(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が流れる段間ダクトと、
円環状の流路エリアを有する前記段間ダクト内に配置されかつ液体を保持する液保持体であり、その表面の少なくとも一部で前記液体が気化する前記液保持体と、
前記液保持体に前記液体を供給する液供給部と、
を備え、
前記液保持体は、前記流体が通過する複数の通路と、前記複数の通路にそれぞれ面しかつ前記液体が供給される複数の面部と、を有し、
前記複数の面部は、前記段間ダクトの径方向に放射状に延びることを特徴とする多段圧縮機。
【請求項２】
流体が流れる段間ダクトと、
円環状の流路エリアを有する前記段間ダクト内に配置されかつ液体を保持する液保持体であり、その表面の少なくとも一部で前記液体が気化する前記液保持体と、
前記液保持体に前記液体を供給する液供給部と、
を備え、
前記液供給部は、前記液体を円環状の前記液保持体に局所的に供給する局所供給機構を有し、
前記局所供給機構は、重力方向において前記液保持体の外周面の上側に配置され、前記液保持体の軸方向における端面に当接する液保持補助体に前記液体を散液する第１散液配管と、前記重力方向において前記液保持体の内周面の下側に配置され、前記液保持補助体に前記液体を散液する第２散液配管とを含むことを特徴とする多段圧縮機。
【請求項３】
前記液保持体は、前記流体が通過する複数の通路と、前記複数の通路にそれぞれ面しかつ前記液体が供給される複数の面部と、を有することを特徴とする請求項２に記載の多段圧縮機。
【請求項４】
前記液供給部は、前記液体を前記液保持体に局所的に供給する局所供給機構を有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５】
前記液保持体は、前記流路エリアと実質的に同じ又は実質的に相似のシルエットを有することを有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の多段圧縮機。
【請求項６】
前記液保持体は、少なくとも一部が吸液性を有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の多段圧縮機。
【請求項７】
前記液保持体は、毛細管現象が働く構造を有することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の多段圧縮機。
【請求項８】
前記段間ダクト内の静圧は、大気圧に比べて低いことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の多段圧縮機。
【請求項９】
前記液保持体は、少なくとも一部が不織布から構成されることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載の多段圧縮機。
【請求項１０】
前記液保持体は、少なくとも一部が前記段間ダクトの軸方向に実質的に沿った形状を有する板部材を有することを特徴とする請求項１から請求項９のいずれかに記載の多段圧縮機。
【請求項１１】
前記板部材は、屈曲及び曲線の少なくとも一方を有する輪郭を有することを特徴とする請求項１０に記載の多段圧縮機。
【請求項１２】
前記板部材は、互いに隣接して配置されかつ前記輪郭を各々が有する第１部材及び第２部材を有することを特徴とする請求項１１に記載の多段圧縮機。
【請求項１３】
前記第１部材の前記輪郭が有する第１軸と、前記第２部材の前記輪郭が有する第２軸との少なくとも１つが前記段間ダクトの前記軸方向に対して傾いていることを特徴とする請求項１２に記載の多段圧縮機。
【請求項１４】
前記第１軸と前記第２軸とが所定の角度で互いに交差することを特徴とする請求項１３に記載の多段圧縮機。
【請求項１５】
流体が流れる段間ダクトと、
前記段間ダクト内に配置されかつ液体を保持する液保持体であり、その表面の少なくとも一部で前記液体が気化する前記液保持体と、
前記液保持体に前記液体を供給する液供給部とを有する多段圧縮機と、
蒸発器と、
凝縮器と、
を備え、
前記液供給部は、前記液体を前記液保持体に局所的に供給する局所供給機構を含み、
前記局所供給機構は、前記液保持体に対して前記蒸発器のチャンバ又は前記凝縮器のチャンバから前記液体を供給する散液配管と、
前記蒸発器のチャンバと前記散液配管とを流体的につなぐ第１供給配管と、
前記第１供給配管上に配置される第１バルブと、
前記凝縮器のチャンバと前記散液配管とを流体的につなぐ第２供給配管と、
前記第２供給配管上に配置される第２バルブと、
を有するとともに、前記凝縮器の圧力に応じて前記第１バルブ及び前記第２バルブの開度を調整することで前記散液配管から前記液体を供給させることを特徴とする冷凍機。
【請求項１６】
作動媒体が水であることを特徴とする請求項１５に記載の冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中間冷却を有する多段圧縮機、及び冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
多段圧縮機において、段間の流路を流れる圧縮流体を冷却する中間段冷却が知られている。効果的な中間段冷却は、圧縮動力の低減につながる。
【０００３】
中間段冷却において、段間の流路を流れる圧縮流体に液体を直接的に供給する方式がある（例えば、特許文献１参照）。液体供給式（直接供給式）の中間段冷却において、供給された液体が段間の流路内で気化するとき、蒸発潜熱に相当する熱が圧縮流体から奪われる。
