(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンプレッサから配管系を介して空気使用対象に供給される圧縮空気の質量流量を求める流量計と、
前記配管系を介して前記空気使用対象に供給される圧縮空気の圧力を求める圧力計と、
この圧力計にて求められた圧力を微分してその変化分を求める微分器と、
前記流量計にて求められた質量流量と前記微分器にて求められた圧力変化分とに基づいて前記空気使用対象における空気消費量を検出する空気消費量検出手段と、
前記圧縮空気の温度および／または前記流量計と圧力計との計測時間差に応じて上記空気消費量を補正する補正手段と、
上記補正された空気消費量に応じて前記コンプレッサの作動を制御する制御手段とを具備したことを特徴とする空気供給システム。
【請求項２】
前記圧縮空気の質量流量を求める流量計は、ヒータ素子と、このヒータ素子を挟んで圧縮空気の通流方向に設けられた一対の温度センサとを具備した熱式流量計からなる請求項１に記載の空気供給システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種の生産設備おいて用いられる圧縮空気を生成するコンプレッサを、効率的に運転してその省エネルギ化を図ることのできる空気供給システムに係り、特に空気使用機器における空気消費量をリアルタイムに計測することのできる空気消費量計測方法および計測装置、並びに空気供給システムの制御方法に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
各種の生産設備においては、エアブロー用として、或いはエアシリンダの駆動源等として圧縮空気が用いられる。圧縮空気はコンプレッサを用いて生成され、一般的にはエアタンクに蓄積された後、所定の配管系を介してエアシリンダ等の各種の負荷（空気使用対象である機器）に供給される。
【０００３】
そして従来一般的には、エアタンクに蓄積された圧縮空気の圧力をモニタし、この圧力に応じてコンプレッサの作動を制御することで上記エアタンク、ひいてはその配管系に、例えば０.７ＭＰa以上の圧縮空気を確保するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで上述した如くして負荷に供給する圧縮空気を確保するに際しては、一般的には図６(ａ)に示すように配管系（エアタンク）の圧縮空気の圧力Ｐが低下した時点でコンプレッサを起動している。するとコンプレッサにて生成された圧縮空気は、配管系内の圧力を高めながらエアタンクへ、更には配管系を介して負荷へと供給され、図６(ｂ)に示すようにコンプレッサから吐出される圧縮空気の流量が一時的に多くなる。即ち、配管系内における圧縮空気の圧力を高める分だけ、コンプレッサから多量の圧縮空気が吐出される。
【０００５】
この為、コンプレッサは、負荷が必要とする以上の圧縮空気を生成することになり、コンプレッサにおける消費エネルギ（消費電力）が多大なものとなることが否めない。また負荷に供給される圧縮空気の流量は、その圧力によって変化するので、単に圧縮空気の流量（体積流量や質量流量）を検出してコンプレッサの作動を制御するにも問題がある。
【０００６】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、空気使用機器が必要とする圧縮空気を確保しながらコンプレッサを効率的に運転してその省エネルギ化を図ることのできる空気供給システムを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するべく本発明に係る空気供給システムは、配管系内における圧縮空気の圧力Ｐとその質量（モル数ｎに比例）とが、空気の気体定数をＲ、温度をＴ、配管系の容積をＶとしたとき、［ＲＴ／Ｖ］を係数Ｃとして比例関係にあることに着目したもので、
