JP6295896B2

JP6295896B2 - 圧縮空気除湿装置

Info

Publication number: JP6295896B2
Application number: JP2014178471A
Authority: JP
Inventors: 祐介古田; 稔秋山岸; 福一望月
Original assignee: Orion Machinery Co Ltd
Current assignee: Orion Machinery Co Ltd
Priority date: 2014-09-02
Filing date: 2014-09-02
Publication date: 2018-03-20
Anticipated expiration: 2034-09-02
Also published as: JP2016052611A

Description

本発明は圧縮空気除湿装置に関する。

圧縮空気除湿装置は、エアーコンプレッサーによって圧縮された圧縮空気を冷凍回路により冷却して除湿する装置である。
圧縮空気は、冷凍回路の熱交換器によって冷却され、圧縮空気中の水分が結露することにより除去される。圧縮空気から除去された水分はドレン水となって排出される。

ところで、冷凍回路を用いた圧縮空気除湿装置では、調整対象となる圧縮空気から除湿された水分が熱交換器に結露した後、熱交換器の低温によって凍結してしまうおそれもある。熱交換器において除湿された水分が凍結すると、圧縮空気の流路を閉塞させたり、凍結膨張によって熱交換器が変形、破損する可能性もある。
そこで、従来より、凍結防止手段を採用した圧縮空気除湿装置が提案されている。

例えば特許文献１に示す圧縮空気除湿装置では、冷凍機の熱負荷の大小に基づいて運転と停止、及び流量制御弁による流量制御を行うことが開示されている。
特許文献１の具体的構成を説明すると、夏季において冷凍機の熱負荷が過大な場合には、外気温度センサ及び露点温度センサの測定値に基づいて、制御装置が通水管の電磁開閉弁を開き、高温多湿空気を強制的に予冷して冷凍機の負荷を下げるようにしている。また、冬季において外気温度が著しく低い場合には、冷凍機の熱負荷が過小になり、圧縮空気を冷却する冷却器に凍結のおそれがあるとしている。そして、熱負荷の低下を外気温度センサ及び露点温度センサの測定値に基づいて、制御装置が冷凍機の圧縮機を停止する制御を行っている。

上記の特許文献１の構成によれば、外気温度センサや露点温度センサによる測定値に基づいて制御を行っているが、これらのセンサは圧縮空気除湿装置の冷媒に関する直接的なデータを取得しているわけではなく、装置の状態を正確に検出しているわけではない。このため、熱交換器の凍結を運転条件の全域で確実に防止することは困難であると考えられる。

そこで、特許文献２に示すような圧縮空気除湿装置が提案されている。特許文献２の圧縮空気除湿装置の凍結防止方法によれば、熱交換器と圧縮機との間の冷媒の温度又は圧力のうちの少なくとも一方の情報と、凝縮器と膨張器との間の冷媒の温度又は圧力のうちの少なくとも一方の情報とに基づいて、熱交換器の凍結を防止するように圧縮機及び凝縮器ファンの運転を制御している。

実開平０３−７９２３号公報特許第４４２７００８号公報

従来の特許文献１のような構成によると、外気温度及び露点温度の測定値のみに基づいて圧縮機の制御を行っており、冷媒温度に基づいて制御できないために上記のように熱交換器の凍結を運転条件の全域で確実に防止することは困難であると考えられる。

また、従来の特許文献２のような方法によれば、熱交換器の入口及び出口において冷媒の温度又は圧力を測定して圧縮機の制御を行っている。温度による制御の場合、設定温度よりも低い場合に圧縮機の動作を停止し、設定温度よりも高くなったときに圧縮機の運転を開始する。
しかし、除湿対象となる圧縮空気の流れがある状態のときに、圧縮機が運転状態から停止した場合、圧縮機の停止状態における圧縮空気温度の上昇速度は、冷媒の温度上昇速度よりも早い。同様に、圧縮機が停止状態から運転開始した場合、圧縮機運転状態における冷媒の温度下降速度は、圧縮空気温度の下降速度よりも早い。このため、圧縮空気温度よりも冷媒温度の方が低い温度に維持されることになる。一方、除湿対象の圧縮空気の除湿性能を維持するためには、圧縮空気の温度をできるだけ低い温度に保ち、圧縮空気の露点温度が圧縮空気除湿装置としての仕様値を超えないようにすることが必要である。したがって、従来の技術のように、冷媒温度のみに基づいた制御では、圧縮機の停止状態において冷媒温度が低いために圧縮機の運転が開始されず、圧縮空気の温度が高く（露点温度が高く）なってしまうため、必要な露点を維持できないという課題がある。

