JP2012525969A - 水分分離器及びシステム - Google Patents

Abstract

水分分離器及びシステムは、圧縮空気アフタークーラー及び複数の片寄せされたフィンを備えるデミスターコアを有する水分/湿気分離器を含む。一側面では、圧縮空気アフタークーラーは、アフタークーラー流入口、圧縮空気コアの底部のアフタークーラー流出口及び１つ又は２つ以上の熱伝達通路を備えている。一側面では、システムは、アフタークーラーとほぼ一体な湿気分離器を備えている。他の側面では、システムは、アフタークーラー流出口の下方且つアフタークーラー流出口と隣接する第１のほぼ水平領域と、第１のほぼ水平領域と隣接し且つ流体連通している拡張ゾーンとを備え、拡張ゾーンは、そこを通過する圧縮空気の水平速度を低減させるように形成されている。他の側面では、デミスターコアは、拡張ゾーンと流体連通している。或る側面では、デミスターコアは、波形/凸凹の流れを作り及び/又は空気流の方向変化を生じさせる複数の片寄せフィンを備えている。他の側面では、デミスターコアから下流の出口ゾーンを備え、出口ゾーンは、圧縮空気流出口及び凝縮液ドレーンを有している。
【選択図】図３

Description

本発明は、冷却及び水分除去装置に関する。

湿気の多い周囲環境の空気がエアコンプレッサ内で圧縮されるとき、熱力学的プロセスによって空気温度及び露点温度の上昇を生じさせる。本発明で用いられる露点温度は、相対湿度が飽和される１００％になり、且つ圧縮された空気中の水蒸気が液体に液化（凝縮）し始める温度である。

温度上昇によって、圧縮空気を極めて高温にさせるのに極めて十分であり、多くの応用のための使用に適さなくなる。圧縮空気の温度を使用できる範囲に低減させるために、或る空気圧縮機システムは、コンプレッサーから下流に位置決めされるのでこう名づけられている水又は空気冷却アフタークーラーを使用している。アフタークーラーは、圧縮空気を露点より低い温度に冷却する。アフタークーラーを出る圧縮空気は、空気の流れの中に浮遊している多量の凝縮された水分の小滴を含有する。

図１は、外部湿気分離器１２を有する典型的な空冷アフタークーラー１０を示している。外部湿気分離器１２は、相当量の空間を占め且つ重量を付加し且つシステム費用がかかる。

開示された実施形態の部品、部分或いは面に対応する説明的な記載は、単に例示の目的であり限定されることなく、本発明は水分/湿気分離器（１１２、２１２）を有する圧縮空気アフタークーラー（１１０、２１０）を有する水分分離器及びシステム（１００）を提供する。

１側面では、複数のオフセット配置されたフィン（１５４）を備えるデミスターコア（１５０、２５０）が提供される。他の側面では、本発明は、圧縮空気を冷却するためのアフタークーラーであって、アフタークーラーが、複数のほぼ垂直の圧縮空気経路と、圧縮空気経路の底部の複数の対応するアフタークーラー流出口とを備え、圧縮空気経路は、冷却空気を運ぶように形成された冷却空気経路によって互いから分離され、圧縮空気経路及び冷却空気経路は互いに熱を交換する関係にあるアフタークーラーと、アフタークーラー流出口と連続して隣接する水分分離器とを有し、水分分離器は、
（a）アフタークーラー流出口のすぐ下方に且つアフタークーラー流出口と流体連通し、アフタークーラー流出口を通して放出される圧縮空気を受け入れるように形成されているほぼ水平のコンパートメントと、
（b）水平のコンパートメントから下流に且つ水平のコンパートメントと流体連通するデミスターコアであって、デミスターコアは、デミスターコアを通る波形の流れを作るように形成された複数のフィンを備え、それによって水分を上記圧縮空気から分離する、デミスターコアと、
（c）デミスターコアから下流に、圧縮空気流出口を有する出口コンパートメントとを備えている。
他の側面では、水分分離器は、水平のコンパートメントと直接的に隣接し且つ流体連通する流れ低減領域を備え、流れ低減領域は、水平のコンパートメントよりも大きな断面積を有し、そこを通過する圧縮空気の水平方向速度成分を低減させる。他の側面では、冷却及び水分除去装置及びシステムは、圧縮空気を、アフタークーラーに供給するための空気コンプレッサーを備えている。他の側面では、水平のコンパートメント又は流れ低減領域は、水平のコンパートメント又は流れ低減領域の底部から上方に延びるほぼ垂直の穴あけされたプレートを備えている。他の側面では、アフタークーラーは、最小約摂氏８０度から最大約摂氏１４０度の温度の圧縮空気を受け入れるように形成されている。さらに他の側面では、アフタークーラーは、圧縮空気の温度を、最小摂氏２５度から最大摂氏４５度の温度に冷却する。他の側面では、デミスターコアは、熱伝達通路を有さず及び/又は片寄せされたパターンで配置され且つともにろう付けされているプレスされたアルミニウムシートを備えている。

