JP6982463B2 - 気液分離装置 - Google Patents

Description

本発明は、気液二相流体に含まれる気体と液体を分離する気液分離装置に関する発明である。

従来、気液二相流体をインレットパイプ内に接線方向に導入し、このインレットパイプ 内で旋回流を形成することによって、気体と液体を分離する気液分離装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この気液分離装置では、インレットパイプの軸線に対して流体流入管の軸線が直交し、インレットパイプの側方から気液二相流体を導入する構成になっている。

特開平９−２２０４２１号公報

ところで、従来の気液分離装置にあっては、インレットパイプの軸線が鉛直方向に延びており、気体が流れるインナーパイプがパイプ上部に同軸に連結され、パイプ下部に排水口が形成されている。一方、流体流入管は、軸線が水平方向に延びると共に、インレットパイプの上部周面に接続されている。そのため、インレットパイプ、インナーパイプ、流体流入管のすべてが水平状態に配置された構成ではなかった。

また、この従来の気液分離装置では、流体流入管が接続される部分がインナーパイプを接続した排気口に近接し、インナーパイプの周面に対向する位置で開放している。そのため、インレットパイプ、インナーパイプ、流体流入管をいずれも水平状態に配置した場合では、気液二相流体を適切に旋回させて気体と液体を分離することが難しいという問題が生じる。

本発明は、上記問題に着目してなされたもので、水平方向に延在したインレットパイプ内で、気液二相流体を適切に旋回させることができる気液分離装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、配管を流れる気液二相流体を旋回させて、気液二
相流体から液体と気体を分離する気液分離装置である。
前記配管は、気液二相流体の流れ方向の上流側の周面に形成された流体流入口と、気液二相流体の流れ方向の下流側の端部に形成されると共に液体が流出する排水口と、を有し、水平方向に延びた円筒状のインレットパイプと、開口が形成された一端がインレットパイプの気液二相流体の流れ方向の下流側の端部に差し込まれ、インレットパイプと同軸に配置されたインナーパイプと、流体流入口に接続された接続部を一端に有し、水平方向に延在されると共に、流体流入口を介してインレットパイプの内部に、このインレットパイプの側方から気液二相流体を導入可能に配置された流体流入管と、を備えている。
そして、前記インレットパイプは、前記気液二相流体の流れ方向の上流側の端部が閉塞され、前記接続部は、流体流入口に連通する接続開口の中心を通る軸線の位置がインレットパイプの軸線の位置に対して鉛直方向にオフセットしている。さらに、前記インレットパイプを流れる気液二相流体の全量は、前記流体流入管を介して前記インレットパイプに流れ込む。

よって、本発明では、流体流入管からインレットパイプに流れ込む気液二相流体は、インレットパイプの中心に向かいにくくなり、この気液二相流体をインレットパイプの内周面に沿って導入できる。これにより、水平方向に延在したインレットパイプ内で、気液二相流体を適切に旋回させることができる。

実施例１の気液分離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。 実施例１の気液分離装置を示す断面図である。 図２に示すＡ−Ａ断面図である。 図２に示すＢ部の拡大図である。 実施例１の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る。 図５に示すＣ−Ｃ断面図である。 実施例１の気液分離装置における液体の流れを拡大して示す説明図である。 図５に示すＤ部の拡大図である。

以下、本発明の気液分離装置を実施するための形態を、図面に示す実施例１に基づいて説明する。

（実施例１）
まず、実施例１における気液分離装置の構成を、「適用例のシステム全体構成」、「気液分離装置の詳細構成」に分けて説明する。

［適用例のシステム全体構成］
図１は、実施例１の気液分離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。

実施例１の気液分離装置２０は、図１に示す内燃機関１の排気還流システムＳに適用している。ここで、図１に示した内燃機関１は、走行用駆動源として車両に搭載されるディーゼルエンジンであり、４つの気筒（不図示）を有している。各気筒には、それぞれ吸気通路２と排気通路３が接続されている。

吸気通路２は、端部に吸気口２ａが形成され、この吸気口２ａ側から順に、吸気濾過用のエアクリーナー４、ターボ過給機５のコンプレッサ５ａ、吸気を冷却するインタークーラー６、吸入空気量を調整するためのスロットル弁７が設けられている。排気通路３には、内燃機関１側から順に、ターボ過給機５のタービン５ｂ、排気を浄化するための排気浄化触媒８、排気流量を調整するための排気絞り弁９が設けられている。なお、排気絞り弁９の下流側にはマフラー１０が設けられ、その先に排気口３ａが形成されている。

吸気通路２と排気通路３とは、低圧ＥＧＲ通路１１及び高圧ＥＧＲ通路１２によって接続されている。ここで、「ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）」とは、内燃機関１において燃焼後の排気の一部を取り出して再度吸気させる技術であり、排気再循環ともいう。

低圧ＥＧＲ通路１１は、コンプレッサ５ａより上流の吸気通路２と排気浄化触媒８より下流の排気通路３とを接続している。一方、高圧ＥＧＲ通路１２は、コンプレッサ５ａより下流の吸気通路２とタービン５ｂより上流の排気通路３とを接続している。
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の吸気に戻すこととなる。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こととなる。

低圧ＥＧＲ通路１１には、吸気通路２に導かれる排気を冷却するためのＥＧＲクーラ１３と、低圧ＥＧＲ通路１１を介して吸気通路２に還流される排気の流量を調整するための低圧ＥＧＲ弁１４と、が設けられている。高圧ＥＧＲ通路１２には、高圧ＥＧＲ通路１２を介して吸気通路２に還流される排気の流量を調整するための高圧ＥＧＲ弁１５が設けられている。

