JP5087806B2 - 水平回転軸を有するロータを有する遠心分離機 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提部に記載されたスクリュー遠心分離機に関する。

欧州特許第０１０７４７０（Ｂ１）号明細書および米国特許第４５０４２６２号明細書には、ばね式に支持されたデカンタのドラム（フルケースのスクリュー遠心分離機）が開示されている。この場合、ばねは、回転軸に対して半径方向に整列された螺旋ばねの形態である。いずれの場合も、螺旋ばねを貫通する螺装ボルトによって、ドラムのベアリングのベアリングハウジングと支持リングとの間にばね式の支持体が設けられ、支持リングは、ベアリングハウジングに対して同心状に配設され、機械フレームに取り付けられるか、または機械フレームに接続される。これにより、システムの主要な共振周波数より高い動作回転速度を選択可能である。構造面では、ベアリングハウジングと、ベアリングハウジングを取り囲む支持リングとの間に、比較的小さな隙間があればよい。

国際公開第９４／０７６０５号パンフレットには、上記に引用した文献に類似しているが、ドラムの一方の軸端部しかばね式に支持されていない構造が開示されている。

独国特許出願公開第４３１５６９４（Ａ１）号明細書には、構造体を伝搬する音響伝達を低減するための装置を備えた長形の遠心分離機が開示されている。

独国特許出願公開第２６０６５８９（Ａ１）号明細書、独国特許出願公開第３１３４６３３（Ａ１）号明細書、および独国実用新案第６６０９０１１（Ｕ）号明細書には、物理的に短いドラムに適し、支持しないが、懸架するように構成されたベアリングが開示されている。

また、技術背景に関して、独国特許出願公開第２６３２５８６（Ａ１）号明細書、米国特許第２０９４０５８号明細書、同第４６４０７７０号明細書、および独国特許第７１１０９５（Ｃ）号明細書が引用される。

この従来技術と比較して、本発明の目的は、ドラムから、またはドラムとともにロータ全体から、良好なばね支持を、この一般的なタイプの遠心分離機に提供することである。特に、ロータの長さとロータの直径との比が２より大きい長形の構造に適するように意図されたものである。

発明を解決するための手段

本発明は、請求項１の主題によってこの目的を達成する。

有益な改良が、従属請求項に明記される。

請求項１の特徴部によれば、ばね要素は、垂直方向またはほぼ垂直方向に整列される。

支持体は、ばね／減衰を組み合わせた要素か、互いに分離したばね要素および減衰要素によって設けられることが好ましい。

請求項１の主題は、ギャップがあった場合、システムの取り扱いが比較的困難になってしまうという状況の中、互いに対して移動できる部品間のばね式の支持体の領域に狭いギャップがなくても、ドラムまたはドラムとともにロータ全体がばね式に支持されるということを意味する。

従来技術の状況とは対照的に、何ら問題を生じることなく、システムの基本共振周波数（ロータの固有形状）よりも著しく上の動作回転速度でドラムを動作することが可能となる。

これにより、動作中の挙動を最適化するようにロータの最適化されたばね式ベアリングを備えた、水平回転軸を有する遠心分離機が製造される。

本発明は、ロータの長さまたはドラムの長さと、ロータの直径またはドラムの直径との間の比が、好ましくは、２より大きく、さらに好ましくは、２．５より大きく、特に、３より大きい長形の構造に特に適している。

長さにより、ロータの固有屈曲形状または屈曲線が、非常に長いロータでは特定の周波数で形成される。これらの周波数は、一般に、通常の動作回転速度よりも少し高い。

可能な動作回転速度を制限できるロータの固有周波数は、フレーム質量または土台質量を切り離すことによって、より高い周波数に移行される。これにより、動作回転速度を著しく上げることが可能となる。

ばね特徴の他にも、ばね要素には著しい減衰特性があることも好ましいため、また、支持用のばね要素の他に減衰要素が設けられるため、振動性のロータシステムの特定の減衰機能が得られ、これにより、多数のさらなる利点が得られる。