本発明の他の側面は、多数のコンパートメントを有する冷却ユニットを有する冷却及び水分除去システムを提供し、アフタークーラーは第１コンパートメント内に配置され、水平な空気流経路は第２コンパートメント内に配置され、デミスターコアは第３コンパートメント内に配置され、出口コンパートメントはデミスターコアから下流に配置されている。他の側面では、追加のコンパートメント、流れ低減コンパートメントは、第２コンパートメントと直接的に隣接し、且つ水平な空気流経路と流体連通し、流れ低減コンパートメントは、第２コンパートメントよりも大きな断面領域を有し、水平な空気流の水平の速度を減少させるようになっている。

一側面では、圧縮空気アフタークーラーは、１つ又は２つ以上のアフタークーラー流入口、アフタークーラー流出口及び１つ又は２つ以上の第１熱伝達通路を有する圧縮空気コアを備えている。他の側面では、クーラーコアは、１つ又は２つ以上の第１熱伝達通路と熱を交換する関係においてクーラーコアを通って延び、且つ、１つ又は２つ以上の第１熱伝達通路内で圧縮空気を冷却するように形成されている、１つ又は２つ以上の第２熱伝達通路を備えている。さらに他の側面では、システムは、アフタークーラー流出口（１２４、２２４）にほぼ一体的に取付けられた湿気分離器（１１２、２１２）を備えている。１実施形態では、第１のほぼ水平領域すなわちコンパートメントは、アフタークーラー流出口と隣接し、さらに、拡張ゾーンが、第１水平領域と隣接し且つ流体連通して設けられている。そのような実施形態では、拡張ゾーンは、そこを通過する圧縮空気の水平方向速度成分を低減させるように形成されている。

本発明の他の側面は、上水平の領域及び/又は拡張ゾーンと流体連通するデミスターコアを備えている。或る側面では、デミスターコアは、デミスターコアを通る波のようにうねっている流れを作る複数のオフセットフィンを備えている。加えて、システムは、デミスターコアから下流に出口ゾーンを備え、出口ゾーンは、空気流出口（例えば、湿気分離器の頂部にある）（１１６、２１６）及び凝縮液ドレーン（例えば、湿気分離器の底部にある）（１４４、２４４）を有している。

外部湿気分離器を有する従来技術の空気冷却アフタークーラーを示す。 本発明の１実施形態の一体水分分離器を有する空気冷却アフタークーラーを示す。 図２に示す、水分分離器の断面図である。 本発明の１実施形態のデミスターコアを示す。 線５−５に沿って得られるデミスターコアの拡大断面図である。 本発明の１実施形態の水分分離器及びアフタークーラーの断面図である。 穴あけされたプレートを有する、本発明の１実施形態の一体水分分離器を有する空気冷却アフタークーラーを示す。 図７の穴あけされたプレートの正面図である。