ここで、低圧ＥＧＲ通路１１では、ターボ過給機５のタービン通過排気量を低下させることなく排気の還流を可能とし、ＮＯｘ低減効果が大きい。しかしながら、ＥＧＲクーラ１３での冷却によって凝縮水の発生が懸念される。そこで、実施例１では、本発明の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において破線Ｘで囲む位置）に設置し、凝縮水を捕集して排水する。

［気液分離装置の詳細構成］
図２及び図３は、実施例１の気液分離装置を示す断面図である。以下、図２及び図３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。

実施例１の気液分離装置２０は、図２に示すように、インレットパイプ２１と、インナーパイプ２２と、第１排水パイプ２３と、第２排水パイプ２４と、貯水タンク２５と、バイパスパイプ２６と、流体流入管３０と、を備えている。

インレットパイプ２１は、流体流入管３０を介して吸気口２ａ及び低圧ＥＧＲ弁１４に連通し、気体と微粒子状の液体（凝縮水）が混ざり合った状態の排気（以下、「気液二相流体」という）が導入される円筒状の管状部材である。このインレットパイプ２１は、軸線Ｏ_１が水平方向に延在されている。また、このインレットパイプ２１の内部では、気液二相流体が軸線Ｏ_１に沿って流れ、この気液二相流体の流れ方向の上流側（図２において右側、以下「流体流入側」という）の周面に流体流入口２１ａが形成され、気液二相流体の流れ方向の下流側（図２において左側、以下「流体流出側」という）の端部２１ｂに第１排水口２１ｃ（排水口）が形成されている。なお、インレットパイプ２１の流体流入側の端面２１ｄは閉塞している。

流体流入口２１ａは、インレットパイプ２１の接線方向に開放した開口であり、開口中心位置（軸線Ｏ_３）が、軸線Ｏ_１よりも鉛直方向の下方にオフセットする位置に形成されている（図３参照）。また、この流体流入口２１ａは、図２に示すように、インレットパイプ２１の周方向の開口寸法が短く、軸線Ｏ_１に沿った開口寸法が長くなった扁平な楕円形状を呈している。すなわち、この流体流入口２１ａは、軸線Ｏ１と同軸方向に長軸を取る扁平形状になっている。
さらに、この流体流入口２１ａは、流体流入管３０の軸線Ｏ_２に垂直な断面での開口面積が、流体流入管３０の断面積とほぼ同じ大きさに設定されている。なお、「鉛直方向」とは、水平方向に直交し、重力が作用する方向である。なお、図２及び図３では、紙面上下方向が「鉛直方向」に相当する。また、軸線Ｏ_２は、流体流入管３０の一般部分での軸線である。

第１排水口２１ｃは、気液二相流体から分離された液体が流出する開口であり、インレットパイプ２１の径方向であって鉛直方向の下方に開放している。

インナーパイプ２２は、インレットパイプ２１の内径寸法よりも小さい外形寸法を有する円筒状の管状部材によって形成され、インレットパイプ２１の流体流出側の端部２１ｂに一端２２ａが差し込まれ、インレットパイプ２１と同軸状態に設置される。

なお、このインレットパイプ２１とインナーパイプ２２との間に生じる間隙αにはスペーサー２８が嵌合されている。スペーサー２８は、インナーパイプ２２の全周を取り囲む円筒形状を呈しており、外周面がインレットパイプ２１の内周面２１ｅに気密状態で接触し、内周面がインナーパイプ２２の外周面２２ｆに気密状態で接触している。
ここで、スペーサー２８のインレットパイプ２１内側の軸方向端部２８ａは、第１排水口２１ｃの周縁部のうちの最も下流側の部分と軸方向位置が一致している。つまり、スペーサー２８は、第１排水口２１ｃの開口領域に重複しないものの、第１排水口２１ｃの開口領域に対して、軸方向に隙間を開けることなく設置されている。

インナーパイプ２２は、インレットパイプ２１に差し込まれた一端２２ａに軸方向に開放する開口２２ｂが形成されている。これにより、インレットパイプ２１と、インナーパイプ２２と、開口２２ｂは、同軸になっている。なお、このインナーパイプ２２の流体流出側（図２において左側）の端部は、ターボ過給機５のコンプレッサ５ａに連通している。

また、このインナーパイプ２２は、インレットパイプ２１から突出した位置に、周面を径方向に貫通する通気口２２ｃが形成されている。この通気口２２ｃには、バイパスパイプ２６の第２端部２６ｂが接続している。さらに、インナーパイプ２２の内周面２２ｄには、複数の環状溝部２２ｅ（ここでは二つ）が形成されている。一方、インナーパイプ２２の外周面２２ｆには、インレットパイプ２１に差し込まれた部分に突出部２２ｅが形成され、インレットパイプ２１から突出した部分に加熱用電熱シート２２ｈ（加熱構造）が設けられている。

各環状溝部２２ｅは、インナーパイプ２２の周方向に沿って延びる環状のへこみであり、インナーパイプ２２の内部、すなわち流体流入管３０よりも流体流出側の位置に設けられている。また、ここでは、二つの環状溝部２２ｅのうちの一方が、インレットパイプ２１に差し込まれた部分であって、突出部２２ｇの内側に形成されていて、環状溝部２２ｅと突出部２２ｇとの軸方向位置が一致している。また、他方の環状溝部２２ｅは、インレットパイプ２１から突出した部分に形成されている。各環状溝部２２ｅは、いずれも図４に拡大して示すように、第１段差面５１と、第２段差面５２と、底面５３と、を有している。

第１段差面５１は、環状溝部２２ｅを形成する面の中で、流体流入側に位置する面である。この第１段差面５１により、インナーパイプ２２の内径寸法は、流体流出側に向かって段状に拡大される。つまり、インナーパイプ２２は、環状溝部２２ｅの流体流入側の位置での内径寸法Ｄ１よりも、環状溝部２２ｅの内側の位置での内径寸法Ｄ２の方が大きい。また、この第１段差面５１と、第１段差面５１よりも流体流入側のインナーパイプ内周面２２１ｄとでなす角θ_１は、ここでは９０°に設定されている。

