JP2004300929A - 多段圧縮機、ヒートポンプ、並びに熱利用装置 - Google Patents

Abstract

【課題】段間の流路に冷却用の液体が供給される多段圧縮機において、圧縮気体を効果的に冷却可能な多段圧縮機を提供する。
【解決手段】多段圧縮機１２は、段間の流路の壁の一部に設けられる細孔部３１と、細孔部３１を介して流路内に液体を浸み出させる液供給部３２とを有する。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気体を多段に圧縮する多段圧縮機に関し、特に、圧縮気体を冷却する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、多段圧縮機において、圧縮される気体の冷却などを目的として、段間の流路に液体を供給する技術がある（例えば、特許文献１参照）。この技術は、段間の流路内で液体を蒸発させ、その蒸発潜熱により圧縮気体の熱を奪うものである。圧縮気体の効果的な冷却は、圧縮動力の低減につながる。
【０００３】
【特許文献１】
米国特許２７８６６２６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記技術では、圧縮気体の効果的な冷却のために、流路内で液体をいかに確実に蒸発させるかが課題となっている。また、径の大きい液体の粒が次の段の回転部材に衝突すると、エロージョンや振動などの不具合を生じさせるおそれがある。
【０００５】
本発明は、上述する事情に鑑みてなされたものであり、段間の流路に冷却用の液体が供給される多段圧縮機において、圧縮気体を効果的に冷却可能な多段圧縮機を提供することを目的とする。
また、本発明の他の目的は、圧縮動力の低減により、エネルギー効率の向上を図ることができるヒートポンプを提供することにある。
また、本発明の別の目的は、高いエネルギー効率が得られる熱利用装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の多段圧縮機は、気体を多段に圧縮する多段圧縮機において、段間の流路の壁の一部に設けられる細孔部と、前記細孔部を介して前記流路内に液体を浸み出させる液供給部とを有することを特徴とする。
本発明の多段圧縮機では、壁から浸み出る状態で段間の流路に液体が供給され、その液体の表面から蒸発が起こる。この場合、液体が粒の状態で気体に混入する可能性が低く、エロージョンなどの、液体供給に伴う不具合の発生が防止される。また、この構成では、壁面における細孔部の領域を広げることで、液体の表面積を容易に広げることができ、これにより、液体の蒸発が促進される。
【０００７】
上記の多段圧縮機において、前記細孔部は、前記気体の速度エネルギーを圧力エネルギーに変換するディフューザに設けられる構成であるのが好ましい。
この構成では、段間の流路において、ディフューザと気体との相対速度が比較的大きいことから、液体の蒸発が促進される。
【０００８】
また、上記の多段圧縮機は、前記流路の静圧が大気圧に対して負圧である場合にも好ましく適用される。この場合、供給元の圧力が低くて済み、液体を輸送しやすいという利点がある。
【０００９】
また、上記の多段圧縮機において、前記液体は、前記気体の液化物であってもよい。この場合、前記気体と前記液体とが反応して不純物を生じるなどの、両者の混合による不具合の発生が抑制される。
【００１０】
本発明のヒートポンプは、上記した本発明の多段圧縮機を備えることを特徴とする。この場合、冷媒が水であってもよい。
【００１１】
また、本発明の熱利用装置は、熱源との間で熱の授受を行う熱利用装置であって、上記のヒートポンプを備えることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態例について図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係る多段圧縮機の一実施形態例を模式的に示す図である。
図１において、圧縮機１２は、多段（本例では４段）の遠心圧縮機からなり、回転軸２０と、回転軸２０に取り付けられかつ回転軸２０の軸方向に多段に配置される複数のインペラ２１と、回転軸２０を回転自在に支持しかつ複数のインペラ２１を囲うケーシング２２と、回転軸２０を駆動するための駆動装置２３と、冷却液供給装置３０とを備えて構成されている。また、ケーシング２２には、速度エネルギーを圧力エネルギーに変換するためのディフューザ２４と、前段のインペラ２１からの作動ガス（冷媒ガス；本例では水蒸気）を後段のインペラ２１に導く流路であるリターンチャネル２５とが設けられている。なお、本例では、駆動装置２３として、内蔵タイプの電動機（ビルトインモータ）が用いられており、圧縮機１２のコンパクト化が図られている。
