KR102183547B1

KR102183547B1 - 오일 세퍼레이터

Info

Publication number: KR102183547B1
Application number: KR1020140182248A
Authority: KR
Inventors: 오사무 오가와; 사토시 이마이
Original assignee: 파나소닉 아이피 매니지먼트 가부시키가이샤
Priority date: 2014-02-13
Filing date: 2014-12-17
Publication date: 2020-11-26
Also published as: CN104848615A; EP2910875B1; JP6403061B2; KR20150095550A; JP2015166668A; CN104848615B; EP2910875A1

Abstract

오일 세퍼레이터의 냉매 입구관의 가공 정밀도의 편차의 영향을 저감하여, 냉동기유에 대한 충돌 분리 효과와 선회 분리 효과를 동시에 높임과 함께, 종래보다 선회류의 경로 길이를 길게 하는 것이다.
기상 냉매에 포함되는 냉동기유를 분리하는 오일 세퍼레이터(10)로서, 원통형상의 압력 용기(20)와, 냉동기유를 포함한 기상 냉매를 압력 용기(20) 내에 도입하는 냉매 입구관(11)과, 냉동기유가 분리된 기상 냉매를 배출하는 냉매 출구관(14)을 구비하고, 압력 용기(20)의 내부에 끼워 넣어진 냉매 입구관(11)의 선단에 있어서의 송출구(13)의 개구 방향을 따른 직선과, 압력 용기(20)의 중심축에 수직인 평면이 이루는 각도 α가, 45°≤α＜90°이 되어 있다.

Description

오일 세퍼레이터{OIL SEPARATOR}

본 개시는, 압축기로부터 토출된 냉동기유를 함유하는 기상 냉매에 대해, 관성력 및 원심력에 의해 냉동기유를 분리하는 오일 세퍼레이터에 관한 것이다.

공기 조화 장치 등의 히트 펌프 사이클에는 압축기가 이용된다. 그리고 이 압축기의 각 슬라이딩부를 윤활하기 위해, 냉동기유가 일반적으로 이용된다. 이 냉동기유는, 냉매 순환계 내를 흐르는 냉매에 수반하여, 냉매 순환계 내를 순환한다.

그리고 압축기의 흡입측으로부터 흡입된 냉동기유, 혹은, 압축기를 포함하는 셀 용기 내에 저장된 냉동기유는, 압축기 내부의 각 슬라이딩부에 공급되어, 각 슬라이딩부의 윤활에 이용된다. 그뿐만이 아니라, 냉동기유는, 압축기의 작동실에 공급되어, 작동실 내의 간극을 시일함으로써, 기화한 냉매의 누출을 방지하는 것에도 이용된다.

그런데 상기 냉매 순환계에 있어서, 압축기로부터 토출된 냉매에 냉동기유가 많이 포함되면, 열교환기의 전열관의 내벽면에 냉동기유가 부착되기 쉬워진다. 전열관의 내벽면에 부착된 냉동기유는, 전열관의 전열을 저해하고, 열교환기의 전열효율을 악화시키고, 또, 압력 손실을 증가시키는 요인이 된다.

이러한 사태를 회피하기 위해, 냉매 순환계 내에 오일 세퍼레이터가 설치된다. 오일 세퍼레이터는, 압축기로부터 토출되는 냉매로부터 냉동기유를 분리하고, 그 냉동기유를 압축기의 흡입측에 되돌리는 것이다.

종래, 특허 문헌 1에 나타내는 바와 같이, 압력 용기의 상부 경판에 냉매 입구관과 냉매 출구관을 구비하고, 압력 용기의 하부 경판에 오일 리턴 배관을 구비한 오일 세퍼레이터가 알려져 있다.

이 오일 세퍼레이터는, 냉매 입구관으로부터 유입된 압축기로부터의 기상 냉매와 냉동기유의 혼합체를, 압력 용기의 원통형상의 내벽면을 향해 충돌시켜, 관성력에 의해 냉동기유를 분리한다. 또한, 이 오일 세퍼레이터는, 내벽면에 충돌한 기상 냉매와 냉동기유의 혼합체를, 내벽면을 따라 고속 회전시켜, 원심력에 의해 냉동기유를 분리한다.

일본국 특허공개 평11-173706호 공보

그러나 상기 서술한 특허 문헌에 나타나는 오일 세퍼레이터는, 개선의 여지가 있었다.

상기 사정을 감안하여, 한정적이 아닌 예시적인 실시 형태는(One non-limiting and exemplary embodiment provides), 종래보다 개선된 오일 세퍼레이터를 제공한다.

개시한 실시 형태의 추가적인 이점과 장점은 명세서 및 도면을 통해 명백해 질 것이다. 이점 및/또는 장점은 도면의 개시 및 명세서의 여러 실시 형태 및 특성에 의해 개별적으로 제공될 수 있으며, 이들 중 하나 이상을 달성하기 위해 모두 제공될 필요는 없다.

본 개시의 오일 세퍼레이터는, 기상 냉매에 포함되는 냉동기유를 분리하는 오일 세퍼레이터로서, 원통형상의 압력 용기와, 냉동기유를 포함한 기상 냉매를 압력 용기 내에 도입하는 냉매 입구관과, 냉동기유가 분리된 기상 냉매를 배출하는 냉매 출구관을 구비하고, 압력 용기의 내부에 끼워 넣어진 냉매 입구관의 선단에 있어서의 송출구의 개구 방향을 따른 직선과, 압력 용기의 중심축에 수직인 평면이 이루는 각도 α가, 45°≤α＜90°이 되어 있다.

