JP2010043589A - 水潤滑オイルフリー圧縮機装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い周囲空気温度にあっても、圧縮機の冷却に要する消費動力の増加を許容範囲内に抑える水潤滑式のオイルフリー圧縮機装置を提供すること。
【解決手段】空気を吸入して圧縮する水潤滑オイルフリー（スクリュー）圧縮機1と、セパレータ6と、空冷熱交換器10と、冷媒を循環させる冷凍サイクル27とを備え、前記圧縮機から前記セパレータに圧縮空気と水を吐出する管路8と、該セパレータで分離された水を前記空冷熱交換器に送る第１の管路9と、前記空冷熱交換器で冷却された水を前記空冷熱交換器から前記圧縮機の軸受2及び圧縮室に供給する第２の管路と、前記第２の管路に三方弁25を設け、前記三方弁から前記冷凍サイクルの熱交換器33を通過して前記第２の管路に戻る分岐管路を設け、吐出空気管路及びアフタークーラ11を備え、前記セパレータで分離された圧縮空気が前記吐出空気管路17,19を通過して前記アフタークーラで冷却されて前記装置外に吐出される。
【選択図】図１

Description

本発明は、軸受に水潤滑の滑り軸受を採用した圧縮機とその関連の機器から構成される水潤滑オイルフリー圧縮機装置、特に夏場の高温の雰囲気中においても軸受へ供給する循環水の冷却を可能とする水潤滑オイルフリー圧縮機装置に関する。

従来、オイルフリー・スクリュー圧縮機では、吐出空気が高温となるので、ケーシングを循環水で冷却することで圧縮室周辺や軸受ハウジングを冷却している。この循環水の冷却には、空冷式のものの外、圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器を含むヒートポンプサイクルを設けて、その蒸発器内に循環水を通してヒートポンプサイクルの冷媒との間の熱交換で冷却する冷媒式のものがある。冷媒式の冷却器を設けたものとして、例えば、特許文献１がある。

実開昭６２−１６９２８８号公報

水潤滑オイルフリー圧縮機の循環水の冷却方法として、空冷式のものは構成が簡単で、冷却用の配管を接続せずに圧縮機装置を設置するだけで済むことから需要が多い。しかし、夏場などの周囲温度が高い場合、例えば４０℃では、循環水の温度を５０℃位に設定していると、冷却水と周囲空気との温度差が小さくなることから給油温度の高い油冷式に比べて、空冷機における熱交換器と冷却ファンにより送られる周囲空気との熱交換容量は、１／２〜１／３に落ちる。そのため、熱交換器と冷却ファンの容量は、油冷式に比べて２〜３倍の大きさが必要となり、冷却装置の大型化、冷却ファンの駆動動力や騒音の増加という問題が発生する。

また、冷凍サイクルによる冷却器を設けて、これにより循環水の全量を冷却するようにすると、冷凍サイクルの消費動力が増加し、圧縮機の性能低下が顕著となる問題があった。

上記の問題点を解決することを課題として、本発明は、高い周囲空気温度にあっても、圧縮機の冷却に要する消費動力の増加を許容範囲内に抑える水潤滑式のオイルフリー圧縮機装置を提供することを目的とする。

上記の問題点を解決するために、油冷式で用いている熱容量の空冷用熱交換器と冷却ファンを設け、圧縮機へ供給する全体の水配管を空冷用熱交換器に接続すると共に、冷凍サイクルを設け、滑り軸受を潤滑する水配管を更に冷凍サイクルの吸熱（冷却）用熱交換器に接続した。また、冷凍サイクルの吸熱用熱交換器を２個設け、一方には吐出空気配管を接続して冷却することで除湿し、他方には滑り軸受へ供給する循環水の供給配管を接続したことを特徴とする。また、滑り軸受へ供給する循環水の配管を電磁弁の切り替えにより、冷凍サイクルの吸熱（冷却）用熱交換器と放熱（加熱）用熱交換器とに接続を可能とする。また、給水温度及び周囲（吸入空気）温度を検出して事前に設定した温度と比較することで冷却ファンの運転及び冷凍サイクルの運転を制御する。

