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Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine in der Funktionsweise eines Abscheiders zum Abscheiden von Flüssigkeitströpfchen aus einem Aerosol, insbesondere einen Ölabscheider für die Kurbelgehäuse-Entlüftung eines Hubkolben-Verbrennungsmotors, mit einem in einem Gehäuse angeordneten, um eine Rotorachse drehantreibbaren Rotor, der einen Satz von mit der Rotorachse konzentrischen, parallel zueinander angeordneten Scheiben aufweist, welche in Richtung der Rotorachse in Abständen voneinander angeordnet sind, mit einem Gasströmungspfad zwischen einem Rohgaseinlass für ein abzuscheidende Flüssigkeitströpfchen mitführendes Gas und einem Reingasauslass für das von den Flüssigkeitströpfchen mindestens weitgehend befreite Gas, mit einem Flüssigkeitsauslass für die abgeschiedene Flüssigkeit sowie mit einem Ringraum zwischen dem Umfang des Rotors und einer diesen umschließenden Umfangswand des Gehäuses, wobei einander benachbarte Scheiben zwischen sich jeweils einen mit der Rotorachse konzentrischen, vom Gas zu durchströmenden Spalt bilden, dessen radial innerer Bereich mit dem Rohgaseinlass und dessen radial äußerer Bereich mit dem Ringraum kommuniziert, welcher mit dem Reingasauslass verbunden ist und in den der Flüssigkeitsauslass mündet.
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Derartige Abscheider für die Reinigung sogenannter Blow-by-Gase, welche aus dem Kurbelgehäuse eines Hubkolben-Verbrennungsmotors abgesaugt und nach der Reinigung in den Ansaugtrakt des Motors eingeleitet werden, sind in Form sogenannter Tellerseparatoren bekannt; bei diesen Tellerseparatoren haben die Scheiben die Gestalt kegelstumpfförmiger Teller, welche in Richtung der Rotorachse so aufeinanderfolgen, dass jeweils die konkave Seite eines Tellers der konvexen Seite des benachbarten Tellers zugewandt ist. Solche Tellerseparatoren ergeben sich beispielsweise aus der
EP 1 273 335 B1 bzw. der dieser entsprechenden
US 6,821,319 B1 , und zwar auch mit einer solchen Betriebsweise, dass die Zwischenräume bzw. Spalte zwischen den Tellern von dem zu reinigenden Gas in radialer Richtung von innen nach außen durchströmt werden. Bei einem solchen als Tellerseparator gestalteten Zentrifugalabscheider wird das die Zwischenräume zwischen den Tellern durchströmende Gas durch die rotierenden Teller beschleunigt, wodurch die vom Gas mitgeführten Flüssigkeitströpfchen infolge der auf sie einwirkenden Zentrifugalkräfte auch in radialer Richtung beschleunigt werden und dadurch mehrheitlich auf die konkaven Seiten der kegelstumpfförmigen Teller auftreffen; das dadurch an den Tellern abgeschiedene Öl wird von den rotierenden Tellern am Außenumfang des Rotors abgeschleudert und gelangt in den Ringraum zwischen dem Rotor und der diesen umschließenden Gehäuseumfangswand und sodann in den in diesen Ringraum mündenden Flüssigkeitsauslass.
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Nur der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, dass ein solcher Tellerseparator auch als Gebläse bzw. Gaspumpe wirken kann, wobei die Förderwirkung von der Rotordrehzahl abhängt.
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Die in jüngster Zeit erfolgte Steigerung des Wirkungsgrads von Hubkolben-Verbrennungsmotoren durch das sogenannte Downsizing sowie durch Direkteinspritzung des Brennstoffs und das Aufladen der Motoren führt zu höheren Gasdrücken in den Brennräumen (Zylindern); mit diesen steigenden Gasdrücken geht aber eine Verkleinerung der von den Blow-by-Gasen mitgeführten Öltröpfchen einher, welche infolge ihrer dann geringeren Masse durch die bekannten Trägheits- und Zentrifugalabscheider deutlich schlechter aus den Blow-by-Gasen abgeschieden werden können. Ein nennenswerter Öleintrag in den Ansaugtrakt des Motors muss aber vermieden werden, und zwar nicht nur deshalb, weil sonst der Motor auf diesem Weg im Betrieb vermehrt Motoröl verbraucht, sondern weil dadurch die Abgasemissionen erhöht werden, Ablagerungen am Turbolader und einem von diesem bedingten Ladeluftkühler sowie an den Einlassventilen des Motors gebildet werden und sich, bedingt durch die sich ändernden Verbrennungseigenschaften die Funktion des im Abgasstrang des Motors befindlichen Partikelfilters verschlechtert.
