(57)【要約】【課題】寒冷地での低温時において、水噴射スクリュー圧縮機を停止した後、水クーラ内の水の凍結による水クーラの破損を防止する。【解決手段】水クーラ２０に近接して配置され、水噴射空気圧縮機１より吐出される圧縮空気中の水分を除去する冷媒用圧縮機１４と、放熱動作する第１の熱交換器１７と、水クーラ２０側に配置され吸熱動作する第２の熱交換器２２とを有し、これらが冷媒ガス配管を介して接続された冷凍サイクル１０を備え、冷媒ガス配管中に四方弁を設け、冷凍サイクル１０中の冷媒ガスの流れを切り換えることにより、第２の熱交換器２２を放熱動作させて水クーラ２０を加熱し、水クーラ２０の凍結を防止する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸入ポートと吐出ポートを有するケーシングとケーシング内に回転可能に支持されたロータで構成され、圧縮空間に水を噴射する水噴射空気圧縮機と、
前記水噴射空気圧縮機から吐出された圧縮空気と水の混合流体から水を分離し、分離した水を貯留する水タンクと圧縮空気を吐出する吐出配管とを有する水セパレータと、
前記水タンクから前記水噴射空気圧縮機へ供給する水を冷却する水クーラと、
少なくとも、前記水クーラに近接して配置され、前記吐出された圧縮空気中の水分を除去する冷媒用圧縮機と、放熱動作する第１の熱交換器と、前記水クーラ側に配置され吸熱動作する第２の熱交換器とを有し、相互に冷媒ガス配管を介して接続された冷凍サイクルを備え、
これらをパッケージ内に配置した水噴射スクリュー圧縮機であって、
前記冷媒ガス配管中に四方弁を設け、前記冷凍サイクル中の冷媒ガスの流れを切り換えることにより、前記第２の熱交換器を放熱動作させ、前記水クーラを加熱することを特徴とする水噴射スクリュー圧縮機。
【請求項２】
請求項１において、
前記第２の熱交換器の周囲を囲み前記水クーラ側の一部のみ開口部を有するよう配置され、断熱材を被覆した複数の仕切り板を有し、
前記複数の仕切板のうち前記第２の熱交換器の下側に配された仕切り板はスライド可能であって、
当該スライド可能な仕切り板は、前記第２の熱交換器が吸熱動作する場合前記第２の熱交換器の下側を覆うよう位置し、前記第２の熱交換器が放熱動作する場合前記第２の熱交換器の下側を開放するよう前記水クーラの下側へ位置することを特徴とする水噴射スクリュー圧縮機。
【請求項３】
請求項２において、
前記第２の熱交換器の吸熱動作時、前記複数の仕切板に付着する結露によるドレンを回収する配管を設け、当該ドレン回収配管の他方を前記水噴射空気圧縮機の空気吸入口に接続したことを特徴とする水噴射スクリュー空気圧縮機。
【請求項４】
請求項２において、
前記水クーラの下側に第１の送風ファン及び第２の送風ファンを設け、
前記第１の送風ファンは前記第２の熱交換器側に配置され、
前記第２の熱交換器が放熱動作する場合、前記第１の送風ファンのみ運転することを特徴とする水噴射スクリュー圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧縮空気のドライヤに用いられている冷凍サイクルのヒートポンプ機能を利用した水噴射スクリュー圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
水噴射スクリュー圧縮機は例えば、軸の両側を各々軸受で支持された螺旋状の歯溝を有する雌雄一対のスクリューロータを備えており、そのスクリューロータの噛み合いで形成された（すなわちスクリューロータの歯溝とケーシングの内壁及び端面とで形成された）圧縮室に水を噴射している。圧縮室に水を噴射することで、ロータ間，ロータ・ケーシング間のすき間からの圧縮空気の漏洩をシールする効果及び冷却の効果を得ており、圧縮室に油や水を噴射しないオイルフリースクリュー圧縮機に比べると高性能である。
【０００３】
また、圧縮室に噴射した水は圧縮空気と一緒に吐出される間に圧縮空気の熱を吸収して温度が上昇する。そこで、吐出ポートから一緒に吐出された水と圧縮空気は水タンクを兼ねた水セパレータに入り、旋回運動を行うことで水と圧縮空気は分離され、分離された水は水タンクに貯留されたあと、再度、圧縮機の圧縮室へ噴射される前に水クーラで規定の給水温度まで冷却される。
【０００４】
次に、水セパレータで分離された圧縮空気は多くのユーザが乾燥空気を必要とするために通常は冷凍式ドライヤで低温に冷却することで除湿されて工場設備のラインへ供給されている。
