CN104583690A

CN104583690A - 油分离器和制造油分离器的制造方法

Info

Publication number: CN104583690A
Application number: CN201480002141.5A
Authority: CN
Inventors: 小川修; 柿本敦
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2013-06-06
Filing date: 2014-05-28
Publication date: 2015-04-29
Anticipated expiration: 2034-05-28
Also published as: US20150276288A1; EP3006864B1; WO2014196168A1; CN104583690B; US9863675B2; EP3006864A1; JP6439144B2; EP3006864A4; JPWO2014196168A1

Abstract

一种油分离器(10)，具备：圆筒状的第1分离部(11)，其具有制冷剂能够回旋的第1内部空间；圆筒状的第2分离部(12)，其配置在第1分离部(11)的下方，具有从第1分离部(11)流出的制冷剂能够回旋的第2内部空间；导入管(13)，其使制冷剂朝向第1分离部(11)内的内壁面流出，使得在第1内部空间中产生制冷剂的回旋流；导出管(14)，其将冷冻机油被分离后的制冷剂导出；以及排出管(15)，其将从制冷剂分离出的冷冻机油从第2内部空间排出，第2分离部(12)具有将第1分离部(11)的内壁面与第2分离部(12)的内壁面上端连结而形成台阶的表面(16)，表面(16)与第1分离部(11)的内壁面之间所成的角度为90度以下，且表面(16)与第2分离部(12)的内壁面之间所成的角度为90度以下。

Description

油分离器和制造油分离器的制造方法

技术领域

本发明涉及从含有冷冻机油的制冷剂分离冷冻机油的油分离器、以及制造该油分离器的制造方法。

背景技术

通常，冷冻机油用于空气调节装置等所使用的压缩机的润滑。该冷冻机油与制冷剂一起在制冷剂的循环系统内循环。然后，从压缩机的吸入侧吸入的冷冻机油被供给至压缩机内部的各滑动部，用于各滑动部的润滑。不仅如此，冷冻机油也被供给至工作室，通过密封工作室内的间隙而用于防止汽化的制冷剂的泄露。

在上述循环系统中，在从压缩机排出的制冷剂含有大量的冷冻机油的情况下，冷冻机油容易附着于热交换器的传热管的内壁面。然后，附着于传热管的内壁面的冷冻机油阻碍传热管的传热，使热交换器的传热效率恶化。为了避免这样的事态，在循环系统内设置油分离器。油分离器从自压缩机排出的制冷剂分离冷冻机油，并将该冷冻机油送回到压缩机的吸入侧。

从压缩机排出的含有冷冻机油的高温高压的制冷剂被导入到圆筒状的油分离器内，以使得产生回旋流。通过由该回旋流实现的离心力的作用，冷冻机油附着于油分离器的内壁面。进而，该冷冻机油通过重力的作用而向油分离器的下部移动，形成积油部。这样，从制冷剂分离出冷冻机油。

但是，在上述油分离器中，存在如下问题：制冷剂会卷起积油部(油溜り)的冷冻机油，将冷冻机油运送至制冷剂的排出通路。因此，在专利文献1中，提出了将油分离器的下部的内径设为比油分离器的上部的内径大的油分离器。由此，油分离器的下部的回旋流的回旋速度变小，可抑制冷冻机油的卷起。

进而，专利文献1也记载有：从油分离器的上部到中央部使内径逐渐变小，从中央部到下部使内径逐渐变大。由此，在油分离器的中央部，回旋流的回旋速度变大，并且流动被整流，发挥优异的分离特性。

现有技术文献

专利文献1：特开2005-180808号公报

发明内容

但是，在以往的油分离器中，分离特性不够充分。

本发明提供一种能够提高冷冻机油的分离特性的油分离器、以及制造该油分离器的制造方法。

本发明的油分离器是从含有冷冻机油的制冷剂分离冷冻机油的油分离器，具备：圆筒状的第1分离部，其具有制冷剂能够回旋的第1内部空间；圆筒状的第2分离部，其配置在第1分离部的下方，具有从第1分离部流出的制冷剂能够回旋的第2内部空间；导入管，其使制冷剂朝向第1分离部内的内壁面流出，使得在第1内部空间中产生制冷剂的回旋流；导出管，其将冷冻机油被分离后的制冷剂导出；以及排出管，其将从制冷剂分离出的冷冻机油从第2内部空间排出，第2分离部具有将第1分离部的内壁面与第2分离部的内壁面上端连结而形成台阶的表面，该表面与第1分离部的内壁面之间所成的角度为90度以下，且该表面与第2分离部的内壁面之间所成的角度为90度以下。

