JP2024072422A - デミスター - Google Patents

Abstract

【課題】圧力損失が低減されたデミスターを提供する。【解決手段】デミスターは、前縁部と、後縁部と、前縁部と後縁部とを連続的に接続する本体部と、を有するとともに流れ方向に交差する配列方向に間隔をあけて配列された複数のベーンを備え、前縁部では、下流側から本体部に向かうに従って厚みが次第に大きくなり、後縁部では、本体部から下流側に向かうに従って厚みが次第に小さくなり、本体部は、配列方向の一方側に向かって凸となるように湾曲した凸曲面、及び凸曲面の反対側に設けられて配列方向の一方側に向かって凹むように湾曲した凹曲面を有し、本体部における曲率が変化し始める開始点よりも下流側には、本体部の表面を流れる流体中に含まれる粒子を捕捉する捕捉部が形成されている。【選択図】図２

Description

本開示は、デミスターに関する。

エンジンを含む種々の流体機械では、流体を吸い込む経路上で、水滴や粒子等の異物を流体中から除去したいという要請が存在する。このような異物除去を目的として、デミスターと呼ばれる装置が広く用いられている（例えば下記特許文献１）。下記特許文献１に係る装置では、ダクトの内部でジグザグ状に延びるベーンを複数配列することで流路が形成されている。流体が流路中を流れる中途で、ジグザグ状に延びる薄板状のベーンによって流体の流れ方向が変化するが、異物は自身の持つ慣性力によって当該流れ方向の変化に追従できずに流れの外に脱落する。つまり、ベーンの表面に付着する。これにより、流体から異物を除去できるとされている。

米国特許出願公開第２００８／０１４２４３０号明細書

しかしながら、上記のように単なる薄板によってベーンを形成した場合、流体の流れ方向が急激に変化することから流れの剥離等を伴うため、圧力損失が増大してしまう。その結果、デミスターの下流側で所望の流体流量を得られないという課題がある。

本開示は上記課題を解決するためになされたものであって、圧力損失が低減されたデミスターを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本開示に係るデミスターは、流体の流れ方向の上流側に位置する前縁部と、前記流れ方向の下流側に位置する後縁部と、前記前縁部と前記後縁部とを連続的に接続する本体部と、を有するとともに前記流れ方向に交差する配列方向に間隔をあけて配列された複数のベーンを備え、前記前縁部では、下流側から前記本体部に向かうに従って厚みが次第に大きくなり、前記後縁部では、前記本体部から下流側に向かうに従って厚みが次第に小さくなり、前記本体部は、前記配列方向の一方側に向かって凸となるように湾曲した凸曲面、及び該凸曲面の反対側に設けられて前記配列方向の一方側に向かって凹むように湾曲した凹曲面を有し、前記本体部における曲率が変化し始める開始点よりも下流側には、前記本体部の表面を流れる前記流体中に含まれる粒子を捕捉する捕捉部が形成されている。

本開示によれば、圧力損失が低減されたデミスターを提供することができる。

本開示の実施形態に係るデミスターの構成を示す断面図である。 本開示の実施形態に係るベーンの構成を示す拡大図である。 本開示の実施形態に係るベーンの内部構成の一例を示す透視図である。 本開示の実施形態に係るベーンの内部構成の変形例を示す透視図である。

（デミスターの構成）
以下、本開示の実施形態に係るデミスター１について、図１から図３を参照して説明する。本実施形態に係るデミスター１は、例えばエンジン等の吸気経路上に設けられることで、エンジン等に流入する流体から水滴や粒子等の異物を除去するために用いられる。

図１に示すように、デミスター１は、複数（一例として３つ）のベーン１０と、これらベーン１０を外側から囲うハウジング２０と、を備えている。ハウジング２０には、流体の流れ方向の上流側に向かって開口する流入口２１と、下流側に向かって開口する流出口２２とが形成されている。以下の説明では、流入口２１と流出口２２とを結ぶ方向を単に「流れ方向」と呼び、流出口２２から見て流入口２１が位置する側を単に「上流側」と呼ぶ。また、その反対側を単に「下流側」と呼ぶ。

複数のベーン１０は、それぞれ流れ方向に延びるとともに、この流れ方向に交差する方向である配列方向に間隔をあけて複数配置されている。複数のベーン１０の流れ方向における位置は互いに同一である。なお、設計や仕様に応じて、ベーン１０同士の位置に前後差を設けてもよい。

