JP6385902B2 - 油冷式スクリュ圧縮機及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、油冷式スクリュ圧縮機及びその制御方法に関する。

冷却や潤滑のために油を使用する油冷式スクリュ圧縮機が知られている。油冷式スクリュ圧縮機が吸い込む空気には水分が含まれており、圧縮等により水分が析出することがある。析出した水分が潤滑油に混入すると、潤滑機能低下の原因となる。

特許文献１には、このような水分の析出を防止するため、潤滑油に蓄積される水分量を演算し、水分量が所定下限値以上であるときに放気弁（放風弁とも言う）を開放し、油分離回収器内の空気を水分と共に外部に放出（放気）する油冷式スクリュ圧縮機が開示されている。

特開２００４−１１４２６号公報

特許文献１の油冷式スクリュ圧縮機は、要求圧力が低い低負荷状態において発熱量が少ないため、放気して水分を排出する運転状態になりやすく、かつ、水分を排出するのに時間を要する。また、水分を排出運転する状態の間は放気しているので油分離回収器内の圧力が低下する。さらに、このとき要求圧力が高い高負荷状態になっても、油分離回収器内の圧力が低下しているため即時に要求圧力を供給開始できない。

本発明は、水分が油分離回収器内に蓄積することを防止すると共に、要求圧力が低い低負荷状態から要求圧力が高い高負荷状態に変化しても即時に要求圧力を供給開始できる油冷式スクリュ圧縮機を提供することを課題とする。

本発明の第１の態様は、電動機によって駆動される圧縮機本体と、前記電動機の回転数を変更するためのインバータと、前記圧縮機本体の吐出口と流体的に接続された油分離回収器と、前記油分離回収器と流体的に接続され、前記油分離回収器から放気するための放気弁と、前記油分離回収器で油に混入し得る水分量である残存水分量を演算して求める演算部と、前記残存水分量が目標水分量となる前記電動機の第１回転数と吐出圧力が目標圧力となる前記電動機の第２回転数とを比較して大きい方の回転数で前記電動機を駆動させるように前記インバータを制御するインバータ制御部と、前記第１回転数で前記電動機を駆動する場合に前記吐出圧力が前記目標圧力よりも高く設定された所定の放気圧力を超えている間は前記放気弁を開弁する放気弁制御部とを有する制御装置とを備える油冷式スクリュ圧縮機を提供する。ここで、前記残存水分量は、吸込空気の水分量と圧縮空気の水分量の差分から求められる。

この構成によれば、残存水分量を所定の目標水分量に維持すると共に、圧縮空気の吐出圧力を目標圧力に維持できる。その結果、水分が油分離回収器内に蓄積することを防止すると共に、要求圧力が低い低負荷状態から要求圧力が高い高負荷状態に変化しても即時に要求圧力を供給開始できる。

前記圧縮機本体への吸込温度を検出するための吸込温度センサと、前記圧縮機本体への吸込圧力を検出するための吸込圧力センサと、前記圧縮機本体からの吐出温度を検出するための吐出温度センサと、前記圧縮機本体からの吐出圧力を検出するための吐出圧力センサとをさらに備え、前記演算部は、少なくとも前記吸込温度、前記吸込圧力、前記吐出温度、及び前記吐出圧力に基づいて残存水分量を演算して求めることが好ましい。ここで、前記残存水分量は、吸込空気の水分量と圧縮空気の水分量の差分から求められる。

吸込温度センサ、吸込圧力センサ、吐出温度センサ、及び吐出圧力センサに基づいて残存水分量を演算することで、定量的に残存水分量を算出できる。従って、より正確に残存水分量を所定の目標水分量に維持できる。

前記圧縮機本体への吸込流量を検出するための吸込流量センサと、前記圧縮機本体への吸込湿度を検出するための吸込湿度センサとをさらに備え、前記演算部は、前記残存水分量の演算に前記吸込流量と前記吸込湿度とを使用することが好ましい。

