KR102668503B1 - 기액 분리장치 - Google Patents

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우수이 고쿠사이 산교 가부시키가이샤
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Abstract

배관을 흐르는 기액 2상 유체에 부여하는 원심력을 향상시키고, 액체의 분리성능을 향상시키는 수 있는 기액 분리장치를 제공하는 것이다. 기액 2상 유체가 흐르는 배관이, 선회류 발생부재(30)가 내부에 배치됨과 동시에, 액체가 유출하는 제1 배수구(21c)가 형성된 인렛 파이프(21)와, 인렛 파이프(21)의 단부(21b)에 삽입된 일단(22a)에 개구(22b)를 가지는 이너 파이프(22)를 구비하고 있다. 또한, 선회류 발생부재(30)가, 인렛 파이프(21)의 축선(O)을 따라 연재함과 동시에, 기액 2상 유체의 유입측에서 유출측을 향해 점차 확경하는 원추형상을 나타내는 날개 지지부(31)와, 날개 지지부(31)의 외주면(31a)에 설치되고, 인렛 파이프(21)의 축선(O)에 대해서 경사하면서 상기 외주면(31a)을 권취하는 고정 날개(32)을 구비하고 있다.

Description

기액 분리장치
본 발명은 기액(氣液) 2상(相) 유체에 포함되는 기체와 액체를 분리하는 기액 분리장치에 관한 발명이다.
종래, 원주형상의 날개 지지부와, 이 날개 지지부의 외주면을 나선형상으로 권취(卷取)하는 복수의 고정 날개(靜翼)를 구비한 선회류 발생부재에 의해 배관 내를 흐르는 유체를 선회시키는 기액 분리장치가 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1참조). 또한, 포탄형상의 날개 지지부와, 이 날개 지지부의 외주면을 나선형상으로 권취하는 복수의 고정 날개를 구비한 선회류 발생부재도 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 2 참조).
일본 실용 실개평 1－83459호 공보 일본 특허 특개평 11－83151호 공보
그런데, 종래의 선회류 발생부재에서는, 고정 날개가 설치된 날개 지지부가 원주형상이거나 포탄형상이다. 이 때문에, 이들 날개 지지부는 적어도 유체의 유출측의 단부에서 외주면이 배관의 내주면에 대해 거의 평행이 된다. 이로 인해, 이 날개 지지부의 외주면을 따라 흐르는 유체가 배관의 내주면을 향하기 어렵고, 유체에 대해서 충분한 원심력을 부여하는 것이 어려웠다.
본 발명은 상기 문제에 착목하여 이루어진 것으로, 배관을 흐르는 기액 2상 유체에 부여하는 원심력을 향상시키고, 액체의 분리성능을 향상시킬 수 있는 기액 분리장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 배관의 내부에 배치된 선회류 발생부재에 의해, 배관을 흐르는 기액 2상 유체를 선회시켜 액체를 배관의 내주면으로 유도하고, 기액 2상 유체에서 액체와 기체를 분리하는 기액 분리장치이다.
상기 배관은 선회류 발생부재가 내부에 배치됨과 동시에, 액체가 유출하는 배수구가 선회류 발생부재보다 기액 2상 유체의 유출측의 위치에 형성된 인렛 파이프와, 인렛 파이프의 단부에 일단이 삽입되고, 이 일단에 형성된 개구를 가지는 이너 파이프를 구비하고 있다.
상기 선회류 발생부재는 인렛 파이프의 축선을 따라 연재함과 동시에, 기액 2상 유체의 유입측에서 유출측을 향해 점차 확경하는 원추형상을 나타내는 날개 지지부와, 날개 지지부의 외주면에 설치되고, 인렛 파이프의 축선에 대해서 경사하면서 상기 외주면을 권취하는 고정 날개를 구비하고 있다.
따라서, 본 발명에서는 인렛 파이프의 축심부근을 흐르는 기액 2상 유체는, 원추형상의 날개 지지부의 외주면을 따라 흘러 인렛 파이프의 내주면을 향한다. 이로 인해, 기액 2상 유체가 인렛 파이프의 축심부근을 통과하기 어렵게 할 수 있다. 한편, 날개 지지부의 외주면에 설치된 고정 날개에 의해, 기액 2상 유체의 흐름 방향이 인렛 파이프의 축선에 대해서 경사지게 되고, 이 기액 2상 유체의 흐름이 선회류가 된다. 이로 인해, 배관을 흐르는 기액 2상 유체는 인렛 파이프의 내주면을 향하면서 선회하게 되고, 기액 2상 유체에 부여되는 원심력을 향상시키며, 액체의 분리성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은, 실시예 1의 기액 분리장치를 적용한 내연기관의 배기 환류 시스템을 나타내는 전체 시스템도이다.
도 2는, 실시예 1의 기액 분리장치를 나타내는 단면도이다.
도 3은, 도 2에 나타내는 A부의 확대도이다.
도 4a는, 실시예 1의 선회류 발생부재를 나타내는 사시도이다.
도 4b는, 실시예 1의 선회류 발생부재의 측면도이다.
도 4c는, 실시예 1의 선회류 발생부재의 정면도이다.
도 5는, 실시예 1의 기액 분리장치에서의 기액 2상 유체 및 분리한 기체·액체의 흐름을 나타내는 전체 설명도이다.
도 6은, 실시예 1의 기액 분리장치에서의 액체의 흐름을 확대하여 나타내는 설명도다.
도 7은, 도 5에 나타내는 B부의 확대도이다.
도 8은, 실시예 1의 선회류 발생부재의 변형예를 나타내는 정면도이다.
도 9a는, 제1 변형예의 날개 지지부를 나타내는 측면도이다.
도 9b는, 제2 변형예의 날개 지지부를 나타내는 측면도이다.
도 9c는, 제3 변형예의 날개 지지부를 나타내는 측면도이다.
도 10은, 실시예 1의 기액 분리장치의 변형예를 나타내는 단면도이다.
이하, 본 발명의 기액 분리장치를 실시하기 위한 형태를, 도면에 나타내는 실시예 1에 기초하여 설명한다.
(실시예 1)
우선, 실시예 1에서의 기액 분리장치의 구성을, “적용예의 시스템 전체구성”, “기액 분리장치의 상세구성”, “선회류 발생부재의 상세구성”, “파이프 냉각구조의 상세구성”으로 나누어 설명한다.
［적용예의 시스템 전체구성］
도 1은, 실시예 1의 기액 분리장치를 적용한 내연기관의 배기 환류 시스템을 나타내는 전체 시스템도이다. 이하, 도 1에 기초하여 실시예 1의 적용예의 시스템 전체구성을 설명한다.
실시예 1의 기액 분리장치(20)는 도 1에 나타내는 내연기관(1)의 배기 환류 시스템(S)에 적용한다. 여기서, 도 1에 나타낸 내연기관(1)은 주행용 구동원으로 차량에 탑재되는 디젤엔진이며, 4개의 기통(미도시)을 가지고 있다. 각 기통에는 각각 흡기통로(2)와 배기통로(3)가 접속되어 있다.
흡기통로(2)는 단부에 흡기구(2a)가 형성되고, 이 흡기구(2a) 측에서 순서대로 흡기 여과용 에어클리너(4), 터보 과급기(5)의 컴프레서(5a), 흡기를 냉각하는 인터쿨러(6), 흡입 공기량을 조정하기 위한 스로틀 밸브(7)가 설치되어 있다. 배기통로(3)에는 내연기관(1) 측에서 순서대로 터보 과급기(5)의 터빈(5b), 배기를 정화하기 위한 배기 정화촉매(8), 배기 유량을 조정하기 위한 배기 스로틀 밸브(9)가 설치되어 있다. 또한, 배기 스로틀 밸브(9)의 하류측에는 머플러(10)가 설치되고, 그 앞에 배기구(3a)가 형성된다.
흡기통로(2)와 배기통로(3)는 저압 EGR 통로(11) 및 고압 EGR 통로(12)에 의해 접속된다. 여기서, “EGR(Exhaust Gas Recirculation)”이란, 내연기관(1)에서 연소 후의 배기 일부를 취출하여 재차 흡기시키는 기술이며, 배기 재순환이라고도 한다.
저압 EGR 통로(11)는 컴프레서(5a)보다 상류의 흡기통로(2)와 배기 정화 촉매(8)보다 하류의 배기통로(3)를 접속한다. 한편, 고압 EGR 통로(12)는 컴프레서(5a)보다 하류의 흡기통로(2)와 터빈(5b)보다 상류의 배기통로(3)를 접속한다. 이로 인해, 저압 EGR 통로(11)에서는 터빈(5b)을 통과한 배기를 컴프레서(5a)의 흡기로 돌아가도록 한다. 또한, 고압 EGR 통로(12)에서는 터빈(5b)에 흡입되기전의 배기를, 컴프레서(5a)을 통과한 에어로 돌아가도록 한다.
