(57)【要約】      （修正有）【課題】性能を向上することが可能なサーモコンプレッサを提供する。【解決手段】本発明に係るサーモコンプレッサは、軸線方向に被駆動蒸気が流れる筒状の吸引チャンバー１と、吸引チャンバーの内部に配置され、筒状の壁を有し、駆動蒸気を前記吸引チャンバーに供給するノズル４と、を備え、ノズルの外周面と前記吸引チャンバーの内壁面との間の外部空間Ａ、及び前記ノズルの内部空間Ｂには、前記被駆動蒸気Ｓ１が流され、ノズルは、前記駆動蒸気Ｓ２が通過する流路を有し、当該流路は、前記壁の内部で連続する環状に形成され、前記軸線方向に延びて、その下流側で開口するように形成されている。【選択図】図２
2012145006.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸線方向に被駆動蒸気が流れる筒状の吸引チャンバーと、
前記吸引チャンバーの内部に配置され、筒状の壁を有し、駆動蒸気を前記吸引チャンバーに供給するノズルと、を備え、
前記ノズルの外周面と前記吸引チャンバーの内壁面との間の外部空間、及び前記ノズルの内部空間には、前記被駆動蒸気が流され、
前記ノズルは、前記駆動蒸気が通過する流路を有し、当該流路は、前記壁の内部で連続する環状に形成され、前記軸線方向に延びて、その下流側で開口するように形成されている、サーモコンプレッサ。
【請求項２】
前記ノズルの流路は、
前記軸線方向の上流側から下流側にいくにしたがって径方向の長さが漸進的に小さくなる狭窄部と、
前記軸線方向の上流側から下流側にいくにしたがって径方向の長さが漸進的に大きくなり前記開口に通じる開放部と、
前記狭窄部及び開放部を前記軸方向に連通させる連結部と、
を備えている、請求項１に記載のサーモコンプレッサ。
【請求項３】
前記ノズルを構成する壁は、
筒状の外筒体と、
前記外筒体よりも径が小さく、当該外筒体の内部空間に径方向に隙間を形成して配置される筒状の内筒体と、で構成され、
前記隙間が前記流路を形成する、請求項１または２に記載のサーモコンプレッサ。
【請求項４】
前記軸線方向の上流側から下流側にいくにしたがって径方向の長さが漸進的に大きくなるディフューザと、
前記吸引チャンバー及びディフューザを前記軸方向に連通させる喉部と、
をさらに備え、
前記吸引チャンバーは、前記軸線方向の上流側から下流側にいくにしたがって径方向の長さが漸進的に小さくなって前記喉部に連結される、請求項１から３のいずれかに記載のサーモコンプレッサ。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載のサーモコンプレッサと、
外部から供給された海水を加熱蒸発させるとともに、上流から下流側に直列に並ぶ複数の効用缶と、
を備え、
前記複数の効用缶のうち、最上流にある効用缶には前記サーモコンプレッサから蒸気が供給され、
前記各効用缶で加熱蒸発された蒸気を順次下流側の効用缶に供給するように構成され、
下流にある前記効用缶で生成された蒸気を被駆動蒸気として、前記サーモコンプレッサに供給するように構成されている、海水淡水化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サーモコンプレッサ及びこれを備える海水淡水化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より提案されているスチームエジェクタとしては、例えば、特許文献１に記載のものがある。このスチームエジェクタは、筒状の吸気チャンバーを有しており、この吸気チャンバーの一端部に、口径の小さいスロート部を介して、裾広がりのディフューザを連結している。また、吸気チャンバーの内部には、同軸状に筒状の蒸気ノズルを配置している。そして、蒸気ノズルに駆動蒸気を供給すると、この駆動蒸気は、吸気チャンバーからスロート部に向かって噴出され、ディフューザを通過して排出される。このとき、吸気チャンバーでは、被駆動蒸気が吸引され、駆動蒸気とともにディフューザから排出される。