JP2015137639A - 放気部の消音装置および消音装置を備えた圧縮機 - Google Patents

放気部の消音装置および消音装置を備えた圧縮機 Download PDF

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Abstract

【課題】オリフィスで圧縮空気やドレンに含まれる塵によって目詰まりを起こすことなく、圧縮空気とドレンの流体の乱流層を層流層へ近づけるようにして、層流または弱い乱流境界層を保持することにより騒音を低減する。
【解決手段】圧縮機本体から吐出された圧縮空気をクーラで冷却することにより発生するドレンと圧縮空気の流体を放気する放気部の消音装置であって、クーラ内のドレンと圧縮空気を放気部に導くオリフィスを前記ドレン配管に設け、オリフィスを通過したドレンと圧縮空気の流体を整流して外気に放出する細管を複数並行に形成された消音器複数束ねたハニカム構造の消音器を放気部に設けた。
【選択図】図2

Description

本発明は、圧縮機のドレン排出の際の騒音低減を図った放気部の消音装置および消音装置を備えた圧縮機に関するものである。
圧縮機は、吸入した大気(空気)を圧縮機本体により圧縮し、圧縮空気を利用する各種の負荷機器に供給するための装置である。空気中には水蒸気が含まれているが、空気に含有される水蒸気の最大量は温度と圧力によって決まっていて、大気を圧縮すると水蒸気が凝縮し(凝縮水またはドレンという)圧縮した空気を冷却するにしたがって凝縮水またはドレンが増える。そのままの状態で圧縮空気(以下、「湿り空気」という)を負荷機器に供給すると潤滑不良、早期腐食等の不具合を発生させてしまう恐れがある。そのため、圧縮機では、下流側に熱交換器(アフタークーラ)を設けて、湿り空気中の水分等を冷却凝縮して除去することで圧縮空気を除湿しているが、当該アフタークーラで凝縮された水分等(ドレン)は機外に排出しなければならない。
二段のオイルフリー圧縮機では、起動時、負荷・無負荷運転時に、熱交換器(インタークーラ)に発生するドレンが排出されずに溜められている場合、ドレンが圧縮機本体に吸引され不具合が発生するため、ドレン溜りをなくすように圧縮空気とともに常時大気に排出している。また、圧縮機停止時には吐出側から漏洩が生じた場合、熱交換器(アフタークーラ)に発生するドレンが、差圧により圧縮機の最終段側へ逆流し不具合が発生することがある。そのため、オイルフリー圧縮機の熱交換器(インタークーラとアフタークーラ)に発生するドレンは、自動ドレン排出制御弁を介して、圧縮空気とともに常時大気に排出されている。
また、自動ドレン排出制御弁を使用しない場合でも、適切なドレンの排出を確保するために、排出配管に設けた弁を常時微開するか、オリフィスを用いて圧縮空気とともにドレンを常時大気に排出している。そして、オリフィスは、ドレン排出配管の途中に設けられ、圧縮機の性能低下につながらないように排出量を最小限に制限するべく、内径が小さく設定されている。
オリフィス内径を狭めると圧縮空気の排出が少なくなるので、圧縮機の性能低下が防止できるが、反面、圧縮空気やドレンに含まれる塵によって目詰まりを起こし易くなるので、オリフィス内径を詰らないようにある程度の大きさに設定する必要がある。
ところが、目詰まりを起こさない程度の大きさの内径に設定すると、オリフィスを通過した圧縮空気とドレンの混合流体が、ドレン排出配管内で乱流となって排出音が著しく大きくなるという問題点があった。空気圧縮機のドレン排出系統の配管において、ドレン排出の際に大気に放気される圧縮空気は、臨界圧力比(下流圧力/上流圧力≦0.528 乾燥空気)に達するため音速になる。そのため、空気の乱れによる乱流層(レイノズル数≧3000)が生じ、大きな騒音が発生する。
また、自動ドレン排出制御弁を用いた場合、圧縮機の連続負荷運転時にはこの弁が頻繁に開閉することになり、大きな騒音を発することになる。したがって、負荷運転時の騒音にドレン排出時の排出音が加算されることになって騒音が増大し、製品の品質低下につながるなどの問題があった。
特開2004−19443号公報 特開平11−325655号公報
