JP7461789B2

JP7461789B2 - 速度型圧縮機及び冷凍サイクル装置

Info

Publication number: JP7461789B2
Application number: JP2020078641A
Authority: JP
Inventors: 洪志孫; 文紀河野; 直芳庄山; 大松井
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2020-04-27
Filing date: 2020-04-27
Publication date: 2024-04-04
Anticipated expiration: 2040-04-27
Also published as: JP2021173238A

Description

本開示は、速度型圧縮機及び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９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

従来技術においては、圧縮過程で発生する過熱度を圧縮過程において効率的に取り除くことが望まれる。

本開示における速度型圧縮機は、
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、圧縮されるべき気相の作動流体が流れる作動流体流路と、
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、液相の作動流体が流れる主流路と、
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作動流体流路まで延びており、前記主流路から前記作動流体流路に前記液相の作動流体を導く噴射流路と、
前記噴射流路から流入した前記液相の作動流体の旋回流を生成するように構成された旋回室と、前記旋回室と前記作動流体流路とを連通するオリフィスとを有し、前記噴射流路の流出口に配置されたノズルと、
を備えている。

また、本開示における速度型圧縮機は、
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、圧縮されるべき気相の作動流体が流れる作動流体流路と、
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、液相の作動流体が流れる主流路と、
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作動流体流路まで延びており、前記主流路から前記作動流体流路に前記液相の作動流体を導く噴射流路と、
前記噴射流路の流出口に配置され、オリフィスを有するノズルと、
を備え、
前記ノズルのオリフィスは、３４μｍ以下の開口直径を有している。

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効率的に取り除くことができる。

実施の形態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ノズルの縦断面図オリフィス板及びノズル本体の分解斜視図液滴に作用する力を説明する図液滴の追従性を示すグラフ液滴の粒子径分布を示すグラフ液滴の平均粒子径とオリフィスの開口直径の関係を示すグラフ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）
本発明者らが本開示に想到するに至った当時、特許文献１に記載されているように、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を低減する技術があった。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かった。

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。このような構成によれば、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。

さらに、本発明者らは、噴霧された液相冷媒の液滴の粒子径が大きいと、液滴が気相冷媒の流れに追従せず、インペラの壁面に衝突する場合があることを見出した。インペラの壁面に衝突した液滴は、気相冷媒の冷却に寄与しない。

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、圧縮過程で発生する過熱度を圧縮過程において効率的に取り除くための技術を提供する。

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）
以下、図１から図９を用いて、実施の形態を説明する。

［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及び冷媒供給路９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。冷媒は、作動流体の一例である。

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。

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。

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。

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４０１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、蒸発器２に接続されている。この場合、上記予備タンクには、蒸発器２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。上記予備タンクは、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５０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。

インペラ１６は、ハブ３１及び複数のブレード３２を有する。ハブ３１は、回転軸１５に嵌め合わされた部分である。回転軸１５の中心軸Ｏを含む断面において、ハブ３１は、末広がりの輪郭を有している。複数のブレード３２は、回転軸１５の周方向に沿ってハブ３１の表面３１ｆに、間隔をあけて配置されている。

インペラ１６の周囲の空間には、冷媒流路１８、ディフューザ２７及び渦巻室２８が含まれる。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。吸入流路２９は、気相冷媒の流れ方向において、ブレード３２の上流端３２ｔよりも上流側に位置している。翼間流路３０は、回転軸１５の周方向において互いに隣り合うブレード３２の間に位置している。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。

ハウジング２５の内部には、軸受２２及びシール機構２３が配置されている。軸受２２は、回転体１７を回転可能に支持している。軸受２２は、滑り軸受であってもよく、転がり軸受であってもよい。軸受２２が滑り軸受であるとき、潤滑剤として、冷凍サイクル装置１００の冷媒を使用することができる。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。

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。

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、ブレード３２の上流端３２ｔよりも上流側に位置している。噴射流路２０の流出口２０ｂには、霧状の液相冷媒が冷媒流路１８に供給されるように、ノズル５０が配置されている。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。