こうして、このスチームエジェクタは、真空排気用のポンプとして機能する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１３０２００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、上記のようなスチームエジェクタを、例えば海水淡水化装置のサーモンコンプレッサとして用いる場合、吐出圧力の上昇が海水淡水化装置の蒸発器の伝熱面積の大小に大きな影響を与えることから、圧力の向上が課題となる。すなわち、従来のスチームエジェクタをサーモコンプレッサとして用いる場合には改善の余地があり、性能の向上が望まれていた。
【０００５】
本発明は、上記問題を解決するためのものであり、性能を向上することが可能なサーモコンプレッサ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】
【０００６】
本発明に係るサーモコンプレッサは、軸線方向に被駆動蒸気が流れる筒状の吸引チャンバーと、前記吸引チャンバーの内部に配置され、筒状の壁を有し、駆動蒸気を前記吸引チャンバーに供給するノズルと、を備え、前記ノズルの外周面と前記吸引チャンバーの内壁面との間の外部空間、及び前記ノズルの内部空間には、前記被駆動蒸気が流され、前記ノズルは、前記駆動蒸気が通過する流路を有し、当該流路は、前記壁の内部で連続する環状に形成され、前記軸線方向に延びて、その下流側で開口するように形成されている。
【０００７】
この構成によれば、被駆動蒸気を流す吸引チャンバーの内部に、連続する環状の開口を有するノズルを配置し、このノズルから環状の流れとなる駆動蒸気を吐出するようにしている。そのため、環状の流れの外周面及び内周面を流れる被駆動蒸気を効果的に牽引し、流速を増加させることができる。特に、環状に吐出する駆動蒸気は、ノズルと吸引チャンバーとの間の外部空間を流れる被駆動蒸気と、ノズルの内部空間を流れる被駆動蒸気と、の両者に接触しているため、次のような効果を得ることができる。まず、ノズルの内部空間を流れる被駆動蒸気は、その外周をすべて駆動蒸気で囲まれているため、外部空間を流れる駆動蒸気に対してよりも大きい牽引力が作用する。その結果、内部空間を流れる被駆動蒸気はさらに流速が高くなろうとする。こうして、流速が高くなると、その圧力は、外部空間を流れる被駆動蒸気よりも低下するが、このとき、両空間を流れる被駆動蒸気は、環状の駆動蒸気によって分離されているため、相互に接触できない状態にある。その結果、内部空間を流れる被駆動蒸気は、外部空間を流れる被駆動蒸気との圧力の平衡を保つため、流れ面積が縮小していく。特に、従来のサーモコンプレッサでは、吸引チャンバーが先細の形状を有しているため、被駆動蒸気の流れ面積は縮小するが、本発明においては、上記のようなメカニズムにより、従来よりもさらに流れの断面積を縮小することができる。その結果、流速及び圧力の上昇が大きくなり、被駆動蒸気を効果的に圧縮することができる。
【０００８】
さらに、駆動蒸気と被駆動蒸気とが接触する面積が大きいため、駆動蒸気の運動量が速やかに被駆動蒸気に伝達され、駆動蒸気自身の流速は低下していく。これにより、流れの断面積が増大し、圧力が内部空間を流れる被駆動蒸気と平衡を保つようになる。なお、ここで、被駆動流体が蒸気ではなく仮に液体の場合には、液体（被駆動流体）中に吐き出された駆動蒸気は、液体（被駆動流体）を軸方向に牽引すると考えられるが、同時に駆動蒸気のほとんどが凝縮すると考えられるから、本発明のように、被駆動流体の駆動蒸気による分離という効果は奏さず、また、駆動蒸気及び被駆動流体の流れ断面積の変化という効果も何ら奏さない。
【０００９】
また、ノズルの内部の流路は、次のように形成することができる。すなわち、この流路を、軸線方向の上流側から下流側にいくにしたがって径方向の長さが漸進的に小さくなる狭窄部と、軸線方向の上流側から下流側にいくにしたがって径方向の長さが漸進的に大きくなり前記開口に通じる開放部と、狭窄部及び開放部を軸線方向に連通させる連結部と、で構成することができる。