【００１３】
この圧縮機１２では、駆動装置２３が回転軸２０を回転させると、気体が圧縮機１２内に流入する。気体は、インペラ２１の回転により周方向かつ径方向の外方に移動されてディフューザ２４に入り、ここで圧縮されて圧力が高められる。圧縮された気体はリターンチャネル２５を通って次の段のインペラ２１に導かれ、以後同様にして作動ガスの圧縮が各段で行われる。複数段にわたって圧縮が繰り返されることにより、所望の圧縮比まで気体の圧力が高められる。また、リターンチャネル２５を流れる圧縮気体は、冷却液供給装置３０により供給される冷却液によって冷却され、その温度上昇が抑制される。
【００１４】
図２及び図３は、冷却液供給装置３０の構成を説明するための図であり、図２はインペラ近傍部を回転軸方向と直交方向に見た断面図、図３はインペラ近傍を回転軸方向に見た断面図である。
図２及び図３において、冷却液供給装置３０は、段間の流路の壁の一部に設けられる細孔部３１と、細孔部３１から冷却液を浸み出させる液供給部３２とを有している。
【００１５】
細孔部３１は、本例では、インペラ２１の下流列に位置するディフューザ２４の構成部材に設けられる。具体的には、ディフューザ２４において周方向に離間して配される複数の羽根板２７（案内翼）に細孔部３１が設けられる。
【００１６】
ここで、複数の羽根板２７は、図３に示すように、半径方向に対して斜めに延在し、隣接する羽根板２７同士の間隔が下流に向かって増すように配設されている。これにより、ディフューザ２４では、複数の羽根板２７が壁となって、流路断面積が下流に向かって増し、この流路断面積の変化に応じて、インペラ２１からの気体流れが減速しかつ、圧力上昇する。
【００１７】
複数の羽根板２７は、金属粉末を圧縮して、それを融点より低い温度で焼き固めた焼結金属からなる。金属材質としては、ステンレス、黄銅など、圧縮気体に耐性があってかつ圧縮気体の温度に耐えうるものであればよい。焼結金属は、融点よりも低い温度で焼結していることから、金属粉末間に微小な孔（例えば、孔径２μ〜５０μｍ）が存在する。また、複数の羽根板２７にはそれぞれ、内部に空洞２７ａが設けられており、この空洞２７ａに液供給部３２を介して冷却液が供給される。
【００１８】
液供給部３２は、冷却液用の配管４０、冷却液の輸送手段としてのポンプ４１、及び流量調節弁４２等を有しており、配管４０は、複数の羽根板２７のそれぞれの空洞２７ａに接続されている。
【００１９】
この冷却液供給装置３０では、ポンプ４１によってディフューザ２４の複数の羽根板２７の各空洞２７ａに冷却液が送られることにより、その複数の羽根板２７の表面から冷却液が浸み出る。すなわち、複数の羽根板２７は焼結金属からなることから、複数の羽根板２７の空洞２７ａに送られた冷却液が焼結金属の微細な孔を通って複数の羽根板２７の表面全体に浸み出る。そして、複数の羽根板２７の表面において、浸み出た液体の表面から蒸発が起こり、その蒸発潜熱によって圧縮機１２内を流れる圧縮流体が冷却される。
【００２０】
このように、本例の圧縮機１２では、ディフューザ２４を構成する複数の羽根板２７から浸み出る状態で段間の流路に液体が供給され、その液体の表面から蒸発が起こる。この場合、液体が粒の状態で圧縮気体に混入する可能性は低く、エロージョンなどの、液体供給に伴う圧縮機１２での不具合の発生が防止される。また、この構成では、ディフューザ２４の複数の羽根板２７が焼結金属からなることから、冷却液は、その複数の羽根板２７の表面全体から浸み出る。この場合、細孔部３１の領域が広く、圧縮気体に接する液体の表面積が広い。そのため、液体の蒸発が促進される。
【００２１】
また、本例の圧縮機１２では、冷却液を供給する細孔部３１がディフューザ２４の構成部材に設けられる点からも液体の蒸発の促進が図られる。すなわち、段間の流路において、ディフューザ２４における圧縮気体の流速は、他の部分に比べると比較的大きい。液体と気体との相対速度が大きいほど蒸発速度が大きいことから、ディフューザ２４の構成部材に細孔部３１を設けることにより、蒸発の促進が図られる。
【００２２】
なお、本発明において、細孔部の位置は、ディフューザの構成部材に限定されず、例えばリターンチャネルの流路の壁など、他の箇所でもよい。細孔部の位置や数は、圧縮気体の種類や、圧縮比などの圧縮条件に応じて適宜定められる。
【００２３】
