JP7282561B2 - 液冷式ガス圧縮機、及び、その給液方法 - Google Patents

Description

本発明は液冷式ガス圧縮機に関し、その給液方法に関する。

空気等の気体を吸込み、容積型の圧縮機構によって圧縮空気等の高圧気体を吐き出すガス圧縮機では、圧縮機構の圧縮空間に油などの液体を給液する液冷式ガス圧縮機が知られている。

給液する目的は、圧縮機構の潤滑、圧縮機構同士の気体漏れに対するシール、そして、圧縮によって温度が上昇する気体の冷却である。従来、圧縮過程中の圧縮気体よりも温度が低い液体を圧縮機本体へ供給することで、圧縮気体を冷却し高効率化を図ってきた。

本技術分野の背景技術として、国際公開第２０１６／１１７０３７号（特許文献１）がある。特許文献１は、圧縮機に吸込まれる冷媒ガスの過熱度を検出し、過熱度に基づいて油温度調整手段を制御する制御装置を備え、高過熱度運転時には、定常運転時よりも低い温度の油がスクリュー圧縮機に供給されるように油温度調整手段を制御する。これにより、吸込み過熱度が高い状態でのスクリューロータの膨張を抑制し性能の向上を図っている。

国際公開第２０１６／１１７０３７号

特許文献１では、油冷式ガス圧縮機において、圧縮途中の作動室へ圧縮過程中の圧縮気体よりも温度が低い油を給油することにより圧縮気体を冷却し高効率化を図っている。この給油方法では、圧縮機本体に給油してから吐出されるまでの時間が限られ、圧縮気体と油との熱交換時間に応じた冷却効果に限度がある。また、圧縮途中で高圧側から低圧側に漏れてくる圧縮気体によって吸込み気体が加熱され膨張するため、吸込み気体量が減少するという課題がある。

上記課題を解決するため、本発明は、その一例を挙げるならば、圧縮機本体により吸入された吸込み気体を圧縮し、圧縮された気体を液体により冷却する液冷式ガス圧縮機の給液方法であって、圧縮機本体から吐出された気体を圧縮気体と冷却液に分離し、分離した後の液体を冷却し、冷却した液体の一部を圧縮機本体の圧縮過程中の圧縮気体に給液するとともに、冷却した液体の一部を吸込み気体の温度以下とし、吸込み気体の温度以下とした液体を圧縮機本体により吸入される吸込み空間へ供給する。

本発明によれば、従来よりも圧縮気体と冷却液との熱交換時間を長くし、更なる冷却効果の改善が見込め、性能向上を図ることができる。また、圧縮機内の漏れによって加熱される吸込み空間の気体の温度を低下させ気体密度を向上させることで吸込み気体量が増加し、性能を向上させることが可能である。

実施例１における油冷式ガス圧縮機の概略構成図である。 実施例１における吸込み性能向上効果を説明する図である。 実施例２における油冷式ガス圧縮機の概略構成図である。 実施例３における油冷式ガス圧縮機の概略構成図である。 実施例４における油冷式ガス圧縮機の概略構成図である。 従来の油冷式ガス圧縮機の概略構成図である。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。なお、以降の実施例では、冷却液として油を採用した油冷式のガス圧縮機を例として説明する。

まず、本実施例の前提となる、従来の油冷式ガス圧縮機について、図６を用いて説明する。図６において、圧縮機本体１に吸入された気体は、圧縮過程において圧力が上昇すると共に温度が上昇するため、油により冷却を行う。従来の油冷式ガス圧縮機では、圧縮気体と冷却油が混合された気体を分離器２によって分離し、油は熱交換器３により圧縮過程中の圧縮気体よりも低温に冷却し、再度圧縮過程中に給油することで圧縮気体の冷却を図る構造となっている。すなわち、熱交換器において冷却された油を圧縮機本体の圧縮過程中の圧縮気体に給油する油供給経路を有する。

