遠心圧縮機、及び冷凍装置
【課題】低流量域にも運転範囲の拡大が可能な遠心圧縮機及びこのような遠心圧縮機を備えた冷凍装置を提供する
【解決手段】冷媒を吸入し、圧縮する第２圧縮機構２ｂであって、翼１２５ａ、１２５ｂを有するインペラ１２１と、ケーシング１２２とを備える。ケーシング１２２には、インペラ１２１の回転により吸入される冷媒のメイン流路１２０と、インペラ１２１が配置された空間１２０ｂに吸い込まれた冷媒の一部を吸入側空間１２０ａに戻す戻り流路１２４と、冷媒をメイン流路１２０とは別にケーシング１２２内に導入するインジェクション導入口１２３とが形成されている。インジェクション導入口１２３は、戻り流路１２４内に形成されている。
【解決手段】冷媒を吸入し、圧縮する第２圧縮機構２ｂであって、翼１２５ａ、１２５ｂを有するインペラ１２１と、ケーシング１２２とを備える。ケーシング１２２には、インペラ１２１の回転により吸入される冷媒のメイン流路１２０と、インペラ１２１が配置された空間１２０ｂに吸い込まれた冷媒の一部を吸入側空間１２０ａに戻す戻り流路１２４と、冷媒をメイン流路１２０とは別にケーシング１２２内に導入するインジェクション導入口１２３とが形成されている。インジェクション導入口１２３は、戻り流路１２４内に形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、遠心圧縮機、及び冷凍装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、回転するインペラにより流体を加速させ圧縮する遠心圧縮機が、冷凍装置等に用いられてきたが、遠心圧縮機には、低流量域での運転に問題がある。即ち、低流量域では、サージングと呼ばれる、インペラの翼の周りに生じる渦、流体の剥離により、流体が失速するという問題がある。そこで、この問題を克服し、低流量域にも運転範囲を拡大する技術の開発が試みられてきた。
【０００３】
例えば、特許文献１（特開平５−６００９７号公報）では、インペラを収容するケーシングに吸入された流体の一部がインペラの途中からインペラの吸入側の空間へ還流する流路を形成することにより、サージングの発生する流量容量を減少させる技術が提案されている。当該従来技術について図５を用いてもう少し具体的に説明すると、ケーシング２０２の側壁内部に、チャンバ２０３と呼ばれる空間が設けられており、当該チャンバ２０３に通じる入口２０３ａとチャンバ２０３からの出口２０３ｂとが、それぞれ側壁のインペラ２０１に面する位置と、インペラ２０１の吸入側空間２００ａに面する位置とに設けられている。インペラ２０１の回転により吸入される流体の一部は、インペラ２０１の吐出側空間（デフューザ２００ｂ）へ流れる途中で入口２０３ａからチャンバ２０３内に流入し、出口２０３ｂを通ってインペラ２０１の吸入側空間２００ａに戻る循環流を形成する。これにより、インペラ２０１による吸引領域において発生した失速流れを循環流路内へ引き込み、サージングの発生を抑制する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に記載の技術は、上述の通り流体の循環流を形成させることによりサージングの発生を抑制するものであるが、当該技術では、チャンバ２０３への流体の引き込み力が弱く、サージングの抑制に十分な循環流を形成させることができない。したがって、今でも、サージングを抑制し、遠心圧縮機の運転範囲を低流量域にも拡大可能にする技術の登場が切望されている。
【０００５】
そこで、本発明の課題は、低流量域にも運転範囲の拡大が可能な遠心圧縮機及びこのような遠心圧縮機を備えた冷凍装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１観点に係る遠心圧縮機は、流体を吸入し、圧縮する遠心圧縮機であって、翼を有するインペラと、ケーシングとを備える。ケーシングには、メイン流路と、戻り流路と、インジェクション導入口とが形成されている。メイン流路は、インペラの回転によって吸入される流体の流路である。戻り流路は、インペラが配置される空間に吸入された冷媒の一部をインペラの吸入側空間に戻す。インジェクション導入口は、メイン流路とは別にケーシング内に流体を導入する。インジェクション導入口は、戻り流路内に形成される。
【０００７】
本発明の第１観点に係る遠心圧縮機では、そのケーシングには、ガス状冷媒等の流体のメイン流路と、インペラ配置空間からインペラ吸入側空間へ流体を戻す戻り流路と、メイン流路とは別に流体を導入するインジェクション導入口とが形成されている。インジェクション導入口は、当該戻り流路内に形成されている。その結果、インジェクション導入口から導入される流体の流れによって当該流れ周辺の流体が戻り流路へ吸い込まれる。これにより、流体を戻り流路へ吸い込む力が増し、流体の循環率が向上する。したがって、サージングの発生が抑制され、遠心圧縮機の運転範囲を低流量域に拡大することが可能となる。
【０００８】
本発明の第２観点に係る遠心圧縮機は、第１観点に係る遠心圧縮機であって、インジェクション導入口は、戻り流路内に負圧空間が生成されるように形成される。
【０００９】
本発明の第２観点に係る遠心圧縮機では、戻り流路内に負圧空間ができるようにインジェクション導入口が戻り流路内に形成されている。当該負圧により、流体を戻り流路へ吸い込む力が増し、流体の循環率が向上する。したがって、サージングの発生が抑制され、遠心圧縮機の運転範囲を低流量域に拡大することが可能となる。
【００１０】
本発明の第３観点に係る遠心圧縮機は、第２観点に係る遠心圧縮機であって、戻り流路の入口は、インペラが配置される空間に面するケーシングの部位に形成される。インジェクション導入口は、戻り流路の入口の近傍に形成される。
【００１１】
本発明の第３観点に係る遠心圧縮機では、インジェクション導入口及び戻り流路の入口が互いに近い場所に形成されている。これにより、戻り流路の入口近傍に負圧空間が生成され、入口に流体が吸い込まれる。その結果、流体の循環率を向上することができる。したがって、サージングの発生が抑制され、遠心圧縮機の運転範囲を低流量域に拡大することが可能となる。
【００１２】
本発明の第４観点に係る冷凍装置は、第１の遠心圧縮機と、第２の遠心圧縮機と、放熱器と、減圧器と、蒸発器とを備える。第１の遠心圧縮機は、流体を吸入し、圧縮して吐出する。第２の遠心圧縮機は、第１の遠心圧縮機が吐出した流体を吸入し、さらに圧縮して吐出する。第２の遠心圧縮機は、本発明の第１観点から第３観点のいずれかに係る遠心圧縮機である。放熱器は、流体の熱を放熱するためのものである。減圧器は、流体の圧力を下げるためのものである。蒸発器は、流体を加熱するためのものである。流体の一部は、インジェクション導入口を介して第２の遠心圧縮機に導入される。
【００１３】
本発明の第４観点に係る冷凍装置では、流体の一部がインジェクション導入口を介して第２の遠心圧縮機の戻り流路内に導入される。流体の一部とは、放熱器から減圧器に向かう途中の高圧の流体の一部を分岐させた後、中間圧にまで減圧した流体である。これにより、戻り流路を介した流体の循環率を向上することができ、サージングの発生が抑制される。したがって、運転範囲を低流量域に拡大が可能な遠心圧縮機を備えた冷凍装置を提供することが可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の第１観点から第３観点に係る遠心圧縮機では、サージングの発生が抑制され、遠心圧縮機の運転範囲を低流量域に拡大することが可能となる。
【００１５】
本発明の第４観点に係る冷凍装置では、運転範囲を低流量域に拡大が可能な遠心圧縮機を備えた冷凍装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る遠心圧縮機が採用された冷凍装置１の概略構成図。
【図２】二段遠心圧縮機２の概略断面図。
【図３】図２の一部分の拡大図。
【図４】変形例１Ａにかかる冷凍装置３００の概略構成図。
【図５】従来技術に係る遠心圧縮機の概略断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（１）冷凍装置１の全体構成
