JP6114384B2 - 遠心分離器 - Google Patents

Description

本発明は、オイルを含んだガスを浄化するための、特にディーゼルエンジンのような内燃エンジンからのクランクケースガスを浄化するための遠心分離器に言及している。より詳細には、本発明は請求項１の前段部による遠心分離器に言及しており、特許文献１を参照されたい。

内燃エンジンからのクランクケースガスは、煤煙および炭化水素のような他の不純物と混合されたオイルミスト、またはオイル液滴の形式でオイルを含んでいる。クランクケース内のそのような不純物は、粘性物質を形成し得る。さらに、多様な添加剤を内燃エンジンのオイルに添加することは一般的であり、これは内燃エンジンの潤滑性能および冷却性能を改善するためである。しかしながら、そのような添加剤は、煤煙および炭化水素のような不純物がより粘性の高い物質を形成する事実により、悪影響を有し得る。

特許文献１に開示された遠心分離器の目的は、遠心ロータの中空スピンドルを支持した上側ベアリングの潤滑を改善することである。オイルは中空スピンドルおよび上側開口部を通じて、小チャンバへと搬送され、そこからオイルは上側ベアリングを通じてクランクケースガスと混合される入口へと搬送される。比較的少量のオイルが、上側ベアリングの潤滑のために必要とされる。特許文献１に開示された遠心分離器の中空スピンドルの開口部は、上側ベアリングの潤滑のためのみに十分な、そのような比較的少量のオイルのみを供給するように形成されている。したがって、この先行技術は最小量だけ供給されたオイルの量を維持することを目的としている。

特許文系１に開示された遠心分離器およびクランクケースガスの浄化のための他の先行技術の遠心分離器の1つの問題は、クランクケースガス内に含まれたオイルおよび不純物が前述の通り非常に高い粘性を示し、煤煙および不純物の粘着物の塊が遠心分離器の内部部品、特に静止筐体内壁面に貼りつくことである。特許文献２は、液体および個体不純物を含んだガスを浄化するための別の遠心分離器を開示している。この先行技術文献の遠心分離器は、ノズルを通じて遠心分離器の入口チャネル内にエアロゾルを供給するための供給デバイスを具備している。エアロゾルは水によって形成されてもよく、不純物が分離ディスクに貼り付くことを防止する目的を有する。

特許文献３は、ガスを浄化するための別の遠心分離器を開示している。この遠心分離器は、遠心分離ディスクを洗い流すための洗浄液を供給するために配置された洗浄ノズルを具備している。

国際公開第２００４／０２２２３９号パンフレット 国際公開第２００９／０２９０２２号パンフレット 国際公開第２００５／０８７３８４号パンフレット

本発明の目的は、前述の問題を改善もしくは緩和し、遠心分離器の分離空間、特に遠心分離器の筐体の内側壁面上の粘着物の塊を除去もしくは減少させることである。

この目的は、オイル供給デバイスが多量のオイルを分離空間に供給して、遠心分離器の動作の間にオイル膜の流れが内側壁面に生じるように構成されていることを特徴として初期的に形成された遠心分離器によって達成されている。

本発明の発明者は、増量されたオイルが分離空間内に導入され、これによって浄化されるガスに混合された場合、オイル膜が遠心分離器の内部部品、特に静止筐体の内側壁面上に形成され得ることを実現した。オイルは、遠心分離器の作動中に、有利に連続的に分離空間に供給されてもよい。見識に加えて、所望の効果を達成するために、すなわちオイル膜を形成するために、供給されるオイルの量には下限が存在し、発明者は上限が存在することも見出した。分離空間内に供給されるオイルが過多である場合、オイルは浄化されたガスを汚染し得る。したがって、発明者は、達成されるべきバランスが存在すること、すなわちオイルの量がこれらの限界の範囲内とされるべきであることを見出した。

そのようなオイル膜は内側壁面上を流れ、これによって煤煙および他の不純物が目詰まりさせること且つ内側壁面に堆積することを防止しており、したがって塊が遠心分離器の内部部品に形成されることを防止している。したがって、より信頼性があり且つ効果的なガスの分離が、前述のバランスが維持される限り保障される。したがって、オイルの過多の供給は浄化された空気を汚染し、信頼性の低い且つ非効率な分離に帰結する。

