(57)【要約】移動中の蒸気−液滴混合物から液滴を分離する液滴分離器は、ある材料で作られた複数の湾曲フィン（２０１，２０２，２０３）と、湾曲フィンを互いに間隔をあけて保持する保持部（２０４）とを備え、フィン（２０１，２０２，２０３）および保持部（２０４）は、蒸気−液滴混合物の中の液滴が液滴の飛行経路に起因して液滴分離器を通過せずにフィンに衝突するように、液滴分離器を通る直進通路が隠閉されるべく構成されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動中の蒸気−液滴混合物から液滴を分離する液滴分離器であって、
ある材料で作られた複数の湾曲したフィン（２０１，２０２，２０３）と、
前記湾曲したフィンを互いに間隔をあけて保持する保持部（２０４）と、を備え、
前記フィン（２０１，２０２，２０３）および前記保持部（２０４）は、前記蒸気−液滴混合物の中の液滴がその液滴の飛行経路に起因して前記液滴分離器を通過せずに前記フィンに衝突し、前記液滴分離器を通る直進通路が隠閉されるように構成されている、液滴分離器。
【請求項２】
前記液滴分離器がその平面視において円形形状を有し、前記フィン（２０１，２０２，２０３）がそれらの上端および下端において前記液滴分離器の中心領域に向かって湾曲している、請求項１に記載の液滴分離器。
【請求項３】
２０ｍｍを超える高さを有する、請求項１又は２に記載の液滴分離器。
【請求項４】
前記複数のフィンの各フィンが１つの完全な環を形成している、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の液滴分離器。
【請求項５】
前記液滴分離器がその平面視において円形または楕円形を有しており、
前記フィンが円形または楕円形であって、かつ互いに平行に配置されている、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の液滴分離器。
【請求項６】
前記フィンの各々がある曲率半径に従って湾曲している、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の液滴分離器。
【請求項７】
全ての前記フィンについて前記曲率半径が同一である、請求項６に記載の液滴分離器。
【請求項８】
前記フィンの各々が球面の分弧として形成されている、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の液滴分離器。
【請求項９】
前記保持部（２０４）は複数の橋絡部（２０４，２０８，２０９，２１０，２１１，２１２）を含み、これら橋絡部によって前記複数のフィンが互いに接続されている、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の液滴分離器。
【請求項１０】
前記液滴分離器は円形であり、かつ少なくとも２つの前記橋絡部を含み、前記橋絡部同士が互いに対して同じ角度を形成している、請求項９に記載の液滴分離器。
【請求項１１】
前記液滴分離器がプラスチック射出成形要素として形成されている、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の液滴分離器。
【請求項１２】
前記液滴分離器の上半分と下半分とが存在し、前記上半分と前記下半分とが同一であって互いに組み合わされている、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の液滴分離器。
【請求項１３】
前記液滴分離器はその作動位置において圧縮機（４０９）の吸入口（４１２）に向かって方向付けられるべき上端部を含み、
前記フィンは、前記上端部における前記フィンの接線が前記吸入口の中心領域に向かっており、これにより前記液滴分離器を通過して流れる蒸気の流れ方向が前記吸入口（４１３）の前記中心領域へと方向付けられるように構成されている、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の液滴分離器。
【請求項１４】
請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の液滴分離器（４０８）と、
前記液滴分離器の下方にある液体供給部（４０２，４０３，４０４）と、
前記液滴分離器（４０８）の上方にある吸入口（４１２）と、を備える蒸発器。
【請求項１５】
請求項１４に記載の蒸発器であって、
円筒形のケース（４００）を含み、
前記液滴分離器（４０８）は回転対称形であり、かつ前記液滴分離器を前記円筒形のケース内に配置した場合に前記円筒形のケースの壁からの距離が最大でも１０ｍｍ未満となるような大きさの直径を有し、
前記吸入口（４１２）は、直径が前記液滴分離器よりも小さく、かつ前記液滴分離器の上方の中心部に配置された開口部を含み、前記吸入口（４１２）の前記開口部と前記液滴分離器（４０８）の前記上端部との距離が２０ｍｍよりも大きい、蒸発器。
【請求項１６】
請求項１４又は１５に記載の蒸発器であって、
前記液体供給部は、
蒸発させるべき液体が膨張要素の中を通って供給される、膨張要素（４０３）と、
供給された作動液体を半径方向外側に向かって方向転換するために、前記膨張要素（４０３）の上方に間隔をあけて配置された方向転換要素（４０４）と、を含み、
前記膨張要素の直径と前記方向転換要素の直径との両方が、前記液滴分離器（４０８）の直径よりも小さい、蒸発器。
【請求項１７】
請求項１４乃至１６のいずれか一項に記載の蒸発器であって、
縮径要素（４１１）をさらに含み、前記縮径要素の一端部が前記吸入口（４１２）を形成し、その一端部が前記液滴分離器（４１８）に向かって方向付けられており、前記縮径要素の他端部が前記吸入口よりも小さい直径を有し、その他端部が圧縮機（４０９）の蒸気入口に接続可能な管に接続されている、蒸発器。
【請求項１８】
