特許 6605366 オイルフリー空気圧縮機

(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】6605366

(24)【登録日】2019年10月25日

(45)【発行日】2019年11月13日

(54)【発明の名称】オイルフリー空気圧縮機

(51)【国際特許分類】

   F04B 39/16 20060101AFI20191031BHJP

【ＦＩ】

   F04B39/16 F

【請求項の数】6

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2016-47022(P2016-47022)

(22)【出願日】2016年3月10日

(65)【公開番号】特開2017-161177(P2017-161177A)

(43)【公開日】2017年9月14日

【審査請求日】2018年5月25日

(73)【特許権者】

【識別番号】000001199

【氏名又は名称】株式会社神戸製鋼所

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100081422

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 光雄

(74)【代理人】

【識別番号】100101454

【弁理士】

【氏名又は名称】山田 卓二

(74)【代理人】

【識別番号】100111039

【弁理士】

【氏名又は名称】前堀 義之

(72)【発明者】

【氏名】今城 貴徳

(72)【発明者】

【氏名】中村 元

(72)【発明者】

【氏名】中西 海

(72)【発明者】

【氏名】南屋敷 正道

(72)【発明者】

【氏名】庄田 泰久

(72)【発明者】

【氏名】池田 達広

(72)【発明者】

【氏名】中川 佳久

(72)【発明者】

【氏名】河浪 順矢

(72)【発明者】

【氏名】窪田 誠治

(72)【発明者】

【氏名】細野 賢人

【審査官】 田谷 宗隆

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭５８−１２２３７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１０−５０９５２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０８０３６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−０１９１６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５２−０３７２１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭５５−１３７２６７（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 国際公開第２０１３／１２９４９５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 実開昭５６−１７１６８５（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開平８−３１２５３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭５０−７９０３３（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２０１２−９７６０２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０４Ｂ ３９／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

空気を吸気して圧縮して吐出する圧縮機本体と、
前記圧縮機本体から吐出された圧縮空気を冷却し、冷却に際してドレン水が発生する冷却部と、
前記冷却部と流体的に接続され、前記ドレン水を蒸発させる密閉容器型の蒸発器と
を備え、
前記冷却部は、
前記１段目圧縮機本体から吐出された圧縮空気を冷却し、前記蒸発器と第１電磁弁を介して流体的に接続された第１冷却器と、
前記２段目圧縮機本体から吐出された圧縮空気を冷却し、前記蒸発器と第２電磁弁を介して流体的に接続された第２冷却器と、
前記第２冷却器から流出した圧縮空気から水分を除去し、前記蒸発器と第３電磁弁を介して流体的に接続された除湿器と
を備え、
前記第１電磁弁と前記第２電磁弁と前記第３電磁弁とをそれぞれ開弁するタイミングをずらすように制御する制御装置をさらに備えるオイルフリー空気圧縮機。

【請求項2】

前記制御装置は、前記第１電磁弁と前記第２電磁弁と前記第３電磁弁とをそれぞれ開弁する時間を、以下の式（１）で表される時間ｔｃ以下となるように制御する、請求項１に記載のオイルフリー空気圧縮機。

【数1】

Ｓ：前記蒸発器に溜められた前記ドレン水の水面より上側の密閉容器の伝熱面積
ｔｗ：密閉容器内面に付着できる水の平均水膜厚さ
Ｑ：蒸発器への単位時間当たりのドレン噴射量
ρ：水の密度

【請求項3】

前記制御装置は、以下の式（２）に基づいて前記ドレン水の発生量Ｄを推定し、前記ドレン水の発生量Ｄ分だけ前記ドレン水を排出するように前記第１電磁弁と前記第２電磁弁と前記第３電磁弁とを開弁する時間を制御して開弁合計時間を最小化する、請求項１または請求項２に記載のオイルフリー空気圧縮機。

【数2】

Ｍ：周囲温度および周囲湿度から推定された絶対重量湿度
Ａ： 前記冷却部の最終段において、冷却された直後の空気の最低温度および圧力から推定された最終段での冷却直後の空気の飽和状態における絶対重量湿度
Ｖ： 前記圧縮機本体の回転数および周囲温度、周囲湿度から推定される単位時間あたりの吸込空気中の乾き空気質量

【請求項4】

前記蒸発器への前記ドレン水の注入口は、前記蒸発器の上部に設けられている、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のオイルフリー空気圧縮機。

