JP5765517B2 - ガス冷却器及びターボコンプレッサ - Google Patents

ガス冷却器及びターボコンプレッサ Download PDF

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Description

本発明は、圧縮されたガスを冷却するガス冷却器及び該ガス冷却器を備えたターボコンプレッサに関し、特に、圧縮されたガスを冷却するとともに発生した凝縮水分をガスから分離するガス冷却器及び該ガス冷却器を備えたターボコンプレッサに関する。
従来、圧縮ガスを生成するための装置としてターボコンプレッサがある。一般的なターボコンプレッサは、ガスを圧縮する圧縮機と、該圧縮機によって圧縮されて高温になったガスを冷却するガス冷却器と、を備えている。そして、ターボコンプレッサは、圧縮機とガス冷却器とを交互に配置して所望の圧力の圧縮ガスを吐出できるように、複数段に構成されていることが多い。また、ガス冷却器には、例えば、シェルアンドチューブタイプの熱交換器(多管式熱交換器)が使用される。
しかし、ガス冷却器において、ガスに含まれる水蒸気が凝縮して凝縮水分(以下、「ドレン」と称する。)となり、ガスとともにドレンが圧縮機に供給されると、圧縮機の性能が低下したり、圧縮機が腐食したりするという問題があった。
かかる問題を解決する手段として、例えば、特許文献1に記載されたような冷凍式除湿装置が提案されている。特許文献1に記載された冷凍式除湿装置では、空気を冷却して、空気中の含有水分をドレンにし、空気が流通路を通過する過程でドレンを自然落下させ、外部へ排出するようにしている。
特開昭62−4423号公報
しかしながら、上述したような冷却式除湿装置でも、吐出される圧縮ガスにドレンが含まれる場合があり、更なる改善の余地があった。
本発明は、上述した問題点に鑑み創案されたものであり、圧縮ガスを冷却するとともに発生した凝縮水分(ドレン)を効果的に圧縮ガスから分離することができるガス冷却器及びターボコンプレッサを提供することを目的とする。
本発明によれば、冷却媒体が供給されるコア部と、該コア部を収容する筐体と、該筐体に配置され前記コア部に圧縮ガスを供給する入口部と、前記筐体に配置され前記コア部を通過した圧縮ガスを排出する出口部と、を有するガス冷却器であって、前記入口部と前記コア部とを連通する入口側流路と、該入口側流路及び前記コア部と区画されるとともに前記出口部が配置される出口側流路と、前記コア部を通過した圧縮ガスを前記出口側流路に送流する連通路と、を有し、前記出口部は、前記筐体の内部に突出して配置された円筒体と、該円筒体の先端に配置され先端側に向かって拡径するように形成された吸込口と、を備え、前記コア部を通過した圧縮ガスは、前記連通路を構成する筐体の内面に吹き付けられて転向し、前記出口側流路を構成する筐体の内面に吹き付けられて転向し、最終的に前記出口部から外部に排出される、ことを特徴とするガス冷却器が提供される。
また、本発明によれば、ガスを圧縮する圧縮機と、該圧縮機によって吐出された圧縮ガスを冷却するガス冷却器と、を有するターボコンプレッサにおいて、前記ガス冷却器は、冷却媒体が供給されるコア部と、該コア部を収容する筐体と、該筐体に配置され前記コア部に圧縮ガスを供給する入口部と、前記筐体に配置され前記コア部を通過した圧縮ガスを排出する出口部と、を有するガス冷却器であって、前記入口部と前記コア部とを連通する入口側流路と、該入口側流路及び前記コア部と区画されるとともに前記出口部が配置される出口側流路と、前記コア部を通過した圧縮ガスを前記出口側流路に送流する連通路と、を有し、前記出口部は、前記筐体の内部に突出して配置された円筒体と、該円筒体の先端に配置され先端側に向かって拡径するように形成された吸込口と、を備え、前記コア部を通過した圧縮ガスは、前記連通路を構成する筐体の内面に吹き付けられて転向し、前記出口側流路を構成する筐体の内面に吹き付けられて転向し、最終的に前記出口部から外部に排出される、ことを特徴とするターボコンプレッサが提供される。
