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VERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der am 9. Januar 2017 eingereichten vorläufigen
U.S.-Patentanmeldung Nr. 62/443991 mit dem Titel „Impulse Turbine with Non-Wetting Surface for Improved Hydraulic Efficiency“ (deutsch: „Zentrifugalabscheider mit verbesserter Packungsdichte und Abscheideleistung“), deren gesamte Offenbarung durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird.
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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Anmeldung betrifft Rotationsabscheider.
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HINTERGRUND
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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 schließen eine Mischung von Aerosolen, Ölen und Luft ein. Bei direkter Entlüftung in die Umgebung können die in Leckgasen enthaltenen Aerosole die Umwelt schädigen. Dementsprechend werden die Leckgase in der Regel mittels eines Kurbelgehäuseentlüftungssystems aus dem Kurbelgehäuse geleitet. Das Kurbelgehäuseentlüftungssystem 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 („reine“ Gase) werden dann entweder an die Umgebung entlüftet (in offenen Kurbelgehäuseentlüftungssystemen) oder zur weiteren Verbrennung zum Lufteinlass für den Verbrennungsmotor zurückgeleitet (in geschlossenen Kurbelgehäuseentlüftungssystemen).
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Einige Kurbelgehäuseentlüftungssysteme nutzen rotierende Koaleszer-Elemente, die die Filtereffizienz der Kurbelgehäuseentlüftungssysteme 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 Kurbelgehäuseentlüftungssystem reduziert. Rotierende Koaleszer-Elemente können beispielsweise Filtermedien, Abscheidekonusstapel, Trennscheibenstapel oder eine Kombination davon einschließen. Das Koaleszer-Element kann durch eine mit Fluid angetriebene Turbine gedreht werden, die mit dem Koaleszer-Element verbunden ist.
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KURZDARSTELLUNG
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Verschiedene beispielhafte Ausführungsformen beziehen sich auf eine Turbine, die zum Antreiben eines Drehelements in einem Filtersystem verwendet wird. Die Turbine umfasst einen Hauptkörper und eine Mehrzahl von Schaufeln, die mit dem Hauptkörper verbunden sind. Die Mehrzahl von Schaufeln ist konfiguriert, um hydraulische Energie von einem Fluidstrom in mechanische Energie umzuwandeln, um die Turbine zu drehen. Jede Schaufel der Mehrzahl von Schaufeln weist eine nicht benetzende Oberfläche in Bezug auf das Fluid auf.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel betrifft ein Kurbelgehäuseentlüftungssystem für einen Verbrennungsmotor. Das Kurbelgehäuseentlüftungssystem umfasst ein Gehäuse mit einem Einlass, das vom Verbrennungsmotor stammende Kurbelgehäuseleckgase aufnimmt, die zu filtern sind, und einen Auslass. Das Gehäuse umgibt eine Hauptkammer. Das Kurbelgehäuseentlüftungssystem umfasst ferner ein rotierendes Koaleszer-Element, das sich in der Hauptkammer befindet und mit einer Antriebswelle verbunden ist. Das Kurbelgehäuseentlüftungssystem umfasst eine Turbine, die mit der Antriebswelle verbunden ist. Die Turbine ist konfiguriert, um das rotierende Koaleszer-Element während des Betriebs des Kurbelgehäuseentlüftungssystems zu drehen. Die Turbine umfasst einen Hauptkörper und eine Mehrzahl von Schaufeln, die mit dem Hauptkörper verbunden sind. Die Mehrzahl von Schaufeln ist konfiguriert, um hydraulische Energie von einem Fluidstrom in mechanische Energie umzuwandeln, um die Turbine zu drehen. Jede Schaufel der Mehrzahl von Schaufeln weist eine nicht benetzende Oberfläche in Bezug auf das Fluid auf.
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In noch einem weiteren Satz von Ausführungsformen umfasst ein Verfahren das Bereitstellen eines Gehäuses, das einen Einlass, einen Auslass und eine Hauptkammer umgibt. In der Hauptkammer befindet sich eine Antriebswelle. Ein rotierendes Koaleszer-Element ist mit der Antriebswelle verbunden. Es wird eine Turbine mit einem Hauptkörper und mehreren damit verbunden Schaufeln bereitgestellt. Jede Schaufel der Mehrzahl von Schaufeln weist eine nicht benetzende Oberfläche in Bezug auf ein Fluid auf. Die Turbine ist mit der Antriebswelle verbunden. Die Mehrzahl von Schaufeln ist konfiguriert, um hydraulische Energie von dem Fluidstrom in mechanische Energie umzuwandeln, um die Turbine zu drehen.