図１は、本発明に係る遠心圧縮機の一例である二段遠心圧縮機２が採用された冷凍装置１の概略構成図である。冷凍装置１は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルによって空調等を行なう装置である。冷凍装置１は、主として、二段遠心圧縮機２、熱源側熱交換器３、エコノマイザ回路７、膨張機構４、利用側熱交換器５を有しており、これらの機器が接続されることによって流体、即ち気体、液体、或いはこれらの混合である冷媒が循環する冷媒回路を構成している。図中の矢印は、当該回路内の冷媒の流れ方向を示している。ここでは、冷媒として二酸化炭素が使用されている。なお、冷媒回路は、主冷媒回路と、エコノマイザ回路７とによって構成されている。
【００１８】
（１−１）二段遠心圧縮機２の概略構成
二段遠心圧縮機２は、本実施形態では、第１圧縮機構２ａと第２圧縮機構２ｂとが互いに直列に接続されて冷媒を段階的に圧縮するように構成されている。第１圧縮機構２ａの吸入口（図１の点Ａ）には、利用側熱交換器５から流れ出た冷媒を吸入できるように吸入管１１ａが接続されている。第１圧縮機構２ａの吐出口と第２圧縮機構２ｂの吸入口（図１の点Ｂ）とは、中間連結流路１１ｂによって接続されている。第２圧縮機構２ｂの吐出口には、吐出管１１ｃが接続されており、第２圧縮機構２ｂにより圧縮された冷媒は、当該吐出管１１ｃを介して熱源側熱交換器３に向けて吐出される。
【００１９】
（１−２）熱源側熱交換器３
熱源側熱交換器３は、二段遠心圧縮機２によって圧縮された高圧の冷媒の熱を放熱させる放熱器である。熱源側熱交換器３では、冷却源としての空気と、熱源側熱交換器３内を流れる冷媒との間で熱交換が行われる。なお、熱源側熱交換器３を通過する空気流れは、図示しないファンによって生成される。熱源側熱交換器３の一端には、第１高圧冷媒管１２ａ及び吐出管１１ｃを介して、二段遠心圧縮機２に接続されている。第１高圧冷媒管１２ａは、熱源側熱交換器３の入口と、吐出管１１ｃとに接続される冷媒管である。熱源側熱交換器３の他端、即ち出口には、第２高圧冷媒管１２ｂが接続されている。第２高圧冷媒管１２ｂの先には、後述するエコノマイザ熱交換器６が接続されている。また、第２高圧冷媒管１２ｂの途中には、エコノマイザ回路分岐管７ａが接続されており、主冷媒回路から後述するエコノマイザ回路７に分岐している。
【００２０】
（１−３）エコノマイザ回路７
エコノマイザ回路７は、主に、前述のエコノマイザ回路分岐管７ａ、膨張弁７ｂ、中間圧冷媒管７ｃ、及びエコノマイザ熱交換器６から構成されている。
【００２１】
エコノマイザ回路分岐管７ａは、前述のとおり、第２高圧冷媒管１２ｂから冷媒を分岐させ、膨張弁７ｂと接続する。
【００２２】
膨張弁７ｂは、開度制御が可能な戻し弁として機能する電動膨張弁である。膨張弁７ｂの開度制御は、冷媒回路に設けられた各種センサ（図示せず）から得られるデータに基づいてマイコン（図示せず）によって行われる。膨張弁７ｂにより、第２高圧冷媒管１２ｂから分岐した高圧の冷媒の圧力が中間圧にまで減圧される。減圧された冷媒は、気液二相状態となり、膨張弁７ｂに接続された中間圧冷媒管７ｃ内を通ってエコノマイザ熱交換器６に向けて流れる。なお、中間圧とは、第２高圧冷媒管１２ｂ内を流れる冷媒の圧力よりは低く、後述する第１低圧冷媒管１４ａ内を流れる冷媒の圧力よりは高い圧力である。
【００２３】
エコノマイザ熱交換器６では、熱源側熱交換器３から膨張機構４に送られる主冷媒回路の高圧の冷媒が、エコノマイザ回路７の中間圧冷媒管７ｃ内を流れる中間圧の冷媒との熱交換によって冷却される。中間圧冷媒管７ｃ内を流れる中間圧の冷媒は、一時的に気液二相状態で流れながら、熱源側熱交換器６から膨張機構４に送られる主冷媒回路の高圧の冷媒との熱交換によって加熱されて蒸発する。蒸発した中間圧の冷媒は、後述する第２圧縮機構２ｂに形成されたインジェクション導入口１２３に接続されたインジェクション管２２内を通って第２圧縮機構２ｂに導入される。
【００２４】
（１−４）膨張機構４
膨張機構４は、例えば、電動膨張弁であり、熱源側熱交換器３及びエコノマイザ熱交換器６において冷却された高圧の冷媒を、利用側熱交換器５に送る前に、冷凍サイクルにおける低圧付近まで減圧する減圧器として機能する。膨張機構４の一端は、第３高圧冷媒管１２ｃを介して、エコノマイザ熱交換器６に接続されている。膨張機構４は、第１低圧冷媒管１４ａを介して、利用側熱交換器５に接続されている。
【００２５】
（１−５）利用側熱交換器５
利用側熱交換器５は、膨張機構４によって減圧された低圧の冷媒を加熱して蒸発させる蒸発器である。利用側熱交換器５は、冷却対象としての空気と、利用側熱交換器５内を流れる冷媒との間で熱交換をさせる。なお、利用側熱交換器５を通過する空気流れは、図示しないファンによって生成される。利用側熱交換器５を通った冷媒は、第２低圧冷媒管１４ｂ、及び、吸入管１１ａを介して、二段遠心圧縮機２へ流れる。
【００２６】
（２）二段遠心圧縮機２の詳細構成
図２は、二段遠心圧縮機２の概略断面図である。二段遠心圧縮機２は、前述のとおり互いに直列に接続された第１圧縮機構２ａ及び第２圧縮機構２ｂのほか、各圧縮機構に設けられた後述するインペラ１１１、１２１の回転軸１０１、および回転軸１０１を回転駆動する図示しないモータを主に有する。なお、図２においてインペラの回転中心をＯ、回転軸線をＯ−Ｏとし、回転軸線Ｏ−Ｏに沿う方向を軸方向又は前後方向とする。そして、図に示すとおり吸入側を前とし、その反対側を後とする。即ち、第１圧縮機構２ａは、第２圧縮機構２ｂの前に位置し、第２圧縮機構２ｂは、第１圧縮機構２ａの後に位置する。
【００２７】
第１圧縮機構２ａは、主として、ケーシング１１２及び翼１１５を有するインペラ１１１を有する。第２圧縮機構２ｂは、主として、ケーシング１２２及び翼１２５ａ、１２５ｂを有するインペラ１２１を有する。以下、第１圧縮機構２ａと第２圧縮機構２ｂとは、主に後述するインジェクション導入口１２３の有無が異なるほかは同様の構成を有するので、第２圧縮機構２ｂについて説明することとし、第１圧縮機構２ａの説明は、省略する。
【００２８】
（２−１）インペラ１２１
インペラ１２１は、ケーシング１２２により覆われた空間内に配置されており、主として、ハブ１２１ａと、ハブ１２１ａの前面側でかつ径方向外側に配置された複数の主翼１２５ａ、及び主翼１２５ａよりも小さい補助翼１２５ｂを有しており、ハブ１２１ａの前後方向に延びる回転軸１０１を軸心として回転する。なお、主翼１２５ａおよび補助翼１２５ｂをまとめて指す場合は、翼１２５ａ、１２５ｂと呼ぶことにする。
【００２９】
ハブ１２１ａは、その前方から後方に向けて拡径する略円錐形状を有しており、回転軸１０１と一体回転するように回転軸１０１に軸支されている。
【００３０】
インペラ１２１は、モータが駆動することで、回転し、二酸化炭素冷媒を中間連結流路１１ｂから吸入し、圧縮して高圧とした後、吐出管１１ｃ（図１参照）に向けて吐出する。この際、各翼１２５ａ、１２５ｂの前方でかつ径方向外側の部分は、インペラ１２１が回転することにより、ケーシング１２２の対向面の近傍を沿うように移動する。これにより、冷媒の流速が増した状態で吐出され、デフューザと呼ばれる吐出側空間１２０ｃにおいて速度エネルギが圧力のエネルギに変換されることにより高圧冷媒となる。
【００３１】
（２−２）ケーシング１２２
ケーシング１２２には、主として、メイン流路１２０、戻り流路１２４、及びインジェクション導入口１２３が形成されている。
【００３２】
（２−２−１）メイン流路１２０
図３は、図２の第２圧縮機構２ｂの部分を拡大した図である。メイン流路１２０は、中間連結流路１１ｂの出口と接合する吸入口Ｂから第２圧縮機構２ｂへ吸入された冷媒が主に通る流路であり、インペラ１２１の吸入側にあるインフューザと呼ばれる吸入側空間１２０ａからインペラ１２１が配置された空間（以下、インペラ配置空間１２０ｂとする）を通って、インペラ１２１の吐出側にあるデフューザと呼ばれる吐出側空間１２０ｃへと通じている。即ち、冷媒は、吸入側空間１２０ａから図３の矢印Ｄ１方向へ流れ、インペラ配置空間１２０ｂを通過し、吐出側空間１２０ｃに向けて矢印Ｄ２方向へ流れる。吐出側空間１２０ｃの先には、冷媒を整流するためのスクロール室１２０ｄが設けられている。
【００３３】
（２−２−２）戻り流路１２４
