DE112006001034T5

DE112006001034T5 - Hero-Turbinenzentrifuge mit strömungsisolierter Sammelkammer

Info

Publication number: DE112006001034T5
Application number: DE112006001034T
Authority: DE
Inventors: Peter K. Cookeville Herman; Hendrik N. Cookeville Amirkhanian
Original assignee: Fleetguard Inc
Current assignee: Cummins Filtration IP Inc
Priority date: 2005-04-25
Filing date: 2006-04-24
Publication date: 2008-07-10
Also published as: CN101163552A; WO2006116211A2; WO2006116211A3; US7377893B2; CN101163552B; US20060240965A1

Abstract

Zentrifuge, mit:
– einem Gehäuse;
– einem durch das Gehäuse verlaufenden Drehbauteil;
– einem auf dem Drehbauteil montierten und innerhalb des Gehäuses angeordneten Rotor, wobei die Zentrifuge zum Ermöglichen einer selbstangetriebenen Drehung des Rotors durch den austretenden Fluidfluss aus dem Rotor aufgebaut und angeordnet ist; wobei
– das Drehbauteil einen Fluiddurchgang und eine Austrittsöffnung aus dem Drehbauteil festlegt;
– der Rotor eine Teilerplatte zum Unterteilen des Rotors in eine Sammelkammer und eine Strahlzone umfasst; und
– die Sammelkammer eine einzige Fluideinlassstelle aufweist, die von der Teilerplatte festgelegt ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Abtrennung fester Partikel, beispielsweise Ruß, aus einem Fluid, wie zum Beispiel Öl, unter Verwendung einer Zentrifuge. Insbesondere, aber nicht ausschließlich, betrifft eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Zentrifuge, die zwei separate Fluidwege umfasst, wobei einer der Fluidwege durch eine Partikelsammelzone der Zentrifuge verläuft und der andere Weg die Partikelsammelzone umgeht, um die Zentrifuge durch Strahldüsen unmittelbar anzutreiben. Bei einer verwandten Ausführungsform wird der Sammelkammer eine einzelne Fluidcharge zur Bearbeitung zugeführt, ohne irgendeinen Durchfluss des Fluids bei der Bearbeitung dieser einzelnen Charge.
Dieselmotoren sind mit ziemlich ausgefeilten Luft- und Kraftstofffiltern (Reinigern) ausgestattet, um Schmutz und Ablagerungen vom Motor fernzuhalten. Selbst mit diesen Luft- und Kraftstofffiltern können Schmutz und Ablagerungen, einschließlich vom Motor erzeugter Abrieb, in das Schmieröl des Motors gelangen. Dies führt zu einem Verschleiß kritischer Motorbauteile und zu einem Ausfall des Motors, falls dieser Zustand anhält oder nicht beseitigt wird. Aus diesem Grund sind viele Motoren mit Vollstromölfiltern ausgestaltet, die das zwischen der Ölwanne und den Motorteilen zirkulierende Öl kontinuierlich reinigen.
Es gibt eine Anzahl von Konstruktionsbeschränkungen sowie Überlegungen hinsichtlich solcher Vollstromfilter, und typischerweise sind diese Beschränkungen gleichbedeutend damit, dass derartige Filter lediglich solche Schmutzpartikel entfernen können, deren Größe in einem Bereich von 10 Mikrometer oder größer liegt. Zwar kann die Beseitigung von Partikeln dieser Größe einen katastrophalen Ausfall verhindern, jedoch wird durch kleinere Schmutzpartikel, die in das Öl gelangen und im Öl verbleiben, ein nachteiliger Verschleiß verursacht. Beim Versuch, das Problem kleiner Partikel anzugehen, sind Konstrukteure zu Bypassfiltersystemen übergegangen, die einen vordefinierten Prozentsatz des gesamten Ölstroms filtern. Die Kombination aus einem Vollstromfilter in Verbindung mit einem Bypassfilter verringert den Verschleiß des Motors auf ein akzeptables Niveau, allerdings nicht auf das gewünschte Maß. Da Bypassfilter Partikel mit einer Größe von kleiner als ungefähr 10 Mikrometer einfangen können, bietet die Kombination aus einem Vollstromfilter und einem Bypassfilter eine deutliche Verbesserung gegenüber der Verwendung von lediglich einem Vollstromfilter.
Bei Hochleistungs-Rußzentrifugen (HPSC), wie zum Beispiel derjenigen, die in dem US-Patent Nr. 6,019,717 offenbart ist, das am 1. Februar 2000 an Herman ausgestellt wurde und das hierin unter Bezugnahme vollständig enthalten ist, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung herausgefunden, dass die Sammelrate für superfeine Partikel, wie zum Beispiel Ruß, mit abnehmender Durchströmungsrate durch den Rotor der Zentrifuge zunimmt. Die herkömmliche Theorie der Zentrifuge sagt voraus, dass eine Verringerung der Durchströmungsrate im Rotor um die Hälfte zu einer Verdoppelung der Sammeleffizienz der Zentrifuge bei einmaligem Durchlauf führt. Obwohl die Sammeleffizienz verbessert ist, bleibt die Sammelrate für die Partikel unverändert, da die Durchströmungsrate um die Hälfte verringert ist. Das in 1 gezeigte Diagramm 30 stellt auf graphische Weise diesen vorhergesagten Effekt für superfeine Partikel, wie zum Beispiel Ruß, dar. Wie gezeigt, umfasst das Diagramm 30 eine Durchströmungsrateachse 32 und eine Sammelrateachse 33. Die Prognoselinie 35 in dem Diagramm 30 stellt die Vorhersage dar, dass die Durchströmungsrate durch die Zentrifuge keine Auswirkung auf die Sammelrate hat. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben jedoch herausgefunden, dass diese Theorie offenbar nicht auf superfeine Partikel anwendbar ist, da die Sammeleffizienz bei einem einmaligen Durchlauf typischerweise deutlich unter 0,5% liegt. Wie durch die tatsächliche Linie 36 angedeutet, nimmt die Sammelrate für superfeine Partikel mit abnehmender Durchströmungsrate zu. Es wird theoretisch davon ausgegangen, dass die Sammelrate bei niedriger Durchströmungsrate durch vermindertes Mitreißen der Partikel mit dem Fluid verbessert ist. Die verringert Durchströmungsrate schwächt Fluidwirbel sowie die Strömung in unmittelbarer Nachbarschaft zu den gesammelten Partikeln (Schlamm) in der Schlammsammelzone der Zentrifuge ab, was wiederum die Menge mitgerissener gesammelter Partikel verringert. Das HPSC-Design gestattet eine Verringerung der Rotor-„Durchströmungs”-Rate ohne Einschränkung der Rotorgeschwindigkeit. In dem HPSC-Design ist der eine externe Pelton-Turbine antreibende Fluidstrom unabhängig von der Rotordurchströmungsrate, so dass die Durchströmungsraten unabhängig eingestellt werden können.
Bei den kostengünstigeren und weit verbreiteten Hero-Turbinenzentrifugen (zum Beispiel denjenigen, die im US-Patent Nr. 5,795,477 offenbart sind, das am 18. August 1998 an Herman et al. ausgestellt wurde und das unter Bezugnahme hierin vollständig enthalten ist) hat unglücklicherweise die Verringerung des Rotordurchflusses, um sich diesen Effekt zunutze zu machen, keinerlei Auswirkung. Bei Zentri fugen vom Hero-Typ wird ein einziger Strömungsweg für sowohl das Abtrennen der Partikel aus dem Fluid als auch zum Antreiben der Zentrifuge verwendet. Die Verringerung der Durchströmungsrate in dem Rotor verringert die Rotorgeschwindigkeit, da die Drehantriebsleistung proportional zur Rotordurchströmungsrate ist. Eine Lösung, wie sie in den US-Patenten 3,784,092 sowie 5,906,733 offenbart ist, besteht darin, zwei separate Fluidquellen vorzusehen, wobei eine für den Antrieb der Zentrifuge und die andere für die Separation vorgesehen ist. Die Verwendung von zwei separaten Fluidquellen bei diesen Konstruktionen erhöht jedoch die Komplexität sowie die Kosten der Zentrifuge. Des Weiteren ist eine nachträgliche Anpassung solcher Zentrifugen an bereits bestehende Systeme kostspielig, da eine zusätzliche Verrohrung installiert werden muss.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konfiguriert die Zentrifuge und den Rotor derart, dass der eintretende Fluidstrom einem Strömungsmuster oder einem Weg folgt, das bzw. der zunächst die Rotorsammelkammer mit nur einer Fluid (Öl)-Charge oder -Ladung füllt, die bis zum Abschalten gereinigt und anschließend abgegeben wird. Ist die Sammelkammer gefüllt, wird der eintretende Strom zu den Strahldüsenöffnungen umgeleitet, die für die selbstangetriebene Rotordrehung sorgen, ohne dass ein kontinuierlicher Durchfluss an Fluid durch die Sammelkammer oder Sammelzone stattfindet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Zentrifuge zum Abtrennen partikelförmigen Materials aus einem Fluidvolumen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Gehäuse, ein sich durch das Gehäuse erstreckendes Drehbauteil, und einen auf dem Drehbauteil montierten und innerhalb des Gehäuses angeordneten Rotor, wobei die Zentrifuge derart aufgebaut und angeordnet ist, dass eine selbstangetriebene Drehung des Rotors durch austretendes Fluid aus dem Rotor ermöglicht ist, wobei das Drehbauteil einen Fluiddurchgang sowie eine Austrittsöffnung aus dem Drehbauteil festlegt, und wobei der Rotor eine Teilerplatte umfasst, die den Rotor in eine Sammelkammer und eine Strahlzone unterteilt und die Sammelkammer nur eine einzige durch die Teilerplatte definierte Fluideintrittsstelle aufweist.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Zentrifuge bereitzustellen.
