JP6833172B2 - 熱回収システム - Google Patents

Description

本発明は、圧縮機による圧縮熱の熱回収の有無を切替可能な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１に開示されるように、一対のロータ（３７）がその両端を水潤滑滑り軸受（２）に支持されたスクリュー式の水潤滑空気圧縮機（１）と、この圧縮機（１）からの吐出流体（潤滑水と共に吐出される圧縮空気）を気水分離するセパレータ（６）と、このセパレータ（６）から圧縮機（１）のロータ間へ戻す水を冷却する空冷熱交換器（１０）と、セパレータ（６）からの圧縮空気を冷却するアフタークーラ（１１）とを備える空気圧縮システムが知られている。このシステムでは、空冷熱交換器（１０）から圧縮機（１）のロータ間への水配管（２２）には、軸受給水用水配管（２３）が分岐されており、分岐された水は、冷凍サイクル（２７）の吸熱用熱交換器（３３）を介するか、バイパス配管（２４）を介して、圧縮機（１）の軸受（２）へ供給される。

また、従来、下記特許文献２の図１に開示されるように、圧縮機（２）からの圧縮空気を冷却する第一エアクーラ（８）と、圧縮機（２）の潤滑油を冷却する第一オイルクーラ（１０）と、第一オイルクーラ（１０）へ送られる潤滑油から熱回収して温水を製造する第二オイルクーラ（１１）と、第一エアクーラ（８）へ送られる圧縮空気から熱回収して温水を製造する第二エアクーラ（９）とを備える熱回収システムが知られている。このシステムでは、熱回収用熱交換器（第二エアクーラ９，第二オイルクーラ１１）を通過後の温水の使用負荷に基づき、熱回収用熱交換器（９，１１）への給水の有無または量が制御される。

特開２０１０−４３５８９号公報（段落［００１２］−［００１７］、図１） 特開２０１２−８７６６４号公報（請求項１−４、図１）

前記特許文献１に記載の発明では、圧縮機で生じた圧縮熱は、空冷式の熱交換器（１０，１１）において外気へ捨てられており、熱回収されていない。仮に、前記熱交換器において、セパレータタンク（６）からの圧縮空気（または分離水）と通水とを熱交換して、圧縮熱を通水の加温に用いて熱回収するにしても、次のような課題が残る。

すなわち、圧縮熱を回収して温水を製造しても、その温水の用途が常にあるとは限らない。温水の用途がないのに、温水を製造して排水するのでは、熱だけでなく水も無駄にすることになる。一方、前記特許文献２に記載の発明では、熱回収用熱交換器（９，１１）での熱回収停止中には、他の熱交換器（８，１０）において圧縮空気や潤滑油を冷却することができるが、熱交換器の数が多くなり、コストを要する。なお、これらの事情は、圧縮熱を回収して温水を製造する場合に限らず、圧縮熱により各種液体を加温する場合も同様である。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、圧縮機から熱回収して冷却液を加温する熱回収システムにおいて、簡易な構成で、熱回収の有無（たとえば温水製造の有無）を切替可能とすることにある。

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、吸込空気に水が添加され、この添加水により圧縮室のシール並びに圧縮機構の冷却および潤滑を図る水添加式の圧縮機と、前記圧縮機からの吐出流体を受け入れて、この吐出流体を圧縮空気と添加水とに気水分離するプレセパレータと、前記プレセパレータで気水分離後の圧縮空気と添加水とを別箇に受け入れて、圧縮空気を気水分離すると共に、添加水を貯留するセパレータタンクと、前記プレセパレータの気相部と前記セパレータタンクの気相部とを接続する気相連通路に設けられ、圧縮空気を冷却液で冷却するアフタークーラと、前記プレセパレータの液相部と前記セパレータタンクの液相部とを接続する液相連通路に設けられ、添加水を冷却液で冷却する水クーラと、前記セパレータタンクの気相部に接続された圧縮空気の送出路と、前記セパレータタンクの液相部に接続された添加水の戻し路と、前記アフタークーラへの冷却液の入口路と、前記アフタークーラと前記水クーラとを接続する冷却液の連絡路と、前記水クーラからの冷却液の出口路と、前記出口路と前記入口路とを接続する冷却液の返送路と、前記入口路、前記アフタークーラ、前記連絡路、前記水クーラ、および前記出口路を含み、かつ前記返送路を含まない冷却液の通液経路と、前記返送路の接続箇所よりも下流側の前記入口路、前記アフタークーラ、前記連絡路、前記水クーラ、前記返送路の接続箇所よりも上流側の前記出口路、および前記返送路を含む冷却液の循環経路と、を切り替える切替手段と、前記循環経路に設けられ、循環冷却液を冷却するラジエータとを備え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（アフタークーラ、水クーラ）に対する冷却液の入口路と出口路とを返送路で接続し、切替手段により通液経路と循環経路とに切替可能である。通液経路では、入口路から熱回収用熱交換器を介した冷却液を、返送路で入口路へ戻すことなく出口路の下流へ導出する。従って、通液経路では、熱回収用熱交換器において圧縮熱で加温された冷却液を、外部へ導出して利用することができる（熱回収実施）。一方、循環経路では、入口路から熱回収用熱交換器を介した冷却液を、返送路で入口路へ戻すことで冷却液を循環させる。この際、循環経路に設けられたラジエータにより、循環冷却液を冷却することができる（熱回収停止）。このようにして、簡易な構成で、熱回収の有無（たとえば温水製造の有無）を切替可能とすることができる。

