JP4248077B2 - 圧縮機装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として空気やガスを圧縮する圧縮機装置に係り、特に、回転速度を変化させて容量調整する圧縮機と一定速度で運転する圧縮機を並列運転する圧縮機装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
圧縮機装置を容量制御する例が、特開平9−250485号公報に記載されている。この公報に記載の圧縮機においては、圧縮機の圧縮空気出口に、圧力ンサーが設けられている。そして、この圧力センサーが検出した吐出圧力を用いて、圧縮機の回転速度をPID制御し、これにより圧縮機を容量制御している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
複数台の圧縮機を並列に接続して運転する場合、それぞれの圧縮機のロード圧力(起動圧力)およびアンロード圧力(停止圧力)を少しずつ変えて設定することが知られている。この場合、圧縮機の使用空気量Q(%)に対する消費動力L(%)の変化は、図2のa(吸込み絞り方式)やb(吸込み絞り+吐出圧力減圧によるロード、アンロード方式)に示した特性になる。さらに、この特性を有する圧縮機に自動停止機能を組み合せると、例えば圧縮機を2台(No.1圧縮機、No.2圧縮機)並列運転した場合には、図4や図5に示した特性が得られる。これらの図から明らかなように、吐出空気量がほぼ同じ2台の圧縮機を運転した方が、吐出空気量が2倍の圧縮機を1台運転するよりも大きな省電力効果が得られる。
【0004】
ところで、上記特開平9-250485号公報に記載の圧縮機のような回転速度が可変の圧縮機では、使用空気量Q(%)に対して消費動力L(%)が図3のように変化し、理想的な動力特性に近づく。このような特性を有する圧縮機を2台並列に運転すると、図7に示すような特性となり、図4や図5に示した特性と比較して、さらに大きな省電力効果が得られる。
【0005】
回転速度可変の圧縮機は、このような利点を有するが、回転速度を制御するために、インバータ等の可変速機構を必要とし、設備のコストアップを招くという不具合がある。
【0006】
本発明は、上記従来技術の有する不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、複数台の圧縮機を並列運転するときの消費動力を低減することにある。また、この圧縮機装置を安価に提供することも目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の第1の特徴は、所定の同一回転速度でロード運転とアンロード運転を繰返す第1の圧縮機と、アンロード運転が所定時間以上継続したら運転を停止する、インバータを備えた電動機で駆動される第2の圧縮機とを並列に接続し、この第2の圧縮機の吐出圧力を予め定められた目標圧力にインバータを用いて制御する制御手段を設け、この目標圧力は、前記第1の圧縮機のロード運転時の圧力とアンロード運転時の圧力の間にあるようにしたものである。
【0008】
そして好ましくは、圧縮機装置に接続される機器での作動ガスの使用量が減少したときに、第2の圧縮機を予め定めた下限回転速度でロード運転とアンロード運転を繰り返して容量制御し、この第2の圧縮機のロード運転時の圧力とアンロード運転時の圧力がともに第1の圧縮機のロード運転時の圧力とアンロード運転時の圧力との間にあるようにした。
【0009】
上記目的を達成するための本発明の第2の特徴は、予め定めた第1の圧力でロード運転し、この第1の圧力とは異なる第2の圧力でアンロード運転する定回転速度の複数台の第1の圧縮機と、回転速度が可変の第2の圧縮機とを並列に接続し、この第2の圧縮機の吐出圧力が予め設定した目標圧力になるようこの第2の圧縮機の回転速度を制御する制御装置を設け、目標圧力は第1の圧力のロード運転時の圧力または起動運転時の圧力と、アンロード運転時の圧力または運転停止時の圧力との間の圧力であるようにしたものである。
