JP2015081749A - 油分離器 - Google Patents

Abstract

【課題】分離板を用いた構成において冷凍機油の分離特性を向上させることができる油分離器を提供する。
【解決手段】油分離器１００は、冷媒が旋回可能な内部空間が第１分離部１０１と第２分離部１０２に分割された円筒状の容器１０３を有する。分離板１０５は、冷媒通過孔１０６とは別に、第１分離部１０１と第２分離部１０２とを連結し、かつ、冷媒通過孔１０６と隔離されて形成された流通孔１０７を有する。筒体１０９は、分離板１０５の冷媒通過孔１０６の外側かつ流通孔１０７の内側の位置から容器１０３の底部へ向けて延出する。
【選択図】図３

Description

本発明は、圧縮機から流出した冷凍機油を含有する気相冷媒から、冷凍機油を慣性力および遠心力により分離する油分離器に関する。

一般に、空気調和装置などに用いられる圧縮機の潤滑には、冷凍機油が用いられる。この冷凍機油は、冷媒とともに、冷媒の循環系内を循環する。そして、圧縮機の吸入側より吸入された冷凍機油は、圧縮機内部の各摺動部に供給され、各摺動部の潤滑に用いられる。それだけでなく、冷凍機油は、作動室に供給され、作動室内の隙間をシールすることにより、気化した冷媒の漏れを防止することにも用いられる。

上記循環系において、圧縮機から流出した冷媒に冷凍機油が多く含まれる場合、熱交換器の伝熱管の内壁面に冷凍機油が付着しやすくなる。そして、伝熱管の内壁面に付着した冷凍機油は、伝熱管の伝熱を阻害し、熱交換器の伝熱効率を悪化させる。このような事態を回避するため、循環系内には油分離器が設けられる。油分離器は、圧縮機から吐出される冷媒から冷凍機油を分離し、その冷凍機油を圧縮機の吸入側に戻すものである。

ここで、従来の油分離器の一例として、特許文献１に開示されている油分離器について、図１および図２を用いて説明する。油分離器１において、圧縮機から流出した冷凍機油を含有する高温・高圧の気相冷媒は、円筒状の密閉容器１０の上部に設けられた冷媒導入管１３から第１分離部１１へ導入される。なお、図１中の矢印は、冷媒の流れを示している。そして、第１分離部１１において、冷媒は、分離板１６に衝突する。このとき、冷凍機油の一部が冷媒から分離し、分離板１６に付着する。次に、冷媒は、分離板１６に設けられた冷媒通過孔１７、２１（図２参照）を通過し、第２分離部１２へ導入される。このとき、冷媒は、冷媒通過孔１７により旋回流となる。この旋回流による遠心力の作用により、冷凍機油は、密閉容器１０の内壁面に付着する。さらに、この冷凍機油は、重力の作用により、密閉容器１０の下部に移動し、油溜りを形成する。油溜りの油は、油排出管１５から油分離器１０外へ導出される。また、旋回流となった冷媒は、密閉容器１０内において下降した後に上昇し、冷媒導出管１４の開口部１４ａから取り込まれ、冷媒導出管１４を介して油分離器１０外へ導出される。このようにして、冷媒から冷凍機油が分離される。

また、油分離器１では、分離板１６を経て第２分離部１２へ導入された冷媒がショートサーキットにより冷媒導出管１４の開口部１４ａに取り込まれることを防ぐ手段として、筒形状のカバー２０が設けられている。これにより、第２分離部１２へ導入された冷媒は、冷媒導出管１４の開口部１４ａに直接取り込まれることがない。また、冷媒導出管１４よりも下に流下した冷媒の流れには必ず反転が生じるので、この反転により冷媒よりも密度の高い冷凍機油が確実に分離されて冷凍機油の分離効率を高めることができるとされている。

特開平９−２４３２０９号公報

しかしながら、特許文献１に係る油分離器１では、第１分離部１１と第２分離部１２とが冷媒通過孔１７および通過孔２１により連通しているため、冷媒通過孔１７および通過孔２１から噴出する冷媒に伴われて分離板１６に付着した冷凍機油も冷媒通過孔１７および通過孔２１から噴出し、油滴となって第２分離部１２へ流入する。つまり、分離板１６に付着した冷凍機油が、第２分離部１２へと飛散し、実質的に第２分離部１２のみで旋回流による油分離が行われる可能性がある。従って、油分離器１では、第１分離部１１において分離板１６を用いた油分離の効果をさらに向上させにくいという問題がある。

