JP5254219B2 - 改良された圧縮機装置 - Google Patents

Description

本発明は、改良された圧縮機装置に関する。

周知のように、圧縮機装置においては、圧縮によって、圧縮ガスの温度が大きく上昇しうる。

したがって、ガスの圧縮に必要なエネルギーの多くが、熱、特に圧縮ガスの含有熱(latent heat)に変換される。

この熱への変換は、通常、なんら利用されることがなく、したがって損失となり、これは圧縮機装置の効率に悪影響を及ぼす。

普通なされる試みは、発生する熱を少なくして、効率を改善し、圧縮が、確実に、理想的なやり方で、すなわち等温的になされるようにすることである。

実際には、等温圧縮は実現が困難である。

ガスの圧縮中に生成される熱を少なくするための既知の解決策は、圧縮機装置の圧縮機要素内に大熱容量の液体冷却剤を噴射することである。たとえば、いわゆる油噴射および水噴射スクリュー圧縮機の場合がそうである。

しかし、このタイプの工業的圧縮機の場合、圧縮機要素内での相互作用時間が非常に短く、そのため、効率に対する液体噴射の好影響はあまり顕著ではない。

等温圧縮をめざすもう一つの解決策は、順次に直列接続された圧縮機要素において、順次に圧力を増大させながら、何回かのステップで圧縮を起させ、このとき、ステップ間に中間冷却器を使用して圧縮ガスを冷却する、というものである。

一つの代替解決策は、他の有用目的または用途のために、たとえば加熱装置その他での使用のために、圧縮ガスから含有熱を回収するというものである。

しかし、そのようなやり方は、設置場所において、いつでも便利または必要というわけではない。

そのようなやり方は、すでに、ガスの熱を回収し、タービンにより機械的エネルギーに変換する、というものが公知である。

この機械的エネルギーは、たとえば、発電機の駆動に使用され、あるいは圧縮機装置の駆動に使用される発動機の負担を軽減させて、小さな発動機が使用できるようにするために使用される。

この最後のケースでは、タービンが、その軸により、前記発動機の駆動軸、または圧縮機装置の一つ以上の圧縮機要素の駆動軸に、直接に機械的に連結される。

圧縮機要素とタービンとが機械的に連結されているので、これらの要素の選択は制限され、その結果、これらの要素はそれ自身だけで最適化することはできない。

さらに、熱回収によりより高い総合効率が得られるが、圧縮機装置自身の効率は改善されない。

本発明は、改良された効率と各個別要素したがってまた圧縮機装置全体の最適化のためのより多くの選択肢とを有する圧縮機装置に関する。

前記目的に応じて、本発明は、
ガスを圧縮するための改良された多段圧縮機装置であって、
主として、順次に直列に配置された少なくとも二つの圧縮機要素から成り、これらの圧縮機要素の少なくとも一つが発動機によって駆動される圧縮機装置において、
少なくとも一つの他の圧縮機要素が、独立に、言い換えると、前記発動機との機械的連結なしで、圧縮ガスによって加熱される内部循環熱媒体を有する閉じた動力サイクルに属する膨張機関(expander)たとえばタービンによって、駆動され、
発動機によって駆動される圧縮機要素がスクリュー式のものであり、閉じた動力サイクルの膨張機関によって独立に駆動される圧縮機要素が遠心式のものであること、
を特徴とする圧縮機装置、
に関する。

このとき、圧縮ガスの含有熱は、好ましくは、高圧圧縮機要素からのたとえば200〜250℃の温度の高温ガスが熱源として働くいわゆるランキンサイクルプロセスによって動作する効率的な動力サイクルを使用して、圧縮機装置の要素の駆動に使用される。

このようにして、圧縮ガスのエネルギーがエネルギー効率の高いやり方で回収されて、圧縮機装置自身のために使用され、その結果、圧縮機装置自身の効率が改良される。

膨張機関によって独立に駆動される圧縮機要素は、発動機によって駆動される圧縮機要素とは連結されていないので、膨張機関によって駆動される圧縮機要素は、発動機によって駆動される圧縮機要素とは異なる速度で駆動することができる。

