JP6635923B2 - 吐出マフラー - Google Patents

Description

本発明は騒音低減マフラーに関する。騒音低減マフラーは特に空調システムまたは冷却システム内に適用される、例えば冷却器または空調圧縮機の吐出部に嵌合された後、油分離器または冷却システムに入る。このような分離器は圧縮機と一体化されてもよく、または個別に装着されてもよい。

図１は、圧縮機１４および外部油分離器１２を備える公知の空調機器の外観を示す。圧縮機１４および外部油分離器１２は熱交換器（図示せず）への連結部１７を有する。圧縮プロセス中、ガスは下部の吸引部４０で圧縮機１４に入る。効率を高め圧縮機１４を冷却するために、油が圧縮機１４に注入される。ガスと油の混合物が圧縮機１４内で生成され、これは第１の入口通路１３を介して油分離器１２に送達される。一旦分離されると、ガスは連結部１７を介して熱交換器に送達され、油は第３の通路１６を介して圧縮機１４に戻される。空調システムなどの冷却システムに入ることができる油の量は、熱交換器の効率が維持されるべき場合に最小に保たれなければならない。

近年、スクリュー圧縮機は冷却用途および空調用途においてますます普及している。これらの圧縮機は信頼性が高く、所与の容量に対してサイズおよび重量が小さいため、パッケージ型冷却ユニットでの使用に理想的である。環境問題は重要性を増しており、したがってこれらの冷却器の動作の効率化も重要性を増している。

図２は、２つの噛み合いゲートロータ１１０、１１５をもつシングルメインロータ１００を備える、シングルスクリュー圧縮機の例を示す。シングルメインロータ１００は複数の螺旋状ネジ山１０５（「フルート」と呼ばれることもある）を有し、螺旋状ネジ山１０５はこれらのネジ山の根本まで球形状（または砂時計形状）に切り込まれている。ネジ山１０５は入力端１２０において比較的大きい断面を有し、吐出端１２５においてかなり小さい断面を有する。

吸引ガスは、入力端１２０の大きい開口においてシングルメインロータ１００に対して概して軸方向にフルート１０５に入る。次いでロータアセンブリ１００、１１０、１１５が回転すると、吸引ガスはゲートロータ１１０、１１５およびケーシング（図示せず）によりフルート１０５の中に封止され、フルート１０５の吐出端１２５は通常ケーシングによって閉鎖される。回転が継続すると、ゲートロータ１１０、１１５の歯がフルート１０５に沿って前進し、それによって容積が低減し、圧力が増加する。この圧縮機は、所望の圧力増加に達したときにフルートがケーシング内の吐出ポートまで開き、その後回転が継続すると冷媒ガスが吐出ポートを通って排出されるように設計される。この設計によりメインロータ１００の両側において２つのゲートロータ１１０、１１５の使用によりこの圧縮プロセスを正確に再現することが可能になる。

図２は３つの異なる回転位置における圧縮プロセスを示す。図１の左側に示された第１の位置では、ガス充填されたフルート１０５は比較的大きい容量を有し、点付き領域によって示されている。入力端１２０がゲートロータ１１５の歯によって封止され、ロータアセンブリ１００、１１０、１１５の回転中にゲートロータ１１５の歯はガス充填されたフルート１０５に沿って移動し始めると、図１の中央に示されたようにガス充填されたフルート１０５の容積が低減する。その吐出端１２５がケーシング内の吐出ポート（図示せず）と同じ高さになっただけで、ガス充填されたフルート１０５の容積が最小に達する。この最終回転位置は図１の右側に示されている。ガスは吐出ポートから放出されるにつれて膨張する。それぞれの連続するフルート１０５に対してこのプロセスを繰り返す。

最近、このような圧縮機および冷却システムの効率的な動作はより重要になってきた。低減された容量での動作は、非常に重要である可能性がある。圧縮機の排気量を低減する内部スライドの使用により、スクリュー圧縮機内の容量のこのような低減を達成できる。このような制御システムの別法は、モータに適用された可変周波数駆動の使用であり、これは低減された負荷／速度で有効な動作を提供する。このようなシステムが一旦採用されると、より高速の動作が可能になる。最近の圧縮機は、正常な２極モータの最高速度を超えて動作するように設計され製造される。このような用途における問題は騒音の問題である。高速のスクリュー圧縮機は、圧縮機の標準速度の騒音レベルより高い騒音レベルである傾向がある。