【特許文献１】特開２００６−１７１１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、液体供給式の中間段冷却を用いて圧縮流体を効果的に冷却可能な多段圧縮機、及び冷凍機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の態様に従えば、流体が流れる段間ダクトと、前記段間ダクト内に配置されかつ液体を保持する液保持体であり、その表面の少なくとも一部で前記液体が気化する前記液保持体と、前記液保持体に前記液体を供給する液供給部と、を備える多段圧縮機が提供される。
【０００６】
この態様によれば、液供給部からの液体が、段間ダクト内に配置された液保持体に保持される。液保持体の表面で液体が気化するとき、蒸発潜熱に相当する熱が段間ダクトを流れる圧縮流体から奪われ、圧縮流体が効果的に冷却される。
【０００７】
本発明の別の態様に従えば、上記態様の多段圧縮機を備えた冷凍機が提供される。
【０００８】
この態様によれば、圧縮動力の低減により、成績係数（ＣＯＰ：coefficient of performance）の向上が図られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１０】
図１は、２段の遠心圧縮機１２の模式的な部分断面図である。圧縮機１２は、回転軸２０と、回転軸２０に取り付けられた第１及び第２インペラ３１，３２と、回転軸を駆動する駆動装置２５と、ケーシング４０とを備える。ケーシング４０は、回転軸２０を回転自在に支持し、第１及び第２インペラ３１，３２を囲う。本実施形態において、駆動装置２５は、内蔵タイプの電動機（ビルトインモータ）を有する。ビルトインモータは、圧縮機１２のコンパクト化に有利である。他の実施形態において、駆動装置２５は、ビルトインモータとは別の電動機を有することができ、また軸端に配置しても良い。
【００１１】
本実施形態において、ケーシング４０は、第１インペラ３１からの圧縮流体を第２インペラ３２に導く段間ダクト４５、及び第２インペラ３２からの圧縮流体が排出される排出ダクト４７等を有する。段間ダクト４５内にはディフューザ案内羽根４２が配置され、排出ダクト４７内にはディフューザ案内羽根４４が配置される。ディフューザ案内羽根４２，４４は、圧縮流体の速度エネルギーを圧力エネルギーに変換するなどのために用いられる。段間ダクト４５内に、ガイドベーン（吸入案内羽根）４３を配置することもできる。
【００１２】
本実施形態において、圧縮機１２は、段間ダクト４５内に配置される液保持体７０と、液保持体７０に冷却用の液体を供給する液供給部８０とを含む中間段冷却システム６０を備える。
【００１３】
図２は、液保持体７０の模式的な断面図である。液保持体７０は、圧縮流体が通過する複数の通路７１と、通路７１にそれぞれ面する複数の面部７２とを有する。本実施形態において、各面部７２は、少なくとも径方向と軸方向とに延びる。また、後述するように、各面部７２は、屈曲（bend）及び曲線（curve）の少なくとも一方を有する輪郭を有することができる。
【００１４】
本実施形態において、各通路７１は、少なくとも２つの面部７２に囲まれた空間である。液供給部８０からの冷却液は、各面部７２に供給され、各面部７２の全体に行き渡る。液保持体７０は、面部７２の概ね全体において液体を保持することができる。各面部７２の表面には、液体の膜が形成される。段間ダクト４５内の流路を流れる圧縮流体は、液保持体７０の各通路７１を流れる。液保持体７０の面部７２の表面は、通路７１を流れる圧縮流体と接する。液保持体７０の面部７２から液体が気化するとき、蒸発潜熱に相当する熱が圧縮流体から奪われる。
【００１５】
本実施形態において、段間ダクト４５内を圧縮流体が流れるのに対して、液体を保持した液保持体７０は静止している。圧縮流体のある一部は、液保持体７０の面部７２の表面に沿って連続的に移動する。つまり、液保持体７０の面部７２の１つの位置上に存在する圧縮流体は連続的にリフレッシュされる。これは、冷却液と圧縮流体との間の相対的な接触量の拡大に有利である。
【００１６】
これに対して、冷却液を段間ダクト内に拡散放出する従来の方式では、放出された液体の一部は、圧縮流体（主流）に運ばれる。主流に乗った液滴の周りでは、ある時点から液体とガスとの間の熱交換が不活発になる。主流に運ばれた液体の一部は、ダクトの壁や次のインペラなどに衝突する。拡散放出方式において、主流の全体で、圧縮流体と液体との間で均質的に熱交換を行うのは難しい。
【００１７】
本実施形態では、圧縮流体（主流）が複数の通路７１を流れる。各通路７１において、圧縮流体（主流）のほぼ全体が液保持体７０の液体と接することができる。なお、後述するように、通路７１同士が互いに流体的につながることができる。複数の通路７１が入り組んだ構成は、主流全体に好ましい乱れを均質に形成することができる。また、本実施形態では、主流が飽和蒸気圧になると液保持体７０から気化しないため、不要な液滴が主流に運ばれることが回避される。液保持体７０の面部７２での液体の気化に伴い、主流の全体で圧縮流体の熱が奪われる。
【００１８】
したがって、本実施形態において、液体供給式（直接式）の中間段冷却を用いて圧縮流体を効果的に冷却することができる。また、比較的高価なインジェクターを用いる方式に比べて、コスト面でも有利である。
【００１９】
