JP7038300B2

JP7038300B2 - 冷凍サイクル装置

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Publication number: JP7038300B2
Application number: JP2017145170A
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Inventors: 文紀河野; 朋一郎田村
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2017-07-27
Filing date: 2017-07-27
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Also published as: CN109307375A; EP3434999B1; JP2019027628A; EP3434999A1

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１２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、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。

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。

特開２００８－１２２０１２号公報

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。

本開示は、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によって、冷凍サイクル装置の効率を向上させることを目的とする。

すなわち、本開示は、
液相冷媒を蒸発させて気相冷媒を生成する蒸発器と、
前記蒸発器に直接又は吸入配管を用いて接続され、前記蒸発器で生成されたのち圧縮されていない前記気相冷媒を吸入し、圧縮する第１圧縮機と、
前記第１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、
前記吸入配管の入口から前記第１圧縮機の吐出口に至る第１蒸気経路上に配置され、前記第１蒸気経路に向かって前記液相冷媒を噴霧する、又は、前記蒸発器の内部に配置され、前記第１圧縮機の吸入口に向かって前記液相冷媒を噴霧する第１霧化機構と、
前記蒸発器又は前記凝縮器と前記第１霧化機構とを接続している第１冷媒供給路と、
を備えた、冷凍サイクル装置を提供する。

本開示によれば、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によって、冷凍サイクル装置の効率を向上させることができる。

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、霧化機構の一例の断面図である。図３は、図１に示す冷凍サイクル装置の圧縮機の断面図である。図４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５は、本開示の実施形態３にかかる冷凍サイクル装置の構成図である。図６は、本開示の実施形態４にかかる冷凍サイクル装置の構成図である。図７は、本開示の実施形態５にかかる冷凍サイクル装置の構成図である。図８は、本開示の実施形態６にかかる冷凍サイクル装置の構成図である。図９は、本開示の実施形態７にかかる冷凍サイクル装置の構成図である。図１０は、本開示の実施形態８にかかる冷凍サイクル装置の構成図である。図１１Ａは、霧化機構の配置に関する変形例を示す図である。図１１Ｂは、霧化機構の配置に関する別の変形例を示す図である。図１２は、従来の空気調和装置の構成図である。

（本開示の基礎となった知見）
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圧縮過程において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。

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、
前記蒸発器に直接又は吸入配管を用いて接続され、前記蒸発器で生成されたのち圧縮されていない前記気相冷媒を吸入し、圧縮する第１圧縮機と、
前記第１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、
前記吸入配管の入口から前記第１圧縮機の吐出口に至る第１蒸気経路上に配置され、前記第１蒸気経路に向かって前記液相冷媒を噴霧する、又は、前記蒸発器の内部に配置され、前記第１圧縮機の吸入口に向かって前記液相冷媒を噴霧する第１霧化機構と、
前記蒸発器又は前記凝縮器と前記第１霧化機構とを接続している第１冷媒供給路と、
を備えたものである。

第１態様によれば、第１圧縮機には、蒸発器で生成された気相冷媒とともに、第１霧化機構で生成された霧状の液相冷媒が吸入される。霧状の液相冷媒が第１圧縮機に吸入されると、第１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。第１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。つまり、第１圧縮機の消費電力を大幅に節約できる。その結果、冷凍サイクル装置の効率が向上する。

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第１冷媒供給路は、前記蒸発器と前記第１霧化機構とを接続しており、前記第１霧化機構から噴霧される前記液相冷媒は、前記蒸発器に貯留された前記液相冷媒である。第２態様によれば、第１圧縮機には、第１圧縮機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第１圧縮機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。

本開示の第３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第１冷媒供給路は、前記凝縮器と前記第１霧化機構とを接続しており、前記第１霧化機構から噴霧される前記液相冷媒は、前記凝縮器に貯留された前記液相冷媒である。第３態様によれば、第１圧縮機には、第１圧縮機に吸入される気相冷媒の温度（飽和温度）よりも高い温度の霧状の液相冷媒が吸入される。この場合、気相冷媒が冷却されすぎて第１圧縮機の内部で凝縮することを防止しつつ、第１態様で説明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。

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は、前記第１圧縮機によって圧縮された前記気相冷媒を吸入してさらに圧縮する第２圧縮機と、前記第１圧縮機の前記吐出口から前記第２圧縮機の吐出口に至る第２蒸気経路上に配置され、前記第２蒸気経路に向かって前記液相冷媒を噴霧する第２霧化機構と、をさらに備えている。第４態様によれば、第２圧縮機においても、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。第２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第２圧縮機がなすべき仕事を大幅に低減できる。つまり、第２圧縮機の消費電力を大幅に節約できる。その結果、冷凍サイクル装置の効率が向上する。

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は、前記蒸発器、前記凝縮器、並びに、前記蒸発器及び前記凝縮器のそれぞれに連通し、前記液相冷媒を貯留するバッファタンクから選ばれる少なくとも１つと、前記第２霧化機構とを接続している第２冷媒供給路をさらに備えている。第２冷媒供給路を通じて、第２霧化機構に液相冷媒が確実に供給されうる。

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冷媒供給路は、前記蒸発器と前記第２霧化機構とを接続しており、前記第２霧化機構から噴霧される前記液相冷媒は、前記蒸発器に貯留された前記液相冷媒である。第６態様によれば、第２圧縮機には、第２圧縮機に吸入される気相冷媒の温度よりも低い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第２圧縮機の内部で蒸気量が急増することを防止できる。

