JP7282720B2

JP7282720B2 - 液冷式気体圧縮機及びその予熱制御方法

Info

Publication number: JP7282720B2
Application number: JP2020136846A
Authority: JP
Inventors: 雄太梶江; 茂幸頼金; 謙次森田
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2020-08-13
Filing date: 2020-08-13
Publication date: 2023-05-29
Anticipated expiration: 2040-08-13
Also published as: JP2022032734A

Description

本発明は液冷式気体圧縮機に関し、その構造および予熱制御方法に関する。

寒冷地に設置される液冷式気体圧縮機では、冷却液の凍結を防止する目的で、コードヒータ等の発熱機器が搭載されている。

一方、冷凍サイクルの分野では、発熱機器を設置する代わりに、圧縮機の周囲に蓄熱材を配置し、圧縮機からの排熱を貯め、運転始動時に利用する技術が活用されている。その一例として特許文献１がある。特許文献１では、圧縮機の周囲に配置され外部からの熱を蓄熱する蓄熱材と、暖房運転が開始される前に圧縮機の駆動を開始することにより圧縮機を暖める予熱運転を実行する予熱運転実行手段と、予熱運転が開始される前に蓄熱材を発核させる発核手段を備える冷凍サイクル装置が開示されている。

特開２０１４－１９０６６２号公報

特許文献１は、冷凍サイクル装置における暖房運転の予熱を前提にしており、暖房運転開始前に発核手段及び蓄熱材を用いて圧縮機を予熱させる方法が記載されている。しかしながら、気体圧縮機に係り圧縮機の予熱運転を圧縮機の運転状態と連携して制御する点について記載がなく、それらについて考慮されていない。

本発明は、その一例を挙げるならば、冷却液を用いて圧縮機本体を冷却する液冷式気体圧縮機であって、圧縮時の排熱を回収できる熱回収経路と、熱回収経路から回収した熱を蓄えられる蓄熱槽と、蓄熱槽に蓄えた熱を取り出し冷却液に熱を供給できる熱供給経路と、制御部を有し、制御部は、吐出圧力および冷却液の温度によって熱供給経路を介して冷却液の予熱運転を制御する構成とする。

本発明によれば、圧縮機から放出されていた排熱を有効利用し、省エネ性能向上につながる液冷式気体圧縮機及びその予熱制御方法を提供できる。

従来の液冷式気体圧縮機の予熱方式を説明する構成図である。実施例１における液冷式気体圧縮機の構成図である。実施例１における蓄熱運転処理フローチャートである。実施例１における予熱運転処理フローチャートである。実施例１における予熱運転開始時刻を利用した予熱運転処理フローチャートである。実施例２における液冷式気体圧縮機の構成図である。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。

最初に、本実施例の前提である従来の液冷式気体圧縮機の予熱方式について、図１を用いて説明する。図１は、従来の液冷式気体圧縮機の構成図である。

図１において、圧縮機本体３は、吸込みフィルタ１を経由して吸込み絞り弁２を介して取り込んだ気体を圧縮し、圧縮された気体は、冷却液を蓄えるオイルケース４を経由して、調圧逆止弁５を介してアフタークーラ６で冷却されて吐出される。

ここで、圧縮機本体３が停止し、且つ周囲温度が非常に低温である場合、圧縮機本体３及びオイルケース４内にある冷却液が低温となるため、凍結する恐れがある。冷却液が凍結している状態での運転は、圧縮機本体を駆動するモータへの負荷が過大になるため、故障の要因となり好ましくない。

このような状況を防ぐために、従来の構造ではコードヒータ等の発熱機器１０を圧縮機本体３の周りに設置し、冷却液を事前に温める予熱動作を行う。発熱機器１０は制御部１１によってオンオフ制御しているが、大半の場合は制御部１１内にスイッチを設け、圧縮機起動時にスイッチをオンにした後は常時オンにしている。そのため、冷却液を温める必要がない時にも冷却液の予熱動作をし続けており、エネルギーが浪費されてしまうという問題があった。

また、圧縮機が運転した後は、冷却液が圧縮時の熱を回収し高温となるため、オイルクーラ８で冷却液を冷やし、オイルフィルタ９を介して再度圧縮機本体３に冷却液として供給する。ここで、過度に冷却液が低温になるとドレンが発生するため、温調弁７を用いて、冷却液温度がある閾値よりも高温になった後にオイルクーラ８へ流す。ここで、オイルクーラ８に流れる程度に冷却液が高温になった後も、発熱機器１０の動作スイッチをオフにしない限り、発熱機器１０は冷却液を継続して温め続け、オイルクーラ８で排熱として大気に放出されている。そのため、この場合には発熱機器によるエネルギーが浪費されてしまうという問題があった。

