JP2015044158A - 気液分離装置、および、水噴射式気体圧縮システム - Google Patents

Abstract

【課題】液体と気体との分離能力を向上することを目的とする。
【解決手段】気液分離装置１３０は、円筒形状に形成された圧力容器３００と、圧力容器３００内に設けられ、圧力容器３００の内面との間で、漸次狭くなる部分を有する間隙３３０を形成する衝突板３１０と、圧力容器３００内の間隙３３０における漸次狭くなる部分であって、漸次狭くなる方向に、液体および気体の混合流を供給する供給管３１２とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、液体および気体の混合流を分離する気液分離装置、および、水噴射式気体圧縮システムに関する。

従来、水噴射式気体圧縮システムは、例えば水噴射式スクリュー圧縮機であり、水を潤滑剤とするスクリューロータにより空気が圧縮され、圧縮空気に水が混合された気液混合流が気液分離装置に送られ、気液分離装置で圧縮空気と水に分離する。そして、分離された圧縮空気を外部に供給する。

気液分離装置は、円筒形状に形成された容器の内面に沿って気液混合流が供給され、容器の内面に沿って流れる際の遠心力により圧縮空気と水とを分離する（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−１１９４２５号公報

上述した気液分離装置は、容器の内部に、当該容器と同心上に円筒形状の衝突板が設けられ、容器の内面と衝突板との間に間隙が形成される。そして、気液分離装置では、気液混合流が容器の内面と衝突板との間に形成された間隙に供給され、当該間隙を流れる際の遠心力により圧縮空気と水とを分離する。

ところで、水と圧縮空気の分離能力を向上させるためには、遠心力を大きくする必要があり、そのためには、容器内での流速を上げる必要がある。

そこで、本発明は、液体と気体との分離能力を向上することを目的とする気液分離装置、および、水噴射式気体圧縮システムを提供する。

上記課題を解決するために、本発明の気液分離装置は、円筒形状に形成された容器と、容器内に設けられ、容器の内面との間で、漸次狭くなる部分を有する間隙を形成する衝突板と、容器内における容器の内面と衝突板との間に形成された間隙の漸次狭くなる部分であって、漸次狭くなる方向に、液体および気体の混合流を供給する供給管と、を備えることを特徴とする。

また、衝突板は、円筒形状に形成され、衝突板の軸中心と容器の軸中心とが異なる位置に配されるとよい。

また、供給管は、径が間隙の最小幅より大きく、かつ、間隙の最大幅よりも小さく、間隙の幅が径よりも大きい位置に先端面が配されるとよい。

また、本発明の水噴射式気体圧縮システムは、水により潤滑され、気体を圧縮する圧縮装置と、圧縮装置により圧縮された、液体が混合された気液混合流を、遠心分離により圧縮気体および液体に分離する気液分離装置とを備え、気液分離装置は、円筒形状に形成された容器と、容器内に設けられ、容器の内面との間で、漸次狭くなる部分を有する間隙を形成する衝突板と、容器内における容器の内面と衝突板との間に形成された間隙における、漸次狭くなる部分であって、漸次狭くなる方向に、気液混合流を供給する供給管とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、液体と気体との分離能力を向上することが可能となる。

水噴射式気体圧縮システムを説明するための図である。 （ａ）は、気液分離装置の構成を示す図であり、（ｂ）は、供給管の軸中心を通る水平断面図である。 従来の気液分離装置における供給管の軸中心を通る水平断面図である。 （ａ）は、従来の気液分離装置における気液混合流の流速のシミュレーション結果を示す図である。（ｂ）は、本実施形態の気液分離装置における気液混合流の流速のシミュレーション結果を示す図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（水噴射式気体圧縮システム１００）
図１は、水噴射式気体圧縮システム１００を説明するための図である。図１中、水の流れを実線の矢印で示し、空気の流れを一点鎖線の矢印で示し、気液混合流の流れを太線の矢印で示し、信号の流れを破線の矢印で示す。

図１に示すように、水噴射式気体圧縮システム１００は、エアエンド１１０、メインモータ部１２０、気液分離装置１３０、ドライヤ１４０、クーラ１５０、ファン部１６０、制御部１７０、ライン２００（図１中、２００ａ〜２００ｈで示す）を含む構成とされる。

