JP2017080657A - 気液分離装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単かつ低コストな構成でありながら、装置の小型化を促進しつつ良好に気体から油分等の液体を分離して捕捉することができると共に、フィルタメンテナンスなどの必要のない気液分離装置を提供する。【解決手段】 本発明に係る気液分離装置は、内空間１０１Ａを有する密閉容器１０１と、気体導入通路１０２と、ベンチェリ部１０３と、ベンチェリ部の絞り部１０３Ａと、ベンチェリ部連通路１０３Ｂと、内部通路１０４と、液体捕捉部１０５と、気体排出通路１０７と、を含んで構成され、ベンチェリ部連通路１０３Ｂから気体を吸い込む一方、液体捕捉部１０５に捕捉された液体を液体回収連通穴（所定間隙Ｚ）を介して吸い出すと共に、この吸い出された液体を外部に排出するドレーン機構１０８を備えたことを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、気体中に含まれる液体を気体から分離するための気液分離装置に関する。例えば、自動車等においてサービスブレーキ、エアサスペンションなど利用されるサービスエア（圧縮空気）から油分等（液体）を除去するための気液分離装置に関する。

例えば、トラック、バスなどの大型車両においては、エアコンプレッサにより所定圧力（例えば、１０ｋｇｆ／ｃｍ^２程度）に圧縮した空気をエアタンクに貯留しておき、この圧縮空気（サービスエア）を作動動力源の一部として利用するといったサービスブレーキシステムや、コイルスプリングや板バネの代わりに圧縮空気を利用したエアサスペンションシステムなどが採用されている。

ここで、エアコンプレッサにより圧縮された空気は、通常圧力の大気圧状態に比べて含有する水蒸気の凝結により水を発生しやすい状態にある。

このため、エアコンプレッサにより圧縮した空気を、そのままエアタンクに貯留しておいて圧縮空気を、サービスブレーキシステム等の各種エアシステムに供給してしまうと、圧縮空気が触れる部分に腐食などを発生させ、延いては各種エアシステムに機能障害などを生じさせるおそれがあるなど、システムの信頼性等に悪影響を及ぼすおそれがある。

このようなことから、エアコンプレッサにより圧縮した空気を、エアタンクに貯留する前に、例えば特許文献１に記載されているようなエアドライヤ装置によって水分を除去することなどが行われている。

実開平５−２６１３６号公報 特公平０４−７２４５号公報 特許２８３９４６１号公報 特開２００２−３０６９２２号公報 国際出願ＷＯ２０１５／０３３４１４

しかしながら、エアコンプレッサが、エンジンにより回転駆動されるクランク機構やピストンを含んで構成される場合、エアコンプレッサの摺動部を潤滑するための油分（潤滑油、オイル）がミスト状に圧縮空気中に微量に混入してしまうおそれがあり、このような圧縮空気への油分の混入があると、エアドライヤ装置の乾燥剤や各種エアバルブ内のラバーの寿命に悪影響を与えるおそれがある。

このようなことから、特許文献２から特許文献５などにおいては、エアコンプレッサとエアドライヤ装置との間に気液分離装置を介装し、圧縮空気から油分を除去する技術が提案されている。

従来のこの種の気液分離装置は、螺旋状の部分に圧縮空気を通過させる際に、比較的大きな半径の旋回流（遠心力）により重量のある油分（潤滑油）を外周に付着させることで圧縮空気から油分を分離していた。

しかし、このような旋回流（遠心力）を利用して圧縮空気から油分を分離する場合、車両への搭載性などから装置の小型化を図ろうとすると（旋回半径（螺旋状部分の径）を小さくすると）良好に油分を圧縮空気から分離することができなくなることが解ってきた。

すなわち、従来においては、圧縮空気から油分を良好に分離するには、大きなサイズ（旋回半径）の気液分離装置の採用が避けられないものであった。また、従来装置では、圧縮空気から油分を良好に分離するためのラビリンス構造等が必要となるなど構成が複雑化し高コスト化するといった実情もある。

