JP6607960B2 - 気体圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮機本体が気体を圧縮する際に発生する廃熱を回収可能な気体圧縮機に関する。

例えば、工場等の動力源となる圧縮空気といった圧縮気体を生成する気体圧縮機は、圧縮機本体による気体圧縮時に多大な熱を発生する。以下、空気圧縮機を例として述べる。一般に、高温となった圧縮空気の熱（廃熱）は、空気圧縮機の出口から吐出される空気の昇温分の熱量を除き、熱交換器を介して圧縮空気と冷却液（例えば、水等）との熱交換を行い、冷却塔で冷却水から大気に放熱することによって捨てられている。

一方、近年、ＣＯ_２削減・省エネルギー推進が注目されている。例えば下記特許文献１に記載のスクリュー圧縮機（空気圧縮機）は、圧縮機本体で発生した高温の圧縮空気を空気冷却器（熱交換器）を介して冷却水と熱交換を行い、熱せられた冷却水のエネルギーを顧客へ提供し、浴用や温水プールの熱源として使用している。

特開平１−３１５６９０号公報

しかしながら、従来の一般的な空気圧縮機では、圧縮機本体が配置されている筐体の外部に廃熱回収用熱交換器を設置し、この廃熱回収用熱交換器で熱交換を行うことによって、廃熱の回収が行われる構造が採用されている。したがって、廃熱回収用熱交換器の設置位置によっては、圧縮空気が流通する空気配管の長さが長くなり、空気の圧力損失が増大してしまう。このため、必要以上に空気を圧縮しなければならず、圧縮機本体の駆動源としての主電動機の出力が大きくなる可能性等がある。

本発明は、前記した事情等に鑑みなされたものであり、圧縮機本体が気体を圧縮する際に発生する廃熱を回収可能な気体圧縮機において、より効率的に省エネルギー化を図ることを課題とする。

上記課題を解決するために、例えば、請求の範囲に記載の構成を適用する。即ち筐体と、前記筐体内に配置されている圧縮機本体とを備え、前記圧縮機本体が発生する廃熱の利用側から送られる廃熱回収液と、前記圧縮機本体から吐き出される圧縮気体との熱交換を行う廃熱回収用熱交換器が、前記筐体内に配置されており、前記筐体は、前記圧縮機本体および前記廃熱回収用熱交換器が設置されているベースと、前記圧縮機本体および前記廃熱回収用熱交換器を覆うように前記ベース上に設置された箱型のカバーとを有し、外部から送られる冷却液と前記圧縮機本体から吐出される圧縮気体との熱交換を行う冷却用熱交換器が、前記筐体内に配置されており、前記廃熱回収液が流通する廃熱回収液配管と、前記冷却液が流通する冷却液配管とは、別々に独立した経路として前記筐体内に配置されており、前記圧縮機本体は、第１段圧縮機本体と、前記第１段圧縮機本体に対して空気の流れの下流側に配置されている第２段圧縮機本体とを有し、前記廃熱回収用熱交換器は、前記第１段圧縮機本体と前記第２段圧縮機本体との間に配置されている中間段廃熱回収用熱交換器と、前記第２段圧縮機本体の吐出側に配置されている吐出段廃熱回収用熱交換器とを有し、前記廃熱回収液配管は、前記中間段廃熱回収用熱交換器と前記吐出段廃熱回収用熱交換器とに対応して別々に独立した経路として前記筐体内にそれぞれ設けられている気体圧縮機である。

本発明の一側面によれば、圧縮機本体が気体を圧縮する際に発生する廃熱を回収可能な気体圧縮機において省エネルギー化を効率的に図ることができる。
本発明の他の課題・構成・効果は、以下の記載から明らかになる。

本発明を適用した一実施形態に係る空気圧縮機の概略構成を示す模式図である。 （ａ）は、図１に示す廃熱回収用熱交換器の概略縦断面図、（ｂ）は、同左側面図、（ｃ）は、同右側面図である。 （ａ）は、図１に示す冷却用熱交換器の概略縦断面図、（ｂ）は、同左側面図、（ｃ）は、同右側面図である。

