JP2010164046A - ２ｃｄ型空気圧縮機の温度管理システム - Google Patents

Abstract

【課題】機関車のラジエータ又は他の冷却ファンの直近に空気圧縮機を設ける必要性を排除するシステムを有する空気圧縮機を提供する。
【解決手段】空気圧縮機の温度管理システムは、空気圧縮機のインタークーラに連結された複数の冷却ファンと、コイル及びコイルにより動作する接点を有する電気リレーと、電気リレーのコイルに連結された温度スイッチとを備える。接点は、冷却ファンと電源との間に位置している。温度スイッチは、空気圧縮機の高圧段の高圧吸入口における温度が所定の温度を上回ると開き、それにより電気リレーの接点が閉じて冷却ファンに電力が供給される。
【選択図】図４

Description

本発明は、一般には、機関車のブレーキ及び機関車の他のすべての空気圧系統に圧縮空気を供給するために機関車で用いられる空気圧縮機に関し、より詳細には、動作中の空気圧縮機を、制御された温度に維持するための空気圧縮機の温度管理システムに関する。

貨物機関車、旅客機関車、及びスイッチャ機関車では、機関車、列車のブレーキ動作、及び機関車の他のすべての空気圧系統に圧縮空気を供給するために空気圧縮機が用いられている。段間冷却を伴う多段圧縮機の動作の性質のため、圧縮機の内部温度は、内部での水の凝縮を回避すべく高温に保たなければならない。他方、冷却が足りないと圧縮機の効率が低下し、極端な場合は圧縮機の故障に至る。適正な動作温度を維持するため、空気圧縮機は、過熱を防止するために機関車のラジエータファンの直下に配置されるのが一般的であり、使用時には決して圧縮機を停止しないことで圧縮機の最低動作温度が維持されている。換言すれば、現在の空気圧縮機は、一般的には、負荷／無負荷の動作方法で運転される。しかし、空気圧縮機を機関車のラジエータファンの直下に位置させることは、空気圧縮機にとって必ずしも理想的な配置ではない。加えて、空気圧縮機は決して停止されないため、電力が不必要に浪費されてしまう。

加えて、機関車内に配置された圧縮機から加圧された空気を受け入れるファン冷却式のアフタークーラの動作を制御するためのシステム及び制御回路が既知である。例えば、Ｗａｇｎｅｒ他による特許文献１に、かかる制御回路が開示されている。しかし、この特許文献１に開示されているシステムは、周囲温度が氷点以下であるときに、アフタークーラによって、フィン付きの熱交換器の管を通り過ぎた後の周囲空気が引き寄せられてしまうことを防止するために、設けられている。なお、フィン付きの熱交換器の管は、圧縮機から圧縮空気を受け入れるものである。かかるシステムは、圧縮機の温度を管理するために用いられるものではないため、圧縮機を機関車内のいかなる好適な位置へも移動させることをできなくしている。

よって、独立した温度管理システムを利用することにより、機関車のラジエータ又は他の冷却ファンの直近に空気圧縮機を設ける必要性を排除した空気圧縮機に対する必要性が存在する。さらに、機関車のラジエータ又は他の冷却ファンの直近に空気圧縮機を設ける必要性を排除するシステムを有する空気圧縮機に対する必要性が存在する。

米国特許第５，８９４，８８１号明細書

本発明の目的は、外部冷却ファンを要さず、それにより、機関車のラジエータ又は他の冷却ファンの直近に空気圧縮機を設ける必要性を排除した空気圧縮機を提供することである。本発明のさらなる目的は、機関車のラジエータ又は他の冷却ファンの直近に空気圧縮機を設ける必要性を排除するシステムを有する空気圧縮機を提供することである。本発明の温度管理システムは、動作中の圧縮機を制御された温度に維持するために設計されたものである。この温度は、構成要素が過熱することを回避できる程に低く、圧縮機のインタークーラ内で水が凝縮することを回避できる程に高くなければならない。かかる状態になると、圧縮機の構成要素が早期に摩耗し、圧縮機が早期に故障する可能性がある。

このため、本発明は、空気圧縮機の温度管理システムを対象とするものである。温度管理システムは、空気圧縮機のインタークーラに連結された複数の冷却ファンと、コイル及びコイルにより動作する接点を有する電気リレーと、電気リレーのコイルに連結された温度スイッチとを備える。接点は、冷却ファンと電源との間に位置している。温度スイッチは、空気圧縮機の高圧段の高圧吸入口における温度が所定の温度を上回ると開き、それにより電気リレーの接点が閉じて冷却ファンに電力が供給される。