請求項２に記載の発明は、前記入口路には、前記返送路の接続箇所またはそれよりも下流に、冷却液の貯留タンクを備える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、切替手段を通液経路とした熱回収中、貯留タンクには給液源からの比較的低温の冷却液が貯留される。従って、その後、切替手段を循環経路として熱回収を停止する際、まずは貯留タンク内の比較的低温の冷却液を熱回収用熱交換器に循環させることができる。これにより、切替手段による切替時の冷却液の温度変化を抑制することができる。

請求項３に記載の発明は、前記入口路には、前記返送路の接続箇所よりも下流に、前記ラジエータが設けられることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱回収システムである。

請求項３に記載の発明によれば、返送路との接続箇所よりも下流の入口路にラジエータを設けることで、循環経路の際には、循環冷却液の冷却ができる一方、通液経路の際には、状況に応じて、熱回収用熱交換器への冷却液の予熱が可能となる。

さらに、請求項４に記載の発明は、前記圧縮機の作動中において、前記通液経路に切り替えた状態で、前記入口路の給液温度が外気温度よりも低い場合、前記ラジエータのファンを作動させ、前記通液経路に切り替えた状態で、前記入口路の給液温度が外気温度よりも高い場合、前記ラジエータのファンを停止させ、前記循環経路に切り替えた状態では、前記ラジエータのファンを作動させることを特徴とする請求項３に記載の熱回収システムである。

請求項４に記載の発明によれば、熱回収中、入口路の給液温度が外気温度よりも低い場合、ラジエータのファンを作動させることで、熱回収用熱交換器への冷却液の予熱が可能である。一方、熱回収中、入口路の給液温度が外気温度よりも高い場合、ラジエータのファンを停止させることで、熱回収用熱交換器への冷却液を冷却してしまう不都合を防止できる。そして、熱回収停止中、ラジエータのファンを作動させることで、循環冷却液の冷却を図ることができる。

本発明によれば、圧縮機から熱回収して冷却液を加温する熱回収システムにおいて、簡易な構成で、熱回収の有無（たとえば温水製造の有無）を切替可能とすることができる。

本発明の一実施例の熱回収システム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、本発明の一実施例を示す概略図であり、圧縮空気を製造する空気圧縮システム１と、この空気圧縮システム１による圧縮熱を回収可能な熱回収システム２を示している。つまり、本実施例では、空気圧縮システム１は熱回収システム２を備え、逆に言えば、熱回収システム２は空気圧縮システム１に適用される。以下、空気圧縮システム１と熱回収システム２について、順に説明する。

≪空気圧縮システム１の構成≫
まず、本実施例の空気圧縮システム１の構成について説明する。本実施例の空気圧縮システム１は、水添加式の圧縮機３と、この圧縮機３からの吐出流体を気水分離するプレセパレータ４と、このプレセパレータ４で気水分離後の圧縮空気を冷却するアフタークーラ５と、プレセパレータ４で気水分離後の分離水を冷却する水クーラ６と、各クーラ５，６を通過後の圧縮空気と分離水とが供給されるセパレータタンク７とを主要部として備える。

圧縮機３は、水添加式の空気圧縮機である。圧縮機３は、その形式は特に問わないが、たとえばスクリュー式またはスクロール式とされる。水添加式の圧縮機３は、空気の吸込口に水（典型的には精製水（純水）または軟化水）が添加され、この添加水を圧縮室のシールや圧縮機構の冷却などに用いつつ、空気を圧縮して吐出する。この吐出時、圧縮空気と共に添加水も吐出される。

圧縮機３は、図示例では電気モータ８により駆動されるが、その他の原動機で駆動されてもよい。たとえば、圧縮機３は、蒸気モータ（蒸気エンジン）により駆動されてもよい。また、圧縮機３は、オンオフ制御されてもよいし、容量制御（出力調整）されてもよい。たとえば、圧縮機３は、電気モータ８をオンオフ制御されるか、電気モータ８の回転数をインバータ制御される。あるいは、蒸気モータの場合には、蒸気モータへの給蒸弁の開閉または開度が制御される。

圧縮機３を運転すると、外気がエアフィルタ９を介して吸込路１０から圧縮機３内へ吸い込まれるが、その際、詳細は後述するが、セパレータタンク７からの添加水戻し路１１を介して水が設定流量で添加される。そして、圧縮機３において圧縮された空気は、添加水を伴いながら、プレセパレータ４へ吐出される。圧縮機３からプレセパレータ４への吐出路１２には、逆止弁１３が設けられている。

なお、水添加式の圧縮機３は、水潤滑式または水噴射式などということもできる（言い換えればこれらを含んでもよい）。また、ここでは、圧縮機３は、空気の吸込口に水が添加されるが、空気の吸込口以外に給水口を備え、この給水口に水が添加されてもよい。

