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CN110035812B - 具有改进的体积表面面积堆积密度和分离性能的离心分离器 - Google Patents

具有改进的体积表面面积堆积密度和分离性能的离心分离器 Download PDF

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CN110035812B
CN110035812B CN201780074915.9A CN201780074915A CN110035812B CN 110035812 B CN110035812 B CN 110035812B CN 201780074915 A CN201780074915 A CN 201780074915A CN 110035812 B CN110035812 B CN 110035812B
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M·V·霍尔兹曼
A·P·贾纳基拉曼
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Abstract

描述了各种旋转聚结器元件。旋转聚结器元件包括堆叠的分离器盘或锥形件的各种布置。在一些布置中,所描述的旋转聚结器元件包括堆叠的分离器盘或锥形件和过滤器介质的组合。在一些布置中,堆叠的分离器盘被设计成在给定的旋转圆柱体体积中提供尽可能最大量的径向投影分离表面面积,其中待清洁的流径向地(向外地或向内地)通过旋转聚结器元件。在一些布置中,这通过堆叠非锥形分离板来实现,非锥形分离板包含各种面积最大化特征(例如,螺旋肋、轴向柱体、螺旋凹槽或螺旋“V”形)。

Description

具有改进的体积表面面积堆积密度和分离性能的离心分离器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年12月9日提交的且题为“Centrifugal Separator withImproved Surface Area Packing Density and Separation Performance”的美国临时专利申请第62/432,019号的优先权和权益,该美国临时专利申请的全部公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本申请涉及离心分离器。
背景
在内燃发动机的运行期间,一部分燃烧气体可以流出燃烧缸并进入到发动机的曲轴箱中。这些气体通常被称为“窜漏(blowby)”气体。窜漏气体包括气溶胶、油和空气的混合物。如果直接排放到环境中,窜漏气体会危害环境。因此,窜漏气体通常经由曲轴箱通风系统按规定路线导出曲轴箱。曲轴箱通风系统可使窜漏气体通过聚结器(coalescer)(即聚结过滤器元件),以移除窜漏气体中包含的大部分气溶胶和油。过滤后的窜漏气体(“清洁”气体)然后排放到环境中(在开放式曲轴箱通风系统中),或者按规定路线导回到内燃发动机的进气口以用于进一步燃烧(在封闭式曲轴箱通风系统中)。
一些曲轴箱通风系统利用旋转聚结器元件,通过在过滤期间使聚结器元件旋转来提高曲轴箱通风系统的过滤效率。在旋转聚结器元件中,污染物(例如,通过窜漏气体悬浮和输送的油滴)至少部分通过离心分离技术来分离。此外,聚结器元件的旋转可以产生泵送效果,这减少了通过曲轴箱通风系统的压降。
旋转聚结器元件包括分离元件,该分离元件可以包括过滤器介质、分离锥形件堆叠(stacks of separating cones)、分离盘堆叠或它们的组合。然而,现有的布置具有缺点。例如,过滤器介质(例如,纤维过滤器介质)可能被不溶性颗粒或半固体逐渐堵塞,这些颗粒或半固体收集在并阻塞过滤器介质内的小尺寸孔空间。这种逐渐的孔阻塞导致过滤器介质渗透率慢慢下降,跨越曲轴箱通风系统的压力损失慢慢上升,并且最终经由曲轴箱通风系统中的动态密封流动绕过,这导致分离效率降低。因此,由于孔阻塞,旋转元件需要定期更换。作为另一个示例,现有的分离板(或锥形件)堆叠具有比过滤器介质分离器更大的流动通道,可能不容易阻塞,但是在从曲轴箱窜漏气体移除气溶胶和油方面效率较低。此外,分离板堆叠和分离锥形件堆叠具有低堆积密度(packing density),这要求曲轴箱通风系统增大尺寸或者具有降低的分离效率。
概述
一个示例性实施方案涉及用于旋转分离器元件的分离板。分离板包括具有由内径和外径界定的环形形状的主体。内径界定了中心开口。外径界定了主体的外边缘。主体包括多个弯曲部,该多个弯曲部形成定位在多个峰的相邻峰之间的多个流动通道。多个流动通道中的每一个从内径延伸到外径。多个峰中的每一个与多个弯曲部中的一个相关联。多个弯曲部具有螺旋形状,使得多个流动通道中的每个还由螺旋形状来界定。
在一些实施方案中,所述多个流动通道具有V形横截面。
在一些实施方案中,所述多个流动通道具有U形横截面。
在一些实施方案中,所述多个流动通道形成在所述主体的第一侧和所述主体的第二侧上,所述第二侧与所述第一侧相反。
在一些实施方案中,所述分离板还包括间隔肋,所述间隔肋定位在所述多个峰中的每一个峰上。
在一些实施方案中,所述多个流动通道中的每一个具有通道宽度。
在一些实施方案中,所述通道宽度从所述内径到所述外径是近似恒定的。
在一些实施方案中,所述通道宽度从所述内径向所述外径扩张,使得所述通道宽度在所述外径处比在所述内径处更宽。
在一些实施方案中,所述多个流动通道中的每一个相对于所述内径具有大约45度的交切角。
在一些实施方案中,所述主体包括延伸到所述多个流动通道中的多个突出部。
在一些实施方案中,所述螺旋形状由具有大约为45度的交切角的阿基米德螺线来界定。
在一些实施方案中,所述螺旋形状由渐开线螺旋来界定。
在一些实施方案中,所述渐开线螺旋具有大约为所述内径的70%的起始半径。
在一些实施方案中,所述外径与所述内径的比率大约为2。
另一个示例性实施方案涉及旋转聚结器元件。该旋转聚结器元件包括第一端盖、第二端盖和定位在第一端盖和第二端盖之间的分离装置。分离装置包括以轴向对齐的堆叠布置的多个分离板。多个分离板中的每一个包括主体,主体具有由内径和外径界定的环形形状。内径界定了中心开口。外径界定了主体的外边缘。主体包括多个弯曲部,该多个弯曲部形成定位在多个峰的相邻峰之间的多个流动通道。多个流动通道中的每一个从内径延伸到外径。多个峰中的每一个与多个弯曲部中的一个相关联。多个弯曲部具有螺旋形状,使得多个流动通道中的每个还由螺旋形状来界定。
在一些实施方案中,所述第二端盖包括轴向流动入口端口。
在一些实施方案中,所述旋转聚结器元件还包括连接所述第一端盖和所述第二端盖的中心管。
在一些实施方案中,所述分离装置包括第一分离装置部分和第二分离装置部分,所述第一分离装置部分和所述第二分离装置部分以轴向堆叠的方式布置,所述第二分离装置部分包括所述多个分离板的所述轴向对齐的堆叠。
在一些实施方案中,所述第一分离装置部分包括过滤器介质。
在一些实施方案中,所述第一端盖包括第一组定心肋,所述第二端盖包括第二组定心肋,并且所述多个分离板中的每一个还包括内环,所述内环围绕形成所述中心开口的内边缘定位,多个狭槽被界定在所述内环中并构造成接合对应的所述第一组定心肋和所述第二组定心肋中的至少一个以防止所述多个分离板的移动。
在一些实施方案中,所述多个分离板中的每一个包括外环,所述外环围绕所述多个分离板中的每一个的外边缘定位,并且多个突出部设置在所述外环的外周上并构造成有利于将所述多个分离板定位在壳体中。
