JP2021534369A - 気液分離器 - Google Patents

Abstract

既知の気液分離器は、液体が入るための入口と、重力下においてチャンバ内で液体から分離した気体及び／又は蒸気を放出するための少なくとも１つの出口と、を有するチャンバを備える。いくつかの用途では、チャンバは、液体用の出口も有することになる。これらのシステムは、典型的に、チャンバが、気体出口が最上部に配置された状態で、静的な向きにあり続けることに依拠する。これは、気液分離器を、空中プラットフォーム上などの、チャンバが頻繁な向きの変化及び大きな加速を経験するであろう用途に不適切にする。この問題は、複数の離間した出口と、チャンバの向き及び／又は加速度を感知する感知手段とをチャンバに設けることによって解決される。制御装置が、出口に対するチャンバ内の液相と気相の空間的配置を決定するためにセンサの出力を使用し、液相又は気相の一方が他方に優先してチャンバから抜け出ることを可能にするために、複数の出口を選択的に開く。

Description

本発明は、気液分離器に関する。

気液分離器は、相変化冷却デバイスを含む多種多様な用途に使用されている。気液分離器の既知の例は、液体がチャンバに入る入口を有するチャンバと、重力下においてチャンバ内で液体から分離した気体及び／又は蒸気を放出するための少なくとも１つの出口と、を備える。いくつかの用途では、チャンバは、液体用の出口も有することになる。これらのシステムは、典型的に、気体出口が最上部に配置された状態で、チャンバが静的な向きにあり続けることに依拠する。これは、気液分離器を、空中プラットフォーム又は水中プラットフォーム上などの、チャンバが頻繁な向きの変化及び大きな加速力を経験する用途に不適切にする。

本発明の第１の態様によれば、気液混合物を保持するための気液分離器チャンバと、チャンバは、複数の離間した出口を備えており、チャンバの向き及び／又は加速度を示す出力を提供する感知手段と、出口に対するチャンバ内の気液混合物の分離された液相と気相の空間的配置のインジケーションを決定することと、液相又は気相の一方が他方に優先してチャンバから抜け出ることを可能にするために、複数の出口のうちの１つ以上を選択的に開くこととを行うために、感知手段の出力を使用する制御手段と、を備える装置が提供される。

本発明の使用は、チャンバ内の気体と液体との相対的な空間的関係に影響を及ぼすチャンバの向き及び加速度の方向における変化を補償することを可能にし、従って、空中プラットフォーム又は水中プラットフォーム上で気液分離器を使用することを可能にする。

制御手段は、気体が液体に優先して抜け出ることを可能にするために、気相に直接隣接していると決定された１つ以上の出口を選択的に開き得る。制御手段は、液体が気体に優先して抜け出ることを可能にするために、液相に直接隣接していると決定された１つ以上の出口を選択的に開き得る。

別個の弁が、各出口に関連付けられ得る。制御手段の制御下で、各弁は、そのそれぞれの出口を通る流体の流れの独立した制御を提供するために、閉位置と開位置との間で他の弁から独立して切り替え可能であり得る。

感知手段（例えば、１つ以上のセンサ）は、加速度計、好ましくは、例えば、微小電気機械システムを使用して実装される、３軸加速度計を備え得る。微小電気機械システムは、それらが広く利用可能であり、安価で小型であるので、加速度計にとって好ましい実装形態である。とはいえ、例えば、液体容量性傾斜計などの、他のタイプのセンサが、向き及び／又は加速度を決定するために使用され得る可能性もある。

出口のうちの少なくとも２つは、気体又は液体がチャンバの異なる側のいずれかから選択的に排出され得るように、チャンバの異なる側、例えば、両側に配置され得る。これら出口は、チャンバの周りに円周方向に間隔を置かれ得る。

チャンバは、気液混合物の液相がチャンバに入るための入口を備え得る。入口は、複数の出口と比較して、チャンバの中心に近接し得る。換言すれば、出口は、入口に対してチャンバの中心から半径方向外側に配置され得る。これにより、チャンバの相対的な向き及びチャンバ内の液体と気体との間の空間的関係に関係なく、流体をチャンバ内に導入することが可能になる。

本装置は、例えば、入口を介して、チャンバと流体連通状態にある貯槽を備え得、貯槽は、複数の出口を通じて失われた流体を補充するためにチャンバ内に導入される液体を保持する。

