JP2006125302A

JP2006125302A - オイルフリースクリュー圧縮機

Info

Publication number: JP2006125302A
Application number: JP2004314964A
Authority: JP
Inventors: Hideki Fujimoto; 英樹藤元; Hitoshi Nishimura; 仁西村
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2004-10-29
Filing date: 2004-10-29
Publication date: 2006-05-18

Abstract

【課題】廃熱として放出されている熱エネルギーを利用して、圧縮機本体、始動盤、圧縮機ユニット内の自己冷却と圧縮機ユニット内の補器の駆動を可能としたオイルフリースクリュー圧縮機を提供する。
【解決手段】無給油状態で空気を圧縮する圧縮機本体１と、圧縮機本体１及び吐出配管８で生じる廃熱を熱電変換する熱電変換素子１２及び１３と、熱電変換により得られた電力を電圧変換するレギュレータ１４と、圧縮機本体１または圧縮機ユニット内を冷却する冷却ファン１０、１６を備えるものとする。
【選択図】図１

Description

ガスを圧縮する圧縮機本体、圧縮機本体から吐出されるガスを冷却する冷却器、圧縮機本体出口と冷却器とを連結する吐出配管を有するオイルフリースクリュー圧縮機において、温度差により熱電変換する素子を、圧縮機本体高温部、冷却器高温部、吐出し配管高温部に取付け電力を得る手段を設けたことを特徴とするオイルフリースクリュー圧縮機に関するものである。

スクリュー圧縮機においてガスを圧縮するのに要する動力は熱に変化し、圧縮空気の温度を上昇させ、圧縮機本体及び吐出配管等から、廃熱として放出される。圧縮機本体の温度上昇を避ける為に、圧縮機本体をジャケット構造とし、液冷媒（水、クーラント等）を使用している。また、前記の廃熱及びモータの発熱等による圧縮機ユニット内は、外部電源より冷却ファンを駆動し圧縮機の温度上昇を防いでいる。

特開2002-266764号公報特開2003-274680号公報

スクリュー圧縮機においてガスを圧縮するのに要する動力は熱に変化し、圧縮ガスの温度を上昇させる。例えば、吸込時の温度２０℃の空気を０．６９MPaまで圧縮した場合の圧縮空気温度は２５０℃以上となる。オイルフリースクリュー圧縮機の場合、オイルスクリュー圧縮機と異なり、油による冷却効果がない為、前記の高温のまま圧縮されたガスが圧縮機本体から吐き出され、生じた熱エネルギーはすべて廃熱として大気に放出されている。

圧縮機本体が高温となるオイルフリースクリュー圧縮機では、圧縮機本体をジャケット構造とし、液冷媒（水、クーラント）を用いてガス圧縮による圧縮機本体の発熱を取り除いている。また、ユニット内の温度上昇は、外部電源より冷却ファンを駆動し、温度上昇を防いでいる。

本発明は、従来利用されなかったオイルフリースクリュー圧縮機において、廃熱として放出される熱エネルギーをオイルフリースクリュー圧縮機の機器のもつ温度差により回収し、回収した熱エネルギーを利用することと、回収したエネルギーを利用して、圧縮機本体、始動盤、圧縮機ユニット内を自己冷却することと、オイルポンプモータ等の圧縮機ユニット内の補器を駆動できるオイルフリースクリュー圧縮機を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明のオイルフリースクリュー圧縮機は、無給油状態でガスを圧縮する圧縮機本体と、この圧縮機本体より生じる廃熱を回収する廃熱回収手段と、廃熱を電力に変換する熱電変換手段と、熱電変換により得られた電力により圧縮機本体、始動盤、圧縮機ユニット内を冷却するファンモーターを駆動する手段を備えるものとする。

廃熱回収手段として、熱電変換手段により廃熱を電力として回収する。熱電変換手段は、温度差により起電圧を生じるゼーベック効果によって熱電発電する熱電変換素子を用いる。この熱電変換素子は、有効温度差を確保することで、熱電変換効率を向上できる為、オイルフリースクリュー圧縮機における圧縮機本体高温部、吐出し配管高温部に熱電変換素子の高温吸熱部に装着する。また、圧縮機本体ジャケット冷却用冷媒、冷却器用冷媒（水、クーラント）、または、圧縮機ユニット内換気用空気、ガス冷却器用ガスを利用し、熱電変換素子の低温放熱部を冷却することで、有効な温度差を得て、効率の良い熱電変換を行う。

圧縮機本体、始動盤、圧縮機ユニット内の冷却手段として、前記の熱電変換により得られた電力により、冷却ファンモータを駆動し冷却ファンにより、回収した熱エネルギーを利用した自己冷却を行う。また、ゼーベック効果により熱電変換素子が熱電変換の役割だけでなく圧縮機本体及び吐出配管の高温部の熱を吸熱する効果を持つ為、冷却ファンと熱電変換素子の吸熱効果の両方を冷却効果として得ることができる。

