JP2013204506A - スクリュー圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮空気の過冷却を防止して熱交換器の出口部で多量のドレンが発生するのを抑制し、熱交換器のチューブに発生する熱応力も低減する。
【解決手段】スクリュー圧縮機は、圧縮機本体３，４と、該圧縮機本体から吐出される圧縮空気を水冷式のシェルアンドチューブ式熱交換器５，７で冷却するように構成されている。前記熱交換器は、シェルと、入口ヘッダ６ａ，８ａと、出口ヘッダ６ｂ，８ｂと、前記シェル内に設けられ入口ヘッダと出口ヘッダを接続して圧縮空気が流通する複数のチューブと、シェル内の前記出口ヘッダ側に開口する冷却水入口と、シェル内の前記入口ヘッダ側に開口する冷却水出口とを備える。また、前記熱交換器の冷却水入口は、シェルの長手方向の複数箇所に設けられると共に、前記複数の冷却水入口から流入する冷却水を制御する冷却水制御部４１を備える。
【選択図】図１

Description

本発明はスクリュー圧縮機に関し、特にシェルアンドチューブ式熱交換器で構成されたインタークーラやアフタークーラを有する水冷式二段オイルフリースクリュー圧縮機に好適なものである。

この種従来のスクリュー圧縮機としては、特開平９−１５８８７０号公報（特許文献１）に記載のものなどがある。この公報には、インタークーラとアフタークーラを備えた水冷式の二段オイルフリースクリュー圧縮機が記載されており、前記インタークーラとアフタークーラには水冷式のシェルアンドチューブ式熱交換器が採用されている。

また、冷却水の温度が低い場合でもインタークーラ空気出口部でのドレン発生量を極力少なくし、二段目の圧縮機本体へのドレン混入量を最小限におさえるようにしている。

特開平９−１５８８７０号公報

上記特許文献１のものでは、インタークーラへの冷却水入口温度を検出し、冷却水温度が低い場合には、温度調節弁によりインタークーラへの冷却水量を低減する。これにより、一段目の圧縮機本体から前記インタークーラに流入する圧縮空気の過冷却を防止することができ、前記インタークーラ出口部で多量のドレンが発生するのを抑制できるから、ドレンの一部が二段目圧縮機本体に混入して、二段目圧縮機本体の信頼性を低下させるのを防止するようにしている。

しかし、上記特許文献１のものでは、冷却水温度が低い場合に冷却水量を低減させる構造であるため、シェルアンドチューブ式熱交換器への冷却水の入口温度と出口温度との差が大きくなってしまう。このため、シェルアンドチューブ式熱交換器を構成するチューブ（管）における前記冷却水の入口側と出口側に対応する部分の温度差が大きくなり、前記チューブの熱応力（内部応力）が大きくなる課題がある。

また、上記特許文献１のものでは、冷却水温度の他に、無負荷運転時や回転数制御により、圧縮機本体からの吐出空気量が増減する場合における圧縮空気の過冷却防止についての配慮がない。

なお、上記特許文献１のものでは、前記インタークーラなどにＵチューブ型のシェルアンドチューブ式熱交換器を採用しているが、直管で構成されたチューブの両端を管板に固定したタイプのシェルアンドチューブ式熱交換器を採用した場合には、シェルとの熱膨張差による熱応力もチューブに発生する。前記両端の管板のうちの一方を軸方向（長手方向）にスライド可能にした遊動管板型としても、ゴミや錆などのために遊動管板がスムーズにスライドしないことが多く、この場合には前記チューブに大きな熱応力が発生することになる。

本発明の目的は、圧縮空気の過冷却を防止して熱交換器の出口部で多量のドレンが発生するのを抑制することで信頼性を向上でき、しかも熱交換器のチューブに発生する熱応力も低減できるスクリュー圧縮機を得ることにある。

上記目的を達成するために、本発明は、圧縮機本体と、該圧縮機本体から吐出される圧縮空気を水冷式のシェルアンドチューブ式熱交換器で冷却するように構成されているスクリュー圧縮機において、前記シェルアンドチューブ式熱交換器は、シェルと、該シェルの一端側に設けられた前記圧縮空気の入口ヘッダと、その他端側に設けられた圧縮空気の出口ヘッダと、前記シェル内に設けられ前記入口ヘッダと出口ヘッダを接続して前記圧縮空気が流通する複数のチューブと、前記シェル内の前記出口ヘッダ側に開口する冷却水入口と、前記シェル内の前記入口ヘッダ側に開口する冷却水出口とを備え、前記シェルアンドチューブ式熱交換器の前記冷却水入口は、前記シェルの長手方向の複数箇所に設けられると共に、前記複数の冷却水入口から流入する冷却水量を制御する冷却水制御部を備えることを特徴とする。

本発明によれば、圧縮空気の過冷却を防止することができるので、熱交換器の出口部で多量のドレンが発生するのを抑制することが可能となり、その結果信頼性を向上でき、しかも熱交換器のチューブに発生する熱応力も低減可能なスクリュー圧縮機を得ることができる効果がある。

本発明のスクリュー圧縮機の実施例１を示す系統図。 図１に示すインタークーラまたはアフタークーラの構成を説明する縦断面図。 図２のIII−III線矢視断面図。 図２に示すインタークーラまたはアフタークーラに冷却水配管を接続した状態を示す縦断面図。 本発明の実施例１における冷却水の流量制御を説明するフロー図。

