JP2019086232A

JP2019086232A - 冷凍機

Info

Publication number: JP2019086232A
Application number: JP2017215427A
Authority: JP
Inventors: 耕治前田; Koji Maeda; 真太郎大村; Shintaro Omura
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Thermal Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Thermal Systems Ltd
Priority date: 2017-11-08
Filing date: 2017-11-08
Publication date: 2019-06-06
Also published as: US20200355422A1; CN111295556A; US11536499B2; WO2019093050A1

Abstract

【課題】圧縮機、凝縮器、膨張器、蒸発器及び、これらを順次接続する配管を有する冷凍サイクルを備える冷凍機の騒音を抑制する。【解決手段】圧縮機、凝縮器、膨張器、蒸発器及び、これらを順次接続する配管１２を有する冷凍サイクルと、配管１２に一端１４ａが接続されて内部に空間を形成する空間形成部１４、及び、空間形成部１４の他端に一体に固定されて空間形成部１４よりも固有振動数の小さい振動体２０を有する音響デバイス１３と、を備える冷凍機を提供する。【選択図】図３

Description

本発明は、冷凍機に関する。

冷凍機は、電気電子関連工場のようなクリーンルームを有する工場空調や、地域冷暖房などの用途に幅広く使用されている熱源機器である。冷凍機は、遠心圧縮機、凝縮器、蒸発器といった構成機器を近傍に配置して一体とし、ユニット化されたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−３２７７００号公報

冷凍機の高効率化に伴い、冷凍機から発生する騒音の増大が課題となっている。冷凍機から発生する騒音の原因は、機械的な誘因による騒音と、流体的な誘因による騒音の２種類に大別される。

機械的な誘因による騒音は、遠心圧縮機やポンプが作動する時に発生する、ブレードの動きやディフューザの羽枚数などによる周期的な流量変動によるものである。この周期的な流量変動により圧力脈動が生じ、これによりＮＺ音と呼ばれる騒音が発生する。
機械的な誘因により発生する騒音は、特徴的かつ単一の周波数特性となる性質が有り、冷凍機内部の配管等の音響固有値と共鳴し、音が増幅されることが知られている。

この発明は、圧縮機、凝縮器、膨張器、蒸発器及び、これらを順次接続する配管を有する冷凍サイクルを備える冷凍機において、騒音を抑制することができる冷凍機を提供することを目的とする。

本発明の第一の態様によれば、冷凍機は、圧縮機、凝縮器、膨張器、蒸発器及び、これらを順次接続する配管、及び、吐出配管を有する冷凍サイクルと、前記配管に一端が接続されて内部に空間を形成する空間形成部、及び、前記空間形成部の他端に一体に固定されて前記空間形成部よりも固有振動数の小さい振動体を有する音響デバイスと、を備える。

このような構成によれば、音響デバイスを配管に取り付けることによって、冷凍機を構成する圧縮機、凝縮器、膨張器、蒸発器及び、配管のうち少なくとも一つの構成要素のＮＺ音が配管内の空間の音響固有値と共鳴することによって生じる騒音を低減することができる。また、音響デバイスが、固有振動数の小さい振動体を有し、この振動体が音響エネルギーを構造振動エネルギーに変換させることによって、音響デバイスの小型化を図ることができる。

上記冷凍機において、前記音響デバイスは、前記空間形成部の一端と前記配管の流路との境界に配置された多孔板を有してよい。

このような構成によれば、冷凍機を構成する圧縮機、凝縮器、膨張器、蒸発器及び、配管のうち少なくとも一つの構成要素の音響インピーダンスを調整して、騒音と共鳴する可能性がある、特定周波数の音響インピーダンスの発生を抑制することができる。

上記冷凍機において、前記空間形成部は、筒状の本体部と、前記本体部の他端に設けられたフタ部と、を有し、前記振動体は、前記フタ部と一体に固定されてよい。

このような構成によれば、本体部の長さ、多孔板の開口率などを調整して、音響インピーダンスを調整することができる。

上記冷凍機において、前記空間形成部は、前記空間形成部の一端側をなす筒状の筒部と、前記筒部の他端に接続され、前記筒部の体積よりも大きな体積である容器部と、を有し、前記筒部の内部空間と前記容器部の内部空間とは連通しており、前記振動体は、前記容器部と一体に固定されてよい。

このような構成によれば、音響デバイスの容器部の体積を調整して、冷凍機を構成する圧縮機、凝縮器、膨張器、蒸発器及び、配管のうち少なくとも一つの構成要素の音響インピーダンスを調整することができる。