移動中の蒸気−液滴混合物から液滴を分離する液滴分離器を製造する方法であって、
ある材料で作られた複数の湾曲したフィンを準備するステップと、
前記湾曲したフィンを互いに間隔をあけて保持する保持部を準備するステップと、
前記蒸気−液滴混合物の中の液滴がその液滴の飛行経路に起因して前記液滴分離器を通過せずにフィンに衝突し、前記液滴分離器を通る直進通路が隠閉されるように、前記フィンおよび前記保持部を構成するステップと、を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液滴分離器又はデミスタ（くもり取り装置）に関し、特に、ヒートポンプ内で使用される液滴分離器と、建物を暖房もしくは冷房するため又は他の物体を加熱もしくは冷却するために使用可能なヒートポンプと、に関する。
【背景技術】
【０００２】
図５Ａ及び図５Ｂは、特許文献１に示されたヒートポンプを表している。
【０００３】
図５Ａは水蒸発器１０をまず備え、その蒸発器１０が作動液体としての水を蒸発させ、出力側において作動蒸気ライン１２内に蒸気を生成する。蒸発器は蒸発空間（図５Ａには図示されていない）を含み、その蒸発空間内では２０ｈＰａ未満の蒸発圧力を生成するよう構成されているので、その蒸発空間内では水が１５℃未満の温度で蒸発することになる。水は、好ましくは地下水であるか、土壌内を非制限的に循環するか若しくは収集管内を循環する塩水、すなわち所定の塩分を有する水であるか、河川水、湖水または海水である。本発明によれば、あらゆる種類の水、すなわち石灰分を含む水、石灰分を含まない水、塩水、又は塩分を含まない水を、好適に使用することができる。その理由は、すべての種類の水、即ちこれら「水物質」のすべてが、水の好都合な特性を示すからである。その特性とは、「Ｒ７１８」としても知られる水が、エンタルピー差の比６を有しており、この比はヒートポンププロセスのために使用可能であって、例えばＲ１３４ａなどの典型的に有用なエンタルピー差の比の２倍を超える、という事実である。
【０００４】
水蒸気は、吸入ライン１２を介して、例えばターボ圧縮機の形態を有し、図５Ａ内に符号１６で示される例えば遠心圧縮機などのフロー機械を備えた圧縮機／凝縮器システム１４へと送られる。フロー機械は、作動蒸気を少なくとも２５ｈＰａを超える蒸気圧へと圧縮するよう構成されている。２５ｈＰａは約２２℃の凝縮温度に相当し、この温度は、少なくとも比較的暖かい日には床下暖房のための既に充分な暖房用流れ温度であり得る。さらに高い流れ温度を生成するために、３０ｈＰａを超える圧力がフロー機械１６において生成されてもよい。３０ｈＰａの圧力は２４℃の凝縮温度に相当し、６０ｈＰａの圧力は３６℃の凝縮温度に相当し、１００ｈＰａの圧力は４５℃の凝縮温度に相当する。床下暖房システムは、非常に寒い日においても、４５℃の流れ温度を用いた充分な程度の暖房を提供できるよう設計されている。
【０００５】
フロー機械は、圧縮された作動蒸気を凝縮するよう構成された凝縮器１８へと接続されている。凝縮によって、作動蒸気に含まれるエネルギーが凝縮器１８へと供給され、次に、送り要素２０ａを介して暖房システムへ供給される。作動流体は、戻り要素２０ｂを介して凝縮器へと流れ戻る。
【０００６】
上述の発明によれば、高エネルギーの水蒸気から熱（エネルギー）をより低温の暖房用水によって直接的に引き出すことが好ましく、この熱（エネルギー）は、その暖房用水が昇温するように暖房用水によって吸収される。蒸気が凝縮されかつ暖房サイクルに関与するように、ある量のエネルギーが蒸気から取り出される。
【０００７】
つまり、凝縮器又は暖房システムへの材料の導入は、出口２２によって調整されており、その調整は、水蒸気の連続的な供給と凝縮にもかかわらず、凝縮器がその凝縮空間においてある最大レベルを常に下回る水位レベルを保つようにするものである。
【０００８】
上述したように、開放サイクルを使用すること、即ち熱源を代表する蒸発水を熱交換器なしで直接的に使用することが好ましい。しかし代替的に、蒸発させるべき水を、最初に外部の熱源によって熱交換器を用いて加熱してもよい。しかしながら、そのような熱交換器はまた、損失と装置の複雑性とをもたらす点にも留意すべきである。
【０００９】
さらに、これまで凝縮器側に必然的に存在していた第２の熱交換器に係る損失を回避する目的で、そこでも媒体を直接的に使用することが好ましい。すなわち、床下暖房システムを備える家屋を例にした場合、蒸発器から来る水を床下暖房器内に直接的に循環させることが好ましい。
【００１０】
代替的に、凝縮器側に熱交換器を配置してもよく、そのような熱交換器は、送り要素２０ａによる供給を受けるとともに戻り要素２０ｂを有しており、その熱交換器は凝縮器内の水を冷却し、したがって典型的には水である別の床下暖房用液体を昇温させる。
【００１１】
水が作動媒体として使用され、さらに地下水のうちの気化した部分のみがフロー機械へと供給されるという事実から、水の純度は重要でない。フロー機械には、凝縮器及び場合によっては直接的に連結される床下暖房器と同じように、常に蒸留水が供給されるので、現状のシステムと比べると、このシステムには保守サービスが少なくて済む。換言すると、このシステムには常に蒸留水しか供給されず、したがって出口２２内の水が汚染されないため、このシステムは自浄式である。
【００１２】
加えて、フロー機械は、航空機のタービンと同様に、圧縮された媒体を例えば油のような問題ある物質に対して接触させないという特性を有している点に注目すべきである。代わりに、水蒸気は、タービン又はターボ圧縮機によってのみ圧縮され、純度に悪影響を及ぼすような油又は他の媒体に接触することがなく、したがって汚染されることがない。
【００１３】
他に制限的な規則がない場合には、出口を通って排出された蒸留水を再び地下水へと容易に供給することができる。代替的に、規則が求める場合には、この蒸留水を例えば庭又は解放領域などに染み込ませてもよく、又は水路を介して廃水浄化プラントへと供給してもよい。
