JP2020153648A - 冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で冷凍機における騒音を良好に減衰させる。【解決手段】冷凍機１００は、冷媒を圧縮する圧縮機１０１と、圧縮機１０１により圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器１０２と、凝縮器１０２により凝縮された冷媒を蒸発させる蒸発器１０３と、圧縮機１０１、凝縮器１０２および蒸発器１０３を接続する複数の配管（冷媒配管１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃおよびホットガスバイパス配管１０９）と、複数の配管のうち、ガス流体が流れるガス流体配管としてのホットガスバイパス配管１０９及び吐出配管の少なくともいずれか一つに設けられた消音機構１Ａとを備える。消音機構１Ａは、消音機構が設置される配管に配置される粘性要素と、粘性要素よりもガス流体流れ下流側に配置された剛性要素と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、消音機構を有する配管を備えた冷凍機に関する。

従来、振動発生源で発生する振動を減衰させる装置に関する技術が知られている。例えば、特許文献１には、ターボ冷凍機における圧縮機から吐出管を介して凝縮器に吐出される吐出流体の消音装置が記載されている。特許文献１に記載の消音装置は、吐出管の凝縮器への開口部対向側に、多孔質焼結材から成り、吐出流体の流通方向と対抗状に延びる吸音板を、吐出管の凝縮器側開口端から間隔をあけて配置している。

特許第２６４６７２０号公報

ここで、冷凍機では、圧縮機が作動するとき、ブレードの動きやディフューザの羽根の枚数等に応じて周期的な流量変動が生じ、圧力脈動による騒音、いわゆるＮＺ音が発生する。ＮＺ音の発生は、特定の周波数特性となる性質がある。そして、ＮＺ音が冷凍機の配管における音響場と共鳴し、騒音が増幅されることがある。そのため、ＮＺ音と配管における音響場との共鳴を抑制することが求められる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易な構成で冷凍機における騒音を良好に減衰させることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機により圧縮された前記冷媒を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器により凝縮された前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記圧縮機、前記凝縮器および前記蒸発器を接続する複数の配管と、複数の前記配管のうち、ガス流体が流れるガス流体配管及び前記圧縮機の吐出配管の少なくともいずれか一つに設けられた消音機構と、を備え、前記消音機構は、前記消音機構が設置される前記配管に配置される粘性要素と、前記粘性要素よりもガス流体流れ下流側に配置された剛性要素と、を有することを特徴とする。

この構成により、冷凍機のガス流体が流れるガス流体配管における所望の周波数の流体音を消音機構で良好に減衰させることが可能となる。これにより、ガス流体配管における音響場と圧縮機で発生するＮＺ音との共振を抑制することができる。したがって、本発明によれば、より簡易な構成の消音機構により、冷凍機における騒音を良好に減衰させることができる。

前記消音機構は、所定周波数以上の振動を除去するローパスフィルタとなることが好ましい。

前記剛性要素は、前記消音機構が設置される前記配管の一部であり、前記ガス流体配管と異なる厚さで、振動板となることが好ましい。

前記粘性要素は、ガス流れに渦を発生させることが好ましい。

前記粘性要素は、前記消音機構が設置される前記配管の内部に配置された格子であることが好ましい。

前記粘性要素は、前記消音機構が設置される前記配管の内部に配置された円柱であることが好ましい。

本発明によれば、簡易な構成で冷凍機における騒音を良好に減衰させる。

図１は、本実施形態の冷凍機を示す概略構成図である。 図２は、消音機構を模式的に示す説明図である。 図３は、消音機能の機能を模式的に示す説明図である。 図４は、消音機構のローパスフィルタの周波数特性の説明図である。 図５は、粘性要素の一例を示す説明図である。 図６は、粘性要素の一例を示す説明図である。