一方、第２段差面５２は、環状溝部２２ｅを形成する面の中で、流体流出側に位置する面である。この第２段差面５２により、インナーパイプ２２の内径寸法は、流体流出側に向かって段状に縮小する。つまり、インナーパイプ２２は、環状溝部２２ｅの流体流出側の位置での内径寸法Ｄ３よりも、環状溝部２２ｅの内側の位置での内径寸法Ｄ２の方が大きい。また、この第２段差面５２と、第２段差面５２よりも流体流出側のインナーパイプ内周面２２２ｄとでなす角θ_２は、ここでは９０°に設定されている。さらに、第２段差面５２の高さ寸法Ｈ２は、第１段差面５１の高さ寸法Ｈ１と同一寸法に設定されている。

底面５３は、インナーパイプ２２の周方向に延びて環状溝部２２ｅの底面となる面であり、第１段差面５１と第２段差面５２の間に位置している。

突出部２２ｇは、インナーパイプ２２の外周面２２ｆから半径方向の外方に突出し、インナーパイプ２２の周方向に延びて、外周面２２ｆの全周を取り囲んでいる。ここで、突出部２２ｇは、インレットパイプ２１に形成された第１排水口２１ｃの重力方向の上方位置に形成されている。この突出部２２ｇの高さ寸法Ｈ３は、インレットパイプ２１の内周面２１ｅとインナーパイプ２２の外周面２２ｆとの隙間寸法Ｈ４よりも小さくなるように設定されている。これにより、突出部２２ｇの先端面とインレットパイプ２１の内周面２１ｅとの間には、隙間が生じる。

加熱用電熱シート２２ｈは、図示しないスイッチをＯＮ操作することで発熱する電熱線を有する可撓性を有するシートであり、インナーパイプ２２に巻きつけられて、外周面２２ｆを覆っている。そして、この加熱用電熱シート２２ｈが有する電熱線が発熱することで、インナーパイプ２２が加熱される。なお、この加熱用電熱シート２２ｈは、ここではインレットパイプ２１から突出した部分に形成された他方の環状溝部２２ｅが形成された位置を覆っており、インナーパイプ２２のうち、環状溝部２２ｅ（第１段差面５１）が形成された部分の外周面２２ｆを加熱することになる。

第１排水パイプ２３は、第１管部材２３ａの軸方向中央部に第２管部材２３ｂが直交するように接続したＴ字管によって形成され、第１管部材２３ａの内側にインレットパイプ２１の流体流出側端部が嵌着している。また、第１管部材２３ａと第２管部材２３ｂとの接続部分に形成された接続開口２３ｃが第１排水口２１ｃと対向している。これにより、インレットパイプ２１は、第１排水口２１ｃ及び接続開口２３ｃを介して、第１排水パイプ２３の第２管部材２３ｂが連通する。

また、インレットパイプ２１に形成された第１排水口２１ｃの内径寸法は、第１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は鉛直方向に沿って延在され、中間部に液体の流れ方向に沿って次第に縮径する縮径部２３ｄを有している。これにより、先端開口２３ｅの内径寸法が、接続開口２３ｃ及び第１排水口２１ｃの内径寸法よりも小さくなっている。

第２排水パイプ２４は、一端がインレットパイプ２１の流体流入側の周面及び流体流入管３０に固定され、鉛直方向に沿って延在された円筒状の管状部材である。この第２排水パイプ２４の一端は、図３に示すように、流体流入管３０に形成された後述する上流側排水口３２に連通している。
そして、この第２排水パイプ２４は、中間部に液体の流れ方向に沿って次第に縮径する縮径部２４ａを有し、先端開口２４ｂの開口面積が、上流側排水口３２の開口面積よりも小さくなっている。

貯水タンク２５は、第１排水パイプ２３及び第２排水パイプ２４の鉛直方向の下方に設置されたタンク本体２５ａを有している。このタンク本体２５ａは、上部に形成された第１接続口２５ｂが第１排水パイプ２３の第２管部材２３ｂの先端部２３ｆに接続され、第２接続口２５ｃが第２排水パイプ２４の先端部２４ｃに接続されている。そして、第２管部材２３ｂの先端部２３ｆに形成された先端開口２３ｅが、第１接続口２５ｂと連通し、第２排水パイプ２４の先端部２４ｃに形成された先端開口２４ｂが、第２接続口２５ｃと連通している。
また、このタンク本体２５ａの鉛直方向の上部の側面には、バイパスパイプ２６の第１端部２６ａが接続する通気口２５ｄが形成されている。
なお、タンク本体２５ａの重力方向下部には、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２５ａ内に貯留された液体が一定量に達したら、排水開口を介して貯留した液体をタンク外へ放出することができる。

バイパスパイプ２６は、インナーパイプ２２と貯水タンク２５とを連通する両端が開放した管部材である。このバイパスパイプ２６は、第１端部２６ａがタンク本体２５ａに形成された通気口２５ｄに接続され、第２端部２６ｂがインナーパイプ２２に形成された通気口２２ｃに接続されている。そして、タンク本体２５ａの内部空間は、バイパスパイプ２６を介してインナーパイプ２２の内部に連通している。

流体流入管３０は、インレットパイプ２１よりも径寸法の小さい円筒状の管状部材によって構成され、流体流入側（図３において右側）の端部が吸気口２ａ及び低圧ＥＧＲ弁１４に連通し、流体流出側（図３において左側）の端部に接続部３１が形成されている。また、流体流入管３０は、軸線Ｏ_２が水平方向に延在すると共に、この軸線Ｏ_２がインレットパイプ２１の軸線Ｏ_１に対して傾斜（ここでは直交）する状態に配置されている。