저압 EGR 통로(11)에는 흡기통로(2)에 가이드되는 배기를 냉각하기 위한 EGR 쿨러(13)와, 저압 EGR 통로(11)를 통해 흡기통로(2)에 환류되는 배기의 유량을 조정하기 위한 저압 EGR밸브(14)가 설치된다. 고압 EGR 통로(12)에는, 고압 EGR 통로(12)를 통해 흡기통로(2)에 환류되는 배기의 유량을 조정하기 위한 고압 EGR밸브(15)가 설치된다.
여기서, 저압 EGR 통로(11)에서는 터보 과급기(5)의 터빈 통과 배기량을 저하시키지 않고 배기의 환류를 가능하게 하여 NOx 저감 효과가 크다. 그러나, EGR 쿨러(13)에서의 냉각에 의해 응축수 발생이 염려된다. 여기서, 실시예 1에서는, 본 발명의 선회류 발생장치를 적용한 기액 분리장치(20)(도 2 참조)를, 저압 EGR밸브(14)의 하류위치로, 터보 과급기(5)의 컴프레서(5a)의 상류위치(도 1에 대해 일점쇄선(X)으로 둘러싸는 위치)에 설치하고, 응축수를 포집하여 배수한다.
［기액 분리장치의 상세구성］
도 2는 실시예 1의 기액 분리장치를 나타내는 단면도이다. 이하, 도 2에 기초하여 실시예 1의 기액 분리장치의 상세구성을 설명한다.
실시예 1의 기액 분리장치(20)는 도 2에 나타내는 바와 같이, 인렛 파이프(21)와, 이너 파이프(22)와, 제1 배수 파이프(23)와, 제2 배수 파이프(24)와, 저수탱크(25)와, 바이패스 파이프(26)와, 선회류 발생부재(30)와, 파이프 냉각구조(40)를 구비하고 있다.
인렛 파이프(21)는 기액 2상 유체의 흐름 방향의 상류측(도 2에서 우측, 이하 “유체 유입측”이라고 한다)의 단부가 흡기구(2a) 및 저압 EGR밸브(14)에 연통하고, 기체와 미립자 형상의 액체(응축수)가 혼합한 상태의 배기(이하, “기액 2상 유체”라고 한다)가 유입한다. 이 인렛 파이프(21)의 내측에는 기액 2상 유체의 흐름을 내주면(21a)을 따라 선회시키는 선회류 발생부재(30)가 배치되어 있다. 그리고, 이 인렛 파이프(21)는 선회류 발생부재(30)보다 기액 2상 유체의 흐름 방향의 하류측(도 2에서 좌측, 이하 “유체 유출측”이라고 한다)의 단부(21b)에 제1 배수구(21c)(배수구)가 형성되고, 선회류 발생부재(30)보다 유체 유입측으로 제2 배수구(21d)(상류 배수구)가 형성된다.
제1 배수구(21c)는 기액 2상 유체에서 분리된 액체가 유출하는 개구이고, 인렛 파이프(21)의 반경 방향으로 중력 방향의 하방으로 개방하고 있다. 제2 배수구(21d)는 선회하기 전의 기액 2상 유체에 포함되는 액체가 유출하는 개구이고, 인렛 파이프(21)의 반경 방향으로 중력 방향의 하방으로 개방하고 있다. 또한, “중력 방향”이란, 도 2에서의 하 방향이며, 중력이 작용하는 방향이다.
더욱이, 이 인렛 파이프(21)의 내주면(21a)에는 테이퍼면(21e)이 형성된다. 이 테이퍼면(21e)은 인렛 파이프(21)의 내경 치수를 유체 유출측을 향해 서서히 크게하는 경사면이고, 선회류 발생부재(30)보다 유체 유출측 위치에 형성된다. 이로 인해, 인렛 파이프(21)의 내경 치수는 테이퍼면(21e)보다 유체 유입측인 제1 영역(27A)이 가장 작고, 테이퍼면(21e)이 형성된 제2 영역(27B)에서 서서히 커져, 테이퍼면(21e)보다 유체 유출측인 제3 영역(27C)이 가장 커진다. 더욱이, 여기에서는, 테이퍼면(21e)이 형성된 제2 영역(27B)의 유체 유입측의 단부의 위치와, 선회류 발생부재(30)의 유체 유출측의 단부 위치가 근접하고 있다. 즉, 선회류 발생부재(30)의 유체 유출측의 단부위치는 제2 영역(27B)의 유체 유입측의 단부위치의 근방에 설정된다.
그리고, 제1 영역(27A)에 제2 배수구(21d)가 형성됨과 동시에 선회류 발생부재(30)가 배치되고, 제3 영역(27C)에 제1 배수구(21c)가 형성된다.
이너 파이프(22)는 인렛 파이프(21)의 제3 영역(27C)의 내경 치수보다 작은 외경 치수(外徑寸法)를 가지는 직관부재에 의해 형성되고, 인렛 파이프(21)의 유체 유출측의 단부(21b)에 일단(22a)이 삽입되고, 인렛 파이프(21)와 동축상태에 설치된다.
또한, 인렛 파이프(21)와 이너 파이프(22) 사이에 생기는 간극(α)에는 스페이서(28)가 끼워 맞춤(嵌合)되어 있다. 스페이서(28)는 이너 파이프(22)의 전체 원주를 감싸는 원통 형상을 나타내고, 외주면이 인렛 파이프(21)의 내주면(21a)에 기밀상태로 접촉하고, 내주면이 이너 파이프(22)의 외주면(22f)에 기밀상태로 접촉하고 있다. 여기서, 스페이서(28)의 인렛 파이프(21) 내측의 축 방향 단부(28a)는 제1 배수구(21c)의 주연부(周緣部) 중 가장 하류측 부분과 축 방향 위치가 일치한다. 즉, 스페이서(28)는 제1 배수구(21c)의 개구영역에 중복하지 않으나, 제1 배수구(21c)의 개구영역에 대해서 축 방향으로 간극이 벌어지지 않고 설치된다.
이너 파이프(22)는 인렛 파이프(21)에 삽입된 일단(22a)에, 선회류 발생부재(30)보다 유체 유출측으로 개방하는 개구(22b)가 형성된다. 또한, 이 이너 파이프(22)의 유체 유출측(도 2에서 좌측)의 단부는 터보 과급기(5)의 컴프레서(5a)에 연통한다. 여기서, 개구(22b)는 이너 파이프(22)의 축 방향으로 개방하고, 인렛 파이프(21)와, 이너 파이프(22)와, 개구(22b)는 동일축이 된다.
또한, 이 이너 파이프(22)는 인렛 파이프(21)에서 돌출한 위치에 원주면을 지름 방향으로 관통하는 통기구(通氣口)(22c)가 형성된다. 이 통기구(22c)에는 바이패스 파이프(26)의 제2 단부(26b)가 접속하고 있다. 더욱이, 이너 파이프(22)의 내주면(22d)에는 복수의 환형상 홈부(22e)(여기에서는 2개)가 형성된다. 한편, 이너 파이프(22)의 외주면(22f)에는 인렛 파이프(21)에 삽입된 부분에 돌출부(22g)가 형성되고, 인렛 파이프(21)에서 돌출한 부분에 가열용 전열시트(22h)(가열구조)가 설치되어 있다.
각 환형상 홈부(22e)는 이너 파이프(22)의 원주 방향을 따라 연장되는 환 형상의 홈이며, 이너 파이프(22)의 내부, 즉 선회류 발생부재(30)보다 유체 유출측 위치에 설치되어 있다. 또한, 여기에서는, 두 개의 환형상 홈부(22e) 중 하나가 인렛 파이프(21)에 삽입된 부분으로, 돌출부(22g)의 내측에 형성되어 있고, 환형상 홈부(22e)와 돌출부(22g)와의 축 방향 위치가 일치한다. 또한, 다른 하나의 환형상 홈부(22e)는 인렛 파이프(21)에서 돌출한 부분에 형성된다. 각 환형상 홈부(22e)는 모두 도 3에 확대하여 도시한 바와 같이, 제1 단차면(51)과, 제2 단차면(52)과, 저면(53)을 가지고 있다.
제1 단차면(51)은 환형상 홈부(22e)를 형성하는 면 중에서, 유체 유입측에 위치하는 면이다. 이 제1 단차면(51)에 의해 이너 파이프(22)의 내경 치수는, 유체 유출측을 향해 단(段) 형상으로 확대된다. 즉, 이너 파이프(22)는 환형상 홈부(22e)의 유체 유입측의 위치에서의 내경 치수(D1)보다, 환형상 홈부(22e)의 내측의 위치에서의 내경 치수(D2)가 크다. 또한, 이 제1 단차면(51)과, 제1 단차면(51)보다 유체 유입측의 이너 파이프 내주면(221d)에서 이루는 각(θ1)은 여기에서는 90°로 설정되어 있다.
