ES2306988T3 - Dispositivo de microfiltracion con derivacion y su procedimiento de diseño. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de diseño para un dispositivo de microfiltración (1), para optimizar el mismo para utilizar en una situación en la que a diferentes flujos de aceite a través del dispositivo (1), se permitan diferencias de presión Pd diferentes sobre el dispositivo (1), comprendiendo las etapas de determinación de la magnitud mínima, en particular la sección transversal mínima de una restricción (26) para permitir una cantidad mínima de flujo de aceite para derivar un elemento de microfiltración (7) del dispositivo (1) en todas las condiciones, necesario para conseguir una diferencia de presión máxima determinada (P2) sobre el dispositivo en una cantidad determinada mínima de flujo de aceite a través del dispositivo (1), y la limitación de la diferencia de presión máxima Pd hasta una diferencia de presión máxima (P1) determinada en una cantidad determinada máxima de flujo a través del dispositivo (1) mediante la utilización de un sistema de válvulas de presión (22) que se abren a dicha diferencia de presión máxima y que crea un segundo flujo de aceite que deriva el elemento de filtración (7) una vez que se ha alcanzado dicha diferencia de presión máxima (P1).
Description
Dispositivo de microfiltración con derivación y
su procedimiento de diseño.
La presente invención se refiere a un
dispositivo de microfiltración tal y como se define en el preámbulo
de la Reivindicación 5 y a un procedimiento para el diseño del mismo
tal y como se define en la Reivindicación 1.
Dichos dispositivos de microfiltración son por
lo general conocidos, por ejemplo, a partir de la publicación de la
patente según el Tratado de Cooperación en materia de Patentes (PTC)
número WO-0107142 en nombre del Solicitante, y a
partir del documento SAE paper
2001-01-0867 "Automatic
transmission hydraulic system cleanliness - the effects of
operating conditions, measurement techniques and high efficiency
filters", cuyo documento se considera incluido en el presente
documento.
Más que convencionales, los denominados filtros
de flujo completo, que de hecho se basan en el bloqueo de
partículas a través de la disposición de aberturas suficientemente
pequeñas y que, por lo tanto, se basan en la superficie de la
misma, y se basan a menudo en un tipo de material sintético y
costoso; el presente microfiltro se basa en fibra de celulosa.
Dichos microfiltros basados en fibra de celulosa se basan en fuerzas
electrostáticas para la fijación de las partículas, aunque a su
manera, a través del material del filtro. Por esta razón los
microfiltros se basan en un cuerpo relativamente grueso de material
de filtración a través del cual se hace pasar el aceite, y dentro
de cual tiene lugar el efecto de "filtración" en una pieza
principal, por lo menos para las partículas más pequeñas. En los
filtros convencionales, por otra parte, la filtración solamente
tiene lugar en la superficie del material, por cuya razón esta
última se maximiza mediante la utilización de cartulina doblada o
plisada u otro material de hoja. Por consiguiente, los filtros
convencionales tienen una resistencia relativamente baja, permiten
un relativo gran flujo y pueden en principio limpiarse invirtiendo
un flujo del medio a través del filtro. Los microfiltros pueden
fijar partículas muy pequeñas dentro de su cuerpo de filtración -
por lo tanto se encuentran aquí indicados como filtración a fondo o
filtración en el cuerpo de filtración, pero pueden tener una
resistencia de flujo relativamente grande y pueden que no sean
reutilizables invirtiendo el flujo del medio. Por lo tanto, la
mayoría de las veces los microfiltros conocidos no vienen siempre en
una configuración en derivación, sino más bien en una configuración
en línea como para los filtros convencionales del flujo completo.
Sin embargo es, por razón de un grado de filtración superior, un
objetivo técnico es el sustituir por completo los filtros
convencionales por los microfiltros dentro de una configuración en
línea, es decir, preferentemente para ser lubricado dentro de una
estructura existente para una trayectoria de flujo hidráulico de un
dispositivo mecánico. En principio, tal cosa se puede realizar
fácilmente partiendo de la base de que un rendimiento
característico ultra elevado del microfiltro, efectúa una limpieza
del aceite dentro de una cierta velocidad de paso, que sea
solamente una fracción de aquel en los filtros convencionales.