另外的示例性实施方案涉及用于内燃发动机的曲轴箱通风系统。该曲轴箱通风系统包括旋转聚结器元件。旋转聚结器元件包括第一端盖、第二端盖和定位在第一端盖和第二端盖之间的分离装置。分离装置包括以轴向对齐的堆叠布置的多个分离板。多个分离板中的每一个包括主体,主体具有由内径和外径界定的环形形状。内径界定了中心开口。外径界定了主体的外边缘。主体包括多个弯曲部,该多个弯曲部形成定位在多个峰的相邻峰之间的多个流动通道。多个流动通道中的每一个从内径延伸到外径。多个峰中的每一个与多个弯曲部中的一个相关联。多个弯曲部具有螺旋形状,使得多个流动通道中的每个还由螺旋形状来界定。
在一些实施方案中,所述第一端盖包括第一组定心肋,所述第二端盖包括第二组定心肋,并且所述多个分离板中的每一个还包括内环,所述内环围绕形成所述中心开口的内边缘定位,多个狭槽被界定在所述内环中并构造成接合对应的所述第一组定心肋和所述第二组定心肋中的至少一个以防止所述多个分离板的移动。
在一些实施方案中,所述多个分离板中的每一个包括外环,所述外环围绕所述多个分离板中的每一个的外边缘定位,并且多个突出部设置在所述外环的外周上并构造成有利于将所述多个分离板定位在壳体中。
根据结合附图时进行的以下的详细描述,这些和其它的特征连同其构成和操作方式将变得明显,其中在所有的下文描述的若干个附图中,相同的元件具有相同的标记。
附图简述
根据结合附图考虑的以下描述和所附权利要求,本公开的前述特征和其它特征将变得更充分明显。应理解,这些附图仅描绘了根据本公开的数个实施方式且因此不应被考虑为限制本公开的范围,本公开将通过使用附图以另外的具体说明和细节被描述。
图1示出了根据示例性实施方案的曲轴箱通风系统的横截面图。
图2A示出了分离装置被移除的图1的旋转聚结器元件的透视图。
图2B示出了分离装置被移除的图1的旋转聚结器元件的横截面图。
图3A至图3D示出了根据示例性实施方案的分离器板的各种视图。图3A示出了分离器板的透视图。图3B示出了分离器板的俯视图。图3C示出了在图3B的截面A-A处截取的分离器板的横截面图。图3D示出了分离器板的详细横截面图。
图4示出了对于相等d lim性能的所需的锥面积和有效锥面积对角度的曲线图。
图5示出了示例性螺旋形状。
图6示出了绘制了具有带有各种OD/ID比率的不同交切角(interception angle)的渐开线螺旋的ESA差异的曲线图。
图7A至图7D示出了根据示例性实施方案的分离器板的视图。图7A示出了以堆叠方式布置的多个分离器板的透视图。图7B示出了分离器板的俯视图。图7C示出了在图7B的截面A-A处截取的分离器板的横截面图。图7D示出了分离器板的详细横截面图。
图7E示出了图7A至图7D的分离器板的变型,其中分离器板包括不连续的隆起部(bump)。
图7F和图7G示出了图7A至图7D的分离器板的另一种变型,其中分离器板包括间隔部。
图8示出了根据示例性实施方案示出的分离器板800的堆叠。
图9A至图9C示出了根据示例性实施方案的分离器板的视图。图9A示出了分离器板的透视图。图9B示出了分离器板的俯视图。图9C示出了在图9B的截面A-A处截取的分离器板的横截面图。
图10示出了根据另一示例性实施方案的分离器板1000的透视横截面图。
图11A、图11B和图11C示出了根据另外的示例性实施方案的分离器板的视图。图11A示出了分离器板的透视图。图11B示出了分离器板的俯视图。图11C示出了沿着图11B的截面A-A截取的分离器板的横截面图。
图12A至图12E示出了根据示例性实施方案的分离器板的视图。图12A示出了分离器板1200的透视图。图12B示出了分离器板的俯视图。图12C示出了分离器板1200的横截面图。图12D示出了以堆叠形式布置的多个分离器板1200的视图。图12E示出了在图12D中堆叠的多个分离器板1200的特写视图。
图12F示出了根据示例性实施方案的图12A至图12E的分离器板的第一变型。
图12G和图12H示出了根据示例性实施方案的图12A至图12E的分离器板的第二变型。
图13A至图13C示出了根据示例性实施方案的分离器锥形件的视图。图13A示出了分离器锥形件的透视图。图13B示出了分离器锥形件的俯视图。图13C示出了在旋转过滤器元件中布置成锥形堆叠(cone-stack)的分离器锥形件。
图14A至图14C示出了根据另一示例性实施方案的分离器板的视图。图14A是分离器板的透视图。图14B是分离器板的俯视图。图14C是分离器板堆叠的透视图。
图15A和图15B示出了根据另外的示例性实施方案的分离器板的视图。图15A示出了分离器板的俯视图。图15B示出了分离器板的透视横截面图。
图16A和图16B,是根据示例性实施方案的分离器板的视图。图16A示出了分离器板的俯视图。图16B示出了以堆叠构型布置的多个分离器板的透视图。
图16C示出了对于凹槽的各种螺旋角和倾斜角,图16A和16B的每个分离器板的ESA的曲线图。
图17A至图17D示出了根据示例性实施方案的分离元件。该分离元件可以用来代替图1的分离元件。图17A示出了分离元件的侧视图。图17B示出了分离元件的横截面透视图。图17C和图17D各自示出了分离元件的不同俯视图。
图18A和图18B示出了根据另一示例性实施方案的分离元件。该分离元件可以用来代替图1的分离元件。图18A示出了使用波纹介质的分离元件的第一布置的横截面图。图18B示出了分离元件的第二布置的横截面图。
图19示出了根据示例性实施方案的聚结元件。
图20示出了对于具有不同板堆叠配置的分离元件的各种布置的每单位体积有效面积对堆叠纵横比的曲线图。
图21示出了示出对于一些所描述的分离板/锥形件设计的初步性能研究的图表。
图22A至图22E示出了根据示例性实施方案的分离元件的视图,其中图22A示出了旋转聚结器元件的横截面透视图;图22B示出了旋转聚结器元件的底部端盖和分离器板堆叠之间相互作用的特写横截面图;图22C示出了使分离器板堆叠被移除的旋转聚结器元件的横截面透视图。图22D示出了底部端盖的透视图;并且图22E示出了顶部端盖的透视图。
图23A是根据特定实施方案的具有堆叠在其上的多个分离器板的第二端盖的一部分的侧视横截面图,该多个分离器板可以被包括在本文描述的任何旋转聚结器元件中;并且图23B是第二端盖的俯视图。
图24A是堆叠在图23A的第二端盖上的图23A的多个分离器板的俯视透视图;并且图24B是由图24A中的箭头A标示的堆叠在图24A的第二端盖上的多个分离器板的一部分的放大图。
图25A是图24A-24B的多个分离器板的分离器板的俯视透视图;图25B是由图25A中的箭头B标示的图25A的分离器板的一部分的俯视透视图;并且图25C是由图25A中的箭头C标示的图25A的分离器板的一部分的侧视横截面图。
详细描述
总体上参考附图,描述了各种旋转聚结器元件。旋转聚结器元件包括堆叠的分离器板或锥形件的各种布置。在一些布置中,所描述的旋转聚结器元件包括堆叠的分离器板或锥形件和过滤器介质的组合。在一些布置中,堆叠的分离器板被设计成在给定的旋转圆柱形体积中提供尽可能最大量的径向投影分离表面面积,其中待清洁的流径向地(向外地或向内地)通过旋转聚结器元件。在一些布置中,这通过堆叠包含各种面积最大化特征(例如,螺旋肋、轴向圆柱体、螺旋凹槽或螺旋“V”形)的非锥形分离板来实现,这在下文中进一步详细描述。所描述的旋转聚结器元件是无阻塞和免维护的。所描述的旋转聚结器元件是在用于内燃发动机(例如柴油内燃发动机)的曲轴箱通风单元的背景下描述的;然而,相同的布置可以在其他液-固离心分离器内使用,例如工业用油离心机、燃料离心机以及类似的。
