JP5190653B2

JP5190653B2 - 圧縮機

Info

Publication number: JP5190653B2
Application number: JP2007295699A
Authority: JP
Inventors: 豊長谷川; 真也前川; フイホアングエン; 和三長谷川; 良行小河; 知己川久保
Original assignee: Nagoya University NUC; IHI Corp; Tokai National Higher Education and Research System NUC
Current assignee: Nagoya University NUC; IHI Corp; Tokai National Higher Education and Research System NUC
Priority date: 2007-11-14
Filing date: 2007-11-14
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2027-11-14
Also published as: JP2009121318A

Description

本発明は、圧縮機に関するものである。

従来の圧縮機では、圧縮効率を向上させるために、吸気に液滴を噴霧して、インペラやスクリュー等を備えるケーシング内の吸気温度を低下させる方法が取り入れられている（例えば特許文献１，２）。このような圧縮機は、ガス（空気）を供給する系統と、水を供給する系統とが分かれた２流体ノズル（噴霧）構造を呈している。
特開２００３−１８４７６８号公報特開昭５６−９８５９１号公報

吸入空気と混合した噴霧液滴は、圧縮工程中に気化することで圧縮空気の圧縮熱を奪い、このような熱交換作用によって必要動力を低減させることができる。しかしながら、噴霧液滴の粒径によってはその一部が気化されず、ディフューザへと送られてしまうことがある。このような液滴は圧縮空気の温度低減に寄与出来ず、かえって動力が増加する（圧縮効率が低下する）という問題がある。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み成されたものであって、噴霧液滴の熱交換効率を高めて、圧縮効率を向上させることを可能とした圧縮機を提供することを目的としている。

本発明の圧縮機は、上記課題を解決するために、圧縮羽根と、圧縮羽根を収容するとともに、圧縮羽根に向けてガスを送気する流路が形成されたケーシングと、流路の圧縮羽根よりも上流側に配置され、且つ圧縮羽根によりガスにエネルギーを付与するエネルギー付与領域で蒸発可能な粒径の液滴をガス中に噴霧する噴霧手段と、を備えることを特徴とする。

また、本発明においては、噴霧手段は、噴霧液滴の平均粒径を１０μｍ以下に形成することによって達成出来る。

また、本発明においては、噴霧手段は、液体を貯留する貯留部と、液体に振動を与える複数個の超音波振動子とを有することが好ましい。

また、本発明においては、噴霧液滴の平均粒径は、超音波振動子の周波数によって調整できることが好ましい。

また、本発明においては、流路には、噴霧手段よりも上流側に、フィルタ部材が設けられていることが好ましい。

また、本発明においては、貯留部内における液体の水位が常に一定であることが好ましい。

本発明によれば、以下の効果を得ることができる。
空気（ガス）の圧縮過程中におけるエネルギー付与領域（圧縮羽根によって空気が圧力エネルギーと速度エネルギーが付与される領域）にて、圧縮空気の温度が上昇した際に空気中に混合された噴霧状の液滴が蒸発し、その際の蒸発潜熱により下流に向かう空気中から熱が奪われ、これによって圧縮空気の温度上昇を抑制することができる。本発明においては、超音波振動子を複数個利用して液体を噴霧させているので、噴霧液滴を従来よりも微細化することが可能となる（本発明の構成によれば、粒径が１〜５μｍ程度の噴霧液滴を生成することも可能である）。従来の構成では、粒径が２〜３μｍの液滴を生成することは不可能であったが、本発明のように超音波振動子を用いることで、容易に生成することが可能である。そのため、エネルギー付与領域において噴霧液滴の蒸発が完了する。これにより、熱交換効率を向上させることができ、圧縮動力をより低減させることが可能になる。

また、超音波振動子複数個を用いることで、液体の霧化を短時間で行うことができるので、応答性の良いものとなる。また、超音波の周波数を変えることで噴霧液滴の粒径を調整することができ、適量の噴霧液滴を空気に加えることが可能になる。また、噴霧液滴の粒径が小さいほどエネルギー付与領域における噴霧液体の気化を促進させることができるため、より微細な液滴を生成し、エネルギー付与領域での熱交換効率の向上を図る。さらに、複数個の超音波振動子は、液体に対して温度を加えず霧化することが可能であるため、液体の性質が変化することが防止される。
このように、複数個の超音波振動子によって液滴が微細化されるので、圧縮羽根にダメージが及ぶこともなく、所謂ドレンエロージョンが防止されたものとなる。

