JP7012839B2 - 油分離器および冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、油分離器および冷凍サイクル装置に関するものである。

従来、一般的な空気調和装置、冷凍装置等の駆動源として使用される圧縮機では、圧縮された高圧冷媒ガスとともに圧縮機内部を潤滑する油が圧縮機外へ排出される。この結果、油切れにより圧縮機の摺動部に焼付きが生じることがある。

また、圧縮機から排出された油が熱交換器内に滞留することがある。これにより、熱交換器内の伝熱阻害による伝熱性能の低下が生じる。また、熱交換器内の流路閉塞および流路狭小による圧力損失の増加が生じる。したがって、システムの成績係数（ＣＯＰ：Coefficient Of Performance）が低下する。

そこで、圧縮機から吐出された油含有冷媒から油を分離して圧縮機へ返油するために、油分離器が用いられる。油分離器は、たとえば、国際公開第２０１６／０６３４００号（特許文献１）に記載されている。この文献に記載された油分離器は、本体容器と、油含有冷媒を本体容器に導く流入配管と、流入配管内に設けられた旋回羽根とを有している。この旋回羽根により油含有冷媒に旋回流が発生する。この旋回流の旋回力により、油含有冷媒から油が分離されるとともに油の再飛散が抑制される。これにより、油含有冷媒からの油の分離効率が向上する。

国際公開第２０１６／０６３４００号

上記の文献に記載された油分離器では、油含有冷媒が旋回羽根に衝突したときに旋回羽根に油が付着する。この油は、表面張力により、旋回羽根の複数の羽根のうち互いに隣り合う羽根の間に留まる。このように、油分離器に油が留まるため、圧縮機への返油効率が低下する。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、油含有冷媒からの油の分離効率を向上させるとともに圧縮機への返油効率を向上させることができる油分離器およびそれを備えた冷凍サイクル装置を提供することである。

本発明の油分離器は、油含有冷媒から油を分離するものである。油分離器は、容器と、流入管と、油排出管と、冷媒排出管と、固定翼とを備えている。容器は、中心軸に沿って延在し、かつ中心軸に直交する断面が円形状の内周面を有する。流入管は、容器内に油含有冷媒を流入させる流入口を有する。油排出管は、油含有冷媒から分離された油を容器から排出する油排出口を有する。冷媒排出管は油含有冷媒から油が分離された冷媒を容器から排出する冷媒排出口を有する。固定翼は容器内に配置されている。流入管の流入口は固定翼の上方に配置されている。油排出管の油排出口は固定翼の下方に配置されている。冷媒排出管の冷媒排出口は固定翼の下方であり、かつ油排出口よりも上方に配置されている。固定翼は、軸と、３枚以上の螺旋状板とを含んでいる。軸は中心軸に沿って延在する。３枚以上の螺旋状板は、軸の外周面に接続され軸から内周面に向けて延在するとともに中心軸に沿って螺旋状に延在する。３枚以上の螺旋状板のうち断面において互いに隣り合うように配置された螺旋状板の各々は、軸の周方向に外周面を挟むように配置されている。冷媒排出管の冷媒排出口は、中心軸に沿って固定翼との間に隙間をあけて配置されている。

本発明の油分離器によれば、３枚以上の螺旋状板により油含有冷媒に旋回流が発生する。この旋回流の旋回力により、油含有冷媒から油が分離されるとともに油の再飛散が抑制される。これにより、油含有冷媒からの油の分離効率を向上させることができる。さらに、３枚以上の螺旋状板のうち断面において互いに隣り合うように配置された螺旋状板の各々は、軸の周方向に外周面を挟むように配置されている。したがって、油が表面張力により互いに隣り合うように配置された螺旋状板の間の外周面に留まることが抑制される。これにより、油分離器に油が留まることが抑制されるため、圧縮機への返油効率を向上させることができる。

本発明の実施の形態１に係る油分離器を備えた冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。 本発明の実施の形態１に係る油分離器を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る油分離器の固定翼が容器内に配置された構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る油分離器の固定翼を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る油分離器の固定翼が容器内に配置された構成を示す上面図である。 本発明の実施の形態１に係る油分離器の固定翼が容器内に配置された構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る油分離器の軸に１枚の螺旋状板が接続された構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る油分離器の軸の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る油分離器内での油が分離される様子を説明するための断面図である。 比較例の油分離器内の固定翼に油が吸着する様子を説明するための断面模式図である。 本発明の実施の形態１に係る油分離器内の固定翼に油が吸着する様子を説明するための断面模式図である。 本実施の形態１に係る油分離器内の第１離間距離と分離効率との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態２に係る油分離器の固定翼が容器内に配置された構成を一方側から示す斜視図である。 本発明の実施の形態２に係る油分離器の固定翼を一方側から示す斜視図である。 本発明の実施の形態２に係る油分離器の固定翼が容器内に配置された構成を他方側から示す斜視図である。 本発明の実施の形態２に係る油分離器の固定翼を他方側から示す斜視図である。 本発明の実施の形態２に係る油分離器の固定翼が容器内に配置された構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態３に係る油分離器の固定翼が容器内に配置された構成を示す断面斜視図である。 本発明の実施の形態４に係る油分離器を示す断面図である。

以下、本発明の実施を図面に基づいて説明する。なお、以下においては、同一または相当する部材および部位に同一の符号を付し、重複する説明は繰り返さない。

実施の形態１．
まず、図１を参照して、本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００の構成について説明する。図１は、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００の冷媒回路図である。本実施の形態における冷凍サイクル装置１００は、たとえば空気調和装置などである。