以下、本発明のスクリュー圧縮機の具体的実施例を、図面を用いて説明する。各図において同一符号を付した部分は同一或いは相当する部分を示す。

図１は本発明のスクリュー圧縮機の実施例１を示す系統図である。この実施例では、水冷式二段オイルフリースクリュー圧縮機に本発明を適用した場合について説明する。

水冷式二段オイルフリースクリュー圧縮機は、一段目の圧縮機本体３と二段目の圧縮機本体４を有し、前記一段目圧縮機本体３と二段目圧縮機本体４との間にインタークーラ５、前記二段目圧縮機本体４の吐出側にはアフタークーラ７が設けられていて、これらの機器は圧縮空気経路を構成する空気配管で接続されているものである。また、前記インタークーラ５やアフタークーラ７は水冷式のシェルアンドチューブ式熱交換器（シェルアンドチューブクーラ）で構成されている。なお、本実施例における前記オイルフリースクリュー圧縮機は、圧縮空気中に油分を含まず、前記圧縮空気経路におけるドレン発生が、圧縮機ユニット（スクリュー圧縮機）内の機器や圧縮空気経路に発錆を生じさせて大きな損傷を与え易いものである。

以下、本実施例を詳細に説明する。
図１において、５０は圧縮機ユニット（スクリュー圧縮機）の筐体で、この筐体５０内には前述した一段目の圧縮機本体３、二段目の圧縮機本体４、インタークーラ５及びアフタークーラ７等が設置されている。前記一段目圧縮機本体３及び二段目圧縮機本体４は１台のモータ（主モータ）１０によりギヤ９を介して駆動される。前記モータ１０が起動され、前記圧縮機本体３，４が駆動されると、矢印５１で示すように、外部の空気は吸入管路５２を介して、前記一段目圧縮機本体３の入口側に導かれ、サクションフィルタ１、吸込絞り弁２を通って前記一段目圧縮機本体３に吸い込まれる。この一段目圧縮機本体３に吸い込まれた空気は一対のスクリューロータにより圧縮されて吐出され、この圧縮空気（圧縮ガス）は一段目吐出管路５３により前記インタークーラ５の入口ヘッダ６ａに導かれて、インタークーラ５のチューブ（伝熱管）内を通過し、出口ヘッダ６ｂ側に流れる。圧縮空気は、前記チューブ内を流れる際に、該チューブ外を流れる冷却水により冷却される。冷却された圧縮空気は前記出口ヘッダ６ｂから二段目吸込管路５４を通って二段目圧縮機本体４に吸い込まれる。

前記一段目圧縮機本体３では、吸込んだ空気を所定の中間圧力（例えば０．２０ＭＰa程度）まで昇圧し、その結果高温（例えば約１６０℃）となった圧縮空気は前記インタークーラ５で、例えば「冷却水温＋約１３〜２０℃」に冷却されて、前記二段目圧縮機本体４に吸込まれる。

前記二段目圧縮機本体４に吸い込まれた空気は、所定の圧力（例えば０．７０ＭＰa）まで昇圧され、高温となった圧縮空気は、二段目吐出管路５５を通って前記アフタークーラ７の入口ヘッダ８ａに流入し、アフタークーラ７のチューブ（伝熱管）内を通過して出口ヘッダ８ｂ側に流れる。前記圧縮空気は、前記チューブ内を流れる際に、該チューブ外を流れる冷却水により、例えば「冷却水温＋約１３℃」に冷却され、その後吐出管路５６を介して、圧縮空気の需要元に供給される。

なお、前記インタークーラ５の出口ヘッダ６ｂ内にはデミスタ１３が内蔵されており、前記出口ヘッダ６ｂはドレンセパレータを兼ねた構造となっている。即ち、前記インタークーラ５で圧縮空気が冷却されるとドレンが発生するが、この発生したドレンは前記デミスタ１３で圧縮空気から分離されて、ドレン配管６２を介して圧縮機ユニット５０外へ排出されるように構成されている。

前記アフタークーラ７についても前記インタークーラ５とほぼ同様に構成されており、前記アフタークーラ７で発生したドレンは分離されてドレン配管６３を介して圧縮機ユニット５０外に排出されるように構成されている。

また、１４は、前記圧縮機本体３，４内の軸受や、前記ギヤ９等を潤滑する潤滑油を冷却するための水冷式のオイルクーラである。本実施例では、この水冷式のオイルクーラ１４もシェルアンドチューブ式熱交換器を採用している。

次に、この図１により、冷却水が流れる冷却水配管系統について説明する。
冷却水は冷却水入口配管５７を介して圧縮機ユニット５０内に入り、前記インタークーラ５に流れる第１の経路、前記アフタークーラ７に流れる第２の経路及び前記水冷式のオイルクーラ１４に流れる第３の経路に別れる。

前記第１の経路は、第１の冷却水配管５８を介して前記インタークーラ５に流入し、インタークーラ５のチューブ内を流れる圧縮空気を冷却した後、前記二段目圧縮機本体４に設けられている冷却ジャケット部を通って前記二段目圧縮機本体４を冷却し、その後冷却水出口配管６１から圧縮機ユニット５０外に排出される。

前記第２の経路は、第２の冷却水配管５９を介して前記アフタークーラ７に流入し、アフタークーラ７のチューブ内を流れる圧縮空気を冷却した後、前記一段目圧縮機本体３に設けられている冷却ジャケット部を通って前記一段目圧縮機本体３を冷却し、その後前記冷却水出口配管６１から圧縮機ユニット５０外に排出される。

前記第３の経路は、第３の冷却水配管６０を介して前記水冷式のオイルクーラ１４に流入し、そこで潤滑油を冷却した後、前記冷却水出口配管６１から圧縮機ユニット５０外に排出される。

