JP2009502452A - 小型空気乾燥機 - Google Patents

Abstract

小型空気乾燥機（１００）は、高温の流入する汚染された気体媒質と流出する乾燥した低温の気体媒質との間を熱交換する一次熱交換器（２００）と、一次熱交換器（２００）から流入する低温の気体媒質と冷媒とを熱交換する二次熱交換器（３００）と、二次熱交換器（３００）から流出し、冷却された気体媒体内の凝縮可能な物質を捕獲する凝縮トラップ（４００）とを備える。その後、乾燥した低温の気体媒質は、一次熱交換器内の流入した汚染された気体媒質によって熱交換する。一次熱交換器（２００）と二次熱交換器（３００）と凝縮トラップ（４００）とは、単一のユニット（１００）をなすように結合される。
【選択図】図１

Description

本発明は、小型空気乾燥機に関するものであり、そのような空気乾燥機は、高温の流入する汚染された気体媒質と流出する乾燥した低温の気体媒質との間を熱交換する一次熱交換器と、一次熱交換器から流入した低温の気体媒質と冷媒との間を熱交換する二次熱交換器と、二次熱交換器から流出した冷却された気体媒質内の凝縮可能な物質を捕獲する凝縮トラップとを備えていて、その後、乾燥した低温の気体媒質が一次熱交換器内の流入する汚染された気体媒質と熱交換する。
本発明は、さらに、小型空気乾燥機の製造方法に関する。

人々、例えば圧縮空気の技術分野における当業者に周知であるように、圧縮空気を使用する前に、圧縮空気を乾燥して清浄することがしばしば必要である。従来、このことは、圧縮された空気を冷却すると共に空気内の凝縮可能な物質を凝縮することにより、しばしば達成される。次いで、凝縮された物質は空気から分離される。その後、その空気を送気する配管の外側における凝縮を回避すると共に圧縮された空気が使用時に膨張するときに凍結するのを回避するために、その空気は再加熱される。

当該技術分野における最先端の典型的なシステムは、米国特許第５７９４４５３号明細書に開示されている。そこでは、圧縮された空気は一次冷却器１６’に流入し、空気内の汚染物を凝縮することを可能とするために、一次冷却器において空気は冷却される。次いで、その空気は凝縮トラップ１８’に供給され、凝縮トラップにおいては、凝縮された汚染物は、その空気から分離される。最終的に、空気は二次熱交換器４２に供給され、二次熱交換器４２において空気は加熱される。米国特許第５７９４４５３号明細書において開示されたシステムは、冷却回路系のための特異な解決方法における最先端の技術とは異なる。流入する（高温の）空気と流出する（低温の）空気との間で熱交換をする代わりに、熱交換器４２内において冷媒が部分的に凝縮する（前述したように、熱交換器４２は流出する空気を加熱する役割を果たす）。

特許公報においては、圧縮された空気を乾燥させるいくつかの異なる解決方法が示されており、例えば、英国公開公報第２３５３２９９号、米国特許第４６３８８５２号明細書、米国特許第５１０７９１９号明細書、米国特許第３７２２５８３号明細書、国際公開第ＷＯ０１／１７６６５号を参照されたい。

これら全ての解決方法は共通した一つの事項を有する。これらの解決方法は、すべて配管によって相互接続された固有の構成要素から構成されている。このことによって、システムが大型化すると共にコスト的に非効率になる。

本発明は、一次熱交換器と二次熱交換器と凝縮トラップとを単一のユニットをなすように結合することにより、前述した課題及び他の課題を解決する。

本発明は、さらに、
i. 複数の伝熱板を積重ねて、一次熱交換器を形成する第一積重体をなし、
ii. 前記第一積重体上に構成要素を積重ねて、凝縮トラップを形成し、
iii. 凝縮トラップを形成する構成要素上に伝熱板を積重ねて、二次熱交換器を形成する第二積重体をなし、
iv. 伝熱板と凝縮トラップの構成要素とからなる積重体を蝋付け用オーブン内に配置し、積重体を蝋付けして単一の構成要素である空気乾燥機をなす空気乾燥機の製造方法によって前述の課題を解決する。

製造工程を単純にするために、単一の構成要素である空気乾燥機は、一体部材をなすように蝋付けされるのが有利である。
一次熱交換器と二次熱交換器との間の熱伝達を最小限にするために、凝縮トラップが一次熱交換器と二次熱交換器との間に配置されるのが有利である。

