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JP2004300928A - Multistage compressor, heat pump and heat utilization device - Google Patents

Multistage compressor, heat pump and heat utilization device Download PDF

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JP2004300928A
JP2004300928A JP2003091404A JP2003091404A JP2004300928A JP 2004300928 A JP2004300928 A JP 2004300928A JP 2003091404 A JP2003091404 A JP 2003091404A JP 2003091404 A JP2003091404 A JP 2003091404A JP 2004300928 A JP2004300928 A JP 2004300928A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
mist
liquid
gas
heat
compressor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2003091404A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kenji Watanabe
健次 渡辺
Hiroyuki Sakata
裕之 坂田
Hiroshi Nishimura
浩 西村
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tokyo Electric Power Company Holdings Inc
Original Assignee
Tokyo Electric Power Co Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tokyo Electric Power Co Inc filed Critical Tokyo Electric Power Co Inc
Priority to JP2003091404A priority Critical patent/JP2004300928A/en
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a multistage compressor in which liquid for cooling is supplied to a flow passage between stages, wherein compressed air can be cooled effectively. <P>SOLUTION: A multistage compressor 12 is provided with a atomization part 31 for generating mist from liquid in a space 35a different from a flow passage 25 between steps and a mist supply part 32 for supplying the mist from the space 35a to the flow passage 25. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【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(HO )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。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a multi-stage compressor for compressing a gas in multiple stages, and more particularly to a technique for cooling a compressed gas.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, in a multi-stage compressor, there is a technique of supplying a liquid to a flow path between stages for the purpose of cooling a compressed gas or the like (for example, see Patent Document 1). In this technique, liquid is evaporated in a flow path between stages, and the heat of the compressed gas is removed by the latent heat of evaporation. Effective cooling of the compressed gas leads to reduced compression power.
[0003]
[Patent Document 1]
U.S. Pat. No. 2,786,626 [0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the above-mentioned technology, there is a problem how to surely evaporate the liquid in the flow path for effective cooling of the compressed gas. Further, when the liquid particles having a large diameter collide with the rotating member in the next stage, there is a possibility that problems such as erosion and vibration may occur.
[0005]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a multi-stage compressor capable of effectively cooling a compressed gas in a multi-stage compressor in which a cooling liquid is supplied to a flow path between stages. The purpose is to:
It is another object of the present invention to provide a heat pump capable of improving energy efficiency by reducing compression power.
Another object of the present invention is to provide a heat utilization device that can achieve high energy efficiency.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, a multistage compressor of the present invention is a multistage compressor for compressing a gas in multiple stages, wherein an atomizing section that generates mist from a liquid in a space different from a flow path between stages, And a mist supply unit that supplies the mist from the space to the flow path.
In the multi-stage compressor of the present invention, the liquid supplied to the flow path between the stages is previously atomized, and the size of the particle size of the liquid present in the flow path is limited to a small size. Therefore, the liquid easily evaporates in the flow path between the stages, and the occurrence of problems such as erosion due to liquid supply is prevented. The generation of fog is performed reliably and stably by using a space different from the flow path between the stages.
[0007]
In the above multistage compressor, the mist supply unit may be configured to supply the mist from the space to the flow path by using a dynamic pressure of the gas in the flow path.
In this configuration, the kinetic energy of the gas is reduced or eliminated by utilizing the dynamic pressure of the gas.
[0008]
Further, the above-described multi-stage compressor is preferably applied to a case where the static pressure of the flow passage is a negative pressure with respect to the atmospheric pressure.
In this case, there is an advantage that the pressure of the supply source can be low and the liquid (mist) can be easily transported.
[0009]
In the above-mentioned multistage compressor, the liquid may be a liquefied substance of the gas.
In this case, the occurrence of problems due to the mixture of the gas and the liquid (mist), such as the reaction of the gas and the liquid (mist) to generate impurities, is suppressed.
[0010]
A heat pump according to the present invention includes the above-described multistage compressor according to the present invention. In this case, the refrigerant may be water.
[0011]
Further, a heat utilization device of the present invention is a heat utilization device that exchanges heat with a heat source, and includes the heat pump described above.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a view schematically showing an embodiment of a multi-stage compressor according to the present invention.
