(57)【要約】【課題】冷凍サイクル装置における圧力比を下げるための新規な技術を提供する。【解決手段】本開示の冷凍サイクル装置（１００）は、液相冷媒を蒸発させて気相冷媒を生成する蒸発器（２）と、蒸発器（２）において生成された気相冷媒を圧縮する少なくとも１つのターボ圧縮機（３）と、ターボ圧縮機（３）によって圧縮された気相冷媒を凝縮させる凝縮器（４）と、ターボ圧縮機（３）が複数設けられている場合には、最も高い吐出圧力を有するターボ圧縮機（３）を起点として凝縮器（４）まで延び、ターボ圧縮機（３）が１つのみ設けられている場合には、そのターボ圧縮機（３）を起点として凝縮器（４）まで延びている高圧経路（８）と、凝縮器（４）の内部の蒸気空間と高圧経路（８）とを含む高圧空間（１５）に向けて蒸発器（２）から液相冷媒を導く冷媒供給路（１１）と、を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液相冷媒を蒸発させて気相冷媒を生成する蒸発器と、
前記蒸発器において生成された前記気相冷媒を圧縮する少なくとも１つのターボ圧縮機と、
前記ターボ圧縮機によって圧縮された前記気相冷媒を凝縮させる凝縮器と、
前記ターボ圧縮機が複数設けられている場合には、最も高い吐出圧力を有する前記ターボ圧縮機を起点として前記凝縮器まで延び、前記ターボ圧縮機が１つのみ設けられている場合には、そのターボ圧縮機を起点として前記凝縮器まで延びている高圧経路と、
前記凝縮器の内部の蒸気空間と前記高圧経路とを含む高圧空間に向けて前記蒸発器から前記液相冷媒を導く冷媒供給路と、
を備えた、冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記冷媒供給路に配置されたポンプをさらに備えた、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項３】
前記冷媒供給路は、吐出側の端部に位置している供給機構を有する、請求項１又は２に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項４】
前記供給機構は、霧化ノズルを含む、請求項３に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項５】
前記供給機構は、前記気相冷媒の流れ方向に平行な速度成分を前記液相冷媒に付与するように前記高圧空間に配置されている、請求項３又は４に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項６】
前記高圧経路は、前記気相冷媒の流れ方向における上流側から下流側に向かって流路断面積が徐々に縮小している縮径部を有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項７】
前記冷凍サイクル装置を停止状態から起動するために前記ターボ圧縮機の回転数を増加させる起動運転、及び、前記冷凍サイクル装置を停止させるために前記ターボ圧縮機の回転数を減少させる停止運転から選ばれる少なくとも１つの運転が行われるとき、前記冷媒供給路を通じて前記高圧空間に前記液相冷媒が供給される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項８】
前記ターボ圧縮機の運転状態がサージング状態にあるとき又は前記ターボ圧縮機の運転状態がサージング状態に移行すると予測されるとき、前記冷媒供給路を通じて前記高圧空間に前記液相冷媒が供給される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項９】
前記ターボ圧縮機の回転数が閾値回転数以下であるとき、前記冷媒供給路を通じて前記高圧空間に前記液相冷媒が供給される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１０】
前記冷媒は、常温での飽和蒸気圧が負圧の物質を主成分として含む、請求項１〜９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】
ターボ圧縮機を搭載した冷凍サイクル装置の技術課題の１つとして、ターボ圧縮機の吐出口から吸入口への冷媒の逆流現象（旋回失速）が知られている。この現象は、冷凍サイクル装置における圧力比がターボ圧縮機の回転数に応じて決まる許容値を超過したときに起こり、騒音及び軸振動の原因となる。
【０００３】
