JP2012077974A - 油分分離手段およびこれを備えた冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】サイクロン効率を向上させることが可能な遠心分離式の油分分離手段およびこれを備えた冷凍装置を提供することを目的とする。
【解決手段】軸線方向に延在する外筒２と、外筒２の内部を軸線方向に貫通する内筒３と、外筒２の軸線方向の両端面に設けられる一対の鏡板４ａ、４ｂと、一方の鏡板４ａの近傍の外筒２に接続され、圧縮機から吐出される油を含んだ流体を、軸線回りに旋回するように、外筒２と内筒３との間に形成された空間部７に導入する導入口５と、他方の鏡板４ｂの近傍の外筒２に接続されて、油が遠心分離された流体を空間部７から導出する導出口６と、外筒２に設けられて、分離された油を空間部７から排出する油排出口と、を備え、空間部７には、軸線方向に直交する断面内の少なくとも一部分に延在し、空間部７を軸線方向に仕切る仕切板８、９が設けられていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、油分分離手段およびこれを備えた冷凍装置に関し、特に、サイクロン式の油分分離手段に関するものである。

ターボ冷凍機に設けられている圧縮機には、圧縮機を駆動する歯車や軸受けへと潤滑油タンクから潤滑油が潤滑油ポンプによって強制的に供給される強制循環方式が用いられている。そのため、ターボ冷凍機の運転中に潤滑油ポンプ出口の圧力と潤滑油タンク内の圧力との圧力差（給油差圧）によっては、潤滑油タンク内の潤滑油の一部が圧縮機に吸い込まれて潤滑油タンク内の潤滑油のレベルが低下することがある。

このように潤滑油タンク内の潤滑油のレベルが低下した場合には、潤滑油ポンプ出口の圧力と潤滑油タンク内の圧力との給油差圧が低下してしまい、圧縮機が故障する要因となる。また、圧縮機によって吸い込まれた潤滑油が冷媒と共に凝縮器へと導かれるため、凝縮器の熱交換部に潤滑油が付着して熱伝達が低下する要因にもなる。

この圧縮機に吸引されて冷媒内に混入した潤滑油を回収する方法としては、凝縮器をシェルアンドチューブ式にしてドレンとして潤滑油を回収したり、圧縮機の吐出側に油ミスト分離タンクを設けて冷媒に混入した潤滑油を分離回収することが行われている。

特許文献１および特許文献４には、サイクロン式の油ミスト分離器についての発明が開示されており、特許文献２および特許文献３には、デミスタ式の油ミスト分離器についての発明が開示されている。

また、特許文献５には、二流体ノズルを用いて潤滑油の液滴を微細化することによって潤滑油供給による圧縮機の圧縮行程中の冷媒の冷却効果を向上させることが開示されている。

ここで、サイクロン式の油ミスト分離タンクについて、図３および図４を用いて説明する。
図３は、従来のサイクロン式の油ミスト分離タンクであり、（Ａ）は、その縦断面概略構成図を示し、（Ｂ）は、その横断面概略構成図を示している。

油ミスト分離タンク１００は、筒状の胴１０１と、胴１０１の両端部に鏡板１０２とを有している。胴１０１の軸中心には、芯棒１０３が貫通している。油ミスト分離タンク１００は、この芯棒１０３の周りを回転することによって、冷媒に混入している潤滑油が遠心分離される。胴１０１の内壁には、油捕集デミスタ（図示せず）が設けられており、遠心分離された潤滑油を捕捉して再飛散を防止している。

胴１０１の両端部に設けられている一方の鏡板１０２ａの近傍の胴１０１には、潤滑油が混入した冷媒が流入する冷媒流入管１０４が設けられており、他方の鏡板１０２ｂの近傍の胴１０１には、潤滑油が分離された冷媒を外部へと流出する冷媒流出管１０５が設けられている。さらに、胴１０１には、図示しない油抜き孔が設けられており、捕捉された潤滑油を排出できるようになっている。

このような構造の油ミスト分離タンク１００内部の旋回速度ベクトルについて図４を用いて説明する。
図４は、油ミスト分離タンク内の旋回速度ベクトル図であり、（Ａ）は、図３に示した油ミスト分離タンクの概略図であり、（Ｂ）から（Ｆ）は、（Ａ）のＦ−Ｆ部からＪ−Ｊ部における断面における旋回速度ベクトル図を示している。

図４（Ｂ）から（Ｆ）の各断面の旋回速度ベクトル図は、冷媒流入管１０４から油ミスト分離タンク１００内に流入した冷媒を油ミスト分離タンク１００の軸線方向に上流側から下流側へと向かって５分割した場合についてこの順に示している

