JP2011163596A - 吸気冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吸引した空気を冷却するための吸気冷却装置において、吸気方向下流側に運ばれる液滴量を減少させる手段を提供する。
【解決手段】本発明に係る吸気冷却装置１０は、吸気の流路Ｒに、熱媒体との熱交換によって吸気を冷却する第１熱交換器１１を設け、この第１熱交換器１１の吸気方向下流側に、熱媒体との熱交換によって第１熱交換器１１で冷却された吸気を加熱する第２熱交換器１２を設けたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービン等の吸気を出力向上のために冷却する装置に関し、特に、吸気中への水滴の発生の防止を図った吸気冷却装置に関する。

圧縮機、燃焼器、及びタービン等から構成される発電用ガスタービンでは、圧縮機へ吸気される吸気の温度によってタービンにおける出力が影響を受ける。例えば、大気温度が高い夏季には、吸気の密度が低下して質量流量が低下するため、タービンの出力が低下する。このようなタービンの出力低下を抑止するために、高温な吸気を冷却するための吸気冷却装置が従来提唱されている。

図９は、従来例に係る吸気冷却装置７０を備えた吸気ダクトＤ７の構成を示す模式図である。吸気ダクトＤ７は、吸気を冷却するための吸気冷却装置７０と、吸気から水分を除去するためのミストセパレータＭＳと、吸気から埃等の異物を除去するための集塵フィルタＳＦと、を備えている。

そして、吸気冷却装置７０は、吸気と熱媒体（不図示）との間で熱交換させることで吸気を冷却する熱交換器７１と、この熱交換器７１に対して熱媒体を供給するポンプ７２と、熱媒体と冷却水との間で熱交換させることで熱媒体を冷却する冷凍機７３と、冷却水と大気との間で熱交換させることで冷却水を冷却する冷却塔７４と、を有している。

ここで、熱交換器７１による熱交換の方式としては、いわゆる冷却コイル方式と加湿冷却方式とがある（例えば、特許文献１を参照）。冷却コイル方式とは、コイルの内部に熱媒体を流通させ、吸気をこの冷却コイルに接触させることにより、吸気と冷媒との間で熱交換させる方式である。一方、加湿冷却方式とは、吸気ダクトＤ７の内部に配置した多孔質の部材等に対して熱媒体を噴霧し、この熱媒体が蒸発する時の気化熱を利用して吸気と熱媒体との間で熱交換させる方式である。

特許第２５０４６６３号公報

しかし、従来の吸気冷却装置７０によれば、熱交換器７１を通過した吸気の中に液滴が相当量存在し、この液滴が下流側の集塵フィルタＳＦや圧縮機に付着すると、これらの箇所で不具合が生じるという問題があった。より詳細に説明すると、熱交換器７１が冷却コイル方式を採用する場合、低温な冷却コイルの表面に吸気が接触すると、吸気中の水分が凝縮することで冷却コイルの表面に水滴が付着し、この水滴が吸気中に飛散する。また、吸気自体が露点温度以下まで冷却されると、吸気中の水分が凝縮することで水滴として表出する。一方、熱交換器７１が加湿冷却方式を採用する場合は、噴霧した熱媒体の液滴が吸気によって下流側へ運ばれる。

このようにして吸気中に存在する液滴は、その一部がミストセパレータＭＳによって除去されるものの、除去し切れずに残存したものが吸気によって更に下流側へ運ばれる。そして、この液滴によって集塵フィルタＳＦや圧縮機が腐食する不具合、或いは集塵フィルタＳＦの圧力損失が増加するという不具合が生じる。

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、吸引した空気を冷却するための吸気冷却装置において、吸気方向下流側に運ばれる液滴量を減少させる手段を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。すなわち、本発明に係る吸気冷却装置は、吸気の流路に、熱媒体との熱交換によって吸気を冷却する第１熱交換器を設け、この第１熱交換器の吸気方向下流側に、熱媒体との熱交換によって前記第１熱交換器で冷却された吸気を加熱する第２熱交換器を設けたことを特徴とする。

このような構成によれば、吸気は第１熱交換器で一旦冷却された後、吸気方向下流側に位置する第２熱交換器で加熱され、これに伴って吸気の相対湿度が低下する。

また、本発明に係る吸気冷却装置は、前記第１熱交換器から出た前記熱媒体を、前記第２熱交換器へ供給した後、この熱媒体を冷却するための第１冷凍機へ戻すことを特徴とする。

このような構成によれば、第１熱交換器と第２熱交換器に別々の熱媒体を供給する場合と比較して、構成及び制御が簡略化され、コストダウンを図ることができる。

また、本発明に係る吸気冷却装置は、前記第１熱交換器から出た熱媒体を前記第２熱交換器を経由せずに前記第１冷凍機へ直接戻す第１バイパス系を設け、この第１バイパス系に、前記第１冷凍機に供給する熱媒体を冷却するための第２冷凍機を設けたことを特徴とする。

このような構成によれば、熱媒体系を流通する熱媒体の一部が第１バイパス系に分岐し、第２冷凍機で冷却された熱媒体と第２熱交換器で温められた熱媒体とが第１冷凍機の前で混合する。これにより、熱媒体系と第１冷凍機の冷却系との温度差が小さくなることにより、第１冷凍機の負荷を低減することができる。

また、本発明に係る吸気冷却装置は、前記第１熱交換器及び前記第２熱交換器を経由せずに前記第１冷凍機の出口を入口につなぐ第２バイパス系を設けたことを特徴とする。

このような構成によれば、第２バイパス系を設けたので、部分負荷運転の際に第２バイパス系の流量を調節することにより、吸気の温度や熱媒体の温度等を容易に制御することができる。

