JP2018025166A - 空気圧縮システム - Google Patents

Abstract

【課題】吐出される圧縮空気の温度を下げて、アフタークーラの設置を省略可能な空気圧縮システムを提供する。【解決手段】水添加式の圧縮機２と、セパレータタンク３と、水クーラ５とを備える。セパレータタンク３は、圧縮機２からの吐出流体を気水分離し、気相部に圧縮空気送出路１１が接続される一方、液相部に圧縮機２への添加水戻し路４が接続される。水クーラ５は、添加水戻し路４に設けられ、添加水を冷凍機１５で冷却する。蒸発器１９での冷媒の蒸発温度を温度センサ２７で監視し、その検出温度に基づき冷媒圧縮機１６を制御することで、添加水の凍結を防止することができる。圧縮機２の吐出側温度に基づき、圧縮機２への添加水量を調整するのがよい。【選択図】図１

Description

本発明は、水添加式の圧縮機を用いた空気圧縮システムに関するものである。

従来、下記特許文献１の図１に開示されるように、一対のロータ（３７）がその両端を水潤滑滑り軸受（２）に支持されたスクリュー式の水潤滑空気圧縮機（１）と、この圧縮機（１）からの吐出流体（潤滑水と共に吐出される圧縮空気）を気水分離するセパレータ（６）と、このセパレータ（６）から圧縮機（１）のロータ間へ戻す水を冷却する空冷熱交換器（１０）と、セパレータ（６）からの圧縮空気を冷却するアフタークーラ（１１）とを備える空気圧縮システムが知られている。このシステムでは、空冷熱交換器（１０）から圧縮機（１）のロータ間への水配管（２２）には、軸受給水用水配管（２３）が分岐されており、分岐された水は、冷凍サイクル（２７）の吸熱用熱交換器（３３）を介するか、バイパス配管（２４）を介して、圧縮機（１）の軸受（２）へ供給される。

特開２０１０−４３５８９号公報（段落［００１２］−［００１７］、図１）

前記特許文献１に記載の発明では、水潤滑滑り軸受への給水は、冷凍機で冷却可能とされるものの、セパレータから圧縮機（ロータ間）への給水は、空冷熱交換器（１０）で通風により冷却されるだけである。そのため、圧縮機への給水温度（ひいては圧縮機内の温度）を下げるのに限界があり、圧縮機からの吐出流体の温度は比較的高温となる。これに伴い、セパレータタンクからの圧縮空気送出路に、圧縮空気を冷却するためのアフタークーラの設置が必須となる。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、圧縮機内の温度を下げることで、吐出圧縮空気の温度を下げることができる空気圧縮システムを提供することにある。また、これに伴い、セパレータタンクよりも下流へのアフタークーラの設置を省略可能な空気圧縮システムを提供することを課題とする。

本発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、水添加式の圧縮機と、この圧縮機からの吐出流体を気水分離し、気相部に圧縮空気の送出路が接続される一方、液相部に前記圧縮機への添加水の戻し路が接続されるセパレータタンクと、前記添加水の戻し路に設けられ、添加水を冷凍機で冷却する水クーラとを備えることを特徴とする空気圧縮システムである。

請求項１に記載の発明によれば、水添加式の圧縮機からの吐出流体はセパレータタンクで気水分離され、気水分離後の圧縮空気は圧縮空気送出路から外部へ送出される一方、分離水は冷凍機を用いた水クーラで冷却されて圧縮機へ戻される。従って、圧縮機への給水温度、ひいては圧縮機内の温度を、比較的低温に維持することができる。これに伴い、圧縮空気を冷却するためのアフタークーラの設置は、必須ではなくなり省略可能となる。

請求項２に記載の発明は、前記冷凍機は、冷媒圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器が順次環状に接続されて冷媒を循環させ、前記蒸発器が、前記添加水と前記冷媒とを熱交換する前記水クーラとされ、前記蒸発器での冷媒の蒸発温度に基づき、前記冷媒圧縮機を制御することを特徴とする請求項１に記載の空気圧縮システムである。

