JP6213383B2 - 気液分離装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジン本体を冷却する冷却回路に組み込まれる気液分離装置に関する。

エンジン本体を冷却する冷却回路は、冷却液をエンジン及びその周辺の高温となる部品の間を循環させることにより、該部品から熱を奪う。さらに、熱を蓄えた冷却液をラジエタに通水して放熱し、放熱した冷却液を冷却回路に戻す構成を採る。

例えば、冷却回路中に過給機（以下、Ｔ／Ｃとも呼ぶ。）が設けられており、冷却回路によって該Ｔ／Ｃを冷却する場合には、タービンハウジング及びシリンダヘッドの排気ポート周辺の特に高温となる部分において、局所的に表面沸騰が生じる。沸騰による気泡を冷却回路から外部に取り出す必要があるため、冷却液中の気体を液体から分離する気液分離機構と、エンジン及び冷却回路のうち最も高い位置に空気逃し機構とを設けることが一般的である。

一般に、空気逃がし機構は、加圧キャップ構造を有しており、冷却回路内の圧力が高くなると、キャップに設けられた穴が開き、気体がサブタンクへ抜ける構造を持つ。逆に、冷却回路内の圧力が低くなると、サブタンクから冷却回路内に冷却液が流入して、ラジエタ内部の圧力が一定に保たれる。

また、気液分離機構は、車載部品を冷却した冷却液を導入し且つ貯留して気液分離を行った後、気泡含有量を減少させた冷却液を、再度、車載部品に向けて放出するセパレーションタンクにおいて行われる。

液体中の気泡を分離する機構としては、流入管に流入する液体を、流入管の水平軸線に対して水平及び垂直方向に所定の角度をなす放流部により、下側室の内壁に沿って斜め下向きに指向させて下側室に液体の渦流を生じさせ、液体中の気体を気泡として放出させる。さらに、気泡が渦流によって下方に運ばれる位置よりもさらに下方に流出管の垂直管部の下端を配置し、また、下側室における接続方向の液体運動が気泡の上側室への上昇進入を阻止しないレベルで本体に隔壁を配置し、上側室に上昇した気泡を上側室内のガス除去装置により大気に排出する構造が提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。

本構造では、旋回流によって気液分離を行い、気体は上方へ、液体は底面に設けた放流口から放流している。

特開昭５９−１３９９０３号公報

しかしながら、セパレーションタンクに特許文献１に記載されているような旋回流による気液分離機構を持たせようとしても、エンジンルームのスペースの制約上、セパレーションタンクの底面に放流口を設けることは困難である。そこで、セパレーションタンクの側面に導入口と放出口とを設けると、導入口から導入された気泡を含む冷却液の大部分が旋回流によって気泡が十分に分離される前に、多量の気泡を含んだ冷却液が放出されてしまう。

また、セパレーションタンクの側面に放出部を設けるとした場合に、気液分離部の上下方向の容積を十分にとり、側面の下方に放出部を設ければ、気泡を含まない冷却液を放出できると考えられるが、例えば、ボンネットが低いエンジンルームを持つ車両の場合は、気液分離部の上下方向の容積を十分にとることができない。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、冷却液の導入口と放出口とをセパレーションタンクの側面に設けても、冷却液から気泡を効率的に分離することができる気液分離装置を提供することにある。

本願は、上記課題を解決すべく、省スペース化を図りながら、気液分離を効率良く行える気液分離装置を発明した。

具体的に、第１の発明は、エンジンを冷却液で冷却する冷却回路に組み込まれる気液分離装置を対象とし、冷却液に混入した気泡を該冷却液から分離するための部屋である気液分離部を備えている。気液分離部は、該気液分離部の側面に設けられ、冷却液が流入する少なくとも１つの流入口と、流入した冷却液から気泡を分離する経路と、気液分離部の側面に設けられ、流入した冷却液の大部分が経路を通過した後に気液分離部の外へ流出する流出口とを有し、経路は、少なくとも、流入した冷却液の流通方向を変化させる第１経路壁と、第１経路壁から導かれた冷却液に旋回流を生じさせる第２経路壁とに沿って構成されているものである。