本発明の実施形態によればその第１の態様では、圧縮機から吐出するように装着するための吐出マフラーが提供され、マフラーは吐出を受領するための入口および吐出を送達するための出口を有し、マフラーは内部ダクトおよび外部ダクトを備え、内部ダクトは外部ダクトの内側に延在し、
内部ダクトは各端部が開いており、外部ダクトはマフラー入口の領域内で第１の端部が開いており、マフラー出口の領域内の第２の端部が閉鎖しており、内部ダクトは外部ダクトと連通する複数の穴を提供され、穴の少なくとも２つはマフラー出口から異なる距離にある。

内部ダクトは壁を有する管を備えてもよく、穴は壁を通る。

マフラー入口は内部ダクトおよび外部ダクトの開放端によって提供されることが可能であり、マフラー出口は外部ダクトの閉鎖部における内部ダクトの開放端によって提供される。外部ダクトの第２の端部における閉鎖は、外部ダクトから内方に内部ダクトの上に延在する壁によって提供されてもよい。

本発明の実施形態は、上に説明されたスクリュー圧縮機などの圧縮機内の騒音を低減させることができる。このような騒音低減は、必ずしもそうではないが、高速で作動する圧縮機の騒音レベルを標準速度の圧縮機の騒音レベル以下に充分に低減することができる。

内部ダクトは、低圧降下を提供するように公知の原理に従ってサイズ化されることが好ましく、圧縮機に関して最小圧降下を確保するために通常選択されるはずである直径であってもよい。次いで外部ダクトは内部ダクトの周囲により大きい直径のチャンバを提供するようにサイズ化され、その組合せは反射型消音を提供する。

このマフラーは圧縮機の吐出部と一体型油分離器の油分離器との間に嵌合されてもよく、または外部油分離器の配置を採用するときは圧縮機出口もしくは分離器入口に嵌合されてもよい。したがってマフラー出口は、分離器に繋がるさらなるダクトに連結されてもよく、または分離器に実質的に直接吐出してもよい。

本発明の実施形態により、１０ｄＢＡ以上も著しく低い騒音レベルを提供することを発見された。それらの実施形態は広範囲の速度および作動条件にわたる騒音レベルを著しく低減させることができる。

反射型音響マフラーは周波数固有の特性を有することが公知である。本発明の実施形態では、マフラーが有効な周波数の範囲または数を増加するために、内部ダクトおよび外部ダクトは互いに対してマフラーを横切って横方向にオフセットすることが好ましく、内部ダクト内の穴は、外部ダクトから２つ以上の異なる距離、例えば少なくとも２つの異なる距離にあるように位置付けられる。別法としてまたは追加として、内部ダクト内の穴は、マフラー出口から２つ以上の異なる距離、好ましくは少なくとも３つの異なる距離にあるように位置付けられてもよい。圧縮機を異なるそれぞれの速度で使用するために、吐出振動の波長に関してこれらの異なる距離を決定することができる。次いで穴によってもたらされた音響反射により、マフラーは上述された周波数の増加された範囲または数などの、より多くの複素周波数成分をもつ騒音を低減することができる。穴は、マフラー出口からそれぞれの距離に対で位置付けられてもよく、各対の穴は外部ダクトから異なる距離に内部ダクトから半径方向に位置付けられる。好ましくは、優れた性能を発揮するために、内部ダクト内の穴の少なくとも２つは、外部ダクトからそれぞれ４の倍数だけ異なる距離にある。加えて内部ダクトの断面積は、内部ダクトと外部ダクトとの間の断面積と実質的に等しいことが好ましいことがわかった。

本発明の実施形態によるマフラーの例では、マフラーは一方が他方の中にある２つのダクトを備え、この場合内部ダクトは圧縮機に対して広げられた速度範囲内で３つの速度をカバーする１／４波長位置を形成する穴を有する。それらのダクトは互いに対してオフセットしており、広げられた速度範囲全体を充分にカバーするように、３つの最適化された位置を超えるマフラーの範囲をさらに広げる働きをする。

