JP5457190B2 - 冷却乾燥法 - Google Patents

Description

本発明は、冷却乾燥法に関する。

特に、本発明は、水蒸気を含む気体、特に空気を冷却乾燥する方法に関するものであり、この方法においては、前記気体を、主要部分が冷却回路の蒸発器である熱交換器の第二の部分を通過させる。この冷却回路は、原動機によって駆動される圧縮機、凝縮器、この凝縮器の出口と前記蒸発器の入口との間にある膨張手段をも有する。

前記のような方法は、たとえばBE 1,011,932号明細書に記載されているが、特に、圧縮空気の乾燥に使用されている。

たとえば圧縮機によって供給される圧縮空気は、大部分の場合、水蒸気で飽和しており、言い換えると、相対湿度100%である。すなわち、温度がいわゆる露点よりも低くなると、凝縮が起こる。凝縮した水は、管や工具に腐食を引き起こし、その結果、用具が早すぎる摩損を引き起こしうる。

これが圧縮空気が乾燥される理由であり、この乾燥は、前記冷却乾燥によって実行することができる。また、圧縮空気以外の空気またはその他の気体も、この方法で乾燥することができる。

冷却乾燥が基礎とする原理は、蒸発器内で空気または気体の温度を下げることにより、空気または気体中の水分を凝縮させ、そのあと、凝縮水を液体分離器で分離し、さらにそのあと、空気または気体を再加熱し、したがって、空気または気体が不飽和状態になる、というものである。

同じことは、空気以外の気体の場合にも真実である。以下では、空気について述べる場合でも、その内容は、空気以外の他の任意の気体にも適用される。

蒸発器圧力または蒸発器温度の測定値にもとづいて、冷却回路を始動または停止する冷却乾燥法はすでに公知である。

圧縮空気の減少が検出された場合には、冷却回路が始動され、圧縮空気の取出しが再停止されるとただちに、冷却回路も再停止される。

そのような公知の方法の欠点は、熱交換器が、冷却回路が停止されたあと、冷却が行われないために、昇温する、ということである。

このあと、熱交換器がまだかなり高温の間に圧縮空気が取り出されると、ただちに供給圧縮空気の温度と露点がピークに達しうる。というのは、このとき、熱交換器内の乾燥すべき気体は、乾燥すべき気体内の水分を最大能力で凝縮させるのに十分なほど冷却されていないからである。

ベルギー特許出願第2005/0310号明細書には、従来の方法に比して、重要な改良のなされた冷却乾燥法が記載されている。

そのために、BE 2005/0310号明細書の方法は、冷却乾燥時に、乾燥すべき気体の温度が最低である周囲環境場所での露点の温度を測定すること、および、最低気体温度または露点温度が常に所定の最小限界値と最大限界値との間に保たれるように、冷却回路を始動・停止することを含み、このとき、これらの限界値は、測定周囲温度の関数であるアルゴリズムにもとづいて算出される。

ここで、最低気体温度またはLATという言葉は、冷却乾燥時に生じる、乾燥すべき気体の最低温度を意味し、通常は、熱交換器の第二の部分の、乾燥すべき気体の出口において、この温度に達する。LATは、気体の露点の良い指標となる。両者の間には、ある関係があるからである。

本発明の目的は、改良された冷却乾燥法を提供することである。この方法は、BE 2005/0310号明細書の方法のさらなる最適化を行うものである。

そのために、本発明は、
水蒸気を含む気体、特に空気を冷却乾燥する方法であって、
この気体を、主要部分が冷却回路の蒸発器である熱交換器の第二の部分を通過させ、この冷却回路が、原動機によって駆動される圧縮機、凝縮器、凝縮器の出口と前記蒸発器の入口との間にある膨張手段をも有し、また、冷却乾燥時に、乾燥すべき気体の温度が最低である周囲環境内の場所で、温度または露点を測定することを含む方法において、
所定の時間にわたる測定最低気体温度または測定露点の低下量が、設定値よりも小さい場合、冷却回路を作動停止させるステップを含むこと、
を特徴とする方法、
に関する。

このような本発明の方法の一つの利点は、最低気体温度または露点の最低許容値に大体達したことが検出されると、ただちに冷却回路を停止することができ、それによってエネルギーが節約される、ということである。

また、本発明の方法は、好ましくは、測定される最低気体温度または測定される露点を、最大限界値と比較し、この最低気体温度または露点がこの最大限界値よりも高いか、またはこの最大限界値から所定の値よりも少ししか離れていない場合に、冷却回路を作動させたままにするステップをも含む。