（ベーンの構成）
図２に示すように、それぞれのベーン１０は、前縁部１１と、本体部１２と、整流部１３と、後縁部１４と、捕捉部１５と、副捕捉部１６を有する。前縁部１１は、ベーン１０の最も上流側の端部をなしている。前縁部１１は、上流側から下流側に向かうに従って配列方向の寸法（つまり、厚さ）が次第に増加している。以下では、この配列方向の寸法を単に「厚さ」と呼ぶ。

本体部１２は、前縁部１１の下流側に一体に接続されている。本体部１２は、凸曲面１７と、凹曲面１８とを有する。凸曲面１７は、配列方向における一方側を向いている。凸曲面１７は、配列方向の一方側に向かって凸となるように湾曲している。また、凸曲面１７の上流側の端部と前縁部１１の下流側の端部は、連続的な曲面となるように滑らかに接続されている。つまり、これら端部同士の間には段差等が形成されていない。

凹曲面１８は、配列方向における他方側を向いている。凹曲面１８は、配列方向の一方側に向かって凹むように湾曲している。また、凹曲面１８の上流側の端部と前縁部１１の下流側の端部は、連続的な曲面となるように滑らかに接続されている。つまり、これら端部同士の間には段差等が形成されていない。

凸曲面１７、及び凹曲面１８には、流体の流れに含まれる粒子等の異物を捕捉するための捕捉部１５が形成されている。捕捉部１５は、凸曲面１７、及び凹曲面１８における曲率が変化し始める開始点よりも下流側に配置されている。つまり、曲率が変化することで流体の流れがこれら曲面に追従しきれなくなる時点で、粒子等の異物が捕捉されるように構成されている。それぞれの捕捉部１５は、本体部１２の輪郭線の内側に向かって埋没するように凹む溝である。つまり、捕捉部１５は、凸曲面１７、及び凹曲面１８の輪郭線から外側には突出していない。また、捕捉部１５の入口開口は、上流側に向かって開口している。

本体部１２の下流側には整流部１３が一体に接続されている。整流部１３は、本体部１２の下流側の端部から流れ方向の下流側に向かって延びている。整流部１３の厚さ方向の両面には、上述の捕捉部１５と同様の機能を有する副捕捉部１６がそれぞれ設けられている。副捕捉部１６も、整流部１３の輪郭線の内側に向かって埋没するように凹む溝である。つまり、副捕捉部１６は、整流部１３の輪郭線から外側には突出していない。また、捕捉部１５の入口開口は、上流側に向かって開口している。なお、副捕捉部１６は、整流部１３の上流側の端部のわずかに下流側に配置されている。厚さ方向の両側の一対の副捕捉部１６の流れ方向における位置は互いに同一である。

整流部１３の下流側には、後縁部１４が一体に接続されている。後縁部１４では、上流側から下流側に向かうに従って厚さが次第に減少している。後縁部１４の下流側の端部は、下流側に向かって凸となる尖頭状をなしている。つまり、上記の前縁部１１から本体部１２、及び整流部１３にかけて厚さが増大した後、後縁部１４に向かうに従って厚さが次第に減少している。これにより、ベーン１０は流線形の断面形状を有している。また、前縁部１１から凸曲面１７を経て後縁部１４に至るまでの面は、連続する一の曲面によって形成されている。同様に、前縁部１１から凹曲面１８を経て後縁部１４に至るまでの面は、連続する一の曲面によって形成されている。

以上のように構成されたベーン１０は、図１に示すように、流れ方向から見て、その一部同士が互いに重なるように（つまり、オーバーラップするように）配置されている。したがって、ベーン１０同士の間に形成されるベーン間流路３１の流路断面積は、前縁部１１から本体部１２、及び整流部１３にかけての領域では下流側に向かうに従って次第に小さくなり、整流部１３から後縁部１４にかけての領域に形成されるディフューザ流路３２では下流側に向かうに従って次第に大きくなる。

次に、図３を参照して、ベーン１０の内部構造について説明する。ベーン１０は、外皮材４１と、構造部材４２と、を有する。外皮材４１は、上述したベーン１０の各面を形成している。外皮材４１は、例えば三次元積層造形によって一体に形成されていることが望ましい。構造部材４２は、この外皮材４１の内側に配置されることで、当該外皮材４１の強度と剛性を確保するための部材である。一例として構造部材４２は、外皮材４１の内面同士の間を接続する複数の梁によって形成されている。また、この構造部材４２も、外皮材４１と一体となるように三次元積層造形によって形成されることが望ましい。つまり、このベーン１０はモノコック構造を有する。