なお、図１において、１１は前記ギヤ９を収容するギヤボックスである。また、本実施例では、空気の各部の温度を検出する温度センサ、即ち吸込空気の温度を検出する吸込温度センサ４２、一段目圧縮機本体３から吐出される圧縮空気の温度を検出する１段目吐出温度センサ４３、二段目圧縮機本体４に吸入される空気の温度（インタークーラ５出口側の空気温度）を検出する二段目吸込温度センサ（出口温度センサ）４４、前記二段目圧縮機本体４から吐出される圧縮空気の温度を検出する二段目吐出温度センサ４５、アフタークーラ７の出口ヘッダ８ｂから送り出される圧縮空気の温度を検出する出口温度センサ４６を備えている。更に、前記冷却水入口配管５７から流入する冷却水の温度を検出するための冷却水温度センサ４７も備えており、前記各温度センサ４２〜４７で検出された温度のデータは、圧縮機ユニット５０に設けられている冷却水制御部４１に取り込まれるように構成されている。

前記冷却水制御部４１は、前記各温度センサ４２〜４７の検出値などに基づいて、後述する冷却水バイパス配管２８，２９に設けられている冷却水量調整弁１２ａ，１２ｂの開度を制御し、前記インタークーラ５やアフタークーラ７における圧縮空気の冷却量を制御するように構成されている。

前記インタークーラ５では、中間圧力（例えば０．２０ＭＰa程度）まで昇圧されて高温となった空気が、例えば「冷却水温＋１３℃」程度まで冷却されるため、ほとんどの場合、圧縮空気中の水分が凝縮してドレンが発生する。このドレンは、ドレンセパレータを兼ねた前記出口ヘッダ６ｂに流入して、前記デミスタ１３により圧縮空気から分離され、ドレン配管６２を通って圧縮機ユニット５０外に排出される。

しかし、デミスタ方式のドレン分離効率は、一般に８０〜９０％程度であり、更に分離効率を向上させるためには、ドレンセパレータを兼ねた前記出口ヘッダ６ｂ内を通過する圧縮空気の流速を下げる必要があり、前記出口ヘッダ６ｂの容積を非常に大きなものとしければならず、コスト面で不利となる。

ドレンセパレータを兼ねた前記出口ヘッダ６ｂで分離できないドレンは、二段目圧縮機本体４に圧縮空気と共に吸い込まれるが、圧縮機本体内にドレンが流入すると、該圧縮機本体内のケーシング内部の発錆を促進し、その錆をロータが噛み込んでロータ間の固渋や、ロータとケーシング間の固渋という不具合が生じる可能性が高くなる。

前記インタークーラ５の圧縮空気の出口部、即ち中間段で発生するドレン量は、外気温度及び湿度が高い程、またインタークーラ５で圧縮空気を低い温度まで冷却する程多くなる。即ち、前記中間段での圧縮空気の冷却量が少ない程、中間段でのドレン発生量は小さくなる。この場合、インタークーラ５で冷却される圧縮空気の温度が、５０℃〜６０℃程度になるようにすれば、ドレンの発生を小さく抑えられ、且つ圧縮機性能へ与える影響度も非常に小さくでき、圧縮機の性能も確保できる。

一方、前記インタークーラ５で冷却される圧縮空気の冷却量は、インタークーラ５が目詰りしない限り、冷却水のインタークーラ５への入口温度及び冷却水量で決まり、冷却水入口温度が低い程、また冷却水量が大きい程、多くなる。従って、冷却水入口温度が低い場合には、前記インタークーラ５への冷却水量を減少させることにより、該インタークーラ５の出口空気温度がある程度高くなるように冷却することは可能である。但し、冷却水量を減少させると、前述した通り、インタークーラ５のチューブに発生する内部応力が増大する。

また、前記アフタークーラ７に関しても、圧縮空気の冷却量が多いとドレンが発生し、アフタークーラ７で分離できないドレンは、需要元への供給ライン側に混入し、吐出管路５６に接続された下流側機器に影響を与える。この為、前記アフタークーラ７ついても、前記インタークーラ５と同様に、冷却水入口温度が低い場合には、前記アフタークーラ７への冷却水量を減少させることにより、該アフタークーラ７の出口空気温度がある程度高くなるように冷却することは可能であり、前記下流側機器の防錆に有効である。しかし、前述したインタークーラ５と同様に、チューブの内部応力が増大する課題がある。

更に、スクリュー圧縮機では無負荷運転（アンロード）運転や回転数制御運転が為されるが、スクリュー圧縮機が、無負荷運転される場合や、前記需要元への供給ライン側のライン圧に応じてスクリュー圧縮機の回転数制御が行なわれる場合、吐出空気量は減少する。このため、前記インタークーラ５及びアフタークーラ７を流通する圧縮空気量も少なくなるが、圧縮空気量が少ない場合、圧縮空気を冷却し過ぎ（過冷却）となりドレンが発生し易くなる。

そこで、本実施例では、冷却水入口温度が低い場合や、圧縮機が無負荷運転や回転数制御運転により吐出空気量が減少した場合に、圧縮空気が過冷却されないようにするため、以下説明するように構成している。

図２は、図１に示すインタークーラ５またはアフタークーラ７の構成を説明する縦断面図、図３は図２のIII−III線矢視断面図である。本実施例では、前記インタークーラ５と前記アフタークーラ７は、何れも図２、図３に示すような、水冷式のシェルアンドチューブ式熱交換器（シェルアンドチューブクーラ）で構成されている。

