JP6452275B2 - サーモコンプレッサ - Google Patents

Description

本発明は、サーモコンプレッサに関する。

サーモコンプレッサは、高圧蒸気を駆動流体として低圧蒸気をミキシングチャンバ内に吸引混合し、ディフューザにより混合蒸気の圧力を上昇させて吐出するように構成される。高圧の駆動蒸気を用いて流体を吸引混合する構成としては、例えば特許文献１に開示されたスチームジェットポンプが知られている。

特許文献１には、図４に示す混合管５１、蒸気ノズル５２および液吐出ノズル５３を備えるスチームジェットポンプ５０が、従来技術として開示されている。このスチームジェットポンプ５０は、蒸気ノズル５２から高圧蒸気を噴射することにより、輸送対象液が液入口５４から混合管５１内に流入し、先細の混合管５１内で流速を増加させながら液吐出ノズル５３に送られる。そして、輸送対象液が、管径が徐々に拡がる液吐出ノズル５３内で減速された後、外部へと送出される。

図４に示す構成において、混合管５１の内径ｄ１は、蒸気ノズル５２の噴射口径ｄ２の１．５〜２．５倍とされている。特許文献１の発明は、このような構成によると十分なポンプ効率が得られないとして、混合管５１の内径ｄ１を蒸気ノズル５２の噴射口径ｄ２の２．５〜４．０倍にすることを提案している。

特開平７−４３９８号公報

ところが、特許文献１の発明のように、蒸気ノズル５２の噴射口径ｄ２に対して混合管５１の内径ｄ１を更に拡げた場合、混合管５１に吸引される輸送対象液の流入抵抗が小さくなる一方で、液吐出ノズル５３からの輸送対象液の吐出圧力が大きく低下してしまうという問題があった。したがって、吸入蒸気が低圧であるサーモコンプレッサの場合には、駆動蒸気との混合後に低圧蒸気の十分な圧力上昇が得られないため、このサーモコンプレッサを海水淡水化装置やヒートポンプ装置に利用する際の効率向上を図る上で更に改良の余地があった。

そこで、本発明は、高い蒸気吐出圧力が得られるサーモコンプレッサの提供を目的とする。

本発明の前記目的は、先端に形成された噴射口から高圧蒸気を噴射する蒸気ノズルと、 両端が開口する筒状に形成され、一方端に前記噴射口が配置されるミキシングチャンバと、前記ミキシングチャンバの他方端側に接続されるディフューザとを備え、前記噴射口からの高圧蒸気の噴射により、前記噴射口の周囲から前記ミキシングチャンバ内に低圧蒸気を吸引し、混合蒸気を前記ディフューザで昇圧して外部に吐出するサーモコンプレッサにおいて、前記ミキシングチャンバは、一方端から他方端に向けて内径がテーパ状に縮径されるように形成されており、テーパ状の一方端における内径Ｄ１とテーパ状の他方端における内径Ｄ２との比（Ｄ１／Ｄ２）が、１．１〜１．３の範囲にあり、前記ミキシングチャンバの長さＬと、前記ミキシングチャンバのテーパ状の他方端における内径Ｄ２との比（Ｌ／Ｄ２）が、３．０〜４．０の範囲にあり、前記ミキシングチャンバのテーパ状の一方端において吸引される低圧蒸気のマッハ数が０．３〜０．７である蒸発装置の加熱用蒸気生成用またはヒートポンプ用のサーモコンプレッサにより達成される。

本発明によれば、高い蒸気吐出圧力が得られるサーモコンプレッサを提供することができる。

本発明の一実施形態に係るサーモコンプレッサの概略構成図である。 図１の構成において、Ｄ１／Ｄ２の値と、ディフューザの吐出圧力およびミキシングチャンバの入口流速との関係を示すグラフである。 図１の構成において、Ｌ／Ｄ２の値と、ディフューザの吐出圧力との関係を示すグラフである。 従来のスチームジェットポンプの概略構成図である。

以下、本発明の一実施形態について添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るサーモコンプレッサの概略構成図である。図１に示すように、サーモコンプレッサ１は、支持部材１１、ミキシングチャンバ２０、喉部材３０およびディフューザ４０が順次接続されて構成されている。

