JP2010275939A - 水冷式オイルフリー空気圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】水冷式オイルフリー空気圧縮機において、圧縮機を小型化するとともに、生産性、メンテナンス性の向上を図る。
【解決手段】オイルフリースクリュー圧縮機は、低圧段圧縮機本体１と、この低圧段圧縮機１から吐出された圧縮空気を水冷式で冷却するインタークーラ３と、このインタークーラ３で冷却した圧縮空気をさらに圧縮する高圧段圧縮機本体２と、この高圧段圧縮機本体２から吐出された空気を水冷式で冷却するアフタークーラ４を備える。インタークーラ３とアフタークーラ４は各々複数のユニットから構成され、一方のアフタークーラ、一方のインタークーラの順に流れる第１の冷却水経路と、他方のアフタークーラ、他方のインタークーラの順に流れる第２の冷却水経路を備え、複数のインタークーラ又は複数のアフタークーラの出口側又は入口側に設けたクーラヘッダ７、９は一体化構造とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、水冷式オイルフリー空気圧縮機に関し、特に多段圧縮される圧縮空気を冷却する冷却装置を備えた空気圧縮機に好適なものである。

低圧段圧縮機本体及び高圧段圧縮機本体を有する従来の２段オイルフリースクリュー圧縮機では、低圧段圧縮機本体で圧縮された圧縮空気を冷却するためのインタークーラと、高圧段圧縮機本体で圧縮された圧縮空気を冷却するためのアフタークーラを有する場合が多い。

水冷式のインタークーラとアフタークーラを有する２段圧縮機の構成として特許文献１及び特許文献２の構成が知られている。特許文献１では、冷却水がアフタークーラ、インタークーラの順に供給され、特許文献２では、インタークーラを冷却するための冷却水流路とアフタークーラを冷却するための冷却水流路とが分岐し、各クーラ冷却後に合流して排水される構成となっている。これらの例では、インタークーラとアフタークーラが、それぞれ１つずつ配置される構成となっている。

また、圧縮機の小型化のための構成として特許文献３及び特許文献４が知られている。特許文献３の例では、インタークーラとアフタークーラとを一体化し、アフタークーラ側に冷却水入口を設け、インタークーラ側に冷却水出口を設けている。特許文献４には、熱交換器の小型化に着目し、クーラにプレート式熱交換器を用いた例が開示されている。

特開平８−６１２７１号公報 特開平１１−２２６８８号公報 特開２００２−１３０１７２号公報 特開２００６−２４９９３４号公報

近年、圧縮空気の需要の増大に対応して圧縮機の大型化が進んでおり、高出力、大空気量の空気圧縮機が要求されている。圧縮機の高出力化（大空気量化）に伴い、冷却のためのクーラの寸法が大きくなる傾向がある。

特許文献１や特許文献２のように、インタークーラ及びアフタークーラを各々１つずつ配置する構成では、圧縮機の大型化に伴って、インタークーラ及びアフタークーラの寸法が大きくなる。したがって、圧縮機パッケージ内でクーラ及びクーラ出入口配管の占めるスペースが大きくなり、圧縮機の小型化の妨げとなってしまうという問題が生ずる。すなわち、大型の圧縮機において空気量が増大する場合には、これに対応する冷却能力を確保するために、インタークーラ及びアフタークーラのシェル径、全長を大きくしていく必要がある。このため、クーラの容積が大きくなり、圧縮機全体としての小型化が困難になってしまう。

また、インタークーラ及びアフタークーラは圧縮空気の吐出経路上に存在するため、クーラ内部の空気流路には高圧空気が存在している。大型の圧縮機において空気量が増大する場合には、上述のようにクーラの容積が大きくなり、クーラ破損時の影響が大きくなるという問題がある。また、クーラの大型化に伴ってクーラの取扱い性が低下し、清掃等のメンテナンス性が悪くなるという問題も生ずる。

特許文献３ではインタークーラとアフタークーラとを一体化し、クーラ部の小型化に対して一定の効果が得られる構成となっている。しかし、インタークーラとアフタークーラとが対向配置されているため、両クーラの配置に関する制約がある。したがって、空気圧縮機の高出力化（大空気量化）に対応してクーラ部が大きくなると、一体型クーラとしての構成の制約から、圧縮機全体としての小型化に適さない場合がある。

特許文献４は、クーラそのものの小型化を志向しているが、圧縮機の高出力化（大空気量化）に伴ってクーラが大型化する傾向には変わりがなく、これを解決することが望まれていた。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、クーラの簡素化によって、パッケージされる装置全体の小型化、及び、生産性やメンテナンス性の向上を図った空気圧縮機を提供することを目的としている。

上記目的を達成するための本発明の一態様として、低圧段圧縮機本体と、該低圧段圧縮機本体から吐出された圧縮空気を水冷式で冷却するインタークーラと、該インタークーラで冷却した圧縮空気をさらに圧縮する高圧段圧縮機本体と、該高圧段圧縮機本体から吐出された空気を水冷式で冷却するアフタークーラとを備えた水冷式オイルフリー空気圧縮機において、下記の特徴を有するものとした。
・インタークーラは複数のインタークーラユニットを備える。
・アフタークーラは複数のアフタークーラユニットを備える。
・複数のインタークーラユニットは、それぞれ冷却水入口及び冷却水出口を有する。
・複数のアフタークーラユニットは、それぞれ冷却水入口及び冷却水出口を有する。
・一のアフタークーラユニット、一のインタークーラユニットの順に冷却水を供給する第１の冷却水経路と、他のアフタークーラユニット、他のインタークーラユニットの順に冷却水を供給する第２の冷却水経路とを備える。

