JP6331239B2 - 熱回収システム - Google Patents

Description

本発明は、オイルフリー式の空気圧縮機で生じた圧縮熱を回収できる熱回収システムに関するものである。

従来、下記特許文献１の図２に開示されるように、圧縮機（２）からエアクーラ（８）への空気路（１２）に熱回収用熱交換器（９）を設ける一方、この熱回収用熱交換器（９）をバイパス路（２５）でバイパス可能とした熱回収システムが知られている。熱回収用熱交換器（９）では、圧縮空気と通水とを熱交換して、圧縮空気を冷却する一方、通水を加温できる。これにより、圧縮機（２）で生じた圧縮熱を、熱回収用熱交換器（９）において、給水タンク（５）への給水の加温に用いて、熱回収を図ることができる。

特開２０１２−８７６６４号公報

上述の熱回収システムをオイルフリー式の圧縮機に適用した場合、圧縮機から吐出される圧縮空気の温度は２００℃近くの高温であるため、熱回収用熱交換器への通水停止中に不都合を生じるおそれがある。すなわち、熱回収用熱交換器への通水停止中に圧縮機からの圧縮空気を熱回収用熱交換器に通すと、熱回収用熱交換器内に残った水を沸騰させるおそれがある。あるいは、熱回収用熱交換器の通水側に水がなければ、空焚き状態となり、熱回収用熱交換器における熱応力が増大し、熱回収用熱交換器を破損させるおそれがある。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、オイルフリー式の圧縮機の熱回収システムにおいて、熱回収用熱交換器内の水の沸騰を防止すると共に、空焚きによる熱回収用熱交換器における熱応力の増大とそれによる破損を防止することにある。

本発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、オイルフリー式の圧縮機からの圧縮空気を冷却するエアクーラと、前記圧縮機から前記エアクーラへの空気路に設けられ、圧縮空気と水とを熱交換して温水を製造する熱回収用熱交換器と、前記圧縮機から前記熱回収用熱交換器への熱交入口側空気路と、前記熱回収用熱交換器から前記エアクーラへの熱交出口側空気路とを接続するバイパス路と、前記バイパス路に設けられたバイパス弁と、前記バイパス路との分岐部よりも下流の前記熱交入口側空気路と、前記バイパス路との合流部よりも上流の前記熱交出口側空気路との内、前記熱交入口側空気路にのみに設けられた遮断弁と、を備え、（ｉ）前記熱回収用熱交換器への通水中、前記バイパス弁を閉止すると共に、前記遮断弁を開放し、（ｉｉ）前記熱回収用熱交換器への通水停止中、前記バイパス弁を開放すると共に、前記遮断弁を閉止することを特徴とする熱回収システムである。

請求項１に記載の発明によれば、熱回収用熱交換器への通水が停止中なのに熱回収用熱交換器へ圧縮空気が流入するのを防止して、熱回収用熱交換器内の水の沸騰を防止できると共に、空焚きによる熱回収用熱交換器における熱応力の増大とそれによる破損を防止できる。

さらに、請求項２に記載の発明は、前記圧縮機として、低段圧縮機と高段圧縮機とを備え、前記エアクーラとして、インタークーラとアフタークーラとを備え、前記熱回収用熱交換器として、第一熱回収用熱交換器と第二熱回収用熱交換器とを備え、前記低段圧縮機からの圧縮空気は、前記インタークーラを介して前記高段圧縮機へ送られ、前記高段圧縮機においてさらに圧縮された後、前記アフタークーラへ送られ、前記低段圧縮機から前記インタークーラへの空気路に、前記第一熱回収用熱交換器が設けられる一方、前記高段圧縮機から前記アフタークーラへの空気路に、前記第二熱回収用熱交換器が設けられ、前記第一熱回収用熱交換器と前記第二熱回収用熱交換器とには、設定順序で直列に水が通されるか、並列に水が通され、前記各熱回収用熱交換器について、前記バイパス路、前記バイパス弁および前記遮断弁を設けたことを特徴とする請求項１に記載の熱回収システムである。

