JPH09502546A

JPH09502546A - 圧縮空気制御システム

Info

Publication number: JPH09502546A
Application number: JP5501796A
Authority: JP
Inventors: マイレル、ロバート、ジェイ; ウィルソン、ロバート、イー; ハント、イー、チャールズ
Original assignee: コンサーベイアーテクノロジーズ
Priority date: 1991-07-10
Filing date: 1992-07-10
Publication date: 1997-03-11
Also published as: EP0610226B1; EP0610226A1; WO1993001539A1; DE69231498T2; DE69231498D1; CA2112891C; CA2112891A1; US5325884A

Abstract

(57)【要約】本発明は、上流コンプレッサ（１３０）と空気蓄積容器と下流有効圧力発生装置（１４０）との中間点で変更可能であり、特に空気重量流量に基づき空気利用効率が高くなり、かつ供給圧力と要求圧力との空気システムバランスが良好となる利点を有する空気制御システムを提供するものである。好ましい実施例は、対のヘッダータンク（２２）の間に並列に接続された複数のサーボ被動流量コントローラ（３０）を利用しており、検出された下流の圧力および制御システムの両端での圧力差に応答して、これらコントローラを制御する。別の実施例は、空気システムとの間でのコンプレッサの負荷および負荷解除を管理する制御手段を含む。

Description

【発明の詳細な説明】圧縮空気制御システム技術分野本発明は、空気圧プラント供給装置用制御システムに関し、より詳細には、工業用または業務用動力装置に用いられる圧縮空気を供給するための改良された空気制御システムおよびかかる空気制御システムと空気コンプレッサ手段および有効な空気動力装置とを統合した完全な空気システムに関するが、これらのみに限定されるものではない。背景技術工場の多くは工場の生産装置を稼働するための動力の主要動力源として圧縮空気を使用している。この空気は一般的に、設置場所または近くのコンプレッサから供給され、分配システムを介して下流の使用すなわち圧力要求エリアに管路を通って送られ、分配システムにはレシーバまたはタンクの形で上流に設けられた圧力安定化蓄積手段が備えられている。代表的な装置としては、空気圧動力工作機械、ドリル、レンチ、プレスおよび旋盤のみならず、ロール機、バッファ、低要求量スプレーブースおよび計測装置がある。かかる装置は一般に、当業界では供給装置を利用する空気システムに接続されているものを意味する一般的用語である「アーティクル(Article)」と称されている。エンドユーザーはこの空気システムにより空気動力装置を稼働させるのに適当な圧力を維持することを望んでいるが、空気のエネルギーコストを考慮しているようなユーザーはほとんどいない。下流の要求圧力が大きく変化すると、コンプレッサにかかる負荷も変化する。空気コンプレッサは一般に、コンプレッサにおける、またはその近くのシステム圧力が、スレッショルド圧力よりも低下する際はオンライン状態となり、またより高いカットアウト圧力ではオフラインとなるシステム供給圧力に従って制御されるようになっている。特に空気コンプレッサは変化に応答する速度が遅いので、このような制御システムはかなり粗い制御システムとなっている。工場の生産が、例えばシフトの終了時に低下すると、空気の要求量も低下する。このような低下はかなり急であることがある。システムの圧力は、コンプレッサの出力を調節できるまでコンプレッサの馬力の負荷を除くよう、実質的に上昇する。まだ稼働している装置がより多くの空気を利用しており、かつリーク量を増加するので、このような過剰圧力は、空気消費流量を増加することがある。これら過剰圧力によるロスは人為的な要求につながり、その結果、エネルギーが無駄となる。大要求条件下では、スレッショルド作動圧力を維持するよう設計されているので、ほとんどの空気システムは満足し得る稼働結果を与えるのに必要とされる理論的容量を越える過剰なコンプレッサ容量を利用しており、この結果不要な出費およびランニングコストが生じることとなっている。従来の空気圧制御システムは、一般に、装置の個々の部品を圧力サージから保護するため、アーティクルで作動する圧力レギュレータを用いると共に、上記粗いコンプレッサのスイッチング制御に依存している。かかるレギュレータはフィードバックループおよびフィードバックループを備えた下流の圧力検出器から制御でき、一般に過剰圧力を排出できるようになっている。一般に従来技術は、局部制御を行っており、全システム制御は行っているとしても、わずかしか行っていない。一般に従来技術は、システム全体の効率にはほとんど注意を払っていない。本発明は、ほとんどのオペレータが、恐らくは最大の性能が装置から得られるという考えで、レギュレータバルブを最大点にセットしているという驚くべき見解に基づくものである。かかるオペレータはシステムの効率や装置の耐久性についてはほとんど考慮していない。これらかなり簡単な制御装置は、予備的レベルの制御をするにすぎず、なにかシステム全体の効率を向上させるようなことはほとんど行っていない。かかる下流の流量コントローラを使用することに関連する他の実質的な欠点としては、機械的および空気圧的慣性によりシステムの応答性が遅くなり、実質的な異常およびその結果空気またはエネルギーロスが生じ得る。発明の開示本発明の目的は、可変要求式圧縮空気システムのエネルギー消費量を低減できる、圧縮空気供給装置用の改良された空気圧制御システムを提供することにある。本発明の別の目的は、応答自在であり、かつ高速で作動する、圧縮空気供給装置用の改良された空気圧制御システムを提供することにある。本発明の別の目的は、コンプレッサの容量を増すことなく供給システムにかかり得る有効作用負荷を増加できる、圧縮空気供給装置用の改良された空気圧制御システムを提供することにある。本発明の更に別の目的は、従来得られたよりもより密に供給量を有効需要（要求）容量に合わせることにより、空気システムをバランスできる、圧縮空気システム用の改良された空気圧制御システムを提供することにある。本発明の更に別の目的は、空気またはコンプレッサのエネルギーの無駄を減少できる圧縮空気供給装置用の改良された空気圧制御システムを提供することにある。本発明の更に別の目的は、ピーク要求時には高い空気流量定格を制御するように適合でき、更に、流量を大幅に減少した状態で、より小さいオフピーク時の負荷を正確に制御できる圧縮空気供給装置用の改良された空気圧制御システムを提供することにある。本発明は従来技術のシステムで生じていた問題の一つ以上を解消するものである。従って、本発明の一様相によれば、主要空気供給導管に圧縮空気を供給するための空気圧縮手段と前記空気供給導管からの加圧された空気を受けるように接続された空気作動装置との間の中間に配置された主要空気導管に設置され、前記流量コントローラの上流に利用可能な空気蓄積容量を有する圧縮空気システムのための空気制御システムにおいて、ａ）前記主要空気供給導管を通過する空気流量を制御するための流量コントローラと、ｂ）流量コントローラの下流で空気重量流量をモニタし、空気重量流量に関連した要求信号を発生する手段と、ｃ）前記要求信号に応答して流量コントローラを作動するアクチュエータ手段とを備え、前記主要空気導管を通過する空気流量を前記空気風量流量の要求量に合わせるよう、前記流量コントローラを調節する空気制御システムが提供される。本発明の別の様相によれば、ａ）圧縮空気供給導管に接続自在であり、圧縮空気源を構成する上流マニフォールドと、ｂ）送り導管を介して可変圧縮空気要求導管に接続自在である下流マニフォールドと、ｃ）前記マニフォールド間で延び、圧縮空気源導管から要求導管へ圧縮空気を分配する複数の空気路と、ｄ）前記空気路の各々に一つずつ配置され、内部の空気流量を制御する複数の流量コントローラと、ｅ）下流の要求量に応答して空気流量コントローラを作動させ、下流の空気圧力を安定化させるアクチュエータ手段とを備えた、圧縮空気を供給するための空気圧制御システムが提供される。より広義には、本発明は、一つ以上の流量コントローラのための空気圧作動式サーボ手段と、電気制御信号に応答して空気を送って前記サーボ手段を駆動するための電気空気圧手段と、前記空気システム内の下流の要求圧力を検出し、時間に対する圧力変動を示す圧力信号を発生する圧力検出手段と、前記電気空気圧手段および前記圧力検出手段に結合され、前記圧力信号を受けると共に、前記制御信号を発生し、更に前記圧力信号を処理して前記電気制御信号として空気質量流量に関連した信号を発生できる論理コントローラを備え、下流の要求圧力を安定化するよう、前記流量コントローラを作動できる、一つ以上の空気流量コントローラを有する空気制御システム用管理サブシステムも提供するものである。従って本発明の空気制御システムは、バッファのため上流の蓄積容量を利用でき、供給圧力と要求圧力のバランスをスムーズにする位置において、供給部と要求部との中間に位置している。この上流の蓄積容積部はレシーバーからだけでなくて、パイプ、ドライヤーおよび上流システム内のその他の容積部からも生じ得る。より大きな空気システムでは、複数のコンプレッサが設けられる。この数は１０個以上となることがあり、当然ながら更に容易に１０個を越え得るかなりの個数および種類の下流の要求装置も設けられ、分岐ラインの分配ネットワークによって供給される装置の部品数は何百もの個数になり得る。