JP4662223B2

JP4662223B2 - 気液遠心分離装置

Info

Publication number: JP4662223B2
Application number: JP2001271177A
Authority: JP
Inventors: 康匡高木; 俊一岡屋; 昇篠崎; 雄作谷内
Original assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Current assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Priority date: 2001-09-07
Filing date: 2001-09-07
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2021-09-07
Also published as: JP2003080114A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、宇宙空間でガスを同伴せずに水分を完全分離するための気液遠心分離装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３は、固体高分子型燃料電池（ＰｏｌｙｍｅｒＥｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅＦｕｅｌＣｅｌｌ：ＰＥＦＣ）の原理図である。この燃料電池は、電解質にプロトン（Ｈ⁺）導電性を有する高分子膜Ｔを用い、この膜の両側に薄い多孔質Ｐｔ触媒電極（アノードＡとカソードＣ）を付けた構造を有する。それぞれの電極にＨ₂ およびＯ₂を供給し、室温〜１００℃前後で動作させると、Ｈ₂はＨ₂極（アノードＡ）でＨ⁺に酸化され、Ｈ⁺は膜内を移動してＯ₂極（カソードＣ）に到達する。一方ｅ^- は外部回路を通って電気的な仕事をしたのち、Ｏ₂極に到達する。Ｏ₂極ではＯ₂が到達したＨ⁺およびｅ^-と反応してＨ₂Ｏに還元される。なお上述した燃料電池では、高分子膜Ｔの保護のため水蒸気を供給すると共に、カソードＣでは反応生成物として水蒸気が形成される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
宇宙ステーション等で燃料電池を利用する場合、太陽光が利用できない時間帯に燃料電池を利用し、逆に太陽光が利用できる時間帯には、太陽電池等の電力で水蒸気を電気分解してＨ₂およびＯ₂に戻し、再利用することが検討されている。この場合、燃料電池のアノードＡとカソードＣから出た水滴を含むガスから水滴を分離する必要が生じる。
【０００４】
従来、地上においてはかかる気水分離のために、バッチ式遠心分離機が使用される。かかるバッチ式遠心分離機は、分離を要する流体（気液混合流体）を容器に入れ、回転台上にこの容器を取付けて、高速回転することにより、流体に遠心力を作用させ、容器内で重質量物質（液体）を回転台中心から離れた部分に移動させ、逆に軽質量物質（気体）を回転中心近傍に移動させたのち、回転を停止して容器より分離した物質を得るものである。
【０００５】
しかし、かかるバッチ式遠心分離機には、以下のような問題点があった。
（１）連続的に分離することが出来ない。
（２）分離対象物が液体と気体の混合ガスの場合に、遠心分離中は液体と気体に分離しているが、一旦停止すると液体中に気体が溶融するため完全な分離が出来ない。
【０００６】
また、遠心分離を連続的に行う装置としては、図３に模式的に示す、（Ａ）円筒形遠心沈降分離機、（Ｂ）デカンタ形遠心沈降分離機、（Ｃ）分離板形遠心沈降分離機、（Ｄ）遠心ろ過機、等が知られている。
しかし、これらの連続式遠心分離機は、液体中の固形分の分離等には適しているが、気液混合流体からの水滴分離に適用した場合には、液体が少ない場合に液体と共にガスが同伴され、逆に気体が少ない場合に気体に液体が同伴されるおそれがあった。
