JP2005171903A

JP2005171903A - 流体回路システム

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Publication number: JP2005171903A
Application number: JP2003413775A
Authority: JP
Inventors: Shigekazu Nagai; 茂和永井; Koji Sugano; 浩二菅野
Original assignee: SMC Corp
Current assignee: SMC Corp
Priority date: 2003-12-11
Filing date: 2003-12-11
Publication date: 2005-06-30
Also published as: DE102004059782A1; US20050126383A1

Abstract

【課題】エア等の気体、ガスが循環するクローズドループ流体回路において、サプライガスを供給するコンプレッサの稼動効率を向上させて、省エネルギを達成することにある。
【解決手段】クローズドループ回路中に配設された熱交換ユニット１０８により、エアシリンダ１２４側に向かって供給される高温の圧縮エアと、前記エアシリンダ１２４に供給されて仕事を終えた低温の排気エアとの間で熱交換が行われ、高温の圧縮エアの熱エネルギが低温の排気エアに移動する。従って、高温の圧縮エアの温度が降下すると共に、排気エアの温度が上昇し、前記温度が上昇した排気エアがコンプレッサ１０６のエア吸入ポート１０４から吸い込まれる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、シリンダ等の空気圧アクチュエータに対して圧縮エア（サプライガス）を供給するコンプレッサを効率的に稼動させることが可能な流体回路システムに関する。

電磁弁マニホールドに付設された複数のエアシリンダを駆動させる従来技術に係るエア回路を図１８に示す。

このエア回路１は、それぞれ直列に接続された大容量タイプのコンプレッサ２、アフタクーラ３、エアタンク４、第１フィルタ５及びエアドライヤ６を含む。前記エアドライヤ６の出力側には、複数の分岐通路７ａ、７ｂ、…を介して第２フィルタ８、減圧弁９、圧力計１０及び複数の電磁弁マニホールド１１ａ、１１ｂ、…がそれぞれ直列に接続され、前記電磁弁マニホールド１１ａには、複数のエアシリンダ１２ａ〜１２ｃが並列に接続されている。なお、前記電磁弁マニホールド１１ａの共通排気ポート１３にはサイレンサ１４が接続され、大気に連通するように設けられている。

このエア回路１の概略動作を説明すると、コンプレッサ２から導出された大容量の圧縮エアは、アフタクーラ３、エアタンク４、第１フィルタ５及びエアドライヤ６をそれぞれ流通することにより、温度、湿度及び脈動等が制御される。

このように制御された圧縮エアは、分岐通路７ａ、７ｂ、…を介してそれぞれ適宜分配された後、減圧弁９によってエアシリンダ１２ａ〜１２ｃに対応する所定の圧力に減圧され、さらに、共通供給ポート１５から電磁弁マニホールド１１ａ、１１ｂ、…に供給される。前記電磁弁マニホールド１１ａでは、共通供給ポート１５に連通する図示しない各ポートを介して各エアシリンダ１２ａ〜１２ｃの一方のシリンダ室１６ａに向かって圧縮エアが供給され、各エアシリンダ１２ａ〜１２ｃが駆動される。

各エアシリンダ１２ａ〜１２ｃが駆動される際、他方のシリンダ室１６ｂから導出されたエアは、電磁弁マニホールド１１ａ、１１ｂ、…の共通排気ポート１３及びサイレンサ１４を介して大気中に排気される。

このように、従来技術に係るエア回路１では、エアシリンダ１２ａ〜１２ｃが駆動される際、前記エアシリンダ１２ａ〜１２ｃから排出されたエアは、再利用されることがなくその全量が大気中に排気され、次工程に移行する。

そこで、非特許文献１には、図１９に示されるように、圧力を維持したまま排気エアを回収して再利用を図ろうとする排気回収回路２０が提案されている。

この排気回収回路２０では、エアシリンダ２１の作業ストローク中において、ヘッド側シリンダ室２２ａに供給された高圧エアが所定圧力に低下するまで回収弁２３を介してアキュムレータ２４に回収され、前記所定圧力以下に低下すると前記回収弁２３から大気中に排気されるように構成されている。前記アキュムレータ２４に回収された低圧エアは、復帰ストロークのロッド側シリンダ室２２ｂへのエア源として利用され、エアシリンダ２１を再駆動させる。

小根山尚武著、「空気圧システムの省エネルギー」、第１版、財団法人省エネルギーセンター、２００３年３月３１日、ｐ．３０６−３０７

本発明は、前記提案に関連してなされたものであり、エア等の気体、ガスが循環するクローズドループ流体回路において、サプライガスを供給するコンプレッサの稼動効率を向上させて、省エネルギを達成することが可能な流体回路システムを提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、外部機器を駆動させて仕事を終えたリターンガスをコンプレッサの吸入ポートに導入する通路を含むクローズドループ回路からなり、
前記クローズドループ回路には、前記外部機器に向かって供給され前記コンプレッサの圧縮に伴う高温のサプライガスと、低温の前記リターンガスとの熱を交換する熱交換手段が設けられることを特徴とする。

