DE60208097T2

DE60208097T2 - Einteiliges Spiralschaufelmodul für Zentrifuge

Info

Publication number: DE60208097T2
Application number: DE60208097T
Authority: DE
Inventors: Peter K. Herman; Richard Jensen
Original assignee: Fleetguard Inc
Current assignee: Cummins Filtration Inc
Priority date: 2001-02-02
Filing date: 2002-01-31
Publication date: 2006-06-29
Anticipated expiration: 2022-02-01
Also published as: EP1236515A2; US6540653B2; DE60208097D1; EP1236515A3; JP4516260B2; JP2002224589A; US20010029227A1; EP1236515B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen die kontinuierliche Abscheidung von teilchenförmigem Material aus einer strömenden Flüssigkeit durch die Verwendung eines Zentrifugenfelds. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung von Spiralplatten oder -schaufeln innerhalb der Zentrifugenschüssel in Zusammenwirkung mit einer geeigneten Antriebsanordnung für die selbstangetriebene Umdrehung der Spiralschaufeln.
Da die Verwendung von Spiralschaufeln bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Konstruktionsänderung im Vergleich zur Technologie des Stands der Technik ist, bei der eine Kegelstapelunterbaugruppe als Grundlage für die Abscheidung von teilchenförmigem Material aus der strömenden Flüssigkeit verwendet wird, kann eine Überprüfung dieser Kegelstapeltechnologie bei der Beurteilung der Unterschiede zwischen der vorliegenden Erfindung und dem Stand der Technik und der durch die vorliegende Erfindung gewährten Vorteile hilfreich sein.
Das US-Patent Nr. 5,575,912, das am 19. November 1996 an Herman et al. erteilt wurde, offenbart eine Zentrifuge mit Bypass-Kreislauf für die Abscheidung von teilchenförmigem Material aus einer im Kreislauf geführten Flüssigkeit. Die Bauweise dieser Zentrifuge umfasst eine hohle und im allgemeinen zylindrische Zentrifugenschüssel, die in Kombination mit einer Basisplatte angeordnet ist, um eine Flüssigkeitsströmungskammer zu bilden. Ein hohles Mittelrohr erstreckt sich axial nach oben durch die Basisplatte hindurch in das hohle Innere der Zentrifugenschüssel. Die Zentrifuge mit Bypass-Kreislauf ist derart konstruiert, dass sie innerhalb einer Abdeckbaugruppe zusammenzubauen ist, und ein Paar von entgegengesetzt angeordneten tangentialen Strömungsdüsen in der Basisplatte wird zum Drehen der Zentrifuge innerhalb der Abdeckung verwendet, um zu bewirken, dass sich Teilchen aus der Flüssigkeit abscheiden. Das Innere der Zentrifugenschüssel umfasst eine Vielzahl von Kegelstümpfen, die in einer gestapelten Anordnung angeordnet und eng beabstandet sind, um den Abscheidungswirkungsgrad zu erhöhen. Die gestapelte Anordnung der Kegelstümpfe ist zwischen einer oberen Platte, die benachbart dem oberen Bereich der Zentrifugenschüssel angeordnet ist, und einer unteren Platte, die näher an der Basisplatte angeordnet ist, sandwichartig angeordnet. Die eintretende Flüssigkeitsströmung tritt aus dem Mittelrohr durch ein Paar von Öleinlässen aus und strömt von dort durch die obere Platte. Die obere Platte zusammen mit Rippen an der Innenfläche der Zentrifugenschüssel beschleunigt und lenkt diese Strömung in den oberen Bereich der gestapelten Anordnung der Kegelstümpfe. Wenn die Strömung radial nach innen durch die zwischen benachbarten Kegeln geschaffenen Kanäle strömt, findet die Teilchenabscheidung statt. Wenn die Flüssigkeit den Innendurchmesser der Kegel erreicht, strömt die Flüssigkeit weiterhin nach unten zu den tangentialen Strömungsdüsen.
Das US-Patent Nr. 5,637,217, das am 10, Juni 1997 an Herman et al. erteilt wurde, ist ein Continuation-in-Part-Patent auf der Grundlage des US-Patents Nr. 5,575,912. Das Patent 5,637,217 offenbart eine Zentrifuge mit Bypass-Kreislauf zum Abscheiden von teilchenförmigem Material aus einer im Kreislauf geführten Flüssigkeit. Die Konstruktion dieser Zentrifuge umfasst eine hohle und im allgemeinen zylindrische Zentrifugenschüssel, die in Kombination mit einer Basisplatte dazu bestimmt ist, eine Flüssigkeitsströmungskammer zu bilden. Ein hohles Mittelrohr erstreckt sich axial nach oben durch die Basisplatte hindurch in das hohle Innere der Zentrifugenschüssel. Die Zentrifuge mit Bypass-Kreislauf ist so gestaltet, dass sie innerhalb einer Abdeckbaugruppe zusammenzubauen ist, und ein Paar von entgegengesetzt angeordneten tangentialen Strömungsdüsen in der Basisplatte wird dazu verwendet, die Zentrifuge innerhalb der Abdeckung zu drehen, um zu bewirken, dass sich Teilchen aus der Flüssigkeit abscheiden. Das Innere der Zentrifugenschüssel umfasst eine Vielzahl von Kegelstümpfen, die in einer gestapelten Anordnung angeordnet und eng beabstandet sind, um den Abscheidungswirkungsgrad zu verbessern. Die eintretende Flüssigkeitsströmung tritt aus dem Mittelrohr durch ein Paar von Öleinlässen aus und wird von dort in die gestapelte Anordnung von Kegeln gelenkt. Bei einer Ausführungsform beschleunigt eine obere Platte zusammen mit Rippen an der Innenfläche der Zentrifugenschüssel diese Strömung und lenkt sie in den oberen Bereich der gestapelten Anordnung. Bei einer weiteren Ausführungsform ist die gestapelte Anordnung als Teil einer Wegwerfunterbaugruppe angeordnet. Bei jeder Ausführungsform tritt, wenn die Strömung durch die zwischen benachbarten Kegeln geschaffenen Kanäle strömt, eine Teilchenabscheidung auf, wenn Flüssigkeit weiter nach unten zu den tangentialen Strömungsdüsen strömt.
Das US-Patent Nr. 6,017,300, das am 25. Januar 2000 an Herman erteilt wurde, offenbart eine Kegelstapelzentrifuge zum Abscheiden von teilchenförmigem Material aus einer im Kreislauf geführten Flüssigkeit. Die Bauweise dieser Zentrifuge umfasst eine Kegelstapelbaugruppe, die mit einer hohlen Rotornabe gestaltet ist und zur Drehung um eine Achse konstruiert ist. Die Kegelstapelbaugruppe ist an einem Wellenmittelrohr angebracht, das an einer hohlen Basisnabe einer Basisbaugruppe befestigt ist. Die Basisbaugruppe umfasst des weiteren einen Flüssigkeitseinlass, einen ersten Durchgang und einen zweiten Durchgang, der mit dem ersten Durchgang verbunden ist. Der Flüssigkeitseinlass ist mit der hohlen Basisnabe durch den ersten Durchgang verbunden. Eine La geranordnung ist zwischen der Rotornabe und dem Wellenmittelrohr zur Drehbewegung der Kegelstapelbaugruppe angeordnet. Ein Aktionsturbinenrad ist an der Rotornabe befestigt und eine Strömungsstrahldüse ist derart angeordnet, dass sie auf das Turbinenrad gerichtet ist. Die Strömungsstrahldüse ist mit dem zweiten Durchgang gekoppelt, um einen Strömungsstrahl der Flüssigkeit auf das Turbinenrad zu richten, um der Kegelstapelbaugruppe eine Drehbewegung zu verleihen. Die Flüssigkeit für die Strömungsstrahldüse tritt in die Kegelstapelzentrifuge über den Flüssigkeitseinlass ein. Der gleiche Flüssigkeitseinlass sorgt auch für die Flüssigkeit, die durch die Kegelstapelbaugruppe im Kreislauf geführt wird.
Das US-Patent Nr. 6,019,717, das am 1. Februar 2000 an Herman erteilt wurde, ist ein Continuation-in-Part-Patent, das auf dem US-Patent Nr. 6,017,300 basiert. Das Patent 6,019,717 offenbart eine Bauweise, die ähnlich der Bauweise des Stammpatents ist, das jedoch das Hinzufügen eines wabenartigen Einsatzes umfasst, der in die Strömungsstrahldüse eingebaut wird, um die Einlassturbulenz zu verringern und den Turbinenwirkungsgrad zu verbessern.
Der erhöhte Abscheidungswirkungsgrad, der durch die Erfindungen der Patente 5,575,922, 5,637,217, 6,017,300 und 6,019,717 geschaffen wird, wird teilweise dem verringerten Sedimentationsabstand über den Spalt zwischen den Kegeln zugeschrieben.
