JP2010088971A

JP2010088971A - 冷凍式エアドライヤ

Info

Publication number: JP2010088971A
Application number: JP2008258839A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Aono; 秀昭青野
Original assignee: SMC Corp
Current assignee: SMC Corp
Priority date: 2008-10-03
Filing date: 2008-10-03
Publication date: 2010-04-22
Also published as: US20100083683A1; TW201020482A; KR20100038138A; CN101711940A; DE102009043737A1

Abstract

【課題】冷凍式エアドライヤにおけるエネルギーの有効利用を図ることによって、コンデンサからの排熱量を小さくして、少ない電力で大きな除湿効果を発揮させて省エネルギー化を図り、負荷が大きい場合でも、安定的に除湿可能にする。
【解決手段】冷媒圧縮機により圧縮された冷媒を膨張弁１２で断熱膨張させて、空気入り口２０からの湿った圧縮空気をクーラ１３において冷却して除湿し、それを空気入り口から流入する圧縮空気と第１リヒータ１８において熱交換させて、空気入り口からの圧縮空気を予冷する冷凍式エアドライヤにおいて、冷媒圧縮機１０により圧縮されて高温になった冷媒と、第１リヒータ１８において空気入り口からの圧縮空気の予冷に供した除湿空気とを熱交換させて出口配管２１に送る第２リヒータ１９を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮空気を冷却し、水分を凝縮させることにより除湿する冷凍式エアドライヤに関するものである。

電磁弁やエアシリンダなどの空気圧機器を用いた空気圧システムでは、そこに供給される圧縮空気中の水分によるトラブルを防ぐため、圧縮空気中の水分をあらかじめ除去するのが望ましく、その水分の除去に冷凍式エアドライヤ等が用いられている。

図２は、従来の冷凍式エアドライヤにおける冷媒系と空気系の回路を示している。この冷凍式エアドライヤにおける冷媒系は、冷媒圧縮機１０と、該冷媒圧縮機１０により圧縮されて冷媒配管２２を通して送られた冷媒を凝縮させるコンデンサ１１と、該コンデンサ１１により凝縮された冷媒を断熱膨張により減圧させる膨張弁１２と、該膨張弁１２で断熱膨張させた冷媒により空気入り口２０からの湿った圧縮空気を冷却するクーラ１３とを有し、該クーラ１３からの冷媒を冷媒配管２６を通して上記冷媒圧縮機１０に戻す系である。

一方、上記空気系は、外部から空気入り口２０を通して流入する圧縮空気と、上記クーラ１３を経てドレンセパレータ１６でドレン分離した低温の除湿空気とをそれらの温度差により熱交換させるリヒータ１４と、該リヒータ１４により予冷された空気入り口２０からの圧縮空気を冷却する上記クーラ１３とを有し、上記クーラ１３で冷却した空気をドレン分離により除湿したうえで、上記リヒータ１４における空気入り口２０からの圧縮空気の予冷のための低温の除湿空気として出口配管２１に送る系である。
なお、上記ドレン分離を行うドレンセパレータ１６には、生じた水滴を分離して外部に排出するドレンバルブ１５を設けている。

上記従来の冷凍式エアドライヤにおいては、通常、冷媒圧縮機１０から冷媒配管２２を通ってコンデンサ１１に流れる冷媒の温度は約９０℃であり、膨張弁１２を出て断熱膨張したうえでクーラ１３に流れる冷媒配管２３の冷媒温度は約５℃である。また、リヒータ１４に外部からの圧縮空気を取り込む空気入り口２０の圧縮空気の温度は４０℃（定格）であり、リヒータ１４から空気配管２４を通ってクーラ１３に流れる圧縮空気の温度は約２５℃、クーラ１３からドレンセパレータ１６を経てリヒータ１４に送られる圧縮空気は約１０℃であり、リヒータ１４から出口配管２１を通って外部へ流出する除湿した圧縮空気の温度は約３０℃である。