図１に示されるように、本実施の形態における冷凍サイクル装置１００は、圧縮機１と、四方弁２と、室外熱交換器３と、流量調整弁４と、室内熱交換器５と、油分離器１０とを主に備えている。圧縮機１、四方弁２、室外熱交換器３、流量調整弁４、室内熱交換器５および油分離器１０は配管によって繋がっている。このようにして冷凍サイクル装置１００の冷媒回路が構成されている。室外機ユニット１０１内に、圧縮機１と、四方弁２と、室外熱交換器３と、流量調整弁４と、油分離器１０とが配置されている。室内機ユニット１０２内に、室内熱交換器５が配置されている。室外機ユニット１０１と、室内機ユニット１０２とは延長配管６ａ，６ｂで接続されている。

圧縮機１は、吸入した冷媒を圧縮して吐出するように構成されている。圧縮機１は、室外熱交換器３または室内熱交換器５に流入する冷媒を圧縮するように構成されている。圧縮機１は、圧縮容量が一定の一定速圧縮機であってもよく、また圧縮容量が可変のインバーター圧縮機であってもよい。このインバーター圧縮機は、回転数を可変に制御可能に構成されている。

四方弁２は、冷媒の流れを切り替えるように構成されている。具体的には、四方弁２は、暖房運転時と冷房運転時とによって、室外熱交換器３および室内熱交換器５への冷媒の流れを切り替えるように構成されている。

室外熱交換器３は、四方弁２と、流量調整弁４とに接続されている。室外熱交換器３は、冷房運転時、圧縮機１により圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器となる。また、室外熱交換器３は、暖房運転時、流量調整弁４により減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器となる。室外熱交換器３は冷媒と空気との熱交換を行うためのものである。室外熱交換器３は、たとえば冷媒が内側を流れるパイプ（伝熱管）と、パイプの外側に取り付けられたフィンとを備えている。

流量調整弁４は、室外熱交換器３と、室内熱交換器５とに接続されている。流量調整弁４は、冷房運転時、室外熱交換器３により凝縮された冷媒を減圧する絞り装置となる。また、流量調整弁４は、暖房運転時、室内熱交換器５により凝縮された冷媒を減圧する絞り装置となる。流量調整弁４は、たとえば、キャピラリ―チューブ、電子膨張弁等である。

室内熱交換器５は、四方弁２と、流量調整弁４とに接続されている。室内熱交換器５は、冷房運転時、流量調整弁４により減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器となる。また、室内熱交換器５は、暖房運転時、圧縮機１により圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器となる。室内熱交換器５は冷媒と空気との熱交換を行うためのものである。室内熱交換器５、たとえば冷媒が内側を流れるパイプ（伝熱管）と、パイプの外側に取り付けられたフィンとを備えている。

油分離器１０は、圧縮機１の吐出管の下流側に接続されている。油分離器１０は、圧縮機１から吐出された油含有冷媒から油を分離するように構成されている。また、油分離器１０は、油含有冷媒から分離された油を圧縮機１に返すように、圧縮機１の吸入管の上流側に接続されている。

続いて、図２～図７を参照して、本実施の形態に係る油分離器１０の構成について詳しく説明する。図２は、本実施の形態に係る油分離器１０の構成を概略的に示す断面図である。図３は、本実施の形態に係る固定翼１５が容器１１内に配置された構成を概略的に示す斜視図である。なお、説明の便宜のため、図３では固定翼１５よりも上側および下側の容器１１は記載されていない。図４は、本実施の形態に係る固定翼１５の構成を概略的に示す斜視図である。図５は、本実施の形態に係る固定翼１５が容器１１内に配置された構成を概略的に示す上面図である。なお、説明の便宜のため、図５では固定翼よりも上側の容器１１は記載されていない。図６は、本実施の形態に係る固定翼１５が容器１１内に配置された構成を概略的に示す図３のＶＩ－ＶＩ線に沿う断面図である。図７は、本実施の形態に係る軸１５ａに１枚の螺旋状板１５ｂが接続された構成を概略的に示す断面図である。なお、説明の便宜のため図７では軸１５ａに１枚の螺旋状板１５ｂのみが接続されている。図８は、本実施の形態に係る軸１５ａの構成を概略的に示す斜視図である。

図２に示されるように、本実施の形態に係る油分離器１０は、容器１１と、流入管１２と、油排出管１３と、冷媒排出管１４と、固定翼１５とを有している。本実施の形態に係る油分離器１０では、旋回下降流による分離方式が用いられている。

容器１１は、略円筒状に構成されている。容器１１は、容器１１の中心軸ＣＬに沿って延在している。容器１１は、内部空間を有している。容器１１は、中心軸ＣＬに直交する断面が円形状の内周面ＩＳを有する。

流入管１２は、図１に示される圧縮機１の吐出側に接続されている。流入管１２は、容器１１の上端に接続されている。流入管１２は容器１１の中心軸ＣＬと同軸上に配置されている。流入管１２は容器１１の天井部を貫通している。流入管１２は、容器１１内に油含有冷媒を流入させるように構成されている。流入管１２は、容器１１内に油含有冷媒を流入させる流入口１２ａを有している。流入管１２の流入口１２ａは固定翼１５の上方に配置されている。

油排出管１３は、図１に示される油戻し管２０に接続されている。油排出管１３は、容器１１の下側に接続されている。油排出管１３は容器１１の中心軸ＣＬと異なる位置に配置されている。本実施の形態では、油排出管１３は容器１１の側壁を貫通している。なお、油排出管１３は容器の底部を貫通していてもよい。油排出管１３は、油含有冷媒から分離された油を容器１１から排出するように構成されている。油排出管１３は、油含有冷媒から分離された油を容器１１から排出する油排出口１３ａを有している。油排出管１３の油排出口１３ａは固定翼１５の下方に配置されている。

