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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Tellerseparator zum Entfernen
von Verunreinigungen aus einem Fluid.
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Ein
Tellerseparator umfasst einen Rotor, der mehrere axial aufeinander
gestapelte und axial voneinander beabstandete Teller drehfest trägt, sowie
einen Stator, der einen Schmutzsammelraum enthält, in dem der Rotor angeordnet
ist. Im Tellerseparator ist ein Fluidpfad ausgebildet, der von einem
Einlass in den Schutzsammelraum, vom Schmutzsammelraum radial nach
innen zwischen den Teller hindurch in einen zentralen Abströmkanal und
vom Abströmkanal
durch einen Auslass aus dem Tellerseparator heraus führt. Im
Betrieb des Tellerseparators wird dieser durch besagten Fluidpfad
von einem zu reinigenden Fluid durchströmt, wobei gleichzeitig der
Rotor rotiert. Durch Reibungs- und Trägheitseffekte werden vom Fluid
mitgeführte
Verunreinigen dabei radial nach außen verdrängt und verbleiben so im Schmutzsammelraum,
während
das Fluid nach innen abfließen
kann. Derartige Tellerseparatoren arbeiten effektiv und können relativ
kleine Verunreinigen aus einem relativ großen Volumenstrom entfernen.
Ein besonders vorteilhaftes Anwendungsgebiet für solche Tel lerseparatoren
wird in einem Schmierölkreis einer
Brennkraftmaschine, vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug, gesehen,
um dort das Schmieröl
von Verunreinigen zu reinigen.
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Bei
einem herkömmlichen
Schmierölkreis
ist es üblich,
eine Hauptstromreinigung und unabhängig davon eine Nebenstromreinigung
durchzuführen.
Die Hauptstromreinigung dient dazu, den Hauptanteil des im Schmierölkreis geförderten
Volumenstroms von relativ groben Verunreinigungen zu befreien, was üblicherweise
mit Hilfe eines Filters realisiert wird, dessen poröser Filterkörper vom
Hauptstrom des Schmieröls
durchströmt
wird. Im Unterschied dazu dient die Nebenstromreinigung zum Entfernen
relativ kleiner Verunreinigungen aus einem relativ kleinen Teilstrom
(z.B. etwa 10% des gesamten Volumenstroms), was beispielsweise mit
Hilfe eines Trägheitsabscheiders
realisiert werden kann. Bei einem solchen Trägheitsabscheider kann es sich
beispielsweise um eine Freistrahl-Zentrifuge oder um einen Tellerseparator
der eingangs genannten Art handeln. Der Aufwand zur Realisierung
sowohl einer Hauptstromreinigung als auch einer Nebenstromreinigung im
Schmierölkreis
einer Brennkraftmaschine ist somit vergleichsweise groß.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt
sich mit dem Problem, für
einen Tellerseparator der eingangs genannten Art eine verbesserte
Ausführungsform
anzugeben, welche insbesondere die Verwendung in einem Schmierölkreis vereinfacht.
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Dieses
Problem wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, den Schmutzsammelraum
in wenigstens zwei Teilräume
zu unterteilen, die gedrosselt miteinander kommunizieren und von
denen das Fluid parallel zwischen den Tellern hindurch zum Abströmkanal strömt. Durch
eine Drosselstelle zwischen zwei aufeinander folgenden Teilräumen herrscht
im stromab liegenden Teilraum ein reduzierter Druck. Die Erfindung
nutzt hierbei die Erkenntnis, dass die Reinigungswirkung eines derartigen
Tellerseparators vom Druckgefälle
entlang der Teller abhängt.