本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
なお、以下に示す各図において、共通する部分には同一の参照符号を付し、重複した説明を適宜省略する場合がある。

図１は、本発明の一実施形態に係る空気圧縮機１００の概略構成を示す模式図である。
本実施形態では、空気圧縮機１００が水冷式のパッケージ型二段オイルフリースクリュー圧縮機に適用される場合について説明する。

図１に示すように、空気圧縮機１００は、筐体１と、筐体１内に配置されている圧縮機本体２と、を備えている。
筐体１は、図示省略するが、圧縮機本体２等の各機器が設置されているベースと、圧縮機本体２等の各機器を覆うようにベース上に設置された金属等の複数のパネルで構成されている箱型のカバーを有しており、防音性能に優れたものである。

圧縮機本体２は、図示しない雄ロータ及び雌ロータの一対のスクリューロータを備えている。圧縮機本体２は、図示省略するが、筐体１内に配置されている主電動機によって、例えば動力伝達機構を介して駆動されるように構成されている。なお、動力は電動機に限るものではなく、内燃機関等であってもよい。

圧縮機本体２は、本実施形態では、空気の流れの上流側に配置されている第１段圧縮機本体２１と、第１段圧縮機本体２１に対して空気の流れの下流側に配置されている第２段圧縮機本体２２とを有する。

本実施形態の空気圧縮機１００はオイルフリースクリュー圧縮機であるため、油や水といった液体を圧縮作動室に注入する給液式の空気圧縮機と異なり、空気圧縮時に発生する熱によって圧縮機本体２が特に発熱する傾向にある。そして、圧縮した後の空気は高温であるから、これを圧縮空気の需要元が使用するには適さない場合もある。このため、空気圧縮機１００では、冷却水が各部に供給されるようになっている。さらに、本実施形態の空気圧縮機１００は、後記するように、圧縮機本体２が空気を圧縮する際に発生する廃熱を回収可能に構成されている。

空気圧縮機１００は、筐体１内に配置されている廃熱回収用熱交換器３を備える。廃熱回収用熱交換器３は、圧縮機本体２が発生する廃熱の利用側から送られる廃熱回収液としての廃熱回収水と、圧縮機本体２から吐出される圧縮空気との熱交換を行うものである。廃熱回収用熱交換器３は、第１段圧縮機本体２１と、第２段圧縮機本体２２との間に配置されている中間段廃熱回収用熱交換器３１と、第２段圧縮機本体２２の吐出側（下流側）に配置されている吐出段廃熱回収用熱交換器３２とを有する。

また、空気圧縮機１００は、筐体１内に配置されている冷却用熱交換器５を備える。冷却用熱交換器５は、空気圧縮機１００の外部から送られる冷却液としての冷却水と圧縮機本体２から吐出される圧縮空気との熱交換を行うものである。冷却用熱交換器５は、第１段圧縮機本体２１と第２段圧縮機本体２２との間に配置されているインタークーラ５１と、第２段圧縮機本体２２の吐出側に配置されているアフタークーラ５２とを有している。

第１段圧縮機本体２１と、第２段圧縮機本体２２との間において、上流側から順に中間段廃熱回収用熱交換器３１と、インタークーラ５１とが配置されている。また、第２段圧縮機本体２２の吐出側において、上流側から順に吐出段廃熱回収用熱交換器３２と、アフタークーラ５２とが配置されている。なお、場合によっては、廃熱回収用熱交換器３と、冷却用熱交換器５との配置順序が逆となる構成であってもよい。即ち廃熱回収用熱交換器の上流に冷却用熱交換器５を配置することで、廃熱回収熱交換器に流れる圧縮空気の温度を調節することができ、廃熱回収熱交換器を流れる温水との熱交換量を制御することも可能となる。

第１段圧縮機本体２１、中間段廃熱回収用熱交換器３１、インタークーラ５１、第２段圧縮機本体２２、吐出段廃熱回収用熱交換器３２及びアフタークーラ５２は、圧縮対象の空気が流通する空気配管６で接続されている。

廃熱回収用熱交換器３で圧縮空気と熱交換する廃熱回収水が流通する廃熱回収液配管７と、冷却用熱交換器５で圧縮空気と熱交換する冷却水が流通する冷却液配管８とが、別々に独立した経路として筐体１内に配置されている。

