JP5794009B2 - 冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍装置に関する。

従来より、放熱器を通過した冷媒を、蒸発器側に向かう冷媒と、再び圧縮機構の吸入側にインジェクションさせる冷媒と、に分ける冷媒回路が採用された冷凍装置が知られている。

例えば、特許文献１（特開２００７−２６３４４０号公報）に記載の冷凍装置では、インジェクションさせる冷媒の量（インジェクション量）を調節することにより、能力および運転効率を向上させた技術が記載されている。

冷凍装置においては、圧縮機構として、インペラを備えた遠心圧縮機が採用されるものがあり、インペラとしては、羽根が放射状に広がりながら傾斜して設けられているものがある。このような形状のインペラが採用された遠心圧縮機が用いられている場合には、インペラの吸入側の冷媒流れとしては、損失を少なく抑える観点から、羽根の傾斜角度や回転数に応じた程度の旋回流を与えることが望まれる。

このような旋回流は、例えば、冷媒流れが合流する配管接続部分において、一方の配管の軸方向に対して、他方の配管の軸方向が異なる角度で合流させる形態を採用すること等によって生じさせることが考えられる。

しかし、上記の特許文献１（特開２００７−２６３４４０号公報）に記載された冷凍装置では、インジェクション量が所望の流量となるように調節することのみが考察されており、吸入冷媒に旋回流を生じさせることは考察されておらず、そのため、旋回流の程度についても検討されていない。

このため、従来の冷凍装置において、遠心圧縮機の吸入冷媒に旋回流を生じさせようとしても、調節された所望のインジェクション量の流量から定まる流速と、合流対象の冷媒流れの流速と、によって定まる旋回流のみが生じるにすぎない。この調節される所望のインジェクション量は、冷凍装置の運転条件等に応じて変化するため、運転条件等が変われば生じる旋回流も変わってしまう。したがって、従来の冷凍装置では、所望のインジェクション量に調節された状態において、目的とする旋回流を形成することはできていなかった。

本発明は、上述した点に鑑みてなされたものであり、本発明の課題は、所望の流量のインジェクション量を確保しつつ目的とする旋回流を形成させることが可能な冷凍装置を提供することにある。

本発明の第１観点に係る冷凍装置は、多段圧縮冷凍サイクルを行う冷凍装置であって、ｎ個の圧縮機構（ｎは２以上の自然数）と、冷媒の熱を放熱する放熱器と、膨張機構と、冷媒を加熱するための蒸発器と、ｍ段中間連結管と、インジェクション回路と、エコノマイザ熱交換器と、エコノマイザ膨張弁と、制御部と、を備えている。ｎ個の圧縮機構（ｎは２以上の自然数）は、それぞれが羽根が傾斜して設けられたインペラをそれぞれ有している。そして、これらのｎ個の圧縮機構（ｎは２以上の自然数）は、互いに直列に接続されている。放熱器は、冷媒の熱を放熱する。ｍ段中間連結管は、ｍ段目の圧縮機構（ｍはｎ未満の自然数）の吐出側とｍ＋１段目の圧縮機構の吸入側とを接続する。このｍ段中間連結管は、合計でｎ−１個設けられている。インジェクション回路は、放熱器から膨張機構に向かう冷媒流れの一部を分岐させてｍ段中間連絡管に合流させる。エコノマイザ熱交換器は、放熱器から膨張機構に向かう冷媒と、インジェクション回路を流れる冷媒との間で熱交換を行わせる。エコノマイザ膨張弁は、インジェクション回路の途中であってエコノマイザ熱交換器において熱交換が行われる部分よりも上流側に設けられている。インジェクション回路は、上流側流路と、下流側流路と、調節機構と、を有している。上流側流路は、エコノマイザ膨張弁を通過した冷媒の一部を、ｍ段中間連絡管の上流側合流点まで導く。下流側流路は、エコノマイザ膨張弁を通過した冷媒の他の一部を、ｍ＋１段目の圧縮機構の吸入冷媒に旋回流を与えるようにｍ段中間連絡管の上流側合流点より下流側の下流側合流点まで導く。調節機構は、上流側流路と下流側流路の冷媒流量比を調節する。制御部は、ｍ＋１段目の圧縮機構の吐出冷媒の過熱度が目標とする過熱度となるようにエコノマイザ膨張弁の弁開度を制御しつつ、調節機構を制御して冷媒流量比を調節することにより、ｍ＋１段目の圧縮機構の吸入冷媒に生じさせる旋回流を調節する。

なお、インジェクション回路は、ｎ−１個のｍ段中間連結管の全てに対応するようにｎ−１個設けられている必要はなく、例えば、全てのｍ段中間連結管のうちのｎ−１個よりも少ない数の特定の中間連結管にのみ設けられていてもよい。

この冷凍装置では、インジェクション回路を流れる冷媒は、上流側流路を流れる冷媒と、下流側流路を流れる冷媒と、に分けられている。しかも、これらの上流側流路と下流側流路を流れる冷媒流量の比率は、制御部が調節機構を操作することで調節される。これにより、下流側流路においては目的とする旋回流を形成させるために必要な流速が確保される流量を流すように調節機構によって調節し、上流側流路においては能力や運転効率から定められたインジェクション量のなかから下流側流路に流す分を差し引いた残りの流量を流すことができる。

これにより、所望の流量のインジェクション量を確保しつつ目的とする旋回流を形成させることが可能になる。

本発明の第２観点に係る冷凍装置は、第１観点に係る冷凍装置において、制御部は、インジェクション回路のエコノマイザ熱交換器の出口を流れる冷媒の圧力とｍ＋１段目の圧縮機構の吸入冷媒の圧力の差圧に応じて予め定められている流量比となるように、調節機構を制御する。

この冷凍装置では、エコノマイザ熱交換器の出口を流れる冷媒の圧力と、ｍ＋１段目の圧縮機構の吸入冷媒の圧力と、を把握することにより、簡単な操作で目的とする旋回流を形成させることが可能になる。

本発明の第３観点に係る冷凍装置は、第１観点または第２観点に係る冷凍装置において、下流側流路は、スロート形状を有している。

この冷凍装置では、下流側流路がスロート形状を有していることにより、スロート形状部分を通過した冷媒の流速を上げることができる。このため、インジェクション回路を流れる冷媒流量が少ない場合であっても、目的とする旋回流を形成させやすくなる。

