JP2014145325A - 空気圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】
ドレン排出不良に係る課題を解決して信頼性の向上を図るとともに、省エネ性の向上を図った空気圧縮機を提供する。
【解決手段】
空気を圧縮する圧縮機本体と、この圧縮機本体からの圧縮空気が流通する圧縮空気流通経路と、この圧縮機流通経路上に設けられ圧縮機本体からの圧縮空気を冷却する熱交換器と、圧縮空気流通経路から分岐して外部に連通し、熱交換器で冷却された圧縮空気から凝縮したドレンが流通するドレン配管６２とを備える空気圧縮機であって、ドレン配管６２にドレンに混入する異物を除去するストレーナ６５を設ける。このストレーナ６５より下流側に開閉弁６６を、上流側にドレン配管６２内の圧力を検出する圧力センサ４１をそれぞれ備え、ドレンの排出不良を解決する。
【選択図】図１

Description

本発明は空気圧縮機に関する。

空気を圧縮し冷却した後に発生するドレンを排出する機構を持った空気圧縮機として、特許文献１に記載のものなどがある。この公報には、ドレン排出回路において「ストレーナ４２と絞り４１間には，この位置におけるドレン排出回路４０内の圧力を検知する圧力検知手段（第１圧力検知手段）５２を設けている」とし（例えば段落００４６参照）、「前記絞りと前記ストレーナ間における前記流体回路内の圧力が，前記ストレーナが目詰まりを生じていない状態における圧力未満の所定圧力に設定した基準圧力以下となったとき，前記ストレーナに目詰まりが生じていると判定する」とある（例えば請求項１参照）。

特開2007-231740号公報

空気圧縮機の一例として二段階で空気を圧縮するオイルフリースクリュー圧縮機を挙げてドレン排出に係る構造及び作用を説明する。二段階で空気を圧縮するオイルフリースクリュー圧縮機においては、低圧段側圧縮機本体で所定の圧力まで圧縮して高温となった圧縮空気を高圧段側圧縮機本体まで圧送する前に中間冷却器で一旦中間冷却を行うため、ここで凝縮水（ドレン）が発生する。したがって、このドレンが高圧段側圧縮機本体へ混入しないように、ドレンセパレータ等のドレン分離装置でドレンを除去する必要がある。特許文献１では、発生したドレンを除去するために分岐回路（特許文献１における「ドレン排出回路４０」）を設けてドレンを外部に排出する機構を有するものとなっている。

この分岐回路においてドレンを外部へ排出する機構として、ストレーナ、絞り（オリフィス）、及び、弁が設けられる。この分岐回路は一端が大気開放になるように構成し、外部にドレンを含んだ圧縮空気を排出している。ここでストレーナとオリフィス間に圧力センサ等の圧力検出手段を設け、ストレーナとオリフィスの間における圧力を検出する。そして、ある基準圧力との対比においてストレーナの目詰まりを判断して制御信号を出力するようにしている。

しかし、特許文献１の例はストレーナの目詰まりを検出するものであり、それ以外の部分、例えば、オリフィスの目詰まりや配管の目詰まり、あるいは、外部配管の施工不良等があった場合は、ストレーナとオリフィス間の圧力は低下しないため、異常を検出できない等の状況も生じ得る。このため、ドレンの排出部分の全般に係る不良や不具合等に関し、空気圧縮機の信頼性を低下させる懸念があった。

また、この分岐回路は圧縮空気の供給回路と外気とを連通するにも関らず、常時微開の状態であるため、常に圧縮空気が外部に流出するという問題もある。このとき、空気圧縮機として省エネ上の課題が生じてしまうことになる。

本発明の目的は、上記課題に鑑みてなされたものであり、いわゆるドレン排出不良に係る課題を解決して信頼性の向上を図るとともに、省エネ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に、本発明の空気圧縮機は、空気を圧縮する圧縮機本体と、この圧縮機本体からの圧縮空気が流通する圧縮空気流通経路と、この圧縮機流通経路上に設けられ前記圧縮機本体からの圧縮空気を冷却する熱交換器と、前記圧縮空気流通経路から分岐して外部に連通し、前記熱交換器で冷却された圧縮空気から凝縮したドレンが流通するドレン配管と、このドレン配管に設けられ、ドレンに混入する異物を除去するストレーナと、前記ドレン配管において前記ストレーナより下流側に設けられる開閉弁と、前記ドレン配管において前記ストレーナより上流側に設けられ、前記ドレン配管内の圧力を検出する圧力センサとを備えたものとした。

