CN102242708B - 注水式涡旋空气压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种注水式涡旋压缩机，其包括：涡旋压缩机主体(1)，产生用于使旋转涡旋部件相对固定涡旋部件旋转运动的驱动力的驱动装置(100)，具有从吸入口开始至排出口为止的压缩路径并将水注入该压缩路径内的单元，从压缩机主体(1)排出的空气的排出配管，设置在排出路径中的、存积从压缩空气分离出的水的槽(105)，和设置在槽(105)和压缩机主体(1)之间的排出配管的路径中、对压缩机主体(1)排出的压缩空气进行冷却的冷却器（104）。采用本发明的注水式涡旋压缩机，可以解决由于压缩空气的高温使压缩机内部的水蒸发造成水槽内的压力急剧上升、运转不稳定的问题。

Description

注水式涡旋空气压缩机

技术领域

本发明涉及压缩空气的涡旋压缩机，特别是涉及在压缩室内注入水的方式的注水式涡旋压缩机。

背景技术

作为使一般产业用的空气压缩机的能量效率提高的方法，已知有在吸入至压缩机主体的内部的空气中混入油和水，一起压缩的油冷式和注水式压缩机。

油和水具有对压缩室与其他空间连接的狭小缝隙进行密封且降低内部泄露的效果，和吸收压缩热且在降低压缩动力的同时防止压缩机部件的热变形的效果，每个效果都具有提高能量效率的作用。

虽然油冷式从长期的实际业绩信赖性较佳，但是由于留有对在供给的排出空气中残留的零星的油的成分的担心，食品和半导体等即使是微少的油分，也不能在不允许其存在的用途中使用。注水式是在供给空气中不混入油分的方式，由于与油相比需要针对生锈和腐蚀、润滑不良等的对策，因而与油冷式相比普及得较慢。

但是，由于对于不含油分的洁净空气的市场需求，近年来注水式空气压缩机的开发变得盛行，关于螺旋空气压缩机记载在第一公开例即日本特开2009-180099号公报中。

使涡旋空气压缩机为注水式的考虑方法，记载在作为第二公开例的日本特开1998-128395号公报中。另外，关于通过在涡旋空气压缩机中通过注入水提高效率的试验结果，在下述第三公开例的论文中有论述。

专利文献1：日本特开2009-180099号公报

专利文献2：日本特开1998-128395号公报

非专利文献1：Performance of oil-free scroll-type air compressors，作者：T Yanagisawa，M Fukuta，and Y Ogi(Shizouka University)登载论文集：Proceedings of International Conference on Compressors andTheir Systems论文识别号码：IMechE 1999 C542/088发行年份：1999年9月出版学会：Institution of Mechanical Engineers(英国机械学会)，略称：IMechE

发明内容

然而，在上述的专利文献1～2以及非专利文献1中，关于对在压缩机中注入水时由水引起的生锈和腐蚀、液体压缩等问题，针对维持长期的信赖性并进行运转的方法并没有公开。特别是，在使无油涡旋压缩机为注水式的情况下，存在以下三个课题，与螺旋式相比产品化没有进展。

