JP2000176315A

JP2000176315A - コ―ン・スタック遠心分離機

Info

Publication number: JP2000176315A
Application number: JP11351005A
Authority: JP
Inventors: Peter K Herman; ピーター・ケイ・ハーマン
Original assignee: Fleetguard Inc
Current assignee: Cummins Filtration Inc
Priority date: 1998-12-11
Filing date: 1999-12-10
Publication date: 2000-06-27
Anticipated expiration: 2019-12-10
Also published as: EP1008391A3; AU760173B2; DE69906019T2; EP1008391A2; US6019717A; EP1008391B1; JP3585795B2; AU6315899A; DE69906019D1

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】循環液体から粒状物を分離するためのコーン
・スタック遠心分離機を提供する。【解決手段】コーン・スタックアッセンブリ２５は、
シャフト中央チューブ２３に取り付けられ、ベースアッ
センブリには、液体入口８２、第１通路８３、第２通路
８４、８５が形成されている。ベアリング装置３５がロ
ータハブ２４とシャフト中央チューブ２３との間に位置
決めされ、インパルスタービンホイールがロータハブに
取り付けられている。噴流ノズル２７、２８は、コーン
・スタックアッセンブリに回転運動を加える。噴流ノズ
ルの液体は、液体入口によってコーン・スタック遠心分
離機に進入する。同じ液体入口が、更に、コーン・スタ
ックアッセンブリを通って循環された液体を提供する。
入口乱流をなくし、タービン効率を向上するため、ハニ
カム状挿入体が噴流ノズルに組み込まれている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、全体として、煤等
の固体粒子をオイル等の流体から遠心力場を使用するこ
とによって、連続的に分離することに関する。更に詳細
には、本発明は、ロータを回転自在に駆動するためのタ
ービンホイールを含む遠心分離アッセンブリ内でコーン
（ディスク）スタック遠心分離機形態を使用することに
関する。タービンホイールは、ランナー円形中心線と接
線方向に整合したジェットノズルによって駆動される。

【０００２】

【従来の技術】ディーゼルエンジンは、エンジンから塵
埃等を出さないようにするため、比較的高性能の空気フ
ィルタ（クリーナー）及び燃料フィルタ（クリーナー）
を持つように設計されている。これらの空気クリーナー
及び燃料クリーナーが設けられているのにも拘わらず、
エンジンが発生した摩耗屑を含む塵埃がエンジンの潤滑
オイルに混入してしまう。これによりエンジンの重要な
構成要素が摩耗し、この状態が解消されないままである
場合や改善されない場合には、エンジンが破損してしま
う。この理由により、多くのエンジンは、オイルが潤滑
サンプとエンジン部品との間で循環するときに連続的に
浄化する全流オイルフィルタを持つように設計されてい
る。

【０００３】このような全流フィルタには、多くの設計
上の制限及び配慮があり、そのうちの代表的な制限は、
このようなフィルタが１０μｍ又はそれ以上の範囲の塵
埃粒子のみを除去することができるということにある。
この大きさの粒子を除去することにより、破滅的破損は
免れるけれども、オイルに入り込んで滞る小径の塵埃粒
子により有害な摩耗が生じる。小径粒子についての懸念
を解消しようとする試みにおいて、設計者は、全オイル
流れの所定の割合を濾過するバイパスフィルタシステム
を採用した。全流フィルタをバイパスフィルタと組み合
わせることにより、エンジンの摩耗を受容可能なレベル
まで低下させるが、これは、所望のレベルではない。バ
イパスフィルタは、約１０μｍ以下の粒子を捕捉できる
ため、全流フィルタをバイパスフィルタと組み合わせる
ことにより、全流フィルタだけを使用する場合と比べて
大幅な改善がなされる。

【０００４】遠心分離機クリーナーは、初期の設計等で
示された様々な方法で形成できるが、初期の設計上の発
展の部分を代表する一つの製品は、英国のイルミニスタ
ーのサマセットのグレーシャーメタル株式会社が製造
し、テキサス州ヒューストンのＴ．Ｆ．ハドギンス社が
提供するスピナーＩＩオイル浄化遠心分離機である。ス
ピナーＩＩ（ＳｐｉｎｎｅｒＩＩ）は登録商標であ
る。スピナーＩＩ製品に対する様々な進歩及び改善が、
１９９６年１１月１９日にハーマンに賦与された米国特
許第５，５７５，９１２号、及び１９９７年６月１０日
にハーマンに賦与された米国特許第５，６３７，２１７
号に示されている。これらの二つの特許に触れたことに
より、これらの特許に開示されている内容は本明細書中
に組入れたものとする。

【０００５】現在、受容不能なレベルの潤滑オイル煤を
発生するエンジン作動現象が起こる。この潤滑オイル煤
の大部分を潤滑オイルから除去する必要がある。これ
は、煤が摩耗を生じるためであり、受容不能な摩耗がエ
ンジンの重要な表面上及びエンジンの重要な界面に生じ
る危険があるためである。ＮＯｘエミッション規制が益
々厳しくなるにつれて、遅延噴射が広範に使用され、場
合によっては排気ガス再循環又は水噴射を行って燃焼を
更に遅延させる。これにより、ピーク温度を下げ、ＮＯ
ｘを形成する。しかしながら、遅延燃焼により、露出さ
れたシリンダ壁に煤が付着し、リングの掻取り作用によ
り潤滑オイルに移行する。潤滑オイルの煤を検査するこ
とによって得られたエンジンのデータによれば、２５０
時間の作動で７％程度になるということが明らかにな
る。この潤滑オイル煤は、０．０２μｍ乃至０．０６μ
ｍ程度と比較的小径であるが、摩耗をもたらし、バルブ
トレイン構成要素で見られるように臨界高圧／深界面で
摩耗を生じる。摩耗性及び摩耗に関するこれ以上の情報
は、ＳＡＥ論文第９７１６３１号を参照されたい。

