(57)【要約】【課題】コンパクトで、可動部がなく、メンテナンスが容易な膜式ドライヤの利点を生かしつつ、省エネルギーを可能とした空気圧縮機を提供する。【解決手段】空気圧縮機１１は、圧縮機本体１１と、吐出流路１８に介設され、内部に除湿フィルターエレメント２７を内蔵し、圧縮空気を空気流入口３１から流入させ、除湿フィルターエレメント２７内を流動させる過程で上記圧縮空気に含まれる水分を分離し、水分除去後の乾燥した圧縮空気を空気流出口３２から、これに続く吐出流路１８の部分に流出させる一方、この吐出流路１８の部分から分岐したパージ用流路３５からの圧縮空気をパージ空気流入口３４から流入させ、除湿フィルターエレメント２７の内外で対向流を形成するように流動させ、水分随伴媒体としてパージ空気流出口３４から流出させる膜式ドライヤ２５と、パージ空気流出口３４を圧縮機本体１１内の空気圧縮空間に連通させる戻し流路３７とを備えている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸込流路から吸込んだ空気を圧縮して吐出流路に吐出する圧縮機本体と、
この吐出流路に介設され、内部に除湿フィルターエレメントを内蔵し、圧縮空気を空気流入口から流入させ、上記除湿フィルターエレメント内を流動させる過程で上記圧縮空気に含まれる水分を分離し、水分が除去後の乾燥した圧縮空気を空気流出口から、これに続く吐出流路の部分に流出させる一方、この吐出流路の部分から分岐したパージ用流路からの圧縮空気をパージ空気流入口から流入させ、上記除湿フィルターエレメントの内外で対向流を形成するように流動させ、水分随伴媒体としてパージ空気流出口から流出させる膜式ドライヤと、
上記パージ空気流出口を上記圧縮機本体内の空気圧縮空間に連通させる戻し流路とを備えたことを特徴とする空気圧縮機。
【請求項２】
絞り部の上流側圧力Ｐ１と下流側圧力Ｐ２の比（Ｐ２／Ｐ１）を臨界圧力比以下にすることが可能な絞り手段が上記戻し流路に介設されたことを特徴とする請求項１に記載の空気圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮空気を除湿するために膜式ドライヤを用いた空気圧縮機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、空気圧縮機では、圧縮空気を除湿するために冷凍式ドライヤが広く用いられてきたが、この冷凍式ドライヤを採用することにより、空気圧縮機の消費動力の増大、構造の複雑化、メンテナンスの煩雑化等を招いていた（例えば、特許文献１，２及び３参照。）。
これに対して、近年、中空糸膜状の除湿フィルターエレメントを用いた膜式ドライヤが開発され、その空気圧縮機への応用に関心が高まりつつある。この除湿フィルターエレメントは、空気中の水蒸気のみを透過させる素材からなっている。そして、この膜式ドライヤによれば、その一方から除湿フィルターエレメントの中空部に除湿前の圧縮空気を流入させ、ここを通過させると、膜内外の水蒸気分圧差により水分のみが中空部から膜外に透過し、膜式ドライヤの他方から水分が除去され、乾燥した圧縮空気が得られ、コンパクトで、可動部がなく、膜式ドライヤ自体については動力消費もなく、メンテナンスも容易になる等の利点がある。但し、膜外に透過した上記水分を排出するため、乾燥した圧縮空気の一部をこの膜外に流す必要がある。この一部の圧縮空気はパージ空気と呼ばれている（例えば、特許文献４参照。）。
【特許文献１】特開平６−２８０７４８号公報
【特許文献２】特開平７−３３２７６９号公報
【特許文献３】特開平１０−３０５６８号公報
【特許文献４】特開２００１−２０６７０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献４に記載の膜式ドライヤ（メンブレンドライヤ）の場合、圧縮空気から分離され、特殊高分子膜からなる除湿フィルターエレメントを透過した水分を外部に運び出すパージ空気は、除湿される圧縮空気とは対向流をなすように膜式ドライヤ内に導入された後、上記水分により加湿され、排出口から外部に排出されている。即ち、このパージ空気は大気放出されている。従って、特許文献１〜３に記載の冷凍式ドライヤの場合、通常、その消費電力が圧縮機本体の消費電力の４．５％程度にとどまるのに対して、特許文献４に記載の膜式ドライヤの場合、水分により加湿された圧縮空気を外部に排出してしまうため、圧縮機本体の消費電力の１５〜２０％程度の電力損失を招くことになり、省エネルギーの観点から無駄が大き過ぎるという問題がある。