したがって、さらに、二つの圧縮機要素が独立の速度を有することを利用して、所望の圧縮機能力、大気の状態、その他に応じて、これらの二つの圧縮機要素の動作条件を個別に調節するようにすることができる。

さらに、伝動ボックスその他の要素の介在なしで膨張機関によって高速で直接駆動できる圧縮機要素を選択することができる。

タービンによって駆動される圧縮機要素が、発動機によって駆動される圧縮機要素とは異なるタイプのものであるから、この点で最適選択が可能である。

これらすべてにより、すべての期間において、圧縮機装置そのものからより高い効率を引出すことができる。

閉じた動力サイクル内の熱媒体が、ポンプによって、順次に、圧縮ガスの少なくとも一部が流れる少なくとも一つの熱交換器から成る加熱器、前記圧縮機要素に接続された前記膨張機関、および凝縮器を回るように、ポンプ輸送される。

熱媒体は加熱器内で蒸発して、膨張機関たとえばタービンしたがってまたこれに連結された圧縮機要素を駆動する高エネルギーのガスとなる。このとき、膨張機関内のガスは膨張し、そのあと、膨張機関を出ていくガス状熱媒体は、凝縮器内で低圧でふたたび液化して、それから、ポンプによって、ふたたび高圧力で、加熱器を通して送られ、閉じた動力サイクルの新しいサイクルが開始される。

このようにして、膨張機関たとえばタービンを、非常に大きな速度で駆動することができ、したがって、たとえば、膨張機関によって駆動される圧縮機要素として、好ましいやり方で、ターボ圧縮機を使用することが可能になる。

以下、本発明の特徴をより明確に示すために、添付の図面を参照しつつ、本発明の改良された圧縮機装置のいくつかの好ましい実施形態について、説明する。これらの実施形態は、単なる例であり、限定を意図するものではない。

図1の圧縮機装置1は、主として、二つの圧縮機要素、すなわち、入口3と出口4とを有する第一の圧縮機要素2と、同様に入口6と出口7とを有する第二の圧縮機要素5とから成る。

圧縮機要素2および5は、第一の圧縮機要素2の出口4を第二の圧縮機要素5の入口6に接続するライン8によって、直列に接続されている。

第一の圧縮機要素2は、圧縮ガスの流れの向きに関して、第二の圧縮機要素5の上流にあり、第二の圧縮機要素5よりも低圧で作動する。そのため、これらの圧縮機要素2および5は、低圧圧縮機要素2および高圧圧縮機要素5と呼ばれることもあるが、これは、必ずしも低圧圧縮機要素がある低い圧力で動作しなければならないということを意味しない。

高圧圧縮機要素5は、発動機9によって駆動され、この場合、圧力ライン10によって、主ネットワーク11その他に接続されている。

低圧圧縮機要素2は、この場合、本発明により閉じた動力サイクル12によって駆動される、圧縮機装置1の要素であり、閉じた動力サイクル12は、ランキンサイクルプロセスの原理によって作動する。

動力サイクル12は、この例の場合、閉じたループ13から成り、この閉じたループ内では、ペンタン、水、CO₂、その他の適当な熱媒体が、たとえば発動機16によって駆動されるポンプ15によって、14で示す特定の流れの向きに回るようにポンプ輸送されている。

ループ13は、14で示す熱媒体の流れの向きに、順次に、熱交換器17の形の加熱器、膨張機関18この場合タービン18、および凝縮器19を有している。

熱交換器17が圧力ライン10に備えられ、高圧圧縮機要素5からやってくる高温ガスは、熱交換器17を通って流れる。

タービン18は、熱媒体のための入口20と出口21とを備え、伝動軸22によって、低圧圧縮機要素2の入力軸(incoming axle)に連結されている。これにより、低圧圧縮要素2を、低圧圧縮機要素2と高圧圧縮機要素5または高圧圧縮機要素5の発動機9との機械的連結なしで、高圧圧縮機要素5とは独立に駆動することができる。