本発明の実施形態によれば、オイル供給デバイスは、オイルを回転したガス空間に供給してオイルを回転させ、回転したオイルを内側壁面にもたらすように設けられている。したがって、回転したガス空間は内側壁面上のオイル膜の形成および流れに寄与している。

本発明のさらなる実施形態によれば、オイル供給デバイスは、開口径を有する入口ノズルを具備している。そのような入口ノズルは、供給されるオイルのための絞り部材を形成していてもよい。

入口は開口径に関して、供給されるオイルの適切な量、特にクランクケースと遠心分離器との間の圧力差に関して、および遠心分離器の回転速度に関して許容するように寸法決定され得る。当業者は、十分なオイル膜が生じるが、浄化されたガスが過多に供給されるオイルによって汚染されないような量となるように、開口部を寸法決定すべきである。この寸法決定はいわゆるトライアンドエラー工程である、標準的な試験工程を通じて達成され得るものである。内側壁面上にオイル膜を発生させるためのオイルの適切な流量に影響するであろう重要な要因は、遠心分離器の実際のサイズである。したがって、より大きい分離器はより多くのオイルを必要とし、そのことは開口部のサイズに影響する。別の要因はオイル出口の構造であり、すななわち、出口は分離空間から十分な速度においてオイルを排出し得る。分離されて排出されるオイルの量は、浄化される汚染されたガスの流量にも依存している。さらに、遠心分離器の回転速度は排出速度にも影響し、より多量のガスは、増量されたガスの十分な分離を実行するために、全体的により高速の回転速度を必要とする。より高速の回転速度は、クランクケース内の圧力よりもロータを取り囲んだ分離空間内の方が大抵の場合より高い圧力となり、ロータを取り囲んだ分離空間内のより高い圧力は、分離空間からのオイルの排出を容易にしている。

本発明のさらなる実施形態によれば、ガス出口チャネルは第１端部に設けられ、入口ノズルは反対側の第２端部に設けられている。そのような配列を伴って、分離空間内に供給されたオイルが分離空間を出て行く浄化されたガスと混合されないことを確実にしている。さらなる効果は、遠心分離器の周りのガスの回転は、オイル膜が内側壁面に沿ってガス出口に向かった螺旋経路に沿って螺旋となることに寄与している。

本発明のさらなる実施形態によれば、遠心分離器は、液体の状態およびオイルミストの状態においてオイルを含み且つスピンドルの第１端部を収容した収集空間を具備している。収集空間は第1端部の近傍、好適にガス出口チャネルの下に設けられていてもよい。さらに、収集空間は、遠心分離器が作動している間に分離空間から排出されるオイルを収集するように配置されていてもよい。

本発明のさらなる実施形態によれば、遠心分離器はスピンドルの内部にスピンドルに沿って延びた内側チャネルを具備し、内側チャネルは内側チャネルを通じておよびスピンドルの第２端部に設けられた入口ノズルを通じて収集空間からオイルを搬送するように形成されている。そのような解決策によって、収集空間内のオイルは、内側壁面上にオイル膜を供給するために利用され且つ再循環される。

本発明のさらなる実施形態によれば、開口径は３〜５ｍｍの範囲である。そのようなサイズの開口径は、オイルがスピンドルの内側チャネルを通じて搬送され且つオイルミストとしてスピンドルの第２端部において入口ノズルを通じて分離空間に供給された場合に、少なくとも筐体内にオイル膜を形成するために十分な量のオイルを保障することを示した。好適に、開口径は３．５〜４．５ｍｍの範囲、特に約４ｍｍであってもよい。

本発明のさらなる実施形態によれば、オイル供給デバイスは開口径を有する入口ノズルを具備し、内側チャネルは開口径よりも大きい直径を有する。有利には、内側チャネルの直径は５〜７ｍｍの範囲である。

本発明のさらなる実施形態によれば、入口ノズルは、第２端部においてスピンドルに取り付けられた上側ベアリングのようなベアリングの内側に設けられ、オイルは入口ノズルからベアリングを通じて分離空間に搬送される。そのようにして、分離空間に供給されたオイルは、ベアリングの潤滑のために使用されてもよい。

