JP2012202678A

JP2012202678A - 冷凍サイクル装置

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Publication number: JP2012202678A
Application number: JP2011070855A
Authority: JP
Inventors: Makoto Saito; 信齊藤; Fumitake Unezaki; 史武畝崎
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-03-28
Filing date: 2011-03-28
Publication date: 2012-10-22
Anticipated expiration: 2031-03-28
Also published as: JP5430598B2

Abstract

【課題】空冷凝縮器に散布する水の顕熱も冷却熱源として十分に利用して放熱性能を向上させる冷凍サイクル装置を提供する。
【解決手段】冷凍サイクル装置１００は、二段圧縮機３と、二段圧縮機３から吐出された冷媒を放熱させる空冷凝縮器５と、空冷凝縮器５から流出された冷媒を減圧する膨張弁１３と、膨張弁１３から流出された冷媒に吸熱させる室内冷却器１４と、空冷凝縮器５に散布する水を供給する給水路２２と、給水路２２を流れる水と二段圧縮機３から冷媒とともに吐出された冷凍機油との間で熱交換を行なう水−油冷却器２０と、を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気に放熱して冷媒を凝縮させる空冷式の凝縮器（以下、空冷凝縮器と称する）を備えた冷凍サイクル装置に関するものである。

従来から、空気に放熱して冷媒を凝縮させる空冷凝縮器を備えた冷凍サイクル装置が存在する。このような冷凍サイクル装置では、一般的に外気温度が高温になると冷媒を凝縮液化させる放熱能力が不足する。そのため、必要な冷却能力が得られない状況や、消費電力が過大になってしまう状況が生じることがある。このような不具合を解消するため、従前より、空冷凝縮器に水を散布して外気への放熱を促進し、凝縮圧力を低下させる方法が知られている。

そのようなものとして、「空気調和装置の室外機（１０）の熱交換器（３２）に水を散布するノズル（５３）と、前記ノズル（５３）に水を供給する給水配管（５２）と、前記給水配管（５２）を加熱することにより前記給水配管（５２）内の水を温める加熱手段（５６ａ）と、を備える室外機の補助冷却装置（５０ａ）」のような方式が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。このような方式では、給水をより有効に利用するため、散布される前の給水配管と冷媒との間で熱交換する熱交換器（加熱手段５６ａ）を配置し、給水の顕熱も利用することで冷媒の冷却効果を高めるようにしている。

特開２００７−２０５６７７号公報（第１１頁、第４図等）

しかしながら、前記特許文献１に示されたような冷凍サイクル装置では、たとえば空冷凝縮器を通過した後の高圧液冷媒と熱交換する場合、高圧液冷媒は熱交換する前の時点で既に外気温度に近い温度になっているので、給水温度と高圧液冷媒との温度差は大きくなく、得られる熱交換量は僅かである。特に、冷凍サイクル装置がエコノマイザー回路を備えている場合には、給水との熱交換で液冷媒の温度が低下するとエコノマイザー側での熱交換量が縮減してしまい、エコノマイザー出口過熱度による流量制御が困難になるという問題が生じる。

また、たとえば給水と吐出ガス冷媒とで熱交換する場合は、吐出ガス冷媒は非常に高温であるため給水の顕熱利用量は大きくなるが、その一方で吐出ガス冷媒の温度が低下してしまう。そのため、空冷凝縮器において空気と吐出ガス冷媒との温度差を十分に取ることができなくなり、空冷凝縮器での伝熱効率が低下してしまうという問題が生じる。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、空冷凝縮器に散布する水の顕熱も冷却熱源として十分に利用して放熱性能を向上させる冷凍サイクル装置を提供することを目的とするものである。

本発明に係る冷凍サイクル装置は、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から吐出された冷媒が流入する空冷凝縮器と、前記空冷凝縮器から流出した冷媒を減圧する第１膨張手段と、前記第１膨張手段で減圧された冷媒が流入する冷却器と、前記空冷凝縮器に散布する水を供給する給水路と、前記給水路から供給された水を前記空冷凝縮器に散布する散水手段と、前記圧縮機から冷媒とともに吐出された冷凍機油を前記圧縮機に戻す油供給路と、前記給水路を流れる水と前記油供給路を流れる冷凍機油との間で熱交換を行なう第１油冷却器と、を備えたものである。

本発明に係る冷凍サイクル装置は、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から吐出された冷媒が流入する空冷凝縮器と、前記空冷凝縮器から流出した冷媒を減圧する第１膨張手段と、前記第１膨張手段で減圧された冷媒が流入する冷却器と、前記空冷凝縮器に散布する水を供給する給水路と、前記給水路から供給された水を前記空冷凝縮器に散布する散水手段と、前記圧縮機と吐出側を分岐し、前記第１膨張手段と前記冷却器との間に接続した分岐配管と、前記給水路を流れる水と前記分岐配管を冷媒とともに流れる冷凍機油との間で熱交換を行なう第３油冷却器と、を備えたものである。