本発明の第１観点に係る冷凍装置では、所望の流量のインジェクション量を確保しつつ目的とする旋回流を形成させることが可能になる。

本発明の第２観点に係る冷凍装置では、簡単な操作で目的とする旋回流を形成させることが可能になる。

本発明の第３観点に係る冷凍装置では、インジェクション回路を流れる冷媒流量が少ない場合であっても、目的とする旋回流を形成させやすくなる。

冷凍装置の概略冷媒回路図である。 冷凍装置に対応するモリエル線図である。 制御構成を示すブロック図である。 圧縮機構の概略断面図である。 インペラの外観を示す概略斜視図である。 合流部分近傍の概略斜視図である。 ヒートポンプ装置の運転制御フローチャートである。 他の実施形態（６−１）に係る複数箇所合流の構造例のインペラの前面視における概略図である。

以下、本発明に係る遠心圧縮機が採用されたヒートポンプ装置の一実施形態について、図面に基づいて説明する。

（１）ヒートポンプ装置１の全体構成
図１は、本発明に係る遠心圧縮機の一例である多段遠心圧縮機２が採用されたヒートポンプ装置１の概略構成図である。なお、図１では、第１四路切換弁４ａおよび第２四路切換弁４ｂのいずれについても実線の接続状態を冷房運転状態として、点線の接続状態を暖房運転状態として、記載している。なお、冷媒回路中の矢印は、冷房運転状態での冷媒の流れる方向を示している。図２は、冷房回路で冷凍サイクルが行われている場合のモリエル線図を示す。

なお、以下の冷媒流れは、冷房運転時の流れ方向として説明する。

ヒートポンプ装置１は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルによって、空調や冷温水の生成を行う装置である。ヒートポンプ装置１は、主として、多段遠心圧縮機２、第１四路切換弁４ａおよび第２四路切換弁４ｂ、熱源側熱交換器３、第１エコノマイザ回路６０、第２エコノマイザ回路７０、第３エコノマイザ回路８０、膨張機構８、および、利用側熱交換器５を有しており、これらの機器が接続されることによって冷媒回路を構成している。ここでは、冷媒として二酸化炭素が使用されている。なお、冷媒回路は、主冷媒回路と、第１エコノマイザ回路６０、第２エコノマイザ回路７０および第３エコノマイザ回路８０と、によって構成されている。

多段遠心圧縮機２は、本実施形態では、第１圧縮機構１０、第２圧縮機構２０、第３圧縮機構３０、第４圧縮機構４０が互いに直列に接続されて冷媒を段階的に圧縮するように構成されている。第１圧縮機構１０の吸入側（図１の点Ａ）は、利用側熱交換器５から流れ出た冷媒を吸入できるように吸入管６が接続されている。第１圧縮機構１０の吐出側（図１の点Ｂ）と第２圧縮機構２０の吸入側（図１の点Ｃ）とは、第１中間連結管１８によって接続されている。第２圧縮機構２０の吐出側（図１の点Ｄ）と第３圧縮機構３０の吸入側（図１の点Ｅ）とは、第２中間連結管２８によって接続されている。第３圧縮機構３０の吐出側（図１の点Ｆ）と第４圧縮機構４０の吸入側（図１の点Ｇ）とは、第３中間連結管３８によって接続されている。第４圧縮機構４０の吐出側（図１の点Ｈ）は、第１四路切換弁４ａと接続された吐出管７が接続されている。

第１四路切換弁４ａは、多段遠心圧縮機２の第４圧縮機構４０の吐出側から伸びる吐出管７と熱源側熱交換器３との間に接続されている。第２四路切換弁４ｂは、熱源側熱交換器３に対して、第１四路切換弁４ａ側とは反対側に接続されており、膨張機構８と接続されるポートや利用側熱交換器５と接続されるポートを有している。これらの第１四路切換弁４ａおよび第２四路切換弁４ｂは、冷媒回路における冷媒流れを切り換えることで冷房運転状態と暖房運転状態との切り換えを行う。冷房運転時には、熱源側熱交換器３を冷媒の放熱器として機能させつつ、利用側熱交換器５を冷媒の蒸発器として機能させる。暖房運転時には、利用側熱交換器５を冷媒の放熱器として機能させつつ、熱源側熱交換器３を冷媒の蒸発器として機能させる。なお、熱源側熱交換器３および利用側熱交換器５は、冷媒の放熱器として機能する場合には、空調対象空間の空気を加熱する、および／または、水等の流体を加熱する。なお、熱源側熱交換器３および利用側熱交換器５は、冷媒の蒸発器として機能する場合には、空調対象空間の空気を冷却する、および／または、水等の流体を冷却する。

膨張機構８は、それぞれ通過する冷媒の圧力を下げる機構である。

第３エコノマイザ回路８０、第２エコノマイザ回路７０、第１エコノマイザ回路６０は、第２四路切換弁４ｂと膨張機構８との間の主冷媒回路から、この順で分岐するように設けられている。

第３エコノマイザ回路８０は、第３インジェクション管８３、第３膨張弁８２、第３エコノマイザ熱交換器８１、第３流量調節弁８６、第３上流側流路８４、および、第３下流側流路８５を有している。第３エコノマイザ熱交換器８１は、第２四路切換弁４ｂの下流側に位置する分岐点Ｉよりも膨張機構８側に設けられており、第３インジェクション管８３を流れる第３膨張弁８２で減圧された冷媒と、主冷媒回路を流れる冷媒と、の間で熱交換を行わせる。第３インジェクション管８３は、分岐点Ｉから分岐し、第３膨張弁８２を通過し、さらに第３エコノマイザ熱交換器８１を通過した後、第３流量調節弁８６まで伸びている。第３流量調節弁８６では、第３インジェクション管８３を第３上流側流路８４と第３下流側流路８５とに分岐させており、第３上流側流路８４側に流す冷媒量と第３下流側流路８５側に流す冷媒量とを調節することができる。第３上流側流路８４および第３下流側流路８５は、いずれも第３流量調節弁８６側とは反対側の端部が第３中間連結管３８に接続されている。第３上流側流路８４と第３中間連結管３８との接続点３８ａは、第３下流側流路８５と第３中間連結管３８との合流点３８ｂよりも、第３中間連結管３８における上流側に設けられている。第３下流側流路８５は、第３中間連結管３８における第４圧縮機構４０の吸入口の直前部分に接続されている。第３下流側流路８５は、第３上流側流路８４を流れる冷媒と第３中間連結管３８を流れる冷媒とが合流した冷媒流れに対して旋回流を与えることができるように、流れ方向中心から外れた位置に向けて第３中間連結管３８に略垂直に接続されている。これにより、第４圧縮機構４０の吸入冷媒に旋回流を生じさせることができる。