本発明によれば、音響デバイスを配管に取り付けることによって、冷凍機を構成する圧縮機、凝縮器、膨張器、蒸発器及び、配管のうち少なくとも一つの構成要素のＮＺ音が配管内の空間の音響固有値と共鳴することによって生じる騒音を低減することができる。また、音響デバイスが、固有振動数の小さい振動体を有し、この振動体が音響エネルギーを構造振動エネルギーに変換させることによって、音響デバイスの小型化を図ることができる。

本発明の第一実施形態の冷凍機の概略構成図である。本発明の第一実施形態の冷凍機の圧縮機と、凝縮器と、これらを接続する配管の概略構成図である。本発明の第一実施形態の冷凍機の音響デバイスの断面図である。本発明の第二実施形態の冷凍機の音響デバイスの断面図である。本発明の第三実施形態の冷凍機の音響デバイスの断面図である。

〔第一実施形態〕
以下、本発明の第一実施形態の冷凍機について図面を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態の冷凍機１は、冷媒Ｗを圧縮する圧縮機２と、圧縮機２によって圧縮された冷媒Ｗを冷却水によって凝縮する凝縮器３と、凝縮器３からの冷媒Ｗを減圧する膨張器である第一膨張弁４と、第一膨張弁４からの冷媒Ｗを気液二相に分離するエコノマイザ６（気液分離器）と、を備えている。

また、冷凍機１は、エコノマイザ６からの気相Ｗ１を、圧縮機２内へ流入可能とする流入路８と、エコノマイザ６からの液相を再度減圧する第二膨張弁５と、第二膨張弁５からの冷媒Ｗを蒸発させる蒸発器７とを備えている。

凝縮器３の気相部と蒸発器７の気相部との間には、ホットガスバイパス管９が設けられている。ホットガスバイパス管９には、ホットガスバイパス管９内を流れる高温冷媒ガスの流量を制御するためのホットガスバイパス弁１０が設けられている。

冷凍機１は、圧縮機２と凝縮器３と第一膨張弁４と第二膨張弁５と蒸発器７を順次接続する配管１２を有する冷凍サイクル１１を有している。具体的には、圧縮機２と凝縮器３とを接続する配管１２ａと、凝縮器３とエコノマイザ６とを接続する配管１２ｂと、エコノマイザ６と蒸発器７とを接続する配管１２ｃと、蒸発器７と圧縮機２とを接続する配管１２ｄとを有している。配管１２は、冷媒Ｗが流通する流路である。
冷媒Ｗは、例えば、代替フロンのＲ１３４ａ（ハイドロフルオロカーボン）等が用いられる。
圧縮機２と凝縮器３とを接続する配管１２ａには、圧縮機２で発生する騒音を低減する音響デバイス１３が設けられている。

圧縮機２は、遠心式の二段圧縮機であり、電源からの入力周波数を変更するインバータにより回転数制御された電動モータ（図示せず）によって駆動されている。
凝縮器３は、圧縮機２で圧縮された冷媒Ｗを冷却水等によって熱交換させることで冷却し、液体の状態とする装置である。例えば、凝縮器３は、シェルアンドチューブ式の熱交換器である。

第一膨張弁４は、凝縮器３からの液体の冷媒Ｗを断熱膨張して減圧し、液体の一部を蒸発させることによって、冷媒Ｗを気液二相の状態とする膨張器である。
エコノマイザ６は、第一膨張弁４において気液二相の状態とされた冷媒Ｗを気相Ｗ１と液相とに分離する装置である。

流入路８は、エコノマイザ６によって気液二相の冷媒Ｗから分離された気相Ｗ１を、圧縮機２に流入させる流路である。
第二膨張弁５は、第一膨張弁４と同様に、エコノマイザ６で気相Ｗ１が分離されて、液相のみとなった冷媒Ｗを断熱膨張して減圧するものである。なお、本実施形態の冷凍機１では、膨張弁を用いて冷媒Ｗを減圧する構成としているがこれに限ることはなく、他の手段を用いて冷媒Ｗを減圧してもよい。
蒸発器７は、第二膨張弁５からの冷媒Ｗを水等との間で熱交換して蒸発させ、飽和蒸気の状態とするものである。

図２に示すように、音響デバイス１３は、圧縮機２と凝縮器３とを接続する配管１２ａに設けられている消音器である。音響デバイス１３は、配管１２ａに一端１４ａが接続されて内部に空間を形成する空間形成部１４、及び、空間形成部１４の他端１４ｂに一体に固定されている振動体２０（音響マテリアル）を有している。

圧縮機２が作動する際、インペラの回転や、ディフューザの羽根枚数等により周期的な流動変動が生じる。この周期的な流量変動により圧力脈動が生じ、これによりＮＺ音と呼ばれる騒音が発生する。
この様な機械的な原因により発生するＮＺ音は、特徴的かつ単一の周波数特性となる性質が有り、冷凍機１の配管１２等の音響インピーダンスと共鳴することがある。即ち、ＮＺ音は、図２に二点鎖線で示すような音響モードＭとなり、増幅されることが知られている。

