JPH11239701A - 微小重力環境用気泡分離装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 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
境用気泡分離装置の提供。 【解決手段】 ループ内を流れる気液混合液を導入する
導入管７を備えた導入管ユニット１と、この導入管７か
ら導入される気液混合液を旋回流で流す分離胴９を備え
た分離胴ユニット２と、この分離胴９の軸心部に着脱自
在に取り付けられる分離膜ユニット３といった３つのユ
ニットから構成し、これら各ユニットをそれぞれ交換自
在とする。これによって、最適な流入口径及び内径のユ
ニットのみを迅速に交換することができるため、分離胴
９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。

Description

【発明の詳細な説明】

【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／ｍ
ｉｎ）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
を解決するために本発明は、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である。

【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
ものである。

【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
用気泡分離装置の実施の一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１０
ｂ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，１
１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
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の可
能となる。

【００３１】尚、本発明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】また、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ても
良い。この場合、図６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】本発明装置の実施の一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】本発明の他の実施の形態を示す構成図である。

【図６】本発明の他の実施の形態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)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 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
   ットとからなることを特徴とする微小重力環境用気泡分
   離装置。
2. 【請求項２】 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。
3. 【請求項３】 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請求項１に記
   載の微小重力環境用気泡分離装置。