JP6390953B2 - ターボ圧縮機及び冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本開示は、ターボ圧縮機、また、そのターボ圧縮機を備えた冷凍サイクル装置に関する。

従来、ターボ圧縮機のケーシング面に集積した液体により引き起こされるエロージョンの発生を抑制する技術が知られている。特許文献１には、ターボ圧縮機に吸入されるガス冷媒の加熱器がターボ圧縮機の吸込管に設けられたターボ冷凍機が記載されている。この加熱器は、吸込管において入口ベーン（インレットベーン）よりも蒸発器に近い位置に設けられている。

特許文献２には、オープン式インペラ、ケーシング、及びケーシングを加熱する加熱手段を備えたターボ圧縮機が記載されている。加熱手段がケーシングを加熱することにより、主流蒸気がケーシングに接触した際に凝縮することが抑制される。

特許文献３には、インレットベーンを有するターボ圧縮機が記載されている。特許文献３によれば、ターボ圧縮機の入口に設けられたインレットガイドベーンの開度によって圧縮機入口から吸い込まれる作動流体の流量が制御される。

特開平８−２３３３８２号公報 特開２００９−８５０４４号公報 特許第４１０９９９７号公報

しかし、従来のターボ圧縮機は、インペラに吸い込まれる作動流体の過熱度を高め、ターボ圧縮機の耐久性を向上させることが望まれていた。

本開示にかかるターボ圧縮機の一態様は、
インペラと、
前記インペラを回転駆動するモータと、
前記インペラを経由して作動流体を通過させる流体流路と、
前記インペラの回転により前記流体流路に吸引された前記作動流体を加熱する加熱機構と、を備え、
前記加熱機構は、前記モータの回転により生ずる熱を、前記インペラより上流の前記流体流路に伝達することにより、前記流体流路に吸引された前記作動流体を加熱し、
前記作動流体は、前記インペラより下流の前記流体流路において圧縮される、ものである。

上記のターボ圧縮機によれば、ターボ圧縮機の所望の運転条件が維持されやすく、ターボ圧縮機の耐久性が向上する。

第１実施形態に係るターボ圧縮機の断面図 図１のベーン部材の斜視図 第１実施形態に係る冷凍サイクル装置の構成図 第１実施形態に係る冷凍サイクル装置のＰ−ｈ線図 第１実施形態に係る冷凍サイクル装置の構成図 変形例１に係るターボ圧縮機の断面図 変形例２に係るターボ圧縮機の断面図 第２実施形態に係る冷凍サイクル装置の構成図 第２実施形態に係るターボ圧縮機の断面図

特許文献１では、ターボ圧縮機に吸入されるガス冷媒を加熱器で加熱している。また、加熱器の熱源として、「ターボ圧縮機を潤滑して昇温した戻り油の排熱」を利用している。しかしながら、ターボ圧縮機に導入されるガス冷媒を加熱するためにターボ圧縮機の軸を回転させるモータから生成される熱量（モータの排熱）、即ちモータの漏れ磁束による漂遊負荷損失により生じる熱を利用することは明記されていない。ここで、「潤滑」とは、「機械類の摩擦面の摩擦・磨耗などを防ぐため、油や薬剤で滑らかにすること」（広辞苑第５版参照）を意味する。さらに、ターボ圧縮機において、「潤滑」が必要な部位は軸受部である。したがって、特許文献１では、モータの排熱ではなく、ターボ圧縮機の軸受部において生成される摩擦熱を加熱器の熱源として利用しているものと考えられる。本発明者らは鋭意検討したところ、軸受部で生成される熱量は、例えば、水を主成分とする作動流体を加熱するための熱量としては十分でないこと、及びモータの排熱の方が、軸受部で生成される熱量よりも大きいことを発見した。即ち、ターボ圧縮機に導入される作動流体を加熱するための熱源として、モータの排熱が適していることを見出した。上記知見に基づき、本発明者は、以下に説明する各態様の発明を想到するに至った。

本開示の第１態様にかかるターボ圧縮機は、
インペラと、
前記インペラを回転駆動するモータと、
前記インペラを経由して作動流体を通過させる流体流路と、
前記インペラの回転により前記流体流路に吸引された前記作動流体を加熱する加熱機構と、を備え、
前記加熱機構は、前記モータの回転により生ずる熱を、前記インペラより上流の前記流体流路に伝達することにより、前記流体流路に吸引された前記作動流体を加熱し、
前記作動流体は、前記インペラより下流の前記流体流路において圧縮される、ものである。

第１態様によれば、モータの排熱を圧縮機に導入される作動流体の加熱に用いることができる。そのため、別途熱源を設ける必要がなく、加熱機構によりターボ圧縮機の効率が低下することを防止できる。また、モータの排熱を利用する場合、ターボ圧縮機に導入される作動流体を十分に加熱することができる。そのため、作動流体の過熱度を高めることができる。その結果、ターボ圧縮機の所望の運転条件が維持されやすく、ターボ圧縮機の耐久性が向上する。

本開示の第２態様は、第１態様に加えて、例えば、
前記加熱機構は、
前記モータを冷却するための流体が供給される冷却流路と、
前記インペラより上流の前記流体流路に熱を伝達するように設けられ、前記流体流路を加熱するための流体が供給される加熱流路と、を有し、
前記冷却流路は、前記冷却流路を通過した流体が前記流体流路を加熱するための流体として前記加熱流路に供給されるように前記加熱流路に連通している。
第２態様によれば、簡易な構成で、加熱機構を構成できる。

本開示の第３態様は、第１態様に加えて、例えば、
前記加熱機構は、
前記モータを冷却するための流体が供給される冷却流路と、
前記インペラより上流の前記流体流路に交差させて設けられ、前記流体流路を加熱するための流体が供給される加熱流路と、を有し、
前記冷却流路は、前記冷却流路を通過した流体が前記流体流路を加熱するための流体として前記加熱流路に供給されるように前記加熱流路に連通している。
第３態様によれば、簡易な構成で、加熱機構を構成できる。

本開示の第４態様は、第１態様に加えて、例えば、
前記加熱機構は、
前記モータを冷却するための流体が供給される冷却流路と、
前記インペラより上流の前記流体流路の外周に接触して配置され、前記流体流路を加熱するための流体が供給される加熱流路と、を有し、
前記冷却流路は、前記冷却流路を通過した流体が前記流体流路を加熱するための流体として前記加熱流路に供給されるように前記加熱流路に連通している。
なお、本明細書において、加熱流路が流体流路の外周に接触するとは、加熱流路に供給される流体の熱を、流体流路を通過する作動流体に伝えられる程度に、加熱流路及び流体流路が接近していることを意味する。
第４態様によれば、簡易な構成で、加熱機構を構成できる。

本開示の第５態様は、第３態様に加えて、例えば、
前記ターボ圧縮機は、
前記インペラを囲うケーシングを有し、
前記ケーシングは前記流体流路の一部を構成し、
前記加熱流路は、前記ケーシングで一部を構成された前記流体流路の中に挿入され、
前記加熱流路に供給される流体の熱を、前記加熱流路の外周から、前記ケーシングで構成された前記流体流路を通過する前記作動流体に伝える。

第５態様によれば、前記インペラを囲うケーシングにより前記流体流路の一部を構成するので、前記モータの排熱を利用して前記作動流体を加熱するにあたって、前記ターボ圧縮機の構成を簡易にできる。
また、前記加熱流路は、前記ケーシングで一部を構成された前記流体流路の中を挿入されている。これにより、前記加熱流路に供給される流体の熱を、前記加熱流路の外周から、前記ケーシングで構成された前記流体流路を通過する前記作動流体に伝えている。即ち、前記ケーシングは前記インペラの近傍に設けられているので、前記インペラの近傍において、前記加熱流路に供給される流体の熱を、前記作動流体に伝えることができる。そのため、従来技術に比して、前記インペラの近傍において作動流体の過熱度を高めることができる。その結果、前記インペラの破損を防ぎ、ターボ圧縮機の所望の運転条件が維持されやすく、ターボ圧縮機の耐久性が向上する。

本開示の第５態様は、特許文献１に開示のターボ冷凍機又は特許文献２に開示のターボ圧縮機に比して、以下の点で優れている。
特許文献１のターボ冷凍機は、加熱源である加熱器により作動流体を加熱している。しかし、前記加熱源は前記インペラの近傍には配置されていない。前記作動流体が加熱源により加熱されたとしても、前記インペラに吸引されるまでの間に凝縮する可能性がある。その結果、前記インペラを破損する可能性があった。
また、特許文献２のターボ圧縮機は、前記作動流体の経路をＵ字形状に形成し、前記作動流体自身の温度を用いて前記Ｕ形状の流路を迂回した後に放熱した作動流体を加熱する。そのため、前記Ｕ形状の流路を迂回した後に放熱した作動流体を、前記流路の一側面にて加熱するため、加熱温度が不十分となる可能性がある。この場合、上記特許文献１と同様に、前記作動流体が加熱されたとしても、前記インペラに吸引されるまでの間に凝縮する可能性がある。その結果、前記インペラを破損する可能性があった。
これに対し、本開示のターボ圧縮機によると、前記加熱流路は、前記インペラの近傍において前記流体流路の中に挿入されている。そのため、前記作動流体が前記加熱源により加熱された後、前記インペラに吸引されるまでの間に作動流体が凝縮することを抑制できる。その結果、前記インペラの破損を大幅に抑制できる。

