JP5601764B2 - 気液分離器並びにこれを搭載した空気圧縮装置および空気調和装置 - Google Patents

Description

この発明は、サイクロン式の気液分離器並びにこれを搭載した空気圧縮装置および空気調和装置に係り、特に、簡略化した構成で気液分離効率を向上させるものである。

従来のサイクロン式の気液分離器においては、円筒状のマフラーに対し、気液二相流の流体が流入するマフラーの内壁面の接線方向に接続し、気体が流出する流出配管を中心軸がマフラーと同軸になるようにマフラー上部から挿入し、分離した液を排出する排出管をマフラー下部に接続している構成である。液溜り部は気液分離部とは別に配置され、マフラー下部の排出管は配管、キャピラリーチューブ、電磁弁等で構成された回路を経由して液溜り部に接続されており、空気調和装置等に用いられている（例えば、特許文献１参照）。

また、従来のサイクロン式の気液分離器においては、気液分離効率を向上させる方法としては気体が流出する流出配管を液溜り部の上部に移設したり、密閉容器の内部にフィルタ式の気液分離器を配置する等により改善が行われており、空気圧縮装置に用いられている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００２−６１９９３号公報（段落００３０、００３１、図１、図２） 特開平８−１５９６１９号公報（段落００１４〜００１８、図１）

しかしながら、特許文献１の従来の気液分離器は、気液分離効率が低いという問題があり、また、気液分離効率の向上を図った特許文献２の従来の気液分離器は、密閉容器の内部にフィルタ式等の気液分離方式を用いているので構造が複雑になり、製作コストにおいても高くなってくるという問題がある。

この発明は前記のような問題点を解決するためになされたもので、構造の簡略化と気液分離効率の向上を図ったサイクロン式の気液分離器並びにこれを搭載した空気圧縮装置および空気調和装置を提供することを目的とする。

この発明に係る気液分離器は、縦置きされる略円筒状の密閉容器と、前記密閉容器の上面の中央部から内部に挿入され、上部に気液二相流が流入する流入管および下部に流出口を有し、前記流入管から流入した前記気液二相流を遠心力により分離する円筒状のサイクロン部と、前記密閉容器の上面の前記中央部の外側に設けられ、下方を向く開口部を介して分離された気体を流出させる流出管と、前記サイクロン部の下端近傍で、前記密閉容器の内周壁と前記サイクロン部の外周壁との間を横切って設けられ、前記サイクロン部の前記流出口と前記流出管の間の流出経路を遮蔽し、開口部を有する遮蔽板と、を備え、前記遮蔽板の前記開口部の開口面積を、前記流入管の断面積より大きく、前記密閉容器の前記遮蔽板が設けられた位置における断面積より小さくし、前記遮蔽板は、前記サイクロン部が挿入された挿入口を有する略ドーナツ形円盤状であり、前記開口部を配設した部分と、前記開口部を配設しない部分と、の２つの部分に区画され、前記流出管の前記開口部の直下に、前記開口部を配設しない部分が配置され、前記サイクロン部を基準とする前記流出管の前記開口部の反対側に、前記開口部を配設した部分が配置されたものである。

この発明によれば、サイクロン部の下端近傍で、密閉容器の内周壁と前記サイクロン部の外周壁との間を横切って設けられ、サイクロン部と流出管の間の流出経路を遮蔽し、開口部を有する遮蔽板と、を備え、開口部の開口面積を、流入管の断面積より大きく、密閉容器の遮蔽板が設けられた位置における断面積より小さくしたので、構造の簡略化と気液分離効率を向上させることができる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１におけるサイクロン式の気液分離器の構成を示す図であり、図１（ａ）は気液分離器の断面図、図１（ｂ）は気液分離器の遮蔽板の平面図である。図２は気液分離器の気液分離効率特性を示す図である。