ここに示す例の場合、低圧圧縮機要素2とタービン18とはどちらもターボ式(turbo type)のものであり、そのため、伝動軸22を一つの軸によって直接連結することができる。しかし、他のタイプの圧縮機要素または膨張機関、具体的にはタービンを使用する可能性も排除されず、たとえば渦巻き形、スクリュー式、その他のものが使用できる。

凝縮器19は、その中を流れる熱媒体を冷却するための熱交換器であり、この場合、駆動装置24を備えた外部ファン23によって空冷される形のものである。

改良された圧縮機装置1の動作は簡単であり、以下のように進行する。

高圧圧縮機要素5は、発動機9によって駆動され、特定流量の圧縮ガスを送り出す。この圧縮ガスは、圧力ライン10と加熱器の熱交換器17を通って、主ネットワーク11に送られる。

高圧圧縮機要素5の圧縮ガスの温度は、たとえば200〜250℃である。

ポンプ15も、圧縮機要素5と同時に、発動機16によって駆動され、熱媒体を、ループ13内を14の向きにポンプ輸送する。このプロセスにおいて、熱媒体は、ポンプ15によって、たとえば10 barまで圧力上昇させられる。

熱媒体は、液体の形で、加熱器の熱交換器17に流入し、加熱器内での熱移動によって蒸発して、気相に変化する。

このようにして生じたガスは、割合に高い圧力と温度で、タービン18に流入する。

タービン18内で、熱媒体ガスは膨張し、その結果、タービン18は高速で駆動され、したがってこのタービン18により低圧圧縮機要素2が駆動される。

その結果、圧縮すべきガスが入口3から取り込まれ、低圧圧縮機要素2内で、ある中間圧力まで圧縮される。

熱媒体は、かなり低い圧力と温度でタービン18を出て、凝縮器19内で冷却されて、凝縮し、再液化する。その結果、ポンプ15は、次の作業サイクルのために、ふたたび、再液化熱媒体を吸引して、ポンプ輸送することができる。

各種要素は、用途と電力規格とに応じて、最善の結果が得られるようにすることができる。

約240 kWの使用(absorbed)電力と約1000 l/secの流量と4.5の圧縮比とを有する高圧圧縮機要素5の場合、たとえば、ペンタンによる動力サイクルにおいて、約100、いずれにしても50よりも大の膨張比を有するタービン18によって好適な結果が得られた。この動力サイクルにおいては、約1.8の圧縮比を有する低圧圧縮機要素2を駆動するための約60 kWの電力が発生した。

必要であれば、ペンタンの代わりに、別の熱媒体、好ましくは、150℃よりも低い割合に低沸点の熱媒体たとえば水またはCO₂が使用できる。

圧縮機そのものは、当然、すべてのタイプの圧縮機たとえばスクリュー圧縮機、無潤滑式圧縮機、その他を、高圧圧縮機要素として使用することができる。

また、タービン18と低圧圧縮機要素2とは、必ずしもターボ式のものである必要はなく、たとえば、スクリュー式または渦巻き形のものとすることもでき、これらのタービンと圧縮機要素とは、同じタイプのものとすることができ、あるいはそれぞれ異なるタイプのものとすることができる。

高速ターボ式の圧縮機要素2を使用する場合、使用圧縮機要素2の容積は、低速で駆動する必要のある通常使用の圧縮機要素の容積よりもずっと小さくすることができ、したがってまた、ターボ式のそのような圧縮機要素2を備えた本発明の圧縮機装置は、公知の圧縮機装置に比して、小さなスペースしかとらない。

