JP2011504980A - ガス−オイル分離のためのサイクロン分離装置 - Google Patents

Abstract

本発明のサイクロン装置は、内燃機関の再循環されたクランク室からオイルを取り除くための二相ガス−オイル分離を果す。この装置は、サイクロンの内部に、垂直方向に動くことができるように設けられた、回転対称性を有する本体（７）、特に、円筒形−円錐形の形状の本体を有する。この本体（７）は、円筒形の収集ゾーン（２）の壁と、液状オイルを回収するための円錐形のゾーン（３）の壁との少なくとも一方で環状ギャップ（１３）を規定しており、通路の横断面が、ガスの流量の関数として、本体（７）の自動調整の高さ方向の位置に応じて変化する。従って、ガスの速度は、可変のガスの流速に対して一定にとどまる。

Description

本発明は、一般的に、「サイクロン」分離器の表題（heading）のもとで知られた種類の分離装置に関する。特に、本発明は、内燃機関中での二相ガス−オイル分離のために意図されたサイクロン分離装置に、さらに、特に、内燃機関の、特に、自動車の、クランク室の再循環されたガスに含まれる液状オイル粒子を分離して回収するように設計された分離器に関する。

「オイル分離器」や「オイルトラップ」として知られている装置が既に存在しており、このような装置は、内燃機関のシリンダのヘッドカバーに組み込まれている。このような装置は、第１に、シリンダのヘッドカバーに入る液状オイルを取り除くように設計された手段と、第２に、クランク室からのガスからオイル小滴や粒子を取り除くように設計された手段とを有する。

この二相ガス−オイル分離を行うために、遠心力のもとで、これらオイル小滴や粒子をガス流の中でスピンさせて、オイル小滴や粒子が沿って下向きに流れる壁に向かってこれらオイル小滴や粒子を投げつけ（throw）て、そして、特に、重力の影響のもとで、最終的に回収されて取り除かれるように、これらオイル小滴や粒子の慣性を利用するサイクロンを使用しようとすることが可能である。

添付の概略的な図面の図１が示すように、気相から液相を分離するように設計された通常のサイクロンは、上から下へと、
取り除かれる小滴又は液状粒子を含むガスのための上側の接線方向の入口１と、
前記小滴又は粒子を収集するための円筒形のゾーン２と、
前記小滴又は粒子を回収するための円錐形のゾーン３と、
分離された液相を排出することと貯留することとの少なくとも一方のための下側ゾーン４と、を有する。

また、サイクロンは、通常、上部のところに、かつて含まれていた粒子や小滴から分離されたガスのための軸方向の出口として機能する上側開口５を有する。サイクロンを通るガスの経路６は、最初は、下向きかつらせん状であり、その後、上向きかつ軸方向に向かっている。

このようなサイクロンの有効性は、このサイクロンを通過するガスの流れの速度に関連している。流れの速度が速いほど、小滴や液状粒子により有される慣性も大きくなり、それ故、壁に向かって、特に、収集ゾーンの円筒形の壁に向かって、より激しくかつより確実に投げつけられるであろう。

従って、最大の有効性を達成するために、サイクロン内のガスの流れの速度は、できるだけ速くあるべきである。しかし、ここで考慮している適用形態では、サイクロンを通るガスの流れの速度は、一定ではなく、内燃機関によって発生されるクランク室からのガスの流量に依存している。このガスの流量自体は、機関速度（engine speed）及び負荷の関数として変化する。特に、部分的な負荷条件の下では、クランク室からのガスの流量は、完全な負荷の下でよりも低い。同様に、低い機関速度に対して、ガスの速度はより遅く、それ故、サイクロンの有効性はより低い。従って、少なくともサイクロンの構成上の特性が不変にとどまるならば、高いサイクロン効率は速いガスの流れの速度に対応しており、低いサイクロン効率は遅いガスの流れの速度に対応していると考えられることができる。

流れの速度を単に増加させても、特に、低い流量に対して、ここで対処されるべき問題への満足のいく解決策を提供しないであろう。なぜならば、低い流量に対して速い速度を設定することによって、特に、サイクロンの寸法を減じることによって、高い流量にとって大きすぎると分かる圧力降下が生じるであろうからである。