Sin embargo, en la sustitución de los filtros
del flujo completo en diseños ya existentes, es decir, en una
configuración en línea en vez de un circuito especializado en
derivación, se encuentra un problema en aquel requisito en cuanto a
diferencias de presión permisibles en muchas aplicaciones
automotrices de filtración en línea, en conflicto con las
diferencias de presión deseables en la utilización de microfiltros.
A este respecto, los elementos de microfiltración conocidos son
menos permeables a bajas temperaturas de aceite por razón del
incremento de la viscosidad del aceite. Esta última circunstancia se
exige para diferencias de presión altas sobre un dispositivo de
microfiltración para permitir el paso del aceite. Al mismo tiempo,
la mayoría de los sistemas en los que se incorpora un dispositivo
de filtración tienen una demanda para diferencias de presión muy
moderadas, es decir, más bajas que las que se exigen a temperaturas
de funcionamiento normales. El mismo requisito existe a menudo para
la diferencia moderada de presión sobre una unidad de filtración en
los flujos relativamente moderados de aceite a través del sistema.
Para hacer frente a este problema con un elemento de
microfiltración, este último se tendría que elegir con una pequeña
resistencia a la penetración del aceite, es decir, con una densidad
y/o un grueso del material de filtración relativamente bajos.
Procediendo de esta forma, el problema se encuentra en que la
característica de rendimiento elevado del microfiltro se reduce
considerablemente, posiblemente hasta el punto en que se pierda su
ventaja funcional y, de ese modo, económica, al menos hasta el
punto de que se dificulte considerablemente la aplicación en línea
del microfiltro.
Por lo tanto, es un objeto de la presente
invención el proporcionar un dispositivo de filtración, y un
procedimiento para el diseño del mismo, que evite el problema
conocido mientras que al menos en gran parte mantenga el alto
rendimiento natural de los microfiltros, como que puedan ser
económicos y con al menos un gran mantenimiento en su funcionalidad
para ser aplicados en una configuración en línea.
Según la presente invención, todo ello se
observa a lo largo de las etapas del procedimiento de la
Reivindicación 1, y mediante un dispositivo de filtración que tiene
las características según se definen en la parte de caracterización
de la primera Reivindicación del dispositivo.
Con dicho dispositivo se asegura, según el
procedimiento definido por la presente invención, que se cree una
máxima diferencia de presión permitida sobre el dispositivo de
filtración y, de ese modo, un flujo máximo de aceite a través del
elemento de microfiltración, tanto por la aplicación de un flujo en
derivación sobre el elemento de filtración a través de una
restricción, como por el uso de una válvula. La restricción se
define alejándose de la diferencia de presión permitida en el flujo
mínimo de aceite determinado a través del sistema, mientras que en
los límites del sistema de válvulas la diferencia de presión a
flujos máximos se define mediante la abertura a la diferencia de
presión permisible en un flujo máximo determinado de aceite. De
este modo, sorprendentemente mediante la creación de un primer flujo
en derivación y un flujo adicional en derivación sobre el elemento
de filtración, se mejora considerablemente el funcionamiento de
este último. Este efecto se observa en un diseño sorprendentemente
simple partiendo de la base de la utilización inteligente de una
característica en sí abstracta de un orificio, que proporciona que
la diferencia de presión sobre ella sea el resultado de una
constante multiplicada por la densidad del aceite y multiplicado
por el cuadrado de la velocidad del flujo a través del orificio. Se
observó además que cuando la característica de un orificio, es
decir, la densidad del aceite, es en gran parte independiente de la
temperatura del aceite, no lo es en cambio el elemento de
filtración. La combinación de estas premisas dio lugar en última
instancia al dispositivo de filtración según la presente
invención.