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Sehr kleine Öltröpfchen mit einer Tröpfchengröße von insbesondere weniger als 0,7 μm lassen sich aber durch die bekannten Tellerseparatoren entweder nur ungenügend oder, wenn überhaupt, nur mit einem sehr hohen Energieaufwand für den Antrieb des Rotors mit sehr hohen Drehzahlen abscheiden. Außerdem ist dann eine Optimierung der Abscheideleistung des Tellerseparators durch Regelung/Steuerung der Rotordrehzahl in Abhängigkeit vom jeweiligen Betriebszustand des Motors zwingend erforderlich.
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Der Erfindung lag deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Abscheider der eingangs erwähnten Art zu schaffen, welcher auch für feine und feinste Flüssigkeitströpfchen eine bessere Abscheideeffizienz als die bekannten Tellerseparatoren aufweist, ohne dass hierzu die Drehzahl des Rotors bzw. der Scheiben erhöht werden muss.
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Erfindungsgemäß wird zur Lösung dieser Aufgabe vorgeschlagen, den Rotor als Reibungsgebläse bzw. -pumpe in Form eines Scheibengebläses (auch Scheibenpumpe genannt) zu gestalten, und zwar derart, dass dadurch die Koaleszenz von feinen und feinsten Flüssigkeitströpfchen zu größeren Flüssigkeitströpfchen gefördert und der Grad der Abscheidung von Öltröpfchen verbessert wird.
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Ein erfindungsgemäßer Abscheider der eingangs definierten Art zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens bei einer Mehrzahl der Spalte, das heißt der Zwischenräume zwischen einander benachbarten Scheiben, sich die in Richtung der Rotorachse gemessene Spaltbreite in bezüglich der Rotorachse radialer Richtung von innen nach außen verkleinert.
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In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass bei den bekannten Tellerseparatoren und Scheibengebläsen die Zwischenräume zwischen den einander benachbarten Scheiben bzw. Tellern überall dieselbe Breite aufweisen, da die Scheiben bzw. Teller überall dieselbe Wanddicke haben und die einander gegenüberliegenden Wandflächen einander benachbarter Scheiben bzw. Teller parallel zueinander verlaufen.
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Wie im Folgenden noch gezeigt werden wird, führt bei einem erfindungsgemäßen Abscheider die Gestaltung der Spalte bzw. der die Spalte zwischen sich einschließenden Scheiben dazu, dass aufgrund eines sich in der Gasströmung zwischen den Scheiben ausbildenden Strömungsprofils bzw. Profils der Gasströmungsgeschwindigkeit die von der Gasströmung mitgeführten Flüssigkeitströpfchen in Richtung auf beide, einen Spalt begrenzenden Scheibenwandflächen transportiert werden, wodurch im Bereich dieser Scheibenwandflächen die Konzentration der Flüssigkeitströpfchen und damit die Wahrscheinlichkeit einer Koaleszenz von Flüssigkeitströpfchen signifikant erhöht wird. Auch feinste Flüssigkeitströpfchen, insbesondere mit einer Größe von weniger als 0,7 μm, können dann aufgrund der verhältnismäßig großen Trägheit größerer Flüssigkeitstropfchen mit diesen koaleszieren. Weiterhin werden die Flüssigkeitströpfchen zum Teil bereits im Rotor an den erfindungsgemäß (zur Verkleinerung der Spaltbreite) profilierten Scheiben abgeschieden, so dass sich an den Scheiben ein Flüssigkeitsfilm ausbildet, der vom Rotor abgeschleudert und an der stromabwärts des Rotors befindlichen und den Rotor umschließenden Gehäusewand dauerhaft abgeschieden wird.
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Der Rotor des erfindungsgemäßen Abscheiders zeichnet sich nicht nur gegenüber den bekannten, als Tellerseparatoren gestalteten Abscheidern dadurch aus, dass Flüssigkeitstropfen an den beiden einen Spalt begrenzenden Scheibenwandflächen aufkonzentriert und an Letzteren abgeschieden werden, denn dieser Unterschied bestünde auch dann, wenn man ein bekanntes, als Scheibengebläse gestaltetes Reibungsgebläse in einem Abscheider verwenden würde, weil auch bei diesen Reibungsgebläsen die Scheiben nicht so profiliert sind, dass sich die zwischen den Scheiben befindlichen Spalte in Strömungsrichtung des geförderten Mediums verjüngen. Hinzuweisen ist auch noch darauf, dass sich durch diese erfindungsgemäße Verjüngung der Spalte in Strömungsrichtung eine Verbesserung der Förderwirkung des Scheibengebläses erreichen lässt.
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Ferner wird noch darauf hingewiesen, dass sich auch bei einem ansonsten herkömmlich gestalteten Tellerseparator die Abscheideeffizienz durch eine Verjüngung der Spalte zwischen den Tellern erzielen lässt.
