DE112012005362B4

DE112012005362B4 - Fliehkraftabscheider und Filteranordnung

Info

Publication number: DE112012005362B4
Application number: DE112012005362.1T
Authority: DE
Inventors: Steffen Ackermann; Volker Greif; Michael Kraxner; Ulrich Muschelknautz
Original assignee: Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 2011-12-23
Filing date: 2012-12-11
Publication date: 2019-01-03
Anticipated expiration: 2032-12-12
Also published as: DE102011122322A1; US9782701B2; DE112012005362A5; US20140299540A1; DE202012012714U1; CN103998142A; WO2013092315A1; CN103998142B

Abstract

Fliehkraftabscheider (1) zum Abscheiden von Partikeln (11) aus einem Fluid (9), mit einem Gehäuse (2), welches eine Einströmöffnung (13) und eine Ausströmöffnung (14) aufweist, und mehreren Leitschaufel (3 - 8) zum Erzeugen eines Wirbelstroms (12) von durch die Eintrittsöffnung (13) einströmendem Fluid (9), wobei sich die Leitschaufeln (3 - 8) radial zwischen einer ersten Schraubenlinie (S1) an einem axialen Kern (16) und einer zweiten Schraubenlinie (S2) an einer Gehäusewand (23) des Gehäuses (2) erstrecken und die Ganghöhe (hi) der ersten Schraubenlinie (S1) mindestens 5% größer ist als die Ganghöhe (ha) der zweiten Schraubenlinie (S2).

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Fliehkraftabscheider und eine Filteranordnung, wie zum Beispiel zum Filtern von Verbrennungsluft für eine Brennkraftmaschine.
Stand der Technik
Fliehkraftabscheider, die auch Zyklonfilter, Zyklon oder Zyklonabscheider genannt werden, dienen der Abscheidung von in Fluiden enthaltenen festen oder flüssigen Partikeln. Ein in einen Fliehkraftabscheider einströmendes Fluid wird derart geleitet, dass Zentrifugalkräfte, die vom Fluid abzusondernden Partikel nach beschleunigen und innerhalb des Abscheiders gesammelt werden können. Zum Erzeugen der Zentrifugalkräfte werden meist Leitschaufeln eingesetzt, die einen Wirbelstrom innerhalb des Abscheidergehäuses erzeugen.
Fliehkraftabscheider können beispielsweise als Luftfilter für Verbrennungsluft für Brennkraftmaschinen eingesetzt werden. Insbesondere bei staubbeladenen Umgebungen, in denen insbesondere Land- oder Baumaschinen eingesetzt werden, haben sich Zyklonfilter oder Fliehkraftabscheider als geeignet erwiesen.
Beispielsweise sind aus der US 3,517,821 A ein Zentrifugalabscheider mit einem Ablenkelement, aus der GB 2 404 603 A ein Separatorsystem mit mehreren, in Reihe angeordneten Separatorstufen und aus der GB 2 169 822 A ein Zyklonabscheider mit überlappenden Leitschaufeln bekannt. Aus AT 189 173 B ist ein Fliehkraftabscheider für Staub, Nebel und Flüssigkeiten aller Art mit im Querschnitt dreieckigen Kanälen bekannt. Aus AT 216 481 B ist eine Fliehkraftabscheidevorrichtung mit einem kegelstumpfförmigen Rohrelement bekannt. Aus der DE 10 81 424 A ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abscheidung von flüssigen oder festen Stoffen aus Gasen oder Flüssigkeiten mit einem Kegelmantel bekannt, der in einem Zylindermantel angeordnet ist.
Um den Abscheidegrad von Schmutzpartikeln aus Luft oder Fluid zu erhöhen, sind in der Vergangenheit auch mehrstufige Filteranordnungen vorgeschlagen worden. Nach einer Zyklonvorfilterung kann beispielsweise eine weitere Reinfilterung durch konventionelle Filtermedien erfolgen. Allerdings ist dies mit einem erhöhten Herstellungsaufwand und zusätzlichen Einschränkungen an die Einbausituation einer entsprechenden Filteranordnung verbunden. Insofern ist es wünschenswert, die Filterleistung von Fliehkraftabscheidern, insbesondere bei der Verwendung als Luftfilter für Brennkraftmaschinen, zu verbessern.
Offenbarung der Erfindung
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verbesserten Fliehkraftabscheider zur Verfügung zu stellen.
Demgemäß wird ein Fliehkraftabscheider zum Abscheiden von Partikeln aus einem Fluid vorgeschlagen. Der Fliehkraftabscheider umfasst ein Gehäuse, welches eine Einströmöffnung und eine Ausströmöffnung aufweist, sowie mehrere Leitschaufeln zum Erzeugen eines Wirbelstroms von durch die Eintrittsöffnung einströmendem Fluid. Die Leitschaufeln erstrecken sich insbesondere abschnittsweise radial zwischen einer ersten Schraubenlinie an einem axialen Kern und einer zweiten Schraubenlinie an einer Gehäusewand des Gehäuses erstrecken, und eine Ganghöhe der ersten Schraubenlinie ist größer als eine Ganghöhe der zweiten Schraubenlinie.
Eine Schraubenlinie, welche auch als Helix Schraube, Spirale oder Wendel bezeichnet werden kann ist insbesondere durch die Ganghöhe parametrisiert, Als Ganghöhe gilt die Strecke, um die sich die Schraubenlinie bei einer vollen Umdrehung axial windet. Man kann auch von einem Abstand in Z-Richtung sprechen. Durch unterschiedliche Ganghöhen erhält man eine Art Verspreizung der Leitschaufeln, was zu einem günstigen Abscheidegrad des Fliehkraftabscheiders führen kann.
Die Ganghöhe der ersten Schraubenlinie ist erfindungsgemäß mindestens 5%, insbesondere 10%, größer als die Ganghöhe der zweiten Schraubenlinie. Vorzugsweise ist die Ganghöhe der ersten Schraubenlinie zwischen 5% und 35%, insbesondere zwischen 10% und 30% größer als die Ganghöhe der zweiten Schraubenlinie. Besonders bevorzugt ist die Ganghöhe der ersten Schraubenlinie zwischen 10% und 30%, insbesondere zwischen 10% und 20% größer als die Ganghöhe der zweiten Schraubenlinie.
Bei Ausführungsformen des Fliehkraftabscheiders verlaufen die Leitschaufeln zwischen einem axialen Kern und einer Gehäusewand des Gehäuses, und ein Anstellwinkel mindestens einer Leitschaufel von dem Kern zu der Gehäusewand hin.
Denkbar ist auch, dass sich ein Anstellwinkel mindestens einer Leitschaufel entlang ihrer Länge ändert.
