JPH1119461A - 水冷凝縮装置およびエアードライヤー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 エアーコンプレッサーから吐出された圧縮空
気を乾燥する水冷冷凍式のエアードライヤーにおいて、
分離された水分であるドレンを排出する配管を敷設しな
いですむエアードライヤーを提供する。 【解決手段】 供給された圧縮空気を冷却して乾燥する
熱交換システム２０で発生した水分をドレン収集システ
ム３８で収集し、ドレン回収システム３９で熱交換シス
テム２０に供給されている冷却システムの冷却水配管１
３に戻す。オイルフリーのコンプレッサーを用いている
システムでは、冷却水に匹敵する程度の水質のドレンが
得られ、冷却水配管であれば圧力的にも容易に回収でき
る。さらに、エアーを混入することによってバブリング
により熱交換器２１の汚れを自動的に取り除くことも可
能になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水冷式のエアード
ライヤーなどの冷却水を用いて気体を冷却し水分を分離
可能な水冷凝縮装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】医薬品や半導体製品の製造過程、粉体輸
送、計装制御用などとして使用されるクリーンな圧縮空
気を供給するために、空気圧縮器（エアーコンプレッサ
ー）を空気供給源とした圧縮空気供給システムが用いら
れている。コンプレッサーから吐出された圧縮空気はエ
アータンクに蓄積され、さらに、エアードライヤーを通
って水分を除去したドライエアーとして供給できるよう
になっている。

【０００３】圧縮空気をいったん冷却して除湿する冷凍
式圧縮空気除湿装置は、低露点の空気が得られ、吸着式
に比べ圧力損失が小さく、さらに、吸着媒体を再生する
手間もいらない。このため、一般機械の作動用気体を供
給するシステムから、半導体の製造などに使用される低
露点高清浄クリーンエアーを供給するシステムまで幅広
く使用されている。冷凍式圧縮空気除湿装置は、供給さ
れた圧縮空気を１０°Ｃ前後の低温まで冷却するために
Ｒ２２などの冷却媒体（冷媒）を熱交換器で冷やし、そ
の冷媒を用いて圧縮空気を別の熱交換器で冷却する間接
的な冷却システムが用いられており、この冷媒を空冷す
る空冷式と、クーリングタワーや密閉系の集中冷却シス
テムを用いて冷却水を循環供給する冷却システムの冷却
水を用いて冷媒を冷却する水冷式とがある。空冷式と比
較すると、水冷式のエアードライヤーの方が処理空気量
に対し小型化できるので、大量のエアーが必要とされる
圧縮空気の供給システムに適している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】コンプレッサーから供
給されるほぼ飽和状態の圧縮空気を冷凍式のエアードラ
イヤーで冷却・乾燥すると、圧縮空気中の水分（湿分）
が凝縮して大量の液状の水分（ドレン）が放出される。
従来は、このドレンを排出するためにドレン回収配管を
エアードライヤーユニットの機側から所定の排水ポイン
トまで敷設しているが、配管中でのフラッシングを防止
するために比較的大口径の配管を曲がりの少ないルート
で設置するなどの制約があり、ルーティングが難しい配
管の１つである。また、排水ポイントがエアードライヤ
ーの近くに設けられるとは限らず、圧縮空気の供給シス
テムに必要となる空気配管および冷却水配管に加えて、
ドレン配管を設計・施工する作業は手間およびコストが
かかる作業である。

【０００５】そこで、本発明においては、ドレン配管を
設けずにドレンの処理が可能なエアードライヤーなどの
水冷式の凝縮装置（水冷凝縮装置）を提供することを目
的としている。そして、ドレン配管の設計および施工が
不要で、どこにでも手軽に設置できる水冷凝縮装置を提
供することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】エアードライヤーなどの
水冷凝縮装置に供給される気体がオイルフリーのコンプ
レッサーなどから供給される場合は、オイルの含有等が
なくクリーンであり、分離されたドレンも汚染の殆どな
い水質の良い水分である。そこで本発明においては、こ
のドレンを、気体を冷却するために用いている冷却シス
テムの冷却水側に戻すことによってドレンの回収配管を
省略できるようにしている。すなわち、本発明の水冷凝
縮装置は、冷却システムから供給される冷却水を用い
て、気体供給システムから供給される気体を直接または
冷媒などを介して間接的に冷却して送出可能な熱交換シ
ステムと、気体を冷却するときに発生するドレンを収集
可能なドレン収集装置と、このドレン収集装置で収集さ
れたドレンを熱交換システムに接続された冷却水配管に
供給可能なドレン回収装置とを有することを特徴として
いる。

