CN111247326B - 气液分离装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种气液分离装置，其可提高施加于流过管的流动气液二相流体的离心力，从而提高液体的分离性能。流过气液二相流体的管具有：入口管(21)，其内部配置有旋流产生构件(30)，并且形成有液体流出的第一排水口(21c)；内部管(22)，其一端(22a)插入入口管(21)的端部(21b)，且该一端(22a)具有开口(22b)。另外，旋流产生构件(30)沿着入口管(21)的轴线(O)延伸，且具有呈锥形的叶片支撑部(31)和固定叶片(32)，所述叶片支撑部(31)的直径从所述气液二相流体的流入侧至流出侧逐渐增大，所述固定叶片(32)设置于所述叶片支撑部的外周表面(31a)，并围绕着外周表面相对于所述入口管(21)的轴线(O)倾斜。

Description

气液分离装置
技术领域
本发明涉及一种气液分离装置，其分离气液二相流体中的气体和液体。
背景技术
以往，已知一种气液分离装置，其通过旋流产生构件使流动在管内的流体旋流，该旋流产生构件包括：圆柱状的叶片支撑部以及螺旋状地围绕该叶片支撑部的外周表面的多个固定叶片(例如，参见专利文献1)。另外，还已知一种旋流产生构件，该旋流产生构件包括：壳状叶片支撑部以及螺旋状地围绕该叶片支撑部的外周表面的多个固定叶片(例如，参见专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：实开平1－83459号公报
专利文献2：特开平11－83151号公报
发明内容
(发明所要解决的问题)
但是，在以往的旋流产生构件中，设置有固定叶片的叶片支撑部具有圆柱状或者壳状。因此，这些叶片支撑部的外周表面至少在流体的流出侧的端部与管的内周表面大致平行。据此，沿着该叶片支撑部的外周表面流动的流体不容易朝向管的内周表面，因此难以对流体施加足够的离心力。
本发明基于上述问题而做出，其目的提供一种气液分离装置，该气液分离装置能够提高对流动在管的气液二相流体施加的离心力，并提高液体的分离性能。
(解决问题的方案)
为了达成上述目的，本发明提供一种气液分离装置，其通过配置在管内部的旋流产生构件，使流过所述管的气液二相流体旋流并引导液体至所述管的内周表面，从所述气液二相流体分离所述液体和气体；
所述管具有入口管和内部管，所述入口管的内部配置所述旋流产生构件，并且所述液体流出的排水口形成于比所述旋流产生构件更靠向所述气液二相流体的流出侧位置，所述内部管的一端插入所述入口管的端部，而在该一端形成有开口；
所述旋流产生构件沿着所述入口管的轴线延伸，并具有呈锥形的叶片支撑部和固定叶片，所述叶片支撑部的直径从所述气液二相流体的流入侧至流出侧逐渐增大，所述固定叶片设置于所述叶片支撑部的外周表面，并围绕着外周表面相对于所述入口管的轴线倾斜。
(发明的效果)
因此，本发明中，流过入口管的轴芯附近的气液二相流体沿着圆锥形状的叶片支撑部的外周表面流动，并朝向入口管的内周表面。据此，气液二相流体难以通过入口管的轴芯付近。另一方面，通过设置于叶片支撑部的外周表面的固定叶片，气液二相流体的流动的方向相对于入口管的轴线倾斜，该气液二相流体的流动形成旋流。据此，流过管的流动气液二相流体朝向入口管的内周表面形成旋流，提高了附着在气液二相流体的离心力，提高液体的分离性能。
附图说明
图1是表示适用实施例1的气液分离装置的内燃机的排气循环系统的整体系统图。
图2是表示适用实施例1的气液分离装置的截面图。
图3是图2所示的A部的放大图。
图4A是表示实施例1的旋流产生构件的主视图。
图4B是实施例1的旋流产生构件的侧面图。
图4C是实施例1的旋流产生构件的正面图。
图5是整体说明实施例1的气液分离装置中气液二相流体及分离的气体·液体的流动的图。
图6是说明扩大实施例1的气液分离装置中的液体的流动的图。
图7是图5所示的B部的放大图。
图8是表示实施例1的旋流产生构件的变形例的正面图。
图9A是表示第一变形例的叶片支撑部的侧面图。
图9B是表示第二变形例的叶片支撑部的侧面图。
图9C是表示第三变形例的叶片支撑部的侧面图。
图10是表示实施例1的气液分离装置的变形例的截面图。
具体实施方式
以下，基于附图所示的实施例1，对本发明的气液分离装置的实施方式进行说明。
(实施例1)
首先，将实施例1中的气液分离装置的结构分为“适用例的系统整体结构”、“气液分离装置的详细结构”、“旋流产生构件的详细结构”、“管冷却机构的详细结构”进行说明。
[适用例的系统整体结构]
图1是表示适用实施例1的气液分离装置的内燃机的排气循环系统的整体系统图。以下，结合图1，对实施例1的适用例的系统整体结构进行说明。
实施例1的气液分离装置20适用于图1所示的内燃机1的排气循环流动系统S。在此，图1所示的内燃机1是作为行驶驱动源搭载于车辆的柴油发动机，具有四个气缸(未图示)。各气缸上分别连接有进气通道2和排气通道3。
在进气通道2的前端形成有进气口2a，并从进气口2a侧依次设置有：进气过滤用空气滤清器4；涡轮增压器5的压缩机5a；用于冷却进气的中间冷却器6；调节进气量的节流阀7。在排气通道3中，从内燃机1侧依次设置有：涡轮增压器5的涡轮5b；净化排气的排气净化催化剂8；以及用于调节排气流量的排气调节阀9。另外，在排气调节阀9的下游侧设置有消音器10，并在消音器10的前端形成有排气口3a。
进气通道2和排气通道3是通过低压EGR通道11和高压EGR通道12连接。在此，“EGR(Exhaust Gas Recirculation)”是将内燃机1中燃烧后的废气(排气)的一部分提取并再次进行进气的技术，称为排气再循环。