まず、水噴射式気体圧縮システム１００における空気の流れについて説明すると、空気は、エアエンド１１０に導入され、エアエンド１１０で圧縮される。エアエンド１１０で圧縮された空気（以下、圧縮空気とも呼ぶ）は、水とともに、気液混合流として圧縮空気ライン２００ａを介して、気液分離装置１３０に供給される。そして、気液分離装置１３０において水が分離された後、圧縮空気ライン２００ｂを介してドライヤ１４０に送出され、ドライヤ１４０でさらに水が取り除かれて、供給先に供給されることとなる。

次に、水の流れについて説明すると、給水源から水ライン２００ｃを介してエアエンド１１０に供給された水は、潤滑液として機能した後、圧縮空気とともに、圧縮空気ライン２００ａを介して、気液分離装置１３０に供給される。また気液分離装置１３０には、給水源から水ライン２００ｄを介して供給された水が貯留されており、エアエンド１１０から導入された水は、貯留された水と合流することとなる。そして、気液分離装置１３０に貯留された水は、水ライン２００ｅを介してクーラ１５０に供給された後、クーラ１５０において冷却され、水ライン２００ｆ、水フィルタ２０２ａを介してエアエンド１１０に再度導入されることとなる。つまり、水は、エアエンド１１０、気液分離装置１３０、クーラ１５０を循環することとなる。

続いて、水噴射式気体圧縮システム１００を構成するエアエンド１１０、メインモータ部１２０、気液分離装置１３０、ドライヤ１４０、クーラ１５０、ファン部１６０、制御部１７０の具体的な構成について説明する。

エアエンド１１０は、２つのスクリューロータが回転駆動され、当該２つのスクリューロータを回転させることで空気を圧縮する圧縮装置であり、水を潤滑液として利用する。エアエンド１１０は、２つのスクリューのうちの一方のスクリューの端に圧縮側プーリ１１２が固定される。

メインモータ部１２０は、メインモータ１２２、モータ側プーリ１２４、ベルト１２６を含む構成とされる。モータ側プーリ１２４は、メインモータ１２２によって回転駆動される。モータ側プーリ１２４には、無端状のベルト１２６が張架されており、当該ベルト１２６は、さらにエアエンド１１０の圧縮側プーリ１１２に張架されている。

したがって、メインモータ１２２によってモータ側プーリ１２４が回転駆動されると、ベルト１２６および圧縮側プーリ１１２を介して、エアエンド１１０のスクリューが回転することで、エアエンド１１０において空気が圧縮されることとなる。エアエンド１１０において圧縮された空気は、エアエンド１１０の潤滑液として機能する水とともに圧縮空気ライン２００ａを介して気液分離装置１３０に導入される。

気液分離装置１３０は、詳しくは後述するように、圧力容器３００内で、圧縮空気ライン２００ａを介してエアエンド１１０から導入された気液混合流を気液分離する、すなわち圧縮空気と水とを分離する。分離された水は、圧力容器３００内の下部に貯留された水に合流される。

上述したように気液分離装置１３０には、圧縮空気（例えば、０．７ＭＰａ程度）が導入されるため、気液分離装置１３０内は常時加圧状態となっている。したがって、気液分離装置１３０に貯留された水は、水ライン２００ｅを通じてクーラ１５０に圧送されることとなる。

また、気液分離装置１３０には、圧力容器３００内に貯留された水の水位を検知する水位センサ３２０が設けられている。水位センサ３２０が検知した水位を示す水位信号は、制御部１７０に送信される。

ドライヤ１４０は、圧縮空気ライン２００ｂを介して、気液分離装置１３０に接続されており、気液分離装置１３０から導入された圧縮空気を水の飽和温度以下に冷却することで、圧縮空気に含まれる水（気体）を凝縮して、圧縮空気から水を分離する。そして、ドライヤ１４０によって水が除去された圧縮空気は、供給先へと供給され、分離された水は、ドレントラップ２０２ｂ、水ライン２００ｈを介して、エアエンド１１０に供給される。なお、圧縮空気ライン２００ｂには逆止弁２３０ｃが設けられており、ドライヤ１４０から気液分離装置１３０への圧縮空気の逆流を防止している。

クーラ１５０は、水ライン２００ｅを介して気液分離装置１３０から供給された水を、ファン部１６０のファン１６４からの送風によって、外気温＋１０℃程度まで冷却する。クーラ１５０によって冷却された水は、水ライン２００ｆを介して、エアエンド１１０に導入される。

ファン部１６０は、ファンモータ１６２、ファン１６４により構成され、ファンモータ１６２によってファン１６４が回転駆動され、ファン１６４によってクーラ１５０に対して送風を行う。

