JP3994215B2 - 微小重力環境用気泡分離装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、宇宙基地などの微小重力環境下で使用される熱制御系ループ内に混入した気泡を遠心力で分離除去するための微小重力環境用気泡分離装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
将来、宇宙基地や宇宙船等といった宇宙空間に設置が計画されている構造物にあっては、太陽熱の影響を直接受けやすいことから搭載されている機器の保護や快適な居住空間の確保のため、これらの温度を所定の範囲に保つべく熱制御系ループが必要となってくる。
【0003】
この熱制御系ループとしては、例えば、図9に示すように、熱交換媒体としてフロンや水等の液体を使用し、機器aの熱を奪って冷却するための熱回収用熱交換器bと、奪った熱を宇宙空間へ放熱する放熱用熱交換器cとを冷媒配管dでループ状に接続し、この冷媒をポンプeによってループ内を循環させながら熱制御を行うようにしたものが考えられている。
【0004】
ところで、このような熱制御系ループでは、冷媒配管d等の補修や交換時に気泡が混入すると、この気泡の影響によりポンプeがキョビテーションを発生して振動を発生し、ポンプeの性能が低下して熱交換効率が低下したり、居住空間等で行われる各種実験に悪影響を及ぼすこと考えられる。そのため、冷媒中に混入した気泡を分離除去する必要があるが、宇宙空間等の微小重力環境下では地上のように気体と液体の比重差を利用して気液分離することができない。
【0005】
そこで、本出願人はこのように微小重力環境下であっても、液体中に混入した気泡を遠心力によって効率的に気液分離できる微小重力環境用気泡分離装置をいくつか提案している(特願平2−159431号,特願平5−8170号等)。
【0006】
この気液分離装置は、筒状の分離胴の一端部にループ内の液体を導入する導入管を接線方向に接続すると共に、その分離胴の軸心部に疎水性の気液分離管を備えたものであり、気液混合液を導入管から分離胴内に旋回流で流して遠心力を加え、その軸心部に集められた気体を軸心部の気液分離管から抜き出すことで液体中から分離するようにしたものである。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、これら従来の微小重力環境用気泡分離装置は、これを構成する導入管,分離胴,気液分離管等が一体となった構成をしているため、一つの装置で対応できる流量,混入気泡量等の流量条件の幅が狭いといった不都合がある。すなわち、従来の微小重力環境用気泡分離装置では、気液混合液の流量が大きく変動すると、分離胴内で最適な旋回流が得られず、効果的な気液分離が行えなくなるおそれがある。
【0008】
そのため、流量条件が大きく変わる場合には、その都度、装置全体を新たに交換し直さなければならないため、冷媒(気液混合液)の流量変動に迅速に対応することが困難であり、極めて非効率であった。
【0009】
そこで、本発明はこのような課題を有効に解決するために案出されたものであり、その目的は、分離胴内への気液混合液の流量変動が大きくなっても迅速に対応することができる新規な微小重力環境用気泡分離装置を提供するものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
従来のような構成をした気泡分離装置において、本発明者らが気泡の除去性能を研究した結果、この気泡の除去性能は、図7,図8に示すように旋回流を発生する分離胴の内径及びこの分離胴内に液体を導入する導入管の流入口径に大きく依存することが判明した。
【0011】
図7は分離胴の内径をφ18に固定し、導入管の流入口径を変えて水(気液混合液)流量(l/min)に対する気泡の除去率を測定したものである。
【0012】
この結果、当初の予想通り導入管の流入口径が大きくなるほど除去率が上昇したが、これらの除去率には相関関係がみられず、ある一定範囲の流量の際、例えば、本実験の場合、水流量が1.0L/min近傍には、その差が予想以上に大きくなり、反対に0.5L/min以下ではその差が小さくなる場合があることがわかった。
【0013】
