JP2014145273A - 油冷式ガス圧縮機における排熱回収システム - Google Patents

Abstract

【課題】
圧縮機負荷率が低い場合でも要求温度の温水を供給することが可能で、しかも排熱回収機器からの放熱を抑制して排熱回収率を向上する。
【解決手段】
油冷式ガス圧縮機における排熱回収システムは、圧縮機本体３、油分離器６、この油分離器で油を分離された圧縮ガスを需要先に送るガス配管８、油分離器で分離された油を圧縮機本体に戻す油配管７、前記圧縮ガスと前記油の少なくとも何れかから熱回収する排熱回収熱交換器１０を備える。また、貯温水タンク１９、熱媒体を前記排熱回収熱交換器と前記貯温水タンクとの間に循環させる循環回路１７，１８、この循環回路に設けられた循環用ポンプ２２、前記排熱回収熱交換器で熱交換される油または圧縮ガスの温度が貯温水タンク内の温水温度以下の場合に、前記循環用ポンプを停止させるかその回転数を低下させる制御装置３２を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は油冷式ガス圧縮機における排熱回収システムに関し、特に油冷式の空気圧縮機からの排熱を回収するシステムに関する。

工場全体で消費されるエネルギーのうち、空気圧縮機などのガス圧縮機によって消費される総合エネルギーは、２０〜２５％に相当すると言われており、ガス圧縮機からの排熱を回収する効果は大きい。特に、地球温暖化問題を発端としたＣＯ_２排出量の削減目標達成のためにも、ガス圧縮機からの排熱利用は、今後更に重要視されてくると予想される。

ガス圧縮機は、空気などのガスを圧縮する圧縮機本体、圧縮により発生する熱を吸収する冷却系統、圧縮機の駆動力源であるモータなどにより構成される。また、ガス圧縮機では、モータ入力電力を１００％とすると、冷却系統において吸収される熱量はそのうちの９０％以上にも相当し、その熱量は、通常外気に放出されており、非常に多くのエネルギーが大気に排出されている。排熱量を低減するため、圧縮機本体やモータの高効率化が推進されているが、その効果は数％が限界であり、ガス圧縮機からの排熱の有効利用が求められる。

ガス圧縮機からの排熱の有効利用に関しては、暖房への利用、温水活用、ボイラーの給水予熱への活用などの事例がある。
なお、この種の従来技術としては特許第４３２９８７５号公報（特許文献１）や特開２０１２−６７７４３号公報（特許文献２）に記載のものなどがある。
前記特許文献１のものは、蒸気を用いて圧縮機を駆動すると共に、圧縮機で発生する熱を、ボイラーに供給する水（給水）の予熱に利用して、ボイラーでの消費エネルギーを削減させるようにしたものである。
前記特許文献２のものは、油冷式ガス圧縮機に排熱回収熱交換器を設け、圧縮機を冷却して加熱された油などからの排熱回収を可能としたものである。

特許第４３２９８７５号公報 特開２０１２−６７７４３号公報

上記特許文献１のものでは、空気圧縮機で発生する熱を、ボイラーの給水予熱として活用しているもので、空気圧縮機の冷却系統として１つの水冷冷却系統を有し、空気圧縮機で発生した熱を前記水冷冷却系統の水で吸収し、これにより温度上昇した水をボイラーへの供給水と混合させることにより、ボイラー供給水温度を上昇させ、ボイラーでの消費エネルギーを削減するものである。

この特許文献１のものでは、空気圧縮機で発生した熱により給水タンクへの補給水の温度を上昇させることはできるが、この補給水の温度は、水量を極限まで絞った条件でも、空気圧縮機の吐出温度より数十度低い温度になる。また、圧縮機の負荷率が低くなるほど、前記補給水の温度は低くなってしまう。

従って、特許文献１に記載のような排熱回収システムでは、補給水などの水の温度を圧縮機排熱を利用して単に上昇させれば良いというシステムには利用できるが、供給する温水に要求温水温度下限がある場合や、前記要求温水温度下限が圧縮機吐出温度よりも数度しか低くないという条件では、その要求温度の温水を供給できないという課題がある。また、補給水温度を上昇させる為に水量を絞ると熱交換率も悪くなるという課題もある。

上記特許文献２のものでは、排熱回収熱交換器で、油配管を流れる高温の油及びガス配管を流れる高温の圧縮空気と、排熱回収機器からの冷却水とを熱交換させて、冷却水を加熱するようにしているが、油冷式ガス圧縮機のアンロード運転（無負荷運転）時や停止状態となった場合における前記排熱回収熱交換器からの放熱に関しては配慮が為されていない。このため前記排熱回収機器の冷却水（温水）温度が高い場合、油冷式ガス圧縮機のアンロード運転時や停止時には前記排熱回収機器側からの放熱が生じて、排熱回収率を悪化させるという課題がある。

本発明の目的は、圧縮機負荷率が低い場合でも要求温度の温水を供給することが可能であり、しかも排熱回収機器側からの放熱を抑制して排熱回収率を向上することのできる油冷式ガス圧縮機における排熱回収システムを得ることにある。

上記課題を解決するため本発明は、圧縮機本体と、該圧縮機本体から吐出された圧縮ガスから油を分離する油分離器と、この油分離器で油を分離された圧縮ガスを需要先に送るためのガス配管と、前記油分離器で分離された油を前記圧縮機本体に戻すための油配管と、前記ガス配管を流れる圧縮ガスと前記油配管を流れる油の少なくとも何れかから熱回収するための排熱回収熱交換器とを備える油冷式ガス圧縮機における排熱回収システムであって、前記排熱回収熱交換器で受け取った熱を温水として貯える貯温水タンクと、前記排熱回収熱交換器で受け取った熱を前記貯温水タンクに移動させるために、熱媒体を前記排熱回収熱交換器と前記貯温水タンクとの間に循環させる循環回路と、この循環回路に設けられた循環用ポンプと、前記排熱回収熱交換器で熱交換される前記油または前記圧縮ガスの温度が前記貯温水タンク内の温水温度以下の場合に、前記循環用ポンプを停止させるかその回転数を低下させるように制御する制御装置を備えることを特徴とする。

