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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abscheidevorrichtung zur Abscheidung von Partikeln oder Flüssigkeiten aus einem Fluid, insbesondere zum Abscheiden einer Flüssigkeit aus einem Gasstrom, wie sie beispielsweise zum Abscheiden von Ölnebel und/oder Öltröpfchen aus Blowby-Gasen eines Verbrennungsmotors eingesetzt wird.
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Im Stand der Technik werden hierzu beispielsweise aktive Ölabscheider eingesetzt, bei denen ein Abscheideelement aktiv angetrieben wird, um den Abscheidegrad aus dem Fluid zu erhöhen.
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Zum Antrieb des Abscheideelementes werden Antriebselemente, beispielsweise Turbinenräder, verwendet, die mit dem Abscheideelement über eine Welle gekoppelt sind. Derartige Antriebselemente, beispielsweise Turbinenräder, werden ihrerseits mit einem fluidischen Antriebsmittel angetrieben. Bei Ölabscheidern in Entlüftungssystemen von Verbrennungsmotoren wird für den Antrieb des Turbinenrades oftmals der Öldruck des Motoröls verwendet.
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Bei im Stand der Technik üblichen aktiven Ölabscheidern, bei denen mittels des Öldrucks ein Turbinenrad angetrieben wird, wird das Antriebsfluid meist über eine Mittelbohrung in der Welle bis zum Turbinenrad geführt und dort in das Turbinenrad eingeleitet. Das Turbinenrad weist an seinem Rand eine ungefähr in tangentialer Richtung zum Umfangsrand (d.h. ungefähr senkrecht zum Radius des Turbinenrades) gerichtete Düse auf, über die das fluidische Antriebsmittel ausgestoßen wird. Dadurch wird das Turbinenrad in Drehung versetzt. Typisch sind dabei Rotationsgeschwindigkeiten bis zu 20.000 Upm. Derartige Turbinen, bei denen das Antriebsmittel über eine Düse aus dem Inneren des Turbinenrades ausgestoßen wird, werden auch als Heron-Turbinen bezeichnet.
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Der Begriff „Turbinenrad“ ist dabei jedoch nicht auf ein näherungsweise oder vollständig kreisrundes Element beschränkt, sondern umfasst auch andere Formen rotationsfähiger Körper.
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Als Abscheideelement werden oftmals Tellerseparatoren eingesetzt. Bei diesen ist ein Stapel von lediglich durch geringe Zwischenräume voneinander getrennten Tellern axial benachbart zueinander auf der Antriebswelle angeordnet und wird durch die Welle gedreht. Das zu reinigende Fluid wird in die Zwischenräume zwischen den einzelnen Tellern geleitet und dort radial und tangential beschleunigt, so dass die abzuscheidenden Partikel oder Tröpfchen aus dem Fluid an den Oberflächen der Teller abgeschieden werden. Werden derartige Tellerseparatoren im Bereich der Reinigung von Blowby-Gasen von Verbrennungsmotoren eingesetzt, so wird das Blowby-Gas in diese Zwischenräume zwischen den einzelnen Scheiben geleitet. An den Oberflächen der benachbarten Teller werden die in dem Gas enthaltenen Öltröpfchen oder Ölnebel abgeschieden.
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Turbinenräder und Wellen sind im Stand der Technik üblicherweise aus Edelstahl gefertigt. Turbinenrad und Welle aus Edelstahl sind jedoch sehr kostenintensiv und schwer. Durch die hohe Masse von Turbinenrad und Welle erfolgt der Anlauf des Ölabscheiders nur langsam. In entsprechender Weise läuft das Turbinenrad beim Abstellen z.B. beim Abstellen des Verbrennungsmotors, nach, wodurch insbesondere unerwünschte Geräusche entstehen.
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Durch die Fertigung von Turbine und Welle aus Edelstahl ist es erforderlich, diese anschließend aneinander zu montieren. Hierbei treten häufig Fehlmontagen auf, die zu einem unrunden Lauf der Turbine bzw. der Welle und weiterhin auch zu Undichtigkeiten zwischen der Welle und der Turbine führen können.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Abscheidevorrichtung zu schaffen, die kostengünstig, rasch und einfach herzustellen ist.
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Diese Aufgabe wird durch die Abscheidevorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Abscheidevorrichtung werden in den abhängigen Ansprüchen gegeben.
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Die erfindungsgemäße Abscheidevorrichtung weist in noch herkömmlicher Weise ein drehbares Abscheideelement, ein drehbares Antriebselement sowie eine Welle auf, die das Antriebselement und das Abscheideelement miteinander drehfest, aber gemeinsam drehbar um die Mittelachse der Welle verbindet.
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Das Antriebselement ist als Turbinenrad ausgebildet. Dieses Turbinenrad weist eine innenliegende Durchgangsöffnung zur Durchleitung eines fluidischen Antriebsmittels auf. Weiterhin weist das Turbinenrad eine Fluiddüse auf, die fluidisch mit der Durchgangsöffnung in Verbindung steht. Über diese Fluiddüse kann ein Fluid, das durch die Durchgangsöffnung zu der Fluiddüse strömt, aus dem Antriebselement ausgestoßen werden. Durch den Rückstoß des ausgestoßenen Fluides wird dann das Turbinenrad in Drehung um die Drehachse der Welle versetzt.
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Erfindungsgemäß ist der Grundkörper des Antriebselementes zusammen mit der Welle einstückig ausgebildet, insbesondere einstückig hergestellt. Dadurch, dass die Welle und das Turbinenrad einstückig ausgebildet sind, ergibt sich eine Vielzahl von Vorteilen.
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Zum einen wird jegliches Leckagerisiko am Übergang zwischen der Welle und der Turbine beseitigt. Dies betrifft insbesondere vorteilhafte Ausführungsformen, bei denen das Antriebsfluid über eine zentrale Bohrung in der Welle der Durchgangsöffnung im Turbinenrad zugeführt wird. Durch die einstückige Ausbildung von Welle und Turbinenrad wird die Dichtheit an diesem Übergang gewährleistet. Weiterhin wird durch die einstückige Ausbildung jegliche Möglichkeit für einen Falschverbau von Welle und Turbinenrad verhindert. Insbesondere wird verhindert, dass Welle und Turbinenrad nichtfluchtend miteinander verbaut werden, wodurch zum einen eine Undichtigkeit entstehen und zum anderen ein Druckverlust am Übergang zwischen Bohrung in der Welle und Durchgangsöffnung auftreten könnte.
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Während beispielsweise bei Freistrahlturbinen als Antriebselement keinerlei Leckagerisiko am Übergang zwischen Welle und Turbinenrad besteht, wird durch die vorliegende Erfindung eine Heronturbine zur Verfügung gestellt, bei der das lediglich bei diesem Turbinentyp auftretende Leckagerisiko beseitigt wird, ein Rundlauf des Turbinenrades ohne weitere Nacharbeiten ermöglicht wird und insgesamt ein durchgehender Fließweg von der Welle zum Turbinenrad gewährleistet wird.
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Durch die einstückige Ausführung wird weiterhin die Montagezeit verringert, die Montage vereinfacht und auch die Möglichkeit zu Fehlern in der Fertigung verringert.
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Insgesamt wird die Komplexität der erfindungsgemäßen Abscheidevorrichtung durch eine Reduktion der Teilezahl verringert.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Welle selbst, wie bereits oben erwähnt, eine axial verlaufende Durchgangsöffnung als Zuleitung des Antriebsmittels aufweist, die mit der Durchgangsöffnung in dem Grundkörper des Turbinenrades fluidisch verbunden ist. Hierdurch ist es möglich, fluiddicht das Antriebsmittel bis zur Fluiddüse durchzuleiten.
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Es ist vorteilhaft, wenn Welle und/oder Turbinenrad aus einem Kunststoff bestehen oder diesen enthalten. Als Kunststoffe eignen sich hier insbesondere faserverstärkte Materialien, insbesondere mit einem Anteil an Faserverstärkungsmaterial zwischen 25 und 60 Gew.-%, vorteilhafterweise mindestens 30 Gew.-%. Als Verstärkungsmaterial kommen dabei Fasern, insbesondere aus Glas, Polyester, Aramid, Carbon oder einem sonstigen Material auf Mineralstoffbasis in Frage. Bei Einsatz von Carbonfasern ist ein Anteil von 30Gew.-% und bei Einsatz von Glasfasern ist ein Anteil von 40 Gew.-% bevorzugt. Es ist auch möglich, als Verstärkungsmaterial Kugeln, insbesondere aus Glas, einzusetzen.
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Als Kunststoff eignen sich insbesondere Polyphenylensulfide, Polyetherimide, Polyimide, Polyphthalamide, Polyetheretherketone, Polyamide, Polyesterharze, Vinylesterharze, Epoxidharze, Phenolharze, Melamin-Formaldehyd-Harze oder eine Kombination dieser Materialien.
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Durch die Verwendung von Kunststoffen für die Welle und den Grundkörper des Turbinenrades kann die Masse der drehenden Elemente in der Abscheidevorrichtung verringert werden. Durch diesen Leichtbau kann ein schnelles Anlaufen der Abscheidevorrichtung sowie ein rasches Abbremsen der Abscheidevorrichtung ermöglich werden. Insbesondere durch das rasche Abbremsen der Abscheidevorrichtung, beispielsweise nach dem Abstellen des Verbrennungsmotors, wird vermieden, dass die Abscheidevorrichtung lange nachläuft und dabei u. a. unerwünschte Geräusche erzeugt.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform bestehen Welle und Turbinenrad aus demselben Material.
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Eine einstückige Fertigung aus Kunststoff erhöht weiterhin die Integrationstiefe und auch das Integrationspotential für die erfindungsgemäße Abscheidevorrichtung. Denn es können dann auch weitere Funktionselemente, wie beispielsweise ein Magnet, in das Turbinenrad eingebettet werden. Mittels eines derartigen eingebetteten Magnets kann beispielsweise die Drehzahl des Turbinenrades erfasst werden. Weiterhin kann in die Welle des Abscheideelements ein Gleitlager eingegossen werden, so dass das Turbinenrad gemeinsam mit der Welle reibungsarm in der Abscheidevorrichtung gelagert werden kann.
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Die Ausbildung des Turbinenrades aus Kunststoff ermöglicht es auch, ein Flügelrad oder auch ein Dichtelement an dem Turbinenrad oder der Welle anzuordnen, wobei Flügelrad und Dichtelement bereits bei der Fertigung einstückig mit dem Turbinenrad oder der Welle gefertigt werden können. Derartige Dichtelemente dienen beispielsweise der Abdichtung des Durchgangs der Welle durch eine Trennwand, die einen Antriebsraum, in dem das Turbinenrad gelagert ist, und einen Abscheideraum, in dem das Abscheideelement gelagert ist, voneinander abtrennt. Ein Flügelrad kann diese Abdichtung weiter unterstützen, indem im Zwischenraum zwischen dem Turbinenrad und einer derartigen Trennwand im Bereich des Durchgangs der Welle durch die Trennwand der Druck auf der Seite der Antriebskammer erniedrigt wird, so dass abgeschiedenes Öl aus der Abscheidekammer durch die Dichtung eher in Richtung der Antriebskammer befördert wird. Insbesondere wird dadurch vermieden, dass bei ungünstigen Druckverhältnissen Antriebsfluid aus der Antriebskammer über die Durchführung der Welle in der Trennwand in die Abscheidekammer gelangt.
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Erfindungsgemäß ist es weiterhin vorteilhaft möglich, einstückig mit dem Grundkörper ein Schwallblech auszubilden, das außerhalb des Umfangsrandes des Grundkörpers verläuft und den Umfangsrand des Grundkörpers beabstandet zu diesem umgibt. Hierdurch wird das von der Düse ausgestoßene Antriebsmittel abgefangen und so ein Spritzschutz gegenüber der Durchführung der Welle durch die oben beschriebene Trennwand zwischen der Antriebskammer und der Abscheidekammer realisiert.
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Weiterhin ist es möglich, die Enden der Welle derart auszubilden, dass sie in in der Abscheidevorrichtung angeordnete Gleitlager oder Kugellager aufgenommen werden können. Insbesondere in dem von dem Abscheideelement abgewandten und vom Abscheideelement weiter entfernten Ende kann ein Gleitlager vorgesehen sein. An dem anderen, dem Abscheideelement benachbarten Ende der Welle kann ein Kugellager vorgesehen sein.
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Durch die Ausbildung der Welle aus Kunststoff ist es weiterhin leicht möglich, denjenigen Bereich der Welle, der der Aufnahme und Befestigung des Abscheideelementes dient, derart auszubilden, dass das Abscheideelement drehsicher auf der Welle gehalten wird. Beispielsweise kann dieser Abschnitt der Welle einen mehreckigen Querschnitt aufweisen, beispielsweise einen dreieckigen, viereckigen, fünfeckigen, sechseckigen, siebeneckigen oder auch achteckigen Querschnitt aufweisen.
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Turbinenrad und Welle können vorteilhafterweise teilweise oder auch vollständig mittels Spritzguss-, Spritzpräge- oder Spritzpressverfahren oder mittels Pressverarbeitung oder mittels additiver Fertigungsverfahren hergestellt werden.
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Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn zur Fertigung des Turbinenrades die Durchgangsöffnung derart ausgebildet wird, dass sie sich zwischen zwei gegenüberliegenden Umfangsrändern des Grundkörpers erstreckt. In diesem Falle kann an einer der Enden die Fluiddüse angeordnet werden. An dem anderen Ende des Grundkörpers kann ebenfalls eine zum Antrieb in dieselbe Drehrichtung des Rotors dienende Fluiddüse angeordnet werden, insbesondere punktsymmetrisch zur Mittelachse des Rotors gegenüber angeordnet werden. Die Ausstoßrichtung der Fluiddüsen ist grundsätzlich vorteilhafterweise tangential oder weitgehend tangential zum Umfangsrand des Grundkörpers bzw. senkrecht zur radialen Richtung, so dass durch den Ausstoß des Antriebsfluids aus einer oder beiden Düsen der Grundkörper in Drehung versetzt wird.
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Das zweite Ende der Durchgangsöffnung kann innerhalb des Grundkörpers liegen und dadurch verschlossen sein. Es ist jedoch auch möglich, dass das zweite Ende der Durchgangsöffnung sich bis zum Umfangsrand des Grundkörpers erstreckt und nach der Fertigung des Grundkörpers verschlossen wird, beispielsweise indem ein Verschluss eingesetzt wird. Als Verschluss sind eingepresste Schwerter, angeschweißte Elemente, verschraubte Abschlussstopfen, geclipste Abschlussstopfen oder auch bajonettverriegelte Abschlussstopfen möglich. Auch eine Sicherung eines Abschlussstopfens durch ein eingeschobenes Schwert ist möglich. Jede weitere Art des Verschlusses und der Abdichtung der zweiten Öffnung der Durchgangsöffnung ist ebenfalls möglich.
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Es ist auch möglich, mehrere Durchgangsöffnungen oder Bohrungen vorzusehen, die fluidisch miteinander in Verbindung stehen. So ist es möglich, eine längs einer Sekante des Grundkörpers durch den Grundkörper verlaufende Bohrung vorzusehen, die auf eine weitere weitgehend tangential zum Umfangsrand des Grundkörpers verlaufende Bohrung trifft. In diese zweite Bohrung kann dann die Fluiddüse eingeformt werden.
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Im Folgenden werden einige Beispiele erfindungsgemäßer Abscheidevorrichtungen gegeben. Dabei bezeichnen gleiche und ähnliche Bezugszeichen gleiche und ähnliche Elemente, so dass deren Beschreibung gegebenenfalls nicht wiederholt wird.
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In den folgenden Beispielen sind Abscheidevorrichtungen dargestellt, die eine Vielzahl von vorteilhaften Weiterbildungen aufweisen. Dabei ist es jedoch möglich, die erfindungsgemäße Abscheidevorrichtung auch nur durch einzelne dieser vorteilhaften Weiterbildungen oder eine beliebige Kombination an vorteilhaften Weiterbildungen weiterzubilden. Es ist auch möglich, vorteilhafte Weiterbildungen aus verschiedenen der nachfolgenden Beispiele miteinander zu kombinieren und so die erfindungsgemäße Abscheidevorrichtung weiterzubilden.
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Es zeigen
- 1 eine erfindungsgemäße Abscheidevorrichtung im Querschnitt;
- 2-5 ein Turbinenrad und eine Welle einer erfindungsgemäßen Abscheidevorrichtung;
- 6-8 ein Turbinenrad und eine Welle einer weiteren erfindungsgemäßen Abscheidevorrichtung.
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1 zeigt im Querschnitt eine Abscheidevorrichtung 1 nach der vorliegenden Erfindung.
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Die erfindungsgemäße Abscheidevorrichtung 1 weist ein Gehäuse 2 auf. Das Gehäuse 2 ist mittels einer Trennwand 8 unterteilt in eine Abscheidekammer 3 und eine Antriebskammer 7. In der Abscheidekammer 3 ist ein Abscheideelement 10 in Form eines Scheibenstapels auf einer Welle 30 angeordnet. Die Welle 30 durchdringt die Trennwand 8 und ist drehfest, aber drehbar mit einem Turbinenrad 20 als Antriebselement verbunden. Erfindungsgemäß sind Welle 30 und Antriebselement 20 einstückig gefertigt bzw. einstückig ausgebildet.
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Wird das Turbinenrad 20 in Drehung versetzt, so nimmt es die Welle 30 und den Scheibenstapel 10 des Abscheideelements in der Drehung mit. Hierdurch wird ein zwischen die Scheiben 11 des Scheibenstapels 10 eingeleitetes Gas, beispielsweise Blow-By-Gas eines Verbrennungsmotors, in Drehung versetzt und scheidet an den Scheibenstapeln beispielsweise Öltröpfchen oder Ölnebel ab. Das abgeschiedene Fluid wird dann auf der Umfangsseite des Scheibenstapels 10 in die Abscheidekammer 3 abgegeben und kann anschließend über einen Auslass 6 abgeführt werden.
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Als Antriebsfluid für das Turbinenrad 20 wird insbesondere bei Verbrennungsmotoren Motoröl verwendet. Damit dieses Motoröl nicht aus der Antriebskammer 7 in die Abscheidekammer 3 übertreten kann, ist zwischen der Trennwand 8 und der Welle 30 eine Dichtung 9 angeordnet. Weiterhin befindet sich auf dem Turbinenrad 20 ein Flügelrad 26, das gemeinsam mit dem Turbinenrad 20 in Drehung versetzt wird. Das Flügelrad 26 erzeugt dabei im Bereich der Dichtung 9 einen verringerten Druck auf Seiten der Antriebskammer, so dass über die Dichtung 9 gegenüber der Abscheidekammer 3 in der Antriebskammer 7 im Bereich der Dichtung 9 immer ein Unterdruck anliegt. Hierdurch wird verhindert, dass Motoröl aus der Antriebskammer 7 in die Abscheidekammer 3 angesaugt wird.
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Die Welle 30 ist an ihrem unteren in der Antriebskammer 7 befindlichen Ende in einem Gleitlager 34 gelagert. An ihrem anderen in der Abscheidekammer 3 befindlichen Ende befindet sich ein Kugellager 33 zur Lagerung der Welle 30.
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Um das Turbinenrad 20 in Drehung zu versetzen, wird nun über eine zentrale Bohrung 32 in der Welle 30 das Motoröl als Antriebsfluid bis zu dem Turbinenrad 20 geleitet. Dort wird es in eine in dem Turbinenrad 20 befindliche, hier nicht dargestellte Bohrung überführt, die am Umfangsrand 21 des Turbinenrades 20 in einer Düse (nicht dargestellt) endet. Diese Düse stößt das Antriebsfluid in etwa tangential zum Umfang 21 des Turbinenrades 20 aus. Hierdurch wird das Turbinenrad 20 in Drehung versetzt.
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2 bis 5 zeigen eine einstückige Einheit aus dem Grundkörper 20 des Turbinenrades und der Welle 30 gemäß der vorliegenden Erfindung. Diese Einheit besteht aus PPS mit einem Anteil von 30 Gew.-% Carbonfasern. 2 zeigt eine Schrägansicht auf diese Einheit. 3 zeigt eine Schrägansicht auf dieselbe Einheit aus Turbinenrad 20 und Welle 30 in einer Aufsicht auf den Bereich der Düse 23. 4 zeigt eine weitere Ansicht im Querschnitt auf dieselbe Einheit aus Turbinenrad 20 und Welle 30 im Querschnitt. 5 zeigt einen Querschnitt des Turbinenrades 20 in Aufsicht.