【０００６】本発明に関して重要な事項は、コーン・ス
タック設計の遠心濾過によって又は従来の遠心分離機に
よる極めて小さな煤粒子の除去が、一般的にはうまくい
かないという認識である。このうまくいかないことの一
つの要因は、遠心分離機が駆動される典型的な回転速度
にある。ヒーロー−タービン（Ｈｅｒｏ−ｔｕｒｂｉｎ
ｅ）遠心分離機についての典型的な回転速度、即ち、通
常の回転速度は、外径が１２．０６５cm（４．７５イン
チ）のコーン・スタックを有するロータについては約５
０００ＲＰＭ程度であり、外径が８．８９cm（３．５０
インチ）のコーン・スタックを有するロータについては
約７０００ＲＰＭ程度である。これらの速度は、オイル
中の煤の堆積制御するために煤を適切な速度で除去する
ためには、十分に高速ではない。煤の堆積の問題点を効
果的に解決するためには、これらの回転速度の約２倍の
回転速度が必要とされる。

【０００７】サンプ内のオイルは、清浄なオイルとして
開始し、エンジンの経時的作動に従って煤が徐々に堆積
する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、サン
プオイル中の煤の比率を制御することである。除去速度
が加算速度（ａｄｄｒａｔｅ）と同じ場合には、均衡
状態が形成される。重要なことは、煤の比率である。制
御等式は次の通りである。

【０００９】均衡煤濃度＝加算速度／｛（遠心除去効
率）・（遠心流速）｝除去効率及び流量は、流量が丁度２倍になると効率が半
分になるように関連している。重要事項は除去効率であ
る。これを高めることができる場合には、サンプ中の煤
の濃度は、任意の他の要因又は構成要素を変更すること
なく低下する。

【００１０】現在の遠心分離機の設計に関して、上文中
に論じた懸念及び事項に鑑みると、更に高速の駆動（回
転）速度を発生するのに適した形体を考案することが改
良である。試験によれば、２８０時間に亘ってサンプ循
環させた場合（エンジンを切った試験）、遠心分離機を
１００００ＲＰＭ近くの回転速度で遠心分離機を駆動す
ることによって、潤滑流体中の煤のレベルを約４．１％
から約０．８％まで大幅に減少させることができるとい
うことがわかった。本発明は、潤滑システムの圧力を
４．９２kg/cm²（７０psi ）の通常の所望の作動圧力以
上に増加する必要なしに所望の１００００ＲＰＭの速度
を発生できるコーン・スタック遠心分離機についての改
良構造を提供する。作動圧力範囲は、約２．８１２kg/c
m²（約４０psi ）から約６．３２７kg/cm²（約９０psi
）の上限までである。

【００１１】この圧力範囲と関連した一つの懸念は、ロ
ータを支持するベアリングを、ロータ内側の圧力に耐え
且つこの圧力を収容するように設計する必要があるとい
うことである。こうした高い圧力レベルではジャーナル
ベアリングが好ましいけれども、これらのベアリング
は、ベアリングとシャフトとの間の薄いオイルフィルム
の粘性剪断による回転抵抗係数があり、そのため、コー
ン・スタック遠心分離機が所望の１００００ＲＰＭ（又
はそれ以上）の速度で駆動されない。遠心ロータの内側
の作動圧力を低下させることによって、回転抵抗係数が
かなり低い更に高い速度で回転できるローラーベアリン
グを使用できる。

【００１２】

【課題を解決するための手段】循環液体から粒状物を分
離するための本発明の一実施例によるコーン・スタック
遠心分離機は、コーン・スタックアッセンブリを有す
る。このコーン・スタックアッセンブリは、中空ロータ
ハブを含み、軸線を中心として回転するように設計され
ている。コーン・スタックアッセンブリは、液体入口、
第１通路、この第１通路に連結された第２通路及び中空
ベースハブを画成するベースアッセンブリを有する。液
体入口は、第１シャフト通路によって中空ベースハブに
連結されている。シャフト中央チューブがベースハブに
取り付けられており、ロータハブを通って延びている。
コーン・スタックアッセンブリが回転運動するように、
ベアリングがロータハブとシャフト中央チューブとの間
に位置決めされている。タービンホイールがロータハブ
に取り付けられており、タービンホイールを駆動するた
めに液体噴流をタービンホイールに差し向けるため、噴
流ノズルが第２通路に流れ連結されている。タービンホ
イールの駆動により、コーン・スタックアッセンブリに
回転運動を与える。

【００１３】本発明の関連した実施例は、入口乱流をな
くし、タービン効率を向上するため、噴流ノズルの入口
に組み込んだハニカム状挿入体を使用することを含む。
本発明の一つの目的は、改良コーン・スタック遠心分離
機を提供することである。

【００１４】本発明の関連した目的及び利点は、以下の
説明から明らかになるであろう。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の原理の理解を促す目的で
添付図面に示す実施例を参照し、これを説明するのに特
定の用語を使用する。それにも拘わらず、本発明の範囲
をこれによって限定しようとするものではなく、例示の
装置のこのような変形及び変更、及び本明細書中に例示
した本発明の原理のこのような別の用途は、本発明と関
連した技術の当業者が通常に想到可能であることは理解
されよう。

【００１６】次に図１を参照すると、この図には、本発
明の好ましい実施例によるコーン・スタック遠心分離機
２０が示してある。遠心分離機２０は、その主要構成要
素として、ベース２１、ベルハウジング２２、シャフト
２３、ロータハブ２４、ロータ２５、コーン・スタック
２６、ジェットノズル２７及び２８、及び変形ペルトン
タービン２９等を含む。本明細書中に説明し且つ使用さ
れているように、ロータ２５はコーン・スタックアッセ
ンブリを含む。

【００１７】図３は、ジェットノズル２７及び２８並び
にインパルスタービン２９の概略平面図を提供する。こ
の図は、ジェットノズル２７及び２８の夫々から出る噴
流２７ａ及び２８ａの方向を示す。タービン２９には、
回転自在のホイール３３に取り付けられた周方向に並ん
だ一連の１８個のバケット３２が設けられている。噴流
２７ａ及び２８ａは、ホイールの両側でホイールに対し
て接線方向に差し向けられており、バケットの中央に向
けられている。バケットは、回転してホイール３３の対
応する側の接線ゾーンに進入する。回転自在のホイール
３３は、シャフト２３を中心として同心に位置決めされ
たロータハブ２４に固定的に且つしっかりと取り付けら
れている。ロータハブは、上ローラーベアリング３４及
び下ローラーベアリング３５によってシャフト２３に取
り付けられており且つ支持されている。ベアリングを通
る流れを減少するため、シールド（ｓｈｉｅｌｄｅｄ）
ベアリングでなくシール（ｓｅａｌｅｄ）ベアリングが
使用される。