図２，図３に示すように、シェルアンドチューブ式熱交換器は、シェル２１、このシェル２１内に設けられたチューブ（伝熱管）２２、前記シェル２１の一方側に設けられた圧縮空気の入口ヘッダ６ａ，８ａ、前記シェル２１の他方側に設けられた圧縮空気の出口ヘッダ６ｂ，８ｂ、前記シェル２１の前記出口ヘッダ６ｂ，８ｂ側に設けられた冷却水入口２３（２３ａ，２３ｂ）、前記シェル２１の前記入口ヘッダ６ａ，８ａ側に設けられた冷却水出口２４、前記シェル２１内と前記入口ヘッダ６ａ，８ａとの間を仕切ると共に前記チューブ２２を貫通させて固定する固定フランジ（固定管板）２５、前記シェル２１内と前記出口ヘッダ６ｂ，８ｂとの間を仕切ると共に前記チューブ２２を貫通させて固定し軸方向（シェル長手方向）に摺動可能な遊動フランジ（遊動管板）２６、前記冷却水入口２３から流入する冷却水を蛇行させながら流して前記冷却水出口２４に導くためのバッフルプレート２７などにより構成されている。

前記入口ヘッダ６ａ，８ａ及び出口ヘッダ６ｂ，８ｂは、それぞれに形成されたフランジ部と前記シェル２１の両端に設けられたフランジ部とがボルトなどにより固定されている。前記固定フランジ２５は、前記シェル２１のフランジ部と前記入口ヘッダ６ａ，８ａのフランジ部との間に挟持されて固定されている。

前記チューブ２２は前記入口ヘッダ６ａ，８ａと前記出口ヘッダ６ｂ，８ｂに連通し、このチューブ２２内を、前記圧縮機本体３または４からの圧縮空気が流れる。前記冷却水入口２３は、図２に示すように、２つの冷却水入口２３ａ，２３ｂで構成されており、前記冷却水入口２３ａは前記出口ヘッダ６ｂ，８ｂ側寄りに設けられ、前記冷却水入口２３ｂはシェル２１の長手方向中央付近に設けられている。

冷却水は、前記冷却水入口２３ａまたは２３ｂからシェル２１内に流入し、前記バッフルプレート２７により、前記チューブ２２外を軸方向（シェル長手方向）に蛇行しながら流れて、チューブ２２内を流れる圧縮空気と熱交換した後、前記冷却水出口２４から流出する。

前記チューブ２２は、一方側が前記固定フランジ２５に、他方側が前記遊動フランジ２６に接続されているので、チューブ２２の熱膨張は前記遊動フランジ２６により吸収できるように構成されている。

次に、上記図２に示した前記インタークーラ５またはアフタークーラ７に、冷却水配管を接続した状態の構成、及び圧縮空気と冷却水の流れにについて、図４により説明する。
図４は、前記インタークーラ５またはアフタークーラ７に、冷却水配管５８または５９と、冷却水バイパス配管２８または２９を取り付けた状態を示す縦断面図である。

上記特許文献１のものでは、インタークーラ５またはアフタークーラ７に対して、冷却水入口は１つだけであるが、本実施例においては、冷却水入口２３は前述した通り、出口ヘッダ６ｂ，８ｂ側寄りに設けられた冷却水入口２３ａと、シェル２１の長手方向中央付近に設けられた冷却水入口２３ｂの２つの冷却水入口で構成されている。そして、第１冷却水配管５８はインタークーラ５の冷却水入口２３ａに接続され、また、第２冷却水配管５９はアフタークーラ７の同じく冷却水入口２３ａに接続されている。

２８，２９は、前記第１、第２の冷却水配管５８，５９からそれぞれ分岐されて、シェル２１の長手方向中央付近にそれぞれ設けられている前記冷却水入口２３ｂに接続されている冷却水バイパス配管で、これらの冷却水バイパス配管２８，２９にはそれぞれ冷却水量調整弁１２（１２ａ，１２ｂ）が設けられている。なお、図１に示すように、冷却水量調整弁１２ａを有する冷却水バイパス配管２８は、第１の冷却水配管５８から分岐してインタークーラ５の冷却水入口２３ａに接続されているものであり、冷却水量調整弁１２ｂを有する冷却水バイパス配管２９は、第２の冷却水配管５９から分岐してアフタークーラ７の冷却水入口２３ａに接続されているものである。

このように、本実施例では、前記冷却水入口２３ａの他に、この冷却水入口２３ａと前記冷却水出口２４の間に、もう一つの冷却水入口２３ｂを設け、第１、第２の冷却水配管５８，５９からの冷却水を、前記冷却水制御部４１により前記冷却水量調整弁１２（１２ａ，１２ｂ）を制御することにより、前記冷却水入口２３ａに流すか、或いは前記冷却水入口２３ｂに流すかを切り換え制御することが可能な構成としている。また、前記冷却水量調整弁１２の開度を調整することにより、冷却水入口２３ａから流入する冷却水量と冷却水入口２３ｂから流入する冷却水量の割合を制御することが可能な構成としている。好ましくは、前記冷却水量調整弁１２を流量調整可能な電動弁などで構成し、前記冷却水制御部４１により、圧縮機の運転状態に応じて、段階的或いは連続的に前記冷却水量調整弁１２の開度を調整するように構成すれば、ドレンの発生を抑制した制御が可能となる。

