JP5495293B2 - 圧縮機 - Google Patents

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Description

本発明は、気体を圧縮する圧縮機に係わり、特に、排熱を回収する圧縮機に関する。

圧縮機は、例えば空気を圧縮する際に多大な熱量が発生し、圧縮空気が高温となる。圧縮空気は、高温のまま使用される場合もあるが、一般的には、大気温度近くまで冷却され、さらに除湿されて使用される。また、圧縮機では、潤滑や冷却のために油や水を使用することがあり、高温となった油や水は冷却される。このように圧縮機で発生した熱は圧縮空気、油、又は水などを介して排熱されることになるが、この排熱を回収する装置の一つとして、圧縮機本体及び吐出配管に熱電変換素子を装着したものが提唱されている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に記載の従来技術では、圧縮機本体及び吐出配管などの高温部からの熱を熱電変換素子で電力変換し、レギュレータを通じて電圧変換して、冷却ファンやオイルポンプ等の補器に電力供給するようなっている。

特開2006−125302号公報

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に記載の従来技術では、圧縮機本体及び吐出配管に熱電変換素子を装着している。ところが、圧縮機本体や吐出配管などの高温部は表面積に限りがあり、熱電変換素子の面積を大きく確保することができない。そのため、排熱回収効率の点で改善の余地があった。

本発明の目的は、排熱回収効率を向上させることができる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、空気を圧縮する圧縮機本体と、前記圧縮機本体のケーシングに形成されて冷却液が流通する冷却液用流路とを備えた圧縮機において、前記圧縮機本体から吐出された圧縮空気を作動流体と熱交換して冷却する圧縮空気用の熱交換器、及び前記冷却液用流路に流通されて加熱された冷却液を前記作動流体と熱交換して冷却する冷却液用の熱交換器からなる、複数の熱交換器と、前記複数の熱交換器で加熱されて気化した前記作動流体を膨張させて駆動力を生成する膨張機と、前記膨張機から供給された前記作動流体を冷却して液化し、この液化した作動流体を前記複数の熱交換器に供給する凝縮器と、前記複数の熱交換器、前記膨張機、及び前記凝縮器の間で前記作動流体を循環させる循環ポンプとを備え、前記複数の熱交換器、前記膨張機、前記凝縮器、及び前記循環ポンプでランキンサイクルを構成する。

このように本発明においては、排熱回収装置として、熱交換器、膨張機、凝縮器、及び循環ポンプからなるランキンサイクルを構成することにより、圧縮機の排熱を回収して駆動力を生成することができる。これにより、排熱回収効率を向上させることができる。

上記目的を達成するために、本発明は、空気を圧縮する圧縮機本体と、前記圧縮機本体のケーシングに形成されて冷却液が流通する冷却液用流路と、前記圧縮機本体の動力を生成する原動機と、前記原動機と前記圧縮機本体との間で接続されたギア装置とを備えた圧縮機において、前記圧縮機本体から吐出された圧縮空気を作動流体と熱交換して冷却する圧縮空気用の熱交換器、前記冷却液用流路に流通されて加熱された冷却液を前記作動流体と熱交換して冷却する冷却液用の熱交換器、及び前記ギア装置で潤滑されて加熱された潤滑油を前記作動流体と熱交換して冷却する潤滑油用の熱交換器からなる、複数の熱交換器と、前記複数の熱交換器で加熱されて気化した前記作動流体を膨張させて駆動力を生成する膨張機と、前記膨張機から供給された前記作動流体を冷却して液化し、この液化した作動流体を前記複数の熱交換器に供給する凝縮器と、前記複数の熱交換器、前記膨張機、及び前記凝縮器の間で前記作動流体を循環させる循環ポンプとを備え、前記複数の熱交換器、前記膨張機、前記凝縮器、及び前記循環ポンプでランキンサイクルを構成する。

)上記(1)又は(2)において、好ましくは、前記圧縮機本体から吐出された圧縮空気の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段の検出結果に応じて前記ランキンサイクルの循環流量を制御する流量制御手段とを備える。

