JP7322177B2 - 気体から液体を分離するためのデバイス及び方法、並びにこのようなデバイスを備える圧縮機デバイス - Google Patents

Description

本発明は、気体から液体を分離するためのデバイスに関する。
より詳細には、本発明は、例えば、液体注入式圧縮機からの圧縮気体を浄化することを目的としており、注入液体は、気体の中に含まれている微細液滴又は噴霧の形態である。
この液体は、一般的に水又はオイルとすることができるが、本発明はこれに限定されない。

従来、この目的のために、圧縮機の排気管は液体分離器に接続されており、圧縮気体がこれを通過して気体から液体が除去されることが知られている。
サイクロン分離器、いわゆるスワール管、直列型スワーラ、スラグダンパー、濾過材を使用する蒸気ホーン又は分離器などの様々なタイプの液体分離器が知られている。

このような分離器は、気体中に存在する液体のより大きな液滴を非常に良好に分離するが、より小さな液滴には役に立たないことが知られている。
その結果、液体分離器の下流の気体は、依然として非常に小さな液滴を含んでいる。

そのため、液体分離器を通して気体を案内する場合でも、液体分離器は依然として残留する非常に小さな液滴を通すことになるので、液体はさほど又は全く分離されないであろう。
もちろん、このことは、最終的には液体を全く又はほとんど含まない圧縮気体をもたらすことが目標であり、依然として存在する液体が、圧縮気体の消費者などに問題を引き起こす可能性があるという理由で好ましくない。

次の液体分離器が液体を分離する能力をもつのを保証するために、気体の中に依然として存在する液体が、液体分離器によって気体から効果的に濾過することができるより大きな液滴を形成するのを保証する必要がある。

これを実現する１つの方法は、各液体分離器の間に数メートルの長い管を組み込むことである。その結果、液滴が再分配されて平衡に達する時間及び空間をもつことになり、ここでは、液滴は、再度互いに結合してより大きな液滴を形成する。
これは、平均液滴サイズが大きくなるであろうことを意味する。
これには、デバイスがかなり大きくなるという欠点ある。

他の解決策は、２つの液体分離器の間にフォグマット（ｆｏｇ ｍａｔ）を置いて小さな液滴が結合するのを可能にすることである。
これには、フォグマットを横切る圧力降下が発生するという欠点がある。加えて、フォグマットは、詰まって適切な性能が低下する可能性があるので定期的の交換する必要があるであろう。

中国特許第１０７，０８８，３４４号には、音波を利用して接線方向循環サイクロン噴霧を発生させることで液体の小さな液滴を結合させるための複雑な装置が開示されている。
米国特許第２，３６９，０２０号には、気体を膨張させて放出されたエネルギーを利用して高周波数圧力波を発生させることで、圧縮気体から液体を分離するための方法が開示されている。

中国特許第１０７，０８８，３４４号 米国特許第２，３６９，０２０号

本発明の目的は、圧力降下なしで又はデバイスが非常に大きくなることなく、気体中の液体の小さな液滴を大きな液滴に結合することができるデバイスを提供することで、上記及び他の欠点の少なくとも１つに対する解決策を提供することである。

この目的のために、本発明は、気体から液体を分離するデバイスに関し、デバイスは、直列に配置された２つの液体分離器を備え、液体分離器は、第１の液体分離器の出口から第２の液体分離器の入口への気体流を可能にするように構成されており、手段は、気体流に放射状定在波を引き起こすために設けられる。

利点は、気体流に放射状定在波を発生させることで、気体中の液滴は、放射波の波膜に移行し始める。
その結果、液滴はより大きな液滴に迅速に結合することができ、これにより液体液滴の平均サイズが大きくなる。

第２の液体分離器は、このように生成された大きな液滴の形態の液体を分離することができ、これは、液体が気体中により小さな液滴で存在する状況に比べてはるかに効率的とすることができる。
換言すると、分離することができる液体の総量は、放射状定在波を生成する前述の手段がない状況に比べて非常に大きいことになる。

