CN102065968A - 用于过滤含空气的油的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于从含空气的污染油中去除固态污染物的方法和装置，其包括将油引入到将污染油分离成固相和液相的过滤器的入口，固相由过滤器保留，液相通过过滤器并通过过滤器的出口作为滤液离开。在滤液出口处添加增加的压强。由于避免了扰乱气泡，因此，该过滤更加高效。

Description

用于过滤含空气的油的方法和装置
技术领域
本发明涉及用于从含空气的污染油中去除固态污染物的方法和装置，其通过将油引入泵的入口，并将油进一步泵送到将污染油分离成固相和液相的过滤器的入口，固相由过滤器保留，液相通过过滤器并通过过滤器的出口作为滤液离开。
背景技术
众所周知使用滤油器净化包含悬浮杂质的油。主要应用是使用这种过滤器用于过滤机油，机油例如液压油以及在发动机润滑系统，诸如在齿轮和轴承中使用的油。高效过滤任何填充油的系统中的油对于延长寿命和增强性能是必要的。
DE 195 11 450(Münkel)公开一种用于在旁路支线内过滤来自液压-流体储存器的流体的旁路安装型过滤器组件，过滤器具有马达驱动泵和刚性安装的壳体，壳体由封盖封闭并容纳可替换的过滤器元件。过滤器壳体直接连接到泵，并形成如下容器，该容器设计成当更换过滤器元件时保持清洁流体，以使得可以简单地替换过滤器元件或更新过滤器，而不会出现污染过滤器下游的清洁油的任何风险。在一种实施方式中，差压计监测过滤器的入口侧和出口侧之间的压强差。如果超过特定差压值，则可利用电信号停止泵的马达。止回阀防止油从用于已过滤油的位于较高处的箱体回流。DE 195 11 450未公开或建议在油含有空气的情况下怎样解决过滤问题，油含有空气可能妨害过滤。
DE 199 33 620(Locher)公开一种用于具有旋转部件的液压操作式机器、尤其是汽车的自动变速箱的滤油器，该滤油器具有插入其内的膜以去除存在于油流中的气泡。1分米2的膜面积去除约20毫升/小时空气。这么低的能力使得这种解决方案不适于用于大规模应用中。
EP1424116(Hesterwerth等人)公开一种具有集油室的气泡分离器，该集油室用于通过设置在油上方的空气体积而给油排气。在油入口之后的入口区域内提供设置于在流动方向上彼此后方的保持板。在保持板后方流动方向上提供具有交替变化宽和窄的自由截面尺寸的流体槽。这种分离器不适于非常小的气泡的情况。
WO 99/35435(
Figure BPA00001258361100021
等人)公开一种用于在循环过程中将润滑油或液压油中的空气含量带入均衡状态的方法。通过这种方法，1.5毫米或更大数量级的气泡上升到油箱内的油表面，而较小泡在液压作用下在箱体内的水平足够高的油的底部处溶解。该压强是大约0.5巴(0.05MPa)。WO 99/35435的图4显示一种用于清洁从油箱底部处泵抽的油的过滤器。在过滤器之后是冷却器。然而，该文件未记载关于特定过滤条件的情况。
现在的机器必须快速、精确以及经济。当机器容差变得更加精细，例如约4μm并经常低于3μm时，这就提高了对诸如液压油和润滑油之类的机油的要求。由于这种尺寸的颗粒可导致长期磨损，因此将它们的数量减少到尽可能少是优选的。
举例而言，风轮机的齿轮箱用相对高粘性的油(例如40℃时320毫米2/秒的平均粘度；根据DIN 51 519的ISO VG 320)润滑。这种油可利用3μm的滤芯清洁。借助于通过这种过滤器的一个通道，通过实验室实验进行的移除大于4μm的存在颗粒，典型地降低了3至4个ISO 4406评级(例如，从级数19至16或15，参见下文表格1)。然而，实践中常发现该效率显著地低。这就表示需要若干个通过过滤器的通道以获得可接受的油清洁度。这是代价非常高的。因此，仍旧需求一种更有效的用于过滤污染油的方法。