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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.
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Figurenliste
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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 Kurbelgehäuseentlüftungssystems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
- 2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Turbine gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
- 3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Turbine gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform.
- 4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Turbine gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform.
- 5 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Turbine gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform.
- 6 ist eine rechnerische dynamische Simulation, die eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts einer Turbine gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform zeigt.
- 7 zeigt eine Querschnittsansicht von Fluidtropfen, die mit einer Oberfläche wechselwirken, die sowohl einen nicht benetzenden Abschnitt als auch einen benetzenden Abschnitt aufweist.
- 8 zeigt eine Ansicht eines Tröpfchens (z.B. von Öl oder Wasser), das von einer festen Oberfläche (z.B. einer Turbine) durch eine Mehrzahl von Vorsprüngen gemäß einer beispielhaften Ausführungsform hervorsteht.
- 9 zeigt einen Graphen, wie zunehmende Kontaktwinkel die Wirkungsgrade typischer Impulsturbinenkonstruktionen für verschiedene Fluide beeinflussen.
- 10 ist ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Kurbelgehäuseentlüftungssystems gemäß einer Ausführungsform.
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In der gesamten folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen. In den Zeichnungen kennzeichnen ähnliche Symbole normalerweise ähnliche Komponenten, sofern der Kontext nichts anderes vorgibt. Die veranschaulichenden Ausführungen, die in der ausführlichen Beschreibung, in den Zeichnungen und Ansprüchen beschrieben sind, sind nicht einschränkend gedacht. Andere Ausführungen können genutzt werden, und es können andere Änderungen vorgenommen werden, ohne vom Grundgedanken oder Umfang des hier vorgestellten Gegenstands abzuweichen. Es wird vorausgesetzt, dass die Aspekte der vorliegenden Offenlegung wie allgemein hier beschrieben und in den Zeichnungen illustriert, in vielen verschiedenen Konfigurierungen angeordnet, ersetzt, kombiniert und konzipiert werden können, die alle ausdrücklich berücksichtigt sind und Teil dieser Offenlegung sind.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Bezug nehmend auf die Figuren im Allgemeinen werden verschiedene Anordnungen einer Turbine für ein Drehelement beschrieben. Das Drehelement kann beispielsweise ein rotierendes Koaleszer-Element eines Kurbelgehäuseentlüftungssystems für einen Verbrennungsmotor, einen Zentrifugalabscheider (z.B. Flüssigpartikelabscheider) oder dergleichen sein. In einigen Anordnungen ist die Turbine eine Impulsturbine, die auch als Pelton-Turbine oder Turgo-Turbine bekannt ist. Die Turbine wird verwendet, um hydraulische Energie von einem Strom von unter Druck gesetztem Fluid in mechanische Energie umzuwandeln, die verwendet wird, um das Drehelement anzutreiben. Die Turbine umfasst eine nicht benetzende Oberfläche (z.B. eine oleophobe oder hydrophobe Oberfläche), die das unter Druck gesetzte Fluid abweist. Die nicht benetzende Oberfläche kann durch Plasmabeschichtung, Fluorpolymerbeschichtung, mikrotopographische Eigenschaften und dergleichen erreicht werden. Die nicht benetzende Oberfläche erhöht die Effizienz der Energieübertragung von dem Strom von unter Druck stehendem Fluid zu der Turbine, wodurch die Drehzahl des Drehelements im Vergleich zu benetzbaren glattflächigen Turbinen erhöht wird, was wiederum den Wirkungsgrad des Drehelements erhöht.
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Bezugnehmend auf 1 ist eine Querschnittsansicht eines Kurbelgehäuseentlüftungssystems 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform dargestellt. Das Kurbelgehäuseentlüftungssystem 100 wird verwendet, um die Basisabläufe eines Systems zu beschreiben, das ein Drehelement einschließt, das durch ein unter Druck gesetztes Fluid angetrieben wird. Das Kurbelgehäuseentlüftungssystem 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 Kurbelgehäuseentlüftungssystem 100 umfasst im Allgemeinen ein Gehäuse 102 mit einem Einlass 104, das zu filternde Leckgase des Kurbelgehäuses aufnimmt, eine Hauptkammer mit einem darin installierten, rotierenden Koaleszer-Element 106, und einen Auslass 108, der gefilterte Leckgase an den Verbrennungsmotor (in einem geschlossenen Kurbelgehäuseentlüftungssystem) oder in die Umgebung (in einem offenen Kurbelgehäuseentlüftungssystem) leitet.
