JP4555077B2 - クランクケースガスの浄化方法およびガス浄化分離機 - Google Patents

Description

本発明は、クランクケースガスを、回転不能なハウジングを通して流し、かつ軸方向に互いに間隔をおいて配置された２つの軸受部でハウジング内に軸支されて動作するようになっている遠心ロータによって回転軸（Ｒ）を中心としてハウジング内で回転させて、内燃エンジンが発生させたクランクケースガスからそのガス中に浮遊している固体および／または液体の粒子を除去する方法に関する。

クランクケースガスをこのように浄化する方法は特許文献１に記載されている。円錐形の分離円板の重ね合わせを有し、かつこの重ね合わせの両側にある両端で軸支されている遠心ロータを備えている遠心分離機が用いられている。遠心ロータは固定ハウジング内で回転可能であり、浄化すべきクランクケースガスは、各分離円板の間の狭い空間を通って、ロータ内の中央チャンバから固定ハウジング内のロータを囲むチャンバへ半径方向外側に流される。任意の適切な種類のモータが、固定ハウジング内で遠心ロータを回転させるために、遠心ロータの両端の一方で遠心ロータに連結されている。

近年では、クランクケースガスの浄化用に、上述した遠心分離機のような比較的高性能な種類の遠心分離機が提案されている。この種の遠心分離機は製造するのが比較的高価であり、そのような遠心分離機を駆動する装置をかなり安価なものとしなくてはならない。したがって、浄化すべきクランクケースガスを発生する内燃エンジンによって継続的に維持される既存のエネルギー源が遠心分離機の駆動に関して可能な限り簡単な方法で利用できるべきであるということが、この種の遠心分離機の駆動に関する出発点である。したがって、たとえばクランク軸またはカム軸である発動機の軸と遠心ロータとを機械的に連結させることが提案されている（たとえば特許文献２を参照）。また、電動モータを用いることも提案されている（たとえば特許文献１を参照）。さらに、たとえばモータ内を循環している加圧された潤滑油の一部である、内燃エンジンによって発生させられた加圧流体を、普通のタービン装置を介して遠心ロータの駆動に用いることも提案されている（たとえば特許文献３を参照）。
国際公開第０１／３６１０３号パンフレット 米国特許第５９５４０３５号明細書 国際公開第９９／５６８８３号パンフレット

遠心ロータを駆動する駆動装置を製造するコストに加えて、駆動装置の選択についての他の側面も検討しなければならない。たとえば、駆動エネルギーを遠心ロータに最も簡単でかつ最も安価な方法で伝達することができるかどうかを考慮しなくてはならない。これらの理由のため、とりわけ、特に乗物に動力を与える内燃エンジンに関して、ここで意識している目的に対してどのようなタイプの駆動装置が遠心ロータに将来的に受け入れられるのかは、今日において依然として不明である。

本発明の目的は、まず第１に、駆動エネルギーをエネルギー源から遠心ロータに伝達する必要な装置を備えている、遠心ロータを駆動する装置を費用がかからずかつコンパクトにすることができ、かつ、内燃エンジンに対する遠心ロータの位置に関する自由度を可能な限り高めることができる、遠心ロータによってクランクケースガスを浄化する新しい方法を提供することである。

この目的は、本発明によれば、少なくともロータ本体（４〜６）の主要部分を、軸方向に見て２つの軸受部の間に配置しておき、ハウジング（１）内の遠心ロータ（２）の一部を、ハウジング（１）内に回転しないように保たれている固定子（１８）を有し、かつ遠心ロータ（２）を回転させる電流が供給される電動モータの回転子（１９）としても用いることによって、遠心ロータ（２）が回転させられ、電動モータの回転子として用いられている部分を含んでいる遠心ロータ（２）がその回転中に２つの軸受部だけで軸支され続けることで、達成することができる。

本発明によれば、モータの回転子を軸支する別個の軸受を有していない電動モータが用いられる。遠心ロータ用の既存の欠くことのできない軸受が、この軸支に用いられる。遠心分離機はガスの処理に用いられるものであり、したがって実質的に完全に非常に軽い材料で構成されているので、電気駆動モータは比較的軽く作られ、したがってその回転子も非常に軽く作ることができる。これらの理由から、遠心ロータとモータの回転子との組み合わせ体を非常に軽く作ることができ、そのため、その軸支のためのコストを最小限に減らすことが可能である。

