JP5366671B2 - サイクロン式油分離器、これを備えた圧縮式冷凍装置及び空気圧縮装置 - Google Patents

Description

本発明は、流体に混入した油を分離するサイクロン式油分離器、これを備えた圧縮式冷凍装置及びこれを備えた空気圧縮装置に関する。

冷媒用スクリュー圧縮機や空気用油冷式スクリュー圧縮機では、潤滑、及び隙間シール等を目的に軸受、スクリューロータ等に油を注入している。注入された油は圧縮された流体とともにスクリューロータより高圧部に吐き出される。高圧部において、流体と油を分離するために油分離器を設けるのが一般的である。近年、油分離器は、円筒面を持ったシェルの中に流体と油を旋回させ、遠心力によって、油をシェルの内壁に付着させて、流体より分離するサイクロン方式を用いることが多くなってきた（例えば特許文献１参照）。

特開２００３−８３２７２号公報（第２−３頁、第３図）

冷媒用圧縮機や空気圧縮機の場合、入口管内の流体は環状噴霧流であり、大半の油は入口管の内壁に付着している。しかし、流体が入口管よりサイクロン式油分離器内に流入する際、シェル内壁と入口管が接しているごく一部の入口管壁の周辺を流れる油を除き、大半の油は、シェル内部の空間に飛散する。この時、油は様々な直径の油滴となる。
特に、旋回中心管側の入口管壁に付着していた油は、油分離器のシェル内部に流入した時、旋回中心管付近を漂う油滴となる。その中の直径の小さな油滴は、シェル内壁までの距離が長く、質量が小さいため遠心力による移動速度も小さく、シェル内壁に付着しにくい。さらに、直径の小さな油滴は、慣性が小さいため旋回中心管を中心に旋回する流体の影響を受けやすく、旋回中心管周辺に多く漂い、流体と分離されずに送出される。
これらの旋回中心管付近を流れている直径の小さな油滴は、サイクロン式油分離器の油分離効率を低下させていた。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、第１の目的は、油分離器のシェル内に油が流入した時、旋回中心管付近を流れる油滴の量を減らして油分離効率を向上させるサイクロン式油分離器を得るものである。
また、第２の目的は、上記のサイクロン式油分離器を有する圧縮式冷凍装置及び空気圧縮装置を得るものである。

本発明に係るサイクロン式油分離器は、内壁の横断面が円形のシェルと、前記シェルの上部に接続され、油を含む流体を前記シェルに流し込む流体入口管と、前記シェルに接続され、油を分離した流体を送出する流体出口管と、前記シェルに接続され、分離された油を回収する油出口管とを備え、前記流体入口管は、前記シェルとの近傍で曲管部を有し、前記曲管部の終端部において外周側の接線と、前記シェルの内壁の接線とが一致するように、前記シェルと接続され、前記曲管部の終端が、前記シェルの内壁に接続され、前記流体入口管が、複数の曲管部を有し、前記流体入口管が、その出口手前、且つ前記曲管部の内周側の内壁に、金網を有することを特徴とするものである。

本発明のサイクロン式油分離器において、前記流体入口管の内壁に付着している油は、前記曲管部を通過するときに生じる遠心力で前記曲管部の内周側から外周側の内壁に移動する。前記流体入口管の内周側の壁面に付着している油が従来方式より少なくなるため、前記旋回中心管と前記シェルとの空間に飛散される直径の小さな油滴の量が減少する。前記旋回中心管付近の、流体と分離困難な直径の小さな油を減らすことで、サイクロン式油分離器は、油の分離効率が向上する。

実施の形態１に係るサイクロン式油分離器の正面図である。 図１の上面図である。 実施の形態１に係る流体入口管出口の内部状態図である。 実施の形態１に係る直管部を有する流体入口管の上面図である。 実施の形態１に係る曲管部を複数有する流体入口管の上面図である。 実施の形態２に係るサイクロン式油分離器の上面図である。 実施の形態２に係る流体入口管出口の構造図である。 実施の形態３に係るサイクロン式油分離器の上面図である。 図８の正面図である。 実施の形態４に係るサイクロン式油分離器の上面図である。 図１０の正面図である。 上記実施の形態のいずれかに係るサイクロン式油分離器と一体となった圧縮機の構成図である。 上記実施の形態のいずれかに係るサイクロン式油分離器を圧縮式冷凍装置に適用した構成図である。 上記実施の形態のいずれかに係るサイクロン式油分離器を空気圧縮機に適用した構成図である。