低压EGR通道11连接相比压缩机5a上游的进气通道2和相比排气净化催化剂8下游的排气通道3。另一方面，高压EGR通道12与相比压缩机5a下游的进气通道2和相比涡轮5b上游的排气通道3连接。据此，在低压EGR通道11中，经过涡轮5b的排气返回到压缩机5a的进气。另外，在高压EGR通道12中，吸入涡轮5b前的排气返回到经过压缩机5a的空气。
低压EGR通路11设置有用于冷却通向进气通道2的排气的EGR冷却器13和用于调节经由低压EGR通道11循环至进气通道2的排气的流量的低压EGR阀14。在高压EGR通道12中设置有用于调节经由高压EGR通道12循环至进气通道2的排气的流量的高压EGR阀15。
在此，在低压EGR通路11中，能够实现不降低经过涡轮增压器5的涡轮5b的排气量而循环排气，从而减少NOx的效果大。但是，在EGR冷却器13中的通过冷却而可能会产生冷凝水。因此，在实施例1中，将适用本发明的旋流产生装置的气液分离装置20(参见图2)设置在低压EGR阀14的下游位置，且在涡轮增压器5的压缩机5a的上游的位置(在图1中由点划线X包围的位置)，收集冷凝水并排出。
[气液分离装置的详细结构]
图2是表示适用实施例1的气液分离装置的截面图。以下，结合图2，对实施例1的气液分离装置的详细结构进行说明。
如图2所示，实施例1的气液分离装置20包括：入口管21(管)；内部管22；第一排水管23；第二排水管24；贮水罐25；旁通管26；旋流产生构件30以及管冷却机构40。
入口管21的气液二相流体的流动的方向的上游侧(在图2中的右侧，以下简称为“流体流入侧”)的端部与进气口2a及低压EGR阀14连通，并流入气体和颗粒状的液体(冷凝水)混合状态的排气(以下称为“气液二相流体”)。在该入口管21的内侧配置有旋流产生构件30，该旋流产生构件30使气液二相流体的流动沿内周表面21a旋流。而且，该入口管21在相比旋流产生构件30靠向气液二相流体的流动方向的下游侧(在图2中的左侧，以下称为“流体流出侧”)的端部21b形成有第一排水口21c(排水口)，相比旋流产生构件30靠向流体流入侧形成有第二排水口21d(上游排水口)。
第一排水口21c是用于从气液二相流体分离的液体流出的开口，并在入口管21的径向方向且重力方向的下方开口。第二排水口21d是使旋流前的气液二相流体中所含的液体流出的开口，并在入口管21的径向方向且重力方向的下方开口。另外，“重力方向”是指，重力作用的方向，在图2中的向下的方向。
另外，在该入口管21的内周表面21a处形成有锥面21e。该锥面21e是使入口管21的内径尺寸朝向流体流出侧逐渐变大的斜面，并形成在相比旋流产生构件30靠向流体流出侧的位置。据此，入口管21的内径尺寸在相比锥面21e靠向流体流入侧的第一区域27A为最小，形成锥面21e的第二区域27B处逐渐变大，并相比锥面21e靠向流体流出侧的第三区域27C处为最大。另外，在此，形成锥面21e的第二区域27B的流体流入侧的端部的位置接近于旋流产生构件30的流体流出侧的端部的位置。即，旋流产生构件30的流体流出侧的端部位置设置在第二区域27B的流体流入侧的端部位置的附近。
而且，在第一区域27A处形成有第二排水口21d，并且配置有旋流产生构件30，在第三区域27C形成有第一排水口21c。
内部管22由外部尺寸比入口管21的第三区域27C的内径尺寸小的直管构件形成，并且一端22a插入在入口管21的流体流出侧的端部21b处，设置为与入口管21同轴状态。
另外，在入口管21和内部管22之间产生的间隙α嵌合有隔离件28。隔离件28围绕内部管22的整个圆周呈圆柱形状，其外周表面与入口管21的内周表面21a以气密状态接触，其内周表面与内部管22的外周表面22f以气密状态接触。在此，隔离件28的入口管21内侧的轴向端部28a具有与第一排水口21c的周缘部当中的最下游侧的部分相同的轴向位置。即，虽然隔离件28与第一排水口21c的开口区域不重叠，但是针对第一排水口21c的开口区域设置为在轴向没有间隙。
内部管22的插入入口管21处的一端22a形成有开口22b，该开口22b在相比旋流产生构件30靠向流体流出侧开口。此外，该内部管22的流体流出侧(图2中的左侧)的端部与涡轮增压器5的压缩机5a连通。在此，开口22b在内部管22的轴向上开口，并开口22b与入口管21、内部管22同轴。
此外，该内部管22在从入口管21突出的位置处形成有周向表面沿径向方向贯通的通气口22c。该通气口22c连接旁通管26的第二端部26b。另外，内部管22的内周表面22d上形成有多个环状槽22e(在此为两个)。另一方面，内部管22的外周表面22f上，在插入入口管21的部分形成有突出部22g，在从入口管21突出的部分设置有电加热片22h(加热结构)。
各环状槽22e是沿内部管22的圆周方向延伸的环形的凹部，并设置在内部管22的内部，即设置在相比旋流产生构件30靠向流体流出侧的位置。此外，在此，两个环状槽22e当中的一个在插入入口管21的部分且形成在突出部22g的内侧，并且环状槽22e与突出部22g的轴向位置一致。此外，另外一个环状槽22e形成在从入口管21突出的部分处。各环状槽22e都具有：如图3中放大示出的，第一阶梯表面51；第二阶梯表面52以及底表面53。