参考图1,示出了根据示例性实施方案的曲轴箱通风系统100的横截面图。曲轴箱通风系统100通常处理从内燃发动机曲轴箱接收的窜漏气体,以移除曲轴箱窜漏气体中包含的气溶胶、油和其他颗粒。曲轴箱通风系统100通常包括壳体102,该壳体102具有:入口104,其接收待过滤的曲轴箱窜漏气体;中心隔室,其具有安装在其中的旋转聚结器元件106;以及出口108,其向内燃发动机(在封闭式曲轴箱通风系统中)或环境(在开放式曲轴箱通风系统中)提供过滤的窜漏气体。
在曲轴箱通风系统100的运行期间,窜漏气体通过入口104进入壳体102。窜漏气体被引导至中心隔室,在中心隔室中窜漏气体以由内向外的方式流动穿过旋转聚结器元件106。在可替代布置中,曲轴箱通风系统100可以被配置为具有由外向内的流动布置。旋转聚结器元件106被联接到中心轴110,该中心轴110将旋转传递到旋转聚结器元件106。在图1中,中心轴110由涡轮112(即,佩尔顿式轮(pelton wheel)、斗轮(bucket wheel)等)旋转地驱动,该涡轮112通过油泵114产生的油的射流(jet)来旋转。在可替代布置中,中心轴110是由电动马达、与内燃发动机的机械联接等来旋转。旋转聚结器元件106分离窜漏气体中包含的油、气溶胶和其他污染物。分离的污染物通过排出口(drain)116从壳体102排出,并返回到发动机曲轴箱油槽(engine crankcase sump)118。
旋转聚结器元件106通常包括第一端盖120、第二端盖122和分离装置124。在图2A和图2B中示出了没有分离装置124的旋转聚结器元件106的视图。图2A示出了分离装置124被移除的旋转聚结器元件106的透视图。图2B示出了分离装置124被移除的旋转聚结器元件106的横截面图。在一些布置中,第一端盖120和第二端盖122经由卡扣配合连接来联接。旋转聚结器元件106包括定心肋(centering rib)202,该定心肋202帮助将包含在旋转聚结器元件106中的分离器装置124中的多个堆叠的分离器板定心。定心肋202可以是径向的或螺旋形形状。旋转聚结器元件106包括第二端盖122上的轴向流动入口端口204。附加入口端口206定位在连接第一端盖120和第二端盖122的中心支撑管208上。第二端盖122还包括环形突出环210,环形突出环210被配置为与壳体突出部形成动态密封,以最小化和控制由旋转聚结器元件106产生的泵送流的再循环。
分离装置124包括多个堆叠的分离器板或分离器壁,该多个堆叠的分离器板或分离器壁被设计成通过离心分离来分离窜漏气体中包含的油、气溶胶和其他污染物。参考图3A-18B进一步详细描述了堆叠的分离器板或分离器壁的各种布置。
参考图3A至3D,示出了根据示例性实施方案的分离器板300的视图。图3A示出了分离器板300的透视图。图3B示出了分离器板300的俯视图。图3C示出了在图3B的截面A-A处截取的分离器板300的横截面图。图3D示出了分离器板300的详细横截面图。分离器板300具有主体302,该主体302具有界定中心开口的内径304和界定分离器板300的外边缘的外径306。分离器板300的主体302是环形形状的(即圆盘形状的),并且包括具有螺旋形状的多个流动通道308。分离器板300可以通过模制制造工艺(例如,注射模制)形成。
如在图3A和图3D中最佳示出的,流动通道308通过主体302中的弯曲部形成在主体302的顶部侧和底部侧上,该弯曲部为流动通道308中的每一个提供了V形(或倒V形)。V形为分离器板300提供有整体的华夫格形状(waffled shape)。给定流动通道308的每个峰包括间隔肋310。当分离器板300以一个在另一个的顶部上的方式堆叠以形成分离装置124时,间隔肋310保持相邻分离器板300之间的间隙。多个分离器板300可以以一个在另一个的顶部上的方式堆叠,以形成旋转聚结器元件106的分离装置124。
如在图3B中最佳示出的,流动通道308中的每一个的螺旋形状被选择成使得每个流动通道308从内径304到外径306具有均匀的通道宽度(或者在平均通道宽度的10%内变化的近似均匀的通道宽度)。在一些布置中,通过选择源螺旋(source spiral)来实现均匀的通道宽度,该源螺旋是具有约为内径304的70%的起始半径的渐开线螺旋(如下文参考方程2至10进一步详细讨论的)。在可替代布置中,通过使用具有优化阿基米德螺线方程(例如,具有约为0.71的优化指数,具有约为2的外径306与内径304的比率,并且具有45度的交切角)的阿基米德螺线来实现均匀的通道宽度。恒定的通道宽度消除了流动通道的“向外扩张(flaring out)”,从而经由增加的平均交切角提供了流动通道308中的每一个流动通道的最大有效分离面积(maximized effective separation area)。每个流动通道308的有效表面面积可以通过向每个流动通道308添加突起或分离肋而进一步增加(例如,以类似于下文参考图7G、图7F、图12F、图12G和图12H所描述的方式)。
分离器板300(以及如下文讨论的可替代分离器板)被设计,以提供增加的“有效分离面积”(ESA)和堆积密度(即,分离装置124的每单位体积的有效面积),这归因于因为锥形件的上方/下方/内部的浪费空间减少而导致的在分离器锥形堆叠设计上减少的端部损失,并且也归因于与常规的锥形堆叠设计的45°锥形表面相比可能的更大的径向交切角。此外,使用甚至更陡的锥形堆叠角,像50°-60°,将导致甚至不成比例的轴向堆积长度要求,这通过使用上文描述的分离器板300来避免。因此,上文描述的分离器板300经由模制制造工艺更容易制造,因为基本上消除了深/长工具和零件抽取。
如本文使用的,ESA由分离装置124的“径向法向(radial-normal)”投影总表面面积来定义,颗粒或液滴朝向分离装置124迁移并沉积在其上。“平坦的”轴向垂直表面对有效面积没有任何贡献,只有成角度的表面是有益的。例如,简单的圆柱体表面将具有2πRH的面积(其中R是圆柱体的半径,并且H是圆柱体的轴向高度),而直的径向叶片将具有为零的面积(因为它是纯径向表面)。数学上,该有效面积可以描述为垂直于局部离心力(径向)矢量方向的投影面积,并且可以使用以下方程(1)中定义的表面积分来计算。
(1)
Figure GDA0002479143420000111
在方程(1)中,
Figure GDA0002479143420000112
是单位离心力矢量,并且
Figure GDA0002479143420000113
是叶片表面上的微分面积元素法向矢量。分离器的相对分离性能与该ESA,以及流率、旋转速度、分离器板300的外径(OD)和内径(ID)、流体粘度、颗粒密度和流体密度密切相关。例如,常规的板堆叠分离器具有“极限”颗粒尺寸(超过该尺寸,效率为100%),该“极限”颗粒尺寸已经基于均匀流动场假设中颗粒朝向锥形表面迁移的轨迹从理论上推导出来。该关系在图4的曲线图中示出。根据该关系,对于经由方程(1)计算的给定ESA,即使结构表面是非锥形几何形状,分离性能(d lim)也应该相等。作为一个示例,使用锥形堆叠d lim方程(在图4中示出),示出了给定d lim所需的ESA在宽的锥角范围上保持恒定(如由图4的平坦线所示出的),而实际锥面积的变化以指数方式增加(如由图4的曲线所示出的),同时所有其他参数保持固定。
