JP2020000981A - 旋回流発生器 - Google Patents

Abstract

【課題】旋回流発生器の液体の分離能力を向上させる。【解決手段】旋回流発生器３は、軸Ｘを中心とする円周面３２ａと、円周面３２ａの周囲に形成され、混合流体を軸Ｘ周りに旋回させる旋回流路３４とを備えている。円周面３２ａは、軸Ｘ方向において旋回流路３４の出口よりも延びる延長部３２ｂを有している。延長部３２ｂには、旋回流路３４から流出する液滴を滞留させる滞留部３７が形成されている。【選択図】図２

Description

ここに開示された技術は、旋回流発生器に関する。

例えば、特許文献１には、流体を旋回させる旋回流発生器が開示されている。特許文献１の旋回流発生器は、気液の混合流体を旋回させて、遠心力によって気体と液体とを分離させる。

特開２００２−２８４２２号公報

前述のような旋回流発生器は、旋回流の遠心力によって、比重の大きい液体を気体から分離する。そのため、小さな液滴は重量が小さいため、遠心力も小さくなり、分離がしづらくなる。

ここに開示された技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、旋回流発生器の液体の分離能力を向上させることにある。

ここに開示された旋回流発生器は、気液の混合流体を所定の軸周りに旋回させることによって気体と液体とを分離させる旋回流発生器であって、前記軸を中心とする円周面と、前記円周面の周囲に形成され、混合流体を前記軸周りに旋回させる旋回流路とを備え、前記円周面は、前記軸方向において前記旋回流路の出口よりも延びる延長部を有し、前記延長部には、前記旋回流路から流出する液滴を滞留させる滞留部が形成されている。

前記旋回流発生器によれば、液体の分離能力を向上させることができる。

図１は、気液分離器の縦断面図である。 図２は、旋回流発生器の斜視図である。 図３は、旋回流発生器の縦断面図である。 図４は、第２管の下端部の拡大断面図である。 図５は、第１の変形例に係る第２管の下端部の拡大断面図である。 図６は、第２の変形例に係る第２管の下端部の拡大断面図である。 図７は、第３の変形例に係る第２管の下端部の拡大断面図である。

以下、例示的な実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、気液分離器１００の縦断面図である。詳しくは、図１は、軸Ｘを含む平面で気液分離器１００を切断した断面図である。

気液分離器１００は、ケーシング１と、ケーシング１内に収容された旋回流発生器３とを備えている。気液分離器１００は、気液の混合流体を気体と液体とに分離する。例えば、気液分離器１００は、水が混合された蒸気又は空気を蒸気又は空気と水とに分離する。気液分離器１００は、液体を流出させる一方、気体の流出を阻止するトラップ機構７をさらに備えていてもよい。以下、「上流」とは、流体の流れ方向における上流を意味し、「下流」とは、流体の流れ方向における下流を意味する。

ケーシング１は、第１ケース１１と、第２ケース１２と、第３ケース１３との分割構造となっている。第１ケース１１の下方に第２ケース１２が配置され、第２ケース１２の下方に第３ケース１３が配置される。第１ケース１１は、第２ケース１２の上部に連結される。第３ケース１３は、第２ケース１２の下部に連結される。第１ケース１１と第２ケース１２とは、ボルト締結される。第２ケース１２と第３ケース１３とは、ボルト締結される。

第２ケース１２は、筒状に形成されている。詳しくは、第２ケース１２は、上下方向（即ち、鉛直方向）に延びる軸Ｘを中心とする略円筒状に形成されている。

第１ケース１１には、混合流体が流入する流入ポート１４と、気体が流出する気体流出ポート１５とが形成されている。気体流出ポート１５の上流端部は、第１ケース１１の内側に下方へ向かって開口している。気体流出ポート１５の下流端部は、第１ケース１１の外側に側方へ向かって開口している。気体流出ポート１５の上流端部の軸心は、軸Ｘと一致している。流入ポート１４の上流端部は、第１ケース１１の外側に側方へ向かって開口している。流入ポート１４の下流端部は、第１ケース１１の内側であって、気体流出ポート１５の上流端部よりも軸Ｘを中心とする半径方向外側の位置で開口している。