)上記(1)〜()のいずれか1つにおいて、好ましくは、前記複数の熱交換器は、交換熱量が大きくなる順序で前記作動媒体が流通するように直列接続される。

これにより、作動流体を効率よく気化させることができ、排熱回収効率を向上させることができる。

)上記(1)〜()のいずれか1つにおいて、好ましくは、前記膨張機に接続された発電機を備える。

これにより、圧縮機の排熱を回収して生成した駆動力を電力に変換することができる。

)上記()において、好ましくは、前記圧縮機本体の動力を生成する原動機である電動機の回転数を可変するインバータを備え、前記発電機に前記インバータが接続される。

本発明によれば、排熱回収効率を向上させることができる。

本発明の第1の実施形態における圧縮機の要部構成を表す図である。 本発明の第2の実施形態における圧縮機の要部構成を表す図である。 本発明の第3の実施形態における圧縮機の要部構成を表す図である。 本発明の一変形例における圧縮機の要部構成を表す図である。 本発明の第4の実施形態における圧縮機の要部構成を表す図である。 本発明の他の変形例における圧縮機の要部構成を表す図である。 本発明の第5の実施形態における圧縮機の要部構成を表す図である。 本発明の第6の実施形態における圧縮機の要部構成を表す図である。 本発明の第7の実施形態における圧縮機の要部構成を表す図である。 本発明の第8の実施形態における圧縮機の要部構成を表す図である。

本発明の第1の実施形態を図1により説明する。図1は、本実施形態における圧縮機の要部構成を表す概略図である。

この図1において、無給油・無給水式の圧縮機は、スクリュー式の圧縮機本体1と、この圧縮機本体1に図示しないギア装置(増速装置)を介し接続され、圧縮機本体1を駆動する電動機2と、圧縮機本体1の吸込側に設けられた吸気フィルタ3及び吸込み絞り弁4とを備えている。そして、電動機2によって圧縮機本体1が駆動すると、吸気フィルタ3及び吸込み絞り弁4を経由して空気(大気)を吸い込み、所定の圧力まで圧縮し、圧縮空気を吐出するようになっている。なお、図示しない制御装置は、吸込み絞り弁4を開放状態から閉塞状態に切り換えることで、負荷運転から無負荷運転に切り換えるようになっている。

ここで本実施形態の大きな特徴として、圧縮機本体1の吐出側には圧縮空気を例えば大気温度近くまで冷却する熱交換器5が設けられており、この熱交換器5を介し圧縮空気から排熱を回収する排熱回収装置が設けられている。この排熱回収装置は、圧縮空気との熱交換により作動流体(水若しくは冷媒)を加熱して気化する熱交換器5と、この熱交換器5で気化した作動流体を膨張させて駆動力を生成する膨張機6と、膨張機6からの作動流体を冷却して液化する凝縮器7と、この凝縮器7で液化した作動流体を熱交換器5に供給する循環ポンプ8とを備えており、ランキンサイクルを構成している。

また、膨張機6には発電機9が接続されており、膨張機6で生成した駆動力を電力に変換するようになっている。そして、発電機9で生成した電力は、例えば、電源系統に戻して他の装置に供給する電力を賄うことが可能である(言い換えれば、電力会社に売電することが可能である)。その際、電力の周波数制御のためのインバータ(図示せず)を、発電機9に接続してもよい。

また、発電機9で生成した電力は、例えば圧縮機内の補器(例えば機内換気用の冷却ファン等)を駆動するための電力を賄うことが可能である。また、例えば電動機2の回転数制御のためのインバータ(図示せず)を搭載した圧縮機においては、このインバータに発電機9を接続してもよい。すなわち、インバータは、商用電源(主電源)からの電力だけでなく、発電機9からの電力も供給されるようにしてもよい。この場合、図示しない回転数制御装置は、圧縮機本体1の吐出圧力と設定圧力との偏差から回転数指令値を演算し、この回転数指令値をインバータに出力する。インバータは、回転数指令値に基づきスイッチング素子を制御して所望の周波数の電圧波形を生成し、電動機2へ供給する。

また、図示しない電力供給制御装置は、発電機9からインバータへの供給電力(言い換えれば、発電機9の発電量)を推定し、さらに、この推定した供給電力と主電源からインバータへの供給電力との総和が所定値となるように、主電源からインバータへの供給電力を調整する。詳しく説明すると、発電機9の発電量(言い換えれば、排熱回収装置の回収熱量)は圧縮機の発熱量に依存し、発熱量が大となれば発電量も大となる傾向がある。圧縮機の発熱量は、圧縮機本体1の吐出圧力及び空気量、あるいは、電動機2の回転数及びトルクに依存する。そのため、圧縮機本体1の吐出圧力の検出値、電動機2の回転数の検出値(又は回転数指令値)、あるいは、電動機2のトルク電流の検出値に基づいて、発電機9の発電量を推定する。また、回収熱量は圧縮空気の温度や周囲温度に依存するため、これらの検出値を用いることで、推定精度が向上する。そして、発電機9の発電量の分だけ主電源からの供給電力を抑制する。これにより、見掛け上、圧縮機に必要な電力を低減でき、省エネルギー効果が期待できる。