最初に、参照番号は、いくつかの添付図面の全体にわたって同じ構造上の構成要素、部分、又は面を一致して識別する意図であり、さらに構成要素、部分、又は面が、この詳細な説明が一部分をなす明細書全体の記載によって記述され又は説明されることを明確に理解すべきであろう。他に示唆しない限り、添付図面は、明細書とともに読み取られる（例えば、クロスハッチング、部品の配置、比率、度合い等）意図であり、本発明の詳細な説明の記載全体の一部として考えられるべきである。次の記載で用いられるような、用語”水平”、”垂直”、”左”、”右”、”上”、及び”下”、並びにこれらの形容詞的な及び副詞的な派生語（例えば、”水平な（水平方向に）”、”右方向に”、”上方向に”等）は、特定の図面が読み手に向き合うときに例示された構造の向きを単純に称している。同様に、用語”内側に”、”外側に”は、適当なときに、延長部の軸線、又は回転の軸線と関係する面の向きを一般的に称する。本発明の好ましい実施形態の以下の記述は、例示であり、本発明の範囲、本発明の様々な側面が実施される方法、又はこれらの応用或いは使用、を制限する意図ではない。

図２は、実質的に一体の水分分離器１１２付きのアフタークーラーを有する冷却及び水分/湿気除去システム１００の１実施形態を示す。本発明において用いられている用語”一体”は、例えば、水分分離機がアフタークーラーに取付けられ又は付加されていること、或いはアフタークーラーに直接に隣接する又は連続すること、或いは例えばアフタークーラーのハウジング内のコンパートメント内においてアフタークーラーの一部又はアフタークーラーを収容するハウジングの一部に備わっている又はこれら一部を形成することを含む。図２に示す実施形態は、湿気分離機１１２を流出口マニホルド１１４に組み込むことによって空冷アフタークーラー１１０内の水分/湿気を分離するための空間、重量及び/又は費用要求を低減させる。

図３を参照して、アフタークーラー１１０は、フィン１２２A、１２２Bの間を通っている、１つ又は２つ以上の冷却空気通路１２３A、１２３Bを有している。冷却空気は、アフタークーラーの一面から反対面に熱を交換する関係の中フィンの間を通りアフタークーラーを通り抜ける。冷却空気は、ファン（図示せず）によって冷却空気通路を通して送られてもよい。処理空気は、方向矢印１２１A、１２１Bによって例示するような垂直経路に沿って多数の通路１２０A、１２０Bを通り抜ける。

図３に示す実施形態では、湿気の分離が、小滴を載せた空気流をアフタークーラー流出口１２４A、１２４B、１２４Cからアフタークーラーの下方のほぼ水平のコンパートメント１３５に流送することによって達成される。水平コンパートメント内の小滴を載せた空気の流れは、参照番号１３２A及び１３２Bに例示されている。１実施形態では、小滴を載せた空気の水平方向の速度は、方向矢印１３４A、１３４Bによって示すように、水平コンパートメントの断面領域を拡張ゾーン１３０に拡張することによって低減される。他の実施形態は拡張ゾーンを含んでおらず、そのような他の実施形態において、水平方向速度成分の低減がデミスターコアの面で又はその近くで達成される。

空気は、次いで、図３、４及び５に示すように、デミスターを通過する空気流の方向を変化させ、空気中の小さい小滴を合体してより大きな滴を生じさせることによって小滴を機械的に分離する、重力を用いるのに有利な、垂直に指向された真空ろう付けデミスターコアすなわちデミスターゾーン１５０を通って指向されている。１実施形態では、穴あけされたプレート１６０は、デミスターコアの面に隣接し、（図７及び８に示すような）デミスターコアの面を横切る空気流の分布を変化させるように付加されてもよい。空気は、次いで、デミスターコア１５０から、出口ゾーン１４０に通過し、出口ゾーン１４０では、空気は方向矢印１４２A、１４２Bによって例示する経路に沿って上方に且つ空気流出口１１６から外方に進む。より大きな水分粒子は、より低速で移動する空気によって搬送されにくく、且つ収集パン１４６にしたたり落ち、さらに、この実施形態では凝縮液ドレーン１４４を通って除去される。