吸込流量センサ及び吸込湿度センサに基づいて吸込空気の水分量を演算することで、より正確に残存水分量を算出できる。

前記圧縮機本体への吸込空気量を調整するための吸込弁をさらに備え、前記制御装置は、前記吐出圧力が所定の放気圧力を超えたとき、前記吸込弁を閉弁する吸込弁制御部をさらに備えていることが好ましい。

放気弁と合わせて吸込弁を動作させることで、油冷式スクリュ圧縮機における過度な昇圧のより確実な防止と消費動力の低減ができる。

本発明の第２の態様は、油分離回収器で油に混入し得る水分量である残存水分量を演算し、前記残存水分量が目標水分量となる圧縮機の第１回転数を計算し、吐出圧力が目標圧力となる前記圧縮機の第２回転数を計算し、前記第１回転数と前記第２回転数を比較して大きい方の回転数で前記圧縮機を駆動し、前記第１回転数で前記圧縮機を駆動しているとき、前記吐出圧力が前記目標圧力よりも高く設定された所定の放気圧力を超えている間、前記圧縮機の圧縮空気を大気中に放出させる油冷式スクリュ圧縮機の制御方法を提供する。ここで、残存水分量は、少なくとも吸込温度、吸込圧力、吐出温度、及び吐出圧力に基づいて演算することが好ましい。ここで、前記残存水分量は、吸込空気の水分量と圧縮空気の水分量の差分から求められる。

本発明によれば、油冷式スクリュ圧縮機の残存水分量を所定の目標水分量に維持すると共に、圧縮空気の圧力を目標圧力に維持できる。その結果、油分離回収器内において蓄積水分量が増加することを防止すると共に、要求圧力が低い低負荷状態から要求圧力が高い高負荷状態に変化しても即時に要求圧力を供給開始できる。

本発明の第１実施形態に係る油冷式スクリュ圧縮機の概略構成図。 図１の油冷式スクリュ圧縮機の制御装置を示すブロック図。 図１の油冷式スクリュ圧縮機の制御を示すフローチャート。 本発明の第２実施形態に係る油冷式スクリュ圧縮機の概略構成図。 図４の油冷式スクリュ圧縮機の制御装置を示すブロック図。 本発明の第３実施形態に係る油冷式スクリュ圧縮機の概略構成図。 図６の油冷式スクリュ圧縮機の制御装置を示すブロック図。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

（第１実施形態）
図１に示すように、本実施形態の油冷式スクリュ圧縮機２は、空気が主に流れる空気流路４と、潤滑及び冷却に使用される油が流れる油流路６とを備える。

空気流路４には、圧縮機本体８と、油分離回収器１０と、放気弁１２とが設けられている。

圧縮機本体８は、油冷式のスクリュ型であり、第１空気配管４ａを通じて吸気口８ａから空気を吸気する。圧縮機本体８には、機械的にモータ（電動機）１４が接続されており、モータ１４を駆動することにより、内部の図示しないスクリュで空気を圧縮する。モータ１４には、インバータ１６が電気的に接続されており、モータ１４の回転数を変更できる。圧縮機本体８は、圧縮後、圧縮空気を吐出口８ｂから吐出する。吐出された圧縮空気には、多量の油が含まれており、第２空気配管４ｂを通じて油分離回収器１０に供給される。

油分離回収器１０は、油と圧縮空気を分離する。油分離回収器１０は、上部に配置された油分離エレメント１０ａと、下部に配置された油タンク１０ｂとを備える。油分離エレメント１０ａは気体と液体（圧縮空気と油）を分離する。油分離エレメント１０ａを通過して油を分離された圧縮空気（以降、吐出空気という）は、第３空気配管４ｃを通じて供給先へ供給される。第３空気配管４ｃの途中からは、第４空気配管４ｄが分岐している。第４空気配管４ｄは、放気弁１２を介して外部に通じている。従って、放気弁１２の開度を調整することにより、第４空気配管４ｄを通じて外部に吐出空気を放気できる。また、油分離エレメント１０ａで分離された油は重力により下部に配置された油タンク１０ｂに一旦溜まり、溜められた油は油流路６に流れる。