本発明に係る冷凍サイクル装置によれば、空冷凝縮器に散布する水の顕熱を冷却熱源として十分に利用して空冷凝縮器の放熱性能を大幅に向上させることが可能になる。

本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路構成を示す冷媒回路図である。本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の冷凍サイクル動作を示すＰ−ｈ線図である。中間圧バイパス量に対する中間圧および運転効率の変化特性を示すグラフである。散水ノズルから空冷凝縮器に向かって散水したときの蒸発潜熱移動形態を説明するための模式図である。本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路構成を示す冷媒回路図である。本発明の実施の形態３に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路構成を示す冷媒回路図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００の冷媒回路構成を示す冷媒回路図である。図２は、冷凍サイクル装置１００の冷凍サイクル動作を示すＰ−ｈ線図である。図１及び図２に基づいて、冷凍サイクル装置１００の構成及び動作について説明する。この冷凍サイクル装置１００は、蒸気圧縮式の冷凍サイクル運転を行なうものである。なお、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。また、図１に示すＡ〜Ｊは、図２に示す状態Ａ〜状態Ｊに対応している。

［装置構成］
冷凍サイクル装置１００は、コンデンシングユニット１及びユニットクーラー２を有している。コンデンシングユニット１には、二段圧縮機３、油分離器４、空冷凝縮器５、それに付随する室外ファン６、受液器７、及び、エコノマイザー（内部熱交換器）８が搭載されている。また、ユニットクーラー２には、液開閉弁１２、膨張弁（第１膨張手段）１３、及び、室内冷却器（蒸発器）１４が搭載されている。そして、二段圧縮機３、油分離器４、空冷凝縮器５、受液器７、エコノマイザー８の一次側流路、液開閉弁１２、膨張弁１３、及び、室内冷却器１４が冷媒配管５０で順次接続されて閉回路（冷凍サイクル）が形成されている。

また、コンデンシングユニット１には、エコノマイザー８の一次側流路の出口側と液開閉弁１２の入口側との間における冷媒配管５０を分岐させた第１分岐配管（第１中間圧バイパス路）５１が設けられている。この第１分岐配管５１は、冷媒−油冷却器１１を経由した後、二段圧縮機３のインジェクションポート１７に接続されるようになっている。図１では、第１分岐配管５１がエコノマイザー８の二次側流路出口に接続するようになっている。また、第１分岐配管５１の冷媒−油冷却器１１の入口側には膨張弁（第２膨張手段）１０が設けられている。なお、冷媒−油冷却器１１は、油分離器４と二段圧縮機３とを接続する油供給路１８を流れる冷凍機油と第１分岐配管５１を流れる冷媒とで熱交換する位置に設置されている。

さらに、コンデンシングユニット１には、第１分岐配管５１を膨張弁１０の入口側で更に分岐させた第２分岐配管（第２中間圧バイパス路）５２が設けられている。この第２分岐配管５２は、エコノマイザー８を経由した後、二段圧縮機３のインジェクションポート１７に接続するようになっている。また、第２分岐配管５２のエコノマイザー８の二次側流路入口側には膨張弁（第３膨張手段）９が設けられている。なお、エコノマイザー８において、第２分岐配管５２が接続されている側の流路を二次側流路と称する。

またさらに、コンデンシングユニット１には、給水路２２から水が供給されるようになっている。この給水路２２には、散水バルブ２１、水−油冷却器２０、及び、散水手段の一例である散水ノズル１９が配備されている。水−油冷却器２０は、給水路２２を流れる水と油分離器４で分離された冷凍機油との間で熱交換する位置に設置されている。この水−油冷却器２０は、冷媒−油冷却器１１よりも冷凍機油の流れの上流側に設置されている。

（二段圧縮機３）
二段圧縮機３は、冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高温・高圧の状態にするものである。二段圧縮機３は、低段側圧縮部１５と高段側圧縮部１６を有するとともに、これら圧縮部を駆動するための駆動モーター（図示せず）を内蔵している。また、二段圧縮機３の低段側圧縮部１５と高段側圧縮部１６との間に形成される中間圧部分にはインジェクションポート１７が備えられている。そして、インジェクションポート１７を介して、冷凍機油や高圧液冷媒を冷却した後のバイパス冷媒が注入されるようになっている。なお、インジェクションポート１７から注入されるバイパス冷媒は、膨張弁９や膨張弁１０によって流量が調整されている。なお、ここでは、インジェクションポート１７を備えた二段圧縮機３を例に示しているが、２台以上の圧縮機を直列に接続して搭載してもよい。

（油分離器４）
油分離器４は、二段圧縮機３の吐出側に設置され、二段圧縮機３から吐出された吐出ガス冷媒と、冷媒とともに吐出された冷凍機油と、を分離するものである。この油分離器４で吐出ガス冷媒と分離された冷凍機油は、油分離器４と二段圧縮機３とを接続している油供給路１８を通って二段圧縮機３の低段側圧縮部１５、高段側圧縮部１６のそれぞれに戻される。

