JP2014206082A - 水潤滑スクリュー圧縮機 - Google Patents

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Abstract

【課題】樹脂ロータを用いた水潤滑スクリュー圧縮機の起動時に、ロータ間へ外部から加圧給水を行うと、水の消費や水道水に含まれるカルシウム、マグネシウム等のイオンの析出によるロータの損傷やフィルタの目詰まりの課題があった。【解決手段】上記課題を解決するために、圧縮機のロータ及びメカニカルシールに給水をする給水配管、またはドライヤの凝縮水を圧縮機の吸入ポートへ回収する凝縮水回収配管の圧縮機の給水部より高い位置に貯水器を設け、貯水器下部と圧縮機の吸入ポート及びメカニカルシールの給水部とを接続する起動時給水配管と電磁開閉弁を設けた。【選択図】図1

Description

本発明は、起動時に樹脂ロータへの給水を可能とする水潤滑スクリュー圧縮機に関するものである。
水潤滑スクリュー圧縮機はケーシングと、雄・雌一対のスクリューロータで形成される圧縮室に水を噴射することで、オイルフリー圧縮機としてクリーンな空気が得られると共に、従来用いられているドライスクリュー圧縮機に比べて冷却効果とシール効果が優れているで、吐出空気温度が低く低回転数で高性能である。
そのため、今後、市場での普及が見込まれるが、水を噴射することでケーシング及びロータの防錆が必要である。ケーシングには耐食性の高いブロンズが用いられることが多い。ロータも同様に、耐食性の高いブロンズロータを用いることもあるが、ブロンズロータはロータ同士の潤滑が困難なことからタイミングギヤを設けてロータ同士を非接触駆動としている。ロータに水での潤滑性の良い樹脂を用いるとロータ同士直接駆動することが可能で、タイミングギヤが不要となる。
樹脂ロータで直接駆動するとロータ間隙間も小さくでき、性能向上が可能である。また、タイミングギヤを用いないとタイミングギヤの油潤滑機構も不要となるため、軸受室周りの構造も簡単になる。
そこで、樹脂ロータを用いる場合、運転中は水タンクを兼ねた水セパレータ内の空気圧により、水タンク内の水が水セパレータよりも低圧な圧縮機の圧縮室へ、その差圧により供給される。しかし、起動時には水セパレータ内の圧力が無いため、運転開始後に水セパレータ内の圧力が圧縮機の水供給部の圧縮室よりも高くなるまで、水が供給されず、樹脂ロータは最悪の場合、乾燥した状態のまま無潤滑で回転する。通常、水潤滑圧縮機の吐出圧力が定格の0.7MPaまで上昇するのに5〜10秒かかる。
また、ロータの軸受に転がり軸受を用い、跳ねかけによる油潤滑を行った場合、軸受室から圧縮室側への油漏れを防止するために、各ロータの軸受室の圧縮室側には軸封のためにリップシールを用いている。さらに、ロータ軸の圧縮室の吸入側端部には圧縮室に噴射された水が軸受室側へ漏洩するのを防止するためにリップシールを用いている。吐出側端部については圧縮室と軸受室との間の差圧が大きいので、メカニカルシールを用いている。そのため、メカニカルシールの固定部材と回転部材の摺動部にも潤滑および冷却のために運転中は水セパレータと、メカニカルシールの給水部との差圧によって給水をしている。
しかし、起動時にはロータ間と同様に水セパレータ内の圧力が無いため、吐出空気により水セパレータ内の圧力が上昇するまでは給水はされない。そのため、起動時には樹脂ロータの給水部及び、メカニカルシールの摺動部へ水セパレータ内の水タンクからの給水以外の水噴射方法を設ける必要があった。
起動時に水潤滑スクリュー圧縮機の給水部へ水を供給する方法として、例えば特許文献1による外部の加圧給水配管を用いて、その配管中に設けた電磁開閉弁を開閉させて樹脂ロータ間とメカニカルシール部へ給水する方法がある。
特開2000−45947号公報
