(57)【要約】【課題】適正な運転を実現するのに有利な冷凍サイクル装置を提供できる。【解決手段】冷凍サイクル装置（１００）は、蒸発器（１）と、圧縮機（２）と、凝縮器（３）と、第一流路（３１）、弁（４）と、タンク（６）と、第二流路（３２）と、第三流路（３３）と、接触部材（７）とを備える。蒸発器（１０）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液相冷媒を蒸発させて気相冷媒を生成する。第一流路（３１）は、液相冷媒を加圧された状態で蒸発器（１）に向かって導く。弁（４）は、第一流路（３１）を通過した液相冷媒を吐出する。タンク（６）は、弁（４）を通過した液相冷媒を貯留する。接触部材（７）は、タンク（６）の内部に配置され、弁（４）から吐出された液相冷媒と接触して液相冷媒の表面積を拡大させる。【選択図】図２
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【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、
前記気相冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機を通過した前記気相冷媒を凝縮させて液相冷媒を生成する凝縮器と、
前記凝縮器に存在する前記液相冷媒を加圧された状態で前記蒸発器に向かって導く第一流路と、
前記第一流路を通過した前記液相冷媒を吐出する弁と、
前記弁を通過した前記液相冷媒を貯留するタンクと、
前記タンクに存在する前記液相冷媒を前記蒸発器に向かって導く第二流路と、
前記タンクに存在する気相冷媒を前記タンクの外部に導く第三流路と、
前記タンクの内部に配置され、前記弁から吐出された前記液相冷媒と接触して前記液相冷媒の表面積を拡大させる接触部材と、を備えた、
冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記接触部材は、前記弁から吐出された前記液相冷媒の流れを複数の前記液相冷媒の流れに変化させる、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項３】
前記接触部材は、前記弁から吐出された前記液相冷媒が進む方向を異なる複数の方向に変化させる、請求項１又は２に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項４】
前記弁は、前記液相冷媒の吐出のための少なくとも１つの吐出口を有し、
前記接触部材は、前記吐出口の下方に配置されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項５】
前記少なくとも１つの吐出口は、複数の吐出口を有する、請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項６】
前記複数の吐出口のそれぞれに対応して複数の前記接触部材が配置されている、請求項５に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項７】
前記接触部材は、少なくとも２つの前記吐出口と向かい合っている、請求項５に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項８】
前記弁は、前記液相冷媒が吐出される前記吐出口の数を増減させるシャッタを有する、請求項５から７のいずれか１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】
従来、冷凍サイクル装置において、凝縮器を通過した冷媒の一部を膨張弁によって減圧して圧縮機に戻す技術が知られている。
【０００３】
図５に示す通り、例えば、特許文献１には、エコノマイザサイクル冷凍装置３００が記載されている。エコノマイザサイクル冷凍装置３００は、中間インジェクション圧縮機３１１、凝縮器３１２、エコノマイザ３１３、主膨張弁３１４、及び蒸発器３１５が順に連結されてなる循環冷媒流路を備えている。エコノマイザサイクル冷凍装置３００は、エコノマイザ３１３と主膨張弁３１４との間で循環冷媒流路から分岐する分岐流路を備えている。分岐流路には、上流側から順にエコノマイザ用膨張弁３１６とエコノマイザ３１３とが設けられている。エコノマイザ用膨張弁３１６で減圧された冷媒がエコノマイザ３１３に導入され、エコノマイザ３１３で循環冷媒流路を循環する冷媒との熱交換を行った後に、中間インジェクション圧縮機３１１の中間インジェクションポート３１１ａに戻される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−７９７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の技術では、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用いられているわけではない。このため、特許文献１に記載の技術は、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用いられる冷凍サイクル装置の適正な運転を実現する観点から再検討の余地を有する。
