JPWO2017104532A1 - 気液分離用旋回流発生装置 - Google Patents
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Abstract
インレットパイプ(21)内を流れる気液二相流体を旋回させ、遠心力で液体を内周面(21c)へ誘導する旋回流発生リボン(30)の気液二相流体の流出側の終端部(31)に、旋回流発生リボン(30)の径方向外側の端部の一方に設定された第1終端点(31a)と、旋回流発生リボン(30)の径方向外側の端部の他方に設定された第2終端点(31b)と、旋回流発生リボン(30)の軸線(O)上であって、第1終端点(31a)及び第2終端点(31b)よりも気液二相流体の流入側に設定された中心終端点(31c)と、を結んだ第1,第2端縁(32a,32b)を設ける構成とした。
Description
前記旋回流発生リボンは、気液二相流体の流出側の終端部に、旋回流発生リボンの径方向外側の端部の一方に設定された第1終端点と、旋回流発生リボンの径方向外側の端部の他方に設定された第2終端点と、旋回流発生リボンの軸線上であって、第1終端点及び第2終端点よりも気液二相流体の流入側に設定された中心終端点と、を有すると共に、第1終端点と中心終端点を結んだ第1端縁と、第2終端点と中心終端点を結んだ第2端縁と、が形成されている。
まず、実施例1における気液分離用旋回流発生装置の構成を、「適用例のシステム全体構成」、「気液分離装置の詳細構成」、「旋回流発生リボンの詳細構成」に分けて説明する。
図1は、実施例1の旋回流発生装置を適用した内燃機関の排気還流システムを示す全体システム図である。以下、図1に基づき、実施例1の適用例のシステム全体構成を説明する。
これにより、低圧EGR通路11では、タービン5bを通過した排気を、コンプレッサ5aの吸気に戻す。また、高圧EGR通路12では、タービン5bに吸い込まれる前の排気を、コンプレッサ5aを通過したエアに戻す。
そこで、実施例1では、図2に示す旋回流発生装置を適用した気液分離装置20(図2参照)を、低圧EGR弁14の下流位置であって、ターボ過給機5のコンプレッサ5aの上流位置(図1において一点鎖線Xで囲む位置)に設置し、凝縮水を捕集して排水する。
図2は、実施例1の気液分離用旋回流発生装置を適用した気液分離装置を示す断面図である。以下、図2に基づき、実施例1の気液分離装置の詳細構成を説明する。
さらに、このインレットパイプ21の内周面21cには、気液二相流体の流れ方向に沿って徐々に内径寸法を大きくするテーパ面21dが形成されている。すなわち、インレットパイプ21の内径寸法は、テーパ面21dよりも気液二相流体の流れ方向の上流側の領域である第1領域26Aが最も小さく、テーパ面21dが形成された領域の第2領域26Bにて次第に大きくなり、テーパ面21dよりも気液二相流体の流れ方向の下流側の領域である第3領域26Cが最も大きくなるように設定されている。そして、第1領域26Aに旋回流発生リボン30が配置され、第3領域26Cに排気口21a及び排水口21bが形成されている。
なお、気液二相流体に含まれる液体は、この気液二相流体が旋回する際に生じる遠心力(旋回力)が作用することで排水口21bへと流れ込むことが可能である。そのため、この実施例1では、排水口21bが重力方向の下方に開放しているが、これに限らず、この排水口21bを任意の方向に開放させてよい。
なお、開口22bは、インナーパイプ22の軸線方向に開放している。すなわち、インレットパイプ21と、インナーパイプ22と、排気口21aと、開口22bは、同軸になっている。
さらに、このインナーパイプ22のインレットパイプ21から突出した位置の側面には、バイパスパイプ25の第2端部25bが接続する通気口22cが、インレットパイプ21の半径方向であって重力方向の下方に開放している。ただし、この通気口22cは、バイパスパイプ25を介して貯水タンク24を負圧にするための開口であるため、重力方向の下方以外の方向に開放してもよい。
