特許 7534124 冷凍サイクル装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-08-05

(45)【発行日】2024-08-14

(54)【発明の名称】冷凍サイクル装置

(51)【国際特許分類】

   F25B 1/10 20060101AFI20240806BHJP

   F25B 43/00 20060101ALI20240806BHJP

   F25B 1/00 20060101ALI20240806BHJP

【ＦＩ】

F25B1/10 Q

F25B43/00 D

F25B1/00 311B

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2020084040

(22)【出願日】2020-05-12

(65)【公開番号】P2021179269

(43)【公開日】2021-11-18

【審査請求日】2023-04-17

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成３０年度、環境省「ＣＯ２排出削減対策強化誘導型技術開発・実証事業」委託事業、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】000005821

【氏名又は名称】パナソニックホールディングス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110004314

【氏名又は名称】弁理士法人青藍国際特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100107641

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 耕一

(74)【代理人】

【識別番号】100202201

【弁理士】

【氏名又は名称】兒島 淳一郎

(72)【発明者】

【氏名】丸橋 伊織

(72)【発明者】

【氏名】松井 大

【審査官】庭月野 恭

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－１００６９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０３４６３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－００５２０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－０３３２９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－０７８１６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－０１４１９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－１５２１９２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２５Ｂ １／００

Ｆ２５Ｂ １／１０

Ｆ２５Ｂ ４３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

常温において大気圧以下の飽和蒸気圧を有する成分を主成分として含む冷媒を用いる冷凍サイクル装置であって、
蒸発器と、
多段圧縮機と、
凝縮器と、
第一タンクと、
をこの順に備え、
前記多段圧縮機は、第一圧縮段と、第二圧縮段と、を有し、
前記第一タンクは、第一仕切りと、前記第一仕切りよりも上方に位置する第一上方空間と、前記第一仕切りよりも下方に位置する第一下方空間と、前記第一上方空間と前記第一下方空間とを連通させる第一連通口と、前記第一上方空間に開口する第一入口と、前記第一下方空間に開口する第一液相出口と、前記第一下方空間に開口し前記第一液相出口よりも高い位置にある第一気相出口と、を有し、
前記蒸発器と、前記第一圧縮段と、前記第二圧縮段と、前記凝縮器と、前記第一入口と、前記第一上方空間と、前記第一連通口と、前記第一下方空間と、前記第一液相出口と、をこの順に前記冷媒が循環し、
前記第一気相出口から前記第二圧縮段へと気相の前記冷媒が流れ、
気液二相の前記冷媒が、前記第一入口から前記第一上方空間に流入し、
前記第一上方空間において、気液二相の前記冷媒が減圧されて膨張することにより形成された泡が破裂することにより液滴が生成され前記液滴を前記第一仕切りの上面が受けとめることによって、気液二相の前記冷媒が気液分離され、
液相の前記冷媒が、前記第一仕切りの前記上面を伝って流れ前記第一連通口から滴下されることによって前記第一下方空間に貯留され、その後前記第一液相出口から流出し、
気相の前記冷媒が、前記第一上方空間から、前記第一連通口と前記第一下方空間とをこの順に介して、前記第一気相出口に移動する、
冷凍サイクル装置。

【請求項2】

常温において大気圧以下の飽和蒸気圧を有する成分を主成分として含む冷媒を用いる冷凍サイクル装置であって、
蒸発器と、
多段圧縮機と、
凝縮器と、
第一タンクと、
をこの順に備え、
前記多段圧縮機は、第一圧縮段と、第二圧縮段と、を有し、
前記第一タンクは、第一仕切りと、前記第一仕切りよりも上方に位置する第一上方空間と、前記第一仕切りよりも下方に位置する第一下方空間と、前記第一上方空間と前記第一下方空間とを連通させる第一連通口と、前記第一上方空間に開口する第一入口と、前記第一下方空間に開口する第一液相出口と、前記第一下方空間に開口し前記第一液相出口よりも高い位置にある第一気相出口と、を有し、
前記蒸発器と、前記第一圧縮段と、前記第二圧縮段と、前記凝縮器と、前記第一入口と、前記第一上方空間と、前記第一連通口と、前記第一下方空間と、前記第一液相出口と、をこの順に前記冷媒が循環し、
前記第一気相出口から前記第二圧縮段へと気相の前記冷媒が流れ、
前記冷凍サイクル装置は、第二タンクをさらに備え、
前記多段圧縮機は、第三圧縮段をさらに有し、
前記第二タンクは、第二仕切りと、前記第二仕切りよりも上方に位置する第二上方空間と、前記第二仕切りよりも下方に位置する第二下方空間と、前記第二上方空間と前記第二下方空間とを連通させる第二連通口と、前記第二上方空間に開口する第二入口と、前記第二下方空間に開口する第二液相出口と、前記第二下方空間に開口し前記第二液相出口よりも高い位置にある第二気相出口と、を有し、
前記蒸発器と、前記第三圧縮段と、前記第一圧縮段と、前記第二圧縮段と、前記凝縮器
と、前記第一入口と、前記第一上方空間と、前記第一連通口と、前記第一下方空間と、前記第一液相出口と、前記第二入口と、前記第二上方空間と、前記第二連通口と、前記第二下方空間と、前記第二液相出口と、をこの順に前記冷媒が循環し、
前記第二気相出口から前記第一圧縮段へと気相の前記冷媒が流れ、
前記冷凍サイクル装置は、前記第一液相出口と前記第二入口とを接続している中間流路をさらに備え、
前記中間流路は、低位部と、前記低位部よりも高い位置にある高位部と、を有し、
前記第一液相出口と、前記低位部と、前記高位部と、前記第二入口と、をこの順に前記冷媒が流れる、
冷凍サイクル装置。

【請求項3】

前記冷凍サイクル装置は、前記高位部よりも低い位置において延びるバイパス流路と、前記バイパス流路に設けられたバイパス弁と、をさらに備え、
前記バイパス弁の開度がゼロよりも大きい状態において、前記高位部をバイパスして、前記第一液相出口と、前記バイパス流路と、前記第二入口と、をこの順に前記冷媒が流れる、
請求項２に記載の冷凍サイクル装置。

【請求項4】

気液二相の前記冷媒が、前記第一入口から前記第一上方空間に流入し、
前記第一上方空間において、気液二相の前記冷媒が減圧されることにより液滴が生成され前記液滴を前記第一仕切りの上面が受けとめることによって、気液二相の前記冷媒が気液分離され、
液相の前記冷媒が、前記第一仕切りの前記上面を伝って流れ前記第一連通口から滴下されることによって前記第一下方空間に貯留され、その後前記第一液相出口から流出し、
気相の前記冷媒が、前記第一上方空間から、前記第一連通口と前記第一下方空間とをこの順に介して、前記第一気相出口に移動する、
請求項２又は３に記載の冷凍サイクル装置。

【請求項5】

前記第一タンクを上方から観察したとき、前記第一気相出口と前記第一入口とを結ぶ第一直線に直交し前記第一入口を通る第二直線に関し、前記第一気相出口及び前記第一連通口は互いに反対側にある、
請求項１から４のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。

【請求項6】

前記第一仕切りは、前記第一連通口に隣接する位置において、前記第一連通口に近づくにつれて高さが減少している傾斜部を含む、
請求項１から５のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、冷凍サイクル装置に関する。

【背景技術】

【0002】

図８は、特許文献１の冷凍サイクル装置の構成図である。図８に示す冷凍サイクル装置１００は、蒸発器１０１と、多段圧縮機１０２と、凝縮器１０３と、第一膨張弁１０４ａと、第二膨張弁１０４ｂと、エコノマイザ熱交換器１０５と、を備えている。多段圧縮機１０２は、第一圧縮段１０２ａ及び第二圧縮段１０２ｂを有している。具体的には、多段圧縮機１０２はターボ圧縮機であり、圧縮段１０２ａ及び１０２ｂは翼車である。

【0003】

冷媒は、蒸発器１０１で気化し、多段圧縮機１０２によって圧送され、その後、凝縮器１０３で凝縮する。凝縮器１０３で凝縮された冷媒は、第一流路１０６ａ及び第二流路１０６ｂのいずれかを流れる。

【0004】

第一流路１０６ａを流れる冷媒は、エコノマイザ熱交換器１０５を流れ、第二膨張弁１０４ｂで膨張し、その後、蒸発器１０１に導かれる。第二流路１０６ｂを流れる冷媒は、第一膨張弁１０４ａで膨張し、エコノマイザ熱交換器１０５を流れ、その後、多段圧縮機１０２に導かれる。

