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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Dieselmotoriltrationssysteme
und insbesondere einen koaleszierenden Filter zum Entfernen von Ölaerosol
aus einem Blowby-Gasstrom. Genauer betrifft die vorliegende Erfindung
Anordnungen einer Zentrifuge mit einer Koaleszierfilterbaugruppe,
die einer Drehung unterworfen wird, um die koaleszierte Flüssigkeit
aus dem Filter auszustoßen
und dadurch jegliche Strömungsbehinderung
in dem Filter vergleichsweise gering zu halten, gemäß den Ansprüchen 1 und
10.
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Die
vorliegende Erfindung konzentriert sich auf die Hinzufügung eines
Luft/Öl-Koaleszierfilters als
Teil einer Schmierkreislaufbypasszentrifuge, um Ölaerosol aus Blowby-Gasen im
Kurbelgehäuseentlüftungssystem
eines Verbrennungsmotors zu entfernen. Der Koaleszierfilter wird
einer Rotation mit hoher Drehzahl ausgesetzt, die dabei hilft, die
koaleszierte Flüssigkeit
bzw. das Öl
aus dem Filter auszutreiben. Dies wiederum hilft einen geringen
Filterwiderstand und einen niedrigen Kurbelgehäusedruck aufrechtzuerhalten.
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Um
eine hohe Trennwirksamkeit für Ölaerosol
im Größenbereich
von 0,1-1 μm
zu erreichen, muss ein relativ "dichtes" Koalesziermedium
verwendet werden, welches aus sehr feinen Fasern (schmelzgeblasen
oder Glas) aufgebaut ist. Eine Konsequenz feiner Fasern ist die
entsprechende feine Porengrößenverteilung.
Das Vorhandensein feiner bzw. kleiner Poren in einem Koaleszierfilter
kann dazu führen,
dass die Poren von der abzutrennenden Flüssigkeit aufgrund der Oberflächenspannung
und des sogenannten Brückenbildungseffekts "verstopft" werden. Die relativ
hohe Oberflächenspannung
bewirkt eine entsprechend starke Behinderung, da es eines großen Drucks
bedarf, um die Oberflächenspannung über einer
kleinen benetzten Pore zu überwinden.
Es ist bekannt, dass der zum "Ausblasen" einer Pore erforderliche
Druck umgekehrt proportional zum Porendurchmesser ist. Dieses Verhalten
ist durch Versuche mit unterschiedlichen Medien eindeutig nachgewiesen
worden. Herausgefunden wurde, dass der Druck, der erforderlich ist,
um den Film einer benetzten Pore zu durchbrechen, mehrfach höher ist
als der "trockene" Widerstand bei der
Auslegungsflächengeschwindigkeit.
Der niedrigste berichtete Unterschied des Nassströmungswiderstandes gegenüber dem
Trockenströmungswiderstand
bestand in einem dreifachen Anstieg des Strömungswiderstandes für den benetzten
Zustand.
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Da
der Motorkurbelgehäusedruck
sehr nahe beim Atmosphärendruck
gehalten werden muss, ungefähr
bei einem Druck von 12,7 cm Wassersäule, ist es schwierig, einen
wirkungsgradstarken Koaleszierer zu konstruieren, ohne auf eine
ziemlich aufwendige Anordnung von Druckregelventilen, Unterdruckhilfseinrichtungen
und ähnliche
Vorrichtungen zurückzugreifen.
Aus diesem Grund ist eine Einrichtung, die das Koaleszierelement
trocken hält
und mit niedrigem Widerstand arbeiten lässt wichtig für jede brauchbare
Verbesserung.
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Diese
Technologie ist bereits beim Integrieren eines Koaleszierfilters
in ein drehendes Bauteil verwendet worden, speziell bei einem Zahnrad
innerhalb eines Zahnradgehäuses,
wie im US-Patent Nr.
US
6 139 595 A beschrieben, welches am 31. Oktober 2000 an
Herman et al. erteilt worden ist. Auf das US-Patent Nr.
US 6 139 595 A wird
hiermit ausdrücklich
Bezug genommen. Die Leistungsfähigkeit
früherer
Konstruktionen wie der in der
US 6 139 595 A beschriebenen, bei denen der
Koaleszierfilter an einer Struktur wie beispielsweise einem Zahnrad
angebracht ist, ist jedoch aufgrund der ziemlich niedrigen Drehzahl,
beispielsweise die Hälfte
der Motordrehzahl, des rotierenden Bauteils in gewissem Maße eingeschränkt. Die
vorliegende Erfindung überwindet diese
Einschränkung
durch Anbringen des Koaleszierfilters an einem Bauteil mit einer
viel höheren Drehzahl.
Insbesondere handelt es sich dabei um einen Schmierölsystemzentrifugenrotor.
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Höhere Drehzahlen
verstärken
den "Säuberungseffekt", der sich, wie im '595 Patent beschrieben,
in dem Koaleszierfilterelement einstellt. Dieser "Säuberungseffekt" tritt als Resultat
der Zentrifugalkraft auf, die das gesammelte Öl aus den Poren des Mediums
bezüglich
des Filterelements radial auswärts
zieht. Durch Erzeugen ausreichend großer Zentrifugalkräfte kann
man theoretisch die Filterlebensdauer unendlich verlängern. Die
vorliegende Erfindung integriert eine Koaleszierfilterbaugruppe
in das drehende Bauteil einer Bypass-Schmierölzentrifuge, so dass der Blowby-Strom
das sich drehende Koaleszierfilterelement passieren muss, bevor
er an die Atmosphäre
abgegeben oder zurück
in das Luftansaugsystem stromaufwärts des Luftfilters geführt wird.
