KR20200096220A - 기액 분리장치 - Google Patents

기액 분리장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20200096220A
KR20200096220A KR1020207014675A KR20207014675A KR20200096220A KR 20200096220 A KR20200096220 A KR 20200096220A KR 1020207014675 A KR1020207014675 A KR 1020207014675A KR 20207014675 A KR20207014675 A KR 20207014675A KR 20200096220 A KR20200096220 A KR 20200096220A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
gas
pipe
liquid
inlet pipe
fluid
Prior art date
Application number
KR1020207014675A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102668570B1 (ko
Inventor
테츠노부 스즈키
히데타카 이토
Original Assignee
우수이 고쿠사이 산교 가부시키가이샤
도요타지도샤가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 우수이 고쿠사이 산교 가부시키가이샤, 도요타지도샤가부시키가이샤 filed Critical 우수이 고쿠사이 산교 가부시키가이샤
Publication of KR20200096220A publication Critical patent/KR20200096220A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102668570B1 publication Critical patent/KR102668570B1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M35/00—Combustion-air cleaners, air intakes, intake silencers, or induction systems specially adapted for, or arranged on, internal-combustion engines
    • F02M35/10—Air intakes; Induction systems
    • F02M35/10209—Fluid connections to the air intake system; their arrangement of pipes, valves or the like
    • F02M35/10222—Exhaust gas recirculation [EGR]; Positive crankcase ventilation [PCV]; Additional air admission, lubricant or fuel vapour admission
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D45/00—Separating dispersed particles from gases or vapours by gravity, inertia, or centrifugal forces
    • B01D45/12—Separating dispersed particles from gases or vapours by gravity, inertia, or centrifugal forces by centrifugal forces
    • B01D45/16—Separating dispersed particles from gases or vapours by gravity, inertia, or centrifugal forces by centrifugal forces generated by the winding course of the gas stream, the centrifugal forces being generated solely or partly by mechanical means, e.g. fixed swirl vanes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B29/00—Engines characterised by provision for charging or scavenging not provided for in groups F02B25/00, F02B27/00 or F02B33/00 - F02B39/00; Details thereof
    • F02B29/04—Cooling of air intake supply
    • F02B29/045—Constructional details of the heat exchangers, e.g. pipes, plates, ribs, insulation, materials, or manufacturing and assembly
    • F02B29/0468—Water separation or drainage means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/13—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories
    • F02M26/17—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories in relation to the intake system
    • F02M26/19—Means for improving the mixing of air and recirculated exhaust gases, e.g. venturis or multiple openings to the intake system
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/13—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories
    • F02M26/35—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories with means for cleaning or treating the recirculated gases, e.g. catalysts, condensate traps, particle filters or heaters
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M35/00—Combustion-air cleaners, air intakes, intake silencers, or induction systems specially adapted for, or arranged on, internal-combustion engines
    • F02M35/10—Air intakes; Induction systems
    • F02M35/10242—Devices or means connected to or integrated into air intakes; Air intakes combined with other engine or vehicle parts
    • F02M35/10262—Flow guides, obstructions, deflectors or the like
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M35/00—Combustion-air cleaners, air intakes, intake silencers, or induction systems specially adapted for, or arranged on, internal-combustion engines
    • F02M35/10—Air intakes; Induction systems
    • F02M35/10242—Devices or means connected to or integrated into air intakes; Air intakes combined with other engine or vehicle parts
    • F02M35/10268—Heating, cooling or thermal insulating means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/02—EGR systems specially adapted for supercharged engines
    • F02M26/04—EGR systems specially adapted for supercharged engines with a single turbocharger
    • F02M26/05—High pressure loops, i.e. wherein recirculated exhaust gas is taken out from the exhaust system upstream of the turbine and reintroduced into the intake system downstream of the compressor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/02—EGR systems specially adapted for supercharged engines
    • F02M26/04—EGR systems specially adapted for supercharged engines with a single turbocharger
    • F02M26/06—Low pressure loops, i.e. wherein recirculated exhaust gas is taken out from the exhaust downstream of the turbocharger turbine and reintroduced into the intake system upstream of the compressor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/13—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories
    • F02M26/14—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories in relation to the exhaust system
    • F02M26/15—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories in relation to the exhaust system in relation to engine exhaust purifying apparatus
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/50—Arrangements or methods for preventing or reducing deposits, corrosion or wear caused by impurities
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M35/00—Combustion-air cleaners, air intakes, intake silencers, or induction systems specially adapted for, or arranged on, internal-combustion engines
    • F02M35/10—Air intakes; Induction systems
    • F02M35/10006—Air intakes; Induction systems characterised by the position of elements of the air intake system in direction of the air intake flow, i.e. between ambient air inlet and supply to the combustion chamber
    • F02M35/10026—Plenum chambers
    • F02M35/10059—Swirl chamber upstream of the plenum chamber
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Cyclones (AREA)
  • Separating Particles In Gases By Inertia (AREA)
  • Exhaust-Gas Circulating Devices (AREA)

Abstract

수평방향으로 연장된 인렛 파이프 내에서 기액 2상 유체를 적절히 선회시킬 수 있는 기액 분리장치를 제공하는 것이다. 기액 2상 유체가 흐르는 배관이 유체 유입구측에 형성되어 지름방향으로 개방한 유체 유입구(21a)를 가짐과 동시에, 축선(O1)이 수평방향으로 연장된 원통형상의 인렛 파이프(21)와, 유체 유입구(21a)에 접속된 접속부(31)를 일단에 가지며, 축선(O2)이 수평방향으로 연장됨과 동시에, 유체 유입구(21a)를 통해 인렛 파이프(21)의 측방에서 기액 2상 유체를 도입하는 유체 유입관(30)을 구비하고 있다. 그리고, 접속부(31)는 유체 유입구(21a)에 연통하는 접속개구(31a)의 중심을 통과하는 축선(O3)의 위치가 인렛 파이프(21)의 축선(O1) 위치에 대해서 연직방향으로 오프셋한다.

