JP2965251B1 - サイクロン式気液分離装置 - Google Patents

Abstract

【要約】 【課題】 往復動型圧縮機と併用する場合の如く導入す
る気液二相流の流量が一定しない場合でも、遠心力を利
用して高い分離効率を確保し得る新型のサイクロン式気
液分離装置を提供する。 【解決手段】 サイクロン式気液分離装置Ａは、密閉形
円筒状のケーシング１と、このケーシング内にその上面
を貫通して同軸状に配置され、気液二相流をケーシング
内の下部にまで導いて下向き開口３ａより噴出する導入
管３と、この導入管の下向き開口に対向して固定状態で
配置され、下向き開口より噴出される気液二相流をケー
シングの周壁内面と導入管の外周面との間を旋回する渦
流に変換する渦流発生体３１とを備える。また、ケーシ
ングの上部に気体をケーシング外に排出する排気口４１
を、ケーシングの底部に液体をケーシング外に排出する
排液口１５をそれぞれ設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、遠心力を利用して
気液二相流を分離するサイクロン式気液分離装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、化学プラント等において、水分を
含まない空気を使用する場合には、大気を圧縮機で圧縮
したり、クーラ等で冷却したりして大気中の水分を液化
させ、この液化した水滴を含む空気を気液分離装置によ
り水と水滴を含まない空気とに分離するようにしてい
る。そして、このような用途に使用される気液分離装置
としては、水滴を含む空気の如き気液二相流をバッフル
板に衝突させるバッフル式のもの、バッフル板の他に金
網を用いて分離するデミスタ式のもの、遠心力を利用し
て分離するサイクロン式のものなどが知られている。

【０００３】従来のサイクロン式気液分離装置は、例え
ば特開平５−２３５１４号公報に開示され、また図６及
び図７にも示すように、密閉形円筒状のケーシングａ
と、このケーシングａの周壁面に接線方向に接続されて
内部に開口する導入管ｂと、ケーシングａ内にその底部
を貫通して同軸状に配置されかつ上端がケーシングａ内
の上部にまで延びて開口する排気管ｃと、ケーシングａ
の底部に接続された排水管ｄとを備えてなる。そして、
導入管ｂを通して気液二相流がケーシングａの周壁内面
と排気管ｃの外周面との間に形成された環状断面流路ｅ
に流入すると、この環状断面流路ｅ内で液滴が慣性力と
遠心力とによってケーシングａの周壁内面に衝突して付
着し、その後、重力の作用で周壁内面を伝って底部にま
で流下して溜まる。これを排水管ｄでケーシングａ外に
排出する。一方、気体は環状断面流路ｅ内を旋回して上
昇し、排気管ｃの上端開口より排気管ｃ内に流入してこ
れを通ってケーシングａ外に排出される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記従来の
サイクロン式気液分離装置では、導入管ｂより導入され
る気液二相流の流量（流速）により装置各部分の寸法が
決定され、バッフル式気液分離装置に比べて高い分離効
率を確保することができるが、往復動型圧縮機で圧縮し
た水滴を含む空気を、従来のサイクロン式気液分離装置
により水と水滴を含まない空気とに分離する場合等に
は、次のような問題がある。

【０００５】すなわち、往復動型圧縮機においては、吐
出流量が時々刻々と変化し、ピストンの上死点又は下死
点通過時には吐出流量が一時的にゼロとなる。このた
め、従来のサイクロン式気液分離装置では、いかなる流
速を基準にして各部分の寸法を設計した場合でも、導入
管ｂより導入される気液二相流は、ピストンの上・下死
点通過付近で失速して遠心力が作用しなくなり、排気管
ｃの外周面に液滴が衝突して付着する。そして、この液
滴が気体と共に排気管ｃを通して排出されるため、分離
効率が低下することになる。