Bei den kommerziellen Ausführungsformen der Erfindungen, die in den Patenten 5,575,912, 5,637,217, 6,017,300 und 6,019,717 offenbart sind, wird eine Kegelstapelunterbaugruppe verwendet, die einen Stapel von zwanzig bis fünfzig einzelnen Kegeln aufweist, die getrennt geformt, gestapelt und ausgerichtet werden müssen, bevor sie mit dem Futtermantel und der Basisplatte oder im Fall einer Wegwerfrotorkonstruktion mit dem Naben- oder Spulenteil zusammengebaut werden. Diese spezifische Gestaltung führt aufgrund des Bedarfs an großen Mehrhohlraumformen und höheren Zusammenbaukosten aufgrund der für das separate Stapeln und Ausrichten jedes einzelnen Kegels erforderlichen Zeit zu höheren Werkzeugbestückungskosten.
Die vorliegende Erfindung schafft eine alternative Konstruktion zur vorstehend erwähnten Kegelstapeltechnologie. Die Neuheit der Konstruktion und der Leistungsnutzen der selbstangetriebenen Kegelstapelkonstruktionen, die in den US-Patenten Nr. 5,575,912, 5,637,217, 6,017,300 und 6,019,717 offenbart sind, wurden bei der tatsächlichen Verwendung gezeigt. Während einige der "Schlüssel" zum Erfolg dieser früheren Erfindungen bei der vorliegenden Erfindung beibehalten wurden, nämlich das Konzept des Selbstantriebs und der verringerte Sedimentationsabstand über den Spalten zwischen den Kegeln, wurde die grundlegende Konstruktion geändert.
WO-A-98/46361 offenbart einen Rotor zur Aufnahme in eine Freistrahlzentrifuge. Der Rotor bildet einen hohlen Mantel und weist auch eine Vielzahl von geraden radialen Führungselementen auf, die innerhalb des Mantels zwischen einer radial innersten Wand und einer radial äußersten Wand davon vorstehen. Die Führungselemente sind einstückig mit dem oberen Teil des Rotors gebildet. Der Rotor umfasst des weiteren einen Einlass und einen Auslass und ist betätigbar, um ein Fluid durch den Einlass aufzunehmen, damit es entlang der Führungselemente geführt wird, um aus dem Rotor durch den Auslass auszutreten.
WO-A-99/51353 offenbart auch einen Rotor für einen Zentrifugenabscheider. Dieser Rotor weist eine Vielzahl von bogenförmigen Abscheidungsscheiben auf, die in einer Abscheidungskammer des Rotors angeordnet sind und sich von der Rotorachse in Richtung auf eine Umgebungswand des Rotors bogenförmig erstrecken. Der Rotor weist des weiteren eine Verteilungskammer auf, die über der Abscheidungskammer angeordnet ist und einen darin ausgebildeten Fluideinlass zur Aufnahme von Fluid und zur Weiterleitung an die Abscheidungskammer und die Scheiben darin aufweist. Fluid verlässt die Abscheidungskammer über darunter vorgesehene Auslässe.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten, selbstangetriebenen Zentrifuge, die ein Abscheidungsschaufelmodul enthält.
Erfindungsgemäß ist eine Zentrifuge, wie in Anspruch 1 der Ansprüche angegeben, geschaffen.
Merkmale der Ausführungsformen der Erfindung sind in den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen angegeben.
Eine Zentrifuge zum Abscheiden von teilchenförmigem Material aus einer Flüssigkeit, die durch eine Zentrifuge strömt, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine Basis, einen mit der Basis zusammengebauten Zentrifugenmantel, der damit einen hohlen Innenraum bildet, eine hohle Rotornabe mit einer zentralen Drehachse, die in die Basis eingebaut ist und sich durch den hohlen Innenraum erstreckt, eine Abstützplatte, die innerhalb des hohlen Innenraums angeordnet ist und zusammen mit der hohlen Rotornabe eine Strömungsaustrittsöffnung zwischen der Abstützplatte und der hohlen Rotornabe bildet und ein Abscheidungsschaufelmodul, das in dem hohlen Innenraum angeordnet ist und derart konstruiert und angeordnet ist, dass es sich um die hohle Rotornabe herum erstreckt und durch die Abstützplatte abgestützt wird, wobei das Abscheidungsschaufelmodul eine Vielzahl von sich axial erstreckenden und beabstandeten Abscheidungsschaufeln aufweist.
Verwandte Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine vollständig geschnittene Vorderansicht einer selbstangetriebenen Zentrifuge.
1A ist eine geschnittene Teildraufsicht auf die Zentrifuge von 1, wie entlang der Linie 1A-1A gesehen, wobei die Schaufeln aus Gründen der zeichnerischen Klarheit entfernt sind.
1B ist eine geschnittene Teildraufsicht auf eine alternative Zentrifuge unter Verwendung der Sichtlinie 1A-1A von 1, wobei die Schaufeln aus Gründen der zeichnerischen Klarheit entfernt sind.
2 ist eine vollständig geschnittene Draufsicht auf die Zentrifuge von 1, wie entlang der Linie 2-2 von 1 gesehen.
3 ist eine perspektivische Draufsicht auf ein geformtes Spiralschaufelmodul, das einen Teil der Zentrifuge von 1 umfasst.
4 ist eine perspektivische Ansicht von unten auf das Spiralschaufelmodul von 3.
5 ist eine schematische Teildraufsicht auf zwei Spiralschaufeln des Spiralschaufelmoduls von 3 und dem entsprechenden Teilchenpfad.
6 ist eine vollständig geschnittene, schematische Vorderansicht, die nebeneinanderliegend einen Vergleich der Kegelstapelunterbaugruppe des Stands der Technik im Vergleich zu dem Spiralschaufelmodul von 3 zeigt.
7A ist eine schematische Draufsicht auf einen alternativen Schaufeltyp.
7B ist eine schematische Draufsicht auf einen weiteren alternativen Schaufeltyp.
7C ist eine schematische Draufsicht auf einen weiteren alternativen Schaufeltyp.
8 ist eine vollständig geschnittene Vorderansicht einer mit einer Aktionsturbine angetriebenen Zentrifuge.
8A ist eine schematische Draufsicht auf die Aktionsturbinenanordnung, die mit der Zentrifuge von 8 verbunden ist.
9 ist eine vollständig geschnittene Vorderansicht eines Wegwerfrotors.
10 ist eine vollständig geschnittene Vorderansicht einer Zentrifugenrotorbaugruppe gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
11 ist eine vollständig geschnittene Draufsicht auf ein vollständiges Schaufelmodul, das eine Komponente der Zentrifugenrotorbaugruppe von 10 umfasst, wie entlang der Linie 11-11 von 10 gesehen.
12 ist ein vergrößertes Teildetail eines Teils der Zentrifugenrotorbaugruppe von 10.
12A ist ein vergrößertes Teildetail eines Teils einer alternativen Ausführungsform mit Bezug auf diejenige von 12.
13 ist eine perspektivische Draufsicht auf ein unitäres Schaufelmodul zur Verwendung bei einer anderen Ausführungs form der vorliegenden Erfindung.
14 ist eine vollständig geschnittene Vorderansicht einer Zentrifugenrotorbaugruppe, bei der das Schaufelmodul von 13 enthalten ist.
15 ist eine perspektivische Ansicht eines unitären Schaufelmoduls zur Verwendung bei einer Wegwerfzentrifugenrotorbaugruppe gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei eine separate Basisplatte gezeigt ist.
16 ist eine vollständig geschnittene Vorderansicht einer Wegwerfzentrifugenrotorbaugrupppe, bei der das Schaufelmodul von 15 und die separate Basisplatte enthalten ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Für die Zwecke des Verbesserns des Verständnisses der Prinzipien der Erfindung wird nun auf die in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen Bezug genommen, und eine spezifische Sprache wird für ihre Beschreibung verwendet. Es ist nichtsdestoweniger ersichtlich, dass keine Begrenzung des durch die Ansprüche verliehenen Schutzumfangs dadurch beabsichtigt ist, wobei solche Änderungen und weitere Modifikationen der gezeigten Vorrichtung und weitere solche Anwendungen der Prinzipien der Erfindung, wie hier gezeigt, in Erwägung gezogen werden, die einem Fachmann auf dem Gebiet, auf das sich die Erfindung bezieht, normalerweise einfallen würden.
Obgleich die in 1 bis 9 gezeigten Anordnungen die vorliegende Erfindung nicht verkörpern, sind sie beim Verbessern des Verständnisses der Erfindung brauchbar und können modifiziert werden, indem bestimmte ihrer Komponenten durch diejenigen der Ausführungsformen der Erfindung ersetzt werden.