이들 일반적인 및 특정한 구성은 시스템 및 방법과, 시스템 및 방법의 임의의 조합을 사용하여 구현할 수 있다.

본 개시에 의하면, 오일 세퍼레이터의 냉매 입구관의 가공 정밀도의 편차의 영향을 저감하여, 냉동기유에 대한 충돌 분리 효과와 선회 분리 효과를 동시에 높임과 함께, 선회류의 경로 길이를 종래보다 길게 할 수 있다.

도 1은 본 개시의 실시 형태에 관련된 공기 조화 장치의 실외 유닛의 전체 구성을 나타내는 냉매 회로도이다.
도 2는 오일 세퍼레이터를 상방향에서 본 경우의 오일 세퍼레이터의 내부를 나타내는 도이다.
도 3은 도 2의 화살표 A방향에서 오일 세퍼레이터를 본 경우의 오일 세퍼레이터의 내부를 나타내는 도이다.
도 4는 도 2의 화살표 B방향에서 오일 세퍼레이터를 본 경우의 오일 세퍼레이터의 내부를 나타내는 도이다.
도 5는 냉매 입구관의 송출구의 위치가 냉동기유의 분리율에 미치는 영향을 나타내는 도이다.
도 6은 기상 냉매의 흐름의 일례를 나타내는 유선도이다.
도 7은 종래의 오일 세퍼레이터의 구성을 나타내는 도이다.

본 발명자는, 종래의 오일 세퍼레이터에 대해서 예의 검토하여, 이하의 지견을 얻었다.

상기 서술한 특허 문헌 1에 나타내는 오일 세퍼레이터에서는, 압력 용기의 상부 경판에 냉매 입구관이 끼워 넣어진다. 그리고 냉매 입구관의 송출구는 만곡하고, 그 송출구의 개구 방향은, 송출구의 약간 하방에 있는 오일 세퍼레이터의 내벽면을 향하고 있다. 그리고 이 송출구로부터 송출된 기상 냉매는, 압력 용기의 내벽면에 충돌하고, 압력 용기 내에서 선회한다.

그러나 냉매 입구관의 송출구를 만곡시킬 때의 가공 정밀도에는 편차가 있다. 그 때문에, 이러한 오일 세퍼레이터에서는, 압력 용기 내에서의 기상 냉매의 선회류의 방향에 개체차가 발생한다는 문제가 있다.

또, 이러한 오일 세퍼레이터에서는, 냉동기유에 대한 충돌 분리 효과와 선회 분리 효과를 동시에 향상시키는 것이 어렵다는 문제가 있다. 도 7은, 종래의 오일 세퍼레이터(1)의 구성을 나타내는 도이다. 도 7은, 원통형상의 압력 용기(20)를 구비하는 오일 세퍼레이터(1)를, 압력 용기(20)의 중심축에 수직인 면으로 절단한 경우의 단면도이다.

이 오일 세퍼레이터(1)는, 압력 용기(20), 냉매 입구관(11), 냉매 출구관(14)을 구비한다. 상기 서술한 바와 같이, 송출구(13)의 개구 방향은, 송출구(13)의 약간 하방에 있는 오일 세퍼레이터의 내벽면을 향하고 있다.

여기서, 도 7에 있어서의 거리 X는 어느 정도 큰 것이 바람직하고, 거리 Y는 작은 것이 바람직하다. 거리 X, Y는 각각, 송출구(13)로부터 오일 세퍼레이터(1)의 내벽면까지의 상기 개구 방향에 있어서의 거리, 및, 상기 개구 방향에 수직인 방향에 있어서의 거리이다.

거리 X를 크게 하면, 송출구(13)로부터 압력 용기(20) 내에 유입된 기상 냉매의 흐름이 확산되기 때문에, 냉동기유가 내벽면에 부착되기 쉬워진다. 그 때문에, 관성력에 의한 높은 충돌 분리 효과가 얻어진다.

또, 거리 Y를 작게 하면, 기상 냉매가 내벽면을 따라 선회하고, 냉동기유가 원심력으로 분리된 경우에, 냉동기유가 내벽면까지 도달하는 시간이 짧아진다. 그 때문에, 원심력에 의한 높은 선회 분리 효과가 얻어진다.

그런데 상기 서술한 오일 세퍼레이터(1)에서는, 거리 X를 크게 하는 것과, 거리 Y를 작게 하는 것은 트레이드 오프의 관계에 있다. 즉, 수평면 내에서 송출구(13)의 위치를 조정해도, 거리 X를 크게 하면 거리 Y도 커지고, 반대로, 거리 Y를 작게 하면 거리 X도 작아지므로, 충돌 분리 효과와 선회 분리 효과를 동시에 높이는 것이 곤란하다.

또한, 이 오일 세퍼레이터(1)에서는, 송출구(13)의 개구 방향이, 송출구(13)의 약간 하방에 있는 오일 세퍼레이터(1)의 내벽면을 향하고 있기 때문에, 기상 냉매의 선회류가 조기에 압력 용기(20)의 저부에 이르러, 선회류의 경로 길이가 짧아진다. 그 때문에, 냉동기유가 충분히 분리되지 않는 경우가 있다.