第一阶梯表面51是形成在环状槽22e的面中的位于流体流入侧的表面。内部管22的内径尺寸从该第一阶梯表面51朝向流体流出侧以阶梯状增大。即，内部管22在环状槽22e的内侧的位置处的内径尺寸D2比环状槽22e的流体流入侧的位置处的内径尺寸D1大。此外，在此该第一阶梯表面51与内部管内周表面221d形成的角θ1设置为90°，该内部管内周表面221d位于相比该第一阶梯表面51靠向流体流入侧。
另一方面，第二阶梯表面52是形成在环状槽22e的面中的位于流体流出侧的面。内部管22的内径尺寸从该第二阶梯表面52朝向流体流出侧以阶梯状变小。即，内部管22在环状槽22e的内侧的位置处的内径尺寸D2比环状槽22e的流体流出侧的位置处的内径尺寸D3大。此外，在此该第二阶梯表面52与比该第二阶梯表面52靠向流体流出侧的内部管内周表面222d形成的角θ2设置为90°。另外，第二阶梯表面52的高度尺寸H2和第一阶梯表面51的高度尺寸H1设置为相同尺寸。
底表面53是沿内部管22的圆周方向延伸并成为环状槽22e的底表面的面，并且位于第一阶梯表面51和第二阶梯表面52之间。
突出部22g从内部管22的外周表面22f向径向方向的外侧突出，并沿内部管22的圆周方向延伸，并且围绕外周表面22f的整个圆周。在此，突出部22g形成在第一排水口21c的重力方向的上方位置处，该第一排水口21c形成于入口管21。该突出部22g的高度尺寸H3设置为小于入口管21的内周表面21a和内部管22的外周表面22f之间的间隙尺寸H4。据此，突出部22g的前端面与入口管21的内周表面21a之间产生间隙。
电加热片22h是具有当打开未图示的接通开关时发热的电热丝的可挠性的片，其缠绕在内部管22并覆盖外周表面22f。而且，通过使该电加热片22h的电热丝发热而加热内部管22。另外，在此该电加热片22h覆盖于形成在从入口管21突出的部分处的另一个环状槽22e所形成的位置，并对内部管22中的形成环状槽22e(第一阶梯表面51)的部分的外周表面22f实施加热。
第一排水管23由T字管形成，其中第二管构件23b与第一管构件23a的轴向中心部正交并连接，并且入口管21的流体流出侧的端部21b安装于第一管构件23a的内侧。此外，形成在第一管构件23a和第二管构件23b的连接部分处的连接开口23c面向第一排水口21c。据此，入口管21经由第一排水口21c和连接开口23c，与第一排水管23的第二管构件23b连通。
另外，形成在入口管21的第一排水口21c的内径尺寸设置为与第一排水管23的连接开口23c的内径尺寸相等。而且，第二管构件23b相对于入口管21的轴向朝向重力方向下方延伸，并在其中央部分具有沿液体流动的方向直径逐渐变小的直径减小部23d。据此，前端开口23e的内径尺寸小于连接开口23c和第一排水口21c的内径尺寸。
第二排水管24由T字管形成，其中第二管构件24b与第一管构件24a的轴向中央部正交并连接，并且入口管21贯通于第一管构件24a的内侧。此外，形成在第一管构件24a和第二管构件24b的连接部分的连接开口24c与第二排水口21d相对。据此，入口管21经由第二排水口21d和连接开口24c，与第二排水管24的第二管构件24b连通。
此外，形成在入口管21的第二排水口21d的内径尺寸设置为与第二排水管24的连接开口24c的内径尺寸相等。而且，第二管构件24b相对于入口管21的轴向朝向重力方向下方延伸，并在其中央部分具有沿液体的流动的方向直径逐渐变小的直径减小部24d。据此，前端开口24e的内径尺寸小于连接开口24c和第二排水口21d的内径尺寸。
贮水罐25具有罐主体25a，罐主体25a设置在第一排水管23及第二排水管24的重力方向的下方。形成在该罐主体25a的重量方向上的上部的第一连接口25b连接于第一排水管23的第二管构件23b的前端部23f，第二连接口25c与第二排水管24的第二管构件24b的前端部24f连接。而且，形成在第二管构件23b的前端部23f的前端开口23e与第一连接口25b连通，形成在第二管构件24b的前端部24f的前端开口24e与第二连接口25c连通。此外，在该罐主体25a的重力方向上的上部的侧面形成有通气口25d，通气口25d连接旁通管26的第一端部26a。另外，罐主体25a的重量方向上的下部形成有能够适当开闭的排水开口(未图示)。储存在罐主体25a内部的液体达到一定量时，该储存的液体能够经由排水开口排放至罐的外部。
旁通管26是连通内部管22和贮水罐25的两端开口的管构件。该旁通管26的第一端部26a与形成在罐主体25a的通气口25d连接，第二端部26b与形成在内部管22的通气口22c连接。而且，罐主体25a的内部空间经由旁通管26与内部管22的内部连通。
[旋流产生构件的详细结构]
图4A～图4C是表示实施例1的旋流产生构件的图。以下，结合图4A～图4C，对实施例1的旋流产生构件的详细结构进行说明。
旋流产生构件30配置在入口管21的第一区域27A，并调节流过该入口管21的气液二相流体的流动方向以产生旋流。该旋流产生构件30包括：叶片支撑部31和设置在该叶片支撑部31的外周表面31a的多个(在此为四个)固定叶片32。
叶片支撑部31呈圆锥形状，其沿入口管21的轴线O延伸，并且该圆锥形状的外部尺寸从气液二相流体的流入侧向流出侧逐渐增大。该叶片支撑部31的最大外部尺寸R1设置为小于入口管21的第一区域27A的内径尺寸D4。此外，在本实施例1中，叶片支撑部31的前端31b形成在R面上。
固定叶片32以螺旋状围绕叶片支撑部31的外周表面31a，并且其延伸方向相对于入口管21的轴线O倾斜。即，该固定叶片32的通过叶片支撑部31的前端31b侧的端部位置32a和叶片支撑部31的后端31c侧的端部位置32b的直线L1相对于叶片支撑部31的轴线O′倾斜。而且，在该固定叶片32中，叶片支撑部31和固定叶片32之间的接触线L2以螺旋状围绕的方式弯曲。另外，“前端31b”是指叶片支撑部31的流体流入侧的端部。此外，“后端31c”是指叶片支撑部31的流体流出侧的端部。