以下、特段の断りがない限り、「半径方向」とは、軸Ｘを中心とする半径方向を、「周方向」とは、軸Ｘ周りの周方向を意味する。

第３ケース１３には、液体が流出する液体流出ポート１６が形成されている。液体流出ポート１６の上流端部は、第３ケース１３の内側に開口し、液体流出ポート１６の下流端部は、第３ケース１３の外側に開口している。第３ケース１３には、トラップ機構７が配置される。

図２は、旋回流発生器３の斜視図である。図３は、旋回流発生器３の縦断面図である。旋回流発生器３は、軸Ｘを中心とする円周面３２ａと、円周面３２ａの周囲に形成され、混合流体を軸Ｘ周りに旋回させる旋回流路３４とを有している。例えば、旋回流発生器３は、第１管３１と、第１管３１の内側に位置する第２管３２と、第１管３１と第２管３２との間に設けられた複数の傾斜壁３３とを有していてもよい。第２管３２の外周面が円周面３２ａである。

第１管３１と第２管３２とは、同軸上に配置されている。第１管３１の軸心と第２管３２の軸心は、軸Ｘと一致している。第１管３１及び第２管３２は、上下の両方に開口している。第２管３２は、第１管３１よりも上下の両側に突出しいている。

傾斜壁３３の上端部は、第１管３１の上端よりも上方まで延びている。一方、傾斜壁３３の下端部は、第１管３１の上下方向における中央付近まで延びている。

第１管３１と第２管３２との間に、旋回流路３４が形成されている。詳しくは、複数の傾斜壁３３は、第１管３１と第２管３２との隙間において周方向に並んで配置されている。周方向に隣り合う各２つの傾斜壁３３と第１管３１と第２管３２とによって旋回流路３４が区画されている。つまり、円周面３２ａは、旋回流路３４を部分的に（詳しくは、旋回流路３４のうち半径方向内側の部分を）区画している。

旋回流路３４には、上方から混合流体が流入する。旋回流路３４は、混合流体を軸Ｘ回りに旋回させながら上方から下方へ流通させるような形状に形成されている。

尚、傾斜壁３３の下端は第１管３１の上下方向における中央付近で終わっているので、旋回流路３４の出口は、第１管３１の上下方向における中央付近に位置している。つまり、第１管３１及び第２管３２は、旋回流路３４の出口よりも下方へ延びている。そのため、旋回流路３４の出口よりも下方においては、第１管３１と第２管３２の隙間は、傾斜壁３３で仕切られておらず、周方向に連続する円環状の空間となっている。

旋回流路３４の上流端には、流体から異物を取り除くためのスクリーン３６が設けられていてもよい。スクリーン３６は、流体が通過可能なメッシュ構造となっている。スクリーン３６は、全体として、略円錐台に形成されている。図２では、スクリーン３６が省略されている。

第２管３２の内部は、排気流路３５となっている。第２管３２には、液体の分離された気体が下方から流入する。気体は、排気流路３５を通って上方へ流出する。

旋回流発生器３は、第１ケース１１と第２ケース１２とで挟み込まれている。詳しくは、第１ケース１１には、旋回流発生器３の第２管３２が嵌る第１凹部２１が形成されている。第１凹部２１は、第１ケース１１のうち気体流出ポート１５の上流端に連通するように形成されている。第２管３２の上端部が第１凹部２１に嵌っている。第２ケース１２の上端部には、旋回流発生器３の第１管３１が嵌る第２凹部２３が形成されている。第１管３１の下端部が第２凹部２３に嵌っている。このとき、第１管３１の内周面は、第２ケース１２の内周面と、略面一となっている。このように、第２管３２の上端部が第１凹部２１に嵌り且つ第１管３１の下端部が第２凹部２３に嵌った状態で、第１ケース１１と第２ケース１２とがボルト締結される。旋回流発生器３は、第１ケース１１と第２ケース１２とで挟み込まれることによってケーシング１に固定される。