本装置は、チャンバ内の流体を加圧する加圧手段を備え得る。一例では、装置は、貯槽内の液体に対して圧力を加えるように構成された、ばねによって付勢されたピストンを備え得、これは、チャンバとの貯槽の開放連通の結果として、チャンバ内の流体も加圧する。これは、気体形成より前に、チャンバが液体で満たされることを確実にするために使用され得、気体／蒸気のパージに応答して自動的に液体をチャンバに補充する。装置が冷却デバイスとして使用されるとき、それは、チャンバ内の流体の沸騰温度が、（例えば、アクチュエータによって加えられる圧力を変化させることによって）変更される又は維持されることを可能にする。

ばね付勢されたピストンは、チャンバの大部分が液体で満たされたままであることを確実にするために使用され得る。これは、気体形成より前に、チャンバが液体で完全に満たされていることを確実にするために使用され得るが、これは、液体の極端に制限された圧縮性により、沸騰が生じるにはチャンバ内の非常に高い圧力が必要となるので、好ましくない。

入口は、液体がチャンバから貯槽にも流れ得るように、チャンバと貯槽との間の双方向の流体の流れを可能にし得る。これにより、例えば、チャンバ内の温度上昇に応じて、チャンバから流体を流出させることが可能になり、その結果、チャンバ内の指定圧力が維持され得る。

チャンバの内側に面する表面が、流体を出口に向かわせるように輪郭形成され（profiled）得る。これは、例えば、液気分離の結果としてチャンバ内に形成される気体ポケット又は蒸気空洞が、それらがチャンバから排出され得るように出口に誘導されることを確実にするのに役立つ。チャンバの内側に面する表面は、各出口に対して、気体／蒸気を出口に向かって誘導するための流路を設けるように輪郭形成され得る。

チャンバの内部表面には、作動流体への伝熱を向上させるために、ナノスケールの粗さのコーティングが設けられ得る。ナノ構造表面は、改善された伝熱を提供するために、より大きい表面積を提供する。このような構造はまた、チャンバ内の作動液体内の気体／蒸気空洞の形成を促進して、液相の過熱の発生を低減させるように、チャンバ内の不均質核生成を促進し得る。

一構成では、チャンバから気体と液体の両方を抜き取る（draw）ことが望ましい用途の場合、装置は、複数の出口のうちの１つに関連付けられた液体出口経路及び気体出口経路と、液体出口経路と流体連通状態にあることと、気体出口経路と流体連通状態にあることとの間で出口を切り替えるように動作するスイッチと、を備え得る。これにより、チャンバから液体と気体の両方をパージするために、単一の出口を使用することが可能になる。一構成では、複数の出口のうちの任意の１つが液体又は気体を排出するために使用され得るように、複数の出口の各々に対して、別個の独立に制御可能なスイッチが存在し得る。この特徴は、液相及び気相の両方を保持することが望ましい、例えば、化学分離プロセスなどの用途のために、非地上環境において装置が使用される場合に、有益であり得る。

本装置は、チャンバ内の気体の存在のインジケーションを提供する更なる感知手段を備え得る。更なる感知手段は、チャンバ内の圧力を感知するための圧力センサを備え得、閾値圧力を上回る圧力が、チャンバ内の気体の存在を示している。更なる感知手段はまた、あるいは代わりに、チャンバ内の流体の温度のインジケーションを提供する温度センサを含み得る。更なる感知手段からの出力信号は、チャンバ内の気体の存在及びオプションでその体積を決定することと、それに応じて、弁を開くこととを行うために、制御手段によって使用され得る。

同様に、更なる感知手段の出力は、チャンバ内の気体の体積が好ましい体積以下である、例えば、チャンバ内に実質的に気体が存在しないと決定することと、それに応じて、弁を閉じることとを行うために、制御手段によって使用され得る。

上述のように様々な装置は、空中プラットフォーム又は水中プラットフォーム上に担持され得る。

一適用例では、装置は、相変化冷却デバイスの一部を形成し得、チャンバは、冷却されるべきデバイス又はシステムによってチャンバ内で加熱される冷却液を保持し、制御手段は、加熱された冷却流体の相変化から生じる冷却気体をチャンバから優先的に排気するために、複数の出口を制御するように構成されている。