【0005】

具体的には、第二流路１０６ｂを流れる冷媒は、第一流路１０６ａを流れる液相の冷媒とエコノマイザ熱交換器１０５において熱交換することによって気化する。気化により生成された気相の冷媒は、微細な液滴とともに、多段圧縮機１０２の圧縮過程に吸入される。具体的には、この気相の冷媒は、液滴とともに、第二圧縮段１０２ｂに吸入される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２０２０－００３１２４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本開示は、多段圧縮機の圧縮過程に液滴が吸入されることを抑制するのに適した技術を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示は、
常温において大気圧以下の飽和蒸気圧を有する成分を主成分として含む冷媒を用いる冷凍サイクル装置であって、
蒸発器と、
多段圧縮機と、
凝縮器と、
タンクと、
をこの順に備え、
前記多段圧縮機は、第一圧縮段と、第二圧縮段と、を有し、
前記タンクは、仕切りと、前記仕切りよりも上方に位置する上方空間と、前記仕切りよりも下方に位置する下方空間と、前記上方空間と前記下方空間とを連通させる連通口と、前記上方空間に開口する入口と、前記下方空間に開口する液相出口と、前記下方空間に開口し前記液相出口よりも高い位置にある気相出口と、を有し、
前記蒸発器と、前記第一圧縮段と、前記第二圧縮段と、前記凝縮器と、前記入口と、前記上方空間と、前記連通口と、前記下方空間と、前記液相出口と、をこの順に前記冷媒が循環し、
前記気相出口から前記第二圧縮段へと気相の前記冷媒が流れる、
冷凍サイクル装置を提供する。

【発明の効果】

【0009】

本開示に係る技術は、多段圧縮機の圧縮過程に液滴が吸入されることを抑制するのに適している。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施の形態の冷凍サイクル装置の構成図

【図2】実施の形態の第一タンクを側方から見た拡大図

【図3】実施の形態の第一タンクを上方から見た拡大図

【図4】実施の形態の中間流路の拡大図

【図5】変形例の中間流路の拡大図

【図6】実施の形態の第二タンクを側方から見た拡大図

【図7】実施の形態の第二タンクを上方から見た拡大図

【図8】従来の冷凍サイクル装置の構成図

【発明を実施するための形態】

【0011】

（本開示の基礎となった知見）
図８に示す冷凍サイクル装置１００の冷媒として、水を利用したとする。この場合、３８℃における凝縮圧力が６．６３ｋＰａであり、６．２℃における飽和蒸気圧力が０．９５ｋＰａであるという条件下で、冷凍サイクル装置１００は動作しうる。別の言い方をすると、この場合、凝縮圧力及び飽和蒸気圧力が負圧であり、それらの差圧が５．６８ｋＰａという微小な値をとるという条件下で、冷凍サイクル装置１００は動作しうる。このような条件下で液体の水が飽和液線付近で沸騰するとき、水の約１４５００倍もの体積を有する水蒸気が発生しうる（甲藤 好朗著、「伝熱」第４４巻Ｎｏ．１８７、社団法人日本伝熱学会、ｐ．１５－２０、「沸騰の科学（２）」の（２）低圧沸騰を参照）。

【0012】

第一膨張弁１０４ａを通過した後、水は、気液二相の状態でエコノマイザ熱交換器１０５に流入する。気液二相の水は、エコノマイザ熱交換器１０５で熱を受ける。これにより、気液二相の水に含まれた液相の水は、沸騰及び蒸発する。

【0013】

上記のとおり、巨視的には、エコノマイザ熱交換器１０５において、気液二相の水に含まれた液相の水が蒸発すると説明できる。微視的には、この液相の水は、蒸気と接触する境界面で、膨大な体積の蒸気を発生させながら蒸発する。この際、水が膜となって蒸気を包み、これにより泡が形成される。この泡が熱を受けると、泡における蒸気の体積が増加する。この体積増加に伴い、泡は、最終的には破裂する。泡が破裂すると、微小な水滴が多量に発生する。

【0014】

このようにして、エコノマイザ熱交換器１０５で多量の微小な水滴が発生する。一方、蒸発過程において、水の体積は急激に増加する。これらの現象が相俟って、水滴は、そのすべてが蒸気に相変化していない状態で、エコノマイザ熱交換器１０５から多段圧縮機１０２の圧縮段１０２ｂへと吸入される。圧縮段１０２ｂへの水滴の吸入は、圧縮段１０２ｂにおけるエロージョンを引き起こしうる。エロージョンは、多段圧縮機１０２の性能を低下させうる。

【0015】

そこで、本発明者らは、多段圧縮機の圧縮過程に液滴が吸入されることを抑制するのに適した技術を検討した。

【0016】

（本開示に係る一態様の概要）
本開示の第１態様に係る冷凍サイクル装置は、
常温において大気圧以下の飽和蒸気圧を有する成分を主成分として含む冷媒を用いる冷凍サイクル装置であって、
蒸発器と、
多段圧縮機と、
凝縮器と、
タンクと、
をこの順に備え、
前記多段圧縮機は、第一圧縮段と、第二圧縮段と、を有し、
前記タンクは、仕切りと、前記仕切りよりも上方に位置する上方空間と、前記仕切りよりも下方に位置する下方空間と、前記上方空間と前記下方空間とを連通させる連通口と、前記上方空間に開口する入口と、前記下方空間に開口する液相出口と、前記下方空間に開口し前記液相出口よりも高い位置にある気相出口と、を有し、
前記蒸発器と、前記第一圧縮段と、前記第二圧縮段と、前記凝縮器と、前記入口と、前記上方空間と、前記連通口と、前記下方空間と、前記液相出口と、をこの順に前記冷媒が循環し、
前記気相出口から前記第二圧縮段へと気相の前記冷媒が流れる。

【0017】

第１態様に係る技術は、多段圧縮機の圧縮過程に液滴が吸入されることを抑制するのに適している。具体的には、第１態様に係る技術は、第二圧縮段に液滴が吸入されることを抑制するのに適している。

【0018】

本開示の第２態様において、例えば、第１態様に係る冷凍サイクル装置では、
気液二相の前記冷媒が、前記入口から前記上方空間に流入してもよく、
前記上方空間において、気液二相の前記冷媒が減圧されることにより液滴が生成され前記液滴を前記仕切りの上面が受けとめることによって、気液二相の前記冷媒が気液分離されてもよく、
液相の前記冷媒が、前記仕切りの前記上面を伝って流れ前記連通口から滴下されることによって前記下方空間に貯留され、その後前記液相出口から流出してもよく、
気相の前記冷媒が、前記上方空間から、前記連通口と前記下方空間とをこの順に介して、前記気相出口に移動してもよい。

【0019】

第２態様の冷媒の挙動は、タンクにおける冷媒の挙動の具体例である。

【0020】

本開示の第３態様において、例えば、第１又は第２態様に係る冷凍サイクル装置では、
前記タンクを上方から観察したとき、前記気相出口と前記入口とを結ぶ第一直線に直交し前記入口を通る第二直線に関し、前記気相出口及び前記連通口は互いに反対側にあってもよい。

【0021】

第３態様は、多段圧縮機の圧縮過程に液滴が吸入されることを抑制するのに適している。具体的には、第３態様に係る技術は、第二圧縮段に液滴が吸入されることを抑制するのに適している。

【0022】

本開示の第４態様において、例えば、第１から第３態様のいずれか１つに係る冷凍サイクル装置では、
前記仕切りは、前記連通口に隣接する位置において、前記連通口に近づくにつれて高さが減少している傾斜部を含んでいてもよい。

【0023】

第４態様によれば、液相の冷媒が仕切りの上面を伝って連通口へとスムーズに流れやすい。

【0024】

本開示の第５態様において、例えば、第１から第４態様のいずれか１つに係る冷凍サイクル装置では、
前記タンクを第一タンクと称し、前記仕切りを第一仕切りと称し、前記上方空間を第一上方空間と称し、前記下方空間を第一下方空間と称し、前記連通口を第一連通口と称し、前記入口を第一入口と称し、前記液相出口を第一液相出口と称し、前記気相出口を第一気相出口と称することとしたとき、
前記冷凍サイクル装置は、第二タンクをさらに備えていてもよく、
前記多段圧縮機は、第三圧縮段をさらに有していてもよく、
前記第二タンクは、第二仕切りと、前記第二仕切りよりも上方に位置する第二上方空間と、前記第二仕切りよりも下方に位置する第二下方空間と、前記第二上方空間と前記第二下方空間とを連通させる第二連通口と、前記第二上方空間に開口する第二入口と、前記第二下方空間に開口する第二液相出口と、前記第二下方空間に開口し前記第二液相出口よりも高い位置にある第二気相出口と、を有していてもよく、
前記蒸発器と、前記第三圧縮段と、前記第一圧縮段と、前記第二圧縮段と、前記凝縮器と、前記第一入口と、前記第一上方空間と、前記第一連通口と、前記第一下方空間と、前記第一液相出口と、前記第二入口と、前記第二上方空間と、前記第二連通口と、前記第二下方空間と、前記第二液相出口と、をこの順に前記冷媒が循環してもよく、
前記第二気相出口から前記第一圧縮段へと気相の前記冷媒が流れてもよい。

