(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を圧縮空気に圧縮する第１の圧縮段と、
前記第１の圧縮段と直列に接続された第２の圧縮段であって、前記第１段から前記圧縮空気を受け入れてさらに圧縮する第２の圧縮段と、
前記第１段での圧縮に続いて前記圧縮空気を冷却するために、前記第１の圧縮段と前記第２の圧縮段との間に接続された第１の冷却要素と、
前記第２の圧縮段での圧縮に続いて前記圧縮空気を冷却するために、前記第２の圧縮段の排出部に接続された第２の冷却要素と、
前記第１の冷却要素及び前記第２の冷却要素を冷却可能に配置された冷却ユニットと、
を含む多段コンプレッサであって、
前記各圧縮段は、前記圧縮段の中に空気圧縮のための機構を有する圧縮チャンバを含み、
前記チャンバ内に閉じ込められた前記ガスを圧縮するために、前記第１の圧縮段および第２の圧縮段の前記機構に連結されたクランクシャフトをさらに含み、
前記冷却ユニットは、
冷却用空気を前記第１の冷却要素および前記第２の冷却要素に供給するように構成されたファンと、
前記第１の冷却要素から排出された前記圧縮空気の温度を測定する第１の温度センサと、
前記第２の冷却要素の排出部での前記圧縮空気の温度を測定する第２の温度センサと、
前記第１の温度センサおよび／または第２の温度センサから信号を受け取るとともに、前記受け取った信号に基づいてファン速度を制御するコントローラであって、前記第１の圧縮段と前記第２の圧縮段との間の前記圧縮空気の温度を、前記圧縮空気の水蒸気圧が所与の温度での前記圧縮空気の飽和蒸気圧を超えるのを防止する目標温度に制御するように構成されたコントローラと、
を含み、
前記冷却ユニットの前記ファンは、前記クランクシャフトによって駆動され、
前記ファンは、前記ファンを前記クランクシャフトに連結するクラッチを含み、
前記冷却ユニットは、前記第１の温度センサによって測定された前記温度に基づいて、前記クラッチをつなぐように、または切るように構成される、
多段コンプレッサ。
【請求項２】
前記冷却ユニットは、前記第１の冷却要素の前記排出部での前記圧縮空気の温度が前記コンプレッサの最低最適動作温度を超えると前記第１の温度センサが判定すると、ファン速度を上げるように構成される、
請求項１に記載のコンプレッサ。
【請求項３】
前記最低最適動作温度は、少なくとも１６５°Ｆである、
請求項２に記載のコンプレッサ。
【請求項４】
前記冷却ユニットは、前記第２の冷却要素の前記排出部での前記圧縮空気の前記温度が最低排出温度未満であると前記第２の温度センサが判定すると、ファン速度を下げるように構成される、
請求項１に記載のコンプレッサ。
【請求項５】
前記最低排出温度は、３２°Ｆ〜４０°Ｆである、
請求項４に記載のコンプレッサ。
【請求項６】
前記圧縮空気用の増設圧縮段を設けるために、空気流入口と前記第１の圧縮段との間に接続された少なくとも１つの増設圧縮チャンバをさらに含む、
請求項１に記載のコンプレッサ。
【請求項７】
前記コントローラは、前記信号を前記第１の温度センサおよび／または前記第２の温度センサから受け取り、ファン速度を上げるかまたは下げるかを判断し、かつ前記判断に基づいて、前記ファン速度を修正する命令を選択的に送出するための命令を含むマイクロプロセッサである、
請求項１に記載のコンプレッサ。
【請求項８】
前記クラッチは、電気的に制御されるか、または空気で制御される、
請求項１に記載のコンプレッサ。
【請求項９】
前記クラッチは粘性クラッチである、
請求項１に記載のコンプレッサ。
【請求項１０】
空気を圧縮空気に圧縮する第１の圧縮段と、
前記第１の圧縮段と直列に接続された第２の圧縮段であって、前記第１段から前記圧縮空気を受け入れてさらに圧縮する第２の圧縮段と、
前記第１段での圧縮に続いて前記圧縮空気を冷却するために、前記第１の圧縮段と前記第２の圧縮段との間に接続された第１の冷却要素と、
前記第２の圧縮段での圧縮に続いて前記圧縮空気を冷却するために、前記第２の圧縮段の排出部に接続された第２の冷却要素と、
冷却ユニットと、
を含む多段コンプレッサであって、
前記各圧縮段は、前記圧縮段の中に空気圧縮のための機構を有する圧縮チャンバを含み、
前記チャンバ内に閉じ込められた前記ガスを圧縮するために、前記第１の圧縮段および第２の圧縮段の前記機構に連結されたクランクシャフトをさらに含み、
前記冷却ユニットは、
冷却用空気を前記第１の冷却要素または前記第２の冷却要素に供給するように構成されたファンと、
前記第１の冷却要素から排出された前記圧縮空気の温度を測定する第１の温度センサと、
を含み、
前記冷却ユニットは、前記第１の温度センサによって測定された温度に基づいてファン速度を上げるか又は下げるように構成されており、
前記第１の圧縮段または第２の圧縮段の前記排出部に接続され、前記圧縮空気を、前記第１の冷却要素または前記第２の冷却要素を迂回して通過させるように構成されたバイパス管をさらに含み、