그래서, 본 발명자는 다음의 오일 세퍼레이터에 대해서 생각하기에 이르렀다.

본 개시의 오일 세퍼레이터는, 기상 냉매에 포함되는 냉동기유를 분리하는 오일 세퍼레이터로서, 원통형상의 압력 용기와, 상기 냉동기유를 포함한 기상 냉매를 상기 압력 용기 내에 도입하는 냉매 입구관과, 상기 냉동기유가 분리된 기상 냉매를 배출하는 냉매 출구관을 구비하고, 상기 압력 용기의 내부에 끼워 넣어진 상기 냉매 입구관의 선단에 있어서의 송출구의 개구 방향을 따른 직선과, 상기 압력 용기의 중심축에 수직인 평면이 이루는 각도 α가, 45°≤α＜90°이다.

이것에 의해, 오일 세퍼레이터의 냉매 입구관의 가공 정밀도의 편차에 의해 송출구의 개구 방향이 수평 방향보다 하향이 되는 것이 억제된다. 또, 송출구의 개구 방향이 상향이 되기 때문에, 압력 용기의 상부를 경유하는 선회류가 발생하여, 종래보다 기상 냉매의 경로 길이가 길어진다. 또, 송출구의 개구 방향을 상향으로 하고, 각도 α를 조정함으로써, 도 7에 나타내는 거리 X를 수직면 내에서 조정하는 것이 가능해져, 거리 Y를 작게 하면서, 거리 X를 크게 하는 것이 가능해진다. 45°≤α이면, 송출구의 개구 방향이 압력 용기의 천정면에 가까워지거나, 또는 천정면을 향하여, 거리 X를 보다 크게 할 수 있다. 즉, 냉동기유에 대한 충돌 분리 효과와 선회 분리 효과를 동시에 높이는 것이 가능해진다.

이하, 본 개시의 실시 형태를, 도면을 참조하면서 설명한다.

도 1은, 본 개시의 실시 형태에 관련된 공기 조화 장치의 실외 유닛(100)의 전체 구성을 나타내는 냉매 회로도이다. 또한, 도 1에 나타낸 실외 유닛(100)은, 본 개시에 관련된 오일 세퍼레이터(10)를 적용 가능한 공기 조화 장치의 일례를 나타내는 것이며, 당해 오일 세퍼레이터(10)의 적용 범위는 이러한 공기 조화 장치에 한정되는 것은 아니다.

실외 유닛(100)은, 능력 가변형의 압축기(DC인버터 압축기)(30)와, 오일 세퍼레이터(10)와, 실외 열교환기(31)와, 팽창 밸브(32)와, 사방 밸브(33)와, 리시버 탱크(34)와, 어큐물레이터(35)를 구비한다.

압축기(30)의 흡입구에는, 어큐물레이터(35)를 통하여 연장되는 흡입관(41)이 접속된다. 또, 압축기(30)의 토출구에는, 토출관(42A)이 접속되어 있다. 토출관(42A)은, 오일 세퍼레이터(10)에 접속되고, 오일 세퍼레이터(10)를 거쳐 연장되는 토출관(42B)은, 사방 밸브(33)에 접속되어 있다.

사방 밸브(33)는, 실외 열교환기(31)의 일단과 토출관(42B)을 연통하거나, 혹은, 실외 열교환기(31)의 일단과 압축기(30)의 흡입관(41)에 연결되는 관로(43)를 연통한다. 또, 사방 밸브(33)는, 오일 세퍼레이터(10)를 거쳐 연장되는 토출관(42B)과 가스관(46)을 연통하거나, 혹은, 어큐물레이터(35)를 거쳐 압축기(30)의 흡입관(41)에 연결되는 관로(43)와 가스관(46)을 연통한다.

실외 열교환기(31)의 타단은, 팽창 밸브(32), 및, 리시버 탱크(34)에 접속되며, 또한 냉매 배관(44)을 거쳐 액관(45)에 접속되어 있다.

또, 오일 세퍼레이터(10)에는, 오일 세퍼레이터(10) 내에 모인 냉동기유를 압축기(30)의 흡입관(41)에 되돌리는 오일 리턴관(47)이 접속된다.

상기 서술한 냉동기유는, 압축기(30)로부터 토출되는 기상 냉매에 포함되는 압축기(30)의 윤활용 오일이다. 오일 세퍼레이터(10)는, 압축기(30)로부터 토출된 냉매로부터 냉동기유를 분리하고, 분리한 냉동기유를 압축기(30)의 흡입측에 되돌림과 함께, 냉동기유를 제거한 기상 냉매를 사방 밸브(33)에 공급한다.

또한, 실외 유닛(100)은, 액관(45), 및, 가스관(46)에 의해 실내 유닛(도시하지 않음)에 접속되어 있다. 본 실시 형태에 있어서의 공기 조화 장치는, 실외 유닛(100)과 실내 유닛 사이에서 냉매를 순환시키고, 사방 밸브(33)를 전환함으로써 냉방 운전, 혹은, 난방 운전을 행할 수 있도록 구성되어 있다.

