(57)【要約】  流体ストリームから液体を分離するように構成された液体分離器。この分離器は、ハウジングと、ハウジング内に配置された分離チャンバと、分離チャンバから液体を排出するドレイン通路を有するドレインと、流体ストリームを受け入れるように構成された入口チャンバと、入口チャンバから分離チャンバに流体ストリームを連通させるように構成された入口チャンネルと、入口チャンネル内に配置された旋回翼と、第２の入口端に近接して位置する第１の出口端から、前記分離チャンバから離れた第２の出口端に前記流体ストリームを連通させるように構成された出口チャンネルと、を含む。また、分離器は入口チャンバに近接する分離器取付面を含み、この取付面は分離器を加湿器に取り付けるように構成されていることが好ましい。ハウジングは、ベースと、ベースに取り外し可能に取り付けられるキャップを含むことが好ましい。
2007503295.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体ストリームから液体を分離するように構成された液体分離器であって、
ａ）ハウジングと、
ｂ）前記ハウジング内に配置された分離チャンバと、
ｃ）前記分離チャンバから液体を排出するドレイン通路を有するドレインと、
ｄ）前記流体ストリームを受け入れるように構成された入口チャンバと、
ｅ）前記入口チャンバから前記分離チャンバに前記流体ストリームを連通させるように構成された入口チャンネルと、
ｆ）前記入口チャンネル内に配置された旋回翼と、
ｇ）第２の入口端に近接して位置する第１の出口端から、前記分離チャンバから離れた第２の出口端に前記流体ストリームを連通させるように構成された出口チャンネルと、
を含む、液体分離器。
【請求項２】
前記入口チャンバに近接する分離器取付面を更に含む、請求項１に記載の液体分離器。
【請求項３】
前記取付面が前記分離器を加湿器に取り付けるように構成される、請求項２に記載の液体分離器。
【請求項４】
前記入口チャンバが前記取付面から奥まって配置されている、請求項２に記載の液体分離器。
【請求項５】
前記分離チャンバがほぼ円筒状である、請求項１に記載の液体分離器。
【請求項６】
前記ドレインが前記分離チャンバの最も低い部位に近接して配置されている、請求項１に記載の液体分離器。
【請求項７】
前記入口チャンネルが前記第２の入口端に近接して径方向外側にフレア状に広がり、前記第２の入口端における前記入口チャンネルの直径が前記旋回翼に近接する前記入口チャンネルの直径よりも大きくなっている、請求項１に記載の液体分離器。
【請求項８】
前記ハウジングが、ベースと、前記ベースに取り外し可能に取り付けられるキャップを含む、請求項１に記載の液体分離器。
【請求項９】
前記出口チャンネルが前記キャップを貫通する、請求項８に記載の液体分離器。
【請求項１０】
前記入口チャンネルが中心軸にほぼ心合わせされている、請求項１に記載の液体分離器。
【請求項１１】
前記入口チャンネル、前記出口チャンネル及び前記分離チャンバがほぼ同軸である、請求項１に記載の液体分離器。
【請求項１２】
ａ）交換器入口と、
ｂ）交換器出口と、
ｃ）前記交換器出口に近接し、前記分離器取付面と結合するように構成された端面と、
を含むエネルギー及び質量交換器と組み合わせられる請求項４に記載の液体分離器。
【請求項１３】
前記交換器及び前記分離器が中心軸にほぼ心合わせされている、請求項１２に記載の液体分離器。
【請求項１４】
前記交換器が加湿器である、請求項１３に記載の液体分離器。
【請求項１５】
液体分離器と一体化した加湿器であって、前記液体分離器が、
ａ）ハウジングと、
ｂ）前記ハウジング内に配置された分離チャンバと、
ｃ）前記分離チャンバから液体を排出するドレイン通路を有するドレインと、
ｄ）前記流体ストリームを受け入れるように構成された入口チャンバと、
ｅ）前記入口チャンバに近接する取付面と、
ｆ）前記入口チャンバから前記分離チャンバに前記流体ストリームを連通させるように構成された入口チャンネルと、
ｇ）前記入口チャンネル内に配置された旋回翼と、
ｈ）第２の入口端に近接して位置する第１の出口端から、前記分離チャンバから離れた第２の出口端に前記流体ストリームを連通させるように構成された出口チャンネルと、
を含み、前記加湿器が、
ｉ）加湿器入口と、
ｊ）加湿器出口と、
