JP2002089497A - 気液混相流による気体圧縮装置 - Google Patents

気液混相流による気体圧縮装置

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JP2002089497A
JP2002089497A JP2000318563A JP2000318563A JP2002089497A JP 2002089497 A JP2002089497 A JP 2002089497A JP 2000318563 A JP2000318563 A JP 2000318563A JP 2000318563 A JP2000318563 A JP 2000318563A JP 2002089497 A JP2002089497 A JP 2002089497A
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liquid
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flow
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Takeshi Yoshioka
健 吉岡
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 動力使用を極力小さくして、水流の高落差や
水深を利用して、気液混相流起こして、遠心力も往復作
用も使わず、羽根、歯車、ピストン、スクリュー、弁等
の内部機器のない簡単な構成で、安全的で、故障の少な
い、操作が容易で、維持管理の容易な、安全的で、維持
管理の容易な、低コストで高圧の気体を生み出す気体圧
縮装置を提供する。 【手段】 自然流、または低圧のポンプから気液混相流
をパイプ内に送って高所から低地へ流下させ、又は、水
面上から低圧の気液混相流を水中深部へ圧送して、高落
差または水深により、自動的に高圧化した気液混相流を
気液分離室に圧送し、このうち高圧気体のみを分離させ
て水面上(地上)の高圧気体容器に確保する気液混相流
による気体圧縮装置。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、『気液混相流』と『水
の高さ』(高落差又は水深)を利用して、簡単な操作で
高圧気体を生み出す装置に関するもので、コンプレッサ
ー(気体圧縮装置)と同様の産業界の多分野に用いるも
のである。
【0002】
【従来の技術】通常の気体圧縮技術は、大気中で遠心
力、往復運動等による方法で、羽根、ピストン、スクリ
ュー、歯車、弁等の、複雑な内部機器を使用した加圧方
法であった。この方法は、気体のみを単独で直接圧縮す
るもので、気体に圧縮圧力と同圧以上の圧力を加える必
要があった。
【0003】従来の複雑な内部機器は、摩耗や故障が起
きる可能性が高く、注油の必要性等の維持補修に多くの
コストを必要とする欠点があった。
【0004】さらに、従来の気体圧縮技術は、流体の通
過途上に、羽根、ピストン、スクリュー、歯車等があ
り、これらの内部機器とケーシングとの摩擦によるエネ
ルギー損失が起きるとともに、常にこれらの機器との間
から漏気の危険性があった。
【0005】更に、従来の気体圧縮機は、ブロワ又はコ
ンプレッサー等を使用して気体を単独に圧縮するため、
内部機器とケーシングとの摩擦熱が起き、さらに断熱圧
縮による高熱化が加わり、冷却設備を必要とする欠点が
あった。
【0006】更に、従来の気体圧縮機は、ブロワ又はコ
ンプレッサー等を使用するため、騒音や振動が大きい欠
点があった。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、前述
した従来の気体を単独圧縮する方法でなく、わずかの圧
送力(圧力)で自然の高圧気体を生む原理を利用して、
効果的に気体を圧縮する方法の開発にある。
【0008】本発明の更なる目的は、複雑な内部機器が
なく、摩耗や故障が起きる原因が少ない、注油は不要で
維持補修が少なくコストの小さい装置の開発にある
【0009】更に本発明の目的は、流体の通過途上に、
羽根、ピストン、スクリュー、歯車等を必要とせずに、
これらの内部機器とケーシングとの摩擦のないエネルギ
