JP5814616B2 - 油分離器ならびに圧縮式冷凍装置および空気圧縮装置 - Google Patents

Description

本発明は、油が混入した流体を旋回させて油を遠心力で分離する油分離器ならびにこの油分離器を備えた圧縮式冷凍装置および空気圧縮装置に関するものである。

近年、流体と油とを分離させる油分離器として、油が混入した流体を円筒型のシェル内で旋回させ、遠心力によって油をシェルの内壁に付着させて油を流体から分離させるサイクロン式油分離器を用いることが多くなってきている。従来のサイクロン式油分離器では、導入された流体が衝突する位置のシェル内壁面に油を補足する油補足手段を設け、流体中に含まれる油を効率的に分離するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−１０１８３１号公報（請求項１、図２）

上記特許文献１のサイクロン式の油分離装置では、容器本体内で流体が旋回しているため、流体から分離して容器本体の内底部に溜まっている油には、油を容器本体外へ導出させる油排出管に向かった旋回渦が発生していた。

そして、容器本体内へ流入してくる流体の流量が増加した場合や容器本体の内径が小さい場合など、流体の旋回速度が速くなった場合には、この旋回渦が大きくなるため、油排出管に接近した流体が油とともに油排出管に吸い込まれて油出口管から流出するおそれがあり、油分離効率が低下するという問題があった。

このような油排出管からの流体の流出を防止するために、従来の対策としては容器本体内の下方に複数個の孔を有する円盤形状の渦切り板を設け、容器本体内の底部に溜まった油における旋回渦の発生を抑制させていた。しかし、旋回渦の発生を抑制させるためには、容器本体の内径に合わせた大きさの渦切り板を設ける必要があるため、一つの大きさの渦切り板を様々な大きさの容器本体に使用することができず生産性が悪く十分な解決策には至らなかった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、渦切り板のようなものを設けずに、容器本体内の底部に溜まった油に発生する旋回渦を抑え、油排出管からの流体の流出を防止することができるサイクロン式の油分離器を提供することを目的とする。
また、第２の目的は、上記の油分離器を備えた圧縮式冷凍装置および空気圧縮装置を提供することを目的とする。

本発明に係る油分離器は、円筒型のシェルを有する密閉型の本体と、前記シェルの上部に略水平に接続され、油を含む流体を該シェル内に導入する流体入口管と、前記本体の上部に接続され、前記シェル内で油を分離した流体を該本体内から導出する流体出口管と、前記本体の下部に接続され、前記シェル内で分離された油を該本体内から導出する油出口管と、両端が前記本体の下部に接続され、該本体内と連通したバイパス管と、を備えるものである。

本発明によれば、流体から分離した油が溜まる本体の底部に油出口管とバイパス管とを設けることで、流体の旋回運動によって油に発生する旋回渦の大きさを抑制し、流体の油出口管からの流出を防ぐことができるため、油分離効率の低下を防止することができる。

本発明の実施の形態１に係る油分離器の断面図である。 本発明の実施の形態１に係る油分離器と従来の油分離器における本体内底部に溜まった油に発生する旋回渦の模式図である。 本発明の実施の形態１に係る油分離器と従来の油分離器における流体の流速と、油面の最下部と油出口管との距離との関係を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る油分離器の断面図である。 実施の形態２に係る油分離器における本体内底部に溜まった油に発生する旋回渦の模式図である。 本発明の実施の形態１、２のいずれかに係る油分離器と一体となった圧縮機の構成図である。 本発明の実施の形態１、２のいずれかに係る油分離器を圧縮式冷凍装置に適用した構成図である。 本発明の実施の形態１、２のいずれかに係る油分離器を空気圧縮装置に適用した構成図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る油分離器の断面図であり、図１（ａ）は縦断面図、図１（ｂ）は横断面図である。

図１に示すように、実施の形態１の油分離器１００は、内壁の横断面が円形の中空円筒型のシェル１、シェル１の上部に取り付けられた上部鏡板２、シェル１の下部に取り付けられた下部鏡板３で構成される密閉型の本体１０と、シェル１の上部に接続され、油を含む流体をシェル１内に導入する流体入口管４と、上部鏡板２に接続され、シェル１内で旋回して油を分離した流体を本体１０内から導出する流体出口管５と、下部鏡板３に接続され、シェル１内で流体から分離した油を本体１０内から導出する油出口管６と、一端が下部鏡板３に接続され、他端が油出口管６に接続され、シェル１内で流体から分離した油を本体１０内から油出口管６に導出するバイパス管７とを備える。