【請求項5】

前記注入口には、微粒化ノズルが設けられている、請求項４に記載のオイルフリー空気圧縮機。

【請求項6】

前記注入口は、前記蒸発器の排出口に対して平面視において−９０度から＋９０度の範囲内の向きで配置されている、請求項４または請求項５に記載のオイルフリー空気圧縮機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、オイルフリー空気圧縮機に関する。

【背景技術】

【0002】

空気圧縮機は、大気を吸い込み圧縮することで圧縮空気を製造する。通常、大気には水蒸気が含まれており、圧縮されて高温となった空気がその後冷却されることにより、水蒸気が凝縮してドレン水が発生する。このドレン水は圧縮機の外部に排出する必要がある。特に、空気圧縮機におけるドレン水は工業排水として扱われるため、ドレン水を一時的に容器に貯めて人為的に廃棄するか、または排出用のライン等の追加設備が必要となる。いずれの場合でもドレン水の廃棄は、装置構成の複雑化およびコスト増加の要因となっている。

【0003】

特許文献１および特許文献２には、上述のドレン水の廃棄の問題を解決するために、ドレン水を廃棄せずに蒸発させる蒸発器が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１１−１４５０１２号公報

【特許文献2】特開２００９−１８６０４４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１および特許文献２の蒸発器は、共に開放型である。開放型の蒸発器を使用して多量のドレン水を蒸発させる場合、ドレン水が蒸発器の外部に飛散または漏洩する可能性がある。

【0006】

本発明は、ドレン水の廃棄のための追加設備が不要であり、ドレン水が外部に飛散または漏洩することを防止できるオイルフリー空気圧縮機を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明のオイルフリー空気圧縮機は、空気を吸気して圧縮して吐出する圧縮機本体と、前記圧縮機本体から吐出された圧縮空気を冷却し、冷却に際してドレン水が発生する冷却部と、前記冷却部と流体的に接続され、前記ドレン水を蒸発させる密閉容器型の蒸発器とを備え、前記冷却部は、前記１段目圧縮機本体から吐出された圧縮空気を冷却し、前記蒸発器と第１電磁弁を介して流体的に接続された第１冷却器と、前記２段目圧縮機本体から吐出された圧縮空気を冷却し、前記蒸発器と第２電磁弁を介して流体的に接続された第２冷却器と、前記第２冷却器から流出した圧縮空気から水分を除去し、前記蒸発器と第３電磁弁を介して流体的に接続された除湿器とを備え、前記オイルフリー空気圧縮機は、前記第１電磁弁と前記第２電磁弁と前記第３電磁弁とをそれぞれ開弁するタイミングをずらすように制御する制御装置をさらに備える。

【0008】

この構成によれば、ドレン水を人為的に定期的に廃棄する人件費や、ドレン水の排出用のライン等の追加設備が不要となり、オイルフリー空気圧縮機のランニングコストが大幅に改善する。また、蒸発器が密閉容器型であるため、多量のドレン水を蒸発処理する場合でも、ドレン水が蒸発器の外部に飛散または漏洩することを防止できる。また、ドレン水の排出は通常間欠的であり、ドレン水の排出に伴って圧縮空気も排出される。そのため、ドレン水が複数個所から同時に蒸発器に供給されると、ドレン水と共に供給される圧縮空気により蒸発器の蒸気側出口の流速が増加し、液滴が外部に飛散することが考えられる。しかし、上記のように制御することで、ドレン水を蒸発器に供給するタイミングをずらし、そのタイミングを固定できるため、複数個所からドレン水が同時に蒸発器に流入することを防止できる。これにより、蒸発器の蒸気側出口の流速が増加することを防止し、液滴が外部に飛散することを防止できる。

【0023】

前記制御装置は、前記第１電磁弁と前記第２電磁弁と前記第３電磁弁とをそれぞれ開弁する時間を、以下の式（１）で表される時間ｔｃ以下となるように制御することが好ましい。

【0024】

【数1】

Ｓ：前記蒸発器に溜められた前記ドレン水の水面より上側の密閉容器の伝熱面積
ｔｗ：密閉容器に付着できる水の平均水膜厚さ
Ｑ：蒸発器への単位時間当たりのドレン噴射量
ρ：水の密度

