WO2013178481A1 - Abscheider und verfahren zum abscheiden von flüssigkeitströpfchen aus einem aerosol - Google Patents

Abscheider und verfahren zum abscheiden von flüssigkeitströpfchen aus einem aerosol Download PDF

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WO2013178481A1
WO2013178481A1 PCT/EP2013/060207 EP2013060207W WO2013178481A1 WO 2013178481 A1 WO2013178481 A1 WO 2013178481A1 EP 2013060207 W EP2013060207 W EP 2013060207W WO 2013178481 A1 WO2013178481 A1 WO 2013178481A1
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rotor axis
rotor
separator according
separator
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PCT/EP2013/060207
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Gabriele Gorbach
Holger Coolens
Manfred HABIL PIESCHE
Malte Junker
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Elringklinger Ag
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    • F01M13/04Crankcase ventilating or breathing having means for purifying air before leaving crankcase, e.g. removing oil
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    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
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    • B01D45/12Separating dispersed particles from gases or vapours by gravity, inertia, or centrifugal forces by centrifugal forces
    • B01D45/14Separating dispersed particles from gases or vapours by gravity, inertia, or centrifugal forces by centrifugal forces generated by rotating vanes, discs, drums or brushes
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    • F01M2013/0422Separating oil and gas with a centrifuge device

Definitions

  • the invention relates to a separator for separating liquid droplets from an aerosol, in particular oil separator for the crankcase ventilation gases of a reciprocating internal combustion engine, arranged with a arranged in a stationary housing to a rotor axis rotatably driven rotor having a plurality of concentric with the rotor axis, arranged parallel to each other discs which together form a disk stack rotatably driven about the rotor axis and are arranged in particular at equal distances from one another with a gas flow path between a raw gas inlet of the separator for a liquid droplet to be deposited and a clean gas outlet of the separator for that of the Liquid droplet at least substantially freed gas, with a liquid outlet for discharging separated liquid from the housing and with an annular space between the periphery of the rotor and a di Esen enclosing peripheral wall of the housing, wherein the liquid outlet communicates with the annulus and adjacent disks between them each form a concentric with the
  • Such a separator whose rotor disk stack is formed by conical, namely frusto-conical disks is known from WO 01/36103 A.
  • the frusto-conical disks are arranged along the rotor axis at intervals from each other so that their cone angle opens in the same axial direction and adjacent disks in the axial direction intermesh so that, viewed in the radial direction, the frustoconical areas overlap adjacent slices largely.
  • the separation effect of this known separator is based on the following principle:
  • liquid droplets entrained in the gas to be cleaned are thrown against the inner wall surfaces of the conical disks because of the centrifugal forces acting on them, if the gas to be cleaned separates the spaces between them flows through each other adjacent discs;
  • liquid droplets are deposited on these inner wall surfaces and form there liquid films, which are transported due to the centrifugal forces on the outer circumference of the rotor, whereupon the separated liquid is thrown radially outwardly from the rotor and thereby at least partially impinges against the peripheral wall of the housing. From the annular space between the rotor and the housing and the peripheral wall of the separated liquid then passes due to gravity in the lower region of the housing and leaves the latter via the liquid outlet.
  • the ribs act as flow guiding elements, and viewed in the direction of the rotor axis, the flow paths for the partial gas streams running between the ribs are curved as a result (see page 11, lines 19 to 21) ).
  • the liquid droplets to be separated off are deposited exclusively or at least predominantly on the conical inner surfaces of the disks and only then reach the ribs where they collect and coalesce into larger droplets or liquid quantities (see in particular claim 1, namely p , Lines 15 to 17 and 26 to 30, and page 5, lines 2 to 5 and 7 to 11).
  • the relatively large pressure loss caused by such passive separators in the gas flow of the blow-by gases may be disadvantageous, and the degree of separation of such passive systems is in the range of very fine droplets with a droplet size of about 0.7 m or less in need of improvement;
  • An improvement in this regard so far requires the use of driven separators, in particular of separators of the kind disclosed in WO 01/36103 A.
  • these known separators have, based on the number of required for the desired degree of separation discs due to the cone shape of the discs on a relatively large axial length, which is perceived as a disadvantage especially in passenger cars, and a reduction of the axial length by the reduction of Number of slices has a negative effect on the separation performance of such separators.
  • a separator of the above defined type which is characterized in that the discs have flat disc body, which extend in planes perpendicular to the rotor axis, that at least in several of the spaces between two adjacent disc bodies each have a plurality of neighboured channels and through the gas to be cleaned through-flow channels provided that each channel extends at least substantially from a first radial region to a second radial region of the intermediate space, wherein the two regions are arranged at a radial distance from each other, that in an Ansi cht in the direction of the rotor axis, each channel is curved,
  • the invention also relates to a method for separating droplets of liquid from an aerosol, in particular for separating oil droplets from crankcase ventilation gases of a reciprocating internal combustion engine, by means of a separator with a arranged in a stationary housing, rotatably driven about a rotor axis rotor having a plurality of the rotor axis has concentric disks arranged parallel to one another and axially spaced apart, which each define a space concentric therewith between the rotor axis, and this method is designed according to the invention such that a plurality of partial gas streams formed by the gas to be cleaned are at least substantially longitudinal From a radially inner to a radially outer region of a gap extending flow paths are passed simultaneously between flat, perpendicular to the rotor axis disk bodies of the discs through the interstices, wherein in a view of a S cheibe in the direction of the rotor axis Flow paths adjacent to each other and are curved in the same direction in
  • a separator according to the invention its separation performance can be flexibly adapted to different requirements by changes in the channel geometry, in particular the curvature of the channels, and as will become apparent from the following, the basic concept of the separator according to the invention allows the design and Number of channels not only to increase the separation performance for fine and finest liquid droplets, but also to reduce the effects of temporal changes in the volume flow of the gas to be cleaned on the separation efficiency of the separator - the latter by a special channel geometry, which leads to that in addition to the The centrifugal forces acting on the liquid droplets also act on Coriolis forces on the droplets of liquid to be deposited in the sense that the latter are at least predominantly and largely deposited on baffles which form the channels or the Limit flow paths for the partial gas flows in the radial direction to the outside.
  • the liquid outlet communicates with the annular space and from the raw gas inlet and clean gas outlet passages, one with the annular space and the other with radially inner areas of the intermediate spaces
  • the disk bodies characterized as flat need not be absolutely flat on one or both sides, even if one disregards the means necessary for the formation of the channels.
  • all channels extend at least substantially from a radially inner to a radially outer region of a space receiving these channels.
  • the ducts according to the invention provided in such a space do not have to extend from the centers of the disks delimiting the gap to their peripheral edges, but the ducts can already be at a radial distance from the disk centers or from the inner circumference of the disks and / or at a distance from the outer circumference of the rotor end.
  • each of the channels is continuously curved, which means that viewed in the direction of the rotor axis, such a channel has no longitudinal section which, for example, runs straight or is bent, because this would impair the deposition efficiency unnecessarily.
  • each channel starting from its radially inner end, bent in a circumferential direction of the rotor and curved such that with increasing radial distance from the rotor axis, the direction of the channel with this circumferential direction of the rotor always forms smaller angle.
  • this direction of rotation of the rotor should be understood as meaning in particular its direction of rotation, even if in principle the rotor direction of rotation can be opposite, which, however, under normal operating conditions results in a lower separation performance.
  • each channel in a view in the direction of the rotor axis is bounded by two channel walls or panels and a center line of the channel running between the latter at least approximately forms at least a portion of a spiral (eg, a logarithmic spiral) or a circular arc.
  • a spiral eg, a logarithmic spiral
  • Preferred spirals are an Archimedean spiral or an involute, the involute giving optimum results in terms of the separation performance of the precipitator according to the invention;
  • in channels with a roughly involute shape more outer channels can be accommodated in a space between two adjacent disks in a space between two adjacent disks than in another channel geometry, which has a positive effect on the separation performance of the separator.
  • the channel width must be exactly constant; Rather, the channel width, for example, in a radially inner channel region may be slightly lower than in a radially outer channel region, and a constant channel width is indeed sought, but this desire set manufacturing tolerances as well as the locally possibly different shrinking as a plastic Injection molded part produced according to the invention disc. However, along a channel, its width should vary by at most 1 A of the mean channel width.
  • the separation performance of a separator according to the invention is better, the smaller the channel width, and a smaller channel width also makes it possible to accommodate a larger number of channels in the space between adjacent discs, which is especially true for an evolved ventenförmigen course of the channels. By increasing the number of channels, the pressure loss in the gas flow caused by the separator can also be reduced. In a separator according to the invention should
  • Channel width (viewed in the direction of the rotor axis) is at most 15 mm, and in preferred embodiments, the channel width is at most 4 mm and preferably at most 2 mm, and even more favorable channel widths of about 1.0 to about 1.5 mm.
  • the production technology limits the reduction of the channel width, which is why the channel width is at least approx.
