JP3609292B2 - 高性能煤除去遠心分離器 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、全体として、煤等の固体粒子をオイル等の流体から遠心力場を使用することによって連続的に分離することに関する。更に詳細には、本発明は、ロータを回転自在に駆動するためのタービンホイールを含む遠心分離組立体内で円錐状部材(ディスク)の積み重ね体を用いた遠心分離器の形態を使用することに関する。タービンホイールは、ランナー円形中心線と接線方向に整合したジェットノズルによって駆動される。
【0002】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンは、塵埃がエンジンから出ないようにする努力において、比較的高度の空気フィルタ(クリーナー)及び燃料フィルタ(クリーナー)を持つように設計されている。これらの空気クリーナー及び燃料クリーナーが設けられているけれども、エンジンが発生する摩耗屑を含む塵埃がエンジンの潤滑オイルに進入してしまう。これによりエンジンの重要な構成要素が摩耗し、この状態が解決されないで残る場合や緩和されない場合には、エンジンが破損してしまう。この理由により、多くのエンジンは、オイルが潤滑サンプとエンジン部品との間で循環するときに連続的に浄化する全流オイルフィルタを持つように設計されている。
【0003】
このような全流フィルタには、多くの設計上の制限及び配慮があり、そのうちの代表的な制限は、このようなフィルタが10μm又はそれ以上の範囲の塵埃粒子しか除去できないということである。この大きさの粒子を除去することにより、破滅的破損は免れるけれども、オイルに入り込んで滞まる小径の塵埃粒子により有害な摩耗が生じる。小径粒子についての懸念を解消しようとする試みにおいて、設計者は、全オイル流れの所定の割合を濾過するバイパスフィルタシステムを採用した。全流フィルタをバイパスフィルタと組み合わせることにより、エンジンの摩耗を受容可能なレベルまで低下させるが、これは、所望のレベルではない。バイパスフィルタは、約10μm以下の粒子を捕捉できるため、全流フィルタをバイパスフィルタと組み合わせることにより、全流フィルタだけを使用する場合と比べて大幅な改善がなされる。
【0004】
遠心分離器クリーナーは、初期の設計等で示された様々な方法で形成できるが、初期の設計上の発展の部分を代表する一つの製品は、英国のイルミニスターのサマセットのグレーシャーメタル株式会社が製造し、テキサス州ヒューストンのT.F.ハドギンス社が提供するスピナーII(スピナーII(SpinnerII)は登録商標である)オイル浄化遠心分離器である。スピナーII製品に対する様々な進歩及び改善が、1996年11月19日にハーマンに賦与された米国特許第5,575,912号、及び1997年6月10日にハーマンに賦与された米国特許第5,637,217号に示されている。これらの二つの特許に触れたことにより、これらの特許に開示されている内容は本明細書中に組入れたものとする。
【0005】
現在、受容不能なレベルの潤滑オイル煤を発生するエンジン作動現象が起こる。この潤滑オイル煤の大部分を潤滑オイルから除去する必要がある。これは、煤が摩耗を生じるためであり、受容不能な摩耗がエンジンの重要な表面上及びエンジンの重要な界面に生じる危険があるためである。NOxエミッション規制が益々厳しくなるにつれて、遅延噴射が広範に使用され、場合によっては排気ガス再循環又は水噴射を行って燃焼を更に遅延させる。これにより、ピーク温度を下げ、NOxを形成する。しかしながら、遅延燃焼により、露呈されたシリンダ壁に煤が付着し、リングの掻取り作用により潤滑オイルに移行する。潤滑オイルの煤を検査することによって得られたエンジンのデータによれば、250時間の作動で7%程度になるということが明らかになる。この潤滑オイル煤は、0.02μm乃至0.06μm程度と比較的小径であるが、摩耗をもたらし、バルブトレイン構成要素で見られるように臨界高圧/深界面で摩耗を生じる。摩耗性及び摩耗に関するこれ以上の情報は、SAE論文第971631号を参照されたい。
【0006】
本発明に関して重要な事項は、円錐状部材の積み重ね体を用いた設計の遠心濾過によって又は従来の遠心分離器による極めて小さな煤粒子の除去が、一般的にはうまくいかないという認識である。うまくいかないことの一つの要因は、遠心分離器が代表的に駆動される回転速度である。ヒーロー?タービン(Hero?turbine)遠心分離器についての代表的な即ち通常の回転速度は、外径が12.065cm(4.75インチ)の円錐状部材の積み重ね体を持つロータについては約5000RPM程度であり、外径が8.89cm(3.50インチ)の円錐状部材の積み重ね体を持つロータについては約7000RPM程度である。これらの速度は、オイル中の煤の堆積制御するために煤を適切な速度で除去するには十分高速でない。煤の堆積の問題点を効果的に解決するためには、これらの回転速度の約2倍の回転速度が必要とされる。
【0007】
サンプ内のオイルは、清浄なオイルとして開始し、エンジンの経時的作動に従って煤が徐々に堆積する。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、サンプオイル中の煤のパーセンテージを制御することである。除去速度が加わる速度と同じ場合には均衡状態が形成される。重要なことは、煤のパーセンテージである。制御等式は以下の通りである。
【0009】
均衡煤濃度=加算速度/(遠心除去効率)・(遠心流速)
除去効率及び流量は、流量が丁度2倍になると効率が半分になるように関連している。重要事項は除去効率である。これを高めることができる場合にはサンプ中の煤の濃度は、任意の他の要因又は構成要素を変更することなく低下する。
【0010】
