JP4992346B2 - Heat pump system, shaft sealing method of heat pump system - Google Patents

Heat pump system, shaft sealing method of heat pump system Download PDF

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Description

本発明は、ヒートポンプシステム、ヒートポンプシステムの軸封方法に関する。   The present invention relates to a heat pump system and a shaft sealing method of the heat pump system.

ヒートポンプシステムに関しては、例えば特許文献1に記載のように、冷媒循環路への流出潤滑油を圧縮機へ返送する技術が開示されている。   As for the heat pump system, as described in Patent Document 1, for example, a technique for returning the lubricant flowing out to the refrigerant circuit to the compressor is disclosed.

特開2002−333220号JP 2002-333220 A

特許文献1に記載の技術では、冷媒に漏れこんだ潤滑油を回収して圧縮機へ返送している。しかし、回収しきれない潤滑油は冷媒中に混在したままである。   In the technique described in Patent Literature 1, the lubricating oil leaked into the refrigerant is collected and returned to the compressor. However, lubricating oil that cannot be recovered remains mixed in the refrigerant.

本発明の目的は、圧縮機の軸受潤滑油のヒートポンプ作動流体への漏れこみを抑制することで、信頼性の高いヒートポンプシステム、ヒートポンプシステムの軸封方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a highly reliable heat pump system and a shaft seal method of the heat pump system by suppressing leakage of bearing lubricant of the compressor into the heat pump working fluid.

上記目的を達成するために、本発明は、熱源と作動流体とで熱交換する熱交換器と、前記作動流体を圧縮する圧縮機とを備えたヒートポンプシステムにおいて、前記作動流体を水または水蒸気とし、前記圧縮機の軸受をパージする系統を2系統備え、該2系統のうちの1系統を流れるパージ流体を水蒸気とし、前記圧縮機主流に流入するパージ気体が、前記圧縮機主流の一部を抽気した水蒸気となるよう構成し、前記2系統のうちの他の1系統を流れるパージ流体を空気とし、前記軸受に流入するパージ気体が空気となるよう構成し、前記軸受に向かって流れるパージ流体である水蒸気を前記圧縮機主流に向かって流れる前記パージ流体である空気と合流させて圧縮機外部へ排出するよう構成する。 In order to achieve the above object, the present invention provides a heat pump system comprising a heat exchanger that exchanges heat between a heat source and a working fluid, and a compressor that compresses the working fluid, wherein the working fluid is water or steam. includes bearing two systems of lines to purge the compressor, the two purge flow body through the one system of the systems and steam, the compressor main flow flowing purge gas, a portion of the compressor main The purge fluid flowing through the other bearing of the two systems is air, the purge gas flowing into the bearing is air, and the purge flows toward the bearing. Water vapor, which is a fluid, is combined with air, which is the purge fluid that flows toward the main flow of the compressor, and discharged to the outside of the compressor .

本発明によれば、圧縮機の軸受潤滑油のヒートポンプ作動流体への漏れこみを抑制するとともに、軸受潤滑油系統に水等が混入することを抑制できることで、信頼性を向上できるという効果を奏する。また、本発明のヒートポンプシステムでは、パージ蒸気は、圧縮機の主流蒸気の一部を抽気した蒸気である。このように構成することで、パージ蒸気の供給系統を新たに設置する必要がなくなり、システムの簡素化,低コスト化が可能である。


ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, while suppressing the leakage of the bearing lubricating oil of a compressor to the heat pump working fluid, it can suppress that water etc. mix in a bearing lubricating oil system, and can improve reliability. Play. In the heat pump system of the present invention, the purge steam is steam obtained by extracting a part of the mainstream steam of the compressor. With this configuration, it is not necessary to newly install a purge steam supply system, and the system can be simplified and reduced in cost.


まず、産業用ヒートポンプで作動流体を水または水蒸気としたシステムについて技術説明する。産業用ヒートポンプを用いて熱利用設備にエネルギーを供給する場合、温水や冷水を作動流体として用いる技術がある。発明者らは、蒸気圧縮機の性能向上が進む技術背景の下で検討を重ね、ヒートポンプシステムの作動流体を水蒸気とすれば、媒体重量あたりに搬送できるエネルギー量を飛躍的に向上できることがわかった。さらにこの場合、作動流体を負圧とすれば、外部からの熱を極めて効率的に取り込むことができるという知見も得た。   First, a technical description of a system using water or steam as a working fluid in an industrial heat pump will be given. When supplying energy to heat utilization equipment using an industrial heat pump, there is a technology that uses hot water or cold water as a working fluid. The inventors have repeatedly studied under the technical background of improving the performance of the steam compressor, and found that the amount of energy that can be transported per medium weight can be dramatically improved if the working fluid of the heat pump system is steam. . Furthermore, in this case, it has also been found that if the working fluid is set to a negative pressure, heat from the outside can be taken in very efficiently.

ただし、圧縮機の軸受部雰囲気圧は大気圧程度であるため、作動流体が負圧であって圧縮機軸受に油軸受を用いた場合、軸受潤滑油の作動流体中への混入が危惧される。そのため、ヒートポンプシステムの効率を考慮した上で、軸受潤滑油の圧縮機主流中への混入を抑制し信頼性を向上することが望まれる。   However, since the atmospheric pressure of the bearing portion of the compressor is about atmospheric pressure, when the working fluid is negative pressure and an oil bearing is used for the compressor bearing, there is a concern that the bearing lubricant is mixed into the working fluid. Therefore, it is desirable to improve reliability by suppressing the mixing of bearing lubricating oil into the compressor mainstream in consideration of the efficiency of the heat pump system.

次に本発明を図面に基づいて具体的に説明する。
(第1実施例)
本発明の第1実施例を、図1、図2、図3を用いて説明する。図1は、本発明の第1実施例であるヒートポンプシステムの構成図である。本実施例では、複数の圧縮手段として、四段構成の蒸気圧縮機を1台使用するヒートポンプシステムを例にとって説明する。この場合、複数の圧縮手段の間とは蒸気圧縮機の各段の段間であり、複数の圧縮手段の入口部、出口部とはそれぞれ蒸気圧縮機第一段の入口部、第四段の出口部を意味する。
Next, the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a configuration diagram of a heat pump system according to a first embodiment of the present invention. In this embodiment, a heat pump system that uses one four-stage steam compressor as a plurality of compression means will be described as an example. In this case, between the plurality of compression means is between the stages of the steam compressor, and the inlet and outlet of the plurality of compression means are the inlet of the first stage of the steam compressor and the fourth stage, respectively. It means the exit part.

図1に示すヒートポンプシステムは、供給された水を外部高温熱源20との熱交換によって蒸発させる蒸発器4と、蒸発した水蒸気を圧縮して吐出する蒸気圧縮機1を備えている。蒸気圧縮機1は、第一段11、第二段12、第三段13、第四段14の4段で構成されている。蒸気圧縮機1は、軸2を介して連結されたモータ3により駆動される。また、蒸気圧縮機1の入口側には加湿器81が設置され、蒸気圧縮機1を構成する蒸気圧縮機の第一段11と第二段12の間、第二段12と第三段13の間、第三段13と第四段14の間には加湿器82、83、84がそれぞれ設置されている。各加湿器はポンプ80から供給された水を噴霧することで、作動流体を冷却する。なお、蒸気圧縮機の段が4段以外の場合にも、各段の間に加湿器を設けても良い。   The heat pump system shown in FIG. 1 includes an evaporator 4 that evaporates supplied water by heat exchange with an external high-temperature heat source 20, and a vapor compressor 1 that compresses and discharges evaporated water vapor. The steam compressor 1 includes four stages, a first stage 11, a second stage 12, a third stage 13, and a fourth stage 14. The steam compressor 1 is driven by a motor 3 connected via a shaft 2. Further, a humidifier 81 is installed on the inlet side of the steam compressor 1, and between the first stage 11 and the second stage 12 of the steam compressor constituting the steam compressor 1, the second stage 12 and the third stage 13. Between the third stage 13 and the fourth stage 14, humidifiers 82, 83, 84 are respectively installed. Each humidifier cools the working fluid by spraying water supplied from the pump 80. It should be noted that a humidifier may be provided between each stage even when the stage of the steam compressor is other than four stages.