ー損失のない、これらの機器との間から漏気の危険性の
ない装置の開発にある。
【0010】更に本発明の目的は、内部機器とケーシン
グとの摩擦熱が起きない、さらに断熱圧縮で高熱化を起
さず、冷却設備を必要としない装置の開発にある。
【0011】更に本発明の目的は、気体の圧縮にブロワ
やコンプレッサー等を使わず、騒音や振動が極めて小さ
い気体圧縮装置の開発にある。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明は、前述した多く
の課題を解決するため、高所からパイプ1を低位置の気
液分離室2に延伸して連通接続し、下部に液体流出口4
を設け、上部に高圧気体出口5を設ける、高所のパイプ
1から気液混相流を流下させて気液分離室2に流入させ
ると、気液は上下に分離して水位を形成し、液体流出口
4から高圧液体を外部に流出させ、高圧気体出口5から
高圧気体を必要とする高圧気体用途に用いることに特徴
がある。
【0013】さらに、本発明は、水面上(地上)のパイ
プ1を水中の気液分離室2に延伸して流入可能に接続
し、気液分離室2の内部の下部に液体流出口4を設け、
上部に気体還流管6を接続し水面上(地上)に延伸して
高圧気体貯留容器7に貯留可能に接続する、パイプ1に
気液混相流を圧送して水中の気液分離室2に流入させ、
気液分離室2内で気液を上下に分離させて水位を形成
し、液体流出口4から高圧液体を外部に流出させ、高圧
気体は気体還流管6から水面上(地上)に還流して高圧
気体貯留容器7に貯留して高圧気体用途に用いることに
特徴がある。
【0014】さらに、本発明は、気液分離室2内に水位
維持装置3を設け、水位を維持調整することに特徴があ
る。
【0015】
【実施の態様】本発明の水中混相流高圧化装置の一例
を、請求項1について、図1に従って説明すると、請求
項1は、圧送管1に気液混相流を送下させて、高所から
パイプ1を低位置の気液分離室2に延伸して連通接続
し、気液分離室2の下部に液体流出口4を設け、上部に
高圧気体出口5を設ける構成で、高所のパイプ1から気
液混相流を流下させて気液分離室2に流入させると、気
液は上下に分離して水位を形成し、液体流出口4から高
圧液体を外部に流出させ、高圧気体出口5から高圧気体
のみを必要とする高圧気体用途に用いるものである。
【0016】更に、本発明の請求項2は、水面上(地
上)のパイプ1を水中の気液分離室2に延伸して流入可
能に接続し、気液分離室2の下部に液体流出口4を設
け、上部に気体還流管6を接続し水面上(地上)に延伸
して高圧気体貯留容器7に貯留可能に接続する、パイプ
1に気液混相流を圧送して水中の気液分離室2に流入さ
せ、気液分離室2内で気液を上下に分離して水位を形成
し、液体流出口4から高圧液体を外部に流出させ、高圧
気体は気体還流管6から還流して高圧気体貯留容器7に
貯留して高圧気体用途に用いるものである。
【0017】更に、本発明の請求項3は、気液分離室2
内に水位維持装置3を設け、気液分離室2内の水位を必
要位置に維持するため調整するものである。
【0018】請求項1は、大気下の滝、崖、ビル等の高
落差を確保できる位置を利用して、上部からパイプ1内
に気液混相流を流下させ、流下地点で混相流で高圧化し
た気液を気液分離室2内で、気体のみを分離して高圧気
体を確保するもので、混相流であれば自然流でもよく、
無動力による高圧化も可能である。
【0019】請求項1〜2共に、気液混相流の気液の体
積構成比は、気体より液体を大きくすると高圧の気体が
確保できるが、高圧気体量は小さい、逆に気体より液体
を小さくすると圧力は小さくなるが、確保する高圧気体
は多くなる。
【0020】請求項1〜2共に、気液混相流は常に気泡
の上昇流を伴うため、気液混相流の流速は気泡の上昇流
よりも大きくする必要がある。効果的には通常1.5m
/sec以上の流速を与えることがよく、0.5m/s
ec以下では混相流とならない場合もあり気体圧縮がで
きない場合もある。
【0021】請求項1〜2共に、パイプ1は流速を考慮
してパイプの口径を変化させてよく気液混相流の流速を
1〜2.5m/secの効果的範囲にすることがよい。
【0022】請求項2は、気液混相流にすることで、水
面下全体の平均浮揚力を低減させ、最初水中へ圧送した
