KR100577664B1 - 연소 엔진으로부터 가스를 정화하는 방법 및 설비 - Google Patents

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Abstract

연소 엔진(1)에 의해 생성된 가스, 예컨대 크랭크실 가스는 원심력에 의해 가스에 부유하는 입자가 분리될 수 있도록 원심 분리기(R)에 의해 형성되고 둘러싸이는 분리 챔버를 통해 전달되고, 그 원심 분리기에 의해 가스가 회전하게 된다. 연소 엔진(1)에 의해 생성된 압력 유체에 의해 원심 분리기(R)는 회전하게 된다.
연소 엔진, 가스 정화, 분리 챔버, 압축 유체, 회전 부재

Description

연소 엔진으로부터 가스를 정화하는 방법 및 설비{METHOD AND PLANT FOR CLEANING OF GASES FROM A COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 연소 엔진에 의해 생성된 가스를 그 가스에 부유하는 고체 및/또는 액체 입자로부터 정화하는 것에 관련된 것이다. 이러한 종류의 가스는 예를 들면 일반적인 배기 파이프를 통해 엔진을 떠나는 연소 가스와, 압축되어 엔진 실린더로부터 엔진 피스톤의 피스톤 링을 지나 엔진 크랭크실로 배기되는 소위 크랭크실 가스이다. 크랭크실 가스는 크랭크실에 과도한 압력을 생성하지 않도록 배기되어야 하며, 매연(soot) 입자와 같은 연소 생성물 뿐만 아니라 연소 엔진 작동중에 크랭크실에서 생성되어 존재하는 오일 안개(oil mist)에 혼입된 소정량의 오일 방울을 함유하고 있다.
이러한 종류의 가스를 정화하기 위해, 가스에 부유하는 입자가 원심력에 의해 분리되도록 가스를 회전 운동시키는 다양한 종류의 장치가 종래에 제시되어 왔다. 따라서, 예를 들어 미국 특허 제1,950,586호나 독일 특허 공개 제43 11 906호로부터 알 수 있듯이, 상기 가스는 하나 이상의 가스의 접선 방향 입구를 갖는 집진장치 또는 고정 하우징의 챔버를 통해 흘러야 하며, 상기 가스는 그 안에서 날개나 기타 혼입 부재를 구비한 중앙 구동 휠에 의해 회전되는 것이 제안되었다. 또한, 가스는 연소 엔진에 의해 임의로 구동되는 회전 부재 내의 채널 또는 분리 챔버를 통과하여 흘러야 한다는 것이 제시되어 왔다. 한 방안에 따르면, 예컨대 유럽 특허 공개 제0 736 673호, 독일 특허 공개 제196 07 919호 및 미국 특허4,329,968호 등에 개시되어 있듯이, 이러한 종류의 회전 부재는 연소 엔진의 소정의 회전부에 의해 구동된다. 다른 방안에 따르면, 예를 들면 영국 특허 제1 465 820호, 독일 특허 공개 제35 41 204호 등에 개시되어 있듯이, 회전 부재는 연소엔진에 의해 생성되고 또한 정화되어야 할 가스의 운동 에너지에 의해 구동된다.
연소 엔진에 의해 생성된 가스를 정화하기 위한 상술된 방안들은 각각 하나 이상의 단점을 갖는다. 따라서, 고정 하우징에 의해 형성된 챔버를 통과하여 흐르고 날개 또는 유사한 혼입 부재를 구비한 구동 휠 등에 의해 챔버 내에서 회전하는 가스에 기초한 방안은 충분히 효과적인 분리 작동이 이러한 종류의 기술로 성취하기가 어렵거나 불가능하다는 단점을 가진다. 가스가 통과하는 분리 챔버를 내부에 형성하는 회전 부재의 이용에 기초한 이러한 방안들은 회전부재에 대해 매우 큰 회전 속도가 요구된다면 제안된 회전 부재의 작동 방법을 이용하기가 어렵거나 회전 부재의 물리적 위치 선정에 소정의 조건이 따른다는 단점이 있다. 연소 엔진에서 생성된 가스를 정화하기 위한 장비를 소정의 위치에 또는 연소 엔진으로부터 이격된 거리에 위치시키는 것이 가능해야 한다는 점이 종종 요구된다.
본원에서 문제가 되는 종류의 가스에 대한 정화를 위한 본 발명의 출발점은 가스가 통과하여 유동해야 하는 분리 챔버를 형성하고 둘러싸는 회전 가능한 원심 회전자의 사용이다. 이러한 종류의 원심 회전자에 의해서만 충분히 효과적인 가스 정화를 성취될 수 있는 것으로 생각된다. 또한, 본 발명의 목적은 간단한 방법으로 매우 높은 회전 속도를 얻을 수 있고 원심 회전자가 연소 엔진 근처의 소정의 지점에 위치할 수 있도록 원심 회전자 구동을 달성하는 것이다.
