JP7205736B1 - エアコンプレッサ - Google Patents

Abstract

制御手段を備えるエアコンプレッサであって、制御手段は、一の前記圧縮タンクが圧縮・排気工程を実行する制御状態である場合に、他の前記圧縮タンクが膨張・吸気工程を実行する制御状態となるように、工程切替要素群を制御し、前記圧縮・排気工程においては、前記圧縮タンク内に圧縮空気が残留した状態で液体ポンプを停止することにより当該工程を終了し、前記膨張・吸気工程においては、残留する前記圧縮空気の膨張中の所定時期まで前記液体ポンプの停止を継続し、その後に前記液体ポンプを駆動するエアコンプレッサとする。

Description

本発明は、エアコンプレッサに関する。

従来、スクリュ式、スクロール式、ロータリーベーン式、往復ピストン式等の電動エアコンプレッサが汎用されている。これらのエアコンプレッサは、吸入した空気を機械的な圧縮機構により断熱圧縮し、所要圧力の圧縮空気を製造する装置である。機械的な圧縮機構においては、一定の運転時間が経過すると、ガスシール部（具体的には、ロータ歯溝部、チップシール、スライドベーン、ピストンリング等）の摩耗によって圧縮空気の漏れ返りが発生するようになり、体積効率の低下が起こりやすい。

また、断熱圧縮プロセスでは、気相部が分子の運動エネルギー増大により生じた圧縮熱を保有して高温になり、圧縮過程の空気は圧縮に抗して膨張しようとする。そのため、この種のエアコンプレッサでは、比動力（１ｍ^３／ｍｉｎの圧縮空気を製造するのに必要な消費電力、単位：ｋＷ／（ｍ^３／ｍｉｎ））の大小がランニングコストに直結することになる。

このような機械的な圧縮機構の特性を鑑み、かねてより例えば特許文献１，２に開示される液体ポンプ式のエアコンプレッサが検討されてきた。

特開昭５６－９２３８１号公報 特開平３－１６０１７０号公報

液体ポンプ式のエアコンプレッサは、大気圧力の空気が取り込まれた圧縮タンクの下部から液体（典型的には水）を液体ポンプで送り込むことにより、圧縮タンクの内部で空気の圧縮を行う仕組みとなっている。すなわち、圧縮タンクの内部に充填された液体がピストンとなり、液面の上昇に伴って空気の圧縮が進行する。特許文献１，２に開示された装置は、２基の圧縮タンク間で交互に液体ピストンを移動させて周期的に圧縮空気を製造する構成を有している。そして、圧縮空気の製造中は、液体ポンプを連続的に駆動する運転制御が採用されている。

空気の圧縮過程では、シリンダに相当する圧縮タンクと液体ピストンとの接触面が完全にシールされるため、圧縮空気の漏れ返りは発生せず、高い体積効率が維持される。しかしながら、液体ポンプを連続的に駆動させると消費電力が増えてしまい、期待した比動力値が得られにくいという課題があった。

また、圧縮過程で生じる圧縮熱の一部は、液体ピストンの液面を介して液体に吸収されることから、断熱圧縮と等温圧縮の中間的な圧縮プロセス（準等温圧縮プロセス）が実現される。しかしながら、完全な等温圧縮プロセスには程遠く、比動力に関して更なる改善の余地があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、比動力を改善することのできる液体ポンプ式のエアコンプレッサを提供することを目的とする。

本発明に係るエアコンプレッサは、少なくとも２基の圧縮タンクと、前記圧縮タンクそれぞれの上部空間と連通する吸気機構および排気機構と、前記圧縮タンクそれぞれの下部に設けられた液体取出部と、前記圧縮タンクそれぞれの下部に設けられた液体取入部と、一の前記圧縮タンクから他の前記圧縮タンクへ液体を移送する液体ポンプと、前記圧縮タンクそれぞれの前記液体取出部と接続された複数の液体取出ラインと、前記圧縮タンクそれぞれの前記液体取入部と接続された複数の液体取入ラインと、前記液体ポンプの吸入側を前記複数の液体取出ラインそれぞれと接続する液体吸入ラインと、前記液体ポンプの吐出側を前記複数の液体取入ラインそれぞれと接続する液体吐出ラインと、前記液体取出ラインごとに設けられた複数の液体取出制御弁と、前記液体取入ラインごとに設けられた複数の液体取入制御弁と、前記液体ポンプ、前記液体取出制御弁、および前記液体取入制御弁を含む工程切替要素群を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、一の前記圧縮タンクが圧縮・排気工程を実行する制御状態である場合に、他の前記圧縮タンクが膨張・吸気工程を実行する制御状態となるように、前記工程切替要素群を制御し、前記圧縮・排気工程においては、前記圧縮タンク内に圧縮空気が残留した状態で前記液体ポンプを停止することにより当該工程を終了し、前記膨張・吸気工程においては、残留する前記圧縮空気の膨張中の所定時期まで前記液体ポンプの停止を継続し、その後に前記液体ポンプを駆動する構成とする。

本構成によれば、液体ポンプの断続的な駆動による運転サイクルを実現することにより、比動力の改善を達成することが可能となる。

上記構成としてより具体的には、前記圧縮タンクごとに設けられ、内部空間に液体を噴霧するインジェクタと、前記液体取入制御弁の二次側の前記液体取入ラインから分岐し、前記液体ポンプで移送中の液体の一部を前記インジェクタに導く液体導入ラインと、前記液体導入ラインごとに設けられた液体導入制御弁と、を備え、前記工程切替要素群は、前記液体導入制御弁を含み、前記制御手段は、前記圧縮・排気工程において、前記液体取入部から液体を充填中に前記液体導入制御弁を開放する構成としても良い。

本構成によれば、完全な形で（或いは、ほぼ完全に近い形で）等温圧縮プロセスを実現することにより、比動力の更なる改善を図ることが可能となる。

また上記構成としてより具体的には、前記圧縮タンクそれぞれは、内部空間の液位を検知する液位検知手段を有し、前記制御手段は、前記圧縮・排気工程においては、前記排気機構の作動後、前記液位検知手段により所定液位が検知された場合に、当該工程を終了する構成としても良い。本構成によれば、膨張・吸気工程に切り替え直後は、液体ポンプを駆動せずに気相部の膨張を利用した液体の送り出しが可能となり、比動力の低減に貢献することができる。

