JPH0434000B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は遠心式ガス圧縮機の効力を高める装置
に関し、特に、水のような蒸発可能な液体を遠心
式多段圧縮機のガス流内に直接噴射（injection）
するためのアセンブリに関する。

（背景技術） 遠心式ガス圧縮機はジエツトエンジンや熱ポン
プのような多種多様な用途に長年用いられてき
た。従来、遠心式ガス圧縮機において、乾式圧縮
に対比される湿式圧縮、すなわち、蒸発可能な液
体を圧縮機のガス流中に噴射して該液体を蒸発さ
せながら圧縮を行うことが特に有利であることが
知られている。これは、圧縮機内に噴射された液
体の蒸発により液体噴射点の「上流」の圧縮段の
入口温度が下げられ、圧縮機に供給する動力をほ
とんどあるいはまつたく増加しなくても、圧縮比
すなわち流出ガス圧力対流入ガス圧力の比がかな
り高くなるからである。また、水を直接噴射する
ことによつて圧縮機の動作温度を効果的に下げる
ことができ、従つて、高価な外部中間冷却器が必
要でなくなる。

このように蒸発可能な液体を遠心圧縮機のガス
流内に直接噴射することによつて得られる利益は
広く認識されているが、湿式圧縮をなすための装
置および技術として当業者に知られているものは
幾つかの明白な欠点をもつ。このような従来技術
の一例が米国特許第2786626号に記載されている。
この特許では、蒸発可能な液体を圧縮機入口内に
噴射すると共に初めの数圧縮段の各段の連絡流路
（crossover channel：これは、羽根車から出た高
速ガス流を減速して圧力に変換するためのデイフ
ユーザとガス流を外周から次段の羽根車の中心部
分に向つて内向きに導く戻り流路との間を連絡す
る流路部分である）内にも噴射するようにした多
段圧縮機におけるガスの圧縮方式が開示されてい
る。上記連絡流路内に噴射される液体は、圧縮機
のガス流の上流に向けられた液体噴射口から噴射
されている。また液体噴射口は１段につき１個だ
け設けられている。

上記特許に記載された圧縮機では、圧縮機ガス
流中に噴射された液体の蒸発の程度はかなり限ら
れている。これは、液体が圧縮機の低速域内に噴
射され、従つて、液体の微粒化または霧化が達成
されないからである。これは圧縮機入口に噴射さ
れる液体について特にそうである。高度の蒸発を
達成するには非常に小さな液滴が必要である。な
ぜなら、このような液滴の表面積は液滴の体積に
対して大きく、従つて、液滴はただちに熱を吸収
して蒸発しうるからである。前記特許に開示され
た圧縮機では噴射された液体の蒸発が限られてい
る結果、その圧縮機に供給される動力の低減も限
られる。また、蒸発が限られている結果、大きな
液滴が羽根車のような圧縮機内部部品に衝突する
ことになり、従つて、比較的短い運転期間後にこ
のような部品の重大な浸食と孔食が生ずる危険が
存在する。

前記特許に記載の方式では、噴射口から液体を
圧縮機ガス流中に、かなりの霧化を達成するのに
必要な距離だけ噴射することが望ましい場合、液
体をガス流に高速で噴射するための複雑な装置が
必要になる。このような高速が必要となるのは、
前記特許に記載の液体噴射口がガス流の流れ方向
に対抗する方向に向けられているからである。

（発明の目的） 従つて、本発明の目的は、前述した従来技術に
おける問題、すなわち圧縮機のガス流中に噴射さ
れた蒸発可能な液体の霧化が不充分であり、この
ため圧縮機に供給される動力の低減が制限され且
つ圧縮機内部部品に浸食と孔食が生じる危険性が
ある等の問題を解消することにある。