図１（ａ）、（ｂ）において、サイクロン式の気液分離器は、略円筒状の密閉容器１と、この密閉容器１の上部中央部から内部に挿入され、上部に気液二相流が流入する流入管２と下部に流出口３ａを有し、流入管２から流入した気液二相流を遠心力により分離する円筒状のサイクロン部であるサイクロンマフラー３と、密閉容器１の上部に設けられ、分離された気体が流出する流出管５と、サイクロンマフラー３部の下端近傍で、密閉容器１の内周壁とサイクロンマフラー３の外周壁との間を横切って設けられ、サイクロンマフラー３と流出管５の間の流出経路を遮蔽し、多数の小穴６ｂからなる開口部６ａとサイクロンマフラー３が挿入される挿入口６ｃとを有する略ドーナツ形円盤状の遮蔽板６と、を備えている。

遮蔽板６の開口部６ａは遮蔽板６のほぼ全面に渡って配設され、開口部６ａの多数のほぼ均一な間隔で配設されている。また、流入管２は、サイクロンマフラー３の内壁面の接線方向に接続され、密閉容器１の下部は分離された液体７が溜められ、液供給管８が設けられている。また、サイクロンマフラー３内の中央には、きれいな旋回流を生じさせるためのポール４が設けられている。

次に、気液分離器の動作について図１により説明する。気液二相流は、流入管２からサイクロンマフラー３内に流入し、サイクロンマフラー３内で螺旋状に旋回下降する。この旋回により、遠心力を受けた液滴がサイクロンマフラー３の内周面に衝突して付着する。そして、気液二相中に浮遊する液滴は次第に気液二相から分離されていく。液滴が分離された気体は、サイクロンマフラー３の流出口３ａから流出し、遮蔽板６の開口部６ａを通り抜けて流出管５から流出する。

そして、サイクロンマフラー３の内壁面に付着した液は、重力の作用によってサイクロンマフラー３の内壁面を下降し、密閉容器１の底部に溜まる。
そして、密閉容器１の底部に溜まった液は、密閉容器１の下部に設けられた液供給管８から供給される。

ここで、サイクロン式の気液分離器の気液分離の特性について図２により説明する。
サイクロン式の気液分離器は遠心力による分離なので、通常は流入管２からの気液二相流の入口流速が大きくなればなるほど分離効率は向上するが、図２に示すように流速が有る程度大きくなると、液滴が気流で巻き上げられて、逆に分離効率は低下していく。

そこで、この発明の本実施の形態では、流入管２からの気液二相流の入口流速が有る程度大きくなっても、液滴が気流で巻き上げられないように、サイクロンマフラー３の流出口３ａから流出管５に至る流出経路の途中に遮蔽板６を設け、遮蔽板６を通過する流速を小さくするとともに，密閉容器１内に浮遊している液滴を遮蔽板６に付着させて捕獲することで、気液分離効率を上げるものである。

そして、遮蔽板６の開口部６ａの開口面積は、開口部６ａにおける通過流速が大きくなり過ぎないように決める必要があり、そのために、開口部６ａの面積を流入管２の断面積より大きくし、かつ、密閉容器１の遮蔽板６の配設される所の横断面積より小さくする。
なお、流入管２と流出管５の断面積は同じである。
開口部６ａの面積を流入管２の断面積より大きくするのは、流入管２の断面積より大きくすることにより、流入管２からの気液二相流の流速が減速されるからである。また、密閉容器１の横断面積より小さくするのは、開口部６ａの面積が、密閉容器１の横断面積と同じになる場合は、開口部６ａの面積が最大で、遮蔽板６がない場合に等しく、遮蔽板６の効果が得られないからである。

開口部の開口面積を前記流入管の断面積よりどの程度大きくし、また、密閉容器１の横断面積よりどの程度小さくするかは、実験等により確認して決定するのが望ましい。
本実施の形態では、例えば、密閉容器１の遮蔽板６が配設される位置の内径および遮蔽板６の直径は２９ｃｍで、断面積が６６０ｍ²、遮蔽板６の開口部６ａの小穴の直径は０．８ｃｍ、個数は２８２個で、開口部６ａの開口面積は１４２ｃｍ²であり、流入管２および流出管５の内径は２ｃｍで、断面積は３ｃｍ²である。