特許文献1に有る外部の加圧給水配管を用いてロータ間とメカニカルシール部へ給水する方法を図6に示す。外部の加圧給水配管32は第1電磁開閉弁29を介して、その先で2方向に分岐しており、一方は吸入ポートの開口部からロータ間へ水を供給するための吸入ポート給水配管12に接続し、他方はメカニカルシールの摺動部へ給水するための配管である第2メカニカルシール給水配管11bへ接続されている。圧縮機の起動ボタンを押すと、一定時間(例えば3秒間)外部加圧給水配管32に設けた第1電磁開閉弁29を開にして給水し、起動後に第1電磁開閉弁29を閉にして給水を停止する。この場合、起動ごとに外部加圧給水配管32から水を給水するために、起動時の外部(例えば水道水)からの給水により水潤滑圧縮機の使用期間全体では多量の水を消費する課題があった。
また、外部加圧給水配管32として水道水を用いた場合、給水部に付着した水道水が乾燥すると溶融しているカルシウム、マグネシウム等のイオンが析出して固形物を生成し、これらの固形物がロータ間やメカニカルシールの摺動部に噛み込まれると摺動部の損傷、摩耗の原因となる課題があった。さらに、これらの析出した固形物が循環水と共に給水配管16を流れると給水配管中に設けた水フィルタ20に付着し、目詰まりを起こすため、水フィルタの交換頻度が増す課題があった。
さらに、起動時の給水量が多すぎるとロータ内に充填された水で液圧縮を生じ、起動不可能となる課題があった。
本発明は、上記課題を解決するために考案されたもので、本発明の目的は、外部からの給水量を節約することと、水道水に含まれるカルシウムやマグネシウム等のイオンの析出で生じる固形物の噛み込みによるロータやメカニカルシールの損傷、摩耗を防止することと、給水過多による液圧縮で生じる起動不可を防止することにある。
上記課題を解決するために、本発明は給水配管において、圧縮機の給水位置よりも高い位置に貯水器を設け、貯水器の上部に給水配管の貯水器入口管及び貯水器出口管を配置すると共に、貯水器の下部に、圧縮機の吸入ポート及びメカニカルシールの給水部へ接続する電磁開閉弁を有する起動時給水配管を設けた。
また、吐出配管に設けたドライヤの凝縮水回収配管において、圧縮機の給水位置よりも高い位置に貯水器を設け、貯水器の上部に凝縮水回収配管の貯水器入口管及び貯水器出口管を配置すると共に、貯水器の下部に、圧縮機の吸入ポート及びメカニカルシールの給水部へ接続する電磁開閉弁を有する起動時給水配管を設けた。さらに、貯水器の上部側面に貯水器への入口配管及び出口配管を設けた。また、上記起動時給水配管に設けた電磁開閉弁を設定時間に基づき開・閉動作を行う制御装置を設けた。
本発明による樹脂ロータ間及びメカニカルシールの摺動部への起動時給水方法によれば、内部で循環する水を貯水しておき、起動時に給水するので起動の度に外部から給水を行うことがなく、水道水の消費量を低減できる。
また、水セパレータ内の循環水及びドライヤの凝縮水を供給するので、外部から供給される水道水に含まれるカルシウムやマグネシウム等のイオンの析出物によるロータの噛みあい部やメカニカルシールの摺動部への噛み込みによる損傷や摩耗及び短期間での水フィルタの目詰まりを防止できる。さらに起動時の給水量を制御できるため、起動時の給水過多で生じるトルク増加による起動不可や、粘性の増加で生じる給水不足を退避できる利点がある。
本発明の実施例1を示すユニット配管系統図である。 本発明の実施例2を示すユニット配管系統図である。 本発明の実施例3を示す貯水器の配管図である。 本発明の実施例4を示す給水量の調節方法を示すフローパターン図である。 水潤滑スクリュー圧縮機の構造を示す水平方向断面図である。 従来の給水系統を示すユニット配管系統図である。
本発明の実施例1を説明する。図5に水潤滑スクリュー圧縮機の構造を示す。水潤滑スクリュー圧縮機1は一対の雄ロータ5aと雌ロータ5bが吸入側軸端部は円筒コロ軸受7で支持され、吐出側軸端部は組み合わせアンギュラ軸受6で支持されており、互いに噛み合った状態でケーシング36に収納されている。軸受は吸入側と吐出側に各々設けた油溜まりに充填した油を、軸に設けた跳ねかけ部材44の回転によって軸受隙間に跳ねかけることで潤滑をしている。ケーシング36には吸入ポート2と吐出ポート45が設けられており、吸入ポートから吸入した空気は雄ロータと雌ロータとで形成する圧縮室へ充填され、ロータの回転と共に圧縮室の容積が減少することで圧縮される。その後、ロータの回転により圧縮室が吐出側端面方向へ移動し、吐出室に開口することで圧縮室内の空気は吐出ポート45へ吐出される。
