JP3816289B2 - 中空糸膜式除湿装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、中空糸膜により圧縮空気を除湿する中空糸膜式除湿装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
各種の装置の駆動源に用いられる圧縮空気は、多くの水分を含んでいると、装置を早期に腐食させる原因になるため、通常、除湿装置で除湿されてから装置の駆動源として用いられる。このような除湿装置には、冷凍方式や吸着方式が一般的に採用されているが、近年においては、中空糸膜式除湿装置が小型化や軽量化、保守作業の簡略化等の優れた特徴を備えている点で注目されている。
【０００３】
従来、上記の中空糸膜式除湿装置は、図５に示すように、ハウジング５１内の収容室５３に多数の中空糸膜５２を配置し、これらの中空糸膜５２の一方端側から圧縮空気を送り込み、内側を流通させながら、圧縮空気の水蒸気分圧と外側の収容室５３の水蒸気分圧との差圧によって、圧縮空気中の水分を収容室５３に選択的に排出させる。そして、このようにして圧縮空気を除湿して除湿空気とした後、中空糸膜５２の他方端側から排気させ、後段の空気タンク等に送り出して駆動源とする。また、排気された除湿空気の一部をパージ空気として還流路５４を介して一定の絞り量で収容室５３に還流させ、このパージ空気により収容室５３内の水蒸気分圧を低い状態に維持させることによって、常に良好な除湿性能でもって圧縮空気を除湿するように構成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のように、除湿空気の一部をパージ空気として一定の絞り量で還流させる構成では、圧縮空気の圧力が通常の変動範囲から僅かに外れて低下した場合でも、除湿空気を所定の圧力以上で後段の空気タンク等に送り出すことができなくなるという問題がある。
【０００５】
即ち、圧縮空気を除湿して形成された除湿空気は、後段の空気タンク等に送り出すときに、一部がパージ空気として収容室に還流されるため、圧縮空気の圧力変動とパージ空気の還流量に応じた圧力変動との影響を受けながら圧力を変動させる。この際、圧縮空気の圧力が低下すると、これに伴って除湿空気の圧力と共にパージ空気の還流量が低下するため、パージ空気が除湿空気の圧力を低下させる影響は減少することになるが、パージ空気の絞り量が一定であるため、圧縮空気とパージ空気との関係においては、パージ空気による圧力低下の影響が相対的に大きなものとなる。この結果、圧縮空気の圧力が通常の変動範囲から僅かに外れて低下した場合でも、パージ空気の影響で除湿空気の圧力が大幅に低下することになるため、この除湿装置を空気源システムに組み込んだときに、除湿空気を所定の圧力以上で後段の空気タンク等に送り出すことができないという空気源システムとして致命的な事態に陥り易かった。
【０００６】
従って、本発明は、圧縮空気の圧力が大幅に低下した場合であっても、除湿空気を可能な限り高い圧力で後段の空気タンク等に送り出すことができる中空糸膜式除湿装置を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、中空糸膜式除湿装置であって、一方端側から内側に供給された圧縮空気を流通させながら、該圧縮空気中の水分を外側に排出することによって、該圧縮空気を除湿空気として他方端側に排気する中空糸膜と、前記中空糸膜から排気された除湿空気の一部をパージ空気として前記中空糸膜の外側に還流させる還流路と、前記還流路に設けられ、前記中空糸膜の内側を流通する圧縮空気の圧力の増加に応じて開閉量を増加させ、前記中空糸膜の内側を流通する圧縮空気の圧力の低下に応じて開閉量を減少させる可変絞りとを有することを特徴としている。
【０００８】