【００１４】
Ｒ１３４ａに比べて２倍程度良好である有用なエンタルピー差の比を特徴とする作動媒体としての水と、閉鎖しているシステムに対する結果的に軽減された要件（むしろ開放システムが好ましい）との組合せ、及び要求される圧縮係数を効率的にかつ純度に悪影響を及ぼすことなく達成できるフロー機械の使用によって、効率的でかつ環境的に中立なヒートポンププロセスが達成され、このプロセスは、水蒸気が凝縮器内で直接的に凝縮される場合には更に効率的になる。なぜなら、全体のヒートポンププロセスにおいて、ただ１つの熱交換器でさえ必要でなくなるからである。
【００１５】
図５Ｂは異なる圧力とその圧力に関連する蒸発温度とを示す表であり、特に作動媒体としての水に関し、蒸発器では比較的低い圧力が選択されるべきであることがわかる。
【００１６】
高効率のヒートポンプを実現するために、全ての構成要素、即ち蒸発器、凝縮器および圧縮機が好適に設計されることが重要である。
【００１７】
一方、ヒートポンプが長期間の安定性を示すことも非常に重要である。なぜなら、使用方法にもよるが、非常に長期間、何の障害も発生せず保守サービスも必要とせずに作動する必要があるからである。
【００１８】
特に、水が作動媒体として使用され、例えばターボ圧縮機又は遠心圧縮機などのフロー機械が圧縮のために使用される場合には、圧縮機ホイールの比較的高い回転数が必要となる。
【００１９】
他方、蒸発の際に結果として得られるものが、純粋な蒸気だけでなく、作動液体の蒸気と追加的な液滴とであることが問題である。しかし、圧縮機内の非常に高速で回転しているラジアルホイール上に作動液体のこれらの液滴が衝突すると、ラジアルホイールは損傷を受ける恐れがある。この点は、蒸発器内の蒸発効率を減少させることにより回避可能である。つまり、その蒸発空間内で蒸発させられるべき液体が強力に運動させられることがないように、蒸発空間内のパラメータを設定することである。しかし、その場合には、蒸発器内の効率が低下する点、及び、必要とされるヒートポンプ性能にとって十分に多量の蒸気を得るためにより大きな容積が必要となる点において、問題がある。
【００２０】
他の解決策は、ラジアルホイールに到達する蒸気が液滴を全く含まないか、又は非常に限られた数の液滴しか含まないように保証する、液滴分離器を設けることである。
【００２１】
しかし、この液滴分離器について、この分離器そのものが特に大きな損失を生まないことが重要である。液滴分離器が蒸気に対する大きな抵抗を示す場合には、圧縮機のさらに高い回転数によってその抵抗が補償されなければならず、効率と容積の点から見てかえって問題となる。プラスチック糸で作られたメッシュの形態を有する液滴分離器は、製造及び組立に関して簡素で安価であることが分かっているが、しかし一方で、液滴を通過させてしまい、それが結果的にラジアルホイール内で問題を起こす可能性がある。また他方、それらが非常に少数の液滴しか通過させないか全く通過させないよう構成された場合には、蒸気に対して比較的高い対抗を示すことになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】欧州特許第２０１６３４９（Ｂ１）号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
本発明の目的は、より効率的な液滴分離器の概念を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明の目的は、請求項１に係る液滴分離器、請求項１４に係る液滴分離器を備えた蒸発器、又は請求項１８に係る液滴分離器を製造する方法により達成される。
【００２５】
本発明は、保持部に保持され典型的には硬質材料で作られた複数の湾曲したフィン又は羽根を使用することで、効率的にまた同時に有意な損失を伴わずに液滴分離を達成できるという知見を基礎とする。特に、フィン及び保持部は、液滴分離器がそこから液滴を分離すべき蒸気−液滴混合物の中の液滴が、液滴の飛行経路に起因して液滴分離器を通過せずにフィン上に衝突するように、液滴分離器を通る直進通路を隠閉するよう構成されている。
【００２６】
他方、蒸気は有意な損失を何も伴うことなく液滴分離器を通過できる。つまり、液滴はフィンに衝突し、そこから下方に流れて蒸発器空間内へと滴下する一方で、蒸気は液滴分離器を通過できるという事実によって、液滴が非常に十分に抑止されることになる。液滴分離は、液滴分離器を通過する直進通路が無い、即ち光に照らして液滴分離器を持った場合に液滴分離器を透視できないという事実によって保証される。つまり、典型的に直線飛行経路を持つ液滴は、液滴分離器を通過できないのである。
【００２７】
蒸気の方向転換は次のように実行される。即ち、蒸発空間内、即ち液相から気相への変換が行われる空間内で、蒸気が湾曲したフィンによって「取り上げ」られ、フィンを通過し、液滴分離器の反対側に排出されるように実行されるものであり、その排出方向は、液滴分離器の後で蒸気が進むべき経路に対して最適に適合し得る方向である。典型的には、圧縮機の吸入口がそこに配置されており、その吸入口は漏斗形であって大径部から小径部に向かって蒸気を合体させる。好ましくは、液滴分離器の排出側においてその吸入口へと向かうフィンの曲率は、蒸気が吸入口内へと最適に、即ち蒸気が吸入口の中心領域内へと既に導入されるように形成されている。これにより、液滴分離器の前側においても後側においても、又は圧縮機の前側においても吸入口においても、ヒートポンプの効率に対して悪影響を及ぼす恐れのある損失又は乱れが発生しないことが保証される。他方では、蒸気から液滴が効率的に除去されて、その結果、液滴分離器の後側では液滴が全く存在しないか、又は微小な液滴が極少量しか存在しないので、圧縮機ホイールに衝突した場合でも何も障害を引き起こし得ないということが保証される。
【００２８】