ｋ）前記加湿器出口に近接した端面であって、前記分離器の取付面と結合するように構成され、前記分離器取付面に取り付けられた前記端面と、
を含む、加湿器。
【請求項１６】
前記加湿器及び前記分離器が中心軸にほぼ心合わせされている、請求項１５に記載の液体分離器と一体化した加湿器。
【請求項１７】
前記分離器の本体がほぼ円筒状で分離器外径を含み、前記加湿器出口がほぼ円筒状で出口外径を含む、請求項１５に記載の液体分離器と一体化した加湿器。
【請求項１８】
前記分離器外径及び前記出口外径がほぼ同じである、請求項１７に記載の液体分離器と一体化した加湿器。
【請求項１９】
前記加湿器入口がほぼ円筒状で入口外径を含み、該入口外径は前記出口外径とほぼ同じである、請求項１８に記載の液体分離器と一体化した加湿器。
【請求項２０】
前記加湿器が乾燥剤外径を有するほぼ円筒状の乾燥剤カートリッジを含み、前記入口チャンバがほぼ円筒状でチャンバ外径を含み、該チャンバ外径は前記乾燥剤外径と少なくとも同じ大きさである、請求項１４に記載の液体分離器と一体化した加湿器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は米国仮出願番号第６０／４９７，５６９に基づいて優先権を主張したものであり、この出願を参照することにより本明細書に完全に援用する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は概して流体分離器の分野に関する。本発明は一般に電気化学セルシステムに適用されるが、決してこれに限定されるものではない。
【０００３】
燃料電池及び電解槽セルを一般に電気化学セルと呼ぶ。燃料電池は、清浄であり効率的で環境に優しい電源として提案されており、様々な用途がある。従来の陽子交換膜（ＰＥＭ）燃料電池は一般に、陽極、陰極及びこれら２つの電極間に配置された選択的な電解膜からなる。
【０００４】
燃料電池は、燃料ガス（一般に水素）を陽極に移動させ、酸化剤ガス（一般に酸素）を陰極に移動させることによって電気を生じる。反応の際、水素などの燃料が陽極で酸化されて陽イオン（陽子）及び電子が形成される。陽子交換膜は、陽極から陰極への陽子の移動を容易にする一方で電子が膜を通過するのを防止する。その結果、電子は外部回路を流れて通ることを強いられ、これによって電流が提供される。陰極では、酸素が電気回路から戻ってきた電子と反応して陰イオンを形成する。陰極で形成された陰イオンは、膜を通過した陽子と反応して液体水を形成する。
【０００５】
一方、電解槽は電気を用いて水を電解し、陽極から酸素を、陰極から水素を生成する。一般の固体高分子水電解槽（ＳＰＷＥ）や陽子交換膜（ＰＥＭ）電解槽も、燃料電池と同様に、陽極、陰極及びこれら２つの電極間に配置された陽子交換膜からなる。水は、例えば、適切な直流電圧の陽極に接続された電解槽の陽極に導入される。酸素が陽極で生成される。陽子は膜を通って陽極から陰極に移動する。直流電圧の陰極に接続された陰極では、膜を通って導かれた陽子が水素に還元される。
【０００６】
実際には、セルは単一のユニットとして作動されない。むしろ、セルは積み重ねられるか又は並んで配置されて直列に接続される。セル（電池）積層体と呼ばれる直列セルは、通常はハウジングに入れられている。燃料電池の積層体では、燃料及び酸化剤はハウジング内のマニホールドを通って電極に送られる。燃料電池は、反応物質又は冷却媒体によって冷却される。また、燃料電池積層体は、カレントコレクタ、セル間のシール及び絶縁体を含む一方で、所要の配管及び計器装備が燃料電池積層体の外側に設けられている。燃料電池積層体、ハウジング及び関連ハードウェアは燃料電池モジュールを構成する。同様に、電解槽セルも一般に直列に接続されて電解槽積層体を形成する。
【０００７】
燃料電池積層体と電解槽積層体の双方に共通する対処すべき問題は、プロセスガスのストリーム内の含水量の調節である。一般に、プロセスガスストリームに水が存在すると電気化学セルの効率が低下する。しかし、一定の用途では、ある程度の含水量をガスストリーム内に保つことが有利になる。
【０００８】
少なくとも２つの流体ストリーム間でエネルギー及び／又は質量を交換する様々なデバイスがある。このようなデバイスとしては、例えば加湿器やエンタルピーホイールが挙げられる。
【０００９】