上記の本発明の一態様において、より好適な具体的態様は下記の通りである。
（ａ）第１の冷却水経路と第２の冷却水経路とを互いに対称な形状としたこと。
（ｂ）インタークーラ及びアフタークーラは、圧縮空気の入口側を覆うクーラヘッダと、出口側を覆うクーラヘッダとを有し、インタークーラ又はアフタークーラの圧縮空気入口側若しくは出口側のいずれか一方、又は、入口側及び出口側の両方のクーラヘッダは、複数のインタークーラユニット又は複数のアフタークーラユニットを、一のクーラヘッダで構成したこと。
（ｃ）アフタークーラに流入する圧縮空気の吐出配管は、アフタークーラの上流側で複数に分岐して複数のアフタークーラユニットに供給され、分岐した吐出配管にそれぞれ逆止弁を備えたこと。
（ｄ）インタークーラユニット及びアフタークーラユニットを同一形状としたこと。

さらに好適な本発明の具体的態様として、次の構成とした。すなわち、インタークーラ及びアフタークーラは、インタークーラ内を流れる圧縮空気の流れ方向とアフタークーラ内を流れる圧縮空気の流れ方向とが互いに反対方向となるように配設され、
インタークーラ内を流れる圧縮空気の流れ方向とインタークーラ内を流れる冷却水の流れ方向とを互いに反対方向とし、アフタークーラ内を流れる圧縮空気の流れ方向とアフタークーラ内を流れる冷却水の流れ方向とを互いに反対方向とし、
一のアフタークーラユニットの冷却水出口と一のインタークーラユニットの冷却水入口とを連絡する冷却水配管と、他のアフタークーラユニットの冷却水出口と他のインタークーラユニットの冷却水入口とを連絡する冷却水配管と、を備えたものとした。

上記の構成においては、一のアフタークーラユニットの冷却水出口と一のインタークーラユニットの冷却水入口とを連絡する冷却水配管と、他のアフタークーラユニットの冷却水出口と他のインタークーラユニットの冷却水入口とを連絡する冷却水配管と、を左右対称に配置することが望ましい。

また、上記のいずれかの構成において、より好適な具体的な配置関係として、低圧段圧縮機本体及び高圧段圧縮機本体を駆動するモータと、モータの出力を低圧段圧縮機本体及び高圧段圧縮機本体へと伝達する複数のギヤと、複数のギヤを収納するギヤケーシングと、モータのギヤケーシングの反対側に設けられモータよりも高い位置でインタークーラ及びアフタークーラを保持するクーラ架台と、を備えたものにおいて、下記の構成とした。すなわち、
（イ）低圧段圧縮機本体と高圧段圧縮機本体は、ギヤケーシングからモータの上方側に突出するように並置。
（ロ）互いに並置された圧縮機本体のうち、低圧段圧縮機本体がインタークーラの圧縮空気の入口側に配置され、高圧段圧縮機本体がアフタークーラの圧縮空気入口側に配置されることによって、インタークーラ内を流れる圧縮空気の流れ方向とアフタークーラ内を流れる圧縮空気の流れ方向とを互いに反対方向としたこと。

上記の例にあっては、クーラ架台において、インタークーラの上方にアフタークーラが配設されるものとした。

本発明によれば、クーラの簡素化が可能となり、装置全体の小型化、及び、生産性やメンテナンス性の向上が可能な水冷式２段オイルフリー空気圧縮機を提供することができる。

本実施形態の水冷式２段オイルフリースクリュー圧縮機の系統図。 本実施形態の水冷式２段オイルフリースクリュー圧縮機の構造図。 冷却装置の構造図。 クーラの断面図。

本実施形態は、図１及び図２に示すように、低圧段圧縮機本体１と、この低圧段圧縮機本体１から吐出された圧縮空気を水冷式で冷却するインタークーラ３と、このインタークーラ３で冷却した圧縮空気を更に圧縮する高圧段圧縮機本体２と、この高圧段圧縮機本体２から吐出された空気を水冷式で冷却するアフタークーラ４とを備えた多段の空気圧縮機を前提としている。この空気圧縮機において、本実施形態の特徴とするところは、いわゆる１パス方式のインタークーラユニット及びアフタークーラユニットを各々２つずつ設け、インタークーラ３及びアフタークーラ４を小型化したことにある。

詳細は後述するが、本実施形態の構造を採用することにより、次の（１）〜（４）に示すような作用効果を得ることができる。

（１）１つのインタークーラ、アフタークーラには入口側と出口側それぞれ１つずつクーラヘッダを設ける従来技術（例えば、特許文献１、２）の構造と比較すると、下記の効果が得られる。