本開示の第７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冷媒供給路は、前記凝縮器と前記第２霧化機構とを接続しており、前記第２霧化機構から噴霧される前記液相冷媒は、前記凝縮器に貯留された前記液相冷媒である。第７態様によれば、第２圧縮機には、第２圧縮機に吸入される気相冷媒の飽和温度に等しいか、それよりも高い温度の霧状の液相冷媒が吸入される。この場合、気相冷媒が冷却されすぎて第２圧縮機の内部で凝縮することを防止できる。

本開示の第８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冷媒供給路は、前記バッファタンクと前記第２霧化機構とを接続しており、前記第２霧化機構から噴霧される前記液相冷媒は、前記バッファタンクに貯留された前記液相冷媒である。第２圧縮機には、バッファタンクに貯留された液相冷媒の粒子が吸い込まれる。バッファタンクに貯留された液相冷媒の温度と第２圧縮機の内部における気相冷媒の飽和温度との差は、ゼロであるか、十分に小さい。そのため、気相冷媒が冷却されすぎて第２圧縮機の内部で凝縮したり、液相冷媒がフラッシュ蒸発して第２圧縮機の内部で蒸気量が急増したりすることを防止できる。

本開示の第９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１冷媒供給路は、前記凝縮器と前記第１霧化機構とを接続しており、前記第２冷媒供給路は、前記第１冷媒供給路から分岐して前記凝縮器と前記第２霧化機構とを接続しており、前記第１霧化機構及び前記第２霧化機構のそれぞれから噴霧される前記液相冷媒は、前記凝縮器に貯留された前記液相冷媒である。第９態様によれば、第１圧縮機には、第１圧縮機に吸入される気相冷媒の飽和温度に等しいか、それよりも高い温度の霧状の液相冷媒が吸入される。この場合、気相冷媒が冷却されすぎて第１圧縮機の内部で凝縮することを防止できる。同様に、第２圧縮機には、第２圧縮機に吸入される気相冷媒の飽和温度に等しいか、それよりも高い温度の霧状の液相冷媒が吸入される。この場合、気相冷媒が冷却されすぎて第２圧縮機の内部で凝縮することを防止できる。第１態様で説明したメカニズムによって、圧縮動力を低減する効果が第１圧縮機及び第２圧縮機のそれぞれにおいて確実に得られる。

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、本実施形態の冷凍サイクル装置１００は、蒸発器２、第１圧縮機３、凝縮器４、第１霧化機構５及び第１冷媒供給路１１を備えている。第１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の出口と第１圧縮機３の吸入口とに吸入配管６が接続されている。第１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、第１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、第１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１００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１００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りがちである。蒸発器２で生成された気相冷媒とともに、第１霧化機構５で生成された霧状の液相冷媒を第１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第１圧縮機３がなすべき仕事を大幅に低減できる。つまり、第１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１２及び放熱回路１４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１４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１４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１４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１４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１４の熱媒体によって凝縮器４の冷媒が冷却される。

第１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１４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１４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１４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１４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。

第１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。蒸発器２の出口と第１圧縮機３の吸入口との間に気相冷媒に圧縮作用を与える機器は設けられていない。第１圧縮機３に吸入される気相冷媒は、蒸発器２で生成されたのち圧縮されていない気相冷媒である。第１圧縮機３に吸入される気相冷媒の圧力は、蒸発器２の内部を満たす気相冷媒の圧力に等しいか、それよりも僅かに低い。第１圧縮機３は、例えば、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。第１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、第１圧縮機３のモータを駆動するインバータである。第１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。第１圧縮機３は、容積型圧縮機であってもよい。容積型圧縮機として、レシプロ圧縮機、ロータリ圧縮機、スクロール圧縮機、スクリュー圧縮機などが挙げられる。

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、第１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１４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１４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１４が省略されていてもよい。

吸入配管６は、蒸発器２から第１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の出口が第１圧縮機３の吸入口に接続されている。

吐出配管８は、第１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、第１圧縮機３の吐出口が凝縮器４の入口に接続されている。

第１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。第１霧化機構５は、吸入配管６の入口から第１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、第１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、第１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。第１霧化機構５は、例えば、第１圧縮機３の吸入口の方向を向いている。この場合、第１霧化機構５で生成された霧状の液相冷媒が第１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、第１霧化機構５は、吸入配管６の直線部分であって、第１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、第１冷媒供給路１１は、蒸発器２と第１霧化機構５とを接続している。第１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第１霧化機構５に供給される。第１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。第１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。第１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。

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。予備タンクは、例えば、蒸発器２に接続されている。予備タンクには、蒸発器２から液相冷媒が移される。第１冷媒供給路１１は、予備タンクから第１霧化機構５に液相冷媒が供給されるように、予備タンクと第１霧化機構５とを接続する。予備タンクは、吸入配管６に接続されていてもよい。この場合、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６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。

図２に示すように、第１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。第１霧化機構５は、ノズル本体１８、噴射口１８ｐ及び衝突部１９を備えている。ノズル本体１８は、第１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１８ｐは、ノズル本体１８の先端に設けられている。複数の噴射口１８ｐがノズル本体１８に設けられていてもよい。噴射口１８ｐは、非常に小さい孔（オリフィス）であってもよい。衝突部１９は、噴射口１８ｐの中心軸上に配置されている。衝突部１９は、噴射口１８ｐの中心軸に対して傾斜した平面である衝突面１９ａを有している。液相冷媒が噴射口１８ｐを通過すると、液相冷媒の噴流２０が生成される。噴流２０が衝突部１９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１９ａの傾斜方向に向かって進む。