この場合、前記高温のサプライガスから低温のリターンガスへの熱の伝達は、油を媒介してなされるとよい。

前記熱交換手段には、圧縮性エアを送風するファン、又は、冷却油に浸漬された配管、あるいは、内管と外管とを有し内管通路と外管通路との間の温度差によって熱交換がなされる二重管等が含まれる。

本発明によれば、クローズドループ回路中に配設された熱交換手段により、外部機器側に向かって供給される高温のサプライガスと、前記外部機器に供給されて仕事を終えた低温のリターンガスとの間で熱交換が行われ、高温のサプライガスの熱エネルギが低温のリターンガスに移動する。従って、サプライガスの温度が低下すると共に、リターンガスの温度が上昇し、前記温度が上昇したリターンガスがコンプレッサの吸入ポートから吸い込まれ、再度、コンプレッサによって圧縮されてクローズドループ回路に沿って循環する。

これによって外部から熱エネルギを補う必要がなく、コンプレッサが吸い込むリターンガスのエンタルピが上昇し、結果的に外部に放出される熱エネルギが減少して省エネルギを達成することができる。

本発明によれば、以下の効果が得られる。

すなわち、クローズドループ回路中に熱交換手段を設けることによりリターンガスのエンタルピを上昇させ、サプライガスを供給するコンプレッサの稼動効率を向上させて、省エネルギを達成することができる。

本発明に係る流体回路システムについて好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。

図１において、参照数字１００は、本発明の第１の実施の形態に係る流体回路システムを示す。なお、以下に示す実施の形態及び比較例において、同一の構成要素には同一の参照数字を付してその詳細な説明を省略する。

この第１の実施の形態に係る流体回路システム１００は、クローズドループを構成する圧力流体循環回路からなり、エア供給ポート１０２及びエア吸入ポート１０４が設けられたコンプレッサ１０６と、前記コンプレッサ１０６のエア供給ポート１０２及びエア吸入ポート１０４にそれぞれ接続される熱交換ユニット（熱交換手段）１０８と、前記コンプレッサ１０６から供給された圧縮エア、ガス等のサプライガスを一時的に貯留すると共に、前記圧縮エア等の脈動を抑制するタンク１１０と、前記タンク１１０から導出された圧縮エア中に含有する塵埃等を除去するフィルタ１１２と、前記フィルタ１１２を通過して圧縮エアを冷却するエアドライヤ１１４とを含む。

さらに、前記流体回路システム１００は、前記エアドライヤ１１４から導出された圧力流体が供給され、工場設備１１６の配管通路に接続されたフィルタ１１８及びレギュレータ１２０と、前記レギュレータ１２０の出力側に接続される電磁弁マニホールド１２２と、前記電磁弁マニホールド１２２に接続された複数の分岐通路を介して圧力流体が供給されることによりそれぞれ駆動される複数のエアシリンダ１２４と、前記エアシリンダ１２４のシリンダ室内に供給される圧縮エアの流量を調整するスピードコントローラ１２６とを備える。

熱交換ユニット１０８は、コンプレッサ１０６のエア供給ポート１０２に接続される高温用エア供給ポート１２８と、前記タンク１１０に接続される第１接続ポート１３０と、第１循環用通路１３２を介して電磁弁マニホールド１２２の排気ポートに接続される低温用エア供給ポート１３４と、第２循環用通路１３６を介してコンプレッサ１０６のエア吸入ポート１０４に接続される第２接続ポート１３８とを有する。

この場合、前記高温用エア供給ポート１２８と第１接続ポート１３０とは第１連通路を介して連通するように設けられ、前記低温用エア供給ポート１３４と第２接続ポート１３８とは第２連通路を介して連通するように設けられる。

このように、コンプレッサ１０６、熱交換ユニット１０８等は、クローズドループを構成するようにそれぞれ接続される。なお、前記コンプレッサ１０６には、前記クローズドループ内に対して圧力流体を初期的に供給し、あるいは前記クローズドループ内の圧力流体の減少に対応して予め貯留された圧力流体を該クローズドループ内に補充するための図示しないサプライ用タンクを接続してもよい。また、前記サプライ用タンク内には、予め品質が管理されて製造されたガス等の圧力流体が貯留されていてもよい。

本発明の第１の実施の形態に係る流体回路システム１００は、基本的には、以上のように構成されるものであり、次に、その動作並びに作用効果について説明する。

コンプレッサ１０６から吸い込まれたエアは内部で圧縮され、前記圧縮エアの温度が上昇する。高温となった圧縮エアは、エア供給ポート１０２から吐出されて熱交換ユニット１０８の高温用エア供給ポート１２８に導入され、第１連通路及び第１接続ポート１３０を介してタンク１１０に供給される。

前記タンク１１０から導出された圧縮エアは、フィルタ１１２を通過し、さらにエアドライヤ１１４に導入される。前記エアドライヤ１１４では、圧縮エア中の水分を分離してドライエアとすると共に、下降したエアの温度を常温程度に戻す作用がなされる。

