JP2019066130A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機内の滞留水を、圧縮機外へ排出可能な冷凍サイクル装置を提供する。【解決手段】本実施形態の冷凍サイクル装置１は、蒸発器２、圧縮機３、凝縮器４、霧化機構５及び冷媒供給路１１を備えている。圧縮機３は、吸入配管６によって蒸発器２に接続され、吐出配管８によって凝縮器４に接続されている。圧縮機３の吐出口と凝縮器４の入口とに吐出配管８が接続されている。凝縮器４は、戻し経路９によって蒸発器２に接続されている。ドレン回路７は、圧縮機３の内部の冷媒蒸気経路の流路壁面３bと、蒸発器２もしくは凝縮器４の内部とを接続している。【選択図】図１

Description

本開示は、冷凍サイクル装置に関する。

従来の冷凍サイクル装置として、２段の圧縮機を備え、１段目の圧縮機から吐出された冷媒蒸気が２段目の圧縮機に吸入される前に冷却されるように構成された冷凍サイクル装置が知られている。

図７に示すように、特許文献１に記載された空気調和装置５００は、蒸発器５１０、遠心圧縮機５３１、ルーツ式圧縮機５３２、蒸気冷却器５３３及び凝縮器５２０を備えている。遠心圧縮機５３１が前段に設けられ、ルーツ式圧縮機５３２が下流段に設けられている。蒸発器５１０は、飽和状態の冷媒蒸気を生成する。冷媒蒸気は、遠心圧縮機５３１に吸入され、圧縮される。遠心圧縮機５３１で圧縮された冷媒蒸気がルーツ式圧縮機５３２でさらに圧縮される。遠心圧縮機５３１とルーツ式圧縮機５３２との間に配置された蒸気冷却器５３３において、冷媒蒸気が冷却される。

蒸気冷却器５３３は、遠心圧縮機５３１とルーツ式圧縮機５３２との間に設けられている。蒸気冷却器５３３において、冷媒蒸気に対して水が直接噴霧される。あるいは、蒸気冷却器５３３において、空気などの冷却媒体と冷媒蒸気との間で間接的に熱交換が行われる。

空気調和装置５００の効率を向上させるため、蒸気冷却器５３３において、ルーツ式圧縮機５３２に吸入されるべき冷媒の過熱度が低減されうる。しかし、遠心圧縮機５３１の圧縮過程で発生する過熱度、及び、ルーツ式圧縮機５３２の圧縮過程で発生する過熱度を取り除くことができない。

一方、遠心圧縮機の圧縮過程で発生する過熱度を取り除く手段として、遠心圧縮機の吸入口に向かって水など蒸発性を有する液滴を噴霧する霧化機構を備えた装置が知られている。液滴の蒸発潜熱による冷却効果の作用で、遠心圧縮機５３１の圧縮過程で発生する過熱度を取り除くことができ、空気調和装置５００の効率を向上させることができる。

特開２００８−１２２０１２号公報

しかしながら、前記液滴のうち大粒径の粒子は蒸発することなく遠心圧縮機の冷媒蒸気経路壁面に付着し、滞留するという課題を有していた。遠心圧縮機の流路壁面は、圧縮された冷媒の飽和蒸気温度以上の温度となっているため、滞留した液相冷媒が、流路壁面から熱を受け取り蒸発し、吸い込み流量増加により下流段の圧縮理論動力が増加する。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、滞留液を圧縮機外へ排出可能な冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本開示は、
蒸発器より上部に設置された速度型圧縮機であって、蒸発器に直接又は吸入配管を用いて接続され、蒸発器で生成された気相冷媒を吸入し、圧縮する圧縮機と、
圧縮機より下部に設置され、圧縮機で圧縮された気相冷媒を凝縮させて液相冷媒を生成する凝縮器と、
吸入配管の入口から圧縮機の吐出口に至る蒸気経路上に配置され、蒸気経路に向かって液相冷媒を噴霧する、又は、蒸発器の内部に配置され、圧縮機の吸入口に向かって液相冷媒を噴霧する霧化機構と、
霧化機構よりも下流から圧縮機の吐出部までの間の冷媒蒸気経路の流路壁面と、
蒸発器もしくは凝縮器を接続するドレン回路と、
を備えた、冷凍サイクル装置を提供する。

これにより、圧縮機内部の冷媒蒸気経路壁面に付着した冷媒液を、それが蒸発する前に圧縮機の外部へ排出することができる。

本開示によれば、圧縮機内部の冷媒蒸気経路に冷媒液が滞留しない。これにより、滞留した液冷媒の蒸発が抑制され、下流段の吸い込み流量が減少することで圧縮理論動力が減少し、冷凍サイクル装置の効率が向上する。

