JP4307551B2 - 遠心分離機 - Google Patents

Description

本発明は、汚染された液体が高圧で供給される収容ロータ内の液体、例えば車両のエンジン潤滑剤から粒状汚染物を分離するための自己動力式遠心分離機に関わり、特に、乗用車のエンジンと共に使用する安価な使い捨てロータ（それのみに限定されるものではない）に関するものである。
自己動力式遠心分離機は、密度の異なる複数流体の分離用、または液体からの粒状物の分離用のものが公知であり、車両のエンジンや類似の品目用の潤滑系で長年使用されている。この形式の遠心分離機は、例えばＧＢ−７３５６５８、ＧＢ−７５７５３８、ＧＢ−２１６０７９６、ＧＢ−２３８３１９４に開示されている。
操作の一般的な原理は、ロータをハウジングに収容し、ハウジング内に支承したロータを、事実上垂直の軸線を中心として高速回転させるというものである。ロータは容器を含み、該容器に対し、汚染された高圧の液体潤滑剤がロータの一端で回転軸に沿って供給され、ロータの他端の接線方向反動ジェットノズルからハウジング内へ放出され、ハウジングからエンジンサンプ（油溜まり）に排出される。放出される液体によって失われるエネルギーは、８０００rpmを超える速度で軸を中心とするロータの回転を生じさせる。この速度は、液体がロータ内を循環し、ロータを通過することで、固体汚染物を半径方向外方の表面に沈殿させる上で十分な速度である。効率的に分離を行い、分離した汚染物が反動ジェットノズルを妨害しないようにするために、ロータ容器は、半径方向内方へ延在する仕切り壁を備え、該仕切り壁によって、ロータが、固形物を捕集する分離室と、浄化された液体が回転軸近くに位置する移送開口を介して送り込まれる流出室とに分割される。この仕切り壁は、現在の設計、例えばＥＰ−０１９３０００およびＧＢ−２２８３６９４による設計では、時として分離円錐体と呼ばれるように、半径方向、軸線方向双方に延在するのが普通である。この分離円錐体は、回転軸線が垂直線から傾斜していても、分離室内に固形物および液体含有スラッジを良好に保留する。
効率的な作動には、いくつかの識別基準が存在する。ロータに供給される潤滑剤は、次の場合には、かなりの圧力で供給可能でなければならない。すなわち、反動ジェットノズルを通過することで失われるエネルギーが、前記汚染粒子を遠心分離するために十分な高速でロータを回転させる必要がある場合である。また、言うまでもなく、遠心分離機を通過した潤滑剤は、ジェットの反動により生じる回転で、そのエネルギーの事実上すべてを失う。言い換えると、潤滑剤は、直接にサンプへ戻され、エンジンの平常の潤滑に利用される回路をバイパスする結果、遠心分離機は、いわゆる潤滑剤バイパスモードで作動する。したがって、通常、潤滑剤供給システムには圧力応動弁が組み込まれており、供給圧が所定レベル未満の場合に、該圧力応動弁によって遠心分離機への潤滑剤流が阻止される。前記所定レベルとは、潤滑剤がバイパスして、エンジンが潤滑剤不足になるであろうレベルであり、また潤滑剤を供給されても、ロータが有効に作動しないであろうレベルである。
この種の遠心分離機は、通常、従来型式の全流式または貫流式フィルタと組み合わされており（遠心分離機の微粒子分離能のため、他の場合よりも、むしろ粗いメッシュフィルタを使用できる）、しばしば、フィルタと分離機双方が、特別に設計されたインタフェースに取り付けられる。該インタフェースは、例えばＧＢ−２１６０４４９およびＧＢ−２１６０７９６に示されているように、供給ダクトと圧力応動式流量制御弁とを含んでいる。