【０００４】
また、乾燥した圧縮空気の一部をパージ空気として上記水分とともに大気放出しているため、膜式ドライヤに流入した圧縮空気の内、ユーザー側へは８０〜９０％の圧縮空気しか送り出すことができず、膜式ドライヤを採用する場合、２０％程度吐出空気量の多い圧縮機本体を用いなければならないという問題もある。
【０００５】
本発明は、上記従来の問題をなくすことを課題としてなされたもので、コンパクトで、可動部がなく、メンテナンスが容易な膜式ドライヤの利点を生かしつつ、省エネルギーを可能とした空気圧縮機を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、第１発明は、吸込流路から吸込んだ空気を圧縮して吐出流路に吐出する圧縮機本体と、この吐出流路に介設され、内部に除湿フィルターエレメントを内蔵し、圧縮空気を空気流入口から流入させ、上記除湿フィルターエレメント内を流動させる過程で上記圧縮空気に含まれる水分を分離し、水分が除去後の乾燥した圧縮空気を空気流出口から、これに続く吐出流路の部分に流出させる一方、この吐出流路の部分から分岐したパージ用流路からの圧縮空気をパージ空気流入口から流入させ、上記除湿フィルターエレメントの内外で対向流を形成するように流動させ、水分随伴媒体としてパージ空気流出口から流出させる膜式ドライヤと、上記パージ空気流出口を上記圧縮機本体内の空気圧縮空間に連通させる戻し流路とを備えた構成とした。
【０００７】
第２発明は、第１発明の構成に加えて、絞り部の上流側圧力Ｐ１と下流側圧力Ｐ２の比（Ｐ２／Ｐ１）を臨界圧力比以下にすることが可能な絞り手段が上記戻し流路に介設された構成とした。
【発明の効果】
【０００８】
第１発明に係る空気圧縮機によれば、パージ空気を大気放出することなく、圧縮機本体に戻しているため、省エネルギーが可能となり、かつコンパクトで、可動部がなく、メンテナンスが容易な膜式ドライヤの利点も生かされ、さらに圧縮空気の大気放出による騒音の発生もなくなるという効果を奏する。
【０００９】
第２発明に係る空気圧縮機によれば、第１発明による効果に加え、膜式ドライヤ内の水分を除去するために必要なパージ空気の流量を確保することが可能になるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
次に、本発明の実施形態を図面にしたがって説明する。
図１は、本発明に係る空気圧縮機１を示し、この空気圧縮機１は油冷式の圧縮機本体１１を有している。圧縮機本体１１の一方には、空気流入部に吸込みフィルタ１２が設けられ、吸気調節弁１３が介設された吸込流路１４が接続され、吸込みフィルタ１２により塵埃、異物が除去された空気が、吸気調節弁１３により吸込み流量調節可能に圧縮機本体１１に吸込まれる。また、圧縮機本体１１の他方には、内部に油分離エレメント１５を有し、下部が油溜まり部１６となった油分離回収器１７が介設された吐出流路１８が接続され、油分離回収器１７の下部には、油溜まり部１６の油を油冷却器１９を介して圧縮機本体１１内の空気圧縮空間に導く油流路２１が接続されている。そして、圧縮機本体１１に吸込まれた空気は、油流路２１からの冷却された油の注入下で圧縮され、圧縮空気が油とともに吐出され、油分離回収器１７に流入する。油分離回収器１７で圧縮空気は油分離エレメント１５を通過する過程で油分離され、圧縮空気は油分離回収器１７の二次側に延びる吐出流路１８に送り出され、分離された油は一旦油溜まり部１６に溜められた後、油流路２１を経て、繰り返し循環させられる。
【００１１】