この改善策として、ドレン排出系統にサイレンサー(消音器)を設ける方法がある。特許文献1には、ドレンセパレータの底部にドレン排出装置が設けられ、ドレン排出装置にオリフィスと消音器が設けられ、ドレンが消音器に内蔵するエレメントを通過するように構成されている。また、騒音低減に関するものとして、空気調和機の分野の冷凍サイクルで、配管を流れる冷媒の騒音を低減するために消音器が設けられた構成が特許文献2に示されている。
しかしながら、引用文献1では、通過する圧縮空気やドレンに含まれる塵によって消音器のエレメントが目詰まりを起こし、常時ドレンを放出する場合には長期間の使用に耐えないという問題がある。また、従来からある音波干渉型、膨張型、防音材型、共鳴型のいずれの消音器も、取付スペースが大きくなると共に消音能力に限界があり、さらに、放気量や差圧に応じて消音能力を変えることが容易にできない。また、特許文献2では、消音する対象が冷媒であるため外部(大気)に放出されず、圧縮機のような大きなレベルの騒音を発するものではなく、また冷媒によって目詰まりを起こす等の課題もない。
本発明は、オリフィスが圧縮空気やドレンに含まれる塵によって目詰まりを起こすことなく、圧縮空気やドレンの流体の乱流層を層流層(レイノズル数<3000、整流および均質化し)へ近づけるようにして、層流または弱い乱流境界層を保持することにより騒音を低減することを目的とする。
本発明は、従来の課題を解決するため、圧縮機本体から吐出された圧縮空気をクーラで冷却することにより発生するドレンと圧縮空気の流体を放気する放気部の消音装置であって、
前記クーラ内のドレンと圧縮空気を放気部に導くオリフィスを前記ドレン配管に設け、前記オリフィスを通過したドレンと圧縮空気の流体を整流して外気に放出する細管が複数並行に形成された消音器を前記放気部に設けたことを特徴とする。
前記消音器は細管を連通させて複数直列に接続して構成されても良い。前記消音器は細管の断面が多角形に形成されても、丸形に形成されても良い。前記消音器は各細管の内径が前記オリフィスの内径より大きく設定される。さらに、前記消音器の入口のドレンと圧縮空気の流体のレイノルズ数が3000〜15000であることを特徴とする。
本発明は、従来の課題を解決するため、圧縮機本体と、前記圧縮機本体から吐出された圧縮空気を冷却するクーラと、前記クーラ内のドレンと圧縮空気を導くドレン配管と、前記ドレン配管に連通しドレンと圧縮空気の流体を大気に放出する放気部を備え、
前記ドレン配管にオリフィスを設け、前記放気部に前記オリフィスを通過したドレンと圧縮空気の流体を整流して外気に放出する細管が複数並行に形成された消音器を設けたことを特徴とする。
また、前記圧縮機本体は2段の圧縮器からなり、前記クーラは1段と2段の圧縮機から吐出された圧縮空気をそれぞれ冷却するインタークーラとアフタークーラからなり、前記インタークーラの放気部に一個の消音器を設け、前記アフタークーラの放気部に複数の消音器を直列接続して設けたことを特徴とする。
本発明によれば、圧縮機のクーラ内のドレンと圧縮空気の流体を放気するに際し、オリフィスと細管を複数束ねたハニカム構造の消音器を組合わせた簡単な構成で、流体の放気騒音を効果的に低減することができる。
本発明実施例の圧縮機の内部構成と放気部の接続関係の説明図である。 オリフィスと放気部の接続および消音器の構造を示す説明図である。 直列に2段接続した消音器の説明図である。 細管の断面が多角形の消音器の断面図である。 細管の断面が丸形の消音器の断面図である。 オリフィス内径を変化させた場合の最大流量とレイノルズ数の説明図である。 管の摩擦係数を示すムーディ線図である。
以下、図面を用いて本発明の実施例について説明する。図1は、本発明実施例の圧縮機の内部構成と放気部の接続関係の説明図である。
図1において、1は吸込みから吸込んだ空気を圧縮する1段圧縮機本体、2は1段圧縮機本体1から吐出された圧縮空気を吸い込んで、更に高圧に圧縮する2段圧縮機本体である。1段圧縮機本体1から吐出された圧縮空気はインタークーラ6を経由して冷却された後、2段圧縮機本体2で圧縮され、2段圧縮された空気はアフタークーラ8に供給されて冷却された後、吐出口10から負荷側(図示せず)に供給される。