戻り流路１２４は、インペラ配置空間１２０ｂに吸入された冷媒の一部を吸入側空間１２０ａに戻す流路である。戻り流路１２４は、図２における前後方向に長く延びるように形成されており、その前後方向に沿った断面（縦断面）は、図２に示されているように略長方形の形状をしている。戻り流路１２４の入口１２４ａは、インペラ配置空間１２０ｂに面するケーシング１２２の側壁に形成されている。具体的には、当該入口１２４ａは、側壁のインペラ１２１の補助翼１２５ｂの頭（図２の破線）、即ち最も前方に位置する補助翼１２５ｂの端部、に対向する位置に形成されている。当該入口１２４ａの位置は、略長方形をした戻り流路１２４の縦断面の後側の短辺Ｓ２近傍でもある。戻り流路１２４は、冷媒が当該入口１２４ａからケーシング１２２の側壁内部を前に向けて、即ち吸入側空間１２０ａを流れる冷媒とは逆の方向（図３の矢印Ｄ４方向）に流れるように形成され、その出口１２４ｂは、略長方形をした戻り流路１２４の縦断面の前側の短辺Ｓ１近傍からケーシング１２２の側壁の吸入側空間１２０ａに面する部位に開口するように形成されている。
【００３４】
なお、図２において、第１圧縮機構２ａのケーシング１１２には、戻り流路１２４が図示されていないが、ケーシング１２２と同様にケーシング１１２に戻り流路を設けてもよい。
【００３５】
（２−２−３）インジェクション導入口１２３
インジェクション導入口１２３は、第２高圧冷媒管１２ｂの途中において主冷媒回路からエコノマイザ回路７へ分岐した冷媒が、インジェクション管２２を介して、第２圧縮機構２ｂのケーシング１２２内へ導入される導入口である。インジェクション導入口１２３は、戻り流路１２４内に形成されている。したがって、冷媒は、インジェクション導入口１２３から戻り流路１２４に流入し、戻り流路１２４の出口１２４ｂから吸入側空間１２０ａへ出る。つまり、エコノマイザ回路７へ分岐した冷媒は、中間連結流路１１ｂからメイン流路１２０へ吸入される主冷媒回路の冷媒とは別にケーシング１２２内に導入される。
【００３６】
インジェクション導入口１２３は、インジェクション導入口１２３から導入される冷媒の流れにより、戻り流路１２４内の入口１２４ａ近傍に負圧空間Ｖができるように形成されている。具体的には、インジェクション導入口１２３は、略長方形をした戻り流路１２４の縦断面の後側の短辺Ｓ２に、前側の短辺Ｓ１に対向するように、即ち図３に示す矢印Ｄ６のようになるべく角度を付けずに冷媒がインジェクション導入口１２３から当該前側の短辺Ｓ１に向けて流れるように形成されている。したがって、インジェクション導入口１２３から導入された冷媒は、スムーズに出口１２４ｂのある前に向けて矢印Ｄ６方向に流れ、周辺の冷媒が当該流れに引き込まれる。これにより、戻り流路１２４内のインジェクション導入口１２３近傍に負圧空間Ｖが形成される。インジェクション導入口１２３は、戻り流路１２４の入口１２４ａに近い位置にあるから、当該負圧空間は、入口１２４ａ近傍に形成される。その結果、インペラ１２１により吸い込まれ、インペラ１２１とインペラ配置空間１２０ｂに面したケーシング１２２の側壁との間を流れる冷媒の一部は、戻り流路１２４の入口１２４ａへ矢印Ｄ３方向に吸い込まれる。
【００３７】
（３）冷媒の流れ
以下、第２圧縮機構２ｂにおける冷媒の流れについて説明する。
【００３８】
第１圧縮機構２ａにより中間圧に圧縮された冷媒は、中間連結流路１１ｂを通って、第２圧縮機構２ｂの吸入口Ｂからケーシング１２２内に吸入される。冷媒は、インペラ１２１の吸入側にある吸入側空間１２０ａからインペラ１２１の回転により矢印Ｄ１方向へ吸入され、インペラ配置空間１２０ｂを通って、矢印Ｄ２方向にインペラ１２１の吐出側にある吐出側空間１２０ｃへ流速が増した状態で流れ出る。流れ出た冷媒は、前述したとおり高圧に圧縮され高圧冷媒となる。
【００３９】
インペラ配置空間１２０ｂを通る冷媒の一部は、矢印Ｄ３方向に入口１２４ａから戻り流路１２４へ流入する。戻り流路１２４へ流入した冷媒は、戻り流路１２４内を矢印Ｄ４方向へ流れ、出口１２４ｂから矢印Ｄ５方向に吸入側空間１２０ａへ流れ出、再びインペラ１２１の回転によりインペラ配置空間１２０ｂへ吸入される。
【００４０】
また、中間連結流路１１ｂの出口、即ち吸入口Ｂから吐出側空間１２０ｃへと続くメイン流路１２０とは別に、エコノマイザ回路７へ分岐した中間圧の冷媒がインジェクション導入口１２３から戻り流路１２４へ流入する。インジェクション導入口１２３から流入した冷媒は、戻り流路１２４内を矢印Ｄ６方向に出口１２４ｂへ向かって流れ、出口１２４ｂから吸入側空間１２０ａへ出る。そして、冷媒は、インペラ１２１の回転によりインペラ配置空間１２０ｂへ吸入される。
【００４１】
ここで、インジェクション導入口１２３から流入し、戻り流路１２４内を出口１２４ｂへ向かって流れる冷媒の矢印Ｄ６方向への流れにより、当該流れ近傍に存在する冷媒が当該流れに引き込まれる。その結果、戻り流路１２４内のインジェクション導入口１２３近傍に負圧空間Ｖが生じる。インジェクション導入口１２３は、戻り流路１２４の入口１２４ａ近傍に形成されているから、当該負圧空間Ｖは、入口１２４ａ近傍に生じる。入口１２４ａ近傍に負圧空間が生じることにより、メイン流路１２０を流れる冷媒が、矢印Ｄ３方向に入口１２４ａへ吸い込まれ易くなる。その結果、戻り流路１２４を流れる冷媒の量が増加する、即ち、戻り流路１２４を介した冷媒の循環率が向上する。前述したとおり冷媒の循環により、インペラ１２１の翼１２５ａ、１２５ｂの途中、即ち翼１２５ａ、１２５ｂの頭より後方に生じる渦、剥離、即ちサージング、による失速領域の除去が促進されるから、第２圧縮機構２ｂ、即ち二段遠心圧縮機２の運転範囲をより低流量側へ拡大することが可能となる。また、冷媒の一部を戻り流路１２４へ分岐させると、分岐させない場合と比べて成績係数（ＣＯＰ）が低下することになるが、インジェクション導入口１２３から冷媒を導入することによりＣＯＰが向上することが期待できる。さらに、インジェクション導入口１２３から導入される冷媒が飽和状態であっても、戻り流路１２４を介して循環する冷媒と混合されることで、インジェクション導入口１２３から導入される冷媒に過熱をつけることが可能になり、インジェクション導入口１２３から導入される冷媒の湿りによるインペラ１２１の破壊を防止できるという効果もある。
【００４２】
なお、戻り流路１２４を流れる冷媒の量を調節するには、即ち冷媒の循環率を調節するには、膨張弁７ｂの開度を調節し、インジェクション導入口１２３から導入される冷媒の流量を調節すれば良い。インジェクション導入口１２３の大きさは、固定であるから、インジェクション導入口１２３から導入される冷媒の流量を増やせば、当該冷媒の流速が増し、当該冷媒の流れによる周辺の冷媒を吸込む力を増すことが出来る。
【００４３】
（４）特徴
（４−１）
上記実施形態では、二段遠心圧縮機２の第２圧縮機構２ｂは、翼１２５ａ、１２５ｂを有するインペラ１２１と、ケーシング１２２とを備える。ケーシング１２２には、インペラ１２１の回転により吸入される冷媒のメイン流路１２０と、インペラ配置空間１２０ｂに吸い込まれた冷媒の一部を吸入側空間１２０ａに戻す戻り流路１２４と、エコノマイザ回路７に分岐した中間圧の冷媒をメイン流路１２０とは別にケーシング１２２内に導入するインジェクション導入口１２３とが形成されている。インジェクション導入口１２３は、戻り流路１２４内に形成されている。
【００４４】
これにより、上記実施形態では、インジェクション導入口１２３から戻り流路１２４内へ流れ込む冷媒の流れに引き込まれることにより、冷媒が戻り流路１２４内へ吸い込まれ易くなり、戻り流路１２４への冷媒の吸込力が増し、冷媒の循環率が向上する。その結果、サージングの発生が抑制され、二段遠心圧縮機２の運転範囲を低流量域に拡大することが可能となっている。
【００４５】
（４−２）
また、上記実施形態では、インジェクション導入口１２３は、戻り流路１２４内において、略長方形をした戻り流路１２４の縦断面の後側短辺Ｓ２に、前側短辺Ｓ１に対向するように形成されている。即ち、インジェクション導入口１２３から戻り流路１２４内に流れる冷媒が、図３の矢印Ｄ６で示すように、当該略長方形の前側短辺Ｓ１に向けて、角度をなるべく付けずにスムーズに流れるように形成されている。これにより、インジェクション導入口１２３からの冷媒の矢印Ｄ６方向への流れに当該流れ周辺の冷媒が吸い込まれ、戻り流路１２４内に負圧空間Ｖが形成されるようになっている。よって、より多くの冷媒が戻り流路１２４内へ吸い込まれ、冷媒の循環率が向上するようになっている。その結果、サージングの発生が抑制され、二段遠心圧縮機２の運転範囲を低流量域に拡大することが可能となっている。
