JP5335738B2 - 水噴射空気圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は水噴射空気圧縮機に関する。

水噴射空気圧縮機として一般的に搭載されるスクリュー圧縮機（以下、圧縮機という）は、例えば螺旋状の歯溝を有する雌雄一対のスクリューロータによって形成されたものである。つまり、雄スクリューロータの歯溝と雌スクリューロータの歯溝の噛み合いとケーシングの内壁とで形成された圧縮室に水を噴射するものである。

圧縮室に水を噴射することで、ロータ間、ロータ・ケーシング間のすき間からの圧縮空気の漏洩をシールする効果及び冷却の効果を得ており、圧縮室に油や水を噴射しないオイルフリーの圧縮機に比べると高い性能が得られる。

また、ロータの圧縮室と軸受との間の軸には圧縮室側からの空気と水の漏洩を抑えるメカニカルシールと軸受側からの油の漏洩を抑えるリップシールが設けられている。軸受側のリップシールは軸の回転で封入した油が跳ねかけられるため、起動時も潤滑には支障が無い。

しかし、ロータの圧縮室側のメカニカルシールには摺動面の潤滑と冷却のために水を常時供給する必要がある。しかし、通常の水クーラを設けた給水配管では起動時に水セパレータ内の圧力が上昇して水が圧縮機に供給されるまでに水クーラの流路抵抗が大きいことと、配管が長いことから時間を要し、即座に給水を行うことができない。

そこで、例えば特許文献１のように起動時に系外から加圧水を圧縮機内に導入する加圧水噴射ラインと該加圧水噴射ラインを開閉する電磁弁とその制御装置とを備えたものがある。これにより、圧縮機の起動命令により圧縮機を起動する場合、起動前に加圧水噴射ラインを開いて系外から加圧水を圧縮機内に噴射し、次いで圧縮機を起動し、水タンクから圧縮機に水が供給される前に加圧水噴射ラインを閉じて系外からの加圧水の噴射を停止する方法が提案されている。（例えば特許文献１参照）。

特開２０００−４５９４７号公報

上記従来技術では、圧縮機を起動する前に一定時間給水する必要があることから、圧縮機を即座に起動することができないことや、起動前の給水時間が長かったり、起動後に水タンクから給水が開始された後、系外からの加圧給水の停止が遅れたりすると給水量が過多となり、トルクが上昇してロータの回転が停止する恐れがある。

本発明の目的は、圧縮機の起動が即座に可能で、且つ起動時に給水過多によるロータの停止が起こらない水噴射空気圧縮機を提供することにある。

上記目的は、ケーシング内に回転可能に支持されたロータと、このロータの摺動部に水を噴射する水噴射空気圧縮機と、圧縮機から吐出された圧縮空気と水から水を分離し分離した水を貯留する水タンクと、圧縮空気を吐出する吐出配管とを有する水セパレータと、前記水タンクから水を圧縮機に供給する水クーラと水フィルタとを有する給水配管とからなる水噴射空気圧縮機において、前記水タンクと前記水クーラの入口との間の給水配管と、前記水クーラの出口と前記水フィルタとの間の給水配管とをつなぐバイパス配管と、前記水クーラの入口と前記バイパス配管の接合部との間の給水配管と、前記水クーラの出口と前記バイパス配管との接合部の間の給水配管に各々設けられた電磁弁と、この各々の電磁弁を操作する制御装置を設けてなり、前記制御装置は、圧縮機の起動時に前記水クーラの入口前の電磁弁と水クーラ出口後の電磁弁を閉とし、前記バイパス配管の電磁弁を開として、水タンクから圧縮機へ水がバイパス配管を通って供給される時間経過後に水クーラの入口前と出口後の給水配管の電磁弁も開とし、水クーラ内にも水が充填される時間経過後に、バイパス配管の電磁弁を閉とする制御を行うことにより達成される。

