JP6173558B2 - アキュムレータ及びこのアキュムレータを備えた冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数台の圧縮機を搭載した冷凍装置のアキュムレータ及びこのアキュムレータを備えた冷凍装置に関する。

従来より、複数の圧縮機を備えた冷凍装置に用いられ、且つ複数の圧縮機に対して１つだけ設けられるアキュムレータがある（例えば、特許文献１参照）。このアキュムレータは、１本の流入配管と、複数台の圧縮機の吸入側に接続される複数本の流出配管とを備えている。流入配管には、冷媒と油とが混合状態となった気液混合冷媒が流入される。流入配管は、アキュムレータの容器の上面より挿入され、アキュムレータ内に位置した配管部分が容器の内周面に対して傾斜角をつけて設置されている。

特許文献１のアキュムレータは、このように流入配管を配置することで、容器内に気液混合冷媒の旋回流を生じさせ、この旋回流中の液体を遠心力によって容器の内周面に付着させることで、気液混合冷媒に含まれる液体と気体とを分離させるようにしている。

特開２００６−１１２６７２号公報（第４頁）

特許文献１の構成では、容器内に流入する気液混合冷媒の流れが旋回流であり、その旋回流が容器内に貯留された冷媒の液面に衝突することで、液面の乱れ及び渦（ボルテックス）等が発生する。このような液面の乱れ及びボルテックスが生じることで、各流出配管から流出するガス冷媒の流量にばらつきが生じるという問題があった。

本発明はこのような点を鑑みなされたもので、複数の流出配管のそれぞれから流出するガス冷媒の流出量のばらつきを改善することができるアキュムレータ及びこのアキュムレータを備えた冷凍装置を提供することを目的とする。

本発明に係るアキュムレータは、複数の圧縮機を備えた冷凍装置に用いられ且つ複数の圧縮機に対して１つだけ設けられるアキュムレータであって、円筒状の容器に、その中心軸に直交して貫通して設けられ、気液混合冷媒を容器の内部に流入させる流入配管と、複数の圧縮機の吸入側に接続される複数の流出配管とを備え、複数の流出配管は、一端が容器の内部に位置して容器内のガス冷媒を複数の圧縮機に向けて流出させる流出口となっており、複数の流出口が、容器の中央部に集中して配置されているものである。

本発明に係る冷凍装置は、上記のアキュムレータを備えたものである。

本発明によれば、複数の流出配管のそれぞれから流出するガス冷媒の流出量のばらつきを改善することができる。

本発明の実施の形態１に係るアキュムレータ１００が搭載された冷凍装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１に係るアキュムレータ１００の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１に係るアキュムレータ１００において、容器２を平面方向に見た場合の流線を示した図である。 本発明の実施の形態１に係るアキュムレータ１００において、容器２を正面方向から見た場合の流線を示した図である。 本発明の実施の形態２に係るアキュムレータ２００の構成を示す図である。 本発明の実施の形態２に係るアキュムレータ２００において、容器２を平面方向に見た場合の流線を示した図である。 本発明の実施の形態２に係るアキュムレータ２００において、容器２を正面方向から見た場合の流線を示した図である。 本発明の実施の形態２に係るアキュムレータ２００において、基準バッフル角度と内周面２ａでの冷媒流速割合との関係の計算結果を示す棒グラフである。 本発明の実施の形態３に係るアキュムレータ３００の構成を示す図である。 本発明の実施の形態３に係るアキュムレータ３００において、容器２を平面方向に見た場合の流線を示した図である。 本発明の実施の形態３に係るアキュムレータ３００において、容器２を正面方向から見た場合の流線を示した図である。 本発明の実施の形態３に係るアキュムレータ３００において、容器２の直径Ｄに対する塞ぎ板３０の内径ｄと冷媒流速との関係の計算結果を示す棒グラフである。

以下、本発明の実施の形態を、図１〜図１２を参照しつつ詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るアキュムレータ１００が搭載された冷凍装置の構成を示す図である。以下、図１及び後述の図において、同一の符号を付したものは、同一の又はこれに相当するものであり、これは明細書の全文において共通している。更に、明細書全文に表れている構成要素の形態は、あくまで例示であってこれらの記載に限定されるものではない。