  • an inventive separator loses its separation performance and its
  • Separation ability for fine and finest liquid droplets its superiority over passive separation systems, as described above more and more, if the channel width is increased beyond a value of 4 mm.
  • Embodiments of the separator according to the invention are recommended in which the height of the channels measured in the direction of the rotor axis is constant in an intermediate space and the same for all channels provided between two mutually adjacent disk bodies.
  • the height of all provided in all spaces channels is the same size, which is closer to the goal to distribute the gas to be purified as evenly as possible to all channels.
  • the height of the channel wall surfaces or channel walls, as measured in the direction of the rotor axis, of the channel walls or channel walls provided between two mutually adjacent disk bodies should be at least nearly equal or better in fact, be equal to the axial distance of these disk bodies from each other to optimize in this way the separation efficiency of the separator.
  • each channel is bounded by two at least substantially parallel to each other extending channel walls.
  • the channel height (measured in the direction of the rotor axis) is substantially greater than the channel width and in particular is approximately a multiple of the channel width.
  • the channel cross-section Since this secondary velocity has a negative effect on the degree of separation, it is desirable to design the channel cross-section such that the ratio of the channel cross-sectional areas with a high secondary velocity to the overall cross-section of the channel is relatively small. Therefore, it is advantageous if the channel width is much smaller than the channel height. On the other hand, under certain circumstances, too high a channel height to channel width ratio may destabilize the gas flow in the channel, resulting in a larger number of vortex systems and possibly leading to a deterioration in the degree of separation of the separator. It is therefore recommended that the ratio of channel height to channel width is not greater than 5: 1.
  • the separator according to the invention shows that such a curve or such a curvature of the channels or the channel walls is desirable, which has the consequence that seen in the direction of the rotor axis of the rotor axis to be deposited a liquid droplet leading radial vector forms as small an angle as possible with the surface normal of the adjacent channel wall section, that is to say with the perpendicular to the channel wall section immediately adjacent to this liquid droplet, because an optimum precipitation effect results with a surface normal running parallel to the radial vector.
  • the channel width can not be made arbitrarily small for manufacturing reasons. Therefore, particularly advantageous embodiments of the separator according to the invention are designed so that at least two adjacent disk bodies are provided on their mutually facing sides with web-shaped walls which have a view corresponding to the shape of the channels in a view in the direction of the rotor axis that further measured in the direction of the rotor axis height of these walls is at least almost equal to the axial distance of the disk body from each other, and seen in the direction of the rotor axis, at least for several channels, the walls of a disk body at least substantially centrally located between the walls of the other disk body.
  • the width of the channels formed by a disc can be about twice as large as the width of the channels formed in the space between two adjacent disc bodies, so that the latter can have a smaller channel width than the manufacturing technology for the width of at one Disc trained channels allows.
  • both channels could be provided in a space between two adjacent disk bodies, which are bounded by webs of only one disk body, as well as channels bounded on one side by a web of a disk body and the other by a web of the other disk body, so that for example, have one channel approximately twice as large channel width as the other channels.
  • the subject matter of the invention is also the method defined above, and for this all statements relating to the separator according to the invention or to be made, apply correspondingly.
  • FIG. 2 shows a section along the line 2-2 in FIG. 1 through an embodiment with involute channels
  • FIG. 6A a representation corresponding to FIG. 2 of a further embodiment in which the channels have a circular arc-shaped course;
  • FIG. 6B the in Fig. FIG. 6A is a larger scale area of B
  • Fig. 7 the representation of an Archimedean spiral, which may also be a highly simplified plan view of a running between two not shown channels web-like wall in the space between two adjacent slices of the inventive separator.
  • the separator shown in Fig. 1 has a multi-part housing 10 having a peripheral wall 12, an upper and a lower end wall 14 and 16 and a hood-like inlet port 18, an outlet port 20 and a discharge nozzle 22, wherein the individual housing parts preferably by gas welding. and are connected to each other liquid-tight.
  • the inlet port 18 forms a raw gas inlet 18a, that is, an inlet for the gas to be cleaned
  • the outlet port 20 forms a clean gas outlet 20a for the purified gas
  • the drain port 22 forms a liquid outlet 22a for the separator separated from the raw gas Liquid.
  • the functions of the ports 18 and 20 could also be reversed, that is, the nozzle 20 could form a raw gas inlet and the nozzle 18 a clean gas outlet, if the gas to be cleaned to describe the yet
  • the rotor of the separator should not flow radially from the inside to the outside, but from outside to inside.
  • a drive shaft 24 is rotatably supported about a rotor axis 26 and projects downwardly out of the housing so that it can be rotated by a motor or other drive, not shown, preferably at a speed in the range of 5,000 to 10,000 revolutions per minute.
  • the storage of the drive shaft 24 serve an upper and a lower bearing device 28, wherein the lower bearing device is housed in the lower end wall 16, while the upper bearing device is held by radially arranged radially webs 28 a from the inlet port 18 - between these webs 28 a can to flow to clean raw gas down.
  • the housing 10 encloses a rotor 30, which in the illustrated embodiment is formed by five flat and in particular flat disk bodies 32a to 32e, a plurality of bushings 34 penetrated by the drive shaft 24, web-like channel walls 36 and star-shaped webs 38.
  • Each of the disk bodies 32a to 32e is fixedly connected to one of the bushings 34 via a set of star-shaped and in-plane webs 38, and for the sake of simplicity it shall be assumed for the following that the channel walls 36 respectively disposed between two mutually adjacent disk bodies correspond to the lower ones Disk body are firmly connected or integrally formed on these, however, completely bridge an axial gap between two adjacent disk bodies, that is, the axial height of the channel walls 36 is equal to the axial distance of the adjacent disk body from each other.
  • the lowermost disk body 32a together with the channel walls 36 extending upwardly therefrom forms a disk of the rotor 30, and the same applies to the disk bodies 32b to 32d, while the disk body 32e forms only an upper end of the rotor 30 , Between the disk bodies 32a to 32e define the channel walls 36 thus channels 40, on the geometry will be discussed in more detail later.
  • the bushes 34 are at least rotationally fixed to the drive shaft 24, but preferably also non-displaceably in the direction of the rotor axis 26, that is then firmly connected, which can be effected for example by pressing or shrinking the bushes 34 onto the drive shaft 24. If the bushes 34 are only connected in a rotationally fixed manner to the drive shaft 24, as shown in FIG. 1, the drive shaft 24 enclosing coil springs 42 may be provided to secure the rotor 30 in the axial direction on the drive shaft 24.
  • annular wall 44 and 46 is fixed, which is concentric with the rotor axis 26 and arranged, wherein the two annular walls 44 and 46 overlap each other in the axial direction and form a kind of labyrinth seal between them should, so that the separator via the raw gas inlet 18a supplied, to be purified raw gas can enter only in a central region of the rotor 30, which is between the sockets 34 and bridged by the webs 38 openings of the disk body 32a to 32e.
  • the peripheral wall 12 of the housing 10 encloses an annular space 50 between the outer periphery of the rotor 30 and the housing 10, and can be seen from the nozzle 18, 20 and 22 and the shape of the channel walls 36 as well as to be described of the channels 40, the separator is designed in total rotationally symmetrical to the rotor axis 26.
  • FIG. 2 The section shown in Fig. 2 along the line 2-2 in FIG. 1 has been somewhat simplified for clarity and shows only the housing peripheral wall 12, the annular space 50, the disk body 32d, the drive shaft 24 and a plurality of identically designed channel walls 36 and channels 40th
  • the channel walls 36 and thus the channels 40 are formed involute, which means that the centerline of a channel 40 located between two adjacent channel walls forms a portion of an involute; Such a center line was indicated by dash-dotted lines in FIG. 2 and denoted 40a.
  • FIG. 2 shows in one of the channels 40 an arrow GS, which indicates the course of a partial gas flow of the gas to be purified in this channel.
  • the rotor 30 can also be driven in the opposite direction, but this leads to a poorer separation performance of the separator.
  • each of the channels 40 has a constant channel width over its entire length, and in the preferred embodiment the width of all channels 40 is equal and all channel walls 36 have the same wall thickness throughout.
  • FIG. 3 only schematically illustrated disc 60 of a separator according to the invention has a flat disc body 32, to which channel walls 36 are formed, which form channels 40 between them.
  • the rotor axis 26 simultaneously forms the central axis of the disk 60 and thus the central axis of all disk bodies 32a to 32e. It should be noted that the from Fig.
  • the width b of the channels 40 is to be understood as the distance between the two wall surfaces of two channel walls 36 delimiting a channel, measured perpendicular to two mutually opposite wall surface areas of these two channel walls.
  • the projection of the channel walls 36, measured perpendicular to the plane of the disk body 32, via the disk body 32 is to be understood, and in FIG. 3, the channel height has been designated h.
  • the channel height h is substantially greater than the channel width b and is in particular a multiple, preferably a maximum of five times the channel width.
