JP7504655B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

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空気調和装置が知られている。

図７は、特許文献１に記載された従来の空気調和装置の構成図である。空気調和装置５００は、蒸発器５１０、遠心圧縮機５３１、蒸気冷却器５３３、ルーツ式圧縮機５３２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が後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。

特開２００８－１２２０１２号公報

冷凍サイクル装置のメンテナンスの終了後、内部に残留した空気を排気する。しかし、速度型圧縮機の構造によっては、空気を十分に排気できない場合がある。残留空気に起因してインペラ及び回転軸を含む回転体の釣り合い良さが悪化し、速度型圧縮機の起動が困難となる場合がある。

本開示は、確実に起動することができる冷凍サイクル装置を提供する。

本開示におけ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、
前記蒸発器で生成された前記気相冷媒を圧縮する速度型圧縮機と、
前記速度型圧縮機で圧縮された前記気相冷媒を凝縮させて前記液相冷媒を生成する凝縮器と、
前記速度型圧縮機に接続され、前記速度型圧縮機において圧縮過程にある前記気相冷媒に混合されるべき前記液相冷媒を前記速度型圧縮機に導く冷媒供給路と、
前記冷媒供給路から分岐した空気排出路と、
を備えている。

本開示によれば、確実に起動することができる冷凍サイクル装置を提供できる。

実施の形態１における冷凍サイクル装置の構成図 圧縮機の縦断面図 III-III線に沿った回転体の断面図 実施の形態２における冷凍サイクル装置の構成図 実施の形態３における冷凍サイクル装置の構成図 空気排出路が設けられていない場合に発生する課題を説明する図 空気排出路が設けられていない場合に発生する課題を説明する図 空気排出路が設けられていない場合に発生する課題を説明する図 従来の冷凍サイクル装置の構成図

（本開示の基礎となった知見等）
特許文献１に記載された技術によれば、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圧縮過程において取り除くことができない。

本発明者らは、気相冷媒の過熱度を圧縮過程において取り除くべく、回転軸及びインペラを含む回転体の内部に流路を設け、回転体の内部の流路を通じて気相冷媒の冷媒流路に向けて液相冷媒を噴霧することを想到した。さらに、本発明者らは、冷凍サイクル装置のメンテナンス後の排気作業を行っても、回転体の内部の流路から空気を十分に排気できない場合があることを見出した。回転体の内部の流路に空気が残留することによって当該流路に液相冷媒が偏って分布する。これにより、回転体の釣り合い良さが悪化して速度型圧縮機の起動が困難となる。

このような知見に基づき、本発明者らは、本開示の主題を構成するに至った。

そこで、本開示は、メンテナンス後であっても、確実に起動することができる冷凍サイクル装置を提供する。

以下、図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、又は、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が必要以上に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、添付図面及び以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。

（実施の形態１）
以下、図１から図３を用いて、実施の形態１を説明する。

［１－１．構成］
［１－１－１．冷凍サイクル装置の構成］
図１は、実施の形態１における冷凍サイクル装置１００の構成を示している。図１において、冷凍サイクル装置１００は、蒸発器２、圧縮機３、凝縮器４、冷媒供給路９及び空気排出路１３を備えている。

圧縮機３は、吸入配管５によって蒸発器２に接続され、吐出配管６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５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６が接続されている。凝縮器４は、戻し経路７によって蒸発器２に接続されている。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８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５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６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凝縮し、液相冷媒が生成される。液相冷媒は、戻し経路７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１００の冷媒として、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１００には、例えば、常温（日本産業規格：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りがちである。本実施の形態では、圧縮機３の内部の冷媒流路に向かって液相冷媒が噴射され、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。

