JP4954989B2 - 冷却乾燥のための改良された方法 - Google Patents

Description

本発明は、冷却乾燥のための改良された方法に関する。

詳しくは、本発明は、ガス、特に水蒸気を含む空気を冷却乾燥するための方法であって、該ガスが、冷却回路の気化器が第１の部分である熱交換器の第２の部分を通じて案内される方法であり、該冷却回路は、さらに、モーター駆動のコンプレッサと、コンデンサと、コンデンサの出口と上記気化器の入口との間の膨張手段と、を有する、方法である。

このような方法は圧縮空気を乾燥させるために特に用いられている。

例えばコンプレッサによって供給された圧縮空気は、殆どの場合水蒸気で飽和しており、あるいは言い換えれば１００％の相対湿度を有する。これは、いわゆる露点以下に温度が低下した際、凝縮が起こるということである。凝縮水は配管や工具類の腐食を引き起こし、機器の耐用年数が短くなる。

このことが圧縮空気を乾燥させる理由であるが、それは冷却乾燥による上記方法によって達成することができる。また、圧縮空気以外の空気、あるいはその他のガスもこの方法で乾燥させることができる。

冷却乾燥は、空気やガスの温度を気化器内で低下させることによって空気やガス内の水分を凝縮させ、その後凝縮水が液体分離器内で分離され、その後、空気やガスが再び加熱され、よって空気もガスももはや飽和されることはなくなる、という原理を基にしている。

同様のことが空気以外のガスにも適用される。また、今後空気について言及する際は、同様のことが空気以外のガスにも適用されるものとする。

冷却乾燥のための周知の方法として、気化器の圧力や気化器の温度の測定結果に基づき、冷却回路のスイッチがオンまたはオフに切り替わるものがある。

圧縮空気の排出が記録されると冷却回路が始動され、圧縮空気の排出が再び停止するとすぐに、冷却回路も同様に再び停止する。

この周知の方法で問題となるのは、冷却回路のスイッチが切られた後の熱交換器が、それ以上は冷却できないために熱くなってしまうことである。

その後、熱交換器がまだ比較的温かいうちに圧縮空気が再び排出される時は、熱交換器内の乾燥されるべきガスが、該乾燥されるべきガス内の水分を最大容量に液化するのに十分な程にはその時点では冷却されていないので、温度と露点は供給された圧縮空気内で瞬時に頂点となってしまう。

同様に周知の冷却乾燥のための方法として、圧縮空気の排出がなされない時にも常に冷却回路が作動可能なものがある。

この方法の重要な問題は、冷却回路が連続的に作動状態にあり、空転中も同様であるために、多大なエネルギーを必要とするということである。

また、周知の冷却乾燥のための方法として、熱媒体（ｔｈｅｒｍａｌ ｍａｓｓ）を利用するものがある。このような周知の方法では、圧縮空気を冷却するために、例えば水とプロピレングリコールの混合物の形である中間熱媒体を利用する。

冷却回路は上記熱媒体の冷却のためだけに用いられるので、この冷却回路内のコンプレッサは、熱媒体がある温度に達した時、すぐにスイッチを切ることができる。そのため、エネルギーを節約することができる。

この周知の方法で問題となるのは、上記熱媒体の存在によって、冷却回路が非常に重く、かなり大きくなってしまうことである。

この周知の方法のもうひとつの問題は、タンクのような追加部品、そして／あるいは、追加の熱交換器のために、冷却回路の建造が比較的高価かつ複雑になり、その組立てには多大な時間を要することである。

本発明は上記及びその他の問題の１つまたは幾つかを改善することを目的とする。

この目的を達成するために、本発明は、少なくとも乾燥されるべきガスが供給されていない時、冷却乾燥の際乾燥されるべきガスの温度が最低となるような場所付近における温度あるいは露点だけでなく周囲温度を測定し、また、最低ガス温度あるいは露点を所定の一定の最小及び最大しきい値の間で常に維持するために、これらの測定結果を基にして冷却回路のスイッチをオンとオフに切り替えることから成り、上記所定のしきい値の１つまたは両方が、測定された周囲温度（Ｔａｍｂ）の関数であるアルゴリズムを基にして計算される、上記の方法に関する。

