CN105392566A - 过滤装置及从流体除去磁性粒子的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明关于一种用于分离流体和磁性粒子的改良的磁性过滤装置(1)。本发明同样关于一种特别通过使用根据本发明的装置(1)用于分离流体和磁性粒子的方法。

Description

过滤装置及从流体除去磁性粒子的方法
技术领域
本发明关于一种从流体中除去磁性粒子的过滤装置。本发明同样关于一种特别通过使用根据本发明的装置从流体中除去磁性粒子的方法。
背景技术
磁力分离器也称为磁力过滤器，为众所周知并且其中一个目的为用于从水、冷却流体和油中除去磁性金属粒子。此目的是将磁铁与存在液态流体的金属粒子接触,该金属粒子或至少一些金属粒子将会粘附到磁铁，藉此去除液体中的金属粒子。然而需要清洗磁铁以防止磁力分离器阻塞并且让磁铁保持所需要的吸引作用。由于金属粒子粘附到磁铁，致使磁场线通常会穿过这些粘附的金属粒子，从而在金属粒子未沾附的方向上减弱了磁吸力。然而清洗磁铁相对地困难,在手动清洗的情况下，磁铁通常从液态流体中移动并通过刮擦而被清洗，这是耗费劳力的。由于磁铁与被磁铁紧紧抓住的被捕获粒子之间产生的相对强磁力，通过机械装置自动清洗磁铁相对困难并且通常必须通过使用液压辅助装置而进行。手动清洗的劳动密集型保养以及自动清洗必然的复杂、昂贵的技术辅助装置,使得磁铁的清洗相对昂贵。
发明内容
本发明目的是提供一种改善的，尤其相对有效率的从流体中除去磁性粒子的装置。
为此目的，本发明提供一种前言中所述类型的过滤装置，其包括：至少一个中心轴，至少一个围绕该中心轴的蜗杆，其中蜗杆的至少部分内侧实质紧密地安装到延长轴的至少部分外壁上。至少一个围绕蜗杆的外壳，其中该外壳的至少部分内壁实质紧密地安装到蜗杆的至少部分外侧上，藉此在装置中形成螺旋通道；其中该外壳提供有连接至螺旋通道用于供给携带磁性粒子的流体的一供给口，以及提供有连接至螺旋通道用于排放至少部分净化的磁性粒子的流体的一排放口，并且其中该装置进一步包括至少一个磁铁，用于在螺旋通道中产生磁场使得粒子沉积在外壳的内壁上及/或中心轴的外壁上，并且其中为了能够将沉积的铁磁性金属粒子在轴向方向上传输，蜗杆在一方面以及外壳及/或中心轴在另一方面相对于彼此旋转，较佳是(共)轴向旋转。根据本发明的过滤装置同样可以称为改良式磁力分离器。所述改良基于应用了蜗杆，例如阿基米得螺旋，蜗杆相对于外壳及/或中心轴轴向旋转从而在流体通过螺旋(或)通道期间连续或半连续地刮擦清洗外壳的内壁及/或中心轴的外壁，其中沉积的铁磁性金属粒子可以在需要的轴向方向上传输并且随后被排出。这样沉积的金属粒子在过滤装置的正常使用期间可以相对有效的方式被排出。因此可以预防过滤装置堵塞，尤其是螺旋通道；另一方面可以保证产生的磁场继续穿过流体以能够捕获更远的铁磁性金属粒子。只有可以被磁化(可磁化的)的粒子能够借助于所应用的一个或多个磁铁而被捕获,这些通常是铁磁性质的金属粒子,其有四种铁磁元素，即，铁、镍、钴和钆。钕和镝在非常低温度时具有铁磁性。然而还存在有更多的铁磁合金，并且是具有磁性的烧结材料，例如铁素体(ferrite)，其包括一种以上的上述元素。AISI400系列的不锈钢类型和双相不锈钢类型同样是可以磁化的，并且其粒子同样可以借助于根据本发明的过滤装置而被捕获。金属粒子与可磁化粒子等术语在本申请说明书的上下文中视为等效。金属粒子可以具有按照一个或几个微米量级为顺序的小直径，但同样可以更大并且例如甚至可以由磁化的螺栓和螺母形成。通常可以使用过滤装置以净化工业液态流体,尤其是水流中的金属粒子(铁磁性)。这些金属粒子通常来自于材料加工机器的使用，例如铣削和钻孔过程中产生的金属碎片和金属屑；因此一般用来作为冷却液的流体、水在冷却机器期间充塞了金属粒子。其他类型的流体，例如油甚至气体同样可以用于过滤装置来代替水,因此分散有磁化粒子的流体是多样性的。为了使得金属粒子能够最有效地从流体中被除去，有利的方式是使流体在与沉积的金属粒子在相反于其被传输和排放的方向上被引导通过螺旋通道。
尽管可以设想将一个或多个电磁铁做为磁铁，但从财务视角来看通常建议使用一个或多个永磁铁。有利的是将至少一个磁铁安置到中心轴中,这确保了铁磁性金属粒子将被沉积在中心轴的外壁上，其通常有助于过滤装置的清洗。更优选的是将多个磁铁安置在中心轴中,这样磁场可以受到控制的方式在轴向方向上延伸，藉此使得更多粒子尤其是铁磁性金属粒子从流体尤其是液态流体中被除去。这里特别有利的是将多个磁铁以交替连续的方式定位，藉此在磁铁之间形成等效磁极。相邻的磁铁据此被设置为以相同磁极(北(N)或南(S))朝向彼此，藉此采用例如以下的磁铁配置：((N-S)-(S-N))n，其中n≥1。较佳设置一个或多个磁铁,使得磁场线在外壳的供给口和排放口之间延伸，这样在沿排放口方向移动期间粒子不会经过任何磁极转换。因此以此方式施加在粒子上的磁力在供给口和排放口之间的相同方向上较佳以实质上连续的方式起作用，藉此磁场线有助于而不会阻碍移动。在此实施例变型中，有效磁极一方面定位在背离排放口的供给口一侧,另一方面定位在背离供给口的排放口一侧,在此情况下在供给口和排放口之间将不存在磁极转换。为了能够在金属粒子上施加足够的吸引力以便从液态流体中提取金属粒子,这些等效磁极处的磁通密度较佳总计为至少5000高斯(0.5T),因为金属粒子往往特别沉积在磁极上或磁极周围，磁铁的这个特别配置产生了由金属粒子形成并且在中心轴(或外壳上)可见的沉积线。磁铁的长度在此刻意受到限制以使在一相对短距离(1-3cm)上具有彼此接替的磁极。对于部分中心轴尤其是中心轴的外端更有利的是不提供磁铁,使其可以借助于蜗杆将附着的金属粒子移动至没有磁铁的部分,金属粒子在该没有磁铁的部分可以相对容易地从中心轴被移除。
尽管可以设想蜗杆与外壳利用夹紧配合而彼此接合，但较佳使蜗杆与外壳彼此坚固地连接,这有助于两个构件的相互固定。由于外壳和蜗杆通常由金属尤其为不锈钢或塑料制造，故蜗杆和外壳可以借助于焊接而相互连接。蜗杆和中心轴相互紧紧配合且较佳在彼此上产生偏压,这样防止了蜗杆和中心轴之间形成间隙，藉此蜗杆能够刮净中心轴的外壁并且以相对可靠的方式移动其上沉积的金属粒子。这个相互接合较佳必须尽可能的预防对蜗杆和中心轴造成损害,因此有利的是通过应用一弹性(韧性)密封材料而进行相互接合。这个密封材料可以形成中心轴及/或蜗杆的集成部分；尽管密封材料较佳设置为蜗杆内侧上的单独层及/或中心轴外壁上的单独层。这使得使用更强劲、更坚固的材料来制造蜗杆和外壁成为可能，例如金属及/或(硬)塑料，较佳为聚四氟乙烯(PTFE)，也称为特氟纶。密封材料通常由塑料及/或陶瓷制造；密封材料可以作为密封层粘到中心轴；也可能设想借助于收缩或借助于直接涂布将密封层设置在中心轴周围。
中心轴较佳具有实质上圆形的横截面,这个横截面较佳在轴向方向上实质恒定，藉此中心轴采取实质上为圆柱形的形状,这使得蜗杆更容易接合中心轴。中心轴本身不需要位于由外壳的纵轴向所定义的装置的中心，同样可以在某种程度上偏心定位。在中心轴偏心定位的情况下，中心轴和围绕中心轴的外壳之间的距离将不会恒定。由于这个相互距离由蜗杆填充，所以蜗杆同样具有在蜗杆圆周方向上变化宽度的螺旋叶片。然而对于制造而言所述的构造通常相对昂贵,通常推荐的是通过将中心轴定位在蜗杆的中心而保持构造相对简单,在这里外壳与中心轴同轴定位；在这里中心轴与外壳之间的最短距离通常位于2厘米和5厘米之间,在这样的距离上，实质上整个螺旋通道经受磁场，而通道仍然可以足够大。
如上所述，外壳较佳在端面提供有用于借助蜗杆在端面方向上传输金属粒子的一排放口,这个端面较佳由一底面形成，藉此金属粒子在朝向下方的方向上传输，因此在重力方向上传输通常使其提高了(金属)粒子经由排放口从液态流体中的分离。所述排放口通常借助于至少一个关闭阀可以被闭合,最好是两个关闭阀；藉此足够的金属粒子在经由排放口被排放之前先被捕获。
过滤装置较佳配置为外壳和蜗杆以固定方式设置，并且其中中心轴设置为轴向旋转；在这里中心轴较佳配置为与能够使中心轴轴向旋转的电机共同动作。电机通常定位在中心轴上方；电机通常经由传动装置与中心轴共同动作。电机驱使中心轴旋转的转数可以改变，但较佳每分钟位于2转和10转之间。对于中心轴有利的是在轴向方向上为可移动的以允许纵向上的热膨胀，藉此尽可能预防宽度方向上的热膨胀。外壳较佳配置用于固定安装在一支撑结构,尤其为支撑架上。
在较佳实施例中，该装置提供有用于在螺旋通道中产生湍急水流的湍流产生装置。一般而言在螺旋通道中产生的湍流增强了磁铁捕获铁磁性金属粒子的能力。湍流产生装置能够以各种方式来实施并且可以例如通过具体化供给口及/或排放口而形成，其中供给口及/或排放口连接至外壳使得液体流以一个角度例如切向地被供给至外壳或从外壳排出。这迫使液态流体穿过一个或多个角度(急转弯)，藉此生成湍流。另外，也可以设想在螺旋通道中放置一个或多个障碍物，例如挡板，藉此生成湍流。湍流同样可以通过蜗杆的成形而产生，例如通过具有在纵向方向上变化的蜗杆节距而产生。通常还更有利的是螺旋通道中的液态流体不是层流或湍流性质的而是旋转性质的，其中流体被导向为远离顶部的磁铁并且导向底部的磁铁。重力确保了粒子在通道中沿底部方向移动并且旋转的流体沿磁铁的方向传输这些粒子。
本发明同样关于一种特别通过使用根据本发明的过滤装置从流体中除去磁性粒子的方法，该方法包括步骤：A)引导携带磁性粒子的流体通过一螺旋通道，该螺旋通道以若干侧壁和其间延伸的蜗杆为边界，B)使携带磁性粒子的流体经受该螺旋通道中的磁场，藉此至少一些粒子抵靠该螺旋通道的侧壁沉积，以及C)使蜗杆和至少一个侧壁相对于彼此轴向旋转，藉此沉积的粒子在轴向方向上被传输。其优势和实施例变化已经在前面做了详细的说明。该方法较佳还包括步骤D)，包括将借助于蜗杆传输的沉积(金属)粒子排放掉。这使得金属粒子被完全从流体中分离出来而提高了流体的净化。螺旋通道的内侧较佳以中心轴为边界，并且其中中心轴在步骤C)期间轴向旋转；较佳借助于电机进行旋转。上述步骤A)-C)较佳同时执行，藉此流体的净化，即磁性粒子和流体的分离、与粒子的运走(较佳为排放)同时进行。这使得根据本发明作为一个持续的过程来执行该方法成为可能。
附图说明
基于以下附图中显示的非限制性示例实施例阐述本发明。其中：
图1是根据本发明的过滤装置的透视图，
图2是根据图1的过滤装置的剖视图，
图3显示根据图2沿线A-A的过滤装置的横截面，以及
图4显示根据图2沿线B-B的过滤装置的横截面。
具体实施方式
图1是根据本发明的过滤装置1的透视图。该过滤装置1也被称为磁力分离器或磁力过滤器。该过滤装置1包括一可旋转的中心轴2，围绕该中心轴2设置与中心轴2啮合的一固定蜗杆3(阿基米得螺旋)，其中该蜗杆3在外周侧上借助于局部(半连续)焊接而连接至外壳4。外壳4全面包围蜗杆，尽管为了显示蜗杆3和中心轴2,外壳4在图1中被部分省略。外壳提供有用于处理携带金属粒子的水的一供给口5和在更高位置排放至少部分净化水的一排放口6。外壳4的上端表面4a耦合至用于使中心轴2轴向旋转的一电机7。如顶视图中所示，中心轴2的旋转方向为顺时针。外壳4的下端表面4b提供有一关闭阀8，关闭阀8借助于气动控制组件9可以选择性地打开和关闭。关闭阀8用于排放金属粒子，如下将进一步阐明。中心轴2的芯提供有多个永磁铁10(见图3和图4)，所述永磁铁10交替地设置以能够在相邻磁铁之间形成等效磁极。中心轴2的外壁2a由不锈钢制成，蜗杆3和外壳4同样由不锈钢制成。中心轴2的外壁2a利用由特氟纶制成的薄膜层11(见图3和图4)全面覆盖。薄膜层11密封蜗杆3与中心轴2之间可能的空间,此外薄膜层11足够光滑以在与固定蜗杆3啮合期间允许中心轴2轴向旋转。外壳4、蜗杆3以及心轴2相互封闭一螺旋(螺旋形的)通道12，供给口5与排放口6都连接至螺旋通道12。由外壳4与中心轴2之间的相互距离所形成的螺旋通道12的宽度较佳使得磁铁10所产生的磁场线遍布通道12的整个宽度。在此示例性实施例中，这个宽度总计大约3厘米。外壳4的长度总计大约60厘米。中心轴2的直径总计大约4厘米。每个磁铁的高度总计大约1.5厘米。在此示例性实施例中，在两个磁铁之间的等效磁极处的最大磁通密度总计大约7000高斯。具有长度大约为6.5厘米的中心轴2的下部没有提供磁铁。蜗杆3在外壳中旋转5次，这总计大约12厘米的节距。电机7配置为以每分钟大约5.7转的旋转速度来旋转中心轴2。在非限制性示例实施例中显示的过滤装置1适用于每小时处理最多10m3的加工水。
过滤装置1的操作可以说明如下。携带金属粒子的加工流水借助于泵(未显示)经由供给口5注入到过滤装置1中。此加工水将穿过螺旋通道12并且经由排放口6从过滤装置1排出。当加工水流过螺旋通道12时，电机7将轴向旋转中心轴2。由于在中心轴中存在永磁铁10，加工水中存在的铁磁性金属粒子将被磁铁10所吸引并且将沉积在中心轴2上，或者至少沉积在围绕中心轴2的薄膜层11上。由于中心轴2的轴向旋转，从而薄膜层11轴向旋转，沉积的金属粒子被蜗杆3沿向下方向推动。在这个向下移动期间，金属粒子将移动经过薄膜层11的表面直到金属粒子不再被中心轴2的下部中的磁场线吸引。关闭阀8借助于气动控制组件9可以周期性地操作，藉此金属粒子可以从过滤装置1中排出。第二关闭阀(未显示)定位在关闭阀8下面的一段距离处。在此示例实施例中，在流体通过过滤装置1期间上关闭阀8是打开的，并且下关闭阀定位在关闭位置。在流体通过过滤装置1期间金属粒子被捕获并且传输到两个关闭阀之间形成的一排放室。可以借助于传感器(未显示)来探测排放室是否充分充满了金属粒子；如果确实是这种情况，那么上关闭阀8关闭并且下关闭阀打开以从过滤装置1中释放并移走金属粒子。这里可以使用压缩的空气和水来使得加快清空排放室。在清空排放室之后，下关闭阀再次定位在关闭位置并且上关闭阀8定位在打开位置。在这个过程中不需要关闭泵，藉此流体通过过滤装置1且进而示例实施例中水流与金属粒子的分离可以以连续的方式发生。在相反方向上的加工水净化和捕获的铁磁金属粒子的传输从而可以被同时执行。考虑到完整性需要注意的是电机7没有显示在图2-图4中。图4进一步显示可以选择给供给口5提供一横向(切向)入口以在加工水中形成湍流，这通常将提高对磁性或磁化金属粒子的捕获。相同的措施可以应用在加工水用的排放口6。
本发明显而易见并不局限于在此显示和说明的示例实施例，但附加权利要求范围中各种变化是可能的，其对本领域技术人员显而易见。

Claims (27)

1.一种从流体中除去磁性粒子的过滤装置，其包括
至少一个中心轴，
至少一个围绕该中心轴的蜗杆，其中该蜗杆的内侧实质紧密地安装到延长轴的外壁上，
至少一个围绕该蜗杆的外壳，其中该外壳的内壁实质紧密地安装到该蜗杆的外侧上，藉此在装置中形成一螺旋通道，其中该外壳提供有连接至该螺旋通道用于携带磁性粒子的流体的一供给口，以及提供有连接至该螺旋通道用于排放至少部分净化的磁性粒子的流体的一排放口，以及