본 발명에 따르면, 이러한 목적을 성취하기 위해 제안된 연소 엔진으로부터 생성된 가스로부터 그 내부에 부유하는 고체 및/또는 액체 입자를 정화하는 방법은 이 입자들이 원심력에 의해 분리 챔버 내의 가스로부터 분리되도록 가스를 회전시키는 회전부재에 의해 형성되고 둘러싸이는 분리 챔버를 통하여 전달된다는 점에서 시작되며, 이 방법은 연소 엔진이 연소 엔진의 연소실 내에서 압축된 배기 가스 이외의 압축 유체의 발생을 위해 사용된다는 점과 이 압축 유체는 회전 부재 구동에 사용된다는 점에 특징이 있다.
본 발명에 따른 방법에 의해, 첫째로 원심 회전자가 압축 유체에 의해 매우 높은 회전 속도로 구동 가능한 효과적인 원심 분리기가 사용될 수 있고, 둘째로 소정의 위치로 간단히 전달될 수 있는 압축 유체에 의해 구동 가능하다는 사실의 결과로 이러한 종류의 원심 회전자는 연소 엔진 내에 또는 근처에 가능한한 최적의 공간에 배치될 수 있다.
통상적으로, 연소 엔진은 그 자체의 필요에 따라 다양한 종류의 유체를 압축한다. 예를 들어, 연료, 윤활유, 냉각수가 압축된다. 이 압축은 연소 엔진으로부터의 에너지에 의해 임으로 작동되는 펌프에 의해 성취된다. 또한, 어떤 경우에는 엔진의 연소실로 공급되는 공기가 압축기에 의해 압축된다. 통상적으로 이 압축기 는 연소 엔진을 떠나는 배기되는 가스에 의해 구동된다.
본 발명의 다양한 변형예에 따르면, 이와 같이 압축된 유체는 상술한 원심 분리기 내의 회전 부재 작동에 사용될 수도 있다. 회전 부재의 작동은 분리기의 회전 부재와 직접 연결되거나 기어 장치를 통해 연결된 터빈 휠이나 유사한 부재에 의해 달성될 수도 있다. 이러한 종류의 작동은 압축된 유체가 액체에 의해 또는 가스에 의해 형성되는 지에 관계없이 달성된다. 그 구동은 임의의 종류의 유압식 또는 공압식 모터에 의해 선택적으로 성취될 수도 있다.
회전 부재 구동의 한 방법은 압축된 유체의 전부 또는 일부를 회전 부재와 직접 연결되거나 기어 장치를 통해 간접적으로 연결된 회전 가능한 하우징에 전달하여, 유체의 적어도 일 부분은 하우징이 그 주위로 회전하는 회전축과 관련하여 하우징과 회전 부재를 회전하게 하도록 배치된 출구를 통해 하우징을 벗어난다. 이 구동 수단은 압축 유체가 가스 또는 액체로 구성되는 것에 관계없이 사용될 수 있다.
특히 디젤 엔진과 관련하여, 윤활유는 엔진의 윤활부로 펌프된 윤활유의 분분 유동이 소위 반력 구동식(reaction-driven) 원심 분리기로 통과하여 흐르게 함으로써 정화되는 것은 주지의 사실이다. 이러한 종류의 원심 분리기는 압축된 윤활유가 유입되는 회전자를 갖고, 이 회전자를 벗어나는 하나 또는 복수의 윤활유용 출구는 윤활유의 유출의 결과로 회전자의 회전이 유도되고 유지되도록 배치된다. 본 발명의 특정 적용예에 따르면, 이러한 종류의 윤활유용 원심 분리기는 연소 엔진에 의해 생성된 가스를 정화하기 위한 상술한 분리기의 회전 부재 구동에 이용될 수도 있다. 따라서, 이러한 회전 부재는 윤활유용 원심 분리기의 회전자에 의해 지지되거나 적당한 방법으로 구동될 수도 있다.
본 발명의 범주 내에서 회전 부재를 작동하기 위해서만 의도되거나 적어도 연소 엔진의 다른 용도로는 의도되지 않는 유체를 압축하기 위해 연소 엔진을 사용하는 것은 당연히 가능하다. 따라서, 연소 엔진은 생성된 전기를 유체를 압축하는데 사용하는 전기 발전기를 작동하도록 구성될 수도 있다. 예를 들어 회전 부재의 작동을 위한 공기 압축용 전기 구동 압축기가 이러한 종류의 전기 발전기에 연결될 수도 있다.
또한, 본 발명은 연소 엔진에 의해 생성된 가스를 정화하는 상술한 방법을 실행하는 설비와 관련된다.
이러한 종류의 설비는 회전축을 주위로 회전하고 분리 챔버를 한정하고 둘러싸는 회전자와, 가스를 연소 엔진으로부터 회전자의 분리 챔버로 전달하는 가스 전달 부재를 구비하며, 그 결과 가스가 그 안에서 회전된다. 이 설비는 연소 엔진의 연소실에서 압축된 배기 가스에 의해 형성된 유체 이외의 압축 유체를 생성하기 위한 압축 장치를 작동하도록 구성되었다는 점과, 원심분리기가 압축 유체에 의한 회전자의 회전을 유발하도록 구성된 회전자용 구동 장치를 가진다는 점과, 압축 유체 전달 부재가 압축 유체를 그 압축 장치로부터 회전자 회전용 구동장치로 전달하도록 구성되었다는 점에 특징이 있다.