（油供給路１８）
油供給路１８は、油分離器４と二段圧縮機３とを接続し、油分離器４で分離された冷凍機油を二段圧縮機３に供給する油流路である。この油供給路１８には、水−油冷却器２０、冷媒−油冷却器１１の２つの熱交換器が配備されている。そして、油供給路１８は、冷媒−油冷却器１１の下流側で分岐され、低段側圧縮部１５と高段側圧縮部１６のそれぞれに接続されるようになっている。

（水−油冷却器２０）
水−油冷却器２０は、油分離器４の冷凍機油の流れの下流側に設置され、給水路２２を流れる水と油分離器４で分離された冷凍機油とで熱交換するものである。つまり、水−油冷却器２０は、二段圧縮機３から冷媒とともに吐出された冷凍機油を冷却する第１油冷却器として機能する。

（冷媒−油冷却器１１）
冷媒−油冷却器１１は、水−油冷却器２０の冷凍機油の流れの下流側に設置され、水−油冷却器２０から流出し油供給路１８を流れる冷凍機油と、第１分岐配管５１を流れ膨張弁１０で流量が調整された冷媒と、で熱交換するものである。つまり、冷媒−油冷却器１１は、二段圧縮機３から冷媒とともに吐出された冷凍機油を冷却する第２油冷却器として機能する。

（空冷凝縮器５）
空冷凝縮器５は、油分離器４の冷媒の流れ下流側に設置されている。この空冷凝縮器５は、二段圧縮機３から吐出され、油分離器４で分離された高温高圧のガス冷媒と空気とが熱交換するものである。なお、空冷凝縮器５は、伝熱管と多数のフィンとにより構成されたクロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器で構成するとよい。

（室外ファン６）
空冷凝縮器５の近傍に設置され、空冷凝縮器５に空気を供給するものである。

（受液器７）
受液器７は、空冷凝縮器５から流出した冷媒のうち余剰冷媒を貯留するためのものである。

（エコノマイザー８）
エコノマイザー８は、受液器７から流出した冷媒（一次側）と、第２分岐配管５２を流れ膨張弁９で流量が調整された冷媒と、で熱交換するものである。

（液開閉弁１２）
液開閉弁１２は、ユニットクーラー２内においてエコノマイザー８と膨張弁１３との間に設置され、冷媒流路を開閉するものである。

（膨張弁１３）
膨張弁１３は、ユニットクーラー２内において液開閉弁１２と室内冷却器１４との間に設置され、冷媒を減圧して膨張させるものである。膨張弁１３は、たとえば冷媒の流量の調節等を行なうことが可能なステッピングモーター（図示せず）により絞り開度を調整することが可能な電子膨張弁等で構成するとよい。

（室内冷却器１４）
室内冷却器１４は、ユニットクーラー２内において膨張弁１３と二段圧縮機３との間に設置され、膨張弁１３で減圧された低温低圧の冷媒と被冷熱流体（たとえば空気など）とで熱交換するものである。室内冷却器１４は、たとえばプレート式熱交換器や、フィン・アンド・チューブ型熱交換器、マイクロチャネル熱交換器、シェルアンドチューブ式熱交換器、ヒートパイプ式熱交換器、二重管式熱交換器等で構成することができる。

（膨張弁９）
膨張弁９は、第２分岐配管５２のエコノマイザー８の二次側流路の入口側に設置され、第２分岐配管５２を流れる冷媒を減圧して膨張させるとともに、第２分岐配管５２を流れる冷媒の流量を調整するものである。膨張弁９は、たとえば冷媒の流量の調節等を行なうことが可能なステッピングモーター（図示せず）により絞り開度を調整することが可能な電子膨張弁等で構成するとよい。

（膨張弁１０）
膨張弁１０は、第１分岐配管５１の冷媒−油冷却器１１の冷媒の流れ下流側に設置され、第１分岐配管５１を流れる冷媒を減圧して膨張させるとともに、第１分岐配管５１を流れる冷媒の流量を調整するものである。膨張弁１０は、たとえば冷媒の流量の調節等を行なうことが可能なステッピングモーター（図示せず）により絞り開度を調整することが可能な電子膨張弁等で構成するとよい。

（給水路２２）
空冷凝縮器５に吹きかける水を供給するものである。

（散水バルブ２１）
散水バルブ２１は、給水路２２の任意の場所（図１では、水−油冷却器２０の水の流れ上流側）に設置され、水流路を開閉するものである。

（散水ノズル１９）
空冷凝縮器５の近傍に設置され、給水路２２から供給された水を空気上流側から空冷凝縮器５に散布するものである。この散水ノズル１９は、一般的に広く普及されているようなスプレーノズルで構成することができる。つまり、散水ノズル１９は、空冷凝縮器５に向けて水を噴霧することにより、空冷凝縮器５に水を供給するようになっている。