【０００６】
そこで、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が用いられ、適正な運転を実現するのに有利な冷凍サイクル装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、
前記気相冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機を通過した前記気相冷媒を凝縮させて液相冷媒を生成する凝縮器と、
前記凝縮器に存在する前記液相冷媒を加圧された状態で前記蒸発器に向かって導く第一流路と、
前記第一流路を通過した前記液相冷媒を吐出する弁と、
前記弁を通過した前記液相冷媒を貯留するタンクと、
前記タンクに存在する前記液相冷媒を前記蒸発器に向かって導く第二流路と、
前記タンクに存在する気相冷媒を前記タンクの外部に導く第三流路と、
前記タンクの内部に配置され、前記弁から吐出された前記液相冷媒と接触して前記液相冷媒の表面積を拡大させる接触部材と、を備えた、
冷凍サイクル装置を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本開示によれば、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用いられ、適正な運転を実現するのに有利な冷凍サイクル装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本開示の冷凍サイクル装置の一例を示す構成図である。
【図２】図２は、図１に示す冷凍サイクル装置の一部を示す断面図である。
【図３】図３は、液相冷媒の流れを概念的に示す側面図である。
【図４】図４は、液相冷媒の流れを概念的に示す側面図である。
【図５】図５は、従来の冷凍サイクル装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（本開示の基礎となった知見）
冷凍サイクル装置において、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み、凝縮器を通過した液相冷媒を、膨張弁を用いて減圧した場合、沸騰（突沸）現象が不規則に発生しうる。例えば、冷媒が水である場合、沸騰（突沸）現象に伴う冷媒の体積膨張により、液体の水の体積の約１４５００倍の体積の気体が発生する。このため、発生した気体は、周囲の液体の水を押し退けながら移動し、気泡の破裂などを生じさせる。その結果、例えば、膨張弁を用いて減圧して発生した気相冷媒を圧縮機に吸入させる場合、圧縮機の吸入圧力が急激に変化する（「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）。
【００１１】
このような状態で圧縮機を作動させると、吸入圧力の急激な変化に伴う負荷がインペラ等の圧縮機の部品に掛かる。これにより、圧縮機に望ましくない振動が発生し、圧縮機の回転数が安定しない可能性がある。そこで、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冷媒を用いつつ、凝縮器を通過した液相冷媒を減圧するときに沸騰を抑制できる技術について鋭意検討を重ねた。その結果、本発明者らは、加圧された状態で弁から吐出された液相冷媒の表面積を拡大させて液相冷媒と気相冷媒と直接熱交換させることにより、液相冷媒の減圧に伴う沸騰を抑制できることを新たに見出した。この新たな知見に基づき、本発明者らは、本開示の冷凍サイクル装置を案出した。
【００１２】
（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、
前記気相冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機を通過した前記気相冷媒を凝縮させて液相冷媒を生成する凝縮器と、
前記凝縮器に存在する前記液相冷媒を加圧された状態で前記蒸発器に向かって導く第一流路と、
前記第一流路を通過した前記液相冷媒を吐出する弁と、
前記弁を通過した前記液相冷媒を貯留するタンクと、
前記タンクに存在する前記液相冷媒を前記蒸発器に向かって導く第二流路と、
前記タンクに存在する気相冷媒を前記タンクの外部に導く第三流路と、
前記タンクの内部に配置され、前記弁から吐出された前記液相冷媒と接触して前記液相冷媒の表面積を拡大させる接触部材と、を備える。
【００１３】
