KR20110083671A - 벤츄리 구조를 구비한 원심분리기 - Google Patents

Abstract

자기-구동형 원심분리기는 기저부(10)와, 동작이 가능하도록 실질적으로 수직인 축(12) 위에 장착되어 상기 기저부 내 노즐로부터 방출되는 유체에 반응하여 상기 축(12)을 중심으로 회전하는 회전자(11)와, 상기 기저부 위에 장착되고 회전자를 둘러싸고 있는 하우징(13)과, 회전자(11) 아래 기저부(10)에 형성되어 있는 집수조(14)와, 상기 기저부를 통해 유입구(17)로부터 배출구(18)까지 연장되고 회전축(12)에 의해 회전자(11)의 내부로 유체를 공급하는 분기구(19)를 포함하는 유체 통로(16)와, 집수조(14)로부터 유체를 유체 통로(16)로 배출하기 위한 상기 기저부 내 배수 통로(15)를 포함한다. 스프링 장전된 밸브 몸체(30)가 유체 통로(16)에 제공되어 유입구(17)로 유입되는 유체의 압력이 소정의 최소 압력 값 이하로 떨어질 때 회전자(11) 내부로의 유체 공급을 차단하도록 구성 배치되어 상기 유체가 윤활 유체로서 공급되는 엔진이 손상될 우려가 없다. 또한 밸브 몸체(30)는 유입구(17)로 유입되는 유체의 압력이 소정의 제2 압력 값 이상으로 상승하면 회전자(11) 내부로의 유체 공급을 제한 및/또는 차단하도록 구성 배치되어(38,39에서) 분리기 자체의 손상 위험이 있을 만큼 회전자 속도가 많이 증가할 수 없다. 나아가, 벤츄리 구조가 유체 통로(16) 내 제공되어 상기 배수 통로로부터 유체를 유체 통로로 끌어들이는 흡입압력을 생성시키고 벤츄리 구조(40)는 밸브 몸체(30)와 일체로 제공되는 것이 유리하다. 배출구(18)로부터 유체의 역류를 방지하기 위한 역류방지 구조(50)가 밸브 몸체(30)의 일부로서 제공되는 것이 유리할 수도 있다.

Description

벤츄리 구조를 구비한 원심분리기{CENTRIFUGAL SEPARATOR WITH VENTURI ARRANGEMENT}

본 발명은 벤츄리 구조를 포함하는 유형의 개량된 유체-구동형 원심분리기에 관한 것이다.

서로 다른 밀도를 가진 유체를 분리하거나 액체로부터 입자형 물질을 분리하기 위한 유체-구동형 원심분리기들이 잘 알려져 있고, 엔진, 특히 디젤-구동 차량 엔진용 윤활 시스템 및 다른 산업용 분리공정에서 오랫동안 사용되어 왔다.

이러한 원심분리기의 작동원리는 하우징이 그 내부에 지지되어 실질적으로 수직인 축을 중심으로 고속으로 회전하는 회전자를 포함하는 것이다. 유체는 상기 회전축을 따라 고압으로 공급되고 접선방향의 노즐로부터 하우징으로 토출되어 하우징으로부터 집수조로 배수된다.

본 발명은 예를 들면 US 4,557,831, US 4,498,898과 GB 2 160 796A에 개시되어 있는 유형으로서 구동 유체가 정제할 오염 유체인 소위 자기-구동형 원심분리기에 관한 것이다. 이 유체가 회전자를 통과함에 따라 밀도가 상대적으로 높은 오염물질 또는 입자가 유체로부터 원심력에 의해 분리되어 전형적으로 하우징의 내부 표면에 부착되는 케이크로서 회전자 내 체류하게 된다.

회전자 노즐로부터 빠져나온 유체는 에너지 상태가 낮고 중력에 의해 집수조로 회수되어 다시 중력류에 의해 액체 저장조로 배수된다. 따라서 엔진 윤활 유체용 분리기의 원리상 분리기를 윤활 유체용 엔진 장착 위치 이상의 수준으로 장착하여 액체 함유 집수조(분리기 하우징의) 내 액체의 정압 양정(static head)이 적절한 배수 압력을 제공하도록 하는 것이 보편적이다.