（発明の構成） 上記の目的を達成するため、本発明では、ハウ
ジングと、このハウジング内に軸支された回転軸
と、この回転軸の縦軸線に沿つて配設された複数
の相欠ぐ圧縮段とを含む圧縮機において、圧縮段
の少なくとも１段を、回転軸と共に回転する多数
の羽根を持つ羽根車（インペラ）と、羽根車から
ガス流を受入れるデイフユーザと、このデイフユ
ーザからガス流を受入れる連絡流路と、蒸発可能
な液体をガス流中に噴射する液体噴射手段とで構
成し、液体噴射手段が連絡流路の実質的に上流に
おいて液体をデイフユーザ内に噴射するように配
置される。液体噴射手段は複数の液体噴射口を有
し、各噴射口は液体の噴射方向とガス流との間の
角度が80度乃至100度になるように方向づけられ
ると共に、回転軸の縦軸線に対して羽根車の最大
半径の1.05乃至1.1倍の範囲内の半径の所に配設
される。

（発明の作用効果） 上記の構成により、噴射口からガス流に略直角
に噴射された液体は羽根車を出た比較的高速のガ
ス流によりせん断されて微細な液滴に細分され、
すなわち霧化される。このように霧化された液体
は、デイフユーザから連絡流路を介して戻り流路
を通るので、次段の羽根車に達するまでに高温の
ガス流中に従来よりも時間的にも距離的にも長く
滞留し、このため液体は完全に蒸発することがで
きる。このように注入された液体の完全な蒸発の
結果、ガス流が効果的に冷却されるので、目標の
圧力まで圧縮するのに必要な動力が低減でき、ま
た液滴として次段の羽根等に衝突することがなく
なるので、注入された液体による羽根等の浸食と
孔食が防止される。さらに、本発明では、従来技
術におけるように液体を高速でガス流中に噴射す
るための複雑な装置は必要とされない。

（好適実施例の説明） 次に添付図面を参照して本発明を詳述する。

第１図には普通の遠心式４段圧縮機を全体的に
符号10で示してある。ただし、本発明はそれより
多数または少数の段を有する圧縮機においても有
効に用いうるものである。圧縮機１０は簡略に図
示してあり、静止部分（例えば圧縮機ハウジン
グ）には一方向の斜線をつけ、回転部分には他方
向の斜線をつけてある。圧縮すべきガスは入口１
１から圧縮機１０に入り、通路１２を通流した
後、回転軸１５に取付けた第１の多数の羽根を持
つ羽根車１４に入る。周知のように、羽根車１４
の高い回転速度により、羽根車１４からのガスは
遠心的にデイフユーザ１７に導入される。このデ
イフユーザは好ましくは無翼形のものであり、こ
れについては後に詳述する。圧縮されつつあるガ
ス流は連絡流路１８を通り、さらに戻り流路１９
を通る。この戻り流路には通例、符号２０で示す
ような方向制御羽根が設けられ、４段圧縮機１０
の第２段をなす別の羽根車２１にガス流を向け
る。同様に、さらに別の羽根車２２，２３がそれ
ぞれ圧縮機１０の第３段と第４段を構成するよう
に設けられている。圧縮機１０の第２段と第３段
は、第１段と同様に構成される。従つて、第１乃
至第３段のいずれか１段を説明すれば、これらの
段すべてが理解されよう。そこで、羽根車１４を
含む第１圧縮段だけについて説明すると、本発明
に従つて複数の液体噴射口２４が設けられる。こ
れらの液体噴射口２４は水噴射口からなることが
好ましく、供給管２５を介して液体供給源に連結
されている。各供給管２５は、例えば、分配管２
７に連結され、この分配管は液体送給手段（図示
せず）に連結される。また液体噴射口２４は液体
を連絡流路１８の実質的に上流においてデイフユ
ーザ１７内に噴射するように配置される。ここで
用いる「実質的に上流」とは、デイフユーザ内に
おいて羽根車に近い方の位置を意味し、具体的に
は噴射口を羽根車の最大半径の1.05乃至1.1倍の
範囲内の半径の所に配置することを意味する。