プレセパレータ４は、圧縮機３からの吐出流体（添加水と共に吐出される圧縮空気）を受け入れて、気水分離する。つまり、圧縮機３からの吐出流体は、プレセパレータ４において、圧縮空気と分離水とに分けられる。これに伴い、プレセパレータ４内は、上方の気相部と、下方の液相部とに分かれる。そして、プレセパレータ４の気相部は、気相連通路１４を介して、セパレータタンク７の気相部に接続される一方、プレセパレータ４の液相部は、液相連通路１５を介して、セパレータタンク７の液相部に接続される。

プレセパレータ４からセパレータタンク７への気相連通路１４には、アフタークーラ５が設けられる。アフタークーラ５は、プレセパレータ４で気水分離後の圧縮空気を冷却する手段である。ここでは、圧縮熱を回収する熱回収用熱交換器１６として、アフタークーラ５は、圧縮空気と冷却液とを混ぜることなく熱交換する。アフタークーラ５において、圧縮空気は冷却液により冷却される一方、冷却液は圧縮空気により加温される。

プレセパレータ４からセパレータタンク７への液相連通路１５には、水クーラ６が設けられる。水クーラ６は、プレセパレータ４で気水分離後の分離水を冷却する手段である。ここでは、圧縮熱を回収する熱回収用熱交換器１６として、水クーラ６は、分離水と冷却液とを混ぜることなく熱交換する。水クーラ６において、分離水は冷却液により冷却される一方、冷却液は分離水により加温される。

セパレータタンク７は、前記各クーラ５，６を通過後の圧縮空気と分離水とを受け入れて、気水分離する。プレセパレータ４からの圧縮空気は、アフタークーラ５で冷却されて水分の凝縮が図られ、その水分はセパレータタンク７で除去される。従って、セパレータタンク７内も、上方の気相部と、下方の液相部とに分かれる。なお、プレセパレータ４から各連通路１４，１５を介したセパレータタンク７への流体供給は、圧縮機３の吐出圧や水頭圧差によりなされる。

セパレータタンク７の気相部には、前述した気相連通路１４の他、圧縮空気利用部への圧縮空気送出路１７が接続されている。圧縮空気送出路１７には、セパレータタンク７の側から順に、一次圧調整弁１８と逆止弁１９とが設けられている。一次圧調整弁１８は、圧縮機３の運転中、セパレータタンク７内を設定圧力以上に保持する弁である。ここでは、一次圧調整弁１８は、一次側（つまりセパレータタンク７側）の圧力に基づき、機械的に動作する自力弁とされるが、場合により、一次側の圧力をセンサで監視して、その検出圧力に基づき制御される電動弁であってもよい。その他、本実施例では、セパレータタンク７の気相部には、安全弁２０の他、外部へ排気用の放気弁２１が設けられている。なお、一次圧調整弁１８と逆止弁１９とは、一体型の弁機構として構成することもできる。

セパレータタンク７の液相部には、前述した液相連通路１５の他、圧縮機３への添加水戻し路１１が接続されている。添加水戻し路１１には、セパレータタンク７の側から順に、添加水弁２２と水フィルタ２３とが設けられている。圧縮機３の運転中、添加水弁２２を開けることで、セパレータタンク７内の貯留水を添加水戻し路１１を介して、圧縮機３へ戻すことができる。その際、圧縮機３の運転による圧縮機３への吸込みと、セパレータタンク７内の加圧とにより、セパレータタンク７から圧縮機３へ添加水を戻すことができる。また、一次圧調整弁１８により、セパレータタンク７内は設定圧力以上に保持される上、後述するように、圧縮空気送出路１７内の圧力（ひいてはセパレータタンク７内の圧力）は所望に維持されるので、添加水弁２２をオリフィスとして機能させつつ、設定流量で添加水を圧縮機３へ供給することができる。しかも、セパレータタンク７から圧縮機３へ添加水を供給する際、水フィルタ２３により夾雑物を除去することができる。

空気圧縮システム１は、さらに、給水路２４と排水路２５とを備える。給水路２４は、イオン交換装置（たとえば、混床式純水装置や硬水軟化装置）のような給水源からの水を、添加水として補給する手段である。本実施例では、給水源からの給水路２４は、第一給水路２４Ａと第二給水路２４Ｂとに分岐され、第一給水路２４Ａが圧縮機３への吸込路１０に接続される一方、第二給水路２４Ｂがセパレータタンク７に接続される。そして、第一給水路２４Ａには、第一給水弁２６が設けられる一方、第二給水路２４Ｂには、逆止弁２７と第二給水弁２８とが順に設けられる。なお、本実施例では、第一給水弁２６は電磁弁であり、第二給水弁２８は手動弁とされる。

一方、排水路２５は、セパレータタンク７の底部に接続される。排水路２５には、排水弁２９が設けられており、排水弁２９を開けることで、セパレータタンク７内からの排水を図ることができる。

その他、セパレータタンク７には、水位検出器３０が設けられる。水位検出器３０は、その構成を特に問わないが、たとえばイオン類を含まない精製水・凝縮水の水位を検出可能なフロート水位検出器とされる。また、セパレータタンク７からの圧縮空気送出路１７には、一次圧調整弁１８や逆止弁１９よりも下流に、圧力センサ３１が設けられる。この圧力センサ３１により、圧縮空気の吐出圧（圧縮空気利用部への供給圧）を監視することができる。

