JP2023166928A - 圧縮機システム - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易的な構造で、圧縮機の吐出温度を上昇させ、排熱回収量を向上させるようにした圧縮機システムを提供する。【解決手段】 気体を圧縮する圧縮機本体を有し、圧縮気体を出力する気体圧縮機と、圧縮気体と排熱回収液とを熱交換する熱交換器を有する排熱回収機と、を備える圧縮機システムであって、気体圧縮機は、流量調整弁を有し、圧縮気体の温度に応じて、流量調整弁により、前記圧縮機本体に供給する冷却液の流量が調整される圧縮機システム。【選択図】 図１

Description

本発明は、気体圧縮機からの排熱を回収する圧縮機システムに関する。

気体圧縮機で排熱回収を可能にした制御システムが特許文献１には記載されている。この特許文献1には、圧縮気体が通常よりも高温な状態となる警報温度未満を可能な限り維持できるように圧縮機、圧縮気体、潤滑油を冷却しつつ、それら高温熱源からの熱回収を継続することが可能な圧縮機システムが記載されている。

WO 2020/195528 A1

特許文献1には、吐出温度に応じて冷却系統を変更させ排熱回収量を向上させる制御システムが記載されていた。特許文献１の技術では、冷却系統を変更させるために複雑な構造となる。また、圧縮機の吐出温度を上昇させて排熱回収量を向上させることについては十分に配慮されていない。

本発明の目的は、簡易的な構造で、圧縮機の吐出温度を上昇させ、排熱回収量を向上させるようにした圧縮機システムを提供することにある。

本発明の好ましい一例としては、気体を圧縮する圧縮機本体を有し、圧縮気体を出力する気体圧縮機と、前記圧縮気体と排熱回収液とを熱交換する熱交換器を有する排熱回収機と、を備える圧縮機システムであって、
前記気体圧縮機は、流量調整弁を有し、
前記圧縮気体の温度に応じて、前記流量調整弁により、前記圧縮機本体に供給する冷却液の流量が調整される圧縮機システムである。

本発明によれば、簡易的な構造で、圧縮機の吐出温度を上昇させ、排熱回収量を向上させることができる。

実施例における圧縮機システムの系統図である。 制御盤からの指令による圧縮機システムにおける制御のフローチャートである。 実施例における圧縮機システムの空気圧縮機を示す構成図である。

以下、図面を用いて実施例を説明する。

図１は、本実施例における圧縮機システムの系統図である。本実施例では、圧縮機ユニットとして水冷式の無給油式スクリュー圧縮機を適用した例について説明する。図１に示すように圧縮機システム１００は、空気圧縮機の筐体内に設置されている、圧縮機本体２１、圧縮機本体２２を備える空気圧縮機１と、筐体外の熱交換器３１、熱交換器３２を備える排熱回収機２とで構成される。

図３は、実施例１における圧縮機システムの空気圧縮機１を示す構成図である。空気圧縮機１は、図３に示すように、圧縮機本体２１、圧縮機本体２２等の各機器が設置されているベースと、圧縮機本体２１、圧縮機本体２２等の各機器を覆うようにベース上に設置された金属等の複数のパネルで構成されている箱型のカバー（筐体）を有しており、防音性に優れたものである。図３では、排熱回収機２の構成は省略しており、排熱回収機２は、空気圧縮機１の筐体の外部に配置される。

圧縮機本体２１、圧縮機本体２２は、図示しない雄ロータ及び雌ロータの一対のスクリューロータを備えている。また、圧縮機本体２１、圧縮機本体２２は、筐体内に配置されている主電動機１８によって、例えば動力伝達機構を介して駆動されるように構成されている。なお、動力は電動機に限るものではなく、内燃機関等であってもよい。

圧縮機本体２１は、空気流れの上流側に配置されている第１段の圧縮機であり、圧縮機本体２２は、第１段の圧縮機本体２１に対して空気の流れの下流側に配置されている第２段の圧縮機本体である。

本実施例における圧縮機本体２１、圧縮機本体２２はオイルフリースクリュー圧縮機であるため、油や水といった液体を圧縮作動室に注入する給液式の空気圧縮機と異なり、空気圧縮時に発生する熱によって圧縮機本体２１、圧縮機本体２２が特に発熱する傾向にある。そして、圧縮した後の空気は高温であるから、これを圧縮空気の需要元が使用するには適さない場合もある。このため、空気圧縮機１では、冷却液が各部に供給されるようになっている。さらに、本実施例の空気圧縮機１は、後述するように、圧縮機本体２１、圧縮機本体２２が空気を圧縮する際に発生する排熱を回収可能に構成されている。

