が設けられている。貯留タンク１２には、需要先２６に圧縮空気を供給する供給路２８が設けられ、供給路２８には電磁開閉弁３０が設けられている。
【００２３】
監視室（図示省略）に制御装置３２が設けられ、圧力センサー２４の検出値は制御装置３２に送られる。制御装置３２によって、インバータ装置２２ａ〜ｃが制御され、スクロール圧縮機１４ａ〜ｃの回転数が制御されると共に、電磁開閉弁３０の開閉が制御される。制御装置３２によって、貯留タンク１２の圧縮空気の圧力を常に需要先２６が要求する圧力に制御する。
【００２４】
制御装置３２は、スクロール圧縮機１４ａ〜ｃの上限回転数及び下限回転数を設定する上下限回転数設定部３２０と、圧縮空気供給ユニット１０の負荷に基づいて、該負荷に対応したスクロール圧縮機１４ａ〜ｃの合計回転数を算出する合計回転数算出部３２２と、算出された合計回転数を各スクロール圧縮機に振り分け、各スクロール圧縮機の回転数を設定する回転数設定部３２４とを有している。
【００２５】
図２は、本発明、従来方法及び比較例の各スクロール圧縮機１４ａ〜ｄの制御を具体的に示している。図２は、各スクロール圧縮機１４ａ〜ｃの回転数と、この回転数に対応した駆動モ−ター２０ａ〜ｃの比エネルギ（単位吐出空気量当たりの消費電力）とを示している。回転数は絶対値ではなく、％で表示している。例えば、「回転数５０％」とは、スクロール圧縮機１４ａ〜ｃの負荷率が５０％のときに必要な駆動モ−ター２０ａ〜ｃの回転数を表している。また、全体回転数（％）とは、スクロール圧縮機１４ａ〜ｃの合計回転数（％）をスクロール圧縮機１４ａ〜ｃの数で割った数値を示している。
【００２６】
本実施形態では、上下限回転数設定部３２０で、スクロール圧縮機１４ａ〜ｃの負荷率が１００％であるときの駆動モ−ター２０ａ〜ｃの回転数（１００％）を上限回転数としている。これによって、駆動モ-ター２０ａ〜ｃの回転数が過負荷領域となるのを防止し、正常な作動を維持できるようにしている。また、低回転数領域では、駆動モ-ター２０ａ〜ｃの比エネルギが極端に増大するため、比エネルギとの関係で下限回転数を設けている。上下限回転数設定部３２０では、下限回転数を負荷率３０％に相当する回転数（３０％）としている。
【００２７】
合計回転数算出部３２２で、圧縮空気供給ユニット１０の負荷率に基づいて、該負荷率に対応した各スクロール圧縮機１４ａ〜ｃの合計回転数を算出する。回転数設定部３２４では、合計回転数算出部３２２で算出された合計回転数を各スクロール圧縮機１４ａ〜ｃに振り分けて、各スクロール圧縮機１４ａ〜ｃの回転数を設定している。
【００２８】
図２（Ａ）は、本発明の各スクロール圧縮機１４ａ〜ｃの制御方法を示す図表である。図２（Ａ）において、例えば、圧縮空気供給ユニット１０の負荷率が１００％のとき、全体回転数も１００％となり、このとき、合計回転数算出部３２２で算出される合計回転数は３００％となる。回転数設定部３２４で、この合計回転数を、各スクロール圧縮機１４ａ〜ｃに１００％ずつ振り分けて、各スクロール圧縮機１４ａ〜ｃの回転数を設定している。また、圧縮空気供給ユニット１０の負荷率が９７％のとき、全体回転数も９７％となり、このとき、合計回転数は２９０％となる。この合計回転数を、１号機１４ａに９０％を割り振り、２号機１４ｂ及び３号機１４ｃに１００％ずつ割り振っている。このように、全体負荷率が１００％から低下するにつれて、１号機１４ａの回転数のみ低下させる。
【００２９】
圧縮空気供給ユニット１０の負荷率の低下につれて、１号機１４ａの回転数のみを低下させ、下限回転数である３０％まで低下させる。負荷率がさらに低下したとき、１号機１４ａを停止させると共に、これでも足りないとき、２号機１４ｂの回転数を低下させるようにする。例えば、負荷率が６３％のとき、１号機１４ａを停止させると共に、２号機１４ｂの回転数を９０％に低下させる。さらに、負荷率が低下すると、２号機１４ｂの回転数をさらに低下させる。負荷率が４３％（全体回転数４３％）まで低下すると、２号機１４ｂの回転数を３０％まで低下させ、その後、さらに、負荷率が低下すると、２号機１４ｂを停止させると共に、３号機１４ｃの回転数を低下させるようにする。