【００１８】タービン２９は様々な型式で形成できる
が、本発明についての好ましい形体は、変形半バケット
型ペルトンタービンである。変形半バケットタービン２
９を図１に示す。これに対し、従来のペルトンタービン
２９ａ（スプリット−バケット）を図２に示す。これら
の二つのタービン態様の間の相違は、バケット３２及び
３２ａの夫々の幾何学的形状に限定される。図１の変形
半バケット型タービン２９に代えて図２のスプリットバ
ケット型タービン２９ａが使用されていることを除き、
図１及び図２の遠心分離機は構造が同じである。スプリ
ットバケット３２ａの構造は周知であると考えられる
が、変形半バケット３２の形体は本願で独特である。図
４及び図５を参照すると、各半バケット３２の形状及び
構造に関する追加の詳細が提供される。

【００１９】コーン・スタックアッセンブリ即ちロータ
２５は、本明細書中では、その主要構成要素として、ベ
ースプレート３８、ベッセルシェル３９、及びコーン・
スタック２６を含むものと定義される。これらの主要構
成要素を含むアッセンブリは、ロータハブ２４がローラ
ーベアリング３４及び３５によってシャフト２３を中心
として回転するときにロータ２５が回転するように、ロ
ータハブ２４に取り付けられている。ジェットノズル２
７及び２８を出た高圧流によって駆動されるタービン２
９の作動により、回転運動がロータハブ２４に加えられ
る。噴流２７ａ及び２８ａがバケット３２に当たると、
対応するバケットの各々が押され、ホイール３３が回転
し、噴流が当たる接線の点の位置に次のバケットを送
る。これは、噴流２７ａ及び２８ａについての接線の点
が１８０°離間しているため、ホイールの各側で協働的
に生じる。ホイールは、一定の定常回転速度に達するま
で、噴流２７ａ及び２８ａの特性及びタービンの動的特
性に基づいて加速して回転する。タービンがロータハブ
２４に取り付けられており、ロータハブがベアリングを
介してシャフト２３に取り付けられているため、ロータ
２５は、タービン２９のホイール３３の速度と一致する
ＲＰＭで示す速度で回転する。

【００２０】タービン２９の好ましい実施例では、各バ
ケット３２（変形半バケット型）は長円体様輪郭を有
し、１０°乃至１５°の出口角度を長円体の縁部に有す
る。一つのバケット３２の正面図を図４に示す。一つの
バケット３２の斜視図を図５に示す。バケットから出る
流れは、下方に及び回転するロータから遠ざかる方向に
差し向けられており、かくして、液滴の衝突による抵抗
を減少する。ベース２１内及びベースプレート３８の下
の部分を除く遠心分離機２０の構造は、特定の特徴が、
米国特許第５，５７５，９１２号及び米国特許第５，６
３７，２１７号に開示された構造と同じである。これら
の特許に触れたことにより、これらの特許に開示されて
いる内容は本明細書中に組入れたものとする。更に詳細
には、ベルハウジング２２の半径方向外リップ４０がフ
ランジ４１の上面上に位置決めされている。半径方向リ
ップ４０とフランジ４１との間の界面は、ゴム製の環状
中間Ｏ−リング４２を加えることによって部分的にシー
ルされている。バンドクランプ４５を使用し、シールさ
れた界面を完成し且つ補完する。クランプ４５はリップ
４０及びフランジ４１の周りに位置決めされており、環
状内クランプ４６及び環状外バンド４７を含む。バンド
４７をぴんと張るとクランプの内径が減少し、環状チャ
ンネル４８のテーパした側部がリップ４０及びフランジ
４１を互いに軸線方向に引っ張り、ぴったりとシールさ
れた界面を形成する。リップ４０とフランジ４１とを互
いに引っ張ることによってＯ−リング４２を圧縮する。

【００２１】ベルハウジング２２の頂部には、シャフト
２３の雄ねじ端５２を受け入れて支持するため、キャッ
プアッセンブリ５１が設けられている。シャフト２３の
詳細は図６に示してある。アダプタ５３には雌ねじが設
けられており且つフランジ５４を有し、開口部５５の縁
部を通して嵌着されており且つこれに上方に押し付けら
れている。スリーブ５６、Ｏ−リング５７、及びキャッ
プ５８がアッセンブリを完成する。先ず、端部５２をア
ダプタ５３にねじ込み、Ｏ−リングを組み込んだ後、ハ
ウジング及びスリーブを所定位置まで下げる。キャップ
を取り付けてキャップアッセンブリ５１をシャフト２３
及びハウジング２２に固定し、バンドクランプを組み立
て、所定位置に締め付ける。キャップアッセンブリ５１
は、ロータ２５が滑らかに高速回転できるようにするた
め、シャフト２３の上端を軸線方向で中心決めしシャフ
ト２３を支持し且つ安定化する。

【００２２】ロータ２５の上端では、ベルハウジング２
２と雄ねじ端５２との間に、取り付けナット６１及び支
持ワッシャ６２が配置されている。環状支持ワッシャ
は、ロータシェル３９の上部分と形状が一致する賦形形
状を有する。ワッシャ６２に別体の構成要素を用いる代
わりに本発明について考えられる変形例は、ワッシャ位
置の断面が厚い衝撃押出しシェルを製造することによっ
て、支持ワッシャ機能をロータシェルと一体化すること
である。ロータハブ２４の上端６３は、シャフト２３及
び上ベアリング３４によってベアリング支持されてお
り、雄ねじを備えている。取り付けナット６１を上端６
３にねじ式に締め付け、これによって支持ワッシャ６２
及びロータシェル３９を一緒に引っ張る。ロータハブ２
４の反対端（下端）６４には、一連の軸線方向ノッチ６
４ａ及びこれと交互の一連の外方に延びるスプライン６
４ｂが設けられている（図７及び図８参照）。スプライ
ンが設けられたこの端部は、ベースプレート３８の中央
に設けられた円筒形の孔６５にぴったりと嵌着する。こ
の孔６５はハブ２４及びシャフト２３と同心であり、ハ
ブをハウジング及びベースプレートに固定することによ
り、コーン・スタックアッセンブリをシャフト２３を中
心として同心をなして回転させる。スプライン端６４と
孔６５との間の嵌着は、更に、ノッチ６４ａとスプライ
ン６４ｂによって、間隔が隔てられた一連の出口流れチ
ャンネル６６を形成する。