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Während des Betriebs des Kurbelgehäuseentlüftungssystems 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 Kurbelgehäuseentlüftungssystem 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. Die Hauptantriebswelle 110 wird durch Rotation einer Turbine 112, die durch einen Ölstrahl gedreht wird, der durch eine Ölpumpe 114 erzeugt wird, angetrieben. Die Turbine 112 ist eine Impulsturbine, die auch als Pelton-Turbine oder Turgo-Turbine bekannt ist. Während sich das Koaleszer-Element 106 dreht, trennt das rotierende Koaleszer-Element 106 Öl, Aerosole und andere Kontaminanten, 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. Die Trennvorrichtung 124 kann jede Kombination von Filtermedien, Abscheidekonusstapeln und/oder Trennscheibenstapeln umfassen.
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Noch Bezug nehmend auf 1 wandelt die Turbine 112 die hydraulische Energie von dem Ölstrahl in mechanische Energie um, um die Hauptantriebswelle 110 zu drehen. Generell ist es wünschenswert, dass die Turbine 112 die höchste Drehzahl erreicht, die für eine gegebene eingeschränkte Energiezufuhr möglich ist, um die Leistung des rotierenden Koaleszer-Elements 106 zu maximieren (sowie einen reduzierten oder negativen Druckabfall des Flusses durch das rotierende Koaleszer-Element 106 bereitzustellen). Die Leistungszufuhr zu der Turbine 112 wird durch den Druck des von der Ölpumpe 114 erzeugten Ölstrahls, der mit der zulässigen Strömungsrate durch eine Düse, die den Strahl in die Turbine 112 leitet, multipliziert wird, begrenzt. In einigen Anordnungen liegt die Leistung, die der Turbine 112 zur Verfügung steht, im Bereich von 20-120 Watt. Die von der Turbine 112 an die Hauptantriebswelle 110 abgegebene Leistung ist gleich dem Wirkungsgrad der Turbine 112, multipliziert mit der zugeführten Leistung. Als ein nicht einschränkendes Beispiel würde die an die rotierende Welle 110 abgegebene Leistung zwischen 10 und 60 Watt liegen, wenn der Wirkungsgrad der Turbine 112 bei 50 % liegt und die zugeführte Leistung zwischen 20 und 120 Watt liegt. Dementsprechend muss zum Erreichen einer höheren Leistungsabgabe von der Turbine 112 ohne Erhöhung der Leistungszufuhr der Wirkungsgrad der Turbine 112 erhöht werden. Verschiedene Anordnungen der Turbine 112 mit Merkmalen, die den Wirkungsgrad der Turbine 112 erhöhen, werden nachstehend unter Bezugnahme auf 2 bis 7 beschrieben.
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Unter Bezugnahme auf 2 wird eine perspektivische Ansicht einer Turbine 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt. Die Turbine 200 kann anstelle der Turbine 112 des Kurbelgehäuseentlüftungssystems 100 verwendet werden. Die Turbine 200 ist eine Turbine des Typs Turgo. Die Turbine 200 schließt einen Hauptkörper 202 und eine Mehrzahl von Schaufeln 204 ein, die mit dem Hauptkörper 202 verbunden sind. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „Schaufel“ auf eine Struktur mit einer Oberfläche, die so strukturiert ist, dass sie von einem Fluidstrom beaufschlagt wird, um zumindest hydraulische Energie des Fluidstroms in mechanische Energie (d.h. Drehung) umzuwandeln. Die Struktur der „Schaufel“ kann, ohne darauf beschränkt zu sein, schalenförmige Oberflächen, ausgehöhlte Oberflächen, ebene Oberflächen, gekrümmte Oberflächen oder dergleichen einschließen. In 2 sind die Schaufeln 204 im Allgemeinen schalenförmig. Der Hauptkörper 202 ist im Allgemeinen ringförmig, und jede der Schaufeln 204 erstreckt sich von einem Außenumfang des Hauptkörpers 202 aus. Der Hauptkörper 202 kann beispielsweise mit der Hauptantriebswelle 110 des Kurbelgehäuseentlüftungssystems 100 verbunden sein. Jede der Schaufeln 204 beinhaltet einen Einschnitt 206, der sich an einem ersten Ende der Schaufel 204 befindet. Der Einschnitt 206 weist ein sichelförmiges Oberprofil jeder Schaufel 204 (von der rechten oberen Seite aus gesehen in 2) auf. Der Einschnitt 206 bildet eine Öffnung in jeder Schaufel 204, wodurch ermöglicht wird, dass ein Fluidstrom 208 durch eine Düse 210 bei einem endlichen Zugangswinkel 212 von oberhalb (oder unterhalb) der Schaufeln 204 in jede der Schaufeln 204 geleitet wird, wie in 2 gezeigt. Der endliche Zugangswinkel 212 kann zwischen fünfzehn und zwanzig Grad liegen. In einigen Anordnungen wird die Düse 210 von der Ölpumpe 114 des Kurbelgehäuseentlüftungssystems 100 versorgt, und das Fluid 208 ist Öl. Wie unten detaillierter beschrieben wird, ist die Innenfläche jeder Schaufel 204 (d.h. die Oberfläche, auf die der Fluidstrom 208 trifft) eine nicht benetzende (d.h. phobische) Oberfläche, die das Fluid 208 abweist.