従来、圧力比を下げる方法として、凝縮器と蒸発器とをガスバイパス管によって接続することが知られている（特許文献１）。ガスバイパス管によってサイクルを循環する冷媒の量が増加し、圧力比が下がる。これにより、旋回失速、すなわち、サージングを防止できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−１５１９９１号公報（図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ただし、凝縮器と蒸発器とをガスバイパス管によって接続したとしても、圧力比を速やかに低減できるとは限らない。例えば、気相状態での密度が低い冷媒が使用されている場合、凝縮器と蒸発器とを接続するガスバイパス管による効果は限定的である。
【０００６】
本開示は、冷凍サイクル装置における圧力比を下げるための新規な技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、
前記蒸発器において生成された前記気相冷媒を圧縮する少なくとも１つのターボ圧縮機と、
前記ターボ圧縮機によって圧縮された前記気相冷媒を凝縮させる凝縮器と、
前記ターボ圧縮機が複数設けられている場合には、最も高い吐出圧力を有する前記ターボ圧縮機を起点として前記凝縮器まで延び、前記ターボ圧縮機が１つのみ設けられている場合には、そのターボ圧縮機を起点として前記凝縮器まで延びている高圧経路と、
前記凝縮器の内部の蒸気空間と前記高圧経路とを含む高圧空間に向けて前記蒸発器から前記液相冷媒を導く冷媒供給路と、
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、冷凍サイクル装置における圧力比を下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本開示の一実施形態に係る冷凍サイクル装置の構成図である。
【図２】図２は、圧縮機の特性を示すグラフである。
【図３】図３は、サージング防止制御のフローチャートである。
【図４】図４は、変形例に係る冷凍サイクル装置の構成図である。
【図５】図５は、別の変形例に係る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）
特許文献１に記載された技術は、気相状態での密度が比較的大きいフロン冷媒を用いた冷凍サイクル装置に適している。一方、気相状態での密度が小さい冷媒は、気相状態での熱容量も小さいので、このような冷媒を用いた冷凍サイクル装置にガスバイパス管を適用したとしても、圧力比を十分に下げることは難しい。冷媒の種類によらず、圧力比を確実に下げてサージングを防止又は解消することが望まれている。
【００１１】
（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、
液相冷媒を蒸発させて気相冷媒を生成する蒸発器と、
前記蒸発器において生成された前記気相冷媒を圧縮する少なくとも１つのターボ圧縮機と、
前記ターボ圧縮機によって圧縮された前記気相冷媒を凝縮させる凝縮器と、
前記ターボ圧縮機が複数設けられている場合には、最も高い吐出圧力を有する前記ターボ圧縮機を起点として前記凝縮器まで延び、前記ターボ圧縮機が１つのみ設けられている場合には、そのターボ圧縮機を起点として前記凝縮器まで延びている高圧経路と、
前記凝縮器の内部の蒸気空間と前記高圧経路とを含む高圧空間に向けて前記蒸発器から前記液相冷媒を導く冷媒供給路と、
を備えている。
【００１２】
第１態様によれば、冷凍サイクル装置における圧力比を下げることができる。その結果、サージングを防止又は解消することができる。
【００１３】
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は、前記冷媒供給路に配置されたポンプをさらに備えている。ポンプを制御することによって、高圧空間への液相冷媒の供給のタイミングを自由に制御できる。
【００１４】
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、前記冷媒供給路は、吐出側の端部に位置している供給機構を有する。供給機構によれば、圧力比を速やかに下げることができる。
【００１５】
本開示の第４態様において、例えば、第３態様に係る冷凍サイクル装置では、前記供給機構は、霧化ノズルを含む。供給機構として霧化ノズルを使用すれば、液相冷媒と気相冷媒との接触面積を十分に増やすことができる。
【００１６】