接続部３１は、流体流入管３０の外形を流体流入口２１ａの開口形状に応じて変形させ、先端が流体流入口２１ａに挿入連結された部分である。この接続部３１の先端には、流体流入口２１ａに連通する接続開口３１ａが形成されている。なお、この接続開口３１ａは、流体流入管３０の軸方向に開放している。

また、この実施例１の接続部３１は、断面形状が流体流入管３０の一般部分の断面と同一の円環形状から、流体流入口２１ａの開口形状と同一の扁平な楕円形状へと次第に変化する第１接続部３１ｂと、断面形状が流体流入口２１ａの開口形状と同一な第２接続部３１ｃと、を有している。ここで、流体流入口２１ａの軸線Ｏ_２に垂直な断面での開口面積が、流体流入管３０の断面積とほぼ同じであることから、第１接続部３１ｂ及び第２接続部３１ｃは、断面積の大きさはほぼ同一となる。

そして、この接続部３１は、図３に示すように、接続開口３１ａの中心を通る軸線Ｏ_３が、流体流入管３０の軸線Ｏ_２の方向及びインレットパイプ２１の接線方向に対して平行に設定されると共に、この軸線Ｏ_３の位置が、インレットパイプ２１の軸線Ｏ_１の位置に対して鉛直方向の下方にオフセットされている。

さらに、接続部３１の第２接続部３１ｃには、鉛直方向の下方に開放した上流側排水口３２が形成されている。この上流側排水口３２は、第２排水パイプ２４の上方位置で開放しており、第２排水パイプ２４に連通している。

次に、実施例１の気液分離装置２０の作用を、「気液分離作用」、「液体の捕集作用」、「液体の蒸発促進作用」、「第２段差面の液滴保持作用」に分けて説明する。

［気液分離作用］
図５及び図６は、実施例１の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る。以下、図５及び図６に基づき、実施例１の気液分離作用を説明する。

図１に示す排気還流システムＳでは、吸気口２ａから取り入れた外気と、低圧ＥＧＲ通路１１を介して排気通路３から取り入れた排気とが、流速１ｍ／ｓ〜１００ｍ／ｓの速さでターボ過給機５のコンプレッサ５ａへと流れ込む。このとき、排気には水分が含まれており、この排気をＥＧＲクーラ１３にて冷却することで水分が凝縮して凝縮水として微粒子状の液体になり、空気等の気体に液体が混ざり合った気液二相流体になる。

実施例１の気液分離装置２０では、図５に示すように、流体流入管３０に流入した気液二相流体は、この流体流入管３０の一端に形成された接続部３１から流体流入口２１ａを介してインレットパイプ２１に流れ込む。

ここで、流体流入管３０の軸線Ｏ_２が、水平方向に延在すると共に、インレットパイプ２１の軸線Ｏ_１に対して直交している。そのため、この気液分離装置２０では、インレットパイプ２１の側方から気液二相流体を導入する構成になっている。また、流体流入口２１ａは、軸線Ｏ_１よりも下側であって、開口中心が軸線Ｏ_１の真下からオフセットする位置に形成されている。一方、流体流入管３０は、接続部３１の先端に形成された接続開口３１ａの中心を通る軸線Ｏ_３の位置が、インレットパイプ２１の軸線Ｏ_１の位置に対して鉛直方向の下方にオフセットされている。

そのため、流体流入管３０からインレットパイプ２１に流れ込む気液二相流体は、インレットパイプ２１の中心（軸線Ｏ_１）よりも鉛直方向の下方にオフセットした方向に向けて流入し、内周面２１ｅに沿って導入されることになる。この結果、気液二相流体がインレットパイプ２１の中心に向かいにくくなり、内周面２１ｅに沿う時計回りの回転をしながら流体流出側の端部２１ｂに向かって流れていくことで旋回流となる。これにより、軸線Ｏ_１を水平方向に延在したインレットパイプ２１内において、気液二相流体を適切に旋回させることができる。

また、気液二相流体が流入する流体流入口２１ａは、流体流入管３０の軸線Ｏ_２に垂直な断面での開口面積が、流体流入管３０の断面積とほぼ同じ大きさに設定されると共に、インレットパイプ２１の軸線Ｏ_１に沿って長くなった扁平な楕円形状を呈している。そのため、接続部３１の内部圧力が上昇することを抑制して、気液二相流体の流れを円滑に維持しつつ、インレットパイプ２１の軸線Ｏ_１に対する接続開口３１ａの中心を通る軸線Ｏ_３のオフセット量を確保することができる。

つまり、流体流入管３０の径寸法が、インレットパイプ２１の径寸法に対して十分に小さい場合であれば、流体流入口２１ａを扁平形状としなくても、インレットパイプ２１の軸線Ｏ_１に対して、接続開口３１ａの中心を通る軸線Ｏ_３を鉛直方向にずらすことが十分にできる。しかしながら、流体流入管３０の径寸法が、インレットパイプ２１の径寸法と同程度或いはそれ以上の場合には、流体流入口２１ａを流体流入管３０の断面形状と同じ形にすると、接続開口３１ａの中心を通る軸線Ｏ_３をインレットパイプ２１の軸線Ｏ_１に対して十分にオフセットさせることができない。一方、流体流入口２１ａの開口形状を、流体流入管３０の開口形状に対して単に相似的に小さくした場合では、接続部３１の内部圧力が上昇し、気液二相流体の流れが滞る。