油流路６には、圧縮機本体８と、油分離回収器１０と、油フィルタ１８と、油冷却器２０とが設けられている。

油分離回収器１０の油タンク１０ｂに溜められた油は、第１油配管６ａを通じて圧縮機本体８に供給され、潤滑及び冷却等に使用される。第１油配管６ａには、油フィルタ１８と油冷却器２０とが介設されている。油フィルタ１８は、油以外の不純物を除去するために設けられているフィルタである。油冷却器２０は、油の温度を低下させるために設けられている。油冷却器２０の種類は特に限定されず、例えば熱交換器を使用してもよい。好ましくは、電力を消費しないものを使用することで油冷式スクリュ圧縮機２の効率を向上できる。

圧縮機本体８で潤滑や冷却に使用された油は、圧縮機本体８の吐出口８ｂから圧縮空気と共に吐出され、第２油配管６ｂ（第２空気配管４ｂ）を通じて油分離回収器１０に供給される。このようにして、油は循環使用に供される。

第１空気配管４ａには、圧縮機本体８へ吸気される空気（以降、吸込空気という）の温度（以降、吸込温度Ｔｓという）を検出するための吸込温度センサ２２と、吸込空気の圧力（以降、吸込圧力Ｐｓという）を検出するための吸込圧力センサ２４とが設けられている。また、第２空気配管４ｂには、圧縮機本体８から吐き出された圧縮空気の温度（以降、吐出温度Ｔｄという）を検出するための吐出温度センサ２６と、圧縮機本体８から吐き出された圧縮空気の圧力（以降、吐出圧力Ｐｄという）を検出するための吐出圧力センサ２８とが設けられている。吸込温度センサ２２、吸込圧力センサ２４、吐出温度センサ２６、及び吐出圧力センサ２８は、制御装置３０に測定値をそれぞれ出力する。

制御装置３０は、シーケンサ等のハードウェアと、それに実装されたソフトウェアにより構築されている。制御装置３０は、個々のセンサ２２〜２８の測定値に基づいて、インバータ１６及び放気弁１２を制御する。

図２に示すように、制御装置３０は、インバータ制御部３２と、放気弁制御部３４と、演算部３６とを備える。インバータ制御部３２は、インバータ１６を制御してモータ１４の回転数を調整する。放気弁制御部３４は、放気弁１２を制御して供給先への供給圧力を調整する。演算部３６は、吸込温度センサ２２、吸込圧力センサ２４、吐出温度センサ２６、及び吐出圧力センサ２８から受けた測定値に基づいて以下の式（１）から式（４）のように残存水分量Ｄｒ乃至は蓄積水分量Ｄを計算する。

ここで上記式（１）から式（４）中の各変数について説明する。変数Ｄｓは、第１空気配管４ａから圧縮機本体８に吸気される吸込空気の水分量（以降、吸込水分量という）を表す。変数Ｑｓは、第１空気配管４ａにおける吸込空気の流量（以降、吸込流量という）を表し、吸込温度Ｔｓ及び吸込圧力Ｐｓに基づいて過去のデータから推定される値である。変数Ｈｓは、吸込温度Ｔｓに対応する飽和水蒸気圧である。変数Ｍｓは、第１空気配管４ａにおける吸込空気の湿度（以降、吸込湿度という）を表し、吸込温度Ｔｓ及び吸込圧力Ｐｓに基づいて過去のデータから推定される値である。変数Ｄｄは、第２空気配管４ｂを通じて圧縮機本体８から吐出される単位体積当りの圧縮空気の水分量（以降、吐出水分量という）を表す。変数Ｈｄは、吐出温度Ｔｄに対応する飽和水蒸気圧である。変数Ｄｒは、吸込水分量と吐出水分量の差分であり、油に混入する水分量、言い換えると油分離回収器１０で油に混入し得る水分量（以降、残存水分量という）を表す。変数Ｄは、油に混入する水分量Ｄｒを蓄積した量（以降、蓄積水分量という）である。

