CN103032334A

CN103032334A - 螺杆压缩机

Info

Publication number: CN103032334A
Application number: CN2012103060448A
Authority: CN
Inventors: 藤元英树; 橘纪伸; 片野伊佐雄
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2011-10-06
Filing date: 2012-08-24
Publication date: 2013-04-10
Also published as: JP2013083371A; US20130089413A1

Abstract

本发明提供一种螺杆压缩机，其具备压缩机本体、和用于使从该压缩机本体排出的压缩空气冷却的壳管式热交换器。壳管式热交换器内设置的管（11），由形成为两端侧为圆筒（11a、11b），并且中央侧在周长方向上交替地具有峰部和谷部的波形形状的多叶管（11c）构成。此外，上述管的中央一侧设置的多叶管的部分构成为被扭转的多叶螺旋形状。使壳管式热交换器小型化而获得整体能够小型化的螺杆压缩机。

Description

螺杆压缩机

技术领域

本发明涉及具备用于使压缩气体冷却的壳管式热交换器的螺杆压缩机。

背景技术

作为具备壳管式热交换器的螺杆压缩机的现有技术，有日本特开2001-153080号公报（专利文献1）所记载的螺杆压缩机。该专利文献1中，记载了水冷式的双级无油螺杆压缩机，构成为其中间冷却器与后冷却器使用水冷式的壳管式热交换器，对被一级侧压缩机本体与二级侧压缩机本体压缩而成为高温的压缩空气（压缩气体）用冷却水冷却。

发明内容

上述专利文献1中，关于实现由壳管式热交换器构成的中间冷却器和后冷却器的小型化没有充分考虑，由于壳管式热交换器大，存在搭载了它的螺杆压缩机整体变大的课题。特别是在一个封装内与压缩机本体等一起收纳有壳管式热交换器的中间冷却器和后冷却器的螺杆压缩机中，存在该封装变大、容积占有率增大的课题。

本发明的目的在于获得一种螺杆压缩机，其能够使壳管式热交换器小型化而使得整体小型化。

为了解决上述课题，本发明为一种具备压缩机本体、和用于使从该压缩机本体排出的压缩空气冷却的壳管式热交换器的螺杆压缩机，其特征在于：上述壳管式热交换器内设置的管，由形成为两端侧为圆筒，并且中央侧在周方向上交替地具有峰部和谷部的波形形状的多叶管构成。

优选上述壳管式热交换器构成为，包括：圆筒状的壳；该壳的两侧设置的集管；设置在上述壳的一端一侧、将壳内与上述集管的一侧水密地分隔的凸缘；设置在上述壳的另一端一侧、将壳内与上述集管的另一侧水密地分隔的管板；以使在上述壳的两侧设置的集管连通的方式安装在上述凸缘和上述管板上的多个上述管；和在上述壳内的长度方向上隔开间隔配置多片，具有上述管贯通的贯通孔，并且用于引导被导入壳内的流体，使其从一侧向另一侧弯曲行进的挡板。

