JP5084460B2

JP5084460B2 - 油冷式空気圧縮機

Info

Publication number: JP5084460B2
Application number: JP2007298198A
Authority: JP
Inventors: 晃洋長阪; 正彦高野; 英晴田中
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2007-11-16
Filing date: 2007-11-16
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2027-11-16
Also published as: JP2009121398A

Description

本発明は、圧縮空気に油を混入することにより圧縮空気を冷却する油冷式空気圧縮機に関する。

従来、空気を圧縮するとともに圧縮空気に油を混入する圧縮機本体と、この圧縮機本体で生成された圧縮空気から油を分離する油分離器と、この油分離器で分離された油を圧縮機本体に供給する油供給系統と、この油供給系統に設けられ、冷却水（冷却液）との熱交換により油を冷却する油冷却器とを備えた油冷式空気圧縮機が知られている。この油冷式空気圧縮機において、例えば水蒸気を含んだ空気（大気）を圧縮する場合、圧縮空気の温度が凝縮水発生限界温度以下になると、凝縮水（ドレン水）が発生する。具体的には、例えば温度３０℃、相対湿度８０％Rhの空気を０．７５MPa程度まで圧縮する場合、圧縮空気の温度が約７０℃以下になると、凝縮水が発生する。そして、この凝縮水が圧縮機本体の内部に残留すると、圧縮機本体の内部の軸受等が発錆する等の不具合を引き起こす。

そこで、これに対応するため、油供給系統において、温度調節弁（三方弁）を設け、温度調節弁の一方の出口側に油冷却器を経由する冷却用流路を接続し、他方の出口側にバイパス流路を接続し、冷却用流路及びバイパス流路を下流側で合流させて圧縮機本体に接続したものが提唱されている（例えば、特許文献１参照）。温度調節弁は、油温を検知するとともに、油温に応じて冷却用流路とバイパス流路との流量割合を調節するようになっている。具体的には、例えば油温が設定温度未満の場合は、油分離器からの油の全流量をバイパス流路に導き（言い換えれば、冷却用流路の流量をゼロとし）、また例えば油温が設定温度以上の場合は、油温が高いほど冷却用流路の流量割合を増加する。これにより、圧縮機本体に供給する油の温度を一定の範囲内に保ち、圧縮空気の過冷却を防止して、凝縮水の発生を防止するようになっている。

また、特許文献１に記載の従来技術では、油分離器内の温度が設定温度に達したかどうかを検出する温度スイッチを設け、また油冷却器に冷却水を供給する冷却水系統に開閉弁を設け、温度スイッチからの信号により開閉弁を開閉させる構成を開示している。具体的には、例えば油分離器内の温度が温度スイッチの設定温度ＴｄＢ（凝縮水の発生する吐出温度Ｔｄ１＜ＴｄＢ＜温度調節弁の吐出温度Ｔｄ２）に達すると、開閉弁を閉状態に切り換え、油冷却器への冷却水の供給を停止させる。これにより、例えば吐出温度が急激に降下し始めた場合のように、急激な運転条件の変化が生じた場合でも、この変化に直ちに応答するようになっている。また、例えば油分離器内の温度が温度スイッチの設定温度ＴｄＡ（≒Ｔｄ２）に達すると、開閉弁を開状態に切り換え、冷却器への冷却水の供給を開始させるようになっている。

特開平０６−２１３１８８号公報（図２）

しかしながら、上記従来技術には以下のような課題が存在する。
すなわち、上記特許文献１に記載の従来技術においては、油供給系統に温度調節弁（三方弁）を設け、油温に応じて油冷却器を経由する冷却用経路とバイパス経路との流量割合を可変制御するようになっている。そして、油冷却器を経由する冷却用経路の抵抗とバイパス経路の抵抗とが同じではないため、冷却用経路とバイパス経路との流量割合に応じて圧縮機本体への油供給量が変動していた。その結果、圧縮機本体の作動室に注入する油量が変動し、圧縮機本体の運転動作に影響を及ぼしていた。

