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WO2014196168A1 - 油分離器および油分離器を製造する製造方法 - Google Patents

油分離器および油分離器を製造する製造方法 Download PDF

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WO2014196168A1
WO2014196168A1 PCT/JP2014/002830 JP2014002830W WO2014196168A1 WO 2014196168 A1 WO2014196168 A1 WO 2014196168A1 JP 2014002830 W JP2014002830 W JP 2014002830W WO 2014196168 A1 WO2014196168 A1 WO 2014196168A1
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refrigerant
oil
separation part
separator
separation
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小川　修
敦 柿本
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Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
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Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B43/00—Arrangements for separating or purifying gases or liquids; Arrangements for vaporising the residuum of liquid refrigerant, e.g. by heat
    • F25B43/02—Arrangements for separating or purifying gases or liquids; Arrangements for vaporising the residuum of liquid refrigerant, e.g. by heat for separating lubricants from the refrigerant
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D17/00—Separation of liquids, not provided for elsewhere, e.g. by thermal diffusion
    • B01D17/02—Separation of non-miscible liquids
    • B01D17/0217—Separation of non-miscible liquids by centrifugal force
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04C—APPARATUS USING FREE VORTEX FLOW, e.g. CYCLONES
    • B04C5/00—Apparatus in which the axial direction of the vortex is reversed
    • B04C5/08—Vortex chamber constructions
    • B04C5/081—Shapes or dimensions
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
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    • F25B2400/02—Centrifugal separation of gas, liquid or oil
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/4935—Heat exchanger or boiler making
    • Y10T29/49359—Cooling apparatus making, e.g., air conditioner, refrigerator

Definitions

  • the present disclosure relates to an oil separator that separates refrigerating machine oil from a refrigerant that contains refrigerating machine oil, and a manufacturing method for manufacturing the oil separator.
  • refrigerator oil is used for lubrication of a compressor used in an air conditioner or the like.
  • This refrigerating machine oil circulates in the refrigerant circulation system together with the refrigerant.
  • the refrigerating machine oil sucked from the suction side of the compressor is supplied to each sliding portion inside the compressor and used for lubrication of each sliding portion.
  • the refrigerating machine oil is supplied to the working chamber, and is used to prevent leakage of the vaporized refrigerant by sealing the gap in the working chamber.
  • an oil separator is provided in the circulation system. The oil separator separates the refrigeration oil from the refrigerant discharged from the compressor, and returns the refrigeration oil to the suction side of the compressor.
  • the high-temperature and high-pressure refrigerant containing refrigeration oil discharged from the compressor is introduced into a cylindrical oil separator so that a swirling flow is generated.
  • the refrigeration oil adheres to the inner wall surface of the oil separator.
  • this refrigerating machine oil moves to the lower part of the oil separator by the action of gravity and forms an oil sump. In this way, the refrigeration oil is separated from the refrigerant.
  • Patent Document 1 proposes an oil separator in which the inner diameter of the lower part of the oil separator is larger than the inner diameter of the upper part of the oil separator. Thereby, the turning speed of the swirling flow in the lower part of the oil separator is reduced, and the refrigerating machine oil is suppressed from being rolled up.
  • Patent Document 1 also describes that the inner diameter is gradually decreased from the upper part to the central part of the oil separator and the inner diameter is gradually increased from the central part to the lower part.
  • This disclosure provides an oil separator that can improve the separation characteristics of refrigeration oil, and a manufacturing method for manufacturing the oil separator.
  • An oil separator is an oil separator that separates refrigerating machine oil from a refrigerant containing refrigerating machine oil, and includes a cylindrical first separation unit having a first internal space in which the refrigerant can swivel, A cylindrical second separator having a second inner space that is disposed below the separator and has a second inner space in which the refrigerant that has flowed out of the first separator can swivel, and causes the refrigerant to flow toward the inner wall surface in the first separator.
  • An introduction pipe for generating a swirling flow of the refrigerant in the first internal space, a lead-out pipe for deriving the refrigerant from which the refrigerating machine oil is separated, and a discharge for discharging the refrigerating machine oil separated from the refrigerant from the second internal space A second separation part having a surface that forms a step by connecting the inner wall surface of the first separation part and the upper end of the inner wall surface of the second separation part, the surface and the first separation part The angle between the inner wall surface and the inner wall surface is 90 degrees or less, and the surface and the inner wall surface of the second separation part Angle between said on such that less than 90 degrees.
  • the oil separator according to the present disclosure can improve the separation characteristics of refrigerating machine oil.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a configuration of an oil separation device according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating the angle of the surface of the step.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining an example of the arrangement of the introduction pipes.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating each parameter used for the characteristic analysis of the oil separator.
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the pressure loss ⁇ Ps and the ratio (D 1 -D 2 ) / D 1 .
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the oil separation rate and the ratio D 1 / (D 1 -D 2 ).
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a pressure distribution of an oil separator having a step.
  • FIG. 8 is a diagram showing streamlines of oil droplets of the refrigerating machine oil under the pressure distribution shown in FIG.
  • Figure 9 is a graph showing the relationship between the inner diameter D 1 of the pressure loss ratio in the first separation unit.
  • Figure 10 is a graph showing the relationship between the inner diameter D 1 of the oil separation ratio and a first separation unit.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a configuration of an oil separator 10 according to an embodiment of the present disclosure.
  • the oil separator 10 is a device that separates refrigerating machine oil from a refrigerant containing refrigerating machine oil.
  • the oil separator 10 includes a first separator 11, a second separator 12, an introduction pipe 13, a lead-out pipe 14, and a discharge pipe 15.
  • FIG. 1 shows a cross section when the oil separator 10 is cut along a plane that passes through the center of the oil separator 10 and is parallel to the tube axis 13 a of the introduction pipe 13.