한편, 제2 단차면(52)은 환형상 홈부(22e)를 형성하는 면 중에서, 유체 유출측에 위치하는 면이다. 이 제2 단차면(52)에 의해 이너 파이프(22)의 내경 치수는 유체 유출측을 향해 단(段) 형상으로 축소한다. 즉, 이너 파이프(22)는 환형상 홈부(22e)의 유체 유출측의 위치에서의 내경 치수(D3)보다, 환형상 홈부(22e)의 내측의 위치에서의 내경 치수(D2)가 크다. 또한, 이 제2 단차면(52)과, 제2 단차면(52)보다 유체 유출측의 이너 파이프 내주면(222d)에서 이루는 각(θ2)은 여기에서는 90°로 설정된다. 더욱이, 제2 단차면(52)의 높이 치수(H2)는 제1 단차면(51)의 높이 치수(H1)와 동일한 치수로 설정되어 있다.
저면(53)은 이너 파이프(22)의 원주 방향으로 연장되어 환형상 홈부(22e)의 저면이 되는 면이며, 제1 단차면(51)과 제2 단차면(52) 사이에 위치한다.
돌출부(22g)는 이너 파이프(22)의 외주면(22f)에서 반경 방향의 외측방으로 돌출하고, 이너 파이프(22)의 원주 방향으로 연장되어, 외주면(22f)의 전체 원주를 둘러싸고 있다. 여기서, 돌출부(22g)는 인렛 파이프(21)에 형성된 제1 배수구(21c)의 중력 방향의 상방위치에 형성된다. 이 돌출부(22g)의 높이 치수(H3)는 인렛 파이프(21)의 내주면(21a)과 이너 파이프(22)의 외주면(22f)의 간극 치수(H4)보다 작아지도록 설정된다. 이로 인해, 돌출부(22g)의 선단면과 인렛 파이프(21)의 내주면(21a) 사이에는 간극이 생긴다.
가열용 전열시트(22h)는 도시하지 않는 스위치를 ON 조작함으로써 발열하는 전열선을 가지는 가요성을 가지는 시트이며, 이너 파이프(22)에 감기며, 외주면(22f)을 덮는다. 그리고, 이 가열용 전열시트(22h)가 가지는 전열선이 발열함으로써 이너 파이프(22)가 가열된다. 또한, 이 가열용 전열시트(22h)는, 여기에서는 인렛 파이프(21)에서 돌출한 부분에 형성된 다른 하나의 환형상 홈부(22e)가 형성된 위치를 덮고 있으며, 이너 파이프(22) 중, 환형상 홈부(22e)(제1 단차면(51))가 형성된 부분의 외주면(22f)을 가열하게 된다.
제1 배수 파이프(23)는 제1 관 부재(23a)의 축 방향 중앙부에 제2 관 부재(23b)가 직교하도록 접속한 T자 관에 의해 형성되고, 제1 관 부재(23a)의 내측에 인렛 파이프(21)의 유체 유출측의 단부(21b)가 끼워 맞춤(嵌着)되어 있다. 또한, 제1 관 부재(23a)와 제2 관 부재(23b)의 접속부분에 형성된 접속개구(23c)가 제1 배수구(21c)와 대향하고 있다. 이로 인해, 인렛 파이프(21)는 제1 배수구(21c) 및 접속개구(23c)를 통해 제1 배수 파이프(23)의 제2 관 부재(23b)가 연통한다.
또한, 인렛 파이프(21)에 형성된 제1 배수구(21c)의 내경 치수는 제1 배수 파이프(23)의 접속개구(23c)의 내경 치수와 동등하게 설정된다. 그리고, 제2 관 부재(23b)는 인렛 파이프(21)의 축 방향에 대해 중력 방향 하방을 향해 연재하고, 중간부에 액체가 흐름 방향을 따라 점차 축경하는 축경부(23d)를 가진다. 이로 인해, 선단 개구(23e)의 내경 치수가, 접속개구(23c) 및 제1 배수구(21c)의 내경 치수보다 작아진다.
제2 배수 파이프(24)는 제1 관 부재(24a)의 축 방향 중앙부에 제2 관 부재(24b)가 직교하도록 접속한 T자 관에 의해 형성되고, 제1 관 부재(24a)의 내측을 인렛 파이프(21)가 관통하고 있다. 또한, 제1 관 부재(24a)와 제2 관 부재(24b)의 접속부분에 형성된 접속개구(24c)가 제2 배수구(21d)에 대향하고 있다. 이로 인해, 인렛 파이프(21)는 제2 배수구(21d) 및 접속개구(24c)를 통해 제2 배수 파이프(24)의 제2 관 부재(24b)가 연통한다.
또한, 인렛 파이프(21)에 형성된 제2 배수구(21d)의 내경 치수는 제2 배수 파이프(24)의 접속개구(24c)의 내경 치수와 동등하게 설정된다. 그리고, 제2 관 부재(24b)는 인렛 파이프(21)의 축 방향에 대해 중력 방향 하방을 향해 연재하고, 중간부에 액체가 흐름 방향을 따라 점차 축경하는 축경부(24d)를 가진다. 이로 인해, 선단 개구(24e)의 내경 치수가 접속개구(24c) 및 제2 배수구(21d)의 내경 치수보다 작아진다.
저수탱크(25)는 제1 배수 파이프(23) 및 제2 배수 파이프(24)의 중력 방향 하방에 설치된 탱크 본체(25a)를 가진다. 이 탱크 본체(25a)는 중량 방향 상부에 형성된 제1 접속구(25b)가 제1 배수 파이프(23)의 제2 관 부재(23b)의 선단부(23f)에 접속되고, 제2 접속구(25c)가 제2 배수 파이프(24)의 제2 관 부재(24b)의 선단부(24f)에 접속되어 있다. 그리고, 제2 관 부재(23b)의 선단부(23f)에 형성된 선단 개구(23e)가 제1 접속구(25b)와 연통하고, 제2 관 부재(24b)의 선단부(24f)에 형성된 선단 개구(24e)가 제2 접속구(25c)와 연통한다. 또한, 이 탱크 본체(25a)의 중력 방향 상부의 측면에는 바이패스 파이프(26)의 제1 단부(26a)가 접속하는 통기구(25d)가 형성된다. 또한, 탱크 본체(25a)의 중량 방향 하부에는 적절히 개폐 가능한 배수 개구(도시하지 않음)가 형성된다. 탱크 본체(25a) 내에 저장된 액체가 일정량에 달하면, 배수 개구를 통해 저장한 액체를 탱크 밖으로 방출할 수 있다.
바이패스 파이프(26)는 이너 파이프(22)와 저수탱크(25)를 연통하는 양단이 개방한 관 부재이다. 이 바이패스 파이프(26)는 제1 단부(26a)가 탱크 본체(25a)에 형성된 통기구(25d)에 접속되고, 제2 단부(26b)가 이너 파이프(22)에 형성된 통기구(22c)에 접속된다. 그리고, 탱크 본체(25a)의 내부공간은 바이패스 파이프(26)를 통해 이너 파이프(22)의 내부에 연통한다.
［선회류 발생부재의 상세구성］
도 4a 내지 도 4c는 실시예 1의 선회류 발생부재를 나타내는 도면이다. 이하, 도 4a 내지 도 4c에 기초하여 실시예 1의 선회류 발생부재의 상세구성을 설명한다.
선회류 발생부재(30)는 인렛 파이프(21)의 제1 영역(27A)에 배치되고, 이 인렛 파이프(21)를 흐르는 기액 2상 유체의 흐름 방향을 규정하여 선회류로 하는 것이다. 이 선회류 발생부재(30)는 날개 지지부(31)와, 이 날개 지지부(31)의 외주면(31a)에 설치된 복수(여기에서는 4매)의 고정 날개(32)를 구비하고 있다.
날개 지지부(31)는 인렛 파이프(21)의 축선(O)을 따라 연재함과 동시에, 기액 2상 유체의 유입측에서 유출측을 향해 외경 치수가 점차 확경하는 원추형상을 나타낸다. 이 날개 지지부(31)의 최대 외경 치수(R1)는 인렛 파이프(21)의 제1 영역(27A)의 내경 치수(D4)보다 작게 설정된다. 또한, 이 실시예 1에서는 날개 지지부(31)의 선단(31b)은 R면에 형성된다.
고정 날개(32)는 날개 지지부(31)의 외주면(31a)을 나선형상으로 권취하고, 인렛 파이프(21)의 축선(O)에 대해 연재 방향이 경사하고 있다. 즉, 이 고정 날개(32)는 날개 지지부(31)의 선단(31b)측의 단부위치(32a)와, 날개 지지부(31)의 후단(31c)측의 단부위치(32b)를 지나는 직선(L1)이, 날개 지지부(31)의 축선(O′)에 대해서 경사하고 있다. 더욱이, 이 고정 날개(32)에서는, 날개 지지부(31)와 고정 날개(32)의 접촉라인(L2)이 나선형상으로 권취하도록 만곡하고 있다. 여기서, “선단(31b)”이란, 날개 지지부(31)의 유체 유입측의 단부이다. 또한, “후단(31c)”이란, 날개 지지부(31)의 유체 유출측의 단부이다.
또한, 복수(4매)의 고정 날개(32)는 날개 지지부(31)의 원주 방향으로 일정한 간격을 두고 설치되며, 서로 대향면이 평행하게 되어 있다.