本開示の第６態様は、第４態様に加えて、例えば、
前記ターボ圧縮機は、
前記インペラを囲うケーシングを有し、
前記ケーシングは前記流体流路の一部を構成し、
前記ケーシングの一部で構成された前記流体流路は、その内部に加熱部材を有し、
前記加熱流路は、前記ケーシングで構成された前記流体流路の外周に接触して設けられ、
前記加熱流路に供給される流体の熱は前記加熱部材に伝達され、前記加熱部材を介して前記ケーシングで構成された前記流体流路を通過する前記作動流体に伝達される。

第６態様によれば、前記インペラを囲うケーシングにより前記流体流路の一部を構成するので、前記モータの排熱を利用して前記作動流体を加熱するにあたって、前記ターボ圧縮機の構成を簡易にできる。
また、前記ケーシングの一部で構成された前記流体流路の内部に、前記加熱部材が設けられている。前記加熱流路は、前記ケーシングで構成された前記流体流路の周囲に接して設けられている。これにより、前記加熱流路に供給される流体の熱を、前記加熱流路から前記加熱部材を介して、前記ケーシングで構成された前記流体流路を通過する前記作動流体に伝えている。即ち、前記インペラの近傍において、前記加熱流路に供給される流体の熱を、前記作動流体に伝えることができる。そのため、従来技術に比して、前記インペラの近傍において作動流体の過熱度を高めることができる。その結果、前記インペラの破損を防ぎ、ターボ圧縮機の所望の運転条件が維持されやすく、ターボ圧縮機の耐久性が向上する。

本開示の第６態様は、特許文献１に開示のターボ冷凍機又は特許文献２に開示のターボ圧縮機に比して、以下の点で優れている。
特許文献１のターボ冷凍機は、加熱源である加熱器により作動流体を加熱している。しかし、前記加熱源は前記インペラの近傍には配置されていない。前記作動流体が加熱源により加熱されたとしても、前記インペラに吸引されるまでの間に凝縮する可能性がある。その結果、前記インペラを破損する可能性があった。
また、特許文献２のターボ圧縮機は、前記作動流体の経路をＵ字形状に形成し、前記作動流体自身の温度を用いて前記Ｕ形状の流路を迂回した後に放熱した作動流体を加熱する。そのため、前記Ｕ形状の流路を迂回した後に放熱した作動流体を、前記流路の一側面にて加熱するため、加熱温度が不十分となる可能性がある。この場合、上記特許文献１と同様に、前記作動流体が加熱されたとしても、前記インペラに吸引されるまでの間に凝縮する可能性がある。その結果、前記インペラを破損する可能性があった。
これに対し、本開示のターボ圧縮機によると、前記加熱流路は、前記インペラの近傍において前記ケーシングで構成された前記流体流路の周囲に接して設けられている。そのため、前記作動流体が前記加熱源により加熱された後、前記インペラに吸引されるまでの間に作動流体が凝縮することを抑制できる。その結果、前記インペラの破損を大幅に抑制できる。

本開示の第７態様は、第５態様に加えて、例えば、
前記加熱流路の一部は、前記インペラに向かって流れる作動流体の流れの方向を整えるインレットガイドベーンを貫通する流路である。
第７態様によれば、前記インペラに向かって流れる作動流体の流れの方向を整えるインレットガイドベーンに、前記加熱流路の機能を兼用させるので、前記ターボ圧縮機の構成を簡易にしつつ、前記作動流体を効果的に加熱できる。
なお、特許文献３のターボ圧縮機によれば、インレットガイドベーンを開示する。しかし、特許文献３では、作動流体をさらに流体流路の外側から加熱する構成を開示するものではないので、インレットガイドベーンは加熱流路を兼用していない。

本開示の第８態様は、第７態様に加えて、例えば、
前記ターボ圧縮機は、
前記インレットガイドベーンを配置したベース及び前記インレットガイドベーンを有するベーン部材を備え、
前記ベースは、前記加熱流路の一部を形成し、前記ベースの中に形成された前記加熱流路の一部は、前記加熱流路としての前記インレットガイドベーンに連結する。

第８態様によれば、前記加熱された流体が、前記ベース及び前記インレットガイドベーンを介して前記作動流体に接触して加熱するので、前記ターボ圧縮機の構成を簡易にしつつ、前記作動流体を効率的に加熱できる。

本開示の第９態様は、第７態様又は第８態様に加えて、例えば、
前記ケーシングは、前記インレットガイドベーンに接触している接触面を有し、
前記ケーシングは、前記接触面に開口し前記ケーシングの外部の空間まで延びているケーシング流路を有し、
前記加熱流路は、前記インレットガイドベーンを貫通して前記ケーシング流路に連通している。
前記第９態様によれば、前記インレットガイドベーンを加熱するための流体が、インレットガイドベーンの内部及びケーシング流路を通過して流れるので、インレットガイドベーンの内部で流体が淀みにくい。このため、前記インベットガイドレーンを流れる加熱流体によって、前記作動流体を安定して継続して加熱できる。

本開示の第１０態様は、第７態様〜第９態様に加えて、例えば、
前記加熱流路は、前記インレットガイドベーンを挟んで前記インペラと反対側に流入口を有する。
第１０態様によれば、前記加熱流路を流れる流体が前記インペラにおいて発生する熱の影響を受けにくい。このため、前記加熱流路を流れる流体の温度が、他の要因によって変動することを防止できる。

本開示の第１１態様は、第７態様〜第１０態様のいずれか一つに加えて、例えば、
前記加熱流路に供給される流体の温度は、前記インレットガイドベーンの外周面に接している前記作動流体の温度よりも高温である。
第１１態様によれば、前記インレットガイドベーンによって前記作動流体を確実に加熱することができる。

本開示の第１２態様は、第２態様〜第１１態様のいずれか一つに加えて、例えば、
前記ターボ圧縮機は、
前記インペラの前端側における前記作動流体の温度を検出する入口温度センサと、
前記加熱流路における流体の温度又は前記加熱流路に供給されるべき流体の温度を検出する加熱側温度センサと、
前記加熱流路を流れる前記流体によって前記流体流路を通過する前記作動流体を加熱する箇所より上流側の前記加熱流路に設けられたバルブと、
前記加熱側温度センサで検出された前記流体の温度が前記入口温度センサで検出された前記作動流体の温度よりも低い場合に、前記バルブを閉じるように前記バルブを制御する制御器と、をさらに備えている。
第１２態様によれば、前記インペラの前端側における前記作動流体より低温の流体が加熱流路に供給されることを防止できる。よって、前記作動流体が冷やされて前記作動流体が凝縮することを防止できる。

本開示の第１３態様は、第１態様〜第１２態様において、前記作動流体は、常温での飽和蒸気圧が負圧である流体である。
ターボ圧縮機のインペラに向かって流れる作動流体の蒸気の過熱度が比較的小さい。このため、インペラに向かって流れている作動流体は、少し冷却されただけで飽和蒸気又は湿り蒸気に変化してしまう。第１３態様による構成によれば、インペラに向かって流れている作動流体の凝縮を防止する効果がより得られやすい。

特許文献３のターボ圧縮機によれば、外気温度等が原因で、蒸発器において発生する作動流体の蒸気が十分な過熱度に達しない可能性がある。この場合、蒸発器からターボ圧縮機への流路において作動流体が冷却されることにより、作動流体が飽和蒸気又は湿り蒸気となる可能性がある。この場合、作動流体の体積流量が低下するので、インペラに吸い込まれる作動流体が所望の状態とはいえない可能性がある。例えば、作動流体が水が主成分である場合、液相の作動流体と気相の作動流体との体積比は大気圧の下で１０００倍程度である。このため、インレットガイドベーンによる作動流体の流れの調整によって補償できない条件でターボ圧縮機が運転されるおそれがある。また、液滴を含む作動流体がターボ圧縮機のインペラに吸い込まれた場合、この液滴がインペラの動翼に衝突してエロージョンが発生するおそれがある。その結果、ターボ圧縮機の所望の運転条件を維持できず、ターボ圧縮機の耐久性が低下するおそれがある。

また、前記作動流体として、常温での飽和蒸気圧が負圧の冷媒を用いる場合、ターボ圧縮機は前記インペラの回転数として高い回転数が必要になる。常温での飽和蒸気圧が正圧（絶対圧で大気圧以上の圧力）の冷媒を用いる場合には問題にならない程度の僅かな液摘が含まれた場合でも、常温での飽和蒸気圧が負圧の冷媒を用いる場合には、液滴（凝縮した作動流体）とインペラとの動翼との衝突によってインペラの動翼の壊食（エロージョン）が発生する。
これに対して、本開示のターボ圧縮機は、作動流体として常温での飽和蒸気圧が負圧の冷媒を用いる場合において、従来のターボ圧縮機に比して、ターボ圧縮機の所望の運転条件が維持されやすく、ターボ圧縮機の耐久性が向上するという点で特に顕著な効果を奏する。