第２エコノマイザ回路７０は、第３エコノマイザ回路８０と同様であり、第２インジェクション管７３、第２膨張弁７２、第２エコノマイザ熱交換器７１、第２流量調節弁７６、第２上流側流路７４、および、第２下流側流路７５を有している。第２エコノマイザ熱交換器７１は、主冷媒回路における第３エコノマイザ回路８０から流れ出た冷媒を分岐する分岐点Ｊよりも膨張機構８側に設けられており、第２インジェクション管７３を流れる第２膨張弁７２で減圧された冷媒と、主冷媒回路を流れる冷媒と、の間で熱交換を行わせる。第２インジェクション管７３は、分岐点Ｊから分岐し、第２膨張弁７２を通過し、さらに第２エコノマイザ熱交換器７１を通過した後、第２流量調節弁７６まで伸びている。第２流量調節弁７６では、第２インジェクション管７３を第２上流側流路７４と第２下流側流路７５とに分岐させており、第２上流側流路７４側に流す冷媒量と第２下流側流路７５側に流す冷媒量とを調節することができる。第２上流側流路７４および第２下流側流路７５は、いずれも第２流量調節弁７６側とは反対側の端部が第２中間連結管２８に接続されている。第２上流側流路７４と第２中間連結管２８との接続点２８ａは、第２下流側流路７５と第２中間連結管２８との合流点２８ｂよりも、第２中間連結管２８における上流側に設けられている。第２下流側流路７５は、第２中間連結管２８における第３圧縮機構３０の吸入口の直前部分に接続されている。第２下流側流路７５は、第２上流側流路７４を流れる冷媒と第２中間連結管２８を流れる冷媒とが合流した冷媒流れに対して旋回流を与えることができるように、流れ方向中心から外れた位置に向けて第２中間連結管２８に略垂直に接続されている。これにより、第３圧縮機構３０の吸入冷媒に旋回流を生じさせることができる。

第１エコノマイザ回路６０は、第３エコノマイザ回路８０、第２エコノマイザ回路７０と同様であり、第１インジェクション管６３、第１膨張弁６２、第１エコノマイザ熱交換器６１、第１流量調節弁６６、第１上流側流路６４、および、第１下流側流路６５を有している。第１エコノマイザ熱交換器６１は、主冷媒回路における第２エコノマイザ回路７０から流れ出た冷媒を分岐する分岐点Ｋよりも膨張機構８側に設けられており、第１インジェクション管６３を流れる第１膨張弁６２で減圧された冷媒と、主冷媒回路を流れる冷媒と、の間で熱交換を行わせる。第１インジェクション管６３は、分岐点Ｋから分岐し、第１膨張弁６２を通過し、さらに第１エコノマイザ熱交換器６１を通過した後、第１流量調節弁６６まで伸びている。第１流量調節弁６６では、第１インジェクション管６３を第１上流側流路６４と第１下流側流路６５とに分岐させており、第１上流側流路６４側に流す冷媒量と第１下流側流路６５側に流す冷媒量とを調節することができる。第１上流側流路６４および第１下流側流路６５は、いずれも第１流量調節弁６６側とは反対側の端部が第１中間連結管１８に接続されている。第１上流側流路６４と第１中間連結管１８との合流点１８ａは、第１下流側流路６５と第１中間連結管１８との合流点１８ｂよりも、第１中間連結管１８における上流側に設けられている。第１下流側流路６５は、第１中間連結管１８における第２圧縮機構２０の吸入口の直前部分に接続されている。第１下流側流路６５は、第１上流側流路６４を流れる冷媒と第１中間連結管１８を流れる冷媒とが合流した冷媒流れに対して旋回流を与えることができるように、流れ方向中心から外れた位置に向けて第１中間連結管１８に略垂直に接続されている。これにより、第２圧縮機構２０の吸入冷媒に旋回流を生じさせることができる。

冷却管９ａは、膨張機構８によって減圧された後の低圧の冷媒を、冷媒回路から分岐させ、後述するモータケーシング５１の内部空間まで導く配管である（図２参照）。また、冷却管９ｂは、このモータケーシング５１の内部空間を通過した低圧の冷媒を吸入管６に導く配管である。これにより、モータケーシング５１の内部空間の圧力は、冷凍サイクルにおける低圧になっており、この低圧の冷媒によって、ロータ５３及びステータ５４が冷却されるようになっている。

このように、ヒートポンプ装置１は、冷媒として二酸化炭素を使用する蒸気圧縮式の冷凍サイクルによって、空調や冷温水の生成を行う装置であり、圧縮機として多段遠心圧縮機２を使用している。このため、冷媒としてフロン等を使用する場合に比べて、冷媒の動作圧力が高くなっている。例えば、冷媒としてフロンの一種であるＲ１３４ａを使用する場合には、冷凍サイクルの低圧が約０．２９ＭＰａ（蒸発温度０℃）であり、冷凍サイクルの高圧が約０．７７ＭＰａ（凝縮温度３０℃）である。これに対して、冷媒として二酸化炭素を使用する場合には、冷凍サイクルの低圧が約３．５ＭＰａ（蒸発温度０℃）となり、冷凍サイクルの高圧が約７．２ＭＰａ（凝縮温度３０℃）等となる。

ヒートポンプ装置１において、第１四路切換弁４ａおよび第２四路切換弁４ｂの接続状態が冷房運転状態で冷凍サイクルが行われた場合には、上記図１において点Ａ〜点Ｌで示した部分を流れる冷媒の状態は、図２のモリエル線図上において対応する点Ａ〜点Ｌで示された状態となっている。