【０００６】本発明はかかる点に鑑みてなされたもので
あり、その課題とするところは、往復動型圧縮機と併用
する場合の如く導入する気液二相流の流量が一定しない
場合でも、遠心力を利用して高い分離効率を実施上有効
に確保し得る新型のサイクロン式気液分離装置を提供す
るものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、請求項１に係る発明は、サイクロン式気液分離装置
として、密閉形円筒状のケーシングと、このケーシング
内にその上面を貫通して同軸状に配置され、気液二相流
をケーシング内の下部にまで導いて下向き開口より噴出
する導入管と、この導入管の下向き開口に対向して固定
状態で配置され、下向き開口より噴出される気液二相流
をケーシングの周壁内面と導入管の外周面との間を旋回
する渦流に変換する渦流発生体とを備える。また、上記
ケーシングの上部に気体をケーシング外に排出する排気
口を、ケーシングの底部に液体をケーシング外に排出す
る排液口をそれぞれ設ける構成とする。

【０００８】この構成では、導入管を通して気液二相流
がケーシング内の下部にまで導かれて導入管の下向き開
口より噴出すると、その気液二相流は渦流発生体により
ケーシングの周壁内面と導入管の外周面との間に形成さ
れる環状断面流路に導かれてその流路内を旋回する渦流
に変換され、液滴が慣性力と遠心力とによってケーシン
グの周壁内面に衝突して付着し、その後、重力の作用で
周壁内面を伝って底部にまで流下して溜まる。この液体
は排液口からケーシング外に排出される一方、気体は環
状断面流路内を旋回してケーシング内の上部にまで上昇
し、排気口からケーシング外に排出される。

【０００９】上記導入管はケーシングの上面からケーシ
ング内の下部にまで延び、この導入管により導入される
気液二相流の流入方向が重力方向と一致するため、その
気液二相流が一時的に失速した場合でも導入管内の気液
二相流は重力により導入管の下向き開口より流出し、渦
流発生体により環状断面流路に導かれてその流路内を旋
回する渦流に変換されることになり、液滴が遠心力によ
りケーシングの周壁内面に衝突して付着する。この結
果、気液二相流の失速にも拘らず分離効率を高く維持で
きることになる。

【００１０】請求項１に係る発明は、上記渦流発生体の
実施上好ましい形態をも提供する。すなわち、渦流発生
体を、導入管の下向き開口と同軸線上に位置する円錐面
を有する傘部材と、この傘部材の円錐面上に円周方向に
所定間隔毎に複数枚設けられたフィンと、上記傘部材を
ケーシングの周壁に固定する固定部材とによって構成
し、更に、上記各フィンを、傘部材の円錐面の頂点側か
ら裾側に向けて螺旋状に湾曲させるとともに、その円錐
面上の高さが円錐面の頂点側から裾側に向かうに従って
次第に高くなるように形成する。この構成では、導入管
の下向き開口から噴出する気液二相流は、下向き開口と
同軸線上に位置する傘部材の円錐面によって軸線方向か
ら半径方向に変更されるとともに、その円錐面上のフィ
ンに沿って旋回運動を生じるようになり、環状断面流路
内を旋回する渦流に円滑にかつ確実に変換される。

【００１１】請求項２及び３に係る発明は、いずれも分
離効率をより高めるための好ましい形態を提供する。す
なわち、請求項２に係る発明は、上記ケーシング内の上
部にその周壁を貫通して排気管を設け、この排気管のケ
ーシング上面と対向する上側側面に排気口を設ける構成
とする。この構成では、環状断面流路内を旋回してケー
シング内の上部にまで上昇した気体は、排気口からケー
シング外に排出されるに際し、排気管の下方より一旦上
方にまで上昇した後反転して排気管の上側側面の排気口
に流入するため、この反転時に液滴がケーシング上面等
に衝突して付着するようになり、分離効率がより高くな
る。