次に、本実施例のヒートポンプシステムにおける作動流体の流れについて説明する。液体を膨張させる膨張器9で、供給された水40は減圧され、低圧水41として、熱源と作動流体で熱交換する熱交換器である蒸発器4へ供給される。蒸発器4へ供給された低圧水41は、外部高温熱源20と熱交換することで蒸発し、過熱蒸気42となる。過熱蒸気42は加湿器81へ供給され、ポンプ80から供給された水の噴霧により飽和温度程度まで冷却され、飽和蒸気43となって蒸気圧縮機1へ供給される。飽和蒸気43は蒸気圧縮機1の第一段11を通過することで、圧力、温度が上昇し過熱蒸気44となる。過熱蒸気44は加湿器82に供給され、水噴霧により飽和温度程度まで冷却されて飽和蒸気45として第二段12へ供給される。飽和蒸気45は、第二段12で圧縮されることにより圧力と温度が上昇して過熱蒸気46となり、加湿器83へ供給され、ポンプ80から供給された水を噴霧することにより飽和温度程度まで冷却されて飽和蒸気47となる。飽和蒸気47は第三段13へ供給され、昇温昇圧されて過熱蒸気48となる。過熱蒸気48は、加湿器84での水噴射により飽和温度程度まで冷却され、飽和蒸気49として第四段14へ供給される。飽和蒸気49は第四段14で圧縮され、最終的に高温、高圧の過熱蒸気50として放出される。   Next, the flow of the working fluid in the heat pump system of the present embodiment will be described. The supplied water 40 is decompressed by the expander 9 that expands the liquid, and is supplied as low-pressure water 41 to the evaporator 4 that is a heat exchanger that exchanges heat between the heat source and the working fluid. The low-pressure water 41 supplied to the evaporator 4 evaporates by exchanging heat with the external high-temperature heat source 20 and becomes superheated steam 42. The superheated steam 42 is supplied to the humidifier 81, cooled to about the saturation temperature by the spray of water supplied from the pump 80, and becomes the saturated steam 43 to be supplied to the steam compressor 1. As the saturated steam 43 passes through the first stage 11 of the steam compressor 1, the pressure and temperature rise and become superheated steam 44. The superheated steam 44 is supplied to the humidifier 82, cooled to about the saturation temperature by water spray, and supplied as the saturated steam 45 to the second stage 12. When the saturated steam 45 is compressed in the second stage 12, the pressure and temperature rise to become superheated steam 46, supplied to the humidifier 83, and sprayed with water supplied from the pump 80 to the saturation temperature level. Cooled to become saturated steam 47. The saturated steam 47 is supplied to the third stage 13, and the temperature is raised and raised to become superheated steam 48. The superheated steam 48 is cooled to about the saturation temperature by water injection in the humidifier 84 and supplied to the fourth stage 14 as the saturated steam 49. The saturated steam 49 is compressed in the fourth stage 14 and finally discharged as high-temperature and high-pressure superheated steam 50.

ここで、本実施例のヒートポンプシステムにおける作動流体の状態について詳細に説明する。本実施例では、供給される水40として、圧力約0.5MPa 、温度約120℃の水を想定している。水40は膨張器9により圧力約0.02MPa 、温度約60℃、質量流量約1.6kg/sの減圧水41となる。減圧水41は、約80℃の外部高温熱源20との熱交換により蒸発潜熱を得て液相から気相へと相変化し、約65℃の過熱蒸気42となる。過熱蒸気42は加湿器81に流入し、ここで噴霧される約0.05kg/s の水に蒸発潜熱を奪われることで冷却され、飽和温度である約60℃まで冷却され、飽和蒸気43となって蒸気圧縮機1へと供給される。飽和蒸気43は、第一段11により所定の圧力比約2.4まで圧縮され、圧力約0.05MPa、温度約150℃の過熱蒸気44となる。過熱蒸気44は、加湿器82で約0.1kg/s の水を噴霧されることにより飽和温度である約80℃まで冷却され、飽和蒸気45となって第2段12へ供給される。飽和蒸気45は第二段12により所定の圧力比2.2まで圧縮され、圧力が約0.11MPa、温度が約170℃まで上昇した過熱蒸気46となる。過熱蒸気46は、加湿器83にて噴霧される約0.1kg/sの水が蒸発潜熱を奪うことにより、飽和温度である約100℃まで冷却され、飽和蒸気47となる。飽和蒸気47は第三段13によって所定の圧力比約2.0まで圧縮され、圧力が約0.22MPa、温度が約180℃に上昇した過熱蒸気48となる。過熱蒸気48は加湿器84へ流入し、そこで噴霧された0.1kg/sの水が蒸発潜熱を奪うことによって、飽和温度である120℃まで冷却され、飽和蒸気49となって第四段14へと流入する。飽和蒸気49は第四段14により所定の圧力比1.8まで圧縮され、最終的には、圧力約0.40MPa、温度約190℃の過熱蒸気50を得ることができる。過熱蒸気50は、工業用熱源として、製紙会社、食品工場、地域冷暖房、化学工場などの熱利用施設で利用される。   Here, the state of the working fluid in the heat pump system of the present embodiment will be described in detail. In the present embodiment, the supplied water 40 is assumed to be water having a pressure of about 0.5 MPa and a temperature of about 120 ° C. The water 40 becomes decompressed water 41 having a pressure of about 0.02 MPa, a temperature of about 60 ° C., and a mass flow rate of about 1.6 kg / s by the expander 9. The depressurized water 41 obtains latent heat of vaporization by heat exchange with the external high-temperature heat source 20 at about 80 ° C., and changes in phase from the liquid phase to the gas phase to become superheated steam 42 at about 65 ° C. The superheated steam 42 flows into the humidifier 81 and is cooled by being deprived of latent heat of vaporization by about 0.05 kg / s of water sprayed here, and is cooled to about 60 ° C. which is a saturation temperature. And supplied to the steam compressor 1. The saturated steam 43 is compressed to a predetermined pressure ratio of about 2.4 by the first stage 11 and becomes superheated steam 44 having a pressure of about 0.05 MPa and a temperature of about 150 ° C. The superheated steam 44 is cooled to about 80 ° C. which is a saturation temperature by being sprayed with about 0.1 kg / s of water by the humidifier 82, and is supplied to the second stage 12 as the saturated steam 45. The saturated steam 45 is compressed by the second stage 12 to a predetermined pressure ratio of 2.2, and becomes superheated steam 46 having a pressure of about 0.11 MPa and a temperature of about 170 ° C. The superheated steam 46 is cooled to about 100 ° C., which is the saturation temperature, by the about 0.1 kg / s of water sprayed by the humidifier 83, taking latent heat of evaporation, and becomes the saturated steam 47. The saturated steam 47 is compressed to a predetermined pressure ratio of about 2.0 by the third stage 13, and becomes superheated steam 48 having a pressure of about 0.22 MPa and a temperature of about 180 ° C. The superheated steam 48 flows into the humidifier 84, and 0.1 kg / s of water sprayed there deprives the latent heat of vaporization to cool to 120 ° C., which is a saturation temperature, to become saturated steam 49, which is the fourth stage 14. Flows into. The saturated steam 49 is compressed by the fourth stage 14 to a predetermined pressure ratio of 1.8, and finally, the superheated steam 50 having a pressure of about 0.40 MPa and a temperature of about 190 ° C. can be obtained. The superheated steam 50 is used as an industrial heat source in a heat utilization facility such as a paper manufacturer, a food factory, a district air conditioner, and a chemical factory.