본 발명에 따른 설비의 다양한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 후술한다.
도1 내지 도4는 연소 엔진과 이 연소 엔진을 떠나는 소위 크랭크 가스를 정화하기 위한 원심 분리기를 개략적으로 도시하고, 본 발명에 따른 원심 분리기의 회전자 구동을 위한 다양한 구동원을 도해한다.
도5는 윤활유를 정화하기 위한 반력 구동식 원심 분리기와 결합된, 연소 엔진으로부터 나온 가스를 정화하는 원심 분리기의 특정 실시예를 도시한다.
도6 내지 도7은 본 발명에 따른 다른 종류의 가스 정화용 원심 분리기를 개략적으로 도시한다.
도1 내지 도4의 각각은 연소 엔진(1)과 연소 엔진(1)에 의해 생성된 가스를 정화하기 위한 원심 분리기(2)를 개략적으로 도시한다. 엔진(1)은 도관(4)을 통해 공기가 충전되고 배기 가스 도관(5)를 통해 연소 배기 가스를 방출하는 4개의 실린더(3)를 갖는다. 도1 내지 도3에서는 실린더(3)로의 연료 공급은 도시되지 않았지만 도4에서는 개략적으로 도해되어 있다. 엔진(1)은, 윤활유가 부분적으로 충전된 크랭크실(6)을 추가로 갖는다. 엔진 실린더(3)의 피스톤 링을 통과하고 크랭크실로부터 제거되어야 하는 소정의 연소 가스는 크랭크실(6) 안으로 유입된다. 이러한 소위 크랭크실 가스는 도관(7) 개구을 통해 원심 분리기(2)로 전달된다.
도관(5)을 통해 실린더(3)을 떠나는 배기 가스는 소위 터보 유닛(8)으로 전달되는데, 그 곳에서 배기 가스는 공기 압축을 위해 배치된 압축기(9)를 구동한다. 이러한 공기는 입구 도관(10)을 통해 압축기로 도입되고, 압축기를 벗어나 출구 도관(11)을 통해 압축된 공기를 실린더(3)로 전달하는 상술한 도관(4) 안으로 압박된다. 흡입 공기 정화용 필터(12)는 입구 도관(10) 내에 위치한다. 원심 분리기(2)에서 입자가 정화된 크랭크실 가스는 필터(12)의 하류와 연결된 도관(13)을 통해 공기용 입구 도관(10)으로 들어간다.
도1은 압축기(9)에 의해 생성된 압축된 공기의 일부에 의해 원심 분리기(2)가 구동되는 설비를 도시한다. 따라서, 원심 분리기(2)로 개방된 구동 공기 도관(14)은 압축기 출구 도관(11)에서 시작된다.
도2는 원심 분리기(2)가 압축된 윤활유에 의해 구동되는 설비를 도시한다. 따라서, 크랭크실(6)로부터 도관(17)을 통하여 온 윤활유로써 충전되고 이러한 종류의 윤활유를 도관(18)을 통해 연소 엔진(1) 내의 다양한 윤활부로 그리고 도관(19)를 통해 원심 분리기(2)로 그 작동을 위해 펌핑하는 윤활유 펌프(16)가 도시되어 있다. 도관(20)을 통해 원심 분리기(2)에서 나온 윤활유는 크랭크실(6)로 되돌아간다.
도3은 원심 분리기(2)가 압축된 냉각수에 의해 구동되는 설비를 도시한다. 따라서, 자체 냉각을 위해 냉각수가 통과하여 흐르도록 구성된 냉각 유닛(21)이 개략적으로 도시되어 있다. 냉각수 펌프(22)는 냉각 유닛(21)로부터 도관(23)을 통과한 냉각수로 충전되어 이 냉각수를 도관(24)를 통해 엔진(1) 내의 여러 냉각부에 펌핑하도록 구성된다. 엔진(1) 내의 도시되지 않은 채널을 통해 냉각수는 냉각 유닛(21)로 복귀한다. 도관(24)에서부터 도관(25)를 통해 냉각수의 일부는 또한 원심 분리기(2)의 작동을 위해서 펌핑된다. 이러한 종류의 냉각수는 도관(26)을 통해 펌프(22)의 흡입 측으로 복귀한다.
도4는 원심 분리기가 예를 들어 엔진 작동용 연료와 같은 압축된 연료에 의해 구동되는 설비를 도시한다. 따라서, 연료 탱크(27)가 개략적으로 도시되어 있는데, 연료 펌프(28)는 연료 탱크로부터 도관(29)를 통해 연료로 충전되어 계속해서 도관(30)을 통해 엔진(1)으로 연료를 펌핑한다. 도관(30)의 분기 도관(31)을 통해서 연료의 일부가 원심 분리기(2)로 작동을 위해 펌핑된다. 이러한 종류의 연료는 도관(32)를 통해 연료 탱크(27)로 복귀한다.
