JP2012005991A - 水分除去フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】 より低い絶対湿度（低い露点温度）まで水分を除去することが可能な水分除去フィルタを提供する。
【解決手段】 隣り合うボックス部４２〜４６のうち下側のボックス部から上側のボックス部（膨張室）に空気を流させる際に、先細末広ノズル部４３Ｂ〜４６Ｂにて超音速まで加速して断熱膨張させることにより、膨張室４３Ａ〜４６Ａにて空気の温度を急速低下させて水分を凝縮除去する。これにより、シリカゲル等の吸着剤又はヒートポンプ（蒸気圧縮冷凍機）を用いた除湿装置等に比べて、低い絶対湿度（低い露点温度）まで水分を除去することが可能となる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、気体中に含まれる水分を除去する水分除去フィルタに関するものであり、特に、熱処理装置やろう付け装置等において必要とされる不活性ガス（例えば、窒素ガス）中から水分を除去するために用いると好適である。

例えば、特許文献１に記載の発明では、シリカゲル等の吸着剤又はヒートポンプ（蒸気圧縮冷凍機）を用いた除湿装置等にて乾燥した空気を生成している。

特開平９−１０３６３４号公報

しかし、特許文献１に記載の水分除去手法では、十分に低い絶対湿度（低い露点温度）まで水分を除去することが困難である。
本発明は、上記点に鑑み、より低い絶対湿度（低い露点温度）まで水分を除去することが可能な水分除去フィルタを提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、気体中に含まれる水分を除去する水分除去フィルタであって、水分除去前の高圧気体が流入する流入口（４１Ｂ）、及び水分除去後の気体が流出する流出口（４１Ｃ）が設けられたフィルタケーシング（４１）と、フィルタケーシング（４１）内に設けられ、フィルタケーシング（４１）内に導入された気体を膨張させるための膨張室（４３Ａ〜４６Ａ）を構成するボックス部（４３〜４６）とを備え、ボックス部（４３〜４６）には、膨張室（４３Ａ〜４６Ａ）内外を連通させる先細末広ノズル部（４３Ｂ〜４６Ｂ）が設けられていることを特徴とする。

これにより、請求項１に記載の発明では、膨張室（４３Ａ〜４６Ａ）に気体を流させる際に、先細末広ノズル部（４３Ｂ〜４６Ｂ）にて超音速まで加速して断熱膨張させることができるので、膨張室（４３Ａ〜４６Ａ）にて空気の温度を急速低下させて水分を凝縮除去することができる。

これにより、請求項１に記載の発明では、シリカゲル等の吸着剤又はヒートポンプ（蒸気圧縮冷凍機）を用いた除湿装置等に比べて、低い絶対湿度（低い露点温度）まで水分を除去することが可能となる。

また、請求項２に記載の発明では、複数のボックス部（４３〜４６）が上下方向に直列的に配設されているとともに、隣り合うボックス部（４２〜４６）は、先細末広ノズル部（４２Ｂ〜４６Ｂ）を介して連通していることを特徴とする。

これにより、請求項２に記載の発明では、複数段にて断熱膨張させることができるので、確実に水分を除去することができる。
なお、請求項３に記載の発明では、ボックス部（４２〜４６）には、膨張室（４２Ａ〜４６Ａ）内に溜まった凝縮水を排出する排水口（４２Ｄ〜４６Ｄ）が設けられていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明では、ボックス部（４３〜４６）内には、５〜３５ミクロンの孔径を有する微細な孔が形成されたフィルタ部（４５Ｃ、４６Ｃ）が設けられており、さらに、膨張室（４５Ａ、４６Ａ）に流入した気体は、フィルタ部（４５Ｃ、４６Ｃ）を通過してボックス部（４５、４６）外に流出することを特徴とする。

これにより、請求項４に記載の発明では、気体がフィルタ部（４５Ｃ、４６Ｃ）の孔を通過する際に、水蒸気がフィルタ部（４５Ｃ、４６Ｃ）に衝突して水蒸気の凝縮が促進されるので、確実に水分を除去することができる。