本発明のさらなる実施形態によれば、駆動部材は、収集空間内のスピンドルに設けられたタービンホイール、および収集空間内に設けられてオイル噴流をタービンホイールに対して噴出し、これによって遠心ロータを回転させるタービンノズルを具備している。

本発明のさらなる実施形態によれば、入口ノズルは静止筐体内に設けられ、オイルを入口ノズルに供給するための外部パイプに接続されている。したがって、入口ノズルは例えば第２端部において、静止筐体を通じて延びていてもよい。本発明の実施形態によれば、オイルは３〜６ｂａｒの圧力で供給されてもよい。そのとき、開口径は０．３〜１．５ｍｍであってもよい。

本発明のさらなる実施形態によれば、駆動部材は、スピンドルに接続された電気モータを具備している。そのような別個の駆動部材は、ある特定の状況では有利となり得る。駆動部材は、空気圧モータまたは油圧モータの形式の別個のモータを具備していてもよい。

本発明のさらなる実施形態によれば、駆動部材は、６０００〜１２０００ｒｐｍ、好適に６０００〜１００００ｒｐｍの回転速度で遠心ロータを回転させるように形成されている。

本発明のさらなる実施形態によれば、遠心分離器は、第２端部が上向きに反転されて形成されている。そのとき、第１端部は下向きに向けられており、このことは、収集空間が遠心分離器の下端に設けられていることを意味している。

本発明のさらなる実施形態によれば、オイル供給デバイスは、内燃エンジンから加圧された潤滑オイルを供給するために、内燃エンジンに接続可能に形成されている。この実施形態によって、オイルの再循環のために必要な追加の設備を必要としない。その代わりに、内燃エンジンからの加圧された潤滑オイルは、オイルを分離空間に供給するためにおよびオイル膜の生成のために使用される。スピンドルが、タービンホイールを具備した駆動部材を利用して回転された場合、加圧された潤滑オイルは遠心ロータの駆動のためにも使用されてもよい。

本発明は、ここに添付された図を参照するとともに、多様な実施形態の記載を通じてより念入りに説明される。

本発明の第１実施形態による遠心分離器の断面を示した図である。 本発明の第２実施形態による遠心分離器の一部の断面を示した図である。 本発明の第３実施形態による遠心分離器の断面を示した図である。

図１は、内燃エンジン（図示略）からのクランクケースガスのような、オイルを含んだガスを浄化するための遠心分離器の第１実施形態を開示している。図１は、内燃エンジンのクランクケース内において安全な範囲の圧力を維持するように設計された、圧力制御バルブ１も開示している。

遠心分離器は静止筐体２を具備し、静止筐体２は静止筐体２の内部に分離空間３を形成している。静止筐体２は内燃エンジン１に関して静止している。静止筐体２は第１端部２ａ、その反対側の第２端部２ｂ、および第１端部２ａと第２端部２ｂとの間に隣接して設けられた中間部２ｃを具備している。開示された実施形態においては、第１端部２ａは、遠心分離器の作動の際に下部を形成し、一方で、第２端部２ｂは上部を形成している。

静止筐体２は分離空間３に面した内側壁面４を備えている。内側壁面４の主部は、この場合特に考慮すると、第１端部２ａと第２端部２ｂとの間の分離空間３の周囲に延びた中間部２ｃである。

遠心分離器は入口チャネル５、ガス出口チャネル６、およびオイル出口７も具備している。入口チャネル５は分離空間３に延びて、浄化されるクランクケースガスのための入り口を形成している。開示された実施形態においては、入口チャネル５は第２端部２ｂに設けられ、且つ第２端部２ｂを通じて延びている。ガス出口チャネル６は、分離空間３からの浄化されたガスを排出するために設けられている。開示された実施形態においては、ガス出口チャネル６は第１端部２ａに設けられ、且つ圧力制御バルブを介して第１端部２ａを通じて延びている。オイル出口７は、分離空間３からの分離されたオイルの排出のために設けられている。開示された実施形態においては、オイル出口７は第１端部２ａに設けられ、且つ第１端部２ａを通じて延びている。

