JP3571791B2 - 高圧の窒素を生成する装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
（発明の背景）本発明は、少なくとも一台の消費装置のため、特に少なくとも一台の射出成形機のために高圧の窒素を生成する装置に関する。
（発明の分野）本発明は、第１のマグネチックバルブを介して窒素供給源に接続する膨脹可能な溜と、消費装置に接続可能な高圧貯蔵容器と、吸気側において溜に接続しかつ圧力側において貯蔵容器と接続する高圧圧縮機と、第１マグネチックバルブおよび高圧圧縮機に対する制御装置であって、溜によって作動する充満状態センサと貯蔵容器に接続する圧力スイッチとを有する制御装置と、膨脹可能な溜に接続しかつ消費装置において膨脹した窒素のために消費装置に接続可能な再循環ラインとを備え、充満状態センサが、高圧圧縮機を始動しかつ第１マグネチックバルブを閉じる上側切り換え点と、貯蔵容器内の圧力によって第１マグネチックバルブを開くかまたは高圧圧縮機を停止する下側切り換え点とを有するような型の装置に関わる。
【０００２】
【従来技術の説明】
このような装置がＤＥ４１２６６７６Ａｌにおいて開示されている。これは、特に、射出成形された部材の内部に中空スペースを生成するために、最近の射出成形技術におけるガス圧入のために用いられる。この射出圧力は３００バール（ｂａｒ）を超えるものである。
充満状態センサの上側切り換え点は溜がほぼ充満した状態に対応し、下側切り換え点はほぼ空の状態に対応する。上側切り換え点において圧縮機がオンに切り換えられ、第１マグネチックバルブが閉じられる。第１の動作段階において、すなわち動作の開始に際して、充満状態センサの下側切り換え点は、圧縮機が動作している間に第１マグネチックバルブを開かせるものである。貯蔵容器内の圧力が第１の所定値に達するとすぐに、第２の動作段階が開始される。圧力スイッチが第１マグネチックバルブを閉じ、充満状態センサの下側切り換え点に対してそれが作動された場合に圧縮機を止めるように作用する。ガスが再循環ラインを介して溜に流れ込み、それを充満状態センサが上側切り換え点に達するまで膨脹させた場合、圧縮機がオンにされる。したがって、この装置は循環路において動作する。この動作のモードが貯蔵容器内の圧力が低レベルにおいて設定された第２の値を下回るまで継続し、その後、圧力スイッチが第１のマグネチックバルブを開き、第１動作段階が再び開始される。
【０００３】
窒素の供給は、一組のシリンダによってあらかじめなされるものである。したがって、充分な供給量を確保した場合においても、供給のボトルネックが起こり得る。さらなる要因として、溜を充満させるには大気圧を超える低い圧力レベルで充分であるのに対し、窒素が約２００バール（ｂａｒ）で供給されることから、このような動作が経済的ではないことがある。
【０００４】
【発明を解決しようとする課題】
本発明の課題は、上述した型の装置を窒素の供給源に依存しないものにし、かつその効率を向上することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
（発明の概要）この課題を達成するため、本発明にしたがった装置は、第１マグネチックバルブに連ねてそれと交互に作動しかつ出口側においてスロットルを介して大気に接続する第２のマグネチックバルブが設けられ、これらのマグネチックバルブが入口側において、空気圧縮機によって供給される少なくとも１つの窒素分離器に調節可能なスロットルを介して接続し、この分離器の出口に連ねて、制御装置に加えてこれらのマグネチックバルブを作動する窒素純度センサを設けたことを特徴とする。
窒素分離器は最新技術の部分をなしている。これらは、膜を備えて動作し、大気中の窒素を酸素から分離する。この純度の程度は、分離器の下流の窒素管における背圧、分離器を通過した空気の量、および分離器の動作温度による。必要とされる純度が高くなるにつれて、供給される量が少なくなる。
