JP2018059655A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】凝縮器から蒸発器への冷媒の流量を十分に確保するための技術を提供する。【解決手段】本開示の冷凍サイクル装置（１００）は、蒸発器（６）と、圧縮機（３）と、凝縮器（４）と、蒸発器（６）の出口と圧縮機（３）の入口とを接続している第１部分（７ａ）、及び、圧縮機（３）の出口と凝縮器（４）の入口とを接続している第２部分（７ｂ）を含む蒸気経路（７）と、凝縮器（４）の出口と蒸発器（６）の入口とを接続している戻し経路（５）と、戻し経路（５）に配置された弁（８）と、凝縮器（４）の出口と弁（８）の入口との間において戻し経路（５）に配置され、蒸発器（６）の内部の冷媒と弁（８）に供給されるべき冷媒とを熱交換させるように構成された熱交換器（９）と、を備えている。【選択図】図１

Description

本開示は、冷凍サイクル装置に関する。

空気調和装置、チラー装置などの冷凍サイクル装置には、フロン冷媒又は代替フロン冷媒が広く利用されている。しかし、これらの冷媒は、オゾン層の破壊、地球温暖化などの課題を有している。そこで、地球環境に対する負荷が極めて小さい冷媒として水を用いた空気調和装置が提案されている。

図４に示すように、従来の冷凍サイクル装置３００は、蒸発器３０１、第１圧縮機３０２、第２圧縮機３０３、凝縮器３０４、蒸気経路３０５、液経路３０６及び膨張機構３０７を備えている。冷凍サイクル装置３００では、冷媒として水が使用されている。

国際公開第２０１２／１４７３６６号

水を冷媒として用いた冷凍サイクル装置は、低真空域の圧力で動作する。このような冷凍サイクル装置においては、液相の冷媒の体積に比べて気相の冷媒の体積が非常に大きい。このことは、凝縮器から蒸発器に冷媒を移動させるための経路における冷媒の流量の制御を困難にする。

本開示は、凝縮器から蒸発器への冷媒の流量を十分に確保するための技術を提供することを目的とする。

すなわち、本開示は、
蒸発器と、
少なくとも１つの圧縮機を含む圧縮機構と、
凝縮器と、
前記蒸発器の出口と前記圧縮機構の入口とを接続している第１部分、及び、前記圧縮機構の出口と前記凝縮器の入口とを接続している第２部分を含む蒸気経路と、
前記凝縮器の出口と前記蒸発器の入口とを接続している戻し経路と、
前記戻し経路に配置された弁と、
前記凝縮器の出口と前記弁の入口との間において前記戻し経路に配置され、前記蒸発器の内部の冷媒と前記弁に供給されるべき冷媒とを熱交換させるように構成された熱交換器と、
を備えた、冷凍サイクル装置を提供する。

本開示の技術によれば、凝縮器から蒸発器への冷媒の流量を十分に確保することができる。つまり、長時間にわたって定常的な運転が可能な冷凍サイクル装置を提供できる。

図１は、本開示の実施形態１にかかる冷凍サイクル装置の構成図である。 図２は、変形例にかかる冷凍サイクル装置の構成図である。 図３は、本開示の実施形態２にかかる冷凍サイクル装置の構成図である。 図４は、特許文献１に記載された冷凍サイクル装置の構成図である。

（本開示の基礎となった知見）
液相状態での体積に比べて気相状態での体積が非常に大きい冷媒が冷凍サイクル装置に使用されている場合、次のような課題が生じやすい。すなわち、膨張弁の下流側において配管内に蒸気がトラップされることにより、配管内における流動圧力損失が大幅に増加する。また、膨張弁の内部のフラッシュ蒸気によって流路の閉塞が起こる。これらの要因により、凝縮器から蒸発器に戻されるべき冷媒の流量が大幅に減少したり、凝縮器から蒸発器に向けて冷媒が流れなくなったりする。その結果、蒸発器において冷媒が枯渇し、冷凍サイクル装置の運転を継続することが困難になる。