本開示の実施形態１もしくは実施形態３にかかる冷凍サイクル装置の構成図 霧化機構の一例の断面図 図１に示す冷凍サイクル装置の圧縮機の断面図 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 図４に示す冷凍サイクル装置の圧縮機の断面図 本開示の実施形態３にかかる冷凍サイクル装置の圧縮機の断面図 特許文献１に示した従来の空気調和装置の構成図

特許文献１に記載された空気調和装置によれば、蒸気冷却器５３３において、ルーツ式圧縮機５３２に吸入される冷媒の過熱度が低減されうる。しかし、遠心圧縮機５３１の圧縮過程で発生する過熱度、及び、ルーツ式圧縮機５３２の圧縮過程で発生する過熱度を取り除くことができない。冷媒の過熱度が増加すると冷媒のエンタルピーも上昇する。

圧縮機における理想的な圧縮過程は、完全に断熱された等エントロピー線に沿っている。冷媒のｐ−ｈ線図において、冷媒のエンタルピーが増えるにつれて、等エントロピー線の傾きが緩やかになり、より大きい圧縮動力が要求される。冷媒の過熱度が増加するにつれて、単位質量の冷媒の圧力を所定圧力まで上げるために、より大きい圧縮動力が必要とされる。言い換えれば、圧縮機の負荷が増加し、圧縮機の消費電力が増加する。

圧縮機には、霧化機構で生成された霧状の液相冷媒が吸入される。霧状の液相冷媒が圧縮機に吸入されると、圧縮機によって昇圧されて温度が上昇した気相冷媒と霧状の液相冷媒との間で熱交換が起こり、過熱状態の気相冷媒が霧状の液相冷媒の蒸発によって連続的に冷却される。これにより、圧縮過程での冷媒の過熱度の増加に起因する冷媒のエンタルピーの増加が連続的に抑制される。圧縮機が必要とする圧縮動力は、完全に断熱された等エントロピー圧縮に必要とされる圧縮動力未満まで低減されうる。冷媒の圧力を所定圧力まで上昇させるために圧縮機がなすべき仕事を大幅に低減できる。

本開示の第１態様にかかる冷凍サイクル装置は、
液相冷媒を蒸発させて気相冷媒を生成する蒸発器と、
蒸発器より上部に設置された速度型圧縮機であって、蒸発器に直接又は吸入配管を用いて接続され、蒸発器で生成された気相冷媒を吸入し、圧縮する圧縮機と、
圧縮機より下部に設置され、圧縮機で圧縮された気相冷媒を凝縮させて液相冷媒を生成する凝縮器と、
吸入配管の入口から圧縮機の吐出口に至る蒸気経路上に配置され、蒸気経路に向かって液相冷媒を噴霧する、又は、蒸発器の内部に配置され、圧縮機の吸入口に向かって液相冷媒を噴霧する霧化機構と、
霧化機構よりも下流から圧縮機の吐出部までの間の冷媒蒸気経路の流路壁面から、
蒸発器もしくは凝縮器の内部まで接続するドレン回路と、
を備えたものである。

第１態様によれば、圧縮機に噴霧された液相冷媒のうち、粒子径の大きいものが蒸発することなく圧縮機の流路壁面に付着し、滞留液が生じる場合でもドレン回路を通じて蒸発器もしくは凝縮器へ排出される。その結果、圧縮機内部の冷媒蒸気経路に冷媒液が滞留することがない。このため、滞留液の蒸発による下流段のインペラの理論圧縮動力増加を抑制し、圧縮機の消費電力を抑制し、冷凍サイクル装置の効率を向上させることができる。

本開示の第2様態において、
圧縮機は、蒸発器で発生した冷媒蒸気に回転速度を与える第一のインペラと、
第一のインペラから吐出された冷媒蒸気を減速させ、冷媒蒸気の圧力を上昇させる第一のディフューザと、
第一のディフューザから吐出された冷媒蒸気を受取り、外向きの流れを内向きに変えるリターンチャネルと、
リターンチャネルを通過した冷媒蒸気に回転速度を与える第二のインペラと、
を備え、
ドレン回路は、凝縮器の内部と、リターンチャネルの流路壁面とを接続している。

リターンチャネルの滞留液の温度は、リターンチャネルの上流段の圧縮高低により昇圧された圧力に応じた飽和蒸気温度付近まで上昇しており、蒸発器内部の蒸気温度よりも高い。滞留液が蒸発器へ排出される場合、熱ロスが発生する。すなわち、蒸発器の冷凍能力に寄与しない滞留液のフラッシュ蒸気を圧縮機が吸入するため、無駄に理論圧縮動力が増加する。第2様態によれば、高い圧力比が必要とされ、多段式の圧縮機を用いる場合でも、高温のリターンチャネルに存在する滞留液が凝縮器へ排出されるため、リターンチャネルに冷媒液が滞留しない。さらに、滞留液を蒸発器へ排出する際に生じる熱ロスを避け、冷凍サイクル装置の効率を向上させることができる。