このように、流入口及び流出口が気液分離部の側面に設けられていても、流入した冷却液から気泡を分離する経路が、少なくとも、流入した冷却液の流通方向を変化させる第１経路壁と、第１経路から導かれた冷却液に旋回流を生じさせる第２経路壁とに沿って構成されている。このため、気液分離装置の高さを抑制することができるので、エンジンルームの高さが十分でない車両であっても、気液分離装置の搭載が可能となる。従って、省スペース化を図れると共に、気液の分離を効率良く行うことができる。

第２の発明は、上記第１の発明において、第２経路壁は平面視で円弧状に形成されているものである。

このように、第２経路壁を平面視で円弧状に形成することにより、冷却液の流路長を確実に長くすることができる。

第３の発明は、上記第１の発明において、気液分離部には、２つの流入口が設けられており、気液分離部は、流入した冷却液の流出口への流出の障害となる障害壁を有し、２つの流入口のうち、第２経路壁と対向する第２の流入口から流入された冷却液は、障害壁によってその流通方向を変更されて、第２経路壁に面した経路へ導かれるものである。

これによれば、２つの流入口のうち、冷却液が第２経路壁に直接に導かれない流入口であっても、冷却液を第２経路壁に面した経路に確実に導くことができる。従って、流入口を複数設けることができるので、冷却回路のレイアウトの自由度が高くなる。

第４の発明は、上記第３の発明において、２つの流入口のうち、第１経路壁と対向する第１の流入口から流入した冷却液の大部分は、第１経路壁に沿って流通した後、第２経路壁に面した経路に流入し、さらに該第２経路壁に面した経路を通過した後、障害壁に衝突し、第２の流入口から流入した冷却液の大部分は、障害壁に沿って流通し、第２の流入口から流入した冷却液の一部は、障害壁に沿い、且つ第２経路壁及び／又は第１経路壁に面した経路に流入するものである。

第５の発明は、上記第３の発明において、障害壁の一端は、気液分離部の内壁から分岐しているものである。

これによれば、複数の流入口の少なくとも１つからの冷却液における気液分離装置内での流路長を延ばすことができる。

第６の発明は、上記第３の発明において、障害壁の一端は、第２経路壁から分岐しているものである。

このようにしても、複数の流入口の少なくとも１つからの冷却液における気液分離装置内での流路長を延ばすことができる。

第７の発明は、上記第１の発明において、第２の流入口は、冷却液の流出口としても機能するものである。

これによれば、冷却回路のレイアウトの自由度が高くなる。

第８の発明は、上記第１の発明において、冷却回路はヒータを含み、気液分離部はヒータと直列に接続されているものである。

これによれば、気液分離部をヒータ回路と並列に設ける場合と比べて、配管を削減できるので、省スペース化を図ることができる。

第９の発明は、上記第１の発明において、冷却液から分離された気泡を大気中に放出すると共に、冷却液を収容するサブタンクをさらに備え、気液分離部は、サブタンクと一体に設けられているものである。

このように、気液分離部とサブタンクとを一体に設けているため、省スペース化を図ることができる。

本発明によれば、省スペース化を図りながら、気液分離を効率良く行うことができる。

図１は本発明の一実施形態に係る気液分離装置を示す斜視図である。 図２は本発明の一実施形態に係る気液分離装置の本体部を示す平面図である。 図３は本発明の一実施形態に係る気液分離装置の本体部の一変形例を示す平面図である。 図４は本発明の一実施形態に係る気液分離装置を含む冷却回路におけるエンジンの運転時の動作を示す回路図である。 図５は本発明の一実施形態に係る気液分離装置を含む冷却回路におけるエンジンの運転後の動作を示す回路図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物又はその用途を制限することを意図しない。

（一実施形態）
本発明の一実施形態について図１及び図２を参照しながら説明する。

図１は一実施形態に係るエンジンの冷却回路に組み込まれる気液分離装置を示している。図１に示すように、本実施形態に係る気液分離装置１００は、気液分離部１００Ａと、該気液分離部１００Ａと一体に形成されたサブタンク（リザーブタンク）１００Ｂとから構成されている。また、気液分離装置１００は、本体部１００ａと、該本体部１００ａの上端の周縁部で気密に嵌合される蓋体部１００ｂとを有している。本体部１００ａと蓋体部１００ｂとは、気液分離装置１００の周囲に配置される部品の温度及び冷却液の温度の、いずれか高い方の温度に対する耐熱性を有する材料、例えば、樹脂材により構成することができる。