相変化冷却デバイスとして使用するために、装置が空中プラットフォーム又は水中プラットフォーム上で使用される場合、チャンバの前端部、即ち、プラットフォームの前方に最も近い端部は、表面上に形成された気体／蒸気のポケット及び空洞が出口に向かって半径方向外側に移動することを促進するために、両凸状に湾曲した、内側に面する表面を有し得る。チャンバの後端部もまた、両凸状に湾曲した、内側に面する表面を有し得る。冷却されるべきデバイスは、チャンバの前側と直接接触して配置され得る。

本装置は、チャンバから排気された気体が凝縮器によって再液化され、チャンバへの再導入のために、例えば、貯槽内に、貯液され得る、閉ループ冷却システムの一部として使用され得る。

次に、以下の図面を参照して、本発明を説明する。

図１は、側面断面図において概略的に示される気液分離器チャンバを備える、相変化冷却装置の概略図である。 図２は、正面から見た気液分離器チャンバの概略図である。

図面を参照すると、デバイス又はシステム（以下、デバイス３と呼ぶ）を冷却するための、空中プラットフォーム又は水中プラットフォーム２上に担持された相変化冷却装置１が示されており、デバイス３もまた、プラットフォーム２によって担持されている。プラットフォーム２は、前端部２Ａと後端部２Ｂとを有する。

冷却装置１は、気液分離器チャンバ４と、制御装置５と、加速度計６とを備える。デバイス３は、チャンバ４の壁と直接接触して配置されている。

使用に際して、チャンバ４は、作動液体（冷却液）で満たされる（オプションで完全に満たされるが、より好ましくは、大部分が満たされる）。熱は、デバイス３とチャンバ４との間の接触領域７を通って、デバイス３から逃れて作動流体へと伝わり、作動流体の一部を気相に変化させる。このようにして、デバイス３は、チャンバ４内の作動流体の沸点に等しい温度に維持され得る。

チャンバ４は、気相がチャンバ４からパージされる複数の出口８（そのうちの２つのみが図１に示されている）と、出口８を通じてシステムから失われた分を補充するために、更なる作動流体がチャンバ４に入り得る入口９とを有する。入口９は、液体がその向きに関係なくチャンバ４内に流入し得るように、出口８と比べ半径方向内側に配置されている。

図１に見られるように、チャンバの内部容積の一部は、接触領域７の半径方向外側にある。これは、チャンバ４内で形成される気体／蒸気が、デバイス３から作動液体への伝熱を妨げないように、接触領域７の近傍から離れて収容され得ることを確実にする。

図２に見られるように、複数の出口８は、少なくとも１つが軸Ｘ−Ｘ周りの空中プラットフォームの向き、従って、チャンバ４の向きにかかわらず、チャンバ４の最上部でないにしてもその近くに位置するように、チャンバ４の周りで円周方向に離間されている。

チャンバ４の内側に面する表面が、流体を出口に向かわせるように輪郭形成されている。これは、液気分離の結果としてチャンバ内に形成される気体ポケット及び蒸気空洞が、それらがチャンバ４から排出され得るように出口８に誘導されることを確実にするのに役立つ。

チャンバ４の前方内面４Ａ及び後方内面４Ｂの両方が、それらに接して形成された気体の空洞／ポケットが出口８に向かって半径方向外側に移動することを促進するために、チャンバ４の内側から見て、両凸状に湾曲している（球体の内側のように、２つの直交する軸を中心に湾曲している）。これはまた、気体ポケットが、接触面７に隣接する前方内面４Ａの周りに集まることを抑制する効果を有する。

図２に示されるように、チャンバ４の外周部分の内表面は、各出口８に関連付けられた別個の流路を設けて、キャビティ／ポケットを出口８に向かわせるように輪郭形成されている。

チャンバ４の内部表面には、作動流体への伝熱を向上させ、核生成を促進するために、ナノメートルスケールの粗さのコーティングが設けられ得る。その全体が参照により本明細書に組み込まれている国際公開第２０１４０６４４５０号パンフレットには、このようなコーティング及びその適用方法が記載されている。

各出口８には、弁１１が関連付けられている（図１参照）。各弁１１は、そのそれぞれの出口８を開閉するために、制御装置５によって（例えば、ソレノイドアクチュエータを介して）、他のものとは独立に動作され得る。

制御装置５は、当業者に知られている技法を使用して、１つ以上の好適にプログラムされたプロセッサを使用して実装され得る。

好ましくは３軸加速度計であり、好ましくは微小電気機械システムによって実装される加速度計６は、チャンバ４の加速度の大きさ及び方向を示す出力信号を制御装置５に供給する。

