JP2022554328A - 慣性分離及び多孔質媒体抽出を組み込んだ二相分離器デバイス - Google Patents

Abstract

相分離器デバイス、ならびに関連する製造及び使用方法が、本明細書に開示される。本開示は、入力供給物の相分離のための改良された相分離器デバイス、ならびに当該デバイスを利用及び製造するためのシステム／方法を提供する。本開示は、二相入力供給物の相分離のために（例えば、二相混合物の入力供給物を、第１の相出力（例えば、液体出力流）及び第２の相出力（例えば、気体出力流）に分離するために）、慣性分離及び多孔質媒体抽出を利用する相分離器デバイスを提供する。デバイスは、液体及び気体の両方の混合流体流を分離することができる。液体及び気体は、同じ化学物質／構成成分（例えば、アンモニア）の液相及び蒸気相を含むことができるか、又は２つの異なる構成成分（例えば、液体水及び空気）の液体及び気体を含み得る。相分離器デバイスは、標準重力環境から、微小重力環境、ゼロ重力環境までで利用することができる。【選択図】図９

Description

〔関連出願の相互参照〕
本出願は、（ｉ）２０１９年１０月３１日に出願された、譲渡済シリアル番号６２／９２８，９１２号である仮出願、及び（ｉｉ）２０２０年４月１５日に出願された、譲渡済シリアル番号６３／０１０，２９９号である仮出願に優先権の利益を主張する。前述の仮出願の両方の内容全体は、参照により本明細書に組み込まれる。

本開示は、入力供給物の相分離のための相分離器デバイス（ｐｈａｓｅ ｓｅｐａｒａｔｏｒ ｄｅｖｉｃｅｓ）及び相分離器デバイスの利用及び製造するためのシステム／方法に関し、より具体的には、二相入力供給物の相分離のために（例えば、第１の相出力へ（例えば、液体出力流へ）及び第２の相出力へ（例えば、気体出力流へ）の二相混合物の入力供給物を分離するために）慣性分離及び多孔質媒体抽出を利用する相分離器デバイスに関する。

一般に、入力供給物の相分離のための構造体及び組立体について、多数の用途がある。

入力供給物の相分離のための改善されたシステム及び方法に対する関心がある。

これらならびに他の非効率性及び改善の機会は、本開示のシステム、方法及びデバイスによって対処及び／又は克服される。

本開示は、入力供給物の相分離のための有利な相分離器デバイス、ならびに相分離器デバイスを利用及び製造するための改善されたシステム／方法を提供する。より具体的には、本開示は、二相入力供給物の相分離のために（例えば、第１の相出力へ（例えば、液体出力流へ）及び第２の相出力へ（例えば、気体出力流へ）の二相混合物の入力供給物を分離するために）慣性分離及び多孔質媒体抽出を利用する相分離器デバイスに関する。相分離器デバイスは、標準重力環境から微小重力環境、ゼロ重力環境までで利用することができる。

本開示は、相分離器デバイスであって、第１の端部から第２の端部まで延在するハウジングであって、ハウジングが、第１の相出力が出るための１つ以上の第１の開口部と、第２の相出力が出るための１つ以上の第２の開口部とを有する、ハウジングと、ハウジングに配置された１つ以上の案内翼と、を含み、ハウジングが、軸流サイクロン分離セクションと、多孔質媒体セクションと、を含み、軸流サイクロン分離セクション及び多孔質媒体セクションが、ハウジングに導入された入力供給物を第１の相出力及び第２の相出力に分離するように構成及び寸法決定される、相分離器デバイスを提供する。

本開示は、相分離器デバイスであって、ハウジングに配置された１つ以上の抽出器要素であって、ハウジングが、入力供給物のための入口と、第１の相出力のための第１の出口と、第２の相出力のための第２の出口とを有する、１つ以上の抽出器要素、を含み、各抽出部材が、多孔質媒体チューブに収容されたねじ状ロッドを含み、１つ以上の抽出器要素が、入口に導入された入力供給物を第１の相出力及び第２の相出力に分離するように構成及び寸法決定される、相分離器デバイスを提供する。

本開示は、相分離器デバイスであって、第１の端部から第２の端部まで延在するハウジングであって、ハウジングが、第１の相出力が出るための１つ以上の第１の開口部と、第２の相出力が出るための１つ以上の第２の開口部とを有する、ハウジングと、ハウジングに配置された１つ以上の案内翼と、を含み、ハウジングが、逆流サイクロン分離セクションと、多孔質媒体セクションと、を含み、逆流サイクロン分離セクション及び多孔質媒体セクションが、ハウジングに導入された入力供給物を第１の相出力及び第２の相出力に分離するように構成及び寸法決定される、相分離器デバイスを提供する。

上で記載された特徴及び他の特徴は、以下の図面及び詳細な記載によって例示されている。

実施形態の任意の組み合わせ又は順列が想定される。本開示の開示されたシステム、方法、及びデバイスの追加の有利な特徴、機能、及び用途は、特に添付の図面と併せて読むとき、以下の記載から明らかになるであろう。本開示に列挙されたすべての参照文献は、参照によりそれらの全体が本明細書に組み込まれる。

以下の図は、同様の要素が同様に番号付けされた、例示的な実施形態である。

実施形態の特徴及び態様は、その中で要素が必ずしも縮尺通りに描写されていない、添付の図面を参照して以下に記載されている。

本開示の例示的な実施形態は、添付の図面を参照してさらに記載される。以下に記載され、図面に例示される様々な特徴、ステップ、及び特徴／ステップの組み合わせは、本開示の範囲内にまだある実施形態をもたらすように異なる配置及び編成されることができることに留意されたい。開示されるシステム、方法、及びデバイスの作成及び用途において当業者を支援するために、添付の図面が参照される。

より軽い気相からのより高密度の相のサイクロン分離のための慣性分離を示す。 軸流分離器の図である。 ５段階のカスケード軸流サイクロンにおける１段階の図である。 ５段階のカスケード軸流サイクロンにおける１段階についてのコンポーネントの画像である。 ５段階のカスケード軸流サイクロンの各段階についての粒径の関数として粒子分離（収集効率）を示す。 本開示による例示的な相分離器デバイス（例えば、入力供給物のための軸方向入口を伴う二相軸流サイクロン分離器デバイス）の図である。 図６の相分離器デバイスの別の図である。 本開示による別の例示的な相分離器デバイス（例えば、入力供給物のための接線方向入口を伴う二相軸流サイクロン分離器デバイス）の図である。 本開示による別の例示的な相分離器デバイス（例えば、入力供給物のための接線方向入口を伴う二相逆流サイクロン分離器デバイス）の図である。 本開示による別の例示的な相分離器デバイス（例えば、入力供給物のための軸方向入口を伴う二相逆流サイクロン分離器デバイス）の図である。 図１０の相分離器デバイスの別の図である。 二相入力供給物（例えば、液体及び蒸気などの二相流体入力供給物）から一相（例えば、液体）を分離及び抽出するように設計された半径方向／渦巻状流路要素である。 左側の二相入口、右側の第１の相出口（例えば、蒸気相出口）、及び上部の第２の相出口（例えば、液相出口）を示す断面図を示す、本開示の別の例示的な相分離器デバイスであり、中央ハウジングが、流体流及び分離のための複数（例えば、３１）の平行流路を含む。 分離器主ハウジング内の複数（例えば、３１）の平行流分離器要素を利用する、図１３の例示的な相分離器デバイスの他の図を示す追加的図面であり、半径方向／渦巻状液体抽出器を利用する相分離器デバイスの図である。 分離器主ハウジング内の複数（例えば、３１）の平行流分離器要素を利用する、図１３の例示的な相分離器デバイスの他の図を示す追加的図面であり、半径方向／渦巻状液体抽出器を利用する相分離器デバイスの図である。 分離器主ハウジング内の複数（例えば、３１）の平行流分離器要素を利用する、図１３の例示的な相分離器デバイスの他の図を示す追加的図面であり、半径方向／渦巻状液体抽出器を利用する相分離器デバイスの図である。 分離器主ハウジング内の複数（例えば、３１）の平行流分離器要素を利用する、図１３の例示的な相分離器デバイスの他の図を示す追加的図面であり、半径方向／渦巻状液体抽出器を利用する相分離器デバイスの図である。 分離器主ハウジング内の複数（例えば、３１）の平行流分離器要素を利用する、図１３の例示的な相分離器デバイスの他の図を示す追加的図面であり、半径方向／渦巻状液体抽出器を利用する相分離器デバイスの図である。 図１３の相分離器デバイスの等角図を示す。 本開示による別の例示的な相分離器デバイスである。 本開示による相分離器デバイスの渦巻状キャビティ内の多孔質媒体を示す。 本開示による相分離器デバイスの渦巻状通路を示す。 本開示による相分離器デバイスの入口及び出口の向きを示す。 例示的な特注試験台の概略図を示す。 分析モデル及び設計Ａの実験的に測定された値を使用して計算された、予測された気相圧力低下に対する質を示すグラフである。 分析モデル及び設計Ａの実験的に測定された値を使用して計算された、予測された液相圧力低下に対する質を示すグラフである。 分析モデル及び設計Ｃの実験的に測定された値を使用して計算された、予測された気相圧力低下に対する質を示すグラフである。 分析モデル及び実験的に測定された値を使用して計算された、予測された液相圧力低下に対する質を示すグラフである。