（冷媒の種類）
冷凍サイクル装置１００に用いられる冷媒には、たとえばＲ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４０４ＡなどのＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）冷媒、Ｒ２２などのＨＣＦＣ（ハイドロクロロフルオロカーボン）冷媒、もしくは炭化水素、ヘリウムのような自然冷媒などがあるが、これに限定されず同様な役割を果たすものであれば、他の冷媒であってもよい。

［運転動作］
冷凍サイクル装置１００の冷却運転時の動作について説明する。
二段圧縮機３から吐出された高温高圧のガス冷媒（状態Ａ）は、油分離器４へ流入し、冷媒とともに吐出された冷凍機油が分離される。続いて、油分離器４から流出したガス冷媒は、空冷凝縮器５で外気に放熱し、凝縮して高圧液冷媒（状態Ｂ）となる。ここで室外ファン６は、冷媒の凝縮圧力が予め定められている所定値となるように空冷凝縮器５からの放熱量を調整している。つまり、室外ファン６は、冷媒の凝縮圧力が予め定められている所定値となるように回転数が制御される。凝縮温度は、たとえば外気温度よりも１０℃程度高い温度に調整される。

空冷凝縮器５から流出した高圧液冷媒は、受液器７に流入する。受液器７では、この冷凍サイクルに封入された余剰分の液冷媒が貯留されているので、液冷媒とガス冷媒とが共存している状態である。したがって、状態Ｂの高圧液冷媒は、飽和液となる。この高圧液冷媒は、続いて、エコノマイザー８の一次側流路に流入する。エコノマイザー８の一次側流路に流入した高圧液冷媒は、第１分岐配管５１及び第２分岐配管５２に流れ、膨張弁９で減圧された中間圧二相冷媒（状態Ｆ）と熱交換して、過冷却度を大きくした液冷媒となる（状態Ｃ）。この液冷媒は、コンデンシングユニット１から流出し、ユニットクーラー２へ流入する。

一方、第２分岐配管５２を流れ、膨張弁９で減圧された中間圧二相冷媒（状態Ｆ）は、エコノマイザー８で熱交換を行なって状態Ｇの冷媒となる。この冷媒は、第１分岐配管５１を流れてきた状態Ｈの冷媒と合流し、インジェクションポート１７を介して二段圧縮機３に注入される。

ユニットクーラー２に流入した液冷媒は、液開閉弁１２を通過し、膨張弁１３によって低圧まで減圧され、低圧二相冷媒（状態Ｄ）となる。この低圧二相冷媒は、室内冷却器１４へと流入する。室内冷却器１４に流入した低圧二相冷媒は、ここで冷却対象であるたとえば室内空気と熱交換し、蒸発して低圧ガス冷媒（状態Ｅ）となる。室内冷却器１４から流出した低圧ガス冷媒は、その後、ユニットクーラー２から流出し、コンデンシングユニット１に流入する。コンデンシングユニット１に流入した冷媒は、再び二段圧縮機３に吸入される。このようにして冷却対象を所定温度まで冷却する運転が行なわれる。

ところで、油分離器４でガス冷媒と分離された冷凍機油は、油供給路１８を流れ、冷媒−油冷却器１１において第１分岐配管５１を流れる冷媒によって冷却された後に、二段圧縮機３へ戻される。冷媒−油冷却器１１で冷凍機油を冷却する冷却側冷媒は、膨張弁１０により中間圧に減圧された冷媒（状態Ｆと同様の状態）であり、高温である冷凍機油と熱交換して中圧高温のガス冷媒（状態Ｈ）となる。

二段圧縮機３の低段側圧縮部１５は、室内冷却器１４から流出した低圧ガス冷媒（状態Ｅ）を吸入し、中間圧まで昇圧される（状態Ｉ）。この中間圧の冷媒は、エコノマイザー８、冷媒−油冷却器１１で熱交換を行なってインジェクションポート１７から注入された冷媒（状態Ｇ、状態Ｈ）と合流し、状態Ｊとなった後に高段側圧縮部１６に吸入される。そして、高段側圧縮部１６に吸入された冷媒は、更に圧縮されて状態Ａとなって吐出される。

冷凍サイクル装置１００の散水機能について説明する。
コンデンシングユニット１は、自らの消費電力、あるいは凝縮圧力や外気温度が定められている所定値を超えると、凝縮圧力を低下させるために散水バルブ２１を開放するようになっている。散水バルブ２１の開放により、まず常温の水が給水路２２を介して水−油冷却器２０に供給される。水−油冷却器２０では、油分離器４で分離されたたとえば８０℃程度の冷凍機油と供給水とが熱交換を行なう。ここで供給水は７０℃程度まで温度上昇した後、散水ノズル１９から空冷凝縮器５に向かって散布される。

一方、水−油冷却器２０から流出する冷凍機油は、５０℃程度まで温度が低下する。そのため、冷凍機油を冷媒−油冷却器１１でさらに冷却する必要がなくなり、冷媒−油冷却器１１の冷却側冷媒流量を調整している膨張弁１０が閉止される。これにより、中間圧にバイパス（インジェクションポート１７を介して注入）される冷媒の流量（以下、中間圧バイパス量と称する）が減少し、二段圧縮機３の中間圧力が低下する。