（作用効果）
上記のデミスター１を運用するに当たっては、まず流入口２１から流出口２２にかけて流体を流通させる。流体は、ベーン間流路３１に流れ込んだ際に、ベーン１０自体の有する曲面形状に追従して流れ方向が変化する。このとき、流体は流れに追従する一方で、粒子や水滴のような異物は、自身の有する重量によって流れから逸脱する。流れから逸脱した異物は、上述した捕捉部１５によって捕捉されて、外部に排出される。その後、ディフューザ流路３２では、ベーン間流路３１で上昇していた流体の流速が減少するとともに、静圧が回復する。この状態で、一例として、流体は流出口２２から外部の他の機器に送られて種々の利用に供される。なお、外部の他の機器の態様によっては、ディフューザ流路３２を介さずに、そのままの圧力状態で流体を送ることも可能である。

ここで、従来のデミスター１では、ダクトの内部でジグザグ状に延びる薄板を複数配列することで流路が形成されていた。しかしながら、上記のように単なる薄板によって流路を形成した場合、流体の流れ方向が急激に変化することや、流体に対する抵抗が過大になることに起因して、デミスター１の内部で流体の圧力損失が増大してしまう。その結果、デミスター１の下流側で所望の流体流量や圧力を得られないという課題があった。そこで、本実施形態に係るデミスター１は上述の各構成を採用している。

上記構成によれば、前縁部１１から本体部１２にかけてベーン１０の厚みが増し、本体部１２から後縁部１４にかけてはベーン１０の厚みが減少している。つまり、ベーン１０の断面形状は流線形をなしている。このため、ベーン１０の周囲を流体が通過する際に、当該ベーン１０によって流れが乱されず、ベーン１０の表面近傍で淀みや渦、又は剥離を生じることがない。つまり、ベーン１０の周囲に死水域が形成されにくい。これにより、ベーン１０を配置したことによる流れの圧力損失を低減することができる。また、ベーン１０が流線形をなしていることによって、当該ベーン１０に作用する抵抗としての流体力も低減されることから、当該ベーン１０にかかる荷重が軽減され、ベーン１０の支持構造に裕度を持たせることも可能となる。その結果、デミスター１の製造コストの低減や、重量の軽減を実現することもできる。

さらに、上記構成によれば、本体部１２の下流側に整流部１３が設けられていることによって、ベーン１０の下流側の機器に対して、所望の流れ方向を有する流体の流れを供給することができる。つまり、本体部１２の延びる方向は、流体の流れ方向に応じて適宜変更されてよい。これにより、デミスター１の下流側に配置される機器に対する制約が緩和され、当該デミスター１の汎用性を向上させることができる。

また、上記構成によれば、前縁部１１から後縁部１４にかけての両面が連続する一の曲面でそれぞれ形成されている。言い換えると、これら面には突出部や段差が形成されていない。このため、当該面に沿って流れる流れに渦や剥離等の乱れを生じることがない。したがって、流体の圧力損失をさらに低減することが可能となる。

加えて、上記構成によれば、ベーン１０同士が互いに重なっている（オーバーラップしている）ことから、これらベーン１０同士の間の流路（ベーン間流路３１）で流体の流速が次第に増す。これにより、ベーン１０によって、流体から粒子を効率よく除去することが可能となる。

また、上記構成によれば、従来の薄板と異なり、ベーン１０自体が厚みを有することによって、外皮材４１の内側に構造部材４２を配置することが可能となる。これにより、ベーン１０の強度や剛性を高めることができる。その結果、デミスター１の耐用性が向上し、長期にわたって安定的にデミスター１を使用することができる。

さらに、上記構成によれば、捕捉部１５がベーン１０の輪郭線の内側に埋没するように凹没している。これにより、例えば捕捉部１５が外側に突出している場合に比べて、流体の流れに及ぶ影響を小さく抑えることができる。つまり、流体の流れに渦や剥離を生じることがない。これにより、ベーン１０を配置したことによる圧力損失の増大を最小限に抑えることが可能となる。したがって、デミスター１の下流側に接続される機器をより安定的かつ円滑に運用することが可能となる。また、当該下流側の機器に要求される流体の吸い込みに要するエネルギーを小さく抑えることもできる。これにより、デミスター１を含むシステム全体の省エネルギー化と低コスト化も実現することが可能となる。