Description

기액 분리장치
본 발명은 기액(氣液) 2상(相) 유체에 포함되는 기체와 액체를 분리하는 기액 분리장치에 관한 발명이다.
종래, 기액 2상 유체를 인렛 파이프 내에 접선방향으로 도입하고, 이 인렛 파이프 내에서 선회류를 형성함으로써, 기체와 액체를 분리하는 기액 분리장치가 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조). 이 기액 분리장치에서는, 인렛 파이프의 축선에 대해서 유체 유입관의 축선이 직교하고, 인렛 파이프의 측방에서 기액 2상 유체를 도입하는 구성으로 되어 있다.
일본 공개 특허 특개평 9-220421호 공보
그런데, 종래의 기액 분리장치에서는, 인렛 파이프의 축선이 연직방향으로 연장되고, 기체가 흐르는 이너 파이프가 파이프 상부에 동축(同軸)으로 연결되고, 파이프 하부에 배수구가 형성되어 있다. 한편, 유체 유입관은 축선이 수평방향으로 연장됨과 동시에, 인렛 파이프의 상부 둘레면에 접속되어 있다. 이 때문에, 인렛 파이프, 이너 파이프, 유체 유입관 전부가 수평상태로 배치된 구성은 아니었다.
또한, 이 종래의 기액 분리장치에서는, 유체 유입관이 접속되는 부분이 이너 파이프를 접속한 배기구에 근접하고, 이너 파이프의 둘레면에 대향하는 위치에서 개방하고 있다. 이 때문에, 인렛 파이프, 이너 파이프, 유체 유입관을 전부 수평상태로 배치한 경우, 기액 2상 유체를 적절히 선회시켜 기체와 액체를 분리하는 것이 어렵다는 문제가 발생한다.
본 발명은 상기 문제에 착안하여 이루어진 것으로, 수평방향으로 연재한 인렛 파이프 내에서 기액 2상 유체를 적절히 선회시킬 수 있는 기액 분리장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 배관을 흐르는 기액 2상 유체를 선회시키고, 기액 2상 유체에서 액체와 기체를 분리하는 기액 분리장치이다.
상기 배관은 기액 2상 유체의 흐름방향의 상류측의 둘레면에 형성된 유체 유입구와, 기액 2상 유체의 흐름방향의 하류측의 단부에 형성됨과 동시에 액체가 유출하는 배수구를 가지며, 수평방향으로 연장된 원통형상의 인렛 파이프와, 개구가 형성된 일단이 인렛 파이프의 기액 2상 유체의 흐름방향의 하류측의 단부에 삽입되고, 인렛 파이프와 동축에 배치된 이너 파이프와, 유체 유입구에 접속된 접속부를 일단에 가지며, 수평방향으로 연재됨과 동시에, 유체 유입구를 통해 인렛 파이프의 내부에 이 인렛 파이프의 측방에서 기액 2상 유체를 도입 가능하도록 배치된 유체 유입관을 구비하고 있다.
그리고, 상기 접속부는 유체 유입구에 연통하는 접속개구의 중심을 통과하는 축선의 위치가 인렛 파이프의 축선의 위치에 대해서 연직방향으로 오프셋한다.
따라서, 본 발명에서는 유체 유입관에서 인렛 파이프로 흘러 들어가는 기액 2상 유체는 인렛 파이프의 중심을 향하기 어렵게 되고, 이 기액 2상 유체를 인렛 파이프의 내주면을 따라 도입할 수 있다. 이로 인해, 수평방향으로 연재한 인렛 파이프 내에서 기액 2상 유체를 적절히 선회시킬 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 A-A단면도이다.
도 4는, 도 2에 나타내는 B부의 확대도이다.
도 5는, 실시예 1의 기액 분리장치에서의 기액 2상 유체 및 분리한 기체·액체의 흐름을 나타내는 전체 설명도이다.
도 6은, 도 5에 나타내는 C-C단면도이다.
도 7은, 실시예 1의 기액 분리장치에서의 액체의 흐름을 확대하여 나타내는 설명도이다.
