JP2009209740A - 気液分離器及びこれを備えた廃熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトな構成で効率よく気液分離を行うことができ、構成部品の破損を抑制することができる気液分離器を提供することを課題とする。
【解決手段】気液分離器５０は、容器５１の天板に気相流体取り出し口５２が設けられている。また、容器５１の対向する側壁には、それぞれ、処理流体吐出口５３ａ、５３ｂが形成されている。これらの処理流体吐出口５３ａ、５３ｂは、対向配置されている。このように対向配置された処理流体吐出口５３ａ、５３ｂからは処理流体である液相と気相の２相流体がそれぞれ吐出される。吐出された２相流体は容器５１内で衝突する。容器５１の下端には液相流体取り出し口５４が設けられている。また、容器５１の内部には、処理流体吐出口５３ａ、５３ｂの上方であって、気相流体取り出し口５２を覆う位置に分離板５５が装着されている。
【選択図】図１

Description

本発明は気液分離器及びこれを備えた廃熱回収装置に関する。

従来、内燃機関（エンジン）の駆動に伴って発生する廃熱を、ランキンサイクルを利用して回収する廃熱回収装置が知られている。このような廃熱回収装置には、例えば、エンジンの水冷冷却系統を密閉構造とし、エンジンにおける廃熱によって気化した冷却水、すなわち蒸気によって膨張器（タービン）を駆動して、その蒸気の持つ熱エネルギーを電気エネルギー等に変換して回収するものがある。このような廃熱回収装置を改良したものが、例えば、特許文献１に開示されている。

特許文献１に開示されたような蒸気を介して廃熱を回収する廃熱回収装置では、膨張器に送られる冷媒は、気液が分離され、湿り度の低い蒸気となっていることが望ましい。このため、廃熱回収装置には、気液分離器や過熱器が組み込まれることがある。気液分離器は、液相状態の冷媒と混合状態で取り出される蒸気から液分を分離するものである。

気液分離器は、前記のような廃熱回収装置や、その他、蒸気を利用する機器に良質の蒸気を供給するために利用され、その原理、形式も多様なものが提案されている。例えば、特許文献２には壁面衝突型気液分離器が開示されている。この壁面衝突型気液分離器は、気液分離の対象となる処理流体（冷媒）を壁面に衝突させて気液分離を行うものであり、特許文献２には、蒸発器などからの気液２相冷媒噴流が供給される気液分離器の気液分離室内に冷媒噴流の衝撃を緩和するとともに毛細管現象によって液冷媒を吸収する多孔質部材を設けた構成が開示されている。このような構成により、２相冷媒導入時の液滴の飛散による液冷媒のガス冷媒取出口側への侵入が防止され、気液分離性能が向上するとしている。

特開２０００−３４５８３５号公報 実開平６−１８８６５号公報

しかしながら、特許文献２記載のような構成であると冷媒（蒸気）の高速噴射に耐え得るだけの構成部品強度が必要となり、装置の大型化が懸念される。

気液分離器に流入する蒸気速度は、その単位時間当たりの通過蒸気の比体積／流入経路断面積で求められる。従って、発生蒸気量が増すほど蒸気流速が増すことが推測できる。ここで、気液分離器を構成する部品に直撃する蒸気に起因する力（噴流押力：Ｆ）は、以下の式で求めることができる。
噴流押力（Ｆ）＝（γ・Ｑ）・Ｖ／ｇ （式１）
Ｑ：噴流の流量（ｍ^３／ｓ）
γ：流体比重（ｋｇ／ｍ^３）
Ｖ：噴流速度（ｍ／ｓ）
ｇ：重力加速度（ｍ／ｓ^２）
この式１が示すように、噴流押力：Ｆは、噴流が流入する噴流速度に比例し、蒸気の体積が大きくなるほど衝突力が増す。このような衝突力に対応すべく気液分離器の構成部品に強度を持たせると、その重量増大や熱容量増大につながり、初期蒸気排出量の低下を招く等の問題を生じかねない。

そこで、本発明は、コンパクトな構成で効率よく気液分離を行うことができ、構成部品の破損を抑制することができる気液分離器を提供することを課題とする。

このような課題を解決する本発明の気液分離器は、処理流体同士が衝突するように配置された複数の処理流体吐出口が配置された処理流体導入部を備えたことを特徴とする（請求項１）。ここで、処理流体とは主として気液２相流を指す。このような構成とすることにより、処理流体同士を衝突させて気液を分離することができる。処理流体吐出口は、複数備えていればよく、２個一組とする場合、それぞれの処理流体吐出口は、対向配置された構成とすることができる（請求項２）。このような構成とすることにより、処理流体が衝突するときのエネルギーを高めることができ、効率よく気液を分離することができる。また、処理流体のエネルギーは処理流体同士の衝突によって消費されるので気液分離器を内壁に直接衝突することを抑制し、その構成部品の損傷程度を低減することができる。