通常、エアブロー等は、ある程度の調質された圧縮エアで使用上の問題が発生しないが、工場設備１１６等において電磁弁マニホールド１２２及び複数のエアシリンダ１２４等から構成されるアクチュエータシステムを用いる場合、より品質の良い圧縮エアを用いることにより、前記アクチュエータシステムを構成する機器の寿命を延命し、良好な作動状態を保持することができるため、フィルタ及びミストセパレータを用いるとよい。

最終段階まで調質された圧縮エアは、レギュレータ１２０によって圧力調整がなされて電磁弁マニホールド１２２に供給され、図示しないコントローラからの付勢信号によって付勢される電磁弁を介して所望のエアシリンダ１２４を駆動させることができる。

その際、圧縮エアは、スピードコントローラ１２６によって供給される流量が減少し、エアシリンダ１２４の図示しないピストンの変位速度の調整がなされる。

前記エアシリンダ１２４のシリンダ室内に残存するエアは、前記ピストンの変位作用下に、電磁弁マニホールド１２２の排気ポートから排気される。前記排気ポートから排気される低温の排気エアは、第１循環用通路１３２及び低温用エア供給ポート１３４を通じて熱交換ユニット１０８に導入される。

前記熱交換ユニット１０８の内部では、高温用エア供給ポート１２８から導入された高温の圧縮エア（サプライガス）と、低温用エア供給ポート１３４から導入された低温の排気エア（リターンガス）との間で熱交換が行われ、高温の圧縮エアの熱エネルギが低温の排気エアに移動する。従って、圧縮エアの温度が低下すると共に、排気エアの温度が上昇し、前記上昇した排気エアは、第２循環用通路１３６を介してエア吸入ポート１０４からコンプレッサ１０６に導入される。

これによって外部から熱エネルギを補う必要がなく、コンプレッサ１０６が吸い込むエアのエンタルピが上昇し、結果的に外部に放出される熱エネルギが減少して省エネルギを達成することができる。

ここで、第１比較例に係る流体回路システム１４０を図１１に示す。

この第１比較例に係る流体回路システム１４０では、コンプレッサ１０６の出力側に液体を用いて冷却するアフタクーラ１４２が接続されると共に、エアシリンダ１２４から排気される排気エアは、電磁弁マニホールド１２２の排気ポートに接続されたサイレンサ１４４から大気中に排気されるように構成されている点で第１の実施の形態と相違している。

配管を通じて前記アフタクーラ１４２に導入された高温の圧縮エアは、工業用水、あるいはオイルクーラに接続されたオイルが冷却用配管１４６内を循環することにより冷却され熱エネルギが大気中に放出されることにより、前記圧縮エアの温度が下降する。

次に、第１の実施の形態に係る流体回路システム１００と第１比較例に係る流体回路システム１４０とにおけるエンタルピ（ENTHALPY）とエントロピ（ENTROPY）との関係を図２に示す。なお、図２中に示される特性曲線Ａ〜Ｆは、それぞれ、圧縮エアの圧力が０ｋｇｆ／ｃｍ^２、１ｋｇｆ／ｃｍ^２、２ｋｇｆ／ｃｍ^２、３ｋｇｆ／ｃｍ^２、４ｋｇｆ／ｃｍ^２、５ｋｇｆ／ｃｍ^２を示している。

エンタルピ（ｈ）とは、圧縮エア等の気体が等圧変化するときに授受されるエネルギ（熱量）を示し、エントロピ（ｓ）とは、圧縮エア等の気体の状態量を示している。

コンプレッサ１０６の通常の使用状態として、エンタルピ（ｈ１）のエア（大気）若しくはＮ_２ガス等は、スクロール式、スクリュー式、レシプロ式、ベーン式、ターボ式等によるコンプレッサ１０６によって、予め設定された圧縮比に基づいて圧縮される。

コンプレッサ１０６によって昇圧された圧縮エアは、断熱変化によってその温度が上昇し、前記圧縮エアのエンタルピはｈ２に増加する。圧縮エアの温度とエンタルピが比例関係にあるからである。このときにコンプレッサ１０６が行った仕事（圧縮に必要となる動力源）は、Ｗである（状態１から状態２に変化）。

圧縮され、高いエンタルピ状態となった圧縮エアをそのままアクチュエータシステムに使用した場合、タンク１１０、レギュレータ１２０、フィルタ１１２、配管チューブ、管継手、電磁弁、流量調整弁、エアシリンダ１２４等の流体機器の適用温度範囲を超越して不具合が発生するおそれがある。そこで、圧縮エアの温度を下げるため、アフタクーラ１４２、冷凍式エアドライヤ等を用いて流体機器の適用範囲の温度に調整するのが一般的である。

しかしながら、前記温度調節に伴って圧縮エアが有するエンタルピは大気中に放出されてｈ２からｈ３に減少する（状態２から状態３に変化）。前記エンタルピのｈ２からｈ３への減少は、エネルギＱ１が大気中に放出されることを示している。さらに、適温となった圧縮エアは、アクチュエータシステムによって所望の仕事を行い、エンタルピはｈ３からｈ４に減少し、圧縮エアの圧力が低下する（状態３から状態４に変化）。