た、前記出口部は、前記圧縮ガスが吹き付けられる前記出口側流路を構成する筐体の内面に対して略垂直に配置されていてもよい。
また、前記圧縮ガスが吹き付けられる前記出口側流路を構成する筐体の内面に、ドレンカットする突出部が形成されていてもよい。
また、前記入口側流路と前記出口側流路とは並列に配置され、前記連通路は前記入口側流路の下方に配置され、前記出口部は前記連通路よりも上方に配置されていてもよい。
また、前記入口部は、前記コア部の略中央部上に配置されていてもよい。また、前記筐体の下部に前記圧縮ガスから分離されたドレンを排出するドレン排出口が形成されていてもよい。
上述した本発明に係るガス冷却器及びターボコンプレッサによれば、冷却に伴ってドレンを含んだ圧縮ガスが連通路や出口側流路を構成する筐体の内面に吹き付けられて転向した際に、圧縮ガスとドレンとを分離することができ、圧縮ガスを冷却するとともに発生したドレンを効果的に圧縮ガスから分離することができる。したがって、圧縮機に流入するドレンの分量を低減することができ、圧縮機の性能低下や腐食等の問題を抑制することができる。
本発明の実施形態に係るターボコンプレッサの概略構成図である。 本発明の第一実施形態に係るガス冷却器の部分断面図である。 本発明の第一実施形態に係るガス冷却器を示す図であり、(a)は図2のA矢視図、(b)は図2のB−B断面図、である。 本発明の他の実施形態に係るガス冷却器を示す図であり、(a)は第二実施形態、(b)は第三実施形態、(c)は第四実施形態、を示している。
以下、本発明の実施形態について図1乃至図3を用いて説明する。ここで、図1は、本実施形態に係るターボコンプレッサの概略構成図である。
図1に示すように、本発明の実施形態に係るターボコンプレッサ1は、ガスを圧縮する圧縮機2と、圧縮機2によって吐出された圧縮ガスを冷却するガス冷却器3と、を有する。
前記圧縮機2は、例えば、第一段圧縮機2a、第二段圧縮機2b及び第三段圧縮機2cを備えた多段圧縮機である。第一段圧縮機2a乃至第三段圧縮機2cは、それぞれ、ケーシング4a,4b,4cと、ケーシング4a,4b,4c内に設置されたインペラ5a,5b,5cと、を備えている。
第一段圧縮機2a及び第二段圧縮機2bのインペラ5a,5bは、中央部に小径ギア6aが嵌着された回転軸7aの両端に取り付けられており、小径ギア6aと噛合する大径ピニオン8をモータ等の駆動装置9によって回転駆動することにより、高速回転するように構成されている。また、第三段圧縮機2cのインペラ5cは、中央部に小径ギア6bが嵌着された回転軸7bの一端に取り付けられ、小径ギア6bと噛合する大径ピニオン8を駆動装置9によって回転駆動することにより、高速回転するように構成されている。
第一段圧縮機2a及び第二段圧縮機2bのケーシング4a,4bは、それぞれ、回転軸7aの軸線上に配置された吸入口10a,10bと、インペラ5a,5bの側部に配置された吐出口11a,11bと、を備え、インペラ5a,5bの高速回転によって吸入口10a,10bからガスを吸入し吐出口11a,11bから圧縮ガスを吐出するように構成されている。また、第三段圧縮機2cのケーシング4cは、回転軸7bの軸線上に配置された吸入口10cと、インペラ5cの側部に配置された吐出口11cと、を備え、インペラ5cの高速回転によって吸入口10cから圧縮ガスを吸入し吐出口11cから更に圧縮された圧縮ガスを吐出するように構成されている。
前記ガス冷却器3は、図1に示したターボコンプレッサ1においては、第一インタクーラ3a、第二インタクーラ3b及びアフタクーラ3cとして、第一段圧縮機2a乃至第三段圧縮機2cに対応した三台のガス冷却器3が配置されている。第一インタクーラ3aは、流路12aを介して供給される第一段圧縮機2aからの圧縮ガスを冷却し、冷却された圧縮ガスを流路12bを介して第二段圧縮機2bに供給する。また、第二インタクーラ3bは、流路12cを介して供給される第二段圧縮機2bからの圧縮ガスを冷却し、冷却された圧縮ガスを流路12dを介して第三段圧縮機2cに供給する。また、アフタクーラ3cは、流路12eを介して供給される第三段圧縮機2cからの圧縮ガスを冷却し、冷却された圧縮ガスを流路12fを介して下流に配置された外部機器(図示せず)に供給する。
