JPH0699002A - 蒸気状またはガス状の媒体を液化するための方法と装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 多数の、異なる蒸気状またはガス状の媒体が
できる限り小さなエネルギー費用で吸込まれ、かつ液化
される方法を見出すことである。 【構成】 蒸気状の媒体を液化するための方法におい
て、媒体を内側から外側へ冷却下に回転する、モレキュ
ラールシーブまたは乾燥剤から成るリングを通って押出
すことである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は蒸気状またはガス状の媒
体を液化する方法並びにこの方法を実施するための装置
に関する。

【０００２】

【従来技術】上記のような方法は種々の形で知られてい
る。

【０００３】例えば蒸気状またはガス状の媒体の液化の
ために、または蒸気混合物またはガス混合物の抽出装置
として凝縮器を使用する方法があり、この方法は押しの
け原理により動作し、当該蒸気もしくはガスを吸込み、
かつ液化圧まで圧縮する。

【０００４】同様にこれは圧縮冷凍サイクルにも該当
し、圧縮冷凍サイクルは冷却蒸気原理に基いている。

【０００５】しかしこれらの公知の方法は基本的に費用
の点からきわめてコスト集中的であり、これは装置の費
用についても方法の実施に関しても該当する。エネルギ
ー費用も比較的高く、これは同様に最適な、経済的な運
転を妨げる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、多数
の、異なる蒸気状またはガス状の媒体ができる限り小さ
なエネルギー費用で吸込まれ、かつ液化される方法を開
発することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の課題は本発明によ
り請求項１の特徴部に記載された特徴によって解決され
る。

【０００８】

【発明の効果】押しのけ原理による圧縮方法とは異なり
本発明による方法では蒸気またはガス容量は吸引かつ圧
縮されない。むしろ液化すべき蒸気もしくはガスの密度
または比体積とは無関係に単に蒸気分子またはガス分子
がファン・デル・ワールス力によって吸着によって結合
され、かつ液化され、引続き同時に排熱下に回転時に生
じる遠心力によって比較的高い圧力レベルへ搬送され
る。この場合に本方法は水蒸気分子、他の蒸気または工
業ガスを吸着によって結合するモレキュラールシーブ／
乾燥剤の能力を利用することができる。この乾燥剤／モ
レキュラールシーブの作用はきわめて大きな活性表面に
基いており、この表面に分子は上述のようにファン・デ
ル・ワールス力によって保持される。モレキュラールシ
ーブとしては例えば酸化アルミニウムまたは酸化ケイ素
化合物を使用することができる。乾燥剤はシリカゲルか
ら成っていてよい。

【０００９】この方法を用いて特に低圧範囲内で大きな
比体積を持つ蒸気またはガスの油不含の液化も可能であ
る。これにより例えば特定の温度範囲内で環境に有害な
ＦＣＫＷ−冷媒を冷媒としての水によって代えることが
できる。

【００１０】乾燥剤／モレキュラールシーブ−リング内
に結合された液体分子は回転時に生じる遠心力によって
半径方向に押し出され、その結果液体分子はリングの外
側で出る。しかしこれは蒸気／ガス分子には当てはまら
ず、これらは乾燥剤／モレキュラールシーブの結晶構造
内に収容される。

【００１１】外側に閉じられた空間が存在するという前
提の下で圧力はリングの外側で増大し、最終的には搬送
された液体分子の液化圧と等しいかまたはこれよりも大
きくなる。

【００１２】基本的に方法の作用は、リングの回転時に
生じる遠心力が、液体分子をリングの内側表面に保持す
るファン・デル・ワールス力よりも大きいことに基いて
いる。

【００１３】吸着された蒸気／ガス分子は動力学エネル
ギーに基いてリングを加熱し、これはリングの効果を低
下させる。この理由からリングが蒸気／ガス分子で負荷
されている間連続的な排熱が保証されることが重要であ
る。

【００１４】方法を実施するための装置は、モレキュラ
ールシーブ／乾燥剤から成るリングが開口を備えた、良
好に熱伝導性の回転シリンダの内周面に配置されてお
り、回転シリンダが少なくとも一部分は直接に、または
間接的に冷却されるように構成されていることである。