この純度は、調節可能なスロットルによって本発明にしたがってあらかじめ選択され、純度センサによって監視されている。始動状態においては、第２マグネチックバルブがその開放位置にあるのに対し、第１マグネチックバルブは閉じられている。そして、窒素の背圧が第２マグネチックバルブの下流に接続するスロットルによって定められ、高レベルに維持される。９９％以上とすることのできる所望の純度が達成されると直ちに、純度センサは、制御装置が許可する場合にこれら２つのバルブを切り替える。すると、溜を充満させることができる。純度センサが所望の純度がもはや達成されていないことを示した場合、溜が汚染された窒素で充満されるのを防ぐように２つのマグネチックバルブを切り替える。この純度センサは、窒素の酸素含有量を測定している。
【０００６】
これにより、この装置は独自の窒素供給源を有し、したがって配給および貯蔵に依存することがない。空気圧縮機が分離器の動作のためおよび溜を充満させるために必要な圧力で必要な量の空気を供給するだけでよいことから、その動作のモードは高効率を特徴としている。さらなる要素として、窒素の純度をそれぞれの要件に適合させ得ることがある。
この目的で設けられた調節可能なスロットルを、手動で作動させることができる。一定の状況においては、あらかじめ選択された純度に基づいて、純度センサが調節可能スロットルを制御すればより効果的である。また、純度センサに警報機能を連動させることが好ましい。
【０００７】
窒素の生成を中断させたりまたは重要な段階において純度を受入れ難く低下させる中断状態を防ぐためには、分離器の下流において窒素の外部供給源のためのラインが設けられ、かつ、充満状態センサが、下側切り換え点より下にあって、第１マグネチックバルブが開いている場合にこの外部供給源をオンにする第３の切り換え点を有すれば、効果的となり得る。しかし、これは、装置が消費装置からの窒素の再循環によってほぼ可能な限り閉じた循環路として動作するものであることから、純粋に緊急事態に対する予防措置である。
【０００８】
この閉循環路動作は、さらなる効果と関連している。閉循環路動作においては、第２マグネチックバルブがその開放位置にある間、第１マグネチックバルブは閉じられている。したがって、分離器上の窒素背圧は、第２マグネチックバルブの下流において接続する極めて狭い断面のスロットルによって定められる。このことが自動的に純度の向上につながり、以降の窒素の供給の確実性が増大する。さらに効果的な構成においては、充満状態センサが、第３の切り換え点の下にあって、第１マグネチックバルブが開放されている場合に高圧圧縮機をオフにする第４の切り換え点を有している。これは、高圧圧縮機に適切に供給をするための、膨脹可能な溜が分離器からも外部供給源からも充分な窒素を受けとっていない場合の、緊急スイッチオフ機能である。
【０００９】
本発明の重要な別の実施例の装置においては、空気圧縮機が油冷式の、その下流の空気出口側において凝結トラップを備えた空気冷却器に接続し、かつ油出口側において油冷却器に接続する圧縮機であること、また、油冷却器の前方において直列にかつ凝結トラップの後方において直列に、油の廃熱を利用して冷却された空気を予熱する熱交換器が設けられることをさらに特徴としている。ねじ圧縮機とすることのできる圧縮機の冷却は、圧縮する空気への油の射出によって行うことができる。油および圧縮空気は、別々の通路を通って圧縮機を離れるが、しかし、これによって一定量の油が空気の中に残る。次に、後者を冷却して、この量の油を空気から取り除かれた水と共にフィルタの組み合わせによって復水として分離する。また、油も、圧縮機に戻される前に冷却される必要がある。遊離した熱を、今度は、冷却された空気を再加熱し、分離器がその最適な効率を発揮する温度にするために用いる。したがって、必要なエネルギーは廃熱によって供給され、装置が特に良い効率で動作する。