請求項２に記載の発明によれば、二段のオイルフリー式圧縮機の各段の圧縮機について、上述した各請求項に記載の発明を適用することができる。

本発明によれば、オイルフリー式の圧縮機の熱回収システムにおいて、熱回収用熱交換器内の水の沸騰を防止すると共に、空焚きによる熱回収用熱交換器における熱応力の増大とそれによる破損を防止することができる。

本発明の熱回収システムの一実施例を示す概略図である。

以下、本発明の具体的実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施例の熱回収システム１を示す概略図である。

本実施例の熱回収システム１は、二段のオイルフリー式の空気圧縮機に適用される。この場合、圧縮機として、低段圧縮機２と高段圧縮機３とを備え、各圧縮機２，３からの圧縮空気を冷却するエアクーラとして、インタークーラ４とアフタークーラ５とを備える。低段圧縮機２からの圧縮空気は、インタークーラ４を介して高段圧縮機３へ送られ、高段圧縮機３においてさらに圧縮された後、アフタークーラ５へ送られる。アフタークーラ５を通過後の圧縮空気は、所望によりエアドライヤやエアタンクを介して、各種の圧縮空気利用機器へ送られる。

低段圧縮機２および高段圧縮機３は、典型的には、モータにより駆動されると共にギアにより連動して発停される。低段圧縮機２は、外気を吸入し圧縮して吐出し、高段圧縮機３は、低段圧縮機２からインタークーラ４を介した圧縮空気をさらに圧縮して吐出する。

インタークーラ４およびアフタークーラ５は、それぞれ、圧縮空気と冷却水とを混ぜることなく熱交換する間接熱交換器である。そのために、インタークーラ４およびアフタークーラ５の冷却水路４ａ，５ａには、冷却塔（クーリングタワー）との間で冷却水が循環される。この際、冷却塔からの冷却水は、インタークーラ４に通された後にアフタークーラ５に通されてもよいし、これとは逆に、アフタークーラ５に通された後にインタークーラ４に通されてもよい。あるいは、冷却塔からの冷却水は、インタークーラ４とアフタークーラ５とに並列に通されてもよい。

このような二段のオイルフリー式の空気圧縮機において、本実施例の熱回収システム１は、各段の圧縮機２（３）からの圧縮空気をエアクーラ４（５）に通す前に熱回収用熱交換器６（７）に通して、圧縮熱を回収可能に構成される。具体的には、本実施例の熱回収システム１は、各段の圧縮機２，３で生じた圧縮熱を熱回収用熱交換器６，７において通水の加温に用いて、圧縮熱を回収する。熱回収用熱交換器として、第一熱回収用熱交換器６と第二熱回収用熱交換器７とを備える。第一熱回収用熱交換器６は、低段圧縮機２からインタークーラ４への第一空気路８に設けられ、第二熱回収用熱交換器７は、高段圧縮機３からアフタークーラ５への第二空気路９に設けられる。

第一熱回収用熱交換器６および第二熱回収用熱交換器７は、それぞれ、圧縮空気と水とを混ぜることなく熱交換する間接熱交換器である。そのために、第一熱回収用熱交換器６および第二熱回収用熱交換器７の通水路には、給水源（たとえば軟水器）から給水タンク１０への給水が、給水路１１を介して通される。この際、給水源からの水は、図示例のように、第二熱回収用熱交換器７に通された後に第一熱回収用熱交換器６に通されてもよいし、これとは逆に、第一熱回収用熱交換器６に通された後に第二熱回収用熱交換器７に通されてもよい。あるいは、給水源からの水は、第一熱回収用熱交換器６と第二熱回収用熱交換器７とに並列に通されてもよい。いずれにしても、各熱回収用熱交換器６，７において、圧縮空気と水とを熱交換して、圧縮空気を水で冷却できる一方、水を圧縮空気で加温できる。なお、給水タンク１０内の貯留水は、その用途を特に問わないが、たとえばボイラへの給水として用いられる。

各熱回収用熱交換器６，７について、圧縮空気の入口側と出口側とが、バイパス路１２，１３で接続される。具体的には、低段圧縮機２から第一熱回収用熱交換器６への第一熱交入口側空気路８ａと、第一熱回収用熱交換器６からインタークーラ４への第一熱交出口側空気路８ｂとが、第一バイパス路１２で接続される。同様に、高段圧縮機３から第二熱回収用熱交換器７への第二熱交入口側空気路９ａと、第二熱回収用熱交換器７からアフタークーラ５への第二熱交出口側空気路９ｂとが、第二バイパス路１３で接続される。