冷媒排出管１４は、図１に示される四方弁２に接続されている。冷媒排出管１４は、容器１１の下側に接続されている。冷媒排出管１４は容器１１の中心軸ＣＬと同軸上に配置されている。冷媒排出管１４は容器１１の底部を貫通している。冷媒排出管１４は、油含有冷媒から油が分離された冷媒を容器１１から排出するように構成されている。冷媒排出管１４は、油含有冷媒から油が分離された冷媒を容器１１から排出する冷媒排出口１４ａを有している。冷媒排出管１４の冷媒排出口１４ａは固定翼１５の下方であり、かつ油排出口１３ａよりも上方に配置されている。つまり、冷媒排出管１４の冷媒排出口１４ａは上下方向において固定翼１５と油排出口１３ａとの間に配置されている。冷媒排出口１４ａは容器１１内に配置された冷媒排出管１４の先端に設けられている。冷媒排出口１４ａは固定翼１５の真下に配置されている。冷媒排出管１４は容器１１の内径Ｄ１よりも小さい外径を有している。

本実施の形態では、固定翼１５と冷媒排出管１４の先端との中心軸ＣＬに沿う距離である第１離間距離Ｌ１は、容器１１の内径Ｄ１の０．５倍以上の寸法を有している。

固定翼１５は、油含有冷媒から分離された油を内周面ＩＳに沿って周回させながら上方から下方へ流すように構成されている。固定翼１５は容器１１内部の上側に配置されている。固定翼１５は流入管１２の流入口１２ａの真下に配置されている。

図３に示されるように、固定翼１５は、軸１５ａと、３枚以上の螺旋状板１５ｂとを有している。軸１５ａは中心軸ＣＬに沿って延在する。軸１５ａは中心軸ＣＬと同軸上に配置されていることが好ましい。

図３および図４に示されるように、３枚以上の螺旋状板１５ｂの各々は軸１５ａの外周面ＯＳに接続されている。３枚以上の螺旋状板１５ｂの各々は、油含有冷媒に対し旋回力を発生させるように構成されている。３枚以上の螺旋状板１５ｂの各々は軸１５ａの内周面ＩＳに向けて延在するとともに中心軸ＣＬに沿って螺旋状に延在する。３枚以上の螺旋状板１５ｂの各々は中心軸ＣＬ周りに等角度で配置されていてもよい。

本実施の形態では、固定翼１５は、６枚の螺旋状板１５ｂを有している。なお、固定翼１５は、３枚以上の螺旋状板１５ｂを有していればよく、固定翼１５は、例えば４枚、８枚等の螺旋状板１５ｂを有していてもよい。

図５に示されるように、３枚以上の螺旋状板１５ｂの各々の外周端は容器１１の内周面ＩＳに接していることが好ましい。中心軸ＣＬに沿って上方から下方に向けて固定翼１５を見たときに、３枚以上の螺旋状板１５ｂの外周端と容器１１の内周面ＩＳとの間に隙間がないことが好ましい。また、３枚以上の螺旋状板１５ｂのうち２枚の螺旋状板１５ｂは容器１１の中心軸ＣＬに対して点対称となるように配置されていてもよい。

図６に示されるように、３枚以上の螺旋状板１５ｂのうち中心軸ＣＬに直交する断面において互いに隣り合うように配置された螺旋状板１５ｂの各々は、軸１５ａの周方向に軸１５ａの外周面ＯＳを挟むように配置されている。このため、中心軸ＣＬに直交する断面において螺旋状板１５ｂの各々と軸１５ａの外周面ＯＳとのなす角度が鈍角となる。また、螺旋状板１５ｂの各々の間の軸１５ａの外周面ＯＳに沿う距離が確保される。

軸１５ａの直径Ｄ２は、３枚以上の螺旋状板１５ｂの各々の厚みＴ１よりも大きい寸法を有し、かつ容器１１の内径Ｄ１の半分以下の寸法を有している。つまり、軸１５ａの直径は、螺旋状板１５ｂの最小厚みよりも大きい寸法を有している。また、軸１５ａの直径は、容器１１の内径Ｄ１の０．５倍以下の寸法を有している。

図４および図７に示されるように、３枚以上の螺旋状板１５ｂの各々は、３６０度を螺旋状板１５ｂの枚数で除した角度以上でねじれるように構成されている。つまり、中心軸ＣＬに沿って上方から下方に向けて固定翼１５を見たときに、螺旋状板１５ｂの各々は、３６０度を螺旋状板１５ｂの枚数で除した角度以上にねじれるように構成されている。したがって、中心軸ＣＬに沿って上方から下方に向けて固定翼１５を見たときに、固定翼１５は一端部から他端部が見えないように構成されている。

螺旋状板１５ｂの各々は中心軸ＣＬ周りに３６０度以上の回転角度でねじれるように構成されていることが好ましい。これにより、螺旋状板１５ｂの表面積を増加させることができる。本実施の形態では、螺旋状板１５ｂの各々は、中心軸ＣＬ周りに７６５度の回転角度でねじれるように構成されている。

図７および図８に示されるように、軸１５ａの外周面ＯＳには、３枚以上の螺旋状板１５ｂが固定される３つ以上の螺旋状溝ＧＲが設けられている。３つ以上の螺旋状溝ＧＲの各々は、容器１１の中心軸ＣＬに沿って螺旋状に延在するように構成されている。３つ以上の螺旋状溝ＧＲの各々は中心軸ＣＬ周りに等角度で設けられていてもよい。