旋回流発生器３の旋回流路３４の上流端は、流入ポート１４の下流端に接続されている。旋回流発生器３の排気流路３５の下流端は、気体流出ポート１５の上流端に接続されている。

旋回流発生器３よりも下方であって、ケーシング１の比較的下部は、分離された液体を貯留する貯留部１７となっている。

トラップ機構７は、ボール７１と、弁座７２と、カバー７３とを有している。

ボール７１は、中空の球体である。カバー７３は、ボール７１を収容できる程度の内部空間を有するドーム状に形成されている。カバー７３には、複数の管通孔７３ａが形成されている。カバー７３は、第３ケース１３に取り付けられている。ボール７１は、第３ケース１３とカバー７３との間に収容されている。ボール７１は、第３ケース１３とカバー７３との間において貯留部１７の液体に浮遊する。貯留部１７の液体が少ないとき、又は、無いときには、ボール７１は第３ケース１３上に位置している。

弁座７２は、第３ケース１３の液体流出ポート１６の上流端部に配置されている。弁座７２は、弁口７２ａが貫通形成された管状の部材である。弁口７２ａは、液体流出ポート１６と連通している。弁座７２の上流端は、第３ケース１３からケース１の内方に突出している。弁座７２の上流端にボール７１が着座することによって弁口７２ａが閉じられる。一方、弁座７２の上流端からボール７１が離座することによって弁口７２ａが開かれる。

ここで、第２管３２の構成についてさらに詳しく説明する。

前述の如く、第２管３２は、図３に示すように、旋回流路３４の出口よりも下方に延びている。つまり、円周面３２ａのうち旋回流路３４の出口よりも下方に延びた延長部３２ｂを有している。延長部３２ｂには、旋回流路３４から流出する液滴を滞留させる滞留部３７が形成されている。

詳しくは、延長部３２ｂは、延長部３２ｂの端縁に向かって外径が大きくなるように形成されたスカート部３２ｃを有している。滞留部３７は、スカート部３２ｃに形成されている。滞留部３７は、円周面３２ａの全周に亘って延びる無端状、即ち、円環状に形成された溝である。

図４は、第２管３２の下端部の拡大断面図である。詳しくは、図４は、軸Ｘを含む平面で第２管３２を切断した断面図である。滞留部３７は、図４に示すように、軸Ｘを含む平面で切断した断面において、円周面３２ａから凹んでおり、湾曲した形状をしている。滞留部３７は、開口側よりも奥側の方が軸Ｘ方向へ（即ち、下方へ）の深さが深くなっている。

続いて、気液分離器１００の動作について図１を参照しながら説明する。ここでは、水混じりの蒸気を混合流体の例とし、蒸気と水とを分離させる場合を例に説明する。

水混じりの蒸気（以下、「混合蒸気」と称する）は、流入ポート１４を介して気液分離器１００に流入する。混合蒸気は、流入ポート１４から旋回流路３４に流入し、旋回流路３４を通過していく。混合蒸気は、旋回流路３４を通過する間に旋回流となり、旋回流として旋回流路３４から流出していく。このとき発生する遠心力によって半径方向外側へ水が移動していき、蒸気から水が分離されていく。分離された水のうちの多くは、第１管３１の内周面及び第２ケース１２の内周面を伝って下方へ落下していく。

水が分離された蒸気は、旋回流発生器３の下方の空間に流出した後、第２管３２の下端から排気流路３５に流入し、排気流路３５及び気体流出ポート１５を経て、気液分離器１００から流出していく。一方、分離された水は、貯留部１７に貯留していく。水の貯留量が少ない間は、ボール７１が弁座７２に着座し、弁口７２ａが閉じられている。そのため、貯留部１７には、水が溜まっていく。貯留部１７の水の貯留量が増加するとボール７１が浮遊し、ボール７１が弁座７２から離座する。これにより、弁口７２ａが開き、貯留部１７の水が液体流出ポート１６を介して気液分離器１００から流出していく。貯留部１７の水の貯留量が減少すると、ボール７１が弁座７２に着座し、弁口７２ａが閉じられる。