以下に、本発明の好ましい実施形態について、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】一実施形態に従う液滴分離器の斜視図である。
【図２】一実施形態に従う液滴分離器の概略的な断面図である。
【図３】一実施形態に従う液滴分離器の詳細な断面図である。
【図４】圧縮機および凝縮器が接続された蒸発器の概略的な図である。
【図５Ａ】公知のヒートポンプの全体図である。
【図５Ｂ】異なる圧力とそれらに関係する蒸発温度とを示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
図１は本発明の一実施形態に係る液滴分離器を斜視図で示し、図２は液滴分離器の概略的な断面図を示す。特に、図２の液滴分離器２００は、移動中の蒸気−液滴混合物から液滴を分離するよう構成されている。図２に示す移動中の蒸気−液滴混合物は、液滴分離器の下方の領域２０２内に位置しており、他方、液滴分離器の上方、即ち領域２０４内には、理想的な場合には蒸気だけが存在して液滴が存在しない。蒸発プロセスが進行中であり、そのプロセスは、媒体が蒸発する温度又はそれに近い温度へと蒸発温度が導かれるように、蒸発器内の圧力を調整することで達成されることから、下方の領域２０２内においては、一方では水蒸気の、他方では液滴の比較的無秩序な運動が存在する。同時に、図４に例示的に示すように、液滴分離器の上方にその吸入口を有する圧縮機によって、蒸気−液滴混合物が上方へと引っ張られる。これにより、典型的には液滴が直線経路上で加速されることになり、これらの液滴は、図２内で幾つかの軌跡２０６によって示すように、好ましくは硬質材料で形成された複数の湾曲したフィン２０１，２０２，２０３上に当たる。加えて、液滴分離器はまた、湾曲フィン同士を互いに所定の間隔をあけて保持する保持部２０４，２０５を含む。特に、フィン２０１〜２０３及び保持部２０４，２０５は、液滴分離器を通過する直進通路が隠閉されており、その結果、液滴の飛行経路に起因して、蒸気−液滴混合物内の液滴が液滴分離器を通過できず、軌跡２０６を用いて示すようにフィン上に衝突するように構成されている。
【００３１】
しかし、蒸気はフィン２０１，２０２，２０３の間を容易に通過できる。特に、蒸気は下方の領域２０２内においてフィンの湾曲に起因して緩やかに方向転換され、次に各フィンの湾曲壁に沿って通過して行き、再度方向転換される。このとき、液滴分離器２０４の上方には、図２に示すように中心へと向かう比較的方向付けされた蒸気流が存在する。個々のフィンの湾曲によって、蒸気は、液滴分離器により作動液体の液滴から解放されるだけでなく、同時にまた、流れに関して最適となるように、即ち下流の圧縮機の吸入口に対して最適な方向と傾向とを持つように方向転換される。
【００３２】
図１は、一実施形態に従う液滴分離器の斜視図を示し、保持部２０４，２０８，２０９，２１０，２１１によって互いに相対的に保持されているフィン２０１，２０２，２０３を再度示す。図１に示す実施形態では、保持部は全てのフィンと交わりそれらの形状と互いの距離を保たせる垂直な壁として形成されている。図１に示す実施形態においては、６個のそのような壁が互いの間に６０°の角度を持って設けられている。しかしながら、より少数のそのような壁が設けられてもよく、例えばただ２つの壁が互いに９０°の角度を持って設けられてもよい。しかしまた、３個、４個又は５個の壁が設けられてもよく、図１に示す円形の液滴分離器の実施形態の全ての領域が形状及び安定性に関して同等に保持されるように、これらの壁は円周に沿って均等に配置されるのが好ましい。
【００３３】
加えて、図１では合計で１１枚のフィンが配置されており、図３に示すようにその各々が同一の曲率半径を備える。特に、図１で示され図３でより詳細に示された実施形態においては、各フィンが好ましくは１ｃｍ〜１０ｃｍの間の曲率半径を示しており、特に好ましくは、４．５ｃｍ〜５．５ｃｍの間である。曲率半径はまた、フィンの密度、即ち、液滴分離器の半径に沿って単位長さ当り幾つのフィンが配置されているかにも影響を与える。フィンの密度は、図３において３００で示すように、直進通過が不可能となるように設定される。液滴分離器を直線的に通過しようとする水滴は、少なくとも１つのフィンに必然的に衝突し、下方に流れ落ち、蒸発空間へと逆戻りすることになるであろう。より強い曲率半径は蒸気をより強く方向転換する結果となり、反対に、より緩やかな曲率を有するより大きな曲率半径の場合には、蒸気をより緩やかに方向転換する結果となるが、更にまた、直進通過を防ぐためにフィンがより高い密度で配置される必要が生じる。好ましくは、液滴分離器の直径は図１に示すように４０ｃｍであり、好ましくは、１１枚の環状の全周型のフィンがそれぞれ０．５ｃｍの間隔をもって配置されている。しかし、異なる寸法もまた使用可能である。フィンの密度は液滴分離器の高さにも関係する。好ましくは７０ｍｍの高さが使用されるが、最小でも高さ２ｃｍが好ましいことが分かっている。しかし、５ｃｍ以上の高さがより良好な方向転換特性を示すことが証明されており、特に、６０ｍｍ以上の高さが望ましい。
【００３４】
図１、図２及び図３に示す実施形態においては、液滴分離器は円形又は円筒形に形成されている。しかし、他の実施形態においては、液滴分離器はまた、矩形もしくは立方形としての形状か、非円形の横境界、例えば楕円形の横境界を含む円筒としての形状か、又は錐体形状であってもよい。特に、角形の外周形状を使用する場合には、フィンは依然として全周にあるものの、円形ではなく、角形形状または液滴分離器の外周形状に適合するような形状を有してもよい。
【００３５】