【００４６】
（４−３）
また、上記実施形態では、インジェクション導入口１２３は、戻り流路１２４内において、戻り流路１２４の入口１２４ａ近傍に形成されている。これにより、戻り流路１２４の入口１２４ａ近傍に負圧空間Ｖが生成され、入口１２４ａに冷媒が吸い込まれ易くなる。よって、冷媒の循環率を向上することができる。その結果、サージングの発生が抑制され、二段遠心圧縮機２の運転範囲を低流量域に拡大することが可能となっている。
【００４７】
（４−４）
また、上記実施形態では、サージングの発生が抑制され、運転範囲を低流量域に拡大することが可能な二段式遠心圧縮機２を備えた冷凍装置１を提供することが可能となっている。
【００４８】
（５）変形例
（５−１）変形例１Ａ
上記実施形態においては、冷凍装置１の冷媒回路は、冷房或いは冷却時の冷媒の流れを示しているが、他の実施形態においては、本発明に係る遠心圧縮機及び冷凍装置を暖房或いは加熱に適用しても良い。例えば、冷凍装置１を図４に示す冷凍装置３００のように変形し、冷房及び暖房の両方が可能なようにしても良い。
【００４９】
冷凍装置３００は、冷凍装置１と同様に、二段式遠心圧縮機２、熱源側熱交換器３０３、エコノマイザ熱交換器３０６を含むエコノマイザ回路３０７、膨張機構３０４、及び利用側熱交換器３０５を備えている。冷凍装置３００は、このほか、四路切換弁３１０ａ及び四路切換弁３１０ｂを備えている。
【００５０】
四路切換弁３１０ａは、二段式遠心圧縮機２、熱源側熱交換器３０３、及び利用側熱交換器３０５間の接続を切り替える。即ち、冷房時には、四路切換弁３１０ａは、二段式遠心圧縮機２の吐出口と熱源側熱交換器３０３とを、冷媒管３１１ｃ及び冷媒管３１２ａを介して接続する。また、二段式遠心圧縮機２の吸入口Ａと利用側熱交換器３０５とを、冷媒管３１１ａ及び冷媒管３１４ｂを介して接続する。一方、暖房時には、四路切換弁３１０ａは、二段式遠心圧縮機２の吐出口と利用側熱交換器３０５とを、冷媒管３１１ｃ及び冷媒管３１４ｂを介して接続する。また、二段式遠心圧縮機２の吸入口Ａと熱源側熱交換器３０３とを、冷媒管３１１ａ及び冷媒管３１２ａを介して接続する。
【００５１】
四路切換弁３１０ｂは、膨張機構３０４、熱源側熱交換器３０３、及び利用側熱交換器３０５間の接続を切り替える。即ち、冷房時には、四路切換弁３１０ｂは、熱源側熱交換器３０３と膨張機構３０４の入口とを、冷媒管３１２ｂ、冷媒管３１２ｃ、エコノマイザ熱交換器３０６、及び冷媒管３１２ｄを介して接続する。また、膨張機構３０４の出口と利用側熱交換器３０５とを、冷媒管３１３、及び冷媒管３１４ａを介して接続する。一方、暖房時には、四路切換弁３１０ｂは、利用側熱交換器３０５と膨張機構３０４の入口とを、冷媒管３１４ａ、冷媒管３１２ｃ、エコノマイザ熱交換器３０６、及び冷媒管３１２ｄを介して接続する。また、膨張機構３０４の出口と熱源側熱交換器３０３とを、冷媒管３１３、及び冷媒管３１２ｂを介して接続する。
【００５２】
次に、冷凍装置３００における冷媒の流れを、図４を参照しながら説明する。図４において四路切換弁３１０ａ及び３１０ｂ中の実線は、冷房時の冷媒の流れを示している。冷凍装置３００における冷房時の冷媒の流れは、冷凍装置１と同様であり、上記実施形態において既に説明しているから、説明を省略する。以下では、四路切換弁３１０ａ及び３１０ｂ中の点線で示された暖房時の冷媒の流れを説明する。
【００５３】
暖房時には、二段式遠心圧縮機２にて高圧に圧縮された冷媒は、二段式遠心圧縮機２の吐出口から冷媒管３１１ｃ、四路切換弁３１０ａ、及び冷媒管３１４ｂを介して利用側熱交換器３０５へ流れる。利用側熱交換器３０５では、高圧冷媒と空気との間で熱交換が行われ、高圧冷媒の熱が放熱される。この際、高圧冷媒は、凝縮され液体となる。なお、利用側熱交換器３０５を通過する空気の流れは、図示しないファンにより生成される。
【００５４】
利用側熱交換器３０５を出た高圧冷媒は、冷媒管３１４ａ、四路切換弁３１０ｂ、及び冷媒管３１２ｃを介してエコノマイザ熱交換器３０６へ流れる。冷媒管３１２ｃを流れる冷媒の一部は、途中でエコノマイザ回路３０７へ分岐する。エコノマイザ回路３０７へ分岐した冷媒は、膨張弁３０７ｂにより中間圧にまで減圧され、冷媒管３０７ｃを介してエコノマイザ熱交換器３０６へ流れる。エコノマイザ熱交換器３０６では、冷媒管３１２ｃから流入した高圧冷媒と、冷媒管３０７ｃから流入した中間圧の冷媒との間で熱交換される。その後、冷媒管３０７ｃから流入した中間圧の冷媒は、インジェクション管３２２を介して、二段式遠心圧縮機２のインジェクション導入口１２３へ流れる。冷媒管３１２ｃから流入した高圧冷媒は、冷媒管３１２ｄを介して膨張機構３０４へ流れる。
【００５５】
膨張機構３０４では、高圧冷媒が冷凍サイクルの低圧付近まで減圧される。減圧された低圧冷媒は、冷媒管３１３、四路切換弁３１０ｂ、及び冷媒管３１２ｂを介して熱源側熱交換器３０３へ流れる。
【００５６】
熱源側熱交換器３０３では、低圧冷媒と空気との間で熱交換が行われ、低圧冷媒が加熱され蒸発する。熱源側熱交換器３０３を通過する空気の流れは、図示しないファンにより生成される。低圧の気体となった冷媒は、熱源側熱交換器３０３を出て、冷媒管３１２ａ、四路切換弁３１０ａ、及び冷媒管３１１ａを介して二段式遠心圧縮機２の吸入口Ａへ流れる。
【００５７】
（５−２）変形例１Ｂ
上記実施形態においては、第１圧縮機構２ａのケーシング１１２には、戻り流路が形成されていないが、他の実施形態においては、ケーシング１１２に戻り流路が形成されていてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明に係る遠心圧縮機及び冷凍装置は、冷媒の低流量範囲で運転する冷凍装置において特に有用である。
【符号の説明】
【００５９】
１、３００ 冷凍装置
２ 二段遠心圧縮機
２ａ 第１圧縮機構（第１の遠心圧縮機）
２ｂ 第２圧縮機構（第２の遠心圧縮機）
３、３０３ 熱源側熱交換器（放熱器、蒸発器）
４、３０４ 膨張機構（減圧器）
５、３０５ 利用側熱交換器（蒸発器、放熱器）
１２０ メイン流路
１２０ａ 吸入側空間
１２０ｂ インペラ配置空間
１２１ インペラ
１２２ ケーシング
１２３ インジェクション導入口
１２４ 戻り流路
１２４ａ 入口
１２５ａ、１２５ｂ 翼
Ｖ 負圧空間
【先行技術文献】
【特許文献】
【００６０】
【特許文献１】特開平５−６００９７号公報
【技術分野】
【０００１】
本発明は、遠心圧縮機、及び冷凍装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、回転するインペラにより流体を加速させ圧縮する遠心圧縮機が、冷凍装置等に用いられてきたが、遠心圧縮機には、低流量域での運転に問題がある。即ち、低流量域では、サージングと呼ばれる、インペラの翼の周りに生じる渦、流体の剥離により、流体が失速するという問題がある。そこで、この問題を克服し、低流量域にも運転範囲を拡大する技術の開発が試みられてきた。
【０００３】
例えば、特許文献１（特開平５−６００９７号公報）では、インペラを収容するケーシングに吸入された流体の一部がインペラの途中からインペラの吸入側の空間へ還流する流路を形成することにより、サージングの発生する流量容量を減少させる技術が提案されている。当該従来技術について図５を用いてもう少し具体的に説明すると、ケーシング２０２の側壁内部に、チャンバ２０３と呼ばれる空間が設けられており、当該チャンバ２０３に通じる入口２０３ａとチャンバ２０３からの出口２０３ｂとが、それぞれ側壁のインペラ２０１に面する位置と、インペラ２０１の吸入側空間２００ａに面する位置とに設けられている。インペラ２０１の回転により吸入される流体の一部は、インペラ２０１の吐出側空間（デフューザ２００ｂ）へ流れる途中で入口２０３ａからチャンバ２０３内に流入し、出口２０３ｂを通ってインペラ２０１の吸入側空間２００ａに戻る循環流を形成する。これにより、インペラ２０１による吸引領域において発生した失速流れを循環流路内へ引き込み、サージングの発生を抑制する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に記載の技術は、上述の通り流体の循環流を形成させることによりサージングの発生を抑制するものであるが、当該技術では、チャンバ２０３への流体の引き込み力が弱く、サージングの抑制に十分な循環流を形成させることができない。したがって、今でも、サージングを抑制し、遠心圧縮機の運転範囲を低流量域にも拡大可能にする技術の登場が切望されている。
