(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
容積形圧縮機をねじ型圧縮機で構成し、その容積形圧縮機を二段直列に接続すると共に低圧側圧縮機と高圧側圧縮機の間と高圧側圧縮機の吐出側に空冷式クーラーを接続し、低圧側圧縮機と高圧側圧縮機のモータの回転数をインバータで制御して高圧側圧縮機から吐出される圧縮エアの圧力が一定になるよう、かつ、必要流量となるように圧縮エアを供給する空気圧縮装置において、高圧側圧縮機の吐出側と低圧側圧縮機の吸込側とをリターン路で短絡接続すると共にそのリターン路に膨張タービンを接続し、かつ、膨張タービンの上流側のリターン路に切替弁を接続し、上記高圧側圧縮機の必要エア量が所定値以下になったとき、低圧側圧縮機内及び吐出エアの温度上昇を防止すべく、切替弁を開いて膨張タービンに圧縮エアを導入して膨張させ、そのリターンエアの温度を下げて低圧側圧縮機に供給するようにしたことを特徴とする空気圧縮装置。
【請求項２】
上記膨張タービンにはファンが連結され、膨張タービンが回転されたとき上記ファンからの風を高圧側圧縮機の吐出側に接続される空冷式クーラーに送風するようにした請求項１記載の空気圧縮装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、容積形圧縮機の回転数を制御することにより吐出エア流量を制御する空気圧縮装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
工場などにおいて使用する作動エア等を供給するための装置として、容積形圧縮機を備えた空気圧縮装置（低圧空気源ユニット）がある。従来この種の空気圧縮装置は、消費側の使用状況で決まる必要エア量の変化に対応するために、容積形圧縮機の駆動用モータの回転数をインバータ制御して吐出側圧力を一定に保つことで、吐出エアの流量を調節するようにしていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで容積形圧縮機は、回転数の変化にかかわらず一定の内部漏れ量（＝押しのけ量−ガス量）がある。このため低風量とすべく低回転数で運転すると、吸い込み量に対する内部漏れ量の割合が増し、そのエアをケーシング内で繰り返し圧縮することとなって、機器内及び吐出エアの温度が上昇し、その許容値を越えてしまうという問題があった。すなわち温度限界点に相当する流量以下の運転領域においては、インバータによる回転数制御を行うことが出来ず、放風弁を用いて放風するか、或いはレシーバータンクの使用によるON/OFF制御で対処せざるを得なかった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決すべく本発明は、容積形圧縮機をねじ型圧縮機で構成し、その容積形圧縮機を二段直列に接続すると共に低圧側圧縮機と高圧側圧縮機の間と高圧側圧縮機の吐出側に空冷式クーラーを接続し、低圧側圧縮機と高圧側圧縮機のモータの回転数をインバータで制御して高圧側圧縮機から吐出される圧縮エアの圧力が一定になるよう、かつ、必要流量となるように圧縮エアを供給する空気圧縮装置において、高圧側圧縮機の吐出側と低圧側圧縮機の吸込側とをリターン路で短絡接続すると共にそのリターン路に膨張タービンを接続し、かつ、膨張タービンの上流側のリターン路に切替弁を接続し、上記高圧側圧縮機の必要エア量が所定値以下になったとき、低圧側圧縮機内及び吐出エアの温度上昇を防止すべく、切替弁を開いて膨張タービンに圧縮エアを導入して膨張させ、そのリターンエアの温度を下げて低圧側圧縮機に供給するようにしたものである。上記膨張タービンにはファンが連結され、膨張タービンが回転されたとき上記ファンからの風を高圧側圧縮機の吐出側に接続される空冷式クーラーに送風するようにするものであることが好ましい。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に従って説明する。
【０００６】
図１は、本発明を適用した空気圧縮装置を示したものである。この空気圧縮装置は、二台の容積形圧縮機１，２を備えたものであって、容積形圧縮機１，２の吐出側と吸込側とを短絡して接続するリターン路３と、吐出エアの一部をリターン路３に適宜導く切替弁４と、リターン路３に設けられた冷却手段たる膨張タービン５とにより主として構成されている。
【０００７】
容積形圧縮機１，２は、例えばケーシング内に雄ロータ及び雌ロータを有したねじ型圧縮機で成り、吸い込んだ空気をロータの歯みぞ内で徐々に体積変化させることで圧縮するようになっている。この圧縮機１，２は二段に直列に配置され、一段目（低圧）の圧縮機１の吐出口６と二段目（高圧）の圧縮機２の吸込口７とが連結エア管８によって接続されている。そして二段目の圧縮機２の吐出口９が吐出エア管１０によって消費側Ｗの配管に接続されている。また各圧縮機１，２の吐出側にはそれぞれ空冷式クーラ１１，１２が備えられている。そして各圧縮機１，２の回転軸１ａ，２ａには、それぞれ回転駆動源となるモータ１３，１４が連結されている。これらモータ１３，１４は、一台のインバータ１５により出力回転数が制御されるようになっている。インバータ１５は、吐出エア管１０に設けられた圧力検出器（ＰＩＣ）１６に結線されてその検出信号を入力するようになっており、例えば消費側Ｗの必要エア量が少なくなって吐出側圧力（圧力比Ｐｄ）が上がると、その値が所定値（ＰO ）を保つように回転数を下げて、必要エア量に相応した吐出流量Ｑに制御するものである。