逆に、高い流量での圧力降下を制限するためにサイクロンのサイズを合わせることは、低い流量でさえも効率的でないサイクロンをもたらし得る。

他の考え得る解決策は、ガスが常に同じ速度でサイクロンに入るように、ガスの流量が低いとき、この横断面を減じ、ガスの流量が高いとき、この横断面を増やして、サイクロンの上側のガスの入口の横断面を変化させることである。サイクロンに入るガスの速度が、サイクロンを通るこれらのガスの経路の一部上に維持されると考えられるならば、ある程度の改良を提供することができる。しかし、横断面の突然の変化は、この場合、ガスのジェットの初期エネルギを制限する圧力降下を生じるであろう。

ここで対処される問題に対する適切な解決策を見つけるために、従って、一定に、可能であれば、入ってくるガスのいかなる流量に対しても高いサイクロン効率を維持するために、それ故、ガスの入口の条件、又は入口のみを変更するのではなく、適切な調整手段を使用して、サイクロンの内部に実際に流れに一定の速度を課することが好ましい。

従って、本発明の目的は、いかなるガスの流量がサイクロンに入ろうとも、追加の圧力降下を生じることなく、一定にとどまるサイクロン効率を得るように、サイクロン内の流れの速度が一定にとどまるのを確実にする解決策を提供することによって、上述の欠点を回避することである。

この目的のために、本発明の対象物は、内燃機関の、特に、自動車の、クランク室の再循環されたガス中に含まれる液状オイル粒子を分離して回収するように設計されたサイクロン分離装置であって、このサイクロン装置は、上から下へと、
上側の接線方向のガスの入口と、
円筒形のオイル収集ゾーンと、
粒子、特に液状オイルを回収するための円錐形のゾーンと、
分離されたオイルを排出することと貯留することとの少なくとも一方のためのゾーンと、を具備し、また、
上側の軸方向のガスの出口開口が設けられている、サイクロン分離装置において、
このサイクロン分離装置は、本質的に、このサイクロンの内部に、前記円筒形のオイル収集ゾーンと、前記円錐形のオイル回収ゾーンとの少なくとも一方中に、回転対称性を有する本体が、垂直方向に、かつ可能であれば回転可能に動くことができるように設けられており、前記本体は、前記ゾーンの壁との間に環状ギャップを規定しており、ガスのための通路の横断面が、ガスの流量の関数として、前記本体の自動調整の高さ方向の位置に応じて変化し、かくして、ガスの速度が、ガスの流量の変化に対してほぼ一定にとどまることが可能であることを特徴とする。

明らかに、サイクロンは、特に「ハイドロサイクロン」タイプ、すなわち液相が優位相（dominant phase）であるサイクロンであり、軸方向の位置に対して調節されることができる円筒形又は円錐形の中心体、もしくは回転対称性を有するいくつかの他の形状が、知られている（特許文献ＥＰ１１８０４００及びＦＲ２５８８７７９、さらにＤＥ１２９２４７９も参照）。しかし、これらの実施の形態では、中心体の高さ方向の位置は、初めに手で機械的に設定され、動作中、不変にとどまり、前記本体は、自動調整の影響によって平衡点が可変である（可変平衡点を与える）余裕があるように垂直方向に自由に動くことができない。

本発明の好ましい実施の形態では、回転対称性を有する本体は、円筒形−円錐形の全体的な外部形状の本体であり、このうち、前記円筒形の部分は、前記円筒形のオイル収集ゾーンの範囲にあり、また、前記円錐形の部分は、前記円錐形のオイル回収ゾーンの範囲にある。前記本体は、ガスが、前記上側の軸方向のガスの出口開口に向かって上昇することができるように、内側ダクトに対して、その重心軸線に沿って貫通している。効果的には、前記本体の前記内側ダクトは、下流側の端部のところで、すなわち、前記上側の軸方向のガスの出口開口に向かって位置された端部のところで、広がっている。このような広がった出口は、圧力降下を改良し、圧力及び速度を高める最終的な膨張効果を生じ、ガスの流れを遅くする。