また、冷却ファンモータの駆動だけでなく、オイルポンプモータといった圧縮機ユニット内の補器の駆動も回収した熱エネルギーを利用して行う。

次に、本発明における前記の自己冷却手段により、圧縮機本体の冷却に液冷媒を使用しない場合の構造を説明する。圧縮機本体に放熱フィンを持つ構造とし、放熱フィンに熱電変換素子を装着することで、圧縮機本体から放熱される廃熱を熱電変換し、圧縮機本体冷却用に設けたファンを駆動することで、自己冷却を行う。また、この圧縮機本体冷却ファンにより、熱電変換素子の低温放熱部が冷却される為、有効な温度差を得ることができる。また、熱電変換素子のゼーベック効果により、放熱フィンより圧縮機本体の熱を吸熱する。

ここで、従来技術との差異を説明することで、本発明の技術的意義を明確にする。前記のとおり、オイルスクリュー圧縮機では、熱電変換素子に対して有効な温度差を確保できない為、オイルフリースクリュー圧縮機ユニット内の機器の温度差を利用して熱電変換より廃熱を利用することを特徴とする。また、特開2002-266764号公報記載のように、熱電変換素子を用いた廃熱利用装置は多く存在するが、熱電変換素子によるゼーベック効果を利用した装置自身の冷却と熱電変換素子による熱電変換された電力を利用しての冷却と、その冷却効果による熱電変換素子の有効温度差の確保を両立した自己冷却手段を構築したものではない。

本発明における熱電変換を利用した自己冷却手段及び補器の制御は、圧縮機の運転状態すなわち圧縮機本体の温度によって行われ、専用の制御機器を必要としない。圧縮機運転開始より、圧縮機本体の温度上昇により廃熱回収が行われ、冷却ファンモータ及び補器を駆動し、冷却ファンによる圧縮機本体及び熱電変換素子の冷却が行われ、圧縮機運転停止により、圧縮機本体の温度の低下に伴い冷却ファンは停止する。前記のとおり、圧縮機運転停止後も余熱による熱電変換で冷却ファンの駆動が続くため、余熱を利用して余熱を取り除くことを可能とする。

本発明によれば、オイルフリースクリュー圧縮機において従来放出されていた廃熱を回収し、熱電変換素子を用いて熱電変換した電力で冷却ファンモータ及びオイルポンプ等の補器モータを駆動すること、得られた電力で駆動する冷却ファンと熱電変換素子のゼーベック効果による吸熱作用で圧縮機本体及び圧縮機ユニット内を自己冷却することができる。また、冷却ファンによる熱電変換素子自身の冷却により熱電変換に有効な温度差を確保することが可能となり、大きな発電力を得ることができる。前記の自己冷却手段により、オイルフリースクリュー圧縮機本体において、液冷媒を必要としない構造の実現を容易にし、それにより圧縮本体の長寿命化、配管削減及び配管削減による低振動および低騒音化、クーラントの補充メンテナンスの削減が可能となる。

以下、本発明のオイルフリースクリュー圧縮機の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１はオイルフリースクリュー圧縮機の全体機器構成及び圧縮ガス、液冷媒、冷却空気のフロー図である。この図において示すのは、オイルフリースクリュー圧縮機における一段圧縮機であり、圧縮機本体１を備えている。この圧縮機本体１の吸込みガス通路の上流側に吸込み絞り弁５が設けられている。また、上記圧縮機本体１は、圧縮室内に一対のスクリューロータである雄ロータ２及び雌ロータ３を収納している。これらロータは、無給油及び非接触状態で回転自在に配設されており、その外周部には容積が変化するガス通路としての溝（図示せず）が形成されている。圧縮に使用されるガスは、前記の吸込みフィルタ４より外部から常温で取りこまれ、圧縮機本体１に供給され、圧縮されたガスは、吐出配管８を通じて、冷却クーラ９を通過し冷却された後圧縮機ユニット外部へ吐出される。

前記のとおり、空気を例にとると、オイルフリースクリュー圧縮機は、常温２０℃の空気を圧縮した場合、運転開始後数秒で、２５０℃以上の温度となって圧縮機本体１から圧縮された空気が吐出される。したがって、熱電変換素子に有効な温度差を得る為、圧縮機本体１及び吐出配管８に熱電変換素子を装着した構造とする。圧縮機本体１及び吐出配管８の廃熱を利用して、熱電変換素子１２、１３より熱電変換することにより得られた電力をレギュレーター１４を通じて、電圧変換し、電力を冷却ファン１０、１６またはオイルポンプモータ１１等の補器に供給可能な構成とする。