≪空気圧縮システム１の動作≫
次に、本実施例の空気圧縮システム１の動作について説明する。以下に述べる一連の制御は、基本的には、図示しない制御器により自動でなされる。つまり、制御器は、圧縮機３（具体的にはそのモータ８）、放気弁２１、添加水弁２２、第一給水弁２６、排水弁２９、水位検出器３０および圧力センサ３１などに接続されており、水位検出器３０や圧力センサ３１の検出信号などに基づき、圧縮機３や各弁２１，２２，２６，２９などを制御する。

まず、空気の流れについて説明する。圧縮機３の運転を開始すると、圧縮機３は、エアフィルタ９を介して空気を吸い込み、圧縮して吐出する。圧縮機３から吐出される圧縮空気は、プレセパレータ４、アフタークーラ５およびセパレータタンク７を介して、圧縮空気送出路１７から圧縮空気利用部へ送られる。但し、圧縮空気送出路１７には一次圧調整弁１８が設けられているので、運転開始直後のようにセパレータタンク７内の圧力が低い状態では、一次圧調整弁１８は閉じられており、圧縮空気利用部へ圧縮空気は送出されない。一次圧調整弁１８の一次側（つまりセパレータタンク７側）の圧力が設定圧力以上になると、一次圧調整弁１８が開いて、圧縮空気利用部へ圧縮空気が送出される。

圧縮機３の運転中、圧縮機３は、圧力センサ３１の検出圧力を目標圧力に維持するように、制御される。たとえば、圧縮機３のモータ８が、オンオフ制御されるか、インバータ制御される。なお、目標圧力は、一次圧調整弁１８の設定圧力よりも高い。従って、以後、基本的には、セパレータタンク７内は、目標圧力に維持される。

圧縮機３の運転中、添加水弁２２を開けることで、圧縮機３の吸込口に、設定流量で水を添加することができる。これにより、圧縮機３のシール、冷却および潤滑を図ることができる。圧縮機３からの圧縮空気は、添加水を伴った状態で、プレセパレータ４へ吐出される。そして、プレセパレータ４において気水分離が図られる。プレセパレータ４で気水分離後の圧縮空気は、アフタークーラ５で冷却された後、セパレータタンク７でさらに気水分離され、圧縮空気送出路１７から外部へ送出される。一方、プレセパレータ４での分離水は、水クーラ６で冷却された後、セパレータタンク７に貯留され、添加水戻し路１１を介して圧縮機３へ供給可能とされる。

圧縮機３の運転中、セパレータタンク７内の水位は、設定水位に維持される。たとえば、水位検出器３０による検出水位が上限水位を上回ると、排水弁２９を開けて水位を所定まで下げる。逆に、水位検出器３０による検出水位が下限水位を下回ると、第一給水弁２６を開けて水位を所定まで上げる。第一給水弁２６の開放中、補給水は、圧縮機３を介してセパレータタンク７へ供給される。この間、添加水弁２２を閉鎖しておいてもよい。なお、圧縮機３の停止中には、第二給水弁２８を開けて、セパレータタンク７へ直接に給水することができる。

一方、圧縮機３の停止時、放気弁２１が開けられる。圧縮機３の停止中も放気弁２１を開けておくことで、圧縮機３の逆転を防止することができる。その後、圧縮機３の再起動時、放気弁２１が閉じられる。

本実施例の空気圧縮システム１によれば、圧縮機３からの吐出流体をプレセパレータ４で気水分離し、気水分離後の圧縮空気をアフタークーラ５で冷却する一方、分離水を水クーラ６で冷却した後、セパレータタンク７へ供給する。従って、セパレータタンク７は、事前に気水分離されて冷却された流体が供給され、比較的低温に維持される。好適には、セパレータタンク７内の温度は、圧縮空気の露点温度以下に維持される。そのため、セパレータタンク７からの圧縮空気に随伴して外部へ持ち出される水分量を低減でき、ひいては外部からの補給水量を削減して、ランニングコストの低減を図ることができる。また、圧縮空気送出路１７に第二のアフタークーラを設置したり、添加水戻し路１１に第二の水クーラを設置したりすることは、それぞれ必須ではなくなり基本的には不要である。

さらに、本実施例の空気圧縮システム１によれば、プレセパレータ４で気水分離して、アフタークーラ５による圧縮空気の冷却と、水クーラ６による分離水の冷却とに分けることで、各クーラ５，６における熱交換効率を向上することができる。それに伴い、各クーラ５，６を構成する熱交換器を小型化することもできる。

≪熱回収システム２の構成≫
次に、本実施例の熱回収システム２の構成について説明する。本実施例の熱回収システム２は、圧縮機３の圧縮熱を冷却液の加温に用いて熱回収するシステムであり、しかも熱回収の有無を切替可能に構成される。

冷却液は、特に問わないが、典型的には水である。この水として、用途に応じて、水道水の他、軟化水または精製水（純水）などを用いることができる。たとえば、熱回収システム２を用いて蒸気ボイラへの給水の予熱を行う場合、後述するように脱気処理された軟化水が用いられる。以下、冷却液は水（つまり冷却水）として説明するが、その他の液体の場合も同様である。言い換えれば、以下において、冷却水は、文字通りの水ではなく、水以外の冷却液であってもよい。

