(57)【要約】【課題】空気圧縮機において、コンパクトで単純安価な構造で低騒音とすること。【解決手段】空気圧縮機１００は、空気を圧縮する容積形の圧縮機本体１と、この圧縮機本体１の吐出口２より吐出される圧縮空気を流す配管を有する熱交換器１０とを備える。熱交換器１０は、圧縮空気を流す配管を並列に接続された複数の配管１４〜１６で構成するとともに、並列に接続された複数の配管１４〜１６を干渉型サイレンサ機能を有するように異なる長さで形成している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を圧縮する容積形の圧縮機本体と、
前記圧縮機本体の吐出口より吐出される圧縮空気を流す配管を有する熱交換器とを備えた空気圧縮機において、
前記熱交換器は、前記圧縮空気を流す配管を並列に接続された複数の配管で構成するとともに、前記並列に接続された複数の配管を干渉型サイレンサ機能を有するように異なる長さで形成したこと、
を特徴とする空気圧縮機。
【請求項２】
請求項１に記載の空気圧縮機において、前記熱交換器における異なる長さの配管の差を前記圧縮機本体より吐出される圧縮空気の吐出脈動として伝播する波長の約半分の長さとしたこと、を特徴とする空気圧縮機。
【請求項３】
請求項２に記載の空気圧縮機において、前記圧縮機本体として回転周波数がほぼ一定である一定速型圧縮機本体を用い、前記熱交換器における長さの異なる配管の差を、前記一定速型圧縮機本体を定格運転条件で運転した際に吐出される圧縮空気の吐出脈動として伝播する波長の約半分の長さとしたこと、を特徴とする空気圧縮機。
【請求項４】
請求項１から３の何れかに記載の空気圧縮機において、前記熱交換器における複数の配管を対向する入口ヘッダーと出口ヘッダーとの間に並列に接続し、前記熱交換器における配管の途中に折り返し部を形成することにより前記異なる長さの配管を構成したこと、を特徴とする空気圧縮機。
【請求項５】
請求項４に記載の空気圧縮機において、前記熱交換器における隣接する配管の折り返し部が配管長手方向に交差する投影面で重なるように前記熱交換器を形成したこと、を特徴とする空気圧縮機。
【請求項６】
請求項１から５の何れかに記載の空気圧縮機において、前記熱交換器としてシェルアンドチューブ型熱交換器を用い、そのシェルアンドチューブ型熱交換器の中に備えられた複数のチューブが前記並列に接続された複数の配管を構成するように内部に圧縮空気を流し、これらの並列に接続された複数の配管の外側を覆うシェル内部に冷却液を満たして循環させること、を特徴とする空気圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気圧縮機に係わり、特に容積形の圧縮機本体とその圧縮空気を冷却する熱交換器とを備えた空気圧縮機に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
スクリュー式やスクロール式に代表される容積形の空気圧縮機は、内部に圧縮室を形成し、外からの動力でその圧縮室の容積を縮小する構造を有する。その圧縮室に大気から吸い込んだ空気を閉じ込めて容積を縮小することで空気を圧縮し、所定の圧力になったところで圧縮室を下流側に開くことで圧縮した空気を吐出する。この一連の動作を繰り返して圧縮空気を外部に供給する。このように容積形圧縮機は吐出する動作が断続的であるため、吐出される圧縮空気の吐出脈動が発生し、それが下流に伝播すると、配管系を加振して騒音が問題となる場合がある。そこで脈動低減を目的に圧縮機本体の下流にサイレンサを設けることが行われる。
【０００３】
また、空気圧縮機本体から吐出した空気は、圧縮熱により高温になるため、安全上や保守管理上、あるいは下流での水蒸気の凝結によるドレン発生予防を目的として冷却してから送り出す必要がある。そのため圧縮機本体の下流に通常は熱交換器を備える。その熱交換器には主に空冷式と液冷式がある。液冷式熱交換器の冷却液は、多くの場合、普通の水あるいは凍結防止や腐食防止薬品を添加した水が用いられている。
【０００４】
係る従来技術に関連する圧縮機としては、特開平６−１７３８７８号公報（特許文献１）が挙げられる。
【０００５】
【特許文献１】特開平６−１７３８７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来技術の空気圧縮機では、圧縮機本体の下流にサイレンサと熱交換器とを独立して別個に備えているので、圧縮機本体の周囲に大きなスペースを必要とするとともに、複雑で高価な構造となっていた。
