(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端に径Ｄ２の流出口を有する円筒形のハウジングの他端に形成された流入口から気泡除去対象流体を前記ハウジングの接線方向に流入することにより、前記ハウジング内に前記気泡除去対象流体の旋回流を形成し、該旋回流により前記ハウジングの中心線付近に集められた気泡を前記流出口と反対側に設けられ径Ｄ３の放気口から排出する気泡分離除去装置のパラメータ設定方法であって、
前記流入口から流入される気泡除去対象流体に含まれる気泡の気泡径をＤｂとするとき、Ｄｂ／Ｄ２で定義される無次元気泡径の値が０．００８となり、かつ前記流出口の平均流速を代表速度とするレイノルズ数が１０６７となるように前記流出口の径Ｄ２を設定することを特徴とする気泡分離除去装置のパラメータ設定方法。
【請求項２】
前記レイノルズ数が維持されるように、前記流出口の径Ｄ２を含む他の装置パラメータを設定することを特徴とする請求項１に記載の気泡分離除去装置のパラメータ設定方法。
【請求項３】
前記レイノルズ数と前記無次元気泡径の２乗の積の値が維持されるように前記流出口の径Ｄ２を含む他の装置パラメータを設定することを特徴とする請求項１に記載の気泡分離除去装置のパラメータ設定方法。
【請求項４】
前記流出口内のスパイラル係数をＳｏ、前記放気口内のスパイラル係数をＳνとするとき、０．５９＜Ｓν／Ｓｏ＜２．６６を満足するように、前記放気口の径Ｄ３を設定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の気泡分離除去装置のパラメータ設定方法。
【請求項５】
前記ハウジングは、前記旋回流の前記流出口側に前記流出口に向かって径が小さくなる長さＬ２のテーパ管路部を有し、前記流入口から前記気泡除去対象流体が流入される部分の前記ハウジングの径をＤ１とするとき、前記ハウジング内部で四重旋回流から二重旋回流に変化する境界の値に前記Ｄ１および前記Ｌ２を設定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の気泡分離除去装置のパラメータ設定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、流体中の気泡を分離除去する気泡分離除去装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
油圧機械等においては、作動油中に気泡が発生すると、この作動油を利用する油圧機器、システム等に悪影響を及ぼすことがある。
【０００３】
例えば、建設機械等の作業動力伝達に用いられる油圧システムにおいて、動力を伝達する作動油中に気泡が混在すると、作動油の剛性を低下させ、作動油の酸化劣化を促進させ、また、作動油の潤滑特性を低下させ、更には、機器の動力伝達特性や動作寿命を低下させる。
【０００４】
そこで、作動油等に混入した気泡を有効に除去する装置若しくはシステムが要望されているが、従来この種の気泡分離除去装置としては、特許文献１に開示されたものが知られている。
【０００５】
特許文献１に開示された「液体中の気泡除去装置」は、１端に少なくとも１個の流入口と他端に流出口とを有する流体室から構成され、前記流入口が液体に流体室の内壁に対して接線流れを生ぜしめる気泡除去装置において、前記流体室は前記流入口から流出口方向へ直径が漸次連続して減少する第１流体室と、該第１流体室に接続し、直径が他端方向へ漸次連続して増大する第２流体室とから形成されていることと、前記第１流体室の前記流入口側の端面から、前記第１流体室と前記第２流体室との接合位置付近までの間に開口する放気口、または前記位置までの間に開口する気体放気細管が、前記流体室の軸心に対して共軸に設けられて構成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許３２６１５０６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載された「液体中の気泡除去装置」は、装置各部の形状のパラメータの設定が難しく、これらパラメータの設定は従来試行錯誤により行っているのが現状である。しかし、これらのパラメータの設定が最適でないと有効な気泡分離除去ができない。
【０００８】
そこで、この発明は、この種の気泡除去装置の各種パラメータの設定に関する有効な手法を与え、流体中に含まれる気泡を有効かつ効率よく分離除去することができるようにした気泡離除去装置のパラメータ設定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、一端に径Ｄ２の流出口を有する円筒形のハウジングの他端に形成された流入口から気泡除去対象流体を前記ハウジングの接線方向に流入することにより、前記ハウジング内に前記気泡除去対象流体の旋回流を形成し、該旋回流により前記ハウジングの中心線付近に集められた気泡を前記流出口と反対側に設けられ径Ｄ３の放気口から排出する気泡分離除去装置のパラメータ設定方法であって、前記流入口から流入される気泡除去対象流体に含まれる気泡の気泡径をＤｂとするとき、Ｄｂ／Ｄ２で定義される無次元気泡径の値が０．００８となり、かつ前記流出口の平均流速を代表速度とするレイノルズ数が１０６７となるように前記流出口の径Ｄ２を設定することを特徴とする。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１に記載の発明において、前記レイノルズ数が維持されるように、前記流出口の径Ｄ２を含む他の装置パラメータを設定することを特徴とする。