本発明の方法を実施する場合、遠心ロータは、浄化すべきクランクケースガスを遠心ロータ内の流路を通して流す必要は必ずしもない。その代わりに、遠心ロータを、固定ハウジング内で、遠心ロータと固定ハウジングとの間に形成された環状の空間を通って薄い層内に軸方向に流入するガスを回転させるように構成してもよい。

軸受が、遠心ロータの回転中に半径方向の力を受けるために２つの軸受部の各々になければならない。遠心ロータが垂直な回転軸を中心として回転するように構成されている場合、２つの軸受部の一方に軸方向の力を受ける軸受があってもよい。半径方向のみならず軸方向の力を受けるように、可能な限りアンギュラ軸受を用いることができる。

本発明はまた、たとえばクランクケースガスを浄化する上記の方法を行うことができるガス浄化分離機に関する。この種の分離機は、未浄化のガス用の入口と浄化済みのガス用の出口とを有する回転不能なハウジングと、ハウジング内に配置された遠心ロータと、遠心ロータを回転軸を中心として回転させるように構成された電動モータとを有し、遠心ロータは、軸方向に互いに間隔をおいて配置された２つの軸受部だけに位置する軸受によってハウジング内に軸支されており、遠心ロータは、円錐形の複数の分離円板の重ね合わせを含む分離装置を備えたロータ本体を有しており、分離円板は回転軸に同軸に配置され、浄化すべきガスを流通させるためにロータ本体を通るいくつかの通路を形成しており、ロータ本体の主要部分が、軸方向に見て２つの軸受部の間に配置されており、遠心ロータは、通路が、その第１の端部で入口に連通し、かつその反対側の端部で出口に連通するように、ハウジング内に配置されている。この分離機は、電動モータが、ハウジング内に配置されており、かつハウジングによって支持された固定子と、遠心ロータの一部で構成され、軸受だけで固定子に対して軸支されている回転子とを有していることを特徴としている。

上記の分離装置には様々なものがある。独国特許第４８６１５号明細書には、いくつかのそのような装置が開示されている。たとえば、分離装置は、各々の円板が軸方向に、かつ回転軸から始まっているいくつかの半径を横切る方向に回転軸から近い距離からより遠い距離に延びている、遠心ロータの回転軸の周りの円形の軌跡内に配置されたいくつかの円板を有していてもよい。あるいは、分離装置は、浄化すべきガスが、断面において回転軸に対して垂直な、らせん状に延びている流路を通って軸方向に流れるように、回転軸の周りにらせん状に巻き付けられた単一の円板を有していてもよい。また、遠心ロータ内の分離空間に繊維を充填し、その間にロータ本体を通る上記の流路を形成することも可能である。しかしながら、分離装置は回転軸と同軸に配置された円錐形の分離円板の重ね合わせを有していることが好ましい。

上記のハウジングは、ハウジングに動かないように連結された固定フレームの一部で構成することが好ましい。しかしながら、このことが適当であるならば、ハウジング全体がフレームに対して自由に振り子運動を行うことができるように、ハウジング全体が固定フレームから回転可能にぶら下げられていてもよい。

ハウジング内における遠心ロータの軸支は様々である。たとえば、２つの軸受部をロータ本体の一方の側に軸方向に配置してもよい。しかしながら、本発明の好ましい態様では、ロータ本体は軸方向に見て２つの軸受部の間に配置されている。この場合、電動モータの回転子は２つの軸受部のうちの１つの、一方の側に位置しており、かつロータ本体は当該軸受部の他方の側に位置していることが好ましい。

所望であれば、ロータ本体の一部を、電動モータの回転子として用いられている、遠心ロータの上述した一部で構成することもできる。さらに、モータの固定子は、たとえば半分がロータ本体の最大半径と同じ大きさの半径である、より大きいかあるいはより小さい半径で、ロータ本体のこの部分を囲むかあるいはそれによって囲まれていてもよい。特定の態様では、ロータ本体の主要部分が２つの軸受部の間に配置されていてもよく、ロータ本体の一部が、一方の軸受部を囲みかつ軸方向に通って延び、かつロータ本体の主要部分と同様にこの軸受部の同じ側に位置していない領域において電動モータの回転子を支持していてもよい。