本実施形態の１側面は、デミスターコア１５０の幾何学形状から生じている。本発明において用いられている用語”デミスターコア”は、水分小滴がその面上に接触し且つ合体する接触面を備えるのによく適しており、且つ熱交換器に隣接していない、体積に対して大きな表面積の比を提供する装置を示す。ろう付けされたデミスターコアの構造の例示が、引用によって本発明に組み込まれている米国特許第5,845,505号明細書及び米国特許第6,085,529号明細書に開示されている。図４の実施形態において示されているデミスターコア１５０は、アルミニウムフィン１５４A、１５４B、１５４Cを形成する型押しされたアルミニウムの個別のシート１５２A、１５２B、１５２Cから作られている。複数の型押しされたアルミニウム個別シートは、アルミニウムフィンが片寄せされるように配置されて、片寄せされた矩形のアルミニウムフィン１５４A、１５４B、１５４Cのマトリックスを形成する。次いで、適正に指向されるとき、個別のシートは、例えば空冷オイルクーラー及び圧縮空気アフタークーラー、及び当業者に知られている他の方法のような、ろう付けされたアルミニウム棒及び板の熱交換器用に用いられる製造方法と同じ製造方法を使用して一体デミスターコア１５０にろう付けされている。本実施形態のデミスターコア１５０は、アルミニウム棒及び板をろう付けする技術によって容易に且つ安価に製造されている。本実施形態では、フィンは、熱伝達が生じない、すなわちデミスターコア内に熱伝達/交互に並ぶ冷却液通路がない、場所に位置決めされている。ろう付けされたデミスターコアは、熱を交換するアフタークーラーの下流に設けられており、そこで、デミスターコアは既に冷却された圧縮空気から小滴を除去する。この目的では、デミスターコアは分離器としてのみ作動する。

コンプレッサーアフタークーラー流出口１２４A、１２４B、１２４Cからの空気の流れが、さらに以下に記述される。アフタークーラーから分離器への空気の流れは、熱伝達通路１２０A、１２０Bによって、アフタークーラーの底部のアフタークーラー流出口１２４A、１２４Bに指向される。濃縮された湿気の小滴（凝縮液）を含んでいる飽和した冷却された空気は、水平の入口通路（すなわちコンパートメント）に入り、方向矢印１３２A、１３２Bによって例示するような第１の水平方向の速度でほぼ水平のパターンで進む。この空気の水平方向の速度は、この空気が水平の入口通路すなわちコンパートメントから拡張ゾーン１３０に通過するとき、第２の水平方向の速度まで減速する。空気及び小滴の水平速度が低減された後、この空気はデミスターコア１５０を通過する。小滴は、デミスターコア上で合体し、下方に向かって分離器収集パン１４６に排出され、凝縮液ドレイン１４４を通して除去される。デミスターコアを経て出口ゾーン１４０に通過する空気は、下方に排出されず、方向矢印１４２A、１４２Bによって示すように上方に進み且つ空気流出口１１６から外方に進む。

図３及び図４を参照して、図５に示すように、ろう付けされたデミスターコア１５０は、飛沫同伴されている水分粒子１５９A、１５９B、１５９Cを載せた飽和空気を、低減した水平方向の速度で移動させ、且つ波形及び/又は凸凹の経路内で積み重ねられた（積層配置された）アルミニウムシートの片寄せされたフィン１５４D、１５４E、１５４Fを、方向矢印１５６A、１５６B、１５６Cによって例示するように通り抜けさせることによって湿気を分離する。より低速で移動する凝縮液がフィンと衝突し、吊り下がっている小滴の合体によってより大きな水分粒子１５８A、１５８B、１５８Cを生じる。

図６を参照して、一体の湿気分離器２１２付きのアフタークーラー２１０を有する冷却及び水除去システムの変形実施形態が例示されている。この実施形態では、アフタークーラー２１２は、フィン２２２A、２２２B間を通過する、１つ又は２つ以上の冷却空気通路２２３A、２２３Bを有している。冷却空気は、アフタークーラーの一面から反対面に熱を交換する関係においてフィンの間の冷却空気通路を通り抜ける。冷却空気は、ファン（図示せず）によって冷却空気通路を通して送られてもよい。この実施形態では、処理空気は、方向矢印２２１A、２２１B、２２１Cによって例示するような水平経路に沿って多数の水平通路２２０A、２２０Bを通り抜ける。

