JP2006017116A - 多段圧縮機、ヒートポンプ、および熱利用装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 コストアップの防止を図り、かつＣＯＰの低下を防止できる多段圧縮機を提供すること。
【解決手段】 蒸発器５０から凝縮器６０に送出する蒸気を多段に圧縮する（多段）圧縮機１２において、段間のリターンチャネル（流路）２５とは異なる空間３３ａで液体から霧を発生させる霧化部３１と、空間３３ａからリターンチャネル２５に霧を供給する霧供給部３２と、霧化部３１内の雰囲気を加熱する液体通路（加熱手段）７０とを備え、リターンチャネル２５に霧化部３１および霧供給部３２が設置されることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、蒸気を多段に圧縮する多段圧縮機、ヒートポンプ、および熱利用装置に関し、特に、圧縮された蒸気を冷却する技術に関する。

従来、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。
米国特許第２７８６６２６号明細書

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。

本発明は、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、ヒートポンプ、および熱利用装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。すなわち本発明は、蒸発器から凝縮器に送出する蒸気を多段に圧縮する多段圧縮機において、段間の流路とは異なる空間で液体から霧を発生させる霧化部と、前記空間から前記流路に前記霧を供給する霧供給部と、前記霧化部内の雰囲気を加熱する加熱手段とを備えたことを特徴とする。
本発明に係る多段圧縮機では、段間の流路に供給される液体が予め霧になっており、その流路に存在する液体の粒径のサイズが小さく限定される。そのため、段間の流路において液体（霧）が容易に蒸発するとともに、エロージョンや振動などの不具合の発生が防止される。なお、霧の発生は、段間の流路とは異なる空間が用いられることにより、確実かつ安定的に行われる。
さらに、本発明に係る多段圧縮機では、霧化部内における霧を含む雰囲気を加熱手段によって加熱することにより、空間内の飽和蒸気圧が上昇して流路内の蒸気圧より高圧となる。このような空間と流路との間の圧力差により、空間内の雰囲気が流路に流れ込み、この雰囲気の流れによって霧が流路に供給されることになる。その結果、霧が流路内の主流蒸気に接して蒸発することにより、主流蒸気が冷却されることとなる。
なお、本発明に係る多段圧縮機では、段間の流路に霧を供給するために霧化部の空間と流路とが連通されており、加熱手段が作動していないとき、これら空間と流路との間には圧力差が生じていない状態となっている。

また、本発明に係る多段圧縮機において、前記加熱手段は、前記凝縮器内の熱を前記霧化部内に伝達することで前記霧化部内の雰囲気を加熱することを特徴とする。
本発明に係る多段圧縮機によれば、霧化部内の雰囲気を加熱する際に凝縮器内の熱を利用するため、加熱手段を容易かつ簡単に設けることができる。

また、本発明に係る多段圧縮機において、前記加熱手段は、前記凝縮器内で凝縮された液体を前記霧化部内に導入することで前記霧化部内の雰囲気を加熱することを特徴とする。
本発明に係る多段圧縮機によれば、凝縮器内で凝縮された液体が高温であることにより、その液体が霧化部内に導入されると液体の熱によって霧化部内の温度が上昇するため、霧化部内の液体が霧化しやすくなるとともに、霧化部内の雰囲気を効率よく加熱する。また、凝縮器内の液体が霧化部内に直接導入されるため、凝縮器内の液体が有効に利用されることとなる。

また、本発明に係る多段圧縮機において、前記加熱手段は、前記凝縮器で温められた液体を前記霧化部内に導入することで前記霧化部内の雰囲気を加熱することを特徴とする。
本発明に係る多段圧縮機によれば、凝縮器で温められた液体が高温であることにより、その液体が霧化部内に導入されると液体の熱によって霧化部内の温度が上昇するため、霧化部内の液体が霧化しやすくなるとともに、霧化部内の雰囲気を効率よく加熱する。また、凝縮器の熱を利用する一方、凝縮器内の液体を霧化部内に直接導入しない場合の加熱手段として有効となる。

また、本発明に係る多段圧縮機において、前記加熱手段は、前記凝縮器内の蒸気を前記霧化部内に導入することで前記霧化部内の雰囲気を加熱することを特徴とする。
本発明に係る多段圧縮機によれば、凝縮器内の蒸気が高温であることにより、その蒸気を霧化部内に導入すると蒸気の熱によって霧化部内の温度が上昇するため、霧化部内の雰囲気を効率よく加熱する。また、凝縮器内の蒸気が凝縮液よりも高温であるため、霧化部内の雰囲気の加熱が促進されることとなる。

また、本発明に係る多段圧縮機において、前記加熱手段は、前記圧縮機から排出された蒸気を前記霧化部内に導入することで前記霧化部内の雰囲気を加熱することを特徴とする。
本発明に係る多段圧縮機によれば、圧縮機から排出された蒸気が最も高温であることにより、その蒸気が霧化部内に導入されると蒸気の熱によって霧化部内の温度が急速に上昇するため、霧化部内の雰囲気の加熱がより促進されることとなる。