  • a channel 40 having an involute shape has been shown greatly shortened; it is bounded by a channel wall 36 'situated radially further inwards and a channel wall 36 "lying radially further out, wherein each of the two channel walls has been indicated only by a single line
  • the channel wall 36" thus acts as a baffle and separation surface for the material to be separated carried away by the gas flow Liquid droplets, which are deposited on the channel wall 36 "and on this a liquid film F or at least larger fluid accumulations, which then due to the centrifugal force at the radially outer End of the channel 40 are thrown off into the annular space 50 from the rotor 30 and at least predominantly collide against the housing peripheral wall 12, at which the deposited liquid flows down due to gravity and leaves the housing 10 via the liquid outlet 22a.
  • the liquid droplets to be separated from the gas flow are thus deposited at least almost exclusively on the channel wall surfaces, which are oriented at least approximately parallel to the rotor axis in a section containing the rotor axis 26 and therefore form much more efficient impact surfaces than conically with respect to the rotor axis running impact and separation surfaces.
  • flat disk bodies 132a and 132b of two adjacent disks of the rotor of a separator according to the invention have web-like channel walls 136a ', 136a "and 136b', 136b" on each of its two sides in the space between the adjacent disk bodies 132a, 132b into projecting channel walls 136a ", 136b 'have an axial height which is at least almost equal to the axial distance of the two disk bodies 132a, 132b from each other and the channel walls of a disk body centered (in the circumferential direction of the In this way, channels 140 having a channel width b, which is only slightly less than half as large as the width of the interspaces between adjacent channel walls, are formed between the channel walls 136a ", 136b ' single disc, so that s in the spaces between make two adjacent disk bodies formed narrow channels manufacturing technology easier to realize.
  • FIGS. 6A and 6B a further embodiment is shown only greatly simplified, in which channel walls 236 and channels 240 formed between adjacent channel walls have a circular arc-shaped course (viewed in the direction of the rotor axis 26).
  • FIG. 7 is an Archimedes spiral formed by a channel wall 336, so that also between adjacent, in FIG. Channels not shown 336 channels have a course corresponding to an Archimedean spiral course.

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Abstract

Abscheider zum Abscheiden von Flüssigkeitströpfchen aus einem Aerosol (Rohgas), mit einem in einem Gehäuse (10) angeordneten Rotor (30), der mehrere zueinander parallele Scheiben (32a - 32e) aufweist, mit einem Gasströmungspfad zwischen einem Rohgaseinlass (18a) des Abscheiders, einem Reingasauslass (20a) und einem Ringraum (50) zwischen dem Rotorumfang und dem Gehäuse, wobei einander benachbarte Scheiben zwischen sich jeweils einen Zwischenraum bilden, dessen radial äußerer Bereich in den Ringraum mündet, und wobei von den Durchlässen Rohgaseinlass und Reingasauslass der eine mit dem Ringraum und der andere mit radial inneren Bereichen der Zwischenräume kommuniziert; zur Verbesserung der Abtrennleistung eines solchen Abscheiders vorgegebener Größe wird der Abscheider so gestaltet, dass die Scheiben flache, zur Rotorachse senkrechte Scheibenkörper aufweisen, zwischen einander benachbarten Scheibenkörpern jeweils mehrere einander benachbarte und durch das zu reinigende Gas durchströmbare Kanäle (40) vorgesehen sind, jeder Kanal sich zumindest im Wesentlichen von einem radial inneren bis zu einem radial äußeren Bereich des Zwischenraums erstreckt, jeder Kanal gekrümmt ist und von die Kanalbreite beidseitig begrenzenden Kanalwandflächen die radial äußere eine Prall- und Abscheidefläche für die Flüssigkeitströpfchen bildet.

Description

ABSCHEIDER UND VERFAHREN ZUM ABSCHEIDEN VON
FLÜSSIGKEITSTRÖPFCHEN AUS EINEM AEROSOL
Die Erfindung betrifft einen Abscheider zum Abscheiden von Flüssigkeitströpfchen aus einem Aerosol, insbesondere Ölabscheider für die Kurbelgehäuse- Entlüftungsgase eines Hubkolben-Verbrennungsmotors, mit einem in einem stationären Gehäuse angeordneten, um eine Rotorachse drehantreibbaren Rotor, der mehrere mit der Rotorachse konzentrische, parallel zueinander angeordnete Scheiben aufweist, welche zusammen einen um die Rotorachse drehantreibbaren Scheibenstapel bilden und in Richtung der Rotorachse in insbesondere gleich großen Abständen voneinander angeordnet sind, mit einem Gasströmungspfad zwischen einem Rohgaseinlass des Abscheiders für ein abzuscheidende Flüssigkeitströpfchen mitführendes Gas und einem Reingas- auslass des Abscheiders für das von den Flüssigkeitströpfchen mindestens weitgehend befreite Gas, mit einem Flüssigkeitsauslass zum Abführen abgeschiedener Flüssigkeit aus dem Gehäuse sowie mit einem Ringraum zwischen dem Umfang des Rotors und einer diesen umschließenden Umfangswand des Gehäuses, wobei der Flüssigkeitsauslass mit dem Ringraum kommuniziert und einander benachbarte Scheiben zwischen sich jeweils einen mit der Rotorachse konzentrischen, vom Gas zu durchströmenden Zwischenraum bilden, dessen radial äußerer Bereich in den Ringraum mündet, und wobei von den Durchlässen Rohgaseinlass und Reingasauslass der eine mit dem Ringraum und der andere mit radial inneren Bereichen der Zwischenräume kommuniziert.
Ein solcher Abscheider, dessen Rotor-Scheibenstapel von konischen, nämlich kegelstumpfförmigen Scheiben gebildet wird, ist aus der WO 01/36103 A bekannt. Wie die Fig . 1 dieses Dokuments zeigt, sind die kegelstumpfförmigen Scheiben entlang der Rotorachse in Abständen voneinander alle so angeordnet, dass sich ihr Konuswinkel in der gleichen axialen Richtung öffnet und einander benachbarte Scheiben in axialer Richtung so ineinander eingreifen, dass, in radialer Richtung gesehen, sich die kegelstumpfförmigen Bereiche einander benachbarter Scheiben weitgehendst überlappen. Wie sich aus Fig . 1 ergibt, beruht der Abscheideeffekt dieses bekannten Abscheiders auf folgendem Prinzip : Bei sich drehendem Rotor werden vom zu reinigenden Gas mitgeführte Flüssigkeitströpfchen aufgrund der auf diese einwirkenden Zentri- fugalkräfte gegen die inneren Wandflächen der konischen Scheiben geschleudert, wenn das zu reinigende Gas die Zwischenräume zwischen den einander benachbarten Scheiben durchströmt; dadurch werden Flüssigkeitströpfchen an diesen inneren Wandflächen abgeschieden und bilden dort Flüssigkeitsfilme, die aufgrund der Zentrifugalkräfte an den Außenumfang des Rotors trans- portiert werden, worauf die abgeschiedene Flüssigkeit radial nach außen vom Rotor abgeschleudert wird und dabei zumindest teilweise gegen die Umfangswand des Gehäuses prallt. Vom Ringraum zwischen dem Rotor und dem Gehäuse sowie dessen Umfangswand gelangt die abgeschiedene Flüssigkeit dann aufgrund der Schwerkraft in den unteren Bereich des Gehäuses und verlässt Letzteres über dessen Flüssigkeitsauslass.
Wie sich aus dem in Fig . 2 dargestellten Schnitt nach der Linie 2-2 in Fig . 1 ergibt, sind auf den inneren (das heißt gemäß Fig. 1 oberen) Wandflächen der konusförmigen Scheiben Rippen angeordnet, welche in Richtung der Rotor- achse gesehen sichelförmig gekrümmt sind und deren Zweck und Wirkungsweise sich aus den Zeilen 22 bis 26 der S. 12 der WO 01/36103 A ergibt: Flüssigkeitströpfchen, die in der vorstehend beschriebenen Weise an den konischen inneren Wandflächen der Scheiben abgeschieden wurden, werden durch diese Rippen erfasst und entlang dieser Rippen zum Außenumfang der Scheiben geleitet, wobei die bereits abgeschiedenen Flüssigkeitströpfchen zu größeren Tropfen bzw. Flüssigkeitsmengen koaleszieren, welche dann vom Rotor abgeschleudert werden. Für von dem die Zwischenräume zwischen einander benachbarten Scheiben durchströmenden Gas gebildete Teilgasströme wirken die Rippen als Strömungsleitelemente, und in Richtung der Rotorachse gesehen sind die zwischen den Rippen verlaufenden Strömungspfade für die Teilgasströme infolge dessen gekrümmt gestaltet (sh. S. 11, Zeilen 19 bis 21). Nach dem Grundprinzip dieses bekannten Abscheiders werden die abzusondernden Flüssigkeitströpfchen jedoch ausschließlich oder zumindest überwiegend an den konischen Innenflächen der Scheiben abgeschieden und gelangen erst dann an die Rippen, an denen sie sich sammeln und zu größeren Tropfen bzw. Flüssigkeitsmengen koaleszieren (sh. insbeson- dere Anspruch 1, nämlich S. 16, Zeilen 15 bis 17 und 26 bis 30, sowie S. 5, Zeilen 2 bis 5 und 7 bis 11).