因みに、上記各手段等の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段等との対応関係を示す一例であり、本発明は上記各手段等の括弧内の符号に示された具体的手等に限定されるものではない。

窒素ガス生成装置の概念図である。 本発明の実施形態に係る水分除去フィルタ４の断面図である。 ラバールノズルの説明図である。

本実施形態は、ろう付け装置の加熱炉内に充填する窒素ガスを生成する窒素ガス生成装置用の水分除去フィルタに本発明を適用したものであり、以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。

１．窒素ガス生成装置の概要（図１参照）
窒素ガス生成装置１は、空気中から窒素ガスを分離抽出するとともに、その抽出された窒素ガス中の水分（絶対湿度）が、露点温度に換算して約−４０℃以下となる程度まで除湿することを目的とした装置である。

具体的には、図１に示すように、圧縮機２、圧力タンク３、水分除去フィルタ４及び分離部５等から構成されている。圧縮機２は、大気を吸引して圧縮するものであり、圧力タンク３は、圧縮機２から吐出された圧縮空気をその温度が３０℃以下となるように保持した状態で溜めるものである。

水分除去フィルタ４は、圧力タンク３から供給される高圧空気（本実施形態では、５ｋＰａ）を断熱膨張させながら除湿する水分除去手段であり、分離部５は、水分除去フィルタ４から排出された空気から窒素ガスを分離抽出する分離手段である。因みに、本実施形態に係る分離部５は、中空子膜又は触媒分離タンク等にて構成されている。

２．水分除去フィルタの構造（図２参照）
水分除去フィルタ４のフィルタケーシング４１は、図２に示すように、下端側が窄まるような砲弾形状となっており、その下端部には、除去された水分を排出するドレン口４１Ａが設けられている。なお、本実施形態では、フィルタケーシング４１はアルミニウム製である。

また、フィルタケーシング４１のうち、円筒側面上部側には圧力タンク３から供給される水分除去前の高圧空気が流入する流入口４１Ｂが設けられ、上端面（天板部）には水分除去後の空気が流出する流出口４１Ｃが設けられている。

そして、フィルタケーシング４１内には、フィルタケーシング４１内に導入された高圧空気を膨張させるための膨張室４２Ａ〜４６Ａそれぞれを構成する複数のボックス部４２〜４６が設けられているとともに、これら複数のボックス部４２〜４６は上下方向に直列的に配設されている。なお、本実施形態では、各ボックス部４２〜４６はアルミニウム製である。

また、各ボックス部４２〜４６には、膨張室４２Ａ〜４６Ａ内外を連通させるオリフィス４２Ｂ〜４６Ｂが設けられており、特に、オリフィス４３Ｂ〜４６Ｂは、先細末広ノズル状に形成されている。そこで、以下、オリフィス４３Ｂ〜４６Ｂについては、先細末広ノズル部４３Ｂ〜４６Ｂと呼ぶ。

なお、先細末広ノズル（「ラバールノズル」ともいう。）とは、図３に示すように、入口側が下流側に向かうほど断面積が縮小する（窄まる）先細ノズル部（コンバージェント部）と、出口側が下流側に向かうほど断面積が拡大する末広ノズル部（ダイバージェント部）とをスロート部（のど部）を介して繋いだノズルであり、先細ノズル部で亜音速まで気体を加速した後、末広ノズル部で気体を超音速まで加速することができる。

なお、各ノズル部の円錐角θ１、θ２は入口側の圧力等により適宜決定されるべき値であるが、先細ノズル部（コンバージェント部）の円錐角θ１を約１５°〜３０°とし、末広ノズル部（ダイバージェント部）の円錐角θ２を約４°〜１０°とすることが望ましい。

因みに、本実施形態では、フィルタケーシング４１に導入される空気の圧力が約５ｋＰａであり、かつ、３０℃以下であることから、円錐角θ１を約３０°とし、円錐角θ２を約１０°としている。