音響モードＭは、腹Ｍ１と節Ｍ２とを有している。腹Ｍ１は、音響エネルギー（振幅）が最大となる位置であり、節Ｍ２は、音響エネルギー（振幅）が略ゼロとなる位置である。
音響デバイス１３は、音響モードＭの腹Ｍ１の位置に取り付けられている。換言すれば、音響デバイス１３は、配管１２内に発生する音の音響エネルギーが最大となる位置に取り付けられている。

図３に示すように、空間形成部１４は、有底円筒形状をなしており、内部が音波の干渉により音を低減する共鳴空間Ｓとなっている。
空間形成部１４は、円筒状の音響デバイス本体部１６と、音響デバイス本体部１６の他端に設けられた板状をなすフタ部１７と、を有している。音響デバイス本体部１６の形状はこれに限ることはなく、角筒形状としてもよい。音響デバイス１３の中心軸Ａｓと、配管１２の中心軸Ａｄ（図２参照）とは、略直交している。

音響デバイス本体部１６の一端１４ａには、音響デバイス本体部１６の中心軸Ａｓの径方向に突出するフランジ部１８が形成されている。音響デバイス１３は、フランジ部１８を介して配管１２に固定されている。
空間形成部１４は、例えば、ＳＵＳ３１６等のステンレス鋼によって形成されている。空間形成部１４を形成する材料は、ＳＵＳ３１６に限ることはなく、所定の金属を適宜選択することができる。

振動体２０は、空間形成部１４のフタ部１７と略同形状の板状をなす部材である。振動体２０は、振動体２０の主面と、フタ部１７の主面とが面接触するように固定されている。
振動体２０は、例えば、溶接によって空間形成部１４のフタ部１７に固定されている。振動体２０の固定方法は、溶接に限ることはなく、例えば、ネジのような締結部材を用いてもよい。また、振動体２０を接着剤を用いて固定してもよい。

振動体２０は、空間形成部１４よりも固有振動数が小さくなるように形成されている。換言すれば、振動体２０は、空間形成部１４よりも配管１２より伝達される音響エネルギーを構造振動エネルギーに変換しやすい。振動体２０は、軽く、軟らかく、振動が大きくなる構造とされている。
振動体２０は、例えば、マグネシウム合金のような、空間形成部１４を構成する金属（ＳＵＳ３１６）よりもヤング率が小さく、かつ、密度が低い金属によって形成されている。

なお、上記実施形態では、振動体２０を形成する金属をマグネシウム合金としたがこれに限ることはない。例えば、アルミニウム等、空間形成部１４を形成する金属よりもヤング率が小さく、かつ、密度が低い金属を採用してもよい。
即ち、音響デバイス１３の固有振動数は、振動体２０によって調整することができる。音響デバイス１３の固有振動するを調整するためのパラメータは、
（１）振動体２０のヤング率Ｅ
（２）振動体２０の密度ρ
（３）振動体２０の板厚ｔ
である。
また、振動体２０の形状は板状に限ることはなく、例えば、円柱状などとしてもよい。また、振動体を中空部材によって形成してもよい。

上記実施形態によれば、音響デバイス１３を配管１２に取り付けることによって、冷凍機１を構成する圧縮機２のＮＺ音が配管１２内の空間の音響固有値と共鳴することによって生じる騒音を低減することができる。また、音響デバイス１３が、固有振動数の小さい振動体２０を有し、この振動体が音響エネルギーを構造振動エネルギーに変換させることによって、音響デバイス１３の小型化を図ることができる。

また、振動体２０を交換することによって、音響デバイス１３の固有振動数を変更することができる。
また、音響デバイス１３がフランジ部１８を介して配管１２に接続されていることによって、音響デバイス１３を容易に交換、メンテナンスすることができる。

なお、上記実施形態では、圧縮機２と凝縮器３との間の配管１２ａに音響デバイス１３を設置したがこれに限ることはない。例えば、音響デバイス１３を凝縮器３と蒸発器７との間の配管１２ｂ、１２ｃ、蒸発器７と圧縮機２との間の配管１２ｄ、ホットガスバイパス管９に配置してもよい。
また、音響デバイス１３を不要な流体を吐出する吐出配管に配置してもよい。

また、音響デバイス１３の数は一つに限ることはない。即ち、音響デバイス１３は、冷凍サイクル１１を構成する構成要素（圧縮機２、凝縮器３、膨張器４，５、蒸発器７及び、配管１２）のうち少なくとも一つに取り付けることができる。例えば、音響デバイス１３を全ての配管１２に取り付けてもよいし、一つの配管１２に二つ取り付けてもよい。