本発明によれば信頼性及び省エネ性の向上を図った空気圧縮機を提供することができる。

空気圧縮機の系統図。 図１に示すドレン排出部の詳細構成を説明する図面。 電磁弁動作指令と圧力を示す図。

以下、本発明の空気圧縮機の具体的実施例を、図面を用いて説明する。なお、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は本実施形態の空気圧縮機を示す系統図である。図１の例は、圧縮機本体内にスクリューロータを備えたスクリュー式の圧縮機を２台用いた二段式を採用し、冷却方式を水冷式とした水冷式二段オイルフリースクリュー圧縮機を示している。

本実施形態に係る水冷式二段オイルフリースクリュー圧縮機は、一段目の低圧段側圧縮機本体３と二段目の高圧段側圧縮機本体４を有し、低圧段側圧縮機本体３と二段目の高圧段側圧縮機本体４との間にインタークーラ５、高圧段側圧縮機本体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。また、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。これらの各構成３、４、５、７及びこれら各構成を接続する配管が圧縮空気経路を形成している。

なお、本実施形態における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ないため、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やすい。したがって、製品の信頼性上、ドレンの処理が特に重要となっている。

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低圧段側圧縮機本体３、二段目の高圧段側圧縮機本体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。低圧段側圧縮機本体３及び高圧段側圧縮機本体４は１台の主モータ１０によりギヤ９を介して駆動される。モータ１０が起動され、圧縮機本体３、４が駆動されると図中に白抜き矢印で示すように、圧縮空気経路上に空気が流通する構造となっている。

すなわち、モータ１０が駆動されると、外部の空気は吸入管路を介して、低圧段側圧縮機本体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を通って低圧段側圧縮機本体３に吸い込まれる。この低圧段側圧縮機本体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）は一段目吐出管路によりインタークーラ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、このチューブ内を流れる際に、当該チューブの外側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を通って高圧段側圧縮機本体４に吸い込まれる。

低圧段側圧縮機本体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、高圧段側圧縮機本体４に吸込まれる。

高圧段側圧縮機本体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、吐出管路を通ってアフタークーラ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。アフタークーラ７へ流入した圧縮空気は、チューブ内を流れる際に、当該チューブの外側を流れる冷却水により、例えば「冷却水温＋約１３℃」に冷却され、その後吐出管路を介して、圧縮空気の需要元に供給される。

なお、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、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。すなわち、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デミスタ１３によって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。

アフタークーラ７もインタークーラ５とほぼ同様に構成されており、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、別の冷却系統もさらに存在する。圧縮空気経路とは隔離されて流通する潤滑油の循環経路に存在し、圧縮機本体３、４の軸受部分やギヤ９を潤滑する潤滑油を冷却するために水冷式のオイルクーラ１４が設けられている。図中では潤滑油の循環経路は示していないが、ギヤ９を収納するギヤボックス１１とオイルクーラ１４との間を連結する潤滑油配管が存在している。

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、インタークーラ５に流れる第１の経路、アフタークーラ７に流れる第２の経路及びオイルクーラ１４に流れる第３の経路に別れる。

第１の経路は、第１の冷却水配管５８を介してインタークーラ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、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高圧段側圧縮機本体４を冷却し、その後冷却水出口配管から圧縮機ユニット５０外に排出される。

第２の経路は、第２の冷却水配管５９を介してアフタークーラ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、低圧段側圧縮機本体３に設けられている冷却ジャケット部を通って低圧段側圧縮機本体３を冷却し、その後冷却水出口配管から圧縮機ユニット５０外に排出される。

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

既に述べたように、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出口ヘッダ６ｂに流入して、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。

ここでインタークーラ５側ドレン排出部（注：図１左下のＡ部）についてより詳細に説明する。

図２は図１に示すＡ部の詳細構成を説明する図面である。ドレン排出部はドレン配管６２に逆止弁６４、Ｙ形ストレーナ６５、電磁弁６６、オリフィス６７という順で構成され、末端のドレン排出口が大気開放になっている。さらに圧力センサ４１をＹ形ストレーナ６５の上流かつ直前（すなわち、目詰まり検出対象物の上流直前）に配置する。

ここでドレン排出部の各構成の目的について説明する。

逆止弁６４の設置の目的は、圧縮機の運転がアンロードとなった際に、低圧段圧縮機出口の配管部が負圧になるため、Ａ部から外気が圧縮空気経路に流入するのを防止するためであり、したがって、ドレン排出部のどの位置に設けてもよい。