【0025】

ドレン水の排出サイクルを短縮しているので、ドレン水が蒸発器に供給された際に高温の蒸発器内面に付着して蒸発する割合を増加させ、付着せずに蒸発器内に溜められているドレン水の水面に落下する割合を減少できる。これにより蒸発器の水面より上側の伝熱面（高温の蒸発器内面）をより有効に利用でき、蒸発器の性能が向上する。具体的には、１回に排出されるドレン水量Ｑ×ｔｃ[kg]が、伝熱面に付着できる水量Ｓ×ｔｗ×ρ[kg]より少なければ、蒸発器に供給されたドレン水は水面より上側の伝熱面に付着して蒸発し得るため、伝熱面を有効に利用できることになる。よって、Ｓ×ｔｗ×ρ≧Ｑ×ｔｃ となり、即ち式（１）に示すように、ｔｃは(Ｓ×ｔｗ×ρ)／Ｑ以下であることが好ましい。

【0026】

前記制御装置は、以下の式（２）に基づいて前記ドレン水の発生量Ｄを推定し、前記ドレン水の発生量Ｄ分だけ前記ドレン水を排出するように前記第１電磁弁と前記第２電磁弁と前記第３電磁弁とを開弁する時間を制御して開弁合計時間を最小化することが好ましい。ただし、以下の式（２）において、Ｄが負の値になる場合はＤをゼロとして計算する。

【0027】

【数2】

Ｍ：周囲温度および周囲湿度から推定された絶対重量湿度［kg/kg(DA)］
Ａ： 前記冷却部の最終段において、冷却された直後の空気の最低温度および圧力から推定された最終段での冷却直後の空気の飽和状態における絶対重量湿度［kg/kg(DA)］
Ｖ： 前記圧縮機本体の回転数および周囲温度、周囲湿度から推定される単位時間あたりの吸込空気中の乾き空気質量［kg(DA)/min］

【0028】

冷却部からのドレン水の排出処理量を最適化することで、ともに冷却部から排出される圧縮空気の損失を最小化できる。

【0029】

前記蒸発器への前記ドレン水の注入口は、前記蒸発器の上部に設けられていることが好ましい。

【0030】

通常、蒸発器内にはドレン水が溜まっており、伝熱面でのドレン水の蒸発量と蒸発器へのドレン水の供給量とが釣り合う位置で、蒸発器内の水位は維持されている。その水位より上側の部分にドレン水の注入口を設けているので、ドレン水とともに供給される圧縮空気によって蒸発器内に溜められているドレン水が蒸発器外に噴出されることを防止できる。

【0031】

前記蒸発器への前記ドレン水の前記注入口には、微粒化ノズルが設けられていることが好ましい。

【0032】

微粒化ノズルを使用してドレン水を細かい水滴として蒸発器内に噴霧することで、上述の伝熱面に広くドレン水を付着させることができ、蒸発器内の水面より上側の伝熱面を有効に利用でき、蒸発が促進される。

【0033】

前記注入口は、前記蒸発器の排出口に対して平面視において−９０度から＋９０度の範囲内の向きで配置されていることが好ましい。

【0034】

ドレン水の注入方向に排出口が設けられていないため、蒸発器内に注入されたドレン水が蒸発されずに排出口を介して直接外気に排出されることを防止できる。

【発明の効果】

【0035】

本発明によれば、オイルフリー空気圧縮機において、ドレン水の廃棄のために設備を追加不要であって、さらにドレン水が外部に飛散または漏洩することを防止できる。

【図面の簡単な説明】

【0036】

【図1】本発明の第１実施形態に係るオイルフリー空気圧縮機の概略構成図。

【図2A】図１の蒸発器の部分的な縦断面図。

【図2B】図２Ａの蒸発器の変形例を示す図。

【図3】図２Ａのノズル部分の拡大断面図。

【図4】図１の蒸発器の平面図。

【図5】本発明の第２実施形態に係るオイルフリー空気圧縮機の概略構成図。

【図6】本発明の第３実施形態に係るオイルフリー空気圧縮機の概略構成図。

【図7】図６のオイルフリー空気圧縮機の第１変形例の概略構成図。

【図8】図６のオイルフリー空気圧縮機の第２変形例の概略構成図。

【図9】図６のオイルフリー空気圧縮機の第３変形例の概略構成図。

【発明を実施するための形態】

【0037】

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

【0038】

（第１実施形態）
図１に示すように、本実施形態のオイルフリー空気圧縮機１（以降、単に圧縮機と呼ぶ場合がある）は、圧縮機本体１０と、蒸発器２０と、冷却部３０とを備える。まず、これらの構成要素について説明する。