第１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。

第１霧化機構５の構造は、図２に示す構造に限定されない。第１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、第１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、第１圧縮機３は、インペラ４７、回転軸４９、ディフューザ５０、ボリュート５１及びハウジング５２を備えている。

インペラ４７は、回転軸４９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４９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４９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４８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４８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５０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５４に導くための流路である。ディフューザ５０の流路断面積は、翼間流路４８から吐出空間５４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。ディフューザ５０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５０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５１は、吸入空間５３及び吐出空間５４を形成している部品である。吸入空間５３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５３は、インペラ４７の上流に位置しており、ボリュート５１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５４は、ディフューザ５０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５４を経由して、第１圧縮機３の外部（吐出配管８）へと導かれる。吐出空間５４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５４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５１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５２は、第１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、ディフューザ５０を形成している。詳細には、ボリュート５１とハウジング５２とが組み合わされることによって、ディフューザ５０及び吐出空間５４が形成されている。ハウジング５２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。ディフューザ５０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５３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。

次に、冷凍サイクル装置１００の動作及び作用を説明する。

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（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１００の内部の圧力は、特定の圧力に均衡する。第１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１２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、第１圧縮機３に吸入されて圧縮され、第１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１４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。

第１圧縮機３には、蒸発器２で生成された気相冷媒とともに、第１霧化機構５で生成された霧状の液相冷媒が吸入される。霧状の液相冷媒が第１圧縮機３に吸入されると、第１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。第１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第１圧縮機３がなすべき仕事を大幅に低減できる。つまり、第１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。

図２に示す構造によれば、衝突面１９ａ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、スワールノズルを第１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の内壁面又は第１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、第１霧化機構５として、スワールノズルを使用できないわけではない。

本実施形態によれば、第１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第１霧化機構５に供給される。第１圧縮機３には、第１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第１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第１圧縮機３がチョーキングを起こすことも防止できる。

以下、いくつかの別の実施形態について説明する。実施形態１と各実施形態との間の共通する要素には同じ参照符号を付し、それらの説明を省略することがある。各実施形態に関する説明は、技術的に矛盾しない限り、相互に適用されうる。技術的に矛盾しない限り、各実施形態は、相互に組み合わされてもよい。

（実施形態２）
図４に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置１０２において、第１冷媒供給路１１は、凝縮器４と第１霧化機構５とを接続している。第１霧化機構５から噴霧される液相冷媒は、凝縮器４に貯留された液相冷媒である。本実施形態においても、実施形態１で説明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。つまり、第１霧化機構５に供給されるべき液相冷媒は、蒸発器２に貯留された液相冷媒に限定されない。冷媒回路１０に存在する限り、液相冷媒は、第１霧化機構５に供給されうる。例えば、後述するように、蒸発器２又は凝縮器４に接続されて液相冷媒を貯留するバッファタンクが存在するとき、そのバッファタンクから第１霧化機構５に液相冷媒が供給されるように、第１冷媒供給路１１は、そのバッファタンクと第１霧化機構５とを接続していてもよい。さらに、第１冷媒供給路１１は、戻し経路９から分岐していてもよい。言い換えれば、戻し経路９が第１冷媒供給路１１の一部を兼ねていてもよい。この場合、第１冷媒供給路１１は、凝縮器４から第１霧化機構５へと液相冷媒を導く。

本実施形態によれば、第１圧縮機３には、第１圧縮機３に吸入される気相冷媒の温度（飽和温度）よりも高い温度の霧状の液相冷媒が吸入される。この場合、気相冷媒が冷却されすぎて第１圧縮機３の内部で凝縮することを防止しつつ、実施形態１で説明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。

冷凍サイクル装置１０２は、液相冷媒を貯留する予備タンクを備えていてもよい。予備タンクは、例えば、凝縮器４に接続されている。予備タンクには、凝縮器４から液相冷媒が移される。第１冷媒供給路１１は、予備タンクから第１霧化機構５に液相冷媒が供給されるように、予備タンクと第１霧化機構５とを接続する。

（実施形態３）
図５に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置１０４において、第１圧縮機３は、蒸発器２に直接取り付けられている。第１圧縮機３は、例えば、フランジ接続によって、蒸発器２に直接固定されている。蒸発器２の出口と第１圧縮機３の吸入口３ａとを接続する吸入配管６（図１参照）は設けられていない。第１霧化機構５は、蒸発器２の内部に配置されており、第１圧縮機３の吸入口３ａに向かって液相冷媒を噴霧する。例えば、図２を参照して説明した構造において、衝突面１９ａが第１圧縮機３の吸入口３ａの方向を向いている。詳細には、衝突面１９ａの延長線上に第１圧縮機３の吸入口３ａが存在する。

冷凍サイクル装置の冷凍能力が増加するにつれて、蒸発器で生成される気相冷媒の体積流量も増加する。気相冷媒の体積流量が増えると、蒸発器と圧縮機とを接続するために、十分に大きい直径の吸入配管が必要とされ、冷凍サイクル装置のサイズの拡大を免れることができない。この問題は、飽和蒸気圧が負圧である冷媒を用いた場合に顕在化する。他方、本実施形態のように、吸入配管を省略することによって、冷凍サイクル装置１０４を小型化することができる。

吸入配管を省略する構造は、本開示の他の全ての実施形態にも適用されうる。

（実施形態４）
図６に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置１０６は、実施形態１の冷凍サイクル装置１００の構成に加え、中間経路７、第２圧縮機１３、第２霧化機構１５及び第２冷媒供給路１７を備えている。