また、本発明に係る多段圧縮機において、前記加熱手段は、前記凝縮器内の蒸気または前記圧縮機から排出された蒸気を前記霧化部内の液体に導入することで前記霧化部内の雰囲気を加熱することを特徴とする。
本発明に係る多段圧縮機によれば、蒸気が霧化部内の液体に直接導入されると蒸気の熱によって霧化部内の液体の温度が急速に上昇するため、霧化部内の液体の霧化を促進しつつ、霧化部内の雰囲気を効率よく加熱する。

また、本発明に係る多段圧縮機において、前記加熱手段は、前記凝縮器内の液体または蒸気と、前記霧化部内の液体または雰囲気とを熱交換することを特徴とする。
本発明に係る多段圧縮機によれば、凝縮器内の液体または蒸気が高温であることにより、凝縮器内の液体または蒸気の熱が霧化部内の液体または雰囲気に伝達されると、霧化部内の液体が霧化しやすくなるとともに、霧化部内の雰囲気を効率よく加熱する。また、凝縮器内の液体または蒸気の熱を利用する一方、その液体または蒸気を霧化部内に直接導入しない場合の加熱手段として有効となる。

また、本発明に係る多段圧縮機において、前記加熱手段は、駆動源の冷却液と、前記霧化部内の液体または雰囲気とを熱交換することを特徴とする。
本発明に係る多段圧縮機によれば、駆動源が駆動によって高温になることにより、駆動源の熱が冷却液に伝達され、冷却液が温められる。その冷却液の熱が霧化部内の液体または雰囲気に伝達されると、霧化部内の液体が霧化しやすくなるとともに、霧化部内の雰囲気を効率よく加熱する。したがって、駆動源から発生する熱が加熱手段に有効利用されることとなる。

また、本発明に係る多段圧縮機において、前記加熱手段として、前記霧化部内の液体または雰囲気を加熱するヒータが用いられることを特徴とする。
本発明に係る多段圧縮機によれば、加熱手段としてヒータを用いてヒータの熱が霧化部内の液体または雰囲気に伝達されると、霧化部内の液体が霧化しやすくなるとともに、霧化部内の雰囲気を効率よく加熱する。

また、本発明に係る多段圧縮機において、前記蒸気を３段以上で圧縮し、前記流路を２以上形成するとともに、前記霧供給部は、少なくとも２つの前記流路に接続されていることを特徴とする。
本発明に係る多段圧縮機によれば、霧供給部が少なくとも２つの流路に接続されていることにより、少なくとも２箇所において流路内の主流蒸気が冷却されることとなるため、主流蒸気の冷却効果が促進される。

また、本発明に係る多段圧縮機において、前記霧化部の１つと少なくとも２つの前記流路とが前記霧供給部を介して接続されていることを特徴とする。
本発明に係る多段圧縮機によれば、霧化部の１つが少なくとも２つの流路に接続されることにより、主流蒸気の冷却効果が促進された状態で霧化部の設置個数を削減できる。

また、本発明に係る多段圧縮機において、前記蒸気を３段以上で圧縮し、前記流路を２以上形成するとともに、前記流路のそれぞれに前記霧化部および前記霧供給部が設置されることを特徴とする。
本発明に係る多段圧縮機によれば、流路のそれぞれに設置された霧化部および霧供給部を用いて、各流路に供給する霧を個別に調整することが可能となる。これによって、流路のそれぞれにおいて個別に最適な主流蒸気の温度上昇が抑制され、圧縮動力の低減が図られる。

また、本発明に係る多段圧縮機において、前記加熱手段は、前記霧化部の１つで凝縮されまたは温められた液体を別の前記霧化部内に導入することで前記霧化部内の雰囲気を加熱することを特徴とする。
本発明に係る多段圧縮機によれば、霧化部の１つの内部の熱が別の霧化部に伝達されて別の霧化部内の雰囲気を加熱するため、霧化部の１つの内部の熱が有効に利用されることとなる。

また、本発明に係る多段圧縮機において、前記霧化部が２以上設置されるとともに、前記霧化部は、前記凝縮器内で凝縮されまたは温められた液体を前記蒸発器に送出できる液体通路に直列に接続されていることを特徴とする。
本発明に係る多段圧縮機によれば、霧化部が液体通路に直列に接続されることで、凝縮器内で凝縮されまたは温められて高温になった液体を冷却させながら蒸発器に戻すことが可能となる。また、上流側に設置された霧化部から下流側に設置された霧化部に液体が液体通路を介して送出されるにつれて、霧化部内の液体が蒸発により霧化部ごとに順次冷却され、蒸発器に送出されるときにその液体は凝縮温度よりも一層低い温度となる。そのため、蒸発潜熱を大きくとることができ、その分蒸発器内の蒸発量を少なくすることができる。

また、本発明に係る多段圧縮機において、前記霧供給部は、前記流路内の蒸気の少なくとも一部を前記霧化部に導入する導入路と、前記霧化部内の霧を含む雰囲気を前記流路に排出する排出路とを有していることを特徴とする。
本発明に係る多段圧縮機によれば、主流蒸気の少なくとも一部が霧化部に導入されることにより、霧化部における空間から前記流路に霧を含む雰囲気が流れやすくなる。