次に、本実施例における油冷式ガス圧縮機について図１を用いて説明する。図１において、本実施例が従来と異なる点は、従来が熱交換器３において冷却された油を圧縮過程中に供給していたのに対し、一部の油を更に油冷却器４において冷却し、吸込み気体温度よりも低温として吸込み空間へ供給する点である。すなわち、熱交換器において冷却された油の一部を圧縮機本体の圧縮過程中の圧縮気体に給油する第１の油供給経路（給液経路）と、熱交換器において冷却された油の一部を吸込み気体の温度以下に冷却する油冷却器と、油冷却器で冷却された油を圧縮機本体により吸入される吸込み空間へ供給する第２の油供給経路（給液経路）を有する点である。なお、吸込み空間への供給は、例えば噴霧により行う。また、上記の各構成処理部は、それらの一部又は全部を、図示しない制御装置が制御する。

本実施例の特徴を以下に２点記載する。１点目は、油を吸込み空間へ供給することにより従来の給油方法と比較し、より長い時間圧縮気体と油との熱交換ができる点である。熱交換時間を長くできるほど圧縮気体をより冷却できるため、性能の向上につながる。２点目は、吸込み気体温度よりも低温の油を供給することにより、吸込み空間室内の温度を従来よりも低温にできる点である。これにより、吸込み気体が収縮し気体密度が向上するため、吸込み性能の向上を図ることが可能である。

本実施例によって得られる吸込み性能向上効果について以下記載する。例として、圧縮気体は空気として、吐出し空気量１０ｍ^３／ｍｉｎの油冷式ガス圧縮機において、総油量５０Ｌ／ｍｉｎの内１０Ｌ／ｍｉｎの油を吸込み気体温度２０℃よりも低温とし吸込み空間へ供給した場合を考える。効果を試算する上で、油が吸込み空間内に一様に拡散し熱交換を行うという仮定を設ける。

図２に、吸込み空間へ供給する油の平均粒子径が０．１ｍｍと０．３ｍｍの場合の空気量吸込み性能向上効果を示す。図２の横軸は吸込み気体温度と油温度の差とした。図２に示すように、温度差に対する空気量増加効果はおおよそ比例関係となる。具体的な効果量として、温度差が１０℃の時には平均粒子径０．３ｍｍで０．５％、平均粒子径０．１ｍｍで１．９％の空気量増加の効果が得られる試算となった。

以上のように、本実施例によれば、従来よりも圧縮気体と油との熱交換時間を長くし、更なる冷却効果の改善が見込め、性能向上を図ることができる。また、圧縮機内の漏れによって加熱される吸込み空間の気体の温度を低下させ、気体密度を向上させることで、吸込み気体量が増加し、性能を向上させることが可能である。

図３に本実施例における油冷式ガス圧縮機の概略構成図を示す。図３において、実施例１との差異は、熱交換器３によって冷却された油の一部を、油冷却器４ではなく、熱交換器（蒸発器）５において冷却している点である。

本実施例において、熱交換器５は、膨張器６、凝縮器７、ポンプ８によって構成されるランキンサイクルの構成部品としている。すなわち、油を吸込み気体温度以下にする際に発生する排熱を利用し、熱交換器５においてランキンサイクルの作動流体を加熱し、気化した作動流体で膨張器６（例えばタービン等）を駆動し発電を行う。発電した電力は圧縮機ユニット内の冷却ファンなどの補器に使用し、ユニットの省エネ性能の向上を図ることができる。

なお、発電する際の熱サイクルは代表例としてランキンサイクルを記載しているが、他の発電サイクルを使用することも可能である。

図４に本実施例における油冷式ガス圧縮機の概略構成図を示す。図４において、実施例２との差異は、熱交換器３を通過した後に油を分岐するのではなく、分離器２を通った後に分岐し一部油を熱交換器５において冷却している点である。