【0010】
そして好ましくは、圧縮機装置に接続される機器での作動ガスの使用量が減少したときに、第2の圧縮機を予め定めた下限回転速度でロード運転とアンロード運転を繰り返して容量制御し、この第2の圧縮機のロード運転時の圧力とアンロード運転時の圧力がともに前記第1の圧縮機のロード運転時の圧力または起動運転時の圧力とアンロード運転時の圧力または運転停止時の圧力との間にした;第2の圧縮機の目標圧力を入力する入力手段と、この入力手段から入力された目標圧力に基づいて、第2の圧縮機のロード運転時の圧力または起動圧力をこの目標圧力より低い圧力に、アンロード運転時の圧力または停止圧力をこの目標圧力より高い圧力に設定する設定手段を設けた;第2の圧縮機のロード運転時の圧力または起動圧力と、アンロード運転時の圧力または停止圧力との間の圧力に、目標圧力を自動的に設定する自動設定手段を設けた;検出手段が検出した圧力を第2の圧縮機の目標圧力と比較し、可変速圧縮機の目標圧力より高い圧力に第1の圧縮機のアンロード運転圧力または停止圧力を、第2の圧縮機の目標圧力より低い圧力に第1の圧縮機のロード運転圧力または起動圧力を設定するものである。
【0011】
また、第1、第2の特徴において、第1の圧縮機のみに予め定めた到達圧力に達したときまたは達してから所定時間経過したときにこの第1の圧縮機を自動停止させる自動停止手段を設ける;圧縮機装置の圧力を検出する検出手段と、使用空気量の減少時に圧力が上昇から下降に転ずる圧力を第1の圧縮機のアンロード運転圧力または停止圧力として記億し、使用空気量の増加時に圧力が下降から上昇に転ずる圧力をロード運転圧力または起動圧力として記憶する記憶手段と、第2の圧縮機の目標圧力を記憶した2点の圧力の間に設定する設定手段とを設けることが望ましい。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図面を用いて説明する。図1は、本発明の圧縮機装置の第1の実施例の系統図である。本実施例では、2台の圧縮機18a、18hを使用し、圧縮媒体を空気としている。一方の圧縮機18aは、インバーター等の可変速駆動装置1laと、この駆動装置11aをPID制御する制御装置10aを有している。そして、PID制御により、吐出圧力をー定に制御している。具体的には、電動機2aの電源12aの周波数を変化させて回転速度を変化させ、圧縮機本体laの回転速度を変化させている。
【0013】
圧縮機本体1aが駆動されると、大気は吸込みフィルター38、吸込み絞り弁4aを経由して圧縮機本体laに導かれ圧縮機本体内で圧縮されたのち、オイルセバレータ6aに導かれる。オイルセパレータ6a内で油分を分離された圧縮空気は、逆止弁7aを経由してアフタークーラ6aに流入し、アフタークーラ6aで冷却されたのち、空気槽I5に流入する。オイルセパレータ5aで圧縮空気から分離された油は、オイルクーラ9aで冷却されて再び圧縮機本体laに噴射され、圧縮空気を冷却するとともに圧縮機本体1aの各部を潤滑する。
【0014】
圧縮機本体1aの回転速度を、空気槽16に取付けた圧力センサー14の出力に応じて、予め設定された目標圧力になるように制御する。例えば、空気使用量が減少して空気槽15内の圧力が上昇すると、これに応じて電動機2aの回転速度が減少し、圧縮機本体laから吐出される空気量が減少する。この結果、空気槽15の圧力が目標圧力に制御される。ただし、回転速度を極端に低くすると、圧縮磯本体の効率が著しく低下したり、または電動機が十分には冷却されなくなる。そこで、通常、最高回転速度の15〜30%程度の速度に最低回転速度を定める。これに対応する空気量より低い負荷に対しては、最低回転数での運転(最低回転速度ロード運転)と、吸込み絞り弁4aを閉塞すると同時に放風弁8aを開くアンロード運転(最低回転速度アンロード運転)とを繰り返し、圧縮空気の容量を調整する。この方法の詳細は、特開平7−293477号公報に開示されている。例えば、目標圧力より高い圧力になるとアンロード運転し、目標圧力まで低下すればロード運転を開始する。