此外，多个(四个)固定叶片32在叶片支撑部31的圆周方向上隔开预定间隔而设置，并且相对的表面彼此平行。
另外，在本实施例1中，各固定叶片32相对于叶片支撑部31的包围角θ3设置为大致60°。如图4C所示，该“包围角”是指从轴向观察旋流产生构件30时的，由轴线O′经过端部位置32a的沿径向方向延伸的第一直线L3和由轴线O′经过端部位置32b的沿径向方向延伸的第二直线L4形成的角。据此，从轴向观察旋流产生构件30时，沿叶片支撑部31的圆周方向在固定叶片32之间产生间隙β。
而且，该旋流产生构件30的最大外部尺寸R2设置为与入口管21的第一区域27A的内径尺寸D4相等。据此，旋流产生构件30设置为与入口管21同轴状态，并且固定叶片32的径向方向的前端接触入口管21的内周表面21a。
[管冷却机构的详细结构]
如图2所示，管冷却机构40覆盖入口管21的外侧，并且从外部冷却旋流产生构件30所配置的部分。该管冷却机构40包括：冷却水循环管41；第一冷却水管42；第二冷却水管43。
冷却水循环管41是中空的圆筒管，其内径尺寸大于入口管21。该冷却水循环管41被入口管21贯通，因此入口管21的一部分的周围由冷却水循环管41覆盖而成为双层管结构。据此，在入口管21和冷却水循环管41之间形成有作为覆盖入口管21的外侧的空间的管冷却水循环空间41a。另外，该冷却水循环管41位于入口管21的中的第一排水口21c和第二排水口21d之间，并从外侧覆盖包括配置旋流产生构件30的范围的部分。
第一冷却水管42是使流入管冷却水循环空间41a的冷却水(制冷剂)流动的管，其一端42a连接于形成在冷却水循环管41的第一开口部41b，另一端(未图示)连接在未图示的汽车空调的制冷循环的膨胀阀と蒸发器之间。在此，第一开口部41b是使管冷却水循环空间41a在径向方向上敞开的开口，并且在冷却水循环管41的周向表面上开口为圆形孔而形成。如图2所示，该第一开口部41b位于相比旋流产生构件30靠向流体流入侧并形成在重力方向上的上部。
第二冷却水管43是使流出管冷却水循环空间41a的冷却水(制冷剂)流动的管，其一端43a连接于形成在冷却水循环管41的第二开口部41c，另一端(未图示)连接于未图示的汽车空调的制冷循环的蒸发器和压缩机之间。在此，第二开口部41c是使管冷却水循环空间41a在径向方向上敞开的开口，并且在冷却水循环管41的周向表面上开口为圆形孔而形成。如图2所示，该第二开口部41c位于相比旋流产生构件30靠向流体流出侧并形成在重力方向上的下部。
另外，形成第一开口部41b和第二开口部41c的位置不限于如图2所示的位置，可以形成在任意位置。即，可以将第一开口部41b形成在相比旋流产生构件30靠向流体流出侧，将第二开口部41c形成在相比旋流产生构件30靠向流体流入侧。此外，由于冷却水在施加水压的情况下循环，因此第一、第二开口部41b、41c的开口方向不必一定沿重力方向。
接下来，将实施例1的气液分离装置20的作用分为“气液分离作用”、“液体的收集作用”、“液体的聚集促进作用”、“液体的蒸发促进作用”、“第二阶梯表面的液滴保持作用”进行说明。
[气液分离作用]
图5是表示实施例1的气液分离装置的气液二相流体及分离后的气体·液体的流动的整体说明图。以下，结合图5，对实施例1的气液分离作用进行说明。
图1所示的排气循环系统S中，从进气口2a吸入的空气与通过低压EGR通道11从排气通道3吸入的排气以流速1m/s～100m/s的速度流入涡轮增压器5的压缩机5a。此时，空气和排气中含有水分，并使用EGR冷却器13对该气体进行冷却而水分冷凝成为冷凝水的颗粒状液体，成为空气等的气体中混合液体的气液二相流体。
如图5所示，在实施例1的气液分离装置20中，流入入口管21的气液二相流体经过设置有旋流产生构件30的第一区域27A时，通过沿该旋流产生构件30流动并被回旋而成为旋流。而且，通过由该旋流产生的离心力，使质量大的液体被引导向入口管21的内周表面21a。
被引导向入口管21的内周表面21a的液体聚集成为液滴并从气体分离。从该气体分离的液体粘附于内周表面21a的状态，通过旋流的流动而从第二区域27B流向第三区域27C。而且，流入第三区域27C的液体流向形成在该第三区域27C上的第一排水口21c，并经由第一排水管23的连接开口23c流向第二管构件23b，并在该第二管构件23b向下游动。然后，从前端开口23e向罐主体25a流动并被储存。
此时，第一排水口21c在重力方向的下方开口，并且由于第一排水管23的第二管构件23b沿重力方向延伸，因此流入第三区域27C的液体通过自重从第一排水口21c向第二管构件23b流动(流下)。此外，由于内部管22的外部尺寸小于入口管21的第三区域27C的内径尺寸，因此，防止粘附在入口管21的内周表面21a上的液体流入内部管22内。即，流入第三区域27C内的液体进入入口管21和内部管22之间，防止流入内部管22。另外，由于内部管22插入在入口管21，因此能够抑制管径的增大，并且能够抑制设置气液分离装置20所需的空间。
而且，在实施例1中，内部管22和贮水罐25经由旁通管26彼此连通。因此，能够通过在内部管22流动的气流来降低贮水罐25内部的压力，并且能够使流过第一排水管23的液体的流动顺畅。
