JP4435696B2 - 液圧による速度差決定を行う遠心分離機 - Google Patents

Description

回転して搭載されるボウルと、その中に同心で回転して搭載され、ある速度差をもって回転するスクロールとを備え、そのボウルとスクロールが、中心の外部に静止して配置されるモータアセンブリによって動力が与えられ、かつ、その間に介在され、そこでは、前記液圧モータは、前記速度差を制御可能に規定するギアボックスとして配備されるとともに、一方にケーシング、他方にロータを有する液圧モータの液のフィードがフィードポンプによって行われる遠心分離機に関する。

前記した種類の遠心分離機は、速度差をもって回転する２部品間にギアボックスが介在され、その２部品は、ここに主として意図されるデカンタ型遠心分離機においては、ボウルおよびスクロールと称される。特に関係するものは、固体のボウルとスクロールとを有する遠心分離機であり、またスクリーンボウルとフルプールのデカンタでもある。同様に関係するものは、供給される固体／液体の混合フェーズの数と特性であり、また遠心力によって互いから分離されるサスペンションとして称されるものである。これらの遠心分離機は、２フェーズの固体／液体の分離に対して提供され得るだけでなく、複数の液体または固体のフェーズに関係するマルチフェーズの分離に対しても提供され得る。分離は、遠心力によって分離されるべき、その複数のフェーズの特定の重量の違いに起因して生ずる。この種の遠心分離機は、広範囲に先行技術に属するものである。

分離かつ静止したモータアセンブリ（駆動モータとギアボックス）によって異なる速度で回転する遠心分離機の２部品に対して動力を与えることは、基本的に可能である。しかし、通常それが当てはまるのは、１つの静止した駆動モータアセンブリが２部品の一方、好ましくはボウルを動作させるために設けられ、その動作による回転運動が２部品間の速度差を規定するギアボックスによって得られる場合である。この構成において重要なのは、原則として、２部品間で伝達されるトルクが特に高いことである。介在されるギアボックスは、このような高いトルクを扱うために適している必要がある。従来、この介在されるギアボックスのために高性能な遊星ギアボックスが提供されたが、それは、固定の変換比で動作するのみであり、その結果として、多くのレギュレーションの要求のため、および、処理すべき対応するサスペンションへの適用のために要するであろう、速度差の変化を考慮することができない。
そのように介在されるギアボックスを実現するもう１つの可能性は、作動液(hydraulic fluid)のフローを速度に関してその大きさ決定する際の容易さのために、制御することが容易な液圧モータである。制御によって速度差を可変にできることは、特に好都合である。なぜなら、処理すべき特有のサスペンション次第では、分離が試行錯誤によって容易に最適化され得るためである。この観点では、時間単位ごとのサスペンションのフロー、特にその濃度(consistency)が均一でなく、開ループおよび閉ループ制御の組合せを必要とすることが考慮される必要がある。このことは、たとえば、サスペンションのパラメータが一定でない固体フェーズ等においては、蓄積物によって填塞した状態（plugged）になるという、装置の追加のリスクをもたらす慮がある。そのような蓄積物は、スクロールのトルクの増加によって示されるが、速度差の増加によって、填塞（plugging）のリスクを和らげる際に取り出される固体物の増加が達成される。
また、特に問題なのは、中心にあって外部のモータ駆動アセンブリが停止しているときに、静止したボウルがそこに沈殿された固体から自由ではなくなる可能性があることである。介在されたギアボックスが変動速度、高トルク、低速走行、同時回転する液圧モータによって得られる遠心分離機の例は、フランス特許５４２ ６５９号、フランス特許６９ ４２ １８９号、および、米国特許３，９２３，２４１号に記載される。ボウルとスクロール間に介在された液圧モータに供給するために必要なものは、外部に静止して配置されたポンプアセンブリであり、このことは上記した先行技術から明らかである。なぜなら液圧モータに供給する作動液のフローは、静止したフィード回路から回転する遠心分離システムに対して伝達される必要があるからである。これは、たとえばスリップリング／ブラシによって電気モータと類似した、いわゆるロータリーフィードスルーという手段によって達成される。高容積から得られる、高圧下での十分な量の作動液のフィードフローのために、ロータリーフィードスルーは、フローと圧力の双方に関して高い要求にさらされ、それによって、この問題のあるコンポーネントに関係があるサイズの問題、その他特に、液漏れの問題が主要な困難性をもたらすのである。
したがって、同時回転する液圧モータは、低重量設計、良好な閉ループ制御やレギュレーション、長持ちする動作に関する顕著な複数の利点を兼ね備えるものの、従来から必要とされるロータリーフィードスルーが欠点となっている。