本明細書に開示される例示的な実施形態は、本開示の有利な相分離器デバイス、及びシステム、ならびにそれらの方法／技術を例示する。しかしながら、開示される実施形態は、様々な形式において具現化され得る本開示の単なる例示であることを理解されたい。したがって、例示的な相分離器デバイスならびに組立て及び用途の関連するプロセス／技術を参照して、本明細書に開示される詳細は、限定するものではなく、本開示の有利な相分離器デバイス及び／又は代替的な相分離器デバイスを作製し、使用する方法を当業者に教示するための基礎としてのみ解釈されるべきである。

本開示は、入力供給物の相分離のための有利な相分離器デバイス、ならびに相分離器デバイスを利用及び製造するための改善されたシステム／方法を提供する。

より具体的には、本開示は、二相入力供給物の相分離のために（例えば、第１の相出力へ（例えば、液体出力流へ）及び第２の相出力へ（例えば、気体出力流へ）の二相混合物の入力供給物を分離するために）慣性分離及び多孔質媒体抽出を利用する相分離器デバイスに関する。相分離器デバイスは、標準重力環境から微小重力環境、ゼロ重力環境までで利用されることができる。

本開示の例示的な相分離器デバイス（例えば、二相流分離器デバイス）は、慣性分離及び多孔質媒体抽出を組み込む。デバイスは、二相入力供給物（例えば、二相流体流）を、第１の相出力及び第２の相出力（例えば、各相についての流体出力流）に分離する。特定の実施形態では、デバイスは、液体及び気体の両方の混合流体流を分離することができる。液体及び気体は、同じ化学物質／構成成分（例えば、アンモニア）の液相及び蒸気相を含んでもよく、又は２つの異なる構成成分（例えば、液体水及び空気）の液体及び気体を含み得る。

二相入力供給物（例えば、二相入力流）は、室温（例えば、摂氏約２０～２５度）であってもよく、又は他の動作温度であってもよい。

二相入力供給物／流は、大気圧（例えば、名目上１気圧）であることができ、又はより高い圧力もしくはより低い圧力であり得る。例えば、例示的な相分離器デバイスは、部分的又は完全に閉じたループシステムにおいて圧縮された流体として流れる、又は入力される二相入力／流れ／混合物の分離のために利用されてもよい。

二相流／入力は、標準重力環境から微小重力環境、ゼロ重力環境までであることができる。液相（又は固相）の分離、捕捉、及び抽出は、微小重力環境からゼロ重力環境まででは、重力（地球引力の力）は、典型的には、そのような分離、捕捉、及び抽出プロセスでは使用できないので、はるかに複雑になる可能性があることに留意されたい。

例示的な実施形態では、相分離器デバイスの役割は、例えば、密度及び／又は毛細管力における差異を特に採用することにより、二相入力／混合物における第１の相出力（例えば、液体出力）及び第２の相出力（例えば、気体コンポーネント）の特性の間の唯一の差異を利用して、第１及び第２の相の（例えば、液相及び気相の）分離を達成することである。

特定の実施形態では、興味深いのは、液相の分離及び捕捉である。液体を分離するために採用されることができる、（ｉ）流体を縮合させるために二相混合物を冷却することと、（ｉｉ）デミスタ（ｄｅ－ｍｉｓｔｅｒｓ）を使用することと、（ｉｉｉ）サイクロン又はインパクタなどの慣性力選別装置を使用することと、（ｉｖ）液相を抽出するためにウィック（ｗｉｃｋｓ）を使用することと、を含む、いくつかのアプローチ／技術がある。

慣性分離に関して、第１の相（例えば、液相及び／又は固相）からの第２の相（例えば、気相）の分離は、入ってくる入力供給物（例えば、入ってくる二相流体流）において、より軽い相（例えば、気相）からより濃い相（例えば、液相及び／又は固相）を分離するために、慣性特性を介して達成されることができることに留意されたい。

慣性分離の有効性は、より軽い相（例えば、気体密度）と比較して、より密度の高い相（例えば、液滴又は固体粒子）の質量（密度）の増加とともに増加する。また、この有効性は、気体粘度の低下とともに増加する。慣性分離技術は、サイクロン、遠心分離機、インパクタ、及び粒子集塵器などのデバイスで利用されうる。

ここで、図面を参照すると、同様の部分は、本明細書及び図面の全体を通じて、それぞれ同じ参照番号が付されている。描画された図面は、必ずしも縮尺通りではなく、特定の図面では、部分は、明確にする目的のために誇張されている場合がある。

図１に示されるように、分離の有効性は、その速度を増加させることによって、分離デバイスにおけるより密度の高い相（例えば、液体又は固体粒子）の慣性を増加させることによって増大する。さらに、分離はまた、流体通路における曲率半径を減少させる（例えば、分離器ハウジングの半径を減少させる）ことによって、サイクロン分離において増加する。

軸流分離器（例えば、軸流サイクロン）に関して、軸流サイクロンの設計が図２に例示されていることに留意されたい。軸流サイクロンの機能は、入ってくる入力供給物（例えば、入ってくる気体流）において存在するより濃い相（例えば、粉塵などの液体又は固体粒子）を供給物から分離し、クリーンにされたより軽い出力相（例えば、気体流又はクリーンな気体）を提供し、より濃い出力（例えば、液体又は固体粒子の流れ）を提供することである。軸流サイクロンでは、入ってくる入力供給物（例えば、気体流）と、クリーンにされたより軽い相出力（クリーンにされた気体流）とは、気体流が同じ進行方向に入って出ていくのと同じ軸上にあることができる。軸流サイクロンのいくつかの主要なコンポーネントは、円筒形ハウジング、１つ以上の案内翼、及びクリーンにされた気体及び分離された液体又は固体粒子の出口通路（開口部）である。

軸流サイクロン技術は、主に産業用途における気体流からの粒子（固体又は液体）の分離、又はエンジン及び建物のための空気取り入れのために製品に採用されている。軸流サイクロンは、その後の収集及び用途のために、入ってくる気体流におけるより大きな粒子を除去する。他の用途では、軸流サイクロンは、気体流における粒子の一部を除去し、追加の粒子集合（例えば、フィルタ）を続けるための事前クリーナーとして機能し、それによって、フィルタの寿命を延ばす。

図３及び図４は、粒径分画試料の後続用途のために固体粒子（例えば、粉塵）を収集するために使用される５段階のカスケード軸流サイクロンにおける１段階についての設計を示す。図５は、５段階のカスケード軸流サイクロンの各段階についての粒径の関数として粒子分離（収集効率）を示す。この実施例では、５段階は、１マイクロメートルほどの小さな粒子の分離及び収集を達成することができた。各段階についての収集効率は、案内翼のピッチ角、案内翼及びサイクロンハウジングの内径及び外径を変化させることによって達成された。

図６は、入力供給物１１のための（例えば、液体／気体混合物の入力供給物１１のための）相分離器デバイス１０（例えば、二相軸流サイクロン分離器デバイス１０）の実施形態の例示的な設計及び構成を例示する。図６に示されるように、デバイス１０は、入力供給物１１のための軸方向入口１３を伴う、二相軸流サイクロン分離器デバイス１０の形式を取る。したがって、相分離器デバイス１０は、第１の相出力１２内へ（例えば、液体出力流１２へ）及び第２の相出力１４へ（例えば、気体出力流１４へ）の入力供給物１１（二相混合物１１）の相分離のために利用されるように構成及び寸法決定される。

より具体的には、以下でさらに論じられる、相分離器デバイス１０は、第１の端部から第２の端部まで延在するハウジング１６を含み、ハウジング１６は、第１の相出力１２が出るための１つ以上の第１の開口部と、第２の相出力１４が出るための１つ以上の第２の開口部とを有する。１つ以上の案内翼２４は、相分離器デバイス１０のハウジング１６内に配置される。上記のように、デバイス１０は、入力供給物１１のための軸方向入口１３を含む。図７は、図６の相分離器デバイス１０（例えば、入力供給物１１のための軸方向入口１３を伴う二相軸流サイクロン分離器デバイス１０）の別の描写を示す。