そして、隣り合うボックス部４２〜４６（膨張室４２Ａ〜４６Ａ）は、図２に示すように、先細末広ノズル部４３Ｂ〜４６Ｂを介して連通しているので、隣り合うボックス部４２〜４６のうち下側のボックス部から上側のボックス部（膨張室）に流入した空気は、先細末広ノズル部４３Ｂ〜４６Ｂにて超音速まで加速されて膨張する。

また、複数のボックス部４２〜４６のうち上方側のボックス部（本実施形態では、ボックス部４５、４６）内には、５〜３５ミクロンの孔径を有する微細な孔が形成されたフィルタ部４５Ｃ、４６Ｃが設けられている。

なお、フィルタ部４５Ｃ、４６Ｃは、上方側が閉塞され、下方側（先細末広ノズル部４５Ｂ〜４６Ｂ側）が開放されたコップ状に形成されたセラミックホーラスフィルタであり、その側面円筒部に微細な孔が形成されている。

そして、ボックス部４５、４６の膨張室４５Ａ、４６Ａに流入した空気は、フィルタ部４５Ｃ、４６Ｃを通過してボックス部４５、４６外に流出する。つまり、ボックス部４５の膨張室４５Ａに流入した空気は、フィルタ部４５Ｃを通過した後、先細末広ノズル部４６Ｂを通過してボックス部４６の膨張室４６Ａに流入する。その後、その空気は、フィルタ部４６Ｃを通して流出口４１Ｃから水分除去フィルタ４外に放出される。

また、本実施形態では、空気流れ下流側に位置するフィルタ部４６Ｃの孔径が、空気流れ上流側に位置するフィルタ部４５Ｃの孔径より小さくなるように設定されている。具体的には、フィルタ部４５Ｃの孔径は約２０ミクロンであるのに対して、フィルタ部４６Ｃの孔径は約１０ミクロンである。

なお、最下端、つまり空気流れ最上流側に位置するボックス部４２のオリフィス４２Ｂは、上端側が窄まるような円錐テーパ状（傘状）の薄膜（本実施形態では、アルミ箔）４２Ｃの頂部からずれた位置に設けられた単純な小孔ある。

そして、オリフィス４２Ｂ及び先細末広ノズル部４３Ｂ〜４６Ｂは、同一の仮想直線上に位置することなく、水平方向から見て千鳥状にずれて配置されている。
つまり、隣り合うボックス部４２〜４６について鉛直方向から見ると、オリフィス４２Ｂ及び先細末広ノズル部４３Ｂ〜４６Ｂは、下側のオリフィス４２Ｂ又は先細末広ノズル部４３Ｂ〜４６Ｂが、上側の先細末広ノズル部４３Ｂ〜４６Ｂに対してずれた部位に位置する。

また、各ボックス部４２〜４６には、各膨張室４２Ａ〜４６Ａ内に溜まった凝縮水を排出する排水口４２Ｄ〜４６Ｄが設けられており、各排水口４２Ｄ〜４６Ｄから排出された凝縮水は、排水樋４１Ｄを伝ってドレン口４１Ａに至り、フィルタケーシング４１外に排出される。

３．水分除去フィルタにより水分除去原理及びその特徴
本実施形態に係る水分除去フィルタ４は、隣り合うボックス部４２〜４６のうち下側のボックス部から上側のボックス部（膨張室）に空気を流させる際に、先細末広ノズル部４３Ｂ〜４６Ｂにて超音速まで加速して断熱膨張させることにより、膨張室４３Ａ〜４６Ａにて空気の温度を急速低下させて水分を凝縮除去するものである。

これにより、シリカゲル等の吸着剤又はヒートポンプ（蒸気圧縮冷凍機）を用いた除湿装置等に比べて、低い絶対湿度（低い露点温度）まで水分を除去することが可能となる。
このとき、本実施形態では、複数のボックス部４３〜４６が上下方向に直列的に配設されているので、複数段にて断熱膨張させることができ、確実に水分を除去することができる。