冷凍サイクル装置１００は、さらに、吸熱回路１１及び放熱回路１２を備えている。

吸熱回路１１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１１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１１の一部は、液相冷媒の液面よりも上方に位置していてもよいし、液相冷媒の液面よりも下方に位置していてもよい。吸熱回路１１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１１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１１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１１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１００が室内の冷房を行う空気調和装置である場合、吸熱回路１１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１２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１２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１２の一部は、液相冷媒の液面よりも上方に位置している。放熱回路１２には、水、ブラインなどの熱媒体が充填されている。冷凍サイクル装置１００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１２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１２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１２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１２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１２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１１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。本実施の形態において、蒸発器２に貯留された液相冷媒は、吸熱回路１１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１１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。

本実施の形態において、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１１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１１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℃から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。本実施の形態では、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１２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℃から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。

本実施の形態において、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１２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１２が省略されていてもよい。

吸入配管５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５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６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６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。

戻し経路７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７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７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７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９は、圧縮機３において圧縮過程にある気相冷媒に混合されるべき液相冷媒を圧縮機３に導くための流路である。本実施の形態では、冷媒供給路９は、凝縮器４と圧縮機３とを接続している。冷媒供給路９を通じて、凝縮器４に貯留された液相冷媒が圧縮機３に供給される。圧縮機３に供給された液相冷媒は、圧縮機３の内部において、気相冷媒が流れる冷媒流路に向かって噴射される。冷媒供給路９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９の入口は、凝縮器４において、凝縮器４に貯留された液相冷媒の液面よりも下方に位置している。この場合、凝縮器４から圧縮機３に液相冷媒が安定的に供給されうる。冷媒供給路９には、ポンプ、弁などが配置されていてもよい。

空気排出路１３は、冷媒供給路９から分岐している。空気排出路１３を通じて、冷媒供給路９及び圧縮機３の内部の空気が外部に排出されうる。空気排出路１３は少なくとも１つの配管によって構成されうる。空気排出路１３には、弁、真空ポンプなどが配置されてもよい。

空気排出路１３は、凝縮器４に貯留された液相冷媒の液面よりも上方に配置されていてもよい。冷媒供給路９からの空気排出路１３の分岐位置は、凝縮器４に貯留された液相冷媒の液面よりも上方である。このような構成によれば、空気排出路１３を通じて、冷媒供給路９及び圧縮機３の内部の空気を外部に円滑に排出することができる。空気排出路１３は、凝縮器４の上端よりも上方に配置されていてもよい。冷媒供給路９からの空気排出路１３の分岐位置は、凝縮器４の上端よりも上方でありうる。このような構成によれば、凝縮器４に貯留された液相冷媒の量によらず、空気排出路１３による空気排出の効果を得られる。凝縮器４の上端は、凝縮器４と吐出配管６との接続位置でありうる。

本明細書において、「上方」及び「下方」は、鉛直方向における上方及び下方を意味する。

冷凍サイクル装置１００は、真空引き経路４２をさらに備えている。真空引き経路４２は、冷凍サイクル装置１００の運転時に気相冷媒で満たされる気相空間に面する位置に設けられている。図１に示す例では、真空引き経路４２が凝縮器４に接続されている。真空引き経路４２は、蒸発器２、吸入配管５、圧縮機３又は吐出配管６に接続されていてもよい。真空引き経路４２には、真空ポンプ４１が着脱可能に設けられていてもよい。真空引き経路４２には、弁が設けられていてもよい。冷凍サイクル装置１００のメンテナンス終了後、真空引き経路４２を通じて、気相空間から空気を排出することができる。

冷凍サイクル装置１００は、液相冷媒を貯留する予備タンクを備えていてもよい。上記予備タンクは、例えば、凝縮器４に接続されている。この場合、上記予備タンクには、凝縮器４から液相冷媒が移される。

冷媒供給路９は、上記予備タンクから圧縮機３に液相冷媒が供給されるように、上記予備タンクと圧縮機３とを接続していてもよい。この場合、空気排出路１３は、上記予備タンクに貯留された液相冷媒の液面よりも上方に配置されていてもよいし、上記予備タンクよりも上方に配置されていてもよい。