【００３０】
図２（Ｂ）は、１台のスクロール圧縮機を用い、そのスクロール圧縮機の回転数を制御する従来の制御方法を示す。図２（Ｃ）は、３台のスクロール圧縮機を備えた圧縮気体供給ユニットを用い、３台のスクロール圧縮機の回転数制御のみを行い、発停制御を行わない制御方法（比較例）を示す。この比較例では、圧縮空気供給ユニット１０の負荷率の低下につれて、１号機１４ａの回転数のみを低下させ、下限回転数である３０％まで低下させる。負荷率がさらに低下したとき、２号機１４ｂの回転数を徐々に３０％まで低下させるようにする。負荷率がさらに低下したら、３号機１４ｃの回転数を徐々に３０％まで低下させるようにしている。図２（Ａ）に示す本実施形態との違いは、各スクロール圧縮機の回転数を３０％より低下させない点である。
【００３１】
図３は、図２の（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）の図表に示された数値をプロットした線図であり、横軸が全体回転数（％）を示し、縦軸が、駆動モ-ター２０ａ〜ｃの比エネルギ（単位吐出空気量当たりの消費電力）、又は各スクロール圧縮機１４ａ〜ｃの回転数（％）を示す。まお、回転数（％）は一義的に負荷率（％）に対応する。即ち、負荷率が３０％であるとき、回転数も３０％である。図３中、線Ａは、本実施形態の制御方法を示し、線Ｂは図２（Ｂ）に示す従来の制御方法を示し、線Ｃは図２（Ｃ）に示す比較例の制御方法を示す。線Ｘは１号機１４ａを示し、線Ｙは２号機１４ｂを示し、線Ｚは３号機１４ｃを示す。なお、各スクロール圧縮機１４ａ〜ｃは、回転数が３０％未満になると、停止するため、回転数が３０％未満は図示していない。
【００３２】
本実施形態によれば、上下限回転数設定部３２０で各スクロール圧縮機１４ａ〜ｃの回転数を、駆動モ-ター２０ａ〜ｃが正常作動しかつ比エネルギ（単位吐出空気量当たりの消費電力）が低い領域に維持できる。また、合計回転数算出部３２２で、その時の圧縮空気供給ユニット１０の負荷率に基づいて、該負荷率に対応したスクロール圧縮機１４ａ〜ｃの合計回転数を算出し、回転数設定部３２４で、算出された合計回転数を各スクロール圧縮機１４ａ〜ｃの振り分けることで、圧縮空気供給ユニット１０の負荷率に対応した各スクロール圧縮機１４ａ〜ｃの回転数を早期に設定できる。これによって、圧縮空気供給ユニット１０の圧縮空気圧を需要先２６の要求圧で早期に安定供給できる。
【００３３】
また、回転数設定部３２４で、一部のスクロール圧縮機のみ低回転とし、他のスクロール圧縮機を高回転数に維持するように、各スクロール圧縮機１４ａ〜ｃの回転数を設定しているので、駆動モ−ター２０ａ〜ｃの比エネルギを低減できる。図３から、曲線Ａに示される本実施形態の制御方法は、線Ｂに示す従来方法及び線Ｃに示す比較例と比べて、低回転数領域で比エネルギを大幅に低減できることがわかる。また、下限回転数を３０％としたことで、無潤滑運転でも、圧縮室からの圧縮空気の漏れを抑え、効率良い運転を可能にすると共に、比エネルギの増加を抑えることができる。
【００３４】
（実施形態２）
次に、本発明の第２実施形態を図４により説明する。本実施形態は、図１に示す圧縮空気供給ユニット１０を用いて行った別の運転例である。本実施形態では、上下限回転数設定部３２０で、下限回転数ＭＶminを１０００min-1とし、上限回転数ＭＶmaxを３０００min-1としている。
【００３５】
本実施形態では、スクロール圧縮機１４ａ〜ｃの合計上限回転数は９０００min-1であり、合計回転数を９０００min-1から８５００min-1に低減するとき、３号機１４ｃの回転数を３０００min-1から２５００min-1に低減する。このように、合計回転数の減少に応じて、３号機１４ｃの回転数のみを低減している。３号機１４ｃが下限回転数ＭＶminになった後、さらに合計回転数を５００min-1低減したとき、２号機１４ｂの回転数を５００min-1低減する。さらに全体回転数が５００min-1低減したとき、２号機１４ｂを３０００min-1に戻し、３号機１４ｃを停止する。さらに全体回転数が低減したとき、今度は２号機１４ｂの回転数を低減していくようにする。