도 8은, 도 5에 나타내는 D부의 확대도이다.
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"으로 나누어 설명한다.
［적용예의 시스템 전체구성］
도 1은, 실시예 1의 기액(氣液) 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 1에서 일점쇄선(X)으로 둘러싸는 위치)에 설치하고, 응축수를 포집하여 배수한다.
［기액 분리장치의 상세구성］
도 2 및 도 3은, 실시예 1의 기액 분리장치를 나타내는 단면도이다. 이하, 도 2 및 도 3에 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, 유체 유입관(30)을 구비하고 있다.
인렛 파이프(21)는 유체 유입관(30)을 통해 흡기구(2a) 및 저압 EGR 밸브(14)에 연통하고, 기체와 미립자 형상의 액체(응축수)가 혼합한 상태의 배기(이하, "기액 2상(相) 유체"라 함)가 도입되는 원통형상의 관 형상 부재이다. 이 인렛 파이프(21)는 축선(O1)이 수평방향으로 연재되어 있다. 또한, 이 인렛 파이프(21)의 내부에서는 기액 2상 유체가 축선(O1)을 따라 흐르고, 이 기액 2상 유체의 흐름방향의 상류측(도 2에서 우측, 이하 "유체 유입측"이라 함)의 둘레면에 유체 유입구(21a)가 형성되고, 기액 2상 유체의 흐름방향의 하류측(도 2에서 좌측, 이하 "유체 유출측"이라 함)의 단부(21b)에 제1 배수구(21c)(배수구)가 형성된다. 또한, 인렛 파이프(21)의 유체 유입측의 단면(21d)은 막혀(閉塞) 있다.
유체 유입구(21a)는 인렛 파이프(21)의 접선방향으로 개방한 개구이며, 개구 중심위치(축선(O3))가, 축선(O1)보다 연직방향의 하방으로 오프셋하는 위치에 형성된다(도 3 참조). 또한, 이 유체 유입구(21a)는 도 2에 나타내는 바와 같이, 인렛 파이프(21)의 원주방향의 개구치수가 짧고, 축선(O1)을 따른 개구치수가 긴 편평(扁平)한 타원형상(楕圓形狀)을 나타낸다. 즉, 이 유체 유입구(21a)는 축선(O1)과 동축방향으로 장축(長軸)을 취하는 편평한 형상으로 되어 있다. 더욱이, 이 유체 유입구(21a)는 유체 유입관(30)의 축선(O2)에 수직인 단면에서의 개구면적이, 유체 유입관(30)의 단면적과 거의 동일한 크기로 설정되어 있다. 또한, "연직방향"이란, 수평방향으로 직교하고, 중력이 작용하는 방향이다. 여기서, 도 2 및 도 3에서는 지면 상하방향이 "연직방향"에 상당한다. 또한, 축선(O2)은 유체 유입관(30)의 일반부분에서의 축선이다.
제1 배수구(21c)는 기액 2상 유체에서 분리된 액체가 유출하는 개구이고, 인렛 파이프(21)의 지름향으로 연직방향의 하방으로 개방하고 있다.
이너 파이프(22)는 인렛 파이프(21)의 내경치수보다 작은 외형치수를 가지는 원통형상의 관 형상 부재에 의해 형성되고, 인렛 파이프(21)의 유체 유출측의 단부(21b)에 일단(22a)이 삽입되고, 인렛 파이프(21)와 동축상태로 설치된다.
또한, 이 인렛 파이프(21)와 이너 파이프(22) 사이에 생기는 간극(α)에는 스페이서(28)가 감합되어 있다. 스페이서(28)는 이너 파이프(22)의 전체 원주를 감싸는 원통 형상을 나타내고, 외주면이 인렛 파이프(21)의 내주면(21e)에 기밀상태로 접촉하고, 내주면이 이너 파이프(22)의 외주면(22f)에 기밀상태로 접촉하고 있다. 여기서, 스페이서(28)의 인렛 파이프(21) 내측의 축방향 단부(28a)는 제1 배수구(21c)의 주연(周緣)부 중 가장 하류측 부분과 축방향 위치가 일치한다. 즉, 스페이서(28)는 제1 배수구(21c)의 개구영역에 중복하지 않으나, 제1 배수구(21c)의 개구영역에 대해서 축방향으로 간극이 벌어지지 않고 설치된다.
이너 파이프(22)는 인렛 파이프(21)에 삽입된 일단(22a)에 축방향으로 개방하는 개구(22b)가 형성된다. 이로 인해, 인렛 파이프(21)와, 이너 파이프(22)와, 개구(22b)는 동축이 된다. 또한, 이 이너 파이프(22)의 유체 유출측(도 2에서 좌측)의 단부는 터보 과급기(5)의 컴프레서(5a)에 연통한다.