本実施例では、圧縮機の作動流体を水蒸気としたため、温水や冷水とした場合と比べて流体重量あたりに搬送できるエネルギー量を飛躍的に向上できる。そのため、ヒートポンプシステムの設置場所は熱利用施設に近い範囲に限定されない。   In this embodiment, since the working fluid of the compressor is water vapor, the amount of energy that can be transported per fluid weight can be dramatically improved as compared with the case of using hot water or cold water. Therefore, the installation location of the heat pump system is not limited to a range close to the heat utilization facility.

また、ヒートポンプは大気の熱や廃熱等を取り込んで有効利用するものである。本実施例では膨張器によってヒートポンプ作動流体である水の圧力を負圧にまで下げているため、外部高温熱源の温度が比較的低くても水を水蒸気に相変化させることができる。したがって、熱源からの熱を効率的に取り込むことができるという効果と、温度が低いために有効利用されていなかった熱源をも利用できるという効果の二つの効果を得ることができる。   The heat pump takes in atmospheric heat, waste heat, and the like and uses them effectively. In this embodiment, the pressure of water, which is a heat pump working fluid, is reduced to a negative pressure by the expander, so that the phase of water can be changed to water vapor even when the temperature of the external high-temperature heat source is relatively low. Therefore, it is possible to obtain two effects, that is, an effect that heat from the heat source can be efficiently taken in and an effect that a heat source that has not been effectively used because the temperature is low can also be used.

ただし、この場合圧縮機の作動流体である水蒸気も負圧になる。負圧の作動流体で運用する圧縮機は、軸受潤滑油の漏れ込みによる影響から一般的に信頼性は低い。本実施例では、後述のように軸受部にパージ機構を設け、軸受潤滑油の作動流体中への漏れ出しを抑制し、信頼性を向上させている。つまり、本実施例のヒートポンプシステムは、高い信頼性と優れた効率を両立している。   However, in this case, the water vapor that is the working fluid of the compressor also has a negative pressure. A compressor operated with a negative working fluid is generally unreliable due to the influence of leakage of bearing lubricant. In this embodiment, as described later, a purge mechanism is provided in the bearing portion to suppress leakage of the bearing lubricating oil into the working fluid and improve reliability. That is, the heat pump system of the present embodiment achieves both high reliability and excellent efficiency.

図2は、本実施例のヒートポンプシステムの圧縮機構造を簡略的に示す図である。図2に示すように、蒸気圧縮機1は、静止部材101、102、103、104、105、106、静翼111、112、113、114からなる静止系と、軸2、ロータ121、122、123、124、動翼131、132、133、134からなる回転系から構成されている。静止系と回転系は、軸受61、62を介して接続されている。動翼131と静翼111を含む第一段11、動翼132と静翼112を含む第二段12、動翼133と静翼113を含む第三段13、動翼134と静翼114を含む第四段14の各段の前には、それぞれ加湿器81、82、83、84が設置され、各加湿器にはポンプ80から水が供給されている。なお本実施例において、加湿器は噴霧ノズルを想定しているが、水をミスト状に噴霧できる機構であれば他の形態の加湿器でもよい。   FIG. 2 is a diagram schematically illustrating the compressor structure of the heat pump system of the present embodiment. As shown in FIG. 2, the steam compressor 1 includes a stationary system including stationary members 101, 102, 103, 104, 105, 106, stationary blades 111, 112, 113, 114, a shaft 2, rotors 121, 122, The rotating system includes 123 and 124 and moving blades 131, 132, 133, and 134. The stationary system and the rotating system are connected via bearings 61 and 62. The first stage 11 including the moving blade 131 and the stationary blade 111, the second stage 12 including the moving blade 132 and the stationary blade 112, the third stage 13 including the moving blade 133 and the stationary blade 113, the moving blade 134 and the stationary blade 114. Humidifiers 81, 82, 83, and 84 are installed in front of each of the fourth stages 14, and water is supplied from a pump 80 to each of the humidifiers. In this embodiment, the humidifier is assumed to be a spray nozzle. However, any other type of humidifier may be used as long as it is a mechanism capable of spraying water in a mist form.

図3に、図2で示した本実施例のヒートポンプシステムの圧縮機構造における軸受部の拡大図を示す。軸受61には、ポンプ70から配管71を通じて潤滑剤が供給され、配管72を通じて潤滑剤が回収される。作動流体の流路と軸受61の間には、フィン153、155で仕切られた空間151が設けられている。空間151には、空間151外から流体を供給可能なように配管160が接続されている。本実施例中でフィンは、回転体である軸2と静止体である静止部材101の間隙をシールする役割を担っている。空間151と軸受部の間、空間151と圧縮機主流の間を通過する流体の流量は、フィン153とフィン155のシール効果により抑えられる。このシール効果により、配管160から供給される流体の圧力を適宜調節することで、空間151内の圧力は所定の範囲内に保たれる。   FIG. 3 shows an enlarged view of the bearing portion in the compressor structure of the heat pump system of the present embodiment shown in FIG. A lubricant is supplied to the bearing 61 from the pump 70 through the pipe 71, and the lubricant is collected through the pipe 72. A space 151 partitioned by fins 153 and 155 is provided between the working fluid flow path and the bearing 61. A pipe 160 is connected to the space 151 so that a fluid can be supplied from outside the space 151. In the present embodiment, the fin plays a role of sealing the gap between the shaft 2 as a rotating body and the stationary member 101 as a stationary body. The flow rate of the fluid passing between the space 151 and the bearing portion and between the space 151 and the compressor main flow is suppressed by the sealing effect of the fins 153 and 155. Due to this sealing effect, the pressure in the space 151 is maintained within a predetermined range by appropriately adjusting the pressure of the fluid supplied from the pipe 160.

本実施例では潤滑剤として油を用いている。何らかの原因で油が作動流体の流路中にもれると、翼や流路を腐食させる場合がある。これを抑制するため、本実施例では空間151に高圧の流体をパージすることで、油が作動流体の流路へもれることを抑制する。パージとは、軸受部に供給される潤滑油が軸受部から外へ漏れ出すことを抑えるための軸封を意味する。具体的には、軸受61の潤滑油の圧力よりも高圧のパージ流体を空間151に供給することで、軸受61から空間151へ向かう流体の流れを抑制し、潤滑油がパージ系統および圧縮機主流へ混入することを抑えている。   In this embodiment, oil is used as the lubricant. If oil leaks into the flow path of the working fluid for some reason, the blades and the flow path may be corroded. In order to suppress this, in this embodiment, the space 151 is purged with a high-pressure fluid to prevent oil from leaking into the flow path of the working fluid. The purge means a shaft seal for preventing the lubricating oil supplied to the bearing portion from leaking out from the bearing portion. Specifically, by supplying a purge fluid having a pressure higher than the pressure of the lubricating oil of the bearing 61 to the space 151, the flow of the fluid from the bearing 61 to the space 151 is suppressed, and the lubricating oil flows into the purge system and the compressor mainstream. It is suppressed from mixing in.

