JP4658636B2

JP4658636B2 - 空気圧縮装置

Info

Publication number: JP4658636B2
Application number: JP2005043584A
Authority: JP
Inventors: 昇三森田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2005-02-21
Filing date: 2005-02-21
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2025-02-21
Also published as: JP2006226245A

Description

本発明は鉄道車両等に装備される空気圧縮装置、特に高温多湿の大気条件下で使用しても潤滑油の寿命を長く保つことができる空気圧縮装置に関するものである。

一般に鉄道車両ではブレーキ装置やドア開閉装置を駆動するために圧縮空気を用いている。このため、このようなブレーキ装置等に圧縮空気を供給する空気圧縮機を装備している。
空気圧縮機としては、車両の低振動化，低騒音化への要求から、レシプロケーティング機構を採用した往復式空気圧縮機の代わりに、近年ではロータリ式，スクリュー式あるいは渦巻式空気圧縮機（以下総称して、回転式空気圧縮機という）が用いられるようになってきた。

回転式空気圧縮機においては、潤滑油は、軸受等の潤滑をする役目の他に、ロータとハウジングの隙間など圧縮機における各部の微少隙間をシールする役目や、更に、圧縮過程で高温になっている空気に直接噴射して冷却する役目をも有している。即ち、回転式空気圧縮機における潤滑油の役目は、本来の潤滑剤の他に、シール剤，冷却剤としての役目をも持っている。

図２は鉄道車両に装備される一般的な回転式空気圧縮機のシステム構成を示している。図２において元空気溜３６は圧縮空気を貯留しており、車両のブレーキ装置やドア開閉装置へ圧縮空気を供給するものである。

調圧器３７は、元空気溜３６に貯溜している圧縮空気の圧力を測定し、測定圧力が設定された上限設定圧力および下限設定圧力になると、その信号をモータ３１の電源回路に発するものである。
即ち、元空気溜３６に溜めた圧縮空気を車両のブレーキ装置やドア開閉装置へ供給して、元空気溜３６内の圧力が調圧器３７の下限設定圧力（通常５９０〜７８０kPa （６〜８kg/cm²））まで降下すると、調圧器３７の作用により、モータ３１の電源が“ＯＮ”になり、回転式の空気圧縮機３０が運転される。

空気圧縮機３０の運転により、空気フィルタ３８を介して取り入れられた大気は圧縮され、高温・高圧になった圧縮空気が吐出される。空気圧縮機３０から吐出された圧縮空気には潤滑油が混入している。つまり、回転式の空気圧縮機３０では、潤滑油がシール剤や冷却剤としても使用されるため、吐出された圧縮空気に潤滑油が混入してしまうのである。

空気圧縮機３０から吐出された圧縮空気（潤滑油が混入している）は、分油器３２に送られる。分油器３２では、圧縮空気と潤滑油とを分離し、圧縮空気のみがアフタクーラ３３に送られる。

アフタクーラ３３では、圧縮空気を約４０℃程度にまで冷却する。冷却された圧縮空気は、更に、除湿装置３４に送られ、除湿装置３４で除湿され（通常相対湿度で４０％程度に除湿され）、乾燥空気となる。

除湿された圧縮空気は、逆止弁３５を経て元空気溜３６に送られて貯蔵される。元空気溜３６内の圧力が上限設定圧力（通常６８０〜８８０kPa （７〜９kg/cm²））に達すると、調圧器３７が再び作用して、モータ３１の電気回路が“ＯＦＦ”となり、空気圧縮機３０の運転が停止される。

逆止弁３５は、前記のごとく元空気溜３６の圧力が上限設定圧力に達して空気圧縮機３０の運転が停止したときに、元空気溜３６に貯蔵された空気が空気圧縮機側に逆流しないようにするために設けられている。
なお、逆止弁３５を含めて除湿装置と称する場合もあるが、ここでは除湿装置３４は純粋に除湿機能のみ有するものとして説明している。

空気圧縮機３０の運転中においては、潤滑油は分油器３２の下部に設けられた油溜４２からオイルクーラ４０を経て空気圧縮機３０内に供給され、ここで、軸受等の潤滑、各部隙間のシールおよび圧縮過程の空気の冷却を行い、圧縮空気とともに、分油器３２内に回収されるべく循環している。

油溜４２内の潤滑油温度を検出するため、潤滑油温度検出器３９が設けられ、その潤滑油温度が設定値（通常８０〜８５℃）を超えるとオイルクーラ４０を冷却するために、冷却ファン４１を駆動し、オイルクーラ４０内を通過する潤滑油を冷却する。
油溜４２の油温が設定値以下になると潤滑油温度検出器３９の信号に基づき冷却フアン４１が停止する。

