JP6621132B2 - 遠心分離式オイルセパレータ及びこれを用いた冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、遠心分離式オイルセパレータに関する。

空気調和装置、冷凍機等に用いられる冷凍サイクル装置において、圧縮機から吐出された気相冷媒中に含まれる冷凍機油を分離するために、オイルセパレータが使用されている。このオイルセパレータとして、冷媒流入管の先端部がオイルセパレータの内部で内壁面に向けて屈曲され、冷媒流入管からオイルセパレータに流入した気相冷媒に旋回流を発生させ、そのときの遠心力を利用して冷凍機油を分離する、遠心分離式のオイルセパレータが知られている。

特開２０１４−１５９９１９号公報

従来のオイルセパレータは、冷媒流入管の先端部がオイルセパレータの内部で内壁面に向けて屈曲されているため、気相冷媒が容器本体の内壁面に衝突し、接線方向（円周方向）に沿うような旋回流が形成されにくいという問題があった。

本発明が解決しようとする課題は、旋回流を形成しやすくして、冷凍機油の分離率を向上する、遠心分離式オイルセパレータ及びこれを用いた冷凍サイクル装置を提供することである。

上記課題を達成するために、実施形態の遠心分離式オイルセパレータは、
円筒状のオイルセパレータ本体側面に設けられる管台を備える。前記管台を介して前記オイルセパレータ本体に挿入される冷媒流入管を備える。
前記冷媒流入管は、第１の直管部と、第１の湾曲部により前記第１の直管部から水平方向に折り曲げられるとともに前記オイルセパレータ本体と直交する第２の直管部と、第２の湾曲部により前記第２の直管部の前記オイルセパレータ内部側が前記管台内部から横方向に折り曲げられる第３の直管部と、を備え、前記第３の直管部の先端部が前記オイルセパレータの内周面に近接するとともに、
前記第３の直管部の先端部は、前記第２の直管部の冷媒流路断面と略平行となるように斜めにカットされる。

一実施形態による遠心分離式オイルセパレータが設けられる、空気調和装置の室外ユニットの全体構成を示す冷媒回路図である。 同実施形態による遠心分離式オイルセパレータを示す断面概略図である。 同実施形態による遠心分離式オイルセパレータの冷媒流入管を示す図である。 同実施形態による遠心分離式オイルセパレータの冷媒流入管の挿入部を示す断面概略図である。 同実施形態による遠心分離式オイルセパレータの管台を示す図である。 同実施形態による遠心分離式オイルセパレータの冷媒流入管の挿入位置を比較した図である。

以下、発明を実施するための実施形態について説明する。
一実施形態の遠心分離式オイルセパレータについて、図１乃至図６を参照して説明する。以下、遠心分離式オイルセパレータを単にオイルセパレータという。図１は、第１の実施形態によるオイルセパレータが設けられる、空気調和装置の室外ユニットの全体構成を示す冷媒回路図を示している。なお、空気調和装置は冷凍サイクル装置の一例であり、冷凍サイクル装置としては、空気調和装置の他にチラーや給湯機等がある。

この空気調和装置１００は、例えば、１台の室外機１０１と複数台（ここでは４台）の室内機１０２ａ〜１０２ｄが、渡り配管（液管Ｐｌ，ガス管Ｐｇ）にて接続されている。室外機１０１には、３台の圧縮機１０３ａ〜１０３ｃが備えられる。圧縮機１０３ａ〜１０３ｃの吐出側には、それぞれ逆止弁が設けられ、冷媒管１０４を介して、オイルセパレータ１、四方弁１０６、室外熱交換器１０７、室外膨張弁１０８、リキッドタンク１０９、液管接続部１１０が順次接続される。液管接続部１１０には、室外機１０１と室内機１０２ａ〜１０２ｄとを接続する渡り配管である液管Ｐｌの一端が接続される。液管Ｐｌの他端は、複数に分岐され、室内機１０２ａ〜１０２ｄの液管接続部１２１ａ〜１２１ｄに接続される。各室内機１０２においては、液管接続部１２１、室内膨張弁１２２、室内熱交換器１２３、ガス管接続部１２４が順次接続される。ガス管接続部１２４ａ〜１２４ｄには、室外機１０１と室内機１０２ａ〜１０２ｄを接続する渡り配管であるガス管Ｐｇの一端が接続され、ガス管Ｐｇの他端側は一本に集合して室外機１０１のガス管接続部１１１に接続される。
室外機１０１において、ガス管接続部１１１には、冷媒管１０４を介して四方弁１０６、アキュムレータ１１２、圧縮機１０３の吸込み口が接続される。
以上のように、空気調和装置１００の冷凍サイクルの主回路が構成される。