【0015】
低負荷時に容量制御する他の方法として、特開昭55−164792号公報に記載の方法がある。この方法は、吸込み絞り弁4aを無段階に絞るものである。その他の方法としては、設定圧力より吐出圧力が上昇したら吸込み絞り弁を閉じないで放気弁8aを開き、オイルセパレータの圧力を低下させるものがある。本実施例では、これらの何れの方法を用いてもよい。
【0016】
一方、圧縮機13bを一定速度で運転する。この圧縮機13bにおける作動空気の流れ、及び潤滑等に用いる油の流れは圧縮機13aと同じであるから、その詳細を省略する。アフタークーラ6bから吐出された空気は、空気槽15で圧縮機13aから吐出された圧縮空気と合流する。この圧縮機13bは、圧縮機13aと、電動機2bが起動盤11bで起動された後は一定速度で運転される点が相違する。圧縮機13bを一定速度で運転するため、圧力センサー14の出力に応じて、吸込み絞り弁4bを閉じるとともに放気弁8bを開くアンロード運転とロード運転を繰り返して、圧縮機装置を容量制御する。
【0017】
圧縮機13bの制御装置10b内には、所定時間以上アンロード運転が連続した場合、空気槽の圧力が所定値以上になった場合、または所定時間のインターバルで空気槽の圧力を圧力センサー14で検出し、その圧力が予め定めた条件を満たしたので制御装置10bが作動した場合、に起動盤11b内の接触器を開いて電動機2bを停止させる手段を設けている。空気槽の圧力が所定圧力まで低下したことを圧力センサー14が検出すると、起動盤11b内の上記手段が接触器を再投入し、電動機2bを再起動させる。なお、圧縮機13bの容量制御方法として、上記ロード運転とアンロード運転を繰り返す方法の他、吸込み絞り弁4bを無段階に絞る方法等を用いることも可能である。
【0018】
また、以上述べた本実施例では空気槽を設け、この空気槽に取付けた共通の圧力センサーで2台の圧縮機を制御しているが、空気槽を設置しないで共通配管部で圧力を検出しても良い。さらに、圧縮機毎に、圧力センサー設けてもよい。
【0019】
ところで、本発明においては、制御に利用する各圧力間に式(A)の関係がある。つまり、圧縮機13aを回転速度制御するときの目標圧力をP1、アンロード運転圧力をP2、圧縮機13bのアンロード運転圧力または停止圧力をPU、ロード運転圧力または起動力をPLとすると、
PU>P2>PI>PL ………(A)
となる。この関係を、圧縮機ごとに個々に設定してもよいし、一方の圧縮機の圧力を設定して、他方の圧縮機の圧力を自動的に制御装置10a、10bが設定するようにしてもよい。
【0020】
次に上記構成になる本実施例における各部の動作を図8により説明する。図8では時間経過を縦軸に、装置の吐出圧力を横軸に示している。この図8は、使用空気量が変化したときの圧縮機18aと圧縮機18bのそれぞれの動作を表している。この図8においては、圧縮機13aは、使用空気量が30%以下でロード運転とアンロード運転を繰り返すものとしている。
【0021】
使用空気量が2台の圧縮機が発生可能な限界量(200%)のときには、圧縮機13aを全速で運転し、圧縮機13bをロード運転する(ステップ1)。
【0022】
使用空気量が200%から130%に減少していく間は、空気槽の圧力が目標圧力P1になるように圧縮機13aを速度制御する。この間、圧縮機13bをロード運転させる(ステップ2)。
【0023】
使用空気量がさらに減少して130%以下になると、圧縮機13aは最低回転速度に達するので、圧縮機の回転速度を低下させることではもはや吐出空気量を減少させることができない。その結果、空気槽の圧力が上昇する。空気槽の圧力がP2まで上昇すると、圧縮機13aはアンロード運転になる。そのときの吐出空気量は0である。圧縮機13aがアンロード運転になると空気槽の圧力は低下する。空気槽の圧力がP1まで低下すると、再び最低回転速度で圧縮機が運転され、ロード運転モードになる。使用空気量が130%から100%の範囲では、上記動作が繰り返され、吐出空気量が調整される。この運転モードでは、圧縮機13bはロード運転を続ける(ステップ3)。