これに対し、流体流入口２１ａを扁平な楕円形状にしたことで、この流体流入口２１ａの流体流入管３０の軸線Ｏ_２に垂直な断面での開口面積を、流体流入管３０の断面積とほぼ同じ大きさに設定しつつ、接続開口３１ａの中心を通る軸線Ｏ_３をインレットパイプ２１の軸線Ｏ_１に対してオフセットすることができる。

しかも、流体流入口２１ａをインレットパイプ２１の軸線Ｏ_１に沿った開口寸法が長い扁平形状としたことで、この流体流入口２１ａは、インレットパイプ２１の周方向、つまり、気液二相流体の旋回方向の開口寸法が短くなる。これにより、例えば、流体流入口を円形にした場合と比べて、開口面積が同じであっても流体流入口２１ａの流体旋回方向の開口寸法を短縮することができる。
この結果、流体流入口２１ａから流れ出た気液二相流体の拡散を抑制し、この気液二相流体をインレットパイプ２１の内周面２１ｅに沿いやすくして、気液二相流体に付与される旋回力を向上させることができる。

そして、気液二相流体がインレットパイプ２１内で旋回流になることで、この旋回流によって発生した遠心力によって、気体よりも質量の大きい液体は、インレットパイプ２１の内周面２１ｅに向かって誘導される。

インレットパイプ２１の内周面２１ｅへ向かって誘導された液体は、凝集して液滴となり、気体から分離される。この気体から分離された液体は、内周面２１ｅに付着したまま、旋回流の流れによって流体下流側へと流れていき、インレットパイプ２１の流体下流側の端部に形成された第１排水口２１ｃへと流れ込み、第１排水パイプ２３の接続開口２３ｃを介して第２管部材２３ｂへと流れ込んで、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２５ａに流れて貯留される。

このとき、第１排水口２１ｃが鉛直方向の下方に開放すると共に、第１排水パイプ２３の第２管部材２３ｂが鉛直方向に沿って延在されているので、液体は、自重により第１排水口２１ｃから第２管部材２３ｂへと流下する。また、インレットパイプ２１の内径寸法よりも、インナーパイプ２２の外径寸法が小さくなっているため、インレットパイプ２１の内周面２１ｅ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。つまり、気液二相流体から分離した液体は、インレットパイプ２１とインナーパイプ２２との間に入りこみ、インナーパイプ２２への流入が防止される。さらに、インレットパイプ２１にインナーパイプ２２が挿入されているので、配管径の拡大を抑制することができ、気液分離装置２０の設置に必要なスペースを抑制することができる。

そして、この実施例１では、インナーパイプ２２と貯水タンク２５とがバイパスパイプ２６を介して連通している。そのため、インナーパイプ２２を流れる気流により、貯水タンク２５の内部を負圧にすることができ、第１排水パイプ２３を流下する液体の流れを円滑にすることができる。

また、インレットパイプ２１を流れる気体は、軸方向に開放した開口２２ｂからインナーパイプ２２へと流れ込む。このとき、気体からは、気液二相流体の流れ方向の下流へ行くほど液体が分離していく。そして、気体は、インナーパイプ２２を介してターボ過給機５のコンプレッサ５ａへと流れていく。
ここで、インレットパイプ２１の流体流出側の端部２１ｂには、インナーパイプ２２との間に生じる間隙αを封鎖するスペーサー２８が嵌合されている。そのため、インレットパイプ２１とインナーパイプ２２との間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。

［液体の捕集作用］
実施例１の気液分離装置２０の流体流入管３０は、接続部３１の第２接続部３１ｃに、鉛直方向の下方に開放した上流側排水口３２が形成されている。また、この上流側排水口３２は、鉛直方向に沿って延在された第２排水パイプ２４に連通している。

そのため、気液二相流体に含まれた液体が比較的多く、すでにある程度の大きさの液滴が生じているときには、図６に示すように、自重で鉛直方向の下方へと流下可能な液体を、インレットパイプ２１に流れ込む前に、上流側排水口３２から排出することができる。そして、上流側排水口３２に流れ込んだ液体は、この上流側排水口３２に連通した第２排水パイプ２４を介して、貯水タンク２５内へと流れて貯留される。

また、気液二相流体の流速が遅く、気液二相流体をインレットパイプ２１内で十分な旋回流にすることができない場合であっても、この気液二相流体に含まれている液体の一部を上流側排水口３２から排出することができる。

すなわち、この実施例１の気液分離装置２０では、気液二相流体に含まれる液体の一部をインレットパイプ２１に流れ込む前に予め捕集することができる。これにより、気液二相流体を旋回させる際、液体の含有量を低減させ、液体分離率の向上を図ることができる。

しかも、この実施例１では、接続開口３１ａの中心を通る軸線Ｏ_３がインレットパイプ２１の軸線Ｏ_１に対して鉛直方向の下方にオフセットしている。そのため、インレットパイプ２１に流れ込む前の液体を上流側排水口３２から外部へと排出させやすくでき、気液二相流体に含有する液体を効率的に低減させることができる。

また、旋回流によってインレットパイプ２１の内周面２１ｅに向かって誘導されつつ液滴化した液体は、自重により第１排水口２１ｃを通って第１排水パイプ２３へと流れ込む。そして、この第１排水パイプ２３を流下して貯水タンク２５に捕集される。しかしながら、自重で落下することができない小さい液滴は、インナーパイプ２２の外周面２２ｆに付着したまま、インレットパイプ２１内に留まることがある。

一方、気液二相流体に含まれる気体の一部は、インナーパイプ２２の中へ流れ込まず、インレットパイプ２１とインナーパイプ２２との間に入り込む。しかし、インレットパイプ２１とインナーパイプ２２の間に流れ込んだ気体は、スペーサー２８によって流れが阻止されて抜けていくことができない。そのため、この気体は、インレットパイプ２１の内周面２１ｅに沿った旋回流となって流れるものの、スペーサー２８に衝突することで、インナーパイプ２２の外周面２２ｆに沿って逆流し、インナーパイプ２２の開口２２ｂへ向かう。