〔第二実施形態〕
以下、本発明の第二実施形態の冷凍機について図面を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態では、上述した第一実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
図４に示すように、本実施形態の音響デバイス１３Ｂは、空間形成部１４の一端１４ａと配管１２の流路との境界に配置された多孔板１５を有している。

多孔板１５は、空間形成部１４の一端１４ａにおける気流乱れを抑制するためのものである。
多孔板１５は、空間形成部１４の一端１４ａに設けられている。多孔板１５の主面は、音響デバイス本体部１６の中心軸Ａｓと略直交している。多孔板１５には、複数の円形の貫通孔１９が規則的に配置されている。貫通孔１９の形状は、円形に限ることはなく、矩形状でもよいし、スリット状でもよい。

本実施形態の冷凍機１は、音響デバイス１３の、長さＬ（図４参照）、多孔板１５の貫通孔１９の孔径φ、多孔板１５の開口率σ（多孔板１５の面積当たりの貫通孔１９の面積の割合）を調整して配管１２から凝縮器３との間の境界を、Ｚ＝ρｃ境界とすることができる。
ここでＺ＝ρｃ境界とは、音響インピーダンスＺを密度ρ、音速ｃで表したパラメータを用いて、境界における音響インピーダンスＺを合致させて音の反射を無反射とする境界である。

上記実施形態によれば、冷凍機１を構成する圧縮機２のＮＺ音と共鳴する可能性がある、配管１２の特定周波数の音響インピーダンスの発生を抑制することができる。これにより、騒音レベルを低減することができる。

また、音響デバイス１３（音響デバイス本体部１６）の長さＬ、多孔板１５の貫通孔１９の孔径φ、多孔板１５の開口率σを調整して、配管１２の音響インピーダンスを調整することができる。

〔第三実施形態〕
以下、本発明の第三実施形態の冷凍機について図面を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態では、上述した第一実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
図５に示すように、第三実施形態の音響デバイス１３Ｃは、空間形成部１４の形状が第一実施形態の音響デバイス１３と異なっている。本実施形態の空間形成部１４Ｃは、空間形成部１４Ｃの一端側（配管１２と接続されている側）をなす筒部２１と、筒部２１の他端に接続され、筒部２１の体積よりも大きな体積である容器部２２と、を有している。
本実施形態の音響デバイス１３Ｃは、容器部２２の内部にある空気がばねとしての役割を果たすヘルムホルツ共鳴器として機能する。

筒部２１は、円筒状をなしている。筒部２１は円筒状に限らず、角筒状としてもよい。
容器部２２は、筒部２１の直径よりも大きな直径を有する樽形状をなしている。容器部２２の形状はこれに限ることはなく、筒部２１の体積よりも大きければよい。例えば、容器部２２は、球形状としてよい。筒部２１の内部空間と容器部２２の内部空間とは連通している。

上記実施形態によれば、音響デバイス１３Ｂの容器部２２の体積Ｖを調整して、配管１２の音響インピーダンスを調整することができる。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

１冷凍機
２圧縮機
３凝縮器
４第一膨張弁
５第二膨張弁
６エコノマイザ
７蒸発器
８流入路
９ホットガスバイパス管
１０ホットガスバイパス弁
１１冷凍サイクル
１２配管
１３，１３Ｂ音響デバイス
１４，１４Ｂ空間形成部
１４ａ一端
１４ｂ他端
１５多孔板
１６音響デバイス本体部（本体部）
１７フタ部
１８フランジ部
１９貫通孔
２０振動体
２１筒部
２２容器部
Ｓ共鳴空間
Ｗ冷媒

Claims

圧縮機、凝縮器、膨張器、蒸発器及び、これらを順次接続する配管、及び、吐出配管を有する冷凍サイクルと、
前記配管に一端が接続されて内部に空間を形成する空間形成部、及び、前記空間形成部の他端に一体に固定されて前記空間形成部よりも固有振動数の小さい振動体を有する音響デバイスと、を備える冷凍機。
前記音響デバイスは、前記空間形成部の一端と前記配管の流路との境界に配置された多孔板を有する請求項１に記載の冷凍機。
前記空間形成部は、筒状の本体部と、前記本体部の他端に設けられたフタ部と、を有し、
前記振動体は、前記フタ部と一体に固定されている請求項１又は請求項２に記載の冷凍機。
前記空間形成部は、前記空間形成部の一端側をなす筒状の筒部と、前記筒部の他端に接続され、前記筒部の体積よりも大きな体積である容器部と、を有し、
前記筒部の内部空間と前記容器部の内部空間とは連通しており、
前記振動体は、前記容器部と一体に固定されている請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の冷凍機。