図１に示すように、蓋体部１００ｂにおける気液分離部１００Ａと対応する側面には、後述するヒータからの冷却液が流入する流入口１２が配設されている。さらに、蓋体部１００ｂにおける気液分離部１００Ａと対応する上面には、加圧キャップ３０が配設されている。また、蓋体部１００ｂにおけるサブタンク１００Ｂと対応する上面には、キャップ４０が配設されている。加圧キャップ３０の側面には、第２流通口３２が設けられ、キャップ４０の上面には、第３流通口４２及び第４流通口４４が設けられている。加圧キャップ３０の第２流通口３２とキャップ４０の第３流通口４２とは、例えば、樹脂材又は合成ゴム材からなるパイプ４６によって気密に接続されている。

加圧キャップ３０は、公知のように、冷却回路内の圧力が高くなると加圧調整弁が開き、第２流通口３２からパイプ４６及び第３流通口４２を経由して、気体がサブタンク１００Ｂへと抜ける。具体的には、第３流通口４２は、サブタンク１００Ｂの底面付近にまで達するパイプ（図示せず）と接続されている。流入した空気は、そのパイプから液面へ移動し、該液面からキャップ４０の上面の第４流通口４４を通して大気に放出される。冷却回路内の圧力がまだ所定値よりも高い場合には、冷却液がサブタンク１００Ｂ内に流入する。これとは逆に、冷却回路内の圧力が低くなると、サブタンク１００Ｂの内部のパイプから、冷却液が、第３流通口４２、パイプ４６、第２流通口３２及び加圧キャップ３０を経由して冷却回路である気液分離部１００Ａに戻り、後述するラジエタの内部の圧力が所定値に保たれる。

図２に、本体部１００ａの平面構成を示す。図２に示すように、気液分離部１００Ａは、例えば、気液分離装置１００の１つの部屋として構成されている。本体部１００ａにおける気液分離部１００Ａと対応する側面には、冷却液の流出口１６と、後述する過給機（Ｔ／Ｃ）への冷却液の流出及び該Ｔ／Ｃからの冷却液の流入のための第１流通口１４とが配設されている。

本実施形態に係る気液分離装置１００を構成する気液分離部１００Ａには、流入口１２から流入した冷却液の流れを変化させる第１経路壁５１と、該第１経路壁５１から導かれた冷却液に旋回流を生じさせる第２経路壁５２とに沿って構成された経路５０が配設されている。ここでは、一例として、第１経路壁５１は、流入した冷却液の進行方向を右側の内壁に向かわせるように構成されている。また、第２経路壁５２は、平面視でほぼ円弧状に形成され、第１経路壁５１から導かれた冷却液に反時計回りの旋回流を生じさせるように構成されている。これにより、気液分離部１００Ａの側面から流入される冷却液は、該気液分離部１００Ａに滞在する時間が延ばされるため、冷却液に含まれる気泡を効率良く分離することができる。

また、本実施形態においては、流出口１６の前方には、冷却液の流通の障害となる障害壁５３が配設されている。障害壁５３は、流出口１６への流れ方向に略垂直に配置され、冷却液の流れの障害となることにより、第１経路壁５１及び第２経路壁５２を通過した冷却液における気液分離部１００Ａの内部での滞在時間をさらに延長することができる。また、Ｔ／Ｃからの冷却液が第１流通口１４から流入してきた場合に、流入した冷却液は、障害壁５３によって、その一部が第２経路壁５２及び第１経路壁５１の少なくとも一方に流入する。このように、流入した冷却液の第１経路壁５１及び第２経路壁５２を通過する割合が低くなったとしても、流出口１６の前方に設けられた障害壁５３によって、冷却液の障害となることにより、該冷却液の気液分離部１００Ａでの滞在時間を延ばすことが可能となる。