また、本発明に係る吸気冷却装置は、前記第２熱交換器は、前記第１冷凍機の冷却系を流れる流体が熱媒体として供給されることを特徴とする。

このような構成によれば、第２熱交換器に供給する熱媒体を第１冷凍機の冷却系を流れる流体とは別にする場合と比較して、構成及び制御が簡略化され、コストダウンを図ることができる。

また、本発明に係る吸気冷却装置は、前記第１冷凍機の冷却系に冷却塔を設け、更に前記第２熱交換器を経由せずに前記流体を前記冷却塔へ直接戻す第３バイパス系を設けたことを特徴とする。

このような構成によれば、第３バイパス系を設けたので、部分負荷運転の際に第３バイパス系の流量を調節することにより、吸気の温度や冷却水の温度等を容易に制御することができる。

また、本発明に係る吸気冷却装置は、前記第２熱交換器に代えて、前記第１熱交換器の吸気方向下流側に外気を導入することによって、前記第１熱交換器で冷却された吸気を加熱することを特徴とする。

このような構成によれば、吸気は第１熱交換器で一旦冷却された後、吸気方向下流側に導入された外気によって加熱され、これに伴って吸気の相対湿度が低下する。これにより、吸気方向下流側に運ばれる液滴量を減少させることができ、下流側に設けられた圧縮機の腐食や集塵フィルタの圧力損失増加といった不具合を未然に防止することができる。

また、本発明に係る吸気冷却装置は、前記第２熱交換器に代えて、前記第１熱交換器の一部に吸気を冷却しない非冷却領域を設け、この非冷却領域を通過した吸気と混合させることによって、前記第１熱交換器で冷却された吸気を加熱することを特徴とする。

このような構成によれば、冷却領域を通過して一旦冷却された吸気が、非冷却領域を通過した吸気と混合されることで加熱され、これに伴って吸気の相対湿度が低下する。これにより、吸気方向下流側に運ばれる液滴量を減少させることができ、下流側に設けられた圧縮機の腐食や集塵フィルタの圧力損失増加といった不具合を未然に防止することができる。

本発明に係る吸気冷却装置によれば、吸気の相対湿度が低下する分、吸気方向下流側に運ばれる液滴量を減少させることができる。これにより、下流側に設けられた圧縮機の腐食や集塵フィルタの圧力損失増加といった不具合を未然に防止することができる。

本発明の第１実施形態に係る吸気冷却装置１０を備えた吸気ダクトＤ１の構成を示す模式図。 本発明の第２実施形態に係る吸気冷却装置２０を備えた吸気ダクトＤ２の構成を示す模式図。 本発明の第３実施形態に係る吸気冷却装置３０を備えた吸気ダクトＤ３の構成を示す模式図。 本発明の第４実施形態に係る吸気冷却装置４０を備えた吸気ダクトＤ４の構成を示す模式図。 本発明の第５実施形態に係る吸気冷却装置５０を備えた吸気ダクトＤ５の構成を示す模式図。 図５のノズル５５３を吸気方向下流側から見た図。 本発明の第６実施形態に係る吸気冷却装置６０を備えた吸気ダクトＤ６の構成を示す模式図。 図７の第１熱交換器６１を吸気方向下流側から見た図。 従来例に係る吸気冷却装置７０を備えた吸気ダクトＤ７の構成を示す模式図。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。まず、本発明の第１実施形態に係る吸気冷却装置の構成について説明する。図１は、本実施形態に係る吸気冷却装置１０を備えた吸気ダクトＤ１の構成を模式的に示した図である。吸気ダクトＤ１は、流路Ｒを形成する配管Ｈと、吸気口ユニットＫＹと、吸気冷却装置１０と、ミストセパレータＭＳと、集塵フィルタＳＦと、を備えるものである。そして、吸気方向に沿って配管Ｈの最上流部に設けられた吸気口ＫＫから大気が吸い込まれる一方、配管Ｈの最下流部に設けられた排気口ＨＫから、発電用ガスタービンを構成する圧縮機（不図示）に大気が供給される。尚、本実施形態では吸気冷却装置１０を発電用ガスタービンに適用する場合を例に説明するが、空気を吸引して供給するその他の装置に適用することも可能である。

前記吸気口ユニットＫＹは、図１に詳細は示さないが、ブラインド状の部材であって吸気ダクトＤ１の内部に雨水が浸入するのを防止するためのウェザールーバーと、吸気から埃等の異物を除去するためのプレフィルタとから構成されている。この吸気口ユニットＫＹは、図１に示すように、吸気口ＫＫに近接した位置に設けられている。尚、この吸気口ユニットＫＹは本発明に必須の構成ではなく、またウェザールーバーやプレフィルタ以外の構成を含めてもよい。

前記吸気冷却装置１０は、流路Ｒを流れる吸気を冷却するためのものである。この吸気冷却装置１０は、図１に示すように、配管Ｈの内部に設けられた第１熱交換器１１及び第２熱交換器１２と、両方の熱交換器１１，１２を経由して熱媒体を流通させる熱媒体系１３と、この熱媒体系１３に設けられた第１冷凍機ユニット１４と、各熱交換器１１，１２を経由せずに熱媒体を流通させる第１バイパス系１５と、この第１バイパス系１５に設けられた第２冷凍機ユニット１６と、熱媒体系１３及び第１バイパス系１５の各所に設けられて熱媒体を圧送するポンプ１７と、を有している。

第１熱交換器１１は、吸気と熱媒体との間で熱交換させることによって吸気を冷却するためのものである。この第１熱交換器１１は、図１に示すように、吸気口ユニットＫＹの下流側の位置に設けられている。一方、第２熱交換器１２は、吸気と熱媒体との間で熱交換させることによって吸気を加熱するためのものである。この第２熱交換器１２は、第１熱交換器１１より更に下流側の位置に設けられている。尚、第１熱交換器１１と第２熱交換器１２の熱交換方式としては、例えば前述の冷却コイル方式や加湿冷却方式を採用することができる。