従って、本発明は、高さ方向の位置に応じて、可変幅の、それ故、可変の横断面の環状ギャップを形成している円筒形、特に、円錐形、サイクロンの壁、他のもの、移動体、円筒形−円錐形部分に対向している位置決めからなる。サイクロンの入口と出口との間の圧力降下の影響の下で、円筒形−円錐形の本体は、多少の長さだけ上昇し、また、サイクロンの入口と出口との間の圧力差の影響の下で、円筒形−円錐形の本体は、サイクロンの内部で、平衡状態を維持する。また、前記円筒形−円錐形の本体の重さは、この本体の下側部分と上側部分とに加えられる圧力の結果で釣り合っている。特に、ガスの流量に関係なく平衡状態を維持するために、本体は、昇降し、この平衡状態は、この流れの下方へのらせん形状の経路全体にわたってほぼ一定のギャップによってガス流の速度を保たせる。この動作は、これに関して、分岐セクションに配置された円錐部で形成された一種の流速計である円錐ロータメータの高さと幾分比較されることができ、分岐セクションに関する円錐部の高さは、流量に比例する。特に、より高い流量の場合には、環状ギャップによって形成された通路の横断面は、低い流量の場合の横断面よりも大きく、円筒形−円錐形の本体が、より上昇するが、流れの速度及び圧力降下は、実際には一定にとどまる。

本発明は、サイクロンの外部の構造を変更せず、円筒形−円錐形の本体の軸方向の内側ダクトは、さらに、軸方向の出口の方へ、サイクロン内に、ガス流を案内する。それ故、本発明のサイクロン分離器は、追加部品の創作や既存部品の変更を要求せず、必要とされるただ一つのことは、サイクロンの内部の円筒形−円錐形の回転体の追加である。

本発明に従うサイクロンのデザインは、さらに、以下の効果を提供する。
内部の円筒形−円錐形の本体は、この本体を囲んでいる流れから、駆動の影響の下で、回転することができる。これは、（回転式の内部部品を有する所定のサイクロンタイプの吸込掃除機と類似した）流れの観点から改良をもたらすことができる。
圧力降下が流量にかかわらず一定のままであるという事実は、内燃機関の吸入ラインによって、オイルが除かれた（de-oiled）クランク室からのガスの吸入に関する簡単な開発のために役立つ。クランク室からのガスの発生は、ラインの吸入の一次関数ではない。
円筒形−円錐形の本体は、今日の調整メンブレンと同様に、クランク室からのガスが通過するラインでの振動を減少させることができ、前記本体は、流量の関数として、「穏やかに」動き、従って、特に、オイル分離器への入口でのいかなる振動をも減少させ、従って、機能低下を防ぐように滑らかにする。

他の好ましい効果もまた、追加の手段を通じて得られることができる。

これらの手段のうちの１つによれば、円筒形−円錐形の全体形状の本体は、この本体の高さ方向の位置に応じて多少の長さだけ上側の接線方向のガスの入口を覆うことができる大きな径の上側ゾーンを有し、かくして、この高さ方向とガスのための前記ガスの入口の横断面との間に関係が確立される。従って、入口の横断面は、環状ギャップに適するために自動的に適応される。従って、この実施の形態は、一方では、入口の横断面間の相関を、他方では、可変幅の環状ギャップの横断面の制限を確立することによって、ガスの速度をよりよく制御する余裕がある。

効果的には、円筒形−円錐形の本体の円錐部分と円錐形のオイル回収ゾーンの壁との間に規定された環状ギャップは、その高さに沿った中間点で、横断面に制限を有する。環状ギャップの横断面の制限は、例えば、円錐形のオイル回収ゾーンの壁の、局所的に凹んだ内側形状、特に、回転放物面に起因する。横断面のこの制限は、ガスの入口ゾーンの圧力を増加させ、円筒形−円錐形の本体によりよいリフトを与える。

さらに、前記本体の前記円錐部分の形状、及びサイクロンの前記円錐形の回収ゾーンの壁の形状は、いかなる高さでもほぼ一定にとどまるガスの速度を得るように、下向きに増加する、それ故、小さな径に向かう横断面の環状ギャップを得るようにして、互いに効果的に適合される。