特開２０００−２９１５６１号公報

上記空気圧縮機の運転システムは、日本国内等のように比較的気候が温暖で、大気が適度の温湿度である条件下で稼動するには格別の問題はない。

しかしながら、鉄道車両等は高温多湿の熱帯あるいは亜熱帯の気候条件下でも使われる。このような高温多湿の条件下で従来のシステム構成の空気圧縮機をそのまま稼動させると、以下のような問題が発生する。

一例として、空気圧縮機３０が、気温４０℃、相対湿度１００％の大気条件下で稼動して、圧力８８０kPa （９kg/cm²）の圧縮空気を吐出する場合を考えてみる。
この大気の絶対湿度は、一般の空気状態量を記した資料（図示せず）から、０．０４９kg/kgDA(ＤＡは乾燥空気の意味である）であると知れる（この絶対湿度をＨ₀とする）。

図３は、圧力が８８０kPa （９kg/cm²）の圧縮空気の絶対湿度と露点温度の関係を示す線図である。
前記大気を圧力８８０kPa（９kg/cm²）まで圧縮すると、図３から、この空気（絶対湿度Ｈ₀）の露点温度は約９０℃であることがわかる。即ち、気温４０℃、相対湿度１００％の大気を圧力８８０kPa（９kg/cm²）に圧縮した圧縮空気は、この露点温度（９０℃）以上の温度に保っておかないと、圧縮空気中の水分が結露して水滴を発生する。

発生した水滴は潤滑油の中に混入して、潤滑油を乳化させ、潤滑性能やシール性能を低下させる。乳化が著しいと、焼付けを起こして空気圧縮機が破損する等の重大なトラブルを起こすこともある。

一方、潤滑油は温度が高くなると酸化などにより、別の潤滑やシール性能の劣化を引き起こす。図４は潤滑油の温度と寿命との関係の一例を示した図である。

図４によれば、潤滑油の温度が９０℃の時、寿命が５０００時間程度あるのに対し、潤滑油の温度が９５℃に上がると、寿命は３０００時間程度と短くなる。また、もし潤滑油の温度が８５℃に下がるなら、７５００時間位の寿命が期待できる。

このように、高温多湿の大気下で稼動する回転式の空気圧縮機では、
（１）潤滑油の温度を上げないと結露して乳化による潤滑油の劣化を起こすし、
（２）潤滑油の温度を上げれば酸化等による劣化を起こす、
という相反する２つの課題が共存する。

本発明は、上記従来技術に鑑み、高温多湿環境において使用される空気圧縮機であっても、簡単な構成を付加することにより潤滑油の劣化を防止することができる空気圧縮装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の構成は、
大気を吸引してこの吸引した大気を圧縮空気として吐出する空気圧縮機と、
前記空気圧縮機から吐出された圧縮空気を乾燥させる乾燥手段と、
前記乾燥手段により乾燥された圧縮空気を貯溜する元空気溜とを有する空気圧縮装置において、
前記乾燥手段により乾燥された圧縮空気の一部を取り出して、前記空気圧縮機の吸入口に導くバイパス管路を備え、
前記バイパス管路には、開度を調整することができる弁が介装されていることを特徴とする。

また本発明の構成は、
大気を吸引してこの吸引した大気を圧縮空気として吐出する回転式の空気圧縮機と、
前記空気圧縮機から吐出された圧縮空気に含まれている潤滑油を分離する分油器と、
前記分油器にて潤滑油が分離された圧縮空気を冷却するアフタクーラと、
前記アフタクーラにて冷却された圧縮空気を除湿する除湿装置と、
前記冷却装置にて冷却されて前記除湿装置にて除湿されることにより乾燥した圧縮空気を貯溜する元空気溜まりとを有する空気圧縮装置において、
前記除湿装置から前記元空気溜に送られる乾燥した圧縮空気の一部を取り出して、前記空気圧縮機の吸入口に導くバイパス管路を備え、
前記バイパス管路には、開度を調整することができる弁が介装されていることを特徴とする。

また本発明の構成は、
前記除湿装置と前記元空気溜とをつなぐ管路には逆止弁が介装されており、前記バイパス管路は、前記管路のうち前記除湿装置と前記逆止弁との間の位置から分岐していたり、
前記除湿装置と前記元空気溜とをつなぐ管路には逆止弁が介装されており、前記バイパス管路は、前記管路のうち前記逆止弁と前記元空気溜の間の位置から分岐していることを特徴とする。

本発明によれば、除湿装置を経て、乾燥した空気の一部を、空気圧縮機の空気取り入れ口（吸入口）に戻して大気と混合し、空気圧縮機に吸入する空気の湿度を下げる事により、空気の露点温度を下げることができるため、潤滑油温度を低くしても結露しないようにすることができる。
結局、バイパス管路を設けるという簡単な構成を付加するだけで、潤滑油の寿命を長く確保することができる。