【００３６】
本実施形態によれば、第１実施形態によって得られる作用効果に加えて、低回転数とするスクロール圧縮機の数を極力少なくし、駆動モ−ター２０ａ〜ｃの比エネルギを低減しつつ、全スクロール圧縮機１４ａ〜ｃの合計回転数を、合計回転数算出部３２２で算出した算出合計回転数に容易に合わせることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明によれば、複数台のスクロール圧縮機を備えた圧縮気体供給ユニットにおいて、頻繁な負荷変動に対しても、常に一定の吐出圧力に保持した安定運転を可能にすると共に、消費動力を低減できる。
【符号の説明】
【００３８】
１０                          圧縮空気供給ユニット
１２                          貯留タンク
１４ａ〜ｃ                    スクロール圧縮機
１６ａ〜ｃ                    吐出路
１８                          主供給路
２０ａ〜ｃ                    駆動モ−ター
２２ａ〜ｃ                    インバータ装置
２４                          圧力センサー
２６                          需要先
２８                          供給路
３０                          電磁開閉弁
３２                          制御装置
３２０                      上下限回転数設定部
３２２                      合計回転数算出部
３２４                      回転数設定部
【図１】
2013231396.tif 000003
【図２】
2013231396.tif 000004
【図３】
2013231396.tif 000005
【図４】
2013231396.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成25年2月20日(2013.2.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のスクロール圧縮機を備えた圧縮気体供給ユニットであって、頻繁な負荷変動に対して安定運転を可能にした圧縮気体供給ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧縮気体供給ユニットで圧縮気体を製造して需要先に供給する場合、１台のみの圧縮機を備えた圧縮気体供給ユニットでは、１台の圧縮機が故障した場合、圧縮気体を供給できなくなる。そこで、複数台の圧縮機を備え、負荷（圧縮気体需要量）に応じて稼働台数を制御しながら圧縮気体を需要先に供給する圧縮気体供給ユニットが知られている。かかる圧縮気体供給ユニットでは、圧縮機の稼働台数を必要最小限に制御することで、省エネを図っている。
【０００３】
特許文献１には、複数の圧縮機から吐出された気体を貯留する共通の貯留タンクと、該貯留タンクの圧力を検出する圧力センサーとを備え、消費ガス量の変化を貯留タンクの圧力で捉え、該圧力センサーの検出値に応じて、圧縮機の駆動台数を制御する圧縮気体供給ユニットが開示されている。
【０００４】
従来、複数台の圧縮機を備えた圧縮気体供給ユニットにおいては、負荷（圧縮気体需要量）の変化に対して、圧縮機の吐出側合流配管又は貯留タンクの圧力を需要先が要求する圧力に保持することで、需要先が要求する圧力の圧縮気体を供給できる。そこで、圧縮機の回転数を可変とするインバータ装置を設け、インバータ装置で圧縮機の回転数を制御し、圧縮機の吐出側圧力を需要先が希望する圧力に制御していた。圧縮空気供給ユニットの負荷が低い場合、圧縮機を低速回転で運転させるが、低速回転では効率が悪くなり、消費動力が増大するという問題がある。
【０００５】
