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WO2015198647A1 - 気体圧縮機 - Google Patents

気体圧縮機 Download PDF

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Publication number
WO2015198647A1
WO2015198647A1 PCT/JP2015/057408 JP2015057408W WO2015198647A1 WO 2015198647 A1 WO2015198647 A1 WO 2015198647A1 JP 2015057408 W JP2015057408 W JP 2015057408W WO 2015198647 A1 WO2015198647 A1 WO 2015198647A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
lubricating oil
bearing
oil
pressure
compressor
Prior art date
Application number
PCT/JP2015/057408
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
航平 酒井
利明 矢部
Original Assignee
株式会社日立産機システム
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社日立産機システム filed Critical 株式会社日立産機システム
Priority to US15/305,373 priority Critical patent/US20170051743A1/en
Priority to JP2016529108A priority patent/JP6272479B2/ja
Priority to CN201580021033.7A priority patent/CN106232990B/zh
Publication of WO2015198647A1 publication Critical patent/WO2015198647A1/ja
Priority to US16/712,534 priority patent/US20200166030A1/en

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    • F04C2270/052Speed angular
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    • F04C2270/20Flow
    • F04C2270/205Controlled or regulated

Definitions

  • the present invention relates to a gas compressor, and more particularly to a gas compressor that controls a bearing oil supply amount according to a rotational speed and a discharge pressure.
  • ⁇ Oil-free screw compressors that do not require oil or water supply to the compression chamber are known.
  • a screw compressor or the like that has a pair of male and female screw rotors that can rotate in a non-contact and oil-free manner and compresses a gas such as air by the screw rotors is known.
  • a lubricating oil that lubricates and cools rotor bearings, gears, a compressor body, and the like, and a heat exchanger that exchanges heat between the lubricating oils are provided. The lubricating oil is circulated.
  • the supply amount of lubricating oil required for bearing lubrication of a rotor that is a compression rotating body can be defined by a constant according to the bearing specifications, a target bearing temperature, a rotation speed, a discharge pressure, and a load by a gear. During the operation of the compressor, the rotation speed or the discharge pressure becomes a variable, and the oil supply amount is changed by either of them.
  • Patent Document 1 describes that the oil supply means to the bearing is controlled at the time of no-load operation or at a low rotation, and the amount of oil supply is reduced and the power consumption is reduced compared to the load operation. .
  • the relationship between the pressure of the compressed gas and the amount of gas discharged can be variously designed according to the specifications.
  • Patent Document 2 an operation method in which the amount of gas is large even at the same pressure is known (Patent Document 2).
  • the increase in the amount of discharged gas is controlled by the number of revolutions (the number of revolutions of a compression means such as a screw, the number of revolutions of a motor that drives the compressor).
  • Such an operation in which the discharge pressure is reduced and the rotation speed is increased is known as a “low pressure wind-up operation”.
  • JP 2002-364568 A Japanese Patent Laid-Open No. 9-209949
  • Patent Document 1 uses either the rotation speed or the discharge pressure (bearing load) to reduce the amount of oil supplied to the bearing during no-load operation or low rotation, but the relationship between the discharge pressure and the rotation speed is low.
  • the bearing oil supply amount cannot be properly controlled. It is desirable to appropriately control the amount of bearing oil supplied for various specifications of discharge pressure (bearing load) and rotation speed.
  • a gas compressor is a compressor body having a rotating body that compresses gas, a bearing that supports the rotating body on the compressor body casing, and an oil case that stores lubricating oil supplied to the bearing.
  • a lubricating oil pipe through which the lubricating oil flows from the oil case to the bearing, an oil pump that pumps the lubricating oil from the oil case to the bearing through the lubricating oil pipe, and an amount of lubricating oil that flows through the lubricating oil pipe
  • a flow rate control means an electric motor that supplies power to the rotating body, an inverter that outputs a rotation frequency of the electric motor, a pressure sensor that detects a discharge pressure of the compression body, and the pressure sensor that corresponds to the detected pressure of the pressure sensor
  • the amount of lubricating oil supplied to the bearing is determined from the number of rotations of the rotating body corresponding to the load of the bearing and the rotational frequency output from the inverter, and the flow is determined based on the amount of lubricating oil supplied.
  • a configuration and a control unit for controlling the control means is determined from the number of rotations of the rotating body corresponding to the load of the bearing and the rotational frequency output from the inverter, and the flow is determined based on
  • an appropriate amount of lubricating oil can be supplied to the bearing in accordance with the bearing load corresponding to the discharge pressure and the bearing rotational speed.
  • FIG. 1 illustrates an overall configuration of an oil-free screw compressor 100 (hereinafter simply referred to as “compressor 100”) as an embodiment to which the present invention is applied.
  • compressor 100 compresses air (atmosphere).
  • the compressor 100 is not limited to an oil-free screw compressor.
  • the compressor 100 includes a compressor main body 1 having a pair of male and female screw rotors (rotating bodies) that can rotate in a non-contact and non-lubricating manner with a timing gear, and for compressed air that cools the compressed air discharged from the compressor main body 1.
  • the control device A is composed of a programmable computer, and is characterized by controlling the oil supply amount of the compressor bearing 16 by the discharge pressure (bearing load) and the rotational speed.
  • the housing of the compressor 100 includes a scavenging port 40 for scavenging air in the housing on the upper surface, and an intake port 41 for sucking outside air on the side of the housing facing the motor 2 located on the upstream side of the airflow in the housing.