以下に、本発明にかかる冷凍機の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本実施形態の冷凍機を示す概略構成図である。本実施形態にかかる冷凍機１００は、例えばビルや工場等の温度、湿度などを調整する空調設備、あるいは、冷凍室を冷却する空調設備の一部である。冷凍機１００は、設置されているビルや工場、冷凍室に冷たい水または空気を供給し、設置されているビルや工場、冷凍室を冷却する装置である。冷凍機１００は、圧縮機１０１と、凝縮器１０２と、蒸発器１０３と、中間冷却器１０４とを有する。

圧縮機１０１と凝縮器１０２とは、冷媒が流通される冷媒配管１０６ａにより連通されている。また、凝縮器１０２と蒸発器１０３とは、冷媒が流通される冷媒配管１０６ｂにより連通されている。中間冷却器１０４は、冷媒配管１０６ｂに介在されている。また、蒸発器１０３と圧縮機１０１とは、冷媒が流通される冷媒配管１０６ｃにより連通されている。すなわち、圧縮機１０１、凝縮器１０２、蒸発器１０３、および中間冷却器１０４は、冷媒配管１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃを介して冷媒を循環させる循環経路１０６に設けられている。また、冷媒配管１０６ｂの経路中には、中間冷却器１０４の上流側にホットガスバイパス弁（高段膨張弁）１０７が設けられ、下流側にホットガスバイパス弁（低段膨張弁）１０８が設けられている。さらに、凝縮器１０２と蒸発器１０３とは、循環経路１０６を介さず蒸発器１０３から凝縮器１０２へと高温の冷媒ガスをバイパスして供給するホットガスバイパス配管１０９が設けられている。また、ホットガスバイパス配管１０９には、冷媒ガスの流量を調整するための調整弁１１０が設けられている。

圧縮機１０１は、羽根車の回転運動によって冷媒を圧縮するターボ圧縮機として構成されている。すなわち、冷凍機１００は、いわゆるターボ冷凍機である。ターボ圧縮機としての圧縮機１０１は、電動機１１１によって駆動される圧縮部１１２を有している。圧縮部１１２には、電動機１１１により回転駆動される羽根車を同軸上に２つ備えた２段圧縮や、電動機１１１により回転駆動される羽根車を１つ備えた単段圧縮の方式がある。圧縮部１１２が２段圧縮の場合、蒸発器１０３から圧縮機１０１へ送られる気相の冷媒は、１段目の圧縮部で圧縮された後、２段目の圧縮部でさらに圧縮され、圧力と温度とが上昇しつつ冷媒配管１０６ａを介して凝縮器１０２へ送られる。一方、圧縮部１１２が単段圧縮の場合、蒸発器１０３から圧縮機１０１へ送られる気相の冷媒は、圧縮部１１２にて圧縮され、圧力と温度とが上昇しつつ冷媒配管１０６ａを介して凝縮器１０２へ送られる。

凝縮器１０２は、冷媒冷却流体（例えば、水）が供給される冷却水配管１２１が接続されている。圧縮機１０１から凝縮器１０２に送られる気相の冷媒は、冷却水配管１２１により供給される冷媒冷却流体と熱交換して凝縮し、すなわち、冷媒冷却流体に熱を捨てて液化し、冷媒配管１０６ｂを介して蒸発器１０３へ送られる。冷却水配管１２１には、ポンプ１２２と冷却水供給部１２３が設けられている。ポンプ１２２は、冷却水配管１２１内の冷却水を循環させる。冷却水供給部１２３は、冷却水配管１２１に冷却水を供給し、冷媒と熱交換した冷却水を回収する。

蒸発器１０３は、冷却媒体（本実施形態では水）が供給される冷水配管１３１が接続されている。凝縮器１０２から蒸発器１０３に送られる液相の冷媒は、冷水配管１３１により供給される冷却媒体と熱交換して蒸発する。この過程で、水は、液相の冷媒に熱を捨てて温度が低下する。これにより水は、冷水となる。そして、水と熱交換した液相の冷媒は、蒸発して気相の冷媒となり、冷媒配管１０６ｃを介して圧縮機１０１へ送られる。冷水配管１３１には、ポンプ１３２と冷水消費部１３４が設けられている。ポンプ１３２は、冷水配管１３１内の水（冷水）を循環させる。冷水消費部１３４は、冷水配管１３１に冷水を供給し、冷媒と熱交換し冷却された冷水を回収する。冷水消費部１３４は、回収した冷水を利用し、図示しない空調設備が設置されている設備の空気を冷却する。なお、冷却媒体には、水以外の流体も用いることができる。

