JP6324737B2 - 放気部の消音装置および消音装置を備えた圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮機のドレン排出の際の騒音低減を図った放気部の消音装置および消音装置を備えた圧縮機に関するものである。

圧縮機は、吸入した大気（空気）を圧縮機本体により圧縮し、圧縮空気を利用する各種の負荷機器に供給するための装置である。空気中には水蒸気が含まれているが、空気に含有される水蒸気の最大量は温度と圧力によって決まっていて、大気を圧縮すると水蒸気が凝縮し（凝縮水またはドレンという）圧縮した空気を冷却するにしたがって凝縮水またはドレンが増える。そのままの状態で圧縮空気（以下、「湿り空気」という）を負荷機器に供給すると潤滑不良、早期腐食等の不具合を発生させてしまう恐れがある。そのため、圧縮機では、下流側に熱交換器（アフタークーラ）を設けて、湿り空気中の水分等を冷却凝縮して除去することで圧縮空気を除湿しているが、当該アフタークーラで凝縮された水分等（ドレン）は機外に排出しなければならない。

二段のオイルフリー圧縮機では、起動時、負荷・無負荷運転時に、熱交換器（インタークーラ）に発生するドレンが排出されずに溜められている場合、ドレンが圧縮機本体に吸引され不具合が発生するため、ドレン溜りをなくすように圧縮空気とともに常時大気に排出している。また、圧縮機停止時には吐出側から漏洩が生じた場合、熱交換器（アフタークーラ）に発生するドレンが、差圧により圧縮機の最終段側へ逆流し不具合が発生することがある。そのため、オイルフリー圧縮機の熱交換器（インタークーラとアフタークーラ）に発生するドレンは、自動ドレン排出制御弁を介して、圧縮空気とともに常時大気に排出されている。

また、自動ドレン排出制御弁を使用しない場合でも、適切なドレンの排出を確保するために、排出配管に設けた弁を常時微開するか、オリフィスを用いて圧縮空気とともにドレンを常時大気に排出している。そして、オリフィスは、ドレン排出配管の途中に設けられ、圧縮機の性能低下につながらないように排出量を最小限に制限するべく、内径が小さく設定されている。

オリフィス内径を狭めると圧縮空気の排出が少なくなるので、圧縮機の性能低下が防止できるが、反面、圧縮空気やドレンに含まれる塵によって目詰まりを起こし易くなるので、オリフィス内径を詰らないようにある程度の大きさに設定する必要がある。

ところが、目詰まりを起こさない程度の大きさの内径に設定すると、オリフィスを通過した圧縮空気とドレンの混合流体が、ドレン排出配管内で乱流となって排出音が著しく大きくなるという問題点があった。空気圧縮機のドレン排出系統の配管において、ドレン排出の際に大気に放気される圧縮空気は、臨界圧力比（下流圧力/上流圧力≦0.528 乾燥空気）に達するため音速になる。そのため、空気の乱れによる乱流層（レイノズル数≧3000）が生じ、大きな騒音が発生する。

また、自動ドレン排出制御弁を用いた場合、圧縮機の連続負荷運転時にはこの弁が頻繁に開閉することになり、大きな騒音を発することになる。したがって、負荷運転時の騒音にドレン排出時の排出音が加算されることになって騒音が増大し、製品の品質低下につながるなどの問題があった。

特開２００４−１９４４３号公報 特開平１１−３２５６５５号公報

この改善策として、ドレン排出系統にサイレンサー（消音器）を設ける方法がある。特許文献１には、ドレンセパレータの底部にドレン排出装置が設けられ、ドレン排出装置にオリフィスと消音器が設けられ、ドレンが消音器に内蔵するエレメントを通過するように構成されている。また、騒音低減に関するものとして、空気調和機の分野の冷凍サイクルで、配管を流れる冷媒の騒音を低減するために消音器が設けられた構成が特許文献２に示されている。