流体入口管４は、シェル１内に流入する流体がシェル１の内壁に衝突するように略水平に接続されている。流体出口管５は、一端をシェル１内に突出させ、シェル１と同軸となる上部鏡板２の中心部位に略垂直に接続されている。油出口管６は、下部鏡板３に略垂直に接続されている。バイパス管７は、油出口管６よりも小さい径となっており、一端は油出口管６と同様に下部鏡板３に接続され、他端は油出口管６に接続され、油出口管６とバイパス管７は連通した状態となっている。下部鏡板３は、シェル１内で分離された油の油溜部となり、図１中のＡは下部鏡板３に溜まった油を表している。また、図１中の矢印は流体の流れを表している。

なお、油出口管６とバイパス管７の下部鏡板３との接続位置は、図１の位置に限定するものではなく、例えば油出口管６を下部鏡板３の中心部分に接続してもよい。また、バイパス管７は本体１０内と油出口管６内とを連通させるように下部鏡板３と油出口管６とに接続されていればよく、図１に示す径の大きさに限定するものではない。なお、バイパス管７を油出口管６よりも小さい径にすることで、バイパス管７のコストを抑えることができる。

次に、実施の形態１に係る油分離器１００における流体と油の流れについて説明する。油を含む流体は、流体入口管４内を通りシェル１内に放出され、シェル１内に突出している流体出口管５を中心としてシェル１内を旋回しながら下降する。このとき流体に含まれている油は、シェル１の内壁に衝突することで流体出口管５とシェル１の内壁との間の空間に様々な大きさの油滴となり飛散する。この飛散した油滴は、流体が旋回するときに作用する遠心力により外周方向に移動し、シェル１の内壁に付着し、流体から分離される。

シェル１の内壁に付着した油滴は、自重により滴下し、本体１０の底部である下部鏡板３に集められる。下部鏡板３に溜まった油は、油流口管６またはバイパス管７のいずれかの内部に流入し、本体１０内から流出される。一方、流体は、シェル１内を旋回しながら下降して流体出口管５の下方に至ると、流体出口管５の内部に流入し、本体１０内から流出される。

ここで、本体１０内の底部に溜まった油は、流体の旋回運動に追従して移動をすると共に、油出口管６又はバイパス管７に向かって移動しているため、図１に示すように、この油には油出口管６を中心とした旋回渦とバイパス管７を中心とした旋回渦とが発生する。

図２は本発明の実施の形態１に係る油分離器と従来の油分離器において、本体１０内の底部に溜まった油に発生する旋回渦の模式図である。図２（ａ）は実施の形態１に係る油分離器の模式図、図２（ｂ）は従来の油分離器の模式図である。また、図２中のＡは本体１０の底部である下部鏡板３に溜まった油を表しており、図２中の矢印は流体の流れを表している。

まずは、図２（ｂ）に示すように、本体１０の底部に油出口管６が一つ設けられた従来の油分離器では、下部鏡板３に溜まった油は一つの油出口管６を通って本体１０内から流出するため、油にはこの一つの油出口管６を中心とした旋回渦が発生する。本体１０内へ流入してくる流体の流量が増加した場合やシェル１の内径が小さい場合など、シェル１内で旋回する流体の流速が速くなった場合には、旋回渦の回転中心における油面が低下し、油面の最下部と油出口管６との距離が近づく。そして、流体の流速が所定の流速（Ｖ）にまで速くなると、油面の最下部と油出口管６との距離が所定の距離（ｈ１）となり、シェル１内を旋回している流体は油出口管６から流出する油に引き込まれ、一部の流体が油と共に油出口管６から流出する。

一方、図２（ａ）に示すように、本体１０の底部に油出口管６とバイパス管７とが設けられた実施の形態１に係る油分離器では、下部鏡板３に溜まった油は油出口管６又はバイパス管７のいずれかを通って本体１０内から流出するため、油には油出口管６を中心とした旋回渦とバイパス管７を中心とした旋回渦とが発生する。このように、２つの旋回渦に分散するため、それぞれの旋回渦の回転中心における油面の低下を抑えることができる。そして、シェル１内で旋回する流体の流速が所定の流速（Ｖ）にまで速くなった場合にも、図２（ｂ）に示した従来の油分離器に比べ油面の低下が少ないため、油面の最下部と油出口管６との距離が所定の距離（ｈ１）よりも離れた状態（ｈ２＞ｈ１）で維持されるので、流体の油出口管６からの流出を防止することができる。

図３に旋回渦発生時における流体の流速と、油面の最下部と油出口管６との距離との関係を示す。縦軸は油面の最下部と油出口管との距離であり、横軸は流体の流速である。実線は図２（ａ）に示した実施の形態１に係る油分離器を示し、点線は図２（ｂ）に示した従来の油分離器を示している。図３中に油面の最下部と油出口管との距離として示しているｈ１、ｈ２及び流体の流速として示しているＶは、図２のｈ１、ｈ２、Ｖにそれぞれ対応している。