３つ以上の螺旋状溝ＧＲは、３枚以上の螺旋状板１５ｂの枚数に応じて設けられている。本実施の形態では、６つの螺旋状溝ＧＲが設けられている。また、螺旋状溝ＧＲの各々の底部は軸１５ａの中心軸に向けて幅が狭くなるように構成されている。つまり、螺旋状溝ＧＲの各々の底部は先細り形状を有している。

次に、再び図１を参照して、本実施の形態における冷凍サイクル装置１００の動作について説明する。図中実線矢印により冷房運転時の冷媒流れが示され、図中破線矢印により暖房運転時の冷媒流れが示されている。

本実施の形態の冷凍サイクル装置１００は、冷房運転と暖房運転とを選択的に行うことが可能である。冷房運転においては、圧縮機１、油分離器１０、四方弁２、室外熱交換器３、流量調整弁４、室内熱交換器５の順に冷媒が冷媒回路を循環する。冷房運転においては、室外熱交換器３は凝縮器として機能し、室内熱交換器５は蒸発器として機能する。暖房運転においては、圧縮機１、油分離器１０、四方弁２、室内熱交換器５、流量調整弁４、室外熱交換器３の順に冷媒が冷媒回路を循環する。暖房運転においては、室内熱交換器５は凝縮器として機能し、室外熱交換器３は蒸発器として機能する。

さらに、冷房運転について詳しく説明する。圧縮機１が駆動することによって、圧縮機１から高温高圧のガス状態の冷媒が吐出される。この冷媒には圧縮機内部を潤滑する油が含有されている。つまり、この冷媒は油含有冷媒である。圧縮機１から吐出された高温高圧のガス状態の油含有冷媒は、油分離器１０に流れ込む。油分離器１０で油含有冷媒から油が分離される。油分離器１０で油が分離された冷媒は、四方弁２を介して室外熱交換器３に流れ込む。室外熱交換器３では、流れ込んだガス冷媒と、室外の空気との間で熱交換が行われる。これにより、高温高圧のガス冷媒は、凝縮して高圧の液冷媒になる。

室外熱交換器３から送り出された高圧の液冷媒は、流量調整弁４によって、低圧のガス冷媒と液冷媒との二相状態の冷媒になる。二相状態の冷媒は、室内熱交換器５に流れ込む。室内熱交換器５では、流れ込んだ二相状態の冷媒と、室内の空気との間で熱交換が行われる。これにより、二相状態の冷媒は、液冷媒が蒸発して低圧のガス冷媒になる。この熱交換によって、室内が冷やされる。室内熱交換器５から送り出された低圧のガス冷媒は、四方弁２を介して圧縮機１に流れ込み、圧縮されて高温高圧のガス冷媒となって、再び圧縮機１から吐出される。以下、このサイクルが繰り返される。

また、暖房運転について詳しく説明する。冷房運転と同様に圧縮機１が駆動することによって、圧縮機１から高温高圧のガス状態の油含有冷媒が吐出される。圧縮機１から吐出された高温高圧のガス状態の油含有冷媒は、油分離器１０に流れ込む。油分離器１０で油含有冷媒から油が分離される。油分離器１０で油が分離された冷媒は、四方弁２を経由して室内熱交換器５に流れ込む。室内熱交換器５では、流れ込んだ冷媒と、室内の空気との間で熱交換が行われる。これにより、高温高圧のガス冷媒は、凝縮して高圧の液冷媒になる。この熱交換によって、室内が暖められる。

室内熱交換器５から送り出された高圧の液冷媒は、流量調整弁４によって、低圧のガス冷媒と液冷媒との二相状態の冷媒になる。二相状態の冷媒は、室外熱交換器３に流れ込む。室外熱交換器３では、流れ込んだ二相状態の冷媒と、室外の空気との間で熱交換が行われる。これにより、二相状態の冷媒は、液冷媒が蒸発して低圧のガス冷媒になる。室外熱交換器３から送り出された低圧のガス冷媒は、四方弁２を介して圧縮機１に流れ込み、圧縮されて高温高圧のガス冷媒となって、再び圧縮機１から吐出される。以下、このサイクルが繰り返される。

続いて、図１および図９を参照して、本実施の形態に係る油分離器１０の動作について説明する。図９は、本実施の形態に係る油分離器１０内での油が分離される様子を説明するための断面図である。図９では、油含有冷媒の流れは白抜き矢印で示され、冷媒の流れは実線矢印で示され、油の流れは破線矢印で示されている。

図１に示されるように、冷凍サイクル装置１００の冷媒回路において、圧縮機１から吐出された油含有冷媒は、油分離器１０により冷媒と油とに分離される。油含有冷媒は、冷媒と、圧縮機１内に封入される油（冷凍機油）とを含んでいる。油分離器１０により油含有冷媒から分離された冷媒は、四方弁２へ排出される。他方、油分離器１０により油含有冷媒から分離された油は、油戻し管２０を通って圧縮機１の吸入側へ排出される。

図９に示すように、油分離器１０内に流入管１２から油含有冷媒が流入する。油分離器１０内では、固定翼１５の螺旋状板１５ｂによって発生した旋回流によって、油含有冷媒から油が分離される。油含有冷媒から分離された油は、容器１１の内周面ＩＳへ衝突することで液膜となり、重力と旋回流とによって容器１１の内周面ＩＳに沿って容器１１の底部へ流れる。このようにして油２００が集油される。集油された油２００は油排出管１３から排出される。油排出管１３から排出された油は、油戻し管２０を通って圧縮機１の吸入側に返される。他方、油が分離された冷媒は、冷媒排出管１４から排出される。冷媒排出管１４から排出された油は四方弁２に流れ込む。