処理流体に含まれる蒸気は衝突により上昇し、液分はその重力と相俟って落下する。従って、気液分離器は、その上部に気相流体取り出し口を設けることになる。本発明の気液分離器は、この気相流体取り出し口から排出される蒸気が衝突し、さらなる液相流体分離作用を与える分離板を前記処理流体吐出口よりも上方に備えた構成とすることができる（請求項３）。前記のように処理流体に含まれる液分は落下することになるが、衝突等による飛沫が気相流体取り出し口に入り込んでしまうおそれがある。そこで、このような分離板を設けておくことにより、飛び散った液相流体が気相流体と共に排出されることを抑制することができる。

このような気液分離器は、廃熱回収装置に組み込むことができる。すなわち、本発明の廃熱回収装置は、蒸気発生器によって発生した蒸気によって駆動される動力回収手段と、上記の気液分離器と、を、備えた構成とすることができる（請求項４）。蒸気発生器は、例えば、内燃機関（エンジン）であり、エンジンの冷却水を沸騰させて廃熱を回収するいわゆるランキンサイクルを形成する廃熱回収装置に気液分離器を組み込むことができる。

このような廃熱回収装置は、蒸気化した冷媒を介して廃熱を回収することになるが、廃熱回収後の冷媒は凝縮して液相とすることにより、冷媒通路を循環させる構成とすることができる。従って、本発明の廃熱回収装置は以下のような構成とすることができる。すなわち、前記動力回収手段を駆動した後の蒸気を液相に戻す凝縮器を備え、当該凝縮器は、処理流体が内部で衝突するように複数の処理流体導入口が設けられた構成とすることができる（請求項５）。ここで、処理流体は主として動力回収手段における廃熱回収に供された後の蒸気である。この蒸気同士を衝突させ、その運動エネルギーを減少させることにより高エネルギー状態の蒸気を直接凝縮器の構成部品に衝突させることを回避して構成部品の損傷を抑制することができる。

本発明の気液分離器によれば、処理流体となる２相流体同士を衝突させるようにしたので、コンパクトな構成で効率よく気液分離を行い、構成部品の損傷を抑制することのできる気液分離器を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。

図１は、本発明の気液分離器５０の概略構成を示す模式図である。気液分離器５０は、本発明における処理流体導入部を形成する容器５１の天板に気相流体取り出し口５２が設けられている。また、容器５１の対向する側壁には、それぞれ、処理流体吐出口５３ａ、５３ｂが形成されている。これらの処理流体吐出口５３ａ、５３ｂは、対向配置されている。このように対向配置された処理流体吐出口５３ａ、５３ｂからは処理流体である液相と気相の２相流体がそれぞれ吐出される。吐出された２相流体は容器５１内で衝突する。容器５１の下端には液相流体取り出し口５４が設けられている。また、容器５１の内部には、処理流体吐出口５３ａ、５３ｂの上方であって、気相流体取り出し口５２を覆う位置に分離板５５が装着されている。

以上のように構成される気液分離器５０では、矢示５６ａ、５６ｂで示すように処理流体吐出口５３ａ、５３ｂからそれぞれ２相流体が吐出されると、容器５１の内部で２相流体が衝突する。それぞれの２相流は、衝突することにより、もともとの進行方向へ向かう力が弱められる。これにより、２相流体を形成していた気相流体と液相流体とが分離し、気相流体、すなわち蒸気は上昇し、矢示５７で示すように気相流体取り出し口５２から排出される。このとき、蒸気は分離板５４と衝突し、ここでも、分離作用を受ける。また、分離後の液相流体は分離板５４によって、気相流体取り出し口５２から排出されることが抑制される。一方、分離された液相流体５８は、作用する重力によって下方へ落下する。落下した液相流体５８は、液相流体取り出し口５４から排出される。

このように容器５１内に導入される２相流体同士が衝突し、運動エネルギーを消費するため、容器５１の内壁、その他、気液分離器５０の構成部品に直接衝突することを抑制し、その構成部品の損傷程度を低減することができる。

以上のように機能する気液分離器５０は、ランキンサイクルを利用した廃熱回収装置１に組み込まれる。図２は、本実施例の廃熱回収装置１の概略構成を示した説明図である。

廃熱回収装置１の一部は、燃焼機関であるエンジン本体２に組み込まれている。廃熱回収装置１は、シリンダブロック２ａからシリンダヘッド２ｂ内にかけて形成されたウォ−タジャケット３、シリンダヘッド２ｂ内に設置された冷却水噴射ノズル４を備えている。ウォータジャケット３内には液相流体に相当し、冷却媒体である冷却水が供給されている。冷却水噴射ノズル４には第１ウォータポンプ５によってウォ−タジャケット３下部から汲み上げられた冷却水が供給される。噴射された冷却水は高温のエンジン本体２を冷却する際に蒸気化し、ウォータジャケット３の上部に充満する。この段階で、冷却媒体は気相と液相の２相流体となっている。