  • a scavenging cooling fan 20 is provided inside the housing in the vicinity of the scavenging port 40, and outside air flows in the order of the motor 2, the compressor body 1, and the heat exchangers 14 a and 14 b from the intake port 41, and the exhaust duct 35. The outside air that has reached the point is scavenged from the scavenging port 40 to the outside of the housing.
  • the number of rotations of the cooling fan 20 is controlled by the control device A within a certain range according to detection signals from various sensors (not shown) that monitor the pressure of the compressed air, the temperature of the motor 2, and the like. To be controlled.
  • the motor 2 receives electric power of an arbitrary frequency from the inverter 19 via the control device A, and can rotate at a variable speed.
  • a driving pulley 3a is installed at the output shaft end of the motor 2, and is transmitted to the driving pulley 3b via the driving belt 4 suspended on the driving pulley 3a.
  • the driving pulley 3 b is connected coaxially with the gear shaft 6.
  • the gear shaft 6 is connected to a bull gear 7 disposed inside the gear case 11, and this bull gear 7 meshes with a pinion gear 8 installed at the end of the male (or female) rotor shaft of the compressor main body 1.
  • the power of 2 is transmitted to the screw rotor.
  • Compressor body 1 draws in outside air from the intake section via air filter 5 and compresses it.
  • the compressed air is discharged to the pipe 25a.
  • the pipe 25a is connected to the compressed air heat exchanger 14b, but there is a branch to the air discharge path 26 in front of the pipe 25a.
  • the air release path 26 can release compressed air to the atmosphere by opening and closing an electromagnetic valve 27 provided on the downstream side thereof. That is, the compressor 100 consumes compressor air on the user side, and when the pressure of the compressed air reaches a predetermined value, the compressor 100 performs a no-load operation that reduces the load on the compressor body 1 and reduces power consumption. It has become. In normal operation, the compressed air discharged to the pipe 25a flows to the heat exchanger 14b for compressed air.
  • Compressed air heat exchanger 14b is a tube-type or plate-type heat exchanger.
  • the compressed air heat exchanger 14b is supplied with a coolant (water or coolant) (not shown), cools the compressed air to a desired temperature by heat exchange with the coolant, and then discharges the compressed air to the user side via the pipe 25b. It is like that.
  • a pressure sensor 18 that measures the discharge pressure value and outputs it to the control device A is installed downstream of the pipe 25b. That is, the pressure sensor 18 measures the pressure value on the use side (user side) of compressed air.
  • an oil pump driving gear 9 is installed on the shaft end of the gear shaft 6 opposite to the pulley 3b.
  • the pump driving gear 9 meshes with a driven gear connected to the oil pump 10 so that the power of the motor 2 is transmitted to the oil pump 10.
  • the oil pump 10 pumps the lubricating oil 12 stored in the gear case 11 to the lubricating oil heat exchanger 14c via the lubricating oil pipe 13a.
  • the lubricating oil 12 cooled to a predetermined temperature or lower by the lubricating oil heat exchanger 14c is sent to the discharge-side and intake-side compressor bearings 16 through the lubricating oil pipe 13b and the oil filter 15, and thereafter.
  • the gear case 11 is collected.
  • the oil pump 10 uses a drive system of the compressor body 1 through a pump drive gear 9 and the like. That is, the supply amount of the lubricating oil also increases / decreases as the rotational speed of the motor 2 increases / decreases.
  • the oil pump 10 is designed so that the required supply amount Q of the lubricating oil supplied from the oil pump 10 according to the rotational speed satisfies the following [Equation 1] in normal operation (so-called rated operation). It shall be.
  • a drain oil solenoid valve 17 and a lubricating oil pipe 13c are provided as flow control means for controlling the supply of the lubricating oil.
  • the lubricating oil 12 conveyed from the pump 10 is returned to the gear case 11 via the lubricating oil pipe 13a by turning the oil draining electromagnetic valve 17 "open (ON)" in accordance with a command from the control device A. It has become.
  • the amount of lubricating oil flowing through the lubricating oil passages 13a and 13b can be controlled by "opening (ON) / closing (OFF)" of the oil discharge solenoid valve 17, and as a result, the oil supply amount of the bearing 16 is increased or decreased. become. That is, it is necessary to limit the amount of lubricating oil to be supplied at the time of “low-pressure wind-increasing operation” described later.
  • the oil discharge solenoid valve 17 when the oil discharge solenoid valve 17 is set to “open (ON)”, not all the lubricating oil is recirculated from the lubricating oil pipe 13c to the gear case 11, but a part is recirculated, and the other is the lubricating oil. It is configured to be pumped to the pipe 13a or the like. In the case of “open (ON)”, the amount of the lubricating oil pumped to the lubricating oil pipe 13a corresponds to a necessary supply amount (Q) that is an appropriate amount according to the bearing load and the bearing rotational speed. The required supply amount (Q) will be described later.
  • the means for controlling the supply amount of the lubricating oil 12 is not limited to the oil discharge solenoid valve 17.
  • an autonomous motor (such as a motor) may be applied to the pump 10 and the degree of driving may be controlled in accordance with a command value from the control device A or the like, or a combination thereof may be used.