주위 대기압에 대해 회전자 하우징 내에 음압이 생성되는 경우 이러한 배수는 방해를 받을 수도 있다. 이를 처리하기 위한 공지 수단으로 GB 2 296 942 A에 개시된 바와 같이 하우징에 환기 또는 흡기밸브가 제공된다.

회전자로부터 배수되는 유체의 속도를 향상시키기 위해, 특히 이러한 원심분리기를 종래에는 윤활 유체용 시스템 장착 위치보다 낮은 위치에 장착하여 원심분리기를 장착할 공간이 없었던 차량 엔진에도 충분히 높은 위치로 새롭게 설치할 수 있는바, 본 출원인은 선출원 GB 2 296 942 A에서 벤츄리 구조를 포함시킨 분리기를 제안하였다. 상기 벤츄리 구조는 흡입압력을 생성하여 윤활 유체용 시스템이 장착된 위치가 원심분리기로부터 상당 거리 이격되거나 그 위에 있더라도 시스템 장착 위치로 유체(전형적으로는 오일)의 배수를 돕게 된다.

본 발명의 목적은 상술한 자기-구동형 원심분리기 유형의 작동효율과 신뢰성을 증진시키는데 있다.

이러한 분리기와 관련하여 유체의 유로 내 저압 흐름을 차단하는 스프링 바이어스(spring biased) 밸브를 제공하는 것은 이미 알려져 있다. 이것은 본 출원인의 선출원인 EP-A-1 009 535에 나타나 있다. 저압에서는 스프링 바이어스 밸브에 공급되는 윤활 유체를 최대로 확보함으로써, 즉 저압시 유체를 원심력 정제수단으로 분기시키지 않음에 의해 엔진을 보호한다.

회전자로 공급되는 유체 내 유체 압력이 너무 높고 이로 인해 회전자 속력이 너무 높게 되어 발생할 수 있는 손상 위험으로부터 원심분리기를 보호하는 것도 바람직할 수 있다.

이들 목적을 고려하여, 본 발명은 기저부와, 동작이 가능하도록 실질적으로 수직인 축 위에 장착되어 상기 기저부 내 회전자 노즐로부터 방출되는 유체에 반응하여 상기 수직축을 중심으로 회전하는 회전자와, 상기 기저부 위에 장착되고 회전자를 둘러싸고 있는 하우징과, 상기 회전자 아래 기저부에 형성되어 있는 집수조와, 상기 기저부를 통해 유입구로부터 배출구까지 연장되고 회전축에 의해 회전자의 내부로 유체를 공급하는 분기구를 포함하는 유체 통로와, 상기 집수조로부터 유체를 유체 통로로 배출하기 위한 기저부 내 배수 통로와, 상기 기저부 내 유체 통로에 제공되어 배수 통로로부터 유체를 유체 통로로 끌어들이는 흡입압력을 생성시키는 벤츄리 구조를 포함하는 원심분리기로서, 스프링 장전된 밸브 몸체가 상기 유체 통로에 제공되어 유입구로 유입되는 유체의 압력이 소정의 최소 압력 값 이하로 떨어질 때 회전자 내부로의 유체 공급을 차단하고 또한 유입구로 유입되는 유체의 압력이 소정의 제2 압력 값 이상으로 상승하면 회전자 내부로의 유체 공급을 제한 및/또는 차단하도록 구성 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 원심분리기를 제공한다.

본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 밸브 몸체에는 유입구로 유입되는 유체의 압력이 소정의 최소 압력 값과 소정의 최대 압력 값 사이에 있을 때에만 분기구를 통해 유체를 공급할 수 있는 적어도 하나의 개구가 제공된다. 상기 개구 또는 각각의 개구는 바람직하게는 유입구로 유입되는 유체의 압력이 물론 최소값과 최대값 사이에 있는 소정의 최적 압력 값 이상으로 상승할 때 회전자 내부로의 유체 공급을 제한하도록 유입구 쪽 방향으로 감소하는 크기를 갖는다. 실제로, 이러한 유체의 공급 제한은 유입구 쪽 방향으로 그 단면이 점차적으로 또는 단계적으로 감소될 수 있고 유입구 쪽 방향으로 형성된 인접한 표면 오목부를 갖는 개구에 의해 유리하게 달성된다. 그러나 다른 실시형태에서 상기 개구 자체의 단면은 유입구 쪽 방향으로 점차 테이퍼링될 수 있다.