本開示の第５態様において、例えば、第３又は第４態様に係る冷凍サイクル装置では、前記供給機構は、前記気相冷媒の流れ方向に平行な速度成分を前記液相冷媒に付与するように前記高圧空間に配置されている。第５態様によれば、圧力比を下げることに加え、液相冷媒の運動量により、圧縮機から吐出された気相冷媒の圧力を上昇させうる。つまり、圧縮機での圧力上昇幅を減らすことができる。
【００１７】
本開示の第６態様において、例えば、第１〜第５態様のいずれか１つに係る冷凍サイクル装置では、前記高圧経路は、前記気相冷媒の流れ方向における上流側から下流側に向かって流路断面積が徐々に縮小している縮径部を有する。第６態様によれば、液相冷媒の運動量が気相冷媒に効率的に輸送され、圧力上昇の効果が高まることを期待できる。
【００１８】
本開示の第７態様において、例えば、第１〜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を停止状態から起動するために前記ターボ圧縮機の回転数を増加させる起動運転、及び、前記冷凍サイクル装置を停止させるために前記ターボ圧縮機の回転数を減少させる停止運転から選ばれる少なくとも１つの運転が行われるとき、前記冷媒供給路を通じて前記高圧空間に前記液相冷媒が供給される。第７態様によれば、冷凍サイクル装置を起動するとき、及び、停止させるときにサージングが発生することを確実に防止できる。
【００１９】
本開示の第８態様において、例えば、第１〜第６態様のいずれか１つに係る冷凍サイクル装置では、前記ターボ圧縮機の運転状態がサージング状態にあるとき又は前記ターボ圧縮機の運転状態がサージング状態に移行すると予測されるとき、前記冷媒供給路を通じて前記高圧空間に前記液相冷媒が供給される。第８態様によれば、サージングが直ちに解消されるか、サージングの発生を確実に防止できる。
【００２０】
本開示の第９態様において、例えば、第１〜第６態様のいずれか１つに係る冷凍サイクル装置では、前記ターボ圧縮機の回転数が閾値回転数以下であるとき、前記冷媒供給路を通じて前記高圧空間に前記液相冷媒が供給される。第９態様によれば、冷凍サイクル装置を起動するとき、及び、停止させるときにサージングが起こることを確実に防止できる。
【００２１】
本開示の第１０態様において、例えば、第１〜第９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。このような冷媒を用いた冷凍サイクル装置に本開示の技術を適用することによって、圧力比を十分に低減でき、サージングを確実に防止することができる。
【００２２】
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。
【００２３】
（実施形態）
図１は、本開示の一実施形態に係る冷凍サイクル装置の構成を示している。冷凍サイクル装置１００は、蒸発器２、圧縮機３及び凝縮器４を備えている。圧縮機３は、低圧経路６によって蒸発器２に接続され、高圧経路８によって凝縮器４に接続されている。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。蒸発器２、圧縮機３及び凝縮器４は、この順番で環状に接続されて冷媒回路１０を構成している。
【００２４】
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、低圧経路６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、高圧経路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。
【００２５】
冷凍サイクル装置１００において、各経路及び各回路は、それぞれ、１又は複数の配管によって構成されうる。
【００２６】
冷凍サイクル装置１００には、例えば、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。
【００２７】
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媒は、気相状態で小さい密度を有する。このような冷媒を用いた冷凍サイクル装置に本開示の技術を適用することによって、圧力比を十分に低減でき、サージングを確実に防止又は解消することができる。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。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。
【００３１】
蒸発器２の液相冷媒の冷却対象は室内の空気に限定されない。蒸発器２の冷却対象は、空気以外の気体であってもよく、液体であってもよい。
【００３２】