冷媒流入管１０４の中心軸の延長上の油ミスト分離タンク１００の断面Ｆ−Ｆの旋回速度ベクトルは、図４（Ｂ）に示すように、冷媒流入管１０４が連通している胴１０１と芯棒１０３（図３参照）との間に形成されている空間（図４（Ｂ）において左側）内において、冷媒流入管１０４の中心軸の延長方向に向かって略均一に密となって分布している。

冷媒流入管１０４から油ミスト分離タンク１００内に流入した油を含んだ冷媒は、冷媒流入管１０４の中心軸の延長線の方向に流れて、その先に存在している胴１０１の内壁に衝突して胴１０１の内壁に沿うように流れ方向が転向する。流れ方向が転向した冷媒のうち胴１０１の内壁に沿った冷媒の速度は、芯棒１０３の外壁近傍を流れる冷媒の速度よりも早くなって旋回する。このことは、図４（Ｂ）において、胴１０１の内壁近傍の速度ベクトルが芯棒１０３の外壁近傍の速度ベクトルよりも密となっていることにより示されている。

特開２００８−１０１８３１号公報 特開２００８−１５１４７６号公報 特開２００８−１９６７２１号公報 特開２００９−２５７１１５号公報 特開２０１０−１０１６１３号公報

しかし、特許文献１や特許文献４に記載の発明、図３および図４に示した従来の油ミスト分離タンク１００では、冷媒流入管１０４から油ミスト分離タンク１００内に導かれた流れの一部が、図４（Ｃ）に示すように、冷媒流入管１０４の中心軸の延長上の油ミスト分離タンク１００の断面Ｆ−Ｆよりも油ミスト分離タンク１００の軸線方向に向かって下流側に移動するため、冷媒の旋回速が低減する。そのため、旋回する油に作用する遠心力が低減して分離性能が低下するという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、サイクロン効率を向上させることが可能な遠心分離式の油分分離手段およびこれを備えた冷凍装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明に係る遠心分離式の油分分離手段によれば、軸線方向に延在する外筒と、該外筒の内部を前記軸線方向に貫通する内筒と、前記外筒の両端面に設けられる一対の鏡板と、一方の該鏡板の近傍の前記外筒に接続され、圧縮機から吐出される油を含んだ流体を、前記軸線回りに旋回するように、前記外筒と前記内筒との間に形成された空間部に導入する導入口と、他方の前記鏡板の近傍の前記外筒に接続されて、前記油が遠心分離された前記流体を前記空間部から導出する導出口と、前記外筒に設けられて、分離された前記油を前記空間部から排出する油排出口と、を備え、前記空間部には、前記軸線方向に直交する断面内の少なくとも一部分に延在し、前記空間部を前記軸線方向に仕切る仕切板が設けられていることを特徴とする。

遠心分離式によって流体中に混入している油を分離する油分分離手段の外筒と内筒との間の空間部には、外筒の軸線方向に直交する断面内の少なくとも一部分に延在して、空間部を軸線方向に仕切る仕切板を設けることとした。これにより、導入口から空間部に導入された流体の一部が旋回することなく外筒の軸線方向に移動することを抑制することができる。そのため、流体の旋回流れを促進することができるので、油に働く遠心力を増加させることができる。したがって、サイクロン効率を向上させることができる。
また、空間部に仕切板を設けることによってサイクロン効率を向上させることができるので、従来の油分分離手段に比べて小型化することができる。

本発明に係る遠心分離式の油分分離手段によれば、前記導入口と前記導出口との間の前記空間部であって、前記導入口の近傍に設けられることを特徴とする。

導入口の近傍であって導入口と導出口との間の空間部に仕切板を設けることとした。これにより、導入口から空間部に導入された流体の一部が旋回することなく外筒の軸線方向に移動することを抑制することができる。そのため、流体の旋回流れを促進することができるので、油に働く遠心力を増加させることができる。したがって、サイクロン効率を向上させることができる。

本発明に係る遠心分離式の油分分離手段によれば、前記仕切板は、前記外筒に接続される前記導入口の接続端から前記流体が旋回する周方向に向かって１３５°までの間に設けられることを特徴とする。

仕切板が周方向を占める面積が大きい場合には、流路面積が小さくなって圧力損失が増大してしまう。

そこで、外筒と導入口との接続端から流体が旋回する周方向に１３５°までの間を仕切板によって仕切ることとした。これにより、流体の流路面積を小さくすることなく、流体の一部が旋回せずに外筒の軸線方向に移動することを抑制することができる。したがって、圧力損失を抑制しつつサイクロン効率を向上させることができる。
なお、仕切板は、流体の旋回する周方向に接続端から周方向に向かって３０°から１３５°までの間を接続することが好ましい。

