JP3801041B2

JP3801041B2 - 水噴射式スクリュー圧縮機

Info

Publication number: JP3801041B2
Application number: JP2001378007A
Authority: JP
Inventors: 隆史齋藤; 文夫武田; 恭高津; 誠司鶴
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-12-12
Filing date: 2001-12-12
Publication date: 2006-07-26
Anticipated expiration: 2021-12-12
Also published as: JP2003184768A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気等のガスを圧縮するスクリュー圧縮機に係り、特に１対のロータとケーシング間に形成される圧縮作動室に水を噴射する水噴射式スクリュー圧縮機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子関連、食品、化学などの油分の混入を嫌う産業分野においては、吐出ガスに油分が混入しないオイルフリー圧縮機が多用される。このオイルフリー圧縮機では、ロータ同士またはロータとケーシングとの接触を防止するために油冷式圧縮機で用いる潤滑油を使用できない。したがって、ロータ同士またはロータとケーシング間の隙間が増大し、圧縮機の効率が低下する。この不具合を解消するために、作動ガスに混入されてもプロセスがほとんど影響を受けない水を油の代わりに圧縮作動室に噴射し、ロータ間やロータとケーシング間のシールと潤滑を兼用させる方法が各種提案されている。
【０００３】
この水噴射式スクリュー圧縮機の例が、特開平１０−１４１２６２号公報に記載されている。この公報では、水潤滑式スクリュー圧縮機の密封性を高めるためと、タイミングギアを不用にするために、雄スクリューロータは、金属製中心軸の外周に熱硬化性合成樹脂のロータ歯部を一体に設けている。雄スクリューロータの中心軸に原動機から動力が伝達される。これにより、雄側のロータ歯部とメス側のロータ歯部およびシリンダとの密封性が向上し、粘度が低く密封性に劣る水を潤滑液に使用して、密封性を向上させている。
【０００４】
水噴射式スクリュー圧縮機の他の例が、特表平１０-５１２９３８号公報に開示されている。この公報では、気体媒体の環境的に許容できる圧縮を可能にするために、コンプレッサ設備は添加剤の無いオイルレス冷却水で冷却されている。そして、コンプレッサ内への冷却水の噴射は、圧縮が略等温になるように容量決定されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
圧縮作動室内に水を噴射する水噴射式スクリュー圧縮機では、水の粘性が低いので十分なシール効果を高めるために、圧縮作動室内に多量の水を注入する。圧縮作動室内に多量の水を注入すると、圧縮作動室内における水の攪拌損失が増大してエネルギー効率が低下する。また、スクリューロータが高速回転する圧縮機では、噴射された微粒子の水と圧縮空気とが熱交換するのに必要な時間を圧縮行程において十分には確保できず、所期の冷却効果を得ることが困難である。
【０００６】
つまり、特開平１０−１４１２６２号公報においては、圧縮機の圧縮過程で発熱して合成樹脂製のロータの歯部が変形するのを、水噴射により低減できるという効果がある。また、これによりロータ同士またはロータとシリンダ間のシール性能を向上できる。しかしながら、この公報に記載のものでは、樹脂製のロータを用いているので圧縮熱による変形量は金属製に比べて大となり、ロータ間やロータとシリンダ間に熱変形を考慮して組み立てるために形成される隙間も大きくならざるを得ない。
【０００７】
また、特表平１０-５１２９３８号公報においては、冷却水分配装置を用いて冷却水を取り込みダクトとコンプレッサハウジングに噴射して、コンプレッサ内空気を１００％飽和させて作動ガスの圧縮過程を等温変化に近づけている。しかしながらこの公報に記載のものでは、等温変化を生じるためには圧縮過程に作動ガスが留まる時間を長時間必要とし、圧縮機を高速化して小型化するというニーズを満足することが困難である。
【０００８】
