DE112017005552T5

DE112017005552T5 - Zentrifugalabscheider mit verbesserter volumetrischer oberflächenverpackungsdichte und trennleistung

Info

Publication number: DE112017005552T5
Application number: DE112017005552.0T
Authority: DE
Inventors: Peter K. Herman; Christopher E. Holm; Mark V. Holzmann; Arun P. Janakiraman; Chirag D. Parikh; Miao Li
Original assignee: Cummins Filtration IP Inc
Current assignee: Cummins Filtration IP Inc
Priority date: 2016-12-09
Filing date: 2017-12-08
Publication date: 2019-07-25
Also published as: WO2018107043A1; US11173440B2; CN110035812A; US20190299134A1; CN110035812B

Abstract

Es werden verschiedene rotierende Koaleszer-Elemente beschrieben. Die rotierenden Koaleszer-Elemente enthalten verschiedene Anordnungen gestapelter Trennplatten oder -kegel. Bei einigen Anordnungen umfassen die beschriebenen rotierenden Koaleszer-Elemente eine Kombination von gestapelten Trennplatten oder -Kegeln und Filtermedien. In einigen Anordnungen sind die gestapelten Trennplatten so ausgelegt, dass sie in einem gegebenen rotierenden zylindrischen Volumen eine möglichst große radial projizierte Abscheidefläche bereitstellen, wobei der zu reinigende Strom radial (nach außen oder nach innen) durch das rotierende Koaleszer-Element strömt. In einigen Anordnungen wird dies erreicht, indem nicht konische Trennplatten gestapelt werden, die verschiedene flächenmaximierende Merkmale enthalten (z. B. spiralförmige Rippen, axiale Zylinder, spiralförmige Nuten oder spiralförmige „V“ -Formen).

Description

VERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der am 9. Dezember 2016 eingereichten vorläufigen U.S.-Patentanmeldung Nr. 62/432,019 mit dem Titel „Centrifugal Separator with Improved Surface Area Packing Density and Separation Performance,“, deren gesamte Offenbarung durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Anmeldung betrifft Zentrifugalabscheider.
HINTERGRUND
Beim Betrieb eines Verbrennungsmotors kann ein Teil der Verbrennungsgase aus dem Verbrennungszylinder in das Kurbelgehäuse des Motors strömen. Diese Gase werden oft als „Leckgase“ bezeichnet. Die Leckgase umfassen eine Mischung von Aerosolen, Ölen und Luft. Bei direkter Entlüftung an die Umgebung können die Leckgase die Umwelt schädigen. Dementsprechend werden die Leckgase in der Regel mittels eines Kurbelgehäuselüftungssystems aus dem Kurbelgehäuse geleitet. Das Kurbelgehäuselüftungssystem kann die Leckgase durch einen Tropfenabscheider bzw. Koaleszer (d. h. ein Koaleszenzfilterelement) leiten, um einen Großteil der Aerosole und Öle, die in den Leckgasen enthalten sind, zu entfernen. Die gefilterten Leckgase („saubere“ Gase) werden dann entweder an die Umgebung entlüftet (in offenen Kurbelgehäuselüftungssystemen) oder zur weiteren Verbrennung zum Lufteinlass für den Verbrennungsmotor zurückgeleitet (in geschlossenen Kurbelgehäuselüftungssystemen).
Einige Kurbelgehäuselüftungssysteme nutzen rotierende Koaleszer-Elemente, die die Filtereffizienz der Kurbelgehäuselüftungssysteme durch eine Drehung des Koaleszer-Elements während des Filterns erhöhen. Bei rotierenden Koaleszer-Elementen werden die Verunreinigungen (z. B. Öltröpfchen, die durch Leckgase suspendiert und transportiert werden) zumindest teilweise durch Zentrifugaltrennungstechniken getrennt. Außerdem kann die Drehung des Koaleszer-Elements einen Pumpeffekt erzeugen, der den Druckabfall durch das Kurbelgehäuselüftungssystem reduziert.
Rotierende Koaleszer-Elemente umfassen ein Trennelement, das Filtermedien, Stapel von Trennkegeln, Stapel von Trennscheiben oder eine Kombination davon umfassen kann. Jedoch haben existierende Anordnungen Nachteile. Filtermedien (z.B., Gewebefiltermedien) können beispielsweise durch unlösliche Partikel oder Halb-Feststoffe allmählich verstopft werden, die sich ansammeln und die kleinen Porenräume im Filtermedium blockieren. Diese allmähliche Porenverstopfung führt zu einer langsam abnehmenden Filtermediumdurchlässigkeit, einem langsam ansteigenden Druckverlust über das Kurbelgehäuselüftungssystem und schließlich zu einer Strömungsumgehung über eine dynamische Dichtung in den Kurbelgehäuselüftungssystemen, was eine verringerte Trennungseffizienz zur Folge hat. Somit erfordert das rotierende Element ein periodisches Ersetzen, wenn die Poren verstopfen. Ein weiteres Beispiel sind bestehende Stapel von Trennplatten (oder Kegel), die größere Strömungskanäle als Filtermedienabscheider haben, die nicht so anfällig für eine Verstopfung sind, die jedoch weniger effizient bei der Entfernung von Aerosolen und Ölen aus den Leckgasen des Kurbelgehäuses sind. Zusätzlich weisen die Stapel von Trennplatten und Kegeln eine geringe Packungsdichte auf, was entweder erfordert, dass die Kurbelgehäuselüftungssysteme in der Größe zunehmen oder einen reduzierten Trennwirkungsgrad aufweisen.
KURZDARSTELLUNG
Eine Ausführungsform betrifft eine Trennplatte für ein rotierendes Trennelement. Die Trennplatte umfasst einen Hauptkörper mit einer ringförmigen Form, die durch einen Innendurchmesser und einen Außendurchmesser definiert ist. Der Innendurchmesser definiert eine zentrale Öffnung. Der Außendurchmesser definiert einen äußeren Rand des Hauptkörpers. Der Hauptkörper umfasst eine Mehrzahl von Biegungen, die eine Mehrzahl von Strömungskanälen bilden, die zwischen benachbarten Spitzen einer Mehrzahl von Spitzen positioniert sind. Jeder der Mehrzahl von Strömungskanälen erstreckt sich von dem Innendurchmesser zu dem Außendurchmesser. Jede der Mehrzahl an Spitzen ist verbunden mit einer der Mehrzahl von Biegungen. Die Mehrzahl an Biegungen weist eine Spiralform auf, so dass jeder der Kanäle auch durch die Spiralform definiert ist.
Eine andere beispielhafte Ausführungsform betrifft ein rotierendes Koaleszenzelement. Das rotierende Koaleszer-Element schließt eine erste Endkappe, eine zweite Endkappe und eine Trennvorrichtung ein, die zwischen der ersten Endkappe und der zweiten Endkappe angeordnet ist. Die Trennvorrichtung umfasst eine Mehrzahl von Trennplatten, die in einem axial ausgerichteten Stapel angeordnet sind. Jede der Mehrzahl von Trennplatten umfasst einen Hauptkörper mit einer ringförmigen Form, die durch einen Innendurchmesser und einen Außendurchmesser definiert ist. Der Innendurchmesser definiert eine zentrale Öffnung. Der Außendurchmesser definiert einen äußeren Rand des Hauptkörpers. Der Hauptkörper umfasst eine Mehrzahl von Biegungen, die eine Mehrzahl von Strömungskanälen bilden, die zwischen benachbarten Spitzen einer Mehrzahl von Spitzen positioniert sind. Jeder der Mehrzahl von Strömungskanälen erstreckt sich von dem Innendurchmesser zu dem Außendurchmesser. Jede der Mehrzahl an Spitzen ist verbunden mit einer der Mehrzahl von Biegungen. Die Mehrzahl von Biegungen weist eine Spiralform auf, so dass jeder der Kanäle auch durch die Spiralform definiert ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel betrifft ein Kurbelgehäuselüftungssystem für einen Verbrennungsmotor. Das Kurbelgehäuselüftungssystem umfasst ein rotierendes Koaleszer-Element. Das rotierende Koaleszer-Element schließt eine erste Endkappe, eine zweite Endkappe und eine Trennvorrichtung ein, die zwischen der ersten Endkappe und der zweiten Endkappe angeordnet ist. Die Trennvorrichtung umfasst eine Mehrzahl von Trennplatten, die in einem axial ausgerichteten Stapel angeordnet sind. Jede der Mehrzahl von Trennplatten umfasst einen Hauptkörper mit einer ringförmigen Form, die durch einen Innendurchmesser und einen Außendurchmesser definiert ist. Der Innendurchmesser definiert eine zentrale Öffnung. Der Außendurchmesser definiert einen äußeren Rand des Hauptkörpers. Der Hauptkörper umfasst eine Mehrzahl von Biegungen, die eine Mehrzahl von Strömungskanälen bilden, die zwischen benachbarten Spitzen einer Mehrzahl von Spitzen positioniert sind. Jeder der Mehrzahl von Strömungskanälen erstreckt sich von dem Innendurchmesser zu dem Außendurchmesser. Jede von der Mehrzahl an Spitzen ist verbunden mit einer der Mehrzahl von Biegungen. Die Mehrzahl von Biegungen weist eine Spiralform auf, so dass jeder der Kanäle auch durch die Spiralform definiert ist.
Diese und andere Merkmale sowie die Organisation und Art ihrer Betätigung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen deutlich, wobei gleiche Elemente in den verschiedenen, nachstehend beschriebenen Zeichnungen durchgehend gleiche Bezugszeichen haben.
Figurenliste
Die vorstehenden und weiteren Merkmale der vorliegenden Offenbarung werden anhand der folgenden Beschreibung und beigefügten Ansprüche deutlicher, die in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen zu lesen sind. Unter der Voraussetzung, dass diese Zeichnungen lediglich mehrere Ausführungen gemäß der Offenbarung darstellen und daher nicht als Einschränkung ihres Schutzbereichs zu betrachten sind, wird die Offenbarung unter Verwendung der beiliegenden Zeichnungen genauer und ausführlicher beschrieben.

1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Kurbelgehäuselüftungssystems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
2A zeigt eine perspektivische Ansicht der sich drehenden Koaleszer-Elemente von
1, wobei die Trennvorrichtung entfernt ist.
2B Zeigt eine Querschnittsansicht des rotierenden Koaleszer-Elements von 1, wobei die Trennvorrichtung entfernt ist.
3A bis 3D zeigen verschiedene Ansichten einer Trennplatte nach einem weiteren Ausführungsbeispiel. 3A zeigt eine perspektivische Ansicht der Trennplatte.
3B zeigt eine Draufsicht der Trennplatte. 3C zeigt eine Querschnittsansicht der Trennplatte im Abschnitt A-A von 3B. 3D zeigt eine detaillierte Querschnittsansicht der Trennplatte.
4 zeigt eine graphische Darstellung der erforderlichen Kegelfläche und der effektiven Kegelfläche gegenüber dem Winkel für eine gleiche d-lim-Leistung.
5 zeigt eine beispielhafte Spiralform.
6 zeigt ein Diagramm zur Darstellung der Differenz in der ESA für evolventische Spiralen mit verschiedenen Abfangwinkel mit verschiedenen OD/ID-Verhältnissen.
7A bis 7D zeigen Ansichten einer Trennplatte gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. 7A zeigt eine perspektivische Ansicht einer Mehrzahl von Trennplatten, die gestapelt angeordnet sind. 7B zeigt eine Draufsicht der Trennplatte. 7C zeigt eine Querschnittsansicht der Trennplatte im Abschnitt A-A von 7B. 7D zeigt eine detaillierte Querschnittsansicht der Trennplatte.
7E zeigt eine Variation der Trennplatte von 7A bis 7D, wo die Trennplatte diskontinuierliche Beulen enthält.
7F und 7G zeigen eine weitere Variation der Trennplatten der 7A bis 7D, wo die Trennplatte Abstandshalter aufweist.