【０００７】
本発明の目的は、コンパクトで単純安価な構造で低騒音の空気圧縮機を実現することある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前述の目的を達成するために、本発明は、空気を圧縮する容積形の圧縮機本体と、
前記圧縮機本体の吐出口より吐出される圧縮空気を流す配管を有する熱交換器とを備えた空気圧縮機において、前記熱交換器は、前記圧縮空気を流す配管を並列に接続された複数の配管で構成するとともに、前記並列に接続された複数の配管を干渉型サイレンサ機能を有するように異なる長さで形成したことにある。（請求項１）
係る本発明のより好ましい具体的な構成例は次の通りである。
（１）前記熱交換器における異なる長さの配管の差を前記圧縮機本体より吐出される圧縮空気の吐出脈動として伝播する波長の約半分の長さとしたこと。（請求項２）
（２）前記（１）において、前記圧縮機本体として回転周波数がほぼ一定である一定速型圧縮機本体を用い、前記熱交換器における長さの異なる配管の差を、前記一定速型圧縮機本体を定格運転条件で運転した際に吐出される圧縮空気の吐出脈動として伝播する波長の約半分の長さとしたこと。(請求項３)
（３）前記熱交換器における複数の配管を対向する入口ヘッダーと出口ヘッダーとの間に並列に接続し、前記熱交換器における配管の途中に折り返し部を形成することにより前記異なる長さの配管を構成したこと。（請求項４）
（４）前記（３）において、前記熱交換器における隣接する配管の折り返し部が配管長手方向に交差する投影面で重なるように前記熱交換器を形成したこと。（請求項５）
（５）前記熱交換器としてシェルアンドチューブ型熱交換器を用い、そのシェルアンドチューブ型熱交換器の中に備えられた複数のチューブが前記並列に接続された複数の配管を構成するように内部に圧縮空気を流し、これらの並列に接続された複数の配管の外側を覆うシェル内部に冷却液を満たして循環させること。（請求項６）
【発明の効果】
【０００９】
本発明の空気圧縮機によれば、コンパクトで単純安価な構造で低騒音を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の複数の実施形態について図を用いて説明する。各実施形態の図における同一符号は同一物または相当物を示す。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態の空気圧縮機を、図１を用いて説明する。図１は本発明の第１実施形態の空気圧縮機の要部断面図である。
【００１１】
空気圧縮機１００は、空気を圧縮する容積形の圧縮機本体１と、圧縮機本体１の吐出口２より吐出される圧縮空気を流す配管１４〜１６を有する熱交換器１０とを備えて構成されている。圧縮機本体１は、回転周波数がほぼ一定である一定速型のスクリュー式空気圧縮機本体で構成されている。
【００１２】
圧縮機本体１は、ケーシング内部に噛み合う雌雄２つのロータを備え、それらが噛み合ったまま回転し、歯溝に閉じ込めた空気を圧縮して吐出する機能を有する。
【００１３】
熱交換器１０は、シェルアンドチューブ水冷式の熱交換器で構成され、円筒形状のシェル１１の中に並列流路を構成するチューブである配管１４〜１６が複数配されている。配管１４〜１６の上流側は流路の分岐となる入口ヘッダー４に連通され、配管１４〜１６の下流側は流路の合流となる出口ヘッダー５に連通されている。なお、ここでは代表的に３本の配管１４〜１６を示したが、実際は更に多数の配管を備えるのが普通である。
【００１４】
シェル１１は、左右を仕切る仕切り板１１ａと、上下を仕切る仕切り板１１ｂとを供えている。仕切り板１１ａによりヘッダー４、５と液室１７とを仕切り、仕切り板１１ｂにより、入口ヘッダー４と出口ヘッダー５とに仕切っている。配管１４〜１６の液室１７内をＵ字状に延びるように配置され、その両端が仕切り板１１ａに取り付けられて入口ヘッダー４及び出口ヘッダー５にそれぞれ連通されている。配管１４〜１６の外側を覆うシェル１１の液室１７内には冷却水が満たされ、この冷却水を循環させるための水入口１２と水出口１３とがシェル１１に設けられている。
【００１５】