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Bezüglich des Grundkonzepts des erfindungsgemäßen Abscheiders muss noch Folgendes erwähnt werden:
Die jeweils zwischen zwei Scheiben liegenden Spalte müssen in Umfangsrichtung des Rotors (abgesehen von ihrer erfindungsgemäßen Verjüngung in Strömungsrichtung) nicht überall gleich ausgebildet oder gar ohne jede Unterbrechung gestaltet sein; so könnten beispielsweise an der einen oder beiden, einen Spalt bildenden Scheibenwandflächen Leitrippen für die Gasströmung vorgesehen sein, so wie dies beispielsweise bei dem in
2 der
EP 1 532 353 B1 dargestellten Tellerseparator der Fall ist.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Abscheiders sind alle Spalte des Rotors so gestaltet, dass sie sich in radialer Richtung verjüngen.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn sich die Spaltbreite zwischen einander benachbarten Scheiben überall in radialer Richtung von innen nach außen stetig verkleinert und so sprunghafte Veränderungen der Spaltbreite vermieden werden.
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Schließlich sei noch erwähnt, dass sich in der Betriebslage des erfindungsgemäßen Abscheiders der Auslass für die abgeschiedene Flüssigkeit zweckmäßigerweise in einem unteren Bereich des Abscheidergehäuses befindet.
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Erfindungsgemäß lassen sich bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Abscheiders in bestimmten Bereichen der Größe des den Abscheider pro Zeiteinheit durchströmenden Gasvolumens selbstregelnd, nämlich trotz sich zeitlich ändernden Volumenstroms mit konstanter Drehzahl betreiben, wegen seiner Förderwirkung kann der erfindungsgemäße Abscheider aber auch zur Regelung des im Kurbelgehäuse herrschenden Drucks verwendet werden, wozu die Rotordrehzahl in Abhängigkeit von dem im Kurbelgehäuse herrschenden Druck variiert, das heißt gesteuert wird. In diesem Zusammenhang ist auf Folgendes hinzuweisen:
Für eine Kurbelgehäuse-Entlüftung ist der Druck in der Kurbelgehäuse-Entlüftungsleitung nach dem Abscheider durch den Gasdruck im Ansaugtrakt des Motors vorgegeben. Erhöht sich im Motorbetrieb die pro Zeiteinheit anfallende Menge an Blow-by-Gas, führt dies zunächst zu einem Anstieg des Gasdrucks im Kurbelgehäuse. Da der Gasdruck in der Kurbelgehäuse-Entlüftungsleitung nach dem auch als Gebläse wirkenden Abscheider höher ist als im Kurbelgehäuse, führt dies zu einer Verringerung der Differenz des Gasdrucks vor und hinter dem Abscheider und damit gemäß der Gebläsekennlinie zu einer Erhöhung der Gasförderleistung. Somit passt sich der als Gebläse wirkende erfindungsgemäße Abscheider an eine Erhöhung der vom Motor erzeugten Menge an Blow-by-Gas an, was im Motorbetrieb zu einer Art Regelverhalten des Abscheiders führt, da sich das Gebläse kontinuierlich an sich verändernde Betriebszustände des Motors anpasst und Spitzen des Gasdrucks des Blow-by-Gases durch eine Erhöhung des geförderten Gasvolumenstroms abbaut.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Abscheiders wird der Spalt zwischen zwei einander benachbarten Scheiben von Stirnflächen dieser Scheiben begrenzt, von denen mindestens die eine konisch gestaltet ist, damit sich der Spalt in Gasströmungsrichtung verjüngt. Die andere Stirnfläche könnte dann zum Beispiel in einer zur Rotorachse senkrechten Ebene liegen. Eine weiter verbesserte Abscheideeffizienz des erfindungsgemäßen Abscheiders ergibt sich jedoch dann, wenn beide den Spalt bildenden Stirnseiten der beiden Scheiben konisch gestaltet sind, da sich dann die Wahrscheinlichkeit für eine Koaleszenz von Flüssigkeitströpfchen in den Bereichen beider, den Spalt begrenzenden Scheibenstirnflächen sowie für die Abscheidung von Flüssigkeitströpfchen an den Scheibenstirnflächen erhöht.
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Aufgrund der vorstehenden Erläuterungen wird auch verständlich, dass die folgenden Merkmale bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Abscheiders einzeln oder in beliebiger Kombination zu Vorteilen führen:
Der Spalt zwischen zwei einander benachbarten Scheiben weist eine Mittelebene auf, wobei diese Mittelebene bevorzugt senkrecht zur Rotorachse verläuft.
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Die Scheiben sind senkrecht zur Rotorachse angeordnet, wobei mindestens die Mehrzahl der Scheiben vorteilhafterweise jeweils eine zur Rotorachse senkrechte Mittelebene aufweist, bezüglich welcher die Stirnflächen der jeweiligen Scheibe spiegelsymmetrisch gestaltet sind.