本実施例の熱回収システム２は、圧縮機３の圧縮熱により冷却水を加温する熱回収用熱交換器１６（アフタークーラ５，水クーラ６）と、この熱回収用熱交換器１６への冷却水の入口路３２と、熱回収用熱交換器１６からの冷却水の出口路３３と、出口路３３と入口路３２とを接続する冷却水の返送路３４と、後述する通液経路と循環経路とを切り替える切替手段３５（熱回収弁３６，返送弁３７）と、循環経路の循環冷却水を冷却するラジエータ３８とを主要部として備える。

熱回収用熱交換器１６は、本実施例では、アフタークーラ５および水クーラ６である。アフタークーラ５では、圧縮空気と冷却水とを熱交換して、圧縮空気を冷却水で冷却する一方、冷却水を圧縮空気で加温する。圧縮空気が有する圧縮熱を冷却水の加温に用いて、熱回収を図ることができる。一方、水クーラ６は、添加水（プレセパレータでの分離水）と冷却水とを熱交換して、添加水を冷却水で冷却する一方、冷却水を添加水で加温する。添加水が有する圧縮熱を冷却水の加温に用いて、熱回収を図ることができる。

なお、アフタークーラ５と水クーラ６とには、本実施例では、冷却水が順に通される。そのため、本実施例では、アフタークーラ５と水クーラ６とは、連絡路３９で接続されている。そして、冷却水は、入口路３２から、アフタークーラ５、連絡路３９および水クーラ６を順に介して、出口路３３へ流される。以下、連絡路３９で接続されたアフタークーラ５と水クーラ６とを合わせて、単に熱回収用熱交換器１６という。

給水源から熱回収用熱交換器１６への入口路３２には、熱回収用熱交換器１６へ向けて順に、ポンプ４０、逆止弁４１およびラジエータ３８が設けられる。ポンプ４０を作動させることで、熱回収用熱交換器１６に、冷却水を通すことができる。ラジエータ３８は、本実施例では空冷式であり、冷却水と外気（ファン３８Ａによる通風）とを熱交換する。詳細は後述するが、たとえば、ラジエータ３８の入口側における冷却水温度が外気温度よりも高い場合、ラジエータ３８のファン３８Ａを作動させることで、ファン３８Ａによる通風で冷却水を冷却することができる。

熱回収用熱交換器１６からの出口路３３には、熱回収弁３６が設けられる。圧縮機３の運転中、熱回収弁３６を開けてポンプ４０を作動させることで、熱回収用熱交換器１６に冷却水を通して、圧縮熱の回収を図ることができる。熱回収弁３６は、本実施例では、開度調整可能な電動弁から構成される。

熱回収弁３６よりも上流側の出口路３３と、ポンプ４０よりも上流側の入口路３２とは、返送路３４で接続される。この際、入口路３２と返送路３４との接続箇所には、冷却水の貯留タンク４２を設けておくのが好ましい。但し、貯留タンク４２は、場合により、その設置を省略可能である。また、貯留タンク４２は、入口路３２の内、返送路３４との接続箇所ではなく、それよりも下流（好ましくはポンプ４０より上流）に設けられてもよい。なお、ポンプ４０は、入口路３２の内、返送路３４との接続箇所よりも下流に設けられる以外に、連絡路３９や、出口路３３の内、返送路３４との接続箇所よりも上流に設けられてもよい。

返送路３４には、返送弁３７が設けられる。返送弁３７は、本実施例では、電動弁から構成される。詳細は後述するが、熱回収弁３６と返送弁３７との内、いずれか一方のみを択一的に開くことで、熱回収用熱交換器１６を通過後の冷却水を、返送路３４を介して入口路３２へ戻すか、返送路３４を介さずに出口路３３の下流へ送るかを切り替えることができる。

切替手段３５は、本実施例では、熱回収弁３６と返送弁３７とで構成される。熱回収弁３６と返送弁３７との各開閉を切り替えることで、冷却水の流路を、次に述べる通液経路と循環経路とのいずれかに切り替えることができる。

通液経路は、返送弁３７を閉じた状態で、熱回収弁３６を開くことで実現される。通液経路は、入口路３２、熱回収用熱交換器１６、および出口路３３を含み、かつ返送路３４を含まない経路である。通液経路にした状態でポンプ４０を作動させると、入口路３２からの冷却水が、熱回収用熱交換器１６を介して、出口路３３の熱回収弁３６を通過して導出される（熱回収実施状態）。この際、貯留タンク４２には、給水源から適宜給水される。言い換えれば、通液経路でポンプ４０を作動中、入口路３２には給水源からの水が供給される。

循環経路は、熱回収弁３６を閉じた状態で、返送弁３７を開くことで実現される。循環経路は、返送路３４の接続箇所よりも下流側の入口路３２、熱回収用熱交換器１６、返送路３４の接続箇所よりも上流側の出口路３３、および返送路３４を含む経路である。循環経路にした状態でポンプ４０を作動させると、ポンプ４０からの冷却水は、熱回収用熱交換器１６および返送路３４を介して、ポンプ４０へ戻されて循環される。その際、ラジエータ３８を作動させることで、ラジエータ３８において循環冷却水を冷却することができる（熱回収停止状態）。なお、循環経路で冷却水を循環中、給水源から貯留タンク４２への新たな給水の必要はない。