環状ギャップ中のガスの速度（流量に関係なくほぼ一定にとどまる）に影響を及ぼし得るさまざまな設計上の要因がある。このギャップを規定している円錐形の部分の形状に加えて、重さの選択、それ故、円筒形−円錐形の本体の材料の選択が、速度の増減を可能にする。比較的重い本体は、比較的狭いギャップを導き、それ故、比較的高速になる。本体の重さを増加させることによって、回転対称性を有する本体を、平衡状態へともたらすように下向きに付勢する円筒形のオイル収集ゾーンに収容された圧縮コイルばねのような付勢手段と効果的に置き換えられてもよい。ばねの剛性の調節は、ここでは、ガスの速度に影響を及ぼすように使用されることができる。

明らかに、米国特許第５９４７３００号は、サイクロンを既に開示しており、ピストンの形態である可動式の内側本体が、これに作用するばねを有している。しかし、この文献では、ばねは、前記本体を、広く開いた位置又は閉じた位置へともたらすために使用され、このばねは、平衡状態の位置である中間位置に本体を保つ役割を果さない。

サイクロンは、ガスの速度を調整するために、回転対称性を有する本体の位置及び垂直方向の変位を制御する空気式アクチュエータのような駆動手段をさらに有することができる。

サイクロンは、環状ギャップ中のガスのらせん状の経路の方向に対応している方向に回転対称性を有する本体を回転させるための電気モータのような電動手段を有することができる。

本発明は、一例として、本発明のサイクロン分離装置のいくつかの実施の形態を示し、このサイクロン分離装置がどのように動作するかを示す添付の概略的な図面を参照して、以下の説明からよりよく理解されるであろう。

図１は、（既に述べられた）従来のサイクロンの垂直方向の断面を示す図である。 図２は、高い流量に対応した第１の動作位置での、本発明に従うサイクロンの垂直方向の断面を示す図である。 図３は、低い流量に対応した第２の動作位置での、図２のサイクロンの垂直方向の断面を示す図である。 図４は、本発明に従うサイクロンの第１の代わりの形態の垂直方向の断面を示す図である。 図５は、本発明に従うサイクロンの第２の代わりの形態の垂直方向の断面を示す図である。 図６は、ばねで係合された、このサイクロンの他の実施の形態の垂直方向の断面を示す図である。

図２並びに図３は、サイクロン分離装置を示しており、この装置の不動部分（fixed part）は、通常のサイクロンの構成に対応している。このサイクロン分離装置は、上から下へと、取り除かれるオイルを含むガスのための上側の接線方向の入口１と、オイル小滴を収集するための円筒形のゾーン２と、オイル小滴を回収するための円錐形のゾーン３と、下側のオイル出口ゾーン４とを有する。また、サイクロンは、上部のところに、吸込パイプ（図示されない）に接続されることができる上側の軸方向のガスの出口開口５を有する。

円筒形−円錐形の全体形状の回転本体７は、垂直方向に動くことができるように、また、サイクロンの内部に、自由に回転することができるように、設けられている。この本体７は、円筒形の収集ゾーン２の範囲に位置された円筒形の部分８と、円錐形の回収ゾーン３の範囲に位置された円錐形の下側部分９とを有する。さらに、この本体７は、上側の接線方向の入口１の高さのところに位置された比較的大きな径の上側ゾーン１０を有する。この本体７は、上側のガスの出口開口５に接続された上側出口１２のところで広くなっている内側ダクト１１で、その重心軸線Ａに沿って、垂直方向に貫かれている。

環状ギャップ１３は、特に、動作中、一方では、サイクロンの円筒形２の壁との円錐形３のゾーンとの間に、他方では、前記本体７の対応している円筒形８と円錐形９の部分との間に規定されている。

