(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却システムから供給される冷却水を用いて、気体供給システムから供給される気体を間接的に冷却して送出可能な熱交換システムと、
気体を冷却するときに発生するドレンを収集可能なドレン収集装置と、
このドレン収集装置で収集されたドレンを前記熱交換システムに接続された冷却水配管のうち冷却水入口側の冷却水配管に供給可能なドレン回収装置とを有し、
前記熱交換システムはプレート型熱交換器を備えており、
前記ドレン回収装置は、ドレンを間欠的に冷却水入口側に供給することを特徴とする水冷凝縮装置。
【請求項２】
冷却システムから供給される冷却水を用いて、エアーコンプレッサーから吐出される圧縮空気を間接的に冷却して乾燥し送出可能な熱交換システムと、
圧縮空気を冷却するときに発生するドレンを収集可能なドレン収集装置と、
このドレン収集装置で収集されたドレンを前記熱交換システムの冷却水入口側に供給可能なドレン回収装置とを有し、
前記熱交換システムはプレート型熱交換器を備えており、
前記ドレン回収装置は、ドレンを間欠的に冷却水入口側に供給することを特徴とするエアードライヤー。
【請求項３】
冷却システムから供給される冷却水を用いて、エアーコンプレッサーから吐出される圧縮空気を間接的に冷却して乾燥し送出可能な熱交換システムと、
圧縮空気を冷却するときに発生するドレンを収集可能なドレン収集装置と、
このドレン収集装置で収集されたドレンを前記熱交換システムの冷却水入口側に供給可能なドレン回収装置とを有し、
前記熱交換システムはプレート型熱交換器を備えており、
前記ドレン回収装置がドレンを冷却水入口側に供給する際に、ドレンと共に適当な量の圧縮空気が供給されることを特徴とするエアードライヤー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水冷式のエアードライヤーなどの冷却水を用いて気体を冷却し水分を分離可能な水冷凝縮装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
医薬品や半導体製品の製造過程、粉体輸送、計装制御用などとして使用されるクリーンな圧縮空気を供給するために、空気圧縮器（エアーコンプレッサー）を空気供給源とした圧縮空気供給システムが用いられている。コンプレッサーから吐出された圧縮空気はエアータンクに蓄積され、さらに、エアードライヤーを通って水分を除去したドライエアーとして供給できるようになっている。
【０００３】
圧縮空気をいったん冷却して除湿する冷凍式圧縮空気除湿装置は、低露点の空気が得られ、吸着式に比べ圧力損失が小さく、さらに、吸着媒体を再生する手間もいらない。このため、一般機械の作動用気体を供給するシステムから、半導体の製造などに使用される低露点高清浄クリーンエアーを供給するシステムまで幅広く使用されている。冷凍式圧縮空気除湿装置は、供給された圧縮空気を１０°Ｃ前後の低温まで冷却するためにＲ２２などの冷却媒体（冷媒）を熱交換器で冷やし、その冷媒を用いて圧縮空気を別の熱交換器で冷却する間接的な冷却システムが用いられており、この冷媒を空冷する空冷式と、クーリングタワーや密閉系の集中冷却システムを用いて冷却水を循環供給する冷却システムの冷却水を用いて冷媒を冷却する水冷式とがある。空冷式と比較すると、水冷式のエアードライヤーの方が処理空気量に対し小型化できるので、大量のエアーが必要とされる圧縮空気の供給システムに適している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