この潤滑剤浄化形式は、特にディーゼル機関に好適である。なぜなら、ディーゼル機関の場合、燃焼生成物により潤滑剤内に軽量の微粒子が発生する問題や、整備作業の間隔が、ガソリン機関での通常の整備作業間隔よりも、概して長いという問題があるからである。したがって、粗いメッシュ・全流フィルタ・遠心分離機の組み合わせは、整備作業の間隔を最大化する必要のある商用車の運行に特に好適であり、これまで商用車に広く採用されてきた。
さらに最近では、類似のディーゼル機関を種々の小型乗用車に搭載することが普通になっており、エンジンの型式とは無関係に、潤滑剤および／またはフィルタエレメント交換の整備作業の間隔が長くなり、いまや、乗用車の場合には、前記フィルタエレメント材の、汚染される構成要素は、車両の所有者であることが多い整備員によって浄化可能なものより、むしろ使い捨て式のものが一般である。
この結果、その種の小型乗用車に、全流フィルタを遠心分離機で補完する考えを適用した場合、ロータは、ロータに汚染物が充満した場合に浄化されるよりも、むしろ使い捨て式になし、新品と交換可能にすべきであるが、交換間隔はより長くして、使い捨て式ロータを安価にしなければならないことになる。この目的のために設計された安価な使い捨て式ロータ、例えばＥＰ−０１９３０００およびＧＥ−２２８３６９４によるロータは、プレスされたシート材料製のキャニスターとして構成されている。
しかしながら、遠心分離機、特に前記のプレスされたシートにより構成された分離機は、小型乗用車環境には受け入れにくい特徴や、分離機能にはあまり重要でない特徴を有することが判った。
小型乗用車の場合、商用車に比して、車室がエンジンおよびその付属部品にはるかに近いにもかかわらず、商用車よりもはるかに低い騒音レベルが要求される。回転する遠心分離機ロータによる付加的な騒音を、エンジンの作動中、乗員は僅かしか知覚しないと思われるが、エンジン停止後に継続する騒音レベルの高まりは、特に不快であることが判明した。
エンジンが停止しても、最高10000rpmで回転できる遠心分離機ロータは、かなり長い減速時間または沈静時間にわたり回転し続ける。この減速時間は、３０〜６０秒に及ぶが、最高９０秒に及ぶこともあり、その長さは、流過する潤滑剤の供給圧力と温度とに依存し、しかもこの減速時間の間、騒音レベルは上昇する。なぜなら、ロータの潤滑剤が空になり、さらに、速度が落ち、部分充填状態の容器内を液体の大部分が動き回るにつれて、軸受けの接触や不均衡による振動が生じるからである。
遠心分離機ロータは、通常、平行な平滑のブッシュを含む軸受けを介して回転するように取付けられ、該ブッシュが、ロータ各端部に保持され、かつ固定的な、垂直に延在する軸部材を取囲み、ジャーナル軸受けを形成している。
前記ブッシュは、回転が阻害されないように、軸部材に間隙ばめされ、各ブッシュと軸部材との間の間隙は、ロータに供給される潤滑剤にさらされる結果、若干の潤滑剤が該間隙に沿って逃げ、回転により動液圧膜が形成され、それにより回転が容易になり、著しい半径方向剛性が得られる。さらに、ブッシュ端部が流体圧にさらされるため、ブッシュおよびロータに軸線方向に作用する力を利用して、ロータを軸部材に沿って下方へ引張る重力作用に抗することも知られている。そのさい、上ブッシュの直径を下ブッシュの直径より小さくし、潤滑剤圧力が、異なる面積に作用し、回転中のロータが押上げられるようにする。前記ブッシュのそれぞれは、したがって、半径方向に延在するフランジを含み、該フランジを介して軸線方向で対向するハウジング面に支えられ、ハウジング上部では圧力押上げスラスト軸受けとして、ロータの上昇を制限し、（特に）ハウジング下部では重力スラスト軸受けとして、潤滑剤圧力が不在の際には、ロータ重量を支持する。