【0024】
使用空気量が100%まで減少すると、圧縮機13aは最低回転速度でアンロード運転となる。さらに使用空気量が減少すると、双方の圧縮機ともこれ以上吐出空気量を減らすことができないので、再び空気槽の圧力が上昇し始める(ステップ4)。
【0025】
空気槽の圧力がPUに到達すると、圧縮機13bがアンロード運転に入る。これによって2台の圧縮機とも吐出空気量が0となる。その結果、今度は圧力が低下する。空気槽の圧力がP1まで低下すると、圧縮機13aのアンロード連転が解除され、再び速度制御運転となる。これにより、空気槽の圧力の低下が止まり、圧縮機13aの速度制御運転により、空気槽の圧力は目標圧力P1に保持される。一方、圧縮機13bはアンロード運転状態のままである。そして、予め設定されたタイマーの設定時間Thが麓過すると、圧縮機13bは停止する(ステップ5)。
【0026】
さらに、使用空気量が減少した100%から30%の使用空気量範囲では、圧縮機13aを速度制御することにより、吐出圧力はP1に保持される。使用空気量が30%から0%の範囲まで低下すると、再び圧縮機13aが最低回転速度でロード運転とアンロード運転とを繰り返し、空気槽の圧力はP1とP2間の圧力となる(ステップ6)。使用空気量が0%になると、圧縮機13aは最低回転速度でアンロード運転を継続する(ステップ7)。以上のステップ1から7が、使用空気量が200%から0%まで減少していくときの動作パターンである。
【0027】
ところで、圧縮機13aにもタイマーを設けてもよい。このタイマーはアンロードが継続した場合に自動停止させるためのものである。その際、圧縮機13aのタイマーの設定時間Taを圧縮機13bのタイマーの設定時間Tbよりも長く設定する。これにより、空気消費量が0%になったときに圧縮機13aを自動停止させることができる。
【0028】
次に、使用空気量が0%から200%へ増加するパターンについて説明する。使用空気量が0%から100%に増加する間は、上記使用空気量が減少するパターンと逆の順序で圧縮機13aを運転する(ステップ8、9)。使用空気量が100%を超えると、圧縮機13aを全速運転しても、使用空気量を上回ることができないので、圧縮機13aの目標圧力P1を維持することができなくなる。その結果、空気槽の圧力が徐々に低下する。
【0029】
空気槽の圧力がPLまで圧力が低下すると、圧縮機13bが起動される。起動された圧縮機13bは、ロード運転に入る。圧縮機13bのロード運転により、空気槽の圧力は上昇に転じる。この圧力がP1まで上昇すると、圧縮機13aを速度制御運転し、吐出し空気量を調整する。空気槽の圧力がさらにP2まで上昇すると、圧縮機13aは最低速度でアンロード運転とロードを繰返す。この間、再起動された圧縮機13bはロード運転を継続する(ステップ10、11)。さらに使用空気量が130%以上に増加すると、圧縮機13aは再び速度制御モードとなり(ステップ12)、使用空気量が200%では圧縮機13aが全速で運転される。圧縮機13bは、ロード運転のままである。
【0030】
以上説明したように、本実施例の圧縮機装置では、回転速度制御される圧縮機13aを吐出し空気量の調整に用いているので、理想的な容量制御を達成できる。つまり、図8に示すように、使用空気量とほぼ比例して消費動力が変化するので、消費動力が軽減される。以上の説明では、簡単のために2台の圧縮機を用いる圧縮機装置を例にとり説明したが、3台、4台等の複数台の圧縮機を並列運転する装置についても本発明を適用できる。その場合、すべての使用空気量の範囲で、回転速度制御される圧縮機1台を容量制御し、他の全ての圧縮機を回転速度が一定速としてロード運転または短時間のアンロード運転後に停止させる実質的なオン/オフ制御するので、高価な回転速度制御機の使用台数を低減できる。また、高価で複雑な外部制御盤を追加しなくとも、理想的な省電力特性を得ることができる。なお、回転速度制御機を複数台用いてもよいことは言うまでもない。