よって、これらの課題を解決するための本実施例について、以下説明する。

図２は、本実施例における液冷式気体圧縮機の構成図である。図２において、図１と同じ機能は同じ符号を付し、その説明は省略する。図２において、図１と異なる点は、発熱機器１０の代わりに蓄熱槽１２を設け、排熱としてオイルケース４で放出される圧縮時の熱を蓄熱槽１２に貯めておき、起動時の予熱として再利用する構成とする点である。ここで、蓄熱槽１２内は水などの比熱が高い液体で満たしておき、十分な熱量を蓄えられるようにする。本実施例では、蓄熱槽１２に水を採用した場合で説明する。また、蓄熱槽１２は真空二層構造のような外部に熱が逃げにくい構造とする。

次に、蓄熱方法について説明する。まず、圧縮機本体３またはオイルケース４の周囲に、水が通るチューブ１３を巻く。本実施例では、オイルケース４の周りに設置した場合を示す。チューブ１３は、熱回収および熱供給経路を構成し、チューブ１３から蓄熱槽１２をつなぐ配管からなる経路上に循環用ポンプ１４を設置し、循環用ポンプ１４を起動させることで、オイルケース４から熱を回収する。

図３は、本実施例における、蓄熱運転の処理フローチャートである。なお、これらの処理は、制御部１１にて制御される。図３において、まずステップ１０１にて圧縮機の運転を開始した後に、ステップ１０２にてオイルケース４に設置した冷却液温度センサ１５で冷却液温度Ｔｃを検知する。ステップ１０３にて、冷却液温度Ｔｃが予め設定した値Ｔ１を下回っている場合には熱を回収できないため、ステップ１０４へ進み圧縮機の運転を継続し、冷却液温度ＴｃがＴ１を超えるようにする。冷却液温度ＴｃがＴ１を超えた場合には、ステップ１０５へ進み、蓄熱槽１２に設置した蓄熱槽温度センサ１６により水温Ｔｗを検知する。ステップ１０６にて、蓄熱槽内の水温Ｔｗが予熱時に必要な温度Ｔ２に達していない場合には、ステップ１０７へ移行し、循環用ポンプ１４を運転させ、オイルケース４の周囲に巻かれたチューブ１３からの水を蓄熱槽１２に循環させることで、オイルケース４からの熱を蓄熱槽１２に回収する。蓄熱槽内の水温ＴｗがＴ２を超えた後は、ステップ１０８に進み循環用ポンプ１４を停止し、ステップ１０９にて蓄熱運転を完了する。

次に、予熱方法について説明する。予熱は、循環用ポンプ１４を起動することで、蓄熱時とは反対に、蓄熱槽１２からチューブ１３をつなぐ配管を介して蓄熱槽１２から高温な水をオイルケース４に巻いたチューブ１３に流し、冷却液を温める。

図４は、本実施例における、予熱運転の処理フローチャートである。なお、これらの処理は、制御部１１にて制御される。図４において、効果的に予熱を行うために、圧縮機本体が起動する状態であり予熱が必要な時のみに予熱を行う。まず、ステップ２０１で圧縮機が運転モードを開始した後、ステップ２０２にて吐出圧力Ｐｄを吐出圧力センサ１７で検知する。ステップ２０３にて、吐出圧力Ｐｄが圧縮機復帰運転の設定圧Ｐｘよりも高い場合には、圧縮機本体３が起動しないため、ステップ２０４へ移行し、予熱運転は行わない。吐出圧力Ｐｄが復帰圧Ｐｘよりも低い場合には、圧縮機本体が起動する状態となり、ステップ２０５へ移行し、冷却液温度Ｔｃを検知する。ステップ２０６にて、冷却液温度Ｔｃがモータに負荷がかからない設定温度Ｔ３よりも高い場合には、予熱が不要なため、ステップ２０８に進み循環用ポンプ１４を停止し、ステップ２０９で圧縮機本体３を起動させる。

ステップ２０６にて、冷却液温度Ｔｃが設定温度Ｔ３よりも低い場合は、予熱が必要なため、ステップ２０７で循環用ポンプ１４を起動させ、温水をオイルケース４周りのチューブ１３に供給する。その後、冷却液温度Ｔｃが設定温度Ｔ３を超えた場合、ステップ２０８へ移行し、循環用ポンプ１４を停止させ、ステップ２０９にて圧縮機本体３を起動させる。

これにより、予熱運転するタイミングを、圧縮機本体が起動する状態であり且つ冷却液が低温でモータに過大な負荷がかかる時のみ予熱運転するように限定し、効果的な予熱を行う。