  • the first separation unit 11 and the second separation unit 12 are cylindrical containers having an internal space in which the refrigerant can turn.
  • the second separation unit 12 is disposed below the first separation unit 11. Further, the inner diameter D2 of the second separation part 12 is smaller than the inner diameter D1 of the first separation part 11. Thereby, the turning speed decreased by turning in the first separation unit 11 can be increased by the second separation unit 12, and the efficiency of oil separation can be improved.
  • the introduction pipe 13 and the outlet pipe 14 are provided so as to penetrate the first separation part 11.
  • the introduction pipe 13 causes the refrigerant containing the refrigeration oil to flow out toward the inner wall surface in the first separation unit 11, and causes a swirling flow of the refrigerant.
  • the outlet pipe 14 leads the refrigerant from which the refrigeration oil is separated from the oil separator 10.
  • the refrigerating machine oil contained in the refrigerant adheres to the inner wall surface of the oil separator 10 and is separated from the refrigerant by the action of centrifugal force due to the swirling flow of the refrigerant.
  • the refrigerating machine oil separated from the refrigerant moves to the bottom of the second separation unit 12 by the action of gravity.
  • the inlet of the outlet pipe 14 is installed in the second separation unit 12. If it does in this way, the internal space of the 2nd separation part 12 at the 1st separation part 11 side will become narrow, and the turning speed of the refrigerant flow in the 2nd separation part 12 can be raised further.
  • the discharge pipe 15 is provided through the second separation part 12.
  • the discharge pipe 15 discharges the refrigerating machine oil that has moved to the bottom of the second separator 12 from the oil separator 10.
  • the discharged refrigeration oil is returned to the suction side of the compressor.
  • the compressor since the refrigerant discharged from the compressor is high temperature, if the refrigeration oil moved to the bottom of the second separation unit 12 is high temperature, it may be returned as it is to the high temperature oil reservoir in the hermetic container of the compressor. According to this configuration, the compressor can be efficiently operated.
  • the second separator 12 is provided facing the internal space of the first separator 11 and has a surface 16 that connects the inner wall surface of the first separator 11 and the upper end of the inner wall surface of the second separator 12.
  • the angle formed between the surface 16 and the inner wall surface of the first separating portion 11 is 90 degrees or less, and the angle formed between the surface 16 and the inner wall surface of the second separating portion 12 is also set. It is 90 degrees or less.
  • the first separation part 11 and the second separation part 12 form a step. That is, the inner diameter of the oil separator 10 changes suddenly at the boundary portion between the first separator 11 and the second separator 12.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the angle of the surface 16 of the step.
  • the angle formed between the surface 16 of the step and the inner wall surface of the first separation portion 11 is ⁇
  • the angle formed between the surface 16 of the step and the inner wall surface of the second separation portion 12 is ⁇ .
  • FIG. 2A shows a case where the angles ⁇ and ⁇ are both 90 degrees
  • FIG. 2B shows a case where the angles ⁇ and ⁇ are both less than 90 degrees.
  • the angle of the surface 16 of the step By setting the angle of the surface 16 of the step to such an angle, the direction of the refrigerant flow in the vicinity of the container wall can be changed from the lower direction to the horizontal direction or upward from the horizontal direction. As a result, the time during which the refrigerant swirls in the first separation unit 11 can be lengthened, and the separation of the refrigerating machine oil from the refrigerant is promoted.
  • both the angles ⁇ and ⁇ are 90 degrees will be described.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining an example of the arrangement of the introduction pipes 13.
  • FIG. 3 shows a cross-sectional view of the oil separator 10 cut along a horizontal plane passing through the tube axis 13 a of the introduction tube 13. As shown in FIG. 3, the direction of the tube axis 13 a of the introduction tube 13 is deviated from the center direction of the first separation unit 11.
  • the refrigerant that has flowed out of the introduction pipe 13 collides with the inner wall surface of the first separation unit 11 from an oblique direction, thereby generating a swirling flow of the refrigerant.
  • vortex flow the refrigerating machine oil contained in the refrigerant
  • Such an oil separator 10 can be manufactured very easily.
  • the second separation portion 12 may be inserted into the first separation portion 11 and the upper end portion of the wall surface of the second separation portion 12 may be the step surface 16.
  • the introduction pipe 13 is provided in the horizontal direction, but may be provided in the vertical direction. In this case, in order to generate the swirling flow of the refrigerant, the leading end portion of the introduction pipe 13 may be bent in a substantially horizontal direction in the first separation portion 11.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining each parameter used for characteristic analysis of the oil separator 10.
  • the inner diameter of the first separator 11 is D 1 (m)
  • the inner diameter of the second separator 12 is D 2 (m)
  • the inner diameter of the outlet tube 14 is D 3 (m).
  • the average descending speed of the refrigerant in the space in the first separation portion 11 from the height of the central axis of the introduction pipe 13 to the height of the step surface 16 is V 1 (m / s)
  • the height of the step surface 16 is high.
  • V 2 (m / s) be the average descending speed of the refrigerant in the space in the second separation section 12 from the height to the height of the inlet of the outlet pipe 14.
  • the area obtained by subtracting the area occupied by the outlet pipe 14 from the area of the internal region of the first separator 11 is A 1
  • the second separator is A 2
  • the area obtained by subtracting the area occupied by the lead-out pipe 14 from the area of the twelve inner regions is A 2
  • the area occupied by the lead-out pipe 14 is A 3 .
  • the areas A 1 to A 3 are expressed as follows.