図１に戻り、本実施形態において、液保持体７０は、段間ダクト４５における第１インペラ３１と第２インペラ３２との中間付近に配置される。圧縮機１２の軸方向における液保持体７０の位置は、図３Ａに示すように、第１インペラ３１に比較的近くてもよく、図３Ｂに示すように、第２インペラ３２に比較的近くてもよい。また、図３Ｃに示すように、段間ダクト４５内において、互いに離間する複数の液保持体７０が配置されてもよい。本実施形態において、液保持体７０の配置エリアは、圧縮機１２の軸方向における所定長さを有する。また、液保持体７０の配置エリアは、圧縮機１２の径方向において、段間ダクト４５の流路エリアと同程度の長さを有する。他の実施形態において、液保持体７０の径方向の配置エリアは、段間ダクト４５の流路エリアに比べて小さくできる。
【００２０】
本実施形態において、段間ダクト４５の流路エリア（流路断面）は、液保持体７０の配置範囲において、実質的に円環状を有する。圧縮機１２の軸方向に沿って投影された液保持体７０の全体のシルエットは、段間ダクト４５の流路エリアに応じた実質的に円環状を有する。すなわち、液保持体７０は、流路エリアと実質的に同じ又は実質的に相似の円環状のシルエットを有する。
【００２１】
本実施形態において、液保持体７０が段間ダクト４５の流路エリアと実質的に同じシルエットを有することにより、段間ダクト４５の流路断面の全体にわたって液保持体７０が配置される。その結果、圧縮流体（主流）の全体が冷却される。後述するように、液保持体７０は、比較的加工しやすい材質からなる。したがって、液保持体７０の形状は、段間ダクト４５の流路形状に応じて比較的簡単に設定することができる。
【００２２】
図４Ａに示す他の形態において、段間ダクト４５の流路エリアは、主流の流れ方向に沿って拡大する。この場合、液保持体７０は、段間ダクト４５の径方向内側の壁に沿った周形状７０ａ、及び段間ダクト４５の径方向外側の壁に沿った周形状７０ｂを有することができる。
【００２３】
図４Ｂに示す他の形態において、液保持体７０は、段間ダクト４５の曲げ部に配置される。この場合においても、液保持体７０は、段間ダクト４５の径方向内側の壁に沿った周形状７０ｃ、及び段間ダクト４５の径方向外側の壁に沿った周形状７０ｄを有することができる。
【００２４】
図１において、圧縮流体は、液保持体７０の軸方向の一の端部を介して液保持体７０の内部に入る。また、圧縮流体は、液保持体７０の軸方向の他の端部を介して液保持体７０から出る。
【００２５】
図５Ａに示す他の形態において、液保持体７０は、第１インペラ３１の比較的近傍に配置される。液保持体７０の配置範囲において、圧縮流体（主流）は段間ダクト４５内を実質的に径方向に流れる。液保持体７０は、流路エリアと実質的に同じ又は実質的に相似の全体形状（シルエット）を有する。この場合においても、圧縮機１２の軸方向に沿って投影された液保持体７０の全体のシルエットは、段間ダクト４５の流路エリアに応じた実質的に円環状を有する。圧縮流体は、液保持体７０の径方向内方の端部を介して液保持体７０の内部に入る。また、圧縮流体は、液保持体７０の径方向外方の他の端部を介して液保持体７０から出る。
【００２６】
図５Ｂに示す他の形態において、液保持体７０は、第２インペラ３２の比較的近傍（第２インペラ３２の入口付近）に配置される。液保持体７０の配置範囲において、圧縮流体（主流）は段間ダクト４５内を実質的に径方向に流れる。液保持体７０は、流路エリアと実質的に同じ又は実質的に相似の全体形状（シルエット）を有する。この場合においても、圧縮機１２の軸方向に沿って投影された液保持体７０の全体のシルエットは、段間ダクト４５の流路エリアに応じた実質的に円環状を有する。圧縮流体は、液保持体７０の径方向外方の端部を介して液保持体７０の内部に入る。また、圧縮流体は、液保持体７０の径方向内方の他の端部を介して液保持体７０から出る。
【００２７】
図５Ｃは、第２インペラ３２の吸込口中心に第１インペラ３１（図１参照）の軸が配置されない場合の形態を示す。液保持体７０は、第２インペラ３２の比較的近傍（第２インペラ３２の入口付近）に配置される。液保持体７０の配置範囲において、圧縮流体（主流）は段間ダクト４５内を実質的に径方向に流れる。液保持体７０は、流路エリアと実質的に同じ又は実質的に相似の全体形状（シルエット）を有する。この場合においても、圧縮機１２の軸方向に沿って投影された液保持体７０の全体のシルエットは、段間ダクト４５の流路エリアに応じた実質的に円環状を有する。圧縮流体は、液保持体７０の径方向外方の端部を介して液保持体７０の内部に入る。また、圧縮流体は、液保持体７０の径方向内方の他の端部を介して液保持体７０から出る。
【００２８】
代案または追加的に、図５Ｃに示す他の形態において、図５Ｄに示すように、液保持体７０は、第２インペラ３２の比較的近傍に配置することができる。液保持体７０の配置範囲において、圧縮流体（主流）は段間ダクト４５内を実質的に軸方向に流れる。液保持体７０は、流路エリアと実質的に同じ又は実質的に相似の全体形状（シルエット）を有する。この場合において、圧縮機１２の軸方向に沿って投影された液保持体７０の全体のシルエットは、段間ダクト４５の流路エリアに応じた実質的に環状、柱状、又はディスク状を有する。圧縮流体は、液保持体７０の軸方向の一の端部を介して液保持体７０の内部（通路）に入る。また、圧縮流体は、液保持体７０の軸方向の他の端部を介して液保持体７０から出る。
【００２９】
図６、図７Ａ、及び図７Ｂは、液保持体７０の構成を模式的に示す図である。図６において、液保持体７０は、複数の板部材７５が並んだ構成を有する。各板部材７５は、波状の輪郭と、少なくとも段間ダクト４５の軸方向に実質的に沿って延びる壁（面部７２）とを有する。２つの板部材７５の間に前述した通路７１が形成されている。
【００３０】