ストレーナ６５は下流に配置した電磁弁６６やオリフィス６７への異物混入を防止するためのものである。したがって、電磁弁６６、オリフィス６７より上流側に設ける必要がある。

電磁弁６６は制御部４２によって開閉が制御される開閉弁であり、ドレン排出部の開放／閉塞を目的として設けられている。開閉制御の態様については後述するが、ストレーナ６５より下流に設けられることは上述の通りである。オリフィス６７はドレンが混じった圧縮空気の排出量を調整するものであり、必要に応じて設けられる。排出量の調整の必要がない場合には省略しても差し支えない。

これらの基本構成に加え、本実施形態では、さらにストレーナ６５上流に三方切替弁６８とこの三方切替弁６８から分岐して各構成６５〜６７をバイパスするバイパス配管６９を設けている。ストレーナ６５清掃時には三方切替弁６８を切替え流れ方向をバイパス配管６９側へ変更できるように構成している。

上記の構成において、ドレンの排出不良が生じると、インタークーラ５で生じたドレンが高圧段側圧縮機本体４に圧縮空気と共に吸い込まれる。圧縮機本体内にドレンが流入すると、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。

ドレンの排出不良の原因としては、ストレーナ６５の目詰まり、電磁弁６６の動作不良、オリフィス６７の目詰まり、ドレン配管の施工不良等ドレン排出が正常に行われない場合が想定される。

なお、アフタークーラ７に関しても、インタークーラ５同様にドレンが発生する。このため、インタークーラ５部同様にドレン排出部（図１左上のＢ部）を設ける。ただし本実施形態の構造上、この部位はアンロード時に負圧にならないため、Ａ部のように逆止弁を設ける必要はない。ここでドレン排出不良が起こると、直接圧縮機ユニット５０内機器には影響を与えないが、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とになる。したがって、Ａ部の開閉弁６６と同様の制御が行われる。

次に電磁弁６６の開閉制御について説明する。図３は電磁弁６６動作指令と圧力センサ４１で検出される圧力を示す図である。ここではインタークーラ５のドレン排出部（Ａ部）を例に説明する。

ドレン排出は常時開放状態とする方法が一般的だが、常時開放状態とするとそれだけ圧縮空気を外部に捨てることになるため、省エネの観点から電磁弁等を用いて間欠排出としたほうがよい。本実施形態では電磁弁６６を開閉制御することで間欠排出を行うものとしている。

電磁弁６６は制御部４２からの信号により、時間ｔ１（ここでは例えば２秒）の間は開状態となり、時間ｔ２（ここでは例えば３０秒）の間は閉状態となるように開閉を繰り返すように制御されている。目詰まり等の不具合が生ぜず、正常排出がされていれば圧力センサ４１部の圧力は図３に実線で示すａ（正常排出時）のようになる。

しかし、ストレーナ６５の目詰まり等、下流側のいずれかで目詰まりが生ずると次のようになる。すなわち、電磁弁６６が開状態となっても、ストレーナ６６が閉塞されていると大気開放とならないため、圧力センサ４１で検出される圧力は破線ｂ（排出不良時）のように変化が無くなる。したがって、電磁弁６６への開信号出力時に圧力が降下しない場合に、排出不良と判断し、圧縮機の制御部の表示部に警報表示したり、故障と判断して圧縮機の主モータ１０を停止させる等の制御を行う。

目詰まりによる排出不良の検出の原理は上記の通りであるが、正常排出時でも圧力変化は小さいため、正常異常の誤判定防止のため、例えば、ある時間条件（規定時間ｔ３）を設け、当該時間ｔ３内に電磁弁６６への複数回の開信号出力を発し、当該開信号出力回数Ｎ１と圧力降下回数Ｎ２を比較し、圧力降下回数Ｎ２があらかじめ設定した回数Ｎ０（Ｎ１より小さい回数）以下の場合のみ、排出不良と判断する等の措置を講じてもよい。なお、アンロード時はインタークーラ５側のドレン配管部（Ａ部）は負圧となりドレンが発生しないため、インタークーラ５側で行う判定はロード時のみとする等の措置を講じておくとよい。

ここで使用する電磁弁６６は、通電時開形のものを使用しても、電磁弁６６の故障により作動しない場合は閉状態となり、圧力変化はしないため、排出不良と判定することができる。