  • the description will be made on the assumption that the switching of the oil discharge solenoid valve 17 is performed in two stages of “open” and “closed”, but the present invention is not limited to this, and can be performed in more stages.
  • the control device A is a programmable computer including an arithmetic device and a volatile / nonvolatile memory, and inputs / outputs control signals to / from each part of the compressor 100 in cooperation with software and the arithmetic device. Further, the control device A receives input from an input panel (not shown) installed on the outer periphery of the housing or from an operator input from a control device (including a PC or server) from the outside of the compressor 100 via a network. The set pressure value is input and stored in a memory (not shown).
  • the control device A receives the current pressure value output from the pressure sensor 18 in real time or at predetermined intervals, compares it with the set pressure value stored in the memory, and compresses until the current pressure value becomes the set pressure value. A predetermined rotation frequency is commanded to the inverter 19 so that the machine main body 1 is loaded. Then, the control device A receives feedback of the current frequency value from the inverter 19.
  • the control device A switches to control of no-load operation.
  • the control device A opens the air release valve 27 to release air through the air release silencer and to reduce the rotational frequency of the compressor main body rotor to the inverter 19 to reduce the rotational frequency. Is output.
  • the current pressure value from the pressure sensor 18 is continuously monitored, and when the pressure value drops below the set pressure or near the set pressure according to the consumption of the compressor air on the user side, the release valve 27 Is closed and the inverter 19 is commanded to increase the rotational frequency until the set pressure value is reached, and the load operation is resumed.
  • control device A compares the pressure detected by the pressure sensor 18 and the result of the output frequency command value of the motor 2 obtained based on the pressure with a predetermined set value, and opens / closes the oil discharge solenoid valve 17. Decide to close. Before describing the control of the oil discharge solenoid valve 17, the low pressure wind increase operation of the compressor 100 will be described.
  • the compressor 100 is configured to be able to perform a low-pressure wind increase operation.
  • the low-pressure wind increase operation refers to an operation in which the rotation speed of the compressor rotor is increased with respect to the discharge pressure of the compressor body 1 and the air amount with respect to the discharge pressure is increased. Further, the increase in the rotational speed of the compressor rotor is increased in the same range as the power consumption during normal operation. As a result, the power consumption is constant, the amount of air is increased, and low-pressure compressed air can be generated.
  • Such control is performed by changing the output frequency of the inverter 19.
  • the control device A causes the inverter 19 to drive the motor 2 at a preset frequency corresponding to the set pressure value. If the frequency at this time is the rated frequency, the motor 2 is driven at a frequency higher than the rating in the low pressure wind-up operation.
  • the operator may change the operation state by inputting and setting the pressure and the air volume via the input panel described above, or the pressure and frequency as the initial value of the low-pressure wind increase operation.
  • a value may be stored in advance in a memory, and the operator may switch the operation mode from the input panel.
  • the operation in which the pressure is lower and the frequency is higher than the rated operation will be described as the low-pressure wind-increasing operation, but the present invention is also applicable to the case where the frequency at any operation is rated. It can be done.
  • the amount of lubricating oil to be supplied to the bearing 16 also changes according to each operating condition. There is a need to. That is, if the supply amount of the lubricating oil during the low-pressure wind-up operation is left as it is during the rated operation, the supply amount becomes excessive, resulting in a mechanical loss.
  • FIG. 3 shows the relationship between the rotation frequency ratio and the bearing oil supply ratio, and the operation of the oil discharge solenoid valve 17.
  • line C is a line showing the relationship between the rotational frequency ratio and the amount of oil supplied to the bearing.
  • the required amount of oil supplied to the bearing 16 is, for example, [Equation 1] described above.
  • the range D in the high speed rotation region becomes an excessive oil supply state with respect to the required oil supply amount.
  • the power consumed by the compressor 100 includes a mechanical loss that occurs in the compressor bearing 16.
  • the mechanical loss includes a loss that changes according to the rotational speed and a friction loss that changes depending on the oil supply temperature and the amount of oil supplied.
  • the control device A reduces the amount of oil supplied to the bearing 16 by opening the oil draining electromagnetic valve 17 at the time of low-pressure wind increase in which the rotation frequency ratio exceeds 100%. As a result, power consumption due to friction loss or the like can be reduced (depending on the specification, for example, reduction of about 1 to several percent).
  • the control device A has a bearing load (F) corresponding to the current pressure value from the pressure sensor 18, a bearing rotational speed (n) corresponding to the output frequency value fed back from the inverter 19, and a coefficient ( The required supply amount (Q) is obtained from a), and it is determined whether the pumping amount of the oil pump 10 corresponding to the output frequency value exceeds the obtained required supply amount (Q).
  • the solenoid valve 17 is instructed to “open (ON)” to limit the amount of lubricating oil that is pumped to the lubricating oil pipes 13a and 13b.
  • the control device A determines the required supply amount and the current oil based on the corresponding bearing load from the current pressure value from the pressure sensor 18 and the output frequency fed back from the inverter 19 and the corresponding bearing rotational speed.
  • the bearing 16 can be appropriately adjusted according to the bearing load and the bearing rotational speed.
  • the oil supply amount is controlled.
  • the optimal amount of lubricating oil 12 can be dynamically obtained according to the relationship between the rotational frequency and the discharge pressure, and unnecessary power consumption can be reduced by reducing unnecessary loss. Mitigation can be improved.