圧縮空気から油分を分離する別の方法として、例えば、エアコンプレッサとエアドライヤ装置の間にオイルフィルタを介装して油分をオイルフィルタで吸着することで圧縮空気から油分を分離することも考えられるが、良好な分離特性を得るためにはメッシュサイズを比較的小さくする必要があるため通気抵抗が増大してしまい圧縮空気の供給に悪影響を与えるおそれや、メンテナンスを怠ると目詰まりなどが生じ信頼性を低下させるといったおそれがあると共に、フィルタの交換が必要となるなどメンテナンスが面倒であり、実際の採用にはなかなか至らないのが実情である。

本発明は、かかる実情に鑑みなされたもので、簡単かつ低コストな構成でありながら、装置の小型化を促進しつつ良好に気体から油分等の液体を分離して捕捉することができると共に、信頼性に優れ、取り扱いも簡便でフィルタメンテナンスなどの必要のない気液分離装置を提供することを目的とする。

このため、本発明は、
気体から液体を分離する気液分離装置であって、
外気から遮蔽された内空間を有する密閉容器と、
前記密閉容器の内空間に導かれると共に気体が導入される気体導入通路と、
前記気体導入通路の気体流れ下流側に接続され、前記気体導入通路より内径の小さな絞り部を有するベンチェリ部と、
前記ベンチェリ部の絞り部と、前記密閉容器の内空間と、を連通するベンチェリ部連通路と、
前記ベンチェリ部の気体流れ下流側に接続され、前記絞り部より内径の大きな内部通路と、
前記内部通路の気体流れ下流側に接続され、前記内部通路より内径の大きな液体捕捉部と、
気体を外部へ排出する気体排出通路であって、前記液体捕捉部の内径より小さな外径を有し、前記液体捕捉部の内径との間に所定間隙を有しつつ前記液体捕捉部の内側に、その先端が他と接触しないように挿入される気体排出通路と、
を含んで構成され、
前記ベンチェリ部連通路から前記密閉容器の内空間内の気体を吸い込む一方、前記液体捕捉部に捕捉された液体を前記所定間隙を介して前記密閉容器の内空間内に吸い出すと共に、
前記密閉容器の内空間内に吸い出された液体を外部に排出するドレーン機構を備えたことを特徴とする。

また、本発明において、前記気体導入通路の気体流れ上流側に、気体が流れる通路を螺旋状に巻回したスパイラル部が備えられることを特徴とすることができる。

本発明によれば、簡単かつ低コストな構成でありながら、装置の小型化を促進しつつ良好に気体から油分等の液体を分離して捕捉することができると共に、信頼性に優れ、取り扱いも簡便なフィルタメンテナンスなどの必要のない気液分離装置を提供することができる。

本発明の一実施の形態に係る気液分離装置の設置場所の一例を示す図である。 同上実施の形態に係る気液分離装置を拡大して示す断面図である。 密閉容器内においてスパイラル部（螺旋状部）に接続された気液分離装置の一例を拡大して示す断面図である。 スパイラル部（螺旋状部）に接続された気液分離装置の他の一例を拡大して示す断面図である。

以下に、本発明に係る気液分離装置の一実施の形態について、添付の図面を参照しつつ説明する。なお、以下で説明する実施形態により、本発明が限定されるものではない。

本実施の形態に係る気液分離装置１００は、図１示すように、エアコンプレッサとエアドライヤの間に介装され、エアコンプレッサから吐出される圧縮空気（気体の一例）を入口部（入口端）１Ａから導入し、圧縮空気に含まれる油分等の液体を分離して補捉した後、出口部（出口端）１Ｂからエアドライヤ側へ圧縮空気を送出するようになっている。

なお、圧縮空気は、トラック等の駆動源であるエンジンにより回転駆動されるクランク機構及びピストンやピストンリングを含んで構成されるエアコンプレッサから吐出される圧縮空気であり、少量の油分（潤滑油、オイル）が混在している。
また、ここでの圧縮空気の圧力等は、特に限定されるものではないが、例えば、１０ｋｇｆ／ｃｍ^２程度、０．２ｍ^３／分（ｍｉｎ）程度が一例として想定できる。