一般に、相分離器デバイス１０は、入力供給物１１に存在するより濃い相（例えば、液相）を入ってくる入力供給物１１から分離し、クリーンにされたより軽い相出力１４（例えば、第２の相出力１４）及びより濃い出力１２（例えば、第１の相出力１２における液体の流れ）を提供するように構成及び寸法決定される。入ってくる入力供給物１１及び出ていくクリーンにされた第２の相出力１４は、同じ進行方向において入ってくる及び出ていく気体流／入力供給物１１と同じ軸上にあってもよい。

例示的な相分離器デバイス１０の設計は、第２の相出力１４（気相）からの第１の相出力１２（液相）の分離、収集、及び抽出を達成するために、２つの異なるセクションを利用することができ、第３のセクションを利用し得る。これらのセクションは、軸流サイクロン分離セクション１８、多孔質媒体セクション２２の前の任意選択の液体収集セクション２０、及び／又は液体抽出のための多孔質媒体セクション２２を含んでもよい。

多孔質媒体セクション２２の役割は、少なくとも３つの重要な機能を実行する多孔質バリアを形成することである。第一に、セクション２２は、液体蓄積を可能にするバリアとして機能し、液体蓄積の層を物理的に支持する。第二に、この液体層及び多孔質膜２２にわたる圧力低下は、圧力低下が気体（蒸気）出口通路においてはるかに低いため、液体出口への気体流の流れを防止する。第三に、多孔質媒体セクション２２は、蓄積液体の流れが液体出口を通して抽出されることを可能にする。液体は、液体出口の下流に位置する吸引ポンプを介して抽出され得、及び／又は加圧システムにおいて上流の圧力を利用することができる。

多孔質媒体セクション２２は、軸流分離器デバイス１０における１つ以上の場所に配置され得る。図６に図示されるように、多孔質媒体セクション２２は、案内翼２４の下流に位置する環状収集セクションの底部、例えば、壁又は底に位置する。多孔質媒体セクション２２はまた、翼に隣接する、又はちょうど下流にある円筒形ハウジング１６の壁に位置してもよい。

多孔質媒体セクション２２は、多孔質金属、ポリマー膜、泡沫、繊維性材料、ポリマー、セラミックス、及び／又はガラスを含むがこれらに限定されない、いくつかの種類の多孔質材料から製造されることができる。多孔質金属は、ニッケル、コバルト、鉄、銅、アルミニウム、パラジウム、チタン、タングステン、白金、銀、金、及びステンレス鋼、ならびにＨａｓｔｅｌｌｏｙ（登録商標）（Ｈａｙｎｅｓ Ｓｔｅｌｌｉｔｅ Ｃｏｍｐａｎｙ、Ｋｏｋｏｍｏ，Ｉｎｄｉａｎａ）などのニッケルベース鋼を含むが、これらに限定されない、いくつかの金属合金からの材料であることができる。

多孔質媒体セクション２２の平均孔径は、０．１ミクロンと同じくらい低く、１００ミクロンと同じくらい高くなることができる（例えば、流体条件、温度、及び／又は流体粘度に応じて）。

いくつかの実施形態では、サイクロンハウジング１６の内径は、約０．５～約２０インチの範囲であることができる。

特定の実施形態では、２つ以上の平行軸流分離器デバイス１０は、入ってくる混合二相流１１を２つ以上の平行流に分割することを必要とし得る平行配置を採用することができる。

別の実施形態では、図８に示されるように、デバイス１０´は、入力供給物１１のための接線方向入口１５を伴う二相軸流サイクロン分離器デバイス１０´の形式を取る。したがって、接線方向入口１５を伴う相分離器デバイス１０´は、第１の相出力１２内へ（例えば、液体出力流１２へ）及び第２の相出力１４へ（例えば、気体出力流１４へ）の入力供給物１１（二相混合物１１）の相分離のために利用されるように構成及び寸法決定される。

デバイス１０と同様に、相分離器デバイス１０´は、第１の端部から第２の端部まで延在するハウジング１６を含み、ハウジング１６は、第１の相出力１２が出るための１つ以上の第１の開口部と、第２の相出力１４が出るための１つ以上の第２の開口部とを有する。１つ以上の案内翼２４は、相分離器デバイス１０´のハウジング１６内に配置されることができる。上記のように、デバイス１０´は、入力供給物１１のための接線方向入口１５を含む。

デバイス１０の動作と同様に、相分離器デバイス１０´は、入力供給物１１に存在するより濃い相（例えば、液相）を入ってくる入力供給物１１から分離し、クリーンにされたより軽い相出力１４（例えば、第２の相出力１４）及びより濃い出力１２（例えば、第１の相出力１２における液体の流れ）を提供するように構成及び寸法決定される。入ってくる入力供給物１１及び出ていくクリーンにされた第２の相出力１４は、クリーンにされた第２の相出力１４を出ていく軸に接する接線方向入口１５を介して入ってくる気体流／入力供給物１１を伴う、異なる軸上にあってもよい。デバイス１０に関して同様に論じられるように、接線方向入口１５を伴うデバイス１０´は、軸流サイクロン分離セクション１８、多孔質媒体セクション２２の前の任意選択の液体収集セクション２０、及び／又は液体抽出のための多孔質媒体セクション２２を含むことができる。同様に論じられるように、デバイス１０´の多孔質媒体セクション２２は、デバイス１０´における１つ以上の場所に配置され得、多孔質媒体セクション２２は、いくつかの種類の多孔質材料から製造されてもよい。

本開示の例示的なサイクロン分離器デバイス（例えば、デバイス１０、１０´、３００、３００´）は、それらの流体入口構成（１３、１５、３１３、３１５）及びサイクロン分離器デバイスを通る全体的な流路に基づいて分類されることができることに留意されたい。図７～図１０は、入口設計（１３、１５、３１３、３１５）ならびに入力（１１、３１１）及び出力（１２、１４、３１２、３１４）流体流についての流れ方向の４つの例示的な組み合わせを示す。図９～図１０は、以下でさらに詳細に論じられる。

図７～図１０のこれらの４つの例示的な組み合わせは、（ｉ）軸方向入口軸流サイクロン分離器デバイス１０（図７）、（ｉｉ）接線方向入口軸流サイクロン分離器デバイス１０´（図８）、（ｉｉｉ）軸方向入口逆流サイクロン分離器デバイス３００（図１０）、及び（ｉｖ）接線方向入口逆流サイクロン分離器デバイス３００´（図９）として言及されうる。

図７～図１０に描写されるように、これらの４つの例示的な構成の多数のサブ変形例が存在することに留意されたい。例えば、サブ変形例の１つの潜在的なセットは、分離された材料についての排出口（１２、１４、３１２、３１４）の場所にアドレス指定することができる。例えば、これらの出口は、サイクロン分離器デバイス（例えば、１２、１４、３１２）の底端部近くの底又は側壁において軸方向に位置することができるが、これらに限定されない。

軸方向入口１３、３１３及び接線方向入口１５、３１５を参照すると、これらの２つの入口構成の両方は、入ってくる混合流体流１１、３１１に含まれるより高い質量コンポーネントを、向心力を介して分離するために必要とされる高速旋回運動を創造することに留意されたい。例えば、これらの入口構成は、（ｉ）入ってくる流体流１１、３１１が円筒形サイクロン分離器デバイス１０´、３００´の上部に接線方向に入る接線方向入口（図８及び図９の１５、３１５）、ならびに（ｉｉ）入ってくる流体流１１、３１１が旋回（案内）翼２４のセットを通過する軸方向入口（図７及び図１０の１３、３１３）であってもよい。

例示的な分離器デバイスを通る全体的な流路は、（ｉ）軸流（図７及び図８のデバイス１０、１０´）、及び（ｉｉ）逆流（図９及び図１０のデバイス３００、３００´）のように分類されてもよい。

軸流分離器構成（図７及び図８のデバイス１０、１０´）では、入ってくる流体流１１及び出ていくクリーンにされた／分離された流体流１４は、同じ進行方向において出ていく気体／入力流１１及びクリーンにされた／分離された流れ１４と同じ軸上にあってもよい。逆流分離器構成（図９及び図１０のデバイス３００、３００´）では、クリーンにされた／分離された流体３１４の流路は、流体３１４が分離器ハウジング３１６の下部部分に入り、次いで、分離器デバイス３００、３００´の上部セクションに位置する出口チューブを通って反対方向に出ると、その軸流方向に１８０度の逆転を受ける。

これらの４つの例示的なサイクロン分離器デバイス構成１０、１０´、３００、３００´の各々は、本開示によって提供されるような有利な二相分離器デバイス１０、１０´、３００、３００´を製造するために、多孔質媒体２２、３２２と組み合わせられることができることに留意されたい。