また、上記構成によれば、後縁部１４同士の間にディフューザ流路３２が形成されていることから、流体の速度を低下させつつ、静圧を回復させることができる。これにより、デミスター１の下流側で使用される装置の特性に合わせて、流体の流速や圧力を最適化することが可能となる。

以上、本開示の実施形態について説明した。なお、本開示の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、図１で示したベーン１０の数は一例であって、設計や仕様に応じて適宜ベーン１０の数を増減することが可能である。また、ベーン１０に設けられる本体部１２の数も一例であって、複数の本体部１２が連続して形成されていてもよい。つまり、凹曲面１８と凸曲面１７が交互に接続されている構成を採ることが可能である。この点も、設計や仕様に応じて適宜決定されてよい。また、外皮材４１の内側の構造部材４２の形状も設計や仕様に応じて適宜変更してよい。図４に変形例として示すように、複数の円形断面を有する空間を外皮材４１の内側に形成することで、外皮材４１の強度や剛性を確保する構成を採ることも可能である。また、上述した本体部１２の下流側に整流部１３を設けず、本体部１２と後縁部１４とを直接的に接続する構成を採ることも可能である。この場合も、設計や仕様に応じてベーン１０の構成が適宜決定されてよい。

＜付記＞
各実施形態に記載のデミスター１は、例えば以下のように把握される。

（１）第１の態様に係るデミスター１は、流体の流れ方向の上流側に位置する前縁部１１と、前記流れ方向の下流側に位置する後縁部１４と、前記前縁部１１と前記後縁部１４とを連続的に接続する本体部１２と、を有するとともに前記流れ方向に交差する配列方向に間隔をあけて配列された複数のベーン１０を備え、前記前縁部１１では、下流側から前記本体部１２に向かうに従って厚みが次第に大きくなり、前記後縁部１４では、前記本体部１２から下流側に向かうに従って厚みが次第に小さくなり、前記本体部１２は、前記配列方向の一方側に向かって凸となるように湾曲した凸曲面１７、及び該凸曲面１７の反対側に設けられて前記配列方向の一方側に向かって凹むように湾曲した凹曲面１８を有し、前記本体部１２における曲率が変化し始める開始点よりも下流側には、前記本体部１２の表面を流れる前記流体中に含まれる粒子を捕捉する捕捉部１５が形成されている。

上記構成によれば、前縁部１１から本体部１２にかけてベーン１０の厚みが増し、本体部１２から後縁部１４にかけてはベーン１０の厚みが減少している。つまり、ベーン１０の断面形状は流線形をなしている。このため、ベーン１０の周囲を流体が通過する際に、当該ベーン１０によって流れが乱されず、淀みや渦を生じることがない。これにより、ベーン１０を配置したことによる流れの圧力損失を低減することができる。また、ベーン１０に作用する流体力も低減されることから、当該ベーン１０にかかる荷重が軽減され、ベーン１０の支持構造に裕度を持たせることも可能となる。

（２）第２の態様に係るデミスター１は、（１）のデミスター１であって、前記本体部１２と前記後縁部１４との間に設けられ、前記流れ方向に延びる整流部１３をさらに有する。

上記構成によれば、整流部１３が設けられていることによって、ベーン１０の下流側の機器に対して、所望の流れ方向を有する流体の流れを供給することができる。これにより、デミスター１の汎用性を向上させることができる。

（３）第３の態様に係るデミスター１は、（１）又は（２）のデミスター１であって、前記前縁部１１から前記凸曲面１７を経て前記後縁部１４までの面、及び前記前縁部１１から前記凹曲面１８を経て前記後縁部１４までの面は、それぞれ連続する一の曲面によって形成されている。

上記構成によれば、前縁部１１から後縁部１４にかけての両面が連続する一の曲面でそれぞれ形成されている。言い換えると、これら面には突出部や段差が形成されていない。このため、当該面に沿って流れる流れに乱れを生じることがない。したがって、流体の圧力損失をさらに低減することが可能となる。

（４）第４の態様に係るデミスター１は、（１）から（３）のいずれか一態様に係るデミスター１であって、前記複数のベーン１０の一部は、前記流れ方向から見て互いに重なるように配列されている。