しかしながら、引用文献１では、通過する圧縮空気やドレンに含まれる塵によって消音器のエレメントが目詰まりを起こし、常時ドレンを放出する場合には長期間の使用に耐えないという問題がある。また、従来からある音波干渉型、膨張型、防音材型、共鳴型のいずれの消音器も、取付スペースが大きくなると共に消音能力に限界があり、さらに、放気量や差圧に応じて消音能力を変えることが容易にできない。また、特許文献２では、消音する対象が冷媒であるため外部（大気）に放出されず、圧縮機のような大きなレベルの騒音を発するものではなく、また冷媒によって目詰まりを起こす等の課題もない。

本発明は、オリフィスが圧縮空気やドレンに含まれる塵によって目詰まりを起こすことなく、圧縮空気やドレンの流体の乱流層を層流層（レイノズル数＜3000、整流および均質化し）へ近づけるようにして、層流または弱い乱流境界層を保持することにより騒音を低減することを目的とする。

本発明は、従来の課題を解決するため、圧縮機本体から吐出された圧縮空気をクーラで冷却することにより発生するドレンと圧縮空気の流体を放気する放気部の消音装置であって、
前記クーラ内のドレンと圧縮空気を放気部に導くオリフィスを前記ドレン配管に設け、前記オリフィスを通過したドレンと圧縮空気の流体を整流して外気に放出する細管が複数並行に形成された消音器を前記放気部に設けたことを特徴とする。

前記消音器は細管を連通させて複数直列に接続して構成されても良い。前記消音器は細管の断面が多角形に形成されても、丸形に形成されても良い。前記消音器は各細管の内径が前記オリフィスの内径より大きく設定される。さらに、前記消音器の入口のドレンと圧縮空気の流体のレイノルズ数が３０００〜１５０００であることを特徴とする。

本発明は、従来の課題を解決するため、圧縮機本体と、前記圧縮機本体から吐出された圧縮空気を冷却するクーラと、前記クーラ内のドレンと圧縮空気を導くドレン配管と、前記ドレン配管に連通しドレンと圧縮空気の流体を大気に放出する放気部を備え、
前記ドレン配管にオリフィスを設け、前記放気部に前記オリフィスを通過したドレンと圧縮空気の流体を整流して外気に放出する細管が複数並行に形成された消音器を設けたことを特徴とする。

また、前記圧縮機本体は２段の圧縮器からなり、前記クーラは１段と２段の圧縮機から吐出された圧縮空気をそれぞれ冷却するインタークーラとアフタークーラからなり、前記インタークーラの放気部に一個の消音器を設け、前記アフタークーラの放気部に複数の消音器を直列接続して設けたことを特徴とする。

本発明によれば、圧縮機のクーラ内のドレンと圧縮空気の流体を放気するに際し、オリフィスと細管を複数束ねたハニカム構造の消音器を組合わせた簡単な構成で、流体の放気騒音を効果的に低減することができる。

本発明実施例の圧縮機の内部構成と放気部の接続関係の説明図である。 オリフィスと放気部の接続および消音器の構造を示す説明図である。 直列に２段接続した消音器の説明図である。 細管の断面が多角形の消音器の断面図である。 細管の断面が丸形の消音器の断面図である。 オリフィス内径を変化させた場合の最大流量とレイノルズ数の説明図である。 管の摩擦係数を示すムーディ線図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例について説明する。図１は、本発明実施例の圧縮機の内部構成と放気部の接続関係の説明図である。

図１において、１は吸込みから吸込んだ空気を圧縮する１段圧縮機本体、２は１段圧縮機本体１から吐出された圧縮空気を吸い込んで、更に高圧に圧縮する２段圧縮機本体である。１段圧縮機本体１から吐出された圧縮空気はインタークーラ６を経由して冷却された後、２段圧縮機本体２で圧縮され、２段圧縮された空気はアフタークーラ８に供給されて冷却された後、吐出口１０から負荷側（図示せず）に供給される。

３はギアを収納するギアケーシング、４は各１段と２段の圧縮機を駆動する増速ギア、５は増速ギアを駆動するモータ、７はアフタークーラ８に供給される圧縮空気の逆止弁、９は吐出口１０付近に設けられた安全弁である。