【０００７】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、姿勢変化の激しい宇宙空間で使用することができ、液体に同伴されるガスを最小限に抑え、かつガス中に同伴される液体も最小限に抑えることができる気液遠心分離装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、軸心Ｚを中心に高速回転駆動される円板状のロータ（１２）と、該ロータを間隔を隔てて囲むハウジング（１４）とを備え、前記ロータ（１２）は、軸心Ｚを含む中央部分に設けられた中空円板状の中央空洞部（１２ａ）と、軸心Ｚに沿って外面から中央空洞部まで延び気液混合流体を供給するための中心供給穴（１２ｂ）と、軸心Ｚから半径方向に間隔を隔てた位置で外面から中央空洞部まで延び気体を排気するための排気通路（１２ｃ）と、中央空洞部の半径方向外縁とロータの外縁とを連通し液体を排出するための排液流路（１３）とを有し、該排液流路（１３）は、内端が中央空洞部の半径方向外縁と連通し半径方向外方に延びる内側流路（１３ａ）と、外端がロータの外縁と連通し半径方向内方に延びる外側流路（１３ｂ）と、内側流路と外側流路を連通しかつ内側流路との接続点Ａが外側流路との接続点Ｂよりも半径方向外方に設けられた中間流路（１３ｃ）とからなり、これにより中間流路に液体を遠心力で保持するトラップ機構（４）を構成する、ことを特徴とする気液遠心分離装置が提供される。
【０００９】
上記本発明の構成によれば、円板状のロータ（１２）が、軸心Ｚを中心に高速回転駆動され、その遠心力で液体を遠心分離するので、姿勢変化の激しい宇宙空間でも安定して使用することができる。
【００１０】
また、中間流路（１３ｃ）が内側流路（１３ａ）と外側流路（１３ｂ）を連通し、かつ内側流路との接続点Ａが外側流路との接続点Ｂよりも半径方向外方に設けられているので、これにより中間流路（１３ｃ）に液体を遠心力で保持するトラップ機構（４）が構成される。すなわち、遠心分離する気液混合流体に含まれる液体（液滴）が少ない場合、中間流路（１３ｃ）に残存する液体は、遠心力により半径方向外方の接続点Ａに向かって付勢されるので、内側流路（１３ａ）と中間流路（１３ｃ）との接続点Ａ近傍は、常に液体で満たされ、ガスが排液流路（１３）を通って液体側に同伴されるのをシールする。従って、液体に同伴されるガスを最小限に抑えることができる。
【００１１】
更に、気液混合流体に含まれる液体（液滴）が多い場合には、内側流路（１３ａ）を満たす液体に強い遠心力が作用するので、この圧力が接続点Ａの圧力より高くなるように、ロータ（１２）の回転速度を予め設定することにより、液体が内部にほとんど溜まることなく、スムースに中間流路（１３ｃ）と外側流路（１３ｂ）を介して液体を排出することができる。従って、ガス中に同伴される液体も最小限に抑えることができる。
【００１２】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記中央空洞部（１２ａ）の半径方向外縁に外端が固定され、半径方向内方に延び、中央空洞部を周方向に仕切る複数の内部フィン（６）を有する。
この構成により、複数の内部フィン（６）が軸心Ｚを中心に高速回転することにより、中央空洞部（１２ａ）の気液混合流体を軸心Ｚを中心に高速旋回させることができ、遠心力により液体を外方に移動させて気体から効率よく分離することができる。
【００１３】
また、前記排気通路（１２ｃ）を塞ぎ、液滴を捕獲し気体のみを通す気体透過膜（９）を備える。
この構成により、遠心分離中の液滴が排気通路（１２ｃ）を通って気体側に同伴されるのを防止することができる。
【００１４】
更に前記ロータ（１２）はその外縁部に、外側流路（１３ｂ）を挟んで半径外方に突出した１対の円板状鍔部（７）を有し、かつ前記ハウジング（１４）は、円板状鍔部（７）を間隔を隔てて囲む１対の凹部（１４ａ）を有し、これにより鍔部と凹部の間に液体を遠心力で保持するシール機構を構成する。
