JP2019086232A - 冷凍機 - Google Patents
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Abstract
【課題】圧縮機、凝縮器、膨張器、蒸発器及び、これらを順次接続する配管を有する冷凍サイクルを備える冷凍機の騒音を抑制する。【解決手段】圧縮機、凝縮器、膨張器、蒸発器及び、これらを順次接続する配管12を有する冷凍サイクルと、配管12に一端14aが接続されて内部に空間を形成する空間形成部14、及び、空間形成部14の他端に一体に固定されて空間形成部14よりも固有振動数の小さい振動体20を有する音響デバイス13と、を備える冷凍機を提供する。【選択図】図3
Description
本発明は、冷凍機に関する。
冷凍機は、電気電子関連工場のようなクリーンルームを有する工場空調や、地域冷暖房などの用途に幅広く使用されている熱源機器である。冷凍機は、遠心圧縮機、凝縮器、蒸発器といった構成機器を近傍に配置して一体とし、ユニット化されたものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
冷凍機の高効率化に伴い、冷凍機から発生する騒音の増大が課題となっている。冷凍機から発生する騒音の原因は、機械的な誘因による騒音と、流体的な誘因による騒音の2種類に大別される。
機械的な誘因による騒音は、遠心圧縮機やポンプが作動する時に発生する、ブレードの動きやディフューザの羽枚数などによる周期的な流量変動によるものである。この周期的な流量変動により圧力脈動が生じ、これによりNZ音と呼ばれる騒音が発生する。
機械的な誘因により発生する騒音は、特徴的かつ単一の周波数特性となる性質が有り、冷凍機内部の配管等の音響固有値と共鳴し、音が増幅されることが知られている。
機械的な誘因により発生する騒音は、特徴的かつ単一の周波数特性となる性質が有り、冷凍機内部の配管等の音響固有値と共鳴し、音が増幅されることが知られている。
この発明は、圧縮機、凝縮器、膨張器、蒸発器及び、これらを順次接続する配管を有する冷凍サイクルを備える冷凍機において、騒音を抑制することができる冷凍機を提供することを目的とする。
本発明の第一の態様によれば、冷凍機は、圧縮機、凝縮器、膨張器、蒸発器及び、これらを順次接続する配管、及び、吐出配管を有する冷凍サイクルと、前記配管に一端が接続されて内部に空間を形成する空間形成部、及び、前記空間形成部の他端に一体に固定されて前記空間形成部よりも固有振動数の小さい振動体を有する音響デバイスと、を備える。
このような構成によれば、音響デバイスを配管に取り付けることによって、冷凍機を構成する圧縮機、凝縮器、膨張器、蒸発器及び、配管のうち少なくとも一つの構成要素のNZ音が配管内の空間の音響固有値と共鳴することによって生じる騒音を低減することができる。また、音響デバイスが、固有振動数の小さい振動体を有し、この振動体が音響エネルギーを構造振動エネルギーに変換させることによって、音響デバイスの小型化を図ることができる。
上記冷凍機において、前記音響デバイスは、前記空間形成部の一端と前記配管の流路との境界に配置された多孔板を有してよい。
このような構成によれば、冷凍機を構成する圧縮機、凝縮器、膨張器、蒸発器及び、配管のうち少なくとも一つの構成要素の音響インピーダンスを調整して、騒音と共鳴する可能性がある、特定周波数の音響インピーダンスの発生を抑制することができる。
上記冷凍機において、前記空間形成部は、筒状の本体部と、前記本体部の他端に設けられたフタ部と、を有し、前記振動体は、前記フタ部と一体に固定されてよい。
このような構成によれば、本体部の長さ、多孔板の開口率などを調整して、音響インピーダンスを調整することができる。
上記冷凍機において、前記空間形成部は、前記空間形成部の一端側をなす筒状の筒部と、前記筒部の他端に接続され、前記筒部の体積よりも大きな体積である容器部と、を有し、前記筒部の内部空間と前記容器部の内部空間とは連通しており、前記振動体は、前記容器部と一体に固定されてよい。