本発明は、冷凍機油を含有した冷媒から冷凍機油を分離し、冷媒と冷凍機油の移動経路を隔離することで、分離板を用いた構成において冷凍機油の分離特性を向上させることができる油分離器を提供することを目的とする。

本発明の油分離器は、冷凍機油を含有する冷媒から冷凍機油を分離する油分離器であって、冷媒が旋回可能な内部空間を有する円筒状の容器と、前記内部空間を第１分離部と第２分離部とに分割し、冷媒が前記第１分離部から前記第２分離部へ通過する冷媒通過孔と、冷媒から分離された前記冷凍機油が前記第１分離部から前記第２分離部へ通過する流通孔とが形成された分離板と、前記第１分離部へ冷媒を流出させ、前記第１分離部において冷媒の旋回流を生じさせる冷媒導入管と、冷凍機油が分離された冷媒を前記第２分離部から導出する冷媒導出管と、冷媒から分離された冷凍機油を第２分離部から排出する油排出管と、前記分離板の前記冷媒通過孔の外側かつ前記流通孔の内側の位置から前記容器の底部へ向けて延出する筒体と、前記筒体の外壁面と前記容器の内壁面との間の空間であり、前記流通孔と連結する流通路と、を備える構成を採る。

本発明に係る油分離器は、冷凍機油を含有した冷媒から冷凍機油を分離し、冷媒と冷凍機油の移動経路を隔離することで、分離板を用いた構成において冷凍機油の分離特性を向上させることができる。

特許文献１に係る油分離器の構成の一例を示す断面図 特許文献１に係る分離板の構成の一例を示す斜視図 本発明の実施の形態１に係る油分離器の構成の一例を示す断面図 本発明の実施の形態１に係る分離板の構成の一例を示す上面図 本発明の実施の形態１に係る冷媒通過孔の構成の一例を示す断面図 本発明の実施の形態２に係る油分離器の構成の一例を示す断面図 本発明の実施の形態２に係る分離板の構成の一例を示す上面図 本発明の実施の形態３に係る油分離器の構成の一例を示す断面図 本発明の実施の形態３に係る油分離器の筒体の内径／高さと油分離率との関係の一例を示すグラフ 本発明の実施の形態４に係る油分離器の構成の一例を示す断面図

以下、本発明の各実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下に説明する各実施形態は一例であり、本発明は各実施形態により限定されるものではない。

（実施の形態１）
図３は、本実施形態に係る油分離器１００の構成の一例を示す断面図である。この図３は、油分離器１００の長手方向に沿って切断した断面を示している。また、図４は、図３に示す線Ａ−Ａにおける断面であり、本実施の形態に係る分離板１０５の構成の一例を示す上面図である。また、図５は、図４に示す線Ｂ−Ｂにおける断面であり、本実施の形態に係る冷媒通過孔１０６の構成の一例を示す断面図である。

油分離器１００は、冷凍機油（以下、適宜「油」という）を含有する冷媒から冷凍機油を分離する装置である。油分離器１００は、容器１０３、冷媒導入管１０４、分離板１０５、筒体１０９、冷媒導出管１１２、油排出管１１３を備える。

図３に示すように、容器１０３は、冷媒が旋回可能な内部空間を有する円筒状の密閉容器である。容器１０３の内部空間には分離板１０５が設けられる。これにより、容器１０３の内部空間は、第１分離部１０１と第２分離部１０２に分けられる。

図３に示すように、冷媒導入管１０４は、容器１０３の天井部を貫通して設けられ、第１分離部１０１へ延伸している。そして、冷媒導入管１０４の開口部１０４ａは、容器１０３の内壁面に向けて配置されている。開口部１０４ａからは、冷媒導入管１０４により導入された冷媒が流出する。この冷媒の流れの詳細については後述する。

図３、図４に示すように、分離板１０５には、冷媒が通過する複数の冷媒通過孔１０６が形成されている。そして、各冷媒通過孔１０６には、通過する冷媒が第２分離部１０２において旋回流となるようにガイドするガイド部１０８が設けられている。ガイド部１０８の形状は、例えば、図５Ａに示す形状であってもよいし、図５Ｂに示す形状であってもよい。なお、ガイド部１０８は、例えば、「旋回促進部」と言い換えてもよい。