ここで、上述した第一インタクーラ3a、第二インタクーラ3b及びアフタクーラ3cは同様の構成であるので、以下、ガス冷却器3として説明する。ここで、図2は、本発明の第一実施形態に係るガス冷却器3の部分断面図である。また、図3は、本発明の第一実施形態に係るガス冷却器3を示す図であり、(a)は図2のA矢視図、(b)は図2のB−B断面図、である。
前記ガス冷却器3は、図2及び図3に示すように、冷却媒体が供給されるコア部31と、コア部31を収容する筐体32と、筐体32に配置されコア部31に圧縮ガスを供給する入口部33と、筐体32に配置されコア部31を通過した圧縮ガスを排出する出口部34と、を有し、入口部33とコア部31とを連通する入口側流路35と、入口側流路35及びコア部31と区画されるとともに出口部34が配置される出口側流路36と、コア部31を通過した圧縮ガスを出口側流路36に送流する連通路37と、を有し、コア部31を通過した圧縮ガスは、連通路37を構成する筐体32の内面に吹き付けられて転向し、出口側流路36を構成する筐体32の内面に吹き付けられて転向し、最終的に出口部34から外部に排出されるように構成されている。
前記コア部31は、冷却媒体を内部に供給する冷却媒体供給口31aと、筐体32の長手方向に配置される複数の導管31bと、導管31bの端部に接続された冷却媒体液室31cと、冷却媒体を外部に流出する冷却媒体流出口31dと、を備えている。冷却媒体供給口31a及び冷却媒体流出口31dは、導管31bの一端側に集約して配置されており、一方向から冷却媒体を供給し流出できるように構成されている。また、導管31bは、コア部31の長手方向に並列に配置された複数のプレートフィン31eにより支持されている。
そして、水等の冷却媒体は、冷却媒体供給口31aよりコア部31の内部に供給され、複数の導管31bを通って冷却媒体液室31cに至り、冷却媒体液室31cで反転し、複数の導管31bを通って冷却媒体流出口31dからコア部31の外部に流出される。また、図3(b)に示すように、冷却媒体が流れる複数の導管31bの間を入口部33から供給された圧縮ガスが通過することによって、圧縮ガスが冷却される。
図2に示したように、コア部31は、冷却媒体液室31c近傍に配置された支持部材31fにより筐体32に支持されている。かかる支持部材31fは、入口側流路35と出口側流路36とを区画する壁部材としての役割も担っている。したがって、コア部31の上部空間は全て入口側流路35として使用することができ、コア部31の略中央部に入口部33を配置することができ、コア部31の導管31bに対して略均等に圧縮ガスを供給することができ、効果的に冷却することができるとともに、従来よりも導管31bの長さを短くすることもできる。
前記筐体32は、ガス冷却器3の外殻を形成する略円筒形状の容器であり、コア部31の上部に配置された入口部33と、側面部に配置された出口部34と、圧縮ガスから分離されたドレンを排出するドレン排出口38と、を有する。また、筐体32の内部には、入口部33とコア部31との間に形成された入口側流路35と、コア部31の下部に形成された連通路37と、コア部31及び入口側流路35に隣接した位置に形成された出口側流路36と、が形成されている。さらに、圧縮ガスが吹き付けられる出口側流路36を構成する筐体32の内面には、ドレンカットする突出部39が形成されている。
前記入口部33は、圧縮ガスを送流する流路12a,12c,12eに連結されており、入口側流路35に圧縮ガスを供給する。入口部33は、上述したように、コア部31の略中央部上に配置されることが好ましいが、筐体32内の圧力勾配等に応じてコア部31に均等に圧縮ガスを供給できる位置に配置するようにしてもよい。