次に、本実施形態の作用効果を説明する。

無給油・無給水式の圧縮機は、圧縮機本体1の圧縮室に油又は水を供給しない状態で運転するため、圧縮空気が高温となる。例えば大気圧から0.7MPa(ゲージ圧)まで圧縮した場合の圧縮空気の温度は300〜400℃程度となる。この圧縮空気を使用するため、圧縮空気を熱交換器5で例えば大気温度近くまで冷却する。そして、本実施形態では、圧縮空気から排熱を回収する排熱回収装置として、熱交換器5、膨張機6、凝縮器7、及び循環ポンプ8からなるランキンサイクルを構成し、膨張機6で生成した駆動力を発電機9により電力に変換する。これにより、例えば圧縮機本体1及び吐出配管に熱電素子を装着するような場合と比べ、排熱回収効率を高めることができる。

本発明の第2の実施形態を図2により説明する。図2は、本施形態における圧縮機の要部構成を表す図である。なお、この図2において、上記第1の実施形態と同等の部分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、圧縮機本体1のケーシングには冷却液(クーラント)が流通する冷却液用流路(図示せず)が形成されており、この冷却液用流路に冷却液を供給する冷却液系統が設けられている。この冷却液系統は、冷却液を冷却して圧縮機本体1の冷却液用流路に供給する熱交換器10と、圧縮機本体1の冷却液用流路に流通されて加熱された冷却液を熱交換器10に供給するポンプ11とを備えている。

そして、熱交換器10を介し冷却液から排熱を回収するとともに、熱交換器5を介し圧縮空気から排熱を回収する排熱回収装置が設けられている。この排熱回収装置は、冷却液との熱交換により作動流体を加熱する熱交換器10と、この熱交換器10で加熱された作動流体を、圧縮空気との熱交換により加熱して気化する熱交換器5と、この熱交換器5で気化した作動流体を膨張させて駆動力を生成する膨張機6と、膨張機6からの作動流体を冷却して液化する凝縮器7と、この凝縮器7で液化した作動流体を熱交換器11に供給する循環ポンプ8とを備えており、ランキンサイクルを構成している。

このように構成された本実施形態においても、排熱回収効率を向上させることができる。また、本実施形態では、圧縮空気だけでなく冷却液からも排熱を回収するので、上記第1の実施形態よりも、排熱回収効率を高めることができる。また、本実施形態では、熱交換器10の熱交換量が熱交換器5の熱交換量より小さいことから、熱交換器10から熱交換器5へと順に作動流体を流すことにより、作動流体を効率よく気化させることができ、排熱回収効率を向上させることができる。なお、例えば熱交換器5の熱交換量が熱交換器10の熱交換量より小さい場合は、熱交換器5から熱交換器10へと順に作動流体を流すように構成したほうがよい。

なお、上記第2の実施形態においては、熱交換器10を介し冷却液から排熱を回収するとともに、熱交換器5を介し圧縮空気から排熱を回収する排熱回収装置を説明したが、これに代えて、例えば熱交換器10を介し冷却液だけから排熱を回収する排熱回収装置としてもよい。すなわち、図示しないが、排熱回収装置は、冷却液との熱交換により作動流体を加熱して気化する熱交換器10と、この熱交換器10で気化した作動流体を膨張させて駆動力を生成する膨張機6と、膨張機6からの作動流体を冷却して液化する凝縮器7と、この凝縮器7で液化した作動流体を熱交換器5に供給する循環ポンプ8とを備えて、ランキンサイクルを構成してもよい。

本発明の第3の実施形態を図3により説明する。図3は、本実施形態における圧縮機の要部構成を表す図である。なお、この図3において、上記第2の実施形態と同等の部分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、圧縮機本体1はギア装置12を介し電動機2に接続されており、このギア装置12に潤滑油を供給する潤滑油系統が設けられている。この潤滑油系統は、潤滑油を冷却してギア装置12にする熱交換器13と、ギア装置12で潤滑されて加熱された潤滑油を熱交換器13に供給するポンプ14とを備えている。