Damit zusammenhängende Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung deutlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Diagramm, das den Effekt der Rotordurchströmungsrate auf Sammelraten für superfeine Partikel darstellt.
2 ist ein Aufriss der Vorderseite im Vollschnitt einer selbstangetriebenen Zentrifuge gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist ein Teilaufriss der Vorderseite im Vollschnitt einer selbstangetriebenen Zentrifuge gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 ist ein Diagramm, das den Effekt eines Strömungsdichtungsspaltes (baffle seal clearance) auf die Strömungswegleckage in der Zentrifuge der 3 darstellt.
5 ist ein Teilaufriss der Vorderseite im Vollschnitt einer selbstangetriebenen Zentrifuge mit nur einem einzigen Paar Fluidversorgungsöffnungen gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 ist ein Teilaufriss der Vorderseite im Vollschnitt einer selbstangetriebenen Zentrifuge mit einer modifizierten Strömungsleiteinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7 ist eine Teilvollschnittsansicht der Oberseite der Zentrifuge aus 6, gesehen entlang der Linie 7-7, wobei die Kegel, der Rotormantel sowie das Gehäuse zugunsten der Klarheit entfernt sind.
8 ist ein Teilaufriss der Vorderseite im Vollschnitt einer selbstangetriebenen Zentrifuge mit einer geriffelten Strömungsleiteinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9 ist eine Teilvollschnittsansicht der Oberseite der Zentrifuge aus 8, gesehen entlang der Linie 9-9, wobei die Kegel, der Rotormantel sowie das Gehäuse zugunsten der Klarheit entfernt sind.
10 ist ein Aufriss der Vorderseite im Vollschnitt einer selbstangetriebenen Zentrifuge mit einer Strömungsleiteinrichtung mit gebogenem Kamm gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
11 ist ein Teilaufriss der Vorderseite im Vollschnitt einer selbstangetriebenen Zentrifuge mit einer elastischen Dichtring-Strömungsleiteinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
12 ist ein Teilaufriss der Vorderseite im Vollschnitt einer selbstangetriebenen Zentrifuge gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
13 ist ein Aufriss der Vorderseite im Vollschnitt einer selbstangetriebenen Zentrifuge gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
14 ist ein Aufriss der Vorderseite im Vollschnitt eines Einwegrotors, der zur Isolierung der Sammelkammer für nur eine Fluidcharge gemäß der vorliegenden Erfindung modifiziert ist.
15 ist ein Aufriss der Vorderseite im Vollschnitt eines Einwegrotors mit einer Kegelstapeleinheit gemäß der vorliegenden Erfindung.
16 ist eine Aufriss der Vorderseite im Vollschnitt eines Einwegrotors aus Kunststoff mit einer Spiralflügelradeinheit gemäß der vorliegenden Erfindung.
17 ist ein Aufriss der Vorderseite im Vollschnitt eines demontierbaren Rotors gemäß der vorliegenden Erfindung.
18 ist ein Aufriss der Vorderseite im Vollschnitt eines demontierbaren Rotors mit einer Kegelstapeleinheit gemäß der vorliegenden Erfindung.
19 ist eine schematische Darstellung einer Zentrifuge mit einem zeitgesteuerten, mit dem Fluideinlass verbundenen Absperrventil gemäß der vorliegenden Erfindung.
20 ist ein Aufriss der Vorderseite im Vollschnitt eines Einwegrotors, der einen Achsstummel anstelle einer Welle aufweist.
21 ist ein Aufriss der Vorderseite im Vollschnitt eines Einwegrotors gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Zur Verdeutlichung der erfindungsgemäßen Prinzipien wird nun Bezug auf die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen genommen, wobei spezielle Ausdrücke zu deren Beschreibung verwendet wird. Es versteht sich jedoch, dass hierdurch keine Einschränkung des Bereichs der Erfindung beabsichtigt ist. Jegliche Veränderungen und weitere Modifikationen der beschriebenen Ausführungsformen sowie weitere Anwendungen der hier beschriebenen erfindungsgemäßen Prinzipien werden vom Fachmann, an den sich die Erfindung richtet, von sich aus in Betracht gezogen. Eine Ausführungsform der Erfindung ist im Detail gezeigt, obwohl der Fachmann erkennen sollte, dass einige der Merkmale, die für die Erfindung nicht relevant sind, zugunsten der Klarheit nicht gezeigt sind.
Der Fluidfluss in einem „Freistrahl" Hero-Turbinenzentrifugenrotor gemäß der vorliegenden Erfindung, der entweder vom „demontierbaren" oder „Einweg"-Typ ist, ist so modifiziert, dass der Volumenstrom, der die Partikelsammelzone passiert (in der Schlamm, Ruß oder andere Partikel gesammelt werden), ohne Beschränkung der Rotorgeschwindigkeit verringert ist. Die vorliegende Erfindung erreicht dies durch Aufteilen der Durchströmungsrate in zwei separate Strömungswege am Eingang des Rotors oder nach Eintritt in den Rotor. Der Fluss kann am Eingang durch zum Beispiel zwei in die Rotorwelle gebohrte Löcher aufgeteilt werden, die durch eine Strömungsleiteinrichtung getrennt sind. Das Fluid kann nach Eintritt in den Rotor zum Beispiel durch eine Dichtung zwischen der Welle und der Zentrifugennabe aufgeteilt werden. Bei diesem Zentrifugenaufbau mit geteiltem Fluss („split-flow") kann bei einer Ausführungsform ungefähr 70% der Durchströmungsrate zu den Antriebsdüsen umgeleitet werden, während ungefähr 30% des Flusses durch die Schlammsammelzone geführt wird. Bei anderen Ausführungsformen kann das Verhältnis der Flussaufteilung (Bypass-Durchströmungsrate zu Abtrenndurchströmungsrate) in einem Bereich von ungefähr 1:1 bis ungefähr 10:1 liegen. Bei einem Flussaufteilungsverhältnis von 1:1 wird 50% des Fluidflusses an der Schlammsammelzone vorbeigeleitet und 50 des Fluidflusses strömt durch die Schlammsammelzone. Bei einem Flussaufteilungsverhältnis von 10:1 wird ungefähr 90% des Fluidflusses an der Schlammsammelzo ne vorbeigeleitet, während lediglich 10% des Fluids durch die Schlammsammelzone strömt.
Eine Verringerung der Durchströmungsrate in der Schlammsammelzone verbessert die Ansammlung und insbesondere den Rückhalt superfeiner Partikel, beispielsweise Ruß, die in einem Fluid dispergiert sind. Es wird darauf hingewiesen, dass diese Verbesserung der Sammelrate für superfeine Partikel jedoch zu keiner verringerten Sammelrate für größere Partikel führt, deren Größe ungefähr 3 Mikrometer übersteigt. Dies ist bedingt durch die „100% Effizienzgrenze". Die Sammeleffizienz für größere Partikel kann nicht höher als 100% sein. Deshalb führt eine Verringerung der Rotordurchströmungsrate zu einer verringerten Sammelrate für die größeren Partikel aufgrund des verringerten Durchsatzes und eines Einfachpassagenwirkungsgrades, der nicht höher als 100% sein kann.
Die im Anschluss beschriebene vorliegende Erfindung versucht, die Vorteile einer niedrigen Rotordurchströmungsrate auf kostengünstigere Zentrifugen vom Hero-Turbinentyp zu übertragen. Bei dieser Art von Zentrifuge wird der gesamte, in den Rotor gelangende Fluss aus den Turbinenantriebsdüsen ausgestoßen, um eine höchstmögliche Drehgeschwindigkeit zu erreichen. Um eine verringerte Durchströmungsrate ohne Verringerung der Rotorgeschwindigkeit zu erreichen, wird ein neuartiger und nicht naheliegender intern geteilter Weg für den Rotorfluss benötigt, bei der ein Teil des Fluidflusses durch die Schlammsammelzone des Rotors verläuft, während der größere Teil des Fluids direkt zu den Antriebsdüsen gelangt.