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Aus Gründen der Herstellkosten ist es zu bevorzugen, wenn abgesehen von den beiden bezüglich der Rotorachse endständigen Scheiben (das heißt die in Richtung der Rotorachse gesehen erste und letzte Scheibe) alle Scheiben identisch gestaltet sind.
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Vorteilhaft kann es auch sein, wenn die Abstände zwischen einander benachbarten Scheiben alle gleich groß sind, obwohl es im Hinblick auf eine möglicherweise ungleichmäßige Verteilung der Rohgasströmung auf die Spalte auch vorteilhaft sein kann, die Abstände unterschiedlich zu dimensionieren. Auf alle Fälle ist es aber zu bevorzugen, alle Spalte zumindest qualitativ identisch zu gestalten.
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Obwohl sich die Spaltbreite vorzugsweise stetig und sprungfrei verkleinert, soll dadurch die folgende Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abscheiders nicht ausgeschlossen werden:
Bei dieser verkleinert sich die Spaltbreite mindestens bei einer Mehrzahl der Spalte am Rotorumfang sprunghaft, um einen verengten Auslassquerschnitt für die Gasströmungen zu schaffen und dadurch am Rotorumfang die Gasströmungsgeschwindigkeit noch einmal signifikant zu erhöhen, wodurch die den Rotor umschließende Gehäuseumfangswand als Prallwand wirkt, an der eine Trägheitsabscheidung von Flüssigkeitströpfchen erfolgt. Diese Maßnahme der sprunghaften Verkleinerung der Spaltbreite ist aber auf den Rotorumfang beschränkt.
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Bei besonders vorteilhaften Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Abscheiders wird die sprunghafte Verkleinerung der Spaltbreite durch eine am Rotorumfang vorgesehene Blende mit einer länglichen und schmalen, sich in Rotorumfangsrichtung erstreckenden Blendenöffnung bewirkt, welche vorzugsweise im Bereich der Spaltmittelebene liegt. Am einfachsten lässt sich die Konstruktion dadurch gestalten, dass man am Rotorumfang eine Rotormantelwand vorsieht, in welcher für jeden Spalt eine Blendenöffnung ausgebildet ist, welche in Rotorumfangsrichtung unterbrochen sein kann, um eine einstückige Rotormantelwand zu erhalten.
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Für alle Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Abscheiders empfiehlt es sich, die Konstruktion so zu gestalten, dass die Gehäuseumfangswand einen so geringen radialen Abstand vom Rotorumfang aufweist, dass am Umfang des Rotors aus diesem in radialer Richtung austretende Gasstrahlen derart auf die Gehäuseumfangswand auftreffen und an dieser derart scharf umgelenkt werden, dass die Gehäuseumfangswand ein dem Rotor nachgeordnetes zweites Abscheideelement für die Flüssigkeitströpfchen bildet.
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Bei allen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Abscheiders lässt sich die Abscheideeffizienz auch dadurch verbessern, dass die Gehäuseumfangswand im Bereich des Rotors auf ihrer diesem zugewandten Seite eine poröse und insbesondere gasdurchlässige Struktur aufweist und in einem so geringen radialen Abstand vom Rotorumfang angeordnet ist, dass sie ein dem Rotor nachgeordnetes zweites Abscheideelement für Flüssigkeitströpfchen bildet, welche von am Umfang des Rotors aus diesem in radialer Richtung austretenden Gasstrahlen mitgeführt werden. Am einfachsten lässt sich diese poröse Struktur durch eine Faservliesauflage bilden.
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Schließlich lässt sich die Abscheideeffizienz eines erfindungsgemäßen Abscheiders auch dadurch verbessern, dass die Einlaufströmung des zu reinigenden Gases in die Zwischenräume (Spalte) zwischen den Scheiben in die Abscheideleistung erhöhender Weise beeinflusst wird, insbesondere durch Drallelemente zur Erzeugung einer Rotation des Gases und/oder durch Leitelemente zur Erhöhung der Beschleunigung.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der beigefügten zeichnerischen Darstellung sowie der nachfolgenden Beschreibung besonders vorteilhafter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Abscheiders; in der Zeichnung zeigen:
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1 einen schematischen axialen Schnitt durch eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abscheiders;
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2 eine schaubildliche Darstellung eines aufgeschnittenen Teils des Rotors dieses Abscheiders;
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3A einen Ausschnitt aus dem gemäß 2 linken Bereich des Rotors samt benachbarter Gehäuseumfangswand mit einer Darstellung des sich in einem Spalt zwischen zwei einander benachbarten Scheiben ergebenden Strömungsprofils bzw. Geschwindigkeitsprofils der Gasströmung zwischen zwei einander benachbarten Scheiben, und zwar im Bereich des Eintritts der Gasströmung in den von den beiden Scheiben begrenzten Spalt sowie in einem radial ungefähr mittleren Spaltbereich;
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3B den in 3A dargestellten Abscheiderbereich mit einer Darstellung eines typischen Wegs eines Flüssigkeitströpfchens zwischen zwei einander benachbarten Scheiben, und
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4 einen Schnitt durch einen Teil einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abscheiders mit einer den Rotorumfang umschließenden Faservliesauflage auf der Innenseite der Gehäuseumfangswand.