上記構成によれば、ベーン１０同士が互いに重なっている（オーバーラップしている）ことから、これらベーン１０同士の間の流路で流体の流速が増す。これにより、ベーン１０によって、流体から粒子を効率よく除去することが可能となる。

（５）第５の態様に係るデミスター１は、（１）から（４）のいずれか一態様に係るデミスター１であって、前記ベーン１０は、前記前縁部１１の外面、前記後縁部１４の外面、前記凸曲面１７、及び前記凹曲面１８を有するとともに一体に形成された外皮材４１と、該外皮材４１の内側に配置された構造部材４２と、を有する。

上記構成によれば、ベーン１０自体が厚みを有することによって、外皮材４１の内側に構造部材４２を配置することが可能となる。これにより、ベーン１０の強度や剛性を高めることができる。その結果、デミスター１の耐用性が向上し、長期にわたって安定的にデミスター１を使用することができる。

（６）第６の態様に係るデミスター１は、（１）から（５）のいずれか一態様に係るデミスター１であって、前記捕捉部１５は、前記ベーン１０の輪郭線の内側に埋没するように凹没して形成されている。

上記構成によれば、捕捉部１５がベーン１０の輪郭線の内側に埋没するように凹没していることから、例えば捕捉部１５が外側に突出している場合に比べて、流体の流れに及ぶ影響を小さく抑えることができる。これにより、ベーン１０を配置したことによる圧力損失の増大を最小限に抑えることが可能となる。

（７）第７の態様に係るデミスター１は、（１）から（６）のいずれか一態様に係るデミスター１であって、前記配列方向に隣り合う一対の前記ベーン１０の前記後縁部１４同士の間には、下流側に向かうに従って流路断面積が次第に大きくなるディフューザ流路３２が形成されている。

上記構成によれば、後縁部１４同士の間にディフューザ流路３２が形成されていることから、流体の速度を低下させつつ、静圧を回復させることができる。これにより、デミスター１の下流側で使用される装置の特性に合わせて、流体の流速や圧力を最適化することが可能となる。

１…デミスター
１０…ベーン
１１…前縁部
１２…本体部
１３…整流部
１４…後縁部
１５…捕捉部
１６…副捕捉部
１７…凸曲面
１８…凹曲面
２０…ハウジング
２１…流入口
２２…流出口
３１…ベーン間流路
３２…ディフューザ流路
４１…外皮材
４２…構造部材

Claims (7)

1. 流体の流れ方向の上流側に位置する前縁部と、
   前記流れ方向の下流側に位置する後縁部と、
   前記前縁部と前記後縁部とを連続的に接続する本体部と、
   を有するとともに前記流れ方向に交差する配列方向に間隔をあけて配列された複数のベーンを備え、
   前記前縁部では、下流側から前記本体部に向かうに従って厚みが次第に大きくなり、
   前記後縁部では、前記本体部から下流側に向かうに従って厚みが次第に小さくなり、
   前記本体部は、前記配列方向の一方側に向かって凸となるように湾曲した凸曲面、及び該凸曲面の反対側に設けられて前記配列方向の一方側に向かって凹むように湾曲した凹曲面を有し、
   前記本体部における曲率が変化し始める開始点よりも下流側には、前記本体部の表面を流れる前記流体中に含まれる粒子を捕捉する捕捉部が形成されているデミスター。
2. 前記本体部と前記後縁部との間に設けられ、前記流れ方向に延びる整流部をさらに有する請求項１に記載のデミスター。
3. 前記前縁部から前記凸曲面を経て前記後縁部までの面、及び前記前縁部から前記凹曲面を経て前記後縁部までの面は、それぞれ連続する一の曲面によって形成されている請求項１又は２に記載のデミスター。
4. 前記複数のベーンの一部は、前記流れ方向から見て互いに重なるように配列されている請求項１に記載のデミスター。
5. 前記ベーンは、前記前縁部の外面、前記後縁部の外面、前記凸曲面、及び前記凹曲面を有するとともに一体に形成された外皮材と、該外皮材の内側に配置された構造部材と、を有する請求項１に記載のデミスター。
6. 前記捕捉部は、前記ベーンの輪郭線の内側に埋没するように凹没して形成されている請求項１に記載のデミスター。
7. 前記配列方向に隣り合う一対の前記ベーンの前記後縁部同士の間には、下流側に向かうに従って流路断面積が次第に大きくなるディフューザ流路が形成されている請求項１に記載にデミスター。

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