本発明は、上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、オイルフリースクリュー圧縮機を高速小型化することにある。本発明の他の目的は水噴射式スクリュー圧縮機において、圧縮機の性能を向上させることにある。本発明のさらに他の目的は、安価で高効率のオイルフリースクリュー圧縮機を実現することにある。そして、本発明はこれら目的の少なくとも１つを達成することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の特徴は、１対の雄スクリューロータと雌スクリューロータと、これらロータを収容するケーシングとを有し、ケーシングに１対のロータとケーシングにより形成される圧縮作動室に水を注入する第１の給水部を形成し、圧縮作動室に連通し作動ガスを外部から吸入する吸入部に水を注入する第２の給水部を形成し、この第２の給水部に注入される水を微粒化させる微粒化手段を設け、微粒化手段で微粒化した水を第２の給水部から吸入空気に噴霧させるものであって、第２の給水部から注入される水の平均粒径を、第１の給水部から噴霧される水の平均粒径よりも小にしたことにある。
【００１１】
上記目的を達成するための本発明の他の特徴は、１対の雄スクリューロータと雌スクリューロータと、これらロータを収容するケーシングとを有し、１対のロータ間に形成される圧縮作動室に水を注入する第１の給水部と、作動ガスを外部から吸入してこの圧縮機に導くための吸入部に水を注入する第２の給水部とをそれぞれ形成し、この第２の給水部にノズルを設け、このノズルは微粒化した水を吸入空気に噴霧させるものであって、第２の給水部から注入される水の平均粒径を、第１の給水部から噴霧される水の平均粒径よりも小としたことにある。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る水噴射式スクリュー圧縮機の一実施例を図面を用いて説明する。図１は、水噴射式スクリュー圧縮機の模式図であり、図２はそのＡ−Ａ断面図である。図１では、圧縮機本体１１を縦断面図で示してあり、ガスおよび潤滑水の流れ系統をも同時に示している。なお、作動ガスには空気を用いている。
【００１５】
水噴射式スクリュー圧縮機１２は圧縮機本体１１と圧縮機本体１１で圧縮された空気から水を分離し、分離した水を貯えるレシーバタンク１４とを備えている。レシーバタンク１４の上部には、圧縮空気供給配管１７が接続されている。レシーバタンク１４の底面近くの側壁部に、詳細を後述する潤滑およびシールのための水を圧縮機本体１１に供給する給水配管１８が接続されている。給水配管１８の途中には、バルブ２7が設けられている。バルブ２7の下流側には切換え弁３０が設けられ、この切換え弁３０の一方は圧縮機本体１１に給水する配管２０に、他方はバルブ２８を介在させた配管１９に接続されている。配管１９の端部は、外部給水源１３に接続されている。
【００１６】
圧縮機本体１１に給水する配管２０は、さらに分岐部２９で２系統に分けられる。一系統はバルブ２５を介在させた配管２４を経て圧縮機本体１１の吸込み側に給水する。他方は、配管２１、バルブ２２および配管２３を経て圧縮機本体１１のスクリューロータ部に給水する。圧縮機本体１１に給水された水は、圧縮空気に混じって圧縮空気吐出配管１６からレシーバタンク１４に導かれる。レシーバタンク１４の下部には、レシーバタンク１４内で圧縮空気と分離した水が溜められる。溜まった水は、圧縮機本体１１から吐出される圧縮空気により加圧され、給水配管１８へと導かれる。
【００１７】
圧縮機本体１１は、図２にその詳細を示すように、１対の噛み合わされた雄スクリューロータ１と雌スクリューロータとを備えており、ケーシング３にこれら両ロータ１、２は収容されている。雄ロータ１の両軸端部は、軸受７、８で支持されている。同様に、雌ロータ２の両軸端部も軸受で支持されている。雄ロータ１の外周部には４枚の歯１ａがネジ状に形成されている。軸受７と雄ロータ歯１ａ部の間にはシール９が、軸受８と雄ロータ歯１ａ部の間にはシール１０がそれぞれ設けられており、軸受７、８部と圧縮作動室１１ａとの間の漏れを防止する。シール９及び軸受７は、吸入側ケーシング４に保持されている。吸入側ケーシング４とケーシング３とは、フランジ部でボルト締結されている。
【００１８】
ケーシング３には、ボアと呼ばれる一部重複する円筒状の穴が２本形成されている。この穴に雄雌両ロータ１、２を収容することにより、ロータ歯溝間とケーシング３の壁面間に圧縮作動室１１ａが形成される。吸入側ケーシング４の側部には、ケーシングカバー６がボルト締結されている。軸受７の側部は軸受押え板３４で押えられており、軸受押え板３４はケーシング４に取り付けられている。軸受押え板３４の中央部に形成された穴を貫通して、雄ロータ１の駆動軸１ｂが機外に延びている。駆動軸１ｂは図示しないカップリングを介して電動機に接続される。軸受８の側部も軸受押え板３５で押さえられており、軸受押え板３５はケーシング３に取り付けられている。
【００１９】