各バイパス路１２，１３には、バイパス弁１４，１５が設けられる。具体的には、第一バイパス路１２には、第一バイパス弁１４が設けられる一方、第二バイパス路１３には、第二バイパス弁１５が設けられる。

また、本実施例では、各熱回収用熱交換器６，７について、バイパス路１２，１３との分岐部（接続部）よりも下流の熱交入口側空気路８ａ，９ａに、遮断弁１６，１７が設けられる一方、バイパス路１２，１３との合流部（接続部）よりも上流の熱交出口側空気路８ｂ，９ｂには、遮断弁は設けられない。具体的には、第一バイパス路１２との分岐部よりも下流の第一熱交入口側空気路８ａに、第一遮断弁１６が設けられる一方、第一バイパス路１２との合流部よりも上流の第一熱交出口側空気路８ｂには、遮断弁は設けられない。また、第二バイパス路１３との分岐部よりも下流の第二熱交入口側空気路９ａに、第二遮断弁１７が設けられる一方、第二バイパス路１３との合流部よりも上流の第二熱交出口側空気路９ｂには、遮断弁は設けられない。

給水路１１を介した給水タンク１０への給水の有無または流量は、変更可能である。本実施例では、給水路１１には、各熱回収用熱交換器６，７よりも上流に、給水弁１８が設けられている。給水弁１８の開閉を切り替えることで、各熱回収用熱交換器６，７への通水の有無、ひいては給水タンク１０への給水の有無を切り替えることができる。また、給水弁１８の開度を調整することで、各熱回収用熱交換器６，７への通水流量、ひいては給水タンク１０への給水流量を調整することができる。但し、このような給水弁１８の制御に代えてまたはこれに加えて、給水路１１に給水ポンプを設けて、その給水ポンプの発停または回転数を制御してもよい。

ところで、高段圧縮機３から圧縮空気が供給されるエアタンク（場合により管路でもよい）に圧力センサ（図示省略）を設けることで、圧縮空気の使用負荷を監視することができる。一方、給水タンク１０に水位センサ１９を設けることで、給水タンク１０内の温水の使用負荷を監視することができる。

また、給水タンク１０への給水路１１の内、各熱回収用熱交換器６，７よりも下流に温度センサ２０を設けることで、給水タンク１０への給水温度を監視することができる。さらに、給水路１１に流量計２１を設けることで、各熱回収用熱交換器６，７への通水流量、ひいては給水タンク１０への給水流量を監視することができる。図示例では、給水弁１８のすぐ下流に、流量計２１が設けられている。

次に、本実施例の熱回収システム１の制御について説明する。以下に述べる一連の制御は、図示しない制御器により実行される。つまり、制御器は、圧縮機（より具体的にはそのモータ）２，３、バイパス弁１４，１５、遮断弁１６，１７、給水弁１８の他、前述した圧力センサ、水位センサ１９、温度センサ２０および流量計２１などに接続されており、各センサ１９〜２１の検出信号などに基づき圧縮機２，３および各弁１４〜１８などを制御する。

制御器は、圧縮機２，３の作動条件を満たすか否かと、熱回収用熱交換器６，７への通水条件を満たすか否かとに基づき、圧縮機２，３および各弁１４〜１８などを制御する。

圧縮機２，３の作動条件を満たすか否かは、典型的には、高段圧縮機３からの圧縮空気が供給されるエアタンク（または管路）の空気圧に基づき判定される。具体的には、前記圧力センサの検出信号に基づき、エアタンク内の圧力が下限圧力を下回れば、圧縮機２，３の作動条件を満たすと判定する一方、エアタンク内の圧力が上限圧力を上回れば、圧縮機２，３の作動条件を満たさないと判定する。なお、圧縮機２，３の作動中、負荷に応じて圧縮機２，３を容量制御してもよい。

熱回収用熱交換器６，７への通水条件を満たすか否かは、典型的には、給水タンク１０内の水位に基づき判定される。具体的には、水位センサ１９の検出信号に基づき、給水タンク１０内の水位が下限水位を下回れば、通水条件を満たすと判定する一方、給水タンク１０内の水位が上限水位を上回れば、通水条件を満たさないと判定する。