  • the compressor 100 since a certain amount of lubricating oil is pumped to the lubricating oil pipe 13 a even when the oil discharge solenoid valve 17 is “open”, the lubricating oil is not supplied to the bearing 16 or the like when the compressor body 1 is driven. There is no loss of supply.
  • the compressor 100 is provided with a lubricating oil pipe 13c and a drained electromagnetic valve 17 for adjusting the amount of lubricating oil supplied to the bearing 16 and the like, and an oil pump drive system is provided to increase the efficiency of the configuration.
  • the amount of lubricating oil can be adjusted while ensuring the structural advantage of utilizing the drive system of the compressor body.
  • the control device determines the appropriate amount of lubricating oil according to the bearing load and the bearing rotational speed corresponding to the current pressure sensor value, the input set pressure value, and the frequency command value to the inverter 19, respectively.
  • the correspondence table in which the oil supply amount corresponding to the pressure and the frequency is calculated is stored in advance in the memory, and the opening / closing of the oil discharge control valve 17 is determined based on the correspondence table. You may comprise as follows. The calculation processing load can be reduced.
  • Such a correspondence table may be stored for normal operation and low-pressure wind increase operation, respectively, and switched together with the operation mode. Further, a table may be used during normal operation or low-pressure wind-in operation, and the calculation may be performed by the control device A in the other operation, or vice versa.
  • the drive system of the oil pump 10 is shared with the drive system of the compressor body 1 .
  • the drive system of the oil pump 10 is made independent using a small electric motor, and the control device A
  • the supply amount of the lubricating oil may be adjusted by outputting a drive command to the oil pump 10. That is, when the required supply amount (Q) of the lubricating oil determined by the control device A is larger than the current supply amount of the oil pump 10, the control device A causes the small electric motor to be the required supply amount (Q). A command to decrease the rotational speed is output, and if it is low, a command to increase is output.
  • a single-stage machine is used as an example of the compressor 100, but a multi-stage machine including a low-pressure stage compressor and a high-pressure stage compressor may be used.
