WO2015107610A1 - 気液分離器及びそれを備える空気圧縮機 - Google Patents

Abstract

　気液混合式空気圧縮機において、気液分離器の旋回気流の下向き速度成分を防止し、十分な旋回距離を確保する圧縮機本体から吐出された気液混合の圧縮空気を流入する圧縮空気流入管と、外周接線と、前記圧縮空気流入管の長手方向一側面とが平行且つ近接するように圧縮空気流入管と接続される略円筒形状の筺体本体と、筺体本体の上壁に設けられる圧縮吸気排出口と、圧縮空気排出口を内径方向に含み、上壁から筺体本体方向に延伸する仕切管と、圧縮空気流入管の内径ｐに対し、最上端から前記筐体本体の内上壁までの距離ｑが、ｑ≧ｎｐ（ｎ＝０を含まない自然数）且つ最下端から前記仕切管の下端部位置より高い位置に配置された流入口とを有する。

Description

気液分離器及びそれを備える空気圧縮機

　本発明は、油や水等の液体を空気と混同させて圧縮する気液混合式の空気圧縮機及びその気液分離器に関する。

　従来から、空気圧縮作動室に油や水といった液体を注入等して空気を圧縮する気液混合式の空気圧縮機が知られている。油注入式の圧縮機では、圧縮機本体のスクリュ、スクロール、ピストン、クロー等といったロータ同士の接触に対する潤滑効果、圧縮効率を向上させるためのシーリング効果及び圧縮によって高温化する空気の冷却効果等が期待でき、水注入式の圧縮機では、シーリング効果や冷却効果等が期待できる。

　このような気液混合式の空気圧縮機は、一般に圧縮空気に含まれる油や水を空気と分離するための気液分離器を備える。その筺体は、概略円筒形状を有する。圧縮機本体から吐出された圧縮空気は、円筒状の筐体の側面部から周方向に沿うように流入され、筐体の内壁面に沿った旋回流れを生じさせることにより、遠心分離効果により油や水を筐体の内壁面に集め、圧縮空気と分離させるようになっている。
  なお、気液分離器の下流に、遠心分離効果によって、ある程度の油分が取り除かれた圧縮空気から僅かに残留する油等を除去する金属製あるいは繊維性の液除去フィルタを設ける構成も一般的である。

　気液分離器で遠心分離効果を十分に発揮させる為には、筐体の内壁面に生じる旋回流れの距離が長いほど効果的である。このため気液分離器への圧縮空気流入口は、油分離装置の筐体のなるべく上側に設けられる。また同様に、分離された油等は筺体の下部の油溜りに貯留されることから、圧縮空気吐出口も筺体上方に設けられる。

　ここで、圧縮空気流入口から流入した圧縮空気と、圧縮空気排出口から排出される圧縮空気とが混ざらないように、鉛直方向に所定の長さを有して圧縮空気排出口を囲う円筒状の仕切管が筐体の上部から中空部に向かって設けられる構成が知られている。
  特許文献１は、圧縮機本体と気液油分離器を上下に直結し、圧縮機本体から吐き出された圧縮空気を気液分離器の上方から内壁に沿って流す構成の油冷式圧縮機をしており、気液分離効果を効率化しつつ機器のコンパクト化を実現している。

特開２００７－２２４９２６号公報

　ところで、旋回距離を稼ぐ為に圧縮空気流入口を筐体の上方に配置すると、圧縮空気が筐体内に流入した際、筐体の上方天面に当たって跳ね返るという問題がある。かかる跳ね返りは、旋回気流の下向き速度成分の増加を招来し、旋回距離が不十分となり遠心分離効果を低減させることとなる。

　特に、気液混合式の空気圧縮機は、出力が大きい(または吐出し空気量が多い)程、圧縮機本体やオイルクーラ等の循環経路内に保有する潤滑液量が増加する。このため気液分離器内部に貯留される液体の量も多くなるが、旋回距離を確保する必要から油溜りの水位はその分低くする必要がある。

　上述の問題等により、気液分離器は旋回距離を十分に確保できる大きさの容積を必要とするが、機器大型化に伴うコスト増や重量増といった課題が残る。
  気液分離器の分離効率の向上や小型化に資する技術が望まれる。

　上記課題を解決するために、例えば請求項に記載の発明を適用する。即ち圧縮作動室内に液体を注入し空気を圧縮する圧縮機本体から吐出された圧縮空気を流入する圧縮空気流入管と、外周接線と、前記圧縮空気流入管の長手方向一側面とが平行且つ近接するように前記圧縮空気流入管と接続される略円筒形状の筺体本体と、前記筺体本体の上壁に設けられる圧縮空気排出口と、前記圧縮空気排出口を内径方向に含み、前記上壁から前記筺体本体方向に延伸する仕切管と、前記圧縮空気流入管の内径ｐに対し、最上端から前記筐体本体の内上壁までの距離ｑが、ｑ≧ｎｐ（ｎ＝０を含まない自然数）且つ最下端から前記仕切管の下端部位置より高い位置に配置された流入口と、を有する気液分離器である。