図１の冷凍装置は、複数台の圧縮機１ａ、１ｂ、１ｃ（以下、総称するときには単に「圧縮機１」という）と、複数台の圧縮機１に対して１台設けられたアキュムレータ１００とを有している。冷凍装置には、図示しない凝縮器、絞り装置及び蒸発器等が更に備えられて冷媒が循環する冷媒回路が構成されている。なお、ここでは、３台の圧縮機に対応可能なアキュムレータ１００を示しているが、対応可能な圧縮機の台数は３台に限られたものではなく、２台でもよいし、４台以上でもよい。

アキュムレータ１００は、円筒状の容器２と、流入配管３と、複数の流出配管４ａ、４ｂ、４ｃ（以下、総称するときには単に「流出配管４」という）と、油戻し管６とを備えている。流出配管４ａ、４ｂ、４ｃは、圧縮機１ａ、１ｂ、１ｃの吸入配管５ａ、５ｂ、５ｃに接続される。

アキュムレータ１００には、ガス冷媒と液冷媒と油とが混合状態となっている冷媒（以下、気液混合冷媒という）が負荷側（蒸発器）から循環してくる。アキュムレータ１００は、この気液混合冷媒を、ガス冷媒と、油を含む液冷媒とに分離する。ここで分離されたガス冷媒は各流出配管４ａ、４ｂ、４ｃを介して各圧縮機１ａ、１ｂ、１ｃの吸入側に供給され、油を含む液冷媒は容器２内に貯留される。また、容器２内に貯留された油は、流出配管４ａ、４ｂ、４ｃに設けた後述の液戻し部７（図２参照）から各圧縮機１ａ、１ｂ、１ｃに戻される。よって、アキュムレータ１００から各圧縮機１ａ、１ｂ、１ｃへは、油を含むガス冷媒（以下、油含有ガス冷媒という）が供給される。

以下、アキュムレータ１００の構造について詳細に説明する。

図２は、本発明の実施の形態１に係るアキュムレータ１００の構成を示す図である。図２（Ａ）は正面図である。図２（Ｂ）は容器２の上部側を構成する上部容器を取り外した状態の斜視図である。図２（Ｃ）は横断面図である。

流入配管３は、容器２をその中心軸Ｘに直交する方向（水平方向）に貫通して設けられる。流入配管３において容器２内に位置する先端は流入口３ａとなり、この流入口３ａから容器２内へと気液混合冷媒が流入する。流入口３ａは容器２の内周面２ａから一定の間隔を隔てた位置に設定される。また、流入配管３において流入口３ａ側の端面は流入配管３の管軸３ｂに対して傾斜した傾斜面となっている。

各流出配管４ａ、４ｂ、４ｃはＵ字状を成し、一端が容器２内に位置し、他端が容器２の上部に位置している。流出配管４ａ、４ｂ、４ｃにおいて容器２内に位置した一端側の端部は、容器２内部のガス冷媒が圧縮機１ａ、１ｂ、１ｃへ向けて流出する流出口９ａ、９ｂ、９ｃ（以下、総称するきには単に「流出口９」という）となっている。また、流出配管４ａ、４ｂ、４ｃの一端側の端部は中心軸Ｘ側に向けて折曲されている。これにより各流出口９ａ、９ｂ、９ｃは、図２（Ｂ）及び図２（Ｃ）に示すように容器２の中央部（図２（Ｃ）において点線で囲った部分）に集中して配置される。

なお、流出配管４ａ、４ｂ、４ｃの一端側の端部は、中心軸Ｘを中心とした円周上において等間隔の各位置から中心軸Ｘ側に向けて折曲され、流出口９ａ、９ｂ、９ｃが、中心軸Ｘを中心とした円周上において等間隔に配置された構成となっている。ここでは、流出口９ａ、９ｂ、９ｃにおいて互いに隣接するもの同士の間隔ａ（図２（Ｃ）参照）が、例えば１０ｍｍ程度に設定されている。なお、圧縮機１を３台以上接続する場合には、製造性を考慮して１０ｍｍ以上の間隔ａで流出口９を設置してもよい。