制御部１７０は、中央処理装置（ＣＰＵ）、プログラム等が格納されたＲＯＭ、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含む半導体集積回路により、水噴射式気体圧縮システム１００全体を管理および制御する。本実施形態において、制御部１７０は、給水源から導入される水の圧力を測定する圧力測定部２１０から送信された、測定した圧力を示す圧力信号、および、水位センサ３２０から送信された水位信号に基づいて、水ライン２００ｃに設けられた電磁弁２２０ａ、２２０ｂ、水ライン２００ｄに設けられた電磁弁２２０ｃ、気液分離装置１３０に接続された排水ライン２００ｇに設けられた電磁弁２２０ｄを制御する。

具体的に説明すると、制御部１７０は、エアエンド１１０の潤滑に十分な量であって、空気の圧縮の妨げにならない量の水が導入されるように、圧力信号に基づいて、電磁弁２２０ａ、２２０ｂの開度を調整する。また、制御部１７０は、気液分離装置１３０内の水位を予め定められた高さ（例えば、気液分離装置１３０の中間位置）に維持すべく、圧力信号および水位信号に基づいて、電磁弁２２０ｃ、２２０ｄの開度を調整する。

なお、水ライン２００ｄにおける電磁弁２２０ｃと気液分離装置１３０との間には逆止弁２３０ａが設けられており、気液分離装置１３０から水ライン２００ｄへの水の逆流を防止している。また、水ライン２００ｃにおける電磁弁２２０ａとエアエンド１１０との間には、逆止弁２３０ｂが設けられており、エアエンド１１０から水ライン２００ｃへの水の逆流を防止している。

（気液分離装置の構成）
図２は、気液分離装置１３０の構成を説明するための図である。図２（ａ）は、気液分離装置１３０の構成を示す図であり、図２（ｂ）は、供給管３１２の軸中心を通る水平断面図（図２（ａ）のＩＩ（ｂ）−ＩＩ（ｂ）断面図）である。

図２に示すように、気液分離装置１３０は、圧力容器３００、衝突板支持板３０８、衝突板３１０、供給管３１２、気体吐出管３１４、液体吐出管３１６、脚部３１８を含む構成とされる。

圧力容器３００は、両端が開口した円筒形状の胴部３０２の上端および下端に、鏡板でなる頂部３０４および底部３０６が周方向にわたって溶接されており、胴部３０２、頂部３０４および底部３０６により内部が密閉される。圧力容器３００は、胴部３０２の軸方向が鉛直方向に沿い、底部３０６が下方に位置し、頂部３０４が上方に位置するようにして脚部３１８により保持される。

圧力容器３００は、胴部３０２および頂部３０４の間に、胴部３０２の軸中心３０２ａに対して中心位置がずれた（オフセットした）円形状の貫通孔を有する円盤形状の衝突板支持板３０８が設けられる。衝突板支持板３０８は、外径が胴部３０２の内径とほぼ同一であり、胴部３０２および頂部３０４の間で、胴部３０２および頂部３０４に周方向にわたって溶接される。

また、衝突板支持板３０８は、貫通孔に衝突板３１０が周方向にわたって溶接されている。衝突板３１０は、両端が開口した円筒形状に形成され、一端が衝突板支持板３０８の頂部３０４側の面と面一となるように溶接され、他端が胴部３０２側に位置する。すなわち、衝突板３１０は、胴部３０２と対向するように延在する。

衝突板３１０は、胴部３０２の軸中心３０２ａに対してオフセットされた衝突板支持板３０８の貫通孔に固定（溶接）されているので、図２（ｂ）に示すように、軸中心３１０ａが胴部３０２の軸中心３０２ａに対してずれた（オフセットされた）位置に配される。したがって、圧力容器３００内では、胴部３０２の内面と衝突板３１０の外面との間の幅が、周方向に向かって漸次狭くなる漸狭部３３０ａと、漸次広くなる漸拡部３３０ｂとを有する間隙３３０が形成される。