本開示の第３様態において、
圧縮機は、蒸発器で発生した冷媒蒸気に回転速度を与える第一のインペラと、
冷媒蒸気をインペラへ導入する入口流路と、
を備え、
ドレン回路は、蒸発器の内部から、入口流路の流路壁面のうちインペラの入口面に隣接した場所までを接続している。

圧縮機１段目の入口流路に存在する滞留水は、蒸発器の飽和蒸気圧と飽和蒸気温度となっている。滞留水を凝縮器に排出した場合、低温の滞留水が高温の凝縮器内の水と混ざり、熱ロスが発生する。凝縮器に排出した液相の水は、冷凍サイクルを成立させるために最終的に凝縮器から蒸発器へ戻される。その際に液相の水は蒸発器の低圧空間でフラッシュ蒸発し冷却されるが、その冷熱は蒸発器の冷凍能力に寄与せず、圧縮機の圧縮動力を消費するため、冷凍サイクル装置の効率が低下する。第３形態によれば、過負荷条件において、霧化機構からの噴霧量が多い場合でも、入口流路壁面のうちインペラの入口面に隣接した場所から、蒸発器へ滞留水が排出され、圧縮機１段目の入口流路に冷媒液が滞留しない。さらに、冷媒液を凝縮器に排出した場合と比較して圧縮機の理論動力の増加が抑制され、冷凍サイクル装置の効率を向上させることができる。

以下、本発明の実施形態について、図１から図４を参照して説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されない。

＜実施の形態１＞
図１に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置１は、蒸発器２、圧縮機３、凝縮器４、霧化機構５及び冷媒供給路１１を備えている。圧縮機３は、吸入配管６によって蒸発器２に接続され、吐出配管８によって凝縮器４に接続されている。詳細には、蒸発器２の出口と圧縮機３の吸入口とに吸入配管６が接続されている。圧縮機３の吐出口と凝縮器４の入口とに吐出配管８が接続されている。凝縮器４は、戻し経路９によって蒸発器２に接続されている。戻し経路９は、少なくとも１つの配管によって形成されている。蒸発器２、圧縮機３及び凝縮器４がこの順番で環状に接続されて冷媒回路１０が形成されている。

蒸発器２において冷媒が蒸発し、気相冷媒（冷媒蒸気）が生成される。蒸発器２で生成された気相冷媒は、吸入配管６を通じて、圧縮機３に吸入されて圧縮される。圧縮された気相冷媒は、吐出配管８を通じて、凝縮器４に供給される。凝縮器４において気相冷媒が冷却されて液相冷媒（冷媒液）が生成される。液相冷媒は、戻し経路９を通じて、凝縮器４から蒸発器２に送られる。

冷凍サイクル装置１には、単一の種類の冷媒が充填されている。冷媒として、フロン系冷媒、低ＧＷＰ（Global Warming Potential）冷媒及び自然冷媒を用いることができる。フロン系冷媒としては、ＨＣＦＣ（hydrochlorofluorocarbon）、ＨＦＣ（hydrofluorocarbon）などが挙げられる。低ＧＷＰ冷媒としては、ＨＦＯ−１２３４ｙｆなどが挙げられる。自然冷媒としては、ＣＯ2、水などが挙げられる。

冷凍サイクル装置１には、望ましくは、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が挙げられる。「主成分」とは、質量比で最も多く含まれた成分を意味する。

冷媒として水を用いた場合、冷凍サイクルにおける圧力比が拡大し、冷媒の過熱度が過大になることが多い。蒸発器２で生成された気相冷媒とともに、霧化機構５で生成された霧状の液相冷媒を圧縮機３に吸入させることによって、圧縮過程での冷媒の過熱度の増加に起因する冷媒のエンタルピーの増加が連続的に抑制される。これにより、冷媒の圧力を所定圧力まで上昇させるために圧縮機３がする仕事を大幅に低減できる。つまり、圧縮機３の消費電力を大幅に節約できる。

冷凍サイクル装置１は、さらに、吸熱回路１２及び放熱回路１３を備えている。

吸熱回路１２は、蒸発器２で冷却された液相冷媒を使用するための回路であり、ポンプ、室内熱交換器などの必要な機器を有している。吸熱回路１２の一部は蒸発器２の内部に位置している。蒸発器２の内部において、吸熱回路１２の一部は、液相冷媒の液面よりも上に位置していてもよいし、液相冷媒の液面よりも下に位置していてもよい。吸熱回路１２には、水、ブラインなどの熱媒体が充填されている。