さらに、遠心分離器は遠心ロータ９、およびガス空間の回転を生じるために回転軸ｘの周りに回転方向において遠心ロータ９を回転させるために設けられた駆動部材を具備している。したがって、オイルは遠心力を利用してクランクケースガスから分離される。遠心ロータ９は分離空間３内に設けられ、第１端部２ａから第２端部２ｂへと延びている。遠心ロータはスピンドル１１、およびスピンドル１１に設けられて担持された複数の分離ディスク１２ａ〜１２ｃを具備している。

複数の分離ディスク１２ａ〜１２ｃは、第１端部２ａの近傍且つスピンドル１１の第１端部１１ａ近傍の第１分離ディスク１２ａ、第２端部２ｂの近傍且つスピンドル１１の第２端部１１ｂ近傍の第２分離ディスク１２ｂ、および第１分離ディスク１２ａと第２分離ディスク１２ｂとの間に設けられた複数の中間分離ディスク１２ｃを具備しているか、またはそれらのディスクから成る。

スピンドル１１は、第２端部１１ｂにおいてベアリング１３によって、および第１端部１１ａにおいて追加のベアリング１４によって支持されている。

分離ディスク１２ａ〜１２ｃは、スピンドル１１から外側に延びている。開示された実施形態においては、各分離ディスク１２ａ〜１２ｃは、円錐台形状である。分離ディスク１２ａ〜１２ｃは反転され、分離ディスク１２ａ〜１２ｃの円錐台形状は、第１端部２ａに向かって指し示している。

第１実施形態による遠心分離器は、オイルを収集し且つスピンドル１１の第１端部１１ａを受容した収集空間１５を具備している。収集空間１５は、スピンドルの第２端部１１ｂにおいて、ガス出口チャネル６の下に設けられている。隔離壁１６は、分離空間３から収集空間１５を区切っている。追加のベアリング１４は収集空間１５と接続して設けられ、したがって、分離空間から収集空間内に排出されるオイルによって潤滑されている。

内側チャネル１７は、第１端部１１ａの開口部から第２端部１１ｂへと、スピンドル１１の第２端部１１ｂ且つ第２端部２ｂに設けられた入口ノズル１８を通じて、スピンドル１１の内部においてスピンドル１１に沿って延びている。

遠心分離器はオイル供給デバイスも具備しており、流れるオイル膜が遠心分離器の作動の際に内側壁面４に生じるように、分離空間３に多量のオイルを供給するように形成されている。第１実施形態においては、オイル供給デバイスは内側チャネル１７および入口ノズル１８を具備し、それらはオイルが収集空間１５から内側チャネル１７および入口ノズル１８を通じて移動することを可能にしている。

入口ノズル１８は開口径ｄを有し、それは３〜５ｍｍの範囲、好適に３．５〜４．５ｍｍの範囲、例えば４ｍｍである。内側チャネル１７は、開口径ｄよりも大きい直径Ｄを有する。したがって、入口ノズル１８は入口チャネル１７を通じて流れるオイルのための絞り部材として作動する。内側チャネル１７の直径Ｄは、５〜７ｍｍの範囲であってよい。

図１および図２に見られているように、入口ノズル１８は、第２端部１１ｂの端面から少し離れた、スピンドル１１の第２端部１１ｂに設けられている。

さらに、図１および図２に見られているように、入口ノズル１８は、第２端部１１ｂにおいてスピンドル１１に取り付けられたベアリング１３の内側に設けられている。カバー部材１９は、内側チャネル１７および入口ノズル１８の外側の空間を収容して、第２端部１１ｂの外側に設けられている。

開示された実施形態においては、カバー部材１９は静止筐体２内のベアリング３を支持するためにも設けられている。

第１実施形態においては、駆動部材はタービンホイール２２、およびタービンノズル２３を具備している。タービンホイール２２は第１端部１１ａにおいてスピンドル１１に取り付けられ、収集空間１５内に設けられており、収集空間１５内に収容されたオイルのレベル２４よりも上である。タービンノズル２３は収集空間１５内に設けられ、タービンホイール２２に対してオイル噴流を噴出しており、これによって遠心ロータ９を回転させている。