油分離回収器１７に続いて、吐出流路１８には、アフタークーラ２２、ドレンセパレータ２３、ミストフィルタ２４、及び膜式ドライヤ２５が介設され、アフタークーラ２２は冷却用ファン２６を備え、膜式ドライヤ２５は高分子素材からなる多数の中空糸膜の集合体である除湿フィルターエレメント２７を内蔵している。そして、油分離回収器１７から送り出された圧縮空気は、アフタークーラ２２で空冷され、この空冷の結果析出した水分はドレンセパレータ２３にて空冷された圧縮空気から分離、除去される。さらに、ミストフィルタ２４において、上述した油分離エレメント１５よりも目の細かいフィルターエレメントにより油ミスト、微細な塵等が圧縮空気から分離、除去され、清浄な状態になった圧縮空気が膜式ドライヤ２５に導かれる。
【００１２】
膜式ドライヤ２５には、空気流入口３１、空気流出口３２、パージ空気流入口３３、パージ空気流出口３４が形成されている。そして、上述した清浄な圧縮空気は空気流入口３１から膜式ドライヤ２５内に流入し、除湿フィルターエレメント２７を形成する多数の上記中空糸膜内を通過して、空気流出口３２から膜式ドライヤ２５外に続く吐出流路１８の部分へと流出してゆく。上記中空糸膜は水蒸気を容易に透過させるのに対して、酸素や窒素を透過させ難い性質を有し、ドレンセパレータ２３で分離、除去されることなく、ここを通過してきた水分を含む除湿前の圧縮空気は、この中空糸膜を通過する過程で、水分のみが中空糸膜を膜外へと透過してゆく結果、乾燥した圧縮空気となり、空気流出口３２に至る。
【００１３】
一方、膜式ドライヤ２５の二次側には、吐出流路１８から分岐し、パージ空気流入口３３に至るパージ用流路３５が設けられ、さらにパージ空気流出口３４には、絞り手段として、オリフィス３６が介設され、圧縮機本体１１内の空気圧縮空間に通じる戻し流路３７が設けられている。そして、空気流出口３２から流出してきた乾燥した圧縮空気の一部が、パージ用流路３５に分流し、パージ空気流入口３３から上記中空糸膜の外側の空間に導入される。上記中空糸膜の外周部には除湿前の圧縮空気から分離した水分が透過してきており、この水分とともにパージ空気流入口３３からの乾燥した圧縮空気が、大気放出によるエネルギーロスを招くことなく、水分随伴媒体としてパージ空気流出口３４から戻し流路３７によりオリフィス３６を介して圧縮機本体１１内の空気圧縮空間に戻される。
【００１４】
オリフィス３６は、絞り部の上流側圧力Ｐ１と下流側圧力Ｐ２の比（Ｐ２／Ｐ１）を臨界圧力比（＝０．５２８３）以下にして、オリフィス３６からの圧縮空気の流速を音速に到達させ得るものである。
【００１５】
膜式ドライヤ２５内から水分を除去するためには、一定流量の乾燥した圧縮空気が必要であり、この空気流量はオリフィス３６を通過する速度で決定される。オリフィス３６の上流側、下流側の圧力比を臨界圧力比以下に保つことにより上記速度が音速で一定となり、流量も最大値で一定となる。このとき、膜式ドライヤ２５内の水分を除去するために必要なパージ空気の最大値の流量を得ることが可能となる。臨界圧力比以下であれば、オリフィス下流の圧力Ｐ２の変化には依存せずに空気流量は上流圧力Ｐ１によりほぼ支配される。また、オリフィス３６の上流側、下流側の圧力比を臨界圧力比以下に保てるか否かについては、戻し流路３７からの圧縮空気を上記空気圧縮空間の内の如何なる圧力状態にある位置に戻すかに左右される。
【００１６】
例えば、圧縮機本体１１の吸込圧力が１barで、吐出圧力が７barとする。
オリフィス３６の上流側圧力は実質的に吐出圧力に等しく、オリフィス３６の下流側圧力は戻し流路３７を圧縮機本体１１内における空気圧縮空間の内、どの位置に連通させるかによって決まる。この連通位置が空気圧縮空間の内、吸込み直後の箇所であれば、上記下流側圧力は１barであるのに対して、吐出直前の個所であれば、上記下流側圧力は７barとなり、上記連通位置によって、この下流側圧力を１barから７barまでいずれかにすることができる。但し、この連通位置を吸込み側に近付け過ぎると、戻し流路３７からの水分を随伴した湿潤空気を圧縮機本体１１内にて再圧縮する圧縮比が大きくなり、その分無駄な動力消費を強いられることになる。
【００１７】