他の利点は、放射状定在波に起因する圧力降下がない点である。
また、前述の手段の汚染がなく、必要であれば、デバイスと統合することができる。

好ましくは、前述の手段は、最適な結果を得るために放射状定在波の周波数を調整する可能性を有する。このような調整は、例えば、気体流の湿度に基づいて、又は気体流の流量に基づいて実現することができるが、本発明はこれに限定されない。

第１の液体分離器の出口から第２の液体分離器の入口への気体流を可能にするために、一般的に、前述の第１の液体分離器の出口は、接続要素を用いて第２の液体分離器の入口に接続される。
接続要素は、一般的に、例えば、円形流れセクション又は断面の管又は導管とすることができるが、断面設計に関わらず第１の液体分離器の出口を第２の液体分離器の入口に接続することができる接続要素の何らかの形態が適する。例えば、多角形断面の管又は導管も可能である。

以下では、管は一般的な接続要素を指し、円形断面の管に限定されない。
気体流の中に放射状定在波を発生させることで、気体中の液滴は、波腹に移動し、液滴はより迅速に大きな液滴に結合することができる。

従って、前述の管は、厳密に両方の液体分離器を接続するのに必要な長さよりも長くてはいけない、これによって非常に小型なデバイス設計が可能になることになる。

また、本発明は、圧縮気体の気体流のための出口を有する液体注入式圧縮機要素と、圧縮気体から液体を分離するためのデバイスとを備える圧縮機デバイスに関し、デバイスは、直列に配置された２つの液体分離器を備え、液体分離器は、第１の液体分離器の出口から第２の液体分離器の入口への気体流を可能にするように構成されており、手段は、第１及び第２の液体分離器の間で、気体流に放射状定在波を引き起こすために設けられていることを特徴とする。

また、本発明は、気体から液体を分離する方法に関し、本方法は、
直列に配置された２つの液体分離器を通して気体を送るステップと、
第１の液体分離器の通過後に、気体に放射状定在波を発生させるステップと、
を含む。
このような方法の利点は、本発明のデバイスの前述の利点と類似している。

本発明の特徴を良好に示す目的で、本発明による気体から液体を分離するためのデバイス及び方法の多くの好ましい変形例が、例として非限定的に添付図面を参照して以下に示されている。

気体から液体を分離するための本発明に基づくデバイスを備える圧縮機デバイスを概略的に示す。 図１のラインＩＩ－ＩＩによる断面図を示す。 図１のラインＩＩＩ－ＩＩＩによる断面図を示す。 図３の変形例を示す。 図１の変形例を示す。

図１に概略的に示す圧縮機デバイス１は、圧縮機要素２を備え、この場合、オイル注入式スクリュー圧縮機要素２である。また、これは、オイル以外の液体、例えば水を注入することができ、又はスクリュー式以外の他のタイプの圧縮機要素２を使用することができる。

従来から知られているように、圧縮機要素２は、協働するスクリューローター４ａ、４ｂを収容するハウジング３を備え、スクリューローターは、軸受５を用いて回転可能に設けられている。
ハウジング３は、気体、例えば空気を吸い込む入口６、及び圧縮気体のための出口７を備える。

圧縮機ユニット１は、駆動装置８、例えば電動機を備え、駆動装置は、一方のスクリューローター４ａの軸９に連結されてこれを駆動する。明らかに、あらゆるタイプの駆動装置を使用することができる。
一般的に、第２のスクリューローター４ｂは、第１のスクリューローター４ａで駆動することができる。

また、図１には、複数のオイル注入点１０が概略的に示されている。明らかに、これらの注入点１０は、単に例示目的で示されており、本発明を限定するものではない。本発明は、オイル以外の液体を注入し得ることを排除しない。
一般的に、オイルは冷却のために、スクリューローター４ａ、４ｂの潤滑及びシーリングのために、場合によっては軸受５の位置でハウジング３に注入することができる。

圧縮機要素２の出口７は、本発明のデバイス１１に接続される。
このデバイスは、主として、直列に配列された２つの液体分離器１２ａ、１２ｂを備える。
圧縮機要素２の出口７は、第１の液体分離器１２ａの入口１３ａに接続される。