  • a 1 ⁇ (D 1/ 2) 2 - ⁇ (D 3/2) 2 ⁇ ( Equation 1)
  • a 2 ⁇ (D 2/ 2) 2 - ⁇ (D 3/2) 2 ⁇ ( Equation 2)
  • a 3 ⁇ (D 3/ 2) 2 ⁇ ( Equation 3)
  • the area A 3 is smaller than the areas A 1 and A 2 and does not significantly affect the flow of the refrigerant, the presence of the outlet pipe 14 is ignored in Equation 5.
  • Equation 5 ⁇ is a loss coefficient that changes in accordance with the area ratio A 2 / A 1 , and this ⁇ is obtained experimentally. Specifically, when A 2 / A 1 is 0, 0.01, 0.1, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0, each A 2 / A 1 ⁇ corresponding to the values are 0.5, 0.449, 0.372, 0.372, 0.292, 0.185, 0.09, and 0, respectively.
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the pressure loss ⁇ Ps derived using the equations 1 to 5 and the ratio (D 1 -D 2 ) / D 1 .
  • the refrigerant density ⁇ was set to 90.6 kg / m 3 . This is the density of refrigerant R410A at 88.5 degrees Celsius.
  • the refrigerant introduction amount Q was set to 0.0015 m 3 / s.
  • the inner diameter D 2 of the second separation unit 12 0.067 m
  • the diameter D 3 of the outlet pipe 14 is fixed to 0.019M
  • calculation was performed by changing the inner diameter D 1 of the first separator 11.
  • the refrigerant introduced into the internal space of the first separation unit 11 by the introduction pipe 13 collides with the inner wall surface of the first separation unit 11 and flows in all directions along the inner wall surface.
  • coolant which flowed below collides with the surface 16 of a level
  • further increasing the ratio (D 1 -D 2 ) / D 1 means that the inner diameter D 1 of the first separator 11 is further increased or the inner diameter D 2 of the second separator 12 is further decreased.
  • the inner diameter D 1 of the first separator 11 it is desirable to reduce.
  • the inner diameter D 2 of the second separation unit 12 it is desirable not to so small.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the oil separation rate and the ratio D 1 / (D 1 -D 2 ).
  • the oil separation rate is calculated by Murakami et al. (Murakami, Wakamoto, Morimoto, “Performance Prediction of Cyclone Oil Separator”, Japanese Society of Refrigerating and Air Conditioning, Vol. 22 (3), pp. 315-324, 2005. It was obtained by a numerical experiment using the prediction method proposed by September 30, 2011).
  • the particle size of the oil droplets of the refrigerant oil is determined within a range of several tens of ⁇ m using the Monte Carlo method, and further, from which position of the outlet of the introduction pipe 13 the oil droplets are introduced. Were determined. Then, it was examined how the oil separation rate changed while changing the ratio D 1 / (D 1 -D 2 ).
  • the density of the refrigerant ⁇ is 90.6kg / m 3
  • the introduction amount of the refrigerant Q is 0.0015m 3 / s, 0.12m height of the first separator 11, the height of the second separator 12 It was 0.22 m.
  • the ratio D 1 / (D 1 -D 2 ) is 18 or less, the oil separation rate increases rapidly. That is, the ratio D 1 / (D 1 -D 2 ) is D 1 / (D 1 -D 2 ) ⁇ 18 (Formula 8) It is desirable to satisfy the relationship.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a pressure distribution of the oil separator 10 having a step.
  • FIG. 7 shows the results obtained by computational fluid dynamics (CFD).
  • the numerical value enclosed by a square indicates the pressure (Pa) of the isobaric line.
  • a pressure regulation condition is set as the outlet boundary condition of the analysis region, and the pressure at the upper end surface is set to 0 (reference pressure).
  • the introduction pipe 13 is provided vertically, but in the first separation portion 11, the distal end portion of the introduction pipe 13 is bent in a substantially horizontal direction.
  • the pressure in the vicinity of the surface 16 of the step is higher than the pressure in the surrounding area. Therefore, the flow direction of the refrigerant changes from the lower direction to the horizontal direction, and the downward flow of the refrigerant is prevented.
  • FIG. 8 is a diagram showing streamlines of the oil droplets of the refrigerating machine oil under the pressure distribution shown in FIG.
  • FIG. 8 shows the results obtained by DPM (Discrete Phase Model) analysis.
  • FIG. 8 shows how the refrigerant flow direction changes due to the presence of the high-pressure region near the surface 16 of the step.
  • the volume Vol of the oil separator 10 is set to 0.0016 m 3, and the inner diameter D 2 of the second separator 12 is smaller than the inner diameter D 1 of the first separator 11 by 0.006 m. Also, the height of the first separator 11 and 0.100M, an inner diameter D 3 of the outlet pipe 14 was 0.019M.
  • Figure 9 is a graph showing the relationship between the inner diameter D 1 of the pressure loss ratio in the first separator 11.
  • the pressure drop ratio is 'the ratio .DELTA.Pt / .DELTA.Pt pressure loss .DELTA.Pt for' pressure loss .DELTA.Pt when D 1 is 0.067 m.
  • the pressure losses ⁇ Pt and ⁇ Pt ′ are calculated by adding the pressure loss generated by the flow in the circular pipe in the first separation unit 11 and the pressure loss generated by the flow in the circular pipe in the second separation unit 12. .
  • the pressure losses ⁇ Pt and ⁇ Pt ′ are evaluated excluding the pressure loss caused by the presence of a step or the like.
  • ⁇ Pt ( ⁇ h 1 / D 1 ⁇ 0.5 ⁇ V 1 2 + ⁇ h 2 / D 2 ⁇ 0.5 ⁇ V 2 2 ) (Equation 10)
  • h 1 and h 2 are the height from the central axis of the introduction pipe 13 to the surface 16 of the step in the first separation part 11 and the height of the second separation part 12, respectively
  • ⁇ is the coefficient of pipe friction. is there.