Für die Reinigung von sogenannten Blow-by-Gasen, wie sie bei der Kurbelgehäuseentlüftung von Hubkolben-Verbrennungsmotoren anfallen, werden im Nutzfahrzeugbereich angetriebene Abscheider, wie beispielsweise Abscheider der eingangs definierten Art, eingesetzt, während für demgegenüber kleinere Motoren, wie sie Personenwagen aufweisen, passive Abscheider verwendet werden, neuerdings insbesondere Abscheider, deren Abscheidesystem von einer Kombination aus einem Impaktor (Prallplatte oder dergleichen) und einem Faservlies gebildet wird . Der von solchen passiven Abscheidern im Gasstrom der Blow-by-Gase hervorgerufene verhältnismäßig große Druckverlust kann jedoch nachteilig sein, und der Abscheidegrad solcher passiver Systeme ist im Bereich feinster Tröpfchen mit einer Tröpfchengröße von ca. 0,7 m oder kleiner verbesserungsbedürftig; eine diesbezügliche Verbesse- rung erfordert bislang den Einsatz angetriebener Abscheider, insbesondere von Abscheidern der Art, wie sie sich aus der WO 01/36103 A ergeben. Diese bekannten Abscheider weisen aber, bezogen auf die Anzahl der für den gewünschten Abscheidegrad erforderlichen Scheiben, aufgrund der Konusform der Scheiben eine verhältnismäßig große axiale Baulänge auf, was vor allem bei Personenwagen als nachteilig empfunden wird, und eine Verkleinerung der axialen Baulänge durch die Reduzierung der Zahl der Scheiben wirkt sich negativ auf die Abtrennleistung solcher Abscheider aus. Außerdem reagieren bekannte Abscheider, wie sie sich aus der WO 01/36103 A ergeben, sehr empfindlich auf eine zeitliche Veränderung der Größe des Volumenstroms der zu reinigenden Gase. Der Erfindung lag deshalb die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Abscheider der eingangs definierten Art vorzuschlagen, dessen Abtrennleistung bei gleicher Baugröße und unter gleichen Betriebsbedingungen grundsätzlich besser ist als diejenige eines Abscheiders mit konischen Scheiben, und erfin- dungsgemäß lässt sich diese Aufgabe durch einen Abscheider der eingangs definierten Art lösen, welcher sich dadurch auszeichnet, dass die Scheiben flache Scheibenkörper aufweisen, welche sich in zur Rotorachse senkrechten Ebenen erstrecken, dass zumindest in mehreren der Zwischenräume zwischen zwei einander benachbarten Scheibenkörpern jeweils mehrere einander be- nachbarte und durch das zu reinigende Gas durchströmbare Kanäle vorgesehen sind, dass jeder Kanal sich zumindest im Wesentlichen von einem ersten radialen Bereich bis zu einem zweiten radialen Bereich des Zwischenraums erstreckt, wobei die beiden Bereiche im radialen Abstand voneinander angeordnet sind, dass in einer Ansicht in Richtung der Rotorachse jeder Kanal gekrümmt ist, und dass von die Kanalbreite beidseitig begrenzenden Kanalwandflächen die radial äußere eine Prall- und Abscheidefläche für die vom zu reinigenden Gas mitgeführten Flüssigkeitströpfchen bildet.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Abscheiden von Flüssigkeits- tröpfchen aus einem Aerosol, insbesondere zur Abscheidung von Öltröpfchen aus Kurbelgehäuse-Entlüftungsgasen eines Hubkolben-Verbrennungsmotors, mittels eines Abscheiders mit einem in einem stationären Gehäuse angeordneten, um eine Rotorachse drehantreibbaren Rotor, der mehrere mit der Rotorachse konzentrische, parallel zueinander und axial voneinander beab- standet angeordnete Scheiben aufweist, die zwischen sich jeweils einen mit der Rotorachse konzentrischen Zwischenraum bilden, und dieses Verfahren ist erfindungsgemäß so gestaltet, dass mehrere von dem zu reinigenden Gas gebildete Teilgasströme längs sich zumindest im Wesentlichen von einem radial inneren bis zu einem radial äußeren Bereich eines Zwischenraums erstreckenden Strömungspfaden simultan zwischen flachen, zur Rotorachse senkrechten Scheibenkörpern der Scheiben durch die Zwischenräume geleitet werden, wobei in einer Ansicht einer Scheibe in Richtung der Rotorachse diese Strömungspfade einander benachbart und gleichsinnig derart gekrümmt sind, dass bei rotierendem Rotor von den Teilgasströmen mitgeführte Flüssigkeitströpfchen aufgrund der auf Letztere einwirkenden Zentrifugal- und Coriolis- kräfte zumindest überwiegend an Prallflächen abgeschieden werden, welche die Strömungspfade in radialer Richtung nach außen begrenzen.
Durch die Erfindung lassen sich die folgenden Vorteile erreichen : Mit einem erfindungsgemäßen Abscheider mit erfindungsgemäßer Geometrie der Kanäle lässt sich bei gleichem, zur Verfügung stehendem axialem Bauraum und unter gleichen Betriebsbedingungen eine deutlich höhere Abtrennleistung erreichen als mit dem sich aus der WO 01/36103 A ergebenden Abscheider, bei dem aufgrund der konischen Form der Scheiben weniger Bauraum zur Unterbringung von der Abscheidung von Flüssigkeitströpfchen dienenden Flächen zur Verfügung steht, das heißt in anderen Worten, dass bei einem erfindungs- gemäßen Abscheider die für die Tröpfchenabscheidung nutzbare Fläche bei gleichem axialem Bauraum größer ist als bei einem Abscheider mit konischen Scheiben.
Ferner lässt sich bei einem erfindungsgemäßen Abscheider dessen Abtrenn- leistung durch Veränderungen der Kanalgeometrie, insbesondere der Krümmung der Kanäle, flexibel an unterschiedliche Anforderungen anpassen, und wie sich aus dem Folgenden noch ergeben wird, erlaubt es das erfindungsgemäße Grundkonzept des Abscheiders, durch die Gestaltung und Anzahl der Kanäle nicht nur die Abtrennleistung für feine und feinste Flüssigkeitströpfchen zu erhöhen, sondern auch die Auswirkungen zeitlicher Veränderungen des Volumenstroms des zu reinigenden Gases auf die Abtrennleistung des Abscheiders zu verringern - Letzteres durch eine spezielle Kanalgeometrie, die dazu führt, dass zusätzlich zu den auf die Flüssigkeitströpfchen einwirkenden Zentrifugalkräften auch Corioliskräfte auf die abzuscheidenden Flüssigkeits- tröpfchen in dem Sinne einwirken, dass Letztere zumindest überwiegend und weitgehendst an Prallflächen abgeschieden werden, welche die Kanäle bzw. die Strömungspfade für die Teilgasströme in radialer Richtung nach außen begrenzen.
Zu den eingangs und bei der Charakterisierung der Erfindung verwendeten Begriffen ist Folgendes zu bemerken :
Wenn eingangs davon die Rede war, dass der Flüssigkeitsauslass mit dem Ringraum und von den Durchlässen Rohgaseinlass und Reingasauslass der eine mit dem Ringraum und der andere mit radial inneren Bereichen der Zwi- schenräume kommuniziert, so ist hierunter zu verstehen, dass im Ringraum anfallende abgeschiedene Flüssigkeit über den Flüssigkeitsauslass aus dem Abscheider abgezogen werden kann, das zu reinigende Gas vom Rohgaseinlass über irgendwelche Strömungspfade zu den radial inneren Bereichen der Zwischenräume geleitet oder in den Ringraum eingeleitet wird, und dass das gereinigte Gas von den radial inneren Bereichen der Zwischenräume über irgendwelche Strömungspfade zum Reingasauslass geführt wird oder vom Ringraum über den Reingasauslass aus dem Abscheider abgeleitet wird .
Die als flach charakterisierten Scheibenkörper müssen nicht ein- oder beid- seitig absolut eben sein, auch wenn man von den für die Bildung der Kanäle erforderlichen Mitteln absieht.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Abscheiders erstrecken sich alle Kanäle zumindest im Wesentlichen von einem radial inneren bis zu einem radial äußeren Bereich eines diese Kanäle aufnehmenden Zwischenraums. Die in einem solchen Zwischenraum vorgesehenen erfindungsgemäßen Kanäle müssen sich jedoch nicht von den Zentren der den Zwischenraum begrenzenden Scheiben bis zu deren Umfangsrändern erstrecken, sondern die Kanäle können auch schon in einem radialen Abstand von den Scheibenzentren bzw. vom Innenumfang der Scheiben und/oder im Abstand vom Außenumfang des Rotors enden. Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Abscheiders ist jeder der Kanäle stetig gekrümmt, was bedeutet, dass in Richtung der Rotorachse gesehen ein solcher Kanal keinen Längsabschnitt aufweist, welcher zum Beispiel gerade verläuft oder abgeknickt ist, denn dadurch würde die Abschei- deeffizienz unnötig verschlechtert werden.