また、細孔部の構成は、焼結金属を用いるものに限定されない。例えば、樹脂の多孔質体を用いてもよい。また、多孔質体を用いるものに限らず、例えば、微細な孔を多数形成することにより細孔部を構成してもよい。
【００２４】
図４及び図５は、細孔部の構成の他の例を示している。図４の例では、ディフューザにおける羽根板（案内翼）に微細な孔が多数形成されている。冷却液は、羽根板の内部の空洞に供給され、上記多数の微細孔を通して気流中に押し出され、蒸発に伴って気流を冷却する。また、図５の例では、ディフューザにおける羽根板の一部（本例では気流の上流側に配される羽根板の先端付近）に、細孔からなる冷却液の吹出口が形成されている。冷却液は、羽根板の内部の空洞に供給され、上記吹出口を通して気流中に押し出される。また、冷却液は、気流の押し付け力により羽根板に薄い液膜を形成し、その後、その液膜からの蒸発に伴い気流を冷却する。
【００２５】
ここで、上記の圧縮機１２（図１参照）は、段間の流路（リターンチャネル２５など）の静圧が大気圧に対して陽圧である場合に限らず、負圧である場合にも好ましく適用される。上記流路の静圧が大気圧に対して負圧である場合、液体の供給元の圧力が低くて済み、液体（霧）を輸送しやすいという利点がある。
【００２６】
また、上記の圧縮機１２において、冷却用の液体は、圧縮気体の液化物であってもよい。この場合、気体と液体とが例えば化学的に反応して不純物を生じるなどの、両者の混合による不具合の発生が抑制される。またこの場合、上記圧縮機１２を、ヒートポンプに好ましく適用することができる。
【００２７】
ヒートポンプは、蒸発、圧縮、凝縮、及び膨張の各工程からなるサイクルにより、低温の物体から熱を汲み上げ、高温の物体に熱を与える装置である。エネルギー利用効率が比較的高いため、冷暖房機能を有する空気調和装置や冷凍装置などの熱利用装置に多く用いられている。
【００２８】
図６は、本発明のヒートポンプを空気調和装置に適用した実施の形態例を模式的に示す図である。この空気調和装置１１０は、室内空気を冷房及び暖房する機能を有するものであり、蒸発器１１１、圧縮機１１２、及び凝縮器１１３を含むヒートポンプ１１４を備えている。なお、本例では、凝縮器１１３は、凝縮した液体をさらに冷却するための、冷却ファンと熱交換器とを含む冷却器１１６を備える。
【００２９】
また、本例では、圧縮機１１２として、先の図１〜図３に示した多段圧縮機を用いている。すなわち、圧縮機１１２は、４段の遠心圧縮機からなり、各段間の流路（リターンチャネル２５）には、冷却液供給装置３０を介して冷却液が供給される。なお、冷却液は、圧縮機１１２内を流れる気体、すなわち冷媒ガスの液化物（冷媒液）であり、凝縮器１１３において冷却凝縮された冷媒液の一部である。より具体的には、凝縮器１１３で凝縮し、冷却器１１６によって冷却された冷媒液の一部が、圧縮機１１２における冷却液として用いられる。
【００３０】
ヒートポンプ１１４においては、蒸発器１１１内の冷媒液は、周囲から吸収した熱により蒸発する。熱は冷房時には室内から供給され、暖房時には大気から供給される。また、蒸発した冷媒ガス（蒸気）は圧縮機１１２で圧縮され、高温高圧のガスとして排出される。排出された冷媒ガスは凝縮器１１３内で周囲へ熱を放出することにより冷却凝縮される。熱は冷房時には大気に放出され、暖房時には室内に放出される。凝縮器１１３を出た冷媒液は膨張弁１１５を介して圧力と温度が下がり、再び蒸発器１１１に戻る。
【００３１】
また、ヒートポンプ１１４では、凝縮器１１３（及び冷却器１１６）において冷却凝縮された冷媒液の一部は、冷却液供給装置３０を介して圧縮機１１２の圧縮気体の流路２５に送られる。そして、冷却液がその流路２５で蒸発することにより、蒸発潜熱によって圧縮気体が冷却される。
【００３２】
ヒートポンプの冷媒としては、フロン系冷媒、アンモニアなどの公知の様々な冷媒の他に、水（Ｈ_２Ｏ ）が挙げられる。水は蒸発潜熱が大きいため、理論上高い成績係数（ＣＯＰ：ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）が見込まれる（フロンの約１．５倍）。また、水冷媒は、環境面での利点（オゾン破壊係数ゼロ、温暖化係数ゼロなど）が多い。ただし、水は飽和圧力変化が大きいために、ヒートポンプで利用するには高い圧縮比（フロンの約３倍以上）での圧縮を必要とする。
【００３３】
本例のヒートポンプ１１４では、先の図１〜図３に示した多段圧縮機を備えていることから、圧縮比を高めることが可能である。また、前述したように、流路の壁から冷却液を浸み出させることで、圧縮気体が効果的に冷却されるので、圧縮動力が低減される。したがって、本例のヒートポンプ１１４は、高効率な圧縮により、水などの高い圧縮比を必要とする冷媒にも好ましく対応することができる。なお、圧縮動力の低減は、圧縮機の小型化にも有利である。