  • ⁇ Pt / ⁇ Pt ′ ⁇ H 1 / D 1 ⁇ (1 / A 1 ) 2 + h 2 / D 2 ⁇ (1 / A 2 ) 2 ⁇ / ⁇ H 1 / D 1 ⁇ (1 / A 1 ) 2 + h 2 / D 2 ⁇ (1 / A 2 ) 2 ⁇ ′
  • ⁇ h 1 / D 1 ⁇ (1 / A 1 ) 2 + h 2 / D 2 ⁇ (1 / A 2 ) 2 ⁇ ′ represents ⁇ h 1 / D 1 ⁇ when D 1 is 0.067 m.
  • a 1 and A 2 are calculated by the above-described formulas 1 and 2. Since the volume Vol of the oil separator 10 is constant, the following relationship is satisfied.
  • FIG. 9 shows the result of calculating the pressure loss ratio ⁇ Pt / ⁇ Pt ′ using the relationship as described above.
  • FIG. 9 shows that the pressure loss ratio increases rapidly when D1 is about 0.060 (m) or less.
  • the pressure loss ratio is increased, the refrigerant is circulated, so that a compressor having a higher discharge capacity is required, which is not preferable.
  • the inner diameter D 1 of the first separator 11 it is desirable to satisfy the following relation.
  • FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the inner diameter D 1 of the oil separation ratio and a first separator 11.
  • the oil separation rate ratio is a ratio SO / SO ′ of the oil separation rate SO to the oil separation rate SO ′ when D 1 is 0.067 m.
  • the model of the oil separator 10 is the same as that in FIG. Moreover, the oil separation rate was calculated
  • Equation 13 Equation 14
  • the turning time of the refrigerant containing the refrigeration oil in the first separation unit 11 can be increased, and the separation characteristics of the refrigeration oil can be improved.
  • the oil separator according to the present disclosure is suitable for use in an oil separator that separates the refrigerating machine oil from the refrigerant containing the refrigerating machine oil for lubricating a compressor used in an air conditioner or the like.
  • the method for manufacturing an oil separator according to the present invention is suitable for use in manufacturing the oil separator as described above.

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Abstract

油分離器（１０）が、冷媒が旋回可能な第１の内部空間を有する円筒状の第１分離部（１１）と、第１分離部（１１）の下方に配置され、第１分離部（１１）から流出した冷媒が旋回可能な第２の内部空間を有する円筒状の第２分離部（１２）と、第１分離部（１１）内の内壁面に向けて冷媒を流出させ、第１の内部空間において冷媒の旋回流を生じさせる導入管（１３）と、冷凍機油が分離された冷媒を導出する導出管（１４）と、冷媒から分離された冷凍機油を、第２の内部空間から排出する排出管（１５）とを備え、第２分離部（１２）は、第１分離部（１１）の内壁面と第２分離部（１２）の内壁面上端とを連結して段差を形成する表面（１６）を有し、表面（１６）と第１分離部（１１）の内壁面との間のなす角度が９０度以下であり、かつ、表面（１６）と第２分離部（１２）の内壁面との間のなす角度が９０度以下である。

Description

油分離器および油分離器を製造する製造方法