In FIG. 1, a compressor 12 includes a multi-stage (four-stage in this example) centrifugal compressor, and includes a rotating shaft 20 and a plurality of stages attached to the rotating shaft 20 and arranged in multiple stages in the axial direction of the rotating shaft 20. An impeller 21, a driving device 23 for driving the rotating shaft 20, a return channel 25 which is a flow path for guiding gas (gas or vapor) from the impeller 21 of the preceding stage to the impeller 21 of the subsequent stage, and a cooling liquid And a cooling liquid supply device 30 for supplying to the return channel 25.
[0013]
In the compressor 12, when the driving device 23 rotates the rotating shaft 20, gas flows into the compressor 12. The gas is moved outward in the circumferential and radial directions by the rotation of the impeller 21 to increase the pressure, and is guided to the impeller 21 of the next stage through the return channel 25. Thereafter, gas compression is performed in each stage in the same manner. By repeating the compression over a plurality of stages, the pressure of the gas is increased to a desired compression ratio. Further, the compressed gas flowing through the return channel 25 is cooled by the cooling liquid supplied by the cooling liquid supply device 30, and its temperature rise is suppressed.
[0014]
FIG. 2 is a diagram conceptually showing the configuration of the cooling liquid supply device 30.
In FIG. 2, the cooling liquid supply device 30 includes an atomizing unit 31 that generates mist from a cooling liquid, and a mist supply unit 32 that supplies the mist generated by the atomizing unit 31 to the return channel 25. I have.
[0015]
The atomization unit 31 includes a liquid storage tank 35 for storing a liquid for cooling, and an atomizer 36 for atomizing the liquid in the liquid storage tank 35. In addition to the above, the atomization unit 31 includes instruments such as a temperature sensor 37 and a pressure sensor 38, a transportation unit 39 that supplies liquid to the liquid storage tank 35, and controls the amount of liquid in the liquid storage tank 35. A drain valve 40 and the like for performing the operation are appropriately provided as needed. In this example, an ultrasonic atomizer using an ultrasonic vibrator is used as the atomizer 36. The ultrasonic atomizer has an advantage that it can handle various liquids while having a simple configuration. The atomizer is not limited to the ultrasonic type, and various known types can be applied.
[0016]
The mist supply unit 32 has a gas introduction pipe 41 that guides the compressed gas flowing through the return channel 25 to the liquid storage tank 35, and a discharge pipe 42 that discharges the mist together with the compressed gas from the liquid storage tank 35 to the return channel 25. I have. In addition, instruments such as the flow rate control valves 43 and 44 and the temperature sensor 45 are appropriately provided in the mist supply unit 32 as necessary.
[0017]
One end of the gas introduction pipe 41 is connected to the return channel 25, and the other end is connected to the liquid storage tank 35. In the gas introduction pipe 41, an end 41 a on the return channel 25 side is provided so as to protrude from a wall of the return channel 25, and an opening (inlet 41 b) of the end 41 a is provided for the gas flow in the return channel 25. Arranged upstream. That is, the introduction port 41b of the gas introduction pipe 41 is arranged so as to face the flow of the gas. This is because the gas is taken into the gas introduction pipe 41 using the dynamic pressure of the gas flow in the return channel 25.
[0018]
One end of the discharge pipe 42 is connected to the liquid storage tank 35, and the other end is connected to the return channel 25. The end of the discharge pipe 42 on the return channel 25 side is formed so as not to protrude from the wall surface of the return channel 25. This is to suppress an increase in pressure loss of the gas flow in the return channel 25.
[0019]
In the cooling liquid supply device 30, mist is generated from the cooling liquid in the atomization unit 31, and the mist is supplied to the return channel 25 by the mist supply unit 32. That is, the liquid stored in the liquid storage tank 35 is atomized by the atomizer 36, and the mist accumulates in the internal space 35 a of the liquid storage tank 35. On the other hand, a part of the gas flowing in the return channel 25 flows into the gas introduction pipe 41 through the introduction port 41b, and is guided to the liquid storage tank 35. In the liquid storage tank 35, the pressure of the internal space 35 a (the gaseous phase portion including the mist) increases due to the introduction of the gas, and a part of the gaseous phase is discharged into the return channel 25 through the discharge pipe 42. The gas phase discharged to the return channel 25 contains mist, and the mist evaporates in the return channel 25, whereby the compressed gas flowing through the return channel 25 is cooled by the latent heat of evaporation.