8 zeigt einen Stapel von Trennplatten 800, dargestellt gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
9A Bis 9C zeigen Ansichten einer Trennplatte gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. 9A zeigt eine perspektivische Ansicht der Trennplatte. 9B zeigt eine Draufsicht der Trennplatte. 9C zeigt eine Querschnittsansicht der Trennplatte im Abschnitt A-A von 9B.
10 zeigt eine Querschnittsansicht einer Trennplatte 1000 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
11A, 11B und 11C zeigen Ansichten einer Trennplatte gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. 11A zeigt eine perspektivische Ansicht der Trennplatte. 11B zeigt eine Draufsicht der Trennplatte. 11C zeigt eine Querschnittsansicht der Trennplatte im Abschnitt A-A von 11B.
12A Bis 12E zeigen Ansichten einer Trennplatte gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. 12A zeigt eine perspektivische Ansicht der Trennplatte 1200.
12B zeigt eine Draufsicht der Trennplatte. 12C zeigt eine Querschnittsansicht der Trennplatte 1200. 12D zeigt eine Ansicht einer Mehrzahl von Trennplatten 1200, die gestapelt angeordnet sind. 12E zeigt E eine Nahansicht der Mehrzahl von Trennplatten 1200, gestapelt, wie in 12D.
12F zeigt eine erste Variation der Trennplatte der 12A bis 12E gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
12G und 12H zeigen eine zweite Variation der Trennplatte von 12A bis 12E gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
13A bis 13C zeigen Ansichten eines Trennkegels gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. 13A zeigt eine perspektivische Ansicht des Trennkegels.
13B zeigt eine Draufsicht des Trennkegels. 13C zeigt den Trennkegel als Kegelstapel in einem rotierenden Filterelement angeordnet.
14A bis 14C zeigen Ansichten einer Trennplatte gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform. 14A ist eine perspektivische Ansicht der Trennplatte. 14B ist eine Draufsicht der Trennplatte. 14C zeigt eine perspektivische Ansicht eines Stapels von Trennplatten.
15A und 15B zeigen Ansichten einer Trennplatte gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. 15A zeigt eine Draufsicht der Trennplatte. 15B zeigt eine Querschnittsansicht der Trennplatte.
16A und 16B zeigen Ansichten einer Trennplatte gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. 16A zeigt eine Draufsicht der Trennplatte. 16B zeigt eine perspektivische Ansicht einer Mehrzahl von Trennplatten, die gestapelt angeordnet sind.
16C zeigt einen Graphen von ESA pro Trennplatte von 16A und 16B für verschiedene Spiralwinkel und Öffnungswinkel (Neigungswinkel) der Nuten.
17A bis 17D zeigen Trennelemente gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Das Trennelement kann anstelle des Trennelements von 1 verwendet werden. 17A zeigt eine Draufsicht des Trennelements. 17B zeigt eine Querschnittsansicht des Trennelements. 17C und 17D zeigen jeweils unterschiedliche Draufsichten des Trennelements.
18A und 18B zeigen Trennelemente gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Das Trennelement kann anstelle des Trennelements von 1 verwendet werden. 18A zeigt eine Querschnittsansicht einer ersten Anordnung des Trennelements unter Verwendung eines gewellten Mediums. 18B zeigt eine Querschnittsansicht einer zweiten Anordnung des Trennelements
19 zeigt ein Koaleszenzelement gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
20 zeigt einen Graphen der effektiven Fläche pro Volumeneinheit gegenüber dem Stapelseitenverhältnis für verschiedene Anordnungen von Trennelementen mit unterschiedlichen Plattenstapelkonfigurationen.
21 zeigt ein Diagramm, das vorläufige Leistungsstudien für einige der beschriebenen Trennplatten/Kegeldesigns zeigt.
22A bis 22E zeigen Ansichten eines Trennelementes gemäß einer beispielhaften Ausführungsform, wobei 22A eine perspektivische Querschnittsansicht des rotierenden Koaleszer-Elements zeigt; 22B zeigt eine Nahansicht der Queransicht der Wechselwirkung zwischen einer unteren Endkappe des rotierenden Koaleszer-Elements und dem Stapel von Trennplatten, 22C zeigt eine perspektivische Querschnittsansicht des rotierenden Koaleszer-Elements, bei dem der Stapel von Trennplatten entfernt ist. 22D zeigt eine perspektivische Ansicht der unteren Endkappe; und 22E zeigt eine perspektivische Ansicht der oberen Endkappe.
23A ist eine seitliche Querschnittsansicht eines Teils einer zweiten Endkappe mit einer Mehrzahl von darauf gestapelten Trennplatten nach einer bestimmten Ausführungsform, welche in einem der rotierenden Koaleszer-Elemente hierin beschrieben inkludiert sein kann, und 23B ist eine Draufsicht der zweiten Endkappe.
24A ist eine perspektivische Draufsicht der Mehrzahl von Trennplatten aus 23A, die auf der zweiten Endkappe von 23A gestapelt sind; und 24B ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts einer Mehrzahl von Trennplatten, die auf der zweiten Endkappe von 24A gestapelt sind, was durch den Pfeil A in 24A angezeigt wird.
25A ist eine perspektivische Draufsicht der Trennplatte der Mehrzahl von Trennplatten von 24A-B; 25B ist eine perspektivische Draufsicht eines Abschnitts der Trennplatte von 25A die durch den Pfeil B in 25A angegeben ist; und 25C ist eine Seitenquerschnittansicht eines Abschnitts der Trennplatte von 25A, durch den Pfeil C in 25A angezeigt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf die Figuren allgemein werden verschiedene rotierende Koaleszer-Elemente beschrieben. Die rotierenden Koaleszer-Elemente enthalten verschiedene Anordnungen gestapelter Trennplatten oder -kegel. Bei einigen Anordnungen umfassen die beschriebenen rotierenden Koaleszer-Elemente eine Kombination von gestapelten Trennplatten oder -kegeln und Filtermedien. In einigen Anordnungen sind die gestapelten Trennplatten so ausgelegt, dass sie in einem gegebenen rotierenden zylindrischen Volumen eine möglichst große radial projizierte Abscheidefläche bereitstellen, wobei der zu reinigende Strom radial (nach außen oder nach innen) durch das rotierende Koaleszer-Element strömt. In einigen Anordnungen wird dies erreicht, indem nicht konische Trennplatten gestapelt werden, die verschiedene flächenmaximierende Merkmale enthalten (z. B. spiralförmige Rippen, axiale Zylinder, spiralförmige Nuten oder spiralförmige „V“ -Formen), die nachstehend ausführlicher beschrieben werden. Die beschriebenen rotierenden Koaleszer-Elemente sind nicht verstopfend und wartungsfrei. Die beschriebenen rotierenden Koaleszer-Elemente werden im Zusammenhang mit Kurbelgehäuseentlüftungseinheiten für Verbrennungsmotoren (z. B. Diesel-Verbrennungsmotoren) beschrieben; die gleichen Anordnungen werden jedoch in anderen flüssigen festen Zentrifugalabscheidern verwendet, wie industriellen Öl-Zentrifugen, Kraftstoffzentrifugen und dergleichen.
Bezugnehmend auf 1 ist eine Querschnittsansicht eines Kurbelgehäuselüftungssystems 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform dargestellt. Das Kurbelgehäuselüftungssystem 100 verarbeitet im Allgemeinen Leckgase, die von einem Verbrennungsmotor-Kurbelgehäuse empfangen werden, um Aerosole, Öle und andere Partikel zu entfernen, die in den Leckgasen von Kurbelgehäusen enthalten sind. Das Kurbelgehäuselüftungssystem 100 umfasst im Allgemeinen ein Gehäuse 102 mit einem Einlass 104, welcher zu filternde Leckgase des Kurbelgehäuses empfängt, eine zentrale Kammer mit einem darin installiertem, rotierendem Koaleszer-Element 106, und einen Auslass 108, der gefilterte Leckgase an den Verbrennungsmotor (in einer geschlossenen Kurbelgehäuselüftungssystem) oder in die Umgebung leitet (in einem offenen Kurbelgehäuselüftungssystem).
Während des Betriebs des Kurbelgehäuselüftungssystems 100 treten Leckgase durch den Einlass 104 in das Gehäuse 102 ein. Die Leckgase werden in die zentrale Kammer geleitet, wo die Leckgase durch die rotierenden Koaleszer-Elemente 106 von innen nach außen strömen. Bei einer alternativen Anordnung kann das Kurbelgehäuselüftungssystem 100 so konfiguriert sein, dass es eine Anordnung mit außenseitiger Strömung aufweist. Das rotierende Koaleszer-Element 106 ist mit einer zentralen Welle 110 gekoppelt, die die Drehung auf das rotierende Koaleszer-Element 106 überträgt. In 1 wird die zentrale Welle 110 durch eine Turbine 112 (d. h. ein Beckenrad, ein Schaufelrad usw.) drehangetrieben, die durch einen Ölströmung gedreht wird, der durch eine Ölpumpe 114 erzeugt wird. Bei alternativen Anordnungen wird die zentrale Welle 110 durch einen Elektromotor, eine mechanische Kopplung mit dem Verbrennungsmotor oder dergleichen gedreht. Das rotierende Koaleszer-Element 106 trennt Öl, Aerosole und andere Verunreinigungen, die in den Leckgasen enthalten sind. Die abgeschiedenen Kontaminanten fließen aus dem Gehäuse 102 durch einen Abfluss 116 und kehren zu der Motorkurbelgehäusewanne 118 zurück.
Das rotierende Koaleszer-Element 106 schließt im Allgemeinen eine erste Endkappe 120, eine zweite Endkappe 122 und eine Trennvorrichtung 124 ein. Ansichten des rotierenden Koaleszer-Elements 106 ohne die Trennvorrichtung 124 sind in den 2A und 2B gezeigt. 2A zeigt eine perspektivische Ansicht der sich drehenden Koaleszer-Elemente 106, wobei die Trennvorrichtung 124 entfernt ist. 2B zeigt eine Querschnittsansicht des rotierenden Koaleszer-Elements 106, wobei die Trennvorrichtung 124 entfernt ist. In einigen Anordnungen sind die erste Endkappe 120 und die zweite Endkappe 122 über eine Schnappverbindung gekoppelt. Das rotierende Koaleszer-Element 106 umfasst Zentrierrippen 202, die helfen, eine Mehrzahl gestapelter Trennplatten zu zentrieren, die in der Trennvorrichtung 124 in dem rotierenden Koaleszer-Element 106 enthalten sind. Die Zentrierrippen 202 können eine radiale oder spiralförmige Form aufweisen. Das rotierende Koaleszer-Element 106 schließt axiale Strömungseinlassöffnungen 204 auf der zweiten Endkappe 122 ein. Zusätzliche Einlassöffnungen 206 sind auf dem zentralen Trägerrohr 208 positioniert, das die erste Endkappe 120 und die zweite Endkappe 122 verbindet. Die zweite Endkappe 122 umfasst weiter einen ringförmigen vorspringenden Ring 210, der konfiguriert ist, um eine dynamische Dichtung mit einem Gehäusevorsprung zu bilden, um die Rezirkulation des von dem rotierenden Koaleszer-Elements 106 erzeugten Pumpstroms zu minimieren und zu steuern.
Die Trenneinrichtung 124 enthält mehrere gestapelte Trennplatten oder Trennwände, die ausgebildet sind, um das Öl, Aerosole und andere Verunreinigungen, die in den Leckgasen enthalten sind, durch Zentrifugaltrennung zu trennen. Verschiedene Anordnungen der gestapelten Trennplatten oder Trennwände werden in weiteren Einzelheiten mit Bezug auf 3-18B beschrieben.