本発明によれば、圧縮機負荷率が低い場合でも要求温度の温水を供給することが可能であり、しかも排熱回収機器側からの放熱を抑制して排熱回収率を向上することのできる油冷式ガス圧縮機における排熱回収システムを得ることができる。

本発明の油冷式ガス圧縮機における排熱回収システムの実施例１を示す系統図である。 図１に示すシステムにおいて、圧縮機本体から吐出される圧縮ガス温度を１００℃とし、排熱回収熱交換器に冷却水を１度だけ通水したときの、冷却水量と、通水した冷却水の排熱回収熱交換器出口側温度との関係を示す線図である。 図１に示すシステムにおいて、圧縮機本体から吐出される圧縮ガス温度を１００℃とし、排熱回収熱交換器に冷却水を１度だけ通水したときの、冷却水量と、通水した冷却水による排熱回収率との関係を示す線図である。 本発明の油冷式ガス圧縮機における排熱回収システムの実施例２を示す系統図である。

以下、本発明の油冷式ガス圧縮機における排熱回収システムの具体的実施例を、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している。

本発明の油冷式ガス圧縮機における排熱回収システムの実施例１を図１に示す系統図により説明する。
図１において、３は圧縮機本体で、本実施例では油冷式のスクリュー空気圧縮機で構成されている。前記圧縮機本体３がモータ４により駆動されると、圧縮機ユニット２０内に吸込まれたガス（空気）は、吸込フィルタ１及び吸込絞り弁２を介して前記圧縮機本体３内に吸引された後、圧縮されて吐出され、油分離器（オイルタンク）６に流入する。５は吐出温度センサ（圧縮機本体出口温度センサ）（Ｔ１）で、前記圧縮機本体３から吐出された圧縮ガス（圧縮空気）の温度を検出するものである。この吐出温度センサ５により温度が検出された後、前記圧縮ガスは前記油分離器６に流入する。

この油分離器６に流入する前記圧縮ガスには油（潤滑油）が混合されており、前記油分離器６内では、圧縮ガスと油が遠心分離されて、圧縮ガスは、油分離器６上部のガス配管（空気配管）８から流出して、水冷熱交換器で構成された排熱回収熱交換器１０に流入する。前記油分離器６下部に溜まった油は、油配管７から流出し、温調弁９により、油温が高い場合には前記排熱回収熱交換器１０側に流れ、油温が低い場合には前記オイルフィルタ１６側にバイパスして流れる。前記オイルフィルタ１６を通過した油は再び前記圧縮機本体３に流入するように構成されている。

前記排熱回収熱交換器１０は、貯温水タンクユニット（排熱回収機器）２３に接続されている。この貯温水タンクユニット２３が稼動している場合には、熱媒体（水などの流体）を循環配管（熱媒体入口配管１７及び熱媒体出口配管１８）を介して前記排熱回収熱交換器１０に循環させており、排熱回収熱交換器１０への熱媒体入口配管１７から前記熱媒体を流入させて、熱媒体出口配管１８から温度の上昇した熱媒体として回収することで、前記圧縮機本体３で発生する圧縮熱の熱量を前記貯温水タンクユニット２３で回収するように構成している。

即ち、前記排熱回収熱交換器１０では、油配管７を流れる高温の油及びガス配管８を流れる高温の圧縮ガスと、前記貯温水タンクユニット２３からの熱媒体とが熱交換して、前記熱媒体は加熱されると共に、前記圧縮ガスと油は冷却されるように構成されている。

前記排熱回収熱交換器１０は、排熱回収ユニット２１内に配置されている。また、前記貯温水タンクユニット２３には水（水とは温水である場合も含む）を溜める貯温水タンク１９が設けられ、この貯温水タンク１９には水を供給するための水入口配管２７と、貯温水タンク１９で温度の上昇した水（温水）を温水供給先に送るための温水出口配管２８が接続されている。また、前記貯温水タンク１９内には水対水熱交換器２４が設置されており、前記循環配管を流れる熱媒体と前記貯温水タンク１９内の水（温水）とが熱交換することで貯温水タンク１９内の水の温度を上昇させるように構成されている。

また、前記循環配管には前記熱媒体を循環させるための循環ポンプ２２が設けられている。本実施例では、前記循環ポンプ２２は、前記貯温水タンクユニット２３内の前記熱媒体入口配管１７に設置されているが、前記熱媒体出口配管１８に設置するようにしても良い。前記循環用ポンプ２２により、前記循環配管１７，１８を介して前記熱媒体を、前記排熱回収熱交換器１０と前記貯温水タンク１９とに何度も循環させることが可能となる。これにより、前記貯温水タンク１９内の水を予め決めた所定の温度まで上昇させることが可能となる。また、空気圧縮機の負荷率が小さくなった場合でも、空気圧縮機は基本的にその負荷率に関係なく吐出温度を保つことが可能であるため、空気圧縮機の負荷率に関係なく要求温度の温水供給が可能となる。従って、要求温水温度下限がある場合で、更にその要求温水温度下限が圧縮機吐出温度より数度しか低くないというような場合であっても、圧縮機の負荷率に関係なく、要求温度の温水を供給することが可能になる。

