JP5366889B2 - 水注入式スクロール空気圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は空気を圧縮するスクロール圧縮機に係わり、特に圧縮室内に水を注入する水注入式スクロール空気圧縮機に関する。

一般産業用の空気圧縮機のエネルギ効率を向上させる手段として、圧縮機本体の内部に吸入した空気に油や水を混入させて一緒に圧縮する油冷式や水注入式が知られている。

油や水は圧縮室が他の空間とつながる狭い隙間をシールするので、内部漏洩を低減する効果や圧縮熱を吸収して圧縮動力を低減する効果が期待できるほか、冷却効果で圧縮機を構成する各部材の熱変形を防止することができる。そのため、先に述べた隙間の拡大を抑制する効果もあり、いずれの効果もエネルギ効率を高める作用に繋がる。

油冷式は長い実績から信頼性に優れているものの、供給する吐出空気にごくわずかではあるが油成分が混入するため、食品や半導体などの製造機器には不向きとされている。

一方、水注入式は供給空気に油分は混在しないものの、油に比較して錆や腐食や潤滑不良等への対策が必要なため油冷式に比較して普及が遅れているのが現状である。しかしながら、油分を含まないクリーンエアに対する市場からの要求によって、近年は水注入式空気圧縮機の開発が盛んに行われるよになってきている。

スクロール空気圧縮機を水注入式にする従来技術としては特許文献１（特開平８−１２８３９５号公報）がある。

特開平８−１２８３９５号公報

上記した特許文献１にはスクロール空気圧縮機に水を注入することと、この種のスクロール空気圧縮機の効果による効率向上とが記載されている。
しかしながら、特許文献１では水の注入位置をスクロールラップの内側にしていることから、圧縮機本体を水注入式の専用構造にする必要がある。したがって、水注入式のスクロール圧縮機である本体部分と従来から普及しているオイルフリー式（以下、ドライ式という）のスクロール空気圧縮機である本体部分を共用化にすることは難しかった。

水注入式とドライ式の本体部分を共用化することは量産効果が高くなるため安価に製造し生産管理できることや、個別に開発するよりも開発時間や開発費用を節約できるなどその効果は極めて高い。
水注入式とドライ式とで本体部分を共用化するにあたっては、注水位置を本体外部とし、本体に吸入する空気に予め水を混入させておく方法がある。

予め水を混入した空気を従来の圧縮機本体に吸い込む場合に懸念されることは、空気の流れからの水分の脱落や滞留がある。吸い込む流路の向きが概ね上から下へ向う場合には問題ないが、下から上へ向かう場合に混入した水が空気の流れから脱落して圧縮機本体内部の不本意な場所に滞留する可能性が高くなる。

本来、空気とともに圧縮室に吸い込まれるべき水が不本意な場所に滞留してしまうことは、水の外部への漏洩や本体を構成している材料の腐食等の障害を発生させてしまう可能性が高くなる。

従来のスクロール空気圧縮機では特許文献１に示されているように、固定と旋回のラップを対称形とし、空気の吸い込み口をラップ外周で対称となる位置に配していた。

したがって、少なくとも一方の吸い込み口は下方を向いてしまい、空気の流れは上向きとなる。このため、空気とともに吸い込むべき水が重力で空気の流れから脱落することがあった。脱落した水はラップ外周の空間に滞留するため、これを解消する必要があった。

本発明の目的は、吸入口から吸込み過程の圧縮室までを下方への流れとし、ほぼ全ての水が空気とともに圧縮室に吸い込まれて水の脱落がないようにした水注入式スクロオール空気圧縮機を提供することにある。

上記目的は、渦巻き状のラップを有する旋回スクロール部材と、この旋回スクロール部材のラップに対応した渦巻き状のラップを有する固定スクロール部材と、この固定スクロール部材に対して前記旋回スクロール部材を旋回させる旋回軸を回転させるための駆動機構を内蔵し、前記旋回軸は略水平方向を向き、前記圧縮機本体の外形を成すケーシングを貫通する吸入流路と吐出流路とを備え、前記吸入流路の上流側に位置する空気流路に水を注入する注入口を備えた水注入式スクロール空気圧縮機において、前記旋回側のラップの外端である巻き終わり部と前記固定側のラップの外端である巻き終わり部とは水平に対する角度を略一致させ、これら両ラップの終端は上方を向くとともに、前記吸入流路の前記ケーシング内部への開口部は前記両ラップ終端の略上方に位置することにより達成される。