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。
【００３３】
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。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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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、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。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１００〜１５０℃の範囲にある。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
低圧経路６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。低圧経路６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。
【００４０】
高圧経路８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。高圧経路８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。
【００４１】
本実施形態では、圧縮機３が１つのみ設けられている。高圧経路８は、その圧縮機３を起点として凝縮器４まで延びている流路である。
【００４２】
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には、弁１７が配置されている。弁１７は、開閉弁であってもよく、流量調整弁であってもよい。戻し経路９にポンプ、センサなどの他のコンポーネントが配置されていてもよい。
【００４３】
冷凍サイクル装置１００は、センサ２０をさらに備えている。本実施形態では、センサ２０は、蒸発器２に取り付けられている。センサ２０は、温度センサであってもよく、圧力センサであってもよく、その両方を含んでいてもよい。センサ２０が温度センサであるとき、センサ２０は、蒸発器２の中の液相冷媒又は気相冷媒の温度を検出する。つまり、センサ２０は、蒸発器２における蒸発温度を検出しうる。センサ２０が圧力センサであるとき、センサ２０は、蒸発器２の内部の圧力を検出する。つまり、センサ２０は、蒸発器２における飽和蒸気圧を検出しうる。
【００４４】
冷凍サイクル装置１００は、センサ２１をさらに備えている。本実施形態では、センサ２１は、凝縮器４に取り付けられている。センサ２１は、温度センサであってもよく、圧力センサであってもよく、その両方を含んでいてもよい。センサ２１が温度センサであるとき、センサ２１は、凝縮器４の中の液相冷媒又は気相冷媒の温度を検出する。つまり、センサ２１は、凝縮器４における凝縮温度を検出しうる。センサ２１が圧力センサであるとき、センサ２１は、凝縮器４の内部の圧力を検出する。つまり、センサ２１は、凝縮器４における飽和蒸気圧を検出しうる。
【００４５】
センサ２０は、低圧経路６に配置されていてもよい。センサ２１は、高圧経路８に配置されていてもよい。
【００４６】
温度センサとしては、サーミスタを用いた温度センサ、熱電対を用いた温度センサなどが挙げられる。圧力センサとしては、静電容量式圧力センサ、抵抗線式圧力センサ、ピエゾ抵抗式圧力センサなどが挙げられる。
【００４７】
冷凍サイクル装置１００は、冷媒供給路１１をさらに備えている。冷媒供給路１１は、高圧空間１５に向けて蒸発器２から液相冷媒を導く流路である。図１に示す例では、冷媒供給路１１は、蒸発器２と高圧経路８とを接続している。あるいは、冷媒供給路１１は、蒸発器２と凝縮器４の内部の蒸気空間とを接続していてもよい。さらに、冷媒供給路１１は、分岐していてもよく、分岐した冷媒供給路１１のそれぞれが高圧経路８と凝縮器４の内部の蒸気空間とに接続されていてもよい。高圧空間１５は、凝縮器４の内部の蒸気空間と高圧経路８とを含む空間である。「凝縮器４の内部の蒸気空間」は、凝縮器４に貯留された液相冷媒の液面の上方の空間を意味する。冷媒供給路１１の入口は、蒸発器２の下部に位置している。このような構成によれば、冷媒供給路１１を通じて高圧空間１５に低温の液相冷媒を安定して供給できる。「蒸発器２の下部」は、蒸発器２に貯留された液相冷媒の液面よりも下の部分を意味する。