最低空気温度あるいはＬＡＴに関しては、ここでは、冷却乾燥の間に生じ、また、原理上は熱交換器の第２の部分の乾燥されるべきガスの出口に達する、乾燥されるべき空気の最低温度のことである。両方の間に関係があるので、ＬＡＴは常に空気の露点の分かりやすい兆候を発する。

本発明のこのような方法の利点は、余分な熱媒体を必要としないこと、及び、冷却回路が、例えば圧縮空気の消費がないために乾燥される必要のある圧縮空気がない時などの時宜に応じてスイッチが切られるので、非常に簡単な方法でエネルギーを節約することができる、ということである。

この方法のもう１つの利点は、測定されたＬＡＴあるいは露点が高くなり過ぎた時には冷却回路が再始動し、それにより頂点となるのを回避できるので、熱交換器の温度が常に限定されていることである。

所定のしきい値は測定された周囲温度の関数であるアルゴリズムを基に計算されるので、乾燥冷却のための装置に続く圧縮空気の回路内での腐食や液化を回避するために十分な低い周囲温度で露点が保証される。

本発明の特徴をより良く説明するために、添付の図面を参照しつつ、以下の本発明による好ましい形態を実施例としてのみ示す。

図１は第１の部分が冷却回路４の気化器３である熱交換器２から主に成る、冷却乾燥のための装置１を示している。該冷却回路には、連続してモーター５によって駆動されるコンプレッサ６、コンデンサ７及び膨張バルブ８が設けられている。

この冷却回路は、流れの方向が矢印９で示されている、例えばフレオン Ｒ４０４ａのような冷却液で満たされる。

熱交換器２の第２の部分とは、流れの方向を矢印１１で示す乾燥されるべき湿った空気のための配管１０の部分である。

熱交換器２の後、言い換えればその出口において、液体分離器１２が配管１０内に設けられている。

この配管１０は、熱交換器２に到達するより前に、予備冷却器もしくは伝熱式熱交換器（ｒｅｃｕｐｅｒａｔｉｏｎ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ）１３を部分的に通って伸びていてもよく、そして次に液体分離器が続き、上記部分に対して並流あるいは逆流で、再び伝熱式熱交換機１３を通って伸びている。

上記配管１０の出口は、例えば図には示されていない圧縮空気の回路に接続でき、該回路に圧縮空気を消費するもの、例えば圧縮空気によって駆動された工具類が接続されていてもよい。

熱交換器２は液体／気体熱交換器であり、気体／気体熱交換器である使用可能な伝熱式熱交換器１３と一体として形成されるように設計されていてもよい。

この場合膨張バルブ８は、温度調整弁（ｔｈｅｒｍｏｓｔａｔｉｃ ｖａｌｖｅ）の形で作られ、その温度調節要素は冷却回路４上において同様に冷却媒体で満たされている気化器３の出口、言い換えれば、気化器３とコンプレッサ６の間に備えられたバルブ１５と、周知の方法で管により連結されている。

上記膨張バルブ８は、例えば、気化器３の遠端上あるいはそれに続いて設けられた温度計へ連結された電子バルブの形、などの多くの異なる方法で実現可能であることが明白である。

いくつかの小型冷却乾燥器１では、膨張バルブ８は毛細管で置き換えることもできる。

コンプレッサ６は、例えば、同じ回転速度で殆ど同じ体積流量を実現する容積コンプレッサ（ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）であり、例えば渦巻き形コンプレッサであるが、一方モーター５は、この場合制御装置１４に連結されている電気モーターである。

上記制御装置１４は、例えばＰＬＣの形で実現されるものであるが、これもまた同様にＬＡＴの測定装置１６と周囲温度の測定装置１７に連結されている。

上記ＬＡＴの測定装置１６は、好ましくは最も低い空気温度が実際に期待できる位置、この場合熱交換器２の第２の部分の直後であって、好ましくは液体分離器１２の前の位置に備えるのがよい。