더욱이, 이 실시예 1에서는 각 고정 날개(32)의 날개 지지부(31)에 대한 권취각도(θ3)는 약 60°로 설정된다. 이 “권취각도”란, 도 4c에 나타내는 바와 같이, 선회류 발생부재(30)를 축 방향에서 보았을 때, 축선(O′)에서 단부위치(32a)를 지나 지름 방향으로 연장되는 제1 직선(L3)과, 축선(O′)에서 단부위치(32b)를 지나 지름 방향으로 연장되는 제2 직선(L4)이 이루는 각이다. 이로 인해, 선회류 발생부재(30)를 축 방향에서 보았을 때, 날개 지지부(31)의 원주 방향을 따라 고정 날개(32)간 간극(β)이 생긴다.
그리고, 이 선회류 발생부재(30)의 최대 외경 치수(R2)는 인렛 파이프(21)의 제1 영역(27A)의 내경 치수(D4)와 동등하게 설정된다. 이로 인해, 선회류 발생부재(30)는 인렛 파이프(21)와 동축 상태로 설치됨과 동시에, 고정 날개(32)의 지름 방향의 선단이 인렛 파이프(21)의 내주면(21a)에 접촉한다.
［파이프 냉각구조의 상세구성］
파이프 냉각구조(40)는 도 2에 나타내는 바와 같이, 인렛 파이프(21)의 외측을 덮고, 선회류 발생부재(30)가 배치된 부분을 외부에서 냉각하는 것이다. 이 파이프 냉각구조(40)는 냉각수 순환용 배관(41)과, 제1 냉각수관(42)과, 제2 냉각수관(43)을 구비하고 있다.
냉각수 순환용 배관(41)은 인렛 파이프(21)보다 내경 치수가 큰 중공의 원통관이다. 이 냉각수 순환용 배관(41)을 인렛 파이프(21)가 관통함으로써, 인렛 파이프(21)의 일부는 주위가 냉각수 순환용 배관(41)에 의해 덮인 이중관 구조가 된다. 이로 인해, 인렛 파이프(21)와 냉각수 순환용 배관(41) 사이에, 인렛 파이프(21)의 외측을 덮는 공간인 파이프 냉각수 순환공간(41a)이 형성된다. 또한, 이 냉각수 순환용 배관(41)은 인렛 파이프(21) 중, 제1 배수구(21c)와 제2 배수구(21d) 사이에 있고, 선회류 발생부재(30)가 배치되어 있는 범위를 포함한 부분을 외측에서 덮는다.
제1 냉각수관(42)은 파이프 냉각수 순환공간(41a)으로 흘러 들어가는 냉각수(냉매)가 흐르는 배관이고, 일단(42a)이 냉각수 순환용 배관(41)에 형성된 제1 개구부(41b)에 접속되고, 타단(미도시)이 도시하지 않는 카 에어콘의 냉동 사이클의 팽창밸브(Expansion valve)와 증발기(evaporator) 사이에 접속되어 있다. 여기서, 제1 개구부(41b)는 파이프 냉각수 순환공간(41a)을 반경 방향으로 개방하는 개구이며, 냉각수 순환용 배관(41)의 원주면에 원형의 구멍을 뚫음으로써 형성된다. 이 제1 개구부(41b)는 도 2에 나타내는 바와 같이, 선회류 발생부재(30)보다 유체 유입측에 있고, 중력 방향의 상부에 형성된다.
제2 냉각수관(43)은 파이프 냉각수 순환공간(41a)으로부터 배출된 냉각수(냉매)가 흐르는 배관이며, 일단(43a)이 냉각수 순환용 배관(41)에 형성된 제2 개구부(41c)에 접속되고, 타단(미도시)이 도시하지 않는 카 에어콘의 냉동 사이클의 증발기와 컴프레서의 사이에 접속되어 있다. 여기서, 제2 개구부(41c)는 파이프 냉각수 순환공간(41a)을 반경 방향으로 개방하는 개구이며, 냉각수 순환용 배관(41)의 원주면에 원형이 구멍을 뚫음으로써 형성된다. 이 제2 개구부(41c)는 도 2에 나타내는 바와 같이, 선회류 발생부재(30)보다 유체 유출측에서, 중력 방향의 하부에 형성된다.
또한, 제1 개구부(41b) 및 제2 개구부(41c)를 형성하는 위치는 도 1에 나타내는 위치에 한정되지 않고, 임의의 위치에 형성해도 좋다. 즉, 제1 개구부(41b)를, 선회류 발생부재(30)보다 유체 유출측에 형성하고, 제2 개구부(41c)를, 선회류 발생부재(30)보다 유체 유입측에 형성해도 좋다. 또한, 냉각수는 수압이 가해져 순환하므로, 제1, 제2 개구부(41b, 41c)의 개방 방향은 반드시 중력 방향을 따르지 않아도 좋다.
이어서, 실시예 1의 기액 분리장치(20)의 작용을, “기액 분리작용”, “액체의 포집작용”, “액체의 응집 촉진작용”, “액체의 증발 촉진작용”, “제2 단차면의 액적 유지작용”으로 나누어 설명한다.
［기액 분리작용］
도 5는, 실시예 1의 기액 분리장치에서의 기액 2상 유체 및 분리한 기체·액체의 흐름을 나타내는 전체 설명도이다. 이하, 도 5에 기초하여 실시예 1의 기액 분리작용을 설명한다.
도 1에 나타내는 배기 환류 시스템(S)에서는, 흡기구(2a)로부터 취입한 외부공기와, 저압 EGR 통로(11)를 통해 배기통로(3)에서 취입한 배기가, 유속 1m/s 내지 100m/s의 속도로 터보 과급기(5)의 컴프레서(5a)로 흘러 들어간다. 이 때, 외부공기나 배기에는 수분이 포함되어 있고, 이 기체를 EGR 쿨러(13)에서 냉각함으로써 수분이 응축하여 응축수로서 미립자 형상의 액체가 되고, 공기 등의 기체에 액체가 혼합한 기액 2상 유체가 된다.
실시예 1의 기액 분리장치(20)에서는 도 5에 나타내는 바와 같이, 인렛 파이프(21)에 유입한 기액 2상 유체가, 선회류 발생부재(30)가 설치된 제1 영역(27A)을 통과할 때, 이 선회류 발생부재(30)를 따라 흐름으로써 선회되어 선회류가 된다. 그리고, 이 선회류에 의해 발생한 원심력에 따라 질량이 큰 액체는 인렛 파이프(21)의 내주면(21a)을 향해 유도된다.
인렛 파이프(21)의 내주면(21a)을 향해 유도된 액체는 응집되어 액적이 되어, 기체로부터 분리된다. 이 기체로부터 분리된 액체는 내주면(21a)에 부착한 채 선회류의 흐름에 의해 제2 영역(27B)에서 제3 영역(27C)으로 흘러간다. 그리고, 제3 영역(27C)에 흘러 들어간 액체는 이 제3 영역(27C)에 형성된 제1 배수구(21c)로 흘러 들어가고, 제1 배수 파이프(23)의 접속개구(23c)를 통해 제2 관 부재(23b)로 흘러 들어가, 제2 관 부재(23b)를 흘러내린다(流下). 그 후, 선단 개구(23e)에서 탱크 본체(25a)로 흘러 저장된다.
이 때, 제1 배수구(21c)가 중력 방향의 하방으로 개방함과 동시에, 제1 배수 파이프(23)의 제2 관 부재(23b)가 중력 방향을 따라 연재되므로, 제3 영역(27C)에 흘러 들어간 액체는 자중에 의해 제1 배수구(21c)에서 제2 관 부재(23b)로 흘러내린다. 또한, 인렛 파이프(21)의 제3 영역(27C)의 내경 치수보다, 이너 파이프(22)의 외경 치수가 작아지므로, 인렛 파이프(21)의 내주면(21a)에 부착한 액체가 이너 파이프(22) 내에 들어가는 것이 방지된다. 즉, 제3 영역(27C) 내에 흘러 들어간 액체는 인렛 파이프(21)와 이너 파이프(22) 사이에 들어가고, 이너 파이프(22)로의 유입이 방지된다. 더욱이, 인렛 파이프(21)에 이너 파이프(22)가 삽입되어 있으므로, 배관지름의 확대를 억제할 수 있고, 기액 분리장치(20)의 설치에 필요한 스페이스를 억제할 수 있다.
그리고, 이 실시예 1에서는, 이너 파이프(22)와 저수탱크(25)가 바이패스 파이프(26)를 통해 연통한다. 이 때문에, 이너 파이프(22)를 흐르는 기류에 의해 저수탱크(25)의 내부를 부압으로 할 수 있고, 제1 배수 파이프(23)를 흘러내리는 액체의 흐름을 원활히 할 수 있다.