  • the compression means is not limited to a pair of male and female screw compressors, but can also be applied to compression means configured to supply lubricating oil to the bearing (for example, scroll type, claw type, single or triple type). Screw type).
  • the double rotor type screw compressor has been described as the compressor rotor.
  • a single rotor or a triple rotor may be used, and a scroll type, reciprocating type, claw type, screw and rotary compression plate may be used. It can be applied to the bearing oil supply control of a compressor such as a mixing type.

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Abstract

 吐出圧力(軸受荷重)と、回転数との仕様に対して軸受給油量の適正な制御を行う。気体を圧縮する回転体を有する圧縮機本体と、回転体を圧縮機本体ケーシングに支持する軸受と、軸受に供給する潤滑油を貯留するオイルケースと、オイルケースから軸受に潤滑油が流通する潤滑油配管と、潤滑油配管を介してオイルケースから軸受に潤滑油を圧送するオイルポンプと、前記潤滑油配管を流通する潤滑油量を調整する流量制御手段と、前記回転体に動力を供給する電動機と、電動機の回転周波数を出力するインバータと、前記圧縮本体の吐出圧力を検出する圧力センサと、前記圧力センサの検出圧力に対応する前記軸受の荷重及び前記インバータの出力する回転周波数に対応する前記回転体の回転数から前記軸受への潤滑油供給量を決定し、該潤滑油供給量に基づいて前記流用制御手段を制御する制御部とを有する。

Description

気体圧縮機
 本発明は、気体圧縮機に係り、回転数、吐出圧力に応じた軸受給油量を制御する気体圧縮機に関する。
 圧縮作動室に油や水の供給を必要としない無給油式スクリュー圧縮機が知られている。例えば、非接触かつ無給油で回転可能な一対の雄雌のスクリューロータを有し、このスクリューロータによって空気等の気体を圧縮するスクリュー圧縮機等が知られている。無給油式スクリュー圧縮機の一般的な構成として、ロータの軸受、ギヤ及び圧縮機本体等を潤滑、冷却する潤滑油と、この潤滑油を熱交換する熱交換器を備えており、オイルポンプによって潤滑油を循環させるようになっている。
 圧縮回転体であるロータの軸受潤滑に必要な潤滑油の供給量は、軸受の仕様による定数と、軸受目標温度と、回転数、吐出圧力及びギヤによる荷重とによって定義できる。圧縮機の運転中には、回転数若しくは吐出圧力が変数となり、そのどちらか一方によって給油量を変化させるようになっている。
 このような技術として、特許文献1には、無負荷運転時若しくは低回転時に軸受への給油手段を制御し、負荷運転時よりも給油量を低下させ、消費動力を低減させると記載されている。
 他方、圧縮機において、圧縮気体の圧力と、吐き出す気体量との関係は仕様によって種々設計可能である。例えば、同じ圧力でも気体量は大とする運転方法が知られている(特許文献2)。吐出気体量の増加は、回転数(スクリュー等の圧縮手段の回転数やこれを駆動する発動機の回転数等)によって制御を行う。このように吐出圧力を低下させるとともに回転数が増加等する運転は、「低圧増風運転」として知られている。
特開2002-364568号公報 特開平9-209949号公報
 圧縮機本体ロータを支持する軸受部に必要な潤滑油の供給量は、以下の数1によって定義されるものとする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
  よって、例えば、低圧増風運転時の場合、吐出圧力(軸受荷重)又は回転数(軸受回転数)のどちらかによる軸受給油量の決定では給油過多になる虞がある。ロータ軸受に対する過剰な給油は、撹拌ロス等による消費電力の非効率化を招来する虞がある。また、他方、軸受の損傷等も招来する虞がある。
 つまり、特許文献1は、回転数若しくは吐出圧力(軸受荷重)の何れか一方を利用して、無負荷運転時若しくは低回転時に軸受の給油量を低下させるが、吐出圧力と回転数の関係が反比例する運転となる場合等には、軸受給油量の適正な制御をすることはできない。吐出圧力(軸受荷重)と、回転数との種々の仕様に対して軸受給油量の適正な制御を行うことが望まれる。
 上記課題を解決するために、例えば、特許請求の範囲に記載の構成を適用する。即ち一例を上げれば、気体圧縮機であって、気体を圧縮する回転体を有する圧縮機本体と、回転体を圧縮機本体ケーシングに支持する軸受と、軸受に供給する潤滑油を貯留するオイルケースと、オイルケースから軸受に潤滑油が流通する潤滑油配管と、前記潤滑油配管を介してオイルケースから軸受に潤滑油を圧送するオイルポンプと、前記潤滑油配管を流通する潤滑油量を調整する流量制御手段と、前記回転体に動力を供給する電動機と、電動機の回転周波数を出力するインバータと、前記圧縮本体の吐出圧力を検出する圧力センサと、前記圧力センサの検出圧力に対応する前記軸受の荷重及び前記インバータの出力する回転周波数に対応する前記回転体の回転数から前記軸受への潤滑油供給量を決定し、該潤滑油供給量に基づいて前記流用制御手段を制御する制御部とを有する構成である。
 本発明によれば、吐出圧力に応じた軸受荷重と、軸受回転数とに応じて適正量の潤滑油を軸受に供給することができる。本発明の他の課題、構成及び効果は、以下の記載から明らかになる。
本発明を適用した一実施の形態である無給油式圧縮機の全体概要構成を示す模式図である。 本実施形態の制御系の処理関係を示す模式図である。 本実施形態の軸受の給油量比を説明する図である。
 以下、図面を用いて、本発明を実施するための形態について説明する。