제조 중 조립 목적을 위해 구조를 소형화하고 복잡성을 감소시킬 수 있는 특히 유리한 진전된 형태로서 본 발명에 따른 분리기의 바람직한 실제 실시형태에 있어서, 상기 벤츄리 구조는 밸브 몸체와 일체로 제공된다. 그러나 다른 실시형태에 있어서, 상기 벤츄리 구조는 밸브 몸체로부터 분리될 수 있다.

또 다른 유리한 진전된 형태로서 본 발명에 따른 분리기의 실시형태에 있어서, 상기 밸브 몸체는 배출구로부터 유체의 역류를 방지하기 위해 유체 통로 내 숄더부 또는 밸브 시트부와 함께 동작하는 역류방지 구조를 포함하도록 구성될 수 있다. 그렇지 않은 경우, 엔진의 전원 및 분리기를 통해 윤활 유체를 순환시키는 펌프의 전원이 차단될 때 역류가 발생할 수 있다. 따라서 역류를 방지하면 분리기 하우징 내 상당량의 유체가 존재하지 못하도록 하여 엔진 작동 중에 분리기를 유지 보수 또는 교체할 때 이러한 유체 손실을 방지할 수 있다.

본 발명은 배경기술에서 기술한 자기-구동형 원심분리기 유형의 작동효율과 신뢰성을 증진시키는 효과가 있다.

본 발명에 따른 원심분리기의 실시형태의 다른 특징들과 장점들은 첨부도면을 참조하여 후술하는 기재내용으로부터 명백해질 것이다:
도 1은 본 발명에 따른 원심분리기의 실제적인 제1실시형태의 종단면도이고;
도 2는 분리기로의 유입압력이 도 1에서보다 높을 때 밸브 몸체의 위치를 나타내는 분기구 영역의 확대 상세도이며;
도 3은 도 1에 도시되어 있는 밸브 몸체의 벤츄리 노즐 영역을 확대한 상세도이고;
도 4는 본 발명에 따른 원심분리기의 실제적인 제2실시형태의 종단면도이며;
도 5 내지 도 7은 도 4에 도시되어 있는 분리기를 관통하는 유체 통로 영역을 확대한 상세도로서, 유체가 분리기로 각각 저압, 중압 및 고압으로 흐를 때 밸브 몸체의 위치를 나타내는 도면이고;
도 8은 본 발명에 따른 원심분리기의 실제적인 제3실시형태로서 도 10의 Z-Z선을 따라 절단한 횡단면도이며;
도 9는 도 8의 X-X선을 따라 절단한 종단면도이고; 그리고
도 10은 도 8의 Y-Y선을 따라 절단한 종단면도이다.

먼저, 도 1을 참고하면, 이 실시형태는 자기-구동형 원심분리기의 전형적인 특징, 즉 기저부(10), 실질적으로 수직인 축(12)에 장착되어 축(12)을 중심으로 회전하는 회전자(11), 기저부(10) 위에 장착되고 회전자(11)를 둘러싸고 있는 하우징(13) 및 회전자(11) 아래 기저부(10)에 형성되어 있는 집수조(14)를 갖는다. 유체 통로(16)가 기저부(10)를 통해 유입구(17)로부터 배출구(18)까지 연장되어 있다. 유체 통로(16)는 회전축(12)에 의해 유체를 분기구(19)를 통해 회전자(11)의 내부로 공급하기 위해 배치되어 있다. 상기 유체는 축(12)의 상부 영역에 있는 구멍(20)을 통해 유입되고 상기 회전자의 바닥에 있는 접선방향의 노즐(미도시)을 통해 빠져나가면서 그 반응으로 축을 중심으로 회전자(11)를 회전시키는 역할을 한다. 유체는 상기 노즐로부터 집수조(14)로 배수된다. 배수 통로(15)는 집수조(14)와 회수용 통로(16)를 연결하고 배출구(18)를 통해 시스템 유체 저장조(미도시)에 연결된다. 상기 회전자로 공급된 유체 내 고체 오염물은 회전자의 고속 회전에 의해 바깥쪽으로 강제되어 회전자(11)의 측벽에 의해 체류된다.