そして、熱交換器13を介し潤滑油から排熱を回収し、熱交換器10を介し冷却液から排熱を回収し、熱交換器5を介し圧縮空気から排熱を回収する排熱回収装置が設けられている。この排熱回収装置は、潤滑油との熱交換により作動流体を加熱する熱交換器13と、この熱交換器13で加熱された作動流体を、冷却液との熱交換により加熱する熱交換器10と、この熱交換器10で加熱された作動流体を、圧縮空気との熱交換により加熱して気化する熱交換器5と、この熱交換器5で気化した作動流体を膨張させて駆動力を生成する膨張機6と、膨張機6からの作動流体を冷却して液化する凝縮器7と、この凝縮器7で液化した作動流体を熱交換器13に供給する循環ポンプ8とを備えており、ランキンサイクルを構成している。

このように構成された本実施形態においても、排熱回収効率を向上させることができる。また、本実施形態では、圧縮空気及び冷却液だけでなく潤滑油からも排熱を回収するので、上記第2の実施形態よりも、排熱回収効率を高めることができる。また、本実施形態では、熱交換器13、熱交換器11、及び熱交換器5の順序で熱交換量が大きくなることから、その順序で作動流体を流すことにより、作動流体を効率よく気化させることができ、排熱回収効率を向上させることができる。なお、熱交換器5,11,13における熱交換量の順序が本実施形態と異なる場合は、その順序で作動流体を流すように構成したほうがよい。

なお、上記第3の実施形態においては、熱交換器13を介し潤滑油から排熱を回収し、熱交換器10を介し冷却液から排熱を回収し、熱交換器5を介し圧縮空気から排熱を回収する排熱回収装置を説明したが、これに代えて、例えば熱交換器13を介し潤滑油から排熱を回収するとともに、熱交換器5を介し圧縮空気から排熱を回収する排熱回収装置としてもよい。すなわち、図示しないが、排熱回収装置は、潤滑油との熱交換により作動流体を加熱する熱交換器13と、この熱交換器13で加熱された作動流体を、圧縮空気との熱交換により加熱して気化する熱交換器5と、この熱交換器5で気化した作動流体を膨張させて駆動力を生成する膨張機6と、膨張機6からの作動流体を冷却して液化する凝縮器7と、この凝縮器7で液化した作動流体を熱交換器5に供給する循環ポンプ8とを備えて、ランキンサイクルを構成してもよい。

また、上記第1〜第3の実施形態においては、1段の圧縮機本体1を備えた構成に適用した場合を例にとって説明したが、これに限られず、例えば2段の圧縮機本体を備えた構成に適用してもよい。このような変形例の一つを図4により説明する。

図4は、本変形例における圧縮機の要部構成を表す概略図である。なお、この図4において、上記第1の実施形態と同等の部分は同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

本変形例では、低圧段の圧縮機本体1Aと、この圧縮機本体1Aで圧縮された空気を冷却する熱交換器5Aと、この熱交換器5Aで冷却した圧縮空気をさらに圧縮する高圧段の圧縮機本体1Bと、この圧縮機本体1Bで圧縮された空気を例えば大気温度近くまで冷却する熱交換器5Bとを備えている。なお、圧縮機本体1A,1Bは、ギア装置12Aを介し電動機2に接続されている。

そして、熱交換器5A,5Bを介し圧縮空気から排熱を回収する排熱回収装置が設けられている。この排熱回収装置は、低圧段の圧縮機本体1Aで生成された圧縮空気との熱交換により作動流体を加熱する熱交換器5Aと、この熱交換器5Aで加熱された作動流体を、高圧段の圧縮機本体1Bで生成された圧縮空気との熱交換により加熱して気化する熱交換器5Bと、この熱交換器5Bで気化した作動流体を膨張させて駆動力を生成する膨張機6と、膨張機6からの作動流体を冷却して液化する凝縮器7と、この凝縮器7で液化した作動流体を熱交換器5Aに供給する循環ポンプ8とを備えており、ランキンサイクルを構成している。

このように構成された本変形例においても、上記第1の実施形態と同様、排熱回収効率を向上させることができる。また、本実施形態では、熱交換器5Aの熱交換量が熱交換器5Bの熱交換量より小さく、熱交換器5Aから熱交換器5Bへと順に作動流体を流すことにより、作動流体を効率よく気化させることができ、排熱回収効率を向上させることができる。なお、例えば熱交換器5Bの熱交換量が熱交換器5Aの熱交換量より小さい場合は、熱交換器5Bから熱交換器5Aへと順に作動流体を流すように構成したほうがよい。