下流要求圧力は圧力送信機により検出でき、前記アクチュエータ手段は圧縮空気供給装置に対する要求をスムーズにするよう、前記圧力変動に応答して流量コントローラに作動する。このように、本発明の制御ユニットには多数の制御用サブユニットが設けられ、各サブユニットは空気源と空気要求装置との間の独立した空気路すなわち回路を形成し、各サブユニットは自己の流量コントローラを有する。これら空気回路は、空気圧的には並列でなければならず、機械的には並列であることが好ましい。３つ以上の回路を使用することができ、これら回路のいくつかまたはすべてを作動するよう結合でき、または同期してまたは共に駆動される流量コントローラを有する。並列回路内の複数の流量コントローラを用いると、同様に設置した単一の、より大きなマス流量コントローラを用いる場合よりも顕著な利点が得られる。毎分何十から何千立法フィート（ｃｆｍ）の大きさの空気流量定格を管理するのに必要な装置の寸法では、大きなヒステリシスの遅れおよび慣性ロスが生じる。更にかかるユニットは冗長設備がなく、鋭敏にオフピーク時の小流量を制御することは期待できない。従って、特に有利な実施例では、ピーク時の要求量を処理できるよう、２つまたは３つ以上の制御サブユニットを結合し、更にオフピーク時のより小さい負荷を有効に制御できるよう、トリムサブユニットを設ける。結合されたサブユニットは極めて低い要求量の期間中は、例えば夜間は、停止される。当然ながらこのトリムサブユニットもピーク時の負荷の制御に寄与できるものである。制御サブユニットのほかに、空気路は事故時に開となるバイパスサブユニットも含む。このバイパスサブユニットは本発明の好ましい実施例では、制御用サブユニットとは異なるいくつかの有効な機能、例えばサージのダンピングおよび逆圧力の調節を行うように制御できる。本発明の好ましい実施例では、通過する空気流に対しほとんどまたは全く抵抗力を生じないように、マニフォールドが設計され、本発明の空気路と空気導管および圧力要求導管との間で空気を自由かつ容易に分配する。これらマニフォールドは制御空気路および圧力要求導管に対し横方向に延びるヘッダータンクを含むことができる。ヘッダータンクをほぼ比例配分すると、これらヘッダータンクは自由な空気の流れを促進するだけでなく、バッファリングのための有益な空気蓄積容量にも寄与できる。これらヘッダータンクを例えば円筒形にすることにより、横方向に細長く、実質的に均一な横断面を有するものとすれば、これらの個々の横断面の面積は、有利なことに明らかにこれらが連通しているそれぞれの圧力供給導管および圧力要求導管の横断面の面積よりも、好ましくは少なくとも２０％だけ大きくなる。このようにヘッダータンクを用いることにより、頑丈で一体的な構造が容易に得られる。この構造は、サブユニットが全体に自立した金属製のパイプ構造である場合、ヘッダータンクの間を延びるサブユニットにより補強される。唯一の可能な構造であるというわけではないが、このような配列は空気システム内のトランクパイプの断面に中間ユニットとして容易に挿入できるよう、現在の空気システムを変更するのに適しているという点で有利である。この目的のため、空気制御システムには結合すべきトランクパイプに適合した、互いに対向する外側に配置された整合された供給ポートおよび要求ポートを設けることができる。代表的な圧縮空気動力システムは、圧縮空気源を構成する空気コンプレッサと、空気受容容器と、熱交換機と、分配パイプのみならず圧縮空気によって駆動され要求装置を構成する有効な装置または機械を備える。かかるシステム内には本発明の一つ以上の制御ユニットを設置でき、システム内の適当なパイプ径に関して容積容量に換算してできるだけ圧力要求装置に近くなるように、メインフィーダーすなわちトランクパイプ内に設けることが好ましい。ほとんどの状況では、メインフィーダーすなわちトランク内に設置するには、一つの制御ユニットだけで十分であろう。しかしながら大きな空気システムでは、多数のメインブランチ導管の各々に対して一つずつ対応するように複数の制御ユニットを設ければ、利点が得られる。下流位置に制御ユニットを設けることにより、本発明のユニークな特徴により、よりバランスのとれた経済的な空気システムとなるという特別な利点が得られる。より詳細には、コンプレッサのほかにレシーバ、上流パイプ、熱交換機およびその他上流装置を備えた上流の容積部は、本発明のシステムにより有益な圧力バッファ化容積部となる有効な第１蓄積部に変換でき、この圧力バッファ容積部は種々の条件下でシステムを全体にバランスさせるのに大きく寄与し、システムの効率を改善することができる。更に、圧力要求装置を備えた下流の配管システムは、従来可能であったよりも、より一定の圧力で作動するよう制御できる。当然ながら、本発明の重要な利点は、装置がオンライン状態およびオフライン状態となる際の局部的な過渡現象を無視しながら、大体は驚くほど狭いレンジ内に制限できるので、ユーザーおよび経営者が満足できるまで、システムの作動効率および安定性を大幅に改善できる。図面の簡単な説明本発明の一つの特定の実施例のみを示した添付図面を参照して、以下、本発明を実施する一つの態様を詳細に説明する。図１は、種々の電子およびセンササブシステムを簡単にするため省略した、本発明に係わる空気供給制御システムの一実施例の側面図または平面図として読むことができる略図である。図２は、いくつかの可能な電子およびセンササブシステムを略して示し、図１の実施例と同じ参照番号を用いて同じ部品を示した、本発明の別の実施例の、図１に類似する図である。図３（１９９２年７月１０日追加）は、負荷印加および負荷解除をより効率的に管理するよう、コンプレッサのバンクと共に多数の制御ユニットを使用した、本発明の別の実施例の図２に類似する図である。発明を実施するための最良の態様図１を参照する。空気供給制御ユニットは全体が番号１０で示されており、このユニットは３つの主要空気制御サブユニット１２と、トリム空気制御サブユニット１４と、バイパスサブユニット１６とを備える。サブユニット１２、１４および１６の各々は、後述する種々の制御装置を支持しているパイプ状となっており、各々のユニットは一対の垂直に配置されたヘッダータンク１８と２０との間で、ほぼ平行に延びており、これらタンクにサブユニット１４および１６が自由に連通し、これらタンクの間で制御された空気路となっている。ヘッダータンク１８および２０はドーム状の端部キャップ２２を備えた溶接された鋼鉄の円筒形タンクで構成でき、これらタンクには一方の側面に沿って直線状に並んだフランジ状のサブユニットポート２４のアレイが設けられている。これらポートのアレイが設けられている側面とは逆の側面において、タンク１８は空気供給トランク導管（図示せず）に嵌合して、圧縮空気を受けるようフランジ状の入口ポート２６を有する。同様に、タンク２０のポート２４のアレイと逆の側面に空気送り導管（図示せず）と嵌合自在なフランジ状の出口ポート２８を有し、この送り導管は本システムにより作動される空気圧供給装置または機械に接続されている。従って、タンク１８は上流側マニフォールドとなっており、一方、タンク２０は下流側マニフォールドとなっている。空気制御サブユニット１２および１４の各々は、その中間部に流量コントローラ３０が設けられており、更にそれらの両端には一対のサービスバルブ３２が設けられ、各ユニットとヘッダータンク１８または２０を分離している。サブユニット１２および１４の各々は下流側サービスバルブ３２の上流に一方向チェックバルブ３４を有し、空気源に対する要求からサブユニットにより構成された空気路すなわち回路を通過する逆流を防止している。各流量コントローラ３４は、流量コントローラを空気圧検出兼作動システムにリンクする空気圧制御ライン（図１には図示せず）のためのパイロット空気ポート３６を有している。空気圧検出兼作動システムについては、図２を参照して、後に詳述する。各タンクに一つずつ設けられているパイロット空気ポート３８は、ヘッダータンク１８および２０に対し同様な役割を果たす。流量コントローラは（システムのうちの他の部品の表示に合わせて）番号４４で略して示したサーボにより駆動することが好ましい。これらサーボ４４は、電気空気圧トランスジューサを用いている本発明の好ましい管理用サブシステムで、パイロットボート３６を通して受信される空気圧信号により作動し、制御することが好ましい。更に、流量コントローラ３０は閉位置にスプリングで押圧されるバルブ部品を有していると有利である。しかしながら、本発明の利点のいくつかを有する別の実施例では、管理システムの空気圧的特徴は、電子、流体または手動部品により実質的に得られ、この場合サーボ４４は電子信号により作動される。３つの主要空気制御サブユニット１２の３つの流量コントローラ３０は、共通線４０で略して示されるように、同様な制御信号を受け、これら信号は印加された際に同様な程度に開閉するよう、同期して作動される。トリムサブユニット１４およびそのコントローラ３０は、主要サブユニット１２とは独立して作動する。これら３つの主要空気サブユニット１２は、有利なことに、多少の直接的機械的な駆動またはある程度の手動による介入により、圧力差または圧力レベルに応じて作動できるが、このような機械的または手動による管理システムは、以下述べる電気空気圧管理システムよりも効率ははるかに劣る。バイパスサブユニット１６には別の小型のサーボ空気ポート４８を有するモータ駆動式バイパスバルブ４６が設けられており、このバイパスサブユニットはヘッダー１８と２０との間の空気回路と独立して、かつ並列に設置されている。このバルブはサーボの圧力ロスまたは他のシステム内の故障に応答して、開位置に押圧されるよう、フェイルセーフであることが好ましい。このバイパスバルブ４６をモータ駆動することにより、以下述べる多数の有効な機能を満たすことが可能となっている。