또한, 인렛 파이프(21)를 흐르는 기체는 축 방향으로 개방한 개구(22b)에서 이너 파이프(22)로 흘러 들어간다. 이 때, 기체에서는 기액 2상 유체가 흐름 방향의 하류로 갈수록 액체가 분리해 나간다. 그리고, 기체는 이너 파이프(22)를 통해 터보 과급기(5)의 컴프레서(5a)로 흘러 들어간다. 여기서, 인렛 파이프(21)의 유체 유출측의 단부(21b)에는 이너 파이프(22) 사이에 생기는 간극(α)을 봉쇄하는 스페이서(28)가 끼워 맞춤되어 있다. 이 때문에, 인렛 파이프(21)와 이너 파이프(22) 사이에서 기체가 빠져나오는 것을 방지하고, 기액 2상 유체에서 분리한 기체를 원활하게 이너 파이프(22)로 유입시킬 수 있다.
그리고, 이 실시예 1에서는, 선회류 발생부재(30)가 인렛 파이프(21)와 동축상태에 설치된 날개 지지부(31)를 가지며, 이 날개 지지부(31)가 인렛 파이프(21)의 축선(O)을 따라 연재함과 동시에, 기액 2상 유체의 유입측에서 유출측을 향해 점차 확경하는 원추형상을 나타낸다.
이 때문에, 인렛 파이프(21)의 축심부근을 흐르는 기액 2상 유체는 이 날개 지지부(31)의 외주면(31a)을 따라 흐름으로써, 인렛 파이프(21)의 내주면(21a)을 향해 강제적으로 이동된다. 이로 인해, 기액 2상 유체가 인렛 파이프(21)의 축심부근을 흐르는 것을 방지할 수 있고, 인렛 파이프(21)를 흐르는 기액 2상 유체가 낮은 유량이라도, 이 기액 2상 유체에 포함되는 액체를 응집하여 액적화를 촉진할 수 있다.
더욱이, 선회류 발생부재(30)의 고정 날개(32)는 인렛 파이프(21)의 축선(O)에 대해서 경사하면서 이 외주면(31a)을 권취하고, 기액 2상 유체의 흐름 방향에 대해 각도를 가지고 있다. 이 때문에, 기액 2상 유체의 흐름 방향을 인렛 파이프(21)의 축선(O)에 대해서 경사시키고, 선회류로 할 수 있다. 더욱이, 이 때, 기액 2상 유체에 포함되는 액체가 고정 날개(32)와 충돌하여 응집시킬 수 있고, 더욱 액체의 액적화를 촉진할 수 있다.
[0063]
또한, 이 선회류 발생부재(30)는 원추형상의 날개 지지부(31)의 외주면(31a)에 고정 날개(32)을 설치한 구성이므로, 예를 들면, 판부재를 나선형상으로 비틈으로써 형성된 선회류 발생 리본과 비교하여, 축 방향 치수의 단축화를 도모할 수 있다. 이로 인해, 선회류 발생부재(30)가 배치되는 제1 영역(27A)의 길이를 억제하여, 기액 분리장치(20)의 소형화를 도모할 수 있다.
더욱이, 기액 2상 유체를 선회시킬 때의 선회량이나 통기저항은, 날개 지지부(31)의 외주면(31a)의 형상이나, 고정 날개(32) 수, 고정 날개(32)의 날개 지지부(31)에 대한 권취각도(θ3) 등을 조정함으로써 임의로 설정 가능하다. 즉, 예를 들면, 권취각도(θ3)가 클수록, 기액 2상 유체가 고정 날개(32)에 충돌할 때의 충돌면적을 증대시켜, 기액 2상 유체의 유로를 굴곡하여 선회량을 향상시킬 수 있다. 한편, 권취각도(θ3)가 작을수록, 고정 날개(32)의 단부위치(32a)와 단부위치(32b)를 지나는 직선(L1)이, 축선(O)에 대해서 평행하게 가까워진다. 이로 인해, 기액 2상 유체가 원활히 흐를 수 있고 통기저항을 억제할 수 있다. 또한, 날개 지지부(31)의 외주면(31a)이 평탄면이거나, 만곡면으로 함으로써, 기액 2상 유체를 선회시킬 때의 선회량이나 통기저항이 변화한다. 이로 인해, 선회류 발생부재(30)의 형상조정에 의해, 인렛 파이프(21)를 흐르는 기액 2상 유체의 선회량이나 통기저항을 용이하게, 그리고 적절히 컨트롤할 수 있게 된다.
또한, 이 실시예 1에서는, 고정 날개(32)가 날개 지지부(31)의 원주 방향을 따라 복수 설치되고, 일정 간격으로 평행하게 나란히 있다. 이로 인해, 인렛 파이프(21)를 흐르는 기액 2상 유체의 선회량이나 통기저항을 더욱 적절히 컨트롤할 수 있다.
그리고, 이 실시예 1에서는, 인렛 파이프(21)의 내주면(21a)에 기액 2상 유체가 흐름 방향을 따라 서서히 내경 치수를 크게 하는 테이퍼면(21e)이 형성된 제2 영역(27B)을 가진다. 한편, 이 제2 영역(27B)의 유체 유입측의 단부와, 선회류 발생부재(30)의 유체 유출측의 단부 위치가 근접한다. 이로 인해, 선회류 발생부재(30)의 날개 지지부(31)의 후단(31c)까지 흐른 유체는, 테이퍼면(21e)의 내측으로 신속하게 흘러나올 수 있다. 이로 인해, 날개 지지부(31)의 외주면(31a)이나 고정 날개(32)을 따라 내주면(21a)을 향해 유도된 액체를 제1 배수구(21c)로 원활히 배출할 수 있고, 액체의 유도·분리를 더욱 촉진할 수 있다.
［액체의 포집작용］
실시예 1의 기액 분리장치(20)에서는, 인렛 파이프(21)가 제1 배수구(21c)에 더하여, 선회류 발생부재(30)보다 유체 유입측에 형성된 제2 배수구(21d)를 가진다.
이 때문에, 기액 2상 유체에 포함되어 있는 액체가 비교적 많고, 기액 2상 유체를 선회시켜 기체로부터 분리하지 않아도 이미 어느 정도 크기의 액적이 되고, 자중으로 중력 방향의 하방으로 흘러내림이 가능한 액체는 선회류 발생부재(30)를 따라 흐르기 전에 자중에 의해 제2 배수구(21d)로부터 인렛 파이프(21)의 외부로 배출된다. 그리고, 이 제2 배수구(21d)에 접속된 제2 배수 파이프(24)를 통해 저수탱크(25) 내로 흘러 저장된다.
즉, 이 실시예 1의 기액 분리장치(20)에서는, 기액 2상 유체에 포함되는 액체 중, 이 기액 2상 유체를 선회시키지 않아도 자중으로 중력 방향 하방으로 흘러내림이 가능한 액체를 기액 2상 유체를 선회시키기 전에 미리 포집할 수 있다. 이로 인해, 기액 2상 유체를 선회시킬 때 액체의 함유량을 저감시키고, 액체의 분리율의 향상을 도모할 수 있다.
또한, 선회류에 의해 인렛 파이프(21)의 내주면(21a)을 향해 유도되면서 액적화한 액체는 제3 영역(27C)으로 흐르면, 자중에 의해 제1 배수구(21c)를 지나 제1 배수 파이프(23)로 흘러 들어간다. 그리고, 이 제1 배수 파이프(23)를 흘러내려서 저수탱크(25)에 포집된다. 그러나, 자중으로 낙하할 수 없는 작은 액적은 이너 파이프(22)의 외주면(22f)에 부착한 채 인렛 파이프(21) 내에 머무는 경우가 있다.
한편, 기액 2상 유체에 포함되는 기체의 일부는 이너 파이프(22) 중에 흘러 들어가지 않고, 인렛 파이프(21)와 이너 파이프(22) 사이에 들어간다. 그러나, 인렛 파이프(21)와 이너 파이프(22) 사이에 흘러 들어간 기체는 스페이서(28)에 의해 흐름이 저지되어 빠져나갈 수 없다. 이로 인해, 이 기체는 인렛 파이프(21)의 내주면(21a)을 따른 선회류가 되어 흐르지만, 스페이서(28)에 충돌함으로써 이너 파이프(22)의 외주면(22f)을 따라 역류하여, 이너 파이프(22)의 개구(22b)로 향한다.
이로 인해, 자중에 의해 낙하하지 못하고 이너 파이프(22)의 외주면(22f)에 부착한 일부의 액적은 이너 파이프(22)의 개구(22b)를 향하는 기체에 의해 개구(22b)를 향해 이동할 수 있다.
이에 대해서 실시예 1의 기액 분리장치(20)에서는, 인렛 파이프(21)에 삽입된 부분으로, 제1 배수구(21c)에 대향하는 위치의 이너 파이프(22)의 외주면(22f)에 원주 방향으로 연장된 돌출부(22g)가 형성된다.
이 때문에, 도 6에 나타내는 바와 같이, 스페이서(28)에 충돌하고 나서 이너 파이프(22)의 외주면(22f)을 따라 개구(22b)로 향하는 기체에 의해, 이너 파이프(22)의 외주면(22f)에 부착한 상태로 개구(22b)를 향해 이동된 액적(W)은 돌출부(22g)에 의해 제지당한다. 그리고, 이 액적(W)은 돌출부(22g)에 의해 제지당함으로써 집합하고, 질량이 커지면 자중에 의해 낙하하여, 제1 배수구(21c)에서 제1 배수 파이프(23)로 흘러내린다.