本実施例は実施例２と比較し、熱交換器３によって冷却する油量が少なくなるため、熱交換器３で用いる冷却ファンの回転数を従来よりも低下させることができ、圧縮機の省エネ性能向上につながる。また、吸込み側への給油経路では実施例２よりも多くの排熱を回収できることからより多くの発電が可能となる。

前記した実施例では吸込み気体温度よりも油を低温とした際に従来よりも多くドレンが発生する懸念があるが、本実施例ではその点を考慮した構成について説明する。

図５に本実施例における油冷式ガス圧縮機の概略構成図を示す。図５において、本実施例では、冷却油温度センサ（ＴＨＹ）９、吸込み気体温度センサ（ＴＨＸ）１０、油冷却器４及び制御弁（三方制御弁）１１の制御により管路にドレンが溜まることを防ぐように構成する。

表１に、図示しない制御装置による油冷却器４及び制御弁１１の制御方法を記す。

表１において、圧縮機起動時には、油冷却器４を圧縮機起動からΔｔ１秒後に起動させることで、油温度が必要以上に冷却されドレンが発生することを防ぐ。また、起動時は油が冷却されていないため、制御弁１１はＮＯ－ＣＯＭとし圧縮過程中へ給油する経路に還流させる。

圧縮機の運転状態がロード運転になった際には、吸込み気体温度ＴＨＸと冷却油温度ＴＨＹの大小関係により給油経路を変更する。冷却油温度ＴＨＹが吸込み気体温度ＴＨＸよりも高温の場合には制御弁１１をＮＯ－ＣＯＭとし、圧縮過程中に給油する経路に還流させる。冷却油温度ＴＨＹが吸込み気体温度ＴＨＸよりも低温の場合には制御弁１１をＮＣ－ＣＯＭとし、吸込み空間へ給油する。

アンロード運転時には、吸込み気体量を増加させる効果が得られないため、油冷却器４を停止させ、油が冷却されドレンが必要以上に発生することを防ぐ。制御弁１１は油温度に関係なくＮＣ－ＣＯＭとし吸込み空間へ給油し、低温の油が管路内に残留することを防止する。

圧縮機停止時には、先に油冷却器４を停止させ、Δｔ２秒経過後に電動機を停止する。制御弁１１は油温度に関係なくＮＣ－ＣＯＭとする。油冷却器４停止からΔｔ２秒間電動機の運転を続けることにより、低温の油が管路内に残留することを防止する。

以上、本発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。例えば、上記した実施例は、本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、油冷式ガス圧縮機を実施例として挙げたが、冷却に用いることのできる液体であれば、水など油以外の液体を採用してもよい。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。また、上記制御装置は、それぞれの機能を実現するプログラムを解釈し実行することによりソフトウェアで実現してもよいし、例えば集積回路によるハードウェアで実現してもよい。

１：圧縮機本体、２：分離器、３：熱交換器、４：油冷却器、５：熱交換器(蒸発器)、６：膨張器、７：凝縮器、８：ポンプ、９：冷却油温度センサ、１０：吸込み気体温度センサ、１１：制御弁（三方制御弁）

Claims (6)

