气体压缩机
技术领域
本发明涉及气体压缩机，尤其是减轻驱动负荷的气体压缩机。
背景技术
例如，在利用吸入空气等气体的容积式或者涡轮式之类的压缩机构生成高压的压缩气体的气体压缩机中，一直以来已知有实现驱动负荷的减轻的各种运转控制方法。
在驱动源的转速保持固定为一定的定速压缩机中，已知有无负荷运转控制，该无负荷运转控制在排出压力达到用户所希望的目标压力时，将设置于压缩机主体的吸气通路的吸入调节阀(吸入节流阀)关闭，通过限制流入的气体量来减轻动力负荷。这样的无负荷运转能够使所需的消耗动力为额定动力的70％程度。
另外，在使用变频器等电能转换装置来使电动机的转速变化的变速控制的气体压缩机中，已知有这样的技术，即通过电能转换装置高速旋转(全速)地运转直至达到目标压力，当排出压力大于该压力时，通过电能转换装置使转速降低以实现动力的降低。
例如，当用户(压缩气体的需要者)侧的压缩气体的使用量多，用户侧排出压力小于目标压力时，以额定的最高转速运转，很快用户侧的使用量减少，用户侧排出压力大于目标压力时，使转速降低以降低动力。作为这样的使转速变化的控制，一般已知有P、PI或者PID之类的使转速与排出压力成比例地变化的控制方法。
另外，在变速控制的气体压缩机中，作为实现动力降低的技术，还已知有在用电能转换装置进行转速控制的基础上，还兼用吸入调节阀和排气阀的无负荷运转方法。例如，专利文献1是空气压缩机，将目标压力(P0)作为基调进行PID控制运转，但是当用户侧的空气使用量降低，用户侧排出压力从P0升压至规定的压力时，在保持在P0以上或者比P0大的规定的压力范围的状态下进行降低转速的控制。更具体而言，是这样的运转方法：当压力上升至比P0大的上限压力(P1)时，关闭吸入调节阀，将电动机的转速降低至下限转速以实现动力的降低，并且将比用户侧排出口靠上游侧的压缩空气释放到大气，降低压缩机主体的负荷(电动机的负荷)，进一步实现动力的降低。
另外，专利文献1也公开了这样的控制：达到上限压力P1后电动机以下限转速运转，不过用户侧的空气使用量逐渐增加，当用户侧排出压力达到P0与P1之间的压力即下限压力(P2)时，在将转速保持为下限转速的状态下关闭排气阀和/或打开吸入调节阀，进行升压的负荷运转直至再次达到P1。能够一边将用户侧压力保持在一定范围内一边实现动力的降低的技术。能够使这样的无负荷运转中所需的消耗动力为额定动力的30％程度。
此外，调节阀的开闭控制和排气并不是必须兼用的，即使是任一者也有相应的动力降低效果。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2001-280275号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
然而，在专利文献1中，无负荷和负荷运转中使电动机的转速为下限转速以实现节能，但是压缩机与压缩空气的使用状况的变化相应地发生压力变动。即使排出空气量是一定的，当压缩空气的使用量变化时压力也发生变动。在压缩空气压力需要特定压力(以上)的情况下，当使用量过多时来不及生成压缩空气，有时会小于特定压力。即对使用量的变化的跟随性降低。
对于这样的压力变动，一般而言，气体压缩机采用这样的结构：用户侧排出口的下游配管连接到贮存压缩气体的气体箱(也称为贮存罐(reservoir tank))，从气体箱经由配管将气体供给到各用户侧的终端设备。即，用于实现上述那样的动力降低的各种运转控制也可以说是通过使气体箱具有某种程度的容积而能高效地实现的控制。