本開示の第１４態様は、第２態様〜第１２態様のいずれか一つの態様のターボ圧縮機と、前記ターボ圧縮機で圧縮された前記作動流体を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器で凝縮した前記作動流体の圧力を下げる減圧機構と、前記減圧機構で減圧した前記作動流体を蒸発させる蒸発器と、を備え、
前記流体流路は、前記ターボ圧縮機、前記凝縮器、前記減圧機構、及び前記蒸発器をこの順番で環状に接続している接続流路を有し、
（i）前記蒸発器と、前記加熱流路に連通している前記ターボ圧縮機の特定位置とを接続している蒸発器側導入流路、又は
（ii）前記凝縮器と前記蒸発器との間の前記接続流路と、前記加熱流路に連通している前記ターボ圧縮機の特定位置とを接続している接続導入流路、をさらに備えた
冷凍サイクル装置を提供する。

第１４態様によれば、第２態様〜第１２態様のいずれか一つに記載のターボ圧縮機を備えた冷凍サイクル装置を実現できる。

本開示の第１５態様は、第１４態様に加えて、
前記冷凍サイクル装置は、
前記蒸発器側導入流路を備えている場合、
前記蒸発器から液相の前記作動流体を前記蒸発器側導入流路に引き込むように前記蒸発器に接続されており、かつ前記ターボ圧縮機の前記冷却流路に連通しており、
一方、前記接続導入流路を備えている場合、
前記蒸発器と前記減圧機構との間の前記接続流路から液相の前記作動流体を、前記接続導入流路に引き込むように前記接続流路に接続されており、かつ前記ターボ圧縮機の前記冷却流路に連通している。

第１５態様によれば、冷凍サイクルのうち最も低い温度の液相の作動流体をモータの冷却によって昇温した後に加熱流路に供給できる。このため、インレットガイドベーンを適切な温度で加熱できる。

本開示の第１６態様は、第１４態様又は第１５態様において、前記作動流体は、常温での飽和蒸気圧が負圧である流体である。
ターボ圧縮機のインペラに向かって流れる作動流体の蒸気の過熱度が比較的小さい。このため、インペラに向かって流れている作動流体は、少し冷却されただけで飽和蒸気又は湿り蒸気に変化してしまう。第１６態様による構成によれば、インペラに向かって流れている作動流体の凝縮を防止する効果がより得られやすい。

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。なお、以下の説明は本開示の一例に関するものであり、本開示はこれらによって限定されるものではない。

＜第１実施形態＞
図１に示すように、ターボ圧縮機１００ａは、吸込流路１０ａ及び吸込流路３０ａ、ディフューザ１０ｂ及びディフューザ３０ｂ、渦巻室１０ｃ及び渦巻室３０ｃ、ガイドベーン１１ａ及びガイドベーン３１ａ、インペラ１２及びインペラ３２、シャフト１３、モータ１４、モータケース１５、冷却流路１６、軸受１７及び軸受３７、軸受ケース１８及び軸受ケース３８、加熱機構１９、ケーシング２０及びケーシング４０、ケーシング流路２２、上流流路２３、バイパス流路２４、センタケース２５、制御器５０、入口温度センサ５１、加熱側温度センサ５２、バルブ５３、並びにバルブ５４を有している。

ターボ圧縮機１００ａは、２つの圧縮機構が直列に並んだ２段式のターボ圧縮機である。吸込流路１０ａ、インペラ１２、ディフューザ１０ｂ、及び渦巻室１０ｃによって１段目の圧縮機構が構成されている。また、吸込流路３０ａ、インペラ３２、ディフューザ３０ｂ、及び渦巻室３０ｃによって２段目の圧縮機構が構成されている。

センタケース２５は円筒形状であり、ターボ圧縮機１００ａの中央部分に配置されている。センタケース２５の内部には、円筒形状のモータケース１５が配置されている。モータケース１５の外周面は中央部分で内側に窪んでいる。このため、センタケース２５の内周面とモータケース１５の外周面との間には環状空間Ｒが形成されている。モータ１４が、モータケース１５の内部に配置されている。モータ１４は、ロータ１４ａとステータ１４ｂとを有している。

シャフト１３は、モータ１４と同軸上でモータ１４に連結されており、モータ１４と共に回転する。シャフト１３は、モータ１４の軸方向における両端のそれぞれからモータ１４の軸方向に沿って延びている。シャフト１３の、モータ１４の一端から延びている部分には、インペラ１２が取り付けられている。また、シャフト１３の、モータ１４の他端から延びている部分には、インペラ３２が取り付けられている。モータ１４とともにシャフト１３が回転することによって、インペラ１２及びインペラ３２が回転する。シャフト１３の一端は軸受１７によって支持されている。また、シャフト１３の他端は軸受３７によって支持されている。

軸受１７は、円筒形状の軸受ケース１８の内部に配置されている。軸受ケース１８の外周面には、軸受１７の近傍で内側に窪んでいる環状溝が形成されている。軸受３７は、円筒形状の軸受ケース３８の内部に配置されている。軸受ケース３８の外周面には、軸受３７の近傍で内側に窪んでいる環状溝が形成されている。

インペラ１２は、インペラ１２の背面がモータ１４を向くようにシャフト１３に取り付けられている。インペラ３２は、インペラ３２の背面がモータ１４を向くようにシャフト１３に取り付けられている。インペラ１２は、複数の動翼１２ａを有している。複数の動翼１２ａのそれぞれは、インペラ１２の回転方向に対して後方に湾曲した形状を有している。インペラ３２は、複数の動翼３２ａを有している。複数の動翼３２ａのそれぞれは、インペラ３２の回転方向に対して後方に湾曲した形状を有している。

吸込流路１０ａは、インペラ１２の前面に向かって延びている。吸込流路１０ａは、インペラ１２に向かって作動流体を流すための流路である。吸込流路１０ａにおいて、インペラ１２の動翼１２ａの前端側にはインレットガイドベーン１１ａが設けられている。即ち、吸込流路１０ａにおける動翼１２ａの近傍の位置にインレットガイドベーン１１ａが設けられている。近傍の位置とは、インペラ１２の前面に通じる流路に沿って動翼１２ａの前端から所定の距離だけ離れた位置を意味する。所定の距離とは、加熱機構により加熱されたインレッドガイドベーン１１ａを通過した作動流体に含まれる冷媒液が凝縮しない距離を意味する。所定の距離として、例えば、ターボ圧縮機１００ａの入口の口径に相当する距離以下の距離とすることができる。インレッドガイドベーン１１ａは、インペラ１２の動翼１２ａの前端側に位置し、インペラ１２が接続された軸の軸方向から見た場合に、インペラ１２の動翼１２ａと重なるように設けることができる。インレッドガイドベーン１１ａは、インペラ１２に向かって作動流体が流れる経路の一部を塞ぐように設けられている。インレットガイドベーン１１ａは、インペラ１２に向かって流れる作動流体の流れの方向を整える。吸込流路３０ａは、インペラ３２の前面に向かって延びている。吸込流路３０ａは、インペラ３２に向かって作動流体を流すための流路である。吸込流路３０ａにおいて、インペラ３２の動翼３２ａの前端側にはインレットガイドベーン３１ａが設けられている。インレットガイドベーン３１ａは、インペラ３２に向かって流れる作動流体の流れの方向を整える。

図２に示すように、ベーン部材１１の一部が、インレットガイドベーン１１ａである。ベーン部材１１は、インレットガイドベーン１１ａと、インレットガイドベーン１１ａが載置された載置面を含むベース１１ｂとを備えている。ベース１１ｂは、リング形状であり、かつ円板形状である。ベース１１ｂの一方の面（載置面）には、複数の同一形状のインレットガイドベーン１１ａが周方向に等間隔で載置されている。インレットガイドベーン１１ａは、その一端が丸く、かつその他端が尖った、流線形状を有している。インレットガイドベーン１１ａの一端がベース１１ｂの外周側に位置し、インレットガイドベーン１１ａの他端がベース１１ｂの内周側に位置している。インレットガイドベーン１１ａをベース１１ｂの載置面側から見たとき、インレットガイドベーン１１ａの一端は、インレットガイドベーン１１ａの他端よりも、時計回り方向の後方に位置している。インレットガイドベーン３１ａも同様に構成されている。

加熱機構１９は、インレットガイドベーン１１ａを加熱する機構である。具体的に、加熱機構１９は、インレットガイドベーン１１ａを加熱するための流体が供給されるべき加熱流路１９ａ、及びモータ１４を冷却するための流体が供給される冷却流路１６を有する。加熱流路１９ａは、インレットガイドベーン１１ａを挟んでインペラ１２と反対側からインレットガイドベーン１１ａに向かって延びている。即ち、加熱流路１９ａは、インレットガイドベーン１１ａを挟んでインペラ１２と反対側に流入口１９ｂを有する。これにより、加熱流路１９ａを流れる流体がインペラ１２における発熱の影響を受けにくいので、加熱流路１９ａを流れる流体の温度が過剰に高くならずインレットガイドベーン１１ａの加熱に適する。

ベーン部材１１が加熱流路１９ａの一部を形成している。具体的に、加熱流路１９ａは、ベース１１ｂ及びインレットガイドベーン１１ａの内部に形成されている。即ち、本実施形態では、インレットガイドベーン１１ａの内部が加熱流路１９ａの一部を形成している。これにより、インレットガイドベーン１１ａを効率的に加熱できる。

軸受ケース１８の環状溝も加熱流路１９ａの一部を構成している。加熱流路１９ａは、流入口１９ｂから軸受ケース１８の環状溝に向かって延びている。このため、所定温度の流体が軸受１７の周囲に供給されて、軸受１７が適切な温度に保たれる。加熱流路１９ａは、インレットガイドベーン１１ａを挟んでインペラ１２と反対方向に、軸受ケース１８の環状溝から遠ざかるように流出口１９ｃまで延びている。