図３に示すように、シェル１内で旋回する流体の流速が増加するに従い、油に発生する旋回渦の大きさが大きくなり、油面の最下部と油出口管６との距離が近づく。実施の形態１に係る油分離器では、バイパス管７を設けて油に発生する旋回渦を二つに分散させることで、従来の油分離器に比べ、流体の流速の増加に伴う油面の最下部と油出口管６との距離の接近を抑え、流体の油出口管６からの流出を防止することができる。

なお、実施の形態１では、本体１０の底部と油出口管６とに接続したバイパス管７を一つ設けたものを示したが、複数個例えば、二つ、三つ設けてもよい。バイパス管７の数を増やすことで、油面の最下部と油出口管６との距離の接近をさらに抑えることができ、流体の油出口管６からの流出を防止する効果をより高めることができる。

実施の形態２．
図４は本発明の実施の形態２に係る油分離器の断面図であり、図４（ａ）は縦断面図、図４（ｂ）は横断面図である。なお、図１と同じ構成には同一符号を付して説明を省略する。

図４に示すように、実施の形態２の油分離器２００は、油出口管６とは別に両端が下部鏡板３に接続され、本体１０内の底部に溜まった油が内部に流入するバイパス管８を備える。なお、バイパス管８の下部鏡板３との接続位置は、図４の位置に限定するものではない。また、バイパス管８は両端が下部鏡板３に接続されていればよく、図４に示す径の大きさに限定するものではない。なお、バイパス管８を油出口管６よりも小さい径にすることで、バイパス管８のコストを抑えることができる。

次に、実施の形態２に係る油分離器２００における流体と油の流れについて説明する。油を含む流体は、流体入口管４内を通りシェル１内に放出され、シェル１内に突出している流体出口管５を中心としてシェル１内を旋回しながら下降する。このとき流体に含まれている油は、シェル１の内壁に衝突することで流体出口管５とシェル１の内壁との間の空間に様々な大きさの油滴となり飛散する。この飛散した油滴は、流体が旋回するときに作用する遠心力により外周方向に移動し、シェル１の内壁に付着し、流体から分離される。

シェル１の内壁に付着した油滴は、自重により滴下し、本体１０の底部である下部鏡板３に集められる。下部鏡板３に溜まった油は、バイパス管８の内部に流入すると共に油出口管６の内部に流入し、油出口管６の内部に流入した油は本体１０内から流出される。一方、流体は、シェル１内を旋回しながら下降して流体出口管５の下方に至ると、流体出口管５の内部に流入し、本体１０内から流出される。

ここで、本体１０内の底部に溜まった油は、流体の旋回運動に追従して移動をすると共に、油出口管６に向かって移動しているため、図４に示すように、この油には油出口管６を中心とした旋回渦が発生する。

図５は本発明の実施の形態２に係る油分離器において、本体１０内の底部に溜まった油に発生する旋回渦の模式図である。また、図５中のＡは本体１０の底部である下部鏡板３に溜まった油を表しており、図５中の矢印は流体の流れを表している。なお、従来の油分離器については図２（ｂ）を流用する。

まずは、図２（ｂ）に示すように、本体１０の底部に油出口管６が一つ設けられた従来の油分離器では、下部鏡板３に溜まった油は一つの油出口管６を通って本体１０内から流出するため、油にはこの一つの油出口管６を中心とした旋回渦が発生する。本体１０内へ流入してくる流体の流量が増加した場合やシェル１の内径が小さい場合など、シェル１内で旋回する流体の流速が速くなった場合には、旋回渦の回転中心における油面が低下し、油面の最下部と油出口管６との距離が近づく。そして、流体の流速が所定の流速（Ｖ）にまで速くなると、油面の最下部と油出口管６との距離が所定の距離（ｈ１）となり、シェル１内を旋回している流体は油出口管６から流出する油に引き込まれ、一部の流体が油と共に油出口管６から流出する。

一方、図５に示すように、本体１０の底部に油出口管６とバイパス管８とが設けられた実施の形態２に係る油分離器では、図２（ｂ）に示した従来の油分離器と同様に、下部鏡板３に溜まった油は一つの油出口管６を通って本体１０内から流出するため、油にはこの油出口管６を中心とした旋回渦が発生する。しかし、実施の形態２に係る油分離器には、本体１０内と連通させたバイパス管８が設けられているため、油出口管６に向かう油の移動とは別にバイパス管８内に流入する油の流れが発生する。これにより、油の旋回運動が乱され、旋回渦の回転中心における油面の低下が抑制される。