図７及び図７Ｂに示すように、１つの板部材７５における各単位波の軸（例えば凹又は凸の中心軸）は互いに平行であり、また、波の軸と同一平面内に配置される所定の基準軸１００に対して所定角度傾いている。本実施形態において、例えば、基準軸１００は、段間ダクト４５の軸方向（主流の流れ方向と概ね一致する）である。複数の板部材７５は、基準軸１００に対して傾き角度α１の軸を有する複数の第１部材７６と、傾き角度α２の軸を有する複数の第２部材７７とを有し、前記平面と直交する方向に沿って第１部材７６と第２部材７７とを交互に繰り返し重ねた構成を有する。
【００３１】
本実施形態において、例えば、第１部材７６の輪郭の軸は、主流の流れ方向に沿って、段間ダクト４５の軸方向に対して圧縮機１２（図１参照）の径方向外方に傾く。第２部材７７の輪郭の軸は、主流の流れ方向に沿って、段間ダクト４５の軸方向に対して圧縮機１２の径方向内方に傾く。傾き角度α１は、角度α２と同じでもよく異なってもよい。傾き角度α１，α２は、例えば、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５°に設定できる。上記数値は一例であって、本発明はこれに限定されない。
【００３２】
本実施形態において、傾き角度α１，α２が６５°以下であることは、圧力損失の増大の抑制に有利である。傾き角度α１，α２が５°以上であることは、主流内での好ましい乱れの発生に有利である。傾き角度α１，α２は、設計条件に応じて最適化できる。本実施形態に応じた、ある条件下での実施例において、傾き角度α１，α２がともに３０°付近であるとき、主流の冷却に最も効果的であった。
【００３３】
本実施形態において、板部材７５が波状の輪郭を有することにより、乱流促進及び伝熱面積の拡大が図られる。また、板部材７５の波の軸が段間ダクト４５の軸方向に対して傾きを有することにより、圧縮流体と板部材７５との確実な接触、及び乱流促進に効果的である。
【００３４】
本実施形態において、隣り合う第１部材７６と第２部材７７との接触部は、比較的小さい面積である。前述したように、第１部材７６の波の軸と第２部材７７の波の軸とは所定の角度で交差する。そのため、第１部材７６の波の頂部の１つの小領域（点領域）が、第２部材７７の波の底部の１つの小領域（点領域）と接する。第１部材７６の１つの凹壁に囲まれた通路は、隣接する第２部材７７のそれぞれ凹壁に囲まれた複数の通路と流体的につながる。第１部材７６の単位凹壁に囲まれた通路を流れる主流の一部は、第２部材７７のそれぞれ単位凹壁に囲まれた複数の通路内に入ることができる。
【００３５】
図６において、このような複数の通路が入り組んだ構成を有する液保持体７０において、液保持体７０の全体で多数の部分的な乱れが生じ、その結果、圧縮流体と板部材７５との確実な接触、及び乱流促進が実現される。
【００３６】
１つの板部材７５の波の頂部を通る平面は、他の板部材７５のそれと互いに実質的平行、又は非平行である。本実施形態において、図２に示すように、複数の板部材７５は、段間ダクト４５の径方向に沿って延びた全体形状をそれぞれ有し、周方向に沿って互いに離間して配置されている。複数の板部材７５は、予め一体的に１つのエレメントとして構成された後、段間ダクト４５内に配置することができる。
【００３７】
あるいは、図８Ａ及び８Ｂに示すように、各々が複数の板部材７５からなる複数の構成物（ブロック）を段間ダクト４５内に周方向及び／又は軸方向に並べて配置することができる。また、図８Ａにおいて、段間ダクト４５内の複数の板部材７５は、段間ダクト４５の径方向に沿って延びた全体形状をそれぞれ有する。図８Ｂにおいて、複数の板部材７５を有する１つのブロックにおいて、１つの板部材７５の波の頂部を通る平面は、他の板部材７５のそれと互いに実質的平行である。
【００３８】
図８Ｃに示す他の形態において、複数の板部材７５は、段間ダクト４５の周方向に沿って延びた全体形状をそれぞれ有し、径方向に沿って互いに離間して配置されている。この形態においても、一体構成タイプのエレメントを用いてもよく、複数のブロックを組み合わせてもよい。
【００３９】
他の実施形態において、図９、図１０、図１１に示すように、複数の板部材７５は、波状以外の輪郭を有することができる。図９において、複数の板部材７５は、実質的に直線状の輪郭を有する。液保持体７０は、スリット状の流路断面を有する複数の通路７１を有する。図１０及び１１において、複数の板部材７５は、複数の屈曲を有する。また、図１０において、液保持体７０は、実質的に菱形状の流路断面を有する複数の通路７１を有する。図１１において、液保持体７０は、六角格子構造（hexagonal lattice structure）あるいはハニカム構造を有し、実質的に六角形状の流路断面を有する。
【００４０】
他の実施形態において、図１２及び図１３に示すように、液保持体７０は、１つの部材から構成することが可能である。図１２において、液保持体７０は、開口比率が比較的高い多孔質部材７５Ａを有する。図１３において、液保持体７０は、繰り返し折り畳まれたシート状の多孔質部材７５Ｂを有する。多孔質部材７５Ｂは、開口比率が比較的高いのが好ましく、例えば網目状又は格子状を有する。主流の流れ方向に沿って複数の多孔質部材７５Ｂを並べることも可能である。
【００４１】
本実施形態において、液保持体７０は、毛細管現象が働く構造を有し、吸液性に優れている。本実施形態において、板部材７５は、繊維材料から構成することができる。繊維材料からなる構造体は、少なくとも吸液性、成形性、及び成形後の形状の保全性に優れている。
【００４２】