図４において、圧縮されて高温になった圧縮空気３１は、入口ヘッダ６ａ，８ａに流入後、固定フランジ２５側からチューブ２２内に流入して遊動フランジ２６側へ流れ、このときチューブ２２外を流れる冷却水と熱交換して冷却され、出口ヘッダ６ｂ，８ｂに流入する。冷却された圧縮空気は、ここから、二段目吸入管路５４或いは吐出管路５６に送り出される。

図１に示す前記冷却水入口配管５７から冷却水配管５８または５９を介して供給された冷却水３２は、冷却水入口２３ａ或いは２３ｂからシェル２１内に流入し、前記チューブ２２外を、遊動フランジ２６側から固定フランジ２５側へ流通する。この過程でチューブ２２内を流れる圧縮空気を冷却し、冷却水出口２４から二段目圧縮機本体４や一段目圧縮機本体３側に送られ、これらの圧縮機本体３，４を冷却した後、図１に示す冷却水出口配管６１から排出される。

前記圧縮空気の流れ方向（固定フランジ２５側から遊動フランジ２６側への流れ）と、冷却水の流れ方向（遊動フランジ２６側から固定フランジ２５側への流れ）とは互いに対向する方向（対向流）となっている。

本実施例においては、前記インタークーラ５やアフタークーラ７に流入させる冷却水の全量を、冷却水温度が低下したような場合でも、減少させることなく圧縮空気の冷却量を調整できる。冷却水入口２３ａから流入した冷却水は、シェル２１内の遊動フランジ２６側から固定フランジ２５側の全範囲に亘って、チューブ２２内を流れる圧縮空気を冷却することができるから、圧縮空気の冷却量を大きくすることができる。一方、前記冷却水入口２３ｂからシェル２１内流入した冷却水は、シェル２１の長手方向中央付近から固定フランジ側までの区間でのみ、チューブ２２内を流れる圧縮空気を冷却可能であるから、圧縮空気の冷却量は小さくなる。即ち、冷却水入口２３ｂから冷却水を流入させると、冷却水入口２３ａから流入させた場合に対し、冷却水出口２４までの流路が短くなるため、チューブ２２内を流れる圧縮空気とチューブ２２外を流れる冷却水との熱交換時間が短くなる。この熱交換時間の短縮で、熱交換量を減少させることができるから、前記冷却水量調整弁１２を調整して、冷却水入口２３ｂから流入する冷却水量の割合を増減することにより、圧縮空気の冷却量を制御することができる。即ち、前記冷却水入口２３ａと２３ｂから流入させる冷却水量の割合を前記冷却水量調整弁１２で調整することにより、冷却量を制御することが可能となる。従って、前記シェル２１内に供給する冷却水の全量を変えることなく、圧縮空気の出口温度をコントロールすることができるから、チューブ２２に発生する内部応力を増大させることなくドレンの発生を抑制可能な適切な温度にすることができる。

このように、本実施例によれば、圧縮空気の過冷却を防止することができるので、熱交換器の出口部で多量のドレンが発生するのを抑制することが可能となり、スクリュー圧縮機の信頼性を向上できる。また、チューブ２２に発生する内部応力も抑制できる。

特許文献１のもののように、冷却水入口が１箇所で、熱交換器に流入する冷却水量を制御するものでは、冷却水量が少なくなった場合、冷却水の入口側と出口側とでは冷却水の温度差が大きくなるため、チューブ２２における温度変化も大きくなり、チューブに発生する熱応力（内部応力）が大きくなる。

特に、冷却水の流れと圧縮空気の流れが平行流だと、冷却水の入口側の温度と圧縮空気の入口側温度との温度差が大きいため、冷却水の温度変化は入口側でより大きくなるから、チューブ２２における圧縮空気の入口側の温度変化も大きくなり、この点でもチューブに発生する熱応力（内部応力）が大きくなる。

本実施例のものでは、前述したように、冷却水入口２３をシェルアンドチューブ式熱交換器の長手方向に複数個（本実施例では２３ａと２３ｂ）設け、冷却水と圧縮空気とが熱交換できる範囲を変えることで圧縮空気の冷却量を調整するようにしている。即ち、各冷却水入口２３ａ，２３ｂから流入させる冷却水量の割合を調整することで、圧縮空気の冷却量を制御するようにしているので、熱交換器に流入させる冷却水量を減少させることなく、圧縮空気の冷却温度（冷却量）を制御できる。これにより、冷却水の温度変化は、冷却水量を減少させた場合に比較して小さくできるから、チューブ２２における温度変化も小さくでき、チューブ２２に発生する熱応力（内部応力）も低減できる。

しかも、本実施例では、冷却水の流れと圧縮空気の流れを対向流としているので、冷却水の入口側温度と圧縮空気の入口側温度との温度差が、平行流とした場合に比べてより小さくなり、冷却水の温度変化を入口側から出口側までより均一化できるから、チューブ２２における温度変化もより均一化し、この点でもチューブに発生する熱応力（内部応力）を低減できる。
従って、本実施例によれば、チューブに発生する熱応力を小さくして信頼性を向上できる。

また、本実施例は、冷却水入口２３を複数個（２３ａ，２３ｂ）設けると共に、冷却水調整弁１２を有する冷却水バイパス配管２８，２９を設けるという簡単な構成で実現することが可能である。

次に図５により、上述した本発明のスクリュー圧縮機の実施例１における冷却水の流量制御について説明する。この例では、図１に示すモータ１０は回転数を制御可能な可変速モータを使用し、可変速制御が可能なスクリュー圧縮機の例で説明する。