ここで、旋回流発生器３による蒸気と水との分離についてさらに詳しく説明する。

旋回流路３４の通過により旋回流となった混合蒸気に含まれる小さな水滴は、重量が小さいので、作用する遠心力も小さい。そのため、小さな水滴は、混合蒸気から完全には分離せず、混合蒸気中に残留する場合もある。そのような水滴の一部は、第２管３２の円周面３２ａに接触すると、円周面３２ａに付着し、円周面３２ａを下方へ伝っていく。円周面３２ａの下部には滞留部３７が形成されているので、小さな水滴は、滞留部３７に入る。滞留部３７は、開口側よりも奥側の方が下方への深さが深くなっているので、滞留部３７に入った水滴は、しばらく滞留部３７内に留まる。

円周面３２ａのうち滞留部３７が形成された部分は、旋回流路３４の出口よりも下方なので、滞留部３７の近傍においては旋回流路３４から流出する蒸気及び水が旋回している。分離された水は、第１管３１の内周面の近傍を旋回しているので、円周面３２ａの近傍を旋回する流体の大部分は、蒸気（小さな水滴を含み得る）である。一部の蒸気は、滞留部３７内に進入し、滞留部３７に沿って旋回する。それに加えて、滞留部３７が設けられているスカート部３２ｃは、円周面３２ａの端縁に向かって拡径するように広がっているので、旋回する蒸気が当たりやすくなっている。そのため、滞留部３７には、蒸気が進入しやすくなっている。

滞留部３７に滞留する水滴は、蒸気と共に滞留部３７内を旋回する。水滴は、滞留部３７内を旋回する間に他の水滴とくっついて、しだいに大きくなっていく。水滴が大きくなると遠心力も大きくなり、やがて、水滴が滞留部３７から半径方向外側へ飛び出していく。このとき、滞留部３７は開口側よりも奥側の方が下方への深さが深くなっているので、滞留部３７の開口側の端部は、飛び出していく水滴を斜め上方へ案内する。そのため、水滴は、円周面３２ａを伝っていくのではなく、第１管３１と第２管３２との間の空間に飛び出していく。飛び出した水滴は、蒸気の旋回流に乗り、さらに遠心力を受けて半径方向外側へ飛散し、貯留部１７へ落下していく。

このように、旋回流路３４によって発生する旋回流だけでは分離しきれない水滴も、滞留部３７によって捕捉して滞留部３７内で旋回させながら滞留させることで、蒸気から分離させることができる。

特に、この例では、円周面３２ａを有する第２管３２は、その内部に排気流路３５が形成されている。円周面３２ａを伝う水滴は、最終的には、円周面３２ａの下端縁、即ち、第２管３２の下端縁に達する。第２管３２の下端縁は、排気流路３５の入口となっている。つまり、円周面３２ａの下端縁の水滴は、排気流路３５へ流入していく蒸気に再び混ざり合う虞がある。それに対し、前述のように、延長部３２ｂに残留部３７を形成することによって、円周面３２ａの下端縁に達する水滴を低減することができる。その結果、円周面３２ａに付着することで分離された水滴が再び蒸気に混ざり合って流出していくことを抑制することができる。

尚、円周面３２ａの下端縁の水滴が排気流路３５に流入する蒸気に混ざり合わないように、スカート部３２ｃが設けられている。詳しくは、円周面３２ａのうち残留部３７よりも下方の部分に付着した水滴や、残留部３７よりも上方の部分に付着しても残留部３７に捕捉されなかった水滴は、円周面３２ａの下端縁に達する。ここで、スカート部３２ｃは下端縁に向かって拡径しているので、スカート部３２ｃには蒸気が当たりやすく、且つ、スカート部３２ｃはその蒸気を半径方向外側へ案内する。円周面３２ａの下端縁に留まっている水は、このように流れる蒸気によって半径方向外側へ吹き飛ばされ、落下していく。そのため、円周面３２ａの下端縁に達した水滴は、排気流路３５に流入する蒸気に巻き込まれにくくなっている。つまり、スカート部３２ｃは、残留部３７内での旋回流の発生を促進する機能と円周面３２ａの下端縁の水滴を半径方向外側へ飛散させる機能とを有する。

