JP2012112268A - 油冷式圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機系内にドレンが発生することを回避可能な油冷式圧縮機を提供する。
【解決手段】温度調節弁１５によって、冷却流路１７とバイパス流路１８との流量比を調節する油冷式圧縮機において、圧縮機本体３が吐出した気体の温度または油分離回収器４が分離した油の温度を検出する温度検出手段２３と、冷却流路１７に設けた開閉弁２１と、温度検出手段２３の検出温度に基づいて、温度調節弁１５および開閉弁２１を調節する制御手段８とを有し、制御手段８は、検出温度が所定の弁開放温度以上になると、開閉弁２１を開放し、検出温度が弁開放温度以下の所定の弁閉鎖温度以下になると、開閉弁２１を閉鎖し、検出温度が所定の制御下限温度以上になると、検出温度が高いほど冷却流路１７のバイパス流路１８に対する流量比が大きくなるように、温度調節弁１５の開度を調節する。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮機本体に潤滑、シールおよび冷却等のために油を供給するように構成された油冷式圧縮機に関する

圧縮機は、潤滑、シール（軸封など）および冷却等のために、油の供給されるべき部位を多く備えている。例えば、油冷式スクリュー圧縮機は、雌雄のスクリューロータを噛み合わせてケーシング内に収容して構成されてなる圧縮空間、軸受け、軸封部等の油の供給されるべき部位（以下、単に「注油箇所」とも表記する）を多く備えている。そのような油の供給されるべき部位に、十分且つ清浄な油を安定的に供給することが、油冷式圧縮機においては重要である。

通常、油冷式圧縮機は、油分離回収器によって、圧縮された流体から油を分離・回収し、その回収された油を注油箇所に供給するよう構成されている。ただし、油分離回収器で分離・回収されたばかりの油は高温の状態にあるため、その油を注油箇所に供給する前に、油クーラ等を利用して冷却する必要がある。

ところで、圧縮する対象の流体が空気等である場合には、その空気等には通常、水蒸気が含まれている。高圧下での空気等の露点は低圧下のそれより高くなるが、通常では圧縮された直後の空気等の温度はその露点よりもさらに高いため、空気等に凝結は発生しない。しかしながら、注油箇所に供給する油を冷却し過ぎると、吐出した直後の高圧の空気等においても、水分が凝結してドレンを発生するおそれがある。すると、そのドレンは、油分離回収器において油とともに分離され、油の流路に混入してしまう。油の流路や各構成要素へのドレンの侵入は、その油の流路や各構要素の錆びや腐食の原因となるだけでなく、油自体の劣化の原因にもなる。

したがって、吐出した気体にドレンが含まれないように圧縮機に過剰な冷却を防止することが望まれる。そこで、油分離回収器が回収した油を、油クーラを有する流路と油クーラを迂回するバイパス流路とに分流し、それらの流量比を温度調節弁で制御することによって、圧縮機の過剰な冷却を防止し、圧縮機の吐出温度を吐出圧力における露点以上に保つ技術が公知である。

しかしながら、温度調節弁には、その内部のシールに隙間のある仕様のものが多い。そのような仕様の温度調節弁では、上述の隙間からの油の漏れが生じ、油クーラへの油の流れを完全に遮断することが困難となる。その場合、圧縮機の負荷が非常に小さいときに、過冷却となって吐出温度が十分に上昇せず、その結果、圧縮機系内にドレンが発生して不具合を生じる可能性がある。

特許文献１に開示の油冷式スクリュー圧縮機では、油分離回収器内の温度がドレンの発生する温度まで低下すると、油クーラに冷熱を供給するファンを停止して、油の冷却を完全に休止することによって、吐出温度の低下を防止する技術が開示されている。

特開平６−２１３１８８号公報

しかしながら、圧縮機の負荷によっては、油クーラに冷熱を供給するファンを頻繁に起動／停止する必要が生じる場合がある。すると、ファンが過負荷状態となって運転不能に陥り、油の冷却が不可能になってしまうという問題がある。