Die auf das indem Koaleszierfilterelement gesammelte Öl aufgebrachte
Zentrifugalkraft bewirkt, dass das abgetrennte Öl rasch ausgetrieben wird, wie
in der
US 6 139 595
A beschrieben.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine verbesserte Zentrifuge mit einer eingebauten
Koa- leszierfilterbaugruppe bereitzustellen.
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Die
erfindungsgemäße Art und
Weise der Integration einer Koaleszierfilterbaugruppe in einer Zentrifuge
bzw. mit einer Zentrifuge in den Anordnungen mit den Merkmalen der
Ansprüche
1 oder 10 löst die
der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
hat eine Zentrifuge zum Abtrennen partikelförmigen Materials aus einem
zirkulierenden Fluid ein Zentrifugengehäuse, das ein Gehäuseteil
und eine damit verbundene Basis umfasst und einen hohlen Innenraum
festlegt, einen in dem hohlen Innenraum angeordneten und von der
Basis abgestützten
Rotor, eine an dem Rotor befestigte Koaleszierfilterbaugruppe, wobei
die Koaleszierfilterbaugruppe zum Entfernen von Ölaerosol aus einem Blowby-Gas
konstruiert und angeordnet ist, und Lagermittel zwischen dem Koaleszierfilterelement
und dem Zentrifugengehäuse.
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Weitere
Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden
Beschreibung ersichtlich, die unter Bezug auf die beigefügten Figuren
erfolgt, in denen:
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1 einen
Längsschnitt
einer aus dem Stand der Technik bekannten Kegelstapelzentrifuge zeigt,
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2 einen
Längsschnitt
einer Kegelstapelzentrifuge gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel der
Erfindung zeigt,
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3 einen
Längsschnitt
einer Kegelstapelzentrifuge gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt,
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4 einen
Längsschnitt
einer Zentrifuge mit einem Einwegrotor gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt,
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5 einen
Längsschnitt
der Zentrifuge aus 4 zeigt,
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6 einen
Längsschnitt
einer Zentrifuge mit einem Einwegrotor gemäß einem noch anderen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt,
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7 einen
Längsschnitt
der Zentrifuge aus 6 zeigt,
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8 eine
räumliche
Ansicht einer Rotorbaugruppe gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt,
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9 eine
räumliche
Ansicht einer alternativen Rotorbaugruppe gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt,
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10 eine
räumliche
Ansicht eines oberen Schalenteils des Rotors zeigt, das zur Verwendung als
Teil entweder der Rotorbaugruppe gemäß 8 oder 9 geeignet
ist,
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11 eine
räumliche
Ansicht einer oberen Stirnplatte zeigt, die ein Teil der Rotorbaugruppe
aus 8 ist, und
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12 eine
perspektivische Ansicht einer oberen Stirnplatte zeigt, die ein
Teil der Rotorbaugruppe aus 9 ist.
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Um
das Verständnis
der Grundlagen der Erfindung zu verbessern, wird nun Bezug genommen auf
die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele und es werden
Fachausdrücke
verwendet, um diese zu beschreiben. Es versteht sich jedoch, dass damit
keine Einschränkung
des Schutzbereichs der Erfindung beabsichtigt ist, sondern dass
vielmehr solche Änderungen
und Abwandlungen der dargestellten Vorrichtung und solche weiteren
Anwendungen der Grundlagen der hierin beschriebenen und dargestellten
Erfindung mit abgedeckt sein sollen, wie sie einem Fachmann auf
dem Gebiet der Erfindung ohne weiteres einfallen.
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Bezugnehmend
auf 1 ist eine Zentrifuge 20 aus dem Stand
der Technik mit einer zerlegbaren Rotorbaugruppe dargestellt. Diese
Darstellung ist deshalb aufgenommen worden, um dabei zu helfen, den
Aufbau der als Ausgangspunkt verwendeten Zentrifuge vor einer Integration
eines Koaleszierfilters besser zu verstehen. Die Zentrifuge 20 weist
als einige ihrer Hauptkomponenten eine Basis 21, ein glockenförmiges Gehäuseteil 22,
eine Welle 23 und eine Rotorbaugruppe 24 mit einer
Rotornabe 25, einem Kegelstapel 26, Tangentialströmungsdüsen 27 und 28,
einer Bodenplatte 29 sowie einer Zentrifugenschale 30 auf,
die abdichtend und fest mit der Bodenplatte 29 verbunden
ist. Axial durch das Zentrum der Bodenplatte 29 und durch
das Innere der Zentrifugenschale 30 erstreckt sich eine
hohle Rotornabe 25. Die Rotornabe 25 ist mittels
oberer und unterer Lager 34 bzw. 35 an der Welle 23 angebracht
und durch sie abgestützt.