上記の構成において、除湿空気の一部をパージ空気として還流しているため、除湿空気の圧力は、前段側から供給される圧縮空気自体の圧力変動と、パージ空気の還流量に応じた圧力変動との作用を受ける。従って、従来のようにパージ空気の絞り量が一定（固定絞り）であると、圧縮空気自体の圧力低下に従ってパージ空気の還流量が低下した場合でも、パージ空気による圧力低下が除湿空気の圧力低下に大きく作用することになる。この結果、中空糸膜式除湿装置を空気源システムに組み込んだときに、圧縮空気自体の圧力が通常の変動範囲から僅かに外れて低下した場合でも、除湿空気を所定の圧力以上で後段側の空気タンクに送り込むことができないという空気源システムとして致命的な事態になり易かった。
【０００９】
これに対し、本願発明の上記構成によれば、中空糸膜の内側を流動する圧縮空気の圧力が低下すると、可変絞りの開閉量が減少されることによって、パージ空気の還流量が減少する。これにより、パージ空気による圧力低下が固定絞りの場合よりも大きく抑制されることによって、除湿空気の過剰な圧力低下が防止される。この結果、中空糸膜式除湿装置が除湿システムに組み込まれた場合において、圧縮空気の圧力が大幅に低下することになっても、除湿空気を可能な限り高い圧力で除湿システムの空気タンクに送り込むことができる。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１記載の中空糸膜式除湿装置であって、前記可変絞りは、前記還流路を２分岐する主流路および副流路と、前記主流路に設けられ、該主流路におけるパージ空気の流動を制限する第１オリフィスと、前記副流路に連通する第１空間部と、前記第１オリフィスの下流において前記主流路に連通する第２空間部と、前記第１空間部と前記第２空間部との差圧に応じた開閉量で開口可能な弁部とを備え、該弁部を介して前記主流路を前記還流路に連通させる流量調整弁とを有することを特徴としている。
【００１１】
上記の構成によれば、可変絞りが圧縮空気の圧力で作動する機械的な部品を組み合わせた構成からなっているため、電気部品を組み合わせて作動させる構成と比較して故障し難い信頼性の高いものになる。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の中空糸膜式除湿装置であって、前記中空糸膜から排気された前記除湿空気のうち、前記還流路を還流する前記パージ空気を除いた前記除湿空気の流動を制限する第２オリフィスを有することを特徴としている。
【００１３】
上記の構成によれば、第２オリフィスが除湿空気の流動を圧力に応じて制限することによって、除湿空気の急激な圧力変動を抑制することができる。これにより、除湿空気の一部を取り出して形成されるパージ空気に対しても、急激な圧力変動を防止することができるため、可変絞りのハンチング等の不安定な動作を防止することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図１ないし図４に基づいて以下に説明する。
本実施の形態に係る中空糸膜式除湿装置は、鉄道車両や大型自動車、船舶、その他の機械設備等の空気源システムに組み込まれて使用される。この空気源システムは、図１に示すように、大気を圧縮空気とする空気圧縮機１と、圧縮空気を冷却して除湿するアフタークーラ２と、圧縮空気中の水滴や塵埃、オイルミストを除去する分離器３と、圧縮空気を除湿して除湿空気とする中空糸膜式除湿装置４と、除湿空気の流動を制限する第２オリフィス３０と、除湿空気を蓄圧する空気タンク５とを上段側から後段側にかけてこの順に有している。
【００１５】
上記の中空糸膜式除湿装置４は、図２に示すように、筒形状に形成された胴部６ａと、この胴部６ａの両端面を封止した蓋部６ｂ・６ｃとからなるハウジング６を有している。各蓋部６ｂ・６ｃには、吸気口６ｄと排気口６ｅとがそれぞれ形成されている。そして、これらの吸気口６ｄおよび排気口６ｅには、図示しない空気配管を介して図１の分離器３および空気タンクがそれぞれ接続されている。
