JP2018155210A - 流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】 故障リスクを早期に把握し、流体機械の計画的な保守を可能にする。
【解決手段】 流体機械本体と、前記流体機械本体を駆動する駆動部と、前記流体機械本体の振動の加速度を検知する加速度センサとを備えた流体機械において、前記加速度センサで第１閾値以上第２閾値未満の加速度を検知した場合、所定時間経過後に、第１停止解除処理で停止解除できる状態で前記駆動部を停止させ、前記加速度センサで前記第２閾値以上の加速度を検知した場合、第１停止解除処理とは異なる第２停止解除処理で停止解除できる状態で前記駆動部を停止させる。
【選択図】図５

Description

本発明は、圧縮または膨張を行う流体機械に関するものである。

特許文献１の圧縮機は、振動で圧縮機の故障診断を行い、故障と判定された場合に、圧縮機を停止する。この際、故障診断装置の故障の有無についても診断を行い、故障診断装置の故障ならば作動スイッチで使用者が停止解除可能としている。

特開２００６−９７６５４号公報

特許文献１の故障診断装置の故障を除く圧縮機異常に関する報知は、あくまでも修理が前提の故障が発生したことを知らせる報知である。したがって、故障が発生してから修理を手配するため、圧縮機の停止期間が長くなる。当然、修理しないで作動スイッチを押せば、すぐに振動を検知して停止することになるか、ピストンやシリンダの交換が必要な重度故障が発生することになる。

本発明の目的は、故障リスクを早期に把握し、流体機械の計画的な保守を可能にすることである。

上記課題を解決するために、本発明者らは、大きな振動を検知したら停止する流体機械の検知した振動データを分析し、流体機械本体が駆動できない故障が所定期間内に発生する可能性が高い、または既に故障している「故障直前前兆振動」（例、ピストンが破損し連接棒がクランク室を叩くレベルの振動）と、流体機械が駆動できない故障が発生するまでに前記所定期間以上かかる可能性が高い「初期前兆振動」（例、圧縮機本体内部部品の損傷が疑われるレベルの振動）の弁別を可能にした。

具体的には、初期前兆振動は、例えば、第１閾値以上第２閾値未満の振動とし、故障直前前兆振動は、例えば、第２閾値より大きい振動とすることで弁別可能である。

ただ、使用者は緊急で流体機械の駆動が必要な場合もある。そのため、故障直前前兆振動を検知するまでは、所定時間だけ継続駆動した後、後述する第２停止解除処理よりも簡易な第１停止解除処理（例えば、流体機械の画面操作や電源ＯＮ／ＯＦＦで停止解除できる処理など）で停止解除できる状態で停止させ、故障直前前兆振動を検知した場合または初期前兆振動検知による停止と第１停止解除処理を所定回数した場合、第２停止解除処理（例えば、プログラマブルコントローラ）で停止解除できる状態で停止させる。

本発明によれば、故障リスクを早期に把握し、流体機械の計画的な保守が可能になる。

パッケージ型空気圧縮機における異常検知器を搭載した場合の製品概略図である。 タンクマウント型空気圧縮機における異常検知器を搭載した場合の製品概略図である。 図１及び図２の空気圧縮機のロード運転時（通常運転時）における空気回路図である。 異常検知器の回路構成図である。 異常検知器の制御のフローチャートである。 制御基板の盤面表示例である。

本発明の実施の形態を以下に示す。

まず、図１と図２を用いて本発明の実施例１における製品構成図を説明する。図１と図２に示す空気圧縮機１は、例えば工場等の設備全体に配置された圧縮流体供給経路の一部に設けられる。

空気圧縮機１は、空気等の気体を電動機１１の駆動により圧縮機本体２にて圧縮する。空気圧縮機１は、図１の場合は筐体内部に空気圧縮機等の一式を搭載したパッケージ型空気圧縮機、図２の場合はタンク９と圧縮機一式が一体化しているタンクマウント型空気圧縮機である。なお、本実施例はパッケージ型とタンクマウント型共に無給油式空気圧縮機に適用したものである。