　本発明の位置側面によれば、気液分離器内に流れ込んだ圧縮空気が上下均等に拡散しながら旋回することから、旋回気流の下方向への速度成分の増加が低減され、気液分離器を小型化しても十分な旋回距離を確保できるという効果を奏する。
  本発明の他の目的及び効果は、以下の記載から更に明らかになる。

本発明を適用した一実施の形態である空気圧縮機の油分離器の構成例を示す模式図である。

　以下に、図面を用いて本発明を実施するための形態を説明する。

　図１に、本発明を適用した一例である空気圧縮機の油分離器１の側断面を模式的に示す。なお、特に図示しないが、油分離機器１は、スクリュやスクロールといった種々のロータによって空気を圧縮機する油注入式の圧縮機本体、該ロータを駆動・制御するモータ、インバータ及び制御基盤、圧縮空気を冷却するエアクーラ等を備える汎用の油注入式空気圧縮機に適用して好適なものである。また、本実施形態では、油分離器を例に説明するが、本発明は、水分離器にも適用できるものである。

　油分離器１は、概略円筒形状の筺体４の外側面に圧縮空気流入管３を備え、本体吐出管２と接続される。圧縮機本体から吐き出される油と空気との混合圧縮空気は、本体吐出管２及び圧縮空気流入管３を介して流入口３aから筺体４内部に流入するようになっている。

　圧縮空気流入管３は、円筒状の筐体４の外周接線と、圧縮空気流入管３の長手方向一側面とが平行且つ近接するように設けられている。これにより流入した圧縮空気が筺体４の内側面を周方向に沿うように旋回の流れを生じさせるようになっている。旋回の流れによって圧縮空気から分離された油分は、筺体内側壁を伝って油分離器１内下部の油溜まり４ａに貯留される。なお、油溜り４aに貯留された油は、圧縮機本体の制御圧力やポンプ等の作用によって、排出管４ｄから油分離器１外部に排出され、オイルクーラ（不図示）等を介して再び圧縮機本体に給油されるようになっている。

　筺体４内部の筺体上壁４ｂの略中央付近には、油分が分離された圧縮空気を油分離器１の外部に排出する圧縮空気排出口５が設けられる。また、油分離器１の内部には、圧縮空気排出口５を囲むように筺体上壁４ｂから筺体４内部の鉛直方向に向かって延伸する円筒状の仕切管６が備えられる。仕切管６は、所定の長さを有し、流入口３ａの最下端３ｃの水平より下方且つ油溜り４ａに貯留した油最上面４ｃより上方の位置まで延伸して設けられる。仕切管６の下端が流入口３より下方の位置まで延伸するのは、流入口３から流入した油分を含んだ圧縮空気と、油分が分離され圧縮空気排出口５から排出される圧縮空気とが混ざらないようする為である。

　前記仕切管６の内径部分には、圧縮空気から残留油分を更に除去するために、金属製又は樹脂製の繊維質の多孔質材料からなる油分除去フィルタ７が設けられている。なお、本実施形態では潤滑油分除去フィルタ７を油分離器１に内蔵した構成としているが、圧縮空気排出口５の下流側に設ける構成としてもよく、同様の効果を得ることができる。

　旋回気流の遠心力によって、油分が分離された圧縮空気は仕切管６に流入し、油分除去フィルタ７を通過することによって更に残留油分が回収され、その後、圧縮空気排出口５から油分離器１の外部に排出される。排出された圧縮空気は、アフタクーラ等のエアクーラを経て、ユーザ側に吐き出されるようになっている。

　次に、油分離器１の各部の詳細な位置関係について説明する。
  流入口３aは、筺体上壁４ｂから所定距離を置いて筺体側面に設けられる。筺体４内部に圧縮空気が流入すると、水平方向のみならず上方及び下方にも進行するが、流入口３ａの位置が筺体上壁４ｂと近すぎると上方に向かう気流が上壁に跳ね返り、下方向への流れの速度成分を促進してしまうこととなる。油分離には、十分な旋回距離を確保する必要があるため、下方向への速度成分は、極力抑えるのが好ましい。そこで、本実施形態では、流入口３aを上壁４ｂから十分離して設けている。より具体的には、圧縮空気流入管３の内径ｐに対し、流入口３ａの上端３ｂから筺体上壁４ｂまでの距離ｑがｑ≧ｎｐ（ｎ＝０を含まない自然数）の関係となる位置に、流入口３aを配設している。

　また、遠心分離効果を十分得られる旋回距離を確保する為に、油分離器１の筐体４の内径ｒに対し、仕切管６の下端６ｃから油溜り最上面４ｃまでの距離ｈが、ｒ＞ｈとなるように、油分離器１の内径の大きさと仕切管６の長さを決定するように構成している。内径ｒを大きくすると旋回気流の角速度が低下することから、油が分離された空気を吐き出す際、油溜りに貯留した油を巻き上げる力が弱まり、吐き出す空気に油が再度混入することを防止することができる。このような構成は、例えば、高さ方向に制限がある場合に特に有用であるともいえる。