【０００５】
しかし、冬季の寒冷地では夜間に気温が下がるため、圧縮機が停止した後、時間がたつと水セパレータや、水クーラ及び給水配管中の水が凍る心配がある。
【０００６】
ただし、水セパレータは上部の空気室の容積も大きいことと、給水配管は停止後に、水が下部へ落下し、内部空間中の空気の割合が大きくなっていることから水が凍結しても破損には至りにくい。しかし、水クーラは特に細い銅パイプがターンして長い寸法で入っているため、圧縮機の停止後も水が抜けにくい。そのため水が凍結すると体積が膨張して破損の事故に至る可能性が高い。
【０００７】
なお、汎用のスクリュー圧縮機ではこれらの圧縮機及びモータ，水セパレータ，ドライヤ，水配管，空気配管，電源などをまとめて防音構造を兼ねたパッケージ内にレイアウトさせている。
【０００８】
そこで、例えば、特許文献１に開示されるように、パッケージの外壁面に取り付けられ、パッケージ内の空気を導入する導入口とパッケージ内に空気を放出する放出口を介してパッケージ内の空間と連通する循環通路中に電熱ヒータ等の加熱部を設けるものが知られている。低温で水が凍結する可能性がある時には、パッケージ内の空気を上記加熱部により加熱すると共に、その加熱空気をパッケージ内に循環させることにより凍結防止を図るものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００１−２６３２４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記従来技術では、熱容量の大きいパッケージ内全体を加熱するため、電熱ヒータ等の熱源の消費する動力も大きく、また効果的に加熱するためには加熱した空気をパッケージ内で循環させる必要があるため、熱源と送風用ダクトと送風ファンを、パッケージの外壁面に新たに設置しなければならず、大きなスペースが必要であった。
【００１１】
本発明の目的は効率の良いヒートポンプを用いて水クーラ自体を加熱して凍結の障害を防止する省エネ性の高い凍結防止機能を有する水噴射スクリュー圧縮機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、吸入ポートと吐出ポートを有するケーシングとケーシング内に回転可能に支持されたロータで構成され、圧縮空間に水を噴射する水噴射空気圧縮機と、前記水噴射空気圧縮機から吐出された圧縮空気と水の混合流体から水を分離し、分離した水を貯留する水タンクと圧縮空気を吐出する吐出配管とを有する水セパレータと、前記水タンクから前記水噴射空気圧縮機へ供給する水を冷却する水クーラと、少なくとも、前記水クーラに近接して配置され、前記吐出された圧縮空気中の水分を除去する冷媒用圧縮機と、放熱動作する第１の熱交換器と、前記水クーラ側に配置され吸熱動作する第２の熱交換器と有し、相互に冷媒ガス配管を介して接続された冷凍サイクルを備え、これらをパッケージ内に配置した水噴射スクリュー圧縮機であって、前記冷媒ガス配管中に四方弁を設け、前記冷凍サイクル中の冷媒ガスの流れを切り換えることにより、前記第２の熱交換器を放熱動作させ、前記水クーラを加熱することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、冷凍サイクルは水クーラに近接して配置されるものであるため、ドライヤとして備えた冷凍サイクルを四方弁の切り換えにより、ヒートポンプとして動作させることが可能となり、効率よく水クーラに温風を供給することができる。また、ヒートポンプとしての動作時、パッケージ内全体を暖めるのではなく、凍結の可能性の高い水クーラを温めるものであるため、少ない熱量で凍結を防止でき省エネ性の向上が図られる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施例である冷凍サイクルをドライヤとして動作させる際のパッケージ内の水噴射スクリュー圧縮機のレイアウト図。
【図２】本発明の一実施例である冷凍サイクルをヒートポンプとして動作させる際のパッケージ内の水噴射スクリュー圧縮機のレイアウト図。
【図３】本発明の一実施例であるスライド仕切り板の駆動機構の側面図。
【図４】本発明の一実施例であるスライド仕切り板の駆動機構の正面図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
【実施例１】
【００１６】
