JP2020067082A - リザーブタンク - Google Patents

Abstract

【課題】旋回流方式を採用しながらも、液体の流量の増加に起因する気液分離性能の低下を抑制することの可能なリザーブタンクを提供する。【解決手段】リザーブタンク１０は、気液分離室Ｒ１の内部に貯留される液体に旋回流を発生させることにより、液体に含まれる気体を分離する。リザーブタンク１０は、気液分離室Ｒ１を内部に有するタンク本体２０と、気液分離室Ｒ１に流入する液体に旋回流を発生させる旋回流形成部４０と、旋回流形成部４０に液体を導く導入流路３３と、気液分離室Ｒ１に貯留されている液体を外部に排出する排出口５１と、導入流路３３を流れる液体の一部を旋回流形成部４０及び気液分離室Ｒ１を迂回させて排出口５１に導くバイパス流路６０と、を備える。【選択図】図２

Description

本開示は、気液分離室の内部に貯留される液体に旋回流を発生させることにより、液体に含まれる気体を分離するリザーブタンクに関する。

従来、下記の特許文献１に記載のリザーブタンクがある。特許文献１に記載のリザーブタンクは、内部に空間を有するタンク本体を備えている。タンク本体の内部には、冷却水が貯留されるとともに冷却水が流通する冷却水室と、空気が貯留される空気室とが形成されている。冷却水室と空気室とは、タンク本体の内部に設けられる分離壁により分離されている。タンク本体の内部には、空気室を複数に区画する空気室壁が形成されている。分離室壁におけるタンク本体の底部壁面近傍の部分には、複数の空気室のうち、冷却水室に隣接する空気室と冷却水室とを連通させる分離壁連通穴が形成されている。空気室壁におけるタンク本体の上部壁面近傍の部分には、複数の空気室間を連通させる空気室壁連通孔が形成されている。特許文献１に記載のリザーブタンクでは、冷却水が冷却水室に流入した際に、冷却水に含まれる空気が分離壁連通穴を通じて複数の空気室に流れ込むことにより、冷却水と空気とが分離されるようになっている。

特開２０１３−２４９７９１号公報

ところで、特許文献１に記載されるようなリザーブタンクでは、冷却水室を複数設けた上で、複数の冷却水室に冷却水を流通させることにより、より確実に冷却水に含まれる空気を分離することが可能となる。しかしながら、複数の冷却水室をタンク本体に設けた場合、リザーブタンクの大型化が避けられないものとなる。

このようなリザーブタンクの大型化を回避するために、発明者らは、気液分離室の内部に貯留される液体に旋回流を発生させることにより、液体に含まれる気体を分離する構造を採用することを検討している。
一方、このような旋回流方式のリザーブタンクを用いた場合、リザーブタンクに流入する液体の流量によっては、気液分離性能が低下する可能性がある。具体的には、気液分離室で旋回流を適切に発生させるためには、セパレータ内に流入する冷却水の流量が所定の範囲の流量である必要がある。仮に所定の範囲を超えるような流量の冷却水がセパレータ内に流入すると、セパレータ内に形成される旋回流が不安定になる。これは、気液分離室内の気体層と液体層との境界部分である気液界面に乱れを生じさせる要因となる。このようにして気液界面に乱れが生じると、気体層の気体が液体層の液体に巻き込まれるような状態となり、結果として気液分離性能が低下する可能性がある。

本開示は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、旋回流方式を採用しながらも、液体の流量の増加に起因する気液分離性能の低下を抑制することの可能なリザーブタンクを提供することにある。

上記課題を解決するリザーブタンク（１０）は、気液分離室（Ｒ１）の内部に貯留される液体に旋回流を発生させることにより、液体に含まれる気体を分離する。リザーブタンクは、気液分離室を内部に有するタンク本体（２０）と、気液分離室に流入する液体に旋回流を発生させる旋回流形成部（４０）と、旋回流形成部に液体を導く導入流路（３３）と、気液分離室に貯留されている液体を外部に排出する排出口（５１）と、導入流路を流れる液体の一部を旋回流形成部及び気液分離室を迂回させて排出口に導くバイパス流路（６０，８０）と、を備える。

この構成によれば、旋回流形成部により気液分離室に流入する液体に旋回流を発生させることができる。これにより、気液分離室内には液体の渦が形成されるため、その遠心力により液体状の冷却水が気液分離室の外周部分に向かって流れるとともに、液体に含まれる気体が気液分離室の中央部分付近に集まる。よって、気液分離室内において液体と気体とを分離することができる。