【０００７】特に、エアーコンプレッサーから吐出され
た圧縮空気を直接または間接的に冷却して乾燥し送出可
能な熱交換システムを備えたエアードライヤーにおいて
は、圧縮空気源となるコンプレッサーがオイルフリーの
ものが普及しており、さらに必要であればエアードライ
ヤーの上流にラインフィルターなどを設けることにより
非常にクリーンな圧縮空気が供給される。このため、エ
アードライヤーで発生するドレンは汚れが殆どなく、冷
却システムの冷却水として使用できる水質を十分に満足
するものが得られる。

【０００８】ドレン回収装置は、ドレン収集装置によっ
て収集されたドレンを冷却水側に供給できる適当な圧力
までポンプアップするなどの方法で冷却水配管にドレン
を確実に回収することができる。さらに、エアードライ
ヤーにおいては、エアーコンプレッサーの吐出圧は、冷
却水の水圧よりも高くセットされていることが多い。こ
のため、ドレン収集装置と冷却水配管を配管で接続する
ことによってドレンを冷却水配管に供給することが可能
であり、ポンプなどを省いて非常に簡易なドレン回収装
置にすることができる。

【０００９】このように、本発明の水冷凝縮装置および
エアードライヤーにおいては、発生したドレンを冷却水
配管を介して冷却システムの側に供給し、回収するよう
にしているので、ドレン配管を敷設する必要がなくな
る。従って、ドレン配管の設計および施工が不要で、ど
こにでも手軽に設置できる水冷凝縮装置およびエアード
ライヤーを提供することができる。

【００１０】圧縮空気あるいはその他の気体を冷却する
ための熱交換システムに用いられている熱交換器の冷却
水側には、スケールなどが付着して熱交換率が低下す
る。冷却水は適当な水処理が通常なされており、スケー
ルが溜まり難くはなっているが、長期的には熱交換器の
冷却水側に付着するスケールによって熱交換効率が低下
することがある。プレス加工された波形プレートを複数
枚積層して熱交換器を形成するプレート型熱交換器は、
小型で熱交換効率が高いので、冷却水と冷媒との熱交換
器としてエアードライヤーでも採用されつつあるが、冷
却水が循環する水路の面積は非常に狭く、スケールによ
る影響を受けやすい。

【００１１】そこで、本発明においては、ドレン回収装
置によってドレン収集装置で収集されたドレンを熱交換
システムの冷却水入口側に供給可能とし、ドレンを用い
て熱交換器の冷却水側を洗浄する効果が得られるように
している。冷却水の入口側に回収されるドレンが冷却シ
ステムより高圧であれば、フラッシングによる洗浄効果
が期待でき、また、ドレンと共に冷却水側に供給された
圧縮空気などの気体によるバブリングによる洗浄効果が
期待できる。従って、本発明の水冷凝縮装置およびエア
ードライヤーは、ドレンを冷却水側に回収することによ
ってドレン配管を省けると共に、継続して熱交換器の冷
却水側のスケールなどの汚れを自動的に除去し性能の劣
化を防止することができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下に図面を参照しながら本発明
の実施の形態について説明する。図１に、本発明に係る
エアードライヤーの概略構成を示してある。本例のエア
ードライヤー１０は、エアーコンプレッサー１、レシー
バー２およびラインフィルター３を備えた圧縮空気供給
システム５から供給された圧縮空気を、冷却システムか
ら供給される冷却水を用いて冷却して乾燥し、半導体製
造装置や制御用エアーなどの消費側に供給可能な水冷冷
凍式の圧縮空気乾燥装置（エアードライヤー）である。
このため、本例のエアードライヤー１０は、圧縮空気供
給システム５に接続される空気入口配管１１、および消
費側に圧縮空気を供給する空気供給ヘッダー６に接続さ
れる空気出口配管１２と、冷却システムの冷却水供給ヘ
ッダー７に接続される冷却水入口配管１３、および冷却
水回収ヘッダー８に接続される冷却水出口配管１４と、
冷却システムから供給される冷却水によって圧縮空気を
冷却して送出可能な熱交換システム２０を備えている。