出口路３３には、熱回収弁３６の出口側に、出湯温度センサ４３が設けられる。一方、入口路３２には、ラジエータ３８の入口側に、給水温度センサ（図示省略）が設けられる。給水温度センサは、入口路３２の内、ラジエータ３８よりも上流側であれば、場合により給水源の水温を検出してもよい。但し、入口路３２に貯留タンク４２が設けられる場合には、給水温度センサは、入口路３２の内、貯留タンク４２またはそれよりも下流で、かつラジエータ３８よりも上流に設けられるのが好ましい。その他、本実施例の熱回収システム２は、外気温度を検出可能に、外気温度センサ（図示省略）も設けられる。

≪熱回収システム２の動作≫
次に、本実施例の熱回収システム２の動作について説明する。以下に述べる一連の制御は、図示しない制御器により自動でなされる。つまり、制御器は、ポンプ４０、ラジエータ３８（具体的にはそのファン３８Ａのモータ）、熱回収弁３６および返送弁３７の他、出湯温度センサ４３、給水温度センサおよび外気温度センサなどに接続されており、各温度センサの検出信号などに基づき、ポンプ４０、ファン３８Ａおよび各弁３６，３７などを制御する。

圧縮機３の作動中（つまり圧縮空気の製造中）、ポンプ４０を作動させて、熱回収用熱交換器１６に冷却水を通す。これにより、熱回収用熱交換器１６において、圧縮機３からの吐出流体（圧縮空気や添加水）を冷却できると共に、吐出流体からの圧縮熱で冷却水を加温することができる。このようにして製造された温水は、温水利用部の使用負荷（出口路３３末端の温水利用部における温水要求の有無）に応じて、切替手段３５により流路が切り替えられる。つまり、温水利用部において温水を必要とする場合、通液経路に切り替えられ、温水利用部において温水を必要としない場合、循環経路に切り替えられる。

たとえば、熱回収用熱交換器１６で加温した温水を、出口路３３を介して蒸気ボイラの給水タンクに給水可能としておき、その給水タンク内の水位に応じて、通液経路と循環経路とが切り替えられる。その場合、たとえば、給水タンク内の水位が下限水位を下回ると、上限水位を上回るまで、通液経路として温水を供給可能とすればよい。そして、給水タンク内の水位が上限水位を上回ると、循環経路に切替えればよい。

なお、熱回収システム２を蒸気ボイラの給水タンクへの給水の予熱に用いる場合（言い換えれば、冷却水として蒸気ボイラの給水タンクへの給水を用いる場合）、入口路３２には、硬水軟化装置と脱気装置（脱酸素装置）とで処理された脱気軟化水が供給される。この場合、貯留タンク４２において、酸素の再溶存を防止するために、貯留タンク４２の水面には、プラスチックビーズを一面に浮かべるのが好ましい。

熱回収用熱交換器１６に冷却水を通水中、熱回収（言い換えれば外部への出湯）を実施するには、切替手段３５を通液経路に切り替える。通液経路では、返送弁３７を閉じる一方、熱回収弁３６を開ける。また、詳細は後述するが、典型的にはファン３８Ａを停止させる。この場合、給水源からの水は、熱回収用熱交換器１６で加温されて、出口路３３の下流の温水利用部へ送られる。この際、出湯温度センサ４３の検出温度を設定温度に維持するように熱回収弁３６の開度を調整すれば、温水利用部へ設定温度の温水を供給することができる。

熱回収用熱交換器１６に冷却水を通水中、熱回収（言い換えれば外部への出湯）を停止するには、切替手段３５を循環経路に切り替える。循環経路では、熱回収弁３６を閉じる一方、返送弁３７を開ける。また、ラジエータ３８のファン３８Ａを作動させる。この場合、熱回収用熱交換器１６で加温された冷却水は、返送路３４を介して入口路３２へ戻され、ラジエータ３８で冷却された後、再び熱回収用熱交換器１６に供給される。つまり、冷却水を熱回収用熱交換器１６に循環させつつ、ラジエータ３８で外気へ放熱する。

通液経路で冷却水を通水中、給水温度センサの検出温度と、外気温度センサの検出温度とに基づいて、ラジエータ３８のファン３８Ａを次のように制御してもよい。すなわち、通液経路にある状態で、給水温度センサの検出温度が外気温度センサの検出温度よりも低い場合、ラジエータ３８のファン３８Ａを作動させる。これにより、ラジエータ３８で冷却水を外気により加温（つまりラジエータ３８をヒータとして利用）でき、熱回収用熱交換器１６への冷却水の予熱が可能である。一方、通液経路にある状態で、給水温度センサの検出温度が外気温度センサの検出温度よりも高い場合、ラジエータ３８のファン３８Ａを停止させる。これにより、ラジエータ３８で冷却水を外気により冷やしてしまう不都合が回避される。