すなわち、従来技術では、インタークーラ及びアフタークーラをそれぞれ１つずつ配置しており、高出力、大空気量の大型圧縮機となった場合、インタークーラ及びアフタークーラの寸法が大きくなる。このため、クーラ内部の清掃等のメンテナンス性が悪くなる。また、圧縮機パッケージ内でクーラ及びクーラ出入口配管の占めるスペースが大きくなり、圧縮機の小型化の妨げとなる。

一方、本実施形態では、インタークーラ３とアフタークーラ４がそれぞれ２つずつのユニットにより構成されることにより、クーラ３、４のメンテナンス性の向上、及び、圧縮機パッケージの小型化が可能となる。加えて、クーラ破損時においても、クーラのユニットが小型化されているため、漏洩する圧縮空気を少なくすることが可能である。

（２）圧縮空気経路に設けられる逆止弁に関しては、次の効果が得られる。すなわち、従来技術のように、１つのインタークーラ及びアフタークーラを用いる場合（例えば、特許文献１、２）、特許文献３に示されるように１つの圧縮機に１つの逆止弁を設けることになる。この場合、圧縮機の高出力化、大空気量化に伴い、逆止弁のサイズも大きくなる。このとき、逆止弁が高コスト化するだけではなく、逆止弁の取付け構造の簡素化、メンテナンス性向上の妨げとなる。

本実施形態では、クーラユニットを複数用い、クーラに流入する圧縮空気の経路を分岐させているため、２つの逆止弁を用いることができる。図１に示すように、２つの逆止弁１３を２つのアフタークーラユニット４ａ、４ｂのそれぞれの入口に取り付ける構造とすることで、逆止弁１３の小型化を図り、圧縮機パッケージの小型化、逆止弁１３の取付け構造の簡素化、及びメンテナンス性の向上を図ることができる。また、逆止弁１３の配置に関しても、生産性及びメンテナンス性を考慮し、外部からアクセスしやすい位置に設けることで、これらをさらに向上させることができる。

（３）圧縮空気経路の構成に関しても、以下の効果が得られる。本実施形態では、圧縮空気が複数のクーラユニットに流入するため、空気経路が分岐する。その際、クーラの出入口に対して、各々１つずつのクーラヘッダを設けるとすると、それぞれのクーラ出入口にヘッダを設けることとなり、この出入口配管も複数本必要となる。本実施形態では、２つのインタークーラユニット３ａ、３ｂ及びアフタークーラユニット４ａ、４ｂの出入口の両方、もしくは片方のヘッダを一体化することにより、クーラの出入口配管の本数削減（簡素化）を行うことができる。

（４）１のクーラ３（及び４）に対して複数のクーラユニット３ａ、３ｂ（及び４ａ、４ｂ）を備える構成としたことで、生産性及びメンテナンス性の向上を図ることができる。すなわち、特許文献１、２では、インタークーラとアフタークーラが別々の寸法、形状であり、また、特許文献３、４では一体化構造としているため、製品の組立時や、クーラの清掃、交換を行う際に、それぞれ別々の部品を用意する必要があった。本実施形態では、複数のインタークーラユニット及びアフタークーラユニットを全て共有化し、部品の互換性をもたせ、生産性、メンテナンス性の向上を図ることができる。

なお、インタークーラ３、アフタークーラ４に複数のユニット（例えば２つのユニット３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ）を使用した場合、２本のインタークーラユニット３ａ、３ｂ又は２本のアフタークーラユニット４ａ、４ｂは冷却能力を同等にする必要がある。したがって、本実施形態では、２セットからなるインタークーラ３、アフタークーラ４に対し、各々並列に、左右対称に冷却水配管を設け、２つのインタークーラユニット３ａ、３ｂ、２つのアフタークーラユニット４ａ、４ｂに同量の冷却水が流れるようにし、その冷却能力を同等になるようにしている。

このように、本実施形態では、インタークーラ３とアフタークーラ４の各ユニットを共用化することとしているが、インタークーラ３はドレン発生量の軽減を行うため、アフタークーラ４と比較して冷却能力を低くする必要がある。これに対応するため、本実施形態では冷却水の流れに特徴を持たせている。すなわち、まず先にアフタークーラ４を冷却させ、これにより温まった冷却水でインタークーラ３を冷却するように冷却水を流す構成としている。これにより、インタークーラ３とアフタークーラ４の冷却能力を調節することとした。

なお、冷却能力の調整は、インタークーラ３とアフタークーラ４に用いるクーラユニットの個数を異ならしめることによっても可能である（例えば、アフタークーラユニットを３つ用い、インタークーラユニットを２つ用いる等）。したがって、部品の共用化を可能としつつ、冷却能力の調節も簡易に行うことができ、生産性向上に寄与することができる。

クーラの冷却能力を向上させるためには、高温側流体である圧縮空気と、低温側流体である冷却水の出入口を逆にし、流れ方向が対抗する「対向流」で使用した方が効率的である。インタークーラ３、アフタークーラ４はともに、冷却水を圧縮空気の高温側から流すことが望ましい。したがって、上述したように、アフタークーラ４とインタークーラ３を並列に配置し、アフタークーラ４、インタークーラ３の順で冷却水を流す場合、冷却水のアフタークーラ４からの出口とインタークーラ３への入口が近くにあった方が、冷却水配管を短くすることができ、簡素な構成となる。すなわち、アフタークーラ４とインタークーラ３内の圧縮空気の流れ方向が逆となるように配置し（このとき、両クーラを流れる冷却水の流れ方向もそれぞれ反対となる）、これによって冷却水配管を短くすることができ、構造の簡素化、生産性の向上を図ることができる。