本发明是建立在考虑了在实践中油的过滤和在实验室中的结果之间的上述差异的基础上的。在这一点上，决定分析在工作中由于油中结合了空气而引起的可能问题。这种分析的问题是要在油不仅被悬浮固体颗粒污染而且也包含溶解的空气以及气泡时，获得代表性的油样本。当采集这种样本时，气泡可以一起合并成较大泡并上升到静置的油表面。
如上所述，风轮机内的齿轮箱是用具有相对高粘度的油润滑。已发现，当风轮机工作时，空气典型地以5至20体积/体积％的量结合入油中。这些量的空气呈现为较小和较大的自由空气泡。典型地，油也包含在大气压下溶解于油中的8至12体积/体积％的空气。这些量未包括在5至20体积/体积％的气泡中。进一步发现，齿轮箱内的结合气泡被搅动从而形成非常细小的泡，产生混浊油，这看起来像泡沫。悬浮气泡可以具有小到1μm的直径。
基于这些发现，利用将空气混合进油中的小泵将实验性含空气的油制备为泡沫。利用该含空气的油泡沫，过滤结果与实践中发现的那些更加一致，即具有相似的差效率。
意识到过滤问题是由于油中的气泡含量的情况下，有人或能断定在利用上述复杂的、无效率的以及昂贵的用于这种去除的方法之一过滤之前，必需去除气泡。
然而，尤其当气泡非常细小时(由于是针对来自风轮机齿轮箱的有非常小气泡的润滑油的泡沫的场合)，这种从高粘度油中分离气泡是非常麻烦和耗费时间的。
因此，需要一种较不复杂的解决方案。
本发明的目的是提供从含空气的油、特别是润滑油或液压油中简单但仍高效去除固态污染物的方法和装置。
在本申请中，术语“含空气的油”是指具有通常看起来像泡沫的至少0.2体积/体积％的非溶解的自由空气泡量的油。
发明内容
因此，本发明涉及一种用于从含空气的污染油中去除固态污染物的方法，其包括将油引入泵的入口，并将油进一步泵送到将污染油分离成固相和液相的过滤器的入口，固相由过滤器保留，液相通过过滤器并通过过滤器的出口作为滤液离开，其中，将过滤器的出口处的滤液在确保所有空气溶解于滤液中的压强下保持。
在本说明书和权利要求中，将紧邻在过滤器后面的出口内的滤液压强也称作“背压”。该背压确保所有空气仍然被溶解，因此当油通过过滤器时，没有自由空气泡形成。
在优选实施方式中，通过在过滤器之后设置传统背压阀，来获得增加的“背压”。
借助于该背压，所有气泡或至少大部分气泡可视为溶解于油中。由于处于亚饱和油中的气泡将缓慢地溶解于该油中，因此油暴露于压强增加时的时间应该为气泡溶解于油中的时间长度。
通常，本领域技术人员不会故意地在过滤器之后提供增加的背压。然而，这是结合本发明所完成的，且意外地发现当将这种增加的压强施加到过滤器的滤液侧时，过滤效率得到本质上提高。
优选地，背压是至少0.3巴(0.03MPa)，例如至少0.4巴、0.5巴或0.6巴(0.04、0.05或0.06MPa)，更优选地为高于0.8巴(0.08MPa)，例如高于1.0巴或1.2巴(0.1或0.12MPa)，且通常不超过5巴(0.5MPa)，优选地不超过2巴(0.2MPa)，例如不超过1.8巴(0.18MPa)。
在滤液侧没有这种背压的情况下，保持空气处于溶解状态，整个过滤器上的压降导致气泡膨胀成较大体积，并且也可能释放已溶解的空气。空气的这种膨胀趋于推动待过滤的固态颗粒通过过滤器的孔或开口。以此方式，大量污染固态颗粒未有效地与油分离，并因此保留于滤液中。一旦气泡添加到油中时，则在无气泡条件下在过滤过程中截获于过滤器内的固态污染物，也趋于被释放。
整个过滤器上的压降根据所讨论的过滤器而定。发现，当滤液侧上的压强升高时，过滤器之前的压强相应地增加，并保持通过过滤器的流量。当利用背压时，整个过滤器上的压降效果并不引起气泡膨胀。可能这是因为泡中的空气在过滤器之前的压强下溶解了。
根据优选实施方式，借助于来自过滤器下游的液阻保持出口内的滤液的背压。
本发明也提供一种用于从含空气的污染油中去除固态污染物的装置，所述装置具有入口和用于滤液的管道，入口连通到泵，以将油通过管道引导至将污染油分离成固相和滤液的过滤器的入口，固相由过滤器保留，管道连接到过滤器的出口，其中，管道具有将过滤器出口处的滤液在确保所有空气溶解于滤液中的压强下保持的装置。
如上所述，在通过过滤器过程中，这种压强阻碍了气泡从油中释放。
在优选实施方式中，将滤液在这种背压下保持的装置包括位于管道内的来自过滤器下游的液阻，例如阀、孔板、或管道的窄化。
在更优选实施方式中，保持滤液的增压的装置是传统的背压阀。
本发明描绘了一种解决由待过滤的油中的气泡所引起的过滤问题的新途径。可简单地省略从油中困难地分离所结合的空气的步骤。替代地，油被加压以在过滤器的入口处、而且尤其是在过滤器的出口，部分地或全部地溶解油中的空气。以此方式，确保了空气在出口侧保持溶解于油中，且可避免可能也由于空气从溶解状态被释放所引起的小气泡的剧烈膨胀。
以此方式，在没有来自气泡的任何扰乱影响下，可高效地实施将油分离成固相和滤液的本身传统的油过滤。
有人可能想到以下绝对的想法，当油返回到机器时油中保持空气含量，可能会在机器中引起麻烦。然而，在风轮机齿轮箱的情况下，发现当使用无气泡的新鲜油时，齿轮箱内空气的结合是非常快的，在约6分钟操作内就产生具有和在污染的用过的油中一样的典型空气含量的含空气的油。
本发明的应用范围在下述附图和详细描述中呈现。然而，应该理解，该详细描述和具体举例仅包括用来例示优选实施方式，落入保护范围内的各种变化和修改对于熟悉本领域技术人员基于该详细描述将是显而易见的。
附图说明
图1是具有油过滤和滤液循环的本发明的方法和装置的示意性图示。
图2是来自于大约110小时期间试验运行的曲线图。从上面数第一个图显示在过滤器之前(PC1)和之后(PC2)的以ISO 4406评级＞4μm表达的清洁度。第二个图显示以升/小时表示的流量，第三个图显示不同时段(A到F)内过滤器之前的压强(PBF)。最下面的第四个图显示过滤器之后的作为“估计背压(estimated back pressure，BP)”的滤液压强。该BP估计为PBF以下约0.4巴(0.04MPa)。
具体实施方式
参见图1，储油器2内的污染油1在管道3内被引导到泵4。从泵4出发，油在管道5内的压强下被引导到过滤器6，过滤器6将污染油分离成固体材料和作为滤液的净化油。滤液在管道7内被引导通过阀8。阀8可为能够在过滤器6之后的管道7内提供足够背压的任何合适阀或其它液阻。举例为包括单向阀(非回流阀)、减压阀或手控阀的任何类型的调节阀，或者包括孔板或简单地为过滤器出口的窄化的另一液阻。滤液可通过管道9从阀8循环流到储油器2。图1所示的装置也具有旁路阀10，旁路阀10用于下文所述及的实验性试验运行。
泵4提供管道5内的足够压强，以克服由过滤器6和阀8引起的压降。流通过过滤器6使得压强降低，但根据本发明，过滤器之后的管道7内的背压必须足够，以在通过过滤器过程中在油内保持溶解形式的结合空气并阻碍气泡从油中释放。因此，空气将首先在阀8之后释放。根据油内的实际空气含量和油的类型，管道7内的背压应该优选地为高于0.3巴(0.03MPa)，更优选地为高于0.8巴(0.08MPa)，例如高于1.2巴(0.12MPa)，且通常不超过5巴(0.5MPa)，优选地不超过2巴(0.2MPa)，例如不超过1.8巴(0.18MPa)。
举例
试验进程
已在如图1所示设置的自动试验台上进行了实验，以确定当过滤油时形成泡沫的空气(froth-forming air)的效果。过滤器是3μm纤维素基深度的过滤器(具有CJC滤芯BG 15/25的CJC精细过滤器HDU15/25PV；可在丹麦Svendborg的C.C.Jensen A/S获得)。这种过滤器由若干个堆叠并结合在一起的碟片构成。该材料基本上为纤维素。滤芯具有3μm绝对过滤精度(filtration degree)和0.8μm的名义过滤精度。这就意味着所有大于3μm的固体颗粒中的98.7％和所有大于0.8μm的颗粒中的大约50％在一次过滤中被保留。
给试验台装备以可控油流量、精确温控、测量过滤器之前压强、以及过滤器之前和之后的颗粒含量的精确传感器。
在每次试验之前，将60升被污染的齿轮油(Mobilgear SHC XMP 320，具有40℃时320毫米2/秒的平均粘度；根据DIN 51 519的ISO VG 320)添加到储油器。形成泡沫的气泡与位于旋转齿轮泵吸入侧的渗漏物以人工方式结合。非溶解的气泡总量为约10体积/体积％。当在室温下静置时，这种人工制备的相当于基于斯托克斯定律(Stokes law)估计的约40μm泡尺寸的泡沫在约10小时之后变得清楚。该观察结果与来自风轮机齿轮箱的污染油所观察到的结果相似。
该试验是以45升/小时的流量在50℃下实施。在过滤器之前的脏污侧上用一种颗粒计数器(PC1)，并在过滤器的清洁侧上用另外的颗粒计数器(PC2)测量，对每毫升大于4μm的颗粒数量根据ISO 4406评级测量清洁度。
过滤器之后的压强即背压(BP)是利用阀10打开(BP～大气压)或关闭而可调整的，在关闭情况下压强由止回阀8决定。仅测量过滤器之前的压强。在打开阀10的情况下，该压强是0.4巴(0.04MPa)，与整个过滤器上的压降对应。基于以下报告的试验运行，整个过滤器上的压降可视为几乎恒定在约0.4巴(0.04MPa)。
表1显示根据ISO 4406的每毫升的颗粒数量：
表1
Figure BPA00001258361100071
结果
试验运行1
图2(从上面数第一个图)显示从约24小时的多个时段内各自具有不同液阻的试验运行中得到的在过滤器之前的脏污侧处(PC1)、以及在过滤器之后的清洁侧处(PC2)对大于4μm的颗粒根据ISO 4406评级的清洁度相对于时间的结果。图2(第二个图)显示以升/小时表示的油的流量，图2(第三个图)显示以巴(＝0.1MPa)表示的泵和过滤器之间的压强(过滤器之前的压强；PBF)；以及第四个图显示以巴表示的作为“估计背压”(BP)的过滤器之后的压强。阀10在第一时段(A)和最后一个时段(F)打开，在打开过程中，在这两种情况下，过滤器之前的压强(PBF)为约0.4巴(0.04MPa)，这表示在试验运行中，整个过滤器上的压降并未改变。
在阀10打开的第一时段(A)之后，通过关断阀10和调节阀8形成背压(BP)。
从图2中呈现，在时段(B)中，背压(BP)是1.75巴(0.175MPa)，且清洁度通过从19到11降低8个ISO 4406评级等级而改善。在时段(D)中，背压(BP)是0.065巴(0.065MPa)，且清洁度通过从19到14降低5个ISO 4406评级等级而改善。在无背压的最后时段(F)中，清洁度从19到18～17仅降低了1或2个的ISO 4406评级等级。
从图2呈现进一步的细节。
如从表1中呈现的，从19到14的下降(时段D)对应着从每毫升2500～5000颗粒到每毫升80～160颗粒的下降。
试验运行2
实施了另一试验运行，以最初2个小时内背压(BP)为0.05巴(0.005MPa)开始，然后在后续的6个小时内背压为0.8巴(0.08MPa)。在最初2个小时内的低背压(BP＝0.005MPa)条件下，过滤器的脏污侧和清洁侧处的清洁度之差仅为约0.2个ISO等级，而在试验的末端，增大的背压(BP＝0.08MPa)使得滤液的清洁度非常明显的提高，对于过滤器之前的ISO 4406评级高于11(＝10至20个颗粒/毫升)的滤液具有低于8(＝每毫升1.3至2.5个大于4μm的颗粒)的ISO 4406评级。
由于增大的压强，过滤器壳体内的油变得更清楚和像油状，这表示形成泡沫的气泡溶解在油中了。
试验运行3
进行了另一试验，以0.8巴(0.08MPa)的背压开始。在2个小时之后，背压增大到2.0巴(0.2MPa)。在第一时段内，过滤器的脏污侧和清洁侧处的清洁度之差在有背压(BP＝0.08MPa)情况下为约4个ISO等级。在具有增大背压(BP＝0.8MPa)的第二时段内，清洁度进一步降低约3个ISO等级，对应于比原来清洁了8倍的清洁度，是相当大的改善。
实施本发明的最佳模式
本发明的方法和装置尤其用于去除粘性润滑油中的固态污染物，其在使用过程中以高剪切搅拌(high shear agitation)形成泡的作用下从周围大气中吸收空气，导致细小气泡在油中分散(起泡沫)。这种润滑油的举例是来自风轮机的用过的齿轮油。
本发明的以上描述显示显然可以很多方式改变本发明。这些变化不视为脱离了本发明的范围，对熟悉本领域技术人员显而易见的所有这些修改也视为为所附权利要求的范围所涵盖。

Claims (13)

1.一种方法，用于从含空气的污染油中去除固态污染物，包括将所述油引入泵的入口，并将所述油进一步泵送到将所述污染油分离成固相和液相的过滤器的入口，固相由所述过滤器保留，液相通过所述过滤器并通过所述过滤器的出口作为滤液离开，其中，将所述过滤器的出口处的滤液在确保所有空气溶解于所述滤液中的压强下保持。
2.根据权利要求1所述的方法，用于从含空气的污染油中去除固态污染物，包括将所述油引入泵的入口，并将所述油进一步泵送到将所述污染油分离成固相和液相的过滤器的入口，固相由所述过滤器保留，液相通过所述过滤器并通过所述过滤器的出口作为滤液离开，其中，将所述过滤器的出口处的滤液在至少0.3巴(0.03MPa)的背压下保持。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，借助于来自所述过滤器下游的液阻来保持所述出口处的所述过滤器的背压。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述过滤器出口侧处的液阻由阀、孔板、或所述过滤器出口的窄化来提供。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述含空气的油是润滑油。
6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在使用过程中，所述油在结合空气之前具有根据DIN 51 519在40℃下介于200和1000毫米2/秒之间的平均粘度。
7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，将所述过滤器的出口处的滤液在0.3巴(MPa)至5巴(0.03至0.5MPa)的压强下保持。
8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，将所述过滤器的出口处的滤液在0.8巴(MPa)至2巴(0.08至0.2MPa)的压强下保持。
9.一种装置，用于从含空气的污染油中去除固态污染物，具有入口(3)以及用于滤液的管道(7)，所述入口(3)连通到泵(4)，以将油通过管道(5)传递至将所述污染油分离成固相和滤液的过滤器(6)的入口，固相由所述过滤器保留，管道(7)连接到所述过滤器的出口，其中，所述管道(7)具有将所述过滤器出口处的滤液在确保所有空气溶解于所述滤液中的压强下保持的装置(8)。
10.根据权利要求9所述的装置，用于从含空气的污染油中去除固态污染物，具有入口(3)以及用于滤液的管道(7)，所述入口(3)连通到泵(4)，以将油通过管道(5)传递至将所述污染油分离成固相和滤液的过滤器(6)的入口，固相由所述过滤器保留，管道(7)连接到所述过滤器的出口，其中，所述管道(7)具有将所述滤液在至少0.3巴(0.03MPa)压强下保持的装置(8)。
11.如权利要求9所述的装置，其中，所述装置(8)包括位于所述管道(7)内的来自所述过滤器(6)下游的液阻。
12.如权利要求9所述的装置，其中，所述装置(8)包括阀、孔板、或所述管道(7)的窄化。
13.如权利要求12所述的装置，其中，所述装置(8)是背压阀。
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