前記冷却ユニットの前記ファンは、前記クランクシャフトによって駆動され、
前記ファンは、前記ファンを前記クランクシャフトに連結するクラッチを含み、
前記冷却ユニットは、前記第１の温度センサによって測定された前記温度に基づいて、前記クラッチをつなぐように、または切るように構成される、
多段コンプレッサ。
【請求項１１】
前記バイパス管は、前記第１の冷却要素または第２の冷却要素の前記排出部での冷却された前記圧縮空気の温度を上げるために、迂回した空気を前記第１の冷却要素または前記第２の冷却要素からの前記冷却された圧縮空気と混合するように適合される、
請求項１０に記載のコンプレッサ。
【請求項１２】
前記第１の温度センサは、二値スイッチ、サーミスタ、または熱電対を含む、
請求項１に記載のコンプレッサ。
【請求項１３】
コンプレッサの冷却ファンのファン速度を制御する方法であって、
圧縮空気を生成するために、多段コンプレッサの空気圧縮のための機構を有する圧縮チャンバを含む第１の圧縮段に空気を供給することと、
前記圧縮空気を第１の冷却要素に供給することと、
前記圧縮空気が前記第１の冷却要素を通過した後で前記圧縮空気の排出温度を測定することと、
前記圧縮空気をさらに圧縮する空気圧縮のための機構を有する圧縮チャンバを含む第２の圧縮段に前記第１の冷却要素からの前記圧縮空気を供給することと、
前記第２の圧縮段からの前記圧縮空気を第２の冷却要素に供給することと、
前記第２の冷却要素の後の前記圧縮空気の排出温度を測定することと、
前記第１の冷却要素及び前記第２の冷却要素を冷却可能に配置されて、前記第１の冷却要素および前記第２の冷却要素に冷却用空気を供給する冷却ファンを含む冷却ユニットを使用することと、
前記チャンバ内に閉じ込められた前記ガスを圧縮するために、前記第１の圧縮段および第２の圧縮段の前記機構に連結されたクランクシャフトによって、前記冷却ユニットの前記ファンが駆動されることと、
前記第１の温度センサによって測定された前記温度に基づいて、前記ファンを前記クランクシャフトに連結するクラッチをつなぐこと、または切ることで、前記第１の圧縮段と前記第２の圧縮段との間の前記圧縮空気の温度を、前記圧縮空気の水蒸気圧が所与の温度での前記圧縮空気の飽和蒸気圧を超えるのを防止する目標温度に冷却することと
を含む、方法。
【請求項１４】
前記第１の冷却要素の排出部における前記圧縮空気の前記排出温度が最低最適動作温度未満である場合に、前記冷却ファンのファン速度を下げることをさらに含む、
請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記最低最適動作温度は、少なくとも１６５°Ｆである、
請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記第２の冷却要素の排出部における前記圧縮空気の前記排出温度が、最低温度未満である場合に、冷却用空気を前記第２の冷却要素に送る冷却ファンのファン速度を下げることと
をさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記最低温度は、少なくとも前記圧縮空気の凝縮物の凍結温度である、
請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記最低温度は、３２°Ｆ〜４０°Ｆである、
請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記コントローラによって制御される前記冷却ユニットは、コンプレッサ排出部における前記圧縮空気の温度を、前記圧縮空気の凝縮物の凍結温度よりも高く維持するように構成されている
請求項１に記載のコンプレッサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、２０１４年５月９日に出願された米国仮特許出願第６１／９９１，１９３号明細書、および２０１５年５月５日に出願された米国特許出願第１４／７０４，５８６号明細書に対する利益を主張するものであり、これらの特許出願の開示は、参照によりその全体が本明細書に援用されるものとする。
【０００２】
本開示は、多段コンプレッサに関し、より詳細には、多段コンプレッサの圧縮段間に配置された温度センサによって制御される冷却ファンを含む冷却ユニットを備えた多段コンプレッサに関する。
【背景技術】
【０００３】
機械式単一段の空気コンプレッサは、当技術分野で公知である。そのような単一段コンプレッサは、ピストンおよびシリンダタイプ、遠心力タイプ、軸流タイプ、またはタービンタイプの機構などの、圧縮チャンバ内に閉じ込められた空気を圧縮するための駆動機構を含む。使用において、最も単純で最も一般的な機構は、ピストンおよびシリンダ装置である。このタイプでは、空気などのガスが、弁を介してシリンダに受け入れられ、シリンダにおいて、往復ピストンがガスを圧縮し、圧縮されたガスを導管または貯蔵器に移動させ、この圧縮ガスは、必要に応じて、導管または貯蔵器から取り出して使用することができる。例えば、圧縮ガスは、鉄道車両のブレーキを動作させるために使用することができる。