  図1に、本発明を適用した一実施形態である無給油式スクリュー圧縮機100(以下、単に「圧縮機100」という場合がある。)の全体構成を例示する。本例において、圧縮機100は、空気(大気)を圧縮するものとする。なお、圧縮機100は、無給油式スクリュー圧縮機に限定されるものではない。
 圧縮機100は、タイミングギヤにより非接触かつ無給油で回転可能な雄雌一対のスクリューロータ(回転体)を有する圧縮機本体1と、圧縮機本体1から吐き出される圧縮空気を冷却する圧縮空気用熱交換器14bと、圧縮機本体1内外(吸気側、吐出側)の駆動部で使用される圧縮機軸受16及びギヤ用の潤滑油12と、潤滑油12を冷却する潤滑油用熱交換器14cと、圧縮機本体1のケーシング内部を冷却する冷却用潤滑油を冷却する本体用冷却油熱交換器14aと、この冷却潤滑油や潤滑油12を保持しておくオイルケースを内包するギヤケース11(貯留部)と、ギヤケース11からスクリューロータの軸受16や、ギヤ7及び8に送液するためのオイルポンプ10と、圧縮機100の運転制御を行う制御装置Aとを主に備える。制御装置Aは、プログラマブルコンピュータから構成され、圧縮機軸受16の給油量を、吐出圧力(軸受荷重)及び回転数によって制御する点を特徴の一つとする。
 また、圧縮機100の筺体は、上面に筺体内の空気を掃気する掃気口40を、筺体内気流の上流側に位置するモータ2に対向する筺体側面に外気を吸気する吸気口41を備える。掃気口40近傍の筺体内部には、掃気用の冷却ファン20が設けられ、吸気口41から概略モータ2、圧縮機本体1、熱交換器14a・14bの順で外気が流通し、排気ダクト35に至った外気が、掃気口40から筺体外部に掃気されるようになっている。なお、冷却ファン20の回転数は、圧縮空気の圧力、モータ2の温度等を監視する種々のセンサ(不図示)からの検出信号に応じて、制御装置Aが筺体内部温度を一定範囲に維持するように制御されるようになっている。
 モータ2は、制御装置Aを介してインバータ19から任意の周波数の電力を受け、可変速に回転可能となっている。モータ2の出力軸端には、駆動用プーリ3aが設置され、駆動用プーリ3aに懸架された駆動用ベルト4を介して駆動用プーリ3bに伝わる。駆動用プーリ3bは、ギヤシャフト6の同軸に接続される。ギヤシャフト6は、ギヤケース11内部に配置されたブルギヤ7と接続され、このブルギヤ7が、圧縮機本体1の雄(又は雌)ロータシャフトの端部に設置されたピニオンギヤ8と歯合し、モータ2の動力がスクリューロータに伝達するようになっている。
 圧縮機本体1は、エアフィルタ5を介して吸気部から外気を吸い込み、圧縮する。圧縮空気は、配管25aに吐出される。配管25aは、圧縮空気用熱交換器14bに接続されるが、その手前には放気経路26への分岐がある。放気経路26は、その下流側に設けられた電磁弁27の開閉によって、大気に圧縮空気を放気することができるようになっている。即ち圧縮機100は、ユーザ側の圧縮機空気の消費が減少し、圧縮空気の圧力が所定値に達すると、圧縮機本体1の負荷を軽減させて消費電力を低減させる無負荷運転を行うようになっている。通常運転において、配管25aに吐き出された圧縮空気は、圧縮空気用熱交換機14bに流れる。
 圧縮空気用熱交換機14bは、チューブ式やプレート式の熱交換器からなる。圧縮空気用熱交換機14bは、図示しない冷却液(水やクーラント)の供給を受け、圧縮空気を冷却液との熱交換によって所望の温度に冷却し、その後、配管25bを介してユーザ側に吐き出すようになっている。
 配管25bの下流には、吐出し圧力値を計測し、制御装置Aに出力する圧力センサ18が設置される。即ち圧力センサ18は、圧縮空気の利用側(ユーザ側)の圧力値を測定するようになっている。
 次いで、潤滑油12の循環系統について説明する。
  圧縮機本体1の回転機構と同様にして、ギヤシャフト6上でプーリ3bと反対側の軸端には、オイルポンプ駆動用ギヤ9が設置される。ポンプ駆動用ギヤ9は、オイルポンプ10に接続された被駆動用ギヤと歯合し、モータ2の動力がオイルポンプ10に伝わるようになっている。オイルポンプ10は、潤滑油配管13aを介して、ギヤケース11に貯留された潤滑油12を潤滑油用熱交換器14cに圧送する。潤滑油用熱交換機14cで所定の温度以下に冷却された潤滑油12は、潤滑油用配管13b及びオイルフィルタ15を介して、吐出し側及び吸気側夫々の圧縮機軸受16に送られ、その後、ギヤケース11に回収されるようになっている。
 なお、オイルポンプ10は、ポンプ駆動用ギヤ9等を介して圧縮機本体1の駆動系を利用するようになっている。即ちモータ2の回転数が上昇・低下に応じて潤滑油の供給量も増減することになる。本実施形態では、通常の運転(所謂定格運転)において、オイルポンプ10から回転数に応じて供給される潤滑油の必要供給量Qが、下記〔数1〕を満たすようにオイルポンプ10を設計するものとする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 また、潤滑油配管13aの上流となるオイルポンプ10の2次側とギヤケース11の間には、潤滑油の供給を制御する流量制御手段として、排油電磁弁17及び潤滑油配管13cが設けられる。制御装置Aからの指令に応じて排油電磁弁17を「開(ON)」とすることで、ポンプ10から搬送された潤滑油12が、潤滑油配管13aを介してギヤケース11に戻るようになっている。即ち排油電磁弁17の「開(ON)・閉(OFF)」によって、潤滑油経路13a、13bを流通する潤滑油の量が制御可能となり、その結果、軸受16の給油量を増減するようになる。即ち後述する「低圧増風運転」時では、供給する潤滑油の量を制限する必要があるためである。
 また、排油電磁弁17は、「開(ON)」とした場合に、全ての潤滑油が潤滑油配管13cからギヤケース11に還流されるものではなく、一部が還流され、他は潤滑油配管13a等に圧送される様に構成される。「開(ON)」となった場合に、潤滑油配管13aに圧送する潤滑油の量は、軸受荷重と軸受回転数に応じて適切な量となる必要供給量(Q)に相当する。必要供給量(Q)については、後述する。