本開示の第１態様にかかる冷凍サイクル装置は、
蒸発器と、
少なくとも１つの圧縮機を含む圧縮機構と、
凝縮器と、
前記蒸発器の出口と前記圧縮機構の入口とを接続している第１部分、及び、前記圧縮機構の出口と前記凝縮器の入口とを接続している第２部分を含む蒸気経路と、
前記凝縮器の出口と前記蒸発器の入口とを接続している戻し経路と、
前記戻し経路に配置された弁と、
前記凝縮器の出口と前記弁の入口との間において前記戻し経路に配置され、前記蒸発器の内部の冷媒と前記弁に供給されるべき冷媒とを熱交換させるように構成された熱交換器と、
を備えたものである。

本開示の第１態様によれば、凝縮器の液相の冷媒は、凝縮器から弁への経路上において熱交換器で冷却され、過冷却状態になる。したがって、弁を通過した冷媒のフラッシュ蒸発量が減少し、ボイド率も減少する。冷媒は、液相の状態を保ったまま、弁を通過する。そのため、弁を通過する冷媒の流量を十分に確保することが可能になる。また、蒸発器の内部に貯留された液相の冷媒及び／又は蒸発器で発生した気相の冷媒によって、凝縮器から弁に供給されるべき冷媒を効率的に冷却することができる。空気、冷却水などの冷却用流体を外部から供給する必要も無い。冷凍サイクルの熱収支の計算も容易である。

本開示の第２態様において、例えば、第１態様にかかる冷凍サイクル装置の前記熱交換器は、前記蒸発器の内部に配置されている。第２態様によれば、空気、冷却水などの冷却用流体を外部から供給する必要が無いうえ、蒸発器の中から冷媒を外部に取り出す必要もない。したがって、冷凍サイクル装置の構造の複雑化を避けることができる。

本開示の第３態様において、例えば、第２態様にかかる冷凍サイクル装置の前記蒸発器は、水平面に平行な気液界面が内部に形成されるように構成された耐圧容器であり、前記熱交換器は、前記蒸発器の内部における下部に配置されている。第３態様によれば、熱交換器に液相の冷媒を確実に接触させることができるので、効率的な熱交換を期待できる。その結果、サイズの小さい熱交換器を採用することが可能になる。

本開示の第４態様において、例えば、第１〜第３態様のいずれか１つにかかる冷凍サイクル装置の前記圧縮機構は、第１圧縮機、第２圧縮機、及び、前記第１圧縮機の吐出口と前記第２圧縮機の吸入口とを接続している中間経路とを含み、前記中間経路は、中間冷却器を含み、前記戻し経路は、前記凝縮器の出口と前記中間冷却器とを接続している上流側部分と、前記中間冷却器と前記蒸発器の入口とを接続している下流側部分とを含み、前記下流側部分に前記弁及び前記熱交換器が配置されている。このような構成によれば、第１圧縮機で圧縮された気相の冷媒の温度を凝縮器から蒸発器に移されるべき液相の冷媒で効率的に冷却することができる。

本開示の第５態様において、例えば、第４態様にかかる冷凍サイクル装置の前記戻し経路の前記下流側部分に配置された前記弁及び前記熱交換器をそれぞれ第１弁及び第１熱交換器と定義したとき、前記冷凍サイクル装置は、前記戻し経路の前記上流側部分に配置された第２弁と、前記凝縮器の出口と前記第２弁の入口との間において前記戻し経路の前記上流側部分に配置された第２熱交換器と、をさらに備えている。第５態様によれば、凝縮器の液相の冷媒は、凝縮器から第２弁への経路上において第２熱交換器で冷却され、過冷却状態になる。したがって、第２弁を通過した冷媒のフラッシュ蒸発量が減少し、ボイド率も減少する。冷媒は、液相の状態を保ったまま、第２弁を通過する。そのため、第２弁を通過する冷媒の流量を十分に確保することが可能になる。

本開示の第６態様において、例えば、第５態様にかかる冷凍サイクル装置の前記第２熱交換器は、前記中間冷却器の内部に配置されている。第６態様によれば、空気、冷却水などの冷却用流体を外部から供給する必要が無いうえ、中間冷却器の中から冷媒を外部に取り出す必要もない。したがって、冷凍サイクル装置の構造の複雑化を避けることができる。