この実施形態では、多数の水平通路２２０A、２２０Bの断面積を、コンパートメントすなわち拡張ゾーン２３０に直接的に拡張することによって、水平方向の速度が、方向矢印２３２A、２３２Bによって例示するように低減されるような方法において、アフタークーラー流出口からの小滴を載せた空気流を流送することによって湿気の分離が達成される。空気は、次いで、デミスターコアを通過する空気流の方向を変化させ、空気中の小さい小滴を合体してより大きな滴を生じさせることによって小滴を機械的に分離させる、重力を用いるのに有利な、垂直に指向された真空ろう付けデミスターコア２５０を通って指向されている。空気は、次いで、出口ゾーン２４０に流入し、出口ゾーン２４０では、空気は方向矢印２４２A、２４２Bによって例示する経路に沿って上方に且つ空気流出口１１６から外方に進む。空気から除去された水分は、分離器の底部で、収集され、凝縮液ドレイン２４４を通して除去される。

図７は、デミスターコア1５０の面と隣接する、同一平面を成す或いは近くに穴あけされたプレート１６０を付加している図３の実施形態の例示である。穴あけされたプレート１６０の正面図が、図８に例示されている。この例示では、穴あけされたプレートは、デミスターコアと比較して比較的薄い。穴あけされたプレートの追加によって、デミスターコア1５０の面にわたってより適した/より効率的な分布を生じる。

本発明の好ましい実施形態であると信じられているものが開示されているが、当業者は、他のさらなる変更及び修正が本発明の思想及び範囲から逸脱することなく本発明になされてもよいことを認識するであろう。従って、本発明は、本発明に示され且つ開示されている特定の詳細及び代表的な実施形態に限られず、他の特定の形態で実施されてもよい。従って、本実施形態は、例示として考えられ且つ制限的でなく、本発明の範囲は、前記詳細な説明によってではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内で行われる全ての変更、変形、修正及び実施形態は、従って、本発明の範囲内に包含される。加えて、本発明において用いられた専門用語及び語法は、説明の目的のためであり、限定としてみなされるべきではない。

Claims (21)