【0039】

圧縮機本体１０は、本実施形態ではオイルフリー式で且つ２段型のスクリュ式であり、１段目圧縮機本体１１と２段目圧縮機本体１２とを備える。１段目圧縮機本体１１と２段目圧縮機本体１２は、蒸発器２０と、冷却部３０の一部を構成するインタークーラ（第１冷却器）３１とを介して流体的に接続されている。１段目圧縮機本体１１と２段目圧縮機本体１２は、それぞれ吸気口１１ａ，１２ａから空気を吸気し、内部の図示しないスクリュで圧縮し、吐出口１１ｂ，１２ｂから吐出する。１段目圧縮機本体１１と２段目圧縮機本体１２の内部のスクリュの回転数は、回転数センサ４１ａ，４１ｂによりそれぞれ測定されている。測定された回転数は、後述のように吐出空気量の算出に使用される。１段目圧縮機本体１１が吸気する空気は、湿度センサ４２と温度センサ４３ａにより、湿度と温度を測定できる。なお、このようなスクリュの回転数は、図示しないインバータの周波数から換算してもよい。

【0040】

図２Ａに詳細を示すように、蒸発器２０は、密閉容器２１を備える密閉容器型である。密閉容器２１は、上部ヘッダ２１ａと下部ヘッダ２１ｂと側壁２１ｃとによって閉じられた形状である。密閉容器２１は、側壁２１ｃの上部にドレン水が注入される注入口２１ｄが設けられている。通常、蒸発器２０内にはドレン水が溜まっており、蒸発器２０の内面である伝熱面でのドレン水の蒸発量と蒸発器２０へのドレン水の供給量とが釣り合う位置で、蒸発器２０内の水位は維持されている。その水位より上側の部分にドレン水の注入口２１ｄを設けているので、ドレン水とともに供給される圧縮空気によって蒸発器２０内に溜められているドレン水が蒸発器２０外に噴出されることを防止できる。

【0041】

蒸発器２０の密閉容器２１の下部には、ドレン水が溜められている。蒸発器２０内には、図において上下方向に延びる複数本（例えば２０〜３０本）のチューブ２４が設けられており、複数本のチューブ２４は、一端が下部ヘッダ２１ｂに接続され、他端が上部ヘッダ２１ａに接続されている。これに伴い、上部ヘッダ２１ａにはチューブ２４と接続される空気出口２１ｇが設けられ、下部ヘッダ２１ｂにはチューブ２４と接続される空気入口２１ｆが設けられている。空気入口２１ｇと空気出口２１ｆの数は、チューブ２４の数に対応して設けられている。そのため、複数本のチューブ２４の内部には、１段目圧縮機本体１１と２段目圧縮機本体１２とからそれぞれ供給された高温の圧縮空気が混合されないように流れている。このように、蒸発器２０の熱源として、圧縮機本体１０から吐出された後で且つ冷却部３０で冷却される前の圧縮空気が使用されている。

【0042】

図２Ｂに示すように、空気入口２１ｇと空気出口２１ｆは、必ずしもチューブ２４の数に対応して設けられていなくてもよい。後述の第２実施形態のように、蒸発器２０への圧縮空気の供給源が一箇所である場合、空気入口２１ｇと空気出口２１ｆはそれぞれ１つずつ設けられていればよい。

【0043】

図３に示すように、注入口２１ｄには微粒化ノズル２２が設けられている。微粒化ノズル２２は、ドレン水を細かい水滴として蒸発器２０内に噴霧するためのものである。微粒化ノズル２２を使用してドレン水を細かい水滴として蒸発器２０内に噴霧することで、上述の伝熱面に広くドレン水を付着させることができ、蒸発器２０内の水面より上側の伝熱面を有効に利用でき、蒸発が促進される。

【0044】

また、蒸発器２０には、蒸気を排出するための蒸気排出煙突２３が併設されている。そのため、密閉容器２１には、蒸気排出煙突２３と流体的に連通する接続口（排出口）２１ｅが設けられている。従って、密閉容器２１は、注入口２１ｄと接続口２１ｅ以外は閉じられた容器である。

【0045】

図４に破線で仮想的に示すように、注入口２１ｄと接続口２１ｅの位置関係は、注入口２１ｄが接続口２１ｅに対して平面視において−９０度から＋９０度の範囲内で配置されていることが好ましい。図４に示す本実施形態では、注入口２１ｄから−９０度の位置に接続口２１ｅが配置されている。このようにドレン水の注入方向に排出口２１ｅが設けられていないため、蒸発器２０内に注入されたドレン水が蒸発されずに排出口２１ｅを介して直接外気に排出されることを防止できる。