また上記目的は、前記制御装置は、前記給水配管の水クーラ入口前に電磁弁を設け、前記給水配管とは別に水フィルタと電磁弁を有して水タンクから圧縮機に水を供給する第二の給水配管を設けると共に、前記水セパレータに圧力センサとこれらの電磁弁を操作する制御装置を設け、圧縮機の起動時は水クーラ入口前の電磁弁を閉にし、前記第二の給水配管の電磁弁を開として、水セパレータの圧力が設定圧に達したら前記水クーラの入口の電磁弁も開とし、前記第二の給水配管の電磁弁を閉とする制御を行うことにより達成される。

また上記目的は、前記制御装置は、前記給水配管に温度センサ、圧力センサ、又は流量センサを設けて、センサにより配管内の通水の有無を検知して前記電磁弁を操作させることにより達成される。

また上記目的は、前記圧縮機の吸入部へ接続する外部の加圧水供給配管を設け、前記水タンクに上限と下限の水位を検出可能な水位計を設けると共に、前記圧縮機の起動後、前記水クーラを通る経路で給水を行い、前記水タンクの水位が減少した時に外部の加圧水供給配管から給水を行うことにより達成される。

本発明によれば、圧縮機の起動が即座に可能で、且つ、起動時に給水過多によるロータの停止が起こらない水噴射空気圧縮機を提供できる。

本発明にかかわる圧縮機縦断面図である。 本発明の第１の実施例を示す配管図である。 本発明の第２の実施例を示す配管図である。 本発明にかかわる温度センサを用いた電磁弁制御の系統図である。 本発明にかかわる圧力センサを用いた電磁弁制御の系統図である。 本発明にかかわる流量センサを用いた電磁弁制御の系統図である。 本発明の第３の実施例を示す電磁弁制御の系統図である。

さて、圧縮空気は中小を問わず多業種にわたって導入して機器を動かしている。この圧縮空気を供給する圧縮機には上述したように油冷式と水噴射式とがあり、油冷式は比較的安価で高い性能が得られるため多くの業種が採用されているが、油冷式は圧縮空気中に油が混入してしまうため食品製造業や薬品製造業には不向きである。一方、水噴射式は油の混入がなくクリーンな圧縮空気が得られるため、食品製造業や薬品製造業には適している。
本発明は水噴射式圧縮機を改善したものである。

さて、水噴射式の圧縮機は噛み合うロータに水を供給してロータが高温になることを防止している。しかしながら噛み合うロータによって供給された圧縮空気が水クーラーからアフタークーラ、ドライヤ等を経由するため、圧縮機の始動からロータへの水の供給までに時間がかかってしまうという問題がある。

そこで本発明の発明者らは水の供給までの時間短縮を種々検討した結果、以下のごとき実施例を得た。

以下、図面を用いて本発明のいくつかの実施例を説明する。はじめに、水噴射空気圧縮機の構成を、図１を用いて説明する。

図１は水噴射空気圧縮機の雄ロータ軸における縦断面図である。
図１において、圧縮機１はケーシング３内に雄ロータ２と雌ロータ（図示せず）が互いに噛み合って収納されている。この雄ロータ２と雌ロータは各々ローブ部の両側の吸入側軸７と吐出側軸１６を軸受８によって回転可能に支持されている。ケーシング３には吐出側ケーシング４が連結され、その端部には吐出側カバ５が取り付けられている。

軸受８は吸入側軸７と吐出側軸１６において、各々油溜まりを設けており、はねかけ部材またはタイミングギヤ１７により潤滑油が跳ねかけられることで潤滑される。また、吸入側軸受８と、ロータの圧縮室の間には潤滑した油が吸入ポートに流入しないようにリップシール９がケーシング３に設けられている。

吐出側軸１６においても吐出側軸受８の外側には雄ロータ２と雌ロータの歯を非接触で回転可能とするためのタイミングギヤ１７（雌ロータ側は図示せず）を設けており、軸受８を潤滑した油がロータの圧縮室側へ漏洩するのを防止するためにリップシール９を設けている。

