JP2010058117A - スクレーパー又はピストンを用いて固形物類を排出する遠心機 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄積された固形物を自動的に排出する遠心機を提供する。
【解決手段】軸方向運動のスクレーパーは固く固められた固形物類や砕けやすい固形物に使用され、そして一体になった供給液体加速機および複数の供給ホールを含む。ピストン／突き出し体組立部品は、ペースト状でくっつきやすい固形物類に使用され、セパレーターボウル１０に延びるピストン１２を含み、ピストンを介して供給液体が流れる開口４４を有する。分離完了後、分離液バルブ３４はボウルの一端を閉止し、そしてピストンはアクチュエーター（作動器）によりボウルの軸方向を移動する。ボウルサスペンションは球形取り付け構造と短いスピンドルを有する。ボウルのベアリングとスピンドルはベアリングハウジング内に設けられる。
【選択図】図１

Description

〔関連出願へのクロスリファレンス〕
この出願は、３５合衆国特許法第１１９条（ｅ）に基づいて２００２年４月１２日提出の合衆国仮特許出願第６０／３７２，１５３の優先権を主張するもので、ここに、その全文を引用して加入するものである。

〔連邦政府により支援された研究又は開発に関する声明〕
−なし−

この発明は、おおまかに言えば遠心機、そして、詳しくは、分離の間蓄積された固形物類を自動的に排出することができる遠心機に関するものである。

異種の混合物を比重を基準にして複数の成分に分離する多数の異なる型式の遠心分離機は、知られている。供給マテリアル又は供給液体とも言う一つの異種混合物は、前記分離機の回転するボウルへ注入される。このボウルは、高速で回転し、前記混合物の比重がより重い粒子類を沈降により前記液体から強制的に分離する。その結果、濃密な固形物ケーキが前記ボウルの面をぴったり押圧し、澄んだ液体又は“分離液”が前記固形物ケーキから内方へ向けて形成される。前記ボウルは、前記分離液から固形物類を分離する重力よりも２０，０００倍大きな力を生じるのに十分な速度で回転する。

固形物類は、前記ボウルの壁にたまり、前記セントレートが排出される。所望の量の固形物類がたまったことが分かれば、前記分離機は、排出モードにおかれる。このような排出モードの一つにあっては、回転ボウルの長さ方向に延びているスクレーパーのブレードが前記分離機の壁を掻き取るような位置におかれ、前記ボウルをゆっくりとした掻き取り速度で回転させる。ついで、ラジアル運動のスクレーパーで前記ボウルの側面から固形物類を掻き取ると、固形物類は、固形物類収集出口に向かい落下してゆく。しかしながら、このようなラジアル運動のスクレーパでは、湿った又はピーナッツバターのように粘稠性をもつくっつきやすい固形物類をうまく取り除くことができない。このような場合、くっつきやすい固形物類は、前記スクレーパのブレードにくっついて残ってしまうか、前記壁から落ちてから再び前記ブレードにくっついてしまい、収集出口に達しなくなってしまう。その結果、固形物類の回収率は、低下し、残ってしまう固形物類が前記分離機を汚染してしまい、望ましくない。

遠心分離機の構造において、さらに配慮しなければならない重要な点は、高速回転において振動をなくしたり、その他の操作上の欠点をなくすことである。前記分離機のボウルと、その取り付け構造は、一つのまとまった機械構造になっており、操作上発生しないことが好ましい固有共鳴又は“臨界”速度をもつ。さらに配慮すべき点は、前記分離機のボウルが例えばアンバランスであったり、前記ボウル内で液体が軸方向に波動してしまい、その結果操作が不安定になってしまうような軸方向に動く要素をもっている点である。

この発明によれば、現在の遠心分離機の欠点、特に、固形物類の回収及び機械的不安性に関連する欠点を対処する特徴を含む遠心分離機が提供される。

一つのアスペクトにおいては、開示された遠心分離機は、パーツ類が交換可能である軸方向運動のスクレーパ又はピストン／突き出し体組立部品のいずれかのもので、操作速度が可変で多用途に向く手段により固形物類を自動的に排出する。軸方向運動のスクレーパは、固く固められた固形物類や砕けやすい固形物類に使用され、一体になった供給液体加速機及び複数の供給ホールを含んでいる。前記スクレーパのブレードは、高い遠心力の作用で外側へたわみ、このスクレーパを前記ボウルに対し所定位置に固定する。これによって、前記スクレーパの軸の下端部をしっかり固定させる。前記スクレーパは、固形物類のくっつきやすい面を少なくし、比較的長い分離機のボウルについて用いられる。