第１実施形態の遠心分離器の作動中に、オイルはタービンホイール２２に向かってタービンノズル２３へと供給され、６０００〜１００００ｒｐｍのような、例えば６０００〜１２０００ｒｐｍの回転速度で静止筐体内のスピンドル１１および遠心ロータ９を回転させる。オイル噴流がタービンに衝突した場合、オイルミストが収集空間１５内に生じる。オイルは収集空間１５内のレベル２４よりも上において収集される。収集空間１５内のレベル２４の上に含まれたオイルミストは、作動中に連続的にスピンドル１１の内側チャネル１７内に吸引され、入口ノズル１８へと搬送されて通過する。入口ノズル１８から、オイルはカバー部材１９を利用してガイドされ、ベアリング１３を通じて分離空間３に搬送される。次いで、オイルは第２分離ディスク１２ｂ、および１つ以上の隣接した中間ディスク１２ｃに供給される。したがって、オイルは回転しているガス空間に導入され、遠心力を利用して外側に向かって内側壁面４にもたらされる。回転しているガス空間のおかげで、オイルの回転動作は内側壁面４上に継続し、オイル膜の流れが内側壁面４上に生じる。開示された実施形態においては、ガス出口チャネル６に向かったガス流れのために、および図１〜３に示されたように、垂直に向けられた回転軸ｘを備えるように遠心分離器が向けられた場合にオイルに作用する重力のために、オイル膜は下向きにも移動する。

出願人は実験を行い、本発明の機能を確認した。これらの実験は、回転速度６０００〜１２０００ｒｐｍ、および開口径３〜５ｍｍにおいて、分離空間４に供給された多量のオイルが内側壁面４にオイル膜の流れを生じ、同時にクランクケースガスの効果的な浄化、すなわち浄化されたガス内のオイルがまったくないか、またはわずかな量であることを保障していることを示している。実験は実験室内において遠心分離器で実行されたが、遠心分離器は標準的なトラックに使用される種類の内燃エンジンとともに使用するように適合された。標準的なトラック、または大型の道路車両は、５〜１６リットルの範囲のサイズのディーゼルエンジンを一般的に備えている。

第１実施形態においては、入口ノズル１８は、スピンドル１１の第２端部１１ｂにおいて内側チャネル１７内に挿入されたノズル部材によって形成されている。そのようなノズル部材は交換可能とされてもよい。

図２は第２実施形態を参照しており、第１実施形態とは、入口ノズル１８がスピンドル１１の統合された部分として形成されている点のみが異なっている。そのような入口ノズル１８は、スピンドル１１の機械加工を通じて形成されてもよい。

図３は第３実施形態を示しており、第１および第２２実施形態とは、入口ノズル１８が静止筐体２に設けられ、例えばポンプ２６を利用して入口ノズル１８にオイルを供給するための外部パイプ２５に接続されている点が異なっている。ポンプ２６は入口ノズル１８にオイルを圧送するために配置され、且つ専用に適合されてもよく、または、内燃エンジンの潤滑オイルポンプとされてもよい。入口ノズル１８は、第３実施形態においても第２端部２ｂに設けられ、オイル膜が内側壁面４の全体または主部に沿って流れ得る。

第３実施形態においては、入口ノズル１８の開口径は０．３〜１．５ｍｍ、好適に０．４〜１．０ｍｍ、例えば０．５ｍｍである。そのとき、オイルは入口ノズル１８に３〜６ｂａｒの圧力で供給されてもよい。

さらに、第３実施形態においては、駆動部材は例えば電気モータ２７のような別個のモータによって置き換えられるか、そのようなモータを具備しており、そのモータはスピンドル１１および遠心ロータ９を回転させるために、スピンドル１１に接続されている。別個のモータは代替的に別個の空気圧モータまたは別個の油圧モータであってもよい。スピンドル１１および遠心ロータ９は、内燃エンジンのクランクシャフトを利用して駆動されてもよい。

本発明は開示された実施形態に限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲内において変化および改良され得る。