3はギアを収納するギアケーシング、4は各1段と2段の圧縮機を駆動する増速ギア、5は増速ギアを駆動するモータ、7はアフタークーラ8に供給される圧縮空気の逆止弁、9は吐出口10付近に設けられた安全弁である。
11はインタークーラ6のドレン配管に設けられた逆止弁、12はインタークーラ6のドレン配管に設けられドレンの排出を制御するドレン電磁弁、13はドレン配管14の途中に設けられたオリフィスである。アフタークーラ8についても同様にドレン配管15の途中にドレン電磁弁12とオリフィス13が設けられている。
16はインタークーラ6で発生したドレンを圧縮空気と共に外気(大気)に放気する放気部で、ドレン配管14とドレン配管17を接続することによりインタークーラ16に連通される。18はアフタークーラ8で発生したドレンと圧縮空気の流体を外気(大気)に放気する放気部で、ドレン配管15とドレン配管19を接続することによりアフタークーラ8に連通される。
上記構成において、アフタークーラ8内の圧縮空気は1段と2段の圧縮機本体により圧縮されるので、アフタークーラ8内のドレンと圧縮空気の流体の圧力は、1段の圧縮機本体により圧縮されるインタークーラ6内の圧縮空気とドレンの流体の圧力より大きな圧力(約2倍以上の圧力)となる。
図1は圧縮機として2段の圧縮機本体を用いているが、1段(単段)の圧縮機本体を用いることもできる。この場合、図1の2段の圧縮機本体2、アフタークーラ8および放気部18で構成される。
図2に、オリフィスと消音器からなる消音装置を示し、インタークーラ6に接続される放気部16について説明する。図1と同一部分には同一符号を付して示す。ドレン配管14の途中に内径を絞ったオリフィス13が設けられ、ドレン配管14と放気部16側のドレン配管17を接続することで、ドレン管14を放気部16に連通させる。
21は放気部16内に設けられた流体の浄化フィルタ、22は浄化フィルタを通過した流体が流れ込む圧力室である。なお、浄化フィルタ21は無くとも良い。23は圧力室22から直線に延びる複数の細管、24はこの細管23を複数並行に形成されたハニカム構造の消音器である。各細管23は、両端が開口しており、一方端が圧力室22に臨んで開口して他方端が外気に開口し、圧力室22から流入した流体を層流となるように案内し、外気に放出する。
消音器24を構成する各細管23は、図4に示すように断面が多角形(六角形)29、または、図5に示すように断面が丸形(円形)30に形成される。消音器24は流体の流れ方向の寸法がL(円筒径の2倍以上)の円筒形に形成され、円筒形の内部に軸方向に複数の細管23が形成される。消音器24は、例えばSLS(Selective Laser Sintering)の技法により、粉末状の樹脂素材をレーザによって選択的に溶融して焼結させ、3Dプリンタで立体的に積層することで、外径が円筒形で内部に複数細管23がハニカム構造に形成される。
L1は複数の細管23が実質的に配列される領域の直径で例えばφ23に設定され、L2は六角形の細管23の開口幅で例えば2.4mmに設定され、L3は壁厚で例えば0.35mmに設定され、S1は細管の断面積で例えば5.09mmに設定される。細管の断面積S1は直径L1の外周付近でより小さな面積となる。上記寸法設定において、全細管の断面積の開口率(各細管の断面積の合計/直径L1の円の面積)は例えば75%以上となる。この開口率は、細管の断面が丸型と比べ六角形の場合、より大きくすることができる。また、細管の断面が丸型の場合、強度が強くなるので、壁厚を薄くすることができる。
上記構成によれば、各細管23の内径(断面開口幅)は2.4mmで、前記オリフィス13の内径(例えばφ1.7)より大きく設定される。したがって、オリフィスを通過したごみ等の大きさが1.7mmより小さなものとなるので、通過したごみ等が細管23で詰ることはない。
次に、図2を用いて、インタークーラ6内の圧縮空気とドレンの流体が放気部16から放気される場合について説明する。オリフィス13から出力される乱流を含む流体がドレン配管14、17を流れ、ドレン配管17から浄化フィルタを経由して圧力室22に流れ込む。流体は圧力室22に臨んで開口する各細管23の一方端から分流し、各細管内で層流となって流れ、他方端の開口から外気に放出される。上記寸法の消音器24によれば、細管23の他方端の開口のレイノルズ数は、ドレン配管17(オリフィス13の出口)でのレイノルズ数の約半分となる。