支持部材１１は、筒状に形成されており、一端側が端板１２により閉塞され、他端側がミキシングチャンバ２０の一方端部に連結されている。支持部材１１の内部には、高圧蒸気を噴射する蒸気ノズル１０の先端部が、端板１２の中央を貫通して延びている。蒸気ノズル１０の先端には噴射口１０ａが形成されている。蒸気ノズル１０は、ミキシングチャンバ２０の一方端面と噴射口１０ａとが略同一平面上に存在するように、端板１２に固定されている。支持部材１１の側壁には導入部１３が設けられており、噴射口１０ａからの高圧蒸気の噴射により、低圧蒸気が導入部１３から支持部材１１の内部に吸引される。支持部材１１の他端側には、ミキシングチャンバ２０への低圧蒸気の吸引を促すため、ノズル１０の先端部の先細形状に合わせて先細部１１ａが形成されている。

ミキシングチャンバ２０は、支持部材１１に連結された一端側から他端側に向けてテーパ状に縮径されるように、先細に形成されている。ミキシングチャンバ２０は、支持部材１１と一体に形成することもできる。この場合、噴射口１０ａから先端側をミキシングチャンバ２０と定義することができる。

喉部材３０は、内径が一定である直管状に形成されており、ミキシングチャンバ２０の他方端に連結されている。また、ディフューザ４０は、喉部材３０に連結されており、先端に形成された吐出口４２に向けて徐々に拡径されるように形成されている。本実施形態においては、ディフューザ４０が、喉部材３０を介してミキシングチャンバ２０に接続されているが、ディフューザ４０をミキシングチャンバ２０に直接接続することも可能である。

以上の構成を備えるサーモコンプレッサ１は、従来のサーモコンプレッサと同様に、蒸気ノズル１０の噴射口１０ａから高圧蒸気（例えば、２〜８ａｔａの圧力を有する蒸気）を駆動蒸気として高速（例えば、マッハ２〜３）で噴射することにより、ミキシングチャンバ２０内が負圧となり、低圧蒸気が導入部１３から支持部材１１を経て、噴射口１０ａの周囲からミキシングチャンバ２０内に吸入される。ミキシングチャンバ２０内に導入された駆動蒸気および吸入蒸気は、混合蒸気となって喉部材３０を経てディフューザ４０に案内され、ディフューザ４０で速度エネルギーが圧力エネルギーに変換されて昇圧された後、吐出口４２から吐出される。

喉部材３０に流入する混合蒸気の速度は、通常は音速に達するのが好ましいとされており、このような流速が得られるように、ミキシングチャンバ２０の先端（他方端）の内径Ｄ２が決定される。一方、ミキシングチャンバ２０の後端（一方端）の内径Ｄ１は、ミキシングチャンバ２０への低圧蒸気の吸入を促すため、従来は内径Ｄ２よりも比較的大きな値となるように設定されていた。例えば、特許文献１には、図４において、混合管５１の内径ｄ１を、蒸気ノズル５２の噴射口径ｄ２の１．５〜２．５倍とし、混合管５１の出口径ｄ３を、蒸気ノズル５２の噴射口径ｄ２の１．１〜１．８倍とすることが記載されている。この記載からｄ１／ｄ３の値（すなわち、図１のＤ１／Ｄ２の値）を算出すると、１．３６〜１．３９程度となる。

また、日本機械学会論文集「蒸気エゼクタ各部寸法の性能に及す影響に就て」（昭和１７年５月発行、第８巻第３１号（第２部））には、図１のミキシングチャンバ２０の長さＬを、ミキシングチャンバ２０の先端内径Ｄ２の６〜８倍にすることが記載されており、ミキシングチャンバ２０の先細の細まり角度を３〜５°にすることが記載されている。この記載から、図１のＤ１／Ｄ２の値を算出すると、１．３１〜１．７程度となる。

ところが、本発明者らの実験によると、混合蒸気の吐出圧力を高めるためには、Ｄ１／Ｄ２の値を従来よりも小さな値として、ミキシングチャンバ２０に吸引される吸入蒸気（低圧蒸気）の流速を高めることにより、吸入蒸気に大きな運動量を与える方が良いことが明らかになった。