【００１５】この場合排熱がリングの外面全体にわたっ
て行われることが重要である。

【００１６】方法並びに装置の他の有利な構成は請求項
２〜１０に挙げられている。装置の実施例並びに方法の
作用形式が以下図面につき説明される。

【００１７】

【実施例】図１ないしは図２〜４に示された装置は円筒
形の、端面で開いた回転シリンダ４を備え、回転シリン
ダの内周面には乾燥剤５から成るリングが配置されてい
る。この乾燥剤５は回転シリンダ４の全周にわたって、
かつ上下方向においては回転シリンダ４の底部から部分
範囲にわたって延びている。

【００１８】乾燥剤５は回転シリンダ４と固定的に結合
されている。乾燥剤５の代わりにモレキュラールシーブ
も設けることができる。

【００１９】乾燥剤リング５の外面と回転シリンダ４の
内周面との間には環状隙間１３が形成されており、環状
隙間へは上から鉛直方向に案内された、回転シリンダ４
の孔２６が開口しており、孔はまた全周にわたって分配
された、水平に設けられた開口１７へ移行している。

【００２０】回転シリンダ４は乾燥剤５ともども駆動モ
ータ６を介して回転駆動可能であり、駆動モータは周波
数発生器２２を介して始動させることができる。図２に
示された実施例はいわゆる２成分系であり、液化すべき
蒸気状またはガス状の媒体は間接的に冷媒によって冷却
される。冷媒は冷却室１８内に存在する。

【００２１】回転シリンダ４も駆動モータ６も冷媒によ
って冷却されるが、回転シリンダ４におけるより良好な
熱の導出のためには冷却フィン１６が設けられている。

【００２２】基本的には装置は２つの互いに分離された
室、すなわち液化室を形成する高圧室と低圧室７とを有
している。

【００２３】図１〜４に示された実施例では高圧室は環
状隙間１３並びに孔２６によって形成されており、ここ
では液化圧よりも高い圧力レベルが形成され、そのため
にここへ出た蒸気分子ないしはガス分子は液化して凝縮
物となる。高圧室および低圧室７は絞り部として作用す
るリリーフ弁２５によって分離されており、リリーフ弁
は孔２６と開口１７との間の移行領域内に配置されてい
る。低圧室７内に設けられたデミスタパック１５は液滴
分離器として働く。

【００２４】実地の運転では先ず系全体が排気され、か
つ冷却液が冷却室１８もしくは冷却循環に属する管およ
び熱交換器１０内へ装入される。更に適切な管路系、実
用熱交換器（Ｎｕｔｚｗａｅｒｍｅ Ｔａｕｓｃｈｅ
ｒ）１２および低圧室７内へ蒸気状の媒体（この例では
湿り蒸気）が導入される。

【００２５】駆動モータ６のスタートと同時に循環ポン
プ９が始動し、循環ポンプのうちの１つは低圧室７内に
存在する、凝縮された液体１４を実用熱交換器１２を通
過せしめて搬送し、かつ他方は冷却液を熱交換器１０へ
送る。

【００２６】実用熱交換器１２（これは例えば空調装置
の構成部分であってよく、これには不断の熱供給が行わ
れる）内では部分的な蒸発が生じる。

【００２７】存在する湿った蒸気は回転シリンダ４の開
いた側から吸込まれ、かつリング５内に一定分が吸着さ
れ、かつ液化される。

【００２８】生じた凝縮物は排熱下に孔２６および図３
には示されていないリリーフ弁２５を経て戻り通路２１
への過程で放圧され、かつ低圧室７へ供給される。圧縮
−冷凍サイクルでの膨張弁内でと同様に放圧過程の間に
凝縮物の部分蒸発が行われる。

【００２９】放圧は液化圧から蒸発圧へと行われ、生じ
た凝縮物は液化温度から蒸発温度へ冷却され、かつこの
ときに蒸発すべき水の内部エネルギーを再び受取る。

【００３０】生じる損失熱および凝縮熱は冷却液および
熱交換器１０を介して空気、水、ガスまたは他の媒体へ
放出される。

【００３１】回転シリンダ４の吸込み領域における液滴
形成を回避するためには、低圧室７は上述のようにスプ
レー装置１９（これを介して実用熱交換器１２内で生成
された湿った蒸気が供給される）の上方に環状のデミス
タパック１５を備えている。