此处，优选上述挡板上形成的贯通孔的内径形成为，大于因压缩机运转而使内压作用于上述管内的状态下的上述多叶管的部分的外径。

优选上述管的中央一侧设置的多叶管的部分构成为被扭转的多叶螺旋形状。

此外，优选上述管的多叶管的部分的外径小于该管两端侧的圆筒部分的外径。

根据本发明，具有由于能够提高壳管式热交换器的热交换效率，因此能够实现小型化，结果能够获得整体小型化的螺杆压缩机的效果。

附图说明

附图描述本发明的实施例，仅仅作为示例而不是限定。在附图中，相同的符号表示相同或相似的部件。

图1是表示本发明的螺杆压缩机的实施例1的整体结构图。

图2是表示图1所示的壳管式热交换器的结构的纵向截面图。

图3是图2的A-A线向视截面图。

图4是图2的B-B线向视截面图。

图5是表示壳管式热交换器中使用的管的正面图。

图6是图5的C-C线向视截面图。

图7是图5的D-D线向视截面图。

图8是将图5中所示的多叶管的部分放大表示的立体图。

图9是将图5所示的管的端部一侧的结构放大表示的立体图。

图10是说明图2所示的壳管式热交换器中的流体流的示意图。

具体实施方式

在以下详细说明中，为了透彻理解本发明，通过实施例提出了许多具体细节。但是，本行业的专业人士应当理解本发明可以不以这些细节实施。在其他情况下，相对较高程度地描述了周知的方法、过程、部件、和/或电路而没有细节，旨在避免对于本发明的不必要的混淆。

以下，基于附图说明本发明的螺杆压缩机的实施例。其中，各图中，附加了相同符号的部分表示相同部分。

图1是表示本发明的螺杆压缩机的实施例1的整体结构图，本实施例中的螺杆压缩机为水冷式双级无油螺杆压缩机，设置有通过主电机1旋转驱动的低级侧（一级侧）压缩机本体2和高级侧（二级侧）压缩机本体3，被低级侧压缩机本体2压缩而变为高温的压缩空气被中间冷却器（低压级热交换器）4冷却。冷却后的压缩空气被输送至高级侧压缩机本体3，进一步被压缩，通过高级侧压缩机本体3的压缩再次变为高温的压缩空气，被后冷却器（高压级热交换器）5冷却，之后，向收纳这些装置的封装16外排出地构成。

上述压缩机本体2、3通过变速箱20与上述主电机1连接。变速箱20内，设置有安装在主电机1的旋转驱动轴前端的大齿轮21，和分别安装在压缩机本体2、3的旋转从动轴前端并且与上述大齿轮21啮合的小齿轮22、23。通过主电机1旋转，其旋转力经由大齿轮21和小齿轮22、23被传递至压缩机本体2、3，使压缩机本体2、3旋转，对压缩机空气进行压缩。

在上述低级侧压缩机本体2的排出一侧通过空气通路24连接有上述中间冷却器4，进而在中间冷却器4通过空气通路25与高级侧压缩机本体3的吸入一侧连接。此外，在高级侧压缩机本体3的排出一侧通过空气通路26和止回阀27连接有上述后冷却器5。对上述中间冷却器4和后冷却器5供给冷却水（制冷剂），使被低级侧压缩机本体2和高级侧压缩机本体3压缩而变为高温的压缩空气冷却地构成。

29是在上述止回阀27的近前从空气通路26分支的出气配管，30是与上述出气配管30连接的由铜制的U字管构成的吹风冷却器，31是上述吹风冷却器30的下游一侧的出气配管，该出气配管31的下游一侧，连接与吸入节流阀32联动动作的出气阀33。由上述吸入节流阀32和出气阀33构成卸载器（Unload）34。其中，35是吹风消音器，36是吸滤器，37是冷却风扇。

此外，38是使变速箱20内的油循环的油泵，39是用于使该油冷却的油冷却器。

上述结构的水冷式双级无油型的螺杆压缩机中，由电机1使低级侧压缩机本体2和高级侧压缩机本体3旋转驱动时，压缩用空气从外部经由吸入节流阀32被吸入低级侧压缩机本体2并被压缩。被压缩变为高温的压缩空气从低级侧压缩机本体2排出，通过空气通路24流入中间冷却器4，在此处被冷却。冷却后的压缩空气通过空气通路25被吸入高级侧压缩机本体3，在高级侧压缩机本体3中进一步被压缩。从高级侧压缩机本体3排出的压缩空气，经由空气通路26和止回阀27流入后冷却器5。由于高级侧压缩机本体3中进一步压缩后的压缩空气再次变为高温，在后冷却器5中冷却至实际使用温度（例如接近从大气吸入的温度的温度）后向封装16外排出。

