CN111001225A - 具有定向的液体排放口和气体出口的旋转聚结元件 - Google Patents

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Abstract

描述了具有喷射聚结液体分离装置的旋转聚结器。该分离装置防止液体重新夹带到已过滤气体气流中。旋转聚结器包括定位在旋转聚结器壳体内的旋转过滤元件或聚结锥形板叠。旋转过滤元件的外表面或聚结锥形板叠的出口从旋转聚结器壳体的内表面移开。旋转过滤元件或聚结锥形板叠与旋转聚结器壳体之间的间隙允许诸如油的喷射的聚结液体积聚在旋转聚结器壳体壳体的内表面上以用于排放并且允许已过滤的气体例如空气，通过旋转聚结壳体的清洁气体出口排出。

Description

具有定向的液体排放口和气体出口的旋转聚结元件
本申请是申请日为2016年8月26日、申请号为“201680048211.X”、名称为“具有定向的液体排放口和气体出口的旋转聚结元件”的专利的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求施万特(Schwandt)等人于2015年8月28日提交的申请号为62/211,538、标题为“具有定向的液体排放口和气体出口的旋转聚结元件(ROTATING COALESCINGELEMENT WITH DIRECTED LIQUID DRAINAGE AND GAS OUTLET)”的美国临时专利申请的优先权，其内容出于所有目的通过引用整体并入本文。
技术领域
本申请涉及旋转聚结元件。
背景技术
在内燃机的运行过程中，一部分燃烧气体可以从燃烧气缸中流出并流入发动机的曲轴箱中。这些气体通常被称为“窜漏”气体。窜漏气体包括气溶胶、油和空气的混合物。如果窜漏气体直接排放到环境中可能会危害环境。因此，窜漏气体通常通过曲轴箱通风系统从曲轴箱排出。曲轴箱通风系统可将窜漏气体通过聚结器(即，聚结过滤元件)以去除窜漏气体中所包含的大部分气溶胶和油。聚结器包括过滤介质。然后将过滤后的窜漏气体(“清洁”气体)排放到环境中(在开放的曲轴箱通风系统中)，或者返回到内燃机的进气口用于进一步燃烧(在封闭的曲轴箱通风系统中)。
一些曲轴箱通风系统使用旋转聚结器，其通过在过滤期间旋转过滤介质来提高聚结过滤元件的过滤效率。在旋转式滤芯中，在滤芯的过滤介质内部通过惯性撞击、拦截、扩散和重力的颗粒捕获机制将污染物(例如，通过窜漏气体悬浮和输送的油滴)分离到纤维上。通过旋转过滤介质，附加的离心力增强了惯性冲击和重力。另外，滤芯的旋转可以产生泵送效果，这减少了通过过滤系统的压降。旋转式滤芯可包括纤维过滤器以及离心分离装置。
由旋转引起的离心力倾向于沿过滤介质的整个轴向高度喷射聚结的液滴。根据喷射位置和旋转速度，分离的液滴可以被再次夹带到已经过滤的空气的气流中。此外，喷射的液滴可在不期望的区域聚集在聚结器壳体的静止表面上。旋转聚结器的液体携带的增加可能降低过滤系统的效率。此外，由于聚结的液滴朝向出口直接喷射，增加的液体携带可能使得很难将聚结器壳体的气流出口直接定位在旋转聚结器外径的对面。
发明内容