速度範囲の例は、圧縮機の回転速度が５０〜８５Ｈｚであってもよい。この速度範囲は、スクリュー圧縮機を標準速度から最高速度に設定するのに適している。スクリュー圧縮機に対する標準の２極速度は、英国では５０Ｈｚであり、米国では６０Ｈｚであり、したがって５０〜８５Ｈｚは通常の広げられた速度範囲をカバーする。しかし１２０Ｈｚのような高速が近い将来に達成される可能性がある。

次に本発明の実施形態によるマフラーについて、例示のみとして添付図面を参照して説明する。

公知の圧縮機／分離器のレイアウトのブロック図である。 ２つのゲートロータを有する、シングルスクリュー圧縮機内のスクリューの公知の配置を示す図である。 圧縮機の吐出部と一体型の油分離器との間に嵌合された際に、マフラーの中心線を通る図４の矢印ｘ−ｘによって示された、傾斜した軸方向断面を示す図である。 出口の方向から分離器を見た、図３に示されたマフラーの垂直横方向断面を示す図である。 一体型分離器を備えた圧縮機内のマフラーの位置を概略的に示す図である。 遠隔油分離器を備えた圧縮機上に嵌合された際にマフラーの位置を概略的に示す図である。 圧縮機に対して嵌合されたマフラーを備えた、および備えない騒音レベルに対する試験結果のグラフである。

図面は一定の縮尺で描かれていない。

図３および図４を参照すると、マフラーは主に外部ダクトすなわち周囲ダクト５および内部ダクト３を備える。両方のダクト５、３は、圧縮機の壁６内の吐出開口の中に装着されたマフラー入口を提供するために、第１の端部において開いている。マフラー入口は、使用時に圧縮機から吐出された油／ガスの混合物を受領する。内部ダクト３はその第２の端部が延びて、圧縮機からガス／油分離器（図３および図４には図示せず）へのガス／油の混合物に対する送達ダクトになる。しかし外部ダクト５は、その第２の端部を横端壁４によって閉鎖され、横端壁４は内部ダクト３の外表面に封止され、それにより内部ダクト３を中心にチャンバを提供する。したがってマフラー出口は内部ダクト３を通って提供され、端壁４は外部ダクト５を閉鎖する。

圧縮機から吐出されたガス／油の混合物は、内部ダクト３および外部ダクト５の両方に同時に入る。圧縮機の騒音の周波数成分は、吐出振動の公知の現象によって少なくとも一部が決定される。内部ダクト３はその壁内に複数の穴８を有し、これらの穴８は特に速度範囲が広げられるべき場合に、使用時に圧縮機の必要な速度範囲および作動条件に応じて計算された吐出振動の１／４波長に一致するように位置付けられる。穴は、外部ダクト５の端壁４からそれぞれの穴の中心にＡ、ＢおよびＣで示された距離に対で位置付けられる。図４の断面は位置Ｃにおいて穴を通って取られ、マフラーの端壁４の方向から見たものである。

加えて内部ダクト３および外部ダクト５の軸は、位置Ａ、ＢまたはＣのいずれか１つにおいて少なくとも２つの穴８が外部ダクト５の壁から異なる距離にあるように、互いから半径方向にオフセットされている。外部ダクト５に入るガスは、端壁４から反射して戻り、穴８を通って内部ダクト３に入り、この内部ダクト３内の流れは引き続きマフラー出口を通って油分離器に入る。

反射流れの効果は内部ダクト３内の主流に流れを導入することであり、これは主流の振動とタイミングを外した１／２波長である。これは主流内の振動を減衰する効果を有する、認識された騒音低減方法である。しかしこれは１つの臨界周波数における振動に対して達成されるに過ぎない。本発明の実施形態では、この効果は端壁４から３つの距離Ａ、ＢおよびＣに位置付けられた穴によって増加された速度範囲をカバーするように広げられている。これらの距離を広げられた速度範囲内の異なる周波数に対して最適化することができ、２つのダクト部の間の波形の追加反射および主な反射波形の効果に起因して、改善された騒音低減を提供するために半径方向にオフセットされたダクト配置と一緒に作動する。