廃熱回収液配管７は、廃熱の利用側から送られる廃熱回収水が流入する廃熱回収液流入口７１から、中間段廃熱回収用熱交換器３１及び吐出段廃熱回収用熱交換器３２を経て、廃熱の利用側に向けて送る廃熱回収水が流出する廃熱回収液流出口７２に接続するように構成されている。

冷却液配管８は、冷却液流入口８０から、第１冷却液配管８１と、第２冷却液配管８２と、第３冷却液配管８３とに分岐した後、それぞれが合流して冷却液流出口８４に接続するように構成されている。冷却液流入口８０は、空気圧縮機１００の外部に在る、例えば冷却塔（図示せず）等から送られる冷却水が流入する入口である。また、冷却液流出口８４は、冷却塔等に向けて送る冷却水が流出する出口である。

第１冷却液配管８１は、冷却液流入口８０からアフタークーラ５２を経て冷却液流出口８４に接続する。第２冷却液配管８２は、冷却液流入口８０から、オイルクーラ９、第２段圧縮機本体２２のケーシングに設けられている冷却ジャケット及び第１段圧縮機本体２１のケーシングに設けられている冷却ジャケットを経て、冷却液流出口８４に接続する。第３冷却液配管８３は、冷却液流入口８０からインタークーラ５１を経て冷却液流出口８４に接続する。

オイルクーラ９は、図示省略するが、圧縮機本体２の軸受部や、動力伝達機構等を潤滑する潤滑油を冷却するための水冷式の熱交換器である。オイルクーラ９で冷却された潤滑油は、圧縮機本体２の軸受部等を潤滑した後、油溜り（図示せず）に貯留される。その後、潤滑油は、オイルポンプ（図示せず）等の搬送機構でオイルクーラ９に導かれて冷却され、この潤滑経路を循環するように構成されている。

図２（ａ）は、図１に示す廃熱回収用熱交換器３の概略縦断面図、図２（ｂ）は、同左側面図、図２（ｃ）は、同右側面図である。
図２に示すように、廃熱回収用熱交換器３は、水冷式のシェルアンドチューブ式熱交換器で構成されている。なお、中間段廃熱回収用熱交換器３１と、吐出段廃熱回収用熱交換器３２とは同様の構成であるため、廃熱回収用熱交換器３として説明する。

廃熱回収用熱交換器３は、シェル３３と、シェル３３内に設けられた伝熱管３４と、シェル３３の一方側に設けられた圧縮空気の入口ヘッダ３５と、シェル３３の他方側に設けられた圧縮空気の出口ヘッダ３６とを備える。入口ヘッダ３５には、圧縮空気が流入する空気入口３５ａが設けられており、出口ヘッダ３６には、圧縮空気が流出する空気出口３６ａが設けられている。また、シェル３３の出口ヘッダ３６側には、廃熱回収水が流入する廃熱回収液入口３７が設けられており、シェル３３の入口ヘッダ３５側には、廃熱回収水が流出する廃熱回収液出口３８が設けられている。

伝熱管３４は、シェル３３内と入口ヘッダ３５の間を仕切る固定フランジ３９と、シェル３３内と出口ヘッダ３６との間を仕切る軸方向に摺動可能な遊動フランジ４０と、に貫通して固定されている。また、シェル３３内には、廃熱回収液入口３７から流入する廃熱回収水が蛇行しながら流れて廃熱回収液出口３８に導かれるバッフルプレート４１が配置されている。

伝熱管３４は入口ヘッダ３５と、出口ヘッダ３６とに連通し、この伝熱管３４内を圧縮空気が流れる。廃熱回収水は、廃熱回収液入口３７からシェル３３内に流入し、バッフルプレート４１により、伝熱管３４外を軸方向に蛇行しながら流れて、伝熱管３４内を流れる圧縮空気と熱交換した後、廃熱回収液出口３８から流出する。