熱媒体系１３は、図１に示すように、第１冷凍機ユニット１４から第１熱交換器１１へ延び、第１熱交換器１１を出て第２熱交換器１２を経由した後、第１冷凍機ユニット１４へと戻るように設けられている。そして、この熱媒体系１３における第１冷凍機ユニット１４と第１熱交換器１１の間、及び第１熱交換器１１と第２熱交換器１２の間、には前記ポンプ１７が設けられている。尚、熱媒体系１３におけるポンプ１７の位置は本実施形態に限定されず、例えば第２熱交換器１２と第１冷凍機ユニット１４の間に設けてもよい。

第１冷凍機ユニット１４は、第１熱交換器１１と第２熱交換器１２に供給する熱媒体を冷却するためのものである。この第１冷凍機ユニット１４は、図１に示すように、熱媒体系１３に設けられ熱媒体を圧縮する第１冷凍機１４１と、熱媒体を圧縮することにより温度が上昇した第１冷凍機ユニット１４へ冷却水を循環して流通させる第１冷却系１４２と、この第１冷却系１４２に設けられた第１冷却塔１４３と、を有している。そして、第１冷凍機ユニット１４を冷却することによって温度が上昇した冷却水は、第１冷却系１４２を経て第１冷却塔１４３へ運ばれ、この第１冷却塔１４３で大気と接触することによって温度が低下する。尚、第１冷却塔の種類は問わない。例えば、海水との熱交換などを利用した冷却方法でも採用することが出来る（以下の実施例も同じ）。

第１バイパス系１５は、図１に示すように、熱媒体系１３における第１熱交換器１１と第２熱交換器１２の間の位置から延び、第２冷凍機ユニット１６を経由した後、第１冷凍機ユニット１４へと戻るように設けられている。そして、この第１バイパス系１５における第２冷凍機ユニット１６より上流側に、前記ポンプ１７が設けられている。このような構成によれば、第１熱交換器１１を出て熱媒体系１３を流通する熱媒体の一部がこの第１バイパス系１５に流れ込み、第２冷凍機ユニット１６で冷却された後、第１冷凍機１４１に戻される。尚、第１バイパス系１５におけるポンプ１７の位置は本実施形態に限定されず、例えば第２冷凍機ユニット１６より下流側であってもよい。

第２冷凍機ユニット１６は、第１バイパス系１５を流通する熱媒体を冷却するためのものである。この第２冷凍機ユニット１６は、図１に示すように、第１バイパス系１５に設けられた第２冷凍機１６１と、冷却水を循環して流通させる第２冷却系１６２と、この第２冷却系１６２に設けられた第２冷却塔１６３と、を有している。このように構成される第２冷凍機ユニット１６によれば、第２冷凍機１６１により、第１バイパス系１５を流通する熱媒体が冷却される。

前記ミストセパレータＭＳは、吸気に含まれる水分を除去するためのものである。このミストセパレータＭＳは、吸気方向に沿って第１熱交換器１１の直下流位置に設けられている。

前記集塵フィルタＳＦは、吸気に含まれる埃等の異物を除去するためのものである。この集塵フィルタＳＦは、前記プレフィルタより細かい目を有するものである。尚、集塵フィルタＳＦの数は、吸気ダクトＤ１が適用されるプラントによって任意に設定することができる。

尚、図１に示すように、吸気方向に沿って流路Ｒの各所には、吸気の温度や湿度やフィルタ差圧等を計測するための計測点ＫＴが設けられている。ここで、フィルタ差圧は、集塵フィルタＳＦの部分で計測され、集塵フィルタＳＦが吸気方向に沿って複数枚並べて設置される場合は、１枚だけの集塵フィルタＳＦについて差圧を計測してもよいし、複数枚のフィルタＳＦについて差圧を計測してもよい。そして、この計測点ＫＴでの計測結果に基づいて、吸気冷却装置１０の各部の動作が制御されている。ここで、吸気冷却装置１０の各部の動作としては、例えば、第１冷凍機１４１や第２冷凍機１６１の出力、熱媒体系１３や第１バイパス系１５における熱媒体の流量、第２熱交換器１２における熱媒体の流量、第１冷凍機ユニット１４や第２冷凍機ユニット１６の起動または停止等が挙げられる。

次に、第１実施形態に係る吸気冷却装置１０の作用効果について、図１を用いて説明する。尚、以下で説明する各実施形態では、温度Ｔａの吸気を冷却して目標温度Ｔｃまで低下させる場合を例に説明する。本実施形態の吸気冷却装置１０では、まず、第１冷凍機１４１から第１熱交換器１１に対し、温度Ｔ１の熱媒体が供給される。そして、この熱媒体は、第１熱交換器１１によって吸気との間で熱交換されることにより、その温度がＴ１からＴ２へと上昇する。一方、吸気口ＫＫから吸引された温度Ｔａの吸気は、第１熱交換器１１によって冷却されることにより、その温度がＴａからＴｂへと低下する。ここで、以下の各実施形態で使用する温度Ｔｂとは、目標温度Ｔｃより数℃低い温度を意味する（Ｔａ＞Ｔｃ＞Ｔｂ）。このように、吸気冷却装置１０では、第１熱交換器１１によって吸気を目標温度Ｔｃより数℃低い温度Ｔｂまで一旦冷却する。

その後、第１熱交換器１１を出た温度Ｔ２の熱媒体は、その一部が熱媒体系１３から第１バイパス系１５に流れ込む。この第１バイパス系１５へ分岐した熱媒体は、第２冷凍機１６１によって冷却されて温度がＴ２からＴ３へと低下した後、第１冷凍機１４１に戻される。そして、戻された温度Ｔ３の熱媒体は、第１冷凍機１４１によって更に冷却されることにより、その温度がＴ１へと更に低下し、熱媒体系１３へ再度送出される。