上述したように、この実施形態によれば、圧縮機ユニット内におけるクーラ３、４の省スペース化が図られ、圧縮機の小型化が可能となる。また、配管の簡素化、クーラの小型化等により、生産性、メンテナンス性の向上が可能となる。

図面を参照しつつ、本発明の実施形態をより詳細に説明する。なお、以下では、雄雌ロータの回転により空気を圧縮するスクリュー圧縮機を例に説明する。

図１は、低圧段圧縮機本体１及び高圧段圧縮機本体２を有する水冷式２段オイルフリースクリュー圧縮機３０の系統図である。低圧段圧縮機本体１及び高圧段圧縮機本体２は、それぞれ雄ロータ及び雌ロータの１対のロータを備えている。すなわち、本実施形態の圧縮機は、これらの１対の雄雌ロータが回転することによって空気を圧縮するスクリュー式の空気圧縮機となっている。

低圧段圧縮機本体１及び高圧段圧縮機本体２が有するそれぞれの雄ロータの軸端部には、ピニオンギヤ２１が嵌合されている。これらのピニオンギヤ２１は、ギヤケーシング２８内の駆動軸の一方に嵌合されたブルギヤ２３と噛合っており、モータの動力が低圧段圧縮機本体１及び高圧段圧縮機本体２へ伝達される。図１ではモータ２６の出力軸にブルギヤ２３を設け、雄ロータの軸端部に設けたピニオンギヤ２１と噛合う構成としているが、モータ出力軸と雄ロータとの間に中間軸を設けても良い。中間軸を設けた場合には、この中間軸を介してモータ２６の動力が低圧段圧縮機本体１及び高圧段圧縮機本体２へと伝達される。

以下、第一に、これらの圧縮機にて圧縮される空気の流れに着目しつつ、本実施形態の水冷式２段オイルフリースクリュー圧縮機の構成を説明する。

低圧段圧縮機本体１の吸込み側には、この低圧段圧縮機本体１に吸込まれる空気量を調整する吸込絞り弁１２が配設されている。フィルター（図示せず）によって異物が除去され、吸込み絞り弁１２を通過して低圧段圧縮機本体１に吸込まれた空気は、所定の圧力まで圧縮されて低圧段圧縮機本体１出口より吐出される。低圧段圧縮機本体１から吐出された圧縮空気は、中間段の吐出配管Ａに導かれる。

低圧段圧縮機本体１によって圧縮され、中間段の吐出配管Ａに導かれた圧縮空気は、インタークーラ３によって冷却される。本実施形態では、中間段の吐出配管Ａが、インタークーラ３の空気導入口となるクーラヘッダ６の上流側で複数に分岐する構成となっている。

図１に示すように吐出配管Ａは、クーラヘッダ６の入口で２つに分岐しており、低圧段圧縮機本体１と高圧段圧縮機本体２との間の空気流路に設けられた２本のインタークーラユニット３ａ、３ｂに並列に吸い込まれて冷却される。２本のインタークーラユニットからなるインタークーラ３によって冷却された圧縮空気は、インタークーラ３の出口側に取り付けられたクーラヘッダ７で合流し、中間段の吐出配管Ｂへと導かれる。

インタークーラ３によって冷却され、中間段の吐出配管Ｂへと導かれた圧縮空気は、さらに下流側に配置される高圧段圧縮機本体２に吸い込まれる。高圧段圧縮機本体２によってさらに圧縮された圧縮空気は、高圧段圧縮機本体２から吐出され、高圧段の吐出配管Ｃへと導かれる。高圧段圧縮機本体２とアフタークーラ４との間を連結する吐出配管Ｃは、アフタークーラ４のクーラヘッダ８より上流側で複数に分岐する構成となっている。また、吐出配管Ｃの分岐部よりも下流側の各流路には逆止弁１３がそれぞれ配設されており、この逆止弁１３は、複数のアフタークーラヘッダ８よりも上流側に位置している。

したがって、図１に示すように、高圧段の吐出配管Ｃへ吐出された圧縮空気は、吐出配管Ｃ途中で２つに分岐し、この下流にそれぞれ設けられた２つの逆止弁１３を通り、２本のアフタークーラユニット４ａ、４ｂからなるアフタークーラ４に並列に吸い込まれて冷却される。アフタークーラ４で冷却された圧縮空気は、アフタークーラ４の出口側に取り付けられたクーラヘッダ９で合流し、圧縮空気出口より吐出される。

ここで、インタークーラ３、アフタークーラ４の入口側には、２本のアフタークーラユニット４ａ、４ｂのそれぞれに１つずつ、２本のインタークーラユニット３ａ、３ｂのそれぞれに１つずつ、クーラヘッダ６、８が単独で取り付けてあるのに対し、出口側には２本のアフタークーラ４で１つ、２本のインタークーラ３で１つのクーラヘッダを取り付けてあり、出口側で圧縮空気が合流する構造となっている。