　油分離性能を維持する上で望ましい油分離器１の各構成部品を配置の好適な具体例としては、
  （１）圧縮空気流入管３内径ｐに対し、上壁４ｂから流入口３ａの上端３ｂまでの距離ｑがｑ≒５ｐであること、
  （２）筐体４の内径ｒに対し、圧縮空気排出口５を囲う円筒状の仕切管６の下端６ｃから油溜まり４ａの最上面４ｃまでの距離ｈがｈ≒０．９５ｒであること、
  （３）圧縮空気流入管３の内径ｐに対し、流入口３aの下端から仕切管の下端６ｃまでの距離ｔがｔ≒ｐであること、
  （４）流入口３ａの中心から上壁４ｂまでの距離ｘに対し、流入口３の中心から油溜まり４ａの最上面４ｃまでの距離ｙがｙ≒０．９ｘであることである。

　以上のように、流入口３aの位置と、上壁４ｂの位置と、油溜まり４ａの最上面４ｃの位置と、仕切管６の下端６ｃの位置について、それぞれの位置関係を一定の割合に保つように構成部品を配置することで、筺体４の側面の低い位置に流入口３を配置した場合でも、圧縮空気流入口から流入した圧縮空気の旋回流れの下向き速度成分の増加を最小限に抑えることができ又旋回距離がより短くても、圧縮空気から油分を十分に分離することができる。

　また、流入口３aは、筺体上壁４ｂから下方に離れた位置に設けられている為、圧縮機本体が圧縮機ユニット内の下方（ベース／基部方向）に配設されている場合、その分配管コストを低減させるという効果もある。例えば、大型圧縮機の場合は、重量等の都合により電動機や圧縮機本体が、ベースにより近い場所に配置される構成をとる場合もある。よって、油分離器１に供給する圧縮空気の配管も下方から油分離器１に向かって上方に延伸する構成をとるが、油分離器１は、重力の作用も利用するものであるため、通常、油分離器の空気流入口は油分離器の上方に設けられる。圧縮機本体から空気流入口までの配管も長めとなる。これに対し本実施形態では、油分離器１のより下方に流入口３ａを設けることになるため、その分、配管を短くすることがでる。部材コストや重量低減、更には、空気の流通ロスもその分低減することが可能となる。

　また、本実施形態は、気液分離器として油注入式空気圧縮機に搭載されている油分離器１について説明したが、これに限るものではなく、他の気体と他の液体(水等)を分離するための分離器についても同様に構成することで、同様の効果を得ることが可能である。

　なお、上述の実施形態は本発明の一例であり、本発明はその趣旨を逸脱することのない範囲で種々の態様を含むことは言うまでもない。

　１・・・油分離器
　２・・・本体吐出管
　３・・・圧縮空気流入管
　３ａ・・・流入口
　３ｂ・・・流入口最上端
　３ｃ・・・流入口最下端
　４・・・筐体
　４ａ・・・油溜り
　４ｂ・・・筐体上壁
　４ｃ・・・油最上面
　５・・・圧縮空気排出口
　６・・・仕切管
　６ｃ・・・仕切管下端
　７・・・油分除去フィルタ

Claims (5)

1.   圧縮作動室内に液体を注入し空気を圧縮する圧縮機本体から吐出された圧縮空気を流入する圧縮空気流入管と、
     外周接線と、前記圧縮空気流入管の長手方向一側面とが平行且つ近接するように　前記圧縮空気流入管と接続される略円筒形状の筺体本体と、
     前記筺体本体の上壁に設けられる圧縮空気排出口と、
     前記圧縮空気排出口を内径方向に含み、前記上壁から前記筺体本体方向に延伸する仕切管と
     前記圧縮空気流入管の内径ｐに対し、最上端から前記筐体本体の内上壁までの距離ｑが、ｑ≧ｎｐ（ｎ＝０を含まない自然数）且つ最下端から前記仕切管の下端部位置より高い位置に配置された流入口と、を有する気液分離器。
2.   請求項１に記載の気液分離器であって、
     前記筺体本体下部に設けられる液溜りを更に有し、前記筺体本体の内径ｒと、前記液溜りに貯留する液体の最上面から前記仕切管下端までの距離ｈとの関係が、ｒ≧ｈである気液分離器。
3.   請求項１に記載の気液分離器であって、
     前記流入口を配置する位置が、前記仕切管下端から前記流入口の最下端までの距離ｔがｔ≒ｐである気液分離器。
4.   請求項２に記載の気液分離器であって、
     前記流入口の内径中心から前記上壁までの距離ｘと、前記流入口の内径中心から前記液溜りに貯留する液体の最上面までの距離ｙとの関係が、ｘ＜ｙである気液分離器。
5. 　請求項１～４のいずれか一項に記載の気液分離器を有する空気圧縮機。

Images