前記問題点に鑑みて、本発明の課題は、油クーラへの冷熱の供給を停止することなく、また、温度調節弁に若干の漏れが生じうる仕様のものを採用しても、必要に応じて、油クーラへの油の流れを遮断するか、あるいはその油クーラへの油の流れを極めて微小なものとし、圧縮機系内にドレンが発生することを回避可能な油冷式圧縮機を提供することとする。

前記課題を達成するため、本発明に係る油冷式圧縮機は、
圧縮機本体が吐出した気体から油分離回収器によって油を分離し、前記油分離回収器が分離した油を分流して、クーラを設けた冷却流路またはバイパス流路を介して前記圧縮機本体に環流させ、温度調節弁によって、前記冷却流路と前記バイパス流路との流量比を調節する油冷式圧縮機であって、
前記圧縮機本体が吐出した気体の温度または前記油分離回収器が分離した油の温度を検出する温度検出手段と、
前記冷却流路に設けた開閉弁と、
前記温度検出手段の検出温度に基づいて、前記温度調節弁および前記開閉弁を調節する制御手段とを有し、
前記制御手段は、前記検出温度が所定の弁開放温度以上になると、前記開閉弁を開放し、
前記検出温度が前記弁開放温度以下の所定の弁閉鎖温度以下になると、前記開閉弁を閉鎖し、
前記検出温度が所定の制御下限温度以上になると、前記検出温度が高いほど前記冷却流路の前記バイパス流路に対する流量比が大きくなるように、前記温度調節弁の開度を調節するものとする。

この構成からなる油冷式圧縮機によって、油クーラへの冷熱の供給を停止することなく、また、温度調節弁に若干の漏れが生じうる仕様のものを採用しても、必要に応じて、油クーラへの油の流れを遮断するか、あるいはその油クーラへの油の流れを無視し得る程度に微小なものとし、圧縮機系内にドレンが発生することを回避できる。

また、本発明の油冷式圧縮機は、前記温度調節弁、前記冷却流路および前記バイパス流路を迂回する、前記冷却流路および前記バイパス流路よりも流路抵抗の大きな環流流路を有してもよい。

また、本発明の油冷式圧縮機は、前記開閉弁および前記油クーラを迂回する、流路抵抗の大きなクーラ迂回流路を有してもよい。

また、本発明の油冷式圧縮機において、前記冷却流路は、複数の前記開閉弁を並列に接続してもよい。

また、本発明の油冷式圧縮機において、前記冷却流路は、前記開閉弁を迂回し、第２開閉弁を備える、流路抵抗の小さな並列流路を有してもよい。

本発明によれば、油クーラを備える冷却流路の開閉弁を設けたので、油クーラへの冷熱の供給を停止することなく、また、温度調節弁に若干の漏れが生じうる仕様のものを採用しても、必要に応じて、油クーラへの油の流れを遮断し、圧縮機の油の循環流路系内にドレンが発生することを回避できる。

本発明の第１の実施形態に係る油冷式圧縮機の概略構成を示すフロー図である。 図１の圧縮機による吐出温度（油温度）の推移を示した図である。 本発明の第２の実施形態に係る油冷式圧縮機の概略構成を示すフロー図である。 本発明の第３の実施形態に係る油冷式圧縮機の概略構成を示すフロー図である。 本発明の第４の実施形態に係る油冷式圧縮機の概略構成を示すフロー図である。 本発明の第５の実施形態に係る油冷式圧縮機の概略構成を示すフロー図である。 本発明の第６の実施形態に係る油冷式圧縮機の概略構成を示すフロー図である。

以下、本発明を実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る油冷式圧縮機の概略構成を示すフロー図である。

