JP5739059B2 - 遠心分離機を備えているデバイス - Google Patents

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Description

本発明は、粒子で汚染されたガスを浄化するためのデバイスに関する。デバイスは、ガスから粒子を分離するための遠心ローターを有する遠心分離機を備えている。デバイスは、回転軸の周りに遠心ローターを回転させるための駆動設備をさらに備えている。駆動設備は、遠心ローターに従動的に連結された衝撃タービンと、加圧流体のためのノズルを備えている。衝撃タービンは、ノズルからの加圧流体のジェットを受けるためのバケットを有し、ジェットはバケットに方向づけられており、バケットは、流体ジェット方向がバケットの高さに沿って反転されるように構成されている。
WO99/56883A1は、ガスから粒子を分離するための遠心ローターを有する遠心分離機を有している前に既知のデバイスを開示している。遠心分離機は、内燃機関によって生成される圧力流体によって駆動されるために配されており、遠心ローターは、圧力流体によって回転するように適合された空気または水圧式モーターたとえばタービンを有するように配されている。この既知のデバイスの駆動設備は、単純な手法で、遠心ローターの非常に高い回転速度と、遠心分離機が内燃機関の近くの希望の場所に配置されてよいことの両方を可能にする。これは、デバイスを、内燃機関からのクランクケースガスを浄化するのに有用にする。
WO2011/005160A1は、衝撃タービンによって圧力流体によって駆動される遠心ローターを有するクランクケースガスを浄化するための遠心分離機を有しているさらなるデバイスを開示している。特に、衝撃タービン(図1および29〜34に、より詳しく示される)は、ノズルから加圧流体のジェットを受けるためのバケットを有し、ジェットはバケットに方向づけられている。バケットは、流体ジェット方向がバケットの高さに沿って反転されるように構成されている。このタービンは、遠心ローターの駆動において単純でもあり効果的でもあることが分かった。
これらの駆動設備は、しばしば、遠心分離機の特定の動作条件に適している。一つの側面は、駆動設備をできる限り効率的にすることである。遠心分離機の分離効率を維持またはさらに高めつつ、駆動設備のエネルギー消費を最小に保つ望みがある。
WO99/56883A1 WO2011/005160A1
本発明の目的は、遠心分離機のための駆動設備の効率を高めることである。
この目的は、バケット高さが、ノズル開口の直径の2〜3倍であることを特徴とする最初に定められるデバイスによって達成される。
前の既知の衝撃タービンは、ノズル開口の直径のほぼ五倍のバケット高さを有していた。本発明にしたがって、この高さを短くすることによって、衝撃タービンの効率は驚くほど高められる。したがって、遠心ローターを駆動するためのパワーは、速い回転速度において、より効率的に利用される。衝撃タービンは、高速回転のために最適化され、それにより、遠心分離機のより良い分離性能が達成される。流体ジェットがバケットの内側を移動する距離が短いほどより良い。しかしながら、バケット高さは、流体ジェットの直径の二倍よりも小さくすべきではない、それは、流体ジェットの進入および反転部分の間の衝突を招くからである。そのような衝突は、タービンの効率を著しく低減するであろう。
ノズル直径の三倍を超えるバケット高さはまた、高い回転速度における衝撃タービンの効率を低下させる。その理由は、遠心ローターの高速回転が、流体ジェットに、バケットの内側のより長い距離を移動し、効果的に反転されるのに十分な時間を与えないことである。したがって、衝撃タービンは、流体ジェットが十分に反転される前に、ノズルからあまりに遠くに回転および転回するであろう。したがって、流体ジェットからの衝撃は、タービンに非効果的に伝達される。衝撃タービンと遠心ローターは、6000から14000rpmまでの範囲内の速度で回転し得る。本発明にしたがってタービンの高さを減少させることによって、流体ジェットは適時に反転され、タービンの効率はより高い速度範囲において著しく改善される。それにより、新しいタービンは、前の既知のタービンと比較して、与えられた流体の圧力とノズルサイズで5000rpmの速度においても遠心ローターを駆動するためのより高いパワーを提供し得る。