Bei wegen ihrer Abtrennleistung zu bevorzugenden Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Abscheiders ist jeder Kanal, ausgehend von seinem radial inneren Ende, in einer Umfangsrichtung des Rotors abgebogen und derart gekrümmt, dass mit zunehmendem radialem Abstand von der Rotorachse die Richtung des Kanals mit dieser Umfangsrichtung des Rotors einen immer kleineren Winkel bildet. Dabei ist unter dieser Umfangsrichtung des Rotors insbesondere dessen Drehrichtung zu verstehen, auch wenn grundsätzlich die Rotor-Drehrichtung entgegengesetzt sein kann, was jedoch unter sonst glei- chen Betriebsbedingungen eine geringere Abtrennleistung zur Folge hat.
Eine hinsichtlich der Abtrennleistung optimale Ausnutzung des für den erfindungsgemäßen Abscheider zur Verfügung stehenden Bauraums wird mit bevorzugten Ausführungsformen erreicht, bei denen in einer Ansicht in Richtung der Rotorachse jeder Kanal durch zwei Kanalwände bzw. -wandflächen begrenzt wird und eine zwischen Letzteren verlaufende Mittellinie des Kanals zumindest annähernd mindestens einen Abschnitt einer Spirale (z.B. einer logarithmischen Spirale) oder eines Kreisbogens bildet. Bei bevorzugten Spiralen handelt es sich um eine Archimedische Spirale oder eine Evolvente, wobei die Evolvente zu optimalen Ergebnissen hinsichtlich der Abtrennleistung des erfindungsgemäßen Abscheiders führt; in diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass bei Kanälen mit einem ungefähr evolventenförmigen Verlauf sich in einem Rotor vorgegebenen Außendurchmessers in einem Zwischenraum zwischen zwei einander benachbarten Scheiben mehr Kanäle als bei einer anderen Kanalgeometrie unterbringen lassen, was sich auf die Abtrennleistung des Abscheiders positiv auswirkt. Im Hinblick auf eine anzustrebende möglichst hohe Abtrennleistung des erfindungsgemäßen Abscheiders ist es von Vorteil, wenn in einer Ansicht in Richtung der Rotorachse jeder Kanal entlang des Kanals eine zumindest nahezu konstante Breite aufweist. Dies bedeutet aber nicht, dass die Kanalbreite exakt konstant sein muss; vielmehr kann die Kanalbreite zum Beispiel in einem radial weiter innen liegenden Kanalbereich etwas geringer sein als in einem radial weiter außen liegenden Kanalbereich, und eine konstante Kanalbreite wird zwar angestrebt, diesem Bestreben setzen jedoch Fertigungstoleranzen ebenso Grenzen wie das örtlich gegebenenfalls unterschiedliche Schrumpfen einer als Kunststoff-Spritzgussteil hergestellten erfindungsgemäßen Scheibe. Entlang eines Kanals sollte dessen Breite jedoch um höchstens 1A der mittleren Kanalbreite schwanken.
Die Abtrennleistung eines erfindungsgemäßen Abscheiders ist umso besser, je geringer die Kanalbreite ist, und eine geringere Kanalbreite ermöglicht es auch, im Zwischenraum zwischen einander benachbarten Scheiben eine größere Anzahl von Kanälen unterzubringen, was insbesondere für einen evol- ventenförmigen Verlauf der Kanäle gilt. Durch eine höhere Anzahl von Kanälen lässt sich auch der durch den Abscheider verursachte Druckverlust in der Gas- Strömung reduzieren. Bei einem erfindungsgemäßen Abscheider sollte die
Kanalbreite (in Richtung der Rotorachse gesehen) höchstens 15 mm betragen, und bei bevorzugten Ausführungsformen beträgt die Kanalbreite höchstens 4 mm und vorzugsweise höchstens 2 mm, und noch günstiger sind Kanalbreiten von ca. 1,0 bis ca. 1,5 mm. Die Fertigungstechnik setzt der Reduzierung der Kanalbreite jedoch Grenzen, weshalb die Kanalbreite mindestens ca.
0,1 mm, vorzugsweise mindestens ca. 0,5 mm und insbesondere mindestens ca. 1 mm betragen sollte. Verhältnismäßig große Kanalbreiten von beispielsweise 5 bis 15 mm sind zwar grundsätzlich möglich, jedoch verliert ein erfindungsgemäßer Abscheider bezüglich seiner Abtrennleistung und seinem
Abscheidevermögen für feine und feinste Flüssigkeitströpfchen seine Überlegenheit gegenüber passiven Abscheidesystemen, wie sie vorstehend be- schrieben wurden, immer mehr, wenn die Kanalbreite über einen Wert von 4 mm hinaus vergrößert wird.
Empfohlen werden Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Abscheiders, bei denen in einem Zwischenraum die in Richtung der Rotorachse gemessene Höhe der Kanäle konstant und für alle zwischen zwei einander benachbarten Scheibenkörpern vorgesehenen Kanäle gleich groß ist. Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Abscheiders ist die Höhe aller in allen Zwischenräumen vorgesehenen Kanäle gleich groß, womit man dem Ziel näher kommt, das zu reinigende Gas möglichst gleichmäßig auf alle Kanäle zu verteilen. Um zu verhindern, dass das zu reinigende Gas die Kanäle in ungefähr radialer Richtung nennenswert oder überhaupt überströmt, sollte die in Richtung der Rotorachse gemessene Höhe der zwischen zwei einander benachbarten Scheibenkörpern vorgesehenen, die Kanäle begrenzenden Kanalwand- flächen bzw. Kanalwände mindestens nahezu gleich oder besser tatsächlich gleich dem axialen Abstand dieser Scheibenkörper voneinander sein, um auf diese Weise die Abscheideeffizienz des Abscheiders zu optimieren.
Wie sich aus dem Vorstehenden ergibt, empfehlen sich Ausführungsformen, bei denen jeder Kanal durch zwei zumindest im Wesentlichen parallel zu einander verlaufende Kanalwände begrenzt wird.
Aus dem Abscheideprinzip des erfindungsgemäßen Abscheiders folgt, dass es für die Abtrennleistung besonders günstig ist, wenn die Kanalwände quer und insbesondere zumindest nahezu senkrecht zu einer von einem Scheibenkörper definierten Ebene verlaufen. Unter einem Verlauf quer zu einer solchen Ebene ist zu verstehen, dass eine Kanalwand mit der Senkrechten zur Scheiben- körperebene auch einen kleinen spitzen Winkel bilden kann, wobei in diesem Zusammenhang zu beachten ist, dass bei der Verwendung des Spritzguss- Verfahrens für die Herstellung der Scheibenkörper und Kanäle die Kanalwände notwendigerweise einen wenn auch ganz kleinen Winkel mit der Senkrechten zur Scheibenkörperebene bilden müssen, um das im Spritzgussverfahren hergestellte Teil entformen zu können.
Hinsichtlich der Abtrennleistung eines erfindungsgemäßen Abscheiders bringt es erhebliche Vorteile mit sich, wenn die (in Richtung der Rotorachse gemessene) Kanalhöhe wesentlich größer als die Kanalbreite ist und insbesondere ungefähr ein Mehrfaches der Kanalbreite beträgt. Hierzu ist auf Folgendes hinzuweisen : Durch die Coriolis- Kräfte bildet sich in einem Kanal in dem diesen durchströmenden Gas eine Sekundärströmung aus, welche (in einem Schnitt durch den Kanal senkrecht zur Kanalachse) aus mindestens zwei zwischen den die Kanalbreite begrenzenden Kanalwandflächen nebeneinander liegenden Wirbeln besteht; die Auswirkungen dieser Sekundärgeschwindigkeit auf die Abtrennleistung des Abscheiders ist allerdings nur in den seitlichen Randbereichen des Kanals, das heißt in der Nähe der die Kanalbreite begrenzenden Kanalwandflächen, signifikant, da dort die höchsten Strömungsgeschwindigkeiten der Sekundärströmung auftreten. Da sich diese Sekundärgeschwindigkeit negativ auf den Abtrenngrad auswirkt, ist anzustreben, den Kanalquerschnitt so zu gestalten, dass das Verhältnis der Kanalquerschnittsbereiche mit großer Sekundärgeschwindigkeit zum Gesamtquerschnitt des Kanals verhält- nismäßig klein ist. Deshalb ist es von Vorteil, wenn die Kanalbreite wesentlich kleiner als die Kanalhöhe ist. Andererseits kann unter bestimmten Umständen ein zu großes Verhältnis von Kanalhöhe zu Kanalbreite zu einer Destabilisie- rung der Gasströmung im Kanal führen, was eine größere Zahl von Wirbelsystemen zur Folge hat und möglicherweise zu einer Verschlechterung des Abtrenngrades des Abscheiders führt. Deshalb wird empfohlen, das Verhältnis von Kanalhöhe zu Kanalbreite nicht größer zu wählen als 5 : 1.