【0025】

第５態様は、多段圧縮機の圧縮過程に液滴が吸入されることを抑制するのに適している。具体的には、第５態様に係る技術は、第一圧縮段に液滴が吸入されることを抑制するのに適している。

【0026】

本開示の第６態様において、例えば、第１から第５態様のいずれか１つに係る冷凍サイクル装置は、前記第一液相出口と前記第二入口とを接続している中間流路をさらに備えていてもよく、
前記中間流路は、低位部と、前記低位部よりも高い位置にある高位部と、を有していてもよく、
前記第一液相出口と、前記低位部と、前記高位部と、前記第二入口と、をこの順に前記冷媒が流れてもよい。

【0027】

第６態様によれば、第一圧縮段から吐出された気相の冷媒が、第一タンクの第一気相出口、第一下方空間、第一液相出口、中間流路、第二タンクの第二入口、第二上方空間、第二連通口、第二下方空間及び第二気相出口をこの順に通って第一圧縮段に戻ってくるというループが形成され難い。このため、多段圧縮機の性能を確保し易い。

【0028】

本開示の第７態様において、例えば、第１から第６態様のいずれか１つに係る冷凍サイクル装置では、
前記冷凍サイクル装置は、前記高位部よりも低い位置において延びるバイパス流路と、前記バイパス流路に設けられたバイパス弁と、をさらに備えていてもよく、
前記バイパス弁の開度がゼロよりも大きい状態において、前記高位部をバイパスして、前記第一液相出口と、前記バイパス流路と、前記第二入口と、をこの順に前記冷媒が流れてもよい。

【0029】

第７態様によれば、多段圧縮機の圧縮段間の差圧が小さい小負荷条件でも、該差圧が大きい大負荷条件でも、バイパス弁の開度を調整することにより、冷凍サイクル装置を適切に動作させることができる。

【0030】

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、これらの実施の形態によって本開示が限定されるものではない。

【0031】

以下の実施の形態では、「多段圧縮機」という用語を用いることがある。以下の実施の形態では、「多段圧縮機」の「多段」は、２段以上であることを意味する。

【0032】

以下の実施の形態では、「常温」という用語を用いることがある。以下の実施の形態では、「常温」とは、日本産業規格ＪＩＳ Ｚ８７０３で規定されているとおり、２０℃±１５℃を指すものとする。

【0033】

以下の実施の形態では、「主成分」という用語を用いることがある。以下の実施の形態では、「主成分」とは、質量比で最も多く含まれた成分を意味する。

【0034】

以下の実施の形態では、「上方」及び「下方」は、それぞれ、鉛直方向における上方及び下方を意味する。「高い位置」及び「低い位置」は、鉛直方向における高い位置及び低い位置を意味する。

【0035】

以下の実施の形態では、第一、第二、第三・・・という序数詞を用いることがある。ある要素に序数詞が付されている場合に、より若番の同種類の要素が存在することは必須ではない。必要に応じて序数詞の番号を変更することができる。

【0036】

（実施の形態１）
以下、図１を用いて、実施の形態１を説明する。

【0037】

[１－１．構成]
図１は、本実施の形態の冷凍サイクル装置２００の構成図である。冷凍サイクル装置２００では、常温において大気圧以下の飽和蒸気圧を有する成分を主成分として含む冷媒が流れる。このような冷媒としては、水を主成分として含む冷媒、Ｒ１２３３ｚｄを主成分として含む冷媒等が挙げられる。冷凍サイクル装置２００の運転時において、冷凍サイクル装置２００の内部の圧力は、例えば、大気圧よりも低い。

【0038】

冷凍サイクル装置２００は、蒸発器２０１と、多段圧縮機２０２と、凝縮器２０４と、第一弁２０５と、第一タンク２０７と、第二タンク２１０と、第二弁２１３とを、備えている。蒸発器２０１と、多段圧縮機２０２と、凝縮器２０４と、第一弁２０５と、第一タンク２０７と、第二タンク２１０と、第二弁２１３とは、この順に接続されている。蒸発器２０１と、多段圧縮機２０２と、凝縮器２０４と、第一弁２０５と、第一タンク２０７と、第二タンク２１０と、第二弁２１３とを、この順に冷媒が流れる。

【0039】

冷凍サイクル装置２００は、第一流路２２１と、第二流路２２２と、第三流路２２３と、第四流路２２４と、中間流路２０９と、バイパス流路２１４と、第五流路２２５と、第一気相流路２０８と、第二気相流路２１１とを備えている。第一流路２２１は、蒸発器２０１と多段圧縮機２０２とを接続している。第二流路２２２は、多段圧縮機２０２と凝縮器２０４とを接続している。第三流路２２３は、凝縮器２０４と第一弁２０５とを接続している。第四流路２２４は、第一弁２０５と第一タンク２０７とを接続している。中間流路２０９は、第一タンク２０７と第二タンク２１０とを接続している。バイパス流路２１４は、中間流路２０９の一部をバイパスするように、中間流路２０９の２つの地点を接続している。第五流路２２５は、第二タンク２１０と第二弁２１３とを接続している。第一気相流路２０８は、第二タンク２１０及び蒸発器２０１をバイパスするように、第一タンク２０７と多段圧縮機２０２とを接続している。第二気相流路２１１は、蒸発器２０１をバイパスするように、第二タンク２１０と多段圧縮機２０２とを接続している。

【0040】

冷凍サイクル装置２００は、バイパス弁２１７を備えている。バイパス弁２１７は、バイパス流路２１４に設けられている。

【0041】

以下、冷凍サイクル装置２００の構成要素について、さらに説明する。

【0042】

蒸発器２０１では、外部からの加熱媒体と、液相の冷媒と、が熱交換する。この熱交換によって、液相の冷媒が蒸発し、気相の冷媒が生成される。蒸発器２０１は、プレート式の熱交換器であってもよく、シェルアンドチューブ式の熱交換器であってもよく、噴霧式の熱交換器であってもよく、直接接触式の熱交換器であってもよい。

【0043】

第一流路２２１は、蒸発器２０１から多段圧縮機２０２へと気相の冷媒を導く。具体的には、第一流路２２１は、蒸発器２０１から多段圧縮機２０２の第三圧縮段２０２ｃへと気相の冷媒を導く。

【0044】

多段圧縮機２０２は、気相の冷媒を圧送する。多段圧縮機２０２は、複数の圧縮段を有している。これらの圧縮段は、互いに接続されている。

【0045】

本実施の形態では、多段圧縮機２０２は、ターボ圧縮機である。圧縮段は、翼車である。

【0046】

図１に示す例では、多段圧縮機２０２は、第一圧縮段２０２ａと、第二圧縮段２０２ｂと、第三圧縮段２０２ｃと、第一連通路２０３ａと、第二連通路２０３ｂとを有している。第三圧縮段２０２ｃと、第二連通路２０３ｂと、第一圧縮段２０２ａと、第一連通路２０３ａと、第二圧縮段２０２ｂとは、この順に接続されている。圧縮段２０２ａ、２０２ｂ及び２０２ｃは、翼車である。

【0047】

気相の冷媒が、第三圧縮段２０２ｃで圧縮され、第二連通路２０３ｂを流れ、第一圧縮段２０２ａで圧縮され、第一連通路２０３ａを流れ、その後、第二圧縮段２０２ｂで圧縮される。連通路２０３ａ及び２０３ｂを、圧縮流路と称することができる。

【0048】

図１に示す例では、多段圧縮機２０２は、三段構成の圧縮機である。ただし、多段圧縮機２０２が有する圧縮段の数は、特に限定されない。

【0049】

第二流路２２２は、多段圧縮機２０２から凝縮器２０４へと気相の冷媒を導く。具体的には、第二流路２２２は、多段圧縮機２０２の第二圧縮段２０２ｂから凝縮器２０４へと気相の冷媒を導く。

【0050】

凝縮器２０４では、外部からの冷却媒体と、気相の冷媒と、が熱交換する。この熱交換によって、気相の冷媒が凝縮し、液相の冷媒が生成される。凝縮器２０４は、プレート式の熱交換器であってもよく、シェルアンドチューブ式の熱交換器であってもよく、噴霧式の熱交換器であってもよく、直接接触式の熱交換器であってもよい。