Wie im Anschluss noch genauer beschrieben wird, kann dies erzielt werden, indem zwei allgemeine Verfahren angewendet werden, nämlich eine Aufteilung vor dem Rotor und eine Aufteilung nach dem Rotor. Bei der Aufteilung vor dem Rotor sind zwei separate, in radialer Richtung gebohrte Öffnungen in der Welle gebildet und eine ringförmige Strömungsleiteinrichtung ist auf der Zentrifugennabe zwischen den beiden Öffnungen vorgesehen, um sicherzustellen, dass das aus den Öffnungen austretende Fluid auf dem richtigen Strömungsweg bleibt. Einer der Strömungswege verläuft durch die Schlammsammelzone, bevor das Fluid aus den Antriebsdüsen ausgestoßen wird, und der andere Strömungsweg verläuft direkt zu den Antriebsdüsen. Bei der Aufteilung nach dem Rotor können eine Anzahl unterschiedlicher Vorgehensweisen zum Einsatz kommen, um separate Strömungswege in dem Rotor zu erzeugen. Bei einer Vorgehensweise wird eine Strömungsleiteinrichtung verwendet, die die Durchströmungsrate durch den Rotor so steuert, dass die erwünschte Flussaufteilung ("flow split") zwischen der Sammelzone und der Antriebsdurchströmungs rate erzielt wird. Bei einer Form ist ein Spalt zwischen einer Antriebswelle und einer nach innen hervorstehenden, ringförmigen Strömungsleiteinrichtung gebildet, um so die Durchströmungsrate zur Schlammsammelzone zu steuern. Bei einer weiteren Form sind axiale Strömungskerben in ein unteres Ende der Nabe geformt. Das Verhältnis zwischen den Flächen der beiden Kerben und dem Spalt kann so eingestellt werden, dass die erwünschte Flussaufteilung erzielt wird. Bei einer alternativen Vorgehensweise sind die Öffnungsgrößen der Mündungen entlang jedes Strömungsweges proportional so bemessen, dass die erwünschte Durchströmungsrate erzielt wird.
Bezugnehmend auf 2 ist eine Zentrifuge 40 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Zentrifuge 40 weist als einige ihrer Hauptbestandteile ein Glockengehäuse 41, eine Rotoreinheit 42, die einen oberen 43 und einen unteren 44 Rotormantel umfasst, eine Rotorwelle 46, ein oberes Lager 48, ein unteres Lager 49, ein Mittelrohr (Nabe) 50, eine Kegelstapeleinheit 51 und eine Bodenteilerplatte 52 auf.
Das obere Lager 48 und das untere Lager 49 werden jeweils dazu verwendet, den oberen Rotormantel 43 und den unteren Rotormantel 44 drehbar an der Welle 46 zu befestigen. Der obere Rotormantel 43 und der untere Rotormantel 44 legen zusammen einen inneren Hohlraum 55 fest. Die Bodenteilerplatte 52 teilt den Hohlraum 55 in einen Schlamm- oder Partikelsammelhohlraumabschnitt (Zone) 56 und einen Fluidauslass (Antriebs)-Hohlraumabschnitt 57. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Kegelstapel 51 im Schlammsammelabschnitt 56 enthalten. Obwohl die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit der Verwendung von Kegelstapeleinheiten beschrieben wird, versteht es sich, dass die vorliegende Erfindung zur Verwendung mit anderen Arten von Zentrifugen, beispielsweise herkömmlichen oder Spiralflügelrad-Zentrifugen angepasst sein kann.
Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Rotorwelle 46 durchgehend und erstreckt sich zwischen dem oberen Lager 48 und dem unteren Lager 49. Es versteht sich jedoch, dass anstelle einer durchgehenden Rotorwelle die Rotorwelle 46 diskontinuierlich sein kann, so dass sie zwei separate Wellenabschnitte umfasst. In dieser diskontinuierlichen Form wird ein offener Raum zwischen den Wellenabschnitten derart festgelegt, dass einer der Wellenabschnitte das obere Lager 48 und der andere das untere Lager 49 trägt. Bei der dargestellten Ausführungsform weist die Rotorwelle 46 nur einen einzigen darin festgelegten Fluidversorgungsdurchgang 60 auf, durch den Fluid der Zentrifuge 40 zugeführt wird. Wie in 2 gezeigt, weist die Welle 46 des Weiteren ein Paar untere Bypassöffnungen 61 sowie ein Paar obere Fluidversorgungs (Separations)-Öffnungen 62 auf, wobei beide Paare in fluider Verbindung mit dem Fluidversorgungsdurchgang 60 stehen. Die Öffnungen 61, 62 eines jeden Paars sind in radialer Richtung um 90° zueinander um die Längsachse L der Welle 46 angeordnet. Es versteht sich jedoch, dass die Versorgungsöffnungen 61, 62 unter anderen Winkeln relativ zur Längsachse L der Welle 46 angeordnet sein können. Sowohl die Welle 46 als auch das Mittelrohr 50 legen einen Mittelrohrhohlraum 65 fest. Innerhalb des Hohlraums 65 weist das Mittelrohr 50 eine integral ausgebildete Dichtring-Strömungsleiteinrichtung 67 auf, die zwischen den Bypassöffnungen 61 und den Versorgungsöffnungen 62 liegt. Es versteht sich, dass bei einer alternativen Form die Dichtring-Strömungsleiteinrichtung 67 eine separate Komponente oder an der Welle 46 angebracht sein kann. Die Dichtring-Strömungsleiteinrichtung 67 unterteilt den Mittelrohrhohlraum 65 in einen Bypasshohlraumabschnitt 68 und einen Separationshohlraumabschnitt 69. An einem Ende 70 des Mittelrohrs 50 proximal zum Bypasshohlraumabschnitt 68 weist das Mittelrohr 50 eine Vielzahl axialer, darin definierter Kerben 71 auf. Es sollte offensichtlich sein, dass unterschiedlich geformte oder andere Arten von Öffnungen neben den axialen Kerben 71 in dem Mittelrohr 50 festgelegt sein können. Wie dargestellt, ist das gekerbte Ende 70 des Rohrs 50 in einem in dem unteren Rotormantel 44 gebildeten rohrförmigen Hohlraum 72 aufgenommen. Die Kegelstapeleinheit 51 weist eine Endkappe oder Hülse 73 mit einer Vielzahl radial angeordneter, darin festgelegter Separationsöffnungen 74 auf. Die Hülse 73 ist von dem anderen Ende 74 des Mittelrohrs 50 aufgenommen. Die Teilerplatte 52 weist eine Vielzahl von Teilerplattendurchgängen 76 auf, die um das Mittelrohr 50 festgelegt sind, um einen Durchgang zwischen den beiden Hohlräumen 56, 57 vorzusehen. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Teilerplatte 52 integral mit dem Mittelrohr 50 ausgebildet. Es versteht sich, dass anstelle einer integralen Teilerplatte 52 mit einer Vielzahl von Teilerdurchgängen 76 ein Spalt zwischen der Teilerplatte 52 und dem Mittelrohr 50 ausgebildet sein kann, um so einen ringförmigen Durchgang auszubilden. Wie in 2 dargestellt, besitzt der untere Rotormantel 44 darin ausgebildete Düsenstromöffnungen (Düsen) 78. Die Düsenstromöffnungen 78 werden für den Antrieb der Zentrifuge 40 verwendet.
Im Betrieb wird Fluid, beispielsweise Öl, der Zentrifuge 40 durch den Fluidversorgungsdurchgang 60 zugeführt, wie dies durch den Strömungsweg F1 angedeutet ist. Das Fluid wird anschließend in zwei einzelne Strömungswege aufgeteilt, nämlich den Bypass-Strömungsweg F2 und den Separations-Strömungsweg F3. Wie gezeigt, wird das entlang des Bypass-Strömungsweges F2 strömende Fluid aus den Bypassöffnungen 61 in den Bypasshohlraumabschnitt 68 des Mittelrohrs 50 ausgegeben. Das entlang des Bypass-Strömungsweges F2 strömende Fluid gelangt anschließend durch die Kerben 71 in den Antriebshohlraum 57 und wird aus den Düsen 78 ausgegeben, um die Rotoreinheit 42 anzutreiben (zu drehen). Das entlang des Separations-Strömungsweges F3 fließende Fluid weist suspendierte Partikel auf, die zunächst entfernt werden, bevor es aus den Düsen 78 ausgegeben wird. Wie dargestellt, wird das entlang des Separations-Strömungsweges F3 strömende Fluid von den Versorgungsöffnungen 62 in den Fluidversorgungshohlraumabschnitt 69 ausgegeben. Die Dichtring-Strömungsleiteinrichtung 67 dichtet den Hohlraumabschnitt 68 von dem Hohlraumabschnitt 69 ab, um eine Fluidleckage zwischen den Strömungswegen F2 und F3 so gering wie möglich zu halten. Aus dem Fluidversorgungshohlraumabschnitt 69 tritt das Fluid aus den Separationsöffnungen 74 in den Schlammsammelhohlraum 56 aus. Die Partikel setzen sich an den Innenwänden 80 des Gehäuses ab und werden als Schlamm gesammelt. Das Fluid wird aus dem Schlammsammelhohlraum 46 durch die Teilerdurchgänge 76 ausgegeben. Das Fluid des Separations-Strömungsweges F3 sowie das Bypassfluid des Bypass-Strömungsweges F2 wird anschließend aus den Düsenstrahlöffnungen 78 ausgegeben, um die Rotoreinheit 42 derart anzutreiben, dass der Rotor 42 eine optimale Drehgeschwindigkeit beibehalten kann.