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Im
unteren Bereich der Bodenplatte 29 befinden sich zwei Tangentialströmungsdüsen 27 und 28. Diese
Tangentialströmungsdüsen sind
symmetrisch auf gegenüberliegenden
Seiten der Achse der Rotornabe 25 angeordnet und ihre entsprechenden
Strömungsdüsenrichtungen
sind einander entgegengesetzt. Als Ergebnis sind diese Strömungsdüsen dazu in
der Lage, die Antriebskraft zum Drehen der Rotorbaugruppe 24 um
die Welle 23 im glockenförmigen Gehäuseteil 22 zu erzeugen,
wie aus dem Stand der Technik wohlbekannt ist. Eine solche Anordnung
wird auch als Hero-Turbine
bezeichnet. Das Drehen der Rotorbaugruppe 24 kann auch
mit nur einer einzigen Strömungsdüse oder
unter Verwendung von mehr als zwei Strömungsdüsen erreicht werden. Ferner kann,
wie hier beschrieben werden wird, die Hero-Turbine der Vorrichtung
aus dem Stand der Technik gemäß 1 durch
eine Impulsturbine zum Drehen der Rotorbaugruppe ersetzt werden.
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Der
in
1 gezeigte Aufbau stimmt im Wesentlichen mit der
Zentrifuge überein,
die im US-Patent Nr.
US
6 364 82 B1 offenbart ist. Auf dieses Patent, das am 2.
April 2002 an Herman et al. erteilt wurde, wird hiermit ausdrücklich Bezug
genommen.
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Es
ist wichtig, aus der Darstellung der 1 und der
Beschreibung der Zentrifuge 20 das Niveau der Drehzahlen
zu verstehen, das mittels dieses Aufbaus unter Verwendung der Strömungsdüsen 27 und 28 erreicht
werden kann. Die hohe Drehzahl der Kegelstapelbaugruppe als Teil
des Rotors 24 ermöglicht es,
kleine Rußpartikel
aus dem zirkulierenden Öl
abzutrennen, und diese hohe Drehzahl kann auch dazu benutzt werden,
ein koaleszierendes Filterelement zu drehen. Diese erweiterte Fähigkeit
stellt den zentralen Punkt der vorliegenden Erfindung dar.
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Bezugnehmend
nunmehr auf 2 integriert die vorliegende
Erfindung eine Koaleszierfilterbaugruppe 40 in das drehende
Bauteil, d.h. den Rotor einer Bypass-Schmierölzentrifuge 41. Obwohl
der Großteil
der Zentrifuge 41 identisch mit der Zentrifuge 20 ist,
gibt es einige Unterschiede, hauptsächlich im obersten Bereich,
wo das frühere
glockenförmige Gehäuseteil 22 durch
ein neu gestaltetes glockenförmiges
Gehäuseteil 42 ersetzt
ist, welches einen offenen Blowby-Auslass 43 aufweist.
Diese Konstruktionsänderung
wiederum zieht eine Änderung
in der Art und Weise nach sich, in der das glockenförmige Gehäuseteil
an der Welle befestigt ist und wie die Welle konstruiert ist. Das
neue Zentralrohr 44 hat ein hohles Inneres 44a und
ein geschlossenes oberes Ende 45. Das Zentralrohr 44 erstreckt
sich durch die Oberseite des Rotorgehäuses 46 und hat Strömungsöffnungen 49 für die Zufuhr
von Öl
in die Rotorbaugruppe. Das Zentralrohr 44 hat eine axiale
Mittellinie 44b, die im Wesentlichen vertikal verläuft und die
Drehachse der Rotorbaugruppe festlegt. Zur Einleitung von Blowby-Gas
ist in der Zentrifuge 41 ein Einlass durch eine Basisablassöffnung 65a vorgesehen.
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Die
Koaleszierfilterbaugruppe 40 umfasst ein Filterelement 50,
einen Filterträger 51 und
eine untere Stützplatte 52.
Der Filterträger 51 ist
an die Oberseite des Elements 50 angebunden und die Platte 52 ist
an die Unterseite des Elements 50 angebunden, z.B. durch
Verkleben oder Vergießen.
Die Rotorbaugruppe 53 der Zentrifuge 41 umfasst
zusätzlich
zum Zentralrohr 44 und Rotorgehäuse 46 eine Basis 54 mit
tangentialen Strömungsdüsen 55 und 56 sowie eine
Partikelabtrenneinrichtung 57, die im bevorzugten Ausführungsbeispiel
eine Kegelstapelunterbaugruppe 57 ist. Die Rotorbaugruppe 53 ist
als ein "zerlegbarer" Zentrifugenrotor
aufgebaut und die Konstruktion der koaleszierenden Filterbaugruppe 40 erleichtert
dieses "zerlegbare" Konzept. Wie aus
der Darstellung gemäß 2 ersichtlich
ist, ist das Gehäuseteil 42 mit
der Basis 65 verspannt, um einen hohlen Innenraum zu begrenzen.
Die Rotorbaugruppe 53 ist in dem hohlen Innenraum angeordnet
und über
die Stützwelle 58 und
ein Lager 59 abgestützt.
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Die
Koaleszierfilterbaugruppe 40 ist dazu ausgelegt und angeordnet,
ihre hauptsächliche Funktion
einer Luft/Öl-Trennung
auszuüben.