図６及び図１０／図１１は、（例えば、液体／気体混合物について）二相流サイクロン分離器デバイス１０、３００の２つの設計実施形態についての２つの実施例を例示する。両方の設計１０、３００は、２つの異なるセクションを利用し、気相からの液相の分離、収集、及び抽出を達成するために、３番目を利用し得る。これらのセクションは、サイクロン分離セクション１８（軸流）、３１８（逆流）、多孔質媒体セクション２２、３２２の前の任意選択の液体収集セクション２０、３２０、及び／又は多孔質媒体セクション２２、３２２の下に液体抽出セクションを伴う液体抽出のための多孔質媒体セクション２２、３２２を含むことができる。

実施形態では、図１０及び図１１に示されるように、例示的な相分離器デバイス３００（例えば、入力供給物のための軸方向入口３１３を伴う二相逆流サイクロン分離器デバイス３００）は、逆流サイクロン分離器デバイス３００の設計と連結された半径方向の流れ旋回（案内）翼３２４を利用する。図１１は、そのような構成を例示する。以下でさらに論じられるように、デバイス３００は、デバイス１０に対していくつかの同様のコンポーネントを含み、デバイス３００のそのような同様のコンポーネントは、デバイス１０のそのような同様のコンポーネントと同様の方法で機能することができることに留意されたい。

デバイス１０に対するデバイス３００の間の主な違いは、気相（３１４）及び液相（３１２）の出口についての場所である。図１０及び図１１に描写されるような逆流設計（例えば、入力供給物のための軸方向入口３１３を伴う二相逆流サイクロン分離器デバイス３００）では、気体は、その流れ方向の逆転（例えば、１８０度の回転）を受け、それによって、入ってくる流体３１１の逆方向に出ていく。分離された液体流３１２は、ここで多孔質媒体セクション３２２（例えば、環状形状の多孔質媒体２２ではなく、円盤として成形されたセクション３２２）を通過し、セクション３２２は、ハウジング３１６の下端又は側面に位置することができる。いずれの場合も、多孔質媒体膜３２２は、蒸気に対する回避できない（ｉｍｐｅｒｉｏｕｓ）バリアを形成し、液体層３２０を支持するために利用される。

上記のように、図１１は、入力供給物のための（例えば、液体／気体混合物の入力供給物のための）相分離器デバイス３００（例えば、二相逆流分離器デバイス３００）の実施形態の例示的な設計及び構成を例示する。図１１に示されるように、デバイス３００は、入力供給物３１１のための軸方向入口３１３を伴う、二相逆流サイクロン分離器デバイス３００の形式を取る。したがって、相分離器デバイス３００は、第１の相出力３１２（例えば、液体出力流３１２へ）及び第２の相出力３１４へ（例えば、気体出力流３１４へ）の入力供給物３１１（二相混合物３１１）の相分離のために利用されるように構成及び寸法決定される。

より具体的には、以下でさらに論じられる、相分離器デバイス３００は、第１の端部から第２の端部まで延在するハウジング３１６を含み、ハウジング３１６は、第１の相出力３１２が出るための１つ以上の第１の開口部と、第２の相出力３１４が出るための１つ以上の第２の開口部とを有する。直列に位置する１つ以上の旋回（案内）翼３２４は、相分離器デバイス３００のハウジング３１６内に配置される。

一般に、相分離器デバイス３００は、入力供給物３１１に存在するより濃い相（例えば、液相）を入ってくる入力供給物３１１から分離し、クリーンにされたより軽い相出力３１４（例えば、第２の相出力１４）及びより濃い出力３１２（例えば、第１の相出力３１２における液体の流れ）を提供するように構成及び寸法決定される。入ってくる入力供給物３１１及びクリーンにされた第２の相出力３１４は、気体／入力供給物３１１と同じ軸上にあることができる、しかしながら、入力供給物３１１及び出力３１４は、進行方向の反対方向に出ていく。

例示的な相分離器デバイス３００の設計は、第２の相出力３１４（気相）からの第１の相出力３１２（液相）の分離、収集、及び抽出を達成するために、２つの異なるセクションを利用することができ、第３のセクションを利用し得る。これらのセクションは、逆流サイクロン分離セクション３１８、前の媒体セクション３２２の前の任意選択の液体収集セクション３２０、及び／又は液体抽出のための多孔質媒体セクション３２２を含むことができる。

例示的なデバイス３００は、任意選択の円錐形スカート３２８を利用することができる。このスカートは、気体出口チューブ３２６の外側、及び旋回翼３２４の下に位置する。１つ以上のスカート３２８は、デバイス３００の設計に組み込まれ得る。スカートの機能は、液体を分離器ハウジング３１６の外壁に向け、入口から気体出口チューブへ離れるように誘導することによって、液体分離効率を改善することである。デバイス１０、１０´、３００´はまた、円錐形スカート３２８と同様の任意選択の円錐形スカートを利用することができることに留意されたい。

上で論じられたデバイス１０と同様に、例示的な相分離器デバイス３００の設計は、第２の相出力３１４（気相）からの第１の相出力３１２（液相）の分離、収集、及び抽出を達成するために、２つの異なるセクションを利用することができ、第３のセクションを利用し得る。これらのセクションは、逆流サイクロン分離セクション３１８、多孔質媒体セクション３２２の前の任意選択の液体収集セクション３２０、及び／又は液体抽出のための多孔質媒体セクション３２２を含むことができる。

セクション２２と同様に、多孔質媒体セクション３２２の役割は、少なくとも３つの重要な機能を実行する多孔質バリアを形成することである。第一に、セクション３２２は、液体蓄積を可能にするバリアとして機能し、液体蓄積の層を物理的に支持する。第二に、この液体層及び多孔質膜３２２にわたる圧力低下は、圧力低下が気体（蒸気）出口通路においてはるかに低いため、液体出口への気体流の流れを防止する。第三に、多孔質媒体セクション３２２は、蓄積液体の流れが液体出口を通して抽出されることを可能にする。液体は、液体出口の下流に位置する吸引ポンプを介して抽出され得、及び／又は加圧システムにおいて上流の圧力を利用することができる。

多孔質媒体セクション３２２は、軸流分離器デバイス３００における１つ以上の場所に配置され得る。図１１に示されるように、多孔質媒体セクション３２２は、底部、例えば、壁又は底に位置し、案内翼３２４の下流に位置する。例示的なセクション３２２は、ディスクなどとして形成されることができるが、本開示はこれに限定されないことに留意されたい。多孔質媒体セクション３２２はまた、翼に隣接する、又はちょうど下流にある円筒形ハウジング３１６の壁に、及び／又はその向こうに配置／位置することができる。

多孔質媒体セクション３２２は、多孔質金属、ポリマー膜、泡沫、繊維性材料、ポリマー、セラミックス、及び／又はガラスを含むがこれらに限定されない、いくつかの種類の多孔質材料から製造されることができる。多孔質金属は、ニッケル、コバルト、鉄、銅、アルミニウム、パラジウム、チタン、タングステン、白金、銀、金、及びステンレス鋼、ならびにＨａｓｔｅｌｌｏｙ（登録商標）（Ｈａｙｎｅｓ Ｓｔｅｌｌｉｔｅ Ｃｏｍｐａｎｙ、Ｋｏｋｏｍｏ，Ｉｎｄｉａｎａ）などのニッケルベース鋼を含むが、これらに限定されない、いくつかの金属合金からの材料であってもよい。

多孔質媒体セクション３２２の平均孔径は、０．１ミクロンと同じくらい低く（ｌｏｗ）、１００ミクロンと同じくらい高く（ｈｉｇｈ）なることができる（例えば、流体条件、温度、及び／又は流体粘度に応じて）。

いくつかの実施形態では、サイクロンハウジング３１６の内径は、約０．５～約２０インチの範囲であり得る。

特定の実施形態では、２つ以上の平行軸流分離器デバイス３００は、入ってくる混合二相流３１１を２つ以上の平行流に分割することを必要とし得る平行配置を採用することができる。

別の実施形態では、図９に示されるように、デバイス３００´は、入力供給物３１１のための接線方向入口３１５を伴う二相逆流サイクロン分離器デバイス３００´の形式を取る。したがって、接線方向入口３１５を伴う相分離器デバイス３００´は、第１の相出力３１２内へ（例えば、液体出力流３１２へ）及び第２の相出力３１４へ（例えば、気体出力流３１４へ）の入力供給物３１１（二相混合物３１１）の相分離のために利用されるように構成及び寸法決定される。

デバイス３００と同様に、相分離器デバイス３００´は、第１の端部から第２の端部まで延在するハウジング３１６を含み、ハウジング３１６は、第１の相出力３１２が出るための１つ以上の第１の開口部と、第２の相出力３１４が出るための１つ以上の第２の開口部とを有する。１つ以上の案内翼３２４は、相分離器デバイス３００´のハウジング３１６内に配置されてもよい。上記のように、デバイス３００´は、入力供給物３１１のための接線方向入口３１５を含む。