また、熱交換器における凍結を防止するためには、熱交換器内に滞留するドレンが凍結温度にまで到達しないようにすることが必要となる。しかし、除湿対象となる圧縮空気の流れが無い状態（無負荷）では、熱交換が行われず圧縮空気の温度は変化しない。したがって、圧縮機運転状態において、無負荷時に圧縮空気の温度に基づいた制御では、圧縮空気の温度が低下せず、圧縮機が停止しないため、冷媒温度が凍結温度まで低下して熱交換器内に滞留するドレンが凍結してしまうおそれもある。また、上述したように、圧縮空気の温度が凍結温度に到達していなくても、冷媒温度が凍結温度になってしまい、冷媒と接しているドレンが凍結してしまうという可能性もある。
なお、圧縮機運転時には凍結したドレンは、ほとんどの場合は圧縮機停止時には溶けるが、圧縮空気温度が低く流量が小さい場合にはすべて溶けきらないことも想定される。

そこで本発明は上記課題を解決すべくなされ、その目的とするところは、除湿対象の圧縮空気の必要な露点を維持し、且つ凍結防止を確実に行い得る圧縮空気除湿装置を提供することにある。

本発明に係る圧縮空気除湿装置によれば、圧縮空気を導入する導入口と、該導入口から導入された圧縮空気を冷却して圧縮空気内の水分を結露させて圧縮空気を除湿する冷却部と、該冷却部で除湿された圧縮空気を排気する排気口とを有する除湿装置本体と、圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、前記除湿装置本体の冷却部に配置される蒸発器とを有し、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器の順に冷媒を循環させる冷却回路とを具備する圧縮空気除湿装置において、前記除湿装置本体のドレンチャンバー内の、前記蒸発器のフィンが配置されていない前記冷媒流通管の前記圧縮機に延びる部分で且つ前記蒸発器通過後の圧縮空気に当接する箇所の冷媒温度に基づいて、前記圧縮機運転中に、前記冷媒温度が所定温度未満となった場合には、前記圧縮機の運転を停止し、前記蒸発器を通過した圧縮空気温度に基づいて、前記圧縮機運転停止中に、前記圧縮空気温度が所定温度を超えた場合には、前記圧縮機の運転を再開するように制御する制御部を備えたことを特徴としている。
この構成を採用することによって、冷媒温度に基づいて圧縮機を停止し、圧縮空気温度に基づいて圧縮機を起動するので、冷媒温度と圧縮空気温度がそれぞれ通常と異なる変化をした場合であっても、圧縮機の発停の確実な制御が行える。また、温度に基づく圧縮機の発停が確実に行われるため、熱交換器の凍結防止とともに、容量制御弁などを用いなくても容量制御を行うことができる。このため、部品点数の削減にも寄与する。

また、前記蒸発器のフィンが配置されていない前記冷媒流通管の前記圧縮機に延びる部分の冷媒温度を検出する温度センサと、前記蒸発器を通過した圧縮空気温度を検出する温度センサとが同一の温度センサとして設けられていることを特徴としてもよい。
この構成を採用することによって、１つの温度センサによって圧縮空気温度と冷媒温度の両方を検出することができる。このため、２つの温度センサを用いる場合と比較して部品点数の減少及び構造の簡略化を図ることができる。

さらに、前記凝縮器には、ファンが設けられ、前記制御部は、前記圧縮機の停止とともに前記ファンの運転も停止し、前記圧縮機の運転再開とともに前記ファンの運転も再開するように制御することを特徴としてもよい。

本発明によれば、圧縮機の発停を確実に行うことができ、熱交換器の凍結防止と容量制御を行うことができる。

圧縮空気除湿装置の第１の実施形態を示す回路図である。除湿装置本体の構成を示す側面からの断面図である。除湿装置本体の正面図である。圧縮空気除湿装置の第２の実施形態を示す回路図である。