次に図３を参照して本実施形態の制御フローについて説明する。本実施形態の油冷式スクリュ圧縮機２は、起動後（ステップＳ３−１）、インバータ制御部３２によりモータ１４の第１回転数と第２回転数のうち高い方の回転数でインバータ１６を制御する（ステップＳ３−２）。ここで、第１回転数は、残存水分量Ｄｒが目標水分量となるモータ１４の回転数である。目標水分量は、例えばゼロに設定し、即ち油に水分が混入して実質的に蓄積しないように設定してもよい。第２回転数は、吐出圧力Ｐｄが目標圧力となるモータ１４の回転数である。目標圧力は、供給先から要求される要求圧力に応じて設定される。

インバータ制御部３２により第１回転数が選択されると、残存水分量Ｄｒを本実施形態の目標水分量であるゼロに追従するようにモータ１４の回転数が制御される（ステップＳ３−３）。このとき、吐出圧力Ｐｄが放気圧力よりも高いか否かを判断する（ステップＳ３−４）。吐出圧力Ｐｄが放気圧力よりも高い場合は、放気弁制御部３４により放気弁１２を開いて放気し減圧する（ステップＳ３−５）。そうでない場合は放気を行わない。そして再びインバータ制御部３２によりモータ１４の第１回転数と第２回転数のうち高い方の回転数でインバータ１６を制御し（ステップＳ３−２）、これらの処理を繰り返す。ここで、放気圧力とは、目標圧力付近での放気弁１２の頻繁な開閉動作を防ぐために、目標圧力よりも若干高く設定される圧力のことである。

インバータ制御部３２により第２回転数が選択されると、吐出圧力Ｐｄが目標圧力に追従するように制御される（ステップＳ３−６）。この場合、吐出圧力は目標圧力を上回ることがないため放気は必要ない。そして再びインバータ制御部３２によりモータ１４の第１回転数と第２回転数のうち高い方の回転数でインバータ１６を制御し（ステップＳ３−２）、これらの処理を繰り返す。

このように、残存水分量Ｄｒを所定の目標水分量に維持すると共に、油分離回収器１０の圧力を目標圧力に維持できる。その結果、水分が油分離回収器１０内に蓄積することを防止すると共に、要求圧力が低い低負荷状態から要求圧力が高い高負荷状態に変化しても即時に要求圧力を供給開始できる。

（第２実施形態）
図４は、第２実施形態の油冷式スクリュ圧縮機２の概略構成図を示している。本実施形態の油冷式スクリュ圧縮機２は、第１空気配管４ａに吸込流量センサ３８及び吸込湿度センサ４０が設けられたことに関する以外は図１の第１実施形態と実質的に同様である。従って、図１に示した構成と同様の部分については説明を省略する。

本実施形態では、第１空気配管４ａに、圧縮機本体８への吸込流量Ｑｓを検出するための吸込流量センサ３８と、圧縮機本体８への吸込湿度Ｍｓを検出するための吸込湿度センサ４０とが設けられている。吸込流量センサ３８及び吸込湿度センサ４０は、制御装置３０に測定値をそれぞれ出力する。

図５に示すように、本実施形態の演算部３６は、吸込流量センサ３８、吸込湿度センサ４０、吸込温度センサ２２、吸込圧力センサ２４、吐出温度センサ２６、及び吐出圧力センサ２８からの測定値に基づいて上記式（１）から式（３）のように残存水分量Ｄｒを計算する。

上記式（１）から式（４）の変数のうち、吸込流量Ｑｓ及び吸込湿度Ｍｓは、第１実施形態と異なり、吸込流量センサ３８及び吸込湿度センサ４０で測定した実測値を使用する。従って、より正確な残存水分量Ｄｒ乃至は蓄積水分量Ｄを算出できる。