したがって、そのような圧縮機装置は、熱機関式(thermal type)の発動機9と組み合わせると、可搬式の圧縮機に非常に良く適したものになる。

加熱器17と膨張機関18とは、好ましくは、小さな温度差で作動できる高効率の要素とする。

動力サイクル12の熱媒体を、このサイクルプロセスの熱力学的動作の結果として、ポンプ15の使用の必要なしで循環させることができる、という可能性は、排除されない。

図2は、本発明の改良された圧縮機装置の変形を示し、この装置と図1の実施形態とが異なる点は、閉じた動力サイクル12の加熱器が追加の熱交換器25を有するということである。この熱交換器は、動力サイクル12の熱交換器17の上流に配置されている。

この熱交換器25は、中間冷却器の形であり、低圧圧縮機要素2を高圧圧縮機要素5に接続するライン8を有している。

この中間冷却器25の使用により、高圧圧縮機要素5で圧縮されるガスは、予備冷却され、このことは、高圧圧縮機要素5の効率に好影響を与え、さらに、動力サイクル12内の熱媒体にエネルギーを供給できる追加の熱源となる。

高圧圧縮機要素5を駆動する発動機9は、この場合、熱機関であり、その排出ガスは、排気ライン26により、追加の熱交換器27を通して送られる。この熱交換器も、ループ13内の熱媒体を加熱するために、ループ13に加熱器として備えられているものである。

その他の点では、この変形実施形態の動作は、図1のものと同様である。

明らかに、熱交換器17、25および27を通して送られる圧縮ガスの流量は、必ずしも、圧縮機要素2から5に送られるもの全部である必要はない。

代替実施形態では、加熱器は熱交換器17、25および27のうちただ一つから成ることができる。

排気ライン26内の排出ガスの温度が圧力ライン10内の圧縮ガスの温度よりも高いか低いかに応じて、熱交換器27は、ループ13内の熱交換器17の上流または下流に備えることができる。

図3は、本発明の圧縮機装置の変形実施形態を示す。この場合、熱交換器27は、前記熱交換器17の下流に配置されている。

図3においては、本発明が、低圧圧縮機要素2と高圧圧縮機要素5との間に直列に配置された追加の圧縮機要素28を備えた多段圧縮機装置1に適用されており、熱交換器25は、中間冷却器の形であり、この冷却器が、圧縮機要素28によって圧縮されたガスを、さらなる圧縮のために高圧圧縮機要素5に吸い込まれる前に、冷却するようになっている。

さらに、図3の圧縮機装置1には、発電機29が備えられ、この発電機は、タービン18によって伝動装置30により駆動され、圧縮機装置の他の要素、たとえばポンプ15の発動機16およびファン23の駆動装置24、またはたとえば熱交換器17、25および/または27のための追加の空気乾燥機もしくは追加のファンを駆動するための電流を供給する。

図には示さない代替実施形態においては、タービン18は、もっぱら発電機29の駆動のためにのみ使用される。

図面に示す本発明の圧縮機装置の各実施形態においては、膨張機関18によって駆動される圧縮機要素2は発動機9によって駆動される圧縮機要素5の上流に配置されているが、この圧縮機要素2を圧縮機要素5の下流に配置する可能性は排除されない。

本発明は、図面に示し、例として説明した実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の改良された圧縮機装置は、本発明の範囲を逸脱することなく、いろいろな形態と寸法とで具体化することができる。

本発明の改良された圧縮機装置の模式図である。 図1に示すものの変形である。 図1に示すものの変形である。

1 圧縮機装置
2 圧縮機要素
3 入口
4 出口
5 第二の圧縮機要素
6 入口
7 出口
8 ライン
9 発動機
10 圧力ライン
11 主ネットワーク
12 動力サイクル
13 閉じたループ
14 熱媒体の流れの向き
15 ポンプ
16 発動機
17 熱交換器
18 タービン
19 凝縮器
20 入口
21 出口
22 伝動軸
23 外部ファン
24 駆動装置
25 追加の熱交換器
26 排気ライン
27 追加の熱交換器
28 圧縮機要素
29 発動機
30 伝動装置

Claims (15)