【0046】

このように蒸発器２０を構成することで、蒸発器２０の熱源として圧縮機本体１０から吐出される高温の圧縮空気を利用し、ヒータ等の別の熱源を用意する必要がなく、即ちエネルギー効率を改善できる。また、蒸発器２０において、圧縮空気はドレン水との熱交換により温度が低下するので、その後に圧縮空気を冷却する冷却部３０の負荷が減少し、冷却部３０を小型化できる。

【0047】

さらに、１段目圧縮機本体１１と２段目圧縮機本体１２の両方から吐出された圧縮空気を蒸発器２０の熱源として利用しているので、蒸発器２０の熱源が増加し、蒸発器２０の蒸発性能が向上し、蒸発器２０を小型化できる。また、圧縮機本体１０を２段型とすることで１段型と比べて広範囲に吐出圧力を調整できる。

【0048】

蒸発器２０では、チューブ２４内を流れる圧縮空気とドレン水との間で熱交換が行われ、圧縮空気は冷却され、ドレン水は加熱されて蒸発する。蒸発したドレン水は、蒸気排出煙突２３を介して外部に排出される。このように蒸発器２０を設けていることによって、ドレン水を人為的に定期的に廃棄する人件費や、ドレン水の排出用のライン等の追加設備が不要となり、圧縮機１のランニングコストが大幅に改善する。また、蒸発器２０が密閉容器型であるため、多量のドレン水を蒸発処理する場合でも、ドレン水が蒸発器２０の外部に飛散または漏洩することを防止できる。

【0049】

蒸気排出煙突２３は、オイルフリー空気圧縮機１の上部に上向きに設置され、蒸気排出煙突２３の周囲にはダクト２５が設けられている。また、蒸気排出煙突２３の周囲の空気を流動させるためのファン２６が、ダクト２５の下部に設けられている。

【0050】

蒸気排出煙突２３を設けているので、蒸気の排出口２１ｅを圧縮機１から遠方に設置できる。そのため、排出した蒸気が再び圧縮機本体１０に吸い込まれることを抑制し、それに伴う風量低下を抑制できる。また、蒸気排出煙突２３により、排出する蒸気を図示しない電気系統から遠ざけることができ、蒸気の結露等による漏電を防止できる。また、蒸気排出煙突２３を上部に上向きに設けているので、排出された高温の蒸気が周囲の風等により人が存在する可能性のある水平方向へ流動することを防止でき、安全性が向上する。さらにダクト２５を設けているので、確実に上方向に蒸気を排出でき、一層安全性が向上する。

【0051】

図１に示すように、冷却部３０は、インタークーラ（第１冷却器）３１とアフタークーラ（第２冷却器）３２とドライヤ（除湿器）３３とを備える。インタークーラ３１とアフタークーラ３２は、圧縮空気を冷却するために設けられている。ドライヤ３３は、アフタークーラ３２で冷却された圧縮空気から水分を除去するために設けられている。インタークーラ３１とアフタークーラ３２とドライヤ３３とにおいては、ドレン水が発生する。インタークーラ３１は第１電磁弁３４を介して蒸発器２０の注入口２１ｄと流体的に接続されており、アフタークーラ３２は第２電磁弁３５を介して蒸発器２０の注入口２１ｄと流体的に接続されており、ドライヤ３３は第３電磁弁３６を介して蒸発器２０の注入口２１ｄと流体的に接続されている。これらで発生するドレン水は、圧縮空気と共に蒸発器２０に供給される。また、冷却部３０を通過した圧縮空気の温度と圧力は、それぞれ温度センサ４３ｂ〜４３ｄと圧力センサ４４ａ〜４４ｃとによって測定されている。冷却部の態様は特に限定されず、例えば、インタークーラ３１とアフタークーラ３２には空冷式熱交換器を使用でき、ドライヤ３３には冷凍式ドライヤを使用できる。

【0052】

次に、オイルフリー空気圧縮機１における流体の流れについて説明する。ここで説明する流体の流れは空気とドレン水についてであるが、まず空気の流れについて説明する。

【0053】

図１に示すように、１段目圧縮機本体１１は、吸気口１１ａから２０℃程度の空気を吸気し（点Ｐ１）、吸気した空気を内部で圧縮し、吐出口１１ｂから吐出する。吐出される空気は、圧縮の際に生じる圧縮熱により、２００℃程度の高温となっている（点Ｐ２）。１段目圧縮機本体１１の吐出口１１ｂは蒸発器２０と流体的に接続されており、吐出口１１ｂから吐出された高温の圧縮空気は蒸発器２０に供給される。