Cuando los flujos en derivación mencionados se
pueden también proporcionar, por ejemplo, en la cubierta del
dispositivo de filtración, según la presente invención se
proporciona preferentemente como parte de, o al menos directamente
relacionados al elemento de filtración. Según una realización
preferida, el orificio y los medios de la válvula están
preferentemente integrados en una sola unidad. La utilización
favorable está compuesta además de medios de presión en sí conocidos
para la presurización de un medio de cierre del extremo hasta una
cara del extremo axial del elemento, utilizando éste último para
mantener junta al menos la pieza del sistema de válvulas. De este
modo, el sistema de válvulas se puede al menos producir
parcialmente de manera favorable y se puede proporcionar en piezas
sueltas.
\vskip1.000000\baselineskip
La presente invención se aclarará ahora mejor
mediante un ejemplo con un dibujo, en el que:
La Figura 1 es una sección transversal de una
realización según la presente invención;
La Figura 2 es un gráfico que ilustra el efecto
de un procedimiento que subyace de la presente invención.
\vskip1.000000\baselineskip
En las Figuras, los números de referencia
idénticos se relacionan con las características técnicas idénticas
o por lo menos comparables.
La Figura 1 describe un dispositivo de
filtración 1 que comprende una cubierta 2 que muestra una parte de
la tapa superior 3, una pieza de la tapa inferior 4 y un cuerpo
central 5 que comprende una cámara 6 dentro de la cual se sitúa un
elemento de filtración 7. El dispositivo muestra los puertos de
comunicación 9 y 10, con el puerto 9 formando una entrada y el
puerto 10 formando un puerto de salida, puertos que se pueden
conectar con los contactos de un sistema hidráulico, por ejemplo,
para lubricar un dispositivo mecánico en el que se pueda incorporar
el dispositivo de filtración.
El elemento de filtración 7 está en línea con el
presente ejemplo, preferentemente de forma cilíndrica y que
comprende el material de filtración 8, soportado por una base
central, el núcleo perforado 12. El núcleo 12, en el presente
ejemplo, comprende las perforaciones alargadas 13, orientadas
axialmente, de una longitud que se empareja virtualmente con el del
elemento de filtración 7. Se pueden también utilizar perforaciones
alternativas tales como calibres o agujeros rectangulares. El núcleo
12 define un espacio interior 14 para recibir el aceite filtrado
por el elemento 7 y que ha pasado a través de las perforaciones
13.El espacio interior 14 se comunica con el puerto de salida 10
del dispositivo de filtración 1.
Las caras de los extremos axiales del elemento 7
son planas y orientadas de manera perpendicular al eje del elemento
de filtración. Se encuentran cerradas para el paso del aceite
mediante los denominados elementos de cierre, que se encuentran de
forma aplanada combinada. Dichos elementos de cierre, en principio,
vienen sueltos, y se presionan contra la cara respectiva del extremo
del elemento, tal como el elemento de cierre 15 representado en el
ejemplo. Al menos uno de dichos elementos se puede también integrar
sin embargo en la cubierta del filtro, por ejemplo, mediante la
pieza cerrada que acoge los bordes 16 en la pieza inferior de la
tapa 3. Dichos elementos y/o piezas de cierre se proporcionan
preferentemente con nervios dispuestos de forma anular o
concéntrica, diseñados para la penetración axial en el material de
filtración 8, proporcionando de este modo una seguridad de
filtración adicional para los casos inesperados, por ejemplo,
cuando el filtro se podría desplazar un tanto axialmente como
consecuencia de choques de presión en dicho sistema hidráulico.
En el presente y preferido ejemplo, el elemento
de filtración 7 está presionado entre los elementos de cierre 15 y
5 mediante un medio elásticamente deformable 17, como un elemento de
resorte, incorporado en el presente ejemplo mediante un resorte de
presión helicoidal. Para colocar este último elemento de resorte 17
apoyado contra la tapa superior 3 bajo la presencia de un medio de
localización, como el hoyuelo 18 representado o un saliente, cuyo
medio se corresponde preferentemente con el exterior con respectivo
al diámetro interior del medio elástico 17. Este último, de la forma
que corresponda, se apoya contra el elemento de cierre 15, en este
caso mediante una pieza central 19 colocada de forma flexible, que
se proporciona con un calibre central 20, que lo recibe mediante la
pieza principal del elemento de cierre 15 en un borde de colocación
y de recepción 21. En principio, sin embargo, las piezas 19 y 15
pueden estar formadas como todo un conjunto.