一方、第１バイパス系１５へ分岐しなかった残りの熱媒体は、そのまま熱媒体系１３を進み、温度Ｔ２のまま、第２熱交換器１２に供給される。そして、この熱媒体は、第２熱交換器１２によって吸気との間で熱交換されることにより、その温度がＴ２からＴ４へと低下する。そして、この温度Ｔ４の熱媒体は第１冷凍機１４１に戻されて冷却されることにより、その温度がＴ４からＴ１へ低下し、熱媒体系１３へ再度送出される。

また、第１熱交換器１１を通過した温度Ｔｂの吸気は、第２熱交換器１２によって加熱されることにより、その温度がＴｂから目標温度Ｔｃへと上昇する。このようにして、吸気口ＫＫから吸引された温度Ｔａの吸気が温度Ｔｃまで冷却され、排気口ＨＫから排出される。

このように、本実施形態に係る吸気冷却装置１０では、吸気を冷却してその温度を目標温度Ｔｃより低い温度Ｔｂまで一旦低下させた後、第２熱交換器１２で吸気を加熱してその温度を目標温度Ｔｃまで上昇させる。これに伴って、相対湿度が低下するので、ミストセパレータＭＳで除去しきれずに下流側へ運ばれる吸気中の水滴を蒸発させることができる。これにより、下流側の集塵フィルタＳＦや圧縮機で水滴による不具合が生じることを未然に防止することができる。更に、本実施形態では、熱媒体系１３を流通する熱媒体の一部を第１バイパス系１５に分岐させ、第２冷凍機１６１で冷却された熱媒体（温度Ｔ３）と、第２熱交換器１２で加熱した熱媒体（温度Ｔ４）とを第１冷凍機１４１の手前で混合させる。従って、混合後の熱媒体は温度Ｔ５（Ｔ４＞Ｔ５＞Ｔ３）となり、熱媒体系１３を流通する熱媒体と、第１冷凍機１４１の冷却系１４２を流通する冷却水との温度差は、熱媒体系１３を流通する熱媒体だけが第１冷凍機１４１に戻される場合と比較して小さくなる。これにより、第１冷凍機１４１の負荷を低減することができる。

次に、第２実施形態に係る吸気冷却装置１０の構成について説明する。図２は、第２実施形態に係る吸気冷却装置２０を備えた吸気ダクトＤ２の構成を示す模式図である。本実施形態の吸気ダクトＤ２は、図１に示す第１実施形態と比較すると、吸気冷却装置２０の構成だけが異なっている。尚、吸気冷却装置２０以外の構成は第１実施形態と同じであるため、図１と同じ符号を付し、ここでは説明を省略する。また、吸気方向に沿って流路Ｒの各所に、吸気の温度や湿度やフィルタ差圧等を計測するための計測点ＫＴが設けられている点も第１実施形態と同じである。

吸気冷却装置２０は、図２に示すように、配管Ｈの内部に設けられた第１熱交換器２１及び第２熱交換器２２と、各熱交換器２１，２２を経由して熱媒体を流通させる熱媒体系２３と、この熱媒体系２３に設けられた冷凍機ユニット２４と、各熱交換器２１，２２を経由せずに冷凍機ユニット２４の出口を入口につなぐ第２バイパス系２５と、熱媒体系２３に設けられて熱媒体を圧送するポンプ２６と、を有している。尚、第１熱交換器２１と第２熱交換器２２の構成及び機能は、第１実施形態と同じであるため、ここでは説明を省略する。また、冷凍機ユニット２４は、第１実施形態の第１冷凍機ユニット１４と同様に冷凍機２４１と冷却系２４２と冷却塔２４３とから構成され、各構成の機能は第１実施形態と同じである。

熱媒体系２３は、図２に示すように、冷凍機２４１から第１熱交換器２１へ延び、第１熱交換器２１を出て第２熱交換器２２を経由して冷凍機２４１へと戻るように設けられている。そして、この熱媒体系２３における冷凍機ユニット２４と第１熱交換器２１の間には、熱媒体を圧送するポンプ２６が設けられている。尚、熱媒体系２３におけるポンプ２６の位置は本実施形態に限定されず、任意の位置に設置することが可能である。

第２バイパス系２５は、図２に示すように、熱媒体系２３における冷凍機２４１と第１熱交換器２１の間の位置から延び、冷凍機２４１と第２熱交換器２２の間の位置へ達するように設けられている。このような構成によれば、冷凍機２４１を出て熱媒体系２３を流通する熱媒体の一部がこの第２バイパス系２５に流れ込み、第１熱交換器２１を経由することなく冷凍機２４１に戻される。尚、図に詳細は示さないが、第２バイパス系２５に開閉可能なバルブを設け、このバルブの開閉制御によって第１熱媒体系２３から第２バイパス系２５に流れ込む熱媒体の流量を調節してもよい。

次に、第２実施形態に係る吸気冷却装置の作用効果について、図２を用いて説明する。本実施形態の吸気冷却装置２０では、まず、冷凍機２４１から温度Ｔ１の熱媒体が送出される。そして、熱媒体系２３を流通する温度Ｔ１の熱媒体は、その一部が熱媒体系２３から第２バイパス系２５に流れ込む。一方、第２バイパス系２５に分岐しなかった残りの熱媒体は、そのまま熱媒体系２３を進み、第１熱交換器２１に供給される。そして、第１実施形態と同様に、第１熱交換器２１による熱交換により、熱媒体の温度がＴ１からＴ２へ上昇する一方、吸気の温度がＴａからＴｂへ低下する。このように、本実施形態の吸気冷却装置２０でも、第１熱交換器２１によって吸気を目標温度Ｔｃより数℃低い温度Ｔｂまで一旦冷却する。