Bei einem kleineren Differenzdruck kann eine deutlich verbesserte
Reinigungswirkung erzielt werden. Beim erfindungsgemäßen Tellerseparator
werden somit in den beiden Teilräumen
des Schmutzsammelraums an den Tellern unterschiedliche Eingangsdrücke realisiert,
die bei einem gleichen Ausgangsdruck im Abströmkanal zu unterschiedlichen
Druckdifferenzen entlang der Teller führen. Innerhalb des Tellerseparators
werden somit zumindest zwei Zonen mit unterschiedlicher Reinigungswirkung
ausgebildet. In der Zone bzw. in demjenigen Teilraum, in dem ein
gedrosselter Druck bzw. ein geringerer Volumenstrom vorliegen, kommt
es zu einer verbesserten Reinigungswirkung, so dass in diesem Bereich
auch kleinere Partikel zurückgehalten
werden können.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Bauweise
kann somit die Reinigungswirkung des Tellerseparators insgesamt verbessert
werden.
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Besonders
vorteilhaft ist nun eine Verwendung eines derartigen Tellerseparators
in einem Schmierölkreis.
Denn mit Hilfe dieses Tellerseparators kann sowohl eine Hauptstromreinigung
als auch eine Nebenstromreinigung gleichzeitig realisiert werden.
Denn der ungedrosselte Teilraum kann so dimensioniert werden, dass
er zur relativ groben Reinigung des Hauptstroms ausreicht, während der
wenigstens eine gedrosselte Teilraum ohne weiteres so dimensioniert
werden kann, dass darin eine relativ feine Reinigung des Nebenstroms
realisiert werden kann. Somit erfolgen Hauptstromreinigung und Nebenstromreinigung
in ein und demselben Tellerseparator simultan. Dies führt zu einer
extremen Vereinfachung im Aufbau des Schmierölkreises. Desweiteren ist es
durch die Schaffung zusätzlicher,
noch stärker gedrosselter
Teilräume
weiter möglich,
die Filterwirkung hinsichtlich noch kleinerer Teilströme weiter
zu verbessern.
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Von
besonderem Vorteil ist auch eine Ausführungsform, bei welcher der
Stator einen Sockel und ein davon entfernbares Wechselelement aufweist,
wobei der Sockel den Einlass enthält und wobei das Wechselelement
den Schmutzsammelraum enthält
und austauschbar mit dem Sockel verbunden ist. Eine derartige Ausführungsform,
die grundsätzlich
auch ohne die obengenannte Unterteilung des Schmutzsammelraums in
einzelne Teilräume
realisierbar ist, kann das Wechselelement zur Wartung bzw. zur Reparatur
besonders einfach ausgetauscht werden. Beispielsweise kann nach
einer vorbestimmten Betriebszeit des Tellerseparators der Schmutzsammelraum
im wesentli chen vollständig
mit abgereinigten Verunreinigungen befüllt sein. Diese Verunreinigungen
können
dann zusammen mit dem Wechselelement entfernt und auf geeignete
Weise entsorgt werden. Der Tellerseparator kann zwischenzeitlich
mit einem neuen oder mit einem gereinigten Wechselelement versehen
werden und ist dadurch sofort wieder betriebsbereit.
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Vorzugsweise
ist bei einer derartigen Ausführungsform
der Auslass ebenfalls im Sockel ausgebildet. Hierdurch sind Einlass
und Auslass auf derselben Seite des Stators, nämlich im Sockel ausgebildet,
was die Ausgestaltung des Wechselelements als austauschbares Ersatzteil
erheblich vereinfacht.
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Besonders
vorteilhaft ist auch eine Weiterbildung, bei welcher der Sockel
einen Leerlaufkanal enthält,
der bei angebrachtem Wechselelement durch das Wechselelement verschlossen
ist und der beim Entfernen des Wechselelements geöffnet wird und
ein Abfließen
des Fluids durch den Leerlaufkanal ermöglich, bevor das Wechselelement
vollständig vom
Sockel entfernt ist. Insbesondere bei einem flüssigen Fluid, beispielsweise
bei Schmieröl,
hilft diese Weiterbildung, eine Verschmutzung der Umgebung mit der
Flüssigkeit
bzw. mit dem Schmieröl
zu vermeiden, da das gesamte im Tellerseparator enthaltene Flüssigkeitsvolumen
vor dem vollständigen
Entfernen des Wechselelements vollständig durch den Leerlaufkanal
aus dem Inneren des Tellerseparators abfließen kann.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus
den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand
der Zeichnungen.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert,
wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder funktional gleiche
oder ähnliche
Bauteile beziehen.