図１に示すスクリュー圧縮機の電源が投入される（ステップＳ１）と、圧縮機が起動され（ステップＳ２）、次に図１に示す各温度センサにより各部の温度検出を開始する（ステップＳ３）。即ち、図１に示す吸込温度センサ４２、一段目吐出温度センサ４３、二段目吸込温度センサ４４、二段目吐出温度センサ４５、出口温度センサ４６及び冷却水温度センサ４７が作動し、これらの温度センサ４２〜４７による各部の温度検出を開始する。

前記各温度センサ４２〜４７により検出された各部温度の検出値（データ）は、図１に示す前記冷却水制御部４１に入力される。この冷却水制御部４１では、前記温度センサ４２〜４６で検出された圧縮空気の各部の温度、及び前記温度センサ４７で検出された冷却水温度などに基づいて、前記冷却水バイパス配管２８，２９に流す冷却水バイパス量を算出し、前記冷却水量調整弁１２ａ，１２ｂを制御する。これにより、前記インタークーラ５や前記アフタークーラ７での圧縮空気の冷却量を調整し、前記インタークーラ５やアフタークーラ７から流出する圧縮空気を、ドレンの発生を抑制できる適正な温度、例えば４５〜６０℃、好ましくは４８〜５５℃に保つことが可能となる。

即ち、冷却水温度が所定値よりも高い（ステップＳ４）、吸込み空気温度が所定値よりも高い（ステップＳ５）或いは圧縮機本体出口空気温度が所定値よりも高い（ステップＳ６）と判定された場合にはステップＳ７に移り、冷却水量調整弁１２ａ，１２ｂの開度を小さくして、冷却量を増大させる。一方、冷却水温度が所定値よりも低い（ステップＳ８）、吸込み空気温度が所定値よりも低い（ステップＳ９）或いは圧縮機本体出口空気温度が所定値よりも低い（ステップＳ１０）と判定された場合にはステップＳ１１に移り、冷却水量調整弁１２ａ，１２ｂの開度を大きくして、冷却量を減少させる。

ここで、前記各温度センサ４２〜４７で検出される各部の温度と、前記冷却水量調整弁１２ａ，１２ｂの開度との関係を、前記冷却水制御部４１に予めテーブルとして記憶させておき、前記各温度センサ４２〜４７で検出された温度に基づいて、前記テーブルにより前記冷却水量調整弁１２ａ，１２ｂの開度を制御するようにしても良い。

また、前記インタークーラ５やアフタークーラ７から吐出される空気温度が所定の温度範囲になるように、フィードバック制御により前記冷却水量調整弁１２ａ，１２ｂの開度を制御するようにしても良い。

圧縮機起動後、無負荷（アンロード）運転に入った場合（ステップＳ１２）には、圧縮機本体３，４から吐出される圧縮空気の量が大幅に減少するので、冷却水量調整弁１２ａ，１２ｂの開度を大きくしてインタークーラ５やアフタークーラ７での冷却量を減少させる（ステップＳ１１）。

その後、負荷（ロード）運転に戻り（ステップＳ１３）、モータの回転数制御が為されて（ステップＳ１４）、回転数が上昇した場合（ステップＳ１５）には、ステップＳ７に移って、冷却水量調整弁１２ａ，１２ｂの開度を小さくして冷却量を増大させる。回転数が低下した場合（ステップＳ１６）には、ステップＳ１１に移り、冷却水量調整弁１２ａ，１２ｂの開度を大きくして、冷却量を減少させる。

前記ステップＳ１４〜Ｓ１６での制御の後、圧縮機を停止させる場合にも、冷却水量調整弁１２ａ，１２ｂの開度を大きくして、冷却量を減少させ（ステップＳ１１）、その後ステップＳ１７に移って無負荷（アンロード）運転をした後、圧縮機を停止する（ステップＳ１８）。

ここで、前記インタークーラ５の出口圧縮空気温度が適正な温度、例えば５０℃前後となるよう冷却水を制御する場合の具体的効果を説明する。スクリュー圧縮機は二段オイルフリースクリュー圧縮機で、出力５５ｋＷ、吐出空気量８ｍ^３／min、吐出圧力０．６９ＭＰａ、中間圧力０．２０ＭＰａ、ドレンセパレータ（出口ヘッダ６ｂ）の分離効率８５％の場合を例にとり、二段目圧縮機本体４へ送られる空気中に混入するドレン量を計算する。

外気温度３０℃、相対湿度７５％ＲＨの条件において、冷却水温度が１０℃と低い場合、冷却水量を制御しない従来の一般のものでは、インタークーラ５の出口空気温度は、例えば「冷却水温度＋１３℃」となるから、約２３℃となる。この場合の二段目圧縮機本体４へ混入するドレン量は１８４ｇ／minとなる。

これに対して、本実施例では、前記冷却水量調整弁１２ａを制御することで、インタークーラ５での冷却量を制御することができるので、前記インタークーラ５の出口圧縮空気温度を適正な温度である５０℃前後に制御できる。インタークーラ５の空気出口温度を５０℃とすれば、二段目圧縮機本体４へ混入するドレン量は１０ｇ／minとなり、ドレン量を９０％以上も低減することができる。

本実施例では、上述したように、負荷（ロード）運転や無負荷（アンロード）運転の状態に関する圧縮機容量制御同期信号、圧縮機回転数制御同期信号、及び前記温度センサ４２〜４７などからの信号に基づいて、前記冷却水制御部４１により適正な冷却水バイパス量を算出し、クーラから吐出される圧縮空気を予め設定した適正温度に保つようにしているので、運転状態に応じたドレン抑制が可能なスクリュー圧縮機を得ることができる。