また、流出口９ａ、９ｂ、９ｃは、流入配管３よりも上部の高さ位置に位置している。

また、流出配管４ａ、４ｂ、４ｃの他端も容器２の中心軸Ｘを中心とした円周上に配置されている。流出配管４ａ、４ｂ、４ｃの他端は連結部８ａ、８ｂ、８ｃを介して吸入配管５ａ、５ｂ、５ｃに接続される。また、流出配管４ａ、４ｂ、４ｃは、同じ高さ位置に液戻し部７を備えている。また、圧縮機１に油を戻す油戻し管６が容器２の下部に接続されている。

次に、以上のように構成されたアキュムレータ１００における冷媒と油の流れを図３及び図４に基づいて説明する。

図３は、本発明の実施の形態１に係るアキュムレータ１００において、容器２を平面方向に見た場合の流線を示した図である。図４は、本発明の実施の形態１に係るアキュムレータ１００において、容器２を正面方向から見た場合の流線を示した図である。

冷凍装置の蒸発器（図示せず）から流出した気液混合冷媒は、流入配管３を経て容器２内に流入する。ここで、流入配管３は上述したように容器２をその中心軸Ｘに直交する方向に貫通して設けられている。このため、流入配管３から容器２内に流入した気液混合冷媒は容器２の内周面２ａに衝突する。

容器２の内周面２ａと衝突した気液混合冷媒は容器２の内周面２ａに沿って流れる。容器２の内周面２ａに沿った流れは周方向の流れと下方向の流れとに分かれ、最終的には自重により容器２の底部に向かって流れる。また、気液混合冷媒に含まれる液冷媒の液滴及び油の液滴は霧状に飛散し、容器２の内周面２ａを伝って滴下し、容器２の下部に溜まる。なお、流入配管３を経て容器２内に流入した気液混合冷媒は流速が例えば約１３〜１５．５（ｍ／ｓ）と速いが、容器２の内周面２ａに衝突することで減速するため、上記の気液分離が効率良く行われる。

また、気液混合冷媒の内周面２ａへの衝突によって速度が減速されることで、容器２内で旋回流が発生しない。容器２内で旋回流が発生しないことで、気液混合冷媒が容器２内の液冷媒と油の混合液の液面に直接衝突するのを抑制できる。また、流入配管３から流入する気液混合冷媒の流れは乱流状態液流であるが、上述したように容器２内で旋回流が発生しないことで、容器２内での気液混合冷媒の流れの乱れを抑制できる。以上のことから、液面の乱れ（液面が暴れている）と、容器２内に貯留された液冷媒と油の混合液におけるボルテックスの発生とを抑制できる。

そして、容器２内で気液分離された液冷媒及び油は上述したように容器２の下部に溜まるため、容器２内の上部空間は殆どガス冷媒だけである。ここで、上述したように、流出配管４は、その流出口９を流入配管３よりも上部で中央に集中させている。よって、流入口３ａから容器２内へと流入する気液混合冷媒を流出口９から吸い込むことがない。したがって、各流出配管４から流出するガス冷媒の流出量のばらつきが生じる要因を排除でき、ばらつきの抑制が可能となる。

また、液戻し部７の高さ位置に溜まった油は、流出配管４より吸い込まれるガス冷媒のガススピードに応じて液戻し部７から吸い上げられ、ガス冷媒と共に圧縮機１に送られる。この際、液面の乱れ、ボルテックスが発生していると、液戻し部７から吸い上げられる油量が安定せず、流出配管４から油が流出するにあたり、その流出量にばらつきが生じる。しかし、本実施の形態１では、液面の乱れ、ボルテックスの発生を抑制できるため、油の各流出配管４からの流出量のばらつきを抑制できる。

