JP2009074756A - 圧縮機マフラ - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成により安価で耐久性の高いサイクロン式油分離機能付きの圧縮機マフラが望まれている。
【解決手段】圧縮機マフラＭは冷媒回路の圧縮機から吐出された冷媒ガスの脈動の低減、消音および冷凍機油分離を行なうものであって、円筒状に形成された竪胴部１と、竪胴部１の上面開口縁１Ａに接合された上側蓋部２と、竪胴部１の下面開口縁１Ｂに接合された下側蓋部３とから成る本体ケーシング７を備え、圧縮機の冷媒吐出側と連結された流入管４、および冷媒回路の高圧側熱交換器の冷媒吸入側と連結された吐出管５が上側蓋部２を貫通して設けられ、流入管４の先端部４Ａが本体ケーシング７内で竪胴部１の内周方向を指向して配置され、圧縮機の冷媒吸入側と連結された返油管６が下側蓋部３を貫通して設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、主に空調機、給湯機、または冷凍機などの冷媒回路に配備される圧縮機マフラに係り、圧縮機から吐出された冷凍機油混じりの冷媒ガスを冷凍機油と冷媒ガスとに分離する、サイクロン効果を利用した油分離機能を有する圧縮機マフラに関する。

従来、この種の圧縮機マフラは、図１１に示すように、圧縮機８０、高圧側熱交換器８１、絞り装置８２、および低圧側熱交換器８３を冷媒配管８４などで順次環状に接続して成る冷媒回路に使用されている。この冷媒回路において、圧縮機マフラＭＭは、圧縮機８０の冷媒吐出側８０Ａに連結されて、圧縮機８０から吐出された冷媒ガスの脈動の低減、消音および冷凍機油分離を行なうようになっている。
前記の圧縮機マフラＭＭは下記する特許文献１に記載されており、その構造を図１２および図１３に示す。圧縮機マフラＭＭの本体ケーシング１０１は、上下両端をテーパ状に絞った円筒形状に形成されている。本体ケーシング１０１の上部には、圧縮機８０の冷媒吐出側８０Ａと連結された流入管４ａａが水平方向に貫通して接続されている。流入管４ａａの先端部は本体ケーシング１０１内で内周方向を指向するように配置されている。また、高圧側熱交換器８１の冷媒吸入側８１Ａと連結された吐出管５が、本体ケーシング１０１の上側テーパ部の頂部を上下貫通して本体ケーシング１０１と同軸に固定されている。圧縮機８０の冷媒吸入側８０Ｂと連結された返油管６が、本体ケーシング１０１の下側テーパ部の頂部を上下貫通して本体ケーシング１０１と同軸に固定されている。

次に、圧縮機マフラＭＭの動作について説明する。冷媒回路の圧縮機８０から吐出された冷媒ガスおよび冷凍機油より成る圧縮ガスは、圧縮機マフラＭＭの流入管４ａａから本体ケーシング１０１内へ流入する。本体ケーシング１０１内へ流入した圧縮ガスは、本体ケーシング１０１の内周面に沿って周方向に回転運動を行いながら重力により降下することで、螺旋状に旋回降下する。このとき、遠心力を受けた圧縮ガス中の霧状の冷凍機油は冷媒ガスと比較して比重が重いために、本体ケーシング１０１の内周面へ追いやられて衝突し付着して液粒化するというサイクロン効果が発生する。これにより、圧縮ガス中に含まれていた霧状の冷凍機油が次第に冷媒ガスから分離する。冷凍機油が分離された冷媒ガスは前述の吐出管５を通り高圧側熱交換器８１に向けて吐出される。また、分離した冷凍機油は重力により本体ケーシング１０１の内壁を伝って底部に溜まり、やがて返油管６から圧縮機８０の冷媒吸入側８０Ｂへ戻るようになっている。