このやり方の利点は、最低気体温度または露点が最大限界値よりも高いとき、または最大限界値から小さすぎる値しか離れておらず、そのために最低気体温度が最大限界値に戻るのが早すぎると考えられる場合に、ただちに冷却回路を停止させることを実行しない、ということである。

本発明の冷却乾燥法のもう一つの好ましい実施形態は、停止後に冷却回路を作動させる前に、この冷却回路の圧縮機の両側における圧力差をなくすステップを含む。

このやり方の重要な利点は、冷却圧縮機を迅速に始動させることができるということである。この冷却圧縮機の両側での圧力差が大きすぎる場合に起こりうる始動の問題が避けられるからである。

以下、本発明の特徴をさらに詳しく説明するために、添付の図面を参照しつつ、本発明の方法の好ましい実施形態について、説明する。この実施形態は、単なる例であり、いかなる意味でも本発明を限定するものではない。

図1は、冷却乾燥のための装置1を示す。この装置は、主として熱交換器2から成り、この熱交換器の主要部分は、冷却回路4の蒸発器3を構成し、この冷却回路には、順に、原動機5によって駆動される圧縮機6、凝縮器7および膨張弁8も備えられている。

この冷却回路には、冷却液たとえばR404aが満たされている。この冷却液の流れの向きは、矢印9で示されている。

熱交換器2の第二の部分は、乾燥すべき湿った空気のための管10の部分であり、この空気の流れの向きは、矢印11で示されている。

熱交換器2の後ろ側すなわちその出口側では、管10に液体分離器12が備えられている。

この管10は、熱交換器2に達する前に、一部が予冷器または回収(recuperation)熱交換器13を通過して延びることができ、そのあと、液体分離器12を通過してから、ふたたび回収熱交換器13を通過する。このときの流れの向きは、前記一部における流れと平行または逆平行である。

前記管10の出口は、たとえば、圧縮空気ネットワーク(図示せず)に接続することができ、このネットワークには、圧縮空気を使用するものたとえば圧縮空気によって駆動される工具が接続されている。

熱交換器2は、冷却液-空気熱交換器であり、空気-空気熱交換器とすることのできる回収熱交換器13と一緒に全体を構成することができる。

この場合、膨張弁8は、温度調節弁の形のものとすることができ、この温度調節弁のサーモスタット要素は、公知のやり方で、管14を通じて、“バルブ(bulb)”15に接続されている。この“バルブ”15は、蒸発器3の出口、すなわち、冷却回路4の蒸発器3と圧縮機6との間に、備えられている。“バルブ”15にも、同じ冷媒が満たされている。

明らかに、前記膨張弁8は、多くの他のやり方で具体化することができ、たとえば、蒸発器3の遠端またはこの遠端を過ぎたところに配置された温度計に接続された電子弁(electronic valve)の形とすることができる。

ある種の小さな冷却乾燥機1の場合、膨張弁8を毛細管で置き換えることができる。

この場合、必ずしも必要というわけではないが、冷却回路4は、バイパス弁16をも有し、この弁は、膨張弁8と並列に配置され、またこの場合、制御装置17に接続された制御を受ける弁である。

圧縮機6は、たとえば、同一の回転速度では実質的に同一の体積流量を与える体積圧縮機(volumetric compressor)、たとえば渦巻き圧縮機(spiral compressor)である。また、原動機5は、この場合、電動機であり、これは、前記制御装置17にも接続されている。

前記制御装置17は、たとえばPLCの形とすることができるが、この装置は、最低空気温度LATの測定手段18および周囲温度Tambの測定手段19にも接続されている。

LATの測定手段18は、好ましくは実際に最低空気温度が予想される場所、すなわちこの場合、熱交換器2の第二の部分を少し過ぎた場所、かつ好ましくは液体分離器12の前に、備えられる。

本発明においては、LATを測定する測定手段18を、好ましくは前記熱交換器2の第二の部分の出口に備えられた露点を測定する測定手段で置き換えることは排除されない。さらに、本発明においては、LATを測定する測定手段18に言及する場合、それは露点を測定する測定手段にも言及しているとみなされる。

周囲温度Tambの測定手段19は、好ましくは、装置1によって乾燥させられた空気を使用する圧縮空気ネットワークに配置され、特に、前記圧縮空気の最終使用手段が配置されている場所、たとえばこの乾燥圧縮空気によって駆動される工具の近くに、配置される。