本発明では、ＬＡＴを測定するための測定装置１６が、露点を測定するための測定装置に置き換えられることは除外されない。露点を測定するための測定装置は、好ましくは上記熱交換器２の第２の部分の出口近くに設けられる。本発明によれば、今後、ＬＡＴを測定するための測定装置１６について述べられる度に、露点を測定するための測定装置も適用されるものとする。

周囲温度を測定するための上記測定装置１７は、好ましくは装置１によって乾燥された空気を利用する圧縮空気の回路上、特にこの圧縮空気の末端消費者の位置に、例えばこの乾燥圧縮空気により駆動される工具の近くに位置するのがよい。

あるいは、測定装置１７は他の場所に位置していてもよい。乾燥されるべき圧縮空気が例えばコンプレッサから来る場合、周囲温度を測定する上記測定装置１７の望ましい位置は、当該コンプレッサの入口であることがわかる。

本発明による改良された方法は非常に簡単で、以下に示す通りである。

乾燥されるべき空気は管１０を通り、従って熱交換器２を通って、例えば冷却回路４の気化器３内の冷却流体に対する逆流として導かれる。

この熱交換器２内で、湿った空気は冷却され、その結果液体分離器１２で分離された凝縮液が形成される。

該液体分離器１２後、絶対的には湿気が少ないが１００％の相対湿度をまだ含んでいる冷たい空気は、伝熱式熱交換器１３内で温められる。その結果、相対湿度は好ましくは５０％以下に減少する。それに対して乾燥される新しい空気は、熱交換器１２に送り込まれる前に伝熱式熱交換器１３内で既に部分的に冷却されている。

このように、伝熱式熱交換器１３の出口にある空気は熱交換器２の入口にある空気より乾燥している。

ＬＡＴは、１つにはＬＡＴが低すぎることによる気化器３の凍結を防ぐため、またもう１つには凝縮を可能にさせるために、やはり空気が十分に冷却されることを確実にするため、好ましくは一定の限界値内に維持されているのがよい。

この目的を達成するために、本発明による冷却回路４は、ＬＡＴと周囲温度の測定値に基づき、例えば冷却回路４のコンプレッサ６の駆動モーター５のスイッチを入れたり切ったりすることで、スイッチをオン及びオフに切り替えができる。

このような方法で、ＬＡＴあるいは露点が常に所定の最小しきい値Ａと最大しきい値Ｂの間に位置することを確実にできる。

この規定は本発明により空気を乾燥する時だけに適用されるわけではなく、周知の冷却乾燥器の場合のように、乾燥されるべき空気が送り込まれておらず、理論上冷却回路４のスイッチが切られている期間にも適用される。

特に、本発明による方法は少なくとも乾燥されるべきガスが供給されていない時に適用され、そしてもし必要であれば乾燥されるべきガスが供給されている時にも適用される。

この目的を達成するために、冷却乾燥の時に乾燥されるガスの温度が最も低い場所付近で、また、好ましくは熱交換器２の第２の部分のすぐ後で、温度や露点が測定される。

好ましくは、上記しきい値Ａそして／あるいはしきい値Ｂの１つまたは両方は、測定された周囲温度Ｔａｍｂの関数であるアルゴリズムを基に計算される。

図２は周囲温度Ｔａｍｂと上記最小及び最大しきい値A、Ｂそれぞれとの間の考え得る関係を図式化して示したものである。

示されているように、最小しきい値Ａのアルゴリズムは、好ましくは、気化器３の凍結を防ぐために、周囲温度が第１の設定値Ｔａより小さい時一定な、この場合なら実際は４℃となるような階段関数で形成されているのがよい。

この場合、周囲温度Ｔａｍｂが上記第１の設定値Ｔａよりも高い第２の設定値Ｔｂより高い時、上記階段関数は同様に一定である。

上記設定値ＴａとＴｂの間で、最小しきい値Ａのアルゴリズムの上記階段関数は、必ずしもそうでなくてもよいがこの場合は線形に増加する傾きを有し、また、好ましくは周囲温度と該計算された最小しきい値Ａの間の差が一定で、好ましくは少なくとも摂氏１０°に達する。