【００１６】
一方、胴部６ａの内部には、一対の隔壁部材７・７が設けられている。各隔壁部材７は、蓋部６ｂ・６ｃ側にそれぞれ設けられており、周縁部が胴部６ａの内壁面全体に気密状態に接合されている。これらの隔壁部材７・７は、ハウジング６の内部空間を３つの領域に区分しており、一方の隔壁部材７と蓋部６ｂとで吸気室８を形成し、他方の隔壁部材７と蓋部６ｃとで排気室９を形成し、両隔壁部材７・７で収容室１０を形成している。
【００１７】
上記の収容室１０には、多数の中空糸膜１１が設けられている。中空糸膜１１は、膜の内側と外側とで水蒸気分圧の差圧が生じたときに、水蒸気のみを選択的に高圧側から低圧側に透過させる機能を有している。この中空糸膜１１は、両端部が隔壁部材７・７により気密状態に支持されており、中空糸膜１１の各端部は、吸気室８および排気室９にそれぞれ開放されている。これにより、中空糸膜１１は、吸気室８に導入された圧縮空気を一方端側の開口から取り込み、膜の内側を通過させながら水蒸気を収容室１０に排出して除湿空気とした後、この除湿空気を他方端側の開口から排気室９に排出するようになっている。
【００１８】
上記の中空糸膜１１が設けられた収容室１０は、還流路等を介して排気室９に連通されていると共に、貫通路を介して大気中に開放されている。還流路は、胴部６ａに形成された還流穴６ｇと、この還流穴６ｇに一端が接続され、他端がハウジング６と第２オリフィス３０との間に接続された還流用配管１３とを有しており、排気室９から後段の空気タンクに送り出された除湿空気の一部を取り込んでパージ空気として収容室１０に還流させる。一方、貫通路は、ハウジング６の胴部６ａに形成された貫通穴６ｆを有しており、貫通穴６ｆを介して収容室１０の水蒸気およびパージ空気を大気中に放出させる。
【００１９】
また、上記の還流路における還流用配管１３中には、圧縮空気の圧力の増減に応じて開閉量を増減させる可変絞り１２が設けられている。可変絞り１２は、図１に示すように、上流側に位置する還流用配管１３を２分岐する主配管１４および副配管１５と、主配管１４に設けられた第１オリフィス１６と、主配管１４と副配管１５とに接続された流量調整弁１７とを有している。上記の第１オリフィス１６は、主配管１４におけるパージ空気の流動を制限することによって、主配管１４の圧力Ｐ２を副配管１５の圧力Ｐ１よりも低圧にするように作用する。
【００２０】
また、流量調整弁１７は、図３に示すように、二分割可能なブロック体１８を有している。ブロック体１８の内部には、円柱形状に形成されたシリンダ室１９と、シリンダ室１９の外周方向に形成された膜板室２０と、シリンダ室１９の軸心方向に形成された弁室２１とを有している。シリンダ室１９と弁室２１とは、摺動通路２２を介して連通されており、摺動通路２２には、円管状のシール部材２３が設けられている。
【００２１】
上記のシール部材２３には、棒状のピストン部材２４が摺動自在に貫挿されている。ピストン部材２４は、後端部（図中右側の端部）および先端部（図中左側の端部）がシリンダ室１９および弁室２１にそれぞれ位置するように形成されており、膜板室２０側の側周面には、第１突設部２４ａと第２突設部２４ｂとが所定間隔を隔てて並設されている。これらの第１および第２突設部２４ａ・２４ｂは、膜板室２０に対応する位置に設けられており、両突設部２４ａ・２４ｂ間には、ピストン部材２４を軸心方向（図中左右方向）に進退移動させるための薄板部材２５が設けられている。
【００２２】
上記の薄板部材２５は、合成ゴム等により厚み方向に変形自在な円盤形状に形成されている。薄板部材２５の中心部には、上述のピストン部材２４が気密状態に貫挿されている。一方、薄板部材２５の外周縁部は、膜板室２０において気密状態に挟持されている。これにより、シリンダ室１９は、薄板部材２５により第１空間部１９ａと第２空間部１９ｂとに気密状態に区分された状態になっている。