動作中、上側の接線方向の入口１を通って達するガスは、本体３の基部のところまで、環状ギャップ１３中を、まず、下向きかつらせん状の経路６を描いて進む。そして、これらガスは、本体３の内側ダクト１１を通って底部から上向きに進行し、最終的に、上側開口５を通ってサイクロンを出る。ガスの下向きの移動（降下）中、オイル小滴１４は、円筒形のゾーン２の壁に向かって投げつけられて、最終的に収集され、サイクロンの下側ゾーン４内で取り除かれるまで、円錐形のゾーン３の壁に沿って止まる。かくして、ダクト１１を通り抜けて、上側開口５を経由して出るガスは、これらガスがかつて含まれたオイルから分離される。

特に、図２が示すように、高いガス流量の場合には、円筒形−円錐形の本体７は、サイクロンの内部を上昇し、かくして、本体７の重みの間で平衡状態が確立され、本体７の下側部分には圧力Ｐ１が、この本体７の上側部分には圧力Ｐ２が、それぞれ加えられる。従って、環状ギャップ１３は、大きい。

対照的に、図３が示すように、低いガス流量の場合には、円筒形−円錐形の本体７は、環状ギャップ１３の幅を変更するのに従って、下降し、かくして、この装置は、ガスの速度が、環状ギャップ１３中の流量に関係なくほぼ一定にとどまるように、自動的に「自動調整」（“self-regulating”）する。

この動作中、円筒形−円錐形の本体３の大きな径の上側ゾーン１０は、多少の長さだけ、上側の接線方向のガスの入口１を覆っており、かくして、環状ギャップ１３によって提供された可変の通路の横断面に適するように、この入口１の動作する横断面を適応させる。入口１が矩形形状である限り、通路の横断面は、本体７が上昇した高さに比例する。

図２並びに図３に示される最も簡単な実施の形態では、本体７の円錐形の部分９は、完全な円錐形の形状を有し、円錐形のオイル小滴回収ゾーン３の壁をなしており、２つの円錐形の部分は、ほぼ平行である。

図４に示される第１の代わりの形態では、円錐形のオイル小滴回収ゾーン３の壁は、局所的に凹んだ内側形状、特に放物線形状を有し、この結果、その高さに沿った中間点のところで、環状ギャップ１３が、横断面に所定の制限を有する。この制限は、ガスの入口側に対する圧力を増加させて、本体３の明確なリフト（持ち上げ）を引き起こす。

図５に別個に示される第２の代わりの形態（しかし、この形態は前の形態と組み合わせられることができる）では、環状ギャップ１３の幅が、上から下へと、従って、このギャップ１３のより小さな直径に向かって増加するように、円錐形のオイル小滴回収ゾーン３の壁と本体７の円錐部分９とは、下向きに逸れた形状を有する。この構成に関して、これらの下向きの経路中でのガスの速度は、いかなる高さであってもほぼ一定に保たれる。

図６は、前の２つの形態と組み合わせられることができる第３の代わりの形態を示している。この形態では、上側部分に、圧縮コイルばね１５が、サイクロンの内部に設けられており、環状ギャップ１３中でのガス流の速度を増加させるために、円筒形−円錐形の本体７を下向きに付勢する。この図６は、上側の接線方向のガスの入口１の形状の変化を示しており、この形状は、矩形の形状ではなく、台形であり、通路の横断面が、補正の余裕があり、本体７が上昇した高さに比例していない。

ばね１５は、比較的重い材料でできた、特に、同じ体積に対して密度の高い材料でできた円筒形−円錐形の本体７に置き換えられることができる。

本体７は、密度の高い又は低いさまざまな材料で、特に、注入成型又は鋳造されることができる、鉛のような金属、「ｚａｍａｃ」として知られている亜鉛に基づいた金属合金、あるいは、金属フィルタを含む、ポリアミド又はアラミドのような合成材料であることができる。

図示されない他の代わりの形態では、シリンダアクチュエータタイプのアクチュエータは、所望の高さのところで垂直にこのアクチュエータの位置を決めるために、本体３に制御された垂直方向の力を加えるために使用されることができる。

本発明は、例によって上で説明されたこのサイクロン分離装置のいくつかの実施の形態に制限されないが、逆に、特に、サイクロンの、及びその中に収容された本体の形状に関する詳細にかかわらず、添付の特許請求の範囲の範囲内にある、全ての代わりの実施の形態及び適用形態を含む。