また、本発明に係る多段圧縮機において、前記流路内の蒸気の流れに対向するように前記導入路の開口が配設されていることを特徴とする。
本発明に係る多段圧縮機によれば、前記流路における主流蒸気の動圧により、主流蒸気の少なくとも一部が霧化部に確実に導入され、その結果、霧化部における空間から前記流路に霧を含む雰囲気がさらに流れやすくなる。

また、本発明に係る多段圧縮機において、前記霧供給部は、他の場所から蒸気またはガスを前記霧化部に導入する導入路と、前記霧化部内の霧を含む雰囲気を前記流路に排出する排出路とを有していることを特徴とする。
本発明に係る多段圧縮機によれば、他の場所から蒸気またはガスが霧化部に導入されることにより、霧化部における空間から前記流路に霧を含む雰囲気が流れやすくなる。

また、本発明に係るヒートポンプは、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。

また、本発明に係る熱利用装置は、熱源との熱の授受を行う熱利用装置であって、上記した本発明のヒートポンプを備えることを特徴とする。

本発明の多段圧縮機によれば、段間の流路において霧状の液体が容易に蒸発することから、その蒸発潜熱により圧縮気体を効果的に冷却することができる。さらに、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、エネルギー効率の向上を図ることができる。そして、本発明のヒートポンプは、高効率な圧縮により、水蒸気などの高い圧力比を必要とする冷媒に好ましく適用される。

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、水蒸気などの高い圧力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。

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（多段圧縮機）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を駆動するための駆動装置２３と、前段のインペラ２１からの圧縮気体（主流蒸気）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、リターンチャネル２５を通過した主流蒸気をリターンチャネル２６を介して後述する凝縮器６０に排出するための排出管２７と、霧を含む雰囲気（霧水＋水蒸気）をリターンチャネル２５に供給する複数（本例では３個）の霧供給装置３０とを備えて構成されている。

また、圧縮機１２は、図１における下方から上方に向けて気体を圧縮して送出するように設置されており、圧縮機１２の上流側、すなわち図１における下側には蒸発器５０が設置され、圧縮機１２の下流側、すなわち図１における上側には凝縮器６０が設置されている。
蒸発器５０の内部には、蒸発器５０内の蒸気を加熱するための水を通過できる水路管５１が設置されている。この水路管５１は、下部および上部にそれぞれ入口５２および出口５３を有しており、蒸発器５０内の気体との接触面積が大きくなるように、波形に配置されている。なお、蒸発器５０内は飽和圧８７３Ｐａであり、蒸発温度５℃である。また、水路管５１を通過する水の温度は、例えば入口５２において１２℃であり、出口５３において７℃である。
さらに、蒸発器５０の上部には、蒸発器５０内に生じる大きな水滴がインペラ２１に付着しないように、デミスタ５４が設けられている。

凝縮器６０の内部には、凝縮器６０内の蒸気を冷却するための水を通過できる水路管６１が設置されている。この水路管６１は、下部および上部にそれぞれ入口６２および出口６３を有しており、凝縮器６０内の気体との接触面積が大きくなるように、波形に配置されている。なお、凝縮器６０内は飽和圧７３８４Ｐａであり、凝縮温度４０℃である。また、水路管６１を通過する水の温度は、例えば入口６２において３２℃であり、出口６３において３７℃である。

霧供給装置３０は、霧化部３１と、霧供給部３２とを有している。霧化部３１は、凝縮液を貯溜する貯液槽３３、および貯液槽３３内の凝縮液を空間３３ａで霧化する霧化器３４を有している。霧化器３４としては、本例では超音波振動子を用いた超音波霧化器が用いられる。超音波霧化器は、簡略な構成でありながら様々な液体に対応可能であるという利点を有する。なお、霧化器は超音波式に限定されることなく公知の様々なものが適用可能である。
また、霧供給部３２は、貯液槽３３の空間３３ａからリターンチャネル２５に霧とともに雰囲気を排出する通路として機能する。
すなわち、この霧供給装置３０は、霧化部３１内の貯液槽３３に貯溜された凝縮液を霧化器３４で霧化し、霧を含む空間３３ａの雰囲気（霧水＋水蒸気）を霧供給部３２によってリターンチャネル２５に供給する。

また、蒸発器５０と凝縮器６０との間には、これら蒸発器５０および凝縮器６０を接続して、凝縮器６０によって凝縮された液体、すなわち凝縮液を蒸発器５０に送出できる液体通路７０が設置されている。この液体通路７０には、３個の霧化部３１が直列に接続されている。このとき、図２に示すように、液体通路７０が貯液槽３３に接続されており、貯液槽３３の下部から凝縮液が導入され、適当な水位を確保して余分な凝縮液を貯液槽３３から排除できるようになっている。この液体通路７０は、貯液槽３３に凝縮液を導入するとともに、凝縮液に含まれる熱を霧化部３１内に伝達するため、霧化部３１内の凝縮液および雰囲気を加熱する加熱手段として機能する。なお、液体通路７０から導入された凝縮液に含まれる熱によって霧化部３１内の雰囲気が加熱されることで、霧化部３１内の凝縮液を霧化する霧化量が増加する。例えば、水温４０℃の凝縮液を霧化する場合には、水温２５℃の凝縮液を霧化する場合と比較して１０％霧化量が増加することとなる。
また、液体通路７０において、凝縮器６０と霧化部３１との間、隣り合う霧化部３１，３１の間、および霧化部３１と蒸発器５０との間には、それぞれ開閉弁７１が設置されている。