このように、本発明の圧縮機によれば、噴霧液滴の熱交換効率を高めて、エネルギー付与領域における空気の圧縮に起因する圧縮空気の温度上昇を良好に防止でき、圧縮空気の圧縮効率向上及び機械的損傷を防ぎ高信頼性なものとなる。

以下、本発明の実施形態につき、図面を参照して説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。

［第１の実施形態］
図１は本発明の実施の形態に係る遠心圧縮機１の概略構成を示す模式図、図２はインペラの概略構成を示す斜視図、図３は図１の要部拡大図、図４は噴出装置の要部拡大図である。

図１〜図３に示すように、遠心圧縮機１は、空気Ａ（ガス）を遠心力によって圧縮するインペラ３と、インペラ３に回転力を伝達する回転軸９と、インペラ３を収容するケーシング本体１０と、空気Ａ中に液滴を噴霧する噴霧装置３０（噴出手段）などから構成される。

インペラ３は、図２に示すように、回転軸９の一端に連結されるインペラ本体部４と、インペラ本体部４に放射状に配置された複数の羽根５（圧縮羽根）と、から形成される。各羽根５は、回転中心軸Ｏまわりに等間隔で配置されている。
回転軸９は、図１に示すように、ケーシング本体１０によって支持され、回転中心軸Ｏまわりに回転可能である。そして、回転軸９の他端に連結されているタービン（図示せず）の羽根車かモータ駆動の歯車装置が回転することにより、インペラ３が回転するようになっている。

ケーシング本体１０は、流入口Ｂからインペラ３までの流路を形成する吸込部ケーシング１２と、インペラ３を収容してインペラ３とともに吸込部ケーシング１２からディフューザ２０までの流路を形成する収容部ケーシング１４と、収容部ケーシング１４から後述のスクロール部２２までの流路を形成するディフューザ２０と、ディフューザ２０から流出口Ｃまでの流路を形成するスクロール部２２と、から一体的に形成される。なお、各流路は連通し、この流入口Ｂからインペラ３を介してスクロール部２２の最下流部に位置する流出口Ｃまで連なる一連の流路が流路Ｒ_１となる。

吸込部ケーシング１２は、回転中心軸Ｏの軸方向からみて断面形状が中空円形であって、収容部ケーシング１４に連接する。
そして、吸込部ケーシング１２は、流入口Ｂから流入した空気Ａ_０がインペラ３に流入するまでの流路を形成する。

収容部ケーシング１４は、インペラ３を包み込むように収容して、回転軸９を回転可能に支持する。なお、収容部ケーシング１４の内壁はシュウラドとして機能する。
そして、収容部ケーシング１４は、インペラ３に流入した空気Ａ_１がディフューザ２０に流入するまでの流路を、インペラ３とともに形成する。

ディフューザ２０は、回転中心軸Ｏの軸方向に互いに対向するディフューザ形成面２１ａ、２１ｂから構成される。ディフューザ形成面２１ａ、２１ｂは、各内周縁部が収容部ケーシング１４と連接され、外周縁部でスクロール部２２と連接している。
インペラ３からスクロール部２２へと流れるディフューザ２０の流路断面積は、半径方向に次第に大きくなるようになっている。なお、本図では所謂ベーン（案内羽根）はついていない。
このディフューザ２０は、流入した空気Ａ_２がスクロール部２２に流入するまでの流路を形成する。

スクロール部２２は、ディフューザ形成面２１ａ、２１ｂの外周縁部と連接している。
そして、回転中心軸Ｏを中心として、吸込部ケーシング１２の一部と収容部ケーシング１４に巻き付くように構成されている。また、回転中心軸Ｏに沿った断面形状は中空円形であって、流路の下流側に進むほどに流路断面積が大きくなるようになっている。
このスクロール部２２は、ディフューザ２０から流入した空気Ａ_３をスクロール部２２の下流側の流出口Ｃから外部に排出するまでの流路を形成する。

噴霧装置３０は、図３に示すように、吸込部ケーシング１２の空間Ｋ内に配置されており、各噴霧機構３１が不図示の支持部によって吸込部ケーシング１２の内壁にそれぞれ固定されている。各噴霧機構３１は、液体Ｅを貯留する液体貯留部３２と、該液体貯留部３２の底部３２ａに所定間隔をおいて配置された複数の超音波振動子３３とを備える。各超音波振動子３３は、図４に示すように、端子面３３ａ上に配置された被覆材３４が、液体貯留部３２の開口部３２Ａから露出するようにその底部３２ａに固定されている。