特開２００２−６１９９３号公報（段落番号［００２６］〜［００３１］、図１〜３）

本体ケーシング１０１の外周部の曲面部に流入管４ａａを取り付けるための貫通孔を設けることで、手間およびコストがかかるという課題がある。また、本体ケーシング１０１の円筒胴部に接線方向に形成された貫通孔に流入管４ａａが取り付けられるので、溶接の溶込みが不均一になり、内圧が作用した際に流入管４ａａの取付け部分が疲労破壊の起点となって耐久性が低いという課題もあった。そして、当然ながら、これまでよりも運転圧力の高い冷媒ガスを用いようとすると、必然的に本体ケーシング１０１の肉厚を厚くせざるを得なかったのである。そうすると、上記した従来の圧縮機マフラＭＭのように、上下をテーパ状に絞った構造の本体ケーシング１０１はその製作自体が容易でなくコストが高くなる。

この発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、簡単な構成により安価で耐久性の高いサイクロン式油分離機能付きの圧縮機マフラを提供することを目的とする。

この発明に係る圧縮機マフラは、圧縮機、高圧側熱交換器、絞り装置、および低圧側熱交換器を順次接続して成る冷媒回路の前記圧縮機の冷媒吐出側に配備されて、前記圧縮機から吐出された冷媒ガスの消音および冷凍機油分離を行なう圧縮機マフラであって、円筒状に形成された竪胴部と、前記竪胴部の上面開口縁に接合された上側蓋部と、前記竪胴部の下面開口縁に接合された下側蓋部とから成る本体ケーシングを備え、前記圧縮機の冷媒吐出側と連結された流入管、および前記高圧側熱交換器の冷媒吸入側と連結された吐出管が前記上側蓋部を貫通して設けられ、前記流入管の先端部が前記本体ケーシング内で前記竪胴部の内周方向を指向して配置され、前記圧縮機の冷媒吸入側と連結された返油管が前記下側蓋部を貫通して設けられていることを特徴とするものである。

この発明の圧縮機マフラは、上側蓋部に流入管および吐出管を設けるとともに下側蓋部に返油管を設けたので、完全な円筒形状の竪胴部を用いることができる。これにより、竪胴部は構成が簡素で済み、安価かつ容易に入手できる。このような竪胴部は管心方向長を容易に変えられるので、本体ケーシングの容量を自由に選定できるという利点がある。また、竪胴部は流入管などの取付け部がないので、疲労破壊の起点とならない。そして、上側蓋部に流入管および吐出管が集約して取り付けられるので、加工が容易となり製造コストの低減化を図ることができる。また、上側蓋部に対し流入管を斜めに取り付けなくて済むので、内圧が作用した際に上側蓋部における流入管取付け部分が疲労破壊の起点となりにくいことから、耐久性の高いサイクロン式油分離機能付きの圧縮機マフラとなる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における圧縮機マフラを示す縦断面図、図２は 図１におけるＡ−Ａ線矢視断面を示す横断面図である。
図において、圧縮機マフラＭは、円筒状の竪胴部１と、竪胴部１の上面開口縁１Ａに溶接で接合された円盤状の上側蓋部２と、竪胴部１の下面開口縁１Ｂに溶接で接合された円盤状の下側蓋部３とから成る本体ケーシング７を備えている。

ここで用いる竪胴部１は、円筒状の鋼管材（例えば、圧力配管用炭素鋼鋼管（ＳＴＰＧ））を管心方向に所定の長さに切断して得た切断鋼管を使用してある。但し、このような切断鋼管としては、前記のＳＴＰＧに限らず、冷媒設備の高圧部分に使用可能な材料であれば特に限定されない。このような使用可能材料は、例えば低温配管用鋼管（ＳＴＰＬ）や圧力容器用鋼（ＳＰＶ）などのように、高圧ガス保安法に基づいて日本冷凍空調機学会が規定した冷凍保安規則関係例示基準に列記されている鋼材を適宜選定して用いることができる。このように、既存の標準サイズの鋼管をカットして用いることで、１本の鋼管から複数本の切断鋼管を安価に得ることができる。また、切断鋼管の所定長さを適宜選定することにより、所望の内容量の本体ケーシング７を製作することができる。