１１はインタークーラ６のドレン配管に設けられた逆止弁、１２はインタークーラ６のドレン配管に設けられドレンの排出を制御するドレン電磁弁、１３はドレン配管１４の途中に設けられたオリフィスである。アフタークーラ８についても同様にドレン配管１５の途中にドレン電磁弁１２とオリフィス１３が設けられている。

１６はインタークーラ６で発生したドレンを圧縮空気と共に外気（大気）に放気する放気部で、ドレン配管１４とドレン配管１７を接続することによりインタークーラ１６に連通される。１８はアフタークーラ８で発生したドレンと圧縮空気の流体を外気（大気）に放気する放気部で、ドレン配管１５とドレン配管１９を接続することによりアフタークーラ８に連通される。

上記構成において、アフタークーラ８内の圧縮空気は１段と２段の圧縮機本体により圧縮されるので、アフタークーラ８内のドレンと圧縮空気の流体の圧力は、１段の圧縮機本体により圧縮されるインタークーラ６内の圧縮空気とドレンの流体の圧力より大きな圧力（約２倍以上の圧力）となる。

図１は圧縮機として２段の圧縮機本体を用いているが、１段（単段）の圧縮機本体を用いることもできる。この場合、図１の２段の圧縮機本体２、アフタークーラ８および放気部１８で構成される。

図２に、オリフィスと消音器からなる消音装置を示し、インタークーラ６に接続される放気部１６について説明する。図１と同一部分には同一符号を付して示す。ドレン配管１４の途中に内径を絞ったオリフィス１３が設けられ、ドレン配管１４と放気部１６側のドレン配管１７を接続することで、ドレン管１４を放気部１６に連通させる。

２１は放気部１６内に設けられた流体の浄化フィルタ、２２は浄化フィルタを通過した流体が流れ込む圧力室である。なお、浄化フィルタ２１は無くとも良い。２３は圧力室２２から直線に延びる複数の細管、２４はこの細管２３を複数並行に形成されたハニカム構造の消音器である。各細管２３は、両端が開口しており、一方端が圧力室２２に臨んで開口して他方端が外気に開口し、圧力室２２から流入した流体を層流となるように案内し、外気に放出する。

消音器２４を構成する各細管２３は、図４に示すように断面が多角形（六角形）２９、または、図５に示すように断面が丸形（円形）３０に形成される。消音器２４は流体の流れ方向の寸法がＬ（円筒径の２倍以上）の円筒形に形成され、円筒形の内部に軸方向に複数の細管２３が形成される。消音器２４は、例えばＳＬＳ（Selective Laser Sintering）の技法により、粉末状の樹脂素材をレーザによって選択的に溶融して焼結させ、３Ｄプリンタで立体的に積層することで、外径が円筒形で内部に複数細管２３がハニカム構造に形成される。

Ｌ１は複数の細管２３が実質的に配列される領域の直径で例えばφ２３に設定され、Ｌ２は六角形の細管２３の開口幅で例えば２．４ｍｍに設定され、Ｌ３は壁厚で例えば０．３５ｍｍに設定され、Ｓ１は細管の断面積で例えば５．０９ｍｍ^２に設定される。細管の断面積Ｓ１は直径Ｌ１の外周付近でより小さな面積となる。上記寸法設定において、全細管の断面積の開口率（各細管の断面積の合計／直径Ｌ１の円の面積）は例えば７５％以上となる。この開口率は、細管の断面が丸型と比べ六角形の場合、より大きくすることができる。また、細管の断面が丸型の場合、強度が強くなるので、壁厚を薄くすることができる。

上記構成によれば、各細管２３の内径（断面開口幅）は２．４ｍｍで、前記オリフィス１３の内径（例えばφ１．７）より大きく設定される。したがって、オリフィスを通過したごみ等の大きさが１．７ｍｍより小さなものとなるので、通過したごみ等が細管２３で詰ることはない。