本開示の第７態様において、例えば、第１〜第６態様にかかる冷凍サイクル装置には、常温での飽和蒸気圧が負圧の冷媒が充填されている。上記した各構成は、このような冷媒を用いた冷凍サイクル装置において特に高い効果を発揮する。

本開示の第８態様において、例えば、第７態様にかかる冷凍サイクル装置の前記冷媒は、主成分として水を含む。水を含む冷媒は、低ＧＷＰ冷媒として有用である。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。

（実施形態１）
図１に示すように、冷凍サイクル装置１００は、蒸発器６、圧縮機３、凝縮器４、蒸気経路７及び戻し経路５を備えている。戻し経路５には弁８及び熱交換器９が配置されている。気相の冷媒（冷媒蒸気）及び液相の冷媒（冷媒液）からなる群より選ばれる少なくとも１つの流体によって、弁８（第１弁）に供給されるべき冷媒が熱交換器９において冷却される。

冷凍サイクル装置１００には、常温（日本工業規格：２０℃±１５℃／JIS Z8703）での飽和蒸気圧が負圧（絶対圧で大気圧よりも低い圧力）の物質を主成分として含む冷媒が充填されている。このような冷媒としては、水を主成分として含む冷媒、Ｒ１２３３ｚｄに代表されるＨＦＯ冷媒などが挙げられる。これらの冷媒は、低ＧＷＰ冷媒として知られている。凍結防止などの理由から、水を主成分として含み、エチレングリコール、ナイブライン、無機塩類などが質量％に換算して１０〜４０％混合された冷媒を用いることもできる。「主成分」とは、質量比で最も多く含まれた成分を意味する。

また、冷凍サイクル装置１００は、吸熱回路３０及び放熱回路４０を備えている。吸熱回路３０は、蒸発器６に接続された熱負荷である。放熱回路４０は、凝縮器４に接続された熱負荷である。吸熱回路３０を通じて、蒸発器６に貯留された冷媒に外部から熱が与えられる。放熱回路４０を通じて、凝縮器４に貯留された冷媒から外部に熱が放出される。

吸熱回路３０は、蒸発器６に貯留された液相の冷媒を使用して、空気、水などの流体を冷却するための回路である。吸熱回路３０は、熱交換器３２、ポンプ３４、流路３０ａ及び流路３０ｂを有する。流路３０ａは、蒸発器６に接続された一端と、熱交換器３２の入口に接続された他端とを有する。流路３０ｂは、熱交換器３２の出口に接続された一端と、蒸発器６に接続された他端とを有する。ポンプ３４は、流路３０ａに配置されている。熱交換器３２の例として、フィンチューブ熱交換器、プレート熱交換器などが挙げられる。冷凍サイクル装置１００が空気調和装置であるとき、熱交換器３２は、室内機の一部でありうる。吸熱回路３０に液相の冷媒を循環させることによって、室内の空気を冷却することができる。熱交換器３２は、水、エチレングリコール、プロピレングリコールなどの液体と液相の冷媒とを熱交換させる液−液熱交換器であってもよい。熱交換器３２は、気体又は液体である被冷却流体の熱を冷媒に与える。

放熱回路４０は、凝縮器４に貯留された冷媒から熱を奪うために使用される回路である。放熱回路４０は、熱交換器４２、ポンプ４６、流路４０ａ及び流路４０ｂを有する。流路４０ａは、凝縮器４に接続された一端と、熱交換器４２の入口に接続された他端とを有する。流路４０ｂは、熱交換器４２の出口に接続された一端と、凝縮器４に接続された他端とを有する。ポンプ４６は、流路４０ａに配置されている。凝縮器４は、例えば、シェルチューブ熱交換器の構造を有している。流路４０ａ及び４０ｂは、それぞれ、凝縮器４のシェルの内部に配置された熱交換チューブ４４に接続されている。熱交換器４２は、例えば、フィンチューブ熱交換器である。冷凍サイクル装置１００が空気調和装置であるとき、熱交換器４２は、室外機の一部でありうる。放熱回路４０には、水、エチレングリコール、プロピレングリコールなどの液相の熱媒体が充填されている。