Unter Bezugnahme auf 1 und 2 ist eine selbstangetriebene Zentrifuge 20 mit einem unitären Spiralschaufelmodul 21 gezeigt, das die Kegelstapelunterbaugruppe früherer Konstruktionen ersetzt, wie derjenigen, die in den US-Patenten Nr. 5,575,912, 5,637,217, 6,017,300 und 6,019,717 offenbart sind. Das US-Patent Nr. 5,575,912, das am 19. November 1996 an Herman et al. erteilt wurde, wird hiermit durch Bezugnahme aufgenommen. Das US-Patent Nr. 5,637,217, das am 10. Juni 1997 an Herman et al. erteilt wurde, wird hiermit durch Bezugnahme aufgenommen. Das US-Patent Nr. 6,017,300, das am 25. Januar 2000 an Herman erteilt wurde, wird hiermit durch Bezugnahme aufgenommen. Das US-Patent Nr. 6,019,717, das am 1. Februar 2000 an Herman erteilt wurde, wird hiermit durch Bezugnahme aufgenommen.
Der größte Teil der gesamten Konstruktion und Bauweise für die Zentrifuge 20 ist der gleiche, wie in den beiden US-Patenten offenbart, auf die Bezug genommen wird. Der festgestellte Unterschied ist das Ersetzen der Kegelstapelunterbaugruppe des Stands der Technik durch das Spiralschaufelmodul 21. Andere geringfügige strukturelle Änderungen sind enthalten, um das Spiralschaufelmodul 21 aufzunehmen, wie dies in dem nebeneinanderliegenden Teilvergleich in 6 gezeigt ist.
Die Zentrifuge 20 arbeitet auf eine Weise, die derjenigen sehr ähnlich ist, die in den Patenten '912 und '217 beschrieben ist, da sie eine eintretende Strömung von Flüssigkeit, typischerweise Öl, durch eine Einlassöffnung in einer entsprechenden Abstützbasis (nicht gezeigt) aufnimmt. Ein Verbindungsdurchgang in der Basis gestattet es, das Flüssigkeit in das hohle Innere der Rotornabe strömt, die auch als Lagerrohr 22 beschrieben werden kann. Die Flüssigkeit strömt dann nach oben, bis sie die Öffnungen 23 des oberen Rohrs erreicht. Es sind typischerweise vier Öffnungen 23 vorhan den, die mit gleichem Abstand um die obere Umfangsfläche des Rohrs 22 angeordnet sind. Die Flüssigkeit tritt durch diese Öffnungen 23 aus und strömt radial nach außen, wenn sie in die Nähe des Spiralschaufelmoduls 21 kommt. Der obere Teil des Futters 24 ist mit integral geformten Beschleunigungsschaufeln 25 gestaltet, die zusammenarbeiten, um Strömungskanäle (einen Kanal zwischen jedem benachbarten Paar von Beschleunigungsschaufeln) zu bilden. Diese Beschleunigungsschaufeln, typischerweise vier, sechs oder acht, mit gleicher Beabstandung erleichtern die radial auswärts gerichtete Strömung des Öls (oder einer anderen Flüssigkeit) und befördern die Flüssigkeitsströmung zu der Stelle der Einlasslöcher 26, die in die obere Platte 27 des Spiralschaufelmoduls 21 eingeformt sind. Das Futter 24 ist von dem Mantel 28 ummantelt, der mit der Basis 29 zusammengebaut ist. Die Flüssigkeit tritt in die Einlasslöcher 26 ein und strömt durch das Spiralschaufelmodul 21, wobei sie schließlich an der unteren Kante 31 des Moduls 21 austritt. An diesem Punkt strömt die Strömung durch den ringförmigen lichten Raum 32 zwischen der Abstützbasisplatte 33 und der äußeren Fläche des Lagerrohrs 22 oder der Rotornabe. Die austretende Strömung strömt weiter zu den zwei Strömungsstrahlöffnungen 34 (von denen nur eine in der Schnittansicht sichtbar ist). Diese beiden Strömungsstrahlöffnungen stellen die inneren Öffnungen für zwei tangential gerichteten Strahlströmungsdüsen dar. Der Strahl hoher Geschwindigkeit, der aus jeder Düsenöffnung austritt, erzeugt ein Reaktionsmoment, das seinerseits die Zentrifuge 20 mit einer ausreichend hohen Rate zwischen 3000 und 6000 UpM antreibt (dreht), um eine Teilchenabscheidung innerhalb des Spiralschaufelmoduls gleichzeitig mit der Strömung der Flüssigkeit durch das Spiralschaufelmodul 21 zu erzielen. Die Flüssigkeitsströmung durch die Zentrifuge 20, einschließlich des spezifischen Strömungspfads und der Verwendung der austretenden Flüssigkeit für das Selbstantreiben der Zentrifuge 20, sind grundlegend die gleichen, die in den US-Patenten Nr. 5,575,912, 5,637,217, 6,017,300 und 6,019,717 offenbart sind, mit dem bedeutenden Unterschied bezüglich dessen, was innerhalb des Spiralschaufelmoduls 21 stattfindet, und mit dem bedeutenden Unterschied der Konstruktion des Moduls 21, die sich sehr von der Kegelstapelunterbaugruppenkonstruktion, wie in den Patenten '912 und '217 gezeigt, unterscheidet.
Immer noch unter Bezugnahme auf 1 und 2 ist das Spiralschaufelmodul 21 innerhalb des Futters 24 an grundlegend der gleichen Stelle angeordnet, die von der Kegelstapelunterbaugruppe des Stands der Technik eingenommen wird. Das Modul 21 weist eine obere Platte 27 und eine Reihe von identisch gestalteten und gleich beabstandeten Spiralschaufeln 38 (siehe Spalt 37) auf. Das Konzept der "gleichen Beabstandung" bezieht sich nur auf ein gleichmäßiges Muster von Spiralschaufel zu Spiralschaufel und nicht auf den Raum oder Spalt, der von benachbarten Schaufeln begrenzt wird, die sich in einer nach außen gerichteten radialen Richtung bewegen. Der Raum oder Spalt 37 zwischen benachbarten Schaufeln 38 wird allmählich größer (d.h. in Umfangsrichtung weiter), wenn sie sich von der Stelle des inneren Nabenteils 39 zur äußersten Kante 40 radial nach außen bewegen.
Das gesamte Spiralschaufelmodul 21 ist aus Kunststoff als unitäre, einstückige Komponente geformt. Die einzelnen Schaufeln 38 sind entlang ihrer Innenkante zu der Form eines Mittelrohr- oder Nabenteils 39 zusammengefügt, das dazu bestimmt ist, über das Lagerrohr oder über das, was auch als Zentrifugenrotornabe 22 bezeichnet wird, zu gleiten. Durch ordnungsgemäßes Dimensionieren des Innendurchmessers 41 des Nabenteils 39 mit Bezug auf den Außendurchmesser der Rotornabe ist es möglich, einen konzentrischen Sitz mit enger Toleranz zu schaffen. Dies trägt seinerseits zu dem Gesamtgleichgewicht bei, das aufgrund der Geschwindigkeit, mit der die Zentrifuge umläuft, erwünscht ist.
Das Spiralschaufelmodul 21 ist von ringförmiger Gestalt wobei die einzelnen Spiralschaufeln 38 (34 insgesamt) so angeordnet sind, dass sie eine im allgemeinen zylindrische Form schaffen. Der geformte Nabenteil 39 ist ebenfalls zylindrisch. Die obere Platte 27 ist von im allgemeinen konischer Gestalt, obgleich sie einen im wesentlichen flachen, ringförmigen Ringteil 27a umfasst, der das hohle Innere 42 umgibt. Es wird auch in Betracht gezogen, dass diese Geometrie der oberen Platte 27 eine halbkugelförmige obere Fläche aufweisen könnte. Eine Teilerabschirmung 44 ist auch als Teil des Moduls 21 enthalten und benachbart der äußeren Umfangskante 43 der oberen Platte 27 angeordnet. Die Teilerabschirmung 44 ist auch von einer ringförmigen Ringgestalt und erstreckt sich in horizontaler Richtung radial nach außen. Die Vielzahl von Einlasslöchern 26, die in der oberen Platte 27 geformt sind, befindet sich benachbart der äußeren Umfangskante 43 der oberen Platte, die auch benachbart ist und sich nahe der Stelle befindet, an der die Abschirmung 44 beginnt. In dem Schnitt von 2 sind die Einlasslöcher 26 und die Abschirmung 44 als gestrichelte Linie gezeigt, da sie sich tatsächlich oberhalb der Schnittebene 2-2 befinden. Die gestrichelte Linie wird verwendet, um schematisch zu zeigen, wo sich diese Merkmale relativ zu den Schaufeln 38 befinden.