또한, 이 이너 파이프(22)는 인렛 파이프(21)에서 돌출한 위치에 둘레면을 지름방향으로 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 원주방향을 따라 연장되는 환 형상의 홈이며, 이너 파이프(22)의 내부, 즉 유체 유입관(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 축방향 위치가 일치한다. 또한, 다른 하나의 환형상 홈부(22e)는 인렛 파이프(21)에서 돌출한 부분에 형성된다. 각 환형상 홈부(22e)는 모두 도 4에 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 내경치수는, 유체 유출측을 향해 단 형상(段狀)으로 확대된다. 즉, 이너 파이프(22)는 환형상 홈부(22e)의 유체 유입측의 위치에서의 내경치수(D1)보다, 환형상 홈부(22e)의 내측의 위치에서의 내경치수(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 내경치수는 유체 유출측을 향해 단 형상(段狀)으로 축소한다. 즉, 이너 파이프(22)는 환형상 홈부(22e)의 유체 유출측의 위치에서의 내경치수(D3)보다, 환형상 홈부(22e)의 내측의 위치에서의 내경치수(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 원주방향으로 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 반경방향의 외측방으로 돌출하고, 이너 파이프(22)의 원주방향으로 연장되어, 외주면(22f)의 전체 원주를 둘러싸고 있다. 여기서, 돌출부(22g)는 인렛 파이프(21)에 형성된 제1 배수구(21c)의 중력방향의 상방위치에 형성된다. 이 돌출부(22g)의 높이 치수(H3)는 인렛 파이프(21)의 내주면(21e)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(21e) 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 축방향 중앙부에 제2 관 부재(23b)가 직교하도록 접속한 T자 관에 의해 형성되고, 제1 관 부재(23a)의 내측에 인렛 파이프(21)의 유체 유출측 단부가 감착(嵌着)하고 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 내경치수는 제1 배수 파이프(23)의 접속개구(23c)의 내경치수와 동등하게 설정된다. 그리고, 제2 관 부재(23b)는 연직방향을 따라 연재되고, 중간부에 액체의 흐름방향을 따라 점차 축경하는 축경부(23d)를 가진다. 이로 인해, 선단 개구(23e)의 내경치수가, 접속개구(23c) 및 제1 배수구(21c)의 내경치수보다 작아진다.
제2 배수 파이프(24)는 일단이 인렛 파이프(21)의 유체 유입측의 둘레면 및 유체 유입관(30)에 고정되고, 연직방향을 따라 연재된 원통형상의 관 형상 부재이다. 이 제2 배수 파이프(24)의 일단은 도 3에 나타내는 바와 같이, 유체 유입관(30)에 형성된, 후술하는 상류측 배수구(32)에 연통한다. 그리고, 이 제2 배수 파이프(24)는 중간부에 액체의 흐름방향을 따라 점차 축경하는 축경부(24a)를 가지며, 선단 개구(24b)의 개구면적이 상류측 배수구(32)의 개구면적보다 작아진다.
저수탱크(25)는 제1 배수 파이프(23) 및 제2 배수 파이프(24)의 연직방향의 하방에 설치된 탱크 본체(25a)를 가진다. 이 탱크 본체(25a)는 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 선단부(24c)에 접속되어 있다. 그리고, 제2 관 부재(23b)의 선단부(23f)에 형성된 선단 개구(23e)가 제1 접속구(25b)와 연통하고, 제2 배수 파이프(24)의 선단부(24c)에 형성된 선단 개구(24b)가 제2 접속구(25c)와 연통한다. 또한, 이 탱크 본체(25a)의 연직방향의 상부 측면에는 바이패스 파이프(26)의 제1 단부(26a)가 접속하는 통기구(25d)가 형성된다. 또한, 탱크 본체(25a)의 중력방향 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 개방된 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.
유체 유입관(30)은 인렛 파이프(21)보다 지름치수가 작은 원통형상의 관 형상 부재에 의해 구성되고, 유체 유입측(도 3에서 우측)의 단부가 흡기구(2a) 및 저압 EGR 밸브(14)에 연통하고, 유체 유출측(도 3에서 좌측) 단부에 접속부(31)가 형성된다. 또한, 유체 유입관(30)은 축선(O2)이 수평방향으로 연재함과 동시에, 이 축선(O2)이 인렛 파이프(21)의 축선(O1)에 대해서 경사(여기서는, 직교)하는 상태로 배치된다.
접속부(31)는 유체 유입관(30)의 외형을 유체 유입구(21a)의 개구형상에 따라 변형시키고, 선단이 유체 유입구(21a)에 삽입 연결된 부분이다. 이 접속부(31)의 선단에는 유체 유입구(21a)에 연통하는 접속개구(31a)가 형성된다. 또한, 이 접속개구(31a)는 유체 유입관(30)의 축방향으로 개방하고 있다.
또한, 이 실시예 1의 접속부(31)는 단면형상이 유체 유입관(30)의 일반부분의 단면과 동일한 원환 형상에서, 유체 유입구(21a)의 개구형상과 동일한 편평한 타원형상으로 점차 변화하는 제1 접속부(31b)와, 단면형상이 유체 유입구(21a)의 개구형상과 동일한 제2 접속부(31c)를 가진다. 여기서, 유체 유입구(21a)의 축선(O2)에 수직인 단면에서의 개구면적이 유체 유입관(30)의 단면적과 거의 동일하므로, 제1 접속부(31b) 및 제2 접속부(31c)는 단면적의 크기는 거의 동일하게 된다.