コンプレッサーから供給されるほぼ飽和状態の圧縮空気を冷凍式のエアードライヤーで冷却・乾燥すると、圧縮空気中の水分（湿分）が凝縮して大量の液状の水分（ドレン）が放出される。従来は、このドレンを排出するためにドレン回収配管をエアードライヤーユニットの機側から所定の排水ポイントまで敷設しているが、配管中でのフラッシングを防止するために比較的大口径の配管を曲がりの少ないルートで設置するなどの制約があり、ルーティングが難しい配管の１つである。また、排水ポイントがエアードライヤーの近くに設けられるとは限らず、圧縮空気の供給システムに必要となる空気配管および冷却水配管に加えて、ドレン配管を設計・施工する作業は手間およびコストがかかる作業である。
【０００５】
そこで、本発明においては、ドレン配管を設けずにドレンの処理が可能なエアードライヤーなどの水冷式の凝縮装置（水冷凝縮装置）を提供することを目的としている。そして、ドレン配管の設計および施工が不要で、どこにでも手軽に設置できる水冷凝縮装置を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
エアードライヤーなどの水冷凝縮装置に供給される気体がオイルフリーのコンプレッサーなどから供給される場合は、オイルの含有等がなくクリーンであり、分離されたドレンも汚染の殆どない水質の良い水分である。そこで本発明においては、このドレンを、気体を冷却するために用いている冷却システムの冷却水側に戻すことによってドレンの回収配管を省略できるようにしている。すなわち、本発明の水冷凝縮装置は、冷却システムから供給される冷却水を用いて、気体供給システムから供給される気体を冷媒などを介して間接的に冷却して送出可能な熱交換システムと、気体を冷却するときに発生するドレンを収集可能なドレン収集装置と、このドレン収集装置で収集されたドレンを熱交換システムに接続された冷却水配管のうち冷却水入口側の冷却水配管に供給可能なドレン回収装置とを有することを特徴としている。
【０００７】
特に、エアーコンプレッサーから吐出された圧縮空気を間接的に冷却して乾燥し送出可能な熱交換システムを備えたエアードライヤーにおいては、圧縮空気源となるコンプレッサーがオイルフリーのものが普及しており、さらに必要であればエアードライヤーの上流にラインフィルターなどを設けることにより非常にクリーンな圧縮空気が供給される。このため、エアードライヤーで発生するドレンは汚れが殆どなく、冷却システムの冷却水として使用できる水質を十分に満足するものが得られる。
【０００８】
ドレン回収装置は、ドレン収集装置によって収集されたドレンを冷却水側に供給できる適当な圧力までポンプアップするなどの方法で冷却水配管にドレンを確実に回収することができる。さらに、エアードライヤーにおいては、エアーコンプレッサーの吐出圧は、冷却水の水圧よりも高くセットされていることが多い。このため、ドレン収集装置と、熱交換システムに接続された冷却水配管のうち冷却水入口側の冷却水配管を配管で接続することによってドレンを冷却水配管に供給することが可能であり、ポンプなどを省いて非常に簡易なドレン回収装置にすることができる。
【０００９】
このように、本発明の水冷凝縮装置およびエアードライヤーにおいては、発生したドレンを冷却水配管を介して冷却システムの側に供給し、回収するようにしているので、ドレン配管を敷設する必要がなくなる。従って、ドレン配管の設計および施工が不要で、どこにでも手軽に設置できる水冷凝縮装置およびエアードライヤーを提供することができる。
【００１０】
圧縮空気あるいはその他の気体を冷却するための熱交換システムに用いられている熱交換器の冷却水側には、スケールなどが付着して熱交換率が低下する。冷却水は適当な水処理が通常なされており、スケールが溜まり難くはなっているが、長期的には熱交換器の冷却水側に付着するスケールによって熱交換効率が低下することがある。プレス加工された波形プレートを複数枚積層して熱交換器を形成するプレート型熱交換器は、小型で熱交換効率が高いので、冷却水と冷媒との熱交換器としてエアードライヤーでも採用されつつあるが、冷却水が循環する水路の面積は非常に狭く、スケールによる影響を受けやすい。
【００１１】