デバイス３００の動作と同様に、相分離器デバイス３００´は、入力供給物３１１に存在するより濃い相（例えば、液相）を入ってくる入力供給物３１１から分離し、クリーンにされたより軽い相出力３１４（例えば、第２の相出力３１４）及びより濃い出力３１２（例えば、第１の相出力３１２における液体の流れ）を提供するように構成及び寸法決定される。入ってくる入力供給物３１１及び出ていくクリーンにされた第２の相出力３１４は、クリーンにされた第２の相出力３１４を出ていく軸に接する接線方向入口３１５を介して入ってくる気体流／入力供給物３１１を伴う、異なる軸上にあってもよい。デバイス３００に対して同様に論じられるように、接線方向入口３１５を伴うデバイス３００´は、逆流サイクロン分離セクション３１８、多孔質媒体セクション３２２の前の任意選択の液体収集セクション３２０、及び／又は液体抽出のための多孔質媒体セクション３２２を含むことができる。同様に論じられるように、デバイス３００´の多孔質媒体セクション３２２は、デバイス３００´における１つ以上の場所に配置され得、多孔質媒体セクション３２２は、いくつかの種類の多孔質材料から製造することができる。

図１２は、半径方向／渦巻状液相抽出器要素１２８を示す。図１２は、流動二相流体１１１（液体及び蒸気入力１１１－図１３）から液相を分離するために使用される要素１２８を示す。例示的な実施形態では、ねじ状ロッド１２４を取り出し、それを多孔質媒体チューブ１２６に封入することができる。二相流体１１１は、図１２に示される渦巻状流路に従い、円形流路による慣性エネルギーは、より密度の高い流体（例えば、液体）を半径方向外側に移動させ、より密度の低い流体（例えば、蒸気）を内側に移動させる。この分離は、液相を多孔質チューブ１２６などと密接に接触するように置く。次いで、差圧は、多孔質チューブ１２６を通る液体流を引き起こす、多孔質チューブ１２６の内部流路と外側の体積との間に印加される。この差圧の大きさ、要素１２８の直径及び長さ、ねじピッチ及び溝の寸法、湿潤表面積、厚さ及び密度、ならびにチューブ１２６の平均細孔サイズはすべて、液相を捕捉し、要素１２８からそれを抽出する際にほぼ１００％の効率を提供するように調整することができる。

例示的な実施形態では、ねじ状コンポーネント１２４の直径は、二相流体の流量及び許容圧力低下に応じて、非常に小さい（１／１６インチ程度）ものから非常に大きい（数フィート）ものまであり得る。多孔質チューブ１２６の厚さは、用途に応じて、０．１０インチから数インチの範囲であることができる。チューブ１２６における平均孔径は、流れ条件、温度、及び／又は流体粘度に応じて、０．１ミクロンと同じくらい低く、１００ミクロンと同じくらい高くなることができる。

本明細書で開示された実施形態の場合、渦巻状流路及び多孔質媒体の寸法は、流路の長さに沿って一定のままであってもよい。断面及び流体流路に沿ったピッチを含む渦巻状流路の寸法を変化させることによって、改善された分離性能を得ることができることが認識される。さらに、多孔質媒体の厚さはまた、相分離を改善するために流路の長さに沿って調整することができる。本明細書で開示された実施形態の場合、多孔質媒体は、一定の平均孔径及び密度を有してもよく、性能のさらなる最適化は、多孔質媒体内の勾配孔径分布を使用して達成され得る。

図１３に示されるように、液体抽出要素１２８（又は複数の要素１２８）を利用するために、要素１２８は、入力供給物１１１（液体－蒸気混合物供給１１１）のための１つの入口、及び１つが第１の相出力１１２（例えば、液体出力）のためであり、１つが第２の相出力１１４（例えば、蒸気）のためである、２つの出口を提供するハウジング１１６に挿入することができる。相分離器デバイス１００の各要素１２８は、供給１１１のために入口に入る二相流体１１１を、各要素１２８の一端（入力１１１端）で渦巻状流路に流れを導くように誘導する。デバイス１００の第２の相出力１１４のための気体出口は、各要素１２８の反対側の端部に接続され得る。第１の相出力１１２（例えば、液体）のための第２の出口は、各要素１２８を取り囲むハウジング１１６に取り付けられることができ、第１の相出力１１２（例えば、液体）のための第２の出口は、様々な多孔質媒体１２６を通って流れる液相を受容することができる。

多孔質媒体１２６は、多孔質金属、ポリマー膜、泡沫、繊維性材料、ポリマー、セラミックス、及び／又はガラスを含むがこれらに限定されない、いくつかの種類の多孔質材料から製造することができる。多孔質金属は、ニッケル、コバルト、鉄、銅、アルミニウム、パラジウム、チタン、タングステン、白金、銀、金、及びステンレス鋼、ならびにＨａｓｔｅｌｌｏｙ（登録商標）（Ｈａｙｎｅｓ Ｓｔｅｌｌｉｔｅ Ｃｏｍｐａｎｙ、Ｋｏｋｏｍｏ，Ｉｎｄｉａｎａ）などのニッケルベース鋼を含むが、これらに限定されない、いくつかの金属合金からの材料であることができる。

デバイス１００は、上で記載されたように単一の要素１２８を含んでもよく、又はデバイス１００は、直列及び／又は平行な流路構成のいずれかで複数の要素１２８を含むことができる。図１３に描写されるのは、３１個の液相分離器要素１２８、平行な流路構成にある要素１２８を含むそのような例示的なデバイス１００である。

図１６は、流動二相流体２１１（液体及び蒸気）から相を分離するために使用される相分離器デバイス２００を示す。設計は、渦巻状の通路であり、おそらく一定でない表面積であり、通路の１つの表面は、図１７に示されるように多孔質媒体である。混合相流体２１１は、図１６及び図１９に示されるように、渦巻状通路に接線方向に入る。二相流体２１１は、図１８に示される渦巻状流路に従い、液相のみが出力２１２を介して渦巻状通路に接線方向に出る。円形の流路による向心力は、より慣性を有するより密度の高い流体（液体）を半径方向外側に移動させ、したがって、より慣性を有するより密度の低い流体（蒸気）を内側に移動させる。この分離は、気相を多孔質媒体と密接に接触するように置く。多孔質媒体の他方の側は、より低い圧力で気体が多孔質媒体を通って流れるようにする差圧を提供させる。気相は、出力２１４を介して、中央軸に沿って渦巻状へ両端から出て、追加の配管（図示せず）を介して収集される。

デバイス２００の直径、長さ、渦巻状のピッチ、渦巻状寸法、デバイス２００の多孔質媒体の厚さ、密度、及び平均孔径のサイズは、デバイス２００の用途及び分離される入力／流体２１１の要件に基づいて変化させることができる。

デバイス２００の多孔質媒体は、多孔質金属、ポリマー膜、泡沫、繊維性材料、ポリマー、セラミックス、及び／又はガラスを含むがこれらに限定されない、いくつかの種類の多孔質材料から製造することができる。多孔質金属は、ニッケル、コバルト、鉄、銅、アルミニウム、パラジウム、チタン、タングステン、白金、銀、金、及びステンレス鋼、ならびにＨａｓｔｅｌｌｏｙ（登録商標）（Ｈａｙｎｅｓ Ｓｔｅｌｌｉｔｅ Ｃｏｍｐａｎｙ、Ｋｏｋｏｍｏ，Ｉｎｄｉａｎａ）などのニッケルベース鋼を含むが、これらに限定されず、いくつかの金属合金からの材料であってもよい。

以下の実施例は、本明細書に開示される相分離器デバイスの単なる例示であり、その範囲を限定することを意図しない。多孔質媒体蒸気バリアを伴う慣性分離を利用した例示的な提案設計の代用流体試験は、液相／蒸気相分離の実現可能性を検証したことに留意されたい。これは、このプロジェクトフェーズの主な目的であり、したがって、例示的なプロジェクトは、成功したことになる。設計Ａ及びＣ（以下で論じられる）の両方の性能は、液体捕捉効率が７５％を超え、各流体経路の圧力低下が５ＰＳＩＤ未満である、この例示的なプロジェクトフェーズについての最低性能仕様を超えた。

逆流サイクロン（設計Ａ）は、評価された３つの設計について最高の液体捕捉効率が提供された。測定された液体捕捉効率は、質要因に応じて、９３％～１００％の範囲であった。この設計はまた、液体及び気体流路の両方に対して圧力降下が１ＰＳＩＤ未満を伴う分離器全体の最低圧力降下を提供した。