また、導入流路を流れる液体の一部がバイパス流路を通じて排出口に導かれるため、過度の流量の液体が旋回流形成部に流入し難くなる。これにより、旋回流形成部により形成される旋回流に乱れが生じ難くなるため、液体の流量の増加に起因する気液分離性能の低下を抑制することができる。

また、上記課題を解決するリザーブタンク（１０）は、気液分離室（Ｒ１）の内部に貯留される液体に旋回流を発生させることにより、液体に含まれる気体を分離する。リザーブタンクは、気液分離室を内部に有するタンク本体（２０）と、気液分離室に流入する液体に旋回流を発生させる旋回流形成部（４０）と、旋回流形成部に液体を導く導入流路（３３）と、導入流路を流れる液体の一部を、旋回流形成部を迂回させて気液分離室に導くバイパス流路（９０）と、を備える。

この構成によれば、旋回流形成部により気液分離室に流入する液体に旋回流を発生させることができるため、気液分離室内において液体と気体と分離することができる。また、仮に気液分離性能を確保するために必要な流量よりも多い流量の液体が導入流路に流入した場合には、その一部がバイパス流路を通じて気液分離室に導かれるため、過度の流量の液体が旋回流形成部に流入することがない。これにより、旋回流形成部により形成される旋回流に乱れが生じ難くなるため、液体の流量の増加に起因する気液分離性能の低下を抑制することができる。

なお、上記手段、特許請求の範囲に記載の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

本開示によれば、旋回流方式を採用しながらも、液体の流量の増加に起因する気液分離性能の低下を抑制することの可能なリザーブタンクを提供できる。

図１は、第１実施形態のエンジン冷却装置の概略構成を示すブロック図である。 図２は、第１実施形態のリザーブタンクの断面構造を示す断面図である。 図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面構造を示す断面図である。 図４は、図２のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面構造を示す断面図である。 図５は、第２実施形態のリザーブタンクの断面構造を示す断面図である。 図６は、図５のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面構造を示す断面図である。 図７は、第３実施形態のリザーブタンクの断面構造を示す断面図である。

以下、リザーブタンクの実施形態について図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
＜第１実施形態＞
はじめに、図１を参照して、本実施形態のリザーブタンク１０が適用されるエンジン冷却装置１の概要について説明する。図１に示されるエンジン冷却装置１は、車両のエンジン２を適正な温度に冷却するための装置である。エンジン冷却装置１は、エンジン２、ポンプ３、及びラジエータ４が配管を介して環状に接続された構造からなる。このエンジン冷却装置１では、ポンプ３により圧送される冷却水がエンジン２及びラジエータ４を循環している。ラジエータ４において冷却された冷却水がエンジン２に供給されることにより、エンジン２が冷却される。このような冷却水の循環路のうち、エンジン２のシリンダヘッドとラジエータ４のアッパタンク４ａとを接続する経路に対してリザーブタンク１０が並列に配置されている。リザーブタンク１０には、エンジン２のシリンダヘッドから冷却水の一部が流入して貯留される。リザーブタンク１０は、冷却水中の気泡などの気体を分離して冷却水を貯留する。リザーブタンク１０に貯留される冷却水はポンプ３の作動によりラジエータ４のアッパタンク４ａに供給される。本実施形態のリザーブタンク１０により分離される液体は冷却水であり、リザーブタンク１０により分離される気体は、冷却水に含まれる気体である。

次に、リザーブタンク１０の具体的な構造について説明する。図２に示されるように、リザーブタンク１０は、所定の軸線ｍ１を中心に円形箱状に形成されたタンク本体２０と、タンク本体２０の内部に収容される流路形成部３０と、旋回流形成部４０とを備えている。なお、図２において矢印Ｚ１で示される方向は鉛直方向上方を示し、矢印Ｚ２で示される方向は鉛直方向下方を示す。

タンク本体２０の内部には、冷却水に含まれる気泡を分離するとともに冷却水を貯留する気液分離室Ｒ１が形成されている。図中の符号Ｒ１０は、気液分離室Ｒ１において主に気体が存在する気体層を示し、図中の符号Ｒ１１は、気液分離室Ｒ１において主に冷却水が存在する液体層を示している。また、気体層Ｒ１０と液体層Ｒ１１との間の境界線Ｌｗは気液界面を示している。

タンク本体２０の側壁部２１の下方部分には、流入口５０が突出するように設けられている。流入口５０は、冷却水が流入する部分である。タンク本体２０の底壁部２２には、排出口５１が突出するように設けられている。排出口５１は、タンク本体２０の内部から冷却水が排出される部分である。本実施形態では、タンク本体２０の側壁部２１、底壁部２２、及び上壁部２３がタンク本体２０の外壁部に相当する。