第１態様によれば、第一流路において液相冷媒が加圧されている。第一流路を通過した液相冷媒は、弁から吐出され、接触部材に接触する。これにより、接触部材は、液相冷媒の表面積を拡大する。タンクの内部において、接触部材に接触している液相冷媒と気相冷媒との直接接触による熱交換が生じる。接触部材によって液相冷媒の表面積が拡大するので、液相冷媒と気相冷媒との伝熱面積が大きくなりやすい。このため、タンクの内部において、液相冷媒の沸騰を抑制しつつ気化冷却を促しやすい。これにより、例えば、タンクに存在する気相冷媒が第三流路を通って圧縮機に導かれる場合に、圧縮機において吸入圧力の急激な変化を抑制できる。このため、圧縮機の望ましくない振動を抑制でき、圧縮機の回転数が安定しやすい。その結果、冷凍サイクル装置において適正な運転が実現されやすい。
【００１４】
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、前記接触部材は、前記弁から吐出された前記液相冷媒の流れを複数の前記液相冷媒の流れに変化させてもよい。第２態様によれば、より確実に、液相冷媒と気相冷媒との伝熱面積が大きくなりやすい。
【００１５】
本開示の第３態様において、例えば、第１態様又は第２態様に係る冷凍サイクル装置では、前記接触部材は、前記弁から吐出された前記液相冷媒が進む方向を異なる複数の方向に変化させてもよい。第２態様によれば、より確実に、液相冷媒と気相冷媒との伝熱面積が大きくなりやすく、弁から吐出された液相冷媒を異なる複数の方向に導くことができる。
【００１６】
本開示の第４態様において、例えば、第１態様から第３態様のいずれか１つの態様に係る冷凍サイクル装置では、前記弁は、前記液相冷媒の吐出のための少なくとも１つの吐出口を有していてもよく、前記接触部材は、前記吐出口の下方に配置されていてもよい。第４態様によれば、液相冷媒が重力の作用により接触部材に接触しやすい。
【００１７】
本開示の第５態様において、例えば、第４態様に係る冷凍サイクル装置では、前記弁は、前記少なくとも１つの吐出口は、複数の吐出口を有していてもよい。前記液相冷媒の吐出のための複数の吐出口を有していてもよい。第５態様によれば、弁において、液相冷媒の流量を大きくしやすい。
【００１８】
本開示の第６態様において、例えば、第５態様に係る冷凍サイクル装置では、前記複数の吐出口のそれぞれに対応して複数の前記接触部材が配置されていてもよい。第５態様によれば、複数の吐出口から吐出された液相冷媒の表面積の拡大の仕方がばらつきにくい。
【００１９】
本開示の第７態様において、例えば、第５態様に係る冷凍サイクル装置では、前記接触部材は、少なくとも２つの前記吐出口と向かい合っていてもよい。第７態様によれば、タンクの内部に接触部材を配置する作業が簡素になりやすい。
【００２０】
本開示の第８態様において、例えば、第５態様から第７態様のいずれか１つの態様に係る冷凍サイクル装置では、前記液相冷媒が吐出される前記吐出口の数を増減させるシャッタを有していてもよい。第８態様によれば、弁において、液相冷媒の流量を増減させることができる。
【００２１】
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。添付の図面において、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸は互いに直交しており、ＸＹ平面が水平である。また、Ｚ軸負方向が重力方向である。
【００２２】
（実施形態）
図１は、本開示の冷凍サイクル装置の一例の構成を示している。冷凍サイクル装置１００は、蒸発器１と、圧縮機２と、凝縮器３と、第一流路３１と、弁４と、タンク６と、第二流路３２と、第三流路３３と、接触部材７とを備える。蒸発器１は、常温（日本工業規格：２０℃±１５℃／JIS Z8703）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蒸発させて気相冷媒を生成する。圧縮機２は、蒸発器１によって生成された気相冷媒を圧縮する。凝縮器３は、圧縮機２を通過した気相冷媒を凝縮させて液相冷媒を生成する。本明細書において、「主成分」とは、質量基準で最も多く含まれる成分である。
【００２３】
図２は、冷凍サイクル装置１００の一部を示す断面図である。第一流路３１は、凝縮器３に存在する液相冷媒を加圧された状態で蒸発器１に向かって導く。このため、第一流路３１において、液相冷媒は加圧されている。弁４は、第一流路３１を通過した液相冷媒を吐出する。タンク６は、弁４を通過した液相冷媒を貯留する。第二流路３２は、タンク６に存在する液相冷媒を蒸発器１に向かって導く。第三流路３３は、タンク６に存在する気相冷媒をタンク６の外部に導く。接触部材７は、タンク６の内部に配置されている。接触部材７は、弁４から吐出された液相冷媒と接触して液相冷媒の表面積を拡大させる。
【００２４】
