JP4627492B2

JP4627492B2 - 油冷式スクリュー圧縮機

Info

Publication number: JP4627492B2
Application number: JP2005364423A
Authority: JP
Inventors: 英晴田中
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2005-12-19
Filing date: 2005-12-19
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2025-12-19
Also published as: JP2007170186A; US20070140866A1; CN1987107B; US8241007B2; CN1987107A

Description

本発明は、圧縮ガスに油を混入する油冷式スクリュー圧縮機に関する。

近年、省エネを目的とし、圧縮ガスの使用量に応じてスクリュー圧縮機の吐出容量を変動させるため、圧縮機本体を駆動する電動機の回転数を可変制御する方法が知られている。圧縮機本体の駆動に必要なトルクは、理論上、吐出圧力が一定であれば回転数に関係なくほぼ一定であるが、実際は、低回転数になれば圧縮機内部の漏れの増大等の理由により上昇する。また、電動機は、低回転数領域になると出力トルクや冷却風量等が低下する。そのため、電動機の下限回転数は、通常、最高回転数の１０〜３０％程度に制御している。

そして、電動機の下限回転数運転時の圧縮機本体の吐出容量より少ない使用量に対応するため、従来例えば、圧縮機本体の吸入側に設けられ流量調整する吸込絞り弁と、圧縮機本体から吐出された圧縮ガスの一部を吸込絞り弁の駆動部に供給するとともに、残りを放気配管を介し吸込絞り弁の上流側に放気可能な電磁弁とを備えた油冷式スクリュー圧縮機が提唱されている（例えば、特許文献１参照）。この従来技術では、電動機の下限回転数運転時に、圧縮機本体の吐出側圧力が所定の上限圧力に達したときは、電磁弁を開放して吸込絞り弁を閉塞させるとともに圧縮機本体の吐出側圧力を減圧して無負荷運転を行う。また、無負荷運転時に圧縮機本体の吐出側圧力が所定の下限圧力に達したときは、電磁弁を閉塞し吸込絞り弁を開放させて圧縮機本体の負荷運転を行う。このようにして、圧縮機本体の無負荷運転と負荷運転を交互に繰り返すようになっている。また、明確には記載されていないが、圧縮機本体の停止時には、吸込絞り弁を閉塞させて、油を含んだ圧縮ガスの逆流を防止するようになっている。

特開平９−２８７５８０号公報

しかしながら、上記従来技術には以下のような改善の余地があった。
上記吸込み絞り弁は、例えば、弁板と、弁板を開閉方向に駆動するピストンと、このピストンに設けたシール部材（例えばキャップシールやＯリング等）とを備えている。そのため、圧縮機本体の無負荷運転及び負荷運転の切換えに応じて弁板を頻繁に開閉させると、シール部材が摩耗するので、定期的に交換する必要が生じていた。すなわち、圧縮機本体の無負荷運転を行うための構造と圧縮機本体の停止時の逆流防止を行うための構造とを兼ね備えるため、部品寿命が比較的短くなるとともに、コスト高となっていた。

本発明の目的は、コスト低減を図りつつ、停止時の逆流防止を行うことができる油冷式スクリュー圧縮機を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、圧縮機本体と、前記圧縮機本体を駆動する電動機と、前記電動機の回転数を可変制御するインバータと、前記圧縮機本体の吐出側に設けられた放気弁と、前記圧縮機本体の吐出側圧力を検出する圧力検出手段と、前記電動機の下限回転数運転時に、前記圧力検出手段で検出した前記圧縮機本体の吐出側圧力が所定の上限圧力まで上昇したら前記放気弁を開放し、所定の制御圧力まで下降したら前記放気弁を閉塞する放気弁制御手段とを備えた油冷式スクリュー圧縮機において、前記圧縮機本体の吸入側に設けられ、前記圧縮機本体の負荷運転時及び無負荷運転時に開放し停止時に閉塞する吸入逆止弁を備え、前記放気弁は、前記電動機の下限回転数運転時に前記圧縮機本体の吐出容量以上の放気量を放気可能な開口面積を有する。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記電動機の下限回転数運転時に、前記圧力検出手段で検出した吐出側圧力が前記所定の制御圧力から前記所定の上限圧力まで上昇する昇圧時間と前記所定の上限圧力から前記所定の制御圧力まで下降する降圧時間とを演算し、この昇圧時間及び降圧時間の割合が所定の設定割合に達したら前記圧縮機本体を停止する第１停止制御手段を備える。