さらに、このリング部材27は、インレットパイプ21の内側に位置する端部の軸方向位置が、排水口21bの周縁部のうちの最も下流側の部分の軸方向位置と一致している。つまり、リング部材27は、排水口21bの開口領域に重複しないものの、排水口21bの開口領域と軸方向に隙間を開けることなく設置されている。
ここで、排水口21bの内径寸法は、排水パイプ23の接続開口23cの内径寸法と同等に設定されている。そして、第2管部材23bは、インレットパイプ21の軸方向に対して、重力方向の下方に向かって延在され、液体の流れ方向に沿って次第に内径寸法が小さくなる縮径部23dを有している。これにより、先端開口23eの内径寸法は、接続開口23c及び排水口21bの内径寸法よりも小さくなる。
なお、第1管部材23a及び第2管部材23bは、いずれも円管に限らず、角管(角パイプ)等であってもよい。また、第2管部材23bは、縮径部23dを有していなくてもよく、先端開口23eの内径寸法は、接続開口23c及び排水口21cの内径寸法よりも必ずしも小さくなくてよい。
また、このタンク本体24aの上部の側面には、バイパスパイプ25の第1端部25aが接続する通気口24cが形成されている。
なお、タンク本体24aの下部には、適宜開閉可能な排水開口(図示せず)が形成されている。タンク本体24aに貯留された液体が一定量に達したら、排水開口を介してタンク外へ液体を放出することができる。また、通気口24cの形成位置はタンク本体24aの上部に限らず、タンク本体24a内の空気が吸引される位置であれば、任意の位置に形成することができる。
図3は、実施例1の旋回流発生リボンを示す斜視図であり、図4は旋回流発生リボンの側面図である。また、図5は、図3におけるA−A断面図である。以下、図3〜図5に基づき、実施例1の旋回流発生リボンの詳細構成を説明する。
第1終端点31aは、旋回流発生リボン30の径方向外側の終端の一方に設定されている。第2終端点31bは、旋回流発生リボン30の径方向外側の終端の他方に設定されている。ここで、第1終端点31aの軸方向位置と、第2終端点31bの軸方向位置とは一致しており、第1終端点31aと第2終端点31bを結んだ終端線Lは、旋回流発生リボン30の軸線Oと直交する。
そして、中心終端点31cは、旋回流発生リボン30の軸線O上であって、第1終端点31a及び第2終端点31bよりも気液二相流体の流入側に設定されている。
折り返し構造33は、図5に示すように、第1端縁32a及び第2端縁32bの先端を旋回流発生リボン30の一方の螺旋面30a側に折り返した第1折返片33aと、第1端縁32a及び第2端縁32bの先端を反対側の螺旋面30b側に折り返した第2折返片33bと、を有している。
この折り返し構造33は、中心終端点31cから第1終端点31aの手前までの間と、中心終端点31cから第2終端点31bの手前までの間に形成されている。これにより、折り返し構造33の径方向両端部と、インレットパイプ21の内周面21cとの間には隙間βが生じている(図2参照)。
第1始端点34aは、旋回流発生リボン30の径方向外側の始端の一方に設定されている。第2始端点34bは、旋回流発生リボン30の径方向外側の始端の他方に設定されている。中心始端点34cは、旋回流発生リボン30の軸線O上であって、第1始端点34a及び第2始端点34bと軸方向位置が一致している。すなわち、中心始端点34cは、第1始端点34aと第2始端点34bを結んだ始端線と軸線Oとの交点上に設定され、第1,第2始端点34a,34b及び中心始端点34cは、旋回流発生リボン30の半径方向に沿って並んでいる。さらに、この旋回流発生リボン30の始端部34は、重力方向に沿って立設している。
図6は、実施例1の旋回流発生装置を適用した気液分離装置における気液二相流体及び分離した気体・液体の流れを示す全体説明図であり、図7はリボン終端部での液体の流れを示す説明図である。
また、旋回流発生リボン30の螺旋面30a,30bは、気液二相流体の流れ方向に対して角度を有している。そのため、気液二相流体に含まれる液体がこの螺旋面30a,30bに衝突し、水滴化を促進することができる。