Ferner ist die Koalesziefilterbaugruppe 40 dazu ausgelegt und
angeordnet, verschiedene unterschiedliche Funktionen im Zusammenhang
mit der "zerlegbaren" Zentrifugenrotorkonstruktion
zu erfüllen.
Eine solche Funktion konzentriert sich auf den Filterträger 51 und seinen
Einsatz als eine "obere
Mutter", die das
Rotorgehäuse 46 in
Stellung hält
bzw. klemmt. Der Filterträger 51 weist
einen mit Schraubgewinde versehenen inneren Durchmesser 60 auf,
der schraubend in die mit Schraubgewinde versehene Außenfläche des Endes 45 des
Zentralrohrs 44 eingreift. Die untere Stützplatte 52 erstreckt
sich unter der Wand 61 des Filterträgers 51 und es ist
die untere Stützplatte 52, die
gegen die obere Fläche
des Rotorgehäuses 46 spannt.
Um die Zentrifuge 41 zu warten wird bei Verwendung dieser
Koaleszierfilterbaugruppe 40 Letztere vom Zentralrohr 44 abgeschraubt,
welches als Rotornabe dient. Wenn die Koaleszierfilterbaugruppe 40 von
der Rotornabe abgeschraubt ist, kann das Rotorgehäuse 46 vom
Rest der Rotorbaugruppe 53 getrennt werden.
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Die
obere ringförmige
Wand 62 des Filterträgers 51 weist
einen allgemein zylindrischen Außendurchmesser 63 auf,
der zum Innendurchmesser des gedichteten Lagers 64 passt.
Das Lager 64 wird in das glockenförmige Gehäuseteil 42 gepresst
und bleibt in dem glockenförmigen
Gehäuseteil 42,
wenn dieses von der Zentrifugenbasis 65 abgenommen wird.
Das Lager 64 hat einen minimalen Drehwiderstand und erlaubt
dadurch einen Betrieb der Rotorbaugruppe 53 mit hoher Drehzahl.
Der gedichtete Aufbau des Lagers 64 (Dichtlager) verhindert,
dass Blowby-Gas das Element 50 der Koaleszierfilterbaugruppe 40 umgehen
kann. Dies wiederum stellt eine hohe Luft/Öl-Trennwirksamkeit sicher.
Der ringförmige
Verbindungsbereich 67 des Filterträgers 51, der zwischen
den Wänden 61 und 62 angeordnet
ist, legt eine gleichmäßig voneinander
beabstandete Reihe axial verlaufender Durchlässe 68 fest. Die Durchlässe 68 stellen
einen Teil des Auslassweges für
das Blowby-Gas bereit, nachdem es durch das Filterelement 50 geströmt ist und
bevor es aus dem Blowby-Auslass 43 austritt.
Das Filterelement 50 hat eine allgemein radiale Mittellinie,
die praktisch den Strömungsweg
durch das Filterelement festlegt. Diese radiale Mittellinie ist
im Wesentlichen rechtwinklig zur Drehachse oder Zentralrohrmittellinie 44b.
In dem Ausführungsbeispiel
der 3 ist die sich durch das Filterelement erstreckende
Strömungsmittellinie
unter einem spitzen Winkel bezüglich
der Drehachse des Rotors geneigt.
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Die
Größe, Gestalt
und Einwärtserstreckung der
unteren Stützplatte 52 bis
zu einer Stelle unterhalb der Wand 61 hilft dabei, eine
geschlossene Kammer um das Filterelement 50 zu erzeugen.
Diese Konstruktion stellt sicher, dass das in das Element 50 eintretende
Blowby-Gas (siehe Pfeil 69) nach dem Passieren des Elements 50 durch
die Durchlässe 68 austritt.
Die untere Stützplatte 52 ist
ein dünnes,
flaches endkappenförmiges
Bauteil aus Kunststoff, das unter Verwendung eines herkömmlichen
Klebstoffs mit dem Filterelement 50 verklebt oder vergossen
ist. Diese Befestigungsmethode wird als "spiegelverklebt" bezeichnet. Der innere Bereich dieser
Stützplatte 52 ist
biegsam und erlaubt ihm somit, sich zu biegen, wenn er zwischen
dem Filterträger 51 (genauer
der Wand 61) und dem Rotorgehäuse 46 aufgenommen
bzw. eingeklemmt wird, wenn der Filterträger 51 auf der Rotornabe,
d.h. dem Zentralrohr 44, festgeschraubt wird. Diese Konstruktion
stellt eine luftdichte Abdichtung zwischen der Stützplatte 52 und
dem Rotorgehäuse 46 und
zwischen der Platte 52 und dem Träger 51 her und verhindert
so, dass jegliches Blowby-Gas das Element 50 umgeht.
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Bezugnehmend
auf 3 ist eine Zentrifuge 80 mit Ausnahme
der Koaleszierfilterbaugruppe identisch mit der Zentrifuge 41.
In 3 ist die Koaleszierfilterbaugruppe 40 der 2 durch
eine Koaleszierfilterbaugruppe 81 in der Zentrifuge 80 ersetzt. Abgesehen
von der Koaleszierfilterbaugruppe 81 sind die für die Zentrifuge 80 verwendeten
Bezugsziffern dieselben wie bei der Zentrifuge 41.