本発明の第4の実施形態を図5により説明する。図5は、本実施形態における圧縮機の要部構成を表す図である。なお、この図5において、上記第3の実施形態と同等の部分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、例えば熱交換器5の下流側に圧縮空気の温度を検出する温度センサ15が設けられ、この温度センサ15の検出信号がコントローラ16に出力されている。コントローラ16は、圧縮空気の設定温度を予めメモリ(記憶手段)に記憶しており、温度センサ15で検出された圧縮空気の検出温度が設定温度となるように循環ポンプ9の吐出量(すなわち、ランキンサイクルの循環量)を制御するようになっている。具体的には、例えば圧縮空気の検出温度が設定温度より高い場合は、圧縮空気の検出温度と設定温度との差分に応じて循環ポンプ9の吐出量を大きくし、一方、例えば圧縮空気の検出温度が設定温度より低い場合は、圧縮空気の検出温度と設定温度との差分に応じて循環ポンプ9の吐出量を小さくするようになっている。これにより、圧縮機の負荷変動にかかわらず、圧縮空気の温度を安定させることが可能である。

このように構成された本実施形態においても、上記実施形態と同様、排熱回収効率を向上させることができる。

なお、上記第4の実施形態においては、上記第3の実施形態のように熱交換器5,10,13を介して排熱を回収する排熱回収装置を備えた構成において、温度センサ15及びコントローラ16を設けた場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、例えば上記第2の実施形態のように熱交換器5,10を介して排熱を回収する排熱回収装置を備えた構成、若しくは上記第1の実施形態のように熱交換器5を介して排熱を回収する排熱回収装置を備えた構成においても、温度センサ15及びコントローラ16を設けてもよい。また、上記一変形例のように熱交換器5A,5Bを介して排熱を回収する排熱回収装置を備えた構成においても、温度センサ15及びコントローラ16を設けてもよく、この場合には、例えば図6に示すように、低圧段の圧縮機本体5Aと高圧段の圧縮機本体5Bとの間に温度センサ15を設けてもよい。これらの場合も、上記同様の効果を得ることができる。

本発明の第5の実施形態を図7により説明する。図7は、本実施形態における圧縮機の要部構成を表す概略図である。なお、この図7において、上記実施形態と同等の部分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、圧縮機は給油式であって、圧縮機本体1の吐出側には圧縮空気に含まれる油を分離する油分離器17が設けられ、この油分離器17で分離された油を圧縮機本体1の圧縮室内に供給する油系統が設けられている。この油系統は、油を冷却する熱交換器18を備えており、油分離器17の内部圧力によって油分離器17から熱交換器18に油が供給されるようになっている。なお、図示しないが、油系統は熱交換器18の下流側で分岐されており、圧縮機本体1の圧縮室内に油を供給するとともに、ギア装置にも油を供給するようになっている。

そして、熱交換器18を介し油から排熱を回収する排熱回収装置が設けられている。この排熱回収装置は、油との熱交換により作動流体を加熱して気化する熱交換器18と、この熱交換器18で気化した作動流体を膨張させて駆動力を生成する膨張機6と、膨張機6からの作動流体を冷却して液化する凝縮器7と、この凝縮器7で液化した作動流体を熱交換器11に供給する循環ポンプ8とを備えており、ランキンサイクルを構成している。

このように構成された本実施形態においても、例えば圧縮機本体1及び吐出配管に熱電素子を装着するような場合と比べ、排熱回収効率を向上させることができる。

本発明の第6の実施形態を図8により説明する。図8は、本実施形態における圧縮機の要部構成を表す概略図である。なお、この図8において、上記第5の実施形態と同等の部分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、油分離器17で分離された圧縮空気を冷却する熱交換器19が設けられている。

そして、熱交換器19を介し圧縮空気から排熱を回収するとともに、熱交換器18を介し油から排熱を回収する排熱回収装置が設けられている。この排熱回収装置は、圧縮空気との熱交換により作動流体を加熱する熱交換器19と、この熱交換器19で加熱された作動流体を、油との熱交換により加熱して気化する熱交換器18と、この熱交換器18で気化した作動流体を膨張させて駆動力を生成する膨張機6と、膨張機6からの作動流体を冷却して液化する凝縮器7と、この凝縮器7で液化した作動流体を熱交換器11に供給する循環ポンプ8とを備えており、ランキンサイクルを構成している。