以上のように、旋回流発生器３は、軸Ｘを中心とする円周面３２ａと、円周面３２ａの周囲に形成され、混合流体を軸Ｘ周りに旋回させる旋回流路３４とを備え、円周面３２ａは、軸Ｘ方向において旋回流路３４の出口よりも延びる延長部３２ｂを有し、延長部３２ｂには、旋回流路３４から流出する液滴を滞留させる滞留部３７が形成されている。

この構成によれば、混合流体中に含まれる液体は、基本的には、旋回流路３４を流通する間、又は、旋回流路３４から流出した後に、旋回流に起因する遠心力を受けて半径方向外側へ飛散し、気体から分離されていく。しかしながら、小さな液滴は遠心力が小さいので、旋回流路３４を出た後でも気体と混ざり合ったままのものも存在する。そのような液滴の一部は、延長部３２ｂの近傍を流れる際に延長部３２ｂに付着し、延長部３２ｂを伝っていく。その際に、液滴は、残留部３７にしばらく留まる。液滴は、残留部３７に留まっている間に別の液滴とくっついて、大きな液滴となる。残留部３７の近傍には旋回流路３４から流出した流体による旋回流が存在するので、大きくなった液滴は、その旋回流に乗って半径方向外側へ飛散していく。このように、旋回流路３４による旋回流だけでは分離できない小さな液滴も残留部３７に残留させることによって分離することができる。その結果、旋回流発生器の液体の分離能力を向上させることができる。

また、延長部３２ｂは、軸Ｘ方向における延長部３２ｂの下端縁（端縁）に向かって外径が大きくなるように形成されたスカート部３２ｃを有し、滞留部３７は、スカート部３２ｃに形成されている。

この構成によれば、スカート部３２ｃには、旋回流路３４から流出する流体が当たりやすくなっている。そのため、延長部３２ｂに付着する液滴を増加させ、より多くの液滴を残留部３７に留めることができる。

また、滞留部３７は、円周面３２ａの全周に亘って延びる無端状に形成された溝である。

この構成によれば、残留部３７内において旋回流を発生させることができる。つまり、延長部３２ｂに沿って流れる流体の一部は、残留部３７にも進入する。延長部３２ｂに沿って流れる流体は旋回流路３４により旋回流となっていることに加え、残留部３７は円周面３２ａの全周に亘って無端状に形成された溝である。そのため、残留部３７に進入した流体は、残留部３７に沿った旋回流となる。これにより、残留部３７内の液滴は、残留部３７内で旋回する。液滴は、旋回することによって他の液滴とくっつく機会が増加する。さらに、残留部３７内を旋回することによって液滴には遠心力が作用する。液滴が大きくなるにしたがって遠心力も大きくなり、液滴は、やがて遠心力によって残留部３７から半径方向外側へ飛び出していく。このように、残留部３７内で旋回流を発生させることによって、残留部３７に残留する液滴が大きくなることを促進すると共に、液滴の半径方向外側への飛び出しを促進することができる。

それに加えて、滞留部３７は、軸Ｘを含む平面で切断した断面において、開口側よりも奥側の方が下方へ（軸Ｘ方向へ）の深さが深くなっている。

この構成によれば、残留部３７に残留する液滴の量を増加させることができる。それにより、液滴の大きさが大きくなるまで液滴を残留部３７に留まらせることができる。それに加えて、残留部３７から飛び出す液滴が延長部３２ｂを伝って流れていくことが抑制され、延長部３２ｂから離れて飛んでいくことが促進される。詳しくは、残留部３７は開口側よりも奥側の方の深さが深くなっているので、液滴は、残留部３７から半径方向外側であって斜め上方へ飛び出していく。これにより、液滴は、延長部３２ｂから離れて飛んでいきやすくなる。

また、円周面３２ａは、液体の分離後の気体が流出する排気流路３５が内部に形成された第２管３２（流出管）の外周面であり、延長部３２ｂの端縁は、排気流路３５の入口に位置している。