【０００５】
そこで、本発明の課題は、低流量域にも運転範囲の拡大が可能な遠心圧縮機及びこのような遠心圧縮機を備えた冷凍装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１観点に係る遠心圧縮機は、流体を吸入し、圧縮する遠心圧縮機であって、翼を有するインペラと、ケーシングとを備える。ケーシングには、メイン流路と、戻り流路と、インジェクション導入口とが形成されている。メイン流路は、インペラの回転によって吸入される流体の流路である。戻り流路は、インペラが配置される空間に吸入された冷媒の一部をインペラの吸入側空間に戻す。インジェクション導入口は、メイン流路とは別にケーシング内に流体を導入する。インジェクション導入口は、戻り流路内に形成される。
【０００７】
本発明の第１観点に係る遠心圧縮機では、そのケーシングには、ガス状冷媒等の流体のメイン流路と、インペラ配置空間からインペラ吸入側空間へ流体を戻す戻り流路と、メイン流路とは別に流体を導入するインジェクション導入口とが形成されている。インジェクション導入口は、当該戻り流路内に形成されている。その結果、インジェクション導入口から導入される流体の流れによって当該流れ周辺の流体が戻り流路へ吸い込まれる。これにより、流体を戻り流路へ吸い込む力が増し、流体の循環率が向上する。したがって、サージングの発生が抑制され、遠心圧縮機の運転範囲を低流量域に拡大することが可能となる。
【０００８】
本発明の第２観点に係る遠心圧縮機は、第１観点に係る遠心圧縮機であって、インジェクション導入口は、戻り流路内に負圧空間が生成されるように形成される。
【０００９】
本発明の第２観点に係る遠心圧縮機では、戻り流路内に負圧空間ができるようにインジェクション導入口が戻り流路内に形成されている。当該負圧により、流体を戻り流路へ吸い込む力が増し、流体の循環率が向上する。したがって、サージングの発生が抑制され、遠心圧縮機の運転範囲を低流量域に拡大することが可能となる。
【００１０】
本発明の第３観点に係る遠心圧縮機は、第２観点に係る遠心圧縮機であって、戻り流路の入口は、インペラが配置される空間に面するケーシングの部位に形成される。インジェクション導入口は、戻り流路の入口の近傍に形成される。
【００１１】
本発明の第３観点に係る遠心圧縮機では、インジェクション導入口及び戻り流路の入口が互いに近い場所に形成されている。これにより、戻り流路の入口近傍に負圧空間が生成され、入口に流体が吸い込まれる。その結果、流体の循環率を向上することができる。したがって、サージングの発生が抑制され、遠心圧縮機の運転範囲を低流量域に拡大することが可能となる。
【００１２】
本発明の第４観点に係る冷凍装置は、第１の遠心圧縮機と、第２の遠心圧縮機と、放熱器と、減圧器と、蒸発器とを備える。第１の遠心圧縮機は、流体を吸入し、圧縮して吐出する。第２の遠心圧縮機は、第１の遠心圧縮機が吐出した流体を吸入し、さらに圧縮して吐出する。第２の遠心圧縮機は、本発明の第１観点から第３観点のいずれかに係る遠心圧縮機である。放熱器は、流体の熱を放熱するためのものである。減圧器は、流体の圧力を下げるためのものである。蒸発器は、流体を加熱するためのものである。流体の一部は、インジェクション導入口を介して第２の遠心圧縮機に導入される。
【００１３】
本発明の第４観点に係る冷凍装置では、流体の一部がインジェクション導入口を介して第２の遠心圧縮機の戻り流路内に導入される。流体の一部とは、放熱器から減圧器に向かう途中の高圧の流体の一部を分岐させた後、中間圧にまで減圧した流体である。これにより、戻り流路を介した流体の循環率を向上することができ、サージングの発生が抑制される。したがって、運転範囲を低流量域に拡大が可能な遠心圧縮機を備えた冷凍装置を提供することが可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の第１観点から第３観点に係る遠心圧縮機では、サージングの発生が抑制され、遠心圧縮機の運転範囲を低流量域に拡大することが可能となる。
【００１５】
本発明の第４観点に係る冷凍装置では、運転範囲を低流量域に拡大が可能な遠心圧縮機を備えた冷凍装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る遠心圧縮機が採用された冷凍装置１の概略構成図。
【図２】二段遠心圧縮機２の概略断面図。
【図３】図２の一部分の拡大図。
【図４】変形例１Ａにかかる冷凍装置３００の概略構成図。
【図５】従来技術に係る遠心圧縮機の概略断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（１）冷凍装置１の全体構成
図１は、本発明に係る遠心圧縮機の一例である二段遠心圧縮機２が採用された冷凍装置１の概略構成図である。冷凍装置１は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルによって空調等を行なう装置である。冷凍装置１は、主として、二段遠心圧縮機２、熱源側熱交換器３、エコノマイザ回路７、膨張機構４、利用側熱交換器５を有しており、これらの機器が接続されることによって流体、即ち気体、液体、或いはこれらの混合である冷媒が循環する冷媒回路を構成している。図中の矢印は、当該回路内の冷媒の流れ方向を示している。ここでは、冷媒として二酸化炭素が使用されている。なお、冷媒回路は、主冷媒回路と、エコノマイザ回路７とによって構成されている。
【００１８】
（１−１）二段遠心圧縮機２の概略構成
二段遠心圧縮機２は、本実施形態では、第１圧縮機構２ａと第２圧縮機構２ｂとが互いに直列に接続されて冷媒を段階的に圧縮するように構成されている。第１圧縮機構２ａの吸入口（図１の点Ａ）には、利用側熱交換器５から流れ出た冷媒を吸入できるように吸入管１１ａが接続されている。第１圧縮機構２ａの吐出口と第２圧縮機構２ｂの吸入口（図１の点Ｂ）とは、中間連結流路１１ｂによって接続されている。第２圧縮機構２ｂの吐出口には、吐出管１１ｃが接続されており、第２圧縮機構２ｂにより圧縮された冷媒は、当該吐出管１１ｃを介して熱源側熱交換器３に向けて吐出される。
【００１９】
（１−２）熱源側熱交換器３
熱源側熱交換器３は、二段遠心圧縮機２によって圧縮された高圧の冷媒の熱を放熱させる放熱器である。熱源側熱交換器３では、冷却源としての空気と、熱源側熱交換器３内を流れる冷媒との間で熱交換が行われる。なお、熱源側熱交換器３を通過する空気流れは、図示しないファンによって生成される。熱源側熱交換器３の一端には、第１高圧冷媒管１２ａ及び吐出管１１ｃを介して、二段遠心圧縮機２に接続されている。第１高圧冷媒管１２ａは、熱源側熱交換器３の入口と、吐出管１１ｃとに接続される冷媒管である。熱源側熱交換器３の他端、即ち出口には、第２高圧冷媒管１２ｂが接続されている。第２高圧冷媒管１２ｂの先には、後述するエコノマイザ熱交換器６が接続されている。また、第２高圧冷媒管１２ｂの途中には、エコノマイザ回路分岐管７ａが接続されており、主冷媒回路から後述するエコノマイザ回路７に分岐している。
【００２０】
（１−３）エコノマイザ回路７
エコノマイザ回路７は、主に、前述のエコノマイザ回路分岐管７ａ、膨張弁７ｂ、中間圧冷媒管７ｃ、及びエコノマイザ熱交換器６から構成されている。
【００２１】
エコノマイザ回路分岐管７ａは、前述のとおり、第２高圧冷媒管１２ｂから冷媒を分岐させ、膨張弁７ｂと接続する。
【００２２】
膨張弁７ｂは、開度制御が可能な戻し弁として機能する電動膨張弁である。膨張弁７ｂの開度制御は、冷媒回路に設けられた各種センサ（図示せず）から得られるデータに基づいてマイコン（図示せず）によって行われる。膨張弁７ｂにより、第２高圧冷媒管１２ｂから分岐した高圧の冷媒の圧力が中間圧にまで減圧される。減圧された冷媒は、気液二相状態となり、膨張弁７ｂに接続された中間圧冷媒管７ｃ内を通ってエコノマイザ熱交換器６に向けて流れる。なお、中間圧とは、第２高圧冷媒管１２ｂ内を流れる冷媒の圧力よりは低く、後述する第１低圧冷媒管１４ａ内を流れる冷媒の圧力よりは高い圧力である。