以上の結果、各流出配管４からの油含有ガス冷媒の流出量のばらつきを抑制できる。

以上説明したように本実施の形態１によれば、流入配管３が容器２をその中心軸Ｘに直交する方向に貫通する構成とし、また、各流出配管４の容器２内の開口である流出口９を容器２の中央部に集中した構成とした。これにより、容器２内で旋回流が発生するのを抑制でき、アキュムレータ内の液面の乱れ、渦が発生を減少させることができる。その結果、油含有ガス冷媒を各流出配管４に均一に分配でき、油含有ガス冷媒の流出量のばらつきを抑制でき、貯留性能を改善することができる。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係るアキュムレータ２００の構成を示す図である。図５（Ａ）は正面図である。図５（Ｂ）は容器２の上部側を構成する上部容器を取り外した状態の平面図である。
実施の形態２のアキュムレータ２００は、実施の形態１のアキュムレータ１００に更に複数のバッフル板（邪魔板）２０を備えた構成を有する。それ以外の構成は実施の形態１と同様である。

バッフル板２０は長方形状であり、その長辺側が容器２の内周面２ａに接するようにして内周面２ａに立設されている。各バッフル板２０は、その面方向が容器２の半径方向に向くようにして、内周面２ａに周方向に等間隔で立設されている。各バッフル板２０のうちの１枚は、流入配管３の管軸３ｂに対して流入口３ａ側から４５°〜９０°の角度の位置に配置され、その位置を基準として残りのバッフル板２０が等間隔で配置されている。この基準となるバッフル位置を以下では基準バッフル位置、その角度を基準バッフル角度という。この例では、４枚のバッフル板２０のうちの１枚が基準バッフル角度４５°の位置に配置され、他の３枚のバッフル板２０が、この基準バッフル位置から９０°間隔で設けられている。なお、バッフル板２０の個数は４個に限られたものではなく、他に例えば２〜３枚としてもよい。

また、バッフル板２０の短手方向（立設方向）の幅ｂは、気液混合冷媒の速度低減の観点から、容器２の直径をＤとしたとき、Ｄ／５〜Ｄ／１２となるように構成されている。

次に、以上のように構成されたアキュムレータ２００における冷媒と油の流れを図６及び図７に基づいて説明する。

図６は、本発明の実施の形態２に係るアキュムレータ２００において、容器２を平面方向に見た場合の流線を示した図である。図７は、本発明の実施の形態２に係るアキュムレータ２００において、容器２を正面方向から見た場合の流線を示した図である。気液混合冷媒の大まかな流れは実施の形態１と同様であるため、ここではバッフル板２０の作用を中心に説明する。

容器２内に流入した気液混合冷媒は、容器２の内周面２ａに衝突した後、内周面２ａに沿う周方向の液流となる。この気液混合冷媒の液流はバッフル板２０と衝突するため、液面に直接当たらないようにすることができる。また、気液混合冷媒の液流は複数のバッフル板２０に順次衝突して流速が減少するため、液面の乱れを改善できる。このように気液混合冷媒の液流の流速が減少するため、容器２に貯留されている液冷媒と油の混合液にボルテックスが発生することを抑制でき、液面を安定させることができる。

次に、基準バッフル角度を４５°〜９０°とすると、気液混合冷媒の流速低減に効果的であることを実証したシミュレーションの計算結果を以下の図８に示す。計算に使用した条件は、冷媒循環量１７００ｋｇ／ｈ、容器２内に吸入される気液混合冷媒の温度１８℃とした。

図８は、本発明の実施の形態２に係るアキュムレータ２００において、基準バッフル角度と内周面２ａでの冷媒流速割合との関係の計算結果を示す棒グラフである。ここでは、１枚のバッフル板２０を、基準バッフル角度を順次変えて設置し、そのそれぞれにおいて容器２の内周面２ａでの冷媒流速を計算した。図８において横軸は基準バッフル角度（°）である。縦軸は流入配管３からの気液混合冷媒の最大流速に対する計算冷媒流速の割合（減速効果）（％）である。

基準バッフル角度が３０°以下の場合、バッフル板２０と流入配管３との間隔が近すぎることで気液混合冷媒の液流に悪影響が生じ、液面の乱れが悪化していると考えられる。その結果、冷媒流速が十分に低減されていない。これに対し、基準バッフル角度を４５°〜９０°とすると、減速効果が８４％以下となり、冷媒流速の低減効果が十分に発揮されている。