【０００４】
多段空気コンプレッサも公知である。そのような多段コンプレッサは、ガスを、単一段コンプレッサを用いて通常達成できるよりも高い圧力に圧縮するために利用される。これらの多段コンプレッサは通常、互いに直列に接続された複数の機械式単一段コンプレッサを含むため、圧縮ガスは、１つの段から次の段に次々と送られる。ガスの圧力は各後続段で高くなる。ピストンおよびシリンダタイプのコンプレッサでは、大気圧および大気温度にある空気またはガスが、第１のコンプレッサ段のシリンダに受け入れられ、第１の往復ピストンはガスを圧縮し、そのガスを第２段に移動させるなど、システムのすべての段を通じて同様である。各段は、最終的な所望圧力が達成されるまで、前に圧縮されたガスをさらに圧縮する。
【０００５】
多段コンプレッサは通常、様々な圧縮段の少なくとも一部間に圧縮ガスの冷却段階を含む。段間で圧縮ガスを冷却することで、圧縮全体が、確実に、断熱的というよりも等温的になる。より具体的には、理想気体の法則（ＰＶ＝ｎＲＴ）により、ガスの各圧縮段は、意図した通りに圧力Ｐを増大させ、流体の温度も正比例で上昇させる。
【０００６】
ガスの温度のこの上昇は、通常、決まった量の空気が一度のみ圧縮される典型的な単一段コンプレッサでは問題ないが、ほとんどの多段コンプレッサで得られる比較的高い空気圧は、圧縮空気を過剰かつ問題のある温度にすることがある。したがって、様々な圧縮段間で圧縮ガスの中間冷却段階を実施する必要がある。中間冷却段階は、ラジエータまたは熱交換器などの中間冷却器と呼ばれる冷却要素によって実施することができる。
【０００７】
水は、実際上、従来のコンプレッサで圧縮される任意の外気に蒸気として存在する。水の含有量は、空気の相対湿度として定量化される。％値として表された空気の相対湿度は、（ａ）空気に実際に存在する水蒸気の、（ｂ）対象温度での飽和蒸気圧と比較した比率である。飽和蒸気圧は空気温度に依存するため、任意で所与の空気サンプルの温度が高くなると、飽和蒸気圧は高くなり、したがって、相対湿度は低くなる。外的要因による温度変化がほとんどまたは全くない状態で、空気が空気コンプレッサによって圧縮されると、圧縮された空気の温度は、圧力の上昇に比例して高くなる。水の飽和蒸気圧は、空気の温度に依存するため、温度が高くなると、飽和蒸気圧も高くなることになる。
【０００８】
その後、圧縮空気が中間冷却器で冷却される場合、圧縮空気の水蒸気圧が、圧縮空気の飽和蒸気圧を超えるのは珍しいことではない。したがって、この現象により、多量の水が、システム内で液体として凝縮されるのは珍しいことではない。コンプレッサ内の自由水は、コンプレッサ構成要素の酸化（例えば、錆びる）などの様々な問題を引き起こし、より重大には、凝縮水がコンプレッサ油だめ内の潤滑油に混ざる。そのようにコンプレッサ内の潤滑油を水で希釈することで、コンプレッサの通常動作が大きく阻害され、さらには、コンプレッサの全有効寿命も短縮されることがある。例えば、錆の形成により、弁漏れが生じることがある。さらに、水がコンプレッサの弁を高速で通り抜けることで、弁構成要素の摩耗、漏れ、およびその結果としての障害が発生することがある。したがって、任意のコンプレッサ内でのそのような水の凝縮を実質的に最小限にするか、またはなくすことが望ましい。
【０００９】
多段コンプレッサはまた、多くの場合、最終冷却器と呼ばれるさらなる冷却段階を含む。最終冷却器では、最終圧縮段からの排出物は、コンプレッサから出る前に、外気温度に近い温度まで冷却される。最終冷却器は、コンプレッサから排出される前に最大量の混入水蒸気が水の形態に凝縮されるのを可能にするために、圧縮空気の温度を下げるように機能する。水は、収集してコンプレッサから排出することができる。任意選択的に、圧縮および冷却された空気は、残った水蒸気を空気から除去するために、直列の空気乾燥機に通すことができる。空気を直列の空気乾燥機に通す前に空気を冷却することは、空気乾燥機の動作および効率を改善することが分かっており、これは、下流の空気品質も改善する。
【００１０】
しかし、氷点下の大気条件では、最終冷却器内の水分凝縮物は、最終冷却器内で、または水分凝縮物がドレーンを通ってコンプレッサから除去される前に凍結することがある。送気管の凍結は、流体がコンプレッサから出て行くのを妨害し、コンプレッサを使用不能にすることがある。送気管内の詰まりは、安全弁によって適切に保護されない、システム内の危険な過剰加圧を引き起こすこともある。したがって、排出空気の温度を氷点より高く維持することがきわめて望ましく、これは、最終冷却器の排出部での水分凝縮物も減らす。
【００１１】