【００２３】ロータシェル３９の下縁６８の内面６７と
ベースプレート３８の外環状面６９との間に半径方向シ
ールが形成される。このシールされた界面は、一部がぴ
ったりとした嵌着によって、及び一部がゴム製の環状Ｏ
−リング７０を使用することによって形成される。Ｏ−
リング７０は内面６７と外環状面６９との間で圧縮され
る。

【００２４】ロータシェル３９とベースプレート３８と
の間をＯ−リング７０と組み合わせて組み立てることに
よって、コーン・スタック２６が収容された内部容積７
３を画成する密封包囲体を形成する。コーン・スタック
２６の各コーン７４は、中央開口部７５及びコーンの周
囲に亘って外環状縁部７７と隣接して配置された複数の
入口穴を有する。この用途についての代表的なコーン
は、米国特許第５，５７５，９１２号及び米国特許第
５，６３７，２１７号に示されており且つ開示されてい
る。ロータ２５についての代表的な流路は、ロータハブ
２４の中空中央部７８を通る上方への流体の流れで開始
する。この流れはロータハブの内部を通り、孔７９を通
って出る。全部で８個の等間隔に間隔が隔てられた孔７
９が設けられている（図７参照）。流れ分配プレート８
０は、ベーンを持つように形成されており、ハブ２４か
ら流出した流れを最も上側のコーン７４ａの表面に亘っ
て分配するのに使用される。液体（潤滑オイル）がコー
ン・スタック２６の個々のコーン７４に亘って及びこれ
らのコーンを通って流れる方法は、当該技術分野で周知
の流路及び流れ現象である。コーン・スタックアッセン
ブリのこの流路及び高ＲＰＭの回転速度により、オイル
によって運ばれる小さな煤粒子をオイルから遠心分離で
き且つ遠心分離機内に保持できる。

【００２５】本発明は、ベース２１の設計、タービン２
９の使用、流体を噴流ノズル２７及び２８に送る方法、
及びベース２１、タービン２９、及びノズル２７及び２
８と設計的に所望の通りに適合するシャフト２３の形体
に関する。ベース２１には、入口孔８２及び主通路８３
が形成されている。ジェットノズル通路８４及び８５が
主通路８３と直角に交差している。通路８４は取り付け
ポスト８６によって画成されており、ジェットノズル２
７への流体連通路を形成する。ホイール３３及びベース
ハブ８７の取り付けポスト８６とは反対側には第２取り
付けポスト８８が設けられており、この第２ポストは通
路８５を画成する。通路８５は、ジェットノズル２８へ
の流体連通路を提供する。ベース２１のハブ８７には、
雌ねじを備えた円筒形の孔８９が設けられている。この
孔は、主通路８３と直角に交差する。シャフト２３のベ
ース９０には雄ねじが設けられており、孔８９に螺着さ
れて組み立てられる。ベース９０は中空であり、通路９
１を画成する。この通路は、塞がった先端９２及びスロ
ットル通路９３を有する。通路８３の先端は、通路８４
の先端及び通路８５の先端と同様に閉鎖している（即ち
塞がっている）。

【００２６】ロータハブ２４のスプライン端６４を円筒
形の孔６５に嵌着することによってロータハブ２４をベ
ースプレート３８内に支持し、ベースプレート３８、ロ
ータシェル３９、及びロータハブ２４との間にしっかり
と組み立てられた状態を維持する。所望の支持につい
て、端部６４と孔６５との間のプレス嵌め又は場合によ
っては締まり嵌めが十分である。端部６４と孔６５との
間のスプライン嵌着は、更に、ロータハブ２４とベース
プレート３８との間で相対的回転移動が起こらないよう
に設計されている。端部６４が孔６５内に嵌着すること
によって、ベース２１の側壁９６によって画成されたベ
ース２１の内部空間９５に開放した流出流チャンネル６
６を形成する。側壁９６には、更に、出口ドレン開口部
９７が設けられている。このドレン開口部により、ロー
タ２５から流れチャンネル６６を通って出たオイルをベ
ース２１の外に排液できる。これは、対応するエンジン
又は機器の他の要素への又はこれらを通る循環路につい
て連続する。ジェットノズル２７及び２８を通してター
ビン２９を駆動するために使用される潤滑オイルもまた
内部空間に溜まり、流れチャンネル６６を通って出るオ
イルと混合する。出口ドレン開口部９７を通って出るの
はこの混合オイルである。飛沫プレート９８がポスト８
６及び８８の上端面９９及び１００に夫々取り付けられ
ている。

【００２７】図１に示す遠心分離機２０を作動するた
め、加圧（１．４０６kg/cm²乃至６．３２７kg/cm²（２
０ＰＳＩ乃至９０ＰＳＩ））流体流れ（オイル）が、遠
心分離機のベース２１に、入口孔８２及び主通路８３を
通って進入する。加圧オイルを通路８４及び８５に供給
するとともに円筒形の孔８９によって通路９１に供給す
る。ポスト８６は、ジェットノズル２７と流れ連結した
出口オリフィス１０３を画成する。同様の出口オリフィ
ス１０４がポスト８８によって画成されており、ジェッ
トノズル２８と流れ連結している。通路８４及び８５は
端部が塞がれているため、流入流をオリフィス１０３及
び１０４を通して圧送し、噴流２７ａ及び２８ａを発生
し、これによってタービン２９を駆動し、その結果、ロ
ータハブ２４及びロータ２５の残りの部分が回転自在に
駆動される。二つの噴流ノズルから出る高速流体流は、
ロータ２５に通したオイルからの所望の速度で煤を除去
するため、ロータ２５に必要な高い回転速度を発生す
る。必須の速度は、上文中に論じたように、コーン・ス
タックの外径の大きさの関数である。