この重力スラスト軸受けは、潤滑剤供給が停止され、ロータの重量が潤滑剤供給圧によって克服されない場合に、常時、利用されることが理解されよう。さらに、ジャーナル軸受けの間隙への潤滑剤供給も、潤滑剤供給停止と共に事実上停止する結果、ロータが減速するにつれて、軸受けの半径方向剛性が失われ、ジャーナル軸受け、スラスト軸受け双方の軸受け上でロータが振動可能になり、ハウジングを介してエンジンへ騒音が伝搬される。
この振動は、潤滑剤が排出され、補充されないことで、ロータの均衡が失われると、激しくなる。
ロータの斯かる潤滑剤排出から減速時の騒音が生じるため、同時係属中の出願ＧＢ−９５１１８１２．１では、遠心分離機ロータ内に潤滑剤を保留する逆止弁が提案されている。
しかし、該提案は、潤滑剤圧力が低下した場合に、ブッシュ・軸部材間の動液圧膜が破れることによる軸受け剛性の低下の直接の結果である減速時騒音の問題を対象としたものではない。
本発明の目的は、軸受けの構造による減速時の振動が緩和される遠心分離機を得ることにある。
本発明によれば、以下の遠心分離機が提供される。
ハウジングと、
該ハウジングに沿って事実上垂直に延在し、かつ回転軸線を有する軸部材と、
該軸部材の周囲を回転軸線を中心として回転可能なロータであって、前記軸部材を包囲してジャーナル軸受けを形成するブッシュを、各端部に有するロータとを含み、
前記各ブッシュが、前記ロータに供給される潤滑剤にさらされることにより、潤滑剤が前記ブッシュと前記軸部材との間隙を通過し、該間隙に膜を形成し、
前記ブッシュの少なくとも１つが、少なくとも減速時にロータの重量を支持するように働き得る重力スラスト軸受け手段を形成する形式の遠心分離機において、
前記重力スラスト軸受け手段が、大径下部領域から小径上部領域までテーパ付与された、前記軸部材の少なくとも一部分を含み、
前記ブッシュが、前記テーパに適合するように前記一部分を包囲し、かつ、ジャーナル・スラスト軸受け（ジャーナル軸受けと、スラスト軸受けの両方の機能を有する軸受けを意味する）を形成し、該ジャーナル・スラスト軸受けにより保持されたロータが、前記軸部材に対して心出しされ、かつ、半径方向および軸線方向で支持されるように構成され、
さらに、潤滑剤圧力にさらされる上位の前記ブッシュの下端部の内径が、下位の前記ブッシュの上端部の内径よりも小さく、それにより通常の潤滑剤供給圧力が、前記重力スラスト軸受け手段の協働するテーパ面同士を互いに引き離すように働くことを特徴とする遠心分離機。
好適には、前記重力スラスト軸受け装置が、上下に位置する前記両ブッシュで形成される。
以下、本発明の具体例を、添付図面を見ながら説明する。
図１は、本発明による自己動力式遠心分離機の第１具体例の正面断面図であり、ロータの下ブッシュとテーパ付き軸との間に形成された新規な重力スラスト軸受けを示す図。
図２は、重力スラスト軸受けが上ブッシュ位置に形成された第２具体例の正面断面図。
図３は、スラスト軸受けが上下両ブッシュ位置に形成された第３具体例の正面断面図。
図１と図２に、車両、特に小型乗用車のエンジン用自己動力式遠心分離機が、全体として符号１０で示されている。遠心分離機は、全流フィルタ（図示せず）と接続して使用され、害を与える可能性のある汚染物をエンジン潤滑剤から除去する。潤滑剤は、ポンプ（図示せず）によってエンジンの周囲に吸排（ポンピング）され、ポンプの吐出圧力は調整されるが、限定範囲で、エンジン速度と潤滑剤温度に応じても調整される。
遠心分離機１０は、支持構造体形態のハウジング１１を含み、該ハウジングは、ポンピングされる潤滑剤を供給ダクト１３で受け、排出ダクト１４を通じてエンジンサンプへ戻されるようにエンジンに接続されており、これによって、ポンピングされる潤滑剤を使用するエンジン構成部材がバイパスされる。支持構造物１２には、事実上垂直に延在するスピンドル形式の軸部材１６が固定されており、該軸部材は、供給ダクト１３の少なくとも一部にわたって延在するとともに、その下端が供給ダクト１３に接続された通路１７を有する。ハウジング１１は、垂直方向に分離可能な部分１８₁および１８₂から成り、スピンドルの上端１６₁が、ハウジング部分１８₁に取外し可能に密封固定されたハウジング部分１８₂に対して互いに固定し合う関係になっている。