このように、本実施例によれば、冷却水温度の他に、無負荷運転時や回転数制御により、圧縮機本体からの吐出空気量が増減する場合においても、圧縮空気の過冷却を防止することが可能である。

以上述べたように本実施例によれば、シェルアンドチューブ式熱交換器の冷却水入口を、シェルの長手方向の複数箇所に設けると共に、前記複数の冷却水入口から流入する冷却水を制御する制御装置を備えているので、簡易な構造でドレンの発生を抑制することができると共に、チューブに発生する熱応力も低減できるから、信頼性を向上させた水冷式シェルアンドチューブ式熱交換器を搭載したスクリュー圧縮機を得ることができる。

なお、上述した実施例では、インタークーラとアフタークーラを有する水冷式二段オイルフリースクリュー圧縮機に本発明を適用した場合について説明したが、これに限られるものではなく、アフタークーラのみ備えた単段オイルフリースクリュー圧縮機や油冷式スクリュー圧縮機にも同様に適用できるものであり、また圧縮機本体が回転数制御されるものにも限定されず、一定速型のスクリュー圧縮機にも同様に適用可能である。

また、上記実施例では、６つの温度センサ４２〜４７を用いた例を説明したが、これらの温度センサは必ずしも全て必要なものではなく、これらのうちの１つまたは複数個を用いて、インタークーラ５やアフタークーラ７から出る圧縮空気の温度が、ドレンの発生を抑制できて圧縮機性能も確保できる温度範囲になるように、前記冷却水量調整弁１２を制御する構成とすれば良い。更に、前記各温度センサ４２〜４７の取付位置も、図１に示した位置に限定されるものではなく、目標部分の温度を直接或いは間接的に検出できる位置であれば、適宜必要に応じて変更することが可能である。

ここで、前記各温度センサの好ましい設置例を述べる。前記吸込温度センサ４２は、一段目圧縮機本体３への吸入管路５２で圧縮機ユニット５０内に設置する。前記一段目吐出温度センサ４３は、一段目圧縮機本体３の出口直後の一段目吐出管路５３に設け、インタークーラ５への圧縮空気入口温度センサと兼ねるようにすると良い。前記二段目吸込温度センサ４４は、インタークーラ５の出口直後から二段目圧縮機本体４の吸込口との間に位置し、インタークーラ５の出口温度センサと兼ねるようにすると良い。二段目吐出温度センサ４５は、二段目圧縮本体４の出口直後に設け、アフタークーラ７への圧縮空気入口温度センサと兼ねるようにすると良い。前記出口温度センサ４６は、アフタークーラ７からの圧縮空気出口温度センサと兼ねると良い。冷却水温度センサ４７は、冷却水入口配管５７における圧縮機ユニット５０への入口直後に設置することが好ましい。

また、二段オイルフリースクリュー圧縮機のような二段スクリュー圧縮機の場合、前記一段目吐出温度センサ４３、前記二段目吐出温度センサ４５及び前記冷却水温度センサ４７で検出された温度に基づいて、前記冷却水制御部４１により前記冷却水量調整弁１２（１２ａ，１２ｂ）を制御することが可能である。

単段オイルフリースクリュー圧縮機や単段の油冷式スクリュー圧縮機などの単段スクリュー圧縮機の場合には、図１に示す二段目圧縮機本体４やインタークーラ５はないので、一段目吐出温度センサ４３及び冷却水温度センサ４７で検出された温度に基づいて、前記冷却水制御部４１により前記冷却水量調整弁１２を制御することが可能である。

なお、前記インタークーラ５やアフタークーラ７における圧縮空気の入口温度と出口温度との差を検出する、例えば前記一段目吐出温度センサ４３と二段目吸込温度センサ４４の温度差を求め、更に前記冷却水温度センサ４７での検出温度により、前記冷却水バイパス配管２８を流れる冷却水量を調整することで、前記インタークーラ５の経年劣化に応じた制御が可能となる。前記アフタークーラ７についても同様である。即ち、シェルアンドチューブ式熱交換器の前記チューブ２２内が、経年的なスケール付着などにより、冷却能力が低下したような場合でも、冷却水バイパス配管２８，２９を流れる冷却水量を調整することで、熱交換器出口温度を適正温度に保つことが可能になる。

本発明は、吐出圧力が０．７ＭＰａ仕様で、圧縮空気の吐出温度が４００℃近くになる単段オイルフリースクリュー圧縮機に適用した場合、チューブ２２の熱応力緩和に特に効果がある。
また、油冷式スクリュー圧縮機に本発明を適用した場合でも、ドレンセパレータ（出口ヘッダ６ｂ，８ｂ）で取り除けない残油分やドレンにより、チューブ２２が銅製の場合には腐食を生じる可能性があるが、本発明を適用してドレンの発生を抑制することにより、腐食抑制効果もある。

１：サクションフィルタ、２：吸込み絞り弁、
３：一段目の圧縮機本体、４：二段目の圧縮機本体、
５：インタークーラ（シェルアンドチューブ式熱交換器）、
６ａ：入口ヘッダ、６ｂ：出口ヘッダ、
７：アフタークーラ（シェルアンドチューブ式熱交換器）、
８ａ：入口ヘッダ、８ｂ：出口ヘッダ、
９：ギヤ、１０：モータ、１１：ギヤボックス、
１２，１２ａ，１２ｂ：冷却水量調整弁、
１３：デミスタ、
１４：オイルクーラ、
２１：シェル、２２：チューブ（伝熱管）、
２３，２３ａ，２３ｂ：冷却水入口、２４：冷却水出口、
２５：固定フランジ、２６：遊動フランジ、２７：バッフルプレート、
２８，２９：冷却水バイパス配管、
３１：圧縮空気、３２：冷却水、
４１：冷却水制御部、
４２：吸込温度センサ、４３：一段目の吐出温度センサ、
４４：二段目の吸込温度センサ（出口温度センサ）、４５：二段目の吐出温度センサ、
４６：出口温度センサ、４７：冷却水温度センサ、
５０：圧縮機ユニット、５１：外部空気、５２：吸入管路、
５３：一段目吐出管路、５４：二段目吸入管路、５５：二段目吐出管路、
５６：吐出管路、５７：冷却水入口配管、
５８：第１冷却水配管、５９：第２冷却水配管、６０：第３冷却水配管、
６１：冷却水出口配管、６２，６３：ドレン配管。