【００３４】
一例として、水冷媒のヒートポンプでは、圧縮機の入口での水蒸気は、温度：５℃、圧力：０．００９ａｔａ、であり、圧縮機の出口での水蒸気は、温度：８９℃、０．０９ａｔａ、である。すなわち、圧縮機の入口及び出口のいずれも流路内の圧力は大気圧に対して負圧であり、また、圧縮機の圧縮比は１０程度を必要とする。
【００３５】
この水冷媒ヒートポンプにおいて、４段の圧縮機に対して、上述した霧状の冷却液（水）を、各段間の流路（３箇所）に、圧縮機内を流れる水蒸気に対して質量流量で合計約１０％の冷却液（水）を加える場合、試算により、約２０％の圧縮動力が低減されることがわかった。
【００３６】
なお、ヒートポンプは、上述したように、冷房、暖房、除湿、及び加湿の少なくとも１つの機能を有する空気調和装置に適用することができる。この他に、冷却装置（ヒートシンクなど）、暖房装置（床暖房装置など）、給湯装置、冷凍装置、脱水装置、蓄熱装置、融雪装置、乾燥装置など、熱源との間で熱の授受を行う様々な熱利用装置（プラントやシステムを含む）に適用可能である。これらの熱利用装置では、本発明のヒートポンプを用いることにより、高いエネルギー効率を得ることができる。また、ヒートポンプの冷媒に水を用いることにより、エネルギー効率の向上とともに、環境面での様々な利点が得られる。
【００３７】
以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の多段圧縮機によれば、段間の流路の壁の一部から冷却液を浸み出させることにより、圧縮気体を効果的に冷却することができる。
また、本発明のヒートポンプによれば、圧縮気体が効果的に冷却されることで、圧縮動力が低減される。そのため、エネルギー効率の向上を図ることができる。また、本発明のヒートポンプは、高効率な圧縮により、水などの高い圧縮比を必要とする冷媒にも好ましく対応することができる。
また、本発明の熱利用装置によれば、上記ヒートポンプを用いることにより、エネルギー効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る多段圧縮機の一実施形態例を模式的に示す断面図である。
【図２】冷却液供給装置の構成を説明するための図であり、インペラ近傍部を回転軸方向と直交方向に見た断面図である。
【図３】冷却液供給装置の構成を説明するための図であり、インペラ近傍を回転軸方向に見た断面図である。
【図４】冷却液供給用の細孔部の構成の他の例を示す図である。
【図５】冷却液供給用の細孔部の構成の他の例を示す図である。
【図６】本発明のヒートポンプを空気調和装置に適用した実施の形態例を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１２…圧縮機、２０…回転軸、２１…インペラ、２４…ディフューザ、２５…リターンチャネル、２７…羽根板（細孔部）、２７ａ…空洞、３０…冷却液供給装置、３１…細孔部、３２…液供給部、１１０…空気調和装置、１１１…蒸発器、１１２…圧縮機、１１３…凝縮器、１１４…ヒートポンプ、１１５…膨張弁、１１６…冷却器。

Claims (7)

1. 気体を多段に圧縮する多段圧縮機において、
   段間の流路の壁の一部に設けられる細孔部と、
   前記細孔部を介して前記流路内に液体を浸み出させる液供給部とを有することを特徴とする多段圧縮機。
2. 前記細孔部は、前記気体の速度エネルギーを圧力エネルギーに変換するディフューザに設けられることを特徴とする請求項１に記載の多段圧縮機。
3. 前記流路の静圧は、大気圧に対して負圧であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の多段圧縮機。
4. 前記液体は、前記気体の液化物であることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれかに記載の多段圧縮機。
5. 請求項１から請求項４のうちのいずれかに記載の多段圧縮機を備えることを特徴とするヒートポンプ。
6. 冷媒が水であることを特徴とする請求項５に記載のヒートポンプ。
7. 熱源との間で熱の授受を行う熱利用装置であって、
   請求項１から請求項６のうちのいずれかに記載のヒートポンプを備えることを特徴とする熱利用装置。

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