圧縮機本体１の吐出口２と熱交換器１０の入口ヘッダー４とは吐出配管３を介して接続される。また、出口ヘッダー５から外部に連なる下流配管６が備えられる。
【００１６】
熱交換器１０は、圧縮空気を流す流路を、並列に接続された複数の配管１４〜１６で構成するとともに、並列に接続された複数の配管１４〜１６を、干渉型サイレンサ機能を有するように異なる長さで形成している。
【００１７】
この実施形態では、熱交換器１０における異なる長さの配管１４、１５の差を、圧縮機本体１より吐出される圧縮空気の吐出脈動として伝播する波長の約半分の長さとしているとともに、熱交換器１０における異なる長さの配管１４、１６の差を、圧縮機本体１より吐出される圧縮空気の吐出脈動として伝播する波長の半分の長さの約３倍（奇数倍）としている。例えば、一定速型圧縮機本体１を定格運転条件で運転した際の吐出脈動の基本周波数はロータの定格回転周波数１００Ｈｚ（毎分６０００回転）に歯数５を乗じ５００Ｈｚになるとする。音速と管内流速の合計を毎秒４００ｍとすると、波長は０．８ｍとなる。したがって、吐出脈動の波長の２分の１は０．４ｍとなるので、複数の配管のうちの異なる長さの配管１４、１５の差がこの０．４ｍになるようにする。異なる長さの配管１４、１６の差を圧縮空気の吐出脈動として伝播する波長の半分の長さの約３倍（奇数倍）とすることによっても、騒音を効果的に低減することができる。
【００１８】
上述した構成の空気圧縮機１００の効果を動作とともにさらに具体的に説明する。
【００１９】
圧縮機本体１の出口２から圧力脈動が圧力波として発せられ、圧縮空気の流れに乗って吐出配管３内部を伝播し、入口ヘッダー４に至る。圧縮空気の流れは、入口ヘッダー４で分岐し、配管１４〜１６の中を通り、出口ヘッダー５で再び合流する。ここで、配管１４〜１６の流路長が異なるため、脈動の伝播時間も異なり、粗密波である脈動の位相がずれる。位相のずれた脈動の合流により振幅は減少し、位相が最も理想的な１８０度差の場合には互いに打ち消し合い、脈動の強さが同じであれば完全に打ち消し合う。
【００２０】
なお、長さの異なる配管の種類を多数備えるようにすれば、運転条件や運転速度が変化することで脈動の周波数や音速が変化しても、いずれかの配管同士で脈動が打ち消し合うため、ある程度の脈動低減効果は維持できる。
【００２１】
配管１４〜１６内部を圧縮空気の脈動波が通過するときには管壁に圧力変動を及ぼし、管壁が薄い場合には外部に騒音を拡散する懸念がある。しかし、本実施形態によれば、配管１４〜１６の周囲に冷却水が満ちており、空気中に設けた従来のサイレンサに比較して大きな放射音抑制効果が期待できる。水の密度は空気に比較して非常に大きいため、管壁の振動も抑制され振動振幅も低減される。
【００２２】
本実施形態の構造によれば、配管１４〜１６とヘッダー４、５との接続作業がシェル１０の片側でよく、組立作業が比較的容易である。また、配管１４〜１６の圧損は長さよりも屈曲回数や出入口の数に大きく依存することから、配管毎の圧損の差が小さく、比較的均等な流れを得ることができる。よって熱交換器１０としての伝熱性能も高く維持できる。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図２を用いて説明する。図２は本発明の第２実施形態の空気圧縮機の要部断面図である。この第２実施形態は、次に述べる点で第１実施形態と相違するものであり、その他の点については第１実施形態と基本的には同一であるので、重複する説明を省略する。
【００２３】
この第２実施形態では、熱交換器１０は、入口ヘッダー２２と出口ヘッダー２３とがシェル２１の両端部に対向するように設けられ、複数の配管２４〜２６が入口ヘッダー２２と出口ヘッダー２３との間に並列に接続されている。
【００２４】
この熱交換器１０は、圧縮空気を流す流路を、並列に接続された複数の配管２４〜２６で構成するとともに、並列に接続された複数の配管２４〜２６を、干渉型サイレンサ機能を有するように異なる長さで形成している。具体的には、複数の配管２４〜２６は、入口ヘッダー２２と出口ヘッダー２３との間を最短に直線で結ぶ配管２４と、途中で折り返して入口ヘッダー２２と出口ヘッダー２３との間を結ぶ長さが異なる配管２５、２６とからなっている。そして、この第２実施形態では、熱交換器１０における異なる長さの配管２４、２５の差を、圧縮機本体１より吐出される圧縮空気の吐出脈動として伝播する波長の約半分の長さとしているとともに、熱交換器１０における異なる長さの配管２４、２６の差を、圧縮機本体１より吐出される圧縮空気の吐出脈動として伝播する波長の半分の長さの約３倍（奇数倍）としている。係る構成によって、第２実施形態でも、熱交換器２１による干渉型サイレンサ機能を、第１実施形態と同様に奏することができる。
