JP5268317B2

JP5268317B2 - 油冷式空気圧縮機

Info

Publication number: JP5268317B2
Application number: JP2007253022A
Authority: JP
Inventors: 英晴田中; 正彦高野; 晃洋長阪
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2007-09-28
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2027-09-28
Also published as: BE1018908A3; JP2009085045A; US8622716B2; CN101398004A; US20090087320A1

Description

本発明は油冷式空気圧縮機に関するものである。

油冷式空気圧縮機において、圧縮機本体の吐出し温度が凝縮水発生限界温度以下に下がると圧縮機内部に凝縮水が発生し、これが圧縮機内部に発錆を起こす可能性がある。そのため潤滑油温度制御は重要であるが、従来、潤滑油の温度制御方式としては、潤滑油経路に潤滑油量調整手段で検知した潤滑油温度に応じて熱交換器への循環油量を調整する方式が主流であった。

しかし近年、省エネルギー化、冷却ファン騒音の低減を目的として、潤滑油を冷却する冷却ファンのインバータ制御化が進んできている。これは、潤滑油温度を温度センサ等で検出して、それに伴い熱交換器への冷却媒体流量を変化させることにより制御する方式であり、例えば、特許文献１においては、潤滑油経路に配置した温度センサにより油温度を検出し、この検出値に基づいて潤滑油熱交換器への送風量を制御することで潤滑油の温度を一定に保ち圧縮機内での凝縮水の発生を防止する制御を行っている。

特開平６−２１３１８６号公報

空気圧縮機の消費電力のおよそ８０％以上は廃熱として空気圧縮機外に放出、例えば１００ｋＷの空気圧縮機では８０ｋＷ以上もの熱が圧縮機ユニット外部へ放出されることとなる。そのため、例えば密閉された空気圧縮機室内に熱交換器の冷却媒体として大気空気を使用する空冷油冷式空気圧縮機を設置した場合、圧縮機室内の温度を適正に保つためには排気ダクト等により圧縮機室外へ圧縮機にて発生した熱を排熱する必要がある。

通例、空気圧縮機の排熱（冷却ファンの排風）を阻害しないように、通路抵抗の小さい排気ダクトが要求されるが設備の都合上等の理由により、排気ダクトの抵抗が大きい場合には、排気ダクト出口に換気扇が必要となる。

ただしこのように排気ダクト出口に換気扇を設けた場合には、排気ダクト入口下端を圧縮機排気口の間隔を十分に確保する必要がある。十分間隔を確保しないと、本来冷却ファンの制御により潤滑油熱交換器に流されるべき以上の冷却風が潤滑油熱交換器に流れてしまい、場合によっては過冷却による凝縮水が発生してしまう不具合が発生する恐れがある。

さらに、排気ダクトに換気扇を設けない場合でも、ダクトの施工状況によっては排気ダクト出口側より大気空気が強風等により逆流入し、熱交換器が過冷却され凝縮水が発生する恐れがあった。

このように、空気圧縮機内で熱交換量を調整して凝縮水発生の抑制を図ったとしても、空気圧縮機が設置場所によって過冷却が生じる場合があった。しかしながら、特許文献１ではこのような外部環境に起因する不具合について考慮されていなかった。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、空気圧縮機の設置される環境によらず凝縮水発生の抑制を図った油冷式空気圧縮機を提供することを目的としている。

上記目的を達成するための本発明の具体的態様は、潤滑油熱交換器への冷却媒体流量を連続的に変化させることで潤滑油温度を制御温度Ｔ０以上となるように制御を行う油冷式空気圧縮機において、圧縮機内部に凝縮水が発生する凝縮水発生限界温度をＴＤとした場合、潤滑油温度を検知し潤滑油温度がＴ１以上に制御するように潤滑油熱交換器への潤滑油量を低減させる潤滑油流量調整手段を有し、Ｔ０＞Ｔ１≧ＴＤとしたことを特徴としている。この構成においては、冷却媒体として大気空気を使用することがより好適である。

また、本発明の第二の態様は、圧縮空気から潤滑油を分離する油分離手段と、分離された潤滑油を冷却する潤滑油熱交換器と、この潤滑油熱交換器へ冷却風を供給する冷却ファンと、潤滑油の温度がＴ０となるように前記冷却ファンの回転数を制御する制御装置とを備えた油冷式空気圧縮機において、圧縮機内部に凝縮水が発生する凝縮水発生限界温度をＴＤとした場合、潤滑油の温度がＴ０＞Ｔ１≧ＴＤなる関係を満たす温度Ｔ１となるように前記潤滑油熱交換器に流入する潤滑油量を調整する潤滑油流量調整手段を備え、前記制御装置は、前記潤滑油熱交換器の通過風量が最小となる回転数まで前記冷却ファンの回転数を下げた状態で、前記潤滑油熱交換器への流入油量を減らすように前記潤滑油流量調整手段を制御することを特徴としている。