Eine Zentrifuge 40a gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 3 dargestellt. Anstelle eines Aufbaus mit „vollständig quer-gebohrten Öffnungen", wie bei der Ausführungsform der 2 gezeigt ist, kommt bei dieser Ausführungsform eine Welle 46a mit nur einer einzelnen Öffnung zur Anwendung. Wie dargestellt, ist lediglich eine einzige Öffnung von jedem Typ in der Welle 46a festgelegt, anstelle von Öffnungspaaren 61 und 62. Die Bypassöffnung 61 hat einen Durchmesser D1 und die Versorgungsöffnung hat einen Durchmesser D2. Hinsichtlich der dargestellten Ausführungsform hat eine rechnerische Modellierung einer Analyse der Fluiddynamik (CFD) im Falle des Aufbaus der 3 mit nur einer einzigen Öffnung gezeigt, dass eine Versorgungsöffnung mit einem Durchmesser D2 von 3 mm zusammen mit einer Bypassöffnung mit einem Durchmesser D1 von 5 mm ein erwünschtes Flussaufteilungsverhältnis von 2:1 ergibt, so dass ungefähr 67% des Fluids an dem Schlammsammelzonenhohlraum 56 vorbeigeleitet wird und ungefähr 33% des Fluids durch den Schlammsammelhohlraum 56 strömt. Bei der Ausführungsform der 2, bei der vollständig gebohrte Öffnungen zur Anwendung kommen, um ein erwünschtes Flussaufteilungsverhältnis von 2:1 zu erzielen, muss der Durchmesser D2 der Versorgungsöffnung 62 kleiner sein, z. B. 2,4 mm betragen, da der Gegendruck verringert ist und die Trägheit des Fluids dazu führt, dass sich das Fluid nach oben in dem Durchgang 60 weiter bewegt. Bei beiden Größen-Konfigurationen ist der Druckabfall minimal (ungefähr weniger als 5 psid).
Es wurde ebenso herausgefunden, dass der radiale Freiraumspalt C (3) zwischen der Strömungsleiteinrichtung 67, 67a des Mittelrohrs 50, 50a und der Welle 46, 46a entscheidend ist, um eine Querleckage zwischen den beiden Strömungswegen F2, F3 zu minimieren. Es wurde ermittelt, dass ein 0,5 mm großer Freiraumspalt C zwischen der Strömungsleiteinrichtung 67, 67a und der Welle 46, 46a eine übermäßige Leckage hervorruft, die sich nachteilig auf die erwünschte Flussaufteilung zwischen den Strömen F2 und F3 auswirkt. Der 0,5 mm große Freiraum C machte die erwünschte Flussaufteilung unabhängig davon zunichte, wie die Größen der beiden Öffnungen 61 und 62 proportional aufeinander eingestellt waren. Eine weitere Analyse zeigte, dass der radiale Dichtringfreiraum C nicht größer als 0,3 mm sein sollte, um die Leckage auf einem akzeptablen Niveau halten zu können. Wie in dem in 4 gezeigten Diagramm 83 gezeigt ist, das eine Leckage-Studie darstellt, wurde die voraussichtliche Leckage für unterschiedliche radiale Freiräume C berechnet. Das Diagramm 83 umfasst eine radiale Freiraumachse 85 und eine voraussichtliche CFD-Leckageflussachse 86. Die maximale Zielleckage von ungefähr 10% ist durch die Linie 88 angedeutet, während die berechneten Werte durch die Linie 89 dargestellt sind. Wie in dem Diagram 83 dargestellt, hält ein 0,3 mm großer Freiraum C die Leckage auf einem akzeptablen Niveau.
Eine Zentrifuge 40b gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 5 dargestellt. Wie dargestellt, weist die Welle 46b nur ein Paar von Fluidversorgungsöffnungen 91 auf, die Fluid für beide Fluidwege F2 und F3 bereitstellen. Der Strömungsleiteinrichtungsdichtring 67b bei dieser Ausführungsform weist einen Freiraum C von der Welle 46b auf, um so einen ringförmigen Drosseldurchgang 92 zu bilden. Der Freiraum C zwischen dem Dichtring 67b und der Welle 46b ist zur Drosselung des Fluids so eingestellt, dass das erwünschte Flussaufteilungsverhältnis beibehalten wird. Die Strömungsleiteinrichtung 67b ist stromabwärts der Öffnung 91 bezüglich des Strömungsweges F3 vorgesehen, um so diejenige Fluidmenge zu steuern, die längs des Strömungsweges F3 fließt. Es versteht sich, dass bei einer alternativen Ausbildung nur eine einzige Öffnung 91 vorgesehen sein kann, um Fluid der Zentrifuge 40b zuzuführen. Alternativ können ebenso mehr als zwei Fluidöffnungen 91 verwendet werden, um Fluid der Zentrifuge 40b zuzuführen.
Eine Zentrifuge 40c gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in den 6–7 dargestellt. Wie in 6 gezeigt, weist die Welle 46b nur ein Paar von Fluidöffnungen 91 auf, durch die der Zentrifuge 40c Fluid zugeführt wird. Verglichen mit dem Zentrifugenaufbau 40b der 5, bei dem ein ringförmiger Durchgang 92 verwendet wurde, um den Fluidfluss längs des Separations-Strömungsweges F3 zu drosseln, weist das Mittelrohr 50c in der Ausführungsform der 6 eine Strömungsleiteinrichtung 67c mit einer Vielzahl radial angeordneter Strömungsöffnungen 95 auf, durch die sich das Fluid längs der Strömungsweg F3 bewegt. 7 stellt eine Querschnittsansicht der Zentrifuge 40c dar, zeigt allerdings der Klarheit halber lediglich das Mittelrohr 50c, die Welle 46b und die Strömungsleiteinrichtung 67c. Wie dargestellt, sind die Strömungsöffnungen 95 radial um die Welle 46b herum angeordnet. Der Spalt C zwischen der Welle 46b und der Strömungsleiteinrichtung 67c ist derart minimiert, dass das Fluid hauptsächlich durch die Öffnungen 95 strömt. Die Anzahl, die Größe sowie die Form der Öffnungen 95 kann eingestellt werden, um das erwünschte Flussaufteilungsverhältnis zu ergeben.
Eine Zentrifuge 40d gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in den 8–9 dargestellt. Wie in 8 dargestellt, umfasst die Zentrifuge 40d eine in dem Mittelrohr 50d angeordnete Welle 46b. Wie im Detail in 9 gezeigt, weist das Mittelrohr 50d eine Dichtring-Strömungsleiteinrichtung 67d auf, die eine Vielzahl radial angeordneter Rippen 97 umfasst. Die Welle 46b und die Rippen 97 legen Strömungsöffnungen 98 für den Fluidströmungsweg F3 fest. Wie in 9 dargestellt, sind die Rippen 97 radial um die Welle 46b angeordnet. Die Rippen 97 sind so bemessen und aufgebaut, dass ein erwünschtes Flussaufteilungsverhältnis in der Zentrifuge 40d erhalten wird, beispielsweise ein Verhältnis von 1:1 bis 10:1.