その後、第１熱交換器２１を出た熱媒体は、そのまま熱媒体系２３を進み、温度Ｔ２のまま、第２熱交換器２２に供給される。そして、この熱媒体は、第２熱交換器２２によって吸気との間で熱交換されることにより、その温度がＴ２からＴ３へと低下する。一方、第１熱交換器２１を通過した温度Ｔｂの吸気は、第２熱交換器２２によって加熱されることにより、その温度がＴｂから目標温度Ｔｃへと上昇する。このようにして、吸気口ＫＫから吸引された温度Ｔａの吸気が温度Ｔｃまで冷却され、排気口ＨＫから排出される。

一方、前述のように熱媒体系２３から第２バイパス系２５に流れ込んだ熱媒体は、温度Ｔ１のまま熱媒体系２３へそのまま戻される。これにより、第２熱交換器２２を出た温度Ｔ３（Ｔ３＞Ｔ１）の熱媒体と、第２バイパス系２５から流れ込む温度Ｔ１の熱媒体とが合流し、合流後の熱媒体の温度は温度Ｔ１と温度Ｔ３の中間の温度Ｔ４となる（Ｔ３＞Ｔ４＞Ｔ１）。そして、この温度Ｔ４の熱媒体は、冷凍機２４１へ戻されて冷却されることにより、その温度がＴ４からＴ１へと低下し、熱媒体系２３へ再度送出される。

また、第１熱交換器２１を通過した温度Ｔｂの吸気は、第２熱交換器２２によって加熱されることにより、その温度がＴｂから目標温度Ｔｃへと上昇する。このようにして、吸気口ＫＫから吸引された温度Ｔａの吸気が温度Ｔｃまで冷却され、排気口ＨＫから排出される。

このように、本実施形態の吸気冷却装置２０も、吸気を冷却して目標温度Ｔｃより低い温度Ｔｂまで一旦低下させた後、第２熱交換器２２で吸気を加熱して目標温度Ｔｃまで上昇させるので、第１実施形態と同様に、ミストセパレータＭＳで除去しきれずに下流側へ運ばれる液滴量が減少するという効果が得られる。更に、本実施形態の吸気冷却装置２０は、第２バイパス系２５を設けたので、部分負荷運転の際に第２バイパス系２５の流量を調節することにより、吸気の温度Ｔｂ，Ｔｃや熱媒体の温度Ｔ２等を容易に制御することができる。

次に、第３実施形態に係る吸気冷却装置の構成について説明する。図３は、第３実施形態に係る吸気冷却装置３０を備えた吸気ダクトＤ３の構成を示す模式図である。本実施形態の吸気ダクトＤ３は、図１に示す第１実施形態と比較すると、吸気冷却装置３０が第２バイパス系３１を備える点だけが異なっている。尚、吸気冷却装置３０以外の構成は第１実施形態と同じであるため、図１と同じ符号を付し、ここでは説明を省略する。また、吸気方向に沿って流路Ｒの各所に、吸気の温度や湿度やフィルタ差圧等を計測するための計測点ＫＴが設けられている点も第１実施形態と同じである。

第２バイパス系３１は、図３に示すように、熱媒体系１３における第１冷凍機ユニット１４と第１熱交換器１１の間の位置から延び、第１冷凍機ユニット１４と第２熱交換器１２の間の位置へ達するように設けられている。このような構成によれば、第１冷凍機１４１を出て熱媒体系１３を流通する熱媒体の一部がこの第２バイパス系３１に流れ込み、第１熱交換器１１及び第２熱交換器１２を経由することなく第１冷凍機１４１に戻される。尚、図に詳細は示さないが、第２バイパス系３１に開閉可能なバルブを設けてもよいことは第２実施形態と同様である。

次に、第３実施形態に係る吸気冷却装置１０の作用効果について、図３を用いて説明する。本実施形態の吸気冷却装置３０では、熱媒体系１３から第２バイパス系３１に流れ込んだ熱媒体が、温度Ｔ１のまま熱媒体系１３へそのまま戻される。これにより、第２熱交換器１２を出た温度Ｔ４（Ｔ２＞Ｔ４＞Ｔ１）の熱媒体と、第２バイパス系３１から流れ込む温度Ｔ１の熱媒体とが合流し、合流後の熱媒体は温度Ｔ１と温度Ｔ４の中間の温度Ｔ５となる（Ｔ４＞Ｔ５＞Ｔ１）。そして、この温度Ｔ５の熱媒体は、第１冷凍機１４１へ戻されて冷却されることにより、その温度がＴ５からＴ１へと低下し、熱媒体系１３へ再度送出される。

このように、本実施形態の吸気冷却装置３０も、吸気を冷却して目標温度Ｔｃより低い温度Ｔｂまで一旦低下させた後、第２熱交換器２２で吸気を加熱して目標温度Ｔｃまで上昇させるので、第１実施形態と同様に、ミストセパレータＭＳで除去しきれずに下流側へ運ばれる液滴量が減少するという効果が得られる。更に、本実施形態の吸気冷却装置３０は、第２バイパス系３１を設けたので、第２実施形態と同様の効果が得られる。

次に、第４実施形態に係る吸気冷却装置の構成について説明する。図４は、第４実施形態に係る吸気冷却装置４０を備えた吸気ダクトＤ４の構成を示す模式図である。本実施形態の吸気ダクトＤ４は、図１に示す第１実施形態と比較すると、吸気冷却装置４０の構成だけが異なっている。尚、吸気冷却装置４０以外の構成は第１実施形態と同じであるため、図１と同じ符号を付し、ここでは説明を省略する。また、吸気方向に沿って流路Ｒの各所に、吸気の温度や湿度やフィルタ差圧等を計測するための計測点ＫＴが設けられている点も第１実施形態と同じである。