本実施の形態において、流出口２０ｂは、インペラ１６のハブ３１の表面３１ｆに位置している。噴射流路２０は、回転軸１５の半径方向にハブ３１を貫通している。このような構成によれば、気相冷媒がブレード３２間の翼間流路３０に侵入する前に気相冷媒と液相冷媒とを混合することができる。これにより、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。

流出口２０ｂの位置は、図２に示す位置に限定されない。流出口２０ｂは、気相冷媒の流れ方向において、ブレード３２の上流端３２ｔよりも下流側に位置していてもよい。さらに、流出口２０ｂは、気相冷媒の流れ方向において、インペラ１６の上面１６ｔよりも上流側に位置していてもよい。この場合、流出口２０ｂは、回転軸１５の側面に位置しうる。これらの構成によっても、圧縮過程の気相冷媒から熱を奪うことが可能である。

本実施の形態において、流出口２０ｂの流路断面積は、噴射流路２０の流路断面積よりも大きい。流出口２０ｂには、ノズル５０が配置される。

噴射流路２０の流路断面積は、主流路１９の流路断面積よりも小さい。このような構成によれば、冷媒流路１８に霧状の液相冷媒を供給しやすい。

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。

詳細には、回転軸１５の周方向において、噴射流路２０の流出口２０ｂは、等角度間隔で並んでいる。噴射流路２０の流出口２０ｂは、周方向において隣り合うブレード３２とブレード３２との間に位置している。ノズル５０を介して、各流出口２０ｂから均一な流量にて液相冷媒が各翼間流路３０に噴射される。このような構成によれば、回転軸１５の周方向において、気相冷媒をより均一に冷却することができる。流出口２０ｂの数は、翼間流路３０の数と異なっていてもよく、翼間流路３０の数に等しくてもよい。噴射流路２０の流出口２０ｂが翼間流路３０に一対一で対応していてもよい。

複数のブレード３２が複数のフルブレードと複数のスプリッタブレードとを含む場合、回転軸１５の周方向において、周方向において隣り合うフルブレードとフルブレードとの間に流出口２０ｂが位置していてもよい。あるいは、周方向において隣り合うフルブレードとスプリッタブレードとの間に流出口２０ｂが位置していてもよい。スプリッタブレードは、フルブレードよりも短いブレードである。複数のフルブレード及び複数のスプリッタブレードは、回転軸１５の周方向に沿ってハブ３１の表面３１ｆに交互に配置されうる。

本開示の圧縮機３の構造は、多段の圧縮機のそれぞれに適用可能である。各段の圧縮機において、所望の効果が得られる。例えば、圧縮機３が複数のインペラを含む多段圧縮機である場合、複数のインペラのそれぞれに噴射流路２０が設けられ、各段の冷媒流路に液相冷媒が噴射されうる。

［１－１－３．ノズルの構成］
次に、ノズル５０について詳細に説明する。

図４Ａは、ノズル５０の縦断面図である。図４Ｂは、オリフィス板５１及びノズル本体５３の分解斜視図である。ノズル５０は、流入した液相冷媒に旋回運動を与え、中空円錐状の液相冷媒の膜を噴射することが可能な旋回流生成ノズルである。ノズル５０から噴射された中空円錐状の液相冷媒の膜は、翼間流路３０内の気相冷媒と相互作用して不安定になって分裂する。これにより、一定の粒子径分布を有する冷媒の液滴が形成される。

ノズル５０は、オリフィス板５１、ノズル本体５３及び筒状部材５８を有する。筒状部材５８の内部にノズル本体５３が挿し込まれている。筒状部材５８の先端部５９がノズル本体５３に対するストッパとして機能するように、筒状部材５８の先端部５９における内径が縮径している。筒状部材５８の先端部５９とノズル本体５３の先端部との間にオリフィス板５１が保持されている。筒状部材５８の内周面とノズル本体５３の外周面５３ｆとの間には、ノズル本体５３の後端部から先端部に向かって延びるノズル流路５７が確保されている。オリフィス板５１、ノズル本体５３及び筒状部材５８は、例えば、ステンレスなどの耐食性に優れた金属材料で作製されている。