Bezugnehmend auf 3A bis 3D werden die Ansichten einer Trennplatte 300 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform gezeigt. 3A zeigt eine perspektivische Ansicht der Trennplatte 300. 3B zeigt eine Draufsicht der Trennplatte 300. 3C zeigt eine Querschnittsansicht der Trennplatte 300 im Abschnitt A-A von 3B. 3D zeigt eine detaillierte Querschnittsansicht der Trennplatte 300. Die Trennplatte 300 hat einen Hauptkörper 302 mit einem Innendurchmesser 304, der eine zentrale Öffnung und einen Außendurchmesser 306 definiert, der die Außenkante der Trennplatte 300 definiert. Der Hauptkörper 302 der Trennplatte 300 ist ringförmig (d. h. scheibenförmig) und umfasst eine Mehrzahl von Strömungskanälen 308, die eine Spiralform haben. Die Trennplatte 300 kann durch einen Formherstellungsprozess (z. B. Spritzgießen) geformt werden.
Wie am besten in 3A und 3D gezeigt, werden die Strömungskanäle 308 sowohl auf einer oberen als auch auf einer unteren Seite des Hauptkörpers 302 durch Biegungen in dem Hauptkörper 302 gebildet, die zu jedem der Strömungskanäle 308 eine V-Form (oder invertierte V-Form) bilden. Die V-Form verleiht der Trennplatte 300 eine insgesamt waffelförmige Form. Jede Spitze eines gegebenen Strömungskanals 308 enthält eine Abstandshalterrippe 310. Die Abstandshalterrippe 310 weist einen Spalt zwischen benachbarten Trennplatten 300 auf, wenn die Trennplatten 300 übereinander gestapelt werden, um die Trenneinrichtung 124 zu bilden. Eine Mehrzahl der Trennplatten 300 kann übereinander gestapelt werden, um die Trennvorrichtung 124 des rotierenden Koaleszer-Elements 106 zu bilden.
Wie am besten in 3B gezeigt, ist die Spiralform für jeden der Strömungskanäle 308 so gewählt, dass jeder Strömungskanal 308 eine gleichmäßige Kanalbreite (oder näherungsweise eine gleichförmige Kanalbreite, die innerhalb von 10 % der durchschnittlichen Kanalbreite variiert) vom Innendurchmesser 304 zum Außendurchmesser 306 aufweist. In einigen Anordnungen wird die gleichmäßige Kanalbreite erreicht, indem eine Quellenspirale ausgewählt wird, die eine evolventische Spirale mit einem Startradius von ungefähr 70 % des Innendurchmessers 304 aufweist (wie weiter unten mit Bezug auf die Gleichungen 2 bis 10 erörtert). In einer alternativen Anordnung wird die gleichmäßige Kanalbreite durch die Verwendung einer archimedischen Spirale mit einer optimierten archimedischen Spiralgleichung erreicht (z. B. mit einem optimierten Exponenten von ungefähr 0,71 und mit einem Verhältnis des äußeren Durchmessers 306 zum inneren Durchmesser 304 von etwa zwei und mit einem Abfangwinkel von fünfundvierzig Grad). Die konstante Kanalbreite eliminiert ein „Ausfädeln“ des Strömungskanals, wodurch ein maximierter effektiver Trennbereich der Strömungskanäle 308 über einen vergrößerten durchschnittlichen Abfangwinkel bereitgestellt wird. Die wirksame Fläche jedes Strömungskanals 308 kann durch Zugabe von Vorsprüngen oder Trennrippen an jedem Strömungskanal 308 weiter gesteigert werden (z. B. in einer ähnlichen Weise wie unten beschrieben mit Bezug auf 7G, 7F, 12F, 12G, und 12H).
Die Trennplatte 300 (sowie die nachfolgend erläuterten alternativen Trennplatten) wurde entworfen, um einen erhöhten „wirksamen Trennungsbereich“ (ESA) und Packungsdichte (d.h., wirksamer Bereich pro Volumeneinheit der Trenneinrichtung 124) aufgrund des verringerten Endverlusts gegenüber Kegelstapelkonstruktionen des Abscheiders sicherzustellen, da der verschwendete Raum über/unter/innerhalb der Kegel verringert wird, und auch aufgrund der größeren radialen Abfangwinkel, die im Vergleich zu den herkömmlichen 45°-Kegelflächen von Kegelstapelkonstruktionen möglich sind. Ferner würde die Verwendung von noch steileren Kegelstapelwinkeln, wie 50°-60°, sogar zu einer überproportionalen axialen Packungslängenanforderung führen, die durch die Verwendung der oben beschriebenen Trennplatten 300 vermieden wird. Dementsprechend sind die oben beschriebenen Trennplatten 300 einfacher über Formherstellungsprozesse herzustellen, da eine tiefe/lange Werkzeug- und Teileextraktion im Wesentlichen eliminiert wird.
Die ESA, wie sie hier verwendet wird, ist durch die „radial normale“ projizierte Gesamtfläche der Trenneinrichtung 124 definiert, auf die Partikel oder Tröpfchen wandern und sich ablagern. Die „flachen“ axialen senkrechten Flächen tragen nichts zur effektiven Fläche bei - nur abgewinkelte Oberflächen sind vorteilhaft. Zum Beispiel würde eine einfache zylindrische Fläche einen Bereich von 2πRH haben (wobei R der Radius des Zylinders und H die axiale Höhe des Zylinders ist), während ein gerader radialer Flügel einen Bereich von Null haben würde (da er eine rein radiale Fläche bildet). Mathematisch kann dieser effektive Bereich als der projizierte Bereich beschrieben werden, der senkrecht zur lokalen (radialen) Zentrifugalkraft der Vektorrichtung ist, und kann unter Verwendung des folgenden Oberflächenintegrals, das in Gleichung 1 definiert ist, berechnet werden. $\iint_{S} \vec{f} . \vec{n} d A$
In Gleichung 1 $\vec{f}$
ist der Einheitszentrifugalkraftvektor und $\vec{n} d A$
der Normalenvektor des Differenzflächenelements auf der Oberfläche der Schaufeln. Die relative Trennleistung von einem Abscheider ist stark abhängig von dieser ESA, zusammen mit der Fließgeschwindigkeit, der Drehzahl, dem Außendurchmesser (OD) und einem inneren Durchmesser (ID) der Trennplatten 300, der Flüssigkeitsviskosität, Teilchendichte und Flüssigkeitsdichte. Beispielsweise haben herkömmliche Plattenstapel-Trennvorrichtungen eine „begrenzende“ Partikelgröße (oberhalb derer der Wirkungsgrad 100 % beträgt), die theoretisch auf der Grundlage der Partikelmigrationstrajektorie in Richtung der Kegeloberfläche bei einer Annahme eines gleichmäßigen Strömungsfelds abgeleitet wurde. Diese Beziehung ist in dem Graphen von 4 gezeigt. Gemäß der Beziehung sollte für eine gegebene ESA, wie sie über die Gleichung 1 berechnet wird, die Trennleistung (d lim) gleich sein, selbst wenn Strukturoberflächen nicht-konische Geometrien aufweisen. Als ein Beispiel wird unter Verwendung der Gleichung für Kegelstapel d lim (gezeigt in 4) gezeigt, dass die ESA, die für einen gegebenen d lim erforderlich ist, über einen weiten Bereich von Kegelwinkeln konstant bleibt (wie durch die flache Linie von 4 gezeigt), während die Änderung der tatsächlichen Kegelfläche exponentiell zunimmt (wie durch die gekrümmte Linie von 4 gezeigt), wobei alle anderen Parameter fixiert bleiben.
Die beschriebenen Trennplatten (z. B., Trennplatte 300) haben auch eine zugehörige ESA „volumetrische Packungsdichte“ (ESAVPD). Wie hierin verwendet ist ESAVPD definiert als ESA pro belegtem Paketvolumen mit Einheiten 1/Länge. Trennplattenkonstruktionen mit einer höheren ESAVPD werden gegenüber Trennplattenkonstruktionen mit einer niedrigeren ESAVPD bevorzugt, da ein erforderlicher Leistungsgrad im minimal möglichen Packungsraum und/oder bei möglichst geringer Drehzahl (d. h. niedrigerer Leistungsaufnahme) geliefert werden kann. Die Gesamtfläche ist eine einfache Funktion des Packungsvolumens und der Trennplattendicke, und für eine gegebene Packungfestigkeit (Volumen der Platten/Gesamtvolumen) nähert sich der Oberflächenbereich (nicht ESA) einem sehr einfachen Verhältnis im Bereich=2*Vol/Stapellage, wobei die Stapellage der periodische Wiederholungsabstand der Stapelelemente mit Längenabmessungen ist. Als ein Arbeitsbeispiel werden die Berechnungen für die Oberfläche für ein Packungsvolumen berechnet, das durch einen Quadratwürfel von 1 m definiert ist. Wenn 1 mm dicke Trennplatten mit einer Fläche von 2 m² (d. h., auf jeder Seite der Trennplatte ist 1 m²) mit 1 mm Abstandshaltern zwischen benachbarten gestapelten Platten in die Würfel gestapelt werden würden, würden 500 Platten (bei einem 2 mm Stapelabstand) in den Würfel passen, was eine Gesamtfläche von 1000 m² ergibt (berechnet als Fläche=2*1/0,002= 1000). Die ESA kann dann (ungefähr) berechnet werden, indem der berechnete Oberflächenbereich mit dem Sinus des durchschnittlichen Abfangwinkels der resultierenden Oberflächen mit einem senkrechten Achsenstrahl multipliziert wird. Anschließend kann ESAVPD berechnet werden, indem die ESA durch das für das Paket erforderliche Volumen geteilt wird. Beispielsweise wäre die für Kegel berechnete ESA im Fall von Kegeln mit einem 45° Abfangwinkel sin(45°) = 0,707, die berechnete ESA für Kegel wäre der Oberflächenbereich multipliziert mit 0,707 und geteilt durch das Volumen, das in dem Kegelpackstapel eingenommen wird. Für den Fall einer Waffelausführung kann der mittlere durchschnittlichen Abfangwinkels 56° betragen, sodass der Multiplizierer mit der Oberfläche sin(56)=0,83 sein würde. Das Vergleichen der ESAVPD verschiedener Plattenkonfigurationen ermöglicht einen Vergleich des relativen Vorteils (oder Nachteils) verschiedener Trennplattenausführungen (z. B. wie in dem Graphen von 21 gezeigt).

Wie oben mit Bezug auf 3A bis 3D beschrieben, wurde die Spiralform für jeden der Strömungskanäle 308 so gewählt, dass jeder Strömungskanal 308 eine gleichmäßige Kanalbreite (d. h. den normalen Oberflächen-zu-Oberflächenabstand zwischen den den Strömungskanal 308 definierenden Wänden) vom Innendurchmesser 304 zum Außendurchmesser 306 aufweist. Dies wird durch Manipulation einer evolventischen Spiralform erreicht. Die Mathematik einer evolventischen Spiralform kann durch eine Anzahl mathematischer Gleichungen beschrieben werden. 5 zeigt eine Spiralform 500 mit verschiedenen gekennzeichneten Parametern, die in der Beschreibung der folgenden mathematischen Gleichungen verwendet werden. Tabelle 1 unten beschreibt die verschiedenen Parameter, markiert in 5 zusammen mit weiteren Parametern in den folgenden mathematischen Gleichungen. Tabelle 1

Symbol	Parameters	Gleichung
A	Kreuzungspunkt der gedrehten Spirale und innerer Radius,
B	Senkrechter Fuß des Punkts A auf der Quellspirale,
C	Kreuzungspunkt der Quellenspirale und Außenradius,
D'	Kreuzungspunkt der gedrehten Spirale und Normale der Quellspirale am Punkt C,
H	Höhe des Trennstapels,
ID	Innerer Durchmesser,
OD	Äußerer Durchmesser,
R_i	Innerer Radius,
R_o	Äußerer Radius,
N_r	Die Anzahl der Arme in einer vollen Umdrehung, d. h. von 0 auf 2π,
a	Ausgangsradius einer Spirale,
b	Aufeinander folgender Drehungsfaktor der archimedischen Spirale oder Radiuszunahme zusätzlich zum Ausgangsradius von a bei Radiant θ von 1.