液体抽出器（設計Ｃ）は、気体流路に対して同じ低圧降下を伴う設計Ａと同様に実施した。この設計は、４０％及び５０％の質でわずかに低い液体捕捉効率を示し、より高い液体圧力降下を有した。

気体抽出器（設計Ｂ）は、初期試験において良好な性能を発揮せず、設計Ａ及びＣで優れた性能が達成されたため、この構成を使用して記録のための実行が行われなかった。

数理モデルは、気体流路及び液体流路の両方にわたる圧力低下を予測するために開発された。これらのモデルは、液体及び気体特性と、動作圧力、温度及び流量の影響について考慮する。モデルは、分離器のその後の規模拡大及び作動流体での動作に適しているように設計されている。

原理証明（ＰｏＰ）は、例示的な多孔質媒体技術と組み合わせた慣性分離技術を使用して、指向性エネルギー兵器システムにおける冷却レーザーに使用するための蒸気／液相分離器を創造することができるかどうかを判定するために実行された。この現在の相について、目標液体分離効率は、５０％の質及び１５ｐｓｉｄ未満の流体圧力低下で、７５％超えであった。水及び空気を含む代用流体は、実寸大の最終デバイスのおよそ１質量％の流量に縮小された３つの異なる例示的な相分離器設計の機能を試験するために使用されている。本研究の実験結果は、前述の標的に対して評価された。さらに、データは、分析モデルを検証するために使用された。これらのモデルは、原寸に比例して、このマルチフェーズプロジェクトの将来のフェーズのために設計を最適化するためにさらに開発することができる。

試験手順／機器
特注試験台は、代用流体、水、及び空気を利用した、ほぼ周囲の条件下での動作性能のための例示的な相分離器設計を評価するために構築された。これらの代用流体は、冷媒の二相混合物を、その動作圧力（２０℃及び１２４ＰＳＩＧでのＲ７１７）の臨界温度でシミュレートするために使用された。図２０は、この特注試験台の概略図を示す。加圧された水及び空気は、この場合は、この目的のために改造された従来の塗料スプレーガンである、水噴霧器に入る流量計（左側）を通じて供給された。次いで、得られた二相混合物は、ＰｏＰ相分離器の入口ポートに供給された。デバイスは、それぞれの出口を通って出る気体及び液体を分離する。出口に位置するバルブは、システム内の圧力を調節するために使用された。次いで、出力流の流れは、２つの相を分離するためにトラップを通過し、気体流量は、流量計で測定された。入口及び出口ポートに位置する圧力センサは、システム圧力及び圧力低下を監視するために使用された。気体温度及び相対湿度（ＲＨ）は、気体出口流路上の液体トラップ内で監視された。

試験手順の簡単な記載は、次のように、（ｉ）試験台に相分離器を設置し、すべての接続部に漏れがないことを確認する、（ｉｉ）水及び空気入力流量を所望の質に設定する、（ｉｉｉ）、所望のシステム入力圧力に到達するために気体出口背圧バルブを、及び最適な液体捕捉効率のために液体出口背圧バルブを調製する、（ｉｖ）システムが安定し、すべての圧力、流量、温度、及びＲＨを記録するのを待つ、（ｖ）試験される各質レベルについて繰り返す、である。

０％相対湿度（ＲＨ）入力を想定した場合、最大流量８０標準リットル／分（ＳＬＰＭ）が、試験中に使用され、１５～２０℃の空気温度を伴う試験中に最大８０％のＲＨ出力が観察された。空気が保持できる最大水量は、１５℃で１２．８ｇ／ｍ３、２０℃で１７．３ｇ／ｍ３であることに留意されたい。

設計Ａ－逆流サイクロン
図１０は、提案された設計（設計Ａのバージョン）の主なコンポーネントを示す概略図である。図１０（設計Ａのバージョン）の動作に関して、（ｉ）逆流サイクロン翼を通る流れが、気体から液体を分離するための向心力を創造する、（ｉｉ）液体が、ハウジングの外部及び底へ流れる、（ｉｉｉ）多孔質膜及び液体層が、気体の流れに対する不透過バリアを提供する、（ｉｖ）液体抽出が、膜を横切る制御された差圧を介して発生する、（ｖ）蒸気相が、垂直出口を通って出る、ことに留意されたい。このような例示的なサイクロン分離器は、設計において堅牢であり、非常に信頼性が高いことに留意されたい。液体層を支持するための多孔質媒体の用途は、有利には、液体が通過することを可能にしながら、蒸気伝達へのバリアを提供することに留意されたい。

図９は、評価のために構築された設計Ａ相分離器の別のバージョンとその鍵となるコンポーネントを示す。翼アセンブリは、液相及び気相を分離するためにサイクロン運動を付与し、円錐形スカート３２８は、蒸気排気ポートを通って分離器から出る液体の量を減少させる。上部のハウジングは、ＰＶＣティー継手を使用して構築され、液体出口のハウジングは、ＰＶＤキャップを使用して構築され、本体ハウジング及び蒸気排気チューブは、透明なポリカーボネートチューブを使用して構築された。図９に示された設計Ａ相分離器のバージョンは、図２０の特注試験台を利用して組み立てられ、試験されたことに留意されたい。

多数の実験は、図９に示される設計Ａ相分離器のバージョンを利用すること、主ハウジング本体の長さ、回転翼と内部蒸気抽出チューブ及び媒体等級（平均孔径）の接続部との相対的な配置、ならびに記録のための実行を実行することの前の多孔質媒体の厚さを調整することが実行された。４．０ｐｓｉの入口圧力を有する媒体等級２多孔質媒体の用途は、この縮尺サイズ相分離器（図９に示される設計Ａ相分離器のバージョン）について試験したすべての混合物の質レベルで９０％を超える液体の効率的な分離をもたらしたことが分かった。

表１は、図９に示される設計Ａ相分離器のバージョンについての記録試験の実行に基づくいくつかの鍵となる概要結果を示す。すべての質レベルで、液体ポートを介してデバイスから出ていく気体は観察されなかったことに留意されたい。

表１に示される結果は、設計Ａ（図９）が、分離器全体の液体及び気体圧力低下がすべて１ＰＳＩＤ未満で性能要件を満たし、９３％を超える液体捕捉効率で目標に近いことを示す。

設計Ｂ－気体抽出器
図１６は、この提案された設計の主なコンポーネントを示す概略図である。図１６（設計Ｂ）の動作に関して、（ｉ）渦巻状通路を通る流れが、気体から液体を分離するための向心力を創造する、（ｉｉ）液体が、外側に移動し、渦巻状流路の全長を移動する、（ｉｉｉ）気体が、内側に流れ、制御された圧力差を介して内部多孔質膜を通過し、デバイスから軸方向に出る、ことに留意されたい。

この提案された設計（設計Ｂ）は、唯一で、設計Ａとは大きく異なる。二相混合物は、渦巻状流路に沿っており、すべての気相が中心に向かって多孔質媒体を通って移動することを意図する。液体は、渦巻状経路を通って流れ続け、デバイスから出る。

図１６は、渦巻状流路を通る一定の断面を示す。渦巻状流路に沿って出ていく気体に伴う著しい圧力低下があり、渦巻状流路を可変ピッチ、可変断面螺旋に修正することが早くから認識されていた。このようにして、第１世代プロトタイプは、創造された。第１世代プロトタイプの場合、二相入口チャネルは、１インチの直径で開始され、液体出口ポートでおよそ１／８インチの直径で連続的に減少する。チャネル間の間隔は、一定のままであり、流路長に沿った可変ピッチとなる。この変更の目的は、一定の気体抽出を生成する多孔質媒体の長さにわたってより均一な圧力降下を創造することであった。このプロトタイプの初期試験は、分離効率が悪かったことに留意されたい。ほとんどすべての液相は、気相に伴って多孔質媒体を通って出た。この設計は２つの流体を分離するのに十分な向心力を持たず、直径がはるかに小さい修正された設計を創造すると、より大きな慣性分離があり、したがってより良い性能があると推測された。

第２世代の設計Ｂ相分離器が製造されたことに留意されたい。この設計は、著しく小さく、より深い内部渦巻状チャネルのアスペクト比を有していた。この設計で継続的に試験した結果、多孔質要素の様々な流量及び媒体等級により、第１世代の設計よりも良好な分離性能レベルが得られた。試験では、２０％の質レベルで最大５０％の液体捕捉効率レベルが観察され、２０％の質を超えるとよりはるかに低い液体捕捉効率が観察された。記録のための実行試験は、低相分離効率のため、この設計では実行されなかった。