（３）上記（１）において、また好ましくは、前記電動機の下限回転数運転時に、前記圧力検出手段で検出した吐出側圧力が前記所定の制御圧力から前記所定の上限圧力まで上昇する昇圧時間又は前記所定の上限圧力から前記所定の制御圧力まで下降する降圧時間を演算し、この昇圧時間又は降圧時間が所定の設定時間に達したら前記圧縮機本体を停止する第２停止制御手段を備える。

（４）上記（２）又は（３）において、好ましくは、前記圧縮機本体の停止時に、前記圧力検出手段で検出した吐出側圧力が所定の再起動圧力に達したら、前記圧縮機本体を再起動する再起動制御手段を備える。

（５）上記（１）において、好ましくは、前記放気弁は電磁弁である。

本発明によれば、コスト低減を図りつつ、無負荷運転及び停止時の逆流防止を行うことができる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明のスクリュー圧縮機の全体構成を表す概略図であり、図２は、吸込逆止弁の詳細構造を表す断面図である。

この図１において、油冷式スクリュー圧縮機１は、吸込フィルタ２を介し吸い込んだ空気を圧縮する圧縮機本体３と、この圧縮機本体３を駆動する電動機４と、この電動機４の回転数を可変制御するインバータ５と、圧縮機本体３で生成した圧縮空気に含まれる潤滑油（詳細は後述）を分離するオイルセパレータ６と、このオイルセパレータ６で潤滑油と分離した圧縮空気を供給先に供給する圧縮空気供給系統７と、オイルセパレータ６で分離した潤滑油を圧縮機本体３に供給する潤滑油供給系統８とを備えている。

潤滑油供給系統８は、オイルセパレータ６で分離した潤滑油を圧縮機本体３に供給する供給配管９と、この供給配管９にバイパスして設けたバイパス配管１０と、このバイパス配管１０に設けられ潤滑油を冷却する熱交換器１１と、供給配管９とバイパス配管１０の上流側分岐点に設けた調整弁１２とを備えている。この調整弁１２によって供給配管９及びバイパス配管１０における潤滑油の流量割合を調整することにより、圧縮機本体３に供給する潤滑油の温度が制御されるようになっている。そして、潤滑油は圧縮機本体３の圧縮室内に導入されて、圧縮空気を冷却するとともに、圧縮室の空気漏洩を低減し圧縮効率を向上させるようになっている。また、潤滑油は圧縮機本体３の軸受等にも導入されて軸受等を潤滑するようになっている。

圧縮機本体３の吸込側には、圧縮機本体３の運転時に開放し停止時に閉塞する吸入逆止弁１３が設けられている。吸入逆止弁１３は、例えば、開口部１３ａに当接して開口部１３ａを閉塞可能な弁板１３ｂと、弁板１３ｂに接続され弁板１３ｂの開閉方向に摺動する軸部１３ｃと、圧縮機本体３の運転時に生じる差圧（図２中下向きの圧力）に対抗し弁板１３ｂの閉じ方向（図２中上向き）の付勢力を付与するバネ１３ｄとを備えている。このバネ１３ｄの付勢力は、圧縮機本体３の運転時に生じる差圧と弁板１３ｂ及び軸部１３ｃ等の自重とを合わせたものより小さく、かつ弁板１３ｂ及び軸部１３ｃ等の自重より大きくなるように設定されており、圧縮機本体３の運転時には弁板１３ｂが開く方向に移動して開口部１３ａが開放され、圧縮機本体３の停止時には弁板１３ｂが閉じ方向に移動して開口部１３ｂが閉塞されるようになっている。その結果、圧縮機本体３の停止時には、潤滑油を含んだ圧縮空気が逆流するのを防止するようになっている。