【0051】

第三流路２２３は、凝縮器２０４から第一弁２０５へと冷媒を導く。第三流路２２３において、液相の冷媒の一部は減圧により気化する。このため、第三流路２２３により、第一弁２０５に気液二相の冷媒が導かれる。

【0052】

第一弁２０５は、第一弁２０５を流れる気液二相の冷媒の流量を調整する。第一弁２０５を、高段側流量調整弁と称することができる。

【0053】

第四流路２２４は、第一弁２０５から第一タンク２０７へと気液二相の冷媒を導く。第四流路２２４を、高段側流路と称することができる。

【0054】

第一タンク２０７において、気液二相の冷媒は、気化冷却されながら気液分離される。第一タンク２０７を、高段側気化冷却タンクと称することができる。

【0055】

図２は、本実施の形態の第一タンク２０７を側方から見た拡大図である。図２に示すように、本実施の形態では、第一タンク２０７は、第一仕切り２０７ａを有している。第一仕切り２０７ａは、第一タンク２０７の第一内部空間２０７ｓを、第一上方空間２０７ｕと第一下方空間２０７ｄとに仕切っている。第一仕切り２０７ａには、第一連通口２０７ｃが設けられている。第一連通口２０７ｃを介して第一上方空間２０７ｕと第一下方空間２０７ｄとが連通している。

【0056】

第一タンク２０７には、第一入口２０７ｉと、第一気相出口２０７ｏｇと、第一液相出口２０７ｏｌと、が設けられている。第一入口２０７ｉは、第四流路２２４に接続されているとともに、第一上方空間２０７ｕに面している。第一気相出口２０７ｏｇは、第一下方空間２０７ｄに面しているとともに、第一気相流路２０８に接続されている。第一液相出口２０７ｏｌは、第一下方空間２０７ｄに面しているとともに、中間流路２０９に接続されている。第一気相出口２０７ｏｇは、第一液相出口２０７ｏｌよりも高い位置に設けられている。第一仕切り２０７ａを、高段側遮閉物と称することができる。

【0057】

図２に示すように、本実施の形態では、第一仕切り２０７ａは、第一傾斜部２０７ａｉを有している。第一傾斜部２０７ａｉは、第一連通口２０７ｃに隣接する位置に設けられている。第一傾斜部２０７ａｉは、第一連通口２０７ｃに近づくにつれて高さが低くなっている。

【0058】

図２に示すように、本実施の形態では、第一タンク２０７は、第一底壁２０７ｂｗと、第一天井壁２０７ｃｗと、第一側壁２０７ｓｗと、を有している。第一側壁２０７ｓｗは、第一底壁２０７ｂｗ及び第一天井壁２０７ｃｗを接続している。第一天井壁２０７ｃｗに、第一入口２０７ｉが設けられている。第一側壁２０７ｓｗに、第一気相出口２０７ｏｇ及び第一液相出口２０７ｏｌが設けられている。また、第一側壁２０７ｓｗは、第一連通口２０７ｃに露出している。

【0059】

図３は、本実施の形態の第一タンク２０７を上方から見た拡大図である。第一タンク２０７を上方から観察したとき、第一気相出口２０７ｏｇと第一入口２０７ｉとを結ぶ直線を第一直線２０７ｘと定義し、第一直線２０７ｘに直交し第一入口２０７ｉを通る直線を第二直線２０７ｙと定義する。このとき、本実施の形態では、第一タンク２０７を上方から観察したとき、第二直線２０７ｙに関し、第一気相出口２０７ｏｇ及び第一連通口２０７ｃは互いに反対側にある。具体的には、第一タンク２０７を上方から観察したとき、第一直線２０７ｘ上において、第一気相出口２０７ｏｇと、第一入口２０７ｉと、第一連通口２０７ｃとが、この順に現れる。なお、図３では、第一仕切り２０７ａ等の図示は省略している。

【0060】

第一タンク２０７では、気液二相の冷媒が第一入口２０７ｉから流入する。第一タンク２０７において気液分離により得られた気相の冷媒は、第一気相出口２０７ｏｇから流出する。第一タンク２０７において気液分離により得られた液相の冷媒は、第一液相出口２０７ｏｌから流出する。

【0061】

第一気相流路２０８は、第二タンク２１０及び蒸発器２０１をバイパスして、第一タンク２０７から多段圧縮機２０２へと気相の冷媒を導く。具体的には、第一気相流路２０８は、第一タンク２０７から第一連通路２０３ａへと気相の冷媒を導く。第一気相流路２０８を、高段側気相流路と称することができる。第一連通路２０３ａに導かれた気相の冷媒は、第二圧縮段２０２ｂに吸い込まれる。

【0062】

中間流路２０９は、第一タンク２０７から第二タンク２１０へと冷媒を導く。中間流路２０９において、液相の冷媒の一部は減圧により気化する。このため、中間流路２０９により、第二タンク２１０に気液二相の冷媒が導かれる。

【0063】

図４は、本実施の形態の中間流路２０９の拡大図である。図４に示すように、本実施の形態では、中間流路２０９は、低位部２０９Ｌと、高位部２０９Ｈと、を有している。第一液相出口２０７ｏｌと、低位部２０９Ｌと、高位部２０９Ｈと、第二タンク２１０の第二入口２１０ｉとは、この順に接続されている。高位部２０９Ｈは、第一液相出口２０７ｏｌ、低位部２０９Ｌ及び第二入口２１０ｉに比べ、高い位置に設けられている。

【0064】

図４に示すように、本実施の形態では、中間流路２０９は上方に突出したＵ字部を有し、高位部２０９ＨはＵ字部の頂部である。ただし、中間流路２０９の構成は、これに限定されない。図５は、変形例の中間流路２０９の拡大図である。図５の例では、中間流路２０９は上方に突出した矩形部を有し、高位部２０９Ｈは矩形部の上辺部である。

【0065】

バイパス流路２１４は、中間流路２０９の一部をバイパスするように、中間流路２０９の２つの地点を接続している。具体的には、バイパス流路２１４は、高位部２０９Ｈをバイパスするように、中間流路２０９の２つの地点を接続している。バイパス流路２１４は、高位部２０９Ｈよりも低い位置において延びている。中間流路２０９と同様、バイパス流路２１４においても、液相の冷媒の一部は減圧により気化しうる。

【0066】

第二タンク２１０において、気液二相の冷媒は、気化冷却されながら気液分離される。第二タンク２１０を、低段側気化冷却タンクと称することができる。

【0067】

図６は、本実施の形態の第二タンク２１０を側方から見た拡大図である。図６に示すように、本実施の形態では、第二タンク２１０は、第二仕切り２１０ａを有している。第二仕切り２１０ａは、第二タンク２１０の第二内部空間２１０ｓを、第二上方空間２１０ｕと第二下方空間２１０ｄとに仕切っている。第二仕切り２１０ａには、第二連通口２１０ｃが設けられている。第二連通口２１０ｃを介して第二上方空間２１０ｕと第二下方空間２１０ｄとが連通している。

【0068】

第二タンク２１０には、第二入口２１０ｉと、第二気相出口２１０ｏｇと、第二液相出口２１０ｏｌと、が設けられている。第二入口２１０ｉは、中間流路２０９に接続されているとともに、第二上方空間２１０ｕに面している。第二気相出口２１０ｏｇは、第二下方空間２１０ｄに面しているとともに、第二気相流路２１１に接続されている。第二液相出口２１０ｏｌは、第二下方空間２１０ｄに面しているとともに、第五流路２２５に接続されている。第二気相出口２１０ｏｇは、第二液相出口２１０ｏｌよりも高い位置に設けられている。第二仕切り２１０ａを、低段側遮閉物と称することができる。

【0069】

図６に示すように、本実施の形態では、第二仕切り２１０ａは、第二傾斜部２１０ａｉを有している。第二傾斜部２１０ａｉは、第二連通口２１０ｃに隣接する位置に設けられている。第二傾斜部２１０ａｉは、第二連通口２１０ｃに近づくにつれて高さが低くなっている。

【0070】

図６に示すように、本実施の形態では、第二タンク２１０は、第二底壁２１０ｂｗと、第二天井壁２１０ｃｗと、第二側壁２１０ｓｗと、を有している。第二側壁２１０ｓｗは、第二底壁２１０ｂｗ及び第二天井壁２１０ｃｗを接続している。第二天井壁２１０ｃｗに、第二入口２１０ｉが設けられている。第二側壁２１０ｓｗに、第二気相出口２１０ｏｇが設けられている。第二底壁２１０ｂｗに、第二液相出口２１０ｏｌが設けられている。また、第二側壁２１０ｓｗは、第二連通口２１０ｃに露出している。