（第１の実施形態）
以下本発明に係る圧縮空気除湿装置４０の好適な実施の形態を添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施の形態における圧縮空気除湿装置４０の回路図である。
圧縮空気除湿装置４０は、図示しないエアーコンプレッサーで生成された圧縮空気を除湿し、乾燥した圧縮空気を必要とする機器等へ供給する装置である。
圧縮空気除湿装置４０は、冷媒を循環させて構成される冷却回路Ｘと、除湿装置本体５６とを備えている。
冷却回路Ｘは、圧縮機４１、凝縮器４７、ストレーナ５０、膨張弁４８、蒸発器４９を備えている。本実施形態における蒸発器４９はいわゆるフィンアンドチューブ式の熱交換器であって、除湿装置本体５６内に配置されている。蒸発器４９は、除湿装置本体５６内に導入される圧縮空気を冷却する機能を有する。

冷却回路Ｘについて説明する。
圧縮機４１で圧縮された冷媒は冷媒流通管４２に送り出され、凝縮器４７に流入する。凝縮器４７では、冷媒が周囲の空気との間で熱交換して冷却され液化される。凝縮器４７には、ファン６１が設けられており、凝縮器４７で生じる熱は、ファン６１による空気流によって放熱される。

凝縮器４７において液化した冷媒は、ストレーナ５０を通過したのち、膨張弁４８に流入する。膨張弁４８に流入する冷媒は、液化した状態のままで膨張し、沸点を下げる。
また、膨張弁４８は、冷媒を断熱膨張させる減圧機構の一例であるが、電子膨張弁などのほか、キャピラリチューブを含む概念である。

膨張弁４８を通過した冷媒は、蒸発器４９に流入する。蒸発器４９に流入した冷媒は、後述するように除湿装置本体５６内の圧縮空気と熱交換して蒸発熱を奪って蒸発する。気化した冷媒は圧縮機４１に戻る。

次に、除湿装置本体及び圧縮空気の配管について説明する。
除湿装置本体５６は筒状の圧力容器である。除湿装置本体５６の筒状の内部に冷却回路Ｘの蒸発器４９が配置され、圧縮空気を冷却する冷却部５２を構成している。
除湿装置本体５６の長手方向の一端には、圧縮空気を導入する導入口５４が設けられており、長手方向の他端には冷却部５２で冷却され除湿された圧縮空気を排気する排気口５５が設けられている。

冷却部５２で冷却される圧縮空気は、蒸発器４９のフィン４９ａに接触しながら通過することで冷却され、圧縮空気中に含まれる水分が結露する。結露した水分（ドレン）は、除湿装置本体５６の下部に設けられている排水管５９から排出される。排水管５９にはドレントラップ５８が設けられている。ドレンはドレントラップ５８にて貯留され、水分のみが外部に排出される。

排気口５５から排気される圧縮空気は、流通管６０内を流通して再熱器６２に導入される。本実施形態の再熱器６２は、二重管型の対向流熱交換器である。除湿後の圧縮空気が、圧縮機４１から吐出された高温の冷媒と熱交換することによって加熱される。このように、除湿後の圧縮空気を加熱することにより、圧縮空気の供給量を上げることができる。

なお、凝縮器４７に設けられているファン６１の駆動によって、凝縮器４７で発生した熱を流通管６０にあて、流通管６０内の圧縮空気を加熱してもよい。ファン６１によって流通管６０内の圧縮空気を加熱する場所は、再熱器６２で加熱する前に行うとよい。

除湿装置本体５６の排気口５５近傍においては、蒸発器４９のフィンが配置されておらず、ドレンを圧縮空気から分離する空間であるドレンチャンバー６３として構成されている。このドレンチャンバー６３内に、蒸発器４９から吐出された冷媒温度を検出するとともに、排気口５５から排気される除湿後の圧縮空気温度を検出する温度センサ６６が配置されている。
温度センサ６６は、蒸発器４９から圧縮機４１に延びる冷媒流通管４２ａに取り付けられた保護管７０内に収納されている。

このように、本実施形態では１つの温度センサ６６で、蒸発器４９から吐出された冷媒温度を検出するとともに、排気口５５から排気される除湿後の圧縮空気温度を検出している。

保護管７０の取付構造について、図２〜図３に基づいて説明する。
保護管７０は、内部に温度センサ６６が挿入されるように中空となった金属製筒体である。保護管７０の先端部７０ａは、除湿装置本体５６内に対して完全に閉塞するように設けられている。