圧縮空気供給系統７は、逆止弁１４と、圧縮空気を冷却する熱交換器１５とを備えている。熱交換器１５の出口側には圧力センサ１６が設けられており、この圧力センサ１６の検出信号がコントローラ１７に出力されるようになっている。また、逆止弁１４の上流側と吸入逆止弁１３の上流側とを接続する放気配管１８が設けられ、この放気配管１８にはコントローラ１７からの制御信号に応じて開閉駆動する放気弁１９が設けられている。放気配管１８及び放気弁１９は、後述する電動機４の下限回転数運転時に、圧縮機本体３の吐出空気量以上の空気を放気可能な構造（例えば開口面積が大きい構造）となっている。なお、本実施形態では、放気弁１９は、コントローラ１７からの制御信号に応じて開閉駆動する電磁弁として説明するが、これに代えて、例えばコントローラ１７からの制御信号に応じて駆動する圧力調整弁（図示せず）を追加し、この圧力調整弁の駆動によって生じた空気圧や油圧等で開閉駆動するようにしてもよい。

コントローラ１７は、まず第１の制御機能として、圧力センサ１６から入力した検出信号に応じて、インバータ５を介し電動機４の回転数Ｎを制御するようになっている。具体的には、例えば供給先の使用空気量Ｑが増加して圧縮機本体３の吐出側圧力Ｐが降下すると、電動機４の回転数Ｎを高くして圧縮機本体３の吐出空気量を増加させる。一方、供給先の使用空気量Ｑが減少して圧縮機本体３の吐出側圧力Ｐが上昇すると、電動機４の回転数Ｎを低くして圧縮機本体３の吐出空気量を減少させるようになっている。これにより、所定の使用空気量Ｑの範囲（例えば圧縮機本体３の定格吐出容量の１００％〜３０％の範囲）では、圧縮機本体３の吐出側圧力Ｐを所定の制御圧力Ｐoに維持するようになっている。

またコントローラ１７は、第２の機能として、電動機４の回転数Ｎを下限回数に制御し、かつ放気弁１９を開放させて圧縮機本体３の吐出側圧力を大気圧まで減圧し、圧縮機本体３を無負荷運転させるようになっている。すなわち、電動機４の下限回転数の運転時の圧縮機本体３の吐出容量より供給先の使用空気量Ｑが少ない場合（例えば圧縮機本体３の定格吐出容量の３０％以下では）、電動機４の回転数Ｎを下限回転で運転すると、圧縮機本体３の吐出側圧力Ｐが所定の制御圧Ｐｏに維持できず上昇する。このような場合、コントローラ１７は、圧縮機本体３の吐出側圧力Ｐが所定の上限圧力Ｐu（但しＰu＞Ｐo）に達したかどうかを判定し、所定の上限圧力Ｐuに達したときは放気弁１９を開放させて大気圧まで減圧し、圧縮機本体３を無負荷運転させる。また、圧縮機本体３の無負荷運転時は、圧縮機本体３の吐出側圧力Ｐが下降するので所定の制御圧力Ｐoに達したかどうかを判定し、所定の制御圧力Ｐoに達したときは放気弁１９を閉塞させて、圧縮機本体３を負荷運転に復帰させる。このようにして、供給先の使用空気量Ｑが少ない場合は、圧縮機本体３の負荷運転と無負荷運転とを繰り返すようになっている。