【0031】
上記実施例では、式(A)で記述された関係を予め設定していたが、この関係を設定する代わりに、自動的に最適圧力を設定するようにしてもよい。この場合、圧縮機の知識が余りない者が操作しても設定の誤りがなく、最大限の省電力効果が得られる。本方法は、圧縮機13bが圧縮機13aの設置以前から稼動していて、圧力設定が不明のときなどに有効である。この一例を以下に示す。
【0032】
空気槽15から吐出される空気配管に開度調節が自由なバルブを設ける。自動設定に当たっては、このバルブを徐々に閉じるか、または徐々に開く。これにより、使用空気量が減少する、または増加する現象を現出できる。このとき、圧縮機13aの制御装置10a、または圧縮機13bの制御装置10bのいずれかに、圧力センサー14が検出した圧力信号の時間的経過を記憶する記憶手段を設ける。
【0033】
初めに、空気配管に設けたバルブを徐々に閉じると、一般的には空気槽16の圧力が上昇する。このとき、圧縮機13a(可変速圧縮機)の回転速度を変化させて、所定圧力に空気槽の圧力を制御できる範囲では目立って圧力は上昇しない。しかし、圧縮機13aの回転速度制御範囲を外れると、圧力は上昇し始める。圧縮機13aが最低速度で、ロード運転およびアンロード運転できるものであれば、その範囲内で空気槽の圧力が増減する。そして、この圧力は予め圧縮機13aに設定された圧力であり、この圧力値と異なる圧力値で空気槽の圧力が上昇から下降に転じたら、その圧力値が並列に設置された圧縮機13bのアンロード運転圧力または停止圧力である。この運転点は、図8の(B)点に相当する。
【0034】
同様に、配管中のバルブを徐々に開くと、一般的には空気槽15の圧力は低下する。圧縮機13aを回転速度制御できる範囲では、目立って圧力は低下しないが、回転速度制御範囲を外れると空気槽の圧力は低下し始める。圧縮磯13aがアンロード運転およびロード運転する圧力は予め圧縮機13aに設定されている。したがってこれ以外の点で、圧力が下降から上昇に転ずれば、この圧力が並列に設置された圧縮機13bのロード運転圧力または起動圧力である。この運転点は、図8の(C)点に相当する。
【0035】
制御装置10a、10bのいずれかに、この圧力を記憶または表示させる。また、圧縮機13aの目標圧力やアンロード運転圧力などを設定する。この際、式(A)を満たすようにこれらの値をインプットするか、あるいは自動的にこの式(A)を満たす値を求めるプログラムを記憶させておけばよい。式(A)の関係が満たされる限り、圧縮機13aの設定を変えても、圧縮機13bの設定を変えても、同じ効果が得られる。なお、本実施例では、上記各圧力の設定値を制御装置に設けたが、これらと別の制御装置に設けてもよい。
【0036】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、複雑な台数制御盤等を用いることなく、簡単な制御で、圧縮機装置を省電力運転できる。また、高価な回転速度制御機を複数台使用することなく、理想的な省電力特性を得ることが可能な圧縮機装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る圧緒機装置の一実施例の系統図である。
【図2】一定速度圧縮機の消簾動力特性を説明する図である。
【図3】回転速度制御圧縮機の消費動力特性を説明する図である。
【図4】2台の圧縮機を組み合せたときの消費動力を説明する図である。
【図5】2台の圧縮機を組み合せたときの消費動力を説明する図である。
【図6】2台の圧縮機を組み合せたときの消費動力を説明する図である。
【図7】本発明で使用する各設定圧力の関係を説明する図である。
【図8】本発明に係る圧縮機を2台組み合せたときの一実施例における各圧力のタイムチャートである。
【符号の説明】
la、lb、…圧縮機本体、
2a、2b…電動機、
10a…PID制御装置、