【００１０】
このようにすると、駆動蒸気は、狭窄部により圧縮されながら連結部で音速に到達させることができる。そして、その後に続く開放部は末広がりになっているので駆動蒸気の断面積は漸増し、その結果、流速が音速を超えていく（音速の約３倍に達する）ことが可能となる。このような音速を超える高速の駆動蒸気が吸引チャンバーで被駆動蒸気と接触することにより、効果的に被駆動蒸気を互いに混合させることなく流れ断面積を変えながら牽引、圧縮することができる。
【００１１】
上記ノズルの壁は、種々の方法で作製できるが、例えば、筒状の外筒体と、この外筒体よりも径が小さく、当該外筒体の内部空間に径方向に隙間を形成して配置される筒状の内筒体とで構成し、上記隙間が流路を形成するようにすることができる。例えば、上述したような狭窄部、開放部の形成は、切削加工では難しいところ、外筒体と内筒体とを所定間隔をおいて配置すれば、容易に形成することができる。
【００１２】
上記サーモコンプレッサにおいては、吸引チャンバーの形状は特には限定されず、先端にいくにしたがって径が細くなる形態、径が一定の形態でもよい。例えば、軸線方向の上流側から下流側にいくにしたがって径方向の長さが漸進的に大きくなるディフューザと、吸引チャンバー及びディフューザを前記軸方向に連通させる喉部と、をさらに設け、吸引チャンバーが、軸線方向の上流側から下流側にいくにしたがって径方向の長さが漸進的に小さくなって喉部に連結されるように構成することもできる。
【００１３】
また、本発明に係る海水淡水化装置は、上述したいずれかに記載のサーモコンプレッサと、外部から供給された海水を加熱蒸発させるとともに、上流から下流側に直列に並ぶ複数の効用缶と、を備え、前記複数の効用缶のうち、最上流にある効用缶には前記サーモコンプレッサから蒸気が供給され、前記各効用缶で加熱蒸発された蒸気を順次下流側の効用缶に供給するように構成され、下流にある前記効用缶で生成された蒸気を被駆動蒸気として、前記サーモコンプレッサに供給するように構成されている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係るサーモコンプレッサによれば、吐出圧力及び吸引蒸気量の双方を向上し、性能を向上することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係るサーモコンプレッサの一実施形態を示す断面図である。
【図２】図１に示すサーモコンプレッサの吸引チャンバーの拡大断面図である。
【図３】図３は図２のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】図４は図２の一部拡大断面図である。
【図５】図１のサーモコンプレッサを利用した多重効用型海水淡水化装置の概略構成図である。
【図６】実施例に係るサーモコンプレッサの一部断面図である。
【図７】比較例に係るサーモコンプレッサの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明に係るサーモコンプレッサを多重効用式海水淡水化装置に適用した場合の一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。図１は、この装置に適用されるサーモコンプレッサの概略断面図である。
【００１７】
まず、本実施形態に係るサーモコンプレッサから説明する。図１に示すように、このサーモコンプレッサは、吸引された被駆動蒸気Ｓ１と駆動蒸気Ｓ２とを混合し下流側に吐出する円筒状の吸引チャンバー１を有しており、この吸引チャンバー１の下流側に、筒状に形成された喉部２及びディフューザ３がこの順で連結されている。吸引チャンバー１の下流側の端部は、後述するように下流にいくにしたがって径が徐々に小さくなっており、この端部に喉部２が連結されている。喉部２は径が一定であり、且つ、軸方向の長さが短くなっており、その下流側の端部にディフューザ３が取り付けられている。ディフューザ３は、下流にいくにしたがってテーパ状に径が大きくなっており、喉部２よりも軸方向の長さが長くなっている。このような構成により、被駆動蒸気Ｓ１と駆動蒸気Ｓ２とは吸引チャンバー１で混合されて混合蒸気Ｓ３となり、この混合蒸気Ｓ３が喉部２及びディフューザ３を経て外部に吐出される。
