JP7274596B2 - 気液分離器 - Google Patents

Description

本発明は、気液混合物から気体と液体を分離する気液分離器に関する。

空気、冷媒ガス、プロセスガスなどのガスを圧縮するガス圧縮機は、圧縮機に吸入された空気やガスなどの気体に、冷却、潤滑等を目的として、冷凍機油等の潤滑油（液体）が用いられる。したがって、圧縮機から吐出された気体中には、潤滑油が混在している。

このため、圧縮機から吐出された気体は、一旦気液分離器に導入されて、気液分離器内において冷凍機油を分離する必要がある。

このような気液分離器として、例えば下記の特許文献１には、筒状の本体部の中に、気液混合物を吹き込んで、気体と液体を遠心分離する気液分離器が開示されている。

特許文献１に開示された気液分離器では、円筒状の圧力容器である気液分離器本体（本体部）に、内壁より所定間隔を介して湾曲形状の案内板を取り付けて、本体部の内壁と案内板との間に誘導路を形成して長距離レシーバタンク内で旋回させている。

特開２００４－５２７１０号公報

しかしながら、上述の特許文献１に開示された気液分離器では、案内板を一端から他端側に向かう所定の長さ範囲を、本体部の内壁との間隔を徐々に拡大する形状に形成しているため、本体部に流入した気液混合物は、誘導路において、流速が低下する。そして気液混合物の流速が低下すると、本体部において、気液混合物が十分に旋回せずに、好適に気体と液体を分離できない虞がある。さらに、導入路は本体部外壁に対する接線と平行でかつ接線と近接するよう本体部に取り付けているため製作上で取付が難しく工数がかかる。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、本体部に流入した気液混合物の流速を増大させて、好適に気液を分離することのできる小型、コンパクトな気液分離器を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明に係る気液分離器は、気液混合物から気体と液体を分離する気液分離器である。気液分離器は、筒状の本体部と、前記本体部に連通して設けられ、前記気液混合物が導入する導入路と、前記本体部に、前記本体部の胴に形成される円弧において、弦の長さ方向に取り付けられ、前記気液混合物を整流する整流板と、液体が分離した気体の排気流路と、を有する。前記整流板は、前記気液混合物が流出する端部に向けて、前記本体部の内壁との距離が徐々に狭くなるように構成される幅狭部を有する。前記本体部内の旋回部は上下に延在する前記本体部と仕切板により構成される。また、前記排気流路の前記本体部の内部への差し込み部の延在長は、前記整流板の水平方向の延在部の上端位置の高さまである。

上述の気液分離器によれば、整流板は、気液混合物が流出する端部に向けて、本体部の内壁との距離が徐々に狭くなるように構成される幅狭部を有するため、気液混合物の流速を増大させることができ、胴内空間を有効に活用でき、好適に気液を分離することができ
る。

本発明の実施形態に係る気液分離器を示す概略透視図である。 本実施形態に係る気液分離器を示す概略垂直断面図である。 本実施形態に係る気液分離器を示す、図２のＡ－Ａ矢視図である。 本実施形態に係る気液分離器の整流板の構成を説明するための図である。 変形例１に係る気液分離器を示す図であって、図３に対応する図である。 変形例１に係る気液分離器を示す図であって、図４に対応する図である。 変形例２に係る気液分離器を示す図であって、図２に対応する図である。 変形例３に係る気液分離器を示す図であって、図２に対応する図である。 変形例３に係る気液分離器を示す概略底面図である。 変形例４に係る気液分離器を示す図であって、図２に対応する図である。 気液混合物の流速と、分離効率の関係を示すグラフである。

本発明の実施形態を、図１～図４を参照しつつ説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

図１は、本発明の実施形態に係る気液分離器１を示す概略透視図である。図２は、本実施形態に係る気液分離器１を示す概略垂直断面図である。図３は、本実施形態に係る気液分離器１を示す、図２のＡ－Ａ矢視図である。図４は、本実施形態に係る気液分離器１の整流板５０の構成を説明するための図である。