气体箱在容积大时作为使压力变动相对于用户侧终端的压缩气体使用量的变化为一定的缓冲装置发挥作用，能够使压缩机主体所要求的压差变动的比例处于比较小的范围。由此，压缩机能够减小转速变化的频次，也有助于与之相应地降低动力。另外，在降低急剧的压力变动这一点上，也有助于防止电动机等驱动源的速度偏差(hunting)和跳闸保护(trip)等。
如上所述，在作为压力变动的缓冲装置发挥作用的方面所要求的气体箱的容积较大，即使将压缩机小型化，在实际的使用环境中，也需要确保设置空间。
人们期望着能够一边保持对压力变动的跟随性一边实现动力降低效果的技术。人们还期望着使压缩机设备节省空间的技术。
用于解决技术问题的技术手段
为了解决上述技术问题，例如能够使用权利要求的范围所记载的构成。即，一种气体压缩机，其包括：吸入气体并排出压缩气体的压缩机主体；检测上述压缩气体的排出压力的压力检测装置；上述压缩机主体的驱动源；和控制装置，其根据上述压力检测装置的检测值可变速地控制上述驱动源，并且控制上述吸入调节阀(吸入节流阀)的开闭，上述气体压缩机中，上述控制装置在上述排出压力为大于设定压力P0且未满比上述设定压力P0高的上限压力P1的压力时，以小于全速转速且大于该驱动源的下限转速的转速驱动上述驱动源。
发明效果
依照本发明，能够提高对压力变动的气体压缩机的跟随性并且实现动力负荷的降低。而且，也有助于使包括气体箱的压缩机设备节省空间等。
附图说明
图1是示意性地表示使用了本发明的实施例1的空气压缩机的结构的框图。
图2是示意性地表示实施例1的空气压缩机的压力与转速等的变化的变化图。
图3是示意性地表示使用了本发明的实施例2的空气压缩机的结构的框图。
图4是示意性地表示实施例2的空气压缩机的压力与转速等之变化的变化图。
具体实施方式
下面，使用附图，对用于实施发明的方式进行说明。
实施例1
图1示意性地表示使用了本发明的实施例的例子即空气压缩机50(以下，有时也称为“压缩机50”)的结构。
压缩机50主要包括压缩机主体1、电动机2、电能转换装置3、控制装置4、气液分离器12、空气冷却器16、压力传感器17、油冷却器21、风机装置25，具有从基座起由面板40包围前后左右和上表面的封装式压缩机的结构。
压缩机主体1具有容积式或涡轮式之类的压缩机构，将从吸入过滤器8吸入的空气压缩。在压缩机主体1的压缩工作室，能够经由油配管20供给润滑油，与空气一起将气液混合的压缩气体释放出来。
在本实施例中，说明将旋转型的螺旋转子作为压缩机构设置在其中的压缩机。
电动机2是压缩机主体1的驱动源。作为驱动源，也能够使用内燃机。电动机2通过同轴或者经由传送带或者齿轮将由电能产生的旋转力供给到压缩机主体1的螺旋转子。电能转换装置基于来自控制装置4的指令来转换供给到电动机2的电能的频率，改变电动机2的转速。
控制装置4具有MPU或CPU之类的半导体运算装置和存储装置，通过与程序的协作来实现进行压缩机1的整体控制的功能部。此外，控制装置4也可以由模拟电路结构及其组合构成。控制装置4能够接收来自检测排出气体温度的温度传感器11、检测排出气体的压力的压力传感器17的检测值的输入，对电能转换装置3输出频率指令，或者输出各种阀体的开闭指令等。详情在后文说明。
气液分离器12是从压缩机主体1排出的气液混合的压缩气体将油一次分离的分离器。在本实施例中，使用通过压缩气体在内筒内旋转而利用离心力使油与空气分离的旋转分离式的分离器，不过也能够使用撞击分离式的。分离出的油贮存在气液分离器12的底部，由气液分离器12内的空气压力或泵10经由油配管20被输送到油冷却器21，冷却至规定的温度后，而回流到压缩机主体1。
二次过滤器13例如具有无纺布等，进行由气液分离器12将油一次分离后的压缩空气的二次分离。二次分离后的压缩空气流动到下游侧的排出配管进而经由允许向下游侧的流通的止回阀15流动的空气冷却器16。