Es versteht sich, dass „herkömmliche" Rotorkonstruktionen für den Einmalgebrauch, die keine der effizienzverbessernden Vorrichtungen beinhalten, beispielsweise Kegelstapel oder Spiralflügelräder, sowie „demontierbare" Rotorkonstruktionen mit Teilen aus Metall, die zur Reinigung und Wiederverwendung bestimmt sind und nicht weggeworfen werden, ebenso Strömungskonzepte gemäß der vorliegenden Erfindung beinhalten können. Ein Beispiel einer solchen modifizierten Zentrifuge 40e ist in 10 gezeigt. Die Zentrifuge 40e umfasst eine doppelte Einlasswelle 46, die Bypass- 61 und Separationsöffnungen 62 umfasst. Das Mittelrohr 50e bei der dargestellten Ausführungsform umfasst einen geformten (gebogenen) Kamm 99, der als Strömungsleiteinrichtung dient, um eine Leckage zwischen den beiden Strömungswegen F2, F3 zu minimieren. Eine Auslassöffnung 100 für den Strömungsweg F3 ist in dem oberen Abschnitt des Mittelrohrs 50e festgelegt, der einem proximalen Separationshohlraum 56a entspricht. Eine Bypassöffnung 101 ist in dem unteren Abschnitt des Mittelrohrs 50e in dem proximalen Hohlraum 57a festgelegt, durch die Fluid längs des Bypassströmungsweges F2 strömen kann. Bei einer weiteren Ausführungsform, die in 11 gezeigt ist, wird ein einführbarer elastischer Dichtring 105 in das Mittelrohr 50e zwischen die Öffnungen 61 und 62 eingesetzt, der als Strömungsleiteinrichtung dient.
Bei einer noch weiteren Ausführungsform, die in 12 gezeigt ist, ist anstelle der Verwendung einer Strömungsleiteinrichtung, um den Fluss in die Zentrifuge 40g zu leiten, die Größe der Öffnungen 100a und 100b in dem Mittelrohr 50g so eingestellt, dass eine erwünschte Flussaufteilung erzielt wird. Die Öffnungen 100a und 101a können proportional so bemessen sein, dass die erwünschten Flussaufteilungsverhältnisse für die Strömungswege F2, F3 erzielt werden können. Unter der Annahme, dass der Druck an den Öffnungen 100a und 101a gleich ist, bewirkt die Gesamtgröße jeder Öffnung 100a, 101a, dass der Fluss proportional dazu gedrosselt wird, um das erwünschte Flussaufteilungsverhältnis zu erzielen. Um zum Beispiel ein erwünschtes Flussaufteilungsverhältnis von 1:1 zu erzielen, sollte die Gesamtgröße jeder Öffnung 100a, 101a die gleiche sein. Dieses Konzept kann während der Konstruktionphase zur Abschätzung der erwünschten Öffnungsgrößen verwendet werden, die zur Erzielung eines erwünschten Flussaufteilungsverhältnisses erforderlich sind. Mit zunehmendem Druckunterschied zwischen den Öffnungen 100a, 101a ist ein solches Konstruktionskonzept weniger gut anwendbar, und eine Modellierung und/oder Testreihen müssen zur Bestimmung der Proportionalgrößen der Öffnungen 100a, 101a eingesetzt werden, um das erwünschte Flussaufteilungsverhältnis zu erzielen.
Eine Zentrifuge 40h gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 13 dargestellt. Bei dieser Art Zentrifuge müssen keine Modifikationen an der zuvor installierten Rotorwelle 46b vorgenommen werden, und es müssen minimale werkzeugspezifische Veränderungen an einem bereits existierenden Einweg-Rotordesign (Fleetguard CS41-Reihe, die nun in Produktion ist) vorgenommen werden. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Größe der Öffnungen 74a und 71a so eingestellt, dass das erwünschte Flussaufteilungsverhältnis erzeugt wird. Wie vorstehend beschrieben, kann eine korrekte Bemessung sowie eine geeignete Anzahl dieser Öffnungen die ordnungsgemäße Drosselwirkung der Flussdurchgänge schaffen, um so den Fluidfluss zu drosseln und das erwünschte Flussaufteilungsverhältnis bereitzustellen.
Bezugnehmend auf die 14 sind ein Einweg-Rotor 41, ein äußerer Mantel 141, eine Welle 142, ein Manschettenelement 143, eine obere Buchse 144 sowie eine untere Buchse 145 dargestellt. Diese Bauteile werden zusammen gebaut, um eine Zentrifuge zu erzeugen, und da der Fokus der vorliegenden Erfindung auf die dargestellten Bauteile gerichtet ist, sind die unteren Abschnitte des äußeren Zentrifugen gehäuses sowie andere Grundbauteile und Merkmale nicht dargestellt. Insbesondere liegt der Fokus der Darstellung der 14 auf den Strömungswegen des eintretenden Fluids (typischerweise Öl), und die strukturellen Bauteile sind absichtlich in allgemeiner Form gehalten. Es ist der spezielle Aufbau dieser Bauteile und ihre Beziehung zueinander, die die verschiedenen Löcher, Öffnungen und Durchgänge für das eintretende Fluid bestimmt, welches so geleitet wird, wie es von der vorliegenden Erfindung beabsichtigt ist.
Der Einweg-Rotor 140 umfasst ein Gehäuse 150, das mit dem unteren Panel 151 zusammengefalzt und auf das Mittelrohr 152 gebaut und um dieses herum angeordnet ist. Die Enden 153 und 154 des Mittelrohrs 152 nehmen Buchsen 144 bzw. 145 auf. Eine Teilerplatte 155 trennt das Innenvolumen des Rotors in eine Sammelkammer 157 und eine Strahlzone 157. Die Teilerplatte 155 trennt diese beiden Volumina so, dass eine Sammelkammer 156 ohne Ausgang erzeugt wird. Eine Strömungsöffnung 158 wird durch die Teilerplatte 155 und durch ihre Lage um das Mittelrohr 152 festgelegt. Die einzigen Einlasslöcher 159 in dem Mittelrohr 152 befinden sich in der Strahlzone 157, und zwar axial unterhalb der Teilerplatte 155 und axial oberhalb der Strömungsöffnung 158. Das untere Panel 151 weist eine solche Form und einen solchen Aufbau auf, dass zwei Strahldüsenöffnungen 164 und 165 als Teil der Strahlzone 157 definiert werden. Die Öffnungen 164 und 165 sorgen für den eigenen Drehantrieb des Rotors 140. Das aus den Öffnungen 164 und 165 austretende Fluid erzeugt eine Hero-Turbine, die den Rotor mit einer hinreichenden Umdrehungszahl (Drehzahl) antreibt, um partikelförmiges Material aus dem Fluid herauszutrennen, das von der den Rotor 140 umfassenden Zentrifuge bearbeitet wird. Es ist anhand der Darstellung der 14 ersichtlich, dass es keine weiteren Einlasslöcher oder Strömungseinlassstellen für die Sammelkammer 156 mit Ausnahme der Strömungsöffnung 158 gibt. Im Hinblick auf die vorliegende Erfindung gibt es nur diesen einzigen Strömungseinlassort, und dieser wird als einzelner Einlass beschrieben, selbst wenn eine Vielzahl individueller Strömungsöffnungen 158 vorhanden sind, die um das Mittelrohr 152 verlaufen. Dadurch, dass ein einziger Einlassort für den Fluidfluss zum Füllen der Sammelkammer 156 vorhanden ist, kann bei mit Fluid gefüllter Sammelkammer (im unter Druck gesetzten Zustand) jeglicher zusätzlicher Fluidfluss, der aus der Welle 142 austritt, nur durch die Einlasslöcher 159 und in die Strahlzone 157 strömen. Ist die Sammelkammer 156 mit einer anfänglichen oder einzelnen Charge oder Ladung an Fluid gefüllt, steht kein weiterer Raum zur Verfügung, in den Fluid durch die Strömungsöffnung (Öffnungen) 158 eintreten kann. Obwohl es natürlich einen zweiten Flusseinlass in dem Rotor 140 gibt, befindet sich dieser Einlass hinsichtlich der Einlasslöcher 159 unterhalb der Teilerplatte 155. Entsprechend gibt es oberhalb der Teilerplatte 155 mit Ausnahme der definierten Strömungsöffnung 158, die als Teil der Teilerplatte oder als von dieser bestimmt angesehen werden kann, keine Fluideinlasslöcher, die zu der Sammelkammer 156 führen.
Im Hinblick auf den Wirkungsgrad der Zentrifuge und das in Ruhe lassen abgetrennter Partikel in der Sammelkammer, ist die Natur der Fluidströmung, einschließlich des Durchflusses, der Richtung sowie der Menge von Bedeutung. Die Erforschung und das Testen von Zentrifugen mit geteiltem Fluss haben gezeigt, dass die Sammelrate für ultrafeine Partikel (wie zum Beispiel Ruß in Motorenöl im Sub-Mikrometerbereich) dadurch verbessert werden kann, dass die durch die Strömungsstörung in der Sammelkammer bewirkte Fluidbewegung minimiert wird. Die ultrafeinen Partikel können leicht von dem gesammelten „Kuchen" weggerissen werden, falls es zu einer signifikanten Bewegung der Flüssigkeit benachbart der Oberfläche des Kuchens kommt, der von den gesammelten und zu einer Masse zusammengesetzten Partikeln gebildet wird. Diese Verringerung der Fluidbewegung ist bis zu einem gewissen Grad bei früheren Konstruktionen bereits erreicht worden, indem der eintretende Flussstrom in einen „Antriebs"-Fluss (ein Großteil des gesamten Flusses) und einen sehr viel kleineren Fluss „durch den Rotor" unterteilt wurde. Rein theoretisch kann der Fluss durch den Rotor auf Null reduziert werden, wie es durch die vorliegende Erfindung erzielt wird, und in diesem Fall wird die Zentrifuge zu einer Vorrichtung, die jeweils nur eine Rotorcharge an Fluid bearbeitet ("batch processor").