Aus dem vorstehend beschriebenen Prinzip des Abscheidemechanismusses des erfindungsgemäßen Abscheiders ergibt sich, dass ein solcher Verlauf bzw. eine solche Krümmung der Kanäle bzw. der Kanalwände anzustreben ist, welcher zur Folge hat, dass in Richtung der Rotorachse gesehen der von der Rotorachse zu einem abzuscheidenden Flüssigkeitströpfchen führende Radialvektor einen möglichst geringen Winkel mit der Flächennormalen des benachbarten Kanalwandabschnitts bildet, das heißt mit der Senkrechten auf den diesem Flüssigkeitströpfchen unmittelbar benachbarten Kanalwandabschnitt, denn ein optimaler Abscheideeffekt ergibt sich mit einer parallel zum Radialvektor verlaufenden Flächennormalen.
Wie bereits erwähnt, kann aus Fertigungsgründen die Kanalbreite nicht beliebig klein bemessen werden . Deshalb sind besonders vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Abscheiders so gestaltet, dass mindes- tens zwei einander benachbarte Scheibenkörper auf ihren einander zugewandten Seiten mit stegförmigen Wänden versehen sind, die in einer Ansicht in Richtung der Rotorachse einen der Gestalt der Kanäle entsprechenden Verlauf aufweisen, dass ferner die in Richtung der Rotorachse gemessene Höhe dieser Wände mindestens nahezu gleich dem axialen Abstand dieser Scheibenkörper voneinander ist, und dass in Richtung der Rotorachse gesehen mindestens bei mehreren Kanälen die Wände des einen Scheibenkörpers zumindest im Wesentlichen mittig zwischen den Wänden des anderen Scheibenkörpers angeordnet sind . Bei einem solchen Abscheider kann die Breite der von einer Scheibe gebildeten Kanäle ungefähr doppelt so groß sein wie die Breite der im Zwischenraum zwischen zwei einander benachbarten Scheibenkörpern gebildeten Kanäle, so dass Letztere eine geringere Kanalbreite aufweisen können als es die Fertigungstechnik für die Breite der an einer Scheibe ausgebildeten Kanäle zulässt. In diesem Zusammenhang soll aber darauf hingewiesen werden, dass nicht jeder Kanal von Stegen begrenzt sein muss, von denen der eine am einen und der andere am anderen Scheibenkörper vorgesehen ist; vielmehr könnten in einem Zwischenraum zwischen zwei einander benachbarten Scheibenkörpern sowohl Kanäle vorgesehen sein, welche von Stegen nur des einen Scheibenkörpers begrenzt werden, als auch Kanäle, die einerseits von einem Steg des einen Scheibenkörpers und andererseits von einem Steg des anderen Scheibenkörpers begrenzt werden, so dass die einen Kanäle beispielsweise eine ungefähr doppelt so große Kanalbreite aufweisen wie die anderen Kanäle. Wie bereits erwähnt, ist Gegenstand der Erfindung auch das vorstehend definierte Verfahren, und für dieses gelten alle bezüglich des erfindungsgemäßen Abscheiders gemachten bzw. noch zu machenden Ausführungen entsprechend .
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Ansprüchen sowie der beigefügten zeichnerischen Darstellung einiger bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Abscheiders und der nachfolgenden Beschreibung dieser Ausführungsformen; in den Zeich- nungen zeigen : eine schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abscheiders, wobei die Schnittebene die Rotorachse des Abscheiders enthält;
Fig. 2 : einen Schnitt nach der Linie 2-2 in Fig. 1 durch eine Ausführungsform mit evolventenförmig verlaufenden Kanälen;
Fig. 3 : eine stark schematisierte und vereinfachte Darstellung einer
Scheibe eines erfindungsgemäßen Abscheiders, und zwar wiederum in einem Schnitt längs einer die Rotorachse enthaltenden Ebene;
Fig. 4: eine isometrische Darstellung zweier einander benachbarter
Scheiben einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abscheiders, wobei nur ein ungefähr 180° umfassender Umfangsabschnitt dieser beiden Scheiben dargestellt wurde, um die Scheibenanordnung auch im Schnitt darstellen zu können, wobei die Schnittebene die Rotorachse enthält oder Letztere parallel zur Schnittebene verläuft; Fig. 5 : eine stark vereinfachte Draufsicht auf einen Kanal der in Fig . 2 gezeigten Ausführungsform zwecks Beschreibung des Abscheidemechanismus des erfindungsgemäßen Abscheiders; Fig. 6A: eine der Fig. 2 entsprechende Darstellung einer weiteren Ausführungsform, bei welcher die Kanäle einen kreisbogenförmigen Verlauf aufweisen;
Fig . 6B: den in Fig . 6A mit B bezeichneten Bereich in größerem Maßstab, und
Fig. 7 : die Darstellung einer Archimedischen Spirale, wobei es sich auch um eine stark vereinfachte Draufsicht auf eine zwischen zwei nicht gezeichneten Kanälen verlaufende stegartige Wand im Zwischenraum zwischen zwei einander benachbarten Scheiben des erfindungsgemäßen Abscheiders handeln kann.
Der in Fig. 1 dargestellte Abscheider hat ein mehrteiliges Gehäuse 10 mit einer Umfangswand 12, einer oberen und einer unteren Stirnwand 14 bzw. 16 sowie einem haubenartigen Einlassstutzen 18, einem Auslassstutzen 20 und einem Ablaufstutzen 22, wobei die einzelnen Gehäuseteile vorzugsweise durch Schweißen gas- und flüssigkeitsdicht miteinander verbunden sind. Bei der dargestellten Ausführungsform bildet der Einlassstutzen 18 einen Rohgaseinlass 18a, das heißt einen Einlass für das zu reinigende Gas, der Auslassstutzen 20 bildet einen Reingasauslass 20a für das gereinigte Gas, und der Ablaufstutzen 22 bildet einen Flüssigkeitsauslass 22a für durch den Abscheider aus dem Rohgas abgeschiedene Flüssigkeit. Die Funktionen der Stutzen 18 und 20 könnten aber auch umgekehrt sein, das heißt der Stutzen 20 könnte einen Rohgaseinlass und der Stutzen 18 einen Reingasauslass bilden, wenn das zu reinigende Gas den noch zu beschreiben- den Rotor des Abscheiders nicht radial von innen nach außen, sondern von außen nach innen durchströmen soll.
Im Gehäuse 10 ist eine Antriebswelle 24 um eine Rotorachse 26 drehbar gela- gert und ragt nach unten aus dem Gehäuse heraus, so dass sie sich durch einen nicht dargestellten Motor oder anderen Antrieb in Rotation versetzen lässt, und zwar vorzugsweise mit einer Drehzahl im Bereich von 5.000 bis 10.000 Umdrehungen pro Minute. Der Lagerung der Antriebswelle 24 dienen eine obere und eine untere Lagervorrichtung 28, wobei die untere Lager- Vorrichtung in der unteren Stirnwand 16 untergebracht ist, während die obere Lagervorrichtung über sternförmig angeordnete radiale Stege 28a vom Einlassstutzen 18 gehalten wird - zwischen diesen Stegen 28a kann das zu reinigende Rohgas nach unten strömen. Das Gehäuse 10 umschließt einen Rotor 30, welcher bei der dargestellten Ausführungsform gebildet wird von fünf flachen und insbesondere ebenen Scheibenkörpern 32a bis 32e, mehreren von der Antriebswelle 24 durch- griffenen Buchsen 34, stegartigen Kanalwänden 36 und sternförmig angeordneten Stegen 38. Jeder der Scheibenkörper 32a bis 32e ist über einen Satz von sternförmig angeordneten und in einer Ebene liegenden Stegen 38 mit einer der Buchsen 34 fest verbunden, und der Einfachheit halber soll für das Folgende angenommen werden, dass die jeweils zwischen zwei einander benachbarten Scheibenkörpern angeordneten Kanalwände 36 mit dem jeweils unteren Scheibenkörper fest verbunden oder an diesen angeformt sind, jedoch einen axialen Zwischenraum zwischen zwei einander benachbarten Scheibenkörpern jeweils vollständig überbrücken, das heißt die axiale Höhe der Kanalwände 36 ist gleich dem axialen Abstand der einander benachbarten Scheibenkörper voneinander. Bei dieser Ausführungsform bildet also der unterste Scheibenkörper 32a zusammen mit den sich von diesem nach oben erstrek- ckenden Kanalwänden 36 eine Scheibe des Rotors 30, und Gleiches gilt für die Scheibenkörper 32b bis 32d, während der Scheibenkörper 32e nur einen oberen Abschluss des Rotors 30 bildet. Zwischen den Scheibenkörpern 32a bis 32e definieren die Kanalwände 36 also Kanäle 40, auf deren Geometrie später noch näher eingegangen werden wird.