（一変形例）
図３に気液分離部１００Ａの内部に設ける阻害壁の一変形例を示す。図３に示すように、本変形例に係る障害壁５２ａは、第２経路壁５２の外側に流出口１６を遮るように設けられている。このようにしても、流出口１６の前方に設けられた該障害壁５２ａによって、冷却液の気液分離部１００Ａでの滞在時間を延ばすことができるようになる。

なお、本実施形態においては、気液分離装置１００の構成として、気液分離部１００Ａとサブタンク１００Ｂとを一体に設けたが、気液分離部１００Ａとサブタンク１００Ｂとは、必ずしも一体とする必要はない。但し、気液分離部１００Ａとサブタンク１００Ｂとを一体に設けた方が、省スペース化を図ることができる。

（エンジンの運転時の冷却回路の動作）
以下に、本実施形態に係るエンジンの運転時の冷却回路の動作について図面を参照しながら説明する。ここでは、図１に示す構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付している。

図４は本実施形態に係るエンジンとその冷却回路との運転時の動作を模式的に表している。図４に示すように、エンジン１１０の運転時には、ウォータポンプ（Ｗ／Ｐ）１１１の稼働により、エンジン１１０に配設されたウォータジャケット（図示せず）、及びオイルクーラ（Ｏ／Ｃ）１１２を冷却水が循環する。サーモスタット（Ｔ／Ｓ）１１１が開状態となると、冷却水は、ウォータポンプ１１１により、ラジエタ１１４を循環する。また、サーモスタット１１１が開状態であれば、他の経路として、ヒータ１１５、気液分離部１００Ａ、電動ウォータポンプ（ＥＷＰ：Electric Water-Pump）１１６、及びウォータポンプ１１１を循環する。このとき、気液分離部１００Ａからは、上述したように、第１流通口１４から過給器（Ｔ／Ｃ）１１７を通してウォータポンプ１１１に戻る回路が形成される。また、上述したように、気液分離部１００Ａにおいては、圧力キャップ３０及びサブタンク１００Ｂを通して、冷却回路内の圧力が保たれる。

このように、一般には、ヒータ１１５を含む回路と並列に配置される気液分離部１００Ａを、本実施形態においては、ヒータ１１５を含む回路に直列に配置することにより、配管を削減することができる。これにより、省スペース化をさらに実現することができる。

このように、本実施形態においては、直列に接続されたヒータ１１５及び気液分離部１００Ａに対して、所定の暖房性能を確保するのに必要な冷却液の流量を確保しながら、上下方向の寸法が相対的に小さい小型の気液分離部１００Ａの内部に生じさせる旋回流によって、気液分離を実現することができる。

（エンジンの運転後の冷却回路の動作）
以下に、本実施形態に係るエンジンの運転後の冷却回路の動作について図面を参照しながら説明する。

図５は本実施形態に係るエンジンとその冷却回路との運転後の動作を模式的に表している。エンジン１１０の運転後、すなわち、イグニッションをオフ状態とした場合には、ウォータポンプ１１１は停止する。従って、本実施形態においては、図５に示すように、作動後の過給器１１７を冷却するために、電動ウォータポンプ（ＥＷＰ）１１６を所定の時間又は所定の温度となるまで稼働させる。この場合、サーモスタット１１３が開状態であれば、冷却液は、電動ウォータポンプ１１６から、ラジエタ１１４、サーモスタット１１３、ヒータ１１５及び気液分離部１００Ａを通して循環する。また、冷却液は、過給器１１７を通して、上述した第１流通口１４から気液分離部１００Ａに流入し、流出口１６から電動ウォータポンプ１１６に戻る。これにより、過給器１１７において、沸騰等により冷却液に気泡が生じても、気液分離部１００Ａ、圧力キャップ３０及びサブタンク１００Ｂを通して該気泡を大気に放出することができる。

−効果−
以上より、本実施形態によれば、気液分離部１００Ａの内部には、流入した冷却液から気泡を分離する経路５０が、流入した冷却液の流れ方向を変化させる第１経路壁５１と、該第１経路壁５１から導かれた冷却液に旋回流を生じさせる第２経路壁５２とに沿って構成されている。このため、気液分離部１００Ａの側面に、冷却液の流入口１２、流出口１６及び第１流通口１４を設けても、気液分離装置１００の高さを抑制することができる。これにより、エンジンルームの高さが十分でない車両であっても、気液分離部１００Ａの搭載が可能となる。従って、省スペース化を図りながら、気液の分離を効率良く行うことができる。