廃熱回収装置１は、さらに、蒸気化した冷却媒体、すなわち２相流体状態の蒸気が流通する蒸気経路６を備えている。この蒸気経路６には上流側から順に気液分離器５０、過熱器７、タービン８が配設されており、その端部は凝縮器９に接続されている。過熱器７にはエンジン本体２の排気ポート１３と接続された排気経路１４が引き込まれている。過熱器７は、排気経路１４中の排気ガスから熱を回収し、蒸気通路６内を通じる蒸気へさらに熱を付与するもので、廃熱の回収効率を向上させるものである。タービン８は、蒸気経路６を通じて流入する高温、高圧の蒸気によって駆動される。タービン８は発電機１５と共通の駆動軸８ａを備えている。このため、タービン３が駆動されると、発電機１５は蒸気の熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、回収する。タービン８を通過した蒸気は凝縮器９で凝縮されて冷却水に戻される。

蒸気経路６は、気液分離器５の上流側で第１経路６ａと第２経路６ｂとに分岐する。第１経路６ａ、第２経路６ｂは、それぞれ、処理流体吐出口５３ａ、５３ｂに接続されている。第１経路６ａ、第２経路６ｂは、容器５１内に吐出される２相流体の勢いが極力同等となるように等長とされている。

ここで、タービン８を通過した後の蒸気が導入される凝縮器９の構成について図３を参照しつつ説明する。凝縮器９は、アッパータンク９ａとロアータンク９ｂとの間にラジエターコア９ｃを備えた熱交換器であり、処理流体であるタービン８通過後の蒸気を外気と熱交換させ、冷却することによって液相状態に凝縮する。凝縮器９のアッパータンク９ａの両端には処理流体導入口９ａ１、９ａ２が互いに向かい合う形で設けられている。
蒸気経路６は、凝縮器９の上流側で第３経路６ｃと第４経路６ｄとに分岐する。第３経路６ｃ、第４経路６ｄは、それぞれ、処理流体導入口９ａ１、９ａ２に接続されている。第３経路６ｃ、第２経路６ｄは、アッパータンク９ａ内に導入される蒸気の勢いが極力同等となるように等長とされている。このように第３経路６ｃ、第２経路６ｄを通じてアッパータンク９ａ内に導入された蒸気は、アッパータンク９ａ内で衝突する。これにより、エネルギーを消費する。この結果、高エネルギーの流体がアッパータンク９ａの内壁へ衝突することを抑制することができるので、アッパータンク９ａの損傷程度を低減することができる。

廃熱回収装置１は、さらに、凝縮器９のロアータンク９ｂとウォ−タジャケット３と接続する冷却水通路１０を備えている。この冷却水通路１０には上流側から順にキャッチタンク１１、モータ１２ａによって駆動される第２ウォータポンプ１２が配設されている。凝縮器９内で凝縮され液体に戻された冷却水は一旦キャッチタンク１１内に貯留され、その後、第２ウォータポンプ１２によって再びウォータジャケット３内へ供給される。また、気液分離器５０で分離され、液相流体取り出し口５４から排出された冷却水（液相流体５８）もキャッチタンク１１に戻される。

このように廃熱回収装置１は、ウォ−タジャケット３の液体の冷却水が蒸気となり、凝縮器９で再び液体に戻されてウォ−タジャケット３へ供給される、閉じた系が形成され、ランキンサイクルが構成されている。

上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、さらに本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。例えば、蒸気実施例では気液分離器５０を構成する容器５１内に２相流体を導入する処理流体吐出口５３ａ、５３ｂの二つとしているが、さらにその数を増した構成とすることもできる。

実施例の気液分離器の概略構成を模式的に示した模式図である。 廃熱回収装置の概略構成を模式的に示した説明図である。 廃熱回収器に組み込まれた凝縮器の概略構成を模式的に示した説明図である。

符号の説明

１ 廃熱回収装置
２ エンジン
２ａ シリンダブロック
２ｂ シリンダヘッド
３ ウォータジャケット
４ 冷却水噴射ノズル
５ 第１ウォータポンプ
６ 蒸気経路
７ 過熱器
８ タービン
９ 凝縮器
１２ 第２ウォータポンプ
５０ 気液分離器
５１ 容器
５２ 気相流体取り出し口
５３ａ、５３ｂ 処理流体導入口
５４ 液相流体取り出し口
５５ 分離板

Claims (5)

1. 処理流体同士が衝突するように配置された複数の処理流体吐出口が配置された処理流体導入部を備えたことを特徴とする気液分離器。
2. 請求項１記載の気液分離器において、前記処理流体吐出口は、対向配置されたことを特徴とする気液分離器。
3. 請求項１記載の気液分離器において、
   前記処理流体吐出口よりも上方に液相流体の分離板を備えたことを特徴とする気液分離器。
4. 蒸気発生器によって発生した蒸気によって駆動される動力回収手段と、
   請求項１乃至３のいずれか一項記載の気液分離器と、
   を、備えたことを特徴とする廃熱回収装置。
5. 請求項４記載の廃熱回収装置において、
   前記動力回収手段を駆動した後の蒸気を液相に戻す凝縮器を備え、
   当該凝縮器は、処理流体が内部で衝突するように複数の処理流体導入口が設けられたことを特徴とする廃熱回収装置。

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