図３（ａ）は、図１に示される冷却用熱交換器５の概略縦断面図、図３（ｂ）は、同左側面図、図３（ｃ）は、同右側面図である。
図３に示すように、冷却用熱交換器５も、廃熱回収用熱交換器３と同様に、水冷式のシェルアンドチューブ式熱交換器で構成されている。このため、冷却用熱交換器５は、廃熱回収用熱交換器３と共通する部分については適宜簡略化して説明する。なお、インタークーラ５１と、アフタークーラ５２とは、同様の構成であるため、冷却用熱交換器５として説明する。

冷却用熱交換器５は、シェル５３と、伝熱管５４と、入口ヘッダ５５と、出口ヘッダ５６とを備えている。入口ヘッダ５５には空気入口５５ａが設けられており、出口ヘッダ５６には空気出口５６ａが設けられている。また、シェル５３には、冷却水が流入する冷却液入口５７と、冷却水が流出する冷却液出口５８とが設けられている。伝熱管５４は、固定フランジ５９と、遊動フランジ６０とに貫通し又固定される。また、シェル５３内には、バッフルプレート６１が配置されている。冷却水は、冷却液入口５７からシェル５３内に流入し、バッフルプレート６１により伝熱管５４外を軸方向に蛇行しながら流れて、伝熱管５４内を流れる圧縮空気と熱交換した後、冷却液出口５８から流出する。

冷却用熱交換器５は、出口ヘッダ５６内にデミスタ６２を内蔵しており、出口ヘッダ５６はドレンセパレータを兼ねた構造となっている。即ち冷却用熱交換器５で圧縮空気が冷却されるとドレンが発生するが、この発生したドレンはデミスタ６２で圧縮空気から分離されて、ドレン孔５６ｂを介して空気圧縮機１００外へ排出されるように構成されている。

次に、このように構成された空気圧縮機１００の動作について説明する。
空気圧縮機１００は、第１段圧縮機本体２１の上流側に配置されている容量調整弁（図示せず）を介して空気を吸い込み、第１段圧縮機本体２１で空気を圧縮する。その後、圧縮された高温空気（例えば約１６０℃程度）は、中間段廃熱回収用熱交換器３１で必要な熱量を交換し、さらにインタークーラ５１で冷却される。ここで、中間段廃熱回収用熱交換器３１には、圧縮された高温空気と廃熱回収水とが流れて熱交換が行われ、インタークーラ５１には、中間段廃熱回収用熱交換器３１で熱交換されて温度が低下した圧縮空気と、冷却水とが流れて熱交換が行われる。また、インタークーラ５１で空気を冷却した際にドレンが発生するため、ドレン孔５６ｂからドレンが排出される。

次に、インタークーラ５１で冷却された空気（例えば約４０℃程度）は、さらに圧力を上げるために第２段圧縮機本体２２で圧縮される。その後、圧縮された高温空気（例えば約１６０℃程度或いはこれよりも更に高温）は、吐出段廃熱回収用熱交換器３２で再び必要な熱量を交換し、さらにアフタークーラ５２で冷却される。そして、アフタークーラ５２で冷却された空気（例えば約４０℃程度）は、圧縮空気の需要元に送られる。

一方、廃熱回収水は、廃熱の利用側から廃熱回収液流入口７１を介して流入し、廃熱回収液配管７を流れるとともに、廃熱回収用熱交換器３で圧縮空気と熱交換した後、廃熱回収液流出口７２から廃熱の利用側に向けて流出する。したがって、廃熱の利用側は、温度上昇した廃熱回収水を各種設備の熱源として利用することができる。

本実施形態では、廃熱の利用側から送られる廃熱回収水は、例えば温度が７０〜９０℃の高温水である。そして、高温水である廃熱回収水は、廃熱回収用熱交換器３での圧縮空気との熱交換によって、例えば５〜１０℃程度温度上昇させられて、廃熱の利用側に戻される。

また、冷却水は、例えば冷却塔（図示せず）から冷却液流入口８０を介して流入して冷却液配管８を流れるとともに、冷却用熱交換器５における圧縮空気のほか各部を冷却した後、冷却液流出口８４から冷却塔に向けて流出する。温度が上昇した冷却水は、冷却塔で大気と熱交換することによって冷やされる。