第１比較例に係る流体回路システム１４０では、アクチュエータシステムにおけるエアシリンダ１２４と電磁弁マニホールド１２２間の閉塞された空間に存在するエンタルピｈ４の圧縮エアが、電磁弁の付勢／滅勢によってピストンの変位方向が切り替わるときに大気中に排気され、同じ温度状態で圧力が降下する（状態４から状態１に変化）。

これに対し、第１の実施の形態に係る流体回路システム１００では、大気中に放出される排気エアを排気することがなく、第１循環用通路１３２を介して再度、熱交換ユニット１０８に導入することにより、エンタルピをｈ１′に増加させることができる。これにより、再度、圧縮エアをエンタルピｈ２の状態まで増加させるのに必要となるエネルギＱ２の相当分（図２中の斜線部分参照）だけ削減することができる。

従って、第１比較例では、状態１→状態２→状態３→状態４→状態１とその状態が変化するのに対し、第１の実施の形態では、状態１′→状態２→状態３→状態４→状態１′と変化するため、コンプレッサ１０６を動力を削減して効率的に稼動させることができ、省エネルギを達成することができる。

換言すると、アフタクーラ１４２を用いる第１比較例では、高温の圧縮エアの温度を減少させることだけをその目的とし、圧縮エアの温度が降下する際に発生する熱量は循環する冷却液である水やオイルに熱伝導し、結果的に流体回路中から外部に放出されてしまうという問題がある。

これに対して、第１の実施の形態では、電磁弁マニホールド１２２の排気ポートと熱交換ユニット１０８とを接続する第１循環用通路１３２を接続し、低温となっている排気エアがエアシリンダ１２４の排気時に熱交換ユニット１０８に吸入される。前記熱交換ユニット１０８の内部においてコンプレッサ１０６から導出された高温の圧縮エアと低温の排気エアとの間で熱交換がなされる。

従って、高温の圧縮エアの温度が減少し、低温の排気エアの温度が上昇するという熱交換が行われ、再加熱されて温度が上昇した排気エアはコンプレッサ１０６のエア吸入ポート１０４を通じて吸入される。この結果、外部から熱エネルギを補う必要がなくコンプレッサ１０６が吸い込むエアのエンタルピが上昇し、且つ外部に放出されるエネルギが減少することにより省エネルギを達成することができる。

この場合、コンプレッサ１０６のエア圧縮による温度上昇（エンタルピ上昇）を使用温度まで吸熱するエネルギＱ１を全て環境（大気中）に排熱するのではなく、コンプレッサ１０６の吸い込みのエアのエンタルピ上昇（温度上昇）を再利用することにより、エア圧縮工程での加圧仕事を減少させ、コンプレッサ１０６の稼動効率を上昇させることができる。

すなわち、理想気体では、エントロピｈ１≒エントロピｈ４であり、加熱することによってエントロピｈ１′＞ｈ４とすることができる。コンプレッサ１０６が行う圧縮エアに対する仕事（必要な動力）をＷ、Ｗ′とすると、
Ｗ≒ｈ２−ｈ１
Ｗ′≒ｈ２−ｈ１′
となり、∇Ｗ＝Ｗ−Ｗ＞０となり、∇Ｗの分だけ省エネルギが達成される。

次に、第２の実施の形態に係る流体回路システム１５０を図３に示すと共に、第２比較例に係る流体回路システム１６０を図１２に示す。なお、以下の実施の形態において、その作用効果が第１の実施の形態と同一であるのでその詳細な説明を省略し、異なる作用効果を奏する場合にのみ説明する。

第２の実施の形態では、熱交換ユニット１０８内に、コンプレッサ１０６から導出される高温の圧縮エアの熱を送風によって低温の排気エアが流通する配管に熱伝達するファン１５２が設けられている点で第１の実施の形態と相違している。なお、前記ファン１５２は電動モータ１５４等によって回転自在に設けられる。

第２比較例では、ファン１５２を用いた空冷式アフタクーラ１６２によってコンプレッサ１０６から導出される高温の圧縮エアの冷却がなされるが、その際、圧縮エアの温度降下に伴って熱エネルギが大気中に放出され、熱エネルギを効率的に利用することができないという問題がある。

次に、第３の実施の形態に係る流体回路システム１７０、１８０を図４及び図５に示す。

この第３の実施の形態では、熱交換ユニット１０８とコンプレッサ１０６との間の第２循環用通路１３６に対して圧力供給機構１９０を接続している点で第１及び第２の実施の形態と相違している。

この圧力供給機構１９０は、熱交換ユニット１０８の第２接続ポート１３８に接続されるシャトル弁１９２と、他の圧縮エア供給源１９４に接続されて前記シャトル弁１９２側に供給する補充用圧縮エアを所定圧に減圧するレギュレータ１９６と、前記シャトル弁１９２とコンプレッサ１０６との間に配置される排気エア回収タンク１９８とを備える。