1la…インバータ、1lb…起動盤、
l3a、l3b…圧縮機、
14…圧力センサー、15…空気槽

Claims (10)

  1. 所定の同一回転速度でロード運転とアンロード運転を繰返す第1の圧縮機と、アンロード運転が所定時間以上継続したら運転を停止する、インバータを備えた電動機で駆動される第2の圧縮機とを並列に接続し、この第2の圧縮機の吐出圧力を予め定められた目標圧力に前記インバータを用いて制御する制御手段を設け、この目標圧力は、前記第1の圧縮機のロード運転時の圧力とアンロード運転時の圧力の間にあることを特徴とする圧縮機装置。
  2. 圧縮機装置に接続される機器での作動ガスの使用量が減少したときに、前記第2の圧縮機を予め定めた下限回転速度でロード運転とアンロード運転を繰り返して容量制御し、この第2の圧縮機のロード運転時の圧力とアンロード運転時の圧力がともに前記第1の圧縮機のロード運転時の圧力とアンロード運転時の圧力との間にあることを特徴とする請求項1に記載の圧縮機装置。
  3. 予め定めた第1の圧力でロード運転し、この第1の圧力とは異なる第2の圧力でアンロード運転する定回転速度の複数台の第1の圧縮機と、回転速度が可変の第2の圧縮機とを並列に接続し、この第2の圧縮機の吐出圧力を予め設定した目標圧力になるようこの第2の圧縮機の回転速度を制御する制御装置を設け、前記目標圧力は前記第1の圧力のロード運転時の圧力または起動運転時の圧力と、アンロード運転時の圧力または運転停止時の圧力との間の圧力であることを特徴とする圧縮機装置。
  4. 圧縮機装置に接続される機器での作動ガスの使用量が減少したときに、前記第2の圧縮機を予め定めた下限回転速度でロード運転とアンロード運転を繰り返して容量制御し、この第2の圧縮機のロード運転時の圧力とアンロード運転時の圧力がともに前記第1の圧縮機のロード運転時の圧力または起動運転時の圧力とアンロード運転時の圧力または運転停止時の圧力との間にあることを特徴とする請求項3に記載の圧縮機装置。
  5. 前記第2の圧縮機の目標圧力を入力する入力手段と、この入力手段から入力された目標圧力に基づいて、前記第2の圧縮機のロード運転時の圧力または起動圧力をこの目標圧力より低い圧力に、アンロード運転時の圧力または停止圧力をこの目標圧力より高い圧力に設定する設定手段を設けたことを特徴とする請求項3に記載の圧縮機装置。
  6. 前記第2の圧縮機のロード運転時の圧力または起動圧力と、アンロード運転時の圧力または停止圧力との間の圧力に、前記目標圧力を自動的に設定する自動設定手段を設けたことを特徴とする請求項3に記載の圧縮機装置。
  7. 前記第1の圧縮機のみに、予め定めた到達圧力に達したときまたは達してから所定時間経過したときにこの第1の圧縮機を自動停止させる自動停止手段を設けたことを特徴とする請求項1または3に記載の圧縮機装置。
  8. 予め設定された時間以上アンロード運転が継続したら自動停止する手段を前記第1の圧縮機及び第2の圧縮機に設け、前記第2の圧縮機の設定時間が前記第1の圧縮機の設定時間より長いことを特徴とする請求項1または3に記載の圧縮機装置。
  9. 圧縮機装置の圧力を検出する検出手段と、使用空気量の減少時に圧力が上昇から下降に転ずる圧力を前記第1の圧縮機のアンロード運転圧力または停止圧力として記億し、使用空気量の増加時に圧力が下降から上昇に転ずる圧力をロード運転圧力または起動圧力として記憶する記憶手段と、前記第2の圧縮機の目標圧力を記憶した2点の圧力の間に設定する設定手段とを設けたことを特徴とする請求項3に記載の圧縮機装置。
  10. 前記検出手段が検出した圧力を前記第2の圧縮機の目標圧力と比較し、可変速圧縮機の目標圧力より高い圧力に前記第1の圧縮機のアンロード運転圧力または停止圧力を、前記第2の圧縮機の目標圧力より低い圧力に前記第1の圧縮機のロード運転圧力または起動圧力を設定することを特徴とする請求項9に記載の圧縮機装置。
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