空气冷却器16是热交换机，通过风机装置25驱动，能够从吸气口30将外部气体作为冷却风吸入到压缩机50内部，并从排气口32排出到外部。风机装置25能够根据温度传感器11的检测值进行变速控制。此外，在油冷却器21的上游配置有电磁式的三通阀和旁通配管24，控制装置4能够根据温度传感器11的检测值，控制从气液分离器12回流的润滑油流路的切换、泵23的驱动状态。空气冷却器16通过将因压缩作用而变得高温的压缩空气与风机装置25生成的冷却风进行热交换，将压缩空气冷却至规定温度(例如，70度)。
通过这样的冷却系统，冷却风对电动机2和压缩机主体1进行空气冷却后，流动到下游侧的空气冷却器16、油冷却器21，与各冷却器进行热交换。
在从空气冷却器16的出口至外部配管59的管路上(或者也可以是外部配管59上)，配置压力传感器17。压力传感器17与控制装置4可控制通信地连接，能够将从压缩机50排出的压缩空气的压力值输出到控制装置4。控制装置4能够监视来自压力传感器17的输入值，输出与后述的设定压力、上限压力等相应的频率指令、阀体的开闭指令。
由空气冷却器16冷却至规定温度的压缩空气之后从压缩机1经由外部配管59被排出。外部配管59与气体箱60连接。气体箱60是贮存规定压力的压缩气体的压力容器。压缩空气从气体箱60经由终端配管(未图示)被供给到利用压缩空气的终端设备。
另外，在压缩机主体1的吸入侧(吸入过滤器8的下游)配置吸入调节阀(吸入节流阀)5。吸入调节阀5是根据压缩机50的运转状态，允许或限制吸入气体从吸入端口流入压缩机主体1的压缩工作室内的阀体。在本实施例中，吸入调节阀5对将压缩机主体1的排出压力作为工作动力源而作为阀体的活塞开闭的结构进行说明，不过也可以将电磁阀或者其他压力作为工作动力源。吸入调节阀5的开闭由控制装置4执行。
作为本实施例的特征之一，可以举出吸入调节阀5在达到后述的上限压力P1时闭阀这一点。更具体而言，吸入调节阀5直至成为上限压力P1之前完全打开，当成为P1时闭阀。
下面，对控制装置4的控制详细地进行说明。
在图2中，按时序示出本实施例的排出压力、电动机2的转速(电能转换装置3的频率)、吸入调节阀5的状态变化。在该图中，设定压力为P0，上限压力为P1，并分别以0.70Mpa、0.80Mpa为例。此外，设定压力是指，来自用户侧的任意设定输入或者初始设定的压力，是作为压缩机50的排出目标的压力值。上限压力是指，根据设备额定规格决定的最大排出压力，是根据设备维护或各种安全基准决定的压力值。在本实施例中，将比基于安全基准确定的安全压力小的压力设定为上限压力P1，进行说明。
另外，以电动机2的全速转速为6000rpm/min，下限转速为800rpm/min作为例子。全速转速是电动机2的额定的最高转速，下限转速是比全速转速小的规定的转速。例如，是专利文献1公开的驱动负荷运转、无负荷运转之类的压缩机驱动时能够采用的最低转速。
另外，在该图中，为了简便而示意性地示出了压力、转速的变化，本发明并不一定限于图示的数值。
首先，控制装置4能够将例如用户等输入的规定的设定压力P0作为目标进行PID控制。即，是这样的控制：根据排出压力的变动，使从电能转换装置3输出的频率值变化，对压缩机主体1的排出空气量进行增减。此外，也可以使用P或者PI控制。
在图2的时间t0～t1中，当压缩机1开始运转时，控制装置4对电能转换装置3输出频率指令值以使电动机2按规定的加速速率成为额定的全速运转，进行PID控制下的运转以使来自压力传感器17的输入值成为P0。此外，此时的吸入调节阀5是打开的(Open)。