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Unter Bezugnahme auf 3 wird eine perspektivische Ansicht eines Systems 300 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform dargestellt. Die Turbine 300 kann anstelle der Turbine 112 des Kurbelgehäuseentlüftungssystems 100 verwendet werden. Die Turbine 300 ist eine Turbine des Typs Pelton mit einer geteilten Schaufelanordnung. Die Turbine 300 schließt einen Hauptkörper 302 und eine Mehrzahl von Schaufeln 304 ein, die mit dem Hauptkörper 302 verbunden sind. Der Hauptkörper 302 ist im Allgemeinen ringförmig, und jede der Schaufeln 304 erstreckt sich von einem Außenumfang des Hauptkörpers 302 aus. Der Hauptkörper 302 kann beispielsweise mit der Hauptantriebswelle 110 des Kurbelgehäuseentlüftungssystems 100 verbunden sein. Jede der Schaufeln 304 ist eine geteilte Schaufel mit einem ersten Schaufelabschnitt 306 und einem zweiten Schaufelabschnitt 308, die durch einen Steg 310 geteilt sind. Jeder des ersten Schaufelabschnitts 306 und des zweiten Schaufelabschnitts 308 ist im Allgemeinen schalenförmig. Jede der Schaufeln 304 beinhaltet einen Einschnitt 312, der an einer Außenseite (d.h. dem Außenumfang der Turbine 300) der Schaufel 304 angebracht ist. Der Einschnitt 312 ist um den Steg 310 zentriert und bildet eine Öffnung in jeder Schaufel 304, wodurch ermöglicht wird, dass ein Fluidstrom 314 durch eine Düse (z.B. Düse 210) in eine Mitte jeder der Schaufeln 304 geleitet wird, sodass der Fluidstrom 314 durch den Steg 310 getrennt und in den ersten und zweiten Schaufelabschnitt 306 und 308 geleitet wird. In einigen Anordnungen wird die Düse von der Ölpumpe 114 des Kurbelgehäuseentlüftungssystems 100 versorgt, und das Fluid 314 ist Öl. Wie unten detaillierter beschrieben wird, ist die Innenfläche jeder Schaufel 304 (d.h. die Oberfläche, auf die der Fluidstrom 314 trifft), eine nicht benetzende (d.h. phobische) Oberfläche, die das Fluid 314 abweist.
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Unter Bezugnahme auf 4 wird eine perspektivische Ansicht eines Systems 400 gemäß einer noch weiteren beispielhaften Ausführungsform dargestellt. Die Turbine 400 kann anstelle der Turbine 112 des Kurbelgehäuseentlüftungssystems 100 verwendet werden. Die Turbine 400 ist eine modifizierte Turbine mit einzelner Schaufel des Typs Pelton, die einen tangentialen Strahl, der von oben nach unten läuft, aufweist. Die Turbine 400 schließt einen Hauptkörper 402 und eine Mehrzahl von Schaufeln 404, die mit dem Hauptkörper 402 verbunden sind, auf. Der Hauptkörper 402 ist im Allgemeinen ringförmig, und jede der Schaufeln 404 erstreckt sich von einer axialen Fläche des Hauptkörpers 402. Der Hauptkörper 402 kann beispielsweise mit der Hauptantriebswelle 110 des Kurbelgehäuseentlüftungssystems 100 verbunden sein. Jede der Schaufeln 404 ist im Allgemeinen schalenförmig. Jede der Schaufeln 404 weist einen Einschnitt 404 an einer oberen Außenseite der Schaufel 406 auf. In einigen Anordnungen befindet sich der Einschnitt 406 neben einem Träger, der die Schaufel 404 mit dem Hauptkörper 402 verbindet. In einigen Anordnungen sieht der Einschnitt 406 ein sichelförmiges Profil für jede Schaufel 404 vor. Der Einschnitt 406 ist so bemessen und geformt, dass ein Fluidstrom 408 durch eine Düse (z.B. Düse 210) in eine Mitte jeder der Schaufeln 404 geleitet werden kann. Die Schaufel 404 lenkt dann das Fluid aus der gegenüberliegenden Seite (d.h. der Unterseite) der Schaufel 404 durch Drehen (d.h. Leiten) des Fluids entlang der gekrümmten Oberfläche der Schaufel 404, die durch den Fluidstrom 408 beaufschlagt wird. In einigen Anordnungen wird die Düse von der Ölpumpe 114 des Kurbelgehäuseentlüftungssystems 100 versorgt und das Fluid 408 ist Öl. Wie unten detaillierter beschrieben wird, ist die Innenfläche jeder Schaufel 404 (d.h. die Oberfläche, auf die der Fluidstrom 408 trifft) eine nicht benetzende (d.h. phobische) Oberfläche, die das Fluid 408 abweist.