この圧縮工程において、圧縮室がケーシング36に設けられた給水位置へ達したとき、ロータインジェクション配管10から供給された水が給水位置に設けられた水噴射穴から圧縮室へ噴射される。その後は空気と水が一緒に圧縮されて吐出ポート45から一緒に吐出される。ロータの吸入側軸に設けた軸受7のロータ側にはリップシール9を設けており、軸受室の油がロータ側へ混入するのを防いでいる。また、ロータの吸入端面側にはロータに噴射された水が軸受室へ漏洩して潤滑油に混入するのを防ぐためにリップシール9が設けられている。ロータの吸入側端部は吸入ポートを形成しており、圧力が高くならないのでリップシールによる軸封が可能である。
ロータの吐出側軸に設けた軸受6のロータ側には同様にリップシール9を設けて、軸受室の油がロータ側へ混入するのを防いでいる。また、ロータの吐出端面側にはロータに噴射された水が圧縮空気と一緒に軸受室へ漏洩するのを防ぐために、メカニカルシール8が設けられている。ロータの吐出端面側は吐出圧に近い圧力がかかっているため、リップシールではガス圧力によりリップに損傷を生じる可能性がある。メカニカルシール8はハウジングに固定される固定部材と軸に取り付けられ軸と共に回転する回転部材がシール面で摺動することで、シールをしている。そのため、運転中は第1メカニカルシール給水配管11aからの給水により、メカニカルシールのシール面は潤滑されている。吸入ポート2へ開口した吸入ポート給水配管12は起動時にロータ間へ給水するための配管である。第2メカニカルシール給水配管11bは同様に、起動時にメカニカルシールの摺動部へ給水するための配管である。
次に、図6を用いて従来技術による起動時のロータ間及びメカニカルシール部への給水方法を説明する。水潤滑スクリュー圧縮機1は雄ロータの軸端に直結したモータ13で駆動され、吸入フィルタ3と吸入アンローダ4を備えた吸入ポート2から大気中の空気を吸入し、ロータ溝で形成される圧縮室で圧縮され、途中、ロータインジェクション配管10から噴射された水と共に吐出ポートから吐出される。吐出された空気と水は吐出流路43で旋回されながら水潤滑スクリュー圧縮機下部に設けた水セパレータ14内へ流入し、水と空気が分離される。水は水セパレータ14内の下部の水タンク15に貯留され、運転中は水セパレータ内の圧力により、水タンク15の水が給水配管16を通って、圧縮機ユニット35の上部に配置した水クーラ21で冷却ファン22により許容温度以下に冷却された後、水フィルタ20を通過して混入物をろ過した後、ロータインジェクション配管10から圧縮機の圧縮室へ給水される。ロータインジェクション配管10は途中で分岐して、第1メカニカルシール給水配管11aに接続されており、第1メカニカルシール給水配管11aからメカニカルシールの摺動部へ給水を行う。
圧縮された空気は水セパレータ上部の吐出配管24から吐出され、調圧逆止弁25で設定圧を超えた圧力になると吐出される。その先はドライヤ27に接続されており、圧縮空気は冷却されて露点温度の飽和蒸気圧まで水分は凝縮され、乾燥した圧縮空気が圧縮空気供給ラインから吐出される。ドライヤで凝縮した凝縮水はドライヤのタンクに貯えられ、定期的にドライヤのタンクに設けた排水管から、排水管に設けた電磁開閉弁39の開閉動作により排水される。
ここで、従来の起動時のロータ間とメカニカルシールの摺動部への給水方法を説明する。通常は水道水配管を用いることが考えられる。水タンク15の補給用に設けた外部加圧給水配管32は第1電磁開閉弁29を介して水潤滑スクリュー圧縮機1の吸入ポート2へ接続した吸入ポート給水配管12と、メカニカルシールの摺動部へ給水する第2メカニカル給水配管11bに接続している。