【００３２】装置の別の実施例が図５に示されている。

【００３３】図２から図４に示された例とは異なりこの
例は図１に示された場合と同様にいわゆる１成分系であ
り、ここでは回転シリンダ４で直接的な排熱が行われ
る。

【００３４】運転手段として水が選択される。容器３は
２つの室、すなわち液化室として働く高圧室８と低圧室
７とに分割されている。

【００３５】乾燥剤もしくはモレキュラールシーブから
成るリング５を備えた回転シリンダ４が容器３内に配置
されていて低圧室７に対して開いている。移行部は吸込
み管２によって形成されており、吸込み管はパッキン箱
１を備えている。パッキン箱は高圧室８を低圧室７から
分離する隔壁２４内に支承されていて低圧室７と高圧室
８との間でシールを形成している。

【００３６】低圧室７へは実用熱交換器１２と結合され
た管が連通しており、この管へは実用熱交換器１２によ
って発生した蒸気が流入している。

【００３７】この実施例でも水の充填前に先ず容器３並
びに所属の管路および副次装置を排気しなければならな
い。次いで回転シリンダ４を駆動モータ６を介して回転
させ、かつ循環ポンプ９並びに中間に接続された熱交換
器が運転せしめられる。

【００３８】回転シリンダ４およびこれとともに挿入さ
れたリング５が所定の回転数に達した後リング５の分子
結合を介して先ず場合により存在する液体が回転シリン
ダ４の内部から、次いでファン・デル・ワールス力によ
って結合された液化された水蒸気が半径方向でみて外側
へ搬送される。

【００３９】低圧室７もしくは回転シリンダ４の内部と
高圧室８との間には圧力差が形成される。

【００４０】リング５から解放された凝縮物が高圧室８
内へ出るためには回転シリンダ４内に半径方向の開口１
７が設けられている。

【００４１】生じる凝縮物量の数倍量が循環ポンプ９を
介して不断に循環せしめられており、かつ熱交換器１０
を介して高圧室８に再供給される。これにより回転シリ
ンダ４もしくは他の加熱する部材が冷却される、すなわ
ち生じる損失熱および凝縮熱は導出される。

【００４２】熱交換器１０を通って案内される液体流の
一部は分岐され、かつ実用熱交換器１２の前に配置され
た絞り部１１を経て実用熱交換器へ供給される。

【００４３】実用熱交換器１２における熱供給によって
不断の蒸発、したがって蒸気／ガス分子の低圧室７への
流入が生じる。生じた分子はパッキン箱１もしくは吸込
み管２を介してリング５の内面へ達し、上述のようにこ
こに一定の部分が吸着される。

【００４４】運転条件に応じて高圧室８と熱交換器１０
との間の搬送流は一定の範囲内でガス分で負荷されてい
る。熱交換器１０内における排熱後すべてのガス分は凝
縮され、そのために管路内には液体のみが存在する。

【００４５】図５に示された実施例では高圧室８と低圧
室７との間に僅かな圧力差しか生じないので、パッキン
箱１と隔壁２４との間のシールについては、何ら構造上
高価な手段を必要としない要求が課せられているにすぎ
ない。またシール領域における場合によるささいな漏れ
は単に効率を損うにすぎず、機能の侵害を意味しない。

【００４６】ガス容積または蒸気容積が吸込まれ、かつ
変化するポリトロープ指数でもって液化圧に圧縮され
る、押しのけ原理による圧縮とは異なり本発明による方
法では単に低圧室７内を高速で運動するガス−／蒸気分
子がファン・デル・ワールス力によって一定の効率でも
って捕獲されるにすぎない。

【００４７】回転するリング５の内面の方向への蒸気分
子／ガス分子の流動はスプレー装置におけるガス分子／
蒸気分子の流動と比較可能である。蒸気分子の比較的高
い速度（水蒸気で＋４℃の範囲で容易に過熱され、平均
速度は６００ｍ／秒を上回る）に基いて回転シリンダ４
の存在する吸込み横断面は吸着される分子の不断の後流
動を保証するためには十分よりも大きく設計されてい
る。

【００４８】厳密な表面、乾燥剤ないしはモレキュラー
ルシーブの種類並びに回転するリング５の回転数および
ジオメトリは凝縮すべき物質に依存し、かつ理論的に予
め決定されるが、時間単位当りに衝突する蒸気分子／ガ
ス分子と吸着される蒸気分子／ガス分子の比については
経験的にも求めることができる。

【００４９】リング５の厚さは、既に液化された蒸気／
ガスが外側から回転するリング５の内側の方向に後蒸発
することが回避されるように設計されなければならな
い。同時にリング５の厚さは、外部への排熱を保証する
のに十分でなければならない。排熱は、例えば乾燥剤／
モレキュラールシーブの材料と中性の、良好な熱伝導性
の物質、例えばアルミニウムとの合金ないしは焼結体の
使用によって改善することができる。