特許文献２には、電動機によって駆動されるスクリュー圧縮機を複数台並列に設置し、その吐出空気系統を一つの配管又は空気槽に合流した圧縮空気製造装置が開示されている。この圧縮空気製造装置は、各スクリュー圧縮機の電動機の回転数を可変とするインバータ装置と、合流した配管又は空気槽に設けられた圧力センサーと、該圧力センサーの検出値が予め設定された上限圧力値と下限圧力値の範囲内となるように、複数台のスクリュー圧縮機を制御する制御装置とを備えている。該制御装置は、さらに、複数台のスクリュー圧縮機のうち１台のみをインバータ装置によって回転数を制御させ、その他のスクリュー圧縮機は全負荷運転に固定して運転するか、停止させるように制御するものである。これによって、消費動力を使用空気量にほぼ直線的に比例させ、消費動力を減少できるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１９０１９７号公報
【特許文献２】特開平１１−３４３９８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献２に開示された圧縮空気製造装置は、複数台の圧縮機を単純に回転数制御する場合と比べて、消費動力を低減できる。しかし、負荷が頻繁に変動するとき、負荷の変化に即応して各圧縮機の回転数を制御し、圧縮機の吐出圧力を需要先の要求する圧力に安定制御することはできない。
【０００８】
スクロール圧縮機は、小型軽量で、振動、騒音が少なく、かつ部品点数が少なく、製作は容易であるという長所があり、小型圧縮機として車両用冷凍機や過給機等に広く用いられている。また、インバータ装置による可変速に適する回転数―トルク特性をもつため、インバータ装置と組み合わせて用いられ、負荷の頻繁な変動に対する即応性に優れている。
【０００９】
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、圧縮機としてスクロール圧縮機を用い、複数台のスクロール圧縮機を備えた圧縮気体供給ユニットにおいて、頻繁な負荷変動に即応して、圧縮気体の吐出圧力を需要先の要求圧に安定制御可能にすると共に、消費動力を低減可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の圧縮気体供給ユニットは、複数のスクロール圧縮機と、各スクロール圧縮機の回転数を独立して制御可能にするインバータ装置と、該複数のスクロール圧縮機の吐出気体を合流する配管又は貯留タンクと、該複数のスクロール圧縮機の吐出圧力を検出する圧力センサーと、インバータ装置を制御して各スクロール圧縮機の回転数を制御する制御装置とを備えている。
【００１１】
そして、前記制御装置は、複数のスクロール圧縮機の上限回転数及び下限回転数を設定する上下限回転数設定手段と、圧縮気体供給ユニットの負荷に基づいて、複数のスクロール圧縮機の合計回転数を算出する算出手段と、算出された合計回転数を各スクロール圧縮機に振り分けて各スクロール圧縮機の回転数を設定する回転数設定手段とを有している。
【００１２】
前記上下限回転数設定手段では、スクロール圧縮機の上限回転数を設定し、スクロール圧縮機を駆動する電動機が正常作動できない過負荷となる回転数を排除している。また、下限回転数を設けて、比エネルギ（消費動力／吐出気体量）が極端に増大する低回転数を排除している。前記算出手段では、圧縮気体供給ユニットの負荷に基づいて、複数のスクロール圧縮機の合計回転数を算出し、前記回転数設定手段では、算出された合計回転数を各スクロール圧縮機に振り分けて各スクロール圧縮機の回転数としている。
【００１３】
これによって、スクロール圧縮機の回転数を、正常作動範囲でかつ消費動力が小さい範囲に維持できると共に、圧縮気体供給ユニットの負荷に対応した各スクロール圧縮機の回転数を早期に設定できるので、圧縮気体の吐出圧力を需要先の要求圧に早期に安定制御できる。
【００１４】