本実施形態において、板部材７５は、高い吸液性を有する多孔質材料により構成することができる。本実施形態において、板部材７５は、不織布から構成される。板部材７５の使用条件などに応じて材質が適切に選択される。例えば、板部材７５は、無機繊維を骨格とするとともに、空隙を形成しながら骨格上を充填材及び結合材が覆う構造を有することができる。あるいは、板部材７５は、無機繊維と有機繊維を骨格とするとともに、空隙を形成しながら骨格上を充填材及び結合材が覆う構造を有することができる。板部材７５に用いられる材料としては、無機繊維、天然繊維、半合成繊維、合成繊維、又はこれらの２以上を組み合わせたものが挙げられる。板部材７５に適用される不織布は、吸液性に優れた異型横断面を有する構造を有する繊維から構成できる。多数の空洞又は空隙を有する不織布は、毛細管現象が顕著に働く。なお、繊維素材表面の吸湿性が低いことにより、液体と接触した際の不織布の剛性の低下が抑制される。
【００４３】
他の実施形態において、不織布以外の素材によって板部材７５を構成することができる。板部材７５は、吸液性に優れた素材からなる部材に加え、その吸液部材を支持する補強部材を有することができる。例えば、板部材７５は、不織布以外の繊維物体と、繊維物を保持する樹脂物体とから構成することができる。
【００４４】
図１４、図１５、図１６、図１７Ａ、及び図１７Ｂは、液供給部８０の構成例を示す模式図である。本実施形態において、液供給部８０は、液供給源８２と、液保持体７０に局所的に液体を供給する局所供給機構８４とを有する。必要に応じて、液供給部８０は、ポンプ、制御弁などの他の要素を備えることができる。毛細管現象が働くことにより、高い吸液性を有する液保持体７０の全体に液体が行き渡る。局所供給機構８４は、液保持体７０に向けて液体を滴下する方式、液保持体７０の端部を液体に浸ける方式など、様々な局所供給方式を採用することができる。複数の供給方式を組み合わせることも可能である。
【００４５】
図１４において、局所供給機構８４は、複数のノズルを有する散液配管８５を有する。例えば、散液配管８５は、液保持体７０の一面に液体を散液することができる。図１５において、局所供給機構８４は、貯液部８６を有する。貯液部８６に貯溜された液体に液保持体７０の端部が接触する。
【００４６】
図１６において、局所供給機構８４は、散液配管８７Ａと、液保持補助体８７Ｂと、ドレイン配管８７Ｃとを有する。散液配管８７Ａは、液保持補助体８７Ｂに散液する。液保持補助体８７Ｂは、高い液保持性を有し、段間ダクト４５内の液保持体７０との間に液膜を形成する。液体の余剰分は、ドレイン配管８７Ｃに送られる。図１６に示す局所供給機構８４は、特に、概ね軸方向に流体が流れるダクトに好ましく適用することができる。
【００４７】
図１７Ａ及び１７Ｂに示す局所供給機構８４は、特に、概ね径方向に流体が流れるダクトに好ましく適用することができる。図１７Ａ及び１７Ｂにおいて、局所供給機構８４は、第１散液配管８８Ａと、第２散液配管８８Ｂと、液保持補助体８９とを有する。液保持補助体８９は、シート状及び環状を有し、段間ダクト４５の内壁と液保持体７０との間に配置される。すなわち、液保持補助体８９は、液保持体７０の軸方向における端面（環状の液保持体７０の側面）に当接するように配置される。重力方向において、第１散液配管８８Ａは比較的上方に配置され、第２散液配管８８Ｂは比較的下方に配置される。比較的上方位置において、第１散液配管８８Ａは、液保持体７０（液保持体７０の外周面）の上方に配置され、液保持補助体８９に液体を散液する。比較的下方位置において、第２散液配管８８Ｂは、液保持体７０（液保持体７０の内周面）の上方に配置され、液保持補助体８９に液体を散液する。液保持補助体８７Ｂは、高い液保持性を有し、第１及び第２散液配管８８Ａ，８８Ｂからの液体を保持するとともに、液保持体７０との間に液膜を形成する。毛細管現象が働くことにより、高い吸液性を有する液保持体７０の全体に液体が行き渡る。
【００４８】
本実施形態において、段間ダクト４５内の静圧は、大気圧に比べて低い。本システムをヒートポンプとして利用する場合、段間ダクト４５内の静圧は、凝縮器内の圧力に比べて低い。差圧の利用により、液供給部８０における液体の吸い込みが促進される。すなわち、負圧（陰圧）を有する段間ダクト４５の内部の冷却に対して、吸液性を有する液供給部８０が好ましく適用される。
【００４９】
なお、上記の中間段冷却システム６０において、負圧下においても、液保持体７０から理想に極めて近い状態で液体が気化すること、及び段間ダクト４５内の流体を効果的に冷却できることが本発明者らによって確認された。
【００５０】
図１８は、上記の圧縮機１２を備える冷凍機１０を示す模式図である。冷凍機１０は、蒸発器１１と、圧縮機１２と、凝縮器１３と、制御装置１５とを備える。
【００５１】
一般に、冷凍機１０の作動流体５として、フロン系、アンモニア、炭化水素などの公知の様々な媒体が挙げられる。この他に、作動流体５として、水を用いることができる。本実施形態において、作動流体５として水を用いる。相変化条件の調整などを目的として、水に添加物を加えてもよい。作動流体５が水である場合、冷凍機（ヒートポンプ）において、高い圧縮比（例えば、圧縮比８程度以上）が要求される。圧縮機１２として、多段圧縮機（図１８では２段）を用いることにより、比較的小型のもので、高い圧縮比を得ることができる。
【００５２】
