JP2020133405A - 空気圧縮装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、圧縮空気の冷却に関する課題に鑑みてなされたものであり、大型化を抑制しつつ圧縮機で圧縮された空気を効率的に冷却可能な空気圧縮装置を提供することを目的の一つとしている。【解決手段】空気圧縮装置１００は、圧縮空気を生成する圧縮機１０と、圧縮機１０を駆動するモータ１２と、モータ１２に駆動されて空気流を生成する多翼ファン１６と、圧縮空気を冷却する第１冷却器１８および第１冷却器１８で冷却された圧縮空気を空気流によって冷却する第２冷却器２０を備え、第１冷却器１８は第２冷却器２０を冷却した空気流によって圧縮空気を冷却する。【選択図】図１

Description

本発明は、空気圧縮装置に関する。

圧縮空気を生成する空気圧縮装置が知られている。例えば、特許文献１には、電動モータに駆動される圧縮機本体を有するパッケージ型圧縮機が記載されている。この圧縮機は、空気の圧縮を行う圧縮機本体と、圧縮機本体を駆動するモータと、モータの回転速度を制御するインバータと、圧縮機本体を冷却するための冷却ファンとを備えている。この圧縮機の背面には、スクロール圧縮機本体で圧縮された空気を冷却するアフタークーラが配置されている。

特開２０１６−０７５１５９号公報

本発明者らは、空気圧縮装置について以下の認識を得た。
圧縮機本体内で圧縮された空気は２００℃以上の高温であり、使用時には室温程度まで冷却されることが望ましい。特許文献１に記載の空気圧縮機では、アフタークーラは、スクロール圧縮機本体を冷却した後の冷却ファンの冷却風によって冷却される。つまり、冷却ファンの冷却風は、圧縮機本体の冷却とアフタークーラの冷却とに兼用されている。圧縮機本体を十分に冷却すると、冷却後の冷却風の温度が高くなり、アフタークーラの冷却が不十分になる。逆にアフタークーラを十分に冷却しようとすると、圧縮機本体の冷却が不十分になる。

圧縮機本体とアフタークーラとを十分に冷却するために、冷却ファンを大型化することも考えられる。しかし、この場合、冷却ファンを搭載する空気圧縮装置の小型化の要請に反する。つまり、アフタークーラを十分に冷却することと装置の小型化とは二律背反の関係にある。
これらから、本発明者らは、空気圧縮装置には、圧縮空気を効率的に冷却する観点で改善する余地があることを認識した。

本発明は、こうした課題に鑑みてなされたものであり、大型化を抑制しつつ圧縮機で圧縮された空気を効率的に冷却可能な空気圧縮装置を提供することを目的の一つとしている。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の空気圧縮装置は、圧縮空気を生成する圧縮機と、圧縮機を駆動するモータと、モータに駆動されて空気流を生成するファンと、圧縮空気を冷却する第１冷却器および第１冷却器で冷却された圧縮空気を空気流によって冷却する第２冷却器を備える。第１冷却器は第２冷却器を冷却した空気流によって圧縮空気を冷却する。

なお、以上の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を方法、装置、プログラム、プログラムを記録した一時的なまたは一時的でない記憶媒体、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、大型化を抑制しつつ圧縮機で圧縮された空気を効率的に冷却可能な空気圧縮装置を提供できる。

本発明の第１実施形態に係る空気圧縮装置の構成を模式的に示す系統図である。 図１の空気圧縮装置が鉄道車両に設置された状態を示す模式図である。 図１の空気圧縮装置の圧縮機駆動部と多翼ファンとの周辺を概略的に示す側断面図である。 図１の空気圧縮装置の冷却器を概略的に示す斜視図である。 図４の冷却器の空気の流れを説明する模式図である。 図３の圧縮機駆動部のラビリンス部の周辺を拡大して示す側断面図である。 図１の空気圧縮装置の多翼ファンの周辺を示す斜視図である。 図３の圧縮機駆動部のバランスウエイトの周辺を示す正面図である。 図３の圧縮機駆動部のバランスウエイトの周辺を示す背面図である。 図１の空気圧縮装置の圧縮機と送風ファンを概略的に示す正面図である。 図１の空気圧縮装置の圧縮機と送風ファンを概略的に示す別の正面図である。 図１０の送風ファンからの空気の流れを概略的に示す図である。 第１変形例に係る空気圧縮装置の圧縮機の周辺を概略的に示す正面図である。

以下、本発明を好適な実施形態をもとに各図面を参照しながら説明する。実施形態および変形例では、同一または同等の構成要素、部材には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図面における部材の寸法は、理解を容易にするために適宜拡大、縮小して示される。また、各図面において実施形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。
また、第１、第２などの序数を含む用語は多様な構成要素を説明するために用いられるが、この用語は一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的でのみ用いられ、この用語によって構成要素が限定されるものではない。

［第１実施形態］
図面を参照して、本発明の第１実施形態に係る空気圧縮装置１００の構成を説明する。一例として、空気圧縮装置１００は、鉄道車両の床下に設けられ、その車両に圧縮空気を供給する鉄道車両用空気圧縮装置として使用されうる。図１は、空気圧縮装置１００の構成を模式的に示す系統図である。図２は、空気圧縮装置１００が鉄道車両９０に設置された状態を示す模式図である。この図では、理解を容易にするため、軸受ホルダ３８および多翼ファン１６の一部を破断し、送風ファン２８を実際の比率より小さく表記している。