그리고, 이 접속부(31)는 도 3에 나타내는 바와 같이, 접속개구(31a)의 중심을 통과하는 축선(O3)이, 유체 유입관(30)의 축선(O2)의 방향 및 인렛 파이프(21)의 접선방향에 대해서 평행하게 설정됨과 동시에, 이 축선(O3)의 위치가 인렛 파이프(21)의 축선(O1)의 위치에 대해서 연직방향 하방으로 오프셋된다.
더욱이, 접속부(31)의 제2 접속부(31c)에는 연직방향 하방으로 개방한 상류측 배수구(32)가 형성된다. 이 상류측 배수구(32)는 제2 배수 파이프(24)의 상방위치에서 개방하고, 제2 배수 파이프(24)에 연통한다.
이어서, 실시예 1의 기액 분리장치(20)의 작용을 "기액 분리작용", "액체의 포집작용", "액체의 증발 촉진작용", "제2 단차면의 액적 유지작용"으로 나누어 설명한다.
［기액 분리작용］
도 5 및 도 6은, 실시예 1의 기액 분리장치에서의 기액 2상 유체 및 분리한 기체·액체의 흐름을 나타내는 전체 설명도이다. 이하, 도 5 및 도 6에 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, 배기에는 수분이 포함되어 있고, 이 배기를 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, 유체 유입관(30)으로 유입한 기액 2상 유체는 이 유체 유입관(30)의 일단에 형성된 접속부(31)에서 유체 유입구(21a)를 통해 인렛 파이프(21)로 흘러 들어간다.
여기서, 유체 유입관(30)의 축선(O2)이 수평방향으로 연재함과 동시에, 인렛 파이프(21)의 축선(O1)에 대해서 직교한다. 이 때문에, 이 기액 분리장치(20)에서는 인렛 파이프(21)의 측방에서 기액 2상 유체를 도입하는 구성으로 되어 있다. 또한, 유체 유입구(21a)는 축선(O1)보다 하측으로, 개구 중심이 축선(O1)의 바로 아래에서 오프셋하는 위치에 형성된다. 한편, 유체 유입관(30)은 접속부(31)의 선단에 형성된 접속개구(31a)의 중심을 통과하는 축선(O3)의 위치가, 인렛 파이프(21)의 축선(O1)의 위치에 대해서 연직방향의 하방으로 오프셋된다.
이 때문에, 유체 유입관(30)에서 인렛 파이프(21)로 흘러 들어가는 기액 2상 유체는 인렛 파이프(21)의 중심(축선(O1))보다 연직방향의 하방으로 오프셋한 방향을 향해 유입하고, 내주면(21e)을 따라 도입되게 된다. 그 결과, 기액 2상 유체가 인렛 파이프(21)의 중심을 향하기 어렵게 되고, 내주면(21e)을 따라 시계방향 회전을 하면서 유체 유출측의 단부(21b)를 향해 흘러감으로써 선회류가 된다. 이로 인해, 축선(O1)을 수평방향으로 연재한 인렛 파이프(21) 내에서, 기액 2상 유체를 적절히 선회시킬 수 있다.
또한, 기액 2상 유체가 유입하는 유체 유입구(21a)는 유체 유입관(30)의 축선(O2)에 수직인 단면에서의 개구면적이, 유체 유입관(30)의 단면적과 거의 동일한 크기로 설정됨과 동시에, 인렛 파이프(21)의 축선(O1)을 따라 긴 편평한 타원형상을 나타낸다. 이 때문에, 접속부(31)의 내부압력이 상승하는 것을 억제하고, 기액 2상 유체의 흐름을 원활히 유지하면서, 인렛 파이프(21)의 축선(O1)에 대한 접속개구(31a)의 중심을 통과하는 축선(O3)의 오프셋량을 확보할 수 있다.
즉, 유체 유입관(30)의 지름치수가 인렛 파이프(21)의 지름치수에 대해서 충분히 작은 경우이면, 유체 유입구(21a)를 편평한 형상으로 하지 않아도 인렛 파이프(21)의 축선(O1)에 대해서, 접속개구(31a)의 중심을 통과하는 축선(O3)을 연직방향으로 틀어지는 것을 충분히 할 수 있다. 그러나, 유체 유입관(30)의 지름치수가 인렛 파이프(21)의 지름치수와 동일한 정도 혹은 그 이상일 경우에는, 유체 유입구(21a)를 유체 유입관(30)의 단면형상과 동일한 형태로 하면, 접속개구(31a)의 중심을 통과하는 축선(O3)을 인렛 파이프(21)의 축선(O1)에 대해 충분히 오프셋시킬 수 없다. 한편, 유체 유입구(21a)의 개구형상을, 유체 유입관(30)의 개구형상에 대해서 단순히 상사(相似)적으로 작게 한 경우는, 접속부(31)의 내부압력이 상승하여 기액 2상 유체의 흐름이 정체된다.