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Die
Koaleszierfilterbaugruppe 81 umfasst ein Filterelement 82,
einen Filterträger 83 und
eine untere Stützplatte 84.
In vielerlei Hinsicht ähnlich
dem Filterträger 51 weist
der Filterträger 83 eine
innere ringförmige
Wand 85, eine obere ringförmige Wand 86 und
einen ringförmigen
Verbindungsabschnitt auf, der eine Reihe gleichmäßig voneinander beabstandeter
axial verlaufender Durchlässe 87 enthält. Die ringförmige Wand 85 ist
zum Schraubeingriff mit dem Gewindeende 45 des Zentralrohrs 44 mit
einem Innengewinde versehen. Die Hauptunterschiede zwischen der
Koaleszierfilter baugruppe 40 und der Koaleszierfilterbaugruppe 81 finden
sich in der Form des Filterträgers 83,
der Form der unteren Stützplatte 84 und
der Orientierung des Filterelements 82. Bei der Zentrifuge 41 aus 2 ist
das Filterelement 50 im Wesentlichen horizontal bezüglich der
vertikalen (axialen) Mittellinie 44b angeordnet. Wenn die
Mittellinie 44b abhängig
von der speziellen Anbringung der Zentrifuge 41 nicht wirklich
in absolut vertikaler Richtung angeordnet ist, versteht es sich,
dass die radiale Strömungsmittellinie 50a des
Filterelements 50 im Wesentlichen rechtwinklig zur Mittellinie 44b bleibt.
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Bei
der Zentrifuge 80 ist die Koaleszierfilterbaugruppe 81 entsprechend
der Form des Rotorgehäuses 46 geformt.
Insbesondere weist das Rotorgehäuse
eine relativ kurze horizontale Oberfläche 91 auf, die eine
kreisförmige Öffnung 92 festlegt,
durch welche sich das Zentralrohr 44 erstreckt. Die obere Fläche 91 erstreckt
sich radial symmetrisch zur Mittellinie 44b bis zum kegelstumpfförmigen Flächenabschnitt 93.
Der Neigungswinkel des Flächenabschnitts 93 beträgt ungefähr 45 Grad.
Diese geneigte, kegelstumpfförmige
Fläche
erstreckt sich in eine Krümmung 94,
bevor sie in eine ringförmige
Seitenwand 95 des Rotorgehäuses 46 übergeht.
Wie dargestellt ist die Stützplatte 84 so
geformt, dass sie sich der Größe und Form
der oberen Fläche 91 und
des Flächenabschnitts 93 bis
zur Biegung 94 anpasst. Die tatsächliche Größe der Platte 84 erlaubt
es ihr, sich über
die Biegung 94 hinaus zu erstrecken. Der Innendurchmesser
der Platte 84 ist so bemessen, dass das geschlossene obere
Ende 45 hindurchpasst.
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Der
Filterträger 83 weist
einen radial äußeren Bereich 98 auf,
der im Wesentlichen rechtwinklig zu dem Bereich der Stützplatte 84 ist,
der sich über den
kegelstumpfförmigen
Flächenabschnitt 93 erstreckt.
Das Filterelement 82 ist zwischen diesen beiden im Wesentlichen
parallelen Abschnitten angeordnet. Alle anderen konstruktiven und
funktionellen Aspekte der Koaleszierfilterbaugruppe 81 sind
die gleichen wie die des Koaleszierfilterelements 40, welches
oben beschrieben wurde. Alle gedichteten Flächen sind beibehalten worden
und der Weg für das
Blowby-Gas bleibt derselbe, abgesehen von dem geneigten Weg durch
das Filterelement 82. Es gibt keinen Bypass-Weg, der es
dem Blowby-Gas erlauben würde,
das Filterelement 82 zu umgehen. Das von außen nach
innen durch das Filterelement 82 strömende Blowby-Gas wird durch
die Durchlässe 87 und
von dort durch den Blowby-Auslass 43 hinaus geleitet.
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Die
Zentrifugenkonstruktionen der 2 und 3 werden
am besten als "zerlegbare" Konstruktionen bezeichnet,
aufgrund der Möglichkeit,
den Rotor aus der Zentrifu ge zu entnehmen und – wichtig – der Möglichkeit, den Rotor zu zerlegen.
Dies ermöglicht
es, die Bauteile des Rotors zu reinigen und wieder zu verwenden.
Dies wiederum erlaubt eine breitere Auswahl von Materialien, die
für die
Bauteile der Rotorbaugruppe verwendet werden können. Eine Alternative zu dieser
Konstruktion besteht darin, den Rotor als eine Einwegeinheit auszuführen. Einwegrotorkonstruktionen
und ausgewählte
Bauteile und Unterbaugruppen sind in den 4 bis 12 darstellt. Zwar
sind die beiden Einwegrotorkonstruktionen und die damit zusammenwirkenden
Zentrifugen hinsichtlich der meisten Aspekte ähnlich, jedoch bestehen Unterschiede
in den ausgewählten
Strukturen. Bei der ersten Einweg-Rotor/Zentrifugenkonstruktion
der 4 und 5 wird eine Elastomerlippendichtung dazu
verwendet, Gas daran zu hindern, das Koaleszierfilterelement zu
umgehen. Bei der zweiten Einweg-Rotor/Zentrifugenkonstruktion der 6 und 7 wird
ein (berührungsloses)
gedichtetes Kugellager dazu verwendet, Gas daran zu hindern, das
Koaleszierfilterelement zu umgehen. Diese zweite Konstruktion hat
ebenfalls nur einen minimalen Trägheitswiderstand
für maximale
Drehzahl und könnte als
die bevorzugte Ausführung
der zwei Einweg-Rotorkonstruktionen angesehen werden, die hier beschrieben
und dargestellt sind.