本実施形態の空気圧縮装置１００は、圧縮機１０と、圧縮機駆動部１４と、多翼ファン１６と、冷却器２２と、除湿器２４と、空気導入部２６と、送風ファン２８と、空気吸込み部３２と、圧縮空気送出部３４と、インバータ制御装置４０と、収容ケース３６とを含む。空気圧縮装置１００は、空気吸込み部３２から吸い込んだ空気を圧縮機１０で圧縮し、冷却器２２で冷却し、除湿器２４で除湿して圧縮空気送出部３４から送出し、車両９０に供給する。

圧縮機１０は、圧縮空気を生成する。圧縮機駆動部１４は、圧縮機１０を駆動するモータ１２を含む。インバータ制御装置４０は、圧縮機駆動部１４のモータ１２を駆動する。多翼ファン１６はモータ１２に駆動されて冷却器２２で冷却に使用する空気流を生成する。多翼ファン１６は、シロッコファンと称されることがある。空気導入部２６はモータ１２に圧縮空気を導入する。送風ファン２８は圧縮機１０を冷却する空気流を生成する。

以下、圧縮機１０の回転軸１０ａの中心軸線Ｌａに沿った方向を「軸方向」といい、その中心軸線Ｌａを中心とする円の円周方向、半径方向をそれぞれ「周方向」、「径方向」とする。また、以下、便宜的に、軸方向の一方側（図中右側）を入力側といい、他方側（図中左側）を反入力側という。この例では、モータ１２は圧縮機１０の入力側に設けられ、圧縮機１０はモータ１２の反入力側に設けられる。

空気吸込み部３２は、収容ケース３６に設置され、圧縮機１０で圧縮される空気（外気）を吸い込むための機構として機能する。空気吸込み部３２は、吸入配管３２ｂを通じて圧縮機１０に連通するように形成されている。空気吸込み部３２には、吸込空気が通過する際に砂塵等の粉塵の通過を抑制する吸込みフィルタ３２ａが設けられている。吸込みフィルタ３２ａは、網目を用いた濾過器であってもよい。

圧縮空気送出部３４は、後述の冷却器２２で冷却され、除湿器２４で除湿された圧縮空気Ａｒ１０ｄを送出する機構として機能する。圧縮空気送出部３４は、収容ケース３６の外部に設置される圧縮空気溜め９２に対して生成された圧縮空気Ａｒ１０ｄを供給する。圧縮空気送出部３４は、除湿器２４と圧縮空気溜め９２とを連通する経路に設けられた弁機構３４ｄを含んでもよい。弁機構３４ｄは、除湿器２４側が所定圧力以上のとき、圧縮空気Ａｒ１０ｄの圧縮空気溜め９２側への通過を許容し、圧縮空気溜め９２からの逆流を防止する逆止弁であってもよい。

図２〜図５を参照して冷却器２２を説明する。図３は、圧縮機駆動部１４と多翼ファン１６との周辺を概略的に示す側断面図である。図４は、冷却器２２を概略的に示す斜視図である。図５は、冷却器２２の空気の流れを説明する模式図である。冷却器２２は、圧縮機１０から供給される高温（例えば、２００℃〜２５０℃）の圧縮空気を室温よりやや高い温度（例えば、４０℃〜５０℃）まで冷却して除湿器２４に供給する。

本実施形態の冷却器２２は、圧縮機１０で生成された圧縮空気を順次冷却する第１冷却器１８と、第２冷却器２０とを備える。第１冷却器１８は、第２冷却器２０の前段に設けられる前段冷却器であり、第２冷却器２０は、第１冷却器１８の後段に設けられる後段冷却器である。第２冷却器２０はアフタークーラと称されることがあり、第１冷却器１８はプレクーラと称されることがある。第２冷却器２０は、多翼ファン１６によって生成された空気流Ａｒ１６ａによって、第１冷却器１８で冷却された圧縮空気を二次冷却する。第１冷却器１８は、第２冷却器２０で冷却に使用された空気流Ａｒ１６ｂによって、圧縮機１０からの圧縮空気を一次冷却する。

第１冷却器１８および第２冷却器２０は、所望の冷却効果が得られる限りどこに配置されてもよい。本実施形態の第１冷却器１８および第２冷却器２０は、空気圧縮装置１００の上下方向中心より上側に配置されている。第１冷却器１８および第２冷却器２０は、多翼ファン１６の回転軸線に直交する方向に配置されてもよい。特に、第１冷却器１８および第２冷却器２０は、多翼ファン１６の上方であって、鉄道車両９０の床との間に配置されている。多翼ファン１６から送出された空気流Ａｒ１６ａの経路を短くして、余計な配管スペースを省ける。また、多翼ファン１６の前後方向に配置する場合と比べて空気圧縮装置１００の前後長を短くできる。

第１冷却器１８と第２冷却器２０とは、離隔して配置されてもよいが、本実施形態では、第１冷却器１８は、第２冷却器２０の多翼ファン１６とは反対側に配置されてもよい。この例では、第１冷却器１８は、第２冷却器２０の上方に積層されて一体的に配置される。これらを一体的に配置することにより、両者間の耐熱性を有する接続用ホースを短縮または省略できる。空気流は、第１、第２冷却器１８、２０の周囲を多翼ファン１６の回転軸線に直交する方向に流れてもよい。この例では、多翼ファン１６からの空気流は、一体的に配置された第１、第２冷却器１８、２０を下から上に流れる。