【００１２】また、請求項３に係る発明は、上記ケーシ
ング内の中央部にその周壁内面より突出する遮蔽リング
を配置する構成とする。この構成では、環状断面流路内
をケーシングの周壁内面に沿って旋回しながら上昇する
気体は、遮蔽リングを超えて更に上昇する一方、その気
体中に含まれる水滴は、遮蔽リングに遮断されその遮蔽
リング又はケーシングの周壁内面に付着して分離される
ことになり、分離効率がより高くなる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態に係る
サイクロン式気液分離装置Ａを示し、この気液分離装置
Ａは、密閉型円筒状のケーシング１と、このケーシング
１を垂直状態に保持する保持台２と、上記ケーシング１
の上面を貫通してケーシング１内に同軸状に挿入配置さ
れた気液二相流をケーシング１内に導入する導入管３
と、上記ケーシング１の上部にその周壁を貫通して設け
られた排気管４とを備えている。

【００１４】上記ケーシング１は、円筒状の中央ケーシ
ング１１の上下両端に略中空半球状の上部ケーシング１
２及び下部ケーシング１３をそれぞれ接合してなり、中
央ケーシング１１の上部ケーシング１２寄り部分に上記
排気管４が貫通しているとともに、上部ケーシング１２
の中央部に上記排気管４が貫通している。また、下部ケ
ーシング１３の中央部には、ケーシング１の底部（下部
ケーシング１３内）に溜まった液体をケーシング１外に
排出する排液口１５が設けられている。

【００１５】上記保持台２は、図２にも示すように、四
隅部に各々取り付け孔２１ａが設けられた矩形平板状の
設置プレート２１と、この設置プレート２１上に互いに
フランジ２２ａ側を向け合った状態で立設された一対の
アングル状の支柱２２，２２と、この各支柱２２の上部
の左右フランジ２２ａ，２２ａ間にそれぞれ掛け渡して
固着された一対の保持プレート２３，２３とを有してな
り、一対の保持プレート２３,２３はケーシング１（詳
しくは中央ケーシング１１）を挟んで互いに対向しかつ
それぞれケーシング１に固着されている。

【００１６】上記導入管３の下端は、ケーシング１内の
下部にまで延び、その下向き開口３ａより気液二相流を
ケーシング１内に噴出するようになっている。ケーシン
グ１内には、この導入管３の下向き開口３ａより噴出さ
れる気液二相流をケーシング１の周壁内面と導入管３の
外周面との間に形成される環状断面流路３０内を旋回す
る渦流に変換する渦流発生体３１が下向き開口３ａに対
向して配置されている。

【００１７】上記渦流発生体３１は、図３にも示すよう
に、導入管３の下向き開口３ａと同軸線上に位置する円
錐面３２ａを有する傘部材３２と、この傘部材３２の円
錐面３２ａ上に円周方向に所定間隔毎に設けられた複数
枚（図３では１２枚）のフィン３３，３３，…と、上記
傘部材３２をケーシング１の周壁に固定する固定部材３
４とを備えてなる。上記傘部材３２は、上記円錐面３２
ａの中心部を形成する中心材３６と、この中心材３６の
外周に嵌め込まれ上記円錐面３２ａの周辺部を形成する
鍔材３７とからなる。上記各フィン３３は、円錐面３２
ａの頂点側から裾側に向けて螺旋状に湾曲しているとと
ともに、その円錐面３２ａ上の高さが円錐面３２ａの頂
点側から裾側に向かうに従って次第に高くなるように形
成されている。また、上記固定部材３４は、傘部材３２
と同軸状でかつその鍔材３７に一端が固着されたリング
材３８と、このリング材３８とケーシング１の周壁とを
円周方向に９０度間隔で連結する４本の連結材３９，３
９，…とからなる。

【００１８】上記排気管４の先端はケーシング１内の導
入管３近傍にまで挿入されており、この排気管４の上側
側面つまりケーシング１上面と対向する側面に、図４に
も示すように、気体をケーシング１外に排出する排気口
４１が設けられている。

【００１９】さらに、上記ケーシング１内の中央部つま
り導入管３の下向き開口３ａと排気管４との間には遮蔽
リング４２が配置されており、この遮蔽リング４２は、
ケーシング１の周壁内面全周に亘りその周壁内面より所
定寸法突出するように周壁内面に装着されている。尚、
４５は導入管３の下端つまり下向き開口３の周囲に装着
された回り込み防止用の口金である。