コンプレッサ内での凝縮および／または凝縮流体の凍結を防止するために、中間冷却器または最終冷却器などの冷却要素を通るガスの温度を制御する様々な装置または機構が公知である。例えば、それぞれ参照によりその全体が本明細書に援用される、Ｃｕｎｋｅｌｍａｎらに対する（特許文献１）（以下、「Ｃｕｎｋｅｌｍａｎ特許」）、およびＧｏｅｔｔｅｌらによる（特許文献２）（以下、「Ｇｏｅｔｔｅｌ特許」）は、圧縮ガスの一部が中間冷却器または最終冷却器を迂回するのを可能にするために、様々なバイパス装置を使用する多段コンプレッサを開示している。迂回したガスは、中間冷却器または最終冷却器の排出部で、中間冷却器または最終冷却器によって冷却されたガスと混合されて、冷却されたガスを温める。バイパス装置は、混合されたガスが、コンプレッサの動作に最適な特定の温度範囲内に維持されるのを確実にするように最適化することができる。この場合、装置は、中間冷却器または最終冷却器の排出部で、所望の温度が維持されるのを確実にするために、正確な量のガスがバイパスに流入するのを保証するコントローラとスイッチまたは弁とを含むことができる。
【００１２】
より具体的には、Ｃｕｎｋｅｌｍａｎ特許は、コンプレッサ内でのガスの凝縮を防止する、サーモスタット制御式の中間冷却器システムを開示している。システムは、コントローラユニットで制御される三方弁を含む。コントローラユニットは、冷却空気、無冷却空気、またはそれらの組み合わせが、第２のまたは次の圧縮段に移動することを可能にするように、三方弁を動作させる。弁(valve)は、冷却器の排出部の空気が、所望の温度範囲内に維持されるように動作する内蔵型温度制御装置を含むことができる。Ｇｏｅｔｔｅｌ特許は、無冷却空気が、最終冷却器を迂回して送られ、冷却器の排出部で冷却空気と混合される最終冷却器バイパス装置を開示している。バイパス装置は、上記のように、三方逆止弁を含む。値(value)は、最終冷却器の排出部での空気の温度が、圧縮される流体の凍結温度に、または凍結温度より高く維持されるように制御される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】米国特許第５，８８５，０６０号明細書
【特許文献２】米国特許第６，２８３，７２５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかし、そのような空気バイパスおよび混合装置は、不必要に複雑であり、冷却要素を迂回させて空気流を送るための専用の導管または流体チャネルを必要とする。さらに、ほとんどの多段コンプレッサは、中間冷却器および最終冷却器を共に含むため、通常、コンプレッサで使用される各冷却要素ごとに、専用で独立したバイパス装置を含むことが必要である。したがって、多段コンプレッサの圧縮段間の空気温度を制御するより単純なシステムまたは方法が必要であり、このシステムまたは方法は、同じ装置または機構を使用して、中間冷却器および最終冷却器の排出部での温度を制御する。さらに、装置またはシステムは、コンプレッサシステムの既存の要素と統合できなければならない。下記に説明する多段コンプレッサおよび方法は、これらの問題に対処し、これらの問題を改善することを意図される。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記を考慮して、多段コンプレッサが本明細書で提示される。コンプレッサは、冷却ファンを備えた冷却ユニットを含む。冷却ユニットは、コンプレッサでの凝縮または高い温度によって引き起こされる損傷を防止するために、多段コンプレッサの圧縮段間でガスを冷却するように構成される。冷却ユニットはまた、冷却ガスが、最終圧縮段を出た後で凝縮および凍結するのを防止するように構成される。
【００１６】
より詳細には、多段コンプレッサは、受け入れたガスを圧縮する第１の圧縮段と、第１の圧縮段と直列に接続された第２の圧縮段であって、第１段からガスを受け入れ、およびさらに圧縮する第２の圧縮段とを含む。第１の冷却要素は、第１段での圧縮に続いてガスを冷却するために、第１の圧縮段と第２の圧縮段との間に接続される。第２の冷却要素は、第２の圧縮段での圧縮に続いてガスを冷却するために、第２の圧縮段の排出部に接続される。多段コンプレッサは、第１および第２の冷却要素に冷却用空気流を供給する冷却ユニットをさらに含む。冷却ユニットは、冷却用空気を第１の冷却要素および第２の冷却要素に供給するように構成されたファンと、第１の冷却要素から排出されたガスの温度を測定する第１の温度センサと、第２の冷却要素から排出されたガスの温度を測定する第２の温度センサとを含む。冷却ユニットは、第１の温度センサおよび／または第２の温度センサによって測定された温度に基づいて、ファン速度を増減するように構成される。
【００１７】
本開示の別の態様によれば、多段コンプレッサの冷却ファンのファン速度を制御する方法が提示される。方法は、圧縮ガスを生成するために、多段コンプレッサの第１の圧縮段にガスを供給するステップと、圧縮されたガスを第１の冷却要素に供給するステップと、ガスが第１の冷却要素を通過した後でガスの排出温度を測定するステップとを含む。方法は、排出温度が最低最適動作温度を超えると、第１の冷却要素に冷却用空気を供給する冷却ファンのファン速度を上げるステップをさらに含む。