【0071】

第二側壁２１０ｓｗではなく第二底壁２１０ｂｗに第二液相出口２１０ｏｌが設けられていると、第二タンク２１０内に貯留されている液相の冷媒が少ないときであっても、第五流路２２５に液相の冷媒を供給し易い。ただし、第二側壁２１０ｓｗに第二液相出口２１０ｏｌが設けられていてもよい。

【0072】

図２及び図６から理解されるように、第一底壁２０７ｂｗと第一気相出口２０７ｏｇの距離である第一距離は、第二底壁２１０ｂｗと第二気相出口２１０ｏｇの距離である第二距離よりも大きい。

【0073】

以下、第一距離＞第二距離の利点について説明する。第一気相流路２０８における圧損を低減する観点からは、第一気相流路２０８は短いほうがいい。ただし、このようにすると、第一タンク２０７における蒸気圧は低くなり易い。第一タンク２０７における蒸気圧が低いと、第一タンク２０７と第二タンク２１０の間の圧力差が小さくなり易い。このような構成が採用されている場合において第一圧縮段２０２ａの吸込み口と吐出口の間の差圧が過渡的に小さくなると、もともと小さくなり易いタンク２０７及び２１０の間の圧力差がさらに減少しうる。このことにより、中間流路２０９から第一タンク２０７への液相の冷媒の逆流が生じうる。しかし、第一距離＞第二距離であれば、第一距離を確保し易い。このため、上記逆流に伴って第一タンク２０７の液位が上昇したとしても、液位と第一気相出口２０７ｏｇとの間の距離を十分に確保し易い。

【0074】

ただし、第一距離と第二距離は、同じであってもよい。また、第一距離は、第二距離よりも小さくてもよい。

【0075】

図７は、本実施の形態の第二タンク２１０を上方から見た拡大図である。第二タンク２１０を上方から観察したとき、第二気相出口２１０ｏｇと第二入口２１０ｉとを結ぶ直線を第三直線２１０ｘと定義し、第三直線２１０ｘに直交し第二入口２１０ｉを通る直線を第四直線２１０ｙと定義する。このとき、本実施の形態では、第二タンク２１０を上方から観察したとき、第四直線２１０ｙに関し、第二気相出口２１０ｏｇ及び第二連通口２１０ｃは互いに反対側にある。具体的には、第二タンク２１０を上方から観察したとき、第三直線２１０ｘ上において、第二気相出口２１０ｏｇと、第二入口２１０ｉと、第二連通口２１０ｃとが、この順に現れる。なお、図７では、第二仕切り２１０ａ等の図示は省略している。

【0076】

第二タンク２１０では、気液二相の冷媒が第二入口２１０ｉから流入する。第二タンク２１０において気液分離により得られた気相の冷媒は、第二気相出口２１０ｏｇから流出する。第二タンク２１０において気液分離により得られた液相の冷媒は、第二液相出口２１０ｏｌから流出する。

【0077】

第二気相流路２１１は、蒸発器２０１をバイパスして、第二タンク２１０から多段圧縮機２０２へと気相の冷媒を導く。具体的には、第二気相流路２１１は、第二タンク２１０から第二連通路２０３ｂへと気相の冷媒を導く。第二気相流路２１１を、低段側気相流路と称することができる。第二連通路２０３ｂに導かれた気相の冷媒は、第一圧縮段２０２ａに吸い込まれる。

【0078】

第五流路２２５は、第二タンク２１０から第二弁２１３へと液相の冷媒を導く。第五流路２２５を、低段液相流路と称することができる。

【0079】

第二弁２１３は、第一弁２０５を流れる液相の冷媒の流量を調整する。第二弁２１３を、低段側流量調整弁と称することができる。

【0080】

第一弁２０５、例えば、単孔型又は多孔型の可変オリフィス弁である。この点は、第二弁２１３及びバイパス弁２１７についても同様である。

【0081】

[１－２．動作]
以上のように構成された冷凍サイクル装置２００について、以下、その動作及び作用を、図面を参照しながら説明する。

【0082】

[１－２－１．第一状態における動作]
冷凍サイクル装置２００は、第一状態をとることができる。第一状態は、バイパス弁２１７の開度が相対的に小さい状態である。ここで、開度が相対的に小さいとは、開度がゼロであることを含む概念である。本実施の形態の第一状態では、バイパス弁２１７の開度はゼロである。本実施の形態では、冷凍サイクル装置２００は、大負荷時において、第一状態をとりうる。具体的には、冷凍サイクル装置２００は、定格負荷時において、第一状態をとりうる。本実施の形態では、大負荷時において、蒸発器２０１における蒸発後の冷媒と凝縮器２０４における凝縮後の冷媒との温度差が大きく、多段圧縮機２０２の回転数が高く、多段圧縮機２０２における圧縮段間の差圧が大きい。典型的には、定格負荷時において、上記の温度差、回転数及び差圧は、定格範囲にある。

【0083】

以下、第一状態にある冷凍サイクル装置２００の動作について、説明する。

【0084】

蒸発器２０１において、貯留された液相の冷媒と、外部からの加熱媒体と、が熱交換する。この熱交換によって、液相の冷媒が蒸発し、気相の冷媒が生成される。

【0085】

次に、気相の冷媒は、多段圧縮機２０２において、各圧縮段によって順次圧縮される。具体的には、気相の冷媒は、第三圧縮段２０２ｃで圧縮され、第二連通路２０３ｂを流れ、第一圧縮段２０２ａで圧縮され、第一連通路２０３ａを流れ、その後、第二圧縮段２０２ｂで圧縮される。

【0086】

次に、凝縮器２０４において、気相の冷媒と、外部からの冷却媒体と、が熱交換する。この熱交換によって、気相の冷媒が凝縮し、生成された液相の冷媒が凝縮器２０４において貯留される。

【0087】

次に、第三流路２２３において、液相の冷媒の一部は減圧により気化する。このようにして、第三流路２２３において、気液二相の冷媒が生成される。次に、第一弁２０５において、気液二相の冷媒の流量が調整される。次に、気液二相の冷媒は、第四流路２２４を流れる。

【0088】

次に、気液二相の冷媒は、第一タンク２０７に流入する。第一入口２０７ｉから第一上方空間２０７ｕに流入した気液二相の冷媒は膨張する。この膨張により、液滴が生じる。具体的には、この膨張が生じたとたんに、体積の大きい気相の冷媒が生成される。この際、液が膜となって気相の冷媒を包み、これにより泡が形成される。泡における気相の冷媒の体積が増加することにより、泡は最終的には破裂する。泡が破裂すると液滴が発生する。生じた液滴を、第一仕切り２０７ａの上面が受ける。このようにして、第一タンク２０７において、冷媒の気液分離が行われる。

【0089】

本実施の形態では、凝縮器２０４から吐出されてから第一タンク２０７に流入するまでに冷媒が流れる流路に、圧縮機が設けられていない。このことは、第一タンク２０７に気液二相の冷媒を供給することに適している。

【0090】

気液分離により得られた気相の冷媒は、第一上方空間２０７ｕから、第一連通口２０７ｃを介して第一下方空間２０７ｄに移動し、第一気相出口２０７ｏｇから流出する。一方、気液分離により得られた液相の冷媒は、第一仕切り２０７ａの第一傾斜部２０７ａｉを伝って流れ、第一連通口２０７ｃから第一下方空間２０７ｄへと滴下され、第一下方空間２０７ｄの底部において貯留される。貯留された液相の冷媒は、第一液相出口２０７ｏｌから流出する。

【0091】

第一気相出口２０７ｏｇから流出した気相の冷媒は、第一気相流路２０８に流入する。その後、気相の冷媒は、第一連通路２０３ａを介して第二圧縮段２０２ｂの吸込み口に吸入される。

【0092】

本実施の形態では、第一タンク２０７において、液相の冷媒は、第一仕切り２０７ａの上面を伝って流れる。このようにすれば、液相の冷媒の表面積が大きい状態を維持しつつ液相の冷媒を移動させることができる。このため、本実施の形態によれば、沸騰現象を抑制し易い。このことは、第一連通路２０３ａを介して第二圧縮段２０２ｂに吸い込まれるべき気相の冷媒に液滴が混入することを抑制し、これにより多段圧縮機２０２の性能を維持するのに適している。