また、図３、図４に示すように、分離板１０５には、その外周を切り欠いて複数の流通孔１０７が形成されている。流通孔部１０７は、後述する流通路１１０と連結する。このような流通孔部１０７が形成されることで、分離板１０５は、大径１０５ａの円周部分と小径１０５ｂの円周部分とを備えることになる。

また、図３、図４に示すように、分離板１０５の下方（すなわち、第２分離部１０２）には、円筒状の筒体１０９が設けられる。筒体１０９は、分離板１０５の第２分離部１０２側の面から容器１０３の底部へ向けて延出している。筒体１０９の上端は分離板１０５と接している一方、筒体１０９の下端は、容器１０３の底部に接していない。図４に示すように、筒体１０９の最外径は、分離板１０５の小径１０５ｂと同じである。そして、この筒体１０９の外壁と容器１０３の内壁との間の空間は、流通路１１０として機能する。すなわち、流通路１１０は、流通孔１０７と連結し、流通孔１０７から流入した油を容器１０３の底部へ導く通路として機能する。

図３に示すように、冷媒導出管１１２は、容器１０３の底部を貫通して設けられ、第２分離部１０２へ延伸している。そして、冷媒導出管１１２の開口部１１２ａは、分離板１０５に向けて配置されている。開口部１１２ａへは、第２分離部１０２内を旋回する冷媒が流入する。この冷媒の流れの詳細については後述する。

図３に示すように、油排出管１１３は、容器１０３の底部を貫通して設けられ、第２分離部１０２へ延伸している。そして、この油排出管１１３は、容器１０３の底部に溜まった冷凍機油を油分離器１０から排出する。排出された冷凍機油は、圧縮機の吸入側へ戻される。

次に、油分離器１００に導入された冷媒の流れ、および、その冷媒から分離される冷凍機油の流れについて説明する。

圧縮機から流出した冷媒は、冷媒導入管１０４により油分離器１００内へ導入される。冷媒導入管１０４の開口部１０４ａから流出した冷媒は、容器１０３の内壁面に衝突した後、その内壁面に沿った旋回流となり、第１分離部１０１内を下降する。この冷媒の旋回流による遠心力の作用により、冷凍機油の一部が容器１０３の内壁面に付着し、冷媒から分離される。容器１０３の内壁面に付着した冷凍機油は、重力の作用により、容器１０３の内壁面を伝って下方へ移動する。その後、その冷凍機油は、流通孔１０７から流通路１１０へと流入する。

第１分離部１０１内を下降した冷媒の旋回流は、分離板１０５に設けられた冷媒通過孔１０６を通過し、第２分離部１０２へ流入する。このとき、冷媒の旋回流が分離板１０５に衝突することで、冷凍機油の一部が分離板１０５に付着し、冷媒から分離される。分離板１０５に付着した冷凍機油は、旋回流の影響により、分離板１０５の表面（第１分離部１０１側の面）を伝って容器１０３の内壁面へ向けて移動する。その後、その冷凍機油は、流通孔１０７から流通路１１０へと流入する。

流通孔１０７から流通路１１０へと流入した冷凍機油は、重力の作用により、流通路１１０を通って、容器１０３の底部へ移動する。これにより、容器１０３の底部には、油溜り（図示せず。後述する図１０参照）が形成される。

一方、冷媒通過孔１０６から第２分離部１０２へ流入した冷媒は、ガイド部１０８により筒体１０９の内壁面に沿った旋回流となり、第２分離部１０２内を下降する。この冷媒の旋回流による遠心力の作用により、冷凍機油の一部が筒体１０９の内壁面に付着し、冷媒から分離される。筒体１０９の内壁面に付着した冷凍機油は、重力の作用により、筒体１０９の内壁面を伝って容器１０３の底部へ移動する。これにより、容器１０３の底部には、油溜りが形成される。

第２分離部１０２内を下降する冷媒の旋回流は、容器１０３の底部へ到達した後、反転上昇し、冷媒導出管１１２の開口部１１２ａへ向かう。そして、冷媒は、開口部１１２aから冷媒導出管１１２へ流入し、油分離器１００から導出される。