Eine jeweilige Leitschaufel hat eine Anströmseite oder Anströmkante und eine Abströmseite oder Abströmkante andererseits, wobei der Schaufelwinkel insbesondere auf eine Längsachse des Fliehkraftabscheiders oder des Gehäuses bezogen sein kann. Der Schaufelwinkel an einer Stelle der Leitschaufel ist der Winkel, den eine tangentiale Fläche mit der Längsachse des Leitapparates oder Fliehkraftabscheiders einschließt. Zum Beispiel ist anströmseitig, also in Richtung zur Einströmöffnung des Fliehkraftabscheiders der Anströmwinkel kleiner als abströmseitig, also in Richtung zur Ausströmöffnung. Als weitere Winkelgröße kann ein Anstellwinkel auch in Bezug auf eine Umfangslinie bzw. einen Querschnitt senkrecht zur Symmetrie- oder Längsachse des Fliehkraftabscheiders bestimmt sein. Die Summe aus Schaufelwinkel und Anstellwinkel an einer Stelle einer Leitschaufel beträgt 90 Grad.
Durch eine Änderung des Anstellwinkels können die Strömungseigenschaften im Fliehkraftabscheider verbessert werden.
Ferner ist es möglich, eine Winkelspreizung zwischen dem Anstellwinkel an dem Kern und dem Anstellwinkel an der Gehäusewand vorzusehen. Die Winkelspreizung beträgt vorzugsweise zwischen 15° und 35°, insbesondere zwischen 20° und 30°.
Bei Ausführungsformen ist ferner ein mittlerer Anstellwinkel der Leitschaufeln zwischen 30° und 45°.
Es ist möglich, dass die Ganghöhen in einem Abströmabschnitt der Leitschaufeln gleich sind. Durch eine Aufhebung der oben erwähnten Verspreizung im Abströmbereich, beispielsweise über einen vorgegebenen Höhenabschnitt des Leitapparates kann eine gute Abströmung erreicht werden. Insbesondere sind die Ganghöhen in einem Abströmbereich, der weniger als 20% der Höhe des gesamten Leitapparates entspricht, gleich.
Bei Ausführungsformen liegen die Anströmkanten und/oder die Abströmkanten der Leitschaufeln in einer Querschnittsfläche des Gehäuses liegen, welche im Wesentlichen senk-recht zu einer Einströmrichtung des Fluids steht. Die Abströmkanten können beispielsweise senkrecht zu der Längsachse des Leitapparates in einer Querschnittsebene abgeschnitten sein, Eine Fertigung, zum Beispiel im Spritzgussverfahren kann dadurch vereinfacht sein.
Bei weiteren Ausführungsformen des Fliehkraftabscheiders haben die Anströmkanten von mindestens zwei Leitschaufeln in Bezug auf eine Querschnittsfläche des Gehäuses, welche im Wesentlichen senkrecht zu einer Einströmrichtung des Fluids steht, einen unterschiedlichen Abstand. Die Querschnittsfläche kann als eine Bezugsebene prinzipiell an einer beliebigen Stelle entlang dem Gehäuse angenommen werden.
Man kann auch davon sprechen, dass mindestens zwei Leitschaufeln eine unterschiedliche Länge in Fluidströmungsrichtung haben.
Unter Fliehkraftabscheider werden im Folgenden auch Zyklon, Zyklonabscheider, Zyklonfilter oder Wirbler verstanden. Der vorgeschlagene Fliehkraftabscheider ist insbesondere als Axial-Zyklon ausgebildet, wobei das Gehäuse beispielsweise rohr- oder hülsenförmig ausgeführt ist und zu filterndes Fluid im Wesentlichen entlang einer Längs- oder Symmetrieachse des Gehäuses durch den Abscheider strömt. Die abzuscheidenden Partikel werden radial durch den erzeugten Wirbelstrom in Richtung zur äußeren Gehäusewand beschleunigt und können dort entfernt werden.
Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, dass im Vergleich zu konventionellen Leitschaufelanordnungen, bei denen die Leitschaufeln dieselbe Länge haben, ein Fliehkraftabscheider bessere Abscheidegrade ergibt, wenn der sich ergebende Leitapparat mit unterschiedlich langen Schaufeln versehen ist oder die Anströmkanten verschieden positioniert sind
Einströmendes Fluid, wie mit Partikeln belegte Luft, trifft beim Strömen durch den Fliehkraftabscheider zunächst auf die Anströmkante(n) einer oder mehrerer erster Leitschaufeln und dann auf die Anströmkante(n) einer oder mehrerer weiterer Leitschaufeln.
Beispielsweise ist eine der mehreren Leitschaufeln im Bereich der Einströmöffnung verkürzt. Das bedeutet, dass bei unterschiedlich langen Schaufeln, einströmendes Fluid in Abhängigkeit von der jeweiligen Leitschaufel eine unterschiedliche Strecke entlang der Leitschaufel strömt. Dadurch wird die Strömungsform und Strömungsdynamik im Hinblick auf den Abscheidegrad und Druckverlust des Fliehkraftabscheiders positv beinflusst. Insgesamt ergibt sich dadurch ein effizienterer Stromabscheider und günstige Strömungsverhältnisse innerhalb des Gehäuses, die zu dem hohen Abscheidegrad von Partikeln führen.
Beispielsweise haben mindestens zwei Leitschaufeln anströmseitig in Fluidströmungsrichtung einen unterschiedlichen Abstand von der Einströmöffnung. Die Anzahl der Leitschaufeln kann gerade oder ungerade sein. Bei einem Fliehkraftabscheider, der mit drei Leitschaufeln ausgestattet ist, genügt es, eine Leitschaufel beispielsweise entlang der Achse des Fliehkraftabscheiders kürzer zu gestalten, um einen verbesserten Abscheidegrad zu erzielen.
Der Kern verläuft beispielsweise kolinear mit einer Längs- oder Symmetrieachse des Gehäuses. Das Gehäuse kann insbesondere abschnittsweise hülsen- oder rohrförmig ausgebildet sein. Der axiale Kern hat dann in der Regel einen vorgegebenen Durchmesser. Eine Breite der sich ergebenden Leitschaufeln ist dann durch den Durchmesser des Kerns sowie des Gehäuseinnendurchmessers gegeben.
Bei Ausführungsformen des Fliehkraftabscheiders mit einem hülsen- oder rohrförmigen Gehäuse, bilden die Leitschaufeln sowie der axiale Kern einen zylinderförmigen Leitschaufelapparat aus, der in das Gehäuse eingesetzt ist. Insofern kann der Leitschaufelapparat vorzugsweise mit Leitschaufeln unterschiedlicher Länge in verschiedene Gehäuse eingepasst oder eingesetzt werden.
Die Leitschaufeln sind in der Regel ortsfest angeordnet. Denkbar sind jedoch auch drehbare oder bewegliche Leitschaufeln, um einen Wirbelstrom bzw. eine Wirbelströmung günstig zu erzeugen.