冷凍機１０では、作動流体５の相変化を利用して入力媒体１９の温度を下げることができる。すなわち、蒸発器１１において、入力媒体１９（サイクル外の熱源）の熱を吸収して作動流体５が蒸発する。圧縮機１２において、蒸発器１１からのガス状の作動流体５（水蒸気）が圧縮される。凝縮器１３において、サイクル外の熱源（冷熱）に熱を奪われた作動流体５が凝縮する。凝縮器１３を出た液状の作動流体５は流量調節弁（圧力境界）１８８を経て蒸発器１１に適宜に戻る。
【００５３】
本実施形態において、蒸発器１１は、シェル・アンド・チューブ式である。すなわち、蒸発器１１は、チャンバ１３０と、ポンプ１３１と、熱交換チューブ１３２と、散液機構１３３と、不図示のミストセパレータとを備える。
【００５４】
蒸発器１１において、チャンバ１３０内に貯溜された作動流体５がポンプ１３１によって流動され、その作動流体５が、チャンバ１３０、ポンプ１３１、及び散液機構１３３を含む経路を循環する。熱交換チューブ１３２内を流れる入力媒体１９（高温媒体）との熱交換により、チャンバ１３０内で作動流体５が蒸発し、また、入力媒体１９が冷却される。蒸発した作動流体５（水蒸気）は、出口部を介してチャンバ１３０から排出される。シェル・アンド・チューブ式を用いた蒸発器は、蒸発した作動ガスの流れに対する圧力損失が小さいという利点を有する。他の実施形態において、蒸発器１１は、ガス状の作動流体５と液状の作動流体５とが直接的に接触し、外部に設けた熱交換器において入力媒体１９と液同士の間接熱交換を行うような構造を有してもよい。
【００５５】
本実施形態において、凝縮器１３も、シェル・アンド・チューブ式である。すなわち、凝縮器１３は、チャンバ２１０と、ポンプ２１１と、熱交換チューブ２１２と、散液機構２１３とを備える。
【００５６】
凝縮器１３において、熱交換チューブ２１２内を流れるサイクル外の冷熱媒との熱交換により、チャンバ２１０内で作動流体５が凝縮する。凝縮した液状の作動流体５（水）がチャンバ２１０内に貯溜される。チャンバ２１０内に貯溜された作動流体５がポンプ２１１によって流動され、その作動流体５が、チャンバ２１０、ポンプ２１１、及び散液機構２１３を含む経路を循環する。なお、この循環流路及びポンプは省略可能である。凝縮した作動流体５（水）は、流量調節弁（圧力境界）１８８を介してチャンバ２１０から適宜に蒸発器１１に供給される。なお、上記の圧力境界は流量調節弁のほか、他の一般的な方法を用いて実現してもよい。他の実施形態において、凝縮器１３は、ガス状の作動流体５と液状の作動流体５とが直接的に接触し、ポンプ２１１の吐出口下流に設けられた熱交換器で液同士の間接熱交換を行うような構造を有してもよい。
【００５７】
本実施形態において、蒸発器１１のチャンバ１３０及び凝縮器１３のチャンバ２１０はともに、真空チャンバであり、チャンバ１３０及びチャンバ２１０の内部空間が負圧に設定される。また、本実施形態において、熱交換チューブ１３２，２１２は、チャンバ１３０，２１０内に、チャンバ１３０，２１０の軸方向（重力方向）に沿って単段又は多段の層状に配置される。熱交換チューブ１３２，２１２の構成部材としては、高い熱伝導率を有する金属チューブ（例えば、銅チューブ、アルミニウムチューブ）が好ましく用いられる。
【００５８】
本実施形態において、圧縮機１２は、前述した中間段冷却システム６０を有する。すなわち、中間段冷却システム６０は、段間ダクト４５内に配置される液保持体７０と、液保持体７０に液体を供給する液供給部８０とを含む。
【００５９】
本実施形態において、液供給部８０は、液供給源８２と、液保持体７０に局所的に液体を供給する局所供給機構８４とを有する。本実施形態において、凝縮器１３のチャンバ１３０及び蒸発器１１のチャンバ２１０が液供給源（８２）とされる。局所供給機構８４は、散液配管１８１と、第１供給配管１８２と、第２供給配管１８３と、第１バルブ１８４と、第２バルブ１８５と、ドレイン配管１８６とを有する。
【００６０】
図１８において、散液配管１８１は、液保持体７０に凝縮器１３のチャンバ２１０又は蒸発器１１のチャンバ１３０からの液体（水）を供給する。散液配管１８１と液保持体７０との間に図１６に示したように液保持補助体を配置してもよい。図１８において、液保持体７０に保持された液体（水）が段間ダクト４５内で気化することにより、蒸発潜熱に相当する熱が作動流体５から奪われ、作動流体５が冷却される。中間段冷却により、圧縮機１２の圧縮効率向上、及び圧縮動力低減が図られる。
【００６１】
また、図１８において、第１供給配管１８２は、蒸発器１１の散液機構１３３の循環経路から分岐した配管であり、蒸発器１１のチャンバ１３０と液供給部８０の散液配管１８１とを流体的につなぐ。第２供給配管１８３の一端は、凝縮器１３のチャンバ２１０に底部に接続されている。第２供給配管１８３は、凝縮器１３のチャンバ１３０と液供給部８０の散液配管１８１とを流体的につなぐ。第１バルブ１８４は第１供給配管１８２上に配置され、第２バルブ１８５は第２供給配管１８３上に配置されている。
【００６２】
凝縮器１３の圧力が所定値以上のとき、第１バルブ１８４が閉、第２バルブ１８５が開となる。必要に応じて、第２バルブ１８５の開度を調整することができる。凝縮器１３のチャンバ２１０と散液配管１８１との差圧を利用して散液配管１８１から液体を出すことができる。
【００６３】
凝縮器１３の圧力が所定値未満のとき、第１バルブ１８４が開、第２バルブ１８５が閉となる。必要に応じて、第１バルブ１８４の開度を調整することができる。蒸発器１１のポンプ１３１の圧力を利用して散液配管１８１から液体を出すことができる。
【００６４】
局所供給機構８４において、液体の余剰分は、ドレイン配管１８６に流れる。ドレイン配管１８６には流量調節弁１８７が設けられ、これが圧力境界となりドレイン配管１８６に流入した液体は蒸発器１１のチャンバー１３０内に導かれる。なお、上記の圧力境界は、流量調節弁以外の方法で実現してもよい。