【００１８】
前述のおよび他の特徴および特性、さらには、動作方法、関連する構造要素の機能、部品の組み合わせ、および製造の経済性が、すべて本明細書の一部を形成する添付図面を参照して、以下の説明および添付の特許請求の範囲を検討することでより明らかになり、添付図面では、同じ参照数字は、様々な図において対応する部品を表す。しかし、図面が、例示および説明のみを目的とし、本発明の範囲を限定するものとして意図されていないのは明らかに当然のことである。本明細書および特許請求の範囲において、単数形は、別途文脈から明確に規定されない限り複数の指示物を含む。
【００１９】
本発明の好ましい実施形態の利点および特徴の一部を上記に概説した。これらの実施形態は、以下の図面を図に関連する詳細な説明と併せて参照した場合に、装置の他の潜在的な実施形態と共に当業者に明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】先行技術で公知の冷却ファンと共に示す、鉄道車両用の空気コンプレッサの斜視図である。
【図２】一実施形態による多段コンプレッサおよび冷却ユニットの概略図である。
【図３】別の実施形態による、最終冷却器バイパスを含む多段コンプレッサの一部分の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下の説明において、使用される、空間定位を表す用語は、添付図面の図で向きを定められた通りに、または他に以下の詳細な説明で説明される通りに、言及される実施形態に適用される。しかし、当然のことながら、下記に説明される実施形態は、代替の変形形態および構成をとることができる。やはり当然のことながら、添付図面の図で示され、本明細書で説明される特定の構成要素、装置、および特徴は単なる例示であり、限定するものとみなすべきではない。
【００２２】
図１を参照すると、先行技術で公知の多段空気コンプレッサ１０２が示されている。
コンプレッサ１０２は、多段コンプレッサシリンダ、すなわち、第１のピストンシリンダ１１０、第２のピストンシリンダ１１２、および第３の圧縮シリンダ１１３を含む。
ピストンシリンダ１１０、１１２、１１３は、コンプレッサハウジング１１４またはクランクケースによって支持されており、クランクシャフトアセンブリによってそれぞれ駆動される。クランクシャフトアセンブリは、コンプレッサハウジング１１４内に配置され、ハウジング１１４によって回転可能に支持されている。
コンプレッサ１０２は、使用中にクランクシャフトアセンブリなどの機械構成要素が過熱するのを防止するために、様々な油潤滑機構を使用することができる。
動作時、第１のピストンシリンダ１１０内のピストン（図示せず）は、クランクシャフトアセンブリによって引き起こされた往復移動で動作する。
コンプレッサハウジング１１４内の空気などのガスは、ピストンの下方への移動により第１のピストンシリンダ１１０に引き込まれ、ピストンの上方への移動時に圧縮される。
第１のシリンダ１１０に付属する弁は、ピストンの上方移動中に開く。それにより、第１のシリンダ１１０の中のガスが、第１のシリンダ１１０から案内されて出て行き、第２のピストンシリンダ１１２に接続された流入部に送られる。ガスは、第２のピストンシリンダ１１２の第２の圧縮段にかけられる。
【００２３】
図１に示す多段コンプレッサ１０２は、冷却ユニットに接続することができる。冷却ユニットは、冷却要素、すなわち、中間冷却器１２０および最終冷却器１２２、さらには、冷却要素に冷却用空気を供給する冷却ファン１１８を含む。圧縮ガスの温度が最高最適動作温度を超えるのを防止するために、圧縮ガスは、圧縮段に続いて冷却を行う中間冷却器１２０または最終冷却器１２２に通すことができる。
コンプレッサ１０２は、圧縮ガスに冷却要素を迂回させるバイパス管１２４をさらに含む。Ｇｏｅｔｔｅｌ特許およびＣｕｎｋｅｌｍａｎ特許に関連して上記に説明したように、圧縮ガスに冷却要素を迂回させ、次いで、迂回したガスを冷却要素から排出されたガスと混合するために、バイパス管１２４が使用される。温度が高い方の迂回ガスは、凝縮を防止し、かつ／または凝縮液が凍結するのを防止するために、冷却要素の排出部でガスの温度を上げる。
【００２４】
無給油空気コンプレッサも先行技術で公知である。無給油空気コンプレッサは、クランクシャフトアセンブリおよび圧縮機構などのコンプレッサ１０２の機械部品を冷却するために、冷却ファン１１８からの冷却用空気を使用する。
本開示の冷却ユニットを含むように改良できる無給油空気コンプレッサの例は、Ｍｏｏｒｅらによる米国特許出願公開第２０１２／０１９２７１０号明細書に開示されており、これは参照によりその全体が本明細書に援用される。別の多段無給油空気コンプレッサは、Ｋａｐａｄｉａらによる米国特許出願公開第２０１５／００７５３６９号明細書に開示されており、これも参照によりその全体が本明細書に援用される。
【００２５】