図３に、雄ロータ１および雌ロータ２の展開図を示す。この展開図は、各ロータ１、２の外周円筒面を横軸に展開した図である。吸入側ケーシング４のケーシング３との接続面側には、各ロータ１、２の回転軸部の外周の大部分にわたって吸入口３１が形成されている。この吸入口３１には、図示しないフィルターを経た空気が本体空気吸入配管１５を介して吸入される。一方、ケーシング３のシール１０側には、雄ロータ１と雌ロータ２との接触部付近に吐出口３２が設けられている。圧縮機本体１１の圧縮作動室１１ａで圧縮された空気は、水と混合してこの吐出口３２から本体空気吐出配管１６を経て、レシーバタンク１４に吐出される。
【００２０】
図２、３に示すように、ケーシング３の中間部であって複数箇所Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに、圧縮作動室１１ａに給水する給水部３６が形成されている。この給水部３６は、圧縮作動室１１ａが密閉空間を形成する位置に形成される。つまり、圧縮作動室１１ａの端部が吸入口３１にも吐出口３２にもかからず、ケーシング３、４により密封される場所にあるときの、圧縮作動室に対応するケーシング３の壁面部に給水部３６を形成する。
【００２１】
給水部３６の詳細を図４に示す。中央部に先止まり穴３６ｂが形成された給水部材３６aの底部に、角度θだけ傾斜させて外部と連通する複数の小孔３６ｃを形成する。吸水部材３６ａの外側の底面中央部には窪み部３６ｄが形成さている。これにより、先止まり穴３６ｂに導かれた水は、小孔３６ｃから圧縮作動室１１ａに広範囲にわたって噴射され（３６ｅ）る。
【００２２】
このケーシング３の中間部に設けた給水部３６から噴射される水は、圧縮機本体１１内の１対のスクリューロータ１、２間及びスクリューロータ１、２とケーシング３間の空気の漏れをシールする。また、１対のスクリューロータ１、２とケーシング３との金属接触をも防止し、さらに、両ロータ１、２の円滑な回転を促進する潤滑剤の役目も果たす。給水部３６に供給された水は、圧縮作動室１１ａ内のボア部側面から粒化状態で噴射される。圧縮空気の漏れをシールすることにより、体積効率が向上し漏れによる動力の損失が低減される。
【００２３】
なお、圧縮作動室１１ａに水を噴射するタイミングは、噴射する水の温度まで作動空気温度が上昇した後とする。雌雄両ロータ１、２により作動空気が圧縮されると、圧縮作動室１１ａ内の空気は吸込口３１から吐出口３２へ向けて温度上昇する。そこで、例えば吸込口３１での空気温度が４０℃であって、給水路３６から給水される水の温度が５０℃のときは、圧縮作動室１１ａ内の圧縮空気の温度が５０℃になるタイミングで圧縮作動室１１ａに水を噴射する。これにより、吸入空気温度より低い温度の物質の注入による圧縮性能の低下を防止できる。
【００２４】
給水配管２４には、熱交換器４１が取付けられており、圧縮機本体１１の吸入口３１部に供給される水の温度を所定温度以下にしている。具体的には、圧縮機本体１１の吸入口３１に吸込まれる作動空気の温度以下にする。そのため、図示しない吸込み温度センサの出力に基づいて、熱交換器４１の熱交換量を制御する。熱交換して温度が低下した水は、バルブ２５及び給水配管２６を経て超音波を用いた微粒化装置４０に導かれる。
【００２５】
微粒化装置４０は、作動空気と水とが熱交換して冷却効果が促進されるよう、水の平均粒子径を５０μｍ以下にする。微粒子化された水は、ノズル３３から空気吸入配管１５内に噴霧されて吸入空気と混合される。吸入空気と混合した水の一部は圧縮行程中に気化して発生熱を奪い、理論的には断熱圧縮とされるスクリュー圧縮機の圧縮行程を等温圧縮に近づける。この結果、圧縮動力が低減される。なお、上記実施例では微粒化装置４０をノズル３３と別体化しているが、ノズルと微粒化装置とを一体化、またはノズル３３が微粒化機能を有するようにしてもよい。さらに、微粒化手段は超音波に限るものではない。
【００２６】
このように構成した本実施例の動作を説明する。図示しない電動機により雄スクリューロータ１が起動されると、この雄ロータ１の歯と雌ロータ２の歯が噛み合い、雄ロータ１と雌ロータ２とが同期回転する。両ロータ１、２が回転すると、吸入口３１から吸込まれた空気は両ロータ１、２とケーシング３の壁面により形成される圧縮作動室１１ａに導かれる。吸入空気には吸入口３１直前で微粒化した水を噴霧させる。この微粒化した水は圧縮作動室内で圧縮行程中に空気と熱交換する。微粒化した水の一部は気化し、圧縮空気から圧縮熱を奪う。
【００２７】
これは、以下の原理による。水の粒子径をｄ(ｍｍ)、圧縮空気と水の温度差をΔＴ(℃)、熱伝達可能時間をΔｔ(sec)、水粒子の熱交換量をＱ（Ｊ）とすると、
Ｑ＝ｋ・（πｄ^２）・ΔＴ・Δｔ