이로 인해, 이너 파이프(22)의 외주면(22f)에 부착한 일부의 액적이 기체와 함께 이너 파이프(22)의 개구(22b)를 향하더라도, 이너 파이프(22) 내에 흘러들어 가는 것을 방지할 수 있고, 적절히 포집하여 이너 파이프(22)를 흐르는 기체에 액적화한 액체가 섞이는 것을 방지할 수 있다.
［액체의 응집 촉진작용］
인렛 파이프(21)를 흐르는 기액 2상 유체는, 소정의 유속으로 선회류 발생부재(30)를 따라 흐름으로써 선회류가 된다. 그러나, 기액 2상 유체의 유속이 낮은 경우에는 선회류의 유속도 늦어지고, 발생하는 원심력이 약해진다. 이러한 경우는 액체가 인렛 파이프(21)의 내주면(21a)에 유도되기 어렵고, 액체의 응집이 촉진되지 않으며, 기체로부터의 액체의 분리를 충분히 수행하지 못한다.
이에 대해서, 실시예 1의 기액 분리장치(20)에서는 파이프 냉각구조(40)를 가지며, 인렛 파이프(21)가 냉각수 순환용 배관(41)을 관통하고, 이 인렛 파이프(21)와 냉각수 순환용 배관(41) 사이에 파이프 냉각수 순환공간(41a)이 형성된다. 그리고, 이 파이프 냉각수 순환공간(41a)에는 도시하지 않는 카 에어콘의 냉동 사이클에 접속된 제1, 제2 냉각수관(42, 43)이 접속되어 있다.
이로 인해, 냉동 사이클 내를 냉각수가 순환하면, 팽창밸브(Expansion valve)로부터 배출되어 저온·저압의 안개상태가 된 냉각수의 일부는 제1 냉각수관(42)을 통해 파이프 냉각수 순환공간(41a)으로 흘러 들어간다. 이 파이프 냉각수 순환공간(41a)에 흘러 들어간 냉각수는 인렛 파이프(21)의 축 방향으로 흐르고, 제2 개구부(41c)에서 흘러나와 제2 냉각수관(43)을 통해 냉동 사이클로 돌아온다.
여기서, 저온·저압의 안개상태가 된 냉각수는, 파이프 냉각수 순환공간(41a)을 흐르는 동안 주위의 열을 빼앗아 기화해 간다. 이로 인해, 인렛 파이프(21) 및 냉각수 순환용 배관(41)이 냉각된다.
한편, 인렛 파이프(21)의 내부에는 기액 2상 유체가 흐르고 있다. 이 때문에, 이 기액 2상 유체가 인렛 파이프(21)의 내주면(21a)에 접촉하면, 기액 2상 유체의 열이 인렛 파이프(21)에 전해져 열이 빼앗겨 냉각된다. 이로 인해, 기액 2상 유체의 온도가 저하하여, 이 기액 2상 유체에 포함되는 액체의 액적화를 촉진할 수 있다. 또한, 액적화가 촉진됨으로써 발생하는 액적의 중량이 무거워지고, 선회류에 의한 원심력이 약하더라도, 액체를 인렛 파이프(21)의 내주면(21a)으로 유도할 수 있다. 그 결과, 기액 2상 유체에서의 액체의 분리율을 향상시킬 수 있다.
［액체의 증발 촉진작용］
실시예 1의 기액 분리장치(20)에서, 액체가 분리된 기체는 선회류 상태를 유지한 채 이너 파이프(22) 내에 흘러 들어가고, 도시하지 않는 터보 과급기(5)로 공급된다. 그러나, 기체로부터 분리하지 못한 액체가 존재하면, 이 분리하지 못한 액체는 기체와 함께 이너 파이프(22) 내에 흘러 들어갈 수 있다.
이 때, 기체와 함께 이너 파이프(22)에 흘러 들어간 액체가, 어느 정도의 질량을 가지는 액적이 되는 경우에는, 하류로 흘러 가면, 터보 과급기(5)의 컴프레서(5a)의 회전날개 등과 충돌하여 충격을 줄 수 있다.
이에 대해, 실시예 1의 기액 분리장치(20)에서는 이너 파이프(22)의 내주면(22d)에 제1 단차면(51)과, 제2 단차면(52)과, 저면(53)을 가지는 복수(여기에서는 두 개)의 환형상 홈부(22e)가 형성된다.
이로 인해, 이너 파이프(22)로 흘러 들어간 액체는 이 이너 파이프(22) 내를 선회하면서 흐르는 기체에 의해 내주면(22d)으로 유도되어 응집하고, 액적화한 상태로 내주면(22d)에 부착한 채 흘렀을 때, 환형상 홈부(22e) 안으로 들어간다.
이 때, 환형상 홈부(22e) 안에서는 도 7에 나타내는 바와 같이, 이 환형상 홈부(22e)에 기체가 흘러 들어감으로써 난류가 발생하고, 기액 2상 유체의 흐름 방향의 상류측에 위치하는 제1 단차면(51)을 따라 압력이 낮은 부압영역(F)이 발생한다. 이 때문에, 기체와 함께 환형상 홈부(22e) 내로 흘러 들어간 액적(W)은 부압영역(F)으로 인장되고, 제1 단차면(51)을 향해 당겨진다. 이로 인해, 액적(W)이 제1 단차면(51)의 근방위치, 즉 환형상 홈부(22e) 내에 머물게 된다.
한편, 이 환형상 홈부(22e)의 저면(53)은 이너 파이프(22)의 원주 방향으로 연장된다. 이로 인해, 선회류가 된 기체는 이 환형상 홈부(22e)의 내부를 저면(53)을 따라 원주 방향으로 흐른다. 또한, 환형상 홈부(22e) 내에 머문 액적(W)도 선회류가 된 기체와 함께 환형상 홈부(22e) 내부를 저면(53)을 따라 흐른다. 즉, 기체 및 액적(W)은 이 환형상 홈부(22e) 내를 저면(53)을 따라 선회한다. 그리고, 액적(W)은 이 저면(53)을 따라 선회를 계속함으로써 증발한다.
그리고, 이너 파이프(22)에 흘러 들어간 액적(W)이, 제1 단차면(51)에 당겨진 상태에서 환형상 홈부(22e) 내에서 선회하여 증발함으로써, 이 액적(W)이 기체와 함께 이너 파이프(22)를 흘러내리는 것을 방지할 수 있다.
이와 같이, 액적화하여 기체로부터 분리한 액체(액적(W))는 제1 단차면(51)에 당겨진 상태에서 환형상 홈부(22e) 내에서 선회하여 증발하므로, 이 액적(W)이 환형상 홈부(22e)보다 유체 유출측으로 흐르는 것을 방지할 수 있다.
특히, 이 실시예 1에서는 환형상 홈부(22e)가 이너 파이프(22)의 내주면(22d)에 복수(2개) 형성된다. 이 때문에, 액적(W)을 환형상 홈부(22e) 내에 머물게 하여 증발시킬 기회가 복수회(2회) 있다. 이로 인해, 보다 많은 액체를 기화시킬 수 있고 액적의 기화율의 향상을 도모할 수 있다.
더욱이, 이 실시예 1의 기액 분리장치(20)에서는 도 5에 나타내는 바와 같이, 인렛 파이프(21)에서 돌출한 부분의 이너 파이프(22)의 외주면(22f)이 가열용 전열시트(22h)에 의해 덮여져 있다. 이로 인해, 이 가열용 전열시트(22h)를 ON조작하여 발열시킴으로써, 이너 파이프(22)의 외주면(22f)을 가열할 수 있다.
이로 인해, 인렛 파이프(21)에서 돌출한 부분의 이너 파이프(22) 내의 온도를 상승시켜, 이너 파이프(22)에 기체와 함께 흘러 들어간 액체의 증발을 촉진할 수 있다. 그 결과, 이너 파이프(22) 내에 흘러 들어간 액적을 증발시켜 기화시킬 수 있고, 액적인 채 액체가 기체와 함께 흘러내리는 것을 더욱 방지하여, 액적의 기화율의 향상을 도모할 수 있다.
또한, 이 실시예 1에서는, 이너 파이프(22)의 내주면(22d) 중, 인렛 파이프(21)에서 돌출하여 가열용 전열시트(22h)에 의해 덮인 부분에, 제1 단차면(51)을 가지는 환형상 홈부(22e)가 형성된다. 이 때문에, 이너 파이프(22) 중, 이 환형상 홈부(22e)가 형성된 부분의 외주면(22f)이 가열용 전열시트(22h)에 의해 가열된다.
이로 인해, 환형상 홈부(22e)의 제1 단차면(51)의 근방위치에 머물고 있는 액적의 증발을 촉진할 수 있고, 이너 파이프(22) 내에 흘러 들어간 액적의 증발을 효율적으로 수행할 수 있다.
［제2 단차면의 액적 유지작용］
실시예 1에서는, 이너 파이프(22)에 형성된 환형상 홈부(22e)가 제1 단차면(51)보다 유체 유출측에 위치하고, 이 유체 유출측을 향해 이너 파이프(22)의 내경 치수를 단(段) 형상으로 작게 하는 제2 단차면(52)을 가지고 있다.