冷却ファンは、第１の冷却ファン及び第２の冷却ファンを備えてもよい。第１の冷却ファン及び第２の冷却ファンは、電気的に並列に連結されていてもよい。温度スイッチは、電気リレーのコイルと直列に配置されていてもよい。空気圧縮機は２ＣＤ型空気圧縮機であってもよい。

温度スイッチは、高圧吸入口における温度が第２の所定の温度を下回ると閉じ、それにより電気リレーの接点が開き、冷却ファンへの電力供給が停止してもよい。所定の温度は約２００°Ｆ（華氏約２００度）であってもよく、第２の所定の温度は約１９０°Ｆ（華氏約１９０度）であってもよい。温度スイッチは、空気圧縮機の高圧段の高圧吸入口に位置していてもよい。温度スイッチが故障すると、リレーの接点が閉じ、それにより冷却ファンに電力が供給されてもよい。

また、本発明は、空気圧縮機のインタークーラに連結された複数の冷却ファンを制御するための電気回路でもある。電気回路は、負荷回路及びスイッチング回路を含む。負荷回路は、複数の冷却ファンと、冷却ファン及び電源の間に位置する電気リレーの接点とを有する。スイッチング回路は、温度スイッチと、温度スイッチに連結された電気リレーのコイルとを有する。温度スイッチは、空気圧縮機の高圧段の高圧吸入口において所定の温度に達すると開き、それにより電気リレーの接点が閉じて冷却ファンに電力が供給される。

冷却ファンは、第１の冷却ファン及び第２の冷却ファンを備えてもよい。第１の冷却ファン及び第２の冷却ファンは、電気的に並列に連結されていてもよい。温度スイッチは、電気リレーのコイルと直列に配置されていてもよい。空気圧縮機は２ＣＤ型空気圧縮機であってもよい。所定の温度は約２００°Ｆであってもよい。

加えて、本発明は、機関車に空気圧縮機を設置する方法を対象とするものである。本方法は、温度管理システムを有する空気圧縮機を供給するステップと、温度管理システムを有する空気圧縮機を機関車のラジエータから離れた場所に設けるステップとを含む。温度管理システムは、空気圧縮機のインタークーラに連結された複数の冷却ファンと、コイル及びコイルにより動作する接点を有する電気リレーと、電気リレーのコイルに連結された温度スイッチとを備える。接点は、冷却ファンと電源との間に位置している。温度スイッチは、所定の温度を上回る温度で開き、それにより電気リレーの接点が閉じて冷却ファンに電力が供給される。

温度スイッチは、高圧吸入口における温度が第２の所定の温度を下回ると閉じ、それにより電気リレーの接点が開き、並列の第１の冷却ファン及び第２の冷却ファンへの電力供給が停止してもよい。所定の温度は約２００°Ｆであってもよく、第２の所定の温度は約１９０°Ｆであってもよい。温度スイッチが故障すると、リレーの接点が閉じ、それにより冷却ファンに電力が供給されてもよい。

本発明のこれらの特徴及び特性並びに他の特徴及び特性、そして、関連する構成要素の動作方法及び機能、部品の組み合わせ、並びに、製造上の経済性が、添付の図面を参照して以下の説明及び添付の請求項を検討することで、より明らかになろう。かかる図面のすべては、本明細書の一部を形成し、図中、同様の参照符号は、各図面において対応する部分を表す。明細書及び請求項において用いる単数形“ａ”、“ａｎ”、及び“ｔｈｅ”は、文脈上そうでないことが明らかでない限り、複数の指示対象を含む。

本明細書に記載の一実施形態による温度管理システムを有する空気圧縮機の斜視図である。 図１の空気圧縮機の正面図である。 図２の空気圧縮機の側面図である。 温度管理システムの回路図である。

以下の説明のために、空間での方向を表す各用語及びそれらから派生した用語は、図面における方向に準じて実施形態において解釈されるものとする。ただし、本発明は、そうでないことを明記しない限り、各種の代替的な変形を取り得ることを理解されたい。また、添付図面に示し、以下の明細書に記載する特定の装置は、単に例示的な実施形態であることも理解されたい。よって、本明細書において開示されている実施形態に関する特定の寸法及び他の物理特性は、限定するものであると解釈すべきではない。

本明細書に記載の温度管理システムは、Ｗａｂｔｅｃ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎにより製造されるものなどの２ＣＤ型空気圧縮機とともに用いて、動作中の圧縮機を制御された温度に維持するための用途を有する。図１〜図３を参照すると、２ＣＤ型空気圧縮機１は、低圧段３、高圧段５、及び圧縮機クランクケース７を有している。また、空気圧縮機１は、クランクケース７に設けられたインタークーラ９も有している。インタークーラ９は、低圧段３と高圧段５との間の空気を冷却するように構成されている。インタークーラ９は、銅又はアルミニウムの複数のフィン付き管１１から構成されている。インタークーラ９における圧力上昇を抑制する目的で、インタークーラ９には逃がし弁１３が設けられている。圧縮機１は、機関車のディーゼルエンジンから切り離して、適切な継ぎ手及び駆動軸を通じて直接駆動することもでき、又は、駆動プーリ１５に動作可能に連結された電気モータ（図示せず）によりベルト駆動することもできる。

温度管理システムは、高圧段の吸入空気を適正な動作温度に維持することを目的とするものである。この温度は、構成要素が過熱することを回避できるほど低く、且つ、インタークーラ内で水が凝縮することを回避できるほど高いことが望ましい。いずれの状態になっても、早期の摩耗及び故障に至る可能性がある。温度管理システムは、高圧段５の高圧段吸入口１９に位置する温度スイッチ１７を有している。以下でより詳細に説明するように、さらなる制御回路が、電気用筐体２１及び一対の冷却ファン２３の内部に配置されている。一対の冷却ファン２３は、電気的に並列に連結され、そして、インタークーラ９に連結されている。

図１〜図３を引き続き参照しつつ、そして、図４を参照すると、温度管理システム（その全体を参照符号２５により示す）の回路図が示されている。温度管理システムは、負荷回路２７及びスイッチング回路２９を有している。負荷回路２７は、電気的に並列に連結された一対の冷却ファン２３と、一対の冷却ファン２３及び電源の間に直列に配置された電気リレー３３の接点３１とを有している。スイッチング回路２９は、温度スイッチ１７と、温度スイッチ１７に対して直列に設けられた電気リレー３３のコイル３５とを有している。電源は、２４ＶＤＣを供給する。負荷回路２７への電力供給のために１５Ａのヒューズ付きの線３７が設けられ、スイッチング回路２９への電力供給のために１Ａのヒューズ付きの線３９が設けられている。

温度管理システム２５の動作は、以下の通りである。高圧段吸入口１９における空気温度が約２００°Ｆを下回っているとき、温度スイッチ１７は閉じている。この位置では、常閉の電気リレー３３が（図４に破線で示す）通電位置（開位置）に保持される。この状態では、冷却ファン２３は電源が切られている。高圧段吸入口１９における温度が２００°Ｆを超えると、温度スイッチ１７が開くように構成され、それにより電気リレー３３のコイル３５への通電が停止する。コイル３５への通電が停止されると、電気リレー３３の接点３１が閉じ、それにより一対の冷却ファン２３に電力が供給されて冷却ファン２３が始動する。ファン２３は、高圧段吸入口１９における空気温度が約１９０°Ｆを下回るまで運転される。約１９０°Ｆを下回る温度で温度スイッチ１７は閉じ、それにより電気リレー３３のコイル３５が通電され、接点３１が開く。これにより、冷却ファン２３は電源が切られる。温度スイッチ１７が故障すると、電気リレー３３の接点３１が閉じ、並列の冷却ファン２３に電力が供給される。このため、温度管理システム２５はフェイルセーフである。温度スイッチ１７が故障するか、又は温度スイッチ１７に電力が供給されない場合は、常閉の電気リレー３３を介して負荷回路２７に電力が供給されている限り、ファン２３は電源が入れられている。

温度管理システム２５により、既存の圧縮機に対して様々な利点を有する空気圧縮機１が提供される。冷却ファン２３は、空気圧縮機１に冷却空気を供給する一体的な冷却空気源となる。なお、過去においては、かかる冷却空気のすべてが、機関車に搭載されたラジエータ又は他の冷却ファンを介した外部手段により供給されていた。このため、温度管理システム２５を有する空気圧縮機１は、機関車のラジエータ又は他の冷却ファンの直近に搭載する必要がない。空気圧縮機１は、機関車の任意の好適な位置に搭載することができる。例えば、圧縮機１は、機関車の後部区画において、圧縮機の軸を任意の向きにして搭載することができる。換言すれば、圧縮機のシャフトの軸心は、機関車の進行方向に対して垂直に配置することができる。また、圧縮機１は、機関車のデッキ上方の高くなったプラットフォーム上、又は機関車の長手軸の一方側に配置されて、他の補機類のための空間を確保することもできる。このため、多くの周囲条件において、空気圧縮機１に冷却空気を提供する目的で外部冷却ファンが要求されることがなくなる。

加えて、段間冷却を伴う多段圧縮機の動作の性質のため、圧縮機の内部温度は、内部での水の凝縮を回避すべく高温に保たなければならない。しかし、冷却が足りないと圧縮機の効率が低下し、極端な場合は圧縮機の故障に至る。適正な動作温度を維持するために、従来技術の２ＣＤ型圧縮機は、過熱を防止するために機関車のラジエータの直下に配置されるのが一般的で、使用時には決して圧縮機を停止させないことで圧縮機の最低動作温度が維持される。かかる圧縮機は、始動／停止の動作方法ではなく、負荷／無負荷の動作方法で運転されていた。必要量の冷却を提供するように又は冷却を提供しないように制御可能な一対の冷却ファン２３を空気圧縮機１が備えることにより、温度管理システム２５を有する空気圧縮機１は、速やかに最低動作温度に達し、同時に、最高動作温度を超過することを防止することが可能である。この利点により、空気圧縮機１を外部冷却源から離して搭載し、始動／停止の方法で運転することが可能になる。

さらに、動作時に圧縮機を常に回転させておく必要があることが直接的な原因となり、圧縮機の駆動方法が限定される。圧縮機を継ぎ手を介して機関車のクランク軸に対してまっすぐ直列に搭載することが、標準的な設計方法となっている。この構成において、従来技術の圧縮機は、機関車のエンジンが運転しているときは常に回転していた。しかし、これにより、機関車製造業者（locomotive builder）は、圧縮機をエンジンに対して直列に配置し、圧縮機を機関車のエンジン回転数で回転させることを余儀なくされている。他の選択肢としては、圧縮機を機関車の駆動軸に対して垂直に搭載し、ベルト型又はギアボックス型の駆動装置を用いて圧縮機の回転数を低下させる、というものがあった。温度管理システム２５は、圧縮機１の停止／始動動作を許容することにより、圧縮機１の駆動プーリ１５に動作可能に連結された電気モータにより圧縮機１を駆動することが可能になる。これにより、機関車の設計者は、空気圧縮機１を柔軟に配置することができる。温度管理システム２５を有する空気圧縮機１は、機関車の駆動軸に対して直列及び垂直に位置させる必要がなく、多くの場合、外部供給源から冷却空気を直接受ける必要がない。このため、温度管理システム２５を有する空気圧縮機１は、機関車の任意の好適な場所に位置することが可能である。

最後に、電気モータを用いて停止／始動する形式の動作で空気圧縮機１を駆動することにより、圧縮機を常時運転させる場合に比べて、著しい節電効果が得られる。しかし、空気圧縮機１を電気モータで駆動する場合、電気モータの回転数を機関車エンジンの回転数と独立して変動させることにより、圧縮空気の需要に合致した圧縮空気の供給も可能になる。空気の供給は圧縮機の回転数に比例するため、電力を不必要に浪費することなく、空気の供給を空気の需要に正確に合致させることが可能である。

本発明を例示の実施形態により詳細に説明したが、かかる詳細は例示のみを目的とするもので、本発明が、開示の実施形態に限定されず、むしろ、変形したもの及び同等に編成し直したものを網羅することが意図される、ということを理解されたい。例えば、本発明は、可能な範囲において、任意の実施形態の１つ以上の特徴を、他の任意の実施形態の１つ以上の特徴と組み合わせることが可能であることも考慮している、ということを理解されたい。

Claims (20)

1. 空気圧縮機の温度管理システムであって、
   前記空気圧縮機のインタークーラに連結された複数の冷却ファンと、
   コイル及び前記コイルにより動作する接点を有する電気リレーであって、前記接点が前記冷却ファン及び電源の間に位置する電気リレーと、
   前記電気リレーの前記コイルに連結された温度スイッチと
   を備え、
   前記温度スイッチは、前記空気圧縮機の高圧段の高圧吸入口における温度が所定の温度を上回ると開き、それにより前記電気リレーの前記接点が閉じて前記冷却ファンに電力が供給される、温度管理システム。
2. 前記冷却ファンは、第１の冷却ファン及び第２の冷却ファンを備える請求項１に記載の温度管理システム。
3. 前記第１の冷却ファン及び前記第２の冷却ファンは、電気的に並列に連結されている請求項２に記載の温度管理システム。
4. 前記温度スイッチは、前記電気リレーの前記コイルと直列に配置されている請求項１に記載の温度管理システム。
5. 前記所定の温度は約２００°Ｆである請求項１に記載の温度管理システム。
6. 前記空気圧縮機は２ＣＤ型空気圧縮機である請求項１に記載の温度管理システム。
7. 前記温度スイッチは、前記高圧吸入口における前記温度が第２の所定の温度を下回ると閉じ、それにより前記電気リレーの前記接点が開き、前記冷却ファンへの電力供給が停止する請求項１に記載の温度管理システム。
8. 前記第２の所定の温度は約１９０°Ｆである請求項７に記載の温度管理システム。
9. 前記温度スイッチは、前記吸入口の前記高圧段の前記高圧吸入口に位置する請求項１に記載の温度管理システム。
10. 前記温度スイッチが故障すると、前記リレーの前記接点が閉じ、それにより前記冷却ファンに電力が供給される請求項１に記載の温度管理システム。
11. 空気圧縮機のインタークーラに連結された複数の冷却ファンを制御するための電気回路であって、
    前記複数の冷却ファン、並びに、前記冷却ファン及び電源の間に位置する電気リレーの接点を有する、負荷回路と、
    温度スイッチ、並びに、前記温度スイッチに連結された前記電気リレーのコイルを有する、スイッチング回路と
    を備え、
    前記温度スイッチは、前記空気圧縮機の高圧段の高圧吸入口において所定の温度に達すると開き、それにより前記電気リレーの前記接点が閉じて前記冷却ファンに電力が供給される、電気回路。
12. 前記冷却ファンは、第１の冷却ファン及び第２の冷却ファンを備える請求項１１に記載の電気回路。
13. 前記第１の冷却ファン及び前記第２の冷却ファンは、電気的に並列に連結されている請求項１２に記載の電気回路。
14. 前記温度スイッチは、前記電気リレーの前記コイルと直列に配置されている請求項１１に記載の電気回路。
15. 前記所定の温度は約２００°Ｆである請求項１１に記載の電気回路。
16. 前記空気圧縮機は２ＣＤ型空気圧縮機である請求項１１に記載の電気回路。
17. 機関車に空気圧縮機を設置する方法であって、
    温度管理システムを有する空気圧縮機を供給するステップであって、
    前記温度管理システムが、
    前記空気圧縮機のインタークーラに連結された複数の冷却ファン、
    コイル及び前記コイルにより動作する接点を有する電気リレーであって、前記接点が前記冷却ファン及び電源の間に位置する電気リレー、並びに、
    前記電気リレーの前記コイルに連結された温度スイッチを備える、温度管理システムを有する空気圧縮機を供給するステップと、
    前記温度管理システムを有する前記空気圧縮機を前記機関車のラジエータから離れた場所に設けるステップと
    を含み、
    前記温度スイッチは、所定の温度を上回る温度で開き、それにより前記電気リレーの前記接点が閉じて前記冷却ファンに電力が供給される、方法。
18. 前記温度スイッチは、高圧吸入口における温度が第２の所定の温度を下回ると閉じ、それにより前記電気リレーの前記接点が開き、並列の第１の冷却ファン及び第２の冷却ファンへの電力供給が停止する請求項１７に記載の方法。
19. 前記所定の温度は約２００°Ｆであり、前記第２の所定の温度は約１９０°Ｆである請求項１８に記載の方法。
20. 前記温度スイッチが故障すると、前記リレーの前記接点が閉じ、それにより前記冷却ファンに電力が供給される請求項１７に記載の方法。

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