中間冷却器１０４は、凝縮器１０２において液化された後、膨張弁１０７を通過した冷媒を液相とガス相とに分離するものである。さらに、中間冷却器１０４は、凝縮器１０２と蒸発器１０３との間に一定の圧力差を保持すると共に、液相の冷媒の一部を蒸発させて蒸発器１０３での潜熱の増大を図るものである。また、中間冷却器１０４は、凝縮器１０２にて凝縮し切れなかった気相の冷媒と、液相の冷媒とが気液二相流流体として導入され、この気相の冷媒と液相の冷媒とを分離する気液分離器として機能するものであり、分離された気相の冷媒は圧縮機１０１へ送られ、液相の冷媒はホットガスバイパス弁１０８へ送られる。膨張弁１０８を通過した冷媒は蒸発器１０３に送られる。

ホットガスバイパス弁１０７は、凝縮器１０２で液化された冷媒を膨張させる機構である。具体的には、冷媒を凝縮圧から中間圧まで減圧させる。膨張弁１０７で減圧された冷媒は、中間冷却器１０４に供給される。

ホットガスバイパス弁１０８は、中間冷却器１０４を通過した液体の冷媒（飽和液冷媒）を膨張させる機構である。具体的には、冷媒を中間圧から蒸発圧まで減圧させる。膨張弁１０７で減圧された冷媒は、中間冷却器１０４に供給される。

冷凍機１００は、以上のような構成である。なお、冷凍機１００は、上記構成に限定されない。冷凍機１００は、圧縮機１０１と、凝縮器１０２と、蒸発器１０３とを備えていればよく、その配管構成、ポンプの配置、ホットガスバイパス弁の配置等は、種々の配置とすることができる。

次に、本実施形態にかかる冷凍機１００の要部について説明する。冷凍機１００では、圧縮機１０１が作動するとき、ブレードの動きやディフューザの羽根の枚数等に応じて、周期的な流量変動が生じ、圧力脈動による騒音、いわゆるＮＺ音が発生する。ＮＺ音の発生は、特定の周波数特性となる性質がある。そして、ＮＺ音が冷凍機１００の循環経路１０６に含まれる各配管における音響場と共鳴し、騒音が増幅されることがある。そのため、ＮＺ音と各配管における音響場との共鳴を抑制することが求められる。

そこで、冷凍機１００は、上記構成に加えて、循環経路１０６に含まれる各配管のうち、冷媒ガス（ガス流体）が流れるものに設けられた消音機構１Ａを備えている。消音機構１Ａは、ホットガスバイパス配管１０９に内蔵されている。

図２は、消音機構を模式的に示す説明図である。図３は、消音機能の機能を模式的に示す説明図である。図４は、消音機構のローパスフィルタの周波数特性の説明図である。本実施形態において、消音機構１Ａは、図２に示すように、ホットガスバイパス配管１０９の内部に取り付けられている。

消音機構１Ａは、粘性要素５０と剛性要素５２とを有する。消音機構１Ａは、冷媒ガス（ガス流体）の流れ方向において、粘性要素５０の下流側に剛性要素５２が配置されている。消音機構１Ａは、所定周波数以上のノイズを除去するローパスフィルタとなる。ここで、消音機構１Ａは、ＮＺ音が所定周波数以上となるように、所定周波数を設定する。

粘性要素５０は、ホットガスバイパス配管１０９の内部に配置されている。粘性要素５０は、冷媒ガスに渦を発生させる。これにより、電気回路の抵抗と同様の機能となる。

剛性要素５２は、ホットガスバイパス配管１０９の一部に設けられている。剛性要素５２は、音響メタマテリアルで形成されている。つまり、ホットガスバイパス配管１０９の一部に配置され、ホットガスバイパス配管１０９とは異なる構造の部分となる。具体的には、剛性要素５２は、ホットガスバイパス配管１０９と板厚が異なる筒状構造物である。剛性要素５２は、冷媒ガスが流通することで、振動する振動板となる。これにより、電気回路のコンデンサと同様の機能となる。