液体を連絡流路１８の実質的に上流においてデ
イフユーザ１７内に噴射することの重要性は第２
図を考察することによりさらに良く理解されう
る。第２図は第１図に示した多段圧縮機１０の第
１段の上部の詳細図である。当業者に周知のよう
に、「デイフユーザ」は動圧すなわち運動エネル
ギーを静圧に変換する能力をもつように形成され
ている。破線２８はデイフユーザ１７の最大半径
を表すもので、デイフユーザ１７と連絡流路１８
との間の境界を示す。デイフユーザ１７は半径方
向デイフユーザである。すなわち、デイフユーザ
１７内の有用な空間は回転軸１５の軸線からの半
径方向距離の増加と共に増加する。矢印２９で示
すように、圧縮機１０内で圧縮されるガス流は左
から右の方へ向けられて羽根車１４の羽根１４′
を通過し、さらにデイフユーザ１７と連絡流路１
８とを通つた後、戻り流路１９の方向制限羽根２
０を通過する。デイフユーザ１７が半径方向デイ
フユーザであり、かつ羽根車１４がガス流２９を
高い回転速度でデイフユーザ１７内に放出するの
で、ガス流２９は（第２図に明瞭に示されていな
いが）実際にはデイフユーザ１７内と戻り流路１
９内においてらせん状の経路をたどる。ガス流２
９は、羽根車１４を離れるとき最高速度に達し、
次いで、角運動量の保存により、デイフユーザ１
７内を半径方向に進行中に急速に減速する。液体
噴射口２４をデイフユーザ内に、連絡流路１８の
実質的に上流において、すなわち、羽根車中に近
い、ガス流２９が比較的高速である区域に配置す
ることにより、重要な利点が得られる。

例えば、複数の噴射口２４によつてガス流２９
中に噴射された液体の流れは、強力に微粒化また
は霧化されて微細な液滴になる。前に述べたよう
に、液滴は小さければ小さいほど一層容易に熱を
吸収して蒸発する。事実上、蒸発率は、近似的に
液滴の小ささ（すなわち液滴直径の逆数）に正比
例する。液滴の小ささは液滴とガス流２９との間
の相対速度に関係する。すなわち、液滴の小ささ
はこの相対速度の自乗に従う。この相対速度は、
噴射された液体の速度が比較的低いので、主とし
てガス流２９の速度に依存し、そしてガス流２９
の速度は液体噴射口２４の半径方向間隔（すなわ
ち軸線からの半径方向の距離）が長くなるにつれ
て小さくなるので、液滴の小ささ従つてその蒸発
率と、液体噴射口２４の半径方向間隔との関係
は、第３図に示すようにグラフ化されうる。

本発明は蒸発率を高めるばかりでなく、蒸発の
持続時間もかなり長くし、こうして完全な蒸発を
さらに保証する。蒸発の持続時間の増加は、ガス
流２９（第２図）中の液滴が噴射口２４における
噴射点から圧縮機１０の次の段まで移動しなけれ
ばならない長いらせん状の経路をたどることによ
る。従つて、本発明に従つて液体噴射口２４の半
径方向間隔を小さくすることによつて、全体的な
蒸発を著しく改善するように２つの要因が協働す
る。すなわち、(1)噴射された液体を霧化して微細
な液滴にすることにより、液滴の蒸発率を著しく
高めること（第３図参照）と、(2)ガス流２９（第
２図）内の液滴の持続時間すなわち「滞留時間」
をかなり長くすることである。

本発明によつて達成される著しくすぐれた蒸発
は、圧縮機１０の性能と耐久性に重要な効果を及
ぼす。圧縮機１０に供給される動力の減少をかな
り促進するとともに、ガス流２９の温度を望まし
い低い温度に保持する。さらに、圧縮機１０の内
部部品、例えば羽根車２１，２２，２３に対する
高速の未蒸発液滴の衝突による孔食と浸食のおそ
れが事実上無くなる。