なお、上記冷媒圧縮機１０とコンデンサ１１との間の冷媒配管２２と、膨張弁１２とクーラ１３との間の冷媒配管２３とは、容量調整弁１７を設けたバイパス冷媒配管２５で連通させている。このバイパス冷媒配管２５は、上記クーラ１３の負荷が小さくなって、膨張弁１２から冷媒配管２３を通ってクーラ１３に流れる冷媒の温度が過度に低下することにより、リヒータ１４から空気配管２４を通ってクーラ１３に流れる湿った圧縮空気中の水分が凍結しないように、容量調整弁１７を必要量だけ開いて、冷媒圧縮機１０からコンデンサ１１に流れる冷媒の一部を冷媒配管２３中の冷媒に混入させ、この冷媒の温度を一定温度以下に低下しないように保持するためのものである。

上記図２に示す従来の冷凍式エアドライヤにおいては、使用条件によりリヒータの性能が低下してしまうという問題がある。これを具体的に説明すると、上記リヒータ１４を用いる目的としては、
１. エアドライヤに入ってきた圧縮空気をリヒータで予冷することで、冷凍回路（冷媒系）に対する負荷を低減する（冷凍回路負荷を小さくして省エネルギー化を図る）。
２. エアドライヤで除湿した圧縮空気を、空気入り口から新たに入ってくる圧縮空気の熱を利用して昇温させることで、エアドライヤの二次側の空気配管が結露するのを防止する。

しかしながら、エアドライヤの空気入り口の空気温度が低い場合（約２０℃くらい）には、リヒータの性能が低下して、結露防止になる温度まで出口配管２１の空気を昇温させることができない場合があり、これが、従来のエアドライヤの大きな問題点であった。即ち、エアドライヤの空気配管は通常、鉄（亜鉛メッキされたもの）を使用するので、出口配管２１が結露で腐食する懸念があることと、結露水により、配管下部の床等に水たまりができることである。配管を断熱するには、大変な作業とコスト高を避けることができない。

因みに、上記リヒータを、冷媒圧縮機１０から圧縮された冷媒をコンデンサ１１に送る冷媒配管２２と、ドレンセパレータ１６から除湿空気を外部に送る出口配管２１との間に設けることにより、出口配管２１の空気を十分に昇温させることも考えられるが、この場合には空気入り口２０からの空気を予冷できないので、全ての熱負荷が冷凍回路（冷媒系）にかかってエアドライヤの処理空気量が低下してしまうことになり、処理空気量を図２の場合と同等にするためには、該冷凍回路を大きくする必要がある。

このような従来の冷凍式エアドライヤにおいて、省エネルギー化を図る方法としては、コンデンサを大きくしたり、コンデンサの冷却媒体の量を増やしたり、温度を下げたりして対応していたが、この方法では、ドライヤの大型化、冷却設備（空調機、チラー、クーリングタワー等）の大型化、冷却設備の非省エネルギー化につながるというデメリットがあった。

上述した冷凍式エアドライヤの省エネルギー化を図るため、ここで、上記図２の従来の冷凍式エアドライヤにおける主要各部のエネルギーの入出力関係について考察すると、まず、
Ｑ１＝クーラ１３の交換熱量（冷凍回路に熱が入る）
Ｑ２＝冷媒圧縮機１０の消費電力（冷媒圧縮機が冷媒を圧縮した仕事が熱に変わる）
Ｑ３＝コンデンサ１１の交換熱量（冷凍回路から熱が放出される）
としたとき、次の式（１）が成り立つ。
Ｑ３＝Ｑ１＋Ｑ２・・・（１）

コンデンサ１１では空冷や水冷によって冷媒を凝縮しているが、コンデンサ１１の出口の冷媒の温度が低いほど冷媒圧縮機１０の上記消費電力Ｑ２は小さくなる。また、冷凍式エアドライヤの冷却能力に相当する上記クーラ１３の交換熱量Ｑ１と、空冷コンデンサの場合には該コンデンサの周囲の温度、水冷コンデンサの場合には冷却水の温度がそれぞれ定まっており、コンデンサ１１の性能も定まっている。そこで、冷凍式エアドライヤの消費電力が冷媒圧縮機１０の消費電力にほぼ等しいと仮定すると、コンデンサ１１の出口の冷媒の温度を下げて冷媒圧縮機１０の消費電力Ｑ２を小さくするためには、コンデンサ１１の交換熱量Ｑ３を小さくするしかないことになる。