さらに、本発明は、低減された大きさのタービンまたは駆動設備を提供する。これは、たとえばクランクケースガス浄化における非常に重要な側面である。クランクケースガス浄化では、遠心分離機は非常に限られた空間内に、乗り物の内燃機関の内側またはその周囲のどこかのいずれかに設置されることに適合されていなければならない。駆動設備を有する遠心分離機は、エンジンルームの内側、または内燃機関内(たとえばシリンダーヘッドカバーまたはバルブカバー内)の狭い空間の内側のいずれかに設置され得る。
ノズルの直径の2ないし3倍の上述の間隔内では、バケットの高さは、有利に、ノズル開口の直径の間隔の下側領域、すなわち2〜2.5倍であってよい。さらに、このより狭い間隔内では、前記高さは、有利に、ノズル開口の直径の2.3倍であってよい。
衝撃タービンまたは遠心ローターは水平または鉛直の回転軸を有していてよい。したがって、バケットの「高さ」との用語は、これらのコンポーネントの鉛直方向を意味しない。代わりに、衝撃タービンと遠心ローターは、水平回転軸のまわりに回転するように配されてもよい。衝撃タービンが円筒形状を有していると考えられる場合、「高さ」は、その円筒の長さ方向の広がりである。
流体ジェットは、ガスの形をしていてよいが、より好ましくは、より大きな駆動力を生成する液体である。
衝撃タービンの半径は、有利に、遠心分離機の動作中、流体ジェットがバケットをたたくように配されたところの半径において、流体ジェット速度とタービンの接線方向速度の比が2〜3であるように構成されていてよい。したがって、流体ジェット速度は、動作中の衝撃タービンの接線方向速度の少なくとも2倍であるが、せいぜい3倍である(言いかえれば、タービンの接線方向速度は、流体ジェット速度の1/3ないし1/2である)。デバイスの動作条件は、何回も与えられる。たとえば、流体ジェット速度は、特定のノズルと流体の所定の動作圧力によって与えられ得る。与えられたインプットコンディションで、タービンは、加えられる負荷に依存するいろいろな速度で動く。しかしながら、遠心ローターは、特定の負荷範囲内で動作するように意図されており、それは、意図された回転速度と、単位時間あたりに遠心ローターを通って流れるガスの量に依存する。したがって、タービン半径は、これらの動作条件を考慮して、流体ジェット速度がタービンの接線方向速度の2ないし3倍であるように構成されている。この範囲内で、本衝撃タービンのパワーカーブはピークに達する。
このように、たとえばWO2011/005160A1による前の衝撃タービンを考慮して、タービン効率はさらに向上した。前のタービンは、著しくより大きな半径を有していた。実際、新しいタービン半径は、前のタービン半径のほとんど半分であり、その上、与えられた流体圧力においてより高い回転速度を生み出した。したがって、タービンと駆動設備の大きさはさらに低減され、遠心ローターの回転速度が高められる。述べられた範囲内において、衝撃タービンの半径は、有利に、前記比が2.2〜2.6であるように構成されていてよい。それはまた、有利に、前記比が2.4であるように構成されていてよい。したがって、遠心分離機の最適動作コンディションでは、流体ジェット速度は、流体ジェットがバケットをたたく点において、接線方向タービン速度の2.4倍になるであろう。
ノズルの開口は、衝撃タービンから0.5〜5mmの距離に配されていてよい。流体ジェットがノズルを出ると、ジェットの直径は、ノズル開口からの距離で、少なく収束または集中されるように円錐形方式で広がる。ノズル開口は、バケットに可能な限り接近しているべきである。このように、流体ジェットはノズル開口の近傍に比較的収束されるので、流体ジェットからの衝撃はバケットに、より効果的に作用する。さらに、それらが一緒に近いほど、流体ジェットの直径は、ますます、ノズル開口の直径に類似する。したがって、前記距離が短いとき、流体ジェットの直径はノズル開口の直径と実質的に同じである。しかしながら、より短い距離は、動作中、ノズルと衝撃タービンが互いに接触するため、駆動設備に損傷を与える危険があるので、製造公差は、この距離を0.5mmまでに限定する。