一般に、このようなデバイスは、第２の流体ストリーム（これも一般にガスを含む）から湿気を移すことによって第１のガス又は流体ストリームを加湿する。このプロセスでは、温度及び湿度のより高い第２の流体ストリームからの湿気及び／又は熱が加湿器内に保たれる。湿度及び温度が第２のガス／流体ストリームよりも比較的低いことが多い第１のガス／流体ストリームは加湿器の中を流れ、加湿器内に保たれている熱及び湿気を受け取る。第２のガスストリームはこのようにして加湿され、加熱される。これにより、２つのストリーム間の熱及び／又はエネルギーの交換が完了する。
【００１０】
第２の流体ストリームが湿気及び熱を失うと液体になった水が形成されることが時々ある。第２の流体ストリーム内の液体となった水は、第２の流体ストリーム内に留まったり、加湿器内に保たれ、第１の流体ストリームによって受け取られてしまう場合がある。いずれにしても、流体ストリーム内の液体の水は望ましくない可能性がある。
【００１１】
従って、本発明者らは、加湿器と共に使用されるよう構成された、流体ストリームから液体を分離する流体分離デバイスの必要性を認識した。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、流体ストリームから液体を分離するように構成された液体分離器に関するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この分離器は、ハウジングと、ハウジング内に配置された分離チャンバと、分離チャンバから液体を排出するドレイン通路を有するドレインと、流体ストリームを受け入れるように構成された入口チャンバと、入口チャンバから分離チャンバに流体ストリームを連通させるように構成された入口チャンネルと、入口チャンネル内に配置された旋回翼と、第２の入口端に近接して位置する第１の出口端から、分離チャンバから離れた第２の出口端に流体ストリームを連通させるように構成された出口チャンネルと、を含む。
【００１４】
また、分離器は、入口チャンバに近接して配置され、分離器を加湿器に取り付けるように構成された取付面を含むことが好ましい。
【００１５】
ハウジングは、ベースと、ベースに取り外し可能に取り付けられるキャップを含むことが好ましい。
【００１６】
更に、本発明は液体分離器と一体化した加湿器に関する。分離器は、ハウジングと、ハウジング内に配置された分離チャンバと、分離チャンバから液体を排出するドレイン通路を有するドレインと、流体ストリームを受け入れるように構成された入口チャンバと、入口チャンバに近接する取付面と、入口チャンバから分離チャンバに流体ストリームを連通させるように構成された入口チャンネルと、入口チャンネル内に配置された旋回翼と、第２の入口端に近接して位置する第１の出口端から、分離チャンバから離れた第２の出口端に流体ストリームを連通させるように構成された出口チャンネルと、を含む。加湿器は、加湿器入口と、加湿器出口と、加湿器出口に近接する端面とを含み、端面は分離器の取付面と結合するように構成されている。端面は分離器取付面に結合されている。
【００１７】
ここで、以下の図面を参照しながら本発明をあくまで一例として説明する。図面において、同様の参照番号は同様の部品を指す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１乃至図５を同時に参照すると、本発明に従って製造された液体分離器とエネルギー及び／又は質量交換装置のアセンブリが全体として１００で示されている。アセンブリ１００は、分離器１４０の部分と一体化したエネルギー及び／又は質量交換器１２０の部分を含む。本実施の形態では、エネルギー及び／又は質量交換器１２０は加湿器である。
【００１９】
加湿器本体１２０はほぼ円筒状の管であり、ほぼ円筒状の加湿器（又は交換器）入口１２２及びほぼ円筒状の加湿器（又は交換器）出口１２４を含む。一般に、ほぼ円筒状の乾燥剤カートリッジ１２６が加湿器１２０の本体内に設けられ、本体内の熱及び湿気を保持する。カートリッジ１２６は乾燥剤材料からなる管１２８を含み、これらは間隙即ち通路１３０によって互いに隔てられている。また、加湿器は加湿器出口１２４近傍に端面１３２を含む。加湿器１２０、入口１２２、出口１２４及び乾燥剤カートリッジ１２６はほぼ同軸であり、全体として８００で示される中心軸に心合わせされている。加湿器及び分離器のアセンブリ１００が作動位置に配置されると中心軸８００はほぼ水平になることが好ましい。
【００２０】