吐出側軸にはロータ溝とケーシングで形成する圧縮室内に噴射された水が圧縮空気と一緒に吐出側軸受８側へ漏洩するのを防止するために、メカニカルシール１０が設けられている。ケーシング３にはロータ溝へ空気を吸入するための吸入ポート１２が設けられており、吸入ポート１２の外側には停止時に吐出室側から逆流した圧縮空気と水が噴出するのを防止するための吸入アンローダ１５が設けられている。

ケーシング３の吐出側にはロータ溝内の圧縮空気が設定した吐出圧力に達するタイミングで開口する吐出ポート１３がある。さらに、圧縮過程にあるロータ溝空間にロータ間、ロータ・ケーシング３間のすき間のシール及び冷却を目的としてケーシング３に設けられた給水穴１４から水が噴射するようになっている。

メカニカルシール１０についても、固定部材と回転部材との摺動部に潤滑及び冷却を目的として給水を行う給水口１１を設けている。

次に、図２を用いて図１に示す水噴射圧縮機を用いたユニット構造を示す。

図２は本発明の第１の実施例を示す配管図である。
図２において、圧縮機１は水タンク１９を内部に設けた水セパレータ１８の上部に固定されており、モータによりベルトを介して吸入側軸が駆動される。

圧縮機１は吸入ポート１２から吸入した空気を雄ロータ２側に設けた圧縮室により圧縮し、圧縮途中で水タンク１９の水が給水配管２４を通って給水口１４から雄ロータ２側に噴射される。その後、圧縮空気と噴射された水とが一緒に吐出ポート１３から水セパレータ１８内に吐出される。なお、水タンク１９内の水は給水配管２４を通った後、逆止弁３２を通過した後、更に水クーラ２０を介して水温が上がった場合は冷却される。その後、給水配管２４を通って水フィルタ２６を通過した後、分岐してロータ給水配管２８を経由してケーシングの給水口１４と、メカニカルシール給水管２７を経由してメカニカルシールの給水口１１へ各々給水される。

水セパレータ１８内に吐出された圧縮空気と水は水セパレータ１８内に吐出された際、円筒空間内を旋回することにより液塊は空気と分離され、下部の水タンク１９に蓄積され、再度、給水されて圧縮機との間を循環する。

一方、水セパレータ１８内に吐出された圧縮空気はミスト状の水分を含んだ状態で、水セパレータ１８上部の吐出配管４１から吐出される。その後、安全弁３１と逆止弁３２、及び調圧弁３３を通ってアフタークーラ２１へ流入して大気温度近くまで冷却される。その後、ドライヤ２２を通って除湿された後、ラインへ吐出される。なお、図２では水クーラ２０とアフタークーラ２１は水冷式を示しており、冷却水は冷却水流入配管３４から供給し、冷却水吐出配管３５から排出させているが、冷却ファンを備えた空冷式としてもよい。なお、これらの圧縮機ユニット,水クーラ,アフタークーラ,ドライヤ,制御装置はパッケージ３７内に収納され運搬・据え付けが容易な防音構造となっている。

また、給水配管２４は逆止弁３２を通過後３方に分岐し、水クーラ２０を出た給水配管２４の水フィルタ２６の前とを接続したバイパス給水配管２９を設けている。水タンク１９から出た給水配管２４のバイパス給水配管２９と分岐した後の水クーラ２０に入る前に第１電磁弁３０、バイパス給水配管の間に第２電磁弁５２、水クーラを出てバイパス給水配管２９と接続する前の給水配管２４には第３電磁弁５３を設けられている。これらの電磁弁３０，５２，５３は電気配線３６を介して接続された制御装置２３によって開閉が制御される。

次に、これらの電磁弁３０，５２，５３の開閉動作について説明する。
圧縮機の起動時において、圧縮機１内及び給水配管２４内に水が無い場合、バイパス給水配管２９に設けた第２電磁弁５２を開とし、水クーラ２０へ流入する給水配管２４に設けた第１電磁弁３０と、水クーラから出た給水配管２４に設けた第３電磁弁５３は閉とする。この状態で圧縮機１が起動し、水セパレータ１８内の圧力が上昇すると水タンク１９内の水は給水配管２４を通って更にバイパス給水配管２９を経由し、水フィルタ２６を通過した後、直ぐに分岐してケーシングの給水口１４とメカニカルシールへの給水口１１とに給水される。

次に、ロータ間及びメカニカルシールへ給水された水が到着するとした設定時間の経過後、第１電磁弁３０と、第３電磁弁５３を開にして、水クーラ２０内へも水を充満させる。ここでも設定した時間の経過で、水クーラ２０内に水が充満された後、バイパス給水配管２９に設けた第２電磁弁５２を閉とすることで、水タンク１９内の水は通常の給水配管である水クーラ２０を通過した後、ケーシング及びメカニカルシールの給水口へ給水を行う経路で給水がされる。

本発明により、起動時に抵抗が大きく流路の長い水クーラ２０を通さずに給水が可能なために系外から水を供給しなくても水セパレータ１８内の圧力が上昇すると即座（圧縮機始動から約２〜３秒）に給水が可能となる。

図３により本発明に基づく他の実施例を説明する。
図３は本発明の第２の実施例を示す配管図である。
なお、図２と同一番号は同一物であるので、その説明は省略する。
図３において、ユニット全体の構成は図２に示す第一の実施例と同じであるが、起動時の給水配管は水クーラ２０を通る給水配管２４を分岐せずに、別に設けている。

水タンク１９に第二給水配管３８を設け、第４電磁弁５４と水フィルタ２６を通った後、２方に分岐して一方はケーシングの給水口１４へ接続され、他方はメカニカルシールの給水口１１へ接続される。なお、各々の給水口においては入口で水クーラ２０を経由した給水配管２４と結合してもよい。また、水クーラ２０を経由する給水配管２４においては水クーラ２０の入口に第１電磁弁３０、水クーラの出口に第２電磁弁５３と水フィルタ２６を設けている。

次に、図３における電磁弁の制御動作について説明する。
圧縮機の起動時において、圧縮機１内及び給水配管２４内に水が無い場合、第二給水配管３８に設けた第４電磁弁５４を開とし、水クーラ２０を経由して給水する給水配管２４に設けた第１電磁弁３０と、水クーラから出た給水配管２４に設けた第３電磁弁５３は閉とする。この状態で圧縮機１を起動し、水セパレータ１８内の圧力が上昇すると水タンク１９内の水は第二給水配管３８を通って第二給水配管に設けた水フィルタ２６を通過した後、直ぐにケーシングの給水口１４と、メカニカルシールへの給水口１１とに給水される。
次に、ロータ間及びメカニカルシールへ十分に給水が行われるとした設定時間の経過後、第１電磁弁３０と、第３電磁弁５３を開にして、ケーシング及びメカ二カルシールへの給水を行うと共に、水クーラ２０内にも水を充満させる。
ここで、同様に予め設定した時間の経過後、第二給水配管３８に設けた第４電磁弁５４を閉として、水タンク１９内の水は通常の水クーラ２０を通ってケーシング及びメカニカルシールの給水口へ給水を行う経路とする。

次に、図４〜図６を使って水の通過を各種センサで検出して電磁弁の操作を行う動作について説明する。
図４は本発明にかかわる温度センサを用いた電磁弁制御の系統図である。
図５は本発明にかかわる圧力センサを用いた電磁弁制御の系統図である。
図６は本発明にかかわる流量センサを用いた電磁弁制御の系統図である。
図４において、制御装置２３は中央演算処理装置４４と、時間を検出するタイマー４６及び各センサーの信号を検出する検出回路５１、各電磁弁を動作させるドライバ回路４５を備えている。
実施例１に示す水の通過を予め設定した時間で制御する場合、タイマー４６で経過時間を取り込み、記憶回路２５から設定時間を読み込み、中央演算処理装置４４で比較判定をして設定時間を超えた場合はドライバ回路４５により電磁弁を動作させる。次に、給水配管に設けた温度センサ４２が水の通過によって温度変化を検出した場合、その信号は検出回路５１で検出されて中央演算処理装置４４へ取り込まれる。同時に記憶回路２５に記憶しておいた設定値を中央演算処理装置４４へ取り込み、比較して設定値を超えたと判定した場合、ドライバ回路４５を動作させて電磁弁を動作させる。しかしながら温度センサ４２の場合、配管内の空気と水の温度差が小さい場合は水の流れの検出ができなくなる場合があり得る。