第１冷却器１８および第２冷却器２０の詳細構成を説明する。第１冷却器１８および第２冷却器２０は、屈曲パイプ１８ｐ、２０ｐと、このパイプをそれぞれ収容するパイプ収容部１８ｃ、２０ｃとを有する。屈曲パイプ１８ｐ、２０ｐは、蛇行して複数の屈曲部を有し、パイプの一端から他端に向けて圧縮空気を流す。パイプ収容部１８ｃ、２０ｃは、上下に薄い角筒状の外壁を有し、上下に冷却用の空気流を流す風洞として機能する。

パイプ収容部１８ｃ、２０ｃの下部には、屈曲パイプ１８ｐ、２０ｐを支持する金網部１８ｍ、２０ｍが固定される。パイプ収容部２０ｃの上面は開放され、パイプ収容部１８ｃの上面には金網部２０ｎが固定される。このように、パイプ収容部１８ｃ、２０ｃは、空気流が上下に通過しやすい構成を有する。

屈曲パイプ１８ｐの一端に設けられた第１導入部１８ｂは、第１冷却器１８のパイプ収容部１８ｃの側壁から外部に突出している。第１導入部１８ｂは、圧縮機１０の吐出口１０ｅに連通する。屈曲パイプ１８ｐの他端に設けられた第１導出部１８ｅは、第１冷却器１８のパイプ収容部１８ｃの側壁から外部に突出している。第１導出部１８ｅは、第２導入部２０ｂに連通する。

屈曲パイプ２０ｐの一端に設けられた第２導入部２０ｂは、第２冷却器２０のパイプ収容部２０ｃの底部から外部に突出している。第２導入部２０ｂは、耐熱性を有する接続用ホースによって第１導出部１８ｅに連通する。屈曲パイプ２０ｐの他端に設けられた第２導出部２０ｅは、第２冷却器２０のパイプ収容部２０ｃの側壁から外部に突出している。第２導出部２０ｅは、除湿器２４に連通する。

パイプ収容部１８ｃは、パイプ収容部２０ｃの上側に配置される。多翼ファン１６から送出される空気流Ａｒ１６ａは、ダクト１６ｄを通じて、パイプ収容部２０ｃの下面に供給される。空気流Ａｒ１６ａは、金網部２０ｍの隙間と、屈曲パイプ２０ｐの隙間とを流れ、パイプ収容部２０ｃの上面から排出される。空気流Ａｒ１６ａが、屈曲パイプ２０ｐの外周面を通過することで、屈曲パイプ２０ｐの圧縮空気は冷却される。

パイプ収容部２０ｃから排出される空気流Ａｒ１６ｂは、パイプ収容部１８ｃの下面に供給される。空気流Ａｒ１６ｂは、金網部１８ｍの隙間と、屈曲パイプ１８ｐの隙間と、金網部２０ｎの隙間とを流れ、パイプ収容部１８ｃの上面から排出される。空気流Ａｒ１６ｂが、屈曲パイプ１８ｐの外周面を通過することで、屈曲パイプ１８ｐの圧縮空気Ａｒ２０ｃは冷却される。パイプ収容部１８ｃから排出された空気は、大気に拡散される。

このように、多翼ファン１６から送出された空気流Ａｒ１６ａは、先に第２冷却器２０に供給され、一次冷却された後の圧縮空気を二次冷却するために使用される。第２冷却器２０から排出された空気流Ａｒ１６ｂは、第１冷却器１８に供給され、圧縮空気の一次冷却に使用される。空気流Ａｒ１６ａを、先に一次冷却に使用する場合と比べて、二次冷却における圧縮空気と冷却空気との温度差が大きくなるので、冷却効率を高くできる。

図２、図３、図６を参照して圧縮機駆動部１４を説明する。図６は、圧縮機駆動部１４のラビリンス部１２ｆの周辺を拡大して示す側断面図である。圧縮機駆動部１４は、圧縮機１０を回転駆動するモータ１２と、バランスウエイト１５とを主に含む。

モータ１２を説明する。モータ１２は、出力軸１２ａと、ロータ１２ｋと、ステータ１２ｓと、ケーシング１２ｃと、ラビリンス部１２ｆとを含む。本実施形態では、モータ１２の出力軸１２ａは、圧縮機１０の回転軸１０ａと一体的に設けられる。ロータ１２ｋは、周方向に複数の磁極を有するマグネット１２ｍを有し、出力軸１２ａの外周に固定される。ロータ１２ｋは、後述するバランスウエイト１５のロータ固定部１５ｄの入力側にボルト等（不図示）の締結具によって固定される。これらの固定には接着剤が併用されてもよい。

ステータ１２ｓは、磁気的空隙を介してロータ１２ｋを環囲するステータコア１２ｊと、ステータコア１２ｊに巻かれたコイル１２ｇとを有する。ステータ１２ｓは、その外周部がケーシング１２ｃの内周面に固定される。ケーシング１２ｃは、筒部１２ｄと、底部１２ｅとを有し、ロータ１２ｋとステータ１２ｓとを包囲する外殻として機能する。この例では、ケーシング１２ｃは、反入力側が開放され入力側に底部１２ｅが設けられる有底円筒形状を有する。底部１２ｅには、空気導入部２６から空気を取り入れる導入口１２ｈが設けられる。

