ФИЛЬТРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 1998 года по МПК B01D27/06 

Изобретение относится к фильтрующим элементам, используемым в фильтрах для фильтрации различных сред, например, воздуха, масла, различных видов топлива в двигателях наземного, воздушного и морского транспорта, а также различных технологических установках пищевой, ликероводочной и т.п. промышленности.

В настоящее время все большее внимание уделяется степени очистки различных сред, что позволяет увеличить ресурс работы двигателей различных видов транспорта, технологических установок и т.п., а также улучшить экологическую обстановку.

В связи с этим все большее применение находят различные конструкции фильтрующих элементов, обладающих повышенной степенью фильтрации и имеющих достаточный ресурс работы. Основным конструктивным элементом фильтрующих элементов является фильтрующая штора, поэтому форма шторы, способ ее укладки, а также степень заполнения объема фильтрующего элемента материалом, являются основными по важности факторами, от которых в большей степени зависят эффективность и надежность работы фильтра в целом.

Известно большое количество различных фильтрующих элементов, например, [1] и др. , каждый из которых содержит фильтрующую гофрированную круговую штору герметично связанную по торцам с крышками, при этом наружный и внутренние диаметры шторы выполнены соответственно равными наружному и внутреннему диаметрам крышек.

Отличие одного фильтрующего элемента от другого заключается в основном видом гофрирования и взаимным расположением гофр.

Гофрирование фильтрующей шторы производится для увеличения поверхности фильтрации и для обеспечения наиболее полного заполнения объема фильтрующим материалом что, в свою очередь, позволяет увеличить длительность работы фильтра, т.е. увеличить его ресурс.

По виду гофрирования и форме укладки фильтрующие шторы можно подразделять на:
- многолучевая звезда
- "гармошка"
- винтовая штора
- шевронно-складчатая штора
- спиральная штора.

Недостатком всех вышеперечисленных конструкций штор является то, что фильтрующая штора не занимает оптимально весь объем, ограниченный крышками и цилиндрами с диаметрами, равными наружному и внутреннему диаметрам шторы, а это обстоятельство не обеспечивает достижение максимально возможного срока службы и надежности фильтрующего элемента в целом.

Известны фильтрующие элементы по а. с. N 1255165, B 01 D 27/06 и N 1761201, B 01 D 27/06, шторы которых имеют гофры, расположенные по спирали для увеличения площади фильтрующей поверхности при заданном объеме.

Наиболее близким к предлагаемому фильтрующему элементу по количеству существенных признаков является фильтрующий элемент [2] принятый за прототип.

Этот фильтрующий элемент содержит фильтрующую штору, высота гофр которых в отличие от других известных элементов превышает разность между наружным и внутренним радиусом круговой шторы, при этом гофры имеют изгиб в плоскости, перпендикулярной оси элемента и расположены по спирали.

Кроме того, дан диапазон высоты гофр в зависимости от радиусов наружной и внутренней трубок, между которыми размещена штора.

Таким образом, этот фильтрующий элемент за счет увеличения площади шторы позволяет увеличить ресурс работы и надежность фильтрующего элемента в целом. Кроме того, зависимость высоты гофр и радиусов трубок позволяет обеспечивать оптимальное значение технологического процесса гофрирования шторы.

Однако несмотря на преимущества этого фильтрующего элемента по сравнению с элементами, гофры которых расположены не по спирали, он также не обеспечивает оптимального заполнения объема фильтра, а следовательно, не обеспечивает максимально возможного ресурса и надежности фильтра.

Указанный недостаток объясняется тем, что при расположении гофр с равными сторонами по спирали происходит деформация вогнутой стороны каждого гофра, которая приводит к увеличению ширины гофра в поперечном сечении в зоне стыка сторон, т. е. у наружной трубки, что в свою очередь требует снижения общего числа гофр, а следовательно, и уменьшения площади шторы в объеме фильтрующего элемента.

Особенно это сказывается в фильтрующих элементах для фильтрации масла и воздуха, где используется бумага для шторы, имеющая значительную толщину.