起動時に、第1電磁開閉弁29を開にして、ロータ間及びメカニカルシールの摺動部へ給水を開始し、一定時間経過後に第1電磁開閉弁29を閉にした後、水潤滑スクリュー圧縮機を起動する。
したがって、本方法によると、起動ごとに外部からの給水を行うために、水道水を用いた場合、水の消費量が増加する。また、水道水にはカルシウムやマグネシウム等のイオンが含まれ、給水部にはこれらのイオンが析出し、析出物がロータの噛み合い部やメカニカルシールの摺動部に噛み込まれて、損傷や摩耗の原因となることがある。
さらに、給水量が過多の場合、起動時に液圧縮を生じ、起動不可となることがある。
本発明の実施例1について図1を用いて詳細に説明する。水潤滑スクリュー圧縮機1の水セパレータ14の下部の水タンク15に貯水された水は運転中、水セパレータ内の圧力により水タンク15に接続された給水配管16を通って、圧縮機ユニット35の上部に設けた水クーラ21で許容温度以下に冷却された後、水潤滑スクリュー圧縮機1の給水部よりも高い位置に設けた貯水器18の上部に接続された水クーラ出口配管17の先の貯水器入口管31から貯水器18内に流入し、貯水器18を満たす。さらに、貯水器18の上部には貯水器出口配管23が接続されており、貯水器18をオーバーフローした水は貯水器出口配管23を通って水フィルタ20で混入物をろ過した後、水潤滑スクリュー圧縮機1のロータインジェクション配管10からロータ間へ給水される。
また、ロータインジェクション配管10は手前で分岐して第1メカニカル給水配管11aに接続しており、メカニカルシールの摺動部へ給水を行う。ロータ間に給水された水は圧縮空気と一緒に吐出ポートから吐出され、旋回する吐出流路43により水セパレータ14内で空気と分離され、水セパレータ内の下部の水タンク15に溜まる。水を分離された空気は水セパレータ14の上部に接続された吐出配管24から吐出され、調圧逆止弁25により設定圧以上の圧力になると吐出される。通常、設定圧は0.5MPaとしている。その先でドライヤ27を通過し、吐出空気中のミスト状の水分は露点温度まで凝縮され、除湿された空気は吐出ラインへ吐出される。ドライヤ27の凝縮水タンクには凝縮水回収配管19を設けており、第4電磁開閉弁40を介して水潤滑スクリュー圧縮機1の吸入ポート2に接続されている。ドライヤ27の凝縮水は第4電磁開閉弁40を制御装置37からの信号で定期的に開閉することで、大気圧より低い圧力の吸入ポートへ吸引される。吸入ポート2へ吸引された凝縮水はロータの圧縮室へ充填され、その後、吐出ポートから水セパレータ14へ吐出され、圧縮機を循環する。
起動時は貯水器18の下部に接続した起動時給水配管30の先の第2電磁開閉弁33を開にすることで、運転中に充満している貯水器18の水がその先に接続する吸入ポート給水配管12と第2メカニカルシール給水配管11bから、各々ロータ間とメカニカルシールの摺動部へ落差エネルギーにより給水を行う。
通常、起動時に必要な給水量は、試験結果から5リットル/分位である。水セパレータの圧力が上昇して圧力により給水を開始するまでの時間は5〜10秒なので、起動時に必要な給水時間を得るための貯水器の容積は約1リットル以上あれば良い。また、貯水器18と水潤滑スクリュー圧縮機1の給水部との落差を1mとすると、起動時の給水配管径は内径が約5mmあれば良い。また、圧縮機ユニット35には水タンク15の水が不足した際に補給するための外部加圧給水配管32を設けており、第1電磁開閉弁29を介して、吸入ポート2に接続されている。
運転中に水セパレータ14の水タンク15の水位が基準範囲よりも低下した時は第1電磁開閉弁29を制御装置37により開にすることで外部加圧給水配管32(水道水配管)の水が圧縮機の吸入ポート2から吸入され、最終的には水セパレータ14の水タンク15に充填される。
本発明によれば運転中に貯水器18内に水が充填され、停止時にも水は維持されるため、起動時に貯水器18内の水を圧縮機のロータ間及びメカニカルシールの摺動部へ供給可能である。