そして、第3領域26Cに流れ込んだ液体は、この第3領域26Cに形成された排水口21bへと自重によって流れ込み、排水パイプ23の接続開口23cを介して第2管部材23b内に流れ込んで、この第2管部材23bを流下する。その後、先端開口23eからタンク本体24a内に流れて貯留される。
ここで、インナーパイプ22の外径寸法が、インレットパイプ21の第3領域26Cの内径寸法よりも小さくなっている。そのため、インレットパイプ21の内周面21cに付着した液体がインナーパイプ22内に入り込むことが防止される。さらに、インレットパイプ21の排気口21aには、インナーパイプ22との間に生じる間隙αを封鎖するリング部材27が嵌合されている。そのため、インレットパイプ21の排気口21aから気体が漏れ出ることを防止し、気液二相流体から分離した気体を円滑にインナーパイプ22へと流入させることができる。
このとき、液滴となった液体は、気液二相流体の流れ方向の下流側に押し流されつつ、旋回流発生リボン30の径方向外側に向かって流れる。
これに対し、旋回流発生リボン30の螺旋面30a,30bに付着した液体は、旋回流によって気液二相流体の流れ方向の下流側に押し流されつつ、旋回流発生リボン30の径方向外側に向かって流れる。
また、液体の分離にバッフルやフィルタ等を用いることがないので、気体の流れが阻害されず、通気抵抗の上昇を抑制することができる。
そのため、螺旋面30a,30bに付着したまま第1端縁32a又は第2端縁32bにまで押し流された液体は、この折り返し構造33によって、気液二相流体の流れ方向の下流側に向かうことが阻止される。つまり、液体は、第1端縁32aと第1折返片33aとの隙間、又は、第2端縁32bと第2折返片33bとの隙間に沿って、旋回流発生リボン30の径方向外側に向かって流れていく。
これにより、第1,第2端縁32a,32bから液体が離間することを防止しつつ、この液体をインレットパイプ21の内周面21cへと誘導することができ、液体の分離性能をさらに向上することができる。
そのため、液体が旋回流発生リボン30の螺旋面30a,30bのどちらに付着していても、第1,第2端縁32a,32bから離間することを防止できる。
そのため、折り返し構造33によって気液二相流体の流れ方向の下流側に向かうことが阻止された液体は、折り返し構造33の径方向の両端部において、隙間βを介して気液二相流体の流れ方向の下流側に向かって流れ出すことが可能になる。
これにより、第1端縁32aと第1折返片33aとの隙間や、第2端縁32bと第2折返片33bとの隙間に液体が溜まってしまうことを防止しつつ、インレットパイプ21の内周面21cへと液体を速やかに誘導することができる。
そのため、第1,第2端縁32a,32bに沿って第1終端点31aや第2終端点31bまで流れた液体は、テーパ面21d上に流れ出ることになる。これにより、第1,第2端縁32a,32bに沿って内周面21cへと誘導された液体を、排水口21bに向けて円滑に排出することができ、液体の誘導・分離を促進することができる。
実施例1の気液分離用旋回流発生装置にあっては、下記に列挙する効果が得られる。
前記旋回流発生リボン30は、前記気液二相流体の流出側の終端部31に、前記旋回流発生リボン30の径方向外側の端部の一方に設定された第1終端点31aと、前記旋回流発生リボン30の径方向外側の端部の他方に設定された第2終端点31bと、前記旋回流発生リボン30の軸線O上であって、前記第1終端点31a及び前記第2終端点31bよりも前記気液二相流体の流入側に設定された中心終端点31cと、を有すると共に、前記第1終端点31aと前記中心終端点31cとを結んだ第1端縁32aと、前記第2終端点31bと前記中心終端点31cとを結んだ第2端縁32bと、が形成されている構成とした。
これにより、旋回流発生リボン30に付着した液体が終端部31において気体中に再飛散することを防止し、液体の分離性能を向上することができる。
これにより、上記(1)の効果に加え、第1端縁32a又は第2端縁32bから液体が離間することを防止しつつ、インレットパイプ21の内周面21cへと誘導し、液体の分離性能をさらに向上することができる。