【0054】

１段目圧縮機本体１１から蒸発器２０に供給された圧縮空気は、蒸発器２０内のチューブ２４内を流れ（図２Ａ参照）、蒸発器２０内でドレン水と熱交換して１１０℃程度まで冷却される（点Ｐ３）。蒸発器２０はインタークーラ３１と流体的に接続されており、ここで冷却された圧縮空気はインタークーラ３１に供給される。

【0055】

インタークーラ３１に供給された圧縮空気は、インタークーラ３１で４０℃程度まで冷却される（点Ｐ４）。インタークーラ３１は２段目圧縮機本体１２の吸気口１２ａと流体的に接続されており、ここで冷却された圧縮空気は２段目圧縮機本体１２に供給される。

【0056】

２段目圧縮機本体１２は、インタークーラ３１で冷却された圧縮空気を吸気口１２ａから吸気し、吸気した空気を内部で圧縮し、吐出口１２ｂから吐出する。吐出される空気は、圧縮の際に生じる圧縮熱により、２００℃程度の高温となっている（点Ｐ５）。２段目圧縮機本体１２の吐出口１２ｂは蒸発器２０と流体的に接続されており、吐出口１２ｂから吐出された高温の圧縮空気は蒸発器２０に供給される。

【0057】

２段目圧縮機本体１２から蒸発器２０に供給された圧縮空気は、蒸発器２０内でドレン水と熱交換して１１０℃程度まで冷却される（点Ｐ６）。蒸発器２０はアフタークーラ３２と流体的に接続されており、ここで冷却された圧縮空気はアフタークーラ３２に供給される。

【0058】

アフタークーラ３２に供給された圧縮空気は、アフタークーラ３２で４０℃程度まで冷却される（点Ｐ７）。アフタークーラ３２はドライヤ３３と流体的に接続されており、ここで冷却された圧縮空気はドライヤ３３に供給される。

【0059】

ドライヤ３３に供給された圧縮空気は、内部の冷却機構において３０℃程度まで冷却されると共に水分を除去され（点Ｐ８）、内部の加熱機構において加温された後に用途に応じた供給先に供給される（点Ｐ９）。供給先は、例えば工場のライン等である。

【0060】

次に、ドレン水の流れについて説明する。

【0061】

インタークーラ３１とアフタークーラ３２とドライヤ３３とからは、ドレン水が発生する。発生するドレン水の温度は、２０℃から３０℃程度である（点Ｐ１０）。インタークーラ３１とアフタークーラ３２とドライヤ３３とで発生したドレン水は、蒸発器２０に供給される。

【0062】

蒸発器２０の注入口２１ｄから微粒化ノズル２２を介して蒸発器２０内に噴霧されたドレン水は、１０２℃程度まで加熱されて蒸発し、蒸気排出煙突２３から排出される（点Ｐ１０）。

【0063】

また、本実施形態のオイルフリー空気圧縮機１は、制御装置４０を備える。制御装置４０は、上述の各種センサ４１ａ〜４４ｃからの測定値を受け、これらの測定値に基づいて３つの制御を行っている。

【0064】

第１に、制御装置４０は、第１電磁弁３４と第２電磁弁３５と第３電磁弁３６とをそれぞれ開弁するタイミングをずらすように制御する。例えば、第１電磁弁３４をｔ１秒ごとにｔｄ１秒開弁し、第２電磁弁３５をｔ２秒ごとにｔｄ２秒開弁し、第３電磁弁３６をｔ３秒ごとにｔｄ３秒開弁し、それぞれの開弁タイミングが重複しないように、これらの時間を設定し、間隔をあけて開弁する。

【0065】

ドレン水の排出は通常間欠的であり、ドレン水の排出に伴って圧縮空気も排出される。そのため、ドレン水が複数個所から同時に蒸発器２０に供給されると、ドレン水と共に供給される圧縮空気により蒸発器２０の排出口２１ｅの流速が増加し、液滴が外部に飛散することが考えられる。しかし、上記のように制御することで、ドレン水を蒸発器２０に供給するタイミングをずらし、そのタイミングを固定できるため、複数個所からドレン水が同時に蒸発器２０に供給されることを防止できる。これにより、蒸発器２０の排出口２１ｅの流速が増加することを防止し、液滴が外部に飛散することを防止できる。