ここで、本実施の形態に係る気液分離装置１００の拡大図を図２に示すが、図２に示すように、気液分離装置１００は、外気とは遮断された内空間１０１Ａを有する液体回収容器（密閉容器）１０１を備えて構成される。

前記液体回収容器１０１には、内空間１０１Ａから遮断されて圧縮空気（少量の液体が混合している）が導かれる圧縮空気導入通路（気体導入通路）１０２（入口部１Ａに接続）が備えられている。

そして、圧縮空気導入通路１０２の圧縮空気流れ下流側（気体流れ下流側）には、内径が縮小されたベンチェリ部１０３が接続されていると共に、該ベンチェリ部１０３の圧縮空気流れ下流側には内径が圧縮空気導入通路１０２の内径と同程度まで拡径（拡張）された内部通路１０４が接続され、これらの内側を圧縮空気は流れるようになっている。

ここで、本実施の形態では、内部通路１０４の圧縮空気流れ下流側に、液体トラップ部（液体捕捉部）１０５が接続されている。この液体トラップ部１０５は、その内径が、内部通路１０４の内径と同等の内径から、圧縮空気流れ下流側に進むに連れて徐々に拡径され、内部通路１０４の内径より所定に大きな内径となったところから圧縮空気流れ下流側に向けて略同一径にて所定長さＸ程度延在するように形成されている。

この液体トラップ部１０５の内側には、圧縮空気導入通路１０２の内径と同程度の気体排出通路１０７（出口部１Ｂに接続）が挿入されている（液体トラップ部１０５の内径より気体排出通路１０７の外径は小さい）。気体排出通路１０７の圧縮空気流れ上流側の先端部１０７Ａと、内部通路１０４或いは液体トラップ部１０５と、は、所定間隔Ｙを残して接触しないように形成されている。

また、液体トラップ部１０５の圧縮空気流れ下流側端部１０５Ａは、圧縮流れ下流側に進むに従って外側に拡径される舌状部１０７Ｂと所定間隙Ｚを持つように形成され、当該所定間隙Ｚが、液体トラップ部１０５と液体回収容器１０１の内空間１０１Ａとを連通する液体回収連通穴１０６として機能するように構成されている。

かかる構成を備えた本実施の形態によれば、圧縮空気導入通路１０２に、エアコンプレッサから吐出される圧縮空気（少量の液体が混合している）が導入されると、圧縮空気は該圧縮空気導入通路１０２に接続されているベンチェリ部１０３に導かれる。

ベンチェリ部１０３は内径が縮小（縮径）されているので、その絞り部１０３Ａによりベンチェリ効果が生じ、ベンチェリ部１０３において圧縮空気の流速が増加し内径の大きな低速部（内部通路１０４や圧縮空気導入通路１０２）に比べて低圧となる。

このため、ベンチェリ部３の絞り部１０３Ａと、液体回収容器１の内空間１０１Ａと、を連通するベンチェリ部吸込通路１０３Ｂにより、液体回収容器１０１の内空間１０１Ａ内の空気がベンチェリ部１０３の絞り部１０３Ａへ吸い込まれることになる。

これにより、液体回収容器１０１の内空間１０１Ａは減圧され、内部通路１０４の内部は加圧されることになる。

従って、内部通路１０４内を流れる圧縮空気の流速が極端に高く（速く）なければ、かかる内部通路１０４の内部の加圧と、内部通路１０４の径拡張部１０４Ａの存在と、が相俟って、圧縮空気中の液体は、内部通路１０４の内壁付近へと移動して付着し、内部通路１０４の内壁に沿って圧縮空気流れ下流側に向けて移動する（流れる）ことになる。