【００２８】好ましい実施例では、ジェットノズル２７
及び２８の各々の出口オリフィスの大きさは、約２．４
６mm（０．０９インチ）である。各ノズルは、乱流エネ
ルギが最小の最大可能な速度を持つ固有の安定したジェ
ットを発生するため、出口オリフィス直径に滑らかに移
行するように内側がテーパした設計になっている。ター
ビン２９は、ジェットの運動エネルギをトルクに変換
し、これをロータハブ２４に加える。上文中に説明した
ように、様々な型式又は設計のタービン２９が本発明の
範囲及び教示内で考えられる。タービンには、小型化し
た旧式のペルトンタービン、変形半バケット型タービ
ン、及びベーンリング即ち「ターゴ（ｔｕｒｇｏ）」型
タービンが含まれる。これらのうち、変形半バケット型
タービンが好ましい選択である。タービンは、バケット
速度が、衝突する噴流速度の半分よりも僅かに低い場合
に性能効率が最適化される。理想的な設計では、駆動流
体は、バケットからほぼゼロの残留速度で「落下」し、
ベースの内部空間９５内に落下し、ドレン開口部９７を
通って出る。４．９２１kg/cm²（７０ＰＳＩ）のジェッ
トで１００００ＲＰＭの目標速度を得るため、ピッチ直
径が２８．９６mm（１．１４インチ）のバケットを持ち
且つ送出トルクが５．５０cm/kg （１インチ／ポンド）
であるように設計されたタービン２９を使用することが
本実施例の設計上の特徴をなす。このような仕様では、
エネルギに対する圧送馬力（寄生）損は、僅か１５kgm/
s （１ＨＰ）（これらの条件について検討がなされてい
るエンジンの大きさについて、エンジンの出力の０．０
３％以下）に過ぎない。

【００２９】通路８３を通って進入するオイルは、更
に、円筒形の孔８９を通って上方にシャフト２３の通路
９１に流入する。この上方への流れは、スロットル通路
９３を通ってシャフト２３の内部に出る。好ましい実施
例では、通路９３の出口オリフィスの直径は１．８５mm
（０．０７３インチ）であり、これは、ロータ２５を通
過する流量を毎分約２．２７１リットル（約０．６ガロ
ン）に制限する。ロータを通る流れが毎分０．７５７リ
ットル乃至１．５１４リットル（０．２ガロン乃至０．
４ガロン）である場合に高トルク抵抗のスパイクが発生
するということが試験によってわかった。毎分２．２７
１リットル（０．６ガロン）の流れではこの問題は生じ
ない。本発明の重要な特徴は、ロータハブ２４の入口端
１０７と隣接して配置された通路９３を使用することに
よって、来入流にスロットル作用を加えることである。
図１の例示では、ロータハブ２４は、ベース２１及びベ
ースプレート３８から上方にベッセルシェル３９の上端
即ち頂部の取り付けナット６１の領域まで延びている。
来入オイルが孔８２のところで進入し、ここから内方及
び上方に流れるため、ロータハブの下端１０７は流路を
画成する目的の入口端である。

【００３０】スロットル通路９３をロータハブの入口端
１０７に配置することにより、ロータハブ２４の内部７
８を減圧し、これによって、標準的な深溝シール型ロー
ラーベアリングを上ローラーベアリング３４及び下ロー
ラーベアリング３５の位置で使用できる。こうした種類
のローラーベアリングを使用することにより、回転抵抗
が従来技術の（旧式の）ジャーナルベアリングと比較し
て大幅に低下する。ロータハブ２４の内部７８内の内圧
が、スロットル効果により、本発明で存在するよりも高
い場合には、ジャーナルベアリングが必要とされる。こ
れは、ジャーナルベアリングが高圧に耐えることができ
るためである。問題点は、ロータ２５が達することがで
きる回転速度を制限するジャーナルベアリングの回転抵
抗のレベルがかなり高いということである。その結果、
煤除去効率が大幅に低下し、効率がかなり低い設計とな
り、煤の制御が目的である場合には全く受け入れられな
い設計となる。流れにスロットル作用を加え、内部７８
内の内圧を低下させることには、これに付随する効果が
ある。本発明による遠心分離機設計では、ローラーベア
リングを使用できるため、抵抗が小さく、高い回転速度
が可能となり、及びかくして、本発明では、１００００
ＲＰＭ程度の（又はこれよりの高い）速度を得ることが
できる。煤を効率的に除去するためには、この程度の速
度が必要とされることがわかっている。

【００３１】プロセス流体（オイル）は、シャフトのス
ロットル通路９３を出た後、ロータハブ２４の中央即ち
内部７８をシャフト２３とハブ２４との間で上方に移動
する。ハブ２４の上部近くには複数の出口穴が設けられ
ている。これらの穴は、好ましい実施例では、全部で８
個である。流れるオイルはこれらの出口穴７９の各々を
通過し、流れは、流体を接線方向に加速する半径方向ベ
ーンが設けられた流れ分配プレートによって、コーン・
スタックの上に及び周りに差し向けられる。

【００３２】流れは、垂直方向に整合したコーン入口穴
を通してコーン・スタックに亘って分配され、コーン・
スタックの隙間を通ってハブに向かって半径方向内方に
流れる。コーン・スタックは、ロータハブベースプレー
トによってしっかりと支持されている。ハブの外径に至
ったとき、流れは、コーンの内径に設けられた整合した
切欠きを通って下方に通過し、流れチャンネル６６を通
って内部容積７３を出る。この形体に対する変形例とし
て、ベースプレート３８は、流体出口流路用の穴が穿孔
された一部品設計であるのがよい。流れは、回転軸線に
できるだけ近い流れチャンネル６６から出ることが重要
である。これは、半径と比例して増大する高い接線速度
での流出を妨げる遠心「圧送」エネルギ損による抵抗／
速度の低下が起こらないようにするためである。更に、
流出流は、ベースプレートの外側面と接触しないように
コーン・スタックアッセンブリを離れなければならな
い。その結果、再加速を受けることによりロブ（ｒｏ
ｂ）エネルギが失われ、ロータベースの外径から高速で
「放出（ｓｌｉｎｇ）」される。この結果は、オイルを
流れチャンネル６６を通して飛沫プレート９８の下の場
所に流出させることによって得られ、これにより、オイ
ルのスプレーを、下方に、回転中のロータハブ２４から
遠ざかるように、ドレン開口部９７に向かって逸らす。
変形例の設計において、飛沫プレートを使用しない場合
には、オイルが出口箇所から半径方向外方に飛散すると
き、回転するロータの表面上にオイルが再同伴されない
ように、流出するオイルをベースプレートの最も下の箇
所よりも低い箇所から出す必要がある。上文中に説明し
たように、「清浄」なプロセス流体を駆動流体と混合
し、ドレン開口部９７を介して重力によりハウジングベ
ース２１の外にドレンする。