現在の遠心分離器設計に関する上文中に論じた懸念及び事項に鑑みると、更に高速の駆動(回転)速度を発生するのに適した形体を考案することが改良である。試験によれば、280時間に亘ってサンプ循環させた場合(エンジンを切った試験)、遠心分離器を10000RPM近くの回転速度で遠心分離器を駆動することによって、潤滑流体中の煤のレベルを約4.1%から約0.8%まで大幅に減少させることができるということがわかった。本発明は、潤滑システムの圧力を4.92kg/cm2(70psi)の通常の所望の作動圧力以上に増加する必要なしに所望の10000RPMの速度を発生できる遠心分離器についての改良構造を提供する。作動圧力範囲は、約2.812kg/cm2(約40psi )から約6.327kg/cm2(約90psi )の上限までである。
【0011】
この圧力範囲と関連した一つの懸念は、ロータを支持するベアリングを、ロータ内側の圧力に耐え且つこの圧力を収容するように設計する必要があるということである。こうした高い圧力レベルではジャーナルベアリングが好ましいけれども、これらのベアリングは、ベアリングとシャフトとの間の薄いオイルフィルムの粘性剪断による回転抵抗係数があり、そのため、遠心分離器が所望の10000RPM(又はそれ以上)の速度で駆動されない。遠心ロータの内側の作動圧力を低下させることによって、回転抵抗係数がかなり低い更に高い速度で回転できるローラーベアリングを使用できる。
【0012】
【課題を解決するための手段】
循環液体から粒状物を分離するための本発明の一実施例による遠心分離器は、円錐状部材を積み重ねた組立体を有する。この円錐状部材を積み重ねた組立体は、中空ロータハブを含み、軸線を中心として回転するように設計されている。円錐状部材を積み重ねた組立体は、液体入口、第1通路、この第1通路に連結された第2通路及び中空ベースハブを画成するベース部分を有する。液体入口は、第1シャフト通路によって中空ベースハブに連結されている。シャフト中央チューブがベースハブに取り付けられており、ロータハブを通って延びている。円錐状部材を積み重ねた組立体が回転運動するように、ベアリングがロータハブとシャフト中央チューブとの間に位置決めされている。タービンホイールがロータハブに取り付けられており、タービンホイールを駆動するために液体が流れるジェットをタービンホイールに差し向けるため、流体が流れるジェットのノズルが第2通路に流れ連結されている。タービンホイールの駆動により、円錐状部材を積み重ねた組立体に回転運動を与える。
【0013】
本発明の一つの目的は、改良遠心分離器を提供することである。本発明の関連した目的及び利点は、以下の説明から明らかになるであろう。
【0014】
【発明の実施の形態】
本発明の原理の理解を促す目的で添付図面に示す実施例を参照し、これを説明するのに特定の用語を使用する。それにも拘わらず、本発明の範囲をこれによって限定しようとするものではなく、例示の装置のこのような変形及び変更、及び本明細書中に例示した本発明の原理のこのような別の用途は、本発明と関連した技術の当業者が通常に考えつくものであるということは理解されよう。
【0015】
次に図1を参照すると、この図には、本発明の好ましい実施例による遠心分離器20が示してある。遠心分離器20は、その主要構成要素の幾つかとして、ベース21、鐘型ハウジング22、シャフト23、ロータハブ24、ロータ25、円錐状部材の積み重ね体26、ジェットノズル27及び28、及び変形ペルトンタービン29を含む。本明細書中に説明し且つ使用されているように、ロータ25は円錐状部材を積み重ねた組立体を含む。
【0016】
図3は、ジェットノズル27及び28並びに衝動タービン29の概略平面図を提供する。この図は、ジェットノズル27及び28の夫々から出る流れジェット27a及び28aの方向を示す。タービン29には、回転自在のホイール33に取り付けられた周方向に並んだ一連の18個のバケット32が設けられている。流れジェット27a及び28aは、ホイールの両側でホイールに対して接線方向に差し向けられており、バケットの中央に向けられている。バケットは、回転してホイール33の対応する側の接線ゾーンに進入する。回転自在のホイール33は、シャフト23を中心として同心に位置決めされたロータハブ24に固定的に且つしっかりと取り付けられている。ロータハブは、上ローラーベアリング34及び下ローラーベアリング35によってシャフト23に取り付けられており且つ支持されている。ベアリングを通る流れを減少するため、シールドベアリングでなくシールベアリングが使用される。
【0017】
タービン29は様々な型式で形成できるが、本発明についての好ましい形体は、変形された仕切りを有さないバケットを用いたペルトンタービンである。変形された仕切りを有さないバケットを用いたタービン29を図1に示す。これに対し、従来のペルトンタービン29a(仕切りを有するバケット)を図2に示す。これらの二つのタービン態様の間の相違は、バケット32及び32aの夫々の幾何学的形状に限定される。図1の変形された仕切りを有さないバケットを用いたタービン29に代えて図2の仕切りを有するバケットを用いたタービン29aが使用されていることを除き、図1及び図2の遠心分離器の構造は同じである。仕切りを有するバケット32aの構造は周知であると考えられるが、変形された仕切りを有さないバケット32の形体は本願で独特である。図4及び図5を参照すると、各仕切りを有さないバケット32の形状及び構造に関する追加の詳細が提供される。
【0018】