本発明の技術的課題は、基本的には、上記従来の冷凍式エアドライヤ内におけるエネルギーの有効利用を図ることによって、該冷凍式エアドライヤにおけるコンデンサの交換熱量Ｑ３、即ちコンデンサからの排熱量を小さくして、少ない電力で大きな除湿効果を発揮するようにし、それによって省エネルギー化を図った冷凍式エアドライヤを提供することにある。
本発明のさらに具体的な技術的課題は、除湿しようとする圧縮空気の負荷が大きい場合（圧縮空気の温度、湿度が高く、または流量が多いなど）でも、安定的に除湿することができ、上記圧縮空気の空気温度が低い場合でも、外部に流出される除湿した圧縮空気の出口配管に生ずる結露を確実に防止できるようにした冷凍式エアドライヤを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明によれば、冷媒圧縮機と、該冷媒圧縮機により圧縮された冷媒を凝縮させるコンデンサと、該コンデンサにより凝縮された冷媒を断熱膨張により減圧させる減圧機構と、該減圧機構で断熱膨張させた冷媒により空気入り口からの湿った圧縮空気を冷却するクーラとを有し、該クーラからの冷媒を上記冷媒圧縮機に戻す冷媒系と；上記空気入り口から流入する空気と上記クーラを経た低温の除湿空気とをそれらの温度差により熱交換させる第１リヒータと、該第１リヒータにより予冷された空気入り口からの圧縮空気を冷却する上記クーラとを有し、上記クーラで冷却した空気をドレン分離により除湿したうえで、上記第１リヒータにおける空気入り口からの圧縮空気の予冷のための低温の除湿空気とする空気系と；を備えた冷凍式エアドライヤにおいて、上記冷媒系における冷媒圧縮機により圧縮されて高温になった冷媒と、上記第１リヒータにおいて空気入り口からの圧縮空気の予冷に供した除湿空気とを、それらの温度差により熱交換させて出口配管に送る第２リヒータを備えることを特徴とする冷凍式エアドライヤが提供される。

本発明に係る上記冷凍式エアドライヤの好ましい実施形態においては、当該冷凍式エアドライヤが、上記冷媒圧縮機により圧縮された冷媒を第２リヒータに流す冷媒配管と、上記減圧機構で減圧された冷媒をクーラに流す冷媒配管とを連通させるバイパス冷媒配管を設け、該バイパス冷媒配管中に容量調整弁を配設したものとして構成される。

上記構成を有する本発明の冷凍式エアドライヤにおいては、空気入り口から流入する空気とクーラを経た低温の除湿空気との間で熱交換する第１リヒータ、及び、冷媒圧縮機により圧縮されて高温になった冷媒と、上記第１リヒータにおいて空気入り口からの圧縮空気の予冷に供した除湿空気との間で熱交換する第２リヒータを併せ用いているので、冷凍式エアドライヤにおけるコンデンサの交換熱量Ｑ３、即ちコンデンサからの排熱量を小さくして、少ない電力で大きな除湿効果を発揮させることができ、例えば、空冷コンデンサの空調機、水冷コンデンサのクーリングタワーやチラー等の設備環境の冷熱源に対する熱負荷を小さくして、省エネルギー運転することができ、また、冷媒圧縮機により圧縮された最低でも約５０℃の高温の冷媒と外部へ流出する圧縮空気とを第２リヒータで熱交換するので、上記圧縮空気の空気温度が低い場合でも、冷凍式エアドライヤの二次側の空気配管の結露の発生を確実に防止することができる。