Кроме того, указанный диапазон высоты гофр имеет большое значение, т.к. при высоте менее указанной зависимости не обеспечивается заполнение пустого пространства между двумя гофрами, а при высоте более указанной зависимости - не обеспечивается увеличение площади шторы за счет указанного эффекта из-за значительного увеличения ширины гофра в вершине до значения, ведущего к снижению общего числа гофр, а следовательно, поверхности шторы. Следовательно, данная конструкция обеспечивает не максимальный эффект и в определенном диапазоне, что значительно снижает область использования данного фильтрующего элемента.

Указанный недостаток устранен в предлагаемом техническом решении за счет того, что в фильтрующем элементе, содержащем фильтрующую гофрированную штору, размещенную между торцевыми крышками, гофры которой расположены по спирали и имеют высоту, превышающую разность между наружными и внутренними радиусами, круговой шторы, длина вогнутой стороны гофра выполнена меньше длины выпуклой стороны на величину, равную

где
Δl - разность высот сторон гофра;
r₁ - радиус внутренней цилиндрической поверхности, образованной гофрами;
r₂ - радиус наружной цилиндрической поверхности, образованной гофрами;
N - количество гофр.

Кроме того, фильтрующая штора предлагаемого элемента выполнена из фильтровального материала и двух мелкоячеистых сеток, расположенных по обе стороны фильтровального материала.

Отличительными существенными признаками предложенного фильтрующего элемента по сравнению с прототипом являются:
1. Выполнение вогнутой стороны гофра меньше выпуклой стороны;
2. Взаимосвязь разности высот сторон от радиусов цилиндрических поверхностей образованных гофрами;
3. Выполнение фильтрующей шторы составной из двух мелкоячеистых сеток и фильтровального материала, размещенного между сетками.

Предлагаемое технические решение позволяет при тех же габаритах фильтрующего элемента обеспечить максимально возможное заполнение объема элемента фильтрующей шторой с обеспечением прохождения фильтрующей среды по всей поверхности шторы, а следовательно, повысить ресурс работы и надежность фильтра в целом.

Это достигается тем, что высота вогнутой стороны гофра выполнена меньше высоты выпуклой стороны, что, в свою очередь, обеспечивает прилегание одного гофра к другому по всему объему без деформации.

На фиг. 1 представлен общий вид фильтрующего элемента; на фиг. 2 - поперечное сечение элемента; на фиг. 3 - расположение гофр; на фиг. 4 - элементы шторы; на фиг. 5 - то же, что и на фиг. 2 в увеличенном масштабе.

Предлагаемый фильтрующий элемент состоит из центральной перфорированной втулки 1, фильтрующей гофрированной шторы 2, представляющей собой замкнутую круговую гармошку с определенной высотой гофров, перфорированного кожуха 3, верхней 4 и нижней 5 торцевых крышек. Перфорированная втулка 1 и перфорированный кожух 3 являются элементами жесткости в осевом направлении и используются в зависимости от назначения фильтрующего элемента.

Фильтрующая штора 2 расположена вдоль всей длины центральной трубки 1 и между этой трубкой 1 и кожухом 3. При этом гофры-лучи 6 шторы 2 наклонены в одну и ту же сторону по отношению к радиусу трубки 1 и кожуху 3.

Высота гофра 6 выполнена больше разности радиусов внутренней поверхности кожуха 3 и наружной поверхности трубки 1. Крышка 4 имеет центральное отверстие 7 для выхода отфильтрованной среды, а крышка 5 может быть глухой или также с центральным отверстием в зависимости от конструкции фильтродержателя, в котором устанавливается фильтрующий элемент.

Кожух 3 выполнен так же, как и трубка 1 перфорированным.

Одноименные стороны 8 гофр фильтрующей шторы 2 выполнены равными по высоте, стороны 9 каждого гофра выполнены меньше высоты сторон 8. Гофры-лучи 6 наклонены в направлении меньших сторон 9.

Для исключения уменьшения рабочей площади шторы 2 при плотном прилегании гофров 6 друг к другу фильтрующая штора 2, как правило, выполнена составной из непосредственно фильтрующего материала 10, например бумаги, и двух слоев 11 и 12 мелкоячеистой сетки, расположенных по обе стороны фильтровального материала 10.

Такая штора 2 при расположении лучей-гофров 6 по криволинейной траектории требует выполнения сторон 8 и 9 разновысотными, т.к. стороны 8 и 9 за счет толщин составной шторы имеют различный радиус кривизны.