排熱回収機２は、筐体外に配置されている排熱回収用の熱交換器３１、熱交換器３２を備える。熱交換器３１、熱交換器３２は、圧縮機本体２１、圧縮機本体２２が発生する排熱の利用側から送られる排熱回収液としての排熱回収液と、圧縮機本体２１、圧縮機本体２２から吐出される圧縮空気との熱交換を行うものである。

熱交換器３１は、第１段の圧縮機本体２１と、第２段の圧縮機本体２２との間に配置されている中間段排熱回収用熱交換器であり、熱交換器３２は、第２段の圧縮機本体２２の吐出側（下流側）に配置されている吐出段排熱回収用熱交換器である。

また、空気圧縮機１は、筐体内に配置されている冷却用の熱交換器５１、５２を備える。冷却用の熱交換器５１、熱交換器５２は、空気圧縮機１の外部から送られる冷却液としての冷却液と圧縮機本体２１、圧縮機本体２２から吐出される圧縮空気との熱交換を行うものである。

冷却用の熱交換器５１は、第１段の圧縮機本体２１と第２段の圧縮機本体２２との間に配置されているインタークーラである（以降、熱交換器５１をインタークーラと称す）。

冷却用の熱交換器５２は、第２段の圧縮機本体２２の吐出側に配置されているアフタークーラである（以降、熱交換器５２をアフタークーラと称す）。

第１段の圧縮機本体２１と、第２段の圧縮機本体２２との間において、上流側から順に中間段排熱回収用の熱交換器３１と、インタークーラ５１とが配置されている。また、第２段の圧縮機本体２２の吐出側において、上流側から順に吐出段排熱回収用の熱交換器３２と、アフタークーラ５２とが配置されている。なお、場合によっては、排熱回収用の熱交換器３１、熱交換器３２と、インタークーラ５１、アフタークーラ５２との配置順序が逆となる構成であってもよい。

第１段の圧縮機本体２１、中間段排熱回収用の熱交換器３１、インタークーラ５１、第２段の圧縮機本体２２、吐出段排熱回収用の熱交換器３２及びアフタークーラ５２は、圧縮対象の空気が流通する空気配管６で接続されている。

尚、上記の流通経路はロード運転（負荷運転）時である。アンロード運転（無負荷運転）時においては、放風空気が、圧縮機本体２１、熱交換器３１、インタークーラ５１、圧縮機本体２２、熱交換器３２を流通後、アンロード運転により逆止弁１０が全閉となる為、放風配管４から大気に放出するように構成されている。

また、排熱回収用の熱交換器３１、熱交換器３２で圧縮空気と熱交換する排熱回収液が流通する排熱回収液配管７と、冷却用のインタークーラ５１、アフタークーラ５２で圧縮空気と熱交換する冷却液が流通する冷却液配管８とが、別々に独立した経路として筐体に配置されている。

排熱回収液配管７は、排熱の利用側から循環用ポンプ１４の運転により送られる排熱回収液が流入する排熱回収液流入口７１から、中間段排熱回収用の熱交換器３１及び吐出段排熱回収用の熱交換器３２を経て、排熱の利用側に向けて送る排熱回収液が流出する排熱回収液流出口７２に接続されている。

冷却液配管８は、冷却液流入口８０から、第１冷却液配管８１と、第２冷却液配管８２と、第３冷却液配管８３と、第４冷却液配管８５とに分岐した後、それぞれが合流して冷却液流出口８４に接続するように構成されている。冷却液流入口８０は、空気圧縮機１の外部に在る、例えば冷却塔１６等から送られる冷却液が流入する入口である。また、冷却液流出口８４は、冷却塔１６等に向けて送る冷却液が流出する出口である。

第１冷却液配管８１は、冷却液流入口８０からアフタークーラ５２を経て冷却液流出口８４に接続する。第２冷却液配管８２は、冷却液流入口８０から、オイルクーラ９、第２段の圧縮機本体２２のケーシングに設けられている冷却ジャケットを経て、冷却液流出口８４に接続する。第３冷却液配管８３は、冷却液流入口８０からインタークーラ５１を経て冷却液流出口８４に接続する。第４冷却液配管８５は、第１段の圧縮機本体２１のケーシングに設けられている冷却ジャケットを経て冷却液流出口８４に接続する。

