JP2008045763A - オイルセパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】入口におけるノズルの形状を考慮して、流入する冷媒とオイルの混合流体の流速を上げて、オイル分離能力向上を図ったオイルセパレータを提供する。
【解決手段】遠心分離式のオイルセパレータ１０において、入口１２におけるノズル１２ａの形状を、等エントロピー変化可能な形状とする。これにより、冷媒とオイルとの混合流体がこのノズル１２ａを通過する際、混合流体を断熱的に膨張させて、前記混合流体の圧力エネルギーを流速エネルギーに変換して流速を加速し、入口−出口間の圧力降下量を抑制して、エネルギーロスを抑制し、オイル分離性能向上が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷媒中に混入しているオイルを遠心力で分離回収する遠心分離式のオイルセパレータに関するものである。

従来のオイルセパレータには、冷媒中に混入しているオイルを遠心力で分離回収する遠心分離式のものがある。

特開平１１−１７３７０６号公報

この文献にかかるオイルセパレータでは、冷凍機油の油分離効率を向上させ、冷凍機油を圧縮機吸入管に戻し、油戻し配管に、気相冷媒が流入することなく、油戻し配管を簡素化するために、下部鏡板の内壁面に、自由動作することができるボール弁を設け、下部鏡板の底部中央部と油戻し配管との間にオリフィスを設けるとしている。
これによって、圧縮機運転状況に応じ、また、遠心分離された冷凍機油の停留量に従って、ボール弁が開閉することができるので、冷凍サイクル内に冷凍機油の流入を防ぎ、また、冷凍機油の遠心分離効率を高めることができ、油戻し配管に冷媒回路部品を取り付けることなく、簡素化した油戻し配管を設けることができるとしている。
また、例えば、

特開２００２−２１３８４３号公報

この文献にかかるオイルセパレータでは、油分離効率の向上と、圧損低減を図るために、本体容器の上部をめがね形状に絞り加工した、めがね加工部と、めがね加工部の一方の側に挿入して、吹き込み方向が水平・円周方向になるようにした入口管およびめがね加工部の他方の側に挿入した出口管とにより冷媒出入口管部とにより構成したというものである。

さらに、図５に示すオイルセパレータ１では、本体容器２に連通する入口管３に設けた絞り部３ａ（図６参照）により冷媒とオイルの混合流体を加速させ、分離部の旋回径を小さくすることで、旋回部流体（オイルの混在する冷媒）の遠心力差を大きくし、オイル分離性能を向上させていた。

しかしながら、上記オイルセパレータ１では、油分離効率を高めるために、入口管３に設けた絞り部３ａは、冷媒とオイルの混合流体を通過する通路の断面積が、図７、図８に示すように、通路中途に設けたオリフィスＯによって急激に狭まっているため、混合流体がオリフィスＯを通過する過程で、圧損が生じ、オイル分離性能を低下させていた。
本発明はこのような課題を改善するために提案されたものであって、エネルギーロスを抑制し、旋回部流体の遠心力差を大きくしてオイル分離能力向上を図ったオイルセパレータを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明における請求項１のオイルセパレータでは、冷媒とオイルとの混合流体を、入口１２を介して本体容器１１に導入して、混合流体からオイルを分離する際、前記入口１２に、混合流体導入側の開口寸法Ｌ１と、前記本体容器１１に至る混合流体吐出側の開口寸法Ｌ２とを異ならせて構成した、等エントロピー変化可能な形状のノズル１２ａを設けたことにより、前記混合流体がこのノズル１２ａを通過する際、混合流体を断熱的に膨張させることができ、前記混合流体の圧力エネルギーを流速エネルギーに変換することにより流速が加速され、入口−出口間の圧力降下量を抑制して、エネルギーロスを抑制し、分離性能向上が可能となる。

ここで、上記等エントロピー変化可能な形状とは、入口１２のノズル１２ａを通過する混合流体が、断熱変化によって、ノズル１２ａ通過前後の断熱熱落差の所定度合い以上を流速エネルギーに変換することができる形状をいう。