このヒートポンプ装置１は、図３の制御ブロック図に示すように、制御装置９０によって制御されている。制御装置９０は、入力装置９５と接続されており、入力装置９５がユーザから受け付けた設定に従うようにヒートポンプ装置１を運転制御する。制御装置９０には、各種演算処理を行う制御ＣＰＵ９１と、制御を行うための各種データを格納している制御用メモリ９２等が設けられている。この制御用メモリ９２には、後述する第２圧縮機構２０の吸入冷媒に所望の旋回流を生じさせるために運転状況に応じて予め定められた第１流量調節弁６６の制御情報、第３圧縮機構３０の吸入冷媒に所望の旋回流を生じさせるために運転状況に応じて予め定められた第２流量調節弁７６の制御情報、第４圧縮機構４０の吸入冷媒に所望の旋回流を生じさせるために運転状況に応じて予め定められた第３流量調節弁８６の制御情報が格納されている。具体的には、第１エコノマイザ熱交換器６１を通過した冷媒の圧力と第２圧縮機構２０の吸入圧力の差圧に対して第１下流側流路６５において必要となる流量の関係、第２エコノマイザ熱交換器７１を通過した冷媒の圧力と第３圧縮機構３０の吸入圧力の差圧に対して第１下流側流路６５において必要となる流量の関係、および、第４エコノマイザ熱交換器８１を通過した冷媒の圧力と第４圧縮機構４０の吸入圧力の差圧に対して第１下流側流路６５において必要となる流量の関係が流量比率関係データとして予め運転条件毎に格納されている。

入力装置９５には、ユーザからの入力を受け付けたり、受け付けた入力データを制御装置９０に送信したりするための各種演算処理を行う入力ＣＰＵ９６と、入力を受け付けた各種設定データ等を格納する入力用メモリ９７と、が設けられている。なお、この設定データは、制御用メモリ９２においても格納される。

なお、ヒートポンプ装置１には、吸入管６を流れる冷媒の圧力および温度、第１中間連結管１８の第２圧縮機構２０直前を流れる冷媒の圧力および温度、第２中間連結管２８の第３圧縮機構３０の直前を流れる冷媒の圧力および温度、第３中間連結管３８の第４圧縮機構４０の直前を流れる冷媒の圧力および温度、第４圧縮機構４０から吐出されて第１四路切換弁４ａに向かう冷媒の圧力および温度、をそれぞれ把握するためのセンサが設けられている。さらに、各エコノマイザ熱交換器６１、７１、８１を通過したインジェクション管６３、７３、８３を流れる冷媒について圧力および温度を把握するためのセンサも設けられている。これらのセンサから把握されるデータは、図３の制御ブロック図に示すように、制御装置９０による、第１圧縮機構１０、第２圧縮機構２０、第３圧縮機構３０、第４圧縮機構４０、第１四路切換弁４ａ、第２四路切換弁４ｂ、膨張機構８、第１膨張弁６２、第２膨張弁７２、第３膨張弁８２、第１流量調節弁６６、第２流量調節弁７６、第３流量調節弁８６等の制御に利用される。

（２）多段遠心圧縮機の構成
図４は、多段遠心圧縮機２の概略断面図である。図５は、第２圧縮機構２０のインペラを示す概略外観斜視図である。図６は、旋回流を生じさせる合流形状を示す概略図である。

ここで、各圧縮機構に設けられたインペラの回転中心をＯ、回転軸線をＯ−Ｏとし、回転軸線Ｏ−Ｏに沿う方向を軸方向又は前後方向とする。なお、軸に近づく方向を径方向内側（回転半径方向の内側）とし、軸から遠ざかる方向を径方向外側（回転半径方向の外側）とする。

多段遠心圧縮機２は、主として、モータ５０と、第１圧縮機構１０、第２圧縮機構２０、第３圧縮機構３０、および、第４圧縮機構４０を有している。

（２−１）モータ５０
モータ５０は、第１圧縮機構１０〜第４圧縮機構４０を駆動するモータであり、主として、モータケーシング５１と、回転軸５２と、ロータ５３と、ステータ５４とを有している。

モータケーシング５１の内部には、回転軸５２、ロータ５３及びステータ５４を収容する空間が形成されている。

回転軸５２は、モータケーシング５１に固定された第１ラジアル軸受５５及び第２ラジアル軸受５６によって回転自在に支持されている。回転軸５２の軸方向一端（図４における左端）は、第１圧縮機構１０側に突出している。回転軸５２の軸方向他端（図４における右端）は、第３圧縮機構３０側に突出している。回転軸５２の軸方向の中央近傍は、モータケーシング５１に固定されるスラスト軸受５７によって摺動可能に支持されている。

ロータ５３は、軸方向における第１ラジアル軸受５５と第２ラジアル軸受５６との間において、回転軸５２と一体回転するように回転軸５２に軸支されている。

ステータ５４は、ロータ５３の外周を囲むように設けられており、モータケーシング５１に回転不能に支持されている。

（２−２）第１圧縮機構１０〜第４圧縮機構４０
第１圧縮機構１０、第２圧縮機構２０、第３圧縮機構３０および第４圧縮機構４０は、上述のように、互いに直列に接続され、段階的に冷媒を圧縮する遠心式の圧縮機構である。

第１圧縮機構１０は、主として、圧縮機構ケーシング１２およびインペラ１１を有している。第２圧縮機構２０、第３圧縮機構３０、第４圧縮機構４０は、それぞれ同様に、主として、圧縮機構ケーシング２２およびインペラ２１、圧縮機構ケーシング３２およびインペラ３１、圧縮機構ケーシング４２およびインペラ４１を有している。

圧縮機構ケーシング２２とインペラ２１との配置構造関係は、他の圧縮機構ケーシング１２とインペラ１１との配置構造関係、圧縮機構ケーシング３２とインペラ３１との配置構造関係、圧縮機構ケーシング４２とインペラ４１との配置構造関係と概ね同様であるため、以下、第２圧縮機構２０について中心に説明する。

（圧縮機構ケーシング２２）
圧縮機構ケーシング２２には、主として、吸込口２２ａと、シュラウドハウジング２２ｃとが形成されている。

吸込口２２ａは、圧縮機構ケーシング２２の軸方向一端（図４における左端）に向かって開口しており、第１圧縮機構１０の吐出側から伸びた第１中間連結管１８に接続されている。ここで、第１圧縮機構１０から第１中間連結管１８に向けて吐出された冷媒の速度エネルギ分は、デフューザにおいて圧力のエネルギに変換されて、高圧冷媒になった状態で第２圧縮機構２０に吸入される。なお、第２圧縮機構２０の吐出側には、第２中間連結管２８が接続されており、同様にデフューザが設けられている。