で表される。この式から、熱伝達可能時間である圧縮時間（おおよそ５msec)を考慮し、熱交換量を水粒子の気化熱に等しいとすると、最適な粒子径が求まる。本実施例では最適な粒子径の値は１μｍ以下であるが、現実に１μｍ以下の粒子の発生が困難であるから、できるだけ小さな粒径とすることが望ましい。吸入口から供給する水の粒径が大ならば、水を除く作動ガス量が減少して性能が低下する。そこで水の粒径を小さくして圧縮機に供給するが、粒径を小さくすると噴射のために、噴射粒子が飛散して壁にぶつからないような広い空間を必要とする。圧縮過程にある流路ではそのような広い空間を確保できないが、吸込み側であればそのような空間を形成できるので、吸込み側に微粒子の水を供給している。
【００２８】
圧縮作動室１１ａはスクリューロータ１、２の回転と共に体積を減少するが、その際、圧縮作動室１１ａに給水部３６から加圧水が供給され、ロータ１、２を冷却する。この加圧水はロータ１、２間やロータ１、２とケーシング３間の隙間をシールもする。さらに、ロータ１、２間を潤滑して、ロータ１、２同士やロータ１、２とケーシング３壁面との焼き付けも防止する。
【００２９】
ところで、圧縮機本体１１に形成される圧縮作動室１１ａの中間部に供給される水は、圧縮機が高速小型の場合、圧縮作動室１１ａ内の熱交換にほとんど寄与しないことが本発明者らの実験的研究により明らかになった。例えば、ロータ径が７５ｍｍ程度で、回転速度が１万回転/分を超えるような圧縮機では、噴射された水が圧縮作動室内に留まる時間が、６ｍｓ程度となるため、熱交換に必要な時間を確保できない。このため、従来の水噴射圧縮機では、回転速度を低くして噴射された水が圧縮作動室内に留まる時間を長くするか、圧縮作動室をでた後に熱交換して温度低下させるかしていた。前者の場合には、圧縮機を高速小型化できないし、後者の場合には圧縮ガスの温度は下がるものの圧縮過程は断熱過程に非常に近いものになり、圧縮機の効率を向上できない。
【００３０】
本発明では、この矛盾する課題を解決するために、圧縮機本体の吸入側と中間部とに２系統の水注入系を設け、吸入側に注入する水は熱交換を促進するため微粒化し、中間部に注入する水はシール効果を高めるために比較的大粒系の水としている。つまり、圧縮機本体の吸入側に注入する水の平均粒径は５０μｍ程度以下とし、中間部に注入する水の平均粒径は２００μｍ程度とする。また、注入する水の流量も圧縮機本体の吸入側を少なく、中間部側を多量にする。
【００３１】
上述した実施例は例示的なものであり、本発明を限定的に解釈するためのものではない。本発明の範囲は特許請求の範囲に示されており、その請求項の意味の中に入る全ての変形例は本発明に含まれる。
【００３２】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、水噴射式スクリュー圧縮機において、吸込み側から注入する水の粒子と、ロータ部にある作動ガスに注入する水の粒子径とを変えて圧縮機に水を注入したので作動ガスの水との熱交換が促進され、圧縮機の高速小型化が可能になる。また、圧縮機の効率を向上でき、オイルフリー圧縮機の性能を改善できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る水噴射式スクリュー圧縮機の一実施例の系統図である。
【図２】スクリュー圧縮機本体の横断面図である。
【図３】水の注入位置を説明する図である。
【図４】水を注入する水注入部形状を示す断面図である。
【符号の説明】
１…雄スクリューロータ、２…雌スクリューロータ、３、４…ケーシング、７、８…軸受、９、１０…レシーバタンク、１１…圧縮機本体、１１ａ…圧縮作動室、１２…水噴射式スクリュー圧縮機、３１…吸入口、３２…吐出口、３３…第２給水部、３６…第１給水部、４０…微粒化装置。

Claims

１対の雄スクリューロータと雌スクリューロータと、これらロータを収容するケーシングとを有し、前記ケーシングに前記１対のロータとケーシングにより形成される圧縮作動室に水を注入する第１の給水部を形成し、前記圧縮作動室に連通し作動ガスを外部から吸入する吸入部に水を注入する第２の給水部を形成し、この第２の給水部に注入される水を微粒化させる微粒化手段を設け、前記微粒化手段で微粒化した水を第２の給水部から吸入空気に噴霧させるものであって、前記第１の給水部から注入される水の平均粒径は、第２の給水部から噴霧される水の平均粒径よりも大であることを特徴とする水噴射式スクリュー圧縮機。
１対の雄スクリューロータと雌スクリューロータと、これらロータを収容するケーシングとを有し、前記１対のロータ間に形成される圧縮作動室に水を注入する第１の給水部と、作動ガスを外部から吸入してこの圧縮機に導くための吸入部に水を注入する第２の給水部とをそれぞれ形成し、この第２の給水部にノズルを設け、このノズルは微粒化した水を吸入空気に噴霧させるものであり、前記第２の給水部から注入される水の平均粒径が、前記第１の給水部から噴霧される水の平均粒径よりも小であることを特徴とする水噴射式スクリュー圧縮機。