此外，这些包括的或具体的实施方式可以通过系统、方法或者制造方法来实现，也可以通过系统、方法以及制造方法的任意组合来实现。

本发明的油分离器能够提高冷冻机油的分离特性。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式的油分离装置的结构的一例的图。

图2是对台阶的表面的角度进行说明的图。

图3是对导入管的配置的一例进行说明的图。

图4是对油分离器的特性解析所使用的各参数进行说明的图。

图5是表示压力损失ΔPs与比(D₁－D₂)/D₁之间的关系的图。

图6是表示油分离率与比D₁/(D₁－D₂)之间的关系的图。

图7是表示具有台阶的油分离器的压力分布的一例的图。

图8是表示图7所示的压力分布下的冷冻机油的油滴的流线的图。

图9是表示压力损失比与第1分离部的内径D₁之间的关系的图。

图10是表示油分离率比与第1分离部的内径D₁之间的关系的图。

具体实施方式

本发明人在锐意研究后发现，在利用了由回旋流实现的离心力的油分离器中，含有冷冻机油的制冷剂在油分离器内尽可能长时间地回旋是重要的。上述专利文献1的油分离器无法改善有助于油分离的油分离器的上部空间中的回旋时间。

以下，参照附图，对本发明的实施方式进行详细说明。此外，以下说明的实施方式是一例，本发明并不由该实施方式来限定。

图1是表示本发明的实施方式的油分离器10的结构的一例的图。油分离器10是从含有冷冻机油的制冷剂分离冷冻机油的装置。该油分离器10具备第1分离部11、第2分离部12、导入管13、导出管14以及排出管15。此外，图1示出利用通过油分离器10的中心且与导入管13的管轴13a平行的平面将油分离器10切断的情况下的截面。

第1分离部11、第2分离部12是具有制冷剂能够回旋的内部空间的圆筒状的容器。第2分离部12配置在第1分离部11的下方。另外，第2分离部12的内径D₂比第1分离部11的内径D₁小。由此，能够在第2分离部12中提高因第1分离部11中的回旋而下降后的回旋速度，能够提高油分离的效率。

导入管13和导出管14被设置成贯通第1分离部11。导入管13使含有冷冻机油的制冷剂朝向第1分离部11内的内壁面流出，使得产生制冷剂的回旋流。另外，导出管14将冷冻机油被分离后的制冷剂从油分离器10导出。

制冷剂所包含的冷冻机油通过由上述制冷剂的回旋流实现的离心力的作用而附着于油分离器10的内壁面，从制冷剂分离。然后，从制冷剂分离出的冷冻机油通过重力的作用而向第2分离部12的底部移动。

在此，导出管14的入口优选设置在第2分离部12内。这样一来，第1分离部11侧的第2分离部12的内部空间变窄，能够进一步提高第2分离部12中的制冷剂流的回旋速度。

排出管15被设置成贯通第2分离部12。并且，该排出管15将移动到第2分离部12的底部的冷冻机油从油分离器10排出。排出的冷冻机油被送回到压缩机的吸入侧。

此外，由于从压缩机排出的制冷剂处于高温，所以若移动到第2分离部12的底部的冷冻机油处于高温，则也可以直接送回到压缩机的密闭容器内的高温的积油部。根据该结构，能够实现压缩机的高效的运转。

第2分离部12具有表面16，该表面16被设置成面向第1分离部11的内部空间，将第1分离部11的内壁面与第2分离部12的内壁面上端连结。在此，该表面16与第1分离部11的内壁面之间所成的角度被设为90度以下，且该表面16与第2分离部12的内壁面之间所成的角度也被设为90度以下。

由此，第1分离部11和第2分离部12形成台阶。即，油分离器10的内径在第1分离部11与第2分离部12的边界部分突然变化。

图2是对台阶的表面16的角度进行说明的图。在图2中，将台阶的表面16与第1分离部11的内壁面之间所成的角度设为α，将台阶的表面16与第2分离部12的内壁面之间所成的角度设为β。图2(A)示出角度α、β均为90度的情况，图2(B)示出角度α、β均小于90度的情况。