m	Exponentialfaktor der archimedischen Spirale,
r	Polarer Radius einer Spirale,
t	Parameter der evolventischen Spirale, d. h. der Tangentenwinkel,
t_inlet, t_i	Parameter der evolventischen Quellenspirale am Einlass-/Innenradius,	tan (γ)
t_outlet, t_o	Parameter der evolventischen Quellenspirale am Auslass-/Außenradius,	$\sqrt{σ^{2} - 1 + σ^{2} t a n^{2} (γ)}$
alpha	Normalisierte Startposition einer Spirale nach inneren Radius,	$\frac{a}{R_{i}}$
β	Normalisierter sukzessiver Faktor der archimedischen Spirale,	$\frac{b}{R_{i}}$
δ	Winkelunterschied zwischen Quellenspirale und gedrehter Spirale,	$\frac{2 π}{N_{r}}$
θ	Polarwinkel einer Spirale,
θ_inlet, θ_i	Polarwinkel einer Quellenspirale am Einlass oder Punkt i
θ_outlet, θ_o,	Polarwinkel einer Quellenspirale am Auslass oder Punkt C
ρ	Normalisierter Polarradius einer Spirale,	$\frac{r}{R_{i}}$
γ	Abfangwinkel, der Winkel zwischen Radiallinie und Tangente an einer Spirale,
σ	Verhältnis Außendurchmesser zu Innendurchmesser bzw. Außenradius zu Innenradius,	$\frac{0 D}{I D} = \frac{R_{o}}{R_{i}}$

Die folgende mathematische Erörterung beschreibt die Ableitung der optimierten evolventischen Spirale, die verwendet wird, um die Strömungskanäle 308 der Trennplatte 300 zu definieren. Eine evolventische Spirale ist durch die Gleichungen des polaren Radius, Gleichungen 2 und 3, gegeben. $r (t) = α \sqrt{1 + t^{2}}$
$θ (t) = t - {tan}^{- 1} (t)$
Sobald durch inneren Radius R_i normalisiert, wandelt sich die Gleichung (2) in Gleichung (4) um. $ρ (t) = \frac{a}{R_{i}} \sqrt{1 + t^{2} .}$
Bei einem gewünschten Abfangwinkel, γ, nimmt der Ausgangsradius der Spirale a, die Form der Gleichung (5) an. $a = R_{i} cos (γ)$
Folglich kann die Gleichung (4) in die Gleichung (6) im Hinblick auf die Gleichung (5) transformiert werden. $ρ (t) = cos (γ) \sqrt{1 + t^{2}}$
Zur Ausbildung der Spirale muss der Parameter t sowohl bei Einlass und Auslass, t_inlet und t_outlet bekannt sein. Die Parameter t_inlet und t_outlet sind durch die Gleichungen (7) bzw. (8) definiert $t_{i nlet} = tan (γ)$
$t_{outlet} = \sqrt{σ^{2} - 1 + σ^{2} {tan}^{2} (γ)}$
Basierend auf der Gleichung (5) ist der Ausgangsradius/-punkt, a von einer Evolvente stets kleiner als der innere Radius, R_i, es sei denn, der Abfangwinkel ist gleich Null (d. h. die Spirale steht senkrecht zum inneren Radius). Wie am besten in 3B gezeigt, ist die Spirale, die die Strömungskanäle 308 definiert, jedoch nicht normal zum Innenradius (die Spirale, die die Strömungskanäle 308 definiert, weist beispielsweise einen von Null abweichenden Abfangwinkel γ in der gleichen Weise wie in 5 gezeigt auf.) Wie oben diskutiert, hängt die Leistung der offenbarten Trennvorrichtung 124 größtenteils von der ESA ab, die gemäß Gleichung (1) definiert ist. Gleichung (1) kann gemäß der Gleichungen (9.1), (9.2) oder (9.3) umgeschrieben werden. $E S A = \iint_{A} \overset{⇀}{r} \cdot d \overset{⇀}{A}$
$E S A = \iint_{A} \overset{⇀}{r} \cdot \overset{⇀}{n} d A$
$ESA = H \int_{θ_{i}}^{θ_{0}} \overset{⇀}{r} \cdot \overset{⇀}{n} d s$
In den Gleichungen (9.1)-(9.3) ist H die Höhe eines einzelnen Stücks, $\overset{⇀}{r}$
ist der radiale Einheitsvektor, $\overset{⇀}{n}$
ist der Einheitsnormalvektor eines kleinen Stückes der Oberfläche dA, ds ist eine kleine Bogenlänge. Zusätzlich reduziert sich das Integral $\int_{θ_{i}}^{θ_{o}} \overset{⇀}{r} \cdot \overset{⇀}{n} d s auf$
$\int_{θ_{i}}^{θ_{o}} r (θ) d θ .$
Dementsprechend, bei einem Abfangwinkel γ am inneren Radius, nimmt die ESA einer Evolvente die Form der Gleichung (10) an. $E S A (involute) = \frac{1}{2} H R_{i} c o s (γ) {[t \sqrt{1 + t^{2}} - \frac{1}{2} ln (\frac{\sqrt{1 + t^{2}} + t}{\sqrt{1 + t^{2}} - t})]}_{t_{i}}^{t_{o}}$
In Gleichung 10 sind t_i und t_o die Parameter t am Einlass und Auslass einer gegebenen Trennplatte (z. B., der Trennplatte 300), wie durch die Gleichungen (7) und (8) definiert. Die Gleichung (10) ist für beide Evolventen mit oder ohne Abfangen gültig, das senkrecht zu dem Innenradius steht. 6 zeigt ein Diagramm zur Darstellung der Differenz in der ESA für evolventische Spiralen mit verschiedenen Abfangwinkel mit verschiedenen OD/ID-Verhältnissen. Wie in 6 dargestellt haben Spiralen, die einen Abfangwinkel größer als Null haben, eine größere ESA mit verschiedenen OD/ID.
Wie oben mit Bezug auf die Trennplatte 300 erörtert, kann die Form der Spirale auch durch eine archimedische Spirale (z. B. wie durch eine mathematische Funktion der Chebyshev-Reihe approximiert) anstelle einer evolventischen Spirale definiert werden.
Wie in Gleichung 11 dargelegt hat die optimale archimedische Spirale einen optimierten Exponenten von ungefähr 0,71 für einen speziellen Fall, bei dem das Verhältnis des Außendurchmessers zum Innendurchmesser ungefähr zwei beträgt und der Abfangwinkel fünfundvierzig Grad beträgt. In anderen Anordnungen hat die archimedische Spirale einen optimierten Exponenten im Bereich von etwa 0,6 bis 0,8.
7A bis 16C beschreiben alternative Anordnungen von Trennplatten, die mit der oben optimierten Spiralströmungskanalanalyse gebildet werden.
Bezugnehmend auf 7A bis 7D werden die Ansichten einer Trennplatte 700 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform gezeigt. 7A zeigt eine perspektivische Ansicht einer Mehrzahl von Trennplatten 700, die gestapelt angeordnet sind. 7B zeigt eine Draufsicht der Trennplatte 700. 7C zeigt eine Querschnittsansicht der Trennplatte 700 im Abschnitt A-A von 7B. 7D zeigt eine detaillierte Querschnittsansicht der Trennplatte 700. Die Trennplatte 700 ist ähnlich der Trennplatte 300. Der Hauptunterschied zwischen der Trennplatte 700 und der Trennplatte 300 ist die Querschnittsform der Strömungskanäle.
Die Trennplatte 700 hat einen Hauptkörper 702 mit einem Innendurchmesser 704, der eine zentrale Öffnung und einen Außendurchmesser 706 definiert, der die Außenkante der Trennplatte 700 definiert. Der Hauptkörper 702 kann ein dünner Film mit einer Dicke von ungefähr 0,1-0,2 mm sein. Der Hauptkörper 702 der Trennplatte 700 ist ringförmig (d. h. scheibenförmig) und umfasst eine Mehrzahl von Strömungskanälen 708, die eine Spiralform haben. In einigen Anordnungen beträgt der Abfangwinkel der Spiralform fünfundvierzig Grad, und der Startpunkt der evolventischen Spirale beträgt ungefähr 70 % des Innendurchmessers 704. In einigen Anordnungen wird die Mehrzahl von Strömungskanälen 708 in der Trennplatte 700 des Hauptkörpers 702 durch ein Vakuum umgeformt, sodass der Hauptkörper 702 kleine spiralförmige „Beulen“ 710 umfasst, die einen Radius etwas größer als die Dicke des Hauptkörpers 702 aufweisen (z. B., 2-10 mal größer als die Dicke des Hauptkörpers 702). Dies erzeugt eine Geometrie für die Trennplatte 700, wobei die Form der Beulen 710 mit einer konstanten Materialdicke gekoppelt ist, um zu verhindern, dass sich die Trennplatten 700 beim Stapeln vollständig verschachteln (z. B. wie in 7A). Dementsprechend werden, wenn die Trennplatten 700 gestapelt sind, spiralförmige Strömungsspaltkanäle und eine Oberfläche für Partikel erzeugt, die auf Oberflächen von spiralförmigen Beulen auftreffen. Aufgrund der geringen Dicke des Hauptkörpers 702 und der hohen Dichte der Beulen der Strömungskanäle 708, was zu einer großen Anzahl von Trennplatten 700 führt, die in einem gegebenen Volumen gestapelt werden können, ist die ESAVPD der Trennplatte 700 sehr hoch. Unter Bezugnahme auf 7E, 7F Und 7 G werden Variationen der Trennplatte 700 gezeigt.
7E zeigt eine Variation der Trennplatte 700, bei der die Beulen 710 zwischen dem Innendurchmesser 704 und dem Außendurchmesser 706 diskontinuierlich sind. Dementsprechend sind in einer solchen Anordnung die Beulen 710 durch eine Unterbrechung 712 getrennt. Die Unterbrechung 712 reduziert die ESA der Trennplatte 700 minimal. Jedoch ermöglicht die Unterbrechung 712 einen Querstrom zwischen benachbarten Strömungskanälen 708, wodurch eine Strömung durch die Trennplatte 700 ermöglicht wird, um eine mögliche Blockierung (z. B. eine Blockierung, die durch einen großen festen Partikel oder ein anderes Material verursacht wird) in einem ersten Kanal zu dem benachbarten unblockierten Kanal der Strömungskanäle 708 zu umgehen. Das Diskontinuitätsmerkmal des Kanals kann auf jede der oben beschriebenen Trennplatten in dieser Offenbarung angewandt werden.
7F und 7F G zeigen eine Variation der Trennplatte 700, wobei die Beulen 710 eine kleinere Abstandhalterbeule 714 auf den Spitzen der Beulen 710 enthalten. Die Abstandhalterbeule 714 hält den Abstand einer gestapelten Anordnung der Trennplatten 700 aufrecht (z. B. wie in 7A gezeigt). Der Radius der Abstandhalterbeulen 714 beträgt ungefähr die Hälfte des Radius der Beulen 710. Die Abstandhalterbeulen 714 können halbkugelförmig sein. In einer alternativen Anordnung, wobei die Abstandhalterbeulen 714 durch kleine (d. h.,<0,5 mm Durchmesser) Perforationen an der Oberseite der Beulen 710 ersetzt werden, die intermittierend durch die Beulen 710 des Hauptkörpers 702 gestanzt/gebildet werden. Bei einer solchen Anordnung schafft der vorstehende/extrudierte/gefaltete Rand des verdrängten Materials der Perforation das gewünschte Abstandsmerkmal, das den Abstand zwischen benachbarten Trennplatten 700 behält.
Unter Bezugnahme auf 8 wird eine schematische Ansicht eines Systems 800 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform dargestellt. Die Trennplatten 800 sind im Wesentlichen die gleichen wie die Trennplatten 700. Der einzige Unterschied zwischen den Trennplatten 800 und den Trennplatten 700 besteht darin, dass die Form der Kanäle der Trennplatten 800 ein axial größerer U-förmiger Kanal ist, der durch ein tieferes Ziehverhältnis während der Herstellung erzeugt wird, was zu einer geringfügig geringeren Plattenpackungsdichte (d. h. einem größeren Plattenabstand) führt.