本実施形態の制御フローについては、図３に示す第１実施形態の制御フローと同一である。

（第３実施形態）
図６は、第２実施形態の油冷式スクリュ圧縮機２の概略構成図を示している。本実施形態の油冷式スクリュ圧縮機２は、第１空気配管４ａに吸込弁４２が追加されたことに関する以外は図１の第１実施形態と実質的に同様である。従って、図１に示した構成と同様の部分については説明を省略する。

本実施形態では、第１空気配管４ａに、圧縮機本体８への空気の供給量を調整するための吸込弁４２が設けられている。また、制御装置３０は、吐出圧力Ｐｄが所定の放気圧力を超えたとき、閉じるように吸込弁４２を制御する吸込弁制御部４４をさらに備える。本実施形態の放気弁制御部３４は、吐出圧力Ｐｄが所定の放気圧力を超えたとき、開放するように放気弁１２を制御する。

本実施形態では、制御フローについては、図３に示す第１実施形態の制御フローと概略同一であるが、ステップＳ３−５において放気弁１２により放気すると共に吸込弁４２も同時に閉じる。このように放気弁１２を開くとともに吸込弁４２を閉じることで、油冷式スクリュ圧縮機２における異常昇圧のより確実な防止と消費動力の低減ができる。

この発明の具体的な実施形態について説明したが、この発明は上記実施形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。例えば、上記第１から第３実施形態で記載した内容を適宜組み合わせたものを、この発明の一実施形態としてもよい。また、吸込温度センサ２２、吸込圧力センサ２４、吐出温度センサ２６、吐出圧力センサ２８、吸込流量センサ３８、および吸込湿度センサ４０の各々は、空気流路４における何れかの空気配管４ａ〜４ｄだけでなく、センサそれぞれで同等の測定値を得られる他所に設置してもよい。

また、残存水分量は、圧縮機本体８が吸い込む１ｍ^３当たりのガス中の水分の量（吸込水分量）および圧縮機本体８が飽和状態で吐き出す１ｍ^３当たりのガスに随伴し、流出してゆく水分の量（吐出水分量）の差分であればよく、上記実施形態以外の演算で求めてもよい。たとえば、残存水分量Ｗｒは、次の数式５および６で求められる吸込水分量Ｗｓと吐出水分量Ｗｄの差分（Ｗｒ＝Ｗｓ−Ｗｄ）から求めることができる。

圧縮機本体８の吸込みガスが、吸込空気である場合、吸込温度をＴｓ(℃)、吸込湿度でＭｓ(％)とすると、吸込水分量Ｗｓ(kg/m³)は次式で表される。

ここでＨｓ(=Ｍｓ÷100×Ｈｓ')は水蒸気分圧（mmHg）を表し、Ｈｓ’(=10^{8.884-2224.4÷(273+Ｔｓ)})は飽和水蒸気圧（mmHg）を表す。ただし、「10^X」は10のX乗(=10^X)を意味する。

次に、圧縮空気の圧力、即ち吐出圧力をＰｄ(kg/cm²G)、圧縮空気の温度、即ち吐出温度をＴｄ(℃)とすると、吐出水分量Ｗｄ(kg/m³)は次式で表される。

ここでＨｄ(=100÷100×Ｈｄ'=Ｈｄ')は水蒸気分圧（mmHg）を表し、Ｈｄ’(=10^{8.884-2224.4÷(273+Ｔｄ)})は飽和水蒸気圧（mmHg）を表す。