一方、上側蓋部２の平面中心部には、竪胴部１と同軸となる貫通孔８が上下貫通して形成されている。上側蓋部２における貫通孔８と外周縁部との間には、貫通孔９が上下貫通して形成されている。下側蓋部３には、貫通孔１０が上下貫通して形成されている。上側蓋部２の貫通孔８には、高圧側熱交換器８１の冷媒吸入側８１Ａと連結された吐出管５が挿通され溶接などで封着されている。上側蓋部２の貫通孔９には、圧縮機８０の冷媒吐出側８０Ａと連結された流入管４が挿通され溶接などで封着されている。この流入管４の先端部４Ａは本体ケーシング７内で竪胴部１のほぼ内周方向（図２中の矢印Ｙの方向）を指向するように水平方向に曲げて配置されている。そして、下側蓋部３の貫通孔１０には、圧縮機８０の冷媒吸入側８０Ｂと連結された返油管６が挿通され溶接などで封着されている。
このように構成された圧縮機マフラＭは、図１１に示した流入管４ａａを有する圧縮機マフラＭＭに替えて、冷媒回路に配備される。

次に、圧縮機マフラＭの動作について説明する。冷媒回路の圧縮機８０から吐出された冷媒ガスおよび冷凍機油より成る圧縮ガスは、流入管４を通って本体ケーシング７内に流入する。このとき、圧縮ガスは流入管４の先端部４Ａから竪胴部１の内周方向に沿って噴出する。本体ケーシング７内に流入した圧縮ガスは、竪胴部１の内周面１Ｃに沿って回転運動を行いながら重力により降下することで、螺旋状に旋回降下する。このとき、遠心力を受けた圧縮ガス中の霧状の冷凍機油は冷媒ガスと比較して比重が重いために、竪胴部１の内周面１Ｃに衝突し付着して液粒化するというサイクロン効果が発生する。これにより、圧縮ガス中に含まれていた霧状の冷凍機油は次第に冷媒ガスから分離する。冷凍機油が分離された冷媒ガスは吐出管５を通り高圧側熱交換器８１に向けて吐出される。また、分離した冷凍機油は重力により竪胴部１の内周面１Ｃを伝って本体ケーシング７の底部に溜まり、やがて返油管６から圧縮機８０の冷媒吸入側８０Ｂへ戻る。

上記したように、この圧縮機マフラＭは、完全な円筒形状、構成が簡素で安価、かつ、容易に入手可能な竪胴部１が用いられる。そして、管心方向長Ｌを簡単に変えられる竪胴部１は本体ケーシング７の容量を容易に選定することができ、疲労破壊の起点とならない。また、上側蓋部２に対し流入管４が直角に取り付けられているので、上側蓋部２における流入管４の取付け部分が疲労破壊の起点となりにくい。従って、耐久性の高い圧縮機マフラＭが得られる。そして、上側蓋部２に流入管４および吐出管５が集約して取り付けられるので、加工が容易となり低コストの圧縮機マフラＭが得られる。

他方で、本発明者はこの圧縮機マフラＭを完成するにあたり多大な試験を重ねた結果、下記する条件を満たせば、圧縮ガスから冷凍機油を分離する分離効率が高くなることがわかった。その条件のひとつとして、上側蓋部２の下面２Ａと下側蓋部３の上面３Ａとの距離Ｌ（すなわち、竪胴部１の管心方向所定長さ：管全長）に対する、上側蓋部２，２ａの下面から吐出管５の先端部５Ａまでの差込み深さＹ１の比率Ｙ１／Ｌが、１／４≦Ｙ１／Ｌ≦３／４となるように設定されていることである。また、別の条件として、吐出管５の差込み深さＹ１に対する、上側蓋部２，２ａの下面から流入管４の先端部４Ａまでの差込み深さＹ２の比率Ｙ２／Ｙ１が、Ｙ２／Ｙ１≦１となるように設定されていることである。上記した２つの条件を同時に満たすことにより、圧縮ガスから冷凍機油を極めて高い効率（分離効率８０％以上）で分離できる。