例えば、スクリュー遠心分離機が始動および遮断されているときの機械フレームまたは土台と比較して、例えば、ロータシステムの臨界回転速度（共振回転速度または共振周波数）を通ったときの偏位は、非常に小さい値に限定される。これにより、可動部品が固定部品に衝突することが防止される。

本発明による構造により、最初のロータ固有周波数に対して非常に高い回転速度で、スクリュー遠心分離機を超臨界的に動作可能となり、その結果、動作回転速度は、ロータまたはロータ部品（ドラムおよびスクリュー）の第一共振周波数よりも高いものとなることもある。

さらに、短い距離しか覆う必要がないため、例えば、ドラムとスクリューのねじとの間のギャップは、減衰なしに、またはほとんど減衰なしに、超臨界動作に対してこれまで提案されてきた解決法と比較しても低減され得る。

また、ギャップが低減されるため、ギャップを密封しやすくなる。

ばね要素および減衰要素は、周波数依存の一定でない特徴を有することが好ましく、その結果、偏位移動を最小限に抑えることができ、すなわち、共振周波数で土台または機械フレームに対してロータが偏位する距離を最小限に抑えることができる。

動作中に回転しているときのドラムは液体で満たされているため、特に、始動および遮断中に部分的に満たされている場合、この液体によりスクリュー遠心分離機が振動する。

さらに、ばねおよび減衰を組み合わせることで、ロータが、外側から許容不能な振動を励起することがないようにすることも可能である。

外側からの励起は、実際のところ、一般に、比較的低い振幅でしか生じない。

しかしながら、外側からの励起が、偶然にもシステムの共振にそのまま励起を与えることもある。過度に軽く減衰されたシステムの場合、ロータは、望ましくない振動を起こすことになる。

さらに、ドラムベアリング上に直接ばね要素を選択して位置付けることで、垂直方向および水平方向における等方的な減衰が可能となり、同様に所望の方法で（異方的に）ダンパを適切に適応することによって影響され得る。等方的減衰は有益である。

減衰は、回転速度および移動の関数であり、ロータ固有周波数での駆動時に低回転速度でも高減衰レベルが生じる一方で、共振周波数より高い動作回転速度で比較的低い減衰レベルが得られるように構成される。これにより、固有周波数での駆動時に偏位が有効に制限される。

共振時の減衰は少なくとも３％でなければならず、１０％〜３０％の減衰の場合、特に良好な結果が達成される。減衰は、振動エネルギーを異なるエネルギー形態、例えば、熱に変換することを意味するものと理解される。エネルギー変換により、共振周波数の領域にある振幅が低減される。減衰を百分率として引用しているのは、以下のように、Ｌｅｈｒ減衰測定値Ｄの意味の範囲内であると理解されたい。
Ｄ＝ｄ／ω_０
式中、
ｄ＝ｋ／（２ｍ）
（包絡ｅ関数の崩壊定数）
ω_０＝√（ｃ／ｍ）
ω_０＝非減衰システムの固有周波数
ｃ＝ばね定数

対照的に、動作回転速度の場合、低減衰により、動的ベアリング力が低くなることで、ベアリングの長寿命化が可能となる。この意味で、共振周波数が、動作回転速度の７０％未満、好ましくは、動作回転速度の半分未満の回転速度に達するようにシステムを調整することが有益である。

要約すれば、本発明によれば、特に、高動作回転速度を利用可能であるスクリュー遠心分離機、特に、フルケースを備えたスクリュー遠心分離機を製造することができる。

また、本発明によれば、動作回転速度がこのように高いにもかかわらず、導入される構造体伝搬音が低減され、かつ、回転システムが不減衰の構造伝搬音をハウジングやフレームに直接伝えないため、特に低いために、比較的静かに動作するスクリュー遠心分離機が作製されることが特に有益であると言える。