タンク本体２０の上壁部２３には、タンク本体２０の内部に冷却水を注入するための円筒状の注水口２４が形成されている。注水口２４には、加圧キャップ７０が装着されている。この加圧キャップ７０により、タンク本体２０の内部を含め、エンジン冷却装置１の各部に付与される圧力を所定の圧力に調整することが可能となっている。

タンク本体２０の内部には、流入口５０に連続するように流路形成部３０が設けられている。流路形成部３０は、軸線ｍ１を中心に略円盤状に形成されている。
流路形成部３０の中央部には、その底壁部３１から軸線ｍ１に沿って気液分離室Ｒ１に突出するように旋回流形成部４０が形成されている。旋回流形成部４０は、軸線ｍ１を中心に有底円筒状に形成されている。旋回流形成部４０の先端部４１の開口部分は、気液分離室Ｒ１において開口している。旋回流形成部４０は、気液分離室Ｒ１に流入する冷却水に旋回流を発生させる部分である。

旋回流形成部４０の中央部には、軸線ｍ１に沿って延びるように円柱状の棒状部材１００が配置されている。棒状部材１００は、流路形成部３０の底壁部３１から旋回流形成部４０の先端部４１を超えて気液分離室Ｒ１の内部まで延びるように形成されている。なお、棒状部材１００は、円柱状に限らず、円管状に形成されていてもよい。

図３に示されるように、流路形成部３０には、旋回流形成部４０の外周に沿って円環状に延びるように環状流路３２が形成されている。また、流路形成部３０には、流入口５０から環状流路３２の外周部分に直線状に延びるように導入流路３３が形成されている。したがって、流入口５０に流入する冷却水は導入流路３３を通じて環状流路３２に流入するようになっている。

図２及び図３に示されるように、旋回流形成部４０の外壁部４２には、環状流路３２から旋回流形成部４０の内部に貫通するように一対の吐出孔４３ａ，４３ｂが形成されている。吐出孔４３ａ，４３ｂは、環状流路３２の接線方向に直線状に延びるように形成されている。各吐出孔４３ａ，４３ｂは、軸線ｍ１を中心として点対称となる位置に配置されている。吐出孔４３ａ，４３ｂは、環状流路３２を流れる冷却水を旋回流形成部４０の内部に吐出する部分である。

図２に示されるように、タンク本体２０の内部においてタンク本体２０の底壁部２２と流路形成部３０の底壁部３１との間には隙間６０が形成されている。図４に示されるように、この隙間６０は、軸線ｍ１を中心に円柱状に形成されている。本実施形態では、この隙間６０がバイパス流路に相当する。そのため、以下では、隙間６０を「バイパス流路６０」とも称する。

図２に示されるように、流路形成部３０の底壁部３１には、導入流路３３からバイパス流路６０に貫通する連通孔３４が形成されている。この連通孔３４を通じて導入流路３３とバイパス流路６０とが連通されている。また、バイパス流路６０は、タンク本体２０の底壁部２２に形成される排出口５１にも連通されている。

流路形成部３０において環状流路３２の径方向外側にあたる部位には、排出流路３５が形成されている。排出流路３５は、軸線ｍ１に平行な方向に流路形成部３０を貫通するように形成されている。この排出流路３５により、タンク本体２０の内部に形成される気液分離室Ｒ１とバイパス流路６０とが連通されている。

次に、本実施形態のリザーブタンク１０の動作例について説明する。
本実施形態のリザーブタンク１０では、流入口５０に流入した冷却水は、導入流路３３を通じて環状流路３２に流入する。環状流路３２を流れる冷却水は、旋回流形成部４０の外壁部４２に形成される吐出孔４３ａ，４３ｂを通じて旋回流形成部４０の内部に吐出される。このように、導入流路３３及び環状流路３２は、冷却水を旋回流形成部４０に導く部分となっている。

冷却水が吐出孔４３ａ，４３ｂを流れることにより、冷却水の流れ方向が、吐出孔４３ａ，４３ｂの延びる方向、すなわち図３に示される矢印Ｗａ，Ｗｂに示される方向に変換される。このような流れ方向を有する冷却水が旋回流形成部４０の内部に流入することにより、図２に矢印Ｔで示されるように旋回流形成部４０の内部を冷却水が旋回して流れるようになる。