此外，在入口管21中流动的气体经由在轴向开口的开口22b流入内部管22。此时，随着朝向气液二相流体的流动方向的下游侧液体从气体分离。而且，气体经由内部管22流向涡轮增压器5的压缩机5a。在此，在入口管21的流体流出侧的端部21b上嵌合有用于密封与内部管22之间产生的间隙α的隔离件28。因此，能够防止气体从入口管21和内部管22之间泄漏，并且能够使从气液二相流体分离的气体顺畅流入内部管22。
而且，在该实施例1中，旋流产生构件30具有与入口管21同轴设置的叶片支撑部31，该叶片支撑部31沿入口管21的轴线O延伸并呈圆锥形状，该圆锥形状从气液二相流体的流入侧朝向流出侧直径逐渐增大。
因此，由于流动在入口管21的轴芯付近的气液二相流体沿叶片支撑部31的外周表面31a流动，因此被强行朝向入口管21的内周表面21a移动。据此，能够防止气液二相流体在入口管21的轴芯付近流动，并且即使在入口管21流动的气液二相流体的流量低，也能够将包含于该气液二相流体的液体聚集并促进液滴化。
另外，旋流产生构件30的固定叶片32相对于入口管21的轴线O倾斜且围绕(卷绕)该外周表面31a，并且相对于气液二相流体的流动方向具有角度。因此，能够使气液二相流体的流动方向相对于入口管21的轴线O倾斜而旋流。而且，此时能够使包含于气液二相流体的液体与固定叶片32碰撞并聚集，从而能够进一步促进液体的液滴化(液滴的形成)。
此外，例如，由于该旋流产生构件30具有在圆锥形状的叶片支撑部31的外周表面31a设置固定叶片32的结构，因此，与由板状构件被扭成螺旋状而形成的旋流产生带相比能够减小轴向尺寸。据此，能够抑制配置旋流产生构件30的第一区域27A的长度，并且能够使气液分离装置20小型化。
另外，通过调整叶片支撑部31的外周表面31a的形状或者调整固定叶片32的数量或者调整相对于固定叶片32的叶片支撑部31的包围角θ3等，来能够任意设定旋流气液二相流体时的旋流量和通风阻力。即，例如，包围角θ3越大，气液二相流体撞击固定叶片32时的撞击面积增大，并使气液二相流体的流路弯曲而能够提高旋流量。另一方面，包围角θ3越小，使得穿过固定叶片32的端部位置32a和端部位置32b的直线L1相对于轴线O平行并接近。因此，能够使气液二相流体顺畅地流动，并能够抑制通风阻力。此外，由于将叶片支撑部31的外周表面31a设为平坦面或者曲面而使旋流气液二相流体时的旋流量和通风阻力发生変化。因此，通过调整旋流产生构件30的形状，能够容易且适当地控制流过入口管21的气液二相流体的旋流量和通风阻力。
此外，在本实施例1中，固定叶片32沿叶片支撑部31的圆周方向设置为，并且以预定的间隔平行地布置。因此，能够进一步适当地控制流过入口管21的气液二相流体的旋流量和通风阻力。
而且，在本实施例1中，入口管21的内周表面21a具有第二区域27B，第二区域27B形成有沿气液二相流体的流动的方向内径尺寸逐渐变大的锥面21e。另一方面，该第二区域27B的流体流入侧的端部与旋流产生构件30的流体流出侧的端部的位置彼此接近。因此，已经流到旋流产生构件30的叶片支撑部31的后端31c的液体能够迅速地流过锥面21e的内侧。据此，沿着叶片支撑部31的外周表面31a和固定叶片32引导至内周表面21a的液体能够顺畅地向第一排水口21c排出，并且能够进一步促进液体的引导·分离。
[液体的收集作用]
在实施例1的气液分离装置20中，入口管21除了第一排水口21c外还具有第二排水口21d，第二排水口21d形成在相比旋流产生构件30靠向流体流入侧。
因此，包含于气液二相流体的液体较多，并且即使没有旋流气液二相流体并从气体分离，也已经变成一定程度的大小的液滴，能够由自重沿重力方向向下方流动的液体，在沿旋流产生构件30流动前，以自重从第二排水口21d向入口管21的外部排出。而且，介于连接该第二排水口21d的第二排水管24，流入贮水罐25中并被储存。
即，在该实施例1的气液分离装置20中，包含于气液二相流体的液体中，能够在旋流气液二相流体前，预先收集无需旋流该气液二相流体而能够由自重沿重力方向向下方流动的液体。据此，旋流气液二相流体时，能够减少液体的含有量，并能够提高液体的分离率。
此外，由旋流引导向入口管21的内周表面21a并液滴化的液体，流动至第三区域27C时，由自重经由第一排水口21c流入第一排水管23。而且，流过该第一排水管23并被收集在贮水罐25中。但是，也存在不能通过自重下落的较小的液滴以粘附在内部管22的外周表面22f的状态残留在入口管21中。
另一方面，包含于气液二相流体的气体的一部分不流入内部管22中，而进入入口管21和内部管22之间。但是，流入入口管21和内部管22之间的气体被隔离件28阻塞而不能逸出。因此，虽然该气体沿入口管21的内周表面21a旋流并流动，但是该气体与隔离件28撞击而沿内部管22的外周表面22f逆流并朝向内部管22的开口22b。
据此，由于朝向内部管22的开口22b流动的气体，使不能通过自重下落并粘附在内部管22的外周表面22f的一部分液滴可能会朝向开口22b移动。
于此相比，在实施例1的气液分离装置20中，在内部管22的插入入口管21的部分，相对于第一排水口21c的位置的外周表面22f处形成有沿圆周方向延伸的突出部22g。
因此，如图6所示，受撞击隔离件28后沿内部管22的外周表面22f朝向开口22b流动的气体影响以粘附在内部管22的外周表面22f的状态朝向开口22b移动的液滴W被突出部22g挡住。而且，该液滴W被突出部22g挡住而聚集，并质量变大时由自重下落，并从第一排水口21c向第一排水管23流动。