　本開示は、冷凍機油を含有する冷媒から冷凍機油を分離する油分離器、および、その油分離器を製造する製造方法に関する。
　一般に、空気調和装置などに用いられる圧縮機の潤滑には、冷凍機油が用いられる。この冷凍機油は、冷媒とともに、冷媒の循環系内を循環する。そして、圧縮機の吸入側より吸入された冷凍機油は、圧縮機内部の各摺動部に供給され、各摺動部の潤滑に用いられる。それだけでなく、冷凍機油は、作動室に供給され、作動室内の隙間をシールすることにより、気化した冷媒の漏れを防止することにも用いられる。
　上記循環系において、圧縮機から吐出された冷媒に冷凍機油が多く含まれる場合、熱交換器の伝熱管の内壁面に冷凍機油が付着しやすくなる。そして、伝熱管の内壁面に付着した冷凍機油は、伝熱管の伝熱を阻害し、熱交換器の伝熱効率を悪化させる。このような事態を回避するため、循環系内には油分離器が設けられる。油分離器は、圧縮機から吐出される冷媒から冷凍機油を分離し、その冷凍機油を圧縮機の吸入側に戻すものである。
　圧縮機から吐出された冷凍機油を含有する高温・高圧の冷媒は、旋回流が生じるように、円筒状の油分離器内に導入される。この旋回流による遠心力の作用により、冷凍機油は油分離器の内壁面に付着する。さらに、この冷凍機油は、重力の作用により、油分離器の下部に移動し、油溜りを形成する。このようにして、冷媒から冷凍機油が分離される。
　しかし、上述した油分離器では、油溜りの冷凍機油を冷媒が巻き上げ、冷凍機油を冷媒の吐出路まで運んでしまうという問題がある。そのため、特許文献１では、油分離器の下部の内径を油分離器の上部の内径よりも大きくする油分離器が提案されている。これにより、油分離器の下部における旋回流の旋回速度が小さくなり、冷凍機油の巻き上げが抑制される。
　さらに、特許文献１には、油分離器の上部から中央部にかけて内径を徐々に小さくし、中央部から下部にかけて内径を徐々に大きくすることも記載されている。これにより、油分離器の中央部において、旋回流の旋回速度が大きくなるとともに、流れが整流され、優れた分離特性を発揮するとされている。
特開２００５－１８０８０８号公報
　しかし、従来の油分離器では、分離特性が十分ではなかった。
　本開示は、冷凍機油の分離特性を向上させることができる油分離器、および、その油分離器を製造する製造方法を提供する。
　本開示の油分離器は、冷凍機油を含有する冷媒から冷凍機油を分離する油分離器であって、冷媒が旋回可能な第１の内部空間を有する円筒状の第１分離部と、第１分離部の下方に配置され、第１分離部から流出した冷媒が旋回可能な第２の内部空間を有する円筒状の第２分離部と、第１分離部内の内壁面に向けて冷媒を流出させ、第１の内部空間において冷媒の旋回流を生じさせる導入管と、冷凍機油が分離された冷媒を導出する導出管と、冷媒から分離された冷凍機油を、第２の内部空間から排出する排出管と、を備え、第２分離部は、第１分離部の内壁面と第２分離部の内壁面上端とを連結して段差を形成する表面を有し、その表面と第１分離部の内壁面との間のなす角度が９０度以下であり、かつ、その表面と第２分離部の内壁面との間のなす角度が９０度以下であるようにした。
　なお、これらの包括的または具体的な態様は、システム、方法、または製造方法で実現されてもよく、システム、方法、及び製造方法の任意な組み合わせで実現されてもよい。
　本開示に係る油分離器は、冷凍機油の分離特性を向上させることができる。
図１は、本開示の実施形態に係る油分離装置の構成の一例を示す図である。 図２は、段差の表面の角度について説明する図である。 図３は、導入管の配置の一例について説明する図である。 図４は、油分離器の特性解析に用いられる各パラメータについて説明する図である。 図５は、圧力損失ΔＰｓと比（Ｄ１－Ｄ２）／Ｄ１との間の関係を示す図である。 図６は、油分離率と比Ｄ１／（Ｄ１－Ｄ２）との間の関係を示す図である。 図７は、段差がある油分離器の圧力分布の一例を示す図である。 図８は、図７に示した圧力分布の下での冷凍機油の油滴の流線を示す図である。 図９は、圧力損失比と第１分離部の内径Ｄ１との間の関係を示す図である。 図１０は、油分離率比と第１分離部の内径Ｄ１との間の関係を示す図である。
　本発明者は鋭意検討したところ、旋回流による遠心力を利用した油分離器では、冷凍機油を含有した冷媒が油分離器内でできるだけ長い間旋回することが重要となることを見出した。上述した特許文献１に係る油分離器は、油分離に寄与する油分離器の上部空間での旋回時間を改善できない。
　以下、本開示の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は一例であり、本開示はこの実施形態により限定されるものではない。
　図１は、本開示の実施形態に係る油分離器１０の構成の一例を示す図である。油分離器１０は、冷凍機油を含有する冷媒から冷凍機油を分離する装置である。この油分離器１０は、第１分離部１１、第２分離部１２、導入管１３、導出管１４、排出管１５を備える。なお、図１は、油分離器１０の中心を通り、導入管１３の管軸１３ａに平行な平面で油分離器１０を切断した場合の断面を示している。
　第１分離部１１、第２分離部１２は、冷媒が旋回可能な内部空間を有する円筒状の容器である。第２分離部１２は、第１分離部１１の下方に配置される。また、第２分離部１２の内径Ｄ２は、第１分離部１１の内径Ｄ１よりも小さくなっている。これにより、第１分離部１１における旋回で低下した旋回速度を、第２分離部１２で高めることができ、油分離の効率を向上させることができる。