測定手段19は、他の場所にも配置できる。乾燥すべきものが、たとえば圧縮機からやってくる圧縮空気である場合、周囲温度を測定する測定手段19を備えるのに良い場所は、この圧縮機の入口である、と考えられる。

図1の装置1によって冷却乾燥する方法は、非常に簡単であり、下記のようである。

乾燥すべき空気を管10したがって熱交換器2を通して、たとえば冷却回路4の蒸発器3内の冷却液と逆平行に流れるように送る。

この熱交換器2において、湿った空気は冷却され、その結果、凝縮液が生じて、それは液体分離器12で分離される。

この液体分離器12を通った、絶対量では少ない水分しか含んでいないが、相対湿度は100%である低温空気は、回収熱交換器13で加熱され、その結果、相対湿度が好ましくは50%よりも低くなり、その一方で、乾燥すべき新しい空気は、すでに熱交換器2に供給される前に、回収熱交換器13で、ある程度冷却される。

したがって、空気は、回収熱交換器13の出口において、熱交換器2の入口におけるよりも乾燥している。

LATは、好ましくは、公知のやり方で、ある限界内に保ち、低すぎるLATによる蒸発器3の凍結を防ぐ一方、それでも、凝縮液が形成されるのに十分なだけ空気が冷却されるようにしなければならない。

そのために、BE2005/0310号明細書に記載されているような冷却回路4を、LATおよび周囲温度測定値にもとづいて、たとえば前記冷却回路4の圧縮機6の駆動原動機5のオン・オフにより、作動・停止が切り換えられるようにすることができる。

そのようにすれば、LATまたは露点が常に確実に所定の最小限界値Aと最大限界値Bとの間に来るようにすることができる。

そのために、温度または露点を、冷却乾燥時に、乾燥すべき空気の温度が最低である周囲環境場所、好ましくは熱交換器2の第二の部分をわずかに過ぎた場所で、測定し、前記限界値Aおよび/またはBの一方または両方を、測定周囲温度Tambの関数としてのアルゴリズムによって算出する。

本発明において、冷却乾燥の方法には、測定最低気体温度の低下量、この場合最低空気温度の低下量ΔLAT、または露点の低下量が、所定時間間隔において設定値よりも小さくなったときに、冷却回路4を停止させるステップが含まれる。

これは、図2に示されており、この図においては、冷却回路4が始動したあとの最低空気温度LATの低下量が時間tの関数として、示されている。

この例では、冷却回路4は、時刻0に始動し、その後、最低空気温度LATが低下する。

第一の時間間隔Δt₀において、最低空気温度は、ΔLAT₀だけ低下する。

次の時間間隔Δt₁は、第一の時間間隔Δt₀と同じ長さにとられているが、この時間間隔において、最低空気温度の低下量はΔLAT₁であり、ΔLAT₁はΔLAT₀よりも小さい。

次の時間間隔Δt₂も、前の二つの時間間隔とまったく同じにとられているが、最低空気温度の低下量ΔLAT₂は、さらに小さくなっている。

この例の場合、最低空気温度の低下量ΔLATが、三つの連続するたとえば10秒の時間間隔において、たとえば実質的に1℃に等しい所定値yよりも小さいということがわかった場合、冷却回路4は、たとえば原動機5のスイッチを切ることにより、停止させられる。

明らかに、本発明の最低空気温度の前記低下量ΔLATは、必ずしも、三つの連続時間間隔にわたって測定する必要はなく、これよりも多いかまたは少ない時間間隔にわたって測定しても良い。

すなわち、たとえば、最低空気温度の低下量ΔLATがただ一つの時間間隔において設定値yよりも小さくなった場合でも、冷却回路4を停止させることができ、あるいは、最低空気温度の低下量ΔLATがたとえば五つの連続する時間間隔において設定値yよりも小さくなった場合に、冷却回路4を停止させることができる。

当然のことながら、前記設定値yは、1℃に限定されるものではなく、使用者が自由に選択することができる。

また、前記時間間隔の長さも、使用者が設定することができ、10秒という長さに限定されるものではない。

本発明の好ましい実施形態においては、測定された最低空気温度LATまたは測定された露点を、前記最大限界値Bと比較し、最低空気温度LATまたは露点がこの最大限界値Bよりも高いか、またはこの値から所定の値zよりも少なく異なっている場合、冷却回路4は、そのまま作動させたままにされる。