En relación con la pieza central 19 del elemento
de cierre 15, se proporciona un sistema de válvulas de presión 22
ubicado en el espacio interior 14 del elemento de filtración 7. En
el presente ejemplo está apoyada mediante un borde 23, que a su vez
está apoyada mediante el elemento de cierre 15 por pilares de menor
importancia. El sistema de válvulas 22 comprende además una válvula
25, que se encuentra apoyada, indicado alternativamente se impulsa
hacia el elemento de cierre, mediante un elemento elástico
deformable 24, en conformidad en el presente ejemplo con la
realización preferente mediante un resorte de presión helicoidal.
En caso de un muelle helicoidal, la válvula 25 se proporciona
preferentemente con una proyección o un hoyuelo que se corresponde
con el diámetro interior o exterior del resorte de presión para
promover la estabilidad de la válvula 25. Esta última, mediante una
cara plana, se corresponde al de la cara opuesta de la pieza
central 19, para cerrar el paso del aceite mediante grandes
cantidades de aceite a baja presión en la cámara 6 mediante el
contacto con dicha pieza central 19. En la presente realización, se
proporciona sin embargo un pequeño paso desde la cámara 6 hasta el
espacio interior 14 mediante un calibre 26, preferentemente situado
en la zona central en la válvula 25, cuyo calibre proporciona
siempre el elemento de filtración para un mínimo de flujo del
aceite derivando. El calibre 26, indicado alternativamente orificio
26, asegura una gota a presión constante (diferencia) sobre el
dispositivo de filtración. En particular, ello se lleva a cabo
independientemente de la temperatura.
La Figura 2 ilustra un problema de diseño, que
existe en la aplicación de microfiltros en una configuración en
línea y que subyace de la presente invención. Ilustra además un
procedimiento de diseño para diseñar un dispositivo de filtración
según el ejemplo de la Figura 1. En muchos sistemas se permite una
diferencia de presión máxima permitida P1 sobre un dispositivo de
filtración. Esta diferencia máxima se fija para grandes flujos de
aceite a través del sistema y, por consiguiente, a través del
dispositivo de filtración. El máximo fijado de este modo puede sin
embargo no ser favorable para el funcionamiento de un dispositivo de
microfiltración. Este requisito, que a menudo no es un problema
para filtros a flujo completo, puede llegar a ser incluso más
desfavorable por el hecho de que a menudo en flujos moderados,
además, a menudo incluso se fija la diferencia de presión más baja
permitida P2. En el presente ejemplo, P2 se encuentra en línea con
los valores automotrices típicos fijados en 100 mbar en bajas
cantidades de flujo del aceite. Estos requisitos hacia el
dispositivo de filtración, y en especial este último, hace todo más
problemático para los microfiltros a temperaturas del aceite
relativamente bajas, es decir, mientras no se alcance la temperatura
de funcionamiento, habitualmente a aproximadamente 90 grados
Celsius. La baja viscosidad del aceite a bajas temperaturas,
combinado con la capa relativamente densa y gruesa del material de
filtración, se debe a esta circunstancia. Para tipificar
circunstancias frías extremas, se puede tomar la exageración de un
elemento de filtración totalmente obstruido. Para superar este
problema según la presente invención se ha concebido el proporcionar
un medio en derivación bajo la forma de un calibre 26 en un medio
de cierre axial 15 parael elemento de filtración. De esta manera,
una mínima cantidad de aceite puede siempre derivar el elemento de
filtración. Una ventaja de esta solución es que el flujo de aceite
a través de una restricción es virtualmente independiente de la
temperatura. Por lo tanto, una pequeña cantidad de flujo permanece
pequeña a temperaturas de funcionamiento relativamente altas. Sin
embargo, si aumentan las cantidades de flujo a través del
dispositivo de filtración, la diferencia de presión sobre el
calibre 26 aumentará de manera cuadrática con la velocidad del