なお、本実施例では、吐出圧力を、吐出圧力センサ１７で検知しているが、別の箇所で計測した圧力値から吐出圧力を予測し、予測した吐出圧力をもとに予熱運転の判断をすることも可能である。

また、図４に示した予熱運転の処理フローチャートは、吐出圧力に基づいて予熱運転の判断をするが、圧縮機起動時間が決まっている場合には、予め予熱運転開始時刻を設定し、予熱することも可能である。

図５は、本実施例における、予熱運転開始時刻を利用した予熱運転の処理フローチャートである。なお、これらの処理は、制御部１１にて制御される。図５において、ステップ３０１にて運転モードを開始後、ステップ３０２にて予熱運転をする場合は予熱運転予定時刻を設定する。本フローチャートでは予熱開始時刻を設定する例を示すが、圧縮機起動時間を設定し、起動前の何分前から予熱運転を開始するという設定も可能である。また、図４のフローチャートを併用し、吐出圧力Ｐｄが設定値Ｐｘよりも低くなった後、何分後から予熱運転を開始するといった処理も可能である。ステップ３０３にて、設定した予熱運転開始時刻になった後はステップ３０４へ移行する。ステップ３０４以降の処理は、図４と同様であり、冷却液温度Ｔｃによって予熱運転するかを判断する。

このように、本実施例は、運転時に圧縮機本体から出る排熱を蓄熱槽に貯め、起動時の冷却液温度が低い時に予熱できる構造とし、発熱機器を不要とする。また、圧縮気体が必要な時にスムーズに起動ができるように、吐出圧力を検知または予測し、冷却液を適切に予熱する制御を行う。これにより、従来圧縮機ユニットから放出されていた排熱を有効利用でき、さらに、コードヒータ等で消費されていた電力消費が無くなるため、圧縮機の省エネ性能向上が図れる。

実施例１では、アフタークーラ６及びオイルクーラ８が空冷の場合を前提として説明したが、本実施例では水冷とした場合について説明する。

水冷の際には、アフタークーラやオイルクーラに対してユニット外部から低温な水を供給し、水に圧縮時の熱を回収させた後、ユニット外部に排水する。ここで、一般的には、排水された水は高温となるため、温水として暖房等に活用されることもあるが、多くの場合は有効利用されていない。

図６は、本実施例における液冷式気体圧縮機の構成図である。図６において、図２と同じ機能は同じ符号を付し、その説明は省略する。図６において、図２と異なる点は、図２ではオイルケース４から圧縮時の熱を回収し蓄熱したのに対して、本実施例ではオイルクーラ８で水により熱回収し、高温になった排水を蓄熱槽１２に貯め蓄熱する。具体的には、蓄熱槽温度センサ１６で検知した温度が、設定値Ｔ２よりも低い場合には三方電磁弁１８を用いて、オイルクーラ８通過後の排水を蓄熱槽１２に貯める。温水を貯水するのと同時に、蓄熱槽１２から冷水を排水するために蓄熱槽排水電磁弁１９を用いる。また、蓄熱槽１２内の水量の増減が生じないように、三方電磁弁１８と蓄熱槽排水電磁弁１９を制御する。なお、これらの制御は、制御部１１にて制御される。

予熱方法に関しては、実施例１と同様に、循環用ポンプ１４を使用し、蓄熱槽１２から高温な水をオイルケース４に巻いたチューブ１３に流し、冷却液を温める。なお、予熱運転の処理フローチャートは図４または図５と同様である。

このように、本実施例は、オイルクーラでの排熱を蓄熱槽に貯め、起動時の冷却液温度が低い時に予熱できる構造とし、発熱機器を不要とする。また、圧縮気体が必要な時にスムーズに起動ができるように、吐出圧力を検知または予測し、冷却液を適切に予熱する制御を行う。これにより、従来オイルクーラから放出されていた排熱を有効利用でき、さらに、コードヒータ等で消費されていた電力消費が無くなるため、圧縮機の省エネ性能向上が図れる。

以上実施例について説明したが、本発明は、上記した実施例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、上記した各実施例は、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、本発明が、必ずしも説明した全ての構成要素を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を、他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、ある実施例の構成に、他の実施例の構成を加えることも可能となる。また、各実施例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となる。

１：吸込みフィルタ、２：吸込み絞り弁、３：圧縮機本体、４：オイルケース、５：調圧逆止弁、６：アフタークーラ、７：温調弁、８：オイルクーラ、９：オイルフィルタ、１０：発熱機器、１１：制御部、１２：蓄熱槽、１３：チューブ、１４：循環用ポンプ、１５：冷却液温度センサ、１６：蓄熱槽温度センサ、１７：吐出圧力センサ、１８：三方電磁弁、１９：蓄熱槽排水電磁弁