図３及び図４は、弁４から吐出されて接触部材７に接触した液相冷媒の流れＦを概念的に示す。タンク６の内部には、例えば、所定の飽和温度の冷媒が存在している。一方、第一流路３１において、液相冷媒は加圧されており、液相冷媒はタンク６の内部に存在する冷媒の飽和温度より高い温度を有する過飽和状態となっている。このような液相冷媒が弁４から吐出されると、液相冷媒の流れＦは、接触部材７に接触して接触部材７に沿って流れ、液相冷媒の表面積が拡大する。これにより、タンク６の内部において、弁４から吐出された液相冷媒とタンク６の内部に存在する気相冷媒との間の熱交換のための伝熱面積が大きくなりやすい。その結果、タンク６の内部において、弁４から吐出された液相冷媒の不規則な沸騰（突沸）が抑制され、液相冷媒の気化冷却が促される。これにより、液相冷媒がタンク６の内部の飽和蒸気温度に近づく。例えば、タンク６に存在する気相冷媒が第三流路３３を通って圧縮機２に導かれる場合に、圧縮機２において吸入圧力の急激な変化を抑制できる。このため、圧縮機２の望ましくない振動を抑制でき、圧縮機２の回転数が安定しやすい。その結果、冷凍サイクル装置１００において適正な運転が実現されやすい。
【００２５】
接触部材７に沿って流れた液相冷媒は、タンク６に貯留される。接触部材７に沿って流れた液相冷媒がタンク６に貯留された液相冷媒と接触しても、液相冷媒の液溜まりの内部又は液面において液相冷媒の急激な蒸発に伴う気泡の形成及び破裂による圧力変動は生じにくい。なぜなら、上記の通り、液相冷媒が接触部材７に沿って流れる間に、液相冷媒の温度は気化冷却によりタンク６の内部の飽和蒸気温度に近づくからである。このため、例えば、タンク６に存在する気相冷媒が第三流路３３を通って圧縮機２に導かれる場合に、圧縮機２の望ましくない振動を抑制でき、圧縮機２の回転数が安定しやすい。その結果、冷凍サイクル装置１００において適正な運転が実現されやすい。
【００２６】
冷凍サイクル装置１００における冷媒は、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限り、特定の冷媒に限定されない。冷凍サイクル装置１００における冷媒は、例えば、水を主成分として含む冷媒でありうる。冷凍サイクル装置１００の運転時に、冷凍サイクル装置１００の内部の圧力は、例えば、大気圧よりも低い。
【００２７】
接触部材７は、例えば、弁４から吐出された液相冷媒の流れを複数の液相冷媒の流れに変化させる。これにより、より確実に、液相冷媒の表面積が拡大し、タンク６の内部において、液相冷媒と気相冷媒との伝熱面積が大きくなりやすい。
【００２８】
接触部材７は、例えば、弁４から吐出された液相冷媒が進む方向を異なる複数の方向に変化させる。これにより、より確実に、弁４から吐出された液相冷媒の表面積を拡大させることができ、液相冷媒を異なる複数の方向に導くことができる。このため、タンク６の内部の広い範囲において液相冷媒と気相冷媒との間の伝熱を促すことができる。この場合、弁４から吐出された液相冷媒の流れは、複数の流れに分かれていなくてもよい。
【００２９】
接触部材７は、弁４から吐出された液相冷媒の表面積を拡大させることができる限り、特定の部材に限定されない。接触部材７は、例えば、板状であってもよく、楕円体状であってもよく、球状であってもよく、柱状であってもよく、錐体状であってもよく、網状でってもよく、線材であってもよい。接触部材７は、デミスターとして使用可能な部材であってもよい。
【００３０】
図２に示す通り、弁４は、典型的には、液相冷媒の吐出のための少なくとも１つの吐出口４２を有する。接触部材４２は、例えば、吐出口４２の下方に配置されている。この場合、弁４から吐出された液相冷媒が重力の作用により接触部材７に接触しやすい。吐出口４２は、例えば、下向きに開口している。
【００３１】
弁４において、例えば、少なくとも１つの吐出口は、複数の吐出口４２を有していてもよい。この場合、弁４において、液相冷媒の流量を大きくしやすい。複数の吐出口４２は、例えば、水平な特定方向に沿って延びている。
【００３２】
図２に示す通り、冷凍サイクル装置１００において、例えば、複数の吐出口４２のそれぞれに対応して複数の接触部材７が配置されている。この場合、複数の吐出口４２から吐出された液相冷媒の表面積の拡大の仕方がばらつきにくい。
【００３３】
接触部材７は、少なくとも２つの吐出口４２と向かい合っていてもよい。換言すると、接触部材７は、少なくとも２つの吐出口４２から突出された液相冷媒と接触するように構成されていてもよい。この場合、タンク６の内部に接触部材７を配置する作業が簡素になりやすい。
【００３４】
弁４は、液相冷媒を吐出できる限り特定の弁に限定されない。弁４は、例えば、多孔型のオリフィス弁又は単孔型のオリフィス弁でありうる。
【００３５】
図２に示す通り、弁４は、例えば、液相冷媒が吐出される吐出口４２の数を増減させるシャッタ４５を有していてもよい。この場合、弁４において、液相冷媒の流量を増減させることができる。
【００３６】
弁４は、例えば、シャッタ４５と、アクチュエータ４７と、ハウジング４９とを備えている。シャッタ４５は、例えば、弁体として機能しうる。シャッタ４５は、例えば、円柱の形状を有する。シャッタ４５は、ハウジング４９の内部において特定方向に沿って移動可能に構成されている。特定方向は、例えば、シャッタ４５の長手方向に平行である。シャッタ４５の移動により、液相冷媒が吐出される吐出口４２の数が増減する。
【００３７】