この油冷式圧縮機は、雌雄一対のスクリューロータ（不図示）を収納し、吸込流路１から気体（空気）を吸い込んで圧縮し、吐出流路２から圧縮した気体を吐出する圧縮機本体３と、吐出流路２に設けられ、圧縮機本体３が吐出した気体から油を分離する油分離回収器４とを有する。また、この油冷式圧縮機は、油分離回収器４内の上部空間の圧力、つまり、圧縮機本体３の吐出圧力を検出する圧力センサ５と、圧力センサ５の検出値を予め設定した値に保つように、例えばＰＩＤ制御によって、圧縮機本体３を駆動するモータ６に電力を供給するインバータ７の周波数を制御する制御装置８とを有する。さらに、本実施形態の油冷式圧縮機は、油分離回収器４が分離した油を、圧縮機本体３の吐出圧力によって圧縮機本体３のロータ室、軸受、軸封部等の注油箇所に環流させる油再供給システム９を有する。また、本実施形態の油冷式圧縮機は、吸込流路１に給気フィルタ１０および給気調節弁１１が設けられ、吐出流路２に保圧逆止弁１２およびアフタークーラ１３がさらに設けられている。

油再供給システム９は、油分離回収器４の下部の油溜まりから油を供給流路１４に流出させ、温度調節弁１５によって、油クーラ１６を備える冷却流路１７と、冷却手段のないバイパス流路１８とに分流する。冷却流路１７を通過した油とバイパス流路１８を通過した油とは、油フィルタ１９を通して圧縮機本体３の注油箇所に油を導入する注油流路２０に合流する。温度調節弁１５は、１つの流路から流入する流体を、２つの流路に所望の比で分流できる三方調節弁である。油クーラ１６の上流側の冷却流路１７には、流路を遮断可能な開閉弁２１がさらに設けられている。油クーラ１６は、ファン２２により挿通される空気によって油を冷却する熱交換器である。

さらに、油再供給システム９は、油分離回収器４の油溜まりにおいて油の温度を検出する温度センサ（温度検出手段）２３を有する。制御装置８は、温度センサ２３が検出した温度に基づいて、温度調節弁１５および開閉弁２１を制御する制御手段としても機能する。また、制御装置８は、不図示の入力手段（キーボードやタッチパネル等）を備え、オペレータが吐出圧力等の設定値を入力できるようになっている。

制御装置８による油再供給システム９の制御について詳しく説明する。制御装置８は、温度センサ２３の検出温度が所定の弁開放温度以上になったとき、開閉弁２１を開放し、温度センサ２３の検出温度が所定の弁閉鎖温度以下になったとき、開閉弁２１を閉鎖する。また、制御装置８は、温度センサ２３の検出温度が所定の制御下限温度から所定の制御上限温度までの範囲で、検出温度が高い程、冷却流路１７のバイパス流路１８に対する流量比が大きくなるように、温度調節弁１５の開度を比例制御する。弁開放温度、弁閉鎖温度、制御下限温度および制御上限温度は、上述の入力手段によってオペレータが予め設定できるが、弁閉鎖温度は弁開放温度以下でなければならない。本実施形態では、例えば、弁開放温度が８５℃、弁閉鎖温度が８０℃、制御下限温度が８７℃、制御上限温度が９３℃に設定される。

油冷式圧縮機を長時間休止した後の起動時等には、温度センサ２３の検出温度は、室温に近い温度（例えば３０℃）になる、このように、温度センサ２３の検出温度が低い場合、温度調節弁１５は、供給流路１４から供給される全量の油をバイパス流路１８に導くように開度調節され、さらに、冷却流路１７の開閉弁２１も閉鎖される。温度調節弁１５のような三方調節弁は、一方の流路を完全に遮断することができずに、多少の漏れが生じるものが多い。しかしながら、本実施形態では、開閉弁２１が閉鎖されることで、冷却流路１７への油の流入は完全に遮断されるので、注油流路２０に油クーラ１６で冷却された油が流入しない。本実施形態の油冷式圧縮機は、温度センサ２３の検出温度が低い場合にも、油クーラ１６のファン２２を停止しないが、開閉弁２１を閉鎖することにより圧縮機本体３に再供給する油の温度を低下させることがないので、圧縮機本体３の吐出温度が低下せず、油分離回収器４においてドレンが発生して、油再供給システム９内に混入することがない。