室外機１０１には、主回路の他に、オイルセパレータ１で分離された冷凍機油を圧縮機１０３ａ〜１０３ｃに返すための回路および圧縮機１０３ａ〜１０３ｃ間で冷凍機油をバランスさせる回路（以下、まとめて均油回路という）が設けられている。以下、均油回路について説明する。

圧縮機１０３ａ〜１０３ｃのケース側面における所定の高さ位置にそれぞれ油出し管１３０ａ〜１３０ｃの一端が接続され、この油出し管１３０ａ〜１３０ｃの他端は油集合管１３１に接続される。油出し管１３０ａ〜１３０ｃには、逆止弁１３２ａ〜１３２ｃと絞り装置１０５ａ〜１０５ｃが設けられる。
油集合管１３１の一端部には、高圧側の冷媒管１０４から分岐するバイパス管１３３が接続され、このバイパス管１３３に絞り装置１０５ｄが設けられる。
油集合管１３１の他端部には、油案内管１４０が接続される。油案内管１４０は、後述する分配器１４１の流入口に接続される。
オイルセパレータ１の底部には第１の返油管１５１が接続され、オイルセパレータ１の側部には第２の返油管１５２が接続される。
上記第１の返油管１５１には、絞り装置１０５ｅと電磁開閉弁１５３が設けられ、油案内管１４０と分配器１４１の間に接続される。第２の返油管１５２には、絞り装置１０５ｆが設けられ、油集合管１３１に接続される。
分配器１４１は、内部に３つの流路が分岐して設けられ、３つの流出口に連通する。
分配器１４１の３つの流出口にそれぞれ油戻し管１５５ａ〜１５５ｃの一端が接続される。油戻し管１５５ａ〜１５５ｃの他端は、それぞれ圧縮機１０３ａ〜１０３ｃの吸込み管に接続される。

次に、空気調和装置１００に使用されるオイルセパレータ１について説明する。
図２に示すように、オイルセパレータ１は、オイルセパレータ本体（以下、容器２という）、冷媒流入管３、冷媒流出管４、第１の油排出管５および第２の油排出管６を備える。また、容器２は水平な設置面Ｇの上に起立した姿勢で据え付けられる。

容器２は、円筒状の容器本体２１と、容器本体２１の下端開口部を閉塞する底板２２と、容器本体２１の上端開口部を閉塞する上蓋２３と、で構成される。
底板２２および上蓋２３は、夫々球面状に湾曲された形状を有するとともに、例えば溶接等の手段により容器本体２１に固定される。

容器２の内部には、高さ方向の中間部に漏斗状の仕切板２４が設けられる。容器２の内部は、仕切板２４により上下２室に仕切られるとともに、仕切板２４の中央部に設けられた油滴下孔２４ａにより連通する。この仕切板２４よりも上方に分離室７が形成され、仕切板２４よりも下方に貯油室８が形成される。
本実施形態では、仕切板２４は、中央に位置する油滴下孔２４ａに向かって窪んだ、漏斗形状となっている。しかしながら、油滴下孔２４ａが仕切板２４の下部に位置すれば良いため、仕切板２４は、略半球体形状や、略円錐形状としても良い。

容器２の分離室７側には、冷媒流入管３と、冷媒流出管４とが、備えられる。冷媒流入管３は、容器本体２１を貫通して分離室７に挿入される。

図３に示すように、冷媒流入管３は、Ｌ字状に折れ曲がった形状を有し、第１の直管部３１、第１の湾曲部３２、第２の直管部３３、第２の湾曲部３４および第３の直管部３５と、を一体に備えている。なお、図３（ａ）は、冷媒流入管３の正面図であり、図３（ｂ）は、冷媒流入管３の上面図である。

第１の直管部３１は、容器２の中心Ｏを通る鉛直線Ｏ１と平行になるように起立される。第１の直管部３１の上端部は、口径が拡張された継手部３１ａが形成される。この継手部３１ａに圧縮機１０１ａ〜１０１ｃの吐出側から延出する冷媒管１０４の一端が接続される。