シュラウドハウジング２２ｃは、図４に示すように、吸込口２２ａの背面側においてインペラ２１を回転自在に収容しており、インペラ２１の羽根の径方向外側でかつ前方を周りから覆う羽根対向壁２２ｂが形成されている。この羽根対向壁２２ｂは、背面側でかつ径方向内側に向かって膨出しており、吸込口２２ａと第２中間連結管２８の下流側端部をなだらかに繋いでいる、回転軸を中心とする環状の膨出面である。

（インペラ２１）
インペラ２１は、図５に示すように、主として、ハブ２１１と、ハブ２１１の前面側でかつ径方向外側に配置された複数の羽根２１２、２１３を有しており、ハブ２１１の前後方向に延びる回転軸５２を軸心として回転する。

ハブ２１１は、その前方から後方に向けて拡径する略円錐形状を有しており、回転軸５２と一体回転するように回転軸５２に軸支されている。なお、このハブ２１１は、軽量化の観点から、軸周辺部分や外縁部分を除く内側が中空となっていることが好ましい。

ハブ２１１の後方は、径方向に広がった円形状平面であるハブ背面２１１ｄが形成されており、シュラウドハウジング２２ｃの後方側の壁面と対向している。ハブ２１１の前方は、径方向に広がっており、ハブ背面２１１ｄよりも半径が小さい円形状平面であるハブ前面２１１ａが形成されており、吸入側を向いている。ハブ２１１の径方向外側端部は、軸方向と中心軸が共通となっており、半径がハブ背面２１１ｄと同等であるハブ円筒形状面２１１ｃが形成されており、シュラウドハウジング２２ｃの外周壁と対向している。ハブ２１１の前方でかつ径方向外側には、後方でかつ径方向内側に向けてなだらかに窪んでおり、ハブ前面２１１ａの径方向外周縁からハブ円筒形状面２１１ｃの前縁までをなだらかに繋ぐ拡径湾曲面２１１ｂが形成されている。なお、インペラ２１の拡径湾曲面２１１ｂと、シュラウドハウジング２２ｃの羽根対向壁２２ｂと、の最短距離は、前方（吸入側）において最も長く、冷媒流れ方向に進むにつれて短くなり、径方向外側端部（吐出側）において最も短くなるように形成されている。

インペラ２１の拡径湾曲面２１１ｂには、大羽根２１２と小羽根２１３とが、周方向に交互に並んで、面同士が概ね等間隔になるように設けられている。これらの大羽根２１２および小羽根２１３は、いずれも、インペラ２１の拡径湾曲面２１１ｂからシュラウドハウジング２２ｃの羽根対向壁２２ｂの近傍まで伸びている。大羽根２１２は、羽根対向壁２２ｂと対面する対向面２１２ｂを有している。小羽根２１３も同様に、羽根対向壁２２ｂと対面する対向面２１３ｂを有している。また、大羽根２１２は、径方向外側端部において、法線が第２中間連結管２８の伸びる方向を向いている吐出側側面２１２ｃを有している。小羽根２１３も同様に、径方向外側端部において、法線が第２中間連結管２８の伸びる方向を向いている吐出側側面２１３ｃを有している。また、大羽根２１２および小羽根２１３は、いずれも、前面視において左巻となるように螺旋状に伸びている。すなわち、大羽根２１２および小羽根２１３は、ハブ前面２１１ａ側から背面側に向かうにつれて、径方向に拡大しながら、左に旋回するように伸びている。

さらに、大羽根２１２および小羽根２１３の前面側端部の長手方向と、径方向外側端部の長手方向とは、互いにねじれの関係にある。このねじれの形状は、大羽根２１２および小羽根２１３の根元とは反対側（シュラウドハウジング２２ｃの羽根対向壁２２ｂ側）が、ハブ前面２１１ａ側から背面側に向かうにつれて、左巻きに旋回するようにして形成されている。

なお、各大羽根２１２は、それぞれ、インペラ２１の拡径湾曲面２１１ｂの前方端部から、径方向外側端部が背面の径方向外側端部と共通する位置まで伸びている。

これに対して、各小羽根２１３は、各大羽根２１２の間に配置されており、軸方向においてハブ前面２１１ａと背面との中間程度の位置から後方に向けて、径方向外側端部が背面の径方向外側端部と共通する位置まで伸びている。

このインペラ２１は、モータ５０が駆動することで、前面視において右回転（図５において矢印で示す回転進行方向Ｒ）することにより、二酸化炭素冷媒を第１中間連結管１８から吸入し、圧縮して高圧とした後、第２中間連結管２８に向けて吐出する。

この際、各大羽根２１２および小羽根２１３の前方でかつ径方向外側の部分は、インペラ２１が回転することにより、シュラウドハウジング２２ｃの羽根対向壁２２ｂの内側近傍を沿うように移動する。これにより、二酸化炭素冷媒の流速が増した状態で吐出され、デフューザにおいて速度エネルギが圧力のエネルギに変換されることにより高圧冷媒となる。

なお、上記インペラ２１の羽根が傾斜しつつ旋回している形状は、圧力損失の少ない効率のよい旋回流を吸入冷媒に生じさせるために、制御用メモリ９２において、運転状況に応じた制御データが予め格納されている。

以上、第２圧縮機構２０の第２圧縮機構ケーシング２２およびインペラ２１の配置構造関係等を説明したが、これらの関係は、第１圧縮機構１０のインペラ１１と吸込口１２ａと羽根対向壁１２ｂとシュラウドハウジング１２ｃの関係や、第３圧縮機構３０のインペラ３１と吸込口３２ａと羽根対向壁３２ｂとシュラウドハウジング３２ｃの関係や、第４圧縮機構４０のインペラ４１と吸込口４２ａと羽根対向壁４２ｂとシュラウドハウジング４２ｃの関係と同様であるため、説明を省略する。

（３）第１流量調節弁６６、第２流量調節弁７６、第３流量調節弁８６による旋回流の調整動作
制御装置９０は、各種センサから把握されるデータと、制御用メモリ９２に予め格納されているデータに基づいて、第１流量調節弁６６、第２流量調節弁７６、第３流量調節弁８６における、各流量比を調節することにより、第２圧縮機構２０、第３圧縮機構３０、第４圧縮機構４０の各吸入側において所望の旋回量を生じさせる。

