特許 6560746 圧縮機装置及びこの圧縮機装置に適用可能な冷却器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6560746

(24)【登録日】2019年7月26日

(45)【発行日】2019年8月14日

(54)【発明の名称】圧縮機装置及びこの圧縮機装置に適用可能な冷却器

(51)【国際特許分類】

   F04B 39/06 20060101AFI20190805BHJP

   F04B 41/06 20060101ALI20190805BHJP

   F28D 7/16 20060101ALI20190805BHJP

   F04C 23/00 20060101ALI20190805BHJP

   F04C 29/04 20060101ALI20190805BHJP

   F04D 29/58 20060101ALI20190805BHJP

   F04D 29/66 20060101ALI20190805BHJP

【ＦＩ】

   F04B39/06 L

   F04B41/06

   F28D7/16 F

   F04C23/00 D

   F04C29/04 N

   F04D29/58 N

   F04D29/66 H

【請求項の数】22

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2017-512074(P2017-512074)

(86)(22)【出願日】2015年5月4日

(65)【公表番号】特表2017-517677(P2017-517677A)

(43)【公表日】2017年6月29日

(86)【国際出願番号】BE2015000017

(87)【国際公開番号】WO2015172206

(87)【国際公開日】20151119

【審査請求日】2017年9月7日

(31)【優先権主張番号】2014/0370

(32)【優先日】2014年5月16日

(33)【優先権主張国】BE

(73)【特許権者】

【識別番号】593074329

【氏名又は名称】アトラス コプコ エアーパワー，ナームローゼ フェンノートシャップ

【氏名又は名称原語表記】ＡＴＬＡＳ ＣＯＰＣＯ ＡＩＲＰＯＷＥＲ，ｎａａｍｌｏｚｅ ｖｅｎｎｏｏｔｓｃｈａｐ

(74)【代理人】

【識別番号】100086771

【弁理士】

【氏名又は名称】西島 孝喜

(74)【代理人】

【識別番号】100088694

【弁理士】

【氏名又は名称】弟子丸 健

(74)【代理人】

【識別番号】100094569

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 伸一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100095898

【弁理士】

【氏名又は名称】松下 満

(74)【代理人】

【識別番号】100098475

【弁理士】

【氏名又は名称】倉澤 伊知郎

(72)【発明者】

【氏名】ド ケルペル シュテファン ポール エム

【審査官】 井古田 裕昭

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／０２９１４３４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 実開昭５６−０３３４７９（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 米国特許第０４２７９５７４（ＵＳ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１１／１４０６１６（ＷＯ，Ａ２）

【文献】 実開昭５１−１１８１５４（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０４Ｂ ３９／０６

Ｆ０４Ｄ ２９／５８

Ｆ２８Ｄ ７／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

２又は３以上の段でガスを圧縮する圧縮機装置（１９）であって、直列に接続された少なくとも２つの圧縮機要素（２）と、圧縮ガスを冷却するための少なくとも２つの冷却器（１２）、すなわち２つの連続する圧縮機要素（２）間の中間冷却器（１２ａ、１２ｂ）と、構成によって必要であれば最後の圧縮機要素（２）の下流の最終冷却器（１２ｃ）とを備え、各冷却器（１２）は、冷却対象の圧縮ガスを誘導する一次区分（１３）と、該一次区分（１３）と熱交換接触して冷却剤を誘導する二次区分（１６）とを有し、前記冷却器（１２）のうちの少なくとも２つは、前記二次区分（１６）が少なくとも２つの別個の段（１６’、１６”）に分割されて連続段の前記一次区分（１３）を通じて誘導される前記ガスを冷却する「分割冷却器」であり、前記２つの別個の段（１６’、１６”）は、それぞれ少なくとも、前記冷却器（１２）の前記一次区分（１３）に流入した高温ガスの第１の冷却を行う高温段（１６’）と、前記ガスをさらに冷却する低温段（１６”）とであり、前記冷却器（１２）の前記二次区分（１６）の前記段（１６’、１６”）は、１又は２以上の別個の冷却回路（２０）において共に接続されることにより、前記冷却回路（２０）を通る冷却剤の流量を最低限に抑えた状態で前記圧縮機要素（２）間の前記圧縮ガスが十分に冷却されて、各冷却器（１２）の出口（１５）における前記冷却ガスの温度が最大許容値未満に保たれ、これによって前記冷却回路（２０）のうちの少なくとも１つにおける前記冷却剤の所望の温度上昇が実現されるようになり、前記冷却器（１２）の前記二次区分（１６）の前記低温段（１６”）のうちの少なくとも２つは、冷却剤を誘導する前記冷却回路（２０）において共に直列に接続され、前記冷却器（１２）の前記二次区分（１６）の全ての段（１６’、１６”）は、単一の冷却剤を有する単一の冷却回路（２０）において共に接続され、少なくとも２つの高温段（１６’）は、共に並列に接続され、前記冷却回路（２０）の前記冷却剤は、最初に前記低温段（１６”）を通じて誘導された後に他の段（１６’、１６”）を通じて誘導される、ことを特徴とする圧縮機装置。

【請求項2】

前記所望の温度上昇は、少なくとも３０℃である、請求項１に記載の圧縮機装置。

【請求項3】

前記冷却剤は、最大許容出口温度に最も近い出口温度を設計的に有する前記圧縮機要素（２）の直前の前記冷却器（１２）の前記低温段（１６”）を通じて最初に誘導される、請求項１又は請求項２に記載の圧縮機装置。