Claims

冷却液を用いて圧縮機本体を冷却する液冷式気体圧縮機であって、
圧縮時の排熱を回収できる熱回収経路と、
該熱回収経路から回収した熱を蓄えられる蓄熱槽と、
前記蓄熱槽に蓄えた熱を取り出し前記冷却液に熱を供給できる熱供給経路と、
制御部を有し、
前記制御部は、吐出圧力および前記冷却液の温度によって前記熱供給経路を介して前記冷却液の予熱運転を制御することを特徴とする液冷式気体圧縮機。
請求項１に記載の液冷式気体圧縮機において、
前記熱回収経路は、前記冷却液を蓄えるオイルケースの周囲に巻かれた液体が通るチューブと、該チューブから前記蓄熱槽をつなぐ配管上に循環用ポンプが設置された構成であり、
前記制御部は、前記循環用ポンプを起動させることで、前記熱回収経路を介して前記オイルケースから熱を回収し前記蓄熱槽に熱を蓄えることを特徴とする液冷式気体圧縮機。
請求項２に記載の液冷式気体圧縮機において、
前記熱供給経路は、前記蓄熱槽から前記チューブをつなぐ配管であり、
前記制御部は、前記循環用ポンプを起動させることで、前記熱供給経路を介して前記蓄熱槽に蓄えた熱を取り出し前記圧縮機本体の起動前に前記冷却液を予熱することを特徴とする液冷式気体圧縮機。
請求項１に記載の液冷式気体圧縮機において、
前記制御部は、前記吐出圧力が復帰圧よりも低い場合で、かつ、前記冷却液の温度が設定温度よりも低い場合に、前記冷却液の予熱運転を実行することを特徴とする液冷式気体圧縮機。
請求項１に記載の液冷式気体圧縮機において、
前記制御部は、前記冷却液の温度および前記蓄熱槽内の温度によって前記蓄熱槽への蓄熱運転を制御することを特徴とする液冷式気体圧縮機。
請求項５に記載の液冷式気体圧縮機において、
前記制御部は、前記冷却液の温度が第１の設定温度を超えた場合で、かつ、前記蓄熱槽内の温度が予熱時に必要な第２の設定温度に達していない場合に、前記蓄熱槽への蓄熱運転を実行することを特徴とする液冷式気体圧縮機。
請求項１に記載の液冷式気体圧縮機において、
前記制御部は、予め設定された予熱運転開始時刻になった後に、前記冷却液の温度が設定温度よりも低い場合に、前記冷却液の予熱運転を実行することを特徴とする液冷式気体圧縮機。
請求項１に記載の液冷式気体圧縮機において、
前記制御部は、予め設定された圧縮機起動時間になった後の所定時間後に前記冷却液の予熱運転を制御することを特徴とする液冷式気体圧縮機。
請求項１に記載の液冷式気体圧縮機において、
前記制御部は、前記吐出圧力が復帰圧よりも低くなった後の所定時間後に前記冷却液の予熱運転を実行することを特徴とする液冷式気体圧縮機。
請求項１に記載の液冷式気体圧縮機において、
前記熱回収経路は、前記冷却液を冷却する水冷式オイルクーラと前記蓄熱槽をつなぐ配管上に三方電磁弁が設置された構成であり、
前記制御部は、前記三方電磁弁を制御することで、前記熱回収経路を介して前記水冷式オイルクーラ通過後の排水を前記蓄熱槽に蓄えることを特徴とする液冷式気体圧縮機。
冷却液を用いて圧縮機本体を冷却する液冷式気体圧縮機の予熱制御方法であって、
吐出圧力および前記冷却液の温度によって圧縮時の排熱を蓄えた蓄熱槽からの熱を取り出し前記冷却液に熱を供給する予熱運転を制御することを特徴とする予熱制御方法。
請求項１１に記載の予熱制御方法において、
前記吐出圧力が復帰圧よりも低い場合で、かつ、前記冷却液の温度が設定温度よりも低い場合に、前記冷却液の予熱運転を実行することを特徴とする予熱制御方法。
請求項１１に記載の予熱制御方法において、
予め設定された予熱運転開始時刻になった後に、前記冷却液の温度が設定温度よりも低い場合に、前記冷却液の予熱運転を実行することを特徴とする予熱制御方法。
請求項１１に記載の予熱制御方法において、
予め設定された圧縮機起動時間になった後の所定時間後に前記冷却液の予熱運転を制御することを特徴とする予熱制御方法。
請求項１１に記載の予熱制御方法において、
前記吐出圧力が復帰圧よりも低くなった後の所定時間後に前記冷却液の予熱運転を実行することを特徴とする予熱制御方法。