上述した本発明の冷凍式エアドライヤによれば、上記従来の冷凍式エアドライヤ内におけるエネルギーの有効利用を図ることによって、該冷凍式エアドライヤにおけるコンデンサの交換熱量Ｑ３、即ちコンデンサからの排熱量を小さくして、少ない電力で大きな除湿効果を発揮するようにしたので、省エネルギー化を図った冷凍式エアドライヤを提供することができる。また、除湿しようとする圧縮空気の負荷が大きい場合でも、安定的に除湿することができ、上記圧縮空気の空気温度が低い場合でも、外部に送出する除湿した圧縮空気の出口配管に生ずる結露を確実に防止することができる。

図１は、本発明に係る冷凍式エアドライヤの実施例を示している。この実施例の冷凍式エアドライヤは、上述した図２の従来の冷凍式エアドライヤと一部において共通する冷媒系と空気系とを備えているので、図１において、図２と共通の部材には同一の符号を付している。そして、この実施例と図２の従来の冷凍式エアドライヤとの主たる相違点は、この実施例では第１リヒータ１８及び第２リヒータ１９を用いて消費電力の低減を図り、しかも、冷凍式エアドライヤの安定的な稼働を実現している点にある。

図１の冷凍式エアドライヤにおける冷媒系は、冷媒圧縮機１０と、該冷媒圧縮機１０により圧縮されて冷媒配管２２に設けた第２リヒータ１９を通して送られた冷媒を凝縮させるコンデンサ１１と、該コンデンサ１１により凝縮された冷媒を断熱膨張により減圧させる膨張弁１２と、該膨張弁１２で断熱膨張させた冷媒により空気入り口２０からの湿った圧縮空気を冷却するクーラ１３とを有し、該クーラ１３からの冷媒を冷媒配管２６を通して上記冷媒圧縮機１０に戻す系である。上記膨張弁１２は、前記減圧機構の一例として示すものであって、該膨張弁に代えて、例えば、キャピラリーチューブ等を用いることもできる。

一方、この冷凍式エアドライヤの空気系は、外部から上記空気入り口２０を通して流入する圧縮空気（定格温度４０℃）を、上記クーラ１３を通して送られる低温の除湿した圧縮空気（約１０℃）との温度差による熱交換で予冷する第１リヒータ１８と、該第１リヒータ１８により予冷された空気入り口２０からの湿った圧縮空気を冷却し、水分を凝縮させる上記クーラ１３と、上記クーラ１３で冷却した空気をドレン分離により除湿するドレンセパレータ１６と、該ドレンセパレータ１６でドレン分離した低温の圧縮空気が、上記第１リヒータ１８において空気入り口２０からの圧縮空気と熱交換したうえで送られる前記第２リヒータ１９とを有し、上記第１及び第２リヒータ１８，１９において低温の除湿空気を昇温させて出口配管２１に送る系である。上記ドレン分離を行うドレンセパレータ１６には、生じた水滴を分離して外部に排出するドレンバルブ１５を設けている。

上記第２リヒータ１９は、冷媒圧縮機１０において圧縮されて高温になった冷媒と、第１リヒータ１８からの除湿した圧縮空気の空気配管２８を通って流入する除湿した圧縮空気とを、それらの温度差により熱交換し、送出する圧縮空気を確実に昇温させるものであり、この第２リヒータ１９には、上記冷媒圧縮機１０において加熱されて冷媒配管２２を通してコンデンサ１１に流れる冷媒と熱交換して外部へ送出する除湿した圧縮空気の出口配管２１を設けている。
上記冷凍式エアドライヤにおける冷媒系および空気系における各部の冷媒や圧縮空気の温度は、上記出口配管２１における圧縮空気の温度が約４５℃である点を除いて、前記図２の従来の冷凍式エアドライヤの場合とあまり変わらないが、それらの温度の安定性においては大きな差異がある。

上記冷媒圧縮機１０と第２リヒータ１９との間の冷媒配管２２と、膨張弁１２とクーラ１３との間の冷媒配管２３とは、容量調整弁１７を設けたバイパス冷媒配管２５で連通させている。このバイパス冷媒配管２５は、上記クーラ１３の負荷が小さくなって、膨張弁１２から冷媒配管２３を通ってクーラ１３に流れる冷媒の温度が過度に低下することにより、リヒータ１４から空気配管２４を通ってクーラ１３に流れる湿った圧縮空気中の水分が凍結しないように、容量調整弁１７を必要量だけ開いて、冷媒圧縮機１０からコンデンサ１１に流れる冷媒の一部を冷媒配管２３中の冷媒に混入させ、この冷媒の温度を一定温度以下に低下しないように保持するためのものである。