  なお、潤滑油12の供給量を制御する手段は、排油電磁弁17に限るものではなない。例えば、ポンプ10に自律型の発動機(モータ等)を適用し、制御装置A等からの指令値に応じて駆動の程度を制御する様に構成してもよいし、これらを組み合わせてもよい。また、本実施例では、排油電磁弁17の切替が「開」と「閉」の2段階にするものとして説明するが、これに限るものではなく、より多段階とすることもできる。
 次いで、図2に制御装置Aの制御系統を模式的に示す。制御装置Aは、演算装置や揮発・不揮発のメモリを備えるプログラマブルコンピュータであり、ソフトウェアと、演算装置との協働によって、圧縮機100の各部と制御信号の入出力を行う。また、制御装置Aは、筺体外周等に設置された入力パネル(不図示)や、ネットワークを介して圧縮機100の外部から制御機器(PCやサーバを含む。)から入力された操作者からの設定圧力値の入力を受け、これをメモリ(不図示)に記憶するようになっている。
 制御装置Aは、圧力センサ18から出力される現在の圧力値をリアルタイム若しくは所定の間隔で受け、メモリに記憶した設定圧力値と比較し、現在の圧力値が設定圧力値になるまでは、圧縮機本体1を負荷運転するようにインバータ19に所定の回転周波数を指令する。そして、制御装置Aは、インバータ19から現在の周波数値のフィードバックを受けるようになっている。
 他方、圧力センサ18からの現在の圧力値が設定圧力値に達すると、制御装置Aは、無負荷運転の制御に切り替わる。無負荷運転において、制御装置Aは、放気弁27を開にして放気サイレンサを経由して放気すると共に圧縮機本体ロータの回転数を低下させるために、インバータ19に回転周波数の低下指令を出力する。その後、圧力センサ18からの現在の圧力値を監視し続け、ユーザ側の圧縮機空気の消費に応じて、当該圧力値が設定圧力に以下或いは設定圧力付近まで低下したときに、放気弁27を「閉」とし、設定圧力値になるまで、インバータ19に回転周波数の上昇を指令し、負荷運転を再開するようになっている。
 また、制御装置Aは、圧力センサ18が検出した圧力と、それに基づいて得られたモータ2の出力周波数指令値の結果を予め定められた設定値と比較し、排油電磁弁17の開・閉を決定する。本排油電磁弁17の制御を説明する前に、圧縮機100の低圧増風運転について説明する。
 本実施形態において、圧縮機100は、低圧増風運転を行うことができるように構成している。ここで、低圧増風運転とは、圧縮機本体1の吐出圧力に対して、圧縮機ロータの回転数を増加させ、吐出し圧力に対する空気量が増加する運転をいう。また、圧縮機ロータの回転数の増加は、通常運転時の消費動力と同一の範囲で上昇させるようになっている。これによって、消費動力が一定で、空気量が増加し且つ低圧の圧縮空気を生成することができる。
 このような制御は、インバータ19の出力周波数を変更することによって行われる。例えば、通常運転(定格運転)において、制御装置Aはインバータ19に対して、設定圧力値に対応する予め設定された周波数でモータ2を駆動させる。この時の周波数を定格周波数とすれば、低圧増風運転では、定格よりも高い周波数でモータ2を駆動させるようになっている。
 低圧増風運転は、上述した入力パネル等を介して、操作者が圧力と風量を入力設定することで運転状態を変更するようにしてもよいし、低圧増風運転の初期値として圧力と周波数値が予めメモリ上に記憶させておき、操作者が入力パネルから運転モードを切り替える構成してもよい。なお、本実施形態では、定格運転に対して圧力が低く且つ周波数がより高くなる運転を低圧増風運転として説明するが、本発明は、何れの運転時の周波数を定格とする場合にも適用できるものである。
 定格運転と低圧増風運転のように、吐出圧力(軸受荷重)と、ロータの回転数との関係が一律でなくなると、軸受16に供給するべき潤滑油の量も各運転条件に応じて変更する必要がある。即ち低圧増風運転時の潤滑油供給量を、定格運転時の供給量のままにすると供給過多となり、機械損失に起因する。
 図3に、回転周波数比と軸受給油量比の関係と、排油電磁弁17の動作とを示す。図中、C線は回転周波数比に対して軸受に供給される給油量との関係を示す線である。この時、軸受16への必要給油量は、例えば、上述の〔数1〕であるものとする。
 〔数1〕によれば、回転周波数が増加しても軸受16の荷重が低下(作動室の圧縮圧力が低下)すれば、軸受16への必要給油量は変化しない。例えば、低圧増風運転において、回転周波数比が120%になった場合、荷重は80%となり、必要給油量は回転周波数比100%のときと同等でよいこととなる。
 これに対して、従来の回転周波数の増大に応じて軸受給油量の増加量を決定する方式では、高速回転領域におけるDの範囲が必要な給油量に対して給油過多の状態となる。
 圧縮機100の消費動力には、圧縮機軸受16で発生する機械損失が含まれるが、機械損失には、回転速度に応じて変化する損失と、給油温度や給油量により変化する摩擦損失とが主に含まれる。制御装置Aは、回転周波数比が100%を超える低圧増風時に、排油電磁弁17を「開」として、軸受16の給油量を低減させる。これにより摩擦損失などによる消費動力を低減することができる(仕様に応じて異なるが、例えば、1~数%程度の低減。)。
 具体的には、制御装置Aは、圧力センサ18からの現在圧力値に対応する軸受荷重(F)と、インバータ19からフィードバックされる出力周波数値に対応する軸受回転数(n)と、係数(a)とから必要供給量(Q)を求め、当該出力周波数値に対応するオイルポンプ10の圧送量が、求めた必要供給量(Q)が超えるかを判定し、超える場合には、排油電磁弁17を「開(ON)」とする指令をし、潤滑油配管13a、13bに圧送する潤滑油量を制限する。その後も、制御装置Aは、圧力センサ18からの現在圧力値と、インバータ19からフィードバックされる出力周波数とから対応する軸受荷重と、対応する軸受回転数とに基づいて必要供給量と現在のオイルポンプ10の圧送量とを監視し、排油電磁弁17の「開(ON)・閉(OFF)」の制御を行うことで、軸受16に対して、軸受荷重と軸受回転数に応じた適当な給油量を制御するようになっている。