そこで、本発明においては、ドレン回収装置によってドレン収集装置で収集されたドレンを熱交換システムの冷却水入口側に供給可能とし、ドレン回収装置が、ドレンを間欠的に冷却水入口側に供給すること、または、前記ドレン回収装置がドレンを冷却水入口側に供給する際に、ドレンと共に適当な量の圧縮空気が供給されることによって、ドレンを用いて熱交換器の冷却水側を洗浄する効果が得られるようにしている。冷却水の入口側に回収されるドレンが冷却システムより高圧であれば、フラッシングによる洗浄効果が期待でき、また、ドレンと共に冷却水側に供給された圧縮空気などの気体によるバブリングによる洗浄効果が期待できる。従って、本発明の水冷凝縮装置およびエアードライヤーは、ドレンを冷却水側に回収することによってドレン配管を省けると共に、継続して熱交換器の冷却水側のスケールなどの汚れを自動的に除去し性能の劣化を防止することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。図１に、本発明に係るエアードライヤーの概略構成を示してある。本例のエアードライヤー１０は、エアーコンプレッサー１、レシーバー２およびラインフィルター３を備えた圧縮空気供給システム５から供給された圧縮空気を、冷却システムから供給される冷却水を用いて冷却して乾燥し、半導体製造装置や制御用エアーなどの消費側に供給可能な水冷冷凍式の圧縮空気乾燥装置（エアードライヤー）である。このため、本例のエアードライヤー１０は、圧縮空気供給システム５に接続される空気入口配管１１、および消費側に圧縮空気を供給する空気供給ヘッダー６に接続される空気出口配管１２と、冷却システムの冷却水供給ヘッダー７に接続される冷却水入口配管１３、および冷却水回収ヘッダー８に接続される冷却水出口配管１４と、冷却システムから供給される冷却水によって圧縮空気を冷却して送出可能な熱交換システム２０を備えている。
【００１３】
本例のエアードライヤー１０の熱交換システム２０は、冷媒を介して冷却水によって圧縮空気を間接的に冷却するシステムが採用されており、このため、熱交換システム２０は、冷却水と冷媒の間で熱交換を行う第１の熱交換器２１と、冷媒と圧縮空気との間で熱交換を行う第２の熱交換器２２の２種類の熱交換器を備えている。さらに、熱交換システム２０は、冷媒サイクルを構成するために、エバポレータとなる第２の熱交換器２２で膨張した冷媒を圧縮してコンデンサーとなる第１の熱交換器２１に供給するコンプレッサー２３と、第１の熱交換器２１で冷やされた冷媒を膨張させるキャピラリチューブ２４と、さらに、コンプレッサー２３の出口圧力を制御して冷媒サイクルの冷却能力を調整する制御弁２５を備えている。Ｒ２２などの冷媒、または、ブラインを介して冷却水と圧縮空気の熱交換を行うことにより、供給された圧縮空気を冷却水の水温以下まで冷却することが可能となり、より露点温度の低い乾燥した圧縮空気を得ることができる。本例のエアードライヤー１０においては、例えば、冷却水温度が３２°Ｃのときに圧縮空気が第２の熱交換器２２の内部で１０°Ｃ前後の温度まで冷却され、大気圧下で露点温度が−１７°Ｃ程度と非常に乾燥し、水分の除去された圧縮空気を出力することができる。
【００１４】
圧縮空気を冷却して水分を除去する第２の熱交換器２２は、流入した比較的高温の空気と、冷却されて流出する空気との間で熱交換が行われる１次ゾーン３１と、空気と冷媒との間で熱交換が行われて空気が低温まで冷却される２次ゾーン３２とを備えている。１次ゾーン３１で予め冷やされた流入空気は２次ゾーン３２の内部で１０°Ｃ程度の低温まで冷却され、過飽和となった湿分（水分）が凝縮されドレンとして除去される。そして、冷却された空気は、１次ゾーン３１を経て熱い流入空気によって加温され、相対湿度の低いドライエアーとなり、出口配管１２を経て供給ヘッダー６に出力される。このように、本例のエアードライヤー１０は、圧縮空気を冷却して乾燥するために対向流式の熱交換器２２が採用されており、効率良く流入空気を冷却して水分を除去し、さらに、流出する空気は加熱することによって配管内の結露を防止できる乾燥エアーを供給することができる。
【００１５】
第２の熱交換器２２の１次ゾーンおよび２次ゾーンで凝縮され気体から分離された水分は、ドレンとなって熱交換器２２の底部に収集され、ドレン出口配管３３を通ってドレントラップ３４で一時的に貯えられる。本例のエアードライヤー１０は、このドレントラップ３４を備えたドレン収集システム３８の出口が、ソレノイドバルブ３５を介して、第１の熱交換器２１の冷却水入口ノズル４１に接続された冷却水入口配管１３にドレン回収配管３６によって繋がっている。このため、適当なタイミングでソレノイドバルブ３５をオープンすると、ドレントラップ３４の上流に蓄積されていたドレンが、回収管３６およびバルブ３５を備えたドレン回収システム３９を介して冷却水配管１３に回収される。従って、本例のエアードライヤー１０は、水抜きなどのメンテナンスを目的としたドレン排出口を除き、常時ドレンが排出されるドレン配管は不要である。このため、本例のエアードライヤー１０は、排水ポイントまでドレン配管を敷設する必要がなく、ドレン配管の設計および施工を省き、極めて容易に配置することができる。
【００１６】
本例のエアードライヤー１０において、第１の熱交換器２１は、冷却水を用いて冷媒を冷却するコンデンサーとしての機能を果たしており、コンパクトで熱交換効率の高いプレート式の熱交換器が採用されている。このプレート式の熱交換器は、複数の伝熱プレートを積層して冷却水と冷媒がそれぞれ流れる流路を構成し、高い伝熱係数が得られるようにした熱交換器であり、多管式の熱交換器と比べると、コンパクトで効率も良く、さらに、メンテナンスのために管束を引き出すスペースも不要である。従って、小型で容量の大きなエアードライヤーに適している。さらに、伝熱プレートの枚数を変えることによって伝熱面積の増減が簡単にできるので製造コストを低減できる点でも大きなメリットを備えている。
【００１７】
このようなプレート式の熱交換器は、流路内で冷却水が適当な流速の乱流状態で流れるように設計されており、流路のスケーリングを防止できるようになっている。しかしながら、長時間の使用により流路にスケールが徐々に蓄積されることが多く、いったんスケールが溜まると流路の面積が小さいために伝熱効率に影響を及ぼす。このため、本発明のエアードライヤー１０においては、第２の熱交換器２２で収集されたドレンを回収システム３９によって第１の熱交換器２１の冷却水入口側４１に回収するようにしている。エアーコプレッサー１の吐出圧は配管などの損失と消費側での使用可能な圧力などを考慮して０．５〜０．７ＭＰａ程度にセットされることが多い。一方、冷却システム内を流れる冷却水の水圧は、供給用のヘッドタンクの高さなどの条件から０．２〜０．３ＭＰａ程度にセットされることが多い。従って、エアードライヤー１０から冷却水配管１３に回収されたドレンは、冷却水よりも圧力が高いために冷却水配管内でフラッシングし、気体を含んだ乱流となってパネル型熱交換器の流路内を流れる。このため、入口側４１に接続された冷却水配管１３にエアードライヤー１０のドレンを回収することにより、流路に付着したスケールを除去することができる。
【００１８】
さらに、ドレンを回収するためにソレノイドバルブ３５をオープンすると、ドレントラップ３４を吹き抜けた微量のエアーもドレンと共に冷却水配管１３の内部に導入され、熱交換器２１の内部に導かれる。このため、エアーによるバブリング効果も得ることができ、熱交換器内の汚れを自動的に落とすことができる。さらに、エアーによるバブリング効果を積極的に用いるために、ドレンと共に適当な量の圧縮空気が冷却水配管１３に供給されるようにドレントラップ３４の設定を調整したり、あるいは、ドレントラップ３４をバイパスする配管経路を設けることも可能である。また、本例のエアードライヤー１０は、制御装置２９によってドレン回収システム３９のソレノイドバルブ３５が適当なタイミングで間欠的に開き、ドレンが冷却水配管１３に回収されるようになっている。このため、適当な間隔で供給されるエアーを含んだドレンによって熱交換器内の流れの状態が変わるので、スケールが溜まり難く、また、付着したスケールを効率良く除去することができる。このように、本例のエアードライヤー１０は、熱交換器内が回収されたドレンあるいはエアーによって定期的に常時洗浄されるので、冷却性能の劣化を防止することができ、長期間にわたり性能を維持し、大量の乾燥空気を安定して供給することが可能となる。