図１は発明の一実施例である冷凍サイクルをドライヤとして動作させる際のパッケージ内の水噴射スクリュー圧縮機のレイアウト図である。図１において、スクリュー圧縮機１は、ケーシング３とＤケーシング４内に雄ロータ２と雌ロータ（図示省略）が互いに噛み合って収納され、ロータは各々ローブ部の両側の軸を軸受８によって回転可能に支持されている。
【００１７】
また、軸受８は吸入側軸と吐出側軸において、各々油溜まりを設けており、潤滑油が跳ねかけられることで潤滑される。また、軸受８と、ロータの圧縮室の間には潤滑した油が吸入ポート１２に流入しないようにリップシールを設けている。
【００１８】
また、吐出側軸においても軸受８の外側には雄ロータ２と雌ロータの歯を非接触で回転可能とするためのタイミングギヤ（雌ロータ側は図示省略）を設けており、軸受８を潤滑した油がロータの圧縮室側へ漏洩するのを防止するためにリップシールを設けている。また、吐出側の軸にはロータ溝とケーシング３とＤケーシング４とで形成する圧縮室内に噴射された水が圧縮空気と共に軸受８側へ漏洩するのを防止するために、メカニカルシールを設けている。ケーシング３にはロータ溝へ空気を吸入するための吸入ポート１２を設けており、吸入ポート１２の外側には停止時に吐出室側から逆流した圧縮空気と水が噴出するのを防止するために、吸入アンローダ１５を設けている。また、ケーシング３の吐出側にはロータ溝内の圧縮空気が設定した吐出圧力に達するタイミングで開口する吐出ポート１３が設けられている。さらに、圧縮過程にあるロータ溝空間に、ロータ間，ロータ・ケーシング間のすき間のシール及び冷却を目的としてケーシングに設けた給水口１１から水が噴射される。
【００１９】
また、メカニカルシールについても、固定部材と回転部材との摺動部に潤滑及び冷却を目的として給水を行う給水口を設けている。
【００２０】
次に、水噴射圧縮機のユニット構造について説明する。圧縮機１は水タンク１９を内部に設けた水セパレータ１８の上部に固定されており、モータ５によりベルトを介して吸入側軸が駆動される。圧縮機１は吸入ポート１２から吸入した空気をロータに設けた圧縮室で圧縮し、圧縮途中で水タンク１９の水が給水配管２４を通って、水クーラ２０で冷却された後、水フィルタ５１を通って２方に分岐し、一方はメカニカルシール部へ供給され、他方はロータ給水配管２８を通って給水口１１からロータ溝へ噴射される。
【００２１】
その後、圧縮空気と噴射された水は一緒に吐出ポート１３から吐出され、水セパレータ１８内に流入する。
【００２２】
また、水セパレータ１８内に流入した圧縮空気と水は水セパレータ１８内の円筒空間内を旋回することにより水は空気と分離され、下部の水タンク１９に貯留され、上記給水配管２４，水クーラ２０，水クーラ排出配管３５，水フィルタ５１及びロータ給水配管２８を介して給水口１１より給水されることで圧縮機１との間を循環する。
【００２３】
一方、水セパレータ１８内に流入し水と分離された圧縮空気はミスト状の水分を含んだ状態で、水セパレータ１８上部の吐出配管４１から吐出される。その後、安全弁５０と逆止弁３２、及び調圧弁３３を通って第２の熱交換器（ドライヤ）２２を通って除湿された後、ライン配管９へ吐出される。なお、図１では水クーラ２０は空冷式を示しており、第１の冷却ファン６及び第２の冷却ファン７を設けている。
【００２４】
循環水は水クーラ流入配管３４から入って、水クーラ排出配管３５から出ている。
【００２５】
次に、冷凍サイクル１０を吐出空気のドライヤとして動作させる場合について説明する。冷媒ガス配管中に四方弁１６を設け、切り換え方向をＡとすることで、冷媒用圧縮機１４の吐出口５２からでた高温・高圧ガスは四方弁１６を経由して第１の熱交換器１７へ流入し、送風ファン２３により風で冷却され、暖かい高圧の液となる。その後、キャピラリチューブ２１で膨張し、低温・低圧の液となった冷媒ガスは第２の熱交換器２２に流入し、吐出空気を冷却して熱を吸収した後、蒸発して冷媒ガスとなり、再び四方弁１６を経由して冷媒用圧縮機１４の吸入口５３へ戻り、冷凍サイクルを循環する。
【００２６】