ケーシング２０は、インペラ１２の周囲にインペラ１２を取り囲むように設けられている。ケーシング２０は、インレットガイドベーン１１ａと接触している接触面２０ａを有する。ケーシング２０の内周面は、吸込流路１０ａにおける、インレットガイドベーン１１ａとインペラ１２との間の部分、ディフューザ１０ｂ、及び渦巻室１０ｃを形成している。ケーシング４０は、インペラ３２の周囲にインペラ３２を取り囲むように設けられている。ケーシング４０は、インレットガイドベーン３１ａと接触している接触面４０ａを有する。ケーシング４０の内周面は、吸込流路３０ａにおける、インレットガイドベーン３１ａとインペラ３２との間の部分、ディフューザ３０ｂ、及び渦巻室３０ｃを形成している。

ケーシング２０は、ケーシング流路２２を有する。ケーシング流路２２は、接触面２０ａに開口しケーシング２０の外部の空間までケーシング２０を貫通して延びている。ケーシング流路２２は、加熱流路１９ａのインレットガイドベーン１１ａを貫通している部分につながっている。即ち、加熱流路１９ａは、インレットガイドベーン１１ａを貫通してケーシング流路２２に連通している。加熱流路１９ａのインレットガイドベーン１１ａを貫通している部分を流れている流体は、ケーシング流路２２を流れてケーシング２０の外部の空間に流出する。このため、加熱流路１９ａのインレットガイドベーン１１ａを貫通している部分で流体が淀みにくい。

冷却流路１６は、センタケース２５の外周面に形成された流入口１６ａからモータケース１５に向かってセンタケース２５を貫通し環状空間Ｒまで延びている。環状空間Ｒも冷却流路１６の一部である。冷却流路１６は、環状空間Ｒから、センタケース２５の外周面に形成された流出口１６ｂまでセンタケース２５を貫通して延びている。冷却流路１６は、モータ１４を冷却するための流体が供給されるべき流路である。

冷却流路１６の流出口１６ｂと加熱流路１９ａの流入口１９ｂとは、上流流路２３によって接続されている。即ち、冷却流路１６は、加熱流路１９ａに連通している。これにより、冷却流路１６を通過した流体がインレットガイドベーン１１ａを加熱するための流体として加熱流路１９ａに供給される。上流流路２３の途中にはバルブ５３が設けられている。バルブ５３の開閉により加熱流路１９ａへの流体の供給が制御される。バルブ５３は、例えば、電磁弁である。バイパス流路２４は、バルブ５３よりも上流側で上流流路２３から分岐している。バイパス流路２４は、冷却流路１６を通過した流体が加熱流路１９ａをバイパスするように構成されている。バイパス流路２４の途中にはバルブ５４が設けられている。バルブ５４は、例えば、電磁弁である。なお、バイパス流路２４及びバルブ５４は、場合によっては省略してもよい。

入口温度センサ５１は、吸込流路１０ａにおいて、インペラ１２の前端近傍に配置されている。入口温度センサ５１は、インペラ１２の前端側における作動流体の温度を検出する。加熱側温度センサ５２は、例えば、上流流路２３において、バルブ５３よりも冷却流路１６に近い位置に設けられている。また、加熱側温度センサ５２は、上流流路２３からバイパス流路２４が分岐する位置よりも冷却流路１６に近い位置に設けられている。加熱側温度センサ５２は、加熱流路１９ａに供給されるべき流体の温度を検出する。入口温度センサ５１の検出信号及び加熱側温度センサ５２の検出信号は、制御器５０に入力される。即ち、制御器５０は、入口温度センサ５１の検出信号及び加熱側温度センサ５２の検出信号が入力される入力部を有する。制御器５０は、バルブ５３又はバルブ５４の開閉を制御する。具体的に、制御器５０は、バルブ５３又はバルブ５４の開閉を制御する制御信号をバルブ５３又はバルブ５４に対して出力する出力部を有する。バルブ５３又はバルブ５４は、制御器５０から出力された制御信号に応じて開閉される。

次に、本実施形態の冷凍サイクル装置１ａについて説明する。図３に示すように、冷凍サイクル装置１ａは、ターボ圧縮機１００ａ、凝縮器２、減圧機構３、蒸発器４、及び流体流路を有している。流体流路は、ターボ圧縮機１００ａ、凝縮器２、減圧機構３、及び蒸発器４を経由して作動流体を通過させる。流体流路は、接続流路５ａ、接続流路５ｂ、接続流路５ｃ、及び接続流路５ｄを有している。流体流路は、ターボ圧縮機の内部において、インペラを経由して作動流体を通過させる。流体流路は、ターボ圧縮機の内部において、吸込流路１０ａ及び吸込流路３０ａ、ディフューザ１０ｂ及びディフューザ３０ｂ、渦巻室１０ｃ及び渦巻室３０ｃを含む。凝縮器２は、ターボ圧縮機１００ａで圧縮された作動流体を凝縮させる。減圧機構３は、凝縮器２で凝縮した作動流体の圧力を下げる。蒸発器４は、減圧機構３で減圧した作動流体を蒸発させる。接続流路５ａは、ターボ圧縮機１００ａと凝縮器２とを接続している。接続流路５ｂは、凝縮器２と減圧機構３とを接続している。接続流路５ｃは、減圧機構３と蒸発器４とを接続している。接続流路５ｄは、蒸発器４とターボ圧縮機１００ａとを接続している。即ち、接続流路５ａ〜５ｄは、ターボ圧縮機１００ａ、凝縮器２、減圧機構３、及び蒸発器４をこの順番で環状に接続している。

冷凍サイクル装置１ａは、送り流路６ａ、戻り流路６ｂ、放熱用熱交換器６ｃ、ポンプ６ｄ、及びファン６ｅをさらに備えている。送り流路６ａは、凝縮器２と放熱用熱交換器６ｃの上流端とを接続している。ポンプ６ｄは送り流路６ａの途中に設けられている。ファン６ｅによる送風によって放熱用熱交換器６ｃの内部の作動流体が冷却される。放熱用熱交換器６ｃは、例えば、フィンチューブ型熱交換器である。戻り流路６ｂは、放熱用熱交換器６ｃの下流端と凝縮器２とを接続している。

冷凍サイクル装置１ａは、送り流路７ａ、戻り流路７ｂ、吸熱用熱交換器７ｃ、ポンプ７ｄ、及びファン７ｅをさらに備えている。送り流路７ａは、蒸発器４と吸熱用熱交換器７ｃの上流端とを接続している。ポンプ７ｄは送り流路７ａの途中に設けられている。ファン７ｅによる送風によって吸熱用熱交換器７ｃの内部の作動流体が加熱される。吸熱用熱交換器７ｃは、例えば、フィンチューブ型熱交換器である。戻り流路７ｂは、吸熱用熱交換器７ｃの下流端と蒸発器４とを接続している。

冷凍サイクル装置１ａは、蒸発器側導入流路８ａ、ポンプ８ｐ、及び戻り流路９ａをさらに備えている。蒸発器側導入流路８ａは、蒸発器４と、加熱流路１９ａに連通しているターボ圧縮機１００ａの特定位置とを接続している。具体的に、蒸発器側導入流路８ａは、蒸発器４と冷却流路１６とを接続している。戻り流路９ａは、ターボ圧縮機１００ａと蒸発器４とを接続している。加熱流路１９ａを通過した流体は、戻り流路９ａを通って蒸発器４に戻る。

冷凍サイクル装置１ａに充填されている作動流体は特に制限されないが、例えば、常温（日本工業規格：２０℃±１５℃／JIS Z8703）で飽和蒸気圧が負圧である流体である。
このような流体としては、例えば、水、アルコール又はエーテルを主成分として含む流体を挙げることができる。作動流体として、常温で飽和蒸気圧が負圧である流体が用いられている場合、冷凍サイクル装置１ａの内部は、例えば真空ポンプ（図示省略）によって大気圧よりも低い負圧に維持されている。本実施形態では、作動流体として水が用いられている。

図４を参照しつつ、冷凍サイクル装置１ａの動作について説明する。蒸発器４で沸騰した作動流体（図４の点Ａ）は、接続流路５ｄを通ってターボ圧縮機１００ａに供給される。インペラ１２は、モータ１４による駆動によってシャフト１３とともに高速回転する。このため、作動流体は、吸込流路１０ａをインペラ１２に向かって流れる。作動流体は、作動流体がインペラ１２に吸い込まれる直前に、インレットガイドベーン１１ａに接触しながら吸込流路１０ａを流れる。インレットガイドベーン１１ａによって、インペラ１２に向かって流れる作動流体の流れの方向が調えられる。これにより、インペラ１２の動翼１２ａに対する作動流体の流入角度が調整される。