中間圧バイパス量の減少は、高段側圧縮部１６での中間圧から高圧まで昇圧する圧縮動力が少なくなることを意味する。すなわち、冷凍機油の冷却を、液冷媒の一部を用いるのではなく、散水の顕熱を利用することで、二段圧縮機３の消費電力が低減され、運転効率を向上できる。

また、中間圧力が低下すると、第２分岐配管５２を流れ、エコノマイザー８で膨張弁９を通過した後の冷媒の蒸発温度も低下する。したがって、高圧液冷媒との温度差を大きく取ることができることになる。これにより、エコノマイザー８の熱交換効率が向上し、高圧液冷媒をより低い温度にできるので室内冷却器１４での冷媒側エンタルピ差が拡大され、冷却能力が増大する。

図３は、中間圧バイパス量に対する中間圧および運転効率の変化特性を示すグラフである。図３に基づいて、中間圧バイパス量に対する中間圧および運転効率の変化特性について説明する。図３に示す線Ａが中間圧バイパス量（横軸）に対する運転効率の変化特性（縦軸）を、図３に示す線Ｂが中間圧バイパス量（横軸）に対する中間圧（飽和温度）の変化特性（縦軸）を、それぞれ示している。なお、図３には、中間圧バイパス量（横軸）に対するエコノマイザー８から流出した液冷媒の温度（縦軸）を線Ｃとして併せて図示している。

エコノマイザー８側のバイパス流量（第２分岐配管５２を流れる冷媒の量）が過小である場合、エコノマイザー８の低温側冷媒が過熱して高圧側液冷媒との熱交換のための温度差が確保できず、エコノマイザー８の高温側液冷媒を十分に冷却することができない。一方、中間圧バイパス量が過大になると、中間圧自体の上昇によってエコノマイザー８を流出する液冷媒の温度も上昇傾向となる。すなわち、中間圧バイパス量には高圧側液冷媒温度を最小にする適正バイパス量が存在するということがわかる。そこで、冷凍サイクル装置１００では、膨張弁９が、中間圧バイパス量を適正バイパス量になるように制御している。

しかしながら、たとえば蒸発圧力が非常に低い高圧縮比条件での運転では、油冷却負荷が非常に大きいため、膨張弁１０が大きく開放されてしまい、膨張弁９側では中間圧バイパス量を適正状態に調整できない状態となる（たとえば、図３に示す実バイパス量）。これに対し、冷凍サイクル装置１００においては、空冷凝縮器５に散水することによって油冷却のためのバイパス流量を低減するようにしている。このため、冷凍サイクル装置１００では、膨張弁９の開度制御によって中間圧バイパス量が適正となるように調整可能になっている。

図４は、散水ノズル１９から空冷凝縮器５に向かって散水したときの蒸発潜熱移動形態を説明するための模式図である。図４に基づいて、散水ノズル１９から空冷凝縮器５に向かって散水したときの蒸発潜熱移動形態について説明する。

散水ノズル１９から散布された液滴は、まず外気と接触して蒸発する。このとき、蒸発熱源は液滴自体であり、液滴は蒸発しながら湿球温度２４℃に向かって温度が低下する。このとき、液滴径が十分小さい場合、すなわち液滴の表面積に対して液滴重量が十分小さい場合には、液滴は蒸発によって消滅する。しかしながら、そうでない場合、すなわち液滴径が十分に小さくない場合には、液滴は湿球温度に近い温度となって空冷凝縮器５に到達する。

このように、散水ノズル１９からのスプレー散布によって、液滴と空気との接触時間を十分確保できているから給水温度が高温であっても空冷凝縮器５を構成している放熱フィンに接触する時点で液滴は湿球温度、すなわち常温付近まで温度低下しているので空冷凝縮器５の放熱が阻害されることはない。一方で、空冷凝縮器５の上部から水を滴下させる給水方式では、滴下された液滴と空気との接触面積、接触時間が十分ではなく、高温水の状態のまま空冷凝縮器５を構成している放熱フィンに接触することになるので空冷凝縮器５の放熱が阻害されることになる。

さらに、給水温度が常温である場合には、散水ノズル１９から噴霧された直後の液滴からの蒸発量はごく僅かであり、ほとんどが液滴径を変えずに空冷凝縮器５に到達する。一方、給水温度が高温（７０℃程度）である場合は、外気の湿球温度になるまで急速に蒸発するので比較的蒸発量が大きく、空冷凝縮器５に到達するまでに液滴径が小さくなる。

空冷凝縮器５に接触した液滴は、空冷凝縮器５を構成している放熱フィンから熱をもらい、それを熱源としてさらに蒸発する。空冷凝縮器５はもともと外気（たとえば３５℃）とフィン温度（たとえば４５℃）との温度差によって放熱を行なうが、これに加えて液滴の蒸発潜熱により放熱フィンが冷却される。このときの水の蒸発潜熱は、室外空気との顕熱熱交換とは独立にフィン冷却に寄与するので、凝縮圧力が低下し、運転効率が向上することになる。なお、放熱フィンとの接触で蒸発しきれなかった液滴は、放熱フィンを伝わって流下し、ドレンとして排水される。