前記ピストン／突き出し体組立部品は、ペースト状でくっ付きやすい固形物類に使用され、これらを排出する。前記ボウルの頂部にある分離液バルブ（遠心分離操作によって分離された液体を供給モードの操作中に作動して外部へ排出するためのバルブ。以下同じ）を用いて、分離液（分離された液体）を供給操作モードの間に排出し、ついで、固形物類排出モードのために前記ボウルの頂部を開く。前記アッセンブリーは、さらに、ピストンを含み、このピストンは、供給操作モードの間は前記ボウルの底部に着座している。このピストンは、供給加速機及び供給ホール（複数）と一体になっていて、これらホールを介して供給液体が流れる。これらのホールは、また、固形物類の排出操作モードにおいて行われる排出の間の固形物類の出口にもなる。前記ピストン／突き出し組立部品は、他の現存する遠心分離機ではうまく排出できないくっ付きやすい固形物類に使用でき、これら固形物類をほぼ完全に取り除くことができ、この点は、固形物類に価値があるマテリアルが含まれているときに好都合なものである。

他のアスペクトにおいては、開示された遠心分離機は、短く、堅いスピンドルと球形状に取り付けられたベアリングハウジングとを用いる分離機ボウル支持を含んでいる。概念的には、この構成は、上端部が単純に支持されている垂直の回転ビームに類似している。この構成は、既存の遠心分離機に較べ格段早い臨界速度を有している。最高の操作速度よりも早い臨界速度に達することができ、その結果、操作の間、臨界速度にならない。前記球形状に取り付けられたベアリングハウジングは、分離機ボウルの軸方向運動を抑え、既存の構成よりも早い速度で安定して操作される。

この発明の別のアスペクト、特徴及び利点は、以下における発明の詳細な記述から明らかになる。

〔発明の詳細な記述〕
図１は、自動のチューブ状ボウル遠心分離機を断面で示し、さらに中間部を除去して水平断面をも示している。この遠心分離機は、分離機ハウジング１３の中央領域１１に取り付けられた円筒状の分離機ボウル１０を含んでいる。分離機ボウル１０は、好ましくはチューブ形状のボウルであって、直径Ｄが比較的細く、長さＬは、Ｌ／Ｄの比率が約５／１またはそれよりも大きな比率をもつ長さになっている。分離機ボウル１０の内部には、ピストン組立部品が取り付けられていて、このピストン組立部品は、ピストン軸１４に連結されているピストンヘッド１２からなる。

速度可変の駆動モータ１６が球形状に取り付けられたベアリングとスピンドル組立部品１８の駆動プーリーに連結している。駆動ベルト２０が分離機ハウジング１３の上端部のカラー状突部２１に連結している。駆動モータ１６は、操作制御されて分離機ボウル１０を所望の速度で回転させ、供給液体を分離する。ピストン軸クラッチ２２がピストン作動器の架設ヘッド２４に取り付けられていて、前記作動器は、ピストン作動器の２本のプランジャ２６を含み、これらプランジャは、それぞれピストン作動器・シリンダ２８に取り付けられている。各ピストン作動器のプランジャ２６は、架設ヘッド２４を介してピストン軸１４とピストン軸クラッチ２２に連結し、ピストン作動器のポート２９から流入される圧縮空気又はハイドロリック流体に応答して分離機ボウル１０内をピストン組立部品が上下に昇降する。排出操作モードにおいては、ピストン軸クラッチ２２が外れ、これによってピストン組立部品が回転するだけで、軸方向には動かない。これらのような操作モードにおいては、ロックリング３１で前記ピストン組立部品が分離機ボウル１０の底部開口から脱落するのを防いでいる。

