CN1158514C - 低温气体分离装置 - Google Patents

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Abstract

一种低温气体分离装置，具备使用旋转阀的冷冻机，该旋转阀由转子和外壳所构成，在该转子的外周面设置多个通口，在外壳的内周面设置和该通口对应的多个通口，藉着该转子转动，使得切换为令转子的既定的通口和与其对应的该外壳的通口对正而令两通口连通的状态，及脱离该对正的情况而将两通口设为非连通的状态，将自该冷冻机所得到的冷热作为气体分离的冷热源。本发明使用具有小型、寿命长的切换阀的冷冻机，可得到充分的寒冷量。

Description

低温气体分离装置
本发明是有关于利用自冷冻机所得到的冷热的低温气体分离装置。
关于利用氦冷冻机的低温方式的空气分离装置，有特愿平9-4839号、特愿平9-5429号、特愿平9-5430号，为了驱动以在这些使用的脉波管冷冻机为代表的小型冷冻机，需要压力振动源，视情况需要相位控制装置。又，在这些压力振动源、相位控制装置、为了控制动作气体的流动而设置切换阀。例如，如图24所示，在主动缓冲型脉波管冷冻机，有在压力振动源上使用压缩机91和两个切换阀93、94，在相位控制装置上使用两个缓冲槽92a、92b和两个切换阀95、96的。在图24，97是储冷器，98是脉波管。
上述各切换阀93～96，为了令高效率驱动冷冻机，按照严密决定的某一定的循环开闭，但是该循环一般是数～数十Hz的压力振动，开闭循环比较快。因而，在该切换阀93～96上，一般使用电磁阀或图25所示小型的平面密封型旋转阀。该平面密封型旋转阀在构造上设置了两个通口102、103(两通口102、103以连通流路104连通)的转子101和设置了3个通口106～108的定子105面接触，利用马达109的转动驱动转子101转动，切换各通口102、103、106～108(切换成如图25所示的将定子105的两通口107、108连通的状态和如图26所示的将定子105的两通口106、107连通的状态)。于是，因图25所示平面密封型旋转阀可将动作气体切换为两方向，在压力振动源与相位控制装置各自各设置1个即可。在图25，110是将转子101内设成可令其自由转动的外壳。
为了冷冻机的大型化、高效率化，需要将动作气体大容量化、将运转频率高速化以及设置复杂的相位控制装置，但是若考虑市场性，希望满足那些要求而且所需的切换阀是小型、寿命长。可是，在是切换阀的代表例的电磁阀或图25所示的平面密封型旋转阀，无法令满足上述的要求，尚无法实现冷冻机的大型化、高效率化是实况。
即，在切换阀上使用电磁阀时，在想将动作气体大容量化的情况，阀变得复杂且大，无法高速动作。又，在令频繁的高速动作的情况，寿命显著降低。又，在设置相位控制装置的情况，为了将该相位控制装置复杂化，需要增加阀数，冷冻机整体变大。
而，在切换阀上使用平面密封型旋转阀时，在为了将动作气体大容量化而增大通口直径的情况，或为了采用复杂的相位控制装置而增加通口数的情况，需要增大转子101和定子105的接触面积。因作用于转子101的压力因转子101和定子105的接触面积增大而变大，需要扭力大的马达109，阀整体变大。因此，只能开发冷冻性能数瓦等级的比较小型的冷冻机是实况。
因而，在使用了习知的小型冷冻机的空气分离装置，寒冷量不足，在别的冷热源上，必须并用例如膨胀涡轮机等，费用上涨。
本发明是鉴于上述的情况而想出来的，其目的在于提供一种低温气体分离装置，藉着使用具有小型、寿命长的切换阀的冷冻机，使得可得到充分的寒冷量。