２ 油冷式スクリュ圧縮機
４ 空気流路
４ａ 第１空気配管
４ｂ 第２空気配管
４ｃ 第３空気配管
４ｄ 第４空気配管
６ 油流路
６ａ 第１油配管
６ｂ 第２油配管
８ 圧縮機本体
８ａ 吸気口
８ｂ 吐出口
１０ 油分離回収器
１０ａ 油分離エレメント
１０ｂ 油タンク
１２ 放気弁
１４ モータ
１６ インバータ
１８ 油フィルタ
２０ 油冷却器
２２ 吸込温度センサ
２４ 吸込圧力センサ
２６ 吐出温度センサ
２８ 吐出圧力センサ
３０ 制御装置
３２ インバータ制御部
３４ 放気弁制御部
３６ 演算部
３８ 吸込流量センサ
４０ 吸込湿度センサ
４２ 吸込弁
４４ 吸込弁制御部

Claims (8)

1. 電動機によって駆動される圧縮機本体と、
   前記電動機の回転数を変更するためのインバータと、
   前記圧縮機本体の吐出口と流体的に接続された油分離回収器と、
   前記油分離回収器と流体的に接続され、前記油分離回収器から放気するための放気弁と、
   前記油分離回収器で油に混入し得る水分量である残存水分量を演算して求める演算部と、
   前記残存水分量が目標水分量となる前記電動機の第１回転数と吐出圧力が目標圧力となる前記電動機の第２回転数とを比較して大きい方の回転数で前記電動機を駆動させるように前記インバータを制御するインバータ制御部と、前記第１回転数で前記電動機を駆動する場合に前記吐出圧力が前記目標圧力よりも高く設定された所定の放気圧力を超えている間は前記放気弁を開弁する放気弁制御部とを有する制御装置と
   を備える油冷式スクリュ圧縮機。
2. 前記圧縮機本体への吸込温度を検出するための吸込温度センサと、
   前記圧縮機本体への吸込圧力を検出するための吸込圧力センサと、
   前記圧縮機本体からの吐出温度を検出するための吐出温度センサと、
   前記圧縮機本体からの吐出圧力を検出するための吐出圧力センサと
   をさらに備え
   前記演算部は、少なくとも前記吸込温度、前記吸込圧力、前記吐出温度、及び前記吐出圧力に基づいて前記残存水分量を演算して求める、請求項１に記載の油冷式スクリュ圧縮機。
3. 前記残存水分量は、吸込空気の水分量と圧縮空気の水分量の差分から求められる、請求項１又は請求項２に記載の油冷式スクリュ圧縮機。
4. 前記圧縮機本体への吸込流量を検出するための吸込流量センサと、
   前記圧縮機本体への吸込湿度を検出するための吸込湿度センサと
   をさらに備え、
   前記演算部は、前記残存水分量の演算に前記吸込流量と前記吸込湿度とを使用する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の油冷式スクリュ圧縮機。
5. 前記圧縮機本体への吸込空気量を調整するための吸込弁をさらに備え、
   前記制御装置は、前記吐出圧力が所定の放気圧力を超えたとき、前記吸込弁を閉弁する吸込弁制御部をさらに備えている、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の油冷式スクリュ圧縮機。
6. 油分離回収器で油に混入し得る水分量である残存水分量を演算し、
   前記残存水分量が目標水分量となる圧縮機の第１回転数を計算し、
   吐出圧力が目標圧力となる前記圧縮機の第２回転数を計算し、
   前記第１回転数と前記第２回転数を比較して大きい方の回転数で前記圧縮機を駆動し、
   前記第１回転数で前記圧縮機を駆動しているとき、前記吐出圧力が前記目標圧力よりも高く設定された所定の放気圧力を超えている間、前記圧縮機の圧縮空気を大気中に放出させる、油冷式スクリュ圧縮機の制御方法。
7. 前記残存水分量の演算は、少なくとも吸込温度、吸込圧力、吐出温度、及び吐出圧力に基づいて行われる、請求項６に記載の油冷式スクリュ圧縮機の制御方法。
8. 前記残存水分量は、吸込空気の水分量と圧縮空気の水分量の差分から求められる、請求項６又は請求項７に記載の油冷式スクリュ圧縮機の制御方法。

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