気体圧力から何倍もの高圧気体を生み、高圧気体のみを
水面上に戻すものである。
【0023】すなわち、気液混相流(気液を同体積の場
合の例)を水中に圧送すると、気体単独の場合に比べて
水面下全体の平均浮力が1/2となる、このため、気体
単独の水中圧送に比べて2倍の水深へ送気ができるた
め、気体は2倍の水深で2倍の高圧化が可能となる、こ
の原理を用いて、気液の体積比を調整して水面下全体の
平均浮力を1/2以下にすることも可能で、更に深部へ
の送気も可能となり、2倍以上の高圧化も可能となる。
【0024】さらに、気液混相流(気液を同体積の場合
の例)を水中に圧送すると、気体は深度増とともに高圧
化して体積は縮小する、例えば10mの水深では気液混
相流の気体(気泡)の体積は1/2となり、20mの水
深では気液混相流の気体(気泡)の体積は1/3とな
る、水深Dmでの気体(気泡)の体積V(m) V=10V/(D+10) ただし V(m):地上での気体の体積 となる、水深・水圧・気体(気泡)の体積変化を図3に
示す。このため、水面下全体での気体の体積割合が低下
して、平均浮力は更に小さくなり、気体単独の場合に比
べて水面下全体の平均浮力がさらに低下して、気液混相
流の影響に加えて更に気体体積縮小による水中深部へ送
気が可能となる。
【0025】気液混相流と、水深増加で気体の体積縮小
により、水中深部まで圧送し高圧化した気体に気液分離
室2を設けて、気液を分離し、高圧気体を高圧状態のま
ま気体還流管5から水面上(または地上)に設けた高圧
気体貯留容器6に連通接続して、高圧化した気体を高圧
気体貯留容器6に移動させることで、最初水中へ圧送し
た気体よりも何倍もの高圧気体の確保ができるものであ
る。
【0026】例えば、2kgf/cmの気体を気体単
独で水中圧送すると100%の浮揚力が必要となるため
水深約20mまで到達可能であるが、気液混相流(気液
を同体積として)を2kgf/cmで水中に圧送する
と、平均浮揚力が50%に低下するため約2倍の水深約
40mへの送気が可能となる、さらに、深度増加により
気体の体積縮小が起き、水面下10mでは気体(気泡)
の体積は1/2となり、水面下30mでは気体(気泡)
の体積は1/4となり、水面下全体の平均浮揚力が水深
増に伴って低減する、この体積縮小で更に3倍以上の水
深120m(=40m×3)への送気も可能となる。気
液分離室2を水深100mに設置した場合は、水中での
気体(気泡)の圧力は約11atmに増加することにな
る。すなわち、地上よりも10atm高い圧力の確保が
可能となる。この気液分離室2の高圧気体を気体還流管
6から水面上(地上)の高圧のまま高圧気体貯留容器7
へ還流させて10atmの高圧気体が確保できる。この
ように、水深を利用して、圧送圧力よりも数倍、場合に
よっては数倍以上の高圧気体の確保ができるが、流速、
粗度係数、粘性、温度等の要因による損失があるため、
気液分離室2の設置位置は、十分余裕をみて設置するの
がよい。
【0027】海やダムのように大水深が確保できない場
合は、崖等の高落差を利用してパイプによる水深確保の
方法もある、また、井戸を設置して大水深を確保する方
法もある。低圧力の気液混相流を圧送して、高圧気体の
確保は可能である。
【0028】請求項1は自然流を利用してもよいが、請
求項2の気液混相流の圧送には、気体圧送のポンプと液
体圧送のポンプを併用して圧送してもよく、最近特許公
開された『特開平11−201071号→気液圧送装
置』、『特開平11−336687号→気液ポンプ装
置』、『特開2000−170649号→気液巻体ポン
プ装置』等の、気液混相流を1つのポンプで圧送しても
よい。
【0029】請求項2の、気液混相流の水中への圧送は
垂直方向が効果的であるが、多少傾斜して延伸配置して
もよく、直線的が効果的であるが、多少湾曲していても
よい。また、気泡の上昇の速度よりも圧送速度を大きい
必要があり、圧送管の口径を必要箇所で変化させてよ
い。
【0030】水中の気液分離室内2の水位は、パイプ1
の状況や周辺状況に応じて変動する場合があるため、気
液分離室2は縦長に構成する必要がある。
【0031】気液分離室2内の気液混相流を放出する場
所は、図1の通り水位が上下に変動しても影響のない様
に余裕巾が必要で、気液分離室2の縦長の中間近辺に設