また、本発明における請求項２のオイルセパレータでは、前記ノズル１２ａは、等エントロピー変化可能な形状として、先細形状としたことにより、前記ノズル１２ａを通過する混合流体の流速を増大化することができ、圧力損失を抑えて、分離性能向上を図ることができる。

また、本発明における請求項３のオイルセパレータでは、前記ノズル１２ａは、等エントロピー変化可能な形状として、ラバル形状としたことにより、前記ノズル１２ａを通過する混合流体の流速を増大化することができ、圧力損失の低下を抑制して、分離性能向上を図ることができる。

また、本発明における請求項４のオイルセパレータでは、前記ノズル入口形状および／またはノズル出口形状を円形状とする構成としたことにより、圧力損失の低下を抑制して、分離性能向上を図ることができる。

また本発明における請求項５のオイルセパレータでは、前記ノズル入口形状および／またはノズル出口形状を楕円形状とする構成としたことにより、圧力損失の低下を招くことはなく、分離性能向上を図ることができる。

さらに本発明における請求項６のオイルセパレータでは、前記ノズル入口形状および／またはノズル出口形状を方形状とする構成としたことにより、圧力損失の低下を招くことはなく、分離性能向上を図ることができる。

本発明によれば、オイルセパレータでの圧力差を、従来のオイルセパレータと同等に保ちつつ、等エントロピー変化可能な形状のノズルによって、ノズル出口での流入流体の流速が増大し、分離部での分離性能向上が可能となる。

以下、本発明にかかるオイルセパレータにつき、一つの実施の態様を示し、添付の図面に基づいて説明する。
図１に、オイルセパレータ１０と、それが適用される冷凍サイクルを模式的に示す。図２は、オイルセパレータ１０の遠心分離室としての流体導入部１３の断面であって、図１におけるＢ−Ｂ断面を示す。

図１に示す冷凍サイクルにおいては、オイルセパレータ１０を、冷媒を圧縮する圧縮機の吐出側である高圧経路に設置している。
オイルセパレータ１０で分離され、溜められたオイルは、圧縮機５に戻され、その内部を潤滑する。オイルセパレータ１０から流出した冷媒は、放熱器６で放熱する。放熱器６を出た冷媒は、減圧器７を通って低圧経路に流される。冷媒は、蒸発器８で吸熱し、再び圧縮機５に吸入され、圧縮される。

オイルセパレータ１０は、内径略同径の気液分離部を構成する本体容器１１と、冷媒とオイルとの混合流体を導入する入口１２とを有する。
この入口１２は、本体容器１１の図中、頂部側に設けた流体導入部１３に連通している。この流体導入部１３には、混合流体からオイルを分離した後の冷媒を取り出す冷媒出口１４を設けている。流体導入部１３は、円形の内部空間を有しており、入口１２は、その内部空間の周壁の接線方向に冷媒を導入するように設けている。入口１２に設けたノズル１２ａの中心軸は、流体導入部１３の内周壁面の接線とほぼ平行に位置づけている。この結果、冷媒は、流体導入部１３内で旋回流を形成する（図２参照）。
そして、本体容器１１の底部には、混合流体から分離したオイルを取り出すオイル戻し口１５を設けている。

本体容器１１は、外形略円筒形状のものであり、流体導入部１３から混合流体を導入して、加速された速度で、内壁に沿ってスワール状に下降流を生じさせるようにしている。これによって、混合流体中のオイルが遠心力によって内壁側に押し付けられ、さらに重力によって、本体容器１１の内壁を伝って、本体容器１１の底部のオイル戻し口１５にもたらしてオイルを回収するようにしている。

次に、入口１２は、入口側である混合流体導入側の断面寸法と、出口側である流体導入部１３（後述）に対して開口する開口寸法とを変化させたノズル１２ａを備えている。
このようなノズル１２ａに混合流体を通過させることで、混合流体の流速を増大化させている。そのために、ノズル１２ａの形状は、以下の形状が考えられる。この形状としては、入口１２から流体導入部１３に流入する際の混合流体の損失を抑えた、等エントロピー変化可能な形状であればよい。これは、等エントロピー変化によって混合流体を減圧膨張し、混合流体の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して、混合流体の流速の増大化を図るためである。