이에 대해서, 유체 유입구(21a)를 편평한 타원형상으로 함으로써, 이 유체 유입구(21a)의 유체 유입관(30)의 축선(O2)에 수직인 단면에서의 개구면적을 유체 유입관(30)의 단면적과 거의 동일한 크기로 설정하면서, 접속개구(31a)의 중심을 통과하는 축선(O3)을 인렛 파이프(21)의 축선(O1)에 대해서 오프셋할 수 있다.
더욱이, 유체 유입구(21a)를 인렛 파이프(21)의 축선(O1)을 따른 개구치수가 긴 편평한 형상으로 함으로써, 이 유체 유입구(21a)는 인렛 파이프(21)의 원주방향 즉, 기액 2상 유체의 선회방향의 개구치수가 짧아진다. 이로 인해, 예를 들면, 유체 유입구를 원형으로 한 경우와 비교하여, 개구면적이 동일하더라도 유체 유입구(21a)의 액체 선회방향의 개구치수를 단축할 수 있다. 그 결과, 유체 유입구(21a)로부터 흘러나온 기액 2상 유체의 확산을 억제하고, 이 기액 2상 유체를 인렛 파이프(21)의 내주면(21e)을 따르기 쉽게 하여 기액 2상 유체에 부여되는 선회력을 향상시킬 수 있다.
그리고, 기액 2상 유체가 인렛 파이프(21) 내에서 선회류가 됨으로써, 이 선회류에 의해 발생한 원심력에 의해 기체보다 질량이 큰 액체는 인렛 파이프(21)의 내주면(21e)을 향해 유도된다.
인렛 파이프(21)의 내주면(21e)을 향해 유도된 액체는 응집하여 액적이 되고, 기체로부터 분리된다. 이 기체로부터 분리된 액체는 내주면(21e)에 부착한 채 선회류의 흐름에 의해 유체 하류측으로 흘러 들어가고, 인렛 파이프(21)의 유체 하류측의 단부에 형성된 제1 배수구(21c)로 흘러 들어가며, 제1 배수 파이프(23)의 접속개구(23c)를 통해 제2 관 부재(23b)로 흘러 들어가, 이 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 연직방향의 하방으로 개방함과 동시에, 제1 배수 파이프(23)의 제2 관 부재(23b)가 연직방향을 따라 연재되므로, 액체는 자중에 의해 제1 배수구(21c)에서 제2 관 부재(23b)로 흘러내린다. 또한, 인렛 파이프(21)의 내경치수보다, 이너 파이프(22)의 외경치수가 작아지므로, 인렛 파이프(21)의 내주면(21e)에 부착한 액체가 이너 파이프(22) 내에 들어가는 것이 방지된다. 즉, 기액 2상 액체에서 분리된 액체는 인렛 파이프(21)와 이너 파이프(22) 사이로 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 부압(負壓)으로 할 수 있고, 제1 배수 파이프(23)를 흘러내리는 액체의 흐름을 원활히 할 수 있다.
또한, 인렛 파이프(21)를 흐르는 기체는 축방향으로 개방한 개구(22b)에서 이너 파이프(22)로 흘러 들어간다. 이 때, 기체에서는 기액 2상 유체가 흐름방향의 하류로 갈수록 액체가 분리되어 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 감합되어 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.
［액체의 포집작용］
실시예 1의 기액 분리장치(20)의 유체 유입관(30)은 접속부(31)의 제2 접속부(31c)에 연직방향의 하방으로 개방한 상류측 배수구(32)가 형성된다. 또한, 이 상류측 배수구(32)는 연직방향을 따라 연재된 제2 배수 파이프(24)에 연통한다.
이 때문에, 기액 2상 유체에 포함된 액체가 비교적 많아, 이미 어느 정도의 크기의 액적이 생겼을 때, 도 6에 나타내는 바와 같이, 자중으로 연직방향의 하방으로 흘러내림 가능한 액체를, 인렛 파이프(21)로 흘러 들어가기 전에 상류측 배수구(32)에서 배출할 수 있다. 그리고, 상류측 배수구(32)에 흘러 들어간 액체는 이 상류측 배수구(32)에 연통한 제2 배수 파이프(24)를 통해 저수탱크(25) 내로 흘러 저장된다.
또한, 기액 2상 유체의 유속이 늦어 기액 2상 유체를 인렛 파이프(21) 내에서 충분한 선회류로 할 수 없는 경우라도, 이 기액 2상 유체에 포함되어 있는 액체의 일부를 상류측 배수구(32)에서 배출할 수 있다.
즉, 이 실시예 1의 기액 분리장치(20)에서는, 기액 2상 유체에 포함되는 액체의 일부를 인렛 파이프(21)로 흘러 들어가기 전에 미리 포집할 수 있다. 이로 인해, 기액 2상 유체를 선회시킬 때, 액체의 함유량을 저감시키고, 액체 분리율의 향상을 도모할 수 있다.
