(57)【要約】【課題】段間の流路に冷却用の液体が供給される多段圧縮機において、圧縮気体を効果的に冷却可能な多段圧縮機を提供する。【解決手段】多段圧縮機１２は、段間の流路２５とは異なる空間３５ａで液体から霧を発生させる霧化部３１と、霧を空間３５ａから流路２５に供給する霧供給部３２とを有する。【選択図】    図２
2004300928.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体を多段に圧縮する多段圧縮機において、
段間の流路とは異なる空間で液体から霧を発生させる霧化部と、
前記霧を前記空間から前記流路に供給する霧供給部とを有することを特徴とする多段圧縮機。
【請求項２】
前記供給部は、前記流路における前記気体の動圧を利用して前記空間から前記流路に前記霧を供給することを特徴とする請求項１に記載の多段圧縮機。
【請求項３】
前記流路の静圧は、大気圧に対して負圧であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の多段圧縮機。
【請求項４】
前記液体は、前記気体の液化物であることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれかに記載の多段圧縮機。
【請求項５】
請求項１から請求項４のうちのいずれかに記載の多段圧縮機を備えることを特徴とするヒートポンプ。
【請求項６】
冷媒が水であることを特徴とする請求項５に記載のヒートポンプ。
【請求項７】
熱源との間で熱の授受を行う熱利用装置であって、
請求項１から請求項６のうちのいずれかに記載のヒートポンプを備えることを特徴とする熱利用装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気体を多段に圧縮する多段圧縮機に関し、特に、圧縮気体を冷却する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、多段圧縮機において、圧縮される気体の冷却などを目的として、段間の流路に液体を供給する技術がある（例えば、特許文献１参照）。この技術は、段間の流路内で液体を蒸発させ、その蒸発潜熱により圧縮気体の熱を奪うものである。圧縮気体の効果的な冷却は、圧縮動力の低減につながる。
【０００３】
【特許文献１】
米国特許２７８６６２６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記技術では、圧縮気体の効果的な冷却のために、流路内で液体をいかに確実に蒸発させるかが課題となっている。また、径の大きい液体の粒が次の段の回転部材に衝突すると、エロージョンや振動などの不具合を生じさせるおそれがある。
【０００５】
本発明は、上述する事情に鑑みてなされたものであり、段間の流路に冷却用の液体が供給される多段圧縮機において、圧縮気体を効果的に冷却可能な多段圧縮機を提供することを目的とする。
また、本発明の他の目的は、圧縮動力の低減により、エネルギー効率の向上を図ることができるヒートポンプを提供することにある。
また、本発明の別の目的は、高いエネルギー効率が得られる熱利用装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の多段圧縮機は、気体を多段に圧縮する多段圧縮機において、段間の流路とは異なる空間で液体から霧を発生させる霧化部と、前記霧を前記空間から前記流路に供給する霧供給部とを有することを特徴とする。
本発明の多段圧縮機では、段間の流路に供給される液体が予め霧になっており、その流路に存在する液体の粒径のサイズが小さく限定される。そのため、段間の流路において液体が容易に蒸発するとともに、エロージョンなどの液体供給に伴う不具合の発生が防止される。なお、霧の発生は、段間の流路とは異なる空間が用いられることにより、確実かつ安定的に行われる。
【０００７】
上記の多段圧縮機において、前記霧供給部は、前記供給部は、前記流路における前記気体の動圧を利用して前記空間から前記流路に前記霧を供給する構成であってもよい。