加熱流路１９ａにはインレットガイドベーン１１ａを加熱するための流体が供給される。具体的に、インレットガイドベーン１１ａの外周面に接している作動流体の温度よりも高温の流体が加熱流路１９ａに供給される。加熱流路１９ａに供給される流体の温度は、運転条件、外気条件などで異なるが、例えば、インレットガイドベーン１１ａを通過している作動流体の温度よりも２．０〜５．０℃高い。これにより、インレットガイドベーン１１ａがインペラ１２に向かって流れている作動流体を加熱する。図４における点Ａとして示すように、吸込流路１０ａを流れている作動流体の過熱度は比較的小さい（例えば、過熱度（０．１〜１）℃）。このため、吸込流路１０ａを流れている作動流体は、場合によっては、飽和蒸気状態又は湿り蒸気状態となっている可能性がある。インレットガイドベーン１１ａによって飽和蒸気状態又は湿り蒸気状態の作動流体を加熱することにより、作動流体の過熱度又はクオリティが高くなる。その結果、作動流体が適切な状態でインペラ１２に吸い込まれる。

インペラ１２に吸い込まれた作動流体は、高速回転している動翼１２ａによってシャフト１３の軸方向と垂直な方向に吹き出され、インペラ１２の半径方向外側に位置するディフーザ１０ｂ及び渦巻室１０ｃを流れる。この際に、インペラ１２によって増速された作動流体の流速が減速されて、作動流体の運動エネルギーが静圧に変換される。このようにして、作動流体が圧縮される。渦巻室１０ｃを流れている作動流体は、渦巻室１０ｃを出て吸込流路３０ａに至る。その後、作動流体はインペラ３２に吸い込まれ、ディフーザ３０ｂ及び渦巻室３０ｃを流れる。これにより、作動流体はさらに圧縮される。その結果、作動流体は、ターボ圧縮機１００ａによって図４に示す点Ａの状態から点Ｂの状態に変化する。

ターボ圧縮機１００ａから吐出された作動流体は、接続流路５ａを通って、凝縮器２に供給される。凝縮器２は、内部で作動流体を凝縮させるとともに凝縮液を貯留する。凝縮器２に貯留された凝縮液（図４の点Ｃ）は、ポンプ６ｄによって送り流路６ａを通って放熱用熱交換器６ｃに圧送される（図４の点Ｃ→点Ｄ）。作動流体は、放熱用熱交換器６ｃを流れる過程で、例えば室外空気と熱交換することによって冷却される（図４の点Ｄ→点Ｅ）。放熱用熱交換器６ｃから流出した作動流体は戻り流路６ｂを通って凝縮器２に戻る（図４の点Ｅ→点Ｃ）。ターボ圧縮機１００ａから吐出された作動流体は、放熱用熱交換器６ｃで冷却され凝縮器２に戻された凝縮液と直接接触して凝縮する（図４の点Ｂ→点Ｃ）。

凝縮液となった作動流体は、接続流路５ｂを通って減圧機構３に供給される。減圧機構３を通過することによって、作動流体の圧力は低下する（図４の点Ｃ→点Ｆ）。また、減圧機構３を通過した後に作動流体の温度も低下する。減圧機構３は、例えば、減圧弁である。冷凍サイクル装置１ａが、例えば室内空気の冷房を行う場合、減圧弁の開度は、減圧後の作動流体の温度が冷凍サイクル１ａに要求される冷房温度に応じた温度になるように設定されている。

減圧機構３で減圧された作動流体は、接続流路５ｃを通って蒸発器４に供給される。蒸発器４は、液相の作動流体を貯留するとともに内部で液相の作動流体を蒸発させる。蒸発器４に貯留された液相の作動流体（図４の点Ｆ）は、ポンプ７ｄによって送り流路７ａを通って吸熱用熱交換器７ｃに圧送される。作動流体は、吸熱用熱交換器７ｃを流れる過程で、例えば室内空気と熱交換することによって加熱される。吸熱用熱交換器７ｃから流出した作動流体は戻り流路７ｂを通って蒸発器４に戻る。蒸発器４の内部では減圧条件下で戻り流路７ｂを通って蒸発器４に戻った作動流体が沸騰する（図４の点Ｆ→点Ａ）。蒸発器４で沸騰した作動流体は、接続流路５ｄを通ってターボ圧縮機１００ａに供給される。

蒸発器側導入流路８ａは、蒸発器４から液相の作動流体を蒸発器側導入流路８ａに引き込むように蒸発器４に接続されている。また、蒸発器側導入流路８ａは、ターボ圧縮機１００ａの冷却流路１６に連通している。これにより、蒸発器４に貯留された液相の作動流体の一部は、ポンプ８ｐによって蒸発器側導入流路８ａを通ってターボ圧縮機１００ａの冷却流路１６に供給される。即ち、作動流体は冷却流路１６を流れることによってモータ１４を冷却する。蒸発器４に貯留された液相の作動流体は、冷凍サイクル装置１ａのサイクル中で最も低い温度であるので、モータ１４の冷却に適している。モータ１４を冷却することによって昇温した作動流体は、冷却流路１６を通過し、上流流路２３を経由して加熱流路１９ａに供給される。これにより、上記の通り、インレットガイドベーン１１ａが加熱される。加熱流路１９ａのうち、インレットガイドベーン１１ａを貫通している部分を流れる作動流体はケーシング流路２２に流入する。ケーシング流路２２は戻り流路９ａと連通しており、作動流体は、ケーシング流路２２及び戻り流路９ａを流れて蒸発器４に戻る。

制御器５０は、加熱側温度センサ５２で検出された流体の温度が入口温度センサ５１で検出された作動流体の温度よりも低い場合に、バルブ５３を閉じるようにバルブ５３を制御する。この場合、制御器５０は、バルブ５４を開くように制御する。これにより、冷却流路１６を通過した流体がバイパス流路２４を経由して加熱流路１９ａをバイパスして流れる。冷却流路１６を通過した流体がバイパス流路２４を流れるので、モータ１４の冷却を継続できる。また、制御器５０は、バルブ５３が閉じられている状態で、加熱側温度センサ５２で検出された流体の温度と入口温度センサ５１で検出された作動流体の温度との温度差が所定値（例えば、２．０℃）以上となった場合にバルブ５３を開くように、バルブ５３を制御する。この場合、制御器５０は、バルブ５４を閉じるように制御する。これにより、インペラの前端側における作動流体より低温の流体が加熱流路１９ａに供給されることを防止できる。また、インレットガイドベーン１１ａを加熱するのに適した温度の流体を加熱流路１９ａに供給できる。

次に、第１実施形態の別の一例である冷凍サイクル装置１ｂについて説明する。

図５に示すように、冷凍サイクル装置１ｂは、蒸発器側導入流路８ａに代えて、接続導入流路８ｂを備えている。接続導入流路８ｂは、凝縮器２と蒸発器４との間の、接続流路５ｂ又は接続流路５ｃと、加熱流路１９ａに連通しているターボ圧縮機１００ａの特定位置とを接続している。具体的に、接続導入流路８ｂは、蒸発器４と減圧機構３との間の接続流路５ｃから液相の作動流体を接続導入流路８ｂに引き込むように接続流路５ｃに接続されている。また、接続導入流路８ｂは、ターボ圧縮機１００ａの冷却流路１６に連通している。

接続導入流路８ｂの途中にはポンプ８ｐが設けられている。ポンプ８ｐによって接続流路５ｃの液相の作動流体が接続導入流路８ｂを通って冷却流路１６に供給される。冷却流路１６に供給された作動流体は、第１実施形態と同様に、冷却流路１６、上流流路２３、加熱流路１９ａ、ケーシング流路２２、及び戻り流路９ａを流れて蒸発器４に戻る。接続流路５ｃの液相の作動流体は、冷凍サイクル装置１ｂのサイクル中で最も低い温度であるので、モータ１４の冷却に適している。また、モータ１４の冷却によって昇温した作動流体の温度がインレットガイドベーン１１ａの加熱に適する。

＜変形例＞
上記の実施形態は様々な観点からの変形が可能である。図６に変形例１に係るターボ圧縮機１００ｃを示す。ターボ圧縮機１００ｃは、以下の点を除き、第１実施形態のターボ圧縮機１００ａと同様に構成されている。ターボ圧縮機１００ｃでは、ケーシング２０がケーシング流路２２を有していない。また、インレットガイドベーン１１ａの内部が加熱流路１９ａの一部を形成しているものの、加熱流路１９ａはインレットガイドベーン１１ａを貫通していない。このような構成によれば、加熱流路１９ａに供給された流体によってインレットガイドベーン１１ａを直接加熱できる。また、ケーシング２０に流路を形成する必要がないので、ターボ圧縮機１００ｃの構成を簡素化できる。

図７に変形例２に係るターボ圧縮機１００ｄを示す。ターボ圧縮機１００ｄは、以下の点を除き、第１実施形態のターボ圧縮機１００ａと同様に構成されている。ターボ圧縮機１００ｄでは、ケーシング２０がケーシング流路２２を有していない。また、ベーン部材１１のうちベース１１ｂのみが加熱流路１９ａの一部を構成している。このような構成によっても、加熱流路１９ａに供給された流体によって加熱されたベース１１ｂからの熱伝導によってインレットガイドベーン１１ａを加熱できる。また、加熱流路１９ａを形成するための加工を簡素化できる。

加熱機構１９は、例えば、ベーン部材１１を加熱する電気ヒータによって構成されていてもよい。

ターボ圧縮機１００ａは、２段式のターボ圧縮機として構成されているが、単段式のターボ圧縮機として構成することもできる。また、ターボ圧縮機１００ａは、３段以上の圧縮機構を有する多段式のターボ圧縮機として構成することもできる。