【００３３】図９を参照し、変形例のコーン・スタック
遠心分離機１２０を開示する。遠心分離機１２０は、図
１のコーン・スタック遠心分離機２０と多くの点で極め
て類似した構造を有するということに着目されたい。コ
ーン・スタック遠心分離機１２０とコーン・スタック遠
心分離機２０との間の主な相違点には、ベース２１、シ
ャフト２３、円筒形の孔８９、及び主通路８３の設計及
び関係が含まれる。遠心分離機２０のこれらの部分を遠
心分離機１２０の対応する部分と比較すると、以下の相
違点が明らかになる。遠心分離機２０についての図１の
設計では、主通路８３はベースハブ８７の孔８９と直接
的に流れ連通している。図示のように、孔８９は、主通
路８３を通って軸線方向に延びているのでなく、効果的
には、その箇所でＴ形に交差している。図９の設計で
は、ベースの円筒形の孔１２１と主通路１２２との間に
流れ連通がない。その代わりに、遠心分離機１２０のシ
ャフト１２４の下端即ちベース１２３が図１のベース９
０を越えて軸線方向に延びており、シャフト１２４は主
通路１２２を通って延びており、円筒形の孔１２１の下
孔延長部１２５を通って外に出る。シャフト１２４を図
１１に別体の構成部品として示す。この下孔延長部１２
５は図示のように主通路１２２と交差し、主通路１２２
の上方にある円筒形の孔１２１の上部分と軸線方向に整
合している。遠心分離機１２０のベース１２６の設計を
図１２に示す。シャフト１２４のベース１２３は、入口
孔１２８からスロットル通路１２９及び１３０まで延び
る流路を構成する。ここでは、タービン２９に参照番号
１３４が附してあるが、設計は基本的に同じである。図
１０では、スプリットバケット形体の変形例の型式のタ
ービンがタービン１３４ａとして示してある。

【００３４】シャフト２３は、単一のスロットル通路９
３を含むのに対し、シャフト１２４（図９参照）は二つ
のスロットル通路１２９及び１３０を含む。これは、図
９の実施例では、通路１２９及び１３０の上流のほぼ全
ての箇所で、好ましくは遠心分離機の外側で来入オイル
流にスロットル作用を加えることができるためである。
その結果、通路１２９及び１３０は、単一のスロットル
手段として役立つ必要がない。図１では、来入オイル
は、タービン２９の駆動にも使用され、遠心分離機の外
部で流れにスロットル作用を加えると、タービンの速度
に悪影響が及ぼされる。この理由により、ロータ２５へ
の流れには、通路９３によってスロットル作用が加えら
れる。二つの通路を使用することと比較すると、一つの
通路でスロットル機能を行う方が容易である。この理由
により、図１の実施例では、通路９３が一つだけ設けら
れている。

【００３５】シャフトを通る内部通路が主通路１２２と
流れ連通していないため、入口孔１２８での来入流（オ
イル）はタービン１３４の駆動に使用されない。タービ
ン１３４は、実際には、タービン２９と同じであり、遠
心分離機１２０の残りの部分は、本明細書に説明したこ
とを除き、遠心分離機２０と実際上同じである。タービ
ン１３４を噴流ノズル１３５及び１３６で駆動するた
め、入口通路１３７を介して加圧流体を主通路１２２に
導入する。好ましい実施例では、この加圧流体（即ち駆
動流体）はガスである。加圧ガスは図１のオイルと同じ
経路を辿るが通路１２７には流入せず、従ってコーン・
スタックアッセンブリ１３８に導入されない。

【００３６】加圧ガスをポスト１４０の通路１３９に、
及び最終的にはジェットノズル１３６に流入させるた
め、シャフト１２４のベース１２３の位置１４１にはノ
ッチ又は窪みが設けられている。これは、加圧ガスがシ
ャフト１２４のベース１２３の周囲を自由に通過できる
ようにするためである。ポスト１４３の通路１４２は、
加圧ガスをジェットノズル１３５に送出するため、通路
１２２と連通している。Ｏ−リング１４４がベース１２
３と下孔延長部１２５との間に位置決めされている。入
口孔１２８には、コーン・スタックアッセンブリに導入
されるべき流体を送出する入力導管を連結するため、雌
ねじが設けられている。

【００３７】図９のタービン１３４を駆動するのに使用
されるガス（代表的には空気）を遠心分離機１２０から
大気中に放出しなければならない。この機能について様
々なベント設計及び位置決めが適しているけれども、空
気と混合したオイルミストを先ず分離することが重要で
ある。この目的のため、コアレッサー１５０がベルハウ
ジング１５１に取り付けられており、出口１５２の周囲
がシールされている。スプレーミスト即ち空気及びオイ
ルのエアゾールが出口１５２を通って出るとき、コアレ
ッサー１５０の内部でオイルが空気から分離される。次
いで空気を大気中に通し、オイルは徐々に遠心分離機内
に滴り戻る。コアレッサー１５０の内部には、金属製メ
ッシュが設けられ、又は、変形例では、合成織製又は不
織メッシュが設けられている。これらのメッシュは全
て、当該技術分野で周知である。

【００３８】本明細書中、タービン２９及び対応するバ
ケットについての様々な型式及び設計に言及した。これ
らには、個々のバケット３２ａがスプリットバケット形
体を持つ旧式のペルトンタービン２９ａ（図２参照）及
びバケット３２を持つ変形半バケット形タービン２９
（図１参照）が含まれる。いずれの型式のインパルスタ
ービンも図１及び図９の実施例並びに図２及び図１０の
変形例に適している。図３の概略図は、タービン２９と
して示してあるが、タービン２９及び２９ａの適当な一
般的な例示を行おうとするものである。