なお、衝突板３１０は、軸方向の長さが、胴部３０２の軸方向の長さと比して短く、他端が圧力容器３００の内部に貯蔵される水に接することがないように設計されている。

供給管３１２は、円筒形状に形成され、径が間隙３３０の最小幅より大きく、かつ、間隙３３０の最大幅よりも小さい管である。供給管３１２は、胴部３０２の上部であって衝突板３１０が延在する位置に設けられた貫通孔に、軸方向に対して直交する先端面３１２ａが胴部３０２内に位置するように水平に挿入された状態で接続される。より詳しく説明すると、供給管３１２は、先端面３１２ａが間隙３３０の漸狭部３３０ａに位置し、かつ、間隙３３０が漸次狭くなる方向（図２（ｂ）の矢印３３０ｃ）に気液混合流を供給する向きに配される。また、供給管３１２は、先端面３１２ａが衝突板３１０に接するようにして、当該衝突板３１０の外面の法線方向に沿って配される。供給管３１２は、エアエンド１１０（図１）から圧縮空気ライン２００ａを介して気液混合流が供給され、気液混合流を圧力容器３００内に供給する。

気体吐出管３１４は、圧力容器３００の頂部３０４に接続され、圧縮空気を、頂部３０４から圧縮空気ライン２００ｂを介してドライヤ１４０に供給する。

液体吐出管３１６は、圧力容器３００の底部３０６に接続され、底部３０６から水を内部の気体圧力で、水ライン２００ｅを介してクーラ１５０に供給する。

水位センサ管３２２は、圧力容器３００の頂部３０４に接続され、一端が胴部３０２の下部まで延在する円筒形状に形成され、内部に水位センサ３２０が設けられる。

このような構成でなる気液分離装置１３０では、供給管３１２から気液混合流が圧力容器３００内に供給されると、気液混合流が、胴部３０２の内面と衝突板３１０の外面との間に形成された間隙３３０を通って、胴部３０２の内面に沿って旋回する。このとき、圧力容器３００内では、旋回による遠心力により気液混合流が圧縮空気と水に遠心分離し、圧縮空気が衝突板３１０内を通って気体吐出管３１４から圧縮空気ライン２００ｂに送出され、水が圧力容器３００内の下部に貯留された水に合流される。

ところで、遠心分離では、水と圧縮空気とが混合した気液混合流を、水と圧縮空気との粒子質量の違いから向心力および遠心力を利用して水と圧縮空気とに分離する。このとき、分離限界粒子径は下式（１）のように定義される。

…（１）

なお、ｘ_pcは分離限界粒子径であり、Ｃ_Dは流体抵抗係数であり、ρ_ｓは粒子密度（水密度）であり、ρはガス密度（空気密度）であり、ｕ_ｒは中心方向速度であり、ｕ_θは周方向速度であり、ｒは円筒半径（胴部３０２の内径）である。

したがって、遠心分離の効率を向上させるためには分離限界粒子径を小さくすればよく、そのためには周方向速度を上げればよい。

図３は、従来の気液分離装置４００における供給管４１２の軸中心を通る水平断面図である。図３に示すように、従来の気液分離装置４００は、胴部４０２と衝突板４１０が軸中心４０２ａを基準として同心円状に配されており、胴部４０２の内面と衝突板４１０の外面とにより形成される間隙４３０は周方向に沿って同一幅である。また、供給管４１２は、間隙４３０の幅よりも径が大きく、間隙４３０内に先端面４１２ａを挿入させるために、先端面４１２ａが斜めにカットされている。

このような構成でなる気液分離装置４００では、供給管４１２から供給された気液混合流が間隙４３０内を高さ方向に広がりながら旋回するため、流速が徐々に遅くなっていく。また、気液混合流の一部が、供給管４１２の先端面４１２ａから送出された直後に衝突板４１０にあたってしまうため、気液混合流の流速が遅くなってしまう。なお、間隙４３０の幅に合わせて供給管４１２の径を小さくすることも考えられるが、供給管４１２の径を小さくすると、供給管４１２の管摩擦が大きくなるため、供給管４１２をある程度の大きさにしておかなくてはならない。

これに対して、本実施の気液分離装置１３０は、上記したように、衝突板３１０の軸中心３１０ａを胴部３０２の軸中心３０２ａに対してオフセットさせているため、間隙３３０の幅が周方向にわたって漸次狭くなる部分（漸狭部３３０ａ）と漸次広くなる部分（漸拡部３３０ｂ）とがある。そして、供給管３１２は、間隙３３０の漸狭部３３０ａに位置し、かつ、間隙３３０が漸次狭くなる方向に気液混合流を供給する向きに配される。

これにより、気液分離装置１３０では、供給された気液混合流が間隙３３０の漸次狭くなる方向に流れるので、間隙３３０内を高さ方向に広がりながらも間隙３３０の幅方向に狭められ、気液混合流の流速の低下を抑制することができる。また、気液分離装置１３０では、供給管３１２の先端面３１２ａを間隙３３０において従来と比して幅が広い位置に配することにより、供給管３１２の径を小さくすることなく、衝突板３１０に気液混合流が当たらずに圧力容器３００内に供給することができ、気液混合流の流速の低下を抑制することができる。したがって、気液分離装置１３０は、圧力容器３００内での気液混合流の流速を従来と比して早くすることができるので、水と圧縮空気との分離性能を向上することができる。