蒸発器６及び吸熱回路３０は、凝縮器４及び放熱回路４０と同じように、シェルチューブ熱交換器の構造を有していてもよい。つまり、蒸発器６は、液相の冷媒と他の熱媒体とが間接的に熱交換する間接型の熱交換器であってもよい。凝縮器４及び放熱回路４０は、蒸発器６及び吸熱回路３０と同じように、液相の冷媒を熱交換器４２に直接的に循環させるように構成されていてもよい。つまり、凝縮器４は、気相の冷媒と液相の冷媒とが直接的に熱交換する直接型の熱交換器であってもよい。

蒸発器６は、例えば、断熱性及び耐圧性を有する容器によって構成されている。蒸発器６は、液相の冷媒を貯留するとともに、冷媒を内部で蒸発させる。水平面に平行な気液界面が蒸発器６の内部に形成されうる。吸熱回路３０で加熱された冷媒が蒸発器６の中で沸騰及び蒸発する。つまり、蒸発器６に貯留された冷媒液の一部は、吸熱回路３０で加熱され、飽和状態の液相の冷媒を加熱するために使用される。蒸発器６に貯留された液相の冷媒の温度、及び、蒸発器６で発生した気相の冷媒の温度は、例えば５℃である。

圧縮機３は、蒸発器６で発生した気相の冷媒を吸入して圧縮する。圧縮機３は、容積型圧縮機であってもよいし、速度型圧縮機であってもよい。容積型圧縮機とは、容積変化によって冷媒を吸入及び吐出し、冷媒の圧力を上昇させる圧縮機である。容積型圧縮機として、ロータリ圧縮機、スクリュー圧縮機、スクロール圧縮機などが挙げられる。速度型圧縮機とは、冷媒に運動量を与え、冷媒の速度を減速することによって冷媒の圧力を上昇させる圧縮機である。速度型圧縮機（ターボ圧縮機）として、遠心圧縮機、軸流圧縮機などが挙げられる。圧縮機３は、インバータによって駆動されるモータなど、回転数を変化させるための機構を備えていてもよい。圧縮機３の吐出口における冷媒の温度は、例えば１２０℃である。

蒸気経路７は、第１部分７ａ及び第２部分７ｂを有する。第１部分７ａは、蒸発器６の出口（蒸気出口）と圧縮機３の吸入口とを接続している。第２部分７ｂは、圧縮機３の吐出口と凝縮器４の入口（蒸気入口）とを接続している。蒸発器６で発生した気相の冷媒は、蒸気経路７の第１部分７ａを通じて、圧縮機３に導かれる。圧縮機３で圧縮された冷媒は、蒸気経路７の第２部分７ｂを通じて、凝縮器４に導かれる。蒸気経路７は、複数の配管によって構成されうる。

凝縮器４は、例えば、断熱性及び耐圧性を有する容器によって構成されている。凝縮器４は、冷媒を凝縮させるとともに、冷媒を凝縮させることによって生じた液相の冷媒を貯留する。水平面に平行な気液界面が凝縮器４の内部に形成されうる。本実施形態では、過熱状態の冷媒の冷媒が、外部環境に熱を放出することによって冷却された熱媒体に間接的に接触して凝縮する。つまり、気相の冷媒は、放熱回路４０の熱媒体によって冷却され、凝縮する。凝縮器４に貯留された液相の冷媒の温度は、例えば３５℃である。

戻し経路５は、凝縮器４から蒸発器６に冷媒を戻すための経路である。戻し経路５は、凝縮器４の出口と蒸発器６の入口とを接続している。戻し経路５に弁８及び熱交換器９が配置されている。詳細には、戻し経路５は、第１部分５ａ及び第２部分５ｂを含む。第１部分５ａは、凝縮器４の出口（液出口）と弁８の入口とを接続している。第２部分５ｂは、弁８の出口と蒸発器６の入口（液入口）とを接続している。熱交換器９は、凝縮器４の出口と弁８の入口との間において戻し経路５に配置されている。戻し経路５は、複数の配管によって構成されうる。