上記の電動モータは、たとえば直流モータまたは交流モータ（同期モータまたは非同期モータ）である、任意の適切なものからなる。永久磁石を備えた回転子を有している同期モータを用いることが好ましい。

以下に、本発明によるクランクケースガスの浄化を行うことができるガス浄化分離機の軸方向断面を示す図面を参照して、本発明をより詳しく説明する。

図面のガス分離機は固定ハウジング１を有しており、その中で遠心ロータ２が垂直な回転軸Ｒを中心として回転可能になっている。遠心ロータ２は中央シャフト３とそれに連結されたロータ本体とを有している。ロータ本体は、上側の円錐形の端壁４と、下側の円錐形の端壁５と、それらの端壁の間に軸方向に配置された多数の円錐形の分離円板６とを含んでいる。プラスチックで作られていることが適している分離円板６の一方の側には、隣接する分離円板に当接して分離円板同士の間に空間を形成するいくつかの間隔部材（不図示）が設けられている。上側の端壁４および各々の分離ディスク６の円錐形部分には、回転軸Ｒを中心として分散配置された複数の貫通穴が形成されている。分離円板６同士の間の空間は、これらの穴を介して、浄化すべきガスを分離機内に入れる入口８を有し、かつハウジング１の上部に配置された入口チャンバ７に連通している。

浄化済みのガス用の第１の出口１０とガスから分離された固体および／または液体の粒子用の第２の出口１１とを有する環状のチャンバ９が、固定ハウジング１内における遠心ロータ２の周りに形成されている。

遠心ロータ２は、ハウジング１から、ロータ本体の各側に１つずつ配置された上側の軸受１２および下側の軸受１３内に回転可能に吊り下げられている。上側の軸受１２は、上側の軸受１２の上方に位置している、遠心ロータシャフト３の上側端部を囲むキャップ１４の筒状部分に支持されている。キャップ１４は環状の平面部分１５も有しており、キャップ１４は固定ハウジング１内の仕切り壁１６にその平面部分によって支持されている。キャップの平面部分１５には貫通穴１７が形成されており、入口チャンバ７はそれらの穴を介して遠心ロータ２の内部に連通している。

キャップ１４は、その内側で、かつ上側の遠心ロータ軸受１２の上における遠心ロータシャフト３の端部の周りに、電動モータの固定子１８を支持している。このモータの回転子１９は、遠心ロータシャフト３の端部に支持されている。モータの固定子１８と回転子１９との間には、狭い環状の隙間が形成されている。電動モータに電流を供給する電線２０が、ハウジング１の上からその中に延び、さらにキャップ１４を通ってモータの固定子１８まで延びている。

図示した浄化装置は、以下のように動作する。

電動モータ１８，１９に電流が供給されて遠心ロータ２が回転している間、内燃エンジンのクランクケースからのクランクケースガス等の汚れたガスがガス入口８に供給される。このガスは、入口チャンバ７を通って遠心ロータ２の中央部内にさらに導かれ、さらにそこから分離円板６同士の間の空間内を通る。そのガスは遠心ロータが回転することで回転し、これにより、上記の空間を通ってさらに半径方向外側に送られる。

上記の空間内のガスが回転している間、そのガス中に浮遊している固体または液体の粒子がガスから分離される。粒子は分離円板６の内側の上に集まり、その後、その上を半径方向外側に滑るか、あるいは流れる。粒子および／または液滴は、分離円板６の外縁に到達すると、ロータから投げ出されて固定ハウジング１の囲い壁に衝突する。

粒子が除去されて遠心ロータ２の周囲のチャンバ９内に出たガスが、ハウジング１のガス出口１０を通ってハウジング１の外に出る一方で、粒子は、その囲い壁に沿って下方に進み続け、そして粒子出口１１を通ってハウジングの外に出る。