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Der in 1 in einem axialen Schnitt der Einfachheit halber nur sehr schematisch dargestellte Abscheider hat ein Gehäuse 10, in dem eine Antriebswelle 12 für einen als Scheibengebläse gestalteten Rotor 14 durch nicht dargestellte Mittel um eine Rotorachse 16 drehbar und in axialer Richtung unverschiebbar gelagert ist. Die Antriebswelle 12 kann durch beliebige, bei Strömungsmaschinen und insbesondere bei Zentrifugalabscheidern bekannte Mittel angetrieben werden, zum Beispiel durch einen Hydraulikmotor, zu bevorzugen ist jedoch ein Elektromotor. Der Rotor 14 wird von einer Umfangswand 10a des Gehäuses 10 umschlossen, wobei sich zwischen dem Rotor und dieser Umfangswand ein Ringraum 18 befindet. Empfehlenswert ist es, den Rotor und die Umfangswand 10a rotationssymmetrisch zur Rotorachse 16 zu gestalten, obwohl es grundsätzlich auch möglich wäre, den Rotor anders auszubilden, beispielsweise so, dass sein Umfang in einer Ansicht in Richtung der Rotorachse 16 ein Polygon bildet – es muss nur vermieden werden, dass der angetriebene Rotor eine Unwucht aufweist.
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Der Rotor 14 weist einen Satz von Scheiben 20 auf, welche alle identisch gestaltet sein können, aber nicht müssen, und in der Praxis werden die gemäß 1 unterste und oberste Scheibe 20a bzw. 20b unten bzw. oben flach und nur auf ihrer jeweils anderen Seite so gestaltet sein, dass alle Zwischenräume zwischen den Scheiben 20 identisch gestaltet sind. Wie sich aus 1 ergibt, hat jeder dieser Zwischenräume die Gestalt eines mit der Rotorachse 16 konzentrischen ringförmigen Spalts 22.
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Wie sich aus dem Vorstehenden ergibt, sind bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Abscheiders die Scheiben 20 mit in Richtung der Rotorachse 16 gleich großen Abständen voneinander angeordnet. Zu diesem Zweck können an den Scheiben 20, 20a, 20b in 1 nicht dargestellte Distanzelemente vorgesehen sein, z. B. in Form von in radialer Richtung verlaufenden Rippen, über welche die Scheiben miteinander zu einem stabilen Körper verbunden sind. Bei der in 1 sehr vereinfacht und schematisch dargestellten Ausführungsform sind die Scheiben 20, 20a, 20b jedoch an einem Rohr 24 befestigt, welches mittels zweier Stirnscheiben 26 und 28 unten und oben verschlossen und an der Antriebswelle 12 so befestigt ist, dass das Rohr 24 und die Scheiben 20, 20a, 20b ein bezüglich der Rotorachse 16 rotationssymmetrisches Gebilde bilden. Die Stirnscheibe 26 verschließt zusammen mit der Antriebswelle 12 den zentralen Bereich der untersten Scheibe 20a, und der zentrale Bereich der obersten Scheibe 20b könnte mit einem äquivalenten Element verschlossen sein, mit dessen Hilfe auch die oberste Scheibe 20b an der Antriebswelle 12 befestigt ist, jedoch müsste dieses Element in Richtung der Rotorachse 16 gasdurchlässig sein, z. B. Gasdurchtrittsöffnungen aufweisen. Erwähnt sei noch, dass die Antriebswelle 12 unten gasdicht aus dem Gehäuse 10 herausgeführt, die oberste Stirnscheibe 28 gasdicht an der Antriebswelle 12 angebracht und das Rohr 24 oben am Gehäuse 10 gasdicht aus Letzterem herausgeführt sein kann, wobei dort zwischen dem Gehäuse 10 und dem Rohr 24 zusätzlich zu einer nicht dargestellten Ringdichtung ein gleichfalls nicht gezeichnetes Gleit- oder Wälzlager vorgesehen sein könnte, um das Rohr 24 und damit die Antriebswelle 12 oben am Gehäuse drehbar und axial unverschieblich zu lagern.