円錐状部材を積み重ねた組立体即ちロータ25は、本明細書中では、その主要構成要素として、基部プレート38、ロータの外殻部39、及び円錐状部材の積み重ね体26を含むものと定義される。これらの主要構成要素を含むアッセンブリは、ロータハブ24がローラーベアリング34及び35によってシャフト23を中心として回転するときにロータ25が回転するように、ロータハブ24に取り付けられている。ロータハブ24に加えられる回転運動は、ジェットノズル27及び28を出た高圧流によって駆動されるタービン29の作動による。流れジェット27a及び28aがバケット32に当たると、対応するバケットの各々が押され、ホイール33が回転し、流れジェットが当たる接線の点の位置に次のバケットを送る。これは、流れジェット27a及び28aについての接線の点が180°離間しているため、ホイールの各側で協働的に生じる。ホイールは、一定の定常回転速度に達するまで、流れジェット27a及び28aの特性及びタービンの動的特性に基づいて加速して回転する。タービンがロータハブ24に取り付けられており、ロータハブがベアリングを介してシャフト23に取り付けられているため、ロータ25は、タービン29のホイール33の速度と一致するRPMで示す速度で回転する。
【0019】
タービン29の好ましい実施例では、各バケット32(変形された仕切りを有さないバケットを用いた型)は長円体様輪郭を有し、10°乃至15°の出口角度を長円体の縁部に有する。一つのバケット32の正面図を図4に示す。一つのバケット32の斜視図を図5に示す。バケットから出る流れは、下方に及び回転するロータから遠ざかる方向に差し向けられており、かくして、液滴の衝突による抵抗を減少する。ベース21内及び基部プレート38の下の部分を除く遠心分離器20の構造は、特定の特徴が、米国特許第5,575,912号及び米国特許第5,637,217号に開示された構造と同じである。これらの特許に触れたことにより、これらの特許に開示されている内容は本明細書中に組入れたものとする。更に詳細には、鐘型ハウジング22の半径方向外リップ40がフランジ41の上面上に位置決めされている。半径方向リップ40とフランジ41との間の界面は、ゴム製の環状中間O−リング42を加えることによって部分的にシールされている。バンドクランプ45を使用し、シールされた界面を慣性し且つ補完する。クランプ45はリップ40及びフランジ41の周りに位置決めされており、環状内クランプ46及び環状外バンド47を含む。バンド47をぴんと張るとクランプの内径が減少し、環状チャンネル48のテーパした側部がリップ40及びフランジ41を互いに軸線方向に引っ張り、ぴったりとシールされた界面を形成する。リップ40とフランジ41とを互いに引っ張ることによってO−リング42を圧縮する。
【0020】
鐘型ハウジング22の頂部には、シャフト23の雄ねじ端52を受け入れて支持するため、キャップ部分51が設けられている。シャフト23の詳細は図6に示してある。アダプタ53には雌ねじが設けられており且つフランジ54を有し、開口部55の縁部を通して嵌着されており且つこれに上方に押し付けられている。スリーブ56、O−リング57、及びキャップ58がアッセンブリを完成する。先ず最初に端部52をアダプタ53にねじ込み、O−リングを組み込んだ後、ハウジング及びスリーブを所定位置まで下げる。キャップを取り付けてキャップ部分51をシャフト23及びハウジング22に固定し、バンドクランプを組み立て、所定位置に締め付ける。キャップ部分51は、ロータ25が滑らかに高速回転できるようにするため、シャフト23の上端を軸線方向で中心決めしシャフト23を支持し且つ安定化する。
【0021】
ロータ25の上端では、鐘型ハウジング22と雄ねじ端52との間に、取り付けナット61及び支持ワッシャ62が配置されている。環状支持ワッシャは、ロータの外殻部39の上部分と形状が一致する賦形形状を有する。ワッシャ62に別体の構成要素を用いる代わりに本発明について考えられる変形例は、ワッシャ位置の断面が厚い衝撃押出しシェルを製造することによって、支持ワッシャ機能をロータの外殻部と一体化することである。ロータハブ24の上端63は、シャフト23及び上ベアリング34によってベアリング支持されており、雄ねじを備えている。取り付けナット61を上端63にねじ式に締め付け、これによって支持ワッシャ62及びロータの外殻部39を一緒に引っ張る。ロータハブ24の反対端(下端)64には、一連の軸線方向ノッチ64a及びこれと交互の一連の外方に延びるスプライン64bが設けられている(図7及び図8参照)。このスプライン端は、基部プレート38の中央に設けられた円筒形の孔65にぴったりと嵌着する。この孔65はハブ24及びシャフト23と同心であり、ハブをハウジング及び基部プレートに固定し、これにより、円錐状部材を積み重ねた組立体は、シャフト23を中心として同心をなして回転する。スプライン端64と孔65との間の嵌着は、更に、ノッチ64aとスプライン64bによって、間隔が隔てられた一連の出口流れチャンネル66を形成する。
【0022】
ロータの外殻部39の下縁68の内面67と基部プレート38の外環状面69との間に半径方向シールが形成される。このシールされた界面は、一部がぴったりとした嵌着によって、及び一部がゴム製の環状O−リング70を使用することによって形成される。O−リング70は内面67と外環状面69との間で圧縮される。
【0023】
ロータの外殻部39と基部プレート38との間をO−リング70と組み合わせて組み立てることによって、円錐状部材の積み重ね体26が収容された内部容積73を画成する密封包囲体を形成する。円錐状部材の積み重ね体26の各円錐状部材74は、中央開口部75及び外環状縁部77と隣接して円錐状部材の周囲に亘って配置された複数の入口穴を有する。この用途についての代表的な円錐状部材は、米国特許第5,575,912号及び米国特許第5,637,217号に示されており且つ開示されている。ロータ25についての代表的な流路は、ロータハブ24の中空中央部78を通って上方への流体の流れで開始する。ロータハブの内部を通る流れは、孔79を通って出る。全部で8個の等間隔に間隔が隔てられた孔79が設けられている(図7参照)。流れ分配プレート80は、ベーンを持つように形成されており、ハブ24からの流出流を最上円錐状部材74aの表面に亘って分配するのに使用される。液体(潤滑オイル)が円錐状部材の積み重ね体26の個々の円錐状部材74に亘って及びこれらの円錐状部材を通って流れる方法は、当該技術分野で周知の流路及び流れ現象である。円錐状部材を積み重ねた組立体のこの流路及び高RPMの回転速度により、オイルによって運ばれる小さな煤粒子をオイルから遠心分離でき且つ遠心分離時に保持できる。