一个示例性实施例涉及一种过滤系统。所述过滤系统包括具有入口和出口的过滤系统壳体。旋转聚结元件定位在过滤系统壳体内并与所述入口和所述出口流体连通。旋转聚结元件配置为从通过所述入口接收的流体中分离悬浮液体。所述旋转聚结元件包括第一端板、第二端板和位于所述第一端板与所述第二端板之间的聚结装置。所述旋转聚结元件还包括在第一端板和第二端板之间延伸并且联接至第一端板和第二端板的旋转聚结器壳体。所述旋转聚结器壳体从所述聚结装置的外表面径向地移开(displaced)，使得在旋转聚结器壳体的内壁和聚结装置的外表面之间存在间隙。旋转聚结器壳体包括邻近第一端板的清洁气体出口和邻近第二端板的液体出口。所述旋转聚结器壳体包括靠近气体出口的周向环，所述周向环防止积聚在内壁上的分离的液体通过清洁气体出口。
另一个示例性实施例涉及一种旋转聚结元件。所述旋转聚结元件配置成从流体分离悬浮液体。所述旋转聚结元件包括第一端板、第二端板和位于第一端板与第二端板之间的聚结装置。所述旋转聚结元件还包括在第一端板和第二端板之间延伸并且联接至第一端板和第二端板的旋转聚结器壳体。所述旋转聚结器壳体从聚结装置的外表面径向地移开，使得在所述旋转聚结器壳体的内壁和所述聚结装置的外表面之间存在间隙。所述旋转聚结器壳体包括邻近第一端板的清洁气体出口和邻近第二端板的液体出口。所述旋转聚结器壳体包括位靠近所述气体出口的周向环，所述周向环防止积聚在内壁上的分离的液体通过清洁气体出口。
从以下结合附图的详细描述中，这些和其他特征以及其组织和操作的方式将变得明显，其中在下面描述的几个附图中相同的元件具有相同的标号。
附图简要说明
图1示出了根据一个示例性实施例的过滤系统的剖视图。
图2示出了图1的过滤系统的旋转过滤元件的剖视图。
图3示出了图1的过滤系统的旋转过滤元件的透视图。
图4示出了图1的过滤系统的旋转过滤元件的另一个透视图。
图5示出了图1的过滤系统的旋转过滤元件的另一个剖视图。
图6是根据一个示例性实施例的旋转聚结元件的剖视图。
图7是根据另一个示例性实施例的旋转过滤元件的剖视图。
具体实施方式
总体上参照附图，描述了具有喷射聚结液体分离装置的旋转聚结器。分离装置防止液体重新夹带到已经过滤的气体流中。旋转聚结器包括定位在旋转聚结器壳体内的旋转过滤元件或聚结锥形板叠(cone stack)。旋转过滤元件的外表面(即清洁侧)或聚结锥形板叠的出口从旋转聚结器壳体的内表面移开。旋转过滤元件或聚结锥形板叠与旋转聚结器壳体之间的间隙允许诸如油的喷射的聚结液体积聚在旋转聚结器壳体的内表面上以用于排泄，并允许过滤的气体(例如空气)通过旋转聚结器壳体的清洁气体出口排出。在一些布置中，旋转聚结器壳体包括防止积聚的液体流过清洁气体出口的肋片。在另外的布置中，旋转聚结器壳体的内表面倾斜以帮助排出积聚的液体。
参考图1，示出了根据示例性实施例的过滤系统100的剖视图。过滤系统100包括具有入口104和出口106的过滤系统壳体102。过滤系统壳体102是静止的壳体。入口104接收待过滤的流体，例如曲轴箱窜漏气体，出口106将已过滤的流体输出至诸如内燃机(例如柴油内燃机)的系统。过滤系统100包括旋转过滤元件108。旋转过滤元件108是旋转聚结元件。旋转过滤元件108包括过滤介质110。图1中所示的过滤介质110被布置成圆柱形状。过滤介质110是聚结的纤维过滤介质。旋转过滤元件108包括第一端板112和第二端板114。过滤介质110位于第一端板112和第二端板114之间。在一些布置中，过滤介质110被密封到第一端板112和第二端板114。旋转过滤元件108还包括旋转聚结器壳体116。旋转聚结器壳体116在第一端板112和第二端板114之间延伸并且联接到第一端板112和第二端板114。旋转聚结器壳体116从过滤介质110的外表面径向移开(displaced)。通常，旋转过滤元件108分离流体中的悬浮液体。在过滤系统100是曲轴箱通风系统的布置中，旋转过滤元件108分离悬浮在曲轴箱窜漏气体中的油和气溶胶。下面参考图2至图7进一步详细描述旋转过滤元件108。