flujo. De este modo, se debería tener cuidado al hacer el calibre
26 con tal magnitud, que para un valor determinado de flujo grande
de aceite, la diferencia de presión Pd, no será más que la permitida
por P1. Dicha precaución rendiría normalmente, en un flujo Fr a
través del calibre - indicada alternativamente restricción -, un
flujo Ff a través del microfiltro 7 según se indicada en la curva
Ff1. Tal y como se mencionó anteriormente, a velocidades cada vez
mayores la diferencia de presión Pd aumenta con el cuadrado de la
velocidad a través del calibre. Por consiguiente, el flujo del
aceite Ff a través del elemento de filtración aumenta con dicha
velocidad, que se refleja en la curva Ff1. En el ejemplo
proporcionado por el gráfico, en la cantidad de flujo para la cual
se fija la diferencia de presión P1, 400 mbar, éste daría un
rendimiento de flujo real de aproximadamente 11,5 l/min a través de
la restricción 26, y de 0,8 l/min a través del microfiltro 7 o un
flujo de Ff = 0,7 l/min en un flujo de aceite Fr = 8 l/min a través
del calibre 26. La solución podría parecer ideal si también sucede
el segundo requisito de diferencia de presión máxima Pd = P2 para
una cantidad determinada más baja de flujo de aceite a su través.
En esta baja cantidad determinada de flujo la diferencia de presión
real Pd, con la magnitud del calibre o de la restricción relacionada
con Fb1, sería solamente de 50 mbar. De este modo, existe un margen
del 100% para esta situación.
Por otro lado, el flujo a través del elemento de
filtración 7 se debería optimizar para la cantidad más baja
determinada de flujo, es decir, en P2, en que se habría
proporcionado una restricción de un diámetro más pequeño, la
diferencia de presión Pd sobre el dispositivo de filtración 1 según
la curva de flujo Fb2, se haría el doble de lo que se admite en el
flujo grande determinado de P2. Por lo tanto, para optimizar el
flujo de aceite a través del microfiltro 7 en relación con el flujo
de aceite a través del medio en derivación concebido para el
elemento de filtración, según la presente invención, se encuentra
concebida además para incluir en el medio en derivación un sistema
de válvulas de presión 22, que se abre en 400 mbar. Esta
disposición asegura que el requisito fijado por P1 sucederá siempre,
es decir, en todos los flujos, tal y como se ilustra mediante la
línea de flujo punteada Fv2, que a diferencias de presión más bajas
sigue a la curva Fb2. En línea con la diferencia de presión Pd
incrementada de este modo, el flujo de aceite a través del filtro
en derivación se incrementa hasta los 1,4 l/min como máximo, tal y
como se ilustra mediante la curva Ff2. En relación con el
incremento, en este caso en gran parte doblando la diferencia de
presión (hasta Fr = 8 l/min) sobre la restricción 26, se aumenta el
flujo máximo de aceite a través de elementos de filtraciones, en
este caso hasta el doble. También se puede observar que el flujo
máximo Ff de aceite a través del elemento de filtración 7 se
realiza en flujos totales mucho más bajos de aceite a través del
dispositivo que en el caso de sólo una restricción. En este caso,
la cantidad máxima de flujo de 1,4 l/min a través del microfiltro
se ha alcanzado ya en el presente ejemplo a aproximadamente 8 l/min
en vez de los aproximadamente 11,5 l/min, como habría sido el caso
de la situación en donde el dispositivo de microfiltración se
hubiera adaptado a los requisitos sólo mediante la utilización de
una restricción.
La presente invención, se refiere de este modo a
un procedimiento de diseño para optimizar la utilización de un
microfiltro para la situación en la que se permiten diferentes
flujos a través de las diferentes diferencias de presión del
dispositivo sobre el dispositivo de filtración.
La presente invención, aparte de las siguientes
Reivindicaciones, también se refiere a la descripción precedente y
a todos los detalles y aspectos existentes en el dibujo que se
puedan obtener directamente e inequívocamente del mismo, al menos
por una persona experta en la técnica.