유체 통로(16)에는 셔틀 밸브(30)가 장착되어 있다. 이 밸브는 압축스프링(34)에 의해 배출구(18) 내 수용되어 있는 배출용 기구(36)의 연장부에 장착되어 있는 중공형 몸체(32)를 포함한다. 밸브 몸체(32)는 유입구(17)를 통해 공급되는 유체의 압력을 받아 유체 통로(16) 내에서 활주 가능하게 조절될 수 있으며 스프링(34)의 바이어스에 대해 작용할 수 있다. 중공형 몸체(32)에는 유입 유체압력이 분리기의 효율적인 작동을 위한 최적 값일 때 분기구(19)와 정렬하게 되는 개구(38)가 제공되어 있다. 분기구(19)와 정렬되어 있는 개구(38)가 도 1에 도시되어 있다.

도 1의 화살표는 상술한 위치에 셔틀 밸브(30)가 장착된 분리기를 통과하는 유체의 순환 경로를 나타낸다.

밸브 몸체(32)는 벤츄리 노즐(40)을 포함하는바, 상기 벤츄리 노즐은 도 3에 더욱 상세히 도시되어 있다. 상기 벤츄리 노즐은 유체 속도를 국소적으로 증가시키는 좁은 통로를 제공한다. 이는 공지 방식으로 벤츄리 노즐(40)의 하류에서 흡입 효과를 일으켜 배수 통로(15)로부터 유체를 유체 통로(16)로 끌어들인다.

이 도면에 도시된 바와 같이 도 1의 경우보다 유입 유체압력이 낮을 때에는 스프링(34)의 영향으로 밸브 몸체(32)의 위치는 우측으로 이동한 다음 분기구(19)를 폐쇄시켜 회전자(11)가 작동하지 않게 한다. 도 1에 도시되어 있는 분리기의 전형적인 용도는 차량 엔진의 윤활 유체를 정제하기 위해 사용되고 유체 통로(16)는 이러한 윤활 유체용 순환 시스템의 일부일 수 있다. 따라서 상기 시스템 주위에서 펌핑되는 유체의 압력이 낮을 때 분기구(19)를 폐쇄시켜 저압 유체를 분리기로 분기시키지 않고 엔진으로 직접 순환되도록 한다.

상기 유입 유체압력이 도 1의 경우보다 높을 때, 밸브 몸체(32)의 위치는 도 2의 확대 상세도에 도시되어 있는 위치인 좌측으로 이동된다. 이 도면에는 개구(38) 각각은 밸브 몸체(32)의 외면에 형성된 직경이 큰 오목부(39)를 포함하고 있음이 명백하게 도시되어 있으며, 이 오목부는 유입구(17)의 방향으로 단면 또는 깊이가 감소하는 형태로 연장되어 있다. 오목부(39)가 이동하여 분기구(19)와 정렬하게 됨에 따라 유체가 밸브 몸체(32)의 내부로부터 회전자(11)의 축에 수직인 통로로 흐르는 관통 통로의 전체 단면은 감소하여 회전자를 통과하는 유체의 양이 감소하고 따라서 유체의 압력 또한 감소한다. 따라서 유입구(17)로의 유체 압력이 주 개구(38)가 분기구(19)와의 정렬로부터 벗어나 이동하는 최적 압력 이상으로 증가함에 따라 회전자(11)로의 유체 압력이 제한되고 회전자(11)는 공급되는 유체의 압력이 너무 높을 때 발생할 수 있는 오작동과 손상으로부터 보호된다.

다음, 도 4를 참조하면, 밸브 몸체(32) 위에 일체화된 역류방지 밸브 구조(50)를 포함하는 추가 이점을 제외하고는, 도 1의 실시형태와 상술한 모든 면에서 유사한 다른 실시형태가 도시되어 있다.

도 1과 특징부와 구성부가 동일하다면 동일한 참조부호를 사용하였고 불필요한 중복을 피하기 위해 이들에 대한 기재는 반복하지 않는다.

