JP4325548B2

JP4325548B2 - スクリュー圧縮機およびその運転制御方法

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Publication number: JP4325548B2
Application number: JP2004356236A
Authority: JP
Inventors: 隆史齋藤
Original assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2004-12-09
Filing date: 2004-12-09
Publication date: 2009-09-02
Anticipated expiration: 2024-12-09
Also published as: JP2006161734A

Description

本発明は、圧縮空気などの圧縮ガスを生成する圧縮機に関し、特に一対のスクリューロータの回転動作でガスの圧縮を行うスクリュー圧縮機に関する。

圧縮機、特に圧縮空気を生成する空気圧縮機は各種産業において欠かせない設備となっている。なかでも電子関連、食品、化学などの油分の混入を嫌う産業分野においては、吐出空気に油分が混入しないオイルフリースクリュー圧縮機の需要が高い。

空気圧縮機は、一般に吐出圧力を所定範囲に保って使用される。このため負荷側での圧縮空気消費量に応じた圧縮空気の吐出量制御が必要である。また空気圧縮機は、工場設備における電力費の約２５％を占めるとも言われるように、多くの電力を消費する。このため空気圧縮機については省エネ対応が市場における強いニーズとなっている。

空気圧縮機の代表的な例であるオイルフリースクリュー圧縮機における吐出量制御には、２ステップ制御方式と回転数制御方式がある（特許文献１）。２ステップ制御方式は、圧縮機の吐出圧力Ｐ_０を検出し、所定の上限圧力Ｐ_１と下限圧力Ｐ_２に対してＰ_１＞Ｐ_０＞Ｐ_２となるように一定の回転数での負荷運転と無負荷運転を繰り返すことにより、圧縮機負荷率に合わせて設定圧力幅の間で圧縮機の運転を行う容量制御方式である。ここで、負荷運転とは、圧縮空気消費量が増加し、吐出圧力が設定下限圧力より低くなったとき、吸入側に設けてある吸入弁を全開し、吐出口に設けてある放風弁を閉塞することにより、圧縮空気を連続吐出する運転状態である。一方、無負荷運転とは、圧縮空気消費量が減少し、吐出空気圧力が設定上限圧力に到達したとき、吸入弁を閉塞し、放風弁を開放することにより、圧縮空気の吐出を止めると共に圧縮機の動力を低減する運転状態である。こうした２ステップ制御方式では、運転圧力が上限圧力と下限圧力で画される圧力の幅で運転される。このため２ステップ制御方式による運転では吐出圧力に一定範囲で圧力変動がある。その結果、必要最低圧力よりも高い圧力での運転状態が含まれ、その分だけ分無駄なエネルギを消費することになる。

回転数制御方式は、スクリューロータを駆動する電動機の回転数をインバータ装置により制御することで吐出量を制御する。すなわち、吐出圧力が設定圧力よりも許容範囲を超えて高いときには電動機の回転数を低下させるように指令し、吐出圧力が設定圧力よりも許容範囲を超えて低いときには電動機の回転数を上昇させるように指令しすることで、圧縮機の吐出圧力を一定に保つように容量制御を行う。このように回転数制御方式は、狭い許容範囲内の圧力で制御することから吐出圧力にほとんど圧力変動がなく、必要最低圧力に近い安定した圧力での運転が可能である。このため回転数制御方式は、省エネ対応に優れている。

こうした回転数制御方式には、オイルフリーのために所定の隙間が設けられている対のスクリューロータで圧縮動作を行うオイルフリースクリュー圧縮機の場合に、低回転数領域での内部空気漏れの問題がある。すなわち低回転数領域では押しのけ空気量に対する内部空気漏れ量の比が増大し、圧縮動作室内において上流側に漏れた空気を圧縮する割合が増えることから圧縮空気の温度が上昇し、それによる熱膨張で対のスクリューロータ同士が接触する状態になってしまうという問題である。