加速度計６からの出力信号は、チャンバ４の相対的な向きを決定するために、制御装置５によって使用される。チャンバ４の加速度及びその向きから、制御装置５は、チャンバ４内の液体及び気体の、可能性のある空間的な向きを、それらの異なる物理的特性の結果として決定し、従って、複数の出口８のうちのどれが気相に直接隣接して位置するかを決定する。使用に際して、制御装置５は、気体が液体に優先してチャンバ４から抜け出ることを可能にするために、気相に直接隣接していると決定された出口８の弁１１を開く。

チャンバ４の向き及び加速度が変化するにつれて、制御装置５は、出口８に対する気体の空間的な向きの任意の変化を決定し、気相に直接隣接するもののみが開くことを確実にするために、出口を開く及び／又は閉じるように動作する。

本装置は、チャンバ４内の流体の温度を感知するように構成された温度センサ１２Ａ、及び／又は、チャンバ４内の流体圧力を感知する圧力センサ１２Ｂを備え得る。温度センサ１２Ａ及び／又は圧力センサ１２Ｂからの出力は、（例えば、閾値を超えるチャンバ内の圧力／温度の増加を通じて）チャンバ内の気相の存在、又は、より好ましくは、気相の体積を推測するために、制御装置５によって使用され、従って、チャンバ４内の気体の体積が、好ましい体積を上回る（又は、液体で完全に満たされたチャンバを動作させる場合は、如何なる体積であっても存在すると推測されたときのみ、弁１１が開くことを可能にする。同様に、この構成は、気体が１つ以上の出口８を通ってチャンバ４から排出された結果として、気体の体積が好ましい範囲内に低下した（又は完全に排出された）ときを決定することと、それに応じて、弁１１を閉じることと、を行うために使用され得る。

入口９は、液相にある作動流体を保持する貯槽１３と流体連通状態にある。ばね１５で付勢されたピストン１４が、貯槽１３内の流体に対して作用し、チャンバ４内の流体を加圧する。これは、チャンバ４内の流体の沸点を維持するために、出口８を介してチャンバ４内から失われた流体が、貯槽１３から補充されることを確実にする。

流体は、チャンバ４と貯槽１３との間をいずれの方向にも流れ得る。これにより、チャンバ４の温度上昇にもかかわらず、流体が相対定圧でチャンバ４内に収容されることを可能にする。

変形実施形態では、チャンバ４からパージされた気体／蒸気は、凝縮器（図示せず）を通って、冷却されて液体に戻ることによって再循環され得、この液体は、次いで、例えば、凝縮器から得られた液体を流路で運んで貯槽１３に戻すことによって、冷却チャンバを補充するために使用され得る。

ばね１５で付勢されたピストン１４以外の手段が、流体を加圧するために使用され得る。例えば、ピストン１４は、アクチュエータによって動作され得、代替として、貯槽１３は、ダイヤフラム式圧力タンク又はブラダー式加圧タンクの実装を通じて加圧され得る。これらの構成では、チャンバ４内の圧力は、チャンバ４内の作動流体の沸点を制御／変更するために、貯槽１３内の液体に対する力の大きさを変化させることによって、実行中（on the fly）に制御され得る。これは、圧力センサ１２Ｂから決定されるチャンバ４内の圧力値に基づいて行われ得る。

変形実施形態では、チャンバ４は、任意の軸周りの空中プラットフォームの向きに関係なく、少なくとも１つの通気孔がチャンバ４の最上部付近に位置するように配置された通気孔を備え得る。このような実施形態では、チャンバ４の内側は、概して球形又は回転楕円体の形状であり得る。