Die Strömung der Flüssigkeit, die aus den Rohröffnungen 23 austritt und von dort in der Richtung der Einlasslöcher 26 geleitet wird, wird tatsächlich durch die Beschleunigungsschaufeln 25 an einer Stelle, die (radial) den Einlasslöchern 26 entspricht, "herunter geworfen". Die Strömung strömt durch die obere Platte 27 über diese Einlasslöcher, bei denen es ein Loch gibt, das jedem Abscheidungsspalt 37 zwischen jedem Paar von benachbarten Spiralschaufeln 38 entspricht. Wenn die Strömung durch die Einlasslöcher und in jeden Spalt 37 strömt, dann strömt sie durch die Spalten in einer radial nach innen und axial nach unten gerichteten Richtung aufgrund der Anordnung des Strömungsaustritts zwischen der äußeren Fläche der Rotornabe und der inneren Kante der Basisplatte. Die Strömungsdynamik ist derart, dass die Strömung, die aus den Rohröffnungen 23 austritt, dazu neigt, gleichmäßig über die Oberfläche der oberen Platte verteilt zu werden und somit gleichmäßig durch die vierunddreißig Einlasslöcher 26 verteilt zu werden. Wie beschrieben, gibt es ein Einlassloch, das jedem Spalt entspricht und ein Spalt entspricht jeder Schaufel 38. Wenn die Strömung der Flüssigkeit durch jeden Spalt 37 von dem äußeren und breiteren Punkt zu dem inneren und engeren Punkt benachbart der Rotornabe strömt, wirkt die Zentrifugalkraft aufgrund der hohen Drehgeschwindigkeit der Zentrifuge auf das schwerere teilchenförmige Material und gestattet, dass es allmählich in einer radial nach außen gerichteten Richtung wandert, wobei es sich auf der konkaven Fläche der Spiralschaufel sammelt und weiter nach außen gleitet, wo es schließlich aus dem Modul austritt und sich in einer Aufschlämmungssammelzone sammelt, die sich zwischen dem äußeren Umfang des Moduls 21 und der Innenfläche des Futtermantels 24 befindet. Ein möglicher Teilchenpfad für die Teilchen 45 ist schematisch in 5 gezeigt.
Die Teilerabschirmung 44 erstreckt sich in einer nach außen gerichteten radialen Richtung von der ungefähren Lage der Einlasslöcher 26 zu einer Stelle nahe der Innenfläche 48 des Futters 24, ohne diese jedoch zu berühren. Die Teilerabschirmung 44 verhindert, dass die Strömung im Bypass um die Einlasslöcher 26 herum strömt und dadurch die Ruhezone 50 stört, in der die Aufschlämmung (d.h. das abgeschiedene, teilchenförmige Material und etwas Öl) gesammelt wird. Dadurch dass verhindert wird, dass die Strömung die Ruhezone 50 stört, verhindert die Konstruktion auch in einem hohen Ausmaß das erneute Mitreißen von teilchenförmigem Material, das bereits aus der strömenden Flüssigkeit abgeschieden worden ist. Das Konzept des erneuten Mitreißens umfasst das Lockern oder die Aufnahme von etwas von dem teilchenförmigen Material, das bereits aus der Flüssigkeitsströmung abgeschieden worden ist und das Gestatten, dass es zurück in die Flüssigkeit gelangt, wodurch die Arbeit, die bereits erfolgt ist, zunichte gemacht wird. Es ist auch festzustellen, dass der Abstand der Trennung zwischen der Teilerabschirmung 44 und der Innenfläche 48 des Futters 24 groß genug ist, um es zu gestatten, dass größeres teilchenförmiges Material, das in dem Bereich der Beschleunigungsschaufeln 25 eventuell abgeschieden wurde, in die Ruhezone 50 abgegeben wird.
Wenn die Flüssigkeitsströmung durch die Einlasslöcher 26 und in die Abscheidungsspalten 37 strömt, breitet sie sich innerhalb der Spalten aus und strömt radial nach innen und axial nach unten in Richtung auf die untere Kante 31 weiter, wo die Strömung über den lichten Raum 32 austritt. Die Strömung wird durch die Verwendung der Basisplatte 33 daran gehindert, die beabsichtigte Strömung durch die Spalten 37 hindurch im Bypass zu umgehen, die jeden anderen Austrittspfad für die Strömung mit Ausnahme der durch den lichten Raum 32 vorgesehenen Strömungsöffnung absperrt, die durch die innere kreisförmige Kante 51 der Basisplatte 33 und die Außenfläche 52 des Lagerrohrs 22 oder dem, was als Rotornabe bezeichnet wurde (siehe 1A), gebildet ist.
Bei einer alternativen Anordnung (siehe 1B) erstreckt sich die Basisplatte 33a in Kontakt mit dem Lagerrohr 22 derart, dass der lichte Raum 32 geschlossen ist. Um einen Strömungspfad zu schaffen, wird eine Vielzahl von Zwischenraumlöchern 33b in der Basisplatte 33a an etwa der gleichen Stelle des lichten Raums 32 geschaffen. Die einzelnen Schaufeln 38 wurden aus den Schnittansichten von 1A und 1B aus Gründen der zeichnerischen Einfachheit weggelassen. Statt der kreisförmigen Löcher 33b kann praktisch jeder Typ von Öffnung, einschließlich radialer und/oder Umfangsschlitze, verwendet werden.
Unter Bezugnahme auf 3, 4 und 5 sind die strukturellen Details des Spiralschaufelmoduls 21 gezeigt. 3 und 4 sind perspektivische Ansichten der geformten unitären Konstruktion für das Modul 21. 5 zeigt in Ausrichtung bei einer Draufsicht und in schematischer Form ein Paar Spiralschaufeln 38 und den Spalt 37, der dazwischen angeordnet ist. Wie teilweise im Zusammenhang mit dem Strömungspfad beschrieben, umfasst das Spiralschaufelmodul 21 vierunddreißig Spiralschaufeln 38, von denen jede von praktisch identischer Konstruktion ist und die zu einem unitären geformten Modul integral zusammengefügt sind. Jede dieser vierunddreißig Spiralschaufeln 38 ist als Teil der unitären Konstruktion entlang ihrer obersten Kante an der Unterseite oder unteren Fläche der oberen Platte 27 integral zusammengefügt. Jede Spiralschaufel 38 erstreckt sich von der oberen Platte weg in axialer Richtung in Richtung auf ihre entsprechende untere Kante 31. Die innere Kante jeder Schaufel ist zusammenwirkend in dem inneren Nabenteil 39 ausgebildet. Jede Spiralschaufel 38 weist eine konvexe äußere Fläche 55 und eine konkave innere Fläche 56 auf. Diese Flächen bilden eine Spiralschaufel von im wesentlichen gleichmäßiger Dicke, die etwa 1,0 mm (0,04 Zoll) misst. Die konvexe Fläche 55 einer Schaufel in Zusammenarbeit mit der konkaven Fläche 56 der benachbarten Schaufel bildet den entsprechenden Spalt 37 zwischen diesen beiden Schaufeln. Die Breite des Spalts zwischen den Schaufeln oder seine Umfangsdicke nimmt zu, wenn sich die Schaufeln nach außen erstrecken.
Wenn sich jede Spiralschaufel 38 in einer radialen Richtung nach außen weg von dem inneren Nabenteil 39 erstreckt, krümmt sie sich (gekrümmter Teil 57), um das entsprechende Einlassloch 26 teilweise zu umgeben. Wenn sich der Teil 57 tangential von der Stelle des Einlasslochs weg erstreckt, bildet er eine Turbulenzabschirmung 58. Die Turbulenzabschirmung 58 einer Spiralschaufel 38 erstreckt sich in Umfangsrichtung in einer Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn auf der Grundlage einer Draufsicht in Richtung auf die benachbarte Schaufel. Ein Abscheidungsspalt 59 ist zwischen dem freien Ende oder der freien Kante einer Abschirmung 58 an einer Schaufel und dem gekrümmten Teil 57 an der benachbarten Spiralschaufel gebildet. Dieser Abscheidungsspalt ist tatsächlich ein axialer Schlitz oder ein Schlitz entlang der gesamten Länge und ist in der Umfangsrichtung etwa 1,8 mm (0,07 Zoll) breit. Die leichte Krümmung in jeder Turbulenzabschirmung 58 zusammen mit den wechselnden Abscheidungsspalten 59 erzeugt eine im allgemeinen zylindrische Form, die die äußerste Fläche des Spiralschaufelmoduls 21 bildet, das unterhalb der oberen Platte 27 angeordnet ist.
Die Krümmung jeder Spiralschaufel von ihrer inneren Kante zu ihrem äußeren gekrümmten Teil weist eine einzigartige Geometrie auf. Eine Linie 60, die von der axialen Mittellinie 60a der Zentrifugendrehung zu einem Schnittpunkt 61 auf irgendeiner der vierunddreißig Spiralschaufeln 38 gezogen wird, bildet einen Öffnungswinkel 60b von 45° mit einer Tangentenlinie 62 zu der Spiralschaufelkrümmung am Schnittpunkt (2). Diese einzigartige Geometrie trifft auf die konvexen und konkaven Teile des Hauptkörpers jeder Spiralschaufel zu und umfasst weder den gekrümmten Teil 57 noch die Turbulenzabschirmung 58. Der Öffnungswinkel, der vorzugsweise 45° beträgt, kann als der Spiralschaufelwinkel für das Spiralschaufelmodul und für die entsprechende Zentrifuge beschrieben werden. Es wird in Betracht gezogen, dass der bevorzugte Bereich für den Öffnungswinkel 30 bis 60° beträgt. In den Fällen, in denen die Patente '912 und '217, auf die vorstehend Bezug genommen wurde, einen Kegelwinkel, typischerweise von 45° mit Bezug auf die Neigung der konischen Wand jedes Kegels, bilden, bildet die vorliegende Anordnung einen Spiralschaufelwinkel.