実施の形態１．
図１及び図２は、本発明の実施の形態１に係るサイクロン式油分離器を示す図である。
図１において、サイクロン式油分離器１０は、内壁の横断面が円形のシェル１１と、シェル１１の上部に取り付けられた上部鏡板１３と、シェル１１の下部に取り付けられた下部鏡板１４と、上部鏡面１３から取り付けられたシェル１１と同軸の旋回中心管１２とを備える。また、サイクロン式油分離器１０は、シェル１１へ流体を流し込む流体入口管１５と、上部鏡板１３から流体を送出する流体出口管１６と、下部鏡板１４から油を排出する油出口管１７を有する。油を分離する際に、サイクロン式油分離器１０の下部は油溜となる。
図２において、流体入口管１５は、シェル１１と接続し、シェル１１の近傍で曲管部１５ａを有する。流体入口管１５は、油と流体が流れる下手側の曲管部１５ａの終端部において、曲管部１５ａの外周側の接線と、シェル１１の内壁の接線とが一致するように、シェル１１に接続される。なお本発明における曲管部１５ａの外周側の接線と、シェル１１の内壁の接線との一致については、曲管部１５ａの外周側壁面を流れる油が飛散せずシェル１１の内壁に滑らかに流れ込む程度の概略一致も含む。

以下に実施の形態１のサイクロン式油分離器１０での油と流体の流れを示す。流体入口管１５よりシェル１１に流し込まれた油と流体は、シェル１１内に放出され、旋回しながら下降する。油は、流体入口管１５からシェル１１に流入する際に、旋回中心管１２とシェル１１の内壁との空間に様々な大きさの油滴となり飛散する。この飛散した油滴は、旋回するときに作用する遠心力により、シェル１１内の外側に移動し、シェル１１の内壁に付着し、流体から分離される。シェル１１の内壁に付着した油滴は、自重により滴下し、サイクロン式油分離器１０の下部に集められる。
流体は、旋回中心管１２の下端に至ると、旋回中心管１２の内部に流入し、流体出口管１６に向けて送出される。

本発明の実施の形態１では、多くの油が、曲管部１５ａを通過するときに作用する遠心力により、曲管部１５ａの内周側から外周側の内壁に偏る。図３は、油膜１８が外周側に偏った、流体入口管１５の出口付近の内部状態を示す図である。シェル１１と流体入口管１５の接続部で、内周側の内壁を流れる油が減ると、旋回中心管１２付近に飛散し、流動する、流体と分離困難な直径の小さな油滴の発生が抑えられる。その結果、サイクロン式油分離器１０は、油の回収力が上がり、油分離率を高める効果が得られる。

図４は、本発明の実施の形態１に係る直管部を有する流体入口管を示す図である。
図４において、流体入口管１５は、曲管部１５ａの終端とシェル１１の入口との間に、真っ直ぐで短い直管部１５ｃを有する。サイクロン式油分離器１０は、この直管部１５ｃを設けることで、流体入口管１５とシェル１１が接合し易くなるという効果が得られる。

図５は、本発明の実施の形態１に係る曲管部を複数有する流体入口管を示す図である。
図５において、流体入口管１５は、シェル１１内で旋回する流体と同じ旋回方向及び概ね同じ面上の複数の曲管部１５ａ−ｂを有する。各曲管部は繋がっており、複数の曲管部を通過する油は、曲管部１５ａ−ｂを通過するときに作用する遠心力により、曲管部１５ａ−ｂの外周側の内壁に偏る。内周側の内側を流れる油がより少なくなると、旋回中心管１２付近に飛散し、流動する、流体と分離困難な直径の小さな油滴の発生が、１つの曲管部を用いた時より抑えられる。その結果、サイクロン式油分離器１０は、油の回収力が上がり、油分離効率を高める効果が得られる。

流体入口管１５に複数の曲管部を設けた場合、曲管部と曲管部の間に短い直管部１５ｄを設けても良い。

実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２に係るサイクロン式油分離器を示す図である。
図６において、流体入口管１５は、曲管部１５ａの内周側の内壁で、シェル１１との接続部付近に金網３０を備える。図７は、金網３０を取り付けた流体入口管１５の出口付近の断面図である。その他の構成は、本発明の実施の形態１と同じである。流体入口管１５の中を流れる油は、曲管部１５ａの外周側の内壁に偏って流れるが、若干は、油滴となって流体入口管１５の中を流れている。その油滴が金網中を通過する際、油滴は、金網で集約され、放出されることを繰り返し、徐々に直径が大きくなる。直径が大きくなった油滴は、旋回中心管１２付近に放出されても、旋回による遠心力が作用し、シェル１１の内壁へ移動し、付着する。サイクロン式油分離器１０は、金網３０により、直径が大きな油滴を作り、油分離効率を高める効果が得られる。

実施の形態３．
図８及び図９は、本発明の実施の形態３に係るサイクロン式油分離器を示す図である。
図８及び図９において、旋回中心管１２は、その外周に金網３０を有する。その他の構成は、本発明の実施の形態１〜２のいずれかと同じである。流体入口管１５から流れ込んだ旋回中心管１２付近の、流体と分離困難な質量の小さな油滴は、金網３０で集約され、放出されることを繰り返し、徐々に直径が大きくなる。直径が大きくなった油滴は、遠心力が作用し、シェル１１の内壁へ移動し、付着する。サイクロン式油分離器１０は、金網３０により、直径が大きな油滴を作り、油分離効率を高める効果が得られる。
また、本実施の形態のサイクロン式油分離器１０は、旋回中心管１２の下端に金網３０を有して、直径の小さな油滴を集約し、油滴の直径を大きくすることで、油滴自らの重力で滴下し、液体と分離させ、油分離効率を高めることも可能である。