図５において、本実施例では図４の温度センサ４２に代わって圧力センタ４３を取り付けたものである。圧力センサ４３は温度センサ４２より若干コストアップに繋がるが、温度センサに比較すると高い精度で水の流れを検出可能である。

図６において、本実施例では温度センサに代わって流量センサ４７をとりつけたものである。流量センサ４７は温度センサ４２、圧力センサ４３よりコストアップとなるが両者と比較する高い精度で水の流れの検出を行うことができる。

次に図７により起動時、水セパレータ１８内の水タンク１９の水を給水配管２４を通して給水することにより、水タンク１９水面が基準位置よりも低下した場合、系外から水を補給する場合について説明する。

図７は本発明の第３の実施例を示す電磁弁制御の系統図である。

図７において、圧縮機１へ給水を開始して水セパレータ１８内の水タンク１９の水面が基準値よりも低下した場合、水タンク１９に設けた水位計５５で水面を検出し、その信号は制御装置２３の中央演算処理装置へ送られる。次に、水タンク１９への水を補給するために外部給水配管４９を三方に分岐して、分岐部には三方電磁弁４８を設ける。

さらに、分岐部から吸入ポート１２に設けた吸入アンローダ１５へ接続する第２外部給水配管５０を設けると共に、外部給水配管４９の三方電磁弁４８より入口側に第５電磁弁５６を設ける。その結果、三方電磁弁４８を第２外部給水配管５０に接続する方向に切り替え、第５電磁弁５６を開にすると外部給水配管４９の水は吸入ポート１２の吸入アンローダ１５内へ供給される。

次に、外部からの給水により水タンク１９の水位計５５が設定値（上限）を超えると、三方電磁弁４８を水タンク１９と接続する方向へ切りかえると共に第５電磁弁５６を閉とすることで系外からの給水は停止する。

以上のごとく、本発明によれば、水タンクから圧縮機への給水配管において、通常の運転時に必要な水クーラ及び水フィルタを含む給水配管に、さらに水クーラをバイパスさせた短くて抵抗の少ないバイパス給水配管を給水配管の水フィルタの前に設けたので、起動時に水セパレータ内の圧力が上昇するに従って、即座にきれいな水が圧縮機へ供給される。

したがって、起動の前に一定時間水を供給せずに、必要に応じて即座に圧縮機のスイッチを入れることが可能になると共に、水タンクから水が供給されるので起動時に系外からの水供給が不要である。

さらに起動と共に水セパレータの圧力が上昇して水が供給されるので圧縮機への給水過多によりロータが停止することが無い。同様に、水クーラを通らない、水フィルタを有する第二の給水配管を設けることで、圧縮機を起動して水セパレータ内の圧力が増加し始めると、即座に水タンクの水が第二の給水配管を通って圧縮機へ給水されるため、メカニカルシールの潤滑及び冷却が行われる。

さらに、通常の給水配管とバイパス給水配管または第二の給水配管に各々電磁弁を設けて、制御装置により電磁弁を操作するため、起動時は水クーラを通らないバイオパス給水配管、又は第二の給水配管による給水が可能で、給水開始後には水クーラへも通水を行い、通常の給水配管とバイパス給水配管または第二の給水配管に水が充満したのち、バイパス給水配管又は第二の給水配管を閉じて通常の水クーラを通した給水配管からの水の供給を行うことが可能となる。