Bei dem Verfahren der durch die Spalten 37 strömenden Strömung treibt abzuscheidendes, teilchenförmiges Material aufgrund einer radialen Zentrifugalkraftkomponente über den Spalt in einem nach außen gerichteten, im allgemeinen radialen Pfad durch den Spalt zwischen benachbarten Schaufeln 38. Dieses teilchenförmige Material treibt tatsächlich stromaufwärts mit Bezug auf die Richtung der Strömung auf eine Weise, die derjenigen ähnlich ist, die bei den vorstehend erwähnten Kegelstapel-Unterbaugruppenkonstruktionen der Patente '912 und '217 stattfindet. Wenn die Teilchen, die das aus der Flüssigkeitsströmung abzuscheidende, teilchenförmige Material umfassen, die konkave, nach innen gerichtete Spiralfläche der entsprechenden Schaufel erreichen (siehe 5), wandern sie radial nach außen, da aufgrund der Fluidgrenzschicht Strömungsgeschwindigkeit fehlt. Dieser radial nach außen gerichtete Pfad befindet sich in der Richtung der Aufschlämmungssammel- oder Ruhezone 50. Die Teilchen "fallen" dann aus dem Spiralschaufelmodul durch die durchgehenden axialen Schlitze "heraus", die sich zwischen den in Umfangsrichtung nicht durchgehenden Turbulenzabschirmungen der entsprechenden Spiralschaufeln (d.h. Abscheidungsspalten 59) befinden. Wie beschrieben, ist es die Funktion der Turbulenzabschirmungen, die Fluidwechselwirkung zwischen der auftretenden Strömung in den Spalten 37 und der Aufschlämmungssammelzone (Ruhezone 50) zu verringern. Obgleich diese Aufschlämmungssammelzone als "Ruhezone" bezeichnet wird, stellt diese Wahl der Terminologie den bevorzugten oder gewünschten Zustand dar. Idealerweise wäre diese Aufschlämmungssammelzone 50 vollständig ruhig, sodass es praktisch keine Turbulenz und kein Risiko gäbe, das irgendein teilchenförmiges Material in die Flüssigkeitsströmung erneut zurück gerissen wird. Die Turbulenzabschirmungen 50 sind bei Betrachtung in einer Ausrichtung in Draufsicht gegenwärtig derart angeordnet, dass sie ein kreisförmiges Profil schaffen oder bilden. Es wird jedoch in Erwägung gezogen, dass jede dieser Turbulenzabschirmungen 58 leicht nach außen geneigt werden könnte, damit teilchenförmiges Material, das sich eventuell an der Innenfläche jeder Turbulenzabschirmung ansammelt auch in die Sammelzone "durchrutscht". Da an der Stelle des gekrümmten Teils für jede Spiralschaufel wirksam eine Ecke geschaffen ist, könnte die Neigung bestehen, dass sich eine kleine Menge des teilchenförmigen Materials in dieser Ecke ansammelt. Durch Neigen des Turbulenzabschirmungsteils wird diese Ecke geöffnet, sodass eine größere Neigung besteht, dass jegliches eingefangene, teilchenför mige Material imstande ist, in die Aufschlämmungssammelzone (Ruhezone 50) heraus zu gleiten. Diese alternative Gestalt für den Turbulenzabschirmungsteil ist durch die gestrichelte Linienform in 5 gezeigt.
Nachdem die Strömung die Spalten zwischen den benachbarten Spiralschaufeln verlässt und aus dem lichten Raum benachbart der Rotornabe austritt, strömt sie zu den Strahldüsen, wo sie mit hoher Geschwindigkeit abgegeben wird, wodurch sie bewirkt, das sich der Rotor mit hoher Geschwindigkeit aufgrund der Reaktionskraft dreht. Als Alternative zu dieser Konfiguration könnte der spezifische Rotor durch eine am Rotor angebrachte Aktionsturbine angetrieben werden. Des weiteren ist das geformte Spiralschaufelmodul innerhalb einer die Aufschlämmung enthaltenden Baugruppe aus Futtermantel und Basisplatte ähnlich derjenigen, die in dem US-Patent Nr. 5,637,217 offenbart ist, "eingekapselt". Diese besondere Konfiguration gestattet die schnelle und leichte Wartung des Zentrifugenrotors, da die Aufschlämmung vollständig innerhalb der inneren Kapsel enthalten ist und kein Abkratzen oder Reinigen notwendig ist. Alternativ könnte das Spiralschaufelmodul eine Kegelstapelunterbaugruppe ersetzen, die als Teil einer vollständig wegwerfbaren Zentrifugenrotorkonstruktion enthalten ist.
Unter Bezugnahme auf 6 ist eine schematische Nebeneinanderdarstellung vorgesehen, die auf der linken Seite der Zentrifuge 63 eine Hälfte einer typischen Kegelstapelunterbaugruppe 64 des Stands der Technik und auf der rechter Seite eine Hälfte des Spiralschaufelmoduls 21 zeigt.
Die Darstellung von 6 zeigt, dass es beabsichtigt ist, die vorstehende Beschreibung zu unterstreichen, die besagt, dass das Spiralschaufelmodul 21 der vorliegenden Erfindung ein Ersatz für die Kegelstapelbaugruppe des Stands der Technik ist oder sein kann, wie sie in den US-Patenten Nr. 5,575,912, 5,637,217, 6,017,300 und 6,019,717 gezeigt ist.
Obgleich die Konstruktion der entsprechenden Basisplatten 65 und 33 leicht zwischen zwei Typen geändert ist, ist das Gleichgewicht der Zentrifugenkonstruktion praktisch für jeden Typ identisch. Unter Bezugnahme auf 7A, 7B und 7C sind drei alternative Konstruktionen für den Typ der als Teil des Spiralschaufelmoduls zu verwendenden Spiralschaufeln gezeigt. Obgleich sich jede dieser alternativen Konstruktionen noch innerhalb des gleichen Zusammenhangs der Theorie und des Funktionierens der Anordnung befinden und obgleich das Konzept des Ersetzens der Kegelstapelunterbaugruppe des Stands der Technik durch ein Spiralschaufelmodul aufrechterhalten wird, kann jede davon verwendet werden.
In 7A werden die gekrümmten Spiralschaufeln 38 des Moduls 21 durch Schaufeln 68 mit im wesentlichen flachen, planaren Flächen ersetzt. Die Schaufeln 68 sind versetzt, um sich nach außen, statt sich ausschließlich radial zu erstrecken. Die Draufsicht von 7A zeigt insgesamt vierundzwanzig Schaufeln oder lineare Platten 68, jedoch kann die tatsächliche Anzahl in Abhängigkeit solcher Variablen wie der Gesamtgröße der Zentrifuge, der Viskosität der Flüssigkeit und dem gewünschten Wirkungsgrad bezüglich der abzuscheidenden Teilchengröße erhöht oder verringert werden. Der Teilungswinkel (α) oder die Neigung jeder Platte ist eine weitere Variable. Obgleich jede Platte 68 unter dem gleichen radialen Winkel (α) eingestellt ist, kann der gewählte Winkel variieren. Die Wahl für den Winkel hängt teilweise von der Drehgeschwindigkeit der Zentrifuge ab.
In 7B sind die einzelnen Schaufeln 69 ähnlich der Art der Schaufeln 38, jedoch mit einem größeren Krümmungsgrad, d.h. einer größeren Konkavität, gekrümmt. Des weiteren weist jede einzelne Schaufel 69 eine sich allmählich vergrößernde Krümmung auf, wenn sie sich von dem Lagerrohr 22 weg erstreckt. Diese Schaufelform wird als "Hyperspirale" beschrieben und ist geometrisch auf folgende Weise definiert. Zunächst wird unter Verwendung einer radialen Linie 72, die von der axialen Mittellinie des Lagerrohrs 22 gezogen wird, die auch die axiale Mittellinie des Moduls 21 ist, bewirkt, dass diese Linie einen Punkt 73 auf der konvexen Fläche einer Schaufel schneidet. Das Ziehen einer Tangentenlinie 74 zu diesem Schnittpunkt 73 bildet einen Öffnungswinkel 75 zwischen der radialen Linie und der Tangentenlinie. Die Größe dieses Öffnungswinkels 75 wird vergrößert, wenn sich der Schnittpunkt 73 weiter von dem Lagerrohr 22 weg bewegt. Die Theorie bei dieser alternativen Spiralschaufelausführungsform ist es, jede Schaufel so zu formen, dass eine konstante Teilchengleitrate vorhanden ist, wenn sich die g-Kraft proportional mit dem Abstand von der Drehachse erhöht. Mit Ausnahme der Krümmungsgeometrie für jede Schaufel 69 ist das in 7B schematisch gezeigte Spiralschaufelmodul identisch zu dem Spiralschaufelmodul 21.