Der Zentrifugenrotor 140 wird durch das austretende Fluid angetrieben (Hero-Turbine) und ist dazu ausgelegt, dass er durch Beseitigen jeglichen Durchflusses mit einer absolut minimalen relativen Fluidbewegung in der Sammelkammer betrieben wird. Eine solche Bewegung von strömendem Fluid innerhalb der Sammelkammer kann ein Mitreißen ultrafeiner Partikel, wie des Schlamms im Motorenöl, bewirken. Entsprechend sieht die vorliegende Erfindung einen Aufbau vor, bei dem dieser Fluiddurchfluss beseitigt ist und die Sammelkammer tatsächlich als ein isolierter Aufbau (ohne Ausgang) gestaltet ist. Was tatsächlich geschieht ist, dass, während das System beim ursprünglichen Start unter Druck gesetzt wird, der eintretende Fluidfluss (Öl) den Rotor mit einer „Rotorfüllung" an Flüssigkeit füllt, und dass diese einzelne Fluidcharge beim Herunterfahren wieder ausgegeben wird. Dieser Einzelchargen-Zyklus erlaubt es, den Rotor und die entsprechende Zentrifuge als eine Batch-Verarbeitungsvorrichtung zu beschreiben, die lediglich eine Charge bearbeitet. Da es während des Betriebs keinen Fluss durch die Sammelkammer gibt, ist jegliche Relativbewegung des Fluids durch die Sammelkammer tatsächlich beseitigt, und die Ansammlung ultrafeiner Partikel kann so maximiert werden. Die vorliegende Erfindung kann als ein extremer Fall eines Konzepts mit aufgeteiltem Fluss beschrieben werden, bei dem der Fluss durch die Sammelkammer während des Betriebs auf Null reduziert ist. Um dieses Ergebnis zu erzielen, müssen strukturelle Modifikationen sowie Konstruktionsveränderungen an dem Rotor und der Beziehung des Rotors zum verbleibenden Teil der Zentrifuge vorgenommen werden.
Weiterhin unter Bezugnahme auf die 14 tritt das eintretende Fluid (Öl) durch den Durchgang 166 in die Welle 142 ein. Die Löcher 167 stehen in Verbindung mit dem Durchgang 166 und das eintretende Fluid strömt in den ringförmigen Freiraum 168 und von dort durch die Einlasslöcher 159. Während Fluid nach oben in den Freiraum 168 strömen kann, füllt sich dieser Raum zu einem bestimmten Zeitpunkt mit Fluid und der Weg des geringsten Widerstandes zwingt den Fluidfluss durch die Einlasslöcher 159.
Der durch die Einlasslöcher 159 verlaufende Fluidfluss kann zumindest während des ursprünglichen Starts zwischen zwei Richtungen oder Wegen auswählen. Zu diesem Zeitpunkt kann das eintretende Fluid durch die Strömungsöffnung 158 in die Sammelkammer und/oder durch die Strahldüsenöffnungen 164 und 165 strömen. Aufgrund der geringeren Öffnungsgröße der Öffnungen 164 und 165 und der damit im Zusammenhang stehenden Drosselwirkung besteht der anfängliche Weg des geringsten Widerstandes für das eintretende Fluid zum Startzeitpunkt darin, die Sammelkammer 156 zu füllen. Wie vorstehend bereits hingewiesen wurde, besteht der einzige Zugang (und Ausgang) zur Sammelkammer 156 durch die Strömungsöffnung (Öffnungen) 158. Als solche ist die Sammelkammer 156 als Kammer „ohne Ausgang" beschrieben worden. Die Einlasslöcher, die sich normalerweise in dem Mittelrohr benachbart der Oberseite der Sammelkammer befinden, sind nicht vorhanden. Dies erfordert, dass der normale Abfluss, d. h. die Strömungsöffnung 158, als Fluidflusseinlass in die Sammelkammer 156 benutzt wird.
Beim Starten wird der gebohrte Einlassdurchgang 166 in der Welle 142 mit Fluid unter Druck gesetzt, und die Sammelkammer 156 wird mit Fluid durch die Strömungsöffnung 158 in der Teilerplatte 155 mittels der Einlasslöcher 159 rückgefüllt. Jeglicher Lufteinschluss in der Kammer 156 kann entweder verschoben oder durch Lücken oder Nähte herausgedrängt werden, oder er kann wahrscheinlicher von dem Fluid mitgerissen und durch die Öffnungen 164 und 165 ausgetragen werden. Bei weiter anhaltendem Fluiddruck arbeitet die Zentrifuge weiter und entfernt Partikel aus der gleichen Einzelcharge an Fluid (Einzelladung), mit der die Sammelkammer 156 anfänglich beaufschlagt oder gefüllt worden war. Was zu diesem Zeitpunkt mit der mit nur einer einzelnen Fluidcharge gefüllten Sammelkammer passiert ist, dass das verbleibende, durch den Durchgang 166 eintretende Fluid direkt zu den Öffnungen 164 und 165 geleitet wird. Dieses Fluid sorgt im Anschluss für den eigenen Drehantrieb 140, um partikelförmiges Material aus der Einzelcharge an Fluid in der Sammelkammer 156 herauszutrennen.
Geht der eintretende Fluiddruck auf Null zurück, hört die Drehung des Rotors auf und die Einzelcharge an Fluid in der Sammelkammer wird zu diesem Zeitpunkt langsam aus den Strahlöffnungen 164 und 165 abgelassen. Die leere Sammelkammer 146 steht dann dafür bereit, eine neue Charge an verunreinigtem Fluid zum Zeitpunkt des nächsten Starts aufzunehmen (d. h. beim unter Druck setzen der Zentrifuge).
Ist die Sammelkammer 156 mit einer Einzelcharge oder Ladung an Fluid gefüllt worden, bewirkt die weiteranhaltende Zuführung von Fluid durch den Durchgang 166 einen weiteranhaltenden Drehantrieb durch Austritt aus den Öffnungen 164 und 165. Wie hingewiesen wurde, bleibt dieses Flussmuster bestehen, bis die Zentrifuge ausgeschaltet und die Sammelkammer geleert wird.
Bezugnehmend auf die 15 und 16 werden zwei zusätzlichen Zentrifugenausführungen gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Diese zwei zusätzlichen Zentrifugenausführungen sind bezüglich Aufbau und Funktion ähnlich dem im Zusammenhang mit der 14 in Bezug auf die Einzelcharge an Fluid und die verschiedenen Strömungswege Beschriebenen. Die partikeltrennende Einrichtung oder der Mechanismus, die bzw. der ein Teil des Rotors 140 ist, ist jedoch bei diesen beiden zusätzlichen Ausführungsformen anders.
Bezugnehmend zunächst auf die 15 umfasst eine Zentrifuge 172 einen Einweg-Rotor 173 aus Kunststoff mit einer Kegelstapeleinheit 174. Das Gehäuse 150 und das bodenseitige Panel 151 des Rotors 140 sind durch einen Kunststoffmantel ersetzt, der einen oberen Abschnitt 176 aufweist, welcher mit einem unteren Abschnitt 177 verbunden ist. Da der äußere Mantel 141, die Welle 142, das Manschettenelement 143, die obere Buchse 144 sowie die untere Buchse 145 der 15 praktisch identisch zu den Bauteilen der 14 sind, wurden hierfür die gleichen Bezugszeichen verwendet.
Der Aufbau des Rotors 173 umfasst eine Teilerplatte 178, die eine Strömungsöffnung 179 festlegt. Obwohl aufgrund der ausgewählten Schnittebene der Darstellung der 15 nicht wiedergegeben, sind Strahldüsenöffnungen in den unteren Abschnitt 177 des Kunststoffmantels 175 geformt, die für die selbstangetriebene Drehung des Rotors 173 sorgen. Die Einlasslöcher 180 sehen einen Fluidfluss von dem Durchgang 166 in die Strahlzone 188 und in die Sammelkammer 182 vor.