도1 내지 도4에 따른 각각의 설비에서 원심 분리기는 압력 유체에 의해 구동되도록 구성되는데, 압력 유체의 압력은 연소 엔진(1)에 의해 생성된다. 따라서, 펌프(16, 22, 28)들은 연소 엔진(1)에 의해 임의의 방법으로 구동되도록 구성된다. 원심 분리기의 작동을 위해 사용된 구동 장치는 임의의 적절한 종류일 수도 있다. 따라서, 예를 들어 유압식 또는 공압식 회전 모터가 선택될 수도 있다. 선택적으로는, 터빈 휠은 압축 유체에 의해 회전하고 원심 분리기의 회전자에 직접 연결되거나 기어 장치를 통해서 결합되도록 구성될 수도 있다. 선택적으로는, 회전자는 압축 유체가 적절히 설계된 출구 노즐을 통해 회전체를 떠날 때 생성된 반력에 의해 구동될 수도 있다. 도1 내지 도4에서 원심 분리기의 회전자는 R, 구동 장치나 모터는 M으로 도시되어 있다.
도5는 본 발명에 따른 원심 분리기의 특정 실시예와 마찬가지로 이 원심 분리기의 회전자용 특정 구동 장치를 도시한다.
도5의 장치는 하부 하우징부(39)와 상부 하우징부(40)를 구성하는 고정된 하우징을 포함한다. 하우징 내에는 회전자(42)가 배치된 한정된 챔버(41)가 지정된다. 회전자는 하부 하우징(39)의 부분(43)에서 저어널 지지되어 수직 회전축 주위로 회전 가능하다.
회전자(42)는 도2에 따른 연소 엔진(1)의 윤활용 윤활유의 정화 뿐만 아니라 동 도면에 따른 연소 엔진(1)으로부터 나온 크랭크실 가스의 정화용으로 구성된다. 회전자(42)는 윤활유 펌프(16)로부터 도2의 도관(19)을 통해 공급된 윤활유의 압력에 의해 구동되도록 구성된다. 도관(19)는 도5의 하부 하우징부(39)의 입구 채널(44)로 개방된다. 또한, 도5의 하부 하우징부(39)는 도2의 도관(7)을 통해 원심 분리기로 공급되는 크랭크실 가스를 가스 입구(45)를 통해 수용한다.
도5의 회전자(42)는 하부 기부판(46)과 그 위에 위치한 덮개(47)를 포함한다. 기부판(46)과 덮개(47)는 정화될 윤활유에 의해 충전되어 그 안을 통해 흐르도록 구성된 공간을 둘러싼다. 기부판(46)과 덮개(47)를 지지하고 하부 하우징부(39)에 회전 가능하게 저널 지지된 입구 파이프(48)는 기부판(46)과 덮개(47)를 통해 중앙으로 연장한다.
회전자(42) 내에서 기부판(46)은 상술한 공간을 분리 챔버(50)와 출구 챔버(51)로 구분하는 절두원추형 격판(49)을 지지한다. 입구 파이프(48)는 입구 파이프(48)와의 사이에 입구 챔버(53)을 한정하는 실린더형 슬리브(52)를 지지한다. 입구 챔버(53)는 그 하부에서 다수의 개구(54)를 통해 입구 파이프(48)과 연통하고, 그 상부에서 분리 챔버(50)의 상부와 연통한다. 입구 파이프(48)의 내부는 하부 하우징(39)의 공급 챔버(55)를 통해 정화될 윤활유용 입구 채널(44)과 연통한다.
기부판(46)은 그 하부에 출구 챔버(51)와 연통하는 중공의 내부를 갖는 2개의 돌출부(56)를 갖는다. 각각의 돌출부(56)에는 회전자(42)의 회전축으로부터 소정의 거리로 이격 위치하여 회전자의 원주 방향을 향하는 출구 노즐(57)이 배치된다.
입구 파이프(48)를 둘러싸는 원통형 필터(58)는 분리 챔버(50) 내에서 절두원추형 격판(49)으로부터 원통형 슬리브(52)로 연장된다.
도5의 윤활유 정화용 원심 분리기부의 부품은 다음과 같은 방법으로 작동된다.
채널(44)를 통해 과다 압력에 의해 공급된 윤활유는 공급 챔버(55)와 입구 파이프(48)의 내부를 통해 입구 챔버(53)로 전달된다. 오일은 이로부터 분리 챔버(50)와 필터(58)를 통해 출구 챔버(51)로 전달된 후, 출구 노즐(57)을 통해 회전자(42) 밖으로 배출된다.
회전자(42)를 떠날 때, 윤활유는 회전자에서의 반력에 의해 회전한다. 이는 분리 챔버(50)을 통해 흐르는 윤활유가 원심력을 받게 되어 윤활유에 부유하고 윤활유보다 더 무거운 입자가 분리되어 덮개(47)의 내부에 수집된다는 것을 의미한다. 상술한 바와 같이, 정화된 윤활유는 노즐(57)을 통해 회전자(42)를 떠나서 챔버(41)로 들어간다. 그 곳에서부터, 윤활유는 가스 입구(45)를 통해 연소 엔진의 크랭크실로 도관(20)을 통해 다시 돌아가게 된다.(도2 참조)
도5로부터 더 잘 알 수 있듯이, 덮개(47)는 원통형 주위 벽(59)과, 상호 축방향으로 이격된 주위 벽에 의해 지지되고 회전자(42)와 동축상인 복수의 절두원추형 격판(60)을 포함하는 추가 분리 장치를 그 상부에서 지지한다. 따라서, 주위벽(59)과 격판(60)은 덮개(47)과 함께 회전 가능하고 회전자(42)의 일부를 구 성한다.