予備タンクは、吸入配管５に接続されていてもよい。この場合、上記予備タンクは、冷凍サイクル内から供給された液相冷媒を貯留してもよいし、吸入配管５の内周面等を介して外部熱源によって冷却されて生成した液相冷媒を貯留してもよい。

［１－１－２．圧縮機の構成］
次に、圧縮機３について詳細に説明する。

図２は、圧縮機３の縦断面図である。圧縮機３は、遠心圧縮機である。圧縮機３は、回転体１７、ハウジング２５、シュラウド２６、軸受２２及びノズル２１を備えている。回転体１７は、ハウジング２５及びシュラウド２６によって囲まれた空間に配置されている。ハウジング２５の内部には、回転体１７を回転させるためのモータ（図示省略）が配置されていてもよい。

回転体１７は、回転軸１５及びインペラ１６を含む。インペラ１６は、回転軸１５に取り付けられており、回転軸１５とともに高速で回転する。インペラ１６は、回転軸１５と一体に形成されていてもよい。回転軸１５及びインペラ１６の回転数は、例えば、５０００ｒｐｍから１０００００ｒｐｍの範囲にある。回転軸１５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１６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。

軸受２２は、回転体１７を回転可能に支持している。本実施の形態においては、軸受２２の潤滑剤として、冷凍サイクル装置１００の液相冷媒を使用している。軸受２２は、直接又は軸受箱（図示省略）を介してハウジング２５に接続されている。シール機構２３は、軸受２２の潤滑剤がインペラ１６に向かって流れることを阻止する。シール機構２３としては、ラビリンスシール、シールリングなどが挙げられる。軸受２２と回転軸１５の隙間に軸受隙間が形成されている。潤滑水排出流路２４は、軸受隙間を通った液相冷媒を凝縮器４へ導く流路である。冷媒供給路９から供給された液相冷媒が軸受隙間を通ることで、軸受２２が潤滑され焼付きが防止されうる。

インペラ１６の周囲の空間には、冷媒流路１８が形成されている。冷媒流路１８は、回転体１７の周囲に位置し、圧縮されるべき気相冷媒が流れる流路である。冷媒流路１８は、吸入流路２９及び複数の翼間流路３０を含む。インペラ１６が回転すると、複数の翼間流路３０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。

ディフューザ２７は、インペラ１６によって回転方向に加速された気相冷媒を渦巻室２８に導くための流路である。ディフューザ２７の流路断面積は、冷媒流路１８から渦巻室２８に向かって拡大している。この構造は、インペラ１６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。ディフューザ２７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、ディフューザ２７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。

渦巻室２８は、ディフューザ２７を通過した気相冷媒が集められる渦巻状の空間である。圧縮された気相冷媒は、渦巻室２８を経由して、圧縮機３の外部である吐出配管６へと導かれる。渦巻室２８の断面積は円周方向に沿って拡大している。これにより、渦巻室２８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。

シュラウド２６は、インペラ１６を覆って、冷媒流路１８、ディフューザ２７及び渦巻室２８を画定している。シュラウド２６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２５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。ハウジング２５とシュラウド２６とが組み合わされることによって、渦巻室２８が形成されている。ハウジング２５は、上述の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。ディフューザ２７がベーンドディフューザであるとき、複数のベーンも上述の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。

回転体１７の内部には、主流路１９及び噴射流路２０が設けられている。主流路１９は、回転体１７の内部において、回転体１７の軸方向に延びている。詳細には、主流路１９は、回転軸１５の内部に設けられており、回転軸１５の軸方向に延びている。噴射流路２０は、回転体１７の内部において主流路１９から分岐して主流路１９から冷媒流路１８まで延びている。主流路１９は、冷媒供給路９を通じて、凝縮器４に接続されている。主流路１９には、回転体１７の外部に位置している冷媒供給路９から導入された液相冷媒が流れる。噴射流路２０は、主流路１９から冷媒流路１８に液相冷媒を導く流路である。