以下、図７に示す、流量比の調節制御を含むヒートポンプ装置１の制御フローチャートに沿って説明する。

まず、ステップＳ１０では、制御装置９０は、制御用メモリ９２に格納されている設定データを参照して、目標設定温度を読み出し、加熱もしくは冷却する媒体の温度との差が小さくなるように、冷房能力（Ｑｃ０）、もしくは、暖房能力（Ｑｈ０）を設定する。

次に、ステップＳ２０では、制御装置９０は、吸入冷媒の温度と圧力および吐出冷媒の温度と圧力を、第１圧縮機構１０、第２圧縮機構２０、第３圧縮機構３０、第４圧縮機構４０のそれぞれについて把握する。さらに、制御装置９０は、熱源側熱交換器３または利用側熱交換器５の出口を流れる冷媒の温度と圧力を把握する。このようにして把握した情報と、制御用メモリ９２に予め格納されている、モリエル線図に関するデータもしくは各センサで得られる値からエンタルピーを算出するための近似式のデータを参照して、図１の冷媒回路における点Ａ〜点Ｌの各部分を通過する冷媒についてエンタルピー（ｈＡ〜ｈＬ）を算出する。

そして、ステップＳ３０では、制御装置９０は、上記ステップＳ２０で求めた各エンタルピーの値を参照して、ステップＳ１０で設定した冷房能力（Ｑｃ０）、もしくは、暖房能力（Ｑｈ０）が達成されるように、質量流量（冷房運転時には蒸発器の出口を流れる冷媒の質量流量（Ｇｅ）、暖房運転時には放熱器の出口を流れる冷媒の質量流量（Ｇｇｃ））を定める。本実施形態では、冷房運転時については、以下の関係式から質量流量（Ｇｅ）を求める。

質量流量（Ｇｅ）＝冷房能力（Ｑｃ０）／（第１圧縮機構１０の吸入冷媒のエンタルピー（ｈＡ）−膨張機構８を通過した後の利用側熱交換器５入口を通過する冷媒のエンタルピー（ｈＬ））
また、本実施形態では、暖房運転時には、以下の関係式から質量流量（Ｇｇｃ）を求める。

質量流量（Ｇｇｃ）＝暖房能力（Ｑｃ０）／（第４圧縮機構４０の吐出冷媒のエンタルピー（ｈＨ）−分岐点Ｉを通過する冷媒のエンタルピー（ｈＩ））
ステップＳ４０では、制御装置９０は、ステップＳ３０において求めた質量流量に基づいて、第１圧縮機構１０のインペラ１１、第２圧縮機構２０のインペラ２１、第３圧縮機構３０のインペラ３１、第４圧縮機構４０のインペラ４１の回転数（ｒｐｍ）を特定し、特定された回転数が実行されるように制御を行う。

なお、制御装置９０は、各圧縮機構１０、２０、３０、４０を上記各回転数で運転させた状態で、第２圧縮機構２０の吐出冷媒の過熱度が目標とする過熱度となるように第１エコノマイザ回路６０の第１膨張弁６２の弁開度を制御し、第３圧縮機構３０の吐出冷媒の過熱度が目標とする過熱度となるように第２エコノマイザ回路７０の第２膨張弁７２の弁開度を制御し、第４圧縮機構４０の吐出冷媒の過熱度が目標とする過熱度となるように、第３エコノマイザ回路８０の第３膨張弁８２の弁開度を制御する。これにより、制御装置９０は、第２圧縮機構２０の吐出冷媒の過熱度が目標とする過熱度となるように第１インジェクション管６３を流れる冷媒の質量流量を制御することになり、第３圧縮機構３０の吐出冷媒の過熱度が目標とする過熱度となるように第２インジェクション管７３を流れる冷媒の質量流量を制御することになり、第４圧縮機構４０の吐出冷媒の過熱度が目標とする過熱度となるように第３インジェクション管８３を流れる冷媒の質量流量を制御することになる。なお、これらの第２圧縮機構２０の目標過熱度、第３圧縮機構３０の目標過熱度、第４圧縮機構４０の目標過熱度は、冷凍サイクルの運転効率を良好な状態にできる値として、それぞれ質量流量に応じた値として制御用メモリ９２に予め格納されている。

ステップＳ５０では、制御装置９０は、以上のようにして必要となる能力を達成させる運転制御が行われている際に、第１エコノマイザ熱交換器６１を通過した冷媒の圧力と第２圧縮機構２０の吸入圧力、第２エコノマイザ熱交換器７１を通過した冷媒の圧力と第３圧縮機構３０の吸入圧力、第４エコノマイザ熱交換器８１を通過した冷媒の圧力と第４圧縮機構４０の吸入圧力を、それぞれセンサから把握する。その後、制御装置９０は、制御用メモリ９２に格納されている流量比率関係データに基づいて、各差圧に対応して第１下流側流路６５、第２下流側流路７５、第３下流側流路８５において必要とされる各質量流量を特定する。制御装置９０は、第１下流側流路６５において特定された必要な質量流量が実現されるように第１流量調節弁６６を制御し、第２下流側流路７５において特定された必要な質量流量が実現されるように第２流量調節弁７６を制御し、第３下流側流路８５において特定された必要な質量流量が実現されるように第３流量調節弁８６を制御する。

なお、第１上流側流路６４には、ステップＳ４０における第１エコノマイザ回路６０の第１膨張弁６２の弁開度制御によって定まっている第１インジェクション管６３を流れる冷媒の質量流量から、ステップＳ５０で定めた第１下流側流路６５において必要とされる質量流量を差し引いた残りの質量流量の冷媒が流れることになる。同様に、第２上流側流路７４には、ステップＳ４０における第２エコノマイザ回路７０の第２膨張弁７２の弁開度制御によって定まっている第２インジェクション管７３を流れる冷媒の質量流量から、ステップＳ５０で定めた第２下流側流路７５において必要とされる質量流量を差し引いた残りの質量流量の冷媒が流れることになり、第３上流側流路８４には、ステップＳ４０における第３エコノマイザ回路８０の第３膨張弁８２の弁開度制御によって定まっている第３インジェクション管８３を流れる冷媒の質量流量から、ステップＳ５０で定めた第３下流側流路８５において必要とされる質量流量を差し引いた残りの質量流量の冷媒が流れることになる。