Ein Kerndurchmesser liegt vorzugsweise zwischen 10 und 20 mm. Besonders bevorzugt wird ein Kerndurchmesser zwischen 14 und 17 mm realisiert. Durch die Größe des Kerndurchmessers können die Strömungseigenschaften innerhalb des Gehäuses des Fliehkraftabscheiders optimiert werden.
Bei Ausführungsformen des Fliehkraftabscheiders ändert ändert sich eine Dicke mindestens einer Leitschaufel von dem Kern zu der Gehäusewand hin. Die Leitschaufeln, welche zum Beispiel propeller-, schnecken- oder schraubenartig um den Kern gewickelt sein können, lassen sich hinsichtlich ihrer Dicke modellieren. Beispielsweise kann die Dicke einer jeweiligen Leitschaufel zwischen dem Kern und der Gehäusewand zunächst ansteigen, um dann wieder zur Gehäusewand abzunehmen. Durch ein entsprechendes Dickenprofil kann die Wirbelbildung oder Strömungseigenschaft des Fluids verbessert werden.
Alternativ oder zusätzlich ändert sich bei weiteren Ausführungsformen des Fliehkraftabscheiders eine Dicke mindestens einer Leitschaufel entlang ihrer Länge. Unter Länge wird dabei im Wesentlichen die Strecke verstanden, die ein Partikel entlang der Leitschaufel zurücklegt, wenn er durch den Fliehkraftabscheider strömt bzw. durch die Fluidströmung getragen wird. Die Länge der Leitschaufel ist in der Regel proportional zur Höhe des Leitapparates. Auch durch eine Variierung der Leitschaufeldicken entlang ihrer Länge, können die Strömungseigenschaften günstig angepasst werden.
Ausführungsformen des Fliehkraftabscheiders können ferner vorsehen, dass ein Anströmprofil mindestens einer Leitschaufel geschwungen oder gekurvt ist. Beispielsweise kann das Anströmprofil, welches die Form der Anströmkante beschreibt, nicht gerade ausgeführt sein. Insbesondere bei unterschiedlich langen Leitschaufeln des Leitschaufelapparates, lässt sich durch das Anströmprofil eine unterschiedliche Länge von Leitschaufeln annähern.
Bevorzugte Ausführungsformen von Fliehkraftabscheidern umfassen genau sechs Leitschaufeln. Denkbar sind jedoch auch weniger Schaufeln, um einen geringeren Druckverlust beim Durchtritt des Fluids durch den Fliehkraftabscheider zu erzeugen. Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, dass, je mehr Schaufeln verwendet werden, desto kürzer der Leitapparat bei vorgegebenen Abscheidegraden gefertigt sein kann.
Untersuchungen der Anmelderin haben ferner gezeigt, dass ein mittlerer Anstellwinkel zwischen 40° und 50° gegenüber einer Querschnittsfläche senkrecht zur Längsachse besonders günstig ist. Ferner kann eine Spreizung zwischen dem Anstellwinkel am Kern und der Gehäusewand zwischen 25° und 35° betragen. Beispielsweise ist der Schaufelanstellwinkel am Kern etwa 60° und 29° an der Gehäusewand.
Vorzugsweise überlappen sich die Leitschaufeln auf keiner Querschnittsfläche senkrecht zu einer Einströmrichtung miteinander. Insofern verbleibt immer zumindest ein kleiner Spalt zwischen benachbarten Leitschaufeln. Dadurch wird eine Herstellung, insbesondere in einem Spritzgussverfahren erleichtert, da keine komplizierten Hinterschnitte auftreten können. Insofern kann der sich ergebende Fliehkraftabscheider besonders aufwandsgünstig produziert werden. Als Materialien eignen sich insbesondere Kunststoffe, aber in Einzelfällen Metall oder andere an die Einbausituation und Betriebstemperatur angepasste Materialien.
Bei Ausführungsformen des Fliehkraftabscheiders ist der Kern länger ist als die Leitschaufeln. Der Kern kann beispielsweise in Richtung zur Einströmöffnung des Gehäuses ragen oder auch in Richtung zur Ausströmöffnung eine Nachlaufnabe bilden. Der vorzugsweise rotationssymmetrisch ausgebildete Kern kann sich beispielsweise in Fluidströmungsrichtung verjüngen und die Durchströmeigenschaften beeinflussen. Beispielsweise ist ein Verhältnis zwischen einem Kerndurchmesser und einem Abstand zwischen der Gehäusewand und dem Kern zwischen 2 und 4. Der Abstand zwischen dem Kern sowie der Gehäusewand kann auch als Breite der Leitschaufeln bezeichnet werden.
Bei weiteren Ausführungsformen ändert sich eine Querschnittsfläche des Gehäuses entlang der Durchströmrichtung. Beispielsweise vergrößert sich die Querschnittsfläche entlang der Längsachse von der Einströmöffnung zur Ausströmöffnung hin. Insofern kann sich eine konische Form des Gehäuses ergeben. Das Gehäuse kann auch abschnittsweise konisch sein. Beispielsweise ist der Leitapparat in einem hülsen- oder zylinderförmigen Bereich des Gehäuses angeordnet und der Abströmbereich, in dem das Fluid mit den Wirbelströmen beaufschlagt ist, hat eine sich konisch erweiternde Form in Richtung zur Abströmöffnung. Ein Öffnungswinkel des Konus liegt vorzugsweise zwischen 2° und 6°.
Optional kann der Fliehkraftabscheider ein in dem Gehäuse vorgesehenes Tauchrohr umfassen, welches sich von der Ausströmöffnung in Richtung zu der Einströmöffnung erstreckt. Das Tauchrohr kann dabei rohr- oder hülsenförmig ausgebildet sein. Vorzugsweise ist das Tauchrohr mit einem sich zur Einströmöffnung hin verjüngende Querschnitt ausgebildet.
Insbesondere eine Kombination eines sich konisch in Richtung zur Einströmöffnung verjüngenden Tauchrohrs mit einem konisch ausgestatteten Gehäuseabschnitt im Bereich des Tauchrohres oder der Ausströmöffnung, führt zu besonders günstigen Strömungsverhältnissen und Abscheidegraden des Fliehkraftabscheiders.
In bevorzugten Ausführungsformen des Fliehkraftabscheiders ist das Tauchrohr mit Hilfe einer Tauchrohrplatte an der Ausströmöffnung angebracht. Die Tauchrohrplatte verschließt zum Beispiel die Ausströmöffnung des Gehäuses zusammen mit dem Tauchrohr. Die Tauchrohrplatte ist dann beispielsweise als ein Kreisring mit einem äußeren Durchmesser, der der Ausströmöffnung entspricht, und mit einem inneren Durchmesser, der einer Kante des Tauchrohrs entspricht, ausgeführt.