また、スクリュー遠心分離機のハウジングは、本発明に従って構成されている場合、特にコンパクトな構造を有する。

以下、例示的な実施形態を用いて、図面を参照しながら、本発明についてさらに詳細に記載する。

概略的に例示したフルケーススクリュー遠心分離機の側面図を示す。 図１と比較して９０°回転させた、図１に示すスクリュー遠心分離機の１つのベアリング装置の領域の図を示す。 図２に類似した、フルケーススクリュー遠心分離機のベアリング装置の領域のさらなる改良の図を示す。

図１は、水平回転軸Ｄを有する回転ドラム２を取り囲むハウジング１を有するフルケーススクリュー遠心分離機を示す。

ドラム２と比較して異なる回転速度で回転可能なねじ３が、ドラム２に配設される。

この場合、一例として、変速機ステージ４、５を有する変速機を備えた駆動装置が、駆動用に使用され、変速機ステージ４は、この場合、第１のモータ８および第２のモータ９からベルトドライブ６、７を介して駆動される。

ドラム２、または少なくとも１つのスピンドル１９、ドラム２、およびスクリュー３を有するフルケーススクリュー遠心分離機の回転領域全体としてのロータ全体は、ドラム２の２つの軸端部に配設されたベアリング装置１０、１１によって回転可能なように搭載される。

一例として、有益には、２つのベアリング装置の一方のベアリング装置１０は、この場合、ドラム２の一方の軸端部の軸方向外側にある、２つの変速機ステージ４、５の間のスピンドル（セクション）１９の周りに配設され、他方のベアリング装置１１は、ドラム２の他方の軸端部の軸方向外側に配設される。

ベアリング装置１０、１１の各々は、機械フレーム１６上にばね要素１７、１８によって支持されたベアリングハウジング１４、１５を有する２つのローラベアリングまたはプレーンベアリング１２、１３を備えることが好ましい。

ベアリングの一方のベアリング１２が、溝ボールベアリングの形態であり、他方のベアリング１３が、円筒ローラベアリングの形態であることが特に有益であり、その結果、円筒ローラベアリングは、半径方向の支持を与え、溝ボールベアリングは、軸方向と半径方向の支持を与える。

しかしながら、軸方向の力が小さいため、溝ボールベアリングの代わりに固定ベアリングとしてさらなる円筒ローラベアリングを使用することも可能であり、このベアリングには、適切なリムが備え付けられている。

２つの軸端部の各々で、ロータは、機械フレーム１６または土台上で、ばね式にばね要素１７、１８の２つによって支持される。この場合、ばね要素は、圧縮要素として、非半径方向に機械フレーム１６または土台上でドラム２にばね式支持を与える。

本明細書における好ましい改良において、２つのばね要素１７、１８は、回転軸Ｄに対して、ベアリング装置１０、１１の領域に軸方向に配設される。これらの要素は、各ベアリング装置１０、１１の２つのベアリング１２、１３の間の平面上に平坦に軸方向に配設されることが好ましい。

この場合、図２に示す例示的な実施形態によれば、ばね要素１７、１８は、ばねおよび減衰要素を組み合わせた形態であり、これらの要素は、（図１に使用される座標系のＸ方向において）水平回転軸Ｄに対して垂直方向またはほぼ垂直方向（Ｚ方向）に整列される。

図２から分かるように、これは、ベアリングハウジング１４、１５上のカンチレバー２０、２１と、機械フレーム１６との間に配設されたばねおよび減衰要素によって達成される。２つのカンチレバー２０、２１は、互いから離れる方向に向いて、反対方向にベアリングハウジングの外周部から突出することが好ましい。この場合、図２は、回転軸に対して直角の水平方向に整列した状態を示し、図３は、水平方向（Ｙ）に対してわずかに角度をもった構成を示す。カンチレバー２０、２１は、ドラムの水平方向に整列された回転軸の上方に配設されることが好ましい。ばねおよび減衰要素１７、１８は、好ましくはドラムに横付けして側部に配設され、これらの要素の上側端部は、ドラム２の回転軸Ｄの上方に位置し、下側端部は、ドラム２の回転軸の下方に位置する（図２）。ばねの軸方向におけるばねの中心は、ベアリングの中心の高さに相当する高さで、ベアリングに横付けした側部に位置することが好ましい。