【０００８】
リターン路３は、吐出エア管１０の圧力検出器１６の近傍の位置から、一段目の圧縮機１の吸込口１７に設けられた吸込エア管１８まで、圧縮機１，２及び空冷式クーラー１１，１２を迂回するように延長されている。そしてこのリターン路３の途中に、切替弁４及び膨張タービン５が設けられている。切替弁４は、インバータ１５により開閉制御されるようになっており、図２に示すように、圧縮機１，２の内部漏れ量に起因する温度限界点の流量Ｑ1 の回転数、例えば最大流量ＱO の40％に相当する回転数になったときに、開動作するように形成されている。この開動作は、回転数に相応させて間欠的に開閉させるか、或いは開度を調整するようにしてもよい。膨張タービン５は、例えば公知の空気分離装置において空気を液化点まで冷却するために使用される半径流反動形のタービンで成り、リターン路３内を通ってきたリターンエアのエネルギーを吸収することで、その温度を外気温度よりも低くして、一段目の圧縮機１の吸込側に合流させるようになっている。また膨張タービン５の負荷としてファン１９が同軸に連結されており、その回転により形成された圧気は、二段目の圧縮機２に備えられた空冷式クーラー１２に供給されるようになっている。すなわちファン１９から空冷式クーラー１２までその圧気を導く圧気供給路２０が設けられている。
【０００９】
このように構成したことにより、例えば最大流量ＱO から40％流量Ｑ1 までの運転領域（図２中の斜線部Ａ）においては、消費側のエア使用量により変化する吐出側圧力を、インバータ１５が圧力検出器１６の出力信号で検知することで、その圧力が一定（ＰO ）となるようにモータ１３，１４の回転数を増減させ、吐出流量Ｑをエア使用量に合致するように制御する。そして従来の温度限界点に相当する流量（Ｑ1 ）よりも少ない吐出流量Ｑに制御する必要が生じたときは、切替弁４を開として吐出エアの一部をリターン路３に導く。このリターンエアはそのエネルギーが膨張タービン５の圧縮仕事に変換されることにより温度が大きく下げられて、一段目の圧縮機１の吸込側に合流される。これで圧縮機１，２の入口温度が下げられ、従来の限界回転数を実質的に下げることができる。例えば従来の制御領域（Ｑ1 ）の限界流量が最大流量ＱO の40％であったのを、より少ない流量（Ｑ2 ）である30％程度にまで下げることができる。従って、回転数制御運転の範囲を広げることができ（図２中の斜線部Ｂ）、低風量・低速回転の運転領域において圧縮機１，２のモータ１１，１２を無駄に駆動させることがなくなり、モータ軸動力の軽減が達成されて、消費電力（ランニングコスト）を低減させることができる。また膨張タービン５の駆動により回転するファン１９の圧気を空冷式クーラー１２に供給するようにしたので、空冷式クーラー１２の効率を向上させることができ、より一層のモータ軸動力の軽減等が達成される。なお必要エア量が従来温度限界点のものよりも大幅に少なくなる領域（図２中のＣ）では、入口温度を下げても許容限界に近づくと予想されるので、このような領域では切替弁４を大気開放側に動作して、放風により対処するものとする。また放風によらずに、消費側Ｗと二段目の圧縮機２との間にサージタンクを設けて、極少風量の領域では圧縮機１，２の運転を停止し、貯留した圧縮エアを供給するようにしてもよい。この場合、その運転領域（Ｃ）は狭いものであり、貯留エアの量は少なくても対処可能になるので、そのサージタンクは従来のON/OFF制御のものよりも小さくすることができ、省スペース化に貢献できる。
【００１０】
なお図１では、冷却手段として膨張タービン５を示したが、リターンエアを冷却して圧縮機１，２の入口温度を低下できるものであればどのような構成のものであってもよい。また二台の容積形圧縮機１，２を備えたものを図示したが、本発明は一台のみ或いは三台以上備えたものにおいても当然適用できる。
【００１１】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、回転数制御による容積形圧縮機の流量制御運転の領域を拡大させることができるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の空気圧縮装置の実施の形態を示した配置図である。
【図２】図１の作用効果を説明するための制御領域図である。
【符号の説明】
１  一段目の圧縮機（容積形圧縮機）
２  二段目の圧縮機（容積形圧縮機）
３  リターン路
４  切替弁
５  膨張タービン（冷却手段）
１１，１２  空冷式クーラー
１５  インバータ
１９  ファン
【図１】
0003965706.tif 000002
【図２】
0003965706.tif 000003