고정된 상부 하우징부(40)에 의해 지지되는 중앙 파이프(61)는 원통형 주위 벽(59)에서 중앙으로 하향 연장한다. 파이프(61)는 주위 벽(59)에 의해 지지되는 절두원추형 격판(60) 사이의 내부 공간 안으로 파이프(61)로부터 연장되는 축방향으로 분리된 원추형 격판(62)을 지지한다. 그리하여, 상부로부터 하부로 막 언급한 분리 장치를 통과하는 꾸불꾸불한 통로(labyrinth)가 한 측부에는 회전가능한 주위 벽(59)과 그 구획부(60) 사이에 형성되고 다른 측부에는 고정된 중앙 파이프(61)와 그 구획부(62) 사이에 형성된다.
중앙 파이프(61)는 덮개(47)의 상부측으로부터 소정의 거리로 이격하여 위치한 깔대기 모양의 격판(63)의 하부에서 종결한다. 따라서, 도5에서 화살표로 도시된 바와 같이 가스 입구(45)를 통해 챔버(41)로 들어가는 크랭크실 가스는 분리 장치의 상부로 유입되고, 꾸불꾸불한 통로를 통해 중앙 파이프(61)의 내부로 유입하고, 다시 중앙 파이프(61)의 내부를 통해 유출된다. 그 통로를 통과하여 흐르는 동안, 크랭크실 가스는 주위 벽(59)과 격판(60)의 회전에 의해 회전하게 된다. 그리하여, 고체 입자와 오일 액적은 원심력에 의해 크랭크실 가스로부터 분리되고, 그 입자와 액적은 주위 벽(59)에 쌓이게 된다. 격판(60)의 반경방향 최외측에 위치한 구멍(64)과 주위 벽(59)의 최하부에 위치한 구멍(65)을 통해, 분리된 액체와 부유하는 분리된 입자는 회전자(42)를 떠나고, 노즐(57)을 통해서 회전자(42)로부터 챔버(41) 내로 방출된 오일과 함께 가스 입구(45)와 복귀 도관(20)을 통해 연소 엔진의 크랭크실(6)로 복귀한다.(도2 참조)
정화된 크랭크실 가스는 중앙 파이프(61)를 통해 떠나고 도관(13)을 통해(도2 참조) 연소 엔진의 공기 입구로 되돌아 간다. 선택적으로는 이러한 가스는 대기로 방출되기도 한다.
기술하였듯이, 압축된 윤활유는 도5의 가스 분리기를 구동하는데 사용된다. 그러나, 물론 회전자(42)의 상부와 같이 설계된, 예컨대 주위 벽(59), 격판(60) 및 덮개(47)의 최상부와 유사한 하부 벽을 포함하는 회전자는 도1 내지 도4로부터 알 수 있듯이 소정의 다른 방법으로 구동될 수도 있다.
도6은 다른 종류의 원심 분리기를 도시한다. 두 부분으로 구성된 고정 하우징(66)은 회전축(68)을 주위로 회전 가능한 회전자(67)를 둘러싼다. 회전자(67)는 환형 분리 삽입체(70) 또한 배치된 환형 분리 챔버(69)를 한정한다. 이 분리 삽입체는 회전자의 주위벽의 내측 상의 상부에서 지지되는 환형판(71)을 포함한다. 판(71)은 회전축(68) 주위로 분포된 복수의 관통 구멍(72)을 갖는다.
그 외측에 다수의 강모가 고정되고 다수의 평행선으로 도시된 원통형 지지체(73)는 구멍(72)의 반경방향 내측에 위치한 판(71)의 하부로부터 현수된다. 이 강모는 회전축(68)에 사실상 수직하게 지지체(73)로부터 회전자(67)의 주위벽 쪽으로 또는 이에 근접하게 연장한다.
고정 하우징(66)에 의해 지지되는 입구 파이프(74)는 위로부터 회전자(67) 내로 중앙에서 연장한다. 하우징의 상부 한정 벽에는 입구 파이프(74) 주위로 분포된 복수의 출구 개구(75)가 있다.
회전자는 임의의 적절한 방법으로, 예를 들어 도1 내지 도5와 관련하여 전술 된 몇가지 방법으로 회전할 수도 있다.
가스 내에 부유하고 가스보다 더 무거운 입자로부터 정화되는 가스(또는 가스들)는 입구 파이프(74)를 통해 회전자 안으로 유입되어 분리 챔버(69)의 하부로 흐를 수도 있다. 도6을 참조하면, 거기에서부터 가스는 강모가 있는 분리 챔버(69)의 일부를 통해 수직 상향으로 전달된다. 강모가 가스를 회전시키므로, 가스로부터 분리되는 무거운 입자는 지속적으로 상승하여 구멍(72)를 통해 회전자(67)를 이탈하고 더 나아가 출구 개구(75)를 통해 하우징(66)을 이탈한다.