これにより、自重によって落下できずにインナーパイプ２２の外周面２２ｆに付着した一部の液滴は、インナーパイプ２２の開口２２ｂへ向かう気体によって、開口２２ｂに向かって移動することがある。

これに対し、実施例１の気液分離装置２０では、インレットパイプ２１に差し込まれた部分であって、第１排水口２１ｃに対向した位置のインナーパイプ２２の外周面２２ｆに、周方向に延びた突出部２２ｇが形成されている。

そのため、図７に示すように、スペーサー２８に衝突してからインナーパイプ２２の外周面２２ｆに沿って開口２２ｂへと向かう気体によって、インナーパイプ２２の外周面２２ｆに付着した状態で開口２２ｂに向かって移動させられた液滴Ｗは、突出部２２ｇによって堰き止められる。そして、この液滴Ｗは、突出部２２ｇによって堰き止められることで集合し、質量が大きくなると自重によって落下して、第１排水口２１ｃから第１排水パイプ２３へと流下する。

これにより、インナーパイプ２２の外周面２２ｆに付着した一部の液滴が、気体と共にインナーパイプ２２の開口２２ｂに向かっても、インナーパイプ２２内に流れ込むことを防止でき、適切に捕集して、インナーパイプ２２を流れる気体に液滴化した液体が混じることを防止できる。

［液体の蒸発促進作用］
実施例１の気液分離装置２０において、液体が分離された気体は、旋回流の状態を維持したままインナーパイプ２２内へ流れ込み、図示しないターボ過給機５へ供給される。しかしながら、気体から分離しきれなかった液体が存在すると、この分離しきれなかった液体は、気体と共にインナーパイプ２２内に流れ込むことがある。

このとき、気体と共にインナーパイプ２２に流れ込んだ液体が、ある程度の質量を有する液滴となっている場合には、下流へと流れていくと、ターボ過給機５のコンプレッサ５ａの回転翼等に衝突し、衝撃を与えることがある。

これに対し、実施例１の気液分離装置２０では、インナーパイプ２２の内周面２２ｄに、第１段差面５１と、第２段差面５２と、底面５３と、を有する複数（ここでは二つ）の環状溝部２２ｅが形成されている。

そのため、インナーパイプ２２に流れ込んだ液体は、このインナーパイプ２２内を旋回しながら流れる気体によって内周面２２ｄへと誘導されて凝集し、液滴化した状態で内周面２２ｄに付着したまま流れたとき、環状溝部２２ｅの中に入り込む。

このとき、環状溝部２２ｅの中では、図８に示すように、この環状溝部２２ｅに気体が流れ込むことで乱流が発生し、気液二相流体の流れ方向の上流側に位置する第１段差面５１に沿って圧力の低い負圧領域Ｆが発生する。そのため、気体と共に環状溝部２２ｅ内に流れ込んだ液滴Ｗは、負圧領域Ｆに引っ張られ、第１段差面５１に向かって引き寄せられる。これにより、液滴Ｗが第１段差面５１の近傍位置、つまり環状溝部２２ｅ内に留まることになる。

一方、この環状溝部２２ｅの底面５３は、インナーパイプ２２の周方向に延びている。そのため、旋回流となった気体は、この環状溝部２２ｅの内部を底面５３に沿って周方向に流れる。また、環状溝部２２ｅ内に留まった液滴Ｗも、旋回流になった気体と共に環状溝部２２ｅの内部を底面５３に沿って流れる。つまり、気体及び液滴Ｗは、この環状溝部２２ｅ内を底面５３に沿って旋回する。そして、液滴Ｗは、この底面５３に沿った旋回を続けることで蒸発していく。

そして、インナーパイプ２２に流れ込んだ液滴Ｗが、第１段差面５１に引き寄せられた状態で、環状溝部２２ｅ内で旋回して蒸発することにより、この液滴Ｗが気体と共にインナーパイプ２２を流下することを防止できる。

このように、液滴化して気体から分離した液体（液滴Ｗ）は、第１段差面５１に引き寄せられた状態で、環状溝部２２ｅ内で旋回して蒸発するため、この液滴Ｗが環状溝部２２ｅよりも流体流出側へと流れることが防止できる。

特に、この実施例１では、環状溝部２２ｅが、インナーパイプ２２の内周面２２ｄに複数（二つ）形成されている。このため、液滴Ｗを環状溝部２２ｅ内に留まらせて蒸発させる機会が複数回（二回）ある。これにより、より多くの液体を気化させることができ、液滴の気化率の向上を図ることができる。

さらに、この実施例１の気液分離装置２０では、図５に示すように、インレットパイプ２１から突出した部分のインナーパイプ２２の外周面２２ｆが加熱用電熱シート２２ｈによって覆われている。そのため、この加熱用電熱シート２２ｈをＯＮ操作して発熱させることで、インナーパイプ２２の外周面２２ｆを加熱することができる。

これにより、インレットパイプ２１から突出した部分のインナーパイプ２２内の温度を上昇させ、インナーパイプ２２に気体と共に流れ込んだ液体の蒸発を促進することができる。この結果、インナーパイプ２２内に流れ込んだ液滴を蒸発させて気化させることができ、液滴のままの液体が気体と共に流下することをさらに防止して、液滴の気化率の向上を図ることができる。

なお、この実施例１では、インナーパイプ２２の内周面２２ｄのうち、インレットパイプ２１から突出して加熱用電熱シート２２ｈによって覆われた部分に、第１段差面５１を有する環状溝部２２ｅが形成されている。そのため、インナーパイプ２２のうち、この環状溝部２２ｅが形成された部分の外周面２２ｆが加熱用電熱シート２２ｈによって加熱される。