請求項２に記載の発明によれば、蒸気圧縮式の冷凍機を用いて、その蒸発器を水クーラとしつつ、セパレータタンクから圧縮機への給水の冷却を図ることができる。その際、蒸発器での冷媒の蒸発温度に基づき、冷媒圧縮機を制御することで、圧縮機への給水温度を調整することができる。また、圧縮機への給水の冷やし過ぎによる凍結を防止することもできる。

さらに、請求項３に記載の発明は、前記圧縮機から前記セパレータタンクへの吐出流体の温度、前記セパレータタンク内の温度、または前記水クーラへの前記戻し路の温度に基づき、前記圧縮機への添加水の供給流量を調整することを特徴とする請求項２に記載の空気圧縮システムである。

請求項３に記載の発明によれば、圧縮機からセパレータタンクへの吐出流体の温度、セパレータタンク内の温度、または水クーラへの添加水戻し路の温度に基づき、圧縮機への添加水の供給流量を調整することができる。圧縮機の吐出側の温度を監視して、圧縮機への添加水の供給流量を調整することで、圧縮機への給水過多による各種不都合を防止することができる。

本発明の空気圧縮システムによれば、圧縮機内の温度を下げることで、吐出圧縮空気の温度を下げることができる。これに伴い、セパレータタンクよりも下流へのアフタークーラの設置は、必須ではなくなり省略可能となる。

本発明の一実施例の空気圧縮システムを示す概略図である。

以下、本発明の具体的実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施例の空気圧縮システム１を示す概略図である。

本実施例の空気圧縮システム１は、水添加式の圧縮機２と、この圧縮機２からの吐出流体を気水分離するセパレータタンク３と、このセパレータタンク３から圧縮機２への添加水戻し路４に設けられる水クーラ５とを主要部として備える。

圧縮機２は、水添加式の空気圧縮機である。圧縮機２は、その形式を特に問わないが、たとえばスクリュー式またはスクロール式とされる。水添加式の圧縮機２は、空気の吸込口に水（典型的には精製水（純水）または軟化水）が添加され、この添加水を圧縮室のシールや圧縮機構の冷却などに用いつつ、空気を圧縮して吐出する。この吐出時、圧縮空気と共に添加水も吐出される。

圧縮機２は、図示例では電気モータ６により駆動されるが、その他の原動機で駆動されてもよい。たとえば、圧縮機２は、蒸気モータ（蒸気エンジン）により駆動されてもよい。また、圧縮機２は、オンオフ制御されてもよいし、容量制御（出力調整）されてもよい。たとえば、圧縮機２は、電気モータ６をオンオフ制御されるか、電気モータ６の回転数をインバータ制御される。あるいは、蒸気モータの場合には、蒸気モータへの給蒸弁の開閉または開度が制御される。

圧縮機２を運転すると、外気がエアフィルタ７を介して吸込路８から圧縮機２内へ吸い込まれるが、その際、詳細は後述するが、セパレータタンク３からの添加水戻し路４を介して水が設定流量で添加される。そして、圧縮機２において圧縮された空気は、添加水を伴いながら、セパレータタンク３へ吐出される。圧縮機２からセパレータタンク３への吐出路９には、逆止弁１０が設けられる。

なお、水添加式の圧縮機２は、水潤滑式または水噴射式などということもできる（言い換えればこれらを含んでもよい）。また、ここでは、圧縮機２は、空気の吸込口に水が添加されるが、空気の吸込口以外に給水口を備え、この給水口に水が添加されてもよい。

セパレータタンク３は、圧縮機２からの吐出流体（添加水と共に吐出される圧縮空気）を受け入れて、気水分離する。つまり、圧縮機２からの吐出流体は、セパレータタンク３において、圧縮空気と分離水とに分けられる。これに伴い、セパレータタンク３内は、上方の気相部と、下方の液相部とに分かれる。