設計Ｃ－液体抽出器
図１２は、液体抽出器個別要素の提案された構造示す概略図であり、図１３は、それらを束にして配置し、並列に動作されて規模を大きくする方法を示す。図１３（設計Ｃ）の動作に関して、（ｉ）渦巻状通路を通る流れが、気体から液体を分離するための向心力を創造する、（ｉｉ）気体が、内側に流れ、渦巻状流路の全長を移動する、（ｉｉｉ）多孔質膜及び液体層が、気体の流れに対する不透過バリアを提供する、（ｉｖ）液体が、外側に流れ、制御された圧力差を使用して外部多孔質膜を通過する、（ｖ）液体が、分離器の側方ポートを介して出る、ことに留意されたい。

この設計は、慣性エネルギーを使用して液相及び蒸気相を分離し、分離された液体が多孔質媒体を通過するという点で、設計Ａと類似している。分離中、液体が分離のために多孔質媒体と即座に接触する点で、設計Ａとは異なる。

単一の渦巻状要素（例えば、図１２）は、このＰｏＰ試験のために使用された。二相流体は、サイクロン運動を開始するために、内部翼を伴うＡＢＳプラスチックハウジングを通して右から入る。次いで、流体は、渦巻状キャビティを通過し、液体を外側に押し出し、蒸気相を中央に向かって維持する。液体は、多孔質媒体を通過し、蒸気相は、渦巻状チャネルを通って左に出る。中心ハウジングは、蒸気相が多孔質媒体を通過するかどうかを観察することができるように、透明なポリカーボネートプラスチックを使用して作られた。設計Ｃ相分離器は、図２０の特注試験台を利用して組み立てられ、試験されたことに留意されたい。

多数の実験は、主ハウジング本体の長さ（１又は２インチ）、媒体等級（０．２、０．５、及び２の平均孔サイズ）、及び多孔質厚さ（０．０６２及び０．１２５インチ）を調整することが実行された。５．０ｐｓｉｇの入口圧力を伴う媒体等級２の多孔質媒体を使用することにより、試験されたすべての混合物の質レベルにおいて、およそ８０％以上の液体分離効率が得られることが分かった。

表２は、設計Ｃについての記録のための実行（Ｒ４Ｒ）試験のいくつかの鍵となる概要結果を示す。すべての場合において、液体ポートを介してデバイスから出ていく気体は観察されなかったことに留意されたい。

議論－試験分析－設計比較：
以下の表３は、設計Ａ及びＣの両方について組み合わされた概要結果を示す。液相及び気相圧力は、それらの液体捕捉効率に対する質に沿って各設計にわたって降下する。結果は、逆流サイクロンである設計Ａが、液体捕捉効率の点で、液体抽出器である設計Ｃよりも優れていることを明確に示す。設計Ａは、９３％の効率で５０％の質で開始され、すぐに低質で９９％に上昇した。現時点では、３０％の低効率が実装／セットアップエラーに起因すると考えられる。設計Ｃは、７９％の低い液体捕捉効率で開始され、低い質では非常に高い効率に上昇したが、わずかに遅い速度で上昇した。

設計Ａ及びＣの両方とも、気体出口の約１ＰＳＩＤ圧力低下で開始し、質が５０％から０％に低下したため、両方とも着実に０ＰＳＩＤに低下した。この気相圧力低下の質との安定的な低下は、予想され、傾向は、エンジニアリング設計モデルと一致する。

モデル予測値と実験データの比較－設計Ａ
表４及び図２１は、分析モデル及び設計Ａの実験的に測定された値を使用して計算された予測された気相圧力低下に対する質を示す表及びグラフである。図２１では、モデル化された圧力低下は、ダイヤモンドで示され、実験結果は、グラフ上の矩形で示される。１０％の質データポイントを除いて、モデルの予測圧力降下は、平均すると実験的に測定されたデータの２０％以内であり、同様の非線形上向きトレッドに従う。このデータは、気体流量の関数としてプロットすると、主に気体流量の２乗にいくつかの二次的要因を加えた圧力が増加することを示しており、基本的な観点から期待される。このモデルは、温度及び圧力に依存する分離器内の流体密度、粘度、及び実際の気体速度を説明する。

表５及び図２２は、分析モデル及び設計Ａの実験的に測定された値を使用して計算された予測された液相圧力低下に対する質を示す表及びグラフである。図２２では、モデル化された圧力低下は、ダイヤモンドで示され、実験結果は、グラフ上の矩形で示される。このモデルは、温度及び圧力に依存する分離器内の流体密度、粘度、及び実際の気体速度を説明する。

０％の質データポイントを除いて、モデルの予測圧力降下は、平均すると実験的に測定されたデータの１０％以内である。興味深いことに、圧力降下データは、質又は液体流量の関数としてプロットされるとき、比較的一定である。したがって、圧力降下は、液体流量に比較的依存しない。一見すると、この結果は、流量の増加に伴って圧力低下が通常増加するという基本的な信念と矛盾しているように思われる。しかしながら、このデータは、確かに正しく、この異常な発見は、液体流路における全体的な圧力低下を組み合わせる２つの態様からの結果をもたらす。圧力の第１の部分は、サイクロンの入口領域及び旋回翼にわたって発生する。この領域では、混合流体流の圧力低下は、主に気体流量の結果である。さらに、この圧力降下依存性は、気体流量の２乗にいくつかの二次的要因を加えたものとして変化する。圧力降下は、気体の流量と混合物の質の低下に伴って低下する。液体圧力降下のための第２の主領域は、例示的な多孔質金属媒体にわたって発生する。ここで、圧力降下は、液体流量を伴って直線的に増加し、したがって、混合物の質を低下させる。一方で他方が減少している間に増加するこの２つの傾向は、混合物の質に比較的依存しない圧力における結果をもたらす。

モデル予測値と実験データの比較－設計Ｃ
表６及び図２３は、分析モデル及び設計Ｃの実験的に測定された値を使用して計算された予測された気相圧力低下に対する質を示す表及びグラフである。図２３では、モデル化された圧力低下は、ダイヤモンドで示され、実験結果は、グラフ上の矩形で示される。モデル化されたデータは、実験データの値の１／２をわずかに超えているが、全体的に同じ傾向を示す。結果セクションで述べたように、流体が分離器要素に到達する前にサイクロン運動を開始するために、一連の旋回翼が入口ハウジングに設置されたが、これは、我々のモデリングでは考慮されず、予想されるよりも高い圧力低下を説明する可能性がある。図２３に示される黒い円は、デバイスにおけるこれらの追加の翼及び他の制限を考慮するための調整を伴う予測された圧力低下である。調整されたモデルの結果は、理論的に予想される二次曲率に続く実験的に測定された結果と同じ傾向に従う。

設計Ｃについてモデル化された液体圧力降下及び測定された実験結果を見ると、直接的な相関はないように思われる。表７及び図２４は、分析モデル及び実験的に測定された値を使用して計算された、予測された液相圧力低下に対する質を示す表及びグラフである。図２４では、層流について予測される三角形における液体圧力降下に対する質の線形変化は、モデルによって予測される。実験的に測定された値は、０％の質で予測された値に合理的に近いが、すべてのより高い質で、測定された値は、分析モデルと一致しないおよそ２ＰＳＩＤで安定的である。測定された液体圧力降下は、媒体を通る液体の流量が減少するにつれて、質が向上することに伴って減少するべきである。これは、実装の問題であり得、又は高速気体が分離器を通過し、より低い圧力を生成し、液体圧力降下測定値に影響を及ぼすベンチュリ効果であり得る。別の問題は、水が概してステンレス鋼をよく濡らさず、多孔質媒体内の閉じ込められた空気が流れを制限し、予測されるよりも高い圧力低下を生じさせている可能性があることである。

結論及び提言
ＰｏＰプロトタイプの研究は、例示的な多孔質媒体で慣性エネルギーを使用することが、液相／気相分離を達成するための実行可能な選択肢であることを示している。また、これら２つの設計の分離性能を最適化するために限られた作業が行われており、冷媒流体を使用した評価に移行する前に、それらの性能を向上させるための追加の作業が実行されることができることも認識されるべきである。これらの設計を最適化するための代替流体を使用した継続的な試験は、アンモニア又は他の冷媒を使用して性能レベルを最適化しようとするよりも大幅に安価で、はるかに短い時間で実行されることができる。

設計Ａは、液体捕捉効率の点で設計Ｃよりも優れているが、設計Ａにはその向きに関連するいくつかの制限があることに留意されたい。重力が一般的な環境で動作するとき、設計Ａは、概して正しい動作のために液体出口を下方に向けなければならない。これは、静止した地上ベースの用途の場合、設計Ａがうまく機能するべきことを意味する。特定の実施形態では、飛行プラットフォーム用途のために、設計Ａは、設計どおりに実行しない場合がある。さらに、設計Ａは、これらの種類の設計が以前に他の用途で機能することが示されているため、微小重力状況で動作するべきである。設計Ｃを見るとき、この設計は、その向きに既知の制限はなく、微小重力環境を含む重力が存在する向きで動作することが期待されている。このため、最終的な設計選択を行う前に、液体捕捉効率を向上させるためのさらなる最適化作業が実行されるべきである。