【００１３】本例のエアードライヤー１０の熱交換シス
テム２０は、冷媒を介して冷却水によって圧縮空気を間
接的に冷却するシステムが採用されており、このため、
熱交換システム２０は、冷却水と冷媒の間で熱交換を行
う第１の熱交換器２１と、冷媒と圧縮空気との間で熱交
換を行う第２の熱交換器２２の２種類の熱交換器を備え
ている。さらに、熱交換システム２０は、冷媒サイクル
を構成するために、エバポレータとなる第２の熱交換器
２２で膨張した冷媒を圧縮してコンデンサーとなる第１
の熱交換器２１に供給するコンプレッサー２３と、第１
の熱交換器２１で冷やされた冷媒を膨張させるキャピラ
リチューブ２４と、さらに、コンプレッサー２３の出口
圧力を制御して冷媒サイクルの冷却能力を調整する制御
弁２５を備えている。Ｒ２２などの冷媒、または、ブラ
インを介して冷却水と圧縮空気の熱交換を行うことによ
り、供給された圧縮空気を冷却水の水温以下まで冷却す
ることが可能となり、より露点温度の低い乾燥した圧縮
空気を得ることができる。本例のエアードライヤー１０
においては、例えば、冷却水温度が３２°Ｃのときに圧
縮空気が第２の熱交換器２２の内部で１０°Ｃ前後の温
度まで冷却され、大気圧下で露点温度が−１７°Ｃ程度
と非常に乾燥し、水分の除去された圧縮空気を出力する
ことができる。

【００１４】圧縮空気を冷却して水分を除去する第２の
熱交換器２２は、流入した比較的高温の空気と、冷却さ
れて流出する空気との間で熱交換が行われる１次ゾーン
３１と、空気と冷媒との間で熱交換が行われて空気が低
温まで冷却される２次ゾーン３２とを備えている。１次
ゾーン３１で予め冷やされた流入空気は２次ゾーン３２
の内部で１０°Ｃ程度の低温まで冷却され、過飽和とな
った湿分（水分）が凝縮されドレンとして除去される。
そして、冷却された空気は、１次ゾーン３１を経て熱い
流入空気によって加温され、相対湿度の低いドライエア
ーとなり、出口配管１２を経て供給ヘッダー６に出力さ
れる。このように、本例のエアードライヤー１０は、圧
縮空気を冷却して乾燥するために対向流式の熱交換器２
２が採用されており、効率良く流入空気を冷却して水分
を除去し、さらに、流出する空気は加熱することによっ
て配管内の結露を防止できる乾燥エアーを供給すること
ができる。

【００１５】第２の熱交換器２２の１次ゾーンおよび２
次ゾーンで凝縮され気体から分離された水分は、ドレン
となって熱交換器２２の底部に収集され、ドレン出口配
管３３を通ってドレントラップ３４で一時的に貯えられ
る。本例のエアードライヤー１０は、このドレントラッ
プ３４を備えたドレン収集システム３８の出口が、ソレ
ノイドバルブ３５を介して、第１の熱交換器２１の冷却
水入口ノズル４１に接続された冷却水入口配管１３にド
レン回収配管３６によって繋がっている。このため、適
当なタイミングでソレノイドバルブ３５をオープンする
と、ドレントラップ３４の上流に蓄積されていたドレン
が、回収管３６およびバルブ３５を備えたドレン回収シ
ステム３９を介して冷却水配管１３に回収される。従っ
て、本例のエアードライヤー１０は、水抜きなどのメン
テナンスを目的としたドレン排出口を除き、常時ドレン
が排出されるドレン配管は不要である。このため、本例
のエアードライヤー１０は、排水ポイントまでドレン配
管を敷設する必要がなく、ドレン配管の設計および施工
を省き、極めて容易に配置することができる。