第１実施形態、及び上記変形例では、モータの排熱を圧縮機に導入される作動流体の加熱に用いることができるので、別途熱源を設ける必要がなく、加熱機構によりターボ圧縮機の効率が低下することを防止できる。また、モータの排熱を利用する場合、ターボ圧縮機に導入される作動流体を十分に加熱することができるため、作動流体の過熱度又はクオリティを高めることができる。その結果、ターボ圧縮機の所望の運転条件が維持されやすく、ターボ圧縮機の耐久性が向上する。

第１実施形態では、ターボ圧縮機は、インレッドガイドベーンを有し、加熱流路の一部が、インペラに向かって流れる作動流体の流れの方向を整えるインレッドガイドベーンを貫通する流路である構成を例に説明したが、インレッドガイドベーンを備えなくても以下の通り構成してもよい。例えば、ターボ圧縮機は、流体流路を加熱するための流体が供給される加熱流路を、インペラより上流の流体流路に交差させて備えていてもよい。これにより、簡易な構成で、加熱機構を構成できる。

このとき、加熱流路は、ケーシングで一部を構成された流体流路の中に挿入され、加熱流路に供給される流体の熱を、加熱流路の外周からケーシングで構成された流体流路を通過する作動流体に伝えてもよい。このような構成によれば、インペラを囲うケーシングにより流体流路の一部を構成するので、モータの排熱を利用して作動流体を加熱するにあたって、ターボ圧縮機の構成を簡易にできる。また、このような構成によれば、加熱流路は、ケーシングで一部を構成された流体流路の中に挿入されている。これにより、加熱流路に供給される流体の熱を、加熱流路の外周から、ケーシングで構成された流体流路を通過する作動流体に伝えている。即ち、ケーシングはインペラの近傍に設けられているので、インペラの近傍において、加熱流路に供給される流体の熱を、作動流体に伝えることができる。そのため、従来技術に比して、インペラの近傍において作動流体の過熱度を高めることができる。その結果、インペラの破損を防ぎ、ターボ圧縮機の所望の運転条件が維持されやすく、ターボ圧縮機の耐久性が向上する。

さらに、例えば、ターボ圧縮機の流体流路を加熱するための流体が供給される加熱流路が、インペラより上流の流体流路の外周に接触して設けられてもよい。このような構成によれば、簡易な構成で、加熱機構を構成できる。

このとき、流体流路は、ケーシングの一部で構成され、ケーシングの一部で構成された流体流路は、その内部に加熱部材を有し、加熱流路は、ケーシングで構成された流体の外周に接触して設けられ、加熱流路に供給される流体の熱は加熱部材に伝達され、加熱部材を介してケーシングで構成された流体流路を通過する作動流体に伝達されてもよい。このような構成によれば、インペラを囲うケーシングにより流体流路の一部を構成するので、モータの排熱を利用して作動流体を加熱するにあたって、ターボ圧縮機の構成を簡易にできる。また、このような構成によれば、ケーシングの一部で構成された流体流路の内部に、加熱部材が設けられ、加熱流路は、ケーシングで構成された流体流路の周囲に接して設けられている。これにより、加熱流路に供給される流体の熱を、加熱流路から加熱部材を介して、ケーシングで構成された流体流路を通過する作動流体に伝えている。即ち、インペラの近傍において、加熱流路に供給される流体の熱を、作動流体に伝えることができる。そのため、従来技術に比して、インペラの近傍において作動流体の過熱度を高めることができる。その結果、インペラの破損を防ぎ、ターボ圧縮機の所望の運転条件が維持されやすく、ターボ圧縮機の耐久性が向上する。

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態について説明する。第１実施形態では、モータの排熱を利用して、ターボ圧縮機のインペラに向かって流れる作動流体を加熱した。これに対し、第２実施形態では、この場合に限られない。まず、第２実施形態に係る発明に至った経緯を説明する。
本発明者らは、常温での飽和蒸気圧が負圧（絶対圧で大気圧よりも低い圧力）の冷媒を作動流体として用いる冷凍サイクルを検討したところ、特許文献１〜２に記載の従来のターボ圧縮機では、ターボ圧縮機の所望の運転条件が維持しにくく、ターボ圧縮機の耐久性が低下することを見出した。

即ち、例えば、特許文献１のターボ冷凍機によれば、ターボ圧縮機のインペラに吸い込まれる前に作動流体が加熱されるので、ターボ圧縮機のインペラに吸い込まれる作動流体が液滴を含んでいる可能性を低減できる。しかし、加熱器は、作動流体の流れ方向において、インレットガイドベーンよりも上流側、即ち、羽根車の前端から離れた場所に位置している。このため、加熱器とインレットガイドベーンとの間の吸込管の内部を流れている間に作動流体が凝縮した場合、この凝縮により生じた作動流体の液滴がターボ圧縮機の内部に吸い込まれる。これにより、インペラの動翼のエロージョンが発生する可能性がある。また、加熱器が作動流体の流れに対して流動抵抗となるので、ターボ圧縮機の効率が低下してしまう。

また、特許文献２のターボ圧縮機によれば、ターボ圧縮機のケーシング面に集積した液体により引き起こされるエロージョンの発生を抑制できる。しかし、ターボ圧縮機のインペラに吸い込まれる作動流体が液滴を含む場合、この液滴は一旦インペラに吸い込まれてインペラの動翼に衝突する。このため、インペラの動翼においてエロージョンが発生する可能性がある。
上記知見に基づき、本発明者は、以下に説明する各態様の発明を想到するに至った。

本開示の第１態様にかかるターボ圧縮機は、
モータによって回転駆動されるインペラと、
前記インペラを囲うケーシングと、
前記ケーシングによってその一部が構成され、前記インペラを経由して作動流体を通過させる流体流路と、
所定の熱源により生ずる熱を、前記インペラより上流の前記流体流路に伝達する加熱流路と、を備え、
前記加熱流路は、前記ケーシングで一部を構成された前記流体流路の中に挿入され、
前記加熱流路に供給される流体の熱を、前記加熱流路の外周から、前記ケーシングで構成された前記流体流路を通過する前記作動流体に伝え、前記インペラより下流の前記流体流路において前記作動流体を圧縮する、ものである。
第１態様によれば、前記インペラを囲うケーシングにより前記流体流路の一部を構成するので、前記ターボ圧縮機の構成を簡易にできる。
また、前記加熱流路は、前記ケーシングで一部を構成された前記流体流路の中を挿入されている。これにより、前記加熱流路に供給される流体の熱を、前記加熱流路の外周から、前記ケーシングで構成された前記流体流路を通過する前記作動流体に伝えている。即ち、前記ケーシングは前記インペラの近傍に設けられているので、前記インペラの近傍において、前記加熱流路に供給される流体の熱を、前記作動流体に伝えることができる。そのため、従来技術に比して、前記インペラの近傍において作動流体の過熱度を高めることができる。その結果、前記インペラの破損を防ぎ、ターボ圧縮機の所望の運転条件が維持されやすく、ターボ圧縮機の耐久性が向上する。

ここで、特許文献１のターボ冷凍機は、加熱源である加熱器により作動流体を加熱している。しかし、前記加熱源は前記インペラの近傍には配置されていない。前記作動流体が加熱源により加熱されたとしても、前記インペラに吸引されるまでの間に凝縮する可能性がある。その結果、前記インペラを破損する可能性があった。
また、特許文献２のターボ圧縮機は、前記作動流体の経路をＵ字形状に形成し、前記作動流体自身の温度を用いて前記Ｕ形状の流路を迂回した後に放熱した作動流体を加熱する。そのため、前記Ｕ形状の流路を迂回した後に放熱した作動流体を、前記流路の一側面にて加熱するため、加熱温度が不十分となる可能性がある。この場合、上記特許文献１と同様に、前記作動流体が加熱されたとしても、前記インペラに吸引されるまでの間に凝縮する可能性がある。その結果、前記インペラを破損する可能性があった。
これに対し、本開示のターボ圧縮機によると、前記加熱流路は、前記インペラの近傍において前記流体流路の中に挿入されている。そのため、前記作動流体が前記加熱源により加熱された後、前記インペラに吸引されるまでの間に作動流体が凝縮することを抑制できる。その結果、前記インペラの破損を大幅に抑制できる。

本開示の第２態様は、第１態様に加えて、例えば、
前記加熱流路の一部は、前記インペラに向かって流れる作動流体の流れの方向を整えるインレットガイドベーンを貫通する流路である。
第２態様によれば、前記インペラに向かって流れる作動流体の流れの方向を整えるインレットガイドベーンに、前記加熱流路の機能を兼用させるので、前記ターボ圧縮機の構成を簡易にしつつ、前記作動流体を効果的に加熱できる。
なお、特許文献３のターボ圧縮機によれば、インレットガイドベーンを開示する。しかし、特許文献３では、作動流体をさらに流体流路の外側から加熱する構成を開示するものではないので、インレットガイドベーンは加熱流路を兼用していない。