図１には、また、分離液ケース３０、分離液出口ポート３２、分離液バルブ３４及び分離液バルブのアクチュエータ３６が示されていて、これらすべては、以下に詳しく説明するように、操作の間、遠心分離機から分離液又はきれいになった液体を排出させるとき用いられる。固形物類バルブ３８は分離機ハウジング１３の内側に向いているフランジ４１の下の下端部領域３９に取り付けられている。この固形物類バルブ３８は、供給液体ポート４２に通じている供給液体通路４０ならびに残渣液体排出ポート４６に通じている残渣液体排出通路４４に通じている。固形物類バルブのシール４８がフランジ４１の下面に配置されている。固形物類バルブ３８の付加構造と機能については、以下に記載する。

図２は、ピストンヘッド１２の一帯を詳細に示すものである。ピストンヘッド１２の中央領域４３は、断面がコーンを逆さにした形状になっており、複数の開口４５が境界部にぐるり設けられている。供給操作モードにおいては、以下に述べるように、供給液体通路４０からの供給液体が中央領域４３の下のキャビティへ４７で示すように流入し、複数の開口４５から分離機ボウル１０の内面に向かう。この操作モードにおけるピストンヘッド２２の回転により、前記複数の開口４５が供給液体を加速させ、該液体を分離機ボウル１０の底部一帯にゆきわたらせる。

遠心分離機の供給操作モードを図３を参照しながら記載する。ピストン軸クラッチ２２が外れると、駆動モータ１６の作用で軸ピストン軸１４は、分離機ボウル１０を伴って高速で回転するようになる。固形物類バルブ３８は、閉止位置にあって、その上部外側面は、固形物類バルブのシール４８に当接している。固形物類バルブ４８は、固形物類バルブのアクチュエータ５０により膨張通路５３を介して空気圧又は流体圧で膨らむようになっている。

供給液体は、供給液体ポート４２を経て導入される。この供給液体は、供給液体ポート４２から供給液体通路４０へ流れ、供給液体通路４０の終端に達すると、ピストンヘッド１２の底部への流れ５５になる。上記のように、ピストンヘッド１２は、供給液体を加速し、これを回転しているボウル１０の内面へ向かうようにする構造を含んでいる。遠心力により、前記液体は、液体たまり面５２になる分離機ボウル１０の内面にそって上方へ流れる。図示のように、分離液バルブ３４が開いていると、オーバーフローの液体は、分離機ボウル１０の頂部において清澄にされた液体（分離液）として堰５４を越えて流れ出される。ついで分離液は、分離液ケース３０に流入し、図示５８のように分離液出口ポート３２から排出される。この液体が分離機ボウル１０内を流れるときに、この液体に作用する強力な遠心力により包含されている固形粒子が分離される。固形物類は、分離機ボウル１０の内部壁にくっつき、遠心力の結果として圧縮された固形物類ケーキとして回収される。

例えば分離液の濁り度を検知するなどして、分離機ボウル１０が固形物類で一杯になってしまったことが分かると、遠心分離機を図４に示すようなボウル排液モードにする。液体供給は、遮断され、駆動モータ１６が電子的に分離機ボウル１０を制動し、完全に停止させる。分離機ボウル１０内の残渣液体をピストンヘッド１２の複数の開口を介して固形物類バルブ３８の形作られた上部面へ排出し、この上部面を経て残渣液体が液体排出通路４４へ流れるようにする。ついで残渣液体は、６０で示すように、液体排出ポート４６から排出される。用途に応じては、固形物類からさらに液体を分離するために、分離機ボウル１０を再度回転させてもよい。

残りの液体が分離機ボウル１０から完全に排出し終えれば、遠心分離機は、“ピストン”モードに入り、ここでは、蓄積された固形物類を分離機ボウル１０から強制的に取り出す。このピストンモードを図５と図６に示す。固形物類バルブシール４８を凹ませ、固形物類バルブ３８の上部オフセット部６１を回転させ、フランジ４１の内縁部による開口から外れるようにする。ピストン軸クラッチ２２をピストン軸１４に係合させ、分離液バルブ３４を分離液バルブアクチュエータ４６により閉じる。ついで、架設ヘッド２４をゆっくり上昇させ、これと共にピストン軸１４とピストンヘッド１２をも上昇させる。ピストンヘッド１２が引き上げられるにつれ、蓄積された固形物類は、分離機ボウル１０の内面から掻き取られピストンヘッド１２の圧縮されたスペース６２を満たすことになる。ピストンヘッド１２をさらに上昇させると、囲まれた固形物類に圧力が作用し、これら固形物類は、ピストンヘッド１２の複数の開口から下方へ押し出される。押し出された固形物類は、分離機ボウル１０の開放底部から落下し、６４で示すように開放された固形物類バルブ３８を通過する。この押し出し作用は、ピストンヘッド１２が最高の高さまで引き上げられるまで続けられ、最高の高さに達すれば蓄積された実質的なすべての固形物類が排出される。この時点で、ピストンヘッド１２，分離液バルブ３４及び固形物類バルブ３８を含む部材類が図１に示すそれぞれの位置に戻り、次の供給／排出／ピストンサイクルに備える。この時点で、次の操作サイクルのためにクリーニング操作も行われる。