衝撃タービンのバケットは、好ましくは、バケットの高さに沿って流体を反転させるための内側湾曲部分を有するように構成されていてよく、その内側湾曲部分は、径方向外向きの方向に逸脱している外側ストレート部分に移行している。バケットのストレート外向き逸脱部分は、流体ジェットをバケットの湾曲部分の中へまたそこから外へ流すように構成されている。したがって、流体ジェットがバケットの上半分に入るならば、上側ストレート部分が流体ジェットを湾曲部分の中に案内し、下側ストレート部分が流体ジェットをバケットの外へ案内する。
前述したように、遠心分離機は、有利に、動作中の内燃機関によって作り出されるクランクケースガスを浄化するのに適しており、ノズルは内燃機関の流体圧源に連結可能である。デバイスは、比較的小さい大きさの駆動設備のため、クランクケースガスを浄化するのに特に適している。さらに、衝撃タービンは、たとえば、遠心ローターの希望の高い回転速度と実負荷の点から、クランクケースガス浄化と関連する動作範囲内で、非常に有効であることが分かった。前述したように、遠心ローターの回転速度は、一般に6000から14000rpmまでの範囲に及んでいる。遠心ローターの負荷は、回転速度と、単位時間当たりに遠心ローターを通って流れるガスの量と共に、増大する。遠心分離機を通るクランクケースガス速度またはいわゆるブローバイガス速度は、内燃機関とその動作条件に依存して毎分40から800リットルまでの範囲に及ぶことがある。さらに、流体は好ましくは液体であり、流体圧源は内燃機関の液体ポンプである。これは、液体は、その高い密度のため、ガスよりも多くの運動エネルギーを提供するからである。
内燃機関の流体圧源は、たとえば、内燃機関に従動的に連結されたオイルまたはウォーターポンプであってよい。したがって、衝撃タービンを駆動するための流体はオイルまたは水であってよく、それは、それぞれオイルまたはウォーターポンプによって加圧される。多くの場合、ポンプ速度はエンジンスピードに依存し、そのため、エンジンスピードの減少は、ポンプからの液体に低い圧力を与える。しかしながら、本衝撃タービンは、上述の動作範囲内において、特に、圧力源が比較的低い圧力(たとえば2〜5barの最大圧力)を生成するとき、非常に効率的である。
駆動設備には、衝撃タービンとノズルのためのハウジングが設けられていてよく、そのハウジングは、遠心ローターのための駆動チャンバーを取り囲んでいる。このハウジングにはさらに、ノズルのための導管を有している壁要素が設けられていてよく、その導管は、内燃機関に連結可能であるインタフェース表面に、流体圧源への連結部を有している。これは、駆動設備を内燃機関に連結する単純かつ有効なやり方を提供する。本発明は、タービンが低減された大きさを示すので、非常にコンパクトなハウジングが提供され得るという改善を内包している。
本発明は、添付図面に関連する下記の実施形態の説明によってさらに説明される。
図1は、衝撃タービンを備えた遠心ローターを有している遠心分離機の縦断面を示している。 図2は、分離した衝撃タービンとノズルの図を示している。 図3は、分離した衝撃タービンとノズルの断面を示している。 図4は、衝撃タービンのバケットに沿った縦断面を示している。
図1は、内燃機関からのクランクケースガスを浄化するためのデバイスを示している。デバイスは、回転軸Rのまわりで回転可能である遠心ローター2を有する遠心分離機1を有している。遠心ローター2は、静止ハウジング4の内側の分離チャンバー3aの中に位置している。静止ハウジング4は、汚染されたクランクケースガスを、遠心ローター2の内側の中央空間6の中に導くように構成されたガス入口5を有している。遠心ローター2は、互いの上に配された複数の分離ディスク7aのスタックを有している。分離ディスク7aは、中央空間6からの径方向外向きのガスの通過フローのための軸方向隙間8を提供する細長間隙部材7bを有している。間隙部材7bの高さは、軸方向隙間8の大きさを決定する。少数の分離ディスク7aだけが、ひどく誇張した大きさで隙間8に示されている。実際は、遠心ローター2は、ずっと小さい隙間8をもつ非常に多くの分離ディスク7aを有しているであろう。