一実施形態では、液滴分離器がその平面視において円形形状を有する。ここで、フィンはその上端即ち図１、図２又は図３における上端部と、下端即ちそれら図面の下端部との両方において、液滴分離器の中心領域に向かって湾曲している。液滴分離器が円形、矩形、楕円形または他の形状であるかに関係なく、各液滴分離器について中心領域が定義可能であり、この点は、回転対称の１つの軸、又は楕円の２つの軸がこの中心領域の中に含まれるという事実から得られる結果であり、液滴分離器が非常に特別な構成を持っているかに関係なく、液滴分離器を出ようとする蒸気が常にその中心に向かって「圧縮」されて、その液滴分離器の上方に配置された吸入口によって大きな乱れや損失なく吸入され得るようになっている。
【００３６】
図面に示された実施形態の中で、複数のフィンは完全な環を形成している。この特徴とフィンが湾曲しているという特徴から、流出する蒸気が中心に向かって圧縮される結果となり、同時に、液滴分離器の下方にあって依然としてかなり無秩序な蒸気／液滴運動が存在する場所にある蒸気が、取り出されて比較的緩やかに方向転換される結果となり、他方で液滴は、それらのむしろ直線的な飛行経路に起因して、フィンに衝突し液滴分離器を通過できない。
【００３７】
図１、図２および図３では全てのフィンが同じ曲率を持つ場合を示したが、他の実施形態においては、フィンが例えば外周部ではより強く湾曲し、中心部に向かうほどより緩やかに湾曲するように、フィンの曲率が外周部から中心に向かって変化してもよい。例示的または代替的に、その結果として、液滴分離器に対するフィンの密度、即ち液滴分離器の単位長さ当りのフィンの個数が変化してもよい。つまり、中心部における曲率半径が外側の曲率半径よりも緩やかな場合には、中心部におけるフィンの密度が縁部における密度よりも高くなるであろう。代替的または追加的に、液滴分離器の高さも中心から外周側に向かって変化し得る。つまり、液滴分離器は例えば中心部においては縁部よりも高くなり得る。このように、液滴分離器の単位距離当りのフィンの個数が増加しなくても、中心部における曲率が液滴分離器の縁部に比べて緩やかになり得る。
【００３８】
図面に示された実施形態の中では、各フィンは球面の分弧として形成されており、その分弧の角度は液滴分離器の高さによって決定されている。
【００３９】
図１に示す実施形態において、液滴分離器はプラスチック射出成形品として形成されており、上半分２９０と下半分２９１とは同じプラスチック射出成形で成形されているので、上半分２９０と下半分２９１とは同一形状である。次に、２つの同一の半分同士の各々が、例えば接着、溶着またはプラスチック部品を接続する類似の接続技術によって組み合わせられる。
【００４０】
好ましくは、液滴分離器は、その構造上の形状を維持することを保証するような硬質プラスチック材料が使用される。いずれのプラスチック射出成形材料も、ここで使用可能である。図１の液滴分離器は、蒸発器の上方に凝縮器が配置されかつその凝縮器の水入口と水出口とが蒸発器を貫通している、ヒートポンプ内で使用されることに特に適している。この目的で、液滴分離器を貫通して凝縮器への入口を残すように第１の穴２８０が設けられ、さらに第２の穴２８１が設けられて、ここを通過して加熱された作動液体が凝縮器から逆流できる。２つの穴２８０と２８１は、対応するパイプラインを受け入れ可能に構成されている。
【００４１】
追加的に別の通路２８２が設けられ、これにより、もし使用された場合には、凝縮器からのオーバーフローが起こり得る。対応する対称的な通路が符号２８３により示されている。
【００４２】
図１に従う液滴分離器、本発明の一実施形態に従う他の液滴分離器または他の任意の液滴分離器を含む例示的な蒸発器を、図４を参照しながら以下に説明する。この蒸発器は、蒸発器ケース４００と、膨張要素４０３を介して蒸発器へと供給される蒸発すべき作動液体のための入口４０２と、を含む。図４に示すように、直径約１７０ｍｍへの膨張が膨張要素で発生し、全体的な蒸発器ケースは円筒状であり、好ましくは４００ｍｍの直径を有する。入口４０２と膨張要素４０３とを介して供給される作動液体は、分散ディスク４０４によって上方が遮蔽されており、そのため作動液体は直接上方に向かって蒸発できず、図中に矢印で示すように、好ましくは約４０ｍｍの厚さを有する隙間４０５から横方向へと流出可能である。蒸発器内の負圧に起因し、かつ作動液体が蒸発器に侵入した温度で作動液体が蒸発するように蒸発器内の圧力が保持されているという事実に起因して、環状の隙間４０５から作動液体が流出した直後に、図中の矢印４０６で示すように作動液体の蒸発プロセスが起こる。同時に、蒸発しなかった作動液体は図中の矢印４０７で示すように下方へと流れ、その蒸発しなかった作動液体は蒸発器の底部にたまってエネルギーを失い、典型的には図４には図示されない出口を介して再度このサイクルへと供給される。蒸発プロセスは主として分散ディスク４０４の上方で行われ、その分散ディスク４０４は好ましくは流れに関して最適となるように形成されており、更に、水位よりも上に配置されてもよく、しかし又は流れに関して最適な状況を提供するように好ましくは水位下へと沈められてもよく、結果的に、ディスク４０４と液滴分離器４０８との間に蒸気−液滴混合物が存在するようになり、蒸気−液滴混合物は圧縮機４０９の働きによって上方へと移動させられる。圧縮機４０９は、吸入ライン４１０と膨張要素４１１と吸入口４１２とを介して、液滴分離器４０８の下方の蒸気−液滴混合物を上方へと吸入し、吸入口４１２は膨張要素４１１の一端部を形成している。このような吸入によって、液滴は比較的直線的な経路上で加速されるが、この点は蒸気に関しても当然同じことが言える。しかし、蒸気は液滴分離器の曲線状のフィンにより偏向されかつ液滴分離器４０８を通過するよう操向される一方で、液滴は液滴分離器のフィン上に着滴し、蒸発空間へと再度落下し、そこで直接的に蒸発するか又は重力によって出口へと到達するであろう。フィンの曲線により、液滴から解放された蒸気は、矢印４１３で概略的に示すように、流れに関して吸入口４１２に向かって最適に方向付けられる。
【００４３】