本発明の目的は、圧縮機本体への油供給量を安定させ、圧縮機本体の運転動作を安定させることができる油冷式空気圧縮機を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、空気を圧縮するとともに圧縮空気に油を混入する圧縮機本体と、前記圧縮機本体で生成された圧縮空気から油を分離する油分離器と、前記油分離機で分離された油を前記圧縮機本体に供給する油供給系統と、前記油供給系統に設けられ、冷却液との熱交換により油を冷却する油冷却器と、前記油分離器で分離された圧縮空気を供給先に供給する圧縮空気供給系統と、前記圧縮空気供給系統に設けられ、冷却液との熱交換により圧縮空気を冷却するアフタークーラとを備え、前記油供給系統は、前記圧縮機本体に供給する油の全流量を前記油冷却器で冷却するように構成した油冷式空気圧縮機であって、油温を検出する油温検出手段と、前記油冷却器及び前記アフタークーラを直列接続して、前記油冷却器及び前記アフタークーラに冷却液を供給する冷却液系統と、前記冷却系統に設けられ、前記油冷却器及び前記アフタークーラに供給する冷却液の流量を調節する弁手段と、前記油温検出手段の検出結果に応じて前記弁手段の開度を可変制御する弁制御手段とを備える。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記弁手段は、開度が連続的に可変可能な流量調整弁を有し、前記弁制御手段は、前記油温検出手段の検出結果に応じて、前記流量調整弁の開度を連続的に可変制御する。

（３）上記（１）において、好ましくは、前記弁手段は、互いに並列接続され、それぞれ開状態又は閉状態に切り換え可能な複数の開閉弁を有し、前記弁制御手段は、前記油温検出手段の検出結果に応じて、前記複数の開閉弁をそれぞれ開状態又は閉状態に切り換えて前記複数の開閉弁による総合開度を少なくとも３つの段階に可変制御する。

本発明によれば、圧縮機本体への油供給量を安定させ、圧縮機本体の運転動作を安定させることができる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。
図１は、本実施形態による油冷式空気圧縮機の構成を表す概略図である。

この図１において、油冷式空気圧縮機は、空気を圧縮するとともに圧縮空気に油を混入する圧縮機本体１と、この圧縮機本体１で生成された圧縮空気から油を分離する油分離器２と、この油分離器２で分離された圧縮空気を供給先に供給する圧縮空気供給系統３と、油分離器２で分離された油を圧縮機本体１に供給する油供給系統４とを備えている。

圧縮機本体１の吸込側には吸込パイプ５が接続され、この吸込パイプ５には吸込フィルタ６及び吸込絞り弁７が設けられている。圧縮機本体１は、図示しないロータの回転駆動によって、吸込パイプ５からの空気（例えば大気）を吸い込んで圧縮し、圧縮空気を吐出するようになっている。また、圧縮機本体１は、油供給系統４から供給された油を作動室内に注入して、圧縮空気を冷却するとともに、作動室からの圧縮空気の漏洩を低減して圧縮効率を向上させるようになっている。

油分離器２は、圧縮機本体１から吐出された圧縮空気に含まれる油を分離し、分離した油を下部（油溜まり部）に一旦溜めるようになっている。油分離器２で油と分離された圧縮空気は、油分離器２の上方側に接続された圧縮空気供給系統３を介し供給先に供給される。圧縮空気供給系統３には水冷式のアフタークーラ８が設けられ、アフタークーラ８は、冷却水系統９から供給された冷却水（冷却液）との熱交換により圧縮空気を冷却するようになっている。

油分離器２内の油は、油分離器２の下方側に接続された油供給系統４を介し圧縮機本体１に供給される。油分離供給系統４は、圧縮機本体１に供給する油の全流量を水冷式のオイルクーラ１０（油冷却器）で冷却するように構成している。オイルクーラ１０は、冷却水系統９から供給された冷却水との熱交換により油を冷却するようになっている。また、油供給系統４におけるオイルクーラ１０の上流側（言い換えれば、油分離器２の下流側）には、油温を検出する油温センサ１１（油温検出手段）が設けられている。