【請求項4】

前記冷却剤は、前記冷却器（１２）の前記出口（１５）における前記圧縮ガスの温度がその直後の前記圧縮機要素（２）の入口の最大許容温度に設計的に最も近い前記冷却器（１２）の前記低温段（１６”）を通じて最初に誘導される、請求項１乃至３の何れか１項に記載の圧縮機装置。

【請求項5】

前記冷却器（１２）の前記二次区分（１６）の前記高温段（１６’）のうちの少なくとも２つは、冷却剤を誘導する前記冷却回路（２０）において共に直列に接続される、請求項１乃至４の何れか１項に記載の圧縮機装置。

【請求項6】

前記冷却剤は、設計的に最も高い出口温度を有する前記圧縮機要素（２）の直後の前記冷却器（１２）の前記高温段（１６’）を通じて最後に誘導される、請求項５に記載の圧縮機装置。

【請求項7】

前記冷却器（１２）の前記二次区分（１６）の前記低温段（１６”）のうちの少なくとも２つ、並びに前記冷却器（１２）の前記二次区分（１６）の前記高温段（１６’）のうちの少なくとも２つは、冷却剤を誘導する前記冷却回路（２０）において共に直列に接続され、前記冷却回路（２０）における前記冷却剤は、最初に前記低温段（１６”）を通じて誘導された後に前記高温段（１６’）を通じて誘導される、請求項１乃至６の何れか１項に記載の圧縮機装置。

【請求項8】

前記冷却器（１２）の前記二次区分（１６）の全ての段（１６’、１６”）は、単一の冷却剤を有する単一の冷却回路（２０）において共に直列に接続され、前記冷却回路（２０）における前記冷却剤は、最初に前記低温段（１６”）を通じて誘導された後に前記高温段（１６’）を通じて誘導される、請求項７に記載の圧縮機装置。

【請求項9】

前記冷却器（１２）の前記二次区分（１６）の全ての段（１６’、１６”）は、単一の冷却剤を有する単一の冷却回路（２０）において共に接続され、少なくとも２つの低温段（１６”）は、共に並列に接続される、請求項１乃至８の何れか１項に記載の圧縮機装置。

【請求項10】

共に直列に接続された少なくとも２つの低温段（１６”）が、第１の冷却回路（２０”）に組み込まれ、直列に共に接続、完全に並列に共に接続又は部分的に並列に共に接続された他の段（１６’、１６”）が、前記第１の冷却回路（２０”）から分離した第２の冷却回路（２０’）に組み込まれる、請求項１乃至９の何れか１項に記載の圧縮機装置。

【請求項11】

前記冷却器（１２）の前記二次区分（１６）の前記低温段（１６”）のうちの少なくとも２つは、第１の冷却回路（２０”）において共に並列に接続され、前記冷却器（１２）の前記二次区分（１６）の他の段（１６’、１６”）は、前記第１の冷却回路（２０”）から分離した第２の冷却回路（２０’）において直列に共に接続、完全に並列に共に接続又は部分的に並列に共に接続される、請求項１乃至１０の何れか１項に記載の圧縮機装置。

【請求項12】

前記低温段（１６”）のうちの少なくとも２つは、共に並列に接続され、少なくとも１つの低温段（１６”）は、第１の冷却回路（２０”）において前の低温段（１６”）に直列に接続され、前記冷却器（１２）の前記二次区分（１６）の他の段（１６’、１６”）は、前記第１の冷却回路（２０”）から分離した第２の冷却回路（２０’）において直列に共に接続、完全に並列に共に接続又は部分的に並列に共に接続される、請求項１乃至１１の何れか１項に記載の圧縮機装置。

【請求項13】

請求項１から１２のいずれか１項に記載の圧縮機装置において使用する冷却器であって、分割冷却器（１２）としても、或いは非分割の単一冷却器（６）としても構成可能なモジュラー構成を有し、前記冷却器は、冷却剤を誘導する管（２６）を有する管束（２５）を備えた管冷却器であり、前記管束（２５）は、前記管（２６）が突出するエンドプレート（２８）によって前記管束（２５）の端部において閉じられたシェル（２７）を含むハウジング内に取り付けられ、前記ハウジングは、冷却対象のガスを前記管（２６）上及びその周囲に誘導するチャネルを形成し、前記管束（２５）は、隔壁（３１）を有するカバー（２９、３０）によってその端部を覆われ、前記隔壁は、前記管（２６）の１又は２以上の端部を覆って前記管（２６）に冷却剤を通す区画（３２）に前記カバー（２９、３０）を分割し、前記隔壁（３１）は、該隔壁（３１）と前記エンドプレート（２８）との間にシール（３４）を有して前記チャネルの流れを互いの区画に分離し、少なくとも２つの隔壁（３１’）は、取り外し可能なこのようなシールを有することができ、該シールは、その存在時には前記管束（２５）を冷却剤のための２つのチャネルに分割して分割冷却器（１２）を形成し、その非存在時には前記２つのチャネル間に相互接続部を形成して１つの連続チャネルを形成して単一の非分割冷却器（６）を形成する、ことを特徴とする冷却器。