次に、第二に、圧縮機の冷却構造・形態に着目しつつ、本実施形態の水冷式２段オイルフリースクリュー圧縮機の構成を説明する。

オイルフリースクリュー圧縮機では、作動ガスである空気を圧縮する過程においては冷却するものがないので圧縮熱により高圧段圧縮機本体２、低圧段圧縮機本体１が発熱する。また、圧縮した後の圧縮ガスは高温であるから、これを需要元で使用するには熱すぎる。さらに、低圧段圧縮機本体１で圧縮された圧縮ガスを冷却して高圧段圧縮機本体２に供給すれば、オイルフリースクリュー圧縮機３０の全体効率が向上する。これらの理由により、冷却水がオイルフリー圧縮機３０の各部に供給されている。この冷却水の経路は以下の通りである。

冷却塔（図示せず）で冷却された冷却水は、冷却水入口で、アフタークーラ４、インタークーラ３を冷却する経路と、オイルクーラ１０、放風クーラ１１、高圧段圧縮機本体２、低圧段圧縮機本体１を冷却する経路に分岐している。アフタークーラ４、インタークーラ３を冷却する側の冷却水経路は、先ずアフタークーラ４に導かれ、高圧段圧縮機本体２の吐出し空気を冷却後、インタークーラ３に導かれ、低圧段圧縮機本体１の吐出し空気を冷却し、冷却水出口から冷却塔等へ戻される。ここで、インタークーラ３とアフタークーラ４の冷却水の流れは圧縮空気の流れと反対方向となる対向流となるようにしており、インタークーラ３とアフタークーラ４共にシェルの下部から給水、上部から排水している。

なお、本実施形態ではアフタークーラ４及びインタークーラ３はそれぞれ２つずつのユニット（インタークーラユニット３ａ、３ｂ、及び、アフタークーラユニット４ａ、４ｂ参照）を使用しており、これらを冷却する経路の冷却水配管もアフタークーラ４入口で分岐し、片方のアフタークーラユニット４ａ、インタークーラユニット３ａを冷却する配管と、もう片方のアフタークーラユニット４ｂ、インタークーラユニット３ｂを冷却する配管に分けられている。この２つに分岐した冷却水配管は、インタークーラ３を出た後に合流し、冷却水出口へ導かれている（以下、これらを「第一の冷却水経路」「第２の冷却水経路」と称する場合がある。）。

オイルクーラ１０、放風クーラ１１、高圧段圧縮機本体２、低圧段圧縮機本体１を冷却する冷却水経路側の冷却水は、先ずオイルクーラ１０に導かれ潤滑油を冷却後、放風クーラ１１へ導かれ、無負荷運転時に放気される空気を冷却する。次に高圧段圧縮機本体２のケーシングに設けた冷却ジャケットに導かれ、高圧段圧縮機本体２を冷却後、低圧段圧縮機本体１のケーシングに設けた冷却ジャケットに導かれ、低圧段圧縮機本体１を冷却し、冷却水出口から冷却塔へ戻される。

また、オイルクーラ１０の冷却水流路の入口にはバルブが取り付けてある。本実施形態では圧縮空気を冷却する冷却水経路とオイルや圧縮機本体を冷却する冷却水経路とが、一の冷却水入口からの冷却水配管が分岐して設けられているため、バルブによって、アフタークーラ４、インタークーラ３側へ流れる冷却水経路の水量と、オイルクーラ１０、放風クーラ１１、高圧段圧縮機本体２、低圧段圧縮機本体１側へ流れる冷却水経路の水量との割合を調節できるようになっている。

なお、オイルクーラ１０で冷却された潤滑油は、低圧段圧縮機本体１及び高圧段圧縮機本体２の軸受部やピニオンギヤ部、タイミングギヤ部、さらに、ギヤケーシング２８内の中間軸の軸受部や中間軸に嵌合されたピニオンギヤ部、ブルギヤ部、さらに、モータの回転軸に嵌合されたブルギヤ部等を潤滑した後、ギヤケーシング２８の下部に設けられた油溜りにためられる。そしてオイルポンプでオイルクーラ１０に導かれ、冷却水で冷却され、この潤滑経路を循環する。

本実施形態においては、圧縮空気の経路はインタークーラ３の上流側で分岐し、インタークーラ３で冷却された後に合流する。そして、高圧段圧縮機本体２でさらに圧縮された後、アフタークーラ４の上流側で分岐し、アフタークーラ４で冷却された後に合流して外部に圧縮空気が供給される。一方、冷却水の経路は、分岐後の第１の冷却水経路と第２の冷却水経路は互いに独立した関係となる。すなわち、アフタークーラ４へ供給される前に分岐した後、アフタークーラ４冷却後に合流せず、それぞれがインタークーラ３へ供給される。したがって、同一の冷却性能を確保するために、両経路に同量の冷却水が供給されることが望ましい。すなわち、第１の冷却水経路と第２の冷却水経路を、同形状、あるいは、互いに対称な形状とすることが望ましい。