このように構成された本実施形態においても、排熱回収効率を向上させることができる。また、本実施形態では、油だけでなく圧縮空気からも排熱を回収するので、上記第5の実施形態よりも、排熱回収効率を高めることができる。また、本実施形態では、熱交換器18の熱交換量が熱交換器19の熱交換量より小さいことから、熱交換器18から熱交換器19へと順に作動流体を流すことにより、作動流体を効率よく気化させることができ、排熱回収効率を向上させることができる。なお、例えば熱交換器19の熱交換量が熱交換器18の熱交換量より小さい場合は、熱交換器19から熱交換器18へと順に作動流体を流すように構成したほうがよい。

なお、上記第5及び第6の実施形態においては、給油式の圧縮機に適用した場合を例にとって説明したが、給水式の圧縮機に適用してもよい。すなわち、図示しないが、例えば、圧縮機本体の吐出側に設けられ圧縮空気に含まれる水を分離する水分離器と、この水分離器で分離された水を冷却して圧縮機本体1の圧縮室内に供給する水用の熱交換器とを備え、この水用の熱交換器を介し水から排熱を回収する排熱回収装置を設けてもよい。また、例えば、水分離器で分離された圧縮空気を冷却する圧縮空気用の熱交換器をさらに備え、この圧縮空気用の熱交換器を介し圧縮空気から排熱を回収するとともに、水用の熱交換器を介し水から排熱を回収する排熱回収装置を設けてもよい。これらの場合も、上記同様の効果を得ることができる。

本発明の第7の実施形態を図9により説明する。図9は、本実施形態における圧縮機の要部構成を表す概略図である。なお、この図9において、上記実施形態と同等の部分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、圧縮機は給水式であって、圧縮機本体1の吐出側には圧縮空気に含まれる水を分離する水分離器20が設けられ、この水分離器20で分離された水を圧縮機本体1の圧縮室内に供給する水系統が設けられている。この水系統は、水を冷却する熱交換器21を備えており、水分離器21の内部圧力によって水分離器20から熱交換器21に水が供給されるようになっている。また、水分離器20で分離された圧縮空気を冷却する熱交換器19が設けられている。

圧縮機本体1は、ギア装置12を介し電動機2に接続されており、このギア装置12に潤滑油を供給する潤滑油系統が設けられている。この潤滑油系統は、潤滑油を冷却してギア装置12にする熱交換器13と、ギア装置12で潤滑されて加熱された潤滑油を熱交換器13に供給するポンプ14とを備えている。

そして、熱交換器13を介し潤滑油から排熱を回収し、熱交換器19を介し圧縮空気から排熱を回収し、熱交換器21を介し水から排熱を回収する排熱回収装置が設けられている。この排熱回収装置は、潤滑油との熱交換により作動流体を加熱する熱交換器13と、この熱交換器13で加熱された作動流体を、圧縮空気との熱交換により加熱する熱交換器19と、この熱交換器19で加熱された作動流体を、水との熱交換により加熱して気化する熱交換器21と、この熱交換器21で気化した作動流体を膨張させて駆動力を生成する膨張機6と、膨張機6からの作動流体を冷却して液化する凝縮器7と、この凝縮器7で液化した作動流体を熱交換器13に供給する循環ポンプ8とを備えており、ランキンサイクルを構成している。

このように構成された本実施形態においても、排熱回収効率を向上させることができる。また、本実施形態では、水及び圧縮空気だけでなく潤滑油からも排熱を回収するので、排熱回収効率を高めることができる。また、本実施形態では、熱交換器13、熱交換器19、及び熱交換器21の順序で熱交換量が大きくなることから、その順序で作動流体を流すことにより、作動流体を効率よく気化させることができ、排熱回収効率を向上させることができる。なお、熱交換器13,19,21における熱交換量の順序が本実施形態と異なる場合は、その順序で作動流体を流すように構成したほうがよい。

本発明の第8の実施形態を図10により説明する。図10は、本実施形態における圧縮機の要部構成を表す図である。なお、この図10において、上記第6の実施形態と同等の部分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、油分離器17の上流側で圧縮空気の温度を検出する温度センサ22が設けられ、この温度センサ22の検出信号がコントローラ23に出力されている。コントローラ23は、内部メモリに圧縮空気の設定温度を予め記憶しており、温度センサ22で検出された圧縮空気の検出温度が設定温度となるように循環ポンプ9の吐出量(すなわち、ランキンサイクルの循環量)を制御する。具体的には、例えば圧縮空気の検出温度が設定温度より高い場合は、圧縮空気の検出温度と設定温度との差分に応じて循環ポンプ9の吐出量を大きくし、一方、例えば圧縮空気の検出温度が設定温度より低い場合は、圧縮空気の検出温度と設定温度との差分に応じて循環ポンプ9の吐出量を小さくするようになっている。これにより、圧縮機の負荷変動にかかわらず、圧縮空気の温度を安定させ、また油中のドレン析出を抑制することが可能である。