【００１４】
請求項３の発明は、請求項１に記載の発明において、前記レイノルズ数と前記無次元気泡径の２乗の積の値が維持されるように前記流出口の径Ｄ２を含む他の装置パラメータを設定することを特徴とする。
【００１５】
請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の発明において、前記流出口内のスパイラル係数をＳｏ、前記放気口内のスパイラル係数をＳνとするとき、０．５９＜Ｓν／Ｓｏ＜２．６６を満足するように、前記放気口の径Ｄ３を設定することを特徴とする。
【００１７】
請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明において、前記ハウジングは、前記旋回流の前記流出口側に前記流出口に向かって径が小さくなる長さＬ２のテーパ管路部を有し、前記流入口から前記気泡除去対象流体が流入される部分の前記ハウジングの径をＤ１とするとき、前記ハウジング内部で四重旋回流から二重旋回流に変化する境界の値に前記Ｄ１および前記Ｌ２を設定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
この発明によれば、流体中に含まれる気泡を有効かつ効率よく分離除去することができる気泡離除去装置のパラメータを容易に設定することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、この発明が適用される気泡分離除去装置のモデルの一例を示す図である。
【図２】この発明の気泡分離除去装置のパラメータ設定方法に関する装置パラメータの決定手法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、この発明に係わる気泡分離除去装置のパラメータ設定方法の実施の形態を添付図面を参照して詳細に説明する。
【００２２】
まず、図１を参照してこの発明が適用される気泡分離除去装置のモデルについて説明する。図１において、（Ａ）は、この気泡分離除去装置１００の側面図、（Ｂ）は、流入管路部２０の断面図である。
【００２３】
本発明が適用される気泡分離除去装置１００は、径がＤ１で気泡除去対象流体をその接線に沿って流入させる幅ｗ、長さｈの２つの流入口１０を有する流入管路部２０と、径がＤ２でこの気泡分離除去装置１００により気泡を分離除去した流体を流出する流出口３０と、流入管路部２０から流出口３０に向かう部分に設けられ長さＬ２のテーパ管路部４０と、流出口３０の反対側に設けられ、この気泡分離除去装置１００により分離除去された気泡を含む流体を排出する径がＤ３の放気口５０とを具備して構成される。
【００２４】
なお、Ｌはこの気泡分離除去装置１００の流入管路部２０、テーパ管路部４０流出口３０を含むハウジングの全長、Ｌ１は、流入管路部２０の長さ、Ｌ３は、テーパ管路部４０の終端から流出口３０までの長さ、Ｄは、２つの流入口１０の間の長さである。
【００２５】
この気泡分離除去装置１００は、気泡除去対象流体が流入口１０から気泡分離除去装置１００の径の接線方向から流入されることで、気泡分離除去装置１００の内部で、気泡除去対象流体の旋回流が形成される。
【００２６】
この旋回流により、気泡除去対象流体に含まれる気泡は気泡分離除去装置１００の中心線上に集められ、この気泡分離除去装置１００の中心線上に集められた気泡は流体の一部とともに、背圧により放気口５０から排出される。
【００２７】
この発明では、図１に示した気泡分離除去装置１００を用いて、この気泡分離除去装置１００の最適形状パラメータを求める。
（１）流入口Ｄ２の最適化
一般に、気泡除去対象流体の動粘度νと流入流量Ｑｉの条件が変化する場合、管内のレイノルズ数が等しければ、気泡分離除去装置１００の気泡分離除去性能は等しくなる。しかし、流出口径Ｄ２が変化するとレイノルズ相似則が成り立たなくなることが確かめられている。
【００２８】
したがって、特定の条件下で気泡分離除去装置１００の形状パラメータを最適化しても、使用環境が変わったときに、気泡分離除去装置１００の気泡分離除去性能を維持することは困難になる。
【００２９】
なお、Ｕｓｏを流出口３０から流出する流体の平均流速とすると、レイノルズ数Ｒｅは、次式で定義される。
【００３０】
Ｒｅ＝Ｄ２・Ｕｓｏ／ν
そこで、まず、気泡径Ｄｂと気泡分離除去装置１００とのサイズ関係を明確にするために、Ｄ２＝Ｄ１、すなわちテーパ管路部４０を有さないストレート形状を用いて数値解析を実施する。また、ここでは、気泡分離除去装置１００の気泡分離除去性能を相対的に比較するため、混相流モデルにはオイラー混相流モデルを使用した。
【００３１】
表１に、上記数値解析で用いた気泡分離除去装置１００の形状パラメータを示す。
【００３２】
【表１】
0006461623.tif 000002
表１では、形状パラメータを相似形で拡大、縮小した場合を示し、気泡除去対象流体の動粘度νは、３２ｍｍ２／ｓ、気泡除去対象流体に含まれる気泡の混合率（気泡混合率）Ｒｏｂは、１％で一定とする。
【００３３】
表１において、Ｎｏ．１と、Ｎｏ．２は気泡径Ｄｂのみ異なる場合を示し、この場合、流出口３０内の平均流速を代表速度として算出されるレイノルズ数は、いずれも６６７になる。
【００３４】
Ｎｏ．１と、Ｎｏ．２とで、気泡分離除去装置１００の気泡分離除去性能を比較してみると、気泡径Ｄｂが小さいＮｏ．２では、気泡除去対象流体に含まれる気泡が気泡分離除去装置１００の中心線上に十分に集合せず、有効な気泡分離除去ができない。