【００２０】次に、上記気液分離装置Ａの作動を説明す
るに、導入管３を通して気液二相流がケーシング１内の
下部にまで導かれて導入管３の下向き開口３ａより噴出
すると、その気液二相流は渦流発生体３１によりケーシ
ング１の周壁内面と導入管３の外周面との間の環状断面
流路３０に導かれてその流路３０内を旋回する渦流に変
換され、液滴が慣性力と遠心力とによってケーシング１
の周壁内面に衝突して付着し、その後、重力の作用で周
壁内面を伝って底部にまで流下して溜まる。この液体は
排液口１５からケーシング１外に排出される一方、気体
は環状断面流路３０内を旋回してケーシング１内の上部
にまで上昇し、排気口４１からケーシング１外に排出さ
れる。

【００２１】この場合、上記導入管３はケーシング１の
上面からケーシング１内の下部にまで延び、この導入管
３により導入される気液二相流の流入方向が重力方向と
一致するため、その気液二相流が一時的に失速した場合
でも導入管３内の気液二相流は重力により導入管３の下
向き開口３ａより流出し、渦流発生体３１により環状断
面流路３に導かれてその流路３０内を旋回する渦流に変
換されることになり、液滴が遠心力によりケーシング１
の周壁内面に衝突して付着する。この結果、気液二相流
の失速にも拘らず分離効率を高く維持することができ
る。

【００２２】しかも、上記渦流発生体３１は、導入管３
の下向き開口３ａと同軸線上に位置する円錐面３２ａを
有する傘部材３２と、この傘部材３２の円錐面３２ａ上
に円周方向に所定間隔毎に複数枚設けられかつ各々が円
錐面３２ａの頂点側から裾側に向けて螺旋状に湾曲した
フィン３３と、上記傘部材３２をケーシング１の周壁に
固定する固定部材３４とからなる簡単なものであり、ま
た、導入管３の下向き開口３ａから噴出する気液二相流
は、上記傘部材３２の円錐面３２ａによって軸線方向か
ら半径方向に変更されるとともに、その円錐面３２ａ上
のフィン３３に沿って旋回運動を生じ、環状断面流路３
０内を旋回する渦流に円滑にかつ確実に変換されるの
で、コスト面等で実施化を容易に図ることができる。

【００２３】その上、上記実施形態では、環状断面流路
３０内をケーシング１の周壁内面に沿って旋回しながら
上昇する気体は、遮蔽リング４２を超えて更に上昇する
一方、その気体中に含まれる水滴は、遮蔽リング４２に
遮断されその遮蔽リング４２又はケーシング１の周壁内
面に付着して分離されるので、分離効率をより高めるこ
とができる。また、ケーシング１内の上部にまで上昇し
た気体は、排気口４１からケーシング１外に排出される
に際し、排気管４の下方より一旦上方にまで上昇した後
反転して排気管４の上側側面の排気口４１に流入するよ
うになり、この反転時に液滴がケーシング１上面等に衝
突して付着する。この結果、液滴が気体と共に排気口４
１に流入するのを可及的に防止することができ、分離効
率をより一層高めることができる。

【００２４】図５は上記実施形態のサイクロン式気液分
離装置及び従来のデミスタ式気液分離装置を用いて分離
効率を継続的に測定した実験結果を示し、この図では実
線Ａが実施形態のサイクロン式気液分離装置の測定結果
を、破線Ｂが従来のデミスタ式気液分離装置の測定結果
をそれぞれ示す。この実験では、往復動型圧縮機で大気
を圧縮して大気中の水分を液化させ、この液化した水滴
を含む空気を各気液分離装置により分離した。この実験
結果から分かるように、実施形態のサイクロン式気液分
離装置では、往復動型圧縮機からの空気流入量が時々刻
々変化するにも拘らず、分離効率が経過時間中略一定で
かつ約１００％という高い値を確保することができる。