セパレータタンク３の気相部には、圧縮空気利用部への圧縮空気送出路１１が接続される。圧縮空気送出路１１には、一次圧調整弁１２が設けられる。一次圧調整弁１２は、圧縮機２の運転中、セパレータタンク３内を設定圧力以上に保持する弁である。ここでは、一次圧調整弁１２は、一次側（つまりセパレータタンク３側）の圧力に基づき、機械的に動作する自力弁とされるが、場合により、一次側の圧力をセンサで監視して、その検出圧力に基づき制御される電動弁であってもよい。その他、図示しないが、セパレータタンク３の気相部には、安全弁の他、外部へ排気用の放気弁が設けられるのがよい。

セパレータタンク３の液相部には、圧縮機２への添加水戻し路４が接続される。添加水戻し路４には、セパレータタンク３の側から順に、水クーラ５、水フィルタ１３および添加水弁１４が設けられる。圧縮機２の運転中、添加水弁１４を開けることで、セパレータタンク３内の貯留水を添加水戻し路４を介して、圧縮機２へ戻すことができる。その際、圧縮機２の運転による圧縮機２への吸込みと、セパレータタンク３内の加圧とにより、セパレータタンク３から圧縮機２へ添加水を戻すことができる。また、一次圧調整弁１２により、セパレータタンク３内は設定圧力以上に保持される上、後述するように、圧縮空気送出路１１内の圧力（ひいてはセパレータタンク３内の圧力）は所望に維持されるので、添加水弁１４をオリフィスとして機能させつつ、設定流量で添加水を圧縮機２へ供給することができる。しかも、セパレータタンク３から圧縮機２へ添加水を供給する際、水フィルタ１３により夾雑物を除去することができる。

水クーラ５は、添加水（セパレータタンク３での分離水であり、圧縮機２への給水）を、冷凍機１５を用いて冷却する。冷凍機１５は、蒸気圧縮式の冷凍機であり、冷媒圧縮機１６、凝縮器１７、膨張弁１８および蒸発器１９が順次環状に接続されて構成される。そして、冷媒圧縮機１６は、ガス冷媒を圧縮して高温高圧にする。また、凝縮器１７は、冷媒圧縮機１６からのガス冷媒を凝縮液化する。さらに、膨張弁１８は、凝縮器１７からの液冷媒を通過させることで、冷媒の圧力と温度とを低下させる。そして、蒸発器１９は、膨張弁１８からの冷媒の蒸発を図る。

従って、冷凍機１５は、蒸発器１９において、冷媒が外部から熱を奪って気化する一方、凝縮器１７において、冷媒が外部へ放熱して凝縮することになる。これを利用して、本実施例では、水クーラ５としての蒸発器１９において、添加水と冷媒とを混ぜることなく熱交換して、添加水を冷却できる。また、凝縮器１７において、冷媒と冷却液（典型的には水）とを混ぜることなく熱交換して、冷却液を加温できる。この場合、圧縮機２で生じた圧縮熱を、冷却液の加温（典型的には温水製造）に用いて熱回収することができる。但し、凝縮器１７は、冷媒を冷却液で冷却する液冷式に限らず、冷媒を外気（通風）で冷却する空冷式であってもよい。なお、図１において、符号２０は、凝縮器１７に対する冷却液の通液路を示している。

冷凍機１５には、凝縮器１７と膨張弁１８との間に過冷却器を設置したり、冷媒圧縮機１６の入口側にアキュムレータを設置したり、冷媒圧縮機１６の出口側に油分離器を設置したり、凝縮器１７の出口側（凝縮器１７と過冷却器との間）に受液器を設置したりしてもよい。

空気圧縮システム１は、さらに、給水路２１と排水路２２とを備える。給水路２１は、イオン交換装置（たとえば、混床式純水装置や硬水軟化装置）のような給水源からの水を、添加水として補給する手段である。本実施例では、給水源からの給水路２１は、圧縮機２への吸込路８に接続される。そして、給水路２１には、給水弁２３が設けられる。

一方、排水路２２は、セパレータタンク３の底部に接続される。排水路２２には、排水弁２４が設けられており、排水弁２４を開けることで、セパレータタンク３内からの排水を図ることができる。

その他、セパレータタンク３には、水位検出器２５が設けられる。水位検出器２５は、その構成を特に問わないが、たとえばイオン類を含まない精製水・凝縮水の水位を検出可能なフロート式水位検出器とされる。また、セパレータタンク３からの圧縮空気送出路１１には、一次圧調整弁１２よりも下流に、圧力センサ２６が設けられる。この圧力センサ２６により、圧縮空気の吐出圧（圧縮空気利用部への供給圧）を監視することができる。さらに、蒸発器１９での冷媒の蒸発温度を監視可能に、蒸発器１９の冷媒出口側には温度センサ２７が設けられる。

次に、本実施例の空気圧縮システム１の動作について説明する。以下に述べる一連の制御は、基本的には、図示しない制御器により自動でなされる。つまり、制御器は、圧縮機２、冷凍機１５（特にその冷媒圧縮機１６）、添加水弁１４、給水弁２３、排水弁２４、水位検出器２５、圧力センサ２６および温度センサ２７などに接続されており、各センサ２５，２６，２７の検出信号などに基づき、圧縮機２、冷凍機１５および各弁１４，２３，２４などを制御する。

まず、空気の流れについて説明する。圧縮機２の運転を開始すると、圧縮機２は、エアフィルタ７を介して空気を吸い込み、圧縮して吐出する。圧縮機２から吐出される圧縮空気は、セパレータタンク３から圧縮空気送出路１１を介して、圧縮空気利用部へ送られる。但し、圧縮空気送出路１１には一次圧調整弁１２が設けられているので、運転開始直後のようにセパレータタンク３内の圧力が低い状態では、一次圧調整弁１２は閉じられており、圧縮空気利用部へ圧縮空気は送出されない。一次圧調整弁１２の一次側（つまりセパレータタンク３側）の圧力が設定圧力以上になると、一次圧調整弁１２が開いて、圧縮空気利用部へ圧縮空気が送出される。

圧縮機２の運転中、圧縮機２は、圧力センサ２６の検出圧力を目標圧力に維持するように、制御される。たとえば、圧縮機２のモータ６が、オンオフ制御されるか、インバータ制御される。なお、目標圧力は、一次圧調整弁１２の設定圧力よりも高い。従って、以後、基本的には、セパレータタンク３内は、目標圧力に維持される。

圧縮機２の運転中、添加水弁１４を開けることで、圧縮機２の吸込口に、設定流量で水を添加することができる。これにより、圧縮機２のシール、冷却および潤滑を図ることができる。圧縮機２からの圧縮空気は、添加水を伴った状態で、セパレータタンク３へ吐出される。そして、セパレータタンク３において気水分離が図られる。セパレータタンク３で気水分離後の圧縮空気は、圧縮空気送出路１１から外部へ送出される。一方、セパレータタンク３で気水分離後の分離水は、圧縮機２への添加水として、添加水戻し路４を介して圧縮機２へ供給可能とされる。

圧縮機２の運転中（圧縮空気の製造中）、冷凍機１５を作動させて、蒸発器１９を兼ねる水クーラ５において、添加水（セパレータタンク３から圧縮機２への給水）と冷媒とを熱交換して、冷媒の蒸発潜熱で添加水を冷却できる。また、逆に言えば、冷凍機１５は、ヒートポンプとして、添加水から熱をくみ上げ、凝縮器１７において冷却液を加温できる。典型的には、冷凍機１５の運転中、凝縮器１７に水を通して、凝縮器１７において冷媒と通水とを熱交換して、温水を製造できる。その際、凝縮器１７の出口側水温に基づき通水流量を調整することで、所望温度の温水を製造することができる。