図から分かるように、上述した電動モータは自身の軸受を有しておらず、その回転子が固定子内に回転可能に軸支されている。その代わりに、遠心ロータ２を固定ハウジング１内に軸支している２つの軸受１２および１３が、モータの回転子を軸支するのに用いられている。本発明の図示した実施形態では、固定ハウジング１は遠心ロータおよびモータの回転子１９用の固定支持装置を構成している。所望であれば、遠心ロータ２およびその２つの軸受１２および１３を回転不能であるが移動可能な支持装置からつり下げ、そしてその支持装置を固定ハウジング１で移動可能に支持してもよい。たとえば、この種の移動可能な支持装置は、ハウジングの一部の上の上向き面に形成された半球形のくぼみ内に載っている半球体を介して、ハウジング１内に懸架されていてもよい。したがって、支持装置は、回転軸Ｒを中心として固定ハウジングに対して回転可能になることなく、固定ハウジングに対して振り子運動を行うことが可能である。

遠心ロータの可能な限り多くの部品がプラスチックのような軽い材料で作られている。そのため、２つの端壁４および５と分離円板６に加え、遠心ロータのこれらの部品をその中央シャフト３に連結する部材（不図示）もプラスチックで作られている。シャフト３を繊維強化プラスチックのようなプラスチックで作ることも可能であるが、シャフトに必要な剛性をもたらすためにシャフトを金属で作る必要があるかもしれない。

図示した軸受１２および１３の少なくとも一方が、スライド軸受として構成されていてもよい。

軸受１２および１３の両方とも半径方向の力を受けるようになっている。それらの軸受の１つが、遠心ロータ２を支持するために不可避である軸方向の力を受けることができるように、アンギュラ軸受として適宜に構成されている。行うことが可能であって、かつ軸受１２および１３のコストを実質的に低減させることができる場合には、遠心ロータ２の回転による摩擦力が非常に小さくなるのであれば、遠心ロータの中央シャフト３を下方にいくらか延長して別個の支持部上に直接載せてもよい。この種の構成では、軸方向の力を受けている支持部は、実質的に軸方向の力だけを受けている場合には、従属請求項において規定されている２つの軸受の１つとしてはみなされない。

制御機器（不図示）によって、遠心ロータの回転速度、したがって浄化効率を段階的あるいは連続的に適切な方法で制御することが可能であり、それによって、供給されたガスの必要とされる浄化が達成される。

図示した例では、ガス浄化用の遠心ロータ２は従来の種類の円錐形の分離円板６を備えている。しかしながら、本発明は、まさにこの種の遠心ロータに限られるものではなく、ガス中に浮遊している粒子をガスから除去する適切な遠心ロータと一緒に用いてもよい。

図面に示した種類の電動モータは、それに代えて、下側の軸受１３の下方のシャフト３の延長部の周りに配置されていてもよい。モータを、軸受１２，１３の一方とロータ本体との軸方向の間の空間内に配置することも可能である。可能であれば、遠心ロータ２を駆動する回転モーメントを所望の大きさにするために、電動モータの回転子および固定子の両方を図示した直径よりも大きくしてもよい。その場合には、遠心ロータの上側または下側の端壁４または５を電動モータの回転子として用いることができる。モータの回転子と固定子を、軸方向に互いに対向するように配置された環状の平面または円錐形の部分のように形成することもできる。ロータの軸方向の両側に位置するように構成された、円板形の円形の回転子と固定子を有している電動モータであっても、用いることが可能である。

本発明によるクランクケースガスの浄化を行うことができるガス浄化分離機の軸方向断面を示す図である。

Claims (7)