一般的なターボ機械では、高温、高圧の空気をパージ気体として用いる。しかし、本実施例では圧縮機作動流体が水蒸気であるため、パージ気体として空気を用いて圧縮機主流中に空気が流入すると圧縮機主流中に水蒸気と空気が混合することになる。異種気体である水蒸気と空気は熱容量が異なる。パージ気体が主流中に流れ込む部分と圧縮機翼との距離は翼弦長の数倍程度なので、パージ気体は完全に主流中に拡散する前に圧縮機翼に衝突する。翼は熱伸びによる変形を考慮しなければならず、局地的に温度が変化する部分があればその分だけ翼の信頼性は低い。以上のことから、パージ気体として空気を用いて圧縮機主流中に空気が流入した場合、熱容量に偏りをもった気体が翼に衝突して翼の一部分だけ集中的に温度が変化するため、翼の信頼性は低い。   In a general turbomachine, high-temperature and high-pressure air is used as a purge gas. However, since the compressor working fluid is water vapor in this embodiment, when air flows into the main flow of the compressor using air as the purge gas, the water vapor and air are mixed in the main flow of the compressor. Water vapor and air, which are different gases, have different heat capacities. Since the distance between the portion where the purge gas flows into the main flow and the compressor blade is about several times the chord length, the purge gas collides with the compressor blade before completely diffusing into the main flow. The blade must take into account deformation due to thermal elongation, and if there is a part where the temperature changes locally, the reliability of the blade is low. From the above, when air flows into the main flow of the compressor using air as the purge gas, the gas with a biased heat capacity collides with the blade and the temperature changes intensively only for a part of the blade. Is unreliable.

そこで本実施例では軸受部のパージ用空間にパージ気体として水蒸気を供給している。圧縮機の主流気体とパージ用気体を同種気体である水蒸気とすることにより、翼の局地的な温度変化の発生を抑制し、翼の信頼性を高めることができる。またさらにパージ気体が主流にもれ込むことを考慮しても、パージ気体としては空気よりも水蒸気を利用した方が望ましい。水蒸気を利用すれば圧縮機主流の質量流量の減少が抑えられ、効率を向上させることができるからである。   Therefore, in this embodiment, water vapor is supplied as purge gas to the purge space of the bearing portion. By making the mainstream gas and purge gas of the compressor into water vapor, which is the same kind of gas, it is possible to suppress the occurrence of local temperature changes of the blades and improve the reliability of the blades. Further, considering that the purge gas leaks into the main stream, it is preferable to use water vapor as the purge gas rather than air. This is because if the steam is used, the reduction of the mass flow rate of the compressor mainstream can be suppressed and the efficiency can be improved.

本実施例では軸受は大気にさらされているため、軸受部の雰囲気圧は大気圧である。そのため、作動流体の流れ方向上流側の軸受61の軸受空間151へ供給するパージ用水蒸気の圧力は大気圧よりも若干高い約0.12MPa、温度は約150℃を想定している。   In this embodiment, since the bearing is exposed to the atmosphere, the atmospheric pressure of the bearing portion is atmospheric pressure. Therefore, it is assumed that the pressure of the steam for purge supplied to the bearing space 151 of the bearing 61 on the upstream side in the flow direction of the working fluid is about 0.12 MPa slightly higher than the atmospheric pressure and the temperature is about 150 ° C.

一方、作動流体の流れ方向下流側の軸受62の潤滑油が主流中に混入する場合には、静止部材106とロータ124の間隙から混入することが考えられる。ただしこの位置での圧縮機主流水蒸気の圧力は大気圧よりもはるかに高い。そのため、この高圧の主流水蒸気がパージ水蒸気の役割を果たしている。この構成がパージ機構とみなせるため、軸受62から主流中への潤滑油混入の可能性は極めて低い。つまり、軸受62には軸受61のような新たなパージ機構を設けてもよいし設けなくてもよい。   On the other hand, when the lubricating oil of the bearing 62 on the downstream side in the flow direction of the working fluid is mixed in the main flow, it can be considered that it is mixed from the gap between the stationary member 106 and the rotor 124. However, the pressure of the mainstream steam of the compressor at this position is much higher than atmospheric pressure. Therefore, this high-pressure mainstream steam plays the role of purge steam. Since this configuration can be regarded as a purge mechanism, the possibility of the lubricating oil mixing from the bearing 62 into the main flow is extremely low. That is, the bearing 62 may or may not be provided with a new purge mechanism like the bearing 61.

なお、水以外の単一の流体を用いて本実施例におけるシステムを構成することも可能である。ただし、入手が安価、容易で、無害かつヒートポンプシステムの冷媒として使用可能な流体であるという点で、水を適用することが望ましい。   It is also possible to configure the system in this embodiment using a single fluid other than water. However, it is desirable to apply water in that it is inexpensive, easy to obtain, harmless, and can be used as a refrigerant in a heat pump system.

ここで、本実施例のヒートポンプにおけるシステム上の利点を説明する。作動流体の加湿による冷却を伴わないヒートポンプシステム(以下、比較例と称する)に比べ、作動流体である水蒸気を加湿により冷却する本実施例のヒートポンプシステムでは熱輸送の性能が飛躍的に向上する。ヒートポンプのシステムの性能は、成績係数(COP:Coefficient of Performance)によって評価される。COPとは、利用可能なエネルギーを圧縮機の動力で割った値であり、ヒートポンプによって汲み上げられた熱量と,これを汲み上げるときに使った圧縮機の圧縮仕事量との比をあらわす。   Here, the system advantage of the heat pump of this embodiment will be described. Compared to a heat pump system that does not involve cooling due to humidification of the working fluid (hereinafter referred to as a comparative example), in the heat pump system of this embodiment that cools the water vapor that is the working fluid by humidification, the heat transport performance is dramatically improved. The performance of the heat pump system is evaluated by a coefficient of performance (COP). The COP is a value obtained by dividing the available energy by the power of the compressor, and represents the ratio between the amount of heat pumped up by the heat pump and the compression work of the compressor used to pump it up.

本実施例のヒートポンプシステム中の蒸気圧縮機1の圧縮動力は合計で約1.2MW、過熱蒸気50の形で保持しているエネルギーは約5.2MWであるためヒートポンプ成績係数は約4.3である。一方、前述の比較例であるヒートポンプの場合、段効率と段ヘッドが蒸気圧縮機と同一であると仮定すると、作動媒体である水蒸気の冷却を行わないため圧縮機の圧縮比は約11に低下する。なお、本実施例のヒートポンプでは圧縮機の圧縮比は約20である。作動媒体非冷却時に圧縮比が低い理由は、各段に流入する水蒸気の温度が高いため同一のヘッドに対する圧力上昇が小さくなるためである。これは、昇温させると密度が低くなり、密度が低いほど所定の圧力まで加圧する際の圧縮動力を多く要するという気体の性質による。   Since the compression power of the steam compressor 1 in the heat pump system of the present embodiment is about 1.2 MW in total and the energy held in the form of the superheated steam 50 is about 5.2 MW, the heat pump coefficient of performance is about 4.3. It is. On the other hand, in the case of the heat pump as the comparative example described above, assuming that the stage efficiency and the stage head are the same as those of the steam compressor, the cooling ratio of the compressor is reduced to about 11 because the working medium is not cooled. To do. In the heat pump of this embodiment, the compression ratio of the compressor is about 20. The reason why the compression ratio is low when the working medium is not cooled is that the pressure rise with respect to the same head is small because the temperature of the water vapor flowing into each stage is high. This is due to the nature of the gas that the density decreases as the temperature rises, and the lower the density, the more compression power is required to pressurize to a predetermined pressure.

圧力比はユーザーの仕様で決まる。そのため、性能を比較するためには比較例の圧力比を加湿による冷却がある本実施例と同一にする必要がある。比較例の圧縮比を加湿による冷却がある場合と同等にまで上げるためには段数を追加する必要がある。しかし、段数の追加は圧縮動力の増大と部品点数の増加を伴う。つまり、作動流体の冷却を行わない比較例のヒートポンプシステムは本実施例のものと比べると、成績係数が悪く、コストも高い。すなわち本実施例のヒートポンプシステムは、加湿によって水蒸気の冷却を行うことで、高性能化、低コスト化を実現している。   The pressure ratio is determined by user specifications. Therefore, in order to compare the performance, it is necessary to make the pressure ratio of the comparative example the same as that of the present embodiment in which cooling by humidification is performed. In order to increase the compression ratio of the comparative example to the same level as when cooling by humidification, it is necessary to add the number of stages. However, the addition of the number of stages is accompanied by an increase in compression power and an increase in the number of parts. That is, the heat pump system of the comparative example that does not cool the working fluid has a poor coefficient of performance and high cost as compared with the one of the present embodiment. That is, the heat pump system of the present embodiment realizes high performance and low cost by cooling the water vapor by humidification.