液体噴射口２４を渡り流路１８の実質的に上流
においてデイフユーザ１７内に半径方向に隔設し
たことによる他の利点は、高速で移動する液滴の
冷却作用すなわち温度低減作用に伴なう運動量の
変化によつて圧縮段の圧力ゲインが増加すること
である。このような温度低減作用は液体の蒸発率
の増加および速度の増加につれて増大し、液体の
蒸発率および速度の増加は両方とも液体噴射口２
４の半径方向間隔を短くすることにより得られ
る。こうして得られる圧力ゲインの増加分は温度
低減作用が無い場合の圧縮段の圧力ゲインの少な
くとも２％または３％になると信じられる。

本発明者は、複数の液体噴射口２４の半径方向
間隔を羽根車１４の最大半径の1.05乃至1.1倍に
すべきであり、1.05倍より小さくすると羽根車１
４から出るガス流が不安定になり、1.1倍より大
きくすると効率が低下することを見出した。

再び第２図について説明すると、この図は本発
明の他の特徴を示す。液体噴射口２４はガス流２
９に垂直に向けられている。これにより、噴射口
２４に供給される液体は低速、例えば50フイート
毎秒（15.3m／秒）でガス流２９中に噴射するこ
とができる。なぜなら、噴射される液体がガス流
２９を横切る方向に向けられるからである。従つ
て、噴射された液体はガス流２９中に容易に侵入
して、最適に霧化させることができる。しかし、
噴射される液体はデイフユーザ１７の右側壁に衝
突しないようにしなければならない。そうしない
と、液体の霧化が悪くなる。液体噴射口２４がガ
ス流２９に垂直に方向づけられている場合、噴射
口２４を通つて噴射される液体の流れは低速でよ
いので、液体噴射用の液体送給手段（図示せず）
の構造を簡単にしうる。この利点は、噴射口２４
からの液体の噴射方向がガス流２９に対して80度
乃至100度の範囲内にあれば実現される。

第４図は本発明のさらに別の特徴を示す。第４
図は第１図の線４−４に沿つて見た図であり、部
分的に破断して供給管３２と液体噴射口３０を示
し、また簡単のため戻り流路２６の羽根を省略し
てある。第４図に示す本発明の上記の別の特徴
は、羽根車２２を含む圧縮機１０の第３段につい
て示されており、（第１圧縮段の複数の噴射口２
４に対応する）複数の液体噴射口３０の個数と位
置に関する。噴射口３０は供給管３２と分配管３
１を介して液体送給手段（図示せず）に連結され
ている。噴射口３０の好ましい個数は６個乃至１
２個であり、本発明の最適実施例では８個用いら
れる。噴射口３０は軸１５の縦軸線について軸対
称に配設されることが好ましい。複数の噴射口３
０の前述の個数と位置により、圧縮機１０内で液
滴を蒸発させるために全範囲にわたつてガス流を
利用することができる。

液体噴射口の数は上述の好適な数よりも多数ま
たは少数にしてもよい。液体噴射口の数の上限
は、その数に応じて小さくされる噴射口の内孔の
直径によつて定められる。内孔の直径を小さくし
過ぎるとそれらを通つて噴射される液体中の汚染
物によつて詰まりやすくなるからである。最少の
好適な数（すなわち６個）より小さい数の噴射口
を用いると、圧縮機１０内で液滴の蒸発のために
ガス流を全範囲にわたつて利用できないが、それ
でもやはり本発明の効果は得られる。

本発明の最適と考えられる実施態様では、圧縮
機１０は工業プロセス用熱ポンプであり、圧縮機
内のガス流中に噴射される蒸発可能な液体は水で
あり、そして液体噴射口２４の好適な半径方向間
隔は羽根車１４の最大半径の約1.05倍乃至1.1倍
の範囲にあり、この範囲の上限が特に好ましい。
この範囲は次のような圧縮機、すなわち１段当り
の圧力比が約1.4乃至1.6の範囲にありかつ１段当
りの羽根車先端速度が毎秒約900乃至1100フイー
ト（274.5乃至335.5m／秒）の範囲にあるような
圧縮機に対するものである。しかし、本発明の有
利な諸効果は、圧縮段が前述の羽根車先端速度よ
りかなり高い先端速度で動作している場合、前述
の1.05倍乃至1.1倍の範囲以上の液体噴射口２４
の半径方向間隔においても得られる。

