JP3994215B2

JP3994215B2 - 微小重力環境用気泡分離装置

Info

Publication number: JP3994215B2
Application number: JP04377698A
Authority: JP
Inventors: 伸介松野; 利春岡
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1998-02-25
Filing date: 1998-02-25
Publication date: 2007-10-17
Anticipated expiration: 2018-02-25
Also published as: JPH11239701A

Description

【０００１】
【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

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。