本実施例は加湿による冷却の例を示したが、上述の通り、作動流体である水蒸気の温度を低下させることのできる方法であれば、同種の効果を得ることができる。したがって、例えば熱交換器によって作動媒体を冷却するなど、加湿冷却以外の冷却手段を用いても構わない。   Although the present embodiment shows an example of cooling by humidification, as described above, the same kind of effect can be obtained as long as the method can reduce the temperature of the water vapor that is the working fluid. Therefore, you may use cooling means other than humidification cooling, such as cooling a working medium with a heat exchanger, for example.

なお、作動流体である液体を膨張させる膨張器と、膨張した液体を外部高温熱源からの熱により蒸発させる蒸発器と、蒸発した気体を圧縮する圧縮機を備えた既設のヒートポンプシステムがあれば、これを改造することにより、本実施例のヒートポンプシステムと同様の効果を奏するヒートポンプシステムを得ることができる。これは、上記既設のヒートポンプシステムに、膨張器に作動流体として水を供給する供給手段と、圧縮機の軸受部を軸封するパージ手段を追設して本実施例のヒートポンプシステムと同様の構成とすることにより実現できる。
(第2実施例)
本発明の第2実施例を図4,図5、及び図6を用いて説明する。本実施例では簡単のため、単段の圧縮機を1台使用するヒートポンプシステムを例にとって説明する。ただし、圧縮機を複数台使用したものや、複数段の圧縮機を使用したものについても本実施例の構成は同様に適用可能である。
If there is an existing heat pump system including an expander that expands the liquid that is the working fluid, an evaporator that evaporates the expanded liquid by heat from an external high-temperature heat source, and a compressor that compresses the evaporated gas, By remodeling this, a heat pump system having the same effect as the heat pump system of the present embodiment can be obtained. This is the same configuration as the heat pump system of the present embodiment by additionally providing a supply means for supplying water as working fluid to the expander and a purge means for sealing the bearing portion of the compressor to the existing heat pump system. Can be realized.
(Second embodiment)
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 4, FIG. 5, and FIG. In this embodiment, for the sake of simplicity, a heat pump system using one single-stage compressor will be described as an example. However, the configuration of the present embodiment can be similarly applied to those using a plurality of compressors and those using a plurality of stages of compressors.

図4を用いて本実施例のヒートポンプシステムの全体構成を説明する。図4は本発明の第1実施例であるヒートポンプシステムの構成図である。圧縮機501は、第1の軸受509と第2の軸受510に指示されたシャフト507を介して駆動源である電動機506に連結されている。この第1の軸受509と第2の軸受510には潤滑油装置516に接続された潤滑油供給配管517により潤滑油が供給され、軸受にて役割を果たした潤滑油は潤滑油排油配管518を介して潤滑油装置516に回収される。この潤滑油装置516は図示しない排煙ファンを有している。   The overall configuration of the heat pump system of this embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a configuration diagram of the heat pump system according to the first embodiment of the present invention. The compressor 501 is connected to an electric motor 506 that is a drive source via a shaft 507 designated by the first bearing 509 and the second bearing 510. Lubricating oil is supplied to the first bearing 509 and the second bearing 510 by a lubricating oil supply pipe 517 connected to the lubricating oil device 516, and the lubricating oil that has played a role in the bearing is a lubricating oil drain pipe 518. To the lubricating oil device 516. The lubricating oil device 516 has a smoke exhaust fan (not shown).

水タンク502から供給される水は、供給配管511を通じて膨張器503に導入され減圧される。減圧された水は蒸発器504にて外部熱源505との熱交換により蒸発する。蒸発器504で生成された蒸気は圧縮機501に供給される。この蒸気は圧縮機501で昇温昇圧され、高温高圧の蒸気として配管514を通じて次の工程(例えば蒸気利用設備等)に導かれる。   The water supplied from the water tank 502 is introduced into the expander 503 through the supply pipe 511 and depressurized. The depressurized water is evaporated by heat exchange with the external heat source 505 in the evaporator 504. The steam generated by the evaporator 504 is supplied to the compressor 501. This steam is heated and pressurized by the compressor 501, and is led to the next process (for example, steam utilization equipment) through the pipe 514 as high-temperature and high-pressure steam.

次に、図5を用いて本実施例の圧縮機1につき詳細に説明する。図5は本実施例のヒートポンプシステムの部分拡大図を示す。   Next, the compressor 1 of this embodiment will be described in detail with reference to FIG. FIG. 5 shows a partially enlarged view of the heat pump system of the present embodiment.

圧縮機1内に供給された主流蒸気は、インペラ入口540aからインペラ520、インペラ出口540b、及びディフューザ521を経由して圧縮機吐出541から配管514に導かれる。回転体であるインペラ520はシャフト507に連結されている。シャフト507の外側には静止体であるケーシング522と軸受ボックス523が設けられている。ケーシング522には、軸方向に第1のラビリンスシール530、第2のラビリンスシール531、及び第3のラビリンスシール532が直列配置され、第1のラビリンスシール530と第2のラビリンスシール531の間に第1のキャビティ533、第2のラビリンスシール531と第3のラビリンスシール532の間に第2のキャビティ534を有している。第1のキャビティ533は、ケーシング522内に設けられたパージ蒸気供給口543、パージ蒸気供給配管542を介して圧縮機吐出541近傍の配管514に接続されている。   The mainstream steam supplied into the compressor 1 is led from the compressor discharge 541 to the pipe 514 through the impeller inlet 540a, the impeller 520, the impeller outlet 540b, and the diffuser 521. An impeller 520 that is a rotating body is connected to a shaft 507. A casing 522 and a bearing box 523 which are stationary bodies are provided outside the shaft 507. In the casing 522, a first labyrinth seal 530, a second labyrinth seal 531, and a third labyrinth seal 532 are arranged in series in the axial direction, and between the first labyrinth seal 530 and the second labyrinth seal 531. A second cavity 534 is provided between the first cavity 533, the second labyrinth seal 531, and the third labyrinth seal 532. The first cavity 533 is connected to a pipe 514 near the compressor discharge 541 via a purge steam supply port 543 and a purge steam supply pipe 542 provided in the casing 522.

インペラ520やシャフト507といった回転部材とケーシング522や軸受ボックス523といった静止部材との間には必然的に間隙が形成される。この間隙は、圧縮機主流(インペラの出口540b)と軸受509とを連通する。この間隙を通じて軸受潤滑油が圧縮機主流内へリークするのを抑えるため、本実施例のヒートポンプシステムには軸受をパージする軸封手段が設けられている。以下、この軸封手段であるパージ機構について説明する。なお、本実施例では間隙のシール手段としてラビリンスシールを利用しているが、ブラシシール等、他のシール手段を採用しても構わない。   A gap is inevitably formed between rotating members such as the impeller 520 and the shaft 507 and stationary members such as the casing 522 and the bearing box 523. The gap communicates between the compressor mainstream (impeller outlet 540 b) and the bearing 509. In order to prevent the bearing lubricating oil from leaking into the compressor mainstream through this gap, the heat pump system of the present embodiment is provided with a shaft sealing means for purging the bearing. Hereinafter, the purge mechanism which is the shaft sealing means will be described. In this embodiment, the labyrinth seal is used as the gap sealing means, but other sealing means such as a brush seal may be adopted.