また、バッフル板２０の短手方向の長さｂをＤ／５〜Ｄ／１２としているが、これは以下の理由による。本実施の形態２では、いわゆる撹拌槽と同様に渦、ボルテックスを削除する考え方でバッフル板２０を設けて液面を安定させるようにしている。撹拌槽のバッフル設計において上記寸法割合は一般によく使われている最適バッフル寸法割合である。このため、本実施の形態２でも上記寸法割合を採用している。

以上説明したように本実施の形態２によれば、実施の形態１と同様の効果が得られると共に、容器２の内周面２ａにバッフル板２０を設置したことで、アキュムレータ２００の容器２内の液面の乱れ、ボルテックスの発生を更に減少させることができる。その結果、実施の形態２は、実施の形態１に比べて更に、各流出配管４からの油含有ガス冷媒の流出量のばらつきを抑制でき、貯留性能を改善することができる。

実施の形態３．
図９は、本発明の実施の形態３に係るアキュムレータ３００の構成を示す図である。図９（Ａ）は正面図である。図９（Ｂ）は容器２の上部側を構成する上部容器を取り外した状態の平面図である。
実施の形態３のアキュムレータ３００は、実施の形態１のアキュムレータ１００に更に塞ぎ板３０を備えた構成を有する。それ以外の構成は実施の形態１と同様である。

塞ぎ板３０はドーナツ型であり、その外周が容器２の内周面２ａに接触して設置されている。塞ぎ板３０は流入配管３及び流出配管４に設けた液戻し部７よりも低い位置に設置されている。また、塞ぎ板３０の内径ｄは、気液混合冷媒の速度低減の観点から、容器２の直径をＤとしたとき、３Ｄ／５〜４Ｄ／５となるように構成されている。言い換えれば、容器２の直径Ｄに対する塞ぎ板３０の内径ｄの割合を０．６〜０．８の範囲とした。

次に、以上のように構成されたアキュムレータ３００における冷媒と油の流れを図１０及び図１１に基づいて説明する。

図１０は、本発明の実施の形態３に係るアキュムレータ３００において、容器２を平面方向に見た場合の流線を示した図である。図１１は、本発明の実施の形態３に係るアキュムレータ３００において、容器２を正面方向から見た場合の流線を示した図である。気液混合冷媒の大まかな流れは実施の形態１と同様であるため、ここでは塞ぎ板３０の作用を中心に説明する。

容器２内に流入した気液混合冷媒は、容器２の内周面２ａに衝突した後、内周面２ａに沿う周方向の液流と下方向の液流とに分かれる。下方向の液流は塞ぎ板３０に衝突するため、冷媒液面に直接当たらないようにすることができる。また、気液混合冷媒の液流は、塞ぎ板３０に沿って流れてから、容器２の底部に向けて流れるため、液面の乱れを改善できる。また、気液混合冷媒の液流の流速を減少させることができるため、容器２に貯留されている液冷媒と油の混合液にボルテックスが発生することを抑制でき、液面を安定させることができる。

次に、塞ぎ板３０の内径ｄを３Ｄ／５〜４Ｄ／５とすると、気液混合冷媒の流速低減に効果的であることを実証したシミュレーションの計算結果を以下の図１２に示す。計算に使用した条件は、上記と同様、冷媒循環量１７００ｋｇ／ｈ、容器２内に吸入される気液混合冷媒の温度１８℃とした。

図１２は、本発明の実施の形態３に係るアキュムレータ３００において、塞ぎ板３０の内径ｄと冷媒流速との関係の計算結果を示す棒グラフである。ここでは、塞ぎ板３０の内径ｄを順次変えて設置し、そのそれぞれにおいて、塞ぎ板３０の下方における内周面２ａでの冷媒流速を計算した。図１２において横軸は塞ぎ板３０の内径ｄ（ｍ）である。縦軸は流入配管３からの気液混合冷媒の最大流速に対する計算冷媒流速の比である冷媒流速増減比率（−）である。