液滴を取り除かれた蒸気は、次に圧縮機の中で圧縮され、それにより蒸気の温度が相当に高くなる。圧縮機４０９の出口において凝縮器への配管４１５内に存在する蒸気は、圧縮機の入口におけるライン４１０内の蒸気と比較して相当に高い温度レベルとなる。ライン４１５内の蒸気が運ぶエネルギーは、次に凝縮器４１６内で解放され、そのエネルギーは、例えばヒートポンプを暖房システムとして運転している場合には、暖房目的に直接使用されるか、又は熱交換機を介して使用される。しかし、例えばヒートポンプを冷房目的に運転している場合には、蒸発器流出物は冷却液を表し、凝縮器流出物、即ち熱い作動液体からヒートシンクへと伝達されるものは「廃熱」を表す。
【００４４】
液滴分離器に関して、本発明は特に、図４に示すように、例えば２１５ｍｍの直径を有する吸入口に対して好適である。なぜなら、個々のフィンの曲率は、蒸気が濃縮されかつ流れに関して最適な方法で蒸気が中心領域へと方向転換されるよう設計されているからである。その結果、液滴分離器は液滴分離の機能だけではなく、同時に、この領域内の蒸気を、流れに関して良好な方法で、吸入口に向かって中心方向に方向転換させる機能をも有している。
【００４５】
図４は概略的な断面図であり、また様々な長さを提示する。各長さについての好ましい構成は、提示された長さの＋／−５０％の範囲内である。例えば、吸入口の直径について例えば長さ２５０ｍｍと示す場合、＋／−５０％において吸入口を形成することは同等に好適となるであろう。つまり、吸入口は例えば１２５ｍｍ〜３７５ｍｍの間であり得ることを意味する。しかし他方では、液滴分離器は幾分か小さめでもよいという観点、つまり例えば好ましくは４００ｍｍよりも幾分か小さめの液滴分離器の直径に対しては、吸入口の直径は更に幾分か小さくなってもよい。例えば、直径３８０ｍｍの液滴分離器を構成する場合、この液滴分離器が蒸発器ケース４００の上に直接的に着座することはないであろう。しかしながら、このことは小さな隙間から液滴が通過できることを意味しない。なぜなら、液滴分離器は所定の高さを有しており、しかも液滴がほぼ直線的に上方に向かって液滴分離器の側部を通過して吸入口へと到達することは見込み得ないからである。その代わり、実際に液滴分離器の縁部を通過した液滴が、吸入口には到達できないという可能性は大いにあり得る。
【００４６】
加えて、液滴分離器がその中心部に貫通穴を有してもよいことは、図１から自明である。しかし、この貫通穴が問題を引き起こすわけではない。それは、膨張要素４０３および分散ディスク４０４の設定により、液滴分離器の中心部の穴を通過して略垂直に上方へ向かう経路を辿る液滴が中心部で形成されることは不可能だからである。
【図１】
2016500574.tif 000003
【図２】
2016500574.tif 000004
【図３】
2016500574.tif 000005
【図４】
2016500574.tif 000006
【図５Ａ】
2016500574.tif 000007
【図５Ｂ】
2016500574.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成26年12月18日(2014.12.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動中の蒸気−液滴混合物から液滴を分離する液滴分離器であって、
ある材料で作られた複数の湾曲したフィン（２０１，２０２，２０３）であって、各フィンはある曲率半径に従って湾曲しており、前記曲率半径は１ｃｍと１０ｃｍとの間であり、複数の前記フィンの各フィンが１つの完全な環を形成している、フィンと、
前記湾曲したフィンを互いに間隔をあけて保持する保持部（２０４）と、を備え、
前記フィン（２０１，２０２，２０３）および前記保持部（２０４）は、前記蒸気−液滴混合物の中の液滴がその液滴の飛行経路に起因して前記液滴分離器を通過せずに前記フィンに衝突し、前記液滴分離器を通る直進通路が隠閉されるように構成され、
前記液滴分離器は、軸を中心として回転対称の円形形状を持つ中央領域を含み、
前記フィン（２０１，２０２，２０３）は、その上端及び下端において、前記液滴分離器の中央領域の前記軸に向かって湾曲している、液滴
分離器。
【請求項２】
２０ｍｍを超える高さを有する、請求項１に記載の液滴分離器。
【請求項３】
前記液滴分離器がその平面視において円形または楕円形を有しており、
前記フィンが円形または楕円形であって、かつ互いに平行に配置されている、請求項１又は２に記載の液滴分離器。
【請求項４】
全ての前記フィンについて前記曲率半径が同一である、請求項１に記載の液滴分離器。
【請求項５】
前記フィンの各々が球面の分弧として形成されている、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の液滴分離器。
【請求項６】
前記保持部（２０４）は複数の橋絡部（２０４，２０８，２０９，２１０，２１１，２１２）を含み、これら橋絡部によって前記複数のフィンが互いに接続されている、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の液滴分離器。
【請求項７】
前記液滴分離器は円形であり、かつ少なくとも２つの前記橋絡部を含み、前記橋絡部同士が互いに対して同じ角度を形成している、請求項６に記載の液滴分離器。
【請求項８】
前記液滴分離器がプラスチック射出成形要素として形成されている、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の液滴分離器。
【請求項９】
前記液滴分離器の上半分と下半分とが存在し、前記上半分と前記下半分とが同一であって互いに組み合わされている、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の液滴分離器。
【請求項１０】
前記液滴分離器は、その作動位置において圧縮機（４０９）の吸入口（４１２）に向かって方向付けられるべき上端部を含み、