【請求項14】

前記管束（２５）の前記管（２６）は、互いに距離（Ｌ）だけ離れて位置する少なくとも２つの部分束（２５’、２５”）にグループ化され、該２つの部分束（２５’、２５”）には、前記シール（３４）の存在時に前記２つの部分束（２５’、２５”）を互いに分離する少なくとも２つの分離隔壁（３１’）が存在する、請求項１３に記載の冷却器。

【請求項15】

前記隔壁（３１及び３１’）が前記エンドプレート（２８）に十分にぴったりと適合することによって物理的シール（３４）が不要になり、隔壁（３１’）を省略し、又は機械加工によって取り去ることによって単一の非分割冷却器が形成される、請求項１４に記載の冷却器。

【請求項16】

前記分離隔壁（３１’）は、直線的な隔壁である、請求項１３乃至１５の何れか１項に記載の冷却器。

【請求項17】

前記隔壁（３１）は、直線的な平行の隔壁である、請求項１３乃至１５の何れか１項に記載の冷却器。

【請求項18】

各カバー（２９、３０）は、冷却剤のための１又は２以上の入力部（１７’、１７”）及び１又は２以上の出力部（１８’、１８”）を有し、いずれの場合にも１つの入力部又は出力部、或いは１つの入力部及び１つの出力部が各部分束（２５’、２５”）に対向する、請求項１４乃至１７の何れか１項に記載の冷却器。

【請求項19】

各カバー（２９又は３０）は、２又は３以上の入力部、或いは２又は３以上の出力を有し、いずれの場合にも１つの入力部又は１つの出力部が各部分束（２５’、２５”）に対向する、請求項１４乃至１７の何れか１項に記載の冷却器。

【請求項20】

前記２つのカバー（２９、３０）の一方に冷却剤のための全ての接続部が設けられる、請求項１４乃至１７の何れか１項に記載の冷却器。

【請求項21】

前記入力部（１７’）及び前記出力部（１８’）は、一方の部分束（２５’）に対向し、前記入力部（１７”）及び前記出力部（１８”）は、他方の部分束（２５”）に対向する、請求項１８に記載の冷却器。

【請求項22】

分割冷却器（１２）の場合には、前記部分束（２５’、２５”）に２つの冷却剤をそれぞれ別個に通すように両方の入力部（１７’、１７”）及び出力部（１８’、１８”）が使用され、単一の非分割冷却器（６）の場合には、前記入力部（１７’、１７”）の一方と前記出力部（１８’、１８”）の一方とが閉鎖され、前記分離隔壁（３１’）の前記シール（３４）が省略される、請求項１４に記載の冷却器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、圧縮機装置に関する。

【0002】

より具体的には、本発明は、２又は３以上の段でガスを圧縮する圧縮機装置であって、直列に接続された少なくとも２つの圧縮機要素と、圧縮ガスを冷却するための少なくとも２つの冷却器、すなわち各２つの連続する圧縮機要素間の中間冷却器と、構成によって必要であれば最後の圧縮機要素の下流の最終冷却器とを備え、各冷却器が、冷却対象の圧縮ガスを誘導する一次区分と、一次区分と接触して熱交換を行って冷却剤を誘導する二次区分とを有する圧縮機装置に関する。

【背景技術】

【0003】

圧縮機要素において圧縮されたガスは、実質的に温度が上昇することが知られている。

【0004】

ここで参照するような複数段を有する圧縮機装置では、１つの圧縮機要素から後続の圧縮機要素に圧縮ガスが供給される。

【0005】

多段圧縮機の圧縮効率は、多段圧縮機の各圧縮機要素の入口温度に大きく依存し、圧縮機要素の入口温度が低ければ低いほど圧縮機の圧縮効率は良好になることが知られている。

【0006】

そのため、最大冷却を確実にしてできるだけ高い圧縮効率を得るために、２つの連続する圧縮機要素間に中間冷却器を使用することが知られている。

【0007】

温度が高すぎると、消費者ネットワーク内の消費者に害が及ぶので、消費者ネットワークにガスを供給する前に最後の圧縮機要素の後で圧縮ガスを冷却することも知られている。

【0008】

複数段を有する既知の圧縮機装置では、一般に最大圧縮効率を目的として冷却が、具体的には冷却器が最大冷却に同調され、従って各冷却器が最大冷却のために同じ低温の冷却剤を受け取るように、一般的には水である利用可能な冷却剤が冷熱源から冷却器を通じて並列に駆動される。

【0009】

このような冷却器の並列供給は、最適な圧縮効率にとっては非常に適しているが、各冷却器に冷却剤を十分に供給するには比較的高い流量の冷却剤が必要であり、このような並列供給は、必要なポンプ能力、並びに必要な冷却回路及び冷却器のサイズに関しては最適でないという不利点がある。

【0010】

別の不利点は、最大冷却をもたらすために冷却器を流れる冷却剤の流量を比較的高く保たなければならず、これによって圧縮機装置から離れる際の冷却剤の温度が比較的低くなり、この結果、例えば温水などを提供する形で冷却剤から熱を回収するには十分に適さないようになってしまう。

【0011】

さらに、冷却剤の流量が高いと、冷却設備の投資コスト、動作コスト及び維持コストも高くなってしまう。実際に、加熱された冷却剤は、例えば空気−水熱交換器において再び冷却しなければならず、このような熱交換器の寸法は冷却剤の流量に大きく依存し、また冷却水には、石灰かすを防ぎ、腐食を妨げ、細菌増殖を抑制するために添加剤も加えられる。