１・・・圧縮機、２・・・ロータ、３・・・ケーシング、４・・・吐出側ケーシング、５・・・吐出側カバ、６・・・吸入側カバ、７・・・吸入側軸、８・・・軸受、９・・・リップシール、１０・・・メカニカルシール、１１・・・給水口、１２・・・吸入ポート、１３・・・吐出ポート、１４・・・給水口、１５・・・吸入アンローダ、１６・・・吐出側軸、１７・・・タイミングギヤ、１８・・・水セパレータ、１９・・・水タンク、２０・・・水クーラ、２１・・・アフタークーラ、２２・・・ドライヤ、２３・・・制御装置、２４・・・給水配管、２５・・・記憶回路、２６・・・水フィルタ、２７・・・メカニカルシール給水配管、２８・・・ロータ給水配管、２９・・・バイパス給水配管、３０・・・第１電磁弁、３１・・・安全弁、３２・・・逆止弁、３３・・・調圧弁、３４・・・冷却水流入配管、３５・・・冷却水吐出配管、３６・・・電気配線、３７・・・パッケージ、３８・・・第二給水配管、３９・・・第二ロータ給水配管、４０・・・第二メカニカルシール給水配管、４１・・・吐出配管、４２・・・温度センサ、４３・・・圧力センサ、４４・・・中央演算処理装置、４５・・・ドライバ、４６・・・タイマー、４７・・・流量センサ、４８・・・三方電磁弁、４９・・・外部給水配管、５０・・・第２外部給水配管、５１・・・検出回路、５２・・・第２電磁弁、５３・・・第３電磁弁、５４・・・第４電磁弁、５５・・・水位計、５６・・・第５電磁弁。

Claims (4)

1. ケーシング内に回転可能に支持されたロータと、このロータの摺動部に水を噴射する水噴射空気圧縮機と、圧縮機から吐出された圧縮空気と水から水を分離し分離した水を貯留する水タンクと、圧縮空気を吐出する吐出配管とを有する水セパレータと、前記水タンクから水を圧縮機に供給する水クーラと水フィルタとを有する給水配管とからなる水噴射空気圧縮機において、
   前記水タンクと前記水クーラの入口との間の給水配管と、前記水クーラの出口と前記水フィルタとの間の給水配管とをつなぐバイパス配管と、前記水クーラの入口と前記バイパス配管の接合部との間の給水配管と、前記水クーラの出口と前記バイパス配管との接合部の間の給水配管に各々設けられた電磁弁と、この各々の電磁弁を操作する制御装置を設けてなり、
   前記制御装置は、圧縮機の起動時に前記水クーラの入口前の電磁弁と水クーラ出口後の電磁弁を閉とし、前記バイパス配管の電磁弁を開として、水タンクから圧縮機へ水がバイパス配管を通って供給される時間経過後に水クーラの入口前と出口後の給水配管の電磁弁も開とし、水クーラ内にも水が充填される時間経過後に、バイパス配管の電磁弁を閉とする制御を行うことを特徴とする水噴射空気圧縮機。
2. 請求項１記載の水噴射空気圧縮機において、
   前記制御装置は、前記給水配管の水クーラ入口前に電磁弁を設け、前記給水配管とは別に水フィルタと電磁弁を有して水タンクから圧縮機に水を供給する第二の給水配管を設けると共に、
   前記水セパレータに圧力センサとこれらの電磁弁を操作する制御装置を設け、圧縮機の起動時は水クーラ入口前の電磁弁を閉にし、前記第二の給水配管の電磁弁を開として、水セパレータの圧力が設定圧に達したら前記水クーラの入口の電磁弁も開とし、前記第二の給水配管の電磁弁を閉とする制御を行うことを特徴とする水噴射空気圧縮機。
3. 請求項２記載の水噴射空気圧縮機において、
   前記制御装置は、前記給水配管に温度センサ、圧力センサ、又は流量センサを設けて、センサにより配管内の通水の有無を検知して前記電磁弁を操作させることを特徴とする水噴射空気圧縮機。
4. 上記請求項１乃至３のいずれかに記載の水噴射空気圧縮機において、
   前記圧縮機の吸入部へ接続する外部の加圧水供給配管を設け、前記水タンクに上限と下限の水位を検出可能な水位計を設けると共に、
   前記圧縮機の起動後、前記水クーラを通る経路で給水を行い、前記水タンクの水位が減少した時に外部の加圧水供給配管から給水を行うことを特徴とする水噴射空気圧縮機。

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