このとき、開口部６ａの面積は、流入管２の断面積の１４２／３≒４７倍であり、 開口部６ａの面積は、密閉容器の断面積の（１４２／６６０）×１００≒２２％であり、開口部６ａの面積は、流入管２の断面積に対して十分大きく、密閉容器の断面積に対しても十分小さい。
したがって、気液二相流の流入管２からの流入速度は、遮蔽板６の開口部６ａにより、１／４７に減速される。この発明の遮蔽板６のあるものの液分離効率は、従来の遮蔽板６のないものに比べ気液分離効率を上げることができる。

以上のように、略円筒状の密閉容器１と、この密閉容器１の上部中央部から内部に挿入され、上部に気液二相流が流入する流入管２および下部に流出口３ａを有し、流入管２から流入した気液二相流を遠心力により分離する円筒状のサイクロンマフラー３と、密閉容器１の上部に設けられ、分離された気体が流出する流出管５と、サイクロンマフラー３の下端近傍で、密閉容器１の内周壁とサイクロンマフラー３の外周壁との間を横切って設けられ、サイクロンマフラー３と流出管５の間の流出経路を遮蔽し、多数の小穴６ｂからなる開口部６ａを有する遮蔽板６と、を備え、遮蔽板６の開口部６ａの開口面積を、流入管２の断面積より大きく、密閉容器１の断面積より小さくしたので、簡略した構造により、流入管２からの気液二相流の流速が有る程度大きくなっても、流速を減速させ、密閉容器１内に浮遊している液滴の巻き込みを防いで分離効率の低下を少なくし、気液分離効率を向上させることができる。

また、遮蔽板６の開口部６ａを遮蔽板６の全面に渡って配設したので、簡略した構造により、密閉容器１内に浮遊している液滴の巻き込みを防いで、液分離効率を向上させることができる。

なお、本実施の形態では、遮蔽板６が１枚の場合を示したが、図３に示すように遮蔽板６を複数個離間して備えてもよい。この場合、さらに、気液分離効率を向上させることができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、遮蔽板６の全面に開口部６ａを配設したが、小穴６ｂの位置により、流速が速い所と遅い所が生じる場合があり、特に、流出管５の直下で流速が速いと、分離されずに浮遊している液滴が気流で巻き上げられて、気液分離効率が低下する。
そこで、本実施の形態は流出管５の直下に開口部を配設しないようにしたものである。

図４はこの発明の実施の形態２におけるサイクロン式の気液分離器の構成を示す図であり、図４（ａ）は気液分離器の断面図、図４（ｂ）は気液分離器の遮蔽板の平面図である。図５、図６は気液分離器の気液分離効率特性を示す図である。

図４において、実施の形態１の図１と同一または相当部分には同一の符号を付し説明を省略する。
図１と相違するのは、遮蔽板９であり、遮蔽板９は、多数の小穴９ｂからなる開口部９ａと、サイクロンマフラー３に挿入される挿入口９ｃとを有する略ドーナツ形円盤状であり、開口部９ａを配設した半円部分９ｄと開口部９ａを配設しない半円部分９ｅとに分けられている。そして、開口部９ａを配設しない半円部分９ｅを流出管５の直下に配設している。
流出管５の直下となる半円部分９ｅの位置は、開口部９ａを配設しない半円部分９ｅの重心近傍になるようにする。

次に、気液分離器の動作について説明する。気液二相流は、流入管２からサイクロンマフラー３内に流入し、サイクロンマフラー３の流出口３ａから流出するまでは、実施の形態１の動作と同様である。

サイクロンマフラー３の流出口３ａから流出した分離された気体およびまだ分離されずに気体に浮遊している液滴は、図４に示すように開口部９ａを配設しない半円部分９ｅにより、流出管５に至る最短の流出経路が遮蔽されるので、最短の流出経路でなく開口部９ａを配設した半円部分９ｄの開口部９ａの小穴９ｂを通り抜けて流出管５から流出する。