Bezugnehmend auf 9A bis 9C werden die Ansichten einer Trennplatte 900 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform gezeigt. 9A zeigt eine perspektivische Ansicht der Trennplatte 900. 9B zeigt eine Draufsicht der Trennplatte 900. 9C zeigt eine Querschnittsansicht der Trennplatte 900 im Abschnitt A-A von 9B. Die Trennplatte 900 umfasst einen Hauptkörper 902 mit einer Mehrzahl von Rippen 904, die sich in einer axialen Richtung in Bezug auf den Hauptkörper 902 erstrecken. Die Rippen 904 haben eine Spiralform, bei der zwischen benachbarten Rippen 904 ein gleichmäßiger Spalt vorliegt. Die spiralförmige Form wird durch eine evolventische Quellenspirale mit einem Ausgangsradius bei ungefähr 70 % des Innendurchmessers der Trennplatte 900 definiert. In einer alternativen Anordnung ist die Spiralform der Rippen 904 durch eine archimedische Spirale mit einem optimierten Exponenten definiert (d. h. ungefähr 0,71 mit einem Verhältnis von Außendurchmesser zu Innendurchmesser von 2 und einem Abfangwinkel von 45 Grad), um gleichförmige Lücken zwischen benachbarten Rippen 904 zu bilden. Die Trennplatte 900 schließt Strömungskanäle 906 ein, die durch den Hauptkörper 902 und den gleichmäßigen Spalt zwischen benachbarten Rippen 904 gebildet werden.
Bezugnehmend auf 10 wird eine perspektivische Querschnittsansicht eines Filtersystems 1000 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform gezeigt. Die Trennplatte 1000 ist ähnlich der Trennplatte 900. Die Trennplatte 1000 enthält einen Hauptkörper 1002 und mehrere spiralförmige Rippen 1004, die sich in einer axialen Richtung vom Hauptkörper 1002 erstrecken, um eine Mehrzahl von Strömungskanälen 1006 zu definieren. Der Spalt (bei einer festen axialen Positionshöhe, wenn Rippen abgefasst werden) zwischen benachbarten Rippen 1004 ist von dem Innendurchmesser zu dem Außendurchmesser der Trennplatte 1000 gleichförmig. Die gleiche Spaltspiraldefinition erlaubt es, dass die Rippen 1004 eine nahezu konstante Wandstärke aufweisen, die Probleme beim Formen wie Wölbung, Senkungen und dergleichen verringert, während ESA durch Erhöhen des durchschnittlichen Abfangwinkels und Eliminieren von Störungen des Partikelflusses und der Partikeltrennung, verursacht durch „Splitter“-Schaufeln, verringert wird. In einigen Anordnungen sind die Rippen 1004 mit einem Entformungswinkel ausgebildet, um den Formauswurf der Trennplatte 1000 aus einer Spritzgussform während eines Spritzgussherstellungsprozesses zu erleichtern.
Bezugnehmend auf 11A, 11B und 11C werden die Ansichten einer Trennplatte 1100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform gezeigt. 11A zeigt eine perspektivische Ansicht der Trennplatte 1100. 11B zeigt eine Draufsicht der Trennplatte 1100. 11C zeigt eine Querschnittsansicht der Trennplatte 1100 im Abschnitt A-A von 11B. Die Trennplatte 1100 ist im Wesentlichen die gleiche wie die Trennplatte 1000. Der Hauptunterschied zwischen der Trennplatte 1100 und der Trennplatte 1000 ist die Form der Strömungskanäle zwischen benachbarten Rippen der Trennplatte 1100, die eine V-Form aufweisen, wo der Boden der Nut zu einem Punkt zusammenkommt.
Bezugnehmend auf 12A bis 12E werden die Ansichten einer Trennplatte 1200 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform gezeigt. 12A zeigt eine perspektivische Ansicht der Trennplatte 1200. 12B zeigt eine Draufsicht der Trennplatte 1200. 12C zeigt eine Querschnittsansicht der Trennplatte 1200. 12D zeigt eine Ansicht einer Mehrzahl von Trennplatten 1200, die gestapelt angeordnet sind. 12E zeigt E eine Nahansicht der Mehrzahl von Trennplatten 1200, gestapelt, wie in 12D.
Die Trennplatte 1200 ist ähnlich der Trennplatte 300. Ein Unterschied zwischen der Trennplatte 1200 und der Trennplatte 300 besteht darin, dass die Trennplatte 1200 aufgeweitete Kanäle aufweist, die eine größere äußere Breite 1202 am äußeren Durchmesser und eine schmalere innere Breite 1204 am Innendurchmesser aufweisen. In einigen Anordnungen stammen die aufgeweiteten Kanäle von einer logarithmischen Spirale, die ungeachtet des Radius einen gleichen Abfangwinkel aufweist. Die sich zyklisch wiederholenden V-geformten aufgeweiteten spiralförmigen Kanäle umfassen axial hervorstehende Rippen, um den Abstand zwischen den gestapelten Trennplatten 1200 (z. B. wie in 12D und 12E gezeigt) zu halten. Die aufgeweiteten Kanäle bilden nicht radial laufende rechteckige Strömungskanäle mit hoher ESA. Die V-Formen werden aufgeweitet, um den wachsenden Umfang aufzunehmen, wie es durch eine logarithmische Spiraldefinition für die Spitze/Tal-Definition erforderlich ist. Die Durchgangsflächen sind nicht radial (d. h. gekippt), und zwar aufgrund der Kombination von sowohl dem V-Winkel als auch dem Spiralwinkel. Die Oberseiten und Unterseiten der V-Form beinhalten kleine Rippen, um gegen die benachbarten verschachtelten Trennplatten 1200 zu passen, wodurch zwei separate/stromisolierte, im Wesentlichen trapezförmige Kanäle pro V-Form gebildet werden (z.B. wie in 12D gezeigt), und auch eine positive Steuerung des Stapelabstands sicherzustellen (d. h., Stapellage), sodass zwei getrennte rechteckige Kanäle für jeden V-geformten Kanal geschaffen werden. Die Rippen tragen auch dazu bei, die Festkörperströmungsrotation aufrechtzuerhalten, indem ein Strömungskanalschlupf verhindert wird, was die Effizienz einer Trennvorrichtung, die aus den Trennplatten 1200 konstruiert ist, negativ beeinflussen würde.
Unter Bezugnahme auf 12F wird eine Variation der Trennplatte 1200 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform dargestellt. Bei der Variation umfasst die Trennplatte 1200 zylinderförmige Vorsprünge 1202, die von den Seiten der V-Formkanäle nach außen vorstehen. Die zylindrischen Vorsprünge stellen eine zusätzliche ESA bereit und tragen dazu bei, den Abstand zwischen benachbarten Trennplatten 1200 in einem Trennplattenstapel aufrechtzuerhalten, was dazu beiträgt, ein Verziehen der Trennplatten 1200 und/oder Herstellungsfehler zu berücksichtigen. Die zylindrischen Vorsprünge 1202 können auf jede der Anordnungen von Trennplatten oder Kegeln, die hierin beschrieben sind, angewendet werden.
Unter Bezugnahme auf 12G und 12H wird eine weitere Variation der Trennplatte 1200 gemäß der beispielhaften Ausführungsform dargestellt. Bei der Variation umfasst die Trennplatte 1200 Abstandshalterrippen 1204, die helfen, den Abstand zwischen benachbarten Trennplatten 1200 in einem Trennplattenstapel (z. B. wie in 12H gezeigt) aufrecht zu erhalten. Die Abstandshalterrippen 1204 können auf jede der Anordnungen von Trennplatten oder Kegeln, die hierin beschrieben sind, angewendet werden.
Bezugnehmend auf 13A bis 13C werden die Ansichten eines Trennkegels 1300 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform gezeigt. 13A zeigt eine perspektivische Ansicht des Trennkegels 1300. 13B zeigt eine Draufsicht des Trennkegels 1300. 13C zeigt den Trennkegel 1300 als Kegelstapel in einem rotierenden Filterelement angeordnet. Der Trennkegel 1300 ist im Wesentlichen ähnlich der Trennplatte 1200. Der Trennkegel 1300 ist jedoch so strukturiert, dass er eine im Allgemeinen kegelstumpfförmige Querschnittsform anstelle einer flachen (d. h. achsensenkrechten) Form aufweist, wie in der Trennplatte 1200. Die Anordnung des Trennkegels 1300 kann vorteilhaft sein, wenn eine seltsam geformte Raumhülle für die Trennvorrichtung 124 zur Verfügung steht. Wie in 13C gezeigt erlaubt der Winkel der kegelstumpfförmigen Form es beispielsweise, die Waffeloberflächen beim OD „nach oben zu erreichen“ in einem Volumen, das normalerweise durch eine zentrale Nabenkomponente auf der Rotorträgerbaugruppe blockiert wäre, wie in 13C dargestellt.
Bezugnehmend auf 14A bis 14C werden die Ansichten einer Trennplatte 1400 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform gezeigt. 14A ist eine perspektivische Ansicht der Trennplatte 1400. 14B ist eine Draufsicht der Trennplatte 1400. 14C zeigt eine perspektivische Ansicht eines Stapels von Trennplatten 1400. Die Trennplatte 1400 schließt einen Hauptkörper 1402 und mehrere axial vorstehende (oder abgefasste) Spiralrippen 1404 und zusätzliche Splitterrippen 1406 ein, um die ESA mit konstanter Rippendicke zu maximieren. Die Splitterrippen 1406 beginnen an einem radialen Mittelpunkt (oder radial gestuft, wenn mehrere Splitter verwendet werden) der Spiralrippen 1404. Der Begriff „Spirale“, wie mit Bezug auf die Trennplatte 1400 verwendet, bedeutet, dass ein radialer Vektor auf die Spiraloberfläche bei einem etwa konstanten Wert trifft, wie in 14A bis 14C gezeigt, der aus einer logarithmischen Spiralgleichung (d. h. r=ae^bθ) abgeleitet wird. Der Spiralwinkel kann zwischen 30 und 70 Grad liegen. In einigen Anordnungen beträgt der Spiralwinkel 45 Grad. Für maximale ESA und ESAVPD sollte eine Höhe der Rippen 1404/1406 so groß wie nur möglich sein, da der „flache“ Hauptkörper 1402 keine sinnvolle Trennungsfunktion darstellt, abgesehen vom „Tragen“ der Rippen 1404/1406. In einigen Anordnungen beträgt die maximale Höhe der Rippen 1404/1406 etwa 3-10 mal die Dicke des Hauptkörpers 1402. Bei solchen Anordnungen, kann die Dicke des Hauptkörpers 1402 bei 0,25-0,5 mm liegen. Entsprechend ist der gesamte Hauptkörper eine Rippendicke der Rippen 1404/1406 in dem Bereich von etwa 1-5 mm.
Bezugnehmend auf 15A und 15B werden die Ansichten einer Trennplatte 1500 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform gezeigt. 15A zeigt eine Draufsicht der Trennplatte 1500. 15B zeigt eine Querschnittsansicht der Trennplatte 1500. Die Trennplatte 1500 erhöht die ESA des planaren Hauptkörpers 1502, indem halbkugelförmige Beulen 1504 inkludiert werden, im Gegensatz zu den oben beschriebenen Trennplatten, die spiralförmige Kanäle einschließen. Bei einigen Anordnungen sind die halbkugelförmigen Beulen 1504 in einer sich wiederholenden Spiralsequenz angeordnet, so dass die Mittelpunkte einer Gruppierung von halbkugelförmigen Beulen 1504 durch eine Linie verbunden werden können, um ein Spiralmuster ähnlich irgendeiner der oben beschriebenen Trennplatten zu bilden. Bei anderen Anordnungen sind die halbkugeligen Beulen 1504 in einem anderen Spiralmuster angeordnet, wie etwa dem Fermat-Spiralmuster, einem Fibonacci-Reihen-Muster oder dergleichen. Die Trennplatte 1500 kann durch Thermoformen unter Vakuum des Hauptkörpers 1502, durch Spritzgießen des Hauptkörpers 1502 oder dergleichen gebildet werden. Die halbkugelförmigen Beulen 1504 tragen auch dazu bei, den Abstand zwischen benachbarten Trennplatten 1500 aufrechtzuerhalten, wenn mehrere Trennplatten 1500 in einer gestapelten Anordnung positioniert sind. Obwohl sie als halbkugelförmige Beulen 1504 gezeigt sind, können die Beulen 1504 in anderer Formen angeordnet sein, wie zylindrischen Säulen, Pyramiden, quadratischen Kästen, rechteckigen Boxen oder dergleichen.