第２接続ポート１３８を介して熱交換ユニット１０８から導出された排気エアは、シャトル弁１９２に導入され、前記レギュレータ１９６によって予め設定されている低圧の圧縮エアの圧力よりも高いとはそのままシャトル弁１９２を経由して排気エア回収タンク１９８に供給され、さらにコンプレッサ１０６のエア吸入ポート１０４を介してコンプレッサ１０６に導入される。その際、別系統の圧縮エア供給ライン１９９からのエア消費は、なされていない。

前記排気エアの圧縮エアの流量が減少し、排気エア回収タンク１９８内の圧力がレギュレータ１９６の設定圧力よりも下がった場合、前記シャトル弁１９２が作動し、他の圧縮エア供給源１９４に接続された別系統の圧縮エア供給ライン１９９からの圧縮エアが該シャトル弁１９２を経由して排気エア回収タンク１９８内に供給される。

前記圧力供給機構１９０を設けることにより、常時、一定の排気側圧力（排気エアの圧力）が保持され、排気エアを利用するコンプレッサ１０６を安定して稼動させることができる。

次に、第４の実施の形態に係る流体回路システム２００を図６に示す。

図示しない循環用通路を介して吸入口２０２から吸い込まれる排気エアは、エアクリーナ２０４を通過してエア中に含有する塵埃等が除去され、吸い込み容量調整弁２０６に導入される。前記エアクリーナ２０４と吸い込み容量調整弁２０６との間には、オイルチャンバ２０８内の潤滑油２１１中に浸漬された熱交換用配管２１２が配設され、前記エアクリーナ２０４を通過した低温のエアが前記熱交換用配管２１２を通じて吸い込み容量調整弁２０６に導入される。

前記吸い込み容量調整弁２０６では、内部に導入されたエアの圧力が設定圧力よりも上昇したことを検知するとそれ以上のエアの吸入を阻止するために吸い込み通路を閉塞する動作が行われる。

吸い込み容量調整弁２０６を通過したエアは、コンプレッサ１０６に導入されて圧縮されて圧縮エアとなる。なお、前記コンプレッサ１０６は、ツインスクリュー式、スクロール式、レシプロ式、ベーン式、ターボ式等のいずれであってもよい。

前記コンプレッサ１０６は、供給電源によって駆動するモータ２０９の回転力を、Ｖベルト２１０やタイミングベルト等の回転駆動力伝達手段を介して小プーリ２１３から大プーリ２１４に伝え、且つ回転数が減少され、回転速度が減速される。このとき、プーリ径を他のサイズに交換することにより、一定の回転数で回転する安価なインダクションモータの回転数が変更され、その結果、圧縮エアの吐出流量を変更することができる。

コンプレッサ１０６の内部で昇圧された圧縮エアは、その出力ポート２１６からオイルチャンバ２０８内に放出される。前記オイルチャンバ２０８内には、高温になった圧縮エアの熱が伝達される潤滑油２１１が収容されている。前記高温の圧縮エアは潤滑油２１１と混合し、温度上昇した潤滑油２１１は、オイルチャンバ２０８の内圧によって押し出され、オイルクーラ２１８に流れ込む。このオイルクーラ２１８では、潤滑油２１１の温度が下がり、さらにオイルフィルタ２２０を通過することにより潤滑油２１１に含まれる塵埃、金属粉等の不純物が濾過され、コンプレッサ１０６内に送給され、再び、圧縮エアと共にコンプレッサ１０６よりオイルチャンバ２０８内に戻される。

オイルチャンバ２０８内の潤滑油２１１を含んだ圧縮エアは、オイルセパレータ２２２を通過して油分が取り除かれた状態となり、チャンバ出口２２４から保圧弁２２６へ送給される。なお、オイルセパレータ２２２で分離された潤滑油２１１は、オイルチャンバ２０８内の内圧により押し出され、配管２２８を通ってコンプレッサ１０６に戻される。

前記保圧弁２２６に導入された圧縮エアは、その圧力がコンプレッサ１０６毎に固有の規定値以下とならないように自動的に調圧される。これにより、吐出エア流量に対してエア消費量が多く圧力低下によって発生する、オイルセパレータ２２２の分離機能の低下と、それによる潤滑油２１１の潤滑量不足と、コンプレッサ１０６の過熱とを未然に防止することができる。オイルチャンバ２０８内の圧力はチャンバ出口２２４で分岐し、次の機器に連通接続されている。

なお、図６中において、参照数字２３０は、圧力を目視可能な吐出エア圧力計を示し、参照数字２３２は、オイルチャンバ２０８内の圧力が異常となったときに自動的に減圧する安全弁を示し、参照数字２３４は、コンプレッサ１０６が停止した後に潤滑油２１１の補給等によりオイルチャンバ２０８内を減圧する際、手動で開放する手動放気弁を示している。

また、参照数字２３６は、電磁弁を示し、この電磁弁２３６は、通常時においてオン状態となっており、チャンバ出口２２４から分岐した圧縮エアが直接吸い込み容量調整弁２０６に導入され、前記圧縮エアが設定圧以上になるとオフ状態となるように設定されている。前記保圧弁２２６の二次側から吐出した圧縮エアの圧力が設定圧よりも下がったことが圧力スイッチ２３８によって検知されると、前記圧力スイッチ２３８から導出される検出信号に基づいて電磁弁２３６がオフ状態となり、再び、吸い込み容量調整弁２０６が開成して圧縮エアが形成される。