【００１８】
次に、吸引チャンバー１について、図２〜図４を参照して説明する。図２は吸引チャンバーの拡大断面図、図３は図２のＡ−Ａ線断面図、図４は図２の一部拡大断面図である。図２に示すように、吸引チャンバー１の内部には、駆動蒸気Ｓ２を吐出するノズル４が配置されている。この吸引チャンバー１においては、図２の左側の吸入口１１から被駆動蒸気Ｓ１が吸入される。吸入口１１から下流側に亘っては、ノズル４が配置されている部分までは内径が一定であるが、ノズル４の先端よりもやや下流側から内径がテーパ状に小さくなるように形成されて喉部２に連結されている。
【００１９】
ノズル４は、円筒状に形成され、吸引チャンバー１の軸線Ｌと同軸となるように配置されている。そして、吸引チャンバー１の内壁面から径方向に延びる供給管５によって、吸引チャンバー１に支持されている。ノズル４を構成する円筒状の壁の内部には、駆動蒸気Ｓ２が通過する流路４１が形成されており、流路４１の後端部に、上述した供給管５が連結され、駆動蒸気Ｓ２を流路４１内に供給するようにしている。この流路４１は、ノズル４の壁に沿って連続した環状に形成されるとともに、軸方向に延びており、ノズル４の下流側の端部に開口４２を有している。また、図４に示すように、この流路４１は、同図に示す横断面で見ると、供給管５との連結部分においては径方向の幅ｄが一定であるが、ここから下流側に向かって変化している。すなわち、連結部分４１１から径方向の幅がテーパ状に小さくなる狭窄部４１２、この狭窄部４１２と連通し幅が一定の連結部４１３、及びこの連結部４１３から下流側に向かってテーパ状に幅が大きくなる開放部４１４とで構成されている。開放部４１４は、上述したノズル端部の開口４２とつながっている。
【００２０】
このようなノズル４は、流路４１を容易に形成するため、外筒体４０１及び内筒体４０２を組み合わせることで形成されている。外筒体４０１は、筒状に形成され、内周面が流路４１の外壁面と対応する形状になっている。一方、内筒体４０２は、外筒体４０１よりも径が小さい円筒状に形成され、外周面が流路４１の内壁面と対応する形状となっている。これにより、外筒体４０１の内部に内筒体４０２を同軸状に挿入したときに形成される隙間が流路４１を構成する。また、外筒体４０１の後端部には、上述した供給管５が、外筒体４０１の壁を貫通するように固定されている。さらに、外筒体４０１の後端には固定用のフランジ４６が設けられている。一方、内筒体４０２にも後端に固定用のフランジ４７が設けられており、外筒体４０１のフランジ４６の後端に接触するように配置されている。そして、これらのフランジ４６，４７がボルト４８によって固定されることで、外筒体４０１と内筒体４０２とが一定的に固定される。
【００２１】
次に上記のように構成されたサーモコンプレッサの動作について説明する。まず、駆動蒸気Ｓ２を供給管５を介してノズル４の流路４１に供給する。供給された駆動蒸気Ｓ２は、流路４１の狭窄部４１２を通過することで圧縮され、その後、連結部４１３及び開放部４１４を経ることで圧縮から解放されるため、ノズルの開口４２からは、高速の蒸気が吐出される。
【００２２】
一方、吸引チャンバー１の後端部からは、被駆動蒸気Ｓ１が導入される。この被駆動蒸気Ｓ１は、ノズル４の外周面と吸引チャンバー１の内壁面との間の外部空間Ａ、及びノズル４の内部空間Ｂの２つの空間を通過しながら、下流側へ流れていく。そして、この被駆動蒸気Ｓ１は、吐出された駆動蒸気Ｓ２により、下流側へ吸引されながら、流速を増していき、吸引チャンバー１から吐出される。
【００２３】