上記の態様においては、前記油分離手段で分離された潤滑油が前記潤滑油熱交換器をバイパスするバイパス回路を備え、前記バイパス回路に潤滑油を流入させることで前記潤滑油量熱交換器へ流入する潤滑油量が調整されることが望ましい。

本発明によれば、空気圧縮機の設置される環境によらず凝縮水発生の抑制を図った油冷式空気圧縮機を提供することができる。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。図１は空気圧縮機が設備内に設置された状態を模式的に示す図である。この例は空冷油冷式空気圧縮機であり、圧縮空気を冷却する油（潤滑油）が熱交換器によって冷却される構成を備えている。

本実施形態に係る油冷式空気圧縮機である圧縮機ユニット１５は、工場等における設備内の圧縮機室１６内に配置される。圧縮機ユニット１５を冷却するための冷却風は、圧縮機室１６の吸気口２２より圧縮機室１６内に吸込まれる。圧縮機ユニット１５は吸気口２０を備えており、吸気口２２によって圧縮機室１６に吸込まれた冷却風が吸気口２０より圧縮機ユニット１５内に吸気される。

圧縮機ユニット１５内に吸気された冷却風は、冷却ファン１３により潤滑油熱交換器６に送風された後、圧縮機ユニット１５の排気口１９よりユニット外へと送られる。本実施形態では排気口１９に排気ダクト１７が連結されており、この排気ダクト１７を経由して換気扇１８により圧縮機室１６の外部へ排気される。

このように、圧縮機ユニット１５は、圧縮機室１６外から供給される冷却風をユニット内に取り込み、内部を冷却して排気する構成となっている。本図では、本来排気ダクト１７入口側は、圧縮機ユニット１５の排気口１９とは規定距離以上離して配置すべきであるところ、離されておらず不適切にダクトが配置された状態である。

次に、圧縮機ユニット１５について説明する。圧縮機ユニット１５によって圧縮される空気は吸気口２１から取り込まれ、吸込みフィルタ９、吸気弁８を経由して、モータ２により駆動される圧縮機本体１に吸込まれる。圧縮機本体１に吸込まれた大気空気は所定の圧力まで圧縮された後、潤滑油とともに油分離手段３へと吐出される。油分離手段３により潤滑油を分離した圧縮空気は逆止弁４を経由して圧縮機ユニット外に吐出され、圧縮空気が必要な各種用途に用いられる。

一方、油分離手段３によって分離された潤滑油は、潤滑油熱交換器６及びオイルフィルタ７を備えた循環経路を介して圧縮機本体１へと給油される。また、この循環経路において油分離手段３と潤滑油熱交換器６の間には潤滑油量調整手段５が設けられている。この潤滑油量調整手段５は、潤滑油熱交換器６の上流側で分岐して、潤滑油熱交換器６をバイパスするバイパス回路１４へと流入する油量を増減するために設けられている。

具体的には、潤滑油量調整手段５は潤滑油温度検知部を持ち、潤滑油温度がＴ１となるように、潤滑油熱交換器６とバイパス回路１４に流れる油量を調整する。油量の決定に係る条件については後述する。

次に、潤滑油温度の制御について説明する。圧縮機本体１と油分離手段３の間には潤滑油温度を検出する温度検出手段１０を備えている。そして、制御装置１２により温度検出手段１０での検出温度値Ｔと目標制御温度Ｔ０を比較演算する。ここで、目標制御温度Ｔ０は、圧縮機内部に凝縮水が発生する凝縮水発生限界温度をＴＤとすると、これよりも高い温度である（Ｔ０＞ＴＤ）。制御装置１２は、ＴとＴ０の比較演算結果に基づき冷却ファンインバータ１１に運転周波数信号を指示し、冷却ファン１３の回転数を制御することで潤滑油熱交換器６への送風量を制御する。このようにして目標制御温度Ｔ０となるように制御される。