そして、温度センサ２３の検出温度が弁開放温度（８５℃）以上となると、閉じられていた開閉弁２１が開けられる。開閉弁２１が開けられると、見掛け上はバイパス流路１８に全量の油が通じるよう調節されていている温度調節弁１５の漏れにより、若干量の油が冷却流路１７に流れる。これにより、圧縮機本体３に再供給される油の温度は、僅かながら低下する。すると、圧縮機本体３から吐出される気体および油の温度も、僅かながら低下、または、上昇の度合いが低下する。

油冷式圧縮機の負荷が低い場合、この開閉弁２１の開放のみによって、温度センサ２３の検出温度が低下し、弁閉鎖温度（８０℃）以下になる。すると、開けられていた開閉弁２１が再び閉鎖され、圧縮機本体３の冷却がなされなくなるため、温度センサ２３の検出温度が再上昇する。弁閉鎖温度を弁開放温度よりもある程度低く設定することで、開閉弁２１が頻繁に開閉を繰り返すハンチングを防止できる。しかしながら、油冷式圧縮機は、吸い込む空気の吐出圧力における露点（凝縮温度：例えば６５℃）よりも圧縮機本体３の吐出温度が低い状態で運転を続けると、圧縮機本体３が吐出した圧縮空気中に水分が凝縮した水滴が含まれることになり、この水滴が体油分離回収器４で分離されて、油再供給システム９内で循環される油に混入する。油に混入した水は、油再供給システム９の各構成要素の錆びや腐食の原因となるため、弁閉鎖温度は、吸い込む空気の吐出圧力における露点よりも十分に高い温度でなければならない。

油冷式圧縮機の負荷が高く、温度センサ２３が検出する吐出温度が上昇し、制御下限温度（８７℃）に達すると、制御装置８は、温度センサ２３の検出温度に比例して温度調節弁１５の開度を調節する。つまり、検出温度が高いほど、油クーラ１６を通過する油の流量を多くして、圧縮機本体３に再供給される油の温度を低くする。これにより、圧縮機本体３の冷却能力を増大し、油冷式圧縮機の負荷が一定の容量を超えていなければ、吐出温度の上昇を抑制できる。

図２は、本実施形態の油冷式圧縮機における吐出温度（温度センサ２３の検出温度）の推移を概略的に例示した図である。この図では、低負荷、中負荷、高負荷の３段階に負荷が上昇した例を示しているが、吐出温度（油温度）は時間経過とともにゆるやかに変化する場合もあり、必ずしも急激な変化を伴うとは限らない。さらに、この図はあくまで模式的に描かれており、吐出温度は、実際には、遅れやオーバーシュートなどの要素を含んだ変化をするが、簡略化のために直線的に図示されている。

上述のとおり、制御上はバイパス流路１８に全量の油が通じるように温度調節弁１５が調節されていても、現実には、温度調節弁１５の内部の間隙から油の漏れが生じる場合があるが、油温度が低温度（例えば室温の３０℃）から弁開放温度（８５℃）に達するまでの間は開閉弁２１が閉じられ、また、油温度が一旦上昇した後も、弁開放温度（８５℃）より低い弁閉鎖温度（８０℃）以下になると、開けられていた開閉弁２１が閉じられる。開閉弁２１が閉鎖されている間は、上記温度調節弁１５の内部の間隙から冷却流路１７を介して注油箇所に向かう油の流れは完全に遮断され、バイパス流路１８に全量の油が通じる。

バイパス流路１８に全量の油が通じ、冷却流路１７への油の流れが遮断されていれば、油クーラ１６への冷熱の供給がなされていても、冷却された油が注油流路２０に供給されず、実質的に、圧縮機本体３に再供給される油が冷却されない。そのため、ファン２２を停止して油クーラ１６への冷熱の供給を停止することなく、温度調節弁１５に若干の漏れが生じうる仕様のものを採用しても、圧縮機本体３の冷却を停止して、油再供給システム９内にドレンが混入することを回避できる。

図３は、本発明の第２の実施形態に係る油冷式圧縮機の概略構成を示すフロー図である。以下の説明において、先に説明したものと同じ構成要素には、同じ符号を付して、重複
する説明を省略する。