Bezugnehmend auf 16A und 16B werden die Ansichten einer Trennplatte 1600 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform gezeigt. 16A zeigt eine Draufsicht der Trennplatte 1600. 16B zeigt eine perspektivische Ansicht einer Mehrzahl von Trennplatten 1600, die gestapelt angeordnet sind. Die Trennplatte 1600 umfasst einen Hauptkörper 1602 und eine Mehrzahl von nach innen vorstehenden Nuten 1604. Die Nuten 1604 haben einen V-förmigen Querschnitt mit einem Öffnungswinkel (in größerem Detail in Bezug auf 16C erörtert). In einigen Anordnungen sind die Nuten 1604 spiralförmig angeordnet (z. B. um irgendeines der oben beschriebenen Spiralmuster zu verfolgen). Bei solchen Anordnungen sind die Nuten 1604 mit einem Spiralwinkel angeordnet (im weiteren Detail mit Bezug auf 16C). In anderen Anordnungen sind die Nuten 1604 in einer linearen Weise angeordnet. Die Nuten 1604 bilden Strömungskanäle, durch die Gase strömen können, wenn die Trennplatten 1600 gestapelt angeordnet sind (z. B. wie in 16B gezeigt). Die Nuten 1604 können in radialen Stufen angeordnet sein, die durch ringförmige Spaltnuten 1606 getrennt sind. Die radialen Stufen erzeugen eine lineare Annäherung einer logarithmischen Spirale.
Die ringförmigen Spaltnuten 1606 ermöglichen es, dass die Anzahl der Nuten 1604 eher an den stärker radialen äußeren Stufen erhöht wird als an den radial inneren Stufen, wodurch die ESA der Trennplatte 1600 vergrößert wird. Die ringförmigen Spaltnuten 1606 erlauben auch den Querstrom oder die Umverteilung von Gasen zwischen den Nuten 1604 zwischen benachbarten Stufen. In einigen Anordnungen könnten sich die Nuten 1604 aufweiten, wenn die Nuten 1604 von ID zu OD durchlaufen. Solche Anordnungen würden jedoch die ESA der Trennplatte 1600 verringern. In solchen Anordnungen können die Spaltnuten 1606 beseitigt werden.
16C zeigt einen Graphen der ESA pro Trennplatte 1600 für verschiedene Spiralwinkel und Öffnungswinkel (Neigungswinkel) der Nuten 1604. Wie in dem Graphen von 16C gezeigt beträgt der optimale Spiralwinkel etwa 57 Grad. Zusätzlich nimmt, wenn der Öffnungswinkel abnimmt, die ESA der Trennplatte 1600 zu.
Bezugnehmend auf 17A bis 17D werden die Ansichten eines Trennelementes 1700 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform gezeigt. Das Trennelement 1700 kann anstelle der Trenneinrichtung 124 von 1 verwendet werden. 17A zeigt eine Draufsicht des Trennelements 1700. 17B zeigt eine Querschnittsansicht des Trennelements 1700. 17C und 17D zeigen jeweils unterschiedliche Draufsichten des Trennelements 1700. Das Trennelement 1700 wird durch eine spiralförmig gefaltete undurchlässige oder semipermeable Membran 1702 gebildet. Die Membran 1702 kann zum Beispiel ein Polymerfilm oder eine dünne Folie sein. In einigen Anordnungen ist die Membran 1702 0,1 mm dick. Die Membran 1702 umfasst mehrere Öffnungen 1704 (z. B. Löcher, Schlitze, Kerben usw., die am ID und OD der „Faltenspitzen“ der Membran 1702 vorgesehen sind). Die Öffnungen 1704 ermöglichen, dass eine Strömung in die im Allgemeinen rechtwinkligen axialen Spiralspaltkanäle 1706 zwischen den geformten Falten der Membran 1702 eintreten und entweichen kann. In 17A und 17B ist aus Gründen der Klarheit eine kleine Anzahl von Falten dargestellt. In einigen Anordnungen haben die spiralförmigen Spaltkanäle 1706 eine Breite von etwa 0,32 mm. Die Spirale, die die spiralförmigen Spaltkanäle 1706 definiert, kann durch die oben beschriebenen evolventischen oder archimedischen Spiralen definiert werden, die oben mit Bezug auf die Trennplatte 300 beschrieben sind. Die Faltendichte des Trennelements 1700 kann viel größer sein (z. B. wie in 17C und 17D gezeigt), um die ESA zu maximieren. Bei einigen Anordnungen umfassen die spiralförmigen Spaltkanäle 1706 halbkugelförmige oder längliche Vertiefungen oder Beulen, die gebildet werden (nicht dargestellt), um dabei zu helfen, den Spalt beizubehalten, der die spiralförmigen Spaltkanäle 1706 definiert.
In 18A und 18B werden die Ansichten eines Trennelementes 1800 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform gezeigt. Das Trennelement 1800 kann anstelle der Trenneinrichtung 124 von 1 verwendet werden. 18A zeigt eine Querschnittsansicht einer ersten Anordnung des Trennelements 1800 unter Verwendung eines gewellten Mediums. 18B zeigt eine Querschnittsansicht einer zweiten Anordnung des Trennelements 1800. Das Trennelement 1800 ist ein „spiralverlegtes“ Trennelement, das eine flache Lage 1802 mit einer kanalisierten Lage 1804 abwechselt, wodurch eine Reihe von Strömungskanälen 1806 zwischen der flachen Lage 1802 und der kanalisierten Lage 1804 definiert wird. In einigen Anordnungen haben die flache Lage 1802 und die kanalisierte Lage 1804 jeweils eine Dicke von weniger als 0,5 mm. Die flache Lage 1802 ist aus einem undurchlässigen Material hergestellt, so dass die Strömung nicht durch die flache Lage 1802 strömen kann. Die kanalisierte Lage 1804 ist aus impermeablen oder semipermeablen Membranen hergestellt und definiert Strömungskanäle 1806 zwischen den Lagen. Der einzige Unterschied zwischen den Anordnungen der 18A und 18B ist die Form der Strömungskanäle 1806, die in dem Trennelement 1800 ausgebildet sind: die Anordnung von 18A verwendet eine gewellte kanalisierte Lage 1804, während die Anordnung von 18B eine dreieckige gewellte, genoppte oder tetraedrisch kanalisierte Lage 1804 verwendet.
Die in den 18A und 18B gezeigte Anordnung zeigt einen einzelnen Streifen eines Material trennenden Elementmaterials, das dann wiederholt auf sich selbst hin und her gefaltet, um einen Kern gewickelt oder dergleichen werden kann. Die alternierenden Lagen können gewellt oder genoppt sein. Um den Fließspalt zwischen den Lagen sowie eine hohe ESA aufrechtzuerhalten, kann eine Lage zu einer unregelmäßigen oder wellenförmigen Oberfläche geformt werden (wie Sinuswelle, Dreieckwelle, Tetraederfalten oder dergleichen; wie in 18B) gezeigt, während die andere Lage glatt bleibt, während sie der spiralförmigen Kontur der gegenüberliegenden Lage folgt. Die Strömung würde auf den Abstand beschränkt sein, der durch die glatten und geformten Lagen begrenzt ist, vom ID zum OD des Trennelements. Paare von Lagen könnten getrennt in ihre Grundspiralform geformt und durch adhäsives Material, Ultraschallschweißen oder ein anderes geeignetes Bindungsverfahren miteinander verbunden werden. Die Spirale, gebildet von den Lagen 1802 und 1804, kann durch die oben beschriebenen evolventischen oder archimedischen Spiralen definiert werden, die oben mit Bezug auf die Trennplatte 300 beschrieben sind.
Bezugnehmend auf 19 ist ein Koaleszer-Element 1900 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform dargestellt. Das Koaleszer-Element 1900 umfasst ein Trennelement 1902, das aus einem ersten Trennelementabschnitt 1904 und einem zweiten Trennelementabschnitt 1906 besteht, die miteinander gekoppelt und in einer axial gestapelten Art und Weise angeordnet sind. Der erste Trennelementabschnitt 1904 und der zweite Trennelementabschnitt 1906 sind in einer parallelen Anordnung angeordnet, sodass ein Teil der Strömung durch Platten und ein anderer Teil durch Medien fließt. In einigen Anordnungen ist der erste Trennelementabschnitt 1904 ein Koaleszenzfiltermedium und der zweite Trennelementabschnitt 1906 umfasst eines der oben beschriebenen Trennelemente, Trennplatten oder Trennkegel. Eine solche Anordnung bietet die Möglichkeit eines parallelen Strömungswegs für die Leckgase, die von dem Koaleszer-Element 1900 verarbeitet werden, was eine Verringerung des Risikos eines Verstopfungsfehlers ermöglicht. Dementsprechend kann, wenn einer der Trennelementabschnitte verstopft wird, immer noch eine Strömung und Trennung durch den anderen der Trennelementabschnitte auftreten.
Bezugnehmend auf 20 wird ein Graph der effektiven Fläche pro Volumeneinheit gegenüber dem Stapelseitenverhältnis für verschiedene Anordnungen von Trennelementen mit unterschiedlichen Plattenstapelkonfigurationen gezeigt. In dem Diagramm von 20 werden fünf verschiedene Anordnungen gezeigt: zwei verschiedene Kegelstapelabscheider, ein spiralförmiger Waffelplattenabscheider (z. B. wie in 3 gezeigt) mit einer Höhe von 5 mm, ein spiralförmiger Waffelplattenabscheider mit einer Höhe von 10 mm und ein Spiralrippenplatten-Design (z.B. wie in 10 gezeigt). Wie gezeigt ist die ESA einer Waffel-Trennplattenkonfiguration etwa doppelt so groß wie ein Kegelstapelabscheider (d. h. etwa 2200 1/m vs. etwa 1100 1/m im typischen Bereich des Seitenverhältnisses). Die in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Trennplatten bieten aufgrund des verringerten Endvolumenabfalls und des höheren radialen Auftreffwinkels (gegenüber dem Kegelwinkel) einen signifikanten ESAVPD-Vorteil gegenüber Kegelstapel-Abscheidern. Mit zunehmender Höhe des Trennstapels verringert sich der Vorteil der beschriebenen Trennplatten über den Kegelstapel-Abscheider etwas, da das von den hohen Kegeln verschwendete Endvolumen relativ zum Gesamtvolumen abnimmt. Jedoch stellen die Spiralwaffelkonfigurationen (und andere) Konfigurationen aufgrund des vergrößerten radialen Auftreffwinkels weiterhin einen weiteren Vorteil bereit. Zur Erläuterung wurde die ESAVPD für eine „typische“ Designkonfiguration mit einem OD/ID-Verhältnis von etwa zwei berechnet. Der Vergleich veranschaulicht den signifikanten relativen Vorteil, der durch die beschriebenen Trennplatten der vorliegenden Anmeldung (z. B. die Trennplatte 300) bereitgestellt werden kann. Zusätzlich folgt die „Grenzteilchengröße“ (d lim; z. B. die Größe über dem Trennungswirkungsgrad beträgt 100 %) einer inversen Quadratwurzel von der ESA. Dementsprechend würde, wenn die ESA verdoppelt wird, d lim um den Faktor 2^-0,5 (d. h., etwa 0,71) reduziert werden. Wenn die Grundliniengröße d lim 1 Mikron wäre, würde die mit den beschriebenen Trennplatten erzielte Größe d lim ungefähr 0,58 µm betragen, was einen signifikanten Vorteil gegenüber ähnlich dimensionierten Trennvorrichtungen mit Kegelstapel bietet.