また上記構成としてより具体的には、前記圧縮タンクそれぞれは、内部空間の圧力を検知する圧力検知手段を有し、前記制御手段は、前記圧縮・排気工程においては、前記排気機構の作動後、前記圧力検知手段により所定圧力が検知された場合に、当該工程を終了する構成としても良い。本構成によれば、膨張・吸気工程に切り替え直後は、液体ポンプを駆動せずに気相部の膨張を利用した液体の送り出しが可能になり、比動力の低減に貢献することができる。

また上記構成において、前記液体吐出ライン、前記液体吸入ライン、または前記液体ポンプに設けられた流量検知手段を備え、前記制御手段は、膨張・吸気工程においては、前記流量検知手段により所定流量が検知された場合に、停止中の前記液体ポンプを駆動する構成としても良い。本構成によれば、遅滞なく液体ポンプを駆動して圧縮空気を製造することができる。

また上記構成としてより具体的には、前記吸気機構は、吸気ラインおよび吸気弁を含み、前記排気機構は、排気ラインおよび排気弁を含み、前記吸気弁は、前記圧縮タンクの内部圧力が第１圧力を下回ると開放する一方、前記圧縮タンクの内部圧力が第１圧力以上である第２圧力を上回ると閉鎖する弁であり、前記排気弁は、前記圧縮タンクの内部圧力が第３圧力を下回ると閉鎖する一方、前記圧縮タンクの内部圧力が第３圧力以上である第４圧力を上回ると開放する弁である構成としても良い。

また上記構成としてより具体的には、前記圧縮タンク、前記液体取出ライン、前記液体取入ライン、前記液体吸入ライン、および前記液体吐出ラインのいずれかと接続される液体排出ラインおよび液体補給ラインと、前記液体排出ラインに設けられた液体排出弁と、前記液体補給ラインに設けられた液体補給弁と、を備える構成としても良い。

本構成によれば、液体排出ラインおよび液体排出弁を介して定期的に保有水のブローダウンを実施することが可能であるとともに、ブローダウン後は、液体補給ラインおよび液体補給弁を介して新たな水補給が可能となる。

また上記構成としてより具体的には、前記圧縮タンクのそれぞれ、および、液体の流通するいずれか１以上のライン、の少なくとも一方において、熱回収機構ないし冷却機構を備える構成としても良い。

本発明に係るエアコンプレッサによれば、比動力を改善することが可能となる。

本実施形態に係るエアコンプレッサの概略的な構成を示す構成図である。 本実施形態に係るエアコンプレッサの主な制御系統に関する説明図である。 本実施形態に係るエアコンプレッサの制御状態の推移に関する説明図である。 本実施形態に係るエアコンプレッサの制御状態Ａ１を示す説明図である。 本実施形態に係るエアコンプレッサの制御状態Ａ２を示す説明図である。 本実施形態に係るエアコンプレッサの制御状態Ａ３を示す説明図である。 本実施形態に係るエアコンプレッサの制御状態Ａ４を示す説明図である。 本実施形態に係るエアコンプレッサの制御状態Ａ５を示す説明図である。 本実施形態に係るエアコンプレッサの制御状態Ｂ１を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

１．エアコンプレッサの装置構成
図１は、本発明の実施形態に係るエアコンプレッサ１０の概略的な構成を示す構成図である。エアコンプレッサ１０は、液体ポンプ式のエアコンプレッサである。

図１に示すようにエアコンプレッサ１０は、２基の圧縮タンク１Ａ，１Ｂ、吸気機構２、および排気機構３を備えており、圧縮タンク１Ａ，１Ｂそれぞれの下部から液体Ｌを送り込むことにより、圧縮タンク１Ａ，１Ｂそれぞれの内部に収容された空気を圧縮することができる。なお液体Ｌの種類については、後述するように清浄な水が好適であるが、本発明の趣旨を逸脱しない限り他種の液体であっても構わない。

エアコンプレッサ１０には、各圧縮タンク１Ａ，１Ｂ内の気相圧力を検知する圧力センサＰｘが設けられている。圧縮タンク１Ａ内の空気は、必要に応じてエア抜き弁１４Ａを開くことで放出可能であり、圧縮タンク１Ｂ内の空気は、必要に応じてエア抜き弁１４Ｂを開くことで放出可能である。

吸気機構２は、各圧縮タンク１Ａ，１Ｂの上部空間と連通しており、圧縮タンク１Ａに対応して設けられた吸気ライン２１Ａと、圧縮タンク１Ｂに対応して設けられた吸気ライン２１Ｂと、を有する。吸気ライン２１Ａには吸気弁２２Ａが設けられ、吸気ライン２１Ｂには吸気弁２２Ｂが設けられている。

吸気弁２２Ａは、圧縮タンク１Ａの内部圧力が第１圧力を下回ると開放する（開いた状態となる）一方、圧縮タンク１Ａの内部圧力が第１圧力以上である第２圧力を上回ると閉鎖する（閉じた状態となる）弁である。吸気弁２２Ｂは、圧縮タンク１Ｂの内部圧力が第１圧力を下回ると開放する一方、圧縮タンク１Ｂの内部圧力が第１圧力以上である第２圧力を上回ると閉鎖する弁である。吸気弁２２Ａ，２２Ｂは、所要の圧力で動作する自力弁または自動弁により構成され得る。本実施形態では一例として、吸気弁２２Ａ，２２Ｂは自力弁により構成されているとする。

吸気弁２２Ａ，２２Ｂを自力弁とする場合、図１の構成図に示すように逆止弁を適用することができる。この場合に逆止弁は、二次圧力が第１圧力を下回ると（すなわち、負圧になると）開放し、第２圧力を上回ると（すなわち、正圧になると）と閉鎖する。