(1)从为了对旋转运动的偏心质量获得平衡的平衡质量的尺寸的限制和放热特性出发，由于在涡旋母材中使用密度较小且热传导率优良的铝合金，所以担忧在注入水时母材的腐蚀。

(2)由于压缩室沿着涡旋卷体从外周向着中心部半径变小的同时在径向方向上移动，注水的自身成为不确定的不平衡的主要原因，从而担忧振动，噪音的增加。

(3)在压力、温度升高的中心部的卷体的强度上裕度变小，注入水被液压缩时，有可能导致卷体破损。

在上述的背景下，特别是本发明想要解决的课题为以下内容。

(4)若在起动时在压缩室内残存有水，由于因液体压缩引起的过大的扭矩产生起动不良，由于热的过渡状态在涡旋卷体之间产生接触，产生不平衡，造成振动增加。

(5)若在停止时在压缩室内残存有水，例如在由铝合金制作的旋转涡旋和固定涡旋上可能发生腐蚀。

(6)若由于被压缩的空气的高温使压缩机内部的水蒸发，则水槽内压力会急剧上升，造成运转的不稳定。另外，可能在蒸发时导致配管系统和槽等的破损。

本发明能够解决上述的任何一个课题。

为了解决上述课题，本发明的注水式涡旋压缩机包括：压缩机主体，包括具有螺旋状的卷体的旋转涡旋部件以及具有与所述旋转涡旋部件相应的大致旋涡状的卷体的固定涡旋部件；驱动装置，产生用于使所述旋转涡旋部件相对所述固定涡旋部件进行旋转运动的驱动力；具有从吸入口开始至排出口为止的压缩路径并向所述压缩路径内注入水的单元；从所述压缩机主体排出的空气的排出配管；设置在所述排出配管的路径中，存积从压缩空气分离出的水的槽；和设置在所述槽和所述压缩机主体之间的所述排出配管的路径中，对所述压缩机主体排出的压缩空气进行冷却的冷却器。

在上述的本发明的涡旋压缩机中，更加优选以下方式。

(1)对在所述压缩路径内注入水的运转和不注入水的运转进行切换来控制运转的涡旋压缩机。

(2)冷却器在无注入的运转中对所述压缩机排出的空气进行冷却，而在注水运转中对所述压缩机主体排出的空气和水的混合流体进行冷却。

(3)在所述冷却器的下游侧，将在所述冷却器冷却的空气和水的混合流体进行分离。

(4)槽为能够将水和空气分离的分离槽。

(5)压缩机主体包括共计两个的具有一个所述旋转涡旋和一个所述固定涡旋的压缩机构，双方的旋转涡旋在同一部件上背对背地形成涡旋状的卷体，该旋转涡旋部件通过设置在比卷体外周的更靠外侧的同步转动的两个偏心轴驱动，其偏心轴被配置为大致水平，对于无注水运转的热变形和气压变形，旋转涡旋和固定涡旋的卷体之间的间隙形成为使互相不接触。

(6)由铝合金构成所述旋转涡旋和固定涡旋的母材。

采用本发明，通过适当地实施无注水运转，因为能够将残留在压缩室内的水分除去，所以能够防止由于注入等引起的起动不良和在停止时涡旋母材腐蚀的不适。另外，因为能够防止由于无注水运转的水分离槽内滞留水的蒸发引起的减少和水分离槽内压力的急剧上升，所以能够稳定地运转压缩机。

附图说明

图1是本发明的实施方式的装置结构图。

图2是本发明的实施方式的涡旋压缩机的截面图。

图3是本发明的实施方式的涡旋压缩机的俯视图。

具体实施方式

本发明的优选实施方式如下。首先，本实施方式的涡旋压缩机，包括具有螺旋状的卷体的旋转涡旋部件，具有与旋转涡旋部件的卷体对应的大致旋涡状的卷体的固定涡旋部件，和产生用于使旋转涡旋部件相对固定涡旋部件进行旋转运动的驱动力的驱动装置(电动机100)；具有从吸入口开始至排出口为止的压缩路径，采用将水注入至该压缩路径内的方式。

具体的起动是，在不进行注水的情况下开始运转(以后称为「无注水运转」)，运转开始经过一定时间之后开始注入水(以后称为「注水运转」)的方式。另外，如后文所述，对无注水运转和注水运转适当地进行切换。

控制系统具有至少对压缩路径排出的压缩气体的温度和压力中的一个进行检测的单元，还有，对运转时间进行运算。通过这些条件，若进行注水/无注水的切换，能够以简单的结构进行控制。

例如

(1)实施在停止电动机的同时停止注入水，或在停止之前进行停止注入水的无注水运转。

(2)通过使用了运转中的压力、温度、运转时间的至少一个的参数的运算结果，停止或减少向压缩路径内注入水。

(3)对管路压力进行检测，根据该值和变化量对压缩机自动停止的情况进行预测，在压缩机停止之前停止注入水。这时，也可以将注入水根据压力的值和变化量渐渐地减少注入水的量。

(4)与上述(3)的预测相反，管路压力急剧下降，压缩机未自动停止时，通过另行决定的压力或经过一些时间后再开始注水运转。

(5)当无外部空气而槽排出压力急剧变动时，可以经常停止水。通过实施(1)～(5)等的控制，能够实现优选的运转状态。由于这些在停止时，压缩室内无水，能够避免涡旋母材的腐蚀和启动时的不适。特别是涡旋母材为铝合金时，装置的耐腐蚀性变高。