<ａ>  コンプレッサから配管系を介して空気使用対象に供給される圧縮空気の質量流量を求める流量計と、
<ｂ>  前記配管系を介して前記空気使用対象に供給される圧縮空気の圧力を求める圧力計と、
<ｃ>  この圧力計にて求められた圧力を微分してその変化分を求める微分器と、
<ｄ>  前記流量計にて求められた質量流量と前記微分器にて求められた圧力変化分とに基づいて前記空気使用対象における空気消費量を検出する空気消費量検出手段と、
<ｅ>  前記圧縮空気の温度および／または前記流量計と圧力計との計測時間差に応じて上記空気消費量を補正する補正手段と、
<ｆ>  上記補正された空気消費量に応じて前記コンプレッサの作動を制御する制御手段と
を具備したことを特徴としている。
【０００８】
具体的には前記空気消費量検出手段においては、空気の気体定数をＲ、温度をＴ、配管系の容積をＶとしたとき、前記流量計にて求められる圧縮空気の質量流量Ｑinと、前記圧力変化検出手段により求められる圧縮空気の圧力Ｐの変化分ΔＰとから、
Ｑout ＝Ｑin−ΔＰ／（ＲＴ／Ｖ）
として算出される空気量Ｑoutを空気使用量として求める。そしてこの空気使用量（空気量）Ｑoutを圧縮空気の温度および／または前記流量計と圧力計との計測時間差に応じて上記空気消費量を補正し、補正した空気消費量を制御量として前記コンプレッサの作動をフィードバック制御することを特徴としている。
【０００９】
ちなみに前記圧縮空気の質量流量は、ヒータ素子と、このヒータ素子を挟んで圧縮空気の通流方向に設けられた一対の温度センサとを具備した熱式流量計を用いて検出される。
尚、コンプレッサのフィードバック制御は、複数台のコンプレッサを並列に用いる場合、これらのコンプレッサを選択的に駆動する台数制御を含む。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る圧縮空気供給装置について説明する。
図１はこの実施形態に係る圧縮空気供給装置に全体的な概略構成を示す図で、１ａ,１ｂ,〜１ｎは並列に設けられた複数台のコンプレッサ、２は上記各コンプレッサ１ａ,１ｂ,〜１ｎからそれぞれ供給される圧縮空気を蓄えるバッファとしてのエアタンクである。このエアタンク２に蓄積された圧縮空気は、所定の配管系３を介してエアブロー機構やエアシリンダ装置等からなる複数の負荷４ａ,４ｂ,〜４ｍにそれぞれ供給される。
【００１１】
尚、前記エアタンク２には該エアタンク３に蓄積された、ひいては前記配管系３に供給された圧縮空気の圧力Ｐを検出する圧力計５が設けられている。また配管系３には、該配管系３を介して前記各負荷４ａ,４ｂ,〜４ｍに供給される圧縮空気の質量流量Ｑinを検出する流量計６が組み込まれている。
この質量流量Ｑinを検出する流量計６は、例えば特許第３０９６８２０号公報に詳しく紹介される熱式流量計からなる。即ち、熱式流量計は、図２にその概略構成を示すように、例えば２ｍｍ×２ｍｍ×０.５ｍｍなる大きさのシリコンチップからなる所定の基台Ｂ上に設けた発熱抵抗体からなるヒータ素子Ｒｈを間にして、流体の通流方向Ｆに測温抵抗体からなる一対の温度センサＲｕ,Ｒｄを設けた素子構造を有する。そして上記ヒータ素子Ｒｈから発せられる熱の拡散度合い（温度分布）が前記流体（圧縮空気）の通流によって変化することを利用し、前記一対の温度センサＲｕ,Ｒｄの熱による抵抗値変化から前記流体の質量流量Ｑinを検出するものとなっている。尚、図中Ｒｒは、前記ヒータ素子Ｒｈから離れた位置に設けられた測温抵抗体からなる温度センサであって、周囲温度Ｔの計測に用いられる。
【００１２】