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Zwischen der untersten und der obersten Scheibe 20a, 20b des Rotors 14 weist eine Umfangswand 32 des Rohrs 24 im Bereich der Spalte 22 Gasdurchtrittsöffnungen 34 auf, so dass die Spalte 22 mit einem Zentralraum 36 kommunizieren, den die Umfangswand 32 umschließt und der seinerseits die Antriebswelle 12 umgibt.
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Ein Aerosol aus einem zu reinigenden Gas und von diesem mitgeführten Flüssigkeitströpfchen wird über einen Rohgaseinlass 38, welcher im oberen oder unteren Bereich des Gehäuses vorgesehen sein könnte, in den Zentralraum 36 eingeleitet; durch den erfindungsgemäß als Scheibengebläse gestalteten Rotor 14 in noch zu beschreibender Weise abgeschiedene Flüssigkeit wird über einen Flüssigkeitsauslass 40 unten aus dem Gehäuse 10 abgeführt, und das von den mitgeführten Flüssigkeitströpfchen zumindest weitestgehend befreite Reingas verlässt den Abscheider über einen Reingasauslass 42, welcher erfindungsgemäß am unteren (im Betriebszustand des Abscheiders) Ende des Gehäuses 10 angeordnet ist. Der Reingasauslass 42 könnte aber auch in einem anderen Gehäusebereich angeordnet werden. Der Rohgaseinlass 38 mündet in eine hohle Manschette 44, welche das obere Ende des Rohrs 24 umgibt und oben am Gehäuse 10 befestigt ist. Diese Manschette 44 hat an ihrem Innenumfang einen ringförmigen Schlitz, dem mehrere insbesondere schlitzförmige Öffnungen am Außenumfang des Rohrs 24 gegenüber liegen, so dass Gasdurchtrittsöffnungen 48 für das zu reinigende Rohgas entstehen und das Rohgas vom Innenraum der Manschette 44 in den Zentralraum 36 einströmen kann. Zu beiden Seiten (in Richtung der Rotorachse 16) der Gasdurchtrittsöffnungen 48 können zwischen dem Innenumfang der Manschette 44 und dem Außenumfang des Rohrs 24 Dichtmittel, z. B. Gleitdichtungen vorgesehen sein, welche in 1 der Einfachheit halber nicht dargestellt wurden und dem Zweck dienen, die Verbindung des Zentralraums 36 mit dem Innenraum der Manschette 44 außerhalb der Gasdurchtrittsöffnungen 48 gasdicht zu gestalten.
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Der erfindungsgemäße Abscheider, bei dem es sich um einen Zentrifugalabscheider mit einem Scheibengebläse als Rotor handelt, ist nun so gestaltet, dass sich mit ihm aus einem Aerosol Flüssigkeitströpfchen zumindest weitestgehend abscheiden lassen, deren Tröpfchengröße auch kleiner als 0,7 μm und insbesondere auch kleiner als 0,5 μm sein kann. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Ölnebelabscheider in Form eines solchen Zentrifugalabscheiders für die Kurbelgehäuseentlüftung eines Hubkolben-Verbrennungsmotors, wie er in die Entlüftungsleitung eines solchen Motors zwischen dem Kurbelgehäuse und einem Ansaugrohr des Motors eingebaut wird. Ein solcher Ölnebelabscheider kann sowohl in einer Zylinderkopfhaube des Motors, als auch außerhalb der Zylinderkopfhaube angeordnet sein.
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Im Folgenden werden Details des Rotors 14 anhand der 1, 2, 3A und 3B beschrieben, wobei der Einfachheit halber in 2 die Gasdurchtrittsöffnungen 34 in der Umfangswand 32 des Rohrs 24 weggelassen wurden.
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Bei der dargestellten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abscheiders weist der Rotor 14 einen Satz von Scheiben auf, und zwar eine Vielzahl von identisch gestalteten Scheiben 20 sowie die untere und die obere endständige Scheibe 20a bzw. 20b, wobei alle diese Scheiben mit gleichen Abständen (in Richtung der Rotorachse 16) voneinander angeordnet sind. Der Rotor 14 kann ferner eine mit der Rotorachse 16 koaxiale Rotormantelwand 50 aufweisen, welche vorzugsweise kreiszylindrisch gestaltet ist; diese Rotormantelwand umschließt den Satz von Scheiben 20, 20a, 20b, welche dann an ihren radial äußeren Enden mit der Rotormantelwand 50 fest verbunden sind, z. B. durch Schweißen oder Kleben.
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Anders als vorstehend beschrieben, ist es auch möglich, den Rotor 14 mit Hilfe der Antriebswelle 12 nicht zentral über das Rohr 24 anzutreiben, sondern die Rotormantelwand 50 drehantreibbar mit der Antriebswelle 12 zu verbinden, beispielsweise über speichenartige Verbindungselemente oder eine insbesondere kegelstumpfförmige Scheibe, welche einerseits mit der Antriebswelle 12 und andererseits mit dem unteren Ende der Rotormantelwand 50 fest verbunden ist.