1. 冷却及び水分除去装置であって、
   圧縮空気を冷却するアフタークーラーであって、上記アフタークーラーが、複数のほぼ垂直の圧縮空気通路と、上記圧縮空気通路の底部に対応する複数のアフタークーラー流出口と、を備え、上記圧縮空気通路は、冷却空気を運ぶように形成された冷却空気通路によって互いに分離され、上記圧縮空気通路及び上記冷却空気通路は互いに熱を交換するようになっている、上記アフタークーラーと、
   水分を上記アフタークーラー流出口を通して放出された圧縮空気から除去するための上記アフタークーラー流出口と隣接する水分分離器と、を有し、
   上記水分分離器は、
   （a）上記アフタークーラー流出口のすぐ下方で上記アフタークーラー流出口と流体連通し、上記アフタークーラー流出口を通して放出される圧縮空気を受け入れるように形成されているほぼ水平のコンパートメントと、
   （b）上記水平のコンパートメントから下流で上記水平のコンパートメントと流体連通するデミスターコアであって、上記デミスターコアは、さらに、上記デミスターコアを通る波形の流れを作るように形成された複数のフィンを備え、それによって水分を上記圧縮空気から分離する、上記デミスターコアと、
   （c）上記デミスターコアから下流に、圧縮空気流出口を有する出口コンパートメントと、を備えていることを特徴とする冷却及び水分除去装置。
2. 上記水分分離器は、さらに、
   （d）上記水平のコンパートメントと直接に隣接し且つ流体連通する流れ低減領域を備え、上記流れ低減領域は、上記水平のコンパートメントよりも大きな断面積を有し、そこを通過する圧縮空気の水平方向速度を低減させる、請求項１に記載の冷却及び水分除去装置。
3. 上記流れ低減領域は、上記流れ低減領域の底部から上方に延びるほぼ垂直の穴あけされたプレートを備える、請求項２に記載の冷却及び水分除去装置。
4. さらに、圧縮空気を、上記アフタークーラーに供給するための空気コンプレッサーを備える、請求項１に記載の冷却及び水分除去装置。
5. 上記水分分離器は、上記アフタークーラーとほぼ一体に形成されている、請求項１に記載の冷却及び水分除去装置。
6. 上記出口コンパートメントは、水分ドレーンを備えている、請求項１に記載の冷却及び水分除去装置。
7. 上記水平のコンパートメントは、上記水平のコンパートメントの底部から上方に延びるほぼ垂直の穴あけされたプレートを備えている、請求項１に記載の冷却及び水分除去装置。
8. 上記アフタークーラーは、最小約摂氏８０度から最大約摂氏１４０度の温度の圧縮空気を受け入れるように形成されている、請求項１に記載の冷却及び水分除去装置。
9. 上記アフタークーラーは、前記圧縮空気を、最小摂氏２５度から最大摂氏４５度の温度に冷却する、請求項１に記載の冷却及び水分除去装置。
10. 上記デミスターコアは、熱伝達通路を有していない、請求項１に記載の冷却及び水分除去装置。
11. 上記デミスターコアは、片寄せされたパターンで配置され、且つともにろう付けされているプレスされたアルミニウムシートを備えている、請求項１に記載の冷却及び水分除去装置。
12. 冷却及び水分除去システムであって、
    多数のコンパートメントを有する冷却ユニットであって、この冷却ユニットは、第１コンパートメント内に配置されたアフタークーラーを備え、上記アフタークーラーは、第１熱伝達通路及びアフタークーラー流出口を有する圧縮空気コアと、上記第１熱伝達通路と熱を交換する関係にある第２熱伝達通路を有するクーラーコアとを備え、上記アフタークーラーは、圧縮空気を冷却するように形成され且つ配置されている、上記冷却ユニットと、
    第２コンパートメント内に配置された水平な空気流通路であって、上記第２コンパートメントは、上記第１コンパートメントと隣接し且つ上記第１コンパートメントから放出された圧縮空気を受け入れるように形成されている、上記水平な空気流通路と、
    第３コンパートメント内に配置されたデミスターコアであって、上記第３コンパートメントは上記第２コンパートメントと流体連通し、上記デミスターコアは、上記デミスターコアを通る圧縮空気の波形の流れを作るための複数のフィンを備えている、上記デミスターコアと、
    上記第３コンパートメントと隣接し且つ上記デミスターコアから下流の出口コンパートメントであって、圧縮空気流出口を有している上記出口コンパートメントと、
    を有していることを特徴とする上記冷却及び水分除去システム。
13. さらに、上記第２コンパートメントと直接的に隣接し、且つ上記水平な空気流通路と流体連通する上記流れ低減コンパートメントを備え、上記流れ低減コンパートメントは、上記第２コンパートメントよりも大きな断面積を有し、上記水平な空気流の水平方向の速度を減少させる、請求項１２に記載の冷却及び水分除去システム。
14. さらに、圧縮空気を上記アフタークーラーに供給する空気コンプレッサーを備えている、請求項１２に記載の冷却及び水分除去システム。
15. 上記アフタークーラーは、最大１４００KPaの圧力の圧縮空気を受け入れるように形成されている、請求項１２に記載の冷却及び水分除去システム。
16. 上記圧縮空気は、第１速度で上記アフタークーラー流出口を通過し、約１メートル毎秒よりも低い第２速度で上記デミスターコアを続いて通過する、請求項１２に記載の冷却及び水分除去システム。
17. 上記デミスターコアは熱伝達通路を有していない、請求項１２に記載の冷却及び水分除去システム。
18. 上記デミスターコアは、片寄せされたパターンで配置され且つともにろう付けされているプレスされたアルミニウムシートを備えている、請求項１２に記載の冷却及び水分除去システム。
19. 前記圧縮空気の温度が、最小摂氏２５度から最大摂氏４５度に低減される、請求項１２に記載の冷却及び水分除去システム。
20. 上記出口コンパートメントは、水分ドレーンを備えている、請求項１２に記載の冷却及び水分除去システム。
21. 上記第２コンパートメントは、上記第２コンパートメントの底部から上方に延びるほぼ垂直に穴あけされたプレートを備え、上記穴あけされたプレートが、上記デミスターコアの面を横切る空気流の分布を変化させる、請求項１２に記載の冷却及び水分除去システム。

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