一方、図8は上記とは反対に導入管の流入口径をφ5に固定し、分離胴の内径を変えて水流量(l/min)に対する気泡の除去率を測定したものである。
【0014】
この結果、分離胴の内径に対する除去率にも固定的な相関関係がみられず、流量によって大きな差が生ずることがわかった。例えば、本実験の場合では水流量が1.0L/min以上では内径の違いによる除去率に大きな差が現れないが、0.5L/min以下ではその差が大きくなり、内径が大きいほど除去率が高いことが判明した。
【0015】
これらの現象は、気液混合液の種類、気泡の混入量、重量、装置の材質等の様々な要因が複雑に絡み合って現れるものと思われ、この現象を定量的に解明するには今後、更なる追試が必要となってくるが、少なくともこれらの実験結果から気泡の除去性能は導入管の流入口径と、分離胴の内径とに大きく依存することがわかる。
【0016】
そこで、これらの研究結果を基に上記課題を解決するために請求項1の発明は、宇宙空間等の微小重力環境下に設置される熱制御系ループの液体流出端と流入端間に取り付けられ、このループ内を流れる液体を旋回流を加えて混入した気泡を遠心分離する微小重力環境用気泡分離装置において、入口端が上記流出端側に着脱自在に取り付けられる導入管を備えた導入管ユニットと、入口端側にこの導入管の出口端を接線方向に接続すると共に出口端が上記流入端側に着脱自在に取り付けられる筒状の分離胴を備えた分離胴ユニットと、この分離胴の軸心部に着脱自在に取り付けられる気液分離管を備えた分離膜ユニットとから構成したものを前提技術としている。
【0017】
すなわち、本発明に係る微小重力環境用気泡分離装置は、装置を構成する部材を導入管を備えた導入管ユニットと、分離胴を備えた分離胴ユニットと、気液分離管を備えた分離膜ユニットといった3つのユニットに分解し、これら各ユニットを組み合わせ自在としたものを前提技術としている。より詳細には、請求項1の発明は、宇宙空間等の微小重力環境下に設置される熱制御系ループの液体流出端と流入端間に取り付けられ、このループ内を流れる気液混合液に旋回流を加えて混入した気泡を遠心分離する微小重力環境用気泡分離装置において、入口端が上記流出端側に着脱自在に取り付けられる導入管を備えた導入管ユニットと、入口端側にこの導入管の出口端を接線方向に接続すると共に出口端が上記流入端側に着脱自在に取り付けられる筒状の分離胴を備えた分離胴ユニットと、この分離胴の軸心部に着脱自在に取り付けられる気液分離管を備えた分離管ユニットとからなり、上記導入管ユニットに、口径の異なる複数の導入管を備えると共に、これらいずれかの導入管に上記流出端から流出される気液混合液を切り替えて流す切替えユニットを備えた微小重力環境用気泡分離装置である。また、上記筒状の分離胴は内径が一定であってもよい。
【0018】
これによって、各ユニット、特に気泡の除去率に大きな影響を与えることが判明した導入管ユニットと分離胴ユニットとにおいて、それぞれ導入管の流入径及び分離胴の内径が異なるものを予め複数用意しておけば、いずれかのユニットのみを取り替えるだけで最適の除去率が得られる組み合わせとすることが可能となり、液体の流量変動に対して迅速に対応することができる。
【0019】
【発明の実施の形態】
次に、本発明を実施する好適一形態を添付図面を参照しながら説明する。
【0020】
図1及び図2は本発明に係る微小重力環境用気泡分離装置の構成の一部を備えた一実施形態を示したものである。
【0021】
図示するように、この微小重力環境用気泡分離装置は、宇宙空間等の微小重力環境下に設置される熱制御系ループの液体流出端A側に着脱自在に取り付けられる導入管ユニット1と、同ループの液体流入端B側に着脱自在に取り付けられる分離胴ユニット2と、この分離胴ユニット2の筒状をした分離胴4の軸心部に位置するように取り付けられる分離管ユニット3とから構成されている。
【0022】
先ず、この導入管ユニット1は、図2に示すように、矩形状をしたユニット板5と、このユニット板5の中心部に穿孔された断面円形の貫通孔6と、一端がこの貫通孔6に接線方向から接続し、他端が上記ループの液体流出端A側に接続される導入管7とから構成されており、液体流出端Aから流出される液体(気液混合冷媒)を導入管7からユニット板5の中心部に導き、貫通孔6側に流すようになっている。尚、この液体流出端A及び導入管7の接続端部にはそれぞれフランジ8a,8bが設けられており、図示しない締結ボルトによって着脱自在となっている。