気液分離器１は、図１に示すように、筒状の本体部１０と、気液混合物が導入する導入路２０と、ガスが排気される排気流路３０と、冷凍機油が排出される油排出流路４０と、気液混合物を整流する整流板５０と、導入路２０の下方に設けられる仕切板６０と、を有する。ここで、気液分離器１はガス圧縮機に用いられ、好適には高速多気筒冷凍機に用いられ、より好適には船用高速多気筒冷凍機に用いられ、圧縮ガスに同伴される油をクランクケースに戻すために用いられる。

本体部１０は、上下方向に延在するように筒状に構成されている。この構成によれば、特開平５－２９６６１０号公報のように下方に円錐形のロートが設けられている構成および気体流出管を内筒として旋回流れを起こしている構成と異なり、旋回で抵抗になる内筒を設けないので旋回流が筒状のみで効率よく形成されるため仕切板６０を設けることによって旋回領域Ｒ（図２参照）を狭くすることができる。このため、旋回流が分散することなく旋回速度を向上させて、分離効率を向上させることができる。また、円錐形のロートの部位がないため、気液分離器１をコンパクト化することができる。

本体部１０は、例えば鋼管によって構成されているが、特に限定されない。本体部１０の大きさは特に限定されないが、好適に気液を分離することのできる大きさにすることが好ましい。具体的には、気液混合物の滞留時間が０．６秒以上取れる容積にすることが好ましい。

整流板５０は、図３に示すように、上方から視たときに、本体部１０の胴に形成される円弧において、弦長方向に配置され、一方が本体部１０の内壁に接続され、他方が端部５０Ａを備える。整流板５０は、本体部１０の内壁との距離が徐々に狭くなるように構成される幅狭部を有する。

導入路２０は、図１、図２に示すように、本体部１０に連通して設けられる。導入路２０は、図３に示すように設けられる。導入路２０は、図３に示すように、本体部１０の胴円周の１／４以下（図３に示す９０°以内）に相当する長さで形成される円弧の範囲内において、本体部１０の中心に対して自由な角度で設けられる。

ここで、例えば導入路２０が本体部１０に対して接線方向となるように取り付けられている場合、本体部１０に歪な孔を形成して導入路２０を溶接することは困難である。これに対して、本実施形態に係る気液分離器１によれば、導入路２０は、本体部１０の中心に対して自由な角度およびオフセット量で設けられるため、導入路２０を本体部１０に対して容易に溶接することができる。

排気流路３０は、図１に示すように、本体部１０の上方に設けられる。排気流路３０を介して、冷凍機油（液体）と分離されたガス（気体）が排気される。

排気流路３０の差し込み部は、図２に示すように、本体部１０の上端部１０Ａから一旦下方に延在するように構成されている。

例えば排気流路３０が、上端部１０Ａから差し込み部を持たずに、上方に延在する構成である場合であって、導入路２０および排気流路３０が近い場合、整流板５０の端部５０Ａから上部に流出した気液混合物のうち、十分に冷凍機油が分離されていないガスや、または衝突分離でガスから分離された冷凍機油が排出されて、一部が排気流路３０に吸引されて外部に排出される虞がある。

これに対して、本実施形態に係る気液分離器１であれば、排気流路３０の差し込み部が、本体部１０の上端部１０Ａから一旦下方に延在するように構成されているため、整流板５０の端部５０Ａから流出した気液混合物のうち、整流板５０の上部の空間の差し込み部外周領域に排出される未分離のガスやあるいはガスから分離された冷凍機油が、直接排気流路３０に流れ込まないので、外部に排出されることを好適に抑制することができる。

また、排気流路３０の差し込み部は、図２に示すように、後述する整流板５０の第１延在部５１の近傍の高さまでに下方の延在を止めることが好ましい。この構成によれば、発生した旋回流の妨げとなることを抑制できる。また、組立施工も容易となる。

本体部１０の下方は油貯留部になっており、油排出流路４０は、図１に示すように、本体部１０の下方に設けられる。油排出流路４０を介して、ガスと分離された冷凍機油が排出される。油排出流路４０の上方には、フロート弁９０が配置されている。フロート弁９０は公知の構成であるため、詳細な説明は省略する。

フロート弁９０が開放することによって、本体部１０の下方に貯留された冷凍機油が油排出流路４０を介して排出され、所定時間経過後に、フロート弁９０が閉鎖して、本体部１０の下方に冷凍機油が貯留される。