次に、従来の遮蔽板６のない気液分離器とこの発明の気液分離器について気液分離効率を実験により調べた結果について図４〜図６より説明する。
気液分離器の構成は、実施の形態１と異なるのは遮蔽板９で他は同じである。遮蔽板９の開口部９ａの小穴の直径は０．８ｃｍ、個数は１４１個で開口部９ａの開口面積は７１ｃｍ²である。また、気液二相流が流入速度は ４〜１１ｍ／ｓｅｃの条件で行った。このとき、開口部９ａの面積は、流入管２の断面積の７１／３≒２４倍であり、開口部９ａの面積は、密閉容器の断面積の（７１／６６０）×１００≒１１％であり、開口部９ａの面積は、流入管２の断面積に対して十分大きく、密閉容器の断面積に対しても十分小さい。そして、気液二相流の流入管２からの流入速度は、遮蔽板９の開口部９ａにより、１／２４に減速される。

図５は実験結果得られたもので、実施の形態１で示した図２における入口流入速度に対して気液分離効率が減少する範囲についての遮蔽板の有無による気液分離効率の比較を示す。図５に示すように、この発明の遮蔽板９のあるものの気液分離効率は、従来の遮蔽板の無いものに比べると、入口流速の増加につれていずれも低下するが、遮蔽板９のあるものは低下率が少なく、気液分離効率を上げることができることを示している。

実施の形態１の場合に比べ気液分離効率の低下が少ないことが推測されるが、次の理由による。
実施の形態１では、小穴６ｂの位置により、流速が速い所と遅い所が生じる場合があり、特に、流出管５の直下で流速が速いと、気液分離効率が低下し、分離されずに浮遊している液滴は最短の流路で巻き上げられてしまうが、本実施の形態では、分離された気体およびまだ分離されずに気体に浮遊している液滴は、開口部９ａを配設しない半円部分９ｅにより、流出管５への流路が遮蔽されるので、流出管５の直下からの液滴の巻き込みを実施の形態１より、防止できるため、全体的に流出管５からの液滴の巻き込みを低減できるからである。
また、分離されずに気体に浮遊している液滴が流出口３ａから流出管５に移動するまでの流出経路が延長されるので、浮遊している液滴が遮蔽板６やサイクロンマフラ３の外壁、密閉容器１の内壁に衝突、付着する機会が増え、分離されやすくなるからである。

また、図５は入口流入速度に対して気液分離効率が減少する範囲についての気液分離効率の実験結果を示したが、入口流入速度に対して気液分離効率が増加する範囲についても同様な効果が得られることが推測され、図６に示すような気液分離効率特性になることが推測される。図６において、実線は従来の遮蔽板のないもの、点線は実施の形態１の場合、一点鎖線は実施の形態２の場合について示す。
なお、小穴９ｂの直径については、８ｃｍの他、３ｃｍ、５ｃｍについても実験したが、総面積が上記の８ｃｍと開口面積の個数となるようにすれば同様な効果が得られた。

以上のように、遮蔽板９の開口部９ａを、流出管５の直下には配設しないようにしたので、流出管５の直下から浮遊する液滴の巻き込みを防ぎ、全体的に液滴の巻き込みを低減させることができ、気液分離効率を、さらに、向上させることができる。

なお、本実施の形態では、遮蔽板９が１枚の場合を示したが、遮蔽板９を複数個離間して備えてもよい。この場合、さらに、気液分離効率を向上させることができる。
また、図７に示すように開口部を配設した半円部分と開口部を配設しない半円部分とに分けた遮蔽板９を複数個離間して配設し、開口部を配設しない半円部分と、開口部を配設した半円部分とが側面視千鳥状になるようにしてもよい。この場合、さらに、気液分離効率を向上させることができる。
また、遮蔽板６の開口部６ａは、多数の小穴で構成した場合を示したが、穴の形状は、丸以外に楕円、多角形であってもよく、また、細長いスリット形状であってもよい。さらに、小穴を打ち抜かずに、切り欠きをいれて起した形状であってもよい。例えば、くの字に切り欠いて、山形の切り起しを設けることで開口部を形成することができる。
さらに、フィンチューブ熱交換器のような、切り起しを設けることで液滴が付着しやすくなり、気液分離効率が向上する。