　導入管１３、および、導出管１４は、第１分離部１１を貫通して設けられる。導入管１３は、第１分離部１１内の内壁面に向けて冷凍機油を含有する冷媒を流出させ、冷媒の旋回流を生じさせる。また、導出管１４は、冷凍機油が分離された冷媒を油分離器１０から導出する。
　冷媒に含まれる冷凍機油は、上記冷媒の旋回流による遠心力の作用により、油分離器１０の内壁面に付着し、冷媒から分離される。そして、冷媒から分離された冷凍機油は、重力の作用により、第２分離部１２の底部に移動する。
　ここで、導出管１４の入口は、第２分離部１２内に設置されることが望ましい。このようにすると、第１分離部１１側の第２分離部１２の内部空間が狭まり、第２分離部１２における冷媒流の旋回速度をさらに高めることができる。
　排出管１５は、第２分離部１２を貫通して設けられる。そして、この排出管１５は、第２分離部１２の底部に移動した冷凍機油を油分離器１０から排出する。排出された冷凍機油は、圧縮機の吸入側へ戻される。
　なお、圧縮機から吐出された冷媒は高温のため、第２分離部１２の底部に移動した冷凍機油が高温であれば、圧縮機の密閉容器内の高温の油溜まりにそのまま戻してもよい。この構成によれば、圧縮機の効率的な運転が可能となる。
　第２分離部１２は、第１分離部１１の内部空間に面して設けられ、第１分離部１１の内壁面と第２分離部１２の内壁面上端とを連結する表面１６を有する。ここで、この表面１６と、第１分離部１１の内壁面との間のなす角度は９０度以下とされ、かつ、この表面１６と第２分離部１２の内壁面との間のなす角度も９０度以下とされる。
　これにより、第１分離部１１と第２分離部１２とは、段差を形成する。すなわち、油分離器１０の内径が、第１分離部１１と第２分離部１２との境界部分において、急変することになる。
　図２は、段差の表面１６の角度について説明する図である。図２では、段差の表面１６と、第１分離部１１の内壁面との間のなす角度をα、段差の表面１６と、第２分離部１２の内壁面との間のなす角度をβとしている。図２（Ａ）は、角度α、βがともに９０度である場合を示し、図２（Ｂ）は、角度α、βがともに９０度未満である場合を示している。
　段差の表面１６の角度をこのような角度とすることにより、容器壁近傍における冷媒の流れの方向を下方向から水平方向、または、水平方向よりも上方向に変化させることができる。その結果、冷媒が第１分離部１１内で旋回する時間を長くすることができ、冷媒からの冷凍機油の分離が促進される。なお、以下では、角度α、βがともに９０度である場合について説明する。
　図３は、導入管１３の配置の一例について説明する図である。図３は、導入管１３の管軸１３ａを通る水平面で油分離器１０を切断した場合の断面図を示している。図３に示すように、導入管１３の管軸１３ａの方向は、第１分離部１１の中心方向からずれている。
　そのため、導入管１３から流出した冷媒は、第１分離部１１の内壁面に斜め方向から衝突することになり、これによって冷媒の旋回流が生じる。そして、この旋回流による遠心力の作用により、冷媒に含有されていた冷凍機油が冷媒から分離され、油分離器の内壁面に付着する。
　このような油分離器１０の製造は、非常に容易にできる。具体的には、第１分離部１１内に第２分離部１２を挿入し、第２分離部１２の壁面の上端部を段差の表面１６とすればよい。このような製造方法を採用することにより、装置の低コスト化を実現することができる。
　なお、図１、図３では、導入管１３を横向きに設けることとしたが、縦向きに設けることとしてもよい。この場合、冷媒の旋回流を生じさせるためには、第１分離部１１内において、導入管１３の先端部分を略水平方向に曲げておけばよい。
　つぎに、第１分離部１１の内径と第２分離部１２の内径との関係について、油分離器１０の特性解析の結果に基づいて説明する。図４は、油分離器１０の特性解析に用いられる各パラメータについて説明する図である。
　図４（Ａ）に示すように、第１分離部１１の内径をＤ１（ｍ）、第２分離部１２の内径をＤ２（ｍ）、導出管１４の内径をＤ３（ｍ）とする。また、導入管１３の中心軸の高さから段差の表面１６の高さまでの第１分離部１１における空間内での冷媒の平均下降速度をＶ１（ｍ／ｓ）、段差の表面１６の高さから導出管１４の入口の高さまでの第２分離部１２における空間内での冷媒の平均下降速度をＶ２（ｍ／ｓ）とする。
　また、図４（Ｂ）に示すように、油分離器１０の水平断面において、第１分離部１１の内部領域の面積から導出管１４が占める面積を差し引いた面積をＡ１、第２分離部１２の内部領域の面積から導出管１４が占める面積を差し引いた面積をＡ２、導出管１４が占める面積をＡ３とする。
　この場合、面積Ａ１～Ａ３は、以下のように表される。
　Ａ１＝π（Ｄ１／２）２－π（Ｄ３／２）２　・・・（式１）
　Ａ２＝π（Ｄ２／２）２－π（Ｄ３／２）２　・・・（式２）
　Ａ３＝π（Ｄ３／２）２　・・・（式３）
　また、導入管１３からの冷媒の導入量をＱ（ｍ３／ｓ）とし、導入管１３の中心軸の高さから導出管１４の入口の高さまでの空間内で、冷媒が下方にのみ流れると仮定すると、以下の式が成り立つ。
　Ｑ＝Ａ１Ｖ１＝Ａ２Ｖ２　・・・（式４）
　図４に示すような段差により発生する圧力損失ΔＰｓは、以下の式で見積もることができる。
　ΔＰｓ＝０．５ζρＶ２ ２　・・・（式５）
　ここで、面積Ａ３は面積Ａ１、Ａ２に比べて小さく、冷媒の流れに大きな影響を及ぼさないため、式５では導出管１４の存在を無視している。
　式５において、ζは、面積比Ａ２／Ａ１に応じて変化する損失係数であり、このζは実験的に求められる。具体的には、Ａ２／Ａ１が０、０．０１、０．１、０．２、０．４、０．６、０．８、１．０の場合、各Ａ２／Ａ１の値に対応するζはそれぞれ０．５、０．４４９、０．３７２、０．３７２、０．２９２、０．１８５、０．０９、０となる。