経済的な観点から、一次熱交換器と二次熱交換器とは多数の同一の伝熱板から製造されてもよい。
酸化及び錆付きを回避するために、伝熱板は、好ましくはステンレス鋼から作製される。

本発明は、下記に示す添付した図面を参照して説明される。
以下の説明において、本発明による装置は、空気乾燥機と呼ばれるものである。しかしながら、本発明による装置が、より高い凝縮温度を有する気体媒質から凝縮可能な物質を分離するのに使用できることは当業者にとって明らであろう。

図１においては、一次熱交換器２００と二次熱交換器３００と凝縮トラップ４００とから構成される空気乾燥機１００が分解斜視図により示されている。図から分かるように、一次及び二次熱交換器２００、３００は、それぞれ多数の伝熱板２１０、３１０から構成されている。伝熱板の数は、要求される熱交換器の能力に応じて変更可能であるが、好ましい伝熱板の数は、例えば４枚から２００枚であり、望ましくは８枚から１００枚である。蝋付け用材料、例えば銅またはニッケルからなるシート（図示しない）が全ての伝熱板の間に介在している。

凝縮トラップ４００は捕獲手段（ｔｒａｐｐｉｎｇ ｍｅｄｉｕｍ）を包含する。図示される実施形態においては、二つの異なる捕獲手段、一次手段４１０と二次手段４２０とが使用されている。一次手段及び二次手段は、例えば金網から構成される。

以下においては、空気乾燥機の機能についてさらに十分に説明する。本説明は、空気乾燥機を通じて移動する空気原子の経路に基づく。従って、流入する空気原子が接触する最初の熱交換器を「一次熱交換器」と呼ぶが、この一次熱交換器は同じ空気原子が、本空気乾燥機を流出する前に通過する最後の熱交換器でもある。

一次熱交換器２００は、高温の汚染空気を取入れるための吸気口２２０（図２参照）を有する。汚染物は、望ましくは凝縮可能な汚染物である。汚染不可能な物質に対しては、本空気乾燥機は、ほとんど、または、まったく効果がない。高温の汚染空気は、流出する低温の乾燥空気を用いて熱交換により冷却される。一次熱交換器を通過した後、その空気は、内部の管２００−３００を通って二次熱交換器３００まで送られ、二次熱交換器３００において、その空気の温度は冷媒を用いた熱交換によって低下される。低下された温度によって、凝縮可能な物質、例えば水または炭化水素が凝縮される。空気は二次熱交換器３００から凝縮トラップ４００まで流れ、凝縮トラップ４００においては、凝縮された物質は気流から分離されて排出口４３０を通じて本装置から流出される。

凝縮トラップを通過した後、低温の乾燥空気は、再度、一次熱交換器を通過して、流入する高温の汚染空気と熱交換する。

本空気乾燥機の機能の簡単な紹介の後において、図２を再度参照する。図２においては、一次熱交換器２００の概略図が示されている。高温の汚染空気は、カバープレート２３０に配置された吸気口２２０から流入し、一点鎖線２４０によって示されたように開口２４５に向かって通路を流れる。熱交換器を通過するときに、汚染空気は、二次吸気口２５０から一次熱交換器２００に流入した低温の乾燥空気と熱交換する。この低温の乾燥空気の発生については後述する。

汚染空気は一次熱交換器２００から流出して、一次熱交換器２００と二次熱交換器３００とを連結する管２００−３００に流入する（図１参照）。

二次熱交換器（図３）においては、流入した汚染空気は、一点鎖線によって示されるように通路を吸気口３２０から排気口３３０まで流れる。同時に、冷媒または他の低温の媒体は、冷媒吸入口３４０を通じて熱交換器に流入し、実線により示されるように、冷媒排出口３５０に向かって、汚染空気の流れと比較して反対方向に流れる。冷媒は、何らかの方法により外部の冷却源と接続されている。例えば、冷媒はＨＦＣ、アンモニアまたは炭化水素であり、外部の冷却源は外部のコンデンサ（図示しない）に接続されたコンプレッサ等でありうる。

図４に示されるように、現時点での低温の汚染空気は、排気口３３０を通じて二次熱交換器から流出し、第一の側板４５０における開口４４０を通じて凝縮トラップ４００（図４）の下方部分に流入する。凝縮トラップ４００の内部においては、開口４４０は、凝縮トラップのハウジング４６０の底部と二つの側壁と側板４７０と側板４５０と一次捕獲手段４１０とによって形成される空きスペースに開口している。一次捕獲手段４１０は、空気が凝縮トラップ４００の内面と一次捕獲手段４１０との間に通過できないように凝縮トラップ４００の内面に取付けられている。