本発明によれば、夏場の高温時においても、まず空冷で全循環水の熱を冷却し、その後、滑り軸受へ供給する循環水について、不足する冷却を冷凍サイクルを用いて行なうので、循環水の冷却に要するエネルギーを最小として夏場の高温な周囲温度においても信頼性の高い水潤滑式圧縮機の運転が可能になる。

また、冷凍サイクルの吸熱（冷却）用熱交換器を２個設けて、一方は吐出空気配管を通して冷却することで除湿を行ない、他方には軸受へ供給する循環水を通して冷却することで、従来の除湿機としての冷凍サイクルと軸受へ給水する循環水の冷却用の冷凍サイクルを各々設けるのに比べて、コンパクトでコスト低減にもなる。

さらに、冬の冷却水温度が低い場合は逆に循環水を冷凍サイクルの放熱（加熱）用熱交換器に接続することで、適温まで加熱した後、圧縮機を始動することができ、低温起動による信頼性低下を防止できる。

また、給水温度及び周囲温度を温度センサで計測し、その測定した温度と設定値とを比較することで、冷却ファンの駆動、及び冷凍サイクルの駆動をコントロールすることで、不要な冷却ファン及び冷凍サイクルのエネルギー消費を防止でき、省エネ効果が得られる。

図１は、本発明の水潤滑オイルフリー圧縮機の実施例１を示す。図１に示すように、オイルフリー（スクリュー）圧縮機（1）は、雄ロータ（37）と雌ロータ（図示省略）が噛み合い、これらの両端を水潤滑滑り軸受（2）により回転可能に支持されて、全体がケーシング（42）内に収納されている。雄ロータ（37）は、その一方の端部がモータ（5）に接続されて、このモータの回転により駆動される。

オイルフリー（スクリュー）圧縮機（1）は、吸入ポートからフィルタ（4）を経て吸入配管（3）を通して吸入した大気を、上記雄ロータと雌ロータ間で圧縮し、圧縮された空気は、圧縮室内の水と共に吐出ポートからセパレータ（6）に向けて吐出される。

セパレータ（6）では流入した水と圧縮空気が分離される。分離された水（7）は、空冷熱交換器（10）で冷却され、冷却された水は、水配管（22）を経て圧縮機のロータ間へ供給されるが、この水配管（22）は途中で分岐しており、分岐した水配管（23）は、冷凍圧縮機（28）と油分離器（29）と放熱用熱交換機（凝縮器）（30）と受液器（31）と膨張弁（32）と吸熱用熱交換器（蒸発器）（33）からなる冷凍サイクル（27）の吸熱用熱交換器（33）に接続され、冷却された水は、ここで軸受の仕様給水温度まで更に冷却された後、水潤滑オイルフリー（スクリュー）圧縮機（1）の軸受（2）へと供給される。

また、水配管（22）から分岐した軸受給水用水配管（23）は、冷凍サイクル（27）の吸熱用熱交換器（33）に接続される前に、三方電磁弁（25）を介してバイパス配管（24）に更に分岐される。そして、バイパス配管（24）は冷凍サイクルの吸熱用熱交換器（33）を出た後の水配管（21）に接続されており、分岐部の三方電磁弁（25）の作動により、冷凍サイクルの吸熱用熱交換器（33）へ流入する流れと、吸熱用熱交換器（33）をバイパスして水配管（21）への流れの配分を制御することが可能となっている。

冷凍サイクル（27）は、サイクル内部に封入された冷媒ガスが冷凍圧縮機（28）により圧縮されて高温・高圧ガスとなり、油分離器（29）で冷媒と冷凍機油とが分離される。圧縮された冷媒ガスは、凝縮器（30）において冷却されて液状になり、次に受液器（31）において冷媒ガスの気体と液体が分離され、液状の冷媒は次の膨張弁（32）において断熱膨張して低温・低圧液体となり、そして低温・低圧の冷媒は、蒸発器（33）において熱を吸収して再度冷媒ガスに気化すると共に、水を冷却する。