为了达成上述的目的，本发明的第一要旨是提供一种低温气体分离装置，具备使用了旋转阀的冷冻机，该旋转阀由以轴心为中心而旋转的水平截面圆形的转子和将该转子内设成可令其自由转动的外壳所构成，在该转子的外周面设置多个通口，而且在外壳的内周面设置和该通口对应的多个通口，藉着该转子转动，使得切换为令转子的既定的通口和与其对应的该外壳的通口对正而令两通口连通的状态，及脱离该对正的情况而将两通口设为非连通的状态，将自该冷冻机所得到的冷热作为气体分离的冷热源；本发明的第二要旨是提供一种低温气体分离装置，具备使用了旋转阀的冷冻机，该旋转阀由以轴心为中心而旋转的水平截面圆形的转子和将该转子内设成可令其自由转动的外壳所构成，在该转子的外周面设置凹部，而且在外壳的内周面设置和该凹部对应的多个通口，藉着该转子转动，使得切换为令转子的凹部和与其对应的该外壳的通口对正而令该凹部和与其对应的通口连通的状态，及脱离该对正的情况而将该凹部与其对应的通口设为非连通的状态，将自该冷冻机所得到的冷热作为气体分离的冷热源。
即，本发明的第一种低温气体分离装置是将自该冷冻机所得到的冷热作为气体分离的冷热源的装置，在该冷冻机，使用在(以轴心为中心而旋转的水平截面圆形的)转子的外周面及外壳的内周面各自设置了多个通口的旋转阀。于是，该冷冻机因使用多个通口在轴心方向独立的旋转阀，通口直径的扩大或通口数的增加所引起的转子直径的扩大变成极小，旋转阀可小型化、长寿命化。其结果，该冷冻机和习知的电磁阀或平面密封型旋转阀相比，可容易进行大口径化、多通口化，可实现大型化、大容量化以及高效率化。例如，若依据该冷冻机，可提供数百瓦以上的大型冷冻机。当然，也可应用于习知的数瓦等级的小型冷冻机。而，藉着将该冷冻机大型化、大容量化以及高效率化，不使用别的装置，本发明的第一种低温气体分离装置就可运转，可降低费用。又，本发明的第二种低温气体分离装置所使用的冷冻机也具有和本发明的第一种低温气体分离装置所使用的冷冻机一样的作用·效果。因而，本发明的第二种低温气体分离装置也和本发明的第一种低温气体分离装置一样的降低费用。在这种本发明的第一与第二种低温气体分离装置使用的冷冻机上可列举脉波管冷冻机、GM冷冻机(用发明人Gifford氏与McMahon氏的头一个字母取名的冷冻机)、索尔威冷冻机(用发明人名Solvay取名的冷冻机)，但是未限定为这些冷冻机，只要是需要藉着切换阀切换动作气体的冷冻机，不管其种类。此外，在本发明，「水平截面圆形的转子」意指在垂直竖立转子的情况将转子的水平截面形状成为圆形，又意指在令转子水平的横躺的情况转子的垂直截面形状成为圆形。
图1是在本发明的低温气体分离装置使用的旋转阀的构造说明图。
图2是该旋转阀的作用的说明图。
图3是该旋转阀的作用的说明图。
图4是使用了旋转阀的脉波管冷冻机的说明图。
图5是该低温气体分离装置的说明图。
图6是表示在本发明的低温气体分离装置使用的冷冻机之一实施例的说明图。
图7是在旋转阀使用的转子的立体图。
图8是表示该旋转阀的作用的说明图。
图9是表示该旋转阀的使用的说明图。
图10是表示该转子的变形例的立体图。
图11是使用了该转子的旋转阀的构造说明图。
图12是表示在本发明的低温气体分离装置使用的冷冻机之别的
实施例的说明图。
图13是在旋转阀使用的转子的立体图。
图14是表示该旋转阀的作用的说明图。
图15是表示该旋转阀的作用的说明图。
图16是表示该转子的变形例的立体图。
图17是使用了该转子的旋转阀的构造说明图。
图18是使用了该转子的旋转阀的构造说明图。
图19是表示在本发明的低温气体分离装置使用的冷冻机的另外的实施例的说明图。
图20是旋转阀的剖面图。
图21是表示该旋转阀的作用的说明图。
图22是表示该旋转阀的作用的说明图。