以上のように、本実施の形態の油分離器１００によれば、第１分離部１０１で冷媒から分離された冷凍機油が移動する経路（流通孔１０７および流通路１１０）と、第２分離部１０２へと流出する冷媒が移動する経路（冷媒通過孔１０６）とを隔離して備えたことを特徴とする。これにより、第１分離部１０１で分離された冷凍機油が分離板１０５を通過する冷媒の流れに再度巻き込まれることが無い。その結果、分離板を用いた構成において冷凍機油の分離特性を向上させることができる。

（実施の形態２）
図６は、本実施の形態に係る油分離器１００の構成の一例を示す断面図である。この図６は、油分離器１００の長手方向に沿って切断した断面を示している。また、図７は、図６に示す線Ｃ−Ｃにおける断面であり、本実施の形態に係る分離板１０５の構成の一例を示す上面図である。図６、図７において、実施の形態１と共通の要素については、共通の符号を付している。

図６および図７に示すように、分離板１０５には、その外周から一定距離をあけて複数の流通孔１１４が形成されている。流通孔１１４は、流通路１１０と連結する。

以上のように、本実施の形態の油分離器１００によれば、分離板１０５の外周より内側に流通孔１１４を形成することを特徴とする。これにより、分離板１０５を容器１０３に固定する際に、分離板１０５と容器１０３の中心軸を揃えていればよい。すなわち、分離板１０５は、その外周に切り欠きが無く、全周にわたり容器１０３の内壁面に接触する。そのため、分離板１０５と容器１０３をスポット溶接で数箇所溶接する場合、分離板１０５の外周の任意の箇所で溶接でき、製造上の作業が容易になる。

（実施の形態３）
図８は、本実施の形態に係る油分離器１００の構成の一例を示す断面図である。この図８は、油分離器１００の長手方向に沿って切断した断面を示している。図８において、実施の形態１と共通の要素については、共通の符号を付している。

図８において、筒体１０９の内径ｄと高さｈは、０．１≦ｄ／ｈ≦０．７を満たすように構成される。この根拠について図９を用いて説明する。

図９は、本実施の形態の油分離器１００の筒体１０９の内径／高さ（ｄ／ｈ）と油分離率との関係の一例を示すグラフである。図９に示す油分離率とは、第２分離部１０２において筒体１０９内における冷媒の旋回流の遠心力により分離される冷凍機油（筒体１０９の内壁面に付着する油）の分離率である。図９は、シミュレーション結果の近似曲線が示されている。ここで、図９に示す油分離率は、村上ら（村上、若本、森本、「サイクロン式油分離器の性能予測」、日本冷凍空調学会論文集、Ｖｏｌ．２２（３）、ｐｐ．３１５−３２４、２００５年９月３０日）により提案された予測手法を用いて、数値実験により求めたものである。

この近似曲線から明らかなように、ｄ／ｈが０．１から０．７の範囲において、ｄ／ｈが０．７より小さくなると、油分離率が急に大きくなる。また、ｄ／ｈが０．１より小さくなると筒体１０９が内径ｄに対して高さｈが長くなる。これに伴い、油分離器１００の長手方向の寸法を長く変更する必要があり、材料費や製造コストの増加、室外機のサイズ、重量の増加の原因となる。よって、ｄ／ｈが０．１から０．７の範囲となるように内径ｄおよび高さｈが設計されることが好ましい。

以上のように、本実施の形態の油分離器１００によれば、筒体１０９の内径ｄと高さｈが０．１≦ｄ／ｈ≦０．７を満たすことを特徴とする。これにより、第２分離部１０２における油分離の効率を向上させることができる。

（実施の形態４）
図１０は、本実施の形態に係る油分離器１００の構成の一例を示す断面図である。この図１０は、油分離器１００の長手方向に沿って切断した断面を示している。図１０において、実施の形態１と共通の要素については、共通の符号を付している。

図１０に示すように、筒体１０９は、その下端が、容器１０３の底部に形成される油溜まり１１５に浸漬している。油溜り１１５は、上述したとおり、流通路１１０からの冷凍機油（第１分離部１０１で分離された冷凍機油）および筒体１０９の内壁面からの冷凍機油（第２分離部１０２で分離された冷凍機油）の流入によって形成される。油溜り１１５の油は、油排出管１１３を通って油分離器１００外へ排出される。なお、油排出管１１３の開口部は、筒体１０９の内部に突出していることが好ましい。