所描述的分离器板(例如,分离器板300)也具有相关联的ESA“体积堆积密度(volumetric packing density)”(ESAVPD)。如本文所使用的,ESAVPD定义为每个占用封装体积的ESA,单位为1/长度。相对于具有较低ESAVPD的分离器板设计,具有较高ESAVPD的分离器板设计是优选的,因为可以在最小可能的封装空间中和/或在最低可能的旋转速度(即,较低的功耗)下递送所需程度的性能。总表面面积是封装体积和分离器板厚度的简单函数,并且对于给定的封装充实度(packaging solidity)(板的体积/总体积),表面面积(不是ESA)接近以下非常简单的关系:面积=2*体积/堆叠间距,其中堆叠间距是具有长度尺寸的堆叠元件的周期性重复距离(periodic repeat distance)。作为一个工作示例,对于表面面积的计算是通过由1m平方的立方体定义的封装体积来计算的。如果在立方体中堆叠具有2m2的面积(即分离器板的每一侧为1m2)、在相邻堆叠的板之间具有1mm的间隔的1mm厚的分离器板,则500个板(以2mm的堆叠间距)将“配合”在立方体中,这提供了1000m2的总面积(计算为:面积=2*1/0.002=1000)。然后,通过将计算的表面面积乘以具有垂直于轴的射线(axis-perpendicular ray)的所得表面的平均交切角的正弦值,可以(近似地)计算ESA。随后,通过将ESA除以封装所需的体积,然后可以计算出ESAVPD。例如,在锥形件具有45°交切角的情况下,sin(45°)=0.707,对锥形件计算的ESA将是表面面积乘以0.707,并且除以锥形件封装堆叠中占据的体积。对于华夫格设计的情况,平均交切角可以是56°,因此表面面积的乘数将是sin(56°)=0.83。比较各种板配置的ESAVPD允许比较不同分离器板设计(例如,如在图21的图表中示出的)之间的相对优势(或劣势)。
如上文参考图3A至图3D所描述的,选择用于流动通道308中的每一个的螺旋形状,使得每个流动通道308具有从内径304到外径306的均匀的通道宽度(即,界定流动通道308的壁之间的法向表面到表面的距离)。这是通过操纵渐开线螺旋形状来实现的。渐开线螺旋形状的数学运算可以通过许多数学方程来描述。图5示出了具有被标记出的各种参数的螺旋形状500,这些被标记出的参数在以下数学方程的描述中使用。下表1描述了图5中被标记出的各种参数以及在以下数学方程中使用的另外的参数。
Figure GDA0002479143420000131
Figure GDA0002479143420000141
表1
以下数学讨论描述了用于界定分离器板300的流动通道308的优化渐开线螺旋的推导。渐开线螺旋由极半径的方程、方程(2)和方程(3)来给定。
(2)
Figure GDA0002479143420000142
(3)θ(t)=t-tan-1(t)
一旦通过内半径Ri归一化,方程(2)转换成方程(4)。
(4)
Figure GDA0002479143420000143
给定所需的交切角γ,螺旋的起始半径a采用由方程(5)定义的形式。
(5)a=Ricos(γ)
因此,方程(4)可以根据方程(5)转换成方程(6)。
(6)
Figure GDA0002479143420000144
为了构建螺旋,入口和出口处的t参数,t入口和t出口都必须是已知的。参数t入口和t出口分别由方程(7)和方程(8)来定义。
(7)t入口=tan(γ)
(8)
Figure GDA0002479143420000151
基于方程(5),渐开线的起始半径/点a总是小于内半径Ri,除非交切角为零(即螺旋垂直于内半径)。然而,如图3B中最佳示出的,界定流动通道308的螺旋不垂直于内半径(例如,界定流动通道308的螺旋以与如图5中示出的相同的方式具有非零交切角γ)。如上文所讨论的,所公开的分离装置124的性能很大程度上取决于ESA,该ESA根据方程(1)来定义。方程(1)可以根据方程(9.1)、方程(9.2)或方程(9.3)来改写。
(9.1)
Figure GDA0002479143420000152
(9.2)
Figure GDA0002479143420000153
(9.3)
Figure GDA0002479143420000154
在方程(9.1)-(9.3)中,H是单个件的高度,
Figure GDA0002479143420000155
是径向单位矢量,
Figure GDA0002479143420000156
是一小块表面面积dA的单位法向矢量,ds是一小段弧长。此外,积分
Figure GDA0002479143420000157
减少到
Figure GDA0002479143420000158
因此,给定在内半径处的交切角γ,渐开线的ESA采用方程(10)的形式。
(10)
Figure GDA0002479143420000159
在方程(10)中,ti和to是如由方程(7)和方程(8)定义的给定分离器板(例如分离器板300)的入口和出口处的参数t。方程(10)对于具有或不具有垂直于内半径的交切线(interception)的渐开线都有效。图6示出了绘制了具有带有各种OD/ID比率的不同交切角的渐开线螺旋的ESA差异的曲线图。如图6中示出的,具有大于零的交切角的螺旋在不同OD/ID比率下具有较大的ESA。
如上文参考分离器板300所讨论的,螺旋的形状也可以由阿基米德螺线(例如,与切比雪夫级数数学函数近似)而不是渐开线螺旋来界定。
对于外径与内径的比率大约为2且交切角为45度的特定情况,最佳阿基米德螺线具有大约0.71的优化指数。在其他布置中,阿基米德螺线具有在大约0.6至0.8范围内的优化指数。
图7A至图16C描述了用以上优化的螺旋流动通道分析形成的分离器板的可替代布置。
参考图7A至图7D,示出了根据示例性实施方案的分离器板700的视图。图7A示出了以堆叠方式布置的多个分离器板700的透视图。图7B示出了分离器板700的俯视图。图7C示出了在图7B的截面A-A处截取的分离器板700的横截面图。图7D示出了分离器板700的详细横截面图。分离器板700类似于分离器板300。分离器板700和分离器板300之间的主要区别是流动通道的横截面形状。
分离器板700具有主体702,该主体702具有界定中心开口的内径704和界定分离器板700的外边缘的外径706。主体702可以是具有大约为0.1-0.2mm的厚度的薄膜。分离器板700的主体702是环形形状的(即圆盘形状的),并且包括具有螺旋形状的多个流动通道708。在一些布置中,螺旋形状的交切角是45度,并且渐开线螺旋的起始点大约是内径704的70%。在一些布置中,多个流动通道708通过真空热成型工艺形成在分离器板700的主体702中,使得主体702包括半径稍微大于主体702的厚度(例如,是主体702的厚度的2-10倍)的小螺旋“隆起部”710。这为分离器板700产生几何形状,由此隆起部710的形状与近似恒定的材料厚度相结合,防止分离器板700在堆叠时完全嵌套(例如,如图7A中示出的)。因此,当分离器板700堆叠时,产生螺旋流动间隙通道,并产生表面面积用于颗粒撞击在螺旋隆起部的表面上。由于主体702的厚度和流动通道708的高密度隆起部,这导致大量分离器板700可以堆叠在给定的体积中,即分离器板700的ESAVPD非常高。参考图7E、图7F和图7G,示出了分离器板700的变型。