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Unter Bezugnahme auf 5 wird eine perspektivische Ansicht einer Turbine 500 gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform dargestellt. Die Turbine 500 kann anstelle der Turbine 112 des Kurbelgehäuseentlüftungssystems 100 verwendet werden. Die Turbine 500 ist eine modifizierte Turbine des Typs Pelton mit einer spiralförmigen Schaufelanordnung. Die Turbine 500 schließt einen zylinderförmigen Körper 502 mit einer mittleren Öffnung 504 ein. Der zylinderförmige Körper 502 schließt eine Mehrzahl von Schaufeln 506 ein, die an der Umfangsfläche des zylinderförmigen Körpers 502 ausgebildet sind. Der zylinderförmige Körper 502 kann zum Beispiel mit der Hauptantriebswelle 110 des Kurbelgehäuseentlüftungssystems 100 verbunden sein. Jede der Schaufeln 506 in der Ausführungsform von 5 ist spiralförmig. Jede der Schaufeln 506 ist als Vertiefung auf einer strahlenförmigen Oberfläche des zylinderförmigen Körpers 502 ausgebildet. Die Spiralform der Schaufeln 506 ist so strukturiert, dass sie einen Fluidstrom von einer Düse 508 an einem oberen Abschnitt der Schaufel 506 aufnimmt (z.B. wie durch die Ausrichtung der Düse 508 in 5 gezeigt), um das Fluid entlang der durch die Spiralform erzeugte gekrümmten Fläche der Schaufel 506 zu drehen und das Fluid aus einem unteren Abschnitt der Schaufel 506 abzulenken. In einigen Anordnungen wird die Düse 508 von der Ölpumpe 114 des Kurbelgehäuseentlüftungssystems 100 versorgt, und das Fluid ist Öl. Wie unten ausführlicher beschrieben, ist die Innenfläche jeder Schaufel 506 (d.h. die durch den Fluidstrom beaufschlagte Oberfläche) eine nicht benetzende (d.h. phobische) Oberfläche, die das Fluid abweist.
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Unter Bezugnahme auf 6 wird eine CFD-Simulation, die eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts einer Turbine 600 zeigt, gemäß einer noch anderen beispielhaften Ausführungsform dargestellt. Die Turbine 600 kann anstelle der Turbine 112 des Kurbelgehäuseentlüftungssystems 100 verwendet werden. Die Turbine 600 ist eine Banki-Durchströmturbine. Die Turbine 600 schließt einen zylinderförmigen Körper 602 mit einer Mehrzahl von Schaufeln 604 ein, die von dem zylinderförmigen Körper 602 vorstehen. Der zylinderförmige Körper 602 kann zum Beispiel mit der Hauptantriebswelle 110 des Kurbelgehäuseentlüftungssystems 100 verbunden sein. Jede der Schaufeln 604 in der Ausführungsform von 6 ist durch eine gekrümmte Oberfläche definiert. Die Mehrzahl von Schaufeln 604 bildet eine Mehrzahl von gebogenen Kanälen von einem Außenumfang des zylinderförmigen Körpers 602 aus, der sich in Richtung der Mitte des zylinderförmigen Körpers 602 erstreckt. Die Kanäle sind so angeordnet, dass sie einen Fluidstrom 606 von einer Düse (z.B. der Düse 210) aufnehmen und das Fluid in Richtung der Mitte des zylinderförmigen Körpers 602 entlang der gekrümmten Oberfläche drehen. In einigen Anordnungen wird die Düse von der Ölpumpe 114 des Kurbelgehäuseentlüftungssystems 100 versorgt, und das Fluid 606 ist Öl. Wie nachstehend ausführlicher beschrieben, sind die Schaufeln 604, die von dem Fluidstrom 606 beaufschlagt werden, nicht benetzend (d. h. phobisch) und stoßen das Fluid ab.