【0012】

より良好な熱回収のためには、冷却器内を並列に駆動される流量を減少させることによって出力における冷却剤の温度を高めることを選択することもできるが、これでは冷却、従って圧縮効率が犠牲になってしまう。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0013】

本発明の目的は、圧縮効率をそれほど重視せず、むしろ高圧縮効率、良好な熱回収の可能性、及び冷却設備のコストの最小化の最適な組み合わせを見つけ出すという観点、又はこれらの３つの目的のうちの２つの目的の用途に応じた最適な組み合わせという観点から冷却を考慮することによって上述の及びその他の不利点に対する解決策を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0014】

この目的のために、２又は３以上の段でガスを圧縮する圧縮機装置であって、直列に接続された少なくとも２つの圧縮機要素と、圧縮ガスを冷却するための少なくとも２つの冷却器、すなわち２つの連続する圧縮機要素間の中間冷却器と、構成によって必要であれば最後の圧縮機要素の下流の最終冷却器とを備え、各冷却器は、冷却対象の圧縮ガスを誘導する一次区分と、一次区分と熱交換接触して冷却剤を誘導する二次区分とを有し、冷却器のうちの少なくとも２つは、二次区分が少なくとも２つの別個の段に分割されて連続段の一次区分を通じて誘導されるガスを冷却する「分割冷却器」であり、２つの別個の段は、それぞれ少なくとも、冷却器の一次区分に流入した高温ガスの第１の冷却を行う高温段と、このガスをさらに冷却する低温段とであり、冷却器の二次区分の段は、１又は２以上の別個の冷却回路において共に接続されることにより、冷却回路を通る冷却剤の流量を最低限に抑えた状態で圧縮機要素間の圧縮ガスが十分に冷却されて、各冷却器の出口における冷却ガスの温度が最大許容値未満に保たれ、これによって冷却回路のうちの少なくとも１つにおける冷却剤の所望の温度上昇が実現されるようになることを特徴とする圧縮機装置に関する。

【0015】

本発明による圧縮機装置では、冷却器における冷却がいわゆる２段に分割されることにより、段を通じた１又は複数種の冷却剤の駆動順を好適に選択することを通じて、必ずしも最良の圧縮効率を目指すことなく各冷却機が十分な冷却を行って後続の圧縮機要素においていずれの問題も生じないことを確実にする最低限の冷却能力しか必要とせず、これにより、より良好なエネルギー回収を可能にする冷却剤の高温を実現することもできる。これにより、高温段は、特に冷却剤の温度の大幅な上昇を確実にし、低温段は、主に冷却対象のガスのできるだけ低い出口温度を保証する。

【0016】

このようにして、少なくとも約３０℃の、又はさらなる熱回収が必要な場合には少なくとも約４０℃の、又は例えば約５０℃などのそれよりも高い所望の温度上昇を目指すことができる。

【0017】

例えば、特定の構成の圧縮機要素及び冷却器を有する圧縮機装置の第１の設計例では、冷却器の二次区分の低温段のうちの少なくとも２つ又は３つ以上が、冷却剤を誘導する冷却回路において共に直列に接続される。

【0018】

低温段のうちの少なくとも２つを直列に接続することにより、冷却剤の流量が比較的限られている連続冷却器においても十分な冷却を実現することができる。

【0019】

必要な冷却剤流量は、例えばスクリュー圧縮機の「サージ」現象の発生又は最大出口温度に起因してターボ圧縮機の動作が不安定になる温度などの、例えば圧縮機要素の良好な動作のための最大許容温度を考慮して、例えば圧縮機要素の入口のできるだけ高い圧縮ガス温度に同調させてスクリューの被覆への損傷を防ぐことができる。

【0020】

これにより、冷却剤は、冷却器の出口における圧縮ガスの温度が直後の圧縮機段の入口における最大許容温度に設計的に最も近い冷却器の低温段を通じて最初に誘導されることが好ましい。

【0021】

第１の設計段階では、冷却器の二次区分の高温段のうちの少なくとも２つ、好ましくは少なくとも３つが、冷却剤を誘導する冷却回路において共に直列に接続され、特に冷却剤は、設計的に最も高い出口温度を有する圧縮機段の直後の冷却器の高温段を通じて最後に誘導されることが好ましい。

【0022】

本発明による圧縮機装置の最も好ましい実施形態では、冷却器の二次区分の少なくとも２つの、好ましくは全ての低温段と、冷却器の二次区分の少なくとも２つの、好ましくは全ての高温段とが、冷却剤を誘導する冷却回路において共に直列に接続され、この冷却回路において冷却剤が最初に低温段を通じて、その後に高温段を通じて誘導される。

【0023】

圧縮機装置の目的とする構成に応じて、２又は３以上の別個の冷却回路の冷却器の段を共に接続することを選択することにより、１つの冷却回路を用いて、最大熱回収を目的としてできるだけ高い冷却剤の出口温度を取得する一方で、他の冷却回路を用いて、主に中間冷却器における冷却対象のガスの十分に低い出口温度を確実にすることができる。

【0024】

本発明は、圧縮機装置において使用する冷却器であって、分割冷却器としても、或いは非分割冷却器としても構成可能なモジュラー構成を有する冷却器にも関する。

【0025】

好ましくは、それは、管冷却器の形態の冷却器を管束と接続してそれを通して冷却剤を案内し、それによって、この管束は、管が突出するエンドプレートによって管の端部において管束を遮断するシェルでハウジングに固定され、それによって、このハウジングは、チャネルを形成して管の上及び周囲に冷却すべきガスを案内し、それによって、管束は、その端部において隔壁を有するカバーで覆われ、この隔壁は、これらの管を通して冷却剤を送るための管のうちの１又は２以上の端部の上を覆う区画にカバーを分け、それによって、これらの隔壁には、隔壁と上述のエンドプレートの間にシールが備えられて流れを相互区画に分離し、それによって、少なくとも２つの分離隔壁は、取り外し可能であり、その存在下では管束を冷却剤のための２つの別個のチャネルに分けて分割冷却器を形成し、その非存在下ではこれらの２つのチャネルの間に相互接続を形成して１つの連続チャネルを形成し、単一の非分割冷却器を形成するこのようなシールを備えることができる。

【0026】

このように、本発明によるこのような冷却器は、シールの単純な取り付け又は取り外しによって従来の単一冷却器から本発明による分割二重冷却器に変換することができる。

【0027】

実用的な実施形態によれば、分離隔壁は、実現の容易さという利点をもたらす直線的な隔壁である。

【0028】

２つの同一のカバーを使用し、各カバーには、上述した分離隔壁の同じ側に位置する入力部及び出力部が設けられ、或いは冷却剤のための２つの入力部又は２つの出力部が上述した分離隔壁の両側に位置することが好ましい。

【0029】

従って、２種類の冷却剤のための分割冷却器としての構成にも、１種類のみの冷却剤のための非分割冷却器の構成にも使用できる１種類のカバーしか必要とされず、後者の場合には１つの入力部及び１つの出力部が塞がれる。

【0030】

以下、本発明の特徴をより良く示すために、本発明による圧縮機装置及びこの圧縮機装置に適用可能な冷却器のほんのいくつかの好ましい実施形態を、添付図面を参照しながら限定ではなく一例として説明する。

【図面の簡単な説明】

【0031】

【図1】先端技術による圧縮機装置を概略的に示す図である。

【図2】本発明による分割冷却器を示す図である。

【図3】本発明による別の分割冷却器を示す図である。

【図4】図２に示すような冷却器を備えた本発明による圧縮機装置の、図１と同様の図である。

【図5】図４の変形例を示す図である。

【図6】図４において使用する圧縮機要素の典型的な特性曲線を示す図である。

【図7】本発明による圧縮機装置の変形例を示す図である。

【図8】本発明による圧縮機装置の変形例を示す図である。

【図9】本発明による圧縮機装置の変形例を示す図である。

【図10】図２に示すような本発明による冷却器の実用的な実施形態の断面図である。

【図11】図１０の線ＸＩ−ＸＩ沿った断面図である。

【図12】図１０のＦ１２で示すカバーの斜視図である。

【図13】図１２の矢印Ｆ１３に準じた図である。

【図14】図１０の冷却器の変形構成を示す図である。

【図15】図１０及び図１４に示す冷却器を３つ接続した冷却器ブロックの実用的な実施形態を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0032】

図１に、パイプ３によって入口４と出口５との間に直列に接続された３つの圧縮機要素２、すなわち２ａ、２ｂ及び２ｃを有する、先端技術による従来の圧縮機装置１を示す。

【0033】

各圧縮機要素２の下流には、圧縮ガスを冷却するための冷却器６、すなわち圧縮機要素２ａ及び２ｂ間の「中間冷却器」６ａ、圧縮機要素２ｂ及び２ｃ間の中間冷却器６ｂ、並びに最後の圧縮機要素２ｃの後の「最終冷却器」６ｃが存在する。

【0034】

中間冷却器６ａ及び６ｂは、圧縮機の圧縮効率が最適であることを確実にするために、前の圧縮機要素２からの圧縮ガスが後続の圧縮機要素２によって引き込まれる前にその温度を最大限に冷却するように意図される。

【0035】

最終冷却器６ｃは、接続先の消費者に害が及ぶのを防ぐために、本発明による圧縮機装置１から出口５を介して圧縮ガスが離れる前にガスを確実に冷却する。

【0036】

各冷却器６は、冷却対象の圧縮ガスを矢印Ａで示すように誘導する一次区分７と、一次区分７と熱交換接触して冷却剤を矢印Ｂで示すように逆方向に誘導する二次区分８とを有する。

【0037】

圧縮機装置１は、入力部１０及び出力部１１を有する単一の冷却回路９を備える。

【0038】

図１の従来の圧縮機装置では、冷却剤が冷却器６の二次区分８を通じて冷却回路９を並列に誘導され、従って冷却剤の供給が３つの冷却器６にわたって分配され、従って各冷却器６は同じ入力温度の冷却剤を受け取る。

【0039】

冷却回路９は、各中間冷却器６ａ及び６ｂにおける冷却が最大になる最大圧縮効率を実現するように計算される。従来の圧縮機装置では、通常、冷却回路に、油冷却器又はモータの冷却回路への接続部などの１又は２以上の熱交換要素が接続される。一般に、冷却回路の総熱交換能力に占めるこれらの熱交換要素の割合は比較的小さい。