また、図８に示すように、実施の形態１の遮蔽板６と実施の形態２の遮蔽板９を組み合わせて、気液分離効率を向上させてもよい。

また、実施の形態１、２の各々の遮蔽板６、９を所定の角度傾斜させてもよい。この場合、実施の形態１、２のように、遮蔽板６、９が平行であると、小穴６ｂ、９ｂ以外の部分に付着した液滴がそこに保持されやすく気体に巻き込まれやすいが、傾斜していると速やかに傾斜に沿って液滴が下に流れ、密閉容器１の側壁を伝わって密閉容器１の底部に落下するので、気液分離効率を、さらに、向上させることができる。

実施の形態３．
上記実施の形態１、２では気液分離器について説明したが、本実施の形態は実施の形態１、２で示した気液分離器のいずれかを搭載して気液分離効率を向上させた空気圧縮装置である。

図９はこの発明の実施の形態３における空気圧縮装置の構成を示す系統図である。
図９において、空気圧縮装置は、エアフィルタ１１、空気圧縮機１２、空気圧縮機１２に接続された油分離器１０、油分離器１０に接続されたオイルミストフィルタ１６、アフタークーラ１７、ドレンフィルタ１８および除湿器１９を備えている。
また、気液分離器１０に溜まった潤滑油をろ過するオイルフィルタ１３、オイルクーラ１４、及び潤滑油を空気圧縮機１２へ送る電磁弁１５を備えている。

次に、上記の空気圧縮装置の動作を説明する。
空気圧縮装置がエアフィルタ１１を介して空気を吸い込み、空気圧縮機１２で圧縮し、圧縮された圧縮空気に含まれる油分を気液分離器１０で分離し、さらにミスト状の油分をオイルミストフィルタ１６で除去する。そして、高温の圧縮空気をアフタークーラ１７で冷却した後、凝縮した水分をドレンフィルタ１８で分離し、さらに、除湿器１９で水分を除去し、圧縮された空気を吐出する。なお、ドレンフィルタ１８で分離した水分は排出される。

一方、気液分離器１０で分離された油分はオイルフィルタ１３でろ過され、オイルクーラ１４で冷却され、電磁弁１５を介して空気圧縮機１２に戻される。

以上のように、実施の形態１、２で示した気液分離器１０のいずれかを搭載した空気圧縮装置は、気液分離器１０が高効率なので、油の消費を抑え、気液分離器１０の下流側にあるフィルタ類の寿命を長くすることができる。

実施の形態４．
本実施の形態は実施の形態１、２で示した気液分離器のいずれかを搭載して気液分離効率を向上させた空気調和装置である。

図１０はこの発明の実施の形態４における空気調和装置の構成を示す冷媒回路図である。図１０において、空気調和装置は、圧縮機２１、圧縮機２１に接続された油分離器１０、油分離器１０に接続された凝縮器２２、膨張弁２３および蒸発器２４を備えている。

次に、上記の空気調和装置の動作を説明する。圧縮機２１から高温高圧の冷媒ガスとともに持出される油は油分離器１０で分離され、高温高圧の冷媒ガスは凝縮器２２に流入し、空気などと熱交換して凝縮し、高温高圧の冷媒液になる。さらに、膨張弁２３で低温低圧の気液二相状態まで減圧され、蒸発器５に流入する。低圧の気液二相冷媒は蒸発器５で空気などと熱交換して蒸発し、圧縮機２１に戻る。一方、油分離器１０で分離されたオイルは圧縮機２１へ戻る。

以上のように、実施の形態１、２で示した気液分離器１０のいずれかを搭載した空気調和装置は、気液分離器１０が高効率なので、凝縮器２２や蒸発器２４への油の流出を防ぎ伝熱特性の低下を防止することができる。