参照图2至图5，示出了旋转过滤元件108的各种视图。如图2和图5所示，旋转过滤元件108包括中心轴线118。在运行期间，旋转过滤元件108围绕中心轴线旋转。待过滤的流体通过入口104进入过滤系统壳体102。如图5中的流动箭头120所示，流体流过过滤介质110。随着流体经过过滤介质110，分散在流体中的液滴通过过滤介质110聚结并从流体中分离出来。由于旋转过滤元件108的旋转和施加在分离的液体上的离心力，分离的液体可以从过滤介质110的出口面喷出。如上所述，旋转聚结器壳体116的内壁与过滤介质110的出口面分离(例如以距离D)。分离距离D允许喷射的液体沿着旋转聚结器壳体116的内壁积聚，同时仍为已过滤的流体提供空间以便从旋转过滤元件108流出。由于分离的液体积聚在旋转聚结器壳体16的内壁上，分离的液体可以沿着旋转聚结器壳体116的内壁形成液体薄膜。分离的液体流到排放口(如排放箭头122所指示的)。已过滤的流体通过在第一端板112和旋转聚结器壳体116之间形成的多个气体出口124离开旋转过滤元件108。沿旋转聚结器壳体116的内壁积聚的液体通过在旋转聚结器壳体116中形成的多个液体出口126以及在第二端板114中形成的多个排放口128离开旋转过滤元件108。如图3最佳所示，液体出口126在旋转聚结器壳体116的与气体出口124相对的另一端附近形成。如下面进一步详细描述的，旋转聚结器壳体116包括有助于防止积聚的流体从气体出口124流出的特征。在一些布置中，旋转聚结器壳体116和第一端板112或其至少一部分形成为单件注塑热塑性塑料。
在一些布置中，旋转聚结器壳体116的内壁包括定位在旋转过滤元件108的气体出口124附近的周向环130。周向环130防止分离的液体流过气体出口124。由于旋转过滤元件108的旋转，沿旋转聚结器壳体116的内壁形成的积聚的液体膜仅能达到一定的厚度。周向环130相对于旋转聚结器壳体116的内壁的高度大于积聚的液体膜的最大厚度，从而防止液体通过气体出口124离开旋转过滤元件。
在进一步的布置中，旋转聚结器壳体116可以以拔模角度α成角度远离气体出口124。在这种布置中，旋转聚结器壳体在邻近气体出口124的端部处(即，第一端板112)变窄并且在邻近液体出口126的端部处(即，第二端板114)变宽。因此，旋转聚结器壳体116可以是略微圆锥形的、凸的或凹的形状。在旋转过程中，积聚的液体上的离心力将使积聚的液体沿旋转聚结器壳体116的倾斜壁在轴向方向上朝向液体出口126并远离气体出口124移动。在一些布置中，积聚的液体在轴向上的离心力比重力大。在这样的布置中，气体出口124和液体出口可以在重力的方向上翻转(例如，如图7所示)。
忽略来自过滤介质110和旋转聚结器壳体116之间的气体流动的粘性和/或剪切力，旋转聚结器壳体116的内壁上积聚的液体形成“接近垂直的”的液体膜，其中平衡表面相对于轴线所成的角度＝α(如果不发生排放并且积聚的液体被捕获在旋转过滤元件108内)将近似为tan-1(1/Gradial)，其中Gradial由下面的等式(1)定义。
(1)ω2*R＝Gradial≥～1000
在等式1中，ω是运行期间旋转过滤元件108的转速，以及R是中心轴线118和旋转聚结器壳体116的内部之间的距离。因此，周向环130的高度、拔模(draft)角度α或其组合产生大于tan-1(1/Gradial)的有效角度，以实现在期望方向上(即远离气体出口124并朝向液体出口126)的排放。例如，对于大约1000的Gradial，拔模角度132约为0.06度。