弁８は、戻し経路５における冷媒の流量を制御するための弁である。弁８は、典型的には、流量制御弁（電動膨張弁）であり、キャピラリチューブのように一定の流路断面積を有する弁であってもよい。

熱交換器９（第１熱交換器）は、凝縮器４から弁８に供給されるべき冷媒を冷却するための熱交換器である。詳細には、熱交換器９は、蒸発器６の内部の冷媒と弁８に供給されるべき冷媒とを熱交換させるように構成されている。凝縮器４に貯留された液相の冷媒は、凝縮圧に対応した飽和温度を有する。凝縮器４の液相の冷媒は、凝縮器４から弁８への経路上において熱交換器９で冷却され、過冷却状態になる。したがって、弁８を通過した冷媒のフラッシュ蒸発量が減少し、ボイド率（気液体積比）も減少する。冷媒は、液相の状態を保ったまま、弁８を通過する。そのため、弁８を通過する冷媒の流量を十分に確保することが可能になる。定格条件、部分負荷条件、過負荷条件などの幅広い運転条件において、長時間にわたって冷凍サイクル装置１００の定常的な運転が可能になる。熱交換器９が蒸発器６の内部の気相の冷媒に接しているとき、弁８の入口における冷媒の温度は、例えば、７〜１５℃の範囲にある。熱交換器９が蒸発器６の内部の液相の冷媒に接しているとき、弁８の入口における冷媒は、より低い温度（例えば５℃）を示す。

本実施形態では、熱交換器９は、蒸発器６の内部に配置されている。したがって、凝縮器４から弁８に供給されるべき冷媒は、蒸発器６の内部に貯留された液相の冷媒及び／又は蒸発器６で発生した気相の冷媒に熱を奪われ、冷却される。空気、冷却水などの冷却用流体を外部から供給する必要が無いうえ、蒸発器６の中から冷媒を外部に取り出す必要もない。したがって、本実施形態によれば、冷凍サイクル装置１００の構造の複雑化を避けることができる。また、冷凍サイクルの熱収支の計算も容易である。

詳細には、熱交換器９は、蒸発器６の内部における下部に配置されている。蒸発器６の下部とは、鉛直方向（高さ方向）に関する蒸発器６の中間の位置よりも下側の部分を意味する。蒸発器６の下部に熱交換器９の全体が位置していてもよい。このような構成によれば、熱交換器９に液相の冷媒を確実に接触させることができるので、効率的な熱交換を期待できる。その結果、サイズの小さい熱交換器９を採用することが可能になる。

熱交換器９の構造は特に限定されない。熱交換器９は、フィンチューブ熱交換器、シェルチューブ熱交換器などの公知の熱交換器の構造を有していてもよい。熱交換器９がシェルチューブ熱交換器の構造を有する場合、蒸発器６を構成する容器が熱交換器９のシェルに兼用される。熱交換器９は、蒸発器６の内部に配置された、蛇行又は巻回された伝熱管を含む。

本実施形態において、戻し経路５の出口端（詳細には、第２部分５ｂの出口端）は、蒸発器６の空間部分に位置している。このような位置に戻し経路５の出口端が位置していると、蒸発器６に貯留された液相の冷媒による圧力が弁８の出口側に加わることを回避できる。その結果、より正確な流量制御を達成できる。

（変形例）
図２に示す冷凍サイクル装置１０２において、熱交換器９は、蒸発器６の外部に配置されている。この構成によれば、弁８に供給されるべき冷媒は、気相の冷媒、液相の冷媒、及び、他の熱媒体からなる群より選ばれる少なくとも１つの冷却用流体によって、熱交換器９において冷却されうる。他の熱媒体は、空気であってもよいし、水であってもよい。冷凍サイクル装置１０２のその他の構成は、図１を参照して説明した通りである。

本変形例においても熱交換器９の構造は特に限定されない。例えば、空気、気相の冷媒などの冷却用気体で戻し経路５を流れる冷媒を冷却する場合には、熱交換器９は、フィンチューブ熱交換器、シェルアンドチューブ熱交換器などの気−液熱交換器の構造を有しうる。冷却水、液相の冷媒などの冷却用液体で戻し経路５を流れる冷媒を冷却する場合には、熱交換器９は、プレート熱交換器、ブレージング熱交換器、二重管熱交換器などの液−液熱交換器の構造を有しうる。