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\bullet WO 0107142 A [0002]
Claims (9)
1. Procedimiento de diseño para un dispositivo
de microfiltración (1), para optimizar el mismo para utilizar en
una situación en la que a diferentes flujos de aceite a través del
dispositivo (1), se permitan diferencias de presión Pd diferentes
sobre el dispositivo (1), comprendiendo las etapas de determinación
de la magnitud mínima, en particular la sección transversal mínima
de una restricción (26) para permitir una cantidad mínima de flujo
de aceite para derivar un elemento de microfiltración (7) del
dispositivo (1) en todas las condiciones, necesario para conseguir
una diferencia de presión máxima determinada (P2) sobre el
dispositivo en una cantidad determinada mínima de flujo de aceite a
través del dispositivo (1), y la limitación de la diferencia de
presión máxima Pd hasta una diferencia de presión máxima (P1)
determinada en una cantidad determinada máxima de flujo a través
del dispositivo (1) mediante la utilización de un sistema de
válvulas de presión (22) que se abren a dicha diferencia de
presión máxima y que crea un segundo flujo de aceite que deriva el
elemento de filtración (7) una vez que se ha alcanzado dicha
diferencia de presión máxima (P1).
2. Procedimiento según la Reivindicación 1, en
el que la sección transversal de la restricción (26) se elige para
que se encuentre dentro de un intervalo de más o menos el 10% de una
sección transversal necesaria para conseguir dicha diferencia de
presión máxima permitida (P2) en dicho flujo mínimo determinado de
aceite a través del dispositivo, preferentemente igual a dicha
diferencia de presión (P2).
3. Procedimiento según la Reivindicación 1 ó 2,
en el que la presión de abertura del sistema de válvulas (22) se
diseña para un valor de diferencias de presión Pd que, a dicha
cantidad máxima determinada de flujo de aceite, se encuentre dentro
de un intervalo de más o menos el 10% de dicho valor de diferencia
de presión máxima determinada (P1), preferentemente igual a dicha
diferencia de presión (P1).
4. Procedimiento según cualquiera de las
Reivindicaciones anteriores, en el que la sección transversal del
orificio (26) y/o la presión de abertura del sistema de válvulas de
presión (22) aplicado a un diseño obtenido a partir del
procedimiento se fija en cualquiera de los valores indicados, en
particular en la sección transversal mínima permitida definida de
este modo, y/o el valor de abertura del sistema de válvulas de
presión en dicha diferencia de presión máxima permitida.
5. Dispositivo de filtración (1) que comprende
un microfiltro (7), cuyas caras de los extremos axiales están al
menos en gran parte cerradas al paso de aceite por los medios de
cierre de las caras de los extremos axiales (5, 15),
caracterizado por el hecho de que el dispositivo se
proporciona tanto con un orificio (26) como con un sistema de
válvulas de presión (22) que permiten un flujo de aceite que deriva
el elemento de filtración (7), en el que el orificio (26)
proporciona un flujo mínimo de aceite que deriva el elemento de
filtración (7) en todas las condiciones.
6. Dispositivo (1) según el dispositivo de la
Reivindicación precedente, caracterizado por el hecho de que
al menos uno de los dos accesorios (26, 22) se incorpora en un medio
de cierre del extremo (15).
7. Dispositivo (1) según cualquiera de las
Reivindicaciones precedentes del dispositivo, caracterizado
por el hecho de que el sistema de válvulas (22) proporciona un
flujo en derivación adicional de aceite a condición de que se
alcance una diferencia de presión máxima permitida sobre el
dispositivo de filtración (1).
8. Dispositivo (1) según cualquiera de las
Reivindicaciones precedentes del dispositivo, caracterizado
por el hecho de que el orificio (26) se integra en una pieza del
sistema de válvulas (25).
9. Dispositivo (1) según cualquiera de las
Reivindicaciones precedentes del dispositivo, caracterizado
por el hecho de que el sistema de válvulas (22) comprende un
resorte de presión (24), y se incorpora preferentemente en el
espacio interior (14) del elemento de filtración (7),
preferentemente cerca de un extremo axial del mismo.
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