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Es
zeigen, jeweils schematisch,
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1 einen
stark vereinfachten, prinzipiellen Längsschnitt durch einen Tellerseparator,
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2 eine
vergrößerte Ansicht
auf ein Detail II in 1, jedoch bei einer anderen
Ausführungsform,
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3 eine
Ansicht wie in 2, jedoch bei einer weiteren
Ausführungsform,
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4 eine
Ansicht wie in 1, jedoch bei einer anderen
Ausführungsform.
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Entsprechend 1 weist
ein Tellerseparator 1 einen Rotor 2 sowie einen
Stator 3 auf. Der Rotor 2 ist um eine Rotationsachse 4 drehverstellbar
im Stator 3 gelagert. Typischerweise enthält der Tellerseparator 1 mehrere
Teller 5, die bezüglich
der Rotationsachse 4 axial aufeinander gestapelt und dabei axial
zueinander beabstandet sind und außerdem drehfest mit dem Rotor 2 verbunden
sind. Desweiteren sind die Teller 5 bei der hier gezeigten,
speziellen Ausführungsform
im Längsschnitt
kegelstumpfförmig profiliert.
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Der
Stator 3 enthält
einen Schmutzsammelraum 6, in dem auch der Rotor 2 angeordnet
ist. Durch den Tellerseparator 1 führt ein Fluidpfad 7 hindurch,
der durch einzelne Pfeile repräsentiert
ist. Dieser Fluidpfad 7 führt von einem Einlass 8 in
den Schmutzsammelraum 6 und vom Schmutzsammelraum 6 radial
nach innen zwischen den Tellern 5 hindurch in einen zentralen
Abströmkanal 9.
Vom Abströmkanal 9 führt der
Fluidpfad 7 durch einen Auslass 10 aus dem Tellerseparator 1 heraus.
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Im
Betrieb rotiert der Rotor 2 mit einer vorbestimmten Drehzahl
und das zu reinigende Fluid wird entlang des Fluidpfads 7 durch
den Tellerseparator 1 geführt. Das Fluid, das grundsätzlich ein
Gas oder eine Flüssigkeit,
insbesondere Schmieröl,
sein kann, führt
Verunreinigungen mit sich, die eine größere Dichte als das Fluid aufweisen.
Durch Reibungsund Trägheitseffekte
können
diese Verunreinigungen dem Fluidpfad 7 radial nach innen
zwischen den Tellern 5 hindurch nicht folgen, sondern verbleiben
im Schmutzsammelraum 6. Dementsprechend strömt gereinigtes
Fluid in den Abströmkanal 9 ein
und durch den Auslass 10 aus dem Tellerseparator 1 hinaus.
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Der
erfindungsgemäße Tellerseparator 1 charakterisiert
sich nun dadurch, dass sein Schmutzsammelraum 6 axial in
wenigstens zwei Teilräume unterteilt
ist. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiele
ist der Schmutzsammelraum 6 exemplarisch in drei Teilräume 6a, 6b und 6c unterteilt.
Die Unterteilung des Schmutzsammelraums 6 in die einzelnen Teilräume 6a, 6b, 6c erfolgt
dabei mit Hilfe wenigstens einer Drosselstelle 11. Im vorliegenden
Ausführungsbeispiel
sind zwei derartige Drosselstellen 11 vorgesehen, um den
Schmutzsammelraum 6 in drei Teilräume 6a, 6b, 6c unterteilen
zu können.