次に、本実施の形態の作用効果について比較例と対比して説明する。
図１０を参照して、比較例の油分離器１０について説明する。図１０は、比較例の油分離器１１内の固定翼１５に油２００が吸着する様子を説明するための断面模式図である。比較例の油分離器１０では固定翼１５は軸１５ａを備えていない。比較例の油分離器１０は、この点で本実施の形態の固定翼１５と主に異なっている。比較例の油分離器１０の固定翼１５では、油２００が表面張力により螺旋状板１５ｂの間に多く留まる。

図１１を参照して、比較例の油分離器１０と対比して本実施の形態の油分離器１０について説明する。図１１は、本実施の形態の油分離器１０内の固定翼１５内に油２００が吸着する様子を説明するための断面模式図である。本実施の形態に係る油分離器１０では、３枚以上の螺旋状板１５ｂのうち中心軸ＣＬに直交する断面において互いに隣り合うように配置された螺旋状板１５ｂの各々は、軸１５ａの周方向に外周面を挟むように配置されている。このため、中心軸ＣＬに直交する断面において螺旋状板１５ｂの各々と軸１５ａの外周面ＯＳとのなす角度が鈍角となる。また、螺旋状板１５ｂの各々の間の軸１５ａの外周面ＯＳに沿う距離が確保される。したがって、油２００が表面張力により互いに隣り合うように配置された螺旋状板１５ｂの間の外周面ＯＳに留まることが抑制される。

本実施の形態に係る油分離器１０では、３枚以上の螺旋状板１５ｂにより油含有冷媒に旋回流が発生することで、油含有冷媒から油を分離されるとともに分離された油の再飛散が抑制される。つまり、３枚以上の螺旋状板により油含有冷媒に発生する旋回流の旋回力により、油含有冷媒のうち慣性の大きい油は容器１１の内周面ＩＳに衝突し、慣性の小さい冷媒は下方に流れて冷媒排出管１４を通って容器１１から排出される。また、容器１１の内周面ＩＳでの油と冷媒ガスとの剪断力が低下することにより油の再飛散が抑制される。したがって、油含有冷媒からの油の分離効率を向上させることができる。

さらに、上述のとおり、本実施の形態に係る油分離器１０では、油が表面張力により互いに隣り合うように配置された螺旋状板１５ｂの間の外周面ＯＳに留まることが抑制される。これにより、油分離器１０に油が留まることが抑制されるため、圧縮機１への返油効率を向上させることができる。

よって、油切れにより圧縮機１の摺動部に焼付きが生じることを抑制することができる。また、室外熱交換器３および室内熱交換器５に圧縮機１から排出された油が滞留することを抑制することができる。したがって、冷凍サイクル装置１００の成績係数（ＣＯＰ）の低下を抑制することができる。

本実施の形態に係る油分離器１０では、固定翼１５は螺旋状板１５ｂを３枚以上有しているため、固定翼１５が螺旋状板１５ｂを２枚以下有している場合と比べて、螺旋状板１５ｂの表面積を増加させることができる。これにより、油の分離効率を向上させることができる。

また、本実施の形態に係る油分離器１０では、固定翼１５は螺旋状板１５ｂを３枚以上有しているため、固定翼１５が螺旋状板１５ｂを２枚以下有している場合と比べて、固定翼１５の空隙率が低下する。この空隙率とは、容器１１の中心軸ＣＬに直交する断面における隙間の比率である。つまり、この空隙率とは、容器１１の中心軸ＣＬに直交する断面における容器１１の内側の面積に対する、容器１１の内側の面積から螺旋状板１５ｂの面積を差し引いた面積の比率である。固定翼１５の空隙率が低下することにより、固定翼１５を通過する油含有冷媒の流速が増加する。これにより、旋回流の旋回力が増加する。つまり、固定翼１５において強い旋回力が発生する。したがって、強い旋回力により油の分離効率を向上させることができる。また、強い旋回力により油は容器１１の内周面ＩＳに衝突したまま液膜として流動する。したがって、油の再飛散を抑制することができる。よって、油分離効率の低下を抑制することができるとともに圧縮機１への返油効率を向上させることができる。

本実施の形態に係る油分離器１０では、流入管１２の流入口１２ａは固定翼１５の上方に配置されている。また、油排出管１３の油排出口１３ａは固定翼１５の下方に配置されている。さらに、冷媒排出管１４の冷媒排出口１４ａは固定翼１５の下方であり、かつ油排出口１３ａよりも上方に配置されている。これにより、旋回下降流による分離方式を実現することが可能となる。

また、本実施の形態に係る油分離器１０では、冷媒排出管１４の冷媒排出口１４ａは固定翼１５の下方であり、かつ油排出口１３ａよりも上方に配置されている。このため、固定翼１５で分離された油が冷媒排出管１４に流入することを抑制することができる。

従来のサイクロン式油分離器は、油含有冷媒を容器の内周面に垂直に衝突させる。つまり、油含有冷媒は上下方向に直交する水平方向に内周面に衝突する。しかしながら、従来のサイクロン式油分離器では、容器の内周面と冷媒排出管との離間距離が短い場合、分離された油が再飛散して冷媒とともに吸引されることで、油の分離効率が低下する。そのため、従来のサイクロン式油分離器では小型化は困難である。これに対して、本実施の形態に係る油分離器１０では、旋回下降流による分離方式が用いられている。そのため、流入管１２と冷媒排出管１４との離間距離を上下方向に確保することができる。したがって、本実施の形態に係る油分離器１０では、従来のサイクロン式油分離器と比較して小型化することが容易である。