【００５０】示される効率は、周速度に加速された蒸気
分子／ガス分子、回転シリンダ４の外側における液体摩
擦損、副次装置の入力並びに場合により周波数変換器を
接続された駆動モータ６の効率によって決定される。

【００５１】水蒸気の例では説明されたこの方法は他の
工業ガス並びに高分子物質についても同様に使用するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】方法を実施例するための１装置の略示図であ
る。

【図２】蒸気またはガスを液化するための図１による装
置の作用原理に基いた装置の図である。

【図３】図２のＩＩＩの部分の装置の詳細図である。

【図４】図２による装置の完全なものの略示図である。

【図５】例えば水蒸気を液化するための装置の別の実施
例の断面図である。

【符号の説明】 １ パッキン箱 ２ 吸込み管 ３ 容器 ４ 回転シリンダ ５ リング ６ 駆動モータ ７ 低圧室 ８ 高圧室 ９ 循環ポンプ １０ 熱交換器 １１ 絞り部 １２ 実用熱交換器 １３ 環状隙間 １４ 液体 １５ デミスタパック １６ 冷却フィン １７ 開口 １８ 冷却室 １９ スプレー装置 ２１ 戻り通路 ２２ 周波数発生器 ２４ 隔壁 ２５ リリーフ弁 ２６ 孔

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 蒸気状の媒体を液化するための方法にお
   いて、媒体を内側から外側へ冷却下に回転する、モレキ
   ュラールシーブまたは乾燥剤から成るリングを通って押
   出すことを特徴とする、蒸気状の媒体を液化する方法。
2. 【請求項２】 リング（５）の外側に出た凝縮物が先ず
   高圧室（８）を介して、引続き実用熱交換器（１２）を
   介して、次いで直接リング（５）の内部へ移行する低圧
   室（７）を介して循環中に室内される、請求項１記載の
   方法。
3. 【請求項３】 請求項１による方法を実施するための装
   置において、開口（１７）を備えた、良好な熱伝導性の
   回転シリンダ（４）の内周面にリング（５）が配置され
   ており、回転シリンダが少なくとも部分的に冷却液によ
   って洗浄されるようになっていることを特徴とする、装
   置。
4. 【請求項４】 リング（５）の高さが回転シリンダ
   （４）の部分範囲にわたって延びており、リング（５）
   の外面と回転シリンダ（４）の内面との間に環状隙間
   （１３）が形成されており、環状隙間に回転シリンダ
   （４）の中心軸線に平行に配置された孔（２６）が連通
   しており、孔が他方で開口（１７）へ移行している、請
   求項３記載の装置。
5. 【請求項５】 孔（２６）と開口（１７）との間の移行
   領域内にそれぞれ１つのばね負荷されたリリーフ弁（２
   ５）が設けられている、請求項４記載の装置。
6. 【請求項６】 回転シリンダ（４）もしくはリング
   （５）がケーシング（３）内に配置されており、ケーシ
   ングが周囲領域に対して気密に閉鎖されている、請求項
   ３記載の装置。
7. 【請求項７】 開口（１７）が戻り通路（２１）へ連通
   しており、戻り通路が低圧室（７）内へ案内されてお
   り、低圧室が回転シリンダ（４）の内部空間へ移行して
   おり、かつ低圧室内で環状隙間（１３）ないしは孔（２
   ６）内よりも小さな圧力が支配的である、請求項５記載
   の装置。
8. 【請求項８】 低圧室（７）内にこの低圧室を２つの室
   領域に分割するデミスタパック（１５）が設けられてい
   る、請求項３から７までのいずれか１項記載の装置。
9. 【請求項９】 容器（３）が隔壁（２４）によって下方
   の高圧室（８）と上方の低圧室（７）とに分割されてお
   り、低圧室（７）が吸込管（２）を介して回転シリンダ
   （４）ないしはリング（５）の内部空間へ移行してお
   り、低圧室（７）内の圧力が高圧室（８）内の圧力より
   も低い、請求項３記載の装置。
10. 【請求項１０】 リング（５）が一方の乾燥剤またはモ
    レキュラールシーブと他方の良好な熱伝導性の材料との
    合金もしくは焼結物質から製作されている、請求項３か
    ら９までのいずれか１項記載の装置。