　図５は、式１～５を用いて導出した圧力損失ΔＰｓと比（Ｄ１－Ｄ２）／Ｄ１との間の関係を示す図である。ここで、圧力損失ΔＰｓの算出に当たり、冷媒の密度ρを９０．６ｋｇ／ｍ３とした。これは、摂氏８８．５度における冷媒Ｒ４１０Ａの密度である。また、冷媒の導入量Ｑを０．００１５ｍ３／ｓとした。そして、第２分離部１２の内径Ｄ２を０．０６７ｍ、導出管１４の径Ｄ３を０．０１９ｍに固定し、第１分離部１１の内径Ｄ１を変化させて計算を行った。
　油分離器１０内で発生する圧力損失は数十ｋＰａであり、これに比べると段差により発生する圧力損失ΔＰｓは数Ｐａであるので、無視しうる大きさである。しかし、このわずかな圧力損失の増加が、冷媒の下降を抑制し、第１分離部１１の内部空間における冷媒の旋回流の維持に効果を発揮する。
　これについて説明すると、導入管１３により第１分離部１１の内部空間に導入された冷媒は、第１分離部１１の内壁面に衝突し、内壁面に沿って四方八方に流れる。そして、下方に流れた冷媒は、段差の表面１６に衝突し、表面１６付近の圧力が高くなる。これにより、冷媒の下方への流れが妨げられ、冷媒が第１分離部１１内で長時間旋回することになる。その結果、冷媒からの冷媒機油の分離が促進される。
　さらに、図５から、比（Ｄ１－Ｄ２）／Ｄ１が約０．５を超えた場合に、ΔＰｓのグラフの接線の傾きが急に小さくなることがわかる。すなわち、これ以上比（Ｄ１－Ｄ２）／Ｄ１が大きくなっても圧力損失の大きな増大は見込めない。
　また、比（Ｄ１－Ｄ２）／Ｄ１をさらに大きくすることは、第１分離部１１の内径Ｄ１をさらに大きくするか、第２分離部１２の内径Ｄ２をさらに小さくすることになる。しかし、油分離器１０の幅を狭くする観点から、第１分離部１１の内径Ｄ１は小さくすることが望ましい。また、第２分離部１２内で発生する圧力損失を抑制する観点から、第２分離部１２の内径Ｄ２はそれほど小さくしない方が望ましい。
　よって、第１分離部１１の内径Ｄ１と、第２分離部１２の内径Ｄ２との間の関係は、
　（Ｄ１－Ｄ２）／Ｄ１≦０．５　・・・（式６）
とすること、別の表現を用いれば、
　２≦Ｄ１／（Ｄ１－Ｄ２）　・・・（式７）
とすることが望ましい。
　つぎに、旋回流において生じる遠心力によって、冷凍機油の油滴が容器の半径方向へ移動する運動方程式を模式化して求めた油分離率と、比Ｄ１／（Ｄ１－Ｄ２）との間の関係について説明する。図６は、油分離率と比Ｄ１／（Ｄ１－Ｄ２）との間の関係を示す図である。ここで、油分離率は、村上ら（村上、若本、森本、「サイクロン式油分離器の性能予測」、日本冷凍空調学会論文集、Ｖｏｌ．２２（３）、ｐｐ．３１５－３２４、２００５年９月３０日）により提案された予測手法を用いて、数値実験により求めたものである。
　具体的には、モンテカルロ法を用いて、冷媒機油の油滴の粒径を数十μｍ以内の範囲で決定し、さらに、その油滴が導入管１３の出口のどの位置から導入されるかを決定した。そして、比Ｄ１／（Ｄ１－Ｄ２）を変えながら、油の分離率がどのように変化するかを調べた。ここで、冷媒の密度ρは９０．６ｋｇ／ｍ３、冷媒の導入量Ｑは０．００１５ｍ３／ｓ、第１分離部１１の高さを０．１２ｍ、第２分離部１２の高さを０．２２ｍとした。
　図６をみると、比Ｄ１／（Ｄ１－Ｄ２）が１８以下である場合に、油分離率が急激に増加することがわかる。すなわち、比Ｄ１／（Ｄ１－Ｄ２）は、
　Ｄ１／（Ｄ１－Ｄ２）≦１８　・・・（式８）
の関係を満たすことが望ましい。
　つぎに、段差がある油分離器１０の圧力分布の一例を示す。図７は、段差がある油分離器１０の圧力分布の一例を示す図である。図７は、数値流体解析（ＣＦＤ；Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ　Ｆｌｕｉｄ　Ｄｙｎａｍｉｃｓ）により得られた結果である。
　図中、四角で囲った数値は等圧力線の圧力（Ｐａ）を示している。ここでは、図中の導出管１４の上端面に対し、解析領域の出口境界条件として圧力規定条件を設定し、その上端面での圧力を０（基準圧力）としている。また、図７の例では、導入管１３が縦向きに設けられているが、第１分離部１１内において、導入管１３の先端部分は略水平方向に曲げられている。
　図７からわかるように、段差の表面１６付近での圧力は、その周辺領域の圧力よりも高くなる。そのため、冷媒の流れの方向が下方向から水平方向に変化し、冷媒の下方への流れが妨げられる。
　また、図８は、図７に示した圧力分布の下での冷凍機油の油滴の流線を示す図である。図８は、ＤＰＭ（Ｄｉｓｃｒｅｔｅ　Ｐｈａｓｅ　Ｍｏｄｅｌ）解析により得られた結果である。図８には、段差の表面１６付近における高圧領域の存在により、冷媒の流れの方向が変化する様子が示されている。
　なお、油分離器１０の容積Ｖｏｌを一定とする場合、第１分離部１１の内径Ｄ１は、以下の関係を満足することが望ましい。
　０．０６０（ｍ）≦Ｄ１≦０．０９５（ｍ）　・・・（式９）
　容積Ｖｏｌを一定にすることは、油分離器１０の材料コストがほぼ一定になることを意味する。以下では、この関係の導出について説明する。
　ここでは、油分離器１０の容積Ｖｏｌを０．００１６ｍ３とし、第２分離部１２の内径Ｄ２は、第１分離部１１の内径Ｄ１よりも０．００６ｍだけ小さいものとした。また、第１分離部１１の高さを０．１００ｍとし、導出管１４の内径Ｄ３を０．０１９ｍとした。
　図９は、圧力損失比と第１分離部１１の内径Ｄ１との間の関係を示す図である。圧力損失比とは、Ｄ１が０．０６７ｍの場合の圧力損失ΔＰｔ’に対する圧力損失ΔＰｔの比ΔＰｔ／ΔＰｔ’である。