図１のパッケージ型の空気圧縮機１は、多気筒で往復動型の圧縮機本体２、シリンダ３、貯留タンク（以下、タンク９）、フレーム１０、電動機１１、電磁開閉器３３、異常検知器４４を備えている。

図２のタンクマウント型の空気圧縮機１は、多気筒で往復動型の圧縮機本体２、シリンダ３、タンク９、電動機１１、電磁開閉器３３、異常検知器４４を備えている。

各部の機能は以下で説明するものを除き、一般的なものであるので説明は省略する。

図３に図１及び図２の圧縮機のロード運転時（通常運転時）における空気回路図を示す。

圧縮機本体２は、駆動部として回転駆動する電動機１１に直結されたクランクシャフトの回転動によりシリンダ３内のピストン１３を往復動させる。ピストン１３の往復動により吸込みサイレンサ７を経由して吸気室４から空気が吸い込まれる。吸い込んだ空気をシリンダ３内（圧縮室内）で圧縮し、これを圧縮流体として吐出室５から吐出する。本実施例の場合、該吐出された圧縮流体は、圧縮機本体２と一体に設けたタンク９内に貯留されるが、直接空圧機器やその他貯留タンクに供給してもよい。該貯留された圧縮流体は、タンク９に設けた止め弁８から空圧機器等に供給される。

電動機１１は圧縮機本体２の運転を制御する制御部としての電磁開閉器３３、異常検知器４４と接続されている（接続詳細は図４の回路構成図にて説明する）。

異常検知器４４は、圧縮機本体２に異常が発生した場合に異常振動を制御基板６７に通知する。制御基板６７は通知された異常振動の警報や異常を使用者に報知する。異常検知器４４が異常振動を検知した場合、電磁開閉器３３を遮断して電動機１１と圧縮機本体２を停止する（異常検知フローの詳細は図５の制御のフローチャートを用いて後述する）。なお、電動機１１は、電磁開閉機３３を介して電源５５に接続されている。

図４に異常検知器４４の具体的な回路構成例を示す。本実施例の異常検知器４４は、加速度検出を行う圧電素子６０と、増幅率調整回路６１と、信号増幅器６２と、フィルター６３と、包絡線検波回路６４と、スイッチ６６と制御基板６７と接続されているマイコン６８と、メモリ６９を備えている。

異常検知器４４はフレームに固定され、圧縮機本体２から発生しフレーム１０を経由した加速度を測定する。異常検知器４４は圧縮機本体２自体の加速度と、圧縮機本体２内部で異常が発生することで圧縮機本体２自体の加速度が異常上昇した場合に異常振動（故障直前前兆振動または初期前兆振動）が発生していることを、制御基板６７に通知する。制御基板６７の報知部は図６に図示する通り、状況に応じて複数表示できるのでも良く、あるいはブザーなどの音で知らせる装置であっても良い。

加速度を検知する加速度センサとしての圧電素子６０の信号は一般に微弱信号であるため、マイコンなどで扱える信号に変換するため、増幅率調整回路６１で増幅率を調節し、信号増幅器６２を用いて振動信号を増幅され、フィルタ６３を透過する仕様となっている。フィルタ６３を透過した後の信号は振幅信号を保持する包絡線検波回路６４を介してマイコン６８に内蔵されたＡ／Ｄ変換器６５に接続されている。増幅率の調節については、製品出荷時でも顧客や作業者が独自に行うものでも構わない。電源５５と電磁開閉器３３が通電したとき、電動機１１が稼動し圧縮機本体２が起動する。その際に、振動による加速度が圧電素子６０からマイコン６８に伝播して異常検知器４４が作動する。このとき、記憶回路６９は異常が発生したとして異常履歴（発生時刻、振動の大きさを示す加速度等）を更新する。