このような圧縮機１２では、駆動装置２３が回転軸２０を回転させると、蒸発器５０内で蒸発した気体が、デミスタ５４を通過して大きな水滴を排除しながら圧縮機１２内に流入する。この気体、すなわち主流蒸気は、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圧力が高められて圧縮され、リターンチャネル２５を通って次の段のインペラ２１に導かれる。以後同様にして気体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、所望の圧力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を流れる主流蒸気は、霧供給装置３０により供給される霧によって冷却され、その温度上昇が抑制される。そして、インペラ２１およびリターンチャネル２５，２６を流れ、圧縮機１２から排出されると排出管２７に到達する。この主流蒸気は、排出管２７から排出されると、凝縮器６０によって凝縮され、凝縮液となって凝縮器６０内に貯溜される。また、この凝縮液は、開閉弁７１を開状態としたとき、凝縮器６０から液体通路７０を通過して順次霧化部３１内に導入される。そして、最下流に配置された霧化部３１において余分となった凝縮液が、液体通路７０を通過して蒸発器５０に排出され、蒸発器５０内に貯溜される。

このような圧縮機１２において、リターンチャネル２５に霧を供給するために霧化部３１の空間３３ａとリターンチャネル２５とが霧供給部３２で連通されており、液体通路７０から霧化部３１内に凝縮液を導入しないとき、これら空間３３ａとリターンチャネル２５との間には圧力差が生じていない状態となっている。
ここで、液体通路７０から霧化部３１内に凝縮液を導入すると、霧化部３１内の空間３３ａの雰囲気（霧水＋水蒸気）が加熱されるため、霧化部３１内の飽和蒸気圧が上昇してリターンチャネル２５内の蒸気圧より高圧となる。このような霧化部３１とリターンチャネル２５との間の圧力差により、霧化部３１内の雰囲気が霧化部３１からリターンチャネル２５に流れ込み、この雰囲気の流れによって、霧がリターンチャネル２５に供給されることになる。その結果、霧がリターンチャネル２５内の主流蒸気に接して蒸発することにより、主流蒸気が蒸発潜熱によって冷却されることとなる。

また、凝縮器６０で凝縮された凝縮液が上流側の霧化部３１から下流側の霧化部３１に送出されると、下流側の霧化部３１に存在する凝縮液が蒸発によって冷却される。さらに、この凝縮液が、霧化部３１の下流側に存在する蒸発器５０に送出されると、凝縮液が凝縮器６０内の凝縮温度よりも低温となるため、蒸発潜熱を大きく利用でき、同じ冷凍能力を有する場合、蒸発潜熱を利用する際に必要な蒸発器５０内の蒸発量を少なくすることができる。
また、凝縮器６０で凝縮された凝縮液が高温であることにより、凝縮液が霧化部３１内に導入されると凝縮液の熱によって霧化部３１内の温度が上昇するため、霧化部３１内の凝縮液が霧化しやすくなるとともに、霧化部３１内の雰囲気を効率よく加熱する。また、凝縮器６０内の凝縮液が霧化部３１内に直接導入されるため、凝縮器６０内の凝縮液が有効に利用されることとなる。

また、蒸発器５０から凝縮器６０に送出した蒸気が凝縮されて凝縮液となり、液体通路７０および霧化部３１を通過して蒸発器５０に戻されたとき、その凝縮液は霧供給部３２からリターンチャネル２５に霧化される霧の霧化量よりも多くなるため、圧縮機１２の外部から液体を供給する必要がなく、霧化器３４による霧化の安定化を図ることができる。
また、霧化部３１の下部から凝縮液が貯液槽３３に導入され、適当な水位を確保して余分な凝縮液を貯液槽３３から排除できるように、液体通路７０が貯液槽３３に接続されることで、貯液槽３３の水位制御を簡略化することができる。
また、開閉弁７１が減圧弁として機能するため、液体通路７０に複数設置されることにより、凝縮水が凝縮器６０から蒸発器５０に送出される際、液体通路７０内の下流側の気泡、いわゆるフラッシュガスの混入を少なくすることができる。

なお、先の図１において、１個の駆動装置２３と１軸の回転軸２０とを設置しているが、駆動装置２３を複数、例えば２個設置し、それぞれに対して回転軸２０を設置してもよい。
また、図１において、各段間のリターンチャネル２５のそれぞれに霧供給装置３０が設置されることで、各段間のリターンチャネル２５のそれぞれに霧を供給する構成となっている。そのため、リターンチャネル２５のそれぞれに設置された霧化部３１および霧供給部３２を用いてリターンチャネル２５ごとに供給する霧を個別に調整することが可能となる。これによって、リターンチャネル２５のそれぞれにおいて個別に最適な主流蒸気の温度上昇が抑制され、圧縮動力の低減が図られる。