前記排熱回収熱交換器１０の下流側には空冷熱交換器１３が設けられており、前記排熱回収熱交換器１０を通過した前記圧縮ガスと油は、この空冷熱交換器１３も通過するように構成されている。即ち、前記圧縮ガスと油は、前記排熱回収熱交換器１０において前記循環する熱媒体により冷却された後、或いは前記循環ポンプ２２が停止している場合には熱媒体との熱交換がされない状態で前記空冷熱交換器１３に流入する。この空冷熱交換器１３では、冷却ファン１４により送風される冷却風により前記圧縮ガスと油を冷却できるように構成されている。

１５は前記冷却ファン１４を駆動するファンモータで、インバータ２９により回転数制御が可能な構成となっている。従って、前記排熱回収熱交換器１０から出た前記圧縮ガスや油の温度が所定温度よりも高い場合にはその温度に応じて冷却ファン１４の回転数を制御することにより、前記圧縮ガスや油の温度を所定の範囲にして供給することが可能な構成となっている。

前記空冷熱交換器１３を出た圧縮ガスは圧縮機ユニット２０外の需要先に供給され、また前記油は、前記温調弁９によりバイパスされた油がある場合にはその油と合流した後、前記オイルフィルタ１６を介して圧縮機本体３に注入される。

次に、前記冷却ファン１４の回転数を制御することにより、前記圧縮ガスや油の温度を所望の温度にして供給する制御について詳しく説明する。
３０は前記ファンモータ１５の回転数を制御する制御装置で、この制御装置３０には、前記吐出温度センサ５からの吐出温度情報、及び前記排熱回収熱交換器１０下流側における温度センサ（ガス温度センサ）（ＴＡ）１１からの圧縮空気（圧縮ガス）の温度情報、温度センサ（油温度センサ）（ＴＯ）１２からの油の温度情報が入力される。

これらの温度情報に基づいて、前記制御装置３０は、前記吐出温度センサ５で検出される圧縮空気の吐出温度が予め設定されている目標吐出温度との温度差が小さくなるように、前記インバータ２９を介して前記ファンモータ１５を制御し、冷却ファン１４の回転数を変化させて、圧縮機本体３に注入される油を適正な温度に冷却する。この冷却された油はオイルフィルタ１６を介して圧縮機本体３に注入される。

即ち、前記排熱回収熱交換器１０での熱交換量が少ない場合には、前記空冷熱交換器１３での熱交換量が増加するように、排熱回収熱交換器１０での熱交換量が多い場合には、空冷熱交換器１３での熱交換量が低減するように、前記冷却ファン１４の回転速度は制御される。

前記排熱回収熱交換器１０及び前記空冷熱交換器１３でのそれぞれの熱交換器容量は、圧縮機本体３で発生する全熱量をそれぞれ単独で処理可能な容量に設計されている。このため、前記排熱回収熱交換器１０において最大の熱回収が行われた場合、該排熱回収熱交換器１０から出た潤滑油及び圧縮空気の温度は十分に冷却されているので、前記空冷熱交換器１３においては前記ファンモータ１５が停止される場合もある。

油冷式スクリュー空気圧縮機の場合、圧縮機ユニット２０に内に充填されている油の循環回数（圧縮機本体３から吐出された油が再び圧縮機本体に戻る循環回数）は一般に２〜５回／分程度と多いため、前記冷却ファン１４の回転速度が変化すると前記吐出温度センサ５で検出される吐出圧縮空気の温度も比較的敏感に変化する。従って、吐出温度センサ５の温度に応じて、冷却ファン１４の回転速度を変化させるインバータ制御を行うことにより、圧縮機本体３から吐出される圧縮空気の温度をほぼ目標吐出温度（所定範囲の吐出温度）に制御することが可能である。

なお、本実施例では、前記温度センサ（ＴＡ）１１及び前記温度センサ（ＴＯ）１２も備えているので、前記空冷熱交換器１３に流入する圧縮空気の温度及び油の温度が分かることから、これらの温度センサ１１，１２からの温度情報も考慮して前記冷却ファン１４の回転速度を調整することも可能となり、圧縮機本体３から吐出される圧縮空気の温度をより迅速に精度良く目標温度に近づけることが可能となる。

以上のように、前記冷却ファン１４の回転数制御を実施することにより、前記貯温水タンクユニット２３での排熱回収状況（稼働状況）に関係なく、つまり、前記排熱回収熱交換器１０での熱交換量に関係なく、前記吐出温度センサ５の温度が一定となるように、圧縮機ユニット２０を稼働させることが可能となる。

前記貯温水タンクユニット２３内には、前記排熱回収熱交換器１０と前記貯温水タンク１９との間に熱媒体を循環させる前記循環配管１７，１８のうち、前記熱媒体出口配管１８を流れる熱媒体の温度を検出する温度センサ（熱媒体温度センサ）（Ｔｗ１）２５、前記貯温水タンク１９内の温水温度を検出する温度センサ（温水温度センサ）（Ｔｗ２）２６、及び制御装置３１が設けられている。この制御装置３１には、前記温度センサ２５及び前記温度センサ２６の温度情報が入力され、これらの温度情報に基づいて、前記制御装置３１は前記循環ポンプ２２の制御を実施するように構成されている。例えば、前記温度センサ（Ｔｗ２）２６で検出された温度が、予め定めた所定温度（例えば、温水供給先での要求温度）を超えた場合に、前記循環ポンプ２２を停止させるか或いはその回転数を低下させるように制御する。

また、前記温度センサ（Ｔｗ１）２５で検出された温度が、前記温度センサ（Ｔｗ２）２６で検出された温度よりも、低い或いは所定温度以上低い場合には、前記貯温水タンク１９内の温水温度を低下させるおそれがあるので、この場合にも前記循環ポンプ２２を停止させるか或いはその回転数を低下させるようにしても良い。