図５に、異常検知器４４の制御フローチャートを示す。

圧縮機本体２を運転後、異常検知器４４が計測した加速度が第１閾値を超えた場合（本実施例では、圧縮機本体２内部部品の破損が疑われる状態になったときとして、加速度４ｇレベルが第１閾値に設定されている。）、制御基板６７にて警報出力を行う（２回目以降は異常出力）。このとき、測定した加速度が第２閾値未満であれば、圧縮機本体２の運転が継続され、第１警報出力を一定時間（本実施例では、継続時間が３０時間に設定されている。）継続させた後、電磁開閉器３３が遮断され、圧縮機本体２の運転が停止される。

異常検知器４４が第２閾値を超える加速度（本実施例では、圧縮機本体２の連接棒がクランク室を叩くレベルに到達したときとして、加速度７ｇレベルに設定されている。）に到達した場合、第１異常出力の発報時間中であっても、電磁開閉器３３が遮断され、圧縮機本体２の運転が強制停止される。

検出した加速度値が第２閾値未満までの場合は、電源をＯＦＦにすれば停止制御を解除可能だが、第２閾値以上の場合は、メンテナンス後専用のプログラマブルコントローラ（以降プロコン）にて停止状態を解除する設定とした。

検出した加速度値が第２閾値未満の状態であれば、圧縮機本体２の運転再開後、異常（初回は警報）出力を一定時間継続し（本実施例では、１０時間と設定する。）、その後圧縮機本体２を再度停止させる。本実施例では３回（警報：３０時間、異常：１０時間）であるが、この繰り返し回数は何回でも構わない。図５に記載した加速度閾値は仮の値であり、機種毎で同じでも異なるものでも構わない。また、異常検出のサイクルは仮の値であり、時間は長くても短くても良く、電源スイッチやプロコンを用いた解除方法は、解除方法の一例であり、その他の方法でも構わない。

図６に異常検知器４４が異常を検知した際の盤面表示例を示す。加速度の値や異常検知後の運転時間に応じて、フェーズを（１）〜（４）と「緊急」に分類し、それぞれＡＬ７１、Ｅｒ７２〜７３、Ｅｒ７Ｅ等で異常（初回は警報）を表示する。さらに、異常検知器４４の故障や、異常検知器４４と制御基板６７を接続する配線等の断線が発生した場合、ＡＬ７Ｕを表示する。この盤面表示は仮の表示方法であり、全く別の内容や、機種毎で同じでも異なるものでも構わない。また、記載した異常検出のサイクルは仮の値であり、図に記載している時間よりも長くても短くても良く、電源スイッチやプロコンを用いた解除方法は、解除方法の一例であり、その他の方法でも構わない。さらに、異常検出を行う際、外部へ信号を行うことも可能なため、例えば遠方に居ても空気圧縮機１の異常を監視することが可能である。また、盤面表示以外にもメンテナンスランプを点灯することで、確実に異常を確認することが可能である。

空気圧縮機１で発生する加速度は通常、電動機１１や圧縮機本体２の回転数に応じた微小振動による微小加速度が発生する。一方、駆動手段の起動時やタンク圧力や温度、運転モード（通常運転（ロード運転）／アンロード運転）などの負荷が変動し、かつ空気圧縮機の摺動抵抗の増加や、空気圧縮機の機能消失や連結機構部の異常による駆動手段のロックなどの機構的な異常が発生した場合には、通常に比して大きな加速度が生じる。この場合、上記通常の加速度とは異なる振幅及び周期の加速度が重畳される。なかでも機構的な異常やピストン１３やピストン１３と電動機１１のクランクシャフトとを接続する連接棒の折損など、重大損傷の場合には振幅のとりわけ大きな加速度が周期的に観測される。

そこで、本実施例では、圧縮機本体２の内部で異常が発生した場合、異常検知器４４で第１閾値以上の加速度を検知した場合、制御基板６７で異常表示（初回は警報）を行い、所定時間経過後に圧縮機本体２の電動機１１（電磁開閉器３３）を停止させ、前記第１の閾値よりも大きい第２閾値以上の加速度を検知した場合も同様に停止制御を行う。異常検知器４４は圧縮機本体２がロード運転を開始した際に動作を開始し、まずマイコン６８の初期設定を行う。次に記憶回路６９からこれまでの異常履歴を読み込み、圧縮機本体２が前回動作したときの異常状態を判定する。