先ず、入口１２は、図３、図４に示すように、ノズル形状を、等エントロピー変化可能なノズルとして、断面先細形状とすることができる（図３、図４参照）。
図３の形状では、ノズル１２ａは、入口側の開口寸法Ｌ1に比較して、出口側の開口寸法Ｌ２を小として暫時縮小する、テーパー形状としている。
図３は、（Ａ）に入口１２の長手方向に沿った断面図を示し、（Ｂ）に入口１２の入口開口端寄りの、（Ａ）で示すＣ−Ｃ断面を図示し、（Ｃ）に出口側寄りの、（Ａ）で示すＤ−Ｄ断面図を示している。入口１２には、入口としての通路が貫通して形成されている。入口１２の上流端は、円形の開口をもち、冷媒が導入される。入口１２の下流端は、ノズル１２ａの出口としての扁平な開口をもつ。図３には、扁平開口として、楕円形の開口が図示されている。扁平な開口は、その長手方向が、遠心分離室としての導入部１３の軸方向に一致するように、あるいはわずかに傾斜して位置づけられるように配置される。入口１２内には、上流端開口から延びる円形断面の流路と、下流端開口へ向けて延びる円錐状のノズル１２ａとが形成される。ノズル１２ａは、円形断面の上流端から、楕円形の下流端へ向けて、徐々に、かつ滑らかに断面積が絞られていく。ノズル１２ａより上流側に設けられた流路も扁平断面に形成してもよい。

一方、図４の形状では、ノズル１２ａは、入口側の開口寸法Ｌ１が、中途箇所まで急すぼまりして、出口側の開口寸法Ｌ２と同径とし、出口端に至る形状としている。
なお、これら開口寸法Ｌ1、開口寸法Ｌ２は、導入する混合流体の状態、流入速度、吐出速度を勘案して、周知の手段によって導き出すことができる。

さらに、入口１２は、等エントロピー変化可能なノズルとして、ラバル形状とすることができる（図５参照）。
この場合、入口１２のノズル１２ａでは、図４に示すように、入口側の開口寸法Ｌ１が、中途箇所まで急すぼまりしてスロート部Ｔｈとし、しかる後、出口側端部まで径が拡開して開口寸法Ｌ１に比較して大な、出口側の開口寸法Ｌ２としている。
なお、この場合のラバル形状を決める各寸法も、周知のエネルギー式から求め、決定することができる。

そして、入口１２は、図示は省略するが、ノズル１２ａの入口側および出口側の開口形状として、円形状、または楕円形状が可能であり、さらには四辺形状も可能である。

次に、以上のような構成のオイルセパレータ１０における作用を説明する。
冷媒とオイルとの混合流体は、入口１２を介し流体導入部１３に至り、混合流体からオイルが分離した冷媒を冷媒出口１４から取り出すことができる。
混合流体がノズル１２ａを通過する際、ノズル１２ａは、等エントロピー変化可能な断面先細形状としているので、混合流体は、通過するうちに減圧膨張し、混合流体の圧力エネルギーは速度エネルギーに変換されて流速が増大化し、混合流体は、流速が増大化した状態で流体導入部１３に吐出される。

混合流体は、流体導入部１３において、増大化した流速で旋回流となり（図２参照）、遠心力により混合流体からオイルが分離されて、冷媒が流体導入部１３上部の冷媒出口１４から取り出される一方、さらに、混合流体は、旋回流として流体導入部１３から、より内径の大きい本体容器１１側に至る。

混合流体は、本体容器１１において、加速された速度で内壁に沿ってスワール状に旋回下降していき、これによって、混合流体中に残存するオイルは、遠心力によって内壁側に押し付けられ、さらに重力によって、本体容器１１の内壁を伝って、本体容器１１の底部のオイル戻し口１５に至り、オイルを回収することができる。