【００３９】タービン２９についての他の変形及び変更
の議論では、ベーンリング型又はターゴ型のタービンに
言及する。このような型式のタービンの個々のベーンは
実際上、どのような直径に配置されていてもよいが、ベ
ーン円直径がタービン２９についての図示のバケット円
直径を越えて増大する場合には、ガス駆動作動モードと
関連した効率が重要である。ガス駆動式遠心分離機につ
いて、ベーンリング型タービンが好ましい。最適のベー
ン速度は、ジェット速度の半分に等しいということが知
られており、チョークドフロー（音速ジェット）に基づ
くと、ガスによって駆動されるベーンを大きな直径に亘
って配置するのが好ましい。

【００４０】従って、図１３、図１４、及び図１５は、
ロータシェル１６２の、下縁部１６３と隣接した全体に
円筒形の部分１６２ａの外面に個々のベーン１６１を取
り付けることによって形成されたベーンリングタービン
１６０を示す。各ベーン１６１は、凹状の衝突面１６４
を持つ湾曲形態を有する。この種のベーンでは、ジェッ
トノズル１６５は、ベーンの中心線に対して５°乃至２
０°の所定の角度で差し向けられる。この角度は、ベー
ン６１の前縁角度とほぼ一致する。ジェットノズル１６
５は、通路１６６から空気のジェットを送出する。ジェ
ットはベーンに衝突してこれを回転し、及びかくしてベ
アリングを介してシャフトに取り付けられたロータを駆
動（回転）する。

【００４１】図９、図１０、及び図１３の遠心分離機を
ガス駆動作動するため、ガスジェットは音速（約０．９
１２kg/cm²（約１３psig）以上の圧力）である。運動エ
ネルギを最大に引き出すための最適のベーン速度（図１
３参照）は、ジェット速度の約０．４倍であり、これ
は、毎秒約１３４．１１２ｍ（約４４０フィート）（毎
秒３３５．２８ｍ（１１００フィート）の音速に対し
て）である。１００００ＲＰＭで回転する直径１８．５
４２cm（７．３インチ）のロータについて、ベーン速度
（ベーン１６１は図１３に示すように周囲に配置されて
いる）は毎秒約９７．５３６ｍ（約３２０フィート）で
ある。この速度は、最適速度よりも「低速」である。

【００４２】図１３の遠心分離機について使用されたタ
ービンのベーン（ベーンリング）の型式は、図２、図
９、及び図１０の遠心分離機の実施例の変形半バケット
型式及びスプリットバケットタービン型式の代わりに使
用できる。使用されたタービンの型式、タービンの位
置、ロータの直径、駆動媒体、及びジェット速度によっ
て効率が異なる。

【００４３】本発明の別の実施例によれば、図１の定置
のジェットノズル２７及び２８及び図９の定置のジェッ
トノズル１３５及び１３６を、ハニカム状挿入体１７０
（図１６参照）を各ジェットノズルの入口に位置決めす
ることによって変更する。個々の流れ孔１７０ａは、六
角形形状の外壁によって画成されており、挿入体１７０
の全長に亘って延びている。挿入体１７０の機能は、入
口乱流をなくすか或いは少なくすることによって流れを
真っ直ぐにすることである。挿入体１７０を使用する
と、ノズルを出てタービンに差し向けられるジェットの
流れの一貫性及び安定性が大幅に改善される。このハニ
カム状挿入体１７０は、入口乱流が問題である場合に
は、ジェットノズル１６５と関連して使用してもよい。

【００４４】図１及び図９を更に参照し続けると、対応
する定置のジェットノズル２７及び２８及び１３５及び
１３６の夫々は、対応する取り付けポスト（８６、８
８、１４０、及び１４３）に位置決めされ、組み立てら
れる。各取り付けポストは、その対応するジェットノズ
ルの入口と連通した内部流れ通路を画成する。図１８
は、入口乱流及び挿入体１７０の位置決め及び機能を説
明する目的でジェットノズル及び取り付けポストを例示
する概略図である。

【００４５】図１８を更に参照すると、例示のジェット
ノズル１７２の中央流れ軸線１７１は、取り付けポスト
１７５の流れ通路１７４の中央流れ軸線１７３に対して
ほぼ垂直である。実際、通路１７４からノズル入口１７
６への流れは、直角に曲がる必要がある。これによって
発生する乱流は、取り付けポストの閉鎖端１７７の性質
によって更に複雑になり、場合によっては、入口１７６
に向かって戻る逆流が発生する。

【００４６】ジェットノズル１７２の入口１７２に乱流
が存在する（部分的には、流れが９０°曲がることによ
って発生する）場合には、流出流がタービンバケット
（図１及び図９参照）に当たる前に壊れてしまう。ジェ
ットの流出流がタービンバケットに当たる前に壊れてし
まうと、タービンの効率が低下する。タービンの効率が
低いと、タービンの速度がこの特定の用途に所望の速度
よりも低くなってしまい、所望の速度を得ようとし且つ
維持するための潤滑油の圧送が高まり、動力消費が高ま
る。

【００４７】最適のインパルスタービン効率に寄与する
重要な要因の一つは、タービンバケットに当たるときに
安定した一貫した液体ジェットを各ジェットノズルから
出すということであるということがわかった。流出流が
壊れると液滴として見え、ジェットノズルから出ると直
ちに扇状パターンをなして拡がり、そのためジェットの
品質が大幅に低下し、タービンの効率が低下する。流出
流の破壊により、５０％乃至６０％の所望の熱力学的効
率が２５％乃至３５％まで低下してしまう。

【００４８】ハニカム状挿入体１７０により、タービン
効率が改善される。これは、タービンバケットに差し向
けられる液体ジェットの一貫性及び安定性が改善される
ためである。挿入体１７０は、流れがジェットノズル１
７２のテーパした出口１７８の方向で直線状になるよう
に、流れを入口１７６に再度差し向ける。これにより、
更に層状の流出状態がノズルのスロートで発生し、一貫
した安定した流出ジェットを形成する。この改善によ
り、タービンの効率が大幅に向上し、これにより、低い
動力消費及び潤滑油圧送で所望の速度をもたらす遠心力
を発生できる。