【００２５】
さらに、第３実施形態では、熱交換器２１は、隣接する配管２５、２６の折り返し部が配管長手方向に交差する投影面で重なるように形成されている。これによって、異なる長さの配管２５、２６をコンパクトに得ることができる。
【００２６】
なお、図２では、代表して模式的に３種類の配管２４〜２６を示したが、更に多種の長さの配管を多く備え、折り返し数を増すなどして配管２６よりも更に長い配管とすることもできる。
【００２７】
第２実施形態によれば、熱交換器２１の入口と出口とを離すことで、空気圧縮機内部のレイアウトの自由度を増すことができる。また、シェル２１内部に配管２４〜２６を比較的高密度に配置できるので、熱交換器２１をコンパクトに実現できる。さらに、ヘッダー２２、２３内面への配管２４〜２６の開口位置の選定は比較的自由度が大きいので、低減したい脈動の周波数に合わせた設計が容易である。
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図３を用いて説明する。図３は本発明の第３実施形態の空気圧縮機の要部断面図である。この第３実施形態は、次に述べる点で第２実施形態と相違するものであり、その他の点については第２実施形態と基本的には同一であるので、重複する説明を省略する。
【００２８】
この第３実施形態では、熱交換器５０は、シェル５１の内部に入口ヘッダー５２と出口ヘッダー５３を備え、入口ヘッダー５２及び出口ヘッダー５３が入口管５４及び出口管５５で支持されている。入口ヘッダー５２と出口ヘッダー５３とは、複数の短配管５６と長配管５７とで接続される。圧縮機本体１の出口２と熱交換器５０の入口管５４とは柔軟配管５８で接続され、カバー５９で柔軟配管５８の周囲を覆っている。カバー５９はシェル５１に固定され、圧縮機本体１からはわずかに離してある。
【００２９】
なお、図３では、代表して模式的に２種類の配管５６、５７を示したが、更に多種の長さの配管を多く備えるなどして配管５７よりも更に長い配管とすることもできる。
【００３０】
この第３実施形態によれば、圧縮機本体１と熱交換器５０の間が柔軟構造体で接続されているため、圧縮機本体１で発生した固体伝播振動が熱交換器５０に伝わりにくく、その振動に起因してシェル５１が騒音を発生することを防止できる。また、ヘッダー５２、５３がシェル５１内部にあるため、吐出脈動がヘッダーの壁面を加振して外部に拡散する騒音も防止することができる。
（その他の実施形態）
以上説明した第１〜第３実施形態では、スクリュー式圧縮機を例に説明した。しかし、スクロール式やレシプロ式等、他の原理に基づく容積形空気圧縮機であっても同様に吐出脈動が発生する。そこで、これらの空気圧縮機に上述した各実施形態と同様の熱交換器を備えることにより、コンパクトな構造で吐出脈動低減効果と熱交換器からの放射騒音低減効果を期待することができる。また、上述した各実施形態の熱交換器の構造は、単段圧縮機の後段は勿論のこと、二段圧縮機の中間冷却器としても適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第１実施形態の空気圧縮機の要部断面図である。
【図２】本発明の第２実施形態の空気圧縮機の要部断面図である。
【図３】本発明の第３実施形態の空気圧縮機の要部断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１…圧縮機本体、２…吐出口、３…吐出配管、４…入口ヘッダー、５…出口ヘッダー、６…下流配管、１０…熱交換器、１１…シェル、１２…水入口、１３…水出口、１４〜１６…配管、２１…シェル、２２…入口ヘッダー、２３…出口ヘッダー、２４〜２６…配管、５０…熱交換器、５１…シェル、５２…入口ヘッダー、５３…出口ヘッダー、５４…入口管、５５…出口管、５６…短配管、５７…長配管、５８…柔軟配管、５９…配管カバー。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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