放熱フィン上を流下し、ドレンとして排水されてしまう無駄な水を少なくするためには、散布する液滴径が極力小さくなるように散水する必要がある。しかしながら、これには高い給水圧力が必要となるだけでなく、散水ノズル自体も高価なものとなる。冷凍サイクル装置１００では、水−油冷却器２０によって給水を高温にすることで空冷凝縮器５に到達する前の段階で噴霧された液滴の蒸発量が大きくなる。そのため、散布直後の液滴径が大きくても放熱フィン到達時の液滴径が小さくなり、高い蒸発効率が得られる。よって、冷凍サイクル装置１００によれば、散水のための設置コストを小さくすることが可能になる。

以上より、冷凍サイクル装置１００によれば、散水用給水の顕熱も空冷凝縮器５の冷却熱源として十分に利用して、空冷凝縮器５の放熱性能を向上させるとともに、油冷却や液冷媒冷却を行なうエコノマイザー８の性能を十分に発揮させることで運転効率を向上できる。

したがって、冷凍サイクル装置１００によれば、散水用の水の顕熱を利用して二段圧縮機３に戻す冷凍機油を冷却することで、油冷却のための中間圧バイパス量が少なくなり、それを昇圧する圧縮動力が軽減され、運転効率が向上する。また、冷凍サイクル装置１００によれば、バイパス冷媒により液冷媒の過冷却を増大させるエコノマイザー８を有しているものの、中間圧バイパス量を少なくでき、中間圧力を低下できるので、室内冷却器１４の冷却能力が増大する。なお、エコノマイザー８の低圧側が中間圧であっても低圧であっても同様の効果がある。

また、水−油冷却器２０によって散水温度が上昇するので、空冷凝縮器５に噴霧される液滴径が大きい状況（つまり、一般的に広く普及しているようなものを散水ノズル１９として用いた状況）においても、空冷凝縮器５の放熱フィンに到達したときの液滴が小さくできる。したがって、冷凍サイクル装置１００によれば、ドレン排水を少なくできる。さらに、散水ノズル１９は、スプレーノズルによる噴霧式であるので、蒸発潜熱により空冷凝縮器５に接触する前段階で液滴温度が十分低下するとともに液滴径も小さくなるので、空冷凝縮器５の蒸発効率が向上する。この蒸発効率の向上作用は、従来必要であった液滴径を小さくするための設備、たとえば給水圧力の増強設備等を不要とし、設置コストの縮減にもつながる。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置２００の冷媒回路構成を示す冷媒回路図である。図５に基づいて、冷凍サイクル装置２００の構成及び動作について説明する。この冷凍サイクル装置２００は、蒸気圧縮式の冷凍サイクル運転を行なうものである。なお、この実施の形態２では上述した実施の形態１との相違点を中心に説明するものとし、冷媒回路構成など実施の形態１と同一の箇所については説明を割愛するものとする。

実施の形態１では、中間圧にインジェクションポート１７を設けた圧縮機を備えた冷凍サイクル装置１００を例に示したが、実施の形態２では、中間圧にインジェクションポートを設けていない圧縮機、つまり単段圧縮機（以下、圧縮機３０と称する）を備えた冷凍サイクル装置２００を例に示している。それに伴い、冷凍サイクル装置２００は、冷媒−油冷却器１１、第１分岐配管５１、第２分岐配管５２、膨張弁９、膨張弁１０、及び、受液器７を設置しておらず、第３分岐配管（低圧バイパス路）５３を圧縮機３０の吸入側（詳しくはアキュムレーター３１の上流側）に接続し、油供給路１８を水−油冷却器２０を介して圧縮機３０の吸入側に接続している。また、第３分岐配管５３のエコノマイザー８の上流側には、第３分岐配管５３を流れる冷媒の流量を調整可能な膨張弁９ａが設置されている。

すなわち、第３分岐配管５３は、エコノマイザー８と膨張弁１３との間から分岐して、膨張弁（第４膨張手段）９ａ、及び、エコノマイザー８の二次側を介してアキュムレーター３１の上流側に接続されるようになっている。したがって、エコノマイザー８は、第３分岐配管５３を流れ、膨張弁９ａで低圧にされた凝縮液冷媒の一部（二次側を流れる冷媒）により高圧液冷媒（一次側）の過冷却度を増大させるようになっている。なお、アキュムレーター３１は、圧縮機３９の吸入側に設置され、冷凍サイクルを循環する冷媒のうち余剰冷媒を貯留するためのものである。ただし、アキュムレーター３１は必須なものではない。

