JP2016215146A - 気液分離装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 車両のエンジンルーム等の狭い場所にも設置可能な小型で捕集効率の高い気液分離装置の提供。【解決手段】液体と気体の混合流体を分離容器内壁面に衝突させることによって液体と気体とに分離する方式の気液分離装置であって、前記分離容器内が渦巻状の流路となすとともに該渦巻状流路の内壁面を前記気液混合流体の接触壁面となし、前記分離容器の上面側には気体出口管が接続され、前記分離容器の下面側には前記渦巻状流路内で分離した液滴を集める傾斜底面部を有し、該傾斜底面部に連なる集液部に液体出口管（排液管）を介して液体回収タンクが接続された構成となしたことを特徴とする。【選択図】 図１

Description

本発明は、液体（水等）と気体（空気、ガス等）とを含む混合流体から液体と気体とを分離する気液分離装置に関するものである。

例えば、内燃機関からの排気を浄化するシステム（装置）の一つとして、ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ：排気再循環）システムが知られている。ＥＧＲシステムにおいては、燃焼室内に還流させるＥＧＲガスを冷却することにより、燃焼温度を低下させることができ、これによりＮＯｘ（窒素酸化物）の排出量を低減することができる。ＥＧＲガスを冷却すると、ＥＧＲガス中に含まれる水分が凝縮してＥＧＲ流路内に凝縮水が発生する。外気温度が０℃以下となるような環境下では凝縮水がより発生し易くなる。

ＥＧＲガスは燃料中の硫黄分を含むためＥＧＲ流路内の凝縮水には硫酸が含まれる。この硫酸を含む凝縮水がＥＧＲ流路や内燃機関の燃焼室等の内部に付着・滞留すると、内燃機関の各部（ＥＧＲ流路やＥＧＲバルブ、吸気流路や燃焼室等）に腐食や損傷等を引き起こすことが考えられる。又、内燃機関の燃焼室が多量の凝縮水を吸い込んでしまうことで、いわゆる水撃（ウォーターハンマー）による内燃機関の破損等を招くことも考えられる。

そこで、ＥＧＲガスから凝縮水を除くために気液分離装置（あるいは気水分離装置）や吸水材（フィルター）等が用いられる。気液分離装置としては、例えばサイクロン式気液分離装置が知られている。このサイクロン式気液分離装置は、液体を含んだ気体を分離筒内に接線方向に導入し、この分離筒内で旋回流を形成することによって液体と気体を分離する方式となしたもので、分離された液体を分離筒下部より排出し、気体のみを分離筒上部より取出す構造となったものが一般的である。又、分離筒からの分離液の排出を促進して分離性能を高めるために分離筒内に分離液の旋回を抑制するための障壁を設けたものも提案されている（特許文献１参照）。さらに、ＥＧＲガス流れ下流側のＥＧＲガス流路の内壁に設けられた凹凸部によりＥＧＲガスから生じた凝縮水を捕集する凝縮水捕集部を備え、該凝縮水捕集部により捕集した凝縮水を貯留部に収容して貯留するＥＧＲ装置も提案されている（特許文献２参照）。吸水材やフィルター等を採用したものとしては、例えば、排気管の内壁面から排気ガス流路内に突出する異物捕集フィルタに吸水材を設けた排気還流装置（特許文献３参照）等が知られている。

特開平９−２２０４２１号公報 特開２０１３−２９０８１号公報 特開２０１２−２０２２６５公報

しかしながら、前記した従来の気液分離手段には、以下に記載する欠点がある。
即ち、液体を含んだ気体を分離筒内に接線方向に導入し、この分離筒内で旋回流を形成することによって液体と気体を分離する方式のサイクロン式気液分離装置や、ＥＧＲガス流路に凝縮水捕集部を内蔵して気液分離する装置の場合は、水分の捕集作用が限定的であり、流速１０〜１００ｍ／ｓのような広範囲のガス流速に対応できない。さらに、車両のエンジンルーム内は空きスペースが少なく、サイクロン方式のような比較的大型の気液分離装置の設置は難しい。又、排気還流装置の場合は、分離容器内にフィルターや吸水材等の分離部材を配置するため通気抵抗が高い上、風量が多く流速が速い領域においても通気抵抗が高まることにより、内燃機関に対して負荷がかかることになり燃費悪化をもたらす。

本発明は、前記した従来の気液分離手段の有する欠点を解消するためになされたもので、フィルターや吸水材等の分離部材を無くし通気抵抗の低減をはかることにより、流速１０〜１００ｍ／ｓのような広範囲のガス流速にも対応でき、かつ車両のエンジンルーム等の狭い場所にも設置可能な小型で捕集効率の高い気液分離装置を提供しようとするものである。