【0066】

第２に、制御装置４０は、第１電磁弁３４と第２電磁弁３５と第３電磁弁３６とをそれぞれ開弁する時間を、以下の式（１）で表される時間ｔｃ以下となるように制御する。

【0067】

【数1】

Ｓ：前記蒸発器に溜められた前記ドレン水の水面より上側の前記密閉容器の伝熱面積
ｔｗ：蒸発器の密閉容器に付着できる水の平均水膜厚さ
Ｑ：蒸発器への単位時間当たりのドレン噴射量
ρ：水の密度

【0068】

ドレン水の排出サイクルを短縮しているので、ドレン水が蒸発器２０に供給された際に蒸発器２０の高温の内面に付着して蒸発する割合を増加させ、付着せずに蒸発器２０内に溜められているドレン水の水面に落下する割合を減少できる。これにより蒸発器２０の水面より上側の伝熱面（高温の蒸発器内面）をより有効に利用でき、蒸発器２０の性能が向上する。具体的には、１回に排出されるドレン水量Ｑ×ｔｃ[kg]が、伝熱面に付着できる水量Ｓ×ｔｗ×ρ[kg]より少なければ、蒸発器２０に供給されたドレン水は水面より上側の伝熱面に付着して蒸発し得るため、伝熱面を有効に利用できることになる。よって、Ｓ×ｔｗ×ρ≧Ｑ×ｔｃ となり、即ち式（１）に示すように、ｔｃは(Ｓ×ｔｗ×ρ)／Ｑ以下であることが好ましい。

【0069】

第３に、制御装置４０は、以下の式（２）に基づいてドレン水の発生量Ｄを推定し、ドレン水の発生量Ｄの分だけドレン水を排出するように第１電磁弁３４と第２電磁弁３５と第３電磁弁３６とを開弁する時間を制御することで開弁合計時間を最小化している。

【0070】

【数2】

Ｍ：周囲温度および周囲湿度から推定された絶対重量湿度［kg/kg(DA)］
Ａ： 前記冷却部の最終段において、冷却された直後の空気の最低温度および圧力から推定された最終段での冷却直後の空気の飽和状態における絶対重量湿度［kg/kg(DA)］
Ｖ： 前記圧縮機本体の回転数および周囲温度、周囲湿度から推定される単位時間あたりの吸込空気中の乾き空気質量［kg(DA)/min］

【0071】

このように冷却部からのドレン水の排出処理量を最適化することで、ともに冷却部から排出される圧縮空気の損失を最小化できる。

【0072】

（第２実施形態）
図５に示す第２実施形態のオイルフリー空気圧縮機１は、圧縮機本体１０が単段型である。本実施形態は、この点を除いて図１の第１実施形態と実質的に同様である。従って、図１に示した構成と同様の部分については説明を省略する。

【0073】

本実施形態では、圧縮機本体１０が単段型であるため、２段目圧縮機本体１２と、回転数センサ４１ｂと、インタークーラ３１と、第１電磁弁３４と、温度センサ４３ｂと、圧力センサ４４ａとが、図１に示す第１実施形態の圧縮機１から省略されている。

【0074】

このように、本発明は２段型だけでなく単段型の圧縮機１にも適用可能である。また、当然ながら３段型以上の圧縮機１に対しても適用可能である。

【0075】

（第３実施形態）
図６に示す第３実施形態のオイルフリー空気圧縮機１では、予熱部５０が設けられている。本実施形態は、この点を除いて図１の第１実施形態と実質的に同様である。従って、図１に示した構成と同様の部分については説明を省略する。

【0076】

本実施形態の予熱部５０は、冷却部３０で発生したドレン水を蒸発器２０に供給する前に加熱している。予熱部５０は、熱交換器であって、冷却部３０から蒸発器２０に供給されるドレン水と、蒸発器２０からインタークーラ３１に供給される圧縮空気との間で熱交換し、ドレン水を加熱し、圧縮空気を冷却している。

【0077】

このように、予熱部５０で加熱しているので蒸発器２０に流入するドレン水の温度が上昇し、その顕熱分だけ蒸発器２０の負荷が減少し、蒸発器２０を小型化できる。また、予熱部５０に対して外部から電力を供給する必要がなく、圧縮機１の内部で発生する熱（圧縮熱）を有効に利用できる。また、圧縮空気が冷却部３０に供給される前に予熱部５０で予め冷却されるため、冷却部３０の負荷が減少し、冷却部３０を小型化できる。