このように、本実施例ではオリフィス13および消音器24によって、放気部16の消音装置が構成され、オリフィス13の内径と消音器を構成する細管の寸法の組み合わせによってはじめて、インタークーラからのドレンと圧縮空気の流体の騒音を低減するものである。
図3に消音器を2段接続した例を示す。消音器24と同一寸法で同一構造の2個の消音器26、27をフランジ28で直列に接続して構成する。接続部分では両消音器の2組の細管同士が直列に連通して接続され、細管の長さが消音器24の細管の2倍の長さとなる。ドレンと圧縮空気の流体は、2倍の長さの細管を流れるので、層流効果は一層大きくなり、1段目の消音器でレイノルズ数が約半分に低減され、2段目の消音器でさらにその約半分のレイノルズ数に低減される、従って、消音器27の出口のレイノルズ数は、1段目の消音器26の入口(オリフィス13の出口)のレイノルズ数の約1/4に低減される。消音器26、27は、直列に接続された状態で放気部18内に設けられる。
前述したように、アフタークーラ8で発生する圧縮空気は2段に圧縮されているので、インタークーラ6で発生するドレンと圧縮空気の流体の圧力より大きな圧力(約2倍以上の圧力)となり、大きな騒音の原因となる。このため、消音効果の大きい図3の消音器は、アフタークーラ8の放気部18に設けられる。
なお、前述したように、1段(単段)の圧縮機本体で圧縮機を構成する場合、図1の2段の圧縮機本体2、アフタークーラ8および放気部18をもちいるが、圧縮機の吐出圧力が1段分の圧力なので、消音器は図2に示す1段の消音器24で良い。
このように、アフタークーラ8の関係では、オリフィス13およびと消音器26、27によって放気部18の消音装置が構成され、オリフィス13の内径と消音器26、27を構成する細管の寸法の組み合わせによってはじめて、アフタークーラ8からのドレンと圧縮空気の流体の騒音を低減するものである。
図1において、モータ5が駆動されると、ギア4を介して1段と2段の圧縮機本体1、2が駆動される。1段の圧縮機本体1で圧縮された圧縮空気はインタークーラ6で冷却されるが、この冷却で凝縮された水分等のドレンがインタークーラ6の底部に溜まる。このドレンは適切に排出する必要があり、ドレン配管14を伝わって流れ、ドレン電磁弁12の開放制御により放気部16からドレンと圧縮空気の流体が外気(大気)に放出される。
1段の圧縮機本体1で圧縮されインタークーラ6を経由した圧縮空気は、さらに2段の圧縮機本体2で圧縮されアフタークーラ8で冷却される.この冷却で凝縮された水分等のドレンがアフタークーラ8の底部に溜まる。このドレンはドレン配管15を伝わって流れ、ドレン電磁弁12の開放制御により放気部18からドレンと圧縮空気の流体が外気(大気)に放出される。
この圧縮空気の放気量が大きいとドレンが良く排出されるが、反面、圧縮機の圧縮性能を低下させる。従って、圧縮性能低下を抑えるために、ドレン配管14の途中に設けられたオリフィス13によって、ドレンと圧縮空気の流体の放気を制限する。放棄を制限されたオリフィス13から流体を直接外気に放気すると、流体に乱流層が生じて大きな騒音を発生する。このため、オリフィス13の内径は、圧縮機の性能低下の防止と、騒音低減の観点から小さな寸法に設定されることが良い。しかし、オリフィス13の内径は、絞り過ぎると塵によって目詰まりを起こす恐れがあるので、適切な寸法設定が必要である。
図6はオリフィスの内径を変化させた場合の、インタークーラとアフタークーラからのドレンと圧縮空気の流体のオリフィスから吐出する最大流量と、レイノルズ数の説明図である。クーラからのドレン排出時に圧縮空気の大気への放出量をなるべく低減することと、効率よく層流にして騒音低減を図る場合では、インタークーラ6からの大気放気量を65%以上低減しなければならない。これを達成するには、ドレン配管14のオリフィス13の径(内径)をφ1.0に設定すると、レイノズル数が2640となって層流(Re<3000)となるので、騒音の低減が期待できる。