Bezugnehmend nun auf die 16 umfasst der Aufbau der Zentrifuge 186 einen Einweg-Rotor 187 mit einer Spiralflügelradeinheit 188. Die Zentrifuge 186 ist entsprechend der vorliegenden Erfindung hinsichtlich der Strömungswege und der Funktionsfähigkeit, die konsistent mit dem ist, was im Hinblick auf die Rotoren 140 und 173 beschrieben worden ist, aufgebaut und angeordnet. Diese Beschreibungen sind gleichermaßen auf den Rotor 187 anwendbar. Während der Aufbau des Kunststoffrotormentels 189 sich von dem Aufbau des Mantels 175 unterscheidet, ist seine Verwendung und sein Aufbau im Hinblick auf die Fluidströmungswege praktisch identisch zu dem, was im Hinblick auf die Aufbauten der 14 und 15 beschrieben wurde.
Unter weitergehender Bezugnahme auf den Zentrifugenaufbau der 16 bewegt sich der eintretende Fluidfluss von den Löchern 191 durch den Durchgang 190 in die Einlasslöcher 192. Zum Füllen der Sammelkammer 193 gelangt der Fluidfluss durch die Strömungsöffnung 194. Der Fluss bewegt sich darüber hinaus in die Strahlzone 195 für die selbstangetriebene Drehung des Rotors. In 16 sind die Strahldüsenöffnungen aufgrund der Schnittebene, die für die Darstellung der 16 ausgewählt wurde, nicht wiedergegeben.
Bezugnehmend nun auf die 17 und 18 sind die entsprechenden Zentrifugenaufbauten als demontierbare Konstruktionen ausgestaltet. Die Darstellung der 17 umfasst einen Rotoraufbau, der ähnlich der 14 ist. Die Darstellung der 18 umfasst einen Rotoraufbau, der einen Kegelstapel ähnlich der 15 enthält. Mit Ausnahme der Möglichkeit der Demontage zur Reinigung und Wiederverwendung, im Gegensatz zu einem Einweg-Rotordesign (siehe 14–16), umfasst der Rotor 199 (17) sämtliche Strömungsöffnungen, Löcher und Durchgänge der vorliegenden Erfindung, wie sie im Zusammenhang mit den 14–16 beschrieben wurden. Das gleiche gilt für den Rotor 200 (18), da dieser sämtliche Strömungsöffnungen, Löcher und Durchgänge der vorliegenden Erfindung umfasst, wie sie im Zusammenhang mit den 14–16 beschrieben wurden.
Im Hinblick auf die vorliegende Erfindung gibt es eine weitere Überlegung für all diejenigen Fälle, beispielsweise im Falle von Grundleistungs-Generatoren, bei denen der Fluiddruck über längere Zeiträume bestehen bleibt. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird dieser „lange Zeitraum" als eine Zeitspanne angesehen, die für eine Sammelkammer eines Rotors mit einem Volumen von ungefähr einem (1) Liter länger als 20 (zwanzig) oder 24 (vierundzwanzig) Stunden dauert. In solchen Fällen wäre es von Vorteil, ein zeitbetätigtes Absperrventil in den Fluidflusseinlass einzufügen, so dass der eintretende Fluidfluss periodisch unterbrochen werden kann. Sobald dieser Fluss unterbrochen ist, so dass die Zentrifuge nicht länger unter Druck steht, kann der Fluss in der Sammelkammer abgelassen werden, so dass eine neue Charge an verunreinigtem Fluid zugeführt werden kann. Der zeitliche Abstand zwischen Unterbrechungen muss lang genug sein, um die Sammelkammer leeren zu können. Diese Verbesserung der vorliegenden Erfindung ist in schematischer Form in 19 dargestellt. Bei dieser Darstellung ist eine generische Zentrifuge 210 mit einer Welle 211 und einem Durchgang 212 mit einem zeitbetätigten Absperrventil 213 gekoppelt.
Am Ende des vorbestimmten Zeitintervalls, wenn das System in den drucklosen Zustand gesetzt und zur Drainage abgeschaltet ist, wird im Anschluss daran das System für eine neue einzelne Flusscharge an verunreinigtem Fluid zur Bearbeitung durch den Rotor unter Druck gesetzt. Es wird in Betracht gezogen, dass die zyklische Frequenz der Ein- und Aus-Intervalle hinsichtlich des Unterdrucksetzens und des anschließenden Leerens der Sammelkammer im Hinblick auf eine maximale Sammelrate für ultrafeine Partikel zu optimieren.
Ohne dieses periodische Ablass-Wiederbefüllungs-Intervall würde die gleiche Fluidcharge, mit der die Sammelkammer ursprünglich beaufschlagt wurde, in dem Rotor über eine übermäßig lange Zeitspanne verbleiben, was zu einer Verringerung der gesamten Sammelrate führen würde. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass es lediglich eine gewisse Menge an Partikeln gibt, die in der einzelnen Fluidcharge enthalten sind, und dass bezüglich deren Größe nur eine bestimmte Menge an partikelförmigem Material aus jeder Rotorfluidfüllung entfernt werden kann.
Bezugnehmend auf die 20 und 21 sind alternative Ausführungsformen einer selbstangetriebenen Zentrifuge (mit Schwerpunkt auf den Rotor) im Hinblick auf den inneren Wellen/Achsstummelaufbau dargestellt. Die im Zusammenhang mit den in den 1 bis 19 beschriebenen vorherigen Ausführungsformen offenbaren die Verwendung einer Welle, beispielsweise der Welle 46 in 2 sowie der Welle 142 in 14, als das entsprechende Drehbauteil für die zugehörigen Einweg-Rotoren.
Wellen dieser Art sind so aufgebaut und angeordnet, dass sie bezüglich der Drehung des Rotors, beispielsweise des Rotors 140 in 14, stationär bleiben.
In 20 ist die Welle durch eine Achsstummel-Anordnung mit einer oberen Achse 220, einem Mittelrohr 221 sowie einem Achsstummel 222 ersetzt. Die obere Buchse 223 und die untere Buchse 224 wirken zur Drehbewegung des Rotors 225 zusammen. Bei dieser Ausführungsform umfasst das Mittelrohr 221 eine innere Wand 226, die eine Strömungsöffnung 227 festlegt. Der obere Abschnitt 228 des Mittelrohrs 221 legt in Verbindung mit dem oberen Abschnitt 229 des Rotors 225 einen Strömungsweg fest, der den Fluidfluss durch das Innere des Rotors (d. h. die Sammelzone) zu den Öffnungen 230 hin ermöglicht, die durch die Teilerplatte 231 benachbart dem Grund 241 des Rotors 225 festgelegt sind.
Der Rotor 225 stellt die Ausführungsform des Strömungsweges dar, bei der es einen messbaren Fluss durch die Sammelzone 234 von dem oberen Abschnitt 229 zu den Öffnungen 230 und von dort in die Strahlzone 235 gibt. Der durch den von dem Achsstummel 222 festgelegten Durchgang 236 eintretende Fluss wird derart aufgeteilt, dass ein Teil zu dem oberen Abschnitt 228 und der Rest durch die Öffnung 237, die von dem Achsstummel 222 festgelegt ist, direkt in die Strahlzone 235 strömt. Die Pfeile 238 stellen diagrammatisch diese beiden aufgeteilten Strömungswege dar. Die Teilerplatte 231 definiert die Öffnungen 230 für den Fluss aus der Strahlzone in die Sammelzone relativ zu der Ausführungsform der 21 (Einzelcharge).
Die obere Achse 220 ist einteilig mit dem Gehäuse 241 ausgebildet, wobei darauf hingewiesen wird, dass das insgesamt zweiteilige Gehäuse 241 als unteren Abschnitt die genannte Rotorbasis umfasst. Die obere Achse 220 ist von einer Buchse 223 aufgenommen, die ihrerseits durch den Zentrifugenmantel 242 fixiert ist. Das Mittelrohr 221 ist ein integraler Teil des Rotors 225. Der Abschnitt 243 des Achsstummels 222 ist in der zylindrischen Bohrung 244 des Mittelrohrs 221 durch eine sichere Presspassung aufgenommen. Der kleinere Abschnitt 245 des Achsstummels 222 verläuft durch die Gehäuseöffnung 246 und wird von der Buchse 224 aufgenommen, die in der Basis 247 aufgenommen ist. Der Abschnitt 245 ist an der Stelle der Öffnung 246 auf sichere Weise mit dem Gehäuse 241 durch Reibschweißen oder alternativ über eine sichere Presspassung verbunden. Der Achsstummel 222 ist hohl und die Seitenwand des Abschnittes 245 legt den Durchgang 236 fest. Der Übergangsbereich zwischen dem Abschnitt 243 und dem Abschnitt 245 definiert die Austrittsströmungsöffnung 237 für den anfänglichen Fluss in die Strahlzone 235.