主流路１９は、回転軸１５の端面１５ｃに位置している流入口２０ａを有する。端面１５ｃは、インペラ１６が位置している側とは反対側に位置している端面である。流入口２０ａから主流路１９に液相冷媒が導入される。このような構成によれば、液相冷媒を主流路１９にスムーズに送り込むことが可能である。主流路１９は、回転軸１５の中心軸Ｏを含んでいる。回転軸１５の横断面において、主流路１９は、例えば、円形の断面形状を有する。回転軸１５の横断面において、主流路１９の中心が中心軸Ｏに一致している。ただし、主流路１９の中心が回転軸１５の中心軸Ｏからオフセットしていてもよい。回転軸１５の軸方向において、主流路１９は、インペラ１６の上面１６ｔ付近まで延びている。

冷媒供給路９は、ハウジング２５の接続口２５ａに接続されうる。ハウジング２５の内部には接続口２５ａに連通しているバッファ室２５ｈが設けられており、冷媒供給路９からバッファ室２５ｈに液相冷媒が供給される。回転軸１５の端面１５ｃがバッファ室２５ｈに面している。つまり、主流路１９がバッファ室２５ｈに向かって開口している。このような構成によれば、バッファ室２５ｈを介して、液相冷媒を冷媒供給路９から主流路１９にスムーズに送り込むことが可能である。

バッファ室２５ｈが冷媒供給路９の一部であってもよい。この場合、冷媒供給路９の一部であるバッファ室２５ｈから空気排出路１３が分岐するように、空気排出路１３をなす配管が圧縮機３のハウジング２５に取り付けられていてもよい。空気排出路１３は、バッファ室２５ｈに向かって開口する入口を有する。

噴射流路２０は、主流路１９から分岐し、回転軸１５の半径方向に延びている。噴射流路２０の中の液相冷媒には遠心力が働く。液相冷媒は、遠心力によって冷媒流路１８に噴射され、圧縮機３に吸入された気相冷媒に混合される。本実施の形態では、噴射流路２０は、回転軸１５の軸方向に垂直な方向に延びている。噴射流路２０は、冷媒流路１８に面している流出口２０ｂを有する。流出口２０ｂは、気相冷媒の流れ方向において、インペラ１６のブレード３１の上流端よりも上流側に位置している。このような構成によれば、圧縮過程の気相冷媒から効率的に熱を奪うことが可能である。

図３は、III-III線に沿った回転体１７の断面図である。本実施の形態において、複数（２以上）の噴射流路２０が設けられている。複数の噴射流路２０は、主流路１９から放射状に延びている。噴射流路２０のそれぞれから冷媒流路１８に液相冷媒が噴射される。このような構成によれば、回転軸１５の周方向において、気相冷媒を均一に冷却することができる。ただし、圧縮機３が少なくとも１つの噴射流路２０を有していれば、上述の効果が得られる。

噴射流路２０の流出口２０ｂには、液相冷媒を微粒化するノズル２１が設けられている。液相冷媒は、冷媒供給路９から主流路１９及び噴射流路２０を通じてノズル２１に供給される。液相冷媒は、ノズル２１によって微粒化され、圧縮機３の内部の冷媒流路１８に向かって噴射される。粒子径が小さい液相冷媒を噴射することによって、液相冷媒と気相冷媒との熱交換が促進されるとともに、インペラ１６のエロージョンが抑制されうる。

空気排出路１３は、冷媒供給路９の一部を介して、圧縮機３の主流路１９に間接的に接続されている。このような構成によれば、メンテナンス終了後に空気排出路１３を使用して真空引きを行う際に、冷媒供給路９、主流路１９及び噴射流路２０の内部に残留している空気の排出効果が最大限に得られる。

圧縮機３は２段の圧縮機であってもよく、３段以上の圧縮機であってもよい。圧縮機３が多段圧縮機である場合は、圧縮機３が比較的小型であっても、高い圧縮比を得ることができる。