この時、第２の熱交換器２２はパッケージ３７内において、上部に発泡ウレタンなどの断熱材で被覆された上部仕切り板２６を設け、冷媒用圧縮機１４と第１の熱交換器１７とキャピラリチューブ２１及び四方弁１６などとの間には同様に断熱材で被覆した冷凍サイクル仕切り板２５を設け、水クーラ２０の第１の冷却ファン６側は上部に水クーラ２０を温める温風を流す流路を開口し、その下側には同様に断熱材で被覆した冷却ファン仕切り板２７を設けた。更に、下方には同様に断熱材で被覆した水平方向にスライド可能な構造で支持されたスライド仕切り板２９を設けるとともに第２の熱交換器２２の下を遮蔽する位置にセットすることで、水クーラ２０の第１の冷却ファン６及び第２の冷却ファン７が作動してパッケージ３７の冷却空気の吸入口であるパッケージ空気吸入口４８から外気を吸入して水クーラ２０へ送風しても、第２の熱交換器２２の表面で冷えて結露した水分が飛散することはない。ここで、冷却ファン仕切り板２７の上端部の位置は、後に説明する冷凍サイクル１０がヒートポンプとして動作する際に、水クーラ２０へ向かう温風を流すための流路のみが確保される間隔にある。よって、第２の熱交換器の周囲は、冷却ファン仕切り板２７の上記温風を流す際の流路だけが開口した閉鎖空間となるため、水クーラ２０の第１の冷却ファン６を回しても第２の熱交換器２２の上記閉鎖空間には外気が入れ替わらないため、結露による凝縮水は大量には発生しない。また、結露が発生しても上部仕切り板２６の下方に設けた第２の熱交換器２２の上記閉鎖空間と圧縮機の吸入口４６を繋ぐ結露ドレン回収配管４７を設けているので、発生した結露による水分は圧縮機に吸入される。なお、結露した凝縮水は低温なので、圧縮機の吸入口から吸入されても吸入空気を冷却できるため、性能の向上に寄与できる。なお、ここで上記結露ドレン回収配管４７は、冷凍サイクル仕切り板２５を貫通しているものである。
【００２７】
また、水クーラ２０の第１の冷却ファン６と第２の冷却ファン７との間には冷却ファン中央仕切り板３０を設けている。ここで、図１に表されていない紙面に対する垂直上下方向にはパッケージ３７の構造として、仕切り板を設けており前述した各々仕切り板と接している。
【００２８】
次に図２に本発明の一実施例である冷凍サイクル１０をヒートポンプとして動作させる際のパッケージ内の水噴射スクリュー圧縮機のレイアウト図を示す。図２は、冷凍サイクル１０をヒートポンプとして動作させ、水クーラ２０を温める場合について説明する。
【００２９】
冷凍サイクル１０の冷媒ガス配管に設けた四方弁１６をＢ方向に切り換えることで冷媒用圧縮機１４の吐出口５２からでた高温高圧の冷媒ガスは四方弁１６を経由して第２の熱交換器２２へ入り、第２の熱交換器２２を加熱する。その後、第２の熱交換器２２をでた暖かい高圧の液状冷媒はキャピラリチューブ２１を通って膨張し低圧・低温の液状冷媒となり第１の熱交換器１７で送風ファン２３により第１の熱交換器１７に外気を通過させることで周囲の外気から熱を吸収して冷媒ガスとなり再び四方弁１６を経由して冷媒用圧縮機１４の吸入口５３から冷媒用圧縮機１４へ戻りヒートポンプサイクルを循環する。
【００３０】
次に、第２の熱交換器２２の熱で水クーラ２０を温める方法について説明する。第２の熱交換器２２は水クーラ２０の第１の冷却ファン６側の周囲を断熱材で被覆した仕切り板で囲まれているため、下部のスライド仕切り板２９を第１の冷却ファン６の下側にスライドすると、第２の熱交換器２２の下方に空気の流路が形成され、第１の冷却ファン６の下部は閉鎖される。また、冷却ファン仕切り板２７の上部には通風する空気の流路分だけ開口部があるため、図２において水クーラ２０の第１の冷却ファン６を回転させると、パッケージ内の空気は主に第２の熱交換器２２の周囲を通って水クーラ２０へ吹き付けられ、水クーラ２０を温める。この時、水クーラ２０の第２の冷却ファン７は第２の熱交換器２２の熱容量が小さい場合には停止させても良い。
【００３１】
また、この時外気から吸熱する第１の熱交換器１７に霜がつく場合は送風ファン２３を停止させ、さらに冷媒用圧縮機１４から出た高温・高圧冷媒ガスのバイパス配管を設けて第１の熱交換器１７を温めることで除霜することができる（除霜のためのバイパス配管は図示せず）。
【００３２】
以上のとおり本実施例によれば、ドライヤとして備えた冷凍サイクル１０は水クーラ２０に近接して配置されるものであるため、冷凍サイクルをヒートポンプとしても使うことができるため、効率よく温風が得られる。また、パッケージ内全部を温めるのではなく、凍結の可能性の高い水クーラを温めるので、少ない熱量で凍結防止ができ、省エネ性が高い。また、ドライヤとして使う際に圧縮空気を冷却する第２の熱交換器である吸熱用熱交換器（蒸発器）の周囲を断熱材で被覆した仕切り板で囲むと共に、水クーラの送風ファンの吸入口側と吸熱用熱交換器（蒸発器）の下部とをどちらか一方閉じることができるスライド可能な仕切り板を設けることで、吸熱用熱交換器（蒸発器）をドライヤとして使用するときはパッケージ内の外気の流入を防止できるため、外表面にできる結露を少なくできる。また水クーラへの送風ファンによる結露した水の飛散を防止可能である。