また、前記制御装置３１には、前記温度センサ２５，２６から入力された温度情報などを外部へ出力するための出力端子としての機能を持たせることができる。即ち、前記制御装置３１から出力された前記温度センサ２５，２６の温度情報に基づいて、前記水入口配管２７や温水出口配管２８での温水制御に使用することができる。例えば、温度センサ（Ｔｗ２）２６で検出された温度が予め定めた所定温度（温水供給先での要求温度）以上となった場合には、前記温水出口配管２８に設けた弁（図示せず）を開として温水を供給先に供給し、同時に前記水入口配管２７に設けた弁（図示せず）も開として、前記貯温水タンク１９内に水を補給するように制御することができる。

また、前記温度センサ２５，２６からの温度情報を、前記制御装置３１から、外部の表示装置や、排熱回収システム全体を制御する後述する制御装置３２などに出力することもできる。

３２は図１に示す油冷式ガス圧縮機における排熱回収システム全体を制御する制御装置で、この制御装置３２は、前記貯温水タンクユニット２３内、或いは前記圧縮機ユニット２０内に設けられている。そして、この制御装置３２には、前記温度センサ（ＴＯ）１２で検出された油温度の情報及び前記温度センサ（Ｔｗ２）２６で検出された貯温水タンク１９内の温水温度の情報が入力され、前記温度センサ１２で検出された温度が、前記温度センサ２６で検出された温度以下となった場合、前記循環ポンプ２２を停止させる、或いはその回転数を下げるように制御する。

なお、この制御装置３２には前記温度センサ（ＴＡ）１１で検出された圧縮ガス温度の情報も前記制御装置３０を介して入力可能に構成されているので、この温度センサ１１で検出された温度が、前記温度センサ２６で検出された温度以下となった場合に、前記循環ポンプ２２を停止させる、或いはその回転数を下げるように制御しても良い。

また、前記制御装置３２には、前記温度センサ（ＴＡ）１１、前記温度センサ（ＴＯ）１２、前記温度センサ（Ｔｗ２）２６から入力された温度情報を外部に出力するための出力端子としての機能を持たせることもできる。

前記圧縮機ユニット２０が停止状態や無負荷運転状態の場合、前記排熱回収熱交換器１０で受け取れる排熱回収熱量は少量である。また、前記貯温水タンク１９内の温水温度よりも前記排熱回収熱交換器１０での油配管を流れる油の温度の方が低い場合、前記循環回路を流れる熱媒体を介して前記貯温水タンク１９内の熱が前記排熱回収熱交換器１０へ移動してしまうので、排熱回収率を悪化させる。

これに対し、本実施例では、上述したように、温度センサ（ＴＯ）１２或いは温度センサ（ＴＡ）１１で検出された温度が、温度センサ（Ｔｗ２）２６で検出された温度以下となった場合、前記循環ポンプ２２を例えば停止させるように制御する。従って、本実施例によれば、排熱回収率の悪化を防止することが可能となる。

また、前記制御装置３２から外部に出力された前記温度情報を基にして、前記水入口配管２７や温水出口配管２８の制御に使用することもできる。即ち、温度センサ（ＴＯ）１２或いは温度センサ（ＴＡ）１１の検出温度が温度センサ（Ｔｗ２）２６の検出温度以下となった場合、貯温水タンク１９内の温水の更なる温度上昇は望めないので、この場合にも、温水出口配管２８に設けた前記弁を開として温水を活用し、水入口配管２７に設けた前記弁も開いて水を貯温水タンク１９内に補給するようにしても良い。

なお、図１に示す実施例では、前記制御装置３２により、排熱回収熱交換器１０で熱交換される油または圧縮ガスの温度が、温水温度センサ２６で検出された貯温水タンク内の温水温度以下の場合に、前記循環用ポンプ２２を停止させるかその回転数を低下させるように制御する例について述べたが、次のように制御しても良い。

即ち、前記制御装置３２により、排熱回収熱交換器１０で熱交換される油または圧縮ガスの温度が、前記熱媒体温度センサ２５で検出された温度以下の場合に、前記循環用ポンプ２２を停止させるかその回転数を低下させるように制御しても良い。
即ち、前記温水温度センサ２６は貯温水タンク１９の上方の温度を検出しているので、通常は、前記熱媒体温度センサ２５で検出される温度は前記温水温度センサ２６で検出される温度とほぼ近い温度になっている。従って、前記熱媒体温度センサ２５で検出された温度を用いて制御しても、前記温水温度センサ２６を用いて制御した場合とほぼ同様の効果が得られる。

また、前記圧縮機本体３が停止状態や無負荷運転状態の場合で、貯温水タンク１９内の温水温度が、沸き上げ途中の状態では、貯温水タンク１９内の温水温度が上方で高く、下方では低くなっている。このため、水対水熱交換器２４で熱媒体は低温の水とも熱交換するため、熱媒体入口配管１７を流れる熱媒体温度は温水温度センサ２６で検出される温度よりも低下している。この状態では排熱回収熱交換器１０内での油や圧縮ガスの温度が前記温水温度センサ２６で検出された温度よりも低い場合もありうる。しかし、このような状態であっても、前記熱媒体温度センサ２５で検出される温度が前記油温度センサ１２或いはガス温度センサ１１で検出される温度より低い場合には、排熱回収をしていることになるので、循環ポンプ２２の駆動を継続した方が良い。

一方、前記油温度センサ１２或いはガス温度センサ１１で検出される温度が、前記熱媒体温度センサ２５で検出される温度より低い場合には、熱媒体側から油或いは圧縮ガス側に熱移動させることになるので、この場合には循環ポンプ２２を停止させる。このように制御することにより、排熱回収率を向上することができる。