廃熱が過大に存在することから、油温度が作用するサーモスタチックバルブが、油冷却器および油冷却機をバイパスするバイパスラインへの油の流量を制御することが望ましい。油は、まず熱交換器を通り、サーモスタチックバルブに流れ、そこから、その温度によって、バイパスラインを介して直接に圧縮機に戻されるか、または油冷却器をあらかじめ通ってその中でさらに冷却される。このようにして、圧縮機の温度レベルおよびしたがって熱交換器のそれが一定に保たれる。
熱交換器を分離器のすぐ近くに配置して放射熱を利用すればさらに効果的である。したがって、分離器は外側からさらに加熱され、圧縮機からの油から生成される廃熱を再び利用している。
凝結物トラップの復水出口側の下流には、油・水分離器が接続されることが望ましい。これが、圧縮された空気を冷却するときに生じる凝縮物を取り除く役目をする。
上述した組み合わせとは異なる本発明にしたがった特徴の組み合わせは、すべて本発明に重要なものであるとして開示する。
【００１０】
【実施例】
以下において、本発明を、添付の図面と関連させて、好ましい実施例についてより詳細に説明する。
（好ましい実施例の説明）図１に示すように、この装置は、部分的に概略的に示されたサブアセンブリを他のものと共に収容するハウジング１を有している。第１マグネチックバルブ２は、入り口側において、一組の膜式分離器４に調節可能なスロットル３を介して接続している（図２および図３参照）。窒素は、第１マグネチックバルブ２から、充満状態センサ６を備えた膨脹可能な溜５に流れ込む。この溜５は、高圧貯蔵容器８内に吐き出す高圧圧縮機７の吸気側に接続している。この貯蔵容器８は、この例では射出成形機であるところの消費装置に接続部９を介して接続することができる。貯蔵容器８内の圧力は圧力スイッチ１０に作用する。
また、接続部１２を介してやはり射出成形機に接続可能な再循環ライン１１が設けられ、射出成形機内において膨脹した窒素を膨脹可能な溜５に送り返す役目をしている。
【００１１】
説明したところの装置の制御は、充満状態センサ６および圧力スイッチ１０によってなされる。その制御ラインは、簡明のため図においては省略している。
動作を開始する場合、貯蔵容器８内の圧力が設定された上圧力値より低いことを条件として、まず窒素生成ユニットを作動する。所望の純度が達成されるとすぐに、第１マグネチックバルブ２が開く。すると、窒素がほぼ大気圧で溜５に吹き込まれる。充満状態センサ６がその上切り換え点に達すると、第１マグネチックバルブ２が開いたままで高圧圧縮機７の動作が開始され、これによって溜５の充満状態が低下する。取り出されたガスの体積が、窒素生成ユニットによって所定の純度で供給された体積よりも大きいなら、充満状態センサ６はその下切り換え点に達し、これによって、窒素生成ユニットが動作し続けた場合、高圧圧縮機がオフにされ、溜５が再び満たされる。このことは、引き出されたガスの体積が窒素生成ユニットによって供給された体積よりも小さい場合にも起きる。充満状態センサ６がその上切り換え点に再び達すると、オフにされていた場合には、高圧圧縮機がすぐにオンにされる。また、第２マグネチックバルブ２０（図３）がその開放位置に移動するのに対し、第１マグネチックバルブ２が閉じられる。この段階において、これ以上溜５に窒素が送り込まれることはない。下流に接続する比較的せまい開口を備えた第２マグネチックバルブ２０およびスロットル２１（図３）を介しての吐き出しによって、同時に純度の向上を生じる。高圧圧縮機７が、充満状態センサ６が下切り換え点に達する程度まで溜５を再び空にすると、すぐに、これら２つのマグネチックバルブ２および２０が再び切り替わる。貯蔵容器８内において設定された上圧力が達成されたことを圧力スイッチが示すまで、この動作サイクルが継続する。そして、第１マグネチックバルブ２が閉じられ、同時に窒素生成ユニットがオフになる。また、充満状態センサ６がその下切り換え点に達するとすぐに、圧縮機７が停止する。そうすると、膨脹可能な溜５の周期的な充填が回収ライン１１を介して行われ、したがって窒素が循環路を導かれるようになる。貯蔵容器８内の圧力が下方設定値を下回るとすぐに、圧力スイッチ１０が始動状態に戻る。