【００６５】
本実施形態において、中間段冷却に用いられる液体は、作動流体（圧縮流体）の液化物（水）である。そのため、ガスと液体とが化学的に反応して不純物を生じるなどの、両者の混合に伴う不具合の発生が抑制される。
【００６６】
冷凍機における、蒸発器、圧縮機、及び凝縮器の位置関係は図１８の例に限定されない。
【００６７】
また、圧縮機は、２段に限定されない。圧縮機の段数は、３、４、５、６、７、８、９、又は１０以上にできる。
【００６８】
図１９は、４段の圧縮機３１２を備える冷凍機３１０を示す模式図である。以下の説明では、図１８の冷凍機１０と同様の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。
【００６９】
図１９に示す冷凍機３１０において、圧縮機３１２は、回転軸２０、駆動装置２５、第１インペラ３１、第２インペラ３２、第３インペラ３３、第４インペラ３４、及びケーシング４０を有する。
【００７０】
ケーシング４０は、蒸発器１１のチャンバ１３０からの圧縮流体を第１インペラ３１に導く入口ダクト４１、第１インペラ３１からの圧縮流体を第２インペラ３２に導く段間ダクト４５、第２インペラ３２からの圧縮流体を第３インペラ３３に導く段間ダクト４６、第３インペラ３３からの圧縮流体を第４インペラ３４に導く段間ダクト４８、及び第４インペラ３４からの圧縮流体を凝縮器１３のチャンバ２１０に導く出口ダクト４９を有する。
【００７１】
段間ダクト４５，４６，４８内にそれぞれ中間段冷却システム６０の液保持体７０が配置される。本実施形態において、液供給部８０の局所供給機構８４は、散液配管１８１、第１供給配管３７１、第２供給配管３７２、第３供給配管３７３、第４供給配管３７４、第５供給配管３７５、第６供給配管３７６、第１バルブ３８１、第２バルブ３８２、第３バルブ３８３、第４バルブ３８４、第５バルブ３８５、第６バルブ３８６、第１ドレイン配管３９１、第２ドレイン配管３９２、及び第３ドレイン配管３９３を有する。
【００７２】
本実施形態において、各段間ダクト４５，４６，４８，４９内の液保持体７０に対する液供給源８２は、凝縮器１３のチャンバ１３０及び蒸発器１１のチャンバ２１０である。図１８の形態と同様に、バルブ３８１〜３８６の制御により、凝縮器１３のチャンバ２１０又は蒸発器１１のチャンバ１３０からの液体（水）が液保持体７０に供給される。
【００７３】
各局所供給機構８４において、液体の余剰分は、第１〜第３ドレイン配管３９１〜３９３に流れる。ドレイン配管３９１〜３９３に流入した液体は、各管の途中に設けられた圧力境界となる流量調節弁３８７〜３８９を経て蒸発器１１のチャンバー１３０内に導かれる。なお、上記の圧力境界は、流量調節弁以外の方法で実現してもよい。
【００７４】
本実施形態においても、液保持体７０に保持された液体（水）が段間ダクト４５，４６，４８内で気化することにより、蒸発潜熱に相当する熱が作動流体５から奪われ、作動流体５が冷却される。中間段冷却により、圧縮機１２の圧縮効率向上、及び圧縮動力低減が図られる。
【００７５】
段間ダクト４５，４６，４８の各流路エリア（流路断面）は、液保持体７０の配置範囲において、実質的に円環状を有する。本実施形態において、段間ダクト４５、段間ダクト４６、段間ダクト４８の順に流路断面積は小さくなる。圧縮機１２の軸方向に沿って投影された液保持体７０の全体のシルエットは、段間ダクト４５，４６，４８の流路エリアに応じた実質的に円環状を有する。すなわち、段間ダクト４５、段間ダクト４６、段間ダクト４８の順に、対応する液保持体７０の大きさが小さくなる。
【００７６】
本実施形態において、液保持体７０が段間ダクト４５，４６，４８の流路エリアと実質的に同じシルエットをそれぞれ有することにより、各段間ダクト４５，４６，４８の流路断面の全体にわたって液保持体７０が配置される。その結果、圧縮流体（主流）の全体が冷却される。
【００７７】
試算例において、液体供給式（直接式）の中間段冷却を２段圧縮に適用した場合、ＣＯＰは４．８９６である。比較例として、段間ダクト内に配置されたチューブの内部に冷媒が流れる間接式の中間段冷却ではＣＯＰが４．５１１であった。また、３段圧縮において、タービン単段効率は２段と同じとした場合、間接式のＣＯＰは４．３６６、直接式のＣＯＰは４．９４７であった。３段圧縮において、タービン単段効率が３段にしたため２段より改善されるとした場合、間接式のＣＯＰは４．６１７、直接式のＣＯＰは５．２４４であった。上記数値は理解のための一例であって本発明はこれに限定されない。
【００７８】
なお、本発明の圧縮機は、ヒートポンプに適用することもできる。ヒートポンプは、例えば、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される。また、ヒートポンプは、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。熱利用装置において、高い圧縮効率を有するヒートポンプの採用により、装置のコンパクト化、エネルギー効率の向上が図られる。また、作動媒体が水であることにより、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。
【００７９】
上記説明において使用した数値は一例であって、本発明はこれに限定されない。
【００８０】