また、本実施形態では、フィルタ部４５Ｃ、４６Ｃが設けられているので、空気がフィルタ部４５Ｃ、４６Ｃの孔を通過する際に、水蒸気がフィルタ部４５Ｃ、４６Ｃに衝突して水蒸気の凝縮が促進され、確実に水分を除去することができる。

特に、空気流れ下流側に行くほど絶対湿度が低下しているので、更なる水分除去が難しくなるが、本実施形態では、複数のボックス部４２〜４６のうち上方側のボックス部４５、４６、つまり空気流れ下流側のボックス部４５、４６にフィルタ部４５Ｃ、４６Ｃを設けているので、効果的に空気中から水分を除去することができる。

また、空気流れ下流側に位置するフィルタ部４６Ｃの孔径が、空気流れ下流側に位置するフィルタ部４５Ｃの孔径より小さくなるように設定されているので、更に効果的に空気中から水分を除去することができる。

また、本実施形態では、空気流れ最上流側に位置するボックス部４２のオリフィス４２Ｂは、上端側が窄まるような円錐テーパ状（傘状）の薄膜４２Ｃの頂部からずれた位置に設けられているので、各膨張室４２Ａ〜４６Ａによる断熱膨張の前段階として、空気中の水分を除去することが可能となる。

また、流入口４１Ｂは、フィルタケーシング４１の円筒側面に設けられているので、高圧空気を流入口４１Ｂから円筒側面に沿った方向（接線方向）に導入することにより、高圧空気をフィルタケーシング４１内で旋回させることができる。このため、水蒸気の密度と空気（窒素ガス）との密度差を利用して水分を遠心分離することが可能となるので、効果的に水分を除去することができる。

（その他の実施形態）
上述の実施形態では、ボックス部４２〜４６を複数設けたが、本発明はこれに限定されるものではない。

また、上述の実施形態では先細末広ノズル部４３Ｂ〜４６Ｂの形状が全て同一形状であったが、本発明これに限定されるものではない。
また、上述の実施形態では、上部側のボックス部４５、４６のみにフィルタ部４５Ｃ、４６Ｃを設けたが、本発明これに限定されるものではなく、フィルタ部を廃止する、又は全てのボックス部４２〜４６にフィルタ部を設けてもよい。

また、上述の実施形態では、窒素ガス生成装置に本発明を適用したが本発明の適用はこれに限定されるものではない。
また、本発明は、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨に合致するものであればよく、上述の実施形態に限定されるものではない。

１…窒素ガス生成装置、２…圧縮機、３…圧力タンク、４…水分除去フィルタ、
４１…フィルタケーシング、４１Ａ…ドレン口、４１Ｂ…流入口、４１Ｃ…流出口、
４１Ｄ…排水樋、４２…ボックス部、４２Ａ…膨張室、４２Ｂ…オリフィス、
４２Ｂ…先細末広ノズル部、４２Ｃ…薄膜、４２Ｄ…排水口、４３…ボックス部、
４３Ａ…膨張室、４３Ｂ…オリフィス。

Claims (4)

1. 気体中に含まれる水分を除去する水分除去フィルタであって、
   水分除去前の高圧気体が流入する流入口、及び水分除去後の気体が流出する流出口が設けられたフィルタケーシングと、
   前記フィルタケーシング内に設けられ、前記フィルタケーシング内に導入された気体を膨張させるための膨張室を構成するボックス部とを備え、
   前記ボックス部には、前記膨張室内外を連通させる先細末広ノズル部が設けられていることを特徴とする水分除去フィルタ。
2. 複数の前記ボックス部が上下方向に直列的に配設されているとともに、隣り合う前記ボックス部は、前記先細末広ノズル部を介して連通していることを特徴とするとする請求項１に記載の水分除去フィルタ。
3. 前記ボックス部には、前記膨張室内に溜まった凝縮水を排出する排水口が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の水分除去フィルタ。
4. 前記ボックス部内には、５〜３５ミクロンの孔径を有する微細な孔が形成されたフィルタ部が設けられており、
   さらに、前記膨張室に流入した気体は、前記フィルタ部を通過して前記ボックス部外に流出することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の水分除去フィルタ。

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