より詳細に説明すると、ノズル４から吐出された駆動蒸気Ｓ２は、内部空間Ｂ側及び外部空間Ａ側の両面から被駆動蒸気Ｓ１の粘性抵抗を受けるので、駆動蒸気Ｓ２の流れの断面積は拡大していき、上述した両面で被駆動蒸気Ｓ１を牽引する。このとき、外部空間Ａを流れる被駆動蒸気Ｓ１は、その外周面が吸引チャンバー１の内壁面と接触し、抵抗を受けるが、内周面は被駆動蒸気Ｓ１によって牽引されていき、流速が増加する。一方、内部空間Ａを流れる被駆動蒸気Ｓ１は、その外周を全周に亘って囲む駆動蒸気Ｓ２によって牽引されていくが、外部空間Ａを流れる被駆動蒸気Ｓ１のような抵抗を受けないため、流速がさらに増加する。これに伴って圧力が低下するため、これを囲む駆動蒸気Ｓ２の流れの断面積は拡大し、流速も増加する。このとき、両空間Ａ，Ｂを流れる被駆動蒸気Ｓ１は、環状の駆動蒸気Ｓ２によって分離されているため、相互に接触できない状態にある。その結果、内部空間Ｂを流れる被駆動蒸気Ｓ１は、外部空間Ａを流れる被駆動蒸気Ｓ１との圧力の平衡を保つため、流れ面積が縮小していく。すなわち、吸引チャンバー１では、駆動蒸気と被駆動蒸気との間で運動量の交換が行われる。以上のようなメカニズムにより、被駆動蒸気Ｓ１は流速及び圧力の上昇が大きくなるように吸引され、駆動蒸気Ｓ２と混合されつつ吸引チャンバー１から吐出され、喉部２へ流れる。
【００２４】
吸引チャンバー１の下流側は、径が小さくなっていくため、駆動蒸気及び被駆動蒸気は、吸引チャンバー１から吐出される過程で、高速になっていく。そして、喉部２を経た混合蒸気Ｓ３は、ディフューザ３に入っていくが、ディフューザ３は下流にいくにしたがって径が大きくなっているため、混合蒸気Ｓ３は、減速されながら、圧力が増し、外部へ吐出される。すなわち、喉部２からディフューザ３に亘って、速度成分が圧力成分に変換されて圧縮が行われる。
【００２５】
以上のように、本実施形態によれば、被駆動蒸気Ｓ１を流す吸引チャンバー１の内部に、環状の開口４２を有するノズル４を配置し、このノズル４から環状の流れとなる駆動蒸気Ｓ２を吐出するようにしている。そのため、環状の流れの外周面及び内周面を流れる被駆動蒸気Ｓ１を効果的に牽引し、流速を増加させることができる。
【００２６】
続いて、上記サーモコンプレッサを用いた多重型海水淡水化装置について説明する。図５は、多重効用型海水淡水化装置の概略構成図である。同図に示すように、この海水淡水化装置自体は公知の装置であり、この例では４つの効用缶を有する４効用システムを示している。まず、海水はコンデンサ内に送られ、４効用から送られた蒸気を凝縮させることで昇温される。そして、コンデンサを経た海水は、各効用缶に供給される。例えば、第１効用缶に供給された海水は、加熱蒸気によって加熱されて蒸発する。発生した蒸気は第２効用缶の加熱部管内に入り、供給された海水を加熱して蒸発させる。この過程で蒸気の一部は凝縮して淡水となる。こうして、前の効用缶での発生蒸気が海水の加熱と蒸発に利用されていく。
【００２７】
ところで、この海水淡水化装置の特徴は、上述したサーモコンプレッサを用いている点である。すなわち、サーモコンプレッサに供給される被駆動蒸気Ｓ１は、４効用で排出された蒸気であり、サーモコンプレッサに駆動蒸気Ｓ２としての加熱蒸気を供給することで、被駆動蒸気Ｓ１を高圧にして１効用に供給している。すなわち、一般的には、コンデンサにのみ供給される４効用の蒸気を、サーモコンプレッサに供給している点に特徴がある。
【００２８】
ここで、吸入蒸気量/加熱蒸気量＝吸入比とすると、吸引される蒸気の量はそれぞれのシステム設計によって決定される設計上のファクターであるものの、サーモコンプレッサの能力の限界がある。仮に、吸入比が１である場合、１効用の加熱部に導入される蒸気は、加熱蒸気を１としたとき２となるから、４効用システムでは８の蒸留水が得られる。この場合の１効用の温度は、スケール防止の観点に加えて、サーモコンプレッサの能力に影響され、６５℃付近が限界である。
【００２９】