【0040】

このような装置の不利点は、最大冷却時に利用可能な冷却剤の流量が高い必要があり、従って関連する冷却回路９の投資コスト、動作コスト及び維持コストが高くなる点である。

【0041】

別の特徴は、出力部１１における冷却剤の温度が比較的低く、従って他の用途に、又は冷却剤からエネルギーを回収するために使用するのが困難な点である。

【0042】

図２及び図３に示すように、本発明による冷却回路は、上述した並列接続とは異なり、「分割冷却器」１２を利用する。

【0043】

図２の分割冷却器１２は、従来の冷却器６と同様に圧縮ガスの入力部１４及び出力部１５を有する一次区分１３と、この例では従来の冷却器６とは対照的に、各々が別個の入力部１７及び出力部１８を有し、圧縮ガスとは逆の方向である矢印Ｃ’及びＣ”の方向に冷却剤を駆動する２つの別個の段１６’及び１６”に分割された二次区分１６とを備える。

【0044】

このように、冷却剤による圧縮ガスの冷却は、２つの連続段１６’及び１６”に、すなわち入力部１４を介して一次区分１３に流入した高温ガスの第１の冷却を行う「高温段」１６’と、冷却ガスが出力部１５を介して一次区分１３から離れる前にこのガスをさらに冷却する「低温段」１６”とに分割される。

【0045】

図３に、分割冷却器１２の代替例を示しており、この例では冷却器１２が２つのサブ冷却器１２’及び１２”に分割され、この例では一次区分１３も直列に接続された２つの段１３’及び１３”に分割されて、いわゆる１つの連続一次区分を形成する。

【0046】

図４に示す本発明による圧縮機装置１９は、単一冷却器６が図２に示すような分割冷却器１２に置き換えられ、冷却剤のための入力部２１及び出力部２２を有する単一の冷却回路２０に二次区分１６’及び１６”が組み込まれることによって図１の従来の装置１と異なっている。

【0047】

冷却回路２０は、冷却剤が冷却器１２の二次区分１６の全ての段１６’及び１６”を通じて、圧縮機装置１９の構成と使用目的との関数である一定の順序で連続して直列に誘導されるように設計される。

【0048】

図４の例では、最初に冷却剤が冷却器１２の低温段１６”を通じてガスの流れに対して同じ順序で誘導され、換言すれば、冷却剤は、最初に中間冷却器１２ａを通じて駆動された後に、第２の中間冷却器１２ｂ及び最終冷却器１２ｃを通じて順に駆動される。

【0049】

その後、冷却剤は、高温段１６’内を、今度はガスが冷却器１２を流れる順序とは逆の順序で、従って最初に最終冷却器１２ｃを通り、次に第２の中間冷却器１２ｂを通り、その後に第１の中間冷却器１２ａを通って連続的に誘導される。

【0050】

このように、必ずしも圧縮機装置１９の効率を最適化することには関係なく、全ての冷却器１２が十分に冷却されて、各冷却器１２の出力部１５における冷却ガスの温度が、例えば圧縮機装置１９の下流の最小制御幅、及び超過した場合に考えられる有害な結果の発生を考慮した強制最大値未満に確実に保たれるようになる。

【0051】

換言すれば、圧縮機要素２ｂ及び２ｃによって引き込まれるガスの温度は、これらの圧縮機要素２ｂ及び２ｃの最適な効率のために必要な温度より高温であってもよい。

【0052】

これにより、提供する冷却剤の流量を図１に示すような従来の圧縮機装置１よりも低くすることができ、冷却回路２０のコスト及び複雑性に恩恵がもたらされるようになる。

【0053】

さらに、このようにすると、冷却回路２０の入力部２１と出力部２２との間における冷却剤の温度上昇をさらに高めることもできる。この結果、従来の圧縮機装置１よりも効率的に熱を回収することができる。

【0054】

冷却回路は、例えば高温の冷却水を利用できるようにしたいというユーザの要望に応じて、設計的に約３０℃の、より好ましくは少なくとも約４０℃の、さらに好ましくは５０℃以上の所望の冷却剤の温度上昇が得られるような寸法にすることができる。

【0055】

冷却剤は、設計的に最も低い入口温度を必要とする圧縮機要素２の直前の冷却器１２の低温段１６”を通じて最初に誘導されることが好ましい。図４の例では、第２の圧縮機要素２ｂと、その直前の中間冷却器１２ａである。

【0056】

この冷却器１２を通じて冷却剤が駆動される順序を決定する基準は、２つの段の全ての組み合わせにも当てはまる。すなわち、図４の例では、冷却剤が、所望の入口温度が２番目に低い圧縮機要素２ｃの直前の冷却器１２ｂの段１６”を通じて次に誘導される。

【0057】

冷却剤は、低温段１６”を通過した後、設計的に出口温度の最も高い圧縮機要素２の直後の冷却器１２の高温段１６’を通じて最後に誘導されることが好ましい。図４の例では、冷却器１２ａと、圧縮機要素２ａである。

【0058】

この選択の結果、冷却回路２０の出力部２２における温度が最も高くなる。

【0059】

図５に、本発明による圧縮機装置１９の別の構成を示しており、この例では、設計的に圧縮機要素２ｃが最も低い入口温度を必要とし、設計的に第２の圧縮機要素２ｂが第１の圧縮機要素２ａよりも高い出口温度を有し、従って図４の状況とは逆である。