この構成により、ロータ（１２）から排出された液体と気体との間を、液体自体でシールして、相互間の混合を防止することができる。
【００１５】
前記ロータ（１２）は、前記１対の円板状鍔部（７）の間に、半径方向外方に延びる複数の外部フィン（１５）を有することが好ましい。
この構成により、ロータ（１２）の外縁部とハウジング（１４）の間に位置する液体にも遠心力を付加することができ、鍔部（７）と凹部（１４ａ）の間に液体を安定して保持し、そのシール性能を高めることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１７】
図１は、本発明の気液遠心分離装置の断面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ線における断面図である。図１及び図２に示すように、本発明の気液遠心分離装置１０は、軸心Ｚを中心に高速回転駆動される円板状のロータ１２と、ロータ１２を間隔を隔てて囲むハウジング１４とを備える。ロータ１２は、この例では鉛直軸である軸心Ｚを中心に、電動モータ１により高速に回転駆動される。
なお、姿勢変化の激しい宇宙空間での使用を前提とするため、軸心Ｚは鉛直に限定されず、任意の方向であってもよい。また、ロータ１２の回転速度は、気液混合流体に含まれる液体（液滴）が多い場合でも、液体が内部にほとんど溜まることなく、スムースに液体を分離排出することができる速度（例えば３０００ｒｐｍ以上）に設定する。
【００１８】
図１に示すように、ロータ１２は、中空円板状の中央空洞部１２ａ、中心供給穴１２ｂ、排気通路１２ｃ及び排液流路１３を有する。
中空円板状の中央空洞部１２ａは、軸心Ｚを含む中央部分に設けられる。中心供給穴１２ｂは、軸心Ｚに沿って外面から中央空洞部１２ａまで延び、ハウジング１４を貫通する流入管５から気液混合流体を中央空洞部１２ａに供給するようになっている。また、流入管５はこの例では中心供給穴１２ｂにわずかな隙間を隔てて挿入されている。
排気通路１２ｃは、軸心Ｚから半径方向に間隔を隔てた位置で外面から中央空洞部１２ａまで延び、気体をハウジング１４との間の空間に排気するようになっている。また、ハウジング１４には、気体取出管３が設けられ、ロータ１２とハウジング１４の間の気体を外部に取り出すようになっている。
更に、この排気通路１２ｃには、液滴の通過を防ぐために、気体のみを通す気体透過膜９が設けられている。この気体透過膜９は、水素や酸素の気体分子が通過でき、液滴のように気体分子より大きい粒子は通過できない大きさの貫通穴を有し、この穴により液滴を捕獲し気体のみを通す機能を有する。
【００１９】
排液流路１３は、図２に示すように、互いに連通した複数対の内側流路１３ａ、外側流路１３ｂ及び中間流路１３ｃからなり、中央空洞部１２ａの半径方向外縁とロータ１２の外縁とを連通し、液体を排出する機能を有する。
内側流路１３ａは、内端が中央空洞部１２ａの半径方向外縁と連通し、半径方向外方に延び、外端は接続点Ａで閉じている。また外側流路１３ｂは、外端がロータ１２の外縁と連通し、半径方向内方に延び、内側は接続点Ｂで閉じている。更に中間流路１３ｃは、内側流路１３ａと外側流路１３ｂを連通し、かつ内側流路との接続点Ａが外側流路との接続点Ｂよりも半径方向外方に設けられている。すなわち、中間流路１３ｃに液体を遠心力で保持するようにトラップ機構４が設けられている。
【００２０】
なお、このトラップ機構４は、この例では、３本の直線流路でＺ字形に形成されているが、本発明はこれに限定されず、中間に遠心力で液体がトラップされる限りで自由な流路に形成することができる。例えば、３本の曲線流路でＳ字形に形成してもよい。
【００２１】
また、中央空洞部１２ａの気液混合流体を軸心Ｚを中心に高速旋回させるために複数の内部フィン６を有する。この内部フィン６は、中央空洞部１２ａの半径方向外縁に外端が固定され、半径方向内方に延び、中央空洞部を周方向に仕切るようになっている。