Die Buchsen 34 sind mit der Antriebswelle 24 zumindest verdrehfest, bevor- zugt jedoch auch in Richtung der Rotorachse 26 unverschieblich, das heißt dann also fest verbunden, was beispielsweise durch Aufpressen oder Aufschrumpfen der Buchsen 34 auf die Antriebswelle 24 bewirkt werden kann. Sind die Buchsen 34 mit der Antriebswelle 24 nur drehfest verbunden, können, wie in Fig . 1 angedeutet, die Antriebswelle 24 umschließende Schraubenfedern 42 vorgesehen sein, um den Rotor 30 in axialer Richtung auf der Antriebswelle 24 zu sichern.
Auf dem oberen Scheibenkörper 32e und an der oberen Stirnwand 14 ist jeweils eine Ringwand 44 bzw. 46 befestigt, die zur Rotorachse 26 konzentrisch gestaltet und angeordnet ist, wobei die beiden Ringwände 44 und 46 einander in axialer Richtung überlappen und zwischen sich eine Art Labyrinthdichtung bilden sollen, damit das dem Abscheider über den Rohgaseinlass 18a zugeführte, zu reinigende Rohgas nur in einen zentralen Bereich des Rotors 30 eintreten kann, welcher sich zwischen den Buchsen 34 und von den Stegen 38 überbrückten Öffnungen der Scheibenkörper 32a bis 32e befindet.
Wie die Fig. 1 erkennen lässt, umschließt die Umfangswand 12 des Gehäuses 10 einen Ringraum 50 zwischen dem Außenumfang des Rotors 30 und dem Gehäuse 10, und sieht man von den Stutzen 18, 20 und 22 sowie der noch zu beschreibenden Gestalt der Kanalwände 36 sowie der Kanäle 40 ab, ist der Abscheider insgesamt rotationssymmetrisch zur Rotorachse 26 gestaltet.
Der in Fig. 2 dargestellte Schnitt nach der Linie 2-2 in Fig . 1 wurde der Übersichtlichkeit halber etwas vereinfacht und zeigt nur die Gehäuseumfangswand 12, den Ringraum 50, den Scheibenkörper 32d, die Antriebswelle 24 sowie mehrere identisch gestaltete Kanalwände 36 und Kanäle 40. Bei der in Fig. 2 dargestellten bevorzugten Ausführungsform sind die Kanalwände 36 und damit die Kanäle 40 evolventenförmig gestaltet, was bedeutet, dass die Mittellinie eines zwischen zwei einander benachbarten Kanalwänden befindlichen Kanals 40 einen Abschnitt einer Evolvente bildet; eine solche Mittellinie wurde in Fig. 2 strichpunktiert angedeutet und mit 40a bezeichnet.
Ferner wurde in Fig . 2 die Antriebsdrehrichtung des Rotors 30 durch einen Pfeil R angedeutet, und die Fig . 2 zeigt in einem der Kanäle 40 einen Pfeil GS, welcher den Verlauf eines Teilgasstroms des zu reinigenden Gases in diesem Kanal andeutet. Der Rotor 30 kann aber auch in der entgegengesetzten Richtung angetrieben werden, was jedoch zu einer schlechteren Abtrennleistung des Abscheiders führt.
Wie die Fig. 2 erkennen lässt, besitzt jeder der Kanäle 40 über seine ganze Länge eine konstante Kanalbreite, und bei der bevorzugten Ausführungsform ist die Breite aller Kanäle 40 gleich groß und haben alle Kanalwände 36 dieselbe, überall gleich große Wandstärke.
Eine in Fig . 3 nur schematisch dargestellte Scheibe 60 eines erfindungsgemä- ßen Abscheiders hat einen ebenen Scheibenkörper 32, an welchen Kanalwände 36 angeformt sind, die zwischen sich Kanäle 40 bilden. Die Rotorachse 26 bildet gleichzeitig die zentrale Achse der Scheibe 60 und damit die zentrale Achse aller Scheibenkörper 32a bis 32e. Es sei noch darauf hingewiesen, dass die sich aus Fig . 3 ergebende Breite der Kanäle 40 nur deshalb unterschied- lieh ist, weil ein Schnitt durch die Scheiben bzw. Scheibenkörper längs einer die Rotorachse 26 beinhaltenden Durchmesserebene die Kanäle 40 in radial weiter innen liegenden Bereichen der Scheiben unter einem anderen Winkel schneidet als in radial weiter außen liegenden Bereichen der Kanäle; unter der Breite b der Kanäle 40 ist jedoch der Abstand der beiden einen Kanal begren- zenden Wandflächen zweier Kanalwände 36 zu verstehen, und zwar jeweils gemessen senkrecht zu zwei einander gegenüber liegenden Wandflächenbereichen dieser beiden Kanalwände. Hingegen ist unter der Höhe der Kanäle 40 der senkrecht zur Ebene des Scheibenkörpers 32 gemessene Überstand der Kanalwände 36 über den Scheibenkörper 32 zu verstehen, und in Fig . 3 wurde die Kanalhöhe mit h bezeichnet. Zumindest bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Abscheiders ist die Kanalhöhe h wesentlich größer als die Kanalbreite b und beträgt insbesondere ein Mehrfaches, vorzugsweise maximal das Fünffache der Kanalbreite. Anhand der Fig . 5 soll nun der Wirkmechanismus des erfindungsgemäßen Abscheiders erläutert werden.
In Fig . 5 wurde ein Kanal 40 mit evolventenförmigem Verlauf stark verkürzt dargestellt; er wird von einer radial weiter innen liegenden Kanalwand 36' und einer radial weiter außen liegenden Kanalwand 36" begrenzt, wobei jede der beiden Kanalwände nur durch eine einzige Linie angedeutet wurde. Die
Strömungsrichtung des den Kanal 40 durchströmenden Teilgasstroms des zu reinigenden Gases wurde durch dicke Pfeile angedeutet, die Rotationsrichtung des Rotors wieder durch einen Pfeil R. Bei sich drehendem Rotor wirken auf ein von dem Teilgasstrom mitgeführtes, abzuscheidendes Flüssigkeitströpfchen D die durch einen Pfeil Fz angedeutete Zentrifugalkraft, welche bezüglich der Rotorachse 26 in radialer Richtung verläuft, und die durch einen Pfeil Fe angedeutete Corioliskraft, welche senkrecht sowohl zur Bewegungsrichtung des Flüssigkeitströpfchens D als auch zur Rotationsachse des Bezugssystems, das heißt der Rotorachse 26 orientiert ist. Schon durch die Zentrifugalkraft Fz wird das Flüssigkeitströpfchen D gegen die Kanalwand 36" gedrängt, und dieser Effekt wird durch die Corioliskraft Fe noch verstärkt. Bei einem erfindungsgemäßen Abscheider wirkt also die Kanalwand 36" als Prall- und Abscheidefläche für die von der Gasströmung mitgeführten, abzuscheidenden Flüssigkeitströpfchen, die an der Kanalwand 36" abgeschieden werden und auf dieser einen Flüssigkeitsfilm F oder zumindest größere Flüssigkeitsansammlungen bilden, welche dann aufgrund der Zentrifugalkraft am radial äußeren Ende des Kanals 40 in den Ringraum 50 hinein vom Rotor 30 abgeschleudert werden und zumindest überwiegend gegen die Gehäuseumfangswand 12 prallen, an welcher die abgeschiedene Flüssigkeit aufgrund der Schwerkraft nach unten abfließt und über den Flüssigkeitsauslass 22a das Gehäuse 10 verlässt.
Das Vorstehende gilt nicht nur für evolventenförmig verlaufende Kanäle, sondern auch für Kanäle, welche ungefähr entsprechend einer anderen Spirale oder einem Kreisbogen gekrümmt sind.
Im Gegensatz zu einem Abscheider mit konischen Scheiben werden die aus der Gasströmung abzuscheidenden Flüssigkeitströpfchen also zumindest nahezu ausschließlich an den Kanalwandflächen abgeschieden, welche in einem die Rotorachse 26 enthaltenden Schnitt zumindest nahezu parallel zur Rotorachse orientiert sind und deshalb weit effizientere Prallflächen bilden als bezüglich der Rotorachse konisch verlaufende Prall- und Abscheideflächen.
