JPH0612112B2

JPH0612112B2 - 液噴霧式ガス圧縮方法

Info

Publication number: JPH0612112B2
Application number: JP59063487A
Authority: JP
Inventors: 肇遠藤
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 1984-03-31
Filing date: 1984-03-31
Publication date: 1994-02-16
Anticipated expiration: 2009-02-16
Also published as: JPS60206985A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は流体（ガス、蒸気等）の圧縮機に関し、更に詳
しくは、圧縮機の圧縮室に冷却液を注入する液噴射式圧
縮機の性能向上に関するものである。

〔従来技術〕ガス、蒸気等流体の圧縮機は、高圧力比になると通常多
段圧縮とし、その段間で中間冷却を行なう。これは圧縮
により圧縮ガス温度が高くなり過ぎるのを避けるのと、
圧縮機駆動動力を低減するのが目的であるが、装置が大
型化、複雑化してしまう。

スクリュー式圧縮機において、ロータとケーシング間、
及びロータの歯形同志に間隙よりのガス洩れを防ぐため
潤滑油又は熱媒液を圧縮中のガスに注入する「液噴射」
が行なわれる。これにより、間隙に液体が充填し、シー
ル効果を生じ、ガス洩れが防止できる。同時に、この液
噴射により、圧縮中のガスと注入された液体とに熱交換
が行なわれ、ガスの温度上昇が抑制される効果がある。
しかし、大量の潤滑油等の注入により、ガス中に油等が
混入するので吐出ガス系統に分離器の設置を要する。ま
た、ヒートポンプ用圧縮機の如く、熱源機器の場合、冷
却熱は潤滑油と共に系外に排出されるので、熱損失が大
きい。

また、別の公知技術として特公昭５７−２３１１３号状
態が提案されている。この公知技術は凝縮された冷媒液
をシリンダ内に導入するインジエクション導入管に過冷
却器と減圧器を設け、インジエクション導入管の過冷却
器を蒸発器からの冷媒ガスを圧縮機構部へ循環させる吸
入管に設け、このインジエクション導入管内を循環させ
る凝縮液のエンタルピを減ずるように吸入管内を循環す
る冷媒ガスで冷却させ、減圧器を過冷却器の前あるいは
後に構成させたものである。

しかしながらこの公知技術は過冷却液を加圧冷媒ガス中
に噴霧することが必要であり、ガスの圧縮過程に中間点
で「瞬間的」な冷却を行うものである。換言すれば、こ
の公知技術は「断熱圧縮」を伴うインジエクションに関
するものであって、等温圧縮に近づけることによって効
果的に圧縮動力を低減させることができないものであ
る。

〔発明の目的〕

本発明は中間冷却器を装備することなく、単段で高圧力
比の圧縮を可能とし、従来技術よりも駆動動力を軽減で
きるガス圧縮方法を提供するものである。

また、従来、スクリュー式圧縮機等で実施されていた液
噴射を往復動型圧縮機等他の型式でも実施できるように
するものである。

〔発明の構成〕

本発明に係る液噴霧式ガス圧縮方法は、圧縮室の圧縮流
体中に冷却液を噴霧して圧縮流体の温度を低下させるよ
うにした液噴霧式ガス圧縮方法において、圧縮流体の圧
縮過程中、前記圧縮流体の温度が、この圧縮流体の圧力
に対応する冷却液の飽和温度以上になったとき、前記冷
却液の噴霧を開始し、この冷却液の噴霧を前記圧縮過程
の終了近傍まで継続して行うように構成されている。

本発明は、圧縮されつつあるガスの温度が、このガスを
冷却する冷却液の飽和温度以上になったときに、この冷
却液を噴霧することによって噴霧された液滴は直ちに蒸
発してその蒸発潜熱によってガスの温度上昇が阻止され
ながら圧縮されることになる。

その結果、等温圧縮ないしはこれに近い状態で圧縮が行
なわれ、従来のガス圧縮方法における断熱圧縮に比較し
て動力を著しく低減することができるものである。

以上の構成により、吐出ガスの中に冷却液を液滴の形で
は含まないので、往復動圧縮機等吐出弁のある圧縮機で
も液噴射を行なうことが可能となる。勿論、スクリュー
圧縮機の如く弁のない形式の圧縮機でも本構成により、
極めて大きな効果を得ることができる。

〔実施例〕

次に図面を参照して本発明の実施例を説明する。

第１図（Ａ）は、本発明において圧縮機として往復動式
蒸発圧縮機を使用した場合におけるピストンの動きを模
式的に示したものであり、また第１図（Ｂ）は縦軸にシ
リンダ（圧縮室）内の蒸気の温度を、横軸に往復動式蒸
気圧縮機のピストンのストロークをとって描いた状態図
である。