前記フィンは、前記上端部における前記フィンの接線が前記吸入口の中心領域に向かっており、これにより前記液滴分離器を通過して流れる蒸気の流れ方向が前記吸入口（４１３）の前記中心領域へと方向付けられるように構成されている、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の液滴分離器。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の液滴分離器（４０８）と、
前記液滴分離器の下方にある液体供給部（４０２，４０３，４０４）と、
前記液滴分離器（４０８）の上方にある吸入口（４１２）と、を備える蒸発器。
【請求項１２】
請求項１１に記載の蒸発器であって、
円筒形のケース（４００）を含み、
前記液滴分離器（４０８）は回転対称形であり、かつ前記液滴分離器を前記円筒形のケース内に配置した場合に前記円筒形のケースの壁からの距離が最大でも１０ｍｍ未満となるような大きさの直径を有し、
前記吸入口（４１２）は、直径が前記液滴分離器よりも小さく、かつ前記液滴分離器の上方の中心部に配置された開口部を含み、前記吸入口（４１２）の前記開口部と前記液滴分離器（４０８）の前記上端部との距離が２０ｍｍよりも大きい、蒸発器。
【請求項１３】
請求項１１又は１２に記載の蒸発器であって、
前記液体供給部は、
蒸発させるべき液体が膨張要素の中を通って供給される、膨張要素（４０３）と、
供給された作動液体を半径方向外側に向かって方向転換するために、前記膨張要素（４０３）の上方に間隔をあけて配置された方向転換要素（４０４）と、を含み、
前記膨張要素の直径と前記方向転換要素の直径との両方が、前記液滴分離器（４０８）の直径よりも小さい、蒸発器。
【請求項１４】
請求項１１乃至１３のいずれか一項に記載の蒸発器であって、
縮径要素（４１１）をさらに含み、前記縮径要素の一端部が前記吸入口（４１２）を形成し、その一端部が前記液滴分離器（４１８）に向かって方向付けられており、前記縮径要素の他端部が前記吸入口よりも小さい直径を有し、その他端部が圧縮機（４０９）の蒸気入口に接続可能な管に接続されている、蒸発器。
【請求項１５】
移動中の蒸気−液滴混合物から液滴を分離する液滴分離器を製造する方法であって、
ある材料で作られた複数の湾曲したフィンを準備するステップであって、各フィンはある曲率半径に従って湾曲しており、前記曲率半径は１ｃｍと１０ｃｍとの間であり、複数の前記フィンの各フィンが１つの完全な環を形成している、ステップと、
前記湾曲したフィンを互いに間隔をあけて保持する保持部を準備するステップと、
前記蒸気−液滴混合物の中の液滴がその液滴の飛行経路に起因して前記液滴分離器を通過せずにフィンに衝突し、前記液滴分離器を通る直進通路が隠閉されるように、前記フィンおよび前記保持部を構成するステップと、を含み、
前記液滴分離器は、軸を中心として回転対称の円形形状を持つ中央領域を含み、
前記フィン（２０１，２０２，２０３）は、その上端及び下端において、前記液滴分離器の中央領域の前記軸に向かって湾曲している、方法。
【手続補正書】
【提出日】平成27年6月15日(2015.6.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
図１は本発明の一実施形態に係る液滴分離器を斜視図で示し、図２は液滴分離器の概略的な断面図を示す。特に、図２の液滴分離器２００は、移動中の蒸気−液滴混合物から液滴を分離するよう構成されている。図２に示す移動中の蒸気−液滴混合物は、液滴分離器の下方の領域３０２内に位置しており、他方、液滴分離器の上方、即ち領域３０４内には、理想的な場合には蒸気だけが存在して液滴が存在しない。蒸発プロセスが進行中であり、そのプロセスは、媒体が蒸発する温度又はそれに近い温度へと蒸発温度が導かれるように、蒸発器内の圧力を調整することで達成されることから、下方の領域３０２内においては、一方では水蒸気の、他方では液滴の比較的無秩序な運動が存在する。同時に、図４に例示的に示すように、液滴分離器の上方にその吸入口を有する圧縮機によって、蒸気−液滴混合物が上方へと引っ張られる。これにより、典型的には液滴が直線経路上で加速されることになり、これらの液滴は、図２内で幾つかの軌跡２０６によって示すように、好ましくは硬質材料で形成された複数の湾曲したフィン２０１，２０２，２０３上に当たる。加えて、液滴分離器はまた、湾曲フィン同士を互いに所定の間隔をあけて保持する保持部２０４，２０５を含む。特に、フィン２０１〜２０３及び保持部２０４，２０５は、液滴分離器を通過する直進通路が隠閉されており、その結果、液滴の飛行経路に起因して、蒸気−液滴混合物内の液滴が液滴分離器を通過できず、軌跡２０６を用いて示すようにフィン上に衝突するように構成されている。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
しかし、蒸気はフィン２０１，２０２，２０３の間を容易に通過できる。特に、蒸気は下方の領域３０２内においてフィンの湾曲に起因して緩やかに方向転換され、次に各フィンの湾曲壁に沿って通過して行き、再度方向転換される。このとき、液滴分離器２００の上方には、図２に示すように中心へと向かう比較的方向付けされた蒸気流が存在する。個々のフィンの湾曲によって、蒸気は、液滴分離器により作動液体の液滴から解放されるだけでなく、同時にまた、流れに関して最適となるように、即ち下流の圧縮機の吸入口に対して最適な方向と傾向とを持つように方向転換される。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３２】