ラビリンス部１２ｆは、筒部１２ｄの反入力側を覆うように設けられ、この例では円盤状を呈する。ラビリンス部１２ｆは、出力軸１２ａに固定される回転体部１２ｎと、筒部１２ｄに固定される静止体部１２ｐとを含む。静止体部１２ｐは、反入力側端面の外周部に静止体側ラビリンス形成部１２ｑが設けられるドーナツ状の円板部材である。静止体側ラビリンス形成部１２ｑは、静止体側凹部１２ｔと、静止体側凸部１２ｕとを有する。静止体側凹部１２ｔは、後述するラビリンス凸部１５ｈが進入する。静止体側凸部１２ｕは、後述するラビリンス凹部１５ｇに進入する。静止体側凸部１２ｕは、静止体側凹部１２ｔの内周側に周設された環状の壁である。回転体部１２ｎは、後述するバランスウエイト１５を兼ねている。回転体部１２ｎと、静止体部１２ｐとの間にはラビリンス１２ｒが設けられる。この例で、ラビリンス１２ｒは屈曲する隙間を組み合わせた迷路である。ラビリンス部１２ｆは、ラビリンス１２ｒを有することによりモータ１２内部への粉塵の侵入を減らしている。

また、導入口１２ｈから導入される圧縮空気Ａｒ１０ｅは、ラビリンス１２ｒから外部に向けて流れるため、ラビリンス１２ｒの粉塵は、この気流により外部に排出されやすくなる。

モータ１２は、後述するインバータ制御装置４０（駆動回路）からステータ１２ｓのコイル１２ｇに駆動電流が供給されることにより、磁気的空隙に界磁磁界を発生させる。モータ１２は、この界磁磁界とロータ１２ｋのマグネット１２ｍとの作用により、ロータ１２ｋおよび出力軸１２ａに回転駆動力を発生させる。出力軸１２ａの回転駆動力は、回転軸１０ａを通じて多翼ファン１６および圧縮機１０を駆動する。回転軸１０ａを支持する軸受は、圧縮機駆動部１４の外部の軸受ホルダ３８に設けられており、圧縮機駆動部１４の内部には設けられていない。

図３、図６、図７を参照して多翼ファン１６を説明する。図７は、多翼ファン１６の周辺を示す斜視図である。この図は、ロータ１２ｋおよび多翼ファン１６と一体化されたバランスウエイト１５を示している。多翼ファン１６は、軸方向で圧縮機１０とモータ１２との間に配置される。多翼ファン１６はモータ１２のロータ１２ｋと一体に回転するファンとして機能する。特に、多翼ファン１６は、その中心部から外周部に向けて発生させた気流を送出ダクト１６ｄに集めて送出する送風機として機能する。多翼ファン１６は、円盤部１６ｂと、複数のブレード１６ｃとを含む。

円盤部１６ｂは、その内周側がバランスウエイト１５を介して回転軸１０ａに固定されたドーナツ型の円板部材である。特に、円盤部１６ｂは、バランスウエイト１５の反入力側の端面に設けられたファン固定部１５ｃにボルト等（不図示）の締結具によって固定される。これらの固定には接着剤が併用されてもよい。複数のブレード１６ｃは、円盤部１６ｂの外周近傍において、円盤部１６ｂから反入力側に延びる。複数のブレード１６ｃは周方向に所定の角度ごとに配置される。複数のブレード１６ｃは、回転することにより外周部に向けた空気流を発生させる空気流生成部として機能する。ケーシング１６ｅは、円盤部１６ｂおよび複数のブレード１６ｃを環囲する円筒状の部材である。

図６に示すように、円盤部１６ｂは、モータ１２の反入力側の端面にアキシャル隙間１６ｇを挟んで配置される。アキシャル隙間１６ｇの幅Ｗ１６は、円盤部１６ｂの厚さＨ１６より狭くてもよい。図３に示すように、軸方向において、ブレード１６ｃは、第２軸受１３ｅと軸方向にオーバーラップしている。

送出ダクト１６ｄは、ケーシング１６ｅから冷却器２２に延びる筒状の部材である。送出ダクト１６ｄの下部１６ｈは、ケーシング１６ｅの上部から上方に延びる略角筒状の部分である。送出ダクト１６ｄの上部１６ｊは、下部１６ｈの上部から冷却器２２の下部に連通する部分である。上部１６ｊは、上側が広い略四角錐台状を呈する。

多翼ファン１６は、圧縮機１０の回転軸１０ａを支持する軸受３８ｊの少なくとも一部と軸方向に重なり合ってもよい。この場合、多翼ファン１６が軸受３８ｊと重なり合わない場合と比べて、空気圧縮装置１００の軸方向長さを短くできる。

図８、図９も参照してバランスウエイト１５を説明する。図８は、バランスウエイト１５の周辺を示す正面図である。図９は、バランスウエイト１５の周辺を示す背面図である。バランスウエイト１５は、ロータ１２ｋと多翼ファン１６との間に配置される中間部材としても機能する。バランスウエイト１５は、黄銅等の金属製の円盤状の部材であり、上述のようにラビリンス部１２ｆの回転体部１２ｎを兼ねている。バランスウエイト１５は、バランス調整部１５ａ、１５ｂと、ファン固定部１５ｃと、ロータ固定部１５ｄと、軸締結部１５ｆと、ラビリンス形成部１５ｅとを有する。