据此，即使粘附在内部管22的外周表面22f的一部分液滴与气体一同朝向内部管22的开口22b，也能够防止流入内部管22中，并进行适当的收集，从而能够防止流过内部管22的气体中混入液滴化的液体。
[液体的聚集促进作用]
流过入口管21的气液二相流体，以预定的流速沿旋流产生构件30流动而形成旋流。但是，在气液二相流体的流速低时，旋流的流速也变慢，产生的离心力也变弱。在这样的情况下，不容易将液体引导至入口管21的内周表面21a，而且不能促进液体的聚集，从而不能充分实施气体与液体的分离。
于此相比，在实施例1的气液分离装置20中具有管冷却机构40，并且入口管21与冷却水循环管41贯通，在该入口管21和冷却水循环管41之间形成有管冷却水循环空间41a。而且，该管冷却水循环空间41a连接于未图示的连接在汽车空调的制冷循环的第一、第二冷却水管42、43。
因此，当制冷循环内循环冷却水时，从膨胀阀排出的低温·低压的雾状的冷却水的一部分经由第一冷却水管42流入管冷却水循环空间41a。流入该管冷却水循环空间41a的冷却水沿入口管21的轴向流动，并从第二开口部41c流出，经由第二冷却水管43返回制冷循环。
在此，低温·低压的雾状的冷却水在流过管冷却水循环空间41a期间吸收周围的热量并渐渐气化。从而，入口管21和冷却水循环管41被冷却。
另一方面，在入口管21的内部中流动着气液二相流体。因此，当该气液二相流体与入口管21的内周表面21a接触时，气液二相流体的热量传递至入口管21，热量被夺走而被冷却。据此，气液二相流体的温度下降，能够促进包含于该气液二相流体的液体的液滴化。此外，通过促进液滴化，使产生的液滴的重量变重，由旋流产生的离心力也变弱，从而能够将液体引导向入口管21的内周表面21a。其结果是，能够提高从气液二相流体分离液体的分离率。
[液体的蒸发促进作用]
在实施例1的气液分离装置20中，液体被分离的气体在维持旋流状态流入内部管22内，并被供给至未图示的涡轮增压器5。但是，如果存在从气体没有分离尽的液体时，该没有分离尽的液体可能与气体一同流入内部管22内。
此时，当与气体一同流入内部管22的液体成为具有一定程度的质量的液滴时，则向下游侧流动而撞击涡轮增压器5的压缩机5a的旋翼等，从而可能会产生撞击(振动)。
于此相比，在实施例1的气液分离装置20中，在内部管22的内周表面22d形成有多个(在此为两个)环状槽22e，该环状槽22e具有：第一阶梯表面51、第二阶梯表面52以及底表面53。
因此，流入内部管22的液体通过在该内部管22内旋流并被流动的气体引导至内周表面22d而聚集，并以液滴化的状态粘附在内周表面22d的状态流动时进入环状槽22e的中。
此时，如图7所示，在环状槽22e中，当气体流入该环状槽22e时产生湍流，并且沿位于气液二相流体的流动方向的上游侧的第一阶梯表面51处产生具有低压的负压区域F。因此，与气体一同流入环状槽22e内的液滴W被负压区域F引拉，并朝向第一阶梯表面51吸引。据此，液滴W停留在第一阶梯表面51的附近位置，即环状槽22e内。
另一方面，该环状槽22e的底表面53在内部管22的圆周方向延伸。因此，成为旋流的气体在该环状槽22e的内部沿底表面53向圆周方向流动。此外，停留在环状槽22e内的液滴W也与旋流的气体一同在环状槽22e的内部沿底表面53流动。即，气体及液滴W在该环状槽22e内沿底表面53旋流。而且，液滴W沿该底表面53继续旋流而被渐渐蒸发。
而且，流入内部管22的液滴W，通过在被第一阶梯表面51吸引的状态下在环状槽22e内旋流并被蒸发，从而能够防止该液滴W与气体一同流入内部管22。
如上所述，由于液滴化并从气体分离的液体(液滴W)在被第一阶梯表面51吸引的状态下在环状槽22e内旋流并被蒸发，因此能够防止该液滴W朝向相比环状槽22e靠向流体流出侧流动。
特别是，在本实施例1中，环状槽22e在内部管22的内周表面22d处形成为多个(两个)。因此，具有多次(两次)在环状槽22e内停留并蒸发液滴W的机会。据此，能够使更多的液体被气化(蒸发)，并且能够提高液滴的气化率。
另外，如图5所示，在本实施例1的气液分离装置20中，内部管22的从入口管21突出的部分的外周表面22f覆盖有电加热片22h。因此，通过打开该电加热片22h以产生热量，能够对内部管22的外周表面22f实施加热。
据此，从内部管22内的入口管21突出的部分的温度上升，能够促进与气体一同流入内部管22的液体的蒸发。其结果是，能够蒸发并气化流入内部管22内的液滴，并防止液滴状态的液体与气体一同流动，从而能够提高液滴的气化率。
另外，在本实施例1中，在内部管22的内周表面22d中，从入口管21突出并被电加热片22h覆盖的部分处形成有具有第一阶梯表面51的环状槽22e。因此，在内部管22中，形成该环状槽22e的部分的外周表面22f被电加热片22h加热。
据此，能够促进停留在环状槽22e的第一阶梯表面51附近位置的液滴的蒸发，并且能够有效地对流入内部管22内的液滴进行蒸发。
[第二阶梯表面的液滴保持作用]
在实施例1中，形成在内部管22的环状槽22e具有位于相比第一阶梯表面51靠向流体流出侧且内部管22的内径尺寸朝向该流体流出侧阶梯状变小的第二阶梯表面52。
因此，如图7所示，进入环状槽22e的液滴W即使通过旋流向流体流出侧移动并从第一阶梯表面51分离，其移动被第二阶梯表面52阻止，能够停留于环状槽22e内。即，通过第二阶梯表面52能够防止液滴W朝向相比环状槽22e靠向下游侧流动。因此，能够将该液滴W停留并蒸发在环状槽22e的内部，并且能够抑制液体以液滴W状态流动。