本発明に係る気液分離装置は、液体と気体の混合流体（以下、説明の便宜上「気液混合流体」と称する）を分離容器内に接線方向に導入し、該分離容器内で旋回流を形成することによって前記液体と気体を分離する方式の気液分離装置であって、前記分離容器内が渦巻状の流路となすとともに該渦巻状流路の内壁面を前記気液混合流体の接触壁面となし、前記分離容器の上面側には前記渦巻状流路の中心部に開口部を突出する気体出口管が接続され、前記分離容器の下面側には前記渦巻状流路内で分離した液滴を集める傾斜底面部を有し、該傾斜底面部に連なる集液部に液体出口管（排液管）を介して液体回収タンクが接続された構成となしたことを特徴とするものである。

又、本発明装置は、気液混合流体の接触壁面となす分離容器の渦巻状流路の内壁面を粗面とすることを好ましい態様とするものである。

本発明の気液分離装置は、気液分離容器内にフィルターや吸水材等の分離部材を無くして通気抵抗の低減をはかるとともに、気液混合流体を渦巻状流路の内壁面に接触させて気液分離させる方式として気液混合流体の壁面接触長さを増長させたことにより、気液混合流体は渦巻状流路の内壁面に接触しながら長い距離を流れることとなり、内壁面との摩擦による気液分離がより効果的に行われ、装置の小型化がはかられるのみならず、流速１０〜１００ｍ／ｓのような広範囲のガス流速にも十分に対応でき、内燃機関の燃費改善にも多大な効果を奏する。又、分離容器の底部に液体出口管を介して液体回収タンクを設けることにより、回収された液滴の分離容器内への巻き上げが防止され、高流速域における液滴捕集率の低下を抑制できる。さらに、渦巻状流路の気液混合流体の接触壁面を粗面とすることにより、面衝突による液滴化を効率よく行うことができ、液滴の捕集効率を増加することが可能となる。

本発明に係る気液分離装置の第１実施例を開蓋（上蓋を外した状態）して示す斜視図である。 図１に示す気液分離装置の正面図である。 図１、図２に示す気液分離装置の縦断正面図である。 本発明に係る気液分離装置の第２実施例を開蓋（上蓋を外した状態）して示す斜視図である。 図４に示す気液分離装置の縦断正面図である。 図４、図５に示す気液分離装置の渦巻状流路に施す粗面の形態を例示したもので、（ａ）は凹凸の格子状配列、（ｂ）は凹凸の菱形状配列、をそれぞれ示す。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１〜図６において、１、１１は気液分離装置、２、１２は気液分離容器、２−１、１２−１は渦巻状流路、２−２は気液混合流体の接触壁面、１２−２は気液混合流体の粗面の接触壁面、２−３、１２−３は傾斜底面部、２−４、１２−４は集液部、２−５、１２−５は上蓋、３、１３は気液混合流体入口管、３−１、１３−１は端部開口部、４、１４は気体出口管、５、１５は液体出口管、６、１６は液体回収タンク（貯水タンク等）、７、１７は液体排出管である。

図１〜図３に示す本発明に係る第１実施例の気液分離装置１は、渦巻状の壁面によって形成された渦巻状流路２−１を有する気液分離容器２、気液分離容器２の渦巻状流路２−１の最外周の流路に接線方向に接続された気液混合流体入口管３、気液分離容器２の上面部に上蓋２−５を貫通して垂直に接続された気体出口管４、気液分離容器２の底面部に接続された液体回収タンク６とから構成されている。気液分離容器２の渦巻状流路２−１は、気液混合流体入口管３から流入する気液混合流体が接触する内壁面（渦巻中心側の壁面）を気液混合流体の接触壁面２−２となすとともに、該渦巻状流路２−１の下方には最外周の接触壁面２−２の下端縁に連なるすり鉢状の傾斜底面部２−３が形成され、該傾斜底面部２−３のほぼ中央部に設けられた円筒状の集液部２−４に液体出口管５を介して液体回収タンク６が接続されている。
ここで、気液分離容器２を渦巻状流路２−１で構成したのは、例えばサイクロン式は最外周に位置する壁面に流体が接触するが、気液混合流体の流路を渦巻状にすることにより流体の接触壁面長さを増長させることとなり、接触壁面との摩擦により気液混合流体の気液分離がより効果的に行われる（水分が水滴や液滴化しやすくなる）という効果を得るためである。
なお、上蓋２−５は気液分離容器２の上面部にネジやボルト・ナット等で着脱可能に固着されている。