さてこのように構成された圧縮空気の供給装置において、この発明が特徴とするところは、前記圧力計５にて検出される圧縮空気の圧力Ｐ、および前記流量計６にて検出される圧縮空気の質量流量Ｑinに従い、以下に説明するように負荷４ａ,４ｂ,〜４ｍにおける圧縮空気の使用量Ｑoutを求め、この使用量Ｑoutに応じて前記コンプレッサ１ａ,１ｂ,〜１ｎの作動をフィードバック制御する制御系１０を備えている点にある。
【００１３】
即ち、この制御系１０は、前記圧力計５にて検出される配管系３における圧縮空気の圧力Ｐを微分して、その時間微分値［dＰ／dｔ］を圧力Ｐの変化分ΔＰとして求める圧力変化検出手段（微分手段）１１を備える。更に制御系１０は、上記圧力変化分ΔＰに所定の係数（１／Ｃ）を乗じる係数手段１２を備える。尚、上記Ｃは、空気の気体定数をＲ、温度をＴ、配管系の容積をＶとしたとき、［ＲＴ／Ｖ］として与えられる。
【００１４】
そして制御系１０は、更に上記係数手段１２により所定の係数（１／Ｃ）を乗じた圧力変化分ΔＰ×（１／Ｃ）と、前記流量計６にて検出された圧縮空気の質量流量Ｑinとに従って圧縮空気の使用量Ｑoutを
Ｑout ＝Ｑin−ΔＰ×（１／Ｃ）＝Ｑin−ΔＰ／（ＲＴ／Ｖ）
として求める差分手段１３を備える。このようにして求められる圧縮空気の使用量Ｑoutが、前記コンプレッサ１ａ,１ｂ,〜１ｎの作動を制御する制御部１４に対してフィードバック制御量として与えられる。
【００１５】
尚、制御部１４によるコンプレッサ１ａ,１ｂ,〜１ｎの作動制御の形態については、従来より提唱されているＰＩＤ制御等の手法を適宜採用すれば良い。また各コンプレッサ１ａ,１ｂ,〜１ｎの運転能力をそれぞれ可変制御することのみならず、並列に設けられた複数台のコンプレッサ１ａ,１ｂ,〜１ｎを選択的に駆動する台数制御を行っても良いことは言うまでもない。
【００１６】
ここで上述したフィードバック制御の原理について説明すると、配管系３における圧縮空気の状態は、圧縮空気のモル数をｎとしたとき、気体の状態式から
ＰＶ ＝ ｎＲＴ                      …(１)
として表され、この状態式を変形することでその圧力Ｐを
Ｐ ＝ ｎ×（ＲＴ／Ｖ）              …(２)
として表すことができる。尚、圧縮空気の温度Ｔが一定であると看做した場合、空気の気体定数Ｒ、および体積（配管系３内の容積）Ｖがそれぞれ一定であることから上記［ＲＴ／Ｖ］自体を一定の係数Ｃであると看做すことができ、従って上式(２)を
Ｐ ＝ ｎ×Ｃ                        …(２ａ)
として表現することもできる。
【００１７】
ここで上記モル数ｎに標準状態の気体体積［２２.４Ｌ］（定数）を乗じることで配管３内における空気の標準状態での体積Ａを
Ａ ＝ ２２.４×ｎ
として求めることができる。従ってこの体積Ａを用いて上式（２ａ）を表現すれば、
Ｐ ＝ Ａ×（Ｃ／２２.４）          …(２ｂ)
となり、係数Ｃを［Ｃ'＝Ｃ／２２.４］として置き換えれば、
Ｐ ＝ Ａ×Ｃ'                      …(２ｃ)
として整理することができる。
【００１８】
ここで上式（２ｃ）を時間ｔで微分すると
dＰ／dｔ＝ dＡ／dｔ×Ｃ'          …(３)
となり、配管中の空気の標準状態における体積変化量［dＡ／dｔ］を［Ｑ］として置換すれば、上式（３）を
dＰ／dｔ＝ Ｑ×Ｃ'                …(３ａ)
として表すことができる。
【００１９】
一方、配管中の空気の標準状態における体積変化量Ｑは、配管中の空気質量の変化量Ｑnに比例し、空気の標準状態の密度ρ（定数）として
Ｑn ＝ Ｑ×ρ                     …(４)
として表すことができる。従って上式（４）を前式（３）に代入すると
dＰ／dｔ＝ Ｑn×（Ｃ'／ρ）
＝ Ｑn×Ｃ"                …(５)