整流板５０は、導入路２０から導入した気液混合物を衝突分離するとともに流れ方向を周方向に変えて整流するとともに、導入路２０から導入した気液混合物の流速を増大させる。

整流板５０は、図３、図４に示すように、本体部１０内部の流入部の内壁に固定される。整流板５０は、本体部１０内壁からほぼ水平に内部に延在する第１延在部５１と、第１延在部５１に連続して下方向に延在する第２延在部５２と、第２延在部５２に連続して、本体部１０内壁に延在する第３延在部５３と、を有する。例えば、整流板５０は、図３に示すように、本体部１０の胴円周の１／４以下（図３に示す９０°以内）に相当する長さで形成される円弧において、Ｘ－Ｙ線上の弦の長さ方向に取り付けられる。整流板５０は、図４に示すように、正面視したときに、コ字状または⊃字状に構成されている。整流板５０は、第１延在部５１と第２延在部５２と第３延在部５３とで、一体で構成されてもよい。

第１延在部５１および第３延在部５３が本体部１０の内壁に対して固定される方法は、特に限定されないが、例えば溶接による固定である。なお、整流板５０は、本体部１０の内壁と一体的に構成されていてもよい。このように第１延在部５１は、本体部１０に対して幅狭部５４の形状が可変ではないため、整流板５０の破損や寿命を防止することができる。整流板５０は、図３に示すように、導入路２０から導入された気液混合物が衝突するように、導入路２０を覆うように、延在する。

図３では衝突分離部と流れ方向整流部との機能を兼ねる１つの整流板５０を示している。流れ方向整流部は幅狭部５４に向かって流路が狭くなる整流板５０で構成してもよい。

幅狭部５４は、内部開口に向けて流路が狭くなっており、遠心分離に適したガス流速を確保して胴内部に旋回流を生じさせる。また、胴内で旋回してきた流れに対向しないように斜めに当てることも兼ねている。

第１延在部５１は、図３、図４に示すように、上方から視たときかつ正面視したときに、直線状に構成されている。また、第２延在部５２は、図４に示すように、正面視したときに、直線状に構成されている。

上述したように、第１延在部５１と第３延在部５３が導入路２０の上下において、本体部１０の内壁に固定されているため、第１延在部５１と第３延在部５３が邪魔板として作用して、導入路２０から導入した気液混合物のうち、冷凍機油が排気流路３０から排出されることを好適に抑制することができる。

また、整流板５０の第１延在部５１と第３延在部５３は、図３に示すように、上方から視たときに、気液混合物が流出する端部５０Ａに向けて、本体部１０の内壁との距離が徐々に狭くなるように構成される幅狭部５４を有する。すなわち、幅狭部５４近傍において、第１延在部５１と第３延在部５３の端部５０Ａに向けて徐々に本体部１０の内壁に近づいている。整流板５０は、図３に示すように、上方から視たときに直線状に構成されている。この構成によれば、気液混合物の流速を増大させることができ、より好適に気液を分離することができる。また、この構成によれば、特開２００４－５２７１０号公報に開示されているような、周方向に約半周程度形成された案内板および誘導路が不要となり、構成を簡略化することができる。

ここで、例えば、導入路２０における気液混合物の流速が４ｍ／ｓ～１０ｍ／ｓであるとき、整流板５０の端部５０Ａにおける気液混合物の流速は、６ｍ／ｓ～１５ｍ／ｓである。

仕切板６０は、図１に示すように、導入路２０よりも下方に設けられる。仕切板６０は、本体部１０の内壁に接続している。仕切板６０は小さい内径を備え、いわゆるドーナツ
形状の内径を備えている。仕切板６０の内径は、特に限定されないが、本体部１０の内径の０．４～０．６倍である。

仕切板６０は、本体部１０に対して別体に構成されており、仕切板６０は、例えば溶接によって、本体部１０に対して固定されている。

仕切板６０は、ＸＹ平面に沿って形成される。すなわち、仕切板６０は、気液分離器１に対して傾斜することなく、略水平となるように構成される。このように仕切板６０は、水平方向に沿って設けられるため、容易に製造することができる。