Bezugnehmend auf 21 wird ein Diagramm gezeigt, das vorläufige Leistungsstudien für einige der oben beschriebenen Trennplatten/Kegeldesigns zeigt. Wie in 21 dargestellt zeigen die beschriebenen Anordnungen signifikante Erhöhungen der ESAVPD im Vergleich zu herkömmlichen Kegelstapelanordnungen.
Die bevorzugte Drehrichtung in Bezug auf den Spiralwinkel ist jedoch nach vorne gerichtet, was eine etwas höhere Partikelentfernungseffizienz oder eine verbesserte Partikelschnittgröße ergibt. „Vorwärtsgerichtet“ ist eine Spirale, die sich aus dem Innendurchmesser heraus in die gleiche Richtung dreht, in der sich die Platten- oder Rotorbaugruppe während des Betriebs physisch dreht.
Bezugnehmend auf 22A bis 22E werden die Ansichten eines rotierenden Koaleszer-Elements 2200 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform gezeigt. 22A zeigt eine weitere Querschnittsansicht des rotierenden Koaleszer-Elements 2200. 22B zeigt eine Nahansicht der Queransicht der Wechselwirkung zwischen einer unteren Endkappe 2204 des rotierenden Koaleszer-Elements 2200 und dem Stapel von Trennplatten 2206; 22C zeigt eine perspektivische Querschnittsansicht des rotierenden Koaleszer-Elements 2200, bei dem der Stapel von Trennplatten 2206 entfernt ist. 22D zeigt eine perspektivische Ansicht der unteren Endkappe 2204. 22E zeigt eine perspektivische Ansicht der oberen Endkappe 2206.
Wie in 22A bis 22E gezeigt beinhaltet das rotierende Koaleszer-Element 2200 eine obere Endkappe 2202, eine untere Endkappe 2204 und einen Stapel von Trennplatten 2206, die zwischen der oberen Endkappe 2202 und der unteren Endkappe 2204 positioniert sind. In einigen Anordnungen stellen die Trennplatten 2206 die Trennplatte 300 von 3A bis 3D dar. In anderen Anordnungen sind die Trennplatten 2206 eine der anderen oben beschriebenen Trennplatten. In einigen Anordnungen ist der Außendurchmesser der oberen und unteren Endkappen 2202 und 2204 kleiner als der Außendurchmesser der Trennplatten 2206. In anderen Anordnungen ist der Außendurchmesser der oberen und unteren Endkappen 2202 und 2204 identisch mit dem Außendurchmesser der Trennplatten 2206. In weiteren Anordnungen ist der Außendurchmesser der oberen und unteren Endkappen 2202 und 2204 größer als der Außendurchmesser der Trennplatten 2206. Wie am besten in 22C gezeigt enthalten die obere Endkappe 2202 und die untere Endkappe 2204 jeweils Spiralkanäle 2208, die so bemessen und geformt sind, dass sie zu den Spiralkanälen der Trennplatten 2206 passen. Dementsprechend, wenn die Trennplatten 2206 zwischen der oberen Endkappe 2202 und der unteren Endkappe 2204 installiert sind, stimmen die Spitzen und Täler der Trennplatten 2206 mit den Spitzen und Tälern der Spiralkanäle 2208 überein. Die Verschachtelungsanordnung unterstützt das Zentrieren der Trennplatten 2206 auf den oberen und unteren Endkappen 2202 und 2204 während des Zusammenbaus des sich drehenden Koaleszer-Elements 2200. Zusätzlich hilft die Verschachtelungsanordnung, die Übertragung des Drehmoments von den oberen und unteren Endkappen 2202 und 2204 auf den Stapel von Trennplatten 2206 während der Drehung des sich drehenden Koaleszer-Elements 2200 zu erleichtern.
In einigen Anordnungen sind Strömungskanäle 2210 zwischen der oberen Endkappe 2202 und der oberen Trennplatte und der unteren Endkappe 2204 und der unteren Trennplatte ausgebildet (z. B. wie in 22B gezeigt). In solchen Anordnungen ist die ESA des rotierenden Koaleszer-Elements 2200 im Vergleich zu rotierenden Koaleszer-Elementen mit flachen Oberflächen an den Endkappen erhöht. Beispielsweise kann bei Anordnungen mit vierzig Trennplatten 2206 die ESA durch die Bildung der Strömungskanäle 2210 um 5 % erhöht werden, was zu einer 5 %-igen Verlängerung der Verweilzeit für die Strömung durch die Trennplatten 2206 führt. Die Erhöhung der ESA und der Verweilzeit führt zu einer besseren Effizienz und einem geringeren Druckabfall. Die Geometrie der unteren Endkappe 2204 kann entweder die benachbarte untere Trennplatte abdichten oder einen Spalt bereitstellen, der die Strömungskanäle 2210 bildet, die in Form und Größe den zwischen den Trennplatten 2206 gebildeten Strömungskanälen ähnlich sein können. Die Strömungskanäle 2210 können einen zusätzlichen Strömungsbereich zwischen der unteren Endkappe 2204 und der benachbarten Trennplatte bereitstellen.
In anderen Anordnungen sind die Strömungskanäle 2210 nicht ausgebildet, und eine erste Dichtung ist zwischen der oberen Endkappe 2202 und der oberen Trennplatte ausgebildet, und eine zweite Dichtung ist zwischen der unteren Endkappe 2204 und der unteren Trennplatte ausgebildet. In solchen Anordnungen wird, obwohl die ESA nicht maximiert ist, die Strömungsgeschwindigkeit durch die Trennplatten 2206 erhöht.
23A ist eine seitliche Querschnittsansicht eines Teils einer zweiten Endkappe 2304 mit einer Mehrzahl von darauf gestapelten Trennplatten 2306 nach einer bestimmten Ausführungsform. Die Trennplatten 2306 können in jedem der hier beschriebenen rotierenden Koaleszer-Elemente verwendet werden. 23B ist eine Draufsicht der zweiten Endkappe 2304. Nun mit Verweis auf 23A-25C kann die zweite Endkappe 2304 eine untere Endkappe enthalten, die in jedem der hier beschriebenen rotierenden Koaleszer-Elemente verwendet werden kann. Die Mehrzahl von Trennplatten 2306 kann auf der zweiten Endkappe 2304 gestapelt sein, wie in 24A-B gezeigt, und beispielsweise zwischen der zweiten Endkappe 2304 und einer ersten Endkappe (z. B. einer oberen Endkappe eines rotierenden Koaleszer-Elements, das so aufgebaut ist, dass es mit der zweiten Endkappe 2304 zusammenpasst) positioniert sein. In einigen Ausführungsformen können die erste Endkappe und die zweite Endkappe 2304 über eine Schnappverbindung gekoppelt werden. Wie in 23B und 24A-B dargestellt erstreckt sich ein Satz von Zentrierrippen 2332 axial von der zweiten Endkappe 2304 jeweils in Richtung auf die Mehrzahl von Trennplatten 2306.
Jede der Mehrzahl von Trennplatten 2306 definiert Spiralkanäle 2307 und weist eine zentrale Öffnung auf, wie vorstehend beschrieben. Die spiralförmigen Kanäle 2307 enthalten evolventische Spiralenkanäle, wie vorstehend beschrieben. Die zweite Endkappe 2304 hat einen zweiten Außendurchmesser, der etwa derselbe ist wie der Außendurchmesser der Mehrzahl der Trennplatten 2306. Eine zweite Gruppe von Spiralkanälen 2305 ist in der zweiten Endkappe 2304 ausgebildet, die so bemessen und geformt sind, dass sie zu jedem der Spiralkanäle 2307 einer unteren Trennplatte 2306 der Mehrzahl von Trennplatten 2306 passen, die benachbart dazu positioniert sind, wie in 23A gezeigt. Der zweite Satz von spiralförmigen Kanälen 2305 erhöht die Menge der Kanalfläche oder Strömungsfläche zwischen der zweiten Endkappe 2304 und der unteren Trennplatte 2306 der Mehrzahl von Trennplatten 2306 und verhindert, dass der Stapel der Mehrzahl von Trennplatten 2306 bewegt wird.
24A Ist eine perspektivische Draufsicht der Mehrzahl von Trennplatten aus 23A, auf der zweiten Endkappe von 23A gestapelt, und 24B ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts einer Mehrzahl von Trennplatten, die auf der zweiten Endkappe von 24A gestapelt sind, was durch den Pfeil A in 24A angezeigt wird. Wie in 24A-B gezeigt enthält jede der Mehrzahl von Trennplatten 2306 einen äußeren Ring 2310, der um einen äußeren Rand jeder der Mehrzahl von Trennplatten 2306 positioniert ist, und einen inneren Ring 2314, der um eine innere Kante jeder der Mehrzahl von Trennplatten 2306 positioniert ist, was die zentrale Öffnung bildet.
Eine Mehrzahl von Vorsprüngen 2312 ist an einem äußeren Umfang des äußeren Rings 2310 vorgesehen. Die Mehrzahl von Vorsprüngen 2312 kann als Abstandshalter oder Ausrichtungsmerkmal zur Erleichterung der Positionierung eines rotierenden Koaleszer-Elementes dienen, einschließlich der Mehrzahl von Trennplatten 2306 innerhalb eines Gehäuses, zum Beispiel das Gehäuse 102 des Kurbelgehäuselüftungssystems 100. Die Mehrzahl von Vorsprüngen 2312 kann in Kontakt mit einer inneren Oberfläche des Gehäuses kommen und/oder mit entsprechenden Kerben, Nuten, Rillen oder Vertiefungen auf der inneren Oberfläche des Gehäuses positioniert werden.
Wie in 25A-C gezeigt ist eine Mehrzahl von Schlitzen 2316 an vorbestimmten Stellen in dem Innenring 2314 definiert. Die Mehrzahl von Schlitzen 2316 entspricht dem Satz von Zentrierrippen 2332 der zweiten Endkappe 2304. Wenn sie auf der zweiten Endkappe 2306 gestapelt sind, greift die Mehrzahl von Schlitzen 2314 des Innenrings 2312 in entsprechende Zentrierrippen 2332 ein, um die Ausrichtung zu erleichtern und eine Bewegung oder ein Gleiten der Mehrzahl von Trennplatten 2306 relativ zueinander zu verhindern, sowie einen ungleichmäßigen Abstand der Spiralkanäle 2307 zu verhindern. Wie in 25B-C beschrieben, können die Kanten 2309 jeder der Mehrzahl von Trennplatten 2306 eingekerbt sein, um beispielsweise das Füllen der Spiralkanäle 2307 zu erleichtern.
Die oben beschriebenen Anordnungen von Trennplatten, Trennkegeln und Trennelementen teilen alle die gemeinsame Idee, dass Strukturen, die im Allgemeinen „nicht radial“ (und vorzugsweise spiralförmig) geformte Strömungskanäle erzeugen (d. h. die Strömungsrichtung hat eine signifikante nicht radiale Vektorkomponente, die durch die Struktur erzeugten Kanaloberflächen weisen einen Winkel auf, der im Wesentlichen nicht Null ist, mit einem achssenkrechten Radialvektor) und bieten Verbesserungen sowohl bei ESA als auch bei ESAVPD, was zu einer Effizienzverbesserung für Trennelemente führt.
Es sollte beachtet werden, dass der hierin verwendete Begriff „beispielhaft“ zur Beschreibung verschiedener Ausführungsformen anzeigen soll, dass derartige Ausführungsformen mögliche Beispiele, Darstellungen und/oder Abbildungen möglicher Ausführungsformen sind (und dass ein derartiger Begriff nicht notwendigerweise darauf schließen lassen soll, dass derartige Ausführungsformen außergewöhnliche oder hervorragende Beispiele sind).
