JP2008038658A - 気体圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化と省エネルギー化とを図ることができる気体圧縮機を提供する。
【解決手段】圧縮室２内に吸入された気体を、その圧縮室２の容積を減少させて圧縮するようにした気体圧縮機１において、上記圧縮室２内に水を噴霧するための噴霧手段６と、上記圧縮室２内で圧縮される気体の温度上昇を、水の気化熱にて抑制すべく、上記噴霧手段６の噴霧時期および噴霧量を制御する制御手段７とを備えたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気などの気体を圧縮する気体圧縮機に関するものである。

従来、空気などの気体を圧縮する圧縮機として、シリンダ内のピストンを往復動させるレシプロ式空気圧縮機が知られている。

そのレシプロ式空気圧縮機では、圧縮機本体内で断熱圧縮された空気の発熱を、圧縮後に、圧縮機本体の後段に設けられた冷却器で冷却する構造となっている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−２３４５８７号公報

しかしながら、上述したレシプロ式空気圧縮機では、高温の空気を冷却するため、冷却器は大型となり、場合によっては圧縮機本体よりも大きな面積が必要となる場合がある。

また、この冷却熱を再利用したとしても、その一部またはほとんどが排熱として無駄になりエネルギー浪費の原因となる。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、小型化と省エネルギー化とを図ることができる気体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は、圧縮室内に吸入された気体を、その圧縮室の容積を減少させて圧縮するようにした気体圧縮機において、上記圧縮室内に水を噴霧するための噴霧手段と、上記圧縮室内で圧縮される気体の温度上昇を、水の気化熱にて抑制すべく、上記噴霧手段の噴霧時期および噴霧量を制御する制御手段とを備えたものである。

好ましくは、上記圧縮室が、シリンダと、そのシリンダ内に往復動可能に収容されたピストンとで形成されたものである。

上記圧縮室が、ケーシングと、そのケーシング内に回転可能に収容されたロータとで形成されたものでもよい。

好ましくは、上記制御手段は、圧縮工程中、上記ピストンの圧縮ストロークが、全ストロークに対して３０％以上７０％未満のときに、上記噴霧手段による水の噴霧を開始するものである。

好ましくは、上記制御手段は、一圧縮工程当たりに上記噴霧手段から噴霧される水のモル数を、圧縮すべき気体のモル数の１０分の１以下に設定するものである。

本発明によれば、気体圧縮機の小型化と省エネルギー化とを図ることができるという優れた効果を発揮するものである。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

本実施形態の気体圧縮機は、例えば、工場などに圧縮空気を供給するために用いられる。

図１に基づき本実施形態の気体圧縮機（以下、空気圧縮機という）の概略構造を説明する。

図１に示すように、本実施形態の空気圧縮機１は、圧縮室２内に吸入された気体を、その圧縮室２の容積を減少させて圧縮するものである。

より具体的には、空気圧縮機１は、レシプロ形空気圧縮機１であり、圧縮室２を形成するシリンダ３、シリンダヘッド３４およびピストン４と、そのピストン４を上下に往復動させるためのピストン駆動手段５と、圧縮室２内に水を噴霧するための噴霧手段６と、上記圧縮室２内で圧縮される空気の温度上昇を、水の気化熱にて抑制すべく、上記噴霧手段６の噴霧時期と噴霧量とを制御する制御手段７とを備える。

シリンダ３には、上下に延出する円筒形状のシリンダボア３１が形成され、そのシリンダボア３１内にピストン４が摺動可能に収容される。また、シリンダ３の頂部には、シリンダヘッド３４が取り付けられ、そのシリンダヘッド３４によりシリンダボア３１が上方から閉塞される。そのシリンダボア３１上部の壁面と、ピストン４の上面と、シリンダヘッド３４の下面とで圧縮室２が区画形成される。

その圧縮室２には、圧縮室２内に空気を吸入するための吸気ポート３２と、圧縮室２内で圧縮された空気を吐出するための排気ポート３３とが接続される。

具体的には、シリンダヘッド３４にシリンダボア３１に各々連通する吸気ポート３２および排気ポート３３と、吸気ポート３２を開閉するための吸気バルブ３５と、排気ポート３３を開閉するための排気バルブ３６とが各々設けられる。吸気バルブ３５としては、圧縮室２内の圧力が所定の吸入圧以下のときに開弁するリリーフ弁など考えられ、排気バルブ３６としては、圧縮室２内の圧力が、上記吸入圧よりも大きい所定の吐出圧以上のときに開弁するリリーフ弁などが考えられる。

ピストン駆動手段５は、ピストン４に連結されたクランク機構５１と、そのクランク機構５１を作動させるための電動モータなどの駆動装置（図示せず）とを備え、駆動装置によりクランク機構５１を作動させることでピストン４が上下に往復動する。