制御器は、圧縮機２，３の作動条件を満たすと判定すると、圧縮機２，３を作動する一方、圧縮機２，３の作動条件を満たさないと判定すると、圧縮機２，３を停止する。そして、圧縮機２，３の作動中、熱回収用熱交換器６，７への通水条件を満たすと判定すると、熱回収用熱交換器６，７に通水する一方、熱回収用熱交換器６，７への通水条件を満たさないと判定すると、熱回収用熱交換器６，７への通水を停止する。熱回収用熱交換器６，７への通水中、バイパス弁１４，１５を閉じて遮断弁１６，１７を開ける一方、熱回収用熱交換器６，７への通水停止中、バイパス弁１４，１５を開けて遮断弁１６，１７を閉じる。

具体的には、制御器は、圧縮機２，３の作動条件を満たし、且つ熱回収用熱交換器６，７への通水条件を満たすと判定する場合、圧縮機２，３を作動させると共に、給水弁１８を開いて熱回収用熱交換器６，７に通水する。これにより、圧縮空気が製造されると共に、給水路１１を介して給水タンク１０へ給水される。この際、バイパス弁１４，１５を閉じる一方、遮断弁１６，１７を開ける。従って、低段圧縮機２からの圧縮空気は、第一バイパス路１２を通らず第一熱回収用熱交換器６を介してインタークーラ４へ送られ、高段圧縮機３にてさらに圧縮された後、第二バイパス路１３を通らず第二熱回収用熱交換器７を介してアフタークーラ５へ送られる。

給水タンク１０への給水は、熱回収用熱交換器６，７において、圧縮空気と熱交換して、圧縮空気を冷却する一方、自身は加温される。温度センサ２０の検出温度に基づき給水弁１８の開度を調整すれば、給水タンク１０への給水温度を調整することができる。なお、熱回収用熱交換器６，７において圧縮空気を所定温度まで冷却できない場合、熱回収用熱交換器６，７よりも圧縮空気流の下流に設けられたエアクーラ（インタークーラ４またはアフタークーラ５）において、各段の圧縮空気は所定温度まで冷却される。

一方、制御器は、圧縮機２，３の作動条件を満たすが、熱回収用熱交換器６，７への通水条件を満たさないと判定する場合、圧縮機２，３を作動させるが、給水弁１８を閉じて熱回収用熱交換器６，７への通水を停止する。これにより、圧縮空気が製造されるが、給水路１１を介した給水タンク１０への給水は停止される。この際、バイパス弁１４，１５を開ける一方、遮断弁１６，１７を閉じる。従って、低段圧縮機２からの圧縮空気は、第一熱回収用熱交換器６を通らず第一バイパス路１２を介してインタークーラ４へ送られ、高段圧縮機３にてさらに圧縮された後、第二熱回収用熱交換器７を通らず第二バイパス路１３を介してアフタークーラ５へ送られる。この場合、エアクーラ（インタークーラ４またはアフタークーラ５）において、各段の圧縮空気は所定温度まで冷却される。

また、制御器は、圧縮機２，３の作動条件を満たさないと判定する場合、熱回収用熱交換器６，７への通水条件を満たすか否かに関わらず、圧縮機２，３を停止すると共に、給水弁１８を閉じて熱回収用熱交換器６，７への通水を停止する。これにより、圧縮空気の製造が停止されると共に、給水路１１を介した給水タンク１０への給水も停止される。なお、圧縮機２，３の作動条件を満たさないが、熱回収用熱交換器６，７への通水条件を満たす場合、給水タンク１０には、図示しない別の給水系統から給水可能としてもよい。あるいは、圧縮機２，３が停止しているので熱回収用熱交換器６，７において給水の加温はできないが、給水路１１を介して給水タンク１０へ給水可能としてもよい。