【００１６】本例のエアードライヤー１０において、第
１の熱交換器２１は、冷却水を用いて冷媒を冷却するコ
ンデンサーとしての機能を果たしており、コンパクトで
熱交換効率の高いプレート式の熱交換器が採用されてい
る。このプレート式の熱交換器は、複数の伝熱プレート
を積層して冷却水と冷媒がそれぞれ流れる流路を構成
し、高い伝熱係数が得られるようにした熱交換器であ
り、多管式の熱交換器と比べると、コンパクトで効率も
良く、さらに、メンテナンスのために管束を引き出すス
ペースも不要である。従って、小型で容量の大きなエア
ードライヤーに適している。さらに、伝熱プレートの枚
数を変えることによって伝熱面積の増減が簡単にできる
ので製造コストを低減できる点でも大きなメリットを備
えている。

【００１７】このようなプレート式の熱交換器は、流路
内で冷却水が適当な流速の乱流状態で流れるように設計
されており、流路のスケーリングを防止できるようにな
っている。しかしながら、長時間の使用により流路にス
ケールが徐々に蓄積されることが多く、いったんスケー
ルが溜まると流路の面積が小さいために伝熱効率に影響
を及ぼす。このため、本発明のエアードライヤー１０に
おいては、第２の熱交換器２２で収集されたドレンを回
収システム３９によって第１の熱交換器２１の冷却水入
口側４１に回収するようにしている。エアーコプレッサ
ー１の吐出圧は配管などの損失と消費側での使用可能な
圧力などを考慮して０．５〜０．７ＭＰａ程度にセット
されることが多い。一方、冷却システム内を流れる冷却
水の水圧は、供給用のヘッドタンクの高さなどの条件か
ら０．２〜０．３ＭＰａ程度にセットされることが多
い。従って、エアードライヤー１０から冷却水配管１３
に回収されたドレンは、冷却水よりも圧力が高いために
冷却水配管内でフラッシングし、気体を含んだ乱流とな
ってパネル型熱交換器の流路内を流れる。このため、入
口側４１に接続された冷却水配管１３にエアードライヤ
ー１０のドレンを回収することにより、流路に付着した
スケールを除去することができる。

【００１８】さらに、ドレンを回収するためにソレノイ
ドバルブ３５をオープンすると、ドレントラップ３４を
吹き抜けた微量のエアーもドレンと共に冷却水配管１３
の内部に導入され、熱交換器２１の内部に導かれる。こ
のため、エアーによるバブリング効果も得ることがで
き、熱交換器内の汚れを自動的に落とすことができる。
さらに、エアーによるバブリング効果を積極的に用いる
ために、ドレンと共に適当な量の圧縮空気が冷却水配管
１３に供給されるようにドレントラップ３４の設定を調
整したり、あるいは、ドレントラップ３４をバイパスす
る配管経路を設けることも可能である。また、本例のエ
アードライヤー１０は、制御装置２９によってドレン回
収システム３９のソレノイドバルブ３５が適当なタイミ
ングで間欠的に開き、ドレンが冷却水配管１３に回収さ
れるようになっている。このため、適当な間隔で供給さ
れるエアーを含んだドレンによって熱交換器内の流れの
状態が変わるので、スケールが溜まり難く、また、付着
したスケールを効率良く除去することができる。このよ
うに、本例のエアードライヤー１０は、熱交換器内が回
収されたドレンあるいはエアーによって定期的に常時洗
浄されるので、冷却性能の劣化を防止することができ、
長期間にわたり性能を維持し、大量の乾燥空気を安定し
て供給することが可能となる。