各流量コントローラ３０は、制御システム全体内のスレーブユニットとなっており、流量コントローラのバルブ列内の内部的な機械的慣性およびそれによって生じるヒステリシスの遅れを最小とするよう、移動するアクチュエータ部品を小型または軽量とするように設計することが好ましい。これら流量コントローラ３０は、流れ抵抗および流れの両端での圧力低下を最小とするよう、これらコントローラ３０の大きさに対する流れ容量を最大にするように設計しなければならない。更にこれらコントローラは広い開位置では流量を制限することなく、流量を自由にしなければならない。このコントローラとしてはフィードバック制御を行うダイヤフラム式ゲートレギュレータ、例えばコロラド州リトルトンのシー・エー・ノーグレン・カンパニー（C.A.Norgren Co.）により供給されているＲ１８シリーズのパイロット作動レギュレータが適当である。本発明を実施するには、ストック流量コントローラも使用できるが、本明細書に開示した目的を満たす好ましいやり方は、流れ抵抗および両端での圧力低下を減少するよう、かかる流量コントローラすなわちレギュレータを改変することである。これはストックコントローラよりも軽量のスプリングを用い、漏れまたは排出を防止し、流量制御部品を軽量とするかまたは広い開位置にて絞り面積をより広くするよう、これら部品を変更または改変することを含む、当業者に周知の研磨およびその他の技術を用いることにより達成できる。このような技術に加えて、またはこのような技術とは別に、流量コントローラの両端での圧力ロスの値を測定した後、これら圧力ロスを補償するように、後述する論理回路を用いることもできる。かかる改変はバルブまたはレギュレータ内の機械的な慣性を減少すること、および応答スピードを速めるようにすることもできる。これらの対策の全ては、効率全体に影響を与える。制御システムは適当に圧力ロスをなくすことにより、その存在を正当化しなければならない、導入されるシステムであるので、圧力ロスを低下するという課題は重要である。制御システムが圧力低下により大幅なエネルギーロスをもたらすものであれば、これら課題は達成されない。更に、制御に利用できる圧力はほとんど無い。代表的な供給圧力は約６〜８kg/cm（９０〜１１０psig）の範囲内に入り得る。いくつかのレギュレータで生じているように、レギュレータが圧力を約９kg（２０ポンド）等だけ低下すれば、装置の性能が損なわれることになる。サーボモータ４４は、流量コントローラすなわちバルブ３０を閉位置に押圧するスプリング手段に抗して作動することが好ましい。これに適当なサーボまたは空気圧バルブ位置決めユニットは、例えばカンザス州エルスワースのカシュコ・インコーポレーティッド（Cashco，Inc.）により供給されている、ローリングダイヤフラム、マルチスプリング構造の#48および#14８シリーズのアクチュエータである。これらアクチュエータはフェールオープン（故障時に開となる）またはフェールクローズ（故障時に閉となる）構造で得られる。流量コントローラ３０にはフェールクローズ（故障時に閉となる）が適当であるが、モータ駆動式バイパスバルブ４０用のモータユニットとしては、フェールオープンモデルが使用できる。チェックバルブ３４は逆流を防止するためのものであり、わずかな逆圧力に応答でき、効率的にシールし、好ましくはバブルタイトな高品質のバルブでなければならない。サービスバルブ３２は、流量に対する制限を最小とし、フルボア径の流路を形成し、メンテナンスまたは交換ができるよう、個々の空気制御サブユニット１２または１４を分離するように機能しなければならない。適当な形状の一例としては、フルポート形状がある。図示するようなマルチ通路配列では、メンテナンスのための停止を避けるよう他のユニットを使用しながら別々の空気制御サブユニット１２または１４を停止することができる。通常はバイパスサブユニット１６に対しサービスバルブを分離することは不要であるが、所望すれば分離することもできる。コンプレッサの早期の始動を開始し得る瞬間的な流量の増加およびそれに付随する所望の圧力スレッショルド以下の上流での蓄積圧力の低下を防止するため、空気制御システム１０の両端で所定の圧力差を維持するよう、バイパスバルブ４６を制御することが好ましい。図１に示す配列は、本発明の最も好ましい実施例では、自立式かつ剛性状に構成されている。円筒形ヘッダー１８と２０との間に延びる複数の空気路をほぼ直線状にレイアウトすると、この目的を達成することが容易となることが理解できよう。妥当な深さと、より広い幅およびより高い高さを備え、全体が多少長方形をした形状の、幾分平面状のまたは層状の構造は、適当かつコンパクトに種々の状況で変形するのに特に適している。嵌合する空気供給ラインおよび送りラインが、入口ポート２６および出口ポート２８に、またはその近くに、強固に支持されていると仮定すれば、この空気制御システムは追加支持手段例えばブラケットまたは支柱があったとしても、これらをほとんど用いることなく、水平状態または垂直状態に一体形ユニットとして容易に設置できる。空気供給制御ユニット１０の頑丈すなわち固定された自立式一体的構造は、サブユニット１２、１４および１６の作動部品間およびこれらに対しフランジ状の取り付け部と共にサブユニット１２、１４および１６のパイプ部品に対し、適当な定格の鋼鉄パイプを用いたり、ヘッダー１８および２０上のサブユニットポート２４の溶接されたフランジ状鋼鉄構造体により促進できる。整合されたボート２４をこのように配列したことにより、回転応力およびねじり応力に対抗することができる。当然ながら、本発明の範囲に関しては限定的でないと解すべきであり、毎分約８５m³（約３０００cfm）の通常のピーク時の空気流量容量すなわち定格を管理するのに適当な実施例では、空気システムの空気供給導管および送り導管、従って本一発明の空気制御システムの入口ポート２６および出口ポート２８では７６ mm（３インチ）の内径を有するが、サブユニット１２、２４および１６は約６３ mm（２．５インチ）の内径を有する。ヘッダータンク１８および２０は、長さすなわち高さが約１２２mm（約４８インチ）であり、径が１０２mm（約４インチ）であり、入口ポート２６と出口ポート２８との間のシステム１０の幅は１３７mm（約５４インチ）である。これらの寸法によりヘッダー１８および２０は９．５リットル（約５８０立方インチ）の大きさの容積となる。作動部品を注意深く選択することにより、深さを４６mm（約１８インチ）に制限できる。図２の実施例は変形された空気制御ユニット１０を示し、このユニットは３つの主要空気制御サブユニット１２と、図１の位置からサブユニット１２とは逆の側に配置されたバイパスサブユニット１６を有しているが、トリムサブユニット１４は欠如している。ラインとブロックで略して示したのは、空気センサおよびサーボおよびデジタルまたはアナログ信号処理を用いた電気空気圧管理システムである。このシステムはコンピュータとのインターフェーシング、特にパソコンまたはパソコンネットワークに適しており、かつ、わずかな人の介入により効果的に機能できる好ましい例である。以下、より詳細に述べるこの管理システムは、新規かつ発明性のある特徴を有し、空気制御ユニット１０または空気制御ユニット１０を設置した空気システムを管理するための、現在最良のものとして知られる手段を構成する。しかしながら、当然このシステムは、使用でき、かつ空気制御ユニット１０の新規かつ発明性のある特徴からの利点を得る唯一可能な管理システムというわけではない。当業者であれば、恐らくより多くの手動による介入を用いたより簡単なシステムを思いつくであろう。他方、プロセス管理の適当な技術、信号処理およびセンサ設計が進歩すれば、本明細書に開示した発明の利点を良好に活用できる改良された管理システムが得られると予想できる。次に、図２に示した特定の管理サブシステムについて説明する。このサブシステムは、小型の論理コントローラ１００状のブレインと、演算インターフェース１０２と、圧力送信機１０４状のセンサと、差圧圧力送信機１０６と、質量流量計１０８と、４つの並列接続された電気空気圧トランスジューサ１１０とを備える。これら構成部品は、相互神経システムを介して通信をするようになっており、この相互神経システムは、空気圧側は小型ゲージの高級空気ライン、例えば真鍮のターミナルを備えた強化プラスチックの２２mm（１／４インチ）のラインと、電気側の検知できるほど大きな減衰を生じることなく、約４〜１０ミリアンペアの信号電流を搬送する適当なゲージの導線ワイヤから成る。この神経システムは、共通の空気抜きライン１１２を含み、このライン１１２は上流側のヘッダータンク１８内のポートから延びると共に、内部の圧力を４つの電気空気圧トランスジューサ１１０に加えるようになっている。これらトランスジューサの各々は、独立した平行回路内で空気ライン１１４により主要空気制御サブユニット１２内の３つの流量コントローラ３０に接続されると共に、バイパスサブユニット１６内のモータ駆動式バイパスバルブ１１６に接続されている。これら電気空気圧トランスジューサ１１０は、個々の導線１１６上の受信信号により別々に作動されるようになっており、各々は流量コントローラ３０のポート３６またはモータ駆動式バイパスバルブ４６のポート４８に結合された空気出力ライン１１８を有する。このように、電気空気圧トランスジューサ１１０は、小型の論理コントローラ１００から受信された電気制御信号に従って、ヘッダータンク１８からの加圧空気を流量コントローラ３０またはバイパスバルブ４８に加えてこれらを駆動または作動することができる。