【0023】
次に、分離胴ユニット2は、図1に示すように、両端が開口した断面円形空洞の分離胴9と、この分離胴9の両端にそれぞれ一体的に取り付けられた矩形状のユニット板10a,10bとからなっており、一方のユニット板10aが上記ループの液体流入端B側に着脱自在に取り付けられると共に、他方のユニット板10bが上記導入管ユニット1側のユニット板5に重ね合わされるように着脱自在に取り付けられるようになっている。これによって分離胴9のユニット板10b側開口端と導入管ユニット1の貫通孔6が連通して接続されると共に、ユニット板10a側開口端と上記ループの液体流入端Bが連通して接続されるようになっている。
【0024】
一方、分離管ユニット3は、上記導入管ユニット1のユニット板5側に重ね合わすように取り付けられるユニット板11と、このユニット板11の中心部にこれを貫通して設けられる気液分離管12とからなっており、このユニット板11を導入管ユニット1側のユニット板5に取り付けることで、その気液分離管12が分離胴9の軸心部に位置するように導入管ユニット1側から挿脱自在に取り付けられるようになっている。尚、この気液分離管12は従来の分離装置と同様に、中空糸膜管のような気体のみを通過させる材料から形成されており、その挿入端が分離胴9のほぼ中間部に達する程度の長さに形成されている。さらに、この気液分離管12には図示しない吸引ポンプが接続されており、分離胴9内の気体を強制的に抜き出すようになっている。尚、図3中14,15は、それぞれユニット板5,10b,11を重ね合わせた際の位置決め用のボス部,ボス孔である。
【0025】
以上において、本発明の構成の一部を備えた一実施形態である装置の作用を説明する。
【0026】
図2に示すように、上記熱制御系ループの液体流出端Aから流出した気液混合液は、そのまま直線状に導入管ユニット1の導入管7を流れた後、その端部から貫通孔6側に流れ込む。この際、導入管7は貫通孔6の接線方向に接続されていることから、貫通孔6側に流れ込んだ気液混合液には旋回流が発生する。
【0027】
次に、このようにして貫通孔6に流れ込んだ気液混合液は、図1に示すようにこの貫通孔6と連続している分離胴ユニット2の分離胴9内をその壁面に沿って螺旋状に流れる。この時、気液混合液全体に加わる遠心力の影響が少ない気泡が液体中から分離されて分離胴9の軸心部に塔状の空気層となって集合した後、この軸心部に位置する分離管ユニット3の気液分離管12内に吸引されて、装置外へ抜き出されることになる。
【0028】
一方、このようにして気泡が分離された液体は、その旋回流が徐々に弱まりながら分離胴9内を下流側に流れた後、上記ループの液体流入端B側からループ内に戻され、熱制御系ループ内を流れる冷媒として再利用されることになる。
【0029】
以上の作用は従来装置と同様であるが、流量が変動した場合、本発明の構成にあっては以下のような措置を行うことができるため、気液混合液の流動変動に対して迅速に対応することができる。
【0030】
即ち、図3及び図4に示すように本発明の構成の一部を備えた一実施形態は、導入管ユニット1と,分離胴ユニット2と,分離管ユニット3といった相互に着脱自在な3つのユニットから構成されているため、上述したように、このうち導入管ユニット1と分離胴ユニット2のいずれか或いは両方を流入口径及び内径の異なる別のものに取り替えて組み合わせることで、流量の違いによる除去率の変化に迅速に対応することが可能となる。例えば、図7に示すように、水流量が1.0L/minの場合には、流入口径がφ5又はφ3の小さい導入管を備えた導入管ユニットに交換すれば、高い除去率を得ることができ、また、図8に示すように、水流量が1.5L/minの場合には、内径がφ20の分離胴を備えた分離胴ユニットに交換すれば、同じく高い除去率を得ることができる。また、分離管ユニット3も他のユニット1,2と同様に着脱自在なため、分離胴9の軸心部に形成される空気層の形状に応じた最適な長さ、径のものに簡単に交換することができ、さらに、目詰まりなどが発生して吸引力が低下した場合にも分離管ユニット3のみを取り外して分離することができるため、交換作業を極めて容易に行うことが可能となる。