ける必要がある、気液分離室内2の気体還流管6の接続
位置は液体を吸込みを防ぐため図1に示す通り気液混相
流の放出の場所より上側に離れた位置がよく気液分離室
内2の上部に設けるのがよい。
【0032】
【発明の効果】本発明は、従来のように、遠心力や往復
作用で気体を圧縮するのではなく、羽根、歯車、ピスト
ン、スクリュー、弁等の内部機器を使用しないで、高落
差や水深を利用して高圧化が可能となった。
【0033】更に本発明は、複雑な内部機器がないた
め、摩耗や故障の起きる危険性がなく、注油等の手間も
不要で維持補修の少ない装置が出現した。
【0034】更に本発明は、羽根、歯車、ピストン、ス
クリュー、弁等の内部機器がないため、摩擦によるエネ
ルギーの損失も、摩擦熱もなく、気液が混相流のため、
気体圧縮による断熱圧縮の高熱化は起きない、また、通
常必要とした冷却設備も必要としない利点がある。
【0035】更に本発明は、従来のようにブロワやコン
プレッサーを使わないため、無騒音、無振動的で防音設
備も振動防止設備も不要となる利点がある。
【0036】更に本発明は、低速回転でエネルギーロス
の小さい『気液圧送装置』、『気液ポンプ装置』、『気
液巻体ポンプ装置』等の気液混相流の1つのポンプが利
用できる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の請求項1の説明図で、高落差を利用し
て大気下にパイプと気液分離室を設けた気液混相流によ
る気体圧縮装置の1例図
【図2】本発明の請求項2の説明図で、水深を利用して
パイプと気液分離室を設け、水面上(地上)の高圧気体
貯留容器に高圧気体を貯留した1例図。
【図3】本発明の請求項1〜2の説明図で、水深・水圧
・気泡の体積変化の関係をグラフに表示した図面であ
る。
【符号の説明】
1 パイプ 2 気液分離室 3 水位維持装置 4 液体流出口 5 高圧気体出口 6 気体還流管 7 高圧気体貯留容器 8 気液混相流源

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】高所からパイプ1を低位置に延伸して気液
    分離室2に連通接続し、下部に液体流出口4を設け、上
    部に高圧気体出口5を設ける、パイプ1に気液混相流を
    流下させて気液分離室2に流入させると、気液は上下に
    分離して水位を形成し、液体流出口4から高圧液体を外
    部に流出させ、高圧気体出口5から高圧気体を移動させ
    て、必要とする高圧気体の用途に用いる気液混相流によ
    る気体圧縮装置。
  2. 【請求項2】水面上(地上)のパイプ1を延伸して水中
    の気液分離室2に流入可能に接続し、下部に液体流出口
    4を設け、上部に気体還流管6を接続し水面上(地上)
    に延伸して高圧気体貯留容器7に貯留可能に接続する、
    パイプ1に気液混相流を圧送して水中の気液分離室2に
    流入させ、気液分離室2内で気液を上下に分離して水位
    を形成し、液体流出口4から高圧液体を外部に流出さ
    せ、高圧気体は気体還流管6から還流して高圧気体貯留
    容器7に貯留して高圧気体用途に用いる気液混相流によ
    る気体圧縮装置。
  3. 【請求項3】気液分離室2内に水位維持装置3を設け、
    水位を維持調整する請求項1は請求項2記載の気液混相
    流による気体圧縮装置。
JP2000318563A 2000-09-13 2000-09-13 気液混相流による気体圧縮装置 Pending JP2002089497A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102032440A (zh) * 2009-09-28 2011-04-27 张家港圣汇气体化工装备有限公司 液化天然气加气系统用气液分离器

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102032440A (zh) * 2009-09-28 2011-04-27 张家港圣汇气体化工装备有限公司 液化天然气加气系统用气液分离器

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