したがって、起動時の度に外部加圧給水配管(水道水配管)32から給水する必要が無く、水の消費を節約できる。また、水タンク15内の水を供給するため、水道水を用いた場合のようなカルシウムやマグネシウム等のイオンの増加も無く、給水部でイオンの析出による析出物が生成され、ロータ間やメカニカルシールの摺動部へ噛み込まれることで、損傷や摩耗の発生することが無くなる。
さらに、貯水器18からの給水は落差エネルギーによるため、給水の配管径を適切に設定しておけば、給水過多によるロータの液圧縮も起こらず、起動不可となることも無い。また、貯水器18を圧縮機の給水部よりも高い位置へ配置すれば、起動時にロータ間やメカニカルシールの摺動部へ給水が可能なため、図1に示すような水クーラを圧縮機ユニットの上部へ配置しなくても良く、他の機器も含めて、レイアウトの自由度が増す。
また、貯水器18からの起動時給水配管30は運転中の給水配管である貯水器出口配管23とは別に設けているので、起動後、第2電磁開閉弁33を閉にすることで、運転中に加熱された水が吸入ポートから吸入されることが無く、性能低下を生じない。なお、水潤滑スクリュー圧縮機は運転中に、吸入空気よりも高温の水を吸入ポートから供給すると、吸入時に加熱されて空気密度が低下することから、性能が低下する傾向が見られる。
実施例2を図2を用いて説明する。図2は圧縮機ユニット35の給水及び吐出配管系は図1に示す実施例と同じであり、同じ部分には同じ番号を記している。図2の特徴は起動時に給水する貯水器18を吐出配管に設けたドライヤ27の凝縮水回収配管19に設けていることに有る。ドライヤの凝縮水タンクに接続した凝縮水回収配管19はその先で貯水器入口管31として、圧縮機の給水部よりも高い位置に設けられた貯水器18の上面で接続されており、貯水器18の上面に取り付けられた貯水器出口配管23は第4電磁開閉弁40を介して、圧縮機の吸入ポート2に接続した吸入ポート給水配管12に接続している。吸入ポート給水配管12は吸入ポート2の接合部の前で分岐して、第2メカニカルシール給水配管11bにも接続している。また、貯水器18の下部には第2電磁開閉弁33を介して吸入ポート給水配管12と接続する起動時給水配管30を設けている。
運転中は起動時給水配管30の第2電磁開閉弁33と、貯水器出口配管23の第4電磁開閉弁40を閉にしておくと、ドライヤ27で凝縮した凝縮水が貯水器18に溜まるので、液面が上面に達するタイミングで貯水器出口配管23の第4電磁開閉弁40を開にすることで、凝縮水は圧縮機の吸入ポート2へ回収される。
貯水器18のオーバーフローした凝縮水を回収したタイミングで貯水器出口配管23の第4電磁開閉弁40を閉とすることで、吐出空気の漏洩は防止可能である。圧縮機が停止した時には貯水器18内に凝縮水が満たされているので、起動時に起動時給水配管30の第2電磁開閉弁33を開にすることで、貯水器18内の凝縮水が吸入ポート給水配管12を通って圧縮機の吸入ポート2へ給水され、第2メカニカル給水配管11bを通ってメカニカルシールの摺動部へ給水される。
起動後は起動時給水配管30の第2電磁開閉弁33を閉とすることで、通常のドライヤ27の凝縮水回収動作となる。
本発明によれば、起動時の度に外部加圧給水配管32から水を供給することがないので水の節約になる。また、凝縮水を利用することでカルシウムやマグネシウム等のイオンの析出を防止でき、ロータ間やメカニカルシールの摺動部の損傷や摩耗の発生を防止できる。また、実施例1と同様に給水過多によるロータ内の液圧縮で起動不可となることも無い。
実施例3を図3を用いて説明する。図3は貯水器18に水を充満させるための他のオーバーフロー構造を示す。貯水器18への入口管である水クーラ出口配管17の先の貯水器入口管31と貯水器出口配管23を貯水器18の側面上部に接合しており、貯水器入口管31から流入した水は貯水器18を満たし、水面が貯水器出口配管23の位置に達する。それ以上流入した水は貯水器出口配管23から流出する。したがって、停止した時点では常に貯水器18の上面まで水が満たされ、起動時の給水が可能である。