しかし、このオリフィス内径では、ごみによるオリフィスの目詰り等の問題で採用することができず、また、ドレンの排出量が少なくて、実用的な排出量を確保することができない。オリフィス13の径(内径)をφ0.7に設定するとレイノズル数が1294に減少して、より徹底した層流となり騒音が一層低減できるが、上記問題点により採用できない。
本実施例では、インタークーラ6とアフタークーラ8のドレン配管14、15のオリフィス13の内径を共にφ1.7に設定している。この内径はオリフィスの目詰り等の問題を起こすことがなく、また、ドレンの実用的な排出量を確保することができる。そして、インタークーラ6のオリフィス13の出口の流体についてみると、レイノルズ数が7631であり、また、アウタークーラ8のオリフィス13の出口の流体についてみるとレイノルズ数が14604である。なお、オリフィスが無い場合のφ12は、ドレン配管14、15、17、19の内径を指している。
次に上記した内径φ1.7のオリフィスを用いたドレン配管に、消音器内蔵の放気部を接続した場合を説明する。インタークーラ6に接続された放気部16には消音器24が内蔵される。前述したように、消音器24の出口のレイノルズ数は、消音器24の入口側(オリフィス13の出口)のレイノルズ数と比べて約半分となる。従って、オリフィス13の出口流体のレイノルズ数が7631の場合、消音器24の出口のレイノルズ数が約3815となる。このレイノルズ数3815は、層流に近い弱い乱流であって騒音が低減される。騒音レベルでは100dB(A)から90dB(A)に、10dB(A)以上の低減が可能である。
ここで、消音器24の効果が発揮できるのは、消音器24の入口側(オリフィス13の出口)のレイノルズ数が約3000〜7631である。すなわち、レイノルズ数が約3000以下では層流のため騒音が小さく消音器を設置する必要がないので、レイノルズ数が約3000以上で用いるのが良く、図6に示すレイノルズ数が7631までが効果が発揮できる。
アフタークーラ8に接続された放気部18には消音器26、27が内蔵され、前述したように、消音器27の出口のレイノルズ数が、1段目の消音器26の入口側(オリフィス13の出口)のレイノルズ数と比べて、約1/4となる。図6に示すように、アウタークーラ8のオリフィス13の出口流体のレイノルズ数が14604の場合、消音器26、27による流体の層流効果により消音器27の出口のレイノルズ数が3651となる。このレイノルズ数3651は、層流に近い弱い乱流であって騒音が低減される。騒音レベルでは100dB(A)から90dB(A)に、10dB(A)以上の低減が可能である。
ここで、消音器26、27の効果が発揮できるのは、消音器26の入口側(オリフィス13の出口)のレイノルズ数が約3000〜15000である。すなわち、レイノルズ数が約3000以下では層流のため騒音が小さく消音器を設置する必要が無いので、レイノルズ数が約3000以上で用い、約15000(測定値14604)までが効果が発揮できる。
従って、インタークーラ6とアフタークーラ8のいずれも、消音器入口側のドレンと圧縮空気の流体のレイノルズ数が3000〜15000が最も効果を発揮でき、騒音レベルでは100dB(A)から90dB(A)に、10dB(A)以上の低減が可能である。
また、本実施例によれば、部品数の増加を最小限に抑え、簡単な構成とすることにより、容易に加工することができる消音器が得られる。そして本実施例によれば、ドレンが排出される際に放気された空気が乱流状態となって流れる場合や、排出量が多い場合でも、オリフィスの口径やサイレンサーを直列に設けることで効果的に排出量を抑制し排出音を低減することができる消音器が得られる。
そして本実施例によれば、自動的にドレン排出制御弁を介して常時排出、または弁を常時微開するかオリフィスを用いたドレン排出状態の変動に影響されることなく、排出音の低減や排出量を抑制することのできる消音器が得られる。従来技術である、(1)音波干渉型(2)膨脹型(3)防音材(4)共鳴型等と比較すると、本実施例は、より低騒音化、コンパクト化が可能になり、消音器の取り付けスペースを省くことができ、製造コストを低減できるという効果がある。また、本実施例は、放気する差圧、排出量および時間に応じて細管の数、長さを増減して使い分けられるという利点がある。