このような噴霧装置３０は、液体貯留部３２内の液体Ｅを、底部３２ａに配置された複数の超音波振動子３３によって霧化させ、生成した噴霧液滴Ｆを、図２に示す流入口Ｂから流入した空気Ａ_０中に噴霧するようになっている。本実施形態では、液体Ｅとして水を用いるが水以外であってもよい。

また、図３に示すように、流入口Ｂの近傍、且つ流路Ｒ_１における噴霧装置３０よりも上流側にフィルタ部材３８が配置されている。フィルタ部材３８は、ケーシング本体１０の内部に異物やガス中の浮遊物が浸入することを抑制する。

さらに、液体貯留部３２内には、液体Ｅが不図示の液体供給機構によって常に液体Ｅが供給されるようになっており、最適な水位ｈ（図４参照）が確保されている。
なお、液体貯留部３２内に、たとえば液体Ｅの貯留量を検知する液検知センサなどを備えるようにしてもよい。この液検知センサにより、超音波振動子３３による霧化に適正な水位ｈを保つことができ、最適な粒子径を保つ且つ空焚きによる超音波振動子３３の損傷を防止できる。

次に、上述した構成を備える遠心圧縮機１の作用について図１〜図４を用いて説明する。
まず、遠心圧縮機１の基本的な作用を流路Ｒ_１に沿って説明する。
回転軸９によって連結されているタービン（図示せず）の羽根車が回転することにより、インペラ３が回転する。そして、インペラ３の回転によって、吸込部ケーシング１２の空気Ａ_０の圧力が外部の空気Ａの圧力よりも低くなるため、流入口Ｂから空気Ａが順次流入する。

吸込部ケーシング１２を流れる空気Ａ_０は、インペラ３によって収容部ケーシング１４に流入する。ここで本実施形態では、空気Ａ_０が吸込部ケーシング１２を流れる際、噴霧装置３０によって噴霧液滴Ｆを空気Ａ_０中に噴霧する。

インペラ３を流れる空気Ａ_１は、水分（噴霧液滴Ｆ）を含んだ状態となる。インペラ３による遠心力によって圧力エネルギーと速度エネルギーが与えられる。すなわち、インペラ３を通過する間に、空気Ａ_１の圧力エネルギーと速度エネルギーが増加する。このようなインペラ３のエネルギー付与領域において、空気Ａ_１中の噴霧液滴Ｆは液滴が十分小さければ（１０μ以下）完全に蒸発させることが出来る。
そして、インペラ３を経た空気Ａ_１は、空気Ａ_２となって、ディフューザ２０に流入する。

ディフューザ２０の流路断面積はディフューザ２０径方向に進むほど大きくなるため、ディフューザ２０を流れる空気Ａ_２は、速度エネルギーが減少して、その分だけ圧力エネルギーが増加する。

その後、ディフューザ２０を経た空気Ａ_２は、スクロール部２２に流入する。スクロール部２２を流れる空気Ａ_３は、スクロール部２２の流路断面積の増大によって、さらに速度エネルギーの一部が圧力エネルギーに変換される。そして、さらに圧力が増した空気Ａ_３は、スクロール部２２の下流の流出口Ｃから外部に排出される。

このように、インペラ３を流れる空気Ａ_１は、インペラ３の回転により加速及び圧縮され、ディフューザ２０へ送られることによってさらに昇圧される。

次に、本発明の特徴部分である噴霧装置３０の作用について詳述する。
超音波振動子３３の作用により、液体Ｅに振動エネルギーが与えられると、液面の表面張力が減少して霧状の噴霧液滴Ｆが生成される。ここで、生成される噴霧液滴Ｆのザウター平均粒径は１０μｍ以下である。本実施形態では超音波振動子３３の周波数を調整することにより、ザウター平均粒径が１〜５μｍ以下の噴霧液滴Ｆを生成することが可能となっている。
噴霧液滴Ｆを空気Ａ_０中に噴霧供給すると、吸込部ケーシング１２を流れる空気Ａ_０の相対湿度が高まる。このようにして水分（噴霧液滴Ｆ）を含んだ空気Ａ_０が、インペラ３によって収容部ケーシング１４に流入することになる。

従来技術では、水圧噴霧によってザウター平均粒径が２０〜５０μｍ、圧縮空気による２流体ノズルによってザウター平均粒径が２流体ノズル１５〜２０μｍの液滴しか生成することができなかった。ところが、ザウター平均粒径が１０μｍ以下でないと、インペラ３内で（インペラ３を通過するまでに）蒸発することが出来ない。