（実施形態２）
本実施形態にかかる冷凍サイクル装置１０４は、複数の圧縮機３及び１３を備えている点において、実施形態１で説明した冷凍サイクル装置１００と異なる。本実施形態において、実施形態１における圧縮機３を第１圧縮機３と称する。弁８及び熱交換器９をそれぞれ第１弁８及び第１熱交換器９と称する。実施形態１に関する説明は、本実施形態にも援用される。

冷凍サイクル装置１０４は、実施形態１の冷凍サイクル装置１００の構成に加え、第２圧縮機１３及び中間経路１２をさらに備えている。中間経路１２は、第１圧縮機３の吐出口に接続された一端と、第２圧縮機１３の吸入口に接続された他端とを有する。第１圧縮機３、中間経路１２及び第２圧縮機１３は、圧縮機構２０を構成している。蒸気経路７の第１部分７ａによって蒸発器６と第１圧縮機３とが接続されている。蒸気経路７の第２部分７ｂによって第２圧縮機１３と凝縮器４とが接続されている。言い換えれば、蒸気経路７の第１部分７ａによって蒸発器６の出口と圧縮機構２０の入口とが接続されている。蒸気経路７の第２部分７ｂによって圧縮機構２０の出口と凝縮器４の入口とが接続されている。

中間経路１２は、第１部分１２ａ、中間冷却器２２、及び、第２部分１２ｂを有する。中間経路１２は、第１圧縮機３から第２圧縮機１３に冷媒を導くための経路である。中間経路１２の第１部分１２ａは、第１圧縮機３の吐出口に接続された一端と、中間冷却器２２に接続された他端とを有する。第１部分１２ａは、第１圧縮機３で圧縮された冷媒を中間冷却器２２に導くための経路である。中間経路１２の第２部分１２ｂは、中間冷却器２２に接続された一端と、第２圧縮機１３の吸入口に接続された他端とを有する。第２部分１２ｂは、中間冷却器２２で冷却された冷媒を第２圧縮機１３に導くための経路である。中間冷却器２２は、第１圧縮機３と第２圧縮機１３との間に配置されている。気相の冷媒は、第１圧縮機３で圧縮された後、中間冷却器２２において冷却され、第２圧縮機１３でさらに圧縮される。

第１圧縮機３と同じように、第２圧縮機１３は、容積型圧縮機であってもよいし、速度型圧縮機であってもよい。第１圧縮機３の型式は、第２圧縮機１３の型式と同一であってもよいし、異なっていてもよい。第２圧縮機１３は、インバータによって駆動されるモータなど、回転数を変化させるための機構を備えていてもよい。第１圧縮機３の吐出口における冷媒の温度、及び、第２圧縮機１３の吐出口における冷媒の温度は、例えば１２０℃である。

中間冷却器２２は、中間圧室を有する、液相の冷媒を貯留可能なタンクである。中間冷却器２２は、典型的には、断熱性及び耐圧性を有する容器によって構成されている。中間冷却器２２に貯留される液相の冷媒の温度は、例えば２０℃である。

本実施形態において、戻し経路５は、上流側部分１５及び下流側部分２５を含む。上流側部分１５は、凝縮器４の出口と中間冷却器２２とを接続している。下流側部分２５は、中間冷却器２２と蒸発器６の入口とを接続している。戻し経路５の上流側部分１５は、凝縮器４に貯留された液相の冷媒を中間冷却器２２に導くための経路である。戻し経路５の下流側部分２５は、中間冷却器２２に貯留された液相の冷媒を蒸発器６に導くための経路である。第１弁８及び第１熱交換器９は、下流側部分２５に配置されている。このような構成によれば、第１圧縮機３で圧縮された気相の冷媒の温度を凝縮器４から蒸発器６に移されるべき液相の冷媒で効率的に冷却することができる。