このような熱ポンプは比較的高い性能係数を有
する。これは、熱ポンプ内に噴射された水の良好
な蒸発によるだけでなく、熱ポンプ出力における
水蒸気の質量流量が増加することにもよる。

以上、本発明の幾つかの好適な特徴を例示した
が、もちろん本発明の範囲内で幾多の変形および
変更が可能である。例えば、遠心圧縮機１０に軸
流圧縮機を組合わせてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を取入れた普通の遠心式多段圧
縮機の一部分の簡略断面図、第２図は第１図に示
した多段圧縮機の第１段の一部分の断面図、第３
図は第１図に示した圧縮機の液体噴射口の半径方
向間隔に対する液滴の蒸発率を示すグラフ、第４
図は第１図の圧縮機の第３段の詳細を示す第１図
の線４−４に沿つて見た断面図で、その上部を一
部破断して示す。 １０…遠心圧縮機、１４，２１，２２，２３…
羽根車、１５…軸、１７…デイフユーザ、１８…
連絡流路、２４，３０…液体噴射口、２５，３２
…液体供給管。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ハウジングと、このハウジング内に軸支され
   た回転軸と、この回転軸の縦軸線に沿つて配設さ
   れた複数の相次ぐ圧縮段とを含み、前記圧縮段の
   少なくとも１段が、前記回転軸と共に回転しうる
   羽根車１４と、この羽根車からガス流を受入れる
   ようになつているデイフユーザと、このデイフユ
   ーザから前記ガス流を戻り流路１９に導く連絡流
   路１８と、前記羽根車に対して静止した液体噴射
   手段であつて、蒸発可能な液体を前記羽根車から
   のガス流によつて微細な液滴に細分して前記デイ
   フユーザ内で蒸発させるために、蒸発可能な液体
   を前記連絡流路より上流で且つ前記羽根車に近い
   所において前記デイフユーザ内のガス流中に直接
   噴射し、しかも該液体を該ガス流に対して高相対
   速度で噴射する液体噴射手段２４，２５，２７と
   を含み、 前記液体噴射手段が複数の液体噴射口２４を有
   し、前記各液体噴射口は前記液体の噴射方向と前
   記デイフユーザ内の前記ガス流との間の角度が80
   度乃至100度になるように方向づけられていると
   共に、前記軸線に対して前記羽根車の最大半径の
   1.05乃至1.1倍の範囲内の半径の所に配設されて
   いることを特徴とする圧縮機。 ２ 前記複数の液体噴射口は前記軸線についてほ
   ぼ軸対称に配設されている、特許請求の範囲第１
   項記載の圧縮機。 ３ 前記複数の液体噴射口は６乃至12個の液体噴
   射口からなる、特許請求の範囲第１項または第２
   項記載の圧縮機。 ４ 前記液体噴射口は、それらを通つて前記ガス
   流に噴射される液体が実質的に完全に蒸発してか
   ら次の圧縮段の羽根車に達するように前記軸線に
   対して隔設されている、特許請求の範囲第１項記
   載の圧縮機。 ５ 前記複数の液体噴射口は８個の液体噴射口か
   らなる、特許請求の範囲第２項記載の圧縮機。 ６ 前記各液体噴射口は前記軸線に対して前記羽
   根車の最大半径の1.1倍の半径の所に配設されて
   いる、特許請求の範囲第５項記載の圧縮機。 ７ 前記液体噴射口は水を通すようになつてい
   る、特許請求の範囲第１項記載の圧縮機。