本開示の第３態様は、第１態様又は第２態様において、前記作動流体は、常温での飽和蒸気圧が負圧である流体である。
第３態様によれば、ターボ圧縮機のインペラに向かって流れる作動流体の蒸気の過熱度が比較的小さい。このため、インペラに向かって流れている作動流体は、少し冷却されただけで飽和蒸気又は湿り蒸気に変化してしまう。従って、本開示の構成によって、インペラに向かって流れている作動流体の凝縮を防止する効果がより得られやすい。
特許文献３のターボ圧縮機によれば、外気温度等が原因で、蒸発器において発生する作動流体の蒸気が十分な過熱度に達しない可能性がある。この場合、蒸発器からターボ圧縮機への流路において作動流体が冷却されることにより、作動流体が飽和蒸気又は湿り蒸気となる可能性がある。この場合、作動流体の体積流量が低下するので、インペラに吸い込まれる作動流体が所望の状態とはいえない可能性がある。例えば、作動流体が水が主成分である場合、液相の作動流体と気相の作動流体との体積比は大気圧の下で１０００倍程度である。このため、インレットガイドベーンによる作動流体の流れの調整によって補償できない条件でターボ圧縮機が運転されるおそれがある。また、液滴を含む作動流体がターボ圧縮機のインペラに吸い込まれた場合、この液滴がインペラの動翼に衝突してエロージョンが発生するおそれがある。その結果、ターボ圧縮機の所望の運転条件を維持できず、ターボ圧縮機の耐久性が低下するおそれがある。

また、前記作動流体として、常温での飽和蒸気圧が負圧の冷媒を用いる場合、ターボ圧縮機は前記インペラの回転数として高い回転数が必要になる。常温での飽和蒸気圧が正圧（絶対圧で大気圧以上の圧力）の冷媒を用いる場合には問題にならない程度の僅かな液摘が含まれた場合でも、常温での飽和蒸気圧が負圧の冷媒を用いる場合には、液滴（凝縮した作動流体）とインペラとの動翼との衝突によってインペラの動翼の壊食（エロージョン）が発生する。
これに対して、本開示のターボ圧縮機は、作動流体として常温での飽和蒸気圧が負圧の冷媒を用いる場合において、従来のターボ圧縮機に比して、ターボ圧縮機の所望の運転条件が維持されやすく、ターボ圧縮機の耐久性が向上するという点で特に顕著な効果を奏する。

本開示の第４態様にかかるターボ圧縮機は、
モータによって回転駆動されるインペラと、
前記インペラを囲うケーシングと、
前記ケーシングによってその一部が構成され、前記インペラを経由して作動流体を通過させる流体流路と、
所定の熱源により生ずる熱を、前記インペラより上流の前記流体流路に伝達する加熱流路と、を備え、
前記ケーシングの一部で構成された前記流体流路は、その内部に加熱部材を有し、
前記加熱流路は、前記ケーシングで構成された前記流体流路の外周に接触して設けられ、
前記加熱流路に供給される流体の熱は前記加熱部材に伝達され、前記加熱部材を介して前記ケーシングで構成された前記流体流路を通過する前記作動流体に伝達される。ものである。
第４態様によれば、前記インペラを囲うケーシングにより前記流体流路の一部を構成するので、前記モータの排熱を利用して前記作動流体を加熱するにあたって、前記ターボ圧縮機の構成を簡易にできる。
また、前記ケーシングの一部で構成された前記流体流路の内部に、前記加熱部材が設けられている。前記加熱流路は、前記ケーシングで構成された前記流体流路の周囲に接して設けられている。これにより、前記加熱流路に供給される流体の熱を、前記加熱流路から前記加熱部材を介して、前記ケーシングで構成された前記流体流路を通過する前記作動流体に伝えている。即ち、前記インペラの近傍において、前記加熱流路に供給される流体の熱を、前記作動流体に伝えることができる。そのため、従来技術に比して、前記インペラの近傍において作動流体の過熱度を高めることができる。その結果、前記インペラの破損を防ぎ、ターボ圧縮機の所望の運転条件が維持されやすく、ターボ圧縮機の耐久性が向上する。

本開示の第４態様は、特許文献１に開示のターボ冷凍機又は特許文献２に開示のターボ圧縮機に比して、以下の点で優れている。
特許文献１のターボ冷凍機は、加熱源である加熱器により作動流体を加熱している。しかし、前記加熱源は前記インペラの近傍には配置されていない。前記作動流体が加熱源により加熱されたとしても、前記インペラに吸引されるまでの間に凝縮する可能性がある。その結果、前記インペラを破損する可能性があった。
また、特許文献２のターボ圧縮機は、前記作動流体の経路をＵ字形状に形成し、前記作動流体自身の温度を用いて前記Ｕ形状の流路を迂回した後に放熱した作動流体を加熱する。そのため、前記Ｕ形状の流路を迂回した後に放熱した作動流体を、前記流路の一側面にて加熱するため、加熱温度が不十分となる可能性がある。この場合、上記特許文献１と同様に、前記作動流体が加熱されたとしても、前記インペラに吸引されるまでの間に凝縮する可能性がある。その結果、前記インペラを破損する可能性があった。
これに対し、本開示のターボ圧縮機によると、前記加熱流路は、前記インペラの近傍において前記ケーシングで構成された前記流体流路の周囲に接して設けられている。そのため、前記作動流体が前記加熱源により加熱された後、前記インペラに吸引されるまでの間に作動流体が凝縮することを抑制できる。その結果、前記インペラの破損を大幅に抑制できる。

本開示の第５態様は、第４態様に加えて、例えば、
前記加熱流路の一部は、前記インペラに向かって流れる作動流体の流れの方向を整えるインレットガイドベーンを貫通する流路である。
第５態様によれば、前記インペラに向かって流れる作動流体の流れの方向を整えるインレットガイドベーンに、前記加熱流路の機能を兼用させるので、前記ターボ圧縮機の構成を簡易にしつつ、前記作動流体を効果的に加熱できる。
なお、特許文献３のターボ圧縮機によれば、インレットガイドベーンを開示する。しかし、特許文献３では、作動流体をさらに流体流路の外側から加熱する構成を開示するものではないので、インレットガイドベーンは加熱流路を兼用していない。

尚、上記いずれの態様のターボ圧縮機において、前記所定の熱源より生ずる熱は、例えば、前記モータの回転により生ずる熱であってもよい。

本開示の第６態様は、第４態様又は第５態様において、前記作動流体は、常温での飽和蒸気圧が負圧である流体である。
第６態様によれば、ターボ圧縮機のインペラに向かって流れる作動流体の蒸気の過熱度が比較的小さい。このため、インペラに向かって流れている作動流体は、少し冷却されただけで飽和蒸気又は湿り蒸気に変化してしまう。従って、本開示の構成によって、インペラに向かって流れている作動流体の凝縮を防止する効果がより得られやすい。
特許文献３のターボ圧縮機によれば、外気温度等が原因で、蒸発器において発生する作動流体の蒸気が十分な過熱度に達しない可能性がある。この場合、蒸発器からターボ圧縮機への流路において作動流体が冷却されることにより、作動流体が飽和蒸気又は湿り蒸気となる可能性がある。この場合、作動流体の体積流量が低下するので、インペラに吸い込まれる作動流体が所望の状態とはいえない可能性がある。例えば、作動流体が水が主成分である場合、液相の作動流体と気相の作動流体との体積比は大気圧の下で１０００倍程度である。このため、インレットガイドベーンによる作動流体の流れの調整によって補償できない条件でターボ圧縮機が運転されるおそれがある。また、液滴を含む作動流体がターボ圧縮機のインペラに吸い込まれた場合、この液滴がインペラの動翼に衝突してエロージョンが発生するおそれがある。その結果、ターボ圧縮機の所望の運転条件を維持できず、ターボ圧縮機の耐久性が低下するおそれがある。

また、前記作動流体として、常温での飽和蒸気圧が負圧の冷媒を用いる場合、ターボ圧縮機は前記インペラの回転数として高い回転数が必要になる。常温での飽和蒸気圧が正圧（絶対圧で大気圧以上の圧力）の冷媒を用いる場合には問題にならない程度の僅かな液摘が含まれた場合でも、常温での飽和蒸気圧が負圧の冷媒を用いる場合には、液滴（凝縮した作動流体）とインペラとの動翼との衝突によってインペラの動翼の壊食（エロージョン）が発生する。
これに対して、本開示のターボ圧縮機は、作動流体として常温での飽和蒸気圧が負圧の冷媒を用いる場合において、従来のターボ圧縮機に比して、ターボ圧縮機の所望の運転条件が維持されやすく、ターボ圧縮機の耐久性が向上するという点で特に顕著な効果を奏する。

なお、特に説明する場合を除き、第２実施形態は第１実施形態と同様に構成される。第１実施形態と同一又は対応する第２実施形態の構成要素には、第１実施形態と同一の符号を付し、詳細な説明を省略することがある。第１実施形態に関する説明は、技術的に矛盾しない限り、本実施形態にも適用されうる。

次に、第２実施形態に係る冷凍サイクル装置の一例について説明する。図８に示すように、冷凍サイクル装置１ｃは、蒸発器側導入流路８ａに代えて、凝縮器側導入流路８ｃを備えている。また、冷凍サイクル装置１ｃは、ターボ圧縮機１００ａに代えて、ターボ圧縮機１００ｂを備えている。

ターボ圧縮機１００ｂは、以下の点を除き、ターボ圧縮機１００ａと同一の構成を有する。ターボ圧縮機１００ｂは上流流路２３を有しておらず、バルブ５３の代わりにバルブ５５が加熱流路１９ａに設けられている。バルブ５５は、例えば電磁弁である。バルブ５５は、加熱流路１９ａにおいてベーン部材１１よりも上流側に位置している。また、加熱側温度センサ５２が加熱流路１９ａの流入口１９ｂとバルブ５５との間の部分に設けられている。即ち、加熱側温度センサ５２は、加熱流路１９ａにおける流体の温度を検出する。