実施例4を図4を用いて説明する。図4は貯水器18からの給水量の制御方法を示す。起動条件や、温度により粘度が変化する場合に、電磁開閉弁を起動時間の間、開にしておかず、一定時間で開閉を繰り返すことで給水量を制御可能である。この場合、起動時間tallの間、全て開とするよりも給水量は低下するため、給水配管の径を例えば最大流量が得られる寸法にしておき、給水量を電磁開閉弁の開時間t1と閉時間t2の比率で設定することとする。
1 水潤滑圧縮機
2 吸入ポート
3 吸入フィルタ
4 吸入アンローダ
5 スクリューロータ
5a 雄ロータ
5b 雌ロータ
6 吐出側軸受
7 吸入側軸受
8 メカニカルシール
9 リップシール
10 ロータインジェクション配管
11a 第1メカニカルシール給水配管
11b 第2メカニカルシール給水配管
12 吸入ポート給水配管
13 モータ
14 水セパレータ
15 水タンク
16 給水配管
17 水クーラ出口配管
18 貯水器
19 凝縮水回収配管
20 水フィルタ
21 水クーラ
22 冷却ファン
23 貯水器出口配管
24 吐出配管
25 調圧逆止弁
26 水クーラ入口配管
27 ドライヤ
29 第1電磁開閉弁
30 起動時給水配管
31 貯水器入口管
32 外部加圧給水配管
33 第2電磁開閉弁
34 放気管開閉弁
35 圧縮機ユニット
36 ケーシング
37 制御装置
38 信号線
39 第3電磁開閉弁
40 第4電磁開閉弁
43 吐出流路
44 跳ねかけ部材
45 吐出ポート

Claims (4)

  1. 雄雌一対の樹脂スクリューロータが両端を軸受で支持され、スクリューロータの吐出側端面と吐出側軸受室との間をメカニカルシールでシールされて、吸入ポートと吐出ポートを有するケーシング内に収納され、水セパレータ内の水タンクに貯留する水を圧縮機の圧縮室とメカニカルシールの摺動部に供給する給水配管を有し、前記吐出ポートと前記水セパレータとを接続する吐出流路を有する水潤滑圧縮機において、前記給水配管の間で圧縮機の給水位置よりも高い位置に、貯水器を設けると共に、貯水器の上部上面に貯水器への入口配管及び出口配管を設け、貯水器の下部に圧縮機の吸入ポート及びメカニカルシールの給水部へ接続する起動時給水配管と、起動時給水配管の間に電磁開閉弁を設けた水潤滑スクリュー圧縮機。
  2. 雄雌一対の樹脂スクリューロータが両端を軸受で支持され、スクリューロータの吐出側端面と吐出側軸受室との間をメカニカルシールでシールされて、吸入ポートと吐出ポートを有するケーシング内に収納され、水セパレータ内の水タンクに貯留する水を圧縮機の圧縮室とメカニカルシールの摺動部に供給する給水配管を有し、前記吐出ポートと前記水セパレータとを接続する吐出流路を有し、水セパレータの水と空気とが分離された上部空間に接続され、ドライヤを通過した後、圧縮空気の吐出ラインへ接続する吐出配管を有する水潤滑圧縮機において、前記ドライヤと前記圧縮機の吸入ポートを接続する凝縮水回収配管を設け、前記凝縮水回収配管の間の圧縮機の給水位置よりも高い位置に貯水器を設けると共に、貯水器上部の上面に貯水器への入口配管及び出口配管を設け、貯水器の下部に圧縮機の吸入ポート及びメカニカルシールの給水部へ接続する起動時給水配管と、起動時給水配管の間に電磁開閉弁を設けた水潤滑スクリュー圧縮機。
  3. 上記請求項1または2のいずれかにおいて、前記貯水器の上部側面に貯水器への入口配管及び出口配管を設けた水潤滑スクリュー圧縮機。
  4. 上記請求項1または2に記載の水潤滑スクリュー圧縮機において、起動時給水配管は最大流量が得られる配管径とし、起動時給水配管の電磁開閉弁は制御装置で設定した時間でオン・オフすなわち開閉動作を行い、起動時の給水量を制御可能とする水潤滑スクリュー圧縮機。
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