【００２３】
エコノマイザ熱交換器６では、熱源側熱交換器３から膨張機構４に送られる主冷媒回路の高圧の冷媒が、エコノマイザ回路７の中間圧冷媒管７ｃ内を流れる中間圧の冷媒との熱交換によって冷却される。中間圧冷媒管７ｃ内を流れる中間圧の冷媒は、一時的に気液二相状態で流れながら、熱源側熱交換器６から膨張機構４に送られる主冷媒回路の高圧の冷媒との熱交換によって加熱されて蒸発する。蒸発した中間圧の冷媒は、後述する第２圧縮機構２ｂに形成されたインジェクション導入口１２３に接続されたインジェクション管２２内を通って第２圧縮機構２ｂに導入される。
【００２４】
（１−４）膨張機構４
膨張機構４は、例えば、電動膨張弁であり、熱源側熱交換器３及びエコノマイザ熱交換器６において冷却された高圧の冷媒を、利用側熱交換器５に送る前に、冷凍サイクルにおける低圧付近まで減圧する減圧器として機能する。膨張機構４の一端は、第３高圧冷媒管１２ｃを介して、エコノマイザ熱交換器６に接続されている。膨張機構４は、第１低圧冷媒管１４ａを介して、利用側熱交換器５に接続されている。
【００２５】
（１−５）利用側熱交換器５
利用側熱交換器５は、膨張機構４によって減圧された低圧の冷媒を加熱して蒸発させる蒸発器である。利用側熱交換器５は、冷却対象としての空気と、利用側熱交換器５内を流れる冷媒との間で熱交換をさせる。なお、利用側熱交換器５を通過する空気流れは、図示しないファンによって生成される。利用側熱交換器５を通った冷媒は、第２低圧冷媒管１４ｂ、及び、吸入管１１ａを介して、二段遠心圧縮機２へ流れる。
【００２６】
（２）二段遠心圧縮機２の詳細構成
図２は、二段遠心圧縮機２の概略断面図である。二段遠心圧縮機２は、前述のとおり互いに直列に接続された第１圧縮機構２ａ及び第２圧縮機構２ｂのほか、各圧縮機構に設けられた後述するインペラ１１１、１２１の回転軸１０１、および回転軸１０１を回転駆動する図示しないモータを主に有する。なお、図２においてインペラの回転中心をＯ、回転軸線をＯ−Ｏとし、回転軸線Ｏ−Ｏに沿う方向を軸方向又は前後方向とする。そして、図に示すとおり吸入側を前とし、その反対側を後とする。即ち、第１圧縮機構２ａは、第２圧縮機構２ｂの前に位置し、第２圧縮機構２ｂは、第１圧縮機構２ａの後に位置する。
【００２７】
第１圧縮機構２ａは、主として、ケーシング１１２及び翼１１５を有するインペラ１１１を有する。第２圧縮機構２ｂは、主として、ケーシング１２２及び翼１２５ａ、１２５ｂを有するインペラ１２１を有する。以下、第１圧縮機構２ａと第２圧縮機構２ｂとは、主に後述するインジェクション導入口１２３の有無が異なるほかは同様の構成を有するので、第２圧縮機構２ｂについて説明することとし、第１圧縮機構２ａの説明は、省略する。
【００２８】
（２−１）インペラ１２１
インペラ１２１は、ケーシング１２２により覆われた空間内に配置されており、主として、ハブ１２１ａと、ハブ１２１ａの前面側でかつ径方向外側に配置された複数の主翼１２５ａ、及び主翼１２５ａよりも小さい補助翼１２５ｂを有しており、ハブ１２１ａの前後方向に延びる回転軸１０１を軸心として回転する。なお、主翼１２５ａおよび補助翼１２５ｂをまとめて指す場合は、翼１２５ａ、１２５ｂと呼ぶことにする。
【００２９】
ハブ１２１ａは、その前方から後方に向けて拡径する略円錐形状を有しており、回転軸１０１と一体回転するように回転軸１０１に軸支されている。
【００３０】
インペラ１２１は、モータが駆動することで、回転し、二酸化炭素冷媒を中間連結流路１１ｂから吸入し、圧縮して高圧とした後、吐出管１１ｃ（図１参照）に向けて吐出する。この際、各翼１２５ａ、１２５ｂの前方でかつ径方向外側の部分は、インペラ１２１が回転することにより、ケーシング１２２の対向面の近傍を沿うように移動する。これにより、冷媒の流速が増した状態で吐出され、デフューザと呼ばれる吐出側空間１２０ｃにおいて速度エネルギが圧力のエネルギに変換されることにより高圧冷媒となる。
【００３１】
（２−２）ケーシング１２２
ケーシング１２２には、主として、メイン流路１２０、戻り流路１２４、及びインジェクション導入口１２３が形成されている。
【００３２】
（２−２−１）メイン流路１２０
図３は、図２の第２圧縮機構２ｂの部分を拡大した図である。メイン流路１２０は、中間連結流路１１ｂの出口と接合する吸入口Ｂから第２圧縮機構２ｂへ吸入された冷媒が主に通る流路であり、インペラ１２１の吸入側にあるインフューザと呼ばれる吸入側空間１２０ａからインペラ１２１が配置された空間（以下、インペラ配置空間１２０ｂとする）を通って、インペラ１２１の吐出側にあるデフューザと呼ばれる吐出側空間１２０ｃへと通じている。即ち、冷媒は、吸入側空間１２０ａから図３の矢印Ｄ１方向へ流れ、インペラ配置空間１２０ｂを通過し、吐出側空間１２０ｃに向けて矢印Ｄ２方向へ流れる。吐出側空間１２０ｃの先には、冷媒を整流するためのスクロール室１２０ｄが設けられている。
【００３３】
（２−２−２）戻り流路１２４
戻り流路１２４は、インペラ配置空間１２０ｂに吸入された冷媒の一部を吸入側空間１２０ａに戻す流路である。戻り流路１２４は、図２における前後方向に長く延びるように形成されており、その前後方向に沿った断面（縦断面）は、図２に示されているように略長方形の形状をしている。戻り流路１２４の入口１２４ａは、インペラ配置空間１２０ｂに面するケーシング１２２の側壁に形成されている。具体的には、当該入口１２４ａは、側壁のインペラ１２１の補助翼１２５ｂの頭（図２の破線）、即ち最も前方に位置する補助翼１２５ｂの端部、に対向する位置に形成されている。当該入口１２４ａの位置は、略長方形をした戻り流路１２４の縦断面の後側の短辺Ｓ２近傍でもある。戻り流路１２４は、冷媒が当該入口１２４ａからケーシング１２２の側壁内部を前に向けて、即ち吸入側空間１２０ａを流れる冷媒とは逆の方向（図３の矢印Ｄ４方向）に流れるように形成され、その出口１２４ｂは、略長方形をした戻り流路１２４の縦断面の前側の短辺Ｓ１近傍からケーシング１２２の側壁の吸入側空間１２０ａに面する部位に開口するように形成されている。
【００３４】
なお、図２において、第１圧縮機構２ａのケーシング１１２には、戻り流路１２４が図示されていないが、ケーシング１２２と同様にケーシング１１２に戻り流路を設けてもよい。
【００３５】
（２−２−３）インジェクション導入口１２３
インジェクション導入口１２３は、第２高圧冷媒管１２ｂの途中において主冷媒回路からエコノマイザ回路７へ分岐した冷媒が、インジェクション管２２を介して、第２圧縮機構２ｂのケーシング１２２内へ導入される導入口である。インジェクション導入口１２３は、戻り流路１２４内に形成されている。したがって、冷媒は、インジェクション導入口１２３から戻り流路１２４に流入し、戻り流路１２４の出口１２４ｂから吸入側空間１２０ａへ出る。つまり、エコノマイザ回路７へ分岐した冷媒は、中間連結流路１１ｂからメイン流路１２０へ吸入される主冷媒回路の冷媒とは別にケーシング１２２内に導入される。
【００３６】
インジェクション導入口１２３は、インジェクション導入口１２３から導入される冷媒の流れにより、戻り流路１２４内の入口１２４ａ近傍に負圧空間Ｖができるように形成されている。具体的には、インジェクション導入口１２３は、略長方形をした戻り流路１２４の縦断面の後側の短辺Ｓ２に、前側の短辺Ｓ１に対向するように、即ち図３に示す矢印Ｄ６のようになるべく角度を付けずに冷媒がインジェクション導入口１２３から当該前側の短辺Ｓ１に向けて流れるように形成されている。したがって、インジェクション導入口１２３から導入された冷媒は、スムーズに出口１２４ｂのある前に向けて矢印Ｄ６方向に流れ、周辺の冷媒が当該流れに引き込まれる。これにより、戻り流路１２４内のインジェクション導入口１２３近傍に負圧空間Ｖが形成される。インジェクション導入口１２３は、戻り流路１２４の入口１２４ａに近い位置にあるから、当該負圧空間は、入口１２４ａ近傍に形成される。その結果、インペラ１２１により吸い込まれ、インペラ１２１とインペラ配置空間１２０ｂに面したケーシング１２２の側壁との間を流れる冷媒の一部は、戻り流路１２４の入口１２４ａへ矢印Ｄ３方向に吸い込まれる。