次に、図２を用いて本実施形態に係る空気圧縮機のパッケージ内部の配置について説明する。図２、本実施形態の水冷式２段オイルフリースクリュー圧縮機の構造図であり、要部以外は省略して示した図である。

図２に示すように、ベース上にモータ２６やギヤケーシング２８が取り付けられる架台が載置され、この架台の隣にはクーラ３、４が搭載されるクーラ架台１８が設けられている。モータ２６からの動力はギヤケーシング２８内の各種のギヤを介して低圧段圧縮機本体１及び高圧段圧縮機本体２に伝達される。本実施形態では、図示したように、モータ２６の出力軸側にギヤケーシング２８が配置され、このギヤケーシング２８の上部から、モータ２６の上方に突出するように低圧段圧縮機本体１と高圧段圧縮機本体２が並置されている。したがって、モータ２６の上方に両段圧縮機１、２が位置する構成となる。

モータ２６に対して、ギヤケーシング２８の反対側（図中の左前方向）に、クーラ架台１８が設けられる。クーラ架台１８は脚部を有し、クーラ載置台がモータ２６より高い位置となっている。この構成により、モータ２６のギヤケーシング２８の反対側が開放され、モータ２６の放熱が行いやすくなっている。

クーラ架台１８のクーラ載置台にはインタークーラ３及びアフタークーラ４が配置されている。上述の通り、低圧段圧縮機本体１はモータ２６の上方に位置しており、低圧段圧縮機本体１から吐出される圧縮空気は、吐出配管Ａへ流入してインタークーラ３へと導かれる。低圧段圧縮機本体１とインタークーラ３は近い距離に配置されているため、空気経路を短くすることができ、中間段の吐出配管Ａの簡素化が可能となっている。

本実施形態のインタークーラ３について説明する。図２に示すように、クーラ架台１８にインタークーラ３が搭載されている。インタークーラ３は、２つのインタークーラユニット３ａ、３ｂからなり、クーラ支持部材によってクーラ架台１８上に２つのユニットが並置される。なお、アフタークーラ４は、インタークーラ３と同様、インタークーラの上方において、２つのユニットが並置されるように配設される。アフタークーラ４が上方に置かれることで、逆止弁１３にもアクセスしやすいため、取付けも容易に行え、メンテナンス時にも好適である。

インタークーラ３は、２つのインタークーラユニット３ａ、３ｂが並置され、圧縮空気の入口側及び出口側にクーラヘッダ６、７が取り付けられている。本実施形態では、吐出配管Ａがクーラヘッダ６の上流側で分岐し、圧縮空気は２つの空気流路からそれぞれインタークーラユニット３ａ、３ｂに流入して冷却される。

インタークーラ３の各ユニット３ａ、３ｂで冷却された圧縮空気は、出口側のクーラヘッダ７へと流入する。本実施形態のクーラヘッダ７は各ユニットから流入した圧縮空気が合流可能な構造となっており、クーラヘッダ７で合流した圧縮空気が吐出配管Ｂを介して高圧段圧縮機本体２へと流入する。

図２に示されるように、ギヤケーシング２８の上部からモータ２６の上方に突出して配置される両段圧縮機１、２の並びは、配管経路の簡素化に対応している。すなわち、低圧段圧縮機本体１はインタークーラ３の入口と同じ側（図中、手前側）に位置し、高圧段圧縮機本体２はインタークーラ３の出口と同じ側（図中、奥側）に位置している。したがって、インタークーラ３によって冷却された後の空気経路である吐出配管Ｂも簡素化されている。

高圧段圧縮機本体２においてさらに高圧に圧縮された圧縮空気は、高圧段の吐出配管Ｃへと吐出される。吐出配管Ｃは、上方に向かって延伸し、下流側でアフタークーラ４の方向に延伸する構成としている。

アフタークーラ４は、インタークーラ３と同様、２つのアフタークーラユニット４ａ、４ｂからなり、圧縮空気の入口側及び出口側にクーラヘッダ８、９を備えている。図に示すように、吐出配管Ｃはクーラヘッダ８より上流側で分岐しており、各分岐配管に逆止弁１３を備えている。また、これらの分岐配管は、各クーラユニット４ａ、４ｂごとにそれぞれ設けられたクーラヘッダ８に連結される。

したがって、圧縮空気は、吐出配管Ｃで分岐した後、各分岐配管に配設された逆止弁１３を通過して、クーラヘッダ８へと導かれる。クーラヘッダ８からアフタークーラ４へと流入した圧縮空気は、アフタークーラ４で冷却され、出口側のクーラヘッダ９で合流した後、圧縮機パッケージの外部へと供給される。インタークーラ３内における圧縮空気の流れ方向と、アフタークーラ４内における圧縮空気の流れ方向は、互いに反対方向となっており、両段圧縮機１、２の配置との関係で、吐出配管が簡素化されることになる。

次に、本実施形態の冷却水経路について簡単に説明する。上述の通り、本実施形態ではインタークーラユニット３ａ、３ｂ、及び、アフタークーラユニット４ａ、４ｂを冷却する経路の冷却水配管が、アフタークーラ４への入口前で分岐し、片方のアフタークーラユニット４ａ、インタークーラユニット３ａを冷却する配管と、もう片方のアフタークーラユニット４ｂ、インタークーラユニット３ｂを冷却する配管に分けられている。したがって、クーラで冷却前に分岐した冷却水は、冷却後まで合流しない構成となっている。