旋回流形成部４０の内部で旋回流を形成した冷却水は、旋回流形成部４０の先端部４１から気液分離室Ｒ１に吐出される。この際、冷却水が旋回しながら気液分離室Ｒ１に流入することにより、気液分離室Ｒ１内にも冷却水の旋回流、換言すれば冷却水の渦が形成されるため、その遠心力により液体状の冷却水が気液分離室Ｒ１の外周部分に向かって流れるとともに、冷却水に含まれる気泡が気液分離室Ｒ１の中央部分付近に集まる。気液分離室Ｒ１の中央部付近に集まった気泡は、気液分離室Ｒ１の上方に貯まる。そのため、気液分離室Ｒ１の上方には気体層Ｒ１０が形成され、その下方には液体層Ｒ１１が形成されることになる。液体層Ｒ１１に貯留されている冷却水は、排出流路３５、バイパス流路６０、及び排出口５１を通じて外部に排出される。このように、排出口５１は、気液分離室Ｒ１に貯留されている冷却水を外部に排出する部分となっている。

一方、本実施形態のリザーブタンク１０では、旋回流形成部４０及び気液分離室Ｒ１で旋回流を適切に発生させるためには、旋回流形成部４０に流入する冷却水の流量が所定の範囲の流量になっている必要がある。しかしながら、図１に示されるエンジン冷却装置１を循環する冷却水の流量が多い場合には、リザーブタンク１０に流入する冷却水の流量が増加し、結果として所定の範囲を超える流量の冷却水が旋回流形成部４０に流入する可能性がある。仮に所定の範囲を超える流量の冷却水が旋回流形成部４０に流入すると、旋回流形成部４０及び気液分離室Ｒ１に形成される旋回流が不安定になる。これは気液分離室Ｒ１内の気液界面Ｌｗに乱れを生じさせる要因となる。このようにして気液界面Ｌｗに乱れが生じると、気体層Ｒ１０の気体が液体層Ｒ１１の冷却水に巻き込まれることにより、気液分離性能が低下するおそれがある。

この点、本実施形態のリザーブタンク１０では、導入流路３３を流れる冷却水の一部がバイパス流路６０を通じて排出口５１に排出されるようになっているため、過度の流量の冷却水が旋回流形成部４０や気液分離室Ｒ１に流入することを回避できる。これにより、上述のような気液界面Ｌｗの乱れが生じ難くなるため、気液分離性能の低下を回避することができる。このように、バイパス流路６０は、導入流路３３を流れる冷却水を旋回流形成部４０及び気液分離室Ｒ１を迂回させて排出口５１に導く流路として機能している。

以上説明した本実施形態のリザーブタンク１０によれば、以下の（１）及び（２）に示される作用及び効果を得ることができる。
（１）旋回流形成部４０により気液分離室Ｒ１に流入する液体に旋回流を発生させることができるため、気液分離室Ｒ１内において冷却水と気体とを分離することができる。また、導入流路３３を流れる冷却水の一部がバイパス流路６０を通じて排出口５１に導かれるため、過度の流量の冷却水が旋回流形成部４０に流入し難くなる。よって、冷却水の流量の増加に起因する気液分離性能の低下を抑制することができる。

（２）バイパス流路６０は、タンク本体２０の底壁部２２に沿ってタンク本体２０の内部に形成されている。より詳しくは、バイパス流路６０は、旋回流形成部４０に対して気液分離室Ｒ１が配置されている方向とは反対側に配置されている。このような構成によれば、リザーブタンク１０にバイパス流路６０を容易に形成することができる。

＜第２実施形態＞
次に、リザーブタンク１０の第２実施形態について説明する。以下、第１実施形態のリザーブタンク１０との相違点を中心に説明する。
図５及び図６に示されるように、本実施形態のリザーブタンク１０では、バイパス流路８０が、旋回流形成部４０の外周部分の外側に配置されている点で第１実施形態のリザーブタンク１０と異なる。

具体的には、図５に示されるように、本実施形態のリザーブタンク１０では、流路形成部３０の底壁部３１がタンク本体２０の底壁部を兼ねている。よって、タンク本体２０の底部に隙間が形成されていない。一方、図６に示されるように、流路形成部３０には、導入流路３３と排出流路３５とを連通させるバイパス流路８０が形成されている。バイパス流路８０は、旋回流形成部４０の外周部分の外側に、より詳しくは環状流路３２の外周部分に沿って半円弧状に延びるように形成されている。

本実施形態のリザーブタンク１０では、導入流路３３を流れる冷却水の一部がバイパス流路８０を通じて排出流路３５に排出されるため、過度の流量の冷却水が旋回流形成部４０や気液分離室Ｒ１に流入することを回避できる。よって、第１実施形態のリザーブタンク１０と同様に気液界面Ｌｗの乱れが生じ難くなるため、気液分離性能の低下を回避することができる。