この構成では、前記気体の動圧を利用することで、霧供給のための動力エネルギーが低減または省かれる。
【０００８】
また、上記の多段圧縮機は、前記流路の静圧が大気圧に対して負圧である場合にも好ましく適用される。
この場合、供給元の圧力が低くて済み、液体（霧）を輸送しやすいという利点がある。
【０００９】
また、上記の多段圧縮機において、前記液体は、前記気体の液化物であってもよい。
この場合、前記気体と前記液体（霧）とが反応して不純物を生じるなどの、両者の混合による不具合の発生が抑制される。
【００１０】
本発明のヒートポンプは、上記した本発明の多段圧縮機を備えることを特徴とする。この場合、冷媒が水であってもよい。
【００１１】
また、本発明の熱利用装置は、熱源との間で熱の授受を行う熱利用装置であって、上記のヒートポンプを備えることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態例について図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係る多段圧縮機の一実施形態例を模式的に示す図である。
図１において、圧縮機１２は、多段（本例では４段）の遠心圧縮機からなり、回転軸２０と、回転軸２０に取り付けられかつ回転軸２０の軸方向に多段に配置される複数のインペラ２１と、回転軸２０を駆動するための駆動装置２３と、前段のインペラ２１からの気体（ガスまたは蒸気）を後段のインペラ２１に導く流路であるリターンチャネル２５と、冷却用の液体をリターンチャネル２５に供給する冷却液供給装置３０とを備えて構成されている。
【００１３】
この圧縮機１２では、駆動装置２３が回転軸２０を回転させると、気体が圧縮機１２内に流入する。気体は、インペラ２１の回転により周方向かつ径方向の外方に移動されて圧力が高められ、リターンチャネル２５を通って次の段のインペラ２１に導かれる。以後同様にして気体の圧縮が各段で行われる。複数段にわたって圧縮が繰り返されることにより、所望の圧縮比まで気体の圧力が高められる。また、リターンチャネル２５を流れる圧縮気体は、冷却液供給装置３０により供給される冷却液によって冷却され、その温度上昇が抑制される。
【００１４】
図２は、冷却液供給装置３０の構成を概念的に示す図である。
図２において、冷却液供給装置３０は、冷却用の液体から霧を発生させる霧化部３１と、霧化部３１により発生した霧をリターンチャネル２５に供給する霧供給部３２とを有している。
【００１５】
霧化部３１は、冷却用の液体を貯溜する貯液槽３５、及び貯液槽３５内の液体を霧化する霧化器３６を有している。また、この他に、霧化部３１には、温度センサ３７や圧力センサ３８などの計器類、貯液槽３５に液体を供給する輸送手段３９、及び貯液槽３５内の液体の量を制御するための排液弁４０等が必要に応じて適宜配設される。霧化器３６としては、本例では超音波振動子を用いた超音波霧化器が用いられる。超音波霧化器は、簡略な構成でありながら様々な液体に対応可能であるという利点を有する。なお、霧化器は超音波式に限定されることなく公知の様々なものが適用可能である。
【００１６】
霧供給部３２は、リターンチャネル２５を流れる圧縮気体を貯液槽３５に導く気体導入配管４１、及び貯液槽３５内からリターンチャネル２５に圧縮気体とともに霧を排出する排出配管４２を有している。また、この他に、霧供給部３２には、流量調節弁４３，４４、及び温度センサ４５などの計器類などが必要に応じて適宜配設される。
【００１７】
気体導入配管４１は、一端がリターンチャネル２５に接続され、他端が貯液槽３５に接続されている。また、気体導入配管４１において、リターンチャネル２５側の端部４１ａがリターンチャネル２５の壁から突出して配設されており、その端部４１ａの開口（導入口４１ｂ）がリターンチャネル２５における気体流れの上流に向けて配されている。すなわち、気体導入配管４１の導入口４１ｂは、気体の流れに対向するように配されている。これは、リターンチャネル２５における気体流れの動圧を利用して気体導入配管４１内に気体を取り込むためである。