圧縮機２および冷凍機１５の運転中、温度センサ２７の検出温度に基づき、冷媒圧縮機１６を制御するのがよい。具体的には、温度センサ２７の検出温度が設定温度になるように、冷媒圧縮機１６の容量（出力）を調整する。たとえば、冷媒圧縮機１６は、入口（吸込口）側と出口（吐出口）側とを接続するバイパス路に容量制御弁を備え、温度センサ２７の検出温度を設定温度に維持するように容量制御弁の開度を調整（つまりバイパス流量を調整）する。このようにして、蒸発器１９での冷媒の蒸発温度に基づき、冷媒圧縮機１６を制御することで、圧縮機２への給水温度を調整することができる。また、圧縮機２への給水の冷やし過ぎによる凍結を防止することもできる。

ところで、セパレータタンク３に貯留された添加水は、圧縮機２の運転に伴うセパレータタンク３内の加圧と、圧縮機２への吸込みとにより、添加水戻し路４を介して圧縮機２へ供給可能とされる。この際、圧縮機２への添加水の供給流量は、圧縮機２の吐出圧や回転数により変動する。そして、圧縮機２への添加水の供給流量が多すぎると、次のような不都合がある。

すなわち、まず、（ａ）圧縮機２の吐出圧が高いと、セパレータタンク３の内圧も高くなるため、圧縮機２への添加水の供給流量が増える。そして、添加水の供給流量が増え過ぎると、圧縮室内で水の占める体積が増え、圧縮空気の流量低下が起こる。また、（ｂ）圧縮機２がインバータにより回転数制御される場合、低回転数側では吸気能力が弱いので、圧縮室の吸込み側で添加水の圧縮が起こり、急なトルク上昇によって圧縮機２が停止するおそれがある。

そこで、このような不都合に対処するために、添加水弁１４として、開閉のみ可能な電磁弁ではなく、開度調整可能な電動弁（比例制御弁）を用いて、圧縮機２への添加水の供給流量を調整するのがよい。そして、圧縮機２に添加水を供給し過ぎていないかを、圧縮機２の吐出側の温度が下がり過ぎていないかにより監視し、温度が下がり過ぎている場合には、添加水の供給流量を減らすように制御すればよい。

具体的には、圧縮機２からセパレータタンク３への吐出路９、セパレータタンク３、または、セパレータタンク３から水クーラ５への添加水戻し路４に、第二の温度センサ（図示省略）を設けて、その第二温度センサの検出温度に基づき添加水弁１４の開度を調整して、圧縮機２への添加水の供給流量を調整するのがよい。圧縮機２への添加水の供給流量を調整することで、圧縮機２からの吐出温度を調整することができる。また、第二温度センサの検出温度が下限温度を下回らないように添加水弁１４の開度を調整することで、圧縮機２への添加水の供給流量が上限流量を超えないように制御することができる。圧縮機２の吐出側の温度を監視して、圧縮機２への添加水の供給流量を調整することで、圧縮機２への給水過多による上述した各種不都合を防止することができる。

圧縮機２の運転中、セパレータタンク３内の水位は、設定水位に維持される。たとえば、水位検出器２５による検出水位が上限水位を上回ると、排水弁２４を開けて水位を所定まで下げる。逆に、水位検出器２５による検出水位が下限水位を下回ると、給水弁２３を開けて水位を所定まで上げる。給水弁２３の開放中、補給水は、圧縮機２を介してセパレータタンク３へ供給される。この間、添加水弁１４を閉鎖しておいてもよい。

前述したとおり、セパレータタンク３には、好ましくは、外部への放気弁（図示省略）が設けられる。その場合、圧縮機２の停止時、放気弁が開けられる。圧縮機２の停止中も放気弁を開けておくことで、圧縮機２の逆転を防止することができる。その後、圧縮機２の再起動時、放気弁が閉じられる。