1. 圧縮機本体により吸入された吸込み気体を圧縮し、該圧縮された気体を液体により冷却する液冷式ガス圧縮機であって、
   前記圧縮機本体から吐出された気体を圧縮気体と冷却液に分離する分離器と、
   該分離器により分離された液体を冷却する熱交換器と、
   該熱交換器において冷却された液体の一部を前記圧縮機本体の圧縮過程中の圧縮気体に給液する第１の給液経路と、
   前記熱交換器において冷却された液体の一部を前記吸込み気体の温度以下に冷却する液冷却器と、
   該液冷却器で冷却された液体を前記圧縮機本体により吸入される吸込み空間へ供給する第２の給液経路と、
   前記液冷却器で冷却された液体の冷却液温度を測定する冷却液温度センサと、
   前記吸込み気体の温度を測定する吸込み気体温度センサと、
   前記液冷却器で冷却された液体を、前記圧縮機本体により吸入される吸込み空間へ供給する経路と前記圧縮機本体の圧縮過程中の圧縮気体に給液する経路に変更する制御弁を有し、
   前記冷却液温度と前記吸込み気体の温度の大小関係によって、前記制御弁を制御する制御装置を有することを特徴とする液冷式ガス圧縮機。
2. 請求項１に記載の液冷式ガス圧縮機であって、
   前記制御装置は、前記圧縮機本体がロード運転時において、前記冷却液温度が前記吸込み気体の温度より高い場合に、前記制御弁を、前記液冷却器で冷却された液体を前記圧縮機本体の圧縮過程中の圧縮気体に給液する経路に切り換え、前記冷却液温度が前記吸込み気体の温度より低い場合に、前記制御弁を、前記液冷却器で冷却された液体を前記圧縮機本体により吸入される吸込み空間へ供給する経路に切り換えることを特徴とする液冷式ガス圧縮機。
3. 請求項１に記載の液冷式ガス圧縮機であって、
   前記制御装置は、前記圧縮機本体がアンロード運転時において、前記液冷却器の動作を停止させ、前記制御弁を、前記冷却液温度に関係なく前記液冷却器からの液体を前記圧縮機本体により吸入される吸込み空間へ供給する経路に切り換え、前記圧縮機本体が停止時には先に前記液冷却器を停止させ、所定時間経過後に前記圧縮機本体を駆動する電動機を停止し、前記制御弁を、前記冷却液温度に関係なく前記液冷却器からの液体を前記圧縮機本体により吸入される吸込み空間へ供給する経路に切り換えることを特徴とする液冷式ガス圧縮機。
4. 圧縮機本体により吸入された吸込み気体を圧縮し、該圧縮された気体を液体により冷却する液冷式ガス圧縮機の給液方法であって、
   前記圧縮機本体から吐出された気体を圧縮気体と冷却液に分離し、
   該分離した後の液体を冷却し、
   該冷却した液体の一部を前記圧縮機本体の圧縮過程中の圧縮気体に給液するとともに、
   前記冷却した液体の一部を前記吸込み気体の温度以下とし、該吸込み気体の温度以下とした液体を前記圧縮機本体により吸入される吸込み空間へ供給し、
   前記吸込み気体の温度以下とした液体の冷却液温度と前記吸込み気体の温度の大小関係によって、前記吸込み気体の温度以下とした液体を、前記圧縮機本体により吸入される吸込み空間へ供給するか、前記圧縮機本体の圧縮過程中の圧縮気体に給液するかを切り替えることを特徴とする液冷式ガス圧縮機の給液方法。
5. 請求項４に記載の液冷式ガス圧縮機の給液方法であって、
   前記圧縮機本体がロード運転時において、前記冷却液温度が前記吸込み気体の温度より高い場合に、前記吸込み気体の温度以下とした液体を前記圧縮機本体の圧縮過程中の圧縮気体に給液する経路に切り換え、前記冷却液温度が前記吸込み気体の温度より低い場合に、前記吸込み気体の温度以下とした液体を前記圧縮機本体により吸入される吸込み空間へ供給する経路に切り換えることを特徴とする液冷式ガス圧縮機の給液方法。
6. 請求項４に記載の液冷式ガス圧縮機の給液方法であって、
   前記圧縮機本体がアンロード運転時において、前記吸込み気体の温度以下とする動作を停止させ、前記冷却液温度に関係なく前記吸込み気体の温度以下とした液体を前記圧縮機本体により吸入される吸込み空間へ供給する経路に切り換え、前記圧縮機本体が停止時には先に前記吸込み気体の温度以下とする動作を停止させ、所定時間経過後に前記圧縮機本体を駆動する電動機を停止し、前記冷却液温度に関係なく前記吸込み気体の温度以下とした液体を前記圧縮機本体により吸入される吸込み空間へ供給する経路に切り換えることを特徴とする液冷式ガス圧縮機の給液方法。

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