このような構成においても、油分離器４で分離された冷凍機油を給水によって冷却する水−油冷却器２０によって空冷凝縮器５の凝縮放熱を阻害することなく給水の顕熱を最大限利用することができる。つまり、冷凍サイクル装置２００によれば、散水用給水の顕熱も空冷凝縮器５の冷却熱源として十分に利用して、空冷凝縮器５の放熱性能を向上させることができる。なお、圧縮機３０の吐出側に流路切替装置である四方弁３２を設置した状態を例に図示しているが、四方弁３２は必須なものではない。

以上より、冷凍サイクル装置２００によれば、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００と同様に、水−油冷却器２０によって散水温度が上昇するので、空冷凝縮器５に噴霧される液滴径が大きい状況においても、空冷凝縮器５の放熱フィンに到達したときの液滴が小さくできる。したがって、冷凍サイクル装置２００によれば、ドレン排水を少なくできるし、散水のための設置コストを小さくすることができる。また、散水ノズル１９は、スプレーノズルによる噴霧式であるので、蒸発潜熱により空冷凝縮器５に接触する前段階で液滴温度が十分低下するとともに液滴径も小さくなるので、空冷凝縮器５の蒸発効率が向上する。

実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３に係る冷凍サイクル装置３００の冷媒回路構成を示す冷媒回路図である。図６に基づいて、冷凍サイクル装置３００の構成及び動作について説明する。この冷凍サイクル装置３００は、蒸気圧縮式の冷凍サイクル運転を行なうものである。なお、この実施の形態３では上述した実施の形態１及び実施の形態２との相違点を中心に説明するものとし、冷媒回路構成など実施の形態１及び実施の形態２と同一の箇所については説明を割愛するものとする。

実施の形態２では、中間圧にインジェクションポートを設けていない圧縮機３０を備えた冷凍サイクル装置２００を例に示したが、実施の形態３では、更に油分離器４、油供給路１８及びエコノマイザー８を設けていない冷凍サイクル装置３００を例に示している。実施の形態３では、油分離器４及び油供給路１８が配置されない冷凍サイクル装置への適用例について説明する。冷凍サイクル装置３００には、油分離器４及び油供給路１８が配置されないため、実施の形態１又は実施の形態２で説明した水−油冷却器２０ではなく、水−冷媒熱交換器２０ａを設置するようにしている。水−冷媒熱交換器２０ａは、給水路２２を流れる水と吐出ガス分岐配管（吐出ガス分岐路）５４を流れる冷媒との間で熱交換を行なうものである。つまり、水−油冷却器２０ａは、圧縮機３０から冷媒とともに吐出された冷凍機油を冷媒とともに冷却する第３油冷却器として機能する。

このような場合は、圧縮機３０からの吐出ガスの一部を分岐して水−冷媒冷却器（第１３油冷却器）２０ａへ流入させるようにする。つまり、圧縮機３０の吐出側と、膨張弁１３と室内冷却器１４との間と、を接続する吐出ガス分岐配管５４を設け、圧縮機３０からの吐出ガスの一部を水−冷媒冷却器２０ａへ流入させ、膨張弁１３と室内冷却器１４との間に導くようにする。吐出ガス分岐配管５４の水−冷媒冷却器２０ａの下流側には、吐出ガス分岐配管５４を流れる冷媒の流量を調整する膨張弁１０ａが設置されている。なお、膨張弁１０ａは、実施の形態１で説明した膨張弁１０と同様の構成及び機能を有している。

膨張弁１０は、水−冷媒冷却器２０ａで吐出ガスが凝縮液化できる程度にバイパス流量を調整する。つまり、膨張弁１０は、水−冷媒冷却器２０ａで吐出ガスが凝縮液化できる程度にバイパス流量を調整するように開度が制御される。給水路２２を流れる散水用の水は、水−冷媒冷却器２０ａに流入する吐出ガスによって７０℃程度に加熱された後、散水ノズル１９から噴霧される。このような構成によれば、油分離器が配置されていない場合においても、空冷凝縮器５に流れる吐出ガス冷媒の温度を低下させることなく、散水用水を十分に加熱することができる。つまり、冷凍サイクル装置３００によれば、散水用給水の顕熱も空冷凝縮器５の冷却熱源として十分に利用して、空冷凝縮器５の放熱性能を向上させることができる。

以上より、冷凍サイクル装置３００によれば、実施の形態１及び実施の形態２に係る冷凍サイクル装置と同様に、水−冷媒冷却器２０ａによって散水温度が上昇するので、空冷凝縮器５に噴霧される液滴径が大きい状況においても、空冷凝縮器５の放熱フィンに到達したときの液滴が小さくできる。したがって、冷凍サイクル装置３００によれば、ドレン排水を少なくできるし、散水のための設置コストを小さくすることができる。また、散水ノズル１９は、スプレーノズルによる噴霧式であるので、蒸発潜熱により空冷凝縮器５に接触する前段階で液滴温度が十分低下するとともに液滴径も小さくなるので、空冷凝縮器５の蒸発効率が向上する。

また、冷凍サイクル装置３００のように油分離器及び油供給路が配置されない場合においても、分岐された吐出ガスと給水路２２との間で熱交換させることにより、空冷凝縮器５における空気と冷媒との温度差を縮めることなく、散水用水の顕熱を十分利用して放熱を促進させることができる。