この問題について特許文献１はそれを解決する運転制御方法を提案している。すなわち特許文献１に開示の運転制御方法では、所定の下限消費空気量（設定消費ガス量比）に対応する下限回転数を基に、下限回転数より上では回転数制御を用い、下限回転数以下では２ステップ制御を用いるようにすることで、広い吐出量範囲での吐出量制御を可能としている。

特開２００１−３４２９８２号公報

上述のように回転数制御方式は、圧力変動が少なくて必要最低圧力に近い安定した圧力での運転を可能として省エネ対応に優れているものの、空気消費量が低い領域への対応に問題がある。この問題に対して、所定の回転数を境に回転数制御と２ステップ制御を切替えるように組み合わせて用いる特許文献１に開示の技術はかなり有効である。しかし、特許文献１の技術は、設定消費ガス量比に対応する回転数を基準に回転数制御と２ステップ制御を切替えるようにしている。このことは、省エネ対応に優れている回転制御の適用範囲を必要以上に狭める結果になる可能性がある。特に、消費空気量の変動が大きく、消費空気量が圧縮機における仕様吐出空気量に対して相当に低い低負荷領域での運転の割合が大きくなる場合には、回転制御の適用範囲を必要以上に狭める影響が大きくなり、無駄にエネルギを消費する結果をもたらすことになる。

本発明は、以上のような知見に基づいてなされたものであり、回転数制御と２ステップ制御を切替えるように組み合わせた吐出量制御がなされるスクリュー圧縮機について、省エネ対応に優れている回転制御の適用範囲をより広できるようにすることを目的としている。

上記目的のために本発明では、スクリューロータの回転数を変化させて圧縮ガスの吐出量を制御する回転数制御と、スクリューロータの回転数一定の状態で負荷運転と無負荷運転を繰り返して前記吐出量を制御する２ステップ制御とを組み合わせることで吐出圧力を所定範囲に保つようにされているスクリュー圧縮機において、前記圧縮ガスの圧縮機本体出口温度について許容最高温度を設定し、前記圧縮ガスの圧縮機本体出口温度が前記許容最高温度より低い状態では前記回転数制御により電動機の回転数を低い領域に維持し、前記圧縮ガスの圧縮機本体出口温度が前記許容最高温度より高い状態になったら、前記電動機の回転数を低い領域に維持した状態で、前記２ステップ制御による負荷運転と無負荷運転を繰り返すことにより、前記許容最高温度を超えないよう制御することを特徴としている。

また上記目的のために発明では、スクリューロータの回転数を変化させて圧縮ガスの吐出量を制御する回転数制御と、スクリューロータの回転数一定の状態で負荷運転と無負荷運転を繰り返して前記吐出量を制御する２ステップ制御とを組み合わせることで吐出圧力を所定範囲に保つようにされているスクリュー圧縮機の運転制御方法において、
前記圧縮ガスの圧縮機本体出口温度を検出する温度検出処理、前記温度検出処理で検出した圧縮ガスの温度を予め設定の許容最高温度と比較し、前記検出温度が前記許容最高温度より低い状態では前記回転数制御により電動機の回転数を低い領域に維持し、前記圧縮ガスの圧縮機本体出口温度が前記許容最高温度より高い状態になったら、前記電動機の回転数を低い領域に維持した状態で、前記２ステップ制御による負荷運転と無負荷運転を繰り返すことにより、前記許容最高温度を超えないよう制御する制御方式の切替えを行う制御方式切替え処理を含んでいることを特徴としている。