以上説明した本実施形態によれば次の効果が得られる。

まず、常時微開状態のドレン排出部を用いずに構成したことにより省エネ上有利な構成を提供することができる。

また、背景技術において述べた構成例において、仮に絞り（オリフィス）部分に電磁弁を設けて省エネ性向上を図ったとしても、この場合は電磁弁が動作不良を起こし閉状態になった場合に異常判断手段がないが、本実施例ではこれをも解決可能である。

すなわち、上述した構成及び制御を採用することにより、ストレーナ６５の目詰まりを判断するだけでなく、電磁弁６６の故障時、オリフィス６７の目詰まり、顧客配管施工等に起因するドレンの排出不良等、各態様の不良全般を検出することができ、製品信頼性の向上に寄与することができる。

さらには、圧力センサ４１が故障した場合の故障検出も容易である。すなわち、本実施例においては圧力センサ４１がストレーナ６５の上流側に取り付けられているため、圧力センサ４１は圧縮空気の圧力を常に検出する（図３に示す例では通常は０．２ＭＰａを検出している）。したがって、正常時はセンサが圧縮機の運転状態に応じた圧力検出を実施しており、圧力センサ４１の故障の有無の判断も容易に行うことができる。

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、上記した実施例は本発明を分かりやす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。また、実施例の構成の一部を他の構成に置き換えることや省略が可能であり、また、実施例の構成に他の構成を加えることも可能である。

例えば、スクリュー式の圧縮機ドレン排出が必要となる空気圧縮機であればよいため、水冷式を空冷式とする等の冷却方式の変更や、多段式を単段式とする等の圧縮段階の変更、さらには、オイルフリー式を給油式とする等、スクリュー方式をスクロール式等の他の圧縮方式に変更する等、様々な態様の実施例が想定される。

３：低圧段側圧縮機本体、４：高圧段側圧縮機本体、５：インタークーラ、６ａ：入口ヘッダ、６ｂ：出口ヘッダ、７：アフタークーラ、８ａ：入口ヘッダ、８ｂ：出口ヘッダ、４２：圧力センサ、６２：ドレン配管、６４：逆止弁、６５：ストレーナ、６６：電磁弁、６７：オリフィス、６８：三方切替弁、６９：バイパス配管。

Claims (8)

1. 空気を圧縮する圧縮機本体と、
   この圧縮機本体からの圧縮空気が流通する圧縮空気流通経路と、
   この圧縮機流通経路上に設けられ前記圧縮機本体からの圧縮空気を冷却する熱交換器と、
   前記圧縮空気流通経路から分岐して外部に連通し、前記熱交換器で冷却された圧縮空気から凝縮したドレンが流通するドレン配管と、
   このドレン配管に設けられ、ドレンに混入する異物を除去するストレーナと、
   前記ドレン配管において前記ストレーナより下流側に設けられる開閉弁と、
   前記ドレン配管において前記ストレーナより上流側に設けられ、前記ドレン配管内の圧力を検出する圧力センサとを備えた空気圧縮機。
2. 請求項１に記載の空気圧縮機において、
   前記開閉弁の開時の前記圧力センサで検出した圧力検出値が、閉時の圧力検出値と比較して、低くならない場合に排出不良と判断することを特徴とする空気圧縮機。
3. 請求項２に記載の空気圧縮機において、
   規定時間内に発した開信号出力回数と、前記圧力センサで検出した圧力検出値の降下回数とを対比し、圧力降下回数が前記開信号出力回数より少ない場合に排出不良と判断するよう制御することを特徴とする空気圧縮機。
4. 請求項１に記載の空気圧縮機において、
   前記開閉弁を通電時に開、非通電時に閉となるよう制御することを特徴とする空気圧縮機。
5. 請求項１に記載の空気圧縮機において、
   前記圧縮機本体内にスクリューロータを備えたことを特徴とする空気圧縮機。
6. 請求項１に記載の空気圧縮機において、
   前記圧縮空気流通経路に潤滑油を含まないオイルフリー式であることを特徴とする空気圧縮機。
7. 請求項１に記載の空気圧縮機において、
   前記熱交換器は冷却水と圧縮空気との熱交換を行う水冷式であることを特徴とする空気圧縮機。
8. 請求項１に記載の空気圧縮機において、
   前記圧縮機本体は、低圧段圧縮機本体と高圧段圧縮機本体の２つの圧縮機本体で構成され、前記ドレン配管は前記低圧段圧縮機本体と前記高圧段圧縮機本体との間に設けられる熱交換器で冷却された圧縮空気から凝縮したドレンが流通するものであることを特徴とする空気圧縮機。

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