凝縮器側導入流路８ｃは、凝縮器２と、加熱流路１９ａに連通しているターボ圧縮機１００ｂの特定位置とを接続している。具体的に、凝縮器側導入流路８ｃは、加熱流路１９ａの流入口１９ｂに接続されている。

凝縮器側導入流路８ｃの途中にはポンプ８ｐが設けられている。ポンプ８ｐによって凝縮器２に貯留された凝縮液の一部が凝縮器側導入流路８ｃを通って加熱流路１９ａに供給される。冷凍サイクル装置１ｃは、室外空気よりも低温の室内空気を生成する機能を有する。このため、室外空気へ作動流体の熱を放熱する放熱用熱交換器６ｃにおいては、作動流体が室外空気よりも高温である。また、室内空気から作動流体が吸熱する吸熱用熱交換器７ｃにおいては、作動流体が室内空気よりも低温である。それゆえ、凝縮器に貯留された凝縮液としての作動流体は、蒸発器４で沸騰してターボ圧縮機１００ｂに流入する作動流体よりも必ず高温となる。その結果、冷凍サイクル装置１ｃの定格運転中は、インレットガイドベーン１１ａを通過している作動流体の温度よりも高温の流体を、凝縮器側導入流路８ｃを経由して加熱流路１９ａに供給できる。

冷凍サイクル装置１ｃは、運転開始時又は運転終了時等の過渡的状態において、インレットガイドベーン１１ａを通過している作動流体の温度よりも高温の作動流体を加熱流路１９ａに供給できない可能性がある。そこで、制御器５０は、加熱側温度センサ５２で検出された流体の温度が入口温度センサ５１で検出された作動流体の温度よりも低い場合にバルブ５５を閉じるようにバルブ５５を制御する。制御器５０は、バルブ５５が閉じられている状態で、加熱側温度センサ５２で検出された流体の温度と入口温度センサ５１で検出された作動流体の温度との温度差が所定値（例えば、２．０℃）以上となった場合にバルブ５５を開くように、バルブ５５を制御する。これにより、インレットガイドベーン１１ａがインペラ１２に向かって流れている作動流体を冷却することを防止できる。

図９に第２実施形態に係るターボ圧縮機の一例を示す。ターボ圧縮機１００ｅは、以下の点を除き、第１実施形態のターボ圧縮機１００ａと同様に構成されている。ターボ圧縮機１００ｅはインレットガイドベーン１１ａを有しておらず、インペラ１２の動翼１２ａの前端側に設けられた加熱機構１９ｈを有する。加熱機構１９ｈは、吸込流路１００ａにおいて動翼１２ａの前端の近傍に位置している。加熱機構１９ｈは、インペラに向かって作動流体が流れる経路の一部を塞ぐように設けられている。加熱機構１９ｈは、例えば、インペラ１２に向かって流れている作動流体を加熱するための流体が供給されるべき流路を有している。また、加熱機構１９ｈは、例えば、電気ヒータである。

ターボ圧縮機１００ａの代わりに、ターボ圧縮機１００ｅを用いて第１実施形態と同様に冷凍サイクル装置を構成できる。この冷凍サイクル装置の作動流体は、常温での飽和蒸気圧が負圧である流体である。この場合、図４に示す通り、ターボ圧縮機１００ｅのインペラ１２に向かって流れている作動流体の過熱度は比較的小さいので、場合によっては、作動流体が飽和蒸気状態又は湿り蒸気状態である可能性がある。上記の例では、加熱機構１９ｈによって飽和蒸気状態又は湿り蒸気状態の作動流体を加熱することにより、作動流体の過熱度又はクオリティが高くなる。その結果、作動流体が適切な状態でインペラ１２に吸い込まれる。

１ａ〜１ｃ 冷凍サイクル装置
２ 凝縮器
３ 減圧機構
４ 蒸発器
５ａ〜５ｃ 接続流路
８ａ 蒸発器側導入流路
８ｂ 接続導入流路
８ｃ 凝縮器側導入流路
１１ ベーン部材
１１ａ インレットガイドベーン
１１ｂ ベース
１２ インペラ
１２ａ 動翼
１４ モータ
１６ 冷却流路
１９ 加熱機構
１９ａ 加熱流路
１９ｂ 流入口
２０ ケーシング
２２ ケーシング流路
２３ 上流流路
５０ 制御器
５１ 入口温度センサ
５２ 加熱側温度センサ
５３〜５５ バルブ
１００ａ〜１００ｄ ターボ圧縮機

Claims (10)

1. インペラと、
   前記インペラを回転駆動するモータと、
   前記インペラを経由して作動流体を通過させる流体流路と、
   前記インペラの回転により前記流体流路に吸引された前記作動流体を加熱する加熱機構と、
   前記インペラを囲うケーシングと、を備え、
   前記加熱機構は、前記モータの回転により生ずる熱を、前記インペラより上流の前記流体流路に伝達することにより、前記流体流路に吸引された前記作動流体を加熱し、
   前記作動流体は、前記インペラより下流の前記流体流路において圧縮され、
   前記加熱機構は、
   前記モータを冷却するための流体が供給される冷却流路と、
   前記インペラより上流の前記流体流路に交差させて設けられ、前記流体流路を加熱するための流体が供給される加熱流路と、を有し、
   前記冷却流路は、前記冷却流路を通過した流体が前記流体流路を加熱するための流体として前記加熱流路に供給されるように前記加熱流路に連通しており、
   前記ケーシングは前記流体流路の一部を構成し、
   前記加熱流路は、前記ケーシングで一部を構成された前記流体流路の中に挿入され、
   前記加熱流路に供給される流体の熱を、前記加熱流路の外周から、前記ケーシングで構成された前記流体流路を通過する前記作動流体に伝え、
   前記加熱流路の一部は、前記インペラに向かって流れる作動流体の流れの方向を整えるインレットガイドベーンを貫通する流路である、
   ターボ圧縮機。
2. 前記ターボ圧縮機は、
   前記インレットガイドベーンを配置したベース及び前記インレットガイドベーンを有するベーン部材を備え、
   前記ベースは、前記加熱流路の一部を形成し、前記ベースの中に形成された前記加熱流路の一部は、前記加熱流路としての前記インレットガイドベーンに連結する、
   請求項１に記載のターボ圧縮機。
3. 前記ケーシングは、前記インレットガイドベーンに接触している接触面を有し、
   前記ケーシングは、前記接触面に開口し前記ケーシングの外部の空間まで延びているケーシング流路を有し、
   前記加熱流路は、前記インレットガイドベーンを貫通して前記ケーシング流路に連通している、
   請求項１又は請求項２に記載のターボ圧縮機。
4. 前記加熱流路は、前記インレットガイドベーンを挟んで前記インペラと反対側に流入口を有する、
   請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のターボ圧縮機。
5. 前記加熱流路に供給される流体の温度は、前記インレットガイドベーンの外周面に接している前記作動流体の温度よりも高温である、
   請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のターボ圧縮機。
6. 前記ターボ圧縮機は、
   前記インペラの前端側における前記作動流体の温度を検出する入口温度センサと、
   前記加熱流路における流体の温度又は前記加熱流路に供給されるべき流体の温度を検出する加熱側温度センサと、
   前記加熱流路を流れる前記流体によって前記流体流路を通過する前記作動流体を加熱する箇所より上流側の前記加熱流路に設けられたバルブと、
   前記加熱側温度センサで検出された前記流体の温度が前記入口温度センサで検出された前記作動流体の温度よりも低い場合に、前記バルブを閉じるように前記バルブを制御する制御器と、を備えている、
   請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のターボ圧縮機。
7. 前記作動流体は、常温での飽和蒸気圧が負圧である流体である、
   請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のターボ圧縮機。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のターボ圧縮機と、
   前記ターボ圧縮機で圧縮された前記作動流体を凝縮させる凝縮器と、
   前記凝縮器で凝縮した前記作動流体の圧力を下げる減圧機構と、前記減圧機構で減圧した前記作動流体を蒸発させる蒸発器と、
   前記ターボ圧縮機、前記凝縮器、前記減圧機構、及び前記蒸発器をこの順番で環状に接続している接続流路と、を備え、
   （i）前記蒸発器と、前記加熱流路に連通している前記ターボ圧縮機の特定位置とを接続している蒸発器側導入流路、又は
   （ii）前記凝縮器と前記蒸発器との間の前記接続流路と、前記加熱流路に連通している前記ターボ圧縮機の特定位置とを接続している接続導入流路、を備えた、
   冷凍サイクル装置。
9. 前記蒸発器側導入流路を備えている場合、
   前記蒸発器から液相の前記作動流体を前記蒸発器側導入流路に引き込むように前記蒸発器に接続されており、かつ前記ターボ圧縮機の前記冷却流路に連通しており、
   一方、前記接続導入流路を備えている場合、
   前記蒸発器と前記減圧機構との間の前記接続流路から液相の前記作動流体を、前記接続導入流路に引き込むように前記接続流路に接続されており、かつ前記ターボ圧縮機の前記冷却流路に連通している、
   請求項８記載の冷凍サイクル装置。
10. 前記作動流体は、常温での飽和蒸気圧が負圧である流体である、
    請求項８又は請求項９に記載の冷凍サイクル装置。
    

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