図１は、一実施形態に従う液滴分離器の斜視図を示し、保持部２０４，２０８，２０９，２１０，２１１によって互いに相対的に保持されているフィン２０１，２０２，２０３を再度示す。図１に示す実施形態では、保持部は全てのフィンと交わりそれらの形状と互いの距離を保たせる垂直な壁として形成されている。図１に示す実施形態においては、１２個のそのような壁が互いの間に３０°の角度を持って設けられている。しかしながら、より少数のそのような壁が設けられてもよく、例えばただ２つの壁が互いに１８０°の角度を持って設けられてもよい。しかしまた、３個、４個又は５個の壁が設けられてもよく、図１に示す円形の液滴分離器の実施形態の全ての領域が形状及び安定性に関して同等に保持されるように、これらの壁は円周に沿って均等に配置されるのが好ましい。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３３】
加えて、図１では合計で１１枚のフィンが配置されており、図３に示すようにその各々が同一の曲率半径を備える。特に、図１で示され図３でより詳細に示された実施形態においては、各フィンが好ましくは１ｃｍ〜１０ｃｍの間の曲率半径を示しており、特に好ましくは、４．５ｃｍ〜５．５ｃｍの間である。曲率半径はまた、フィンの密度、即ち、液滴分離器の半径に沿って単位長さ当り幾つのフィンが配置されているかにも影響を与える。フィンの密度は、図３において３００で示すように、直進通過が不可能となるように設定される。液滴分離器を直線的に通過しようとする水滴は、少なくとも１つのフィンに必然的に衝突し、下方に流れ落ち、蒸発空間へと逆戻りすることになるであろう。より小さい曲率半径は蒸気をより強く方向転換する結果となり、反対に、より緩やかな曲率を有するより大きな曲率半径の場合には、蒸気をより緩やかに方向転換する結果となるが、更にまた、直進通過を防ぐためにフィンがより高い密度で配置される必要が生じる。好ましくは、液滴分離器の直径は図４に示すように４０ｃｍであり、好ましくは、１１枚の環状の全周型のフィンがそれぞれ０．５ｃｍの間隔をもって配置されている。しかし、異なる寸法もまた使用可能である。フィンの密度は液滴分離器の高さにも関係する。好ましくは７０ｍｍの高さが使用されるが、最小でも高さ２ｃｍが好ましいことが分かっている。しかし、５ｃｍ以上の高さがより良好な方向転換特性を示すことが証明されており、特に、６０ｍｍ以上の高さが望ましい。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４２】
図１に従う液滴分離器、本発明の一実施形態に従う他の液滴分離器または他の任意の液滴分離器を含む例示的な蒸発器を、図４を参照しながら以下に説明する。この蒸発器は、蒸発器ケース４００と、膨張要素４０３を介して蒸発器へと供給される蒸発すべき作動液体のための入口４０２と、を含む。図４に示すように、直径約１７０ｍｍへの膨張が膨張要素で発生し、全体的な蒸発器ケースは円筒状であり、好ましくは４００ｍｍの直径を有する。入口４０２と膨張要素４０３とを介して供給される作動液体は、分散ディスク４０４によって上方が遮蔽されており、そのため作動液体は直接上方に向かって蒸発できず、図中に矢印で示すように、好ましくは約４０ｍｍの厚さを有する隙間４０５から横方向へと流出可能である。蒸発器内の負圧に起因し、かつ作動液体が蒸発器に侵入した温度で作動液体が蒸発するように蒸発器内の圧力が保持されているという事実に起因して、環状の隙間４０５から作動液体が流出した直後に、図中の矢印４０６で示すように作動液体の蒸発プロセスが起こる。同時に、蒸発しなかった作動液体は図中の矢印４０７で示すように下方へと流れ、その蒸発しなかった作動液体は蒸発器の底部にたまってエネルギーを失い、典型的には図４には図示されない出口を介して再度このサイクルへと供給される。蒸発プロセスは主として分散ディスク４０４の上方で行われ、その分散ディスク４０４は好ましくは流れに関して最適となるように形成されており、更に、水位よりも上に配置されてもよく、しかし又は流れに関して最適な状況を提供するように好ましくは水位下へと沈められてもよく、結果的に、ディスク４０４と液滴分離器４０８との間に蒸気−液滴混合物が存在するようになり、蒸気−液滴混合物は圧縮機４０９の働きによって上方へと移動させられる。圧縮機４０９は、吸入ライン４１０と縮径要素４１１と吸入口４１２とを介して、液滴分離器４０８の下方の蒸気−液滴混合物を上方へと吸入し、吸入口４１２は縮径要素４１１の一端部を形成している。このような吸入によって、液滴は比較的直線的な経路上で加速されるが、この点は蒸気に関しても当然同じことが言える。しかし、蒸気は液滴分離器の曲線状のフィンにより偏向されかつ液滴分離器４０８を通過するよう操向される一方で、液滴は液滴分離器のフィン上に着滴し、蒸発空間へと再度落下し、そこで直接的に蒸発するか又は重力によって出口へと到達するであろう。フィンの曲線により、液滴から解放された蒸気は、矢印４１３で概略的に示すように、流れに関して吸入口４１２に向かって最適に方向付けられる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４４】
液滴分離器に関して、本発明は特に、図４に示すように、例えば２５０ｍｍの直径を有する吸入口に対して好適である。なぜなら、個々のフィンの曲率は、蒸気が濃縮されかつ流れに関して最適な方法で蒸気が中心領域へと方向転換されるよう設計されているからである。その結果、液滴分離器は液滴分離の機能だけではなく、同時に、この領域内の蒸気を、流れに関して良好な方法で、吸入口に向かって中心方向に方向転換させる機能をも有している。
【手続補正７】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2016500574.tif 000009
【手続補正８】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2016500574.tif 000010
【国際調査報告】
2016500574.tif 000011
2016500574.tif 000012
2016500574.tif 000013