【0024】
本発明は、ベース21の設計、タービン29の使用、流体を流体が流れるジェットのノズル27及び28に送る方法、及びベース21、タービン29、及びノズル27及び28と設計的に所望の通りに適合するシャフト23の形体に関する。ベース21には、入口孔82及び主通路83が形成されている。ジェットノズル通路84及び85が主通路83と直角に交差している。通路84は取り付けポスト86によって画成されており、ジェットノズル27への流体連通路を形成する。ホイール33及びベースハブ87の取り付けポスト86とは反対側には第2取り付けポスト88が設けられており、この第2ポストは通路85を画成する。通路85は、ジェットノズル28への流体連通路を提供する。ベース21のハブ87には、雌ねじを備えた円筒形の孔89が設けられている。この孔は、主通路83と直角に交差する。シャフト23のベース90には雄ねじが設けられており、孔89に螺着されて組み立てられる。ベース90は中空であり、通路91を画成する。この通路は、塞がった先端92及びスロットル通路93を有する。通路83の先端は、通路84の先端及び通路85の先端と同様に閉鎖している(即ち塞がっている)。
【0025】
ロータハブ24のスプライン端64を円筒形の孔65に嵌着することによってロータハブ24を基部プレート38内に支持し、基部プレート38、ロータの外殻部39、及びロータハブ24との間にしっかりと組み立てられた状態を維持する。所望の支持について、端部64と孔65との間のプレス嵌め又は場合によっては締まり嵌めが十分である。端部64と孔65との間のスプライン嵌着は、更に、ロータハブ24と基部プレート38との間で相対的回転移動が起こらないように設計されている。端部64が孔65内に嵌着することによって、ベース21の側壁96によって画成されたベース21の内部空間95内に開放した流出流チャンネル66を形成する。側壁96には、更に、出口ドレン開口部97が設けられている。このドレン開口部により、ロータ25から出たオイルを、流れチャンネル66によって、ベース21の外に排液できる。これは、対応するエンジン又は機器の他の要素への又はこれらを通る循環路について連続する。ジェットノズル27及び28を通してタービン29を駆動するために使用される潤滑オイルもまた内部空間に溜まり、流れチャンネル66を通って出るオイルと混合する。出口ドレン開口部97を通って出るのはこの混合オイルである。飛沫プレート98がポスト86及び88の上端面99及び100に夫々取り付けられている。
【0026】
図1に示す遠心分離器20を作動するため、加圧(1.406kg/cm2乃至6.327kg/cm2(20PSI乃至90PSI))流体流れ(オイル)が、遠心分離器のベース21に、入口孔82及び主通路83を介して進入する。加圧オイルは、通路84及び85に、並びに円筒形の孔89によって通路91に供給される。ポスト86は、ジェットノズル27と流れ連結した出口オリフィス103を画成する。同様の出口オリフィス104がポスト88によって画成されており、ジェットノズル28と流れ連結している。通路84及び85は端部が塞がれているため、流入流をオリフィス103及び104を通して圧送し、流れジェット27a及び28aを発生し、これによってタービン29を駆動し、その結果、ロータハブ24及びロータ25の残りの部分が回転自在に駆動される。二つの流体が流れるジェットのノズルから出る高速流体流は、ロータ25に通したオイルからの所望の煤除去速度を得るため、ロータ25に必要な高い速度を発生する。必須の速度は、上文中に論じたように、円錐状部材の積み重ね体の外径の大きさの関数である。
【0027】
好ましい実施例では、ジェットノズル27及び28の各々の出口オリフィスの大きさは、約2.46mm(0.09インチ)である。各ノズルは、乱流エネルギが最小の最大可能な速度を持つ固有の安定したジェットを発生するため、出口オリフィス直径に滑らかに移行するように内側がテーパした設計になっている。タービン29は、ジェットの運動エネルギをトルクに変換し、これをロータハブ24に加える。上文中に説明したように、様々な型式又は設計のタービン29が本発明の範囲及び教示内で考えられる。タービンには、小型化した旧式のペルトンタービン、変形された仕切りを有さないバケットを用いたタービン、及びベーンリング型タービン(ベーンをリング状に配置したタービン)即ち「ターゴ(turgo)」型タービンが含まれる。これらのうち、変形された仕切りを有さないバケットを用いたタービンが好ましい選択である。タービンは、バケット速度が、衝突する流れジェット速度の半分よりも僅かに低い場合に性能効率が最適化される。理想的な設計では、駆動流体は、バケットからほぼゼロの残留速度で「落下」し、ベースの内部空間95内に落下し、ドレン開口部97を通って出る。4.921kg/cm2(70PSI)のジェットで10000RPMの目標速度では、バケットのピッチ直径が28.96mm(1.14インチ)であり且つ送出トルクが5.50cm/kg (1インチ/ポンド)のタービン29の設計が本実施例の設計上の特性をなす。このような仕様では、エネルギに対する圧送馬力(寄生)損は、僅か15kgm/s (1HP)(これらの条件について検討がなされているエンジンの大きさについて、エンジンの出力の0.03%以下)に過ぎない。