蒸発器２に貯留された液相冷媒は、吸熱回路１２を構成する部材（配管）に接触する。これにより、液相冷媒と吸熱回路１２の内部の熱媒体との間で熱交換が行われ、液相冷媒が蒸発する。吸熱回路１２の内部の熱媒体は、液相冷媒の蒸発潜熱によって冷却される。例えば、冷凍サイクル装置１が室内の冷房を行う空気調和装置である場合、吸熱回路１２の熱媒体によって室内の空気が冷却される。室内熱交換器は、例えば、フィンチューブ熱交換器である。

放熱回路１３は、凝縮器４の内部の冷媒から熱を奪うために使用される回路であり、ポンプ、冷却塔などの必要な機器を有している。放熱回路１３の一部は凝縮器４の内部に位置している。詳細には、凝縮器４の内部において、放熱回路１３の一部は、液相冷媒の液面よりも上に位置している。放熱回路１３には、水、ブラインなどの熱媒体が充填されている。冷凍サイクル装置１が室内の冷房を行う空気調和装置である場合、凝縮器４は室外に配置され、放熱回路１３の熱媒体によって凝縮器４の冷媒が冷却される。

圧縮機３から吐出された高温の気相冷媒は、凝縮器４の内部において、放熱回路１３を構成する部材（配管）に接触する。これにより、気相冷媒と放熱回路１３の内部の熱媒体との間で熱交換が行われ、気相冷媒が凝縮する。放熱回路１３の内部の熱媒体は、気相冷媒の凝縮潜熱によって加熱される。気相冷媒によって加熱された熱媒体は、例えば、放熱回路１３の冷却塔（図示せず）において外気又は冷却水によって冷却される。

蒸発器２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２は、液相冷媒を貯留するとともに、液相冷媒を内部で蒸発させる。蒸発器２の内部の液相冷媒は、蒸発器２の外部からもたらされた熱を吸収し、蒸発する。すなわち、吸熱回路１２から熱を吸収することによって加熱された液相冷媒が蒸発器２の中で蒸発する。本実施形態において、蒸発器２に貯留された液相冷媒は、吸熱回路１２を循環する熱媒体と間接的に接触する。つまり、蒸発器２に貯留された液相冷媒の一部は、吸熱回路１２の熱媒体によって加熱され、飽和状態の液相冷媒を加熱するために使用される。蒸発器２に貯留された液相冷媒の温度、及び、蒸発器２で生成された気相冷媒の温度は、例えば５℃である。

本実施形態において、蒸発器２は、間接接触型の熱交換器（例えば、シェルチューブ熱交換器）である。ただし、蒸発器２は、噴霧式又は充填材式の熱交換器のような直接接触型の熱交換器であってもよい。つまり、吸熱回路１２に液相冷媒を循環させることによって、液相冷媒を加熱してもよい。さらに、吸熱回路１２が省略されていてもよい。

圧縮機３は、蒸発器２で生成された気相冷媒を吸入して圧縮する。圧縮機３は、速度型圧縮機（dynamic compressor）である。速度型圧縮機は、気相冷媒に運動量を与え、その後、減速させることによって気相冷媒の圧力を上昇させる圧縮機である。速度型圧縮機として、遠心圧縮機、斜流圧縮機、軸流圧縮機などが挙げられる。速度型圧縮機は、ターボ圧縮機とも呼ばれる。圧縮機３は、回転数を変化させるための可変速機構を備えていてもよい。可変速機構の例は、圧縮機３のモータを駆動するインバータである。圧縮機３の吐出口における冷媒の温度は、例えば１００〜１５０℃の範囲にある。

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、圧縮機３で圧縮された気相冷媒を凝縮させるとともに、気相冷媒を凝縮させることによって生じた液相冷媒を貯留する。本実施形態では、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気相冷媒が間接的に接触して凝縮する。つまり、気相冷媒は、放熱回路１３の熱媒体によって冷却され、凝縮する。凝縮器４に導入される気相冷媒の温度は、例えば、１００〜１５０℃の範囲にある。凝縮器４に貯留された液相冷媒の温度は、例えば３５℃である。

本実施形態において、凝縮器４は、間接接触型の熱交換器（例えば、シェルチューブ熱交換器）である。ただし、凝縮器４は、噴霧式又は充填材式の熱交換器のような直接接触型の熱交換器であってもよい。つまり、放熱回路１３に液相冷媒を循環させることによって、液相冷媒を冷却してもよい。さらに、放熱回路１３が省略されていてもよい。