本実施の形態に係る油分離器１０では、固定翼１５は軸１５ａの３つ以上の螺旋状溝ＧＲに３枚以上の螺旋状板１５ｂが固定されることにより構成されている。つまり、固定翼１５は個々のパーツで構成されている。このため、固定翼１５は、一体型の翼形状と比較して製造し易い。

本実施の形態に係る油分離器１０では、３つ以上の螺旋状溝ＧＲの各々は、中心軸ＣＬに沿って螺旋状に延在するように構成されている。このため、螺旋状板１５ｂの各々を螺旋状溝ＧＲの各々にねじることにより挿入することができる。したがって、固定翼１５の製造が容易となる。

本実施の形態に係る油分離器１０では、軸１５ａの直径Ｄ２は、３枚以上の螺旋状板１５ｂの各々の厚みよりも大きい寸法を有している。このため、油が表面張力により互いに隣り合うように配置された螺旋状板１５ｂの間の外周面ＯＳに留まることが抑制される。したがって、圧縮機１への返油効率を向上させることができる。さらに、軸１５ａの直径Ｄ２は、容器１１の内径Ｄ１の半分以下の寸法を有している。このため、軸１５ａによる圧力損失を抑制することができる。つまり、圧縮機１への返油効率の向上と軸１５ａによる圧力損失の抑制を両立させることができる。

本実施の形態に係る油分離器１０では、３枚以上の螺旋状板１５ｂの各々は、３６０度を螺旋状板１５ｂの枚数で除した角度以上でねじれるように構成されている。このため、軸１５ａの全周に亘って３枚以上の螺旋状板１５ｂが配置される。したがって、軸１５ａの周方向に隙間なく３枚以上の螺旋状板１５ｂに油含有冷媒が衝突することができるため、油の分離効率を向上させることができる。

本実施の形態に係る油分離器１０では、螺旋状板１５ｂの各々は中心軸ＣＬ周りに３６０度以上の回転角度でねじれるように構成されている。このため、螺旋状板１５ｂの各々が中心軸ＣＬ周りに３６０度未満の回転角度でねじれるように構成されている場合と比べて、螺旋状板１５ｂの各々の表面積を増加させることができる。これにより、油の分離効率を向上させることができる。

図１２を参照して、容器１１の内径Ｄ１に対する第１離間距離Ｌ１の比率（Ｌ１／Ｄ１）と分離効率との関係を説明する。図１２は、容器１１の内径Ｄ１に対する第１離間距離Ｌ１の比率（Ｌ１／Ｄ１）と分離効率との関係についての実験結果を示すグラフである。図１１に示されるように、容器１１の内径Ｄ１に対する第１離間距離Ｌ１の比率（Ｌ１／Ｄ１）が０．５以上の場合に分離効率が向上することがわかった。

本実施の形態に係る油分離器１０では、固定翼１５と冷媒排出管１４の先端との中心軸ＣＬに沿う第１離間距離Ｌ１は、容器１１の内径Ｄ１の０．５倍以上である。このため、油の分離効率を向上させることができる。

本実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００は、上記の油分離器１０を備えている。このため、油含有冷媒からの油の分離効率を向上させるとともに圧縮機１への返油効率を向上させることができる油分離器１０を備えた冷凍サイクル装置１００を提供することができる。

実施の形態２．
図１３～図１７を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。なお、以下の実施の形態２～５は、特に説明しない限り、上記の本発明の実施の形態１と同一の構成、動作および効果を有している。したがって、上記の本発明の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。

図１３は、本実施の形態に係る固定翼１５が容器１１内に配置された構成を一方側から概略的に示す斜視図である。なお、説明の便宜のため、図１３では固定翼１５よりも上側および下側の容器１１は記載されていない。図１４は、本実施の形態に係る固定翼１５の構成を一方側から概略的に示す斜視図である。図１５は、本実施の形態に係る固定翼１５が容器１１内に配置された構成を他方側から概略的に示す斜視図である。なお、説明の便宜のため、図１５では固定翼１５よりも上側および下側の容器１１は記載されていない。図１６は、本実施の形態に係る固定翼１５の構成を他方側から概略的に示す斜視図である。図１７は、本実施の形態に係る固定翼１５が容器１１内に配置された構成を概略的に示す図１３のＸＶＩＩ－ＸＶＩＩ線に沿う断面図である。

図１３および図１４に示されるように、本実施の形態に係る油分離器１０では、固定翼１５の上端および下端の一方は、容器１１の中心軸ＣＬから内周面ＩＳにかけて凸形状となるように螺旋状板１５ｂの各々が前進している前進翼型の形状に構成されている。なお、固定翼１５の上端および下端の両方が前進翼型の形状に構成されていてもよい。つまり、固定翼１５の上端および下端の少なくともいずれかが前進翼型の形状に構成されていればよい。

図１５および図１６に示されるように、本実施の形態に係る油分離器１０では、固定翼１５の上端および下端の他方は、容器１１の中心軸ＣＬから内周面ＩＳにかけて凹形状となるように螺旋状板１５ｂの各々が後退している後退翼型の形状に構成されている。なお、固定翼１５の上端および下端の両方が後退翼型の形状に構成されていてもよい。つまり、固定翼１５の上端および下端の少なくともいずれかが後退翼型の形状に構成されていればよい。