 このように、圧縮機100によれば、回転周波数と、吐出圧力との関係に応じて動的に最適な潤滑油12の給油量を得ることができ、不要な損失を軽減させて消費動力の軽減を向上させることができる。
 また、圧縮機100では、排油電磁弁17が「開」の状態でも一定の潤滑油が潤滑油配管13aに圧送されるため、圧縮機本体1の駆動時に、軸受16等への潤滑油の供給が無くなることが無い。
 また、圧縮機100では、軸受16等に供給する潤滑油量の調整に対して潤滑油配管13c及び排油電磁弁17を設ける構成であり、構成の効率化を図るためにオイルポンプの駆動系に圧縮機本体の駆動系を利用するという構成上の利点を確保したまま潤滑油量の調整を行うことができる。
 以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更や均等物に及ぶものであることは言うまでもない。
 また、本実施形態では、制御装置が現在の圧力センサ値と、入力設定圧力値と、インバータ19への周波数指令値との夫々に対応する軸受荷重、軸受回転数に応じて適切な潤滑油量を演算する例を説明したが、予めメモリ上に、圧力及び周波数に応じた給油量が計算された対応テーブルを記憶させておき、これに基づいて排油制御弁17の開・閉を判断するように構成してもよい。演算処理負荷の低減を図ることができる。
 また、この様な対応テーブルを通常運転時及び低圧増風運転時用に夫々記憶させておき、運転モードと共に切り替えるようにしてもよい。更には、通常運転時又は低圧増風運転時でテーブルを利用し、他方の運転では制御装置Aで演算するようにしてもよいし、その逆にするようにしてもよい。
 また、本実施形態では、オイルポンプ10の駆動系を圧縮機本体1の駆動系と共通化する例を説明したが、小型電動機を用いてオイルポンプ10の駆動系を独立させ、制御装置Aからオイルポンプ10に駆動指令を出力することで、潤滑油の供給量を調節するように構成してもよい。即ち制御装置Aの求めた潤滑油の必要供給量(Q)が、現在のオイルポンプ10の供給量より多い場合には、必要供給量(Q)となるように、制御装置Aから小型電動機の回転数を減少させる指令を出力し、少ない場合には増加させる指令を出力する。
 また、本実施形態では、圧縮機100として単段機を例としたが、低圧段圧縮機及び高圧段圧縮機からなる多段機であってもよい。更には、圧縮手段は雌雄一対のスクリュー圧縮機本体に限定されるものではなく、軸受に潤滑油を給油する構成の圧縮手段に適用することもできる(例えば、スクロール型、クロー型、シングルやトリプルスクリュー型等)。
 また、本実施形態では圧縮機の回転体としてダブルロータ形式のスクリュー圧縮機を説明したが、シングルロータやトリプルロータでもよく、更には、スクロール形式、往復動形式、クロー形式、スクリューと回転圧縮板との混合形式等の圧縮機の軸受給油量制御に適用できるものである。
1…圧縮機本体、2…モータ、3a、3b…プーリ、4…ベルト、5…エアフィルタ、6…ギヤシャフト、7…ブルギヤ、8…ピニオンギヤ、9…オイルポンプ駆動用ギヤ、10…オイルポンプ、11…ギヤケース、12…潤滑油、13a、13b、13c…潤滑油配管、14a…本体冷却液用熱交換器、14b…圧縮空気用熱交換機、15…オイルフィルタ、16…圧縮機軸受、17…排油電磁弁、18…圧力センサ、19…インバータ、20…冷却ファン、25a…圧縮空気配管、26…放気配管、27…放気制御弁、28…放気サイレンサ、29…逆止弁、30…二方電磁弁、35…エアダクト、A…制御装置

Claims (7)

  1.  気体を圧縮する回転体を有する圧縮機本体と、
     回転体を圧縮機本体ケーシングに支持する軸受と、
     軸受に供給する潤滑油を貯留する貯留部と、
     オイルケースから軸受に潤滑油が流通する潤滑油配管と、
     前記潤滑油配管を介してオイルケースから軸受に潤滑油を圧送するオイルポンプと、
     前記潤滑油配管を流通する潤滑油量を調整する流量制御手段と、
     前記回転体に動力を供給する電動機と、
     電動機の回転周波数を出力するインバータと、
     前記圧縮本体の吐出圧力を検出する圧力センサと、
     前記圧力センサの検出圧力に対応する前記軸受の荷重及び前記インバータの出力する回転周波数に対応する前記回転体の回転数から前記軸受への潤滑油供給量を決定し、該潤滑油供給量に基づいて前記流用制御手段を制御する制御部と
    を有する気体圧縮機。
  2.  請求項1に記載の気体圧縮機であって、
     前記潤滑油配管から前記貯留部に潤滑油が還流する排油配管を備え、
     前記流量制御手段が、二方電磁弁であり、
     前記排油配管に、該二方電磁弁が配置されるものである気体圧縮機。
  3.  請求項2に記載の気体圧縮機であって、
     前記流量制御手段が、前記電動機の動力によって駆動するものである気体圧縮機。
  4.  請求項1に記載の気体圧縮機であって、
     前記流量制御手段が、前記電動機とは異なる他の電動機によって駆動するものである気体圧縮機。
  5.  請求項1に記載の気体圧縮機であって、
     前記制御部が、
     前記圧縮機本体が吐出す圧縮気体の圧力に対応する前記軸受の荷重及び前記インバータの出力する回転周波数に対応する前記軸受の回転数に応じた前記軸受への潤滑油供給量の対応テーブルを予め記憶し、
     前記対応テーブルを参照して、前記圧力センサの検出圧力及び前記インバータの出力する回転周波数の少なくとも一方の入力値に対応する潤滑油量に基づいて、前記流量制御手段を制御するものである気体圧縮機。
  6.  請求項1に記載の気体圧縮機であって、
     前記制御部が、特定圧力及び特定風量の吐出気体を得るときの電動機の消費動力で、前記電動機の回転数を増加させ、前記特定圧力よりも低圧且つ前記特定風量より増加した吐出気体を前記圧縮機本体に吐出させる低圧増風運転制御を行うものである気体圧縮機。
  7.  請求項6に記載の気体圧縮機であって、
     前記制御部が、前記低圧増風運転制御時に、前記流量制御弁を制御するものである気体圧縮機。
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