図２は、図１の構成において、Ｄ１／Ｄ２の値と、ディフューザ４０の吐出圧力Ｐｄおよびミキシングチャンバ２０の入口流速Ｖ１との関係をグラフ化したものである。図１におけるＤ２，Ｄ３およびＬの値は、それぞれ９１ｍｍ，２８．５ｍｍおよび３６５ｍｍとして、Ｄ２を固定したときの種々のＤ１の値がＰｄおよびＶ１に与える影響を調べた。図２（ａ）は、ＰｄとＤ１／Ｄ２との関係を示しており、図２（ｂ）は、Ｖ１とＤ１／Ｄ２との関係を示している。

図２（ａ）に示すように、Ｄ１（すなわち、Ｄ１／Ｄ２）を小さくしていくと、ディフューザ４０の吐出圧力Ｐｄは、Ｄ１／Ｄ２が１．４付近から急激に上昇し、１．３以下で良好な吐出圧力Ｐｄを得られることが明らかになった。吐出圧力Ｐｄは、Ｄ１／Ｄ２が１．１６付近で最大となり、Ｄ１／Ｄ２がそれよりも小さくなると急激に低下する。但し、Ｄ１／Ｄ２が１．１の場合には、吐出圧力Ｐｄは依然として良好であった。Ｄ１を小さくすると吸入蒸気の流量を確保することが困難になるため、Ｄ１／Ｄ２が１．１より小さいケースについて、Ｄ２の値を大きくして測定したところ、吐出圧力Ｐｄは低下した。すなわち、Ｄ１／Ｄ２の値は、１．１〜１．３の範囲が好ましく、１．１〜１．２５の範囲がより好ましい。

図２（ｂ）に示すように、入口流速Ｖ１の値は、Ｄ１／Ｄ２の値が小さくなるにつれて上昇する。図２（ａ）および（ｂ）の測定結果を総合すると、入口流速Ｖ１のマッハ数は、０．３以上であることが好ましく、０．５程度であることがより好ましい。但し、図２（ａ）に示すように、Ｄ１／Ｄ２を小さくし過ぎても（すなわち、Ｖ１を大きくし過ぎても）、吐出圧力Ｐｄの好ましい増大には繋がらないことから、入口流速Ｖ１のマッハ数は０．３〜０．７であることが好ましい。蒸気ノズル１０の噴射口１０ａから噴射される高圧蒸気のマッハ数は、通常は２〜３程度である。なお、蒸気ノズル１０の噴射口１０ａの内径Ｄ３については、吸入蒸気の流速を高めた時の静圧に等しい圧力まで駆動蒸気を膨張させる口径になるように、適宜設定すればよい。

上述したＤ１，Ｄ２およびＤ３の値は、流路断面の形状が円形であることを想定して規定しているが、流路断面が非円形である場合には、同じ流路面積を有する断面円形の流路に置き換えた場合の値として設定すればよい。

また、ミキシングチャンバ２０の長さＬについても、混合蒸気の吐出圧力を高める観点から新たな知見を見出した。図３は、図１の構成において、Ｌ／Ｄ２の値と、ディフューザ４０の吐出圧力Ｐｄとの関係をグラフ化したものである。図１におけるＤ１，Ｄ２およびＤ３の値は、それぞれ１０６ｍｍ，９１ｍｍおよび２８．５ｍｍとして、Ｌの値を変化させたときの吐出圧力Ｐｄに与える影響を調べた。

図３に示すように、Ｌ／Ｄ２の値が２．０〜５．０の範囲で吐出圧力Ｐｄが高い値を示しており、Ｌ／Ｄ２をこの範囲に設定することが好ましいことが明らかになった。この値は、例えば上述した日本機械学会の論文では６〜８の範囲が好ましいとされていることから、ミキシングチャンバ２０の長さＬを従来よりも小さくしてコンパクトな構成にしても、ディフューザ４０内で衝撃波を発生させて、吐出圧力Ｐｄの向上を図ることが可能である。図３に示す結果から、Ｌ／Ｄ２の値は、３．０〜４．０の範囲がより好ましい。