動作中、遠心ローター2はガスを回転させ、それにより、汚染物質は、遠心ローター2の隙間8を通るガスフローとしての遠心力によって分離される。隙間8は、遠心ローター2を取り囲んでいる分離チャンバー3aの径方向外側部分に開いている。浄化されたガスは、分離チャンバー3aのこの外側部分の中に放出され、圧力調整弁9aとガス出口9bを経由して遠心分離機1の外へ導かれる。圧力調整弁9aは、クランクケースの内側のガス圧力を安全な範囲内の保つために設けられている。回転しているガスに作用する遠心力は、粒子状汚染物を分離ディスク7aの表面に堆積される。その後、分離された汚染物質は、遠心ローター2の分離ディスク7aから静止ハウジング4の内壁上に投げ出される。それから、汚染物質は、内壁に沿って、遠心分離機1から収集された汚染物質を導くためのドレイン出口10bと連絡している環状収集溝10aへ流れ落ち得る。
分離ディスク7aのスタックは、遠心ローター2を静止ハウジング4内に回転自在に支持しているシャフト11上に配されている。シャフト11は、第一の軸受ユニット12に支持されている第一の端11aを有している。第一の軸受ユニット12は、ベアリング12aと、ガス入口5においてハウジング4に連結されたベアリングホルダー12bを有している。第一のベアリングホルダー12bは、キャップ成形されガス入口5を横切って配されており、ベアリングホルダー12bには、クランクケースガスがガス入口5から遠心ローター2の内側の中央空間6の中へ通過することを可能にするための開口12cが設けられている。さらに、第二の軸受ユニット13が、シャフトの第二の端11bの近くに配されている。したがって、第一および第二の軸受ユニット12,13は、分離ディスク7aのスタックの反対側に配されている。第二の軸受ユニット13は、仕切り14を介してハウジング4に連結されているベアリングホルダー13bの中にベアリング13aを有している。
仕切り14は、ハウジング4の内部を分離チャンバー3aと駆動チャンバー3bに分割している。遠心ローター2のための駆動チャンバー3bは、仕切り14の下方に示されている。ハウジング4は、分離チャンバー3aのための第一のハウジング部分4aと、駆動チャンバー3bのための第二のハウジング部分4bを有している。第一および第二のハウジング部分4a,4bは、スクリュー15によって互いに連結されており、仕切り14は、ハウジング部分4a,4bの間に留められるように配されている。シャフト11は、仕切り14を通って、駆動チャンバー3bの中に延びている。駆動チャンバー3bは、遠心ローター2のための駆動設備を囲っている。駆動設備は、シャフトの第二の端11bに従動的に連結された衝撃タービン16を備えている。したがって、衝撃タービン16は、遠心ローター2を回転させるように配されている。衝撃タービン16は、バケット16aの方に向けられたノズル(図1に図示せず)から加圧オイルのジェットを受けるためのバケット16aを有している。バケット16aは、オイルジェット方向がバケット16aの高さHに沿って反転されるように構成されている。この場合、バケット高さHは、鉛直方向で測定される。
図2は、衝撃タービン16とノズル17を分離して示している。図示のノズル17は、駆動チャンバーハウジング4bの壁部材4cに配されている。ノズル17は、壁部材4cの内側の導管(図示せず)を介して内燃機関の潤滑オイルポンプに連結されている。したがって、エンジンが運転している間、潤滑オイルポンプは、衝撃タービン16と遠心ローター2を回転させる加圧オイルをノズル17に送る。図示のように、衝撃タービン16は、シャフト11への連結のための中央貫通穴16bを有している。さらに、第二の軸受ユニット13に面している衝撃タービン16の上側表面は、一対の環状リブ16cを有している。設置位置では、環状リブ16cは、第二のベアリングホルダー13bの一部を取り囲んでラビリンスシールを形成する。衝撃タービン16が回転状態にあるとき、ドレイン出口10bからの分離された汚染物質は、第二のベアリング13aを通って、ラビリンスシールを通って、駆動チャンバー3bの中に流れ込む。ノズル17は、バケット16aのごく近傍に配置されており、そのノズル開口17aは、バケット16aの方に、タービン16に対する接線方向に向けられている。これは、図3においても見られることができ、それは、タービン16とノズル17の断面を示している。流体ジェットがノズル開口17aの近傍に比較的収束されるので、オイルジェットからの衝撃はバケット16aに、より有効に作用する。実際には、ノズルの開口17aは、衝撃タービン16から0.5〜5mmの距離に配されている。