上記図２の従来の冷凍式エアドライヤにおける主要各部のエネルギーの入出力関係と対比するため、図１の実施例についても同様なエネルギーの入出力関係を示すと、
図１において、Ｑ１〜Ｑ３は図２の場合と同様とし、
Ｑ４＝第２リヒータ１９の交換熱量（冷凍回路から圧縮空気に熱が放出される）
とすると、
Ｑ３＋Ｑ４＝Ｑ１＋Ｑ２
Ｑ３＝Ｑ１＋Ｑ２−Ｑ４・・・（２）
となる。
上記式（１）と式（２）とを比較すると、図１の冷凍式エアドライヤの方が、図２の従来の冷凍式エアドライヤよりも、熱量Ｑ３が熱量Ｑ４だけ小さくなり、そして熱量Ｑ３が小さくなることから、同時に熱量Ｑ２も小さくなるので、省エネルギーとなっていることがわかる。
なお、冷凍式エアドライヤから排出される熱は、空調機やクーリングタワー、チラーなどの温度管理設備で処理される。

このような構成を有する冷凍式エアドライヤによれば、上述したように省エネルギー化できるので、少ない電力で大きな除湿効果を発揮させることができ、具体例としては、コンデンサの交換熱量（コンデンサからの排熱量）を低減できるので、冷熱源（空冷コンデンサなら空調機、水冷コンデンサならクーリングタワーやチラーなど）に対する熱負荷を小さくすることができる。また、供給される湿った圧縮空気の負荷が大きい場合でも安定的に除湿できて、冷凍式エアドライヤの性能が高められ、負荷が大きい場合に冷凍機の保護リレーが作動して稼働が停止する限界負荷を大きくすることが可能になる。更に、エアドライヤの二次側の空気配管の結露を確実に防止できる。

本発明に係る冷凍式エアドライヤの実施例の冷凍回路及び空気回路の回路図である。従来の冷凍式エアドライヤの冷凍回路及び空気回路の回路図である。

符号の説明

１０冷媒圧縮機
１１コンデンサ
１２膨張弁
１３クーラ
１８第１リヒータ
１９第２リヒータ

Claims

冷媒圧縮機と、該冷媒圧縮機により圧縮された冷媒を凝縮させるコンデンサと、該コンデンサにより凝縮された冷媒を断熱膨張により減圧させる減圧機構と、該減圧機構で断熱膨張させた冷媒により空気入り口からの湿った圧縮空気を冷却するクーラとを有し、該クーラからの冷媒を上記冷媒圧縮機に戻す冷媒系と；
上記空気入り口から流入する空気と上記クーラを経た低温の除湿空気とをそれらの温度差により熱交換させる第１リヒータと、該第１リヒータにより予冷された空気入り口からの圧縮空気を冷却する上記クーラとを有し、上記クーラで冷却した空気をドレン分離により除湿したうえで、上記第１リヒータにおける空気入り口からの圧縮空気の予冷のための低温の除湿空気とする空気系と；
を備えた冷凍式エアドライヤにおいて、
上記冷媒系における冷媒圧縮機により圧縮されて高温になった冷媒と、上記第１リヒータにおいて空気入り口からの圧縮空気の予冷に供した除湿空気とを、それらの温度差により熱交換させて出口配管に送る第２リヒータを備える、
ことを特徴とする冷凍式エアドライヤ。
上記冷媒圧縮機により圧縮された冷媒を第２リヒータに流す冷媒配管と、上記減圧機構で減圧された冷媒をクーラに流す冷媒配管とを連通させるバイパス冷媒配管を設け、該バイパス冷媒配管中に容量調整弁を配設した、
ことを特徴とする請求項１に記載の冷凍式エアドライヤ。