また、回転数設定手段は、算出手段で算出された算出合計回転数が全スクロール圧縮機の上限回転数の合計である全上限合計値より下回るとき、算出合計回転数と全上限合計値との差分だけ第１のスクロール圧縮機の回転数を低減すると共に、他のスクロール圧縮機を上限回転数とし、前記差分が第１のスクロール圧縮機の上限回転数を上回るとき、第１のスクロール圧縮機を停止させると共に、前記差分と第１のスクロール圧縮機の上限回転数との差だけ第２のスクロール圧縮機の回転数を低減する。これによって、一部のスクロール圧縮機のみ低回転数とし、他のスクロール圧縮機を高回転数で運転できるので、圧縮気体供給ユニットの比エネルギを低減できる。
【００１５】
このように、本発明によって、回転数の頻繁な変更を要する用途に適したスクロール圧縮機を用い、負荷の頻繁な変動に即応して各スクロール圧縮機の回転数を設定できる。そのため、負荷の頻繁な変動に対しても、圧縮気体の吐出圧力を需要先の要求圧に安定制御でき、かつ消費動力を低減可能な圧縮気体供給ユニットを実現できる。
【００１６】
本発明において、回転数設定手段は、算出合計回転数と全上限合計値との差分が第１のスクロール圧縮機の上限回転数と下限回転数との第２の差分より大きく、かつ第１のスクロール圧縮機の上限回転数より小さいとき、第１のスクロール圧縮機を下限回転数にすると共に、第２のスクロール圧縮機の回転数を前記差分と第２の差分との差だけ低減するものであるとよい。これによって、低回転数とするスクロール圧縮機の数を少なくし、消費動力を低減しつつ、全スクロール圧縮機の合計回転数を算出合計回転数に容易に合わせることができる。
【００１７】
無潤滑運転のスクロール圧縮機は、オイルミストを全く含まないクリーンエアを供給できるので、広い用途に適用されている。しかし、無潤滑運転の場合、圧縮室にクリアランスが生じ、このクリアランスから圧縮気体が漏れ、圧縮機の効率が低下するという問題がある。特に低回転のとき、この傾向が強い。そのため、スクロール圧縮機の無潤滑運転の下限回転数を潤滑運転の下限回転数より高い回転数に設定するとよい。これによって、無潤滑運転でのスクロール圧縮機の効率低下を防止し、消費動力の増加を抑えることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、複数のスクロール圧縮機の回転数を制御する制御装置が、上下限回転数設定手段と、複数のスクロール圧縮機の合計回転数を算出する算出手段と、算出された合計回転数から各スクロール圧縮機の回転数を設定する回転数設定手段とを有しているので、頻繁な負荷変動に即応して、各スクロール圧縮機の回転数を早期に設定できるので、圧縮気体の吐出圧力を需要先の要求圧に早期に安定制御できる。また、一部のスクロール圧縮機のみ低回転数とし、他のスクロール圧縮機を高回転数で運転できるので、圧縮気体供給ユニットの比エネルギを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る圧縮気体供給ユニットの系統図である。
【図２】（Ａ）は前記第１実施形態の制御方法を示す図表であり、（Ｂ）は比較例としての制御方法を示す図表であり、（Ｃ）は１台の圧縮機を用い、これを回転数制御する従来方法を示す図表である。
【図３】図２に示す第１実施形態、比較例及び従来方法の消費動力を示す線図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る制御方法を示す図表である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。
【００２１】
（実施形態１）
本発明を無潤滑のスクロール型空気圧縮機を備えた圧縮気体供給ユニットに適用した第１実施形態を図１〜図３によって説明する。図１において、圧縮気体供給ユニット１０は、１個の貯留タンク１２と、３台のスクロール圧縮機１４ａ〜ｃとを備えている。各スクロール圧縮機１４ａ〜ｃの吐出路１６ａ〜ｃは、主供給路１８に合流し、主供給路１８は貯留タンク１２に接続されている。各スクロール圧縮機１４ａ〜ｃから吐出された吐出気体は、主供給路１８を経て貯留タンク１２に一旦貯留される。
【００２２】
各スクロール圧縮機１４ａ〜ｃは、駆動モ−ター２０ａ〜ｃと、駆動モ−ター２０ａ〜ｃの回転数を独立して無段階に制御できるインバータ装置２２ａ〜ｃが設けられている。貯留タンク１２には、貯留タンク１２内の圧縮気体の圧力を検出する圧力センサー２４が設けられている。貯留タンク１２には、需要先２６に圧縮気体を供給する供給路２８が設けられ、供給路２８には電磁開閉弁３０が設けられている。