吸気弁２２Ａ，２２Ｂを自動弁とする場合、電気駆動弁（電磁弁や電動弁）を適用することができる。この場合に電気駆動弁は、圧力センサＰｘの検知圧力が第１圧力を下回ると開放し、第２圧力を上回ると閉鎖する。この場合における第１圧力および第２圧力は、例えば制御手段７において、適正な値に設定しておくことが可能である。

排気機構３は、各圧縮タンク１Ａ，１Ｂの上部空間と連通している。排気機構３は、圧縮タンク１Ａに対応して設けられた排気ライン３１Ａと、圧縮タンク１Ｂに対応して設けられた排気ライン３１Ｂと、を有する。排気ライン３１Ａには排気弁３２Ａが設けられ、排気ライン３１Ｂには排気弁３２Ｂが設けられている。

排気弁３２Ａは、圧縮タンク１Ａの内部圧力が第３圧力を下回ると閉鎖する一方、圧縮タンク１Ａの内部圧力が第３圧力以上である第４圧力を上回ると開放する弁である。排気弁３２Ｂは、圧縮タンク１Ｂの内部圧力が第３圧力を下回ると閉鎖する一方、圧縮タンク１Ｂの内部圧力が第３圧力以上である第４圧力を上回ると開放する弁である。排気弁３２Ａ，３２Ｂは、所要の圧力で動作する自力弁または自動弁により構成され得る。本実施形態では一例として、排気弁３２Ａ，３２Ｂは自力弁により構成されているとする。

排気弁３２Ａ，３２Ｂを自力弁とする場合、図１の構成図に示すように背圧弁（一次圧力調整弁）を適用することができる。この場合に背圧弁は、一次圧力が第３圧力（機械的に調整可能な設定値）を下回ると閉鎖し、第４圧力（機械的に調整可能な設定値であり、第３圧力と同じ値とすることも可能）を上回ると開放する。

排気弁３２Ａ，３２Ｂを自動弁とする場合、電気駆動弁（電磁弁や電動弁）を使用できる。この場合に電気駆動弁は、圧力センサＰｘの検知圧力が第３圧力を下回ると開放し、第４圧力を上回ると閉鎖する。この場合における第３圧力および第４圧力は、例えば制御手段７において、適正な値に設定しておくことが可能である。

なお、上述した自力弁を用いる場合、吸入・排出が電力を使用することなく能動的に行われるため、この観点から、比動力の低減に貢献することができる。一方で、上述した自動弁を用いる場合、吸入・排出時の圧力損失が小さい弁タイプの選定により、エネルギーロスの少ない省電力運転が可能になるため、この観点から、比動力の低減に貢献することができる。

圧縮タンク１Ａの下部には、液体取出部１１Ａおよび液体取入部１２Ａが設けられている。また、圧縮タンク１Ｂの下部には、液体取出部１１Ｂおよび液体取入部１２Ｂが設けられている。液体取出部１１Ａには液体取出ライン４１Ａが接続されており、液体取出部１１Ｂには液体取出ライン４１Ｂが接続されている。液体取入部１２Ａには液体取入ライン５１Ａが接続されており、液体取入部１２Ｂには液体取入ライン５１Ｂが接続されている。

またエアコンプレッサ１０には、液体ポンプ６が設けられている。更にエアコンプレッサ１０は、液体ポンプ６の吸入側を各液体取出ライン４１Ａ，４１Ｂと接続する液体吸入ライン（吸入側共通ライン）６１と、液体ポンプ６の吐出側を各液体取入ライン５１Ａ，５１Ｂと接続する液体吐出ライン（吐出側共通ライン）６２と、を備える。

液体取出ライン４１Ａには液体取出制御弁４２Ａが設けられ、液体取出ライン４１Ｂには液体取出制御弁４２Ｂが設けられている。液体取入ライン５１Ａには液体取入制御弁５２Ａが設けられ、液体取入ライン５１Ｂには液体取入制御弁５２Ｂが設けられている。

圧縮タンク１Ａ，１Ｂのうち一方に対応する液体取出制御弁４２Ａ，４２Ｂが開放状態とされ、圧縮タンク１Ａ，１Ｂのうち他方に対応する液体取入制御弁５２Ａ，５２Ｂが開放状態とされた場合に、液体ポンプ６が駆動されると、圧縮タンク１Ａ，１Ｂのうち一方に対応する液体取出ライン４１Ａ，４１Ｂ、液体吸入ライン６１、液体ポンプ６、液体吐出ライン６２、および圧縮タンク１Ａ，１Ｂのうち他方に対応する液体取入ライン５１Ａ，５１Ｂを介して、液体Ｌが移送される。すなわち、圧縮タンク１Ａ，１Ｂのうち一方から圧縮タンク１Ａ，１Ｂのうち他方へ液体Ｌが移送される。

また、液体吸入ライン６１には送液逆止弁６１１が設けられており、液体吐出ライン６２には流量センサＦｘ（流量検知手段の一形態）が設けられている。なお流量センサＦｘは、液体吐出ライン６２の代わりに、液体吸入ライン６１または液体ポンプ６に設けられても良い。流量センサＦｘは、所定の流量を検知することで、後述する膨張・吸気工程における圧縮タンク１Ａ，１Ｂ内部の空気の膨張終了を検知することができる。

なおエアコンプレッサ１０においては、流量センサＦｘを用いる代わりに、その代替手段を用いるようにしても良い。例えば、フロースイッチ（設定流量以上でオンの状態となり、設定流量未満でオフの状態となるスイッチ）や、磁気センサ（液体ポンプ６の回転子（インペラや歯車等）に直結された駆動軸に磁石を取り付けておき、回転数を検知するセンサ）を、流量センサＦｘの代替手段として用いることができる。