第１図（Ａ）において、本発明に係る液噴霧式蒸気圧縮
機１は、シリンダ２内にピストン３を往復させ、シリン
ダヘッド２ａに吸込弁５、吐出弁６の他に液噴霧弁４が
設けられている。前記液噴霧弁４は本発明の実施のため
に特別に設けたものである。

液噴霧式蒸気圧縮機１が作動する際にはピストン３が下
死点位置（Ｂ図においてｘ_１点、Ａ図において最左端）
においては、シリンダヘッド部２ａに取付けられている
吸込弁５と吐出弁６を閉止し、シリンダ２内にガスＧが
供給された状態で密閉状態に封入されている。

そして（Ａ）図の実線で示す最左端に位置していたピス
トン３が点線で示すように右側へ移動すると、この密閉
されたシリンダ２内の容積が減少してガスＧが圧縮さ
れ、更にピストン３が右方に移動してストロークｘ_３の
位置で所定圧力に達し、吐出弁６が開く、そして更にピ
ストンが右方へ移動し、ストロークｘ_４の位置まで圧縮
蒸気を吐出する。

第１図（Ｂ）は、横軸第１図（Ａ）のピストンのストロ
ークｘを対応させ、縦軸にシリンダ２の圧縮室内の蒸気
の温度（Ｔ）をとっている。曲線Ｍは従来の断熱圧縮に
よるシリンダ内ガスの温度変化を、曲線Ｎは本発明によ
るそれを示している。また曲線Ｌはシリンダ間ガス圧力
に対応する噴霧用冷却液の飽和温度を示す。

次に、本発明における蒸気圧縮方法を第１図を参照して
説明する。

ピストンストロークｘ_１〜×_２間はシリンダ２内の蒸気
温度が十分高くないので、冷却液を噴霧しても蒸発しな
い。ここで噴霧すると、シリンダ底部に冷却液がたま
り。圧縮完了後に液状のまま排出される可能性があるの
で、液は噴霧されない。次に、ピストンストロークがｘ
_２に到り、シリンダ２内のガス温度が冷却液の飽和温度
より十分高くなった時点で液噴霧弁４が開き、冷却液の
噴霧を開始する。

通常の圧縮機では一行程での圧縮時間は数分の一秒〜数
十分の一秒のいう短時間であり、注入した冷却液Ｗがこ
の時間内で熱交換によりガスを冷却し、冷却液Ｗが蒸発
してしまうように、本発明では液噴霧弁４を装備し、霧
（ミスト）状に注入する。液噴霧弁４自体はタイミング
注入ができるもので、ニードル弁等従来技術のものを使
用できる。

シリンダ内の温度上昇の度合に応じて噴霧量を調節する
ことにより、ガス温度の変化量を任意に制御できる。冷
却液は全量蒸発させるので、冷却液の潜熱を利用でき、
注入冷却液の量は従来の顕熱利用の場合より減じること
ができる。

第１図（Ｂ）に見られる如く、従来技術で液噴射のない
断熱圧縮の場合、曲線Ｍの如くピストン３の移動につれ
てガスが圧縮され、それに伴ないガス温度は上昇してい
く。それに対し、本発明の実施例では、温度が適度な上
昇をしたストロークｘ_２のタイミングより冷却液Ｗの噴
霧を開始し、ガス温度（曲線Ｎ）を冷却液の飽和温度
（曲線Ｌ）より一定温度高い状態となるよう噴霧量を制
御することにより、曲線Ｍに示す断熱圧縮の場合より低
いガス温度に抑えている。圧縮が完了するピストンスト
ロークｘ_３前後で噴霧を完了し、液噴霧弁４が閉じるよ
うに、液噴霧弁４の開閉タイミングが設定されている。

ここで、従来のスクリュー圧縮機で行なわれている液噴
射と対比すると、（冷却が主目的ではないが、冷却に注
目すると）冷却液の噴射は連続的に行なわれ、ガス温度
と冷却液の飽和温度との関係を考慮されずに大量に噴射
注入されるのでガス温度は飽和温度以上に十分上昇しな
いで蒸発冷却は殆んど行なわれず大部分の冷却液は液体
のまま吐出ガスと共に吐出されてしまうことになる。

本発明では液噴霧弁４より噴霧された冷却液Ｗは霧状の
微粒子であるため、圧縮中のガスＧ内で混合され、そし
てこのガスＧと熱交換して瞬時に蒸発し、圧縮過程にあ
るガスＧと混合する。

微粒子状の冷却液Ｗは蒸発の際にシリンダ２内に封入さ
れていた圧縮行程にあるガスＧの熱を奪うことになり、
その噴霧量に応じた熱バランスによりガスＧの圧縮によ
る温度上昇を制御することが可能である。