仍然参照图1至图5，在一些布置中，旋转聚结器壳体116包括多个支撑肋片132，多个支撑肋片132从旋转聚结器壳体116的内表面突出到过滤介质110的出口面。在过滤元件108旋转期间，支撑肋片132对柔性纤维过滤介质110提供支撑，以防止过滤介质110在高速旋转期间过度变形。为了允许已过滤的流体通过气体出口124离开，支撑肋片132可包括允许已过滤的流体在支撑肋片132之间通过的多个第一通孔。可选地，气体出口124可以位于相邻组的支撑肋片132之间以及位于最外侧的支撑肋片132与第一端板112和第二端板114之间。另外，为了允许积聚的液体排出，支撑肋片132包括允许积聚的液体在支撑肋片132之间通过的多个第二通孔。可选地，液体出口126可位于相邻组的支撑肋片132之间以及位于最外侧的支撑肋片132与第一端板112和第二端板114之间。
在一些布置中，轴向肋环134从旋转聚结器壳体116的与过滤介质110相邻的气体出口端延伸。轴向肋环134延伸到旋转聚结器壳体116中超过周向环130的轴向位置，这防止积聚的液体迁移到气体出口124。轴向肋环134用作防止离开过滤介质110的积聚的液体直接喷射到气体出口124的挡流堰(weir)。
参考图6，示出了根据一个示例性实施例的旋转聚结元件600的剖视图。旋转聚结元件600类似于过滤系统100的旋转过滤元件108。因此，图6的旋转聚结元件600和图1到图5的旋转过滤元件之间使用相同的标号。旋转聚结元件600和旋转过滤元件108之间的唯一区别在于，旋转聚结元件600不利用过滤介质来分离悬浮在流过旋转聚结元件600的流体中的液体。相反，旋转聚结元件600利用离心锥形板叠(cone stack)602。离心锥形板叠602包括多个轴向间隔开的离心锥体604。每个锥体相对于径向方向成一定角度。当气体通过每个轴向间隔的离心锥体604之间的空间时，各个轴向间隔的离心锥体604的角度引起气体方向的突变。由于与气体相比的液体更高的惯性，方向的突然改变使悬浮液体分离。
图7示出了根据一个示例性实施例的旋转过滤元件700的剖视图。旋转过滤元件700类似于过滤系统100的旋转过滤元件108。因此，在图7的旋转过滤元件700和图1到图5的旋转过滤元件之间使用相同的标号。如图7所示，旋转过滤元件700相对于重力702沿着与旋转过滤元件108相反的方向定向。因此，积聚的液体克服重力从旋转过滤元件700排出。由于积聚的液体上的离心力足够高来克服重力，因此实现排放。过滤元件700的取向允许气液混合物进入该装置的顶部入口和底部清洁气体出口。对于某些曲轴箱通风应用，这种布置可能是优选的，其中，待清洁的气溶胶窜漏气体的源位于旋转聚结装置的位置之上。
上述旋转聚结元件和旋转过滤元件可用于曲轴箱通风系统。在一些布置中，上述旋转聚结和过滤元件用于高速旋转的聚结器布置中，在该高速旋转的聚结器布置中旋转聚结器壳体116的内径处的径向g力(g-force)是重力的至少1000倍。
根据各种实施例，上述旋转聚结和过滤元件提供了多个优点。通过改变旋转聚结器壳体(例如，旋转聚结器壳体116)的形状，可以通过利用旋转产生的离心力的轴向分量和径向分量将分离的液体引导至期望的位置。这允许积聚的液体从旋转聚结器壳体的无限制位置喷出。这最小化或消除了积聚的液体通过气体出口再次夹带到已过滤的流体中的风险。类似地，通过利用离心力来使积聚的液体移动，聚结元件可以以任何角度运行，只要从旋转主体喷射的出口液体被捕获在静止壳体的一个区域，该区域引导喷射的液体离开并且不允许它与清洁气体出口再结合。