［１－２．動作］
以上のように構成された冷凍サイクル装置１００について、図１に基づいて、その動作を以下説明する。

冷凍サイクル装置１００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１００の内部の温度は、周囲温度に概ね均衡する。冷凍サイクル装置１００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、液相冷媒が内気と熱交換する吸熱回路１１の熱媒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１２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７を通じて、凝縮器４から蒸発器２へと送られる。

圧縮機３の内部においては、主流路１９、噴射流路２０及びノズル２１を通じて、冷媒流路１８に液相冷媒が噴射される。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。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１００の効率が向上する。

メンテナンスの際に冷凍サイクル装置１００が大気開放されると、冷凍サイクル装置１００の内部に空気が流れ込んで、内部圧力が大気圧に一致する。冷媒供給路９、主流路１９及び噴射流路２０を満たす液相冷媒の一部は、自重によって凝縮器４に戻る。冷媒供給路９を満たす液相冷媒の液面は、凝縮器４に貯留された液相冷媒の液面と一致する。大気開放によって外部から冷凍サイクル装置１００の内部に流れ込んだ空気は、冷媒供給路９、主流路１９及び噴射流路２０に直接に流れ込むか、又は、液相冷媒に溶解して脱気した後に流れ込む。

メンテナンスの終了後、冷凍サイクル装置１００の内部から空気を排出するための真空引きが行われる。真空引きは、空気排出路１３及び真空引き経路４２の両方を用いて行われる。

図６Ａから図６Ｃは、空気排出路１３が設けられておらず、真空引き経路４２のみを用いて真空引きを行った場合に発生する課題を示す図である。真空引き経路４２のみを用いて真空引きを行った場合、ノズル２１のオリフィス、軸受２２と回転軸１５との間の隙間などの狭い流路に留まる液相冷媒によって、圧縮機３の外部への空気の排出が阻害されることがある。その結果、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、主流路１９及び噴射流路２０に空気が残留することがある。

真空引きの終了後、主流路１９及び噴射流路２０に空気が残留した状態で圧縮機３を起動すると、図６Ｃに示すように、圧縮機３の複数の噴射流路２０において、液柱質量にバラつきが生じる。噴射流路２０の液柱質量のバラつきは、回転体１７の釣り合い良さを悪化させ、圧縮機３の起動を困難にしたり、圧縮機３の破損を生じさせたりする。

一方、ノズル２１のオリフィスなどの比較的狭い隙間が空気排出路１３と主流路１９及び噴射流路２０との間に存在しないので、空気排出路１３を用いて真空引きを行うと、主流路１９及び噴射流路２０からスムーズに空気を抜くことができる。そのため、噴射流路２０の液柱質量のバラつきが生じにくい。結果として、圧縮機３を円滑かつ確実に起動することが可能となる。

なお、空気排出路１３のみを用いて真空引きを行うことも考えられる。しかし、空気排出路１３及び真空引き経路４２の両方を通じて真空引きを行うと、空気をより十分かつ速やかに冷凍サイクル装置１００の外部に排出することができる。

メンテナンスの終了後、圧縮機３に対して、空気排出路１３を使用して真空引きを行うことにより、冷媒供給路９、主流路１９及び噴射流路２０に残留している空気が外部に排出される。冷媒供給路９、主流路１９及び噴射流路２０がすべて冷媒蒸気で満たされる。真空引きは、真空ポンプ４１に接続されている真空引き経路に、空気排出路１３の出口端を接続して行ってもよい。

［１－３．効果等］
以上のように、本実施の形態において、空気排出路１３は、冷媒供給路９から分岐して設けられている。このような構成によれば、メンテナンス終了後に空気排出路１３を使用して真空引きを行うことにより、冷媒供給路９及び圧縮機３の内部に残留している空気を、空気排出路１３を介して外部に排出することができる。そのため、圧縮機３を、ひいては冷凍サイクル装置１００を確実に起動することができる。