【0060】

図４と同じ基準を利用して、段１６’及び１６”を通じて冷却剤を直列に誘導する順序を決定すると、図５の例では、冷却器１２ａと１２ｂの選択順が逆になる。

【0061】

従って、設計段階における別個の圧縮機要素２の異なる出口温度及び所望の入口温度に応じて他の直列接続も可能である。言うまでもなく、所望の入口温度及び／又は出口温度が同等である場合には、冷却水が２つの冷却器１２を流れる順序は自由に選択される。

【0062】

段１６’及び１６”を直列に接続する順序の決定に使用できる別の基準は、ターボ圧縮機において入口におけるガスの特定の温度閾値よりも上で発生することによってガス流が振動さらには逆流し、圧縮機要素２における激しい振動及び損傷リスク、並びに温度上昇の増加を伴う現象として顕在化し得る、特定の圧縮機要素２がポンピングを起こすリスクに基づくものである。

【0063】

図６に一例を示すターボ圧縮機の特性曲線に、圧縮機要素２にわたる所与の入口圧力及び圧力比についての圧縮機要素内の流量の関数としての最大許容入口温度ｔｍａｘを決定する「サージライン」２３としてこの現象を表している。

【0064】

特定の流量ＱＡに対応する特定のガス流量では、直ぐ上流に位置する冷却器１２の出口の温度ｔＡにおける特定の作用点Ａが設計的に得られる。

【0065】

作用点Ａとサージライン２３との間の距離が小さければ小さいほど、有害なポンピング効果が生じるリスクは大きくなる。

【0066】

この場合、この基準を用いて、冷却器１２の出口１５における圧縮ガスの温度がその直後の圧縮機段２の入口における最大許容サージ温度に設計的に最も近い冷却器１２の低温段１６”を通じて、或いは換言すれば、サージリスクが最も高い圧縮機要素２の前の冷却器１２の低温段１６”を通じて冷却剤を最初に誘導することができる。

【0067】

上述したような直列接続が、２つの圧縮機要素２間の十分な冷却にとって不適切であると分かった場合、又は最終冷却の場合、或いは冷却水側に沿った圧力低下が過度に大きな場合、必要であれば、冷却剤が最初に単一の冷却回路２０における少なくとも２つの低温段１６”を通じて並列に駆動された後に残りの低温段１６”を順に通過する図７に示す例のように、２又は３以上の低温段１６”と２又は３以上の高温段１６’とを互いに並列に接続することを選択することもできる。同様に、圧力低下を理由として、少なくとも２つの高温段１６’では冷却水を並列に駆動し、残りの高温段１６’では直列に駆動することを選択することもできる。

【0068】

冷却回路のコストを最小化する重要性が下がった時には、冷却回路２０”における少なくとも２つの低温段１６”が直列に、或いは完全に又は部分的に並列に接続され、冷却回路２０’における少なくとも２つの高温段１６’が直列に、或いは完全に又は部分的に並列に接続された、同じ又は別の冷却剤を含む図８に示すような２つの別個の冷却回路２０’及び２０”を選択することを設計的に選択し、直列接続の順序は、図４の場合と同じ基準を利用することによって決定することができる。ここでも、低温段１６”のうちの少なくとも２つでは冷却水を並列に駆動し、残りの低温段１６”では冷却水を直列に駆動することを選択することができる。高温段１６’についても同様である。

【0069】

このように、冷却回路２０”は、圧縮機の最良の圧縮効率及び最大の動作範囲を得るという目的で十分な冷却に関して最適化することができ、冷却回路２０’は、例えば最大熱回収の目的で冷却剤のできるだけ高い温度上昇が得られるように調整することができる。

【0070】

或いは、図９を参照すると、一般に最終冷却器１２ｃが圧縮機装置１９の効率に寄与していない時には、圧縮段２の上流の中間冷却器の直列の、或いは完全に又は部分的に並列の低温段１６”が第１の冷却剤を有し、最終冷却器の残りの段１６’及び１６”、並びに中間冷却器の高温段１６’が共に直列に、或いは完全に又は部分的に並列に接続された別個の冷却回路２０”を選択して、冷却回路２０”の冷却水が、最大出力温度の圧縮段の下流に位置する冷却器の高温段を通じて最後に流れるようにすることもできる。

【0071】

図９の例では、図４、図５及び図７の最終冷却器１２ｃの場合と同様に、やはり最終冷却器１２ｃを従来の単一冷却器６に置換できることが明らかである。

【0072】

図１０に、分割冷却器１２としても、或いは非分割の単一冷却器６としても構成可能なモジュラー構成を有する冷却器２４の実用的な実施形態を示す。

【0073】

この例では、冷却器２４が、冷却剤を誘導して冷却器２４の二次区分を形成する一連の管２６を有する管束２５を備えた管冷却器として構成され、この管束２５は、管２６の端部が突出するエンドプレート２８によって管２６の端部において閉じられたシェル２７を含むハウジング内に取り付けられる。

【0074】

シェル２７は、冷却対象のガスのための入力部１４及び出力部１５を有し、ハウジングは、管２６上及びその周囲にガスを誘導して冷却剤２４の一次区分１３を形成するチャネルを形成する。

【0075】

図１１の断面で分かるように、管２６は、互いに距離Ｌだけ離れて位置する２つの一連の部分束２５’及び２５”にグループ化される。

【0076】

管束２５は、その端部をそれぞれカバー２９又は３０によって覆われ、この例ではこれらのカバーが同一であり、管２６の１又は２以上の端部を覆ってこれらの管２６に冷却剤を通す区画３２にカバー２９及び３０を分割する隔壁３１を有する。