【0093】

第一液相出口２０７ｏｌから流出した液相の冷媒は、中間流路２０９に流入する。中間流路２０９において、液相の冷媒の一部は減圧により気化する。

【0094】

ところで、仮に、第一タンク２０７内で気液分離により生成された液相の冷媒が、直ちに中間流路２０９を介して第二タンク２１０に流出したとする。その場合、第一タンク２０７では、液相の冷媒が第一下方空間２０７ｄの底部に実質的に貯留されない。第一タンク２０７が液相の冷媒を実質的に貯留していない状態になると、第一圧縮段２０２ａの吐出口、第一連通路２０３ａ、第一気相流路２０８、第一タンク２０７、中間流路２０９、第二タンク２１０、第二気相流路２１１、第二連通路２０３ｂ及び第一圧縮段２０２ａの吸込み口の順に気相の冷媒が流れるループが形成されうる。第一圧縮段２０２ａから吐出された気相の冷媒が第二圧縮段２０２ｂに吸い込まれるのではなくこのようなループを流れる状態にあっては、第一圧縮段２０２ａが、多段圧縮機２０２の圧縮性能に貢献し難い。つまり、圧縮性能の観点から、第一圧縮段２０２ａが実質的に“見えなく”なる。例えば、多段圧縮機２０２が三段構成の圧縮機である場合、二段構成の圧縮機との同程度の圧縮性能しか発揮しないという事態を招きうる。

【0095】

この点、本実施の形態では、上記のループが形成され難い。具体的には、中間流路２０９において、第一液相出口２０７ｏｌから第二入口２１０ｉに向かって順に、低位部２０９Ｌと、高位部２０９Ｈと、が現れる。このため、第一液相出口２０７ｏｌから中間流路２０９を介して第二入口２１０ｉに液相成分を含む冷媒が流れる場合において、低位部２０９Ｌと高位部２０９Ｈとの間の水位ヘッド差により、冷媒の流れを制限できる。このため、第一タンク２０７が冷媒を実質的に貯留していない状態になり難い。このことは、上記のようなループが形成されるのを防ぎ、多段圧縮機２０２の圧縮性能が低下するのを防ぐのに貢献しうる。

【0096】

中間流路２０９における部分的な気化により生成された気液二相の冷媒が、第二タンク２１０に流入する。第二入口２１０ｉから第二上方空間２１０ｕに流入した気液二相の冷媒は膨張する。この膨張により、液滴が生じる。具体的には、この膨張が生じたとたんに、体積の大きい気相の冷媒が生成される。この際、液が膜となって気相の冷媒を包み、これにより泡が形成される。泡における気相の冷媒の体積が増加することにより、泡は最終的には破裂する。泡が破裂すると液滴が発生する。生じた液滴を、第二仕切り２１０ａの上面が受ける。このようにして、第二タンク２１０において、冷媒の気液分離が行われる。

【0097】

気液分離により得られた気相の冷媒は、第二上方空間２１０ｕから、第二連通口２１０ｃを介して第二下方空間２１０ｄに移動し、第二気相出口２１０ｏｇから流出する。一方、気液分離により得られた液相の冷媒は、第二仕切り２１０ａの第二傾斜部２１０ａｉを伝って流れ、第二連通口２１０ｃから第二下方空間２１０ｄへと滴下され、第二下方空間２１０ｄの底部において貯留される。貯留された液相の冷媒は、第二液相出口２１０ｏｌから流出する。

【0098】

第二気相出口２１０ｏｇから流出した気相の冷媒は、第二気相流路２１１に流入する。その後、気相の冷媒は、第二連通路２０３ｂを介して第一圧縮段２０２ａの吸込み口に吸入される。

【0099】

本実施の形態では、第二タンク２１０において、液相の冷媒は、第二仕切り２１０ａの上面を伝って流れる。このようにすれば、液相の冷媒の表面積が大きい状態を維持しつつ液相の冷媒を移動させることができる。このため、本実施の形態によれば、沸騰現象を抑制し易い。このことは、第二連通路２０３ｂを介して第一圧縮段２０２ａに吸い込まれるべき気相の冷媒に液滴が混入することを抑制し、これにより多段圧縮機２０２の性能を維持するのに適している。

【0100】

第二液相出口２１０ｏｌから流出した液相の冷媒は、第五流路２２５を流れる。次に、第二弁２１３において、液相の冷媒の流量が調整される。次に、液相の冷媒は、蒸発器２０１に流入する。

【0101】

[１－２－２．第二状態における動作]
冷凍サイクル装置２００は、第二状態をとることができる。第二状態は、バイパス弁２１７の開度が相対的に大きい状態である。本実施の形態では、第二状態は、バイパス弁２１７の開度が全開である状態である。本実施の形態では、冷凍サイクル装置２００は、小負荷時において、第二状態をとりうる。具体的には、冷凍サイクル装置２００は、部分負荷時において、第二状態をとりうる。本実施の形態では、小負荷時において、蒸発器２０１における蒸発後の冷媒と凝縮器２０４における凝縮後の冷媒との温度差が小さく、多段圧縮機２０２の回転数が低く、多段圧縮機２０２における圧縮段間の差圧が小さい。部分負荷時とは、例えば、冷凍サイクル装置２００の起動時、停止時等である。

【0102】

以下、第二状態にある冷凍サイクル装置２００の動作について、説明する。なお、以下では、第一状態と同様の内容については、その説明を省略する。

【0103】

第二状態においても、第一状態と同様、第一液相出口２０７ｏｌから流出した液相の冷媒は、中間流路２０９に流入する。ただし、第二状態では、中間流路２０９に流入した冷媒は、中間流路２０９の途中でバイパス流路２１４に流入する。冷媒は、高位部２０９Ｈをバイパスするようにバイパス流路２１４を流れ、中間流路２０９に戻る。中間流路２０９及び／又はバイパス流路２１４において、液相の冷媒の一部は減圧により気化する。中間流路２０９及び／又はバイパス流路２１４を流れた冷媒は、第二タンク２１０に流入する。

【0104】

本実施の形態では、第一圧縮段２０２ａの吸込み口は、第二連通路２０３ｂ及び第二気相流路２１１を介して、第二タンク２１０の第二気相出口２１０ｏｇに連通している。一方、第一圧縮段２０２ａの吐出口は、第一連通路２０３ａ及び第一気相流路２０８を介して、第一タンク２０７の第一気相出口２０７ｏｇに連通している。このため、多段圧縮機２０２における圧縮段間の差圧が小さく第一圧縮段２０２ａの吸込み口と吐出口の間の差圧が小さい条件においては、第一タンク２０７の第一内部空間２０７ｓと第二タンク２１０の第二内部空間２１０ｓとの間も差圧が小さくなる。この場合、第一タンク２０７から第二タンク２１０へと冷媒をスムーズに流すことは難しいようにも思われる。

【0105】

しかしながら、本実施の形態では、第一タンク２０７は、第二タンク２１０よりも高い位置にある。具体的には、第一タンク２０７において貯留される液相の冷媒の液面が、第二タンク２１０において貯留される液相の冷媒の液面よりも高くなるように、第一タンク２０７の高さ及び第二タンク２１０の高さが設定されている。このようにして得られる第一タンク２０７と第二タンク２１０との間の水位ヘッド差により、第一タンク２０７から第二タンク２１０に流れる冷媒を加圧できる。このようにすれば、多段圧縮機２０２における圧縮段間の差圧が小さくても、第一タンク２０７から第二タンク２１０へと冷媒をスムーズに流すことができる。

【0106】

第一状態ではバイパス弁２１７の開度が相対的に小さいため中間流路２０９に冷媒が流れ易く、その中間流路２０９には高位部２０９Ｈが存在する。そのため、第一状態では、多段圧縮機２０２における圧縮段間の差圧が大きくても、第一タンク２０７に貯留される液相の冷媒が過度に少なくなることを防止できる。一方、第二状態では、バイパス弁２１７の開度が相対的に大きい。このため、多段圧縮機２０２における圧縮段間の差圧が小さくても、第一タンク２０７から第二タンク２１０に十分に冷媒を流すことができる。

【0107】

本実施の形態では、第一状態においてバイパス弁２１７の開度はゼロであり、一方、第二状態においてバイパス弁２１７の開度は全開である。ただし、第一状態においてバイパス弁２１７の開度が非ゼロであり、第二状態においてバイパス弁２１７の開度が非全開であってもよい。上述のとおり、一般的には、第一状態におけるバイパス弁２１７の開度は、第二状態におけるバイパス弁２１７の開度よりも小さいと説明できる。

【0108】

[１－３．効果等]
本発明者らは、常温において大気圧以下の飽和蒸気圧を有する成分を主成分として含む気相冷媒を多段圧縮機によって圧縮することを検討した。この場合、凝縮器から蒸発器に向かって導かれる液相の冷媒の減圧により生成された気相の冷媒を多段圧縮機の圧縮段間の流路に導くことが考えられる。