このように構成された本実施形態においても、上記実施形態と同様、排熱回収効率を向上させることができる。

なお、上記第8の実施形態においては、上記第6の実施形態のように熱交換器18,19を介して排熱を回収する排熱回収装置を備えた構成において、温度センサ22及びコントローラ23を設けた場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、上記第5の実施形態のように熱交換器18を介して排熱を回収する排熱回収装置を備えた構成においても、温度センサ22及びコントローラ23を設けてもよい。また、上記第7の実施形態も含め給水式の圧縮機に適用した場合においても、温度センサ22及びコントローラ23を設けてもよい。これらの場合も、上記同様の効果を得ることができる。

なお、以上においては、圧縮機本体は空気を圧縮する場合を例にとって説明したが、これに限られず、他の気体(冷媒等)を圧縮してもよい。また、圧縮機本体はスクリュー式とする場合を例にとって説明したが、これに限られず、他の方式(レシプロ等)としてもよい。また、圧縮機本体の動力を生成する原動機として電動機を備えた場合を例にとって説明したが、これに限られず、他の原動機(エンジン等)を備えてもよい。また、膨張機で生成した駆動力を発電機で電力に変換する場合を例にとって説明したが、これに限られず、例えば膨張機で生成した駆動力によって他の装置(圧縮機内の補器等)を駆動してもよい。これらの場合も、上記同様の効果を得ることができる。
(付記1)気体を圧縮する圧縮機本体を備えた圧縮機において、前記圧縮機本体から吐出された圧縮気体を作動流体と熱交換して冷却する圧縮気体用の熱交換器を含み、前記作動流体が流通する少なくとも1つの熱交換器と、前記熱交換器で加熱されて気化した前記作動流体を膨張させて駆動力を生成する膨張機と、前記膨張機から供給された前記作動流体を冷却して液化し、この液化した作動流体を前記熱交換器に供給する凝縮器と、前記熱交換器、前記膨張機、及び前記凝縮器の間で前記作動流体を循環させる循環ポンプとを備え、前記熱交換器、前記膨張機、前記凝縮器、及び前記循環ポンプでランキンサイクルを構成する。
(付記2)付記1において、好ましくは、前記圧縮機本体の動力を生成する原動機と、前記原動機と前記圧縮機本体との間で接続されたギア装置とを備えており、前記熱交換器は、前記ギア装置で潤滑されて加熱された潤滑油を前記作動流体と熱交換して冷却する潤滑油用の熱交換器をさらに含み、複数有する。
(付記3)付記1又は2において、好ましくは、前記圧縮機本体から吐出された圧縮気体の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段の検出結果に応じて前記ランキンサイクルの循環流量を制御する流量制御手段とを備える。
(付記4)圧縮室内に油又は水が供給された状態で気体を圧縮する圧縮機本体と、前記圧縮機本体から吐出された圧縮気体に含まれる油又は水を分離する分離器とを備えた圧縮機において、前記分離器で分離された油又は水を前記作動流体と熱交換して冷却する油用又は水用の熱交換器を含み、前記作動流体が流通する少なくとも1つの熱交換器と、前記熱交換器で加熱されて気化した前記作動流体を膨張させて駆動力を生成する膨張機と、前記膨張機から供給された前記作動流体を冷却して液化し、この液化した作動流体を前記熱交換器に供給する凝縮器と、前記熱交換器、前記膨張機、及び前記凝縮器の間で前記作動流体を循環させる循環ポンプとを備え、前記熱交換器、前記膨張機、前記凝縮器、及び前記循環ポンプでランキンサイクルを構成する。
(付記5)付記4において、好ましくは、前記熱交換器は、前記分離器で分離された圧縮空気を前記作動流体と熱交換して冷却する圧縮気体用の熱交換器をさらに含み、複数有する。
(付記6)付記4又は5において、好ましくは、前記圧縮機本体の動力を生成する原動機と、前記原動機と前記圧縮機本体との間で接続されたギア装置とを備えており、前記熱交換器は、前記ギア装置で潤滑されて加熱された潤滑油を前記作動流体と熱交換して冷却する潤滑油用の熱交換器をさらに含み、複数有する。
(付記7)付記4〜6のいずれか1つにおいて、好ましくは、前記分離器の上流側で油又は水を含む圧縮空気の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段の検出結果に応じて前記ランキンサイクルの循環流量を制御する流量制御手段とを備える。
(付記8)付記1〜7のいずれか1つにおいて、好ましくは、前記熱交換器は、複数有し、交換熱量が大きくなる順序で前記作動媒体が流通するように直列接続される。
(付記9)付記1〜8のいずれか1つにおいて、好ましくは、前記膨張機に接続された発電機を備える。
(付記10)付記9において、好ましくは、前記電動機の回転数を可変するインバータを備え、前記発電機に前記インバータが接続される。