したがって、本発明は、同時回転し、制御可能なギア接続として液圧モータと、液漏れの損失を抑制するに当たって、大きさと複雑な構成に関するロータリーフィードスルーへの要求を少なくしたフィードポンプとを備えた、前記した類の遠心分離機を提供することを目的とする。

この目的が本発明に従って達成されるのは、少なくともフィードポンプが、液圧モータに液を供給（フィード）するために、同時回転するようにその液圧モータに対して配備され、そのフィードポンプのロータが同時回転しないように、回転する遠心分離部分の外部に支持される（支持レバー）という点、さらには、液圧モータに対してフィードポンプによって供給される液量またはフローの変化が、液圧作動され、駆動と同時回転するために配置される調整部によってもたらされる点にある。

フィードポンプを従来の静止した位置から、液圧モータと同時回転させるために遠心分離機、すなわち、その回転部分へ移動させる一方で、他方では、開／閉ループ制御のために、同時回転する調整部を介してフィードポンプから液圧モータへ供給されるフローを変化させることは、従来よりも実質的に少ない作動液のフローを伝達すれば足りる低圧領域へ場所を移した、いわゆるロータリーフィードスルーをもたらす結果となる。このことは、より簡便かつ小型のロータリーフィードスルーを構成するだけでなく、この領域における液漏れ損失を低減することをも可能とする。
しかしながら、実質的により複雑でない構成のロータリーフィードスルーがさらに必要とされる。フィードポンプと液圧モータ間のフィード回路が不安定であるためである。フィードポンプと液圧モータの液漏れ損失は不可避であり、作動液自体は、温度による影響および負荷に起因して一定ではなく、その状態を整えること(conditioning)が必要となる。この目的のため、作動液のフローの一部が分岐され、排出回路を介して状態が整えられる。

液圧モータに対するフィードポンプは、好適には共用ケーシングの後半部分とともに収容され、ポンプロータの支持部は、外部に導かれ、好適には静止させられている。

さらに好適な実施の形態では、一定の容積を有するフィードポンプを備え、調整部はフロー制御バルブであり、不要なフィード液量を、液圧モータによってフローまたは液体回路の非加圧領域に戻すとともに、そのフロー制御器は、動作中の回路から分岐されるフローの液量を設定するか（２ウェイフロー制御）、または、前記液圧モータへ伝達されるフローの液量を直接調整するか（３ウェイフロー制御）のいずれかを行う。

さらなる好適な観点では、調整されたフローが流れる制御絞りは、リターン圧の適用によるか、または、比例ソレノイドをもって制御される。

可変容積を有する回転式（ロータリー）フィードポンプを備える場合、好適には、調整部は、バルブ（サーボ部）であって、液圧作動のシリンダまたはアクチュエータによって作動する。

他の実施形態では、サーボ部は直接比例ソレノイドを介して作動される。

また、他の実施形態または作動の変形態様では、サーボ部は、チャージポンプのチャージ圧を介して直接的または間接的に作動される。

駆動用の液体の状態を整えることを受け持つ排出回路の要素（冷却器および／またはフィルタ）は、好適には、液圧モータ及びフィードポンプを含む回転系の外部に配置される。しかしながら、その要素は、回転部分にもまとめられて存在し得る。

さらなる好適な実施形態では、チャージポンプが同時回転するように配置される。

処理すべきサスペンションの機能または意図した分離結果の機能として、ボウルとスクロール間に特定の速度差を設定することを別として、ある特定の動作モードを安定化するための閉ループ制御（調整）に対して検討が必要であってもよい。特に、変動するサスペンションの濃度(consistency)、不規則な固体のフィードなどスクロールにおけるトルク要求を変化させるものすべてに対してである。そのようなトルクの関係を検出するためには、他の好適な実施形態において、対応する閉ループおよび開ループ制御変数を利用し、遠心分離機の回転部分の外部にポンプのロータの支持力を検出する。