【0109】

常温において大気圧以下の飽和蒸気圧を有する成分を主成分として含む液相冷媒を減圧するとき、フルオロカーボン等の冷媒とは異なり、微小な圧力変化で大きな温度変化が生じ、膨張時には気相の冷媒が過多となりうる。例えば、冷媒が水であると、１００Ｐａの圧力損失で約１℃以上の温度変化が生じうる。また、沸騰により液体の水の体積の約１４５００倍の体積を有する水蒸気が発生しうる（甲藤 好朗著、「伝熱」第４４巻Ｎｏ．１８７、社団法人日本伝熱学会、ｐ．１５－２０、「沸騰の科学（２）」の（２）低圧沸騰を参照）。常温において大気圧以下の飽和蒸気圧を有する成分は、このような特性を有するので、冷媒の減圧に伴い冷媒の体積の大半が気相冷媒によって占められるようになる。

【0110】

具体的には、本発明者らは、凝縮器よりも下流側かつ蒸発器よりも上流側に２つのタンクを設け、それらのタンクを用いて多段圧縮機の圧縮段間に導くべき気相の冷媒を生成するという構成を検討した。この構成においては、液相成分を含む冷媒がタンクに流入して膨張したとたんに、体積の大きい気相の冷媒が生成される。この際、液が膜となって気相の冷媒を包み、これにより泡が形成される。泡における気相の冷媒の体積が増加することにより、泡は最終的には破裂する。泡が破裂すると、微小な液滴が発生する。多段圧縮機の圧縮段間の流路には、多量の気相の冷媒と、液滴とが、温度平衡の状態で流入する。気相の冷媒とともに液滴が圧縮段に吸い込まれると、圧縮段においてエロージョンが生じうる。エロージョンは、多段圧縮機の性能を低下させうる。

【0111】

これを踏まえ、発明者らは、凝縮器から蒸発器に向かって導かれる液相成分を含む冷媒が減圧され、この減圧により液滴が生じる冷凍サイクル装置において、液滴が圧縮段間の流路に混入するのを抑制する技術について鋭意検討を重ねた。実施の形態の技術は、係る検討に基づいたものである。

【0112】

本実施の形態において、冷凍サイクル装置２００は、常温において大気圧以下の飽和蒸気圧を有する成分を主成分として含む冷媒を用いる。冷凍サイクル装置２００では、蒸発器２０１と、多段圧縮機２０２と、凝縮器２０４と、タンク２０７と、をこの順に備えている。多段圧縮機２０２は、第一圧縮段２０２ａと、第二圧縮段２０２ｂと、を有している。タンク２０７は、仕切り２０７ａと、上方空間２０７ｕと、下方空間２０７ｄと、連通口２０７ｃと、入口２０７ｉと、液相出口２０７ｏｌと、気相出口２０７ｏｇと、を有している。上方空間２０７ｕは、仕切り２０７ａよりも上方に位置している。下方空間２０７ｄは、仕切り２０７ａよりも下方に位置している。連通口２０７ｃは、上方空間２０７ｕと下方空間２０７ｄとを連通させている。入口２０７ｉは、上方空間２０７ｕに開口している。液相出口２０７ｏｌは、下方空間２０７ｄに開口している。気相出口２０７ｏｇは、下方空間２０７ｄに開口している。気相出口２０７ｏｇは、液相出口２０７ｏｌよりも高い位置にある。蒸発器２０１と、第一圧縮段２０２ａと、第二圧縮段２０２ｂと、凝縮器２０４と、入口２０７ｉと、上方空間２０７ｕと、連通口２０７ｃと、下方空間２０７ｄと、液相出口２０７ｏｌと、をこの順に冷媒が循環する。気相出口２０７ｏｇから第二圧縮段２０２ｂへと気相の冷媒が流れる。この構成によれば、仕切り２０７ａにより、気相の冷媒とともに液滴が上方空間２０７ｕから気相出口２０７ｏｇへと移動するのを妨げることができる。このため、この構成は、多段圧縮機２０２の圧縮過程に液滴が吸入されることを抑制するのに適している。具体的には、この構成は、第二圧縮段２０２ｂに液滴が吸入されることを抑制するのに適している。液滴の吸入が抑制されることにより、第二圧縮段２０２ｂのエロージョンが抑制される。これにより、多段圧縮機２０２の性能低下が抑制され、冷凍サイクル装置２００の能力が安定しうる。

【0113】

本実施の形態では、気液二相の冷媒が、入口２０７ｉから上方空間２０７ｕに流入する。上方空間２０７ｕにおいて、気液二相の冷媒が減圧されることにより液滴が生成され液滴を仕切り２０７ａの上面が受けとめることによって、気液二相の冷媒が気液分離される。液相の冷媒が、仕切り２０７ａの上面を伝って流れ連通口２０７ｃから滴下されることによって下方空間２０７ｄに貯留され、その後液相出口２０７ｏｌから流出する。気相の冷媒が、上方空間２０７ｕから、連通口２０７ｃ及び下方空間２０７ｄをこの順に介して、気相出口２０７ｏｇに移動する。

【0114】

タンク２０７を上方から観察したとき、気相出口２０７ｏｇと入口２０７ｉとを結ぶ直線を第一直線２０７ｘと定義し、第一直線２０７ｘに直交し入口２０７ｉを通る直線を第二直線２０７ｙと定義する。このとき、本実施の形態では、タンク２０７を上方から観察したとき、第二直線２０７ｙに関し、気相出口２０７ｏｇ及び連通口２０７ｃは、互いに反対側にある。この構成によれば、連通口２０７ｃを、気相出口２０７ｏｇから遠い位置に設けることができる。このため、気相の冷媒とともに液滴が上方空間２０７ｕから連通口２０７ｃ及び下方空間２０７ｄをこの順に介して気相出口２０７ｏｇに移動するのを防止し易い。よって、この構成は、多段圧縮機２０２の圧縮過程に液滴が吸入されることを抑制するのに適している。具体的には、この構成は、第二圧縮段２０２ｂに液滴が吸入されることを抑制するのに適している。

【0115】

本実施の形態では、仕切り２０７ａは、連通口２０７ｃに隣接する位置において、傾斜部２０７ａｉを含んでいる。傾斜部２０７ａｉの高さは、連通口２０７ｃに近づくにつれて減少している。この構成によれば、液相の冷媒が仕切り２０７ａの上面を伝って連通口２０７ｃへとスムーズに流れやすい。また、この構成によれば、仕切り２０７ａの上面を伝って連通口２０７ｃに到達した液相の冷媒が仕切り２０７ａの下面を伝って気相出口２０７ｏｇに移動するのを防止できる。このため、この構成は、多段圧縮機２０２の圧縮過程に液滴が吸入されることを抑制するのに適している。具体的には、この構成は、第二圧縮段２０２ｂに液滴が吸入されることを抑制するのに適している。この構成に基づく液滴吸入抑制作用は、気相出口２０７ｏｇと連通口２０７ｃとの距離が確保されている場合に特に現れ易い。

【0116】

上述のとおり、タンク２０７を第一タンク２０７と称することができる。仕切り２０７ａを第一仕切り２０７ａと称することができる。上方空間２０７ｕを第一上方空間２０７ｕと称することができる。下方空間２０７ｄを第一下方空間２０７ｄと称することができる。連通口２０７ｃを第一連通口２０７ｃと称することができる。入口２０７ｉを第一入口２０７ｉと称することができる。液相出口２０７ｏｌを第一液相出口２０７ｏｌと称することができる。気相出口２０７ｏｇを第一気相出口２０７ｏｇと称することができる。

【0117】

本実施の形態では、冷凍サイクル装置２００は、第二タンク２１０を備えている。多段圧縮機２０２は、第三圧縮段２０２ｃを有している。第二タンク２１０は、第二仕切り２１０ａと、第二上方空間２１０ｕと、第二下方空間２１０ｄと、第二連通口２１０ｃと、第二入口２１０ｉと、第二液相出口２１０ｏｌと、第二気相出口２１０ｏｇと、を有している。第二上方空間２１０ｕは、第二仕切り２１０ａよりも上方に位置している。第二下方空間２１０ｄは、第二仕切り２１０ａよりも下方に位置している。第二連通口２１０ｃは、第二上方空間２１０ｕと第二下方空間２１０ｄとを連通させている。第二入口２１０ｉは、第二上方空間２１０ｕに開口している。第二液相出口２１０ｏｌは、第二下方空間２１０ｄに開口している。第二気相出口２１０ｏｇは、第二下方空間２１０ｄに開口している。第二気相出口２１０ｏｇは、第二液相出口２１０ｏｌよりも高い位置にある。蒸発器２０１と、第三圧縮段２０２ｃと、第一圧縮段２０２ａと、第二圧縮段２０２ｂと、凝縮器２０４と、第一入口２０７ｉと、第一上方空間２０７ｕと、第一連通口２０７ｃと、第一下方空間２０７ｄと、第一液相出口２０７ｏｌと、第二入口２０７ｉと、第二上方空間２１０ｕと、第二連通口２１０ｃと、第二下方空間２１０ｄと、第二液相出口２１０ｏｌと、をこの順に冷媒が循環する。第二気相出口２１０ｏｇから第一圧縮段２０２ａへと気相の冷媒が流れる。この構成は、多段圧縮機２０２の圧縮過程に液滴が吸入されることを抑制するのに適している。具体的には、この構成は、第一圧縮段２０２ａに液滴が吸入されることを抑制するのに適している。