第４の実施の形態では、吸入口２０２から吸い込まれるエアシリンダ駆動時の排気エアがエアクリーナ２０４を通過した後、オイルチャンバ２０８内の潤滑油２１１中に浸漬された熱交換用配管２１２に沿って流通する。この熱交換用配管２１２には、例えば、エバーフィンチューブ等のように配管外周面に熱伝導率を増大させるフィン２４０が形成されると好適である。

前記熱交換用配管２１２を排気エアが通過する際、前記排気エアは高温の潤滑油２１１によってエンタルピが上昇し、温度上昇した排気エアがコンプレッサ１０６に吸い込まれて圧縮される。この結果、コンプレッサ１０６のオイルクーラにおいて大気に放出される熱エネルギが減少し、コンプレッサ１０６の圧縮工程において必要な仕事が減少することにより省エネルギを達成することができる。

第３比較例に係る流体回路システム２５０を図１３に示す。

この第３比較例に係る流体回路システム２５０では、コンプレッサ１０６に吸引されるエアが大気を常温のまま吸い込む構造となっており、熱交換用配管２１２が設けられておらず、コンプレッサ１０６の圧縮工程における熱エネルギを減少させることができない。

次に、二重管を用いた第５の実施の形態に係る流体回路システム３００を図７及び図８に示す。

コンプレッサ１０６から導出された高温の圧縮エアは、前記コンプレッサ１０６に接続された第１二重管継手３０２を経由して第１二重管３０４の内管を通り、一次側の第２二重管継手３０６を介してマニホールドフレーム３０８に導入される。

前記マニホールドフレーム３０８には、図８に示されるように、略中央部に配置された隔壁３１０を介して分離構成された下部側の第１室３１２と上部側の第２室３１４とが設けられる。マニホールドフレーム３０８の二次側には複数の第３二重管継手３１６が接続され、前記第３二重管継手３１６に設けられたインナコレクタ３１８を介して、該第３二重管継手３１６に接続された第２二重管３２０の内管通路３２２と下部側の第１室３１２とが連通接続され、第２二重管３２０の外管通路３２４と上部側の第２室３１４とが連通接続される（図８参照）。

この場合、前記マニホールドフレーム３０８の下部側の第１室３１２には、第１二重管３０４の内管通路３２６を通過した高温の圧縮エアが導入され、さらに、前記圧縮エアは、第３二重管継手３１６のインナコレクタ３１８を通過して第２二重管３２０の内管に沿って流通し、一次側の第４二重管継手３２８及び二次側の第５二重管継手３３０がそれぞれ接続された電磁弁３３２に導入される。

一次側の第４二重管継手３２８及び二次側の第５二重管継手３３０がそれぞれ接続された電磁弁３３２は、以下の点において従来の二重管対応の電磁弁と構成的に異なっている。すなわち、従来の二重管対応の電磁弁は、圧縮エアの供給ポートが単管のシステムからなり、また、シリンダに接続されるＡポート及びＢポートのみ二重管継手が接続されており、供給ポート及び排気ポートは単管用のポートとなっていた。

これに対して、第５の実施の形態に係る流体回路システム３００に組み込まれた電磁弁３３２では、供給ポート３３４及び排気ポート３３６がそれぞれ一次側の第４二重管継手３２８で一体的に接続されている点で相違している。なお、前記電磁弁３３２の二次側の第５二重管継手３３０は、従来と同様であり、Ａポート３３８とＢポート３４０とで分配される配管構造となっている。

前記電磁弁３３２の二次側の第５二重管継手３３０には第３二重管３４２の一端部が接続され、前記第３二重管３４２の他端部には二重管を単管に分配するチーズ３４４が接続されている。さらに、前記チーズ３４４の下流側には単管を介して一組のスピードコントローラ３４６が接続され、前記第３二重管３４２の内管、チーズ３４４を介して圧縮エアがスピードコントローラ３４６に導入される。前記スピードコントローラ３４６によって所定圧に減圧された圧縮エアは、シリンダ３４８のＡポート３３８又はＢポート３４０を介してピストンが収装された一方のシリンダ室に供給され、ピストンを押圧する仕事がなされる。

排気工程において、既に仕事を終えた他方のシリンダ室から排気される排気エアは、第１〜第３二重管３０４、３２０、３４２の内管と外管との間に形成された外管通路に集合される。外管通路を通じて排気される排気エアは、第３二重管継手３１６のインナコレクタ３１８の外周側通路３５０を経由してマニホールドフレーム３０８の上部側の第２室３１４に導入される。ここで高温の圧縮エアが供給される下部側の第１室３１２と低温の排気エアが供給される上部側の第２室３１４とが、隔壁３１０に形成された放熱フィン３５２によって熱交換が行われ、高温の圧縮エアの温度が下がり、低温の排気エアの温度が上がる。前記熱交換によってエンタルピが上昇した排気エアは、第２二重管継手３０６を経て第１二重管３０４の外管通路を通過してコンプレッサ１０６に接続された第１二重管継手３０２を介して内部の吸入ポートに吸い込まれる。