以上説明した本実施形態のリザーブタンク１０によれば、上記の（１）に示される作用及び効果に加え、以下の（３）に示される作用及び効果を得ることができる。
（３）旋回流形成部４０の外周部分の外側にバイパス流路８０が配置されているため、第１実施形態のリザーブタンク１０と比較すると、軸線ｍ１に沿った方向におけるリザーブタンク１０の大型化を回避することができる。

＜第３実施形態＞
次に、リザーブタンク１０の第３実施形態について説明する。以下、第１実施形態のリザーブタンク１０との相違点を中心に説明する。
図７に示されるように、本実施形態のリザーブタンク１０では、バイパス流路９０が、流路形成部３０の上壁部３６に形成されている点で第１実施形態のリザーブタンク１０と異なる。

具体的には、流路形成部３０の上壁部３６には、導入流路３３から気液分離室Ｒ１に貫通するようにバイパス流路９０が形成されている。したがって、本実施形態のリザーブタンク１０では、導入流路３３を流れる冷却水の一部がバイパス流路９０を通じて気液分離室Ｒ１に排出されるため、過度の流量の冷却水が旋回流形成部４０や気液分離室Ｒ１に流入することを回避できる。よって、第１実施形態のリザーブタンク１０と同様に気液界面Ｌｗの乱れが生じ難くなるため、気液分離性能の低下を回避することができる。よって、第１実施形態のリザーブタンク１０と同一又は類似の作用及び効果を得ることができる。

＜他の実施形態＞
なお、各実施形態は、以下の形態にて実施することもできる。
・各実施形態のバイパス流路６０，８０，９０の水力直径は導入流路３３の水力直径よりも大きく設定されていてもよい。なお、水力直径とは、所定の管路の断面と等価な円管の直径のことを示す。具体的には、水力直径ｄｈは、以下の式ｆ１により定義される長さである。なお、式ｆ１において、「Ｆ」は管断面積を示し、「Ｕ」は断面状流体が管壁と接している長さを示す。

ｄｈ＝４×Ｆ／Ｕ （ｆ１）
・各実施形態のリザーブタンク１０は、車両のエンジンの冷却水以外の液体を用いるものであってもよい。
・本開示は上記の具体例に限定されるものではない。上記の具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素、及びその配置、条件、形状等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。

Ｒ１：気液分離室
１０：リザーブタンク
２０：タンク本体
２２：底壁部
３３：導入流路
４０：旋回流形成部
５１：排出口
６０，８０，９０：バイパス流路

Claims (7)

1. 気液分離室（Ｒ１）の内部に貯留される液体に旋回流を発生させることにより、液体に含まれる気体を分離するリザーブタンク（１０）であって、
   前記気液分離室を内部に有するタンク本体（２０）と、
   前記気液分離室に流入する液体に旋回流を発生させる旋回流形成部（４０）と、
   前記旋回流形成部に液体を導く導入流路（３３）と、
   前記気液分離室に貯留されている液体を外部に排出する排出口（５１）と、
   前記導入流路を流れる液体の一部を前記旋回流形成部及び前記気液分離室を迂回させて前記排出口に導くバイパス流路（６０，８０）と、を備える
   リザーブタンク。
2. 前記バイパス流路は、前記タンク本体の内部に形成されている
   請求項１に記載のリザーブタンク。
3. 前記バイパス流路（６０）は、前記タンク本体の底壁部（２２）に沿って形成されている
   請求項１又は２に記載のリザーブタンク。
4. 前記バイパス流路は、前記旋回流形成部に対して前記気液分離室が配置されている方向とは反対側に配置されている
   請求項１〜３のいずれか一項に記載のリザーブタンク。
5. 前記バイパス流路（８０）は、前記旋回流形成部の外周部分の外側に配置されている
   請求項１〜４のいずれか一項に記載のリザーブタンク。
6. 前記バイパス流路の水力直径は、前記導入流路の水力直径よりも大きい
   請求項１〜５のいずれか一項に記載のリザーブタンク。
7. 気液分離室（Ｒ１）の内部に貯留される液体に旋回流を発生させることにより、液体に含まれる気体を分離するリザーブタンク（１０）であって、
   前記気液分離室を内部に有するタンク本体（２０）と、
   前記気液分離室に流入する液体に旋回流を発生させる旋回流形成部（４０）と、
   前記旋回流形成部に液体を導く導入流路（３３）と、
   前記導入流路を流れる液体の一部を、前記旋回流形成部を迂回させて前記気液分離室に導くバイパス流路（９０）と、を備える
   リザーブタンク。

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