従って、全ての低温空気は捕獲手段４１０を通過する。この捕獲手段の機能は、凝縮された小滴を気流に追随しないほど十分に大きな水滴にまで凝集させ、それにより、ハウジング４６０の底部に落下させることである。ハウジング４６０においては、凝縮可能な物質は排出口４３０を通じて排出する。

一次捕獲手段４１０の後、空気は、一次捕獲手段４１０と同様に内面に固定されている二次捕獲手段４２０まで上向きに流れる。二次捕獲手段においては、別の凝縮可能な物質が、ハウジング４６０の底部に向かって落下するのに十分に大きな水滴にまで凝集し、排出口４３０を通じて流出する。

空気は、開口４７５を通じて凝縮トラップ４００を流出し、二次吸気口２５０（図２）を通じて一次熱交換器２００に流入する。一次熱交換器の内部においては、低温の空気は、図２において実線により示された、二次吸気口２５０から排気口２６０までの通路を進み、流入した高温の汚染空気と熱交換する。

最終的な熱交換は、流出する乾燥空気の温度を上昇させる。このことにより、空気乾燥機から空気の消費者まで延びる管が周囲空気から凝縮した水を伴う危険性が少なくなる。さらに、二次熱交換器に流入する高温の汚染空気の温度が低下するので、空気乾燥機の効率が高まる。すなわち、このことは、より少ない冷却力によって二次熱交換器３００を使用できることを意味する。

本発明による空気乾燥機は、好ましくは、後述する製造方法により、一体部材をなして蝋付けされる。

一番目の製造工程においては、所望する数の同一の伝熱板２１０が、互いに積重ねられて一次熱交換器２００を形成する。その一次熱交換器においては、蝋付け用材料からなるシートがそれら伝熱板の間に配置される。伝熱板を積重ねるときに、一つおきの伝熱板が、隣接する伝熱板に対して１８０度回転させられることが重要である。このことは、熱交換されるべき空気に対する適切な通路を確保し、そして、熱交換器の技術分野における当業者には周知の方法である。

二番目の製造工程においては、凝集トラップ４００の側板４５０、４７０、ハウジング４６０、捕獲手段４１０、４２０、管２００−３００は、伝熱板２１０の上方に積重ねられる。必要とみなされる場合には、蝋付け用材料からなる中間シートを前述の構成要素の間に配置する必要がある。

三番目の製造工程においては、所望する数の同一の伝熱板３１０が、前述した伝熱板２１０が一次熱交換器２００を形成したのと同一の方法を用いて、凝縮トラップ４００の前述した構成要素上に積重ねられて、二次熱交換器３００を形成する。ここでさらに、蝋付け用材料からなるシートを伝熱板３１０の間に配置する。この工程のときに、管２００−３００が一次熱交換器２００と二次熱交換器３００との間の隙間（実際には、開口３２０と開口２４５との間の隙間）に掛かることが重要である。

最後の製造工程においては、蝋付け用材料からなる中間シートによって積層された構成要素を、真空であって加熱されたオーブン内に配置する。あるいは、そのオーブンは不活性の気体によって充填されてもよい。オーブンを不活性の気体によって充填することは、蝋付け作用の前に蝋付け用オーブンを真空にする必要がないため、より高速な製造を可能とするので有益である。熱によって、蝋付け用材料は構成要素を一緒に蝋付けし、圧搾空気の流れにおいて凝縮可能な物質を凝縮するために必要な全ての機能を含む単一のユニットを形成する。

好ましい実施形態においては、凝縮トラップを一次熱交換器と二次熱交換器との間に配置する。このことは、一次熱交換器と二次熱交換器との間の温度差のために有利である。一次熱交換器と二次熱交換器との間の熱伝達を断熱することも有利であり、凝縮トラップは、そのような断熱材としての役目を或る程度果たす。

当該技術分野における当業者にとって明らかであるように、上記説明は、本発明がどのように実施されるかを示した実施例としてのみ解釈されるべきである。例えば、蝋付け用材料からなる中間シートを伝熱板の間に有する必要はない。代わりに、蝋付け用ペースト、または接着剤ですらも使用できる可能性がある。