1. 内燃エンジンが発生させたクランクケースガスからそのガス中に浮遊している固体および／または液体の粒子を除去する方法であって、
   前記クランクケースガスは、回転不能なハウジング（１）のガス用の入口（８）に供給され、
   前記クランクケースガスは、前記ハウジング（１）を通して流され、かつ遠心ロータ（２）によって回転軸（Ｒ）を中心として前記ハウジング（１）内で回転させられ、
   前記遠心ロータ（２）は、前記ハウジング（１）内にて、軸方向に互いに間隔をおいて配置された２つの軸受部で、動作可能に軸支されており、
   前記遠心ロータ（２）は、円錐形の複数の分離円板の重ね合わせを含む分離装置を備えたロータ本体（４〜６）を有しており、
   前記分離円板は前記回転軸（Ｒ）と同軸に配置され、前記ロータ本体（４〜６）を通るいくつかの通路を形成し、
   浄化すべきガスは前記通路を通って流通させられ、
   前記遠心ロータ（２）は、前記通路が、その第１の端部で前記入口（８）に連通し、かつその反対側の端部で前記ハウジング（１）の出口（１０）に連通するように、前記ハウジング（１）内に配置されており、
   少なくとも前記ロータ本体（４〜６）の主要部分が、軸方向に見て前記２つの軸受部の間に配置されている、
   内燃エンジンが発生させたクランクケースガスからそのガス中に浮遊している固体および／または液体の粒子を除去する方法において、
   前記遠心ロータ（２）の一部を、前記ハウジング（１）内で電動モータの回転子（１９）としても用いることによって、前記遠心ロータ（２）が回転させられ、
   前記電動モータは、前記ハウジング（１）内に回転しないように保たれている固定子（１８）を有し、かつ前記遠心ロータ（２）を回転させるための電流が供給され、
   前記電動モータの前記回転子として用いられる部分を含んでいる前記遠心ロータ（２）は、その回転中に、前記２つの軸受部だけで軸支され続ける
   ことを特徴とする、内燃エンジンが発生させたクランクケースガスからそのガス中に浮遊している固体および／または液体の粒子を除去する方法。
2. 前記遠心ロータ（２）の、軸方向に見て前記２つの軸受部の一方の側に位置している部分を、前記電動モータの回転子（１９）として用いることを含んでいる、請求項１に記載の方法。
3. 前記遠心ロータ（２）を実質的に垂直な回転軸（Ｒ）を中心として回転させることを含んでいる、請求項１または２に記載の方法。
4. 未浄化のガス用の入口（８）と浄化済みのガス用の出口（１０）とを有する回転不能なハウジング（１）と、該ハウジング（１）内に配置された遠心ロータ（２）と、該遠心ロータ（２）を回転軸（Ｒ）を中心として回転させるように構成された電動モータとを有し、
   −前記遠心ロータ（２）は、軸方向に互いに間隔をおいて配置された２つの軸受部だけに位置する軸受（１２，１３）によって前記ハウジング（１）内に軸支されており、
   −前記遠心ロータ（２）は、円錐形の複数の分離円板（６）の重ね合わせを含む分離装置を備えたロータ本体（４〜６）を有しており、前記分離円板は前記回転軸に同軸に配置され、浄化すべきガスを流通させるために前記ロータ本体を通るいくつかの通路を形成しており、
   −少なくとも前記ロータ本体（４〜６）の主要部分が、軸方向に見て前記２つの軸受部の間に配置されており、
   −前記遠心ロータ（２）は、前記通路が、その第１の端部で前記入口（８）に連通し、かつその反対側の端部で前記出口（１０）に連通するように、前記ハウジング（１）内に配置されている、
   ガスからそのガス中に浮遊している固体および／または液体の粒子を除去するガス浄化分離機において、
   前記電動モータは前記ハウジング（１）内に配置されており、前記ハウジング（１）によって支持された固定子（１８）と、前記遠心ロータ（２）の一部で構成され、前記軸受（１２，１３）だけで前記固定子（１８）に対して軸支されている回転子（１９）とを有している
   ことを特徴とする、ガスからそのガス中に浮遊している固体および／または液体の粒子を除去するガス浄化分離機。
5. 前記電動モータの前記回転子（１９）は、前記２つの軸受部のうちの１つの、一方の側に位置しており、かつ前記ロータ本体（４〜６）の少なくとも前記主要部分は当該軸受部の他方の側に位置している、請求項４に記載のガス浄化分離機。
6. 前記遠心ロータ（２）は実質的に垂直な回転軸（Ｒ）を中心として回転するように軸支されている、請求項４または５に記載のガス浄化分離機。
7. 請求項４から６のいずれか１項に記載のガス浄化分離機を、内燃エンジンが発生させたクランクケースガスから該クランクケースガス中に浮遊している粒子を取り除くために用いる方法。

Images