所定の値zは、使用者が自由に選択することができ、実用的には、3℃程度とするのが好ましい。

本発明の方法においては、好ましくは、冷却回路4の1時間あたりの始動回数を制限するアルゴリズムが使用され、たとえば電動機とすることのできる前記原動機5の巻き線に熱が蓄積して過大な負荷がかからないようにされる。

このことは、たとえば冷却回路4の最後の停止から経過した時間を記録し、また分単位で表したこの経過時間が60/nよりも小さい場合には、冷却回路4を作動させたままにすることにより、達成できる。ここで、nは、原動機5の1時間あたりの許容最大始動回数を示す。

しかし、本発明においては、前記時間を、たとえば冷却回路4の最後の始動からのものと考えることもできる。

図3には、本発明の方法に関して、最低空気温度LATの変化を時間tの関数として模式的に示す。ここで、乾燥すべき気体の入口圧力と周囲温度Tambとは一定であると仮定してある。

時刻t₀において、冷却回路4が始動され、その結果、測定される最低空気温度LATがただちに低下する。

所定の時間間隔内において、LATが設定値yよりも小さな値しか低下しなかった場合、冷却回路4は、この場合時刻t₁に、作動停止される。

冷却回路4を作動停止させることにより、LATはふたたび上昇して、最大限界値Bに達する。このBは、この場合、周囲温度Tambが一定と仮定されているので、一定値を示す曲線で示されている。

その時点で、冷却回路4は再始動され、そのあとLATはふたたび低下する。

時刻t₃において、所定の時間間隔における測定最低空気温度の低下量が所定値yよりも小さくなり、したがって、正常運転の場合には、冷却回路4が作動停止される。

しかし、時刻t₁特に冷却回路4の最後の停止時刻から測った時間60/nは、時刻t₃においては、まだ経過しておらず、したがって、冷却回路4は、時刻t₄において、この時間60/nが経過するまで、作動したままになる。

この時刻t₄において、冷却回路4は、もう一度作動停止され、LATがもう一度上昇する。

前述の場合と同様に、冷却回路4は、LATが最大限界値Bに達すると、ただちに始動され、そのあと、冷却回路4は、分単位で表した時間t₅−t₄が60/nに等しくなった場合にのみ、作動停止される。

図には示さないが、周囲温度Tambが変動する実施形態の場合、最大限界値Bは一定でなく、周囲温度Tambの関数として変化する。

入口温度および/または装置1にはいる乾燥すべき空気の流量が常に変動する場合、冷却回路4は、好ましくは、最低空気温度LATが所定の時間間隔たとえば30秒間ほとんど一定である場合、たとえばずれが2℃よりも小さい場合、作動停止される。

本発明の方法には、その好ましい実施形態においては、冷却回路4を停止後に始動する前に、前記冷却回路4の圧縮機6の両側における圧力差をなくすステップが含まれる。

そのために、この場合、冷却回路4には、前記バイパス弁16が備えられる。

本発明の好ましい側面においては、バイパス弁16は、最低空気温度が、たとえば周囲温度Tambにもとづいて計算される限界値Cに達すると、開放される。

本発明の方法の実用的実施形態においては、前記限界値Cは、たとえば前記最大限界値Bから一定値を引き去ることにより、算出することができる。

本発明の方法においては、冷却回路4が停止されたあと、最低空気温度LATが前記限界値Cまで上昇すると、バイパス弁16が開放されて、圧縮機6の前後の圧力が等しくされ、したがって、LATの最大限界値Bに達したとき、原動機の負荷はかなり小さく、冷却回路4を迅速かつ簡単に再始動することができる。

図4は、冷却乾燥のための図1の装置1の変形を示し、この場合、前記バイパス弁16は、前記圧縮機6と並列に備えられている。

装置1のこのような実施形態が使用されるやり方は、前記実施形態と同様である。

図5は、図1の装置1のもう一つの変形であり、この場合、前記バイパス弁16は、前記膨張弁8および蒸発器3と並列に備えられている。

この場合も、本発明の方法の実施の仕方は、前述のものと同じである。

本発明の方法の前記いくつかの実施形態においては、いつでもエネルギー節約アルゴリズムとバイパス弁16との組合せが使用されているが、本発明においては、LATの到達許容最低値に到達するとただちに冷却回路を停止させるエネルギー節約アルゴリズムのみを使用することができ、あるいは、冷却回路を始動させる前に圧縮機6の両側における圧力差をなくすバイパス弁16のみを使用することが可能である。