図２に示すように、第２の直管部３３は、第１の湾曲部３２により第１の直管部３１から水平方向に略直角に折り曲げられ、容器本体２１と直交する。

第２の直管部３３の軸方向に沿う中間部に、円柱状の管台５０がロウ付け等の手段により接合される。管台５０は、容器本体２１に設けられた開口部２１ａに挿入されるとともに、当該管台５０の外周面が容器本体２１に溶接等の手段により固定される。したがって、冷媒流入管３は、管台５０を介して容器本体に固定される。

図３に示すように、第３の直管部３５は、第２の湾曲部３４により第２の直管部３３から約５０度の角度（θ１）で横方向に折り曲げられる。ここで第２の湾曲部３４の曲げ開始部を３４ａ、曲げ終了部を３４ｂとする。この曲げ方向は、冷媒流入方向から見て左方向である。また、第３の直管部３５は、先端がその軸方向に対し約４０度の角度（θ２）で斜めにカットされ、楕円形状の冷媒出口３５ａが開口される。この冷媒出口３５ａは、第２の直管部３３の冷媒流路断面と略平行に設けられる。言い換えると、冷媒出口３５ａは、第２の直管部３３の軸方向の延長線Ｏ２と直交する方向と略平行となる。ここで、第２湾曲部３４の曲げ角度θ１を４０〜６０度、第３直管部３５の斜切角度θ２を３０〜５０度の範囲とし、θ１とθ２とを合わせて９０度となるように設定することにより、冷媒出口３５ａが、第２の直管部３３の軸方向延長線Ｏ２と直交する方向と略平行に設けられる。このように冷媒出口３５ａの向きを設定することにより、気相冷媒を容器本体２１内にスムーズに流出させることができる。なお、第２の湾曲部３４の曲げ加工や第３の直管部３５の斜切加工が容易となるように、θ１は４０〜６０度、θ２は５０〜３０度が望ましい。

また、図４に示すように、第３の直管部３５は、その先端部３５ｂが分離室５内で容器本体２１の内周面に近接するように設けられる。

次に管台５０について説明する。図５に示すように、管台５０は、容器本体２１の開口部２１ａと略同じ直径の円柱形状の部材である。さらに、菅台５０の軸方向の長さ寸法が、第２の直管部３３よりも短く、菅台５０の外径は、冷媒流入管３の外径よりも大きく構成される。なお、図５（ａ）は、容器本体２１に取り付ける側からみた管台５０を示しており、図５（ｂ）は、管台５０の断面概略を示している。

管台５０は、容器２の外側となる外側端面５０ａから軸方向の中間部まで流入管挿入孔５１が設けられる。また、管台５０は、流入管挿入孔５１に連続し、容器２の内側となる内側端面５０ｂに向けて内径が拡大するテーパ部５２が設けられる。
このテーパ部５２を設けることにより、管台５０内部におけるデッドスペースを小さくすることができる。なお、テーパ部５２の形状は、第２の湾曲部３４に沿うようなラッパ状に設けることも可能である。

管台５０は、その内側端部面５０ｂ側が、容器本体２１の開口部２１ａに挿入される。このとき、管台５０は、内側端部面５０ｂが容器本体２１の内壁面と面一となるように挿入される。

管台５０は、その大部分が容器本体２１から外側に突出して取り付けられる。
図４に示すように、容器本体２１の内部とテーパ部５２とが連通するとともに、テーパ部５２の大半は、容器本体２１の内周面よりも外側に位置している。

次に冷媒流出管４について説明する。図２に示すように、冷媒流出管４は、容器２の中心を通る鉛直線Ｏ１に沿うように、仕切板２４の上面から分離室７の上部に向けて真っ直ぐに立ち上げられる。冷媒流出管４の下端部には、冷媒吸込口４１が仕切板２４に向けて開口される。

冷媒流出管４は、容器２の上蓋２３を貫通して容器２の外に突出され、上端部に口径が拡張された継手部４２が形成されている。継手部４２は、容器２の上方に向けて開口される。この継手部４２に四方弁１０６と接続される冷媒管１０４の一端が接続される。

図２に示すように、容器２の貯油室８側に第１の油排出管５と第２の油排出管６が設けられる。
第１の油排出管５は、その一端が容器２の底板２２の下面に接続される。第１の油排出管５の他端は、図１に示す第１の返油管１５１が接続される。
第２の油排出管６は、その一端が容器２の貯油室８の上部でかつ容器本体２１の側部に接続される。第２の油排出管６の他端は、図１に示す第２の返油管１５２に接続される。