これにより、上記(2)の効果に加え、第1端縁32aと第1折返片33aとの隙間や、第2端縁32bと第2折返片33bとの隙間に液体が溜まってしまうことを防止しつつ、インレットパイプ21の内周面21cへと液体を誘導することができる。
前記旋回流発生リボン30は、少なくとも前記第1終端点31a及び前記第2終端点31bが、前記テーパ面21dが形成された領域(第2領域26B)に挿入されている構成とした。
これにより、第1,第2端縁32a,32bに沿って内周面21cへと誘導された液体を、排水口21bに向けて円滑に排出することができ、液体の誘導・分離を促進することができる。
実施例2の気液分離用旋回流発生装置は、旋回流発生リボンが表面(螺旋面)を冷却するリボン用冷却構造を有し、インレットパイプがパイプ用冷却構造を有している例である。
図8は、実施例2の気液分離用旋回流発生装置を適用した気液分離装置を示す断面図であり、図9は、図8におけるB−B断面図である。以下、図8及び図9に基づき、実施例2の気液分離用旋回流発生装置の構成を説明する。なお、実施例1と同様の構成については、実施例1と同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
さらに、実施例2のインレットパイプ41は、内周面41cを冷却するパイプ用冷却構造60を有している。このパイプ用冷却構造60は、冷却水循環用配管61と、第1冷却水管62と、第2冷却水管63と、を備えている。
なお、この冷却水循環用配管61は、ここでは、軸方向において旋回流発生リボン50が配置された範囲とその上流側の領域を含む部分を外側から覆っている。
そして、このリボン用冷却水循環空間71には、旋回流発生リボン50の軸線Oに沿った隔壁71cが設けられ、この隔壁71cによって第1空間71aと第2空間71bとに区画されている。なお、隔壁71cと、旋回流発生リボン50の終端部51を閉鎖する終端面51dとの間に間隙71dが設けられており、第1,第2空間71a,71bはこの間隙71dを介して連通している。
図10は、実施例2の旋回流発生装置を適用した気液分離装置における気液二相流体及び冷却水の流れを示す全体説明図である。以下、図10に基づき、実施例2の液体の凝集促進作用を説明する。
しかしながら、気液二相流体の流速が低い場合には、旋回流の流速も遅くなり、発生する遠心力が弱くなる。このような場合では、液体がインレットパイプ21の内周面21cへ誘導されにくく、液体の凝集が促進されずに、気体からの液体の分離を十分に行うことができないことがある。
このパイプ用冷却水循環空間61aに流れ込んだ冷却水は、インレットパイプ41の軸方向に沿って流れ、第2開口部61cから流れ出て、第2冷却水管63を介して冷凍サイクルに戻る。
これにより、インレットパイプ41を流れる気液二相流体が、旋回流発生リボン50の螺旋面50a,50bに接触すれば、この気液二相流体の熱が旋回流発生リボン50に伝わって冷却される。そのため、気液二相流体に含まれる液体の液滴化を促進することができ、気液二相流体からの液体の分離率を向上することができる。
実施例2の気液分離用旋回流発生装置にあっては、下記に挙げる効果が得られる。
(5) 前記旋回流発生リボン50は、リボン表面(螺旋面50a,50b)を冷却するリボン用冷却構造70を有する構成とした。
これにより、上記(1)〜(4)のいずれかの効果に加え、気液二相流体を旋回させる前に、自重で流下可能な液体を捕集することができ、液体の分離率の向上を図ることができる。
これにより、上記(1)〜(5)のいずれかの効果に加え、インレットパイプ41を流れる気液二相流体の温度を低下させ、液体の凝集を促進することができ、液体の分離率の向上を図ることができる。
この場合であっても、第1,第2端縁32a,32bの延在方向が、旋回流発生リボン30に付着したまま旋回流で押し流される液体の流れ方向とほぼ一致している。このため、旋回流発生リボン30に付着した液体を、終端部31において、螺旋面30a,30bに付着させたままインレットパイプ21の内周面21cへ向かって誘導することができる。