原理証明相分離器についての記録のための実行
以下は、（例えば、レーザー冷却用途で採用される）液相／蒸気相分離器についての相１の原理証明（ＰＯＰ）設計の記録のための実行（Ｒ４Ｒ）試験手順である。Ｒ４Ｒの試験中、すべての調整可能なパラメータ（ハードウェア寸法、デバイスの向きなど）は、３つの設計の各々について、試験及びデータ収集の期間中、変更されない。

以下の表８は、示された質レベルを達成するために計算された水及び空気の体積流量である。これらの値は、Ｒ７１７を実行しているシステムで、体積によって１．２５％及び２．５％を、実寸大総質量流量の０．２５％及び０．５％を表す。実際の記録のための実行の前に、低流量又は高流量範囲での動作の選択は、実験室規模のプロトタイプサイズ及び各設計の予備試験に基づいて、選択された。努力は、設計のいずれかが適切に動作するために異なる流量を必要とする場合、これらの２つの流量範囲のうちの１つを目標とするためになされた。各質レベルについての水及び流量は、これらのケースについて再計算されることができる。

測定値：
以下のポートは、各設計について適応可能であれば、圧力、温度、相対湿度を監視するために設置された。二相入口での圧力、気体出口での圧力（性能を最適化するために採用される場合は、背圧レギュレータの前）、液体出口での圧力（性能を最適化するために使用される場合は、背圧レギュレータの前）、多孔質媒体にわたる液体圧力降下（設計Ａのみ）、試験時での気体の圧力、出口での気体の温度、出口での空気の相対湿度、液体流出量、気体出口での流量、液体出口ではキャップ付き容器、空気流量を測定するためのベントでは回転計を使用し、気体出口では水滴トラップを採用し、空気及び水の流量を別々に測定した。

特定の実施形態が記載されてきたが、現在、予測されていない、又は予測され得ない代替、修正、変形、改善、及び実質的な等価物は、出願人又は当業者に生じ得る。したがって、提出された添付の特許請求の範囲、及びそれらが修正され得る特許請求の範囲は、すべてのそのような代替、修正、変形、改善、及び実質的な同等物を包含することが意図される。

本明細書に開示されるすべての範囲は、終了点を含み、終了点は、互いに独立して組み合わせ可能である（例えば、「最大２５重量％、又はより具体的には、５重量％～２０重量％」の範囲は、「５重量％～２５重量％」の範囲の終了点及びすべての中間値を含む）。「組み合わせ」は、ブレンド、混合物、合金、反応生成物などを含む。「第１の」、「第２の」などという用語は、任意の順序、量、又は重要性を示すものではなく、むしろ、１つの要素を別の要素と区別するために使用される。用語「ａ」及び「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は、別様に本明細書に示唆されるか、又は文脈に明確に矛盾しない限り、量の制限を示すものではなく、単数形及び複数形の両方を網羅するように解釈されるべきである。「又は」は、特に明記しない限り、「及び／又は」を意味する。本明細書全体を通して、「いくつかの実施形態」、「実施形態」などへの言及は、実施形態に関連して記載される特定の要素が、本明細書に記載される少なくとも１つの実施形態に含まれ、他の実施形態に存在しても、存在しなくてもよいことを意味する。加えて、記載された要素が、様々な実施形態において任意の好適な方法で組み合わされ得ることを理解されたい。「それらの組み合わせ」は、オープンであり、列挙されているコンポーネント又は特性のうちの少なくとも１つを含む任意の組み合わせを含み、任意選択で、同様の、又は同等のコンポーネント又は特性は、列挙されていない。

別途定義されない限り、本明細書に使用される技術的及び科学的用語は、本願が属する技術分野の当業者によって一般的に理解される意味と同じ意味を有する。すべての引用された特許、特許出願、及び他の参考文献は、それらの全体が、参照により本明細書に組み込まれる。しかしながら、本出願における用語が、組み込まれた参照文献における用語と矛盾又は抵触する場合、本出願からの用語は、組み込まれた参照文献からの矛盾する用語よりも優先される。

本開示のシステム及び方法は、その例示的な実施形態を参照して記載されてきたが、本開示は、そのような例示的な実施形態及び／又は実施態様に限定されない。むしろ、本開示のシステム及び方法は、本開示から当業者には容易に明らかとなるように、多くの実装態様及び用途の影響を受けやすい。本開示は、開示された実施形態のそのような修正、改良、及び／又は変形を明示的に包含する。上記の構造において多くの変更を行うことができ、本開示の多くの広範囲にわたる異なる実施形態を、その範囲から逸脱することなく行うことができるので、図面及び本明細書に含まれるすべての事項は、例示的であると解釈され、限定的な意味で解釈されるべきではないことが意図される。追加の修正、変更、及び置換は、前述の開示において意図される。したがって、添付の特許請求の範囲は、本開示の範囲と広く、及び一致する方法で解釈されることが適切である。

Claims (17)

1. 相分離器デバイスであって、
   第１の端部から第２の端部まで延在するハウジングであって、前記ハウジングが、第１の相出力が出るための１つ以上の第１の開口部と、第２の相出力が出るための１つ以上の第２の開口部とを有する、ハウジングと、
   前記ハウジングに配置された１つ以上の案内翼と、を備え、
   前記ハウジングが、軸流サイクロン分離セクションと、多孔質媒体セクションと、を含み、
   前記軸流サイクロン分離セクション及び前記多孔質媒体セクションが、前記ハウジングに導入された入力供給物を前記第１の相出力及び前記第２の相出力に分離するように構成及び寸法決定されている、相分離器デバイス。
2. 前記第１の相出力が、液体を含み、前記第２の相出力が、気体を含む、請求項１に記載の相分離器デバイス。
3. 前記入力供給物が、流体混合物である、請求項１に記載の相分離器デバイス。
4. 前記入力供給物が、２つの異なる構成成分の液体及び気体を含む、請求項１に記載の相分離器デバイス。
5. 前記入力供給物が、同じ構成成分の液相及び蒸気相を含む、請求項１に記載の相分離器デバイス。
6. 前記ハウジングに導入された前記入力供給物が、アンモニアを含む、請求項１に記載の相分離器デバイス。
7. 前記ハウジングに導入された前記入力供給物が、水及び空気を含む、請求項１に記載の相分離器デバイス。
8. 前記ハウジングに液体収集セクションをさらに備える、請求項１に記載の相分離器デバイス。
9. 相分離器デバイスであって、
   ハウジングに配置された１つ以上の抽出器要素であって、前記ハウジングが、入力供給物のための入口、ならびに第１の相出力のための第１の出口及び第２の相出力のための第２の出口を有する、１つ以上の抽出器要素を備え、
   各抽出器要素が、多孔質媒体チューブに収容されたねじ状ロッドを含み、
   前記１つ以上の抽出器要素が、前記入口に導入された前記入力供給物を前記第１の相出力及び前記第２の相出力に分離するように構成及び寸法決定されている、相分離器デバイス。
10. 相分離器デバイスであって、
    第１の端部から第２の端部まで延在するハウジングであって、前記ハウジングが、第１の相出力が出るための１つ以上の第１の開口部と、第２の相出力が出るための１つ以上の第２の開口部とを有する、ハウジングと、
    前記ハウジングに配置された１つ以上の案内翼と、を備え、
    前記ハウジングが、逆流サイクロン分離セクションと、多孔質媒体セクションとを含み、
    前記逆流サイクロン分離セクション及び前記多孔質媒体セクションが、前記ハウジングに導入された入力供給物を前記第１の相出力及び前記第２の相出力に分離するように構成及び寸法決定されている、相分離器デバイス。
11. 前記第１の相出力が、液体を含み、前記第２の相出力が、気体を含む、請求項１０に記載の相分離器デバイス。
12. 前記入力供給物が、流体混合物である、請求項１０に記載の相分離器デバイス。
13. 前記入力供給物が、２つの異なる構成成分の液体及び気体を含む、請求項１０に記載の相分離器デバイス。
14. 前記入力供給物が、同じ構成成分の液相及び蒸気相を含む、請求項１０に記載の相分離器デバイス。
15. 前記ハウジングに導入された前記入力供給物が、アンモニアを含む、請求項１０に記載の相分離器デバイス。
16. 前記ハウジングに導入された前記入力供給物が、水及び空気を含む、請求項１０に記載の相分離器デバイス。
17. 前記ハウジングに液体収集セクションをさらに備える、請求項１０に記載の相分離器デバイス。

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