前回異常があった場合、または前記異常がなくても現時点で第１閾値を超える加速度を検出している場合は圧縮機異常表示（初回は警報）を行い、一定時間経過後停止制御を行う。その後第２閾値以上の加速度を検出、もしくは第１閾値以上で第２閾値未満の加速度の検出が所定回数を超えた場合には、異常検知器４４から制御基板６７へ信号を送り、電動機の運転ができないように設定し、圧縮機本体２を停止させる。異常表示は継続して行う。異常なしと判断した場合には、異常履歴を記憶回路６９に保存して運転を行う度に本ループを繰り返す。

以上より、本実施例によれば、異常表示から運転停止までの間、圧縮機本体２の運転を継続できることから、エアー供給が止まった顧客が圧縮機本体２の異常を早期に把握でき、圧縮機本体２の破損状態が悪化する前に処置可能とする。

これまで説明してきた実施例は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されない。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。また、本発明は複数の実施例を組み合わせることによって実施してもよい。

なお、ここまで往復動に関して説明してきたが、本発明は、電動機によって駆動され、無負荷運転可能なものであれば往復動圧縮機に限らず、スクロール式流体機械、スクリュー圧縮機といった他の流体機械にも適用することができる。

１ 空気圧縮機
２ 圧縮機本体
３ シリンダ
４ 吸気室
５ 吐出室
７ 吸込みサイレンサ
８ 止め弁
９ タンク
１０ フレーム
１１ 電動機
１３ ピストン
３３ 電磁開閉器
４４ 異常検知器
５５ 電源
６０ 圧電素子
６１ 増幅率調整回路
６２ 信号増幅器
６３ フィルタ
６４ 包絡線検波回路
６５ Ａ/Ｄ変換器
６６ スイッチ
６７ 制御基板
６８ マイコン
６９ 記憶回路

Claims (6)

1. 流体を圧縮または膨張させる流体機械本体と、
   前記流体機械本体を駆動する駆動部と、
   前記流体機械本体の振動の加速度を検知する加速度センサとを備え、
   前記加速度センサで第１閾値以上第２閾値未満の加速度を検知した場合、所定時間経過後に、第１停止解除処理で停止解除できる状態で前記駆動部を停止させ、
   前記加速度センサで前記第２閾値以上の加速度を検知した場合、第１停止解除処理とは異なる第２停止解除処理で停止解除できる状態で前記駆動部を停止させることを特徴とする流体機械。
2. 請求項１において、
   前記第１閾値以上第２閾値未満で、初期前兆振動を検知し、
   前記第２閾値以上で、故障直前前兆振動を検知していることを特徴とする流体機械。
3. 請求項１において、
   前記流体機械は往復動圧縮機であり、
   前記第１閾値以上第２閾値未満で、圧縮機本体内部部品の損傷が疑われるレベルの振動を検出し、
   前記第２閾値以上で、連接棒がクランク室を叩くレベルの振動を検出することを特徴とする流体機械。
4. 請求項１において、
   前記第１閾値以上第２閾値未満の加速度を検知した場合、初回は警報を報知し、２回目以降は異常を報知し、
   前記第２閾値以上の加速度を検知した場合、異常を報知することを特徴とする流体機械
5. 請求項１乃至３のいずれかにおいて、
   前記加速度センサで第１閾値以上第２閾値未満の加速度を検知し、所定時間経過後に、第１停止解除処理で停止解除できる状態で前記駆動部を停止させる処理を所定回数繰り返した後は、第１停止解除処理ではなく、前記第２停止解除処理で解除できる状態で前記駆動部を停止させることを特徴とする流体機械。
6. 請求項１乃至３のいずれかにおいて、
   前記第１閾値以上第２閾値未満の加速度を検知した後に、前記第２閾値以上の加速度を検知した場合は、所定時間経過前であっても前記駆動部を強制停止させることを特徴とする流体機械。

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