本実施形態において、消音機構１Ａは、冷媒ガスが粘性要素５０を通過して、流れに乱れが発生した後、剛性要素５２を通過して、図４に示すように、振動板で所定周波数以上の成分が減衰される。これにより、共鳴周波数における音圧レベルを低減させることができ、ＮＺ音を低減することができる。また、消音機構１Ａは、ホットガスバイパス配管１０９の内部及び、ホットガスバイパス配管１０９の一部に配置することができる。これにより、配管の周囲に設置スペースがない場合も設置することができる。

以下、図５及び図６を用いて、粘性要素の一例を説明する。図５及び図６は粘性要素の一例を示す説明図である。図５に示す粘性要素５０ａは、ホットガスバイパス配管１０９の内部に配置された格子である。粘性要素５０ａは、一方の方向に延びた線状の部材７０が複数並び、他方の方向に延びた線状の部７０が複数並んで、格子構造（網目構造）となる。冷媒ガスは、粘性要素５０ａの格子構造を通過することで、流れに渦を発生させる。

図６に示す粘性要素５０ｂは、円柱状のパイプ７２が、列状に配置されている。パイプ７２は、両端がホットガスバイパス配管１０９に固定されている。冷媒ガスは、粘性要素５０ｂの格子構造を通過することで、流れに渦を発生させる。なお、粘性要素５０ａ、５０ｂの構造に限定されない。

本実施形態において、消音機構１Ａが設けられるガス流体配管は、蒸発器１０３から凝縮器１０２へと冷媒をバイパスさせるホットガスバイパス配管１０９とした。この構成により、蒸発器１０３と凝縮器１０２との間のホットガスバイパス配管１０９における流体音を、良好に減衰させることができる。ただし、消音機構１Ａ、１Ｂは、ホットガスバイパス配管１０９のみならず、冷凍機１００に含まれる複数の配管のうち、ガス流体が流れる配管および圧縮機１０１の吐出配管（冷媒配管１０６ａ）の少なくともいずれか１つに設けられてもよい。

１Ａ 消音機構
２ ハウジング
３ 通路
５ 空洞
５０、５０ａ、５０ｂ 粘性要素
５２ 剛性要素
６０ 領域
１００ 冷凍機
１０１ 圧縮機
１０２ 凝縮器
１０３ 蒸発器
１０６ 循環経路
１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃ 冷媒配管
１０９ ホットガスバイパス配管

Claims (6)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機により圧縮された前記冷媒を凝縮させる凝縮器と、
   前記凝縮器により凝縮された前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、
   前記圧縮機、前記凝縮器および前記蒸発器を接続する複数の配管と、
   複数の前記配管のうち、ガス流体が流れるガス流体配管及び前記圧縮機の吐出配管の少なくともいずれか一つに設けられた消音機構と、
   を備え、
   前記消音機構は、
   前記消音機構が設置される前記配管に配置される粘性要素と、
   前記粘性要素よりもガス流体流れ下流側に配置された剛性要素と、を有することを特徴とする冷凍機。
2. 前記消音機構は、所定周波数以上の振動を除去するローパスフィルタとなることを特徴とする請求項１に記載の冷凍機。
3. 前記剛性要素は、前記消音機構が設置される前記配管の一部であり、前記消音機構が設置される前記配管と異なる厚さで、振動板となることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の冷凍機。
4. 前記粘性要素は、ガス流れに渦を発生させ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冷凍機。
5. 前記粘性要素は、前記消音機構が設置される前記配管の内部に配置された格子であることを特徴とする請求項４に記載の冷凍機。
6. 前記粘性要素は、前記消音機構が設置される前記配管の内部に配置された円柱であることを特徴とする請求項４に記載の冷凍機。

Images