Bei der in Fig. 4 dargestellten, besonders zu bevorzugenden Ausführungsform weisen flache Scheibenkörper 132a und 132b zweier einander benachbarter Scheiben des Rotors eines erfindungsgemäßen Abscheiders auf jeder ihrer beiden Seiten stegartige Kanalwände 136a', 136a" bzw. 136b', 136b" auf, wobei die in den Zwischenraum zwischen den einander benachbarten Scheibenkörpern 132a, 132b hinein vorspringenden Kanalwände 136a", 136b' eine axiale Höhe aufweisen, welche zumindest nahezu gleich dem axialen Abstand der beiden Scheibenkörper 132a, 132b voneinander ist und die Kanalwände des einen Scheibenkörpers mittig (in Umfangsrichtung des Rotors) zwischen zwei einander benachbarten Kanalwänden des anderen Scheibenkörpers liegen. Auf diese Weise entstehen zwischen den Kanalwänden 136a", 136b' Kanäle 140 mit einer Kanalbreite b, welche nur etwas weniger als halb so groß ist wie die Breite der Zwischenräume zwischen einander benachbarten Kanalwänden einer einzigen Scheibe, so dass sich in den Zwischenräumen zwischen zwei einander benachbarten Scheibenkörpern gebildete schmale Kanäle fertigungstechnisch leichter verwirklichen lassen.
In den Figuren 6A und 6B ist eine weitere Ausführungsform nur stark verein- facht dargestellt, bei der Kanalwände 236 und zwischen einander benachbarten Kanalwänden gebildete Kanäle 240 einen kreisbogenförmigen Verlauf (in Richtung der Rotorachse 26 gesehen) aufweisen.
Schließlich zeigt die Fig . 7 eine von einer Kanalwand 336 gebildete Archimedi- sehe Spirale, so dass auch zwischen einander benachbarten, in Fig . 7 nicht dargestellten Kanalwänden 336 gebildete Kanäle einen einer Archimedischen Spirale entsprechenden Verlauf aufweisen.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Abscheider zum Abscheiden von Flüssigkeitströpfchen aus einem Aerosol, insbesondere Ölabscheider für die Kurbelgehäuse-Entlüftungsgase eines Hubkolben-Verbrennungsmotors, mit einem in einem stationären Gehäuse angeordneten, um eine Rotorachse drehantreibbaren Rotor, der mehrere mit der Rotorachse konzentrische, parallel zueinander angeordnete Scheiben aufweist, welche zusammen einen um die Rotorachse drehantreibbaren Scheibenstapel bilden und in Richtung der Rotorachse in insbesondere gleich großen Abständen voneinander angeordnet sind, mit einem Gasströmungspfad zwischen einem Rohgaseinlass des Abscheiders für ein abzuscheidende Flüssigkeitströpfchen mitführendes Gas und einem Reingasauslass des Abscheiders für das von den Flüssigkeitströpfchen mindestens weitgehend befreite Gas, mit einem Flüssigkeits- auslass zum Abführen abgeschiedener Flüssigkeit aus dem Gehäuse sowie mit einem Ringraum zwischen dem Umfang des Rotors und einer diesen umschließenden Umfangswand des Gehäuses, wobei der Flüssig- keitsauslass mit dem Ringraum kommuniziert und einander benachbarte Scheiben zwischen sich jeweils einen mit der Rotorachse konzentrischen, vom Gas zu durchströmenden Zwischenraum bilden, dessen radial äußerer Bereich in den Ringraum mündet, und wobei von den Durchlässen Rohgaseinlass und Reingasauslass der eine mit dem Ringraum und der andere mit radial inneren Bereichen der Zwischenräume kommuniziert, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Scheiben flache Scheibenkörper aufweisen, welche sich in zur Rotorachse senkrechten Ebenen erstrecken, dass zumindest in mehreren der Zwischenräume zwischen zwei einander benachbarten Scheibenkörpern jeweils mehrere einander benachbarte und durch das zu reinigende Gas durch ström bare Kanäle vorgesehen sind, dass jeder Kanal sich zumindest im Wesentlichen von einem ersten radialen Bereich bis zu einem zweiten radialen Bereich des Zwischenraums erstreckt, wobei die beiden Bereiche im radialen Abstand voneinander angeordnet sind, dass in einer Ansicht in Richtung der Rotorachse jeder Kanal gekrümmt ist, und dass von die Kanalbreite beidseitig begrenzenden Kanalwandflächen die radial äußere eine Prall- und Abscheidefläche für die vom zu reinigenden Gas mitgeführten Flüssigkeitströpfchen bildet.
Abscheider nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich alle Kanäle zumindest im Wesentlichen von einem radial inneren bis zu einem radial äußeren Bereich des Zwischenraums erstrecken.
Abscheider nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Kanäle stetig gekrümmt ist.
Abscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kanal, ausgehend von seinem radial inneren Ende, in einer Umfangsrichtung des Rotors abgebogen und derart gekrümmt ist, dass mit zunehmendem radialem Abstand von der Rotorachse die Richtung des Kanals mit dieser Umfangsrichtung des Rotors einen immer kleineren Winkel bildet.
Abscheider nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass diese Umfangsrichtung des Rotors dessen Drehrichtung ist.
Abscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Ansicht in Richtung der Rotorachse jeder Kanal durch zwei Kanalwände begrenzt wird und eine zwischen den Kanalwänden verlaufende Mittellinie des Kanals zumindest annähernd mindestens einen Abschnitt einer der folgenden Kurven bildet: Spirale und Kreisbogen.
Abscheider nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spirale eine Evolvente oder eine Archimedische Spirale ist.
Abscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Ansicht in Richtung der Rotorachse jeder Kanal entlang des Kanals eine zumindest nahezu konstante Breite aufweist.
9. Abscheider nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass entlang eines Kanals dessen Breite um höchstens 1A der mittleren Kanalbreite schwankt.
10. Abscheider nacheinem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Ansicht in Richtung der Rotorachse die Kanalbreite höchstens 15 mm, insbesondere höchstens 4 mm und vorzugsweise höchstens 2 mm beträgt.
11. Abscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Ansicht in Richtung der Rotorachse die Kanalbreite mindestens 0,1 mm, insbesondere mindestens 0,5 mm und vorzugsweise mindestens 1 mm beträgt.
12. Abscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Zwischenraum die in Richtung der Rotorachse gemessene Höhe der Kanäle konstant ist.
13. Abscheider nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe aller in allen Zwischenräumen vorgesehenen Kanäle gleich groß ist.
14. Abscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kanal durch zwei im Wesentlichen parallel zueinander verlaufende Kanalwände begrenzt wird.
15. Abscheider nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalwände quer zu einer von einem Scheibenkörper definierten Ebene verlaufen.
16. Abscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalhöhe wesentlich größer als die Kanalbreite ist und insbesondere ungefähr ein Mehrfaches der Kanalbreite beträgt.
17. Abscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die in Richtung der Rotorachse gemessene Höhe der zwischen zwei einander benachbarten Scheibenkörpern vorgesehenen Kanalwandflächen mindestens nahezu gleich dem axialen Abstand dieser Scheibenkörper voneinander ist.
18. Abscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einander benachbarten Kanälen jeweils eine Wand mit zumindest im Wesentlichen konstanter Wanddicke verläuft.
19. Abscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei einander benachbarte Scheibenkörper auf ihren einander zugewandten Seiten mit stegförmigen Wänden versehen sind, die in einer Ansicht in Richtung der Rotorachse einen der Gestalt der Kanäle entsprechenden Verlauf aufweisen, dass die in Richtung der Rotorachse gemessene Höhe dieser Wände mindestens nahezu gleich dem axialen Abstand dieser Scheibenkörper ist, und dass in Richtung der Rotorachse gesehen mindestens bei mehreren Kanälen die Wände des einen Scheibenkörpers zumindest im Wesentlichen mittig zwischen den Wänden des anderen Scheibenkörpers angeordnet sind.
20. Abscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheiben Kunststoff-Spritzgussteile sind.
21. Abscheider nach einem oder mehreren der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Kanalhöhe zu Kanalbreite höchstens 5 beträgt. Verfahren zum Abscheiden von Flüssigkeitströpfchen aus einem Aerosol, insbesondere zur Abscheidung von Öltröpfchen aus Kurbelgehäuse- Entlüftungsgasen eines Hubkolben-Verbrennungsmotors, mittels eines Abscheiders mit einem in einem stationären Gehäuse angeordneten, um eine Rotorachse drehantreibbaren Rotor, der mehrere mit der Rotorachse konzentrische, parallel zueinander und axial voneinander beabstandet angeordnete Scheiben aufweist, die zwischen sich jeweils einen mit der Rotorachse konzentrischen Zwischenraum bilden, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere von dem zu reinigenden Gas gebildete Teilgasströme längs sich zumindest im Wesentlichen von einem radial inneren bis zu einem radial äußeren Bereich eines Zwischenraums erstreckenden Strömungspfaden simultan zwischen flachen, zur Rotorachse senkrechten Scheibenkörpern der Scheiben durch die Zwischenräume geleitet werden, wobei in einer Ansicht einer Scheibe in Richtung der Rotorachse diese Strömungspfade einander benachbart und gleichsinnig derart gekrümmt sind, dass bei rotierendem Rotor von den Teilgasströmen mitgeführte Flüssigkeitströpfchen aufgrund der auf Letztere einwirkenden Zentrifugal- und Corioliskräfte zumindest überwiegend an Prallflächen abgeschieden werden, welche die Strömungspfade in radialer Richtung nach außen begrenzen.
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