【００２３】
監視室（図示省略）に制御装置３２が設けられ、圧力センサー２４の検出値は制御装置３２に送られる。制御装置３２によって、インバータ装置２２ａ〜ｃが制御され、スクロール圧縮機１４ａ〜ｃの回転数が制御されると共に、電磁開閉弁３０の開閉が制御される。制御装置３２によって、貯留タンク１２の圧縮気体の圧力を常に需要先２６が要求する圧力に制御する。
【００２４】
制御装置３２は、スクロール圧縮機１４ａ〜ｃの上限回転数及び下限回転数を設定する上下限回転数設定部３２０と、圧縮気体供給ユニット１０の負荷に基づいて、該負荷に対応したスクロール圧縮機１４ａ〜ｃの合計回転数を算出する合計回転数算出部３２２と、算出された合計回転数を各スクロール圧縮機に振り分け、各スクロール圧縮機の回転数を設定する回転数設定部３２４とを有している。
【００２５】
図２は、本発明、従来方法及び比較例の各スクロール圧縮機１４ａ〜ｃの制御を具体的に示している。図２は、各スクロール圧縮機１４ａ〜ｃの回転数と、この回転数に対応した駆動モ−ター２０ａ〜ｃの比エネルギ（単位吐出空気量当たりの消費電力）とを示している。回転数は絶対値ではなく、％で表示している。例えば、「回転数５０％」とは、スクロール圧縮機１４ａ〜ｃの負荷率が５０％のときに必要な駆動モーター２０ａ〜ｃの回転数を表している。また、全体回転数（％）とは、スクロール圧縮機１４ａ〜ｃの合計回転数（％）をスクロール圧縮機１４ａ〜ｃの数で割った数値を示している。
【００２６】
本実施形態では、上下限回転数設定部３２０で、スクロール圧縮機１４ａ〜ｃの負荷率が１００％であるときの駆動モーター２０ａ〜ｃの回転数（１００％）を上限回転数としている。これによって、駆動モーター２０ａ〜ｃの回転数が過負荷領域となるのを防止し、正常な作動を維持できるようにしている。また、低回転数領域では、駆動モ-ター２０ａ〜ｃの比エネルギが極端に増大するため、比エネルギとの関係で下限回転数を設けている。上下限回転数設定部３２０では、下限回転数を負荷率３０％に相当する回転数（３０％）としている。
【００２７】
合計回転数算出部３２２で、圧縮気体供給ユニット１０の負荷率に基づいて、該負荷率に対応した各スクロール圧縮機１４ａ〜ｃの合計回転数を算出する。回転数設定部３２４では、合計回転数算出部３２２で算出された合計回転数を各スクロール圧縮機１４ａ〜ｃに振り分けて、各スクロール圧縮機１４ａ〜ｃの回転数を設定している。
【００２８】
図２（Ａ）は、本発明の各スクロール圧縮機１４ａ〜ｃの制御方法を示す図表である。図２（Ａ）において、例えば、圧縮気体供給ユニット１０の負荷率が１００％のとき、全体回転数も１００％となり、このとき、合計回転数算出部３２２で算出される合計回転数は３００％となる。回転数設定部３２４で、この合計回転数を、各スクロール圧縮機１４ａ〜ｃに１００％ずつ振り分けて、各スクロール圧縮機１４ａ〜ｃの回転数を設定している。また、圧縮気体供給ユニット１０の負荷率が９７％のとき、全体回転数も９７％となり、このとき、合計回転数は２９０％となる。この合計回転数を、１号機１４ａに９０％を割り振り、２号機１４ｂ及び３号機１４ｃに１００％ずつ割り振っている。このように、全体負荷率が１００％から低下するにつれて、１号機１４ａの回転数のみ低下させる。
【００２９】
圧縮気体供給ユニット１０の負荷率の低下につれて、１号機１４ａの回転数のみを低下させ、下限回転数である３０％まで低下させる。負荷率がさらに低下したとき、１号機１４ａを停止させると共に、これでも足りないとき、２号機１４ｂの回転数を低下させるようにする。例えば、負荷率が６３％のとき、１号機１４ａを停止させると共に、２号機１４ｂの回転数を９０％に低下させる。さらに、負荷率が低下すると、２号機１４ｂの回転数をさらに低下させる。負荷率が４３％（全体回転数４３％）まで低下すると、２号機１４ｂの回転数を３０％まで低下させ、その後、さらに、負荷率が低下すると、２号機１４ｂを停止させると共に、３号機１４ｃの回転数を低下させるようにする。