冷凍サイクル装置１０４は、さらに、第２弁１８及び第２熱交換器１９を備えている。第２弁１８は、戻し経路５の上流側部分１５に配置されている。第２熱交換器１９は、凝縮器４の出口と第２弁１８の入口との間において戻し経路５の上流側部分１５に配置されている。第１弁８は、戻し経路５の下流側部分２５に配置されている。第１熱交換器９は、中間冷却器２２の出口と第１弁８の入口との間において戻し経路５の下流側部分２５に配置されている。

戻し経路５の上流側部分１５は、第１部分１５ａ及び第２部分１５ｂを含む。第１部分１５ａは、凝縮器４の出口（液出口）と第２弁１８の入口とを接続している。第２部分１５ｂは、第２弁１８の出口と中間冷却器２２の入口（液入口）とを接続している。戻し経路５の下流側部分２５も、第１部分２５ａ及び第２部分２５ｂを含む。第１部分２５ａは、中間冷却器２２の出口（液出口）と第１弁８の入口とを接続している。第２部分２５ｂは、第１弁８の出口と蒸発器６の入口（液入口）とを接続している。戻し経路５は、複数の配管によって構成されうる。

第２弁１８は、戻し経路５の上流側部分１５における冷媒の流量を制御するための弁である。第２弁１８は、典型的には、流量制御弁（電動膨張弁）であり、キャピラリチューブのように一定の流路断面積を有する弁であってもよい。

第２熱交換器１９は、凝縮器４から第２弁１８に供給されるべき冷媒を冷却するための熱交換器である。詳細には、第２熱交換器１９は、中間冷却器２２の内部の冷媒と第２弁１８に供給されるべき冷媒とを熱交換させるように構成されている。中間冷却器２２に貯留された液相の冷媒は、凝縮圧に対応した飽和温度を有する。凝縮器４の液相の冷媒は、凝縮器４から第２弁１８への経路上において第２熱交換器１９で冷却され、過冷却状態になる。したがって、第２弁１８を通過した冷媒のフラッシュ蒸発量が減少し、ボイド率（気液体積比）も減少する。冷媒は、液相の状態を保ったまま、第２弁１８を通過する。そのため、第２弁１８を通過する冷媒の流量を十分に確保することが可能になる。定格条件、部分負荷条件、過負荷条件などの幅広い運転条件において、長時間にわたって冷凍サイクル装置１０４の定常的な運転が可能になる。第２弁１８の入口における冷媒の温度は、例えば２０℃である。

本実施形態では、第２熱交換器１９は、中間冷却器２２の内部に配置されている。したがって、凝縮器４から第２弁１９に供給されるべき冷媒は、中間冷却器２２の内部に貯留された液相の冷媒及び／又は中間冷却器２２の内部の気相の冷媒に熱を奪われ、冷却される。空気、冷却水などの冷却用流体を外部から供給する必要が無いうえ、中間冷却器２２の中から冷媒を外部に取り出す必要もない。したがって、本実施形態によれば、冷凍サイクル装置１０４の構造の複雑化を避けることができる。また、冷凍サイクルの熱収支の計算も容易である。

詳細には、第２熱交換器１９は、中間冷却器２２の内部における下部に配置されている。中間冷却器２２の下部とは、鉛直方向（高さ方向）に関する中間冷却器２２の中間の位置よりも下側の部分を意味する。中間冷却器２２の下部に第２熱交換器１９の全体が位置している。このような構成によれば、第２熱交換器１９に液相の冷媒を確実に接触させることができるので、効率的な熱交換を期待できる。その結果、サイズの小さい第２熱交換器１９を採用することが可能になる。

第１熱交換器９と同じように、第２熱交換器１９の構造は特に限定されない。第２熱交換器１９は、フィンチューブ熱交換器、シェルチューブ熱交換器などの公知の熱交換器の構造を有していてもよい。第２熱交換器１９がシェルチューブ熱交換器の構造を有する場合、中間冷却器２２を構成する容器が第２熱交換器１９のシェルに兼用される。第２熱交換器１９は、中間冷却器２２の内部に配置された、蛇行又は巻回された伝熱管を含む。