ところで、本実施例では、前述したとおり、入口路３２には、返送路３４の接続箇所またはそれよりも下流に、冷却水の貯留タンク４２が設けられる。この場合、切替手段３５を通液経路とした熱回収中、貯留タンク４２には給水源からの比較的低温の冷却水が貯留される。従って、その後、切替手段３５を循環経路として熱回収を停止する際、まずは貯留タンク４２内の比較的低温の冷却水を熱回収用熱交換器１６に循環させることができる。これにより、切替手段３５による切替時の冷却水の温度変化を抑制することができる。

次に、本実施例の熱回収システム２の変形例について説明する。
まず、ラジエータ３８の設置位置は、循環経路内であれば、特に問わない。たとえば、前記実施例では、ラジエータ３８は、入口路３２（返送路３４との接続箇所よりも下流側の入口路３２）に設けられたが、出口路３３（返送路３４との接続箇所よりも上流側の出口路３３）や返送路３４に設けられてもよい。但し、ラジエータ３８を入口路３２に設けた場合、前述したように、通液経路において、給水温度と外気温度との関係で、冷却水の予熱が可能となる。一方、ラジエータ３８を出口路３３または返送路３４に設ける場合、通液経路において、給水温度や外気温度に関わらず、ラジエータ３８のファン３８Ａを停止させておけばよい。その場合、給水温度センサや外気温度センサの設置は、省略可能である。なお、ラジエータ３８をいずれの位置に設置する場合も、循環経路においては、ラジエータ３８のファン３８Ａを作動させる。

また、切替手段３５は、冷却水の流れを通液経路と循環経路とで切替可能であれば、特に問わず、たとえば、出口路３３と返送路３４との接続箇所に設ける三方弁、あるいは、入口路３２と返送路３４との接続箇所に設ける三方弁から構成されてもよい。

また、前記実施例では、冷却水を、アフタークーラ５に通した後、水クーラ６に通したが、場合により、水クーラ６に通した後、アフタークーラ５に通してもよい。但し、先に、アフタークーラ５に通した方が、圧縮空気の冷却を確実に行える上、それにより加温した冷却水を水クーラ６でさらに昇温できるメリットがある。

また、前記実施例では、熱回収用熱交換器１６としてのアフタークーラ５と水クーラ６とに、冷却水を直列に通したが、場合により並列に通してもよい。つまり、入口路３２の下流において、冷却水を二股に分岐させ、一方をアフタークーラ５に通し、他方を水クーラ６に通した後、合流させて出口路３３へ通してもよい。

また、前記実施例では、アフタークーラ５と水クーラ６との双方を熱回収用熱交換器１６としたが、場合により、いずれか一方のみを熱回収用熱交換器１６としてもよい。たとえば、アフタークーラ５のみを熱回収用熱交換器１６として、入口路３２からの冷却水をアフタークーラ５に通して、出口路３３から導出してもよい。その場合、水クーラ６は、他の手段（たとえばファンによる通風）により、プレセパレータ４からの分離水を冷却すればよい。逆に、水クーラ６のみを熱回収用熱交換器１６として、入口路３２からの冷却水を水クーラ６に通して、出口路３３から導出してもよい。その場合、アフタークーラ５は、他の手段（たとえばファンによる通風）により、圧縮機３からの圧縮空気を冷却すればよい。

また、前記実施例では、通液経路での冷却水の通水中、出湯温度センサ４３の検出温度に基づき熱回収弁３６の開度を調整したが、出湯温度センサ４３の検出温度に基づきポンプ４０をインバータ制御して、出湯温度を一定に制御してもよい。あるいは、場合により、このような出湯温度一定制御の実施を省略してもよい。

また、前記実施例では、熱回収用熱交換器１６に水を通したが、前述したとおり、水以外の液体を通してもよい。つまり、熱回収用熱交換器１６は、圧縮空気または添加水を冷却するに際し、水冷式に限らず、その他の液体を用いた液冷式としてもよい。

さらに、熱回収用熱交換器１６で熱回収して温水を製造するに際し、前記実施例では、熱回収用熱交換器１６に水（冷却水）を通したが、次のように構成してもよい。すなわち、熱回収用熱交換器１６と他の熱交換器（以下、通水加温用熱交換器という）との間で、たとえばエチレングリコールなどの不凍液または水を循環させ、この循環液と圧縮空気などを熱回収用熱交換器１６で熱交換する一方、前記循環液と通水とを通水加温用熱交換器において熱交換して、通水加温用熱交換器において通水を加温して温水を製造してもよい。

本発明の熱回収システム２は、前記実施例（変形例を含む）の構成（制御を含む）に限らず適宜変更可能である。特に、（ａ）圧縮機３の圧縮熱により冷却液を加温する熱回収用熱交換器１６と、（ｂ）熱回収用熱交換器１６への冷却液の入口路３２と、（ｃ）熱回収用熱交換器１６からの冷却液の出口路３３と、（ｄ）出口路３３と入口路３２とを接続する冷却液の返送路３４と、（ｅ）冷却液の通液経路と循環経路とを切り替える切替手段３５と、（ｆ）循環経路に設けられ、循環冷却液を冷却するラジエータ３８とを備えるのであれば、その他の構成は特に問わない。