ファン固定部１５ｃは、反入力側の端面において、多翼ファン１６が固定される円環状の部分である。ロータ固定部１５ｄは、入力側の端面において、ロータ１２ｋが固定される円環状の部分であり、この例では、外周部から入力側に突出た円柱状の外形を有する。軸締結部１５ｆは、出力軸１２ａが挿通して固定される貫通孔である。

ラビリンス形成部１５ｅは、入力側端面の外周部において、ラビリンス凹部１５ｇと、ラビリンス凸部１５ｈとが設けられる部分である。ラビリンス凹部１５ｇは、ラビリンス形成部１５ｅにおいて、反入力側に形成された周設凹部である。ラビリンス凹部１５ｇには、隙間を介して静止体側凸部１２ｕが進入する。ラビリンス凸部１５ｈは、隙間を介して静止体側凹部１２ｔに進入する部分である。この例のラビリンス凸部１５ｈは、ラビリンス凹部１５ｇの外周側に周設された環状の壁である。

バランス調整部１５ａ、１５ｂは、バランスウエイト１５、ロータ１２ｋおよび多翼ファン１６の合計のアンバランス量を減らす処理が施される部分である。つまり、バランスウエイト１５に多翼ファン１６とロータ１２ｋとを固定して一体化した状態で、これらのアンバランス総量を低減するバランス調整がバランス調整部１５ａ、１５ｂに施される。

バランス調整部１５ａ、１５ｂは、バランスウエイト１５の一方の端面にのみ設けられてもよいが、本実施形態では両端面に設けられている。バランス調整部１５ａ、１５ｂは、ファン固定部１５ｃより径方向内側に設けられるファン側調整部１５ａと、ロータ固定部１５ｄより径方向外側に設けられるロータ側調整部１５ｂとを含む。特に、バランス調整部１５ａは、多翼ファン１６の空気流生成部より径方向内側に設けられてもよい。この例では、バランス調整部１５ａは、複数のブレード１６ｃより径方向内側に設けられている。図８、図９に示すように、この例のバランス調整部１５ａ、１５ｂは、バランスウエイト１５の径方向中間領域の平坦な環状の部分である。

図２、図１０〜図１２を参照して、圧縮機１０を説明する。これらの図は、図２の矢印Ｆから視た圧縮機１０と送風ファン２８を示す。図１０は、圧縮機１０と送風ファン２８を概略的に示す正面図である。図１１は、固定スクロール部１０ｊを外した状態を示す。図１２は、旋回スクロール部１０ｈを外した背面空間１０ｇを示す。本実施形態の圧縮機１０は、回転軸１０ａと、胴部１０ｂと、吸入口１０ｃと、吐出口１０ｅと、空冷フィン１０ｆと、旋回スクロール部１０ｈと、固定スクロール部１０ｊと、背面空間１０ｇとを備えるスクロール式の空気圧縮機である。

圧縮機１０は、吸入口１０ｃが空気吸込み部３２と連通し、空気吸込み部３２から吸入配管３２ｂを通じてポンプ空間１０ｄに吸い込まれた空気Ａｒ３２を圧縮する。空気吸込み部３２と圧縮機１０の吸入口１０ｃとの間に弁機構３２ｄが設けられる。弁機構３２ｄは、圧縮機１０が作動して圧縮機１０側が負圧となることで開く。吐出口１０ｅは冷却器２２に連通しており、圧縮された空気は、吐出口１０ｅから冷却器２２に吐出される。

胴部１０ｂは、ポンプ空間１０ｄを画定する円周状の外周壁である。胴部１０ｂは、ポンプ空間１０ｄに固定スクロール１０ｍと旋回スクロール１０ｎとを環囲する。固定スクロール部１０ｊは、外側に複数の空冷フィン１０ｆが設けられた固定円盤部１０ｋと、固定円盤部１０ｋの内側に固定された固定スクロール１０ｍを含む。固定円盤部１０ｋの中央に吐出口１０ｅが設けられる。旋回スクロール部１０ｈは、旋回円盤部１０ｐと、旋回円盤部１０ｐに固定された旋回スクロール１０ｎを含む。旋回円盤部１０ｐの中心に、入力側に伸びる回転軸１０ａが固定される。旋回円盤部１０ｐの入力側、すなわち旋回スクロール部１０ｈの背面側に、背面空間１０ｇが設けられる。背面空間１０ｇには、送風ファン２８から冷却用の空気が導入され、旋回円盤部１０ｐと回転軸１０ａとが強制空冷される。送風ファン２８については後述する。

旋回スクロール１０ｎおよび固定スクロール１０ｍは、同一形状の渦巻き体である。圧縮機１０は、固定された固定スクロール１０ｍに対して、旋回スクロール１０ｎを回転軸１０ａと一体に旋回運動させることにより、圧縮空間の体積を変化させて空気を圧縮する。圧縮機１０は、外周から空気を吸込み、中心に向かって圧縮作用を行う。圧縮機１０は無給油タイプであってもよい。