In 7C basiert die Spiralschaufelkonstruktion für das entsprechende Modul auf der Konstruktion der Schaufel 69 von 7B mit dem Hinzufügen eines Teilspaltschaufel 70. Es gibt eine Spaltschaufel 70 zwischen jedem Paar von Vollschaufeln 69, und die Größe, Gestalt und Anordnung jeder einzelnen sind im gesamten Modul die gleichen. Die Spaltschaufeln 70 sind ähnlich denjenigen, die bei einem Turboladerkompressor verwendet werden, um den gesamten Schaufelflächenbereich zu erhöhen, immer wenn die Anzahl der Schaufeln und die Schaufelbeabstandung durch die enge Beabstandung an dem Innendurchmesser der Nabe begrenzt sind.
Andere Konstruktionsänderungen oder -erwägungen umfassen Änderungen bei den Herstellungs- und Formungsverfahren. Beispielsweise kann die im allgemeinen zylindrische Form der geformten Schaufeln (oder Platten) als kontinuierliches Element extrudiert werden und dann an der gewünschten axialen Länge oder Höhe abgeschnitten werden und dann mit einer separat hergestellten, typischerweise geformten oberen Platte zusammengebaut werden. Die obere Platte wird mit den gewünschten Einlasslöchern und Teilerabschirmungen, wie vorstehend beschrieben, als Teil des Moduls 21 geformt.
Eine weitere Konstruktionsänderung, die in Erwägung gezogen wird, ist es, das Spiralschaufelmodul in zwei Teile zu spalten, eine obere Hälfte und eine damit zusammenwirkende untere Hälfte. Diese Herstellungstechnik würde zur Vermeidung von Formungsschwierigkeiten verwendet, die sich aus dem engen Abstand zwischen den Schaufeln ergeben könnten. Nach der Herstellung der beiden Hälften werden sie zu einem einstückigen Modul zusammengefügt. Bei diesem Ansatz wird ins Auge gefasst, dass die obere Platte unitär mit der oberen Hälfte der Schaufelunterbaugruppe geformt wird und dass die Basisplatte unitär mit der unteren Hälfte der Schaufelunterbaugruppe geformt wird.
Das Spiralschaufelmodul 21 und/oder irgendeine der drei alternativen (Spiral-) Schaufeltypen der 7A, 7B und 7C kann in Kombination mit einer Zentrifuge vom mit einer Aktionsturbine angetriebenen Typ, wie in 8 und 8A gezeigt, verwendet werden. Bei dieser Darstellung wurde das Spiralschaufelmodul 21 verwendet. Die Aktionsturbinenanordnung 81 ist schematisch in 8A gezeigt.
Es wird auch in Betracht gezogen, dass das Spiralschaufelmodul 21 und/oder irgendeiner der drei alternativen (Spiral-) Schraubentypen von 7A, 7B und 7C als Teil eines Wegwerfrotors 82 verwendet werden kann, der zur Verwendung mit einer damit zusammenarbeitenden Zentrifuge (nicht gezeigt) geeignet ist. Das Spiralschaufelmodul 21 ist in der Darstellung von 9 enthalten. Es wird auch in Betracht gezogen, dass der Wegwerfrotor 82 von 9 in Kombination mit einer Zentrifuge vom mit einer Aktionsturbinen angetriebenen Typ, wie der Zentrifuge 80, verwendet werden kann.
Unter Bezugnahme auf 10, 11 und 12 ist eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. In 10 ist als vollständige Schnittansicht eine Zentrifugenro torbaugruppe 100 angegeben, bei der das Spiralschaufelmodul 101 als unitäre Komponente 102 mit dem Futtermantel 103 geformt ist. Als solche erstrecken sich die einzelnen Schaufeln 104 radial, wenn auch mit der gezeigten Krümmung, zu einem Kontaktpunkt 105 mit der Innenfläche 106 des Futtermantels 103 (siehe 11). Als solche ist diese Ausführungsform am besten als Konstruktion mit "vollständiger Schaufel" aufgrund der radialen Größe jeder Schaufel und der Tatsache, dass die äußeren Spitzen jeder Schaufel die Innenfläche des Futtermantels kontaktieren und tatsächlich damit integral sind, beschrieben. Bei einer verwandten Ausführungsform befinden sich die äußeren Kanten der einzelnen Schaufeln in sehr enger Nähe zu der Innenfläche des Futtermantels ohne irgendeine messbare Trennung zwischen den Schaufeln und dem Futtermantel, jedoch ist der Futtermantel noch eine separate Komponente.
Die unitäre geformte Kunststoffkonfiguration für die Komponente 102 ist als Ersatz für den Kegelstapel-, die Basisplatten- und die Futtermantelkomponenten früherer Konstruktionen bestimmt. Als allgemeiner Überblick über diese früheren Konstruktionen umfassen sie typischerweise eine Kegelstapelunterbaugruppe, bei der ein Stapel von 20 bis 50 einzelnen Kegeln verwendet wird, die vor dem endgültigen Zusammenbau mit dem Futtermantel und der Basisplatte separat geformt, gestapelt und ausgerichtet werden müssen. In dem Fall der Wegwerfrotorkonstruktion würde der Zusammenbau der einzelnen Kegel an einer zentralen Nabe mit einer oberen Ausrichtungsspule erfolgen, die das endgültige Positionieren aufrechterhält. Diese Art von Konstruktion führt zu höheren Werkzeugbestückungskosten aufgrund der großen Mehrhohlraumformen, die erforderlich sind. Auch die Zusammenbaukosten sind aufgrund der Zeit höher, die erforderlich ist, um die verschiedenen Kegel einzeln zu stapeln und auszurichten. Während sich frühere Anordnungen auf verschiedene Schaufelkonstruktionen als Ersatz für solche Kegelstapelunterbaugruppen konzentriert haben, schafft die Ausführungsform von 10, 11 und 12 weitere Verbesserungen. Aufgrund des "Vollschaufel"-Merkmals dieser Ausführungsform gibt es eine Verringerung oder wesentliche Ausschaltung jeglicher tangentialer Fluidgleitdrehung in der Aufschlämmunaszone benachbart der Innenfläche des Futtermantels. Als Folge sorgt die Vollschaufelkonstruktion für das Spiralschaufelmodul 101 für einen besseren Abscheidungswirkungsgrad, während gleichzeitig die wünschenswerten niedrigeren Kosten beibehalten werden.
Immer noch unter Bezugnahme auf 11 sind bei der offenbarten Ausführungsform dieser unitären Komponente 102 (d.h. Spiralschaufel-/Futter-Modul) die Spiralschaufeln 104 zwischen dem Mittelrohrteil 109 und der Innenfläche 106 des Futtermantels 103 geformt. Als solche erstreckt sich jede Spiralschaufel des Spiralschaufelmoduls 101 über den gesamten Radius der Rotorbaugruppe, die auch als Aufschlämmungssammelgefäß bezeichnet werden kann. Der Mittelrohrteil 109 gleitet über die Rotornabe, wobei er einen engen Sitz bildet, um zu verhindern, dass Strömung die Spiralschaufeln zwischen der Rotornabe und dem Mittelrohrteil im Bypass umgeht. Der Futtermantel 103 befindet sich innerhalb des strukturellen Rotormantels 118. Der obere Innendurchmesserteil des Futtermantels 103 weist eine kleine "Stufe" 110 auf, die unterhalb der Höhe der Einlasslöcher nahe der Oberseite der Rotornabe abfällt. Die durch diese Stufe geschaffene, ringförmige Zone ist mit zahlreichen eingezogenen radialen/spiralenförmigen Kanälen 111 verbunden, die in die äußere Oberfläche des Futtermantels geformt sind, wobei ein Kanal zwischen den Spalten jedes Paars der Spiralschaufeln geformt ist. Am Ende des eingezogenen Kanals gestattet es ein kleines Loch 112 durch den Futtermantel 103, dass Fluid in die Durchgänge 113 des Spiralschaufelmoduls strömt.
Da das Öl, das radial nach außen durch diese Strömungskanäle strömt, an diesem Punkt des Verfahrens noch nicht "gereinigt" worden ist, kann es sich als vorteilhaft erweisen, rippenartige Dichtungen um die Kante jedes Kanals oder zumindest einen Ring um den äußeren Abschlussdurchmesser der Kanäle herum einzubauen, um die Ablagerung von Aufschlämmung zwischen dem Futtermantel und dem Rotormantel zu verringern. Es ist wünschenswert, die Ablagerung von Aufschlämmung zwischen dem Futter und dem Rotor zu begrenzen, da Aufschlämmung bewirkt, dass das Futter in dem Rotor klebt und die Wartung nicht nur unangenehmer, sondern auch schwieriger macht.