通过将台阶的表面16的角度设为这样的角度，能够使容器壁附近的制冷剂的流动的方向从向下变化为水平方向、或者比水平方向更朝上。其结果，能够延长制冷剂在第1分离部11内回旋的时间，可促进冷冻机油从制冷剂的分离。此外，以下，对角度α、β均为90度的情况进行说明。

图3是对导入管13的配置的一例进行说明的图。图3示出利用通过导入管13的管轴13a的水平面将油分离器10切断的情况下的剖视图。如图3所示，导入管13的管轴13a的方向从第1分离部11的中心方向偏离。

因此，从导入管13流出的制冷剂从倾斜方向与第1分离部11的内壁面碰撞，由此产生制冷剂的回旋流。然后，通过由该回旋流实现的离心力的作用，制冷剂所含有的冷冻机油从制冷剂分离，附着于油分离器的内壁面。

这样的油分离器10的制造非常容易。具体而言，将第2分离部12插入到第1分离部11内，将第2分离部12的壁面的上端部作为台阶的表面16即可。通过采用这样的制造方法，能够实现装置的低成本化。

此外，虽然在图1、图3中横向设置导入管13，但也可以纵向设置导入管13。在该情况下，为了产生制冷剂的回旋流，在第1分离部11内将导入管13的顶端部分弯曲成大致水平方向即可。

接着，基于油分离器10的特性解析的结果，对第1分离部11的内径与第2分离部12的内径的关系进行说明。图4是对油分离器10的特性解析所使用的各参数进行说明的图。

如图4(A)所示，将第1分离部11的内径设为D₁(m)，将第2分离部12的内径设为D₂(m)，将导出管14的内径设为D₃(m)。另外，将从导入管13的中心轴的高度到台阶的表面16的高度的、第1分离部11的空间内的制冷剂的平均下降速度设为V₁(m/s)，将从台阶的表面16的高度到导出管14的入口的高度的、第2分离部12的空间内的制冷剂的平均下降速度设为V₂(m/s)。

另外，如图4(B)所示，在油分离器10的水平截面中，将从第1分离部11的内部区域的面积减去导出管14所占的面积而得到的面积设为A₁，将从第2分离部12的内部区域的面积减去导出管14所占的面积而得到的面积设为A₂，将导出管14所占的面积设为A₃。

在该情况下，面积A₁～A₃如下表示。

A₁＝π(D₁/2)²－π(D₃/2)²···(式1)

A₂＝π(D₂/2)²－π(D₃/2)²···(式2)

A₃＝π(D₃/2)²···(式3)

另外，若将来自导入管13的制冷剂的导入量设为Q(m³/s)，并假定为在从导入管13的中心轴的高度到导出管14的入口的高度的空间内制冷剂仅向下方流动，则下式成立。

Q＝A₁V₁＝A₂V₂···(式4)

因如图4所示的台阶而产生的压力损失ΔPs能够通过下式来估算。

ΔPs＝0.5ζρV₂ ²···(式5)

在此，由于面积A₃比面积A₁、A₂小，对制冷剂的流动不产生大的影响，所以在式5中忽视导出管14的存在。

在式5中，ζ是根据面积比A₂/A₁而变化的损失系数，该ζ通过实验求出。具体而言，在A₂/A₁为0、0.01、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0的情况下，与各A₂/A₁的值对应的ζ分别成为0.5、0.449、0.372、0.372、0.292、0.185、0.09、0。

图5是表示使用式1～5导出的压力损失ΔPs与比(D₁－D₂)/D₁之间的关系的图。在此，在算出压力损失ΔPs时，将制冷剂的密度ρ设为90.6kg/m³。这是88.5摄氏度下的制冷剂R410A的密度。另外，将制冷剂的导入量Q设为0.0015m³/s。然后，将第2分离部12的内径D₂固定为0.067m，将导出管14的直径D₃固定为0.019m，使第1分离部11的内径D₁变化而进行了计算。

由于在油分离器10内产生的压力损失为数十kPa，与此相比，因台阶而产生的压力损失ΔPs为数Pa，所以是可忽视的大小。但是，该微小的压力损失的增加发挥如下效果：抑制制冷剂的下降，维持第1分离部11的内部空间中的制冷剂的回旋流。

对此进行说明，由导入管13导入到第1分离部11的内部空间的制冷剂与第1分离部11的内壁面碰撞，沿着内壁面而向四面八方流动。然后，向下方流动的制冷剂与台阶的表面16碰撞，表面16附近的压力升高。由此，制冷剂向下方的流动受到阻碍，制冷剂会在第1分离部11内长时间回旋。其结果，可促进制冷剂机油从制冷剂的分离。