これにより、環状溝部２２ｅの第１段差面５１の近傍位置に留まっている液滴の蒸発を促進することができ、インナーパイプ２２内に流れ込んだ液滴の蒸発を効率的に行うことができる。

［第２段差面の液滴保持作用］
実施例１では、インナーパイプ２２に形成された環状溝部２２ｅが、第１段差面５１よりも流体流出側に位置し、この流体流出側に向かってインナーパイプ２２の内径寸法を段状に小さくする第２段差面５２を有している。

そのため、図８に示すように、環状溝部２２ｅに入り込んだ液滴Ｗが、旋回流によって流体流出側へと移動して第１段差面５１から離れても、第２段差面５２によって移動が阻止され、環状溝部２２ｅ内に留まらせることができる。
すなわち、第２段差面５２により、環状溝部２２ｅよりも下流側へ液滴Ｗが流れてしまうことを防止することができる。そのため、この液滴Ｗを環状溝部２２ｅの内部に留まらせて蒸発させ、液滴Ｗのままでの液体の流下を抑制することができる。

以上、本発明の気液分離装置を実施例１に基づき説明してきたが、具体的な構成については、この実施例１に限られるものではなく、特許請求の範囲の各請求項に係る発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加などは許容される。

実施例１では、流体流入口２１ａを、インレットパイプ２１の軸線Ｏ_１に沿って開口寸法が長くなった扁平な楕円形状とする例を示した。しかしながら、流体流入管３０の接続開口３１ａの中心を通る軸線Ｏ_３が軸線Ｏ_１に対して鉛直方向にオフセットすればよいので、流体流入口２１ａの開口形状は実施例１に示すものに限らない。特に、流体流入管３０の径寸法が、インレットパイプ２１の径寸法よりも十分に小さいものであるとき等では、流体流入口２１ａを流体流入管３０の断面形状と同一にしてもよい。

また、実施例１では、流体流入管３０の接続開口３１ａの中心を通る軸線Ｏ_３を、軸線Ｏ_１よりも鉛直方向の下方にオフセットする例を示した。しかしながら、これに限らず、接続開口３１ａの中心を通る軸線Ｏ_３を、軸線Ｏ_１よりも鉛直方向の上方にオフセットしてもよい。

また、実施例１では、排水口２１ｃに接続された第１排水パイプ２３及び上流側排水口３２に接続された第２排水パイプ２４を貯水タンク２５に接続した例を示したが、第１排水パイプ２３、第２排水パイプ２４、貯水タンク２５は、必ずしも設置しなくてもよい。つまり、流体流入管３０やインレットパイプ２１から排出された液体を貯留することなく外部へと排出してもよい。また、貯水タンクも数も一つに限らず、排水パイプごとに設定してもよいし、一部の排水パイプだけを貯水タンクに接続してもよい。すなわち、貯水タンクは任意に設置可能である。さらに、上流側排水口３２やバイパスパイプ２６は、必ずしも形成されていなくてよい。

また、実施例１では、スペーサー２８をインレットパイプ２１及びインナーパイプ２２とは別体にした例を示したが、これに限らない。スペーサー２８をインレットパイプ２１の内周面２１ａに一体に設けたり、インナーパイプ２２の外周面２２ｆに一体に設けたりしてもよい。

また、実施例１の気液分離装置２０では、インナーパイプ２２の内周面２２ｄに形成した環状溝部２２ｅが、第１段差面５１及び第２段差面５２を有する例を示した。しかしながら、これに限らず、インナーパイプ２２の内周面２２ｄに、流体流出側に向かってインナーパイプ２２の内径寸法を段状に大きくする第１段差面５１のみを形成してもよい。
この場合であっても、第１段差面５１に沿って負圧領域が発生し、この第１段差面５１の近傍位置に液滴化した液体を留まらせて周方向に旋回させ、蒸発させることができる。

さらに、このように、第１段差面のみを形成する場合において、この第１段差面を気液二相流体の流れ方向に沿って複数形成してもよい。つまり、インナーパイプ２２の内径寸法を、階段状に複数回大きくしてもよい。
この場合には、複数の第１段差面のそれぞれの近傍位置に液滴化した液体を留まらせて、蒸発させることができるため、複数回に分けて液滴を蒸発させることが可能となり、液滴の気化率を向上させることができる。

また、実施例１では、インナーパイプ２２に形成された第１段差面５１と、この第１段差面５１よりも流体流入側のインナーパイプ内周面２２１ｄとでなす角θ_１が９０°に設定する例を示した。しかし、この角θ_１は、第１段差面５１に沿って等負圧領域Ｆが形成できる角度であればよい。つまり、この角θ_１は、具体的には９０°以下の鋭角に設定されればよい。

さらに、実施例１の気液分離装置２０では、インナーパイプ２２に形成された第２段差面５２と、第２段差面５２よりも流体流出側のインナーパイプ内周面２２２ｄとでなす角θ_２が９０°に設定されている例を示した。しかし、この角θ_２は、第２段差面５２に沿って環状溝部２２ｅ内の液滴の下流側への移動を阻止できる角度であればよい。つまり、この角θ_２は、具体的には９０°以下の鋭角に設定されればよい。

さらに、この実施例１では、インナーパイプ２２の内周面２２ｄに形成された環状溝部２２ｅと、インナーパイプ２２の外周面２２ｆに形成された突出部２２ｇとの軸方向の位置が一致している例を示した。これにより、インナーパイプ２２の内周面２２ｄをへこませた位置を外方に突出させることで、環状溝部２２ｅと突出部２２ｇとを同時に形成することが可能になると共に、環状溝部２２ｅを形成したことによるインナーパイプ２２の厚みの低下を抑制することができる。
しかしながら、これに限らず、環状溝部２２ｅと突出部２２ｇとの軸方向位置は、軸方向にずれていてもよい。