この場合であっても、気液二相流体から分離した液体は、旋回流の流れによって排水口21bに流れ込むことができる。
このとき、先端35aがインナーパイプ22の開口22bよりも下流位置に至るまで延長部35を延長することで、折り返し構造33の第1折返片33aと第2折返片33bの間に流れ込んだ液体を、インナーパイプ22内に飛散させることなく内周面21cへ誘導することができる。
また、折り返し構造33の延長部35と、インレットパイプ21の内周面21cとの間に隙間βを維持することで、折り返し構造33に沿って流れる液体を内周面21cへ円滑に誘導することができる。
この場合では、インレットパイプ21の内部で内周面21cへ誘導した液体が、自重でパイプ下側に流れやすくすることができ、気体から分離した液体が再飛散することを効果的に防止することができる。
すなわち、旋回流発生リボン30の形状については、実施例1に示すものに限らない。旋回流発生リボン30の径方向外側の終端のそれぞれに設定された第1,第2終端点31a,31bと、それよりも気液二相流体の流入側に設定された中心終端点31cと、これらを結んだ端縁である第1,第2端縁32a,32bと、を有していれば、各終端点や始端点等の設定位置や各端縁の形状等は任意に設定することができる。
さらに、実施例2では、パイプ用冷却構造60及びリボン用冷却構造70において、カーエアコンの冷媒を冷却水として利用する例を示したが、例えばエンジン冷却水(LLC:Long Life Coolant)を利用してもよい。
なお、実施例1において、始端部34を重力方向に沿って立設した例を示したが、この始端部34の立設方向についてもこれに限らず、気液分離装置20のレイアウトに応じて適宜設定される。
Claims (6)
- 螺旋状にねじられた板部材によって形成されると共に配管の内部に配置された旋回流発生リボンにより、前記配管を流れる気液二相流体を旋回させて遠心力で液体を前記配管の内周面へ誘導する気液分離用旋回流発生装置において、
前記旋回流発生リボンは、前記気液二相流体の流出側の終端部に、前記旋回流発生リボンの径方向外側の端部の一方に設定された第1終端点と、前記旋回流発生リボンの径方向外側の端部の他方に設定された第2終端点と、前記旋回流発生リボンの軸線上であって、前記第1終端点及び前記第2終端点よりも前記気液二相流体の流入側に設定された中心終端点と、を有すると共に、前記第1終端点と前記中心終端点とを結んだ第1端縁と、前記第2終端点と前記中心終端点とを結んだ第2端縁と、が形成されている
ことを特徴とする気液分離用旋回流発生装置。 - 請求項1に記載された気液分離用旋回流発生装置において、
前記旋回流発生リボンは、前記第1端縁及び前記第2端縁に、前記気液二相流体の流入側に折り返された折り返し構造が形成されている
ことを特徴とする気液分離用旋回流発生装置。 - 請求項2に記載された気液分離用旋回流発生装置において、
前記折り返し構造は、前記中心終端点から前記第1終端点の手前までの間と、前記中心終端点から前記第2終端点の手前までの間に形成されている
ことを特徴とする気液分離用旋回流発生装置。 - 請求項1から請求項3のいずれか一項に記載された気液分離用旋回流発生装置において、
前記配管の前記内周面には、前記気液二相流体の流れ方向に沿って次第に拡径するテーパ面が形成され、
前記旋回流発生リボンは、少なくとも前記第1終端点及び前記第2終端点が、前記テーパ面が形成された領域に挿入されている
ことを特徴とする気液分離用旋回流発生装置。 - 請求項1から請求項4のいずれか一項に記載された気液分離用旋回流発生装置において、
前記旋回流発生リボンは、リボン表面を冷却するリボン用冷却構造を有する
ことを特徴とする気液分離用旋回流発生装置。 - 請求項1から請求項5のいずれか一項に記載された気液分離用旋回流発生装置において、
前記配管は、少なくとも内部に前記旋回流発生リボンが配置された部分を冷却するパイプ用冷却構造を有する
ことを特徴とする気液分離用旋回流発生装置。
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