そして、このように内部通路１０４の内壁に付着して圧縮空気流れ下流側に向けて流れる液体は、液体トラップ部１０５により捕捉される（溜められる）が、このとき、ベンチェリ部１０３の絞り部１０３Ａによるベンチェリ効果によりベンチェリ部吸込通路１０３Ｂを介して液体回収容器１０１の内空間１０１Ａは減圧されているため、液体回収連通穴１０６を介して内部通路１０４側から圧縮空気の一部が吸い込まれる。このため、かかる圧縮空気の一部と共に液体トラップ部１０５に捕捉された（溜められた）液体が、液体回収連通穴６を介して液体回収容器１０１の内空間１０１Ａ側に効率良く排出される（吸い出される）ことになる。

液体回収連通穴１０６から液体回収容器１０１の内空間１０１Ａ側に吸い出された（排出された）液体は、液体回収容器１０１の内空間１０１Ａの底部に溜まるが、所定量溜まったら、或いは所定のサイクルで定期的に、ドレーン機構１０８から外部に排出される（取り出される）或いはエンジンのオイルパンに戻されるといった処理がなされる。液体の外部への排出は、ドレーン機構１０８のドレーンバルブを手動或いは自動的に開閉させることで行うことができる。なお、ドレーン機構１０８を省略し、分離した液体（オイル）を容量の大きな別置きの液体収容容器（キャッチタンク）に導く構成や、分離した液体（オイル）をエンジンのオイルパンに戻すオイルリターン通路を接続しておく構成とすることもできる。

このように、本実施の形態によれば、外部から遮蔽された液体回収容器１０１の内空間１０１Ａに、圧縮空気が流れる圧縮空気導入通路１０２を導き、該圧縮空気導入通路１０２にベンチェリ部１０３を接続してベンチェリ効果を利用することで、ベンチェリ部吸込通路１０３Ｂから液体回収容器１０１の内空間１０１Ａの空気を圧縮空気に吸い込ませて、液体回収容器１０１の内空間１０１Ａを減圧することができる。

この一方で、圧縮空気がベンチェリ部１０３を通過した後、圧縮空気に含まれる液体は、内部通路１０４の内壁に付着され、液体トラップ部１０５により捕捉される（集められる）が、液体回収容器１０１の内空間１０１Ａは、ベンチェリ部吸込通路１０３Ｂにより減圧されているため、液体トラップ部１０５に捕捉された（集められた）液体は、液体トラップ部１０５の下流側の液体回収連通穴１０６から液体回収容器１０１の内空間１０１Ａ側に効率良く排出され（吸い出され）、ドレーン機構１０８から適宜のタイミングで外部に排出（取り出す）或いはエンジンのオイルパンに戻すことができることになる。

このように、本実施の形態によれば、従来のような遠心力を利用した大きなサイズ（旋回半径）の気液分離装置や複雑なラビリンス構造等を必要とすることなく、良好に圧縮空気から液体を分離することができる。また、エアコンプレッサとエアドライヤ装置の間にオイルフィルタを介装して油分をオイルフィルタで吸着することで圧縮空気から油分を分離する必要がないため、通気抵抗が増大してしまい圧縮空気の供給に悪影響を与えるおそれや、メンテナンスを怠ると目詰まりなどが生じ信頼性を低下させるといったおそれを解消することができると共に、フィルタの交換も必要なくメンテナンスも容易な気液分離装置を提供することができる。

すなわち、本実施の形態によれば、簡単かつ低コストな構成でありながら、装置の小型化を促進しつつ良好に気体から油分等の液体を分離して捕捉することができると共に、信頼性に優れ、取り扱いも簡便なフィルタメンテナンスなどの必要のない気液分離装置を提供することができる。

ここで、本発明者等は、圧縮空気（例えば、１０ｋｇｆ／ｃｍ^２程度、０．２ｍ^３／分（ｍｉｎ）程度）に旋回流（或いは螺旋流）を与えることで外側に油分（潤滑油等）を集めて捕捉するといった従来の気液分離装置の小型化を図るために、スパイラルチューブを比較的短い半径にて螺旋状に巻回したものを何種類か準備し、圧縮空気から油分を分離できるのかの確認実験を行った。