ロータ２０は、スピンドル１６を中心として回転するようにハウジング内に装架されている。ロータは、事実上従来型であり、折曲げシーム２３位置で結合されたプレス鋼板部材２１、２２により形成された容器を含む。部材２１は周壁２４を有し、該周壁は、ロータの一端で半径方向内方へ開口２５の位置まで延在している。部材２２は、事実上半径方向に延在する基部を形成しており、該基部には、１対の接線方向ジェット反動ノズルを有する凹部２６、２７が設けられている。該図では、符号２８が一方のノズルのみを指示している。基部部材は、ロータの長手方向軸線上で開口２５と整合する開口２９を有している。
軸線方向で間隔を置いた開口２５、２９の間で、これら開口を貫通して中空部材３０が延在している。該中空部材は、容器部材に対してスエージング加工され、端壁に対するスペーサとして、また軸受けブッシュ３１、３２の差込み口として働く。該軸受けブッシュは、スピンドル１６を中心として回転するロータを支承し、したがってロータの長手方向軸線はロータ回転軸線と同義である。
スピンドル内の通路１７は、スペーサ内に開いており、スペーサは、符号３３位置で開口し、液体潤滑剤が供給圧で回転軸から容器内に流入する。したがって、スペーサ３０は、容器に対して半径方向内側壁部になっている。
容器内には、内部仕切り壁３５が、周壁のシーム２３位置から半径方向内方へ延在し、容器を、分離室３６（この分離室内で液体潤滑剤から汚染物が分離される）と、反動ノズル２８その他と連通している流出室３７とに分割している。仕切り壁の半径方向内方の周縁３８は、分離室３６と流出室３７との間の移動開口３９を作っている。仕切り壁３５は、半径方向内方へ延在しているが、また回転軸線に対し鋭角をなして傾斜し、正面図で見て円錐台形状である。この構成は、半径方向外側周壁内に集まる傾向のある固形汚染物が流出室内に降下して反動ノズルが詰まったり、潤滑剤サンプへ戻る危険性を阻止するために役立つ。この目的のため、前記傾斜仕切り壁は、分離円錐と呼ばれることが多い。
スピンドルの上部１６₁は、下部１６₂より直径が小さい。その結果、スペーサ３０内で潤滑剤圧力にさらされるブッシュ３１、３２の端部には、前記直径に関連する力が作用する。かくして、作動時に、上ブッシュ３２には、より大きな力が上方へ作用し、該力は、ロータ重量に抗してロータを揚動させる傾向を有し、その揚動量は瞬間供給圧に依存する。供給圧で誘発される揚動が、ロータ重量を超えるほどに供給圧が大きければ、ロータが移動してハウジング部分１８₂に接触する。これに適応するために、圧力揚動型スラスト軸受けが、ブッシュ３２の、事実上半径方向に延在するフランジ３２₁と、ハウジング部分に固定された静止ブッシュ５０とによって形成されている。
このように以上説明したロータは、実質的には従来型である。
ロータの重量は、前記圧力で誘発される揚動に負ける場合を除き、重力スラスト軸受け装置によって支承される。従来型では、この重力スラスト軸受け装置は、圧力揚動型スラスト軸受けに似ており、言い換えると、ブッシュ３１の下端に半径方向に延在するフランジ面と、支持構造体の上端１２₁とから成っている。
しかし、本発明の場合、重力スラスト軸受け装置４０は、スピンドルの下部１６₂とブッシュ３１とを有する。スピンドルの下部１６₂は、大径下部領域４１から小径された上部領域４２までテーパ付与され、テーパ領域４３はゆるやかなテーパを有し、言い換えると大きい夾角（included angle）を有する。