本実施形態では、インペラ３を通過する間、すなわち空気Ａ_１に圧力エネルギー及び速度エネルギーが付与される領域（エネルギー付与領域）において、空気Ａ_１中の噴霧液滴Ｆが完全に蒸発する。すると、噴霧液滴Ｆの蒸発に伴う気化熱によって空気Ａ_１の温度を下げ、必要駆動動力を下げることが出来る。

また、インペラ３へと送られる空気Ａ_０中に噴霧供給される液滴は、噴霧装置３０によって微細なものとなる。超音波振動子３３により所定の振動エネルギーを液体Ｅに与えることで、エネルギー付与領域において完全に蒸発可能なザウター平均粒径（本実施形態では５μｍ程度）を有する噴霧液滴Ｆを生成することが可能となる。そのため、噴霧液滴Ｆの熱交換効率が向上し、圧縮動力をより低減させることができる。

したがって、外気の流動過程に伴う圧縮工程に起因するインペラ３の温度上昇を良好に防止でき、結果的にインペラ３の圧縮効率及び機械的強度を向上させることで信頼性の高い遠心圧縮機１を提供することができる。

なお、ザウター平均粒径は、超音波振動子３３の周波数を変えることで調整することが可能であるため、装置構造などによって適宜設定し、適量の噴霧液滴Ｆを空気Ａ_０中に供給することができる。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態の遠心圧縮機について説明する。なお、本実施形態においては、第１の実施形態と同様の構成には同一の符号を付して説明する。ここで、図５は、図１のＸ−Ｘ断面図である。
本発明の第２の実施形態における遠心圧縮機４０は、吸込部ケーシング４１の内壁に沿う多数の噴霧機構４２からなる噴霧装置４３と、各噴霧機構４２に液体を供給する一対の供給部４４，４４、及び各噴霧機構４２から溢れ出した液体Ｅを排出する排出部４５を有したケーシング本体４６とを備えている。

ケーシング本体４６には、吸込部ケーシング１２の側周に、径方向で互いに対向する一対の供給部４４，４４と、吸込部ケーシング１２の周方向で供給部４４，４４の間に配置された排出部４５とが設けられている。

多数の噴霧機構４２は、吸込部ケーシング４１の周方向、具体的には、空間Ｋに連通する一対の供給部４４，４４よりも下側の半周に亘って並設されている。そして、液体Ｅを貯留する液体貯留部４７は、吸込部ケーシング４１の内壁面から垂直に延びるように延在しており、供給部４４側から排出部４５側に向かうに従って、各貯留穴４８内の液体Ｅの液面が除々に低くなるよう、互いの高さを異ならせて構成されている。これにより、隣り合う噴霧機構４２の間には所定の段差Ｄが形成されることになる。
また、各噴霧機構４２には、貯留穴４８の底部に超音波振動子３３がそれぞれ備えられており、液体Ｅに振動エネルギーが付与されるようになっている。

このような構成の遠心圧縮機４０は、各供給部４４，４４から空間Ｋ内へ流出した液体Ｅが、供給部４４側の噴霧機構４２から除々に供給されていくことになる。最初に液体Ｅが供給される噴霧機構４２の貯留穴４８が液体Ｅで満たされると、該貯留穴４８から液体Ｅが溢れ出し、隣接する噴霧機構４２の貯留穴４８へと段差Ｄを介して流出していく。供給部４４，４４からは液体Ｅが随時流出されるため、各段差Ｄを介して全ての噴霧機構４２内に液体Ｅが供給されることになる。全ての貯留穴４８が液体Ｅで満たされ、各貯留穴４８から溢れ出した液体Ｅは排出部４５から排出される。

以上の構成により、吸込部ケーシング４１内全体に噴霧液滴Ｆが噴出されることになり、吸込ケーシング４１内を流れる空気Ａ_０中に、充分に噴霧液滴Ｆを噴霧することができ、インペラ３を通過する空気Ａ_１の熱交換効率をより向上させることができる。
なお、本実施形態における貯留穴４８は、超音波振動子３３による液体Ｅの霧化に適正な水位ｈの高さ（深さ）を一定に確保可能とする。各貯留穴４８からは液体Ｅが常にオーバーフローするようになっているため、液検知センサを用いる必要もなく、水位ｈの管理が容易である。なお、水位ｈによって噴霧液滴Ｆの発生量に最適値があることから、所望量の噴霧液滴Ｆを得るべく水位ｈを適宜調整する。