このような構成によれば、音響デバイスの容器部の体積を調整して、冷凍機を構成する圧縮機、凝縮器、膨張器、蒸発器及び、配管のうち少なくとも一つの構成要素の音響インピーダンスを調整することができる。
本発明によれば、音響デバイスを配管に取り付けることによって、冷凍機を構成する圧縮機、凝縮器、膨張器、蒸発器及び、配管のうち少なくとも一つの構成要素のNZ音が配管内の空間の音響固有値と共鳴することによって生じる騒音を低減することができる。また、音響デバイスが、固有振動数の小さい振動体を有し、この振動体が音響エネルギーを構造振動エネルギーに変換させることによって、音響デバイスの小型化を図ることができる。
〔第一実施形態〕
以下、本発明の第一実施形態の冷凍機について図面を参照して詳細に説明する。
図1に示すように、本実施形態の冷凍機1は、冷媒Wを圧縮する圧縮機2と、圧縮機2によって圧縮された冷媒Wを冷却水によって凝縮する凝縮器3と、凝縮器3からの冷媒Wを減圧する膨張器である第一膨張弁4と、第一膨張弁4からの冷媒Wを気液二相に分離するエコノマイザ6(気液分離器)と、を備えている。
以下、本発明の第一実施形態の冷凍機について図面を参照して詳細に説明する。
図1に示すように、本実施形態の冷凍機1は、冷媒Wを圧縮する圧縮機2と、圧縮機2によって圧縮された冷媒Wを冷却水によって凝縮する凝縮器3と、凝縮器3からの冷媒Wを減圧する膨張器である第一膨張弁4と、第一膨張弁4からの冷媒Wを気液二相に分離するエコノマイザ6(気液分離器)と、を備えている。
また、冷凍機1は、エコノマイザ6からの気相W1を、圧縮機2内へ流入可能とする流入路8と、エコノマイザ6からの液相を再度減圧する第二膨張弁5と、第二膨張弁5からの冷媒Wを蒸発させる蒸発器7とを備えている。
凝縮器3の気相部と蒸発器7の気相部との間には、ホットガスバイパス管9が設けられている。ホットガスバイパス管9には、ホットガスバイパス管9内を流れる高温冷媒ガスの流量を制御するためのホットガスバイパス弁10が設けられている。
冷凍機1は、圧縮機2と凝縮器3と第一膨張弁4と第二膨張弁5と蒸発器7を順次接続する配管12を有する冷凍サイクル11を有している。具体的には、圧縮機2と凝縮器3とを接続する配管12aと、凝縮器3とエコノマイザ6とを接続する配管12bと、エコノマイザ6と蒸発器7とを接続する配管12cと、蒸発器7と圧縮機2とを接続する配管12dとを有している。配管12は、冷媒Wが流通する流路である。
冷媒Wは、例えば、代替フロンのR134a(ハイドロフルオロカーボン)等が用いられる。
圧縮機2と凝縮器3とを接続する配管12aには、圧縮機2で発生する騒音を低減する音響デバイス13が設けられている。
冷媒Wは、例えば、代替フロンのR134a(ハイドロフルオロカーボン)等が用いられる。
圧縮機2と凝縮器3とを接続する配管12aには、圧縮機2で発生する騒音を低減する音響デバイス13が設けられている。
圧縮機2は、遠心式の二段圧縮機であり、電源からの入力周波数を変更するインバータにより回転数制御された電動モータ(図示せず)によって駆動されている。
凝縮器3は、圧縮機2で圧縮された冷媒Wを冷却水等によって熱交換させることで冷却し、液体の状態とする装置である。例えば、凝縮器3は、シェルアンドチューブ式の熱交換器である。
凝縮器3は、圧縮機2で圧縮された冷媒Wを冷却水等によって熱交換させることで冷却し、液体の状態とする装置である。例えば、凝縮器3は、シェルアンドチューブ式の熱交換器である。
第一膨張弁4は、凝縮器3からの液体の冷媒Wを断熱膨張して減圧し、液体の一部を蒸発させることによって、冷媒Wを気液二相の状態とする膨張器である。
エコノマイザ6は、第一膨張弁4において気液二相の状態とされた冷媒Wを気相W1と液相とに分離する装置である。
エコノマイザ6は、第一膨張弁4において気液二相の状態とされた冷媒Wを気相W1と液相とに分離する装置である。