またコントローラ１７は、第３の機能として、供給先の使用空気量Ｑが非常に少ない場合（例えば圧縮機本体３の定格吐出容量の５％程度以下では）、インバータ５を介し電動機４を停止させ、圧縮機本体３を停止するようになっている。具体的には、電動機４の下限回転数運転時における圧縮機本体３の負荷運転の時間（言い換えれば、圧縮機本体３の吐出側圧力Ｐが所定の制御圧力Ｐoから所定の上限圧力Ｐuまで上昇する昇圧時間）と無負荷運転の時間（言い換えれば、圧縮機本体３の吐出側圧力Ｐが所定の上限圧力Ｐuから所定の制御圧力Ｐoまで下降する降圧時間）とをタイマ等により演算し、使用空気量Ｑの指標として電動機４の下限回転数運転時における負荷時間及び無負荷時間の割合が所定の設定割合（予め設定記憶された値又は入力手段で入力設定された値）に達したかどうかを判定し、所定の設定割合に達したときは電動機４を停止させ圧縮機本体３を停止させるようになっている。また、圧縮機本体３の停止時に、圧縮機本体３の吐出側圧力Ｐが所定の再起動圧力Ｐsに達したかどうかを判定し、所定の再起動圧力Ｐsに達したときは電動機４を駆動させ圧縮機本体３を再起動するようになっている。

次に、本実施形態によるスクリュー圧縮機１の運転動作の一例を説明する。図３は、使用空気量Ｑ、圧縮機本体３の吐出側圧力Ｐ、電動機４の回転数Ｎ、放気弁１９及び吸入逆止弁１３の動作状態の経時変化をそれぞれ表すタイムチャートである。

この図３において、例えば使用空気量Ｑが最大使用空気量Ｑmax（例えば圧縮機本体３の定格吐出空気量の１００％）から空気量Ｑa（例えば圧縮機本体３の定格吐出空気量の３０％）まで減少する場合、圧縮機本体３の吐出側圧力Ｐを所定の制御圧力Ｐｏに維持するため、電動機４の回転数Ｎを最大回転数Ｎmaxから下限回転数Ｎmax（例えば最高回転数Ｎmaxの３０％程度）まで低下させる。さらに使用空気量Ｑが空気量Ｑaより減少すると、電動機４の回転数Ｎを下限回転数Ｎminで運転するので、圧縮機本体３の吐出側圧力Ｐが上昇する。そして、圧縮機本体３の吐出側圧力Ｐが所定の上限圧力Ｐｕに達すると、電動機４の回転数Ｎを下限回転数Ｎminに維持したまま放気弁１９を開放し、圧縮機本体３を無負荷運転させる。その後、圧縮機本体３の吐出側圧力Ｐが下降し制御圧力Ｐｏに達すると、電動機４の回転数Ｎを下限回転数Ｎminに維持したまま放気弁１９を閉塞し、圧縮機本体３を負荷運転に復帰させる。このようにして、圧縮機本体３の負荷運転と無負荷運転とを交互に繰り返す。

このとき、コントローラ１７は、電動機４の下限回転数Ｎminの運転時の圧縮機本体３の負荷運転時間ｔ1と無負荷運転時間ｔ2とをそれぞれ演算し、負荷運転時間ｔ1及び無負荷運転時間ｔ2の割合が所定の設定割合に達したかどうかを判定する。使用空気量Ｑが空気量Ｑb（例えば圧縮機本体３の定格吐出空気量の５％）程度まで減少すると、負荷運転時間ｔ1が短くなる一方で無負荷運転時間ｔ2が長くなり、負荷運転時間の割合ｔ1／（ｔ1＋ｔ2）が小さくなって（又は無負荷運転時間の割合ｔ2／（ｔ1＋ｔ2）が大きくなって）所定の設定割合に達し、電動機４を停止させ圧縮機本体３を停止させる。なお、本実施形態では、圧縮機本体３の吐出側圧力ＰがＰuに達したときに、放気弁１９を開放するとともに圧縮機本体３を停止させる。このとき、吸入逆止弁１３がバネ１３ｄの付勢力によって閉塞し、潤滑油を含んだ圧縮空気の逆流を防止することができる。そして、圧縮機本体３の停止時に、圧縮機本体３の吐出側圧力Ｐが下降して所定の再起動圧力Ｐs（本実施形態ではＰs＝Ｐo）に達すると、放気弁１９を閉塞して圧縮機本体３を再起動させる。