オリフィス板５１は円板状の部材である。オリフィス板５１の中心には、オリフィス板５１を厚さ方向に貫通するオリフィス５２が設けられている。オリフィス５２は、ノズル本体５３と冷媒流路１８とを連通している。

ノズル本体５３は、旋回室５４及び旋回流路５５を有する。旋回室５４及び旋回流路５５は、ノズル本体５３の先端部に位置している。旋回室５４に向かってオリフィス５２が開口するように、オリフィス板５１が旋回室５４及び旋回流路５５を覆っている。

旋回室５４は、噴射流路２０から流入した液相冷媒の旋回流を生成するように構成されている。旋回室５４において、液相冷媒の圧力エネルギーが旋回速度エネルギーへと変換される。

旋回室５４は、ノズル本体５３の先端部の円形状の浅い凹部である。旋回流路５５は、旋回室５４から半径方向の外側に向かって延び、ノズル流路５７に連通している。旋回流路５５を通じて、ノズル流路５７から旋回室５４に液相冷媒が導かれる。詳細には、旋回流路５５は、旋回室５４の内周面５４ｇの接線方向に液相冷媒を導くように設けられている。旋回流路５５を介して液相冷媒が旋回室５４に導かれることにより、旋回室５４内において液相冷媒の旋回流が生成される。

本実施の形態では、旋回室５４の周方向の複数箇所（例えば、２箇所）のそれぞれに旋回流路５５が設けられている。このような構成によれば、旋回室５４に流入した液相冷媒の旋回速度を効果的に上昇させることができる。複数の旋回流路５５は、旋回室５４の周方向において等角度間隔で設けられている。

ノズル本体５３は、流入口５６をさらに有する。流入口５６から旋回流路５５までノズル流路５７が延びている。

流入口５６は、ノズル本体５３の後端部に位置しており、噴射流路２０に面している。ノズル流路５７は、流入口５６から流入した液相冷媒を旋回室５４に導く流路である。本実施の形態において、ノズル流路５７は、ノズル本体５３の外周面５３ｆに、軸方向に延びる溝を形成することによって設けられている。ノズル流路５７の後端は流入口５６と接続している。ノズル流路５７の先端は旋回流路５５と接続している。ノズル５０の軸方向は、回転軸１５の半径方向に一致する。

筒状部材５８は、ノズル本体５３の外周面５３ｆを覆うように設けられている。筒状部材５８は円筒形状を有している。筒状部材５８は、ノズル本体５３の外周面５３ｆに加えて、オリフィス板５１をも覆っている。筒状部材５８によって、ノズル流路５７を流れる液相冷媒が外部に漏れるのが防止される。筒状部材５８の外周面には、ネジ構造（図示せず）が設けられている。筒状部材５８の先端部５９には、軸方向に複数（例えば、４つ）の穴部５９ｈが設けられている。複数の穴部５９ｈは、筒状部材５８の周方向において等角度間隔で設けられている。複数の穴部５９ｈに挿入可能な複数の長尺状のピンを有する治具を使用して、筒状部材５８は流出口２０ｂにねじ込まれる。ネジの軸力により、オリフィス板５１とノズル本体５３とが隙間なく密着する。ねじ込みの際、筒状部材５８のネジ構造に、必要に応じて接着剤を塗布して、緩み止めを行ってもよい。筒状部材５８のこのような構造は、ノズル５０を流出口２０ｂに着脱可能にする。筒状部材５８の外周面には、ネジ構造とは異なる位置に、流出口２０ｂとのシール性をさらに向上させるためのＯリング６１が取り付けられている。

筒状部材５８は、オリフィス５２と冷媒流路１８とを連通する噴射口６０を有する。噴射口６０は、すり鉢形状を有している。すり鉢形状は、冷媒流路１８側の開口直径が大きくなるよう形成されている。

ノズル５０は、フィルタ６２をさらに備えている。フィルタ６２は、ノズル本体５３の後端部に取り付けられている。噴射流路２０とノズル流路５７との間にフィルタ６２が位置している。液相冷媒に異物が含まれていたとしても、フィルタ６２によって異物が除去されるので、オリフィス５２が閉塞することを防止できる。フィルタ６２は、例えば、ステンレス粉体などの金属粉体を原料とする多孔質の焼結金属体で作製されている。

［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、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５０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。

ノズル５０においては、圧縮機３の回転体１７の回転による遠心力で加圧された液相冷媒が、噴射流路２０を流れ、ノズル５０に流入する。詳細には、流入口５６から流入した液相冷媒は、フィルタ６２を経てノズル流路５７に流入する。液相冷媒は、ノズル流路５７に沿って流れ、旋回流路５５から旋回室５４に流入する。液相冷媒は、旋回室５４の内部で旋回しながら、オリフィス５２に向かう。オリフィス５２に近いほど旋回半径が小さいため、オリフィス５２に到達した時点における液相冷媒の旋回速度は、噴射流路２０からノズル本体５３に流入した時点における液相冷媒の旋回速度よりも大きい。オリフィス５２において、液相冷媒はオリフィス５２の内壁に沿ってさらに旋回する。これにより、液相冷媒は、遠心力で中空円錐状の液膜となってオリフィス５２から噴射される。噴射された液相冷媒の中空円錐状の液膜は、翼間流路３０内部の気相冷媒との相互作用で不安定になり、さらに分裂して微細化された液滴が形成される。

ノズル５０から噴射された液相冷媒の液滴は、ある粒子径分布を有する。液滴のザウタ平均粒子径（ＳＭＤ）Ｄ_ave（以下、単に「平均粒子径Ｄ_ave」という。）は、下記式（１）で表されるロジン・ラムラー式から算出した液滴の粒子径分布に基づいて求められる。

上記式（１）において、ｂ及びｎは粒子に依存するパラメータである。測定した液相冷媒の液滴の粒子分布結果をロジン・ラムラー線図にプロットし、線形回帰することで、粒子の粒子径分布を求めることができる。

次に、ノズル５０から噴射された液相冷媒の液滴の追従性と、ノズル５０のオリフィス５２の開口直径との関係について詳細に説明する。

図５は、ノズル５０から噴射された液相冷媒の液滴に作用する力を説明する図である。図５に示すように、インペラ１６のブレード３２の間に位置する翼間流路３０に噴射された液相冷媒の液滴には、回転によるコリオリ力Ｆ_cと、気相冷媒との相対速度に起因する流体力Ｄとが作用する。液相冷媒の液滴がブレード３２に衝突せずに翼間流路３０を通過するには、流体力Ｄがコリオリ力Ｆ_cを上回る必要がある。

ここで、流体力Ｄとは、気相冷媒から液相冷媒の液滴に作用する抗力であって、下記式（２）で表される。

コリオリ力Ｆ_cは、下記式（３）で表される。

式（２）において、Ｃ_dは抗力係数であって、下記式（４）で表される。

式（２）において、Ｓは液滴の代表面積であって、下記式（５）で表される。液滴の代表面積とは、液滴を正面から見たときの投影面積を意味する。

式（２）及び（３）において、ρ_gは気相冷媒の密度である。Ｕは気相冷媒と液相冷媒の液滴の相対速度である。Ｄ_pは液相冷媒の液滴の粒子径である。Ｒｅはレイノルズ数である。μは気相冷媒の粘度である。ｍは液相冷媒の液滴の質量である。ρ_pは液相冷媒の液滴の密度である。ωはインペラの角速度である。

流体力Ｄがコリオリ力Ｆ_cよりも大きい場合、すなわち、式（３）で表されるコリオリ力Ｆ_cに対する式（２）で表される流体力Ｄの比の値が１以上である場合、液相冷媒の液滴はブレード３２に衝突せずに翼間流路３０を通過する。したがって、液相冷媒の液滴がブレード３２に衝突せずに翼間流路３０を通過するには、コリオリ力Ｆ_cに対する流体力Ｄの比の値Ｄ／Ｆ_cが下記式（６）を満たす必要がある。

式（６）から下記式（７）が導かれる。粒子径Ｄ_pが下記式（７）を満たす場合、流体力Ｄがコリオリ力Ｆ_cを上回る。すなわち、液相冷媒の液滴の粒子径Ｄ_pが下記式（７）を満たす場合、ブレード３２の形状に依らず、ノズル５０から翼間流路３０に噴射された液相冷媒の液滴がインペラ１６の壁面に衝突することを回避できる。

ここで、式（７）を満たす液相冷媒の液滴の粒子径Ｄ_pを最大粒子径Ｄ_maxと定義する。最大粒子径がＤ_max以下であるときの上記液滴の平均粒子径をＤ_aveと定義する。このとき、液滴の粒子径分布に対応した平均粒子径をＤ_aveは、式（１）で表されるロジン・ラムラー式を用いて求めることができる。

求められた液滴の平均粒子径をＤ_aveとオリフィス５２の開口直径との関係から、平均粒子径をＤ_ave以下の液滴を生成可能なオリフィス５２の開口直径を決定することができる。

次に、冷媒として水が使用された冷凍サイクル装置１００における、ノズル５０から噴射された液相冷媒の液滴の追従性と、ノズル５０のオリフィス５２の開口直径との関係について、さらに詳細に説明する。

例えば、冷凍能力が１２５ＲＴ、定格運転速度が１３０９ｒａｄ／ｓ（１２５００ｒｐｍ／ｍｉｎ）の圧縮機３を搭載する冷凍サイクル装置１００において、気相冷媒の作動圧力が０．９８ｋＰａから５．２４ｋＰａの場合、気相冷媒の粘度μは９．３８×１０^-6Ｐａ・ｓから１．０１×１０^-5Ｐａ・ｓである。液相冷媒の液滴の密度ρ_pは９９９．９～９９４．４ｋｇ／ｍ³である。低作動圧力ほど、気相冷媒の粘度が低く、液相冷媒の密度が高いため、追従性に対して厳しい以下の条件を適用する。

〈条件〉
作動圧力：０．９８ｋＰａ
気相冷媒の粘度μ：９．３８×１０^-6Ｐａ・ｓ
液相冷媒の密度ρ_p：９９９．９ｋｇ／ｍ³

上記条件を適用して式（７）の右辺を計算すると、８μｍとなる。したがって、液相冷媒の液滴の粒子径Ｄ_pが８μｍ以下の場合に、式（７）が満たされることが分かる。すなわち、液相冷媒の液滴の最大粒子径Ｄ_maxが８μｍ以下の場合に、流体力Ｄがコリオリ力Ｆ_cを上回り、ノズル５０から翼間流路３０に噴射された液相冷媒の液滴がインペラ１６に衝突するのが抑制される。

図６は、計算結果に基づく、上記液滴の粒子径Ｄ_pとコリオリ力Ｆ_cに対する流体力Ｄの比の値の関係を示すグラフである。図６に示すように、水を冷媒とした場合、最大粒子径Ｄ_maxが８μｍ以下の上記液滴は、コリオリ力Ｆ_cに対する流体力Ｄの比の値が１以上となり、気相冷媒への追従性を有する。

次に、図７を用いて、最大粒子径Ｄ_maxが８μｍ以下であるときの、上記液滴の粒子径分布について説明する。ノズル５０から噴射された液相冷媒の液滴の粒子径は一定ではなく、ある粒子径分布を有する。上記液滴の粒子径分布に対応した平均粒子径Ｄ_aveは、式（１）で表されるロジン・ラムラー式を用いることにより求めることができる。

図７は、式（１）で表されるロジン・ラムラー式を用いて求めた上記液滴の粒子径分布を示すグラフである。図７に示すように、最大粒子径Ｄ_maxが８μｍ以下となる上記液滴の平均粒子径Ｄ_aveは、２．６μｍである。

図８は、実験結果に基づく、オリフィス５２の開口直径と上記液滴の平均粒子径Ｄ_aveの関係を示すグラフである。図８より、水を冷媒とした場合、平均粒子径Ｄ_aveが２．６μｍ以下の上記液滴を生成可能なオリフィス５２の開口直径は３４μｍ以下であることが分かる。

なお、オリフィス５２の開口直径の下限値は、製造上の下限値に対応して設定され、例えば、１μｍから５μｍの間である。

［１－３．効果等］
以上のように、本実施の形態において、圧縮機３は、噴射流路２０の流出口２０ｂに配置されたノズル５０を備え、ノズル５０は、噴射流路２０から流入した液相冷媒の旋回流を生成するように構成された旋回室５４と、旋回室５４と冷媒流路１８とを連通するオリフィス５２とを有している。このような構成によれば、旋回室５４で液相冷媒を強制的に旋回させることで、オリフィス５２から噴射される液相冷媒の微細化が促進されるので、冷媒流路１８に噴射された冷媒の液滴は、圧縮された気相冷媒に追従しやすくなる。そのため、液相冷媒の液滴がインペラ１６に衝突するのを抑制できるので、液相冷媒の気相冷媒の冷却への寄与度が向上し、圧縮過程で発生する過熱度を圧縮過程において効率的に取り除くことができる。また、冷媒液滴の衝突によるインペラのエロージョンも抑制される。

また、本実施の形態において、ノズル５０は、旋回室５４に液相冷媒を導く旋回流路５５をさらに有していてもよく、旋回流路５５は、旋回室５４から半径方向の外側に向かって延びていてもよい。このような構成によれば、液相冷媒が旋回流路５５を介して旋回室５４に導かれることにより、旋回室５４内において液相冷媒の旋回流が生成される。

さらに、本実施の形態において、ノズル５０のオリフィス５２は、３４μｍ以下の開口直径を有している。このような構成によれば、冷媒として水が使用された場合、平均粒子径Ｄ_aveが２．６μｍ以下の液滴を生成することができる。そのため、液滴がインペラ１６に衝突することを回避できるので、液相冷媒の気相冷媒の冷却への寄与度が向上し、圧縮過程で発生する過熱度を圧縮過程において効率的に取り除くことができる。また、冷媒液滴の衝突によるインペラ１６のエロージョンも抑制される。

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
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
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ハブ
３１ｆ表面
３２ブレード
３２ｔ上流端
４２真空引き経路
４０１真空ポンプ
５０ノズル
５１オリフィス板
５２オリフィス
５３ノズル本体
５３ｆ外周面
５４旋回室
５４ｇ内周面
５５旋回流路
５６流入口
５７ノズル流路
５８筒状部材
５９先端部
５９ｈ穴部
６０噴射口
６１Ｏリング
６２フィルタ
１００冷凍サイクル装置

Claims

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、圧縮されるべき気相の作動流体が流れる作動流体流路と、
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、液相の作動流体が流れる主流路と、
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作動流体流路まで延びており、前記主流路から前記作動流体流路に前記液相の作動流体を導く噴射流路と、
前記噴射流路から流入した前記液相の作動流体の旋回流を生成するように構成された旋回室と、前記旋回室と前記作動流体流路とを連通するオリフィスとを有し、前記噴射流路の流出口に配置されたノズルと、
を備え、
前記インペラは、複数のブレードを有し、
前記流出口は、前記気相の作動流体の流れ方向において、前記複数のブレードの上流端よりも上流側に位置している、速度型圧縮機。
前記ノズルは、前記旋回室に前記液相の作動流体を導く旋回流路をさらに有し、
前記旋回流路は、前記旋回室から半径方向の外側に向かって延びている、請求項１に記載の速度型圧縮機。
前記ノズルのオリフィスは、３４μｍ以下の開口直径を有する、請求項１又は２に記載の速度型圧縮機。
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、圧縮されるべき気相の作動流体が流れる作動流体流路と、
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、液相の作動流体が流れる主流路と、
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作動流体流路まで延びており、前記主流路から前記作動流体流路に前記液相の作動流体を導く噴射流路と、
前記噴射流路の流出口に配置され、オリフィスを有するノズルと、
を備え、
前記ノズルのオリフィスは、３４μｍ以下の開口直径を有し、
前記インペラは、複数のブレードを有し、
前記流出口は、前記気相の作動流体の流れ方向において、前記複数のブレードの上流端よりも上流側に位置している、速度型圧縮機。
蒸発器と、
請求項１から４のいずれか１項に記載の速度型圧縮機と、
凝縮器と、
を備えた、冷凍サイクル装置。