(57)【要約】【課題】潤滑油のヒートポンプの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を提供する。【解決手段】熱源と作動流体とで熱交換する熱交換器５０４と、前記作動流体を圧縮する圧縮機５０１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、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構成した。【選択図】図１
2008057452.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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備え、パージ流体の少なくとも一種を水蒸気とし、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構成したことを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のヒートポンプシステムであって、
前記パージ流体の少なくとも一種を空気とし、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たことを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項３】
水を蒸発させて蒸気を生成する蒸発器と、該蒸発器で生成された蒸気を圧縮する圧縮機とを備え、前記圧縮機は軸受により支持され、前記圧縮機の主流と前記軸受とが間隙により連通され、前記間隙に軸受パージ機構が設けられたヒートポンプシステムであって、
前記軸受パージ機構は、前記間隙の前記圧縮機主流側にパージ蒸気を供給する蒸気供給口を有し、前記間隙の前記軸受側にパージ空気を供給する空気供給口を有し、前記蒸気供給口と前記空気供給口との間に前記パージ蒸気と前記パージ空気を前記間隙から排出する排出口を有することを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項４】
水を蒸発させて蒸気を生成する蒸発器と、該蒸発器で生成された蒸気を圧縮する圧縮機とを備え、前記圧縮機は油軸受に支持され、前記圧縮機主流と前記軸受が間隙により連通され、前記間隙に軸受パージ機構が設けられたヒートポンプシステムであって、
前記軸受パージ機構は、前記間隙にパージ蒸気を供給する蒸気供給口と、前記間隙にパージ空気を供給する空気供給口と、前記パージ蒸気と前記パージ蒸気とを前記間隙から排出する排出口とを備え、
前記パージ蒸気は前記蒸気供給口から前記排出口または前記圧縮機主流に流れ、前記パージ空気は前記空気供給口から前記排出口または前記軸受に流れ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。
【請求項５】
請求項３に記載のヒートポンプシステムであって、
前記蒸気供給口に供給されるパージ蒸気の圧力が前記間隙への連通部における前記圧縮機主流蒸気の圧力より高く、前記空気供給口に供給されるパージ空気の圧力が前記軸受の雰囲気圧より高く、前記排出口の圧力が前記間隙への連通部における前記圧縮機主流蒸気の圧力及び前記軸受の雰囲気圧よりも低くなるよう構成されたことを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項６】
請求項３に記載のヒートポンプシステムであって、
前記パージ蒸気は、前記圧縮機の主流蒸気の一部を抽気した蒸気であることを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項７】
請求項３に記載のヒートポンプシステムであって、
前記排出口が真空ポンプに接続されていることを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項８】
請求項３に記載のヒートポンプシステムであって、
前記軸受パージ機構は、ラビリンスシールまたはブラシシールを有することを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項９】
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、
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のみまたは水蒸気と他の流体を用いて軸封することを特徴とするヒートポンプシステムの軸封方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３３３２２０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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備える。
【発明の効果】
【０００７】
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ことで、信頼性を向上できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】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。
【図２】本発明のヒートポンプシステムの圧縮機構造図を示す。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【符号の説明】
【００４９】
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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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