一方、セパレータ（6）で水と分離された圧縮空気は、吐出空気配管（17）、逆止弁(18)、吐出空気配管（19）を順次通って、空冷の熱交換器であるアフタークーラ（11）に達し、ここで大気温度近くまで冷却された後、凝縮した水分をドレンセパレータ（16）で分離して、吐出空気配管（15）を通って工場ラインへ供給される。なお、逆止弁（18）は、ライン側からセパレータ（6）への逆流を防止するために設けられている。

水の冷却用の空冷熱交換器（10）と吐出空気のアフタークーラ（11）の熱交換器は一体に構成され、その冷却ファンダクト（12）の上部出口側には冷却ファン（13）とその駆動モータ（14）が設けられ、冷却ファンの回転により、装置（20）内の空気が空冷熱交換器（10）とアフタークーラ（11）を通過して更にダクト（12）を通って装置外部へ排出される。

また、圧縮機の吸入配管（3）に至る空気取入れ口には吸入空気温度センサ（34）を設け、水配管（22）には給水温度センサ（36）を、軸受への給水配管である水配管（21）には給水温度センサ（36’）を設け、圧縮機の吐出配管（8）には吐出温度センサ（35）を設けて、吸入空気温度、吐出温度、給水温度、軸受への給水温度をそれぞれ計測する。給水温度が設定温度より高い場合には冷却ファン（13）を駆動して空冷による水の冷却を行なう。軸受（2）へ給水する水温が仕様の設定温度を超える場合には、冷凍サイクル（27）を稼動すると共に三方電磁弁を（25）を切り替えて、冷凍サイクルの吸熱用熱交換器（33）で冷却した後、軸受（2）への給水を行なう。

給水温度が設定値より低くなった場合には、冷凍サイクル（27）の運転を停止し、三方電磁弁（25）をバイパス側へ作動させ、空冷熱交換器（10）で冷却された水を水潤滑オイルフリー（スクリュー）圧縮機（1）のロータ部と軸受（2）へ供給する。また、給水温度が設定温度より更に低下する場合、空冷の冷却ファン（13）を間欠的に運転して省エネルギー運転を行なう。

図２は、本発明の実施例２を示す。実施例２は、図２に示すように、軸受へ供給する水を冷却する冷凍サイクルについて、これを吐出空気を除湿する除湿機（39）の冷凍サイクルと一体化した例である。除湿機（39）の冷凍サイクルは、図１に示した実施例１と同様の構成のものであるが、吸熱用熱交換器を２個直列に接続して、一つは吐出空気の冷却用である吸熱用熱交換器（38）とし、他方は軸受用循環水の冷却用である吸熱用熱交換器（33）としている。

実施例２では、吐出空気は除湿機（39）の冷凍サイクルで冷却されるので、実施例１におけるアフタークーラ（11）を設ける必要がない。なお、図２では省略されているが、実施例１と同様に、軸受用供給水を冷却する吸熱用熱交換器（33）への配管は途中で分岐し、三方電磁弁（25）の動作により、冷却不要な場合にはバイパスさせることができる。

図３は、本発明の実施例３を示す。実施例３は、実施例２の除湿機（39）において、吐出空気の除湿用に用いる吸熱用熱交換器（38）と軸受の供給水を冷却する吸熱用熱交換器（33）を並列に接続した例である。実施例３の場合、並列に配置された二つの吸熱用熱交換器(33)，(38)のそれぞれを流れる冷媒の流量を、弁（図示省略）を使って容易に調整できるので冷却熱量の制御が容易となり、最適の省エネルギー効果を得ることができる。