前記出口部34は、圧縮ガスを送流する流路12b,12d,12fに連結されており、ガス冷却器3により冷却された圧縮ガスを排出する。また、出口部34は、例えば、圧縮ガスが吹き付けられる出口側流路36を構成する筐体32の内面に対して略垂直に配置されており、連通路37よりも上方に配置されている。さらに、出口部34は、筐体32の内部に突出して配置された円筒体34aと、円筒体34aの先端に配置されたテーパ状の吸込口34bと、を有している。吸込口34bは、円筒体34a側から先端側に向かって拡径するように形成されており、その変化率は任意に設定することができる。例えば、変化率は、テーパ状のように一定に設定してもよいし、ラッパ状のように先端に向かって大きくなるように設定してもよい。
このように、円筒体34aを筐体32の内部に突出させることにより、筐体32の内面に付着して上昇するドレンを出口部34に流入しないようにすることができる。また、吸込口34bを筐体32の内部に配置することにより、円筒体34aの側面に付着して移動するドレンを出口部34に流入しないようにすることができる。さらに、円筒体34a及び吸込口34bを配置することにより、これらの胴部側面に沿って圧縮ガスを旋回させながら吸込口34bの開口部から圧縮ガスを出口部34に送流することができ、かかる旋回による遠心力により圧縮ガス中のドレンの一部を分離することもできる。
前記入口側流路35は、入口部33とコア部31とを連通する区画された空間であり、入口部33から供給された圧縮ガスをコア部31内に形成された流路(導管31bやプレートフィン31eの隙間)に分配供給する空間である。特に、入口側流路35は、出口側流路36と区画して形成されており、コア部31に対して上方から下方に向かって一方通行に圧縮ガスを送流する。
前記出口側流路36は、入口側流路35と隣接した位置に配置されており、コア部31により冷却された圧縮ガスを出口部34に圧縮ガスを送流する。このように、入口側流路35と出口側流路36とを区画して、入口側流路35→コア部31→出口側流路36のパスを形成することにより、入口部33及び出口部34の位置を固定化することができ、従来のようにコア部31に対して入口部33及び出口部34の位置や角度を厳密に管理する必要がなく、ガス冷却器3の設計や製造を容易にすることができるとともにガス冷却器3の汎用性を向上させることができる。
前記連通路37は、コア部31を通過した圧縮ガスを出口側流路36に送流する空間である。具体的には、図示したように、入口側流路35と出口側流路36とが並列に配置されている場合、連通路37は入口側流路35の下方に配置される。かかる連通路37は、コア部31と筐体32の底部内面との隙間により形成されており、この距離を調節することにより、連通路37により送流される圧縮ガスの流量や流速を調整することができる。また、コア部31又は筐体32の内面のいずれか一方又は両方を傾斜させて、下流側の隙間が狭くなるようなノズル形状に構成し、出口側流路36に送流される圧縮ガスの流速を向上させるようにしてもよい。
前記ドレン排出口38は、一般的なドレンバルブにより構成されており、筐体32の下部に配置されている。また、筐体32の底部内面に溝を形成したり、筐体32の底部内面をドレン排出口38に向かって傾斜させたりして、ドレン排出口38にドレンを集約し易くするようにしてもよい。このように、筐体32の下部にドレン排出口38を形成することにより、重力により筐体32の下部に溜まったドレンを効率よく外部に排水することができる。
前記突出部39は、例えば、圧縮ガスの送流方向に対向して立設されたL字状のアングル材を逆さまに配置したものである。かかる突出部39により、圧縮ガスとともに送流されるドレンを捕集する樋溝を形成することができ、筐体32の内面に吹き付けられる圧縮ガス中のドレンの一部を分離することができる。ここでは、突出部39を一箇所に配置した場合を図示しているが、突出部39は、複数列に配置してもよいし、筐体32の側面部内面に散在するように配置してもよい。また、突出部39は、図示した形状に限定されるものではなく、J字状のアングル材、筐体32の内面に対して傾斜して配置された板材、メッシュ状のワイヤにより形成されたデミスタ等、ドレンを捕集可能な部材であれば何でもよい。なお、突出部39は、筐体32の側面部内面に形成された凹部内に配置するようにしてもよい。