また、入口１２のノズル１２ａが、等エントロピー変化可能な形状として、ラバル形状とした場合においても、入口１２のノズル１２ａを通過する際、混合流体は断熱的に減圧膨張して、混合流体の圧力エネルギーは速度エネルギーに変換されて、混合流体は、流速が増大化して流体導入部１３に吐出される。
この際、ノズル１２ａを通過する混合流体は、中途箇所のスロート部Ｔｈに至るまで流速が増大し、スロート部Ｔｈを通過した後は、開口寸法Ｌ２の出口側端部まで径が拡開している通路を通過するので、さらに流速が増大化し、流体導入部１３に吐出されるのである。

なお、入口１２のノズル１２ａの入口側および出口側の開口形状は、円形状、または楕円形状であってもよいし、さらには四辺形形状であっても、上述した作用は変わらず、混合流体の圧力エネルギーは速度エネルギーに変換されて、混合流体は、流速が増大化した状態で流体導入部１３に吐出する作用は変わらず、オイル分離能力向上を達成することができる。

以上のように、入口におけるノズルにオリフィスを設けるのではなく、等エントロピー変化可能な（断熱変化可能な）形状に設定することで、圧損が生じ、オイル分離性能を低下させることはなく、流入する冷媒とオイルの混合流体の流速を上げて、エネルギーロスを抑制し、旋回部流体の遠心力差を大きくしてオイル分離能力向上を図ることができる。

本発明にかかるオイルセパレータを用いて示した冷凍サイクルの一例を示す図である。 図１に示すオイルセパレータのＢ−Ｂ線に沿って切断して見た切断矢視図である。 図１に示すオイルセパレータにおける、入口管のノズル形状の一例を示す図であって、（Ａ）は、入口管の長手方向に沿った切断断面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＣ−Ｃ線に沿って切断して見た切断矢視図、（Ｃ）は（Ａ）におけるＤ−Ｄ線に沿って切断して見た切断矢視図である。 図１に示すオイルセパレータにおける、入口のノズル形状の別例を示す図である。 図１に示すオイルセパレータにおける、入口のノズル形状の別例を示す図である。 従来のオイルセパレータの一例を示す、一部断面説明図である。 図６に示す、オイルセパレータのＡ方向から見た、要部拡大説明図である。 図６に示す、オイルセパレータの入口に設けた絞り部の断面形状を示した、模式的説明図である。 図６に示す、オイルセパレータの絞り部におけるオリフィスの開口形状を示した、模式的説明図である。

符号の説明

１０ オイルセパレータ
１１ 本体容器
１２ 入口
１２ａ ノズル
１３ 流体導入部
１４ 冷媒出口
１５ オイル戻し口
Ｌ１，Ｌ２ 開口寸法
Ｔｈ スロート部

Claims (6)

1. 気液分離部を構成する本体容器（１１）と、冷媒とオイルとの混合流体を導入する入口（１２）と、混合流体からオイルを分離した後の冷媒を取り出す冷媒出口（１４）と、混合流体から分離したオイルを取り出すオイル戻し口（１５）とを設けたオイルセパレータ（１０）において、
   前記入口（１２）は、混合流体導入側の開口寸法（Ｌ１）と、前記本体容器（１１）に至る混合流体吐出側の開口寸法（Ｌ２）とを異ならせて構成した、等エントロピー変化可能な形状のノズル（１２ａ）を備えたことを特徴とするオイルセパレータ。
2. 前記ノズル（１２ａ）は、等エントロピー変化可能な形状として、先細形状としたことを特徴とする請求項１記載のオイルセパレータ。
3. 前記ノズル（１２ａ）は、等エントロピー変化可能な形状として、ラバル形状としたことを特徴とする請求項１記載のオイルセパレータ。
4. 前記ノズル入口形状および／またはノズル出口形状を円形状とする構成としたことを特徴とする請求項１記載のオイルセパレータ。
5. 前記ノズル入口形状および／またはノズル出口形状を楕円形状とする構成としたことを特徴とする請求項１記載のオイルセパレータ。
6. 前記ノズル入口形状および／またはノズル出口形状を方形状とする構成としたことを特徴とする請求項１記載のオイルセパレータ。

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