以下に本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づき詳細に説明する。

図１は本発明の実施例に係る圧縮空気装置を示す。
同図に示すように、調圧器３７の制御によりモータ３１が作動すると回転式の空気圧縮機３０が運転され、空気圧縮機３０は、空気フィルタ３８及び吸入管路３を介して大気を吸入口３０ａから吸入し、圧縮した空気（潤滑油が混入している）を吐出する。

空気圧縮機３０から吐出された圧縮空気は、分油器３２にて油分離がされ、アフタクーラ３３にて冷却され、除湿装置３４にて除湿される。なお、アフタクーラ３３及び除湿装置３４により、圧縮空気を乾燥させる乾燥手段が構成されている。
除湿された圧縮空気は、逆止弁３５が介装された管路１を通って元空気溜３６に送られ、元空気溜３６に圧縮空気が貯溜される。

分油器３２にて分離された潤滑油は、油溜４２、オイルクーラ４０を通って空気圧縮機３０に戻される。また、潤滑油温度検出器３９による油検出温度に応じて冷却ファン４１が作動して、オイルクーラ４０内を通過する潤滑油が冷却される。

ここまでの構成は、図２に示す従来装置と同じである。

本実施例では、更に、除湿装置３４と逆止弁３５とをつなぐ管路１に分岐点２を設けている。一方、空気フィルタ３８と空気圧縮機３０の吸入口３０ａとをつなぐ吸入管路３に合流点４を設けている。そして、分岐点２と合流点４とをバイパス管路５でつないでいる。このバイパス管路５には絞り弁６を設けている。

このように構成することにより、アフタクーラ３３で冷却され、除湿装置３４で除湿された圧縮空気の一部が、分岐点２から取り出されてバイパス管路５を通り、空気圧縮機３０の吸入管路３の合流点４で吸入大気と合流し、再度、吸入口３０ａに導かれて空気圧縮機３０に吸入されるようになる（以下このバイパス管路を通って戻る空気を“循環空気”と記す）。

バイパス管路５に設けた絞り弁６は、循環空気の量を制御するためのものであり、運転条件が比較的安定であれば固定絞りのオリフィスでよいし、循環空気の量を変えたい場合は、可変絞り弁としても良い。

上記構成となっている本実施例の具体的な作用・効果を次に説明する。

図１に示すような空気圧縮機のシステム（空気圧縮装置）を構成することにより、以下のような作用効果を奏する。
なお、説明に当たっての具体例として、気温４０℃、相対湿度１００％の大気を８８０kPa （９kg/cm²）の圧縮空気にするものとする。

アフタクーラ３３により冷却され、除湿装置３４により除湿され乾燥した空気の一部が、分岐点２から循環空気としてバイパス管路５を通って空気圧縮機３０の吸入管路３に入り、空気フィルタ３８から吸入された大気と合流する。

分岐点２で分流した循環空気は、前記の通り圧力８８０kPa （９kg/cm²）であるとし、またアフタクーラ３３で５０℃（大気温度（４０℃）＋１０℃）程度まで冷却され、除湿装置３４で相対湿度４０％程度に除湿されているとする。この循環空気の絶対湿度を求めてみると次のようになる。

図３において、露点温度５０℃に対する絶対湿度（これをＨ₁とする）は０．００８kg/kgDA である。これは相対湿度１００％の時であるから、相対湿度４０％に対する絶対湿度は０．００８×０．４＝０．００３２≒０．００３kg/kgDA である。これは大気の絶対湿度（Ｈ₀）０．０４９kg/kgDA に比べれば非常に乾いた空気であることがわかる。

仮に今、循環空気の量を２０％とする。即ち、除湿装置３４を出た後の空気の２０％が循環空気として空気圧縮機３０の入口に戻り、残り８０％の大気と一緒になり、全体で１００％の量の空気が空気圧縮機３０に吸入されるとする。

この大気（８０％）と循環空気（２０％）の混合空気の絶対湿度を概算すると、絶対湿度０．０４９kg/kgDA の大気が８０％、絶対湿度０．００３kg/kgDA の循環空気が２０％であるから、混合空気としての絶対湿度（Ｈ₂とする）は
０．０４９×０．８＋０．００３×０．２＝０．０４０kg/kgDA となる。

この空気（絶対湿度Ｈ₂＝０．０４０kg/kgDA ）を圧力８８０kPa （９kg/cm²）まで圧縮したときの露点温度は、図３により約８５℃となる。即ち、気温４０℃、絶対湿度１００％の大気をそのまま圧縮すれば露点温度は９０℃であるのに対し、圧縮除湿した空気の２０％を吸入側に戻して大気と混合する事により、露点温度を５℃下げることができる訳である。
この露点温度の差による潤滑油の寿命を図４で見てみると、９０℃の時は５０００時間であるのに対し、８５℃の時は７５００時間であるから５０％寿命が延びることになる。