また上記目的は、前記吐出流路を構成する吐出管路の途中に温度センサを取り付けたことにより達成される。

また上記目的は、前記温度センサの出力線は制御装置の入力に接続されていることにより達成される。

また上記目的は、前記温度センサで吐出温度が９０℃を越えたことを前記制御装置が検知すると、この制御装置は弁を開放して水を注入することにより達成される。

前記水は水分離器に貯留されていることにより達成される。

本発明によれば、吸入口から吸込み過程の圧縮室までを下方への流れとし、ほぼ全ての水が空気とともに圧縮室に吸い込まれて水の脱落がないようにした水注入式スクロール空気圧縮機を提供できる。

本発明の第１の実施例を備えたスクロール空気圧縮機の水循環系を模式的に示した斜視図である。 第１の実施例を備えたスクロール空気圧縮機本体の平面断面図である。 第１の実施例を備えたスクロール空気圧縮機本体の側面断面図である。 第１の実施例を備えたスクロール空気圧縮機本体が水を混入した空気を内旋側の圧縮室に吸い込むときの断面図である。 第１の実施例を備えたスクロール空気圧縮機本体が水を混入した空気を外旋側の圧縮室に吸い込むときの断面図である。

本発明の第１の実施例について図１〜５を参照しながら説明する。
図１はスクロール空気圧縮機の本体斜視図を中心に水循環系を模式的に示した図である。
図２はスクロール空気圧縮機本体の平面断面図である。
図３はスクロール空気圧縮機本体の側面断面図である。
図４は水を混入した空気を圧縮機本体内部に導いてから、内旋側の圧縮室に吸い込むときの様子を示す断面図である。
図５も同様に水を混入した空気を圧縮機本体内部に導いてから、外旋側の圧縮室に吸い込む様子を示す断面図である。
なお、旋回スクロールラップの旋回位置により図４と図５の状態が交互に繰り返される。

本発明の実施例を説明する前に、図２と図３を用いてスクロール圧縮機本体の構造を説明する。

図２、図３において、スクロール圧縮機本体１は左右に２つの右側スクロール機構２と左側スクロール機構３を備え、各スクロール機構２，３は渦巻き状の旋回ラップと固定ラップならびにそれらラップの底に相当する鏡板で構成される。
左右２つの旋回ラップ５２は同一の旋回スクロール５に背中合わせに形成したものであり、両ラップ鏡板にはさまれた旋回スクロール５の中央部には冷却風を通す貫通穴６が設けられている。

旋回ラップと固定ラップの内端となる、巻き始め位置は対称的に１８０度異なるが外端となる巻き終わり位置はほぼ同位相にする。したがって、ラップの巻き角度は旋回側と固定側で１８０度の差があるが、本例では固定側ラップが１８０度多く巻いてある。
このように巻き角に差があるスクロールラップを非対称ラップと称し、冷媒ガス用のスクロール圧縮機においては小型化等を目的に使用する例がある。

両ラップの巻き終わり位置を調整することによってラップの終端４が概ね鉛直上方を向くようにしている。このように両ラップの終端を鉛直上方に向かせるための巻き始め位置は圧縮機の性能に関係する設定容積比を決定する重要な指標となる。

旋回スクロール５のラップ５２と噛み合う固定側ラップ５１は、図２の矢印で示すように左側固定スクロール７と右側固定スクロール８の内側に形成されている。これら左右２つの固定スクロール７，８は外周の結合部９でボルトにて結合され、圧縮機本体１のケーシングとなる。両固定スクロール７，８の内側に設けたラップのちょうど反対面となる表面には左側冷却フィン１１と右側冷却フィン１２が形成されている。

旋回スクロール５は、ラップの外周にある２つの軸支部で軸受を介して主軸１３と副軸１４の偏心部によって支持されている。２つの軸の偏心量は同一であり、平行４つ棒リンク機構が形成されている。主軸１３と副軸１４はケーシングに軸受を介して支持され、それらの端部に設けた同期用プーリにかかるタイミングベルト１５の働きにより同期回転する。主軸１３は駆動用プーリ１６にかけたベルト１７を介しモータの出力軸から動力を受ける構成となっている。

両固定スクロール７，８を構成するラップ外端の近くには、図３に示すように壁面を貫通する吸入口１８と１９が設けられている。この吸入口１８，１９は左右に合計２個所となる。外部から吸入口１８を通ってケーシング内部に連なる流路は、ダストシール２０の内側まで続き、ラップを囲む外周室５４内に繋がっている。外周室５４に対する内面開口部５９（図４、図５に示す）は両ラップの巻き終端４の上方に位置する。

ダストシール２０は左右の固定スクロール７，８の内側に張り出しラップを取り囲む円筒状壁の先端に付け、旋回スクロール５の鏡板の外周近くを摺動する。このダストシール２０を取り付ける主たる目的は、圧縮室への異物の侵入防止ならびに圧縮室に吸い込むべき水が外周室５４内に滞留した際の外部への漏洩防止である。