流入路8は、エコノマイザ6によって気液二相の冷媒Wから分離された気相W1を、圧縮機2に流入させる流路である。
第二膨張弁5は、第一膨張弁4と同様に、エコノマイザ6で気相W1が分離されて、液相のみとなった冷媒Wを断熱膨張して減圧するものである。なお、本実施形態の冷凍機1では、膨張弁を用いて冷媒Wを減圧する構成としているがこれに限ることはなく、他の手段を用いて冷媒Wを減圧してもよい。
蒸発器7は、第二膨張弁5からの冷媒Wを水等との間で熱交換して蒸発させ、飽和蒸気の状態とするものである。
第二膨張弁5は、第一膨張弁4と同様に、エコノマイザ6で気相W1が分離されて、液相のみとなった冷媒Wを断熱膨張して減圧するものである。なお、本実施形態の冷凍機1では、膨張弁を用いて冷媒Wを減圧する構成としているがこれに限ることはなく、他の手段を用いて冷媒Wを減圧してもよい。
蒸発器7は、第二膨張弁5からの冷媒Wを水等との間で熱交換して蒸発させ、飽和蒸気の状態とするものである。
図2に示すように、音響デバイス13は、圧縮機2と凝縮器3とを接続する配管12aに設けられている消音器である。音響デバイス13は、配管12aに一端14aが接続されて内部に空間を形成する空間形成部14、及び、空間形成部14の他端14bに一体に固定されている振動体20(音響マテリアル)を有している。
圧縮機2が作動する際、インペラの回転や、ディフューザの羽根枚数等により周期的な流動変動が生じる。この周期的な流量変動により圧力脈動が生じ、これによりNZ音と呼ばれる騒音が発生する。
この様な機械的な原因により発生するNZ音は、特徴的かつ単一の周波数特性となる性質が有り、冷凍機1の配管12等の音響インピーダンスと共鳴することがある。即ち、NZ音は、図2に二点鎖線で示すような音響モードMとなり、増幅されることが知られている。
この様な機械的な原因により発生するNZ音は、特徴的かつ単一の周波数特性となる性質が有り、冷凍機1の配管12等の音響インピーダンスと共鳴することがある。即ち、NZ音は、図2に二点鎖線で示すような音響モードMとなり、増幅されることが知られている。
音響モードMは、腹M1と節M2とを有している。腹M1は、音響エネルギー(振幅)が最大となる位置であり、節M2は、音響エネルギー(振幅)が略ゼロとなる位置である。
音響デバイス13は、音響モードMの腹M1の位置に取り付けられている。換言すれば、音響デバイス13は、配管12内に発生する音の音響エネルギーが最大となる位置に取り付けられている。
音響デバイス13は、音響モードMの腹M1の位置に取り付けられている。換言すれば、音響デバイス13は、配管12内に発生する音の音響エネルギーが最大となる位置に取り付けられている。
図3に示すように、空間形成部14は、有底円筒形状をなしており、内部が音波の干渉により音を低減する共鳴空間Sとなっている。
空間形成部14は、円筒状の音響デバイス本体部16と、音響デバイス本体部16の他端に設けられた板状をなすフタ部17と、を有している。音響デバイス本体部16の形状はこれに限ることはなく、角筒形状としてもよい。音響デバイス13の中心軸Asと、配管12の中心軸Ad(図2参照)とは、略直交している。
空間形成部14は、円筒状の音響デバイス本体部16と、音響デバイス本体部16の他端に設けられた板状をなすフタ部17と、を有している。音響デバイス本体部16の形状はこれに限ることはなく、角筒形状としてもよい。音響デバイス13の中心軸Asと、配管12の中心軸Ad(図2参照)とは、略直交している。
音響デバイス本体部16の一端14aには、音響デバイス本体部16の中心軸Asの径方向に突出するフランジ部18が形成されている。音響デバイス13は、フランジ部18を介して配管12に固定されている。
空間形成部14は、例えば、SUS316等のステンレス鋼によって形成されている。空間形成部14を形成する材料は、SUS316に限ることはなく、所定の金属を適宜選択することができる。