として示すことができる。つまり配管中の空気質量の変化量Ｑｎは、前述した係数Ｃ（Ｃ"）に関して圧縮空気の圧力Ｐの変化分ΔＰ（微分値；dＰ／dｔ）に比例していることを見出すことができる。
【００２０】
一方、上記配管中の空気質量の変化量Ｑｎは、或る時点においてコンプレッサ１ａ,１ｂ,〜１ｎが配管系３に吐出している圧縮空気の吐出量（質量流量）Ｑinと、配管系３から負荷４ａ,４ｂ,〜４ｍが使用している圧縮空気の使用量（質量流量）Ｑoutとの差、即ち、
Ｑｎ＝Ｑin−Ｑout                 …(６)
として表し得る。
【００２１】
すると上式(５),(６)に着目すれば、負荷４ａ,４ｂ,〜４ｍにおける圧縮空気の使用量Ｑoutは、
dＰ／dｔ（＝ΔＰ）＝Ｑｎ×Ｃ
＝（Ｑin−Ｑout）×Ｃ
なる関係から、
Ｑout＝Ｑin−（dＰ／dｔ）／Ｃ
＝Ｑin−ΔＰ／Ｃ            …(７)
として求めることができる。
【００２２】
そして圧縮空気の圧力Ｐに変化がないとき、つまり［dＰ／dｔ＝０］のときには、コンプレッサ１ａ,１ｂ,〜１ｎが吐出している圧縮空気の吐出量Ｑinと、負荷４ａ,４ｂ,〜４ｍが使用している圧縮空気の使用量Ｑoutとが等しいことを意味する［Ｑout＝Ｑin］。また負荷４ａ,４ｂ,〜４ｍが使用している圧縮空気の使用量Ｑoutが０のときには［Ｑout＝０］、圧縮空気の圧力Ｐの変化は、コンプレッサ１ａ,１ｂ,〜１ｎが吐出している圧縮空気の吐出量Ｑinに応じたものとなる［dＰ／dｔ＝Ｑin×Ｃ］。
【００２３】
従ってコンプレッサ１ａ,１ｂ,〜１ｎが配管系３に吐出している圧縮空気の吐出量（質量流量）Ｑinを流量計６を用いて求め、また配管系３に供給された圧縮空気の圧力Ｐを圧力計５を用いて検出し、その圧力の時間変化（時間微分値；dＰ／dｔ）を変化分ΔＰとして求めれば、これによって前式(６)に従って負荷４ａ,４ｂ,〜４ｍが使用している圧縮空気の使用量（質量流量）Ｑoutを求めることが可能となる。そして負荷４ａ,４ｂ,〜４ｍが使用している圧縮空気の使用量（質量流量）Ｑoutを補うべくコンプレッサ１ａ,１ｂ,〜１ｎの作動を制御すれば、つまり上記質量流量Ｑoutを制御量として、コンプレッサ１ａ,１ｂ,〜１ｎの作動をフィードバック制御すれば、配管系３内における圧縮空気を、図３に示すように略一定に保つことが可能となる。
【００２４】
従って負荷４ａ,４ｂ,〜４ｍが必要とする圧縮空気の必要圧力Ｐneedに比較して、配管系３に供給すべき圧縮空気の設定圧力Ｐsetを大きく設定する必要がない。即ち、従来のようにコンプレッサ１ａ,１ｂ,〜１ｎの起動に伴う圧縮空気の圧力変動を見込んで配管系３に対する圧縮空気の設定圧力Ｐsetを大きく設定しなくても、圧縮空気の必要圧力Ｐneedと同程度の設定圧力Ｐset、或いは僅かに高い設定圧力Ｐsetの下でコンプレッサ１ａ,１ｂ,〜１ｎの作動を効率的にフィードバック制御することが可能となる。これ故、コンプレッサ１ａ,１ｂ,〜１ｎの駆動に要するエネルギ（電気量）を大幅に低減し、その省エネルギ化を図ることが可能となる。
【００２５】
またこのような空気供給システムが適用される工場等においては、多少なりともその配管系３から空気漏れが生じることが否めない。しかしこの空気漏れの分についても、前述したシステムによれば空気使用対象機器による空気使用量と併せた総合的な空気消費量として検出することができるので、コンプレッサ１ａ,１ｂ,〜１ｎを効率的に駆動して配管系３の圧縮空気の圧力を安定に保つことができる。
【００２６】
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば配管系３に組み込む流量計６として、従来一般的な体積流量計測用の差圧式、タービン式、容積式、渦式、超音波式等の流量計を用いる場合には、例えば図４に示すように体積流量計６ａにて計測される圧縮空気の体積流量Ｑvを、変換器６ｂを用いて圧縮空気の圧力Ｐと温度Ｔとに従い、前述した気体の状態式に従って質量流量Ｑmに変換するようにすれば良い。また質量流量計を用いる場合には、前述した熱式流量計に代えてコリオリ式質量流量計を用いることも勿論可能である。