이 특정 실시형태에 있어서, 역류방지 구조(50)는 셔틀 밸브(30)의 몸체(32)의 외면 위에 형성된 원추대 융기부 형태를 갖는다. 상기 역류방지 구조는 유체 통로(16)를 폐쇄하기 위해 집수조(14)로부터 배수 통로(15)에 인접한 분리기 기저부(10)의 유체 통로(16)에 제공되는 상응하는 형태의 경사 밸브 시트부 또는 숄더부(52)와 함께 작동한다. 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 낮은 유입 압력에서는 구조(50)가 시트부(52)에 인접하게 되어 배출구(18)로부터 역류를 방지한다. 상기 역류방지 구조와 그와 함께 작동하는 시트부의 특정 배치형태에 대한 상세한 내용은 다른 변형 형태에서는 변경될 수 있는 것으로 이해될 것이다.

이에 따라 도 5에 도시된 바와 같이, 낮은 유입 압력에서는 참조부호 60으로 표시되고 밸브 몸체(32)에 있는 개구(38)와 분기구(19)의 상대적인 위치에 의해 나타내지는 차단 밸브 구조가 폐쇄될 것이고 역류방지 밸브(50) 또한 폐쇄될 것이다. 따라서 유체가 회전자(11)로 유입될 수 없고 회전자 챔버 내로 역류가 있을 수 없게 된다. 위 두 가지 장점은 이미 설명하였다. 역류를 방지하면 상기 분리기를 작동시키지 않고 서비스를 받거나 교체할 필요가 있을 때 회전자 내 유체를 최소화한다. 이러한 역류방지는 분리기의 작동을 더욱 원활하게 하고 또한 유체를 절감하게 한다.

도 6에 도시되어 있는 바와 같이, 중간 유입 압력에서는 밸브 구조(60)와 역류방지 밸브(50)가 모두 개방된다. 이미 설명한 바와 같이, 유체는 회전자(11)로 유입되고 벤츄리 노즐(40)의 도움으로 역류방지 밸브(50)를 지나 배수될 수 있다. 이 압력에서는 역류가 본질적으로 충분히 방지된다.

도 7에 도시되어 있는 바와 같이, 높은 유입 압력에서는 역류방지 밸브(50)는 여전히 개방되어 있고 관통 유동 압력은 역류를 본질적으로 방지하기에 충분하다. 이미 설명한 바와 같이, 중압에서처럼 유체는 회전자(11)로 유입되고 벤츄리 노즐(40)의 도움으로 역류방지 밸브(50)를 지나 배수될 수 있다. 그러나 이미 설명한 바와 같이, 유체가 오목부(39)의 감소하는 단면을 통과해야 하므로 보다 높은 압력에서는 차단 밸브 구조(60)가 회전자(11)로의 유입을 제한하게 된다.

마지막으로, 도 8 내지 도 10은 본 발명에 따른 분리기의 또 다른 실시형태를 도시하고 있다. 이 실시형태에서는 전술한 실시형태들에서 이미 기재한 특징부와 직접 비교할 만한 특징부들의 참조부호를 전술한 실시형태들의 참조부호에 100을 더하여 나타내었다. 이들에 대해서는 더 이상 상세히 기재하지 않는다. 도 8과 도 9에 가장 잘 도시되어 있는 바와 같이, 이 실시형태의 구성은 기저부(110)를 관통하는 유체 통로가 유입구(117)로부터 배출구(118)로 연장되어 있는 주 통로(116) 및 주 통로(116)에 실질적으로 수직이고 상기 주 통로로부터 플러그(128)에 의해 폐쇄되는 배출구(124)까지 연장되어 있는 분기 통로(126)를 포함한다는 점에서 약간 상이하다. 유체를 회전자(111)의 내부로 공급하는 분기구(119)가 분기 통로(126)에 제공되어 있다. 벤츄리 구조(140)는 주 통로(116)에 제공되어 있고, 밸브 몸체(132)는 벤츄리 구조(140)와 분리되어 분기 통로(126)에 제공되어 있다. 밸브 몸체(132)에는 유입구(117)로부터 통로(116)를 통해 배출구(118)로 유입되는 유체의 압력에 따라 분기구(119)와 정합(register) 또는 부정합될 수 있는 적절한 개구(138)가 제공되어 있어 분기구(119)로의 저압에서 흐름이 차단되고 소정의 최대 압력 이상의 고압에서도 분기구(119)로의 흐름이 차단된다. 그러나 소정의 중간의 최적 압력 이상, 최대 압력 이하에서는 전술한 실시형태에서와 같이 개구(138)로부터 유입구(117) 쪽 방향으로 밸브 몸체(132)의 외면에서 연장되어 있는 오목부(139)의 감소 폭에 의해 흐름이 제한된다.