空間形成部14は、例えば、SUS316等のステンレス鋼によって形成されている。空間形成部14を形成する材料は、SUS316に限ることはなく、所定の金属を適宜選択することができる。
振動体20は、空間形成部14のフタ部17と略同形状の板状をなす部材である。振動体20は、振動体20の主面と、フタ部17の主面とが面接触するように固定されている。
振動体20は、例えば、溶接によって空間形成部14のフタ部17に固定されている。振動体20の固定方法は、溶接に限ることはなく、例えば、ネジのような締結部材を用いてもよい。また、振動体20を接着剤を用いて固定してもよい。
振動体20は、例えば、溶接によって空間形成部14のフタ部17に固定されている。振動体20の固定方法は、溶接に限ることはなく、例えば、ネジのような締結部材を用いてもよい。また、振動体20を接着剤を用いて固定してもよい。
振動体20は、空間形成部14よりも固有振動数が小さくなるように形成されている。換言すれば、振動体20は、空間形成部14よりも配管12より伝達される音響エネルギーを構造振動エネルギーに変換しやすい。振動体20は、軽く、軟らかく、振動が大きくなる構造とされている。
振動体20は、例えば、マグネシウム合金のような、空間形成部14を構成する金属(SUS316)よりもヤング率が小さく、かつ、密度が低い金属によって形成されている。
振動体20は、例えば、マグネシウム合金のような、空間形成部14を構成する金属(SUS316)よりもヤング率が小さく、かつ、密度が低い金属によって形成されている。
なお、上記実施形態では、振動体20を形成する金属をマグネシウム合金としたがこれに限ることはない。例えば、アルミニウム等、空間形成部14を形成する金属よりもヤング率が小さく、かつ、密度が低い金属を採用してもよい。
即ち、音響デバイス13の固有振動数は、振動体20によって調整することができる。音響デバイス13の固有振動するを調整するためのパラメータは、
(1)振動体20のヤング率E
(2)振動体20の密度ρ
(3)振動体20の板厚t
である。
また、振動体20の形状は板状に限ることはなく、例えば、円柱状などとしてもよい。また、振動体を中空部材によって形成してもよい。
即ち、音響デバイス13の固有振動数は、振動体20によって調整することができる。音響デバイス13の固有振動するを調整するためのパラメータは、
(1)振動体20のヤング率E
(2)振動体20の密度ρ
(3)振動体20の板厚t
である。
また、振動体20の形状は板状に限ることはなく、例えば、円柱状などとしてもよい。また、振動体を中空部材によって形成してもよい。
上記実施形態によれば、音響デバイス13を配管12に取り付けることによって、冷凍機1を構成する圧縮機2のNZ音が配管12内の空間の音響固有値と共鳴することによって生じる騒音を低減することができる。また、音響デバイス13が、固有振動数の小さい振動体20を有し、この振動体が音響エネルギーを構造振動エネルギーに変換させることによって、音響デバイス13の小型化を図ることができる。
また、振動体20を交換することによって、音響デバイス13の固有振動数を変更することができる。
また、音響デバイス13がフランジ部18を介して配管12に接続されていることによって、音響デバイス13を容易に交換、メンテナンスすることができる。
また、音響デバイス13がフランジ部18を介して配管12に接続されていることによって、音響デバイス13を容易に交換、メンテナンスすることができる。
なお、上記実施形態では、圧縮機2と凝縮器3との間の配管12aに音響デバイス13を設置したがこれに限ることはない。例えば、音響デバイス13を凝縮器3と蒸発器7との間の配管12b、12c、蒸発器7と圧縮機2との間の配管12d、ホットガスバイパス管9に配置してもよい。
また、音響デバイス13を不要な流体を吐出する吐出配管に配置してもよい。
また、音響デバイス13を不要な流体を吐出する吐出配管に配置してもよい。