気液分離容器２の渦巻状流路２−１の最外周の流路に接線方向に接続された気液混合流体入口管３は、その端部開口部３−１が気液分離容器２の渦巻状流路２−１の最外周の流路入口に接続されている。一方、気体出口管４は、気液分離容器２の上面のほぼ中心部（渦巻状流路の終端部）に垂直にかつその下端開口部が気液分離容器２の内部に突出するように上蓋２−５を貫通して垂直に接続されている。なお、気体出口管４の気液分離容器２内の突出部４−１の突出長さ（突出代）としては、特に限定するものではないが５〜２０ｍｍが好ましい。即ち、突出長さが５ｍｍ未満では気体出口管４からの液滴吸引の抑制効果が小さく、他方、２０ｍｍを超えると排液管５側への液滴集液が抑制されてしまうためである。

気液分離容器２の傾斜底面部２−３のほぼ中央部に設けられた円筒状の集液部２−４には、液体出口管５を介して液体回収タンク６が接続されている。

なお、気液分離容器２の中央部の接触壁面２−１の下端部と傾斜底面部２−３との間には図３に示すように適度な大きさの空間Ｓが設けられている。

図１〜図３に示す構成の気液分離装置において、気液混合流体入口管３より気液分離容器２内に流入した気液混合流体Ｍは、気液分離容器２の渦巻状流路２−１に沿って旋回しながら移動するが、その際、気液混合流体は渦巻状流路の内壁面に接触しながら長い距離を流れることとなり、内壁面との摩擦による気液分離が効果的に行われる。即ち、気液混合流体Ｍは渦巻状流路を流れる間に遠心力や慣性力が作用して接触壁面２−２に衝突あるいは接触することにより、効果的に気体Ｇと液滴Ｗとに分離される。気液混合流体Ｍ中の分離された液滴Ｗは接触壁面２−２に付着した後、自重と気流の力作用によって当該壁面を下降しながら他の液滴と結合して大きく成長して傾斜底面部２−３上に落下するとともに下方へ流下し、当該傾斜底面部２−３のほぼ中央部に設けられた円筒状の集液部２−４に液体となって集まる。集液部２−４に集液された液体は、液体出口管５を介して液体回収タンク６に回収される。このように気液混合流体Ｍから分離された液滴Ｗを気液分離容器２とは別設の液体回収タンク６に回収することにより、回収された液滴の気液分離容器２内への巻き上げが防止され、高流速域における液体捕集率の低下を抑制できる。液体回収タンク６に集められた液体は液体排出管７によって排出される。一方、気液混合流体Ｍ中の分離された気体Ｇは気液分離容器２の上面の気体出口管４より外部に流出する。なお、気体出口管４の気液分離容器２内の突出部４−１の突出長さを前記のように液滴吸引の抑制効果等を考慮して適正に設定することにより、液滴Ｗを吸引することなく分離された気体Ｇのみを効果的に取出すことができる。

次に、図４〜図５に示す本発明に係る第２実施例の気液分離装置１１は、前記図１〜図３に示す気液分離容器の接触壁面２−２を粗面の接触壁面１２−２とした以外は、前記図１〜図３に示す構成の気液分離装置と同様の構成を有する。
即ち、その構造は前記図１〜図３に示す本発明の気液分離装置１と同様に、気液分離装置１１は、渦巻状の壁面によって形成された渦巻状流路１２−１を有する気液分離容器１２、気液分離容器１２の渦巻状流路１２−１の最外周の流路に接線方向に接続された気液混合流体入口管１３、気液分離容器１２の上面部に上蓋１２−５を貫通して垂直に接続された気体出口管１４、気液分離容器１２の底面部に接続された液体回収タンク１６とから構成されている。気液分離容器１２の渦巻状流路１２−１は、気液混合流体入口管１３から流入する気液混合流体が接触する内壁面（渦巻中心側の壁面）を気液混合流体の粗面の接触壁面１２−２となすとともに、該渦巻状流路１２−１の下方には最外周の粗面の接触壁面１２−２の下端縁に連なるすり鉢状の傾斜底面部１２−３が形成され、該傾斜底面部１２−３のほぼ中央部に設けられた円筒状の集液部１２−４に液体出口管１５を介して液体回収タンク１６が接続されている。１２−５は上蓋、１３−１は端部開口部、１４−１は気体出口管１４の気液分離容器１２内の突出部である。