以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はこれら実施例に限定されることはない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。本発明は前述した説明によって限定されることはなく、添付の請求の範囲によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】図１は、２段の遠心圧縮機の模式的な部分断面図である。
【図２】図２は、液保持体の模式的な断面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、液保持体の配置の他の例を示す模式図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、液保持体の配置の他の例を示す模式図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、液保持体の配置の他の例を示す模式図である。
【図４Ａ】図４Ａは、液保持体の他の形態例を示す模式図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、液保持体の他の形態例を示す模式図である。
【図５Ａ】図５Ａは、液保持体の他の形態例を示す模式図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、液保持体の他の形態例を示す模式図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、液保持体の他の形態例を示す模式図である。
【図５Ｄ】図５Ｄは、液保持体の他の形態例を示す模式図である。
【図６】図６は、液保持体の形態を示す模式図である。
【図７Ａ】図７Ａは、液保持体の形態を示す模式図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、液保持体の形態を示す模式図である。
【図８Ａ】図８Ａは、液保持体の他の形態例を示す模式図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、液保持体の他の形態例を示す模式図である。
【図８Ｃ】図８Ｃは、液保持体の他の形態例を示す模式図である。
【図９】図９は、液保持体の他の形態例を示す模式図である。
【図１０】図１０は、液保持体の他の形態例を示す模式図である。
【図１１】図１１は、液保持体の他の形態例を示す模式図である。
【図１２】図１２は、液保持体の他の形態例を示す模式図である。
【図１３】図１３は、液保持体の他の形態例を示す模式図である。
【図１４】図１４は、液供給部の形態例を示す模式図である。
【図１５】図１５は、液供給部の形態例を示す模式図である。
【図１６】図１６は、液供給部の形態例を示す模式図である。
【図１７Ａ】図１７Ａは、液供給部の形態例を示す模式図である。
【図１７Ｂ】図１７Ｂは、液供給部の形態例を示す模式図である。
【図１８】図１８は、２段圧縮機を備える冷凍機を示す模式図である。
【図１９】図１９は、４段圧縮機を備える冷凍機を示す模式図である。
【符号の説明】
【００８２】
５…作動流体、１０，３１０…冷凍機、１１…蒸発器、１２，３１２…圧縮機、１３…凝縮器、３１，３２，３３，３４…インペラ、２５…駆動装置、４０…ケーシング、４５，４６，４８…段間ダクト、６０…中間段冷却システム、７０…液保持体、７１…通路、７２…面部、７５…板部材、７６…第１部材、７７…第２部材、８０…液供給部、８２…液供給源、８４…局所供給機構、８５…散液配管、８７Ｂ…液保持補助体。
【図１】
0005119017.tif 000002
【図２】
0005119017.tif 000003
【図３Ａ】
0005119017.tif 000004
【図３Ｂ】
0005119017.tif 000005
【図３Ｃ】
0005119017.tif 000006
【図４Ａ】
0005119017.tif 000007
【図４Ｂ】
0005119017.tif 000008
【図５Ａ】
0005119017.tif 000009
【図５Ｂ】
0005119017.tif 000010
【図５Ｃ】
0005119017.tif 000011
【図５Ｄ】
0005119017.tif 000012
【図６】
0005119017.tif 000013
【図７Ａ】
0005119017.tif 000014
【図７Ｂ】
0005119017.tif 000015
【図８Ａ】
0005119017.tif 000016
【図８Ｂ】
0005119017.tif 000017
【図８Ｃ】
0005119017.tif 000018
【図９】
0005119017.tif 000019
【図１０】
0005119017.tif 000020
【図１１】
0005119017.tif 000021
【図１２】
0005119017.tif 000022
【図１３】
0005119017.tif 000023
【図１４】
0005119017.tif 000024
【図１５】
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【図１６】
0005119017.tif 000026
【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
0005119017.tif 000028
【図１８】
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【図１９】
0005119017.tif 000030