【0028】
通路83を通って進入するオイルは、更に、円筒形の孔89を通って上方にシャフト23の通路91に流入する。この上方への流れは、スロットル通路93を通ってシャフト23の内部に出る。好ましい実施例では、通路93の出口オリフィスの直径は1.85mm(0.073インチ)であり、これは、ロータ25を通過する流量を毎分約2.271リットル(約0.6ガロン)に制限する。ロータを通る流れが毎分0.757リットル乃至1.514リットル(0.2ガロン乃至0.4ガロン)である場合に高トルク抵抗のスパイクが発生するということが試験によってわかった。毎分2.271リットル(0.6ガロン)の流れではこの問題は生じない。本発明の重要な特徴は、ロータハブ24の入口端107と隣接して配置された通路93を使用することによって、来入流にスロットル作用を加えることである。図1の例示では、ロータハブ24は、ベース21及び基部プレート38から上方にロータの外殻部39の上端即ち頂部の取り付けナット61の領域まで延びている。来入オイルが孔82のところで進入し、ここから内方及び上方に流れるため、ロータハブの下端107は流路を画成する目的の入口端である。
【0029】
スロットル通路93をロータハブの入口端107に配置することにより、ロータハブ24の内部78を減圧し、これによって、標準的な深溝シール型ローラーベアリングを上ローラーベアリング34及び下ローラーベアリング35の位置で使用できる。こうした種類のローラーベアリングを使用することにより、回転抵抗が従来技術の(旧式の)ジャーナルベアリングと比較して大幅に低下する。ロータハブ24の内部78内の内圧が、スロットル効果により、本発明で存在するよりも高い場合には、ジャーナルベアリングが必要とされる。これは、ジャーナルベアリングが高圧に耐えることができるためである。問題点は、ロータ25が達することができる回転速度を制限するジャーナルベアリングの回転抵抗のレベルがかなり高いということである。その結果、煤除去効率が大幅に低下し、効率がかなり低い設計となり、煤の制御が目的である場合には全く受け入れられない設計となる。流れにスロットル作用を加え、内部78内の内圧を減少することには、これに付随する効果がある。本発明による遠心分離器設計では、ローラーベアリングを使用できるため、抵抗が小さく、高い回転速度が可能となり、及びかくして、本発明では、10000RPM程度の(又はこれよりの高い)速度を得ることができる。煤を効率的に除去するためには、この程度の速度が必要とされることがわかっている。
【0030】
プロセス流体(オイル)は、シャフトのスロットル通路93を出た後、ロータハブ24の中央即ち内部をシャフト23とハブ24との間で上方に移動する。ハブ24の上部近くには複数の出口穴が設けられている。これらの穴は、好ましい実施例では、全部で8個である。流れるオイルはこれらの出口穴79の各々を通過し、流れは、上方に、及び流体を接線方向に加速する半径方向ベーンが設けられた流れ分配プレートによって円錐状部材の積み重ね体の周りに差し向けられる。
【0031】
流れは、垂直方向に整合した円錐状部材入口穴を通して円錐状部材の積み重ね体に亘って分配され、ハブに向かう円錐状部材の積み重ね体の半径方向内方への隙間を通って流れる。円錐状部材の積み重ね体は、ロータハブの基部プレートによってしっかりと支持されている。ハブの外径に至ったとき、流れは、円錐状部材の内径に設けられた整合した切欠きを通って下方に通過し、流れチャンネル66を通って内部容積73を出る。この形体に対する変形例として、基部プレート38は、流体出口流路用の穴が穿孔されたプレートを持つ一部品設計であるのがよい。回転軸線にできるだけ近い流れチャンネル66から流出することが重要である。これは、半径と比例して増大する高い接線速度での流出を妨げる遠心「圧送」エネルギ損による抵抗/速度の低下が起こらないようにするためである。更に、流出流は、基部プレートの外側面と接触しないように円錐状部材を積み重ねた組立体を離れなければならない。その結果、再加速を受けることによりエネルギが失われ、ロータの基部の外径から高速で「放出(sling)」される。これは、オイルを流れチャンネル66を通して飛沫プレート98の下の場所に流出させることによって得られ、これにより、オイルのスプレーを、下方に、回転中のロータハブ24から遠ざかるように、ドレン開口部97に向かって逸らす。変形例の設計において、飛沫プレートを使用しない場合には、オイルが出口箇所から半径方向外方に飛散するとき、回転するロータの表面上にオイルが再同伴されないように、流出するオイルを基部プレートの最も下の箇所よりも低い箇所から出す必要がある。上文中に説明したように、「清浄」なプロセス流体を駆動流体と混合し、ドレン開口部97を介して重力によりハウジングベース21の外にドレンする。
【0032】
図9を参照し、変形例の遠心分離器120を開示する。遠心分離器120は、図1の遠心分離器20と多くの点で極めて似通った構造を有するということに着目されたい。遠心分離器120と遠心分離器20との間の主な相違点には、ベース21、シャフト23、円筒形の孔89、及び主通路83の設計及び関係が含まれる。遠心分離器20のこれらの部分を遠心分離器120の対応する部分と比較すると、以下の相違点が明らかになる。遠心分離器20についての図1の設計では、主通路83はベースハブ87の孔89と直接的に流れ連通している。図示のように、孔89は、主通路83を通って軸線方向に延びているのでなく、効果的には、その箇所でT形に交差している。図9の設計では、ベースの円筒形の孔121と主通路122との間に流れ連通がない。その代わりに、遠心分離器120のシャフト124の下端即ちベース123がベース90を越えて軸線方向に延びており、シャフト124は主通路122を通って延びており、円筒形の孔121の下孔延長部125を通って外に出る。シャフト124を図11に別体の構成部品として示す。この下孔延長部125は図示のように主通路122と交差し、主通路122の上方にある円筒形の孔121の上部分と軸線方向に整合している。遠心分離器120のベース126の設計を図12に示す。シャフト124のベース123は、入口孔128からスロットル通路129及び130まで延びる流路を構成する。ここでは、タービン29に参照番号134が附してあるが、設計は基本的に同じである。図10では、仕切りを有するバケット形体の変形例の型式のタービンがタービン134aとして示してある。