이로 인해, 도 7에 나타내는 바와 같이, 환형상 홈부(22e)에 들어간 액적(W)이 선회류에 의해 유체 유출측으로 이동하여 제1 단차면(51)으로부터 이격되더라도, 제2 단차면(52)에 의해 이동이 저지되고, 환형상 홈부(22e) 내에 머물게 할 수 있다. 즉, 제2 단차면(52)에 의해 환형상 홈부(22e)보다 하류측으로 액적(W)이 흘러버리는 것을 방지할 수 있다. 이 때문에, 이 액적(W)을 환형상 홈부(22e)의 내부에 머물게 하여 증발시키고, 액적(W)인 채로의 액체의 흘러내림을 억제할 수 있다.
이상, 본 발명의 기액 분리장치를 실시예 1에 기초하여 설명하였으나, 구체적인 구성에 대해서는 이 실시예 1에 한정되는 것이 아니고, 청구범위의 각 청구항에 따른 발명의 요지를 일탈하지 않는 한, 설계의 변경이나 추가 등은 허용된다.
실시예 1에서는, 선회류 발생부재(30)의 고정 날개(32)을 4매 설치한 예를 나타냈으나, 이로 한정되지 않는다. 고정 날개(32)는 한 장 이상이면 좋다. 또한, 고정 날개(32)의 날개 지지부(31)에 대한 권취각도(θ3)도 임의로 설정할 수 있고, 도 8에 나타내는 바와 같이, 이 권취각도(θ3)를 선회류 발생부재(30)를 축 방향에서 보았을 때, 날개 지지부(31)의 원주 방향을 따라 고정 날개(32) 간에 간극이 발생하지 않는 각도로 설정해도 좋다.
또한, 날개 지지부(31)의 외주면(31a)의 축 방향 치수(L)나, 최대 외경 치수(R1), 선단(31b)의 곡율 등은 임의로 설정할 수 있다. 또한, 외주면(31a)의 형상에 대해서도 실시예 1에 한정되지 않고, 예를 들면 평탄면(도 9a 참조)이나, 볼록한 만곡면(凸彎曲面)(도 9b 참조), 오목한 만곡면(凹彎曲面)(도 9c 참조) 등과 같이 임의로 설정할 수 있다. 더욱이, 고정 날개(32)의 단면 형상도 임의로 설정할 수 있고, 예를 들면, 단면이 장방형의 고정 날개 또는, 단면이 물방울형의 고정 날개여도 좋다.
또한, 실시예 1에서는, 인렛 파이프(21)에 제1 배수구(21c) 및 제2 배수구(21d)를 형성한 예를 나타냈으나, 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 도 10에 나타내는 기액 분리장치(20A)와 같이, 인렛 파이프(21)의 유체 유입측의 단부(21f)를, 인렛 파이프(21)보다 내경 치수가 큰 유체 유입관(50)의 유체 유출구의 단부(50a)에 삽입해도 좋다.
이 때, 인렛 파이프(21)의 단부(21f)에는 축선(O)을 따라 개방하는 개구(21g)가 형성된다.
또한, 유체 유입관(50)의 단부(50a)에는 내경 확대부(50b)와, 배수구(50c)가 형성된다. 여기서, 내경 확대부(50b)는 유체 유입관(50)의 단부(50a)의 내경 치수를 통상 영역보다 확대한 영역이다. 또한, 배수구(50c)는 내경 확대부(50b)의 원주면에 형성된 개구이고, 유체 유입관(50)의 반경 방향으로 중력 방향의 하방으로 개방하고 있다. 더욱이, 내경 확대부(50b)와 유체 유입관(50)의 통상 영역의 경계위치에는, 유체 유입관(50)의 내경 치수를 서서히 크게 하는 경사면으로 이루어지는 테이퍼면(50d)이 형성된다. 또한, 배수구(50c)에는 선단이 저수탱크(25)에 연통한 제2 배수 파이프(24)가 장착된다. 한편, 인렛 파이프(21)의 단부(21f)는 내경 확대부(50b)의 내측에 삽입되어 배수구(50c)의 상방으로 돌출하고 있다.
이 도 10에 나타내는 기액 분리장치(20A)에서는, 유체 유입관(50)으로부터 기액 2상 유체가 흘러 들어오고, 인렛 파이프(21) 내에서 선회류가 된다. 이 때, 기액 2상 유체에 포함되어 있는 액체 중, 자중으로 중력 방향의 하방으로 흘러내림 가능한 액체는 인렛 파이프(21)로 흘러 들어가기 전에 자중에 의해 배수구(50c)에서 유체 유입관(50)의 외부로 배출된다. 이로 인해, 인렛 파이프(21) 내에서 선회하는 기액 2상 유체에 포함되는 액체를 저감시키고, 액체의 분리율의 향상을 도모할 수 있다.
또한, 이 기액 분리장치(20A)에서는, 유체 유입관(50)의 내경 치수(D5)가 인렛 파이프(21)의 내경 치수(D4)보다 커지도록 설정된다. 이로 인해, 기액 2상 유체의 유속을 유체 유입관(50)보다 인렛 파이프(21) 내에서 높일 수 있다. 이로 인해, 인렛 파이프(21) 내에서의 기액 2상 유체의 선회력을 향상시킬 수 있다.
더욱이, 내경 확대부(50b)와 유체 유입관(50)의 통상 영역의 경계위치에 테이퍼면(50d)이 형성됨으로써, 유체 유입관(50)의 내주면을 따라 흐르던 액적을, 관로(管路) 중심에서 외측을 향해 흩날릴 수 있다. 이 때문에, 유체 유입관(50)에 삽입된 인렛 파이프(21) 내에 액적이 들어가기 어렵게 할 수 있다.
또한, 이 실시예 1에서는, 인렛 파이프(21)의 내주면(21a)에 테이퍼면(21e)을 형성한 예를 나타냈다. 그러나, 테이퍼면(21e)은 형성하지 않아도 좋다. 이 경우에도, 기액 2상 유체에서 분리한 액체는 선회류의 흐름에 의해 제1 배수구(21c)로 흘러 들어갈 수 있다.
또한, 실시예 1에서는, 제1 배수구(21c)에 접속된 제1 배수 파이프(23) 및 제2 배수구(21d)(상류 배수구)에 접속된 제2 배수 파이프(24)를 저수탱크(25)에 접속한 예를 나타냈으나, 제1 배수 파이프(23), 제2 배수 파이프(24), 저수탱크(25)는 반드시 설치하지 않아도 좋다. 즉, 인렛 파이프(21) 내에서 배출된 액체를 저장하지 않고 외부로 배출해도 좋다. 또한, 저수탱크 수도 1개 한정되지 않고, 배수 파이프 마다 설정해도 좋고, 일부 배수 파이프만 저수탱크에 접속해도 좋다. 즉, 저수탱크는 임의로 설치 가능하다. 더욱이, 제2 배수구(21d)나 바이패스 파이프(26)는 반드시 형성되지 않아도 좋다.
또한, 실시예 1에서는, 스페이서(28)를 인렛 파이프(21) 및 이너 파이프(22)와는 별체로 한 예를 나타냈으나, 이에 한정되지 않는다. 스페이서(28)를 인렛 파이프(21)의 내주면(21a)에 일체로 설치하거나, 이너 파이프(22)의 외주면(22f)에 일체로 설치하거나 해도 좋다.
그리고, 실시예 1의 기액 분리장치(20)에서는 파이프 냉각구조(40)에서, 카 에어콘의 냉매를 냉각수로 이용하는 예를 나타냈으나, 예를 들면, 엔진 냉각수(LLC： Long Life Coolant)를 이용해도 좋다. 또한, 냉각수의 흐름 방향은 실시예 1과는 역 방향이라도 좋다.
또한, 실시예 1의 기액 분리장치(20)에서는, 이너 파이프(22)의 내주면(22d)에 형성한 환형상 홈부(22e)가 제1 단차면(51) 및 제2 단차면(52)을 가지는 예를 나타냈다. 그러나, 이에 한정되지 않고, 이너 파이프(22)의 내주면(22d)에 유체 유출측을 향해 이너 파이프(22)의 내경 치수를 단(段) 형상으로 크게 하는 제1 단차면(51)만을 형성해도 좋다. 이 경우라도, 제1 단차면(51)을 따라 부압영역이 발생하고, 이 제1 단차면(51)의 근방위치에 액적화한 액체를 머물게 하여 원주 방향으로 선회시켜 증발시킬 수 있다.
더욱이, 이와 같이 제1 단차면만을 형성하는 경우에서, 이 제1 단차면을 기액 2상 유체가 흐름 방향을 따라 복수 형성해도 좋다. 즉, 이너 파이프(22)의 내경 치수를 계단형상으로 복수회 크게 해도 좋다. 이 경우에는, 복수의 제1 단차면 각각의 근방위치에 액적화한 액체를 머물게 하여 증발시킬 수 있으므로, 복수회 나누어 액적을 증발시키는 것이 가능해지고, 액적의 기화율을 향상시킬 수 있다.