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Wie oben beschrieben, umfasst jede der oben beschriebenen Turbinen 200, 300, 400, 500 und 600 nicht benetzende (d.h. phobische) Oberflächen, wo das Fluid (z.B. das Öl) auf die Turbine trifft. In Anordnungen, bei denen das Fluid Öl ist, sind die Oberflächen oleophob. Bei Anordnungen, bei denen das Fluid Wasser ist, sind die Oberflächen hydrophob. 7 hebt den Unterschied zwischen der Art und Weise hervor, wie ein Fluid mit einer benetzenden Oberfläche und einer nicht benetzenden Oberfläche reagiert. Wie in 7 gezeigt, weist eine Oberfläche 700 sowohl einen nicht benetzenden (d.h. phobischen) Abschnitt 702 als auch einen benetzenden Abschnitt 704 auf. Ein erster Tropfen Fluid 706 ist auf dem nicht benetzenden Abschnitt 702 dargestellt. Der erste Tropfen Fluid 706 bildet einen ersten Kontaktwinkel 708 zur Oberfläche 700. Der erste Kontaktwinkel 708 ist größer als 90°. In einigen Anordnungen ist der erste Kontaktwinkel 708 so groß wie 150°. Ein zweiter Tropfen Fluid 710 ist auf dem benetzenden Abschnitt 704 dargestellt. Der zweite Tropfen Fluid 710 bildet einen zweiten Kontaktwinkel 712 zur Oberfläche 700. Der zweite Kontaktwinkel 712 ist kleiner als 90°. In einigen Anordnungen ist der zweite Kontaktwinkel 712 kleiner als 20°. Dementsprechend haftet der erste Tropfen Fluid 706 an dem nicht benetzenden Abschnitt 702 weniger als der zweite Tropfen Fluid 710 an dem benetzenden Abschnitt 704.
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Die nicht benetzenden (d.h. phobischen) Oberflächen der Turbinen 200, 300, 400, 500 und 600 können durch eine beliebige Kombination von Abläufen gebildet werden. Der Kontaktwinkel zwischen flüssigem Tröpfchen und Oberfläche wird durch die adhäsiven und kohäsiven Kräfte innerhalb des Fluids und der Oberfläche bestimmt und hängt im Wesentlichen von der freien Energie der festen Oberfläche sowie mit der Oberflächenspannung der Flüssigkeit selbst ab. In einigen Anordnungen weisen nicht benetzende Beschichtungen die nicht benetzenden Merkmale auf, indem sie die freie Oberflächenenergie des Feststoffs reduzieren. Beispielsweise neigt die schwache molekulare Struktur von Fluorkohlenstoffen, wo die Moleküle durch physikalische Kräfte (van der Waals usw.) zusammengehalten werden, dazu, sehr „geringe Energie“ aufzuweisen und tendenziell „nicht benetzend“ zu sein. In einigen Anordnungen werden die nicht benetzenden Oberflächen durch Plasmabeschichtung der Oberflächen, chemische Beschichtung der Oberflächen (z.B. mit Fluorpolymeren, wie Perfluorpolyether, Silane, usw.), Erzeugen einer rauen Oberfläche mit Topographie im Mikrobereich (d.h. ähnlich des „Lotus-Effekts“, wobei Lotusblattoberflächen mehrstufige Strukturen aufweisen, einschließlich Höcker von der Größe von 10-50 Mikron, die Wasser durch Einfangen von Luft zwischen dem Wasser und der Oberfläche der Lotusblätter abstoßen), oder eine Kombination davon gebildet. In einigen Anordnungen können auf Verdampfung basierende chemische Beschichtungen (die proprietäre Polymere, Fluorlösungsmittel, Fluorpolymere und Alkane enthalten) durch Tauch-, Wisch- oder Sprühverfahren aufgebracht werden und je nach gewähltem Verfahren eine dauerhafte Beschichtung (z.B. über kovalente Bindung zwischen Beschichtung und Oberfläche) in einer nachgewiesenen Dicke von 5 bis 500 Nanometer abscheiden. Andere Abscheideverfahren beruhen auf Vakuum- oder Dampfabscheideverfahren. Die oben erwähnten Beschichtungen führen zu nachgewiesenen Wasser- und Ölkontaktwinkeln, die 70° und vielleicht sogar 130° übersteigen, wie mit einem Goniometer gemessen. Die Verfahren bilden normalerweise eine phobische Monoschicht auf einer dielektrischen Haftschicht, die mit dem polymeren Substrat verbunden ist.