고체 또는 액적일 수도 있는 가스로부터 분리되는 입자는 강모들 사이에 있는 회전자(67)의 주위벽 쪽으로 이동한다. 이후, 그 입자의 대부분일 수도 있는 소정의 입자들은 강모와 접촉하게 되어 원심력에 의해 주위벽 쪽으로 강모를 따라 미끄러진다. 도5의 회전자의 주위 벽(59)와 같이, 도6의 회전자의 주위 벽에는 분리된 입자가 회전자(67)와 하우징(66) 사이의 공간으로 지속적으로 방출되기 위해 작은 출구 구멍들이 있다. 무엇보다도, 입자가 액적 형태라면 분리된 입자의 그러한 지속적인 방출에 적합하다.
회전자(67)의 주위벽을 통한 하나 이상의 구멍에 대한 대안으로서, 회전자가 회전하는 동안 회전축으로부터 소정의 거리만큼 이격하여 액체를 배출하도록 구성된 출구 장치는 회전자로부터의 분리된 액체의 지속적인 배출에 기여할 수도 있다. 이러한 종류의 고정 출구 장치는 위에서부터 회전자의 상부 안쪽으로 연장하고 출구 구멍(72)과 회전자의 주위벽의 내부 플랜지(77) 사이에서 축방향으로 주위벽에 근접한 부분(76)에서 개방하는 소위 페어링 파이프(paring pipe)를 포함한다. 만 일 가스로부터 분리된 입자의 배출을 위한 회전자의 주위벽을 통한 출구 구멍이나 다른 배치가 없다면, 회전자(67)는 소정의 시간 간격을 가지고 정지되어 세척되어야만 한다.
도7은 가스 안에 부유하고 가스보다 더 무거운 입자를 가스로부터 정화하는 원심 분리기의 다른 실시예를 도시한다. 도7의 원심 분리기는 도6의 원심 분리기와 유사하므로, 이러한 원심 분리기의 대응 부분은 동일한 도면 번호 66 내지 72와 74 내지 77이 주어진다.
도7의 분리 삽입체(70)는 분리 챔버(69)에 상호 동축상으로 위치하고 축방향으로 상호 소정의 거리로 이격하여 위치하는 복수의 절두원추형 분리 디스크를 포함한다. 그리하여, 분리 디스크 사이에 반경 방향 안쪽 모서리로부터 바깥쪽 모서리로 얇은 유로가 형성된다. 도7에 도시되어 있듯이, 분리 디스크는 축 방향의 리브(78)에 의해 회전자(67)의 주위벽으로부터 반경 방향으로 이격되어 유지된다. 이러한 종류의 복수의 리브는 분리 삽입체(70) 주위로 상호 이격되어 배치된다. 리브의 목적은 원추형 분리 디스크를 챔버(69) 내의 바른 위치에 유지하고 분리 디스크와 회전자의 주위벽 사이에 정화된 가스와 입자로부터 정화되어야 할 가스의 축 방향 유동 부분을 발생시키는 것이다.
또한, 도7의 회전자는 예를 들어 도1 내지 도5에 관련하여 전술한 방법과 같이 적합한 방법으로 회전할 수도 있다.
가스에 부유하고 가스보다 더 무거운 입자들로부터 정화되어질 가스(또는 가스들)는 입구 파이프(74)를 통해 회전자(67) 안으로 유입된다. 회전자의 중심부로부터 가스는 분배되고 원추형 분리 디스크들 사이의 얇은 공간을 통해 회전자의 주위벽 쪽으로 계속해서 흐른다. 이러한 공간에서 가스는 분리 디스크들과 그 사이에 배치될 수 있는 간격 부재에 의해 회전하기 시작하고, 입자들은 원심력에 의해 원추형 분리 디스크의 하측 쪽으로 쏠림으로써 가스로부터 분리된다. 이 하측에서 회전자의 주위벽 쪽으로 분리 입자가 미끄러지거나 액체 방울에 의해 형성된 액체가 흐른다. 회전자의 주위 벽의 내측 상에서는 분리된 물질이 이와 같이 모여서, 그 곳에서 분리된 물질은 간헐적으로 예를 들면 회전자가 정지하였을 때 수동으로 또는 도5의 주위벽(59)의 개구(65)와 비슷한 개구를 구비한 주위벽에 의해 연속적으로 제거될 수도 있다. 선택적으로는, 도7의 원심 분리기는 도6의 원심 분리기와 관련하여 전술한 이러한 종류의 분리된 입자용 고정 출구 장치가 제공될 수도 있다. 페어링 튜브가 사용된다면, 자유 액체 표면이 원추형 분리 디스크의 바깥 모서리의 반경 방향 외측에 형성되도록 구성되어 정화된 가스가 바깥 모서리를 축방향으로 지나서 구멍(72)를 통해 흘러 나가도록 한다는 것이 중요하다. 그렇지 않으면, 정화된 가스의 불필요한 통류 저항을 생성하는 개별 분리 구멍이 분리 디스크에 형성되어야 한다.