また、本実施の形態において、圧縮機３は、回転軸１５及びインペラ１６を含む回転体１７と、回転体１７の周囲に位置し、気相冷媒が流れる冷媒流路１８と、回転体１７の内部において回転体１７の軸方向に延びており、液相冷媒が流れる主流路と、回転体の内部に位置し、主流路から分岐して主流路から冷媒流路まで延びており、主流路から冷媒流路に液相冷媒を導く噴射流路と、を有していてもよく、空気排出路が主流路に間接的に接続されていてもよい。このような構成によれば、メンテナンス終了後に空気排出路１３を使用して真空引きを行う際に、冷媒供給路９、主流路１９及び噴射流路２０の内部に残留している空気の排出効果が最大限に得られる。

また、本実施の形態において、冷媒供給路９は、凝縮器４に接続されていてもよい。このような構成によれば、冷媒供給路９を通じて、凝縮器４に貯留された液相冷媒を圧縮機３に供給できる。

また、本実施の形態において、冷媒供給路９は、凝縮器４に接続され、空気排出路１３は、凝縮器４に貯留された液相冷媒の液面よりも上方に配置されていてもよい。このような構成によれば、空気排出路１３を通じて、冷媒供給路９及び圧縮機３の内部の空気を外部に円滑に排出することができる。

また、本実施の形態において、冷媒は、常温での飽和蒸気圧が負圧の物質を主成分として含んでいてもよい。このような冷媒が冷凍サイクル装置１００に使用されている場合に本開示の技術がより高い効果を奏する。

（実施の形態２）
以下、図２から図４を用いて、実施の形態２を説明する。

［２－１．構成］
図４は、実施の形態２における冷凍サイクル装置２００の構成を示している。冷凍サイクル装置２００において、冷媒供給路９は、蒸発器２に接続されている。この点を除き、冷凍サイクル装置２００の構成は、実施の形態１の冷凍サイクル装置１００と同一である。冷凍サイクル装置２００の運転時において、蒸発器２に貯留された液相冷媒の温度は、凝縮器４に貯留された液相冷媒の温度よりも低い。そのため、本実施の形態によれば、より低温の液相冷媒によって圧縮過程の気相冷媒を冷却することができる。

冷媒供給路９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方に位置している。この場合、蒸発器２から圧縮機３に液相冷媒が安定的に供給されうる。冷媒供給路９には、ポンプ、弁などが配置されていてもよい。

空気排出路１３は、蒸発器２に貯留された液相冷媒の液面よりも上方に配置されていてもよい。冷媒供給路９からの空気排出路１３の分岐位置は、蒸発器２に貯留された液相冷媒の液面よりも上方である。このような構成によれば、空気排出路１３を通じて、冷媒供給路９及び圧縮機３の内部の空気を外部に円滑に排出することができる。空気排出路１３は、蒸発器２の上端よりも上方に配置されていてもよい。冷媒供給路９からの空気排出路１３の分岐位置は、蒸発器２の上端よりも上方でありうる。このような構成によれば、蒸発器２に貯留された液相冷媒の量によらず、空気排出路１３による空気排出の効果を得られる。蒸発器２の上端は、蒸発器２と吐出配管６との接続位置でありうる。

［２－２．効果等］
以上のように、本実施の形態において、冷媒供給路９は、蒸発器２に接続されている。そのため、冷凍サイクル装置２００の運転時において、蒸発器２に貯留された液相冷媒の温度は、凝縮器４に貯留された液相冷媒の温度よりも低い。そのため、本実施の形態によれば、より低温の液相冷媒によって圧縮過程の気相冷媒を冷却することができる。

（実施の形態３）
以下、図５を用いて、実施の形態３を説明する。

［３－１．構成］
図５は、実施の形態３における冷凍サイクル装置３００の構成を示している。冷凍サイクル装置３００において、空気排出路１３の出口端が真空引き経路４２に接続されている。空気排出路１３の出口端は、真空引き経路４２における真空ポンプ４１よりも上流側に位置している。このような構成によれば、メンテナンス終了後に、１つの真空ポンプ４１により、蒸発器２から凝縮器４までの気相冷媒で満たされるべき空間の真空引きを行うことができる。