다음에, 공기 조화 장치에 사용되는 오일 세퍼레이터(10)에 대해서 설명한다. 도 2는 오일 세퍼레이터(10)를 상방향에서 본 경우의 오일 세퍼레이터(10)의 내부를 나타내는 도이며, 도 3은, 도 2의 화살표 A방향에서 오일 세퍼레이터(10)를 본 경우의 오일 세퍼레이터(10)의 내부를 나타내는 도이며, 도 4는, 도 2의 화살표 B방향에서 오일 세퍼레이터(10)를 본 경우의 오일 세퍼레이터(10)의 내부를 나타내는 도이다.

도 2, 도 3, 및, 도 4에 나타내는 바와 같이, 오일 세퍼레이터(10)는, 원통형상의 밀폐 용기인 압력 용기(오일 세퍼레이터 본체)(20)를 구비한다. 압력 용기(20)는, 용기 상부(21)와, 용기 하부(22)와, 용기 동체부(29)로 구성된다.

용기 상부(21)와 용기 동체부(29), 용기 하부(22)와 용기 동체부(29)는, 각각 용접 등에 의해 결합되어, 서로 개구부가 밀폐된다. 용기 상부(21)의 상면에는, 상부 경판(23)이 일체로 형성된다. 또, 용기 하부(22)의 하면에는, 하부 경판(24)이 일체로 형성된다.

상부 경판(23)에는, 냉매 입구관(11)과, 냉매 출구관(14)이 구비된다. 여기서, 도 2, 도 3, 도 4에서는, 냉매 입구관(11), 및, 냉매 출구관(14)의 외벽뿐만이 아니라, 내벽도 나타나 있다.

냉매 입구관(11)에는, 압축기(30)의 토출구로부터 연장되는 토출관(42A)이 접속된다. 그리고 냉매 입구관(11)에 의해, 압축기(30)가 토출한 냉동기유를 포함한 기상 냉매가 압력 용기(20) 내에 도입된다.

냉매 출구관(14)에는, 사방 밸브(33)에 연결되는 토출관(42B)이 접속되며, 냉매 출구관(14)에 의해, 냉동기유가 분리된 기상 냉매가 압력 용기(20)의 외부로 배출된다.

또, 하부 경판(24)에는, 오일 출구관(25)이 구비된다. 오일 출구관(25)은, 오일 리턴관(47)에 접속되며, 오일 출구관(25)에 의해, 압력 용기(20) 내의 냉동기유가 압력 용기(20)의 외부로 배출된다.

또, 압력 용기(20)의 용기 하부(22)에는, 2개의 다리부(26)가 설치된다. 다리부(26)는, 상단부가 용기 하부(22)의 외주면에 용접 등에 의해 접합된다. 다리부(26)의 하단부는, 접지면(실외 유닛(100)의 저판)에 대해 평행이 되도록 절곡된다. 즉, 다리부(26)는, 대략 L자 형상으로 형성된다.

압력 용기(20)는, 다리부(26)에 의해 기립한 상태로, 접지면과의 사이에 간격을 두고 세로로 두어 설치되도록 구성되어 있다. 또한, 여기에서는, 다리부(26)가 2개 있는 것으로 했지만, 3개 이상이어도 된다.

또, 냉매 입구관(11), 및, 냉매 출구관(14)은, 원통형상의 압력 용기(20)의 중심축 AX와 대략 평행하게 설치되며, 상부 경판(23)을 대략 연직으로 관통하고 있다. 냉매 입구관(11)은, 압력 용기(20)의 중심 C로부터 어긋난 위치에서 상부 경판(23)에 끼워 넣어진다. 한편, 냉매 출구관(14)은, 압력 용기(20)의 중심 C의 위치에 있어서 상부 경판(23)에 끼워 넣어진다.

여기서, 상부 경판(23)에는, 냉매 입구관(11), 냉매 출구관(14)이 각각 끼워 넣어지는 관통 구멍(27, 28)이 형성된다. 관통 구멍(27, 28)에는, 냉매 입구관(11), 냉매 출구관(14)이 각각 끼워 넣어지며, 냉매 입구관(11), 및, 냉매 출구관(14)의 외주 전체 둘레를 납땜하여 밀봉된다.

또, 냉매 입구관(11)은, 만곡 부분(12)을 가진다. 상부 경판(23)을 관통하고, 압력 용기(20)의 내부에 대략 연직으로 연장되는 냉매 입구관(11)은, 압력 용기(20) 내에서 U자형으로 만곡하여, 기상 냉매를 송출하는 송출구(13)의 개구 방향이 상향이 된다. 여기서, 개구 방향은, 송출구(13)로부터 기상 냉매가 유출되는 방향이라고도 할 수 있다.

구체적으로는, 송출구(13)의 개구 방향을 따른 직선과, 압력 용기(20)의 중심축 AX에 수직인 평면 H가 이루는 각도 α가, 45°≤α＜90°의 범위에 포함되도록 냉매 입구관(11)이 형성된다.

예를 들면, 도 3에는, 송출구(13)의 개구 방향이, 압력 용기(20)의 상부 경판(23)의 만곡 부분을 향하고 있는 경우가 나타나 있다. 이 경우, 송출구(13)로부터 송출된 기상 냉매는 압력 용기(20)의 만곡 부분에 충돌한다. 그리고 기상 냉매의 흐름은, 압력 용기(20)의 보다 상방으로 이동하는 흐름 F1과, 보다 하방으로 이동하는 흐름 F2로 분리된다.