应该注意的是，本文使用术语“示例性”来描述各种实施例旨在表示这样的实施例是可能的实施例的可能示例、表示和/或说明(并且这样的术语并不旨在暗示这样的实施例必然是超乎寻常的或最优的)。
如本文所使用的，当术语“近似”或“大约”与数字或范围联接时表示该修改的数字或范围的正负百分之五。当范围被描述为在两个数字之间时，该范围旨在包括定义该范围的两个数字。
本文使用的术语“联接”等是指两个构件直接或间接地相互接合。这样的接合可以是固定的(例如永久的)或可移动的(例如可移除的或可释放的)。这样的接合可以通过两个构件或两个构件与任何另外的中间构件彼此一体地形成为单个整体来实现，或者通过两个构件或两个构件与任何另外的中间构件彼此附接来实现。
本文引用的元件位置(例如，“顶部”、“底部”、“上”、“下”等)仅用于描述附图中各种元件的取向。应该注意的是，各种元件的取向可以根据其他示例性实施例而有所不同，并且这样的变化旨在由本公开所涵盖。
需要特别注意的是，各种示例性实施例的结构和布置仅仅是说明性的。尽管只有几个实施例在本公开被详细描述，本领域的技术人员在阅读了本公开的内容之后将容易理解，不实质脱离本文描述的主题的新颖性教导和优点的许多修改是可能的(例如，各种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例、参数值、安装布置、材料的使用、颜色、方向等的变化)。例如，示出为整体形成的各元件可以由多个部件或元件构成，各元件的位置可以被相反或以其他方式改变，以及性质、离散元件的数目或位置可以改变或变化。任何加工步骤或方法步骤的顺序或序列可以根据各优选实施例来改变或重新排序，来自不同实施例的各元件可以以本领域技术人员理解的方式进行组合。各示例性实施例的设计、操作条件和布置也可以在不脱离本发明的范围内做出其他替换、修改、变化和省略。

Claims (26)

1.一种过滤系统，其特征在于，包括：
具有入口和出口的过滤系统壳体，
旋转聚结元件，所述旋转聚结元件定位在所述过滤系统壳体内并且与所述入口和所述出口流体连通，所述旋转聚结元件配置成从通过所述入口接收的流体分离悬浮液体，所述旋转聚结元件包括：
第一端板，
第二端板，
定位在所述第一端板和所述第二端板之间的聚结装置，以及
旋转聚结器壳体，所述聚结器壳体在所述第一端板和所述第二端板之间延伸并且联接到所述第一端板和所述第二端板，所述旋转聚结器壳体从所述聚结装置的外表面径向移开，使得所述旋转聚结器壳体的内壁和所述聚结装置的外表面之间存在间隙，所述旋转聚结器壳体包括：
清洁气体出口和液体出口，所述清洁气体出口邻近所述第一端板，所述液体出口邻近所述第二端板；以及
多个支撑肋片，所述支撑肋片从所述内壁突出以对所述聚结装置提供支撑。
2.根据权利要求1所述的过滤系统，其特征在于，所述多个支撑肋片包括多个第一通孔，所述第一通孔构造成允许过滤后的流体通过多个支撑肋片之间。
3.根据权利要求2所述的过滤系统，其特征在于，所述多个支撑肋片包括多个第二通孔，所述第二通孔构造成允许积聚后的流体通过多个支撑肋片之间。
4.根据权利要求1所述的过滤系统，其特征在于，还包括轴向肋环，所述轴向肋环从旋转聚结器壳体的气体出口端延伸。
5.根据权利要求4所述的过滤系统，其特征在于，轴向肋环延伸到旋转聚结器壳体中超过气体出口附近的周向环的轴向位置。
6.根据权利要求1至5任一所述的过滤系统，其特征在于，轴向肋环防止积聚的液体直接喷射到气体出口。