［３－２．効果等］
以上のように、本実施の形態において、冷凍サイクル装置３００は、蒸発器２から凝縮器４までの気相冷媒で満たされるべき空間に接続された真空引き経路４２をさらに備えていてもよく、空気排出路１３の出口端が真空引き経路４２に接続されていてもよい。このような構成によれば、メンテナンス終了後に、１つの真空ポンプ４１により、蒸発器２から凝縮器４までの気相冷媒で満たされるべき空間の真空引きを行うことができる。

なお、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲又はその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

以上のように、本開示にかかる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る。空気調和装置は、例えば、ビルのセントラル空調に使用される。チラーは、例えば、プロセス冷却の用途で使用される。

２ 蒸発器
３ 圧縮機
４ 凝縮器
５ 吸入配管
６ 吐出配管
７ 戻し経路
８ 冷媒回路
９ 冷媒供給路
１１ 吸熱回路
１２ 放熱回路
１３ 空気排出路
１５ 回転軸
１５ｃ 端面
１６ インペラ
１６ｔ 上面
１７ 回転体
１８ 冷媒流路
１９ 主流路
２０ 噴射流路
２０ａ 流入口
２０ｂ 流出口
２１ ノズル
２２ 軸受
２３ シール機構
２４ 潤滑水排出流路
２５ ハウジング
２５ａ 接続口
２５ｈ バッファ室
２６ シュラウド
２７ ディフューザ
２８ 渦巻室
２９ 吸入流路
３０ 翼間流路
３１ ブレード
４１ 真空ポンプ
４２ 真空引き経路
１００，２００，３００ 冷凍サイクル装置

Claims (7)

1. 液相冷媒を蒸発させて気相冷媒を生成する蒸発器と、
   前記蒸発器で生成された前記気相冷媒を圧縮する速度型圧縮機と、
   前記速度型圧縮機で圧縮された前記気相冷媒を凝縮させて前記液相冷媒を生成する凝縮器と、
   前記凝縮器又は前記蒸発器と前記速度型圧縮機とを接続し、前記速度型圧縮機において圧縮過程にある前記気相冷媒に混合されるべき前記液相冷媒を前記速度型圧縮機に導く冷媒供給路と、
   前記冷媒供給路から分岐した空気排出路と、
   を備えた、冷凍サイクル装置。
2. 前記速度型圧縮機は、
   回転軸及びインペラを含む回転体と、
   前記回転体の周囲に位置し、前記気相冷媒が流れる冷媒流路と、
   前記回転体の内部において前記回転体の軸方向に延びており、前記液相冷媒が流れる主流路と、
   前記回転体の内部に位置し、前記主流路から分岐して前記主流路から前記冷媒流路まで延びており、前記主流路から前記冷媒流路に前記液相冷媒を導く噴射流路と、
   を有し、
   前記空気排出路が前記主流路に間接的に接続されている、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記冷媒供給路は、前記凝縮器又は前記蒸発器に接続されている、
   請求項１又は２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記冷媒供給路が前記凝縮器に接続され、
   前記空気排出路は、前記凝縮器に貯留された前記液相冷媒の液面よりも上方に配置されている、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記冷媒供給路が前記蒸発器に接続され、
   前記空気排出路は、前記蒸発器に貯留された前記液相冷媒の液面よりも上方に配置されている、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記液相冷媒及び前記気相冷媒は、常温での飽和蒸気圧が負圧の物質を主成分として含む、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記蒸発器から前記凝縮器までの前記気相冷媒で満たされるべき空間に接続された真空引き経路をさらに備え、
   前記空気排出路の出口端が前記真空引き経路に接続されている、
   請求項１から６のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。

Images