次に、このオイルセパレータ１の動作を説明する。
圧縮機１０１ａ〜１０１ｃから吐出された冷凍機油を含んだ気相冷媒は、冷媒管１０４及び冷媒流入管３を介してオイルセパレータ１の内部に流入する。冷媒流入管３からオイルセパレータ１内に流入した気相冷媒は、容器本体２１の内壁面に沿って旋回しながら、冷媒流出管４の冷媒吸込口４１に向けて下降するように流れる。つまり気相冷媒は、分離室７内で螺旋を描くように流れる。一方で、気相冷媒に含まれる冷凍機油は、気相冷媒よりも密度が高いため、この旋回流によって発生する遠心力によって径方向側に飛散し、容器本体２１の内壁に付着して気相冷媒から分離される。

気相冷媒から分離されて容器本体２１の内壁に付着した冷凍機油は、自重により内壁を伝い、下降する。下降した冷凍機油はやがて仕切板２４により集められ、仕切板２４の油滴下孔２４ａを通過して、容器２の下部の貯油室８内に溜まる。そして、貯油室８内に溜った冷凍機油は、オイルセパレータ１の側部に設けられた第２の油排出管６からオイルセパレータ１の外部に導出され、第１の返油管１５２、油案内管１４０、分配器１４１および油戻し管１５５ａ〜１５５ｃを経て、圧縮機１０１ａ〜１０１ｃの吸込口に戻される。圧縮機１０１ａ〜１０１ｃにおいて冷凍機油の不足が検知されると、第１の返油管１５１の電磁開閉弁１５３が開かれることにより、オイルセパレータ１の底部に接続された第１の油排出管５から貯油室８に溜った冷凍機油が排出され、圧縮機１０１ａ〜１０１ｃに強制的に戻される。

一方、オイルセパレータ１の分離室７で冷凍機油が分離された気相冷媒は、冷媒流出管４からオイルセパレータ１の外部に導出されて、四方弁１０６へと供給される。冷媒流出管４は、その軸方向が容器２の中心を通る鉛直線Ｏ１と同一線上にあり、オイルセパレータ１の内壁面に沿って形成される旋回流の中央にある。そのため、冷媒流出管４は、遠心力により飛散した冷凍機油を吸込みにくく、気相冷媒のみを吸込みやすい。

また、冷媒流出管４の下端部、つまり冷媒吸込口４１は、冷媒流入管３の冷媒出口３５ａよりも、下方に位置しているため、気相冷媒の旋回流は、下向きに流れ、螺旋状の流れを形成しやすくなっている。

また、図６に示すように、仕切板２４の油滴下孔２４ａの孔径ｄは、気相冷媒を流出する冷媒流出管４端部の冷媒吸込口４１の内径（口径）Ｄよりも小さく構成される。
このように構成されることにより、気相冷媒の旋回流によって貯油室８内の冷凍機油の油面が乱されたり、冷凍機油が貯油室８から分離室７へ逆流することを防止することができる。従って、分離室７にて分離された冷凍機油を仕切板２４下部の貯油室８にスムーズに流すことができる。

上述した本実施形態によれば、気相冷媒が旋回流を形成しやすいため、油の分離率を向上した遠心分離式オイルセパレータを提供することができる。

具体的には、図６（ａ）に示すように、本実施形態では、管台５０のテーパ部５２に、冷媒流入管３の第２の湾曲部３４の曲げ開始部３４ａが配置されるため、冷媒流入管３の先端部３５ｂが容器２の中心Ｏから離れ、容器本体２１の開口部２１ａに近い位置に配置される。この構成によれば、気相冷媒が容器本体２１の内壁面に対して流入する角度θ３ａが小さくなる。これにより、気相冷媒が容器本体２１の円壁面に沿うように滑らかに流れ、旋回流が形成されやすくなるため、冷凍機油の分離に必要な遠心力を発生することができる。ここでθ３ａは、第３の直管部３５の軸方向と、この軸方向の延長線が容器本体２１の内壁面と接する点における接線方向とがなす角度である。
一方、図６（ｂ）に示すように、管台５０を設けず、容器本体２１の内部に冷媒流入管３の第２の湾曲部の曲げ開始部３４ａを配置した場合は、冷媒流入管３の先端部３５ｂが容器本体２１の中心Ｏに近づき、容器本体２１の開口部２１ａから遠い位置に配置される。この構成によれば、気相冷媒が容器本体２１の内壁面に対して流入する角度θ３ｂが図６（ａ）のθ３ａよりも大きくなり、気相冷媒は内壁面に衝突するように流入するため、気相冷媒が容器本体２１の円壁面に沿うように滑らかに流れることが難しくなってしまう。