【００１９】本例のエアードライヤー１０にエアーを供
給する圧縮空気供給システム５は、オイルフリーのロー
タリー式あるいはピストン式のコンプレッサー１がエア
ー供給源として用いられており、さらに、ラインフィル
ター３を入れて配管内のスケールなどがエアードライヤ
ー１０に持ち込まれるのを未然に防止している。もちろ
ん、配管の材質あるいは長さによってスケールの発生す
る可能性が低い場合は、ラインフィルター３は不要であ
る。このような圧縮空気供給システムにおいては、エア
ードライヤー１０にオイルが殆ど含まれていないクリー
ンな圧縮空気が供給されるので、エアードライヤー１０
で発生するドレンは、純度の高い水が凝縮したものとな
り、ドレンに含まれるオイルや他の不純物の量は非常に
少なくなる。このため、本例のエアードライヤー１０か
らは、ドレンとして冷却システムの冷却水に匹敵する水
質の水分が得られるようになっている。さらに、熱交換
器の材質としてスケールなどの発生が少ないステンレス
スチールが多用化されており、この点でもエアードライ
ヤー１０で発生するドレンの水質は良く、冷却水として
十分なものになりつつある。そこで、本例のエアードラ
イヤーにおいてはドレンを外部の排水ポイントなどに排
出する代わりに冷却水システムの側に回収するようにし
ている。また、ドレンの回収配管３６が冷却水配管１３
に接続するポイントを、冷却水供給ノズル４１の上流側
に設置されたストレーナ４３の上流側にして、万一、ス
ケールなどの異物がドレン内に混在した場合でも、その
影響を未然に防止できるようにしている。

【００２０】第２の熱交換器２２で発生したドレンを冷
却水配管１３に回収するために、ポンプなどを設けて加
圧することも可能であるが、エアードライヤー１０にお
いては、圧縮空気側の圧力の方が冷却水の供給圧力より
も高いケースが殆どなので、回収配管で接続することに
よってドレンを冷却水配管側に極めて容易に回収するこ
とができる。従って、エアードライヤー１０で発生する
ドレンの水質および圧力を考えると、ドレンの回収先と
して冷却水を循環する冷却システムは極めて適してい
る。もちろん、圧縮空気の圧力、あるいはドライヤーで
発生するドレンの圧力に比較し、冷却水側の圧力が高い
場合は、適当なドレンタンクおよびポンプを備えたポン
プアップシステム等をドレン回収システムに適用するこ
とによってドレンを冷却水側に回収することができる。

【００２１】さらに、本例のエアードライヤー１０のよ
うな水冷式の冷凍タイプのエアードライヤーは、冷却シ
ステムから冷却水の供給を受けるための接続配管が必要
となるので、ドレンの回収システム３９をエアードライ
ヤーのユニットの範囲内で設置することが可能である。
このため、ドレン回収システムを内蔵したエアードライ
ヤーユニットを提供することができる。従って、ユーザ
ー側は、ドレンの処理を全く考慮しない設計および施工
が可能であり、手間および施工コストを大幅に低減可能
なエアードライヤーを提供できる。

【００２２】なお、本例のエアードライヤー１０では、
ドレン収集システム３８としてドレントラップ３４を採
用しているが、適当なドレンレベルが生成されるもので
あれば良く、ドレン回収システム３９にソレノイドバル
ブが設置されていることを考慮するとドレンポットやド
レンタンクなどを用いることも可能である。さらに、電
動式のドレントラップなどを用いてトラップ側でドレン
の排出を完全に制御するようにすることも可能であり、
この場合は、ドレン回収システム３９のソレノイド弁な
どの自動弁を省略することも可能である。

【００２３】また、ドレン回収システム３９のソレノイ
ドバルブ３５は電導弁などの他のタイプの自動弁であっ
てももちろん良く、開閉のタイミングは様々な方法で制
御できる。例えば、ドレントラップで一時的に蓄積され
たドレンレベルを検出してバルブ３５をオンオフするこ
とも可能である。また、本例のエアードライヤー１０
は、制御装置２９によって冷媒のコンプレッサー２３、
冷媒システムの制御弁２５、第１の熱交換器２１の出口
ノズル４２に設けられた冷却水の流量調節弁４４などが
一括して制御できるようになっており、エアードライヤ
ー１０で処理しているエアー量の把握も可能である。従
って、圧縮空気の処理量に合わせて適当なインターバル
でソレノイドバルブ３５をオンオフして発生したドレン
を冷却水配管１３に回収することも可能である。もちろ
ん、処理量とは関係なく定期的にソレノイドバルブ３５
をオンオフする制御を採用することもできる。