先行技術で公知の無給油空気コンプレッサについて説明したが、圧縮段に続いて圧縮空気を冷却する冷却ユニットを有する多段コンプレッサが、ここで詳細に説明される。
下記に説明し、図２に示す冷却ユニットは、無給油コンプレッサの上記の実施形態で、クランクシャフトアセンブリに冷たい空気を供給するのに使用されるのと同じ冷却ファンを含むことができる。
【００２６】
図２を参照すると、多段コンプレッサ２０の実施形態が示されている。
コンプレッサ２０は、水または他の液体が、コンプレッサ２０内の各圧縮段間で凝縮するのを防止し、凝縮液が最後の冷却段を出た後で凍結するのを防止する、サーモスタット制御式の冷却ユニット２２を含む。下記に説明するように、これは、圧縮段間の圧縮ガスの温度を目標温度に制御することで達成され、この目標温度は、ガスの水蒸気圧が、所与の温度で圧縮ガスの飽和蒸気圧を超えるのを防止する。
冷却ユニット２２はまた、コンプレッサ２０内のガスの温度が、最高最適動作圧を超えるのを防止する。
さらに、冷却ユニット２２は、コンプレッサ排出部１４での圧縮ガスの温度を凝縮液の凍結点より高く維持するように構成されている。
【００２７】
コンプレッサ２０は、少なくとも２つの圧縮段、すなわち、第１の圧縮段３および第２の圧縮段６を含む。圧縮段３、６は、ピストンシリンダタイプ、遠心力タイプ、軸流タイプ、またはタービンタイプの機構などの、当技術分野で公知の様々な圧縮機構を含むことができる。特定の実施形態では、多段コンプレッサ２０はまた、様々な用途に対して、必要に応じてガスをさらに圧縮するために、第１の圧縮段３の前に、または第１の圧縮段３と第２の圧縮段６との間に配置された任意の数量の増設圧縮段を含むこともできる。
外気などのガスＧは、コンプレッサ流入口１および流入口フィルタ２を通って、第１の圧縮段３に供給される。
圧縮されたガスＧは、第１の圧縮段３の次に、第１の圧縮段３と第２の圧縮段６との間に配置された第１の冷却要素に供給される。以下、第１の冷却要素は、中間冷却器４と称される。
第２の圧縮段６の排出部には、第２の圧縮段６での圧縮に続いて圧縮ガスを冷却するための第２の冷却要素が接続されている。以下、第２の冷却要素は、最終冷却器７と称される。
中間冷却器４および最終冷却器７は、当技術分野で公知のように、熱を圧縮ガスからコンプレッサハウジングに、またはコンプレッサ２０から遠くに伝達するラジエータまたは熱交換器とすることができる。
【００２８】
引き続き図２を参照すると、多段コンプレッサ２０は、冷却用空気Ａを中間冷却器４および最終冷却器７に向かって送出する冷却ファン１０を有する冷却ユニット２２をさらに含む。
上記のように、冷却ファン１０は、Ｍｏｏｒｅの特許公開に開示された無給油コンプレッサなどの無給油コンプレッサのクランクシャフトアセンブリに冷却用空気を供給するのと同じ冷却ファンとすることができる。
冷却ファン１０は、コンプレッサクランクシャフト１１に連結して、コンプレッサクランクシャフト１１によって駆動することができる。クランクシャフト１１は、圧縮段３、６の圧縮機構を駆動するのと同じシャフトとすることができる。
あるいは、コンプレッサ冷却ユニット２２の冷却ファン１０は、冷却用空気Ａを中間冷却器４および最終冷却器７に送出するように構成された別のファンとすることができる。特定の代替実施形態では、別の冷却ファンを使用して、冷却用空気を中間冷却器４および最終冷却器７に供給することができる。
【００２９】
冷却ユニット２２は、コンプレッサ２０内の圧縮ガスの温度を測定する少なくとも１つの温度センサをさらに含む。
一実施形態では、下記に第１の温度センサ５と称されるセンサは、中間冷却器４から排出されたガスＧの温度を測定するように配置される。例えば、第１の温度センサ５は、中間冷却器４を第２の圧縮段６に接続する排出管に配置することができる。
冷却ユニット２２はまた、最終冷却器７から排出されたガスＧの温度を測定する第２の温度センサ８を含むこともできる。例えば、第２の温度センサ８は、最終冷却器７をコンプレッサ排出部１４に接続する排出管内に配置することができる。
以下、中間冷却器４および最終冷却器７の排出部に温度センサ５、８がそれぞれ配置されると説明する。しかしながら、当然のことながら、それぞれの冷却要素から排出されたガスＧの温度と同じ、または比例する温度を有する任意の位置にセンサ５、８が配置されてもよい。例えば、第２のセンサ８は、コンプレッサ排出部１４に向かう空気流に、または外気に配置することができる。
【００３０】
温度センサ５、８は、それぞれの排出位置内でさらされる範囲内の温度を測定するのに適した任意のタイプのセンサとすることができる。
一実施形態では、センサ５、８は、測定した温度が、第１のセンサ５の場合は所定の値を超えたときに、または第２のセンサ８の場合は所定の値未満に落ちたときに、信号を出力する二値スイッチである。
あるいは、センサ５、８は、実際の温度値を測定できるより高性能の電気装置とすることができる。例えば、このために、当技術分野で公知のサーミスタまたは熱電対を使用することができる。