また、本実施例では、前記制御装置３２は、温度センサ（ＴＯ）１２或いは温度センサ（ＴＡ）１１の検出温度と、温度センサ（Ｔｗ２）２６または温度センサ（Ｔｗ１）２５の検出温度を比較して制御する例を説明した。しかし、前記吐出温度センサ（Ｔ１）５で検出された温度情報も前記制御装置３０を介して前記制御装置３２に入力されるように構成されているので、前記温度センサ（ＴＯ）１２或いは温度センサ（ＴＡ）１１の代わりに、前記吐出温度センサ（Ｔ１）５の検出温度を用いて前記の制御をすることもでき、このようにしてもほぼ同様の効果を得ることができる。更に、前記温度センサ５、１１、１２の全ての検出温度を用いて制御すれば、より精度の高い制御が可能となる。

なお、本実施例では、前記温水温度センサ（Ｔｗ２）２６を貯温水タンク１９の上部に１個だけ設置した例を示したが、前記温水温度センサ２６の設置位置は上部に限られず例えば中央部付近に設置するようにしても良い。好ましくは、前記水対水熱交換器２４よりも上部に設置すると良い。また、前記温水温度センサ２６を貯温水タンク１９内の上下方向に複数個設置し、これら複数の温度センサを用いて制御すれば、より排熱回収率を向上させることのできる排熱回収システムとすることも可能となる。

また、前記吐出温度センサ５で検出された温度が、前記油温度センサ１２または前記ガス温度センサ１１の少なくとも何れかで検出された温度よりも低い場合には、前記排熱回収熱交換器１０で熱交換される前記油または前記圧縮ガスの温度が、前記貯温水タンク１９内の温水温度よりも低くなっていると考えられる。従って、制御装置３２は、吐出温度センサ５で検出された温度が、油温度センサ１２またはガス温度センサ１１の少なくとも何れかで検出された温度よりも低い場合には、排熱回収熱交換器１０で熱交換される油または圧縮ガスの温度が、貯温水タンク１９内の温水温度よりも低くなっていると判定し、前記循環用ポンプ２２を停止させるかその回転数を低下させるようにしても良い。

図２は図１に示す油冷式ガス圧縮機における排熱回収システムにおいて、圧縮機本体３から吐出される圧縮ガス温度を約１００℃（図２には「吐出温度９９℃」と表記）とし、排熱回収熱交換器１０に冷却水を何度も循環させるのではなく、１度だけ通水したときの、冷却水量と、通水した冷却水の排熱回収熱交換器出口での温度上昇との関係の試験結果を示す線図である。

図２の試験結果を利用し、本実施例１による具体的な排熱回収熱交換器１０での温度上昇の効果について説明する。この試験結果は、図１に示す排熱回収システムにおいて、貯温水タンク１９が存在しない排熱回収システムで試験を行った結果である。横軸は排熱回収熱交換器１０への冷却水量を示し、縦軸は排熱回収熱交換器１０を通過後の温水の温度上昇を示す。また、線図は、前記排熱回収熱交換器１０における油配管７側（オイルクーラＯＣ側）と、ガス配管８側（エアクーラＡＣ側）とを合せた排熱回収によって得られた冷却水の温度（温度上昇）を示すものである。

図２から分かるように、冷却水量を絞るほど高い温水温度を得られるが、冷却水量が２Ｌ／ｍｉｎ以下では、排熱回収熱交換器１０の能力の限界によって、冷却水量を更に絞っても温水温度を上昇させることができず、温水温度の上昇は８０℃で限界となる。つまり、排熱回収熱交換器１０への通水が１回限りの場合（即ち、１パス通水の場合）、圧縮機本体出口を約１００℃になるよう設定した油冷式スクリュー圧縮機（この例では２２ｋＷの容量のものを使用）からの排熱回収によって得られる温水の温度は８０℃までの温度上昇が限界である。

これに対して、図１に示す油冷式ガス圧縮機における排熱回収システムの場合、貯温水タンク１９と排熱回収熱交換器１０の間を、循環配管１７，１８を介して、水（温水）を何度でも循環させるため（１回限りの通水ではなく何度も循環させるマルチパス通水であるため）、貯温水タンク１９内の温度を、最終的には圧縮機吐出温度に近い温度、例えば約９３℃まで上昇させることが可能となる。即ち、同じ条件での前記１回限りの通水（１パス通水）の場合に比較して、１０℃以上温度が高い約９３℃の高温の温水を得ることができる。また、排熱回収熱交換器１０への通水が１回限りの場合、圧縮機の負荷率が低いと得られる温水温度も低下する。しかし、圧縮機は基本的に負荷率に関係なく吐出温度を保つことが可能であるから、上記本実施例の構成とすることにより、圧縮機の負荷率に関係なく、要求温度の温水供給が可能となる。

図３は図１に示す油冷式ガス圧縮機における排熱回収システムにおいて、圧縮機本体３から吐出される圧縮ガス温度を約７８℃とし、排熱回収熱交換器１０に冷却水を何度も循環させるのではなく、１度だけ通水したときの、冷却水量と、通水した冷却水による排熱回収率との関係の試験結果を示す線図である。

図３は、図２と同様に、図１に示す排熱回収システムにおいて、貯温水タンク１９が存在しない排熱回収システムで試験を行った結果である。横軸は排熱回収熱交換器１０への冷却水量を示し、縦軸は排熱回収熱交換器１０への冷却水の通水による排熱回収率を示している。また、線図は、前記排熱回収熱交換器１０における油配管７側（オイルクーラＯＣ側）と、ガス配管８側（エアクーラＡＣ側）とを合せた排熱回収による排熱回収率を示している。ここで、排熱回収率とは、排熱回収熱交換器１０で受け取った熱量を圧縮機の総合入力で割った値であり、排熱回収率が高いほど圧縮機排熱を有効活用していることになる。