本発明では、圧縮ガスの温度を基準にして回転数制御と２ステップ制御の切替えを行うようにしており、このため圧縮ガスの温度が実際に最も過酷な条件になった状態で回転制御から２ステップ制御に切替えることができ、このことで省エネに優れる回転数制御の適用範囲を従来よりも広げることができ、省エネ性をより一層向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。図１に、一実施形態によるスクリュー圧縮機の構成を示す。本実施形態のスクリュー圧縮機は、インバータ駆動のオイルフリースクリュー圧縮機であり、作動ガスとして空気を対象としている。スクリュー圧縮機は、空気の圧縮を行う圧縮機本体１、圧縮機本体１からの吐出空気を冷却するアフタークーラ７、圧縮機本体１を駆動する電動機３と増速機２、電動機３の回転数制御を行なうインバータ装置４、吐出量などの制御を行う制御装置５、アフタークーラ７の下流に接続の空気配管２４に設置されて管内空気圧力を測定する圧力検出器１２、圧縮機本体１とアフタークーラ７をつなぐ空気配管２３に設置されて管内空気温度つまり圧縮機本体１からの吐出空気の温度を測定する温度検出手段である温度検出器１３、圧縮機本体１の軸受とタイミングギアや増速機２に潤滑油を供給するオイルポンプ９、および潤滑油を冷却するオイルクーラ８を主な要素として構成されている。

圧縮機本体１は、対にして噛み合わされた雄スクリューロータ１ａと雌スクリューロータ１ｂを備えている。雄スクリューロータ１ａの外周部には４枚の歯がネジ状に形成され、雌スクリューロータ１ｂの外周部には６枚の歯がネジ状に形成されている。これらのスクリューロータ１ａ、１ｂは、圧縮機本体１のケーシング1ｃに形成されているボアと呼ばれる一部重複する円筒状の２本の穴に収容されており、それぞれの左右各軸端部を軸受で支持されている。またスクリューロータ１ａ、１ｂについては、軸受とロータ歯部の間には軸封装置がそれぞれ設けられ、軸受と圧縮動作室間での空気や潤滑油の漏れを防止できるようにされている。なお軸受や軸封装置はそれぞれケーシング1ｃに保持されている。

雄スクリューロータ１ａの駆動軸は圧縮機本体１の機外に延びており、この駆動軸の端部が増速機２の小ギア２ａが接続されている。小ギア２ａは、電動機３の軸３ａに接続している増速機２の大ギア２ｂと噛合っており、これにより電動機３の回転駆動力が増速されて雄スクリューロータ１ａに伝えられる。

圧縮機の運転時には、外気から空気が吸込フィルタ６、吸入弁１８および吸込配管２２の順に通って圧縮機本体１へ導かれる。圧縮機本体内へ導かれた空気は、回転するスクリューロータ１ａ、１ｂとケーシング１ａ、１ｂによって形成される圧縮動作室内に吸い込まれる。圧縮動作室内に吸い込まれた空気は、スクリューロータの回転により圧縮動作室の容積が減少することで圧縮される。圧縮過程は、理論的には断熱圧縮となり、空気の圧力が上昇するとともに、空気温度が上昇する。

圧縮機本体１で生成された圧縮空気は、圧縮動作室から吐出され、空気配管２３を通ってアフタークーラ７へ導かれる。アフタークーラ７によって冷却された圧縮空気は、空気配管２４、逆止弁１４を通って供給先の負荷へ向けて吐出される。

圧縮機本体１内の軸受とタイミングギア、それに増速機２内の増速ギア部には潤滑油２ｄが供給される。潤滑油２ｄは、増速機２のギアケーシング下側のオイルタンク部２ｃに貯留されており、オイルポンプ９によるポンプアップを受けた後にオイルクーラ８で冷却され、さらに油フィルタ１０、オイルヘッダ１１を通って各供給先に供給され、そして供給先から再びオイルタンク部２ｃに戻される。

圧縮機本体１、アフタークーラ７およびオイルクーラ８は、冷却水で冷却される。そのための冷却水は、外部の給水源からバルブ３４と冷却水配管２６を通って導かれる。冷却水配管２６で導かれた冷却水の一部は、冷却水配管２８を通ってオイルクーラ８へ導かれ、オイルクーラ８で潤滑油と熱交換を行なって潤滑油を冷却し、さらにその後で冷却水配管２９で圧縮機本体１のケーシング1ｃのジャケット部に導かれて圧縮機本体１を冷却し、その後、冷却水配管３０、３２やバルブ３５を通って圧縮機外へ排出される。冷却水配管２６で導かれた冷却水の残りの一部は、冷却水配管２７を通ってアフタークーラ７内に導かれ、アフタークーラ７内で吐出空気と熱交換を行なって圧縮空気を冷却する。アフタークーラ７から排出された水は、冷却水配管３１、３２やバルブ３５を通って圧縮機外へ排出される。