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Jeder der Spalte 22 verjüngt sich in bezüglich der Rotorachse 16 radialer Richtung stetig von innen nach außen, und zwar erfindungsgemäß bis zu den radial äußeren Enden der Scheiben 20, 20a, 20b, welche bei einer abgewandelten Ausführungsform des zeichnerisch dargestellten Abscheiders den Rotorumfang definieren, weil bei dieser Ausführungsform die Rotormantelwand 50 entfallen soll und infolge dessen die Scheiben 20, 20a, 20b nur an ihren radial inneren Enden an einem Träger befestigt sind, insbesondere an dem Rohr 24. Alternativ könnten die Scheiben insbesondere über zwischen ihnen angeordnete Distanzelemente miteinander zu einem Scheibenpaket verbunden sein, welches dann mit der Antriebswelle 12 in geeigneter Weise fest verbunden ist.
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Die besondere, erfindungsgemäße Gestalt der Spalte 22 ergibt sich dadurch, dass jede der Scheiben 20, 20a, 20b auf ihrer einem Spalt 22 zugewandten Seite eine Scheibenstirnfläche aufweist, welche eine bezüglich der Rotorachse 16 konische Form hat – jede der Scheiben 20 hat eine solche konische untere Scheibenstirnfläche 20c und eine solche konische obere Scheibenstirnfläche 20d, die untere endständige Scheibe 20a hat eine solche konische obere Scheibenstirnfläche 20ad, und die obere endständige Scheibe 20b hat eine solche konische untere Scheibenstirnfläche 20bc. Wie sich aus 3B ergibt, hat jede der Scheiben 20 eine Scheibenmittelebene 20e, welche senkrecht zur Rotorachse 16 verläuft und zu der das Profil bzw. der Querschnitt der Scheibe 20 spiegelsymmetrisch gestaltet ist.
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Die 3B zeigt auch (siehe aber auch die 1), dass bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Abscheiders jeder der Spalte 22 eine Spaltmittelebene 22e aufweist, welche senkrecht zur Rotorachse 16 verläuft und bezüglich welcher der Spalt spiegelsymmetrisch gestaltet ist.
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Bei dieser Ausführungsform weist der Rotor 14 für jeden Spalt 22 eine in 3A mit 52 bezeichnete Schlitzblende mit einer Blendenöffnung 54 auf, welche das radial äußere, das heißt das abströmseitige Ende des Spalts bis auf die Blendenöffnung 54 verschließt und so zu einer weiteren, und zwar sprunghaften Verkleinerung des Strömungsquerschnitts führt. Bei der zeichnerisch dargestellten Ausführungsform werden alle Schlitzblenden 52 von der Rotormantelwand 50 gebildet; die Blendenöffnungen 54 werden für jeden Spalt vorzugsweise von schlitzförmigen, in der Spaltmittelebene 22e liegenden Öffnungen gebildet, die sich in Rotorumfangsrichtung erstrecken, jedoch zweckmäßigerweise an mehreren Stellen des Rotorumfangs unterbrochen sind, um eine einstückige Rotormantelwand 50 zu erhalten.
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Bei einer noch weiter verbesserten und in 4 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abscheiders weist die Gehäuseumfangswand 10a zumindest im Bereich des Rotors 14 auf ihrer diesem zugewandten Seite eine poröse Struktur auf, welche vorzugsweise von einer Faservliesauflage 60 gebildet wird, die mit der Gehäuseumfangswand 10a fest verbunden ist. Dabei ist es von Vorteil, wenn die Faservliesauflage 60 nicht nur in radialer Richtung, sondern auch in Richtung der Rotorachse 16 gasdurchlässig, in axialer Richtung vor allem aber auch für die abgeschiedene Flüssigkeit durchlässig ist, so dass Letztere unter dem Einfluss der Schwerkraft in der Faservliesauflage 60 nach unten fließen kann.
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Anhand der 3A soll nun zunächst das Strömungs- bzw. Geschwindigkeitsprofil der Gasströmung durch einen Spalt 22 hindurch erläutert werden, welches sich aufgrund der erfindungsgemäßen Gestaltung der Spalte 22 ergibt. Auf die Ausbildung der in 3A dargestellten Strömungs- bzw. Geschwindigkeitsprofile haben vor allem zwei Parameter einen wesentlichen Einfluss, nämlich die beiden folgenden Parameter:
Durch die sich an den Scheibenstirnflächen 20c, 20d, 20ad und 20bc ausbildenden Grenzschichten der Gasströmung wird Letztere an diesen Scheibenstirnflächen abgebremst,
Infolge der Verjüngung der Spalte 22 in radialer Richtung, das heißt in Strömungsrichtung der Gasströmung, sowie der Tatsache, dass in jedem Betriebszustand des erfindungsgemäßen Abscheiders pro Zeiteinheit ein bestimmtes Gasvolumen in einen Spalt 22 einströmt, und zwar am radial inneren Ende des betreffenden Spalts, muss die Strömungsgeschwindigkeit des Gases in der Nachbarschaft der erwähnten Grenzschichten in bezüglich der Rotorachse 16 radialer Richtung immer mehr zunehmen.