以上のように、本実施の形態の油分離器１００によれば、筒体１０９の下端が容器１０３の底部に形成される油溜まり１１５に浸漬するように設けられることを特徴とする。これにより、流通路１１０からの冷凍機油は、第２分離部１０２の冷媒の旋回流に巻き込まれることなく油溜まり１１５へ流入するため、油分離の効率を向上させることができる。

なお、上述した実施の形態１〜４において、以下の変形例が可能である。

例えば、各実施の形態の油分離器１００では、冷媒導入管１０４の開口部１０４ａを容器１０３の内壁面に向けて配置する例としたが、開口部１０４ａの向きはこれに限定されない。例えば、冷媒導入管１０４の開口部１０４ａは、分離板１０５に向けて配置されてもよい。なお、開口部１０４ａを容器１０３の内壁面に向けた構成では、旋回流による油分離を促進できる一方で、開口部１０４ａを分離板１０５に向けた構成では、分離板１０５への衝突による分離を促進できる。

また、例えば、各実施の形態の油分離器１００の第１分離部１０１において、冷媒から冷凍機油を分離するためのメッシュ部材を備えるようにしてもよい。例えば、メッシュ部材は、分離板１０５の第１分離部１０１側の面全体を被覆して設けられてもよい。

また、例えば、各実施の形態の油分離器１００において、分離板１０５の下方、かつ、冷媒導出管１１２の外側に、冷媒導出管１１２の開口部１１２ａを越えて延出するカバー（例えば、図１のカバー２０）を設けるようにしてもよい。これにより、冷媒通過孔１０６を通過した冷媒は、冷媒導出管１１２の開口部１１２ａに直接向かうことができず、旋回流を生じながら第２分離部１０２内を下降することになり、油分離の効率を向上させることができる。

本発明に係る油分離器は、空気調和装置などに用いられる圧縮機を潤滑するための冷凍機油を含有する冷媒から、その冷凍機油を分離する油分離器に用いるのに好適である。

１００ 油分離器
１０１ 第１分離部
１０２ 第２分離部
１０３ 容器
１０４ 冷媒導入管
１０４ａ 冷媒導入管の開口部
１０５ 分離板
１０６ 冷媒通過孔
１０７、１１４ 流通孔
１０８ ガイド部
１０９ 筒体
１１０ 流通路
１１２ 冷媒導出管
１１２a 冷媒導出管の開口部
１１３ 油排出管
１１５ 油溜り

Claims (7)

1. 冷凍機油を含有する冷媒から冷凍機油を分離する油分離器であって、
   冷媒が旋回可能な内部空間を有する円筒状の容器と、
   前記内部空間を第１分離部と第２分離部とに分割し、冷媒が前記第１分離部から前記第２分離部へ通過する冷媒通過孔と、冷媒から分離された前記冷凍機油が前記第１分離部から前記第２分離部へ通過する流通孔とが形成された分離板と、
   前記第１分離部へ冷媒を流出させ、前記第１分離部において冷媒の旋回流を生じさせる冷媒導入管と、
   冷凍機油が分離された冷媒を前記第２分離部から導出する冷媒導出管と、
   冷媒から分離された冷凍機油を前記第２分離部から排出する油排出管と、
   前記分離板の前記冷媒通過孔の外側かつ前記流通孔の内側の位置から前記容器の底部へ向けて延出する筒体と、を備える、
   油分離器。
2. 前記流通孔は、
   前記分離板の外周を切り欠いて形成される、
   請求項１記載の油分離器。
3. 前記流通孔は、
   前記分離板の外周から一定距離をあけて形成される、
   請求項１記載の油分離器。
4. 前記筒体の内径ｄと高さｈは、
   ０．１≦ｄ／ｈ≦０．７を満たす、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の油分離器。
5. 前記筒体は、
   円筒状である、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の油分離器。
6. 前記冷媒導入管は、
   前記容器の内壁面に向けて開口する、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の油分離器。
7. 前記冷媒導入管は、
   前記分離板に向けて開口する、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の油分離器。

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