또한, 실시예 1에서는, 이너 파이프(22)에 형성된 제1 단차면(51)과, 이 제1 단차면(51)보다 유체 유입측의 이너 파이프 내주면(221d)에서 이루는 각(θ1)이 90°로 설정하는 예를 나타냈다. 그러나, 이 각(θ1)은 제1 단차면(51)을 따라 부압영역(F)을 형성할 수 있는 각도면 좋다. 즉, 이 각(θ1)은 구체적으로는 90° 이하의 예각으로 설정되면 좋다.
더욱이, 실시예 1의 기액 분리장치(20)에서는, 이너 파이프(22)에 형성된 제2 단차면(52)과, 제2 단차면(52)보다 유체 유출측의 이너 파이프 내주면(222d)에서 이루는 각(θ2)이 90°로 설정되는 예를 나타냈다. 그러나, 이 각(θ2)은 제2 단차면(52)을 따라 환형상 홈부(22e) 내의 액적의 하류측으로의 이동을 저지할 수 있는 각도면 좋다. 즉, 이 각(θ2)은 구체적으로는 90° 이하의 예각으로 설정되면 좋다.
더욱이, 이 실시예 1에서는, 이너 파이프(22)의 내주면(22d)에 형성된 환형상 홈부(22e)와, 이너 파이프(22)의 외주면(22f)에 형성된 돌출부(22g)의 축 방향의 위치가 일치하는 예를 나타냈다. 이로 인해, 이너 파이프(22)의 내주면(22d)을 패인 위치를 외측방으로 돌출시킴으로써, 환형상 홈부(22e)와 돌출부(22g)를 동시에 형성하는 것을 가능하게 함과 동시에, 환형상 홈부(22e)를 형성함으로 인해 이너 파이프(22)의 두께 저하를 억제할 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않고, 환형상 홈부(22e)와 돌출부(22g)의 축 방향 위치는 축선(O)을 따라 어긋나도 좋다.
더욱이, 이 실시예 1에서는, 이너 파이프(22)의 외주면(22f)을 가열하는 가열수단으로, 가요성을 가지는 가열용 전열시트(22h)를 이용하는 예를 나타냈으나, 이에 한정되지 않는다. 인렛 파이프(21)에서 돌출한 부분의 이너 파이프(22)를 가열할 수 있으면 되므로, 예를 들면, 이너 파이프를 이중관 구조로 하고, 이중이 된 관 사이에 고온 배기가스를 순환시켜 배관을 가열해도 좋다. 즉, 가열수단으로는 배기가스의 순환구조를 이용해도 좋다.
또한, 실시예 1의 기액 분리장치(20)는 배기 환류 시스템(S) 중에서도 저압 EGR밸브(14)의 하류위치로, 터보 과급기(5)의 컴프레서(5a)의 상류위치(도 1에서 일점쇄선(X)으로 권취하는 위치)에 설치하는 예를 나타냈으나, 이에 한정되지 않는다. 배기 환류 시스템(S) 중에서 응축수가 발생하는 위치에 설치할 수 있으므로, 인터쿨러(6)의 하류위치로, 내연기관(1)의 기통 급기구의 상류측(도 1에서 일점쇄선(Y)으로 권취하는 위치)에 설치해도 좋다.
또한, 이 실시예 1에서는, 중력 방향에 대해서 기액 2상 유체의 흐름 방향이 수평이 되는, 이른바 수평 재치(橫置) 방향으로 기액 분리장치(20)를 설치하는 예를 나타냈다. 그러나, 본 발명의 기액 분리장치(20)의 설치 방향은 이에 한정되지 않고, 배기 환류 시스템(S) 내에서의 레이아웃 등의 영향에 의해 설치 방향을 적절히 설정해도 좋다.
더욱이, 실시예 1에서는, 내연기관(1)이 차량에 탑재되는 디젤 엔진인 예를 나타냈으나, 이에 한정되지 않고, 내연기관(1)은 가솔린 엔진에도 적용 가능하다.
그리고, 실시예 1에서는, 기액 분리장치(20)를 내연기관(1)의 배기 환류 시스템(S)에 적용한 예를 나타냈다. 그러나, 이에 한정되지 않고, 예를 들면, 냉동 사이클 장치에 적용하고, 기체 냉매와 액체 냉매를 분리하도록 해도 좋다. 즉, 본 발명의 기액 분리장치는 기액 2상 유체에서 기체와 액체를 분리하는 장치에 적용할 수 있다.
더욱이, 각 배관(인렛 파이프 등)의 형상, 접속개소, 지름의 치수 등에 대해서도 실시예 1에 나타내는 것에 한정되지 않고, 임의로 설정하는 것이 가능하다.
(관련출원의 상호참조)
본 출원은 2017년 10월 25일 일본 특허청에 출원된 특원 2017－206576에 근거하여 우선권을 주장하고, 이 모든 개시는 완전히 본 명세서에서 참조에 의해 조합된다.

Claims (9)

  1. 배관의 내부에 배치된 선회류 발생부재에 의해, 상기 배관을 흐르는 기액 2상 유체를 선회시켜 액체를 상기 배관의 내주면으로 유도하고, 상기 기액 2상 유체에서 상기 액체와 기체를 분리하는 기액 분리장치로서,
    상기 배관은 상기 선회류 발생부재가 내부에 배치됨과 동시에, 상기 액체가 유출하는 배수구가 상기 선회류 발생부재보다 상기 기액 2상 유체의 유출측의 위치에 형성된 인렛 파이프와, 상기 인렛 파이프의 단부에 일단이 삽입되고, 상기 일단에 형성된 개구를 가지는 이너 파이프를 구비하고,
    상기 선회류 발생부재는 상기 인렛 파이프의 축선을 따라 연재함과 동시에, 상기 기액 2상 유체의 유입측에서 유출측을 향해 점차 확경하는 원추형상을 나타내는 날개 지지부와, 상기 날개 지지부의 외주면에 설치되는 복수의 고정 날개를 구비하고,
    상기 복수의 고정 날개는, 상기 외주면을 둘러싸면서 동시에, 상기 날개 지지부의 원주 방향으로 일정한 간격을 두고 설치되어 있고,
    상기 복수의 고정 날개는 각각, 상기 날개 지지부의 선단측에 있어서의 제1의 단부 위치와, 상기 날개 지지부의 후단측에 있어서의 제2의 단부 위치를 통과하는 직선이 상기 날개 지지부의 축선에 대해 경사하고 있고,
    상기 날개 지지부에 대한 상기 복수의 고정 날개의 각각의 권취각도는, 상기 기액 2상 유체의 선회량을 향상시키거나, 또는 상기 기액 2상 유체의 통기저항을 억제하도록 설정되고,
    상기 권취각도는, 상기 날개 지지부의 상기 축선으로부터 상기 제1의 단부 위치를 통과하여 지름 방향으로 연장되는 제1 직선과, 상기 날개 지지부의 상기 축선으로부터 상기 제2의 단부 위치를 통과하여 지름 방향으로 연장되는 제2 직선이 이루는 각도이고, 클수록 상기 선회량을 향상시키고, 작을수록 상기 통기저항을 억제하는 것을 특징으로 하는
    기액 분리장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인렛 파이프의 내주면에는 상기 기액 2상 유체가 흐름 방향을 따라 내경 치수가 서서히 커지는 테이퍼면이 형성되고,
    상기 선회류 발생부재는 상기 기액 2상 유체의 유출측의 단부 위치가, 상기 테이퍼면이 형성된 영역의 상기 기액 2상 유체의 유입측의 단부의 근방위치로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는
    기액 분리장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 인렛 파이프에는 상기 배수구에 연결된 배수 파이프와, 상기 배수 파이프의 선단부에 설치된 저수탱크가 설치되고,
    상기 이너 파이프에는 상기 저수탱크의 내부와 연통하는 바이패스 파이프가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는
    기액 분리장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 인렛 파이프는 상기 선회류 발생부재보다 상기 기액 2상 유체의 유입측의 위치에 상기 액체가 유출하는 상류 배수구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는
    기액 분리장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 인렛 파이프는 적어도 상기 선회류 발생부재가 배치된 부분을 냉각하는 파이프 냉각구조를 가지는 것을 특징으로 하는
    기액 분리장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 이너 파이프의 내주면에는 상기 기액 2상 유체의 유출측을 향해 내경 치수를 단 형상으로 확대하는 제1 단차면이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는
    기액 분리장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 이너 파이프는 상기 제1 단차면보다 상기 기액 2상 유체의 유출측의 내주면에 상기 기액 2상 유체의 유출측을 향해 내경 치수를 단 형상으로 축소하는 제2 단차면이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는
    기액 분리장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 이너 파이프는 상기 인렛 파이프에 삽입된 부분의 외주면에, 원주 방향으로 연장되는 돌출부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는
    기액 분리장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 이너 파이프는 상기 인렛 파이프에서 돌출한 부분을 가열하는 가열구조를 가지고 있는 것을 특징으로 하는
    기액 분리장치.
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