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Deshalb ergeben sich die in 3A dargestellten Strömungs- bzw. Geschwindigkeitsprofile, wobei durch die Länge der in die 3A eingezeichneten Pfeile die Größe der örtlich unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeit qualitativ wiedergegeben wurde, und zwar zum einen im Bereich des einströmseitigen, das heißt radial inneren Endes des in 3A dargestellten Spalts 22 und zum anderen ungefähr in der Mitte des Strömungswegs der Gasströmung innerhalb des Spalts 22.
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Durch die erfindungsgemäße Neigung der Scheibenstirnflächen relativ zur Hauptströmungsrichtung des Gases (diese verläuft bei der dargestellten Ausführungsform in bezüglich der Rotorachse 16 radialer Richtung) sowie das durch die erfindungsgemäße Gestaltung des Abscheiders herbeigeführte Strömungs- bzw. Geschwindigkeitsprofil der Gasströmung werden alle sich in der Gasströmung befindenden Flüssigkeitströpfchen nicht nur in bezüglich der Rotorachse 16 radialer Richtung, sondern auch in Richtung auf beide, einen Spalt 22 begrenzenden Scheibenstirnflächen transportiert und an den Letzteren sowie in der Nachbarschaft der Scheibenstirnflächen aufkonzentriert; dies führt nicht nur zu einer Abscheidung von Flüssigkeitströpfchen an den Scheibenstirnflächen, sondern vor allem zu einer signifikanten Erhöhung der Wahrscheinlichkeit einer Koaleszenz zwischen Flüssigkeitströpfchen und dadurch der Bildung größerer Tropfen. Auch Flüssigkeitströpfchen mit einer Größe von weniger als 0,7 μm koaleszieren so aufgrund der verhältnismäßig großen Trägheit größerer Flüssigkeitströpfchen mit den Letzteren.
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In 3B ist nur schematisch und natürlich auch nur qualitativ der Weg eines Flüssigkeitströpfchens 70 dargestellt, auf welchem sich dieses durch einen Spalt 22 bewegt, wobei sich das Flüssigkeitströpfchen nicht nur in radialer Richtung nach außen, sondern auch in Richtung auf eine der Scheibenstirnflächen bewegt.
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Durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Spalte 22 des Abscheiders wird aber nicht nur die Abscheidewirkung des Rotors verbessert, sondern der im Prinzip als Reibungs- bzw. Scheibengebläse gestaltete Rotor führt im Vergleich zu bekannten Bauformen von Reibungsgebläsen auch zu einer Erhöhung der Förderwirkung infolge der sich stromabwärts verjüngenden Spalte.
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Die sich in Durchströmrichtung verjüngenden Spalte 22 führen auch zu einer derartigen Beschleunigung der Gasströmung, dass auch ohne die Schlitzblenden 52 das zu reinigende Gas mit einer so hohen Strömungsgeschwindigkeit am Rotorumfang aus jedem der Spalte 22 austritt, dass die Gehäuseumfangswand 10a als Prallwand wirkt, an der weitere Flüssigkeitströpfchen aus der Gasströmung abgeschieden werden. Durch die Verwendung der Schlitzblenden 52 wird die Strömungsgeschwindigkeit des zu reinigenden Gases noch weiter erhöht und damit auch die Abscheideeffizienz der als Prallwand wirkenden Gehäuseumfangswand 10a erhöht.
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Weist die Gehäuseumfangswand 10a im Umfangsbereich des Rotors 14 an ihrer diesem zugewandten Seite eine poröse Struktur auf, so wie dies bei der in 4 dargestellten Ausführungsform aufgrund der Faservliesauflage 60 der Fall ist, wird die Abscheideeffizienz der von der Gehäuseumfangswand 10a gebildeten zweiten Abscheidestufe noch zusätzlich erhöht, und zwar durch Diffusion des zu reinigenden Gases samt noch mitgeführter Flüssigkeitströpfchen in diese poröse Struktur und/oder innerhalb dieser porösen Struktur. Dabei ist es von Vorteil, dass der durch eine solche poröse Struktur hervorgerufene Druckverlust (Differenz des Gasdrucks vor und hinter dem Abscheider) durch die Wirkung des erfindungsgemäß gestalteten Rotors als Reibungsgebläse kompensiert werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1273335 B1 [0002]
- US 6821319 B1 [0002]
- EP 1532353 B1 [0013]