【0033】
シャフト23は、単一のスロットル通路93を含むのに対し、シャフト124(図9参照)は二つのスロットル通路129及び130を含む。これは、図9の実施例では、通路129及び130の上流のほぼ全ての箇所で、好ましくは遠心分離器の外側で来入オイル流にスロットル作用を加えることができるためである。その結果、通路129及び130は、単一のスロットル手段として役立つ必要がない。図1では、来入オイルもまたタービン29の駆動に使用され、遠心分離器の外側で流れにスロットル作用を加えると、タービンの速度に悪影響が及ぼされる。この理由により、ロータ25への流れには、通路93によってスロットル作用が加えられる。二つの通路を使用することと比較すると、一つの通路でスロットル機能を行う方が容易である。この理由により、図1の実施例では、通路93が一つだけ設けられている。
【0034】
シャフトを通る内部通路が主通路122と流れ連通していないため、入口孔128での来入流(オイル)はタービン134の駆動に使用されない。タービン134は、実際には、タービン29と同じであり、遠心分離器120の残りの部分は、本明細書に説明したことを除き、遠心分離器20と実際上同じである。タービン134を流体が流れるジェットのノズル135及び136で駆動するため、入口通路137を介して加圧流体を主通路122に導入する。好ましい実施例では、この加圧流体(即ち駆動流体)はガスである。加圧ガスは図1のオイルと同じ経路を辿るが通路127には流入せず、従って円錐状部材を積み重ねた組立体138に導入されない。
【0035】
加圧ガスをポスト140の通路139に、及び最終的にはジェットノズル136に流入させるため、シャフト124のベース123の位置141にはノッチ又は窪みが設けられている。これは、加圧ガスがシャフト124のベース123の周囲を自由に通過できるようにするためである。ポスト143の通路142は、加圧ガスをジェットノズル135に送出するため、通路122と連通している。O−リング144がベース123と下孔延長部125との間に位置決めされている。入口孔128には、円錐状部材を積み重ねた組立体に導入されるべき流体を送出する入力導管を連結するため、雌ねじが設けられている。
【0036】
図9のタービン134を駆動するのに使用されるガス(代表的には空気)を遠心分離器120から大気中に放出しなければならない。この機能について様々なベント設計及び位置決めが適しているけれども、空気と混合したオイルミストを先ず最初に分離することが重要である。この目的のため、コアレッサー150が鐘型ハウジング151に取り付けられており、出口152の周囲がシールされている。スプレーミスト即ち空気及びオイルのエアゾールが出口152を通って出るとき、コアレッサー150の内部でオイルが空気から引き出される。次いで空気を大気中に通し、オイルは徐々に遠心分離器内に滴り戻る。コアレッサー150の内部には、金属製メッシュが設けられ、又は、変形例では、合成織製又は不織メッシュが設けられている。これらのメッシュは全て、当該技術分野で周知である。
【0037】
本明細書中、タービン29及び対応するバケットについての様々な型式及び設計に言及した。これらには、個々のバケット32aが仕切りを有するバケット形体を持つ旧式のペルトンタービン29a(図2参照)及びバケット32を持つ、変形された仕切りを有さないバケットを用いたタービン29(図1参照)が含まれる。いずれの型式の衝動タービンも図1及び図9の実施例並びに図2及び図10の変形例に適している。図3の概略図は、タービン29として示してあるが、タービン29及び29aの適当な一般的な例示を行おうとするものである。
【0038】
タービン29についての他の変形及び変更の議論では、ベーンリング型又はターゴ型のタービンに言及する。このような型式のタービンの個々のベーンは実際上、どのような直径に配置されていてもよいが、ベーン円直径がタービン29についての図示のバケット円直径を越えて増大する場合には、ガス駆動作動モードと関連した効率が重要である。ガス駆動式遠心分離器について、ベーンリング型タービンが好ましい。最適のベーン速度は、ジェット速度の半分に等しいということが知られており、チョークドフロー(音速ジェット)に基づくと、ガスによって駆動されるベーンを大きな直径に亘って配置するのが好ましい。
【0039】
従って、図13、図14、及び図15は、ロータの外殻部162の、下縁部163と隣接した全体に円筒形の部分162aの外面に個々のベーン161を取り付けることによって形成されたベーンリング型タービン160を示す。各ベーン161は、凹状の衝突面164を持つ湾曲形態を有する。この種のベーンでは、ジェットノズル165は、ベーンの中心線に対して5°乃至20°の所定の角度で差し向けられる。この角度は、ベーン61の前縁角度とほぼ一致する。ジェットノズル165は、通路166から空気のジェットを送出する。ジェットはベーンに衝突してこれを回転し、及びかくしてベアリングを介してシャフトに取り付けられたロータを駆動(回転)する。
【0040】
図9、図10、及び図13の遠心分離器をガス駆動作動するため、ガスジェットは音速(約0.912kg/cm2(約13psig)以上の圧力)である。運動エネルギを最大に引き出すための最適のベーン速度(図13参照)は、ジェット速度の約0.4倍であり、これは、毎秒約134.112m(約440フィート)(毎秒335.28m(1100フィート)の音速に対して)である。10000RPMで回転する直径18.542cm(7.3インチ)のロータについて、ベーン速度(ベーン161は図13に示すように周囲に配置されている)は毎秒約97.536m(約320フィート)である。この速度は、最適速度よりも「低速」である。
【0041】
図13の遠心分離器について使用されたタービンのベーン(ベーンリング)の型式は、図2、図9、及び図10の遠心分離器の実施例の変形された仕切りを有さないバケットを用いた型式及び仕切りを有するバケットを用いたタービン型式の代わりに使用できる。使用されたタービンの型式、タービンの位置、ロータの直径、駆動媒体、及びジェット速度によって効率が異なる。
【0042】
本明細書を添付図面及び以上の説明に例示し且つ説明したが、これらは例示であって、限定を行おうとするものではない。好ましい実施例を示し且つ説明したが、本発明の範疇に含まれるその全ての変形及び変更は保護されるのが望ましいということは理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の代表的な実施例による遠心分離器の断面図である。
【図2】本発明の別の実施例による遠心分離器の部分断面図である。
【図3】図1の遠心分離器の部分を構成する衝動タービン及びこれと協働するジェットノズルの概略平面図である。
【図4】図1の遠心分離器で使用された図3の衝動タービンの部分として使用される変形された仕切りを有さないバケットを正面から見た断面図である。
【図5】図4の仕切りを有さないバケットの斜視図である。
【図6】図1の遠心分離器の一つの部分を構成する中央シャフトを正面から見た断面図である。
【図7】図1の遠心分離器の一つの部分を構成するロータハブを正面から見た断面図である。
【図8】図7のロータハブの平面図である。
【図9】本発明の変形例による遠心分離器を正面から見た断面図である。
【図10】本発明の別の実施例による遠心分離器を正面から見た部分断面図である。
【図11】図9の遠心分離器の一部を構成する中央シャフトを正面から見た断面図である。
【図12】図9の遠心分離器の一部を構成するベースを正面から見た断面図である。
【図13】本発明による遠心分離器の部分として使用するのに適当なベーンリング型衝動タービンを正面から見た断面図である。
【図14】図13のベーンリング型タービンの部分平面図である。
【図15】図13のベーンリング型タービンの一つのベーン及び協働するノズルからのジェットの概略図である。
【符号の説明】
20 遠心分離器
21 ベース
22 鐘型ハウジング
23 シャフト
24 ロータハブ
25 ロータ
26 円錐状部材の積み重ね体
27、28 ジェットノズル
27a、28a 流れジェット
29 変形ペルトンタービン
32 バケット
33 ホイール
34、35 ローラーベアリング
Claims (38)
- 循環流体から粒状物を分離するための遠心分離器において、
円錐状部材の積み重ね体と中空ロータハブとを備え、軸線を中心として回転するように構成され、且つ、形成された、ロータと、
流体入口と、第1通路と、前記第1通路に連結された第2通路と、中空ベースハブとを画成し、前記流体入口が前記第1通路によって前記中空ベースハブに連結された、ベース部分と、
前記ベースハブに取り付けられ、前記ロータハブを通って延在し、流体を前記第1通路から前記円錐状部材の積み重ね体に送出するための通路を有する、シャフト中央チューブと、
前記ロータが前記シャフト中央チューブを中心として回転運動するように、前記ロータハブと前記シャフト中央チューブとの間に位置決めされた、ベアリングと、
前記ロータに取り付けられた衝動タービンと、
前記第2通路に流れ連結され、流体が流れるジェットを前記衝動タービンに指向させ、これにより前記ロータに回転運動を与えるように形成され、且つ、構成された、流体が流れるジェットのノズルと、
を有することを特徴とする、遠心分離器。 - 前記衝動タービンは、各々が仕切りを有さないバケットの設計の複数の個々のタービンのバケットを備え、前記バケットは、前記流体が流れるジェットが作用するように形成され、且つ、構成されている、請求項1に記載の遠心分離器。
- 前記ベアリングはローラーベアリングである、請求項2に記載の遠心分離器。
- 前記ロータは、前記ロータハブに組み立てられた基部プレートを含む、請求項3に記載の遠心分離器。
- 前記基部プレートは、前記ロータハブと協働し、流体を前記ロータから流出させるための流れ通路を、前記ロータハブとの間に画成する、請求項4に記載の遠心分離器。
- 前記ベアリングはローラーベアリングである、請求項1に記載の遠心分離器。
- 前記ロータは、前記ロータハブに組み付けられた基部プレートを含む、請求項6に記載の遠心分離器。
- 前記基部プレートは、前記ロータハブと協働し、流体を前記ロータから流出させるための流れ通路を、前記ロータハブとの間に画成する、請求項7に記載の遠心分離器。
- 前記ロータは、前記ロータハブに組み付けられた基部プレートを有する、請求項1に記載の遠心分離器。
- 前記基部プレートは、前記ロータハブと協働し、流体を前記ロータから流出させるための流れ通路を、前記ロータハブとの間に画成する、請求項9に記載の遠心分離器。
- 前記複数のバケットが取り付けられた前記衝動タービンは、前記ロータハブの一端に取り付けられている、請求項2に記載の遠心分離器。
- 前記衝動タービンは、それぞれ、仕切りを有するバケットの設計の複数の個々のタービンのバケットを有し、前記バケットは、前記流体が流れるジェットが作用するように形成され、且つ、構成されている、請求項1に記載の遠心分離器。