第２図は、本発明に係る液噴霧式圧縮機を使用して蒸気
を圧縮し、冷却液として水を噴霧する場合の蒸気の圧縮
行程のモルエル線図を示している。

本図において曲線Ａ−Ｂは水の飽和液線を示し、曲線Ｃ
−Ｄは水の飽和蒸気線をそれぞれ示している。

本実施例においては、点１（６０℃，０．２０３ata）
の飽和水蒸気を点２（１１０℃，０．２８ata）に圧縮
する。

点１〜点２間は蒸気の過熱度が低く、従って冷却水滴を
蒸発させるだけの温度差がないため、この間は液噴霧を
行なわず断熱圧縮する。従って、圧縮により蒸気温度は
上昇し、過熱蒸気となる。ここで冷却水Ｗの噴霧を開始
すると、冷却水は曲線Ａ６Ｂ上の点ａ（８５℃，０．２
８ata）から過熱蒸気と熱交換して蒸発して蒸気を冷却
する。

液噴霧弁４からの冷却液の噴霧量を制御しつつピストン
３を移動させて圧縮を続けると、圧縮は曲線２−３Ａの
経路をとり、最終段階において蒸気は点３Ａの圧力
４．８５ata、温度１７５℃となる。

なお、ここでは曲線２−３Ａと曲線Ｃ−Ｄとが同一圧力
に対し２５℃の温度差（即ち、過熱度２５℃一定の圧
縮）を行なうとした。

以上のように圧縮行程中に適度なタイミングに液噴霧を
行なうことにより、実施例の如く圧力比４．８５／０．
２０３＝２３．９といった極めて高い圧力比であるにも
拘らず、吐出ガス温度は１７５℃と適度なレベルに制御
できるので、単段圧縮が可能である。

一方、従来の圧縮機のように液噴霧弁４よりの冷却液の
噴霧による蒸気の冷却なしで圧縮すると、曲線２−３Ｂ
の断熱圧縮の経路をとり、圧縮蒸気３Ｂの温度は圧力
４．８５ata，温度５２０℃になる。

前記条件において、蒸気の圧縮に要する動力は、蒸気１
kg当り、本発明の方法：０．１６３KW/kg 従来の方法：０．２５６KW/kg となり、蒸気の圧縮行程における液噴霧による動力低減
が３６％となり、また、吐出蒸気温度は３４５℃の低下
が得られ、圧縮性能の改善が明らかとなっている。

〔発明の効果〕

これによって、ガスは等温圧縮ないしはこれに近い状態
で圧縮されることになり、従来の断熱圧縮を行う圧縮方
法に比較して圧縮機１を駆動するための動力を低減さ
せ、吐出ガスの温度が適度な状態に制御されるという効
果がある。

更に、吐出ガス温度を所望の温度に制御できるので、圧
縮機を多段、中間冷却とすることなく、単段圧縮で高圧
力比を得ることが出来る。また従来、スクリュー圧縮機
のみで行なわれていた液噴射を他の型式圧縮機でも実施
可能となる。

本発明は前記実施例において説明したように、往復動圧
縮式が最適であるが、本発明はこれのみに限定されるも
のではなく、スクリュー式、ベーン型、更にはターボ圧
縮機等においても適用することが可能であり、圧縮過程
中にガスの温度の変動状態に応じた量の冷却液を直接噴
霧し、その蒸発により圧縮中の蒸気の温度を制御するこ
とができるものである。

また、実施例においては噴霧液体として水を使用した
が、フロン、アンモニアその他の蒸発性液体を使用する
こともできる。

また、本実施例は圧縮気体として蒸気を使用したが、蒸
気の代りに一般のガスとした圧縮機に対しても全く同様
の考え方が成立するものである。

液噴霧弁４は、霧状で液を噴霧する機能を有し、また、
タイミングが設定でき間欠噴霧できるものであればいか
なる構造のものでもよく、またその個数も必要に応じて
選定すればよい。

冷却液Ｗを噴霧する位置は、圧縮中の蒸気が昇温され、
かつ噴霧と十分に熱交換する位置を選定する。この際実
施例で示したシリンダヘッド２ａの位置に限らず、シリ
ンダ２内に噴霧できる位置であれば、任意に選定してよ
い。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）は、本発明による往復動式圧縮機の概念図
を、同（Ｂ）図は同（Ａ）図のピストンストロークとシ
リンダ内ガス温度との関係を示す状態図、第２図は本発
明と従来の装置における蒸気の圧縮行程の蒸気線図の一
例である。１……圧縮機、２……シリンダ、３……ピストン、４…
…液噴霧弁、５……吸込弁、６……吐出弁。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧縮室の圧縮流体中に冷却液を噴霧して圧
縮流体の温度を低下させるようにした液噴霧式ガス圧縮
方法において、圧縮流体の圧縮過程中、前記圧縮流体の温度が、この圧
縮流体の圧力に対応する冷却液の飽和温度以上になった
とき、前記冷却液の噴霧を開始し、この冷却液の噴霧を
前記圧縮過程の終了近傍まで継続して行うことを特徴と
する液噴霧式ガス圧縮方法。