この場合、最大しきい値Ｂのアルゴリズムは周囲温度Ｔａｍｂがどのような値であっても上記最小しきい値Ａの階段関数よりも大きな値を有し、また、周囲温度Ｔａｍｂが第１の設定値Ｔｃより小さい時一定な、階段関数で形成されている。

この場合の最大しきい値Ｂの階段関数の第１の設定値Ｔｃは、最小しきい値Ａの階段関数の上記第１の設定値Ｔａと一致するが、本発明によればこれは必須ではない。

この場合は周囲温度Ｔａｍｂが第２の設定値Ｔｄより高くなるとすぐに、上記最大しきい値Ｂの階段関数も同様に一定となるが、本発明によればそれは異なる傾きを有することもある。

上記設定値ＴｃとＴｄの間で、最大しきい値Ｂのアルゴリズムの上記階段関数も必ずしもそうでなくてもよいがこの場合は線形に増加する傾きを有し、また、好ましくはその傾きが最小しきい値Ａの上記増加する関数の傾きより急に増加する。

上記最大しきい値Ｂの目的は、ＬＡＴが高くなり過ぎ、結果として空気が有効に冷却されなかったり、空気を乾燥させるために十分な水分が液化されなかったりするのを避けることにある。

本発明によれば、好ましくは、冷却乾燥のための装置１が作動している間、ＬＡＴの測定値は上記制御装置１４によって上記最小しきい値Ａ及び最大しきい値Ｂと継続的に比較されるか、または規則的でも不規則でもよいが、特定の時間間隔を置いて比較される。

ＬＡＴが最小しきい値Ａ以下に一時的に低下する時、上記制御装置１４は、上記熱交換器２内の温度が上昇し、ＬＡＴもまた、再び増加するように、冷却回路４のコンプレッサ６を駆動するモーター５のスイッチを切ることによって該冷却回路４のスイッチを切る。

測定されたＬＡＴが上記最大しきい値Ｂより増加すると、冷却回路４のコンプレッサ６を駆動するモーター５のスイッチが再び入るので、該冷却回路４に再びスイッチが入り、その結果気化器３の温度が低下し、ＬＡＴも再び低下する。

該冷却回路４は必要な時にだけスイッチが入るので、本発明による冷却乾燥のための方法はエネルギーを節約することができる。

時宜に応じて冷却回路４のスイッチを入れ直すことで、熱交換器２が過熱されることがないので、例えば停止状態の後再び圧縮空気の供給がなされる時、送り出される圧縮空気に温度と露点の頂点は存在し得ないことを確かにする。

上記の如く冷却回路４の仕組みは明らかであるがさらに以下に示す。

コンプレッサ６内で圧縮によって加熱されたガス状の冷却流体は、コンデンサ７内で液状になるまで冷却される。周囲に熱を放出するため、例えば送風器あるいは例えば水のような図には示されていない冷却媒体を使用する。

膨張バルブ８により、液体冷却流体は持続的な気化器の圧力まで膨張するが、それは勿論温度が下がるということである。

温度自動調節膨張バルブ８を適用することで、常に気化器３の後で過熱が起き、冷却流体がコンプレッサ６に入る危険がなくなり、結果として冷却回路４内の液体分離器は必要がなくなる。

該過熱は、周知の方法で、この場合では気化器３の後で測定される気化器の温度からバルブ１４によって測定された温度を差し引くことによって測定される。この差は膨張バルブ８による設定値と比較され、違いがある場合には膨張バルブ８が開いたり閉じたりすることで調節する。

本発明では、ここでもエネルギーを節約できるように、周囲温度ＴａｍｂやＬＡＴあるいは露点の測定値の関数として同様に上記制御装置１４により始動したり停止したりし、コンデンサ７からの熱の散逸を処理する送風器を除外することはない。

上記冷却回路４のスイッチが切られた後、好ましくは、冷却回路４が再び始動する前に一定の最小時間間隔が考慮されるとよい。

これによって、例えば電気モーターとして実現される上記モーター５が、巻き線中の熱の蓄積による過負荷になるのを避けることができる。

湿った空気の代わりに、空気以外の水蒸気を含むガスも同様の方法と同様の装置で乾燥させることができる。その場合ＬＡＴは最低ガス温度である。

本発明は、実施例として示した方法に限定されるものではなく、逆に、本発明の冷却乾燥のための改良された方法は、本発明の範囲を逸脱することのない、多くの異なる方法で具体化することができる。