为了实现更合适的控制，基于以下的理由优选具有可变速驱动器。

例如，由于排出压力的上升，在压缩机运转中停止注入水变为无注水运转、在对压缩室内进行干燥之后停止发动机的情况下，考虑到在压缩室未充分干燥时压力超过设定的上限压力，会使安全阀动作或热动继电器等的保护装置动作。

另外，为了避免这些情况，在压缩室内未充分干燥时将压缩机停止。在发明者们的研究中，为了使压缩室干燥需要大约一分钟的干燥运转，例如以压缩流体作为空气，现在标准的使用的压缩机和空气槽的组合(在吸入状态下换算，对于1m³/min的排出量的压缩机大约0.1～0.2m³的空气槽)，却不能确保充分的干燥时间。

而且，通过使用可变速驱动器，在压缩流体的使用率、即装置的负荷率较低时，降低电动机的转数以尽可能不停止压缩机的方式进行控制，并可以进行相应于空气使用率的节能运转。

另外，为了进一步有效地在干燥状态停止压缩机，在电动机转数降低一定程度之后时，可以停止注入水成为无注水运转。

在上述中，也可以并用空载运转。例如，在作为压缩机空气的路径的排出配管上具备逆止阀或保压阀，在运转中停止向所述压缩路径内注入水之后，将逆止阀或保压阀的一侧(上游侧)的空气放气至大气并继续运转(以后为「无注水空载运转」)。

由此，使上述的保护装置不动作而无注水运转成为可能，另外，在无注水运转中压缩空气使用量增加的情况下，通过停止放气，能够再次进行供给压缩空气，另外，还有在压缩空气使用量增加的情况下，也能够再开向压缩室内注入水。

还有，通过在压缩机吸入一侧具备吸入节流阀，可以进行更加优选的控制。因为在压缩机停止前的无注水运转时，通过关闭该吸入节流阀使压缩室内变为负压，从而能够更加快速地使压缩室内干燥。在关闭吸入节流阀时，若实施所述的放气，则压缩比降低、动力降低、能够降低排出温度。

在上述的结构和控制中，放气的空气有可能含有水分。因此，在放气前，通过利用水分离器能够保护压缩机装置周边。

另外，开始无注水运转的压力可以是作为控制压力的上限压力，或设定为比上限压力低。

另外，在上述中，容量控制时、即相应于管道压力的自动停止时，同时执行注水和发动机的停止，仅在与来自使用有压缩空气的现场的停止指示、由于台数控制的停止指示、由于流程运转的停止指示等管道压力的变动未必连接的停止时，若实施无注水运转，能够更加节能。

在本实施方式的涡旋压缩机中，为了对应于两种运转条件(注水运转、无注水运转)，优选在涡旋压缩机主体和水分离槽之间设置后冷却器，在无注水运转时在后冷却器将压缩空气温度(大约200℃)冷却至低于100℃，是满足本实施方式的特征的结构。

采用该结构，能够防止由于配置在后冷却器的次级(下游侧)的水分离槽内滞留的注水的蒸发导致的减少、及由于注水的蒸发导致的水分离槽内压力的急剧上升，从而能够稳定地运转。另外，在注水运转时，对于吸入空气量，通过后冷却器对最少量的注水和压缩空气的混合流体有效地进行冷却，使注水运转变为可能。这个例子是在注水量可以是非常少的涡旋压缩机所特有的结构。

以下，用图对本发明的具体的实施例进行说明。

图1是表示本实施例的注水式涡旋压缩机的全体结构的系统图，表示本发明的实施方式。图2是涡旋空气压缩机主体的平面截面图，图3是涡旋压缩机主体的侧面截面图。

在对全体结构进行说明之前用图2和图3，针对涡旋压缩机主体1的结构进行说明。

涡旋压缩机主体1包括左右两个涡旋机构2、3，各涡旋机构由旋转侧卷体和固定侧卷体以及相当于那些卷体的底面的镶板构成。左右两个旋转侧卷体是在同一个旋转涡旋5上背靠背形成的部件，在两个卷体镶板上夹着的旋转涡旋5的中央部设置有使冷却风通过的贯通孔6。

与旋转涡旋5的卷体啮合的固定侧卷体形成在左侧的固定涡旋7和右侧的固定涡旋8的内侧，这两左右固定涡旋是在外周的结合部9通过螺栓结合而成为压缩机主体1的外壳。设置在两固定涡旋7，8的内侧的卷体的正相对面的表面上形成冷却片11，12。