また、図１に示すように、第１段の圧縮機本体２１の上流側の第４冷却液配管８５に流量調整弁１５を備える。また、第１段の圧縮機本体２１の下流の空気配管６に１段吐出空気温度センサ１１を備える。また、インタークーラ５１と第２段の圧縮機本体２２の中間の空気配管６に２段吸込空気温度センサ１２を備える。また、冷却液流出口８４の上流に冷却液出口温度センサ１３を備える。これら温度センサ１１、１２、１３の検出温度に応じて、第１段の圧縮機本体２１への冷却液の流量を、流量調整弁１５により、調節するように構成されている。

オイルクーラ９は、図示は省略するが、圧縮機本体２１、圧縮機本体２２の軸受部や、動力伝達機構等を潤滑する潤滑油を冷却するための水冷式の熱交換器である。オイルクーラ９で冷却された潤滑油は、圧縮機本体２１、圧縮機本体２２の軸受部等を潤滑した後、油溜り（図示せず）に貯留される。その後、潤滑油は、オイルポンプ（図示せず）等の搬送機構でオイルクーラ９に導かれて冷却され、この潤滑経路を循環するように構成されている。

また、図３に示すように、空気圧縮機１の筐体内には制御盤１７が備えてある。制御盤１７は、圧縮機本体２１、圧縮機本体２２の吐出温度、吸込み温度等の各種温度監視や、各種バルブ等（図示せず）の開閉の指示を出している。

制御盤は、マイコンなどのプロセッサーや記憶部を備える制御部としての役割をする。プロセッサーは記憶装置に記憶されたプログラムを読み出し、後述する図２の処理フローを実行して、流量調整弁１５の開閉を制御する。

次に、このように構成された圧縮機システム１００の動作について説明する。図１において、空気圧縮機１は、第１段の圧縮機本体２１の上流側に配置されている容量調整弁（図示せず）を介して空気を吸い込み、第１段の圧縮機本体２１で空気を圧縮する。

その後、圧縮された高温空気（例えば約１６０℃程度）は、中間段排熱回収用の熱交換器３１で必要な熱量を交換し、さらにインタークーラ５１で冷却される。

中間段排熱回収用の熱交換器３１には、圧縮された高温空気と排熱回収液とが流れて熱交換が行われ、インタークーラ５１には、中間段排熱回収用の熱交換器３１で熱交換されて温度が低下した圧縮空気と、冷却液とが流れて熱交換が行われる。

ここで、各部に設置された温度センサ１１、温度センサ１２、温度センサ１３において検出された温度に応じて、流量調整弁１５により第１段の圧縮機本体２１に供給する冷却液の流量を調節することにより、第１段の圧縮機本体２１から吐出される圧縮空気をさらに高い温度を保つことで排熱回収量を増加させることが可能となる。

次に、インタークーラ５１で冷却された空気（例えば約４０℃程度）は、さらに圧力を上げるために第２段の圧縮機本体２２で圧縮される。その後、圧縮された高温空気（例えば約１６０℃程度或いはこれよりも更に高温）は、吐出段排熱回収用の熱交換器３２で再び必要な熱量を交換し、さらにアフタークーラ５２で冷却される。そして、アフタークーラ５２で冷却された空気（例えば約４０℃程度）は、圧縮空気の需要元に送られる。

一方、排熱回収液は、循環用ポンプ１４の運転により排熱の利用側から排熱回収液流入口７１を介して流入し、排熱回収液配管７を流れるとともに、排熱回収用の熱交換器３１、熱交換器３２で圧縮空気と熱交換した後、排熱回収液流出口７２から排熱の利用側に向けて流出する。

図２は、本実施例における圧縮機システム１００において、第１段の圧縮機本体２１から吐出される圧縮空気を高温に保つ制御のフローチャートである。これら制御フローは制御盤１７からの指令によって実施される。

気体圧縮機が運転すると制御盤１７に電力が供給され、流量調整弁１５の制御を開始する（Ｓ２０１）。

１段吐出空気温度センサ１１により取得した１段吐出空気温度Ｔｄと、定めておいた許容吐出空気温度とを比較する（Ｓ２０２）。１段吐出空気温度Ｔｄが、１８０℃以上の場合、Ｓ２０７に進み、流量調整弁１５を開ける処理へ移行する。