精密バルブ作動用に設計された適当な感応式電気空気圧トランスジューサ１１０は、フェアチャイルドコントロールズ（Fairchild Controls）から、例えばＴ 6000シリーズのミニチュアトランスジューサとして供給されており、このトランスジューサは直流入力例えば４〜２０ミリアンペアの制御信号に線形比例した空気圧信号を送るようになっている。これら製品は、出力を入力信号に逆比例できる磁界反転形にもできる。圧力送信機１０４は、空気ライン１１８を介し空気ポート３８からの下流側ヘッダータンク２０内の圧力を読み取り、導線１２０を介して小型論理コントローラ１００に対応する出力信号を送る。圧力送信機としては、少なくとも１％の感度で４〜２０ミリアンペアの信号出力を発生する可変容量形センサが適当である。マサチューセッツ州アクトンのセトラシステムズ・インコーポレーティッド（ Setra Systems，Inc.）は、かかるトランスジューサを広告に表示された約０．１３％の感度を有するモデル206/207ラインとして供給している。差圧送信機１０６は空気ライン１２２を介して上流ヘッダータンク１８から、更に空気ライン１２４を介して下流ヘッダータンク２０から空気圧入力を受け、タンク１８と２０との間の圧力差を示す差信号を導線１２６を介して小型論理コントローラ１００へ送出する。質量流量計１０８は、ライン１２９で示されるように、中間に取り付けられた空気制御ユニット１０の下流側に接続することが好ましく、その出力信号、好ましくは４〜２０ｍＡの範囲内のアナログ電流信号が導線１２８を介して小型論理コントローラに入力される。質量流量計は両端で不適当な圧力ロスを生じることなく導線内で性格に流量の測定をできる検出装置にできる。好ましい質量流量計は、温度補償された出力を発生し、この目的のために質量流量計は導管内の空気温度を測定し、その温度の変動をトラッキングする温度センサを含むことができる。質量流量計として適当なものは挿入タイプのものであり、空気流内に置かれた被加熱プローブを備える。空気流の冷却効果を測定し、質量すなわち流量を決定する。フルスケールの５％以下、好ましくは２％以下で、流れ時間応答が５秒以下、好ましくは２秒以下の感度が好ましい。かかる質量流量計として適当なものは、シエラインスツルメンツ（Sierra Instruments）により商標「Accu-Flo」として提供されている。これらの測定具は約１％のフルスケール精度および約０．２秒の流れ時間レスポンスで、毎分約３６６０m（１２，０００の標準フィート）までの流量レンジを提供する。ダクトの回りに配置された質量流量計プローブのアレイを使用すれば、乱流を受ける大きなダクトを通過する流量をより正確に測定できる。かかるシステムはシエラインスツルメンツにより商標「Sting」として供給されている。かかるアレイシステムはプローブの出力を正確に平均できる。本発明の空気制御システムにより得られる潜在的なコストの削減および投資効果を考慮すると、使用するハードウェアは耐久性があり、信頼性があるように、高品質のものでなければならず、センサおよびコントローラは鋭敏でかつ正確であるだけでなく、高速で作動しなければならない。更に、圧力送信機１０４および差圧送信機１０６は、サンプルインターバル毎に静圧を正確に表示するだけでなく、何分の１秒か、更に好ましくはミリ秒単位で圧力変動をリアルタイム表示するリアルタイム信号を出力できる。従って、圧力送信機１０４および差圧送信機１０６からの好ましい出力は動的であり、静圧または差圧（送信機１０６）の時間に対する少なくとも１次微分であり、圧力変化の大きさを予測する。将来の圧力の大きさが達する速度を予想するのに有効な第２の差圧出力から別の利点が得られる。図２には空気供給トランク導管１３６を介する空気コンプレッサ１３０、およびこれに関連する熱交換機および受信機１３４と上流ヘッダータンク１８との接続も略して示されている。匹敵する態様では、圧縮空気が下流ヘッダータンク２０から送り導管１３８を通って、次にライン１４２で略して示されている空気分配システムを通って、多数の作動装置１４０に送られる。明らかに本発明の装置、特に空気制御ユニット１０は、管理アルゴリズムを用いている場合、小型論理コントローラ１００内で使用される管理アルゴリズムに従って、多数の異なる方法で作動できる。従って、空気制御ユニット１０は簡単またはより複雑な態様で作動できる。より広義に表現すれば、ヘッダータンク２０の下流の分配システム、特に重要または要求の大きな装置の近くの付加センサから別の利点が生じるが、本発明に記載した管理用サブシステムは主として下流ヘッダータンク２０における圧力履歴に示されるような下流の空気の要求量を検出し、下流の空気圧を安定化するよう流量コントローラを調節する。このような安定化により、空気の利用効率が改善され、省エネとなり、装置の性能および耐久性が良好となる。需要が低下する際、例えば装置が遮断されるような際に、いずれかの開放されていた流量コントローラ３０を急に閉じることにより、空気をリークし、他のオンライン装置の非効率な過圧操作により下流にサージされる消失すべきコンプレッサの負荷が上流側に閉じ込められ、ヘッダータンク１８、受信機１３４、熱交換機１３２および供給導管１３９を含む上流側パイプによって得られる蓄積部内で緩衝される。このような上流のサージの分離はスレッショルド圧力をコンプレッサで検出している際に、初期のカットアウトを引き起こす逆圧力を生じさせコンプレッサに加える。かかる好ましい省エネの初期のカットアウトは、流量コントローラ３０を閉じているという事実のみならず、本発明の空気制御システムを使用してコントローラを閉じる際の迅速性によっても促進されている。コンプレッサの始動時の圧力の節約を遅らせる限り、本発明の空気制御システム内の蓄積部により増大される加圧上流蓄積容量から要求圧力を低減できる。好ましい実施例では、小型論理コントローラ１００はループコントローラを利用しており、このループコントローラは下流の要求圧力の一定入力および差圧送信機１０６からの一定入力と共に圧力送信機１０４からの時間に対するその変動を受け、差圧送信機１０６は比較モニタリングにより上流の蓄圧信号を発生する。これら入力信号は時間積分され、電気空気圧トランスジューサ１１０への出力信号に対するベースとして働く質量流量信号を生じる。この出力信号は、質量流量およびその流量の変動に比例した微分値を生じるように処理され、この微分値は電気空気圧トランスジューサ１１０が流量コントローラ３０をスプリングにより閉じないように駆動できるよう、適当にバイアスされる。この処理アルゴリズムは圧力信号の温度補償をし、正確な空気重量流量の計算ができるように温度センサからの入力信号も含むことが好ましい。この処理システムは各流量コントローラ３０に対して一つずつ設けられた個々のループと、バイパスバルブ４６に対して異なるループを有するマルチループシステムにもできる。これらブロセス制御ループを図１の実施例で用いている場合には、これらプロセス制御ループはトリムサブユニット１４のための別のアルゴリズムにより、主要サブユニット１２に対して同期して作動できる。低要求レベル例えば最大定格の２５〜４０％以下では、トリムサブユニットだけを作動する手順を含み、最大空気要求量に対しては好ましくは主要サブユニット１２と共に、できるだけ正確に重量ベース空気流量要求量をトラッキングするトリムサブユニットを有することになる。かかるマルチループ基本論理制御装置は、例えばコンプレッサの周辺からの遠隔圧力または流量変化入力を含むことにより、圧力源としての空気コンプレッサを含む全空気システムと密に一体化でき、このコンプレッサの周辺からの入力は、例えば空気コンプレッサによって遅れ制御応答が可能となるように補償調節を導入するのに使用できる。この統合されたシステムアプローチは、ベース負荷に対してダイナミックコンプレッサを用いる時は特定値タイプである。小型論理コントローラ１００は空気制御ユニット１０から離間して、またはこのユニットの上または近くに取り付けられたコンソール内に組み込むと便利であり、キーボードおよびモニタのみならず他のマニュアル制御装置も含むことができるオペレータインターフエース１０２と一体化できる。このコンソールは更にオプションの測定装置（例えば過剰の湿度を警告する調節自在なアラームを備えた露点モニタ、デジタル流量ディスプレイ、較正済み圧力ゲージ、その他種々の高圧および低圧、電源オン、バイパスレデイ、過剰炭化水素等を表示して警告する他の手段を含むことができる。特に空気要求量が頻繁に変化する忙しい状況下では、流量コントローラ３０が遅れを生じることなく実際の要求に合わせることができるようにするには、迅速な応答がこの制御装置の効率に対して重要である。短いバーストで作動する空気圧ラムのような装置がオフラインであり、流量コントローラがオープンになっていれば、全く短い遅れでも制御装置がかかる装置と調和しなくなることもある。本発明の制御システムはレスポンス時間を短くし、遅れを短縮する多数の特徴を含む。特に本発明によれば、流量コントローラ３０またはそれらの所定のコントローラを作動させ、空気要求量の変化レートを表す速度で移動させることができる。この特徴は、少なくとも１次時間微分である検出圧力信号を用いるか、または直接式質量流量センサ信号を用いることにより得ることができる。好ましくは流量コントローラの機械動作速度は設定圧力のオーバーシュートまたはアンダーシュートがほとんどないか、皆無となるよう、要求量の変化レートに直接比例することが好ましい。サブユニット１２および１４によって得られる複数の平行な空気制御回路を用いることは、これら目的を達成するのに大いに役に立っている。好ましい実施例の場合のように、各サブユニットの流路の径が入口ポート２６および出口ポート２８の径よりも１０〜３３％細いと、更に１５〜２０％短い場合、これらポートの間にサブユニットの対が導管１３０および１３８の流れ断面よりも大きい流れ断面を形成するので、流量コントローラ３０が良好な応答性を有している広い開位置からはずれていても、フル流量を可能とする。