本実施例の空気圧縮システム１によれば、水添加式の圧縮機２からの吐出流体はセパレータタンク３で気水分離され、気水分離後の圧縮空気は圧縮空気送出路１１から外部へ送出される一方、分離水は冷凍機１５を用いた水クーラ５（蒸発器１９）で冷却されて圧縮機２へ戻される。従って、圧縮機２への給水温度、ひいては圧縮機２内の温度を、比較的低温に維持することができる。これに伴い、圧縮機２から吐出される圧縮空気の温度も、比較的低温に維持され、圧縮空気を冷却するためのアフタークーラの設置は、必須ではなくなり省略可能となる。特に、冷凍機１５の出力を調整したり、圧縮機２への添加水の供給流量を調整したりすることで、圧縮機２の吐出側の温度が所定温度（たとえば４０℃）以下になる場合、アフタークーラの設置は省略可能である。また、圧縮機２の吐出側の温度が、たとえば１０℃以下にできる場合、圧縮空気送出路１１には、アフタークーラだけでなく、冷凍式ドライヤの設置も不要となり、圧縮空気の除湿も図ることができる。

さらに、本実施例の空気圧縮システム１によれば、水添加式の圧縮機２を用い、しかもその圧縮機２への吸込温度を下げることで、吐出風量の増加を図ることができる。また、圧縮機２からの吐出温度を下げることで、吐出流体の露点温度を下げることができ、前述したように、アフタークーラや、場合によりドライヤの設置も不要な乾燥空気を得ることができる。その他、圧縮機２への吸込温度を下げることで、大気中の湿分を、添加水の一部として補給することも可能となる。

本発明の空気圧縮システム１は、前記実施例の構成（制御を含む）に限らず適宜変更可能である。特に、（ａ）水添加式の圧縮機２と、（ｂ）この圧縮機２からの吐出流体を気水分離し、気相部に圧縮空気送出路１１が接続される一方、液相部に圧縮機２への添加水戻し路４が接続されるセパレータタンク３と、（ｃ）添加水戻し路４に設けられ、添加水を冷凍機１５で冷却する水クーラ５とを備えるのであれば、その他の構成は特に問わない。

たとえば、前記実施例では、冷凍機１５の蒸発器１９を水クーラ５として、蒸発器１９において、冷凍機１５の冷媒と圧縮機２への添加水とを熱交換したが、冷媒と添加水との熱交換を、循環回路を介して行ってもよい。すなわち、循環回路は、蒸発器１９と水クーラ５との間で循環液を循環させ、蒸発器１９では循環液と冷媒とを熱交換させる一方、水クーラ５では循環液と添加水とを熱交換させてもよい。

さらに、前記実施例において、給水路２１による圧縮機２への給水も、冷凍機１５を用いて冷却可能とされてもよい。つまり、給水路２１にも、水クーラ５を設けてもよい。

１ 空気圧縮システム
２ 圧縮機
３ セパレータタンク
４ 添加水戻し路
５ 水クーラ
６ モータ
７ エアフィルタ
８ 吸込路
９ 吐出路
１０ 逆止弁
１１ 圧縮空気送出路
１２ 一次圧調整弁
１３ 水フィルタ
１４ 添加水弁
１５ 冷凍機
１６ 冷媒圧縮機
１７ 凝縮器
１８ 膨張弁
１９ 蒸発器
２０ 通液路
２１ 給水路
２２ 排水路
２３ 給水弁
２４ 排水弁
２５ 水位検出器
２６ 圧力センサ
２７ 温度センサ

Claims (3)

1. 水添加式の圧縮機と、
   この圧縮機からの吐出流体を気水分離し、気相部に圧縮空気の送出路が接続される一方、液相部に前記圧縮機への添加水の戻し路が接続されるセパレータタンクと、
   前記添加水の戻し路に設けられ、添加水を冷凍機で冷却する水クーラと
   を備えることを特徴とする空気圧縮システム。
2. 前記冷凍機は、冷媒圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器が順次環状に接続されて冷媒を循環させ、
   前記蒸発器が、前記添加水と前記冷媒とを熱交換する前記水クーラとされ、
   前記蒸発器での冷媒の蒸発温度に基づき、前記冷媒圧縮機を制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の空気圧縮システム。
3. 前記圧縮機から前記セパレータタンクへの吐出流体の温度、前記セパレータタンク内の温度、または前記水クーラへの前記戻し路の温度に基づき、前記圧縮機への添加水の供給流量を調整する
   ことを特徴とする請求項２に記載の空気圧縮システム。

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