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Bezugnehmend
zunächst
auf die 4 und 5 sei darauf
hingewiesen, dass der Längsschnitt der 5 gegenüber dem
Längsschnitt
der 4 um 90 Grad gedreht ist. Zwar ist derselbe Gesamtaufbau
dargestellt, jedoch helfen zwei um 90 Grad gedrehte Schnitte dabei,
das Verständnis
der Einweg-Rotorkonstruktion zu vervollständigen. Zusätzlich zeigt 8 die
Rotorbaugruppe für
die erste Einweg-Rotorkonstruktion. 10 stellt
den oberen Bereich der Rotorschale bzw. des Rotorgehäuses dar. 11 stellt
die obere Endplatte 122 dar, die als Filterträger fungiert
und einen Teil der Rotorbaugruppe aus 8 für die erste
Einweg-Rotorkonstruktion bildet.
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Zurückkommend
auf 4 weist eine Zentrifuge 105 ein Zentrifugengehäuseteil 106,
eine damit zusammenwirkende Basis 107, einen Einweg-Rotor 108,
eine Welle 109, Lagerbuchsen 110 und 111, eine
Koaleszierfilterbaugruppe 112 sowie eine ringförmige Elastomerlippendichtung 113 auf.
Mit Ausnahme der Koaleszierfilterbaugruppe 112 und der Elastomerlippendichtung 113 ist
die Zentrifuge 105 von einer allgemein herkömmlichen
Konstruktion, einschließlich
des Aufbaus, der Konstruktion und Anordnung des Einweg-Rotors 108 im
Zentrifugengehäuse.
Der Fokus der vorliegenden Erfindung ist auf die Integration einer
Koaleszierfilterbaugruppe zum Behandeln von Blowby-Gas in einer
Zentrifuge mit einem Einweg-Rotor gerichtet. Um dies zu erreichen, ist
ein oberer Abschnitt 117 eines Rotorgehäuses 118 mit einem ringförmigen Stützbord 119 geformt,
das eine ringförmige
Ausnehmung 120 aufweist. Ein Filterelement 121 passt
in diese Ausnehmung 120 und wird darin mittels einer Klebstoffverbindung
bzw. mittels "Vergießen" gehalten. Der Rest
der Koaleszierfilterbaugruppe 112 umfasst einen Filterträger 122,
der eine Oberseite 125 des Filterelements 121 hält.
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Die
abgewandelte Formgebung und Konturierung des oberen Abschnitts 117 zur
Integration der Koaleszierfilterbaugruppe 112 umfasst ferner
die Hinzunahme einer sich nach oben erstreckenden zylindrischen
Wand 126. Die Wand 126 sowie das Bord 119 sind
Teil der aus geformtem Kunststoff bestehenden, einstückigen Konstruktion
des oberen Abschnitts 117. Die Wand 126 ist allgemein
konzentrisch zu einem Zentralrohr 127, zur Welle 109,
zum Rotorgehäuse 118 und
der Drehachse des Einweg-Rotors 108.
Das obere offene Ende der Wand 126 nimmt die Lagerbuchse 110 auf,
welche wiederum das Ende der Welle 109 aufnimmt. Diese
Konstruktion ermöglicht
eine hohe Drehzahl des Einweg-Rotors 108.
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Der
Filterträger 122 hat
einen horizontalen Basisbereich 122a und einen zylindrischen
Rohrbereich 122b. Der Rohrbereich 122b ist so
bemessen und angeordnet, dass er konzentrisch zur Wand 126 ist.
Der Rohrbereich 122b enthält Entlastungsnuten oder Kanäle, die
Auslassströmungsdurchlässe 128 zwischen
dem Rohrbereich 122b und der Wand 126 definieren.
Die Auslassströmungsdurchlässe sind auch
in den 8 und 11 dargestellt und werden eigentlich
durch das Zusammenwirken der Wand 126 mit axialen, einwärts ragenden
Rippen 131 gebildet, die als Teil des einstückigen Filterträgers 122 geformt sind.
Der Filterträger 122 ist
ein Bauteil, welches aufgrund seiner Gestalt auch als eine obere
Stirnplatte bezeichnet werden könnte. 10 stellt
den oberen Bereich der Rotorschale bzw. des Rotorgehäuses dar
und kann für
beide Ausführungsformen
des Einweg-Rotors verwendet werden.
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Um
den oberen Bereich der Zentrifuge abzudichten und so eine Bypass-Strömung von
Blowby-Gas zu verhindern, ist die ringförmige Lippendichtung 113 vorgesehen.