【００４８】
蒸発器２に貯留された低温の液相冷媒が冷媒供給路１１を通じて高圧空間１５に供給されると、液相冷媒は、圧縮機３から吐出された高温の気相冷媒に接触し、気相冷媒を凝縮させる。これにより、凝縮温度、すなわち、凝縮圧力を下げることができる。凝縮圧力を下げることによって、圧力比を下げることができる。本開示によれば、気相状態での密度が小さい冷媒が使用されている場合にも、圧力比を低減する効果は十分に得られる。
【００４９】
「圧力比」は、圧縮機３の吸入口における圧力（吸入圧力）に対する吐出口における圧力（吐出圧力）の比率である。圧力比は、１又は複数のセンサから得られた検出値から算出することができる。例えば、センサ２０及び２１がともに圧力センサである場合、センサ２１の検出値をセンサ２０の検出値で除することによって、圧力比を算出できる。センサ２０及び２１が温度センサである場合、液相冷媒の温度から飽和蒸気圧を算出し、飽和蒸気圧から圧力比を算出できる。蒸発器２に貯留された液相冷媒の温度が一定になるように制御が行われることが多いので、凝縮器４における凝縮温度（センサ２１の検出値）から圧力比を推定することも可能である。圧力比の算出方法は特に限定されない。
【００５０】
冷媒供給路１１には、ポンプ１６が配置されている。ポンプ１６を制御することによって、高圧空間１５への液相冷媒の供給のタイミングを自由に制御できる。ポンプ１６は、例えば、ピストンポンプ、プランジャポンプ、ギヤポンプ、ベーンポンプなどの容積式ポンプである。ポンプ１６は、供給流量を変更可能なポンプであってもよい。この場合、冷凍サイクル装置１００の運転状態に応じて適切な流量にて液相冷媒を高圧空間１５に供給しやすい。
【００５１】
冷媒供給路１１は、吐出側の端部に位置している供給機構１１ａを有する。供給機構１１ａは、液相冷媒の表面積を拡大させ、液相冷媒と圧縮機３から吐出された気相冷媒との接触面積を増大させる役割を担っている。供給機構１１ａによれば、圧力比を速やかに下げることができる。
【００５２】
供給機構１１ａの構造は特に限定されない。供給機構１１ａは、例えば、液相冷媒を微粒化して供給する霧化ノズルである。供給機構１１ａとして霧化ノズルを使用すれば、液相冷媒と気相冷媒との接触面積を十分に増やすことができる。霧化ノズルとして、超音波霧化ノズル、旋回流式の霧化ノズル、衝突式の霧化ノズルなどが挙げられる。超音波霧化ノズルは、超音波を利用して液体を微粒化する噴霧ノズルである。旋回式の霧化ノズルは、遠心力を利用して液体を微粒化する噴霧ノズルである。衝突式の霧化ノズルは、液体を障害物（ターゲット）に衝突させることによって微粒化する噴霧ノズルである。
【００５３】
供給機構１１ａからの液相冷媒の吐出方向（噴霧方向）は、気相冷媒の流れ方向に平行であってもよく、垂直であってもよい。液相冷媒の吐出方向が気相冷媒の流れ方向に交差していてもよい。
【００５４】
さらに、供給機構１１ａは、高圧経路８の内面に沿って液相冷媒を流すように構成されていてもよく、凝縮器４の内面に沿って液相冷媒を流すように構成されていてもよい。
【００５５】
冷媒供給路１１には、弁、センサなどの他のコンポーネントが配置されていてもよい。
【００５６】
冷凍サイクル装置１００は、制御器２２をさらに備えている。制御器２２は、例えば、Ａ／Ｄ変換回路、入出力回路、演算回路、記憶装置などを含むＤＳＰ（Digital Signal Processor）である。センサ２０、センサ２１などの計測機器の検出信号が制御器２２に入力される。制御器２２は、各種計測機器の計測結果に基づき、圧縮機３、ポンプ１６、弁１７などの制御対象を制御する。制御器２２には、冷凍サイクル装置１００を適切に運転するためのプログラムが格納されている。
【００５７】
制御器２２は、圧縮機３を駆動するインバータを含んでいてもよく、ポンプ１６を駆動するインバータを含んでいてもよい。制御器２２は、単一のマイクロコンピュータによって構成されていてもよく、複数のマイクロコンピュータによって構成されていてもよい。さらに、冷凍サイクル装置１００が複数の制御器を有していてもよい。
【００５８】
制御器２２は、センサ２０及び／又はセンサ２１からセンサ信号を取得し、取得したセンサ信号から冷凍サイクル装置１００における圧力比（吐出圧力／吸入圧力）を特定する。制御器２２は、特定した圧力比及び圧縮機３における冷媒の流量（質量流量）に基づき、圧縮機３の運転状態を特定し、必要に応じて、冷媒供給路１１を通じて高圧空間１５に液相冷媒を供給するための電気的処理を実行する。冷媒の流量は、圧縮機３の回転数から推定することができる。一般に、ターボ圧縮機が十分に大きい回転数で運転されているとき、流量は回転数に概ね比例する。「十分に大きい回転数」は、ターボ圧縮機の設計に応じて決まる。