本実施形態では、保護管７０は、蒸発器４９の出口側の冷媒流通管４２ａの上部にろう付け等によって固定されている。保護管７０は、先端部７０ａがドレンチャンバー６３内の所定の場所に位置するように配置され、後端部７０ｂが除湿装置本体５６の端面５６ａから除湿装置本体５６の外部に突出している。後端部７０ｂは、温度センサ６６を挿入するために開口端となっている。
また、除湿装置本体５６は圧力容器として構成されているので、保護管７０と除湿装置本体５６の端面５６ａとの間は、ろう付けなどによって隙間が無いように埋められる。

温度センサ６６が収納される保護管７０を、ドレンチャンバー６３内の蒸発器４９の冷媒出口側の冷媒流通管４２ａに取り付けたことにより、１つの温度センサによって、蒸発器４９出口の冷媒温度と、除湿後の圧縮空気の温度の双方の測定が可能である。
すなわち、温度センサ６６は、冷却回路Ｘの冷媒流通管４２ａと、ドレンチャンバー６３内の圧縮空気の双方に接触しているため、１つで双方の温度を測定できる。

この点を具体的に説明すると、圧縮機４１が運転中の場合には、冷却回路Ｘは温度が低下した冷媒を蒸発器４９に供給しているので、通常は除湿後の圧縮空気よりも蒸発器４９出口の冷媒温度の方が低くなる。このため、温度センサ６６は、低温側の温度として蒸発器４９出口の冷媒温度の温度を検出することとなる。

一方、圧縮機４１が運転停止中の場合には、蒸発器４９出口の冷媒温度上昇よりも圧縮空気の温度の方が早く上昇する。
このため、圧縮機４１が運転停止中には、温度センサ６６は、高温側の温度としてドレンチャンバー６３内の圧縮空気温度を検出することとなる。

なお、本実施形態では、温度センサ６６にはサーモスタット７３が接続されている。サーモスタット７３は、圧縮機４１の駆動を制御している。本実施形態のサーモスタット７３が、特許請求の範囲でいう制御部に該当する。

本実施形態のサーモスタット７３は、圧縮機４１の運転中に、蒸発器４９から吐出される冷媒温度があらかじめ設定した所定温度未満になった場合には、圧縮機４１の運転を停止する。このため、例えば無負荷時（圧縮空気が送り込まれてこないとき）において、冷媒温度が凍結温度にまで下がってしまうことによるドレンの凍結を防止できる。

また、サーモスタット７３は、圧縮機４１の運転停止中に、ドレンチャンバー６３内の圧縮空気温度があらかじめ設定した所定温度を超えた場合には、圧縮機４１の運転を再開する。このため、除湿対象となる圧縮空気の露点温度を、仕様値を超えないようにすることができ、除湿性能を維持することができる。

なお、サーモスタット７３は、凝縮器４７に設けられているファン６１の運転停止及び運転再開も、圧縮機４１の運転停止及び運転再開と同じタイミングで行うようにするとよい。
すなわち、圧縮機４１が停止すると冷却回路Ｘを冷媒が流通しなくなるので、圧縮機４１の停止中はファン６１を駆動させておく意味がないためである。そこで、サーモスタット７３によって、圧縮機４１の停止とともにファン６１も停止し、圧縮機４１の運転再開とともにファン６１の運転を再開する。

なお、温度センサ６６に接続されて圧縮機４１及びファン６１の駆動制御を実行するのは、サーモスタット７３に限定するものではなく、マイコン等の制御装置であってもよい。

なお、上述してきた第１の実施形態では、１つの温度センサ６６によって蒸発器４９出口の冷媒温度及び除湿装置本体５６出口の圧縮空気温度を検出していたが、蒸発器４９出口の冷媒温度と、除湿装置本体５６出口の圧縮空気温度とを別の温度センサで検出してもよい。

また、上述してきた第１の実施形態では、温度センサ６６を保護管７０に挿入して利用したが、蒸発器４９出口の冷媒温度と除湿装置本体５６出口の圧縮空気温度とを検出できるのであれば、保護管７０の形状は上記の形状に限定するものではなく、また除湿装置本体５６が圧力容器としての機能を確保できるのであれば保護管７０を使用しなくてもよい。

（第２の実施形態）
第２の実施形態は、圧縮機の運転停止を、蒸発器出口の冷媒温度ではなく、冷媒の圧力に基づいて制御する点が第１の実施形態とは異なる点である。
図４に基づいて、第２の実施形態について説明する。ただし、第１の実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付し、説明を省略する場合もある。