さらに、この実施例１では、インナーパイプ２２の外周面２２ｆを加熱する加熱手段として、可撓性を有する加熱用電熱シート２２ｈを用いる例を示したが、これに限らない。インレットパイプ２１から突出した部分のインナーパイプ２２を加熱することができればよいので、例えば、インナーパイプを二重管構造にし、二重になった管の間に高温の排気ガスを循環させて配管を加熱してもよい。つまり、加熱手段としては、排気ガスの循環構造を用いてもよい。

また、実施例１の気液分離装置２０は、排気還流システムＳの中でも、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）に設置する例を示したが、これに限らない。排気還流システムＳの中で凝縮水が発生する位置に設置することができるため、インタークーラー６の下流位置であって、内燃機関１の気筒給気口の上流側（図１において一点鎖線Ｙで囲む位置）に設置してもよい。

さらに、実施例１では、内燃機関１が車両に搭載されるディーゼルエンジンである例を示したが、これに限らず、内燃機関１はガソリンエンジンであっても適用可能である。

そして、実施例１では、気液分離装置２０を、内燃機関１の排気還流システムＳに適用した例を示した。しかしながら、これに限らず、例えば冷凍サイクル装置に適用し、気体冷媒と液体冷媒とを分離するようにしてもよい。つまり、本発明の気液分離装置は、気液二相流体から気体と液体を分離する装置に適用することができる。

さらに、各配管（インレットパイプ等）の形状、接続箇所、径の寸法等についても、実施例１に示すものに限らず、任意に設定することが可能である。

２０ 気液分離装置
２１ インレットパイプ
２１ａ 流体流入口
２１ｃ 排水口
２１ｄ 端面
２１ｅ 内周面
２２ インナーパイプ
２２ｂ 開口
２２ｃ 通気口
２２ｄ 内周面
２２ｅ 環状溝部
２２ｆ 外周面
２２ｇ 突出部
２２ｈ 加熱用電熱シート（加熱構造）
２３ 第１排水パイプ
２４ 第２排水パイプ
２５ 貯留タンク
２６ バイパスパイプ
３０ 流体流入管
３１ 接続部
３１ａ 接続開口
３１ｂ 第１接続部
３１ｃ 第２接続部
３２ 上流側排水口

Claims (9)

1. 配管を流れる気液二相流体を旋回させて、前記気液二相流体から液体と気体を分離する気液分離装置において、
   前記配管は、前記気液二相流体の流れ方向の上流側の周面に形成された流体流入口と、前記気液二相流体の流れ方向の下流側の端部に形成されると共に前記液体が流出する排水口と、を有し、水平方向に延在された円筒状のインレットパイプと、
   開口が形成された一端が前記インレットパイプの前記気液二相流体の流れ方向の下流側の端部に差し込まれ、前記インレットパイプと同軸に配置されたインナーパイプと、
   前記流体流入口に接続された接続部を一端に有し、水平方向に延在されると共に、前記流体流入口を介して前記インレットパイプの内部に、該インレットパイプの側方から前記気液二相流体を導入可能に配置された流体流入管と、を備え、
   前記インレットパイプは、前記気液二相流体の流れ方向の上流側の端部が閉塞され、
   前記接続部は、前記流体流入口に連通する接続開口の中心を通る軸線の位置が、前記インレットパイプの軸線の位置に対して鉛直方向にオフセットし、
   前記インレットパイプを流れる気液二相流体の全量は、前記流体流入管を介して前記インレットパイプに流れ込む
   ことを特徴とする気液分離装置。
2. 請求項１に記載された気液分離装置において、
   前記接続部は、前記接続開口の中心を通る軸線の位置が、前記インレットパイプの軸線の位置よりも鉛直方向の下方にオフセットしている
   ことを特徴とする気液分離装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載された気液分離装置において、
   前記流体流入口は、前記流体流入管の軸線に垂直な断面での開口面積が前記流体流入管の断面積とほぼ同じ大きさに設定されると共に、前記インレットパイプの軸線に沿って長くなった扁平形状を呈している
   ことを特徴とする気液分離装置。
4. 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装置において、
   前記流体流入管は、前記接続部に鉛直方向の下方に開放した上流側排水口が形成されている
   ことを特徴とする気液分離装置。
5. 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装置において、
   前記インレットパイプには、前記排水口に連結された排水パイプと、前記排水パイプの先端部に設けられた貯水タンクと、が設けられ、
   前記インナーパイプには、前記貯水タンクの内部と連通するバイパスパイプが設けられている
   ことを特徴とする気液分離装置。
6. 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装置において、
   前記インナーパイプの内周面には、前記気液二相流体の流れ方向の下流側に向かって内径寸法が大きくなった第１段差面が形成されている
   ことを特徴とする気液分離装置。
7. 請求項６に記載された気液分離装置において、
   前記インナーパイプは、前記第１段差面よりも前記気液二相流体の流れ方向の下流側の内周面に、前記気液二相流体の流れ方向の下流側に向かって内径寸法が小さくなった第２段差面が形成されている
   ことを特徴とする気液分離装置。
8. 請求項１から請求項７のいずれか一項に記載された気液分離装置において、
   前記インナーパイプは、前記インレットパイプに差し込まれた部分の外周面に、周方向に延びる突出部が形成されている
   ことを特徴とする気液分離装置。
9. 請求項１から請求項８のいずれか一項に記載された気液分離装置において、
   前記インナーパイプは、前記インレットパイプから突出した部分を加熱する加熱構造を有している
   ことを特徴とする気液分離装置。

Images