以上，基于实施例1对本发明的气液分离装置进行了说明，但是具体的结构不限于本实施例1，在不脱离权利要求所要求保护的发明的主旨的情况下，允许对设计进行变更和增加。
在实施例1中示出了设置四个旋流产生构件30的固定叶片32例子，但是本发明不限于此。固定叶片32数量可以是一个或者多个。此外，如图8所示，固定叶片32相对于叶片支撑部31的包围角θ3可以任意设置，可以将该包围角θ3设置为从轴向观察旋流产生构件30时，沿叶片支撑部31的圆周方向不在固定叶片32之间产生间隙的角度。
此外，能够任意设置叶片支撑部31的外周表面31a的轴向尺寸L、最大外部尺寸R1、前端31b的曲率等。此外，外周表面31a的形状不限于实施例1，例如能够任意设置为平坦面(参见图9A)、凸曲面(参见图9B)、凹曲面(参见图9C)等。另外，固定叶片32的截面形状能够任意设置，例如截面可以是长方形的固定叶片或者截面可以是水滴状的固定叶片。
此外，在实施例1中示出了在入口管21形成有第一排水口21c和第二排水口21d例子，但是本发明不限于此。例如，如图10所示的气液分离装置20A，可以将入口管21的流体流入侧的端部21f插入内径尺寸大于入口管21的流体流入管50的流体流出口的端部50a。
此时，在入口管21的端部21f形成有沿轴线O开口的开口21g。
此外，在流体流入管50的端部50a形成有内径扩大部50b和排水口50c。在此，内径扩大部50b是指流体流入管50的端部50a的内径尺寸比通常区域大的区域。此外，排水口50c是形成在内径扩大部50b的周向表面的开口，并且在流体流入管50的径向方向上向重力方向的下方敞开。另外，内径扩大部50b和流体流入管50的通常区域之间边界位置形成有锥面50d，该锥面50d由流体流入管50的内径尺寸逐渐变大的斜面形成。此外，在排水口50c处安装有有前端连通于贮水罐25的第二排水管24。另一方面，入口管21的端部21f插入内径扩大部50b的内侧，并突出在排水口50c的上方。
在该图10所示的气液分离装置20A中，从流体流入管50流入气液二相流体并在入口管21内旋流。此时，包含于气液二相流体的液体当中，由自重能够向重力方向的下方流动的液体在流入入口管21前，由自重从排水口50c向流体流入管50的外部排出。据此，能够减少在入口管21内旋流的气液二相流体所含的液体，能够提高液体的分离率。
此外，在气液分离装置20A中，流体流入管50的内径尺寸D5被设定为大于入口管21的内径尺寸D4。因此，能够使在入口管21内的气液二相流体的流速相比流体流入管50高。据此，能够提高在入口管21内的气液二相流体的旋流力(回旋力)。
另外，由于在内径扩大部50b和流体流入管50的通常区域的边界位置处形成有锥面50d，因此能够从管路中心向外侧吹起沿流体流入管50的内周表面流动的液滴。因此，能够使液滴难以进入插入到流体流入管50的入口管21内。
此外，在本实施例1中示出了，在入口管21的内周表面21a形成锥面21e的例子。但是，可以不形成锥面21e。即使在这种情况下，从气液二相流体分离的液体也能欧通过旋流的流动流入第一排水口21c。
此外，在实施例1中示出了，连接于第一排水口21c的第一排水管23和连接于第二排水口21d(上游排水口)的第二排水管24连接于贮水罐25的例子，但是，可以不必设置第一排水管23、第二排水管24、贮水罐25。也就是说，可以将从入口管21内排出的液体不储存而向外部排出。此外，贮水罐的数量也不限于一个，可以在每个排水管处设置，也可以将一部分的排水管连接于贮水罐。也就是说，贮水罐可以任意设置。另外，第二排水口21d和旁通管26可以不必形成。
此外，在实施例1中示出了，隔离件28与入口管21及内部管22分开设置的例子，但是不限于此。隔离件28可以与入口管21的内周表面21a一体设置，或者可以与内部管22的外周表面22f一体设置。
而且，在实施例1的气液分离装置20中示出了，在管冷却机构40中使用汽车空调的制冷剂作为冷却水的例子，但是例如可以使用发动机冷却水(LLC：Long Life Coolant)。此外，冷却水的流动方向也可以是实施例1相反的方向。
此外，在实施例1的气液分离装置20中示出了，形成在内部管22的内周表面22d的环状槽22e具有第一阶梯表面51及第二阶梯表面52例子。但是，本发明不限于此，可以在内部管22的内周表面22d上仅设置内部管22的内径尺寸朝向流体流出侧阶梯状变大的第一阶梯表面51。即使在这种情况下，能够在沿第一阶梯表面51产生负压区域，并在该第一阶梯表面51的附近位置使液滴化的液体停留，并朝向圆周方向旋流并蒸发。
另外，如此，在仅形成第一阶梯表面的情况下，可以将该第一阶梯表面沿气液二相流体的流动方向形成多个。也就是说，可以将内部管22的内径尺寸以阶梯状多次变大。在此情况下，由于能够在多个第一阶梯表面的各自的附近位置使液滴化的液体停留并蒸发，因此能够分为多次对液滴进行蒸发，能够提高液滴的气化率。
此外，在实施例1中示出了，第一阶梯表面51与内部管内周表面221d形成的角θ1设定为90°，该第一阶梯表面51形成在内部管22，该内部管内周表面221d位于相比第一阶梯表面51靠向流体流入侧的例子。但是，该角θ1是只要沿第一阶梯表面51能够形成负压区域F的角度即可。也就是说，该角θ1可以具体设定为90°或更小的锐角。
另外，在实施例1的气液分离装置20中示出了，第二阶梯表面52与内部管内周表面222d形成的角θ2设定为90°，该第二阶梯表面52形成在内部管22，该内部管内周表面222d位于相比第二阶梯表面52靠向流体流出侧的例子。但是，该角θ2是只要能够阻止环状槽22e内的液滴沿第二阶梯表面52向下游侧移动的角度即可。也就是说，该角θ2可以具体设定为90°或者更小的锐角。