分離器１４０は、キャップ部分４００及びベース３００を有するほぼ円筒状の主ハウジング１４２を含む。キャップ４００は、一般的に通り穴３０６を貫通するボルト又は同様の保持部材を用いてベース３００に取り外し可能に取り付けられている。Ｏリング１６０又は他のタイプのシールをベース３００とキャップ４００との間に設けて流体の漏れを防ぐことができる。
【００２１】
大抵の低圧の用途に対しては、ハウジング１４２をプラスチック又は他の適切な材料で形成してもよい。
【００２２】
取付面３０２が分離器のベース３００の一端に設けられている。取付面３０２は、分離器１４０を加湿器の端面１３２に直接結合させるように構成されている。その結果、ホース又は他の導管を加湿器の出口端１２４に取り付ける管状の延長部分が不要となる。取付面３０２の直径３０２’は加湿器の端面１３２の直径とほぼ同様であることが好ましい。同様に、図１にみられるように、分離器本体１４０の外径１４０’は加湿器の出口１２４の外径１２４’（及び加湿器の入口１２２の外径１２２’）とほぼ同様であることが好ましい。
【００２３】
環状の入口チャンバ３４０が、取付面３０２に近接してベース３００に設けられている。乾燥剤の管１２８間の間隙１３０を通って入口チャンバ３４０に流れ込む流体の流れを受け入れるために、入口チャンバ３４０の外径３４０’は乾燥剤カートリッジ１２６の外径１２６’と少なくとも同じ大きさであることが好ましい。
【００２４】
ほぼ円筒状の入口チャンネル３２０が、取付面３０２内の中央に取付面３０２からわずかに奥まって配置されており、第１の入口端３２７から分離チャンバ３３０に近接する第２の入口端３２９に流体のストリーム（水滴と、酸素又はプロセスガスとしての水素を一般に含む）を連通させるように構成されている。分離チャンバ３３０はほぼ円筒状であり、ベース３００及びキャップ４００が互いに取り付けられるとハウジング１４２の内部領域内に形成される。
【００２５】
旋回翼２００が入口チャンネル３２０内に取り外し可能に取り付けられている。図６に示すように、旋回翼２００はほぼプロペラ状で、軸２２０を中心に螺旋形を描く複数の弓状の羽根２４０を有する。旋回翼２００を入口チャンネル３２０に取り外し可能に取り付けるピン又は同様のデバイスを収容するように、ピンホール２８０を軸２２０を貫通して設けることができる。取り外し可能な旋回翼２００を有することで分離器１４０の保守と手入れが容易になる。
【００２６】
図２にみられるように、旋回翼２００に近接する入口チャンネル３２０から径方向外側にテーパーが形成されて、第２の入口端３２９でのチャンネル３２０の断面直径は旋回翼２００に近接するチャンネル３２０の断面直径よりも大きくなる。チャンネル３２０のテーパー部分はほぼ円錐台状である。
【００２７】
ほぼ管状の出口チャンネル４２０がキャップ４００を貫通して形成されており、第２の入口端３２９に近接して配置された第１の出口端４２１と、分離チャンバ３３０から離れた第２の出口端４５０との間に流体を連通させる。出口チャンネル４２０は、分離チャンバ３３０とハウジング１４２の外側との間に流体連通を形成する。
【００２８】
第１の出口端４２１は、第２の入口端３２９内にわずかに挿入されており、第２の入口端３２９とほぼ軸方向に心合わせされている。入口チャンネル３２０及び出口チャンネル４２０の重複部分は間に環状のスペース又は間隙を形成しており、流体はこれらのスペース又は間隙を通って流れることができる。入口チャンバ３４０、入口チャンネル３２０、旋回翼２００、分離チャンバ３３０及び出口チャンネル４２０は、中心軸８００にほぼ同軸に配置されていることが好ましい。
【００２９】
キャップ４００は、ベース３００の第２の端面３０４と係合するように構成されたキャップ端面４０２を有する。複数の凹部４０８がキャップ４００の外面４１０に設けられている。凹部４０８はカバー本体４１０の円周に分散して配置されている。各凹部４０８には、キャップ４００、ベース３００及び加湿器１２０を互いに固定するねじ又はボルトを受け入れる通り穴４０６が設けられている。通り穴４０６はカバー４００の軸方向に沿って延びている。凹部４０８及びこれらに関連する通り穴４０６の位置はベース３００の通り穴３０６の位置に対応することが理解できる。
【００３０】