本実施形態において、戻し経路５の上流側部分１５の出口端（詳細には、第２部分１５ｂの出口端）は、中間冷却器２２の空間部分に位置している。このような位置に上流側部分１５の出口端が位置していると、中間冷却器２２に貯留された液相の冷媒による圧力が第２弁１８の出口側に加わることを回避できる。その結果、より正確な流量制御を達成できる。

本実施形態によれば、実施形態１で得られる効果に加え、次のような効果が得られる。凝縮器４に貯留された液相の冷媒は、凝縮圧に対応する飽和温度を有する。液相の冷媒は、凝縮器４から中間冷却器２２に導かれる。液相の冷媒は、第２熱交換器１９において中間冷却器２２に貯留された液相の冷媒と熱交換し、中間冷却器２２の内部の蒸気圧に対応した飽和温度まで冷却される。その結果、第２弁１８を通過する冷媒のフラッシュ蒸発が抑制される。冷媒は、液相の状態を保ちながら第２弁１８を通過する。そのため、所定流量の冷媒が第２弁１８を流れることができる。２段圧縮及び２段膨張によって高効率化された冷凍サイクルにおいても、定格負荷条件及び部分負荷条件を含む全ての運転条件で長時間の運転が可能になる。

本明細書に開示された冷凍サイクル装置は、空気調和装置、チラー、蓄熱装置などに有用であり、家庭用エアコン及び業務用エアコンに特に有用である。

３ 圧縮機
４ 凝縮器
５ 戻し経路
５ａ 戻し経路の第１部分
５ｂ 戻し経路の第２部分
６ 蒸発器
７ 蒸気経路
７ａ 蒸気経路の第１部分
７ｂ 蒸気経路の第２部分
８ 第１弁
９ 第１熱交換器
１２ 中間経路
１３ 第２圧縮機
１５ 上流側部分
１８ 第２弁
１９ 第２熱交換器
２０ 圧縮機構
２２ 中間冷却器
２５ 下流側部分
１００，１０２，１０４ 冷凍サイクル装置

Claims (8)

1. 蒸発器と、
   少なくとも１つの圧縮機を含む圧縮機構と、
   凝縮器と、
   前記蒸発器の出口と前記圧縮機構の入口とを接続している第１部分、及び、前記圧縮機構の出口と前記凝縮器の入口とを接続している第２部分を含む蒸気経路と、
   前記凝縮器の出口と前記蒸発器の入口とを接続している戻し経路と、
   前記戻し経路に配置された弁と、
   前記凝縮器の出口と前記弁の入口との間において前記戻し経路に配置され、前記蒸発器の内部の冷媒と前記弁に供給されるべき冷媒とを熱交換させるように構成された熱交換器と、
   を備えた、冷凍サイクル装置。
2. 前記熱交換器は、前記蒸発器の内部に配置されている、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記蒸発器は、水平面に平行な気液界面が内部に形成されるように構成された耐圧容器であり、
   前記熱交換器は、前記蒸発器の内部における下部に配置されている、請求項２に冷凍サイクル装置。
4. 前記圧縮機構は、第１圧縮機、第２圧縮機、及び、前記第１圧縮機の吐出口と前記第２圧縮機の吸入口とを接続している中間経路とを含み、
   前記中間経路は、中間冷却器を含み、
   前記戻し経路は、前記凝縮器の出口と前記中間冷却器とを接続している上流側部分と、前記中間冷却器と前記蒸発器の入口とを接続している下流側部分とを含み、
   前記下流側部分に前記弁及び前記熱交換器が配置されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記戻し経路の前記下流側部分に配置された前記弁及び前記熱交換器をそれぞれ第１弁及び第１熱交換器と定義したとき、
   前記冷凍サイクル装置は、
   前記戻し経路の前記上流側部分に配置された第２弁と、
   前記凝縮器の出口と前記第２弁の入口との間において前記戻し経路の前記上流側部分に配置された第２熱交換器と、
   をさらに備えている、請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記第２熱交換器は、前記中間冷却器の内部に配置されている、請求項５に記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記冷凍サイクル装置には、常温での飽和蒸気圧が負圧の冷媒が充填されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
8. 前記冷媒は、主成分として水を含む、請求項７に記載の冷凍サイクル装置。