左右それぞれのラップ中央には固定スクロール７，８を貫通して圧縮が完了した圧縮室と外部を連通させる吐出口２１、２２が設けられている。旋回スクロール５の中央部を貫通して２つの左側吐出口２１と右側吐出口２２を連通する管路を設けてある。

スクロールのラップは加工誤差や組立誤差それに熱変形やガス圧変形を考慮して、停止時にも水注入運転時にも、更には水を注入しない運転時にも直接接触しない寸法形状としておく。したがって、先に述べたようにある程度のラップ間の隙間は避けがたい。

次に、圧縮機本体１の周囲の設備について、図１を用いて空気と水の流れに沿って説明する。
なお、図１で図２，図３と同一番号は同一物であるのでその説明は省略する。

図１において、大気中から取り入れた空気の通る吸入管３１の途中に水混入部３２が設けられ、この水混入部３２で注入水の管路が合流する。水混入部３２の下流には２つに分岐した管路がそれぞれ左側の吸入口１８と右側の吸入口（図示せず）に接続される。左右両側の中央付近にある吐出口２１、２２から引き出した吐出配管は合流させて、水分離器３３の入口３４に繋がれている。水分離器３３の上部に設けた空気出口３５から空気配管を引き出して圧縮空気の乾燥器等を経て供給先に導く。一方で水分離器３３の下方にある水出口３６から引き出した水配管は水清浄器３７、水冷却器３８、弁３９を経て水混入部３２に戻り、水の循環路が形成される。

吐出管路の途中には温度センサ４１を備え、その出力線は制御装置４２の入力に接続する。一方、制御装置４２の出力として弁３９を開閉する機能を持たせる。

次に本実施例の作用を説明すると、停止中の圧縮機本体１の内部には水を残していないため、従来の水を入れないドライ式スクロール空気圧縮機と同様に、水の影響が無く円滑な起動と加速ができる。

定格回転速度まで加速すると空気の供給が増え、吐出配管や水分離器３３内部に空気が充てんされて吐出圧力が次第に上昇する。それに伴って吐出温度も上昇し、水を注入しなければ２００℃を超えてしまうことになる。温度センサ４１で吐出温度が９０℃を超えたことを制御装置４２が検知すると、制御装置４２は弁３９を開ける信号を出して注水が開始されるとともに、後で述べる注水量の制御が開始される。弁３９を開くことにより、水分離器３３の下部に蓄えてあった水の供給が開始される。その水は水清浄器３３で混入物を除去し、水混入部３２で吸入空気に注入される。空気は水が混入した状態で吸入口１８と右側の吸入口から左右それぞれ圧縮機本体１に吸い込まれる。

圧縮機本体１の内部を図４と図５を使って説明する。
図４，図５において、旋回ラップ５２が固定ラップ５１の作る渦巻き状の空間の中で旋回運動している。両ラップの終端は外周室５４に開口し、内旋側の圧縮室６１と外旋側の圧縮室６２が交互に口を開く。水を混入した空気は吸入路の開口部５９から、これら内施側の圧縮室６１と外施側の圧縮室６２に流れ込む。この流れは上方から下方への向きであるため、空気の流れから水滴が離脱しにくい。したがって、図１に示した水混入部３２で空気の流れに注入された水のほとんど全てが圧縮室に吸い込まれるので、外周室５４への水の滞留が防止される。

圧縮機本体１内部では図４に示すように固定スクロールの固定ラップ５１と旋回スクロールの旋回ラップ５２に囲まれた三日月状の圧縮室５５が形成されている。旋回スクロールの旋回ラップ５２の旋回運動により、ラップ最外周部はその内側に外周室５４にある気体を取り囲みながら閉じた直後の圧縮室５５となる。さらに、この圧縮室５５は回転しながら次第に内側に移動し、同時に内容積を縮小する。その作用で内部に閉じ込められた気体は圧縮されて次第に圧力と温度が上昇する。

円滑な旋回運動を維持するために、固定と旋回のラップ間には最狭部５３（位置を丸印で示す）であっても微少ながら隙間を設けている。したがって、内側にある比較的高い内圧の圧縮室からは圧力の低い外側に向かって、圧縮した気体が少量だが漏れ続けることになる。これを内部漏洩と呼び、圧縮機の効率を下げる主因となっており、効率向上のため低減する必要がある。水注入式スクロール空気圧縮機では、図４に示すように、空気に混入した水５６がこの最狭部５３にくさび状にはさまり、空気の内部漏洩を抑制していると考えられる。

注水により効率が向上するのと同時に吐出温度が低下するので高効率で運転するのに注水量が十分な状態であるか否かは吐出温度から判断できる。内部漏洩の増減や効率の良し悪しの計測に比較して、図１に示した温度センサ４１による吐出温度は安価な設備で簡単に精度良く測定できる利点がある。