そこで、オリフィス３６の上流側圧力が７barで、オリフィス３６の上流側、下流側の圧力比（下流側圧力／上流側圧力（＝７bar））が臨界圧力比（＝０．５２８３）であるという条件でオリフィス３６の下流側圧力を計算すると、この下流側圧力は３．６９８１barとなる。従って、上記連通位置として望ましいのは、空気圧縮空間の内、３．６９８１barとなる箇所といえる。これに対して、上記連通位置がこの３．６９８１barとなる箇所よりも吸込み側に近付き過ぎる程、上述した再圧縮のための無駄な動力消費が増大し、逆にこの箇所よりも吐出側に近付き過ぎる程、オリフィス３６の上流側、下流側の圧力比が１に近付くよう大きくなり、戻し流路３７内の流量が減少し不足する結果、膜式ドライヤ２５内での水分除去が不完全になり、圧縮空気の乾燥が十分になされなくなる。
以上のことから、オリフィス３６の上流側、下流側の圧力比が臨界圧力比そのもの、或いはそれに極めて近い値となるよう、戻し流路３７とオリフィス３６とが設けられることが望ましい。
【００１８】
なお、本発明は油冷式の圧縮機本体１１を用いた上記実施形態に限定するものでなく、無給油式の圧縮機本体を用いた空気圧縮機をも含み、この無給油式の圧縮機本体を用いた場合、上述した油分離回収器１７、油流路２１及び油冷却器１９は不要となる。
【００１９】
また、パージ用流路３５には、膜式ドライヤ２５の二次側の吐出流路１８から分岐して膜式ドライヤ２５に設けられたパージ空気流入口３３に至るものを示したが、本発明はこれに限るものではない。上述のパージ用流路３５に相当する部分は膜式ドライヤの内部に形成されていてもよい。例えば、図２は上述のパージ用流路３５に相当する部分を内部に有している膜式ドライヤ２５Ａを示したものである。
【００２０】
この膜式ドライヤ２５Ａには、空気流入口３１Ａ、空気流出口３２Ａ、パージ空気流出口３４Ａが形成されている。また、パージ空気流入口３３Ａ、パージ用流路３５Ａはこの膜式ドライヤ２５Ａの内部に形成されている。圧縮空気は、空気流入口３１Ａを介して、膜式ドライヤ２５Ａの内部に流入させられた後、内外を連通させる連通孔を有する筒体３８を介して、中空糸膜からなる除湿フィルターエレメント２７Ａに達する。そして、圧縮空気は除湿フィルターエレメント２７Ａを通過して乾燥された後、膜式ドライヤ２５５Ａの更に内部で、かつ二次側に位置する内部吐出流路３９に達する。そして、内部吐出流路３９から吐出流路１８のユーザー側に延びる部分に乾燥した圧縮空気を送り出す一方、その内部吐出流路３９から分岐し、膜式ドライヤ２５Ａの内部に設けられたパージ用流路３５Ａを介して、再び除湿フィルターエレメント２７Ａに送られる。そして、再び除湿フィルターエレメント２７Ａに送られた圧縮空気は、除湿フィルターエレメント２７Ａを通過するにつれ、水分随伴媒体とされたうえ、パージ空気流出口３４Ａを介して、戻し用流路３７に送られることになる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る空気圧縮機の全体構成の概略を示すブロック図である。
【図２】本発明に係る空気圧縮機に適用可能で、図１に示したものとは別の態様の膜式ドライヤの構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２２】
１  空気圧縮機
１１  圧縮機本体
１２  吸込みフィルタ
１３  吸気調節弁
１４  吸込流路
１５  油分離エレメント
１６  油溜まり部
１７  油分離回収器
１８  吐出流路
１９  油冷却器
２１  油流路
２２  アフタークーラ
２３  ドレンセパレータ
２４  ミストフィルタ
２５，２５Ａ  膜式ドライヤ
２６  冷却用ファン
２７，２７Ａ  除湿フィルターエレメント
３１，３１Ａ  空気流入口
３２，３２Ａ  空気流出口
３３，３３Ａ  パージ空気流入口
３４，３４Ａ  パージ空気流出口
３５，３５Ａ  パージ用流路
３６  オリフィス
３７  戻し流路
３８  筒体
３９  内部吐出流路
【図１】
2005220750.tif 000003
【図２】
2005220750.tif 000004