【００２３】
上記の第１空間部１９ａは、第１副流路２６ａを介して第１入力ポート１８ａに連通されている。一方、第２空間部１９ｂは、第２副流路２６ｂおよび主流路２７を介して第２入力ポート１８ｂに連通されている。これらのポート１８ａ・１８ｂには、副配管１５および主配管１４がそれぞれ接続されており、第１入力ポート１８ａは、副配管１５のパージ空気を圧力Ｐ１でもって第１空間部１９ａに導入する。また、第２入力ポート１８ｂは、主配管１４のパージ空気を圧力Ｐ２でもって第２空間部１９ｂに導入する。これにより、第１空間部１９ａと第２空間部１９ｂとの間に圧力Ｐ１と圧力Ｐ２との差圧が生じることによって、この空間部１９ａ・１９ｂを仕切る薄板部材２５の中心部が差圧に応じた変位量でピストン部材２４の軸心方向に変位し、この変位に従ってピストン部材２４が軸心方向に進退移動するようになっている。
【００２４】
上記のようにして進退移動するピストン部材２４は、弁室２１側の先端部が三角錐形状に形成されている。また、ピストン部材２４の軸心方向における弁室２１の壁面には、主流路２７に連通された弁流路２８が開口されており、この弁流路２８の開口部とピストン部材２４の先端部とは、パージ空気の差圧に応じた開閉量で開口可能な弁部を構成している。具体的には、差圧が殆ど無い状態においては、ピストン部材２４が図中左端まで進出することによって、弁流路２８の開口部を完全に塞いだ状態にし、この状態のピストン部材２４の位置を基準位置として、ピストン部材２４が図中右側に後退したときの移動量に応じた開度で開口するように構成されている。そして、このように構成された弁部は、弁室２１および排出流路２９を介して出力ポート１８ｃに連通されており、図１に示すように、開度に応じて流量でもってパージ空気を中空糸膜式除湿装置４の収容室１０に還流させるようになっている。
【００２５】
上記の構成において、中空糸膜式除湿装置４の動作を説明する。
先ず、外気が空気圧縮機１により所定圧力の圧縮空気とされた後、アフタークーラ２において冷却されることによって、ある程度除湿される。そして、圧縮空気が分離器３に送給され、分離器３において水滴や塵埃、オイルミストが除去された後、中空糸膜式除湿装置４に送り込まれる。
【００２６】
中空糸膜式除湿装置４に送り込まれた圧縮空気は、図２に示すように、吸気室８の全体に導入された後、隔壁部材７に支持された中空糸膜１１の一方端側の開口から膜の内側に取り込まれ、この内側を流通して他方端側の開口から排気室９に排出される。この際、中空糸膜１１の内側は、圧縮空気が外気を圧縮したものであるため、水蒸気分圧が高い状態になっている。これに対し、中空糸膜１１の外側に位置する収容室１０は、外気となる大気中に貫通穴６ｆを介して開放されていると共に、後述の除湿空気の一部がパージ空気として還流されている。従って、図４に示すように、中空糸膜１１の内側の水蒸気分圧が外側（収容室１０）の水蒸気分圧よりも高い状態になっているため、内側を流通をする圧縮空気の水蒸気が低圧側の収容室１０に透過することになる。この結果、圧縮空気が中空糸膜１１の内側を流通するのに従って圧縮空気から水蒸気が徐々に取り除かれ、排気室９に排出されたときには圧縮空気を十分に乾燥させた除湿空気となる。
【００２７】
図１に示すように、除湿空気が排気室９に排出されると、除湿空気の大部分は、第２オリフィス３０で流動が制限されながら空気タンクに送り出され、空気タンクにおいて蓄圧された後、空気ブレーキ等の駆動源として使用される。また、除湿空気の一部は、パージ空気として可変絞り１２および還流路（還流用配管１３や還流穴６ｇ等）を介して収容室１０に還流されることによって、収容室１０の水蒸気分圧を中空糸膜１１の膜内の水蒸気分圧よりも低い状態に維持するために使用される。そして、このようなパージ空気の還流等の動作が繰り返されることによって、中空糸膜式除湿装置４が常に良好な除湿性能を発揮することになる。