図３を参照すると、マフラーの例では、寸法は以下の通りであってもよい。
・内部ダクト３の公称孔：４インチ（外径１１４．３ｍｍ）
・外部ダクト５の公称孔：６インチ（外径１６８．３ｍｍ）
・「１」と記された最上部離間距離：３２ｍｍ
・「２」と記された最下部離間距離：８ｍｍ
・端壁４から最も近い穴８までの距離「Ａ」：７０ｍｍ
・端壁４から中間の穴８までの距離「Ｂ」：９０ｍｍ
・端壁４から最も遠い穴８までの距離「Ｃ」：１１３ｍｍ
・穴径：２５ｍｍ

上に説明されたようなマフラーを設計する際の指針の例は以下の通りでもよい。
ステップ１：圧縮機の吐出の臨界周波数を同定する。シングルスクリュー圧縮機に対して、これはロータフルートに回転周波数を掛けた数である。
ステップ２：必要な広げられた速度範囲に対する作動条件で冷媒中にこの臨界周波数の波長を描く。
ステップ３：この広げられた速度範囲の最低速度、最高速度および中間速度をカバーする３つの異なる波長を選択する。これは、作動条件の温度および圧力での冷媒吐出における音速を決定し、公知の吐出ガス臨界周波数でこれを割ることによって達成される。選択された広げられた範囲の最低速度、最高速度、および中間速度をカバーするために、広げられた速度範囲に応じる３つの周波数に対してこれを計算する。これらから図３における１／４波長寸法「Ａ」、「Ｂ」、および「Ｃ」が得られる。
ステップ４：マフラーの長さを確立するために、距離「Ｃ」における穴はマフラー入口から隔てて位置付けられる。この距離は０．６に外部ダクト５の直径を掛けたものである。この寸法は必須ではなく、圧力降下を最小にするために変えてもよい。
ステップ５：外部ダクトおよび内部ダクトの軸の半径偏差は、「１」と記された最上部離間距離が「２」と記された最下部離間距離の４倍である。
ステップ６：外部ダクト５の断面積は内部ダクト３の断面積の２倍でなければならず、すなわち換言すると、内部ダクト３と外部ダクト５との間の断面積は、内部ダクト３の断面積と等しくなければならない。

図３を参照すると、本発明のさらなる実施形態では、外部ダクト５に比べて内部ダクト３内の圧力を低減し、したがって外部ダクト５から内部ダクト３への流れが増加するために追加の入口ノズル７が加えられ、マフラーの性能がさらに向上する。

図５を参照すると、一体型圧縮機の配置におけるマフラーの位置は、分離器２の内側の圧縮機１からの吐出部にあってもよい。図６を参照すると、マフラーの通常の位置もやはり、油分離器２が圧縮機１と分離して装着されるときに圧縮機１からの吐出部にある。図６では、内部ダクト３および外部ダクト５の軸は水平よりむしろ垂直であることがわかる。これらの構成のそれぞれにおいて、マフラーは圧縮機の吐出出口を有効に提供できることがわかる。

図７は、嵌合されたマフラーを備えた、および備えない圧縮機に対して測定された騒音レベルを示す試験結果のグラフを示す。最大騒音低減は、Ｈｚで測定された圧縮機の最大回転速度で達成された。著しい騒音の低減を見ることができる。

本発明によるマフラーの設計にいくつかの変形を行ってもよい。例えば穴８ならびに内部ダクト３および外部ダクト５は必ずしも円形断面ではない。内部ダクト３の軸と外部ダクト５の軸との間の半径偏差は必ずしも垂直平面内にないが、水平平面もしくは他の平面内にあってもよく、またはダクト３、５がそれらの断面の底部より上部にそれらの最も近い点があるように、半径偏差の方向は逆であってもよい。実際にマフラーは必ずしも水平に走らないが、垂直または別法により配置されてもよい。特に外部ダクト５は、管壁を有する管の形で提供されるより、むしろ別の構成要素内のダクトに置換されてもよい。マフラー内で互いに対する、または他の寸法に対する穴のサイズは、設計の優先度に依存して変化してもよい。例えば大きい穴がマフラー内に低い圧力降下を供給することが見られることがある一方で、小さい穴はより良好な騒音低減を供給することが見られることがある。内部ダクトは単純な連続管構造を有しなくてもよいが、例えば追加の消音および／または圧力を適合する特性を供給する可能性がある、２つ以上の構成要素をその長さに沿って備えてもよい。