【００１９】
本例のエアードライヤー１０にエアーを供給する圧縮空気供給システム５は、オイルフリーのロータリー式あるいはピストン式のコンプレッサー１がエアー供給源として用いられており、さらに、ラインフィルター３を入れて配管内のスケールなどがエアードライヤー１０に持ち込まれるのを未然に防止している。もちろん、配管の材質あるいは長さによってスケールの発生する可能性が低い場合は、ラインフィルター３は不要である。このような圧縮空気供給システムにおいては、エアードライヤー１０にオイルが殆ど含まれていないクリーンな圧縮空気が供給されるので、エアードライヤー１０で発生するドレンは、純度の高い水が凝縮したものとなり、ドレンに含まれるオイルや他の不純物の量は非常に少なくなる。このため、本例のエアードライヤー１０からは、ドレンとして冷却システムの冷却水に匹敵する水質の水分が得られるようになっている。さらに、熱交換器の材質としてスケールなどの発生が少ないステンレススチールが多用化されており、この点でもエアードライヤー１０で発生するドレンの水質は良く、冷却水として十分なものになりつつある。そこで、本例のエアードライヤーにおいてはドレンを外部の排水ポイントなどに排出する代わりに冷却水システムの側に回収するようにしている。また、ドレンの回収配管３６が冷却水配管１３に接続するポイントを、冷却水供給ノズル４１の上流側に設置されたストレーナ４３の上流側にして、万一、スケールなどの異物がドレン内に混在した場合でも、その影響を未然に防止できるようにしている。
【００２０】
第２の熱交換器２２で発生したドレンを冷却水配管１３に回収するために、ポンプなどを設けて加圧することも可能であるが、エアードライヤー１０においては、圧縮空気側の圧力の方が冷却水の供給圧力よりも高いケースが殆どなので、回収配管で接続することによってドレンを冷却水配管側に極めて容易に回収することができる。従って、エアードライヤー１０で発生するドレンの水質および圧力を考えると、ドレンの回収先として冷却水を循環する冷却システムは極めて適している。もちろん、圧縮空気の圧力、あるいはドライヤーで発生するドレンの圧力に比較し、冷却水側の圧力が高い場合は、適当なドレンタンクおよびポンプを備えたポンプアップシステム等をドレン回収システムに適用することによってドレンを冷却水側に回収することができる。
【００２１】
さらに、本例のエアードライヤー１０のような水冷式の冷凍タイプのエアードライヤーは、冷却システムから冷却水の供給を受けるための接続配管が必要となるので、ドレンの回収システム３９をエアードライヤーのユニットの範囲内で設置することが可能である。このため、ドレン回収システムを内蔵したエアードライヤーユニットを提供することができる。従って、ユーザー側は、ドレンの処理を全く考慮しない設計および施工が可能であり、手間および施工コストを大幅に低減可能なエアードライヤーを提供できる。
【００２２】
なお、本例のエアードライヤー１０では、ドレン収集システム３８としてドレントラップ３４を採用しているが、適当なドレンレベルが生成されるものであれば良く、ドレン回収システム３９にソレノイドバルブが設置されていることを考慮するとドレンポットやドレンタンクなどを用いることも可能である。さらに、電動式のドレントラップなどを用いてトラップ側でドレンの排出を完全に制御するようにすることも可能であり、この場合は、ドレン回収システム３９のソレノイド弁などの自動弁を省略することも可能である。
【００２３】