【００３１】
図２に示すように、温度センサ５、８は、信号線１３を介して冷却ファン１０に接続されている。センサ５、８から受け取った信号は、ファン１０の動作を制御するために使用される。より具体的には、冷却ユニット２２は、第１の温度センサ５および／または第２の温度センサ８によって測定された温度に基づいて、ファン速度を増減するように構成されている。
特定の実施形態では、冷却ユニット２２は、中間冷却器４の排出部でのガスＧの温度が１６５°Ｆなどの最低最適動作温度未満であると第１の温度センサ５が判定すると、ファン速度を下げるように構成される。最低最適動作温度は、圧縮および冷却されたガスが、第１の圧縮段３で得られた圧力および温度での飽和蒸気圧を超えるのを防止するのに十分でなければならない。こうして、コンプレッサ２０内での凝縮が防止される。
さらに、冷却ユニット２２は、中間冷却器４の排出部でのガスＧの温度が４００°Ｆなどの最高最適動作温度を超えていると第１の温度センサ５が判定すると、ファン速度を下げるように構成され得る。この最高最適動作温度は、安全なコンプレッサ動作のための最大許容値である。特定の実施形態では、最高温度はまた、高い温度が測定された場合に作動する保守警告スイッチまたは出力ノックダウンスイッチ（power knockdown switch）として使用することもできる。なお、最低および最高最適動作温度は、コンプレッサ２０に対する動作パラメータに基づいており、特定のコンプレッサまたは用途に合わせることができる。
【００３２】
冷却ユニット２２はまた、最終冷却器７の排出部でのガスＧの温度が３２〜４０°Ｆなどの温度未満であると第２の温度センサ８が判定すると、ファン速度を下げるように構成され得る。最低温度は、凝縮液体が凍結するのを防止するのに十分であり、コンプレッサ２０によって圧縮されるガスＧのタイプによって決まる。
【００３３】
当業者には分かるように、冷却ユニット２２は、受け取った信号に基づいてファン速度を制御するためだけでなく、第１の温度センサ５および／または第２の温度センサ８から冷却ファン１０に信号を送るための様々な機械または電子手段を含むことができる。
例えば、冷却ユニット２２は、マイクロプロセッサなどの電子コントローラ２４を含むことができる。
コントローラ２４は、第１の温度センサ５および第２の温度センサ８を接続する信号線１３を介して信号を受け取って、ファン速度を上げるか、または下げるかを判断し、その判断に基づいてファン速度を修正する命令を選択的に送出するために、様々な命令を実行するように構成され得る。例えば、マイクロコントローラは、電気信号をファンに送って、ファン速度を増減させることができる。あるいは、ファンの回転速度を増減させるために、ファン１０を回転クランクシャフト１１に選択的に係合させたり、または切り離したりする空気式連結器を使用することができる。
【００３４】
好ましい、非限定的な実施形態では、上記のように、冷却ファン１０は、圧縮段３、６の圧縮機構を駆動するのと同じコンプレッサクランクシャフト１１によって駆動され得る。
その場合、ファン１０は、クラッチ９を介してコンプレッサクランクシャフト１１に連結され、クラッチ９は、ファン１０をクランクシャフト１１に選択的につないだり、切ったりする。
クラッチ９は、コンプレッサ２０のタイプとコンプレッサ２０のクランクシャフト１１とに応じて、機械式クラッチまたは粘性方式のクラッチとすることができる。
冷却ユニット２２は、クラッチ９をクランクシャフトにつないだり、または切ったりすることで、ファン速度を変えるように構成され得る。例えば、電気信号または空気式制御機構を使用して、コントローラ２４からクラッチ９に信号を送ることができる。
多くの場合、クラッチ９がクランクシャフト１１から切られたときに、ファン１０の回転は完全には止まらない。その代わりとして、切られた状態で、冷却ファン１０は、下記にデフォルト速度と称される低速で、または減速された速度で回転することができ、すなわち、クラッチ９が切られた場合、中間冷却器４および最終冷却器７の冷却能力は低下するが、完全には無効にならない。
クラッチ９がつながると、ファン１０は全速で動作し、すなわち、ファン１０は、コンプレッサクランクシャフト１１の回転と同じ速度で回転する。ファン１０が全速で動作すると、より多くの冷却用空気Ａが、中間冷却器４および最終冷却器７に送られるため、これらの冷却要素の冷却能力は大幅に高くなる。
【００３５】
図３を参照すると、極端な低温で使用される場合、多段コンプレッサ２０は、最終冷却器７を迂回するバイパス管２６を有するバイパス装置を含むこともできる。コンプレッサ２０が極端な低温で動作する場合、最終冷却器７の排出部に集まった凝縮液が凍結する可能性が大幅に高くなる。このバイパス装置は、寒中での動作時に、外気の極端な低温を相殺する、温かい（例えば、無冷却の）ガスを供給する有効な手段である。