上述した本実施形態に係るガス冷却器3の構成によれば、入口部33から筐体32の内部に供給された圧縮ガスは、コア部31を通過して冷却された後、連通路37に送流され、筐体32の底部内面に吹き付けられる。このとき、圧縮ガス中のドレンの一部は、自然落下により筐体32の底部内面に滴下して、最終的にドレン排出口38から外部に排水される。
また、連通路37に送流された圧縮ガスは、筐体32に衝突して転向し、筐体32の底部内面に沿って下流の出口側流路36に送流され、筐体32の側面部内面の下部に吹き付けられて転向し、筐体32の側面部内面に沿って上方に送流される。このとき、筐体32の側面部内面の下部には、ドレンカットする突出部39が配置されていることから、圧縮ガス中のドレンの一部は、突出部39により捕集され、一定量のドレンが捕集されると自重により筐体32の内面を伝って又は突出部39から滴下して、最終的にドレン排出口38から外部に排水される。
さらに、出口側流路36に送流された圧縮ガスは、筐体32の側面部内面に沿って上方に送流され、一部の圧縮ガスはそのまま吸込口34bから出口部34に送流され、一部の圧縮ガスは円筒体34a及び吸込口34bの胴部を旋回しながら吸込口34bの背面から開口部に流れ込んで出口部34に送流される。このとき、筐体32の側面部内面には、筐体32の内部に突出した円筒体34a及び吸込口34bが配置されていることから、筐体32の側面部内面に付着して上昇するドレンの出口部34への流入及び円筒体34aの胴部側面に付着して移動するドレンの出口部34への流入を抑制することができるとともに、円筒体34a及び吸込口34bの胴部に形成される旋回流によりドレンを遠心分離することができる。これらのドレンは、一定量に集約されると自重により筐体32の内面を伝って又は円筒体34a若しくは吸込口34bから滴下して、最終的にドレン排出口38から外部に排水される。
このように、本実施形態に係るガス冷却器3によれば、連通路37への圧縮ガスの送流時、出口側流路36への圧縮ガスの送流時及び出口部34への圧縮ガスの送流時の複数の段階において、圧縮ガスからドレンを分離することができ、下流側へのドレンの流入を抑制することができる。したがって、本実施形態に係るガス冷却器3によれば、圧縮ガスを冷却するとともに発生したドレンを効果的に圧縮ガスから分離することができ、圧縮機2(例えば、第一段圧縮機2a乃至第三段圧縮機2c)に流入するドレンの分量を低減することができ、圧縮機2の性能低下や腐食等の問題を抑制することができる。
次に、本発明の他の実施形態に係るガス冷却器3について説明する。ここで、図4は、本発明の他の実施形態に係るガス冷却器を示す図であり、(a)は第二実施形態、(b)は第三実施形態、(c)は第四実施形態、を示している。なお、上述した第一実施形態と同じ構成部品については、同じ符号を付して重複した説明を省略する。
図4(a)に示した第二実施形態に係るガス冷却器3は、出口部34を筐体32の出口側流路36の上部に配置したものである。具体的には、円筒体34aが筐体32の天井部内面に対して略垂直(すなわち、略鉛直方向)に配置され、その先端に吸込口34bが配置されている。このとき、円筒体34a及び吸込口34bは、突出部39が配置された筐体32の側面部内面からできるだけ離間させる方が好ましい。かかる構成により、筐体32の側面部内面に沿って上昇した圧縮ガスを筐体32の天井部内面に吹き付けて転向させることができ、この部分でもドレンを分離することができる。
図4(b)に示した第三実施形態に係るガス冷却器3は、第二実施形態と同様に出口部34を筐体32の出口側流路36の上部に配置するとともに、吸込口34bの向きを変更したものである。具体的には、略90°に湾曲した円筒体34aが筐体32の天井部内面に対して略垂直に配置され、その先端に吸込口34bが略水平方向に配置されている。また、円筒体34aは、吸込口34bが圧縮ガスが吹き付けられる筐体32の側面部内面に対峙するように湾曲している。かかる構成によっても、筐体32の側面部内面に沿って上昇した圧縮ガスを筐体32の天井部内面に吹き付けて転向させることができ、この部分でもドレンを分離することができる。