図７は、ピストン操作モードにおける分離液バルブ３４の領域を詳細に示すものである。分離液バルブ３４は、戻りスプリング６６，６８により通常時保持されている。圧縮空気又は流体圧液体７０の作用で、分離液バルブ作動器３６が上げられると、柔らかな固形物類がピストンヘッドの複数の開口７０を経て６４で示すように押し出される。図示のように、ピストン軸シール７２、ピストンヘッドシール７４及び分離液バルブシール７６を含むいくつかのシールがピストン・モード（ピストンの作動状態）におけるボウル１０の上部を液密にシールし、固形物類は、ピストンの開口を通らざるを得ないようにされる。

図８は、図１〜図７の遠心分離機と多くの点で類似している遠心分離機を示している。主な相違点は、スクレーパ軸７８とピストンの代わりにスクレーパヘッド８０を有するスクレーパの使用である。また、図９の遠心分離機も図１〜図７の遠心分離機における分離液バルブ３４と関連した装置を含んでいない。図８の遠心分離機は、押し出し作用よりもボウル１０の内面に作用するヘリカル掻き取り作用を用いており、蓄積された固形物類が比較的密で、固くなっているものに使用することが多い。

図９〜図１１は、スクレーパヘッド８０の別方向からの図である。４つのスクレーパアーム８２が中央本体部８４から突き出ており、この本体部は、いくつかの放射状になっている供給加速体ホール９０を含む。別の例として、スクレーパアームの使用個数を増減してもよい。各スクレーパアーム８２は、分離機ボウル１０の内面と密接する端縁面８８をもつ前張り出し面８６を有している。前張り出し部８６は、アーム８２と一体または別体の固いマテリアルで、溶接又はブレージングなどによりアーム８２に取り付けられている。また図９〜図１１においては、アーム８２の下方へ下がっている複数のスカート部８９が示されている。スカート部８９の機能は、後記する。

図１２は、供給操作モードにおける図８の遠心分離機を示し、このモードは、図１〜図７の遠心分離機の供給操作モードと実質的に同じである。図１３は、供給操作モードにおけるスクレーパヘッド８０の領域の詳細を示す。このスクレーパヘッド８０は、ボウル１０の下端部に位置し、ボウル１０と共に高速で回転する。スクレーパヘッド８０のスカート部分８９は、ボウル１０の下方に向いていて、高速回転の間は、遠心力に呼応して外側へ僅かにたわみ、ボウル１０の下位リム９１に当たる。この作用で、スクレーパアッセンブリーの好ましくない振動が抑えられる。

供給操作モードの間、供給液体の流れ５５は、分離機ボウル１０と共に回転するスクレーパヘッド８０の作用で放射状に加速される。殊に、供給液体の流れ５５は、スクレーパヘッド８０の本体部８４の下面９３に当たり（図１０、１１参照）、複数の開口９０を介して分離機ボウル１０の内面に向け外方へ流れる。分離液が分離機ボウル１０の内面にそって上方へ流れ、図３に関して述べたように分離液ポート出口３２から流れるにつれ、固形物類５６は、分離機ボウル１０の内面近くにたまる。