Der Fliehkraftabscheider ist ferner bei einigen Ausführungsformen mit einer Partikelaustragsöffnung ausgestattet. Die Partikelaustragsöffnung gibt vorzugsweise in Bezug auf eine Längsachse des Gehäuses einen vorgegebenen Winkelabschnitt in der Gehäusewand frei. Ferner hat die Partikelaustragsöffnung eine Austragsöffnung oder Austragsfenstertiefe. Die Tiefe wird beispielsweise entlang der Längsachse des Gehäuses gemessen.
Bevorzugte Ausführungsformen des Partikelaustragsfensters haben eine Tiefe zwischen 10 und 20 mm, und besonders bevorzugt zwischen 13 und 15 mm. Der Öffnungswinkel des Partikelaustragsfensters liegt vorzugsweise zwischen 60° und 90°. Besonders bevorzugt liegt der Öffnungswinkel zwischen 75° und 85°.
Es wird ferner eine Filtereinrichtung vorgeschlagen. Die Filtereinrichtung umfasst mehrere Fliehkraftabscheider mit einem oder mehreren Merkmalen, wie sie zuvor beschrieben sind. Die Fliehkraftabscheider sind in einem Gehäuse der Filtereinrichtung vorgesehen, welches mehrere Öffnungen als Einströmöffnungen für die Fliehkraftabscheider und einen fluiddicht von den Öffnungen getrennten Ausströmabschnitt umfasst. An den Ausströmabschnitt sind die Ausströmöffnungen der Fliehkraftabscheider gekoppelt. Insofern können parallel mehrere Fliehkraftabscheider zum Reinigen beispielsweise von Verbrennungsluft für Brennkraftmaschinen gefiltert werden. Durch das parallele Anordnen der Fliehkraftabscheider kann der Abscheidegrad sowie Druckverlust beim Durchtritt von Fluid durch die Filtereinrichtung angepasst werden.
Bei Ausführungsformen der Filtereinrichtung ist ein von den Einströmöffnungen und dem Ausströmabschnitt fluiddicht getrennter Austragsabschnitt vorgesehen. Der Austragsabschnitt ist kommunikativ mit Partikelaustragsfenstern der Fliehkraftabscheider verbunden. Insofern ist ein fluid- und staubdicht abgeschlossener Bereich vorgesehen, der zum Abführen der abgeschiedenen Partikel dient.
Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen des Fliehkraftabscheiders oder der Filtereinrichtung. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen oder abändern.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung. Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren näher erläutert.
Figurenliste
Es zeigt dabei:

1: eine schematische Längsschnittsansicht einer Ausführungsform eines Fliehkraftabscheiders;
2: eine schematische Querschnittsansicht der Ausführungsform eines Fliehkraftabscheiders;
3: eine perspektivische schematische Ansicht der Ausführungsform eines Fliehkraftabscheiders;
4: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Leitschaufel;
5 - 9: schematische Längenprofile von Leitschaufeln;
10: eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Filtereinrichtung mit Fliehkraftabscheidern;
11: eine Detailansicht eines Ausschnitts der Ausführungsform einer Filtereinrichtung mit Fliehkraftabscheidern;
12: eine Schnittansicht der Ausführungsform einer Filtereinrichtung mit Fliehkraftabscheidern;
13: eine Längsschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform eines Fliehkraftabscheiders mit beispielhaften Bemaßungen;
14, 15: Querschnittsansichten der zweiten Ausführungsform eines Fliehkraftabscheiders mit beispielhaften Bemaßungen;
16 - 18: perspektivische Darstellungen einer dritten Ausführungsform eines Fliehkraftabscheiders und Schnittansichten einer Ausführungsform eines Leitapparates;
19, 20: Seitenansichten von weiteren Ausführungsformen von Leitapparaten;
21: eine perspektivische und eine Schnittansicht eines Leitapparates zur Erläuterung von Winkelspreizungen;
22: einen Abscheidegrad und Druckverlust in Abhängigkeit von einer Winkelspreizung bei Ausführungsformen des Fliehkraftabscheiders;
23: einen Abscheidegrad in Abhängigkeit von einer Schaufelanzahl in einer weiteren Ausführungsform des Fliehkraftabscheiders; und
24: eine schematisch dargestellte Schraubenlinie.

In den Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
Ausführungsform(en) der Erfindung
Die 1 zeigt eine schematische Längsschnittansicht einer Ausführungsform eines Fliehkraftabscheiders. Die 2 und 3 zeigen Querschnitts- und perspektivische Ansichten der Ausführungsform.
Bei einem Fliehkraft- oder Zyklonabscheider wird wird ein mit Partikeln beladenes Fluid von den Partikeln gereinigt. In der 1 ist dies durch einen Rohfluidstrom 9 pfeilförmig angedeuett. Das Rohfluid 9, wie beispielsweise Luft für eine Brennkraftmaschine kann Staub oder andere Partikel 11 aufweisen. Nach Durchlauf eines entsprechenden Fliehkraftabscheiders 1, der beispielsweise als Axialzyklon ausgestaltet ist, strömt gereinigte Luft oder Fluid 10 aus.
Der Fliehkraftabscheider 1 hat ein im Wesentlichen zylinderförmiges Gehäuse 2. Das Gehäuse 2 bzw. der Fliehkraftabscheider 1 hat eine Längsachse 15, die in der Ausführungsform der 1 bis 3 auch einer Symmetrieachse entspricht. Anströmseitig ist eine Einströmöffnung 13 vorgesehen und abströmseitig eine Ausströmöffnung 14. Bei dem Fliehkraftabscheider 1 wird im Gehäuse 2 durch eine geeignete Strömungsführung ein Wirbel erzeugt, wodurch die Partikel 11 in der Luft Zentrifugalkräften ausgesetzt werden. D.h., die Partikel 11 werden radial nach außen in Richtung zu der Gehäusewand 23, welche zylinderförmig ausgestaltet ist, getrieben (vgl. 2). Dort können sie, wie in der 1 angedeutet ist, akkumulieren und entfernt werden.
Zum Erzeugen der wirbelförmigen Strömung und damit radialer Kräfte auf die Partikel 11, ist ein Leitapparat mit geeigneten Leitschaufeln 3, 4 vorgesehen. Die Leitschaufeln 3, 4 können beispielsweise schraubenwirbel- oder propellerförmig um die Achse 15 des Fliehkraftabscheiders 1 gewunden sein. Man spricht auch von einem Axialzyklon. In der Darstellung der 1 ist ein Kern 16 entlang der Längsachse 15 zumindest in einem Abschnitt in der Nähe der Einströmöffnung 13 vorgesehen. Der Kern 16 wird durch die in der 1 und 2 dargestellten Leitschaufeln 3, 4 gehalten. Die Leitschaufeln 3, 4 führen zu der Wirbelströmung, welche mittels der Pfeile 12 angedeutet sind. Partikel bzw. Fluid, die bzw. das von der Einströmöffnung 13 zur Ausströmöffnung 14 geleitet ist, strömt entlang der Leitschaufeln 3, 4.