冷凍サイクル装置１０６は、複数段の圧縮機３及び１３を備えている。本実施形態において、第１圧縮機３が１段目の圧縮機であり、第２圧縮機１３が２段目の圧縮機である。第１圧縮機３に吸入される気相冷媒は、蒸発器２で生成されたのち圧縮されていない気相冷媒である。第１圧縮機３に吸入される気相冷媒の圧力は、蒸発器２の内部を満たす気相冷媒の圧力に等しいか、それよりも僅かに低い。

第２圧縮機１３は、第１圧縮機３によって圧縮された気相冷媒を吸入してさらに圧縮する。第２圧縮機１３は、例えば、速度型圧縮機である。第１圧縮機３及び第２圧縮機１３は、同じタイプの速度型圧縮機であってもよく、互いに異なるタイプの速度型圧縮機であってもよい。第１圧縮機３及び第２圧縮機１３が同じタイプの速度型圧縮機であるとき、第１圧縮機３及び第２圧縮機１３は、回転軸４９を共通の部品として有する２段ターボ圧縮機を構成しうる。第２圧縮機１３も容積型圧縮機であってもよい。第１圧縮機３及び第２圧縮機１３は、同じタイプの容積型圧縮機であってもよく、互いに異なるタイプの容積型圧縮機であってもよい。

圧縮機の段数は２段に限定されず、３段以上の圧縮機が設けられていてもよい。このことは、他の実施形態にも当てはまる。

中間経路７は、第１圧縮機３の吐出口と第２圧縮機１３の吸入口とを接続している流路である。中間経路７は、２段ターボ圧縮機のハウジングによって形成された流路であってもよく、少なくとも１つの配管によって形成された流路であってもよい。中間経路７を通じて、第１圧縮機３で圧縮された気相冷媒が第２圧縮機１３へと送られる。

第２霧化機構１５は、第１霧化機構５と同様、液相冷媒を微粒化して噴霧する噴霧ノズルである。第２霧化機構１５は、第１圧縮機３の吐出口から第２圧縮機１３の吐出口に至る第２蒸気経路上に配置されている。本実施形態において、第２霧化機構１５は、中間経路７に配置されている。中間経路７は、第２蒸気経路の一部を構成している。つまり、第２霧化機構１５は、第２蒸気経路上に配置されており、第２蒸気経路に向かって液相冷媒を噴霧する。第２霧化機構１５は、例えば、第２圧縮機１３の吸入口の方向を向いている。この場合、第２霧化機構１５で生成された霧状の液相冷媒が第２圧縮機１３に確実に吸入されうる。

本実施形態において、第２冷媒供給路１７は、凝縮器４と第２霧化機構１５とを接続している。第２冷媒供給路１７を通じて、凝縮器４に貯留された液相冷媒が第２霧化機構１５に供給される。第２冷媒供給路１７は、少なくとも１つの配管によって構成されうる。第２冷媒供給路１７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に位置している。第２冷媒供給路１７には、ポンプ、弁などが配置されていてもよい。

第２霧化機構１５の構造は、第１霧化機構５と同じであってもよく、異なっていてもよい。第２霧化機構１５として、図２を参照して説明した一流体微粒化ノズルが使用されうる。第１霧化機構５として使用できる噴霧ノズルは、第２霧化機構１５としても使用できる。

本実施形態によれば、実施形態１で得られる効果に加え、次の効果が得られる。第２圧縮機１３には、第１圧縮機３で圧縮された気相冷媒とともに、第２霧化機構１５で生成された霧状の液相冷媒が吸入される。霧状の液相冷媒が第２圧縮機１３に吸入されると、第２圧縮機１３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。第２圧縮機１３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第２圧縮機１３がなすべき仕事を大幅に低減できる。つまり、第２圧縮機１３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１０６の効率が向上する。

本実施形態によれば、第１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第１霧化機構５に供給される。第１圧縮機３には、第１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第１圧縮機３の内部で蒸気量が急増することを防止できる。

中間経路７における気相冷媒の圧力に対応する飽和温度は、蒸発器２における冷媒の飽和温度と凝縮器４における冷媒の飽和温度との間の温度帯に存在する。第２冷媒供給路１７を通じて、凝縮器４に貯留された液相冷媒が第２霧化機構１５に供給される。第２圧縮機１３には、第２圧縮機１３に吸入される気相冷媒の飽和温度に等しいか、それよりも高い温度の霧状の液相冷媒が吸入される。この場合、気相冷媒が冷却されすぎて第２圧縮機１３の内部で凝縮することを防止できる。小能力及び高圧力比の条件で冷凍サイクル装置１０６を運転する場合においても、第２圧縮機１３の内部で冷媒が凝縮することを防止できるので、蒸気量が減少することによって第２圧縮機１３がサージングを起こすことを防止できる。

本実施形態の冷凍サイクル装置１０６には、２段の圧縮機３及び１３が設けられている。そのため、外気温度が高く、高い圧力比が要求される条件下においても、上記したメカニズムによって圧縮動力を低減しつつ、十分な冷凍能力を提供することができる。この効果は、複数段の圧縮機を備えた別の実施形態においても得られる。

（実施形態５）
図７に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置１０８は、実施形態１の冷凍サイクル装置１００の構成に加え、中間経路７、第２圧縮機１３、第２霧化機構１５及び第２冷媒供給路１７を備えている。中間経路７、第２圧縮機１３、第２霧化機構１５及び第２冷媒供給路１７の構成は、実施形態４で説明した通りである。本実施形態と実施形態４との相違点は、第１冷媒供給路１１及び第２冷媒供給路１７にある。