三方弁を通って到達可能なバイパス管を含む最終冷却器バイパスは、上記に説明したＧｏｅｔｔｅｌ特許で説明されている。より具体的には、バイパス装置において、第２の圧縮段６によって圧縮されたガスＧの一部分は、バイパス管２６によって最終冷却器７を迂回して送られる。
上記のように、冷却ファン１０が、デフォルト速度で動作する場合でさえ、最終冷却器７は、ガスＧにいくらかの冷却効果をもたらし続ける。したがって、バイパス管２６内のガスは、通常、最終冷却器７を通るガスＧよりも温かい。したがって、バイパス管２６からのガスＧが、最終冷却器７から排出されたガスＧと混ざると、バイパスガスは、最終冷却器７からのガスを熱くする。したがって、コンプレッサ排出部１４でのガスＧの温度が上がるため、圧縮ガスＧの圧縮液は、凍結するのを防止される。
【００３６】
再度図２を参照すると、動作時、ガスＧは、コンプレッサ流入口１および流入口フィルタ２を通って、第１の圧縮段３に引き込まれる。ガスＧは、第１の圧縮段３にある間に圧縮され、次いで、流体管または排出管を介して中間冷却器４に排出される。
始動または初期動作時に、コンプレッサ２０は、依然として比較的低温である。したがって、中間冷却器４から排出された圧縮ガスＧは、第１の温度センサ５で測定して、通常、コンプレッサ２０の最低最適動作温度未満である。
この場合、冷却ユニット２２は、冷却ファン１０にデフォルト速度または減速した速度で動作させ、すなわち、少量の冷却用空気Ａが中間冷却器４に供給される。
中間冷却器４に供給される冷却用空気Ａを少なくすることで、ガスＧの温度は、冷却用空気が中間冷却器４に供給される場合よりも迅速に最低最適動作温度まで上昇する。最適動作温度に迅速に達することで、水または液体凝縮の可能性が低くなる。
【００３７】
中間冷却段階に続いて、ガスＧは、第２の圧縮段６に供給される。第２の圧縮段６にある間、ガスＧの圧力および温度は上昇する。ガスＧは、第２の圧縮段６から排出されて、最終冷却器７に供給される。
冷却ファン１０が、デフォルト速度または減速した速度で動作すると、最終冷却器７は、圧縮ガスＧを十分に冷却しない。
圧縮ガスＧが最終冷却器７から排出されると、排出されたガスＧの温度が、第２の温度センサ８で測定される。
コンプレッサ２０は、中間冷却器４から排出されたガスＧの温度が最適動作範囲内であると第１の温度センサ５が判定するまで、冷却ファン１０をデフォルト速度または減速した速度にしたまま動作し続ける。第１の温度センサ５が、最適動作範囲に達したと判定されると、冷却ファン１０の速度が上げられる。例えば、クラッチ９をつないで、ファン１０をクランクシャフト１１の回転速度で回転させることができる。
【００３８】
コンプレッサ２０は、中間冷却器４の排出部でのガスＧの温度が最低最適動作温度未満であると第１の温度センサ５が判定するか、または排出されたガスＧの温度が所望の最低温度未満であると（最終冷却器７の排出部に配置された）第２の温度センサ８が判定するまで、ファン１０を増速した速度または全速にしたまま動作し続ける。
温度が最低温度未満になると、ファン速度は下げられる。例えば、クラッチ９を切ることができる。ファン速度を下げることで、中間冷却器４および最終冷却器７の効果が小さくなり、コンプレッサ２０を通過するガスＧの温度が上昇するのを可能にし、特に、コンプレッサ排出部１４でのガスＧの温度が上昇して、凝縮液が凍結するのを防止する。
クラッチ９をつないだり、切ったりするなどして、ファン速度を選択的に増減させるプロセスは、コンプレッサ２０の動作中に繰り返すことができ、それにより、コンプレッサ２０内のガスＧが、コンプレッサ２０の最適動作温度範囲内のままであるのを保証し、圧縮段３、６間で凝縮液によって引き起こされるコンプレッサの損傷と、コンプレッサ排出部１４での凝縮液の凍結とを防止する。
【００３９】
多段コンプレッサと、ファン速度を制御する方法との特定の実施形態を詳細に説明したが、本開示の全教示を考慮して、これらの詳説に対する様々な修正形態および代替形態を発案できることが当業者には分かるであろう。したがって、開示した特定の装置は、単なる例示であり、本発明の範囲を限定しないことを意図され、本発明の範囲には、添付の請求項の最大限の範囲および請求項のあらゆる均等物を当てるべきである。さらに、本発明が、現時点で最も実用的で好ましい実施形態と考えられるものに基づいて、例示目的で詳細に説明されたが、当然のことながら、そのような詳説は単に例示目的のためであり、本発明は、開示した実施形態に限定されるのではなく、むしろ添付の請求項の趣旨および範囲内の修正形態および均等な装置を網羅することを意図されている。例えば、当然のことながら、本発明は、可能な範囲で、任意の実施形態の１つまたは複数の特徴を他の任意の実施形態の１つまたは複数の特徴と組み合わせ得ることを企図している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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