本発明は、以下の特筆すべき利点を達成している。
すなわち、
・分離したポンプアセンブリが必要ない点、
・単に１つの電気モータしか要しない点、
・装置はモータ動力の使用が少なく、スクロールの過負荷と生成物(product)の供給停止時には、電気モータは、スクロールを駆動するためにより大きな動力を供給することが可能である点、
・動力の供給停止時に、スクロール駆動の動作がボウルの停止に至るまで保証される点、
・軽量およびコンパクトな構成である点、
・ボトルネックがない短い導管路によって、および、ロータリーフィードスルーにおけるフロー損失の除去によって、全体の効率が改善される点、
である。
このエネルギーの節約の観点は、特にフランス特許６９ ４２ １８９号、および、米国特許３，９２３，２４１号に関係するシステムとは対照的に優れている。

図１を参照すると、そこには、ベアリング２および３上を回転し、モータ４による動力が与えられるボウル１を装置が主として備える態様が図解されている。そのボウルと同軸に配置されるのはスクロール５であって、スクロールドライブ６によってボウルに対してわずかに異なる速度で走行し、結果的に、スクロールがボウルに対して所定の速度差をもって回転する。フィード管７を経由して、生成物(product)または固体／液体の混合物は、スクロールのハブに供給され、ポート８を経由し、環状プールを形成するセパレータ空間へのアクセスを得る。その環状プールの水準(level)は、オーバーフロー堰９によって制限される。より重い沈殿物は、ボウルの壁上に堆積し、円錐部分を経由し、プールから、それが排出される排出ポート１０に至るまで、スクロールによって運ばれる。

図２を参照すると、そこには、概略的に１つの駆動装置が図解されている。マルチストロークのラジアルピストン装置が高トルク用液圧モータ１２の一例として示されている。ボウルに接続されるラジアルピストン装置のケーシング１２ｂにおいて、ロータ１２ｃは、ピストン１２ｄに対してラジアル配置された状態で回転し、ピストン１２ｄは、フォロワー（ローラー）１２ｅを介して、カムプレート１２ａにおいて接線方向の力を生成する。
動作中の液室(chamber)は択一的に分配器１２ｆ経由で作動液を受け、その作動液（hydraulic fluid）は、交替で、ポンプ１１によって供給される。ポンプ１１のロータシャフト１３は、ロータシャフト１３のトルクを支持する（静止した）レバーアーム１５に固定される。スクロールシャフト１４は、非回転の状態でロータ１２ｃに挿入されている。したがって、関係するものは、ブロック回路図によって基本的に図解された閉循環における、回転する流体静力学のギアボックスである。そのようなギアボックスは、循環内の液体の一部（１５〜２５％）が戻される前に冷却およびフィルタリング（排出）のために連続的に吐き出される（drawn off）連続的動作に対してのみに適しているであろう。排出回路は、システムの低圧側に配置され、これにより、ポンプの型式に応じて、（特に高速時に）ポンプの吸引領域においてキャビテーションが発生しないように最小バイアス圧がしばしば設けられる。

図３を参照すると、そこには、排出油回路を含む、そのような駆動システムが図解されている。主要な駆動源は、スクロール駆動ポンプ２３（図示しない）を含む、全体としての回転系に動力を与えるモータ２２である。ポンプ２３の吸引端部では、排出油は、冷却器２５付近のフィルタ２４を通じて、さらにはバイアスバルブ２８を介して、タンク２７へ伝達され、向けられる。排出ポンプ２６は新鮮な状態の油をタンク２７から吸引し、タンク２７は液圧モータ２１からのリターンフローにおいて液の供給を受ける。タンクに対する液漏れ路（破線）は排出回路から分離している。

さらに図３を参照すると、象徴的に図解されているのは、回転のために、液圧モータ用のフィードポンプが、どのようにして−好適には共通のケーシングに−配備されるかということだけでなく、フィードポンプにより液圧モータへ伝達される液体フローの開／閉ループ制御についても図解されており、これによって、液圧モータが調整可能な可変速度をもって動作可能となっており、それゆえ、たとえば、デカンタがボウルとスクロール間における調整可能な可変の速度差をもって動作可能となっている。このことは、液圧モータ２１と、同時回転するフィードポンプ４１との間に示される、制御可能な絞り(aperture)によって象徴的に図３に記載されている。ロータリーフィードスルー４４を介して、動作中の液体は、基本的に、冷却および／またはフィルタ手段２４，２５を通してタンク２７から吐き出され（drawn off）、タンクに戻される。その逆も同様である。