この構成によれば、残留部３７を設けることによって、円周面３２ａを伝う液滴のうち延長部３２ｂの端縁に達する液滴を低減することができる。それにより、延長部３２ｂの端縁に残留する液滴が排気流路３５に流入する気体に再び混ざり合うことを抑制することができる。

《その他の実施形態》
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、前記実施形態を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、前記実施形態で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。また、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、前記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。

例えば、旋回流発生器３は、任意の気液の混合流体に適用することができる。例えば、混合流体は、水、空気及び蒸気が混合された流体であってもよい。

また、旋回流発生器３は、気液分離器１００に適用されているが、気液分離器１００以外の装置に適用されてもよい。また、旋回流発生器３が適用される気液分離器は、前述の構成を有する気液分離器１００に限られない。例えば、気液分離器１００は、トラップ機構７を備えていなくてもよい。

旋回流発生器３の構成は、前述の構成に限られるものではない。旋回流路３４は、複数でなくてもよい。旋回流発生器３には、旋回流路３４が形成されていればよく、排気流路３５が形成されていなくてもよい。例えば、旋回流発生器３は、第２管３２の代わりに円柱状の部材を有し、円周面３２ａは、円柱状の部材の外周面であってもよい。また、円周面３２ａは、スカート部３２ｃを有していなくてもよい。つまり、第２管３２の下端部は、ストレート管に形成されていてもよい。

また、残留部３７の断面形状は、図４に示す形状に限定されない。図５〜図７は、第１〜第３の変形例に係る第２管３２の下端部の拡大断面図である。例えば、図５に示すように、残留部２３７の断面は、湾曲しておらず、角張った形状又はくさび形状をしている。残留部２３７は、開口側よりも奥側の方が下方への深さが深くなっている。図６に示す残留部３３７は、湾曲した形状の断面を有するものの、奥側の部分の深さが開口側の部分よりも深くなっていない。図７に示す残留部４３７は、円周面３２ａから凹んでおらず、円周面３２ａから突出する突条４３８によって形成されている。突条４３８は、円周面３２ａの全周に亘って延びる無端状、即ち、円環状に形成されている。円周面３２ａと突条４３８によって、円周面３２ａの全周に亘って延びる無端状の溝である残留部４３７が形成されている。このように、残留部３７は、円周面３２ａを伝って流れる液滴を残留させることができる形状であれば、任意の形状を採用することができる。

以上説明したように、ここに開示された技術は、旋回流発生器について有用である。

１００ 気液分離器
３ 旋回流発生器
３２ａ 円周面
３２ｂ 延長部
３２ｃ スカート部
３４ 旋回流路
３５ 排気流路
３７ 滞留部
Ｘ 軸

Claims (5)

1. 気液の混合流体を所定の軸周りに旋回させることによって気体と液体とを分離させる旋回流発生器であって、
   前記軸を中心とする円周面と、
   前記円周面の周囲に形成され、混合流体を前記軸周りに旋回させる旋回流路とを備え、
   前記円周面は、前記軸方向において前記旋回流路の出口よりも延びる延長部を有し、
   前記延長部には、前記旋回流路から流出する液滴を滞留させる滞留部が形成されている旋回流発生器。
2. 請求項１に記載の旋回流発生器において、
   前記延長部は、前記軸方向における前記延長部の端縁に向かって外径が大きくなるように形成されたスカート部を有し、
   前記滞留部は、前記スカート部に形成されている旋回流発生器。
3. 請求項１又は２に記載の旋回流発生器において、
   前記滞留部は、前記円周面の全周に亘って延びる無端状に形成された溝である旋回流発生器。
4. 請求項３に記載の旋回流発生器において、
   前記滞留部は、前記軸を含む平面で切断した断面において、開口側よりも奥側の方が前記軸方向への深さが深くなっている旋回流発生器。
5. 請求項１乃至４の何れか１つに記載の旋回流発生器において、
   前記円周面は、液体の分離後の気体が流出する排気流路が内部に形成された流出管の外周面であり、
   前記延長部の端縁は、前記排気流路の入口に位置している旋回流発生器。

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