アクチュエータ４７は、シャッタ４５に接続されている。アクチュエータ４７は、典型的には電動アクチュエータである。アクチュエータ４７は、例えば、コイル４７ａ及びロータ４７ｂを含むモータである。ロータ４７ｂにシャッタ４５が取り付けられている。コイル４７ａに通電するとロータ４７ｂが回転し、これにより、シャッタ４５がハウジング４９の内部を回転しながら前進又は後退する。アクチュエータ４７によれば、シャッタ４５の位置決めを正確に行える。
【００３８】
タンク６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。
【００３９】
図１に示す通り、第一流路３１は、例えば、凝縮器３に接続されている。第一流路３１は、凝縮器３に存在する液相冷媒を加圧された状態で導く限り、凝縮器３に接続されていなくてもよい。
【００４０】
図１及び図２に示す通り、冷凍サイクル装置１００は、ポンプ５をさらに備えていてもよい。ポンプ５は、典型的には、第一流路３１に配置されている。ポンプ５の働きにより、第一流路３１において液相冷媒を加圧できる。ポンプ５は省略されていてもよい。例えば、鉛直方向において、凝縮器３が弁４よりも上方に位置していれば、凝縮器３と弁４との間の位置ヘッド差によって液相冷媒を加圧できる。
【００４１】
図１に示す通り、第二流路３２は、例えば、蒸発器１に接続されている。第二流路３２は、タンク６に存在する液相冷媒を蒸発器１に向かって導く限り、蒸発器１に接続されていなくてもよい。
【００４２】
図１に示す通り、第三流路３３は、例えば、圧縮機２に接続されている。圧縮機２は、例えば、ターボ型圧縮機又は容積型圧縮機である。圧縮機２は、複数の圧縮段を有していてもよい。この場合、第三流路３３は、圧縮機２における圧縮段同士の間の気相冷媒の流路に接続されていてもよい。この場合、タンク６を備えた構成は、エコノマイザとして機能し、タンク６に存在する気相冷媒を圧縮機２に供給できる。これにより、圧縮機２の運転効率が高まりやすい。
【００４３】
蒸発器１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１は、例えば、液相冷媒を貯留するとともに、液相冷媒をその内部で蒸発させる。蒸発器１の内部の液相冷媒は、蒸発器１の外部からもたらされた熱を吸収し、蒸発する。
【００４４】
図１に示す通り、冷凍サイクル装置１００は、例えば、吸熱経路１２を備えている。吸熱経路１２の一部は、蒸発器１の内部に配置されている。この場合、例えば、吸熱経路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１の中で蒸発する。本実施形態において、蒸発器１に貯留された液相冷媒は、吸熱経路１２を循環する熱媒体と間接的に接触する。つまり、蒸発器１に貯留された液相冷媒の一部は、吸熱経路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。
【００４５】
凝縮器３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３は、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。例えば、過熱状態の気相冷媒が、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間接的に接触して凝縮する。
【００４６】
図１に示す通り、冷凍サイクル装置１００は、例えば、放熱経路１４を備えている。放熱経路１４の一部は、凝縮器３の内部に配置されている。この場合、気相冷媒は、凝縮器３において、放熱経路１４の熱媒体によって冷却され、凝縮する。
【００４７】
冷凍サイクル装置１００において、蒸発器１及び凝縮器３のそれぞれは、例えば、シェルチューブ熱交換器等の間接接触型の熱交換器である。ただし、蒸発器１及び凝縮器３のそれぞれは、直接接触型の熱交換器であってもよい。つまり、吸熱経路１２及び放熱経路１４に液相冷媒を循環させることによって、液相冷媒を加熱したり冷却したりしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本開示の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。
【符号の説明】
【００４９】
１          蒸発器
２          圧縮機
３          凝縮器
４          弁
６          タンク
７          接触部材
３１        第一流路
３２        第二流路
３３        第三流路
４２        吐出口
４５        シャッタ
１００      冷凍サイクル装置
【図１】
2020190335.tif 000003
【図２】
2020190335.tif 000004
【図３】
2020190335.tif 000005
【図４】
2020190335.tif 000006
【図５】
2020190335.tif 000007