【００２５】

【発明の効果】以上のように、本発明のサイクロン式気
液分離装置によれば、導入管がケーシングの上面からケ
ーシング内の下部にまで延び、この導入管により導入さ
れる気液二相流の流入方向が重力方向と一致するため、
気液二相流が一時的に失速した場合でも導入管内の気液
二相流が重力により導入管の下向き開口より流出し、渦
流発生体により環状断面流路に導かれてその流路内を旋
回する渦流に変換され、液滴が遠心力によりケーシング
の周壁内面に衝突して付着するので、分離効率を高く維
持することができ、特に往復動型圧縮機と併用する場合
等に有効である。

【００２６】その上、導入管の下向き開口から噴出する
気液二相流を、簡単な構成の渦流発生体により環状断面
流路内を旋回する渦流に円滑にかつ確実に変換すること
ができ、実施化を図る上で有効である。

【００２７】特に、請求項２に係る発明では、環状断面
流路内を旋回してケーシング内の上部にまで上昇した気
体が、排気管の下方より一旦上方にまで上昇した後反転
して排気管の上側側面の排気口に流入し、この反転時に
液滴がケーシング上面等に衝突して付着するので、分離
効率をより高めることができる。

【００２８】請求項３に係る発明では、環状断面流路内
をケーシングの周壁内面に沿って旋回しながら上昇する
気体が、遮蔽リングを超えて更に上昇する一方、その気
体中に含まれる水滴が、遮蔽リングに遮断されその遮蔽
リング又はケーシングの周壁内面に付着して分離される
ので、分離効率をより高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係るサイクロン式気液分離
装置の縦断側面図である。

【図２】上記気液分離装置の一つの構成要素である保持
台の平面図である。

【図３】同じく渦流発生体の平面図である。

【図４】図１のＸ−Ｘ線における排気管の拡大断面図で
ある。

【図５】実施形態のサイクロン式気液分離装置及び従来
のデミスタ式気液分離装置を用いて分離効率を継続的に
測定した実験結果を示す図である。

【図６】従来のサイクロン式気液分離装置の構成を示す
横断面図である。

【図７】図６のＹ−Ｙ線における断面図である。

【符号の説明】

Ａ サイクロン式気液分離装置 １ ケーシング ３ 導入管 ３ａ 下向き開口 ４ 排気管 １５ 排液口 ３１ 渦流発生体 ３２ 傘部材 ３２ａ 円錐面 ３３ フィン ３４ 固定部材 ４１ 排気口 ４２ 遮蔽リング ４３ 隙間

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 密閉形円筒状のケーシングと、 このケーシング内にその上面を貫通して同軸状に配置さ
   れ、気液二相流をケーシング内の下部にまで導いて下向
   き開口より噴出する導入管と、 この導入管の下向き開口に対向して固定状態で配置さ
   れ、下向き開口より噴出される気液二相流をケーシング
   の周壁内面と導入管の外周面との間を旋回する渦流に変
   換する渦流発生体とを備え、 上記ケーシングの上部には気体をケーシング外に排出す
   る排気口が、ケーシングの底部には液体をケーシング外
   に排出する排液口がそれぞれ設けられており、 上記渦流発生体は、導入管の下向き開口と同軸線上に位
   置する円錐面を有する傘部材と、この傘部材の円錐面上
   に円周方向に所定間隔毎に複数枚設けられたフィンと、
   上記傘部材をケーシングの周壁に固定する固定部材とか
   らなり、 上記各フィンは、傘部材の円錐面の頂点側から裾側に向
   けて螺旋状に湾曲しているとともに、その円錐面上の高
   さが円錐面の頂点側から裾側に向かうに従って次第に高
   くなるように形成されている ことを特徴とするサイクロ
   ン式気液分離装置。
2. 【請求項２】 上記ケーシング内の上部にはその周壁を
   貫通して排気管が設けられ、この排気管のケーシング上
   面と対向する上側側面に排気口が設けられている請求項
   １記載のサイクロン式気液分離装置。
3. 【請求項３】 上記ケーシング内の中央部にはその周壁
   内面より突出する遮蔽リングが配置されている請求項１
   又は２記載のサイクロン式気液分離装置。