図１４および図１６に示されるように、３枚以上の螺旋状板１５ｂの各々は、軸１５ａの外周面ＯＳに接続された内周端ＩＥと、容器１１の内周面ＩＳに向かい合う外周端ＯＥとを含んでいる。

図１７に示されるように、固定翼１５の上端および下端の少なくともいずれにおいて、３枚以上の螺旋状板１５ｂの各々は、中心軸ＣＬに沿って内周端ＩＥよりも外周端ＯＥが外側または内側に配置されるように構成されている。

次に、本実施の形態の作用効果について説明する。
本実施の形態における油分離器１０では、固定翼１５の上端および下端の少なくともいずれにおいて、３枚以上の螺旋状板１５ｂの各々は、中心軸ＣＬに沿って内周端ＩＥよりも外周端ＯＥが外側または内側に配置されるように構成されている。このため、中心軸ＣＬに沿って螺旋状板１５ｂの各々の内周端ＩＥと外周端ＯＥとが同じ位置に配置されている場合と比較して、螺旋状板１５ｂの各々の内周端ＩＥから外周端ＯＥまでの沿面距離が増加する。これにより、固定翼１５の上端および下端の少なくともいずれかにおいて、油含有冷媒が固定翼１５を通過する際の圧力損失を低減することができる。したがって、冷凍サイクル装置１００のシステムの成績係数（ＣＯＰ）の低下を抑制することができる。

実施の形態３．
図１８を参照して、本発明の実施の形態３に係る油分離器１０の構成について説明する。図１８は、本実施の形態に係る固定翼１５が容器１１内に配置された構成を概略的に示す断面斜視図である。なお、説明の便宜のため、図１８では固定翼１５よりも上側および下側の容器１１は記載されていない。

図１８に示されるように、本実施の形態に係る油分離器１０は、螺旋状板１５ｂに油含有冷媒との衝突面積を増加させるべく凹凸面が形成されていることを特徴とする。３枚以上の螺旋状板１５ｂの各々は上面ＵＳを含んでいる。上面ＵＳに凹凸ＲＣが設けられている。凹凸ＲＣは凹部と凸部とが交互に並ぶように構成されている。凹凸ＲＣは鋸歯状に構成されている。

次に、図２および図８を参照して、本実施の形態に係る油分離器１０の動作について説明する。流入管１２より流入した油含有冷媒が螺旋状板１５ｂを通過する際に、凹凸で油が捕捉される。凹凸で捕捉された油は上面ＵＳを伝って容器１１の内周面ＩＳに達する。容器１１の内周面ＩＳに達した油は、内周面ＩＳに沿って液膜となって下方に流れる。

次に、本実施の形態の作用効果について説明する。
本実施の形態における油分離器では、３枚以上の螺旋状板１５ｂの各々の上面ＵＳに凹凸ＲＣが設けられているため、凹凸ＲＣで油を捕捉することができる。このため、分離効率をさらに向上させることができるとともに圧縮機１への返油効率をさらに向上させることができる。

実施の形態４．
図１９を参照して、本発明の実施の形態４に係る油分離器１０の構成について説明する。図１９は、本実施の形態に係る油分離器１０の構成を概略的に示す断面図である。

図１９に示されるように、本実施の形態に係る油分離器１０は、固定翼１５が２段以上の複数の部分で構成されている。本実施の形態では固定翼１５は２段で構成されている。固定翼１５は、第１固定翼部１５１と、第２固定翼部１５２とを含んでいる。軸１５ａは、第１軸部１５ａ１と、第２軸部１５ａ２とを含んでいる。３枚以上の螺旋状板１５ｂは、３枚以上の第１螺旋状板部１５ｂ１と、３枚以上の第２螺旋状板部１５ｂ２とを含んでいる。第１固定翼部１５１は、第１軸部１５ａ１および３枚以上の第１螺旋状板部１５ｂ１を有している。第２固定翼部１５２は、第２軸部１５ａ２および３枚以上の第２螺旋状板部１５ｂ２を有している。第２固定翼部１５２は、中心軸ＣＬに沿って第１固定翼部１５１よりも下方において第１固定翼部１５１との間に隙間をあけて配置されている。

２段目以降の固定翼１５の軸１５ａは中空となっていてもよい。本実施の形態では、第２固定翼部１５２の第２軸部１５ａ２には中心軸ＣＬに沿って第２軸部１５ａ２を貫通する貫通孔ＨＰが設けられている。また、本実施の形態では、第２軸部１５ａ２の先端と前段の第１固定翼部１５１との距離である第２離間距離Ｌ２が容器１１の内径Ｄ１の０．５倍以上である。

次に、本実施の形態に係る油分離器１０の動作について説明する。
基本的な動作については実施例１～３と同様であるため省略する。

一段目の第１固定翼部１５１で発生する旋回流によって油含有冷媒から油が分離される。この後、第１固定翼部１５１で油が分離された冷媒は、第２固定翼部１５２で発生する旋回流によってさらに油が分離される。

また、第２固定翼部１５２を冷媒が通過する際に、冷媒が第２軸部１５ａ２の貫通孔ＨＰを通過し、一部の油含有冷媒は、第２固定翼部１５２の第２螺旋状板部１５ｂ２を通過することによって、未分離の油含有冷媒が後段の旋回流により分離される。