7.根据权利要求1至5任一所述的过滤系统，其特征在于，所述的聚结装置包括过滤介质。
8.根据权利要求1至5任一所述的过滤系统，其特征在于，所述聚结装置包括聚结器锥形板叠。
9.根据权利要求1至5任一所述的过滤系统，其特征在于，所述旋转聚结器壳体在邻近所述气体出口的第一端较窄，在邻近于所述液体出口的第二端较宽。
10.根据权利要求9所述的过滤系统，其特征在于，所述积聚的液体克服重力从所述旋转聚结元件排出。
11.根据权利要求1-5任一所述的过滤系统，其特征在于，所述旋转聚结元件为高速旋转聚结元件，所述高速旋转聚结元件在所述旋转聚结器壳体的内壁产生径向g力，所述径向g力是重力的至少1000倍。
12.根据权利要求1-5任一所述的过滤系统，其特征在于，所述流体是从内燃机接收的曲轴箱窜漏气体。
13.根据权利要求1-5任一所述的过滤系统，其特征在于，所述第二端板包括多个排放口。
14.一种旋转聚结元件，其特征在于，所述旋转聚结元件配置成将悬浮液体从流体分离，所述旋转聚结元件包括：
第一端板，
第二端板，
定位在所述第一端板和所述第二端板之间的聚结装置，以及
旋转聚结器壳体，所述旋转聚结器壳体在所述第一端板和所述第二端板之间延伸并且联接到所述第一端板和所述第二端板，所述旋转聚结器壳体从所述聚结装置的外表面径向移开，使得在所述旋转聚结器壳体的内壁和所述聚结装置的外表面之间存在间隙，所述旋转聚结器壳体包括清洁气体出口和液体出口，所述清洁气体出口邻近所述第一端板，所述液体出口邻近所述第二端板，所述旋转聚结器壳体包括多个支撑肋片，所述支撑肋片从所述内壁突出以对所述聚结装置提供支撑。
15.根据权利要求14所述的旋转聚结元件，其特征在于，所述多个支撑肋片包括多个第一通孔，所述第一通孔配置成允许已过滤的流体通过所述支撑肋片。
16.根据权利要求15所述的旋转聚结元件，其特征在于，所述多个支撑肋片包括多个第二通孔，所述第二通孔构造成允许积聚后的流体通过多个支撑肋片之间。
17.根据权利要求14所述的旋转聚结元件，其特征在于，还包括轴向肋环，所述轴向肋环从旋转聚结器壳体的气体出口端延伸。
18.根据权利要求17所述的旋转聚结元件，其特征在于，所述轴向肋环延伸到旋转聚结器壳体中超过气体出口附近的周向环的轴向位置。
19.根据权利要求17所述的旋转聚结元件，其特征在于，所述轴向肋环防止积聚的液体直接喷射到气体出口。
20.根据权利要求14至19任一所述的旋转聚结元件，其特征在于，所述的聚结装置包括过滤介质。
21.根据权利要求14至19任一所述的旋转聚结元件，其特征在于，所述聚结装置包括聚结器锥形板叠。
22.根据权利要求14-19任一所述的旋转聚结元件，其特征在于，所述旋转聚结器壳体在邻近所述气体出口的第一端较窄，在邻近所述液体出口的第二端较宽。
23.根据权利要求14-19任一所述的旋转聚结元件，其特征在于，所述积聚的液体克服重力从所述旋转聚结元件排出。
24.根据权利要求14-19任一所述的旋转聚结元件，其特征在于，所述旋转聚结元件为高速旋转聚结元件，所述高速旋转聚结元件在所述旋转聚结器壳体的内壁处产生径向g力，所述径向g力是重力的至少1000倍。
25.根据权利要求14-19任一所述的旋转聚结元件，其特征在于，所述流体是从内燃机接收的曲轴箱窜漏气体。
26.根据权利要求14-19任一所述的旋转聚结元件，其特征在于，所述第二端板包括多个排放口。
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