前記したように、本実施形態に係る空気圧縮機１００では、圧縮機本体２が発生する廃熱の利用側から送られる廃熱回収水と圧縮機本体２から吐出される圧縮空気との熱交換を行う廃熱回収用熱交換器３が、筐体１内に配置されている。

このような本実施形態によれば、筐体１の外部に廃熱回収用熱交換器３を設置する場合と比べて、必要な空気配管６の長さが短くなり、空気の圧力損失が小さくなる。このため、必要以上に空気を圧縮する必要が無くなり、圧縮機本体２の駆動源としての主電動機の出力が小さくなる。
つまり本実施形態によれば、圧縮機本体２が空気を圧縮する際に発生する廃熱を回収可能な空気圧縮機１００において省エネルギー化を図ることができる。

また、本実施形態では、冷却用熱交換器５が筐体１内に配置し、廃熱回収水が流通する廃熱回収液配管７と、冷却水が流通する冷却液配管８とは、別々に独立した経路として筐体１内に設けられている。

このような構成によれば、圧縮機本体２が発生する熱量に対して回収できる熱量の割合（熱量回収分配率）の自由度が向上する。即ち廃熱回収液配管７と、冷却液配管８とが独立した経路を構成しているため、廃熱の利用側の要求に合った熱量を回収することができる。また、廃熱回収用熱交換器３や冷却用熱交換器５の長手方向寸法、径寸法、形状等を変更することによって、熱量回収分配率を調整することが可能である。

また、仮に廃熱回収液配管７と、冷却液配管８とが繋がった経路を構成している場合には、廃熱回収水として高温水を用いると、圧縮空気の温度が、要求される温度（例えば約４０℃）に下がり切らないおそれが高い。これに対し、本実施形態では、廃熱回収液配管７と冷却液配管８とが独立した経路となっており、冷却水によって圧縮空気の温度を別個に低下させることができるため、高温水を用いた廃熱の回収も可能となる。

また、本実施形態では、廃熱の利用側から送られる廃熱回収水は、温度が７０〜９０℃の高温水である。

このような構成によれば、廃熱回収用熱交換器３において圧縮空気が熱を奪われても露点以下とならず圧縮空気内に含まれている水分がドレンとして発生しない。このため、一般的なクーラ（冷却用熱交換器）で必要なドレン処理が不要となる。したがって、例えばデミスタ等のドレン処理に必要な機器が不要となり、空気圧縮機１００において、空気の圧力損失のさらなる低減、および小型化を図ることができる。

以上、本発明の一実施形態に基づいて説明したが、本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。前記した実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

前記実施形態では、廃熱回収液配管７は、廃熱回収液流入口７１から、中間段廃熱回収用熱交換器３１と吐出段廃熱回収用熱交換器３２とを経て、廃熱回収液流出口７２に接続するように構成されているが、これに限定されるものではない。
例えば、廃熱回収液配管７は、複数の廃熱回収用熱交換器に対応して複数設けられており、複数の前記廃熱回収液配管の各々は、別々に独立した経路として筐体１内に設けられていてもよい。ここで、複数の廃熱回収用熱交換器は、中間段廃熱回収用熱交換器３１と吐出段廃熱回収用熱交換器３２とであってもよい。あるいは、複数の廃熱回収用熱交換器が、中間段廃熱回収用熱交換器３１（または吐出段廃熱回収用熱交換器３２）が直列に繋がれた複数の熱交換器として構成されていてもよい。
このような構成によれば、複数の前記廃熱回収液配管の各々から、異なる複数の温度の廃熱回収水を得て利用することができる。これにより、必要とされる廃熱回収水の温度が異なる複数の設備等に対応することが可能となる。

また、前記実施形態では、冷却液配管８は、冷却液流入口８０から、第１冷却液配管８１と第２冷却液配管８２と第３冷却液配管８３とに分岐した後、それぞれが合流して冷却液流出口８４に接続するように構成されているが、これに限定されるものではない。
例えば、冷却液配管８は、複数の冷却用熱交換器に対応して複数設けられており、複数の前記冷却液配管の各々は、別々に独立した経路として筐体１内に設けられていてもよい。ここで、複数の冷却用熱交換器は、インタークーラ５１と、アフタークーラ５２とであってもよい。あるいは、複数の冷却用熱交換器が、インタークーラ５１（又はアフタークーラ５２）が直列に繋がれた複数の熱交換器として構成されていてもよい。