【0118】

本実施の形態では、気液二相の冷媒が、第二入口２１０ｉから第二上方空間２１０ｕに流入する。第二上方空間２１０ｕにおいて、気液二相の冷媒が減圧されることにより液滴が生成され液滴を第二仕切り２１０ａの上面が受けとめることによって、気液二相の冷媒が気液分離される。液相の冷媒が、第二仕切り２１０ａの上面を伝って流れ第二連通口２１０ｃから滴下されることによって第二下方空間２１０ｄに貯留され、その後第二液相出口２１０ｏｌから流出する。気相の冷媒が、第二上方空間２１０ｕから、第二連通口２１０ｃ及び第二下方空間２１０ｄをこの順に介して、第二気相出口２１０ｏｇに移動する。

【0119】

第二タンク２１０を上方から観察したとき、第二気相出口２１０ｏｇと第二入口２１０ｉとを結ぶ直線を第三直線２１０ｘと定義し、第三直線２１０ｘに直交し第二入口２１０ｉを通る直線を第四直線２１０ｙと定義する。このとき、本実施の形態では、第二タンク２１０を上方から観察したとき、第四直線２１０ｙに関し、第二気相出口２１０ｏｇ及び第二連通口２１０ｃは、互いに反対側にある。この構成によれば、第二連通口２１０ｃを、第二気相出口２１０ｏｇから遠い位置に設けることができる。このため、気相の冷媒とともに液滴が第二上方空間２１０ｕから第二連通口２１０ｃ及び第二下方空間２１０ｄをこの順に介して第二気相出口２１０ｏｇに移動するのを防止し易い。よって、この構成は、多段圧縮機２０２の圧縮過程に液滴が吸入されることを抑制するのに適している。具体的には、この構成は、第一圧縮段２０２ａに液滴が吸入されることを抑制するのに適している。

【0120】

本実施の形態では、第二仕切り２１０ａは、第二連通口２１０ｃに隣接する位置において、第二傾斜部２１０ａｉを含んでいる。第二傾斜部２１０ａｉの高さは、第二連通口２１０ｃに近づくにつれて減少している。この構成によれば、液相の冷媒が第二仕切り２１０ａの上面を伝って第二連通口２１０ｃへとスムーズに流れやすい。また、この構成によれば、第二仕切り２１０ａの上面を伝って第二連通口２１０ｃに到達した液相の冷媒が第二仕切り２１０ａの下面を伝って第二気相出口２１０ｏｇに移動するのを防止できる。このため、この構成は、多段圧縮機２０２の圧縮過程に液滴が吸入されることを抑制するのに適している。具体的には、この構成は、第一圧縮段２０２ａに液滴が吸入されることを抑制するのに適している。この構成に基づく液滴吸入抑制作用は、第二気相出口２１０ｏｇと第二連通口２１０ｃとの距離が確保されている場合に特に現れ易い。

【0121】

本実施の形態では、冷凍サイクル装置２００は、中間流路２０９を備えている。中間流路２０９は、第一液相出口２０７ｏｌと第二入口２１０ｉとを接続している。中間流路２０９は、低位部２０９Ｌと、高位部２０９Ｈと、を有している。高位部２０９Ｈは、低位部２０９Ｌよりも高い位置にある。第一液相出口２０７ｏｌと、低位部２０９Ｌと、高位部２０９Ｈと、第二入口２１０ｉと、をこの順に冷媒が流れる。この構成によれば、第一液相出口２０７ｏｌから中間流路２０９を介して第二入口２１０ｉ液相成分を含む冷媒が流れる場合において、低位部２０９Ｌと高位部２０９Ｈとの間の水位ヘッド差により、冷媒の流れを制限できる。このため、第一タンク２０７が液相の冷媒を実質的に貯留していない状態になり難い。このため、第一圧縮段２０２ａから吐出された気相の冷媒が、第一タンク２０７の第一気相出口２０７ｏｇ、第一下方空間２０７ｄ、第一液相出口２０７ｏｌ、中間流路２０９、第二タンク２１０の第二入口２１０ｉ、第二上方空間２１０ｕ、第二連通口２１０ｃ、第二下方空間２１０ｄ及び第二気相出口２１０ｏｇをこの順に通って第一圧縮段２０２ａに戻ってくるというループが形成され難い。このため、多段圧縮機２０２の性能を確保し易い。

【0122】

本実施の形態では、冷凍サイクル装置２００は、バイパス流路２１４と、バイパス弁２１７と、を備えている。バイパス流路２１４は、高位部２０９Ｈよりも低い位置において延びている。バイパス弁２１７は、バイパス流路２１４に設けられている。バイパス弁２１７の開度がゼロよりも大きい状態において、高位部２０９Ｈをバイパスして、第一液相出口２０７ｏｌと、バイパス流路２１４と、第二入口２１０ｉと、をこの順に冷媒が流れる。この構成によれば、多段圧縮機２０２の圧縮段間の差圧が小さい小負荷条件でも、該差圧が大きい大負荷条件でも、バイパス弁２１７の開度を調整することにより、冷凍サイクル装置２００を適切に動作させることができる。

【0123】

以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、変更、書き換え、付加、省略等を行った実施の形態にも適用できる。

【産業上の利用可能性】

【0124】

本開示に係る冷凍サイクル装置の技術によれば、多段圧縮機の圧縮段間に水滴が流入するのが抑制され、多段圧縮機の性能を維持することが可能になる。この技術は、冷凍サイクル装置を用いた空気調和装置、チラー、蓄熱装置等の用途にも適用可能できる。

【符号の説明】

【0125】

１００ 冷凍サイクル装置
１０１ 蒸発器
１０２ 多段圧縮機
１０２ａ 第一圧縮段
１０２ｂ 第二圧縮段
１０３ 凝縮器
１０４ａ 第一膨張弁
１０４ｂ 第二膨張弁
１０５ エコノマイザ熱交換器
１０６ａ 第一流路
１０６ｂ 第二流路
２００ 冷凍サイクル装置
２０１ 蒸発器
２０２ 多段圧縮機
２０２ａ 第一圧縮段
２０２ｂ 第二圧縮段
２０２ｃ 第三圧縮段
２０３ａ 第一連通路
２０３ｂ 第二連通路
２０４ 凝縮器
２０５ 第一弁
２０７ 第一タンク
２０７ａ 第一仕切り
２０７ａｉ 第一傾斜部
２０７ｓ 第一内部空間
２０７ｕ 第一上方空間
２０７ｄ 第一下方空間
２０７ｃ 第一連通口
２０７ｂｗ 第一底壁
２０７ｓｗ 第一側壁
２０７ｃｗ 第一天井壁
２０７ｉ 第一入口
２０７ｏｌ 第一液相出口
２０７ｏｇ 第一気相出口
２０７ｘ 第一直線
２０７ｙ 第二直線
２０８ 第一気相流路
２０９ 中間流路
２０９Ｌ 低位部
２０９Ｈ 高位部
２１０ 第二タンク
２１０ａ 第二仕切り
２１０ａｉ 第二傾斜部
２１０ｓ 第二内部空間
２１０ｕ 第二上方空間
２１０ｄ 第二下方空間
２１０ｃ 第二連通口
２１０ｂｗ 第二底壁
２１０ｓｗ 第二側壁
２１０ｃｗ 第二天井壁
２１０ｉ 第二入口
２１０ｏｌ 第二液相出口
２１０ｏｇ 第二気相出口
２１０ｘ 第三直線
２１０ｙ 第四直線
２１１ 第二気相流路
２１３ 第二弁
２１４ バイパス流路
２１７ バイパス弁
２２１ 第一流路
２２２ 第二流路
２２３ 第三流路
２２４ 第四流路
２２５ 第五流路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】