図４に示すように、除湿装置本体５６内の蒸発器４９から吐出される冷媒流通管４２ａには圧力センサ７４が設けられている。
また、ドレンチャンバー６３内には、圧縮空気の温度を検出する温度センサ７６が配置されている。

圧力センサ７４及び温度センサ７６は、制御部７７に接続されており、制御部７７が圧縮機４１の運転停止及び運転再開を制御する。
制御部７７は、圧縮機４１の運転中に、蒸発器４９から吐出される冷媒圧力があらかじめ設定した所定圧力未満になった場合には、圧縮機４１の運転を停止する。このため、例えば無負荷時（圧縮空気が送り込まれてこないとき）において、冷媒温度が凍結温度にまで下がってしまうことによるドレンの凍結を防止できる。

また、制御部７７は、圧縮機４１の運転停止中に、ドレンチャンバー６３内の圧縮空気温度があらかじめ設定した所定温度を超えた場合には、圧縮機４１の運転を再開する。このため、除湿対象となる圧縮空気の露点温度を、仕様値を超えないようにすることができ、除湿性能を維持することができる。

なお、制御部７７は、凝縮器４７に設けられているファン６１の運転停止及び運転再開も、圧縮機４１の運転停止及び運転再開と同じタイミングで行うようにするとよい。
すなわち、圧縮機４１が停止すると冷却回路Ｘを冷媒が流通しなくなるので、圧縮機４１の停止中はファン６１を駆動させておく意味がないためである。そこで、制御部７７によって、圧縮機４１の停止とともにファン６１も停止し、圧縮機４１の運転再開とともにファン６１の運転を再開する。

この第２の実施形態のように、蒸発器の出口冷媒の圧力を検出することで本願発明の構成を実施できるが、第１の実施形態とは異なり、圧力センサが必要となってしまう。部品点数の削減という面では第１の実施形態の方が優れているとはいえるが、第２の実施形態によっても、冷媒圧力と圧縮空気温度がそれぞれ通常と異なる変化をした場合であっても、圧縮機の発停の確実な制御が行える。また、圧力と温度に基づく圧縮機の発停が確実に行われるため、熱交換器の凍結防止とともに、容量制御弁などを用いなくても容量制御を行うことができる。

４０圧縮空気除湿装置
４１圧縮機
４２冷媒流通管
４２ａ蒸発器出口の冷媒流通管
４７凝縮器
４８膨張弁
４９蒸発器
４９ａフィン
５０ストレーナ
５２冷却部
５４導入口
５５排気口
５６除湿装置本体
５６ａ端面
５８ドレントラップ
６０流通管
６１ファン
６２再熱器
６３ドレンチャンバー
６６温度センサ
７０保護管
７０ａ先端部
７０ｂ後端部
７３サーモスタット
７４圧力センサ
７６温度センサ
７７制御部
Ｘ冷却回路

Claims

圧縮空気を導入する導入口と、該導入口から導入された圧縮空気を冷却して圧縮空気内の水分を結露させて圧縮空気を除湿する冷却部と、該冷却部で除湿された圧縮空気を排気する排気口とを有する除湿装置本体と、
圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、前記除湿装置本体の冷却部に配置される蒸発器とを有し、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器の順に冷媒を循環させる冷却回路とを具備する圧縮空気除湿装置において、
前記除湿装置本体のドレンチャンバー内の、前記蒸発器のフィンが配置されていない前記冷媒流通管の前記圧縮機に延びる部分で且つ前記蒸発器通過後の圧縮空気に当接する箇所の冷媒温度に基づいて、前記圧縮機運転中に、前記冷媒温度が所定温度未満となった場合には、前記圧縮機の運転を停止し、且つ、
前記蒸発器を通過した圧縮空気温度に基づいて、前記圧縮機運転停止中に、前記圧縮空気温度が所定温度を超えた場合には、前記圧縮機の運転を再開するように制御する制御部と、
前記蒸発器のフィンが配置されていない前記冷媒流通管の前記圧縮機に延びる部分の冷媒温度を検出するとともに、前記蒸発器を通過した圧縮空気温度を検出する温度センサと、
前記凝縮器に設けられたファンと、を備え、
前記制御部は、前記圧縮機の停止とともに前記ファンの運転も停止し、前記圧縮機の運転再開とともに前記ファンの運転も再開するように制御することを特徴とする
圧縮空気除湿装置。