ブッシュ３１は、内面に対応テーパを有し、スピンドルの上部領域４１とテーパ領域４３の双方を包囲している。
したがって、テーパ領域は、圧力に誘発される揚動で重量が供給圧に負けるレベル未満になる休止時に、ロータ重量を支えるスラスト軸受けを形成する。
しかし、エンジンが停止して、通常の潤滑剤供給圧力が失われ、ブッシュとスピンドルの間の既述の間隙が潤滑油による半径方向剛性を失うと、ロータは、その重量によってテーパ付き重力スラスト軸受けに着座しようとし、テーパ面が、スピンドルとの関係でブッシュを心合わせするように働き、言い換えると、軸受け間隙による振動を軽減する効果的な半径方向剛性を再形成する。
テーパ度と形状は、ブッシュが軸線方向でテーパ領域の両側に延在する場合、テーパがクサビ効果を生じないよう十分に緩やかにすると、振動を生じやすい。
また、重力スラスト軸受けは、図２の遠心分離機１０′において符号４０′で示すように、上ブッシュで形成してもよく、その場合には、変形例としてのブッシュ３２′と、協働するテーパおよびスピンドル下部を有するスピンドル１６₁′と、協働するテーパを有する下ブッシュ３１′とを設ける。
好ましくは、図３に示したように、遠心分離機１０″の場合、重力スラスト軸受け４０″が、下ブッシュ３１および上ブッシュ３２″内に、スピンドル端部とブッシュ孔が協働するテーパによって形成される。
単一の連続スピンドル１６の代わりに、軸部材が、ハウジングの各端部から出る軸頚（stub spindle）を有することもできる。その構成の場合には、上スピンドル部分が上ブッシュ内に垂直に挿入され、その逆ではないため、圧力揚動型スラスト軸受けは、下方の重力スラスト軸受けに似た協働テーパ面によって形成可能である。
また、圧力によって誘発される揚動と、これに対応する圧力揚動型スラスト軸受けとを省略して、ロータが重力スラスト軸受けと接触して正常に作動するようにしてもよい。

Claims (2)

1. ハウジング（１１）と、
   該ハウジングに沿って事実上垂直に延在し、かつ回転軸線を有する軸部材（１６）と、
   該軸部材の周囲を回転軸線を中心として回転可能なロータであって、前記軸部材を包囲してジャーナル軸受けを形成するブッシュ（３１，３２；３１，３２′；３２″）を、各端部に有するロータ（２０）とを含み、
   前記各ブッシュが、前記ロータに供給される潤滑剤にさらされることにより、潤滑剤が前記ブッシュと前記軸部材の間隙を通過でき、該間隙に膜を形成し、
   前記ブッシュ（３１，３２′；３１，３２″）の少なくとも１つが、少なくとも減速時にロータの重量を支持するように働き得る重力スラスト軸受け手段（４０；４０′；４０″）を形成する形式の遠心分離機（１０；１０′；１０″）において、
   前記重力スラスト軸受け手段（４０；４０′；４０″）が、大径下部領域（４１）から小径上部領域（４２）までテーパ付与された、前記軸部材の少なくとも一部分（４３）を含み、
   前記ブッシュが、前記テーパに適合するように前記一部分を包囲し、かつ、ジャーナル・スラスト軸受けを形成し、該ジャーナル・スラスト軸受けにより保持されたロータが、前記軸部材に対して心出しされ、かつ、半径方向および軸線方向で支持されるように構成され、
   さらに、潤滑剤圧力にさらされる上位の前記ブッシュ（３２）の下端部の内径が、下位の前記ブッシュ（３１）の上端部の内径よりも小さく、それにより通常の潤滑剤供給圧力が、前記重力スラスト軸受け手段の協働するテーパ面同士を互いに引き離すように働くことを特徴とする遠心分離機。
2. 前記重力スラスト軸受け手段（４０″）が、上下に位置する前記両ブッシュで形成されていることを特徴とする請求項１に記載された遠心分離機。

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