図１は本発明による冷却乾燥のための方法を適用する装置を示している。 図２は周囲温度の関数としてのしきい値の傾きを図示している。

符号の説明

１ 装置、小型冷却乾燥器
２ 熱交換器
３ 気化器
４ 冷却回路
５ モーター
６ コンプレッサ
７ コンデンサ
８ 膨張手段
９ 矢印
１０ 配管
１１ 矢印
１２ 液体分離器
１３ 伝熱式熱交換器
１４ 制御装置、バルブ
１５ バルブ
１６ 測定装置
１７ 測定装置

Claims (10)

1. ガスを冷却乾燥するための方法であって、該ガスが、冷却回路（４）の気化器（３）が第１の部分である熱交換器（２）の第２の部分を通じて案内される方法であり、該冷却回路は、さらに、モーター（５）によって駆動されるコンプレッサ（６）と、コンデンサ（７）と、該コンデンサ（７）の出口と上記気化器（３）の入口との間の膨張手段（８）を有する、方法において、
   少なくとも乾燥されるべきガスが供給されていない時、冷却乾燥の際乾燥されるべきガスの温度が最低となるような場所付近における最低ガス温度（ＬＡＴ）あるいは露点だけでなく周囲温度（Ｔａｍｂ）も測定し、最低ガス温度（ＬＡＴ）あるいは露点を所定の最小及び最大しきい値（それぞれＡ、Ｂ）の間で常に維持するために、これらの測定結果を基にして冷却回路（４）のスイッチをオンとオフに切り替えることから成り、上記所定のしきい値（Ａ及びＢ）の１つまたは両方が、測定された周囲温度（Ｔａｍｂ）の関数であるアルゴリズムを基にして計算されることを特徴とする方法。
2. 乾燥されるべきガスはコンプレッサから発生し、周囲温度（Ｔａｍｂ）は該コンプレッサの入口近くで測定されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 最低ガス温度（ＬＡＴ）あるいは乾燥されるべきガスの露点は、当該熱交換器（２）の第２の部分の出口近くで測定されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 周囲温度（Ｔａｍｂ）の関数としての最小しきい値Ａのアルゴリズムは、測定された周囲温度（Ｔａｍｂ）が第１の設定値（Ｔａ）より小さい時には一定値を有し、上記第１の設定値（Ｔａ）より大きい第２の設定値（Ｔｂ）より大きな周囲温度（Ｔａｍｂ）においてはより高い一定値を有する階段関数によって形成されることと、これらの設定値（Ｔａ及びＴｂ）の間においては増加する関数であることを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載の方法。
5. 当該最小しきい値Ａの増加する関数が線形であることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 当該最小しきい値Ａの線形に増加する関数が、当該測定された周囲温度（Ｔａｍｂ）とこの計算された最小しきい値Ａとの間の差が一定であるような関数であることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 当該設定値（Ｔａ及びＴｂ）の間で、当該周囲温度（Ｔａｍｂ）と当該計算された最小しきい値Ａとの間の差は少なくとも摂氏１０°であることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 該周囲温度（Ｔａｍｂ）の関数としての最大しきい値Ｂのアルゴリズムは、測定された周囲温度（Ｔａｍｂ）が第１の設定値（Ｔｃ）より小さい時一定値を有し、該第１の設定値（Ｔｃ）より大きい第２の設定値（Ｔｄ）より大きな周囲温度（Ｔａｍｂ）においてはより高い一定値を有する階段関数によって形成されることと、これらの設定値（Ｔｃ及びＴｄ）の間においては増加する関数であることを特徴とする請求項１から７までのいずれかに記載の方法。
9. 当該最大しきい値Ｂの増加する関数が線形であることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 当該最大しきい値Ｂの増加する関数の傾きは当該最小しきい値Ａの増加する関数の傾きよりも急であることを特徴とする請求項４または８に記載の方法。

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