图7E示出了分离器板700的变型,其中隆起部710在内径704和外径706之间不连续。因此,在这种布置中,隆起部710通过中断部712被分离。中断部712最小程度地减小了分离器板700的ESA。然而,中断部712允许相邻流动通道708之间的交叉流动,从而允许通过分离器板700的流动绕过第一通道中可能的阻塞(例如,由大固体颗粒或其他物质引起的阻塞),到达流动通道708的邻近未阻塞通道。通道不连续特征可以应用于本公开中描述的任何分离器板。
图7F和图7G示出了分离器板700的变型,其中隆起部710在隆起部710的峰上包括较小的间隔隆起部714。间隔隆起部714保持分离器板700的堆叠布置的间隔(例如,如图7A中示出的)。间隔隆起部714的半径大约是隆起部710的半径的一半。间隔隆起部714可以是半球形形状的。在可替代布置中,间隔隆起部714被隆起部710的顶部处的小穿孔(即,直径小于0.5mm)代替,所述小穿孔间歇地穿过主体702的隆起部710冲压/形成。在这种布置中,穿孔的移位材料的突出/挤压/折叠边缘产生了保持相邻分离器板700之间的间隔的期望的隔离特征(stand-off feature)。
参考图8,示出了根据示例性实施方案的分离器板800的堆叠。分离器板800基本上与分离器板700相同。分离器板800和分离器板700之间的唯一区别在于分离器板800的通道的形状是轴向地较高的U形通道,所述U形通道由制造期间较深的拉伸比产生,这导致稍微较低的板堆积密度(即,较大的板到板的间距)。
参考图9A至图9C,示出了根据示例性实施方案的分离器板900的视图。图9A示出了分离器板900的透视图。图9B示出了分离器板900的俯视图。图9C示出了在图9B的截面A-A处截取的分离器板900的横截面图。分离器板900包括主体902,主体902具有相对于主体902在轴向方向上延伸的多个肋904。肋904具有螺旋形状,其中相邻肋904之间存在均匀的间隙。螺旋形状由具有约为分离器板900的内径的70%的起始半径的渐开线源螺旋来界定。在可替代布置中,肋904的螺旋形状由阿基米德螺线界定,该阿基米德螺线具有优化的指数(即,大约0.71,在外径与内径的比率为2以及交切角为45度的情况下),以在相邻肋904之间形成均匀的间隙。分离器板900包括由主体902和相邻肋904之间的均匀的间隙形成的流动通道906。
参考图10,示出了根据示例性实施方案的分离器板1000的透视横截面图。分离器板1000类似于分离器板900。分离器板1000包括主体1002和多个螺旋形状肋1004,螺旋形状肋1004从主体1002在轴向方向上延伸以界定多个流动通道1006。相邻肋1004之间的间隙(在任何固定的轴向位置高度处,如果肋被拔模(draft)的话)从分离器板1000的内径到外径是均匀的。等间隙螺旋定义允许肋1004具有接近恒定的壁厚,这减少了像翘曲、凹陷以及类似的模制问题,同时通过增加平均交切角和消除由“分流器”叶片引起的流动和颗粒分离的任何扰乱来最大化ESA。在一些布置中,肋1004形成有拔模角(draft angle),以有利于在注射模制制造过程期间分离器板1000从注射模具脱模(mold-ejection)。
参考图11A、图11B和图11C,示出了根据示例性实施方案的分离器板1100的视图。图11A示出了分离器板1100的透视图。图11B示出了分离器板1100的俯视图。图11C示出了沿着图11B的截面A-A截取的分离器板1100的横截面图。分离器板1100基本上与分离器板1000相同。分离器板1100和分离器板1000之间的主要区别在于,在分离器板1100的相邻肋之间形成的流动通道的形状具有凹槽的底部变尖的V形。
参考图12A至图12E,示出了根据示例性实施方案的分离器板1200的视图。图12A示出了分离器板1200的透视图。图12B示出了分离器板1200的俯视图。图12C示出了分离器板1200的横截面图。图12D示出了以堆叠形式布置的多个分离器板1200的视图。图12E示出了如在图12D中堆叠的多个分离器板1200的特写视图。
分离器板1200类似于分离器板300。分离器板1200和分离器板300之间的区别在于分离器板1200具有扩张的通道,该扩张的通道在外径处具有较宽的外部宽度1202,并且在内径处具有较窄的内部宽度1204。在一些布置中,源自对数螺线的扩张的通道具有相等的交切角,而与半径无关。循环重复的V形扩张的螺旋通道包括保持堆叠的分离器板1200之间间隔的轴向突出肋(例如,如图12D和图12E中示出的)。扩张的通道产生具有高ESA的非径向方向的矩形流动通道。对于峰/谷定义的对数螺线定义的要求,V形被扩张以适应不断增长的周长。由于V形角和螺旋角的组合,通道表面是非径向的(即倾斜的)。V形的顶部和底部包括小肋,以配合相邻的嵌套分离器板1200,从而每个V形产生两个分离的/流动隔离的大致梯形的通道(例如,如图12D中示出的),并且还提供对堆叠间隔(即,堆叠间距)的强制控制(positive control),使得为每个V形通道产生两个分离的矩形通道。肋还通过防止流动通道滑动来帮助保持实心体流动旋转(solid-body flow rotation),这种流动通道滑动将对由分离器板1200构成的分离器装置的效率产生负面影响。
参考图12F,示出了根据示例性实施方案的分离器板1200的变型。在该变型中,分离器板1200包括从V形通道的侧面向外地突出的圆柱形突出部1202。圆柱形突出部提供附加的ESA,并帮助保持分离器板堆叠中相邻分离器板1200之间的间隔,这帮助解决分离器板1200的翘曲和/或制造缺陷。圆柱形突出部1202可以应用于本文描述的分离器板或锥形件的任何布置。
参考图12G和图12H,示出了根据示例性实施方案的分离器板1200的另一个变型。在该变型中,分离器板1200包括间隔肋1204,间隔肋1204帮助保持分离器板堆叠中相邻分离器板1200之间的间隔(例如,如图12H中示出的)。间隔肋1204可以应用于本文描述的分离器板或锥形件的任何布置。
参考图13A至图13C,示出了根据示例性实施方案的分离器锥形件1300的视图。图13A示出了分离器锥形件1300的透视图。图13B示出了分离器锥形件1300的俯视图。图13C示出了在旋转过滤器元件中布置成锥形堆叠的分离器锥形件1300。分离器锥形件1300基本上类似于分离器板1200。然而,分离器锥形件1300被构造成具有大致截头圆锥形的横截面形状,而不是如分离器板1200中的平坦的(即,垂直于轴的)形状。当异形空间外壳(oddly-shaped space envelope)用于分离装置124时,分离器锥形件1300的布置可能是有益的。例如,如图13C中示出的,截头圆锥形形状的角度允许OD处的华夫格表面“向上到达”体积中,否则被转子支架组件上的中心轮毂部件阻挡,如图13C中示出的。
参考图14A至图14C,示出了根据示例性实施方案的分离器板1400的视图。图14A是分离器板1400的透视图。图14B是分离器板1400的俯视图。图14C是分离器板1400的堆叠的透视图。分离器板1400包括主体1402和多个轴向突出(或拔模)的螺旋肋1404以及附加的分流器肋1406,以在恒定肋厚度的情况下最大化ESA。分流器肋1406开始于螺旋肋1404的径向中点(或者如果使用多个分流器,则为径向级的(radially-staged))。如关于分离器板1400使用的术语“螺旋”意指径向向量以近似恒定的值相交螺旋表面,如图14A至图14C中图示的,该值由对数螺线方程(即,r=ae)推导出来。螺旋角可以在30度和70度之间。在一些布置中,螺旋角是45度。对于最大ESA和ESAVPD,肋1404/1406的肋高度应该尽可能大,因为除了“承载”肋1404/1406之外,“平坦”板主体1402不提供有用的分离功能。在一些布置中,肋1404/1406的最大高度大约是主体1402的厚度的3-10倍。在这种布置中,主体1402的厚度可以薄至0.25-0.5mm。因此,肋1404/1406的整个主体的肋厚度可以在大约1-5mm的范围内。