- 前記ベアリングはローラーベアリングである、請求項12に記載の遠心分離器。
- 前記ロータは、前記ロータハブに組み付けられた基部プレートを有する、請求項13に記載の遠心分離器。
- 前記基部プレートは、前記ロータハブと協働し、流体を前記ロータから流出させるための流れ通路を、前記ロータハブとの間に画成する、請求項14に記載の遠心分離器。
- 前記ロータは、前記ロータハブに組み付けられた基部プレートを有する、請求項12に記載の遠心分離器。
- 前記基部プレートは、前記ロータハブと協働し、流体を前記ロータから流出させるための流れ通路を、前記ロータハブとの間に画成する、請求項16に記載の遠心分離器。
- 複数の仕切りを有するバケットを有する前記衝動タービンは、前記ロータハブの一端に取り付けられている、請求項12に記載の遠心分離器。
- 循環流体から粒状物を分離するための遠心分離器において、
円錐状部材の積み重ね体と中空ロータハブとを有し、軸線を中心として回転するように構成され、且つ、形成された、ロータと、
第1流体通路に連通した第1流体入口と第2流体入口とを画成する、ベース部分と、
前記ベースハブに取り付けられ、前記ロータハブを通って延在し、流体を前記第2流体入口から前記円錐状部材の積み重ね体に送出するための通路を有する、シャフト中央チューブと、
前記ロータが前記シャフト中央チューブを中心として回転運動するように、前記ロータハブと前記シャフト中央チューブとの間に位置決めされた、ベアリングと、
前記ロータに取り付けられた衝動タービンと、
前記第1通路に流体的に連結され、流体が流れるジェットを前記衝動タービンに指向させ、これにより前記ロータに回転運動を与えるように形成され、且つ、構成された、流体が流れるジェットのノズルと、
を有することを特徴とする、遠心分離器。 - 前記衝動タービンは、それぞれ、仕切りを有さないバケットの設計の複数の個々のタービンのバケットを備え、前記バケットは、前記流体が流れるジェットが作用するように形成され、且つ、構成されている、請求項19に記載の遠心分離器。
- 前記ベアリングはローラーベアリングである、請求項20に記載の遠心分離器。
- 前記ロータは、前記ロータハブに組み立てられた基部プレートを含む、請求項21に記載の遠心分離器。
- 前記基部プレートは、前記ロータハブと協働し、流体を前記ロータから出すための流れ通路を前記ロータハブとの間に画成する、請求項22に記載の遠心分離器。
- 前記ベアリングはローラーベアリングである、請求項19に記載の遠心分離器。
- 前記ロータは、前記ロータハブに組み立てられた基部プレートを含む、請求項24に記載の遠心分離器。
- 前記基部プレートは、前記ロータハブと協働し、流体を前記ロータから流出させるための流れ通路を前記ロータハブとの間に画成する、請求項25に記載の遠心分離器。
- 前記ロータは、前記ロータハブに組み付けられた基部プレートを含む、請求項19に記載の遠心分離器。
- 前記基部プレートは、前記ロータハブと協働し、流体を前記ロータから流出させるための流れ通路を前記ロータハブとの間に画成する、請求項27に記載の遠心分離器。
- 前記複数のバケットが取り付けられた前記衝動タービンは、前記ロータハブの一端に取り付けられている、請求項20に記載の遠心分離器。
- 前記衝動タービンは、それぞれ、仕切りを有するバケットとして設計された複数の個々のタービンのバケットを備え、前記バケットは、前記流体が流れるジ ェットの作用を受けるように形成され、且つ、構成されている、請求項19に記載の遠心分離器。
- 前記ベアリングはローラーベアリングである、請求項30に記載の遠心分離器。
- 前記ロータは、前記ロータハブに組み付けられた基部プレートを含む、請求項31に記載の遠心分離器。
- 前記基部プレートは、前記ロータハブと協働し、流体を前記ロータから流出させるための流れ通路を前記ロータハブとの間に画成する、請求項32に記載の遠心分離器。
- 複数の仕切りを有するバケットを有する前記衝動タービンは、前記ロータハブの一端に取り付けられている、請求項30に記載の遠心分離器。
- 循環流体から粒状物を分離するための遠心分離器において、
円錐状部材の積み重ね体と、全体として円筒形の部分を有するロータの外殻部と、中空ロータハブとを有し、軸線を中心として回転するように構成され、且つ、形成された、ロータと、
第1流体通路に連通した第1流体入口と第2流体入口とを画成する、ベース部分と、
前記ベースハブに取り付けられ、前記ロータハブを通って延在し、流体を前記第2流体入口から前記円錐状部材の積み重ね体に送出するための通路を有する、シャフト中央チューブと、
前記ロータが前記シャフト中央チューブを中心として回転運動するように、前記ロータハブと前記シャフト中央チューブとの間に位置決めされた、ベアリングと、
前記ロータの外殻部の前記全体として円筒形の部分に取り付けられ、前記ロータの外殻部を使用するベーンリング型タービンを形成する、複数のベーンと、
前記第1通路に流体的に連結され、流体が流れるジェットを前記衝動タービンに指向させ、これにより前記ロータに回転運動を与えるように形成され、且つ、構成された、流体が流れるジェットのノズルと、
を有することを特徴とする、遠心分離器。 - 前記ベアリングはローラーベアリングである、請求項35に記載の遠心分離器。
- 前記ロータは、前記ロータハブに組み付けられた基部プレートを有する、請求項36に記載の遠心分離器。
- 前記基部プレートは、前記ロータハブと協働し、流体を前記ロータから流出させるための流れ通路を、前記ロータハブとの間に画成する、請求項37に記載の遠心分離器。
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