In der perspektivischen Darstellung der 3 erkennt man das hülsen- oder zylinderförmige Gehäuse 2 mit der Einströmöffnung 13 und der Ausströmöffnung 14. Der auch in der 1 dargestellte Kern 16 und die Leitschaufeln 3, 4 bilden insbesondere einen Leitapparat 21 aus. Der Leitapparat 21 kann mit einer zylindrischen Form angenähert werden, welche in der 3 gepunktet dargestellt ist.
Die Leitschaufeln 3, 4 verlaufen dabei zwischen einer inneren Spirallinie oder Schraubenlinie S1 und einer äußeren Schraubenlinie S2. In der 24 ist eine Schraubenlinie S1, beispielsweise am Kern 16 illustriert, Ein Schraubenlinie kann in karthesischen Koordinaten parametrisiert als Vektor X(t) = [x(t), y(t), z(t)] = [ r cos(2π t), r sin(2π t), h t + c]. Dabei ist t der Laufparameter und r der Radius. Die Verschiebung c wird der Einfachheit halber zu Null gesetzt.
Der Leitschaufelapparat 21 ist derart ausgestaltet, dass die Ganghöhe hi der inneren Schraubenlinie S1 größer ist als die Ganghöhe ha der äußeren Schraubenlinie S2. Untersuchungen der Anmelderin haben ergeben, dass ein Verhältnis der Ganghöhen zueinander von hi/ha > 1,05 zu besonders guten Abscheidegraden führt. Besonders günstig ist ein Verhältnis von hi/ha > 1,1. Und noch bessere Ergebnisse erhält man bei Verhältnissen von hi/ha > 1,2. Denkbar sind auch unterschiedliche Ganghöhen mit hi/ha > 1,3
In der 2, welche eine Querschnittsansicht des Fliehkraftabscheiders darstellt, ist zentral der Kern 16 zu sehen und die kreisförmig ausgebildete Gehäusewand 23. In der Querschnittsansicht der 2 erkennt man drei Leitschaufeln 3, 4, 5, die jeweils eine Anströmkante oder ein Anströmprofil 20 und eine Abströmkante oder ein Abströmprofil 19 aufweisen. In der 2 ist lediglich die Leitschaufel 3 hinsichtlich ihrer Anströmkante 20 und Abströmkante 19 mit Bezugszeichen versehen. In Ausführungsformen sind die Leitschaufeln bzw. der Leitschaufelapparat 21 derart ausgestaltet, dass in einem Querschnitt, also einer Sicht auf die Gehäuseachse 15, keine Leitschaufel miteinander überlappt. D.h., zwischen einer Anströmkante 20 und Abströmkante 19 benachbarter Leitschaufeln, beispielsweise zwischen 3 und 4, 4 und 5 und 5 und 3, ergibt sich ein Spalt 22. Insofern ist der gesamte Fliehkraftabscheider 1 einfach materialeinstückig realisierbar. Insbesondere kann ein Spritzgussverfahren zur Anwendung kommen. Prinzipiell sind jedoch auch Hinterschneidungen, also umlaufende Leitschaufeln denkbar.
In der 4 ist eine schematische Darstellung einer Leitschaufel angedeutet. Der Pfeil 9 zeigt die Anströmrichtung von Rohfluid an. Die Leitschaufel 3 hat dabei eine Anströmkante 20 und eine Abströmkante 19. Die streifenförmige Leitschaufel 3 ist dabei schrauben- oder spiralförmig um einen jeweiligen Kern 16, wie in den 1 bis 3 angedeutet, angeordnet.
Ein Maß für die Länge L der Leitschaufeln 3, 4 ist in der 1 angedeutet. Als Länge L einer Leitschaufel 3, 4 kann beispielsweise die Strecke gelten, welche ein Partikel auf einer Oberfläche einer Leitschaufel von der Anström- zur Abströmseite zurücklegt. Die Ausführungsform in der 1 ist mit Leitschaufeln 3, 4 unterschiedlicher Länge ausgestattet. D.h., die Leitschaufel 3 beginnt in einem Abstand d1 von der Einströmöffnung 13 und erstreckt sich in Richtung zur Ausströmöffnung 14. Die zweite in der 1 dargestellte Leitschaufel 4 erstreckt sich von einem Abstand d2 der größer ist als d1 ist von der Einströmöffnung 13 in Richtung zur Ausströmöffnung 14. Die gepunktete Linie 17 bzw. die gestrichelte Linie 18 zeigen im Querschnitt der 1 die jeweilige Anströmkantenposition der Leitschaufel 3 bzw. 4 in Bezug auf die Einströmöffnung 13.
In den 1 und 3 ist eine Querschnittsfläche 112 gestrichpunktet angegeben, wobei die Querschnittsfläche 112 senkrecht zu der Längsachse 15 des Gehäuses 2 verläuft und damit auch im Wesentlichen senkrecht zu einer Einströmrichtung R der Rohluft 9 steht, die durch den Pfeil R angedeutet ist. Eine entsprechende Querschnittsfläche kann an beliebiger Stelle entlang der Gehäuseachse 15 angenommen werden und dient zum Beispiel als Bezugsebene für die Anströmkanten der 20 der Leitschaufeln 3, 4. Man erkennt zum Beispiel, dass die Anströmkante 20 der Leitschaufel 3 eine Abstand a1 von der Querschnittsebenen oder Querschnittsfläche 112 hat und die Anströmkante 20 der Leitschaufel 4 eine Abstand a2<a1. Man kann auch sagen, bei der dargestellten Ausführungsform des Fliehkraftabscheiders 1 haben die Anströmkanten 20 von mindestens zwei Leitschaufeln 3, 4 in Bezug auf eine Querschnittsfläche 112 des Gehäuses 2, welche im Wesentlichen senkrecht zu einer Einströmrichtung R der Rohluft 9 steht, einen unterschiedlichen Abstand a1 bzw. a2.
Untersuchungen der Anmelderin haben ergeben, dass durch unterschiedlich angeordnete Anströmkanten 20 oder unterschiedlich lange Leitschaufeln 3, 4 beispielsweise im Bezug auf einen Abstand von der Einströmöffnung 13, verbesserte Abscheideeigenschaften in Fliehkraftabscheidern 1 erzielt werden können.
Um die Geometrie und Ausgestaltung der Leitschaufeln 3, 4 näher zu erläutern, kann das jeweilige Profil entlang dem Umfang U in Bezug auf die Länge L, also die Ausdehnung der Leitschaufeln in Durchströmrichtung, illustriert werden.