1. ガスを圧縮するための改良された多段圧縮機装置であって、
   主として、順次に直列に配置された少なくとも二つの圧縮機要素(2、5、28)から成り、これらの圧縮機要素の少なくとも一つ(5、28)が、高圧圧縮機要素を形成し、発動機(9)によって駆動される、圧縮機装置において(1)、
   少なくとも一つの他の圧縮機要素(2)が、低圧圧縮機要素を形成し、独立に、言い換えると、前記発動機(9)との機械的連結なしで、高圧圧縮機要素から来る圧縮ガスによって加熱される内部循環熱媒体を有する閉じた動力サイクル(12)に属する膨張機関(18)によって、駆動され、
   発動機(9)によって駆動される圧縮機要素(5、28)がスクリュー式のものであり、閉じた動力サイクル(12)の膨張機関(18)によって独立に駆動される圧縮機要素(2)が遠心式のものであること、
   を特徴とする圧縮機装置(1)。
2. 動力サイクルの膨張機関(18)によって独立に駆動される圧縮機要素(2)が、圧縮ガスの流れの向きに関して、発動機(9)によって駆動される圧縮機(5、28)の上流に配置されることを特徴とする請求項1に記載の圧縮機装置。
3. 当該発動機(9)が熱機関であることを特徴とする請求項1または2に記載の圧縮機装置。
4. 当該閉じた動力サイクル(12)内の当該熱媒体が、ポンプ(15)によって、順次に、圧縮ガスの少なくとも一部が流れる少なくとも一つの熱交換器(17、27、25)から成る加熱器、当該圧縮機要素(2)に接続された当該膨張機関(18)、および凝縮器(19)を回るように、ポンプ輸送されることを特徴とする請求項1から3の中のいずれか一つに記載の圧縮機装置。
5. 閉じた動力サイクル(12)の当該加熱器の少なくとも一つの熱交換器(17)が、最後の高圧圧縮機要素(5)の圧力ライン(10)に備えられていることを特徴とする請求項4に記載の圧縮機装置。
6. 閉じた動力サイクル(12)の当該加熱器の少なくとも一つの熱交換器(25)が、二つの圧縮機要素(2、5)を相互接続するライン(8)内の圧縮ガスを冷却する中間冷却器(25)の形をとることを特徴とする請求項4または5に記載の圧縮機装置。
7. 排出ガスのための排気ライン(26)を備えた熱機関(9)の形の駆動装置を有し、また、閉じた動力サイクル(12)内の当該加熱器が前記排気ライン(26)に備えられた追加の熱交換器(27)を有することを特徴とする請求項4から6の中のいずれか一つに記載の圧縮機装置。
8. 動力サイクル(12)内の当該熱媒体が、低沸点の、好ましくは150℃よりも低い沸点の熱媒体であることを特徴とする請求項1から7の中のいずれか一つに記載の圧縮機装置。
9. 膨張機関(18)および/または膨張機関(18)によって駆動される圧縮機要素(2)が、ターボ式のものであることを特徴とする請求項4から8の中のいずれか一つに記載の圧縮機装置。
10. 膨張機関(18)および/または膨張機関(18)によって駆動される圧縮機要素(2)が、スクリュー式のものであることを特徴とする請求項4から8の中のいずれか一つに記載の圧縮機装置。
11. 膨張機関(18)および/または膨張機関(18)によって駆動される圧縮機要素(2)が、渦巻き形のものであることを特徴とする請求項4から8の中のいずれか一つに記載の圧縮機装置。
12. 少なくとも一つの圧縮機要素(2、5、28)が無潤滑式のものであることを特徴とする請求項1から11の中のいずれか一つに記載の圧縮機装置。
13. 膨張機関(18)によって駆動される圧縮機要素(2)が1.8の程度の圧縮比を有することを特徴とする請求項4から12の中のいずれか一つに記載の圧縮機装置。
14. 高圧圧縮機要素(5)が4〜5の程度の圧縮比を有することを特徴とする請求項1から13の中のいずれか一つに記載の圧縮機装置。
15. 可搬式であることを特徴とする請求項1から14の中のいずれか一つに記載の圧縮機装置。

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