ばね要素１７、１８は、ばね要素１７、１８が、複数の方向で、すなわち、図２の垂直方向および水平方向においてばね剛性を有するということによって、このような装置において垂直方向またはほぼ垂直方向に配設され得る。

また、組み合わせられたばねおよび減衰要素１７、１８が使用されることが好ましい。

このような組み合わせられたばねおよび減衰要素は、それ自体が公知である。

構造の面では、一例として、これらの要素は、ばね要素１７、１８として適切に構成された螺旋ばねを使用することによって提供されてもよく、ばね要素１７、１８は、いずれの場合も、粘性の液体または粘性の化合物で満たされた好ましくは密閉された容器に配設される。

ベアリングハウジングの側部にばね要素１７、１８を位置付けることで、垂直方向および水平方向にばね式に事実上等方的にロータを支持することができる。

さらに、２つのばね定数の比は、ばね要素の垂直方向および水平方向のばね定数を調整することによって、望ましいように調節され得る。

図１に示すように、ばね定数の調整は、一例として、螺旋ばねの長さと直径との比を適応させることによって達成される。

各螺旋ばねは、垂直方向に圧縮させて装填される。対照的に、水平方向のロータの動きは、ばねをせん断変形させる。１つの有益な実施形態において、水平方向のばね剛性は、垂直方向のばね剛性の約３０〜１００％である。

すべての方向に（軸方向にも）ばね剛性を使用することで、組み合わせたばね減衰要素を使用でき、これらの要素を適切に、特に、平行にまたはほぼ平行に据え付けることができる。

この場合、図２に示す形態では、垂直方向に平行に据え付けることが好ましい。

しかしながら、ばね要素１７、１８の各々を垂線Ｚに対してある角度（垂線Ｚに対して角度α）で整列することもできる。

図３に、互いに上向きに、ある角度をなしているが、半径方向には整列されていない２つのばねを有するこのような実施形態が示されている。いずれの場合も、角度αを反対の形態に整列させることも実現可能である（図示せず）。

この場合、垂線Ｚに対して、螺旋ばねの形態であるばね要素１７、１８の長手軸間の角度αは、いずれの場合も、０°から最大で３０°であることが好ましく、０°から１５°の間であることが特に好ましい。

垂直方向に整列させると、図３に示すように、垂直方向の整列が選択されていない場合に必要とされこともある場合のように、粘性化合物を有する容器を特に密封する必要がないという利点がある。

ベアリングブロックは、傾斜できるようにばね要素によって支持されるため、ベアリングブロックとドラムとの間のドラムベアリングも、傾斜モーメントを吸収できるようにしなければならない。

これは、ベアリングブロックに、ある距離だけ離した位置に２つのベアリング１２、１３を配設することによって達成される。ベアリング１２、１３の間の距離は、ベアリングの内径の少なくとも半分に相当するように構成されることが好ましい。

据え付けられたベアリングの場合、これは、支持ベースに適用される。

本発明は、ソリッドベアリング（ｓｏｌｉｄ ｂｅａｒｉｎｇ）／ルーズベアリング（ｌｏｏｓｅ ｂｅａｒｉｎｇ）構成の提供、据え付けベアリング、浮動ベアリング、２列ベアリング、ローラベアリング、および種々のタイプのプレーンベアリングに適している。

固定ベアリング／ルーズベアリング構成が、特に有益である。

固定ベアリング／ルーズベアリング構成により、比較的単純なアセンブリが得られ、据え付けの調節が不要になる。

ドラム１は、ベルトを介して、ばね式に搭載されたドラム２に対して直接駆動されることが好ましい。ばね要素１７、１８のばね剛性を適切に調整するということは、ベルトドライブによって生じるシャフトの力が変化しても（例えば、回転領域に遠心力によって生じる予応力の減少）、許容不可能な動作状態にはならない。

モータ８、９は、機械フレームから分離することもできる。特に、ペデスタルを支承する変形例の場合、モータを機械フレームから分離することも実現可能である。

共通のプレート上に配設された複数のモータ８、９を使用することが特に有益である。

共通のハウジング内または共通のハウジング上にすべてのコンポーネントを収容することで、据え付けの準備が整った一体形態の構造が可能となり、すべてテスト済みの工場渡しで供給される。

顧客の建物での据え付けは、パイプラインの配線や接続に制限される。

図１によれば、ばね要素１７、１８（略図的に示す）は、減衰要素２２から空間的／物理的に分離して配設される。この場合、ばね要素１７、１８は、再度、螺旋ばねであってもよく、対照的に、制御可能なタイプであってもよい油圧または空気式ダンパが減衰用に使用されてもよい。

１…ハウジング、２…ドラム、Ｄ…回転軸、３…スクリュー、４，５…変速機ステージ、６，７…ベルトドライブ、８，９…モータ、１０，１１…ベアリング装置、１２，１３…ローラベアリングまたはプレーンベアリング、１４，１５…ベアリングハウジング、１６…機械フレーム、１７，１８…ばね要素、１９…スピンドル、２０，２１…カンチレバー、２３…減衰要素、Ｚ…垂直方向、Ｘ…軸方向、Ｙ…水平方向

Claims (22)