Die 5 bis 8 zeigen schematische Längenprofile von Leitschaufeln. Die gestrichelte Linie 17 zeigt die Position der der Einströmöffnung am nächsten beginnenden Leitschaufel an. In den 5 - 8 bezeichnen die fetten (schrägen oder geschwungenen) Linien Leitschaufeln entlang des Umfangs und ihrer Länge oder der Höhe des Leitschaufelapparats. Ferner ist die Ebene 112 gestrichpunktet dargestellt, und die Abstände a1 und a2 diesbezüglich. Die 1 zeigt vier gleich lange Leitschaufeln zum Erzeugen von Wirbeln in der Fluidströmung. Es kann eine verbesserte Abscheidung von Partikeln in Fliehkraftabscheidern erzielt werden, wenn die Leitschaufeln unterschiedliche Länge haben oder die Anströmkanten zur Einströmöffnung 13 hin oder in Bezug auf eine eingezeichnete Ebene 112 verschieden beabstandet sind.
Beispielsweise ist in der 6 eine Möglichkeit dargestellt, bei der vier Leitschaufeln 3, 4, 5, 6 jeweils abwechselnd eine unterschiedliche Länge haben. Wiederum ist die gestrichelte Linie 17 und eine gestrichelte Linie 18 als Querschnittslinie senkrecht zur Längsachse jeweils in Richtung der Längsachse 15 in Strömungsrichtung versetzt dargestellt sowie eine gestrichpunktete Fläche 112. Die Leitschaufeln haben abwechselnd eine unterschiedliche Länge. Die Leitschaufeln 3 und 5 beginnen in Bezug auf die Einströmöffnung 13 an derselben Querschnittsfläche 17. Die dazwischen liegenden Leitschaufeln 4 und 6 haben eine geringere Länge und beginnen in Richtung der Längsachse 15 in Fluidströmrichtung versetzt an der Querschnittsfläche 18. Es sind somit abwechselnd jeweils eine lange (3, 5) und eine kurze (4, 6) Leitschaufel vorgesehen. Die in den 5 und 6 dargestellten Leitschaufeln sind im Wesentlichen gerade.
Man kann eine zusätzliche Verbesserung der Strömungseigenschaften erzielen, wenn die Leitschaufeln geschwungen sind. Dies ist in der 7 dargestellt. Die Leitschaufeln 3 und 5, welche länger sind als die Leitschaufeln 4, 6 haben eine geschwungene Kontur entlang der Länge L. Man erkennt qualitativ, dass der Schaufelwinkel im Bezug auf eine Fluidströmrichtung oder der Längsachse 15 der Leitschaufeln 3 und 5 zur Anströmkante hin flacher ist als zur Abströmkante hin.
Die 8 zeigt eine weitere Möglichkeit, Leitschaufeln hinsichtlich ihrer Länge verschieden auszugestalten. Wiederum ist ein Beispiel mit vier Leitschaufeln 3, 4, 5, 6 angedeutet. Die Anströmkanten der Leitschaufeln 3 und 5 beginnen an derselben Querschnittsfläche 17. Die dazwischen liegenden Anströmkanten der Leitschaufeln 4, 6 sind um einen Abstand d3 in Richtung der Strömung versetzt. Ferner sind die Abströmkanten der Leitschaufeln 3 und 5 bzw. 4 und 6 um einen Abstand d4 versetzt. Insofern sind jeweils zwei kleine Leitschaufeln 4, 6 zwischen langen Leitschaufeln 3, 5 angeordnet. Insgesamt kann man von einer Höhe H1 des sich ergebenden Leitschaufelapparates zusammen mit dem Kern sprechen. In der 8 erkennt man ferner, dass die Leitschaufeln 3 und 5 geschwungen sind, während die Leitschaufeln 4 und 6 im Wesentlichen gerade ausgestaltet sind. Insbesondere die unterschiedliche Ausgestaltung der Leitschaufeln untereinander führt zu einer besonders guten Partikelabscheidung bzw. Strömungsführung innerhalb des Gehäuses eines Fliehkraftabscheiders.
In der 9 ist eine Fliehkraftabscheiderversion dargestellt, bei der die Leitschaufeln 3, 4, 5, 6 dieselbe Länge haben, aber die Anströmkanten bezüglich der Querschnittsfläche 112 abwechselnd verschiedene Abstände a1, a2 haben. Die Einströmrichtung R verläuft beispielsweise in der Orientierung der 9 von oben nach unten.
Mehrere Fliehkraftabscheider gemäß den vorbeschriebenen Ausführungsformen lassen sich in einem gemeinsamen Gehäuse zu einer Filtereinrichtung verbinden. In den 10 bis 12 sind Ausführungsformen einer Filtereinrichtung mit Fliehkraftabscheidern dargestellt. Die 10 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform, die 11 eine Detailansicht eines darin eingesetzten Fliehkraftabscheiders und die 12 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer Filtereinrichtung.
Eine Filtereinrichtung 100 hat dabei ein Gehäuse 102, in dem mehrere Fliehkraftabscheider 1, 101 integriert sind. In der Orientierung der 10 und 12 erfolgt von links ein Einströmen von Rohfluid 9, welches partikelbeladen ist. Rechts strömt Reinfluid 10 aus. Nach unten, durch den schwarzen Pfeil 11 gekennzeichnet, können abgeschiedene Partikel entfernt werden. In dem Gehäuse 102 sind mehrere Öffnungen 113 vorgesehen, in die Einströmöffnungen 13 der Fliehkraftabscheider 1, 101 eingepasst sind. Eine Partikelaustragsöffnung 126 führt nach unten von dem Gehäuse 102 ab. In der Detailansicht der 11 erkennt man, dass die eingesetzten Fliehkraftabscheider 1 einen zentralen Kern 16 umfassen und mit sechs Leitschaufeln 3, 4, 5, 6, 7, 8 ausgeführt sind. Man erkennt in der Detailansicht der 11, dass die Leitschaufeln 5, 7 und 3 kürzer sind als die Leitschaufeln 4, 6 und 8.
In der Querschnittsansicht der 12 ist ein Fliehkraftabscheider 1 (gepunkteter rechteckiger Bereich) im Schnitt angedeutet. In der folgenden 13 erfolgt eine detailliertere Erläuterung der entsprechenden Schnittansicht einer Ausführungsform eines Fliehkraftabscheiders. Die Filtereinrichtung 100 hat im Wesentlichen drei Bereiche. Ein Halteabschnitt 112 trägt oder hält die Bereiche der Leitschaufelapparate der Fliehkraftabscheider 1, 101. Die Ausströmöffnungen 14 der Fliehkraftabscheider 1, 101 führen in einen gemeinsamen Abströmabschnitt 114. Der Abströmabschnitt 114 ist von einem Austragsabschnitt 126 getrennt. Die Fliehkraftabscheider 1, 101 sind mit Partikelaustragsfenstern 26 versehen, die kommunikativ mit dem Austragsabschnitt 126 verbunden sind. Anströmseitig tritt verunreinigte, beispielsweise Verbrennungsluft, durch die Öffnungen 113 in die Fliehkraftabscheider 1, 101 ein, durchströmen die Fliehkraftabscheider, welche die Partikel an den Partikelaustragsfenstern 26 abgeben, und gereinigte Luft tritt in den Abströmabschnitt 114 durch die Abströmöffnungen 14 aus. Die gereinigte Luft 10 kann nun beispielsweise einer Brennkraftmaschine zugeleitet werden. Die Orientierung der Austragsfenster 26 ist in Bezug auf die Erdbeschleunigung, welche in der Orientierung der 12 nach unten weist, gleich. Somit fallen die Partikel auf Grund der Schwerkraft nach unten durch den Austragsabschnitt 126 und können abgeleitet werden. Die parallele Anordnung von Fliehkraftabscheidern ermöglicht eine Anpassung der sich ergebenden Druckverluste sowie Abscheidegrade.