参考图15A和图15B,示出了根据示例性实施方案的分离器板1500的视图。图15A示出了分离器板1500的俯视图。图15B示出了分离器板1500的透视横截面图。分离器板1500通过包括半球形隆起部1504来增加平面主体1502的ESA,不同于上文描述的包括螺旋形状的通道的分离器板。在一些布置中,半球形隆起部1504以重复的螺旋序列布置,使得一组半球形隆起部1504的中心点可以通过线来连接,以形成类似于任何上文描述的分离器板的螺旋图案。在其他布置中,半球形隆起部1504以不同的螺旋图案布置,例如费尔马螺旋图案(Fermat spiral pattern)、斐波那契序列图案(Fibonacci sequence pattern)或者类似图案。分离器板1500可以通过真空热成型主体1502、注射模制主体1502或者类似的来形成。当多个分离器板1500以堆叠布置来定位时,半球形隆起部1504还帮助保持相邻分离器板1500之间的间隔。尽管示出为半球形隆起部1504,但是隆起部1504可以布置为其他形状,例如圆柱形柱、锥体、方形盒、矩形盒或者类似形状。
参考图16A至图16B,示出了根据示例性实施方案的分离器板1600的视图。图16A示出了分离器板1600的俯视图。图16B示出了以堆叠构型布置的多个分离器板的透视图。分离器板1600包括主体1602和多个向内地突出的凹槽1604。凹槽1604可以具有带有倾斜角的V形横截面(参考图16C进一步详细讨论)。在一些布置中,凹槽1604以螺旋方式布置(例如,追踪任何上文描述的螺旋图案)。在这种布置中,凹槽1604用螺旋角来布置(参考图16C进一步详细讨论)。在其他布置中,凹槽1604以线性方式布置。凹槽1604形成流动通道,当分离器板1600以堆叠方式布置时(例如,如图16B中所示的),气体可以流动通过该流动通道。凹槽1604可以被布置成由环形间隙凹槽1606分离的径向级。径向级产生了对数螺线的线性近似。环形间隙凹槽1606允许凹槽1604的数量在比径向地向内的级更径向地向外的级处增加,从而增加分离器板1600的ESA。环形间隙凹槽1606还允许气体在相邻级之间的凹槽1604之间交叉流动或重新分布。在一些布置中,当凹槽1604从ID到OD横穿时,凹槽1604可以扩张。然而,这种布置将降低分离器板1600的ESA。在这种布置中,间隙凹槽1606可以被消除。
图16C示出了对于凹槽1604的各种螺旋角和倾斜角的每个分离器板1600的ESA的曲线图。如图16C的曲线图中示出的,最佳螺旋角约为57度。另外,随着倾斜角的减小,分离器板1600的ESA增加。
参考图17A至图17D,示出了根据示例性实施方案的分离元件1700。分离元件1700可以用来代替图1的分离装置124。图17A示出了分离元件1700的侧视图。图17B示出了分离元件1700的横截面透视图。图17C和图17D各自示出了分离元件1700的不同俯视图。分离元件1700由螺旋褶皱不可渗透或半渗透膜1702形成。膜1702可以是例如聚合物膜或薄片。在一些布置中,膜1702为0.1mm厚。膜1702包括多个开口1704(例如,设置在膜1702的“褶皱尖端”的ID和OD处的孔、狭槽、凹口等)。开口1704允许流进入和离开膜1702的形成的褶皱之间的大致矩形的轴向螺旋间隙通道1706。在图17A和图17B中,为了清楚起见,示出了少量褶皱。在一些布置中,螺旋间隙通道1706的宽度约为0.32mm。界定螺旋间隙通道1706的螺旋可以由上文参考分离器板300所描述的上文描述的渐开线或阿基米德螺线来界定。分离元件1700的褶皱密度可以大得多(例如,如图17C和图17D中示出的),以最大化ESA。在一些布置中,螺旋间隙通道1706可以包括形成的半球形或长形凹坑或隆起部(未图示),以帮助保持界定螺旋间隙通道1706的间隙。
参考图18A和图18B,示出了根据示例性实施方案的分离元件1800。分离元件1800可以用来代替图1的分离装置124。图18A示出了使用波纹介质的分离元件1800的第一布置的横截面图。图18B示出了分离元件1800的第二布置的横截面图。分离元件1800是“螺旋铺设”的分离元件,其将平坦的片1802与有通道的片(channeled sheet)1804交替,从而在平坦的片1802和有通道的片1804之间界定一系列流动通道1806。在一些布置中,平坦的片1802和有通道的片1804各自具有小于0.5mm的厚度。平坦的片1802由不可渗透的材料制成,使得流不能穿过平坦的片1802。有通道的片1804由不可渗透或半渗透膜制成,并在片之间界定流动通道1806。图18A和图18B的布置之间的唯一区别是形成在分离元件1800中的流动通道1806的形状:图18A的布置使用波纹的有通道的片1804,而图18B的布置使用三角形波纹的、凹坑的或四面体的有通道的片1804。
图18A和图18B中所示的布置示出了分离元件材料的单个材料带,该单个材料带然后可以被重复地来回折叠到自身上、围绕芯缠绕等。交替的片可以是波纹的或凹坑的。为了帮助保持片之间的流动间隙以及高ESA,一个片可以形成为不规则或起伏的表面(例如正弦波、三角波、四面体折叠等;如图18B中示出的),而另一个片保持平滑,同时遵循相对片的螺旋轮廓。从分离器元件的ID到OD,流将被限制到由平滑片和成形片界定的间隔。成对的片可以单独形成为它们的基本螺旋形式,并通过粘合材料、超声波焊接或其他合适的结合方法来连结在一起。由片1802和1804形成的螺旋可以由上文参考分离器板300所描述的上文描述的渐开线或阿基米德螺线来界定。
参考图19,示出了根据示例性实施方案的聚结元件1900。聚结元件1900包括分离元件1902,该分离元件1902包括联接到彼此并以轴向地堆叠的方式布置的第一分离元件部分1904和第二分离元件部分1906。第一分离元件部分1904和第二分离元件部分1906以平行流动布置来布置,使得流的一部分穿过板,并且一部分穿过介质。在一些布置中,第一分离元件部分1904是聚结过滤器介质,并且第二分离元件部分1906包括任何上文描述的分离元件、分离板或分离锥形件。这种布置为由聚结元件1900处理的窜漏气体提供了平行流动路径的机会,这提供了堵塞故障风险的减轻。因此,如果分离元件部分中的一个变得堵塞,流动和分离仍然可以通过分离元件部分中的另一个来发生。
参考图20,示出了对于具有不同板堆叠构型的分离元件的各种布置的每单位体积有效面积对堆叠纵横比的曲线图。图20的曲线图中,示出了五种不同的布置:两种不同的锥形堆叠分离器、具有5mm高度的螺旋华夫格板分离器(例如,如图3A-3D中示出的)、具有10mm高度的螺旋华夫格板分离器、和螺旋肋板设计(例如,如图10中示出的)。如示出的,华夫格分离器板配置的ESA大约是锥形堆叠分离器的ESA的两倍(即,在典型纵横比范围内,大约2200 1/m对大约1100 1/m)。本申请中描述的分离器板相对于锥形堆叠分离器提供了显著的ESAVPD优势,这是由于减少的端部体积浪费和更高的径向冲击角(相对于锥角)。随着分离器堆叠高度的增加,描述的分离器板相对于锥形堆叠分离器的优势有所减小,因为由高锥形件浪费的端部体积相对于总体积减小。然而,由于增加的径向冲击角,螺旋华夫格(和其他)配置仍然提供持续的优势。为了便于解释,ESAVPD是对于具有约为2的OD/ID比率的“典型”设计配置来计算的。该比较说明了可以通过本申请的描述的分离器板(例如分离器板300)来提供显著的相对优势。此外,“极限颗粒尺寸”(d lim;即超过该尺寸,分离效率为100%)遵循ESA的平方根倒数。因此,如果ESA增加一倍,d lim将减少2-0.5(即大约0.71)倍。因此,如果基线d lim尺寸为1微米,用描述的分离器板获得的d lim尺寸将约为0.58微米,这提供了优于类似尺寸的锥形堆叠分离器装置的显著优势。