１ ・・・圧力制御バルブ
２ ・・・静止筐体
３ ・・・分離空間
４ ・・・内側壁面
５ ・・・入口チャネル
６ ・・・ガス出口チャネル
７ ・・・オイル出口
９ ・・・遠心ロータ
１１ ・・・スピンドル
１２ａ〜１２ｃ ・・・分離ディスク
１３ ・・・ベアリング
１４ ・・・追加のベアリング
１５ ・・・収集空間
１６ ・・・隔離壁
１７ ・・・内側チャネル
１８ ・・・入口ノズル
１９ ・・・カバー部材
２２ ・・・タービンホイール
２３ ・・・タービンノズル
２４ ・・・レベル
２５ ・・・外部パイプ
２６ ・・・ポンプ

Claims (11)

1. オイルを含んだ、内燃エンジンからのクランクケースガスを浄化するための遠心分離器であって、該遠心分離器は、
   分離空間（３）を形成し、且つ第１端部（２ａ）およびその反対側の第２端部（２ｂ）を具備した静止筐体（２）であって、前記分離空間（３）に面した内側壁面（４）を備えた静止筐体（２）と、
   前記分離空間（３）に延びて、前記浄化されるガスのための入口を形成した入口チャネル（５）と、
   前記分離空間（３）内に設けられ、前記第１端部（２ａ）から前記第２端部（２ｂ）まで延びた遠心ロータ（９）であって、スピンドル（１１）および該スピンドル（１１）によって担持された複数の分離ディスク（１２ａ〜１２ｃ）を具備した遠心ロータ（９）と、
   回転軸（ｘ）の周りの回転方向において前記遠心ロータ（９）を回転させて、ガスの回転を生じさせるために設けられた駆動部材であって、これによってオイルが遠心力を利用してガスから分離される、駆動部材と、
   前記分離空間（３）から浄化されたガスを排出するためのガス出口チャネル（６）と、
   前記分離空間（３）からオイルを排出するためのオイル出口（７）と、
   オイル供給デバイスと、を具備した遠心分離器において、
   前記オイル供給デバイスは、前記遠心分離器の動作の間にオイル膜の流れが前記内側壁面（４）に生じるような量のオイルを前記分離空間（３）に供給するように構成されており、
   前記オイル供給デバイスは、開口径（ｄ）を有する入口ノズル（１８）を具備しており、
   前記入口ノズル（１８）は前記静止筐体（２）内に設けられ、オイルを前記入口ノズル（１８）に供給するための外部パイプ（２５）に接続されていることを特徴とする遠心分離器。
2. 前記オイル供給デバイスは、オイルを回転した前記ガスに供給して前記オイルを回転させ、回転したオイルを前記内側壁面（４）にもたらすように設けられていることを特徴とする請求項１に記載の遠心分離器。
3. 前記ガス出口チャネル（６）は前記第１端部（２ａ）に設けられ、前記入口ノズル（１８）は反対側の第２端部（２ｂ）に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の遠心分離器。
4. 前記遠心分離器は、オイルを含み且つ前記スピンドル（１１）の第１端部（１１ａ）を受容した収集空間（１５）を具備し、前記収集空間（１５）は、前記第１端部（２ａ）に隣接して設けられてい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遠心分離器。
5. 前記開口径（ｄ）は３〜５ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の遠心分離器。
6. 前記開口径（ｄ）は３．５〜４．５ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項５に記載の遠心分離器。
7. 前記駆動部材は、前記収集空間（１５）内の前記スピンドル（１１）に設けられたタービンホイール（２２）、および前記収集空間（１５）内に設けられてオイル噴流を前記タービンホイール（２２）に対して噴出し、これによって前記遠心ロータ（９）を回転させるタービンノズル（２３）を具備していることを特徴とする請求項４に記載の遠心分離器。
8. 前記駆動部材は、前記スピンドル（１１）に接続された電気モータ（２６）を具備していることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の遠心分離器。
9. 前記駆動部材は、６０００〜１２０００ｒｐｍの回転速度で前記遠心ロータを回転させるように形成されてい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遠心分離器。
10. 前記遠心分離器は、前記第２端部（２ｂ）が上向きに反転されて形成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の遠心分離器。
11. 前記外部パイプ（２５）は、前記内燃エンジンから加圧された潤滑オイルを供給するために、前記内燃エンジンに接続可能に形成されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の遠心分離器。

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