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In einer alternativen Anordnung können die nicht benetzenden Oberflächen der Turbinen 200, 300, 400, 500 und 600 durch Erzeugen einer rauen Oberfläche mit einer Topographie im Mikron- und Nanobereich erreicht werden, die zur Folge hat, dass Luft unter dem flüssigen Tröpfchen eingefangen wird. Diese Oberflächen können auf bestehenden Substratoberflächen (d.h. Kunststoff- oder Metallturbinenschaufeln) unter Verwendung von Sol-Gel-Verfahren erzeugt werden, bei denen Silane mit bestimmten Chemikalien (z.B. Fluorverbindungen) modifiziert und als „Sol“ von Partikeln im Nanobereich in kolloidalen Lösungen dispergiert werden. Die Lösung verdampft und die Partikel bilden eine dichte mikroraue Struktur, die an der Oberfläche anhaftet und das Fluid von der festen Oberfläche der Turbinen abweist. Dies erzeugt einen Lotuseffekt, der in 8 veranschaulicht ist. 8 zeigt eine Ansicht eines Tröpfchens 802 (z B. von Öl oder Wasser), das von einer festen Oberfläche 804 (z.B. einer Turbine) durch eine Mehrzahl von Vorsprüngen 806 hervorsteht. In einigen Anordnungen sind die Vorsprünge 806 Vorsprünge im Mikrobereich, die 10-15 Mikrometer breit sind und sich von der festen Oberfläche 804 aus 10-20 Mikrometer weit erstrecken. Die Vorsprünge 806 fangen Luftblasen zwischen der festen Oberfläche 804 und dem Tröpfchen 802 ein, was hilft, das Tröpfchen 802 von der festen Oberfläche 804 abzustoßen. Die Vorsprünge 806 enthalten eine Oberflächenrauheit 808 im Nanobereich, die den Lotuseffekt weiter verbessert.
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Durch Verwendung nicht benetzender Oberflächen der Turbinen 200, 300, 400, 500 und 600 verbessern sich die Wirkungsgrade der Turbinen 200, 300, 400, 500 und 600 um etwa zweieinhalb bis acht Prozent (abhängig vom Fluid, der Turbinengröße, der Anordnung des Fluidstroms zur Turbine, der Anordnung der Turbine, dem Druck des Fluidstroms, und dergleichen). Die erhöhte Leistung ist zumindest teilweise das Ergebnis der verringerten Haftung des Fluids an den Oberflächen der Turbinen 200, 300, 400, 500 und 600. Die erhöhten Wirkungsgrade der Turbinen 200, 300, 400, 500 und 600 führen zu einer erhöhten Energieübertragung vom Fluidstrahl zum Drehelement (d.h. zum rotierenden Koaleszer-Element 106 des Kurbelgehäuseentlüftungssystems 100). Der erhöhte Wirkungsgrad ist in 9 dargestellt, die einen Graphen 900 zeigt, wie zunehmende Kontaktwinkel (z.B. durch Reduzierung der freien Oberflächenenergie durch Beschichtung/Behandlung wie oben beschrieben) die hydraulischen Wirkungsgrade üblicher Impulsturbinenkonstruktionen für Fluide mit variierender Oberflächenspannung (z.B. Öl bei etwa 20 Dyn/cm und Wasser bei etwa 70 Dyn/cm) beeinflussen.
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10 ist ein schematisches Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 1000 zur Herstellung eines Kurbelgehäuseentlüftungssystems (z.B. des Kurbelgehäuseentlüftungssystems 100) gemäß einer Ausführungsform. Das Verfahren 1000 umfasst in 1002 das Bereitstellen eines Gehäuses, das einen Einlass, einen Auslass und eine Hauptkammer umgibt. Beispielsweise kann das Gehäuse 102 des Kurbelgehäuseentlüftungssystems 100 eine Hauptkammer einschließen und den Einlass 104 und den Auslass 108 abgrenzen.