接着，在时间t1～t2中，当压缩空气在使用者侧的空气使用量减少(例如20％程度的使用量)，排出压力上升到比设定压力P0大时，控制装置4将成为全速转速与下限转速之间的规定频率的指令输出到电能转换装置3(全速旋转频率＞规定频率＞下限旋转)。更具体而言，根据排出压力从P0上升的情况而慢慢使规定频率减少使电动机的转速降低。在本实施例中，在比设定压力P0大且未满上限压力P1的压力区域中，与之对应的转速和压力值之间存在比例关系，不过也可以以排出压力变得越大越增加转速的降低比例或者排出压力越低时越增加转速的降低比例等方式，使排出压力与对应转速相应地发生偏差。还可以为在该压力区域按规定压力幅值增减规定转速量这样的阶梯式的频率变化。
如上所述，控制装置4在排出压力大于设定压力P0的情况下，使压缩机主体1在不成为下限转速而成为比下限转速大的转速且比全速小的转速这样的频率控制下运转。此外，在从t1至t2的期间，吸入调节阀5是完全打开的。
接着，在时间t2～的期间，当压缩空气的使用量进一步减少时排出压力进一步上升，很快达到上限压力(P1)。当排出压力达到上限压力P1时，控制装置4将成为下限转速的频率指令值输出到电能转换装置3并且输出将吸入调节阀5关闭(OClose)的控制指令。由此，压力传感器17的压力上升停止。
即，作为本实施例的特征之一，可以举出：在排出压力从设定压力P0至上限压力P1的期间，达到使压缩机主体1以未满全速转速且大于下限转速的转速运转这一点。即在排出压力处于比P0大且比P1小的压力区域的情况下，以比下限转速大的转速运转，因此与在该压力区域以下限转速运转的情况相比，具有对排出压力的变动的跟随性提高的效果。
例如，考虑通过使压缩空气的使用量减少而排出压力大于P0，使转速为下限转速来减少压缩机主体1的排出空气量，然后，压缩空气的使用量再次增加的情况。
由于空气使用量再次增加，因此气体箱60的压力降低，不过即使再次从下限转速升至全速运转以随着该降低使压缩机主体1的排出空气量增加，直至转速达到全速为止也会产生时间上的偏差。即，为了避免电动机2、压缩机主体1的惯性导致的跳闸保护，或者为了保护电能转换装置3避免输出剧烈的过电流，超过加速速率的运转是困难的。因此，直至压缩机主体1排出与再次增加的使用空气量等量以上的空气量为止，会发生时滞，当使用空气的增加量更多时，有时使用者侧的压缩空气压会小于设定压力P0。
与之相对，本实施例在排出压力大于设定压力P0且未满上限压力P1时，以未满全速转速且大于下限转速的转速使压缩机主体1运转。由此，在像上述那样再次增加使用空气量时，恢复至使压缩机主体1的运转全速转速的时间能够相对地缩短。
另外，从设定压力P0至上限压力P1的期间，是比全速旋转慢的旋转状态，因此也能够期望减少与之相应的消耗动力的效果，而且也能够期望可降低为了升压所需的动力这样的节能效果。
例如，在现有的吸入调节阀控制中，从设定压力P0至上限压力P1的期间(使用空气量比降低)，由于吸入调节阀逐渐关闭，因此压缩机的吸气压力也逐渐降低。于是，在完全关闭时基本降低至真空压力。即，在吸入侧为真空压力且排出侧为上限压力P1这样的压力差之下压缩机主体1进行驱动。
与之相对，本实施例中，即使使用空气量比降低，吸入调节阀5也保持完全打开的状态。因此压缩机主体1的吸气压力基本维持为大致大气压。即，在随着趋向上限压力，压缩机主体1的吸气压力降低，因此升压量增加的本实施例的情况下，在用于达到上限压力的升压量下保持，因此与之相应地节能效果大大增加。