图23是表示该旋转阀的使用的说明图。
图24是表示习知例的脉波管冷冻机的说明图。
图25是表示平面密封型旋转阀的说明图。
图26是表示该平面密封型旋转阀的作用的说明图。
使用图1所示旋转阀A详细说明在本发明的低温气体分离装置使用的冷冻机的旋转阀的构造、作用、效果。本旋转阀A具备以轴心为中心的圆柱形的转子1、将该转子1内设成可令其自由转动的圆筒形的外壳2、将该转子1轴支成自由转动的轴承3、3以及令该转子1朝一方向转动的马达4。又，在该转子1的外周面形成8个通口5～12(这8个通口5～12之中，两通口5、6、两通口7、8、两通口9、10以及两通口11、12用连通流路13～16连通)，而且在和该各通口5～12对应的该外壳2的部分钻设6个通口17～22(这6个通口17～22之中，通口17和通口5、通口1 8和两通口6、9、通口19和通口10、通口20和通口7、通口21和通口11、通口22和两通口8、12各自对应)。而，在图1所示的状态，两通口5、17、两通口6、18、两通口7、20以及两通口8、22各自连通，其他的通口9～12、19、21处于非连通状态。又，转子1转动，变成图2所示的状态时，两通口9、18、两通口10、19、两通口11、21以及两通口12、22各自连通，其他的通口5～8、17、20处于非连通状态。又，转子1转动，变成图3所示的状态时，各通口17～22都变成非连通状态。
此外，转子1是圆筒形(即中空形状)或是圆柱形(即中实形状)都可，转子1的转动可利用马达4以外的各种装置。又，也可形成凹部(参照图7)，替代通口5～12，所连接的通口5～12不必相邻。又，在外壳2钻设的通口17～22未位于外壳2的同一侧面也可。又，将轴承3设置于转子1的两端，但是只设置于转子1的一端也可，在轴承3上不限滚动轴承，可使用滑动轴承等一般的轴承。又，在马达4上也可使用自由反转型。又，马达4的转动是均匀或是不连续的变化也可。
图4所示脉波管冷冻机121是在图24所示的脉波管冷冻机，使用一个旋转阀B(构造和图1所示旋转阀A一样)替代4个切换阀93～96的。但，旋转阀B因需要具有和上述各切换阀93～96一样的作用，各通口5～12、17～22的形状、个数等和旋转阀A不同。
在上述旋转阀A、B，将转子1的直径小型化时，因截面积变小，可使作用于转子1的压力负载的影响变成极小。又，因转子1的外径的周速减少，在转子1和外壳2之间设置密封(在图1～图3未示)的情况，可令该密封的摩擦所引起的产生扭矩减少。而且，因压力负载减少与密封的摩擦所引起的产生扭矩减少，可令马达4所需的动力减少。结果，可使用小型且高速的马达4。又，因转子1的周速减少，可实现(设置于转子1和外壳2之间的)密封长寿命化与转子1的高转速化。
又，因利用轴承3支撑作用于转子1的轴向与径向的负载，还可使作用于马达4的负载减少，使得马达4所需的动力变成极小。又，转子1承受的压力负载利用支撑转子1的轴承3而更减少。这些有助于转子1与马达4小型化，可使旋转阀A、B整体变小。
由于这些构造上的优点，在本发明的低温气体分离装置使用的旋转阀可容易的进行通口直径的大径化，随着可容易进行动作气体的大容量化·运转频率的高速化，可实现使用旋转阀的冷冻机的大型化。又，在本发明的低温气体分离装置使用的旋转阀，因可容易的令通口数增加，可容易的变成复杂的相位控制装置，可实现使用旋转阀的冷冻机的高效率化。而且，藉着将冷冻机大型化，不使用别的装置，空气分离装置就可运转。