また、音響デバイス13の数は一つに限ることはない。即ち、音響デバイス13は、冷凍サイクル11を構成する構成要素(圧縮機2、凝縮器3、膨張器4,5、蒸発器7及び、配管12)のうち少なくとも一つに取り付けることができる。例えば、音響デバイス13を全ての配管12に取り付けてもよいし、一つの配管12に二つ取り付けてもよい。
〔第二実施形態〕
以下、本発明の第二実施形態の冷凍機について図面を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態では、上述した第一実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
図4に示すように、本実施形態の音響デバイス13Bは、空間形成部14の一端14aと配管12の流路との境界に配置された多孔板15を有している。
以下、本発明の第二実施形態の冷凍機について図面を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態では、上述した第一実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
図4に示すように、本実施形態の音響デバイス13Bは、空間形成部14の一端14aと配管12の流路との境界に配置された多孔板15を有している。
多孔板15は、空間形成部14の一端14aにおける気流乱れを抑制するためのものである。
多孔板15は、空間形成部14の一端14aに設けられている。多孔板15の主面は、音響デバイス本体部16の中心軸Asと略直交している。多孔板15には、複数の円形の貫通孔19が規則的に配置されている。貫通孔19の形状は、円形に限ることはなく、矩形状でもよいし、スリット状でもよい。
多孔板15は、空間形成部14の一端14aに設けられている。多孔板15の主面は、音響デバイス本体部16の中心軸Asと略直交している。多孔板15には、複数の円形の貫通孔19が規則的に配置されている。貫通孔19の形状は、円形に限ることはなく、矩形状でもよいし、スリット状でもよい。
本実施形態の冷凍機1は、音響デバイス13の、長さL(図4参照)、多孔板15の貫通孔19の孔径φ、多孔板15の開口率σ(多孔板15の面積当たりの貫通孔19の面積の割合)を調整して配管12から凝縮器3との間の境界を、Z=ρc境界とすることができる。
ここでZ=ρc境界とは、音響インピーダンスZを密度ρ、音速cで表したパラメータを用いて、境界における音響インピーダンスZを合致させて音の反射を無反射とする境界である。
ここでZ=ρc境界とは、音響インピーダンスZを密度ρ、音速cで表したパラメータを用いて、境界における音響インピーダンスZを合致させて音の反射を無反射とする境界である。
上記実施形態によれば、冷凍機1を構成する圧縮機2のNZ音と共鳴する可能性がある、配管12の特定周波数の音響インピーダンスの発生を抑制することができる。これにより、騒音レベルを低減することができる。
また、音響デバイス13(音響デバイス本体部16)の長さL、多孔板15の貫通孔19の孔径φ、多孔板15の開口率σを調整して、配管12の音響インピーダンスを調整することができる。
〔第三実施形態〕
以下、本発明の第三実施形態の冷凍機について図面を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態では、上述した第一実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
図5に示すように、第三実施形態の音響デバイス13Cは、空間形成部14の形状が第一実施形態の音響デバイス13と異なっている。本実施形態の空間形成部14Cは、空間形成部14Cの一端側(配管12と接続されている側)をなす筒部21と、筒部21の他端に接続され、筒部21の体積よりも大きな体積である容器部22と、を有している。
本実施形態の音響デバイス13Cは、容器部22の内部にある空気がばねとしての役割を果たすヘルムホルツ共鳴器として機能する。