여기서, 각도 α가 45°도 이상이 되면, 흐름 F1이 흐름 F2 이상으로 지배적이게 된다. 흐름 F1은, 흐름 F2보다 냉매 출구관(14)으로부터 유출될 때까지의 경로 길이가 길어지기 때문에, 더욱 많은 냉동기유를 분리할 수 있다.

또, 각도 α가 45°도 이상이 되면, 송출구(13)로부터 송출된 기상 냉매의 수직 방향의 속도 성분은, 기상 냉매의 수평 방향의 속도 성분 이상이 된다. 그 때문에, 압력 용기(20)의 측면 내벽에 기상 냉매가 충돌한 경우, 기상 냉매가 효율적으로 압력 용기(20)의 보다 상방으로 유도된다. 또, 기상 냉매의 흐름의 운동 에너지의 손실도 억제된다.

또한, 각도 α를 상기 범위 내의 값으로 하기 위해, 냉매 입구관(11)에 만곡 부분(12)이 형성되면, 만곡 부분(12)의 외측의 내벽면에 기상 냉매가 충돌하게 된다. 이러한 것에 의해서도, 기상 냉매로부터 냉동기유를 분리할 수 있다.

이상과 같으므로, 이 오일 세퍼레이터(10)에서는, 각도 α가 45°≤α＜90°의 범위에 포함되도록 냉매 입구관(11)이 형성된다.

또한, 만곡 부분(12)의 상류측에 있는 냉매 입구관(11)의 내부에, 메쉬 필터 등의 망상 부재를 설치하는 것으로 해도 된다. 이것에 의해, 망상 부재로, 어느 정도 기상 냉매로부터 냉동기유를 분리할 수 있어, 오일 세퍼레이터(10) 전체적인 오일 분리 효율을 더 향상시킬 수 있다.

또한, 압력 용기(20)의 내벽면으로부터 송출구(13)의 중심 위치까지의 거리 x가, D/2≤x≤1.6D의 관계를 만족하는 위치에, 냉매 입구관(11)을 배치하는 것이 바람직하다. 여기서, D는, 냉매 입구관(11)의 내경이다.

도 5는, 냉매 입구관(11)의 송출구(13)의 위치가 냉동기유의 분리율에 미치는 영향을 나타내는 도이다. 도 5에 나타내는 그래프의 종축은, 냉동기유의 분리율이며, 횡축은, 압력 용기(20)의 내경 L에 대한 거리 x의 비율이다. 또, 도 5 중에 기재된 D는, 냉매 입구관(11)의 내경이다. 이 결과는, 몬테카를로 시뮬레이션에 의해 얻어진 것이다.

도 5에 나타내는 바와 같이, 비율 x/L이 작아짐에 따라, 냉동기유의 분리율이 커진다. 이것은, 기상 냉매가 내벽면을 따라 선회하고, 냉동기유가 원심력으로 분리되는 경우에, 송출구(13)가 압력 용기(20)의 내벽면의 가까이에 있을수록, 냉동기유가 내벽면까지 도달하는 시간이 짧아져, 냉동기유가 내벽면에 포착되기 쉬워지기 때문이다.

여기서, 냉동기유의 분리율은, 거리 x가 D/2인 경우(비율 x/L이 7.3인 경우)에 최대치 100%를 나타낸다. 이것은, 냉매 입구관(11)이 압력 용기(20)의 내벽에 접하고 있는 경우이다. 또, 오일 세퍼레이터(10)에 요구되는 사양 상의 분리율은 85% 이상의 값이다. 이 분리율은, 거리 x가 1.6D(비율 x/L이 23.0) 이하인 경우에 달성된다. 이상에 의해, D/2≤x≤1.6D와 같은 범위가 설정된다.

또한, 냉동기유는, 주로, 기상 냉매가 냉매 입구관(11)의 만곡 부분(12)을 통과할 때, 냉매 입구관(11)으로부터 유출된 기상 냉매가 상부 경판(23)에 충돌할 때, 및, 압력 용기(20) 내에서 선회할 때에 기상 냉매로부터 분리된다.

이 오일 세퍼레이터(10)에서는, 기상 냉매가 냉매 입구관(11)의 만곡 부분(12)을 통과할 때에는, 기상 냉매에 포함되어 있던 냉동기유의 대략 20%가 분리된다. 또, 기상 냉매가 상부 경판(23)에 충돌하고, 그 후, 기상 냉매가 압력 용기(20) 내에서 선회함으로써, 만곡 부분(12)에서 제거되지 않았던 냉동기유의 대략 80%가 분리되는 것을 상정하고 있다.

이 경우, 오일 세퍼레이터(10) 전체의 분리율은 85% 정도가 된다. 상기 서술한 사양 상의 분리율의 하한치 85%는, 이러한 것에 의해 결정되어 있다.

또, 냉매 입구관(11)의 송출구(13)의 개구 방향은, 그 개구 방향에 있는 압력 용기(20)의 내벽면의 법선 방향과 비평행인 것이 바람직하다. 송출구(13)의 개구 방향과, 그 개구 방향에 있는 압력 용기(20)의 내벽면의 법선 방향이 평행이면, 송출구(13)로부터 송출된 기상 냉매가 내벽면에 수직 방향에서 충돌하게 되어, 기상 냉매의 운동 에너지의 손실이 커진다.