【００１８】
排出配管４２は、一端が貯液槽３５に接続され、他端がリターンチャネル２５に接続されている。なお、排出配管４２のリターンチャネル２５側の端部は、リターンチャネル２５の壁面から突出しないように形成されている。これは、リターンチャネル２５における気体流れの圧力損失の増加を抑制するためである。
【００１９】
この冷却液供給装置３０では、霧化部３１において冷却用の液体から霧を発生させ、この霧を霧供給部３２によってリターンチャネル２５に供給する。すなわち、貯液槽３５に貯溜された液体が霧化器３６によって霧化し、貯液槽３５の内部空間３５ａにその霧が溜まる。一方、リターンチャネル２５内を流れる気体の一部は導入口４１ｂを介して気体導入配管４１内に流入し、貯液槽３５に導かれる。貯液槽３５では、気体の導入によって内部空間３５ａ（霧を含む気相部）の圧力が高まり、その気相の一部が排出配管４２を介してリターンチャネル２５内に排出される。リターンチャネル２５に排出される気相には、霧が含まれており、この霧がリターンチャネル２５内で蒸発することにより、蒸発潜熱によってリターンチャネル２５を流れる圧縮気体が冷却される。
【００２０】
このように、本例の圧縮機１２では、段間の流路（リターンチャネル２５など）とは異なる空間で発生した霧がリターンチャネル２５に供給され、この霧の蒸発によりリターンチャネル２５を流れる圧縮気体が冷却される。そのため、リターンチャネル２５に存在する液体の粒径のサイズが小さく限定される。例えば、霧の粒径は、２０μｍ以下、好ましくは１〜１０μｍである。
【００２１】
液体の粒径のサイズが小さく限定されることにより、液体の単位体積あたりの表面積が大きくなり、リターンチャネル２５での液体の蒸発が促進されるとともに、液体の粒が完全に蒸発するまでの時間が短縮される。そのため、リターンチャネル２５を流れる気体が蒸発潜熱により効果的に冷却される。また、後段のインペラ２１に液体の粒が衝突することが少ないか、衝突してもその粒の径は極めて小さく、エロージョンなどの液体供給に伴う圧縮機１２での不具合の発生が防止される。なお、霧の発生は、段間の流路とは異なる空間、すなわち貯液槽３５の内部空間３５ａにおいて行われる。そのため、その空間３５ａを霧の発生に好ましい状態に制御することにより、確実かつ安定的に霧を発生させることができる。
【００２２】
なお、先の図１において、本例では、各段間のリターンチャネル２５のそれぞれに霧状の冷却液を供給する構成となっている。そのため、この圧縮機１２では、各段ごとに圧縮気体の温度上昇が抑制され、各段ごとに圧縮動力の低減が図られる。なお、本発明は、各段間のリターンチャネル２５のすべてに冷却液を供給するものに限定されない。また、リターンチャネル２５における霧状の冷却液の供給箇所の位置や数は、圧縮気体の種類や、圧縮比などの圧縮条件に応じて適宜定められる。一例として、リターンチャネル２５における後段のインペラ２１からなるべく離れた箇所（上流位置）から冷却液を供給することにより、霧の供給箇所から次の段のインペラ２１までの距離が長くなり、圧縮気体がインペラ２１に到達するまでに液体（霧）をより確実に蒸発させることが可能となる。
【００２３】
また、本例の圧縮機１２では、リターンチャネル２５を流れる気体の一部を貯液槽３５に取り込んで霧を供給する構成、すなわち、リターンチャネル２５における気体流れの動圧を利用して霧の供給を行う構成であることから、霧供給のための動力エネルギーが低減または省かれるという利点がある。なお、霧の供給方法は、この方法に限定されず、他の方法を用いてもよい。
【００２４】
図３及び図４は、霧供給部３２の他の構成例を示す図である。
図３に示す霧供給部３２ａは、リターンチャネル２５での霧の供給位置の圧力を低下させることにより、貯液槽３５からリターンチャネル２５に霧を導くものである。すなわち、霧供給部３２ａにおいて、霧を供給するための排出配管４２の排出口４２ａがリターンチャネル２５の低圧部２５ａに配設される。この低圧部２５ａは、例えば、リターンチャネル２５の一部の流路を狭めたり、リターンチャネル２５に対して流路断面積の小さいバイパス流路を設けたりすることにより形成できる。あるいは、リターンチャネル２５に配設される物体の背面に形成される低圧領域を利用してもよい。この構成では、先の図２に示した構成に比べて、貯液槽３５に気体を導くための気体導入配管が省略されるなど、構成の簡素化が図られる。