【００１２】
したがって、動作は主として閉循環路におけるものになり、必然的な漏れ損失が貯蔵容器８における対応した圧力低下を引き起こした場合にのみ、分離器４からガスを取り出すことが必要になる。この装置は高い効率で動作し、構造が簡単で、製造が経済的である。
【００１３】
図３は、窒素の生成に関わる装置の部分の概略図である。
空気を低圧力空気圧縮機１３において圧縮し、フィルタの組み合わせとして構成された凝結物トラップ１５において後に清浄するために、空気冷却器１４において冷却する。復水は、油・水分離器１６に流れ込む。
空気圧縮機１３は、油の射出によって冷却されるねじ圧縮機である。熱せられた油は、放射熱を利用するために図２においてみることができるように分離器４の直前に配置された熱交換器１８に流れる。熱交換器１８は、冷却された空気を、それが分離機４に流れ込む以前に熱する役目をしている。油からの廃熱を利用することによって、分離器４は最適の効率で動作する。熱交換器１８の後、油はサーモスタチックバルブ１７に流れ、これが、短い加熱段階中において、油をバイパスライン１７´を介して空気圧縮機１３に直接に導く。加熱段階の後、油は、従来型の油冷却器１９を通って導かれ、分離器４および空気圧縮機１３に最適な値で温度レベルが一定に維持されるようにそこで冷却される。
【００１４】
分離器４に隣接して調節可能なスロットル３が設けられ、後者に隣接して第１マグネチックバルブ２が設けられる。第１マグネチックバルブ２に並列に、第２マグネチックバルブ２０が設けられ、これに続いて大気中に吐き出しをするスロットル２１が設けられている。マグネチックバルブ２および２０は共に、充満状態センサ６による制御の対象であり、反対方向に同時に作動する。
窒素の純度は、調節可能なスロットル３において設定される。処理量を低下させると、純度が上昇する。この監視を、警報機能と連動させることのできる純度センサ２２によって行う。始動段階において純度が設定値に達しない限りは、第２マグネチックバルブ２０が開放位置をとる一方で、第１マグネチックバルブが閉じられる。その断面を小さく維持したスロットル２１が、分離器４に対する背圧を決定する。ユニットの動作に対する準備ができたことを純度センサが示すと、マグネチックバルブ２および２０が共に切り換えられる。このために、これらは互いに結合している。望ましい値を下回る動作中に純度の低下を純度センサ２２が検出すると、これらが再び切り換わる。
【００１５】
この例においては、調節可能スロットル３は手動で操作される。しかし、これを純度センサ２２によって制御することもできる。
膨脹可能溜５上の充満状態センサ６が第１マグネチックバルブ２が閉じることを求めるとすぐに、第２マグネチックバルブ２０が同時に開かれる。すると、窒素が大気中に、しかしスロットル２１によって定められた増大した背圧の下に吐き出され、装置が自動的に純度レベルを向上する。
【００１６】
導管２３によって概略的に示されるように、緊急事態の補償をするために、窒素の外部供給源を設けることを可能にしているが、装置が膨脹可能溜と消費装置との間の循環路で動作することから、これの起きることはほとんどないと予想される。この外部供給源は、膨脹可能溜５の充満状態センサ６によって制御される。このために、充満状態センサ６は、下切り換え点より低い第３の切り換え点（「バッグエンプティー」）を有している。下切り換え点より低い第３の切り換え点を配置することによって、第１マグネチックバルブが開き、第２マグネチックバルブ２０がその閉じた位置をとることを確実にする。また、後者は、第３切り換え点の下に配置された充満状態センサ６の第４の切り換え点にもあてはまる。高圧圧縮機７は、第４の切り換え点において、それにもはや窒素を充分に供給することができないことからオフにされる。
【００１７】