次に、図２を用いて、インタークーラ６内の圧縮空気とドレンの流体が放気部１６から放気される場合について説明する。オリフィス１３から出力される乱流を含む流体がドレン配管１４、１７を流れ、ドレン配管１７から浄化フィルタを経由して圧力室２２に流れ込む。流体は圧力室２２に臨んで開口する各細管２３の一方端から分流し、各細管内で層流となって流れ、他方端の開口から外気に放出される。上記寸法の消音器２４によれば、細管２３の他方端の開口のレイノルズ数は、ドレン配管１７（オリフィス１３の出口）でのレイノルズ数の約半分となる。

このように、本実施例ではオリフィス１３および消音器２４によって、放気部１６の消音装置が構成され、オリフィス１３の内径と消音器を構成する細管の寸法の組み合わせによってはじめて、インタークーラからのドレンと圧縮空気の流体の騒音を低減するものである。

図３に消音器を２段接続した例を示す。消音器２４と同一寸法で同一構造の２個の消音器２６、２７をフランジ２８で直列に接続して構成する。接続部分では両消音器の２組の細管同士が直列に連通して接続され、細管の長さが消音器２４の細管の２倍の長さとなる。ドレンと圧縮空気の流体は、２倍の長さの細管を流れるので、層流効果は一層大きくなり、１段目の消音器でレイノルズ数が約半分に低減され、２段目の消音器でさらにその約半分のレイノルズ数に低減される、従って、消音器２７の出口のレイノルズ数は、１段目の消音器２６の入口（オリフィス１３の出口）のレイノルズ数の約１／４に低減される。消音器２６、２７は、直列に接続された状態で放気部１８内に設けられる。

前述したように、アフタークーラ８で発生する圧縮空気は２段に圧縮されているので、インタークーラ６で発生するドレンと圧縮空気の流体の圧力より大きな圧力（約２倍以上の圧力）となり、大きな騒音の原因となる。このため、消音効果の大きい図３の消音器は、アフタークーラ８の放気部１８に設けられる。

なお、前述したように、１段（単段）の圧縮機本体で圧縮機を構成する場合、図１の２段の圧縮機本体２、アフタークーラ８および放気部１８をもちいるが、圧縮機の吐出圧力が１段分の圧力なので、消音器は図２に示す１段の消音器２４で良い。

このように、アフタークーラ８の関係では、オリフィス１３およびと消音器２６、２７によって放気部１８の消音装置が構成され、オリフィス１３の内径と消音器２６、２７を構成する細管の寸法の組み合わせによってはじめて、アフタークーラ８からのドレンと圧縮空気の流体の騒音を低減するものである。

図１において、モータ５が駆動されると、ギア４を介して１段と２段の圧縮機本体１、２が駆動される。１段の圧縮機本体１で圧縮された圧縮空気はインタークーラ６で冷却されるが、この冷却で凝縮された水分等のドレンがインタークーラ６の底部に溜まる。このドレンは適切に排出する必要があり、ドレン配管１４を伝わって流れ、ドレン電磁弁１２の開放制御により放気部１６からドレンと圧縮空気の流体が外気（大気）に放出される。

１段の圧縮機本体１で圧縮されインタークーラ６を経由した圧縮空気は、さらに２段の圧縮機本体２で圧縮されアフタークーラ８で冷却される．この冷却で凝縮された水分等のドレンがアフタークーラ８の底部に溜まる。このドレンはドレン配管１５を伝わって流れ、ドレン電磁弁１２の開放制御により放気部１８からドレンと圧縮空気の流体が外気（大気）に放出される。

この圧縮空気の放気量が大きいとドレンが良く排出されるが、反面、圧縮機の圧縮性能を低下させる。従って、圧縮性能低下を抑えるために、ドレン配管１４の途中に設けられたオリフィス１３によって、ドレンと圧縮空気の流体の放気を制限する。放棄を制限されたオリフィス１３から流体を直接外気に放気すると、流体に乱流層が生じて大きな騒音を発生する。このため、オリフィス１３の内径は、圧縮機の性能低下の防止と、騒音低減の観点から小さな寸法に設定されることが良い。しかし、オリフィス１３の内径は、絞り過ぎると塵によって目詰まりを起こす恐れがあるので、適切な寸法設定が必要である。