【００２４】さらに、上記では、低露点高清浄なクリー
ンエアーが得られる冷媒を用いて間接的に冷却水によっ
て圧縮空気を冷却するエアードライヤーを例に説明して
いるが、冷媒を介さずに冷却水によって圧縮空気を直接
冷却する水冷凝縮装置に対しても本発明を適用できるこ
とはもちろんである。このようなタイプのエアードライ
ヤー（水冷凝縮装置）の熱交換システムは、冷却水と圧
縮空気とが熱交換する熱交換器を備えており、例えば、
コンプレッサーに付属するインタークーラーやアフター
クーラーとして用いることができる。従って、本発明を
適用することによって、エアーコンプレッサーユニット
からも常時ドレンが排出されないようにすることが可能
となり、排水ポイントまで従来敷設していたドレン配管
を省いたり、あるいは、簡略化することが可能となる。

【００２５】また、本発明の水冷凝縮装置の処理対象と
なる気体は、圧縮空気に限定されず、冷却システムの冷
却水に影響を与えない窒素や他の安定した気体を凝縮あ
るいは乾燥処理する水冷凝縮装置であっても良いことは
もちろんである。

【００２６】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明の水冷凝
縮装置およびエアードライヤーは発生したドレンを冷却
水配管に回収する回収装置を備えており、ドレンを外部
に常時排出するための配管経路の設計および施工を省く
ことができる。このため、エアーコンプレッサーから吐
出された圧縮空気を乾燥する水冷冷凍式のエアードライ
ヤーにおいては、分離された水分であるドレンを排出す
る配管の敷設がいらないので、設置の手間およびコスト
が大幅に省ける。さらに、設置場所もフレキシブルに選
択でき、どこにでも手軽に設置できるエアードライヤー
を提供することができる。さらに、ドレンを熱交換シス
テムの冷却水入口側に回収することによって、回収され
たドレンおよびそのドレンと共に供給される圧縮空気に
よって熱交換器内の汚れを自動的に取り除くことも可能
となり、長期間にわたり高性能を維持でき、メンテナン
スの頻度を低減可能なエアードライヤーおよび水冷凝縮
装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態にかかるエアードライヤー
の概略構成を示すブロック図である。

【符号の説明】

１ エアーコンプレッサー ２ レシーバ ３ ラインフィルタ ５ 圧縮空気供給システム ６ 圧縮空気供給ヘッダー ７、８ 冷却システムの冷却水供給および回収ヘッダ
ー １０ エアードライヤー １１、１２ 圧縮空気の入口および出口配管 １３、１４ 冷却水の入口および出口配管 ２０ 熱交換システム ２１ 第１の熱交換器（コンデンサ） ２２ 第２の熱交換器（エバポレータ） ２３ 冷媒用のコンプレッサー ２４ キャピラリチューブ ２９ 制御装置 ３４ ドレントラップ ３５ ソレノイドバルブ ３６ ドレン回収管 ３８ ドレン収集システム ３９ ドレン回収システム

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷却システムから供給される冷却水を用
   いて、気体供給システムから供給される気体を直接また
   は間接的に冷却して送出可能な熱交換システムと、気体
   を冷却するときに発生するドレンを収集可能なドレン収
   集装置と、このドレン収集装置で収集されたドレンを前
   記熱交換システムに接続された冷却水配管に供給可能な
   ドレン回収装置とを有することを特徴とする水冷凝縮装
   置。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記ドレン回収装置
   は、前記ドレン収集装置で収集されたドレンを前記熱交
   換システムの冷却水入口側に供給可能であることを特徴
   とする水冷凝縮装置。
3. 【請求項３】 請求項２において、前記熱交換システム
   はプレート型熱交換器を備えていることを特徴とする水
   冷凝縮装置。
4. 【請求項４】 冷却システムから供給される冷却水を用
   いて、エアーコンプレッサーから吐出される圧縮空気を
   直接または間接的に冷却して乾燥し送出可能な熱交換シ
   ステムと、圧縮空気を冷却するときに発生するドレンを
   収集可能なドレン収集装置と、このドレン収集装置で収
   集されたドレンを前記熱交換システムの冷却水入口側に
   供給可能なドレン回収装置とを有することを特徴とする
   エアードライヤー。
5. 【請求項５】 請求項４において、前記熱交換システム
   はプレート型熱交換器を備えていることを特徴とするエ
   アードライヤー。