上述の本体の軸方向の進行を制限することや、本体の進行の終わりのところにこの本体が達するのを止めることなどの追加のような追加の構成もまた、本発明の範囲内にある。

Claims (9)

1. 内燃機関の、特に、自動車の、クランク室の再循環されたガス中に含まれる液状オイル粒子を分離して回収するように設計されたサイクロン分離装置であって、
   このサイクロン装置は、上から下へと、
   上側の接線方向のガスの入口（１）と、
   円筒形のオイル収集ゾーン（２）と、
   円錐形の液状オイル回収ゾーン（３）と、
   分離されたオイルを排出することと貯留することとの少なくとも一方のためのゾーン（４）と、を具備し、また、
   上側の軸方向のガスの出口開口（５）が設けられている、サイクロン分離装置において、
   このサイクロンの内部に、前記円筒形のオイル収集ゾーン（２）と、前記円錐形のオイル回収ゾーン（３）との少なくとも一方中に、回転対称性を有する本体（７）が、垂直方向に、かつ可能であれば回転可能に動くことができるように設けられており、また、
   前記本体（７）は、前記ゾーン（２，３）の壁との間に環状ギャップ（１３）を規定しており、ガスのための通路の横断面が、ガスの流量の関数として、前記本体（７）の自動調整の高さ方向の位置に応じて変化し、かくして、ガスの速度が、ガスの流量の変化に対してほぼ一定にとどまることが可能であることを特徴とするサイクロン分離装置。
2. 前記回転対称性を有する本体（７）は、円筒形−円錐形の全体形状の本体であり、
   このうち、前記円筒形の部分（８）は、前記円筒形のオイル収集ゾーン（２）の範囲にあり、また、前記円錐形の部分（９）は、前記円錐形のオイル回収ゾーン（３）の範囲にあり、
   前記本体（７）は、ガスが、前記上側の軸方向のガスの出口開口（５）に向かって上昇することができるように、内側ダクト（１１）で、前記本体の重心軸線に沿って貫かれていることを特徴とする請求項１のサイクロン分離装置。
3. 前記本体（７）の前記内側ダクト（１１）は、下流側の端部のところで、すなわち、前記上側の軸方向のガスの出口開口（５）に向かって位置された端部のところで、広がっていることを特徴とする請求項２のサイクロン分離装置。
4. 円筒−円錐形の全体形状の前記本体（７）は、この本体（７）の高さ方向の位置に応じて、多少の長さだけ、前記上側の接線方向のガスの入口（１）を覆うことができる大きな径の上側ゾーン（１０）を有し、かくして、この高さ方向の位置とガスのための前記ガスの入口の横断面との間に関係が確立されることを特徴とする、請求項２又は３のサイクロン分離装置。
5. 前記本体（７）の前記円錐部分（９）と前記円錐状のオイル回収ゾーン（３）の壁との間に規定された前記環状ギャップ（１３）は、この環状ギャップの高さに沿った中間点のところで、横断面に制限を有することを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１のサイクロン分離装置。
6. 前記環状ギャップ（１３）の制限は、特に、前記円錐形のオイル回収ゾーン（３）の壁の、局所的に凹んだ内側形状、特に、回転放物面の形態に起因することを特徴とする請求項５のサイクロン分離装置。
7. 前記本体（７）の前記円錐部分（９）の、及び前記円錐形の回収ゾーン（３）の壁の形状は、いかなる高さでもほぼ一定にとどまるガスの速度を得るように、下向きに増加する、それ故、小さな径に向かう横断面の環状ギャップ（１３）を得るようにして、互いに適合されていることを特徴とする請求項２ないし６のいずれか１のサイクロン分離装置。
8. 圧縮コイルばね（１５）のような付勢手段が設けられており、
   このばねは、前記円筒形のオイル収集ゾーン（２）内に収容されており、前記本体を平衡状態の位置へともたらすように、前記回転対称性を有する本体（７）を下向きに付勢することを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１のサイクロン分離装置。
9. 前記環状ギャップ（１３）中のガスのらせん状の経路の方向に対応している方向に前記回転対称性を有する本体（７）を回転させるための電気モータのような電動手段を有することを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１のサイクロン分離装置。

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