また、ドレン回収システム３９のソレノイドバルブ３５は電導弁などの他のタイプの自動弁であってももちろん良く、開閉のタイミングは様々な方法で制御できる。例えば、ドレントラップで一時的に蓄積されたドレンレベルを検出してバルブ３５をオンオフすることも可能である。また、本例のエアードライヤー１０は、制御装置２９によって冷媒のコンプレッサー２３、冷媒システムの制御弁２５、第１の熱交換器２１の出口ノズル４２に設けられた冷却水の流量調節弁４４などが一括して制御できるようになっており、エアードライヤー１０で処理しているエアー量の把握も可能である。従って、圧縮空気の処理量に合わせて適当なインターバルでソレノイドバルブ３５をオンオフして発生したドレンを冷却水配管１３に回収することも可能である。もちろん、処理量とは関係なく定期的にソレノイドバルブ３５をオンオフする制御を採用することもできる。
【００２４】
さらに、上記では、低露点高清浄なクリーンエアーが得られる冷媒を用いて間接的に冷却水によって圧縮空気を冷却するエアードライヤーを例に説明しているが、冷媒を介さずに冷却水によって圧縮空気を冷却する水冷凝縮装置に対しても本発明を適用できることはもちろんである。このようなタイプのエアードライヤー（水冷凝縮装置）の熱交換システムは、冷却水と圧縮空気とが熱交換する熱交換器を備えており、例えば、コンプレッサーに付属するインタークーラーやアフタークーラーとして用いることができる。従って、本発明を適用することによって、エアーコンプレッサーユニットからも常時ドレンが排出されないようにすることが可能となり、排水ポイントまで従来敷設していたドレン配管を省いたり、あるいは、簡略化することが可能となる。
【００２５】
また、本発明の水冷凝縮装置の処理対象となる気体は、圧縮空気に限定されず、冷却システムの冷却水に影響を与えない窒素や他の安定した気体を凝縮あるいは乾燥処理する水冷凝縮装置であっても良いことはもちろんである。
【００２６】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の水冷凝縮装置およびエアードライヤーは発生したドレンを冷却水配管に回収する回収装置を備えており、ドレンを外部に常時排出するための配管経路の設計および施工を省くことができる。このため、エアーコンプレッサーから吐出された圧縮空気を乾燥する水冷冷凍式のエアードライヤーにおいては、分離された水分であるドレンを排出する配管の敷設がいらないので、設置の手間およびコストが大幅に省ける。さらに、設置場所もフレキシブルに選択でき、どこにでも手軽に設置できるエアードライヤーを提供することができる。さらに、ドレンを熱交換システムの冷却水入口側に回収することによって、回収されたドレンおよびそのドレンと共に供給される圧縮空気によって熱交換器内の汚れを自動的に取り除くことも可能となり、長期間にわたり高性能を維持でき、メンテナンスの頻度を低減可能なエアードライヤーおよび水冷凝縮装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかるエアードライヤーの概略構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１    エアーコンプレッサー
２    レシーバ
３    ラインフィルタ
５    圧縮空気供給システム
６    圧縮空気供給ヘッダー
７、８    冷却システムの冷却水供給および回収ヘッダー
１０    エアードライヤー
１１、１２  圧縮空気の入口および出口配管
１３、１４  冷却水の入口および出口配管
２０    熱交換システム
２１    第１の熱交換器（コンデンサ）
２２    第２の熱交換器（エバポレータ）
２３    冷媒用のコンプレッサー
２４    キャピラリチューブ
２９    制御装置
３４    ドレントラップ
３５    ソレノイドバルブ
３６    ドレン回収管
３８    ドレン収集システム
３９    ドレン回収システム
【図１】
0003838595.tif 000002