【００２７】
また前記制御系１０をマイクロコンピュータ等により構成する場合には、例えば図５にその処理概念を示すように、圧力計５にて求められる圧縮空気の圧力Ｐを所定の周期毎にサンプリングすると共に［ステップＳ１］、この圧力Ｐのサンプリングに同期して前記流量計６にて求められる質量流量Ｑinをサンプリングする［ステップＳ２］。次いで前記サンプリング点間における上記圧力Ｐの変化分ΔＰを求め［ステップＳ３］、更にこの圧力変化分ΔＰに所定の係数１／Ｃ（＝Ｖ／ＲＴ）を乗じる［ステップＳ４］。そして前記質量流量Ｑinと上記圧力変化分ΔＰを係数処理した値ΔＰ（１／Ｃ）とから、コンプレッサ１ａ,１ｂ,〜１ｎに対するフィードバック制御量として圧縮空気の使用量Ｑoutを求める［ステップＳ５］ようにすれば良い。
【００２８】
更にはここでは圧縮空気の温度Ｔが一定であると看做してコンプレッサ１ａ,１ｂ,〜１ｎに対するフィードバック制御量Ｑinを求めたが、温度Ｔに変化があるような場合には、図１に示すように補正手段１５を用いて上述した如く求めた圧縮空気の使用量Ｑoutに対して温度補正を施すようにすれば良い。尚、図１に示す実施形態においては圧力計５と流量計６とをエアタンク２の近傍に設置しているので、両者の計測結果には実質的に時間差がないものとして取り扱うことができる。しかし実際的には圧力計５と流量計６とが距離的に離れて設置されることがあり、その計測に時間差が生じる場合がある。このような場合においても前記補正手段１５を用いて圧縮空気の使用量Ｑoutを補正するようにすれば良い。
【００２９】
また前述した実施形態においては、コンプレッサ１をフィードバック制御する例について示したが、予測制御等のフィードフォワード制御を用いることも可能である。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、圧縮空気の質量流量に着目してコンプレッサの作動を制御するので、コンプレッサから配管系を介して空気使用機器に供給される圧縮空気の消費量をリアルタイムに計測し、その圧力を容易に適正化することができる。この結果、コンプレッサの駆動に要するエネルギ（電力量）を低減してその省エネルギ化を効果的に図り得る。しかも簡易にして効果的に圧縮空気の安定供給を実現することができる等の実用上多大なる効果が奏せられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る空気供給システムの全体的な概略構成図。
【図２】質量流量を計測する為の熱式流量計の例を示す図。
【図３】図１に示す空気供給システムにおける空気消費量に基づくコンプレッサの制御による配管系での圧縮空気の圧力変化の様子を示す図。
【図４】質量流量を計測する流量計の別の構成例を示す図。
【図５】マイクロコンピュータによる空気使用量（制御量）Ｑoutの算出手順の例を示す図。
【図６】従来の空気供給システムにおける圧縮空気の圧力変化とコンプレッサからの圧縮空気の吐出量（流量）の変化の様子を示す図。
【符号の説明】
１ａ,１ｂ,〜１ｎ  コンプレッサ
２  エアタンク
３  配管系
４ａ,４ｂ,〜４ｍ  負荷
５  圧力計
６  流量計
１０  制御系
１１  微分手段（ΔＰ算出）
１２  係数手段
１３  差分手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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