另外，如本实施例所示具有气体箱60的情况下，能够减小气体箱60的容积。一般而言，气体箱60具有缓和因增减空气使用量等导致的压力变动的作用。换言之，能够起到缓冲装置的作用，由于压力因空气量的变动而变动的情况较多，气体箱60能够通过与使用量相应地预先贮存一定容量的压缩空气，来减小伴随使用的压力变动幅度。本实施例中，由于对压力变动的跟随性变高，因此能够与之相应地减小气体箱60的容积。
下面，使用例子，对本实施例的跟随性提高的效果和气体箱60的容积可小型化的效果进行说明。
例如，使用空气量比100％时的空气量为6m3(立方米)/min，使气液分离器12的容积为30L，使排出空气温度为80℃，使设定压力P0为0.7MPa，使上限压力P1为0.8MPa。需要使压缩机主体1以如下方式运转：在使用空气量比为0％附近的情况下，气液分离器12内的压力成为上限压力P1(0.8MPa)。之后，即使用户侧的使用空气量比成为100％也能够确保设定压力(0.7MPa)。
此处，用下述式1计算气液分离器12内的压力(压力传感器17的检测值)下降至0.80Mpa→0.70MPa的时间t，为大约0.3秒。
t＝C/Qs×(Ts/Ps)×{(Pf/Tf)-(Pi/Ti)}[s]
式(1)
此处，
t：压力下降时间(min)
C：气体箱的容积(m3):0.03m3
Qs：压缩机50的平均排出空气量(m3/min)：(6+(6×0.65))/2＝4.95m3
Ts：排出空气的绝对温度(K)：30+273＝303K
Ps：排出空气的绝对压力(MPa)：0.1013MPa
Pf：气液分离器内的最终的绝对压力(MPa)：0.7+0.1013＝0.8013MPa
Tf：气液分离器内的最终的绝对温度(K)：80+273＝353K
Pi：气液分离器内的最初的绝对压力(MPa)：0.8+0.1013＝0.9013MPa
Ti：气液分离器内的最初的绝对温度(K)：80+273＝353K。
如果不使恢复至全速旋转为止的时间为0.3秒以下，就不能确保目标压力P0。在电动机2从停止至全速为止的加速时间需要6秒的情况下，当使上限压力P1下的消耗动力比为65％时，至全速为止所需的时间为大约2秒，1.7秒的期间小于目标压力P0。因此，在本实施例中，为了维持目标压力P0，在压缩机50的下游需要大约0.2m3的空气箱。
与之相对，在排出空气量6m3/min的压缩机中，在目标压力P0～上限压力P1的期间使转速为下限转速并逐渐将吸入调节阀关闭的定速机和变速机所需的气体箱，如以下所述。
·定速机≒0.7m3(本实施例的3.5倍)
·变速机≒0.4m3(本实施例的2倍)
如上所述，可知本实施例在对压力变动的跟随性提高和气体箱的小型化方面具有显著的效果。
实施例2
下面，对使用了本发明的实施例2进行说明。
图3示意性地示出实施例2的压缩机100的结构。其中，对与实施例1相同的结构使用相同的附图标记，有时省略详细的说明。
实施例2的压缩机100与实施例1的压缩机50主要区别在于，没有设置吸入调节阀5。此外，压缩机100在排出配管10中，在止回阀15与二次过滤器13之间设有排气阀14。
排气阀14是将从压缩机主体1至止回阀15为止的压缩空气排出到大气的排气机构，包括阀体。例如，由电磁阀等构成，并能够根据控制装置4的控制指令进行开闭。此外，也可以由通过弹簧等的趋向力以规定压力打开的机械阀体构成。在本实施例中，规定压力是指上限压力P1。
此外，虽然未图示，但是排气阀14与压缩机主体1的吸入侧(吸入过滤器8与吸入端口之间)连接，能够将压缩空气排出。不限于此，也可以直接排出到封装内部的任意空间或者外部。
在本实施例中，控制装置4在压力传感器17的检测值检测为上限压力P1时将排气阀打开(Open)。即，从设定压力P0至上限压力P1为止，控制装置4以小于全速且大于下限转速的范围的频率驱动电动机2，这一点与实施例1相同。当成为上限压力P1以上时将排气阀14打开实现动力负荷的降低这一点，是特征之一。