参考图21,示出了一个图表,该图表示出了用于一些上文描述的分离板/锥形件设计的初步性能研究。如图21中示出的,与常规的锥形堆叠布置相比,所描述的布置示出了ESAVPD的显著增加。
然而,相对于螺旋角的优选旋转方向是面向前的,这提供了稍高的颗粒移除效率或改进的颗粒切割尺寸。“面向前”被定义为在与板或转子组件在运行期间物理地旋转相同的方向上的从内径向外旋转的螺旋。
参考图22A至图22E,示出了根据示例性实施方案的旋转聚结器元件2200的视图。图22A示出了旋转聚结器元件2200的横截面透视图。图22B示出了旋转聚结器元件2200的底部端盖2204和分离器板2206的堆叠之间相互作用的特写横截面图。图22C示出了分离器板2206的堆叠被移除的旋转聚结器元件2200的横截面透视图。图22D示出了底部端盖2204的透视图。图22E示出了顶部端盖2202的透视图。
如图22A至图22E中示出的,旋转聚结器元件2200包括顶部端盖2202、底部端盖2204和定位在顶部端盖2202和底部端盖2204之间的分离器板2206的堆叠。在一些布置中,分离器板2206是图3A至图3D的分离器板300。在其他布置中,分离器板2206是任何其他上文描述的分离器板。在一些布置中,顶部端盖2202和底部端盖2204的外径小于分离器板2206的外径。在其他布置中,顶部端盖2202和底部端盖2204的外径与分离器板2206的外径尺寸相同。在另外的布置中,顶部端盖2202和底部端盖2204的外径大于分离器板2206的外径。如图22C中最佳示出的,顶部端盖2202和底部端盖2204各自包括螺旋通道2208,其被设定尺寸和设定形状为与分离器板2206的螺旋通道配合。因此,当分离器板2206安装在顶部端盖2202和底部端盖2204之间时,分离器板2206的峰和谷与螺旋通道2208的峰和谷嵌套。该嵌套布置有助于在旋转聚结器元件2200的组装期间将分离器板2206定心在顶部端盖2202和底部端盖2204上。另外,该嵌套布置帮助促进在旋转聚结器元件2200的旋转期间将扭矩从顶部端盖2202和底部端盖2204传递到分离器板2206的堆叠。
在一些布置中,流动通道2210形成在顶部端盖2202和顶部分离器板以及底部端盖2204和底部分离器板之间(例如,如图22B中示出的)。在这种布置中,与端盖上具有平坦表面的旋转聚结器元件相比,旋转聚结器元件2200的ESA增加了。例如,在具有四十个分离器板2206的布置中,通过流动通道2210的形成,ESA可以增加5%,这导致用于流经过分离器板2206的停留时间增加5%。ESA和停留时间的增加导致更好的效率和更低的压降。底部端盖2204的几何形状可以密封相邻的底部分离器板或者提供形成流动通道2210的间隙,流动通道2210的形状和尺寸可以类似于分离器板2206之间形成的流动通道。流动通道2210可以在底部端盖2204和相邻分离器板之间提供附加的流动面积。
在其他布置中,不形成流动通道2210,并且在顶部端盖2202和顶部分离器板之间形成第一密封,并且在底部端盖2204和底部分离器板之间形成第二密封。在这种布置中,尽管ESA没有最大化,但是通过分离器板2206的流动速度增加了。
图23A是根据特定实施方案的具有多个分离器板2306堆叠在其上的第二端盖2304的一部分的侧视横截面图。分离器板2306可以用于本文描述的任何旋转聚结器元件中。图23B是第二端盖2304的俯视图。现在参考图23A-25C,第二端盖2304可以包括底部端盖,该底部端盖可以用于本文描述的任何旋转聚结器元件中。多个分离器板2306可以堆叠在第二端盖2304上,如图24A-24B中示出的,并且例如可以定位在第二端盖2304和第一端盖(例如,构造成与第二端盖2304配合的旋转聚结器元件的顶部端盖)之间。在一些实施方案中,第一端盖和第二端盖2304可以经由卡扣配合机构来联接。如图23B和图24A-24B中示出的,一组定心肋2332分别从第二端盖2304朝向多个分离器板2306轴向地延伸。
多个分离器板2306中的每一个界定了螺旋通道2307并具有中心开口,如本文之前描述的。螺旋通道2307可以包括渐开线螺旋通道,如本文之前描述的。第二端盖2304具有与多个分离器板2306的外径大约相同的第二外径。第二组螺旋通道2305形成在第二端盖2304中,其被设定尺寸和设定形状为与定位成邻近其的多个分离器板2306的底部分离器板2306的螺旋通道2307中的每一个相配合,如图23A中示出的。第二组螺旋通道2305进一步增加了第二端盖2304和多个分离器板2306的底部分离器板2306之间的通道面积或以其他方式的流动面积的量,以及防止多个分离器板2306的堆叠移动。
图24A是堆叠在图23A的第二端盖上的图23A的多个分离器板的俯视透视图;并且图24B是由图24A中的箭头A标示的堆叠在图24A的第二端盖上的多个分离器板的一部分的放大图。如图24A-24B中示出的,多个分离器板2306中的每一个包括围绕多个分离器板2306中的每一个的外边缘定位的外环2310,以及围绕形成中心开口的多个分离器板2306中的每一个的内边缘定位的内环2314。
多个突出部2312设置在外环2310的外周上。多个突出部2312可以用作间隔或对准特征,以有利于将包括多个分离器板2306的旋转聚结器元件定位在壳体内,例如曲轴箱通风系统100的壳体102内。多个突出部2312可以接触壳体的内表面和/或定位成与设置在壳体的内表面上的相应凹口、狭槽、凹槽或凹痕配合。
如图25A-25C中示出的,多个狭槽2316界定在内环2314中的预先确定的位置处。多个狭槽2316对应于第二端盖2304的一组定心肋2332。当堆叠在第二端盖2304上时,内环2314的多个狭槽2316接合对应的定心肋2332,以有利于对齐并防止多个分离器板2306相对于彼此移动或滑动,以及防止螺旋通道2307的不均匀的间隔。此外,如图25B-25C中示出的,多个分离器板2306中的每一个的边缘2309可以被开槽,例如以有利于螺旋通道2307的填充。
分离器板、分离器锥形件和分离元件的上文描述的布置都共用了一个共同的想法,即产生大致“非径向”(并且优选地螺旋)形状的流动通道的结构(即流动方向具有显著的非径向矢量分量,由结构产生的通道表面与垂直于轴线的径向矢量具有基本上非零的角度)在ESA和ESAVPD方面都提供了改进,这导致用于分离元件的效率改进。
应注意,本文用于描述各种实施方案的术语“示例”的使用旨在表示这种实施方案是可能的实施方案的可能的示例、表示和/或说明(且这种术语并不意图暗示这种实施方案必然是非凡的或最好的示例)。
如本文使用的,术语“大约”和“近似”通常意指加或减所陈述的值的10%。例如,大约0.5将包括0.45和0.55,大约10将包括9至11,大约1000将包括900至1100。
本文中对元件的位置(例如,“顶部”、“底部”、“上方”、“下方”等)的引用仅用于描述图中各种元件的定向。应注意,各种元件的定向可根据其它的示例性实施方案而不同,并且这种变化意在被本公开所涵盖。