さらに、バケット16aの高さHは、ノズル開口17aの直径の2〜3倍である。図2に示されるように、ノズル開口17aは、オイルジェットをバケット16aの上半分の中に方向づけるように配置されている。バケット16aの内部は、バケット16aの高さH(図4にも図示されている)に沿ってオイルジェットJの方向を反転させる湾曲部16dを有しているように構成されており、その結果、衝撃は、タービンに供給されて遠心ローター2を回転させる。したがって、オイルジェットJは、バケット16aの上半分の中に受け入れられ、その内側において、オイルジェットは反転されてバケット16aの下半分から外へ出る。そのような高さHをもつ衝撃タービンは、クランクケースガスの浄化のための遠心ローターの特に高速度回転(たとえば6000〜14000rpm)において非常に効率的であることが分かった。
図3は、図2による衝撃タービン16とノズル17の(すなわち水平平面で破断された)断面を開示している。上述したように、ノズル開口17aが、バケット16aの方に、タービン16の接線方向に向けられていることが見られることができる。オイルジェットJは、ノズル開口17aから速度V1で放出される。オイルポンプは、オイル圧力がエンジンスピードに応じて変動するような方法でエンジンに連結されているので、オイルジェットの速度V1は、エンジンスピードに応じていくらか変動することがある。したがって、オイル圧力の増大はまたオイルジェット速度V1を増大させ、それにより、衝撃タービン16と遠心ローター2はより速く回転する。オイルジェットの一般的な速度V1は、たとえば、オイル体積フロー割るノズル開口17aの断面積によって調べられてよい。衝撃タービン16は、流体ジェットがバケット16aをたたくところの半径Rにおいて接線方向速度V2を有している。図3に示されるように、半径Rは、衝撃タービン16の中心からバケット16aの中心までの距離である。衝撃タービン16は、遠心分離機の動作中、オイルジェット速度V1と接線方向速度V2の比V1/V2が2〜3であるようなこの半径Rをもつ寸法に作られている。したがって、オイルジェット速度V1は、半径Rにおける衝撃タービンの接線方向速度V2の少なくとも2倍であるが、せいぜい3倍である。この範囲内で、衝撃タービンのパワーカーブはピークに達し、それにより、タービン効率は、遠心ローターを駆動するための前の衝撃タービンの点から見て、さらに増大した。
オイルジェット速度V1は、一般に、(たとえば大型トラックのための)内燃機関の正常動作中、20m/sから30m/sまでの範囲に及んでよく、半径Rにおける接線速度V2は、オイルジェット速度V1の1/2〜1/3であるように計画されている。したがって、遠心ローターの希望の高い回転速度(6000〜14000rpm)と、実負荷(毎分40〜800リットルの吹き抜けガス速度)を考慮したとき、本発明の衝撃タービンは、一般に、ほぼ10mmないし15mmの半径Rを有している。半径Rは、バケット16aの中心までで測定されるので、衝撃タービンの外周までで測定された半径は、いくらか大きい(たとえば、2または3mm長い)であろう。さらに、ノズル開口17aの直径は、たとえば、2.1mmから2.9mmまでの範囲内に及んでよく、バケット16aは、ノズル開口17aの直径とほぼ同じ幅を有している。したがって、衝撃タービン16は、比較的小さい大きさである。
図4は、バケット高さHに沿った縦断面を開示している。オイルジェットJは、大きい矢印によって表わされている。さらに、バケット16aは、外向きに逸脱している上側および下側ストレート部分16eに移行している湾曲部分16dを有するように構成されている。バケット16aのストレート外向き逸脱部分16eは、オイルジェットJをバケット16aの湾曲部分16dの中へまたそこから外へ流すように構成されている。したがって、オイルジェットJがバケットの上半分に入ると、上側ストレート部分16eがオイルジェットJを湾曲部分16dの中に案内し、下側ストレート部分16eがオイルジェットJをバケット16aの外へ案内する。オイルジェットJをバケット16aの湾曲部分16bの中に案内するまたは流す必要がないならば、バケット16aのストレート部分16eは、代わりに平行に延びているように配されていてよい。これは、たとえばノズル開口17aがバケット16aの高さHの内によく位置していれば、必要ではない。バケット16aの湾曲部分16dは、タービン16に衝撃を提供するためにオイルジェットJが反転されるところにある。したがって、図4に示されるように、バケット16aの高さHは、実際は、湾曲部分16dだけの高さとして測定される。しかしながら、実際には、高さHは、湾曲部分16bとストレート部分16eの両方を含むように、バケット16aの開口においても測定されるとよく、それは、この高さが実際上は湾曲部分16bの高さHと同じであるからである。