Die ringförmige
Lippendichtung 113 ist in einer ringförmigen Ausnehmung 129 des
Zentrifugengehäuses
gehalten. Das voneinander beabstandete Paar von Dichtlippen berührt den Rohrbereich 122b,
um an dieser Grenzfläche
jeglichen Auslassweg abzusperren. Die Wirkung dieser Konstruktion
und des Zusammenwirkens der Bauteile besteht darin, Blowby-Gas in
das Filterelement 121 eintreten zu lassen (von radial außen), durch
das Filterelement 121 strömen zu lassen und durch die
Auslassströmungsdurchlässe 128 heraus
und von dort durch einen Blowby-Auslass 130 ausströ men zu lassen.
Potentielle Bypass-Wege sind alle abgedichtet, so dass die Ausnützung der
Koaleszierfilterbaugruppe 112 maximiert wird.
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Die
Darstellung der 5 komplettiert die strukturelle
Wiedergabe der Zentrifuge 105. Zwar sind einige zusätzliche
konstruktive Details in 5 hinzugefügt, jedoch ist der überwiegende
Anteil der dargestellten Konstruktion praktisch identisch mit dem
in 4 Dargestellten. Ein Merkmal, welches in 5 gezeigt
ist und in 4 nicht sichtbar ist, ist eine
der Strömungsstrahldüsen 133.
Die Symmetrie bzw. Gleichförmigkeit
in Umfangsrichtung des Aufbaus der Koaleszierfilterbaugruppe 112 bedeutet, dass
sie in 5 im Wesentlichen genauso aussieht wie in 4.
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Der
in den 4 und 5 dargestellte Zentrifugenaufbau
bzw. die Evolution dieser Konstruktion beinhaltet einige auf Prototyp-Testversuchen
basierende Konstruktionsentscheidungen. Eine aus den 4 und 5 hervorgehende
Konstruktionsänderung
besteht darin, dass die Welle 109 in der Nachbarschaft
der unteren Lagerhülse 111 nicht
abgesetzt ist. Dies stellt eine Verbesserung hinsichtlich der Drehfähigkeit
der Zentrifuge dar.
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Unter
Bezugnahme nunmehr auf die 6 und 7 ist
eine Zentrifugenkonstruktion ähnlich der
Zentrifuge 105 der 4 und 5 dargestellt. Der
Hauptunterschied zwischen der Zentrifuge 105 und einer
in 6 und 7 gezeigten Zentrifuge 135 ist
der Entfall der Elastomerlippendichtung 113 und die Verwendung
eines abgedichteten Kugellagers 136 anstelle derselben.
Der Ersatz der Lippendichtung 113 durch das Kugellager 136 erfordert
andere konstruktive Änderungen
oder Abwandlungen der Zentrifuge 135. Diese konstruktiven Änderungen betreffen
die Welle, den oberen Bereich des Rotorgehäuses, den Rohrbereich des Filterträgers und
das Zentrifugengehäuse.
Der Rest der Zentrifuge 135 entspricht praktisch der Zentrifuge 105,
einschließlich
des Einweg-Rotors. Während
in den 6 und 7 Zusammenbaudetails wiedergegeben
sind, zeigt die 9 die Rotorbaugruppe 139 für diese zweite
Einweg-Rotorkonstruktion. 10 stellt
den oberen Abschnitt oder Bereich der Rotorbaugruppe 139 dar,
wobei zu erwähnen
ist, dass der obere Abschnitt 117 und der obere Abschnitt 146 in
ihrem Aufbau praktisch gleich sind. 12 gibt
eine obere Stirnplatte 145 wieder und dieses Bauteil kann
alternativ aufgrund seiner Funktion als Teil der Zentrifugenkonstruktion
gemäß 6 und 7 als
ein Filterträger
bezeichnet werden.
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Unter
Bezugnahme auf 6 weist die Zentrifuge 135 zusätzlich ein äußeres Gehäuseteil 137, eine
Basis 138, einen Einweg-Rotor 139, eine Welle 140,
eine untere Lagerbuchse 141 und eine Koaleszierfilterbaugruppe 142 auf.
Weil die Zentrifuge 135 hinsichtlich Aufbau und Leistung
abgesehen vom Ersatz der Lippendichtung 113 durch das Kugellager 136 praktisch
identisch mit der Zentrifuge 105 ist, konzentriert sich
die folgende Beschreibung der Zentrifuge 135 auf die zur
Aufnahme des Kugellagers 136 erforderlichen Konstruktionsänderungen.
Die wahrscheinlich augenfälligste
Konstruktionsänderung
betrifft die Welle. Wenn die obere Lagerbuchse 110 zum
Einsatz kommt, erstreckt sich die Welle 109 über die
gesamte axiale Länge
des Einweg-Rotors 108 und umfasst ein oberes Ende mit reduziertem Durchmesser,
das in der oberen Lagerhülse
aufgenommen ist. Kommt das Kugellager 136 zum Einsatz,
verkürzt
sich die Welle 140 auf den in 6 dargestellten
Wellenstummel.