仮定上の単一のより質量の大きい制御サブユニットと対照的に、本発明のより小型で並列クラスターになっているコントローラ３０の移動部品およびバルブ列は、個々のより小さい慣性出力を有するので、これらコントローラはより速く応答できる。更に、閉位置にスプリング押圧されている流量コントローラ３０のバルブ部品は、コントローラ３０が開となる前に流量コントローラの両側で生じる圧力の累積を最小とするため実効閉鎖圧が最小となるように注意深く調節され、かつ較正される。低下するシステムの要求量に合わせるため、論理コントローラ１００は、電気空気圧トランスジューサ１１０への適当な信号により、空気質量流量の低下に比例して個々の主要流量コントローラ３０へのサーボ圧を小さくしている。究極的に、主要流量コントローラは安定化された制御状態を維持するのに必要な場合に遮断される。質量流量の過負荷を防止するため、主要流量コントローラの結合開放ゲート路は所定の最大値にできるようになっている。追加的な無効化の特徴として、上流の圧力がスレッショルド値よりも低下した場合、流量コントローラを圧力低下値に近い値まで逆方向に一時的に駆動し、上流の蓄積圧が過度に減少しないように保護できる。すでに述べたように、バイパスバルブ４６はいくつかの事故から保護できるようになっている。まず、このバルブは、１次制御パワーがなくなった際に開放されないことにより、制御ユニットより空気システムが劣化されないよう保証するフェールセーフの保護を行っている。更に、小型論理コントローラ１００またはリモートホストコンピュータからの作動信号により、バルブを開放することが好ましい状況として、次のことがある。ｉ）供給圧が妥当な状態において、要求圧力が現場で調節可能なスレッショルド値よりも低下した場合、ｉｉ）ヘッダータンク１８と２０との差圧がスレッショルド値を越えた場合、ｉｉｉ）または別個の管理上の理由が生じた場合である。更に、バイパスバルブはシステムの異常に適合するよう調節できる。例えばバルブの制御ベースを下流のセンサから上流の圧力信号に切り替えることにより、サージ要求がシステムを停止させることがないよう、逆圧力の制御を補助するのに使用できる。この設備は事象管理として知られているものに重要である。通常、この事象の一つとしては、短時間でありかつ事象条件を調節しようとする制御論理回路による試みが有害となり得るため、空気システムに対する異常応力として見なすことができるような公知の状況または状況の組み合わせがある。例えばランチから帰って来た場合のようなシフト時の始動がある。皆が同時にラインに立つと、異常な要求サージが生じる。上記のように、バイパスバルブ４６を適当に作動させることにより、このサージを制御することができ、上流の保存圧を保ち、かつアクティブなコンプレッサ容量を安定した要求限度内に制約しながら、ユーザーが局部圧を累積しながら一時的に圧力を割り当てることができる。従って本発明は、事象カーブをスムーズにできる。本発明は本明細書に開示した要旨に従うことにより適当に実施すれば、特定の設計容量内に広い範囲の流量条件を管理しながら、ほぼ一定の下流圧を維持できる空気制御ユニットシステムを提供するものである。達成し得る制御レベルの例としては、全流量定格の３％以上の流量の安定性が得られることである。上流供給圧が広く所定内の変動を生じている間でも、１％内の下流の圧力安定性が得ら約３.５〜０.５kg/cm³（５００〜１５０psig）のレンジ内で現場で調節できるので、本発明を実施するには、数＋kg（数百ポンド）、例えば約１６kg/cm³（２２５psig）の操作圧力が適当である。かかる圧力条件では、空気流量を毎分約６m³（２００〜２００cfm）のレンジ内でバランスをとることができる。好ましくは例えば図１に示すような構造を用いることにより、一つのサブユニットを使用しない状態で他のサブユニットがフル空気流量定格で連続制御できるような冗長性が得られるように、適当なサブユニット容量とされている。圧縮空気システム、特に簡単な圧力関連制御よりも、より意義があり、かつ効率の高い制御を行う空気質量すなわち空気重量流量をベースとするより大きなシステムで供給と需要をバランスさせる手段を本発明が提供することが、上記説明を検討すればより明らかとなろう。これを行うため、流量および圧力測定点で温度を測定することにより、かつ測定された値を適当に補償して、これら値を標準化することにより、温度効果を適当に考慮することは重要である。論理コントローラまたはコンピュータ装置と共に正確な検出および流量制御装置を用いることにより、空気流量重量の要求量のみならずシステムへの予測容量を蓄積するのに利用できる変化レートも決定することが可能となっている。更に要求パターンと記録とを比較することにより空気コンプレッサの効率的な管理を行うのに、時間内に必要とされる、実質的な確度の容量を与えるように、予測を改善できる。従って、本発明のユニークな空気制御システムは、新規かつ驚くほど効率的な態様でコンプレッサバンクを管理する能力を提供するものである。制御システムおよびそのセンサによって得られる空気要求量に関する情報は、コンプレッサのスイッチングを時間制御すなわちシーケンス制御するのに使用できる。例えばピーク負荷時のみに旧式ユニットをオンとさせながら、新しい効率の高いコンプレッサを連続作動させることもできる。更に、コンプレッサの作動は特定のコンプレッサの制御性および応答性のみならず、その部分的負荷動作効率にも従ってシーケンス制御できる。より大きなシステムでは、要求領域は制御する目的のため別々の導管ゾーンに分割でき、これらゾーンは個々のセンサまたは個々の空気制御ユニット１０によって区分してもよい。従って、蓄積圧力、質量流量およびゾーンからの追加リモート信号に関するデータは、好ましくはゾーンが分割されている場合およびかかるゾーンが存在している場合の、ゾーンの利用特性に関する情報と共に、多数のコンプレッサのための制御手段とインターフェースし、一定の調査フィードバックにより、特に部分負荷効率を含む個々のコンプレッサの特性に基づく最適なコンプレッサのシーケンスを確立できる。ゾーンからのデータは、既知または予想された空気消費特性に合わせて重みづけまたは調節できる。以下の説明は、１９９２年７月１０日に追加されたものである。空気コンプレッサは数種のカテゴリーに分割でき、周期的に空気パケットを圧縮したり放出したりする容積式コンプレッサは、主なカテゴリーの一つである。ダイナミック式コンプレッサは別の主要なカテゴリーである。これらダイナミックコンプレッサはインパクト壁に抗して空気流を連続して加速し、これら空気流を圧縮する。これらタイプのコンプレッサのいずれかまたは双方は、空気コンプレッサ３０として、または空気流コンプレッサ３０の部品として使用でき、空気コンプレッサは後者の場合空気コンプレッサのバンクとすることもできる。容積式コンプレッサの例としてはロータリースクリュー式コンプレッサおよび往復動コンプレッサがあるがダイナミック式コンプレッサは通常遠心タイプである。かかるコンプレッサは種々の管理および制御技術と共に使用できる。これら技術のうちのいくつかを後述する。しかしながら圧縮バンク３０は上記中間システム制御装置および後述する別の本発明のコンプレッサ管理技術と共に使用することが好ましい。詳細には複数のコンプレッサを使用するシステム、より詳細には異なる特性を有するコンプレッサを用いる空気圧縮システムを改善するのに有利なかかる新しいコンプレッサ管理システムは、本発明の中間制御システムを適用しないが、前記中間制御システム内で用いられる原理と共通するシステムにも適用可能であり、本発明によるコンプレッサ管理の重要な原理は、下流圧力すなわち要求圧力に制御技術が応答できること、および予想モデルに従ってコンプレッサの負荷および負荷変化を管理することである。かかる予想モデルは、下流すなわち要求圧力の１次および２次時間微分から得ることができる。これら予想モデルは空気質量すなわち空気重量流量の測定から決定することが望ましく、更に前記要求圧力の測定を改善するよう、前記コンプレッサと前記要求量との間で空気インピーダンスを空気と直列に接続することも好ましい。更に、好ましい実施例では、好ましくは広い開放状態のフル流量の非制限値と完全に閉じた状態の値との間で、前記空気インピーダンスは可変であり、このインピーダンスは下流の圧力を安定化するように調節される。現在業界で使用されている装置は、一般にオンライン／オフラインモードとして知られているモードで作動できる能力を有しており、このことは駆動走行させたまま装置自体を通過する空気流を除いたまま、空気コンプレッサを作動負荷から不結合すなわち負荷がかからないようにできるということを意味している。制御はコンプレッサのタイプが異なれば変わる。ロータリースクリューコンプレッサまたはロータリー容積式装置は、一般に変調制御装置として知られているものを使用している。変調制御装置とは、空気コンプレッサの出力側で作動し、コンプレッサを通過する空気流を絞り込む送りシステムの吸入側に設けられた空気スロットルバルブである。このバルブはコンプレッサから見た排出空気圧力にほぼ逆比例して開閉する。この結果、コンプレッサの作動中に入口バルブが開閉するので、多少の空気が装置を通過し、圧縮空気システム内で比較的低圧力を意図していた圧力を維持できる。この装置の負荷を除くには、送りシステムの入口バルブの設定で決まる部分負荷時、例えば７０％の容量では、入口バルブによって課される制限のためにバルブの上流で真空が生じるという問題がある。この問題はポンピングロスを増やし、このロスは空気コンプレッサから見た入口空気圧を低下させてしまう。