그러나 송출구(13)의 개구 방향과, 그 개구 방향에 있는 압력 용기(20)의 내벽면의 법선 방향을 비평행으로 함으로써, 송출구(13)로부터 송출된 기상 냉매가 송출구(13) 이외의 방향으로 벗어나 흐르게 된다. 그 결과, 운동 에너지가 없어지지 않고, 고속의 선회류를 일으키게 할 수 있다.

한편, 냉매 출구관(14)은, 상부 경판(23)의 중심 C를 관통하고, 그 선단부(15)가 냉매 입구관(11)의 송출구(13)보다 하방으로 연장되어 있다. 이 선단부(15)의 개구 방향은, 연직 하향의 방향이다. 이와 같이, 냉매 출구관(14)은, 냉매 입구관(11)에 간섭하는 것이 없도록 배치된다.

다음에, 이 오일 세퍼레이터(10)의 동작에 대해서 설명한다. 오일 세퍼레이터(10)의 압력 용기(20)에는, 압축기(30)로부터 토출된 기상 냉매가, 토출관(42A), 및, 냉매 입구관(11)을 통하여 도입된다. 상기 서술한 바와 같이, 이 기상 냉매에는, 냉동기유가 포함되어 있다.

냉매 입구관(11)의 만곡 부분(12)은, 압축기(30)로부터 토출되는 고온의 기상 냉매가 압력 용기(20)의 내주면을 따라 송출되도록 만곡하고 있다. 그 때문에, 냉매 입구관(11)의 송출구(13)로부터 송출된 기상 냉매는, 상부 경판(23)에 충돌하는 충돌 기류가 된 후, 압력 용기(20)의 내주면을 따라 격렬하게 선회하는 흐름이 된다.

충돌 기류가 된 기상 냉매에 포함되는 냉동기유는, 기상 냉매보다 밀도가 높기 때문에, 용기 벽면에 충돌할 때에, 관성력에 의해 기상 냉매로부터 분리된다. 그런데도 분리되지 않았던 냉동기유는, 기상 냉매의 선회에 의해 발생하는 원심력에 의해, 압력 용기(20)의 외측 반경 방향으로 비산하여, 기상 냉매로부터 분리된다.

상기 서술한 바와 같이, 냉매 입구관(11)은, 각도 α가 45°≤α＜90°의 범위에 포함되도록 형성된다. 이 경우, 기상 냉매의 충돌 기류는, 상부 경판(23)의 천정면에 충돌하고, 그 천정면으로부터 선회류가 발생하게 된다. 그 때문에, 압력 용기(20)의 높이를 살리고, 선회류의 경로 길이를 길게 할 수 있으므로, 냉동기유의 분리율을 향상시킬 수 있다.

또한, 냉매 입구관(11)의 송출구(13)의 개구 방향이 수평 방향이 되도록 가공하는 경우, 가공 정밀도의 편차에 의해, 송출구(13)가 수평 방향보다 약간 하향이 될 가능성이 있다. 이 경우, 송출구(13)로부터 송출되는 기상 냉매의 선회류도 하향이 되어, 기상 냉매의 선회류의 경로 길이가 부족하고, 냉동기유가 충분히 분리되지 않을 가능성이 있다.

이에 반해, 이 오일 세퍼레이터(10)에서는, 냉매 입구관(11)의 송출구(13)의 개구 방향을 수평 방향보다 상향으로 하고, 각도 α가 45°≤α＜90°의 범위 내의 값이 되도록 하고 있다. 그 때문에, 가공 정밀도의 편차에 의해, 송출구(13)의 개구 방향이 수평 방향보다 하향이 되는 것을 막을 수 있기 때문에, 종래보다 기상 냉매의 선회류의 경로 길이가 길어져, 냉동기유의 분리율을 향상시킬 수 있다.

또, 이 오일 세퍼레이터(10)에서는, 냉매 입구관(11)의 송출구(13)를, 압력 용기(20)의 내벽면에 접근시킬 수 있으므로, 선회류에 의해 발생하는 원심력에 의해, 냉동기유의 입자가 압력 용기(20)의 내벽면까지 이동하고, 내벽면에 포착될 때까지의 시간을 단축할 수 있다. 이것에 의해, 냉동기유의 분리율을 더 향상시킬 수 있다.

또한, 냉매 입구관(11)이 압력 용기(20)의 내벽면에 접하도록 배치되는 경우, 냉매 입구관(11)과 압력 용기(20)를 용접하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 진동의 발생을 억제할 수 있다.

또한, 이 오일 세퍼레이터(10)에서는, 냉매 입구관(11)의 송출구(13)의 개구면과, 상부 경판(23)의 천정면까지의 거리를 충분히 취할 수 있다. 이것에 의해, 냉매 입구관(11)의 송출구(13)로부터 송출된 기상 냉매를, 상부 경판(23)의 천정면에 도달하기까지 확산시킬 수 있다.

그 결과, 기상 냉매가, 상부 경판(23)의 천정면에 충돌하는 범위를 확대할 수 있어, 냉동기유의 입자가 상부 경판(23)의 천정면에 포착되는 효과를 크게 향상시킬 수 있다.

그런데 압력 용기(20) 내부에서, 원심력에 의해 기상 냉매로부터 분리된 냉동기유는, 자체 무게에 의해 하방으로 흘러 떨어지고, 압력 용기(20)의 용기 하부(22)에 모인다. 그리고 냉동기유는, 압력 용기(20)의 저부에 설치된 오일 출구관(25)으로부터, 압력 용기(20)의 외부에 도출되어, 오일 리턴관(47)을 거쳐, 압축기(30)의 흡입구에 되돌려진다.