Es ist auch wichtig, festzustellen, dass diese besondere Ausführungsform den Bedarf an einer zusätzlichen oberen Platte eliminiert, um die Aufgabe des Umleitens des Fluids radial nach außen zu der Einlasszone des Spiralschaufelmoduls 103 zu erfüllen. Die Ausführungsform, die in 10 bis 12 gezeigt ist, ermöglicht es, dass die Schaufeln integral mit dem Futtermantel in einer einteiligen Konstruktion geformt werden, wodurch die Herstellungskosten verringert werden können. Des weiteren ist es, da die Schaufeln mit dem Futtermantel einstückig sind, nicht notwendig, eine Basisplatte an dem Mantel anzuschweißen, da keine zusätzlichen Kegel (oder Schaufeleinsatzkomponente) vorhanden sind, die erfasst und in ihrer Lage gehalten werden müssen. Deshalb kann die Basisplatte als permanente Komponente des Rotors selbst hergestellt werden. Der Innendurchmesser der Basisplatte ist geringfügig größer als der Außendurchmesser der Nabe, was einen ringförmigen Entweichungsdurchgang für die Strömung schafft, damit sie aus dem Spiralschaufelmodul austreten kann. Alternativ könnte der Austrittsdurchgang durch diskrete Löcher oder Schlitze gebildet sein, die in der Nähe des Innendurchmessers der Basisplatte angeordnet sind, wobei die Basisplatte direkt auf dem Außendurchmesser der Rotornabe zentriert ist.
Eine alternative Anordnung (siehe 12A) mit Bezug auf diejenige, die in 12 gezeigt ist, ist es, die gesamte obere Oberfläche 116 auszusparen, sodass es einen lichten Raum 117 zwischen der oberen Oberfläche 116 und dem Rotormantel 118 gibt. So gibt es statt einer Vielzahl von separat gebildeten Zwischenraumkanälen 111, einen umfangsseitigen (ringförmigen) lichten Raum 117. Um dabei zu helfen, die Strömung über die obere Oberfläche 116 in das Loch bzw. die Löcher 119 zu lenken, wird eine ringförmige vorstehende Rippe 120 verwendet, um eine Abdichtung gegen die Innenfläche des Rotormantels zu schaffen.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, siehe 13 und 14, wird ein separat geformtes Schaufelmodul 125 zum Zusammenbau in einen Futtermantel oder alternativ in einen Rotormantel hergestellt, falls gemäß einer weiteren Ausführungsform kein Futtermantel in der Zentrifugenrotorbaugruppe verwendet wird. Das unitäre Schaufelmodul 125 umfasst einzelne Spiralschaufeln 126, die eine Krümmungsgeometrie und eine radiale Größe aufweisen, die praktisch identisch zur Spiralschaufel 104 ist. Diese Spiralschaufeln 126 sind mit dem Mittelrohrteil 127 und mit dem oberen Plattenteil 128 einstückig. Der Mittelrohrteil 127 ist wie der Mittelrohrteil 109 derart gestaltet und angeordnet, dass er über die Rotornabe 131 der Rotorbaugruppe 132 gleitet und damit einen eng bemessenen Sitz bildet, um zu verhindern, dass Strömung die Spiralschaufeln zwischen der Rotornabe und dem Mittelrohrteil 127 im Bypass umgeht.
Bei der Ausführungsform von 13 ist der integral geformte obere Plattenteil 128 an der Oberseite oder dem oberen axialen Abschluss (Kante) der Spiralschaufeln 126 angeordnet, um für einen Teil der Strömungsumlenkungsfunktion zu sorgen. Bei einem separaten Futtermantel sind die Beschleunigungsschaufeln in der Innenfläche des Futtermantels geformt. Der obere Plattenteil 128 liegt gegen diese radialen Beschleunigungsschaufeln an (siehe 14), wodurch mehrere Strömungspfade geschaffen werden. Bei anderen Ausführungsformen, bei denen kein Futtermantel verwendet wird, liegt der obere Plattenteil 128 gegen nach innen ge richtete Vorsprünge an, die sich auf dem Rotormantel befinden oder Teil desselben sind.
Immer noch unter Bezugnahme auf 13 und 14 ist ersichtlich, dass sich der obere Plattenteil 128 nicht zu den äußeren Kanten der Spiralschaufeln 126 erstreckt. Der obere Plattenteil 128 erstreckt sich über etwa zwei Drittel der Gesamtabmessung von der axialen Mittellinie 129 des Mittelrohrteils 127 zur äußeren Kante 130 der Spiralschaufeln 126 (d.h. des Außendurchmessers des Schaufelmoduls 125).
Obgleich das Schaufelmodul 125 keinen einstückigen Futtermantel umfasst, sind die einzelnen Spiralschaufeln 126 immer noch als "Vollschaufel" derart konstruiert, dass sich jede nach außen zu einem Punkt erstreckt, der einen Sitz von Linie zu Linie innerhalb des Futtermantels schafft.
Auf eine zu dem Schaufelteil von 11 praktisch identischen Weise erstrecken sich die Schaufeln 126 des Moduls 125 von der Drehrichtung der Rotorbaugruppe (siehe Pfeil 140) weg. Der Spiralwinkel jeder Schaufel 126 ist äquivalent zu einem Kegel von 45°.
Wenn die Schaufeln einstückig mit dem Futtermantel hergestellt (d.h. geformt) sind (siehe 11), wird jede sekundäre Dreh-"Gleit"-Strömung ausgeschaltet. Wenn der Futtermantel eine separate Komponente ist (siehe 14), wird die Enge des Sitzes zwischen den äußeren radialen Kanten der Schaufeln und der Innenfläche des Futtermantels wichtig. Ein Zwischenraum von Null zwischen diesen beiden Flächen schaltet jegliche sekundäre Drehgleitströmung aus. Auf der Grundlage der bereits angegebenen Beschreibungen sollte dieser Satz so verstanden werden, dass er sich auf das Vorhandensein jeglicher relativer Drehung des Fluids in der ringförmigen Zone außerhalb der Schaufelkanten bezieht.
Der lichte Raum benachbart der Innenfläche des Futtermantels ist typischerweise frei von jeglichen eindringenden Gegenständen, wobei er so eine ringförmige Aufschlämmungszone bildet. Bei bestimmten früheren Konstruktionen ergibt sich, gleichgültig ob eine Kegelstapelunterbaugruppe oder "nicht-vollständige" Schaufeln verwendet werden, ein vergrößerter Zwischenraum, und als solche kann diese Zone durch die ungehinderte tangentiale und axiale Bewegung des Fluids, selbst während stabilen Betriebsbedingungen, gestört werden. Diese sekundären Strömungen bewirken, das abgeschiedene Aufschlämmung und abgeschiedenes teilchenförmiges Material erneut mitgerissen werden, was zu einer verringerten Abscheidungsleistung führt. Bei den offenbarten Ausführungsformen mit der Vollschaufelkonstruktion sind diese sich vollständig erstreckenden Schaufeln fähig, tatsächlich die begleitende Strömung in die axialen Kanäle zu blockieren. Als Folge können diese Ausführungsformen mit Vollschaufeln im wesentlichen jegliche tangentiale Bewegung von Fluid relativ zur Drehung des Rotors verhindern. Tests haben bestätigt, dass diese Konstruktion mit Vollschaufelmodul den Nutzen des verringerten erneuten Mitreißens hat, wobei sie besser ist als andere Konstruktionen, die einen größeren lichten Raum zwischen den äußeren Kanten der Kegelstapelunterbaugruppe oder des Nichtvollschaufelmoduls und der Innenfläche des Futtermantels oder des Rotormantels gestatten.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 15 und 16 gezeigt. Ein unitäres, getrennt geformtes Schaufelmodul 145 ist offenbart, das derart gestaltet und angeordnet ist, dass es in einem selbstangetriebenen Wegwerfrotor 144 eingebaut werden kann. In den Darstellungen von 15 und 16 ist eine separate Basisplatte 150 enthalten. Das Schaufelmodul 145 ist eine geformte Kunststoffkomponente. Die anderen Komponenten des Wegwerfrotors (siehe 16) sind mit Ausnahme des oberen Lagers 146 und des unteren Lagers 147 auch aus Kunststoff geformt. Diese Komponenten der endgültigen Wegwerfrotorbaugruppe 144 umfassen zusätzlich zum Schaufelmodul 145 und den beiden Lagern 146 und 147 den oberen Rotormantel 148 und den unteren Rotormantel 149.
Der untere Rotormantel 149 umfasst eine beabstandete Reihe von Rippen 154, die dazu verwendet werden, die Spannungskonzentration zu verringern, die in der Übergangszone zwischen der Seitenwand und des unterseitigen Düsenendes des Rotors vorhanden sein kann. Ein hoher innerer Fluiddruck der während Bedingungen des Startens des Motors angetroffen wird, kann zu einer Ermüdung und einem möglichen Reißen des Materials führen, wenn die Spannungskonzentration nicht durch diese Rippen verringert wird.