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Eine Antriebswelle ist in der Hauptkammer des Gehäuses in 1004 positioniert. Zum Beispiel befindet sich die Hauptantriebswelle 110 in der Hauptkammer. Ein rotierendes Koaleszer-Element ist in 1006 mit der Antriebswelle verbunden. Beispielsweise ist das rotierende Koaleszer-Element 106 oder jedes andere geeignete drehbare Element mit der Hauptantriebswelle 110 verbunden. Die Antriebswelle kann sich innerhalb der Hauptkammer frei drehen, um eine Drehbewegung auf das damit verbundene rotierende Koaleszer-Element zu übertragen.
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Eine Turbine wird in 1008 bereitgestellt. Die Turbine umfasst einen Hauptkörper und eine Mehrzahl von daran angebrachten Schaufeln. Die Mehrzahl von Schaufeln sind konfiguriert, um hydraulische Energie von einem Fluidstrom in mechanische Energie umzuwandeln, um die Turbine zu drehen. Die Turbine kann beispielsweise die Turbine 200, 300, 400, 500, 600 oder jede andere hierin beschriebene Turbine einschließen. Außerdem weist jede der Mehrzahl von Schaufeln der Turbine eine nicht benetzende Oberfläche in Bezug auf das Fluid auf.
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Die nicht benetzende Oberfläche kann unter Verwendung eines beliebigen geeigneten Verfahrens gebildet werden. In einigen Ausführungsformen wird die nicht benetzende Oberfläche durch Plasmabeschichtung der nicht benetzenden Oberfläche gebildet. In anderen Ausführungsformen wird die nicht benetzende Oberfläche durch chemische Beschichtung der nicht benetzenden Oberfläche gebildet. In noch einer anderen Ausführungsform wird die nicht benetzende Oberfläche gebildet, indem eine raue Oberfläche mit Topographie im Mikrobereich auf der nicht benetzenden Oberfläche erzeugt wird. In noch weiteren Ausführungsformen wird die nicht benetzende Oberfläche durch eine Kombination von mindestens zwei aus Plasmabeschichtung der nicht benetzenden Oberfläche, chemischer Beschichtung der nicht benetzenden Oberfläche oder Erzeugen einer rauen Oberfläche mit Topographie im Mikrobereich auf der nicht benetzenden Oberfläche gebildet. In besonderen Ausführungsformen ist das Fluid zum Antreiben der Turbine Öl. In diesen Ausführungsformen kann die nicht benetzende Oberfläche eine oleophobe Oberfläche einschließen.
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Die Turbine ist in 1010 mit der Antriebswelle verbunden. Beispielsweise ist der Hauptkörper (z.B. der Hauptkörper 202, 302, 402, 502, 602) der Turbine (z.B. der Turbine 200, 300, 400, 500, 600) funktional mit der Antriebswelle verbunden, sodass jede Drehung der Turbine die Antriebswelle 110 und damit das rotierende Koaleszer-Element dreht.
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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).
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Wie hierin verwendet, soll der Ausdruck „ungefähr“ einen Bereich von ungefähr plus oder minus 5 % der angegebenen Anzahl oder des Bereichs von Zahlen umfassen.
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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.
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Der hierin verwendete Begriff „verbunden“ und dergleichen bedeutet die direkte oder indirekte Verbindung von zwei Elementen miteinander. Dieses Verbinden 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.
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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, Abwandlungen, Änderungen und Auslassungen können ebenfalls bezüglich der Konstruktion, der Betriebsbedingungen und der Anordnung der diversen, beispielhaften Ausführungsformen vorgenommen werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Obwohl diese Beschreibung viele spezielle Ausführungseinzelheiten enthält, sollten diese nicht als Einschränkung des Umfangs der Ausführungsformen oder der Ansprüche gedacht sein, sondern vielmehr als Beschreibungen von Merkmalen, die für bestimmte Ausführungen von bestimmten Ausführungsformen spezifisch sind. Bestimmte, in dieser Patentschrift im Kontext separater Implementierungen beschriebene Merkmale können auch in Kombination in einer einzigen Implementierung umgesetzt werden. Im Gegensatz dazu können verschiedene, im Kontext einer einzigen Implementierung beschriebene Merkmale auch in mehreren Implementierungen separat oder in einer beliebigen, geeigneten Unterkombination umgesetzt werden. Zudem können, obwohl vorstehende Merkmale so beschrieben sein können, dass sie in bestimmten Kombinationen fungieren und auch anfänglich als solche beansprucht sind, ein oder mehrere Merkmale aus einer beanspruchten Kombination in manchen Fällen aus der Kombination ausgesondert werden, und die beanspruchte Kombination kann auf eine Unterkombination oder Variation einer Unterkombination gerichtet sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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