そして、シェル１内を旋回する流体の流速が所定の流速（Ｖ）にまで速くなった場合にも、バイパス管８により油の旋回運動が乱されることで、図２（ｂ）に示した従来の油分離器に比べ油面の低下が少なくなり、油面の最下部と油出口管６との距離が所定の距離（ｈ１）よりも離れた状態（ｈ３＞ｈ１）で維持されるので、流体の油出口管６からの流出を防止することができる。

なお、実施の形態２では、本体１０の底部に両端を接続したバイパス管８を一つ設けたものを示したが、複数個例えば、二つ、三つ設けてもよい。バイパス管８の数を増やすことで、油面の最下部と油出口管６との距離の接近をさらに抑えることができ、流体の油出口管６からの流出を防止する効果をより高めることができる。

実施の形態３．
図６は、上記の実施の形態１、２のいずれかに係る油分離器１００、２００と一体となった圧縮機の構成を示す図である。

図６に示すように、圧縮機２０は、流体を圧縮する圧縮機構２１と、圧縮機構２１で圧縮した際に流体に混在した油を流体から分離する油分離器１００、２００とを有する。圧縮機２０は、油分離器１００、２００と一体化しており、油分離効率を高め、且つ小型化できる効果が得られる。

実施の形態４．
図７は、上記の実施の形態１、２のいずれかに係る油分離器１００、２００を圧縮式冷凍装置に適用した構成を示す図である。

図７に示すように、圧縮式冷凍装置３０は、冷媒を圧縮する冷媒圧縮機３１と、冷媒圧縮機３１で圧縮した際に混在した油を冷媒から分離する油分離器１００、２００と、油分離器１００、２００で油を分離させた冷媒から気化熱を奪い凝縮させる凝縮器３２と、凝縮器３２を通過した冷媒の圧力降下と流量を調節する膨張弁３３と、膨張弁３３を通過した冷媒に気化熱を与え冷媒を蒸発させる蒸発器３４とを有する。

圧縮式冷凍装置３０は、油分離器１００、２００で油を分離させた冷媒を用いることで、凝縮器３２の能力が高まり、冷凍効率を高める効果が得られる。なお、冷媒圧縮機３１と油分離器１００、２００とを一体にしてもよく、実施の形態３と同様の効果が得られる。

実施の形態５．
図８は、上記の実施の形態１、２のいずれかに係る油分離器１００、２００を空気圧縮装置に適用した構成を示す図である。

図８に示すように、空気圧縮装置４０は、装置外から空気を取り込み、空気中に含まれる余分な成分を空気中から取り除くフィルタ４２と、フィルタ４２を通過した空気を圧縮する空気圧縮機４１と、空気圧縮機４１で圧縮した際に混在した油を空気から分離する油分離器１００、２００と、油分離器１００、２００で油を分離させた空気を冷却する空気冷却器４３とを有する。空気冷却器４３を通過した空気は装置外へ供給される。

空気圧縮装置４０は、油分離器１００、２００で油を分離させた空気を用いることで、空気冷却器４３の能力が高まり、空冷効率を高める効果が得られる。なお、空気圧縮機４１と油分離器１００、２００とを一体にしてもよく、実施の形態３と同様の効果が得られる。

１ シェル、２ 上部鏡板、３ 下部鏡板、４ 流体入口管、５ 流体出口管、６ 油出口管、７、８ バイパス管、１０ 本体、２０ 圧縮機、２１ 圧縮機構、３０ 圧縮式冷凍装置 ３１ 冷媒圧縮機、３２ 凝縮器、３３ 膨張弁、３４ 蒸発器、４０ 空気圧縮装置、４１ 空気圧縮機、４２ フィルタ、４３ 空気冷却器、１００、２００ 油分離器

Claims (5)

1. 円筒型のシェルを有する密閉型の本体と、
   前記シェルの上部に略水平に接続され、油を含む流体を該シェル内に導入する流体入口管と、
   前記本体の上部に接続され、前記シェル内で油を分離した流体を該本体内から導出する流体出口管と、
   前記本体の下部に接続され、前記シェル内で分離された油を該本体内から導出する油出口管と、
   両端が前記本体の下部に接続され、該本体内と連通したバイパス管と、
   を備える油分離器。
2. 前記バイパス管を複数設けたことを特徴とする請求項１に記載の油分離器。
3. 圧縮機と一体となっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の油分離器。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の油分離器を備えることを特徴とする圧縮式冷凍装置。
5. 請求項１〜３のいずれかに記載の油分離器を備えることを特徴とする空気圧縮装置。

Images