図４を参照すると、そこには、絞り４０と組み合わされ、液圧モータ２１に必要とされない作動液を非加圧領域へ分岐させる、制御されるフロー制御バルブ４２の詳細における実施形態が図解されている（２ウェイフロー制御）。一方、図５は、ポンプ４１と液圧モータ２１間のフィード回路において閉ループ制御された絞りの構成を示す（３ウェイフロー制御）。

図６を参照すると、そこには、液圧モータ２１のリターンフロー領域に挿入される絞り４０、動作シーケンスを制御するフロー制御バルブ４３が図解される。図６と比較して図７および８から明らかなように、フロー制御バルブ４２および４３の絞り４０は、それぞれ、回転系の外部に設けてもよい。

図９および１０を参照すると、そこには、それぞれ、比例磁石またはソレノイド３６が、絞り４０を含む同時回転のバルブシステム４３を制御するためにどのように使用されるか、回転系の外部のバルブ４６によって決定されたリターン圧の助力をもって制御フローが流れる絞り３７がどのように制御されるかについて図解されている。

留意すべきことであるが、図５に関して実施形態の複数の例が示されており、そこでは、フィードポンプは、可変容積と、その目的のために設けられた２つの対向シリンダ（アクチュエータ）２９および３０とを備えている。小径シリンダ（アクチュエータ）３０は、フィードポンプ２３の動作圧を受け、スプリングアシストがなされている。大径シリンダ（アクチュエータ）２９は、サーボスライドゲートまたはバルブ３１を介して作動し、その右側ではスプリングが動作し、その圧縮力は、シリンダ（アクチュエータ）２９による効果が増大するに伴って、左へと増加する（リターン行程）。サーボスライドバルブ３１に圧力をかけることは、サーボスライドバルブ３１における力が等しくなるまで、シリンダ（アクチュエータ）２９を変位させる（対抗圧力のスプリング、図１３）。このように、シリンダ（アクチュエータ）変位は、サーボスライドバルブ３１に加えられる圧力に対応する。

図１３を参照すると、そこには、サーボ部３１がどのように比例磁石またはソレノイドを介して直接制御されるかについて図解されている。しかしながら、サーボ部３１は、チャージポンプ２６のチャージ圧を介して直接的または間接的にも動作されてよい（バルブ２８参照）。

図面に記載されていないが、作動液の状態を整える冷却器２５およびフィルタ２４は、回転系の内部にも設けることができる。しかしながら、一般的に、示された例の実施形態によれば、冷却器２５およびフィルタ２４は、静止したタンク２７と類似して設けられ、それゆえ、ロータリーフィードスルー４４を介して回転系から分離される。

図１６を参照すると、そこには、さらなる例の実施形態が図解され、液圧モータ２１と、それぞれフィードフローの開／閉ループ制御を備えたフィードポンプ２３および４１とを有する回転系の中に、チャージポンプ２６も含まれる。