进而，从图5可知，在比(D₁－D₂)/D₁超过了大约0.5的情况下，ΔPs的图的切线的斜率度突然变小。即，即使比(D₁－D₂)/D₁进一步变大，也无法预见压力损失的大副增大。

另外，进一步增大比(D₁－D₂)/D₁会变成进一步增大第1分离部11的内径D₁、或者进一步缩小第2分离部12的内径D₂。但是，从缩小油分离器10的宽度的观点来看，优选缩小第1分离部11的内径D₁。另外，从抑制在第2分离部12内产生的压力损失的观点来看，优选不那么缩小第2分离部12的内径D₂。

因此，第1分离部11的内径D₁与第2分离部12的内径D₂之间的关系优选设为

(D₁－D₂)/D₁≤0.5···(式6)，

若使用其他表现，则优选设为

2≤D₁/(D₁－D₂)···(式7)。

接着，对油分离率与比D₁/(D₁－D₂)之间的关系进行说明，所述油分离率是将通过在回旋流中产生的离心力而冷冻机油的油滴在容器的半径方向上移动的运动方程式模式化而求出的油分离率。图6是表示油分离率与比D₁/(D₁－D₂)之间的关系的图。在此，油分离率是使用由村上等(村上、若本、森本，《离心式油分离器的性能预测》，日本冷冻空调学会论文集，Vol.22(3)，pp.315-324，2005年9月30日)提出的预测方法并通过数值实验而求出的油分离率。

具体而言，使用蒙特·卡罗方法，在数十μm以内的范围内决定了制冷剂机油的油滴的粒径，进而决定了从导入管13的出口的哪个位置导入该油滴。然后，在改变比D₁/(D₁－D₂)的同时，调查了油的分离率如何变化。在此，将制冷剂的密度ρ设为90.6kg/m³，将制冷剂的导入量Q设为0.0015m³/s，将第1分离部11的高度设为0.12m，将第2分离部12的高度设为0.22m。

观察图6可知，在比D₁/(D₁－D₂)为18以下的情况下，油分离率急剧增加。即，比D₁/(D₁－D₂)优选满足

D₁/(D₁－D₂)≤18···(式8)

的关系。

接着，示出具有台阶的油分离器10的压力分布的一例。图7是表示具有台阶的油分离器10的压力分布的一例的图。图7是通过数值流体解析(CFD；Computational Fluid Dynamics)而得到的结果。

图中，四方形围住的数值表示等压力线的压力(Pa)。在此，对于图中的导出管14的上端面，将压力规定条件设定为解析区域的出口边界条件，将该上端面处的压力设为0(基准压力)。另外，在图7的例子中，虽然导入管13纵向设置，但导入管13的顶端部分在第1分离部11内弯曲成大致水平方向。

从图7可知，台阶的表面16附近的压力比其周边区域的压力高。因此，制冷剂的流动的方向从向下变化为水平方向，制冷剂向下方的流动受到阻碍。

另外，图8是表示图7所示的压力分布下的冷冻机油的油滴的流线的图。图8是通过DPM(Discrete Phase Model：离散相模型)解析而得到的结果。在图8中，示出制冷剂的流动的方向因台阶的表面16附近的高压区域的存在而变化的样子。

此外，在将油分离器10的容积Vol设为一定的情况下，第1分离部11的内径D₁优选满足以下的关系。

0.060(m)≤D₁≤0.095(m)···(式9)

将容积Vol设为一定意味着油分离器10的材料成本大致一定。以下，对该关系的导出进行说明。

在此，将油分离器10的容积Vol设为0.0016m³，将第2分离部12的内径D₂设为比第1分离部11的内径D₁小0.006m。另外，将第1分离部11的高度设为0.100m，将导出管14的内径D₃设为0.019m。

图9是表示压力损失比与第1分离部11的内径D₁之间的关系的图。压力损失比是压力损失ΔPt与D₁为0.067m的情况下的压力损失ΔPt′之比ΔPt/ΔPt′。

在此，压力损失ΔPt、ΔPt′通过将因第1分离部11中的圆管内流动而产生的压力损失与因第2分离部12中的圆管内流动而产生的压力损失相加而算出。此外，在此，除去因台阶等的存在而产生的压力损失来进行压力损失ΔPt、ΔPt′的评价。