另外，在本实施例1中示出了，形成在内部管22的内周表面22d的环状槽22e与形成在内部管22的外周表面22f的突出部22g的轴向的位置一致的例子。据此，通过将内部管22的内周表面22d凹陷的位置处向外侧突出，使得环状槽22e和突出部22g能够同时形成，并且能够抑制由于环状槽22e的形成而内部管22的厚度的减少。但是，本发明不限于此，环状槽22e和突出部22g的轴向位置可以沿轴线O彼此偏移设置。
另外，在实施例1中示出了，作为加热内部管22的外周表面22f的加热机构，使用具有可挠性的电加热片22h的例子，但是不限于此。只要是能够加热从入口管21突出的部分的内部管22的即可，因此例如可以是将内部管设为双层管结构，并在成为双层的管之间循环高温的排气气体来加热管。也就是说，作为加热机构可以使用排气气体的循环结构。
此外，在实施例1中示出了，在排气循环系统S中气液分离装置20也设置于低压EGR阀14的下游位置且涡轮增压器5的压缩机5a的上游位置(在图1中由点划线X包围的位置)的例子，但是不限于此。由于能够设置在排气循环系统S中产生冷凝水的位置，因此可以设置在中间冷却器6的下游位置且内燃机1的气缸供气口的上游侧(在图1中的由点划线Y包围的位置)。
此外，在本实施例1中示出了，气液二相流体的流动方向相对于重力方向为水平状态的，所谓水平定向设置气液分离装置20的例子。但是，本发明的气液分离装置20的设置方向不限于此，可以根据排气循环系统S内的布局等的影响，适当设定设置方向。
另外，虽然在实施例1中示出了内燃机1是搭载于车辆的柴油发动机的例子，但是，并不限于此，即使内燃机1为汽油发动机也能够适用。
而且，在实施例1中示出了，将气液分离装置20适用于内燃机1的排气循环系统S的例子。但是，本发明不限于此，例如可以适用于制冷循环装置，并且可以将气态制冷剂与液态制冷剂分开设置。也就是说，本发明的气液分离装置能够应用于从气液二相流体中分离气体和液体的装置。
进一步，关于各管(入口管等)的形状、连接部位、半径尺寸等并不限于实施例1所示的结构，能够任意设定。
(相关申请的相互参照)
本发明基于2017年10月25日向日本特许厅申请的日本特愿2017－206576主张优先权，其公开内容全部通过引用并入本说明书。

Claims (8)

1.一种气液分离装置，其特征在于，
通过配置在管内部的旋流产生构件，使流过所述管的气液二相流体旋流并引导液体至所述管的内周表面，从所述气液二相流体分离所述液体和气体；
其中，所述管具有入口管和内部管，所述入口管的内部配置所述旋流产生构件，并且所述液体流出的排水口形成于比所述旋流产生构件更靠向所述气液二相流体的流出侧位置，所述内部管的一端插入所述入口管的端部，而在该一端形成有开口；
所述旋流产生构件具有叶片支撑部和多个固定叶片，所述叶片支撑部沿着所述入口管的轴线延伸，并呈所述叶片支撑部的直径从所述气液二相流体的流入侧朝向流出侧逐渐增大的锥形，所述多个固定叶片设置于所述叶片支撑部的外周表面，
所述多个固定叶片围绕着所述外周表面并在所述叶片支撑部的圆周方向上隔开预定间隔而设置，
所述多个固定叶片各自的通过所述叶片支撑部的前端侧的第一端部位置和所述叶片支撑部的后端侧的第二端部位置的直线相对于所述叶片支撑部的轴线倾斜，
所述多个固定叶片相对于所述叶片支撑部的各个包围角，设定为提高所述气液二相流体的旋流量或抑制所述气液二相流体的通风阻力，
所述包围角设置为从轴向观察所述旋流产生构件时，沿所述叶片支撑部的圆周方向不在所述固定叶片之间产生间隙的角度，
所述包围角是第一直线和第二直线形成的角，所述第一直线是沿所述叶片支撑部的前端侧的所述固定叶片的所述第一端部位置，由所述叶片支撑部的所述轴线在径向方向延伸的直线，所述第二直线是沿所述叶片支撑部的后端侧的所述固定叶片的所述第二端部位置，由所述叶片支撑部的所述轴线在径向方向延伸的直线，
所述入口管的内周表面上形成有内径尺寸沿着所述气液二相流体的流动方向逐渐变大的锥面；
所述旋流产生构件中，所述气液二相流体流出侧的端部位置设定为在形成有所述锥面的区域中所述气液二相流体的流入侧的端部附近位置。
2.根据权利要求1所述的气液分离装置，其中：
所述入口管设置有连接至所述排水口的排水管和设置于所述排水管前端部的贮水罐；
所述内部管设置有与所述贮水罐的内部连通的旁通管。
3.根据权利要求1所述的气液分离装置，其中：
所述入口管中，在比所述旋流产生构件更靠近所述气液二相流体的流入侧位置形成有所述液体流出的上游排水口。
4.根据权利要求1所述的气液分离装置，其中：
所述入口管具有管冷却机构，所述管冷却机构至少冷却配置有所述旋流产生构件的部分。
5.根据权利要求1所述的气液分离装置，其中：
所述内部管的内周表面形成有内径尺寸朝向所述气液二相流体的流出侧阶梯状增大的第一阶梯表面。
6.根据权利要求5所述的气液分离装置，其中：
所述内部管中，在比所述第一阶梯表面更靠向所述气液二相流体的流出侧的内周表面上，形成有内径尺寸朝着所述气液二相流体的流出侧阶梯状缩小的第二阶梯表面。
7.根据权利要求1所述的气液分离装置，其中：
所述内部管中，在插入所述入口管部分的外周表面形成有沿着圆周方向延伸的突出部。
8.根据权利要求1所述的气液分离装置，其中：
所述内部管具有加热从所述入口管突出的部分的加热结构。
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