【００３３】
また、水クーラの送風ファンの吸入口側に仕切り板をスライドすることで、水クーラを温める際、第２の熱交換器である放熱用の熱交換器の周囲を通って水クーラの送風ファンによって温風を供給できる。
【００３４】
また、ドライヤとして使用する際の第２の熱交換器である吸熱用熱交換器（蒸発器）の周囲を断熱材で被覆した仕切り板で囲むと共に結露したドレンを回収する配管を設け、その配管の端部を圧縮機の空気吸入部へ接続することで結露によるドレンの飛散を防止できる。また、ドレンは低温なので、圧縮機の吸入部へ回収しても吸入空気を加熱することはなく、むしろ冷却する効果もあり性能向上の効果が得られる可能性がある。
【００３５】
次に、図３及び図４によりスライド仕切り板２９のスライド機構について説明する。
【００３６】
図３は本発明の一実施例であるスライド仕切り板の駆動機構の側面図である。スライド仕切り板２９は上部を両側の２軸の溝付きプーリ３８で張架された溝付きベルト３６に固定されており、溝付きプーリ３８の回転に伴い、溝付きベルト３６が移動することで固定されたスライド仕切り板２９も水平方向に移動する。なお、スライド仕切り板は両側をコの字型の断面形状のスライドガイド３１で支持されていて、図３においては左右方向にスライドが可能である。図４は、本発明の一実施例であるスライド仕切り板の駆動機構の正面図である。図４より溝付きベルト３６の回転方法について説明する。溝付きプーリ３８は各々プーリ軸４２が軸受ハウジング４０で固定されたグリース封入軸受３９により回転可能な状態で支持されている。なお、プーリ軸４２の一方は軸端が軸受ハウジング４０から出ており、カップリング４４で例えばステッピングモータ４３の軸と結合されている。ステッピングモータ４３はドライバ４９によって駆動される。
【００３７】
尚、上記本実施例においては、パッケージ内に断熱材で覆われた上部仕切り板２６，冷凍サイクル仕切り板２５，冷却ファン仕切り板２７及び水平方向にスライド可能な構造で支持されたスライド仕切り板２９を設ける例を説明した。しかし、これら仕切り板がない場合であっても、本発明における冷凍サイクル１０は水クーラ２０に近接して配置されるものであるため、ドライヤとして備えた冷凍サイクルを四方弁の切り換えにより、ヒートポンプとして動作させることが可能となり、効率よく水クーラに温風を供給することができる。また、ヒートポンプとしての動作時、パッケージ内全体を暖めるのではなく、凍結の可能性の高い水クーラを温めるものであるため、少ない熱量で凍結を防止でき省エネ性の向上が図られるものである。
【符号の説明】
【００３８】
１  圧縮機
２  雄ロータ
３  ケーシング
４  Ｄケーシング
５  モータ
６  第１の冷却ファン
７  第２の冷却ファン
８  軸受
９  ライン配管
１０  冷凍サイクル
１１  給水口
１２  吸入ポート
１３  吐出ポート
１４  冷媒用圧縮機
１５  吸入アンローダ
１６  四方弁
１７  第１の熱交換器
１８  水セパレータ
１９  水タンク
２０  水クーラ
２１  キャピラリチューブ
２２  第２の熱交換器
２３  送風ファン
２４  給水配管
２５  冷凍サイクル仕切り板
２６  上部仕切り板
２７  冷却ファン仕切り板
２８  ロータ給水配管
２９  スライド仕切り板
３０  冷却ファン中央仕切り板
３１  スライドガイド
３２  逆止弁
３３  調圧弁
３４  水クーラ流入配管
３５  水クーラ排出配管
３６  溝付きベルト
３７  パッケージ
３８  溝付きプーリ
３９  グリース封入軸受
４０  軸受ハウジング
４１  吐出配管
４２  プーリ軸、
４３  ステッピングモータ
４４  カップリング
４６，５３  吸入口
４７  結露ドレン回収配管
４８  パッケージ空気吸入口
４９  ドライバ
５０  安全弁
５１  水フィルタ
５２  吐出口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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