本発明にかかる実施例によれば、従来の空気圧縮機のシステムに、バイパス管路５と絞り弁６を加えるという簡単なシステム構成で、
（１）結露による乳化を防ぐためには潤滑油を高温に保たなければならない、
（２）潤滑油を高温に保てば油の寿命が短くなる、
という相反する課題を同時に解決できる。

本発明の装置に依れば、一度圧縮した空気の一部を戻して循環するから、その分だけ空気圧縮装置としての運転効率が低下するという不利益を伴うことは確かである。
しかし、高温多湿下で、乳化や酸化による潤滑油寿命の低下が著しく、頻繁に油を交換しなければならないメンテナンス作業の労力，時間や費用を少なくできる、或いは焼き付きなど重大事故のリスクを軽減できるなど、本発明の装置には前記不利益を上回る効果がある。

前記実施例では分岐点２を除湿装置３４と逆止弁３５の間に設けた。それは、もし逆止弁３５の後ろ（従って元空気溜３６と同列）に分岐点を設けると、空気溜の圧力が設定値以上になって空気圧縮機３０の運転が止まっても、循環空気が常に流れるからである。
本実施例のように、逆止弁３５の前に分岐点２を設けておけば、空気圧縮機３０の運転が止まれば、分岐点２の圧力が発生しないから、循環空気が流れない。

しかし、分岐点２を逆止弁３５の後ろに設け、バイパス管路５に空気圧縮機３０の運転と同期して開閉する弁を設けることにより、空気圧縮機３０が停止したときの、循環空気の流れを止めるようにすることもできる。

また上記実施例では、絞り弁６は、固定絞り（オリフィス）、または手動開閉による絞り弁として説明した。
しかし、これに限らず、例えば大気の温度と湿度を計測し、そのデータに基づいて最適循環空気量を演算し、絞り弁の開度を調節できる制御装置を設けることも可能である。

本発明は、鉄道車両に装備される空気圧縮装置に適用して好適であるが、その他の運送機器や建物に装備される空気圧縮装置に利用することが可能である。

本発明の実施例に係る空気圧縮装置を示す構成図である。従来の空気圧縮装置を示す構成図である。露点温度と絶対湿度との関係を示す特性図である。潤滑油寿命と潤滑油温度との関係を示す特性図である。

符号の説明

１管路
２分岐点
３吸入管路
４合流点
５バイパス管路
６絞り弁
３０空気圧縮機
３０ａ吸入口
３１モータ
３２分油器
３３アフタクーラ
３４除湿装置
３５逆止弁
３６元空気溜
３７調圧器
３８空気フィルタ
３９潤滑油温度検出器
４０オイルクーラ
４１冷却ファン
４２油溜

Claims

大気を吸引してこの吸引した大気を圧縮空気として吐出する空気圧縮機と、
前記空気圧縮機から吐出された圧縮空気を乾燥させる乾燥手段と、
前記乾燥手段により乾燥された圧縮空気を貯溜する元空気溜とを有する空気圧縮装置において、
前記乾燥手段により乾燥された圧縮空気の一部を取り出して、前記空気圧縮機の吸入口に導くバイパス管路を備え、
前記バイパス管路には、開度を調整することができる弁が介装されていることを特徴とする空気圧縮装置。
大気を吸引してこの吸引した大気を圧縮空気として吐出する回転式の空気圧縮機と、
前記空気圧縮機から吐出された圧縮空気に含まれている潤滑油を分離する分油器と、
前記分油器にて潤滑油が分離された圧縮空気を冷却するアフタクーラと、
前記アフタクーラにて冷却された圧縮空気を除湿する除湿装置と、
前記冷却装置にて冷却されて前記除湿装置にて除湿されることにより乾燥した圧縮空気を貯溜する元空気溜まりとを有する空気圧縮装置において、
前記除湿装置から前記元空気溜に送られる乾燥した圧縮空気の一部を取り出して、前記空気圧縮機の吸入口に導くバイパス管路を備え、
前記バイパス管路には、開度を調整することができる弁が介装されていることを特徴とする空気圧縮装置。
請求項２において、
前記除湿装置と前記元空気溜とをつなぐ管路には逆止弁が介装されており、前記バイパス管路は、前記管路のうち前記除湿装置と前記逆止弁との間の位置から分岐していることを特徴とする空気圧縮装置。
請求項２において、
前記除湿装置と前記元空気溜とをつなぐ管路には逆止弁が介装されており、前記バイパス管路は、前記管路のうち前記逆止弁と前記元空気溜の間の位置から分岐していることを特徴とする空気圧縮装置。