【0077】

図１０に示す例では、これらの隔壁３１が、この隔壁３１と上述したエンドプレート２８との間にシール３４を取り付けて互いの区画３２に流れを分離できるシート３３を有する直線的な平行の隔壁である。

【0078】

全ての隔壁３１内にシール３４が設けられている図１０の構成では、隔壁３１のうちの２つがカバー２９及び３０の各々に分離隔壁３１’を形成し、この各カバー２９及び３０における分離隔壁３１’が部分束２５’及び２５”間の分離距離を形成し、この例では、このような分離隔壁３１’と部分束２５’及び２５”間のエンドプレート２８の中央部３５との間にシール３４が取り付けられる。

【0079】

図１０に示す例では、カバー２９及び３０が、冷却剤の入力部１７’又は１７”及び出力部１８’又は１８”を有し、この各カバーの入力部及び出力部は、いずれも上述した分離隔壁３１’の同じ側に位置する。

【0080】

図１０の構成では、カバー２９及び３０が、矢印Ｃ’によって示すように一方のカバー２９の入力部１７’及び出力部１８’が一方の部分束２５’に対向して設けられてこれらの部分束２５’の１つに冷却剤を通し、矢印Ｃ”によって示すように他方のカバー３０の入力部１７”及び１８”が他方の部分束２５”に対向して設けられてこの他方の部分束２５”に同じ又は異なる冷却剤を通すように取り付けられる。

【0081】

両チャネルは、分離隔壁３１’によって互いに分離されることにより、図１０の構成では、冷却器２４が、一次区分内のガスを２段で冷却できるようにするために、冷却対象のガスの入力部１４及び出力部１５を有する１つの一次区分と、冷却剤の入力部１７’又は１７”及び出力部１８’又は１８”を有する２つの別個のチャネルを有する二次区分とを備えた分割冷却器１２を実際に形成するようになる。

【0082】

上部部分束２５’は、圧縮機要素２から供給された高温ガスに接触する高温段１６’を形成し、下部部分束２５”は、高温段１６’において既に部分的に冷却済みの低温ガスと接触する低温段１６”を形成することが好ましい。

【0083】

図１４に、図１１のものと同じ冷却器ではあるが、単一の非分割冷却器の構成を示す。

【0084】

この目的のために、分離隔壁３１’のシール３４を省略し、入力部１７’及び出力部１８”をプラグ３６又は同様のもので遮断して、矢印Ｃによって示すように１つの入力部１７”及び１つの出力部１８’のみが依然として両方の部分束２５’及び２５”に単一の冷却剤を通すようにする。

【0085】

これにより、分離隔壁３１’の位置では、これらの隔壁３１’にシール３４が存在しないことに起因して、入力部１７”と出力部１８”の間に外部相互接続部を伴わずにいわゆる１つの連続チャネルが形成されるように、下部部分束２５”における冷却剤のチャネルと上部部分束２５’における冷却剤のチャネルとの間に内部接続部が存在することが明らかである。

【0086】

或いは、図１０の冷却器２４を非分割冷却器に変換するために、図１０の分割構成から開始して分離隔壁３１’の適所にシール３４を残し、出力部１８”を入力部１７’に外部的に接続することも当然可能である。

【0087】

ちなみに、２つの同一カバー２９及び３０を使用する必要は全くなく、例えば一方のカバー２９に全ての必要な入力部及び出力部を設け、他方のカバー３０を完全に閉じることもできる。

【0088】

別の可能性は、カバー２９及び３０の一方に２つの入力部を設け、他方のカバーに２つの出力部を設けて、例えば６列の管を有する冷却器とすることである。

【0089】

シール３４を設けずに、隔壁３１、３１’をエンドプレート２８にぴったりと適合させることも可能である。機械加工によって分離隔壁３１’を完全に又は部分的に取り去ることによっても、やはり単一の非分割冷却器の構成が得られる。

【0090】

図１５に、中間冷却器１２ａ及び１２ｂが分割冷却器として構成され、最終冷却器６ｃが非分割冷却器として構成され、冷却剤が、例えば上述の基準に従って決定できる順序で最初に低温部品１６”に直列に誘導された後に高温部品１６’に直列に駆動される１つのタイプの冷却器を用いて、例えば２つの中間冷却器１２ａ及び１２ｂと１つの最終冷却器６ｃとを含む冷却器ブロックをいかに単純に実現できるかを示す。

【0091】

２段よりも多くの段を有する冷却器の提供が排除されないことは明らかである。

【0092】

管２６を通じた冷却剤の通過回数を増加又は減少させるために、さらに多くの又はさらに少ない隔壁３１を提供できることも明らかである。

【0093】

また、隔壁は、必ずしも真っすぐである必要はない。

【0094】

本発明は、決して図面に示し一例として説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明による圧縮機装置及びこの圧縮機装置に適用可能な冷却器は、本発明の範囲から逸脱することなく異なる変形形態で実現することができる。

【符号の説明】

【0095】

１２’ サブ冷却器
１２” サブ冷却器
１３ 一次区分
１３’ 一次区分の段
１３” 一次区分の段
１４ ガスの入力部
１５ ガスの出力部
１６’ 二次区分の高温段
１６” 二次区分の低温段
１７’ 冷却剤の入力部
１７” 冷却剤の入力部
１８’ 冷却剤の出力部
１８” 冷却剤の出力部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】