[0020]
As described above, in the compressor 12 of the present embodiment, the mist generated in a space different from the flow path between the stages (such as the return channel 25) is supplied to the return channel 25, and the compression of the mist that flows through the return channel 25 due to evaporation of the mist The gas is cooled. Therefore, the size of the particle size of the liquid existing in the return channel 25 is limited to a small size. For example, the particle size of the fog is 20 μm or less, preferably 1 to 10 μm.
[0021]
By limiting the size of the liquid particles to a small size, the surface area per unit volume of the liquid is increased, the evaporation of the liquid in the return channel 25 is promoted, and the time required for the liquid particles to completely evaporate. Is shortened. Therefore, the gas flowing through the return channel 25 is effectively cooled by the latent heat of evaporation. Further, the particles of the liquid hardly collide with the impeller 21 at the subsequent stage, or the diameter of the particles is extremely small even if the collision occurs, thereby preventing the occurrence of troubles in the compressor 12 due to liquid supply such as erosion. The generation of fog is performed in a space different from the flow path between the stages, that is, in the internal space 35 a of the liquid storage tank 35. Therefore, by controlling the space 35a to be in a state suitable for generating fog, fog can be generated reliably and stably.
[0022]
Note that, in FIG. 1 described above, in the present example, a configuration is adopted in which a mist-like coolant is supplied to each of the return channels 25 between the stages. Therefore, in the compressor 12, the temperature rise of the compressed gas is suppressed for each stage, and the compression power is reduced for each stage. Note that the present invention is not limited to a configuration in which the cooling liquid is supplied to all of the return channels 25 between the stages. Further, the position and number of the supply location of the mist-like cooling liquid in the return channel 25 are appropriately determined according to the type of the compressed gas and the compression conditions such as the compression ratio. As an example, by supplying the cooling liquid from a location (upstream position) as far as possible from the impeller 21 at the subsequent stage in the return channel 25, the distance from the supply location of the mist to the impeller 21 at the next stage becomes longer, and the compressed gas is reduced. It is possible to more reliably evaporate the liquid (mist) before reaching the impeller 21.
[0023]
Further, in the compressor 12 of the present embodiment, a part of the gas flowing through the return channel 25 is taken into the liquid storage tank 35 to supply the mist, that is, the mist of the mist is made using the dynamic pressure of the gas flow in the return channel 25. Because of the supply configuration, there is an advantage that motive energy for mist supply is reduced or eliminated. The method for supplying the fog is not limited to this method, and another method may be used.
[0024]
FIGS. 3 and 4 are diagrams illustrating another configuration example of the fog supply unit 32. FIG.
The mist supply unit 32a shown in FIG. 3 is for guiding the mist from the liquid storage tank 35 to the return channel 25 by reducing the pressure of the mist supply position in the return channel 25. That is, in the fog supply unit 32a, the discharge port 42a of the discharge pipe 42 for supplying the fog is disposed in the low-pressure part 25a of the return channel 25. The low-pressure portion 25 a can be formed, for example, by narrowing a part of the flow channel of the return channel 25 or providing a bypass flow channel having a small flow channel cross-sectional area with respect to the return channel 25. Alternatively, a low pressure region formed on the back surface of the object provided in the return channel 25 may be used. In this configuration, as compared with the configuration shown in FIG. 2, the configuration is simplified, such as omitting a gas introduction pipe for guiding gas to the liquid storage tank 35.
[0025]
Further, the fog supply unit 32b shown in FIG. 4 is configured to include a power source 46 such as a pump for supplying fog. That is, in the mist supply unit 32 b, for example, the mist is supplied from the liquid storage tank 35 to the return channel 25 by increasing the pressure of the internal space of the liquid storage tank 35 by the power source 46. In this configuration, since a power source for fog supply is provided, it is easy to control conditions related to fog supply such as a supply amount.