以上のように作動するため、例えば、ＧＯＲ（蒸留水量/加熱蒸気量：Gain output Ratio）＝８の装置を設計する場合、吸入比１のサーモコンプレッサがあれば４効用システムが可能となる。例えば、１効用の温度を６５℃とし、４効用の温度を５０℃と仮定すると各効用の作動温度差は（６５−５０）／４効用＝３．７５℃となる。一方、サーモコンプレッサがない場合、ＧＯＲ＝８の装置を設計する為には８効用が必要となる。このときも仮に１効用の運転温度を６５℃とすれば各効用の温度差は３．７５／２＝１．８７５℃となり、各効用の加熱部の伝熱面積は約２倍となるであろう。ここにサーモコンプレッサの重要な役割がある。なお、このとき、サーモコンプレッサの圧縮能力が吸入比１を維持したままで、仮に６８℃までできるならばその差はわずか３℃に過ぎないが、各効用の効用の温度差は（６８−５０）／４＝４．５℃、となるから伝熱面積は３．７５／４．５＝０．８３３３となり約１７％減少させることができる。さらに、ＧＯＲ＝１０の装置が要求される場合、吸入比１のサーモコンプレッサでは５効用システムが必要となるが、吸入比１．５のサーモコンプレッサがあれば４効用システムで充分であり、約２０％の伝熱面積を少なくすることができる。
【００３０】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、種々の変更が可能である。例えば、上述した海水淡水化装置では、４効用で発生した蒸気を被駆動蒸気としてサーモコンプレッサに供給しているが、他の効用で発生した蒸気を用いることもできる。
【実施例】
【００３１】
以下、本発明の実施例について説明する。但し、本発明は以下の実施例に限定されない。
【００３２】
実施例として、図１から図６に示すように、上記実施形態で示したものと同等のサーモコンプレッサを用い、比較例として図７に示すサーモコンプレッサを用いた。図７は、喉部及びディフューザの記載を省略しているが、図１と同じである。そして、これらを駆動して流れの断面積、圧力、温度などを測定した。吸引比は、１．４とした。結果は以下の表１の通りである。
【００３３】
【表１】
2012145006.tif 000003
【００３４】
以上のように、この例では吸入比＝１．４で比較したが、実施例及び比較例では、吸引チャンバーを通過した喉部において差が生じている。すなわち、駆動蒸気は流速が低下するとともに、流れの断面積が大きくなっていき、圧力が向上している。そして、このような圧力の傾向はディフューザ出口においても同じである。一方、吸入比が１．４以外の場合であっても同様の効果が得られると考えられる。また、温度範囲がこれ以外の低い範囲であっても、あるいは１００℃を超えるような高い範囲でも同様の効果が得られると考えられる。また、圧縮温度差を同じにした場合には逆に吸入比が比較例のノズルよりも高くできることも、実施例のような環状のノズルの特有の効果から導き出せることは自明であると考えられる。このように、本実施例のサーモコンプレッサは、駆動蒸気を利用して低圧の蒸気を圧縮するものであるから、この効果は海水淡水化装置に意外にも種々の装置に適用することができる。例えば、より小さい伝熱面積の伝熱装置で同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００３５】
１  吸引チャンバー
４  ノズル
４０１  外筒体
４０２  内筒体
４１  流路
４１２  狭窄部
４１３  連結部
４１４  開放部
４２  開口
Ａ  外部空間
Ｂ  内部空間
Ｓ１  被駆動蒸気
Ｓ２  駆動蒸気
Ｓ３  混合蒸気
【図１】
2012145006.tif 000004
【図２】
2012145006.tif 000005
【図３】
2012145006.tif 000006
【図４】
2012145006.tif 000007
【図５】
2012145006.tif 000008
【図６】
2012145006.tif 000009
【図７】
2012145006.tif 000010