図６はオリフィスの内径を変化させた場合の、インタークーラとアフタークーラからのドレンと圧縮空気の流体のオリフィスから吐出する最大流量と、レイノルズ数の説明図である。クーラからのドレン排出時に圧縮空気の大気への放出量をなるべく低減することと、効率よく層流にして騒音低減を図る場合では、インタークーラ６からの大気放気量を６５％以上低減しなければならない。これを達成するには、ドレン配管１４のオリフィス１３の径（内径）をφ１．０に設定すると、レイノズル数が２６４０となって層流（Ｒｅ＜３０００）となるので、騒音の低減が期待できる。

しかし、このオリフィス内径では、ごみによるオリフィスの目詰り等の問題で採用することができず、また、ドレンの排出量が少なくて、実用的な排出量を確保することができない。オリフィス１３の径（内径）をφ０．７に設定するとレイノズル数が１２９４に減少して、より徹底した層流となり騒音が一層低減できるが、上記問題点により採用できない。

本実施例では、インタークーラ６とアフタークーラ８のドレン配管１４、１５のオリフィス１３の内径を共にφ１．７に設定している。この内径はオリフィスの目詰り等の問題を起こすことがなく、また、ドレンの実用的な排出量を確保することができる。そして、インタークーラ６のオリフィス１３の出口の流体についてみると、レイノルズ数が７６３１であり、また、アウタークーラ８のオリフィス１３の出口の流体についてみるとレイノルズ数が１４６０４である。なお、オリフィスが無い場合のφ１２は、ドレン配管１４、１５、１７、１９の内径を指している。

次に上記した内径φ１．７のオリフィスを用いたドレン配管に、消音器内蔵の放気部を接続した場合を説明する。インタークーラ６に接続された放気部１６には消音器２４が内蔵される。前述したように、消音器２４の出口のレイノルズ数は、消音器２４の入口側（オリフィス１３の出口）のレイノルズ数と比べて約半分となる。従って、オリフィス１３の出口流体のレイノルズ数が７６３１の場合、消音器２４の出口のレイノルズ数が約３８１５となる。このレイノルズ数３８１５は、層流に近い弱い乱流であって騒音が低減される。騒音レベルでは１００ｄＢ（Ａ）から９０ｄＢ（Ａ）に、１０ｄＢ（Ａ）以上の低減が可能である。

ここで、消音器２４の効果が発揮できるのは、消音器２４の入口側（オリフィス１３の出口）のレイノルズ数が約３０００〜７６３１である。すなわち、レイノルズ数が約３０００以下では層流のため騒音が小さく消音器を設置する必要がないので、レイノルズ数が約３０００以上で用いるのが良く、図６に示すレイノルズ数が７６３１までが効果が発揮できる。

アフタークーラ８に接続された放気部１８には消音器２６、２７が内蔵され、前述したように、消音器２７の出口のレイノルズ数が、１段目の消音器２６の入口側（オリフィス１３の出口）のレイノルズ数と比べて、約１／４となる。図６に示すように、アウタークーラ８のオリフィス１３の出口流体のレイノルズ数が１４６０４の場合、消音器２６、２７による流体の層流効果により消音器２７の出口のレイノルズ数が３６５１となる。このレイノルズ数３６５１は、層流に近い弱い乱流であって騒音が低減される。騒音レベルでは１００ｄＢ（Ａ）から９０ｄＢ（Ａ）に、１０ｄＢ（Ａ）以上の低減が可能である。

ここで、消音器２６、２７の効果が発揮できるのは、消音器２６の入口側（オリフィス１３の出口）のレイノルズ数が約３０００〜１５０００である。すなわち、レイノルズ数が約３０００以下では層流のため騒音が小さく消音器を設置する必要が無いので、レイノルズ数が約３０００以上で用い、約１５０００（測定値１４６０４）までが効果が発揮できる。

従って、インタークーラ６とアフタークーラ８のいずれも、消音器入口側のドレンと圧縮空気の流体のレイノルズ数が３０００〜１５０００が最も効果を発揮でき、騒音レベルでは１００ｄＢ（Ａ）から９０ｄＢ（Ａ）に、１０ｄＢ（Ａ）以上の低減が可能である。