1. 水平回転軸を有するドラム（２）を有するロータを有するスクリュー遠心分離機であって、
   ａ．水平回転軸（Ｄ）を有する前記ドラム（２）と、
   ｂ．異なる回転速度で前記回転可能なドラムに対して回転可能であり、前記ドラムに配設されたスクリュー（３）と、
   ｃ．前記ドラム（２）を支承するための、前記ドラム（２）の２つの軸端部にあるベアリング装置（１０，１１）と、
   ｄ．機械フレーム（１６）または土台上に前記ドラム（２）をばね式に支持するためのばね要素（１７，１８）と、
   を備えるスクリュー遠心分離機において、
   ｅ．いずれの場合にも、前記ドラム（２）を支持する前記ばね要素（１０，１１）の少なくとも２つが、前記ドラムの２つの軸端部に配設され、
   ｆ．前記ばね要素（１７，１８）がほぼ垂直方向に整列され、
   ｇ．前記ドラムの直径に対する前記ドラムの長さの比が２より大きく、
   ｈ．前記ばね要素（１７，１８）が、非半径方向に機械フレーム（１６）または土台上に前記ドラム（２）をばね式に支持するための圧縮要素として作用する
   ことを特徴とする、スクリュー遠心分離機。
2. 前記ばね要素（１７，１８）が、組み合わせられたばね要素および減衰要素の形態であることを特徴とする、請求項１に記載のスクリュー遠心分離機。
3. 前記支持が、ばね要素および前記ばね要素とは別の減衰要素を介して与えられることを特徴とする、請求項１に記載のスクリュー遠心分離機。
4. 前記ばね要素（１７，１８）が螺旋ばねを有し、前記螺旋ばねの長手軸がほぼ垂直方向に整列され、すなわち、垂線（ｚ）に対して０〜３０°の角度で整列されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のスクリュー遠心分離機。
5. 前記螺旋ばねが、垂線に対して０〜１５°の角度で整列されることを特徴とする、請求項４のいずれか一項に記載のスクリュー遠心分離機。
6. 前記ばね要素（１７，１８）が、少なくとも２つの相互に直立した方向に高いばね剛性を有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のスクリュー遠心分離機。
7. 各螺旋ばねが垂直方向に圧縮して装填され、軸方向にせん断変形して装填される構造で構成されることを特徴とする、請求項４または５に記載のスクリュー遠心分離機。
8. 前記ばね要素（１７，１８）が、前記ばね要素の長手軸が据え付けられた状態で垂直方向に整列される場合、垂直方向のばね剛性の３０％〜１００％となる水平方向のばね剛性を有することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載のスクリュー遠心分離機。
9. 前記ばね要素（１７，１８）が、前記ばね要素の長手軸が垂直方向に整列される場合、垂直方向のばね剛性の５０％〜１００％となる水平方向のばね剛性を有することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載のスクリュー遠心分離機。
10. 前記組み合わせられたばね要素および減衰要素の減衰が、回転速度に応じて構成されることで、ロータの固有形状を通して駆動することによって低回転速度でも高い減衰レベルが得られる一方で、共振周波数よりも高い動作回転速度でより低い減衰レベルを与えることを特徴とする、請求項２または請求項２に従属する請求項４〜９のいずれか一項に記載のスクリュー遠心分離機。
11. 前記別の減衰要素の減衰が、回転速度に応じて構成されることで、ロータの固有形状を通して駆動することによって低回転速度でも高い減衰レベルが得られる一方で、共振周波数よりも高い動作回転速度でより低い減衰レベルを与えることを特徴とする、請求項３または請求項３に従属する請求項４〜９のいずれか一項に記載のスクリュー遠心分離機。
12. 前記ばね要素（１７，１８）の２つが、前記ドラムの各端部に設けられ、前記ドラム（２）の横に並んで、側部に配設されることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のスクリュー遠心分離機。
13. 前記ばね要素の２つが、前記ベアリング装置のベアリングハウジング（１４，１５）のカンチレバー（２０，２１）と、前記機械フレーム（１６）との間の前記ドラムの横に並んだ側部で、前記ドラム（２）の各端部に配設されることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のスクリュー遠心分離機。
14. ２つのカンチレバー（２０，２１）が、互いから離れる方向に向いて、反対方向にベアリングハウジング（１４，１５）の外周部から突出することを特徴とする、請求項１３に記載のスクリュー遠心分離機。
15. ２つのカンチレバー（２０，２１）が、水平方向に整列されることを特徴とする、請求項１３または１４に記載のスクリュー遠心分離機。
16. ２つのカンチレバー（２０，２１）が、水平方向に対してある角度で整列されることを特徴とする、請求項１３〜１５のいずれか一項に記載のスクリュー遠心分離機。
17. ２つのカンチレバー（２０，２１）が、前記ドラムの回転軸の上方に配設されることを特徴とする、請求項１３〜１６のいずれか一項に記載のスクリュー遠心分離機。
18. 前記ベアリング装置（１０，１１）の各々が、２つのベアリング（１２，１３）を有し、前記ばね要素（１７，１８）が、前記２つのベアリング（１２，１３）を通って延びる回転軸に対して直角の平面上に配設されることを特徴とする、請求項１〜１７のいずれか一項に記載のスクリュー遠心分離機。
19. ベアリングの横に並んだ側部での軸方向における前記ばねの中心が、前記ベアリングの中心の高さに相当する高さに位置することを特徴とする、請求項１８に記載のスクリュー遠心分離機。
20. ベアリング（１２，１３）の一方が溝ボールベアリングであり、他方のベアリングが、円筒ローラベアリングであり、および、２つのベアリングが、ベアリングハウジング（１４，１５）の各々に配設されることを特徴とする、請求項１８または１９に記載のスクリュー遠心分離機。
21. ベアリング（１２，１３）間の距離が、ベアリング内径の少なくとも半分に相当するように構成されることを特徴とする、請求項１８〜２０のいずれか一項に記載のスクリュー遠心分離機。
22. 共振時の減衰が、少なくとも３％であるような構造を特徴とする、請求項１〜２１のいずれか一項に記載のスクリュー遠心分離機。

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