【００２８】
次に、空気圧縮機１の異常等により圧縮空気の圧力が変動した場合には、中空糸膜式除湿装置４で除湿された除湿空気の圧力が変動する。また、除湿空気の一部がパージ空気として取り除かれるため、パージ空気の還流量が増減すると、除湿空気の圧力の低下幅が増減する。そして、このパージ空気による除湿空気の圧力低下幅の程度は、除湿空気とパージ空気との量的関係から、除湿空気（圧縮空気）の圧力が低下するのに反比例して大きなものとなる。これにより、圧縮空気の圧力が低下したときに、これに伴って除湿空気の圧力と共にパージ空気の還流量が低下することになっても、圧縮空気とパージ空気との関係においては、パージ空気による圧力低下の影響が相対的に大きなものとなる。
【００２９】
ここで、本実施形態においては、パージ空気を可変絞り１２を介して還流させており、可変絞り１２により圧縮空気の圧力の増減に応じて開閉量（パージ空気の還流量）を増減させることによって、圧縮空気の圧力が低下したときにおけるパージ空気による圧力低下の影響を最小限に抑制している。
【００３０】
即ち、図３に示すように、例えば圧力Ｐ１の除湿空気の一部がパージ空気として取り出されると、このパージ空気は、圧力Ｐ１で可変絞り１２に流動され、主配管１４および副配管１５により２分岐される。そして、副配管１５を流動するパージ空気は、ブロック体１８の第１入力ポート１８ａから第１副流路２６ａを介して第１空間部１９ａに流入し、第１空間部１９ａを圧力Ｐ１の状態にする。一方、主配管１４を流動するパージ空気は、第１オリフィス１６により流動が制限されることによって、圧力Ｐ１よりも低圧の圧力Ｐ２で第２入力ポート１８ｂから主流路２７に流入する。そして、主流路２７のパージ空気は、第２副流路２６ｂを介して第２空間部１９ｂに流入し、第２空間部１９ｂを圧力Ｐ２にする。これにより、第１空間部１９ａと第２空間部１９ｂとの間に圧力Ｐ１と圧力Ｐ２との差圧が生じることによって、これらの空間部１９ａ・１９ｂを区切る薄板部材２５が差圧に応じた湾曲率に変形される。この結果、薄板部材２５の中心部が差圧に応じた変位量で変位することによって、この中心部を突設部２４ａ・２４ｂで挟持したピストン部材２４が同一の変位量で軸心方向に進退移動する。
【００３１】
上記のようにしてピストン部材２４が進退移動すると、弁室２１側におけるピストン部材２４の先端部が弁流路２８の開口部を移動量に応じた開度で開口させる。これにより、主流路２７と弁室２１とが連通した状態になるため、主流路２７に存在するパージ空気は、開度に応じた流量で弁室２１に流れ込み、この弁室２１から排出流路２９および出力ポート１８ｃを介して図２の収容室１０に還流することになる。
【００３２】
この際、パージ空気の還流量を規制する開度は、ピストン部材２４の移動量に応じて変化し、ピストン部材２４の移動は、薄板部材２５の中心部の変位量に一致する。そして、薄板部材２５の変位量は、第１空間部１９ａ（圧力Ｐ１）と第２空間部１９ｂ（圧力Ｐ２）との差圧に対応し、差圧が大きくなるのに従って増大する。これにより、差圧が小さい場合には、ピストン部材２４の移動量が小さいため、弁流路２８が小さな開度で開口することによって、少量のパージ空気が主流路２７から弁室２１に流れ込むことになる。一方、差圧が大きい場合には、上記の動作とは逆に、大量のパージ空気が主流路２７から弁室２１に流れ込むことになる。
【００３３】