次に、本実施の形態に係る油分離器１０の作用効果について説明する。
本実施の形態に係る油分離器１０によれば、第２固定翼部１５２は、中心軸ＣＬに沿って第１固定翼部１５１よりも下方において第１固定翼部１５１との間に隙間をあけて配置されている。このため、固定翼１５を多段構造にすることにより、分離効率を向上させることができるとともに圧縮機１への返油効率を向上させることができる。

また、本実施の形態に係る油分離器１０によれば、第２固定翼部１５２の第２軸部１５ａ２には中心軸ＣＬに沿って第２軸部１５ａ２を貫通する貫通孔ＨＰが設けられている。このため、貫通孔ＨＰに冷媒を通すことができる。これにより、分離効率をさらに向上させることができるとともに圧縮機１への返油効率をさらに向上させることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 圧縮機、２ 四方弁、３ 室外熱交換器、４ 流量調整弁、５ 室内熱交換器、６ａ，６ｂ 延長配管、１０ 油分離器、１１ 容器、１２ 流入管、１２ａ 流入口、１３ 油排出管、１３ａ 油排出口、１４ 冷媒排出管、１４ａ 冷媒排出口、１５ 固定翼、１５ａ 軸、１５ａ１ 第１軸部、１５ａ２ 第２軸部、１５ｂ 螺旋状板、１５ｂ１ 第１螺旋状板部、１５ｂ２ 第２螺旋状板部、１５ｂ 板、２０ 油戻し管、１００ 冷凍サイクル装置、１０１ 室外機ユニット、１０２ 室内機ユニット、１５１ 第１固定翼部、１５２ 第２固定翼部、２００ 油、ＣＬ 中心軸、Ｄ１ 内径、Ｄ２ 直径、ＧＲ 螺旋状溝、ＨＰ 貫通孔、ＩＥ 内周端、ＩＳ 内周面、Ｌ１ 第１離間距離、Ｌ２ 第２離間距離、ＯＥ 外周端、ＯＳ 外周面、ＲＣ 凹凸、Ｔ１ 厚み、ＵＳ 上面。

Claims (9)

1. 油含有冷媒から油を分離する油分離器であって、
   中心軸に沿って延在し、かつ前記中心軸に直交する断面が円形状の内周面を有する容器と、
   前記容器内に前記油含有冷媒を流入させる流入口を有する流入管と、
   前記油含有冷媒から分離された油を前記容器から排出する油排出口を有する油排出管と、
   前記油含有冷媒から前記油が分離された冷媒を前記容器から排出する冷媒排出口を有する冷媒排出管と、
   前記容器内に配置された固定翼とを備え、
   前記流入管の前記流入口は前記固定翼の上方に配置されており、
   前記油排出管の前記油排出口は前記固定翼の下方に配置されており、
   前記冷媒排出管の前記冷媒排出口は前記固定翼の下方であり、かつ前記油排出口よりも上方に配置されており、
   前記固定翼は、前記中心軸に沿って延在する軸と、前記軸の外周面に接続され前記軸から前記内周面に向けて延在するとともに前記中心軸に沿って螺旋状に延在する３枚以上の螺旋状板とを含み、
   ３枚以上の前記螺旋状板のうち前記断面において互いに隣り合うように配置された前記螺旋状板の各々は、前記軸の周方向に前記外周面を挟むように配置されており、
   前記冷媒排出管の前記冷媒排出口は、前記中心軸に沿って前記固定翼との間に隙間をあけて配置されている、油分離器。
2. 前記軸の前記外周面には、３枚以上の前記螺旋状板が固定される３つ以上の螺旋状溝が設けられており、
   ３つ以上の前記螺旋状溝の各々は、前記中心軸に沿って螺旋状に延在するように構成されている、請求項１に記載の油分離器。
3. 前記軸の直径は、３枚以上の前記螺旋状板の各々の厚みよりも大きい寸法を有し、かつ前記容器の内径の半分以下の寸法を有している、請求項１または２に記載の油分離器。
4. ３枚以上の前記螺旋状板の各々は、３６０度を前記螺旋状板の枚数で除した角度以上でねじれるように構成されている、請求項１～３のいずれか１項に記載の油分離器。
5. ３枚以上の前記螺旋状板の各々は、前記軸の前記外周面に接続された内周端と、前記容器１の前記内周面に向かい合う外周端とを含み、
   前記固定翼の上端および下端の少なくともいずれかにおいて、３枚以上の前記螺旋状板の各々は、前記中心軸に沿って前記内周端よりも前記外周端が外側または内側に配置されるように構成されている、請求項１～４のいずれか１項に記載の油分離器。
6. ３枚以上の前記螺旋状板の各々は上面を含み、
   前記上面に凹凸が設けられている、請求項１～５のいずれか１項に記載の油分離器。
7. 前記固定翼は、第１固定翼部と、第２固定翼部とを含み、
   前記軸は、第１軸部と、第２軸部とを含み、
   ３枚以上の前記螺旋状板は、３枚以上の第１螺旋状板部と、３枚以上の第２螺旋状板部とを含み、
   前記第１固定翼部は、前記第１軸部および３枚以上の前記第１螺旋状板部を有し、
   前記第２固定翼部は、前記第２軸部および３枚以上の前記第２螺旋状板部を有し、
   前記第２固定翼部は、前記中心軸に沿って前記第１固定翼部よりも下方において前記第１固定翼部との間に隙間をあけて配置されている、請求項１～６のいずれか１項に記載の油分離器。
8. 前記第２固定翼部の前記第２軸部には前記中心軸に沿って前記第２軸部を貫通する貫通孔が設けられている、請求項７に記載の油分離器。
9. 請求項１～８のいずれか１項に記載の油分離器を備えた、冷凍サイクル装置。

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