JP3585795B2

JP3585795B2 - 遠心分離機

Info

Publication number: JP3585795B2
Application number: JP35100599A
Authority: JP
Inventors: 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: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2019-12-10
Also published as: US6019717A; JP2000176315A; AU760173B2; EP1008391A2; EP1008391A3; DE69906019T2; DE69906019D1; AU6315899A; EP1008391B1

Description

【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組立体内で円錐状部材（ディスク）の積み重ね体を用いた遠心分離機の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、ＮＯｘ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０．０６μｍ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、円錐状部材の積み重ね体を用いた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−ｔｕｒｂｉｎｅ）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）の円錐状部材の積み重ね体を有するロータについては約５０００ＲＰＭ程度であり、外径が８．８９ｃｍ（３．５０インチ）の円錐状部材の積み重ね体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／ｃｍ^２（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／ｃｍ^２（約４０ｐｓｉ）から約６．３２７ｋｇ／ｃｍ^２（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、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遠心分離機は、円錐状部材を積み重ねた組立体を有する。この円錐状部材を積み重ねた組立体は、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。円錐状部材を積み重ねた組立体は、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部分を有する。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。円錐状部材を積み重ねた組立体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、円錐状部材を積み重ねた組立体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、ベル型ハウジング２２、シャフト２３、ロータハブ２４、ロータ２５、円錐状部材の積み重ね体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は円錐状部材を積み重ねた組立体を含む。
【００１７】
図３は、ジェットノズル２７及び２８並びに衝動タービン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、変形された仕切りを有さないバケットを用いたペルトンタービンである。変形された仕切りを有さないバケットを用いたタービン２９を図１に示す。これに対し、従来のペルトンタービン２９ａ（仕切りを有するバケット）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の変形された仕切りを有さないバケットを用いたタービン２９に代えて図２の仕切りを有するバケットを用いたタービン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。仕切りを有するバケット３２ａの構造は周知であると考えられるが、変形された仕切りを有さないバケット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、各仕切りを有さないバケット３２の形状及び構造に関する追加の詳細が提供される。
【００１９】
円錐状部材を積み重ねた組立体即ちロータ２５は、本明細書中では、その主要構成要素として、基部プレート３８、ロータの外殻部３９、及び円錐状部材の積み重ね体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２７及び２８を出た高圧流によって駆動されるタービン２９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（変形された仕切りを有さないバケットを用いた型）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内及び基部プレート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５，６３７，２１７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、ベル型ハウジング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】
ベル型ハウジング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、キャップ部分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部分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。キャップ部分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、ベル型ハウジング２２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、ロータの外殻部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の外殻部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６３にねじ式に締め付け、これによって支持ワッシャ６２及びロータの外殻部３９を一緒に引っ張る。ロータハブ２４の反対端（下端）６４には、一連の軸線方向ノッチ６４ａ及びこれと交互の一連の外方に延びるスプライン６４ｂ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、基部プレート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基部プレートに固定することにより、円錐状部材を積み重ねた組立体をシャフト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】
ロータの外殻部３９の下縁６８の内面６７と基部プレート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】
ロータの外殻部３９と基部プレート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、円錐状部材の積み重ね体２６が収容された内部容積７３を画成する密封包囲体を形成する。円錐状部材の積み重ね体２６の各円錐状部材７４は、中央開口部７５及び円錐状部材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円錐状部材は、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７９が設けられている（図７参照）。流れ分配プレート８０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円錐状部材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）が円錐状部材の積み重ね体２６の個々の円錐状部材７４に亘って及びこれらの円錐状部材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。円錐状部材を積み重ねた組立体のこの流路及び高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２９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２８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２７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９１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を基部プレート３８内に支持し、基部プレート３８、ロータの外殻部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と基部プレート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６６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８６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（２０ＰＳＩ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、円錐状部材の積み重ね体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２．４６mm（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、変形された仕切りを有さないバケットを用いたタービン、及びベーンリング型タービン（ベーンをリング状に配置したタービン）即ち「ターゴ（ｔｕｒｇｏ）」型タービンが含まれる。これらのうち、変形された仕切りを有さないバケットを用いた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０．０３％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２．２７１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及び基部プレート３８から上方にロータの外殻部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７８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、１００００ＲＰＭ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、円錐状部材の積み重ね体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円錐状部材入口穴を通して円錐状部材の積み重ね体に亘って分配され、円錐状部材の積み重ね体の隙間を通ってハブに向かって半径方向内方に流れる。円錐状部材の積み重ね体は、ロータハブの基部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、円錐状部材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、基部プレート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、基部プレートの外側面と接触しないように円錐状部材を積み重ねた組立体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エネルギが失われ、ロータの基部の外径から高速で「放出（ｓｌｉｎｇ）」される。これは、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、流出するオイルを基部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、変形例の遠心分離機１２０を開示する。遠心分離機１２０は、図１の遠心分離機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。遠心分離機１２０と遠心分離機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９０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１２５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、仕切りを有する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９３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、従って円錐状部材を積み重ねた組立体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１２３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、円錐状部材を積み重ねた組立体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がベル型ハウジング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が仕切りを有する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、変形された仕切りを有さないバケットを用いたタービン２９（図１参照）が含まれる。いずれの型式の衝動タービンも図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、ロータの外殻部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型タービン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２０°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１６５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０．９１２ｋｇ／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１３参照）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１８．５４２ｃｍ（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された仕切りを有さないバケットを用いた型式及び仕切りを有するバケットを用いた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、８８、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１７６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、流出流がタービンのバケット（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の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】
最適の衝動タービン効率に寄与する重要な要因の一つは、タービンの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、タービンの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１７２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１７０ｂ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１７０ｄを形成する。各通路１７０ｄの直径は、約０．８６ｍｍ（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遠心分離機の部分断面図である。
【図３】図１の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された仕切りを有さないバケットを正面から見た断面図である。
【図５】図４の仕切りを有さないバケットの斜視図である。
【図６】図１の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。

Claims

循環流体から粒状物を分離するための遠心分離機において、円錐状部材の積み重ね体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、ベース部分と、
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通路から前記円錐状部材の積み重ね体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衝動タービンと、
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衝動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、遠心分離機。
前記衝動タービンは、仕切りを有さない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のバケットを有し、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の遠心分離機。
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の遠心分離機。
前記衝動タービンは、仕切りを有する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のバケットを有し、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の遠心分離機。
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の遠心分離機。