寸法等
本発明の好ましい実施形態においては、８枚の伝熱板３１０が二次熱交換器３００を形成するのに使用され、８枚の伝熱板２１０が一次熱交換器２００を形成するのに使用されている。好ましくは、これらの伝熱板は約７０〜１２０ｍｍの幅及び１９０〜２９０ｍｍの高さである。伝熱板の厚さは好ましくは０．３〜０．４ｍｍである。伝熱板２１０、３１０とハウジング４６０と側板４５０、４７０と捕獲手段４１２、４２０との好ましい材料はステンレス鋼であり、例えばＡＩＳＩ３０４またはＡＩＳＩ３１６と呼ばれる種類のものである。

捕獲手段４１０、４２０は、好ましくは約２２６ｋｇ／ｍ³の密度を有するステンレス製の金網から作製される。好ましい実施形態においては、捕獲手段４１０、４２０の線径は約０．２８ｍｍである。

図１は本発明による空気乾燥機を示す分解斜視図である。 図２は本発明による空気乾燥機の構成要素を構成する一次熱交換器（空気‐空気）を示す分解斜視図である。 図３は本発明による空気乾燥機の構成要素を構成する二次熱交換器（冷媒-空気）を示す分解図である。 図４は本発明による凝縮トラップの典型的な実施形態を示す分解図である。

Claims (10)

1. 小型空気乾燥機（１００）であって、
   高温の流入する汚染された気体媒質と流出する乾燥した低温の気体媒質との間を熱交換する一次熱交換器（２００）と、
   前記一次熱交換器（２００）から流入する低温の気体媒質と冷媒との間を熱交換する二次熱交換器（３００）と、
   前記二次熱交換器（３００）から流出した、冷却された前記気体媒質内の凝縮可能な物質を捕獲する凝縮トラップ（４００）とを備えていて、物質を捕獲後、前記乾燥した低温の気体媒質が前記一次熱交換器（２００）内で前記流入する汚染された気体媒質と熱交換する小型空気乾燥機において、
   前記一次熱交換器（２００）と前記二次熱交換器（３００）と前記凝縮トラップ（４００）とが単一のユニット（１００）をなすように結合されることを特徴とする小型空気乾燥機。
2. 前記結合された単一のユニット（１００）は、一体部材をなすように蝋付けされる請求項１に記載の小型空気乾燥機。
3. 前記凝縮トラップ（４００）は、前記一次及び二次熱交換器（２００，３００）の間に配置される請求項１または２に記載の小型空気乾燥機。
4. 前記蝋付け用材料は、銅またはニッケルである請求項１乃至３の何れか一項に記載の小型空気乾燥機。
5. 前記一次及び二次熱交換器（２００，３００）は、複数の同一の伝熱板（２１０、３１０）から製造される請求項１乃至４の何れか一項に記載の小型空気乾燥機。
6. 前記伝熱板（２１０，３１０）はステンレス鋼により作製される請求項５に記載の小型空気乾燥機。
7. i. 複数の伝熱板（２１０）を積重ねて、一次熱交換器（２００）を形成する第一積重体をなし、
   ii. 前記第一積重体上に構成要素（４７０，４５０，４１０，４２０，４６０，２００−３００）を積重ねて、凝縮トラップ（４００）を形成し、
   iii. 前記凝縮トラップ（４００）を形成する前記構成要素（４７０，４５０，４１０，４２０，４６０，２００−３００）上に伝熱板（３１０）を積重ねて、二次熱交換器（３００）を形成する第二積重体をなし、
   iv. 前記伝熱板（２１０、３１０）と凝縮トラップの構成要素（４７０，４５０，４１０，４２０，４６０，２００−３００）とからなる積重体を蝋付け用オーブン内に配置し、前記積重体を蝋付けして単一の構成要素である空気乾燥機（１００）をなすことを特徴とする空気乾燥機（１００）の製造方法。
8. 蝋付け用材料からなるシートを、前記伝熱板（２１０、３１０）の間に配置する請求項７による製造方法。
9. 前記蝋付け用材料のシートは、銅またはニッケルから作製される請求項８による製造方法。
10. 前記伝熱板（２１０，３１０）と前記凝縮トラップ（４００）の構成要素（４７０，４５０，４１０，４２０，４６０，２００−３００）とはステンレス鋼から作製される請求項７乃至９の何れか一項による製造方法。

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