噴霧手段６は、圧縮室２内に臨んで設けられた噴霧ノズル（高圧水ノズル）６１と、その噴霧ノズル６１に高圧水を供給する高圧ポンプ６２と、その高圧ポンプ６２および噴霧ノズル６１を連通する供給路６３を開閉するためのバルブ６４とを備える。

本実施形態の高圧ポンプ６２は、数１０ＭＰａ程度の高圧水を噴霧ノズル６１に供給し、その噴霧ノズル６１は高圧水を圧縮室２内に噴霧する。また、その噴霧ノズル６１の噴霧時期と噴霧量とは、バルブ６４の開閉時期や開度などで調整され、そのバルブ６４は、制御手段７に接続される。

制御手段７は、ピストン４のストロークを検出すべく、ピストン駆動手段５のクランク機構５１などに設けられたクランク角センサ（図示せず）などに接続される。

制御手段７は、噴霧手段６のバルブ６４に、開閉制御信号を送信すべく接続される。

次に、本実施形態の空気圧縮機１の作用を説明する。

まず、空気圧縮機１の膨張行程では、ピストン駆動手段５によりピストン４が下降される。そのピストン４の下降に伴い、圧縮室２の容積が増加して圧縮室２内の圧力が低下する。

このとき、圧縮室２内の圧力が所定の吸入圧以下になると吸気バルブ３５が開弁されて、圧縮室２内に空気が吸入される。

次に、圧縮工程では、ピストン駆動手段５によりピストン４が上昇されて圧縮室２内の容積が減少し、それにより圧縮室２内の圧力が上昇して空気が圧縮される。

このとき、圧縮室２内の圧力が所定の排気圧力（吐出圧）以上になると排気バルブ３６が開弁されて、圧縮室２内から圧縮空気が吐出される。

本実施形態では、その圧縮行程中に、圧縮室２内で圧縮（断熱圧縮）される空気の温度上昇を抑制すべく、噴霧ノズル６１から水を噴霧する。

これにより、噴霧された水が気化し、その気化熱により圧縮空気が冷却される。その結果、空気が略等温圧縮されることになり、圧縮に必要なエネルギーの省エネルギー化が図れる。

以下、この点について表１、図２および図３に基づき詳細に説明する。表１は、体積と、定温圧縮および断熱圧縮における絶対圧およびエネルギーとの関係を示したものである。また、図２および図３では、点線により断熱圧縮を、実線により定温圧縮を各々示した。

本実施形態では、図１に示すように空気圧縮機１のシリンダヘッド部３４に水の噴霧ノズル６１を設け、空気圧縮工程の略中間ストロークにおいて、数１０ＭＰａ程度の高圧水を噴霧するようにしている。

表１に示すように、一例として３０℃の空気を、体積が７０％、５０％、３０％となるまで断熱圧縮すると、温度はそれぞれ約８０℃、１３０℃、２２０℃に加熱される。

したがって、図２および図３に示すように、定温圧縮の場合にはそれぞれ絶対圧が０．１４ＭＰａ（点Ｔ１参照）、０．２０ＭＰａ（点Ｔ２参照）、０．３３ＭＰａ（点Ｔ３参照）となるべきところが、断熱圧縮では０．１７ＭＰａ（点Ａ１参照）、０．２６ＭＰａ（点Ａ２参照）、０．５４ＭＰａ（点Ａ３参照）と増加し、より大きな圧縮力と圧縮エネルギーが必要になる。

そこで、本実施形態では、断熱圧縮された空気の温度が８０℃に、かつ圧力が排気圧力（例えば、０．８ＭＰａ）に達する前に、圧縮途中のシリンダ３内の空気中に高圧水を噴霧する。これにより、噴霧された水が蒸発することにより圧縮空気から気化熱を奪い、圧縮空気の温度と圧力を、定温圧縮に近づける効果をもたらす。

次に、噴霧手段６の噴霧時期について説明する。

本実施形態の制御手段７は、圧縮工程中、上記ピストン４の圧縮ストロークが、全ストロークに対して３０％以上７０％未満のときに、上記噴霧手段６による水の噴霧を開始する。

これは、３０％以下の早期に高圧水を噴霧してしまうと、シリンダ３内の温度が低いため、噴霧水が蒸発せずにシリンダ３の内壁などに付着し、圧縮空気の冷却ができなくなるためである。

一方、高圧水の噴霧が７０％以上に遅くなると、圧縮途中の空気の圧縮力や圧縮エネルギーの低減ができないだけではなく、排気圧に達して空気の排気が開始してしまうと、既にシリンダ３内の圧力は一定であるから、水による温度低減の効果はあっても、圧縮力や圧縮エネルギーの低減効果はないためである。