また、圧縮タンク１Ａには、その内部空間に液体Ｌを噴霧するインジェクタ１３Ａが設けられ、圧縮タンク１Ｂには、その内部空間に液体Ｌを噴霧するインジェクタ１３Ｂが設けられている。更にエアコンプレッサ１０には、液体取入制御弁５２Ａの二次側の液体取入ライン５１Ａから分岐し、液体ポンプ６で移送中の液体の一部をインジェクタ１３Ａに導く液体導入ライン５３Ａと、液体取入制御弁５２Ｂの二次側の液体取入ライン５１Ｂから分岐し、液体ポンプ６で移送中の液体Ｌの一部をインジェクタ１３Ｂに導く液体導入ライン５３Ａと、が設けられている。液体導入ライン５３Ａには液体導入制御弁５４Ａが設けられており、液体導入ライン５３Ｂには液体導入制御弁５４Ｂが設けられている。

後述する圧縮・排気工程において、圧縮タンク１Ａ内部の圧縮空気に対してはインジェクタ１３Ａから液体Ｌが噴霧されることにより、圧縮タンク１Ｂ内部の圧縮空気に対してはインジェクタ１３Ｂから液体Ｌが噴霧されることにより、等温圧縮プロセスが実現される。インジェクタ１３Ａ，１３Ｂは、例えばフルコーン型ノズルやホローコーン型ノズルを使用することができ、圧縮タンク１Ａ，１Ｂ内において、空気の圧縮空間に対して液体Ｌを噴霧可能に設置される。

各圧縮タンク１Ａ，１Ｂには、液位検知電極棒Ｌｘ（液位検知手段の一形態）が設けられる。液位検知電極棒Ｌｘにより圧縮タンク１Ａ，１Ｂ内部の液体Ｌの液位が所定液位に達したことを検知することで、圧縮・排気工程における液体ピストンの上死点を検知することができる。

吸気ライン２１Ａ，２１Ｂの上流側には、エアフィルタ２３が設けられている。エアフィルタ２３により、吸気のときに空気中に含まれる汚染物質や細菌などを除去することが可能である。

液体取出ライン４１Ａには、液体排出ライン８１および液体補給ライン８３が接続されている。なお、液体排出ライン８１および液体補給ライン８３は、液体取出ライン４１Ａの代わりに、圧縮タンク１Ａ，１Ｂ、液体取入ライン５１Ａ，５１Ｂ、液体吸入ライン６１、および液体吐出ライン６２のいずれかに接続されても良い。液体排出ライン８１には液体排出弁８２が設けられており、液体補給ライン８３には液体補給弁８４が設けられている。

エアコンプレッサ１０において液体Ｌとして水を用いる場合、例えばエアフィルタ２３によっても汚染物質や細菌が十分に除去できない可能性があり、吸気の繰り返しによる水質汚染や雑菌繁殖が懸念される。この点、本実施形態の構成によれば、液体排出ライン８１および液体排出弁８２を介して、定期的に保有水のブローダウンを実施することが可能である。また、ブローダウン後は、液体補給ライン８３および液体補給弁８４を介して新たな水補給も可能である。これにより、液体ピストンを清浄な状態に保ち、汚染のないクリーンな圧縮空気を負荷設備に供給することができる。

排気ライン３１Ａ，３１Ｂの下流側には、エアセパレータ９１が設けられている。排気ライン３１Ａ，３１Ｂから送り出された圧縮空気は、エアセパレータ９１にて気液分離された後、下流側に配置された不図示のリザーバタンクに蓄積される。エアセパレータ９１で分離された液体Ｌは、エアセパレータ９１の液溜まり部に接続されたドレントラップ９２より排出される。

ドレントラップ９２より断続的に排出される液体Ｌは、圧縮空気の圧力およびエアセパレータ９１内の水頭圧力を利用して、液体圧力の低い圧縮タンク１Ａ或いは圧縮タンク１Ｂに戻される。ドレントラップ９２から圧縮タンク１Ａに液体Ｌを戻すラインには返液逆止弁９３Ａが設けられ、ドレントラップ９２から圧縮タンク１Ｂに液体Ｌを戻すラインには返液逆止弁９３Ｂが設けられている。返液逆止弁９３Ａ，９３Ｂの設置により、これらのラインにおける液体Ｌの流失が防止される。

なお上述したように、エアセパレータ９１の下流側には、圧縮空気を蓄積するためのリザーバタンク（不図示）が設置される。これにより、一般的なエアコンプレッサの運転制御と同様に、リザーバタンクの内部圧力に応じて、エアコンプレッサ１０の運転と停止を制御することが可能である。なおエアコンプレッサ１０において、エアセパレータ９１の設置を省略し、リザーバタンクで気液分離を行う構成としても良い。この構成では、リザーバタンクの底部にドレントラップ９２を接続することができる。

ここで、エアコンプレッサ１０の主な制御系統の構成を図２に示す。本図に示すように、エアコンプレッサ１０には制御手段７が設けられている。制御手段７は、エアコンプレッサ１０が正常に動作するように、少なくとも、図２に示す工程切替要素群Ｚの各要素の動作を制御する。

なお工程切替要素群Ｚには、液体ポンプ６、圧縮タンク１Ａに対応した各弁（液体取出制御弁４２Ａ、液体取入制御弁５２Ａ、および液体導入制御弁５４Ａ）、および、圧縮タンク１Ｂに対応した各弁（液体取出制御弁４２Ｂ、液体取入制御弁５２Ｂ、および液体導入制御弁５４Ｂ）の各要素が含まれる。すなわち制御手段７は、液体ポンプ６の駆動・停止、各液体取出制御弁４２Ａ，４２Ｂの開閉、各液体取入制御弁５２Ａ，５２Ｂの開閉、および液体導入制御弁５４Ａ，５４Ｂの開閉を制御する。

２．制御内容
次に、エアコンプレッサ１０における主な動作の制御内容について説明する。図３は、エアコンプレッサ１０の制御状態（特に、各圧縮タンク１Ａ，１Ｂの制御状態）の推移を概略的に示す説明図である。本図に示すようにエアコンプレッサ１０の制御状態については、制御状態Ａ１～Ａ５を順に経た後、更に制御状態Ｂ１～Ｂ５を順に経て制御状態Ａ１に戻り、同じ制御状態が繰り返される。なお制御状態Ｂ１～Ｂ５は、圧縮タンク１Ａと圧縮タンク１Ｂの間で制御状態を逆とした場合の制御状態Ａ１～Ａ５と同等である。