Bemerkenswert ist dabei, dass die einzelnen Teilräume 6a, 6b, 6c innerhalb
des Fluidpfads 7 hintereinander angeordnet sind und jeweils über eine
der Drosselstellen 11 mit dem unmittelbar stromauf liegenden
Teilraum 6a, 6b kommunizieren. Gleichzeitig kann
das in die Teilräume 6a, 6b, 6c einströmende Fluid
aus den Teilräumen 6a, 6b, 6c parallel
zwischen den Tellern 5 hindurch radial von außen nach
innen zum Abströmkanal 9 hin
strömen.
Aufgrund der Drosselstellen 11 herrscht in den stromab
liegenden Teilräumen 6b, 6c jeweils
ein reduzierter Druck gegenüber
den stromauf liegenden Teilräumen 6a, 6b.
Dies hat zur Folge, dass in den jeweiligen Teilräumen 6a, 6b, 6c unterschiedliche
Druckdifferenzen zwischen dem Schmutzsammelraum 6 und dem
Abströmkanal 9 herrschen.
Die Erfindung nutzt hierbei die Erkenntnis, dass die mit dem Tellerseparator 1 erzielbare Reinigungswirkung
von der zwischen Schmutzsammelraum 6 und Abströmkanal 9 herrschenden
Druckdifferenz abhängt.
Je kleiner die Druckdifferenz ist, desto besser ist die Reinigungswirkung
und desto kleinere Partikel können
abgeschieden werden.
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Der
erfindungsgemäße Tellerseparator 1 erreicht
durch die gewählte
Bauweise somit eine besonders hohe Reinigungswirkung. Desweiteren
kann der Tellerseparator 1 besonders günstig in einen Schmierölkreis einer
Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, zum Reinigen
des Schmieröls
verwendet werden. Dabei kann mit Hilfe des Tellerseparators 1 sowohl
die Funktion einer Hauptstromreinigung als auch die Funktion einer
Nebenstromreinigung realisiert werden. Die Hauptstromreinigung,
bei der aus einem vergleichsweise großen Hauptteil des Gesamtvolumenstroms,
der im Schmierölkreis
zirkuliert und somit den Tellerseparator 1 durchströmt, von
relativ groben Verunreinigungen gereinigt werden. Beim Tellerseparator 1 wird dies
beispielsweise bei dem durch den ungedrosselten ersten Teilraum 6a hindurch
führenden
Zweig des Fluidpfad 7 realisiert, bei dem die größte Druckdifferenz
zwischen Schmutzsammelraum 6 und Abströmkanal 9 herrscht.
Durch die Wahl der herrschenden Druckdifferenz sowie durch die Positionierung
der ersten Drosselstelle 11, die den ungedrosselten Teilraum 6a vom
gedrosselten zweiten Teilraum 6b trennt, kann der durch
diesen ungedrosselten ersten Teilraum 6a zum Abströmkanal 9 abfließende Hauptvolumenstrom
definiert werden. Die Funktion einer Nebenstromreinigung kann beim
erfindungsgemäßen Tellerseparator 1 mit Hilfe
der gedrosselten Teilräume 6a, 6b realisiert
werden. Da dort kleinere Druckdifferenzen zwischen dem Schmutzsammelraum 6 und
dem Abströmkanal 9 herrschen,
ergeben sich dort zwar kleinere Volumenströme, aber dafür eine verbesserte
Reinigungswirkung.
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Bei
der hier gezeigten, speziellen Ausführungsform sind zwei gedrosselte
Teilräume 6b, 6c vorgesehen,
wodurch auch der relativ kleine Nebenstrom zusätzlich unterteilt werden kann,
was eine weitere Verbesserung der Reinigungswirkung ermöglicht.