ここでは許容吐出空気温度として定めておいた温度を１８０℃としたが、この温度は、１段吐出空気警報温度－３０℃とした。この数値は、あくまでも一例である。ここで、１段吐出空気警報温度は、１段吐出空気温度Ｔｄが警報を必要とするレベルであることを示す異常な温度を意味する。１段吐出空気温度Ｔｄが１８０℃未満の場合、Ｓ２０３に進む。

２段吸込空気温度センサ１２により取得した２段吸込空気温度Ｔｓ２と、定めておいた許容吸込空気温度とを比較する（Ｓ２０３）。２段吸込空気温度Ｔｓ２が４０℃以上の場合、Ｓ２０７に進み、流量調整弁１５を開ける処理へ移行する。

ここでは許容吸込空気温度を４０℃としたが、この温度は、２段吸込空気警報温度－５℃とした。この数値は、あくまでも一例である。ここで、２段吸込空気警報温度は、２段吸込空気温度Ｔｓ２が警報を必要とするレベルであることを示す異常な温度を意味する。２段吸込空気温度Ｔｓ２が４０℃未満の場合、Ｓ２０４に進む。

冷却液出口温度センサ１３により取得した冷却液出口温度Ｔｗｏと、定めておいた許容冷却液出口温度とを比較する（Ｓ２０４）。冷却液出口温度Ｔｗｏが４０℃以上の場合には、Ｓ２０７に進み、流量調整弁１５を開ける処理へ移行する。

ここでは許容冷却液出口温度を４０℃としたが、この温度は、冷却液出口警報温度－５℃とした。冷却液入口警報温度を基準として、例えば冷却液入口警報温度＋５℃として許容冷却液出口温度を定めてもよい。この数値はあくまでも一例である。ここで、冷却液入口警報温度や冷却液出口警報温度は、冷却液の温度が警報を必要とするレベルであることを示す異常な温度を意味する。冷却液出口温度Ｔｗｏが４０℃未満の場合、Ｓ２０５に進む。

制御盤１７からの指令により、流量調整弁１５が絞られ（閉方向）冷却液流量を減少させる（Ｓ２０５）。これに伴って、１段吐出空気温度Ｔｄは上昇する。

Ｓ２０５の後に、１段吐出空気温度センサ１１により取得した１段吐出空気温度Ｔｄと、定めておいた許容吐出空気温度とを比較する（Ｓ２０６）。１段吐出空気温度Ｔｄが２００℃以上の場合、Ｓ２０７に進み、流量調整弁１５を開ける処理へ移行する。ここでは定めておいた温度として許容吐出空気温度を２００℃としたが、この温度は、１段吐出空気警報温度－１０℃とした。この数値はあくまでも例である。１段吐出空気温度Ｔｄが２００℃未満の場合、Ｓ２０５に戻り、流量調整弁１５が調整され（閉方向）冷却液の流量が少ない状態を維持する。Ｓ２０５とＳ２０６において、１段吐出空気温度Ｔｄを、Ｓ２０２での許容吐出空気温度より１段吐出空気警報温度に近づけるまで許容吐出空気温度を高くしている。このように、流量調整弁１５を絞っておくことで、排熱回収水の温度上昇量を増加させることができる。

Ｓ２０７では、制御盤１７からの指令により、流量調整弁１５が調整され弁が全開となり、冷却液量を増加させる。流量調整弁が全開のままＳ２０８に進む。

Ｓ２０８では、制御盤１７により流量調整弁が全開のまま、一定時間経過後を確認後、Ｓ２０２にもどり、再び制御フローへ戻る。

本実施例では、排熱の利用側から送られる排熱回収水は、例えば温度が７０～９０℃の高温水である。そして、高温水である排熱回収水は、排熱回収用の熱交換器３１、熱交換器３２での圧縮空気との熱交換によって、例えば５～１０℃程度温度上昇させられて、排熱の利用側に戻される。

ここで、本実施例では流量調整弁により高い吐出温度に調整することにより、排熱回収水の温度上昇量を増加させることができる。これにより、排熱回収量を増加させることができる。