なお、本発明は、各段間のリターンチャネル２５のすべてに霧を供給するものに限定されない。例えば、霧供給部３２が２つのリターンチャネル２５に接続されてもよい。この場合、霧供給部３２が２箇所においてリターンチャネル２５内の主流蒸気を冷却するため、それ以上設置する必要がない。その結果、設備コストを削減できる。
また、霧化部３１の１つと少なくとも２つのリターンチャネル２５とが霧供給部３２を介して接続されてもよい。この場合、主流蒸気の冷却効果が促進された状態で霧化部３１の設置個数を削減することができる。

また、リターンチャネル２５における霧の供給箇所の位置や数は、主流蒸気の種類や、圧力比などの圧縮条件に応じて適宜定められる。例えば、１つのリターンチャネル２５に２つの霧供給装置３０が設置されてもよい。この場合、２つの霧供給装置３０で霧を供給することによってリターンチャネル２５内の主流蒸気の冷却を促進することができる。
さらに、本例では圧縮機１２が４段で圧縮し、リターンチャネル２５を３段形成した構成となっているが、多段に圧縮する圧縮機であれば、２段で圧縮し、リターンチャネル２５を１段形成した構成となってもよい。

なお、圧縮機１２に用いられる加熱手段は、凝縮器６０内の熱を霧化部３１内に伝達することで霧化部３１内の雰囲気（霧水＋水蒸気）を加熱することができれば、どのような構成であってもよい。この場合、霧化部３１内の雰囲気を加熱する際に凝縮器６０内の熱を利用するため、熱の有効利用が図られる。
ここで、例えば、図３に簡略化して示すように、液体通路７０を凝縮器６０内に貫通させ、凝縮器６０内に貯溜された凝縮液の熱を液体通路７０内を通過する液体に伝達させ、その液体を霧化部３１内に導入することで霧化部３１内の雰囲気（霧水＋水蒸気）を加熱してもよい。この場合、凝縮器で温められた液体が高温であることにより、その液体が霧化部３１内に導入されると液体の熱によって霧化部３１内の温度が上昇するため、霧化部３１内の液体が霧化しやすくなるとともに、霧化部３１内の雰囲気を効率よく加熱する。また、凝縮器６０の熱を利用する一方、凝縮器６０内の液体が霧化部３１内に直接導入されない場合の加熱手段として有効となる。さらに、凝縮器６０で温められる液体は、凝縮液によって加熱されることに限定されず、凝縮器６０内の蒸気での加熱や、凝縮器６０の外側での加熱であってもよい。

また、図４に簡略化して示すように、液体通路７０を介して凝縮器６０および霧化部３１を接続し、凝縮器６０内の蒸気を霧化部３１内、特に霧化部３１に貯溜された液体内に導入することで霧化部３１内の雰囲気（霧水＋水蒸気）を加熱してもよい。この場合、凝縮器６０内の蒸気が高温であることにより、その蒸気を霧化部３１内に導入すると蒸気の熱によって霧化部３１内の温度が上昇するため、霧化部３１内の雰囲気を効率よく加熱する。また、凝縮器６０内の蒸気が凝縮液よりも高温であるため、霧化部３１内の雰囲気の加熱が促進されることとなる。

なお、凝縮器６０内の蒸気は、圧縮機１２から排出された直後において最も高温であるが、排出後に排出管２７を通過して凝縮器６０内に導入される際に温度が低下する。したがって、できる限り高温の蒸気を得るために、圧縮機１２から排出された蒸気、すなわち図１で示す排出管２７の入口付近の蒸気を直接霧化部３１内に導入してもよい。この場合、圧縮機１２から排出された蒸気が最も高温であることにより、その蒸気を霧化部３１内に導入すると蒸気の熱によって霧化部３１内の温度が急速に上昇するため、霧化部３１内の雰囲気の加熱がより促進されることとなる。
さらに、このような凝縮器６０内の蒸気または圧縮機１２から排出された蒸気を霧化部３１内の液体に直接導入した場合、霧化部３１内の液体の温度が急速に上昇するため、霧化部３１内の液体の霧化が促進されることとなる。

また、図５に簡略化して示すように、液体通路７０を凝縮器６０に接続するとともに霧化部３１内を貫通するように設置して、凝縮器６０内の凝縮液と、霧化部３１内の凝縮液とを熱交換するようにしてもよい。この場合、凝縮器６０内の凝縮液が高温であることにより、その凝縮液の熱が霧化部３１内の凝縮液に伝達されると、霧化部３１内の凝縮液が霧化しやすくなるとともに、霧化部３１内の雰囲気を効率よく加熱する。また、凝縮器６０内の凝縮液の熱を利用する一方、その凝縮液が霧化部３１内に直接導入されない場合の加熱手段として有効となる。なお、図５には、凝縮液と霧化部３１内の液体とを熱交換するタイプを示しているが、これに代えて、凝縮器６０内の蒸気と霧化部３１内の液体とを熱交換するタイプ、凝縮液と空間３３ａの雰囲気とを熱交換するタイプ、凝縮器６０内の蒸気と空間３３ａの雰囲気とを熱交換するタイプであってもよい。