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Die
Verwendung eines derartigen Tellerseparators 1 in einem
Schmierölkreis
hat den Vorteil, dass nur ein einziges Bauteil, nämlich der
Tellerseparator 1, erforderlich ist, um sowohl die Hauptstromreinigung
als auch die Nebenstromreinigung zu realisieren. Der bauliche Aufwand
zur Realisierung der Schmierölreinigung
wird dadurch reduziert.
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Die
Drosselstellen 11 sind bei den hier gezeigten Ausführungsformen
jeweils mit Hilfe eines Ringspalts 12 realisiert, der sich
in einer Trennebene 13 erstreckt, die sich ihrerseits senkrecht
zur Rotationsachse 4 erstreckt. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform
sind die Ringspalte 12 jeweils dadurch ausgebildet, dass
am Stator 3 ein Außensteg 14 befestigt
oder ausgebildet ist, der sich in der Trennebene 13 ringförmig erstreckt.
Der Außensteg 14 begrenzt
dabei den jeweiligen Ringspalt 12 radial außen. Desweiteren
ist für
jeden Ringspalt 12 ein Innensteg 15 vorgesehen,
der sich ebenfalls in der jeweiligen Trennebene 13 ringförmig erstreckt,
jedoch am Rotor 2 bzw. an einem Teller 5 des Rotors 2 befestigt
oder ausgebildet ist. Dabei begrenzt der jeweilige Innensteg 15 den
zugehörigen
Ringspalt 12 radial innen.
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2 zeigt
eine alternative Bauweise zur Realisierung der jeweiligen Drosselstelle 11 bzw.
des jeweiligen Ringspalts 12. Bei dieser Ausführungsform
ist wieder ein Außensteg 14 vorgesehen,
der sich in der Trennebene 13 ringförmig erstreckt und außerdem am
Stator 3 befestigt oder ausgebildet ist. Der Ringspalt 12 ist
dabei durch den Außensteg 14 radial
außen
begrenzt. Radial innen ist der Ringspalt 12 hier durch
einen Außenrand 16 eines
der Teller 5 begrenzt. Dieser Außenrand 16 befindet
sich dabei ebenfalls wieder etwa in der Trennebene 13.
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3 zeigt
eine weitere alternative Bauweise zur Realisierung der jeweiligen
Drosselstelle 11 bzw. des zugehörigen Ringspalts 12.
Bei dieser Ausführungsform
ist wieder ein Innensteg 15 vorgesehen, der sich in der
Trennebene 13 ringförmig
erstreckt und dabei am Rotor 2 bzw. an einem der Teller 5 befestigt
oder ausgebildet ist. Der Ringspalt 12 ist dadurch radial
innen durch den Innensteg 15 begrenzt. Radial außen ist
der Ringspalt 12 bei dieser Ausführungsform durch eine Innenwand 17 des Schmutzsammelraums 6 bzw.
des Stators 3 begrenzt.
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Während bei
der in 1 gezeigten Ausführungsform Einlass 8 und
Auslass 10 an gegenüber liegenden
Seiten des Stators 3 angeordnet sind, zeigt 4 eine
andere Ausführungsform,
bei welcher Einlass 8 und Auslass 10 an der selben
Seite des Stators 3 angeordnet sind. Bei der Ausführungsform gemäß 4 besitzt
der Stator 3 einen Sockel 18 und ein Wechselelement 19,
das vom Sockel 18 entfernbar ist. Der Sockel 18 enthält den Einlass 8 und hier
ebenfalls den Auslass 10. Desweiteren enthält der Sockel 18 bei
der hier gezeigten speziellen Ausführungsform einen Leerlaufkanal 20.
Das Wechselelement 19 enthält den Schmutzsammelraum 6 und ist
austauschbar mit dem Sockel 18 verbunden. Vorzugsweise
ist das Wechselelement 19 über ein nicht gezeigtes Schraubgewinde
mit dem Sockel 18 verbunden. Das Wechselelement 19 kann
somit parallel zur Rotationsachse 4 auf den Sockel 18 aufgesetzt bzw.
von diesem entfernt werden.