第1のラビリンスシール530が装着されたケーシング522とインペラ520との間には、インペラ出口540bと連通する蒸気戻り流路537が形成されている。第2のキャビティ534は、ケーシング522内に設けられた排出口544、排出配管545を介して図示しない真空ポンプへ接続されている。また、第3のラビリンスシール532と第1の軸受509の間には油切り535が設置されており、この第3のラビリンスシール532と油切り535の間には第3のキャビティ536が形成され、ケーシング522内に設けられたパージ空気供給口546を通じて大気に連通している。   Between the casing 522 to which the first labyrinth seal 530 is attached and the impeller 520, a steam return flow path 537 communicating with the impeller outlet 540b is formed. The second cavity 534 is connected to a vacuum pump (not shown) via a discharge port 544 and a discharge pipe 545 provided in the casing 522. An oil drain 535 is installed between the third labyrinth seal 532 and the first bearing 509, and a third cavity 536 is formed between the third labyrinth seal 532 and the oil drain 535. The air is communicated with the atmosphere through a purge air supply port 546 provided in the casing 522.

次に、ラビリンスシール部周辺における流体の流れについて、図6を用いて説明する。図6は、本発明のヒートポンプシステムの部分拡大図を示す。   Next, the flow of fluid around the labyrinth seal portion will be described with reference to FIG. FIG. 6 shows a partially enlarged view of the heat pump system of the present invention.

圧縮機1の主流蒸気550は、インペラ520とディフューザ521を通過することにより昇温昇圧され、圧縮機吐出541を通って配管514に流通する。この配管514を流れる蒸気の一部を抽気しパージ蒸気552としてパージ蒸気供給配管542からパージ蒸気供給孔543に供給する。この抽気蒸気は第1のキャビティ533で分岐され、第1のラビリンスシール530を通過する分岐蒸気流553と第2のラビリンスシール531を通過する分岐蒸気流554となる。一方、大気から空気流555を吸い込んだパージ空気供給口546は、第3のキャビティ536で分岐され、油切り535を通過する分岐空気流557と、第3のラビリンスシール532を通過する分岐空気流556となる。この分岐空気流556は、前述の分岐蒸気流554と第2のキャビティ534で合流して排出口544を介して真空ポンプへと導かれる。   The mainstream steam 550 of the compressor 1 is heated and pressurized by passing through the impeller 520 and the diffuser 521, and flows to the pipe 514 through the compressor discharge 541. A part of the steam flowing through the pipe 514 is extracted and supplied as purge steam 552 from the purge steam supply pipe 542 to the purge steam supply hole 543. This extracted steam is branched in the first cavity 533 to become a branched steam flow 553 that passes through the first labyrinth seal 530 and a branched steam flow 554 that passes through the second labyrinth seal 531. On the other hand, the purge air supply port 546 that has sucked the air flow 555 from the atmosphere is branched by the third cavity 536, and the branched air flow 557 that passes through the oil drain 535 and the branched air flow that passes through the third labyrinth seal 532. 556. This branched air flow 556 joins with the aforementioned branched vapor flow 554 in the second cavity 534 and is guided to the vacuum pump through the discharge port 544.

起動時には、あらかじめ図示しない真空ポンプによって圧縮機1の内部を0.02MPa程度まで減圧させておく。また、図示しない真空ポンプを作動して排出配管45を介して第2のキャビティ534の空気を吸引しておく。潤滑油装置516を起動して第1の軸受509と第2の軸受510に潤滑油を供給した後、電動機506によりシャフト507、インペラ520を50,000rpm程度まで回転させる。水タンク502からの水は膨張器503に導かれて減圧され、蒸発器504にて80℃程度の外部熱源505と熱交換して蒸発し、60℃程度の蒸気として圧縮機501のインペラ入口540aに供給される。この蒸気は、回転するインペラ520と静止したディフューザ521内を通過する過程で0.04MPa程度まで昇圧される。この昇圧された蒸気は排気配管514を通過して次の工程に進むが、その一部は抽気蒸気としてシール蒸気配管542を介して第1のキャビティ533に0.035MPa程度の圧力で供給される。インペラ出口540bの圧力は0.034MPa程度であるため、第1のキャビティ533から蒸気戻り流路537を通って主流にもれこむ分岐蒸気流553は微量である。一方、第二のキャビティ534の内圧が0.03MPa程度であることから、第1のキャビティ533から第2のキャビティ534への流れである分岐蒸気流554も微量である。すなわち、主流からシール蒸気552として抽気する蒸気量はわずかであるとともに、戻り流路537からインペラ出口540bに流出する蒸気量もわずかである。したがって、主流蒸気の抽気、主流蒸気へのパージ蒸気の流入が圧縮機主流へ与える影響は小さい。本実施例のヒートポンプシステムではこのような構成により、回転体と静止体の隣接部であるインペラ出口540bからの主流蒸気のもれを抑制できる。   When starting up, the inside of the compressor 1 is depressurized to about 0.02 MPa in advance by a vacuum pump (not shown). Further, a vacuum pump (not shown) is operated to suck air in the second cavity 534 through the discharge pipe 45. After starting the lubricating oil device 516 and supplying lubricating oil to the first bearing 509 and the second bearing 510, the motor 506 rotates the shaft 507 and the impeller 520 to about 50,000 rpm. The water from the water tank 502 is led to the expander 503 and depressurized, and is evaporated by exchanging heat with the external heat source 505 at about 80 ° C. in the evaporator 504, and as steam at about 60 ° C., the impeller inlet 540 a of the compressor 501. To be supplied. The steam is pressurized to about 0.04 MPa in the process of passing through the rotating impeller 520 and the stationary diffuser 521. The pressurized steam passes through the exhaust pipe 514 and proceeds to the next step. A part of the steam is supplied as extracted steam to the first cavity 533 through the seal steam pipe 542 at a pressure of about 0.035 MPa. . Since the pressure at the impeller outlet 540b is about 0.034 MPa, the branch steam flow 553 that leaks into the main stream from the first cavity 533 through the steam return channel 537 is very small. On the other hand, since the internal pressure of the second cavity 534 is about 0.03 MPa, the branch vapor flow 554 that is the flow from the first cavity 533 to the second cavity 534 is also very small. That is, the amount of steam extracted from the main stream as the seal steam 552 is small, and the amount of steam flowing out from the return flow path 537 to the impeller outlet 540b is also small. Therefore, the influence of the mainstream steam extraction and the purge steam inflow to the mainstream steam on the compressor mainstream is small. In the heat pump system of the present embodiment, leakage of mainstream steam from the impeller outlet 540b, which is an adjacent portion of the rotating body and the stationary body, can be suppressed by such a configuration.

潤滑油装置516は、付属する図示しない排煙ファンにより−300mmAq程度で吸引しており、軸受部内圧もほぼ同程度(0.100MPa程度)である。大気圧0.103MPa程度の空気流555は、パージ空気供給口546を通過して0.102MPa程度の第3のキャビティ536に吸入する。この空気流555の一部は分岐空気流557として油切り535を介して潤滑油装置516に流入する。空気流555の残りは第2のキャビティ534に向かって流れる分岐空気流556となり、前述の分岐蒸気流554と合流し、排出口544を通って真空ポンプ側(0.02MPa)側へと導かれる。このような構成により、蒸気の第1の軸受509への混入を抑制している。第1の軸受509内へは、比較的低温のパージ空気が導かれるため、潤滑油のインペラ520側への漏れ出しを抑制するとともに、軸受自身の温度上昇を抑制できる。   The lubricating oil device 516 is sucked at about −300 mmAq by an attached smoke exhaust fan (not shown), and the internal pressure of the bearing portion is almost the same (about 0.100 MPa). The air flow 555 having an atmospheric pressure of about 0.103 MPa passes through the purge air supply port 546 and is sucked into the third cavity 536 having about 0.102 MPa. A part of the air flow 555 flows into the lubricating oil device 516 through the oil drain 535 as a branched air flow 557. The remainder of the air flow 555 becomes a branched air flow 556 that flows toward the second cavity 534, merges with the aforementioned branched vapor flow 554, and is led to the vacuum pump side (0.02 MPa) side through the discharge port 544. . With such a configuration, mixing of steam into the first bearing 509 is suppressed. Since relatively low-temperature purge air is guided into the first bearing 509, leakage of the lubricating oil to the impeller 520 side can be suppressed, and temperature rise of the bearing itself can be suppressed.