（４）旋回流の形成
図６の概略図に示すように、第２圧縮機構２０の吸入冷媒には、第１中間連結管１８を流れる冷媒流れＦ１と、第１下流側流路６５を流れる冷媒流れＦ２と、が合流することで旋回流Ｆ３（Ｆ１＋Ｆ２）が生じている。

具体的には、第１中間連結管１８の第２圧縮機構２０の吸入側は、第２圧縮機構２０のインペラ２１の回転軸方向と同じ方向に伸びた形状を有しており、インペラ２１の回転軸方向に沿った冷媒流れＦ１が生じている。第１下流側流路６５は、第１中間連結管１８の第２圧縮機構２０の吸入口２２ａの直前の部分であって第１中間連結管１８の中心軸方向からはずれた位置に、第１中間連結管１８の中心軸方向に対して自身の中心軸が略垂直となるように接続されている。この第１下流側流路６５には、インペラ２１の回転軸方向に対してねじれの関係にある方向に対して流れる冷媒流れＦ２が生じている。以上の冷媒流れＦ１と冷媒流れＦ２とが合流することにより、旋回流Ｆ３が形成される。

この旋回流Ｆ３は、圧縮機構２０、３０、４０毎に格納されている制御情報に基づいて制御装置９０が第１流量調節弁６６、第２流量調節弁７６および第３流量調節弁８６の流量比を調節することで、目的とする旋回流を形成することができる。

なお、第１下流側流路６５には、合流点１８ｂの直線部分において、スロート形状６５ａが設けられている。これにより、スロート形状６５ａの上流側を流れる冷媒よりも、スロート形状６５ａの下流側を流れる冷媒の方が流速が早くなるようにすることができている。

以上、第２圧縮機構２０の吸入側について説明したが、第３圧縮機構３０の吸入側および第４圧縮機構４０の吸入側も同様である。

なお、上述した制御用メモリ９２に予め格納されている第１下流側流路６５に必要とされる冷媒の質量流量、第２下流側流路７５に必要とされる冷媒の質量流量、および、第３下流側流路８５において必要とされる冷媒の質量流量には、それぞれ、各スロート形状による流速増大効果分が予め考慮された値となっている。

（５）特徴
上記実施形態のヒートポンプ装置１では、目標設定温度に近づける運転を行う場合に、第１エコノマイザ回路６０の第１インジェクション管６３を流れる冷媒の質量流量、第２エコノマイザ回路７０の第２インジェクション管７３を流れる冷媒の質量流量、第３エコノマイザ回路８０の第３インジェクション管８３を流れる冷媒の質量流量がそれぞれ制御装置９０によって制御されることにより、冷凍サイクルの運転効率を良好にすることが可能になっている。

そして、このヒートポンプ装置１では、第２圧縮機構２０の吸入冷媒、第３圧縮機構３０の吸入冷媒、第４圧縮機構４０の吸入冷媒に対してそれぞれ所望の旋回流を生じさせることができるため、第２圧縮機構２０、第３圧縮機構３０、第４圧縮機構４０に冷媒が流入する際の、羽根の傾斜角度や回転数（ｒｐｍ）に応じて生じる圧力損失をできるだけ低い値に抑えることが可能になっている。

しかも、制御装置９０が、第２圧縮機構２０、第３圧縮機構３０、第４圧縮機構４０の吸入冷媒の旋回流を調整する制御を行った場合であっても、第１インジェクション管６３を流れる冷媒の質量流量（第１下流側流路６５と第１上流側流路６４を流れる冷媒の質量流量の合計値）や第２インジェクション管７３を流れる冷媒の質量流量（第２下流側流路７５と第２上流側流路７４を流れる冷媒の質量流量の合計値）や第３インジェクション管８３を流れる冷媒の質量流量（第３下流側流路８５と第３上流側流路８４を流れる冷媒の質量流量の合計値）に変わりが無いため、冷凍サイクルの運転効率を良好な状態のままで維持することが可能になっている。

なお、例えば、冷凍サイクルの運転効率を良好にするための制御によって、第１インジェクション管６３、第２インジェクション管７３、第３インジェクション管８３を流れる冷媒量が少なく調節されている場合には、第１下流側流路６５、第２下流側流路７５、第３下流側流路８５を流れる冷媒量も減少気味になり、旋回流を生じさせるための冷媒の流速が遅くなりがちになる。これに対して、上記実施形態のヒートポンプ装置１では、旋回流を生じさせる冷媒の流速を向上させるためにスロート形状６５ａを採用している。このため、目的とする旋回流を生じさせることと、冷凍サイクルの運転効率を良好にすることと、の両方を同時に達成しやすくなっている。また、第１インジェクション管６３、第２インジェクション管７３、第３インジェクション回路８３のいずれかもしくは全てにおいて流れる冷媒量が少ない場合や、第１インジェクション管６３の第１エコノマイザ熱交換器６１の出口を流れる冷媒の圧力と吸入先の吸入冷媒圧力の差圧、第２インジェクション管７３の第２エコノマイザ熱交換器７１の出口を流れる冷媒の圧力と吸入先の吸入冷媒圧力の差圧、第３インジェクション回路８３の第３エコノマイザ熱交換器８１の出口を流れる冷媒の圧力と吸入先の吸入冷媒圧力の差圧のいずれかもしくは全てが小さい場合、および、上述のように冷媒量が少なく且つ上述のように差圧が小さい場合、のいずれにおいても、目的とする旋回流を容易に形成させることが可能になっている。

（６）他の実施形態
（６−１）
上記実施形態では、インジェクション管を流れる冷媒を分岐させた１つの冷媒流れによって旋回流を生じさせる場合を例に挙げて説明した。

しかし、本発明はこれに限られず、例えば、図８に示すように、第１下流側流路６５の途中からさらに分岐し、第１下流側流路６５が生じさせる旋回流をさらに強めるように第１中間連結管１８に合流する対向下流側流路２６５を有する構成としてもよい。

この対向下流側流路２６５においても、第１下流側流路６５におけるスロート形状６５ａと同様に、冷媒流れＦ２０２を生じさせるスロート形状２６５ａが形成されていてもよい。