また、図６に簡略化して示すように、駆動装置２３の冷却液が、霧化部３１内を貫通するように液体通路８０を設置して、駆動装置２３に用いられる冷却液と、霧化部３１内の凝縮液とを熱交換するようにしてもよい。この場合、駆動装置２３が駆動によって高温になることにより、駆動装置２３の熱が冷却液に伝達され、冷却液が温められる。その冷却液の熱が霧化部３１内の液体に伝達されると、霧化部３１内の液体が霧化しやすくなるとともに、霧化部３１内の雰囲気を効率よく加熱する。したがって、駆動装置２３から発生する熱が有効利用されることとなる。なお、冷却液を霧化部３１内の液体と熱交換することに代えて、冷却液を空間３３ａの雰囲気と熱交換させるようにしてもよい。

また、図７に簡略化して示すように、図示しない外部電源に接続され、霧化部３１内の凝縮液を加熱するヒータ９０を用いてもよい。この場合、加熱手段としてのヒータ９０の熱が霧化部３１内の液体に伝達されると、霧化部３１内の液体が霧化しやすくなるとともに、霧化部３１内の雰囲気を効率よく加熱する。ここで、このヒータ９０は、電熱線を用いたものに限らず、霧化部３１内の凝縮液または霧を加熱できるものであればよい。なお、ヒータ９０を空間３３ａに配置し、霧化部３１の雰囲気を加熱してもよい。

また、図８に凝縮液の冷凍サイクルを示す。図８におけるＡにおいて蒸発器５０内の液体が蒸発し、Ｂ，Ｃ，Ｄそれぞれにおいて、圧縮機１２によって圧縮された蒸気が、リターンチャネル２５内で霧供給装置３０により供給される霧によって冷却される。
そして、Ｅにおいて凝縮器６０内の蒸気が凝縮されて液体となり、Ｆ，Ｇ，Ｈにおいて霧化部３１を通過して蒸発器５０に戻る。
このように、Ｂ，Ｃ，Ｄそれぞれにおいて蒸気を冷却することによって、圧縮機１２の動力の負荷を減少させることができるので、圧縮機１２のトータルの成績係数、すなわちＣＯＰ（＝冷凍能力／動力）が高くなる。

図９は、本発明に係る多段圧縮機の他の実施形態例を模式的に示す図である。
なお、図９において、図１に示したものと同様の機能を有する構成要素については同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。

図９に示す多段圧縮機１３は、図１の多段圧縮機１２と同様に、多段（本例では４段）の遠心圧縮機からなり、各段間のリターンチャネル２５に対応して霧供給装置３０を備えて構成されている。

霧供給装置３０は、霧化部３１と、霧供給部３２とを有している。霧化部３１は、凝縮液を貯溜する貯液槽３３と、貯液槽３３内の凝縮液を空間３３ａで霧化する霧化器３４とを有している。霧化器３４としては、例えば、超音波振動子を用いた超音波霧化器が用いられる。超音波霧化器は、簡略な構成でありながら様々な液体に対応可能であるという利点を有する。なお、霧化器は超音波式に限定されることなく公知の様々なものが適用可能である。
また、霧供給部３２は、リターンチャネル２５を流れる主流蒸気の少なくとも一部を貯液槽３３に導く導入路４１と、貯液槽３３内の空間３３ａからリターンチャネル２５に霧とともに雰囲気を排出する排出路４２とを有している。この他に、霧供給部３２には、流量調節弁、及び温度センサなどの計器類などが必要に応じて適宜配設される。なお、排出路４２は、排出路４２内での霧水の蒸発の抑制や、配管抵抗抑制の目的等から、なるべく短いのが好ましい。

図１０は、霧供給部３２の説明図である。
霧供給部３２における導入路４１は、一端がリターンチャネル２５に接続され、他端が貯液槽３３に接続されている。リターンチャネル２５の内壁面に、導入路４１の一方の開口４１ａが開放されており、この開口４１ａは、リターンチャネル２５内の主流蒸気の流れに対向する位置に配設されている。例えば、導入路４１の開口４１ａは、リターンチャネル２５の内壁面のうち、リターンチャネル２５の湾曲部における外周側に配設されている。導入路４１の開口４１ａがリターンチャネル２５内の主流蒸気の流れに対向して配設されることにより、リターンチャネル２５における流れの動圧を利用して導入路４１内に主流蒸気の少なくとも一部が確実に導かれる。なお、主流蒸気の流れの乱れを抑制するために、導入路４１の端部がリターンチャネル２５の内壁面から突出しないのが好ましい。また、霧化部３１の貯液槽３３の内壁面における水面よりも上方位置に、導入路４１の他方の開口４１ｂが配設されている。

また、排出路４２は、一端が貯液槽３３に接続され、他端がリターンチャネル２５に接続されている。リターンチャネル２５の内壁面において排出路４２の開口４２ａが開放されており、この開口４２ａは、リターンチャネル２５内の流れ方向に関して導入路４１の開口４１ａに比べて下流位置に配設されている。なお、主流蒸気の流れの乱れを抑制するために、排出路４２の端部がリターンチャネル２５の内壁面から突出しないのが好ましい。また、霧化部３１の貯液槽３３の内壁面における水面よりも上方位置に、排出路４２の他方の開口４２ｂが配設されている。