以下、上述した各制御状態について、図４～図９を参照しながらより詳細に説明する。なお図４～図９に示す各々の弁について、黒塗り表示されたものは閉鎖された状態を示し、白抜き表示されたものは開放された状態を示す。

図４は、制御状態Ａ１を示している。制御状態Ａ１は、圧縮タンク１Ａ（本図での左側のタンク）において圧縮・排気工程が終了した時点の状態、圧縮タンク１Ｂ（本図での右側のタンク）において膨張・吸気工程が終了した時点の状態である。ここでは、液体ポンプ６は停止され、圧縮タンク１Ａは所定の上限液位（液体ピストンの上死点）に到達した状態であり、圧縮タンク１Ｂは下限液位（液体ピストンの下死点）に到達した状態である。圧縮タンク１Ａからの排気は終了しており、気相部は第３圧力以下となっている。ただし、第３圧力に近い膨張可能な圧縮空気は、圧縮タンク１Ａ内部に残量している。

図５は、制御状態Ａ２を示している。制御状態Ａ１からＡ２への切替えは、制御手段７による液体取出制御弁４２Ａ，４２Ｂおよび液体取入制御弁５２Ａ，５２Ｂのそれぞれの開閉を切り替えることで行われる。制御状態Ａ２においては、圧縮タンク１Ａにおける膨張・吸気工程が開始され、圧縮タンク１Ｂにおける圧縮・排気工程が開始される。すなわち、圧縮タンク１Ａにおいて気相部の膨張による液体Ｌの送り出しが行われ、圧縮タンク１Ｂにおいて液体Ｌの取り込みによる気相部の部分的な圧縮と冷却が行われる。

液体ポンプ６を停止させた状態で、圧縮タンク１Ａから圧縮タンク１Ｂへの液体Ｌの移送が開始される。移送は、液体取出ライン４１Ａ、液体吸入ライン６１、液体ポンプ６、液体吐出ライン６２、および液体取入ライン５１Ｂを介して行われる。具体的には、圧縮タンク１Ａにおける気相部の膨張（残留する圧縮空気の膨張）と液相部の水頭圧力を利用して液体Ｌを送り出す。

圧縮タンク１Ｂでは、液位の上昇に伴って気相部の部分的な圧縮が開始される。制御手段７は、液体取入部１２Ｂから液体Ｌを充填中に液体導入制御弁５４Ｂを開放状態に制御するので、インジェクタ１３Ｂから液体Ｌが噴霧され、圧縮タンク１Ｂにおける圧縮空気が冷却される。気相部で発生する圧縮熱は、噴霧された液体Ｌに吸収されつつ、圧縮タンク１Ｂの下部より充填中の液体Ｌに合流する。上部より噴霧された液体Ｌの液滴と、下部より充填された液体Ｌの液面の両方を介して圧縮熱の吸収が効率よく行われるため、理論通りの（完全な形、或いは、ほぼ完全に近い形での）等温圧縮プロセスが実現される。これにより、比動力を更に改善することができる。

なお、出願人による試算によれば、１ｍ^３／ｍｉｎの圧縮空気を製造する場合の断熱圧縮プロセスによる消費電力を１００％とした場合、本発明に係る液体噴霧方式の気相冷却を採用した等温圧縮プロセスによる消費電力は、７０～８０％程度になると見込まれている。また、圧縮タンク１Ａの内部は正圧（第２圧力を上回る圧力状態）であるので、吸気弁２２Ａはいまだ閉鎖された状態である。

図６は、制御状態Ａ３を示している。制御状態Ａ３においては、圧縮タンク１Ａにおいて気相部の膨張が終了し、圧縮タンク１Ｂにおいて気相部の部分的な圧縮が終了し、気相部の全体的な圧縮が開始される。

流量センサＦｘによる検知流量が所定流量まで下降すると、停止状態にある液体ポンプ６が制御手段７により駆動される。圧縮タンク１Ａ内に残留する圧縮空気の膨張が終わって水頭圧力差がバランスすると、圧縮タンク１Ａの液体取出部１１Ａに作用する液体圧力（気相部の空気圧力と液相部の水頭圧力の合計）と、圧縮タンク１Ｂの液体取入部１２Ｂに作用する液体圧力とが釣り合った状態となるので液体Ｌの送り出しが止まってしまい、空気の圧縮ができなくなる。

そこで本実施形態では、液体ポンプ６の停止中、検知流量が所定流量（空気圧縮が不可能になる下限流量値よりもディファレンシャル値分だけ高い設定値）まで下降すると液体ポンプ６を駆動し、液体Ｌの送り出しを継続する。これにより、遅滞なく液体ポンプ６を駆動して圧縮空気を製造することができる。すなわち、圧縮タンク１Ａでの液位が圧縮タンク１Ｂでの液位よりも高い関係にて液体Ｌが十分な流量で流れ、空気圧縮ができている状態で液体ポンプ６が駆動される。上記のように本実施形態では、残留する圧縮空気の膨張中の所定時期まで液体ポンプ６の停止を継続し、その後に液体ポンプ６を駆動する。

圧縮タンク１Ｂでは、気相部の冷却（水相部への熱吸収）により等温圧縮プロセスが継続中である。ただし、液体ポンプ６を駆動前は、圧縮タンク１Ａの液体圧力の下降に伴い、インジェクタ１３Ｂからの噴霧流量は徐々に低下する。

図７は、制御状態Ａ４を示している。制御状態Ａ４は、圧縮タンク１Ａにおいて負圧発生による吸気の開始が行われ、圧縮タンク１Ｂにおいて気相部の全体的な圧縮と冷却が行われる。

液体ポンプ６の駆動が継続されると、圧縮タンク１Ａの液体圧力が圧縮タンク１Ｂの液体圧力よりも低くなる。圧縮タンク１Ａの気相部が負圧（第１圧力を下回る圧力状態）に転じると、吸気弁２２Ａが開放され、エアフィルタ２３を介して外部空気が圧縮タンク１Ａに取り込まれる。