本実施形態において、第１冷媒供給路１１は、凝縮器４と第１霧化機構５とを接続している。第２冷媒供給路１７は、凝縮器４と第２霧化機構１５とを接続している。詳細には、第２冷媒供給路１７は、第１冷媒供給路１１から分岐して凝縮器４と第２霧化機構１５とを接続している。第１冷媒供給路１１が第２冷媒供給路１７の一部を兼ねている。第１霧化機構５及び第２霧化機構１５のそれぞれから噴霧される液相冷媒は、凝縮器４に貯留された液相冷媒である。

第１圧縮機３には、第１圧縮機３に吸入される気相冷媒の飽和温度に等しいか、それよりも高い温度の霧状の液相冷媒が吸入される。この場合、気相冷媒が冷却されすぎて第１圧縮機３の内部で凝縮することを防止できる。同様に、第２圧縮機１３には、第２圧縮機１３に吸入される気相冷媒の飽和温度に等しいか、それよりも高い温度の霧状の液相冷媒が吸入される。この場合、気相冷媒が冷却されすぎて第２圧縮機１３の内部で凝縮することを防止できる。実施形態１で説明したメカニズムによって、圧縮動力を低減する効果が第１圧縮機３及び第２圧縮機１３のそれぞれにおいて確実に得られる。

本実施形態によれば、第１冷媒供給路１１と第２冷媒供給路１７との間の分岐位置Ｐよりも上流側において、第１冷媒供給路１１にポンプを配置することができる。このポンプの働きによって、第１霧化機構５及び第２霧化機構１５の両方に液相冷媒を確実に供給できる。第１冷媒供給路１１及び第２冷媒供給路１７のそれぞれにポンプを配置することを必要としないので、本実施形態はコストの面でも有利である。もちろん、第１冷媒供給路１１及び第２冷媒供給路１７のそれぞれにポンプが配置されていてもよい。

（実施形態６）
図８に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置１１０は、実施形態１の冷凍サイクル装置１００の構成に加え、中間経路７、第２圧縮機１３、第２霧化機構１５及び第２冷媒供給路１７を備えている。中間経路７、第２圧縮機１３、第２霧化機構１５及び第２冷媒供給路１７の構成は、実施形態４で説明した通りである。本実施形態と実施形態４との相違点は、第１冷媒供給路１１及び第２冷媒供給路１７にある。

本実施形態において、第１冷媒供給路１１は、蒸発器２と第１霧化機構５とを接続している。第２冷媒供給路１７は、蒸発器２と第２霧化機構１５とを接続している。詳細には、第２冷媒供給路１７は、第１冷媒供給路１１から分岐して蒸発器２と第２霧化機構１５とを接続している。第１冷媒供給路１１が第２冷媒供給路１７の一部を兼ねている。第１霧化機構５及び第２霧化機構１５のそれぞれから噴霧される液相冷媒は、蒸発器２に貯留された液相冷媒である。

第１圧縮機３には、第１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第１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。第２圧縮機１３には、第２圧縮機１３に吸入される気相冷媒の温度よりも低い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第２圧縮機１３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。蒸気量の増加によって第１圧縮機３及び第２圧縮機１３がチョーキングを起こすことも防止できる。実施形態１で説明したメカニズムによって、圧縮動力を低減する効果が第１圧縮機３及び第２圧縮機１３のそれぞれにおいて確実に得られる。

（実施形態７）
図９に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置１１２は、実施形態１の冷凍サイクル装置１００の構成に加え、中間経路７、第２圧縮機１３、第２霧化機構１５、第２冷媒供給路１７及びバッファタンク１６を備えている。中間経路７、第２圧縮機１３、第２霧化機構１５及び第２冷媒供給路１７の構成は、実施形態４で説明した通りである。本実施形態と実施形態４との相違点は、戻し経路９、バッファタンク１６（第１バッファタンク）及び第２冷媒供給路１７にある。

本実施形態において、戻し経路９は、上流部分９ａ及び下流部分９ｂを有する。上流部分９ａによって凝縮器４の出口がバッファタンク１６の入口に接続されている。下流部分９ｂによってバッファタンク１６の出口が蒸発器２の入口に接続されている。つまり、バッファタンク１６は、凝縮器４から蒸発器２への戻し経路９の上に位置している。バッファタンク１６は、蒸発器２及び凝縮器４のそれぞれに連通している。

バッファタンク１６は、凝縮器４から蒸発器２に送られるべき液相冷媒を一時的に貯留する。バッファタンク１６は、さらに、中間経路７に接続されている。バッファタンク１６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。バッファタンク１６の内部の圧力は、中間経路７における気相冷媒の圧力に等しい。バッファタンク１６に貯留された液相冷媒の温度は、中間経路７における気相冷媒の圧力に対応した飽和温度に概ね等しい。

第２冷媒供給路１７は、バッファタンク１６と第２霧化機構１５とを接続している。第２霧化機構１５から噴霧される液相冷媒は、バッファタンク１６に貯留された液相冷媒である。第２冷媒供給路１７の入口は、バッファタンク１６において、バッファタンク１６に貯留された液相冷媒の液面よりも下に位置している。

本実施形態によれば、実施形態４～６と同様、第２圧縮機１３においても圧縮動力を低減する効果が得られる。第２圧縮機１３には、バッファタンク１６に貯留された液相冷媒の粒子が吸い込まれる。バッファタンク１６に貯留された液相冷媒の温度と第２圧縮機１３の内部における気相冷媒の飽和温度との差は、ゼロであるか、十分に小さい。そのため、気相冷媒が冷却されすぎて第２圧縮機１３の内部で凝縮したり、液相冷媒がフラッシュ蒸発して第２圧縮機１３の内部で蒸気量が急増したりすることを防止できる。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、液相冷媒のフラッシュ蒸発による蒸気量の増加及びそれに伴う圧縮動力の増加を抑制できる。故に、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効率的に抑制され、第１圧縮機３及び第２圧縮機１３のそれぞれにおいて圧縮動力を低減する効果が十分に得られる。