【００５９】
ターボ圧縮機が特定の回転数で運転されているときに圧力比が許容値を超えると、サージングが発生する。ターボ圧縮機の回転数と圧力比との間には一定の制約が存在し、その制約の範囲外でターボ圧縮機を運転するとサージングが発生する。
【００６０】
図２は、圧縮機３の特性を示している。図２のグラフは、例えば、ルックアップテーブルの形式で制御器２２のメモリに記憶されている。実線の曲線Ｐによって規定された領域は、サージング及びチョーキングを起こすことなく、圧縮機３を正常に運転できる領域である。圧力比が上昇して圧縮機３の運転状態が曲線Ｐによって規定された領域から逸脱したとき、つまり、圧縮機３の運転状態がサージング状態にあるとき、冷媒供給路１１を通じて高圧空間１５に液相冷媒が供給されうる。安全性を考慮して、圧縮機３の運転状態が破線の曲線Ｐ１によって規定された領域から逸脱したとき、すなわち、圧縮機３の運転状態がサージング状態に移行すると予測されるとき、冷媒供給路１１を通じて高圧空間に液相冷媒が供給されてもよい。このようにすれば、サージングが直ちに解消されるか、サージングの発生を確実に防止できる。
【００６１】
曲線Ｐにおける流量と圧力比との組が圧縮機３の許容値であるとき、サージングに関して言えば、曲線Ｐ１における圧力比は、許容値よりも低い値に設定されうる。例えば、同一の流量で比較したとき、曲線Ｐ１における圧力比は、曲線Ｐにおける圧力比よりも１％〜１０％程度小さい。
【００６２】
圧縮機３の回転数が所定の閾値回転数（例えば、２万回転／ｍｉｎ）よりも大きいとき、冷媒の流量は、圧縮機３の回転数に応じて決まる。したがって、圧縮機３の回転数を用いて、圧縮機３の運転状態を判断することができる。詳細には、吸入圧力及び圧縮機３の回転数に応じて、冷媒の流量が決まる。吸入圧力、吐出圧力及び圧縮機３の回転数に基づいて、圧縮機３の運転状態を特定することができる。「閾値回転数」は、圧縮機３の設計値である。圧縮機３の回転数は、圧縮機３のモータを制御するための制御器（例えば、制御器２２）のメモリに常に格納されている値である。
【００６３】
冷凍サイクル装置１００を停止状態から起動させるとき、及び、冷凍サイクル装置１００を停止させるとき、圧縮機３の回転数は、閾値回転数を下回る。したがって、冷凍サイクル装置１００を停止状態から起動するために圧縮機３の回転数を増加させる起動運転、及び、冷凍サイクル装置１００を停止させるために圧縮機３の回転数を減少させる停止運転から選ばれる少なくとも１つの運転が行われるとき、冷媒供給路１１を通じて高圧空間１５に液相冷媒を供給してもよい。これにより、冷凍サイクル装置１００を起動するとき、及び、停止させるときにサージングが発生することを確実に防止できる。「停止状態」は、例えば、圧縮機３の回転数がゼロである状態を意味する。
【００６４】
圧力比は、負荷の大きさ、外気温度などに応じて変動する。定格運転又は部分負荷運転から圧縮機３の回転数を下げて冷凍サイクル装置１００を停止させるとき、圧力比が高い状態から圧縮機３の回転数を下げる必要がある。圧力比の低下速度が回転数の低下速度に追従できず、圧縮機３の運転状態がサージング領域に移行する可能性がある。したがって、運転停止の命令が冷凍サイクル装置１００に与えられた場合（例えば、停止スイッチがオンされた場合）、冷媒供給路１１を通じて高圧空間１５に液相冷媒を供給し、圧力比を十分に下げたのち、圧縮機３の回転数を低下させてもよい。このようにすれば、サージングを発生させることなく、冷凍サイクル装置１００をスムーズかつ安全に停止させることができる。
【００６５】
圧縮機３の回転数が閾値回転数（例えば、２万回転／ｍｉｎ）以下のとき、冷媒が十分に流れない。この現象は、冷凍サイクル装置１００の内部の圧力が大気圧よりも低い場合に顕著である。したがって、圧縮機３の回転数が閾値回転数以下であるとき、冷媒供給路１１を通じて高圧空間１５に液相冷媒が供給されうる。これにより、冷凍サイクル装置１００を起動するとき、及び、停止させるときにサージングが起こることを確実に防止できる。
【００６６】
次に、サージングを防止するための制御について説明する。
【００６７】
冷凍サイクル装置１００の起動スイッチがオンされたのち、制御器２２は、図３に示すサージング防止制御を必要に応じて実行する。
【００６８】