Кривая, по которой располагается ось гофра, представляет собой эвольвенту окружности (см. И.Н. Бронштейн и К.А. Семендяев, справочник по математике, М., Гос. издательство технико-теоретической литературы, 1956, с. 112).

При расположении центральных осей гофров по эвольвенте эти оси будут представлять из себя эквидистантные кривые, и таким образом, зазоры между гофрами будут постоянными по всей высоте гофров.

Количество гофров, размещаемых в заданном габарите с учетом толщины фильтровального материала и зазора между ними можно определить из зависимости:

где
N - количество гофров;
r₁ - радиус внутренней цилиндрической поверхности, образованный гофрами шторы;
δ - толщина шторы;
Δ - минимальная величина зазора.

Размер стороны гофра определяется по формуле дуги эвольвенты (см. ранее указанный источник)
,
где
L - длина эвольвенты (Кожевников С.Н. Теория механизмов и машин М.: Машиностроение, 1969, с. 222 - 224).

r₂ - радиус наружной цилиндрической поверхности, образованной гофрами шторы.

Таким образом, длина большей стороны гофра будет

а меньшей используя формулу
и подставляя ее

Для большей наглядности приведем пример.

Допустим, что r₁ = 100 мм; r₂ = 200 мм; Δ = 1,5 δ = 1,5,
тогда


Из расчета видно, что каждая сторона гофра шторы при расположении ее по эвольвенте почти на 50% больше разности радиусов шторы.

Работа предлагаемого фильтрующего элемента не отличается от работы известных элементов и осуществляется следующим образом.

Фильтруемая среда подается снаружи кожуха 3, проникает сквозь его перфорацию и далее через фильтрующую штору 2. На поверхности фильтрующей шторы 2 оседают различные включения, находящиеся в фильтруемой среде, а отфильтрованная среда проходит через перфорацию центральной трубки 1 и удаляется через внутреннюю полость трубки и отверстие в крышке 4 и подается к рабочему органу (не показан).

Поскольку поверхность шторы 2 в предлагаемом фильтрующем элементе значительно больше, чем в аналогичных конструкциях фильтрующих элементах, то и зарастание всей поверхности шторы 2 отфильтрованными частицами происходит за более длительное время, что и обеспечивает повышение ресурса работы фильтра в целом и надежности работы технологического рабочего органа. Кроме того, такая конструкция обеспечивает максимальное заполнение объема фильтровальной шторой с обеспечением прохождения фильтруемой среды по всей поверхности шторы.

Источники информации
1. Авторское свидетельство N 1011170, кл. B 01 D 27/06. Авторское свидетельство N 1018685, кл. B 01 D 27/06. Патент ЕПВ N 112558, кл. B 01 D 29/06. Патент Великобритании N 2214447; B 01 D 27/06.

2. Авторское свидетельство N 1761201, кл. B 01 D 27/06.

Использование: в фильтрах для любых сред. Сущность изобретения: фильтрующий элемент содержит фильтрующую гофрированную штору, размещенную между двумя торцевыми крышками. Гофры расположены по спирали и имеют высоту, превышающую разность между наружным и внутренним радиусом круговой шторы. Высота вогнутой стороны гофра выполнена меньше выпуклой стороны на величину, равную

где Δl - разность высот сторон гофра, r₁ - радиус внутренней цилиндрической поверхности, образованной гофрами, r₂ - радиус наружной цилиндрической поверхности, образованной гофрами, N - количество гофр. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Фильтрующий элемент, содержащий гофрированную штору, размещенную между торцевыми крышками, гофры которой расположены по спирали и имеют высоту, превышающую разность между наружным и внутренним радиусами круговой шторы, отличающийся тем, что высота вогнутой стороны гофра выполнена меньшей высоты выпуклой стороны на величину, равную

где
Δl - разность высот сторон гофра;
r₁ - радиус внутренней цилиндрической поверхности, образованной гофрами;
r₂ - радиус наружной цилиндрической поверхности, образованной гофрами;
N - количество гофр. 2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что фильтрующая штора выполнена из фильтровального материала и двух мелкоячеистых сеток, расположенных по обе стороны фильтровального материала.