図３から分かるように、冷却水量を絞るほど排熱回収率が低くなり、前述した図２において、最高温水温度を確保できる冷却水量２Ｌ／ｍｉｎでは、図３に示すように、排熱回収率は１０％程度しかなく、排熱回収の効率が非常に悪いことがわかる。つまり、１回の通水のみで温水を生成する場合で、ある程度高温の温水が求められる場合、冷却水量を絞る必要があるので、排熱回収率は非常に低くなってしまう。

逆に、冷却水量を多くしていくと、ある程度の冷却水量以上（図３では１０Ｌ／ｍｉｎ以上）では、排熱回収率を８０％近くまで上昇させることができ、またそれ以上に冷却水量を増やしても、排熱回収率をそれ以上は上昇できないが高い値に維持できる。即ち、図３の試験結果で言えば、冷却水量を１０Ｌ／ｍｉｎ以上（例えば２０Ｌ／ｍｉｎ）とすることにより、高い排熱回収率での熱交換をさせることができる。従って、図１に示す本実施例において、この冷却水量（例えば２０Ｌ／ｍｉｎの循環水量）に設定することにより、高温の温水が得られるだけでなく、排熱回収率も高い排熱回収システムとすることができる。

次に、本発明を、温水による洗浄設備に適用した場合の適用事例を説明する。この洗浄設備の適用事例は、従来、ヒータが５ｋＷのもの２個を備えていてこれに通電することで、３００Ｌの水を２０℃から８０℃以上まで上昇させ、その得られた温水により洗浄を行うようにした設備である。ここで、ヒータ通電の熱量が全て水の温度上昇に使用されたとして計算すると、８０℃以上まで温度上昇するのに要する時間は２時間程度となる。しかし、実際の設備では、当然のことながら熱が大気に逃げるため、２．５時間以上の通電で、水を目標温度８０℃以上の温水に上昇させていた。更に、１日８時間の作業中も、温水を８０℃以上にキープさせるため、５ｋＷのヒータのオン、オフを繰返していた。これらにより、従来は、合計４７ｋＷｈ程度の電力を消費していた。

上記の温水による洗浄設備への本発明の適用事例を説明する。前記洗浄設備の横には、容量が２２ｋＷの油冷式のスクリュー空気圧縮機ユニット（空冷タイプ）が従来から設置されていた。そこで、この圧縮機ユニットの排熱を利用して、前記洗浄設備で使用される温水を製造するシステムを検討し、図１に示すような排熱回収システムとして、温水を製造した。図１に示す貯温水タンク１９から排熱回収熱交換器１０への水（温水）の循環量を２０Ｌ／ｍｉｎとした。

これにより、図３で説明したように、８０％もの高い熱回収率が得られ、３００Ｌの水を２０℃から８０℃以上まで上昇させるのに要する時間は１２０分（２時間）となり、従来のヒータを使用していたものより３０分早く目標温度に到達させることができた。また、８０℃の目標温度到達後も、圧縮機排熱により目標温度８０℃以上をキープすることができたため、従来のヒータを利用していたときの使用電力量が１日あたり４７ｋＷｈであったものを０ｋＷｈにすることができた。また、８０℃以上の高温水を得ることが可能となった。これは、貯温水タンク内の温水を何度も排熱回収熱交換器へ循環させるという本発明の適用により成し遂げられたものであり、排熱回収熱交換器への通水が１回だけのものでは、この温度への到達は困難である。

本発明の油冷式ガス圧縮機における排熱回収システムの実施例２を図４に示す系統図により説明する。この図４において、上記図１と同一符号を付した部分は同一或いは相当する部分であるので、図１に示す実施例１と異なる部分を中心に説明する。

上記実施例１では、貯温水タンク１９内に水対水熱交換器２４を設け、循環回路１７，１８を循環する熱媒体を、前記水対水熱交換器２４に通過させ、前記貯温水タンク１９内の水（温水）と熱交換させるようにした例について説明した。
これに対し、本実施例２では、図１に示す上記水対水熱交換器２４を設けず、前記循環回路１７，１８を循環させる熱媒体を、貯温水タンク１９内の水（水とは温水である場合も含む）にしていることが異なっている。

即ち、貯温水タンクユニット２３の前記貯温水タンク１９内の水をその下部から直接熱媒体入口配管１７に導き、循環ポンプ２２により、排熱回収ユニット２１の排熱回収熱交換器（水冷熱交換器）１０に送るように構成している。前記排熱回収熱交換器１０に送られた前記水（熱媒体）は、該排熱回収熱交換器内の油配管７を流れる高温の油及びガス配管（空気配管）８を流れる高温の圧縮ガスと熱交換されてこれらの油及び圧縮ガスから熱を回収して加熱される。

水に熱を回収されて冷却された前記油と圧縮ガスは、油配管７またはガス配管８を介して下流側に設置されている空冷熱交換器１３に送られて更に冷却されるように構成されている。また、前記排熱回収熱交換器１０で加熱されて温度の上昇した前記水（温水）は熱媒体出口配管１８を介して、前記貯温水タンク１９に戻される。このようにして、前記貯温水タンク１９内の水は何度も前記排熱回収熱交換器１０へ循環される。従って、貯温水タンク１９内の水の温度を次第に上昇させることができる。