以下、本発明の第三実施形態の冷凍機について図面を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態では、上述した第一実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
図5に示すように、第三実施形態の音響デバイス13Cは、空間形成部14の形状が第一実施形態の音響デバイス13と異なっている。本実施形態の空間形成部14Cは、空間形成部14Cの一端側(配管12と接続されている側)をなす筒部21と、筒部21の他端に接続され、筒部21の体積よりも大きな体積である容器部22と、を有している。
本実施形態の音響デバイス13Cは、容器部22の内部にある空気がばねとしての役割を果たすヘルムホルツ共鳴器として機能する。
筒部21は、円筒状をなしている。筒部21は円筒状に限らず、角筒状としてもよい。
容器部22は、筒部21の直径よりも大きな直径を有する樽形状をなしている。容器部22の形状はこれに限ることはなく、筒部21の体積よりも大きければよい。例えば、容器部22は、球形状としてよい。筒部21の内部空間と容器部22の内部空間とは連通している。
容器部22は、筒部21の直径よりも大きな直径を有する樽形状をなしている。容器部22の形状はこれに限ることはなく、筒部21の体積よりも大きければよい。例えば、容器部22は、球形状としてよい。筒部21の内部空間と容器部22の内部空間とは連通している。
上記実施形態によれば、音響デバイス13Bの容器部22の体積Vを調整して、配管12の音響インピーダンスを調整することができる。
以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
1 冷凍機
2 圧縮機
3 凝縮器
4 第一膨張弁
5 第二膨張弁
6 エコノマイザ
7 蒸発器
8 流入路
9 ホットガスバイパス管
10 ホットガスバイパス弁
11 冷凍サイクル
12 配管
13,13B 音響デバイス
14,14B 空間形成部
14a 一端
14b 他端
15 多孔板
16 音響デバイス本体部(本体部)
17 フタ部
18 フランジ部
19 貫通孔
20 振動体
21 筒部
22 容器部
S 共鳴空間
W 冷媒
2 圧縮機
3 凝縮器
4 第一膨張弁
5 第二膨張弁
6 エコノマイザ
7 蒸発器
8 流入路
9 ホットガスバイパス管
10 ホットガスバイパス弁
11 冷凍サイクル
12 配管
13,13B 音響デバイス
14,14B 空間形成部
14a 一端
14b 他端
15 多孔板
16 音響デバイス本体部(本体部)
17 フタ部
18 フランジ部
19 貫通孔
20 振動体
21 筒部
22 容器部
S 共鳴空間
W 冷媒
Claims (4)
- 圧縮機、凝縮器、膨張器、蒸発器及び、これらを順次接続する配管、及び、吐出配管を有する冷凍サイクルと、
前記配管に一端が接続されて内部に空間を形成する空間形成部、及び、前記空間形成部の他端に一体に固定されて前記空間形成部よりも固有振動数の小さい振動体を有する音響デバイスと、を備える冷凍機。 - 前記音響デバイスは、前記空間形成部の一端と前記配管の流路との境界に配置された多孔板を有する請求項1に記載の冷凍機。
- 前記空間形成部は、筒状の本体部と、前記本体部の他端に設けられたフタ部と、を有し、
前記振動体は、前記フタ部と一体に固定されている請求項1又は請求項2に記載の冷凍機。 - 前記空間形成部は、前記空間形成部の一端側をなす筒状の筒部と、前記筒部の他端に接続され、前記筒部の体積よりも大きな体積である容器部と、を有し、
前記筒部の内部空間と前記容器部の内部空間とは連通しており、
前記振動体は、前記容器部と一体に固定されている請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の冷凍機。
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