其中该过滤装置进一步包括至少一个磁铁，用于在该螺旋通道中产生磁场使得粒子沉积在该外壳的内壁上及/或该中心轴的外壁上，并且其中为了能够将沉积的粒子在轴向方向上传输，该蜗杆在一方面以及该外壳及/或该中心轴在另一方面相对于彼此旋转。
2.根据权利要求1所述的过滤装置，其特征在于，至少一个磁铁安置到该中心轴中。
3.根据权利要求2所述的过滤装置，其特征在于，多个磁铁安置到该中心轴中。
4.根据权利要求3所述的过滤装置，其特征在于，多个磁铁以交替连续的方式定位，藉此在所述磁铁之间形成等效磁极。
5.根据权利要求3或4所述的过滤装置，其特征在于，部分该中心轴没有提供所述磁铁。
6.根据上述权利要求中任何一项所述的过滤装置，其特征在于，该蜗杆坚固地连接至该外壳。
7.根据上述权利要求中任何一项所述的过滤装置，其特征在于，该蜗杆与该中心轴以实质密封的方式彼此连接。
8.根据权利要求7所述的过滤装置，其特征在于，该蜗杆的内侧提供有一密封层。
9.根据权利要求7或8所述的过滤装置，其特征在于，该中心轴的外壁提供有一密封层。
10.根据权利要求9所述的过滤装置，其特征在于，该密封层粘附到该中心轴。
11.根据权利要求9或10所述的过滤装置，其特征在于，该密封层至少部分由聚四氟乙烯(PTFE)制成。
12.根据上述权利要求中任何一项所述的过滤装置，其特征在于，该中心轴定位于该蜗杆中心。
13.根据上述权利要求中任何一项所述的过滤装置，其特征在于，该中心轴采用伸长的形状。
14.根据上述权利要求中任何一项所述的过滤装置，其特征在于，该中心轴由不锈钢制成。
15.根据上述权利要求中任何一项所述的过滤装置，其特征在于，该外壳实质上垂直定位。
16.根据上述权利要求中任何一项所述的过滤装置，其特征在于，该外壳在一端面上提供有借助该蜗杆在端面方向上传输金属粒子的一排放口。
17.根据权利要求16所述的过滤装置，其特征在于，用于排放金属粒子的该排放口是能够关闭的。
18.根据权利要求16或17所述的过滤装置，其特征在于，用于排放金属粒子的该排放口定位在该外壳的下端表面。
19.根据上述权利要求中任何一项所述的过滤装置，其特征在于，该中心轴配置为与使该中心轴轴向旋转的电机共同动作。
20.根据上述权利要求中任何一项所述的过滤装置，其特征在于，该外壳配置为固定安装在一支撑结构上，尤其是一支撑架上。
21.根据上述权利要求中任何一项所述的过滤装置，其特征在于，该中心轴与该外壳之间的最短距离介于2厘米和5厘米之间。
22.根据上述权利要求中任何一项所述的过滤装置，其特征在于，该中心轴能够在轴向方向上移动。
23.根据上述权利要求中任何一项所述的过滤装置，其特征在于，该过滤装置提供有用于在该螺旋通道中产生湍急水流的湍流产生装置。
24.一种特别通过使用上述权利要求中任何一项所述的过滤装置分离磁性粒子与流体的方法，该方法包括步骤：
A)引导携带磁性粒子的流体通过一螺旋通道，该螺旋通道以若干侧壁和延伸其间的蜗杆为边界，
B)使携带磁性粒子的流体经受该螺旋通道中的磁场，藉此至少一些粒子抵靠该螺旋通道的侧壁沉积，以及
C)使该蜗杆和至少一个侧壁相对于彼此轴向旋转，藉此沉积的粒子在轴向方向上被传输。
25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，该方法还包括步骤D)，包括将借助于该蜗杆传输的沉积粒子排放掉。
26.根据权利要求24或25所述的方法，其特征在于，该螺旋通道的内侧以该中心轴为边界，并且其中该中心轴在步骤C)期间轴向旋转。
27.根据权利要求24-26中任何一项所述的方法，其特征在于，步骤A)-C)同时执行。
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