図４は、本発明の実施例４を示すもので、軸受（2）への供給水を冷凍サイクルのヒートポンプ機能を活用することで低温時に供給水の加熱を可能とした例である。軸受(2)の供給水の配管を冷凍サイクルの吸熱用熱交換器(33）と放熱用熱交換器（30）とに接続可能とするように給水配管の入口側と出口側をそれぞれ分岐し、分岐部に三方電磁弁(40),(41)を設ける。このように接続することにより、三方電磁弁(40),(41)をそれぞれ適宜動作することにより、軸受(2)に供給される循環水の温度が低い場合には放熱用熱交換器（30）に流して加熱し、高い場合には吸熱用熱交換器(33）に流して冷却するというように、場合に応じて冷却と加熱の両方を可能としている。

以上の各実施例では、いずれも軸受を冷却するために供給する循環水を、冷凍サイクルや除湿機に流すようにしているが、圧縮機の圧縮室内に流す循環水についても、冷凍サイクルや除湿機に流すようにして適宜、温度調節を可能とするようにしてもよい。

本発明の水潤滑オイルフリー圧縮機は、潤滑にオイルを使用できない薬品、食品、半導体等の電子部品の製造やその他の用途に圧縮空気を供給する圧縮機として、広く利用可能である。

本発明に係る水潤滑オイルフリー圧縮機装置の実施例１の構成を示す。 本発明に係る水潤滑オイルフリー圧縮機装置の実施例２の構成を示す。 本発明に係る水潤滑オイルフリー圧縮機装置の実施例３の構成を示す。 本発明に係る水潤滑オイルフリー圧縮機装置の実施例４の構成を示す。

符号の説明

1---水潤滑オイルフリー（スクリュー）圧縮機、2---軸受、3---吸入配管、4---フィルタ、5---モータ、6---セパレータ、7---水、8---吐出配管、9---水供給配管、10---空冷熱交換器、11---アフタークーラ、12---冷却ファンダクト、13---冷却ファン、14---冷却ファン駆動モータ、15---吐出空気配管、16---ドレンセパレータ、17---吐出空気配管、18---逆止弁、19---吐出空気配管、20---装置、21---水配管、22---水配管、23---水配管、24---バイパス配管、25---三方電磁弁、26---水配管、27---冷凍サイクル、28---冷凍圧縮機、29---油分離器、30---放熱用熱交換器（凝縮器）、31---受液器、32---膨張弁、33---吸熱用熱交換器（蒸発器）、34---吸入空気温度センサ、35---吐出温度センサ、36---給水温度センサ、37---雄ロータ、38---吸熱用熱交換器（蒸発器）、39---除湿機、40---第１の三方電磁弁、41---第２の三方電磁弁

Claims (10)