1,1A,1B 圧縮機本体
2 電動機(原動機)
5,5A,5B 熱交換器
6 膨張機
7 凝縮器
8 循環ポンプ
9 発電機
10 熱交換器
12,12A ギア装置
13 熱交換器
15 温度センサ(温度検出手段)
16 コントローラ(流量制御手段)
17 油分離器
18 熱交換器
19 熱交換器
20 水分離器
21 熱交換器
22 温度センサ(温度検出手段)
23 コントローラ(流量制御手段)

Claims (6)

  1. 空気を圧縮する圧縮機本体と、前記圧縮機本体のケーシングに形成されて冷却液が流通する冷却液用流路とを備えた圧縮機において、
    前記圧縮機本体から吐出された圧縮空気を作動流体と熱交換して冷却する圧縮空気用の熱交換器、及び前記冷却液用流路に流通されて加熱された冷却液を前記作動流体と熱交換して冷却する冷却液用の熱交換器からなる、複数の熱交換器と、
    前記複数の熱交換器で加熱されて気化した前記作動流体を膨張させて駆動力を生成する膨張機と、
    前記膨張機から供給された前記作動流体を冷却して液化し、この液化した作動流体を前記複数の熱交換器に供給する凝縮器と、
    前記複数の熱交換器、前記膨張機、及び前記凝縮器の間で前記作動流体を循環させる循環ポンプとを備え、
    前記複数の熱交換器、前記膨張機、前記凝縮器、及び前記循環ポンプでランキンサイクルを構成したことを特徴とする圧縮機。
  2. 空気を圧縮する圧縮機本体と、前記圧縮機本体のケーシングに形成されて冷却液が流通する冷却液用流路と、前記圧縮機本体の動力を生成する原動機と、前記原動機と前記圧縮機本体との間で接続されたギア装置とを備えた圧縮機において、
    前記圧縮機本体から吐出された圧縮空気を作動流体と熱交換して冷却する圧縮空気用の熱交換器、前記冷却液用流路に流通されて加熱された冷却液を前記作動流体と熱交換して冷却する冷却液用の熱交換器、及び前記ギア装置で潤滑されて加熱された潤滑油を前記作動流体と熱交換して冷却する潤滑油用の熱交換器からなる、複数の熱交換器と、
    前記複数の熱交換器で加熱されて気化した前記作動流体を膨張させて駆動力を生成する膨張機と、
    前記膨張機から供給された前記作動流体を冷却して液化し、この液化した作動流体を前記複数の熱交換器に供給する凝縮器と、
    前記複数の熱交換器、前記膨張機、及び前記凝縮器の間で前記作動流体を循環させる循環ポンプとを備え、
    前記複数の熱交換器、前記膨張機、前記凝縮器、及び前記循環ポンプでランキンサイクルを構成したことを特徴とする圧縮機。
  3. 請求項1又は2記載の圧縮機において、
    前記圧縮機本体から吐出された圧縮空気の温度を検出する温度検出手段と、
    前記温度検出手段の検出結果に応じて前記ランキンサイクルの循環流量を制御する流量制御手段とを備えたことを特徴とする圧縮機。
  4. 請求項1〜のいずれか1項記載の圧縮機において、
    前記複数の熱交換器は、交換熱量が大きくなる順序で前記作動媒体が流通するように直列接続されたことを特徴とする圧縮機。
  5. 請求項1〜のいずれか1項記載の圧縮機において、
    前記膨張機に接続された発電機を備えたことを特徴とする圧縮機。
  6. 請求項記載の圧縮機において、
    前記圧縮機本体の動力を生成する原動機である電動機の回転数を可変するインバータを備え、前記発電機に前記インバータが接続されることを特徴とする圧縮機。
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