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Das Turbinenrad 20 ist weitgehend kreisrund ausgebildet mit einer Aussparung 22 am Umfangsrand 21 des Turbinenrades 20. In dieser Aussparung 22 ist eine Düse 23 eingeformt, die das zugeführte Antriebsfluid in zum Außenumfang 21 weitgehend tangentialer Richtung ausstößt. Das Turbinenrad 20 weist eine obere Oberfläche 24 und eine untere Oberfläche 25 auf. Die Löcher 31a bis 31d sind hierbei Arretierungsöffnungen zur Aufnahme eines Lüfterrades.
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In dem Turbinenrad 20 befinden sich zwei Bohrungen 27 und 29, die jeweils in Öffnungen 27a und 29a, der Bohrungen 27 und 29 am Außenumfangsrand 21 des Turbinenrades 20 enden. Die beiden Bohrungen 27 und 29 stehen senkrecht auf einander und treffen sich im Bereich der Düse 23. Beide Bohrungen sind an den in 2 dargestellten Auslassöffnungen 27a und 29a am Außenumfangsrand 21 des Turbinenrades 20 mittels Stopfen 17 verschlossen. Die Sicherung der Verschlüsse erfolgt dabei über Schieber 40a und 41a, die über Öffnungen 40 und 41 in das Turbinenrad 20 eingeführt werden können.
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Die Welle 30 durchdringt das Turbinenrad 20 und weist ein unteres Ende 32 zur Lagerung in einem Gleitlager auf. An ihrem anderen Ende 31 ist die Welle zur Lagerung in einem Kugellager ausgebildet. Zusätzlich weist die Welle eine umlaufende Nut 42 auf, in der ein Sicherungsring zur sicheren Positionierung der Welle 30 im Kugellager angeordnet werden kann.
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Zwischen dem Turbinenrad 20 und dem oberen Ende 31 der Welle 30 weist die Welle 30 einen Bereich auf, in dem ihr Querschnitt rechteckig, hier insbesondere quadratisch ist. Hierdurch werden vier Seitenflächen 35a bis 35d ausgebildet. Die Kanten zwischen den Seitenflächen 35a bis 35d weisen Fasen 36a bis 36d auf. Durch diesen im Querschnitt im Wesentlichen viereckigen Bereich werden die einzelnen Scheiben eines Tellerseparators verdrehsicher gehalten.
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In der Mittelachse des Turbinenrades 20 befindet sich eine Öffnung 30a, die der Aufnahme der Welle 30 dient.
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Außerhalb der Bohrungen 27 und 29 ist zur Gewichtsersparnis das Turbinenrad 20 nicht massiv aus Kunststoff ausgebildet, sondern weist Stege bzw. Rippen 18 auf, von denen lediglich die Rippen 18a, 18b und 18c sowie 18d mit Bezugszeichen versehen sind. Zwischen diesen Rippen befinden sich leere Räume. Ein geschlossener Außenrand 19 umgibt diese innere Struktur aus Rippen 18 und Leerräumen.
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6 zeigt eine Schrägansicht einer weiteren Einheit aus Turbinenrad 20 und Welle 30. 7 und 8 zeigen eine Schrägansicht und eine Aufsicht im Querschnitt auf dieselbe Einheit aus Turbinenrad 20 und Welle 30 wie in 6. Turbinenrad 20 und Welle 30 sind weitgehend gleich ausgebildet wie Turbinenrad und Welle der 2 bis 5. Zusätzlich ist jedoch auf der Oberseite 24 des Turbinenrades 20 ein Lüfterrad 26 einstückig mit angespritzt, das die Welle 30 beabstandet umgibt. Das Lüfterrad 26 dreht sich gemeinsam mit dem Turbinenrad 20, so dass es zwischen dem Turbinenrad 20 und der Welle 30 einen Unterdruck erzeugt. Hierdurch wird auf Seiten der Antriebskammer 7 der Druck im Bereich der die Welle 30 umgebenden Dichtung 9 abgesenkt, so dass die Antriebskammer 8 über die Dichtung 9 in allen Betriebszuständen einen Unterdruck gegenüber der Abscheidekammer aufweist.