【００２２】
ロータ１２から排出された液体と気体との間を、液体自体でシールするために、図１に示すように、ロータ１２はその外縁部に、外側流路１３ｂを挟んで半径外方に突出した１対の円板状鍔部７を有する。また、ハウジング１４は、円板状鍔部７を間隔を隔てて囲む１対の凹部１４ａを有し、これにより鍔部７と凹部１４ａの間に液体を遠心力で保持するシール機構を構成するようになっている。
【００２３】
更に、図２に示すように、ロータ１２の外縁部とハウジング１４の間に位置する液体に遠心力を付加するために、ロータ１２は、１対の円板状鍔部７の間に、半径方向外方に延びる複数の外部フィン１５を有している。
【００２４】
以下、上述した本発明の気液遠心分離装置１０の作用を説明する。
図２において、トラップ４の内側はロータ１２内の中央空洞部１２ａに開口している。トラップ４は、内側開口部より外側に向うが外周には直接開口せずＡ点でＺ字形状で内側に折り返し、Ｂ点で再び折り返し外周に開口する。５は、液体と気体の混合ガスの流入口管であり、回転中心に位置する。流入した混合ガス（気液混合流体）は、ロータ１２内に設けた内部フィン６により案内され遠心力が加わる。混合ガスは遠心力にて質量の大きい液体は中央空洞部１２ａ内の外側に質量の軽い気体は、回転中心に分離・移動する。液体は、中央空洞部１２ａ外縁のトラップ孔（内側流路１３ａ）よりトラップに流入しＡ点に達し溜まる。液体が蓄積されより大きい遠心力が加わると液体は、Ｂ点を通り外に押出される。押出された液体は、外縁に設けた外部フィン１５でロータ１２とハウジング１４で構成される渦巻室内に回転し、遠心力により渦巻室の最端縁部に押しのけられ最外縁部に溜まる。液体の滞留量が増加すると液体取出口８よりハウジング外へ出る。
一方、回転中心部に移動した気体は、気体透過膜９を通り気体取出管３よりハウジング外へ出る。ここで、気体透過膜９を通った気体は、渦巻室最外縁部に溜まっている水により渦巻き室に流入することはない。
【００２５】
上述した本発明の構成によれば、円板状のロータ１２が、軸心Ｚを中心に高速回転駆動され、その遠心力で液体を遠心分離するので、姿勢変化の激しい宇宙空間でも安定して使用することができる。
【００２６】
また、中間流路１３ｃが内側流路１３ａと外側流路１３ｂを連通し、かつ内側流路との接続点Ａが外側流路との接続点Ｂよりも半径方向外方に設けられているので、これにより中間流路１３ｃに液体を遠心力で保持するトラップ機構４が構成される。すなわち、遠心分離する気液混合流体に含まれる液体（液滴）が少ない場合、中間流路１３ｃに残存する液体は、遠心力により半径方向外方の接続点Ａに向かって付勢されるので、内側流路１３ａと中間流路１３ｃとの接続点Ａ近傍は、常に液体で満たされ、ガスが排液流路１３を通って液体側に同伴されるのをシールする。従って、液体に同伴されるガスを最小限に抑えることができる。
【００２７】
更に、気液混合流体に含まれる液体（液滴）が多い場合には、内側流路１３ａを満たす液体に強い遠心力が作用するので、この圧力が接続点Ａの圧力より高くなるように、ロータ１２の回転速度を予め設定することにより、液体が内部にほとんど溜まることなく、スムースに中間流路１３ｃと外側流路１３ｂを介して液体を排出することができる。従って、ガス中に同伴される液体も最小限に抑えることができる。
【００２８】
また、鍔部７と凹部１４ａの間に液体を遠心力で保持するシール機構を構成することにより、ロータ１２から排出された液体と気体との間を、液体自体でシールして、相互間の混合を防止することができる。
【００２９】
なお、本発明は上述した実施例及び実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００３０】
【発明の効果】