図２、図１０〜図１２を参照して、送風ファン２８を説明する。送風ファン２８は、冷却用の空気（以下、冷却風Ａｒ２８という）を圧縮機１０に送出する送風機構である。送風ファン２８は、冷却風Ａｒ２８を旋回スクロール部１０ｈの背面側の背面空間１０ｇに供給して、主に旋回スクロール部１０ｈを冷却する。

本実施形態の送風ファン２８は、プロペラ２８ｂを有する電動の軸流送風機である。図１２に示すように、送風ファン２８は、プロペラ２８ｂの回転軸線Ｌ２８が圧縮機１０の回転軸１０ａに直交するように、圧縮機１０の側部に配置される。送風ファン２８の上流側に、金網等で形成された外気フィルタ２８ａが設けられる。送風ファン２８の下流側に、冷却風Ａｒ２８を旋回スクロール部１０ｈの中心部に案内する送風ダクト２８ｇが設けられる。

送風ダクト２８ｇは、圧縮機１０に近づくに連れて断面積が小さくなる略四角錐台状を有する。冷却風Ａｒ２８は、送風ダクト２８ｇの内面に沿って絞られ、旋回スクロール部１０ｈの中心部を重点的に冷却する。旋回スクロール部１０ｈの中心部は最も高温になるので、そこを重点的に冷却することで冷却効果を高めうる。背面空間１０ｇの下流側に排気ダクト２８ｈが設けられる。この例では、排気ダクト２８ｈの上流側は送風ダクト２８ｇと対向し、下流側は下方に向いている。

除湿器２４は、冷却器２２と、圧縮空気送出部３４とを連通する経路に設けられる。除湿器２４は、冷却された圧縮空気Ａｒ１０ｃに対して除湿を行う中空糸膜式の除湿装置である。除湿器２４は、乾燥剤が含まれたフィルタ要素を含んでもよい。除湿器２４において、圧縮空気送出部３４から送出される圧縮空気Ａｒ１０ｄに対する最終的な除湿が行われることになる。圧縮空気Ａｒ１０ｄは、圧縮空気送出部３４を介して圧縮空気溜め９２に送出される。

空気導入部２６は、除湿器２４で除湿された圧縮空気Ａｒ１０ｄをモータ１２のケーシング１２ｃ内部に導入する。圧縮空気Ａｒ１０ｄを導入することによりケーシング１２ｃ内部の圧力を外気圧より高い陽圧にして粉塵の侵入を低減できる。空気導入部２６は、底部１２ｅに設けられた導入口１２ｈに圧縮空気Ａｒ１０ｄを送出する。空気導入部２６は、圧縮空気Ａｒ１０ｄを除湿器２４からケーシング１２ｃに導く経路上に弁機構２６ｄが設けられる。弁機構２６ｄは、除湿器２４側が所定圧力以上のとき、圧縮空気Ａｒ１０ｄのケーシング１２ｃ側への通過を許容し、ケーシング１２ｃから除湿器２４への逆流を遮る逆止弁であってもよい。

図２、図３を参照して軸受ホルダ３８を説明する。軸受ホルダ３８は、圧縮機１０の入力側に設けられ、回転軸１０ａを軸支する軸受３８ｈ、３８ｊを支持する部分である。軸受ホルダ３８は、中空円筒状の円筒部３８ａと、円筒部３８ａから径方向で外向きに延びる複数のフィン３８ｆとを有する。フィン３８ｆは、その径方向外端が軸方向で圧縮機１０に近づくに連れて径方向外側へ延びる３角形状を呈する。この例では、円筒部３８ａの外周には、４枚のフィン３８ｆが周方向に９０°間隔で設けられる。軸受ホルダ３８は、圧縮機１０で発生した熱を発散して、軸受３８ｈ、３８ｊの過剰な温度上昇を抑える機能も有する。

軸受３８ｈ、３８ｊは、圧縮機１０の近くに配置される第１軸受３８ｈと、モータ１２の近くに配置される第２軸受３８ｊとを含む。第１、第２軸受３８ｈ、３８ｊは、回転軸１０ａを回転自在に支持する。第１、第２軸受３８ｈ、３８ｊは、円筒部３８ａの中空部に軸方向に離隔されて保持される。

軸受ホルダ３８の一部は、多翼ファン１６の内周部に軸方向に進入している。また、圧縮機１０の回転軸１０ａを支持する軸受３８ｊの少なくとも一部は、多翼ファン１６と軸方向に重なり合っている。この場合、重なり合わない場合と比べて、軸方向空間を有効利用できる。

図１、図２を参照して、インバータ制御装置４０を説明する。インバータ制御装置４０は、モータ１２を駆動制御するためのインバータ電源装置として機能する。インバータ制御装置４０は、収納箱４２に収納されることによって、粉塵あるいは雨水から保護される。収納箱４２は金属製であってもよい。インバータ制御装置４０は、コイル１２ｇに駆動電流を供給するスイッチングパワーモジュールや平滑コンデンサ等の電子部品（いずれも不図示）を含む。

これらの電子部品は、動作時に自己発熱するため収納箱４２内の温度が上昇する。箱内の温度が高くなると、これらの電子部品の寿命が短くなり、故障の原因となりうる。本実施形態では、収納箱４２は、空気吸込み部３２と圧縮機１０の吸入口１０ｃとの間の吸込空気Ａｒ３２の経路上に設けられる。この例では、収納箱４２は、空気吸込み部３２と弁機構３２ｄの間に設けられている。つまり、吸込空気Ａｒ３２の一部または全部は、収納箱４２内を通過して圧縮機１０側に送出される。吸込空気Ａｒ３２が収納箱４２内を通過することによって、箱内は強制換気され、インバータ制御装置４０の電子部品が空冷される。この場合、収納箱４２内の温度上昇が抑制され、電子部品の寿命が延びる。