[0026]
Here, the compressor 12 is preferably applied not only when the static pressure of the flow path between the stages (such as the return channel 25) is positive with respect to the atmospheric pressure but also when the static pressure is negative. . When the static pressure of the flow path is a negative pressure with respect to the atmospheric pressure, there is an advantage that the pressure of the liquid supply source can be reduced and the liquid (mist) can be easily transported.
[0027]
In the compressor 12, the cooling liquid may be a liquefied compressed gas. In this case, the occurrence of inconvenience due to the mixture of the gas and the liquid (mist), such as generation of impurities due to a chemical reaction, for example, is suppressed. In this case, the compressor 12 can be preferably applied to a heat pump.
[0028]
A heat pump is a device that pumps heat from a low-temperature object and applies heat to a high-temperature object by a cycle including evaporation, compression, condensation, and expansion steps. Since the energy use efficiency is relatively high, it is widely used in heat utilization devices such as air conditioners and refrigeration devices having a cooling / heating function.
[0029]
FIG. 5 is a diagram schematically showing an embodiment in which the heat pump of the present invention is applied to an air conditioner. The air conditioner 110 has a function of cooling and heating indoor air, and includes a heat pump 114 including an evaporator 111, a compressor 112, and a condenser 113. In this example, the condenser 113 includes a cooler 116 that further includes a cooling fan and a heat exchanger for further cooling the condensed liquid.
[0030]
In this embodiment, the multi-stage compressor shown in FIGS. 1 and 2 is used as the compressor 112. That is, the compressor 112 is composed of a four-stage centrifugal compressor, and the cooling liquid supply device 30 supplies the mist-like cooling liquid to the flow path (return channel 25) between the respective stages. The cooling liquid is a gas flowing in the compressor 112, that is, a liquefied product of the refrigerant gas (refrigerant liquid), and is a part of the refrigerant liquid cooled and condensed in the condenser 113. More specifically, a part of the refrigerant liquid condensed in the condenser 113 and cooled by the cooler 116 is transported to the liquid storage tank 35 (see FIG. 2) of the cooling liquid supply device 30 by the pump 116a and cooled. Used as a liquid.
[0031]
In the heat pump 114, the refrigerant liquid in the evaporator 111 evaporates due to heat absorbed from the surroundings. Heat is supplied from the room during cooling and from the atmosphere during heating. The evaporated refrigerant gas (vapor) is compressed by the compressor 112 and discharged as a high-temperature and high-pressure gas. The discharged refrigerant gas is cooled and condensed by releasing heat to the surroundings in the condenser 113. Heat is released to the atmosphere during cooling, and is released indoors during heating. The refrigerant liquid that has exited the condenser 113 decreases in pressure and temperature via the expansion valve 115 and returns to the evaporator 111 again.
[0032]
In the heat pump 114, a part of the refrigerant liquid cooled and condensed in the condenser 113 (and the cooler 116) is sent to the cooling liquid supply device 30, where it is turned into mist and the compressed gas flow path of the compressor 112 is changed. 25. As the mist evaporates in the flow path 25, the compressed gas is cooled by the latent heat of evaporation.
[0033]
Examples of the refrigerant for the heat pump include water (H 2 O) in addition to various known refrigerants such as a CFC-based refrigerant and ammonia. Since water has a large latent heat of vaporization, a theoretically high coefficient of performance (COP) is expected (about 1.5 times that of CFCs). Water refrigerants also have many environmental advantages (zero ozone depletion potential, zero global warming potential, etc.). However, since water has a large change in saturation pressure, compression at a high compression ratio (about three times or more of CFC) is required for use in a heat pump.
[0034]
Since the heat pump 114 of the present example includes the multi-stage compressor shown in FIGS. 1 and 2, it is possible to increase the compression ratio. Further, as described above, since the compressed gas is effectively cooled by the mist-like cooling liquid, the compression power is reduced. Therefore, the heat pump 114 of the present example can preferably cope with a refrigerant requiring a high compression ratio, such as water, by highly efficient compression. In addition, reduction of the compression power is advantageous also for downsizing of the compressor.