図９に戻り、蒸発器５０と凝縮器６０との間には、これら蒸発器５０および凝縮器６０を接続して、凝縮器６０によって凝縮された液体、すなわち凝縮液を蒸発器５０に送出できる液体通路７０が設置されている。この液体通路７０には、３個の霧化部３１が直列に接続されている。このとき、図９に示すように、液体通路７０が貯液槽３３に接続されており、貯液槽３３の下部から凝縮液が導入され、適当な水位を確保して余分な凝縮液を貯液槽３３から排除できるようになっている。この液体通路７０は、貯液槽３３に凝縮液を導入するとともに、凝縮液に含まれる熱を霧化部３１内に伝達するため、霧化部３１内の凝縮液および雰囲気を加熱する加熱手段として機能する。なお、液体通路７０から導入された凝縮液に含まれる熱によって霧化部３１内の雰囲気が加熱されることで、霧化部３１内の凝縮液を霧化する霧化量が増加する。
また、液体通路７０において、凝縮器６０と霧化部３１との間、隣り合う霧化部３１，３１の間、および霧化部３１と蒸発器５０との間には、それぞれ開閉弁７１が設置されている。

このような圧縮機１３では、霧供給装置３０によってリターンチャネル２５内に霧が供給されることにより、リターンチャネル２５を流れる主流蒸気が冷却される。
すなわち、霧化部３１における貯液槽３３内の空間３３ａの雰囲気（霧水＋水蒸気）が加熱されることにより、その空間３３ａの飽和蒸気圧が上昇してリターンチャネル２５内の蒸気圧に比べて高圧となり、その圧力差によってその空間３３ａ内の雰囲気（霧水＋水蒸気）がリターンチャネル２５に流れ込む。さらに、リターンチャネル２５から主流蒸気の少なくとも一部が導入路４１を介して霧化部３１における貯液槽３３内の空間３３ａに導入されることにより、その空間３３ａ内の雰囲気（霧水＋水蒸気）が押し出され、排出路４２を介してその雰囲気がリターンチャネル２５に流れ込む。

このように、本例の圧縮機１３では、雰囲気加熱に伴う圧力上昇に加え、リターンチャネル２５からの主流蒸気の導入により、霧化部３１における貯液槽３３からリターンチャネル２５に雰囲気（霧水＋水蒸気）が流れる。この場合、雰囲気加熱に伴う圧力上昇のみの場合に比べて、リターンチャネル２５内への霧の供給量が増加し、圧縮気体（主流蒸気）の冷却効果の向上が図られる。リターンチャネル２５における主流蒸気の流量に応じて、リターンチャネル２５から霧化部３１への蒸気導入量が変化し、これに伴って、リターンチャネル２５内への霧の供給量が変化する。すなわち、主流蒸気の流量が多いときほどリターンチャネルに冷却用の多くの霧が供給される。これは、効果的な蒸気冷却に有利である。

なお、先の図９の圧縮機１３において、先の図３〜図７に示す加熱手段並びに霧化部３１を適用することも可能である。
また、リターンチャネル２５から導入路４１を介して貯液槽３３に導かれる蒸気は、リターンチャネル２５を流れる主流蒸気のほぼすべてであってもよく、主流蒸気の一部であってもよい。
さらに、本例では圧縮機１３が４段構成であるが、圧縮段数はこれに限らず、２段以上であれば他の段数でもよい。

また、図１１及び図１２に簡略化して示すように、霧供給部３２は、１つのリターンチャネル２５から抽気した蒸気を複数の霧化部３１に分配導入するように構成することもできる。図１１の例では、中段のリターンチャネル２５に導入路４１の一端が接続されており、その導入路４１の他端が分岐されて各貯液槽３３に接続されている。図１２の例では、最上段のリターンチャネル２５に導入路４１の一端が接続されており、その導入路４１の他端が分岐されて各貯液槽３３に接続されている。導入路４１が接続される抽気対象のリターンチャネル２５は、圧縮機１３の特性に応じて適宜選択される。

また、図１３に簡略化して示すように、霧供給部３２は、１つの霧化部３１から複数のリターンチャネル２５に霧を分配供給するように構成することもできる。図１３の例では、最下段のリターンチャネル２５に導入路４１の一端が接続されており、その導入路４１の他端が１つの霧化部３１に接続されている。さらに、その霧化部３１に排出路４２の一端が接続されるとともに、その排出路４２の他端が分岐されて各リターンチャネル２５に接続されている。

また、図１４に簡略化して示すように、霧供給部３２は、リターンチャネル２５とは異なる他の場所から蒸気あるいはガスを霧化部３１に導入するように構成することもできる。蒸気あるいはガスの供給源は、蒸発器５０や凝縮器６０であってもよく、別の圧縮装置からであってもよい。図１４の例では、複数の霧化部３１のそれぞれに、供給源からの導入路４１が接続されるとともに、各霧化部３１と各リターンチャネル２５とが排出路４２を介して接続されている。

さらに、本発明の多段圧縮機において、上記のような多段圧縮機を備えたヒートポンプにも適用可能であり、ヒートポンプ自体の性能の劣化およびコストアップの防止を図ることができる。また、ヒートポンプは、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（水蒸気）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。なお、ヒートポンプや熱利用装置に関する技術は、特開２００４−２９３８７２号公報に記載の技術を援用することができる。