【0078】

図７に示す第３実施形態の第１変形例のオイルフリー空気圧縮機１では、予熱部５０の態様が変更されている。本変形例の予熱部５０は、熱交換器であって、冷却部３０から蒸発器２０に供給されるドレン水と、１段目圧縮機本体１１からインタークーラ３１に供給される圧縮空気との間で熱交換し、ドレン水を加熱し、圧縮空気を冷却している。

【0079】

本変形例では、２段目圧縮機本体１２のみが蒸発器２０に流体的に接続されており、１段目圧縮機本体１１は蒸発器２０に流体的に接続されていない。そのため、蒸発器２０では、２段目圧縮機本体１２から吐出された高温の圧縮空気のみを加熱源として利用している。１段目圧縮機本体１１から吐出された高温の圧縮空気は、蒸発器２０で冷却されない場合でも、予熱部５０に供給されるので、予熱部５０でドレン水を加熱できる。よって、蒸発器２０に流入するドレン水の温度が上昇し、その顕熱分だけ蒸発器２０の負荷が減少し、蒸発器２０を小型化できる。さらに予熱部５０において、１段目圧縮機本体１１から吐出された高温の圧縮空気を、インタークーラ３１に供給する前に冷却しているので、インタークーラ３１の負荷を軽減でき、インタークーラ３１の小型化にも寄与する。

【0080】

本変形例では、１段目圧縮機本体１１から吐出された圧縮空気を予熱部５０に供給し、２段目圧縮機本体１２から吐出された圧縮空気を蒸発器２０に供給しているが、この関係は入れ替えられてもよい。即ち、１段目圧縮機本体１１から吐出された圧縮空気を蒸発器２０に供給し、２段目圧縮機本体１２から吐出された圧縮空気を予熱部５０に供給し、それぞれ加熱源として利用してもよい。

【0081】

また、図８に示す第３実施形態の第２変形例のオイルフリー空気圧縮機１では、予熱部５０が別の態様に変更されている。本変形例の予熱部５０は、二点鎖線で示されている部分のようにインタークーラ３１に併設されたファン５１を有する熱交換器である。この予熱部５０は、冷却部３０から蒸発器２０に供給されるドレン水と、ファン５１によって送出されインタークーラ３１で圧縮空気を冷却した後の空気との間で熱交換し、ドレン水を加熱し、圧縮空気を冷却している。なお、本変形例の予熱部５０でのドレン水の加熱には、アフタークーラ３２で圧縮空気を冷却した後の空気を使用してもよい。

【0082】

また、図９に示す第３実施形態の第３変形例のオイルフリー空気圧縮機１では、予熱部５０がまた別の態様に変更されている。本変形例の予熱部５０は、電気ヒータであって、外部から電力を受けて、冷却部３０から蒸発器２０に供給されるドレン水を加熱する。このように、予熱部５０は、熱交換器以外の態様であってもよい。

【0083】

以上より、本発明の具体的な実施形態やその変形例について説明したが、本発明は上記形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。例えば、個々の実施形態の内容を適宜組み合わせたものを、この発明の一実施形態としてもよい。

【符号の説明】

【0084】

１ オイルフリー空気圧縮機（圧縮機）
１０ 圧縮機本体
１１ １段目圧縮機本体
１１ａ 吸気口
１１ｂ 吐出口
１２ ２段目圧縮機本体
１２ａ 吸気口
１２ｂ 吐出口
２０ 蒸発器
２１ 密閉容器
２１ａ 上部ヘッダ
２１ｂ 下部ヘッダ
２１ｃ 側壁
２１ｄ 注入口
２１ｅ 接続口（排出口）
２１ｆ 空気入口
２１ｇ 空気出口
２２ 微粒化ノズル
２３ 蒸気排出煙突
２４ チューブ
２５ ダクト
２６ ファン
３０ 冷却部
３１ インタークーラ（第１冷却器）
３２ アフタークーラ（第２冷却器）
３３ ドライヤ（除湿器）
３４ 第１電磁弁
３５ 第２電磁弁
３６ 第３電磁弁
４０ 制御装置
４１ａ，４１ｂ 回転数センサ
４２ 湿度センサ
４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄ 温度センサ
４４ａ，４４ｂ，４４ｃ 圧力センサ
５０ 予熱部
５１ ファン

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】