具体的には、次の制御が行われる。圧縮空気の使用量が減少し負荷率が低下するとそれに応じて圧縮機本体１での発生熱量は低下し圧縮機本体１の吐出し温度が低下する。これを温度検出手段１０で検出し冷却ファン１３の回転数を低下させ潤滑油熱交換器６への送風量を低減させ潤滑油温度Ｔを制御温度Ｔ０に制御する。このように、温度検出手段１０の検出値に基づいて冷却ファンインバータ１１からの運転周波数信号を演算することによって、潤滑油熱交換器６での熱交換量を制御し、潤滑油温度を目標制御温度Ｔ０としている。

しかしながら、本実施形態に示すように排気ダクト１７が不適切な配置である場合、次のような不具合が生じる。すなわち、冷却ファン１３による風量がインバータ１１によって制御されたとしても、排気ダクト１７の配置次第で、換気扇１８の影響を受けて圧縮機ユニット１５内の冷却風量が増大する。このとき、潤滑油温度がＴ０以下となってしまい、さらには、凝縮水発生限界温度ＴＤに達すると凝縮水が発生してしまうことになる。

この現象は、冷却ファン１３が最低風量に至っても換気扇１８により本来の制御である冷却ファン１３による制御時以上の冷却風量が潤滑油熱交換器に流れてしまうことによって生ずるため（図２参照）、本実施形態では以下のような構成としている。

すなわち、潤滑油熱交換器６への冷却媒体流量を連続的に変化させることで潤滑油温度を制御温度Ｔ０以上となるように制御を行うものを前提とし、潤滑油温度を検知して潤滑油温度をＴ１以上とするように循環油熱交換器の潤滑油量を低減させる潤滑油流量調整手段５を用いる。なお、Ｔ０＞Ｔ１≧ＴＤである。

通常運転時は、上述のように、潤滑油熱交換器６への冷却媒体量を連続的に変化させることで潤滑油温度をＴ０以上になるように制御される。ここで例えば空気圧縮機の使用空気量が減少し負荷率が低くなるにつれて、冷却媒体流量（本実施形態では、冷却ファン１３による冷却風量）を低減させていく。そして冷却媒体量の流量が最小流量となっても課題にあるような条件等により熱交換器での交換熱量が過大の場合に、潤滑油経路に配置した潤滑油量調整弁５にて潤滑油熱交換器６への循環油量を低減する。これによって潤滑油での熱交換量を低減する。

熱交換量を低減することにより、冷却ファンのインバータ制御による省エネルギー化の実現と、不適切は排気ダクト施工時でも凝縮水発生不具合の防止が可能である油冷式空気圧縮機を提供できる。

具体的には、潤滑油量調整手段として、潤滑油温度検知部を有する流量調整弁を用い、簡易な構成で油量の調整を可能としている。このような潤滑油温度検知部を有するものとしては、例えば、ロウが充填された感温部により温度を検知して作動するバルブが好適である。

他の例としては、潤滑油経路に、潤滑油温度を検出するサーミスタ等の温度センサを設け、これによって潤滑油温度を検出し、検出温度が低い場合には潤滑油熱交換器６への流通油量を低減させ、油温のさらなる低下を抑制する制御を行うことも可能である。このときは、Ｔ０より低く、かつ、ＴＤあるいはこれよりも高い温度Ｔ１を基準値とし、制御装置１２において潤滑油温度をＴ１以上に保つ制御を行えば良い。

潤滑油熱交換器６への流入油量の調整には、潤滑油流量調整手段５とバイパス回路１４が用いられる。潤滑油流量調整手段５は、潤滑油温度検知部（上述の感温部あるいは温度センサ）における温度に応じた調整がなされ、潤滑油をバイパス回路１４へバイパスすることによって潤滑油熱交換器６への循環油量を低減させることができる。すなわち、潤滑油流量調整手段５によって熱交換量が抑制され、潤滑油温度をＴ１以上に保つことができる。

空気使用量が増大した場合は圧縮機本体１での発熱量が増加するが、潤滑油量調整手段５により潤滑油熱交換器６への循環油量を増大されるので、潤滑油温度ＴをＴ１に制御することができる。さらに負荷率が増大し潤滑油熱交換器６への循環油量を最大となっても潤滑油温度上昇が継続し、Ｔ０まで至ったときには冷却ファン１３により潤滑油熱交換器６への送風量を増加させる。このときは潤滑油温度ＴがＴ０となるように制御される。