圧縮タンク１Ｂでは、気相部の冷却により等温圧縮プロセスが継続中である。液体ポンプ６の駆動後は、インジェクタ１３Ｂからの噴霧流量が回復する。なお、この噴霧流量は、圧縮タンク１Ａの水頭圧力（液体ポンプの吸込ヘッド）の下降に伴って少しずつ減少していく

図８は、制御状態Ａ５を示している。制御状態Ａ５においては、圧縮タンク１Ａにおいて負圧発生による吸気の継続が行われ、圧縮タンク１Ｂにおいて気相部の設定圧力到達による排気の開始が行われる。

圧縮タンク１Ｂの気相部が第４圧力に到達したことを圧力センサＰｘで検知すると、制御手段７は、等温圧縮プロセスが終了したと判断し、液体導入制御弁５４Ｂを閉鎖してインジェクタ１３Ｂからの液体噴霧を停止すると共に、排気弁３２Ｂが開放されて圧縮空気の排出を開始する。圧縮空気の送り出しのため、液体ポンプ６の駆動は継続する。

送り出された圧縮空気は、エアセパレータ９１にて気液分離された後、下流側に配置された不図示のリザーバタンクに蓄積される。エアセパレータ９１で分離された液体Ｌは、ドレントラップ９２より排出される。ドレントラップ９２より断続的に排出される液体Ｌは、圧縮空気の圧力およびエアセパレータ９１内の水頭圧力を利用して、液体圧力の低い圧縮タンク（ここでは液位が下降し、吸気により気相部が大気圧力と平衡している圧縮タンク１Ａ）に戻される。

なお、液滴が圧縮空気に同伴されるのを防止するため、液体導入制御弁５４Ｂの閉鎖タイミングを排気弁３２Ｂの開放タイミングよりも早めても良い。すなわち、液体導入制御弁５４Ｂを、第４圧力よりも低い設定圧力で閉鎖するようにしても良い。

図９は、制御状態Ｂ１を示している。制御状態Ｂ１においては、圧縮タンク１Ａにおいて膨張・吸気工程が終了し、圧縮タンク１Ｂにおいて圧縮・排気工程が終了する。

圧縮タンク１Ｂにおいて、液位検知電極棒Ｌｘにより液体ピストンの上死点（上限液位）が検知されると、制御手段７により液体ポンプ６が停止される。このとき、排気弁３２Ｂは閉鎖される。なおこのようにする代わりに、圧縮タンク１Ｂにおいて、圧力センサＰｘによる気相部の検知圧力が第３圧力（排気開始圧力値よりもディファレンシャル値分だけ低い設定値）まで下降すると、制御手段７により液体ポンプ６が停止されるようにしても良い。このとき、排気弁３２Ｂは閉鎖される。

以上により、圧縮・排気工程が終了されることになる。これにより、当該工程の終了時点では、圧縮タンク１Ｂ内に圧縮空気が確実に残留した状態となる。この結果、圧縮タンク１Ｂにおける膨張・吸気工程に切り替え直後は、液体ポンプ６を駆動せずに気相部の膨張を利用した液体Ｌの送り出しが可能となり、比動力の低減に貢献する。

なお制御状態Ｂ１は、圧縮タンク１Ａと圧縮タンク１Ｂの間で制御状態を逆とした場合の制御状態Ａ１（図４を参照）に該当する。これ以降は既に説明したように、制御状態Ｂ２～Ｂ５（圧縮タンク１Ａと圧縮タンク１Ｂの間で制御状態を逆とした場合の制御状態Ａ２～Ａ５）を順に経て制御状態Ａ１に戻り、同じ制御状態が繰り返されることになる。制御状態Ｂ２～Ｂ５の際には、圧縮タンク１Ｂにおいて膨張・吸気工程が実行され、圧縮タンク１Ａにおいて圧縮・排気工程が実行される。

以上に説明したとおり本実施形態に係る制御手段７は、一の圧縮タンク（１Ａ，１Ｂの一方）が圧縮・排気工程を実行する制御状態である場合に、他の圧縮タンク（１Ａ，１Ｂの他方）が膨張・吸気工程を実行する制御状態となるように、工程切替要素群Ｚを制御する。また制御手段７は、圧縮・排気工程においては、圧縮タンク１Ａ，１Ｂ内に圧縮空気が残留した状態で液体ポンプ６を停止することにより当該工程を終了する。更に制御手段７は、膨張・吸気工程においては、残留する圧縮空気の膨張中の所定時期まで液体ポンプ６の停止を継続し、その後に液体ポンプ６を駆動する。そのためエアコンプレッサ１０によれば、液体ポンプ６の断続的な駆動による運転サイクルを実現することにより、比動力の改善を達成することが可能となっている。

膨張・吸気工程では、液体ポンプ６を停止した状態にて、少なくとも気相部の膨張を利用して、好ましくは気相部の膨張と液相部の水頭圧力を利用して、圧縮タンク１Ａ，１Ｂ内に充填された液体Ｌの送り出しが行われる。そして、気相部の膨張中の所定時期より後に液体ポンプ６が駆動され、さらなる液体Ｌの送り出しに伴って発生する気相部の負圧を利用して、外部空気の吸入が行われる。

圧縮・排気工程では、液体ポンプ６を停止した状態にて、液体Ｌの取り込みによる気相部の部分的な圧縮が行われる。その後、液体ポンプ６が駆動されると、さらなる液体Ｌの取り込みによる気相部の全体的な圧縮が行われる。そして、気相部が設定圧力に達すると、生成した圧縮空気の排出が行われる。

また圧縮・排気工程では、圧縮タンク内に圧縮空気が残留した状態で液体ポンプ６を停止することにより当該工程を終了するので、膨張・吸気工程に切り替えられた直後は、液体ポンプ６の停止を継続しても気相部の膨張を利用した液体Ｌの送り出しが可能になる。これにより、本発明に係るエアコンプレッサ１０は、液体ポンプ６を断続的に駆動しながら、圧縮空気を周期的に製造する。その結果、液体ポンプを連続的に駆動する旧来タイプの装置に比べて比動力を大幅に改善することができる。また、吸込・吐出能力の高い液体ポンプを搭載しても、比動力の増大を最小限に止めることができる。