冷却水系統９は、オイルクーラ１０及びアフタークーラ８にその順序で冷却水を供給するように構成している。また、冷却水系統９におけるアフタークーラ８の出口側には、開度が連続的に可変可能な流量調整弁１２（弁手段）が設けられており、この流量調整弁１２を駆動制御する制御回路１３（弁制御手段）が設けられている。制御回路１３は、油温センサ１１からの検出信号を入力し、これに応じて流量調整弁１２の開度を可変制御するようになっている。具体的には、例えば図２に示すように、油温センサ１１で検出された油温が設定温度Ｔ１未満の場合は流量調整弁１２の開度を０％とし、油温センサ１１で検出された油温が設定温度Ｔ１以上Ｔ２未満の場合は、油温の上昇に従って流量調整弁１２の開度を単調増加させ、油温センサ１１で検出された油温が設定温度Ｔ２に達すると開度が１００％となるように制御している。

次に、本実施形態の動作及び作用効果を説明する。

圧縮機本体１は、吸込パイプ５から空気を吸い込んで圧縮するとともに、油供給系統４から供給された油を作動室内に注入して圧縮ガスを冷却する。そして、油分離器２は、圧縮機本体１から吐出された圧縮空気から油を分離し、分離された圧縮空気は、圧縮空気供給系統３のアフタークーラ８を経由して供給先に供給される。一方、油分離器２内の油は、油供給系統４のオイルクーラ１０を経由して圧縮機本体１に供給される。

このような動作中に、例えば油供給系統４の油温センサ１１で検出した油温が設定温度Ｔ１未満の場合は、制御回路１３によって冷却水系統９の流量制御弁１２の開度をゼロとして、オイルクーラ１０（及びアフタークーラ８）への冷却水の供給を停止し、オイルクーラ１０（及びアフタークーラ８）の冷却能力をゼロとする。また、例えば油温センサ１１で検出した油温が設定温度Ｔ１以上の場合は、制御回路１３によって油温が高いほど流量制御弁１２の開度を増大して、オイルクーラ１０（及びアフタークーラ８）に供給する冷却水の流量を増加させ、オイルクーラ１０（及びアフタークーラ８）の冷却能力を高める。これにより、圧縮機本体１に供給する油の温度を一定の範囲内に保ち、圧縮空気の過冷却を防止して、凝縮水の発生を防止することができる。また、アフタークーラ８の冷却能力をオイルクーラ１０の冷却能力に追従して変動させることができる。

また、油供給系統４は、圧縮機本体１に供給する油の全流量をオイルクーラ１０で冷却するように構成している。これにより、例えば油供給系統に温度調節弁（三方弁）及びバイパス流路を設け、オイルクーラを経由する冷却用流路の流量割合を可変制御するような上記従来技術と比べ、圧縮機本体１への油供給量を安定させることができる。その結果、圧縮機本体１の動作を安定させることができる。また、圧縮機本体１における異音の発生を防止することができる。

また、例えば油温センサ１１で検出した油温が比較的低い場合はオイルクーラ１０及びアフタークーラ８に供給する冷却水の流量を減少させるので、冷却水の流量を固定するような上記従来技術と比べ、冷却水供給用ポンプ等の運転コストを低減することができる。また、油供給系統４に温度調節弁及びバイパス流路を設けないため、油供給系統４の構造を簡素化することができる。これにより、部品点数を削減し、コスト低減を図ることができる。また、油漏れのポテンシャルを低減することができる。

本発明の他の実施形態を図３及び図４により説明する。本実施形態は、冷却水系統に複数の開閉弁を設けた実施形態である。

図３は、本実施形態による油冷式空気圧縮機の構成を表す概略図である。この図３において、上記一実施形態と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