このように仕切板６０が設けられることによって、仕切板が設けられない構成と比較して、上下方向に沿う旋回領域Ｒ（図２参照）が狭くなり、旋回速度を向上させることができる。したがって、気液を好適に分離することができる。

仕切板６０は、図１に示すように、排気流路３０と十分離間して配置されている。このため、気液混合物の旋回流で、本体部１０の内壁に付着した油が重力沈降し仕切板６０に一旦溜まり、油が排気流路３０から流出することなく、仕切板６０の開口部分から下方にある油排出流路４０に落下する。

以上のように構成された気液分離器１において、気液混合物が導入路２０から導入されると、導入された気液混合物は、本体部１０の内壁および整流板５０の間を流れつつ、整流板５０の端部５０Ａから流出する。ここで、整流板５０は幅狭部５４を有するため、気液混合物の流速が増大した状態で整流板５０の端部５０Ａから流出する。整流板５０の端部５０Ａから流出した気液混合物は、本体部１０の内壁を旋回することによって、気液が遠心分離される（図３参照）。さらに、整流板５０の端部５０Ａから旋回が開始される領域には、内筒のような旋回流の形成を阻害する障害物および油滴を散乱させるような直角に当たる面や出っ張りがないので、胴内を有効に使った遠心分離ができるので、効率が良い。

冷凍機油の油滴が小さい場合は、遠心分離しにくい。よって、気液混合物が本体部１０の内壁を旋回する際に、油滴を集めて大きな油滴にして、本体部１０の内壁を沿って重力沈降させることができる。

以上説明したように、本実施形態に係る気液分離器１は、気液混合物から気体と液体を分離する気液分離器１である。気液分離器１は、筒状の本体部１０と、本体部１０に連通して設けられ、気液混合物が導入する導入路２０と、本体部１０に取り付けられ、気液混合物を整流して流速を増大させる整流板５０と、液体が分離した気体の排気流路３０と、を有する。整流板５０は本体部１０の胴円周の１／４以下（図３に示す９０°以内）に相当する長さで形成される円弧において、弦の長さ方向に取り付けられている。導入路２０は、その円弧の範囲内に自由な角度およびオフセット量で接続される。また、整流板５０は、気液混合物が流出する端部５０Ａに向けて、本体部１０の内壁との距離が徐々に狭くなるように構成される幅狭部５４を有する。このように構成された気液分離器１によれば、整流板５０は、気液混合物が流出する端部５０Ａに向けて、本体部１０の内壁との距離が徐々に狭くなるように構成される幅狭部５４を有するため、気液混合物の流速を増大させて、好適に気液を分離することができる。

また、整流板５０は、上方から視たときに、直線状に構成されている。このように構成された気液分離器１によれば、整流板５０を容易に製造することができる。

また、整流板５０は正面視した際に、導入路２０の上方において、本体部１０の内壁に固定されている。このように構成された気液分離器１によれば、整流板５０の端部５０Ａから流出した気液混合物のうち、ガスから分離された冷凍機油が排気流路３０から排出されることを好適に抑制することができる。

また、気液分離器１は、導入路２０より下方に設けられ、本体部１０の内径よりも小さいドーナツ形状の内径を備える仕切板６０をさらに有する。このように構成された気液分離器１によれば、本体部１０の内部に内筒などの補助旋回機構を用いなくてもよく上下方向に沿う旋回領域Ｒを十分活用できるので、旋回領域Ｒが狭くなり、旋回速度を向上させることができ、より好適に気液を分離することができる。

また、仕切板６０は、水平方向に沿って設けられる。このように構成された気液分離器１によれば、仕切板６０を容易に形成することができる。オイルが分離されたガス流体は仕切板６０より旋回流の中心を上昇して排気流路３０に向かう。従来の胴の下部に設けられた胴テーパ部も不要になるのでコンパクトに資する。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内で種々改変することができる。

例えば、上述した実施形態では、整流板５０は、図３、図４に示すように、本体部１０内壁からほぼ水平に内部に延在する第１延在部５１と、第１延在部５１に連続して下方向に延在する第２延在部５２と、第２延在部５２に連続して、本体部１０内壁に延在する第３延在部５３と、を有し、コ字状に構成されている。しかしながら、整流板１５０は、図６に示すように、本体部内壁からほぼ水平に内部に延在する第１延在部１５１と、第１延在部１５１に連続して、下方向に延在する第２延在部１５２とを有するＬ字状に構成されていてもよい。