なお、各実施の形態で説明した冷凍サイクル装置は、たとえば冷凍空調装置、冷凍装置、冷蔵庫、空気調和装置等にも適用可能であることは言うまでもない。また、本発明の特徴事項を実施の形態１〜実施の形態３に分けて説明したが、それらの実施の形態で説明した内容に限定するものでなく、本発明の技術範囲内で適宜変更が可能である。さらに、各実施の形態で説明した本発明の特徴事項を適宜組み合わせて冷凍サイクル装置を構成するようにしてもよい。

１コンデンシングユニット、２ユニットクーラー、３二段圧縮機、４油分離器、５空冷凝縮器、６室外ファン、７受液器、８エコノマイザー、９膨張弁（第３膨張手段）、９ａ膨張弁（第４膨張手段）、１０膨張弁（第２膨張手段）、１０ａ膨張弁（第２膨張手段）、１１冷媒−油冷却器（第２油冷却器）、１２液開閉弁、１３膨張弁（第１膨張手段）、１４室内冷却器、１５低段側圧縮部、１６高段側圧縮部、１７インジェクションポート、１８油供給路、１９散水ノズル、２０水−油冷却器（第１油冷却器）、２０ａ水−冷媒熱交換器（第３油冷却器）、２１散水バルブ、２２給水路、３０圧縮機、３１アキュムレーター、５０冷媒配管、５１第１分岐配管（第１中間圧バイパス路）、５２第２分岐配管（第２中間圧バイパス路）、５３第３分岐配管、５４吐出ガス分岐配管、１００冷凍サイクル装置、２００冷凍サイクル装置、３００冷凍サイクル装置。

Claims

冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機から吐出された冷媒が流入する空冷凝縮器と、
前記空冷凝縮器から流出した冷媒を減圧する第１膨張手段と、
前記第１膨張手段で減圧された冷媒が流入する冷却器と、
前記空冷凝縮器に散布する水を供給する給水路と、
前記給水路から供給された水を前記空冷凝縮器に散布する散水手段と、
前記圧縮機から冷媒とともに吐出された冷凍機油を前記圧縮機に戻す油供給路と、
前記給水路を流れる水と前記油供給路を流れる冷凍機油との間で熱交換を行なう第１油冷却器と、を備えた
ことを特徴とする冷凍サイクル装置。
前記冷凍機油を前記圧縮機から吐出された冷媒と分離する油分離器を前記圧縮機の吐出側に備え、
前記第１油冷却器においては、
前記油分離器で分離された冷凍機油と前記給水路を流れる水との間で熱交換を行なう
ことを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
前記空冷凝縮器の下流側から分岐し、第２膨張手段を介して前記圧縮機の中間圧力室に接続される第１中間圧バイパス路と、
前記水との熱交換後の冷凍機油と前記第１中間圧バイパス路を流れる冷媒との間で熱交換を行なう第２油冷却器と、を備えた
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の冷凍サイクル装置。
前記空冷凝縮器の下流側から分岐し、第３膨張手段を介して前記圧縮機の中間圧力室に接続される第２中間圧バイパス路と、
前記空冷凝縮器と前記第１膨張手段との間の冷媒と、前記第２中間圧バイパス路を流れる冷媒との間で熱交換を行なう内部熱交換器と、を備えた
ことを特徴とする請求項３に記載の冷凍サイクル装置。
前記第３膨張手段の開度制御によって、
前記圧縮機の中間圧力室に注入される冷媒の量を調整可能にしている
ことを特徴とする請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
前記圧縮機を低段側圧縮部と高段側圧縮部を備えた二段圧縮機で構成し、
前記第１中間圧バイパス路及び前記第２中間圧バイパス路を前記二段圧縮機の中間圧力室に連通しているインジェクションポートに接続する
ことを特徴とする請求項３〜５のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
前記空冷凝縮器の下流側から分岐し、第４膨張手段を介して前記圧縮機の吸入側に接続される低圧バイパス路を備えた
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の冷凍サイクル装置。
冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機から吐出された冷媒が流入する空冷凝縮器と、
前記空冷凝縮器から流出した冷媒を減圧する第１膨張手段と、
前記第１膨張手段で減圧された冷媒が流入する冷却器と、
前記空冷凝縮器に散布する水を供給する給水路と、
前記給水路から供給された水を前記空冷凝縮器に散布する散水手段と、
前記圧縮機と吐出側を分岐し、前記第１膨張手段と前記冷却器との間に接続した分岐配管と、
前記給水路を流れる水と前記分岐配管を冷媒とともに流れる冷凍機油との間で熱交換を行なう第３油冷却器と、を備えた
ことを特徴とする冷凍サイクル装置。
前記散水手段を散水ノズルで構成し、
前記散水ノズルは、
前記給水路から供給された水を前記空冷凝縮器の空気上流側から前記空冷凝縮器に向けて噴霧する
ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。