Es ist bevorzugt, die Spiralschaufeln 155 des Schaufelmoduls 145 derart zu dimensionieren, dass sie sich bis zu einer sehr engen Nähe zu den Innenflächen der beiden Rotormantelhälften erstrecken. Da dies zu einer Störung mit den Rippen 154 führen könnte, müssen die Rippenbeabstandung und die Schaufelbeabstandung miteinander kompatibel gemacht werden, um eine Störung zu vermeiden. Bei einer bevorzugten Konstruktion dieser gezeigten Ausführungsform sind die Anzahl der Rippen und die Anzahl der Schaufeln in dem Schaufelmodul 145 gleich. Dies gestattet es, dass eine Schaufel 155 zentral zwischen jedem Paar von benachbarten Rippen 154 angeordnet wird. Falls eine unterschiedliche Anzahl von Schaufeln 155 gewünscht wird, müssen die Beabstandungsintervalle mit der Beabstandung der Rippen kompatibel sein, um jegliche Störung von Schaufel zu Rippe auszuschließen. Eine Wahl einer kleineren Anzahl von Schaufeln als derjenigen, die jetzt gezeigt wird, würde zum Auswählen einer geringeren Anzahl von Rippen 154 führen. Aus der Perspektive des Rotorwirkungsgrads sorgen so wenig wie vierzehn (14) Schaufeln für etwas, dass sich einem optimalen Zustand von so viel wie achtundzwanzig (28) Schaufeln nähert.
Die ausgewählte Schnittebene für die Ansicht von 16 geht durch zwei entgegengesetzte, die Strömung lenkende Schaufeln 160, die mit dem oberen Rotormantel 148 unitär sind. Es ist ersichtlich, dass es zwischen jedem Paar von benachbarten Rotorschaufeln 160 Zwischenraumbereiche gibt, die zu Strömungsgängen führen.
Mit Bezug auf die in 10 bis 16 gezeigten Ausführungsformen ist es möglich, dass die physikalischen Zwänge der Spritzgieß-Werkzeugbestückung aufgrund der langen "Kerne" in Verbindung mit den Erfordernissen des Ziehens an jeder Schaufel verhindern können, dass die Schaufeln mit der gewünschten Schaufeldichte geformt werden. Eine mögliche Lösung dieser Möglichkeit ist es, die Hälfte der Schaufeln einstückig mit dem Futtermantel oder der oberen Platte zu formen und die verbleibende Hälfte der Schaufeln einstückig mit der Basisplattenkomponente zu formen. Die beiden Hälften werden dann mittels eines geeigneten Rastmerkmals zusammengefügt, was zu einer Schaufelbaugruppe mit der gewünschten Schaufeldichte führt.
Während die Erfindung detailliert in den Zeichnungen und der vorstehenden Beschreibung gezeigt und beschrieben wurde, ist dies als veranschaulichend und nicht einschränkend anzusehen, wobei ersichtlich ist, dass nur die bevorzugte Ausführungsform gezeigt und beschrieben wurde und dass alle Änderungen und Modifikationen, die unter den durch die Ansprüche verliehenen Schutzumfang fallen, geschützt werden sollen.

Claims

Zentrifuge mit einem äußeren Mantel (118, 103; 148, 149); und einem Abscheidungsschaufelmodul (101; 125; 145), das in dem äußeren Mantel (103, 118; 148, 149) vorgesehen ist, wobei das Abscheidungsschaufelmodul (101; 125; 145) eine zentrale Drehachse hat, wobei das Abscheidungsschaufelmodul (101; 125; 145) einen Nabenteil (109; 127), der sich entlang der zentralen Drehachse erstreckt, und eine Vielzahl von Schaufeln (104; 126; 155) enthält, von denen jede eine innere radiale Kante, die einstückig mit dem Nabenteil (109; 127) ausgebildet ist, und eine äußere radiale Kante hat, die den äußeren Mantel berührt, wobei sich die Schaufeln (104; 126; 155) in einer nach außen gerichteten Radialrichtung von dem Nabenteil (109; 127) aus erstrecken, gekennzeichnet durch einen oberen Plattenteil (116; 128), der einstückig an einem Ende des Nabenteiles (109; 127) ausgebildet ist, wobei sich die Schaufeln (104; 126; 155) von dem oberen Plattenteil aus entlang der zentralen Drehachse erstrecken, wobei der obere Plattenteil ausgebildet ist, um Fluid radial nach außen zu lenken.
Zentrifuge nach Anspruch 1, bei der der äußere Mantel (103, 118) einen Futtermantel (103) enthält.
Zentrifuge nach Anspruch 2, bei der der Futtermantel (103) den oberen Plattenteil enthält, der einstückig mit dem Futtermantel (103) ausgebildet ist.
Zentrifuge nach Anspruch 2, bei der die äußeren radialen Kanten der Schaufeln (104) einstückig mit dem Futtermantel (103) ausgebildet sind.
Zentrifuge nach Anspruch 2, bei der der Futtermantel (103) ein von dem Abscheidungsschaufelmodul (101) separates Bauteil ist.
Zentrifuge nach Anspruch 1, bei der der äußere Mantel (103, 118) einen Rotormantel (118) enthält.
Zentrifuge nach Anspruch 6, bei der der Rotormantel einen oberen Rotormantel (148) und einen unteren Rotormantel (149) enthält, der mit dem oberen Rotormantel (148) zusammengepaßt ist; der untere Rotormantel (149) eine voneinander beabstandete Reihe von Rippen (154) enthält, um eine Spannungskonzentration in dem unteren Rotormantel (149) zu verringern; und wobei jede der Schaufeln (155) zwischen benachbarten Paaren dieser Rippen (154) angeordnet ist.
Zentrifuge nach Anspruch 1, bei der sich der obere Plattenteil (128) über ungefähr zwei Drittel der Gesamtabmessung von der zentralen Drehachse (129) zu den äußeren radialen Kanten (130) der Schaufeln (126) erstreckt.
Zentrifuge nach Anspruch 1, ferner mit einer Rotornabe, die ein oder mehrere Einlaßlöcher begrenzt, wobei der Nabenteil (109) gleitend um die Rotornabe herum aufgenommen ist; und wobei der obere Plattenteil einen Innendurchmesserteil, der einen unter den Einlaßlöchern angeordneten Stufenteil (110) hat, der eine ringförmige Zone bildet, und eine äußere Oberfläche aufweist, die eine Vielzahl von eingerückten radialen Kanälen (111) bildet, die mit der ringförmigen Zone verbunden sind, wobei jeder der eingerückten radialen Kanäle (111) ein Loch (112) hat, das in dem oberen Plattenteil gebildet ist, um Fluid innerhalb des Abscheidungsschaufelmoduls (101) passieren zu lassen.
Zentrifuge nach Anspruch 9, bei der der äußere Mantel (103, 118) einen Futtermantel (103) enthält, der einstückig mit dem oberen Plattenteil ausgebildet ist; und die äußeren Kanten der Schaufeln (104) einstückig mit dem Futtermantel (103) ausgebildet sind.
Zentrifuge nach Anspruch 1, ferner mit einem Rotormantel (118), der das Abscheidungsschaufelmodul (101) einschließt; wobei der obere Plattenteil (116) und der Rotormantel (118) einen umfänglichen lichten Raum (117) begrenzen; und wobei der obere Plattenteil (116) eine Vielzahl von Einlaßlöchern (119) begrenzt, um Fluid innerhalb des Abscheidungsschaufelmoduls (101) passieren zu lassen.
Zentrifuge nach Anspruch 11, bei der der obere Plattenteil (116) eine ringförmige vorstehende Rippe (120) aufweist, um den Fluidstrom in die Einlaßlöcher (119) zu lenken.
Zentrifuge nach Anspruch 12, bei der der äußere Mantel einen Futtermantel aufweist, der einstückig mit dem oberen Plattenteil ausgebildet ist; und die äußeren radialen Kanten der Schaufeln einstückig mit dem Futtermantel ausgebildet sind.
Zentrifuge nach Anspruch 1, 10 oder 13, bei der die Schaufeln (104) eine Spiralform haben.
Zentrifuge nach Anspruch 14, bei der eine radial verlaufende Linie von der zentralen Drehachse aus, die eine der Schaufeln (104) an einem Schnittpunkt schneidet, und eine tangentiale Linie von dem Schnittpunkt aus einen Winkel zwischen 30° und 60° bilden.
Zentrifuge nach Anspruch 13 oder 14, bei der die Schaufeln (104) eine Hyperspiralform haben.
Zentrifuge nach Anspruch 1, ferner mit einer oder mehreren Teilspaltschaufeln aufweist, die zwischen benachbarten Paaren dieser Schaufeln (104) vorgesehen sind.
Zentrifuge nach Anspruch 1, bei der benachbarte Paare dieser Schaufeln (104) jeweils zwischen sich einen Spalt begrenzen, wobei der Spalt eine Breite hat, die mit der Erstreckung des Spaltes in eine äußere radiale Richtung bezüglich der Drehachse zunimmt.