３．作動媒体について
３－１．作動媒体の種類
上述した液体Ｌ、すなわちエアコンプレッサ１０における液体ピストン用の作動媒体としては、例えば、清浄な水（好ましくは、純水（ＲＯ水、イオン交換水）または軟化水）が好適である。水の比熱容量は他の物質より非常に大きいため、圧縮熱の吸収を伴う等温圧縮プロセスの作動媒体に特に向いている。また、清浄な水は人体に無害であるので、食品工場向けのエアコンプレッサの作動媒体としても好適である。

なお、本実施形態では装置の吸気口にエアフィルタ２３を装備するが、空気中に浮遊する汚染物質や細菌類は通過する場合があり、装置の設置環境によっては吸気の繰り返しによる水質汚染や雑菌繁殖が懸念される。そのため、液体排出弁８２を使用した定期的なブローダウンおよび液体補給弁８４を使用した清浄水の補給を行うのが望ましい。

また、作動媒体としては、例えば、ブライン（塩化カルシウム水溶液・塩化ナトリウム水溶液等）、グリセリン水溶液、エチレングリコール水溶液、流動パラフィン、植物油、合成油を寒冷地向けの不凍液として使用することも好適である。食品工場向けのエアコンプレッサ１０の作動媒体としては、ブライン、グリセリン水溶液、流動パラフィン、植物油のいずれかが好ましい。

３－２．作動媒体の凍結防止対策
寒冷地においては、冬季にはエアコンプレッサ１０の停止中に水の凍結が懸念される。そのため、この問題を極力解消させる観点から、次のような対策を行うのが望ましい。まず第１の対策として、液体Ｌの種類については、夏季および中間季には清浄な水を使用する場合であっても、冬季には上記ブライン等の不凍液に入れ替えることが望ましい。なお、このような不凍液を使用する場合は、以下に説明するヒータや保温材の取付けは基本的に不要である。

また第２の対策として、装置全体をケーシングで囲い、ケーシングパネルの内面に面状ヒータを取り付けることが望ましい。この場合、例えばケーシングの内部温度が設定温度以下になったときに、当該ヒータに通電して加温を行うと良い。

更に第３の対策として、エアコンプレッサ１０における液体Ｌが流通するラインおよび液体ポンプ６を保温材（断熱材）で覆うと共に、圧縮タンク１Ａ，１Ｂの外面に面状ヒータを取り付けることが望ましい。この場合、例えば圧縮タンク１Ａ，１Ｂの周囲温度が設定温度以下になったときに、当該ヒータに通電して加温を行うと良い。

４．圧縮タンクの基数について
上述した実施形態では、エアコンプレッサにおける圧縮タンクの基数は２基としたが、圧縮タンクの基数を３基とし、待機工程を含む３つの工程をローテーションさせても良い。本構成の意義として、定期的な作動媒体の入れ替えやメンテナンスの際、待機工程中の１基を休止状態として残りの２基で圧縮空気の製造を継続することが挙げられる。この場合、３基の圧縮タンク（便宜的に、第１～第３タンクとする。）を有するエアコンプレッサの動作モードは、第１～第３動作モードの３パターンの中で順次切り替えられる。

第１動作モードにおいては、第１タンクは膨張・吸気工程（圧縮・排気工程）となり、第２タンクは圧縮・排気工程（膨張・吸気工程）となり、第３タンクは待機工程となる。第２動作モードにおいては、第１タンクは待機工程となり、第２タンクは膨張・吸気工程（圧縮・排気工程）となり、第３タンクは圧縮・排気工程（膨張・吸気工程）となる。第３動作モードにおいては、第１タンクは圧縮・排気工程（膨張・吸気工程）となり、第２タンクは待機工程となり、第３タンクは膨張・吸気工程（圧縮・排気工程）となる。

なお圧縮タンクの基数を４基以上とすることも可能である。但し、例えば圧縮タンクの基数を４基とする場合、１台のエアコンプレッサに４基の圧縮タンクを搭載するよりも、２基の圧縮タンクを搭載したエアコンプレッサを２台設置して、単位時間当たりの圧縮空気の製造量を２倍にする方が通常は望ましい。

５．熱回収機構・冷却機構について
エアコンプレッサ１０には、熱回収機構ないし冷却機構を設けることも可能である。このようにする場合、例えば、圧縮タンク１Ａ，１Ｂのそれぞれ、および、液体Ｌの流通するいずれか１以上のラインの少なくとも一方において、熱回収機構ないし冷却機構を設けると良い。

液体ピストンに吸収された圧縮熱や、液体Ｌの掻き混ぜや摩擦により液体ポンプ６内部で発生する発熱は、通常、圧縮タンク１Ａ，１Ｂの壁面等を通じて外気中に放熱されるが、この排熱を二次利用できるように熱回収機構を備えるように構成しても良い。例えば、熱回収機構により補給水を加熱して温水を製造し、この温水を生産プロセス水（洗浄水等）やボイラ給水に利用することで、エアコンプレッサに投入される電力エネルギーのほぼ１００％を活用することができる。

また、熱回収機構に替えて、液体ピストンからの放熱を促進するための冷却機構を備えるように構成しても良い。夏季などでエアコンプレッサ１０の周囲温度が運転中の液体温度よりも高くなる場合、液体ピストンに圧縮熱が蓄積するおそれがあるが、熱回収機構ないし冷却機構を作動させることで液体ピストンを周囲温度以下に保ち、比動力を下げる効果が得られる。これにより、季節とは関係なく年間を通じて目標の比動力を達成することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の構成は上記実施形態に限られず、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。すなわち上記実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。