더욱이, 이 실시예 1에서는 접속개구(31a)의 중심을 통과하는 축선(O3)이 인렛 파이프(21)의 축선(O1)에 대해서 연직방향의 하방으로 오프셋한다. 이 때문에, 인렛 파이프(21)로 흘러 들어가기 전의 액체를 상류측 배수구(32)에서 외부로 쉽게 배출시킬 수 있고, 기액 2상 유체에 함유하는 액체를 효율적으로 저감시킬 수 있다.
또한, 선회류에 의해 인렛 파이프(21)의 내주면(21e)을 향해 유도되면서 액적화한 액체는 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) 내로 흘러 들어가지 않고, 인렛 파이프(21)와 이너 파이프(22) 사이로 들어간다. 그러나, 인렛 파이프(21)와 이너 파이프(22) 사이로 흘러 들어간 기체는 스페이서(28)에 의해 흐름이 저지되어 빠져나갈 수 없다. 이로 인해, 이 기체는 인렛 파이프(21)의 내주면(21e)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 원주방향으로 연장된 돌출부(22g)가 형성된다.
이 때문에, 도 7에 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 증발 촉진작용］
실시예 1의 기액 분리장치(20)에서, 액체가 분리된 기체는 선회류 상태를 유지한 채 이너 파이프(22) 내로 흘러 들어가고, 도시하지 않는 터보 과급기(5)로 공급된다. 그러나, 기체로부터 분리하지 못한 액체가 존재하면, 이 분리하지 못한 액체는 기체와 함께 이너 파이프(22) 내로 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) 내로 들어간다.
이 때, 환형상 홈부(22e) 내에서는 도 8에 나타내는 바와 같이, 이 환형상 홈부(22e)에 기체가 흘러 들어감으로써 난류가 발생하고, 기액 2상 유체의 흐름방향의 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 원주방향으로 연장된다. 이로 인해, 선회류가 된 기체는 이 환형상 홈부(22e)의 내부를 저면(53)을 따라 원주방향으로 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 내경치수를 단 형상으로 작게 하는 제2 단차면(52)을 가지고 있다.
이로 인해, 도 8에 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 구성에서는 이 실시예 1에 한정되는 것이 아니고, 청구범위의 각 청구항에 따른 발명의 요지를 일탈하지 않는 한, 설계의 변경이나 추가 등은 허용된다.
실시예 1에서는, 유체 유입구(21a)를 인렛 파이프(21)의 축선(O1)을 따라 개구치수가 긴 편평한 타원 형상으로 하는 예를 나타냈다. 그러나, 유체 유입관(30)의 접속개구(31a)의 중심을 통과하는 축선(O3)이 축선(O1)에 대해서 연직방향으로 오프셋하면 되므로, 유체 유입구(21a)의 개구형상은 실시예 1에 나타내는 것으로 한정하지 않는다. 특히, 유체 유입관(30)의 지름치수가 인렛 파이프(21)의 지름치수보다 충분히 작은 경우 등, 유체 유입구(21a)를 유체 유입관(30)의 단면형상과 동일하게 해도 좋다.
또한, 실시예 1에서는, 유체 유입관(30)의 접속개구(31a)의 중심을 통과하는 축선(O3)을 축선(O1)보다 연직방향의 하방으로 오프셋하는 예를 나타냈다. 그러나, 이에 한정하지 않고, 접속개구(31a)의 중심을 통과하는 축선(O3)을 축선(O1)보다 연직방향의 상방으로 오프셋해도 좋다.
또한, 실시예 1에서는, 제1 배수구(21c)에 접속된 제1 배수 파이프(23) 및 상류측 배수구(32)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, 유체 유입관(30)이나 인렛 파이프(21)에서 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, 상류측 배수구(32)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(21e)에 일체로 설치하거나, 이너 파이프(22)의 외주면(22f)에 일체로 설치하거나 해도 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 내경치수를 단 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 원주방향으로 선회시켜 증발시킬 수 있다.
더욱이, 이와 같이 제1 단차면만을 형성하는 경우에서, 이 제1 단차면을 기액 2상 유체가 흐름방향을 따라 복수 형성해도 좋다. 즉, 이너 파이프(22)의 내경치수를 단 형상으로 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 각도이면 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 각도이면 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 축방향의 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 축방향 위치는 축방향으로 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 하류위치에, 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 하류위치에, 내연기관(1)의 기통 급기구의 상류측(도 1에서 일점쇄선(Y)으로 권취하는 위치)에 설치해도 좋다.
더욱이, 실시예 1에서는, 내연기관(1)이 차량에 탑재되는 디젤 엔진인 예를 나타냈으나, 이에 한정되지 않고, 내연기관(1)은 가솔린 엔진이라도 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, 접속 개소, 지름의 치수 등에 대해서도 실시예 1에 나타내는 것에 한정되지 않고, 임의로 설정하는 것이 가능하다.