【００３５】
そこで、流出口径Ｄ２に対する気泡径Ｄｂの比Ｄｂ／Ｄ２を無次元気泡径として定義し、Ｎｏ.３では、気泡径ＤｂをＮｏ．２と同じ０．１５ｍｍに設定し、無次元気泡径がＮｏ．１と同じになるように、形状パラメータＤ１、Ｄ２，Ｄ３，ｗ、ｈを相似形で縮小する。そして、レイノルズ数がＮｏ．１と同じ６６７になるように流入流量Ｑｉを変更する。
【００３６】
このＮｏ.３の形状パラメータを用いた場合、気泡除去対象流体に含まれる気泡が気泡分離除去装置１００の中心線上に有効に集合し、Ｎｏ．１と同じ気泡分離除去性能が得られた。
【００３７】
この結果から、無次元気泡径が大きいほど、気泡除去対象流体に含まれる気泡は気泡分離除去装置１００の中心線上に集合し、また、気泡除去対象流体の流体条件が異なる複数の条件を比較する場合、レイノルズ数と無次元気泡径のそれぞれが一致すれば、気泡分離除去性能は維持されることが分かる。
【００３８】
以上の考察から無次元気泡径が大きいほど、気泡分離除去装置１００の気泡分離除去性能は高くなることが明らかになったが、気泡径Ｄｂが小さい場合には、無次元気泡径を大きくするためには、流出口径Ｄ２を小さくしなければならない。
【００３９】
しかし、流出口径Ｄ２を小さくすると、流出口３０での圧力損失が増大する。
【００４０】
そこで、気泡分離除去装置１００の気泡分離除去性能の最適化のための、最小無次元気泡径および最小レイノルズ数を求める。
【００４１】
表２に、最小無次元気泡径および最小レイノルズ数を求めるための数値解析で用いた気泡分離除去装置１００の形状パラメータを示す。
【００４２】
【表２】
0006461623.tif 000003
表２を用いた数値解析では、気泡分離除去装置１００に流入した気泡の挙動を詳細に評価するために、ラグランジェ混相流モデルを使用した。ラグランジェ混相流モデルは局所的に分散相の体積占有率が高くなる条件に対応しておらず、また、ここでは集合する気泡の量ではなく、気泡分離除去装置１００の中心軸上に向かう気泡の挙動に注目しているため、気泡混合率Ｒｏｂを０．１％とする、基準の条件Ｒｏｂ＝１％より少ない条件で、数値解析を実施する。
【００４３】
表２では、流入口１０の幅ｗを３ｍｍ、長さｈを６ｍｍ、気泡径Ｄｂを０．１ｍｍ、流入流量Ｑｉを３０Ｌ／ｍｉｎに固定してその他のパラメータを変更した場合を解析する。
【００４４】
なお、表２を用いた数値解析でも、気泡径Ｄｂと気泡分離除去装置１００とのサイズ関係を明確にするために、Ｄ２＝Ｄ１、すなわちテーパ管路部４０を有さないストレート形状を用いている。
【００４５】
表２に示すパラメータを用いて気泡分離除去装置１００の気泡分離除去性能を解析すると、流出口径Ｄ２を小さくするほど、気泡分離除去性能は向上することが分かり、流出口径Ｄ２が、Ｎｏ.３のＤ２＝１２．５ｍｍ以下であれば良好な気泡分離性能が得られることが分かった。
【００４６】
ただし、流出口径Ｄ２が小さいほど圧力損失は大きくなるので、ここでは、Ｎｏ.３の流出口径Ｄ２が１２．５ｍｍのパラメータを最適値として選択する。
【００４７】
この場合の無次元気泡径は、０．００８であり、レイノルズ数は、１０６７である。
【００４８】
したがって、気泡分離除去装置１００の気泡分離除去性能の最適化のための、最小無次元気泡径および最小レイノルズ数は、それぞれ、０．００８、１０６７と決定する。
（２）流入管路部径Ｄ１とテーパ管路長Ｌ２の最適化
上記説明では、気泡径Ｄｂと気泡分離除去装置１００とのサイズ関係を明確にするために、Ｄ２＝Ｄ１、すなわちテーパ管路部４０を有さないストレート形状を用いて数値解析を実施したが、以下の説明では、Ｄ２＜Ｄ１となるテーパ管路部４０を有する形状を用いてこのテーパ管路部４０の最適な形状について数値解析を実施する。
【００４９】
そこで、ここでは流出口径Ｄ２は固定し、流入管路部径Ｄ１とテーパ管路長Ｌ２を変更することで、テーパ管路部４０の最適な形状を求める。
【００５０】
また、上述した説明においては、気泡が気泡分離除去装置１００の中心軸上に集まる様子に注目していたが、ここでは気泡分離除去率Ｅｂを用いて気泡分離除去装置１００の気泡分離除去性能を評価する。
【００５１】
したがって、単相流ではなく混相流モデルでの解析が必要となるが、ラグランジェ混相流では気泡の集合しやすい条件に対応しておらず、また、オイラー混相流モデルでは結果の妥当性に欠ける可能性があるため、ここでは以下の流れで数値解析の結果を評価する。
ｉ．流出口径Ｄ２を基準の２０ｍｍとし、オイラー混相流モデル（κ−ε乱流モデル）で流入管路部径Ｄ１とテーパ管路長Ｌ２を種々変更して数値解析を実施する。
【００５２】
Ａ）各条件での気泡分離除去率Ｅｂをもとめ、気泡分離除去装置１００の形状と気泡除去率Ｅｂとの関係を明らかにする。
【００５３】
Ｂ）気泡分離除去装置１００の断面のスパイラル係数の分布と気泡含有率分布を比較し、気泡分離除去装置１００内部の流体の流れと気泡の挙動の関係を明らかにする。
【００５４】
Ｃ）ＡとＢの結果を比較し、スパイラル係数の分布から気泡を効率よく除去する条件を明らかにする。
ｉｉ．流出口径Ｄ２を最適径である１２．５ｍｍとし、単相流解析（レイノルズ応力乱流モデル）で流入管路部径Ｄ１とテーパ管路長Ｌ２を種々変更して数値解析を実施する。
【００５５】
Ａ）気泡分離除去装置１００の断面のスパイラル係数の分布を比較し、ｉ．−Ｃの結果を考慮して気泡分離除去性能の高い条件を予測する。
【００５６】
Ｂ）ｉｉ．−Ａの結果から最適な流入管路部径Ｄ１とテーパ管路長Ｌ２を求める。
【００５７】
なお、上記解析において、旋回流の予測には不向きとされているκ−ε乱流モデルを使用したオイラー混相流モデルでの解析結果は、気泡分離除去装置１００の相対的な気泡分離除去性能の比較と、気泡分離除去装置１００内の流れの場の変化が気泡の挙動に及ぼす影響を明らかにするために用い、気泡分離除去装置１００の最適形状の検討は乱流モデルにレイノルズ応力方程式モデルを使用して実施した単相流モデルの解析結果を用いて行った。
【００５８】
はじめに、オイラー混相流モデルで数値解析を実施し、気泡分離除去装置１００の内部の流体の流れと挙動の関係を比較した。
【００５９】
表３にその解析条件を示す。
【００６０】
【表３】
0006461623.tif 000004
表３に示す解析条件においては、流入管路部径Ｄ１とテーパ管路長Ｌ２の２つ
のパラメータのみを変更し、その他の形状パラメータは基準の形状パラメータと
同じとしている。また、放気口５０からの流出比Ｒνは２０％とした。
【００６１】
流入管路部径Ｄ１をパラメータにとったときの各テーパ管路長Ｌ２の気泡除去率Ｅｂは、流入管路部径Ｄ１が異なると、テーパ管路長Ｌ２が気泡除去率Ｅｂの値におよぼす影響も変化することがわかった。
【００６２】
流入管路部径Ｄ１が２４ｍｍの条件ではテーパ管路長Ｌ２が変化しても気泡除去率Ｅｂの変化は２．５％程度であり、テーパ管路長Ｌ２が気泡分離除去装置１００の気泡分離除去性能におよぼす影響は小さい。
【００６３】
しかし、流入管路部径Ｄ１が大きくなると、テーパ管路長Ｌ２の変化に伴う気泡除去率Ｅｂの変化は大きくなり、流入管路部径Ｄ１が２８ｍｍと３２ｍｍの条件では、テーパ管路長Ｌ２が変化することで、気泡除去率Ｅｂは、５〜７％程度変化する。
【００６４】
また、各条件で、気泡除去率Ｅｂには、最大値が存在し、Ｄ１＝２８ｍｍのときの気泡除去率Ｅｂの最大値は、Ｌ２＝３０ｍｍのとき、Ｄ１＝３２ｍｍのときの気泡除去率Ｅｂの最大値は、Ｌ２＝４０ｍｍのときに現れ、流入管路部径Ｄ１によって最大の気泡除去率Ｅｂを示すテーパ管路長Ｌ２は異なることがわかった。
【００６５】
さらに、Ｄ１＝２８ｍｍ、Ｌ２＝３０ｍｍのときが最も気泡分離除去性能が高いことがわかった。
【００６６】
次に，流入管路部径Ｄ１とテーパ管路部長Ｌ２が気泡分離除去装置１００の気泡分離除去性能におよぼす影響を明らかにするために、気泡分離除去装置１００の断面のスパイラル係数分布と気泡含有率分布を比較する。
【００６７】
まず、流入管路部径Ｄ１が２４ｍｍの条件でテーパ管路部長Ｌ２の違いが気泡分離除去装置１００内部の気泡の挙動と分離除去性能にあたえる影響を確認する。
【００６８】
スパイラル係数の分布を比較すると、テーパ管路部長Ｌ２が変化しても気泡分離除去装置１００内部の流れ挙動は大きく変化しないことがわかる。また、全ての条件で気泡分離除去装置１００の側面側ではスパイラル係数は正の値を示し、中心軸付近では負の値を示す。
【００６９】
したがって、気泡分離除去装置１００の内部では、壁面側で流出口３０に向かう流れ、中心軸付近では放気口５０に向かう流れの２種類の流れに明確に分かれることが確認できた。
【００７０】
また、テーパ管路部長Ｌ２の違いによる気泡含有率分布の変化は小さく、テーパ管路部長Ｌ２は気泡の挙動に大きく影響をおよぼしていなことがわかる。この条件は、流入管路部径Ｄ１が最も小さく、ストレート形状に近い条件である。
【００７１】
すなわち、流入管路部径Ｄ１が２４ｍｍの条件において、テーパ管路部長Ｌ２の違いが気泡の挙動に大きく影響をおよぼさないのは、流出口径Ｄ２に対する流入管路部径Ｄ１の比が小さいためだと考えられる。また、流入管路部径Ｄ１が２４ｍｍの条件では、テーパ管路部長Ｌ２が変化しても気泡除去率Ｅｂは全体に低い値を示し、テーパ管路部４０を付加することによる気泡分離除去装置１００の気泡分離除去性能の向上を図る場合には、流入管路部径Ｄ１はある一定以上の大きさが必要である。
【００７２】
それぞれ流入管路部径Ｄ１が２８ｍｍの条件における気泡分離除去装置１００の断面のスパイラル係数の分布を比較すると、テーパ管路部長Ｌ２が大きい条件では、Ｄ２＝２４ｍｍの条件と同じように気泡分離除去装置１００の壁面側で流出口３０に向かう流れ、中心軸付近では放気口５０に向かう流れの２種類の流れに明確に分かれることが確認できる。便宜的に、この流れを二重旋回流と呼ぶ。
【００７３】
テーパ管路部長Ｌ２が短くなると、中心軸上の放気口５０に向かう流れを示す領域は細く、流出口３０に向かう流れを示す領域は広くなり、さらに中心軸から離れた領域で放気口５０に向かう流れが生じることがわかる。この領域において、気泡分離除去装置１００の中心軸から壁面までの流速のｚ軸方向成分の正負の変化を見ると、流れの正負が負→正→負→正と変化することがわかる。便宜的にこの流れを四重旋回流とする。
【００７４】
流入管路部径Ｄ１が２８ｍｍの条件では、テーパ管路部長Ｌ２が短くなることで、旋回流の挙動が二重旋回流から四重旋回流へと変化する。気泡含有率分布を比較すると、テーパ管路部長Ｌ２が５０ｍｍの条件に比べてテーパ管路部長Ｌ２短い４０ｍｍの条件では放気口５０の入口付近の気泡含有率が向上することがわかる。
【００７５】
テーパ管路部長Ｌ２が４０ｍｍの条件は、気泡除去率Ｅｂも最も高い値を示し、気泡の分離除去性能が最も高いと評価できる。テーパ管路部長Ｌ２が４０ｍｍよりも短くなると、放気口５０入口付近の気泡含有率は低下し、Ｌ２＝１０ｍｍのとき気泡含有率は最も低くなる。また、この条件では気泡除去率Ｅｂも最も低い値を示す。スパイラル係数の分布と併せて比較すると、気泡含有率が低下するテーパ管路部長Ｌ２が短い条件では、気泡分離除去装置１００の内部の旋回流は四重旋回流に遷移していることがわかる。
【００７６】
以上のことから、テーパ管路部長Ｌ２が短くなると気泡分離除去性能は向上するが、テーパ管路部長Ｌ２がある値を下回ると、旋回の挙動が二重旋回流から四重旋回流に遷移し、装置の気泡分離性能は低下すると推察できる。
【００７７】
流入管路部径Ｄ１が３２ｍｍの条件でもテーパ管路部長Ｌ２の違いでスパイラル係数と気泡含有率の分布を比較する。
【００７８】
スパイラル係数の分布から、流入管路部径Ｄ１が３２ｍｍの条件においてもテーパ管路部長Ｌ２が短くなることで、気泡分離除去装置１００の内部の旋回流は二重旋回流から四重旋回流に変化することがわかる。また、二重旋回流から四重旋回流に変化する境となるＬ２＝５０ｍｍのときに、気泡除去率Ｅｂと放気口５０入口付近の気泡含有率は最も高い値を示す。
【００７９】
以上のことから、流入管路部径Ｄ１とテーパ管路部長Ｌ２にはそれぞれ最適値があり、旋回流の挙動変化に注目することでこれらの値を導くことが可能である。具体的には以下の方法でそれぞれのパラメータを決定する。
ｉ．テーパ管路部長Ｌ２が短い条件で流入管路部径Ｄ１を種々変更して数値解析を実施し、気泡分離除去装置１００の内部で四重旋回流が生じる条件の中で最も値が小さい流入管路部径Ｄ１を最適な流入管路部径Ｄ１とする。
ｉｉ．テーパ管路部長Ｌ２を短い条件から徐々に長くしていき、気泡分離除去装置１００の内部の旋回流が四重旋回流から二重旋回流に変化するテーパ管路部長Ｌ２を最適なテーパ管路部長Ｌ２とする。
【００８０】
次に、上記方法で単相流モデルの解析結果から流出口径Ｄ２が１２．５ｍｍの条件における流入管路部径Ｄ１とテーパ管路部長Ｌ２の最適値を求める。
【００８１】
なお、ここでは、気泡分離除去装置１００の内部の旋回の挙動の変化から流入管路部径Ｄ１とテーパ管路部長Ｌ２を決定するため，混相流解析ではなく流体の単相流解析結果を用いて比較する。
【００８２】
表４に、この場合の解析条件を示す。
【００８３】
【表４】
0006461623.tif 000005
ここで、放気口５０からの流出比Ｒνは３０％としている。
【００８４】
はじめに、Ｌ２を５ｍｍとしてＤ１のみを変更し、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３の条件で解析を実施した。この場合、Ｄ１＝１８ｍｍの条件では気泡分離除去装置１００の内部の流れは二重旋回流の挙動を示しており、テーパ管路部長さＬ２が変化しても気泡分離除去性能は向上しないと考えられる。しかし、Ｄ１は小さいほど気泡分離除去性能が向上することが明らかになっているため、本条件ではＤ１＝２０ｍｍを最適な流入管路部径Ｄ１とする。
【００８５】
次にテーパ管路部長Ｌ２の最適値を検討するために、テーパ管路部長をＬ２＝５ｍｍからＬ２＝１０、１５ｍｍと長くしていき，スパイラル係数の分布を比較した。
【００８６】
上述の解析結果と同じように、テーパ管路部長Ｌ２を長くしていと、気泡分離除去装置１００の内部の旋回挙動は、四重旋回流から二重旋回流に変化することがわかる。この旋回の挙動の変化が生じる境界で気泡除去率Ｅｂは最大の値を示すため、Ｌ２＝１０ｍｍを最適なテーパ管路部長Ｌ２とする。
（３）放気口径Ｄ３の最適化
流出口径Ｄ２と放気口径Ｄ３は相互に影響をおよぼし合うので、放気口径Ｄ３の選定には流出口径Ｄ２の値を考慮する必要がある。
【００８７】
また，装置断面のスパイラル係数の分布の比較結果から、これらのパラメータは装置内部の旋回流速と軸方向流速の変化に大きく影響をおよぼすことが明らかになっており、旋回方向と軸方向の流速の変化を考慮することでパラメータの選定が可能になると考えられる。
【００８８】
流出口３０と放気口５０内の旋回方向と中心軸方向の流れの影響を考慮して放気口径Ｄ３を最適化するために、装置内部の液体を剛体と仮定して放気口５０と流出口３０の管路内のスパイラル係数を計算する。
【００８９】
このときの放気口５０内のスパイラル係数Ｓνと流出口３０内のスパイラル係数Ｓｏは，それぞれ以下の式で表される。
【００９０】
Ｓν＝Ｕｚｖ／Ｕｓｖ
Ｓｏ＝Ｕｚｏ／Ｕｓｏ
ここで、ＵｚｖとＵｚｏは放気口５０と流出口３０の軸方向平均流速、ＵｓｖとＵｓｏは装置内部の流体を剛体と仮定したときの放気口５０と流出口３０の内壁面上の周速度であり、流入口１０からの流入流速Ｕｓｉで剛体が回転するとすれば、ＵｓｖとＵｓｏはそれぞれ以下の式で表される。
【００９１】
Ｕｓｖ＝（Ｄ３／Ｄ１）Ｕｓｉ
Ｕｓｏ＝（Ｄ２／Ｄ１）Ｕｓｉ
上記式よりＳν／Ｓｏは、以下のように表される。
【００９２】
Ｓν／Ｓｏ＝（Ｄ２３／Ｄ３３）・（Ｑν／Ｑｏ）
ここで、Ｑνは放気口５０から流出する流体の体積流量、Ｑｏは流出口３０から流出する流体の体積流量である。スパイラル係数Ｓν／Ｓｏの比は，流出口径Ｄ２と放気口径Ｄ３の比と各ポートから流出する流体の積量比で求められる。
【００９３】
表５に、各条件の流出口３０と放気口５０内のスパイラル係数ＳｏとＳν、また放気口５０と流出口３０のスパイラル係数比また放気口と流出のスパイラル係数比Ｓν／Ｓｏを示す。
【００９４】
【表５】
0006461623.tif 000006
なお、表５の気泡除去率Ｅｂは、可視化実験でコリオ式流量センサのデータから算出されたものであり、流出口と放気口のそれぞれの下側に取付けたコリオ式流量センサの密度データから気泡量をもとめて算出している。
【００９５】
この結果からＳｏ大きく、Ｓνが小さいほど、気泡は合体しやすいが、これらの条件では、集合した気泡が流出口３０方向に移動しやすいことがわかる。この二つのスパイラル係数を合わせて評価するためにＳν／Ｓｏで比較する。可視化実験において、気泡除去率Ｅｂが大幅に減少したＮｏ．８（Ｄ２＝１０ｍｍ、Ｄ３＝８ｍｍ）、Ｎｏ．９（Ｄ２＝１０ｍｍ、Ｄ３＝１０ｍｍ）の条件では、Ｓν／Ｓｏは、０．５９、０．３７と低い値を示した。一方、気柱の形成が確認されなかったＮｏ．１〜３（Ｄ２＝２０ｍｍ）の条件、Ｎｏ．４（Ｄ２＝１５ｍｍ、Ｄ３＝６ｍｍ）の条件では、Ｓν／Ｓｏは、２．６６以上の値を示した。
【００９６】
以上の検討からＳν／Ｓｏ＜０．５９の条件では、気泡除去率Ｅｂが大幅に低下すること、Ｓν／Ｓｏ＞２．６６の条件では流入管路部とテーパ管路部内で気泡が合体しづらいことが確認された。したがって、流入管路部とテーパ管路部内で気泡合体させ放気口５０から効率よく除去させる条件は０．５９＜Ｓν／Ｓｏ＜２．６６の範囲に存在することがわかる。気泡を流体から効率よく分離除去するためには、気泡分離除去装置１００内で気泡を合体させて大きな気泡をつくること、また、集合させ気泡を可能な限り多く放気口５０から流出させる必要がある。すなわち、気泡分離除去装置１００の気泡分離除去性能を向上されるには０．５９＜Ｓν／Ｓｏ＜２．６６の範囲の値を示すように流出口径Ｄ２と放気口径Ｄ３を選定することが望ましい。
【００９７】
次に、スパイラル係数比Ｓν／Ｓｏを用いて放気口径Ｄ３を決定する。なお、ここでは気泡分離除去装置１００に流入する気泡分離除去対象液体と気泡の流入量に対する放気口５０からの流出量比Ｒνは、可変絞り等で調整能な状態を想定している。
【００９８】
スパイラル係数の比Ｓν／Ｓｏの算出には、流口径Ｄ２と放気口径Ｄ３と流出口のほかに放気口からの流出比Ｒν（＝Ｑν／Ｑｉ＝Ｑν／（Ｑｏ＋Ｑν））が必要となり、Ｓν／ＳｏからＤ３を選択するには、先にＲνを決定する必要がある。そこで、装置に流入する混気泡量を考慮し、Ｒνを決定する。ここで、気泡分離除去装置１００内部で十分に気泡を集合させことがきれば、放気口５０からの流出量が少なくても高い気泡除去率Ｅｂを維持すること可能である。本条件では、気泡混入率１％の条件を想定しているため、まず、Ｒνを１％と仮定してＤ３を決定する。
【００９９】
上述したように、０．５９＜Ｓν／Ｓｏ＜２．６６の範囲に最適なスパイラル係数比が存在することを示したが、Ｒνをこの範囲内で調整可能な状態にすることで、気泡分離除去装置１００は高い分離除去性能を維持することが可能になると考えられる。
【０１００】
０．５９＜Ｓν／Ｓｏ＜２．６６の範囲でＲνを調整可能にするために、Ｓν／Ｓｏの下限となるＳν／Ｓｏ＝０．５９となるようにＤ３を決定する。Ｄ２を１２．５ｍｍ、Ｒνを１％とすると、Ｄ３は３．２ｍｍとなり、Ｒνは約４％（Ｓν／Ｓｏ＝２．５）まで変更可能となる。
【０１０１】
ここで、形状パラメータの変更を行う前の基準形状パラメータとこの発明で最適な形状として示した形状で気泡分離除去装置１００の気泡分離除去性能を比較する。この性能の比較にはラグンジェ混相流モデルで実施した数値解析の結果を用いる。
【０１０２】
表６に、この解析の条件を示す。
【０１０３】
【表６】
0006461623.tif 000007
ここで、Ｎｏ．１が基準の形状、Ｎｏ．２がこの発明で最適形状として示した形状である。ラグンジェ混相流モデルを使用する場合、分散相である気泡の体積占有率が高い条件に対応していなため、流入流量Ｑｉ、流体粘度ν、気泡 径Ｄｂは基準の流体条件と同じＱｉ＝２０Ｌ／ｍｉｎ、ν＝３２ｍｍ２／ｓ、Ｄｂ＝０．１ｍｍとしているが、気泡混入率ＲＱＢを０．１％と少なくして解析を実施している。また、放気口５０からの流出比Ｒνも４％とし、スパイラル係数の比を大きくすることで気泡の体積占有率が局所的に高くなることのないように設定した。
【０１０４】
基準の条件であるＮｏ．１の形状では、気泡分離除去装置１００の中心軸上に集合せず、気泡除去率Ｅｂも低い値を示している。一方、Ｎｏ．２の条件では、気泡は装置の中心軸上に集合しており、気泡除去率Ｅｂも高い。したがって、気泡分離除去装置１００の最適形状は、流入量Ｑｉ＝２０Ｌ／ｍｉｎ、液体粘度ν＝３２ｍｍ２／ｓ、気泡径Ｄｂ＝０．１ｍｍの条件において基準形状よりも高い気泡分離除去性能を示すことが明らかになった。
【０１０５】
上述したように、気泡分離除去装置１００の最適な形状パラメータを検討し、流入管路部径Ｄ１、流出口径Ｄ２、放気口径Ｄ３、テーパ管路部長Ｌ２を最適化した。しかし、これらの条件は、気泡分離除去装置１００に流入する流体の条件を固定しており、流体の条件が異なれば性能も気泡分離除去装置１００の気泡分離除去性能も変化する。
（４）装置パラメータの決定手法
次に、気泡分離除去装置１００に流入する流体の条件の違いを考慮した気泡分離除去装置１００の装置パラメータの決定手法を示す。
【０１０６】
流体条件の違いを考慮して気泡分離除去装置１００を設計するために、はじめに基準の流体条件を設定する。ここでは流入量Ｑｉ＝２０Ｌ／ｍｉｎ、液体動粘度ν＝３２ｍｍ２／ｓ、気泡径Ｄｂ＝０．１ｍｍ、気泡混合率ＲＱＢ＝１％を流体の基準の流体条件とし、この基準の流体条件のもとに最適化された基準の装置形状を決定する。
【０１０７】