　ここで、圧力損失ΔＰｔ、ΔＰｔ’は、第１分離部１１における円管内流動で発生する圧力損失と、第２分離部１２における円管内流動で発生する圧力損失とを足し合わせることにより算出される。なお、ここでは、段差等の存在により発生する圧力損失を除いて、圧力損失ΔＰｔ、ΔＰｔ’の評価を行う。
　この場合、圧力損失ΔＰｔは、以下の式により近似できる。
　ΔＰｔ＝（λｈ１／Ｄ１×０．５ρＶ１ ２＋λｈ２／Ｄ２×０．５ρＶ２ ２）　・・・（式１０）
　ここで、ｈ１、ｈ２はそれぞれ、第１分離部１１における導入管１３の中心軸から段差の表面１６までの高さ、第２分離部１２の高さであり、λは管摩擦係数である。
　式１０を用いると、圧力損失ΔＰｔ／ΔＰｔ’は、前述の式４を用いれば、以下の式で算出される。
　ΔＰｔ／ΔＰｔ’
　＝｛ｈ１／Ｄ１×（１／Ａ１）２＋ｈ２／Ｄ２×（１／Ａ２）２｝
　　　／｛ｈ１／Ｄ１×（１／Ａ１）２＋ｈ２／Ｄ２×（１／Ａ２）２｝’　・・・（式１１）
　ここで、｛ｈ１／Ｄ１×（１／Ａ１）２＋ｈ２／Ｄ２×（１／Ａ２）２｝’は、Ｄ１が０．０６７ｍの場合の｛ｈ１／Ｄ１×（１／Ａ１）２＋ｈ２／Ｄ２×（１／Ａ２）２｝の値である。また、Ａ１、Ａ２は、前述の式１、式２により算出される。なお、油分離器１０の容積Ｖｏｌは一定であるため、以下の関係を満足する。
　Ｖｏｌ＝ｈ１Ａ１＋ｈ２Ａ２＝一定　・・・（式１２）
　上記のような関係を用いて圧力損失比ΔＰｔ／ΔＰｔ’を算出した結果が図９に示すものである。図９をみると、Ｄ１が約０．０６０（ｍ）以下である場合に、圧力損失比が急激に増大することがわかる。圧力損失比が大きくなると、冷媒を循環させるため、より吐出能力の高い圧縮機が必要になり、好ましくない。
　そのため、第１分離部１１の内径Ｄ１は、以下の関係を満足することが望ましい。
　０．０６０（ｍ）≦Ｄ１　・・・（式１３）
　また、図１０は、油分離率比と第１分離部１１の内径Ｄ１との間の関係を示す図である。油分離率比とは、Ｄ１が０．０６７ｍの場合の油分離率ＳＯ’に対する油分離率ＳＯの比ＳＯ／ＳＯ’である。油分離器１０のモデルは、図９の場合と同じものである。また、油分離率は、図６の場合と同じ手法を用いて数値実験により求めた。
　図１０をみると、Ｄ１が約０．０９５（ｍ）以上である場合に、油分離率比が急激に減少することがわかる。そのため、第１分離部１１の内径Ｄ１は、以下の関係を満足することが望ましい。
　Ｄ１≦０．０９５（ｍ）　・・・（式１４）
　式１３、式１４により、式９の関係が得られる。
　以上のように、本実施形態によれば、冷凍機油を含有した冷媒の第１分離部１１内での旋回時間を長くし、冷凍機油の分離特性を向上させることができる。
　本開示に係る油分離器は、空気調和装置などに用いられる圧縮機を潤滑するための冷凍機油を含有する冷媒から、その冷凍機油を分離する油分離器に用いるのに好適であり、本開示に係る油分離器の製造方法は、上記のような油分離器の製造に用いるのに好適である。
　１０　油分離器
　１１　第１分離部
　１２　第２分離部
　１３　導入管
　１３ａ　導入管の管軸
　１４　導出管
　１５　排出管
　１６　段差の表面

Claims (3)

  1. 　冷凍機油を含有する冷媒から該冷凍機油を分離する油分離器であって、
    　前記冷媒が旋回可能な第１の内部空間を有する円筒状の第１分離部と、
    　前記第１分離部の下方に配置され、該第１分離部から流出した冷媒が旋回可能な第２の内部空間を有する円筒状の第２分離部と、
    　前記第１分離部内の内壁面に向けて前記冷媒を流出させ、前記第１の内部空間において前記冷媒の旋回流を生じさせる導入管と、
    　前記冷凍機油が分離された冷媒を導出する導出管と、
    　前記冷媒から分離された冷凍機油を、前記第２の内部空間から排出する排出管と、を備え、
    　前記第２分離部は、前記第１分離部の内壁面と前記第２分離部の内壁面上端とを連結して段差を形成する表面を有し、該表面と前記第１分離部の内壁面との間のなす角度が９０度以下であり、かつ、該表面と前記第２分離部の内壁面との間のなす角度が９０度以下である、油分離器。
  2. 　前記第１分離部の内径をＤ１、前記第２分離部の内径をＤ２とした場合に、
    ２≦Ｄ１／（Ｄ１－Ｄ２）≦１８
    の関係を満足する、請求項１記載の油分離器。
  3. 　冷凍機油を含有する冷媒から該冷凍機油を分離する油分離器を製造する製造方法であって、
    　前記油分離器は、
    　前記冷媒が旋回可能な第１の内部空間を有する円筒状の第１分離部と、
    　前記第１分離部の下方に配置され、該第１分離部から流出した冷媒が旋回可能な第２の内部空間を有する円筒状の第２分離部と、
    　前記第１分離部内の内壁面に向かって前記冷媒を流出させ、前記第１の内部空間において前記冷媒の旋回流を生じさせる導入管と、
    　前記冷凍機油が分離された冷媒を導出する導出管と、
    　前記冷媒から分離された冷凍機油を、前記第２の内部空間から排出する排出管と、を備え、
    　前記第２分離部は、前記第１分離部の内壁面と前記第２分離部の内壁面上端とを連結して段差を形成する表面を有し、該表面と前記第１分離部の内壁面との間のなす角度が９０度以下であり、かつ、該表面と前記第２分離部の内壁面との間のなす角度が９０度以下であり、
    　前記第１分離部内に、前記第２分離部を挿入し、該第２分離部の上端面を前記表面とすることにより前記油分離器を製造する製造方法。
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