この結果、この装置が受けなければならない圧縮時の数を増やすことによって圧縮空気またはフレオンの容積通過量を減少したとしても、空気を駆動するブレーキの馬力は比較的フラットとなる性質がある。従って、この点を例示するため、概算された丸められた数を用いることにより、１００％以下の負荷、例えば８０％または７０〜約４０％の負荷まで作動するロータリースクリュー装置は、あたかも約９０％の負荷で作動するかのごとくほぼ同じ馬力量を用いることができる。吸収されたキロワット入力すなわち吸収された馬力は極めてフラットに低下する。この装置への負荷を除くには、入口バルブを完全に閉じ、かつロータリー容積式装置の基本部品である空気／オイル分離器を大気に連通させることが必要である。このような連通がおきると、コンプレッサの馬力負荷は入力ブレーキ馬力の約１８〜３０％のレンジまで低下し得る。ロータリースクリューコンプレッサに付随する別の問題としては、ロータが騒音を起こすことが知られている。コンプレッサに負荷がかかっていない時はスラストが不安定となるという問題が発生し、これは究極的に空気端部部品自体を摩耗させたり破壊させたりすることがある。従って、ロータリースクリューコンプレッサは、通常少なくとも空気負荷を駆動する変調モードで作動される。現在のほとんどのロータリースクリューコンプレッサは、オンライン／オフラインの構成で明確に作動できるが、オンライン／オフラインのサイクル数を限定し、コンプレッサの故障に至ることがある重大な機械的な障害を防止するよう、大きな注意を払わなければならない。回転スクリューコンプレッサを制御する別の設計は、受け入れが限られたものとなっている。かかる設計の一つとして、空気端部側のハウジング内に長手方向に取り付けられた回転バルブがある。このバルブは螺旋スクリュー状で回転し、入口バルブを絞るかわりに負荷を減少した際にこの回転バルブが回転するこのバルブは空気端部内の圧縮空気のいくらかをバイパスするように開き、空気端部側の開放部分に圧力を解放する。この動作は排除量を変え、コンプレッサを通過する空気量と馬力消費量を決定するドライバ入力モードを良好に比例制御する。このカムは調節バルブによって生じるポンピングおよびスロットル操作ロスを軽減する。別のコンプレッサレギュレータは簡単なマイクロプロセッサを介して制御され、空気端部側の長手方向に取り付けられた一連のポペットバルブを含む。これらポペットバルブは空気端側のバイパス流量を変更するよう開閉し、空気容量を低減し、馬力を多少比例して低減する。他のタイプの回転装置、例えばアトラスコプコＺ（Atlas Copco Z）シリーズのような非潤滑回転装置はオンライン／オフラインで作動するのに適している。これら装置は上記の操作を可能とする可変負荷設計となっているが、非負荷条件における低馬力は１５〜１８または２０％のレンジ内に入り得る。部分負荷時では、往復動式すなわちピストン被動コンプレッサも、より制御し易い。往復動式コンプレッサの負荷を解除する方法はいくつかある。ＩＶＲまたはスイープ制御として知られている入口バルブ調整法は、入口バルブを開放状態に維持することを意味しているに過ぎない。バルブの両端での差圧は大きなスプリング力の負荷がかけられたチェックバルブのように、バルブが急に開放状態となるまで増加し得る。大気圧から排出までのすべての圧縮を一回の圧縮ステージで行う単一ステージの装置は、通常約８.４kg/cm（約１２０psig）の排出に制限されており、入口バルブの調節または高圧の負荷解除を必要とする。後者の場合、排出バルブはコンプレッサと圧縮空気システムとを分離するよう開放される。いずれの場合にせよ、馬力はフル負荷制動馬力の約１５％まで負荷される。２ステージの装置は、（入口バルブをワイドな開放状態に維持する）入口バルブの調節は制御技術に関しよりフレキシブルである。自由空気システム内で上流に設けられた２次バルブにより吸い込みバルブを分離する完全閉鎖技術として知られている別の技術もある。入口バルブの調節と容積ボトルの組み合わせまで負荷解除をステップ動作させる別の制御技術もある。この技術では、ゼロ圧縮力でシリンダの容積排除量にほぼ等しい容積ボトルに空気を押し込める。一連の制御ステップを使えば、５段階ステップの制御システムを構成することもできる。５段階ステップ制御装置の性能曲線から、容積スループット量と入力制動馬力との間には大きな比例関係があることがわかる。しかしながら、妥当な比例度を維持したままオイルポンプおよびコンプレッサ上の他の周辺機器を駆動する際には、駆動列内の慣性ロス、風損、潤滑ロス、その他付随的ロスを含む機械的ロスがある。設計上ダイナミックであり、容積式でない遠心コンプレッサは、制御および理解が最も困難である。遠心コンプレッサでは空気は一つ以上のインペラーの中心に吸引され、インペラーから接線方向に排気される。遠心コンプレッサは、通常工業用では多数の圧縮段階、一般に２、３または４段階で作動する。遠心コンプレッサを制御する上での問題はサージ現象である。コンプレッサが種々の理由のうちの一つ、例えば入口システム自体、および入口制御バルブの位置の制限によりスループット量が不足していると、（吸入空気の重量に影響するような）入口温度の変化が遠心コンプレッサをサージ状態にし得る。サージ現象とは、インペラー翼が部分的にしか満たされないことを意味しており、この場合空気は早期に膨張する傾向がある。通常サージの前兆として、作動温度がしだいに上昇し、装置がコンプレッサとして作動しなくなる、実際の作動事故につながる早期サージが生じる。これはかなり共通する問題である。サージ現象は圧縮空気を大気に戻す転流バルブを用いて、装置と下流の圧縮負荷とを瞬間的に分離することにより阻止できる。代表的なシステムではスクリュー装置に関して説明したように、上流バルブで圧力変調を検出する。流れセンサは空気流を検出し、即座にブローオフバルブを開放してコンプレッサを空気システムの他の部分から空気動力学的に結合をはずすのと同時に、大気に空気を吹き出す。馬力変換に関連する問題は、装置を小さく調節すると、ブローオフバルブが開放されるまで入力制動馬力は低下する（これは匹敵するスクリュー装置を用いた場合よりも劇的である）が、この点で制動馬力はほとんどフル負荷状態に復帰し、これは大気に廃棄される。遠心コンプレッサで用いられる他の制御技術として、吸入空気をインペラーの中心から転流させる入口ガイド翼を用い、馬力を良好に低減することにより、容積スループット量を低減する技術もある。遠心コンプレッサを制御する方法は多数ある。好ましい作動プロフィールは回転式容積式またはダイナミック式の回転装置にベース負荷を加え、良好な制御性を有する往復動装置でトリムすることである。当業者には回転式、往復動式および遠心式用のコンプレッサシーケンサーは周知である。例えばインガソル−ランド社（Ingersoll-Rand Co.）から商標TENDA MA TILとして販売されているシーケンサーがある。かかるシーケンサーは圧力を検出し、コンプレッサの大きさおよびオン負荷／オフ負荷特性に従ってコンプレッサの負荷および負荷解除のシーケンス制御をする。装置の大きさおよびその最終的な制御性の双方について選択を行う必要がある。シーケンサーは第１主要パラメータまたは２つのパラメータとしてコンプレッサの大きさおよびコンプレッサの安定性の双方についてプログラムされる。一般に、コンプレッサシーケンサーは空気圧で作動し、コンプレッサから検出された圧力はシーケンサーの制御装置に送られる。次にシーケンサーの制御装置は要求に対してどのコンプレッサが適当であるかをマトリックス制御する。シーケンサーはかなり簡単なマトリックスであるので、コンプレッサのうちの一つを制御し、別のコンプレッサによりコンプレッサの作動時間を均一にできる。しかしながら本発明にかかわるコンプレッサシーケンサーはシステムの圧力の変化に応答し、ＰＬＣ（フェーズロック回路）によりこれら変化を平均化し、ＰＬＣは記憶されていたデータからサイズおよび適性および制御の双方により、どのコンピュータを作動すべきかを再計算する。インガソル−ランド社のTENDA MATILシーケンサーは静圧検出装置であり、この装置は圧力の出力を電気信号に変換し、要求に応じて負荷をかけたり解除したりする一連のコンプレッサに信号を出力するようになっている。この装置はリアクティブ（反応的）装置である。本装置はシステム圧の変化レートを検出し、制御関数を反応的でなく順向性にすることにより実行される。コンプレッサは圧力の変化レートに基づき特性の適性に従ってオンラインにできるよう選択できる。また、かかる選択されたコンプレッサがオンとなる前にこのコンプレッサのためのスタート信号の指令をキャンセルする機会もある。従来の制御システムの欠点は次の点にある。すなわち、過渡現が生じた時、始動のトリガーを引く事象が完了していたとしても、モータインラッシュ電流を伴ったり、または商用ラインに基本的サージ負荷がかかる上に、コンプレッサの機構が摩耗したり破壊されたりしてシーケンス内の次のコンプレッサがオンラインとなるということである。圧力パラメータの変化レートおよびこの変化レートの変化を本発明に従って検出することにより、フレキシビリティが得られる。変化レート（圧力低下）が少なくなると、省エネおよび機会的メンテナンスを減らしながら始動信号をキャンセルすることができる。ほとんどの工業用駆動モータは始動を毎時４回以下に制限しなければならない。モータが一旦始動すると、安全な停止を行うにはそれ以前に最低１５分間作動させなければならない。一般にシステムにおいてダイナミック的に圧力のバランスがとられていないと、課される変化はあるシステム特性に対して相反的であり、これにより好ましい結果を得られない。