旋转涡旋5在卷体的外周，隔着轴承由主轴13和副轴14的偏心部支撑。两个轴的偏心量形成有相同且平行的四个连杆机构。主轴13和副轴14通过轴承被支撑在外壳上，通过在其端部设置的同步用皮带轮上的同步皮带15的运转同步转动。本实施方式的驱动装置中采用电动机100(图1)，主轴13通过驱动用皮带轮16上的皮带17接受来自电动机100的输出轴的动力。

在两固定涡旋7，8的卷体的很近的外侧设置将壁面贯通的吸入口18，19。由于吸入口在单侧配置有两个，所以左右共计四个。从外部通过吸入口18，19连接到外壳内部的流路，继续至防尘罩20的内侧为止，连接至将卷体包围的外周室54。防尘罩20伸出至左右的固定涡旋7，8的内侧安装在将卷体包围的圆筒状壁的顶端，在旋转涡旋5的镶板的外周附近滑动。安装防尘罩20的目的是防止异物侵入压缩室。

在左右各自的卷体的中央设置有排出口21、22，其将固定涡旋7，8贯通使最终阶段的压缩室和外部连通。为了获得左右压缩室的平衡，设置将旋转涡旋5的中央部贯通并连通两个排出口21，22的管路。

通过上述结构，通过电动机100旋转涡旋5旋转，从吸入口18、19吸入的空气在涡旋机构2、3被压缩。被压缩的空气从排出口21，22排出，经过后述的流路向外部供给。

用图1对本发明的结构和作用进行说明。

涡旋压缩机主体1是将具有旋涡状的卷体的涡旋部件进行组合的结构，例如能够从空气吸入口吸入空气的同时向压缩室内注入水的结构。

另外，涡旋压缩机主体1被构成为，即使无注水也能运转的、还有对于吸入空气量通过最少量的注水能够进行高效率的注水运转的最适间隙。

图1中压缩空气(或者和注入的水的混合流体)的排出配管由实线表示，注入水的配管由虚线表示。如图1所示，在排出配管的路径中设置有对从压缩空气中分离出的水进行存积的槽(105)，在该槽(105)和压缩机主体1之间的排出配管的路径中配置有冷却器(104)。冷却器(称为后冷却器)，在无注水运转中对压缩机主体1排出的空气进行冷却，注水运转中对压缩机主体1排出的空气和水的混合流体进行冷却。因此，在后冷却器104的下游侧，冷却的空气和水的混合流体被分离。

虽然槽是存积有被分离的水的装置，但是在本实施方式中，是兼有水分离机能的分离槽。由此，以简单的结构构成能够进行水的分离和存积的结构。

以下为被压缩的流体的流动。

涡旋压缩机主体1的吸入侧是吸入过滤器101，在该次级(下游侧)可以有容量调整用的吸入节流阀102。

在注水运转时，在涡旋压缩机主体1压缩的空气和注入水的混合流体通过主体逆止阀103，在后冷却器104被冷却之后，流入水分离槽105。在水分离槽105被分离为注入水和压缩空气，注入水被回收至水分离槽105内，压缩空气通过保压逆止阀106，由要求露点的方法通过干燥机117被排出。

在此使用的涡旋压缩机主体1具备对吸入空气量以最少量的注水得到高效率的注水机构，没必要设置用于对因为注水量少通过压缩热导致温度上升的注水进行冷却的特别的水冷却器，注水以能够在压缩空气冷却用的后冷却器104与压缩空气同时进行冷却的方式构成。

无注水运转时，虽然涡旋压缩机主体1的排出流体温度超过大气压下的水的沸点大约为200℃，但是通过在涡旋压缩机主体1和水分离槽105之间配置后冷却器104并将后冷却器104的出口流体温度冷却至大气压下水的沸点以下低于100℃，后冷却器104的次级的水分离槽105内的滞留水是沸点以上的温度，能够防止蒸发，同时通过滞留水蒸发能够防止水分离槽105内的压力的急剧上升。

涡旋压缩机主体1的注入水的流动如下所述。

通过将注入水相对吸入空气量以最少量的注水得到高效率的方式进行控制的注水控制阀107的开关，使注入水注入至涡旋压缩机主体1。注入水与被压缩的流体一起通过主体逆止阀103，在后冷却器104被冷却，在水分离槽105被分离。被分离的水分在过滤机108和水过滤器109被净化，根据注水控制阀107的开关程度，再次向涡旋压缩机主体1注入。