1. 空気を吸入して圧縮する水潤滑オイルフリー圧縮機と、セパレータと、空冷熱交換器と、冷媒を循環させる冷凍サイクルとを備え、
   前記圧縮機から前記セパレータに圧縮空気と水を吐出する管路と、該セパレータで分離された水を前記空冷熱交換器に送る第１の管路と、前記空冷熱交換器で冷却された水を前記空冷熱交換器から前記圧縮機の軸受及び圧縮室に供給する第２の管路と、前記第２の管路に三方弁を設けて、
   前記三方弁から前記冷凍サイクルの熱交換器を通過して前記第２の管路に戻る分岐管路を設けたことを特徴とする水潤滑オイルフリー圧縮機装置。
2. 請求項１に記載された水潤滑オイルフリー圧縮機装置において、
   前記装置が吐出空気管路及びアフタークーラを備え、前記セパレータで分離された圧縮空気が前記吐出空気管路を通過して前記アフタークーラで冷却されて前記装置外に吐出されることを特徴とする水潤滑オイルフリー圧縮機装置。
3. 請求項１又は２に記載された水潤滑オイルフリー圧縮機装置において、
   前記第２の管路には、空冷用熱交換器からの水の温度センサ及び前記分岐管路から前記管路に合流した後の水の温度センサを設け、前記三方弁として三方電磁弁を設けて、
   前記温度センサにより計測された温度に基づいて、前記三方電磁弁を操作して、前記合流後の水の温度を制御することを特徴とする水潤滑オイルフリー圧縮機装置。
4. 空気を吸入して圧縮する水潤滑オイルフリー圧縮機と、セパレータと、空冷熱交換器と、冷凍サイクルを有する除湿機とを備え、
   前記圧縮機から前記セパレータに圧縮空気と水を吐出する管路と、該セパレータで分離された水を前記空冷熱交換器に送る第１の管路と、前記空冷熱交換器で冷却された水を前記空冷熱交換器から前記圧縮機の軸受及び圧縮室に供給する第２の管路と、前記第２の管路に三方弁を設けて、
   前記三方弁から前記除湿機の冷凍サイクルの第１の蒸発器を通過して前記第２の管路に戻る分岐管路を設けたことを特徴とする水潤滑オイルフリー圧縮機装置。
5. 請求項４に記載された水潤滑オイルフリー圧縮機装置において、
   前記装置が吐出空気管路を備え、前記セパレータで分離された圧縮空気が前記吐出空気管路を通過して前記除湿機の冷凍サイクルの第２の蒸発器で冷却されて前記装置外に吐出されることを特徴とする水潤滑オイルフリー圧縮機装置。
6. 請求項５に記載された水潤滑オイルフリー圧縮機装置において、
   前記冷凍サイクル中に前記第１の蒸発器及び前記第２の蒸発器が平行流をなすように配置され、前記第１の蒸発器及び前記第２の蒸発器を通過する冷媒の各流量を独立に調整できることを特徴とする水潤滑オイルフリー圧縮機装置。
7. 空気を吸入して圧縮する水潤滑オイルフリー圧縮機と、セパレータと、空冷熱交換器と、冷凍サイクルを有する除湿機とを備え、
   前記圧縮機から前記セパレータに圧縮空気と水を吐出する管路と、該セパレータで分離された水を前記空冷熱交換器に送る第１の管路と、前記空冷熱交換器で冷却された水を前記空冷熱交換器から前記圧縮機の軸受及び圧縮室に供給する第２の管路と、前記第２の管路に設けられた三方弁を備え、
   前記三方弁から前記除湿機を経由して前記第２の管路に戻る分岐管路を設け、該分岐管路に第１の三方電磁弁及び第２の三方電磁弁を設け、
   前記第１の三方電磁弁の一つの吐出口から前記除湿機の放熱用熱交換器（凝縮器）を通過して前記第２の三方電磁弁の一つの流入口に至る管路と、
   前記第１の三方電磁弁の他方の吐出口から前記除湿機の吸熱用熱交換器（蒸発器）を通過して前記第２の三方電磁弁の他方の流入口に至る管路と、を設けて、
   冷凍サイクルの第１の蒸発器を通過して前記第２の管路に戻る分岐管路を設けたことを特徴とする水潤滑オイルフリー圧縮機装置。
8. 請求項７に記載された水潤滑オイルフリー圧縮機装置において、
   前記第１の三方電磁弁及び前記第２の三方電磁弁を操作して、空冷熱交換器を通過した水を、前記放熱用熱交換器の経路又は前記吸熱用熱交換器の経路の一方を選択して水を流すことを特徴とする水潤滑オイルフリー圧縮機装置。
9. 請求項４から８のいずれかの請求項に記載された水潤滑オイルフリー圧縮機装置において、
   前記第２の管路には、空冷用熱交換器からの水の温度センサ及び前記分岐管路から前記管路に合流した後の水の温度センサを設け、前記三方弁として三方電磁弁を設けて、
   前記温度センサにより計測された温度に基づいて、前記三方電磁弁を操作して、前記合流後の水の温度を制御することを特徴とする水潤滑オイルフリー圧縮機装置。
10. 請求項３又は９に記載された水潤滑オイルフリー圧縮機装置において、
    前記装置が前記空冷熱交換器の冷却空気を送る冷却ファンと、吸入空気の温度を検出する吸入空気温度センサを備え、
    該吸入空気温度センサにより検出される吸入空気温度及び前記水の温度センサにより検出される水温度に基づいて、前記冷却ファンの運転、冷凍サイクルの運転及び前記三方電磁弁の切替操作のいずれか又は全部を制御することを特徴とする水潤滑オイルフリー圧縮機。

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