なお、前記マニホールドフレーム３０８は、アルミニウム等の軽金属による押し出し成形によって製造され、軸線方向に沿って同一の断面形状を有し、シリンダ３４８及び電磁弁３３２の個数等に対応して任意の軸線方向に沿った長さに設定することができる。

次に、第６の実施の形態に係る流体回路システム４００を図９及び図１０に示す。

この流体回路システム４００は、コンプレッサ１０６と、前記コンプレッサ１０６のエア供給ポート１０２に接続される第１タンク４０２と、第１通路４０４を介して前記第１タンク４０２の出力側に接続される電磁弁マニホールド４０６及びエアシリンダ４０８と、前記第１通路４０４から分岐する第２通路４１０を介して第１タンク４０２の出力側に接続される真空ポンプ機構４１２と、第３通路４１４を介して前記電磁弁マニホールド４０６及び真空ポンプ機構４１２の吸引側に接続される第２タンク４１６とを備える。

前記第１タンク４０２は正圧からなるエアが貯留され、前記第２タンク４１６は負圧からなるエアが貯留される。

真空ポンプ機構４１２には、図１０に示されるように、二重管４１８及び二重管継手４２０を介して吸着用パッド４２２が装着された吸着装置４２４が接続される。この場合、二重管４１８の内管によって形成された内管通路４２６に沿って負圧流体を供給し、吸着用パッド４２２を介して図示しないワークが吸着される。

一方、二重管４１８の内管と外管との間に形成された外管通路４２８によってワークを離脱させるための真空破壊用の正圧流体を供給する。このように正圧流体と負圧流体とを二重管４１８を介して一体的に流通するように設けることにより、正圧流体に塵埃等が含むことを抑制することができる。

次に、コンプレッサ１０６の概略構成を図１４に示す。

本実施の形態で使用されるコンプレッサ１０６は、エア圧縮機構が単数設けられたものでもよいが、図１４に示されるように、第１エア圧縮機構５００ａ及び第２エア圧縮機構５００ｂを含む複数のエア圧縮機構５０２を備えたものであってもよい。

このコンプレッサ１０６は、制御部５０４から導出される制御信号に基づいて回転数、回転トルク等が制御されるサーボモータ５０６もしくはインバータ制御によるインダクションモータと、前記サーボモータ５０６（もしくはインダクションモータ）のモータ軸に連結された第１傘歯車５０８ａに噛合する第２及び第３傘歯車５０８ｂ、５０８ｃによって構成されるベベルギア機構５１０と、前記第２及び第３傘歯車５０８ｂ、５０８ｃにそれぞれ連結され、制御部５０４からの付勢・滅勢信号に基づいて前記サーボモータ５０６の回転力を第１及び／又は第２エア圧縮機構５００ａ、５００ｂに伝達する第１及び第２電磁クラッチ５１２ａ、５１２ｂとを有する。

さらに、前記コンプレッサ１０６には、エア吸入ポート１０４と切換弁５１４とを連通させる通路中に設けられる第１エアタンク５１６ａと、エア供給ポート１０２と切換弁５１４とを連通させる通路中に設けられる第２エアタンク５１６ｂと、前記エア吸入ポート１０４から導入されたエアを第１又は第２エア圧縮機構５００ａ、５００ｂのいずれか一方への供給に切り換えると共に、前記エア吸入ポート１０４から導入されたエアを分岐させて第１及び第２エア圧縮機構５００ａ、５００ｂの両方への供給に切り換える切換弁５１４と、前記切換弁５１４と第１及び第２エア圧縮機構５００ａ、５００ｂとを接続する第１〜第４切換通路５１８ａ〜５１８ｄと、前記第１及び第２エアタンク５１６ａ、５１６ｂ内に貯留されるエアの圧力を検出して制御部５０４に検出信号を導出する第１及び第２圧力センサ５２０ａ、５２０ｂとがそれぞれ設けられる。

図１５は、制御部５０４から出力される付勢・滅勢信号に基づいて第１エア圧縮機構５００ａへ回転トルクを伝達する第１電磁クラッチ５１２ａの接続を切ることにより、第２エア圧縮機構５００ｂのみを単独で運転した状態を示す。この場合、エア吸入ポート１０４から導入されたエアは、第１エアタンク５１６ａ、切換弁５１４及び第４切換通路５１８ｄを経由して第２エア圧縮機構５００ｂに供給される。前記第２エア圧縮機構５００ｂによって圧縮された圧縮エアは、第２切換通路５１８ｂ、切換弁５１４及び第２エアタンク５１６ｂを経由してエア供給ポート１０２から吐出される。

なお、第１エアタンク５１６ａ及び第２エアタンク５１６ｂ内のエアの圧力は、第１及び第２圧力センサ５２０ａ、５２０ｂを介してその検出信号が制御部５０４にそれぞれ導入される。また、図１５とは反対に第２電磁クラッチ５１２ｂの接続を切って第１エア圧縮機構５００ａのみを単独で運転させてもよいことは勿論である。