이상은 예시적인 것으로 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니며 세부적인 구성을 다르게 변경할 수 있음은 당업자에게 있어 쉽고 명백할 것이다.

Claims (10)

1. 기저부와, 동작이 가능하도록 실질적으로 수직인 축 위에 장착되어 상기 기저부 내 회전자 노즐로부터 방출되는 유체에 반응하여 상기 수직축을 중심으로 회전하는 회전자와, 상기 기저부 위에 장착되고 회전자를 둘러싸고 있는 하우징과, 상기 회전자 아래 기저부에 형성되어 있는 집수조와, 상기 기저부를 통해 유입구로부터 배출구까지 연장되고 회전축에 의해 회전자의 내부로 유체를 공급하는 분기구를 포함하는 유체 통로와, 상기 집수조로부터 유체를 유체 통로로 배출하기 위한 기저부 내 배수 통로와, 상기 기저부 내 유체 통로에 제공되어 배수 통로로부터 유체를 유체 통로로 끌어들이는 흡입압력을 생성시키는 벤츄리 구조를 포함하는 자기-구동형 원심분리기로서, 스프링 장전된 밸브 몸체가 상기 유체 통로에 제공되어 유입구로 유입되는 유체의 압력이 소정의 최소 압력 값 이하로 떨어질 때 회전자 내부로의 유체 공급을 차단하고 또한 유입구로 유입되는 유체의 압력이 소정의 제2 압력 값 이상으로 상승하면 회전자 내부로의 유체 공급을 제한 및/또는 차단하도록 구성 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 자기-구동형 원심분리기.
2. 제1항에 있어서, 상기 밸브 몸체에는 유입구로 유입되는 유체의 압력이 소정의 최소 압력 값과 소정의 최대 압력 값 사이에 있을 때에만 분기구를 통해 유체를 공급할 수 있는 개구가 제공되어 있는 분리기.
3. 제2항에 있어서, 상기 개구가 유입구로 유입되는 유체의 압력이 소정의 최적 압력 값 이상으로 상승할 때 회전자 내부로의 유체 공급을 제한하도록 유입구 쪽 방향으로 감소하는 크기를 갖는 분리기.
4. 제3항에 있어서, 상기 개구의 단면이 유입구 쪽 방향으로 점차적으로 감소하는 분리기.
5. 제3항에 있어서, 상기 개구가 유입구 쪽 방향으로 인접한 표면 오목부를 포함하는 분리기.
6. 제5항에 있어서, 상기 인접한 표면 오목부의 단면이 유입구 쪽 방향으로 감소하는 분리기.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 벤츄리 구조가 밸브 몸체와 일체로 제공되는 분리기.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 밸브 몸체가 배출구로부터 유체의 역류를 방지하는 역류방지 구조를 더 포함하는 분리기.
9. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기저부를 관통하는 유체 통로가 유입구로부터 배출구로 연장되어 있는 주 통로와 주 통로로부터 연장되어 있는 분기 통로를 포함하고, 유체를 회전자의 내부로 공급하는 상기 분기구가 분기 통로에 제공되며, 상기 벤츄리 구조가 주 통로에 제공되고, 상기 밸브 몸체가 분기 통로에 제공되어 있는 분리기.
10. 실질적으로 첨부도면 도 1 내지 도 3, 도 4 내지 도 7 또는 도 8 내지 도 10의 실시형태 중 어느 하나를 참조하여 본 명세서에 기재하고 이들 실시형태 중 어느 하나에 예시한 바와 같은 자기-구동형 원심분리기.

Images