また、第１空間部１９ａの圧力Ｐ１と第２空間部１９ｂの圧力Ｐ２との差圧は、第１オリフィス１６を通過するパージ空気の流量の増大により拡大する一方、流量の減少により縮小する。これにより、圧縮空気の圧力低下により除湿空気の圧力Ｐ１が低下した場合には、圧力Ｐ１と第１オリフィス１６による圧力Ｐ２との差圧が減少するため、弁流路２８の開度が小さくなる結果、この弁流路２８を介して主流路２７から弁室２１に流れ込むパージ空気の流量（還流量）が減少する。従って、除湿空気の圧力Ｐ１が低下することによって、パージ空気による除湿空気の圧力低下の影響が大きくなっても、除湿空気の過剰な圧力低下が防止されることになる。
【００３４】
さらに、上記のように可変絞り１２が動作しているときに、図２に示すように、第２オリフィス３０が除湿空気の流動を制限することによって、除湿空気の急激な圧力変動が抑制されている。これにより、除湿空気の一部を取り出して形成されるパージ空気に対しても、急激な圧力変動が防止されるため、可変絞り１２のハンチング等の不安定な動作が防止される。
【００３５】
【発明の効果】
請求項１ないし請求項３の発明によれば、パージ空気による圧力低下が固定絞りの場合よりも大きく抑制されることによって、除湿空気の過剰な圧力低下が防止される結果、圧縮空気の圧力が大幅に低下することになっても、除湿空気を可能な限り高い圧力で除湿システムの空気タンクに送り込むことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】中空糸膜式除湿装置を備えた除湿システムの概略構成図である。
【図２】中空糸膜式除湿装置の概略構成図である。
【図３】流量調整弁の縦断面図である。
【図４】中空糸膜の動作状態を示す説明図である。
【図５】従来例を示すものであり、中空糸膜式除湿装置を備えた除湿システムの概略構成図である。
【符号の説明】
１ 空気圧縮機
２ アフタークーラ
３ 分離器
４ 中空糸膜式除湿装置
５ 空気タンク
６ ハウジング
６ａ 胴部
６ｂ・６ｃ 蓋部
６ｄ 吸気口
６ｅ 排気口
６ｆ 貫通穴
６ｇ 還流穴
７ 隔壁部材
８ 吸気室
９ 排気室
１０ 収容室
１１ 中空糸膜
１２ 可変絞り
１３ 還流用配管
１４ 主配管
１５ 副配管
１６ 第１オリフィス
１７ 流量調整弁
１８ ブロック体
１９ シリンダ室
１９ａ 第１空間部
１９ｂ 第２空間部
２０ 膜板室
２１ 弁室
２２ 摺動通路
２３ シール部材
２４ ピストン部材
２５ 薄板部材

Claims (3)

1. 一方端側から内側に供給された圧縮空気を流通させながら、該圧縮空気中の水分を外側に排出することによって、該圧縮空気を除湿空気として他方端側に排気する中空糸膜と、
   前記中空糸膜から排気された除湿空気の一部をパージ空気として前記中空糸膜の外側に還流させる還流路と、
   前記還流路に設けられ、前記中空糸膜の内側を流通する圧縮空気の圧力の増加に応じて開閉量を増加させ、前記中空糸膜の内側を流通する圧縮空気の圧力の低下に応じて開閉量を減少させる可変絞りと
   を有することを特徴とする中空糸膜式除湿装置。
2. 前記可変絞りは、
   前記還流路を２分岐する主流路および副流路と、
   前記主流路に設けられ、該主流路におけるパージ空気の流動を制限する第１オリフィスと、
   前記副流路に連通する第１空間部と、前記第１オリフィスの下流において前記主流路に連通する第２空間部と、前記第１空間部と前記第２空間部との差圧に応じた開閉量で開口可能な弁部とを備え、該弁部を介して前記主流路を前記還流路に連通させる流量調整弁と
   を有することを特徴とする請求項１記載の中空糸膜式除湿装置。
3. 前記中空糸膜から排気された前記除湿空気のうち、前記還流路を還流する前記パージ空気を除いた前記除湿空気の流動を制限する第２オリフィスを有することを特徴とする請求項１または２に記載の中空糸膜式除湿装置。

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