本発明に係る遠心分離式の油分分離手段によれば、前記仕切板は、一方の前記鏡板と前記導入口との間であって該導入口の近傍の前記空間部に環状に設けられることを特徴とする。

導入口と上流側の鏡板との間の空間部であって導入口の近傍には、環状にした仕切板を設けることとした。これにより、導入口から空間部に導かれた流体の一部が旋回することなく上流側の鏡板に向かって移動することを規制することができる。そのため、流体の旋回流れを促進して、油に働く遠心力を増加させることができる。したがって、サイクロン効率を向上させることができる。

本発明に係る冷凍装置によれば、上記のいずれかに記載の遠心分離式の油分分離手段を備えたことを特徴とする。

サイクロン効率を向上させることが可能な油分分離手段を用いることとした。これにより、冷凍装置を循環する冷媒と共に油が冷凍装置内を循環して熱交換器等に付着することを抑制することができる。したがって、熱伝達率の低下を防止することができる。
また、サイクロン効率を向上させるとともに小型化が可能な油分分離手段を用いることとした。そのため、冷凍装置に充填する冷媒量を低減することができる。

本発明に係る遠心分離式の油分分離手段によれば、遠心分離式によって流体中に混入している油を分離する油分分離手段の外筒と内筒との間の空間部には、外筒の軸線方向に直交する断面内の少なくとも一部分に延在して、空間部を軸線方向に仕切る仕切板を設けることとした。これにより、導入口から空間部に導入された流体の一部が旋回することなく外筒の軸線方向に移動することを抑制することができる。そのため、流体の旋回流れを促進することができるので、油に働く遠心力を増加させることができる。したがって、サイクロン効率を向上させることができる。
また、空間部に仕切板を設けることによってサイクロン効率を向上させることができるので、従来の油分分離手段に比べて、油分分離手段を小型化することができる。

本発明の一実施形態に係るターボ冷凍装置に設けられている油ミスト分離タンクであり、（Ａ）は、その縦断面概略構成図であり、（Ｂ）および（Ｃ）は、仕切板を示す。 図１に示す油ミスト分離タンク内の旋回速度ベクトル図であり、（Ａ）は、図１に示した油ミスト分離タンクの概略図であり、（Ｂ）は、Ａ−Ａ部、（Ｃ）は、Ｂ−Ｂ部、（Ｄ）は、Ｃ−Ｃ部、（Ｅ）は、Ｄ−Ｄ部、（Ｆ）は、Ｅ−Ｅ部の断面を示す。 従来の油ミスト分離タンクであり、（Ａ）は、その縦断面概略構成図であり、（Ｂ）は、その横断面概略構成図を示す。 図３に示す油ミスト分離タンク内の旋回速度ベクトル図であり、（Ａ）は、図３に示した油ミスト分離タンクの概略図であり、（Ｂ）は、Ｆ−Ｆ部、（Ｃ）は、Ｇ−Ｇ部、（Ｄ）は、Ｈ−Ｈ部、（Ｅ）は、Ｉ−Ｉ部、（Ｆ）は、Ｊ−Ｊ部の断面を示す。

以下、本発明の一実施形態について、図１および図２を用いて説明する。
図１には、本発明の一実施形態にかかるターボ冷凍装置に設けられている油ミスト分離タンクを示し、（Ａ）は、その縦断面概略構成図を、（Ｂ）および（Ｃ）は、仕切板を示している。

油ミスト分離タンク（油分分離手段）１は、横型とされている。油ミスト分離タンク１は、内径が例えば６００ｍｍの軸線方向に延在している外筒２と、外筒２の内部を軸線方向に貫通している内筒３と、外筒２の両端面に設けられている一対の鏡板４と、一方の鏡板４ａ（図１（Ａ）において左側）の近傍の外筒２に接続されており、圧縮機（図示せず）から吐出された油を含んでいる冷媒（流体）を、軸線回りに旋回するように外筒２と内筒３との間に形成されている空間部７に導入する導入口５と、他方の鏡板４ｂ（図１（Ａ）において右側）の近傍の外筒２に接続されており、油が遠心分離された冷媒を空間部７から導出する導出口６と、外筒２に設けられて、分離された油を空間部７から排出する油排出口（図示せず）とを備えている。