１Ａ，１Ｂ 圧縮タンク
２ 吸気機構
３ 排気機構
６ 液体ポンプ
７ 制御手段
１０ エアコンプレッサ
１１Ａ，１１Ｂ 液体取出部
１２Ａ，１２Ｂ 液体取入部
１３Ａ，１３Ｂ インジェクタ
１４Ａ，１４Ｂ エア抜き弁
２１Ａ，２１Ｂ 吸気ライン
２２Ａ，２２Ｂ 吸気弁
２３ エアフィルタ
３１Ａ，３１Ｂ 排気ライン
３２Ａ，３２Ｂ 排気弁
４１Ａ，４１Ｂ 液体取出ライン
４２Ａ，４２Ｂ 液体取出制御弁
５１Ａ，５１Ｂ 液体取入ライン
５２Ａ，５２Ｂ 液体取入制御弁
５３Ａ，５３Ｂ 液体導入ライン
５４Ａ，５４Ｂ 液体導入制御弁
６１ 液体吸入ライン
６２ 液体吐出ライン
８１ 液体排出ライン
８２ 液体排出弁
８３ 液体補給ライン
８４ 液体補給弁
９１ エアセパレータ
９２ ドレントラップ
９３Ａ，９３Ｂ 返液逆止弁
６１１ 送液逆止弁
Ｆｘ 流量センサ
Ｌｘ 液位検知電極棒
Ｐｘ 圧力センサ
Ｌ 液体
Ｚ 工程切替要素群

Claims (9)

1. 少なくとも２基の圧縮タンクと、
   前記圧縮タンクそれぞれの上部空間と連通する吸気機構および排気機構と、
   前記圧縮タンクそれぞれの下部に設けられた液体取出部と、
   前記圧縮タンクそれぞれの下部に設けられた液体取入部と、
   一の前記圧縮タンクから他の前記圧縮タンクへ液体を移送する液体ポンプと、
   前記圧縮タンクそれぞれの前記液体取出部と接続された複数の液体取出ラインと、
   前記圧縮タンクそれぞれの前記液体取入部と接続された複数の液体取入ラインと、
   前記液体ポンプの吸入側を前記複数の液体取出ラインそれぞれと接続する液体吸入ラインと、
   前記液体ポンプの吐出側を前記複数の液体取入ラインそれぞれと接続する液体吐出ラインと、
   前記液体取出ラインごとに設けられた複数の液体取出制御弁と、
   前記液体取入ラインごとに設けられた複数の液体取入制御弁と、
   前記液体ポンプ、前記液体取出制御弁、および前記液体取入制御弁を含む工程切替要素群を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、
   一の前記圧縮タンクが圧縮・排気工程を実行する制御状態である場合に、他の前記圧縮タンクが膨張・吸気工程を実行する制御状態となるように、前記工程切替要素群を制御し、
   前記圧縮・排気工程においては、前記圧縮タンク内に圧縮空気が残留した状態で前記液体ポンプを停止することにより当該工程を終了し、
   前記膨張・吸気工程においては、残留する前記圧縮空気の膨張中の所定時期まで前記液体ポンプの停止を継続し、その後に前記液体ポンプを駆動することを特徴とするエアコンプレッサ。
2. 前記圧縮タンクごとに設けられ、内部空間に液体を噴霧するインジェクタと、
   前記液体取入制御弁の二次側の前記液体取入ラインから分岐し、前記液体ポンプで移送中の液体の一部を前記インジェクタに導く液体導入ラインと、
   前記液体導入ラインごとに設けられた液体導入制御弁と、を備え、
   前記工程切替要素群は、前記液体導入制御弁を含み、
   前記制御手段は、前記圧縮・排気工程において、前記液体取入部から液体を充填中に前記液体導入制御弁を開放することを特徴とする請求項１に記載のエアコンプレッサ。
   
3. 前記圧縮タンクそれぞれは、内部空間の液位を検知する液位検知手段を有し、
   前記制御手段は、前記圧縮・排気工程においては、前記排気機構の作動後、前記液位検知手段により所定液位が検知された場合に、当該工程を終了することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のエアコンプレッサ。
4. 前記圧縮タンクそれぞれは、内部空間の圧力を検知する圧力検知手段を有し、
   前記制御手段は、前記圧縮・排気工程においては、前記排気機構の作動後、前記圧力検知手段により所定圧力が検知された場合に、当該工程を終了することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のエアコンプレッサ。
5. 前記液体吐出ライン、前記液体吸入ライン、または前記液体ポンプに設けられた流量検知手段を備え、
   前記制御手段は、膨張・吸気工程においては、前記流量検知手段により所定流量が検知された場合に、停止中の前記液体ポンプを駆動することを特徴とする請求項３に記載のエアコンプレッサ。
6. 前記液体吐出ライン、前記液体吸入ライン、または前記液体ポンプに設けられた流量検知手段を備え、
   前記制御手段は、膨張・吸気工程においては、前記流量検知手段により所定流量が検知された場合に、停止中の前記液体ポンプを駆動することを特徴とする請求項４に記載のエアコンプレッサ。
7. 前記吸気機構は、吸気ラインおよび吸気弁を含み、
   前記排気機構は、排気ラインおよび排気弁を含み、
   前記吸気弁は、前記圧縮タンクの内部圧力が第１圧力を下回ると開放する一方、前記圧縮タンクの内部圧力が第１圧力以上である第２圧力を上回ると閉鎖する弁であり、
   前記排気弁は、前記圧縮タンクの内部圧力が第３圧力を下回ると閉鎖する一方、前記圧縮タンクの内部圧力が第３圧力以上である高い第４圧力を上回ると開放する弁であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のエアコンプレッサ。
8. 前記圧縮タンク、前記液体取出ライン、前記液体取入ライン、前記液体吸入ライン、および前記液体吐出ラインのいずれかと接続される液体排出ラインおよび液体補給ラインと、
   前記液体排出ラインに設けられた液体排出弁と、
   前記液体補給ラインに設けられた液体補給弁と、を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のエアコンプレッサ。
9. 前記圧縮タンクのそれぞれ、および、液体の流通するいずれか１以上のライン、の少なくとも一方において、熱回収機構ないし冷却機構を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のエアコンプレッサ。
   

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