ここで、図３に圧縮機マフラＭにおけるＹ１／Ｌと分離効率との関係を示す。竪胴部１の管全長Ｌに対する吐出管５の差込み深さＹ１の比率Ｙ１／Ｌが１／４を超えると、吐出管５から流入する霧状の冷凍機油混じりの冷媒ガスに対する前述のサイクロン効果は高まる為、分離効率は上昇することがわかる。しかしながら、比率Ｙ１／Ｌが３／４を超えると、いったん分離された冷凍機油が、本体ケーシング内を旋回して舞う冷媒ガスにより巻き上げられて吐出管５から持ち出される為、分離効率は低下するのである。
また、図４に圧縮機マフラＭにおけるＹ２／Ｙ１と分離効率との関係を示す。吐出管５の差込み深さＹ１に対して、流入管４の差込み深さＹ２が短い場合は、流入管４より流入する霧状の冷凍機油混じりの冷媒ガスに対するサイクロン効果は十分に得られる。しかしながら、Ｙ２／Ｙ１が１／２を超え始めると冷凍機油が十分に分離されることなく吐出管５より吐き出される為、分離効率は低下する。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る圧縮機マフラを図５および図６に示す。図示の圧縮機マフラＭａは、実施の形態１における円板状の上側蓋部２および下側蓋部３に替えてフランジ付きの上側蓋部２ａおよび下側蓋部３ａを用いたこと以外、実施の形態１と同様の構成にされている。前記の上側蓋部２ａは、竪胴部１の上面開口１１を被う平板部１３と、平板部１３の下面周縁に垂下して形成されて竪胴部１の上面開口縁１Ａに接合される筒状フランジ部１４とから構成されている。また、下側蓋部３ａは、竪胴部１の下面開口１２を被う平板部１５と、平板部１５の上面周縁に起立して形成されて竪胴部１の下面開口縁１Ｂに接合される筒状フランジ部１６とから構成されている。これら、上側蓋部２ａ、下側蓋部３ａ、および竪胴部１から、圧縮機マフラＭａの本体ケーシング７ａが構成される。ここで、上下筒状フランジ部１４の形状は、実施の形態に示される形状に限らず、プレス成形した、おわん形や皿形等の形状であっても問題はない。

上記のように、圧縮機マフラＭａでは、筒状フランジ部１４，１６付きの蓋部２ａ，３ａと竪胴部１の開口縁１Ａ，１Ｂとが突合せ溶接されているので、上記した冷凍保安規則関係例示基準に記載されているように、材料の最小厚さを算出するために用いられる肉厚選定係数√（Ｋ）（接合方法により定まる係数）は√（０．２５）となる。これに対し、実施の形態１のように、円形平板の蓋部２，３を竪胴部１の開口縁１Ａ，１Ｂに溶接した場合は、肉厚選定係数√（Ｋ）が√（０．５）となる。すなわち、この実施の形態２に係る圧縮機マフラＭａは、上下側蓋の肉厚が圧縮機マフラＭ（実施の形態１）の７０％（＝√（０．２５／０．５））の肉厚で済むことがわかる。

つまり、上側蓋部２ａと下側蓋部３ａと、竪胴部１とを突合せ溶接により接合することで、筒状フランジ部１４，１６付きの蓋部２ａ，３ａの内側コーナーに形成されているアール部Ｒの応力集中を緩和させることが可能となる。よって、運転圧力の高い冷媒ガスを用いる場合でも、筒状フランジ部１４，１６付きの蓋部２ａ，３ａを採用することで、溶接部に作用する応力を緩和させて、高い内圧が作用した際でも十分な耐力を持たせることが可能となる。また、上下側蓋の肉厚を薄くすることが可能なので、軽量で安価な圧縮機マフラＭａを提供することができる。尚、蓋部２ａ，３ａの内側コーナーは、アール部Ｒでなく、２点鎖線で示すような隅部Ｓを形成したものであっても、突合せ溶接のおかげで比較的高い強度のものが得られることは言うまでもない。

実施の形態３．
この発明の実施の形態３として、図７および図８に圧縮機マフラＭｂ示す。図示の圧縮機マフラＭｂは、本体ケーシング７内にバッフル板１７を配備したこと以外、実施の形態１と同様の構成にされている。この圧縮機マフラＭｂでは、本体ケーシング７内における竪胴部１の下部に、バッフル板１７がその平面を水平方向に向けて配置されている。すなわち、バッフル板１７は、竪胴部１の内周面１Ｃに内接して固設される外周部と、外周縁部が径方向内向きに切り欠かれた３箇所の開口部１８，１８，１８とを有しており、これらの開口部１８，１８，１８を通じて冷凍機油が下方に通過できるようになっている。