この確認実験の結果、装置の小型化を図るために細いチューブを比較的小さい半径で螺旋状に巻回して比較的小さい半径の旋回流（螺旋流）を圧縮空気に与えた場合には、従来のように比較的大きな半径の旋回流を与えた場合のように圧縮空気中の油分が旋回流の外側（Ｒ部（カーブ）の外側）に集まる現象は確認できなかった。

その一方で、細いチューブを比較的小さい径で螺旋状に巻回して比較的小さい径の旋回流（螺旋流）を与えた場合には、圧縮空気中の油分が、螺旋状の細いチューブ内の内壁側の上下方向略中央付近に集まり、集まった油分が圧縮空気流れ（圧縮空気の主流の流れ）の方向に筋状に流れることが確認された。

このような新たな知見に基づいて、本発明者等は、エアコンプレッサから吐出された圧縮空気を、所定のスパイラル径の螺旋状チューブを通過させることで、圧縮空気中のオイルミスト（液体）を、螺旋状チューブのスパイラル部（Ｒ部、カーブ部分）の内側上下方向略中央付近にチューブの長手方向に沿って（すなわち、螺旋状部の内周最短半径線（最小内径線）に沿って）筋状に集めることができるようにした装置を、本願出願人が出願人である特願２０１５−１６１８４９号にて提案した。

従って、この螺旋状チューブの内壁に筋状に集められた油分（潤滑油、オイル）（液体の一例）を、上述のベンチェリ効果を利用した気液分離装置１００にて捕捉する構成とすれば、より効果的に圧縮空気（気体）から油分（液体）を分離することができる。

すなわち、本実施の形態では、上述した気液分離装置１００と、特願２０１５−１６１８４９号にて提案した気液分離装置と、を組み合わせて利用することで、より一層効果的に圧縮空気から液体を分離することができるようにするものである。

特願２０１５−１６１８４９号にて提案した気液分離装置２００は、図３に示すように、内径φ１０ｍｍ程度（例えば、内径φ５ｍｍ〜φ３０ｍｍ程度とすることができる）のチューブ１を比較的小さいスパイラル径（例えばφ５０〜３００程度、ここではφ１１０程度）にて所定巻き数（例えば１〜１０、ここでは３〜４）にて巻回したスパイラル部（螺旋状部）２を、比較的サイズの小さい密閉容器２０（１０１）内に収容している。

チューブ（気体が流れる通路）１の入口部（入口端）１Ａには、エアコンプレッサから吐出される圧縮空気が導入され、導入された圧縮空気は、スパイラル部２を通過した後、出口部（出口端）１Ｂを介して、エアドライヤ側へ送出されるようになっている。

すなわち、気液分離装置２００は、エアコンプレッサとエアドライヤとの間に介装され、エアコンプレッサから吐出される圧縮空気を導入し、圧縮空気に含まれる油分等の液体を分離して補捉した後、エアドライヤ側へ圧縮空気を送出するようになっている。
なお、チューブ１の入口部１Ａと出口部１Ｂの位置は、特に限定されるものでなく、車両への搭載性等を考慮して適宜に変更可能である。また、取付方向に関しても、適宜に変更可能である。

ここで、上述したように、比較的小さいスパイラル径（例えばφ５０〜３００程度、ここではφ１１０程度）にて螺旋状にチューブ１を巻回すると、スパイラル部２（Ｒ部、カーブ部分）内の内径側（内側）と外径側（外側）の流速差及び圧力差によって、圧縮空気中の油分等の液体が、スパイラル部２の螺旋状（スパイラル形状）の内周最短半径線に沿って筋状に析出する（集められる）ことになる。この筋状に析出した（集められた）油分（オイル筋）は、圧縮空気流れ下流側に向かって進行する。

従って、かかる筋状に集められた油分（オイル筋）をチューブ１から外部へ取り出すために、本実施の形態においては、図３に示したように、気液分離装置１００を、スパイラル部２の圧縮空気流れ下流側に備えて構成した。