実施の形態４．
図１０及び図１１は、本発明の実施の形態４に係るサイクロン式油分離器を示す図である。
図１０及び図１１において、シェル１１は、その内壁に金網３０を有する。その他の構成は、本発明の実施の形態１〜３のいずれかと同じである。サイクロン式油分離器１０は、シェル１１の内壁に取り付けられた金網３０で、油滴を捕集し、回収することで、油分離効率を高める効果が得られる。

また、本実施の形態のサイクロン式油分離器１０は、シェル１１の内壁に金網３０を取り付けたが、シェル１１の内壁より内側の位置に、シェル１１と接することなく、金網３０を取り付けても、同じ効果が得られる。

実施の形態２〜４は、金網３０を用いたが、代わりにパンチングメタルを用いてもよい。

実施の形態５．
図１２は、上記の実施の形態１〜４のいずれかに係るサイクロン式油分離器１０と一体となった圧縮機の構成を示す図である。
図１２において、圧縮機４０は、流体を圧縮する圧縮機構４１と、圧縮機構４１から出てくる流体と油を分離するサイクロン式油分離器１０を有する。圧縮機４０は、サイクロン油分離器１０と一体化しており、油分離効率を高め、且つ小型化できる効果が得られる。

実施の形態６．
図１３は、上記の実施の形態１〜５のいずれかに係るサイクロン式油分離器１０を圧縮式冷凍装置に適用した構成を示す図である。
図１３において、圧縮式冷凍装置は、冷媒を圧縮する冷媒圧縮機５０と、冷媒圧縮機５０で圧縮した際に混在した油を冷媒から分離するサイクロン式油分離器１０と、サイクロン式油分離器１０で得た油の少ない冷媒から気化熱を奪い凝縮させる凝縮器５１と、冷媒の圧力降下と流量を調節する膨張弁５２と、気化熱を与え冷媒を蒸発させる蒸発器５３を有する。圧縮式冷凍装置は、サイクロン式油分離器１０で得た油が少ない冷媒により、凝縮器５１の能力が高まり、冷凍効率を高める効果が得られる。

実施の形態７．
図１４は、上記の実施の形態１〜５のいずれかに係るサイクロン式油分離器１０を空気圧縮機に適用した構成を示す図である。
図１４において、空気圧縮機は、空気の余分な成分を取るフィルタ６１と、フィルタ６１からくる空気を圧縮する空気圧縮装置６０と、空気圧縮装置６０で空気と混在した油を分離するサイクロン式油分離器１０と、空気を冷却する空気冷却器６２を有する。空気圧縮機は、サイクロン式油分離器１０で得た油が少ない空気により、空気冷却器６２の能力が高まり、空冷効率を高める効果が得られる。

１０ サイクロン式油分離器、１１ シェル、１２ 旋回中心管、１３ 上部鏡板、１４ 下部鏡板、１５ 流体入口管、１５ａ−ｂ 曲管部、１５ｃ−ｄ 直管部、１６ 流体出口管 １７ 油出口管、１８ 油膜、３０ 金網、４０ 圧縮機、４１ 圧縮機構、５０ 冷媒圧縮機、 ５１ 凝縮器、 ５２ 膨張弁、５３ 蒸発器、６０ 空気圧縮機、６１ フィルタ、６２ 空気冷却器。

Claims (6)

1. 内壁の横断面が円形のシェルと、前記シェルの上部に接続され、油を含む流体を前記シェルに流し込む流体入口管と、前記シェルに接続され、油を分離した流体を送出する流体出口管と、前記シェルに接続され、分離された油を回収する油出口管とを備え、
   前記流体入口管は、前記シェルとの近傍で曲管部を有し、前記曲管部の終端部において外周側の接線と、前記シェルの内壁の接線とが一致するように、前記シェルと接続され、
   前記曲管部の終端が、前記シェルの内壁に接続され、
   前記流体入口管が、複数の曲管部を有し、
   前記流体入口管が、その出口手前、且つ前記曲管部の内周側の内壁に、金網を有する
   ことを特徴とするサイクロン式油分離器。
2. 前記シェルの上部内側に取り付けられた旋回中心管を備え、
   前記旋回中心管が、その外周又は下端に金網を有することを特徴とする請求項１記載のサイクロン式油分離器。
3. 前記シェルが、内壁又は内壁近傍に、金網を有することを特徴とする請求項１又は２記載のサイクロン式油分離器。
4. 圧縮機と一体となっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のサイクロン式油分離器。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のサイクロン式油分離器を備えることを特徴とする圧縮式冷凍装置。
6. 請求項１〜４のいずれかに記載のサイクロン式油分離器を備えることを特徴とする空気圧縮装置。

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