(관련출원의 상호 참조)
본 출원은 2017년 10월 25일 일본 특허청에 출원된 특원 2017-206577에 근거하여 우선권을 주장하고, 이 모든 개시는 완전히 본 명세서에서 참조에 의해 조합된다.

Claims (9)

  1. 배관을 흐르는 기액 2상 유체를 선회시키고, 상기 기액 2상 유체에서 액체와 기체를 분리하는 기액 분리장치로서,
    상기 배관은 상기 기액 2상 유체의 흐름방향의 상류측의 둘레면에 형성된 유체 유입구와, 상기 기액 2상 유체의 흐름방향의 하류측 단부에 형성됨과 동시에 상기 액체가 유출하는 배수구를 가지며, 수평방향으로 연재된 원통형상의 인렛 파이프와,
    개구가 형성된 일단이 상기 인렛 파이프의 상기 기액 2상 유체의 흐름방향의 하류측 단부에 삽입되고, 상기 인렛 파이프와 동축에 배치된 이너 파이프와,
    상기 유체 유입구에 접속된 접속부를 일단에 가지며, 수평방향으로 연재됨과 동시에, 상기 유체 유입구를 통해 상기 인렛 파이프의 내부에 상기 인렛 파이프의 측방에서 상기 기액 2상 유체를 도입 가능하도록 배치된 유체 유입관을 구비하고,
    상기 접속부는 상기 유체 유입구에 연통하는 접속개구의 중심을 통과하는 축선의 위치가, 상기 인렛 파이프의 축선의 위치에 대해서 연직방향으로 오프셋하는 것을 특징으로 하는
    기액 분리장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 접속부는 상기 접속개구의 중심을 통과하는 축선의 위치가, 상기 인렛 파이프의 축선의 위치보다 연직방향의 하방으로 오프셋하는 것을 특징으로 하는
    기액 분리장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 유체 유입구는 상기 유체 유입관의 축선에 수직인 단면에서의 개구면적이 상기 유체 유입관의 단면적과 거의 동일한 크기로 설정됨과 동시에, 상기 인렛 파이프의 축선을 따라 긴 편평한 형상을 나타내는 것을 특징으로 하는
    기액 분리장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유체 유입관은 상기 접속부에 연직방향의 하방으로 개방한 상류측 배수구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 기액 분리장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 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 설치되는 것을 특징으로 하는
    기액 분리장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이너 파이프의 내주면에는 상기 기액 2상 유체의 흐름방향의 하류측을 향해 내경치수가 커진 제1 단차면이 형성되는 것을 특징으로 하는
    기액 분리장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 이너 파이프는, 상기 제1 단차면보다 상기 기액 2상 유체의 흐름방향의 하류측의 내주면에, 상기 기액 2상 유체의 흐름방향의 하류측을 향해 내경치수가 작아진 제2 단차면이 형성되는 것을 특징으로 하는
    기액 분리장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이너 파이프는, 상기 인렛 파이프에 삽입된 부분의 외주면에 원주방향으로 연장되는 돌출부가 형성되는 것을 특징으로 하는
    기액 분리장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이너 파이프는 상기 인렛 파이프에서 돌출한 부분을 가열하는 가열구조를 가지는 것을 특징으로 하는
    기액 분리장치.
KR1020207014675A 2017-10-25 2018-10-17 기액 분리장치 KR102668570B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JPJP-P-2017-206577 2017-10-25
JP2017206577A JP6982463B2 (ja) 2017-10-25 2017-10-25 気液分離装置
PCT/JP2018/038733 WO2019082773A1 (ja) 2017-10-25 2018-10-17 気液分離装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20200096220A true KR20200096220A (ko) 2020-08-11
KR102668570B1 KR102668570B1 (ko) 2024-05-24

Family

ID=

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09220421A (ja) 1996-02-13 1997-08-26 Miura Co Ltd 旋回式気液分離装置

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09220421A (ja) 1996-02-13 1997-08-26 Miura Co Ltd 旋回式気液分離装置

Also Published As

Publication number Publication date
EP3702605C0 (en) 2024-04-03
US20200370517A1 (en) 2020-11-26
US11421630B2 (en) 2022-08-23
EP3702605B1 (en) 2024-04-03
JP2019078235A (ja) 2019-05-23
CN111566334B (zh) 2022-04-19
JP6982463B2 (ja) 2021-12-17
WO2019082773A1 (ja) 2019-05-02
CN111566334A (zh) 2020-08-21
EP3702605A4 (en) 2021-06-02
EP3702605A1 (en) 2020-09-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10828590B2 (en) Gas-liquid separator
JP6634092B2 (ja) 気液分離用旋回流発生装置
CN111247326B (zh) 气液分离装置
EP3552685B1 (en) Gas-liquid separation device
KR102668570B1 (ko) 기액 분리장치
KR20200096220A (ko) 기액 분리장치
KR102668503B1 (ko) 기액 분리장치
EP4268926A1 (en) Gas-liquid separation device
JP6730175B2 (ja) Ｅｇｒクーラ

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant