JP4699668B2 - ガス清浄方法及びガス清浄装置 - Google Patents
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Description
(技術分野)
この発明は、ガスより密度の高い固体又は液体粒子が浮遊するガスを遠心力により清浄化する方法と装置に関する。本発明は、更にクランクケースガスと呼ばれる内燃機関に発生する油又は煤の粒子を含むガスの清浄化に用いられる上述の方法と装置に関する。しかしこの方法と装置は他の用途にも用いることができる。
【0002】
更に詳しく述べると、本発明においては、清浄化されるガスは、固定されたハウジング内のチャンバ内に導入され、回転軸の周りに回転するロータによりチャンバ内で回転され、ガス中の粒子が遠心力によりガスから分離されてハウジングへ向けて放出されるようになっている。
【0003】
(背景技術)
このようなガスの清浄装置は、例えば、内燃機関のクランクケースガスの清浄化に関するドイツ特許DE3541204A1及びDE4311906A1に述べられている。
【0004】
DE3541204A1は、この種の装置であり、そのロータはタービン又はポンプホイールとして形成され、チャンバの下方から流入する清浄化されるガスによって回転させられるようになっている。このガスは、タービン又はポンプホイールの中をその中心から周辺へ向けて流れ、ホイールと同じ速度で回転しながらホイールから流出する。粒子は、チャンバ内で回転するガスから遠心力により分離され、清浄化されたガスはチャンバから、その上部の出口を経て流出する。ガスから分離された粒子はチャンバの周壁上に蓄積し、液滴は周壁に凝集して流下し、更にチャンバの底部に位置する出口を通り排出される。
【0005】
DE4311906A1は、同様なクランクケースガスの清浄化装置を示し、そのロータは、クランクケースからの加圧された潤滑油によって駆動されるようになっている。クランクケースガスはこの装置によって清浄化される。駆動用潤滑油はロータの中心へ供給され、ロータの回転軸から距離をおいて位置するロータに正切する方向の出口を通ってロータから流出する。このロータは、駆動潤滑油の清浄化用の装置を有する。清浄化された潤滑油はチャンバの下部へ放出され、この下部にはクランクガスが供給されて清浄化され、そして内燃機関の潤滑油システムへ返送される。クランクケースガスは、ロータとその周りの固定ハウジング間のチャンバ内に形成された狭い空間内を軸方向に通される。このスペース内で回転するガスから浮遊する粒子が除かれ、この粒子は固定ハウジングの内側に蓄積され、液滴は凝集して出口へ向って流れる。
【0006】
上述の二つのクランクケースガス清浄用の公知の装置は、流動するガスから粒子を分離する場合の効率は良くない。従って本発明は、上述のガスの清浄化、特にクランクケースガスの清浄化の効率が上述の方法より高い、ガスの清浄化の方法を提供することを目的としている。なお、ある公知の技術であって上述のクランクケースガスの清浄化方法以外のものが利用され改善されていることを述べておく。
【0007】
(発明の開示)
本発明は、冒頭に述べたとおり、ロータは、固定した周壁により形成されたチャンバ内において回転軸周りに回転し、このロータは、互いに共軸に積重ねられ、そして前記回転軸と同軸の円錐形のディスクを有し、これら分離ディスクが半径方向外方の周縁を有し、
清浄化されるガスは、分離ディスク間に形成された中間スペース内を、ロータの回転軸から異なる距離にあるガス入口からガス出口へ流動させられ、そのため、前記ガスがロータと共に回転し、粒子が、発生した遠心力により分離ディスクの内側に接触させられ、ロータの回転により分離された粒子は先ず、分離ディスクに接触してその母線に沿ってある距離前記周縁へ向けて移動し、そして前記周壁へ向けて分離ディスクから外方へ投げ出される。
【0008】
この種の技術は、例えば米国特許US−A−2,104,683とUS−A−3,234,716により公知である。これら特許の各仕様書には、円錐形分離ディスクの内側に接触させられた粒子が、どのように遠心力により分離ディスクの周縁に向って移動させられるかが記載されている。
【0009】
US−A−2,104,683の記載によると次の通りである。図2を参照すると、分離ディスクの半径方向最外部の領域内の粒子は、概ね遠心力の影響のみをうけて、事実上分離ディスクの母線に沿って、すなわち、ロータの回転軸から引かれた半径に沿う直線路に沿って移動する。これに対して、分離ディスクの半径方向内側部の領域内の粒子は流動するガスの強い影響を受け、そのため、これらの直線路とある角度をなして移動する。流動ガスは、普通ディスク間を自由に移動し、ガスがディスク間に入るときの速度によって流れの方向が変り、そして、回転するディスクの影響を受ける。
【0010】
US−A−3,234,716は粒子が円錐形の分離ディスクの間でどのように分離されるかについて述べている(図3、4)。分離ディスクの内側に接触した後、分離された粒子は、ロータの回転軸からディスクの周縁に向けて半径方向外方へ移動する。
【0011】
これら従来技術を用いる場合の分離効率を上げるため、本発明の方法は下記の通りである。
【0012】
分離ディスク間に接触して概ねその母線に沿って移動する粒子は、同様な他の粒子と共に捕捉されて更にディスクの周縁に向って母線とある角度をなす経路に沿って移動し、そしてこの分離された粒子は、ディスクの周縁から限定されたスペース内にのみ投げ出される。
【0013】
本発明により得られる改善された点は、次の通りである。すなわち、一旦分離された粒子は、従来の技術を用いた場合に比べて、ガスから分離されて粒子がロータから固定された周壁へ至るまでに通過するスペース中で高速度のガスにより再び同伴されない確率が高いことである。すなわち、粒子は、案内手段すなわち誘導部材により集められ、更に遠心力により、ディスクの周縁へ向って案内される。その間、粒子は凝集されてより大きな粒子となる。凝集され比較的に大きくなった分離された粒子は、ディスクの周縁周りに分布する限定された領域内で固定された周壁に向って投げ出される。そして、そのような領域間には、分離されたディスク間の中間スペースを出入するガスが流れるようにスペースが設けられている。
【0014】
浄化されるガスは、ディスク間をロータの回転軸から離れる方向又は近付く方向へ流すことができるが、ガスの流れは回転軸から離れる方向であることが望ましく、これによりガスの流れがロータのポンプ効果により高められる。従って、ディスク間の中間スペースにガスを通すための補助手段は必要でない。浄化されるガスは、積層されたディスクの中心部分に形成された入口スペースを通ってディスクの中間スペース内に導入され、一方、浄化されたガスは、中間スペースからディスクの積層を取巻くチャンバ内の出口スペースへ導かれる。
【0015】
本発明は更に、粒子が浮遊するガスの清浄化装置に関する。この種の装置は、チャンバを区画し、チャンバのガス入口と出口を有する固定ハウジングと、回転軸の周りに回転可能であり、かつ、浄化されるガスをチャンバ内へ回転して供給するロータとを備える。本発明の装置は下記の特徴を有する。
【0016】
装置のロータは、互いに共軸に配列され、ロータの回転軸と同軸の円錐形の分離ディスクの積層体を備え、これらディスクが、ディスク間にガスを流すための中間スペースを形成しており、
少くとも第1流動スペースが、ディスク積層体の中心部に形成され、この流動スペースが、ディスク間の中間スペースの半径方向内方部分と連通しており、
少くとも第2流動スペースが、ディスクの積層体と固定ハウジング間に区画されており、この第2流動スペースがディスク間の中間スペースの半径方向外方部分に連通しており、
前記第1流動スペースが、ガス入口とガス出口の一方に連通し、他の流動スペースが、このガス入口とガス出口の他方に連通し、前記ガス清浄装置が、ガス入口からチャンバに供給されるほぼ全量のガスを分離ディスク間の中間スペースを経て案内し、そして、
円錐形分離ディスクの各々が、その内側において、細長の誘導部材に接触又は接続されており、各部材がディスクの母線とある角度をなして、ロータの回転軸から第1距離の点から、より大きい第2距離の点まで延び、各ディスクに対する誘導部材が、ディスクの周縁から見て互いに離隔している、ディスクの周縁付近まで延びている。
【0017】
分離ディスクは、完全な円錐か又は円錐台の形状を有し、各ディスクは、1箇の大径の孔又は数箇の小径の孔をその中心部に有し、浄化される又は浄化されたガスが流通するようになっている。ディスクのこのような孔は、中間スペースと共に、ディスク間に、1又は2以上の入口又は出口スペースを、ディスクの積層体の中心に形成している。前述の理由により、ディスクの積層体の中心部の流動スペースが入口と連通することと、ディスク周りの流動スペースがガス出口と連通していることにより、浄化されるガスが、ロータの回転軸から離れる方向に、ディスク間の中間スペースを通って流れることが望ましい。
【0018】
本発明の装置の運転においては、分離ディスクの表面に付着した液体粒子はより大きな液滴に凝集し、そしてこの液滴は前記誘導部材に到達して移動し更に大きな液滴になる。ディスクから離れるとき、この液滴は、従って、未浄化ガスに含まれる液滴より相当大きい。ディスクの表面に付着する固体粒子も積み上げられ又は固められて大きな粒になってディスクの外周縁から放出される。
【0019】
ディスクに接触した粒子は、次いでディスクの母線に沿って移動するので、前述の誘導部材は、ロータの回転軸の周りに分布して設けられ、そして、隣接する2箇の誘導部材が、ロータの回転軸から異なる距離にある点においてディスクの母線に交叉するような延長部分を有することが望ましい。このようにすることにより、ディスクに接触した全ての粒子が誘導部材に捕捉され、粒子がディスクの周縁へ向う途中誘導部材上で集合又は凝集してより大きな塊となる。
【0020】
誘導部材は、隣接する分離ディスク間の間隔部材としても用いることができる利点がある。そして、各誘導部材の延長部の一部又は全部が隣接するディスク間に橋渡しされ、そのため誘導部材はまた、ディスク間を流れるガスの流れ方向を多少とも決めることができる。誘導部材の全体又は一部は、隣接するディスクの軸方向距離の一部に亘ってのみ延びていてもよいが、誘導部材はしっかりと分離ディスクに固定されることが望ましい。
【0021】
ロータを囲む固定ハウジングは、好ましくは、汚染されたガスから分離されてチャンバの周壁に積った液又はスラッジ用の出口をチャンバの下部に有する。
【0022】
本発明の装置においては、ロータは適当な種類の駆動装置、すなわち、電気的および油圧又は空気圧駆動の原動機により駆動される。
【0023】
(発明を実施するための最良の形態)
本発明を詳細に説明するために添付の図に従って述べる。図1は本発明の装置の縦断面を示し、図2は図1のII−II線に沿った断面を表わす。
【0024】
図1は装置の縦断面を示し、本装置は、ガスより高い密度の粒子が浮遊するガスの清浄化を目的とするものである。この装置は、チャンバ2を形成する固定ハウジング1を備えている。ハウジング1には、浄化されるガス用のチャンバ2へのガス入口3と、浄化されたガス用のチャンバ2からのガス出口4が形成されている。ハウジング1には更にガスから分離された粒子用の、チャンバ2からの粒子出口5が形成されている。
【0025】
ハウジング1は、ねじ6により結合された2部分からなる。これらねじ6は又、支持部材7にハウジングを固定する。支持部材7は、弾性材料からなり、ハウジングはサポート(不図示)上に支持される。
【0026】
チャンバ2内には、縦回転軸R周りに回転可能のロータ8が設けられている。モータ9、例えば電動機がロータ8を回転するために設けられている。ロータ8は垂直に延びる中心スピンドルを有し、その上端は軸受11と軸受ホルダ12とを介してハウジング1内に支持され、その下端は軸受13と軸受ホルダ14を介してハウジング1内に支持されている。軸受ホルダ14は、ハウジングのガス入口3内に位置するので、浄化される流入ガス用の貫通孔15を備えている。
【0027】
ロータ8は更に、上端壁16と下端壁17とを有し、これら2個の端壁は中心スピンドル10に接続されている。端壁17の中央部分には貫通孔18が形成され、ロータの内部はガス入口3に連通している。その上、端壁17には環状フランジ19が備えられ、軸受ホルダ14の環状フランジ20と協同するようになっており、ガス入口3に入ったガスが孔18を経てロータ8の内部へ導入される。フランジ19,20は互いに気密に保つことができるが、完全な気密は必ずしも必要ではない。その理由は後に述べる。
【0028】
下端壁17は、この壁17から軸方向上方へ延びる中空の柱21と一体に形成され、中心スピンドル10を気密に包囲している。柱21は、上端壁16まで上方へ延びている。柱21内では、中心スピンドル10は筒状、好ましくは、コスト上、円筒形であり、そして、柱21の内側はスピンドルの外側と同様に形成される。柱21の外側は図2に示すように、非円形の断面を有する。
【0029】
円錐形の分離ディスクの積重ね体22は、端壁16,17の間に配列されている。分離ディスクは、それぞれ、円錐台部と、これと一体で柱21に近接した平面部23とを有する。平面部は、図2に示すように、非円形柱21に係合してディスクがこの柱21に対して回転しないようになっている。更に、平面部23は数個の貫通孔24を備えている。このディスクの孔24が互いに軸方向に揃っているか否かに拘らず、これらの孔は、ディスク22の中心部分の間の中間スペースと共にロータ8(図1)の中に中央入口スペース25を形成する。このスペース25はガス入口3に連通している。
【0030】
明確にするため、図は大きな軸方向の中間スペースを有する少数個のディスクしか示していないが、実際は、更に数個のディスクが端壁16,17間に配列され、ディスクの間には比較的薄い中間スペースが形成されている。
【0031】
図2は、図1のディスクの上面側を示し、以下、このディスクの上面側をディスクの内側と呼ぶ。それは、この面がロータの回転軸に対して内方に向っているからである。図示のように、ディスクの内側には数個の細長のリブ26が設けられ、ディスク間に間隔部材を形成し、隣接するディスクがその上に位置するようになっている。2個のディスク間の中間スペース内には、隣接するリブ26の間に浄化されるガス用の流路27が形成されている。図2において、リブ26は曲線に沿って延びて、少くともディスク半径方向外側の外周部において、ディスクの母線に対してある角度を形成している。この曲線状のリブ26のために、浄化されるガスの流路27は、リブの形状に相当する曲線に沿って延びている。リブ26は、各ディスクの円錐状部分の全体に亘ってディスクの外周付近まで延びていることが望ましい。
【0032】
環状スペース28がハウジング1内でロータ8を包囲してチャンバ2の1部分を形成している。
【0033】
上述の装置は、図に示すように、浄化されるガスに、ガスの密度より高い密度の粒子が浮遊しているとき、次のように機能する。この場合、粒子は2種類の、すなわち、一部は固体、例えば煤の粒子、一部は液体の粒子、例えば油の粒子であると仮定する。
【0034】
ロータ8はモータ9により回転される。粒子により汚染されたガスがハウジング1内へ下方から入口3を経て供給され、更に中心入口スペース25内へ導入される。此処からガスはディスク22の間の中間スペース内へ、半径方向外側へ向って流入する。
【0035】
ガスがディスク22間を流れているとき、ガスはロータの回転により回転させられる。このため、ガス中に含まれる粒子は遠心力により強制的にディスクの内側、すなわち図1に示す上方に向く側に向って移動させられて、ディスクの内側に接触する。粒子はディスクに接触すると、このディスクに引っ張られ、次いで遠心力によりディスクの母線に沿って半径方向外方へ移動させられる。この粒子の移動は図2の矢印により示される。
【0036】
リブ26は、ディスクの母線とある角度を形成しているので、リブはディスクに接触して移動する粒子を捕捉して、ディスクの周縁に向って移動させる。捕捉された粒子は更にリブ26に沿って移動される。従ってリブ26は粒子に対して案内部材として機能することになる。
【0037】
分離された液体粒子は、ディスク22に接触して移動中に凝集してより大きな粒子となる。更に、この凝集は液体粒子がリブに沿って更にその外周縁へ移動すると生じる。この後者の移動は、遠心力によっても生じる。液体粒子がディスクの外周縁に到達したときは、その凝集は、液が比較的大きな液滴になって、ロータから放出される程に進んでいる。これら液滴はハウジング1の周壁に衝突してこの周壁に沿って流下し、粒子出口5を経て排出される。
【0038】
この液滴は分離ディスクから、ディスクの外周縁に沿って、距離をおいた限られた領域、すなわちリブ26の半径方向外端の領域へ排出される。
【0039】
固体粒子について述べると、固体粒子はディスク22に接触してリブ26へ向って移動し、更に、これらリブに接触してディスクの半径方向最外方縁部に向って移動する。固体粒子は液体粒子と共にロータからハウジング1の周壁へ向って放出され、そこで流下する液に伴われて粒子出口5から排出される。
【0040】
図2から判るように、リブ26は同一のディスク上の2個の隣接するリブが、ディスクの母線と、ロータの回転軸から異なる距離において、交わるような位置と延長部を持っている。換言すれば、回転軸周りに分布されたリブ26は、もしリブを回転軸側から見ると、互いに部分的に重なりあっている。このような重なりによって、程度に大小があろうが、ディスクの下側に接触させられた粒子の殆ど全部が、曲線状のリブにより捕捉され、そして、リブによって更にディスクの外周縁へ向って移動させられる。
【0041】
曲線形のリブ26の上述の機能は、ロータの選定された回転方向とは拘わりなく得ることができる。リブは図2のように湾曲させることは必ずしも必要ではない。主要なことは、リブがディスクの母線に対して角度を持ち、そしてこの角度が、リブにより捕捉された粒子が、ディスクの周縁に向ってリブに沿って案内されることである。固体粒子に関しては、粒子の安息角について個々の場合に応じて考慮しなければならない。
【0042】
隣接する分離ディスク間の中間スペースのそれぞれにおいて、粒子が分離されたガスは、前述の領域間のスペースを経て中間スペースから排出され、分離された粒子は分離ディスクから固定ハウジングへ向けて放出される。この清浄化されたガスは、チャンバ2から出口4を経て排出される。ロータの回転のため、ディスク22間の中間スペースを流れるガスの圧力が上昇する。そのため、ロータ8周りのスペース28とガス出口4内の圧力が、中心スペース25とガス入口3内の圧力より高くなる。このことは、フランジ19と20間の漏れは、あったとしても事実上重要でないことを意味する。従って清浄化されていないガスは、ガス入口3から出口4へ、フランジ19,20間を通って流れず、清浄化されたガスの一部が中心スペース25内を逆流することになる。
【0043】
上述のように、分離ディスク上で、特にスペース部材26の近くで、粒子が集合又は凝集するために、ガスから分離された固体又は液体は、凝集粒子又は液滴となって大きくなるので、分離ディスクから離れるとき、スペース28を通るガスの流れに伴われてハウジング1から排出されることは殆どない。
【0044】
上述のとおり、本ガス清浄機は、高い分離効率を有し、部品ごとに材質を選定することにより低コストで製作することができる。そのため、部品の多くはプラスチックスで作ることができ、ねじや軸受は別として、中心スピンドル10のみは金属製とすべきである。
【0045】
ロータの下端壁17と柱21はプラスチックスの一体構造にするとよい。ロータの部品はこのようにして作り、それは分離ディスクの自動取付けのベースになる。このディスクもプラスチックス製にする。このようにして組立てたロータ全体は、スピンドル10は別としても、分離機の完成品に対する低コストのユニットを形成し、このユニットは簡単に交換できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明にかかるガス清浄装置の縦断面を示す図である。
【図2】 図1のII−II線に沿う断面を示す図である。
Claims (9)
- ガスより密度の高い固体又は液体の粒子が浮遊するガスを清浄化するガス清浄方法であって、
ロータ(8)が、固定周壁(1)により形成されたチャンバ(2)内において、回転軸(R)周りに回転しており、前記ロータ(8)が、互いに共軸に、かつ前記回転軸と同心に配列され、そして各々半径方向外周縁を有する円錐形分離ディスク(22)の積層体からなり、
前記清浄化されるガスが、前記分離ディスク(22)間を、前記ロータ(8)の回転軸(R)から異なる距離に位置するガス入口からガス出口まで案内され、ガスがロータと共に回転し、このため前記粒子が、生じた遠心力により分離ディスク(22)の内側に接触し、そして
前記ロータの回転により分離された粒子は、先ず、分離ディスク(22)に接触したままその母線に沿って前記ディスクの外周縁へ向けて移動し、そして、前記固定周壁(1)へ向って分離ディスク(22)から放出される、ガスの清浄方法において、
概ね分離ディスク(22)の母線に沿って分離ディスク(22)に接触して移動する分離された粒子が、同様に捕捉された他の粒子と共に捕捉されて更に分離ディスク(22)の外周縁に向って前記母線と角度をなす経路に沿って導かれ、そして前記分離された粒子が、前記経路からはなれて、前記分離ディスク(22)から、その外周縁に沿って距離を置いた限られた領域内に放出される、ことを特徴とするガス清浄方法。 - 清浄化されるガスが、分離ディスク間に、回転軸(R)の方向から分離ディスク(22)の外周縁の方向に向って導入される請求項1記載のガス清浄方法。
- 清浄化されるガスが、分離ディスク(22)の積層体内の中心入口スペース(25)内へ導入され、次いで分離ディスク(22)間の中間スペース内を導かれて清浄化され、そののち、この清浄化されたガスが、チャンバ(2)から分離ディスク(22)の積層体と固定周壁(1)間に形成された出口スペース(28)に連通するガス出口(4)を通って排出される請求項2記載のガス清浄方法。
- 清浄化されるガスが、分離ディスク(22)間の中間スペースを通過中に、隣接する分離ディスク間に中間スペースを形成するリブ(26)によってロータの回転作用を受ける請求項1〜3のいずれか1項に記載のガス清浄方法。
- ガスが、分離された粒子の移動経路にほぼ平行な流路(27)に沿って分離ディスク(22)間を案内される請求項1〜4のいずれか1項に記載のガス清浄方法。
- ガスより密度の高い固体又は液体が浮遊するガスを清浄化するガス清浄装置であって、前記ガス清浄装置が、チャンバ(2)を形成し、かつ、前記チャンバのガス入口(3)とガス出口(4)とを有する固定ハウジング(1)と、回転軸(R)周りに回転可能であり、前記チャンバ(2)内においてガスを回転により清浄化するロータ(8)とを備え、前記ロータ(8)が、互いに共軸に、かつ、前記回転軸(R)に同心に配列された円錐形分離ディスク(22)の積層体を備え、前記分離ディスク(22)が、相互間に、ガス流用の中間スペースを形成し、少くとも第1流動スペース(25)が分離ディスク(22)の積層体中心部に形成されて分離ディスク(22)間の中間スペースの半径方向内方部に連通し、少くとも第2流動スペース(28)が、分離ディスク積層体と固定ハウジング(1)の間に形成されて、分離ディスク(22)間の中間スペースの半径方向外方部に連通し、そして前記第1流動スペース(25)が前記ガス入口(3)とガス出口(4)の一方に連通し、第2流動スペース(28)が、これらガス入口(3)とガス出口(4)の他方に連通し、前記ガス清浄装置が、更に、前記チャンバ(2)のガス入口から供給されるほぼ全ガスを分離ディスク間の中間スペース内を誘導するように形成されている、ガス清浄装置において、各分離ディスク(22)の内側が細長の案内部材(26)に接触又は接続されており、各分離ディスク(22)が、ロータの回転軸(R)から第1距離だけはなれた点から、回転軸(R)からより長い第2距離だけはなれた点まで、前記分離ディスクの母線と一定の角度をなして延びており、各分離ディスク(22)の案内部材(26)が、ディスクの外周縁から見て互いに間隔を置いた分離ディスクの外周縁まで延びている、ことを特徴とするガス清浄装置。
- 案内部材(26)がロータの回転軸の周りに配置され、かつ、隣接する2個の案内部材(26)がロータの回転軸(R)から異なる距離にある点において分離ディスクの母線に交叉する請求項6記載のガス清浄装置。
- 案内部材(26)が、互いに間隔を置いた分離ディスク(22)間のスペースを挟んで結んで設けられている請求項6又は7に記載のガス清浄装置。
- 第1流動スペース(25)がガス入口(3)に連通し、他の流動スペース(28)がガス出口(4)に連通する請求項6〜8のいずれか1項に記載のガス清浄装置。
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