吸入配管６は、蒸発器２から圧縮機３に気相冷媒を導くための流路である。吸入配管６を介して、蒸発器２の出口が圧縮機３の吸入口に接続されている。

吐出配管８は、圧縮機３から凝縮器４に圧縮された気相冷媒を導くための流路である。吐出配管８を介して、圧縮機３の吐出口が凝縮器４の入口に接続されている。

霧化機構５は、液相冷媒を微粒化して噴霧する噴霧ノズルである。霧化機構５は、吸入配管６の入口から圧縮機３の吐出口に至る第１蒸気経路上に配置されている。本実施形態において、霧化機構５は、吸入配管６に取り付けられている。吸入配管６は、第１蒸気経路の一部を構成している。つまり、霧化機構５は、第１蒸気経路上に配置されており、第１蒸気経路に向かって液相冷媒を噴霧する。霧化機構５は、例えば、圧縮機３の吸入口の方向を向いている。この場合、霧化機構５で生成された霧状の液相冷媒が圧縮機３に確実に吸入されうる。吸入配管６がＬ字状に曲がっているとき、霧化機構５は、吸入配管６の直線部分であって、圧縮機３に接続された部分に液相冷媒を噴霧する。これにより、吸入配管６の内壁面に衝突する液相冷媒の粒子の数を減らすことができる。

本実施形態において、冷媒供給路１１は、蒸発器２と霧化機構５とを接続している。冷媒供給路１１を通じて、蒸発器２に貯留された液相冷媒が霧化機構５に供給される。冷媒供給路１１は、少なくとも１つの配管によって構成されうる。冷媒供給路１１の入口は、蒸発器２において、蒸発器２に貯留された液相冷媒の液面よりも下に位置している。冷媒供給路１１には、ポンプ、弁などが配置されていてもよい。

圧縮機３には、圧縮機３の入口の吸入口３aと圧縮機３の内部の冷媒蒸気経路の流路壁面３bとが備えられている。

ドレン回路７は、流路壁面３bと蒸発器２の内部とを接続している。

図２に示すように、霧化機構５は、液相冷媒を液相状態のまま微粒化する一流体微粒化ノズルでありうる。霧化機構５は、ノズル本体５１、噴射口５２及び衝突部５３を備えている。ノズル本体５１は、冷媒供給路１１の一端に接続された筒状の部分である。噴射口５２は、ノズル本体５１の先端に設けられている。複数の噴射口５２がノズル本体５１に設けられていてもよい。噴射口５２は、非常に小さい孔（オリフィス）であってもよい。衝突部５３は、噴射口５２の中心軸上に配置されている。衝突部５３は、噴射口５２の中心軸に対して傾斜した平面である衝突面５４を有している。液相冷媒が噴射口５２を通過すると、液相冷媒の噴流５５が生成される。噴流５５が衝突部５３に衝突することによって液相冷媒が微粒化され、液相冷媒の粒子の流れＶＰが形成される。液相冷媒の粒子の流れＶＰは、衝突面５４の傾斜方向に向かって進む。

霧化機構５から噴霧された液相冷媒の粒子は、気相冷媒と液相冷媒の粒子との間の熱交換が効率的に行われる大きさを有していることが望ましい。液相冷媒の粒子の大きさは、例えば、１〜１０μｍの範囲にある。

霧化機構５の構造は、図２に示す構造に限定されない。霧化機構５として、スワールノズル、二流体ノズル、超音波ノズルなどの噴霧ノズルが使用されうる。スワールノズルは、遠心力を利用して液体を微粒化する噴霧ノズルである。二流体ノズルは、液体の流れと気体の流れとの相対速度を利用して液体を微粒化する噴霧ノズルである。超音波ノズルは、超音波を利用して液体を微粒化する噴霧ノズルである。

戻し経路９は、凝縮器４から蒸発器２に液相冷媒を導くための流路である。戻し経路９によって、蒸発器２と凝縮器４とが接続されている。戻し経路９にポンプ、流量調整弁などが配置されていてもよい。戻し経路９は、少なくとも１つの配管によって構成されうる。

次に、圧縮機３の構造について詳細に説明する。

図３に示すように、圧縮機３は、インペラ４７、回転軸３２、第１ディフューザ３３a、ボリュート３４及びハウジング３５を備えている。

インペラ４７は、回転軸３２に取り付けられており、高速で回転する。インペラ４７及び回転軸３２の回転数は、例えば、５０００〜１０００００ｒｐｍの範囲にある。インペラ４７は、例えば、アルミニウム、ジュラルミン、鉄、セラミックなどの材料で作製されている。回転軸３２は、Ｓ４５ＣＨなどの強度の高い鉄系材料で作製されている。インペラ４７は、周方向に沿って配置された複数のブレードを有する。隣り合うブレードの間に翼間流路３８が形成されている。インペラ４７が回転すると、複数の翼間流路３８のそれぞれを流れる気相冷媒に回転方向の速度が与えられる。