この圧縮機マフラＭｂにおいて、サイクロン効果により本体ケーシング７内で液粒化した冷凍機油は竪胴部１の内周面１Ｃを流下してバッフル板１７の開口部１８，１８，１８，・・・を通り抜け、バッフル板１７下方の本体ケーシング７の底部に至る。一方、竪胴部１内を旋回降下する冷媒ガスはその多くがバッフル板１７の平板部に当るので、開口部１８からバッフル板１７下方に流れ込むものは少ない。従って、本体ケーシング７の底部に溜まった冷凍機油は冷媒ガスに巻き上げられない。たとえ巻き上げられたとしても、バッフル板１７の下面に当って留まり本体ケーシング７の底部に落下する。
このように、本体ケーシング７内の下部にバッフル板１７を設けることで、本体ケーシング７内の底部にいったん溜まった冷凍機油が、本体ケーシング７内を旋回して舞い上がる冷媒ガスにより巻き上げられて、吐出管５から持ち出されるといったことを防止できる。

尚、バッフル板は上記のバッフル板１７に限定されない。例えば、図９（ａ）に示すように半円状に切り欠かれた開口部１８ａが多数形成されたバッフル板１７ａや、同図（ｂ）に示すように外周縁の大部分が開口部１８ｂとなったバッフル板１７ｂなどが挙げられる。また、同図（ｃ）に示すように、竪胴部１の内周面１Ｃに垂直方向に延びる縦スリット部１９，１９，１９，・・・を形成してもよい。このように縦スリット部１９，１９，１９，・・・を設けることにより、内周面１Ｃで液粒化した冷凍機油は縦スリット部１９，１９，１９，・・・を伝い本体ケーシング７の底部に向けて流下しやすくなる。
このようなバッフル板１７，１７ａ，１７ｂまたは縦スリット部１９を用いる態様は、実施の形態１の圧縮機マフラＭに限らず、実施の形態２の圧縮機マフラＭａなどにも適用可能である。

実施の形態４．
この発明の実施の形態４として、図１０に示すように、圧縮機マフラＭ，Ｍａ，またはＭｂの本体ケーシング７または７ａと圧縮機８０の本体シェル８１とを一体に連結しても構わない。この場合、圧縮機マフラＭ，Ｍａ，Ｍｂの本体ケーシング７，７ａと圧縮機８０の本体シェル８０Ｃとは鋼材製の支え板２０を介して溶接などで一体に固設されている。無論、圧縮機８０の所要性能を損なわないのであれば、圧縮機マフラＭ，Ｍａ，Ｍｂの本体ケーシング７，７ａと圧縮機８０の本体シェル８０Ｃとを直に溶接付けしてよい。
このように、圧縮機８０の本体シェル８０Ｃの側面に圧縮機マフラＭ，Ｍａ，Ｍｂを一体に固設することにより、吐出配管（流入管４および吐出管５）の脈動が抑制されるので、吐出配管に働く応力を低減させた耐久性の高い圧縮機８０が提供される。

尚、この発明の圧縮機マフラは、運転圧力の高い冷媒ガス、例えば二酸化炭素を用いた冷凍サイクルに適用することにより特に有効となる。二酸化炭素は冷凍サイクルの標準条件にて高圧側の運転圧力が１０ＭＰａである。すなわち、二酸化炭素の運転圧力は、冷凍機用のフロン冷媒Ｒ４０４Ａ（２．３ＭＰａ）の４．３倍（１０／２．３）、空調機用のフロン冷媒Ｒ４１０Ａ（３．１ＭＰａ）の３．２倍（１０／３．１）というほどに高い。このように、運転圧力の高い二酸化炭素を用いる冷媒回路であっても、この発明に係る圧縮機マフラを使用することにより、安全性が高いことは言うまでもなく、簡単な構造により安価なシステムが提供されるのである。