次に、管台５０および冷媒流入管３の組み立て手順について説明する。
最初に、予め第１の直管部３１、第１の湾曲部３２および第２の直管部３３が形成されたＬ字状の冷媒流入管３を準備し、その第２の直管部３３を管台５０の流入管挿入孔５１に通す。引き続き、冷媒流入管３の第２の直管部３３の先端部を曲げ加工により、第２の湾曲部３４および第３の直管部３５を形成する。ここで、第２の湾曲部３４の曲げ角度θ１は上述のとおり約５０度である。
その後、第３の直管部３５をその軸方向に対して角度θ２傾けた約４０度で斜めにカットし、楕円形状の冷媒出口３５ａを形成する。
その後、管台５０の内側端面５０ｂを容器本体２１の開口部２１ａに挿入し、管台５０を容器本体２１に溶接する。これにより管台５０が容器本体２１に固定される。
その後、冷媒流入管３を治具にて位置決めする。この位置決めにより、図４に示すように、第２の湾曲部３４の曲げ開始部３４ａが管台５０のテーパ部５２内に位置し、第３の直管部３５の先端部３５ｂが容器本体２１の内壁面と略隙間なく近接する。
その後、冷媒流入管３の第２の直管部３３と管台５０の外側端面５０ａとをロウ付け等の手段により接合する。これにより冷媒流入管３が管台５０に固定される。

以上説明した、実施形態によれば、旋回流を形成しやすくして、冷凍機油の分離率を向上した、遠心分離式オイルセパレータ及びこれを用いた冷凍サイクル装置を提供することができる。

本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…オイルセパレータ、２…容器、２１…容器本体、２１ａ…開口部、２２…底板、２３…上蓋、２４…仕切板、２４ａ…油滴下孔、３…冷媒流入管、３１…第１の直管部、３１ａ…継手部、３２…第１の湾曲部、３３…第２の直管部、３４…第２の湾曲部、３４ａ…曲げ開始部、３５…第３の直管部、３５ａ…冷媒出口、３５ｂ…先端部、Ｏ…容器の中心、Ｏ１…鉛直線、５０…管台、５０ａ…外側端面、５０ｂ…内側端面、５１…流入管挿入孔、５２…テーパ部、４…冷媒流出管、４１…冷媒吸込口、４２…継手部、５…第１の油排出管、６…第２の油排出管、７…分離室、８…貯油室

Claims (4)

1. 円筒状のオイルセパレータ本体側面に設けられる管台と、
   前記管台を介して前記オイルセパレータ本体に挿入される冷媒流入管と、を備え、
   前記冷媒流入管は、第１の直管部と、第１の湾曲部により前記第１の直管部から水平方向に折り曲げられるとともに前記オイルセパレータ本体と直交する第２の直管部と、第２の湾曲部により前記第２の直管部の前記オイルセパレータ内部側が前記管台内部から横方向に折り曲げられる第３の直管部と、を備え、前記第３の直管部の先端部が前記オイルセパレータの内周面に近接するとともに、
   前記第３の直管部の先端部は、前記第２の直管部の冷媒流路断面と略平行となるように斜めにカットされている
   遠心分離式オイルセパレータ。
2. 前記管台は、前記オイルセパレータ本体の側面から突出して設けられ、
   前記オイルセパレータ本体の外側となる外側端面から軸方向の中間部まで前記冷媒流入管が挿入される流入管挿入孔と、
   前記流入管挿入孔から前記オイルセパレータ本体側に向けて径が拡大するテーパ部とを有している、
   請求項１記載の遠心分離式オイルセパレータ。
3. 前記オイルセパレータ本体内部に、油滴下孔を有する仕切板と、
   前記オイルセパレータ本体から気相冷媒を流出する冷媒流出管と、を備え、
   前記仕切板の油滴下孔の孔径は、
   前記冷媒流出管端部の内径よりも小さく構成される、
   請求項１又は２記載の遠心分離式オイルセパレータ。
4. 請求項１乃至３記載の遠心分離式オイルセパレータを用いた冷凍サイクル装置。

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