本実施形態では、冷却水系統９Ａにおけるアフタークーラ８の出口側には、互いに並列接続され、それぞれ開状態又は閉状態に切り換え可能な例えば３つの開閉弁１４が設けられており、これら開閉弁１４を駆動制御する制御回路１５が設けられている。制御街路１５は、油温センサ１１からの検出信号を入力し、これに応じて３つの開閉弁１４をそれぞれ開状態又は閉状態に切り換え、３つの開閉弁１４による総合開度を４段階（詳細には、例えば０％、３３％、６７％、１００％）に可変制御するようになっている。具体的には、例えば図４に示すように、油温センサ１１で検出された油温が設定温度Ｔ３未満の場合は、全ての開閉弁１４を閉じ状態（すなわち、総合開度は０％）とし、例えば油温センサ１１で検出された油温が設定温度Ｔ３以上Ｔ４未満の場合は、１つの開閉弁１４を開き状態、２つの開閉弁１４を閉じ状態（すなわち、総合開度は３３％）とし、例えば油温センサ１１で検出された油温が設定温度Ｔ４以上Ｔ５未満の場合は、２つの開閉弁１４を開き状態、１つの開閉弁１４を閉じ状態（すなわち、総合開度は６７％程度）とし、例えば油温センサ１１で検出された油温が設定温度Ｔ５以上の場合、全ての開閉弁１３を開き状態（すなわち、総合開度は１００％）とする。これにより、油温に応じてオイルクーラ１０（及びアフタークーラ８）に供給する冷却水の流量、すなわちオイルクーラ１０（及びアフタークーラ８）の冷却能力が段階的に可変する。これにより、圧縮機本体１に供給する油の温度を一定の範囲内に保ち、圧縮空気の過冷却を防止して、凝縮水の発生を防止することができる。

以上のように構成された本実施形態においても、上記一実施形態同様、油供給系統４は、圧縮機本体１に供給する油の全流量をオイルクーラ１０で冷却するように構成している。したがって、圧縮機本体１への油供給量を安定させ、圧縮機本体１の運転動作を安定させることができる。

本発明の油冷式空気圧縮機の一実施形態の構成を表す概略図である。本発明の油冷式空気圧縮機の一実施形態における油温と流量制御弁の開度との関係を表す特性図である。本発明の油冷式空気圧縮機の他の実施形態の構成を表す概略図である。本発明の油冷式空気圧縮機の他の実施形態における油温と複数の開閉弁による総合開度との関係を表す特性図である。

符号の説明

１圧縮機本体
２油分離器
４油供給系統
１０オイルクーラ（油冷却器）
１１油温センサ（油温検出手段）
１２流量調整弁（弁手段）
１３制御回路（弁制御手段）
１４開閉弁（弁手段）
１５制御回路（弁制御手段）

Claims

空気を圧縮するとともに圧縮空気に油を混入する圧縮機本体と、前記圧縮機本体で生成された圧縮空気から油を分離する油分離器と、前記油分離機で分離された油を前記圧縮機本体に供給する油供給系統と、前記油供給系統に設けられ、冷却液との熱交換により油を冷却する油冷却器と、前記油分離器で分離された圧縮空気を供給先に供給する圧縮空気供給系統と、前記圧縮空気供給系統に設けられ、冷却液との熱交換により圧縮空気を冷却するアフタークーラとを備え、
前記油供給系統は、前記圧縮機本体に供給する油の全流量を前記油冷却器で冷却するように構成した油冷式空気圧縮機であって、
油温を検出する油温検出手段と、
前記油冷却器及び前記アフタークーラを直列接続して、前記油冷却器及び前記アフタークーラに冷却液を供給する冷却液系統と、
前記冷却系統に設けられ、前記油冷却器及び前記アフタークーラに供給する冷却液の流量を調節する弁手段と、
前記油温検出手段の検出結果に応じて前記弁手段の開度を可変制御する弁制御手段とを備えたことを特徴とする油冷式空気圧縮機。
請求項１記載の油冷式空気圧縮機において、前記弁手段は、開度が連続的に可変可能な流量調整弁を有し、前記弁制御手段は、前記油温検出手段の検出結果に応じて、前記流量調整弁の開度を連続的に可変制御することを特徴とする油冷式空気圧縮機。
請求項１記載の油冷式空気圧縮機において、前記弁手段は、互いに並列接続され、それぞれ開状態又は閉状態に切り換え可能な複数の開閉弁を有し、前記弁制御手段は、前記油温検出手段の検出結果に応じて、前記複数の開閉弁をそれぞれ開状態又は閉状態に切り換えて前記複数の開閉弁による総合開度を少なくとも３つの段階に可変制御することを特徴とする油冷式空気圧縮機。