한편, 압력 용기(20)의 내부에서 냉동기유가 분리된 기상 냉매는, 압력 용기(20)의 용기 하부(22)에 모인 냉동기유의 액면보다 상방의 공간에 모이게 된다. 그리고 이 기상 냉매는, 냉매 출구관(14)으로 들어가, 토출관(42B)을 통하여 사방 밸브(33)에 공급된다.

여기서, 냉매 출구관(14)은, 압력 용기(20)의 중앙에 있기 때문에, 압력 용기(20)의 내주면을 따라 선회하는 흐름을 어지럽히는 일이 없다. 또, 냉매 출구관(14)의 선단부(15)는, 압력 용기(20)의 내주면을 따라 선회하는 흐름의 중앙에 있기 때문에, 비산한 냉동기유가 선단부(15)로부터 도출되는 것을 억제할 수 있어, 냉동기유가 거의 제거된 기상 냉매를 토출관(42B)으로 유도할 수 있다.

도 6은, 기상 냉매의 흐름의 일례를 나타내는 유선도이다. 이 유선도는, 수치 시뮬레이션의 결과 얻어진 것이다.

도 6에 나타내는 바와 같이, 냉매 입구관(11)으로부터 유출된 기상 냉매는, 오일 세퍼레이터(10)의 천정면에 충돌한다. 그 후, 기상 냉매는, 선회하면서 오일 세퍼레이터(10) 내를 하강하고, 다시 상승한다. 그 과정에서 기상 냉매로부터 냉동기유가 분리되고, 냉동기유가 분리된 기상 냉매는, 냉매 출구관(14)을 통하여 오일 세퍼레이터(10)로부터 유출된다.

또한, 상기 실시 형태에서는, 냉매 입구관(11)은, 상부 경판(23)으로부터 압력 용기(20) 내부에 도입되고 있지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 송출구(13)의 개구 방향을 따른 직선과, 압력 용기(20)의 중심축에 수직인 평면이 이루는 각도 α가, 45°≤α＜90°을 만족한다면, 냉매 입구관(11)은, 압력 용기(20)의 측벽 또는 하부(하부 경판(24))로부터 압력 용기(20) 내에 도입되는 형태여도 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 개시의 제1 형태는, 기상 냉매에 포함되는 냉동기유를 분리하는 오일 세퍼레이터(10)가, 원통형상의 압력 용기(20)와, 냉동기유를 포함한 기상 냉매를 압력 용기(20) 내에 도입하는 냉매 입구관(11)과, 냉동기유가 분리된 기상 냉매를 배출하는 냉매 출구관(14)을 구비하고, 압력 용기(20)의 내부에 끼워 넣어진 냉매 입구관(11)의 선단에 있어서의 송출구(13)의 개구 방향을 따른 직선과, 압력 용기(20)의 중심축에 수직인 평면이 이루는 각도 α는, 45°≤α＜90°인 오일 세퍼레이터를 제공한다.

이 구성에 의하면, 냉매 입구관(11)으로부터 기상 냉매가 비스듬하게 상방으로 유출되어 압력 용기(20)에 충돌하고, 또한, 압력 용기(20)의 천정에까지 달하는 기상 냉매의 비율이 커진다. 그리고 기상 냉매는, 선회하면서, 압력 용기(20)의 천정에서 하방을 향해 유동하게 된다.

이와 같으므로, 냉매 입구관(11)의 가공 정밀도에 편차가 있었다고 해도, 기상 냉매가 냉매 입구관(11)으로부터 하방으로 그대로 유출되는 일이 없어져, 가공 정밀도의 편차의 영향이 저감된다. 또, 냉동기유에 대한 충돌 분리 효과와 선회 분리 효과를 동시에 높일 수 있음과 함께, 종래보다 선회류의 경로 길이를 길게 할 수도 있다.

또, 본 개시의 제2 형태는, 제1 형태에 있어서, 냉매 입구관(11)의 내경을 D로 한 경우에, 압력 용기(20)의 내벽면으로부터 냉매 입구관(11)의 송출구(13)의 중심 위치까지의 거리 x가, D/2≤x≤1.6D의 관계를 만족하는 오일 세퍼레이터를 제공한다. 이 구성에 의하면, 냉동기유가 내벽면까지 도달하는 시간을 짧게 할 수 있기 때문에, 오일 분리율을 크게 향상시킬 수 있다.

또, 본 개시의 제3 형태는, 제1 형태 또는 제2 형태에 있어서, 냉매 입구관(11)의 송출구(13)의 개구 방향이, 그 개구 방향에 있는 압력 용기(20)의 내벽면의 법선 방향과 비평행인 오일 세퍼레이터를 제공한다. 이 구성에 의하면, 송출구(13)로부터 송출된 기상 냉매가 송출구(13) 이외의 방향으로 벗어나 흐르게 되므로, 운동 에너지의 손실을 억제할 수 있어, 그 결과, 고속의 선회류를 일으키게 할 수 있다.