また、前記したように空気圧縮機１００はスクリュー圧縮機に具体的に適用可能であるが、本発明はこれに限定されるものではない。即ち前記実施形態は、圧縮機本体２にスクリューロータを使用しているが、これに限定されるものではなく、遠心式、軸流式等といったターボ型や、スクロール式、レシプロ式、クロー式等といった容積型の種々の形式の圧縮手段を使用し得る。また、前記実施形態では、ツインスクリュー式のロータが使用されているが、シングル又はトリプルスクリュー式のロータが使用されてもよい。

また、前記実施形態では、圧縮機本体２の段数は２段であるが、これに限定されるものではなく、単段、あるいは３段以上であってもよい。

また、前記実施形態では、空気圧縮機１００は、オイルフリースクリュー圧縮機であるが、これに限定されるものではなく、油や水を圧縮作動室に注入する給液式の空気圧縮機であってもよい。

また、前記実施形態では、廃熱の利用側から送られる廃熱回収水の温度は、７０〜９０℃であるが、これに限定されるものではなく、例えば３５℃程度以上の所定温度範囲であってもよい。

また、前記実施形態では、温度が上昇した冷却水は、冷却塔で大気と熱交換することによって冷やされるように構成されているが、これに限定されるものではなく、温度が上昇した冷却水の熱を回収して利用することも可能である。

１ 筐体
２ 圧縮機本体
３ 廃熱回収用熱交換器
５ 冷却用熱交換器
６ 空気配管
７ 廃熱回収液配管
８ 冷却液配管
９ オイルクーラ
２１ 第１段圧縮機本体
２２ 第２段圧縮機本体
３１ 中間段廃熱回収用熱交換器
３２ 吐出段廃熱回収用熱交換器
５１ インタークーラ
５２ アフタークーラ
８１ 第１冷却液配管
８２ 第２冷却液配管
８３ 第３冷却液配管
６２ デミスタ
１００ 空気圧縮機

Claims (3)

1. 筐体と
   前記筐体内に配置されている圧縮機本体とを備え、
   前記圧縮機本体が発生する廃熱の利用側から送られる廃熱回収液と、前記圧縮機本体から吐き出される圧縮気体との熱交換を行う廃熱回収用熱交換器が、前記筐体内に配置されており、
   前記筐体は、前記圧縮機本体および前記廃熱回収用熱交換器が設置されているベースと、前記圧縮機本体および前記廃熱回収用熱交換器を覆うように前記ベース上に設置された箱型のカバーとを有し、
   外部から送られる冷却液と前記圧縮機本体から吐出される圧縮気体との熱交換を行う冷却用熱交換器が、前記筐体内に配置されており、
   前記廃熱回収液が流通する廃熱回収液配管と、前記冷却液が流通する冷却液配管とは、別々に独立した経路として前記筐体内に配置されており、
   前記圧縮機本体は、第１段圧縮機本体と、前記第１段圧縮機本体に対して空気の流れの下流側に配置されている第２段圧縮機本体とを有し、
   前記廃熱回収用熱交換器は、前記第１段圧縮機本体と前記第２段圧縮機本体との間に配置されている中間段廃熱回収用熱交換器と、前記第２段圧縮機本体の吐出側に配置されている吐出段廃熱回収用熱交換器とを有し、
   前記廃熱回収液配管は、前記中間段廃熱回収用熱交換器と前記吐出段廃熱回収用熱交換器とに対応して別々に独立した経路として前記筐体内にそれぞれ設けられている気体圧縮機。
2. 前記利用側から送られる廃熱回収液の温度が、７０〜９０℃の範囲である請求項１に記載の気体圧縮機。
3. 前記気体圧縮機が、ターボ型又は容積型であり、
   前記気体圧縮機が圧縮する気体が空気である請求項１または請求項２に記載の気体圧縮機。

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