本実施例のヒートポンプシステムでは、作動流体を水または水蒸気とし、圧縮機501の軸受509をパージする系統を備え、パージ流体の少なくとも一種を水蒸気とし、圧縮機501の主流に流入するパージ気体が水蒸気となるよう構成している。このように構成することで、軸受509の潤滑油が圧縮機主流に混入することを抑えることができ、さらに、圧縮機主流流体と主流に流入するパージ流体とを同種流体である水蒸気にすることができるため翼の局地的な温度変化の発生を抑制でき、圧縮機の信頼性を高めることができる。さらに、圧縮機主流に空気が流入する場合と比べ、主流の質量流量の減少を抑えることができ、システムの熱効率の点で有利である。   The heat pump system of this embodiment includes a system for purging the bearing 509 of the compressor 501 with water or steam as the working fluid, and at least one purge fluid is steam, and the purge gas flowing into the main flow of the compressor 501 is steam. It is constituted so that. By configuring in this way, it is possible to prevent the lubricating oil of the bearing 509 from being mixed into the main flow of the compressor, and further, to make the main flow fluid of the compressor and the purge fluid flowing into the main flow into the same kind of water vapor. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of local temperature changes of the blades and to improve the reliability of the compressor. Furthermore, compared with the case where air flows into the main flow of the compressor, a decrease in the main flow mass flow rate can be suppressed, which is advantageous in terms of the thermal efficiency of the system.

また、本実施例のヒートポンプシステムではさらに、パージ流体の少なくとももう一種を空気とし、軸受509に流入するパージ気体が空気となるよう構成している。このように構成することで、軸受潤滑油系統に水等が混入することを抑制でき、潤滑油から水を除去する装置が不要となり、システムの簡素化、低コスト化が可能になる。   Further, in the heat pump system of this embodiment, at least another kind of purge fluid is air, and the purge gas flowing into the bearing 509 is air. With this configuration, it is possible to suppress water and the like from being mixed into the bearing lubricating oil system, and a device for removing water from the lubricating oil becomes unnecessary, and the system can be simplified and the cost can be reduced.

本実施例のヒートポンプシステムは、軸受パージ機構は、圧縮機吐出541と軸受509とを連通する間隙の圧縮機吐出541側にパージ蒸気を供給する蒸気供給口543を有し、間隙の軸受509側にパージ空気を供給する空気供給口546を有し、蒸気供給口543と空気供給口546との間にパージ蒸気とパージ空気を間隙から排出する排出口544を有するよう構成されている。このように構成することにより、圧縮機501の主流に流入するパージ気体が水蒸気となり、かつ、軸受509に流入するパージ気体が空気となるシステムが実現でき、上述した通り信頼性の向上、高効率化、低コスト化が可能である。   In the heat pump system of the present embodiment, the bearing purge mechanism has a steam supply port 543 for supplying purge steam to the compressor discharge 541 side of the gap communicating with the compressor discharge 541 and the bearing 509, and the bearing 509 side of the gap An air supply port 546 for supplying purge air to the air supply port 546 is provided, and a discharge port 544 for discharging purge steam and purge air from the gap is provided between the steam supply port 543 and the air supply port 546. With this configuration, it is possible to realize a system in which the purge gas flowing into the main flow of the compressor 501 becomes water vapor and the purge gas flowing into the bearing 509 becomes air, and as described above, improved reliability and high efficiency And cost reduction.

本実施例のヒートポンプシステムは、軸受パージ機構は、間隙にパージ蒸気を供給する蒸気供給口543と、間隙にパージ空気を供給する空気供給口546と、パージ蒸気とパージ蒸気とを間隙から排出する排出口544とを備え、パージ蒸気は蒸気供給口543から排出口544または圧縮機主流に流れ、パージ空気は空気供給口546から排出口544または前記軸受509に流れるよう構成されている。このように構成することにより、圧縮機の主流蒸気及び軸受潤滑油の間隙への流入を抑制でき、圧縮機主流蒸気量及び潤滑油系統内の潤滑油量の減少を抑制できる。また、圧縮機主流への潤滑油の混入、潤滑油系統への蒸気の混入、パージ流体排出系統への潤滑油の流入を抑制することができ、システムの信頼性を高めることができる。   In the heat pump system of this embodiment, the bearing purge mechanism has a steam supply port 543 for supplying purge steam to the gap, an air supply port 546 for supplying purge air to the gap, and exhausts purge steam and purge steam from the gap. The purge steam is configured to flow from the steam supply port 543 to the discharge port 544 or the main compressor, and the purge air flows from the air supply port 546 to the discharge port 544 or the bearing 509. By comprising in this way, the inflow to the gap | interval of the mainstream steam of a compressor and a bearing lubricating oil can be suppressed, and the reduction | decrease in the amount of lubricating oil in a compressor mainstream steam amount and a lubricating oil system | strain can be suppressed. Moreover, mixing of lubricating oil into the compressor mainstream, mixing of steam into the lubricating oil system, and inflow of lubricating oil into the purge fluid discharge system can be suppressed, and the reliability of the system can be improved.

本実施例のヒートポンプシステムでは、蒸気供給口543に供給されるパージ蒸気の圧力が間隙への連通部における圧縮機主流蒸気の圧力より高く、空気供給口546に供給されるパージ空気の圧力が軸受509の雰囲気圧より高く、排出口544の圧力が間隙への連通部における圧縮機主流蒸気の圧力及び軸受509の雰囲気圧よりも低くなるよう構成されている。このように構成することで、パージ蒸気は排出口544または圧縮機主流に流れ、パージ空気は排出口544または前記軸受509に流れるよう構成することができ、上述の通り、圧縮機主流蒸気量及び潤滑油系統内の潤滑油量の減少を抑制でき、かつ、システムの信頼性を高めることができる。   In the heat pump system of the present embodiment, the pressure of the purge steam supplied to the steam supply port 543 is higher than the pressure of the compressor mainstream steam at the communication portion to the gap, and the pressure of the purge air supplied to the air supply port 546 is the bearing. The pressure of the discharge port 544 is higher than the atmospheric pressure of 509, and is lower than the pressure of the compressor mainstream steam at the communicating portion to the gap and the atmospheric pressure of the bearing 509. With this configuration, the purge steam can flow to the discharge port 544 or the compressor main flow, and the purge air can flow to the discharge port 544 or the bearing 509. As described above, the compressor main flow steam amount and A decrease in the amount of lubricating oil in the lubricating oil system can be suppressed, and the reliability of the system can be enhanced.

本実施例のヒートポンプシステムでは、パージ蒸気は、圧縮機501の主流蒸気の一部を抽気した蒸気である。このように構成することで、パージ蒸気の供給系統を新たに設置する必要がなくなり、システムの簡素化、低コスト化が可能である。   In the heat pump system of the present embodiment, the purge steam is steam obtained by extracting a part of the mainstream steam of the compressor 501. With this configuration, it is not necessary to newly install a purge steam supply system, and the system can be simplified and the cost can be reduced.