また、冷却水は、例えば冷却塔１６から冷却液流入口８０を介して流入して冷却液配管８を流れるとともに、インタークーラ５１、アフタークーラ５２における圧縮空気のほか各部を冷却した後、冷却液流出口８４から冷却塔１６に向けて流出する。温度が上昇した冷却水は、冷却塔１６で大気と熱交換することによって冷やされる。

本実施例の制御フローを実行することにより、第１段の圧縮機本体２１に供給する冷却液の流量が減少し、冷却液出口温度が上昇する。これにより、冷却塔１６の負荷が増加することを防ぐ為、冷却水出口温度も監視し、規定の温度を超過しないよう冷却液の流量を調整できる。

本実施例では、流量調整弁を設けることにより、冷却液を絞り、圧縮機本体からの圧縮気体の吐出温度を上昇させ排熱回収量を上昇させることができる。

上記の実施例では、空気圧縮機の筐体の外に、排熱回収機を配置した圧縮機システムの例で説明したが、空気圧縮機の筐体内に、排熱回収機を配置する構成としてもよい。

１ 空気圧縮機、２ 排熱回収機、１１ １段吐出空気温度センサ、１２ ２段吸込空気温度センサ、１３ 冷却液出口温度センサ、１５ 流量調整弁、１００ 圧縮機システム

Claims (8)

1. 気体を圧縮する圧縮機本体を有し、圧縮気体を出力する気体圧縮機と、
   前記圧縮気体と排熱回収液とを熱交換する熱交換器を有する排熱回収機と、を備える圧縮機システムであって、
   前記気体圧縮機は、
   流量調整弁を有し、
   前記圧縮気体の温度に応じて、前記流量調整弁により、前記圧縮機本体に供給する冷却液の流量が調整される圧縮機システム。
2. 請求項１に記載の圧縮機システムにおいて、
   前記気体圧縮機は、
   前記圧縮機本体からの圧縮気体の吐出温度を検出する温度センサを有し、
   検出した吐出温度から、前記流量調整弁により、前記圧縮機本体に供給する冷却液の流量が調整される圧縮機システム。
3. 請求項２に記載の圧縮機システムにおいて、
   前記吐出温度が、
   許容吐出空気温度未満の場合には、前記流量調整弁により、前記冷却液の流量を減少させることにより、前記吐出温度を上昇させる圧縮機システム。
4. 請求項１に記載の圧縮機システムにおいて、
   前記気体圧縮機は、
   第１段圧縮機本体と、
   第２段圧縮機本体と、
   第１段圧縮機本体からの圧縮気体の吐出温度を検出する第１の温度センサと、
   第２段圧縮機本体への圧縮気体の吸込温度を検出する第２の温度センサとを有し、
   第１の温度センサおよび第２の温度センサで検出した温度に応じて、前記冷却液の流量を前記流量調整弁により、調節する圧縮機システム。
5. 請求項１に記載の圧縮機システムにおいて、
   前記気体圧縮機は、
   前記冷却液の温度を検出する第３の温度センサを有し、
   第３の温度センサで検出した温度が、許容温度以上にならないように、前記冷却液の流量を、前記流量調整弁により、調節する圧縮機システム。
6. 請求項１に記載の圧縮機システムにおいて、
   前記気体圧縮機は、
   第１の圧縮機本体と、
   第２の圧縮機本体と
   第１の圧縮機本体と第２の圧縮機本体との間で、前記圧縮気体を流す空気配管と、
   前記冷却液が流れる冷却配管と、
   前記排熱回収液が流れる排熱回収配管とを有する圧縮機システム。
7. 請求項２に記載の圧縮機システムにおいて、
   前記流量調整弁の開閉の制御をする制御部を有し、
   前記吐出温度が、第１の許容吐出空気温度未満の場合には、
   前記制御部は、
   前記流量調整弁を絞るように制御をし、
   第１の許容吐出空気温度以上の場合には、
   前記制御部は、
   前記流量調整弁を開くように制御をする圧縮機システム。
8. 請求項７に記載の圧縮機システムにおいて、
   前記吐出温度が、第１の許容吐出空気温度より高い温度である第２の許容吐出空気温度未満の場合には、
   前記制御部は、
   前記流量調整弁を絞るような制御をし、
   前記吐出温度が、第２の許容吐出空気温度以上の場合には、
   前記制御部は、
   前記流量調整弁を開くように制御をする圧縮機システム。

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