収容ケース３６は、圧縮機１０、圧縮機駆動部１４、多翼ファン１６、冷却器２２、除湿器２４、空気導入部２６、送風ファン２８、空気吸込み部３２、圧縮空気送出部３４およびインバータ制御装置４０の収納箱４２を収容する。

本発明の一態様の概要は、次の通りである。本発明のある態様の空気圧縮装置１００は、圧縮空気を生成する圧縮機１０と、圧縮機１０を駆動するモータ１２と、モータ１２に駆動されて空気流を生成する多翼ファン１６と、圧縮空気を冷却する第１冷却器１８および第１冷却器１８で冷却された圧縮空気を空気流によって冷却する第２冷却器２０を備え、第１冷却器１８は第２冷却器２０を冷却した空気流によって圧縮空気を冷却する。

この態様によれば、第１冷却器１８を備えることにより、第２冷却器２０の小型・軽量化を図れる。また、第１冷却器１８を備えることにより、第２冷却器２０の入力空気温度が低くなるので、第２冷却器２０の熱応力が緩和される。

また、第１冷却器１８は、第２冷却器２０冷却後の排風を有効利用できる。また、第１冷却器１８の被冷却空気と冷却空気との温度差が小さくなるので、第２冷却器２０の熱応力が緩和される。また、第２冷却器２０の被冷却空気と冷却空気との温度差が大きいので熱交換の効率を高くできる。

多翼ファン１６は、モータ１２と圧縮機１０の間に配置されてもよい。この場合、多翼ファン１６を圧縮機１０とは反対側に設けると、モータ１２軸を前後両側に突出部を設ける必要があるところ、この配置では一方の突出部を省略できる。突出部が減るので、突出部の隙間からモータ１２内部への粉塵の浸入を減らせる。

第１、第２冷却器１８、２０は、多翼ファン１６の回転軸線に直交する方向に配置されてもよい。この場合、多翼ファン１６から第１、第２冷却器１８、２０までの空気流の流路が短くなり、多翼ファン１６の効率が向上する。空気流の流路を簡略化できる。

第１冷却器１８は、第２冷却器２０の多翼ファン１６とは反対側に一体的に配置されてもよい。この場合、第１冷却器１８と第２冷却器２０とを一体的に配置することで、両者間を接続する耐熱性を有する接続用ホースを短縮または省略できる。

上述の空気流は、一体的に配置された第１、第２冷却器１８、２０の周囲を前記ファンの回転軸線に直交する方向に流れるようにされてもよい。この場合、空気流の流路が短くなり、流路抵抗が小さくなり、多翼ファン１６の効率が向上する。空気流の流路を簡略化できる。

本空気圧縮装置１００は、鉄道車両９０の床下に搭載される鉄道車両用空気圧縮装置であり、多翼ファン１６は、鉄道車両９０の進行方向に直交する方向に空気流を送出してもよい。この場合、車両９０で圧縮空気を使用できる。また、空気流が直交方向に送出されるので、車両９０の加減速に起因する空気流の流速変動を緩和できる。また、車両９０が進行する際に、進行方向から飛来して第１、第２冷却器１８、２０に侵入する粉塵を低減できる。
以上が第１実施形態の説明である。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態も空気圧縮装置である。この空気圧縮装置１００は、圧縮機１０で生成された圧縮空気を順次冷却する前段冷却器および後段冷却器を含み前段冷却器は後段冷却器を冷却した空気流によって圧縮空気を冷却する冷却器を備える。例えば、前段冷却器は第１冷却器１８であってもよく、後段冷却器は第２冷却器２０であってもよい。被冷却圧縮空気は多翼ファン１６によって生成された空気流により冷却されてもよい。

第２実施形態によれば、第１実施形態と同様の作用、効果を奏する。

以上、本発明の実施形態の例について詳細に説明した。上述した実施形態は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体例を示したものにすぎない。実施形態の内容は、本発明の技術的範囲を限定するものではなく、請求の範囲に規定された発明の思想を逸脱しない範囲において、構成要素の変更、追加、削除などの多くの設計変更が可能である。上述の実施形態では、このような設計変更が可能な内容に関して、「実施形態の」「実施形態では」等との表記を付して説明しているが、そのような表記のない内容に設計変更が許容されないわけではない。

［変形例］
以下、変形例について説明する。変形例の図面および説明では、実施形態と同一または同等の構成要素、部材には、同一の符号を付する。実施形態と重複する説明を適宜省略し、第１実施形態と相違する構成について重点的に説明する。

［第１変形例］
図１３を参照して、第１変形例に係る空気圧縮装置２００を説明する。本変形例は、実施形態に対して、圧縮機１０の吸入口に過給器２１０が設けられる点で相違し、他の構成は同じであるため過給器２１０について重点的に説明する。図１３は、圧縮機１０の周辺を示す正面図であり、図１０に対応する。