表７にこの発明で最適化された基準の装置形状の形状パラメータを示す。
【０１０８】
【表７】
0006461623.tif 000008
なお、装置の最適形状は、以下の流れで数値解析を実施し、気泡の挙動やスパイラル係数の分布を比較することで
決定する。
Ｉ．テーパ管路部のないストレー形状の気泡分離除去装置１００で流出口径Ｄ２を種々変更して数値解析を実施し、気泡径Ｄｂ＝０．１ｍｍの気泡を装置の中心軸上に集合させることが可能な最大流出口径Ｄ２を最適な流出口径Ｄ２とした。このとき、流出口径Ｄ２を代表長さ、流出口の平均流速を代表速度とする場合のレイノルズ数は１０６７、流出口径Ｄ２に対する気泡径に対する気泡径Ｄｂの比で表される無次元気泡径は０．００８である。
ＩＩ．ストレー形状から流入管路部径Ｄ１を大きくしていき、装置断面のスパイラル係数の分布から、四重旋回流が生じる最小流入管路部径Ｄ１を最適な流入管路部径とした。
ＩＩＩ．テーパ管路部長Ｌ２を長くしていき、流入管路部とテーパ管路部付近の旋回挙動が四重旋回流から二重旋回流に変化するときのテーパ管路部長Ｌ２を最適なテーパ管路部長Ｌ２とした。
ＩＶ．気泡混入率ＲＱＢ＝１％から放気口５０から流出する流体の流体比を決定し、スパイラル係数の比が０．５９＜Ｓν／Ｓｏ＜２．６６の値を示すように放気口径Ｄ３を決定した。
【０１０９】
前述のように、流体の条件の違いを考慮して装置の選定を行うには、レイノルズ数と無次元気泡径を考慮する必要がある。基準の流体条件に対する気泡分離除去装置１００の形状パラメータの最適化手法のＩ．において、気泡を装置の中心軸上に集合させるため必要な無次元気泡径Ｄｂ／Ｄ２とレイノルズ数は、それぞれ０．００８と１０６７であることがわかっている。基準の流体条件と異なる条件で装置を使用する場合には、無次元気泡径Ｄｂ／Ｄ２とレイノルズ数のそれぞれの値が、０．００８と１０６７以上となるように流出口径Ｄ２を決定する。流出口径Ｄ２の選定は以下流れで行う。
ｉ．気泡径Ｄｂを基準に、無次元気泡径Ｄｂ／Ｄ２が０.００８以上となるように流出口Ｄ２を決定する。
ｉｉ．レイノルズ数Ｒｅを算出し、Ｒｅ＜１０６７となる場合にはレイノルズ数Ｒｅが１０６７以上となるように流出口径Ｄ２を設定し直す。
【０１１０】
なお、ｉｉ．のレイノルズ数Ｒｅを考慮して流出口径Ｄ２を決定するとき、流入量Ｑｉを変更することが可能な場合には、流出口径Ｄ２ではなく、流入量Ｑｉを変更しても良い。また、流入量Ｑｉが変化する条件で使用する場合には、最低流入流量、あるいは平均流入量を用いてレイノルズ数Ｒｅが１０６７以上となる条件に設定する。
【０１１１】
次に、流出口径Ｄ２以外の形状パラメータを設定する。前述したように、無次元気泡径が一致していれば、レイノルズ相似則成り立つので、基準の流体条件で最適化された形状から相似形状で装置各部のパラメータを設定することで高い気泡分離除去性能を得ることができる。
【０１１２】
したがって、無次元気泡径とレイノルズ数から決定した流出口径Ｄ２を基準に、表７のパラメータから相似形状で装置の寸法を拡大あるいは縮小することで、流出口径Ｄ２以外の形状パラメータを決定することが可能である。
【０１１３】
レイノルズ数と無次元気泡径を考慮すること装置に流入する流体の流入量Ｑｉ、動粘度ν、気泡径Ｄｂを考慮することが可能であるが、流体に含まれる気泡の混入率ＲＱＢを考慮することはできない。したがって、混入気泡量が明らかになっている場合は、放気口５０からの流体の流出比Ｒνと放気口径Ｄ３を設定し直すことでさらに効率よく気泡を除去することができる。
【０１１４】
これらのパラメータは、基準の流体条件における装置形状の最適化の方法で示したＩＶ．と同じ方法で設定することが可能ある。しかし、実際には流体に混入する気泡量を測定することは困難である。今回設定した気泡の混入率ＲＱＢ＝１％は気泡量が非常に多い条件であるため、気泡の混入を測定すること困難な場合にはこの作業を行う必要はない。
【０１１５】
図２は、上記気泡分離除去装置１００に関する装置パラメータの決定手法をフローチャートで示したものである。
【０１１６】
図２において、この気泡分離除去装置１００に関する装置パラメータの決定に際して、まず、この気泡分離除去装置１００で気泡の分離除去を行う気泡除去対象流体の基準の流体条件を設定する（ステップ１０１）。ここで設定される基準の流体条件は、例えば、流入量Ｑｉ＝２０Ｌ／ｍｉｎ、動粘度ν＝３２ｍｍ２／ｓ、気泡径Ｄｂ＝０．１ｍｍ、気泡混合率ＲＱＢ＝１％である。
【０１１７】
次に、上記基準の流体条件に基づきこの発明に係る気泡分離除去装置１００の流出口径Ｄ２の最適化を行う（ステップ１０２）。この流出口径Ｄ２の最適化は、テーパ管路部４０のないＤ１＝Ｄ２のストレート形状の気泡分離除去装置１００を用いて流出口径Ｄ２の値を種々変更して数値解析を行い、気泡除去対象流体に含まれる気泡を装置の中心軸上に有効に集合させることが可能な最大流出口径Ｄ２を基準の最適な出力口径Ｄ２として決定する。ここで決定された基準の最適な出力口径Ｄ２は１２．５ｍｍである。また、このときのレイノルズ数は１０６７、無次元気泡径は０．００８である。
【０１１８】
次に、出口径Ｄ２を最適な１２．５ｍｍとして、テーパ管路部４０のある気泡分離除去装置１００を用いて、流入管路部径Ｄ１とテーパ管路長Ｌ２の最適化を行う（ステップ１０３）。この流入管路部径Ｄ１とテーパ管路長Ｌ２の最適化は、流入管路部径Ｄ１とテーパ管路長Ｌ２を種々変更して数値解析を行い、装置の気泡分離除去性能が向上する流入管路部径Ｄ１とテーパ管路長Ｌ２を基準の最適な流入管路部径Ｄ１とテーパ管路長Ｌ２として決定する。ここで決定された基準の最適な流入管路部径Ｄ１は２０ｍｍ、テーパ管路長Ｌ２は、１０ｍｍである。