制御装置５は吐出量制御を行う。その吐出量制御は、回転数制御と２ステップ制御を組み合わせてなされる。回転数制御では、制御装置５がインバータ装置４に指令を出し、この指令を受けてインバータ装置４が電動機３の回転数を制御する。具体的には制御装置５は、圧力検出器１２により吐出圧力を常に監視しており、吐出圧力があらかじめ設定の圧力よりも許容範囲を超えて高くなると電動機３の回転数を低下させるようにインバータ装置４に指令し、これを受けてインバータ装置４が電動機３の回転数を低下させ、吐出圧力が設定圧力よりも許容範囲を超えて低くなると電動機３の回転数を上昇させるようにインバータ装置４に指令し、これを受けてインバータ装置４が電動機３の回転数を上昇させる。こうして回転数制御では、常に吐出圧力が設定圧力に対して所定の許容範囲内となるように吐出量を電動機３の回転数で制御する。

一方、２ステップ制御では、電動機３の回転数を一定の回転数（設定最低回転数）に保った状態で吐出圧力が所定の上限圧力と下限圧力の間となるように負荷運転と無負荷運転を繰り返す。負荷運転と無負荷運転は、吐出空気を負荷側に供給する空気配管２４に空気配管２５を介して接続してある放風弁１７と吸入側の吸入弁１８それぞれの開閉を制御装置５で制御することで切替えられる。すなわち負荷運転では、吸入弁１８を全開、放風弁１７を閉塞とし、無負荷運転では、吸入弁１８を閉塞、放風弁１７を全開とする。

回転数制御と２ステップ制御の切替えによる吐出量制御は、温度検出器１３で検出する圧縮機本体１からの吐出空気の温度に基づいて行う。すなわち吐出量制御は、圧縮空気の冷却前の温度を検出する温度検出処理を含み、さらに温度検出処理で検出した圧縮空気の温度を予め設定の許容最高温度と比較し、検出温度が許容最高温度より低い状態では回転数制御とし、検出温度が許容最高温度より高い状態では２ステップ制御とする制御方式の切替えを行う制御方式切替え処理を含んでいる。許容最高温度は、熱膨張でスクリューロータ同士が接触する可能性のある状態に基づいて設定される。1つの例では１９０度程度が許容最高温度となる。

吐出空気の温度は、回転数制御中に圧縮空気消費量が少ない状態、つまり回転数制御中に回転数が低い領域にある場合に、押しのけ空気量に対する内部空気漏れ量の比が増大することにより圧縮動作室内において上流側に漏れた空気を圧縮する割合が増えることで上昇しやすくなる。そしてこのことで吐出空気の温度が許容最高温度になる。すなわち吐出空気が許容最高温度になる状態では、電動機３は低い回転数領域における「ある回転数」になっている。したがって２ステップ制御では、電動機３の回転数をこの「ある回転数」に保って負荷運転と無負荷運転を繰り返すようにする。このようにすることで２ステップ制御における電力消費量を節減することができる。

図２に、回転数制御と２ステップ制御それぞれにおける消費電力量特性のグラフを示す。このグラフは、全負荷時の消費電力量と空気消費量をそれぞれ１００％として消費電力量と空気消費量の関係を回転数制御と２ステップ制御のそれぞれについてグラフ化したものである。点線ａは２ステップ制御における消費電力特性である。実線ｂと破線ｃはともに回転数制御における消費電力特性で、実線ｂは、予め設定した消費空気量に対応する回転数までは回転数制御を行いそれ以下では２ステップ制御に切替える従来の方式での回転数制御が適用される領域での回転数制御の消費電力特性であり、破線ｃは、回転数制御と２ステップ制御の切替えを吐出空気の温度とする本発明により適用範囲が広がった領域での回転数制御の消費電力特性である。