本実施例のヒートポンプシステムでは、排出口544が真空ポンプに接続されている。このように構成することで、排出口544の圧力を低く設定でき、圧縮機主流への潤滑油の流入、潤滑油系統への蒸気の流入を抑制でき、システムの信頼性を向上させることができる。   In the heat pump system of this embodiment, the discharge port 544 is connected to a vacuum pump. With this configuration, the pressure at the discharge port 544 can be set low, the inflow of lubricating oil into the compressor mainstream and the inflow of steam into the lubricating oil system can be suppressed, and the reliability of the system can be improved. .

本実施例のヒートポンプシステムの軸受パージ機構は、ラビリンスシールまたはブラシシールを有している。軸受パージ機構を備えた上でラビリンスシールまたはブラシシールを備えることにより、間隙を流れるパージ流体の流量自体を削減することができ、システムの信頼性、効率の更なる向上が可能である。   The bearing purge mechanism of the heat pump system of the present embodiment has a labyrinth seal or a brush seal. By providing the labyrinth seal or brush seal in addition to the bearing purge mechanism, the flow rate of the purge fluid itself flowing through the gap can be reduced, and the reliability and efficiency of the system can be further improved.

本発明の実施形態の一つであるヒートポンプシステムの構成図を示す。The block diagram of the heat pump system which is one of embodiment of this invention is shown. 本発明のヒートポンプシステムの圧縮機構造図を示す。The compressor structure figure of the heat pump system of this invention is shown. 本発明のヒートポンプシステムの圧縮機の軸受部の拡大図を示す。The enlarged view of the bearing part of the compressor of the heat pump system of this invention is shown. 本発明の実施形態の一つであるヒートポンプシステムの構造図を示す。1 shows a structural diagram of a heat pump system that is one embodiment of the present invention. FIG. 本発明の実施形態の一つであるヒートポンプシステムの部分拡大図を示す。The partial enlarged view of the heat pump system which is one of the embodiment of this invention is shown. 本発明の実施形態の一つであるヒートポンプシステムの部分拡大図を示す。The partial enlarged view of the heat pump system which is one of the embodiment of this invention is shown.

符号の説明Explanation of symbols

1…蒸気圧縮機、2…軸、3…モータ、4…蒸発器、9…膨張器、11…蒸気圧縮機第一段、12…蒸気圧縮機第二段、13…蒸気圧縮機第三段、14…蒸気圧縮機第四段、20…外部高温熱源、40,41…水、42,44,46,48,50…過熱蒸気、43,45,47,49…飽和蒸気、61,62,509,510…軸受、70,80…ポンプ、71,72,160,161,163,542,545…配管、81,82,83,84…加湿器、91…凝縮器第一段、92…凝縮器第二段、93…凝縮器第三段、94…凝縮器第四段、100…ケーシング、101,102,103,104,105,106…静止部材、111,112,113,114…静翼、121,122,123,124…ロータ、131,132,133,134…動翼、151,152…空間、153,154,155…フィン、170,172…調節弁、180…制御装置、501…圧縮機、507…シャフト、516…潤滑油装置、520…インペラ、521…ディフューザ、522…ケーシング、523…軸受ボックス、530,531,532…ラビリンスシール、533,534,536…キャビティ、535…油切り、537…流路、540a…インペラ入口、540b…インペラ出口、541…圧縮機吐出、543,546…供給口、544…排出口、550,552…蒸気、553,554…蒸気流、555,556,557…空気流。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Steam compressor, 2 ... Shaft, 3 ... Motor, 4 ... Evaporator, 9 ... Expander, 11 ... Steam compressor 1st stage, 12 ... Steam compressor 2nd stage, 13 ... Steam compressor 3rd stage 14 ... Steam compressor fourth stage, 20 ... External high-temperature heat source, 40, 41 ... Water, 42, 44, 46, 48, 50 ... Superheated steam, 43, 45, 47, 49 ... Saturated steam, 61, 62, 509, 510 ... bearing, 70, 80 ... pump, 71, 72, 160, 161, 163, 542, 545 ... piping, 81, 82, 83, 84 ... humidifier, 91 ... condenser first stage, 92 ... condensation Second stage, 93 ... Third stage of condenser, 94 ... Fourth stage of condenser, 100 ... Casing, 101, 102, 103, 104, 105, 106 ... Static member, 111, 112, 113, 114 ... Stator blade 121, 122, 123, 124 ... rotor, 131, 132, 13 , 134 ... Rotor blades, 151, 152 ... Space, 153, 154, 155 ... Fins, 170, 172 ... Control valve, 180 ... Control device, 501 ... Compressor, 507 ... Shaft, 516 ... Lubricating oil device, 520 ... Impeller 521 ... Diffuser, 522 ... Casing, 523 ... Bearing box, 530, 531, 532 ... Labyrinth seal, 533, 534, 536 ... Cavity, 535 ... Oil drain, 537 ... Flow path, 540a ... Impeller inlet, 540b ... Impeller outlet 541: Compressor discharge, 543, 546 ... Supply port, 544 ... Discharge port, 550, 552 ... Steam, 553, 554 ... Steam flow, 555, 556, 557 ... Air flow.

Claims (2)

熱源と作動流体とで熱交換する熱交換器と、前記作動流体を圧縮する圧縮機とを備えたヒートポンプシステムであって、
前記作動流体を水または水蒸気とし、前記圧縮機の軸受をパージする系統を2系統備え、
該2系統のうちの1系統を流れるパージ流体を水蒸気とし、前記圧縮機主流に流入するパージ気体が、前記圧縮機の主流蒸気の一部を抽気した水蒸気となるよう構成し
前記2系統のうちの他の1系統を流れるパージ流体を空気とし、前記軸受に流入するパージ気体が空気となるよう構成し、
前記軸受に向かって流れるパージ流体である水蒸気を前記圧縮機主流に向かって流れる前記パージ流体である空気と合流させて圧縮機外部へ排出するよう構成したことを特徴とするヒートポンプシステム。
A heat pump system comprising a heat exchanger that exchanges heat between a heat source and a working fluid, and a compressor that compresses the working fluid,
The working fluid is water or steam, and two systems for purging the compressor bearing are provided,
The 2 purge flow body through the one system of the systems and steam, the compressor main flow flowing purge gas, and configured to be water vapor bleed a part of mainstream steam of the compressor,
The purge fluid flowing through the other one of the two systems is air, and the purge gas flowing into the bearing is air,
A heat pump system configured to combine water vapor, which is a purge fluid flowing toward the bearing, with air, which is the purge fluid, which flows toward the main flow of the compressor, and discharge the vapor outside the compressor .
熱源と作動流体とで熱交換する熱交換器と、前記作動流体を圧縮する圧縮機とを備えたヒートポンプシステムの軸封方法であって、A shaft seal method for a heat pump system comprising a heat exchanger for exchanging heat between a heat source and a working fluid, and a compressor for compressing the working fluid,
前記作動流体を水または水蒸気とし、前記圧縮機主流に流入するパージ気体が水蒸気となるよう、前記圧縮機の軸受を水蒸気を用いて軸封し、前記軸受に向かって流れるパージ気体である前記水蒸気を空気で軸封し、前記空気を前記軸受に向かって流れるパージ気体である前記水蒸気とともに圧縮機外部に排出し、The working fluid is water or steam, and the purge gas flowing into the compressor main flow is steam, and the bearing of the compressor is sealed with steam, and the steam is the purge gas flowing toward the bearing The shaft is sealed with air, and the air is discharged to the outside of the compressor together with the water vapor that is a purge gas flowing toward the bearing,
前記水蒸気に、圧縮機の主流蒸気の一部を抽気した水蒸気を用いることを特徴とするヒートポンプシステムの軸封方法。A shaft sealing method for a heat pump system, wherein steam obtained by extracting a part of mainstream steam of a compressor is used as the steam.
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