在该情况下，压力损失ΔPt能够通过下式来近似。

ΔPt＝(λh₁/D₁×0.5ρV₁ ²+λh₂/D₂×0.5ρV₂ ²)···(式10)

在此，h₁是第1分离部11中的从导入管13的中心轴到台阶的表面16的高度，h₂是第2分离部12的高度，λ是管摩擦系数。

当使用式10时，若使用前述的式4，则压力损失ΔPt/ΔPt′通过下式算出。

ΔPt/ΔPt′

＝{h₁/D₁×(1/A₁)²+h₂/D₂×(1/A₂)²}

/{h₁/D₁×(1/A₁)²+h₂/D₂×(1/A₂)²}′···(式11)

在此，{h₁/D₁×(1/A₁)²+h₂/D₂×(1/A₂)²}′是D₁为0.067m的情况下的{h₁/D₁×(1/A₁)²+h₂/D₂×(1/A₂)²}的值。另外，A₁、A₂通过前述的式1、式2算出。此外，由于油分离器10的容积Vol一定，所以满足以下的关系。

Vol＝h₁A₁+h₂A₂＝一定···(式12)

使用如上所述的关系算出的压力损失比ΔPt/ΔPt′的结果示于图9。观察图9可知，在D₁为大约0.060(m)以下的情况下，压力损失比急剧增大。若压力损失增大，则为了使制冷剂循环而需要排出能力更高的压缩机，这是不优选的。

因此，第1分离部11的内径D₁优选满足以下的关系。

0.060(m)≤D₁···(式13)

另外，图10是表示油分离率比与第1分离部11的内径D₁之间的关系的图。油分离率比是油分离率SO与D₁为0.067m的情况下的油分离率SO′之比SO/SO′。油分离器10的模型与图9的情况相同。另外，油分离率使用与图6的情况相同的方法并通过数值实验求出。

观察图10可知，在D₁为大约0.095(m)以上的情况下，油分离率比急剧减少。因此，第1分离部11的内径D₁优选满足以下的关系。

D₁≤0.095(m)···(式14)

通过式13、式14，得到式9的关系。

如上所述，根据本实施方式，能够延长含有冷冻机油的制冷剂在第1分离部11内的回旋时间，提高冷冻机油的分离特性。

产业上的可利用性

本发明的油分离器适用于从含有用于对空气调节装置等所使用的压缩机进行润滑的冷冻机油的制冷剂分离该冷冻机油的油分离器，本发明的油分离器的制造方法适用于如上所述的油分离器的制造。

标号说明

10 油分离器

11 第1分离部

12 第2分离部

13 导入管

13a 导入管的管轴

14 导出管

15 排出管

16 台阶的表面

Claims

1.一种油分离器，从含有冷冻机油的制冷剂分离该冷冻机油，具备：

圆筒状的第1分离部，其具有所述制冷剂能够回旋的第1内部空间；

圆筒状的第2分离部，其配置在所述第1分离部的下方，具有从该第1分离部流出的制冷剂能够回旋的第2内部空间；

导入管，其使所述制冷剂朝向所述第1分离部内的内壁面流出，使得在所述第1内部空间中产生所述制冷剂的回旋流；

导出管，其将所述冷冻机油被分离后的制冷剂导出；以及

排出管，其将从所述制冷剂分离出的冷冻机油从所述第2内部空间排出，

所述第2分离部具有将所述第1分离部的内壁面与所述第2分离部的内壁面上端连结而形成台阶的表面，该表面与所述第1分离部的内壁面之间所成的角度为90度以下，且该表面与所述第2分离部的内壁面之间所成的角度为90度以下。

2.根据权利要求1所述的油分离器，

在将所述第1分离部的内径设为D₁、将所述第2分离部的内径设为D₂的情况下，满足2≤D₁/(D₁－D₂)≤18的关系。

3.一种制造油分离器的制造方法，所述油分离器从含有冷冻机油的制冷剂分离该冷冻机油，

所述油分离器具备：

导出管，其将所述冷冻机油被分离后的制冷剂导出；以及

所述第2分离部具有将所述第1分离部的内壁面与所述第2分离部的内壁面上端连结而形成台阶的表面，该表面与所述第1分离部的内壁面之间所成的角度为90度以下，且该表面与所述第2分离部的内壁面之间所成的角度为90度以下，

通过将所述第2分离部插入到所述第1分离部内，将该第2分离部的上端面作为所述表面，从而制造所述油分离器。