第１の液体分離器１２ａの出口１４ａは、接続要素１５を用いて第２の液体分離器１２ｂの入口１３ｂに接続される。接続要素１５により、気体は、第１の液体分離器１２ａの出口１４ａから第２の液体分離器１２ｂの入口１３ｂに流れることができる。
この場合、接続要素１５は、円形断面の管である。しかしながら、本発明はこれに限定されず、管は他の断面をもつことができる。

次に、第２の液体分離器１２ｂの出口１４ｂは、例えば、圧縮空気ネットワークに接続することができ、このネットワークには複数の圧縮空気ユーザが接続する。
図示の実施形態において、第２の液体分離器１２ｂは、いわゆるサイクロン分離器であり、この第２の液体分離器１２ｂは、ハウジング１６ｂを備え、出口１４ｂでの管の一端１７ｂは、所定の距離にわたってハウジング１６ｂの中に延びている。この一端１７ｂは、「ボルテックスファインダー」としても知られている。好ましく、上記の所定の長さは、上記の管の直径にほぼ等しいことが必要である。

この場合、第１及び第２の液体分離器４ａ、４ｂの両方は、サイクロン分離器である。
しかし、図示の例において、デバイス１１は２つの液体分離器１２ａ、１２ｂのみを備えるが、デバイス１１が、直列に配置された３以上の液体分離器１２ａ、１２ｂを備えることは排除されない。

本発明によれば、放射状定在波を生成するための手段１８が、管に設けられている。換言すると、手段１８は、管の中に含まれる気体に又は管を通過する気体流に定在波を発生させることができる。
好ましくは、これらの放射状定在波は、超音波放射状定在波であり、この場合、何らかの嫌な可聴雑音を発生しないことになる。

明らかに、定在波が低周波数で発生することは排除されない。
上記の手段１８は、様々な方法で実現することができる。

この場合、上記の手段は、この場合は４つである複数の圧電アクチュエータ１９を備える。
４つより多い又はこれよりも少ないこのような圧電アクチュエータ１９を使用できることは排除されない。
圧電アクチュエータ１９の代わりに、手段１８は、１又は２以上の電磁石を備えることもできる。

図２から分かるように、図示の例の手段１８は、上記の管の上に取り付けられている。
この場合、手段１８は、管上で対称に取り付けられることが保証されている。

３以上の液体分離器１２ａ、１２ｂが直列に配置される場合、連続した液体分離器１２ａ、１２ｂの間の各管に対して、管内に放射状定在波を発生させるために、手段１８を設けることができる。

また、デバイス１１は、上記の手段１８を制御するための制御ユニット２０を備える。この場合、これは、例えば、発生する放射状定在波の周波数を制御すことができる。
圧縮機デバイス１の動作は以下のように非常に単純である。

作動時、駆動装置８は、スクリューローター４ａを回転させることになり、同期歯車によって他方のスクリューローター４ｂも一緒に回転することになる。
両方のスクリューローター４ａ、４ｂの回転の結果として、一般的に知られている方法で気体を圧縮することができる。

作動時、液体、例えば、オイルは、冷却、潤滑、及びシーリングのために圧縮機要素２の中に注入されることになる。
その結果、液滴の形態のオイルは、圧縮気体の中に存在することになり、出口７を通って圧縮機要素２から出る。

圧縮気体は、第１の分離が行われることになる第１の液体分離器１２ａの入口１３ａに送られる。第１の液体分離器１２ａから出ることになる気体は、依然として小さな液滴の形態の所定量のオイルを含むことになる。
次に、この気体は、管を通って第２の液体分離器１２ｂの入口１３ｂに流入することになる。

この管内では、圧電アクチュエータ１９によって気体中に放射状定在波が発生することになる。
その結果、小さな液滴は、図２及び３に概略的に示すような放射状定在波の節（ｎｏｄｅ）に向かって移動することになる。
その結果、管の長手方向に引き伸ばされた液滴によって円柱のようなものが形成されることになる。

このように、小さな液滴は、互いに衝突する機会が増えるので、これらは大きな液滴に結合することになる。
換言すると、管を通過する間に互いに衝突する機会が増えることで、液滴は、より迅速にすなわち短時間で又は管を通る短い通過距離で平衡状態に達することになり、これは気体が数メートルの管を通して輸送されることになる場合の状況に類似している。