吸気冷却装置４０は、図４に示すように、配管Ｈの内部に設けられた第１熱交換器４１及び第２熱交換器４２と、第１熱交換器４１を経由して熱媒体を流通させる熱媒体系４３と、熱媒体を冷却するための冷凍機４４と、熱媒体系４３に設けられて熱媒体を圧送するポンプ４５と、第２熱交換器４２を経由して冷却水を循環して流通させる冷却系４６と、この冷却系４６に設けられた冷却塔４７と、第２熱交換器４２を経由せずに冷却水を冷却塔４７に戻す第３バイパス系４８と、を備えるものである。尚、第１熱交換器４１及び第２熱交換器４２は、第１実施形態の第１熱交換器１１及び第２熱交換器１２と同じ構成及び機能を有するものである。また、冷凍機４４は、第１実施形態の第１冷凍機１４１と同じ構成及び機能を有するものである。

熱媒体系４３は、図４に示すように、冷凍機４４から第１熱交換器４１へ延び、第１熱交換器４１を出て冷凍機４４に戻るように設けられている。そして、この熱媒体系４３における冷凍機４４と第１熱交換器４１の間には、ポンプ４５が設けられている。尚、ポンプ４５は熱媒体系４３における任意の位置に設置することができる。

冷却系４６は、図４に示すように、冷凍機４４から第２熱交換器４２へ延び、第２熱交換器４２を出て冷却塔４７を経由して冷凍機４４へ戻るように設けられている。また、第３バイパス系４８は、冷却系４６における第２熱交換器４２より上流側の位置から延び、第２熱交換器４２と冷却塔４７の間の位置へ達するように設けられている。このような構成によれば、冷凍機４４を出て冷却系４６を流通する冷却水の一部がこの第３バイパス系４８に流れ込み、第２熱交換器４２を経由することなく冷凍機４４に戻される。尚、図に詳細は示さないが、第３バイパス系４８に開閉可能なバルブを設け、このバルブの開閉制御によって冷却系４６から第３バイパス系４８に流れ込む冷却水の流量を調節してもよい。

冷却塔４７は、第１実施形態の第１冷却塔１４３と同じ構成及び機能を有するものである。

次に、第４実施形態に係る吸気冷却装置４０の作用効果について、図４を用いて説明する。本実施形態の吸気冷却装置４０では、まず、冷凍機４４から第１熱交換器４１に対し、温度Ｔ１の熱媒体が供給される。そして、第１熱交換器４１による熱交換によって、熱媒体の温度がＴ１からＴ２へと上昇する一方、吸気の温度がＴａからＴｂへと低下する。そして、第１熱交換器４１を出た熱媒体は、冷凍機４４へ戻されて冷却されることにより、その温度がＴ２からＴ１へと低下し、熱媒体系４３へ再度送出される。

一方、冷凍機４４から温度Ｔ３の冷却水が送出される。この冷却水は、その一部が冷却系４６から第３バイパス系４８に流れ込む。一方、第３バイパス系４８に分岐しなかった残りの冷却水は、そのまま冷却系４６を進み、第２熱交換器４２に熱媒として供給される。そして、第２熱交換器４２による熱交換によって、冷却水の温度がＴ３からＴ４へと低下する一方、吸気の温度がＴｂからＴｃへと上昇する。その後、この温度Ｔｃの吸気が排気口ＨＫから排出される。

一方、前述のように冷却系４６から第３バイパス系４８に流れ込んだ冷却水は、温度Ｔ３のまま冷却系４６へそのまま戻される。これにより、第２熱交換器４２を出た温度Ｔ４の冷却水と、第３バイパス系４８から流れ込む温度Ｔ３（Ｔ３＞Ｔ４）の冷却水とが合流し、合流後の冷却水の温度は温度Ｔ３と温度Ｔ４の中間の温度Ｔ５となる（Ｔ３＞Ｔ５＞Ｔ４）。そして、この温度Ｔ５の冷却水は、冷却塔４７で空冷されることにより、その温度がＴ５からＴ６へと低下する。そして、この温度Ｔ６の冷却水は、冷凍機４４へ戻されて熱媒体と熱交換されることにより、その温度がＴ６からＴ３へと上昇し、冷却系４６へ再度送出される。

このように、本実施形態の吸気冷却装置４０も、吸気を冷却して目標温度Ｔｃより低い温度Ｔｂまで一旦低下させた後、第２熱交換器４２で吸気を加熱して目標温度Ｔｃまで上昇させるので、第１実施形態と同様に、ミストセパレータＭＳで除去しきれずに下流側へ運ばれる液滴量が減少するという効果が得られる。更に、本実施形態の吸気冷却装置４０は、第３バイパス系４８を設けたので、部分負荷運転の際に第３バイパス系４８の流量を調節することにより、吸気の温度Ｔｂ，Ｔｃや冷却水の温度Ｔ４等を容易に制御することができる。

次に、第５実施形態に係る吸気冷却装置の構成について説明する。図５は、第５実施形態に係る吸気冷却装置５０を備えた吸気ダクトＤ５の構成を示す模式図である。本実施形態の吸気ダクトＤ５は、図１に示す第１実施形態と比較すると、吸気冷却装置５０の構成だけが異なっている。尚、吸気冷却装置５０以外の構成は第１実施形態と同じであるため、図１と同じ符号を付し、ここでは説明を省略する。また、吸気方向に沿って流路Ｒの各所に、吸気の温度や湿度やフィルタ差圧等を計測するための計測点ＫＴが設けられている点も第１実施形態と同じである。

吸気冷却装置５０は、図５に示すように、配管Ｈの内部に設けられた第１熱交換器５１と、第１熱交換器５１を経由して熱媒体を流通させる熱媒体系５２と、この熱媒体系５２に設けられた冷凍機ユニット５３と、熱媒体系５２に設けられて熱媒体を圧送するポンプ５４と、外気を配管Ｈの内部に導入するための外気導入ユニット５５と、を備えるものである。尚、第１熱交換器５１は、第１実施形態の第１熱交換器１１と同じ構成及び機能を有するものである。また、冷凍機ユニット５３は、冷凍機５３１と冷却系５３２と冷却塔５３３とを有するものであり、その構成及び機能は第１実施形態の第１冷凍機ユニット１４と同じである。