【００３７】
（３）冷媒の流れ
以下、第２圧縮機構２ｂにおける冷媒の流れについて説明する。
【００３８】
第１圧縮機構２ａにより中間圧に圧縮された冷媒は、中間連結流路１１ｂを通って、第２圧縮機構２ｂの吸入口Ｂからケーシング１２２内に吸入される。冷媒は、インペラ１２１の吸入側にある吸入側空間１２０ａからインペラ１２１の回転により矢印Ｄ１方向へ吸入され、インペラ配置空間１２０ｂを通って、矢印Ｄ２方向にインペラ１２１の吐出側にある吐出側空間１２０ｃへ流速が増した状態で流れ出る。流れ出た冷媒は、前述したとおり高圧に圧縮され高圧冷媒となる。
【００３９】
インペラ配置空間１２０ｂを通る冷媒の一部は、矢印Ｄ３方向に入口１２４ａから戻り流路１２４へ流入する。戻り流路１２４へ流入した冷媒は、戻り流路１２４内を矢印Ｄ４方向へ流れ、出口１２４ｂから矢印Ｄ５方向に吸入側空間１２０ａへ流れ出、再びインペラ１２１の回転によりインペラ配置空間１２０ｂへ吸入される。
【００４０】
また、中間連結流路１１ｂの出口、即ち吸入口Ｂから吐出側空間１２０ｃへと続くメイン流路１２０とは別に、エコノマイザ回路７へ分岐した中間圧の冷媒がインジェクション導入口１２３から戻り流路１２４へ流入する。インジェクション導入口１２３から流入した冷媒は、戻り流路１２４内を矢印Ｄ６方向に出口１２４ｂへ向かって流れ、出口１２４ｂから吸入側空間１２０ａへ出る。そして、冷媒は、インペラ１２１の回転によりインペラ配置空間１２０ｂへ吸入される。
【００４１】
ここで、インジェクション導入口１２３から流入し、戻り流路１２４内を出口１２４ｂへ向かって流れる冷媒の矢印Ｄ６方向への流れにより、当該流れ近傍に存在する冷媒が当該流れに引き込まれる。その結果、戻り流路１２４内のインジェクション導入口１２３近傍に負圧空間Ｖが生じる。インジェクション導入口１２３は、戻り流路１２４の入口１２４ａ近傍に形成されているから、当該負圧空間Ｖは、入口１２４ａ近傍に生じる。入口１２４ａ近傍に負圧空間が生じることにより、メイン流路１２０を流れる冷媒が、矢印Ｄ３方向に入口１２４ａへ吸い込まれ易くなる。その結果、戻り流路１２４を流れる冷媒の量が増加する、即ち、戻り流路１２４を介した冷媒の循環率が向上する。前述したとおり冷媒の循環により、インペラ１２１の翼１２５ａ、１２５ｂの途中、即ち翼１２５ａ、１２５ｂの頭より後方に生じる渦、剥離、即ちサージング、による失速領域の除去が促進されるから、第２圧縮機構２ｂ、即ち二段遠心圧縮機２の運転範囲をより低流量側へ拡大することが可能となる。また、冷媒の一部を戻り流路１２４へ分岐させると、分岐させない場合と比べて成績係数（ＣＯＰ）が低下することになるが、インジェクション導入口１２３から冷媒を導入することによりＣＯＰが向上することが期待できる。さらに、インジェクション導入口１２３から導入される冷媒が飽和状態であっても、戻り流路１２４を介して循環する冷媒と混合されることで、インジェクション導入口１２３から導入される冷媒に過熱をつけることが可能になり、インジェクション導入口１２３から導入される冷媒の湿りによるインペラ１２１の破壊を防止できるという効果もある。
【００４２】
なお、戻り流路１２４を流れる冷媒の量を調節するには、即ち冷媒の循環率を調節するには、膨張弁７ｂの開度を調節し、インジェクション導入口１２３から導入される冷媒の流量を調節すれば良い。インジェクション導入口１２３の大きさは、固定であるから、インジェクション導入口１２３から導入される冷媒の流量を増やせば、当該冷媒の流速が増し、当該冷媒の流れによる周辺の冷媒を吸込む力を増すことが出来る。
【００４３】
（４）特徴
（４−１）
上記実施形態では、二段遠心圧縮機２の第２圧縮機構２ｂは、翼１２５ａ、１２５ｂを有するインペラ１２１と、ケーシング１２２とを備える。ケーシング１２２には、インペラ１２１の回転により吸入される冷媒のメイン流路１２０と、インペラ配置空間１２０ｂに吸い込まれた冷媒の一部を吸入側空間１２０ａに戻す戻り流路１２４と、エコノマイザ回路７に分岐した中間圧の冷媒をメイン流路１２０とは別にケーシング１２２内に導入するインジェクション導入口１２３とが形成されている。インジェクション導入口１２３は、戻り流路１２４内に形成されている。
【００４４】
これにより、上記実施形態では、インジェクション導入口１２３から戻り流路１２４内へ流れ込む冷媒の流れに引き込まれることにより、冷媒が戻り流路１２４内へ吸い込まれ易くなり、戻り流路１２４への冷媒の吸込力が増し、冷媒の循環率が向上する。その結果、サージングの発生が抑制され、二段遠心圧縮機２の運転範囲を低流量域に拡大することが可能となっている。
【００４５】
（４−２）
また、上記実施形態では、インジェクション導入口１２３は、戻り流路１２４内において、略長方形をした戻り流路１２４の縦断面の後側短辺Ｓ２に、前側短辺Ｓ１に対向するように形成されている。即ち、インジェクション導入口１２３から戻り流路１２４内に流れる冷媒が、図３の矢印Ｄ６で示すように、当該略長方形の前側短辺Ｓ１に向けて、角度をなるべく付けずにスムーズに流れるように形成されている。これにより、インジェクション導入口１２３からの冷媒の矢印Ｄ６方向への流れに当該流れ周辺の冷媒が吸い込まれ、戻り流路１２４内に負圧空間Ｖが形成されるようになっている。よって、より多くの冷媒が戻り流路１２４内へ吸い込まれ、冷媒の循環率が向上するようになっている。その結果、サージングの発生が抑制され、二段遠心圧縮機２の運転範囲を低流量域に拡大することが可能となっている。
【００４６】
（４−３）
また、上記実施形態では、インジェクション導入口１２３は、戻り流路１２４内において、戻り流路１２４の入口１２４ａ近傍に形成されている。これにより、戻り流路１２４の入口１２４ａ近傍に負圧空間Ｖが生成され、入口１２４ａに冷媒が吸い込まれ易くなる。よって、冷媒の循環率を向上することができる。その結果、サージングの発生が抑制され、二段遠心圧縮機２の運転範囲を低流量域に拡大することが可能となっている。
【００４７】
（４−４）
また、上記実施形態では、サージングの発生が抑制され、運転範囲を低流量域に拡大することが可能な二段式遠心圧縮機２を備えた冷凍装置１を提供することが可能となっている。
【００４８】
（５）変形例
（５−１）変形例１Ａ
上記実施形態においては、冷凍装置１の冷媒回路は、冷房或いは冷却時の冷媒の流れを示しているが、他の実施形態においては、本発明に係る遠心圧縮機及び冷凍装置を暖房或いは加熱に適用しても良い。例えば、冷凍装置１を図４に示す冷凍装置３００のように変形し、冷房及び暖房の両方が可能なようにしても良い。
【００４９】
冷凍装置３００は、冷凍装置１と同様に、二段式遠心圧縮機２、熱源側熱交換器３０３、エコノマイザ熱交換器３０６を含むエコノマイザ回路３０７、膨張機構３０４、及び利用側熱交換器３０５を備えている。冷凍装置３００は、このほか、四路切換弁３１０ａ及び四路切換弁３１０ｂを備えている。
【００５０】
四路切換弁３１０ａは、二段式遠心圧縮機２、熱源側熱交換器３０３、及び利用側熱交換器３０５間の接続を切り替える。即ち、冷房時には、四路切換弁３１０ａは、二段式遠心圧縮機２の吐出口と熱源側熱交換器３０３とを、冷媒管３１１ｃ及び冷媒管３１２ａを介して接続する。また、二段式遠心圧縮機２の吸入口Ａと利用側熱交換器３０５とを、冷媒管３１１ａ及び冷媒管３１４ｂを介して接続する。一方、暖房時には、四路切換弁３１０ａは、二段式遠心圧縮機２の吐出口と利用側熱交換器３０５とを、冷媒管３１１ｃ及び冷媒管３１４ｂを介して接続する。また、二段式遠心圧縮機２の吸入口Ａと熱源側熱交換器３０３とを、冷媒管３１１ａ及び冷媒管３１２ａを介して接続する。
【００５１】
四路切換弁３１０ｂは、膨張機構３０４、熱源側熱交換器３０３、及び利用側熱交換器３０５間の接続を切り替える。即ち、冷房時には、四路切換弁３１０ｂは、熱源側熱交換器３０３と膨張機構３０４の入口とを、冷媒管３１２ｂ、冷媒管３１２ｃ、エコノマイザ熱交換器３０６、及び冷媒管３１２ｄを介して接続する。また、膨張機構３０４の出口と利用側熱交換器３０５とを、冷媒管３１３、及び冷媒管３１４ａを介して接続する。一方、暖房時には、四路切換弁３１０ｂは、利用側熱交換器３０５と膨張機構３０４の入口とを、冷媒管３１４ａ、冷媒管３１２ｃ、エコノマイザ熱交換器３０６、及び冷媒管３１２ｄを介して接続する。また、膨張機構３０４の出口と熱源側熱交換器３０３とを、冷媒管３１３、及び冷媒管３１２ｂを介して接続する。