【0031】
尚、本発明の構成の一部を備えた一実施形態の簡単な変形例として、圧力損失などの問題が生ずるが、導入管ユニット1の導入管7にカメラの絞りのような絞り機構を備えて流入口径を可変させるように構成しても、上記と同様な効果を得ることができる。
【0032】
さて、本発明の好適な実施形態である微小重力環境用気泡分離装置は、図5に示すように上述した導入管ユニット1のユニット本体5に、予め流入口径の異なる複数の導入管7a,7b,7c,7d(本実施の形態の場合はφ3,φ5,φ7,φ9の4つ)を備えると共に、これらいずれかの導入管7a,7b,7c,7dに、上記ループの流出端Aから流出される気液混合液を切り替えて流す切替えユニット13を備えるように構成したものである。この本実施形態に係る微小重力環境用気泡分離装置では、図6(A)〜図6(D)に示すように、いずれかの導入管7a,7b,7c,7dを気液混合液を流す導入管として用いることができるため、流量変動に応じてその都度導入管ユニット2単位で交換する必要がなくなり、より迅速に流量変動に対応することが可能となる。
【0033】
【発明の効果】
以上要するに本発明は、それぞれ独立した着脱自在な3つのユニットから構成したため、気液混合液の流量が変動しても装置全体を取り替えることなく、いずれかのユニットのみを最適なものに交換するだけで最適な除去率を得ることができるため、流量変動に迅速に対応することができる等といった優れた効果を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の構成の一部を備えた装置の一実施形態を示す断面図である。
【図2】 図1中X−X矢視図である。
【図3】 本発明の構成の一部を備えた装置をユニット別に分解した状態を示す概念図である。
【図4】 本発明の構成の一部を備えた装置をユニット別に分解した状態を示す概念図である。
【図5】 本発明の好適な実施形態を示す微小重力環境用気泡分離装置の構成図である。
【図6】 本発明の好適な実施形態を示す微小重力環境用気泡分離装置の作用を示す構成図である。
【図7】 分離胴内径を固定し、導入管の流入口径を可変させた場合の気液混合水の流量と気泡除去率との関係を示すグラフ図である。
【図8】 導入管の流入口径を固定し、分離胴内径を可変させた場合の気液混合水の流量と気泡除去率との関係を示すグラフ図である。
【図9】 本発明装置が適用される熱制御系ループの構成を示す概略図である。
【符号の説明】
1 導入管ユニット
2 分離胴ユニット
3 分離管ユニット
7 導入管
9 分離胴
12 気液分離管
Claims (3)
- 宇宙空間等の微小重力環境下に設置される熱制御系ループの液体流出端と流入端間に取り付けられ、このループ内を流れる気液混合液に旋回流を加えて混入した気泡を遠心分離する微小重力環境用気泡分離装置において、入口端が上記流出端側に着脱自在に取り付けられる導入管を備えた導入管ユニットと、入口端側にこの導入管の出口端を接線方向に接続すると共に出口端が上記流入端側に着脱自在に取り付けられる筒状の分離胴を備えた分離胴ユニットと、この分離胴の軸心部に着脱自在に取り付けられる気液分離管を備えた分離管ユニットとからなり、上記導入管ユニットに、口径の異なる複数の導入管を備えると共に、これらいずれかの導入管に上記流出端から流出される気液混合液を切り替えて流す切替えユニットを備えたことを特徴とする微小重力環境用気泡分離装置。
- 上記導入管ユニットに、その導入管を流れる気液混合液の流量を可変する絞り機構を備えたことを特徴とする請求項1に記載の微小重力環境用気泡分離装置。
- 上記筒状の分離胴は内径が一定である請求項1または2記載の微小重力環境用気泡分離装置。
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- 1998-02-25 JP JP04377698A patent/JP3994215B2/ja not_active Expired - Fee Related
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