Eine entsprechende Filtereinrichtung 100 erzielt eine noch bessere Filterwirkung, wenn an dem Austragsabschnitt 126 ein gegenüber dem Druck an den Einströmöffnungen 113 geringerer Druck vorliegt. Man kann zum Beispiel den als Absaugstutzen ausgestalteten Austragsabschnitt an eine Absaugeinrichtung anschließen, die den Staub auffängt und ableitet.
Die 13, 14 und 15 zeigen eine zweite Ausführungsform eines Fliehkraftabscheiders im Längs- und Querschnitt. In den Fig. sind ferner beispielhafte Bemaßungen angegeben. Der Längsschnitt der 13 zeigt den Fliehkraftabscheider 1 mit einem Gehäuse aus einer Gehäusewand 23, welche abschnittsweise zylindrisch und abschnittsweise konisch geformt ist. Anströmseitig (links) ist ein Einströmöffnungsdurchmesser c3 angedeutet. Abströmseitig (rechts) ist ein Ausströmöffnungsdurchmesser c4 angegeben. Entlang der Durchströmrichtung, welche in der 13 von links nach rechts weist, nimmt der Durchmesser des Gehäuses zu. Insofern steigt eine Querschnittsfläche von Einström- zur Abströmöffnung zu.
In der 13 ist zusätzlich ein Abströmöffnungsradius r4 angegeben, wobei gilt. r4 = 0.5 c4. Im Bereich der Ein- oder Anströmöffnung 13 ist ein Leitapparat 21 vorgesehen. Der Leitapparat 21 hat eine Höhe h1. Als Höhe h1 des Leitapparates 21 wird in Bezug auf die Längsachse 15 ein Abschnitt verstanden, in den die Leitschaufeln um den Kern 16 verlaufen. Der Kern 16 hat einen Kerndurchmesser c1. Als Breite der Leitschaufeln c2 wird der Abstand zwischen dem Kern 16 und der Gehäusewand 23 verstanden. Insofern ergibt sich eine Leitschaufelbreite c2 = 0.5 c3 - c1.
Von der Abströmöffnung 14 aus reicht ein konisches Tauchrohr 24 in den Innenraum des Gehäuses 23. Das Tauchrohr 24 ist mit Hilfe eine Tauchrohrplatte 25, die an der Ausströmöffnung 14 des Gehäuses 23 gekoppelt ist, befestigt. Das Tauchrohr 24 reicht von der Ausströmöffnung 14 bzw. der Tauchrohrplatte 25 mit einer Eintauchtiefe h3 in Richtung zu dem Leitapparat 21. Das Tauchrohr 24 hat eine konische Form. Ferner hat dieser Bereich des Gehäuses bzw. der Gehäusewand 23 eine konische Geometrie. In der 13 sind Winkel γ und δ angegeben. Der Winkel γ zeigt den Winkel der Gehäusewand 23 in Bezug auf die Längsachse 15 an. Der Winkel δ zeigt den Winkel, den das Tauchrohr 24 mit der Längsachse einschließt an. Als günstig haben sich Winkel zwischen 2° und 6° für γ oder δ erwiesen. Durch die konische Anordnung des Gehäuseabschnitts sowie auch der Tauchrohrplatte ist eine günstige Strömungsführung möglich.
Ferner hat die Gehäusewand 23 ein Partikelaustragsfenster 26 in ihrem Endbereich. Entlang der Längsachse 15 erstreckt sich das Partikelaustragsfenster 26 mit einer Austragsfenstertiefe h4. In der 15 ist ein Schnitt entlang der Linie AA angedeutet. Das Partikelaustragsfenster 26 schließt einen Winkelbereich β in Bezug auf die Längsachse 16 ein. Somit gibt das Partikelaustragsfenster einen Winkelabschnitt β in der Gehäusewand 23 frei. Die 14 zeigt eine Querschnittsansicht durch den Leitapparat 21. Ähnlich der 2 erkennt man sechs Leitschaufeln 3 - 8, wobei jeweils ein Spalt 22 in der Querschnittsansicht der 14 zwischen den Leitschaufeln vorliegt. Die Leitschaufeln überlappen somit nicht.
Die 13 zeigt ferner eine Spaltbreite b, also einen Abstand zwischen dem Tauchrohr 24 und der Gehäusewand 23 an einem vorgegebenen Querschnitt senkrecht zur Längsachse 15. Der kleinste Durchmesser des Tauchrohrs ist mit c5 bezeichnet. Insofern verschiebt das Tauchrohr 24 die Austrittsöffnung um die Eintauchtiefe h3 in Richtung zu dem Innenraum des Gehäuses 23. Es hat sich ergeben, dass eine Austragsfenstertiefe zwischen 10 und 20 mm und einem Öffnungswinkel zwischen 70° und 90° günstig ist. Eine Eintauchtiefe h3 des Tauchrohrs 24 liegt günstiger Weise zwischen 30 und 50 mm. Dabei kann ein Tauchrohrdurchmesser c5 zwischen 16 und 20 mm gewählt sein. Ein Abstand zwischen der Tauchrohrplatte 25 und dem Leitapparat 21 ist mit h2 bezeichnet und liegt vorzugsweise zwischen 60 und 80 mm. Ein Kerndurchmesser c1 ist vorzugsweise zwischen 12 und 18 mm gewählt. Der Winkel γ des konischen Abschnitts der Gehäusewand 23 ist vorzugsweise kleiner als 4°, um eine Strömungsablösung zu vermeiden.