ステップＳ１において、圧縮機３の現在の回転数が閾値回転数以上であるかどうかを判断する。圧縮機３の回転数が閾値回転数未満である場合、ステップＳ４において、ポンプ１６を作動させる。これにより、高圧空間１５に液相冷媒が供給され、圧力比を下げることができる。その結果、サージングが防止されうる。
【００６９】
圧縮機３の回転数が閾値回転数以上である場合、ステップＳ２において、現在の圧力比が閾値圧力比以下であるかどうかを判断する。圧力比が閾値圧力比を超えている場合、ステップＳ４において、ポンプ１６を作動させる。これにより、高圧空間１５に液相冷媒が供給され、圧力比を下げることができる。その結果、サージングが防止される。閾値圧力比は、例えば、図２を参照して説明した曲線Ｐ１に対応しており、圧縮機３の回転数（流量）に応じて定められる。
【００７０】
圧縮機３の回転数が閾値回転数以上であり、かつ、圧力比が閾値圧力比以下である場合、ステップＳ３においてポンプ１６を停止させる。これにより、冷凍サイクル装置１００の性能及び効率が必要以上に下がることを回避できる。
【００７１】
先に説明したように、冷凍サイクル装置１００の停止スイッチがオンされた場合、図３に示す制御を行わず、直ちにポンプ１６を作動させてもよい。
【００７２】
（変形例）
図４は、変形例に係る冷凍サイクル装置の構成を示している。冷凍サイクル装置２００において、供給機構１１ａは、気相冷媒の流れ方向に平行な速度成分を液相冷媒に付与するように高圧空間１５に配置されている。具体的には、供給機構１１ａからの液相冷媒の吐出方向（噴霧方向）が気相冷媒の流れ方向に概ね一致している。このような構成によれば、圧力比を下げることに加え、液相冷媒の運動量により、圧縮機３から吐出された気相冷媒の圧力を上昇させうる。つまり、圧縮機３での圧力上昇幅を減らすことができる。このような構成は、高負荷運転時において特に有効である。高負荷運転としては、高い外気温条件での運転、高い圧力比条件での運転などが挙げられる。
【００７３】
本変形例において、高圧経路８は、気相冷媒の流れ方向における上流側から下流側に向かって流路断面積が徐々に（連続的に）縮小している縮径部８ａを有する。供給機構１１ａは、縮径部８ａの高圧空間１５に向かって液相冷媒を噴霧する。このような構成によれば、液相冷媒の運動量が気相冷媒に効率的に輸送され、圧力上昇の効果が高まることを期待できる。
【００７４】
凝縮器４の蒸気空間の流路断面積は、高圧経路８の流路断面積よりも大きい。そのため、縮径部８ａと凝縮器４との接続部分で流路断面積が急激に拡大している。凝縮器４の蒸気空間が静圧を回復させるディフューザとして機能することを期待できる。
【００７５】
図５は、別の変形例に係る冷凍サイクル装置の構成を示している。冷凍サイクル装置３００は、複数の圧縮機を備えている点で図１を参照して説明した冷凍サイクル装置１００と相違する。
【００７６】
冷凍サイクル装置３００は、圧縮機３（以下、「第１圧縮機３」と称する）に加え、第２圧縮機１３をさらに備えている。第１圧縮機３と第２圧縮機１３とが直列に接続されている。言い換えれば、第１圧縮機３で圧縮された気相冷媒が第２圧縮機１３でさらに圧縮されるように、第１圧縮機３と第２圧縮機１３とが配列されている。中間圧経路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。
【００７７】
本変形例において、高圧経路８は、最も高い吐出圧力を有する圧縮機である第２圧縮機１３を起点として凝縮器４まで延びている。第１圧縮機３と第２圧縮機１３とを接続している経路は、中間圧経路７である。本変形例においても、適切なタイミングで高圧経路８に液相冷媒が供給される。これにより、圧力比が低減され、サージングが防止される。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
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る。
【符号の説明】
【００７９】
２  蒸発器
３  圧縮機（第１圧縮機）
４  凝縮器
６  低圧経路
７  中間圧経路
８  高圧経路
８ａ  縮径部
９  戻し経路
１０  冷媒回路
１１  冷媒供給路
１１ａ  供給機構
１２  吸熱回路
１３  第２圧縮機
１４  放熱回路
１５  高圧空間
１６  ポンプ
１７  弁
２０，２１  センサ
２２  制御器
１００，２００，３００  冷凍サイクル装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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