上記第２実施例装置において、気液混合流体の接触壁面を粗面の接触壁面１２−２としたのは、気液混合流体中の液滴粒子が接触壁面に付着し易いようにすることにより、気液分離装置における気液分離効率の向上、気液混合流体からの液滴捕集量の増加をはかるためである。ここで、粗面とは表面に液滴粒子が引っかかりやすく、気流の流れを妨げないような粗さである。例えば、気液混合流体中の液滴粒子の粒経が数μｍ〜数百μｍの混合流体の場合は、接触壁面１２−１の表面に凹部と凸部の差が数百μｍ〜５ｍｍ程度となる表面処理（凹凸形成）を施して液滴の捕集率を向上させることが望ましい。なお、この数値は気液混合流体の流速や液滴の種類（水滴、油滴等）、気液分離容器１２の内部形状等によって変わるものであり、前記数値に限定されるものではない。又、粗面の接触壁面１２−２は前記表面処理に代えて、表面に液滴を付着し易い材料を設けて形成してもよい。例えば、ステンレス等の金属繊維を網目状に織り込んだ織物や格子状の網体（メッシュ）を貼り付けてもよく、さらに耐熱性、耐食性等の条件が満たされれば、合成樹脂製、セラミック製等のものであってもよい。粗面の形態としては、例えば図６（ａ）に示す凹凸の格子状配列や、同（ｂ）に示す凹凸の菱形状配列等がある。

図４〜図５に示す構成の気液分離装置１１においても、前記図１〜図３に示す構成の気液分離装置１と同様に、気液混合流体入口管１３より気液分離容器１２内に流入した気液混合流体Ｍは、気液分離容器１２の渦巻状流路１２−１に沿って旋回しながら移動するが、その際、気液混合流体は渦巻状流路の粗面の内壁面即ち粗面の接触壁面１２−２に接触しながら長い距離を流れることとなり、粗面の接触壁面１２−２との摩擦による気液分離がより効果的に行われる。即ち、気液混合流体Ｍは渦巻状流路を流れる間に遠心力や慣性力が作用して接触壁面１２−２に衝突あるいは接触することにより、効果的に気体Ｇと液滴Ｗとに分離されるが、粗面の接触壁面１２−２の場合は、前記したように粗面の作用により気液混合流体Ｍからの液滴Ｗの分離がより促進される。気液混合流体Ｍ中の分離された液滴Ｗは接触壁面１２−２に付着した後、自重と気流の力作用によって当該壁面を下降しながら他の液滴と結合して大きく成長して傾斜底面部１２−３上に落下するとともに下方へ流下し、当該傾斜底面部１２−３のほぼ中央部に設けられた円筒状の集液部１２−４に液体となって集まる。集液部１２−４に集液された液体は、液体出口管１５を介して液体回収タンク１６に回収される。

又、本実施例装置の場合も、気液混合流体Ｍから分離された液滴Ｗを気液分離容器１２とは別設の液体回収タンク１６に回収することにより、回収された液滴の気液分離容器１２内への巻き上げが防止され、高流速域における液体捕集率の低下を抑制できることはいうまでもない。一方、気液混合流体Ｍ中の分離された気体Ｇは気液分離容器１２の上面の気体出口管１４より外部に流出するが、本実施例装置においても、気体出口管１４の気液分離容器１２内の突出部１４−１の突出長さを前記のように液滴吸引の抑制効果等を考慮して適正に設定することにより、液滴Ｗを吸引することなく分離された気体Ｇのみを効果的に取出すことができることはいうまでもない。

１、１１ 気液分離装置
２、１２ 気液分離容器
２−１、１２−１ 渦巻状流路
２−２ 気液混合流体の接触壁面
１２−２ 気液混合流体の粗面の接触壁面
２−３、１２−３ 傾斜底面部
２−４、１２−４ 集液部
２−５、１２−５ 上蓋
３、１３ 気液混合流体入口管
３−１、１３−１ 端部開口部
４、１４ 気体出口管
４−１、１４−１ 突出部
５、１５ 液体出口管
６、１６ 液体回収タンク
７、１７ 液体排出管
Ｍ 気液混合流体
Ｗ 液滴
Ｇ 気体
Ｓ 空間

Claims (2)

1. 液体と気体の混合流体を分離容器内に接線方向に導入し、該分離容器内で旋回流を形成することによって前記液体と気体を分離する方式の気液分離装置であって、前記分離容器内が渦巻状の流路となすとともに該渦巻状流路の内壁面を前記気液混合流体の接触壁面となし、前記分離容器の上面側には前記渦巻状流路の中心部に開口部が突出する気体出口管が接続され、前記分離容器の下面側には前記渦巻状流路内で分離した液滴を集める傾斜底面部を有し、該傾斜底面部に連なる集液部に液体出口管（排液管）を介して液体回収タンクが接続された構成となしたことを特徴とする気液分離装置。
2. 前記気液混合流体の接触壁面を粗面とすることを特徴とする請求項１に記載の気液分離装置。

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