塞ぎ板３０の内径ｄが２Ｄ／５以下の場合、冷媒流速増減比率が１を超えている。すなわち、塞ぎ板３０の下方における内周面２ａでの冷媒流速が、流入配管３からの気液混合冷媒の最大流速を超えている。しかし、塞ぎ板３０の内径ｄが３Ｄ／５〜４Ｄ／５の範囲では冷媒流速増減比率が１以下となり、塞ぎ板３０の下方での内周面２ａでの冷媒流速が、流入配管３からの気液混合冷媒の最大流速よりも減少しており、冷媒流速の低減効果が十分に発揮されている。

以上説明したように本実施の形態３によれば、実施の形態１と同様の効果が得られると共に、容器２の内周面２ａに塞ぎ板３０を設置したことで、アキュムレータ３００の容器２内の液面の乱れ、ボルテックスの発生を更に減少させることができる。その結果、実施の形態３は、実施の形態１に比べて更に、油含有ガス冷媒の流出量のばらつきを抑制でき、貯留性能を改善することができる。

１（１ａ、１ｂ、１ｃ） 圧縮機、２ 容器、２ａ 内周面、３ 流入配管、３ａ 流入口、３ｂ 管軸、４（４ａ、４ｂ、４ｃ） 流出配管、５ａ、５ｂ、５ｃ 吸入配管、６ 油戻し管、７ 液戻し部、８ａ、８ｂ、８ｃ 連結部、９（９ａ、９ｂ、９ｂ） 流出口、２０ バッフル板、３０ 塞ぎ板、１００ アキュムレータ、２００ アキュムレータ、３００ アキュムレータ。

Claims (10)

1. 複数の圧縮機を備えた冷凍装置に用いられ且つ複数の圧縮機に対して１つだけ設けられるアキュムレータであって、
   円筒状の容器に、その中心軸に直交して貫通して設けられ、気液混合冷媒を前記容器の内部に流入させる流入配管と、
   前記複数の圧縮機の吸入側に接続される複数の流出配管とを備え、
   前記複数の流出配管は、一端が前記容器の内部に位置して前記容器内のガス冷媒を前記複数の圧縮機に向けて流出させる流出口となっており、
   前記複数の流出口が、前記容器の中央部に集中して配置されている
   ことを特徴とするアキュムレータ。
2. 前記流出配管はＵ字状に構成され、前記一端と反対側の他端が前記容器の上部に位置しており、前記流出配管の前記一端が前記中心軸側に向けて折曲されることで前記複数の流出口が前記容器の中央部に配置されている
   ことを特徴とする請求項１記載のアキュムレータ。
3. 前記容器の内周面に、前記流入配管から前記容器内に流入する前記気液混合冷媒の流れを妨げるバッフル板が立設されている
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のアキュムレータ。
4. 前記バッフル板を複数備えており、複数の前記バッフル板は前記容器の内周面に周方向に等間隔に立設されている
   ことを特徴とする請求項３記載のアキュムレータ。
5. 前記バッフル板は長方形状に形成され、その長辺側が前記容器の内周面に接するようにして前記容器の内周面に立設されている
   ことを特徴とする請求項４記載のアキュムレータ。
6. 複数の前記バッフル板の一枚は、前記流入配管の管軸に対して、前記流入配管の前記容器内に開口した流入口側から４５°〜９０°の角度の位置（以下、基準バッフル位置と称する）に配置され、残りの前記バッフル板は、前記基準バッフル位置から等間隔に配置されている
   ことを特徴とする請求項４又は請求項５記載のアキュムレータ。
7. 前記バッフル板の立設方向の幅は、前記容器の直径をＤとしたとき、Ｄ／５〜Ｄ／１２の範囲で構成されている
   ことを特徴とする請求項３〜請求項６の何れか一項に記載のアキュムレータ。
8. ドーナツ状の塞ぎ板が、その外周を前記容器の内周面に接触するようにして設けられている
   ことを特徴とする請求項１記載のアキュムレータ。
9. 前記塞ぎ板の内径は、前記容器の直径をＤとしたとき、３Ｄ／５〜４Ｄ／５の範囲で構成されている
   ことを特徴とする請求項８記載のアキュムレータ。
10. 請求項１〜請求項９の何れか一項に記載のアキュムレータを備えた冷凍装置。

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