第１ディフューザ３３aは、インペラ４７によって回転方向に加速された気相冷媒を吐出空間３７に導くための流路である。第１ディフューザ３３aの流路断面積は、翼間流路３８から吐出空間３７に向かって拡大している。この構造は、インペラ４７によって加速された気相冷媒の流速を減速させ、気相冷媒の圧力を上昇させる。第１ディフューザ３３aは、例えば、半径方向に延びる流路によって構成されたベーンレスディフューザである。冷媒の圧力を効果的に上昇させるために、第１ディフューザ３３aは、複数のベーン及びそれらによって仕切られた複数の流路を有するベーンドディフューザであってもよい。

ボリュート３４は、吸入空間３６及び吐出空間３７を形成している部品である。吸入空間３６は、圧縮されるべき気相冷媒をインペラ４７に向けて導くための流路である。吸入空間３６は、インペラ４７の上流に位置しており、ボリュート３４の内周面である筒状のシュラウド壁に囲まれている。吐出空間３７は、第１ディフューザ３３aを通過した気相冷媒が集められる空間である。圧縮された気相冷媒は、吐出空間３７を経由して、圧縮機３の外部（吐出配管８）へと導かれる。吐出空間３７の断面積が円周方向に沿って拡大しており、これにより、吐出空間３７における気相冷媒の流速及び角運動量が一定に保たれる。ボリュート３４は、鉄系材料又はアルミニウム系材料によって作製されている。鉄系材料として、ＦＣ２５０、ＦＣＤ４００、ＳＳ４００などが挙げられる。アルミニウム系材料として、ＡＣＤ１２などが挙げられる。

ハウジング３５は、圧縮機３の各種部品を収容するケーシングの役割を担っているとともに、第１ディフューザ３３aを形成している。詳細には、ボリュート３４とハウジング３５とが組み合わされることによって、第１ディフューザ３３a及び吐出空間３７が形成されている。ハウジング３５は、上記した鉄系材料又はアルミニウム系材料によって作製されうる。第１ディフューザ３３aがベーンドディフューザであるとき、複数のベーンも上記した鉄系材料又はアルミニウム系材料によって作製されうる。

吸入空間３６の上流側には、インレットガイドベーン（ＩＧＶ）が設けられていてもよい。

ドレン回路７は、吐出空間の流路壁面３bの最下部に設けられた孔と連通している。

次に、冷凍サイクル装置１の動作及び作用を説明する。

冷凍サイクル装置１が一定期間（例えば夜間）放置された場合、冷凍サイクル装置１の内部（冷媒回路１０）の温度は、周囲温度に概ね均衡する。冷凍サイクル装置１の内部の圧力は、特定の圧力に均衡する。圧縮機３を起動すると、蒸発器２の内部の圧力が徐々に低下し、吸熱回路１２を介して液相冷媒が内気と熱交換する二次回路の流体から吸熱することによって蒸発し、気相冷媒が生成される。気相冷媒は、圧縮機３に吸入されて圧縮され、圧縮機３から吐出される。高圧の気相冷媒は、凝縮器４に導入され、放熱回路１３を介して気相冷媒が外気等に放熱することによって凝縮し、液相冷媒が生成される。液相冷媒は、戻し経路９を通じて、凝縮器４から蒸発器２へと送られる。

圧縮機３には、蒸発器２で生成された気相冷媒とともに、霧化機構５で生成された霧状の液相冷媒が吸入される。霧状の液相冷媒が圧縮機３に吸入されると、圧縮機３によって昇圧されて温度が上昇した気相冷媒と霧状の液相冷媒との間で熱交換が起こり、過熱状態の気相冷媒が霧状の液相冷媒の蒸発によって連続的に冷却される。これにより、圧縮過程での冷媒の過熱度の増加に起因する冷媒のエンタルピーの増加が連続的に抑制される。圧縮機３が必要とする圧縮動力は、完全に断熱された等エントロピー圧縮に必要とされる圧縮動力未満まで低減されうる。冷媒の圧力を所定圧力まで上昇させるために圧縮機３がなすべき仕事を大幅に低減できる。つまり、圧縮機３の消費電力を大幅に節約できる。その結果、冷凍サイクル装置１の効率が向上する。