双级无油螺杆压缩机中，如上所述，一般使用中间冷却器4，这是为了通过降低流入高级侧压缩机的空气温度，防止从高级侧压缩机本体3排出的压缩空气的温度变得非常高，并且提高高级侧压缩机本体3的压缩效率。

为了使排出的压缩空气的温度冷却至实际使用温度，上述中间冷却器4和后冷却器5由壳管式热交换器构成，将这些热交换器与压缩机本体一起收纳在一个框体内封装化时，封装16内的热交换器的容积占有率变大。根据图2说明该壳管式热交换器的结构。

上述壳管式热交换器由圆筒状的壳6；该壳6的两侧设置的集管7、8；上述壳6的一端一侧设置的、使壳6内与上述集管7、8的一侧水密地分隔的凸缘9；上述壳6的另一端一侧设置的、使壳6内与上述集管7、8的另一侧水密地分割的管板10；以使上述壳6的两侧设置的上述集管7、8连通的方式安装在上述凸缘9和上述管板10上的多个管11；在上述壳6内的长度方向上隔开间隔配置多片、具有上述管11贯通的贯通孔（未图示）的挡板14；上述壳6的上述另一端一侧设置的、用于将流体导入壳内的入口12；上述壳6上与上述入口12一侧相反的一侧设置的、用于排出被导入上述壳6内的流体的出口13等构成。上述挡板14是用于将从上述入口12导入到壳6内的流体，从一侧（本实施例中为管板10一侧）向另一侧（本实施例中为凸缘9一侧）弯曲行进地引导。

根据图10说明使图2所示的壳管式热交换器例如作为图1所示的后冷却器5使用的情况下的压缩空气与冷却水的流动。

从高级侧压缩机本体3排出，通过空气通路26和止回阀27，从入口部7a被导入到壳管式热交换器的一端一侧的集管7的压缩空气，从凸缘9的部分流入多个管11内，流向另一端一侧的集管8并聚集，从出口部8a排出。另一方面，冷却水（作为制冷剂的流体）从壳6上设置的入口12被导入壳6内，从壳6内的管板10一侧通过挡板14弯曲行进地流向凸缘9一侧，从出口13排出。上述冷却水通过上述挡板14，相对于水平设置的管11在垂直方向上形成流路而流动。

由此，上述压缩空气与上述冷却水成为逆流，高温的压缩空气与低温的冷却水通过上述管11的管壁而热交换，压缩空气被冷却至向外部释放也没有问题的实际使用温度并从集管8的出口部8a排出，对封装外供给。

其中，上述壳管式热交换器作为中间冷却器4使用的情况下大致相同。

返回图2，壳管式热交换器中使用的上述管11，以往使用单纯的的圆筒形的单管（裸管）。但是，使用单纯的圆筒形的单管的情况下，单管的导热面积小，壳管式热交换器大型化，所以与压缩机本体2、3等一起将壳管式热交换器构成的中间冷却器4和后冷却器5等收纳在一个框体内封装化时，螺杆压缩机大型化。

于是，为了使上述管11的热交换性能提高，研究了使用日本特开2008-232449号公报（以下称为专利文献2）中记载的双重管式的管作为上述管11。上述专利文献2中记载的双重管式的管是由外管（外部管）和内管（内部管）构成，外管是裸管（圆通管），内管由截面为多叶状的多叶管构成的双重管式的热交换器。在上述内管与外管之间的间隙使第一流体流通，另一方面，在内管内使第二流体流通，通过使用多叶管作为内管而使热交换效率提高。

考虑了将该专利文献2中记载的双重管式的管（热交换器）应用为壳管式热交换器的上述管，不仅在内管内通路中，在内管与外管之间的通路中也流过来自压缩机本体2或3的压缩空气，并且在上述外管的外侧流过冷却水的结构。这样，认为与将管径相同的单管用作壳管式热交换器的管11的以往的方式相对，使上述管11为双重管式的管，能够获得大的导热面积，提高热交换效率。