湿った空気の代わりに、水蒸気を含む他の気体を、同じやり方で同じ装置1を用いて乾燥することができる。その場合、LATは最低気体温度である。

本発明は例として説明した方法のみに限定されるものではない。逆に、冷却乾燥のための本発明の改良された方法は、本発明の範囲を逸脱することなく、いろいろなやり方で具体化することができる。

本発明の冷却乾燥法を使用する装置を示す図である。 最低気体温度の変化を時間の関数として模式的に示すグラフである。 本発明の方法を使用しているときの、最低気体温度の変化を時間の関数として模式的に示すグラフである。 図1の装置の変形を示す図である。 図１の装置のもう一つの変形を示す図である。

1 冷却乾燥のための装置
2 熱交換器
3 蒸発器
4 冷却回路
5 原動機
6 圧縮機
7 凝縮器
8 膨張弁
9 冷却液の流れの向きを示す矢印
10 湿った空気のための管
11 空気の流れの向きを示す矢印
12 液体分離器
13 回収熱交換器
14 管
15 “バルブ”
16 バイパス弁
17 制御装置
18 最低空気温度の測定手段
19 周囲温度の測定手段
B 最低空気温度の最大限界値
C 最低空気温度の限界値
LAT 最低空気温度
ΔLAT 最低空気温度の低下量
t 時間
Δt 時間間隔
y ΔLATの設定値
z LATまたは露点とBとの差の設定値

Claims (11)

1. 水蒸気を含む気体を冷却乾燥する方法であって、
   この気体を、主要部分が冷却回路(4)の蒸発器(3)である熱交換器(2)の第二の部分を通過させ、この冷却回路(4)が、原動機(5)によって駆動される圧縮機(6)、凝縮器(7)、凝縮器(7)の出口と前記蒸発器(3)の入口との間にある膨張手段(8)をも有し、また、冷却乾燥時に、乾燥すべき気体の温度が最低である周囲環境内の場所で、温度または露点を測定することを含む方法において、
   所定の時間にわたる測定最低気体温度(LAT)または測定露点の低下量が、設定値(y)よりも小さい場合、冷却回路(4)を作動停止させるステップを含むこと、
   を特徴とする方法。
2. 測定最低気体温度(LAT)または測定露点を、最大限界値と比較し、この最低気体温度(LAT)または露点がこの最大限界値(B)よりも高いか、またはこの最大限界値から所定の値(z)よりも少ししか離れていない場合に、冷却回路(4)を作動させたままにすることを特徴とする請求項1に記載の方法。
3. 周囲温度(Tamb)を測定し、当該最大限界値(B)を測定周囲温度(Tamb)の関数であるアルゴリズムにもとづいて算出するステップを含むことを特徴とする請求項1または2に記載の方法。
4. 冷却回路(4)の1時間あたりの始動回数を制限するアルゴリズムを使用することを特徴とする請求項1から3の中のいずれか一つに記載の方法。
5. 冷却回路(4)の最後の停止から経過した時間を記録し、分単位で表したこの時間が60/nよりも小さいとき、冷却回路(4)が作動したままにされ、ここで、nが1時間あたりの最大許容始動回数を示すことを特徴とする請求項4に記載の方法。
6. 停止後に当該冷却回路(4)を始動させる前に、当該冷却回路(4)の圧縮機(6)の両側における圧力差をなくすステップを含むことを特徴とする請求項1から5の中のいずれか一つに記載の方法。
7. 圧縮機(6)の両側における圧力差を、冷却回路(4)に備えられたバイパス弁(16)によってなくすことを特徴とする請求項6に記載の方法。
8. 当該バイパス弁(16)が当該膨張弁(8)と並列に備えられることを特徴とする請求項7に記載の方法。
9. 当該バイパス弁(16)が当該圧縮機(6)と並列に備えられることを特徴とする請求項7に記載の方法。
10. 当該バイパス弁(16)が膨張弁(8)および蒸発器(3)と並列に備えられることを特徴とする請求項7に記載の方法。
11. バイパス弁(16)が、最低気体温度(LAT)または露点が周囲温度(Tamb)にもとづいて計算される限界値(C)に達したときに、開放されることを特徴とする請求項7から10の中のいずれか一つに記載の方法。

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