如本文使用的术语“联接”和类似术语意指两个构件直接地或间接地连结到彼此。这种连结可以是固定的(例如,永久的)或可移动的(例如,可移除的或可释放的)。这种连结可以在以下情况下实现:两个构件或两个构件和任何附加的中间构件彼此一体地形成为单个整体,或者两个构件或两个构件和任何附加的中间构件附接至彼此。
重要的是注意到,各种示例性实施方案的构造和布置仅仅是说明性的。虽然在本公开中只详细描述了几个实施方案,但审阅本公开的本领域技术人员应容易认识到,很多修改(例如,在各种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例、参数的值、安装布置、材料的使用、颜色、定向等上的变化)是可能的,而实质上不偏离本文描述的主题的新颖性教导和优点。例如,示出为一体地形成的元件可由多个部分或元件构成,元件的位置可以倒置或者以其它方式改变,并且分立的元件或位置的性质或数量可以发生改变或变化。根据可替代实施方案,任何工艺或方法步骤的次序或顺序可以改变或者重新排列。另外,来自特定的实施方案的特征可以与来自其它实施方案的特征组合,如将被本领域普通技术人员所理解的。其他的替代、修改、变化和省略也可以在各种示例性实施方案的设计、操作条件和布置方面作出,而不脱离本公开的范围。

Claims (22)

1.一种用于旋转分离器元件的分离板,所述分离板包括:
主体,所述主体具有由内径和外径界定的环形形状,所述内径界定中心开口,所述外径界定所述主体的外边缘,所述主体包括多个弯曲部,所述多个弯曲部形成定位在多个峰的相邻峰之间的多个流动通道,所述多个流动通道中的每一个从所述内径延伸到所述外径,所述多个峰中的每一个与所述多个弯曲部中的一个相关联,所述多个弯曲部具有螺旋形状,使得所述多个流动通道中的每一个还由所述螺旋形状来界定,其中所述多个峰中的每个峰包括间隔肋,所述间隔肋从所述多个峰中的每个峰的顶端突出,每个所述间隔肋被构造成当多个分离板以一个在另一个的顶部上的方式堆叠时保持相邻分离板之间的间隙。
2.如权利要求1所述的分离板,其中所述多个流动通道具有V形横截面。
3.如权利要求1所述的分离板,其中所述多个流动通道具有U形横截面。
4.如权利要求1所述的分离板,其中所述多个流动通道形成在所述主体的第一侧和所述主体的第二侧上,所述第二侧与所述第一侧相反。
5.如权利要求1-4中任一项所述的分离板,其中所述多个流动通道中的每一个具有通道宽度。
6.如权利要求5所述的分离板,其中所述通道宽度从所述内径到所述外径是近似恒定的;或者所述通道宽度从所述内径向所述外径扩张,使得所述通道宽度在所述外径处比在所述内径处更宽。
7.如权利要求1-4中任一项所述的分离板,其中所述多个流动通道中的每一个具有以下中的一者:(a)大于0度但不大于45度的交切角;(b)相对于所述内径大约45度的交切角;或(c)56度的平均交切角。
8.如权利要求1-4中任一项所述的分离板,其中所述主体包括延伸到所述多个流动通道中的多个突出部。
9.如权利要求1-4中任一项所述的分离板,其中所述螺旋形状由具有大约为45度的交切角的阿基米德螺线来界定。
10.如权利要求1-4中任一项所述的分离板,其中所述螺旋形状由渐开线螺旋来界定。
11.如权利要求10所述的分离板,其中所述渐开线螺旋具有大约为所述内径的70%的起始半径。
12.如权利要求1-4中任一项所述的分离板,其中所述外径与所述内径的比率大约为2。
13.一种旋转聚结器元件,包括:
第一端盖;
第二端盖;以及
分离装置,所述分离装置定位在所述第一端盖和所述第二端盖之间,所述分离装置包括以轴向对齐的堆叠布置的多个分离板,所述多个分离板中的每一个包括:
主体,所述主体具有由内径和外径界定的环形形状,所述内径界定中心开口,所述外径界定所述主体的外边缘,所述主体包括多个弯曲部,所述多个弯曲部形成定位在多个峰的相邻峰之间的多个流动通道,多个所述流动通道中的每一个从所述内径延伸到所述外径,所述流动通道通过所述主体中的弯曲部形成在所述主体的顶部侧和底部侧上,使得所述流动通道具有带倾斜角的V形横截面,所述多个峰中的每一个与所述多个弯曲部中的一个相关联,所述多个弯曲部具有螺旋形状,使得所述流动通道中的每一个还由所述螺旋形状来界定,并且其中所述多个峰中的每个峰包括间隔肋,所述间隔肋从所述多个峰中的每个峰的顶端突出,每个间隔肋被构造成保持所述多个分离板中的相邻分离板之间的间隙。
14.如权利要求13所述的旋转聚结器元件,其中所述第二端盖包括轴向流动入口端口。
15.如权利要求13所述的旋转聚结器元件,还包括连接所述第一端盖和所述第二端盖的中心管。
16.如权利要求13-15中任一项所述的旋转聚结器元件,其中所述分离装置包括第一分离装置部分和第二分离装置部分,所述第一分离装置部分和所述第二分离装置部分以轴向堆叠的方式布置,所述第二分离装置部分包括所述多个分离板的所述轴向对齐的堆叠。
17.如权利要求16所述的旋转聚结器元件,其中所述第一分离装置部分包括过滤器介质。
18.如权利要求13-15中任一项所述的旋转聚结器元件,其中所述第一端盖包括第一组定心肋,所述第二端盖包括第二组定心肋,并且所述多个分离板中的每一个还包括内环,所述内环围绕形成所述中心开口的内边缘定位,多个狭槽被界定在所述内环中并构造成接合对应的所述第一组定心肋和所述第二组定心肋中的至少一者以防止所述多个分离板的移动。
19.如权利要求13-15中任一项所述的旋转聚结器元件,其中所述多个分离板中的每一个包括外环,所述外环围绕所述多个分离板中的每一个的外边缘定位,并且多个突出部设置在所述外环的外周上并构造成有利于将所述多个分离板定位在壳体中。
20.一种用于内燃发动机的曲轴箱通风系统,所述曲轴箱通风系统包括旋转聚结器元件,所述旋转聚结器元件包括:
第一端盖;
第二端盖;以及
分离装置,所述分离装置定位在所述第一端盖和所述第二端盖之间,所述分离装置包括以轴向对齐的堆叠布置的多个分离板,所述多个分离板中的每一个包括主体,所述主体具有由内径和外径界定的环形形状,所述内径界定中心开口,所述外径界定所述主体的外边缘,所述主体包括多个弯曲部,所述多个弯曲部形成定位在多个峰的相邻峰之间的多个流动通道,所述多个流动通道中的每一个从所述内径延伸到所述外径,所述多个流动通道通过所述主体中的弯曲部形成在所述主体的顶部侧和底部侧上,使得所述多个流动通道具有带倾斜角的V形横截面,所述多个峰中的每一个与所述多个弯曲部中的一个相关联,所述多个弯曲部具有螺旋形状,使得所述多个流动通道中的每一个还由所述螺旋形状来界定,并且其中所述多个峰中的每个峰包括间隔肋,所述间隔肋从所述多个峰中的每个峰的顶端突出,每个间隔肋被构造成保持所述多个分离板中的相邻分离板之间的间隙。
21.如权利要求20所述的曲轴箱通风系统,其中所述第一端盖包括第一组定心肋,所述第二端盖包括第二组定心肋,并且所述多个分离板中的每一个还包括内环,所述内环围绕形成所述中心开口的内边缘定位,多个狭槽被界定在所述内环中并构造成接合对应的所述第一组定心肋和所述第二组定心肋中的至少一者以防止所述多个分离板的移动。
22.如权利要求20或21所述的曲轴箱通风系统,其中所述多个分离板中的每一个包括外环,所述外环围绕所述多个分离板中的每一个的外边缘定位,并且多个突出部设置在所述外环的外周上并构造成有利于将所述多个分离板定位在壳体中。
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