圧縮機の運転中には、温度センサ４１で測定した温度が予め設定してある上限温度９０℃を超える場合には弁３９の開度を開く方向に、逆に下限温度８５℃以下になる場合には弁３９の開度を絞る方向に制御器４０は判断し実行する。この作用で吐出温度はおよそ８５〜９０℃に範囲になるよう、空気流量に対する注水量比を適正に維持する。

空気圧縮機を停止する際には次の動作がなされる。
最初に使用者によって停止ボタンが押されると、弁３９を閉めて注水を止める。圧縮機本体１は圧縮作用で内部にある水を排出するとともに、空気だけを圧縮するため吐出温度が上昇し、内部の乾燥を促進する。運転中の注水量が必要最低限であったことから、水の排出と乾燥に要する時間は３分以下と短い。乾燥が終了したことは時間経過あるいは吐出温度が２００℃を超えたことで判断し、運転を停止する。スクロールのラップは注水しない高温条件をも考慮してあるため、熱変形による接触や材料劣化等の問題は生じない。

以上のごとく、本実施例によれば、圧縮機本体１の外部で吸入する空気の流れに注入した水の大部分を圧縮室に吸い込ませることができるので、水の漏洩や滞留の防止が容易である。同時に吸込み流路１つで内旋側圧縮室６１と外旋側圧縮室６２の両方に水入り空気を供給できるので、全体としてコンパクトな構造が実現できる。また空気の供給が交互であることから、流速の増加もなく圧損の増加による性能低下も心配ない。

特にオイルフリー（ドライ）運転も可能とする機種では、水注入の有無で圧縮機本体１を別構造とせずに共通設計でできるのでコスト低減等で利点が多い。

また、本発明は水注入する機種にかかわらず、常にドライ運転する機種に適用してもよく、全体構造をコンパクトにできる効果や吸い込み流路の個数を減らして構造を単純化する効果がある。

１…スクロール圧縮機本体、２…右側スクロール機構、３…左側スクロール機構、４…ラップの終端、５…旋回スクロール、６…貫通穴、７…左側固定スクロール、８…右側固定スクロール、９…結合部、１１…左側冷却フィン、１２…右側冷却フィン、１３…主軸、１４…副軸、１５…タイミングベルト、１６…駆動用プーリ、１７…ベルト、１８，１９…吸入口、２０…ダストシール、２１…左側吐出口、２２…右側吐出口、３１…吸入管、３２…水混入部、３３…水分離器、３４…水分離器の入口、３５…空気出口、３６…水出口、３７…水清浄器、３８…水冷却器、３９…弁、４１…温度センサ、４２…制御装置、５１…固定ラップ、５２…旋回ラップ、５３…最狭部、５４…外周室、５５…閉じた直後の圧縮室、５６…水、５９…内面開口部、６１…内旋側の圧縮室、６２…外旋側の圧縮室。

Claims (5)

1. 渦巻き状のラップを有する旋回スクロール部材と、この旋回スクロール部材のラップに対応した渦巻き状のラップを有する固定スクロール部材と、この固定スクロール部材に対して前記旋回スクロール部材を旋回させる旋回軸を回転させるための駆動機構を内蔵し、前記旋回軸は略水平方向を向き、前記圧縮機本体の外形を成すケーシングを貫通する吸入流路と吐出流路とを備え、前記吸入経路の上流側に位置する空気流路に水を注入する注入口を備えた水注入式スクロール空気圧縮機において、
   前記旋回側のラップの外端である巻き終わり部と前記固定側のラップの外端である巻き終わり部とは水平に対する角度を略一致させ、これら両ラップの終端は上方を向くとともに、
   前記吸入流路の前記ケーシング内部への開口部は前記両ラップ終端の略上方に位置することを特徴とする水注入式スクロール空気圧縮機。
2. 請求項１記載の水注入式スクロール空気圧縮機において、
   前記吐出流路を構成する吐出管路の途中に温度センサを取り付けたことを特徴とする水注入式スクロール空気圧縮機。
3. 請求項２記載の水注入式スクロール空気圧縮機において、
   前記温度センサの出力線は制御装置の入力に接続されていることを特徴とする水注入式スクロール空気圧縮機。
4. 請求項３記載の水注入式スクロール空気圧縮機において、
   前記温度センサで吐出温度が９０℃を越えたことを前記制御装置が検知すると、この制御装置は弁を開放して水を注入することを特徴とする水注入式スクロール空気圧縮機。
5. 請求項４記載の水注入式スクロール空気圧縮機において、
   前記水は水分離器に貯留されていることを特徴とする水注入式スクロール空気圧縮機。

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