さらに、熱電変換の効率を向上させるための熱電変換素子の装着個所および方法を図２〜図５に表す。図２は、吐出配管８の熱電変換素子１３の装着個所を表している。図３は、熱電変換素子装着部の配管の断面図を表している。吐出配管８は熱電変換素子１３を密着固定可能な平面をもつ形状とし、より高温となる圧縮機本体１側に熱電変換素子１３を装着する。また、熱電変換素子１３の低温放熱部を冷却するために、吐出配管８に吐出配管ジャケット１７を設け、圧縮機本体１ジャケット冷却用、または、冷却器用の液冷媒を入れる構造とする。

図４は、圧縮機本体１の熱電変換素子１２の装着個所を表している。図５は、熱電変換素子装着部の圧縮機本体１の本体ケーシング断面図を表している。圧縮機本体１の本体ケーシングは、熱電変換素子１２を密着固定可能な平面をもつ形状とし、より高温となる圧縮機本体１の圧縮ガス吐出し側に熱電変換素子１２を装着する。また、熱電変換素子１２を本体ケーシングジャケット１８の中に装着し、圧縮機本体１ジャケット冷却用液冷媒によって熱電変換素子１２の低温放熱部を冷却可能な構造とする。

図６は、圧縮機本体１において、液冷媒を使用せずに圧縮機本体１を冷却することを容易にする構造を表している。圧縮機本体１の本体ケーシングは、放熱フィンをもつ構造としており、前記のとおり、より高温となる圧縮ガス吐出し側に設けた放熱フィン１９に熱電変換素子１２を装着する構造とする。熱電変換素子１２より、熱電変換により得られた電力は、レギュレーター１４によって電圧変換され圧縮機本体１用冷却ファン２０を駆動可能な構造とする。また、冷却ファンは、圧縮機本体１の冷却とともに、熱電変換素子１２の低温放熱部の冷却を兼ねる為、熱電変換素子１２の低温放熱部の冷却が可能な位置に設置するものとする。

本発明のオイルフリースクリュー圧縮機の実施の形態の全体機器構成及び圧縮ガス、オイル、冷却水、冷却空気の流れを示すフロー図である。本発明のオイルフリースクリュー圧縮機の実施の形態を構成する、吐出配管への熱電変換素子の装着個所及び方法を表す図である。本発明のオイルフリースクリュー圧縮機の実施の形態を構成する、圧縮機本体への熱電変換素子の装着個所及び方法を表す図である。本発明のオイルフリースクリュー圧縮機の実施の形態を構成する、液冷媒を必要としない圧縮機本体の形状及び熱電変換素子の装着個所及び方法を表す図である。本発明のオイルフリースクリュー圧縮機の実施の形態を構成する、熱電変換素子装着部の圧縮機本体の本体ケーシング断面図を表す図である。本発明のオイルフリースクリュー圧縮機の実施の形態を構成する、液冷媒を使用せずに圧縮機本体を冷却することを容易にする構造を表す図である。

符号の説明

１…圧縮機本体、２…雄ロータ、３…雌ロータ、４…吸込みフィルタ、５…吸込み絞り弁、６…ギヤケース、７…主モーター、８…吐出配管、９…冷却クーラ、１０…冷却ファン、１１…オイルポンプ、１２…熱電変換素子、１３…熱電変換素子、１４…レギュレーター、１５…始動盤、１６…冷却ファン、１７…吐出配管ジャケット、１８…本体ケーシングジャケット、１９…放熱フィン、２０…圧縮機本体用冷却ファン。

Claims

ガスを圧縮する圧縮機本体、圧縮機本体から吐出されるガスを冷却する冷却器、圧縮器本体出口と冷却器とを連結する吐出配管を有するオイルフリースクリュー圧縮機において、温度差により熱電変換する素子を、圧縮機本体高温部、冷却器高温部、吐出し配管高温部に取付け電力を得る手段を設けたことを特徴とするオイルフリースクリュー圧縮機。
請求項１のオイルフリースクリュー圧縮機において、熱電変換素子の低温放熱部に、圧縮機本体ジャケット冷却用、または、冷却器用の液冷媒（水、クーラント等）を使用することを特徴とするオイルフリースクリュー圧縮機。
請求項１のオイルフリースクリュー圧縮機において熱電変換素子の低温放熱部に圧縮機ユニット内換気用、または、ガス冷却器冷却用の空気を使用することを特徴とするオイルフリースクリュー圧縮機。
請求項１〜４のオイルフリースクリュー圧縮機において、熱電変換素子で得られた電力により、圧縮機ユニット内及び始動盤の冷却ファンモーター、または、オイルポンプモーター等の補器モータを駆動することを特徴とするオイルフリースクリュー圧縮機。
請求項１〜４のオイルフリースクリュー圧縮機において、熱電変換素子のゼーベック効果による吸熱特性により、圧縮機本体を冷却し、熱電変換素子で得られた電力により、冷却ファンを駆動することで、圧縮機本体と熱電変換素子の低温放熱部の両方を冷却し、有効な温度差を確保しながら、液冷媒を必要としない圧縮機本体が自己冷却することを特徴とするオイルフリースクリュー圧縮機。