図4(c)に示した第四実施形態に係るガス冷却器3は、入口部33をコア部31の中央部に配置したものである。すなわち、入口部33の中心とコア部31の一端との距離L1と、入口部33の中心とコア部31の他端との距離L2と、が等しくなるように、入口部33が筐体32に配置されている。かかる構成により、コア部31の導管31bに対して均等に圧縮ガスを供給することができ、効果的に冷却することができる。また、冷却効率を向上させることにより、導管31bの長さを従来よりも短くすることができ、ガス冷却器3の小型化や軽量化を図ることもできる。
本発明は上述した実施形態に限定されず、例えば、三段のターボコンプレッサに限定されるものではなく、一段のターボコンプレッサ、二段のターボコンプレッサ又は四段以上のターボコンプレッサにも適用することができる等、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは勿論である。
1…ターボコンプレッサ
2…圧縮機
2a…第一段圧縮機
2b…第二段圧縮機
2c…第三段圧縮機
3…ガス冷却器
3a…第一インタクーラ
3b…第二インタクーラ
3c…アフタクーラ
4a,4b,4c…ケーシング
5a,5b,5c…インペラ
6a,6b…小径ギア
7a,7b…回転軸
8…大径ピニオン
9…駆動装置
10a,10b,10c…吸入口
11a,11b,11c…吐出口
12a,12b,12c,12d,12e,12f…流路
31…コア部
31a…冷却媒体供給口
31b…導管
31c…冷却媒体液室
31d…冷却媒体流出口
31e…プレートフィン
31f…支持部材
32…筐体
33…入口部
34…出口部
34a…円筒体
34b…吸込口
35…入口側流路
36…出口側流路
37…連通路
38…ドレン排出口
39…突出部

Claims (7)

  1. 冷却媒体が供給されるコア部と、該コア部を収容する筐体と、該筐体に配置され前記コア部に圧縮ガスを供給する入口部と、前記筐体に配置され前記コア部を通過した圧縮ガスを排出する出口部と、を有するガス冷却器であって、
    前記入口部と前記コア部とを連通する入口側流路と、
    該入口側流路及び前記コア部と区画されるとともに前記出口部が配置される出口側流路と、
    前記コア部を通過した圧縮ガスを前記出口側流路に送流する連通路と、を有し、
    前記出口部は、前記筐体の内部に突出して配置された円筒体と、該円筒体の先端に配置され先端側に向かって拡径するように形成された吸込口と、を備え、
    前記コア部を通過した圧縮ガスは、前記連通路を構成する筐体の内面に吹き付けられて転向し、前記出口側流路を構成する筐体の内面に吹き付けられて転向し、最終的に前記出口部から外部に排出される、
    ことを特徴とするガス冷却器。
  2. 前記出口部は、前記圧縮ガスが吹き付けられる前記出口側流路を構成する筐体の内面に対して略垂直に配置されている、ことを特徴とする請求項1に記載のガス冷却器。
  3. 前記圧縮ガスが吹き付けられる前記出口側流路を構成する筐体の内面に、ドレンカットする突出部が形成されている、ことを特徴とする請求項1に記載のガス冷却器。
  4. 前記入口側流路と前記出口側流路とは並列に配置され、前記連通路は前記入口側流路の下方に配置され、前記出口部は前記連通路よりも上方に配置されている、ことを特徴とする請求項1に記載のガス冷却器。
  5. 前記入口部は、前記コア部の略中央部上に配置されている、ことを特徴とする請求項1に記載のガス冷却器。
  6. 前記筐体の下部に前記圧縮ガスから分離されたドレンを排出するドレン排出口が形成されている、ことを特徴とする請求項1に記載のガス冷却器。
  7. ガスを圧縮する圧縮機と、該圧縮機によって吐出された圧縮ガスを冷却するガス冷却器と、を有するターボコンプレッサにおいて、前記ガス冷却器は、請求項1乃至6の何れか一項に記載のガス冷却器である、ことを特徴とするターボコンプレッサ。
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