또, 본 개시의 제4 형태는, 제1 형태 내지 제3 형태 중 어느 하나에 있어서, 송출구(13)의 개구 방향은, 압력 용기(20)의 상부 경판(23)의 만곡 부분을 향하고 있는 오일 세퍼레이터를 제공한다. 이 구성에 의하면, 기상 냉매를 원활히 압력 용기(20)의 상방으로 유도할 수 있어, 기상 냉매의 운동 에너지가 없어지는 것을 억제할 수 있다.

또, 본 개시의 제5 형태에서는, 제1 형태 내지 제4 형태 중 어느 하나에 있어서, 냉매 입구관(11)은 만곡 부분(12)을 가지며, 그 만곡 부분(12)의 상류측에 있는 냉매 입구관(11)의 내부에 망상 부재가 설치되어 있는 오일 세퍼레이터를 제공한다. 이 구성에 의하면, 망상 부재로 어느 정도 기상 냉매로부터 냉동기유를 분리할 수 있어, 오일 분리 효율을 더 향상시킬 수 있다.

또, 본 개시의 제6 형태에서는, 제1 형태 내지 제5 형태 중 어느 하나에 있어서, 압력 용기(20)의 중심축 AX 상에서 압력 용기(20)에 접속되며, 냉매 입구관(11)은, 압력 용기(20)의 중심축으로부터 어긋난 위치에서 압력 용기(20)에 접속되는 것으로 했다. 이 구성에 의하면, 압력 용기(20)의 내주면을 따라 선회하는 흐름을 어지럽히는 것을 억제할 수 있으며, 또, 비산한 냉동기유가 냉매 출구관(14)으로부터 도출되는 것을 억제할 수 있다.

또한, 상기 실시 형태는 본 개시를 적용한 구체적 양태의 일례에 지나지 않으며, 본 개시를 한정하는 것은 아니다. 즉, 상기 실시 형태와는 다른 양태로 본 개시를 실시하는 것도 가능하다.

예를 들면, 상기 실시 형태에서는, 오일 세퍼레이터(10)가, 인버터식의 압축기(30)를 1대 구비하는 공기 조화 장치에 사용되는 경우에 대해서 설명했지만, 이것에 한정하지 않고, 인버터식의 압축기와 정속 압축기를 복수대 구비한 공기 조화 장치에 사용되어도 된다. 또, 오일 세퍼레이터(10)는, 가스 히트 펌프식의 공기 조화 장치에 사용되어도 된다.

본 개시에 관련된 오일 세퍼레이터는, 기상 냉매에 포함되는 냉동기유를 분리하는 오일 세퍼레이터에 이용하는데 유용하다.

10: 오일 세퍼레이터 11: 냉매 입구관
12: 만곡 부분 13: 송출구
14: 냉매 출구관 15: 선단부
20: 압력 용기 21: 용기 상부
22: 용기 하부 23: 상부 경판
24: 하부 경판 25: 오일 출구관
26: 다리부 27, 28: 관통 구멍
29: 용기 동체부 30: 압축기
31: 실외 열교환기 32: 팽창 밸브
33: 사방 밸브 34: 리시버 탱크
35: 어큐물레이터 41: 흡입관
42A: 토출관 42B: 토출관
43: 관로 44: 냉매 배관
45: 액관 46: 가스관
47: 오일 리턴관 100: 실외 유닛

Claims

기상 냉매에 포함되는 냉동기유를 분리하는 오일 세퍼레이터로서,
원통형상의 압력 용기와,
상기 냉동기유를 포함한 기상 냉매를 상기 압력 용기 내에 도입하는 냉매 입구관과,
상기 냉동기유가 분리된 기상 냉매를 배출하는 냉매 출구관을 구비하고,
상기 냉매 입구관 및 상기 냉매 출구관은 상기 압력 용기의 상부 경판을 통해 끼워 넣어지며,
상기 냉매 입구관은, 상기 압력 용기 내에서 U자형으로 만곡하는 만곡 부분을 가지며, 상기 만곡 부분의 선단에 있어서의 송출구의 개구 방향은 상향이며,
상기 냉매 출구관의 선단부는 상기 냉매 입구관의 송출구보다 하방으로 연장되며,
상기 송출구의 개구 방향을 따른 직선과, 상기 압력 용기의 중심축에 수직인 평면이 이루는 각도 α가 45°≤α＜90°인, 오일 세퍼레이터.
청구항 1에 있어서,
상기 냉매 입구관의 내경을 D로 한 경우에, 상기 압력 용기의 내벽면으로부터 상기 송출구의 중심 위치까지의 거리 x가,
D/2≤x≤1.6D
의 관계를 만족하는, 오일 세퍼레이터.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 송출구의 개구 방향은, 그 개구 방향에 있는 상기 압력 용기의 내벽면의 법선 방향과 비평행인, 오일 세퍼레이터.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 송출구의 개구 방향은, 상기 압력 용기의 경판의 만곡부분을 향하고 있는, 오일 세퍼레이터.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 냉매 입구관은 만곡부분을 구비하고, 그 만곡부분의 상류측에 있는 상기 냉매 입구관의 내부에 망상 부재가 설치되어 있는, 오일 세퍼레이터.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 냉매 출구관은, 상기 압력 용기의 중심축 상에서 그 압력 용기에 접속되며, 상기 냉매 입구관은, 상기 압력 용기의 중심축으로부터 어긋난 위치에서, 그 압력 용기에 접속되는, 오일 세퍼레이터.