図２に示す構造によれば、衝突面５４の傾斜方向に液相冷媒の粒子を集中的に飛ばすことが可能である。例えば、スワールノズルを霧化機構５に使用した場合、液相冷媒の粒子が広範囲に広がってその多くが吸入配管６の内壁面又は圧縮機３の内壁面に衝突する可能性がある。この場合、気相冷媒の連続的な冷却に利用される液相冷媒の粒子の数が減少する。本実施形態の構造によれば、そのような不利益を回避又は減らすことができる。その結果、圧縮動力を低減する効果が確実に得られる。もちろん、霧化機構５として、スワールノズルを使用できる。

本実施形態によれば、冷媒供給路１１を通じて、蒸発器２に貯留された液相冷媒が霧化機構５に供給される。圧縮機３には、圧縮機３に吸入される気相冷媒の温度（飽和温度）と概ね同じ温度の霧状の液相冷媒が吸入される。この場合、液相冷媒がフラッシュ蒸発して圧縮機３の内部で蒸気量が急増することを防止できる。その結果、蒸気量の増加に伴う圧縮動力の増加が抑制される。蒸気量の増加に伴う圧縮動力の増加が抑制されるので、過負荷運転時のように圧縮機入力が過大となる運転条件下でも、冷凍能力を大幅に下げることなく、上記したメカニズムによって、圧縮動力を低減する効果が得られる。また、蒸気量の増加によって圧縮機３がチョーキングを起こすことも防止できる。

霧状の液相冷媒が、気相冷媒と共に翼間流路３８を移動し、第１ディフューザ３３aを通過する。このときに気相冷媒の流速が減少し、運動量が圧力に変換されることで圧縮され、気相冷媒の温度が上昇する。霧状の液相冷媒はこの高温蒸気と熱交換することで蒸発する。ただし、大径の液相冷媒粒子が含まれる場合、完全に蒸発する前に冷媒蒸気の流線から逸れ、吐出空間の流路壁面３bに衝突する。衝突した液滴は吐出空間の流路壁面３b最下部に集積する。吐出空間は蒸発器２よりも高い位置にあるため、液相冷媒は重力ヘッド差によりドレン回路７を通り、蒸発器２内部へ排出される。このため、集積した液相冷媒の蒸発による圧縮機の理論動力増加を抑えることが出来る。

（変形例１）
霧化機構５から液相冷媒を噴射しない状態で運転する場合は、液相冷媒が流路壁面３b最下部に集積していない場合が考えられる。この場合は、ドレン回路７を通じて、吐出空間３７中の高圧蒸気冷媒が蒸発器２に漏れることによるロスが発生する。ドレン回路７の途中に弁を設け、霧化機構５から液相冷媒を噴射しない状態ではドレン回路７を閉止すれば良い。

＜実施の形態２＞
図４に示すように、ドレン回路７は、圧縮機３の流路壁面３bから、凝縮器４までを接続している。詳細を図５に示すように、圧縮機３は、第１インペラ３１aと、第２インペラ３１ｂは、回転軸３２に取り付けられており、高速で回転する。第１インペラ３１aと、第２インペラ３１ｂ及び回転軸３２の回転数は、例えば、５０００〜１０００００ｒｐｍの範囲にある。第１インペラ３１aと、第２インペラ３１ｂは、例えば、アルミニウム、ジュラルミン、鉄、セラミックなどの材料で作製されている。回転軸３２は、Ｓ４５ＣＨなどの強度の高い鉄系材料で作製されている。第１インペラ３１aと、第２インペラ３１ｂは、周方向に沿って配置された複数のブレードを有する。隣り合うブレードの間に翼間流路３８が形成されている。インペラ４７が回転すると、複数の翼間流路３８のそれぞれを流れる気相冷媒に回転方向の速度が与えられる。

第１ディフューザ３３aは、第１インペラ３１aによって加速された気相冷媒の流速を減速させ、気相冷媒の圧力を上昇させる。第１ディフューザ３３aにより減速昇圧された冷媒は、リターンチャネル３９に沿って、再び中心方向に流れの向きを変え、第２インペラ３１ｂへ吸入される。第２インペラ３１ｂによって加速された冷媒は、第2ディフューザ３３ｂへ流入した後、再び減速昇圧され、吐出空間３７を通って圧縮機から吐出される。