熱媒体系５２は、図５に示すように、冷凍機５３１から第１熱交換器５１へ延び、第１熱交換器５１を出て冷凍機５３１に戻るように設けられている。そして、この熱媒体系５２における冷凍機５３１と第１熱交換器５１の間には、ポンプ５４が設けられている。尚、ポンプ５４は熱媒体系５２における任意の位置に設置することができる。

外気導入ユニット５５は、図５に示すように、配管Ｈの外部に設けられて外気を吸引するエアーポンプ５５１と、このエアーポンプ５５１に一端が接続されて外気が流通する空気系５５２と、この空気系５５２の他端に接続されて外気を噴射する複数のノズル５５３と、を有している。尚、エアーポンプ５５１は、その起動または停止等の動作が、各計測点ＫＴでの計測結果に基づいて制御されている。

ノズル５５３は、図５に示すように、配管Ｈの内部におけるミストセパレータＭＳと集塵フィルタＳＦとの間の位置に設けられている。ここで、図６は、ノズル５５３を吸気方向下流側から見た図である。ノズル５５３は、鉛直方向に延びる長尺なノズル本体５５３ａに複数のノズル孔５５３ｂが形成されたものであって、水平方向に所定間隔で複数個並べられている。このように構成されるノズル５５３によれば、エアーポンプ５５１から空気系５５２を介して送られてきた外気が、ノズル孔５５３ｂから下流側に向けて噴射される。

尚、ノズル孔５５３ｂの形状や位置や個数及びノズル５５３の個数等は、適宜設計変更が可能である。また、空気系５５２におけるエアーポンプ５５１の設置位置や個数も、適宜設計変更が可能である。更に、外気導入ユニット５５は配管Ｈの内部に外気を導入可能な構成であれば足り、本実施形態の構成に限定されるものではない。例えば、図に詳細は示さないが、配管Ｈの壁面に形成した複数の空気導入孔だけで外気導入ユニット５５を構成し、配管Ｈの内部が負圧になることを利用して、空気導入孔から外気が吸引されて配管Ｈの内部に導入されるようにしてもよい。

次に、第５実施形態に係る吸気冷却装置５０の作用効果について、図５を用いて説明する。本実施形態の吸気冷却装置５０では、まず、冷凍機５３１から第１熱交換器５１に対し、温度Ｔ１の熱媒体が供給される。そして、第１熱交換器５１による熱交換によって、熱媒体の温度がＴ１からＴ２へと上昇する一方、吸気の温度がＴａからＴｂへと低下する。そして、第１熱交換器５１を出た熱媒体は、冷凍機５３１へ戻されて冷却水と熱交換されることによって、その温度がＴ２からＴ１へと低下し、熱媒体系５２へ再度送出される。

一方、エアーポンプ５５１によって、目標温度Ｔｃより高温である温度Ｔ３の外気が吸引される（Ｔ３＞Ｔｃ＞Ｔｂ）。そして、この外気は、空気系５５２を介してノズル５５３へ送られ、ノズル孔５５３ｂから下流側に向けて噴射される。これにより、噴射された温度Ｔ３の外気が、前述のように第１熱交換器５１を通過した温度Ｔｂの吸気に混合し、混合後の吸気は、温度Ｔ３と温度Ｔｂの中間の目標温度Ｔｃとなる。そして、この温度Ｔｃの吸気が排気口ＨＫから排出される。

このように、本実施形態の吸気冷却装置５０も、吸気を冷却して目標温度Ｔｃより低い温度Ｔｂまで一旦低下させた後、高温の外気と混合して加熱することで目標温度Ｔｃまで上昇させるので、第１実施形態と同様に、ミストセパレータＭＳで除去しきれずに下流側へ運ばれる液滴量が減少するという効果が得られる。

次に、第６実施形態に係る吸気冷却装置の構成について説明する。図７は、第６実施形態に係る吸気冷却装置６０を備えた吸気ダクトＤ６の構成を示す模式図である。本実施形態の吸気ダクトＤ６は、図１に示す第１実施形態と比較すると、吸気冷却装置６０の構成だけが異なっている。尚、吸気冷却装置６０以外の構成は第１実施形態と同じであるため、図１と同じ符号を付し、ここでは説明を省略する。また、吸気方向に沿って流路Ｒの各所に、吸気の温度や湿度やフィルタ差圧等を計測するための計測点ＫＴが設けられている点も第１実施形態と同じである。

吸気冷却装置６０は、図７に示すように、配管Ｈの内部に設けられた第１熱交換器６１と、第１熱交換器６１を経由して熱媒体を流通させる熱媒体系６２と、この熱媒体系６２に設けられた冷凍機ユニット６３と、熱媒体系６２に設けられて熱媒体を圧送するポンプ６４と、を備えるものである。尚、冷凍機ユニット６３は、冷凍機６３１と冷却系６３２と冷却塔６３３とを有するものであり、その構成及び機能は第１実施形態の第１冷凍機ユニット１４と同じである。

第１熱交換器６１は、図７に示すように、配管Ｈの内部における吸気口ユニットＫＹの下流側の位置に設けられている。ここで、図８は、第１熱交換器６１を吸気方向下流側から見た図である。第１熱交換器６１は、吸気を冷却する冷却領域６１１、及び吸気を冷却しない非冷却領域６１２、という２種類の領域に分割されている。より詳細に説明すると、第１熱交換器６１の熱交換方式として前述の冷却コイル方式を採用する場合、図に詳細は示さないが、第１熱交換器６１を、冷却コイルを設置する冷却領域６１１と、冷却コイルを設置しない非冷却領域６１２とに分割する。このような構成によれば、冷却領域６１１を通過した吸気だけが熱媒体との熱交換によって冷却され、非冷却領域６１２を通過した吸気は冷却されない。そして、第１熱交換器６１の下流側の位置で、冷却された吸気と冷却されなかった吸気とが混合する。