次に、噴霧手段６の噴霧量について説明する。

本実施形態の制御手段７は、一圧縮工程当たりに上記噴霧手段６から噴霧される水のモル数を、圧縮すべき気体のモル数の１０分の１以下に設定する。

まず、コンプレッサーを定温圧縮に近づけるため、圧縮空気に水を注入した場合の効果を以下に検討する。

その前提条件を表２および表３に示す。表２は、水および空気の比熱を比較したものであり、表３は１００℃における水の気化熱を示したものである。

例えば、３０℃の空気を絶対圧０．８ＭＰａまで断熱圧縮すると２７６℃まで昇温し、圧力上昇ストロークも早いため定温圧縮に比べて４０％の追加エネルギーが必要となる。

そこで、圧縮中に水の気化熱で空気を冷却した場合の効果を検討する。

空気１モルに対し、３０℃の水をｍモル注入した場合の温度をｔ℃とすると、空気の冷却熱量と水の蒸発・加熱熱量が等しいことからｔは、次式（１）

となる。

その計算結果を表４に示す。

以上をまとめると、以下の（１）から（３）のようになる。

（１）空気１モルに対し水を０．１２モル注入すると、ほぼ定温圧縮に近い冷却が可能であるが、未蒸発水の悪影響が考えられるため、半分程度０．０６モル（つまり、空気のモル数１に対して１０％以下）の水を注入すればよい。

（２）この場合、定温圧縮に対し２０％程度の増加エネルギーで済むため、空気の圧縮エネルギーは１５％程度減り、蒸気の圧縮分を差し引いて１０％の省エネとなる。

（３）必要注入水量は２０００Ｎｍ³／Ｈのコンプレッサーの場合、毎分３Ｌ程度となる。

以上のように噴霧手段６の噴霧量が決定される。

このように、本実施形態の空気圧縮機１は、圧縮空気の圧縮工程における圧力を低減できるので、空気の圧縮エネルギーを低減でき、空気圧縮機１の省エネルギー化を図ることができる。

また、本実施形態では、排気（吐出）される圧縮空気の温度を低減できるので、圧縮空気の冷却装置を小型化、または省略でき、空気圧縮機１の小型化を図ることができる。

ところで、比較的高圧の圧縮空気が必要な場合に、単段の圧縮機のみで空気を圧縮しようとすると圧縮空気の温度が過度に高くなり、圧縮機のピストンのシール材などが熱で破損してしまうという問題がある。そこで、従来は、圧縮機を多段で構成すると共に、圧縮機間に圧縮空気を冷却する冷却器を設けた多段圧縮機が用いられていた。そのため、圧縮機の大型化などを招いていた。これに対して、本実施形態では、圧縮空気の温度上昇を抑制することができるので、単段の空気圧縮機１のみで高圧空気を供することができ、多段圧縮機に比べて、空気圧縮機１を小型化でき、また省エネルギー化を図ることができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されず、様々な変形例や応用例が考えられる。

例えば、空気圧縮機は、レシプロ式圧縮機に限定されず、圧縮室が、ケーシングと、そのケーシング内に回転可能に収容されたロータとで形成されたスクリュー式空気圧縮機や、他の空気圧縮機などでもよい。

また、上述した実施形態では、噴霧ノズル６１を圧縮室２に設けたが、これに限らず、例えば、噴霧ノズル６１を吸気ポート３２に臨んで設けるようにしてもよい。

図１は、本発明に係る一実施形態による気体圧縮機の概略構造図である。 図２は、本実施形態の気体圧縮機のＰＶ線図である。 図３は、本実施形態の気体圧縮機の圧縮エネルギーと圧力との関係を説明するための図である。

符号の説明

１ 気体圧縮機
２ 圧縮室
３ シリンダ
４ ピストン
６ 噴霧手段
７ 制御手段

Claims (5)

1. 圧縮室内に吸入された気体を、その圧縮室の容積を減少させて圧縮するようにした気体圧縮機において、
   上記圧縮室内に水を噴霧するための噴霧手段と、上記圧縮室内で圧縮される気体の温度上昇を、水の気化熱にて抑制すべく、上記噴霧手段の噴霧時期および噴霧量を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする気体圧縮機。
2. 上記圧縮室が、シリンダと、そのシリンダ内に往復動可能に収容されたピストンとで形成された請求項１記載の気体圧縮機。
3. 上記圧縮室が、ケーシングと、そのケーシング内に回転可能に収容されたロータとで形成された請求項１記載の気体圧縮機。
4. 上記制御手段は、圧縮工程中、上記ピストンの圧縮ストロークが、全ストロークに対して３０％以上７０％未満のときに、上記噴霧手段による水の噴霧を開始する請求項２記載の気体圧縮機。
5. 上記制御手段は、一圧縮工程当たりに上記噴霧手段から噴霧される水のモル数を、圧縮すべき気体のモル数の１０分の１以下に設定する請求項１から４いずれかに記載の気体圧縮機。
   

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