但是，可知即使将壳管式热交换器的管11从单管变为双重管式的管，由于对于管11的与管外流体（冷却水）的接触面积与由相同管径的单管构成的管不变，因此壳管式热交换器的热交换效率，使用负载的结构的双重管式的管不能期待充分的效果。

于是，本实施例中，使壳管式热交换器的管11如图3～图9所示，由形成为两端侧为圆筒，并且中央侧在周方向上交替地具有峰部和谷部的波形形状的多叶管构成。作为本实施例的管11的多叶管不是双重管式的管，而是由单管（单层管）构成。

图3是图2的A-A线向视截面图。如该图所示，管11由多叶管构成。此外，如图3所示，管11设置为贯通挡板14上形成的贯通孔14a，上述贯通孔14a的内径构成为比贯通此处的多叶管形状的管11的外形更大。特别是因压缩机运转，使压缩空气在上述管11内流通时，内压（例如0.7MPa的内压）作用于多叶管部分使其外径增大，而本实施例中，使上述贯通孔14a的内径构成为比因压缩机运转而使内压作用于管内的状态下的上述多叶管部分的外径更大。

由此，不仅在组装时容易进行将管11插入挡板14的贯通孔14a的作业，即使压缩机运转时内压作用于管11使管外径增大的情况下，也能够防止挡板14上产生应力，所以能够防止挡板14的破损，能够使用更薄的挡板。

其中，由于上述挡板14是使冷却水弯曲行进地流通的，所以不是圆板形状，而是在其下部或上部等形成有切口的形状。此外，挡板14根据上述凸缘9或管板10上固定的规杆（未图示）而定位固定。

图4是图2的B-B线向视截面图，是凸缘9的部分的侧面图。上述凸缘9被夹在构成上述壳6的部件与构成上述集管7的部件之间，用螺栓15等连接。此外，在上述凸缘9上形成有多个用于插入上述管11并固定的贯通孔9a，插入上述管11的一端部，使用扩管器扩管，从而将管11的端部压接固定到上述凸缘9的贯通孔9a。其中，也可以通过钎焊等来固定。

根据图5～图9说明上述管11的详细结构。

图5是表示图2所示的壳管式热交换器中使用的管11的整体结构的正面图。如该图所示，管11的两端侧由圆筒11a、11b构成，中央一侧由多叶管11c构成。即，管11的中央一侧的结构，如图5的C-C线向视截面图即图6所示，由形成为在周长方向交替地具有峰部和谷部的波形形状的多叶管11c构成。本实施例中，上述多叶管11c构成为五叶。此外，上述管11的两端侧如图5的D-D线向视截面图即图7所示，由单纯的圆筒11a、11b构成。

上述管11的圆筒11a的部分、即右端一侧被插入固定到上述凸缘9的贯通孔9a中。此外，上述管11的圆筒11b的部分、即左端一侧，如图2所示，被插入上述管板10上形成的贯通孔10a中，与凸缘9一侧同样地通过扩管或钎焊等固定。其中，管11的多叶管11c的部分的外径构成为比上述圆筒11a、11b的部分的外径更小，使将管11插入凸缘9和管板10的贯通孔9a、10a组装的作业能够容易地进行。

其中，上述管板10构成为能够在上述壳6内或构成集管8的部件内在轴方向上滑动，是即使上述管向轴方向热膨胀也能够将其吸收的结构。16是上述管板10的外周面与上述壳6内面或集管8的结构部件内面之间设置的、将其之间水密地密封的密封部件。