图4按时序示出实施例2的排出压力、电动机2的转速(电能转换装置3的频率)、排气阀4的状态变化。此外，设定压力P0、上限压力P1等的数值与实施例1的图2相同。
在图4的时间t0～t1中，控制装置4驱动电动机2使得电动机2以规定的加速速率成为额定的全速运转，进行PID控制下的运转以使得来自压力传感器17的输入值成为P0。此外，此时，排气阀14是关闭的(Close)。
接着，在时间t1～t2中，当压缩空气在使用者侧的空气使用量减少(例如20％程度的使用量)，排出压力上升至比设定压力P0大时，控制装置4对电能转换装置3输出成为全速转速与下限转速之间的规定频率的指令(全速旋转频率＞规定频率＞下限旋转)。
接着，在时间t2～中，当压缩空气的使用量进一步减少时排出压力进一步上升，很快达到上限压力(P1)。当排出压力达到上限压力P1时，控制装置4将成为下限转速的频率指令值输出到电能转换装置3并且输出使排气阀14打开(Open)的控制指令。由此，压力传感器17的压力上升停止，从止回阀15起上游的压力降低。
此外，虽然未图示，但是在排出配管10配置有保压阀，具有当成为大于上限压力P1的安全压力时为了安全而进行排气的阀体。
依照实施例2，与实施例1同样，能够期望对压力变动的跟随性的提高和气体箱的小型化这样的效果。另外，如上述t1～t2的期间，也能够与以小于全速旋转的转速旋转相应，实现消耗动力的降低。
以上，对用于实施本发明的方式进行了说明，但是本发明并不限定于上述各种例子，在不脱离其主旨的范围内能够进行各种改变、替换。
例如，在上述实施例1中，当达到上限压力P1时关闭了吸入调节阀5，在实施例2中打开了排气阀14，不过也可以具有这两者并进行控制。在上限压力P1以上时，能够进一步期望基于两者的节能效果。
另外，在上述实施例1和2中，在上限压力P1下关闭了吸入调节阀5或者打开了排气阀14，然后，在压缩空气的使用量增加而压力变得比P1小的情况下，也可以将吸入调节阀5打开或者将排气阀14关闭。而且，在上限压力P1持续规定时间的情况下，也可以自动地停止驱动压缩机50、100。作为规定时间，可以举出：上限压力P1的持续时间、至上限压力P1马上结束为止的规定时间中的负荷率(全速转速下的运转持续时间与小于全速的转速下的运转时间之比等)。对于这些时间，也可以进一步将压缩机50、100的启动后最低运转时间(保护驱动时间)考虑在内，停止驱动压缩机。
另外，在上述实施例中，以空气压缩机为例，不过对于其他气体的压缩机，在不脱离主旨的范围内也能够应用本发明。
另外，在上述实施例中，以封装式的空气压缩机为例，并且是气体箱60与压缩机50、100分体地配置的结构，不过也可以为箱安装式等的压缩机与气体箱一体的结构，还可以为在封装内内置气体箱的结构。
另外，在上述实施例中，以供油式的压缩机为例，不过也可以是将水等其他液体供给到压缩工作室的供液式压缩机。此外，也能够应用于不供液式的气体压缩机。此外，在压缩机主体由多级构成的情况下，排气阀14的配置部位不限于高压级侧，也可以是中间级的排出空气的位置。
附图标记说明
1……压缩机主体，2…电动机，3…电能转换装置，4…控制装置，5…吸入调节阀，7…吸入口，8…吸入过滤器，10…排出配管，11…温度传感器，12…气液分离器，13…二次过滤器，14…排气阀(放气阀)，15…止回阀，16…空气冷却器，17…压力传感器，20…油配管，21…油冷却器，22…三通阀，23…泵，24…旁通配管，25…风机装置，30…吸气口，32…排气口，40…面板，50·100…压缩机，59…外部配管，60…气体箱。