導入口５は、外筒２の軸線方向に直交するように接続されている。そのため、導出口６を通過して油ミスト分離タンク１内に導かれた冷媒は、環状に形成されている空間部７に沿って外筒２の軸線回りに旋回流れを生じることとなる。この旋回流れによって、冷媒にはサイクロン効果（遠心分離効果）が生じる。

さらに、導入口５は、外筒２の軸線方向の上流側の鏡板４ａの近傍に設けられている。これにより、冷媒に生じる旋回流れが油ミスト分離タンク１内を移動する距離が長くなる。この距離は、冷媒中に含まれている油を分離させるサイクロン効果を発揮させるために十分な距離とされている。

導出口６は、外筒２の軸線方向の下流側であって、外筒２の軸線方向に直交するように設けられている。このように導出口６が外筒２に接続されることによって、油ミスト分離タンク１内を旋回した冷媒の流れが油ミスト分離タンク１外へと導出され易くなっている。

外筒２の内壁と内筒３の外壁との間には、空間部７が形成されている。この空間部７を冷媒が外筒２の軸線方向に上流側から下流側へと旋回しながら移動する。この旋回流れによって、冷媒中の油に遠心力が作用して、冷媒から油が分離される。

外筒２の内壁には、図示しない油捕集デミスタが設けられている。油捕集デミスタは、金属製であり、冷媒から分離された油が再飛散することを防止している。油捕集デミスタに捕集された油は、重力方向（図１（Ａ）において下方）に移動して、外筒２に設けられている油排出口から油ミスト分離タンク１外へと排出される。

空間部７には、図１（Ａ）に示すように、導入口５と導出口６との間であって、導入口５の近傍に、外筒２の軸線方向に直交している断面内の少なくとも一部分に延在し、空間部７を軸線方向に仕切っている上流側部分仕切板（仕切板）８が設けられている。

上流側部分仕切板８は、図１（Ｂ）に示すように、外筒２に接続されている導入口５の接続端１１から冷媒が旋回している周方向に向かって１３５°までの間を接続している扇型形状とされている。
なお、上流側部分仕切板８は、接続端１１から冷媒が旋回している周方向に向かって少なくとも３０°以上から１３５°までの間を接続していることが好ましい。

また、上流側（一方）の鏡板４ａと導入口５との間であって導入口５の近傍の空間部７には、外筒２の軸線方向に直交している断面全体に延在しており、空間部７を軸線方向に仕切っている環状の環状仕切板（仕切板）９が設けられている。

さらに、導入口５と導出口６との間の空間部７であって、導出口６の近傍には、外筒２の軸線方向に直交している断面内の少なくとも一部分に延在し、空間部７を軸線方向に仕切っている下流側部分仕切板（図示せず）が設けられている。

下流側部分仕切板は、外筒２に接続されている導出口６の中心軸が外筒２と交わる位置１２（図２参照）から反時計回りに周方向に１３５°までの間を接続している扇型形状とされている。

次に、冷媒から油を分離する流れおよび油ミスト分離タンク１内の冷媒の流れについて図１および図２を用いて説明する。
圧縮機から導入口５を通って空間部７に流入した油を含んでいる冷媒は、上流側部分仕切板８によって空間部７の軸線方向に直交している断面内の一部分が軸線方向に仕切られており、かつ、環状仕切板９によって導入口５から上流側の鏡板４ａのまでの空間部７の軸線方向に直交している断面内の全体が軸線方向に仕切られているため、図２（Ｂ）および図２（Ｃ）に示すように、外筒２の軸線方向の下流側に移動しようとする冷媒の動きや導入口５から鏡板４ａに向かって移動しようとする冷媒の動きが規制されることとなる。

このように上流側部分仕切板８や環状仕切板９を設けることによって、従来に比べて、図２（Ａ）に示す断面Ａ−Ａにおける冷媒の一部が外筒２の軸線方向の下流側および上流側に向かって移動する量を約４割規制することができる。そのため、断面Ａ−Ａにおける冷媒の旋回流れが促進されて、冷媒中に含まれる油に加わる遠心力が増加するため、冷媒から油を分離するサイクロン効率（遠心分離効率）を促進することができる。

また、下流側部分仕切板を設けることによって、図２（Ｆ）に示すように、従来に比べて、図２（Ａ）に示す断断面Ｅ−Ｅにおいて冷媒の旋回方向と逆向きの流れの冷媒が導出口６へと向かう動きが抑制される。したがって、冷媒の旋回流れが促進されてサイクロン効率を促進することができる。