図１６は、エア吸入ポート１０４から導入されたエアを第１及び第２エア圧縮機構５００ａ、５００ｂによって二段に圧縮する直列的運転状態を示す。この場合、エア吸入ポート１０４から導入されたエアは、先ず、切換弁５１４及び第３切換通路５１８ｃを介して第１エア圧縮機構５００ａに供給された後、前記第１エア圧縮機構５００ａによって圧縮された圧縮エアが第１切換通路５１８ａを介して切換弁５１４に一旦戻り、次に、前記圧縮エアをさらに第２エア圧縮機構５００によって圧縮し、このように二段にわたって圧縮された圧縮エアがエア供給ポート１０２から吐出される。

このように、第１及び第２エア圧縮機構５００ａ、５００ｂの直列的運転によりエア吸入ポート１０４から導入されたエアを二段にわたって圧縮することにより、圧縮エアの圧力を略二倍とすることができる。

図１７は、エア吸入ポート１０４から導入されたエアを第１及び第２エア圧縮機構５００ａ、５００ｂによって分配した並列的運転状態を示す。この場合、エア吸入ポート１０４から導入されたエアは、切換弁５１４を介して第１エア圧縮機構５００ａと第２エア圧縮機構５００ｂの両方に供給し、前記第１及び第２エア圧縮機構５００ａ、５００ｂから出力された圧縮エアは、それぞれ切換弁５１４に戻って合流し、エア供給ポート１０２から吐出される。

このように、第１及び第２エア圧縮機構５００ａ、５００ｂの並列的運転によって第１及び第２エア圧縮機構５００ａ、５００ｂをそれぞれ個別且つ同時に作動させることにより、エア供給ポート１０２から吐出される圧縮エアの流量を略二倍とすることができる。

以上のように、このコンプレッサ１０６では、エアの消費状況に対応させて制御部５０４から切換弁５１４に導出される切換信号、第１及び／又は第２電磁クラッチ５１２ａ、５１２ｂへの付勢・滅勢信号、サーボモータ５０６に対する制御信号等によって、図１５〜図１７に示されるような単独運転状態、直列的運転状態、並列的運転状態に任意に切換制御することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る流体回路システムの回路構成図である。第１の実施の形態に係る流体回路システムと第１比較例に係る流体回路システムにおけるエンタルピとエントロピとの関係を示す特性図である。本発明の第２の実施の形態に係る流体回路システムの回路構成図である。本発明の第３の実施の形態に係る流体回路システムの回路構成図である。本発明の第３の実施の形態に係る流体回路システムの回路構成図である。本発明の第４の実施の形態に係る流体回路システムの回路構成図である。本発明の第５の実施の形態に係る流体回路システムの回路構成図である。図７に示すマニホールドフレーム及び第３二重管継手の縦断面図である。本発明の第６の実施の形態に係る流体回路システムの回路構成図である。図９に示す吸着装置及び二重管の部分拡大縦断面図である。第１比較例に係る流体回路システムの回路構成図である。第２比較例に係る流体回路システムの回路構成図である。第３比較例に係る流体回路システムの回路構成図である。複数のエア圧縮機構を備えたコンプレッサの概略構成図である。図１４に示すコンプレッサを構成するエア圧縮機構の単独運転状態の動作説明図である。図１４に示すコンプレッサを構成するエア圧縮機構の直列的運転状態の動作説明図である。図１４に示すコンプレッサを構成するエア圧縮機構の並列的運転状態の動作説明図である。従来技術に係るエア回路の回路構成図である。従来技術に係る排気回収回路の回路構成図である。

符号の説明

１００、１５０、１７０、１８０、２００、３００、４００…流体回路システム
１０２…エア供給ポート１０４…エア吸入ポート
１０６…コンプレッサ１０８…熱交換ユニット
１２８…高温用エア供給ポート１３４…低温用エア供給ポート
１３２、１３６…循環用通路１５２…ファン
２１２…熱交換用配管

Claims

外部機器を駆動させて仕事を終えたリターンガスをコンプレッサの吸入ポートに導入する通路を含むクローズドループ回路からなり、
前記クローズドループ回路には、前記外部機器に向かって供給され前記コンプレッサの圧縮に伴う高温のサプライガスと、低温の前記リターンガスとの熱を交換する熱交換手段が設けられることを特徴とする流体回路システム。
請求項１記載のシステムにおいて、
前記高温のサプライガスから低温のリターンガスへの熱の伝達は、油を媒介してなされることを特徴とする流体回路システム。
請求項１記載のシステムにおいて、
前記熱交換手段は、圧縮性エアを送風するファンを含むことを特徴とする流体回路システム。
請求項１記載のシステムにおいて、
前記熱交換手段は、冷却油に浸漬された配管を含むことを特徴とする流体回路システム。
請求項１記載のシステムにおいて、
前記熱交換手段は、内管と外管とを有する二重管を含み、内管通路と外管通路との間の温度差によって熱交換がなされることを特徴とする流体回路システム。