图8是上述管11的多叶管11c的部分的放大立体图。如该图8和上述图5所示，本实施例中，上述多叶管11c的部分，如图中R所示，是随着朝向轴方向在周长方向上以一定角度被扭转的螺旋形状。为了将多叶管11c的部分制作为螺旋形状，设置用于在圆筒状的单管（裸管）上形成多叶管11c的板牙（Dice），使该板牙在轴方向上固定并且能够在圆周方向上自由旋转。从该状态下抽出上述圆筒状的单管时，在上述单管上，与从设置了上述板牙的部分抽出单管的量相应地使多叶管形状的部分成型。此外，由于上述板牙构成为仅在轴方向上定位从而能够在周长方向上自由旋转，为了与抽出单管的动作联动，上述板牙在周长方向上转动，因此上述多叶管形成螺旋状。该螺旋状多叶管的扭转量（扭转角R）构成为能够通过改变上述单管的抽出速度而调整。

图9是上述管11的端部侧部分的放大立体图。该图9仅表示了管11的左端一侧，而右端一侧也同样地构成。如该图所示，管11的端部侧保持为圆筒11b（11a），即，是保持为裸管的形状，从设置了板牙的部分至结束了抽出动作的部分如图所示，形成多叶管11。

由于管11的两端侧形成圆筒11a、11b，能够插入凸缘9和管板10上形成的贯通孔9a、10a，通过扩管或钎焊等固定在上述凸缘9和管板10上。此外，管11的中央一侧为多叶管11c，能够增大管11的导热面积，因此能够提高导热效率。从而，能够通过流过管11外侧的冷却水（制冷剂），使流过管11内侧的高温的压缩空气高效地冷却，使壳管式热交换器小型化。

此外，多叶管11c的槽（图6所示的凹陷部分）的部分，由于管11的两端侧保持为圆筒，其两端部成为堤。因此，水在多叶管11c的槽中蓄积的状态下压缩机停止，冷却水的供给也停止的情况下，水保持为蓄积在上述槽中，担心发生腐蚀。但是，根据本实施例，多叶管11c的部分被施加扭转成为螺旋状，因此蓄积在多叶管的槽的部分的水会因自重而沿着螺旋状的槽流向下方而落下，上述槽中不会积水，因此也能够防止多叶管部分的腐蚀。

进而，压缩机运转中冷却水流过多叶管11c的外侧，而上述多叶管11c形成为螺旋状，所以流过管11外侧的冷却水的流动、以及流过管11内侧的压缩空气的流动湍流化，结果，能够进一步提高导热效率。

其中，本实施例中，使上述多叶管11c的部分形成为螺旋状，而越增大上述扭转角R，能够使导热面积越大。此外，多叶管11c的部分不一定需要构成为螺旋状，也可以是扭转角R为0度的直线形状。为了成为直线形状的多叶管，以阻止上述板牙的周长方向旋转的方式对单管抽出加工即可。通过成为直线形状，虽然导热面积减小，但是能够降低流过多叶管11c外侧的冷却水的压强损失。

表1中表示作为壳管式热交换器的管11，使用专利文献2中记载的多叶双层管的情况、和上述本实施例的壳管式热交换器的情况下，对热交换性能进行比较实验的结果。

本实施例的情况下，由于使管11为单层管，虽然对于双重管导热面积少，但由于是多叶管，因此能够大幅增加与冷却水的接触面积。因此，能够提高每单位导热面积的热交换量。

从而，根据本实施例，能够与使用多叶双层管的情况相同地使壳管式热交换器小型化。并且根据本实施例，其为单层管，所以不仅简化了结构使制作变得容易，还能够大幅降低用于制作管11的材料费。

【表1】

表1

项目	单位	多叶双层管	本实施例
				全长	mm	1000	1000
外径	mm	Φ19	Φ19
				多叶部长度	mm	900	900
多叶部材料尺寸	mm	Φ31.7	Φ31.7
				截面积	mm²	170.9	121.9
导热面积	mm²	135254	90112
				导热面积比	-	100%	67%
冷却水接触面积	mm²	17100	28530

冷却器管数	根	31	31
				压缩空气压强	MPa	0.21	0.21
压缩空气流量	m³/min	18	18
				冷却水流量	L/min	50	50
压缩空气冷却器入口温度	℃	141	141
				压缩空气冷却器出口温度	℃	30.3	32.5
冷却水入口温度	℃	19.1	19.1