第１冷媒供給路１１は、バッファタンク１６と第１霧化機構５とを接続していてもよい。この場合、第１霧化機構５から噴霧される液相冷媒は、バッファタンク１６に貯留された液相冷媒である。第１圧縮機３には、第１圧縮機３に吸入される気相冷媒の温度よりも高い温度の霧状の液相冷媒が吸入される。この場合、気相冷媒が冷却されすぎて第１圧縮機３の内部で凝縮することを防止しつつ、実施形態１で説明したメカニズムによって、圧縮動力を低減する効果が確実に得られる。

（実施形態８）
図１０に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置１１４は、実施形態５の冷凍サイクル装置１０８の変形例である。冷凍サイクル装置１１４において、凝縮器４の代替として、エジェクタ２１、バッファタンク２２（第２バッファタンク）、配管３１ａ、配管３１ｂ及び熱交換器２３が使用されている。エジェクタ２１、バッファタンク２２及び熱交換器２３が配管３１ａ及び配管３１ｂによってこの順番で環状に接続されている。配管３１ａ及び配管３１ｂから選ばれる少なくとも１つにポンプが配置されていてもよい。

エジェクタ２１は、配管３１ｂによって熱交換器２３に接続され、吐出配管８によって第２圧縮機１３に接続されている。第２圧縮機１３は省略されていてもよい。第２圧縮機１３が省略されている場合、エジェクタ２１は、吐出配管８によって第１圧縮機３に接続されうる。エジェクタ２１には、配管３１ｂを通じて、熱交換器２３から流出した液相冷媒が駆動流として供給される。エジェクタ２１には、吐出配管８を通じて、第１圧縮機３及び第２圧縮機１３で圧縮された気相冷媒が吸引流として供給される。

バッファタンク２２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。バッファタンク２２は、エジェクタ２１の吐出口に接続されている。エジェクタ２１とバッファタンク２２との間に配管が設けられていてもよい。エジェクタ２１からバッファタンク２２に向けて液相冷媒又は気液二相冷媒が供給され、バッファタンク２２に液相冷媒が貯留される。バッファタンク２２は、配管３１ａによって熱交換器２３に接続されている。配管３１ａを通じて、バッファタンク２２から熱交換器２３に液相冷媒が送られる。バッファタンク２２は、さらに、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を通じて、バッファタンク２２に貯留された液相冷媒が蒸発器２に送られる。

熱交換器２３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によって形成されている。冷凍サイクル装置１１４が室内の冷房を行う空気調和装置である場合、熱交換器２３は室外に配置され、室外の空気によって液相冷媒を冷却する。

第１圧縮機３及び第２圧縮機１３で圧縮された気相冷媒は、エジェクタ２１に吸入される。バッファタンク２２には液相冷媒が貯留されている。この液相冷媒が熱交換器２３において冷却され、エジェクタ２１に供給される。エジェクタ２１の内部では、第２圧縮機１３から供給された気相冷媒と熱交換器２３から供給された液相冷媒とが混合されて気液二相状態の冷媒が生成するとともに、気液二相状態の冷媒が圧縮される。エジェクタ２１から、高温の液相冷媒又は気液二相冷媒が吐出され、バッファタンク２２に供給される。エジェクタ２１の内部において気液二相状態の冷媒が昇圧されることによって気相冷媒が凝縮し、熱交換器２３において液相冷媒が冷却される。このことから理解できるように、エジェクタ２１、バッファタンク２２及び熱交換器２３は、凝縮器４の代替として機能する。

本実施形態によれば、第１圧縮機３及び第２圧縮機１３のそれぞれの内部での霧状の液相冷媒の蒸発によって、圧縮過程での冷媒のエンタルピーの増加が抑制される。併せて、エジェクタ２１での昇圧過程及び凝縮過程においても、冷媒のエンタルピーの増加が抑制されうる。

冷凍サイクル装置１１４は、さらに、ポンプ２４、コントローラ２７、第１温度センサ２５、第２温度センサ２６、第１圧力センサ２８及び第２圧力センサ２９を備えている。

本実施形態において、第１冷媒供給路１１は、バッファタンク２２と第１霧化機構５とを接続している。第２冷媒供給路１７は、バッファタンク２２と第２霧化機構１５とを接続している。詳細には、第２冷媒供給路１７は、第１冷媒供給路１１から分岐してバッファタンク２２と第２霧化機構１５とを接続している。第１冷媒供給路１１が第２冷媒供給路１７の一部を兼ねている。第１霧化機構５及び第２霧化機構１５のそれぞれから噴霧される液相冷媒は、バッファタンク２２に貯留された液相冷媒である。

ポンプ２４は、第１冷媒供給路１１と第２冷媒供給路１７との間の分岐位置Ｐよりも上流側において、第１冷媒供給路１１に配置されている。ポンプ２４は、バッファタンク２２に貯留された液相冷媒を昇圧し、第１霧化機構５及び第２霧化機構１５のそれぞれに供給する。ポンプ２４の働きによって、第１霧化機構５及び第２霧化機構１５の両方に液相冷媒を確実に供給できる。第１冷媒供給路１１及び第２冷媒供給路１７のそれぞれにポンプを設けることを必要としないので、本実施形態はコストの面でも有利である。もちろん、第１冷媒供給路１１及び第２冷媒供給路１７のそれぞれにポンプ２４が配置されていてもよい。

ポンプ２４の供給圧力（ポンプ２４から吐出された液相冷媒の圧力）は、例えば、２５０ｋＰａである。ポンプ２４は、容積型ポンプであってもよいし、速度型ポンプであってもよい。ポンプ２４は、優れたキャビテーション性能を有する速度型ポンプであることが望ましい。容積型ポンプとは、容積変化によって液相冷媒を吸入及び吐出し、液相冷媒の圧力を上昇させるポンプである。容積型ポンプとして、ロータリポンプ、スクリューポンプ、スクロールポンプ、ベーンポンプ、ギアポンプなどが挙げられる。速度型ポンプとは、液相冷媒に運動量を与え、その後、液相冷媒の速度を減速することによって液相冷媒の圧力を上昇させるポンプである。速度型ポンプとして、遠心ポンプ、斜流ポンプ、軸流ポンプなどが挙げられる。ポンプ２４として、カスケードポンプ、ハイドロセラポンプなども使用できる。ポンプ２４のモータは、例えば、インバータを含むコントローラ２７によって駆動される。つまり、ポンプ２４の回転数がコントローラ２７によって調節されうる。

第１温度センサ２５及び第１圧力センサ２８は、中間経路７に配置されている。第１温度センサ２５は、第１圧縮機３から吐出された気相冷媒の温度を検出する。つまり、第１温度センサ２５は、中間経路７における気相冷媒の温度を検出する。第１圧力センサ２８は、第１圧縮機３から吐出された気相冷媒の圧力を検出する。つまり、第１圧力センサ２８は、中間経路７における気相冷媒の圧力を検出する。第２温度センサ２６及び第２圧力センサ２９は、吐出配管８の内部に配置されている。第２温度センサ２６は、第２圧縮機１３から吐出された気相冷媒の温度を検出する。つまり、第２温度センサ２６は、吐出配管８の内部における気相冷媒の温度を検出する。第２圧力センサ２９は、第２圧縮機１３から吐出された気相冷媒の圧力を検出する。つまり、第２圧力センサ２９は、吐出配管８の内部における気相冷媒の圧力を検出する。これらのセンサ２５～２９の検出信号は、コントローラ２７に入力される。第２圧縮機１３が省略されているとき、第２温度センサ２６及び第２圧力センサ２９も省略される。

コントローラ２７は、センサ２５～２９の検出信号を取得し、気相冷媒の温度及び圧力特定する。コントローラ２７は、気相冷媒の温度が目標温度に収斂するようにポンプ２４の回転数を制御する。これにより、第１霧化機構５及び第２霧化機構１５から噴霧される液相冷媒の流量が調節される。目標温度は、例えば、第１圧力センサ２８及び第２圧力センサ２９によって検出された圧力から求められる飽和温度である。第１温度センサ２５及び第２温度センサ２６によって検出された気相冷媒の温度が目標温度よりも高い場合、第１霧化機構５及び第２霧化機構１５から噴霧される液相冷媒の流量が増やされる。第１温度センサ２５及び第２温度センサ２６によって検出された気相冷媒の温度が目標温度よりも低い場合、第１霧化機構５及び第２霧化機構１５から噴霧される液相冷媒の流量が減らされる。第１温度センサ２５及び第２温度センサ２６によって検出された気相冷媒の温度が目標温度に一致する場合、検出された気相冷媒の温度と目標温度との差が所定の温度差（例えば、０．５℃）となるように、第１霧化機構５及び第２霧化機構１５から噴霧される液相冷媒の流量が減らされる。

ポンプ２４の回転数を制御すれば、第１圧縮機３から吐出された気相冷媒の温度が飽和温度に近い温度に維持され、第２圧縮機１３から吐出された気相冷媒の温度が飽和温度に近い温度に維持される。これにより、冷凍サイクル装置１１４の起動時などの過渡期、あるいは、大きい負荷変動が生じたときにおいても、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うる。第１圧縮機３及び第２圧縮機１３のそれぞれ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。

各実施形態において、第１霧化機構５は、第１蒸気経路である吸入配管６の内部に向かって液相冷媒を噴霧できる位置に配置されている。あるいは、第１霧化機構５は、第１圧縮機３の吸入口３ａに向かって液相冷媒を噴霧できる位置に配置されている。第２霧化機構１５は、第２蒸気経路である中間経路７に向かって液相冷媒を噴霧できる位置に配置されている。しかし、以下の変形例に示すように、第１霧化機構５及び第２霧化機構１５のそれぞれの位置は、これらに限定されない。

（変形例）
図１１Ａ及び図１１Ｂに示す各変形例において、液相冷媒は、第１圧縮機３の内部に噴霧されている。図１１Ａ及び図１１Ｂに示す構造は、第２圧縮機１３、第２霧化機構１５及び第２冷媒供給路１７にも適用されうる。

図１１Ａに示す変形例において、第１霧化機構５は、第１圧縮機３の内部の吸入空間５３に向かって液相冷媒を噴霧できる位置に配置されている。第１霧化機構５は、例えば、吸入空間５３に配置されている。吸入空間５３は、吸入配管６の入口から第１圧縮機３の吐出口に至る第１蒸気経路の一部である。つまり、本変形例においても、第１霧化機構５は、吸入配管６の入口から第１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。第１霧化機構５としての噴霧ノズルは、インペラ４７に向かい合っている。第１冷媒供給路１１は、蒸発器２、凝縮器４、バッファタンク１６又はバッファタンク２２に接続されている。

図１１Ｂに示す変形例において、第１霧化機構５は、第１圧縮機３の内部のディフューザ５０又は吐出空間５４に向かって液相冷媒を噴霧できる位置に配置されている。第１霧化機構５は、例えば、ボリュート５１又はハウジング５２に取り付けられており、ディフューザ５０又は吐出空間５４の方向を向いている。ディフューザ５０及び吐出空間５４は、吸入配管６の入口から第１圧縮機３の吐出口に至る第１蒸気経路の一部である。つまり、本変形例においても、第１霧化機構５は、吸入配管６の入口から第１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。

２蒸発器
３第１圧縮機
３ａ吸入口
４凝縮器
５第１霧化機構
６吸入配管
７中間経路
８吐出配管
９戻し経路
９ａ上流部分
９ｂ下流部分
１０冷媒回路
１１第１冷媒供給路
１２吸熱回路
１３第２圧縮機
１４放熱回路
１５第２霧化機構
１６バッファタンク
１７第２冷媒供給路
１８ノズル本体
１８ｐ噴射口
１９衝突部
１９ａ衝突面
２０噴流
２１エジェクタ
２２バッファタンク
２３熱交換器
２４ポンプ
２５第１温度センサ
２６第２温度センサ
２７コントローラ
２８第１圧力センサ
２９第２圧力センサ
４７インペラ
４８翼間流路
４９回転軸
５０ディフューザ
５１ボリュート
５２ハウジング
５３吸入空間
５４吐出空間
１００，１０２，１０４，１０６，１０８，１１０，１１２，１１４冷凍サイクル装置
Ｐ分岐位置

Claims

液相冷媒を蒸発させて気相冷媒を生成する蒸発器と、
前記蒸発器に直接又は吸入配管を用いて接続され、前記蒸発器で生成されたのち圧縮されていない前記気相冷媒を吸入し、圧縮する第１圧縮機と、
前記第１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、
前記吸入配管の入口から前記第１圧縮機の吐出口に至る第１蒸気経路上に配置され、前記第１蒸気経路に向かって前記液相冷媒を噴霧する、又は、前記蒸発器の内部に配置され、前記第１圧縮機の吸入口の方向に向かって前記液相冷媒を噴霧する第１霧化機構と、
前記蒸発器又は前記凝縮器と前記第１霧化機構とを接続している第１冷媒供給路と、
を備え、
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、冷凍サイクル装置。
前記第１冷媒供給路は、前記蒸発器と前記第１霧化機構とを接続しており、
前記第１霧化機構から噴霧される前記液相冷媒は、前記蒸発器に貯留された前記液相冷媒である、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
前記第１冷媒供給路は、前記凝縮器と前記第１霧化機構とを接続しており、
前記第１霧化機構から噴霧される前記液相冷媒は、前記凝縮器に貯留された前記液相冷媒である、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
前記第１圧縮機によって圧縮された前記気相冷媒を吸入してさらに圧縮する第２圧縮機と、
前記第１圧縮機の前記吐出口から前記第２圧縮機の吐出口に至る第２蒸気経路上に配置され、前記第２蒸気経路に向かって前記液相冷媒を噴霧する第２霧化機構と、
をさらに備えた、請求項１～３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
前記蒸発器、前記凝縮器、並びに、前記蒸発器及び前記凝縮器のそれぞれに連通し、前記液相冷媒を貯留するバッファタンクから選ばれる少なくとも１つと、前記第２霧化機構とを接続している第２冷媒供給路をさらに備えた、請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
前記第２冷媒供給路は、前記蒸発器と前記第２霧化機構とを接続しており、
前記第２霧化機構から噴霧される前記液相冷媒は、前記蒸発器に貯留された前記液相冷媒である、請求項５に記載の冷凍サイクル装置。
前記第２冷媒供給路は、前記凝縮器と前記第２霧化機構とを接続しており、
前記第２霧化機構から噴霧される前記液相冷媒は、前記凝縮器に貯留された前記液相冷媒である、請求項５に記載の冷凍サイクル装置。
前記第２冷媒供給路は、前記バッファタンクと前記第２霧化機構とを接続しており、
前記第２霧化機構から噴霧される前記液相冷媒は、前記バッファタンクに貯留された前記液相冷媒である、請求項５に記載の冷凍サイクル装置。
前記第１冷媒供給路は、前記凝縮器と前記第１霧化機構とを接続しており、
前記第２冷媒供給路は、前記第１冷媒供給路から分岐して前記凝縮器と前記第２霧化機構とを接続しており、
前記第１霧化機構及び前記第２霧化機構のそれぞれから噴霧される前記液相冷媒は、前記凝縮器に貯留された前記液相冷媒である、請求項５に記載の冷凍サイクル装置。
液相冷媒を蒸発させて気相冷媒を生成する蒸発器と、
前記蒸発器に直接又は吸入配管を用いて接続され、前記蒸発器で生成されたのち圧縮されていない前記気相冷媒を吸入し、圧縮する第１圧縮機と、
前記第１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、
前記第１圧縮機のボリュート又はハウジングに取り付けられており、前記第１圧縮機の内部のディフューザ又は吐出空間に向かって前記液相冷媒を噴霧する第１霧化機構と、
前記蒸発器又は前記凝縮器と前記第１霧化機構とを接続している第１冷媒供給路と、
を備え、
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、冷凍サイクル装置。
前記物質が水である、請求項１～１０のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。