本実施形態の油冷式圧縮機は、油分離回収器４の下流側の吐出流路２に、圧縮空気の圧力および温度を検出する圧力センサ２４および温度センサ２５が設けられており、制御装置８は、圧力センサ２４が検出した圧力に基づいて、圧縮機本体３を駆動するインバータ７の周波数をＰＩＤ制御し、温度センサ２５が検出した圧縮空気の温度に基づいて、温度調節弁１５および開閉弁２１を制御する。また、本実施形態では、温度調節弁１５は、冷却流路１７とバイパス流路１８との合流点に設けられ、冷却流路１７およびバイパス流路１８から注油流路２０へ流入しようとする油の流量比を調節できるようになっている。また、本実施形態では、水冷式の油クーラ１６ａが採用されており、開閉弁２１は、油クーラ１６の下流側に配設されている。

本実施形態が示すように、制御装置８に入力する検出温度は、圧縮機本体３が吐出した圧縮空気の温度を検出したものであってもよく、さらに、圧縮機本体３が吐出した油または圧縮空気の温度を間接的に検出したものであってもよい。また、温度調節弁１５の配置は、冷却流路１７の油の流量とバイパス流路１８の油の流量との比を変化させられる位置であればどこでもよく、また、その流量比を定量的に決定できる必要もない。また、開閉弁２１の配置は、冷却流路１７の流路を遮断して、油クーラ１６を油が通過しないようにできる位置であればどこでもよい。

図４は、本発明の第３実施形態の油冷式圧縮機の概略構成を示すフロー図である。本実施形態の油冷式圧縮機は、供給流路１４から冷却流路１７およびバイパス流路１８のいずれをも介さずに迂回して、注油流路２０に油を導入する環流流路２６を有する。この環流流路２６は、冷却流路１７およびバイパス流路１８と比べて内径の小さい配管からなり、比較的大きな流路抵抗を有する。

本実施形態では、温度センサ２３の検出温度が低く、開閉弁２１が閉鎖されているときに、万一、温度調節弁１５が故障してバイパス流路１８への油の流量を遮断または少量に限定した状態で固定されていたとしても、環流流路２６を通して、圧縮機本体３の注油箇所に一定量の油を供給でき、これによって、油切れによる圧縮機本体３の損傷を防止できる。尚、環流流路２６は、オリフィスや絞り弁によって流路抵抗を大きくしてもよい。

図５は、本発明の第４実施形態の油冷式圧縮機の概略構成を示すフロー図である。本実施形態の油冷式圧縮機は、冷却流路１７の開閉弁２１の上流側と油クーラ１６の下流側とを接続し、開閉弁２１および油クーラ１６を迂回するクーラ迂回流路２７を有する。このクーラ迂回流路２７は、油クーラ１６を含む冷却流路１７の本流部分よりも流路抵抗が大きい。

本実施形態では、温度センサ２３の検出温度が高く、温度調節弁１５がバイパス流路１８を略閉鎖しているとき、万一、開閉弁２１が故障して閉鎖されたとしても、クーラ迂回流路２７を通して、圧縮機本体３の注油箇所に一定量の油を供給できる。これにより、油切れによる圧縮機本体３の損傷を防止できる。

図６は、本発明の第５実施形態の油冷式圧縮機の概略構成を示すフロー図である。本実施形態の油冷式圧縮機は、冷却流路１７の開閉弁２１の上流側と、開閉弁２１の下流側且つ油クーラ１６の上流側とを接続し、開閉弁２１だけを迂回する開閉弁迂回流路２８を有する。この開閉弁迂回流路２８も、油クーラ１６を含む冷却流路１７の本流部分よりも流路抵抗が大きい。

本実施形態においても、温度センサ２３の検出温度が高く、温度調節弁１５がバイパス流路１８を略閉鎖しているとき、万一、開閉弁２１が故障して閉鎖されたとしても、開閉弁迂回流路２８を通して、圧縮機本体３の注油箇所に一定量の油を供給し、油切れによる圧縮機本体３の損傷を防止する。