この例では、気液分離装置２００の密閉容器２０が、気液分離装置１００の液体回収容器１０１（内空間１０１Ａ）として機能する。

このような構成によれば、スパイラル部２のチューブ１内に筋状に集められ圧縮空気流れ下流側に向けて流れる油分（潤滑油）を、その下流側に設けた気液分離装置１００により効率良く圧縮空気から捕捉して分離することができ、この分離した油分（潤滑油）を、密閉容器２０（液体回収容器１０１）の内側の底部に貯留することができる。

そして、所定量油分が貯留したら、ドレーン機構１０８を開けて外部へ排出することができる。

なお、図４に示すように、密閉容器２０を省略した場合には、チューブ１のスパイラル部２の出口に、液体回収容器１０１を備えた気液分離装置１００（図２の構成のもの）を接続するような構成とすることもできる。

以上のように、気液分離装置２００（チューブ１のスパイラル部２）と、気液分離装置１００と、を組み合わせた場合においては、簡単かつ低コストな構成でありながら、装置の小型化を促進しつつ一層良好に気体から液体を分離して効率良く捕捉することができると共に、信頼性に優れ、取り扱いも簡便でフィルタメンテナンスなどの必要のない使い勝手の良い気液分離装置を提供することができる。

ところで、本実施の形態では、エアコンプレッサとエアドライヤの間における比較的高温（約１８０°Ｃ付近）の圧縮空気から油分（潤滑油）を分離して捕捉するので、圧縮空気中の水分は十分に気化しているため、捕捉した油分（潤滑油）に水分が混入するおそれが低いため、捕捉した油分（潤滑油）をそのままエンジンのオイルパンに戻しても不具合が発生することがない点で有利である。

以上で説明した実施形態は、本発明を説明するための例示に過ぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々変更を加え得ることは可能である。

１ チューブ（配管：気体が流れる通路）
１Ａ 入口部
１Ｂ 出口部
２ スパイラル部（螺旋状部）
１０ ディフューザ部
１１ 絞り部
１２ 吸い込み穴
２０ 密閉容器
１００ 気液分離装置
１０１ 液体回収容器（密閉容器）
１０１Ａ 内空間
１０２ 圧縮空気導入通路（気体導入通路）
１０３ ベンチェリ部
１０３Ａ 絞り部
１０３Ｂ ベンチェリ部吸込通路（ベンチェリ部連通路）
１０４ 内部通路
１０５ 液体トラップ部（液体捕捉部）
１０６ 液体回収連通穴（所定間隙Ｚ）
１０７ 気体排出通路
１０８ ドレーン機構

Claims (2)

1. 気体から液体を分離する気液分離装置であって、
   外気から遮蔽された内空間を有する密閉容器と、
   前記密閉容器の内空間に導かれると共に気体が導入される気体導入通路と、
   前記気体導入通路の気体流れ下流側に接続され、前記気体導入通路より内径の小さな絞り部を有するベンチェリ部と、
   前記ベンチェリ部の絞り部と、前記密閉容器の内空間と、を連通するベンチェリ部連通路と、
   前記ベンチェリ部の気体流れ下流側に接続され、前記絞り部より内径の大きな内部通路と、
   前記内部通路の気体流れ下流側に接続され、前記内部通路より内径の大きな液体捕捉部と、
   気体を外部へ排出する気体排出通路であって、前記液体捕捉部の内径より小さな外径を有し、前記液体捕捉部の内径との間に所定間隙を有しつつ前記液体捕捉部の内側に、その先端が他と接触しないように挿入される気体排出通路と、
   を含んで構成され、
   前記ベンチェリ部連通路から前記密閉容器の内空間内の気体を吸い込む一方、前記液体捕捉部に捕捉された液体を前記所定間隙を介して前記密閉容器の内空間内に吸い出すと共に、
   前記密閉容器の内空間内に吸い出された液体を外部に排出するドレーン機構を備えたことを特徴とする気液分離装置。
2. 前記気体導入通路の気体流れ上流側に、気体が流れる通路を螺旋状に巻回したスパイラル部が備えられることを特徴とする気液分離装置。