Wie hierin verwendet, bedeuten die Begriffe „etwa“ und „ungefähr“ im Allgemeinen plus oder minus 10 % des angegebenen Werts. Beispielsweise würde „etwa 0,5“ die Werte 0,45 und 0,55 einschließen, „etwa 10“ würde 9 bis 11 einschließen, „etwa 1000“ würde 900 bis 1100 einschließen.
Bezugnahmen hierin auf die Positionen der Elemente (z. B. „Ober-“, „Unter-“, „oben“, „unten“ usw.) beschreiben lediglich die Ausrichtung der unterschiedlichen Elemente in den Figuren. Es sollte beachtet werden, dass die Ausrichtung verschiedener Elemente je nach anderen beispielhaften Ausführungsformen unterschiedlich ausfallen kann und die vorliegende Offenbarung derartige Varianten umfasst.
Der hierin verwendete Begriff „verbunden“ und dergleichen bedeutet die direkte oder indirekte Verbindung von zwei Elementen miteinander. Diese Verbindung kann stationär (z. B. permanent) oder beweglich (z. B. entfernbar oder lösbar) geschehen. Diese Verbindung kann dadurch erreicht werden, dass die beiden Elemente oder die beiden Elemente und beliebige weitere Zwischenelemente untereinander einstückig als ein einheitlicher Körper ausgebildet sind, oder dadurch, dass die beiden Elemente oder die beiden Elemente und beliebige weitere Zwischenelemente aneinander befestigt sind.
Es sei darauf hingewiesen, dass der Aufbau und die Anordnung der verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen lediglich der Veranschaulichung dienen. Obwohl nur einige Ausführungsformen in dieser Offenbarung ausführlich beschrieben wurden, erkennt die Fachwelt beim Lesen dieser Offenbarung unschwer, dass viele Modifikationen möglich sind (z. B. Variationen in Größen, Dimensionen, Strukturen, Formen und Proportionen der verschiedenen Elemente, Werte von Parametern, Montageanordnungen, Verwendung von Materialien, Farben, Orientierungen usw.), ohne erheblich von den neuen Lehren und Vorteilen des hierin beschriebenen Gegenstands abzuweichen. Beispielsweise können Elemente, die als einstückig geformt dargestellt werden, aus mehreren Teilen oder Elementen konstruiert werden, die Position der Elemente kann umgekehrt oder anderweitig variiert werden, und die Art oder Anzahl separater Elemente bzw. Positionen kann geändert oder variiert werden. Die Reihenfolge oder Abfolge von Verfahrens- oder Prozessschritten kann gemäß alternativen Ausführungsformen variiert oder neu geordnet werden. Darüber hinaus können Merkmale aus bestimmten Ausführungsformen mit Merkmalen aus anderen Ausführungsformen kombiniert werden, was dem Fachmann klar sein dürfte. Weitere Ersetzungen, Modifikationen, Änderungen und Auslassungen können ebenfalls an der Konstruktion, den Betriebsbedingungen und der Anordnung der verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen vorgenommen werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 62432019 [0001]

Claims

Trennplatte für ein rotierendes Trennelement, wobei die Trennplatte aufweist: einen Hauptkörper mit einer ringförmigen Form, die durch einen Innendurchmesser und einen Außendurchmesser definiert ist, wobei der Innendurchmesser eine zentrale Öffnung definiert, wobei der Außendurchmesser eine Außenkante des Hauptkörpers definiert, wobei der Hauptkörper eine Mehrzahl von Biegungen hat, die eine Mehrzahl von Strömungskanälen zwischen benachbarten Spitzen aus einer Mehrzahl von Spitzen bilden, wobei sich jede der Mehrzahl von Strömungskanälen von dem Innendurchmesser zu dem Außendurchmesser erstreckt, wobei jede der Mehrzahl von Spitzen einer der Mehrzahl von Biegungen zugeordnet ist, wobei die Mehrzahl der Biegungen eine Spiralform hat, sodass jeder der Kanäle auch durch die Spiralform definiert wird.
Trennplatte nach Anspruch 1, wobei die Kanäle einen V-förmig verlaufenden Querschnitt aufweisen.
Trennplatte nach Anspruch 1, wobei die Kanäle einen U-förmig verlaufenden Querschnitt aufweisen.
Trennplatte nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl von Kanälen auf einer ersten Seite des Hauptkörpers und einer zweiten Seite des Hauptkörpers gebildet ist, wobei die zweite Seite der ersten Seite gegenüberliegt.
Trennplatte nach Anspruch 1, ferner mit einer Abstandshalterrippe, die auf jeder der Mehrzahl von Spitzen positioniert ist.
Trennplatte nach Anspruch 1, wobei jede der Mehrzahl von Strömungskanälen eine Kanalbreite aufweist.
Trennplatte nach Anspruch 6, wobei die Kanalbreite von dem Innendurchmesser bis zu dem Außendurchmesser ungefähr konstant ist.
Trennplatte nach Anspruch 6, wobei die Kanalbreite sich von dem Innendurchmesser zu dem Außendurchmesser aufweitet, sodass der Kanal am Außendurchmesser breiter als am Innendurchmesser ist.
Trennplatte nach Anspruch 1, wobei jede der Mehrzahl von Strömungskanälen einen Abfangwinkel von ungefähr 45 Grad in Bezug auf den Innendurchmesser aufweist.
Trennplatte nach Anspruch 1, wobei der Hauptkörper eine Mehrzahl von Vorsprüngen umfasst, die sich in die Mehrzahl von Strömungskanälen erstrecken.
Trennplatte nach Anspruch 1, wobei die spiralförmige Form durch eine archimedische Spirale mit einem Abfangwinkel von ungefähr 45 definiert ist.
Die Trennplatte nach Anspruch 1, wobei die Spiralform durch eine evolventische Spirale definiert ist.
Trennplatte nach Anspruch 12, wobei die evolventische Spirale einen Anfangsradius von ungefähr 70 % des Innendurchmessers aufweist.
Trennplatte nach Anspruch 1, wobei ein Verhältnis des Außendurchmessers zum Innendurchmesser ungefähr zwei beträgt.
Rotierendes Koaleszer-Element, das Folgendes umfasst: eine erste Endkappe; eine zweite Endkappe; und eine Trennvorrichtung zwischen der ersten Endkappe und der zweiten Endkappe; die Trennvorrichtung enthält eine Mehrzahl von Trennplatten in einem axial ausgerichteten Stapel, jede der Mehrzahl von Trennplatten aufweist: einen Hauptkörper mit einer ringförmigen Form, die durch einen Innendurchmesser und einen Außendurchmesser definiert, der Innendurchmesser definiert eine zentrale Öffnung, der Außendurchmesser definiert eine Außenkante des Hauptkörpers, der Hauptkörper enthält eine Mehrzahl von Biegungen, die eine Mehrzahl von Strömungskanälen zwischen benachbarten Spitzen von einer Mehrzahl von Spitzen bilden, jede der Mehrzahl von Strömungskanälen erstreckt sich von dem Innendurchmesser zu dem Außendurchmesser, jede der Mehrzahl von Spitzen ist einer der Mehrzahl von Biegungen zugeordnet, die Mehrzahl der Biegungen weist eine Spiralform auf, sodass jeder der Kanäle auch durch die Spiralform definiert wird.
Rotierendes Koaleszer-Element nach Anspruch 15, wobei die zweite Endkappe eine axiale Strömungseinlassöffnung umfasst.
Rotierendes Koaleszer-Element nach Anspruch 15, ferner umfassend ein zentrales Rohr, das die erste Endkappe und die zweite Endkappe verbindet.
Rotierendes Koaleszer-Element nach Anspruch 15, wobei die Trennvorrichtung einen ersten Trennvorrichtungsabschnitt und einen zweiten Trennvorrichtungsabschnitt aufweist; der erste Trennvorrichtungsabschnitt und der zweite Trennvorrichtungsabschnitt sind axial gestapelt angeordnet; der zweite Trennvorrichtungsabschnitt enthält den axial ausgerichteten Stapel der Mehrzahl von Trennplatten.
Rotierendes Koaleszer-Element nach Anspruch 18, wobei der erste Trennvorrichtungsabschnitt ein Filtermedium umfasst.
Rotierendes Koaleszer-Element nach Anspruch 15, wobei die erste Endkappe einen ersten Satz von Zentrierrippen umfasst, die zweite Endkappe einen zweiten Satz von Zentrierrippen umfasst, und jede der Mehrzahl von Trennplatten ferner einen inneren Ring umfasst, positioniert um eine innere Kante zur Bildung der zentralen Öffnung, eine Mehrzahl von Schlitzen in dem inneren Ring, welches so strukturiert sind, dass sie mit mindestens einem aus Folgendem in Eingriff kommen: dem entsprechenden ersten Satz anZentrierrippen und dem zweiten Satz von Zentrierrippen, um eine Bewegung der Mehrzahl von Trennplatten zu verhindern.
Rotierendes Koaleszer-Element nach Anspruch 15, wobei jede der Mehrzahl der Trennplatten einen äußeren Ring umfasst, der um einen äußeren Rand jeder der Mehrzahl von Trennplatten herum angeordnet ist, und eine Mehrzahl von Vorsprüngen, die an einem äußeren Umfang des äußeren Rings vorgesehen sind und dazu strukturiert sind, um die Positionierung der Mehrzahl von Trennplatten in einem Gehäuse zu erleichtern.
Kurbelgehäuselüftungssystem für einen Verbrennungsmotor, wobei das Kurbelgehäuselüftungssystem ein rotierendes Koaleszer-Element umfasst, wobei das rotierende Koaleszer-Element umfasst: eine erste Endkappe; eine zweite Endkappe; und eine Trennvorrichtung zwischen der ersten Endkappe und der zweiten Endkappe; die Trennvorrichtung umfasst eine Mehrzahl von Trennplatten in einem axial ausgerichteten Stapel; jede der Mehrzahl von Trennplatten umfasst einen Hauptkörper mit einer ringförmigen Form, die durch einen Innendurchmesser und einen Außendurchmesser definiert ist, der Innendurchmesser definiert eine zentrale Öffnung; der Außendurchmesser definiert eine Außenkante des Hauptkörpers; der Hauptkörper enthält eine Mehrzahl von Biegungen, die eine Mehrzahl von Strömungskanälen zwischen benachbarten Spitzen von einer Mehrzahl von Spitzen bilden; jede der Mehrzahl von Strömungskanälen erstreckt sich von dem Innendurchmesser zu dem Außendurchmesser, jede der Mehrzahl des Spitzen ist einer der Mehrzahl von Biegungen zugeordnet; die Mehrzahl der Biegungen weist eine Spiralform auf, sodass jeder der Kanäle auch durch die Spiralform definiert wird.
Kurbelgehäuselüftungssystem nach Anspruch 22, wobei die erste Endkappe einen ersten Satz von Zentrierrippen umfasst, wobei die zweite Endkappe einen zweiten Satz von Zentrierrippen umfasst, und wobei jede der Mehrzahl von Trennplatten ferner einen inneren Ring umfasst, der um eine innere Kante zur Bildung der zentralen Öffnung positioniert ist; eine Mehrzahl von Schlitzen in dem inneren Ring, die so strukturiert sind, dass sie mit mindestens einem von Folgendem in Eingriff kommen: dem entsprechenden ersten Satz von Zentrierrippen und dem zweiten Satz von Zentrierrippen, um eine Bewegung der Mehrzahl von Trennplatten zu verhindern.
Kurbelgehäuselüftungssystem nach Anspruch 22, wobei jede der Mehrzahl der Trennplatten einen äußeren Ring umfasst, der um einen äußeren Rand jeder der Mehrzahl der Trennplatten herum angeordnet ist, und eine Mehrzahl von Vorsprüngen, die an einem äußeren Umfang des äußeren Rings vorgesehen sind und strukturiert sind, um die Positionierung der Mehrzahl von Trennplatten in einem Gehäuse zu erleichtern.