（６−２）
上記実施形態では、旋回流を生じさせるためにスロート形状を用いた場合を例に挙げて説明した。

しかし、本発明はこれに限られない。

例えば、第１エコノマイザ回路６０、第２エコノマイザ回路７０、第３エコノマイザ回路８０において、冷凍サイクルの運転効率を良好にするためにインジェクションさせる冷媒量として適当な流量が確保される使用環境で用いられるのであれば、スロート形状を採用しなくても、第１流量調節弁６６、第２流量調節弁７６、第３流量調節弁８６を制御するだけで上記実施形態と同様の効果を得ることも可能である。

（６−３）
上記実施形態のインペラ１１、２１、３１、４１は、インジェクションによって生じる旋回流との関係で上述のように圧力損失を低減できるのであれば、大羽根および小羽根が、いずれも、前面視において左巻となるように螺旋状に伸びることにより、いわゆる「後ろ向き羽根」を構成していてもよい。また、同様に、インジェクションによって生じる旋回流との関係で上述のように圧力損失を低減できるのであれば、いわゆる「前向き羽根」や「径向き羽根」を構成していてもよい。インペラ１１、２１、３１、４１の回転方向と、圧力損失との関係についても同様である。

また、上記実施形態のインペラ１１、２１、３１、４１は、大羽根および小羽根が、拡径湾曲面に対して略垂直に設けられていてもよいし、回転進行方向Ｒもしくは回転進行方向Ｒとは反対側に傾斜して設けられていてもよい。この場合についても、インジェクションによって生じる旋回流との関係で圧力損失が生じにくい形態であることが好ましい。

なお、上記実施形態のインペラ１１、２１、３１、４１は、例えば、小羽根が設けられておらず、大羽根のみが設けられて構成されていてもよい。

（６−４）
上記実施形態では、多段圧縮冷凍サイクルの例を挙げて説明したが、第１インジェクション回路６３、第２インジェクション回路７３、第３インジェクション回路８３の合流先（出口近傍）にそれぞれ吸入ガイドベーンを設置することにより、簡単な構造で予旋回流を生じさせることも可能になる。

（６−５）
上記実施形態では、多段圧縮機構として４段の圧縮機構を例に挙げて説明した。

しかし、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、２段以上の複数段の圧縮機構であってもよい。

本発明の冷凍装置は、吸入冷媒に生じさせる旋回流を、インジェクション回路を流れる冷媒流れを用いて調節することができるため、インペラを有する圧縮機構とインジェクション回路を有する冷凍装置において特に有用である。

１ ヒートポンプ装置（冷凍装置）
２ 多段遠心圧縮機（遠心圧縮機）
３ 熱源側熱交換器（放熱器）
５ 利用側熱交換器（蒸発器）
８ 膨張機構
１８、２８、３８ 第１〜第３中間連結管（ｍ段中間連結管）
１８ｂ、２８ｂ、３８ｂ 合流点（下流側合流点）
２２ｃ シュラウドハウジング
２２ｂ 前面壁
１０、２０、３０、４０ 第１〜第４圧縮機構（圧縮機構）
１１、２１、３１、４１ インペラ
６０、７０、８０ 第１〜第３エコノマイザ回路（インジェクション回路）
６１、７１、８１ 第１〜第３エコノマイザ熱交換器（エコノマイザ熱交換器）
６４、７４、８４ 第１〜第３上流側流路（上流側流路）
６５、７５、８５ 第１〜第３下流側流路（下流側流路）
６５ａ スロート形状
６６、７６、８６ 第１〜第３流量調節弁（調節機構）
２１２ 大羽根（羽根）
２１３ 小羽根（羽根）

特開２００７−２６３４４０号公報

Claims (3)

1. 多段圧縮冷凍サイクルを行う冷凍装置（１）であって、
   複数の羽根が傾斜して設けられたインペラ（１１、２１、３１、４１）をそれぞれ有しており、直列に接続されるｎ個の圧縮機構（ｎは２以上の自然数）（２、１０、２０、３０、４０）と、
   冷媒の熱を放熱するための放熱器（３）と、
   膨張機構（８）と、
   冷媒を加熱するための蒸発器（５）と、
   ｍ段目の圧縮機構（ｍはｎ未満の自然数）の吐出側とｍ＋１段目の圧縮機構の吸入側とを接続するｍ段中間連絡管（１８、２８、３８）と、
   前記放熱器から前記膨張機構に向かう冷媒流れの一部を分岐させて前記ｍ段中間連絡管（１８、２８、３８）に合流させるインジェクション回路（６０、７０、８０）と、
   前記放熱器から前記膨張機構に向かう冷媒と、前記インジェクション回路を流れる冷媒との間で熱交換を行わせるエコノマイザ熱交換器（６１、７１、８１）と、
   前記インジェクション回路（６０、７０、８０）の途中であって前記エコノマイザ熱交換器において熱交換が行われる部分よりも上流側に設けられたエコノマイザ膨張弁（６２、７２、８２）と、
   制御部（９０）と、
   を備え、
   前記インジェクション回路は、
   前記エコノマイザ膨張弁を通過した冷媒の一部を、前記ｍ段中間連絡管の上流側合流点（１８ａ、２８ａ、３８ａ）まで導く上流側流路（６４、７４、８４）と、
   前記エコノマイザ膨張弁を通過した冷媒の他の一部を、前記ｍ＋１段目の圧縮機構の吸入冷媒に旋回流を与えるように前記ｍ段中間連絡管の前記上流側合流点より下流側の下流側合流点（１８ｂ、２８ｂ、３８ｂ）まで導く下流側流路（６５、７５、８５）と、
   前記上流側流路と前記下流側流路の冷媒流量比を調節する調節機構（６６、７６、８６）と、
   を有しており、
   前記制御部は、前記ｍ＋１段目の圧縮機構の吐出冷媒の過熱度が目標とする過熱度となるように前記エコノマイザ膨張弁の弁開度を制御しつつ、前記調節機構を制御して前記冷媒流量比を調節することにより、前記ｍ＋１段目の圧縮機構の吸入冷媒に生じさせる旋回流を調節する、
   冷凍装置（１）。
2. 前記制御部は、前記インジェクション回路の前記エコノマイザ熱交換器の出口を流れる冷媒の圧力と前記ｍ＋１段目の圧縮機構の吸入冷媒の圧力の差圧に応じて予め定められている流量比となるように、前記調節機構を制御する、
   請求項１に記載の冷凍装置。
3. 前記下流側流路は、スロート形状（６５ａ）を有している、
   請求項１または２に記載の冷凍装置。
   

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