【００４９】挿入体１７０は、厚さが約８．９mm（０．
３５インチ）の比較的薄いアルミニウム材から製造され
る。個々のセル１７０ａ（六角形の孔）の各々は、向き
合った平らな側部に亘って約１．０９mm（０．０４３イ
ンチ）である。挿入体１７０は、入口開口部がテーパを
開始するスロートの位置までノズル１７２に一杯に挿入
されるような長さを備えている。挿入体１７０の反対端
は、図１８に示すように、ノズル１７２の端部を越えて
通路１７４の内部に延びている。挿入体１７０の表面１
７０ｂの外径は、約６．３５mm（０．２５インチ）であ
り、ジェットノズル入口１７６にぴったりと嵌まるよう
な大きさになっている。

【００５０】挿入体１７０に対する随意の態様では、型
成形プラスチック（図１７参照）又はＺｎ、Ｍｇ、又は
Ａｌ等のダイカスト金属を使用することが含まれる。こ
れらの変形例の金属は、所望の層流を発生するため、上
文中に説明した長く且つ細い毛管状（円筒形）の通路１
７０ｄを形成する。各通路１７０ｄの直径は、約０．８
６mm（０．３４インチ）である。

【００５１】挿入体１７０についての他の変形例には、
ノズル入口１７６に取り付けた非常に粗く焼結した金属
プラグ又は織製ワイヤメッシュディスクを使用すること
が含まれる。

【００５２】本発明を添付図面及び以上の説明に例示し
且つ説明したが、これらは例示であって、限定を行おう
とするものではない。好ましい実施例を示し且つ説明し
たが、本発明の範疇に含まれるその全ての変形及び変更
は保護されるのが望ましいということは理解されよう。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の代表的な実施例によるコーン・スタッ
ク遠心分離機の断面図である。

【図２】本発明の別の実施例によるコーン・スタック遠
心分離機の部分断面図である。

【図３】図１のコーン・スタック遠心分離機の部分を構
成するインパルスタービン及びこれと協働するジェット
ノズルの概略平面図である。

【図４】図１のコーン・スタック遠心分離機で使用され
た図３のインパルスタービンの部分として使用される変
形半バケットを正面から見た断面図である。

【図５】図４の半バケットの斜視図である。

【図６】図１のコーン・スタック遠心分離機の一つの部
分を構成する中央シャフトを正面から見た断面図であ
る。

【図７】図１のコーン・スタック遠心分離機の一つの部
分を構成するロータハブを正面から見た断面図である。

【図８】図７のロータハブの平面図である。

【図９】本発明の変形例によるコーン・スタック遠心分
離機を正面から見た断面図である。

【図１０】本発明の別の実施例によるコーン・スタック
遠心分離機を正面から見た部分断面図である。

【図１１】図９のコーン・スタック遠心分離機の一部を
構成する中央シャフトを正面から見た断面図である。

【図１２】図９のコーン・スタック遠心分離機の一部を
構成するベースを正面から見た断面図である。

【図１３】本発明によるコーン・スタック遠心分離機の
部分として使用するのに適当なベーンリング型インパル
スタービンを正面から見た断面図である。

【図１４】図１３のベーンリング型タービンの部分平面
図である。

【図１５】図１３のベーンリング型タービンの一つのベ
ーン及び協働するノズルジェットの概略図である。

【図１６】本発明によるコーン・スタック遠心分離機の
部品として使用するためのジェットノズル挿入体の端面
の端面図である。

【図１７】本発明によるコーン・スタック遠心分離機の
部品として使用するための別のジェットノズル挿入体の
端面の端面図である。

【図１８】例示の取り付けポスト及び図１６のジェット
ノズル挿入体を組み込んだジェットノズルの縦断面図で
ある。

【符号の説明】

２０コーン・スタック遠心分離機２１ベース２２ベルハウジング２３シャフト２４ロータハブ２５ロータ２６コーン・スタック２７、２８ジ
ェットノズル２７ａ、２８ａ噴流２９変形ペル
トンタービン３２バケット３３ホイール３４、３５ローラーベアリング

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 594110468 100 ＢＮＡＣｏｒｐｏｒａｔｅＣｅｎｔｅｒ，Ｓｕｉｔｅ 500，Ｎａｓｈｖｉｌｌｅ，Ｔｅｎｎｅｓｓｅｅ 32717, Ｕ．Ｓ．Ａ.

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】循環流体から粒状物を分離するためのコ
ーン・スタック遠心分離機において、コーン・スタックと中空ロータハブとを有し、かつ、軸
線を中心として回転するように構成され且つ配置され
た、ロータと、流体入口と、第１通路と、前記第１通路に連結された第
２通路と、中空ベースハブとを画成し、前記流体入口が
前記第１通路によって前記中空ベースハブに連結され
た、ベースアッセンブリと、前記ベースハブに取り付けられ、且つ、前記ロータハブ
を通って延在する、シャフト中央チューブであって、前
記シャフト中央チューブの内部に、前記流体を前記第１
通路から前記コーン・スタックに送出するための通路を
有する、前記シャフト中央チューブと、前記ロータを前記シャフト中央チューブを中心として回
転運動させるように、前記ロータハブと前記シャフト中
央チューブとの間に位置決めされた、ベアリングと、前記ロータに取り付けられたインパルスタービンと、前記第２通路に流れ連結され、かつ、前記ロータに順次
回転運動を伝達する前記インパルスタービンで前記流体
の噴流を指向させるように構成され且つ配置された、噴
流ノズルと、入口乱流を減少させるために、前記噴流ノズルに組み込
まれた、流れ方向規定用の挿入体と、を有することを特徴とする、コーン・スタック遠心分離
機。
【請求項２】前記インパルスタービンは、半バケット
状にそれぞれ設計された、複数の独立したタービンバケ
ットを有し、前記バケットは、前記流体の前記噴流によ
って作用を受けるように構成され且つ配置されている、
請求項１のコーン・スタック遠心分離機。
【請求項３】前記流れ方向規定用の挿入体は、間隔を
置いて形成された複数の流れ孔を画成する、請求項２の
コーン・スタック遠心分離機。
【請求項４】前記インパルスタービンは、スプリット
バケット状にそれぞれ設計された、複数の独立したター
ビンバケットを有し、前記バケットは、前記流体の前記
噴流によって作用を受けるように構成され且つ配置され
ている、請求項１のコーン・スタック遠心分離機。
【請求項５】前記流れ方向規定用の挿入体は、間隔を
置いて形成された複数の流れ孔を画成する、請求項４の
コーン・スタック遠心分離機。