これにより、前記貯温水タンク１９内の水を予め決めた所定の温度まで上昇させることが可能となる。また、空気圧縮機の負荷率が小さくなった場合でもその負荷率に関係なく要求温度の温水供給が可能となるから、温水の要求下限温度がある場合で、更にその要求温度が圧縮機吐出温度より数度しか低くないような場合であってもその要求温度の温水を供給することが可能になる。

本実施例２のように構成しても上記実施例１と同様の効果が得られる。また、本実施例２では、実施例１に示すような水対水熱交換器を設ける必要がないので、構造が簡単となり安価に製作することができる共に、前記水対水熱交換器による熱交換をさせなくて良い分、排熱回収率を向上させることができる。

また、貯温水タンク１９内の最下部から水を導いて排熱回収熱交換器１０で熱交換させることができるから、貯温水タンク１９内の最も低い温度の水と圧縮機からの高温の油と圧縮ガスとを熱交換させるので、排熱回収率を更に向上することもできる。
他の構成や制御については上記実施例１と同様であるので、説明を省略する。

以上説明したように、本発明の各実施例によれば、ガス配管８を流れる圧縮ガスと油配管７を流れる油の少なくとも何れかから熱回収するための排熱回収熱交換器１０を備え、更に、この排熱回収熱交換器１０で受け取った熱を温水として貯える貯温水タンク１９と、前記排熱回収熱交換器１０で受け取った熱を前記貯温水タンク１９に移動させるために、熱媒体（水などの流体）を前記排熱回収熱交換器１０と前記貯温水タンク１９との間に循環させる循環回路（循環配管１７，１８）と、この循環回路に設けられた循環用ポンプ２２と、前記排熱回収熱交換器で熱交換される油または圧縮ガスの温度が前記貯温水タンク内の温水温度以下の場合に、前記循環用ポンプを停止させるかその回転数を低下させるように制御する制御装置を備えている。

従って、圧縮機負荷率が低い場合でも要求温度の温水を供給することが可能であり、しかも排熱回収機器からの放熱を抑制して排熱回収率を向上することのできる油冷式ガス圧縮機における排熱回収システムを得ることができる。

即ち、本実施例では、油冷式ガス圧縮機の冷却系統として、主たる第１の冷却系統である空冷熱交換器１３に加えて、第２の冷却系統である排熱回収熱交換器１０を備え、更に圧縮機ユニット２０に貯温水タンクユニット（排熱回収機器）２３を並設して排熱回収システムを構成し、貯温水タンク１９と排熱回収熱交換器１０の間を、循環配管１７，１８を介して、熱媒体（上記実施例では水）を何度でも循環させるようにしている。このため、貯温水タンク１９内の温水を圧縮機出口温度より数℃だけ低い温度（圧縮機出口温度に近い温度）まで上昇させることが可能になる。

油冷式スクリュー圧縮機の出口温度は通常１００℃以下と低いので、その排熱により温水を製造する場合、その温度は熱交換器の限界により更に低くなってしまうが、本実施例を採用することにより、圧縮機出口温度に極めて近い温水温度を得ることができる。

また、前記制御装置は、前記排熱回収熱交換器１０で熱交換される油または圧縮ガスの温度が前記貯温水タンク１９内の温水温度以下の場合に、前記循環用ポンプ２２を停止させるかその回転数を低下させるように制御するので、前記循環回路を流れる熱媒体を介して前記貯温水タンク１９内の熱が前記排熱回収熱交換器１０へ移動して、排熱回収率が悪化するのを抑制することもできる。

更に、本実施例によれば、前記排熱回収熱交換器１０での熱交換量、即ち、前記貯温水タンクユニット（排熱回収機器）２３の稼働状況に関係なく、圧縮機ユニット２０内の空冷熱交換器１３へ送風する冷却ファン１４が回転数制御が可能な構成としているので、圧縮機本体３の出口温度が一定の目標温度になるように制御することが可能である。従って、前記貯温水タンクユニット（排熱回収機器）２３の稼働状況と圧縮機ユニット２０の稼働状況を一致させる必要のない油冷式ガス圧縮機における排熱回収システムを得ることができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。
例えば、上記各実施例では、油冷式ガス圧縮機として油冷式のスクリュー空気圧縮機を例に挙げ説明したが、これには限られず、例えばスクロール圧縮機のような他の方式の圧縮機でも同様に適用できる。

また、油冷式ガス圧縮機で圧縮される媒体も空気には限られず、他のガスを圧縮する圧縮機でも同様に適用可能である。更に、駆動源もモータ以外の他の駆動源、例えばエンジンやタービンなどでも良い。

また、上述した実施例では、油冷式ガス圧縮機における排熱回収システムを、圧縮機ユニット２０、排熱回収ユニット２１及び貯温水タンクユニット２３の３つのユニットを並列に配置して接続した例で説明したが、前記３つのユニットを一体化して１ユニットにしたり、或いは２ユニットの構成とすることも可能である。
また、上記した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

１：吸込フィルタ、２：吸込絞り弁、３：圧縮機本体、４：主モータ、
５：吐出温度センサ（圧縮機本体出口温度センサ）、
６：油分離器（オイルタンク）、
７：油配管、８：ガス配管（空気配管）、
９：温調弁、
１０：排熱回収熱交換器（水冷熱交換器）
１１：温度センサ（ガス温度センサ）（ＴＡ）、
１２：温度センサ（油温度センサ）（ＴＯ）、
１３：空冷熱交換器、１４：冷却ファン、１５：ファンモータ、
１６：オイルフィルタ、
１７，１８：循環配管（循環回路）（１７：熱媒体入口配管、１８：熱媒体出口配管）、
１９：貯温水タンク、
２０：圧縮機ユニット、２１：排熱回収ユニット、
２２：循環ポンプ、
２３：貯温水タンクユニット（排熱回収機器）、
２４：水対水熱交換器、
２５：温度センサ（熱媒体温度センサ）（Ｔｗ１）、
２６：温度センサ（温水温度センサ）（Ｔｗ２）、
２７：水入口配管、２８：温水出口配管、
２９：インバータ、
３０〜３２：制御装置。