固体のボウル、スクロール型の遠心分離機の基本的な説明図である。 遠心分離機の回転部分の領域において本発明に係る配置の液圧モータ／フィードポンプアセンブリの概略図である。 図２に示した構成の液圧回路図である。 図２に示した本発明に係る配置の一般化された液圧回路図であって、装置の回転部分において液圧モータとフィードポンプとが配置される手段によって、フローの開／閉ループ制御がどのように達成されるかを示す図である。 フロー回路の非加圧部分においてフローにおける不要なフィード用液体、若しくは、フィードポンプから分岐される液体量を排出するか、または、液圧モータによって伝達されるフィードフローの閉ループ制御によって直接的に行われる、フローの閉ループ制御の例である。 フロー回路の非加圧部分においてフローにおける不要なフィード用液体、若しくは、フィードポンプから分岐される液体量を排出するか、または、液圧モータによって伝達されるフィードフローの閉ループ制御によって直接的に行われる、フローの閉ループ制御の例である。 フロー制御器の制御絞りをどのようにして回転系上および非回転系上の双方に設けることができるかを示す回路図である。 フロー制御器の制御絞りをどのようにして回転系上および非回転系上の双方に設けることができるかを示す回路図である。 フロー制御器の制御絞りをどのようにして回転系上および非回転系上の双方に設けることができるかを示す回路図である。 調整されたフローが流れるフロー制御器の制御絞りが、リターン圧若しくは比例磁石の助力によって作動される実施形態を示す。 調整されたフローが流れるフロー制御器の制御絞りが、リターン圧若しくは比例磁石の助力によって作動される実施形態を示す。 調整部がバルブ作動の液圧シリンダを有する例示的な実施形態を示す。 調整部がバルブ作動の液圧シリンダを有する例示的な実施形態を示し、サーボ部がチャージポンプのチャージ圧を介して直接的または間接的に作動する、上述した一連の例である。 調整部がバルブ作動の液圧シリンダを有する例示的な実施形態を示し、サーボ部が比例磁石を介して直接的に作動される、上述した一連の例に基づく一実施形態である。 調整部がバルブ作動の液圧シリンダを有する例示的な実施形態を示し、サーボ部がチャージポンプのチャージ圧を介して直接的または間接的に動作する、上述した一連の例である。 調整部がバルブ作動の液圧シリンダを有する例示的な実施形態を示し、サーボ部がチャージポンプのチャージ圧を介して直接的または間接的に動作する、上述した一連の例である。 調整部がバルブ作動の液圧シリンダを有する例示的な実施形態を示し、一連の上述した例示的な実施形態において、回転系の外部に駆動用の液体の状態を整える要素の配置、フィードポンプの液圧モータと同時回転するチャージポンプの配置、フィードのための開／閉ループ制御を示す回路である。

Claims (9)

1. 回転して搭載されるボウル（１）と、
   前記ボウルと同心で回転するように搭載され、前記ボウルと所定の速度差をもって回転するスクロール（５）と、
   を備え、
   前記ボウル（１）と前記スクロール（５）は、前記速度差を制御する液圧モータ（１２、２１）によって動力が与えられ、
   前記液圧モータ（１２、２１）に対する作動液の供給がフィードポンプ（１１、２３、４１）によって行われる遠心分離機であって、
   前記液圧モータ（１２、２１）に対して、前記フィードポンプ（１１、２３、４１）が同時回転するように配備されるが、フィードポンプのロータシャフト（１３）は同時回転せずに外部に支持され、
   前記フィードポンプ（１１、２３、４１）によって前記液圧モータ（１２、２１）へ供給される前記作動液のフローの変化が、液圧モータ及びフィードポンプと同時回転するように配置される調整部（４２、４３、２９、３０）によってもたらされること
   を特徴とする遠心分離機。
2. 請求項１記載の遠心分離機であって、前記フィードポンプ（４１）は一定の容積を有し、
   前記調整部はフロー制御バルブ（４２、４３）であり、不要な作動液を、前記液圧モータ（１２、２１）によって液体回路の非加圧領域に戻すこと
   を特徴とする遠心分離機。
3. 請求項２記載の遠心分離機であって、
   前記フロー制御バルブの制御絞り（４０）は、前記液圧モータ及び前記フィードポンプを含む回転系の外部に設けられること
   を特徴とする遠心分離機。
4. 請求項２記載の遠心分離機であって、
   前記フロー制御バルブの制御絞り（３７）は、リターン圧（バルブ４６）によって制御されるか、または、比例磁石若しくはソレノイド（３６）によって作動されること
   を特徴とする遠心分離機。
5. 請求項１記載の遠心分離機であって、前記フィードポンプ（２３）は可変の容積を有し、
   前記調整部は、サーボ部（３１）を介して作動される、液圧作動のシリンダ（２９）であること
   を特徴とする遠心分離機。
6. 請求項５記載の遠心分離機であって、
   前記サーボ部（３１）は、比例磁石若しくはソレノイド（３６）を介して直接的に作動されること
   を特徴とする遠心分離機。
7. 請求項５記載の遠心分離機であって、
   前記サーボ部（３１）は、チャージポンプ（２６）のチャージ圧を介して直接的または間接的に作動されること
   を特徴とする遠心分離機。
8. 請求項１記載の遠心分離機であって、
   作動液の状態を整えるためのフィルタ（２４）及び冷却器（２５）が、前記液圧モータ及び前記フィードポンプを含む回転系の外部に設けられること
   を特徴とする遠心分離機。
9. 請求項７記載の遠心分離機であって、
   前記チャージポンプ（２６）が同時回転するように配置されること
   を特徴とする遠心分離機。

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