尚、第１熱交換器６１を冷却領域６１１と非冷却領域６１２とに分割する手段としては、冷却コイルを設置するか否かによって分割する方法に代えて、他の方法を用いてもよい。例えば、図８に示す第１熱交換器６１の全領域に冷却コイルを設置し、各冷却コイルに熱媒体を流通させるか否かを任意に制御可能とする。そして、各計測点ＫＴでの計測結果に基づいて、各冷却コイルに熱媒体を流通させるか否かを適宜切り換えることによって、第１熱交換器６１を、熱媒体を流通させる冷却領域６１１と流通させない非冷却領域６１２とに分割することも可能である。

また、冷却領域６１１及び非冷却領域６１２の形状，大きさ，個数，配置の仕方等は、本実施形態に限定されず適宜設計変更が可能である。更に、第１熱交換器６１の冷却方式として、冷却コイル方式に代えて前述の加湿冷却方式等を採用してもよいことはもちろんである。

熱媒体系６２は、図７に示すように、冷凍機６３１から第１熱交換器６１へ延び、第１熱交換器６１を出て冷凍機６３１に戻るように設けられている。そして、この熱媒体系６２における冷凍機６３１と第１熱交換器６１の間には、熱媒体を圧送するポンプ６４が設けられている。尚、ポンプ６４は熱媒体系６２における任意の位置に設置することができる。

次に、第６実施形態に係る吸気冷却装置６０の作用効果について、図７を用いて説明する。本実施形態の吸気冷却装置６０では、まず、冷凍機６３１から第１熱交換器６１に対し、温度Ｔ１の熱媒体が供給される。そして、第１熱交換器６１のうち冷却領域６１１では、熱媒体と吸気との熱交換が行われ、熱媒体の温度がＴ１からＴ２へと上昇する一方、吸気の温度がＴａからＴｂへと低下する（Ｔａ＞Ｔｂ）。他方、第１熱交換器６１のうち非冷却領域６１２では、熱媒体と吸気との熱交換は行われず、吸気は温度Ｔａのまま第１熱交換器６１を通過する。その後、第１熱交換器６１の下流側の位置において、冷却された温度Ｔｂの吸気と、冷却されなかった温度Ｔａの吸気とが混合し、混合後の吸気の温度は、温度Ｔａと温度Ｔｂの中間の目標温度Ｔｃとなる（Ｔａ＞Ｔｃ＞Ｔｂ）。そして、この温度Ｔｃの吸気が排気口ＨＫから排出される。

また、第１熱交換器６１を出た温度Ｔ２の熱媒体は、冷凍機６３１へ戻されて冷却水と熱交換されることによって、その温度がＴ２からＴ１へと低下し、熱媒体系６２へ再度送出される。

このように、本実施形態の吸気冷却装置６０は、冷却領域６１１を通過して目標温度Ｔｃより低い温度Ｔｂまで一旦低下した吸気を、非冷却領域６１２を通過した温度Ｔａの吸気と混合させて加熱することで温度Ｔｃまで上昇させる。従って、第１実施形態と同様に、相対湿度が低下する分、ミストセパレータＭＳで除去しきれずに下流側へ運ばれる液滴量が減少するという効果が得られる。

尚、上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ、或いは動作手順等は一例であって、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。

１０…吸気冷却装置
１１…第１熱交換器
１２…第２熱交換器
Ｒ…流路

Claims (8)

1. 吸気の流路に、熱媒体との熱交換によって吸気を冷却する第１熱交換器を設け、
   この第１熱交換器の吸気方向下流側に、熱媒体との熱交換によって前記第１熱交換器で冷却された吸気を加熱する第２熱交換器を設けたことを特徴とする吸気冷却装置。
2. 前記第１熱交換器から出た前記熱媒体を、前記第２熱交換器へ供給した後、この熱媒体を冷却するための第１冷凍機へ戻すことを特徴とする請求項１に記載の吸気冷却装置。
3. 前記第１熱交換器から出た熱媒体を前記第２熱交換器を経由せずに前記第１冷凍機へ直接戻す第１バイパス系を設け、この第１バイパス系に、前記第１冷凍機に供給する熱媒体を冷却するための第２冷凍機を設けたことを特徴とする請求項２に記載の吸気冷却装置。
4. 前記第１熱交換器及び前記第２熱交換器を経由せずに前記第１冷凍機の出口を入口につなぐ第２バイパス系を設けたことを特徴とする請求項２又は３のいずれか１項に記載の吸気冷却装置。
5. 前記第２熱交換器は、前記第１冷凍機の冷却系を流れる流体が熱媒体として供給されることを特徴とする請求項１に記載の吸気冷却装置。
6. 前記第１冷凍機の冷却系に冷却塔を設け、更に前記第２熱交換器を経由せずに前記流体を前記冷却塔へ直接戻す第３バイパス系を設けたことを特徴とする請求項５に記載の吸気冷却装置。
7. 前記第２熱交換器に代えて、前記第１熱交換器の吸気方向下流側に外気を導入することによって、前記第１熱交換器で冷却された吸気を加熱することを特徴とする請求項１に記載の吸気冷却装置。
8. 前記第２熱交換器に代えて、前記第１熱交換器の一部に吸気を冷却しない非冷却領域を設け、この非冷却領域を通過した吸気と混合させることによって、前記第１熱交換器で冷却された吸気を加熱することを特徴とする請求項１に記載の吸気冷却装置。

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