热交换量	kcal/h	31563	30936
				每根管的热交换量	kcal/h	1018	998
每单位导热面积的热交换量	kcal/h/mm²	0.0075	0.0111
				热交换效率比较	-	100%	147%

其中，上述实施例中，说明了水冷式双级无油螺杆压缩机的情况，而单级无油螺杆压缩机和油冷式的螺杆压缩机，只要是使用壳管式热交换器使压缩空气冷却的，就能够同样地实施本发明。

如以上所说明，根据本实施例，在具备压缩机本体、和对从该压缩机本体排出的压缩空气水冷式地冷却的壳管式热交换器的螺杆压缩机中，上述壳管式热交换器内设置的管，由形成为两端侧为圆筒，并且中央侧在周方向上交替地具有峰部和谷部的波形形状的多叶管构成，由此能够提高壳管式热交换器的热交换效率，能够实现其小型化，其结果是能够获得整体能够小型化的螺杆压缩机。

此外，壳管式热交换器内设置的管，由具有多叶管部的单层管构成，所以与使用双重管的情况相比，能够获得搭载有结构能够大幅简化、还能够提高冷却能力的小型化的壳管式热交换器的螺杆压缩机。

进而，使上述管的中央一侧为被扭转的多叶螺旋形状，能够进一步增大管内外的导热面积，同时还能够使流过管内外的两种流体成为湍流状态，因此能够使热交换性能提高，进一步提高冷却能力。并且，流过管外的流体是水等液体的情况下，担心压缩机停止时或压缩机未使用时在多叶管的叶状槽部中蓄积液体流体，而本实施例中，通过使上述多叶管部成为螺旋形状，能够防止在上述叶状槽部中蓄积液体流体，防止管生锈或发生腐蚀。

这样，根据本实施例，能够获得搭载有小型并且可靠性高、结构简化并且能够廉价地制作的壳管式热交换器的螺杆压缩机。

以上叙述了最佳的方式和/或其他实施例，但是应当理解能够进行各种修改，其中公开的主题能够以多种方式和实施例实施，并且本发明能够用于各种用途，此处只叙述了其中一部分。本发明的实际范围内的任意和所有应用、修改和变更由权利要求定义。

Claims

1.一种具备压缩机本体、和用于使从该压缩机本体排出的压缩空气冷却的壳管式热交换器的螺杆压缩机，其特征在于：

所述壳管式热交换器内设置的管，由形成为两端侧为圆筒，并且中央侧在周方向上交替地具有峰部和谷部的波形形状的多叶管构成。

2.如权利要求1所述的螺杆压缩机，其特征在于：

所述壳管式热交换器包括：

圆筒状的壳；

该壳的两侧设置的集管；

设置在所述壳的一端一侧、将壳内与所述集管的一侧水密地分隔的凸缘；

设置在所述壳的另一端一侧、将壳内与所述集管的另一侧水密地分隔的管板；

以使在所述壳的两侧设置的集管连通的方式安装在所述凸缘和所述管板上的多个所述管；和

在所述壳内的长度方向上隔开间隔配置多片，具有所述管贯通的贯通孔，并且用于引导被导入壳内的流体，使其从一侧向另一侧弯曲行进的挡板。

3.如权利要求1所述的螺杆压缩机，其特征在于：

所述管的中央一侧设置的多叶管的部分构成为被扭转的多叶螺旋形状。

4.如权利要求1所述的螺杆压缩机，其特征在于：

所述管的多叶管的部分的外径小于该管两端侧的圆筒部分的外径。

5.如权利要求2所述的螺杆压缩机，其特征在于：

所述挡板上形成的贯通孔的内径形成为，大于因压缩机运转而使内压作用于所述管内的状态下的所述多叶管的部分的外径。