このように、本実施形態のサーモコンプレッサ１は、従来のエジェクタにおいては十分検討されていない蒸気の吐出圧力の最大化を目的として、Ｄ１／Ｄ２の値や、Ｌ／Ｄ２の値の最適な数値範囲を定めたものである。本実施形態のサーモコンプレッサは、例えば多重効用式蒸発装置における加熱用蒸気の生成に利用する場合、各蒸発缶の間で大きな温度差を確保することができるので、伝熱面積を小さくすることが可能であり、設備費の軽減を図ることができる。また、本実施形態のサーモコンプレッサをヒートポンプに利用する場合、成績係数（ＣＯＰ）を増大させて省エネルギー化を図ることができる。

１ サーモコンプレッサ
１０ 蒸気ノズル
１０ａ 噴射口
１１ 支持部材
２０ ミキシングチャンバ
３０ 喉部材
４０ ディフューザ
Ｄ１ ミキシングチャンバの後端内径
Ｄ２ ミキシングチャンバの先端内径
Ｌ ミキシングチャンバの長さ

Claims (4)

1. 先端に形成された噴射口から高圧蒸気を噴射する蒸気ノズルと、
   両端が開口する筒状に形成され、一方端に前記噴射口が配置されるミキシングチャンバと、
   前記ミキシングチャンバの他方端側に接続されるディフューザとを備え、
   前記噴射口からの高圧蒸気の噴射により、前記噴射口の周囲から前記ミキシングチャンバ内に低圧蒸気を吸引し、混合蒸気を前記ディフューザで昇圧して外部に吐出するサーモコンプレッサにおいて、
   前記ミキシングチャンバは、一方端から他方端に向けて内径がテーパ状に縮径されるように形成されており、テーパ状の一方端における内径Ｄ１とテーパ状の他方端における内径Ｄ２との比（Ｄ１／Ｄ２）が、１．１〜１．３の範囲にあり、
   前記ミキシングチャンバの長さＬと、前記ミキシングチャンバのテーパ状の他方端における内径Ｄ２との比（Ｌ／Ｄ２）が、３．０〜４．０の範囲にあり、
   前記ミキシングチャンバのテーパ状の一方端において吸引される低圧蒸気のマッハ数が０．３〜０．７である蒸発装置の加熱用蒸気生成用またはヒートポンプ用のサーモコンプレッサ。
2. 請求項１に記載のサーモコンプレッサであって、
   多重効用式蒸発装置における加熱用蒸気生成用のサーモコンプレッサ。
3. 先端に形成された噴射口から高圧蒸気を噴射する蒸気ノズルと、
   両端が開口する筒状に形成され、一方端に前記噴射口が配置されるミキシングチャンバと、
   前記ミキシングチャンバの他方端側に接続されるディフューザとを備え、
   前記噴射口からの高圧蒸気の噴射により、前記噴射口の周囲から前記ミキシングチャンバ内に低圧蒸気を吸引し、混合蒸気を前記ディフューザで昇圧して外部に吐出するサーモコンプレッサの作動方法において、
   前記ミキシングチャンバは、一方端から他方端に向けて内径がテーパ状に縮径されるように形成されており、テーパ状の一方端における内径Ｄ１とテーパ状の他方端における内径Ｄ２との比（Ｄ１／Ｄ２）が、１．１〜１．３の範囲にあり、
   前記ミキシングチャンバの長さＬと、前記ミキシングチャンバのテーパ状の他方端における内径Ｄ２との比（Ｌ／Ｄ２）が、３．０〜４．０の範囲にあり、
   前記ミキシングチャンバのテーパ状の一方端において吸引される低圧蒸気のマッハ数が０．３〜０．７となるように前記噴射口から高圧蒸気を噴射する蒸発装置の加熱用蒸気生成用またはヒートポンプ用のサーモコンプレッサの作動方法。
4. 請求項３に記載のサーモコンプレッサの作動方法であって、
   多重効用式蒸発装置における加熱用蒸気生成用のサーモコンプレッサの作動方法。