代表的な工業用圧縮空気システムでは、システムの空気圧は大幅にかつ時々粗く変化し、システムの圧力が減少した要求に応答して増加しようとする際に、より高いシステム圧により誘導される人工的な要求により全体の要求量が増加するという逆説的な状況を生じ得る。これは従来のシーケンサーの別の欠点である。空気の要求量を増加し、より多くのコンプレッサを始動させると、システムの圧力が高くなり、この障害に抗してより多くの空気を送らなければならない。この人工的な要求量の障害により、更に馬力等を増やさなければならない。この問題は質量流量をベースに、すなわち中間制御ユニット１０に基づきシステムをバランスさせる手段とシーケンサーとを一体化することにより克服できる。本明細書に開示した本発明の中間的制御システムは、空気システムをより効率的な構成に組み立てるものである。制御ユニットの低圧の下流側から出る空気が計量される。本システムの空気のインピーダンスが安定され、一定の分配圧力で驚くほど予測可能である。コンプレッサの馬力によるカバーを必要とする、通常急な要求とみなされるサージ負荷および過渡現象のいくつかに作用する上流の蓄積空間の両側で制御された圧力ピークを生じさせることにより、１次蓄積部を形成する。２つの望ましい目的を同時に達成すると効果的である。システムでは予測可能な空気インピーダンスがあり、一定のシステム圧に基づき人工的な要求量の変数を実質的に減少または解消する。約３６kg（８０ポンド）において毎分約３ m³（１００cfm）の要求流量を追加すると、ほぼその流量がシステムを通って進むことになる。本発明の空気システムは容積式分配チェーンとして説明できる。特定の空気重量kg（ポンド）を用いて装置の部品を作動し、一定温度に対して調節された一定圧力における同じ数の空気重量kg（ポンド）と直接置換される。蓄積部における空気は、シーケンサーをアルゴリズムにチューニングできる重要な時間バッファを構成し、このアルゴリズムは要求システム圧の変化レートに応答して実行できる。多数のコンプレッサを備えたシステムでは、どのコンプレッサにベース負荷を加え、どのコンプレッサを用いて負荷トリミングをするのかを、上記パラメータに基づいて決定しなければならない。これは圧縮機の大きさおよび低要求量における馬力定格の制御性によって決まる制御関数である。本中間制御方法により、空気システムは記録要求量に対する反応的調節とは逆に、将来の予想要求量に調節するような順向的なものになり得る。ピーク時の馬力は蓄積圧力により補充できる。例えば受信タンクで毎秒約０. ４５kg（１ポンド）のレートの圧力低下を検出し、この圧力低下量が更に毎秒約０.９kg（２ポンド）増加したと仮定すると、付加馬力により満たすべき要求量が増大しているという明らかな兆候がある。次に、システム内でのバランス平衡により状況が変化し、変化レートが毎秒約０.４５kg（１ポンド）でなくて毎秒約０.２７kg（１／２ポンド）まで低下した場合、差圧すなわち圧力供給変化レートはこの新しい要求プロフィールに先立ってスタートし、別のコンプレッサを追加するという要望に先立つことができる。本発明の制御システムを用いればコンプレッサを追加する前にこの要望をキャンセルできる。本発明の制御システムは、下流圧力を一定に維持するように注意深く構成されている。このようにするため、比例積分微分ループを介して、検出された圧力変化すなわち差圧がフィードバックされ、ＩＣを介してバルブ駆動モータに出力される。バルブを駆動するモータは空気圧制御式モータでもよいし、または電子ポジショナーでもよい。ここでは、より速いレスポンスを得たいので、空気圧制御式モータを使用する。オートスピードは中間制御装置で維持しなければならない主要設計パラメータのうちの一つとなっている。しかしながら空気圧制御の他の問題は、空気圧回路により電子信号から空気圧信号に追加ヒステリシスが導入され、最終的に新しい全バルブは主要流量に応答し、これを制御するようになるということである。電子ポジショナーは、より直接または中間的な変換ができるという利点があり、ＩＣ内で使用されるモジュールの数をステップ制御する方法を、極めて便利にするものである。例えば４〜２０ｍＡをとり、４〜２０ｍＡをいくつかの異なるアンペアに分割する。例えば、流量コントローラ３０および可能なことにバイパスバルブ４８も異なるアンペアレンジ、好ましくはレンジごとに１〜６ミリアンペア（ｍＡ）で並列に作動できる。従って、一方の流量コントローラは、４〜８ｍＡで作動し、別の流量コントローラは８〜１６ｍＡ等で作動するようにできる。これらレンジは１ミリアンペアまたは２ミリアンペアのバンドギャップにより区別することが好ましい。コンプレッサシーケンサーと共に中間制御ユニット１０を使用することによって得られる別の重要かつ有益な能力とは、特に出力圧力に関する特定の性能レンジ内にコンプレッサを保持できることである。例えば、ベース負荷として遠心コンプレッサを使用することを参照すると、ターンオン時の能力が限定され、遠心コンプレッサは極めて狭い性能バンド内で作動することになる。コンプレッサがこのバンド以下、またはこのバンドの外に外される場合、このコンプレッサはオフデザインと称されるものになる。オフデザインの状態では、いくつかの好ましくない事情が生じる。例えばオフデザイン状態で圧力が増加する際に、流量および圧力は劇的に逆転し、流量は低下し、逆にコンプレッサの排出圧が低下する場合、流量が増加し、これによって作動時に極端な異常が生じる。例えばコンプレッサにより、より高い排出圧までに加圧し、この処理の際により大きな制動馬力を課すとしても、選択可能な制御デルタＰを課すのに、コンプレッサの下流側に制御ユニット１０を含む本発明のシステムに設けられた遠心コンプレッサを参照すると、コンプレッサをより高い効率の作動レンジ、恐らくは最適な設計レンジに作動させることになる。装置の空気力学的効率は、出力圧が低い場合、かなり減少する。これは特にインタークーラーを備えた３ステージまたは４ステージの遠心コンプレッサに当てはまることである。別のインタークーラーおよび別のステージを追加するたびに、このオフデザインの効率は更に低下し得る。制御ユニット１０の使用によりデルタＰを加えることにより効率を２０または３０％改善しながらかかる遠心コンプレッサを良好な作動レンジ内に移すことができる。実際の負荷要求圧力低下に応答して、追加負荷を受けるトリムコンプレッサを追加することにより、別の制御上の利点が得られる。これら利点とは、過渡減少を除くのに本発明の予測プロセスにより圧力変化がスクリーニングされることである。かかるトリムコンプレッサは、容積式コンプレッサ、代表的には往復動または回転スクリューコンプレッサであることが好ましい。トリムコンプレッサは、中間制御ユニット１０を介して作動するコンプレッサシーケンサーによりオンラインにすることができる。好ましい実施例では、この制御ユニット１０は第１ユニットに追加される第２ユニットであり、一つ以上のベース負荷、代表的には遠心コンプレッサの出力を制御するようになっている。中間制御ユニット１０はこのシーケンスに基づいて空気を流すことを可能にするものであり、コンプレッサは自己の設計能力および内部制御装置に基づいて負荷の印加および負荷の解除を開始する。この制御システムの利点は、コンプレッサがシステムのためにシーケンス制御されず、個々のコンプレッサまたはコンプレッサグループを制御する一つ以上の中間制御ユニット１０によりシーケンス制御されるように、制御システムを管理できるということである。このように、コンプレッサでなくて中間制御ユニット１０をシーケンス制御できる。このような構成になっているため、ベースロードとして使用されている遠心コンプレッサが停止した場合、停止したコンプレッサ用の制御ユニット以外の制御ユニット１０が始動してオンライン状態となり、これらユニットが制御しているコンプレッサに負荷をかけ始まる。従来は、オフデザイン状態でコンプレッサに一つの遠心コンプレッサを追加した場合、遠心コンプレッサにより吸収される馬力は、大ざっぱに言って一定のままであるが、空気のスループット量は減少していた。図面中の図３を参照すると、略図で示した空気システムは３つの遠心コンプレッサ２００（各々はドライヤー２０２を介して出力する）と容積式タイプの３つのトリムコンプレッサ２０４（これらの各々はドライヤー２０２を介して出力する）のベース負荷バンクを備える。以下述べる制御ユニットの上流側の蓄積部の合計は、ベース負荷第１蓄積部２１０と、トリム負荷第１蓄積部２１２として略図で示されている。図示した実施例では、ベース負荷コンプレッサ２００のうちの２つが３０００馬力（ＨＰ）に定格化され、１つは１５００ＨＰに定格化されている。これに相当してトリムコンプレッサのうちの２つが毎分約２８m³（１０００cfm）（毎分の立法フィート）に定格化され、１つは毎分約４２m³（１５００cfm）に定格化されている。このような差をつけて定格化する方法は、異なるタイプのコンプレッサに対しては慣行的に行われている。コンプレッサの各バンクには、上記制御ユニット１０に類似する自己の中間制御ユニット、すなわちベース負荷制御ユニット２０６と、トリム負荷制御ユニット２０８が設けられる。第１論理コントローラ２１４は、制御ユニット２０６の上流側からライン２１６を介して、更に制御ユニット２０８の下流側すなわち要求側からライン２１８を介して、圧力信号入力を受ける。コントローラ２１４はライン２２４上に、各トリムコンプレッサ２０４に別々に制御信号を出力する。制御ユニット２０６および２０８の下流出力は、共通空気送り導管２２０を通して作動装置に送られる。アーティクルすなわち作動装置として実質的に示したようなシステムの要求側に対しては、参照番号２２２で約５.６kg/cm³（８０psi g）であり、ベース負荷出力に対しては第１蓄積部２１０内では約６.