図１４は、図８の遠心分離機の排出操作モードを示す。固形物類バルブシール４８がしぼみ、図６に示すように固形物類バルブ３８が回転して分離機ボウル１０の底部から離れる。スクレーパクラッチ２２が係合して、スクレーパ軸７８を回転しないようにし、スクレーパアクチュエータの上昇につれてスクレーパ軸７８を上昇させる。スクレーパヘッド８０がゆっくり上がるにつれモータ１６が前記ボウルをゆっくり回転させる。これによって詰みこまれたような固形物類は、ボウル１０の内面のヘリカルパスにそって掻き取られる。この作用は、スクレーパヘッド８０がボウル１０の頂部に達するまで続き、頂部に達すれば、ゆっくり下降し、残りの固形物類を掻き取る。この掻き取るサイクルが終われば、固形物類バルブ３８が再び閉じ、固形物類バルブシール４８は、再び膨らみ、次の供給／排出／掻き取りサイクルの開始に備える。

クリーニング及び／又はリンス液体を同じ液体供給路から導入し、駆動モータ１６を操作してクリーニング及び／又はリンス液体をくまなくゆきわたらせるようにすることもできる。ついで上記したように、掻き取る操作モードに入り、分離機ボウル１０の内部をさらに清浄にする。

図１６は、図１と図８の遠心分離機のスピンドル及びベアリング組立部品１８の領域を示す。ベアリングハウジングが球形部９６と短い円筒状のスピンドル部９８とを有している。このスピンドル部９８の内部にベアリング１００と分離機ボウル１０の延長したスピンドル又はハブ１０２が装着されている。駆動ベルト２０に係合の駆動されるプーリー１０４がハブ１０２に取り付けられている。球形部９６は、上部近似半球形部と下部近似半球形部を備え、シート１０６の面に当接して分離機ハウジングの球形装着部領域へ固く保持されている。クリアランス調節ナット１０８を用いてシート１０６を保持し、さらに、シート１０６と前記ベアリングハウジングとの間に所望のクリアランスをとるようになっている。緩衝ゴム支持リング１０７が球形部９６の頂部に固定されている。この支持リング１０７と振れ減衰用ゴムリング１１０とがリング圧縮ナット１１２により保持されている。ベアリングハウジングの回転抑制ピン１１４でベアリングハウジングが回転しないようになっている。このピン１１４は、ハウジング１３の大きくされた開口１１５に通されている。

図１６に示したように、ベアリングハウジングの球形部９６は、複数のシート１０６の凹状内面内に配置の球形を形成し、これによって、内側へ作用する保持力が働くようになっている。この構造によって、回転スピンドル１０２と筒状の分離機ボウル１０のための“単純な支持構造”ができる。この単純な支持構造により、操作の時、スピンドル１０２が分離機の垂直軸まわりを高速で回転しても、スピンドル１０２は好ましくない軸方向移動や放射方向へ移動することなく外側へある程度しか旋回しないようになる。これによって、前記回転装置の自然の振動数に伴う振れを減らし、操作を円滑にし、耐用時間を長期にすることはできる。注目すべき点は、回転抑制ピン１１４は、開口１１５内を動くことができ、したがって、この旋回運動に干渉しない点である。

図１７は、ベアリング及びスピンドルアッセンブリー１８’の取り付けの代替例を示す。ベアリングハウジングは、円筒状の上部９６’をもち、この上部のノッチで二つの隔離ゴムリング１１６を受ける。このアッセンブリーは、リング圧縮調節ナット１１２’により所定位置に保持される。別の代替例においては、ナット１１２又は１１２’をボルトつきリング又はディスクを含む別の構造のものにしてもよい。

当業者によれば、開示した方法と装置の変更およびバリエーションをここに記載の発明の概念から逸脱することなく行うことが可能であることは明らかなことであり、したがって、この発明は、添付の特許請求の範囲のすべての範囲と精神とを除いて限定して解釈されるべきものではない。

この発明による第１の構造をもつ自動筒状ボウル遠心機の断面図。 図１の自動筒状ボウル遠心機の詳細な断面図。 供給モードにおける操作を図解する図１の自動筒状ボウル遠心機の断面図。 残渣液体の排出モードにおける操作を図解する図１の自動筒状ボウル遠心機の断面図。 固形物類排出モードにおける操作を図解する図１の自動筒状ボウル遠心機の断面図。 図５の左ポイントから見た図５の自動筒状ボウル遠心機の下方部分の詳細な断面図。 図５の自動筒状ボウル遠心機の上方部分の詳細な断面図。 この発明による第２の構造をもつ自動筒状ボウル遠心機の断面図。 図８の自動筒状ボウル遠心機におけるスクレーパの上部の斜視図。 図９のスクレーパの底部の斜視図。 図９のスクレーパの側部の断面図。 供給モードにおける操作を図解する図８の自動筒状ボウル遠心機の断面図。 図１２の自動筒状ボウル遠心機の下方部分の詳細な断面図。 排出モードにおける操作を図解する図８の自動筒状ボウル遠心機の断面図。 固形物類排出モードにおける操作を図解する図８の自動筒状ボウル遠心機の断面図。 図１と図８の自動筒状ボウル遠心機におけるボウル支持構造の詳細な断面図。 図１と図８の自動筒状ボウル遠心機に使用できる別のボウル支持構造の詳細な断面図。