本発明に係る気液分離装置は、省スペース化を図りながら、気液分離を行う用途等に適用することができる。

１００ 気液分離装置
１００ａ 本体部
１００ｂ 蓋体部
１００Ａ 気液分離部
１００Ｂ サブタンク
１２ 流入口（第１の流入口）
１４ 第１流通口（第２の流入口）
１６ 流出口
３０ 加圧キャップ
３２ 第２流通口
４０ キャップ
４２ 第３流通口
４４ 第４流通口
４６ パイプ
５０ 経路
５１ 第１経路壁
５２ 第２経路壁
５２ａ 障害壁
５３ 障害壁
１１０ エンジン
１１１ ウォータポンプ
１１２ オイルクーラ
１１３ サーモスタット
１１４ ラジエタ
１１５ ヒータ
１１６ 電動ウォータポンプ（ＥＷＰ）
１１７ 過給器（Ｔ／Ｃ）

Claims (9)

1. エンジンを冷却液で冷却する冷却回路に組み込まれる気液分離装置において、
   冷却液に混入した気泡を該冷却液から分離するための部屋である気液分離部を備え、
   前記気液分離部は、
   該気液分離部の側面に設けられ、冷却液が流入する少なくとも１つの流入口と、
   流入した冷却液から気泡を分離する経路と、
   前記気液分離部の側面に設けられ、流入した冷却液の大部分が前記経路を通過した後に前記気液分離部の外へ流出する流出口とを有し、
   前記経路は、
   少なくとも、流入した冷却液の流通方向を変化させる第１経路壁と、前記第１経路壁から導かれた冷却液に旋回流を生じさせる第２経路壁とに沿って構成されていることを特徴とする気液分離装置。
2. 請求項１に記載の気液分離装置において、
   前記第２経路壁は、平面視で円弧状に形成されていることを特徴とする気液分離装置。
3. 請求項１又は２に記載の気液分離装置において、
   前記気液分離部には、２つの前記流入口が設けられており、
   前記気液分離部は、流入した冷却液の前記流出口への流出の障害となる障害壁を有し、
   前記２つの流入口のうち、前記第２経路壁と対向する第２の流入口から流入された冷却液は、前記障害壁によってその流通方向を変更されて、前記第２経路壁に面した経路へ導かれることを特徴とする気液分離装置。
4. 請求項３に記載の気液分離装置において、
   前記２つの流入口のうち、前記第１経路壁と対向する第１の流入口から流入した冷却液の大部分は、前記第１経路壁に沿って流通した後、前記第２経路壁に面した経路に流入し、さらに該第２経路壁に面した経路を通過した後、前記障害壁に衝突し、
   前記第２の流入口から流入した冷却液の大部分は、前記障害壁に沿って流通し、前記第２の流入口から流入した冷却液の一部は、前記障害壁に沿い、且つ前記第２経路壁及び／又は前記第１経路壁に面した経路に流入することを特徴とする気液分離装置。
5. 請求項３又は４に記載の気液分離装置において、
   前記障害壁の一端は、前記気液分離部の内壁から分岐していることを特徴とする気液分離装置。
6. 請求項３に記載の気液分離装置において、
   前記障害壁の一端は、前記第２経路壁から分岐していることを特徴とする気液分離装置。
7. 請求項３〜６のいずれか１項に記載の気液分離装置において、
   前記第２の流入口は、冷却液の流出口としても機能することを特徴とする気液分離装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の気液分離装置において、
   前記冷却回路は、ヒータを含み、
   前記気液分離部は、前記ヒータと直列に接続されていることを特徴とする気液分離装置。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の気液分離装置において、
   前記冷却液から分離された気泡を大気中に放出すると共に、前記冷却液を収容するサブタンクをさらに備え、
   前記気液分離部は、前記サブタンクと一体に設けられていることを特徴とする気液分離装置。

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