【００２５】
また、図４に示す霧供給部３２ｂは、霧供給のためのポンプなどの動力源４６を備えた構成である。すなわち、霧供給部３２ｂにおいて、例えば、動力源４６によって貯液槽３５の内部空間の圧力が高められることにより、貯液槽３５からリターンチャネル２５に霧が供給される。この構成では、霧供給用の動力源を有することから、供給量など、霧供給に関わる条件の制御が容易となる。
【００２６】
ここで、上記の圧縮機１２は、段間の流路（リターンチャネル２５など）の静圧が大気圧に対して陽圧である場合に限らず、負圧である場合にも好ましく適用される。上記流路の静圧が大気圧に対して負圧である場合、液体の供給元の圧力が低くて済み、液体（霧）を輸送しやすいという利点がある。
【００２７】
また、上記の圧縮機１２において、冷却用の液体は、圧縮気体の液化物であってもよい。この場合、気体と液体（霧）とが例えば化学的に反応して不純物を生じるなどの、両者の混合による不具合の発生が抑制される。またこの場合、上記圧縮機１２を、ヒートポンプに好ましく適用することができる。
【００２８】
ヒートポンプは、蒸発、圧縮、凝縮、及び膨張の各工程からなるサイクルにより、低温の物体から熱を汲み上げ、高温の物体に熱を与える装置である。エネルギー利用効率が比較的高いため、冷暖房機能を有する空気調和装置や冷凍装置などの熱利用装置に多く用いられている。
【００２９】
図５は、本発明のヒートポンプを空気調和装置に適用した実施の形態例を模式的に示す図である。この空気調和装置１１０は、室内空気を冷房及び暖房する機能を有するものであり、蒸発器１１１、圧縮機１１２、及び凝縮器１１３を含むヒートポンプ１１４を備えている。なお、本例では、凝縮器１１３は、凝縮した液体をさらに冷却するための、冷却ファンと熱交換器とを含む冷却器１１６を備える。
【００３０】
また、本例では、圧縮機１１２として、先の図１及び図２に示した多段圧縮機を用いている。すなわち、圧縮機１１２は、４段の遠心圧縮機からなり、各段間の流路（リターンチャネル２５）には、冷却液供給装置３０から霧状の冷却液が供給される。なお、冷却液は、圧縮機１１２内を流れる気体、すなわち冷媒ガスの液化物（冷媒液）であり、凝縮器１１３において冷却凝縮された冷媒液の一部である。より具体的には、凝縮器１１３で凝縮し、冷却器１１６によって冷却された冷媒液の一部が、ポンプ１１６ａによって冷却液供給装置３０の貯液槽３５（図２参照）に輸送され、冷却液として用いられる。
【００３１】
ヒートポンプ１１４においては、蒸発器１１１内の冷媒液は、周囲から吸収した熱により蒸発する。熱は冷房時には室内から供給され、暖房時には大気から供給される。また、蒸発した冷媒ガス（蒸気）は圧縮機１１２で圧縮され、高温高圧のガスとして排出される。排出された冷媒ガスは凝縮器１１３内で周囲へ熱を放出することにより冷却凝縮される。熱は冷房時には大気に放出され、暖房時には室内に放出される。凝縮器１１３を出た冷媒液は膨張弁１１５を介して圧力と温度が下がり、再び蒸発器１１１に戻る。
【００３２】
また、ヒートポンプ１１４では、凝縮器１１３（及び冷却器１１６）において冷却凝縮された冷媒液の一部は、冷却液供給装置３０に送られ、そこで霧となって圧縮機１１２の圧縮気体の流路２５に送られる。霧がその流路２５で蒸発することにより、蒸発潜熱によって圧縮気体が冷却される。
【００３３】
ヒートポンプの冷媒としては、フロン系冷媒、アンモニアなどの公知の様々な冷媒の他に、水（Ｈ２Ｏ  ）が挙げられる。水は蒸発潜熱が大きいため、理論上高い成績係数（ＣＯＰ：ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｏｆ  ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）が見込まれる（フロンの約１．５倍）。また、水冷媒は、環境面での利点（オゾン破壊係数ゼロ、温暖化係数ゼロなど）が多い。ただし、水は飽和圧力変化が大きいために、ヒートポンプで利用するには高い圧縮比（フロンの約３倍以上）での圧縮を必要とする。