たとえば、前記実施例では、熱回収用熱交換器１６として、水潤滑式の圧縮機３のアフタークーラ５と水クーラ６との双方を用いたが、前述したとおり、いずれか一方のみでもよい。また、熱回収システム２が適用される空気圧縮システム１は、前記実施例の構成に限らず、従来公知の各種のものを用いることもできる。

具体例を挙げると、図１において、プレセパレータ４の設置を省略すると共に、アフタークーラ５の設置箇所を、セパレータタンク７よりも下流の圧縮空気送出路１７としてもよい。また、水クーラ６の設置箇所を、セパレータタンク７から圧縮機３への添加水戻し路１１としてもよい。

また、前記実施例では、圧縮機３は、水添加式とされたが、これに限らない。たとえば、油潤滑式の圧縮機に適用して、その圧縮機からの圧縮空気から熱回収したり、圧縮機の潤滑油から熱回収したりしてもよい。その場合、熱回収用熱交換器１６は、圧縮空気と冷却水との熱交換器、および／または、潤滑油と冷却水との熱交換器とされる。

さらに、圧縮機３は、前記実施例では、空気圧縮機とされたが、場合により、空気以外の圧縮機とされてもよい。

本発明の熱回収システム２は、前記実施例で例示した蒸気ボイラの給水予熱以外の用途にも好適に利用することができる。たとえば、熱回収システム２で製造した温水を工場や事業所の空調に利用してもよいし、各種製造プロセスにおいて保温や洗浄などに利用してもよい。

１ 空気圧縮システム
２ 熱回収システム
３ 圧縮機
４ プレセパレータ
５ アフタークーラ
６ 水クーラ
７ セパレータタンク
８ モータ
９ エアフィルタ
１０ 吸込路
１１ 添加水戻し路
１２ 吐出路
１３ 逆止弁
１４ 気相連通路
１５ 液相連通路
１６ 熱回収用熱交換器
１７ 圧縮空気送出路
１８ 一次圧調整弁
１９ 逆止弁
２０ 安全弁
２１ 放気弁
２２ 添加水弁
２３ 水フィルタ
２４ 給水路（２４Ａ：第一給水路、２４Ｂ：第二給水路）
２５ 排水路
２６ 第一給水弁
２７ 逆止弁
２８ 第二給水弁
２９ 排水弁
３０ 水位検出器
３１ 圧力センサ
３２ 入口路
３３ 出口路
３４ 返送路
３５ 切替手段
３６ 熱回収弁
３７ 返送弁
３８ ラジエータ（３８Ａ：ファン）
３９ 連絡路
４０ ポンプ
４１ 逆止弁
４２ 貯留タンク
４３ 出湯温度センサ

Claims (4)

1. 吸込空気に水が添加され、この添加水により圧縮室のシール並びに圧縮機構の冷却および潤滑を図る水添加式の圧縮機と、
   前記圧縮機からの吐出流体を受け入れて、この吐出流体を圧縮空気と添加水とに気水分離するプレセパレータと、
   前記プレセパレータで気水分離後の圧縮空気と添加水とを別箇に受け入れて、圧縮空気を気水分離すると共に、添加水を貯留するセパレータタンクと、
   前記プレセパレータの気相部と前記セパレータタンクの気相部とを接続する気相連通路に設けられ、圧縮空気を冷却液で冷却するアフタークーラと、
   前記プレセパレータの液相部と前記セパレータタンクの液相部とを接続する液相連通路に設けられ、添加水を冷却液で冷却する水クーラと、
   前記セパレータタンクの気相部に接続された圧縮空気の送出路と、
   前記セパレータタンクの液相部に接続された添加水の戻し路と、
   前記アフタークーラへの冷却液の入口路と、
   前記アフタークーラと前記水クーラとを接続する冷却液の連絡路と、
   前記水クーラからの冷却液の出口路と、
   前記出口路と前記入口路とを接続する冷却液の返送路と、
   前記入口路、前記アフタークーラ、前記連絡路、前記水クーラ、および前記出口路を含み、かつ前記返送路を含まない冷却液の通液経路と、前記返送路の接続箇所よりも下流側の前記入口路、前記アフタークーラ、前記連絡路、前記水クーラ、前記返送路の接続箇所よりも上流側の前記出口路、および前記返送路を含む冷却液の循環経路と、を切り替える切替手段と、
   前記循環経路に設けられ、循環冷却液を冷却するラジエータと
   を備えることを特徴とする熱回収システム。
2. 前記入口路には、前記返送路の接続箇所またはそれよりも下流に、冷却液の貯留タンクを備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の熱回収システム。
3. 前記入口路には、前記返送路の接続箇所よりも下流に、前記ラジエータが設けられる
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱回収システム。
4. 前記圧縮機の作動中において、
   前記通液経路に切り替えた状態で、前記入口路の給液温度が外気温度よりも低い場合、前記ラジエータのファンを作動させ、
   前記通液経路に切り替えた状態で、前記入口路の給液温度が外気温度よりも高い場合、前記ラジエータのファンを停止させ、
   前記循環経路に切り替えた状態では、前記ラジエータのファンを作動させる
   ことを特徴とする請求項３に記載の熱回収システム。

Images