图5所示低温气体分离装置是将图4所示冷冻机121装入空气分离装置(单式分馏塔的氮气产生装置)的，该冷冻机121用于原料空气的冷却。即，用原料空气压缩机122升温至既定压力为止的原料空气用水冷式热交换器123等冷却至常温附近为止，用H2O·CO2除去装置124等大致完全除去空气中的H2O、CO2后，供给冷盒125。在该冷盒125内，原料空气通过主热交换器126，在此冷却至液化温度，再通过冷冻机121的冷热取出部127，在此令原料空气的液化量增多，供给分馏塔128的下部。该冷冻机121的冷却性能成为冷盒125接受来自大气的侵入热与主热交换器126的传热损失以及在以液体取出产品时的液化能量。
供给该分馏塔128的下部的原料空气之中，气体状的空气在分馏塔128内上升，液体空气储存于分馏塔128的底部后，作为位于分馏塔128的上方的凝结器129的冷媒供给。在该凝结器129，令分馏塔128的上部的氮气液化后，作为回流液回到分馏塔128的上部。利用该回流液和上升气体令分馏后，令氮气自空气分离后，由分馏塔128的上部取出，用主热交换器126回收冷热后，使得以产品氮气取出。在图上，130是膨胀阀，131是排气取出流路。
在空气分离装置，将图4所示冷冻机121用于原料空气的冷却(用脉波管冷冻机121冷却自主热交换器126出来的原料空气的全部或一部分)，但是未限定如此，冷却产品氮气、排氮、分馏塔128内部的气体或液体空气也可。又，冷却主热交换器126入口的原料空气、主热交换器126出口的产品氮气或排气冷却并液化后，将该液化气体供给冷盒125内的低温部也可。又，在脉波管冻冻机121的冷热量不足的情况，自装置外部供给液态氮或液态氧等，使得补充冷热不足量也可。
又，在图5所示低温气体分离装置，空气分离装置是单式分馏塔的氮气产生装置，但是是一般的复式分馏塔的氮气产生装置也可。又，图5所示低温气体分离装置是将图4所示脉波管冷冻机121装入空气分离装置的，但是除了空气分离以外，只要混合气体的分离方法是低温气体分离，也可用于各种混合气体的分离。
其次依照图面详细说明本发明的实施例。
图6表示在本发明的低温气体分离装置使用的脉波管冷冻机之一实施例。在本实施例，在图24所示脉波管冷冻机，在各切换阀上使用旋转阀C。除此以外的部分和图24所示脉波管冷冻机一样，对于相同的部分赋与相同的符号。
该旋转阀C是在该旋转阀A的圆柱形的转子1的外击面形成一个凹部25(参照图7)，而且在圆筒形的外壳2的一侧面(在图面为左侧面)钻设和该凹部25连通的两个通口26、27(参照图8)。而，转子1旋转，变成图8所示的状态时，凹部25和两通口26、27连通，动作气体就流动。又，转子1自此状态转动，变成图9所示的状态时，凹部25和两通口26、27变成非连通状态，动作气体就不流动。此外，在本实施例，在全部的切换阀使用旋转阀C，但是未限定如此，使得只在一个切换阀使用旋转阀C也可。
在本实施例，旋转阀C的凹部25在轴心方向的长度扩大或个数的增加所引起的转子1的直径的扩大变成极小，旋转阀可小型化、长寿命化。因而，冷冻机可大型化、大容量化以及高效率化。
图10是表示在该旋转阀C使用的转子1的变形例。在本例，转子1的外周面之中，在和该外壳2的两通口26、27对应的部分形成两个通口28、29，两通口28、29以连通流路30连通(参照图11)。在本例，也具有和上述实施例一样的作用·效果。
图12是表示在本发明的低温气体分离装置使用的脉波管冷冻机之别的实施例的说明图。在本实施例，是在图24所示的脉波管冷冻机，使用旋转阀D替代切换阀93、94及切换阀95、96。除此以外的部分和图24所示脉波管冷冻机一样，对于相同的部分赋与相同的符号。