制御ユニット２０は、放射状定在波の周波数を調整することになるので、液滴サイズの適切な分布を得ることができる。
大きな液滴もつ気体は、第２の液体分離器１２ｂの入口１３ｂに到達することになるが、この第２の液体分離器１２ｂは、第１の液体分離器１２ａを通る気体の移動時と同じ又はほぼ同じ効率で気体から液体を分離できることになる。

出口１４ｂを通って第２の液体分離器１２ｂから離れる気体の中にほとんど又は全く液体は残らないであろう。
一般に、サイクロン分離器に関連する場合、第１の液体分離器１２ａを通過する際に、存在する液体の少なくとも９９．９％が分離されることになる。換言すると、少なくとも９９．９％の効率が実現する。これは、全液体量の０．１％未満が気体内に残ることを意味する。

第２の液体分離器１２ｂを通過する際に、９９．９％の効率が同様に達成されることになる。これは、残りの液体の９９．９％が除去され、全液体量の合計０．０００１％が気体内に残ることになることを意味する。
この非常に純粋な気体は、消費者ネットワークに供給することができる。

図４は、図３の変形例を示し、この場合、上記の手段１８は、管の外側に沿って配置されず、上記の手段１８は、管の中に、すなわち管の内部に取り付けられる。
管の中には導管２１が設けられており、手段１８は、この導管２１の上に設けられている。これらの手段１８は、管を通る気体流に定在波を発生させるために、導管２１を励振することになる。

この実施形態には、手段１８が管で遮蔽される又は保護される利点がある、
加えて、作動は上記の実施形態と似ている。

図５は、図１の変形例であり、この場合、２つの連続する液体分離器１２ａ、１２ｂの間の接続は、別の方法で実現される。
上記の実施形態において、液体分離器１２ａ、１２ｂは、出口１４ａを入口１３ｂに接続する接続要素１５を用いて、第１の液体分離器１２ａの出口１４ａから第２の液体分離器１２ｂの入口１３ｂへの気体流を可能にするように構成されている。

この実施形態において、接続要素１５は存在しないが、液体分離器１２ａ、１２ｂは、浄化されることになる気体のための入口２３と浄化された気体のための出口２４を備えるハウジング２２の中に設けられている。
入口２３は、管２５を介して第１の液体分離器１２ａの入口１３ａに接続される。液体分離器１２ａの出口１４ａは、ハウジング２２の第１にセクションに２６ａに入る。

第１のセクション２６ａは、気体流に放射状定在波を引き起こすための手段１８によって第２のセクション２６ｂから切り離されている。第２のセクション２６ｂは、第２の液体分離器１２ｂによって第３のセクション２６ｃから切り離されており、入口１３ｂで第２のセクション２６ｂと接続すると共に出口１４ｂで第３のセクション２６ｃと接続する。

この第３のセクション２６ｃは、ハウジング２２の排気管２４と直接、接続する。
浄化されることになる気体は、入口２３及び管２５を通って第１の液体分離器１２ａに流入し、ここで第１の分離が行われることになる。

次に、この気体は、第１のセクション２６ａに流入することになり、その後、第２のセクション２６ｂに流入するために手段１８を通過する必要がある。
手段１８を通過すると、残りの液滴は結合してより大きな液滴を形成することになる。

気体流が第２のセクション２６ｂに流入すると、これは第２の液体分離器１２ｂを通過する必要があり、ここでは、気体流が第３のセクション２６ｃに流入して出口２４を通ってハウジング２２から離れる前に、第２の分離が行われることになる。
明らかに、本実施形態の上記の手段１８は、様々な方法で実現することができる。

図示された例において、第１及び第２の液体分離器の両方は、サイクロン分離器であるが、これは本発明では必須ではない。また、第１の液体分離器は、（大まかな）事前分離を行う他のタイプの液体分離器とすることができる。また、第２の液体分離器は、（繊細な）液体分離を行う他のタイプの液体分離器とすることができる。この場合、好ましくは、第２の液体分離器は必須ではないがフィルターとすることができる。