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。

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。 霧化部の構成例を示す図である。 霧化部の他の構成例を示す図である。 霧化部の他の構成例を示す図である。 霧化部の他の構成例を示す図である。 霧化部の他の構成例を示す図である。 霧化部の他の構成例を示す図である。 圧力およびエンタルピーの関係を示す図である。 本発明に係る多段圧縮機の他の実施形態例を模式的に示す図である。 霧供給部の構成例を示す図である。 霧供給部の他の構成例を示す図である。 霧供給部の他の構成例を示す図である。 霧供給部の他の構成例を示す図である。 霧供給部の他の構成例を示す図である。

符号の説明

１２，１３…圧縮機（多段圧縮機）、２０…回転軸、２１…インペラ、２５…リターンチャネル（流路）、３１…霧化部、３２…霧供給部、３３…貯液槽、３３ａ…空間、３４…霧化器、導入路…４１、排出路…４２、５０…蒸発器、６０…凝縮器、７０…液体通路（加熱手段）

Claims (20)

1. 蒸発器から凝縮器に送出する蒸気を多段に圧縮する多段圧縮機において、段間の流路とは異なる空間で液体から霧を発生させる霧化部と、前記空間から前記流路に前記霧を供給する霧供給部と、前記霧化部内の雰囲気を加熱する加熱手段とを備えたことを特徴とする多段圧縮機。
2. 前記加熱手段は、前記凝縮器内の熱を前記霧化部内に伝達することで前記霧化部内の雰囲気を加熱することを特徴とする請求項１に記載の多段圧縮機。
3. 前記加熱手段は、前記凝縮器内で凝縮された液体を前記霧化部内に導入することで前記霧化部内の雰囲気を加熱することを特徴とする請求項２に記載の多段圧縮機。
4. 前記加熱手段は、前記凝縮器で温められた液体を前記霧化部内に導入することで前記霧化部内の雰囲気を加熱することを特徴とする請求項２に記載の多段圧縮機。
5. 前記加熱手段は、前記凝縮器内の蒸気を前記霧化部内に導入することで前記霧化部内の雰囲気を加熱することを特徴とする請求項２に記載の多段圧縮機。
6. 前記加熱手段は、前記圧縮機から排出された蒸気を前記霧化部内に導入することで前記霧化部内の雰囲気を加熱することを特徴とする請求項２に記載の多段圧縮機。
7. 前記加熱手段は、前記凝縮器内の蒸気または前記圧縮機から排出された蒸気を前記霧化部内の液体に導入することで前記霧化部内の雰囲気を加熱することを特徴とする請求項５または請求項６に記載の多段圧縮機。
8. 前記加熱手段は、前記凝縮器内の液体または蒸気と、前記霧化部内の液体または雰囲気とを熱交換することを特徴とする請求項２に記載の多段圧縮機。
9. 前記加熱手段は、駆動源の冷却液と、前記霧化部内の液体または雰囲気とを熱交換することを特徴とする請求項２に記載の多段圧縮機。
10. 前記加熱手段として、前記霧化部内の液体または雰囲気を加熱するヒータが用いられることを特徴とする請求項２に記載の多段圧縮機。
11. 前記蒸気を３段以上で圧縮し、前記流路を２以上形成するとともに、前記霧供給部は、少なくとも２つの前記流路に接続されていることを特徴とする請求項１から請求項１０のうちのいずれかに記載の多段圧縮機。
12. 前記霧化部の１つと少なくとも２つの前記流路とが前記霧供給部を介して接続されていることを特徴とする請求項１１に記載の多段圧縮機。
13. 前記蒸気を３段以上で圧縮し、前記流路を２以上形成するとともに、前記流路のそれぞれに前記霧化部および前記霧供給部が設置されることを特徴とする請求項１から請求項１０のうちのいずれかに記載の多段圧縮機。
14. 前記加熱手段は、前記霧化部の１つで凝縮されまたは温められた液体を別の前記霧化部内に導入することで前記霧化部内の雰囲気を加熱することを特徴とする請求項１３に記載の多段圧縮機。
15. 前記霧化部が２以上設置されるとともに、前記霧化部は、前記凝縮器内で凝縮されまたは温められた液体を前記蒸発器に送出できる液体通路に直列に接続されていることを特徴とする請求項１３または請求項１４に記載の多段圧縮機。
16. 前記霧供給部は、前記流路内の蒸気の少なくとも一部を前記霧化部に導入する導入路と、前記霧化部内の雰囲気を前記流路に排出する排出路とを有していることを特徴とする請求項１から請求項１５のいずれかに記載の多段圧縮機。
17. 前記流路内の蒸気の流れに対向するように前記導入路の開口が配設されていることを特徴とする請求項１６に記載の多段圧縮機。
18. 前記霧供給部は、他の場所から蒸気またはガスを前記霧化部に導入する導入路と、前記霧化部内の雰囲気を前記流路に排出する排出路とを有していることを特徴とする請求項１から請求項１５のいずれかに記載の多段圧縮機。
19. 請求項１から請求項１８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。
20. 熱源との熱の授受を行う熱利用装置であって、請求項１９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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