Claims (9)

1. 圧縮機本体と、該圧縮機本体から吐出された圧縮ガスから油を分離する油分離器と、この油分離器で油を分離された圧縮ガスを需要先に送るためのガス配管と、前記油分離器で分離された油を前記圧縮機本体に戻すための油配管と、前記ガス配管を流れる圧縮ガスと前記油配管を流れる油の少なくとも何れかから熱回収するための排熱回収熱交換器とを備える油冷式ガス圧縮機における排熱回収システムであって、
   前記排熱回収熱交換器で受け取った熱を温水として貯える貯温水タンクと、
   前記排熱回収熱交換器で受け取った熱を前記貯温水タンクに移動させるために、熱媒体を前記排熱回収熱交換器と前記貯温水タンクとの間に循環させる循環回路と、
   この循環回路に設けられた循環用ポンプと、
   前記排熱回収熱交換器で熱交換される前記油または前記圧縮ガスの温度が前記貯温水タンク内の温水温度以下の場合に、前記循環用ポンプを停止させるかその回転数を低下させるように制御する制御装置を備える
   ことを特徴とする油冷式ガス圧縮機における排熱回収システム。
2. 請求項１に記載の油冷式ガス圧縮機における排熱回収システムであって、
   前記貯温水タンク内の温水温度を検出するための温水温度センサを備え、前記制御装置は、前記排熱回収熱交換器で熱交換される前記油または前記圧縮ガスの温度が、前記温水温度センサで検出された貯温水タンク内の温水温度以下の場合に、前記循環用ポンプを停止させるかその回転数を低下させる
   ことを特徴とする油冷式ガス圧縮機における排熱回収システム。
3. 請求項１に記載の油冷式ガス圧縮機における排熱回収システムであって、
   前記排熱回収熱交換器と前記貯温水タンク間の循環回路の熱媒体温度を検出する熱媒体温度センサを備え、前記制御装置は、前記排熱回収熱交換器で熱交換される前記油または前記圧縮ガスの温度が、前記熱媒体温度センサで検出された温度以下の場合に、前記循環用ポンプを停止させるかその回転数を低下させる
   ことを特徴とする油冷式ガス圧縮機における排熱回収システム。
4. 請求項２または３の何れかに記載の油冷式ガス圧縮機における排熱回収システムであって、
   前記圧縮機本体の吐出側温度を検出する吐出温度センサ、前記排熱回収熱交換器の出口側の前記油温度を検出する油温度センサ、前記排熱回収熱交換器の出口側の前記圧縮ガスの温度を検出するガス温度センサの少なくとも何れかを備え、これら吐出温度センサ、油温度センサ、ガス温度センサの少なくとも何れかで検出された温度が、前記温水温度センサまたは前記熱媒体温度センサの何れかで検出された温度以下の場合に、前記循環用ポンプを停止させるかその回転数を低下させる
   ことを特徴とする油冷式ガス圧縮機における排熱回収システム。
5. 請求項１に記載の油冷式ガス圧縮機における排熱回収システムであって、
   前記圧縮機本体の吐出側温度を検出する吐出温度センサを備えると共に、前記排熱回収熱交換器の出口側の前記油温度を検出する油温度センサまたは前記排熱回収熱交換器の出口側の前記圧縮ガスの温度を検出するガス温度センサの少なくとも何れかを備え、
   前記吐出温度センサで検出された温度が、前記油温度センサまたはガス温度センサの少なくとも何れかで検出された温度よりも低い場合、前記制御装置は、前記排熱回収熱交換器で熱交換される前記油または前記圧縮ガスの温度が前記貯温水タンク内の温水温度以下になっていると判定して、前記循環用ポンプを停止させるかその回転数を低下させる
   ことを特徴とする油冷式ガス圧縮機における排熱回収システム。
6. 請求項１に記載の油冷式ガス圧縮機における排熱回収システムであって、
   前記貯温水タンク内に水対水熱交換器を設け、前記循環回路の熱媒体を前記水対水熱交換器に通過させて貯温水タンク内の水（温水）と熱交換させるように構成していることを特徴とする油冷式ガス圧縮機における排熱回収システム。
7. 請求項１に記載の油冷式ガス圧縮機における排熱回収システムであって、
   前記循環回路を循環させる熱媒体は前記貯温水タンク内の水（温水）であることを特徴とする油冷式ガス圧縮機における排熱回収システム。
8. 請求項１に記載の油冷式ガス圧縮機における排熱回収システムであって、
   前記貯温水タンク内の温水温度を検出するための温水温度センサを備え、前記制御装置は、前記温水温度センサで検出された貯温水タンク内の温水温度が、所定温度（要求最低温度）以上になると、供給先への温水供給が可能になるように構成されていることを特徴とする油冷式ガス圧縮機における排熱回収システム。
9. 請求項１に記載の油冷式ガス圧縮機における排熱回収システムであって、
   前記排熱回収熱交換器の下流側に設けられ、前記ガス配管を流れる圧縮ガスと前記油配管を流れる潤滑油を冷却するための空冷熱交換器と、この空冷熱交換器に冷却風を送る冷却ファンを備え、
   前記冷却ファンは前記圧縮機本体から吐出される圧縮ガスの温度が所定の範囲になるように回転数制御される
   ことを特徴とする油冷式ガス圧縮機における排熱回収システム。

Images