Claims (16)

1. 圧縮機から吐出するために装着する吐出マフラーであって、前記マフラーは前記吐出を受領するためのマフラー入口および前記吐出を送達するためのマフラー出口を有し、
   前記マフラーは、軸を有する内部ダクトおよび軸を有する外部ダクトを備え、
   前記内部ダクトは、前記外部ダクトの内側に延在し、各端部において開いており、かつ、前記外部ダクトと連通する少なくとも第１の穴、第２の穴、および第３の穴を提供されており、前記第１の穴および前記第２の穴は、前記マフラー出口から異なる距離にあり、
   前記外部ダクトは、前記マフラー入口の領域内で第１の端部において開いており、前記マフラー出口の領域内の第２の端部が閉鎖しており、前記内部ダクトの軸は、前記外部ダクトの軸からオフセットされており、それにより、前記内部ダクトと前記外部ダクトとの間の離間は、前記内部ダクトから異なる半径方向に測定されるときに異なっており、従って、前記内部ダクト内の第１の穴および第３の穴は、前記外部ダクトから異なる距離にある、マフラー。
2. 前記マフラーは、前記圧縮機との使用のために構成されており、前記マフラー出口から前記第１の穴および前記第２の穴への異なる距離は、異なるそれぞれの速度での使用の際の前記圧縮機に対する吐出振動の波長に関連して決定される、請求項１に記載のマフラー。
3. 前記圧縮機はスクリュー圧縮機である、請求項１〜２のいずれか１項に記載のマフラー。
4. 前記吐出は油／ガスの混合物である、請求項３に記載のマフラー。
5. 前記マフラー入口は、前記内部ダクトおよび前記外部ダクトの開放端によって提供され、前記マフラー出口は、前記外部ダクトの閉鎖部において、前記内部ダクトの開放端によって提供される、請求項１〜４のいずれか１項に記載のマフラー。
6. 前記外部ダクトのその第２の端部における閉鎖は、前記外部ダクトから前記内部ダクト上に内方に延在する横壁によって提供される、請求項１〜５のいずれか１項に記載のマフラー。
7. 前記第１の穴、前記第２の穴、および前記第３の穴は、前記マフラー出口から異なる距離にあり、前記距離は、少なくとも３つの異なるそれぞれの速度での使用の際の前記圧縮機に対する吐出振動の波長に関連して決定される、請求項２に記載のマフラー。
8. 前記マフラー出口から前記穴への異なる距離は、それぞれ、異なるそれぞれの速度での使用の際の前記圧縮機に対する吐出振動の１／４波長である、請求項２または７に記載のマフラー。
9. 圧縮機の吐出部と一体型油分離器との間に嵌合される、請求項１〜８のいずれか１項に記載のマフラー。
10. 圧縮機の吐出出口に直接嵌合される、請求項１〜９のいずれか１項に記載のマフラー。
11. 前記内部ダクト内の第１の穴および第３の穴は、前記外部ダクトから４の倍数だけ異なる距離にある、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のマフラー。
12. 前記内部ダクト内の断面積は、前記内部ダクトと前記外部ダクトとの間の断面積に等しい、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のマフラー。
13. 前記内部ダクトは、前記圧縮機の使用時に前記内部ダクト内の圧力を前記外部ダクト内の圧力と比べて低減するための入口ノズルを提供される、請求項１〜１２のいずれか１項に記載のマフラー。
14. 少なくとも５０Ｈｚから７５Ｈｚまでの回転速度の範囲にわたって作動するシングルスクリュー圧縮機で使用するための寸法にされる、請求項１〜１３のいずれか１項に記載のマフラー。
15. 前記内部ダクトは第４の穴を提供されており、前記第１の穴、前記第２の穴、および前記第４の穴は、前記マフラー出口から異なる距離にあり、前記距離は、少なくとも３つの異なるそれぞれの速度での使用の際の前記圧縮機に対する吐出振動の波長に関連して決定される、請求項２に記載のマフラー。
16. 油／ガス分離器に送達するための圧縮機から油／ガスの吐出を取り出すために装着される、請求項１〜１５のいずれか１項に記載のマフラーを備える冷却機器。

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