図４は、従来の気液分離装置４００、および、本実施形態の気液分離装置１３０における気液混合流の流速（流れ）のシミュレーション結果を示す図である。図４（ａ）は、従来の気液分離装置４００における気液混合流の流速（流れ）を流線で示すシミュレーション結果を示す図であり、図４（ｂ）は、本実施形態の気液分離装置１３０における気液混合流の流速（流れ）を流線で示すシミュレーション結果を示す図である。

図４（ａ）および（ｂ）からも明らかなように、気液分離装置１３０では、従来の気液分離装置４００と比して、流線が圧力容器３００の内面（間隙３３０）に沿って供給管３１２の先端面３１２ａから、水平方向へ、より遠方に延びていることがわかる。すなわち、気液分離装置１３０は、従来の気液分離装置４００と比して、圧力容器３００内での気液混合流の流速の低下を抑制できていることがわかる。したがって、気液分離装置１３０は、シミュレーション結果においても、従来の気液分離装置４００と比して、気液混合流の流速の低下を抑制して、水と圧縮空気との分離性能を向上することができることが証明された。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

なお、上述した実施形態では、衝突板３１０が胴部３０２の軸中心３０２ａに対してオフセットして配されることにより、胴部３０２の内面と衝突板３１０の外面により形成される間隙３３０に、幅が周方向にわたって漸次狭くなる部分（漸狭部３３０ａ）と漸次広くなる部分（漸拡部３３０ｂ）とが設けられるようにした。しかしながら、胴部の内面と衝突板の外面により形成される間隙に、幅が周方向にわたって漸次狭くなる部分が設けられるのであればよく、例えば、衝突板が楕円形状に形成され、胴部３０２の軸中心３０２ａと同心に配されるようにしてもよい。

また、上述した実施の形態においては、気液分離装置１３０が、気体としての圧縮空気と、液体としての水との気液混合流を分離するようにしたが、他の気体および液体の混合流を分離するようにしてもよい。

また、上述の実施形態では、エアエンド１１０、気液分離装置１３０、クーラ１５０を循環する循環水の冷却方法として、クーラ１５０においてファン部１６０からの送風によって冷却する空冷式を用いたが、水冷式であってもよい。

本発明は、気液混合流を気体および液体に分離する気液分離装置、および、これを用いた水噴射式気体圧縮システムに利用することができる。

１００ 水噴射式気体圧縮システム
１１０ エアエンド（圧縮装置）
１３０ 気液分離装置
３００ 圧力容器（容器）
３１０ 衝突板
３１２ 供給管
３１２ａ 先端面
３３０ 間隙
３３０ａ 漸狭部

Claims (4)

1. 円筒形状に形成された容器と、
   前記容器内に設けられ、該容器の内面との間で、漸次狭くなる部分を有する間隙を形成する衝突板と、
   前記容器内における該容器の内面と前記衝突板との間に形成された間隙の漸次狭くなる部分であって、漸次狭くなる方向に、液体および気体の混合流を供給する供給管と、を備えることを特徴とする気液分離装置。
2. 前記衝突板は、円筒形状に形成され、該衝突板の軸中心と前記容器の軸中心とが異なる位置に配されることを特徴とする請求項１に記載の気液分離装置。
3. 前記供給管は、径が前記間隙の最小幅より大きく、かつ、該間隙の最大幅よりも小さく、該間隙の幅が径よりも大きい位置に先端面が配されることを特徴とする請求項１または２に記載の気液分離装置。
4. 水により潤滑され、気体を圧縮する圧縮装置と、
   前記圧縮装置により圧縮された、液体が混合された気液混合流を、遠心分離により圧縮気体および液体に分離する気液分離装置と
   を備え、
   前記気液分離装置は、
   円筒形状に形成された容器と、
   前記容器内に設けられ、該容器の内面との間で、漸次狭くなる部分を有する間隙を形成する衝突板と、
   前記容器内における該容器の内面と前記衝突板との間に形成された間隙における、漸次狭くなる部分であって、漸次狭くなる方向に、前記気液混合流を供給する供給管とを備えることを特徴とする水噴射式気体圧縮システム。