上述したように、本発明は、高速回転する円板状ロータ１２の回転中心より遠い位置に液体をロータの内側から外側に通過させる通路（排液流路１３）を設けたものである。また、排液流路１３の一方はロータ内に開口し、ロータの外に向け設けられるが、ロータの外には直接に開口せず、途中でＺ形に折り返し（Ａ点）ロータ内側に向うが、ロータ内側開口せず途中で折り返し（Ｂ点）再びロータ外側に向い、外に開口するトラップ機構４を設けた。
【００３１】
この構成により、液体・気体の混合ガスは、遠心分離により質量の大きい液体は外に、軽い気体は回転中心部に移動する。液体は、トラップ４のＡ点の折り返しまで常時満たされる。液体の滞留が増し、液体により大きな遠心力が加わると、液体はＡ点を通り外に排出される。従って、トラップ部は、常に液体によるシール性が保たれ、気体は分離される。気体は回転中心部に設けた気体排出ポートより取り出される。従って、連続的に液体と気体の分離が可能となる。
【００３２】
従って、本発明の気液遠心分離装置は、姿勢変化の激しい宇宙空間で使用することができ、液体に同伴されるガスを最小限に抑え、かつガス中に同伴される液体も最小限に抑えることができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の気液遠心分離装置の断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線における断面図である。
【図３】固体高分子型燃料電池の原理図である。
【図４】従来の連続式遠心分離機の模式図である。
【符号の説明】
１電動モータ、３気体取出管、４トラップ機構、
５流入口管、６内部フィン、７円板状鍔部、
８液体取出口、９気体透過膜、１０気液遠心分離装置、
１２ロータ、１２ａ中央空洞部、１２ｂ中心供給穴、
１２ｃ排気通路、１３排液流路、１３ａ内側流路、
１３ｂ外側流路、１３ｃ中間流路、１４ハウジング、
１４ａ凹部、１５外部フィン

Claims

軸心Ｚを中心に高速回転駆動される円板状のロータ（１２）と、該ロータを間隔を隔てて囲むハウジング（１４）とを備え、
前記ロータ（１２）は、軸心Ｚを含む中央部分に設けられた中空円板状の中央空洞部（１２ａ）と、軸心Ｚに沿って外面から中央空洞部まで延び気液混合流体を供給するための中心供給穴（１２ｂ）と、軸心Ｚから半径方向に間隔を隔てた位置で外面から中央空洞部まで延び気体を排気するための排気通路（１２ｃ）と、中央空洞部の半径方向外縁とロータの外縁とを連通し液体を排出するための排液流路（１３）とを有し、
該排液流路（１３）は、内端が中央空洞部の半径方向外縁と連通し半径方向外方に延びる内側流路（１３ａ）と、外端がロータの外縁と連通し半径方向内方に延びる外側流路（１３ｂ）と、内側流路と外側流路を連通しかつ内側流路との接続点Ａが外側流路との接続点Ｂよりも半径方向外方に設けられた中間流路（１３ｃ）とからなり、これにより中間流路に液体を遠心力で保持するトラップ機構（４）を構成する、ことを特徴とする気液遠心分離装置。
前記中央空洞部（１２ａ）の半径方向外縁に外端が固定され、半径方向内方に延び、中央空洞部を周方向に仕切る複数の内部フィン（６）を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の気液遠心分離装置。
前記排気通路（１２ｃ）を塞ぎ、液滴を捕獲し気体のみを通す気体透過膜（９）を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の気液遠心分離装置。
前記ロータ（１２）はその外縁部に、外側流路（１３ｂ）を挟んで半径外方に突出した１対の円板状鍔部（７）を有し、かつ前記ハウジング（１４）は、円板状鍔部（７）を間隔を隔てて囲む１対の凹部（１４ａ）を有し、これにより鍔部と凹部の間に液体を遠心力で保持するシール機構を構成する、ことを特徴とする請求項１に記載の気液遠心分離装置。
前記ロータ（１２）は、前記１対の円板状鍔部（７）の間に、半径方向外方に延びる複数の外部フィン（１５）を有する、ことを特徴とする請求項４に記載の気液遠心分離装置。