変形実施形態では、チャンバ４は、任意の軸周りの空中プラットフォームの向きに関係なく、少なくとも１つの通気孔がチャンバ４の最上部付近に位置するように配置された通気孔を備え得る。このような実施形態では、チャンバ４の内側は、概して球形又は回転楕円体の形状であり得る。
以下に、出願当初の特許請求の範囲に記載の事項を、そのまま、付記しておく。
［１］ 気液混合物を保持するための気液分離器チャンバであって、複数の離間した出口を備えた気液分離器チャンバと、
前記気液分離器チャンバの向き及び／又は加速度を示す出力を提供する感知手段と、
前記出口に対する前記チャンバ内の前記気液混合物の分離された液相と気相の空間的配置のインジケーションを決定することと、前記液相又は気相の一方が他方に優先して前記チャンバから抜け出ることを可能にするために、前記複数の出口のうちの１つ以上を選択的に開くこととを行うために、前記感知手段の前記出力を使用する制御手段と、
を備える装置。
［２］ 前記感知手段は、加速度計を備える、［１］に記載の装置。
［３］ 前記気液分離器チャンバは、流体用の入口を備える、［１］又は［２］に記載の装置。
［４］ 前記入口と流体連通状態にある液体貯槽を備える、［３］に記載の装置。
［５］ 前記液体貯槽から前記入口を介して前記気液分離器チャンバ内に加圧流体を供給する手段を備える、［４］に記載の装置。
［６］ 前記気液分離器チャンバの内側に面する表面が、流体を出口に向かわせるように輪郭形成されている、［１］〜［５］のいずれか一項に記載の装置。
［７］ 前記気液分離器チャンバの前記内側に面する表面は、前記複数の出口の各々に対して、流体を前記出口に向かって誘導するための流路を設けるように輪郭形成されている、［６］に記載の装置。
［８］ 空中プラットフォーム又は水中プラットフォーム上に担持される、［１］〜［７］のいずれか一項に記載の装置。
［９］ 前記気液分離器チャンバは、冷却対象物から熱を吸収することを通じて、前記気液分離器チャンバ内で気相と液相とに分離する冷却材を保持する、［１］〜［８］のいずれか一項に記載の装置を備える冷却デバイス。
［１０］ 液体から気体を分離する方法であって、前記方法は、
気液混合物を保持するための気液分離器チャンバであって、複数の離間した出口を備えた気液分離器チャンバを設けることと、
前記出口に対する前記気液分離器チャンバ内の前記液体と気体の空間的配置を決定するために、前記気液分離器チャンバの向き及び／又は加速度を決定する感知手段を使用することと、
前記出口に対する前記気液分離器チャンバ内の前記液体と気体の前記決定された空間的配置に基づいて、前記液体及び気体の一方が他方に優先して前記気液分離器チャンバから抜け出ることを可能にするために、開く出口を選択することと、
を備える、方法。

Claims (10)

1. 気液混合物を保持するための気液分離器チャンバであって、複数の離間した出口を備えた気液分離器チャンバと、
   前記気液分離器チャンバの向き及び／又は加速度を示す出力を提供する感知手段と、
   前記出口に対する前記チャンバ内の前記気液混合物の分離された液相と気相の空間的配置のインジケーションを決定することと、前記液相又は気相の一方が他方に優先して前記チャンバから抜け出ることを可能にするために、前記複数の出口のうちの１つ以上を選択的に開くこととを行うために、前記感知手段の前記出力を使用する制御手段と、
   を備える装置。
2. 前記感知手段は、加速度計を備える、請求項１に記載の装置。
3. 前記気液分離器チャンバは、流体用の入口を備える、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記入口と流体連通状態にある液体貯槽を備える、請求項３に記載の装置。
5. 前記液体貯槽から前記入口を介して前記気液分離器チャンバ内に加圧流体を供給する手段を備える、請求項４に記載の装置。
6. 前記気液分離器チャンバの内側に面する表面が、流体を出口に向かわせるように輪郭形成されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記気液分離器チャンバの前記内側に面する表面は、前記複数の出口の各々に対して、流体を前記出口に向かって誘導するための流路を設けるように輪郭形成されている、請求項６に記載の装置。
8. 空中プラットフォーム又は水中プラットフォーム上に担持される、請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記気液分離器チャンバは、冷却対象物から熱を吸収することを通じて、前記気液分離器チャンバ内で気相と液相とに分離する冷却材を保持する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置を備える冷却デバイス。
10. 液体から気体を分離する方法であって、前記方法は、
    気液混合物を保持するための気液分離器チャンバであって、複数の離間した出口を備えた気液分離器チャンバを設けることと、
    前記出口に対する前記気液分離器チャンバ内の前記液体と気体の空間的配置を決定するために、前記気液分離器チャンバの向き及び／又は加速度を決定する感知手段を使用することと、
    前記出口に対する前記気液分離器チャンバ内の前記液体と気体の前記決定された空間的配置に基づいて、前記液体及び気体の一方が他方に優先して前記気液分離器チャンバから抜け出ることを可能にするために、開く出口を選択することと、
    を備える、方法。

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