この発明の実施の形態１における圧縮機マフラを示す縦断面図である。 図１におけるＡ−Ａ線矢視断面図である。 この発明の実施の形態１におけるＹ１／Ｌと分離効率との関係を示す図である。 この発明の実施の形態１におけるＹ２／Ｙ１と分離効率との関係を示す図である。 この発明の実施の形態２における圧縮機マフラを示す縦断面図である。 図５におけるＢ−Ｂ線矢視断面図である。 この発明の実施の形態３における圧縮機マフラを示す縦断面図である。 図７におけるＣ−Ｃ線矢視断面図である。 この発明の実施の形態３におけるバッフル板の変形例および竪胴部を示す横断面図である。 この発明の実施の形態４における圧縮機マフラおよび圧縮機を示す側面図である。 一般的な冷媒回路を示す概略構成図である。 従来の圧縮機マフラを示す縦断面図である。 図１２におけるＤ−Ｄ線矢視断面図である。

符号の説明

１ 竪胴部、１Ａ 上面開口縁、１Ｂ 下面開口縁、１Ｃ 内周面、２，２ａ 上側蓋部、２Ａ 下面、３，３ａ 下側蓋部、３Ａ 上面、４ 流入管、４Ａ 先端部、５ 吐出管、５Ａ 先端部、６ 返油管、７，７ａ 本体ケーシング、８ 貫通孔、９ 貫通孔、１０ 貫通孔、１１ 上面開口、１２ 下面開口、１３ 平板部、１４ 筒状フランジ部、１５ 平板部、１６ 筒状フランジ部、１７，１７ａ，１７ｂ バッフル板、１８，１８ａ，１８ｂ 開口部、１９ 縦スリット部、２０ 支え板、８０ 圧縮機、８０Ａ 冷媒吐出側、８０Ｂ 冷媒吸入側、８０Ｃ 本体シェル、８１ 高圧側熱交換器、８２ 絞り装置、８３ 低圧側熱交換器、Ｙ１，Ｙ２ 差込み深さ、Ｌ 距離、Ｍ，Ｍａ，Ｍｂ 圧縮機マフラ、Ｙ 矢印。

Claims (7)

1. 圧縮機、高圧側熱交換器、絞り装置、および低圧側熱交換器を順次接続して成る冷媒回路の前記圧縮機の冷媒吐出側に配備されて、前記圧縮機から吐出された冷媒ガスの消音および冷凍機油分離を行なう圧縮機マフラであって、円筒状に形成された竪胴部と、前記竪胴部の上面開口縁に接合された上側蓋部と、前記竪胴部の下面開口縁に接合された下側蓋部とから成る本体ケーシングを備え、前記圧縮機の冷媒吐出側と連結された流入管、および前記高圧側熱交換器の冷媒吸入側と連結された吐出管が前記上側蓋部を貫通して設けられ、前記流入管の先端部が前記本体ケーシング内で前記竪胴部の内周方向を指向して配置され、前記圧縮機の冷媒吸入側と連結された返油管が前記下側蓋部を貫通して設けられていることを特徴とする圧縮機マフラ。
2. 本体ケーシングの上側蓋部が、竪胴部の上面開口を被う円盤部と、前記円盤部の下面に形成されて前記竪胴部の上面開口縁に接合される筒状フランジ部とから構成され、本体ケーシングの下側蓋部が、竪胴部の下面開口を被う円盤部と、前記円盤部の上面に形成されて前記竪胴部の下面開口縁に接合される筒状フランジ部とから構成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧縮機マフラ。
3. 竪胴部が、円筒状の鋼管材を管心方向所定長さで切断して得られた切断鋼管であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧縮機マフラ。
4. 上側蓋部の下面と下側蓋部の上面との距離Ｌに対する、前記上側蓋部の下面から吐出管の先端部までの差込み深さＹ１の比率Ｙ１／Ｌが、１／４≦Ｙ１／Ｌ≦３／４となり、かつ、前記吐出管の差込み深さＹ１に対する、前記上側蓋部の下面から前記流入管の先端部までの差込み深さＹ２の比率Ｙ２／Ｙ１が、Ｙ２／Ｙ１≦１となる関係にあることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の圧縮機マフラ。
5. 本体ケーシング内の下部に、横向きのバッフル板を油通過可能に配置したことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の圧縮機マフラ。
6. 冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の圧縮機マフラ。
7. 圧縮機マフラの本体ケーシングと圧縮機の本体シェルとを一体に連結したことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の圧縮機マフラ。

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