以上のような本実施形態においては、吸入逆止弁１３は、バネ１３ｄの付勢力で閉塞する簡素な構造であるから、従来の吸込絞り弁に比べ、部品寿命が向上するとともにコスト低減を図ることができる。したがって、本実施形態においては、コスト低減を図りつつ、圧縮機本体３の停止時の逆流防止を行うことができる。また本実施形態においては、使用空気量Ｑが非常に少ない運転領域では、圧縮機本体３の吐出側圧力Ｐが所定の上限圧力Ｐuに達したら圧縮機本体３を停止させ、圧縮機本体３の停止中に所定の制御圧力Ｐoに達したら再起動させる。これにより、使用空気量Ｑが非常に少ない運転領域での動力を低減することができる。

なお、上記一実施形態においては、コントローラ１７は、電動機４の下限回転数Ｎminの運転時の負荷運転時間ｔ1及び無負荷運転時間ｔ2の割合が所定の設定割合に達したときに圧縮機本体３を停止させる制御機能を備えた場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、例えば負荷運転時間ｔ1又は無負荷時間ｔ2が所定の設定時間に達したときに圧縮機本体３を停止させる制御機能を備えてもよい。この場合も、上記同様の効果を得ることができる。

本発明のスクリュー圧縮機の一実施形態の全体構成を表す概略図である。本発明のスクリュー圧縮機の一実施形態を構成する吸入逆止弁の詳細構造を表す断面図である。本発明のスクリュー圧縮機の一実施形態の運転動作を説明するためのタイムチャートである。

符号の説明

１油冷式スクリュー圧縮機
３圧縮機本体
４電動機
５インバータ
１３吸入逆止弁
１６圧力センサ（圧力検出手段）
１７コントローラ（放気弁制御手段、第１停止制御手段、再起動制御手段）
１９放気弁

Claims

圧縮機本体と、前記圧縮機本体を駆動する電動機と、前記電動機の回転数を可変制御するインバータと、前記圧縮機本体の吐出側に設けられた放気弁と、前記圧縮機本体の吐出側圧力を検出する圧力検出手段と、前記電動機の下限回転数運転時に、前記圧力検出手段で検出した前記圧縮機本体の吐出側圧力が所定の上限圧力まで上昇したら前記放気弁を開放し、所定の制御圧力まで下降したら前記放気弁を閉塞する放気弁制御手段とを備えた油冷式スクリュー圧縮機において、
前記圧縮機本体の吸入側に設けられ、前記圧縮機本体の負荷運転時及び無負荷運転時に開放し停止時に閉塞する吸入逆止弁を備え、
前記放気弁は、前記電動機の下限回転数運転時に前記圧縮機本体の吐出容量以上の放気量を放気可能な開口面積を有することを特徴とする油冷式スクリュー圧縮機。
請求項１記載の油冷式スクリュー圧縮機において、前記電動機の下限回転数運転時に、前記圧力検出手段で検出した吐出側圧力が前記所定の制御圧力から前記所定の上限圧力まで上昇する昇圧時間と前記所定の上限圧力から前記所定の制御圧力まで下降する降圧時間とを演算し、この昇圧時間及び降圧時間の割合が所定の設定割合に達したら前記圧縮機本体を停止する第１停止制御手段を備えたことを特徴とする油冷式スクリュー圧縮機。
請求項１記載の油冷式スクリュー圧縮機において、前記電動機の下限回転数運転時に、前記圧力検出手段で検出した吐出側圧力が前記所定の制御圧力から前記所定の上限圧力まで上昇する昇圧時間又は前記所定の上限圧力から前記所定の制御圧力まで下降する降圧時間を演算し、この昇圧時間又は降圧時間が所定の設定時間に達したら前記圧縮機本体を停止する第２停止制御手段を備えたことを特徴とする油冷式スクリュー圧縮機。
請求項２又は３記載の油冷式スクリュー圧縮機において、前記圧縮機本体の停止時に、前記圧力検出手段で検出した吐出側圧力が所定の再起動圧力に達したら、前記圧縮機本体を再起動する再起動制御手段を備えたことを特徴とする油冷式スクリュー圧縮機。
請求項１記載の油冷式スクリュー圧縮機において、前記放気弁は電磁弁であることを特徴とする油冷式スクリュー圧縮機。