本発明は、例として記載された実施形態及び示された図面に限定されるものではなく、様々な変形例による気体から液体を分離するための本発明による類似のデバイス及び方法は、本発明の範囲を逸脱することなく、実現することができる。

１１ デバイス
１２ａ 第１の液体分離器
１４ａ 出口
１２ｂ 第２の液体分離器
１３ｂ 入口
１８ 手段

Claims (12)

1. 気体から液体を分離するためのデバイスであって、前記デバイス（１１）は、直列に配置された第１の液体分離器（１２ａ）及び第２の液体分離器（１２ｂ）を備え、前記第１の液体分離器（１２ａ）及び第２の液体分離器（１２ｂ）は、前記第１の液体分離器（１２ａ）の出口（１４ａ）から前記第２の液体分離器（１２ｂ）の入口（１３ｂ）への気体流を可能にするように構成されており、手段（１８）が、前記気体流に放射状定在波を引き起こすために設けられており、前記デバイス（１１）は、前記気体流の湿度または流量に基づいて放射状定在波の周波数を調整するために、前記手段（１８）を制御する制御ユニット（２０）を備えている、ことを特徴とする、デバイス。
2. 前記手段（１２）は、前記気体流の中に超音波放射状定在波を引き起こすように構成されている、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記手段（１８）は、１又は２以上の圧電アクチュエータ（１９）及び／又は電磁石であるか又はこれを備える、請求項１又は２に記載のデバイス。
4. 前記第１の液体分離器（１２ａ）の前記出口（１４ａ）は、接続要素（１５）を用いて前記第２の液体分離器（１２ｂ）の前記入口（１３ｂ）に接続される、請求項１から３のいずれかに記載のデバイス。
5. 前記手段（１８）は、前記接続要素（１５）の上に取り付けられる、請求項４に記載のデバイス。
6. 前記手段（１８）は、前記接続要素（１５）の中に取り付けられる、請求項４又は５に記載のデバイス。
7. 前記接続要素（１５）は管である、請求項４から６のいずれかに記載のデバイス。
8. 前記デバイス（１１）は、３以上の液体分離器（１２ａ、１２ｂ）を備え、これらの全ては直列に配置され、２つの連続する液体分離器（１２ａ、１２ｂ）の間の全ての接続要素（１５）には、手段（１８）が設けられており、前記手段（１８）は、接続要素（１５）の中に放射状定在波を発生させるように構成されている、請求項１から７のいずれかに記載のデバイス。
9. 前記第２の液体分離器（１２ｂ）はサイクロン分離器である、請求項１から８のいずれかに記載のデバイス。
10. 圧縮気体の気体流のための出口を有する液体注入式圧縮機要素と、前記圧縮気体から液体を分離するためのデバイスとを備える圧縮機デバイスであって、前記デバイス（１１）は、直列に配置された第１の液体分離器（１２ａ）及び第２の液体分離器（１２ｂ）を備え、前記第１の液体分離器（１２ａ）及び第２の液体分離器（１２ｂ）は、前記第１の液体分離器（１２ａ）の出口（１４ａ）から前記第２の液体分離器（１２ｂ）の入口（１３ｂ）への前記気体流を可能にするように構成されており、手段（１８）は、前記第１及び第２の液体分離器（１２ａ、１２ｂ）の間で、前記気体流に放射状定在波を引き起こすために設けられており、前記デバイス（１１）は、前記気体流の湿度または流量に基づいて放射状定在波の周波数を調整するために、前記手段（１８）を制御する制御ユニット（２０）を備えている、圧縮機デバイス。
11. 前記手段（１８）は、１又は２以上の圧電アクチュエータ（１９）及び／又は電磁石であるか又はこれを備える、請求項１０に記載の圧縮機デバイス。
12. 気体から液体を分離する方法であって、
    直列に配置された第１液体分離器（１２ａ）及び第２の液体分離器（１２ｂ）を通して前記気体を送るステップと、
    前記第１液体分離器（１２ａ）の通過後に、前記気体に放射状定在波を発生させるステップと、
    を含み、前記放射状定在波の周波数は、前記気体の湿度または流量に基づいて調整される、方法。

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