[0035]
As an example, in a water-refrigerant heat pump, the steam at the inlet of the compressor has a temperature of 5 ° C. and a pressure of 0.009 ata, and the steam at the outlet of the compressor has a temperature of 89 ° C. and 0.09 ata. It is. That is, the pressure in the flow path at both the inlet and the outlet of the compressor is negative with respect to the atmospheric pressure, and the compression ratio of the compressor needs to be about 10.
[0036]
In this water-refrigerant heat pump, the above-described mist-like cooling liquid (water) is supplied to a four-stage compressor at a mass flow rate with respect to steam flowing through the compressor in flow paths (three places) between the stages. When a total of about 10% of the cooling liquid (water) is added, a trial calculation shows that about 20% of the compression power is reduced.
[0037]
As described above, the heat pump can be applied to an air conditioner having at least one function of cooling, heating, dehumidification, and humidification. In addition, various devices that exchange heat with a heat source, such as a cooling device (such as a heat sink), a heating device (such as a floor heating device), a hot water supply device, a freezing device, a dehydrating device, a heat storage device, a snow melting device, and a drying device. It can be applied to various heat utilization devices (including plants and systems). In these heat utilization devices, high energy efficiency can be obtained by using the heat pump of the present invention. Further, by using water as the refrigerant of the heat pump, various environmental advantages can be obtained while improving energy efficiency.
[0038]
As described above, the preferred embodiments according to the present invention have been described with reference to the accompanying drawings, but it is needless to say that the present invention is not limited to such examples. The shapes, combinations, and the like of the constituent members shown in the above-described examples are merely examples, and can be variously changed based on design requirements and the like without departing from the gist of the present invention.
[0039]
【The invention's effect】
As described above, according to the multi-stage compressor of the present invention, since the mist-like liquid easily evaporates in the flow passage between the stages, the compressed gas can be effectively cooled by the latent heat of evaporation.
Further, according to the heat pump of the present invention, the compression power is reduced by effectively cooling the compressed gas. Therefore, energy efficiency can be improved. Moreover, the heat pump of the present invention can preferably cope with a refrigerant that requires a high compression ratio, such as water, by highly efficient compression.
Further, according to the heat utilization device of the present invention, the use of the heat pump can improve energy efficiency.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view schematically showing an embodiment of a multi-stage compressor according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram conceptually showing a configuration of a cooling liquid supply device.
FIG. 3 is a diagram illustrating another configuration example of the fog supply unit.
FIG. 4 is a diagram illustrating another configuration example of the fog supply unit.
FIG. 5 is a diagram schematically showing an embodiment in which the heat pump of the present invention is applied to an air conditioner.
[Explanation of symbols]
12: compressor (multistage compressor), 20: rotating shaft, 21: impeller, 25: return channel (flow path), 31: atomizing unit, 32: fog supply unit, 35: liquid storage tank, 35a: liquid storage Internal space of the tank, 36: atomizer, 41: gas introduction pipe, 41b: introduction port, 42: discharge pipe, 110: air conditioner, 111: evaporator, 112: compressor, 113: condenser, 114 ... Heat pump, 115: expansion valve, 116: cooler.

Claims (7)

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。
In a multi-stage compressor that compresses gas in multiple stages,
An atomizing unit that generates mist from the liquid in a space different from the flow path between the stages,
A multistage compressor having a mist supply unit for supplying the mist from the space to the flow path.
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。2. The multi-stage compressor according to claim 1, wherein the supply unit supplies the mist from the space to the flow channel using a dynamic pressure of the gas in the flow channel. 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。The multi-stage compressor according to claim 1 or 2, wherein the static pressure of the flow path is a negative pressure with respect to the atmospheric pressure. 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。The multi-stage compressor according to any one of claims 1 to 3, wherein the liquid is a liquefied substance of the gas. 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。A heat pump comprising the multi-stage compressor according to any one of claims 1 to 4. 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。The heat pump according to claim 5, wherein the refrigerant is water. 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。
A heat utilization device that exchanges heat with a heat source,
A heat utilization device comprising the heat pump according to any one of claims 1 to 6.
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