Claims (12)

1. 圧縮機本体と、該圧縮機本体から吐出される圧縮空気を水冷式のシェルアンドチューブ式熱交換器で冷却するように構成されているスクリュー圧縮機において、
   前記シェルアンドチューブ式熱交換器は、シェルと、該シェルの一端側に設けられた前記圧縮空気の入口ヘッダと、その他端側に設けられた圧縮空気の出口ヘッダと、前記シェル内に設けられ前記入口ヘッダと出口ヘッダを接続して前記圧縮空気が流通する複数のチューブと、前記シェル内の前記出口ヘッダ側に開口する冷却水入口と、前記シェル内の前記入口ヘッダ側に開口する冷却水出口とを備え、
   前記シェルアンドチューブ式熱交換器の前記冷却水入口は、前記シェルの長手方向の複数箇所に設けられると共に、
   前記複数の冷却水入口から流入する冷却水量を制御する冷却水制御部を備える
   ことを特徴とするスクリュー圧縮機。
2. 請求項１に記載のスクリュー圧縮機において、前記シェル内の前記出口ヘッダ側に開口する冷却水入口に接続される冷却水配管から分岐して他の冷却水入口に接続される冷却水バイパス配管を設け、この冷却水バイパス配管には冷却水量調整弁が設けられ、この冷却水量調整弁は前記冷却水制御部により制御されることを特徴とするスクリュー圧縮機。
3. 請求項２に記載のスクリュー圧縮機において、前記シェルアンドチューブ式熱交換器の出口ヘッダから流出される圧縮空気の温度を検出する出口温度センサを設け、前記冷却水制御部は前記出口温度センサで検出された温度に基づいて、前記冷却水量調整弁の開度を制御することを特徴とするスクリュー圧縮機。
4. 請求項２に記載のスクリュー圧縮機において、圧縮機本体に吸入される空気の温度を検出する吸込温度センサを設け、前記冷却水制御部は前記吸込温度センサで検出された温度に基づいて、前記冷却水量調整弁の開度を制御することを特徴とするスクリュー圧縮機。
5. 請求項２に記載のスクリュー圧縮機において、圧縮機本体から吐出される圧縮空気の温度を検出する吐出温度センサを設け、前記冷却水制御部は前記吐出温度センサで検出された温度に基づいて、前記冷却水量調整弁の開度を制御することを特徴とするスクリュー圧縮機。
6. 請求項２に記載のスクリュー圧縮機において、前記冷却水の入口温度を検出する冷却水温度センサを設け、前記冷却水制御部は前記冷却水温度センサで検出された温度に基づいて、前記冷却水量調整弁の開度を制御することを特徴とするスクリュー圧縮機。
7. 請求項２に記載のスクリュー圧縮機において、前記冷却水制御部は、前記圧縮機本体が無負荷運転される時には前記冷却水量調整弁の開度を大きくして冷却量を減少させるように制御することを特徴とするスクリュー圧縮機。
8. 請求項２に記載のスクリュー圧縮機において、前記スクリュー圧縮機は回転数制御可能に構成され、前記冷却水制御部は、圧縮機の回転数に応じて前記冷却水量調整弁の開度を制御することを特徴とするスクリュー圧縮機。
9. 請求項３〜８の何れかに記載のスクリュー圧縮機において、前記冷却水制御部は、前記出口温度センサ、吸込温度センサ、吐出温度センサまたは冷却水温度センサでの検出温度、前記圧縮機の負荷／無負荷の運転状態、前記圧縮機の回転数のうちの少なくとも複数の情報に基づいて、前記冷却水量調整弁の開度を制御することを特徴とするスクリュー圧縮機。
10. 請求項３に記載のスクリュー圧縮機において、前記冷却水制御部は、前記シェルアンドチューブ式熱交換器の出口ヘッダから流出される圧縮空気の温度が４５〜６０℃になるように前記冷却水量調整弁の開度を制御することを特徴とするスクリュー圧縮機。
11. 請求項１０に記載のスクリュー圧縮機において、前記冷却水制御部は、前記シェルアンドチューブ式熱交換器の出口ヘッダから流出される圧縮空気の温度が４８〜５５℃になるように前記冷却水量調整弁の開度を制御することを特徴とするスクリュー圧縮機。
12. 請求項１〜１１の何れかに記載のスクリュー圧縮機において、一段目圧縮機本体と、二段目圧縮機本体と、前記一段目圧縮機本体と二段目圧縮機本体との間に設けられ前記一段目圧縮機本体から吐出される圧縮空気を冷却するためのインタークーラと、前記二段目圧縮機本体から吐出される圧縮空気を冷却するためのアフタークーラとを備え、前記インタークーラと前記アフタークーラはシェルアンドチューブ式熱交換器で構成されていることを特徴とするスクリュー圧縮機。

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