【００３０】
図２（Ｂ）は、１台のスクロール圧縮機を用い、そのスクロール圧縮機の回転数を制御する従来の制御方法を示す。図２（Ｃ）は、３台のスクロール圧縮機を備えた圧縮気体供給ユニットを用い、３台のスクロール圧縮機の回転数制御のみを行い、発停制御を行わない制御方法（比較例）を示す。この比較例では、圧縮気体供給ユニット１０の負荷率の低下につれて、１号機１４ａの回転数のみを低下させ、下限回転数である３０％まで低下させる。負荷率がさらに低下したとき、２号機１４ｂの回転数を徐々に３０％まで低下させるようにする。負荷率がさらに低下したら、３号機１４ｃの回転数を徐々に３０％まで低下させるようにしている。図２（Ａ）に示す本実施形態との違いは、各スクロール圧縮機の回転数を３０％より低下させない点である。
【００３１】
図３は、図２の（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）の図表に示された数値をプロットした線図であり、横軸が全体回転数（％）を示し、縦軸が、駆動モ-ター２０ａ〜ｃの比エネルギ（単位吐出空気量当たりの消費電力）、又は各スクロール圧縮機１４ａ〜ｃの回転数（％）を示す。まお、回転数（％）は一義的に負荷率（％）に対応する。即ち、負荷率が３０％であるとき、回転数も３０％である。図３中、線Ａは、本実施形態の制御方法を示し、線Ｂは図２（Ｂ）に示す従来の制御方法を示し、線Ｃは図２（Ｃ）に示す比較例の制御方法を示す。線Ｘは１号機１４ａを示し、線Ｙは２号機１４ｂを示し、線Ｚは３号機１４ｃを示す。なお、各スクロール圧縮機１４ａ〜ｃは、回転数が３０％未満になると、停止するため、回転数が３０％未満は図示していない。
【００３２】
本実施形態によれば、上下限回転数設定部３２０で各スクロール圧縮機１４ａ〜ｃの回転数を、駆動モ-ター２０ａ〜ｃが正常作動しかつ比エネルギ（単位吐出空気量当たりの消費電力）が低い領域に維持できる。また、合計回転数算出部３２２で、その時の圧縮気体供給ユニット１０の負荷率に基づいて、該負荷率に対応したスクロール圧縮機１４ａ〜ｃの合計回転数を算出し、回転数設定部３２４で、算出された合計回転数を各スクロール圧縮機１４ａ〜ｃの振り分けることで、圧縮気体供給ユニット１０の負荷率に対応した各スクロール圧縮機１４ａ〜ｃの回転数を早期に設定できる。これによって、圧縮気体供給ユニット１０の吐出圧力を需要先２６の要求圧に早期に安定供給できる。
【００３３】
また、回転数設定部３２４で、一部のスクロール圧縮機のみ低回転とし、他のスクロール圧縮機を高回転数に維持するように、各スクロール圧縮機１４ａ〜ｃの回転数を設定しているので、駆動モ−ター２０ａ〜ｃの比エネルギを低減できる。図３から、線Ａに示される本実施形態の制御方法は、線Ｂに示す従来方法及び線Ｃに示す比較例と比べて、低回転数領域で比エネルギを大幅に低減できることがわかる。また、下限回転数を３０％としたことで、無潤滑運転でも、圧縮室からの圧縮気体の漏れを抑え、効率良い運転を可能にすると共に、比エネルギの増加を抑えることができる。
【００３４】
（実施形態２）
次に、本発明の第２実施形態を図４により説明する。本実施形態は、図１に示す圧縮気体供給ユニット１０を用いて行った別の運転例である。本実施形態では、上下限回転数設定部３２０で、下限回転数ＭＶminを１０００min-1とし、上限回転数ＭＶmaxを３０００min-1としている。
【００３５】
本実施形態では、スクロール圧縮機１４ａ〜ｃの合計上限回転数は９０００min-1であり、合計回転数を９０００min-1から８５００min-1に低減するとき、３号機１４ｃの回転数を３０００min-1から２５００min-1に低減する。このように、合計回転数の減少に応じて、３号機１４ｃの回転数のみを低減している。３号機１４ｃが下限回転数ＭＶminになった後、さらに合計回転数を５００min-1低減したとき、２号機１４ｂの回転数を５００min-1低減する。さらに全体回転数が５００min-1低減したとき、２号機１４ｂを３０００min-1に戻し、３号機１４ｃを停止する。さらに全体回転数が低減したとき、今度は２号機１４ｂの回転数を低減していくようにする。