図７は、本発明の第６実施形態の油冷式圧縮機の概略構成を示すフロー図である。本実施形態の油冷式圧縮機において、冷却流路１７は、同期して操作される並列に接続された２つの開閉弁２１を備える。これらの開閉弁２１を設けた並列な配管は、いずれか一方の開閉弁２１を開放するだけで油クーラ１６に十分な油を供給できる程度の内径をそれぞれ有する。また、各開閉弁２１には、開閉状態を検出するリミットスイッチのような検出手段２９が設けられている。

本実施形態では、開閉弁２１のいずれか一方が故障して閉鎖状態に固定されたとしても、他方の開閉弁２１によって、冷却流路１７を通して圧縮機本体３に油を再供給できる。また、検出手段２９が開閉弁２１の故障を検出するので、ユーザに対して警告を発し、他方の開閉弁２１によって運転を確保しながら、修理を可能にする。

以上の実施形態では、温度調節弁１５の制御を開始する制御下限温度を、開閉弁２１を開放する弁開放温度よりも高く設定しているが、制御下限温度を弁開放温度以下に設定して、バイパス流路１８の油の流量が不安定になるかもしれない温度調節弁１５の漏れを、制御上使用しないようにしてもよい。ただし、制御下限温度を弁開放温度に対して余りにも低い温度に設定すると、開閉弁２１を開放した直後に吐出温度が急降下し、制御が不安定になるため、制御下限温度は、弁開放温度と略同程度以上とすることが好ましい。

また、以上に実施形態では、制御装置８が各温度センサ（例えば温度センサ２３）が検出した温度に基づいて温度調節弁１５を制御するよう構成されている。これに替えて、温度調節弁１５に直接、各温度センサ（例えば温度センサ２３）からの信号が入力され、その信号に基づいて温度調節弁１５が制御されるよう構成されてもよい。

１…吸込流路
２…吐出流路
３…圧縮機本体
４…油分離回収器
８…制御装置（制御手段）
９…油再供給システム
１０…給気フィルタ
１４…供給流路
１５…温度調節弁
１６…油クーラ
１７…冷却流路
１８…バイパス流路
１９…油フィルタ
２０…注油流路
２１…開閉弁
２２…ファン
２３…温度センサ
２４…圧力センサ
２５…温度センサ
２６…環流流路
２７…クーラ迂回流路
２８…開閉弁迂回流路
２９…検出手段（リミットスイッチ）

Claims (5)

1. 圧縮機本体が吐出した気体から油分離回収器によって油を分離し、前記油分離回収器が分離した油を分流して、クーラを設けた冷却流路またはバイパス流路を介して前記圧縮機本体に環流させ、温度調節弁によって、前記冷却流路と前記バイパス流路との流量比を調節する油冷式圧縮機であって、
   前記圧縮機本体が吐出した気体の温度または前記油分離回収器が分離した油の温度を検出する温度検出手段と、
   前記冷却流路に設けた開閉弁と、
   前記温度検出手段の検出温度に基づいて、前記温度調節弁および前記開閉弁を調節する制御手段とを有し、
   前記制御手段は、前記検出温度が所定の弁開放温度以上になると、前記開閉弁を開放し、
   前記検出温度が前記弁開放温度以下の所定の弁閉鎖温度以下になると、前記開閉弁を閉鎖し、
   前記検出温度が所定の制御下限温度以上になると、前記検出温度が高いほど前記冷却流路の前記バイパス流路に対する流量比が大きくなるように、前記温度調節弁の開度を調節することを特徴とする油冷式圧縮機。
2. 前記温度調節弁、前記冷却流路および前記バイパス流路を迂回する、前記冷却流路および前記バイパス流路よりも流路抵抗の大きな環流流路を有することを特徴とする請求項１に記載の油冷式圧縮機。
3. 前記開閉弁および前記油クーラを迂回する、前記冷却流路より流路抵抗の大きなクーラ迂回流路を有することを特徴とする請求項１に記載の油冷式圧縮機。
4. 前記開閉弁を迂回する、前記冷却流路より流路抵抗の大きな開閉弁迂回流路を有することを特徴とする請求項１に記載の油冷式圧縮機。
5. 前記冷却流路は、複数の前記開閉弁を並列に接続することを特徴とする請求項１に記載の油冷式圧縮機。

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