ところで、圧縮機２，３からの圧縮空気を、熱回収用熱交換器６，７に通すかバイパス路１２，１３に通すかを切り替える際、次のように制御するのが好ましい。すなわち、圧縮機２，３からの圧縮空気を熱回収用熱交換器６，７に通している最中、バイパス路１２，１３に通すよう切り替える際には、バイパス弁１４，１５を開けてから遮断弁１６，１７を閉じるのがよい。逆に、圧縮機２，３からの圧縮空気をバイパス路１２，１３に通している最中、熱回収用熱交換器６，７に通すよう切り替える際には、遮断弁１６，１７を開けてからバイパス弁１４，１５を閉じるのがよい。

より具板的には、圧縮機２，３の作動中、バイパス弁１４，１５を閉じると共に遮断弁１６，１７を開けた状態で、熱回収用熱交換器６，７への通水状態にある場合において、その通水状態から通水停止状態へ切り替える際、先にバイパス弁１４，１５を開けてから、遮断弁１６，１７を閉じるのがよい。同様に、圧縮機２，３の作動中、遮断弁１６，１７を閉じると共にバイパス弁１４，１５を開けた状態で、熱回収用熱交換器６，７への通水停止状態にある場合において、その通水停止状態から通水状態へ切り替える際、先に遮断弁１６，１７を開けてから、バイパス弁１４，１５を閉じるのがよい。熱回収用熱交換器６，７への通水状態と通水停止状態とを切り替える際、熱回収用熱交換器６，７経由とバイパス路１２，１３経由との双方に一時的に圧縮空気が流れるよう制御することで、弁の動作遅れによる不都合、具体的には圧縮空気の流れの遮断による圧縮機２，３の不具合を防止することができる。

また、圧縮機２，３からの圧縮空気をバイパス路１２，１３に通すと共に熱回収用熱交換器６，７への通水を停止した熱回収停止状態と、圧縮機２，３からの圧縮空気を熱回収用熱交換器６，７に通すと共に熱回収用熱交換器６，７への通水を実行した熱回収実行状態とを切り替える際、次のように制御するのが好ましい。すなわち、熱回収停止状態から熱回収実行状態へ切り替える際には、熱回収用熱交換器６，７への通水を開始してから、熱回収用熱交換器６，７への圧縮空気の供給を開始するのがよい。逆に、熱回収実行状態から熱回収停止状態へ切り替える際には、熱回収用熱交換器６，７への圧縮空気の供給を停止してから、熱回収用熱交換器６，７への通水を停止するのがよい。

より具体的には、圧縮機２，３の作動中、バイパス弁１４，１５を開けると共に遮断弁１６，１７を閉じた状態で、熱回収用熱交換器６，７への通水停止状態にある場合において、その通水停止状態から通水状態へ切り替える際、給水弁１８を開けて熱回収用熱交換器６，７への通水を開始してから遮断弁１６，１７を開くのが好ましい。特に、給水弁１８を開いて、流量計２１で所定流量以上の通水を確認してから、遮断弁１６，１７を開くのが好ましい。これにより、熱回収用熱交換器６，７への通水が停止中なのに熱回収用熱交換器６，７へ圧縮空気が流入するのを防止して、熱回収用熱交換器６，７内の水の沸騰を防止できると共に、空焚きによる熱回収用熱交換器６，７における熱応力の増大とそれによる破損を防止できる。同様の理由で、圧縮機２，３の作動中、バイパス弁１４，１５を閉じると共に遮断弁１６，１７を開けた状態で、熱回収用熱交換器６，７への通水状態にある場合において、その通水状態から通水停止状態へ切り替える際、バイパス弁１４，１５を開ける一方、遮断弁１６，１７を閉じてから、給水弁１８を閉じて熱回収用熱交換器６，７への通水を停止するのが好ましい。

本発明の熱回収システム１は、前記実施例（変形例を含む）の構成に限らず適宜変更可能である。たとえば、前記実施例では、インタークーラ４およびアフタークーラ５は、圧縮機２，３からの圧縮空気を、冷却塔との間の循環水で冷却する水冷式としたが、インタークーラ４とアフタークーラ５との内、一方または双方は空冷式としてもよい。インタークーラ４および／またはアフタークーラ５を空冷式とする場合、その空冷式熱交換器において、圧縮機２，３からの圧縮空気をファンによる通風で冷却することになる。つまり、空冷式熱交換器において、圧縮機２，３からの圧縮空気と、ファンによる通風とを、混ぜることなく間接熱交換させてもよい。