本発明の範囲内において、多数の変化の可能性がある。したがって、油を介して充分な廃熱が利用可能である限りにおいて、ねじ圧縮機以外の圧縮機を用いることができる。また、純度センサによって供給される情報によって任意に吹き出しをする場合に分離器に対する背圧を変えるために、スロットル２１を調節可能とすることができる。分離器の直前に熱交換器を配置することは、空気をあらかじめ熱するだけでそれらの効率が最適なものとなる場合は不要となる。分離器の数は決定的に重要なことではなく、対応する動作パラメータによって決まるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】装置の一部を破断して示す概略的前面図である。
【図２】図１の装置の詳細を示す図である。
【図３】図１の部分の装置の概略ブロック循環路図である。
【符号の説明】
１ ハウジング
２ 第１マグネチックバルブ
３ 調節可能スロットル
４ 分離器
５ 溜
６ 充満状態センサ
７ 高圧圧縮機
８ 高圧貯蔵容器
９，１２ 接続部
１０ 圧力スイッチ
１１ 再循環ライン
１３ 空気圧縮機
１４ 空気冷却器
１５ 凝結トラップ
１６ 油・水分離器
１７ バイパスライン（サーモスタチックバルブ）
１８ 熱交換器
１９ 油冷却器
２０ 第２マグネチックバルブ
２１ スロットル
２２ 窒素純度センサ
２３ 導管

Claims (4)

1. 少なくとも一台の消費装置のために高圧の窒素を生成する装置において、
   第１のマグネチックバルブ（２）を介して窒素供給源に接続する膨脹可能な溜（５）と、
   消費装置に接続可能な高圧貯蔵容器（８）と、
   吸気側において溜に接続しかつ圧力側において貯蔵容器と接続する高圧圧縮機（７）と、
   第１マグネチックバルブおよび高圧圧縮機に対する制御装置であって、溜によって作動する充満状態センサ（６）と貯蔵容器に接続する圧力スイッチ（１０）とを有する制御装置と、
   膨脹可能な溜（５）に接続しかつ消費装置において膨脹した窒素のために消費装置に接続可能な再循環ライン（１１）とを備え、充満状態センサ（６）が、高圧圧縮機（７）を始動しかつ第１マグネチックバルブ（２）を閉じる上側切り換え点と、貯蔵容器（８）内の圧力にしたがって第１マグネチックバルブ（２）を開くかまたは高圧圧縮機（７）を停止する下側切り換え点とを有し、
   第１マグネチックバルブ（２）に連動させて、それと交互に作動されかつ出口側においてスロットル（２１）を介して大気に接続する第２のマグネチックバルブ（２０）が設けられることと、
   マグネチックバルブ（２，２０）が入口側において、空気圧縮機（１３）によって供給された窒素を分離する少なくとも１つの窒素分離器（４）に調節可能なスロットル（３）を介して接続することと、
   分離器（４）の出口に連ねて、制御装置に加えてマグネチックバルブ（２，２０）を作動する窒素純度センサ（２２）を設けたことを特徴とする高圧の窒素を生成する装置。
2. 分離器（４）の下流側に窒素の外部供給源からの吸気ラインが設けられることと、充満状態センサ（６）が下切り換え点より下にあって第１マグネチックバルブ（２）が開いている場合に窒素の外部供給源をオンにする第３の切り換え点を有することとを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 充満状態センサ（６）が第３切り換え点の下にあって第１マグネチックバルブ（２）が開いている場合に高圧圧縮機（７）をオフにする第４の切り換え点を有することを特徴とする請求項２記載の装置。
4. 空気圧縮機が油冷式の、その下流の空気出口側において凝結トラップ（１５）を備えた空気冷却器（１４）に接続し、その油出口側において油冷却器（１９）に接続する圧縮機であることと、油冷却器（１９）の前方において直列にかつ凝結トラップ（１５）の後方において直列に、油の廃熱を利用して冷却された空気を予熱する熱交換器（１８）が設けられることとを特徴とする請求項１〜３のいずれか記載の装置。

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