【００５２】
次に、冷凍装置３００における冷媒の流れを、図４を参照しながら説明する。図４において四路切換弁３１０ａ及び３１０ｂ中の実線は、冷房時の冷媒の流れを示している。冷凍装置３００における冷房時の冷媒の流れは、冷凍装置１と同様であり、上記実施形態において既に説明しているから、説明を省略する。以下では、四路切換弁３１０ａ及び３１０ｂ中の点線で示された暖房時の冷媒の流れを説明する。
【００５３】
暖房時には、二段式遠心圧縮機２にて高圧に圧縮された冷媒は、二段式遠心圧縮機２の吐出口から冷媒管３１１ｃ、四路切換弁３１０ａ、及び冷媒管３１４ｂを介して利用側熱交換器３０５へ流れる。利用側熱交換器３０５では、高圧冷媒と空気との間で熱交換が行われ、高圧冷媒の熱が放熱される。この際、高圧冷媒は、凝縮され液体となる。なお、利用側熱交換器３０５を通過する空気の流れは、図示しないファンにより生成される。
【００５４】
利用側熱交換器３０５を出た高圧冷媒は、冷媒管３１４ａ、四路切換弁３１０ｂ、及び冷媒管３１２ｃを介してエコノマイザ熱交換器３０６へ流れる。冷媒管３１２ｃを流れる冷媒の一部は、途中でエコノマイザ回路３０７へ分岐する。エコノマイザ回路３０７へ分岐した冷媒は、膨張弁３０７ｂにより中間圧にまで減圧され、冷媒管３０７ｃを介してエコノマイザ熱交換器３０６へ流れる。エコノマイザ熱交換器３０６では、冷媒管３１２ｃから流入した高圧冷媒と、冷媒管３０７ｃから流入した中間圧の冷媒との間で熱交換される。その後、冷媒管３０７ｃから流入した中間圧の冷媒は、インジェクション管３２２を介して、二段式遠心圧縮機２のインジェクション導入口１２３へ流れる。冷媒管３１２ｃから流入した高圧冷媒は、冷媒管３１２ｄを介して膨張機構３０４へ流れる。
【００５５】
膨張機構３０４では、高圧冷媒が冷凍サイクルの低圧付近まで減圧される。減圧された低圧冷媒は、冷媒管３１３、四路切換弁３１０ｂ、及び冷媒管３１２ｂを介して熱源側熱交換器３０３へ流れる。
【００５６】
熱源側熱交換器３０３では、低圧冷媒と空気との間で熱交換が行われ、低圧冷媒が加熱され蒸発する。熱源側熱交換器３０３を通過する空気の流れは、図示しないファンにより生成される。低圧の気体となった冷媒は、熱源側熱交換器３０３を出て、冷媒管３１２ａ、四路切換弁３１０ａ、及び冷媒管３１１ａを介して二段式遠心圧縮機２の吸入口Ａへ流れる。
【００５７】
（５−２）変形例１Ｂ
上記実施形態においては、第１圧縮機構２ａのケーシング１１２には、戻り流路が形成されていないが、他の実施形態においては、ケーシング１１２に戻り流路が形成されていてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明に係る遠心圧縮機及び冷凍装置は、冷媒の低流量範囲で運転する冷凍装置において特に有用である。
【符号の説明】
【００５９】
１、３００ 冷凍装置
２ 二段遠心圧縮機
２ａ 第１圧縮機構（第１の遠心圧縮機）
２ｂ 第２圧縮機構（第２の遠心圧縮機）
３、３０３ 熱源側熱交換器（放熱器、蒸発器）
４、３０４ 膨張機構（減圧器）
５、３０５ 利用側熱交換器（蒸発器、放熱器）
１２０ メイン流路
１２０ａ 吸入側空間
１２０ｂ インペラ配置空間
１２１ インペラ
１２２ ケーシング
１２３ インジェクション導入口
１２４ 戻り流路
１２４ａ 入口
１２５ａ、１２５ｂ 翼
Ｖ 負圧空間
【先行技術文献】
【特許文献】
【００６０】
【特許文献１】特開平５−６００９７号公報
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を吸入し、圧縮する遠心圧縮機（２ｂ）であって、
翼を有するインペラ（１２１）と、
ケーシング（１２２）と、
を備え、
前記ケーシング（１２２）には、
前記インペラ（１２１）の回転によって吸入される前記流体の流路であるメイン流路（１２０）と、
前記インペラ（１２１）が配置される空間（１２０ｂ）に吸入された前記冷媒の一部を前記インペラ（１２１）の吸入側空間（１２０ａ）に戻す戻り流路（１２４）と、
前記メイン流路（１２０）とは別に前記ケーシング（１２２）内に前記流体を導入するインジェクション導入口（１２３）と、
が形成され、
前記インジェクション導入口（１２３）が、前記戻り流路（１２４）内に形成された、
遠心圧縮機（２ｂ）。
【請求項２】
前記インジェクション導入口（１２３）は、前記戻り流路（１２４）内に負圧空間（Ｖ）が生成されるように形成された、
請求項１に記載の遠心圧縮機（２ｂ）。
【請求項３】
前記戻り流路（１２４）の入口（１２４ａ）は、前記インペラ（１２１）が配置される空間（１２０ｂ）に面する前記ケーシング（１２２）の部位に形成され、
前記インジェクション導入口（１２３）は、前記戻り流路（１２４）の入口（１２４ａ）の近傍に形成された、
請求項２に記載の遠心圧縮機（２ｂ）。
【請求項４】
流体を吸入し、圧縮して吐出する第１の遠心圧縮機（２ａ）と、
前記第１の遠心圧縮機が吐出した前記流体を吸入し、さらに圧縮して吐出する請求項１〜３のいずれかに記載の遠心圧縮機である第２の遠心圧縮機（２ｂ）と、
前記流体の熱を放熱するための放熱器と、
前記流体の圧力を下げる減圧器（４、３０４）と、
前記流体を加熱するための蒸発器と、
を備え、
前記流体の一部が前記インジェクション導入口（１２３）を介して前記第２の遠心圧縮機（２ｂ）に導入される、
冷凍装置（１、３００）。
【請求項１】
流体を吸入し、圧縮する遠心圧縮機（２ｂ）であって、
翼を有するインペラ（１２１）と、
ケーシング（１２２）と、
を備え、
前記ケーシング（１２２）には、
前記インペラ（１２１）の回転によって吸入される前記流体の流路であるメイン流路（１２０）と、
前記インペラ（１２１）が配置される空間（１２０ｂ）に吸入された前記冷媒の一部を前記インペラ（１２１）の吸入側空間（１２０ａ）に戻す戻り流路（１２４）と、
前記メイン流路（１２０）とは別に前記ケーシング（１２２）内に前記流体を導入するインジェクション導入口（１２３）と、
が形成され、
前記インジェクション導入口（１２３）が、前記戻り流路（１２４）内に形成された、
遠心圧縮機（２ｂ）。
【請求項２】
前記インジェクション導入口（１２３）は、前記戻り流路（１２４）内に負圧空間（Ｖ）が生成されるように形成された、
請求項１に記載の遠心圧縮機（２ｂ）。
【請求項３】
前記戻り流路（１２４）の入口（１２４ａ）は、前記インペラ（１２１）が配置される空間（１２０ｂ）に面する前記ケーシング（１２２）の部位に形成され、
前記インジェクション導入口（１２３）は、前記戻り流路（１２４）の入口（１２４ａ）の近傍に形成された、
請求項２に記載の遠心圧縮機（２ｂ）。
【請求項４】
流体を吸入し、圧縮して吐出する第１の遠心圧縮機（２ａ）と、
前記第１の遠心圧縮機が吐出した前記流体を吸入し、さらに圧縮して吐出する請求項１〜３のいずれかに記載の遠心圧縮機である第２の遠心圧縮機（２ｂ）と、
前記流体の熱を放熱するための放熱器と、
前記流体の圧力を下げる減圧器（４、３０４）と、
前記流体を加熱するための蒸発器と、
を備え、
前記流体の一部が前記インジェクション導入口（１２３）を介して前記第２の遠心圧縮機（２ｂ）に導入される、
冷凍装置（１、３００）。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−７６３８９（Ｐ２０１３−７６３８９Ａ）
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１８０１０（Ｐ２０１１−２１８０１０）
【出願日】平成２３年９月３０日（２０１１．９．３０）
【出願人】（０００００２８５３）ダイキン工業株式会社 (7,604)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月３０日（２０１１．９．３０）
【出願人】（０００００２８５３）ダイキン工業株式会社 (7,604)
【Ｆターム（参考）】
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