Claims (14)

  1. 粒子で汚染されたガスを浄化するためのデバイスであり、前記デバイスは、前記ガスから前記粒子を分離するための遠心ローター(2)を有する遠心分離機(1)と、回転軸(R)の周りに前記遠心ローター(2)を回転させるための駆動設備(16,17)を備えており、前記駆動設備は、前記遠心ローター(2)に従動的に連結された衝撃タービン(16)と、加圧流体のためのノズル(17)を備えており、前記衝撃タービン(16)は、前記ノズル(17)からの加圧流体のジェット(J)を受けるためのバケット(16a)を有し、前記ジェットは前記バケット(16a)に方向づけられており、前記バケット(16a)は、流体ジェット方向が前記バケット(16a)の高さ(H)に沿って反転されるように構成されているデバイスにおいて、バケット高さ(H)が、ノズル開口(17a)の直径の2〜3倍であることを特徴とするデバイス。
  2. 前記バケット(16a)の高さ(H)は、前記ノズル開口(17a)の直径の2〜2.5倍である、請求項1に記載のデバイス。
  3. 前記バケット(16a)の高さ(H)は、前記ノズル開口(17a)の直径の2.3倍である、請求項1または2に記載のデバイス。
  4. 前記衝撃タービン(16)は、前記遠心分離機(1)の動作中、前記流体ジェット(J)が前記バケット(16a)をたたくように配されたところの半径(R)における流体ジェット速度(V1)と前記タービンの接線方向速度(V2)の比(V1/V2)が2〜3であるような半径(R)を有するように構成されている、前の請求項のいずれか一つに記載のデバイス。
  5. 前記衝撃タービン(16)の前記半径(R)は、前記比(V1/V2)が2.2〜2.6であるように構成されている、請求項4に記載のデバイス。
  6. 前記衝撃タービン(16)の前記半径(R)は、前記比(V1/V2)が2.4であるように構成されている、請求項4または5に記載のデバイス。
  7. 前記ノズル(17)の前記開口(17a)は、前記衝撃タービン(16)から0.5〜5mmの距離に配されている、前の請求項のいずれか一つに記載のデバイス。
  8. 前記衝撃タービン(16)の前記バケット(16a)は、前記バケット(16a)の高さ(H)に沿って前記流体を反転させるための内側湾曲部分(16d)を有するように構成されており、その内側湾曲部分(16d)は、径方向外向きの方向に逸脱している外側ストレート部分(16e)に移行している、前の請求項のいずれか一つに記載のデバイス。
  9. 前記ノズル(17)は、内燃機関の流体圧源に連結可能であり、前記遠心分離機(1)は、動作中の前記内燃機関によって作り出されるクランクケースガスを浄化するために配されている、前の請求項のいずれか一つに記載のデバイス。
  10. 前記流体は液体であり、前記流体圧源は、前記内燃機関の液体ポンプである、請求項9に記載のデバイス。
  11. 前記液体はオイルまたは水であり、前記流体圧源は、それぞれ、オイルまたはウォーターポンプである、請求項10に記載のデバイス。
  12. 前記衝撃タービン(16)と前記ノズル(17)のためのハウジング(4b)をさらに備えており、前記ハウジング(4b)は、前記遠心分離機(1)の駆動チャンバー(3b)を取り囲んでいる、前の請求項のいずれか一つに記載のデバイス。
  13. 前記遠心分離機は、前記遠心ローター(2)のための第一のハウジング部分(4a)を備えており、それは、前記衝撃タービン(16)と前記ノズル(17)のための前記ハウジングを形成する第二のハウジング部分(4b)に連結可能である、請求項12に記載のデバイス。
  14. 前記遠心ローター(2)は、前記ガスから前記粒子を分離するための分離ディスク(7a)のスタックを備えている、前の請求項のいずれか一つに記載のデバイス。
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