【０１１９】
次に、放気口径Ｄ３の最適化を行う（ステップ１０４）。この放気口径Ｄ３の最適化は、装置内部の液体を剛体と仮定して放気口５０と流出口３０の管路内のスパイラル係数ＳνとＳｏを計算し、スパイラル係数の比Ｓν／Ｓｏが０．５９＜Ｓν／Ｓｏ＜２．６６の値を示すように基準の最適な放気口径Ｄ３を決定する。ここで決定された基準の最適な放気口径Ｄ３は、３．２ｍｍである。
【０１２０】
他のパラメータＬ１、Ｌ３、ｗ、ｈは、レイノルズ数Ｒｅが１０６７となるように決定され、ここで、決定された基準の最適なパラメータＬ１、Ｌ３、ｗ、ｈは、それぞれ、Ｌ１＝１０ｍｍ、Ｌ３＝１４０ｍｍ、ｗ＝３ｍｍ、ｈ＝6ｍｍである。
【０１２１】
以上のパラメータがこの発明によって決定された基準の最適なパラメータで、その値は前掲した表７に示される。
【０１２２】
次に、上記基準の最適なパラメータで作成される気泡分離除去装置１００のサイズはその使用環境等により容認できるか否かを調べる（ステップ１０５）。ここで、容認できない場合は（ステップ１０５でＮＯ）、上記基準の最適なパラメータで示される装置の各部の寸法をレイノルズ数Ｒｅを維持するように相似形状で拡大あるいは縮小することで所望の装置サイズに変更する（ステップ１０６）。この場合、装置サイズを変更しても、レイノルズ数Ｒｅが維持されているので、上記基準の最適なパラメータで作成された基準の装置の気泡分離除去性能は維持される。
【０１２３】
次に、作成された装置が、０．５９＜Ｓν／Ｓｏ＜２．６６の条件を満足するかを調べる（ステップ１０７）。ここで、０．５９＜Ｓν／Ｓｏ＜２．６６の条件を満足していない場合は（ステップ１０７でＮＯ）、次に、この装置の流入量Ｑｉは変更可能かを調べ（ステップ１０８）、変更可能でない場合は（ステップ１０８でＮＯ）、これ以上の手順を終了するが、変更可能な場合は（ステップ１０８でＹＥＳ）、０．５９＜Ｓν／Ｓｏ＜２．６６の条件を満足するように流入量Ｑｉを変更して（ステップ１０９）、この手順を終了する。
【０１２４】
ところで、上記説明では、レイノルズ数と無次元気泡径を一致させることで装置の気泡分離除去性能を維持できることを示した。しかし、レイノルズ数と無次元気泡径を個々に一致させる場合、気泡径と作動油の動粘度が既知であれば流入流量と流出口径が決まってしまうため、流入流量が調整できない条件では装置の性能を最適化することが困難になる。
【０１２５】
そこで、気泡径を考慮した指標を設定するために、気泡にかかる向心力に注目すると、旋回する流体中の粒子は半径方向に向心力を受ける。そのときの加速度は中心からの距離ｒに依存し、ｒω２で与えられる。さらに粒子は流体粘性力を受け、向心力と流体粘性力がつりあうと等速度（終端速度Ｕｔｃ）で移動する。そのときの気泡分離除去装置１００内の気泡の終端速度Ｕｔｃは以下の式で与えられる。
【０１２６】
Ｕｔｃ＝（ρＨ−ρＢ）ＤＢ２ｒω２／１８μ
ここで、ρＨとρＢはそれぞれ液体と気泡の密度、ＤＢは気泡径、μは流体の粘性係数である。本発明に係る気泡分離除去装置１００においては、ｒ＝Ｄ２／２で、各速度ωは、装置内部の流体を剛体として仮定すると、流入口１０の流入速度Ｕｓｉと流入管路部半径ｒから求められる。また、ρＢはρＨに比べて極めて小さいため、上式は、以下の式に書き換えることができる。
【０１２７】
Ｕｔｃ＝（１／９）・（Ｄ２Ｕｓｉ／ν）・（Ｄｂ／Ｄ２）２・Ｕｓｉ
ここで、νは流体の動粘度である。
【０１２８】
上記式から、Ｕｔｃは、レイノルズ数とＵｓｉを代表速度をとしたときのレイノルズ数と無次元気泡径の２乗に比例し、特に無次元気泡径の影響が大きいことがわかる。
【０１２９】
そこで、レイノルズ数と無次元気泡径の２乗の積Ｒｅ（Ｄｂ／Ｄ２）２を気泡の集合を表す指標とし、この値が等しいときの気泡の挙動を表８で比較する。
【０１３０】
【表８】
0006461623.tif 000009
表８で、Ｎｏ．１〜３に表１で示した各条件のＲｅ（Ｄｂ／Ｄ２）２の値を示す。気泡含有率分布が一致したＮｏ．１とＮｏ．３の条件では、Ｒｅ（Ｄｂ／Ｄ２）２も一致することがわかる。ここで、流入流量Ｑｉ動粘度νをＮｏ．１と同じ条件とし、気泡径Ｄｂのみを小さくしたときの装置の選定法を検討する。Ｎｏ．４は、Ｒｅ（Ｄｂ／Ｄ２）２がＮｏ．１と一致するようにＤ２を決定したときの条件であり、Ｄ２以外の形状パラメータもＮｏ．１の相似形状で縮小している。ここで、Ｎｏ．１とＮｏ．３の条件だけでなく、Ｎｏ．４の条件でも、装置の中心軸上に気泡を有効にあつめることができる。
【０１３１】
したがって、レイノルズ数と無次元気泡径を個々に一致させる代わりに、レイノルズ数と無次元気泡径の２乗の積Ｒｅ（Ｄｂ／Ｄ２）２の値を維持するようにしても、装置の気泡分離除去性能を維持することができる。
【０１３２】
以上がこの発明の代表的な実施形態の一例であるが、本発明は、上記実施例及び図面に示す実施例に限定することなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形して実施できるものである。
【符号の説明】
【０１３３】
１０    流入口
２０    流入管路部
３０    流出口
４０    テーパ管路部
５０    放気口
１００    気泡分離除去装置
【図１】
0006461623.tif 000010
【図２】
0006461623.tif 000011