该旋转阀D是在该旋转阀A的转子1的外周面的一侧面(图中为左侧面)形成一个凹部32，在另一侧面(在图面为右侧面)形成一个凹部33(参照图13)。又，在外壳2的一侧面(在图面为左侧面)钻设和该凹部32连通的两个通口34、35，而且钻设和该凹部33连通的两个通口35、36(参照图14)。而，转子1旋转，变成图14所示的状态时，凹部32和两通口34、35连通，动作气体就流动。此时，凹部33和两通口35、36变成非连通状态，动作气体就不流动。又，转子1自此状态转动，变成图15所示的状态时，凹部33和两通口35、36连动，动作气体就流动。此时，凹部32和两通口34、35变成非连通状态，动作气体就不流动。此外，在本实施例使用2个旋转阀D，但是未限定如此，使得使用一个旋转阀D替切换阀93、94及切换阀95、96也可。在本实施例，也有和该旋转阀A一样的作用·效果。
图16是表示在旋转阀E使用的转子1。本转子1在其外周面的一侧面(在图面为左侧面)形成一个凹部38，在另一侧面(在图面为右侧面)形成一个凹部39。又，在构成该旋转阀E的外壳2的一侧面(在图面为左侧面)钻设和该凹部38连通的两个通口40、41(参照图17)，而且钻设和该凹部39连通的两个通口42、43(参照图18)。在使用本旋转阀E的情况，也有和使用该旋转阀D一样的作用·效果。
图19是表示在本发明的低温气体分离装置使用的脉波管冷冻机的另外的实施例的说明图。在本实施例，是在图24所示的脉波管冷冻机，使用一个旋转阀F替代4个切换阀93～96(即，具有和图4所示脉波管冷冻机一样的构造)。在图19，51是压缩机，52是储冷器，53是脉波管，54是高压侧缓冲槽，55是低压侧缓冲槽。又，56是将压缩机51的低压侧和旋转阀F的通口75连通的管，57是将压缩机51的高压侧和旋转阀F的通口77连通的管，58是将高压侧缓冲槽54和旋转阀F的通口78连通的管，59是将低压侧缓冲槽55和旋转阀F的通口80连通的管。
该旋转阀F如图20所示，具备转子(阀体)61，利用马达(图上未示)向一方向旋转；及外壳62，将该转子61内设成可令其自由转动。在图20，61a是在转子61形成的连结轴部，从外壳62的一端面(图中为右端面)突出而连结在马达上。63是将转子61支撑成自由转动的轴承，64是O形环，65、66是盖部。
在该转子61在其外周面形成4个凹部71～74。又，在该外壳62在其外周面沿着该外壳62的纵向钻设排成一列的6个通口75～80，这些各通口75～80和转子61的各凹部71～74对应。即，转子61的凹部71和外壳62的两通口76、77、凹部72和两通口75、76、凹部73和两通口78、79、凹部74和两通口79、80分别对应。又，该外壳62的通口76和储冷器52连通，通口79和脉波管53连通。
说明这种脉波管冷冻机的动作的概略。首先，利用马达的转动，将该外壳62的各通口75·77设为非连通状态，将两通口79、80设为非连通状态。此时，脉波管53内的压力变成和压缩机51的低压侧相同。接着，经由转子61的凹部73令两通口78、79连通时(参照图21)，高压侧缓冲槽54内的高压冷媒气体流入脉波管53的热端后，脉波管53内的气体压力上升至接近高压侧缓冲槽54的压力附近为止。
其次，经由转子61的凹部71令两通口76、77连通时(参照图20)，自压缩机51的高压侧供给高压冷媒气体，流入脉波管53的冷端。此时，高压冷媒气体的流入压力(压缩机51的高压侧的压力)设为比高压侧缓冲槽54的压力稍高，流入了脉波管53的热端的高压冷媒气体马上回到高压侧缓冲槽54内。
其次，将两通口76、77及两通口78、79设为非连通状态后，经由转子61的凹部74令两通口79、80连通时(参照图22)，因脉波管53的热端的冷媒气体流入(回到)低压侧缓冲槽55，脉波管53内的压力降低至低压侧缓冲槽55的压力为止。即，脉波管53内的高压冷媒气体膨胀至低压侧缓冲槽55的压力为止，温度降低，冷却脉波管53的冷端侧。