ドレン回路７は、リターンチャネル３９最下部と、凝縮器４とを接続している。

霧状の液相冷媒が、気相冷媒と共に翼間流路３８を移動し、第１ディフューザ３３aを通過する。このときに気相冷媒の流速が減少し、運動量が圧力に変換されることで圧縮され、気相冷媒の温度が上昇する。霧状の液相冷媒はこの高温蒸気と熱交換することで蒸発する。ただし、大径の液相冷媒粒子が含まれる場合、完全に蒸発する前に冷媒蒸気の流線から逸れ、吐出空間３７の流路壁面３bに衝突する。衝突した液滴はリターンチャネル３９最下部に集積する。集積した液相冷媒は、吐出空間３７と凝縮器４のヘッド差によりドレン回路７を通り、凝縮器４内部へ排出される。液相冷媒がドレン回路７をヘッド差により流れるためには、吐出空間３７と凝縮器４の圧力差ΔＰよりもドレン回路７のヘッド差ΔＨが大きい必要がある。具体的には、液相冷媒の密度ρ、重力加速度ｇ、ドレン回路７の入口と出口の高低差ｈとすると、ΔＰ＜ΔＨ＝ρｇｈである必要がある。

本実施形態によれば、リターンチャネル最下部に集積する液相冷媒の温度は、第１インペラ３１aにより昇圧され高温となった気相冷媒の飽和蒸気温度となっている。高温の液相冷媒を蒸発器２ではなく凝縮器４に排出することで、熱ロスによる冷凍サイクル装置の効率の低下を防ぐことができる。

＜実施の形態３＞
図１に示すように、ドレン回路７は、圧縮機３の吸入口３aから、蒸発器２までを接続している。詳細を図６に示すように、ドレン回路７は、吸入口３aの流路壁面と、蒸発器２とを接続している。

霧化機構５から噴霧された液相冷媒のうち一部は、第１インペラに吸入される前に、吸入口３aの流路壁面に付着し、吸入空間３６の流路壁面の最下部に集積する。吸入口３aの流路壁面の最下部に本実施形態によれば、集積した液相冷媒は、ドレン回路７を通じて蒸発器２へ排出される。このとき、吸入空間３６は蒸発器２と等しい圧力であり、飽和蒸気温度も等しい。よって、ドレン回路７を通じてヘッド差により流れる液相冷媒も、排出先の蒸発器２の飽和蒸気温度と等しいため、熱ロスは発生しない。

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、業務用エアコンなどの空気調和装置に特に有用である。

１ 冷凍サイクル装置
２ 蒸発器
３ 圧縮機
３ａ 吸入口
３ｂ 冷媒蒸気経路の流路壁面
４ 凝縮器
５ 霧化機構
６ 吸入配管
７ ドレン回路
８ 吐出配管
９ 戻し経路
１０ 冷媒回路
１１ 冷媒供給路
１２ 吸熱回路
１３ 放熱回路
３１a 第１インペラ
３１b 第２インペラ
３２ 回転軸
３３a 第１ディフューザ
３３b 第２ディフューザ
３４ ボリュート
３５ ハウジング
３６ 吸入空間
３７ 吐出空間
３８ 翼間流路
３９ リターンチャネル
５１ ノズル本体
５２ 噴射口
５３ 衝突部
５４ 衝突面
５５ 噴流

Claims (3)

1. 冷媒液を蒸発させ冷媒蒸気を発生させる蒸発器と、
   前記蒸発器より上部に設置され、前記蒸発器で発生した冷媒蒸気を吸入し、圧縮して吐出する圧縮機と、
   前記圧縮機より下部に設置され、前記圧縮機から吐出された冷媒蒸気を導入、凝縮させ冷媒液を生成する凝縮器と、
   前記凝縮器から前記蒸発器へ前記冷媒液を戻す流路と、
   前記蒸発器から前記圧縮機出口までの冷媒蒸気が流れる冷媒蒸気経路の冷媒蒸気空間に冷媒液を噴霧する霧化機構と、を備え、
   前記霧化機構よりも下流から前記圧縮機出口までの冷媒蒸気経路の流路壁面から、
   前記蒸発器もしくは前記凝縮器と接続するドレン回路と、
   を備えた冷凍サイクル装置。
2. 前記圧縮機は、前記蒸発器で発生した冷媒蒸気に回転速度を与える第一のインペラと、
   前記第一のインペラから吐出された冷媒蒸気の速度を減速させ、冷媒蒸気の圧力を上昇させる第一のディフューザと、
   前記第一のディフューザから吐出された冷媒蒸気を受取り、流れの向きを変えるリターンチャネルと、
   前記リターンチャネルを通過した冷媒蒸気に回転速度を与える第二のインペラと、を備え、
   前記ドレン回路は、前記凝縮器の内部と、前記リターンチャネルの流路壁面とを接続している、
   請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記圧縮機は、前記蒸発器で発生した冷媒蒸気に回転速度を与える第一のインペラと、
   前記冷媒蒸気を前記インペラへ導入する入口流路と、を備え、
   前記ドレン回路は、前記蒸発器の内部から、前記入口流路の流路壁面のうち前記インペラの入口面に隣接した場所までを接続している、
   請求項１に記載の冷凍サイクル装置。