３kg/cm³（９０psig）であり、トリム負荷出力に対しては第１蓄積部２１２内で約８〜８. ８kg/cm³（１１５〜１２５psig）である。約８.８kg/cm³（約１２５psig）の定格を有する遠心コンプレッサに対しては、図３に示したシナリオが適当である。ここで、ベース負荷制御ユニット２０６はベース負荷主要空気導管２２６内に差圧デルタＰを加え、ベース負荷コンプレッサの作動圧をその定格近くの好ましいレンジおよび約５.６kg/cm³（約８０psi g）の作動システム圧力または要求圧力より高く上昇させる。この制御では、遠心コンプレッサは実質的により高い効率で作動する。制御ユニット２０６およびそれに関連する論理コントローラ（これは別個のユニットでもよいし、論理コントローラ２１４と組み込んでもよい）は、ベース負荷コンプレッサを実質的に一定の定格で作動する。要求量の変動はベース負荷コンプレッサ２００は容量を越える点まで制御ユニット２１４により負荷がかけられたり、解除されたりされるトリムコンプレッサ２１４によって処理される。本発明のシステムは、一般に定格が小さく、遠心コンプレッサよりも負荷解除特性が良好な一つ以上のトリムコンプレッサ２０４を使用する際に有効である。論理コントローラ２１４は、上記かつ図示した適当なアルゴリズムおよび制御ネットワークにより、負荷をかけたりまたは解除する適当なコンプレッサをシーケンス選択する役割を満たすものである。選択アルゴリズムは好ましくはシステム内の種々のコンプレッサの容量および管理性を考慮するだけでなく、温度に関連した効率（入口温度が高温となっている時に実質的に効率が低下するコンプレッサもある）を含む負荷時の効率および負荷解除時の馬力の節約も考慮することが好ましい。以上で本発明の説明のための実施例について記載したが、当然ながら当業者には種々の変形が明らかであると解される。かかる変形は発明の精神および範囲内にあり、発明は添付された請求の範囲のみよりに限定される。

【手続補正書】【提出日】１９９６年８月１６日【補正内容】請求の範囲１．空気制御システムを通じて空気重量流量が制御される、実質的に連続的な流量圧縮空気システムの主要空気導管のための空気制御システムであって、空気の供給を行なう圧縮空気供給手段と、前記圧縮空気供給手段により作動され、空気要求を出す空気作動装置と、前記圧縮空気供給手段と前記空気作動装置を連結し前記空気供給を前記空気要求に向ける主要空気供給導管とを備え、前記空気要求が前記空気要求手段および前記空気要求における変化による変動を受ける空気制御システムであって、この空気制御システムは次のものを備える：ａ）上記主要空気供給導管内の空気流量を制御するための連続的に可変かつ調整可能な流量コントローラ；該流量コントローラは並列配置されている複数の空気流量サブコントロールを備え；該サブコントロールは慣性的、機械的、流体力学的ヒステレシスを有する；ｂ）前記流量コントローラの下流に位置し圧力に関する要求信号を発生させる圧力モニター手段；該要求信号は前記圧力の変化の関数として時間にしたがって変動する、ｃ）要求信号に応答して流量コントローラを作動し下流の空気圧を安定させ、流量コントローラを調節して、下流の圧力変化にしたがい主要空気導管内の空気流量の割合を変化させる作動手段、および、ｄ）実質的に自由に流動するバイパス空気路を供給するため前記コントロールユニットをにおける、予め決められた圧力の差に応答して開口自在なバイパスサブコントロール。２．前記圧縮空気システムは前記主要空気供給導管の上流に容積空気の容量を持ち、前記流量コントローラは前記容積空気の容量に強制的に供給して蓄積するよう作動し、蓄積された空気の無差別の解放を防ぐ請求項１記載の空気制御システム。３．それぞれが、前記空気供給と前記空気要求の間に独立した空気路を供給し、それぞれ独立した流量コントローラを有し、共同で前記空気流量を制御するため協力的かつ連続的に調整される、多数のサブコントロールを有するコントロールユニットを備える請求項１記載の空気制御システム。４．それぞれの流量コントローラが一斉に作動されるように複数の前記サブユニットが互いに連結されることを特徴とする請求項３記載の空気制御システム。５．一緒に連結されピーク要求を処理する前記複数のサブコントローラと、前記サブコントロールから独立して作動可能であり、より少ないオフピークの負荷を制御するためのトリムサブコントロールを備えることを特徴とする請求項４記載の空気制御システム。６．前記圧力に関する要求信号からの入力信号を処理し、流量コントローラを作動する出力信号を生成する論理制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の空気制御システム。７．前記流量コントローラの下流の要求圧力を感知する圧力センサ手段、および前記流量コントローラにおける圧力を感知する差圧センサ手段を備え、これら圧力センサは共に入力信号を論理コントローラ手段に供給することを特徴とする請求項６記載の空気制御システム。８．前記論理コントローラが圧力に関する要求の時間の経過による変化の割合を決定するため前記要求入力信号を処理し、下流の空気圧力を安定させるため前記流量コントローラの調整に前記決定を適用することを特徴とする請求項６記載の空気制御システム。９．前記空気コンプレッサー手段が複数の空気コンプレッサーを備え、さらに前記圧力に関する要求信号に応答し、またエネルギー効果方法により前記要求信号にしたがって負荷を与えおよび負荷をとるように作動するコンプレッサー配列手段を備えることを特徴とする請求項１記載の空気制御システム。１０ａ）主要フィード供給ダクトに連結され、共通圧力にされた空気供給を提供するため前記ダクト内で混合される出力を有し、かつエネルギー効率特性が異なるコンプレッサーユニットを含むことを特徴とする複数の空気コンプレッサユニット、ｂ）空気圧回路内で前記ダクトの下流の前記共通圧縮空気供給手段に接続可能であり、前記共通圧縮空気供給手段に対し可変要求圧力を発生することを特徴とする有効な空気作動装置、ｃ）実質的に前記主要フィードダクトからの空気流量を抑制しない、全開位置における流動通路を備え、前記主要空気供給導管を通る空気の流量を制御するための連続的に可変調整する流量コントローラ手段、ｄ）前記流量コントローラ手段の上流の空気流量と前記流量コントローラ手段の下流の空気流量との不均衡を検知する検知手段、ｅ）前記不均衡を低減させるための空気流量コントローラ手段を作動する作動装置、を備え、前記空気作動装置は制御された空気供給を受け、複数のコンプレッサーの全エネルギー効率が改良されることを特徴とする圧縮空気装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ハント、イー、チャールズアメリカ合衆国、ニューヨーク州 10605、ホワイトプレイン、グリーンリッジアベニュー 85

Claims

【特許請求の範囲】１．空気コンプレッサ手段（３０）と、空気作動装置（１４０）と、前記空気コンプレッサ手段（３０）と前記空気作動装置（１４０）とを接続する主要空気供給導管と、システム圧力を検出するための圧力検出手段（３８）と、前記システム圧力に従って前記コンプレッサを管理する制御手段（１００）とを備えた圧縮空気システム用空気制御システムにおいて、前記圧力検出手段（３８）および前記制御手段（１００）は圧力差を測定し、圧力変化レートに応じて前記システムを制御し、この制御手段は前記システム圧力を安定化するようになっていることを特徴とする空気制御システム。２．主要空気供給導管に圧縮空気を供給するための空気圧縮手段（３０）と前記空気供給導管からの加圧された空気を受けるように接続された空気作動装置（１４０）との間の中間に配置された主要空気導管に設置され、前記流量コントローラの上流に利用可能な空気蓄積容量を有する圧縮空気システムのための空気制御システムにおいて、ａ）前記主要空気供給導管を通過する空気流量を制御するための流量コントローラと、ｂ）流量コントローラの下流で空気重量流量をモニタし、空気重量流量に関連した要求信号を発生する手段と、ｃ）前記要求信号に応答して流量コントローラを作動するアクチュエータ手段とを備え、前記主要空気導管を通過する空気流量を前記空気重量流量の要求量に合わせるよう、前記流量コントローラを調節する空気制御システム。３．ａ）圧縮空気供給導管に接続自在であり、圧縮空気源を構成する上流マニフォールドと、ｂ）送り導管を介して可変圧縮空気要求導管に接続自在である下流マニフォールドと、ｃ）前記マニフォールド間で延び、圧縮空気源導管から要求導管へ圧縮空気を分配する複数の空気路と、ｄ）前記空気路の各々に一つずつ配置され、内部の空気流量を制御する複数の流量コントローラと、ｅ）下流の要求量に応答して空気流量コントローラを作動させ、下流の空気圧力を安定化させるアクチュエータ手段とを備えた、圧縮空気を供給するための空気制御システム。５．ａ）圧縮空気を供給する空気コントローラ手段（３０）と、ｂ）前記空気コンプレッサを備えた空気圧回路内に設けられた付属圧力発生装置と、ｃ）空気圧回路内で前記圧縮空気供給手段に接続可能であり、前記圧縮空気供給手段に対し可変要求圧力を発生する有効な空気動力装置と、ｄ）一方の前記有効な空気動力装置と他方の前記空気コンプレッサ手段および付属圧力発生装置との中間に空気圧的に接続された空気制御システムとを含み、空気制御システムは要求圧力を安定化するよう要求圧力の変動に応答して制御される空気流量コントローラ手段を備えた圧縮空気システム。４．前記空気制御手段は要求圧力の時間積分された変化に従って前記流量コントローラ手段を作動させ、空気質量流量に関連して圧力を安定化できる請求項３記載の空気制御システム。