其次，经由转子61的凹部72令两通口75、76连通时(参照图23)，在脉波管53内膨胀的冷媒气体向压缩机51的低压侧排出，而且低压侧缓冲槽55的低压冷媒气体流入脉波管53内。
照这样完成一个循环，接着一个循环重新开始。因照这样循环工作，高压冷媒气体不断的膨胀而变成低压。
此外，在上述各实施例使用的脉波管冷冻机上，是密闭系也可，是开放系也可。又，是具有储冷件的也可，是未具储冷件的也可。是间接冷却方式也可，是直接冷却方式也可。
如上述所示，本发明的第一种低温气体分离装置是将自该冷冻机所得到的冷热作为气体分离的冷热源的装置，在该冷冻机，使用在(以轴心为中心而旋转的水平截面圆形的)转子的外周面及外壳的内周面各自设置了多个通口的旋转阀。于是，该冷冻机因使用多个通口在轴心方向独立的旋转阀，通口直径的扩大或通口数的增加所引起的转子直径的扩大变成极小，旋转阀可小型化、长寿命化。其结果，该冷冻机和习知的电磁阀或平面密封型旋转阀相比，可容易进行大口径化、多通口化，可实现大型化、大容量化以及高效率化。例如，若依据该冷冻机，可提供数百瓦以上的大型冷冻机。当然，也可应用于习知的数瓦等级的小型冷冻机。而，藉着将该冷冻机大型化、大容量化以及高效率化，不使用别的装置，本发明的第一种低温气体分离装置就可运转，可降低费用。又，本发明的第二种低温气体分离装置所使用的冷冻机也具有和本发明的第一种低温气体分离装置所使用的冷冻机一样的作用·效果。因而，本发明的第二种低温气体分离装置也和本发明的第一种低温气体分离装置一样的降低费用。

Claims (12)

1.一种低温气体分离装置，其特征在于具备使用旋转阀的冷冻机，将自该冷冻机所得到的冷热作为气体分离的冷热源；该旋转阀是由以轴心为中心而旋转的水平截面圆形的转子和将该转子内设成可令其自由转动的外壳所构成，在该转子的外周面设置多个通口，而且在外壳的内周面设置和该通口对应的多个通口；藉由该转子的转动，而可在以下两状态进行切换；令转子的既定的通口和与其对应的该外壳的通口对正而令两通口连通的状态；及脱离该对正的情况而将两通口设为非连通的状态。
2.如权利要求1的低温气体分离装置，其特征在于，该气体是空气。
3.如权利要求1或2的低温气体分离装置，其特征在于，该冷冻机是氦冷冻机。
4.如权利要求3的低温气体分离装置，其特征在于，该氦冷冻机是脉波管冷冻机。
5.如权利要求3的冷冻机，其特征在于，该氦冷冻机是GM冷冻机。
6.如权利要求3的冷冻机，其特征在于，该氦冷冻机是索尔威(Solvay)冷冻机。
7.一种低温气体分离装置，其特征在于具备使用旋转阀的冷冻机，将自该冷冻机所得到的冷热作为气体分离的冷热源；该旋转阀是由以轴心为中心而旋转的水平截面圆形的转子和将该转子内设成可令其自由转动的外壳所构成，在该转子的外周面设置凹部，而且在外壳的内周面设置和该凹部对应的多个通口，藉由该转子转动，而可在以下两状态进行切换：令转子的凹部和与其对应的该外壳的通口对正而令该凹部和与其对应的通口连通的状态；及脱离该对正的情况而将该凹部和与其对应的通口设为非连通的状态。
8.如权利要求7的低温气体分离装置，其特征在于，该气体是空气。
9.如权利要求7或8的低温气体分离装置，其特征在于，该冷冻机是氦冷冻机。
10.如权利要求9的低温气体分离装置，其特征在于，该氦冷冻机是脉波管冷冻机。
11.如权利要求9的冷冻机，其特征在于，该氦冷冻机是GM冷冻机。
12.如权利要求9的冷冻机，其特征在于，该氦冷冻机是索尔威(Solvay)冷冻机。
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