また、本実施例によれば、部品数の増加を最小限に抑え、簡単な構成とすることにより、容易に加工することができる消音器が得られる。そして本実施例によれば、ドレンが排出される際に放気された空気が乱流状態となって流れる場合や、排出量が多い場合でも、オリフィスの口径やサイレンサーを直列に設けることで効果的に排出量を抑制し排出音を低減することができる消音器が得られる。

そして本実施例によれば、自動的にドレン排出制御弁を介して常時排出、または弁を常時微開するかオリフィスを用いたドレン排出状態の変動に影響されることなく、排出音の低減や排出量を抑制することのできる消音器が得られる。従来技術である、(1)音波干渉型(2)膨脹型(3)防音材(4)共鳴型等と比較すると、本実施例は、より低騒音化、コンパクト化が可能になり、消音器の取り付けスペースを省くことができ、製造コストを低減できるという効果がある。また、本実施例は、放気する差圧、排出量および時間に応じて細管の数、長さを増減して使い分けられるという利点がある。

消音器とオリフィスの組み合わせで、流れる流体のレイノズル数を３０００〜１５０００範囲として約１０ｄＢ（Ａ）以上の効果が期待できる。

１…１段の圧縮機本体、２…２段の圧縮機本体、６…インタークーラ、８…アフタークーラ、１０…吐出し口、１２…ドレン制御弁、１３…オリフィス、１４、１５、１７、１９ドレン配管、１６、１８…放気部、２３…細管、２４、２６、２７…消音器、Ｌ２…細管の内径。

Claims (7)

1. 圧縮機本体から吐出された圧縮空気をクーラで冷却することにより発生するドレンと圧縮空気の流体を放気する放気部の消音装置であって、
   前記クーラ内のドレンと圧縮空気を前記放気部に導くオリフィスをドレン配管に設け、
   前記オリフィスを通過したドレンと圧縮空気の流体を整流して外気に放出する細管が複数並行に形成された消音器を前記放気部に設け、
   前記消音器の各細管の内径が前記オリフィスの内径より大きく設定されたことを特徴とする放気部の消音装置。
2. 請求項１に記載の放気部の消音装置において、
   前記消音器は前記細管を複数直列に連通させて接続して構成されたことを特徴とする放気部の消音装置。
3. 請求項１または２に記載の放気部の消音装置において、
   前記消音器の入口のドレンと圧縮空気の流体のレイノルズ数が３０００〜１５０００であることを特徴とする放気部の消音装置。
4. 圧縮機本体と、前記圧縮機本体から吐出された圧縮空気を冷却するクーラと、前記クーラ内のドレンと圧縮空気を導くドレン配管と、前記ドレン配管に連通しドレンと圧縮空気の流体を大気に放出する放気部を備え、
   前記ドレン配管にオリフィスを設け、前記放気部に前記オリフィスを通過したドレンと圧縮空気の流体を整流して外気に放出する細管が複数並行に形成された消音器を設け、
   該消音器の各細管の内径が前記オリフィスの内径より大きく設定されたことを特徴とする消音装置を備えた圧縮機。
5. 請求項４に記載の消音装置を備えた圧縮機において、
   前記消音器は前記細管を連通させて複数の前記消音器を直列接続して構成されたことを特徴とする消音装置を備えた圧縮機。
6. 請求項４または５に記載の消音装置を備えた圧縮機において、
   前記消音器の入口のドレンと圧縮空気の流体のレイノルズ数が３０００〜１５０００であることを特徴とする消音装置を備えた圧縮機。
7. 請求項４に記載の消音装置を備えた圧縮機において、
   前記圧縮機本体は２段の圧縮機からなり、前記クーラは１段と２段の前記圧縮機から吐出された圧縮空気をそれぞれ冷却するインタークーラとアフタークーラからなり、前記インタークーラの前記放気部に一個の前記消音器を設け、前記アフタークーラの前記放気部に複数の前記消音器を直列接続して設けたことを特徴とする消音装置を備えた圧縮機。

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