また、上述した実施形態では、仕切板６０は水平方向に沿って設けられた。しかしながら、仕切板１６０は、図７に示すように、径方向内方に向けて、下方向に傾斜するように構成されていてもよい。この構成によれば、仕切板１６０上の冷凍機油を傾斜面に沿って下方に落下させることができ、仕切板１６０上に冷凍機油が貯留することを好適に抑制することができる。

また、上述した実施形態では、整流板５０は、上方から視たときに、直線状に構成されていたが、整流板の構成は、気液混合物が流出する端部に向けて、本体部の内壁との距離が徐々に狭くなるように構成される幅狭部を有する限りにおいて限定されず、例えば、湾曲形状に構成されていてもよい。

また、上述した実施形態では、気液分離器１は、ドーナツ形状の仕切板６０を有していたが、ドーナツ形状の仕切板を有していなくてもよい。

上述した実施形態では、気液分離器１は、ドーナツ形状の仕切板６０を有していたが、図８、図９に示すように、気液分離器２は、ドーナツ形状の仕切板６０の代わりに、本体部１０を上下に仕切る仕切板２６０を有していてもよい。仕切板２６０には、図８、図９に示すように、端部に上下に貫通する貫通孔２６１が形成されている。貫通孔２６１の大きさは、特に限定されないが、本体部１０の内径が１５０～１６０ｍｍであるとき、例えば１５ｍｍ×１５ｍｍである。

このように端部に貫通孔２６１を備える仕切板２６０が設けられることによって、気液混合物の仕切板２６０の下方への出入りが減少して、フロート弁９０の暴れや油面の揺らぎを減少することができる。

また、図１０に示すように、気液分離器３は、仕切板６０にデミスタ３６０が取り付けられていてもよい。デミスタ３６０の仕切板６０に対する取り付け方法は、特に限定されない。デミスタ３６０としては、特に限定されないが、ＳＵＳ３０４、線形０．１２ｍｍ、密度３６０ｋｇ／ｍ^３を用いることができる。図１０では、デミスタ３６０は仕切板６０の下方に取り付けられているが、デミスタ３６０は仕切板６０の上方に取り付けられていてもよく、さらに仕切板６０に挟まれるように取り付けられていてもよい。

このように、仕切板６０にデミスタ３６０が取り付けられることによって、デミスタ３６０において、気液混合物の旋回流を好適に減衰することができるため、フロート弁９０の暴れや油面の揺らぎを減少することができる。

次に、気液分離器１の性能特性について説明しておく。まずは、分離対象となる気液混合物については、本体部１０に流入する気液混合物の油の体積濃度が数％の場合は、含まれる油の量が多く旋回力が減衰するため、図１、図２に示す仕切板６０を用いることが好ましい。一方、本体部１０に流入する気液混合物の油の体積濃度が数ｐｐｍの場合は、含まれる油の量が少なく旋回力が減衰しないため、本体部１０に発生する旋回流が強くなり、仕切板の開口を小さくして、フロート弁９０の暴れや油面の揺らぎを抑制することが好ましい。流入する油の体積濃度に対して、仕切板の開口の大きさを決めることが困難な場合は、開口の大きい仕切板６０にデミスタ３６０を設置して抵抗を付けることによって、フロート弁９０の暴れや油面の揺らぎを減少させることが好ましい。なお、上記の効果は、上述した仕切板２６０の構成であっても、得ることができる。

＜実施例＞
上記のように構成された気液分離器１において、導入路２０から導入される気液混合物の流速を５～２０ｍ／ｓの範囲で変化させて、その際の分離効率および圧力損失を測定した結果を図１１に示す。

図１１では、横軸が気液混合物の流速を、縦軸のうち黒丸が分離効率を、白丸が圧力損失をそれぞれ示す。図１１に示されるように、気液混合物の流速を、５ｍ／ｓ、１０ｍ／ｓ、１５ｍ／ｓ、２０ｍ／ｓと変化させていくと、いずれも、分離効率は９７％以上を確保することができた。また、圧力損失は、気液混合物の流速とともに増加するが、最高で５ｋＰａであるため、特別に高い数値ではないことが分かった。