また、上述の通り、クーラ内の冷却水は、圧縮空気の流れと反対方向となる対向流となる流れとしているため、インタークーラ３内における冷却水の流れ方向と、アフタークーラ４内における冷却水の流れ方向は、互いに反対方向となっている。したがって、アフタークーラ４で圧縮空気を冷却した後の冷却水が、インタークーラ３に流入する際に通過する冷却水配管を短くすることができ、構成の簡素化が可能となっている。すなわち、図２において符号１７で示したアフタークーラ４の冷却水出口と、符号１６で示すインタークーラ３の冷却水入口との距離を近づけることができ、冷却水経路の観点からみても、コンパクト化に大いに寄与している。

次にインタークーラ３及びアフタークーラ４の詳細構造を説明する。上述のように、本実施形態のインタークーラ３及びアフタークーラ４は、クーラユニットをぞれぞれ２つずつ使用している。このクーラの構造を、図３及び図４に示す。図３はインタークーラ３及びアフタークーラ４からなる冷却装置の構造図、図４はクーラの断面図である。インタークーラ３及びアフタークーラ４の冷却部の外形を形成するシェル５の寸法は全て同一構造としている。

図３に示すように、インタークーラ３及びアフタークーラ４は、それぞれ２つずつのクーラユニットをクーラ架台１８の上に並列に配設し、アフタークーラ４を上側、インタークーラ３を下側に配置している。これらのクーラを構成するクーラユニットは、クーラ架台１８のクーラ載置台に支持部材によって固定される。これにより、それぞれのクーラのユニット間（クーラユニット３ａと３ｂの間、４ａと４ｂの間）、及び、各クーラ間（インタークーラ３とアフタークーラ４との間）に必要な間隔を隔てて配置される。

また、アフタークーラ４、インタークーラ３への空気と冷却水の出入口は、上述の対向流を生ぜしめるために、それぞれ反対方向を向いている。図３に示す例では、アフタークーラ４の冷却水入口１６（図中右上）からクーラシェル（後述）内に冷却水が供給され、高圧段の圧縮空気を冷却後の冷却水は出口１７（図中左上）から排出される。その後、さらにインタークーラ３の冷却水入口１６（図中左下）からインタークーラ３内に供給されて、中間段の圧縮空気を冷却後、冷却水出口１７（図中右下）から排水される。

この構造とすることで、冷却水経路を含めてクーラ全体が圧縮機ユニット内にコンパクトに配置できる。また、各クーラに接続された配管、クーラ架台１８のボルトを外すことで、逆止弁１３を含め、クーラをまとめて圧縮機ユニットから取り出すことが可能となる。さらに、各クーラの部品は全て共用化されるため、クーラの清掃、交換時等メンテナンスがし易くなっている。

次にインタークーラ３及びアフタークーラ４のユニット内部の詳細を図４に示す。インタークーラ３及びアフタークーラ４はいわゆる１パス方式のシェルアンドチューブ型熱交換器を用いている。ここで「１パス方式」とは、圧縮空気の入口側と出口側が異なる位置にあり、往復経路を持たない形式のものを示している。すなわち、一側から流入した空気は他側から排出され、空気が排出される側から流入する冷却水は、空気が流入する側から排出される。

インタークーラ３及びアフタークーラ４の内部に取り付けられた複数の伝熱管１４は全て同一形状で、本数もほぼ同数として、伝熱管１４同士は等間隔でクーラシェル５内に配置されている。そして、この複の伝熱管１４をクーラシェル５内に安定して保持するため、及び冷却水路を形成するために管板１５がクーラの軸方向複数箇所に互い違いに配置されている。

なお、以上説明してきた本発明の実施形態においては、インタークーラ及びアフタークーラのユニットを２つずつ使用する場合について説明してきたが、これに限らず、３つ以上のインタークーラ、アフタークーラを使用する場合にも、同様の構造とすることが可能である。

また、上記の実施形態は２段圧縮機を例に説明したが、３段以上の多段圧縮機においても同様の構成により同様の効果を得ることができる。

１・・・低圧段圧縮機本体、２・・・高圧段圧縮機本体、３・・・インタークーラ、４・・・アフタークーラ、５・・・クーラシェル、６・・・圧縮空気入口側インタークーラヘッダ、７・・・圧縮空気出口側インタークーラヘッダ、８・・・圧縮空気入口側アフタークーラヘッダ、９・・・圧縮空気出口側アフタークーラヘッダ、１０・・・オイルクーラ、１１・・・放風クーラ、１２・・・吸込み絞り弁、１３・・・逆止弁、１４・・・伝熱管、１５・・・管板、１６・・・冷却水入口、１７・・・冷却水出口、１８・・・クーラ架台、２１・・・ピニオンギヤ、２３・・・ブルギヤ、２６・・・モータ、２８・・・ギヤケーシング、３０・・・オイルフリースクリュー圧縮機、Ａ・・・中間段の吐出配管、Ｂ・・・中間段の吐出配管、Ｃ・・・高圧段の吐出配管。

Claims (9)