この発明の実施の形態１におけるサイクロン式気液分離器の構造を示す図である。 サイクロン式気液分離器の気液分離特性を示す図である。 この発明の実施の形態１におけるサイクロン式気液分離器の構造を示す図である。 この発明の実施の形態２におけるサイクロン式気液分離器の構造を示す図である。 この発明の実施の形態２におけるサイクロン式気液分離器の気液分離特性を示す図である。 この発明の実施の形態２におけるサイクロン式気液分離器の気液分離特性を示す図である。 この発明の実施の形態２におけるサイクロン式気液分離器の構造を示す図である。 この発明の実施の形態２におけるサイクロン式気液分離器の構造を示す図である。 この発明の実施の形態３における空気圧縮装置の構成を示す系統図である。 この発明の実施の形態４における空気調和装置の構成を示す冷媒回路図である。

符号の説明

１ 密閉容器、２ 流入管、３ サイクロンマフラー、５ 流出管、６ 遮蔽板、６ａ 開口部、６ｂ 小穴、６ｃ 挿入口、９ 遮蔽板、９ａ 開口部、９ｂ 小穴。

Claims (7)

1. 縦置きされる略円筒状の密閉容器と、
   前記密閉容器の上面の中央部から内部に挿入され、上部に気液二相流が流入する流入管および下部に流出口を有し、前記流入管から流入した前記気液二相流を遠心力により分離する円筒状のサイクロン部と、
   前記密閉容器の上面の前記中央部の外側に設けられ、下方を向く開口部を介して分離された気体を流出させる流出管と、
   前記サイクロン部の下端近傍で、前記密閉容器の内周壁と前記サイクロン部の外周壁との間を横切って設けられ、前記サイクロン部の前記流出口と前記流出管の間の流出経路を遮蔽し、開口部を有する遮蔽板と、
   を備え、
   前記遮蔽板の前記開口部の開口面積を、前記流入管の断面積より大きく、前記密閉容器の前記遮蔽板が設けられた位置における断面積より小さくし、
   前記遮蔽板は、前記サイクロン部が挿入された挿入口を有する略ドーナツ形円盤状であり、前記開口部を配設した部分と、前記開口部を配設しない部分と、の２つの部分に区画され、
   前記流出管の前記開口部の直下に、前記開口部を配設しない部分が配置され、
   前記サイクロン部を基準とする前記流出管の前記開口部の反対側に、前記開口部を配設した部分が配置されたことを特徴とする気液分離器。
2. 前記遮蔽板を複数個離間して備えたことを特徴とする請求項１記載の気液分離器。
3. 縦置きされる略円筒状の密閉容器と、
   前記密閉容器の上面の中央部から内部に挿入され、上部に気液二相流が流入する流入管および下部に流出口を有し、前記流入管から流入した前記気液二相流を遠心力により分離する円筒状のサイクロン部と、
   前記密閉容器の上部に設けられ、分離された気体を流出させる流出管と、
   前記サイクロン部の下端近傍で、前記密閉容器の内周壁と前記サイクロン部の外周壁との間を横切って設けられ、前記サイクロン部の前記流出口と前記流出管の間の流出経路を遮蔽し、開口部を有する遮蔽板と、
   を備え、
   前記遮蔽板の前記開口部の開口面積を、前記流入管の断面積より大きく、前記密閉容器の前記遮蔽板が設けられた位置における断面積より小さくし、
   前記遮蔽板を複数個離間して備え、
   複数個の前記遮蔽板のそれぞれは、前記サイクロン部が挿入された挿入口を有する略ドーナツ形円盤状であり、前記開口部を配設した部分と、前記開口部を配設しない部分と、の２つの部分に区画され、
   複数個の前記遮蔽板は、前記開口部を配設した部分と前記開口部を配設しない部分とが側面視千鳥状となるように設けられたことを特徴とする気液分離器。
4. 前記開口部を配設した部分と前記開口部を配設しない部分とは、前記遮蔽板を直径方向に２分割する半円部分であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の気液分離器。
5. 前記開口部を多数の小穴としたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の気液分離器。
6. 請求項１〜５のいずれかの気液分離器を搭載したことを特徴とする空気圧縮装置。
7. 請求項１〜５のいずれかの気液分離器を搭載したことを特徴とする空気調和装置。

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