従来の制御方式では、設定消費空気量を例えば全負荷時空気消費量の３０％とする場合、空気消費量が１００％〜３０％の負荷領域では、回転数制御運転を行ない、空気消費量が３０％以下の低負荷領域では、設定消費空気量に対応した回転数を保って２ステップ制御を行なう。この場合の３０％という設定消費空気量は、回転数制御において吐出空気の温度が最も過酷な条件つまり熱膨張で対のスクリューロータ同士が接触する可能性のある状態に近い条件となるものと想定して設定されるものである。しかし圧縮機をとりまく環境条件によっては、消費空気量が３０％でも吐出空気の温度が最も過酷な条件になるとは限らない場合もある。そのような場合には、従来の方式であると回転数制御が可能な状態でも省エネに劣る２ステップ制御を行うことになる。

これに対して本発明では、吐出空気の温度を基準にして回転数制御と２ステップ制御の切替えを行うようにしており、このため吐出空気の温度が実際に最も過酷な条件になった状態で回転制御から２ステップ制御に切替えることができ、このことで省エネに優れる回転数制御の適用範囲を破線ｃのように従来よりも広げることができ、省エネ性をより一層向上させることができる。

以上の実施形態は圧縮機本体が１段である例であったが、圧縮機本体を多段で設けるスクリュー圧縮機についても同様に本発明を適用することができる。

本発明は、スクリュー圧縮機について省エネ性を向上させることを可能とするものであり、圧縮ガスを用いる分野に広く利用することができる。

一実施形態によるスクリュー圧縮機の構成を示す図である。回転数制御と２ステップ制御それぞれにおける消費電力量特性の例を示す図である。

符号の説明

１圧縮機本体
１ａ雄スクリューロータ（圧縮手段）
１ｂ雌スクリューロータ（圧縮手段）
３電動機
４インバータ装置
５制御装置
１３温度検出器

Claims

スクリューロータの回転数を変化させて圧縮ガスの吐出量を制御する回転数制御と、スクリューロータの回転数一定の状態で負荷運転と無負荷運転を繰り返して前記吐出量を制御する２ステップ制御とを組み合わせることで吐出圧力を所定範囲に保つようにされているスクリュー圧縮機において、
前記圧縮ガスの圧縮機本体出口温度について許容最高温度を設定し、前記圧縮ガスの圧縮機本体出口温度が前記許容最高温度より低い状態では前記回転数制御により電動機の回転数を低い領域に維持し、前記圧縮ガスの圧縮機本体出口温度が前記許容最高温度より高い状態になったら、前記電動機の回転数を低い領域に維持した状態で、前記２ステップ制御による負荷運転と無負荷運転を繰り返すことにより、前記許容最高温度を超えないよう制御することを特徴とするスクリュー圧縮機。
スクリューロータの回転数を変化させて圧縮ガスの吐出量を制御する回転数制御と、スクリューロータの回転数一定の状態で負荷運転と無負荷運転を繰り返して前記吐出量を制御する２ステップ制御とを組み合わせることで吐出圧力を所定範囲に保つようにされているスクリュー圧縮機の運転制御方法において、
前記圧縮ガスの圧縮機本体出口温度を検出する温度検出処理、前記温度検出処理で検出した圧縮ガスの温度を予め設定の許容最高温度と比較し、前記検出温度が前記許容最高温度より低い状態では前記回転数制御により電動機の回転数を低い領域に維持し、前記圧縮ガスの圧縮機本体出口温度が前記許容最高温度より高い状態になったら、前記電動機の回転数を低い領域に維持した状態で、前記２ステップ制御による負荷運転と無負荷運転を繰り返すことにより、前記許容最高温度を超えないよう制御する制御方式の切替えを行う制御方式切替え処理を含んでいることを特徴とするスクリュー圧縮機の運転制御方法。