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Durch
Anordnen des Kugellagers 136 zwischen dem Filterträger 145 und
dem Zentrifugengehäuseteil 137 ist
der Einweg-Rotor 139 einschließlich der Koaleszierfilterbaugruppe 142 im
Zentrifugengehäuse
zur Rotation mit hoher Drehzahl aufgehängt. Dies wiederum erlaubt
es, dass der obere Abschnitt 146 des Rotorgehäuses 147 geschlossen
ist, da für die
Welle keine Öffnung
benötigt
wird. Das Verschließen
des oberen Abschnitts 146 stellt eine weitere nennenswerte
Konstruktionsänderung
der Zentrifuge 135 dar. Die Konfiguration des Filterträgers 145 ist zum
Einbau in die Zentrifuge 135 leicht geändert worden, um einen äußeren Ringvorsprung 148 zur
Aufnahme des Kugellagers 136 zu erzeugen. Eine ähnliche
Konstruktionsänderung
ist am Zentrifugengehäuseteil 137 in
Gestalt einer ringförmigen
Ausnehmung 149 vorgenommen worden, die den Außenring des
Kugellagers 136 aufnimmt. Die ringförmige Ausnehmung r im
Gehäuseteil 137 ist
so bemessen und radial gegenüber
dem Vorsprung 148 ausgerichtet, dass das Kugellager 136 korrekt
aufgenommen und gehalten wird. Die gewählten Abmessungen und die Positionierung
dieser Bauteile erlaubt es, dass der Außendurchmesser der oberen zylindrischen
Wand 150 des oberen Abschnitts geringfügig kleiner als der Außendurchmesser
der Wand 126 ist.
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Im
Einklang mit dem Aufbau der Zentrifuge 105 ist die Koaleszierfilterbaugruppe 142 der
Zentrifuge 135 mit dem Einweg-Rotor 139 zusammengebaut,
indem sie auf dem Bord 151 angeordnet und so abgedichtet
ist, dass Blowby-Gas in das Filterelement 152 gezwungen
wird und von dort Auslassstromdurchlässe 155 passiert,
bevor es durch einen Blowby-Auslass 156 austritt. Alle
möglichen
Bypass-Wege sind konstruktiv verschlossen und/oder abgedichtet,
um sicherzustellen, dass alles Blowby-Gas in das Koaleszierfilterelement 152 geleitet wird.
Die Auslassströmungsdurchlässe 155 sind auch
in den 9 und 12 dargestellt und werden eigentlich
durch das Zusammenwirken des oberen Wandabschnitts des Filterträgers 145 mit
axialen, ein wärts
ragenden Rippen 161 gebildet, die als Teil des einstückigen Filterträgers 145 geformt
sind.
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7 zeigt
die Längsschnittansicht
der Zentrifuge 135 längs
einer Schnittebene, die 90 Grad gegenüber derjenigen in 6 gedreht
ist. Die ringförmige
Gestalt der meisten für
die Zentrifuge 135 verwendeten Bauteile und die Umfangssymmetrie
dieser Bauteile führt
dazu, dass die Darstellung gemäß 7 praktisch
identisch zur Darstellung der 6 ist. Unter
den kleinen Unterschieden ist der beachtenswerteste das Erscheinen
einer der zwei Strömungsstrahldüsen 157,
die als Teil des unteren Abschnitts 158 des Rotorgehäuses 147 gebildet
sind.
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Die
Evolution des in den 6 und 7 wiedergegebenen
Zentrifugenaufbaus schloss bestimmte Konstruktionsentscheidungen
ein, die auf Prototypversuchen basierten. Eine aus den 6 und 7 hervorgehende
Konstruktionsänderung besteht
darin, dass die Welle 140 in der Nachbarschaft der unteren
Lagerhülse 141 nicht "abgesetzt" ist. Diese Konstruktionsänderung
führt zu
einem verbesserten Aufbau.
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Obwohl
die Zentrifugenkonstruktionen der
2 bis
7 je
ein Paar von Strömungsstrahldüsen aufweisen,
um dem zugehörigen
Rotor eine Drehbewegung zu verleihen, können andere Antriebsmechanismen
verwendet werden, ohne dass auf die Integration einer Koaleszierfilterbaugruppe zum
Behandeln von Blowby-Gas verzichtet werden muss. So offenbart beispielsweise
das am 25. Januar 2000 an Herman erteilte US-Patent Nr.
US 6 017 300 A eine
Impulsturbinenanordnung nahe der Basis des Rotors, um dem Rotor
eine Drehbewegung zu verleihen. Das Fluid für die Strömungsdüsen, die die Turbine antreiben,
kann das Fluid sein, welches durch die Zentrifuge behandelt wird,
oder kann aus einer Sekundärquelle
stammen und kann eine Flüssigkeit oder
ein Gas sein. Da der untere Abschnitt des Rotors effektiv durch
die Konstruktionsänderungen
zwischen der Zentrifuge
41 (
2), der
Zentrifuge
80 (
3), der Zentrifuge
105 (
4 und
5)
und der Zentrifuge
135 (
6 und
7)
unverändert bleibt,
versteht es sich, dass jede der vier oben beschriebenen Zentrifugenkonstruktionen
gleichermaßen
vollständig
kompatibel mit nahezu jeder Art von Drehantrieb für den Rotor
ist. Jede Bezugnahme auf "Antriebsmittel" umfasst sowohl den
Hero-Turbinenaufbau wie dargestellt als auch den Impulsturbinenaufbau
des US-Patents Nr.
US
017 300 A auf das hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird,
und paralleler Patente.