１０ 分離ボウル
１１ ハウジング１３の中央領域
１２ ピストンヘッド
１３ 分離機ハウジング
１４ ピストン軸
１６ 駆動モータ
１８ ベアリングとスピンドル組立部品
２０ 駆動ベルト
２１ カラー状突部
２２ ピストン軸クラッチ
２４ 架設ヘッド
２６ プランジャ
２８ ピストン作動器シリンダ
２９ ポート
３０ 分離液ケース
３１ ロックリング
３２ 分離液出口ポート
３４ 分離液バルブ
３６ 分離液アクチュエータ
３８，４８ 固形物類バルブ
３９ フランジ４１の下部領域
４０ 供給液体通路
４１ フランジ
４２ 供給液体ポート
４４ 残渣液体排出通路
４５ 開口
４６ 残渣液体排出ポート
５０ 固形物バルブのアクチュエータ
９６ 球形部
９８ スピンドル部
１００ ベアリング
１０６ シート
１０７ 緩衝ゴム支持リング

Claims (8)

1. 以下の構成を備える遠心分離機：
   一端部に球形の装着領域をもつ分離機ハウジング；
   球形部とこの球形部から延びている短い円筒部とをもち、前記球形部は、上部近似半球形部と下部近似半球形部を備え、前記分離機ハウジングの球形装着領域に固く保持されており、前記円筒部が回転軸にそって前記分離機ハウジング内に達している構成のベアリングハウジング；
   ベアリングハウジングの円筒部に実質的に内蔵されているベアリング；及び
   前記回転軸にそって分離機ハウジング内に配置の長くなっている円筒状の遠心分離機であって、前記分離機ボウルは、一端部にスピンドルをもち、このスピンドルは、前記ベアリング内に配置され、モータに結合されて、前記回転軸まわりを回転する構成のもの。
2. 前記球形の装着領域が、一端部における分離機ハウジングのカラー状突部内に位置している請求項１による遠心分離機。
3. 前記カラー状部は、側面に開口を有し、この開口を介して駆動ベルトが延びて前記分離機ボウルのスピンドルを前記モータに連結させている請求項２による遠心分離機。
4. さらに、前記分離機ハウジングの前記カラー内に配置された一対のシートを備え、これらシートは、それぞれ凹状内面を有し、該内面が前記ベアリングハウジングの球形部と接触している請求項２による遠心分離機。
5. さらに以下を備える請求項２による遠心分離機：
   前記分離機ハウジングの外端部で前記スピンドルの球形部に配置されている固い弾性リング；及び
   前記弾性リングを圧縮して、前記分離機ハウジングの他方の端部に固定されたリング保持部材。
6. 前記スピンドルは、前記回転軸にそう中央通路を有し、この通路を通って軸状の部材が前記分離機ボウルに延びている請求項１による遠心分離機。
7. 前記軸状の部材が前記分離機ボウルに位置したスクレーパヘッドに取り付けられたスクレーパ軸を構成し、前記分離機ボウルが回転し、該スクレーパヘッドとスクレーパ軸とは、前記回転軸の軸方向にそって動いて、前記分離機ボウルの内面からたまっている固形物類を掻き取る構成になっている請求項６による遠心分離機。
8. 前記軸状の部材が前記分離機ボウルに配置のスクレーパヘッドに取り付けられたスクレーパ軸を構成し、該スクレーパヘッドとスクレーパ軸とは、揺れ動かずに回転可能な前記分離機ボウルと共にし、前記回転軸の軸方向にそって動き、前記分離機ボウルからたまっている固形物類を排出する構成になっている請求項６による遠心分離機。

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