驱动系统由电动机100的驱动力通过皮带17对涡旋压缩机主体1进行驱动。在控制盘113也可以内藏有可变速驱动器122，由此能够调整电动机100的旋转速度。

放气管道可以至少是以下的第一或第二中的一方，或者也可以没有。

第一放气管道位于涡旋压缩机主体1的次级(下游侧)，为了对压缩后的高温流体进行放气，利用后冷却器104的排风等进行冷却之后，通过水分离器114由放气电磁阀115进行放气。

第二放气管道位于水分离槽105的次级，通过水分离器124之后由放气电磁阀125进行放气。放气管道在水分离槽105的次级(下游侧)的情况下，不需要后冷却器逆止阀116。

另外，放气管道可以在后冷却器104和水分离槽105之间。

控制系统构成如下。

若有可变速驱动器122则能够控制电动机100的旋转速度。在起动盘113上组装有演算装置123，其能够对压力传感器118、119、温度传感器120、121的信号输入和运转时间、停止时间、来自可变速驱动器122指示的电动机100的转数等进行演算，通过进行这些运算，能够对电动机100的起动·停止、吸入节流阀102的开关、放气电磁阀115、125的开关、注水控制阀107的开度调整、来自可变速驱动器122指示的电动机100的旋转速度进行调整。压力传感器118、119和温度传感器120、121可以分别是压力开关和温度开关。

采用本实施例，在一个压缩机中能够进行注水运转和无注水运转两种运转，通过适当地进行无注水运转，能够回避在压缩机中注入水时由水引起的腐蚀、起动不良、卷体接触等的问题，能够长期地维持稳定的运转。

Claims (7)

1.一种注水式涡旋压缩机，包括：

压缩机主体，具有从吸入口开始至排出口为止的压缩路径和在该压缩路径内压缩吸入的空气的压缩机构；

驱动所述压缩机构的驱动装置；

向所述压缩路径内注入水的单元；

从所述压缩机主体排出的压缩空气的排出配管；

设置在所述排出配管的路径中，存积从压缩空气分离出的水的槽；和

设置在所述槽和所述压缩机主体之间的所述排出配管的路径中，冷却从所述压缩机主体排出的压缩空气的冷却器，其特征在于，

所述注水式涡旋压缩机通过切换对所述压缩路径内注入水的注水运转和不注入水的无注水运转来进行运转控制，

所述冷却器将压缩空气的温度冷却至低于大气压下的100℃。

2.如权利要求1所述的注水式涡旋压缩机，其特征在于：

所述冷却器在无注入水运转中对所述压缩机主体排出的空气进行冷却，在注水运转中对所述压缩机主体排出的空气和水的混合流体进行冷却。

3.如权利要求2所述的注水式涡旋压缩机，其特征在于：

在所述冷却器的下游侧，对已被所述冷却器冷却的空气和水的混合流体进行分离。

4.如权利要求3所述的注水式涡旋压缩机，其特征在于：

所述槽是能够分离水和空气的分离槽。

5.如权利要求1～4中任一项所述的注水式涡旋压缩机，其特征在于：

所述压缩机构包括具有螺旋状的卷体的旋转涡旋部件和具有与所述旋转涡旋部件的卷体相应的大致螺旋状的卷体的固定涡旋部件，

所述压缩机主体通过使所述旋转涡旋部件相对于所述固定涡旋部件旋转运动来压缩空气。

6.如权利要求5所述的注水式涡旋压缩机，其特征在于：

所述压缩机主体包括共计两个的具有一个所述旋转涡旋部件和一个所述固定涡旋部件的压缩机构，这两者的旋转涡旋部件在同一部件上背对背地形成有涡旋状的卷体，该旋转涡旋部件由设置在比卷体外周更靠外侧的同步转动的两个偏心轴驱动，该偏心轴被配置为大致水平，对于无注水运转时的热变形、气压变形，旋转涡旋部件和固定涡旋部件的卷体之间的间隙以互相不会接触的方式形成。

7.如权利要求1所述的注水式涡旋压缩机，其特征在于：

所述压缩机构的母材由铝合金构成。