Bezugnehmend nun auf die 21 stellt der Rotor 250 eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, bei der es keinen messbaren Fluss durch die Sammelzone 251 gibt. Der Rotor 250 der 21 entspricht dem hier beschriebenen Konzept einer Einzelladung oder Einzelcharge. Der in 21 dargestellte Aufbau ist praktisch gleich dem in 20 dargestellten Aufbau, abgesehen davon, dass die Strömungsöffnung 227 beseitigt (d. h. geschlossen) ist und es keinen Strömungsweg benachbart dem oberen Abschnitt 252 des Mittelrohrs 253 gibt. Die meisten Bezugszeichen, die im Zusammenhang mit der 21 verwendet wurden, sind die gleichen, wie sie in 20 verwendet werden.
Ein Grund, warum die 20 und 21 hier enthalten sind, besteht darin zu verdeutlichen, dass der Einzelladungs- oder Einzelchargen-Aufbau und das Konzept der vorliegenden Erfindung gleichermaßen erzielt werden kann und anwendbar ist auf einen Aufbau eines Rotors/Zentrifuge, der nahezu jede beliebige Art von Drehbauteil umfasst. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist dieses Drehbauteil als eine Welle ausgestaltet. Bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist dieses Drehbauteil als ein Achsstummel mit einem entsprechenden Mittelrohraufbau ausgestaltet. Im Hinblick auf die in den 20 und 21 dargestellten Konzepte und Konstruktionen ist ersichtlich, dass das Innere der dargestellten Rotoren in beiden Zeichnungsfiguren eine Kegelstapeleinheit oder alternativ eine Spiralflügelradeinheit umfassen kann. Diese Konstruktionen sind in anderen Zeichnungen dargestellt, und es sollte aus diesen Darstellungen und Beschreibungen klar sein, wie die in den 20 und 21 dargestellte Konstruktion eines Achsstummels in Rotorkonstruktionen implementiert werden kann, die eine Kegelstapeleinheit oder eine Spiralflügelradeinheit enthalten.
Der Umbau einer existierenden Rotorkonstruktion in ein Rotorkonzept mit „Chargenbearbeitung" kann auf relativ effiziente und rasche Weise und mit minimalen werkzeugspezifischen Kosten durchgeführt werden. Notwendig dafür ist die Auswahl der verschiedenen Bauteile, die strukturmäßig kompatibel mit dem Endergebnis sind, sowie anschließend eine Modifikation der Bauteile, um unnötige Fluidflussdurchgänge zu beseitigen oder zu schließen. Durch Beseitigen oder Schließen der unerwünschten Fluidflussdurchgänge, Löcher oder Öffnungen und durch Auswahl der passend konstruierten Bauteile im Hinblick auf den Rotor, die Welle, die Teilerplatte und das Gehäuse können die Fluidströmungswege für die vorliegende Erfindung sowie für dieses Konzept der Chargenbearbeitung erzielt werden.
Ein ähnliches erfinderisches Konzept wie hierin offenbart kann bei einer Zentrifuge mit Luftantrieb, elektromotorischem Antrieb oder Pumpenantrieb eingesetzt werden, bei dem ein elektrisches Ventil (zeitgesteuert) den Fluss zur Sammelkammer auf Grundlage eines vorbestimmten Zyklus einschaltet oder beendet. Dieser vorbestimmte Zyklus kann eine feste Anzahl von Stunden sein oder könnte vom Kunden in Abhängigkeit vom Betriebszyklus, dem Rußpegel etc. eingestellt werden. Das Steuerventil kann ebenso als Auslass aus der Sammelkammer verwendet werden, oder dafür, den Drainageauslass aus der Sammelkammer zu aktivieren.
Während die Erfindung im Detail in den Zeichnungen und in der voranstehenden Beschreibung dargestellt und beschrieben worden ist, sollte jene jedoch als rein illustrativ und nicht einschränkend angesehen werden, denn es versteht sich, dass lediglich die bevorzugte Ausführungsform gezeigt und beschrieben worden ist, und dass für sämtliche Änderungen und Modifikationen, die innerhalb des Geistes der Erfindung liegen, Schutz begehrt wird.
Zusammenfassung
Hero-Turbinenzentrifuge mit strömungsisolierter Sammelkammer
Eine Zentrifuge für das Abtrennen von partikelförmigem Material aus einem Fluidvolumen umfasst ein äußeres Gehäuse, ein durch das äußere Gehäuse verlaufendes Drehbauteil sowie einen auf dem Drehbauteil montierten Rotor zur Drehung bezüglich des Drehbauteils und bezüglich des Gehäuses. Die Zentrifuge ist derart aufgebaut und angeordnet, dass mittels des durch die von dem Rotor festgelegten Strahldüsenöffnungen austretenden Fluidflusses eine selbstangetriebene Drehung ermöglicht ist. Das Drehbauteil umfasst einen Fluiddurchgang und eine Austrittsöffnung zum Zuführen von Fluid zu dem Rotor. Der Rotor weist eine Teilerplatte auf, die das Innere des Rotors in eine Sammelkammer und eine separate Strahlzone unterteilt. Die Sammelkammer weist nur eine einzige von der Teilerplatte festgelegte Fluideintrittsstelle zur Bearbeitung nur einer einzelnen Fluidcharge auf.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6019717 [0004]
- US 5795477 [0005]
- US 3784092 [0005]
- US 5906733 [0005]

Claims

Zentrifuge, mit: – einem Gehäuse; – einem durch das Gehäuse verlaufenden Drehbauteil; – einem auf dem Drehbauteil montierten und innerhalb des Gehäuses angeordneten Rotor, wobei die Zentrifuge zum Ermöglichen einer selbstangetriebenen Drehung des Rotors durch den austretenden Fluidfluss aus dem Rotor aufgebaut und angeordnet ist; wobei – das Drehbauteil einen Fluiddurchgang und eine Austrittsöffnung aus dem Drehbauteil festlegt; – der Rotor eine Teilerplatte zum Unterteilen des Rotors in eine Sammelkammer und eine Strahlzone umfasst; und – die Sammelkammer eine einzige Fluideinlassstelle aufweist, die von der Teilerplatte festgelegt ist.
Zentrifuge nach Anspruch 1, bei der der Rotor ein Mittelrohr umfasst, das eine Strömungsöffnung festlegt, die sich in einem Strömungsweg zwischen der Austrittsöffnung des Drehbauteils und der einzigen Fluideinlassstelle befindet.
Zentrifuge nach Anspruch 2, des Weiteren umfassend eine Kegelstapeleinheit.
Zentrifuge nach Anspruch 2, des Weiteren umfassend eine Spiralflügelradeinheit.
Zentrifuge nach Anspruch 2, bei der die Strömungsöffnung zur Strahlzone hin offen ist.
Zentrifuge nach Anspruch 2, bei der der Rotor für den Einmalgebrauch aufgebaut und angeordnet ist.
Zentrifuge nach Anspruch 1, bei der das Drehbauteil einen Achsstummel und ein in Wirkverbindung damit stehendes Mittelrohr umfasst, und bei der der Achsstummel die Austrittsöffnung festlegt.
Zentrifuge, mit: – einem Gehäuse; – einem Drehbauteil, das einen Strömungsdurchgang festlegt und durch das Gehäuse verläuft; – einem auf dem Drehbauteil montierten und innerhalb des Gehäuses angeordneten Rotor, wobei die Zentrifuge zum Ermöglichen einer selbstangetriebenen Drehung des Rotors durch den austretenden Fluidfluss aus dem Rotor aufgebaut und angeordnet ist; wobei – der Rotor eine Sammelkammer ohne Ausgang umfasst, die eine Fluidströmungsöffnung festlegt; und – das Drehbauteil und der Rotor zusammen eine Vielzahl Strömungsdurchgänge von dem Strömungsdurchgang zu der Fluidströmungsöffnung festlegen.
Zentrifuge nach Anspruch 8, bei der der Rotor ein Innenvolumen besitzt und eine Teilerplatte umfasst, die das Innenvolumen in die Sammelkammer und eine Strahlzone aufteilt.
Zentrifuge nach Anspruch 9, bei der das Drehbauteil einen Austrittsdurchgang festlegt, der strömungsmäßig mit dem Strömungsdurchgang verbunden ist.
Zentrifuge nach Anspruch 10, bei der die Fluidströmungsöffnung den einzigen Strömungsdurchgang in die Sammelkammer und aus der Sammelkammer darstellt.
Zentrifuge nach Anspruch 11, bei der der Rotor ein Mittelrohr umfasst, das einen Strömungsdurchgang festlegt, der in einer Fluidströmungsweg zwischen dem Austrittsdurchgang des Drehbauteils und der Fluidströmungsöffnung angeordnet ist.
Zentrifuge nach Anspruch 12, des Weiteren umfassend eine Kegelstapeleinheit.
Zentrifuge nach Anspruch 12, des Weiteren umfassend eine Spiralflügelradeinheit.