도6 및 도7에 따른 원심 분리기에서는 정화될 가스가 파이프(74)를 통해 유입되고, 정화된 가스는 그 입구 파이프(74)보다 회전자의 회전축으로부터 더 이격하여 위치한 개구(75)를 통해 벗어나는 것으로 가정하였다. 이에 의해, 회전자가 팬과 같이 작동하여 입구 파이프(74)에 소정의 과소압력(underpressure)을 생성된다. 따라서, 정화될 가스는 회전자를 통하여 흐를 수 있도록 가압될 필요가 없다. 그러나, 양쪽 원심 분리기 모두에서 반대 방향으로 가스 유동을 갖는 것이 가능하다.
위에서, 도7의 원심 분리기가 연소 엔진에 의해 생성된 가스들를 정화하기 위해 사용되어야 한다고 제시되었다. 그러나, 이러한 종류의 원심 분리기는 가스보다 무거우며 그 안에서 부유하는 고체나 액체 입자로부터 임의의 종류의 가스를 각각 정화하는데 사용되어질 수도 있다.
액체 정화 관련 사용에서와 같이, 이 원심 분리기의 원추형 분리 디스크는 분리 디스크들 사이에 상이하게 설계된 간격 부재가 제공될 수도 있다. 이러한 종류의 간격 부재의 특히 효과적인 설계는 국제 공개 제WO 90/05028호에 개시되어 있는데, 이 설계는 양호하게는 본원에서 기술된 가스 정화용 원심 분리기와 관련하여 사용될 수도 있다. 이러한 방법으로 형성된 간격 부재의 한 효과는 분리된 입자 및/또는 액체가 분리 디스크의 하측상의 간격 부재를 따라서 수집된 후, 분리 디스크의 주위에 분포된 한정된 구역에만 있는 분리 디스크 사이의 공간을 떠난다. 이는 상술한 리브(78)에 의해 혹은 다른 수단으로, 실질적으로 가스만 유동시키기 위한 회전자의 주위벽 및 분리 디스크 사이에 상기 공간의 일부을 한정하는 반면 다른 부분은 분리 디스크 사이의 공간으로부터 실질적으로 입자 또는 액체만을 수용하도록 구성하는 것을 가능하게 한다. 이러한 방법으로 회전자의 주위벽 및 분리 디스크 사이로 축방향으로 흐르는 가스가 분리 디스크 사이의 공간에 있는 가스로부터 이미 분리된 입자를 혼입하는 위험을 줄이거나 방지할 수 있다.

Claims (22)

  1. 연소 엔진(1)에 의해 생성된 가스를 그 안에 부유하는 고체 및/또는 액체 입자로부터 정화하는 가스 정화 방법으로서, 상기 가스는 회전 부재(R)에 의해 형성되고 둘러싸인 분리 챔버를 통과하여 전달되고, 상기 회전 부재에 의해 가스가 회전하여 분리 챔버 내의 입자가 원심력에 의해 가스로부터 분리되는 가스 정화 방법에 있어서,
    연소 엔진(1)이 연소 엔진의 연소실 내에서 압축된 배기 가스로 구성된 압축 유체 이외의 압축 유체를 생성하기 위해 이용되고,
    상기 압축 유체는 회전 부재(R)의 구동에 이용되는 것을 특징으로 하는 가스 정화 방법.
  2. 제1항에 있어서, 연소 엔진(1)은 공기 압축에 이용되고, 상기 공기는 이후에 상기 압축 유체로 사용되는 것을 특징으로 하는 가스 정화 방법.
  3. 제2항에 있어서, 연소 엔진(1)은 연소 엔진의 연소실 내로 공급되는 공기를 압축하고, 그 압축 공기 중 일부분은 상기 압축 유체로 사용되는 것을 특징으로 하는 가스 정화 방법.
  4. 제3항에 있어서, 연소 엔진의 배기 가스는 상기 공기를 압축하도록 구성된 압축기(9)를 구동하는 데에 사용되는 것을 특징으로 하는 가스 정화 방법.
  5. 제1항에 있어서, 압축된 액체가 상기 압축 유체로 사용되는 것을 특징으로 하는 가스 정화 방법.
  6. 제5항에 있어서, 연소 엔진(1)은 상기 액체를 압축하기 위한 펌프(16, 22, 28)을 구동하도록 하는 것을 특징으로 하는 가스 정화 방법.
  7. 제6항에 있어서, 액체 연료는 상기 펌프(28)에 의해 연소 엔진의 연소실로 펌핑되고, 그 펌핑된 연료 중 적어도 일부분은 회전 부재(R) 구동용으로 사용되는 것을 특징으로 하는 가스 정화 방법.
  8. 제6항에 있어서, 연소 엔진(1) 윤활용 윤활유는 상기 펌프(16)에 의해 펌핑되고, 그 펌핑된 윤활유 중 적어도 일부분은 상기 회전 부재(R) 구동용으로 사용되는 것을 특징으로 하는 가스 정화 방법.