以上述べたように、本実施形態に係る遠心分離式の油ミスト分離タンク１およびこれを備えたターボ冷凍装置によれば、以下の効果を奏する。
遠心分離式によって冷媒（流体）中に混入している油を分離する油ミスト分離タンク（油分分離手段）１の外筒２と内筒３との間の空間部７には、外筒２の軸線方向に直交している断面内の少なくとも一部分に延在しており、空間部７を軸線方向に仕切っている上流側部分仕切板（仕切板）８、環状仕切板（仕切板）９および下流側部分仕切板を設けることとした。これにより、導入口５から空間部７に導入された冷媒の一部が旋回することなく外筒２の軸線方向に移動することを抑制することができる。そのため、冷媒の旋回流れを促進することができるので、油に働く遠心力を増加させることができる。したがって、サイクロン効率を向上させることができる。
また、空間部７に上流側部分仕切板８、環状仕切板９および下流側部分仕切板を設けることによってサイクロン効率を向上させることができるので、油ミスト分離タンク１を小型化することができる。

導入口５の近傍であって導入口５と導出口６と間の空間部７に上流側部分仕切板８を設けることとした。これにより、導入口５から空間部７に導入された冷媒の一部が旋回することなく外筒２の軸線方向の下流側に移動することを抑制することができる。そのため、冷媒の旋回流れを促進することができるので、油に働く遠心力を増加させることができる。したがって、サイクロン効率を向上させることができる。

外筒２と導入口５との接続端１１から冷媒が旋回する周方向の１３５°までの間に上流側部分仕切板８を設けることとした。これにより、断面Ａ−Ａ（図２（Ａ）参照）における冷媒の流路面積を小さくすることなく、冷媒の一部が旋回せずに外筒２の軸線方向を下流側に移動することを抑制することができる。したがって、圧力損失を抑制しつつサイクロン効率を向上させることができる。

導入口５と上流側（一方）の鏡板４ａとの間の空間部７であって導入口５の近傍には、環状にした環状仕切板９を設けることとした。これにより、導入口５から空間部７に導かれた冷媒の一部が旋回することなく上流側の鏡板４ａに向かって移動することを規制することができる。そのため、冷媒の旋回流れを促進して、油に働く遠心力を増加させることができる。したがって、サイクロン効率を向上させることができる。

サイクロン効率を向上させることが可能な油ミスト分離タンク１を用いることとした。これにより、冷凍装置（図示せず）を循環する冷媒と共に油が冷凍装置内を循環して熱交換器（図示せず）等に付着することを抑制することができる。したがって、熱伝達率の低下を防止することができる。
また、サイクロン効率を向上させるとともに小型化が可能な油ミスト分離タンク１を用いることとした。そのため、冷凍装置に充填する冷媒量を低減することができる。

なお、本実施形態では、油ミスト分離タンク１を横型として説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、縦型であっても良い。

１ 油ミスト分離タンク（油分分離手段）
２ 外筒
３ 内筒
４、４ａ、４ｂ 鏡板
５ 導入口
６ 導出口
７ 空間部
８ 上流側部分仕切板（仕切板）
９ 環状仕切板（仕切板）

Claims (5)

1. 軸線方向に延在する外筒と、
   該外筒の内部を前記軸線方向に貫通する内筒と、
   前記外筒の両端面に設けられる一対の鏡板と、
   一方の該鏡板の近傍の前記外筒に接続され、圧縮機から吐出される油を含んだ流体を、前記軸線回りに旋回するように、前記外筒と前記内筒との間に形成された空間部に導入する導入口と、
   他方の前記鏡板の近傍の前記外筒に接続されて、前記油が遠心分離された前記流体を前記空間部から導出する導出口と、
   前記外筒に設けられて、分離された前記油を前記空間部から排出する油排出口と、を備え、
   前記空間部には、前記軸線方向に直交する断面内の少なくとも一部分に延在し、前記空間部を前記軸線方向に仕切る仕切板が設けられていることを特徴とする遠心分離式の油分分離手段。
2. 前記仕切板は、前記導入口と前記導出口との間の前記空間部であって、前記導入口の近傍に設けられることを特徴とする請求項１に記載の遠心分離式の油分分離手段。
3. 前記仕切板は、前記外筒に接続される前記導入口の接続端から前記流体が旋回する周方向に向かって１３５°までの間に設けられることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の遠心分離式の油分分離手段。
4. 前記仕切板は、一方の前記鏡板と前記導入口との間であって該導入口の近傍の前記空間部に環状に設けられることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の遠心分離式の油分分離手段。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の遠心分離式の油分分離手段を備えたことを特徴とする冷凍装置。

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