1. 低圧段圧縮機本体と、該低圧段圧縮機本体から吐出された圧縮空気を水冷式で冷却するインタークーラと、該インタークーラで冷却した圧縮空気をさらに圧縮する高圧段圧縮機本体と、該高圧段圧縮機本体から吐出された空気を水冷式で冷却するアフタークーラとを備えた水冷式オイルフリー空気圧縮機において、
   前記インタークーラは複数のインタークーラユニットを備え、
   前記アフタークーラは複数のアフタークーラユニットを備え、
   前記複数のインタークーラユニットは、それぞれ冷却水入口及び冷却水出口を有し、
   前記複数のアフタークーラユニットは、それぞれ冷却水入口及び冷却水出口を有し、
   一のアフタークーラユニット、一のインタークーラユニットの順に冷却水を供給する第１の冷却水経路と、
   他のアフタークーラユニット、他のインタークーラユニットの順に冷却水を供給する第２の冷却水経路と、
   を備えたことを特徴とする水冷式オイルフリー空気圧縮機。
2. 請求項１に記載の水冷式オイルフリー空気圧縮機において、
   前記第１の冷却水経路と前記第２の冷却水経路とを互いに対称な形状としたことを特徴とする水冷式オイルフリー空気圧縮機。
3. 請求項１に記載の水冷式オイルフリー空気圧縮機において、
   前記インタークーラ及び前記アフタークーラは、圧縮空気の入口側を覆うクーラヘッダと、出口側を覆うクーラヘッダとを有し、
   前記インタークーラ又は前記アフタークーラの圧縮空気入口側若しくは出口側のいずれか一方、又は、入口側及び出口側の両方のクーラヘッダは、前記複数のインタークーラユニット又は前記複数のアフタークーラユニットを、一のクーラヘッダで構成したことを特徴とする水冷式オイルフリー空気圧縮機。
4. 請求項１に記載の水冷式オイルフリー空気圧縮機において、
   前記アフタークーラに流入する圧縮空気の吐出配管は、前記アフタークーラの上流側で複数に分岐して前記複数のアフタークーラユニットに供給され、
   分岐した吐出配管にそれぞれ逆止弁を備えたことを特徴とする水冷式オイルフリー空気圧縮機。
5. 請求項１に記載の水冷式オイルフリー空気圧縮機において、
   前記インタークーラユニット及び前記アフタークーラユニットを同一形状としたことを特徴とする水冷式オイルフリースクリュー圧縮機。
6. 請求項１に記載の水冷式オイルフリー空気圧縮機において、
   前記インタークーラ及び前記アフタークーラは、前記インタークーラ内を流れる圧縮空気の流れ方向と前記アフタークーラ内を流れる圧縮空気の流れ方向とが互いに反対方向となるように配設され、
   前記インタークーラ内を流れる圧縮空気の流れ方向と前記インタークーラ内を流れる冷却水の流れ方向とを互いに反対方向とし、前記アフタークーラ内を流れる圧縮空気の流れ方向と前記アフタークーラ内を流れる冷却水の流れ方向とを互いに反対方向とし、
   前記一のアフタークーラユニットの冷却水出口と前記一のインタークーラユニットの冷却水入口とを連絡する冷却水配管と、前記他のアフタークーラユニットの冷却水出口と前記他のインタークーラユニットの冷却水入口とを連絡する冷却水配管と、を備えた水冷式オイルフリー空気圧縮機。
7. 請求項６に記載の水冷式オイルフリー空気圧縮機において、
   前記一のアフタークーラユニットの冷却水出口と前記一のインタークーラユニットの冷却水入口とを連絡する冷却水配管と、前記他のアフタークーラユニットの冷却水出口と前記他のインタークーラユニットの冷却水入口とを連絡する冷却水配管と、を左右対称に配置したことを特徴とするオイルフリー空気圧縮機。
8. 請求項６又は７に記載の水冷式オイルフリー空気圧縮機において、
   前記低圧段圧縮機本体及び前記高圧段圧縮機本体を駆動するモータと、前記モータの出力を前記低圧段圧縮機本体及び前記高圧段圧縮機本体へと伝達する複数のギヤと、前記複数のギヤを収納するギヤケーシングと、前記モータの前記ギヤケーシングの反対側に設けられ前記モータよりも高い位置で前記インタークーラ及び前記アフタークーラを保持するクーラ架台と、を備え、
   前記低圧段圧縮機本体と前記高圧段圧縮機本体は、前記ギヤケーシングから前記モータの上方側に突出するように並置され、
   互いに並置された圧縮機本体のうち、前記低圧段圧縮機本体が前記インタークーラの圧縮空気の入口側に配置され、前記高圧段圧縮機本体が前記アフタークーラの圧縮空気入口側に配置されることで、前記インタークーラ内を流れる圧縮空気の流れ方向と前記アフタークーラ内を流れる圧縮空気の流れ方向とを互いに反対方向としたことを特徴とする水冷式オイルフリー空気圧縮機。
9. 請求項８に記載の水冷式オイルフリー空気圧縮機において、
   前記クーラ架台において、前記インタークーラの上方に前記アフタークーラが配設されることを特徴とする水冷式オイルフリー空気圧縮機。

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