スクロール式圧縮機では、外周部が負圧になるため、外部と内部との圧力差によって粉塵を吸入し易い。粉塵の侵入を減らすため、圧縮機１０には、外周面をシールするフェースシール（不図示）が設けられている。しかし、フェースシールには合口部と呼ばれる隙間があり、この隙間から粉塵が侵入する。このため、本変形例では、圧縮機１０の吸入口１０ｃに過給器２１０が設けられる。

過給器２１０は、圧縮機１０の内圧を高めうるものであれば特に限定はない。本変形例の過給器２１０は、モータ２１０ｍで回転する羽根車２１０ｂを有する。過給器２１０は、上流の空気を加圧し、下流の空気を大気圧以上にして、圧縮機１０の吸入口１０ｃに供給する。過給器２１０は、弁機構３２ｄと吸入口１０ｃとの間の経路に設けられる。過給器２１０を設けることにより、圧縮機１０の吸入口１０ｃ近傍、すなわち圧縮機１０の外周部の内圧を高め、負圧による粉塵の侵入を抑制できる。

［その他の変形例］
実施形態の説明では、冷却器１８、２０が、被冷却空気が流れるパイプに冷却空気を接触させる熱交換器である例を示したが、これに限られない。冷却器は、別原理に基づくものであってもよい。例えば、冷却器は、パイプに設けた冷却フィンに冷却空気を接触させる構成であってもよいし、被冷却空気を挟む２枚の金属板に冷却空気を接触させる構成であってもよいし、二重管を用いる構成であってもよい。

実施形態の説明では、モータ１２の出力軸１２ａが圧縮機１０の回転軸１０ａと一体である例を示したが、これに限られない。例えば、モータの出力軸は、圧縮機の回転軸とは別体としカップリング等で連結されてもよい。

実施形態の説明では、モータ１２は、軸受を含まず、ステータとロータとがそれぞれ圧縮機にビルトインされる例を示したが、これに限られない。例えば、モータは、モータケース内に軸受とロータとステータが一体化された非ビルトイン構造であってもよい。

実施形態の説明では、モータ１２が表面磁石型のＤＣブラシレスモータである例を示したが、これに限られない。モータは、圧縮機を駆動できるものであればなんでもよく、例えば、磁石埋め込み型モータ、ＡＣモータ、ブラシ付モータ、ギア付モータ等の別の種類のモータであってもよい。

実施形態の説明では、圧縮機１０がスクロール式である例を示したがこれに限られない。圧縮機は、圧縮空気を生成しうるものであればなんでもよく、例えば、スクリュー式やレシプロ式等の別の種類の空気圧縮機であってもよい。

実施形態の説明では、ラビリンス部１２ｆの回転体部１２ｎがバランスウエイト１５を兼ねる例を示したが、これに限られない。ラビリンス部の回転体部は、バランスウエイトとは別に設けられてもよい。

実施形態の説明では、弁機構２６ｄが逆止弁である例を示したが、これに限られない。例えば、弁機構２６ｄは、二次側の圧力を調整可能な二次圧力調整弁（減圧弁）であってもよい。

上述の変形例は、第１実施形態と同様の作用、効果を奏する。

上述した実施形態と変形例の任意の組み合わせもまた本発明の実施形態として有用である。組み合わせによって生じる新たな実施形態は、組み合わされる実施形態および変形例それぞれの効果をあわせもつ。

１０・・圧縮機、 １２・・モータ、 １２ｃ・・ケーシング、 １２ｎ・・回転体部、 １２ｐ・・静止体部、 １２ｒ・・ラビリンス、 １４・・圧縮機駆動部、 １５・・バランスウエイト、 １５ｂ・・バランス調整部、 １６・・多翼ファン、 １８・・第１冷却器、 ２０・・第２冷却器、 ２２・・冷却器、 ２４・・除湿器、 ２６・・空気導入部、 ２６ｄ・・弁機構、 ２８・・送風ファン、 ３２・・空気吸込み部、 ３４・・圧縮空気送出部、 ３８・・軸受ホルダ、 ４０・・インバータ制御装置、 ４２・・収納箱、 ９０・・鉄道車両、 １００・・空気圧縮装置。

Claims (6)

1. 圧縮空気を生成する圧縮機と、
   前記圧縮機を駆動するモータと、
   前記モータに駆動されて空気流を生成するファンと、
   前記圧縮空気を冷却する第１冷却器および前記第１冷却器で冷却された前記圧縮空気を前記空気流によって冷却する第２冷却器を備え、
   前記第１冷却器は前記第２冷却器を冷却した空気流によって前記圧縮空気を冷却する
   空気圧縮装置。
2. 前記ファンは、前記モータと前記圧縮機の間に配置される請求項１に記載の空気圧縮装置。
3. 前記第１、第２冷却器は、前記ファンの回転軸線に直交する方向に配置される請求項１または２に記載の空気圧縮装置。
4. 前記第１冷却器は、前記第２冷却器の前記ファンとは反対側に一体的に配置される請求項３に記載の空気圧縮装置。
5. 前記空気流は、一体的に配置された前記第１、第２冷却器の周囲を前記ファンの回転軸線に直交する方向に流れる請求項４に記載の空気圧縮装置。
6. 圧縮機で生成された圧縮空気を順次冷却する前段冷却器および後段冷却器を含み前記前段冷却器は前記後段冷却器を冷却した空気流によって前記圧縮空気を冷却する冷却器を備える空気圧縮装置。

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