【００３６】
本実施形態によれば、第１実施形態によって得られる作用効果に加えて、低回転数とするスクロール圧縮機の数を極力少なくし、駆動モ−ター２０ａ〜ｃの比エネルギを低減しつつ、全スクロール圧縮機１４ａ〜ｃの合計回転数を、合計回転数算出部３２２で算出した算出合計回転数に容易に合わせることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明によれば、複数台のスクロール圧縮機を備えた圧縮気体供給ユニットにおいて、頻繁な負荷変動に対しても、常に一定の吐出圧力に保持した安定運転を可能にすると共に、消費動力を低減できる。
【符号の説明】
【００３８】
１０                          圧縮気体供給ユニット
１２                          貯留タンク
１４ａ〜ｃ                    スクロール圧縮機
１６ａ〜ｃ                    吐出路
１８                          主供給路
２０ａ〜ｃ                    駆動モ−ター
２２ａ〜ｃ                    インバータ装置
２４                          圧力センサー
２６                          需要先
２８                          供給路
３０                          電磁開閉弁
３２                          制御装置
３２０                      上下限回転数設定部
３２２                      合計回転数算出部
３２４                      回転数設定部
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のスクロール圧縮機と、各スクロール圧縮機の回転数を独立して制御可能にするインバータ装置と、該複数のスクロール圧縮機の吐出気体を合流する配管又は貯留タンクと、該複数のスクロール圧縮機の吐出圧力を検出する圧力センサーと、前記インバータ装置を制御して各スクロール圧縮機の回転数を制御する制御装置とを備えた圧縮気体供給ユニットにおいて、
前記制御装置は、前記複数のスクロール圧縮機の上限回転数及び下限回転数を設定する上下限回転数設定手段と、圧縮気体供給ユニットの負荷に基づいて前記複数のスクロール圧縮機の合計回転数を算出する算出手段と、算出された合計回転数を各スクロール圧縮機に振り分けて各スクロール圧縮機の回転数を設定する回転数設定手段とを有し、
前記回転数設定手段は、前記算出手段で算出された算出合計回転数が各スクロール圧縮機の上限回転数の合計である全上限合計値より下回るとき、前記算出合計回転数と前記全上限合計値との差分だけ第１のスクロール圧縮機の回転数を低減すると共に、他のスクロール圧縮機を上限回転数とし、前記差分が第１のスクロール圧縮機の上限回転数を上回るとき、第１のスクロール圧縮機を停止させると共に、前記差分と第１のスクロール圧縮機の上限回転数との差だけ第２のスクロール圧縮機の回転数を低減するものであることを特徴とする圧縮気体供給ユニット。
【請求項２】
前記回転数設定手段は、前記差分が前記第１のスクロール圧縮機の上限回転数と下限回転数との第２の差分より大きく、かつ第１のスクロール圧縮機の上限回転数より小さいとき、第１のスクロール圧縮機を下限回転数にすると共に、前記第２のスクロール圧縮機の回転数を前記差分と前記第２の差分との差だけ低減するものであることを特徴とする請求項１に記載の圧縮気体供給ユニット。
【請求項３】
前記上限回転数設定手段において、前記スクロール圧縮機の無潤滑運転の下限回転数を潤滑運転の下限回転数より高い回転数に設定したことを特徴とする請求項１に記載の圧縮気体供給ユニット。
【請求項４】
無潤滑運転のスクロール圧縮機の下限回転数を該スクロール圧縮機の負荷率３０％に対応する回転数に設定したことを特徴とする請求項３に記載の圧縮気体供給ユニット。