気液分離器１の特性は、旋回流の吹出し速度が５ｍ／ｓｅｃ～２０ｍ／ｓｅｃの範囲で変化しても、高い分離効率を維持できることが分かった。なお、圧力損失は気液分離器１が設置される機器の許容圧力損失に応じて対応できるので選択の自由度が増す。

以上説明したように、本実施形態に係る気液分離器１によるガス中の冷凍機油の分離方法は、まず、導入路２０より本体部１０に流入するガスは整流板５０で衝突分離が行われ、次に整流板５０の端部５０Ａから流出した気液混合物は、本体部１０の内壁を旋回することによって、気液が遠心分離される。旋回が開始される領域には、旋回流の形成を阻害する障害物がないため、胴内を有効に使った遠心分離と重力沈降ができるので、胴内空間を有効に活用でき、効率が良い油分離が行われる。さらに、本体部１０下部に一時的に貯留する冷凍機油の油面のあばれや旋回流による油の再同伴を、仕切板６０、２６０を油面の上部に設けて防止したので、分離された油を安定して回収できる。

また、下部のロート部を削除できるのでさらに小型、コンパクトが実現できるため、ガス圧縮機の油分離器として用いられ、高速多気筒冷凍機に好適に用いられ、取付スペースの制約のある船用高速多気筒冷凍機により好適に用いられる。

１ 気液分離器
１０ 本体部
１０Ａ 上端部
２０ 導入路
３０ 排気流路
４０ 油排出流路
５０、１５０ 整流板
５０Ａ 端部
５１ 第１延在部
５２ 第２延在部
５３ 第３延在部
５４ 幅狭部
６０、１６０、２６０ 仕切板
９０ フロート弁
３６０ デミスタ

Claims (10)

1. 気液混合物から気体と液体を分離する気液分離器であって、
   筒状の本体部と、
   前記本体部に連通して設けられ、前記気液混合物が導入する導入路と、
   前記本体部に、前記本体部の胴に形成される円弧において、弦の長さ方向に取り付けられ、前記気液混合物を整流する整流板と、
   液体が分離した気体の排気流路を有し、
   前記整流板は、前記気液混合物が流出する端部に向けて、前記本体部の内壁との距離が徐々に狭くなるように構成される幅狭部を有し、
   前記本体部内の旋回部は上下に延在する前記本体部と仕切板により構成され、
   前記排気流路の前記本体部の内部への差し込み部の延在長は、前記整流板の水平方向の延在部の上端位置の高さまである気液分離器。
2. 前記整流板は、上方から視たときに、前記本体部の胴に形成される前記円弧において、弦長方向に配置し、一方が前記本体部の前記内壁に接続され、他方が幅峡部とする、請求項１に記載の気液分離器。
3. 前記整流板は、前記本体部の円周の１／４以下の前記円弧の弦長方向に取り付けられる、請求項１または２に記載の気液分離器。
4. 前記導入路は、前記円弧の範囲内に自由な角度およびオフセット量で接続される、請求項３に記載の気液分離器。
5. 前記整流板の流体吹き出し先端部の幅狭部は、旋回流の吹出し速度が５ｍ／ｓｅｃ～２０ｍ／ｓｅｃの範囲になるように選定される、請求項１～４のいずれか１項に記載の気液分離器。
6. 前記整流板は正面視した際に、コ字状であって、少なくとも前記導入路の上方において前記本体部の前記内壁に固定されている、請求項１～５のいずれか１項に記載の気液分離器。
7. 前記仕切板は、前記導入路より下方に設けられ、前記本体部の内径よりも小さい内径を備える、請求項１～６のいずれか１項に記載の気液分離器。
8. 前記仕切板は、水平方向に沿って設けられる、請求項１～７のいずれか１項に記載の気液分離器。
9. 前記仕切板に取り付けられたデミスタをさらに有する、請求項１～８のいずれか１項に記載の気液分離器。
10. 前記導入路より下方に設けられ、前記本体部を上下に仕切る前記仕切板をさらに有し、
    前記仕切板の端部には上下に貫通する貫通孔が設けられる、請求項１～９のいずれか１項に記載の気液分離器。

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