上述の本実施形態では、潤滑油流量調整手段に潤滑油温度検知部を備えた構成を示しているが、必ずしもこれに限られるものではなく、油分離手段３から圧縮機本体１へと向かう潤滑油経路に温度検出手段を備えても良い。また、温度検出手段１０における検出温度を用いて、制御装置１２から潤滑油流量調整手段５の制御を行っても差し支えない。

図２は、本実施形態の制御内容の一例を示す図である。負荷率が低くなった場合であっても冷却ファンインバータ１１によって冷却ファン１２の回転数を制御することによって潤滑油温度をＴ０に保つことができる（ｔ０〜ｔ１参照）。負荷率がさらに低下すると、換気扇１８の影響を受けて潤滑油温度がＴ０に維持できずに低くなってしまうため、潤滑油流量調整手段５によって潤滑油熱交換器６に循環する油量を減少させる（ｔ１参照）。このとき、流入油量は油温がＴ１となるように調整される。

すなわち、図２の第３図に破線で示すように、熱交換器通過風量が最小となる回転数まで冷却ファン１３の回転数を下げても、なお必要以上の冷却風が熱交換器を流れ、潤滑油温度がＴ０より下がってしまう場合に、潤滑油量調整手段５によりバイパス回路１４に流れる潤滑油を増量し、潤滑油熱交換器６への流入油量を減らし、交換熱量を低減する（ｔ１〜ｔ２参照）。

再び負荷率が上昇すると、潤滑油温度も上昇するため、潤滑油量調整手段によって潤滑油量を増大させ、潤滑油温度がＴ０となると循環油量を１００％に戻し、Ｔ０で一定となるように冷却ファン１２の回転数を制御する（ｔ２〜ｔ３以降参照）。

以上説明したように、潤滑油熱交換器６に流入する潤滑油量を調整することによって、潤滑油温度が安定して凝縮水発生等の不具合を回避することができ、圧縮機ユニットの設置環境によらず安定した運転が可能となる。

空気圧縮機が設備内に設置された状態を模式的に示す図。制御内容の一例を示す図。

符号の説明

１…圧縮機本体、２…モータ、３…油分離手段、４…逆止弁、５…潤滑油量調整弁、６…潤滑油熱交換器、７…オイルフィルタ、８…吸入弁、９…吸込みフィルタ、１０…温度検出手段、１１…冷却ファンインバータ、１２…制御装置、１３…冷却ファンモータ、１４…バイパス回路、１５…圧縮機ユニット、１６…圧縮機室、１７…排気ダクト、１８…換気扇、１９…圧縮機排気口、２０…吸気口、２１…吸気口、２２…吸気口。

Claims

潤滑油熱交換器への冷却媒体流量を連続的に変化させることで潤滑油温度を制御温度Ｔ０以上となるように制御を行う油冷式空気圧縮機において、圧縮機内部に凝縮水が発生する凝縮水発生限界温度をＴＤとした場合、潤滑油温度を検知し潤滑油温度がＴ１以上に制御するように潤滑油熱交換器への潤滑油量を低減させる潤滑油流量調整手段を有し、Ｔ０＞Ｔ１≧ＴＤとしたことを特徴とする油冷式空気圧縮機。
請求項１の油冷式空気圧縮機において、冷却媒体として大気空気を使用することを特徴とする油冷式空気圧縮機。
圧縮空気から潤滑油を分離する油分離手段と、分離された潤滑油を冷却する潤滑油熱交換器と、この潤滑油熱交換器へ冷却風を供給する冷却ファンと、潤滑油の温度がＴ０となるように前記冷却ファンの回転数を制御する制御装置とを備えた油冷式空気圧縮機において、
圧縮機内部に凝縮水が発生する凝縮水発生限界温度をＴＤとした場合、潤滑油の温度がＴ０＞Ｔ１≧ＴＤなる関係を満たす温度Ｔ１となるように前記潤滑油熱交換器に流入する潤滑油量を調整する潤滑油流量調整手段を備え、
前記制御装置は、前記潤滑油熱交換器の通過風量が最小となる回転数まで前記冷却ファンの回転数を下げた状態で、前記潤滑油熱交換器への流入油量を減らすように前記潤滑油流量調整手段を制御することを特徴とする油冷式空気圧縮機。
前記油分離手段で分離された潤滑油が前記潤滑油熱交換器をバイパスするバイパス回路を備え、前記バイパス回路に潤滑油を流入させることで前記潤滑油量熱交換器へ流入する潤滑油量が調整されることを特徴とする請求項３に記載の油冷式空気圧縮機。