消音器とオリフィスの組み合わせで、流れる流体のレイノズル数を3000〜15000範囲として約10dB(A)以上の効果が期待できる。
1…1段の圧縮機本体、2…2段の圧縮機本体、6…インタークーラ、8…アフタークーラ、10…吐出し口、12…ドレン制御弁、13…オリフィス、14、15、17、19ドレン配管、16、18…放気部、23…細管、24、25、26…消音器、L2…細管の内径、13、24…消音装置、13、25、26…消音装置。

Claims (13)

  1. 圧縮機本体から吐出された圧縮空気をクーラで冷却することにより発生するドレンと圧縮空気の流体を放気する放気部の消音装置であって、
    前記クーラ内のドレンと圧縮空気を放気部に導くオリフィスを前記ドレン配管に設け、前記オリフィスを通過したドレンと圧縮空気の流体を整流して外気に放出する細管が複数並行に形成された消音器を前記放気部に設けたことを特徴とする放気部の消音装置。
  2. 請求項1に記載の放気部の消音装置において、
    前記消音器は細管を複数直列に連通させて接続して構成されたことを特徴とする放気部の消音装置。
  3. 請求項1または2に記載の放気部の消音装置において、
    前記消音器は細管の断面が多角形に形成されたことを特徴とする放気部の消音装置。
  4. 請求項1または2に記載の放気部の消音装置において、
    前記消音器は細管の断面が丸形に形成されたことを特徴とする放気部の消音装置。
  5. 請求項1から4のいずれか一項に記載の放気部の消音装置において、
    前記消音器は各細管の内径が前記オリフィスの内径より大きく設定されたことを特徴とする放気部の消音装置。
  6. 請求項1から5のいずれか一項に記載の放気部の消音装置において、
    前記消音器の入口のドレンと圧縮空気の流体のレイノルズ数が3000〜15000であることを特徴とする放気部の消音装置。
  7. 圧縮機本体と、前記圧縮機本体から吐出された圧縮空気を冷却するクーラと、前記クーラ内のドレンと圧縮空気を導くドレン配管と、前記ドレン配管に連通しドレンと圧縮空気の流体を大気に放出する放気部を備え、
    前記ドレン配管にオリフィスを設け、前記放気部に前記オリフィスを通過したドレンと圧縮空気の流体を整流して外気に放出する細管が複数並行に形成された消音器を設けたことを特徴とする消音装置を備えた圧縮機。
  8. 請求項7に記載の消音装置を備えた圧縮機において、
    前記消音器は細管を連通させて複数の消音器を直列接続して構成されたことを特徴とする消音装置を備えた圧縮機。
  9. 請求項7または8に記載の消音装置を備えた圧縮機において、
    前記消音器は細管の断面が多角形に形成されたことを特徴とする消音装置を備えた圧縮機。
  10. 請求項7または8に記載の消音装置を備えた圧縮機において、
    前記消音器は細管の断面が丸形に形成されたことを特徴とする消音装置を備えた圧縮機。
  11. 請求項7から10のいずれか一項に記載の消音装置を備えた圧縮機において、
    前記消音器は各細管の内径が前記オリフィスの内径より大きく設定されたことを特徴とする消音装置を備えた圧縮機。
  12. 請求項7から11のいずれか一項に記載の消音装置を備えた圧縮機において、
    前記消音器の入口のドレンと圧縮空気の流体のレイノルズ数が3000〜15000であることを特徴とする消音装置を備えた圧縮機。
  13. 請求項7に記載の消音装置を備えた圧縮機において、
    前記圧縮機本体は2段の圧縮器からなり、前記クーラは1段と2段の圧縮機から吐出された圧縮空気をそれぞれ冷却するインタークーラとアフタークーラからなり、前記インタークーラの放気部に一個の消音器を設け、前記アフタークーラの放気部に複数の消音器を直列接続して設けたことを特徴とする消音装置を備えた圧縮機。
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