【００３４】
本例のヒートポンプ１１４では、先の図１及び図２に示した多段圧縮機を備えていることから、圧縮比を高めることが可能である。また、前述したように、霧状の冷却液により、圧縮気体が効果的に冷却されるので、圧縮動力が低減される。したがって、本例のヒートポンプ１１４は、高効率な圧縮により、水などの高い圧縮比を必要とする冷媒にも好ましく対応することができる。なお、圧縮動力の低減は、圧縮機の小型化にも有利である。
【００３５】
一例として、水冷媒のヒートポンプでは、圧縮機の入口での水蒸気は、温度：５℃、圧力：０．００９ａｔａ、であり、圧縮機の出口での水蒸気は、温度：８９℃、０．０９ａｔａ、である。すなわち、圧縮機の入口及び出口のいずれも流路内の圧力は大気圧に対して負圧であり、また、圧縮機の圧縮比は１０程度を必要とする。
【００３６】
この水冷媒ヒートポンプにおいて、４段の圧縮機に対して、上述した霧状の冷却液（水）を、各段間の流路（３箇所）に、圧縮機内を流れる水蒸気に対して質量流量で合計約１０％の冷却液（水）を加える場合、試算により、約２０％の圧縮動力が低減されることがわかった。
【００３７】
なお、ヒートポンプは、上述したように、冷房、暖房、除湿、及び加湿の少なくとも１つの機能を有する空気調和装置に適用することができる。この他に、冷却装置（ヒートシンクなど）、暖房装置（床暖房装置など）、給湯装置、冷凍装置、脱水装置、蓄熱装置、融雪装置、乾燥装置など、熱源との間で熱の授受を行う様々な熱利用装置（プラントやシステムを含む）に適用可能である。これらの熱利用装置では、本発明のヒートポンプを用いることにより、高いエネルギー効率を得ることができる。また、ヒートポンプの冷媒に水を用いることにより、エネルギー効率の向上とともに、環境面での様々な利点が得られる。
【００３８】
以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の多段圧縮機によれば、段間の流路において霧状の液体が容易に蒸発することから、その蒸発潜熱により圧縮気体を効果的に冷却することができる。
また、本発明のヒートポンプによれば、圧縮気体が効果的に冷却されることで、圧縮動力が低減される。そのため、エネルギー効率の向上を図ることができる。また、本発明のヒートポンプは、高効率な圧縮により、水などの高い圧縮比を必要とする冷媒にも好ましく対応することができる。
また、本発明の熱利用装置によれば、上記ヒートポンプを用いることにより、エネルギー効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る多段圧縮機の一実施形態例を模式的に示す図である。
【図２】冷却液供給装置の構成を概念的に示す図である。
【図３】霧供給部の他の構成例を示す図である。
【図４】霧供給部の他の構成例を示す図である。
【図５】本発明のヒートポンプを空気調和装置に適用した実施の形態例を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１２…圧縮機（多段圧縮機）、２０…回転軸、２１…インペラ、２５…リターンチャネル（流路）、３１…霧化部、３２…霧供給部、３５…貯液槽、３５ａ…貯液槽の内部空間、３６…霧化器、４１…気体導入配管、４１ｂ…導入口、４２…排出配管、１１０…空気調和装置、１１１…蒸発器、１１２…圧縮機、１１３…凝縮器、１１４…ヒートポンプ、１１５…膨張弁、１１６…冷却器。
【図１】
2004300928.tif 000003
【図２】
2004300928.tif 000004
【図３】
2004300928.tif 000005
【図４】
2004300928.tif 000006
【図５】
2004300928.tif 000007