また、前記実施例では、熱回収用熱交換器６，７に、ボイラの給水タンク１０への給水を通して、ボイラの給水の予熱を図る例を示したが、熱回収用熱交換器６，７に通す水の用途はこれに限らず適宜変更可能である。また、熱回収用熱交換器６，７への通水条件の有無は、場合により、熱回収用熱交換器６，７を通過後の温水を用いる温水使用設備からの信号を利用してもよい。

さらに、前記実施例において、圧縮機２，３の段数は、適宜に変更可能である。たとえば、単段の圧縮機であってもよい。その場合、前記実施例において、二つの圧縮機２，３の内の一方の設置を省略し、それに伴い、その圧縮機２（３）の直後に設置された熱回収用熱交換器６（７）とエアクーラ４（５）の設置を省略すればよい。たとえば、図１において、高段圧縮機３、第二熱回収用熱交換器７およびアフタークーラ５の設置を省略することができる。逆に、図１において、圧縮機を三段以上としてもよく、それに伴い、圧縮機２（３）、熱回収用熱交換器６（７）およびエアクーラ４（５）のセットの設置台数を増やせばよい。そして、追加された熱回収用熱交換器についても、バイパス路、バイパス弁および遮断弁が設けられ、前記実施例と同様に制御される。

１ 熱回収システム
２ 低段圧縮機
３ 高段圧縮機
４ インタークーラ（エアクーラ）
５ アフタークーラ（エアクーラ）
６ 第一熱回収用熱交換器
７ 第二熱回収用熱交換器
８ 第一空気路（８ａ：第一熱交入口側空気路、８ｂ：第一熱交出口側空気路）
９ 第二空気路（９ａ：第二熱交入口側空気路、９ｂ：第二熱交出口側空気路）
１０ 給水タンク
１１ 給水路
１２ 第一バイパス路
１３ 第二バイパス路
１４ 第一バイパス弁
１５ 第二バイパス弁
１６ 第一遮断弁
１７ 第二遮断弁
１８ 給水弁
１９ 水位センサ
２０ 温度センサ
２１ 流量計

Claims (2)

1. オイルフリー式の圧縮機からの圧縮空気を冷却するエアクーラと、
   前記圧縮機から前記エアクーラへの空気路に設けられ、圧縮空気と水とを熱交換して温水を製造する熱回収用熱交換器と、
   前記圧縮機から前記熱回収用熱交換器への熱交入口側空気路と、前記熱回収用熱交換器から前記エアクーラへの熱交出口側空気路とを接続するバイパス路と、
   前記バイパス路に設けられたバイパス弁と、
   前記バイパス路との分岐部よりも下流の前記熱交入口側空気路と、前記バイパス路との合流部よりも上流の前記熱交出口側空気路との内、前記熱交入口側空気路にのみに設けられた遮断弁と、を備え、
   （ｉ）前記熱回収用熱交換器への通水中、前記バイパス弁を閉止すると共に、前記遮断弁を開放し、
   （ｉｉ）前記熱回収用熱交換器への通水停止中、前記バイパス弁を開放すると共に、前記遮断弁を閉止する
   ことを特徴とする熱回収システム。
2. 前記圧縮機として、低段圧縮機と高段圧縮機とを備え、
   前記エアクーラとして、インタークーラとアフタークーラとを備え、
   前記熱回収用熱交換器として、第一熱回収用熱交換器と第二熱回収用熱交換器とを備え、
   前記低段圧縮機からの圧縮空気は、前記インタークーラを介して前記高段圧縮機へ送られ、前記高段圧縮機においてさらに圧縮された後、前記アフタークーラへ送られ、
   前記低段圧縮機から前記インタークーラへの空気路に、前記第一熱回収用熱交換器が設けられる一方、前記高段圧縮機から前記アフタークーラへの空気路に、前記第二熱回収用熱交換器が設けられ、
   前記第一熱回収用熱交換器と前記第二熱回収用熱交換器とには、設定順序で直列に水が通されるか、並列に水が通され、
   前記各熱回収用熱交換器について、前記バイパス路、前記バイパス弁および前記遮断弁を設けた
   ことを特徴とする請求項１に記載の熱回収システム。