  9. 제6항에 있어서, 연소 엔진(1)용 냉각수는 상기 펌프(22)에 의해 펌핑되고, 그 펌핑된 냉각수 중 적어도 일부분은 상기 회전 부재(R) 구동용으로 사용되는 것을 특징으로 하는 가스 정화 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 압축 유체는 상기 회전 부재(59)와 연결된 회전 가능한 하우징(47) 내의 챔버(50)에 공급되고, 상기 압축 유체의 적어도 일부분은 하우징(47)이 그 주위로 회전하는 회전축에 대해 출구(57)를 통해 유출되는 유체가 하우징(47)과 회전 부재(59)를 회전하게 하도록 지향되고 배치된 출구(57)를 통해 하우징(47)을 벗어나는 것을 특징으로 하는 가스 정화 방법.
  11. 제10항에 있어서, 연소 엔진(1)용 윤활유가 상기 압축 유체로 사용되고, 이 윤활유는 하우징의 회전에 따른 원심력에 의해 회전 가능한 하우징(47) 내에서 윤활유에 부유하는 입자로부터 정화되는 것을 특징으로 하는 가스 정화 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 정화되어질 가스는 연소 엔진(1) 내의 크랭크실(6)로부터 회전 부재(R) 내의 상기 분리 챔버를 통과해 전달되는 것을 특징으로 하는 가스 정화 방법.
  13. 회전축(68) 주위로 회전 가능하고 분리 챔버(69)를 한정하고 둘러싸는 회전자(R)를 갖는 원심 분리기(2)와 연소 엔진(1)에 의해 생성된 가스를 연소 엔진(1)으로부터 회전자(R)의 분리 챔버 안으로 전달하여 분리 챔버 안에서 회전시키는 전달 부재(7)를 포함하고, 상기 가스를 그 안에서 부유하는 고체 및/또는 액체 입자로부터 정화하는 설비에 있어서,
    상기 연소 엔진은 그 연소실 내에서 압축된 배기 가스로 구성된 압축 유체 이외의 압축 가스를 생성하기 위한 압축 장치(9, 16, 22, 28)를 작동하도록 구성되고,
    원심 분리기(2)는 압축 유체로써 회전자(R)를 회전시키도록 구성된 상기 회전자(R)용 구동 장치(M)를 구비하고,
    압축 유체 전달 부재(14, 19, 25, 31)는 상기 압축 장치(9, 16, 22, 28)로부터 회전자(R) 회전용 상기 구동 장치(M)로 압축 유체를 전달하도록 구성된 것을 특징으로 하는 가스 정화 설비.
  14. 제13항에 있어서, 상기 가스 전달 부재(7)는 연소 엔진(1)의 크랭크실(6)로부터 회전자(R)의 분리 챔버로 가스를 전달하도록 구성된 것을 특징으로 하는 가스 정화 설비.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 압축 장치는 공기 압축용 압축기(9)를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 정화 설비.
  16. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 압축 장치는 액체를 압축하도록 구성된 펌프(16, 22, 28)를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 정화 설비.
  17. 제15항에 있어서, 상기 구동 장치(M)는 회전축 주위로 회전 가능한 하우징(47)을 포함하고, 상기 하우징은 상기 압축 유체용 입구(54)와 상기 회전축으로부터 소정의 거리로 이격하여 위치하고 출구를 통해 흘러 나오는 유체가 하우징(47)을 회전시키도록 지향된 적어도 하나의 출구를 갖는 것을 특징으로 하는 가스 정화 설비.
  18. 제16항에 있어서, 상기 구동 장치(M)는 회전축 주위로 회전 가능한 하우징(47)을 포함하고, 상기 하우징은 상기 압축 유체용 입구(54)와 상기 회전축으로부터 소정의 거리로 이격하여 위치하고 출구를 통해 흘러 나오는 유체가 하우징(47)을 회전시키도록 지향된 적어도 하나의 출구를 갖는 것을 특징으로 하는 가스 정화 설비.
  19. 제18항에 있어서, 회전자(R)는 회전 가능한 하우징(47)에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 가스 정화 설비.
  20. 제19항에 있어서, 상기 펌프(16)는 연소 엔진(1)용 윤활유를 정화함과 동시에 상기 가스 정화용 원심 분리기(2)의 회전자(R)를 구동하기 위한 회전 가능한 하우징(47)으로 펌핑하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가스 정화 설비.
  21. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 분리 챔버(69)는 회전자(67)와 동축상으로 위치하고 축방향으로 상호 이격된 절두원추형 분리 디스크의 적층체를 갖는 것을 특징으로 하는 가스 정화 설비.
  22. 제21항에 있어서, 회전자(67)는 가스 입구(74)를 통해 회전자에 공급된 가스가 절두원추형 분리 디스크들 사이의 공간을 통해 회전자(67)의 회전축(68) 방향으로부터 흐르도록 위치된 가스 입구(74)와 가스 출구(75)를 갖는 것을 특징으로 하는 가스 정화 설비.
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