流体ストリームを所望の目的地に送るホースや他の適切な導管、又は外付けの管継手に接続するように外側の第２の出口端４５０を構成してもよい。あるいは、出口チャンネル４２０の内壁は管継手６００と螺合するねじ切り部分４５２を有してもよい。しかし、出口チャンネル４２０と外付けの管継手との間の接続は特定の用途によって異なりうる。
【００３１】
ドレイン（排水部材）５００が分離チャンバ３３０の最も低い部位（底部）に近接して設けられており、分離チャンバ３３０と流体連通している。例示された実施の形態では、分離チャンバ３３０の底部（及びこれに対応するドレイン５００の位置）は中心軸８００よりも下に位置する。ドレイン５００は、流体ストリームから分離された液体を分離チャンバ３３０から排出させるほぼ垂直のドレイン通路５１０を含む。ドレイン通路５１０内に取り付けられ、分離された液体が分離チャンバ３３０内で所定の高さに達すると排出を自動的に開始するレベルスイッチ５２０をドレイン５００に設けることもできる。
【００３２】
必要に応じて、通り穴３０８のような他の通り穴をベース３００に設け、分離チャンバ３３０を他の目的で外付けのホースに接続することができる。例えば、通り穴３０８を用いて流体ストリームの一部を分離器１４０の外に送ることができる。
【００３３】
使用の際、ガス及び液滴の組み合わせからなる流体ストリームは一般に低圧で（例えば、３乃至１０ｐｓｉ）加湿器入口１２２に送られ、乾燥剤の管１２８間の空隙１３０を通って加湿器出口１２４から出る。
【００３４】
次いで、流体ストリームは入口チャンバ３４０に入り、それから入口チャンネル３２０の第１の入口端３２７に入る。流体ストリームは旋回翼２００の羽根２４０を通り越し、これによって流体ストリームは径方向外側へサイクロン状に渦を巻いて入口チャンネル３２０の内側表面にぶつかり、それから分離チャンバ３３０に入って分離チャンバ３３０の内側表面にぶつかる。
【００３５】
理解されるように、流体ストリームに付与された回転動作によって遠心力が生じ、この遠心力によって水滴が入口チャンネル３２０及び分離チャンバ３３０の内側表面に衝突し、水滴が集まる。入口チャンネル３２０内に集まった液滴は流体ストリームの流れによって分離チャンバ３３０へと押しやられる。
【００３６】
液体が分離チャンバ３３０に集まると、液体が重力によって下方に引っ張られ、ドレイン５００に近い分離チャンバ３３０の底部に引き寄せられる。分離された液体が分離チャンバ３３０の底部に十分に集まるとレベルスイッチ５２０が作動され、液体は分離チャンバ３３０からドレイン通路５１０を通って出ることができる。
【００３７】
（少なくともある量の液体が除去され、好ましくはその殆どが除去された）流体ストリームは第１の出口端４２１を介して出口チャンネル４２０に入り、分離チャンバ３３０を出て、第２の出口端４５０を通って最終的に出口チャンネル４２０及び分離器１４０から出ることができる。
【００３８】
前述のように、分離器１４０のハウジング１４２は、ベース３００と、ベース３００に取り外し可能に取り付けられたキャップ４００を含むことが好ましい。このような設計により、一般に分離器１４０の手入れと保守が容易になる。キャップ４００の取り外し時に、入口チャンネル３２０、出口チャンネル４２０、分離チャンバ３３０及びドレイン５００を手入れや保守のために容易にアクセスできるようにすることが好ましい。
【００３９】
よって、本明細書に示し、説明した内容は本発明の好適な実施の形態を構成しているが、本発明から逸脱しない範囲で種々変更可能であり、本発明の範囲は添付の請求の範囲に定義されていることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に従って製造された液体分離器及び加湿器の部分拡大立面斜視図である。
【図２】図１の液体分離器の側断面図である。
【図３】図１の液体分離器のベースの側断面図である。
【図４】図１の液体分離器のベースの略底面斜視図である。
【図５Ａ】図１の液体分離器のキャップの側断面図である。
【図５Ｂ】図１の液体分離器のキャップの背面斜視図である。
【図６】図１の液体分離器の旋回翼の上面斜視図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
2007503295.tif 000008
【図６】
2007503295.tif 000009
【国際調査報告】
2007503295.tif 000010
2007503295.tif 000011
2007503295.tif 000012