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Der
Rotor 2 umfasst eine Rotorwelle 21, welche die
Teller 5 drehfest trägt.
Die Rotorwelle 21 ist einenends am Sockel 18 und
anderenends am Wechselelemente 19 gelagert. Hierzu enthält das Wechselelement 19 ein
Lager 22, das zusammen mit dem Wechselelement 19 vom
Sockel 18 entfernbar ist. Im Sockel 18 ist außerdem eine
hier nicht gezeigte Antriebseinrichtung untergebracht, welche den Rotor 2 im
Betrieb des Tellerseparators 1 drehend antreibt.
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Im
vorliegenden Beispiel ist die Rotorwelle 21 als Hohlwelle
ausgebildet, die außerdem über wenigstens
eine Radialöffnung 23 verfügt. Auf
diese Weise bildet die Rotorwelle 21 einen Bestandteil
des Abströmkanals 9,
und zwar denjenigen Bestandteil, der zum Auslass 10 führt.
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Der
im Sockel 18 angeordnete Leerlaufkanal 20 führt beispielsweise
zu einem relativ drucklosen Reservoir des Fluidkreises, dessen Fluid
mit Hilfe des Tellerseparators 1 gereinigt werden soll.
Beispielsweise handelt es sich dabei um einen Schmierölkreis einer
Brennkraftmaschine. Der Leerlaufkanal 20 führt dann
bevorzugt in eine Ölwanne der
Brennkraftmaschine. Im Sockel 18 endet der Leerlauf kanal 20 an
einer Mündungsöffnung 24,
die bei am Sockel 18 angebrachtem Wechselelement 19 durch
das Wechselelement 19 verschlossen ist.
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Im
Betrieb des Tellerseparators 1 lagern sich die abgeschiedenen
Verunreinigungen im Schmutzsammelraum 6 an. Dabei bildet
sich ein von der Innenwand 17 nach innen anwachsender,
fester oder zumindest zäher
Kuchen aus. Die Aufnahmekapazität
des Schmutzsammelraums 6 ist begrenzt, so dass in vorbestimmten
Wartungsintervallen der Schmutzsammelraum 6 geleert werden
muss. Beim erfindungsgemäßen Tellerseparator 1 kann
dies besonders einfach durch das Entfernen des Wechselelements 19 realisiert
werden. Mit dem Wechselelement 19 wird dabei gleichzeitig
der Schmutzsammelraum 6 entfernt, einschließlich der
darin abgelagerten Verunreinigungen. Das Wechselelement 19 kann
dann gereinigt werden oder einfach durch ein neues ersetzt werden.
Jedenfalls lassen sich auf diese Weise die abgeschiedenen Verunreinigung
besonders einfach entsorgen.
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Beim
Entfernen des Wechselelements 19 wird dieses parallel zur
Rotationsachse 9 vom Sockel 18 entfernt. Dabei
gibt das Wechselelement 19 die Mündungsöffnung 24 des Leerlaufkanals 20 frei,
wodurch das Innere des Wechselelements 19, das im Betrieb
des Tellerseparators 1 mit Fluid gefüllt ist, durch den Leerlaufkanal 20 leerlaufen
kann. Auf diese Weise kann eine Verschmutzung der Umgebung mit dem
jeweiligen Fluid, insbesondere mit Schmieröl, vermieden werden. Die Positionierung
der Mündungsöffnung 24 sowie
die Anbindung des Wechselelements 19 an den Sockel 18 sind
zweckmäßig so aufeinander
abgestimmt, dass bei einem ordnungsgemäßen Entfernen des Wechselelements 19 das darin
befindliche Fluid vollständig
durch den Leerlaufkanal 20 abfließen kann, bevor das Wechselelement 19 vollständig vom
Sockel 18 entfernt werden kann.