［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態の遠心圧縮機について説明する。なお、本実施形態においては、第１の実施形態と同様の構成には同一の符号を付して説明する。ここで、図６は、図１の要部拡大図である。本発明の第３の実施形態における遠心圧縮機５０は、吸込部ケーシングと液体貯留部とを一体化、または吸込部ケーシングが液体貯留機能を有した構成となっている。

図６を用いて詳述すると、吸込部ケーシング５１の底部に液体貯留部５２が設けられている。液体貯留部５２の径方向（ｚ方向）における幅は、吸込部ケーシング５１の直径に等しいことが好ましいが、それ以下の幅であってもよい。また、吸込部ケーシング５１の経路方向（ｘ方向）における液体貯留部５２の幅は、液体Ｅの貯留量や装置構造などに応じて適宜設定される。

液体貯留部５２の側壁部５２ａには、液体Ｅを供給するための供給部５３と、該供給部５３よりも低い位置に配置される排出部５４とが設けられ、底部５２ｂにはさらに複数の超音波振動子３３が配置されている。このようにして本実施形態の噴霧装置５５が構成される。
液体貯留部５２内が一定の水位ｈになると、排出部５４から液体Ｅが排出される。液体貯留部５２内の水位ｈは、この排出部５４によって常に一定に保持され、超音波振動子３３による霧化に適正な水位ｈが確保されるようになっている。このような構成とすることで水位ｈを検知する液検知センサは不要となる。

以上の構成により、吸込部ケーシング５１と液体貯留部５２とを一体化して形成することができるので、部品点数が削減されてコスト低下を図ることができる。また、水位ｈの管理も容易である。

ここで、上記した第２及び第３実施形態における遠心圧縮機４０，５０にも、各吸込部ケーシング４１，５１の流入口Ｂの近傍にフィルタ部材を設けるようにしても良い。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更が可能である。例えば、上記実施形態では１段遠心圧縮機について説明したが、本発明は２段遠心圧縮機等の多段式の遠心圧縮機についても同様に適用可能である。

また、本実施形態の遠心圧縮機１をエンジンの過給器、産業用の圧縮機又はガスタービンに適用することが可能である。
さらに、遠心式以外のターボ圧縮機（例えば、斜流式や軸流式）にも適用可能である。軸流圧縮機としては、ガスタービンのコンプレッサーなどが挙げられる。

本発明の第１の実施形態における遠心圧縮機の概略構成を示す模式図。インペラの概略構成を示す斜視図。図１の要部拡大図。噴出装置の超音波振動子を示す拡大断面図。本発明の第２の実施形態における遠心圧縮機の要部拡大図。本発明の第３の実施形態における遠心圧縮機の要部拡大図。

符号の説明

１…遠心圧縮機、３…インペラ、５…羽根（圧縮羽根）、１０…ケーシング本体、１２…吸込部ケーシング、１４…収容部ケーシング、２０…ディフューザ、Ｅ…液体、Ｆ…噴霧液滴、Ｒ_１…流路、Ａ_０，Ａ_１，Ａ_２…空気、３０…噴出装置（噴出手段）、３２…液体貯留部、３３…超音波振動子、３８…フィルタ部材

Claims

圧縮羽根と、
前記圧縮羽根を収容するとともに、前記圧縮羽根に向けてガスを送気する流路が形成されたケーシングと、
前記流路の前記圧縮羽根よりも上流側に配置され、且つ前記圧縮羽根により前記ガスにエネルギーを付与するエネルギー付与領域で蒸発可能な粒径の液滴を前記ガス中に噴霧する噴霧手段とを備え、
該噴霧手段は、
液体を貯留すると共に高さ方向に段差を設けて隣接配置された複数の貯留部と、
最も高い貯留部に液体を供給する供給部と、
最も低い貯留部から溢れ出した液体を排出する排出部と、
前記貯留部に各々設けられ、前記液体に振動を与える複数の超音波振動子とからなることを特徴とする圧縮機。
前記噴霧手段は、前記噴霧液滴の平均粒径を１０μｍ以下に形成することを特徴とする請求項１記載の圧縮機。
前記噴霧液滴の平均粒径は、前記超音波振動子の周波数によって調整できることを特徴とする請求項１記載の圧縮機。
前記流路には、前記噴霧手段よりも上流側に、フィルタ部材が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の圧縮機。