Abscheidegrade und Druckverluste können günstig eingerichtet werden, auch durch die Geometrie und Form der Leitschaufeln. In den 16 bis 18 sind perspektivische Darstellungen von Fliehkraftabscheidern sowie Schnittansichten des Leitapparates dargestellt. Dabei ist jeweils links eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Fliehkraftabscheiders 1 dargestellt. Der Fliehkraftabscheider hat eine Gehäusewand 23, welche abschnittsweise konisch oder hülsenförmig ausgeführt ist. Beispielsweise kann der Fliehkraftabscheider wie in der Querschnittsdarstellung der 13 ausgeführt sein. Es ist jeweils ein Partikelaustragsfenster 26 dargestellt und beispielhaft eine Leitschaufel 3 mit dem Bezugszeichen versehen. Man erkennt darüber hinaus den Kern 16. Die perspektivischen Darstellungen in den 16 bis 17 zeigen eine Ansicht von oben auf den Leitapparat bzw. in die Anströmöffnung des Fliehkraftabscheiders 1 hinein. Die rechte Darstellung zeigt die teilweise abgewickelten Schraubenlinien S1 am Kern 28.
In der 17 ist der Öffnungswinkel β für die Partikelaustragsöffnung 26 gepunktet angedeutet. Auf der jeweils rechten Seite der 16 bis 18 sind die auf der linken Seite angedeuteten Schnittflächen 28 mit den Leitschaufelgeometrien angedeutet. Die 16 zeigt einen Schnitt in der Art eines Zylindermantels 28 am Kern 16 um den Kern herum an. In der 17 ist ein Schnitt 28 in etwa der Mitte zwischen der Gehäusewand 23 und dem Kern 16 vorgenommen und in der 18 ein Schnitt 28 an der Innenseite der Gehäusewand 23, wo die Leitschaufeln sind.
Man erkennt auf den rechten Seiten der 16 - 17 die Leitschaufeln 3, 4, 5, 6, 7 und 8. Es sind somit genau sechs Leitschaufeln vorgesehen. Dabei sind die Leitschaufeln 4, 6 und 8 länger als die Leitschaufeln 3, 5 und 7. Die Leitschaufeln 3, 5 und 7 sind um den Abstand d3 kürzer.
Darüber hinaus sind insbesondere in der 17 Anstellwinkel ε1, ε2 angedeutet. In der Notation der 16 bis 18 ist ein Anstellwinkel ε bezogen auf eine Querschnittsfläche senkrecht zu der Symmetrieachse des Fliehkraftabscheiders 1. Die Summe aus einem Anstellwinkel ε bezogen auf eine Querschnitt und dem α Schaufelwinkel bezogen auf die Längsachse ergibt 90 Grad. Der Anstellwinkel ε1 in der Ausführungsform wie sie in der 17 dargestellt ist, ist beispielsweise größer als der Anstellwinkel ε2. In der Orientierung der Fig. ist der Winkel ε1 anströmseitig und der Winkel ε2 abströmseitig. Ferner ist eine Dicke t der Leitschaufeln jeweils angedeutet. In der 18 ist darüber hinaus die Leitapparathöhe h1 dargestellt. Die Leitschaufeln 3 bilden an der Gehäusewand 23 eine äußere Schraubenlinie S2 aus. Dabei ist die Ganghöhe der Schraubenlinie S1 größer als die Ganghöhe der Schraubenlinie S2. Es ergibt sich eine Verspreizung.
Eine Optimierung hinsichtlich der Abscheideeigenschaften des Fliehkraftabscheiders 1 kann durch eine Spreizung der Schaufelwinkel erfolgen. Beispielsweise kann der jeweilige Anstellwinkel ε am Kern (vgl. 16) größer sein als der Anstellwinkel im Bereich der Gehäusewand (vgl. 18). Es kann sich eine Spreizung des Anstellwinkels von beispielsweise 30° ergeben. In der 17 ist ein mittlerer Anstellwinkel von etwa 45° angegeben. Insofern verändert sich der Anstellwinkel oder auch der Schaufelwinkel vom Kern zur Gehäusewand einer jeweiligen Leitschaufel. Als günstige Schaufelwinkel oder Anstellwinkel haben sich mittlere Winkel um 45° erwiesen.
In der 19 ist eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform eines Leitapparates dargestellt. Dabei hat der Kern 16 anströmseitig eine in etwa runde Kuppel und abströmseitig eine über den Leitapparat hinausreichende Nachlaufnabe 29. Das Profil des Kerns 16 kann auch weiter angepasst werden. Durch die Nachlaufnabe 29 wird eine Verwirblung oder Strömungsablösung günstig beeinflusst. Man erkennt in der 18 ferner beispielhaft eine Leitschaufel 3. Der Schaufelwinkel der Leitschaufel 3 ändert sich dabei entlang der Fluidströmung. Als Schaufelwinkel a1 ist hier der Winkel der Leitschaufel mit der Längs- oder Symmetrieachse des Fliehkraftabscheiders bezeichnet. Anströmseitig ist der Winkel α1 beispielsweise etwa 10° und steigt in Richtung zur Abströmseite auf einen Schaufelwinkel von a2 durch etwa 50° an. Ein ansteigender Schaufelwinkel führt zu einer besseren Verwirbelung und dadurch stärkeren Zentrifugalkräften, die auf die Partikel wirken. Insofern wird der Abscheidegrad günstig beeinflusst. Das Profil der Leitschaufel 3 hinsichtlich ihrer Dicke kann ferner angepasst werden. Anhand der 18 ist auch zu erkennen, dass in einem Abströmbereich 127 der Winkel ε2 innen und außen gleich ist. Das heißt, die Ganghöhen hi und ha sind im Abströmbereich gleich, sodass sich keine starken Verspreizungen der Leitschaufeln ergeben,
Schließlich zeigt die 20 noch ein Beispiel einer Ausführungsform eines Leitapparates 21. In der Orientierung der 20 ist die Anströmseite oben und die Abströmseite unten. Man sieht am Beispiel der mittleren Leitschaufel 3, dass der Anstellwinkel ε16 am Kern 16 größer ist als der Anstellwinkel ε23 an der Gehäusewand. Man erkennt ferner, dass die Leitschaufeln 3 eine schräge Abströmkante 19 haben. Im eingesetzten Zustand in ein Gehäuse hat die jeweilige Leitschaufel 3 gehäuseseitig eine größere Länge als kernseitig. Man spricht auch von einem progressiven Schaufelende, welches zu einer weiteren Verbesserung der Abscheideeigenschaften eines Fliehkraftabscheiders führen kann. Anhand der mittleren Leitschaufel 3 erkennt man die Schraubenlinien S1 und S2, zwischen denen sich die Leitschaufel 3 erstreckt.
Anhand der 21 sind an einer kombinierten Schnittansicht und perspektivischen Ansicht noch eines Leitapparates mögliche Winkelverhältnisse erläutert, Die Darstellung ähnelt den in den 16 - 18 gezeigten Leitapparaten. Es ist eine Leitapparat 21 mit einem Kern 16 und einer Gehäusewand 23 dargestellt mit dazwischen vorgesehenen Leitschaufeln, wovon eine Leitschaufel 3 und Ihr Profil näher betrachtet wird. Die 21 zeigt auch die Längsachse 15 des Leitapparates.
Am Kern 16 beträgt der Anstellwinkel ε16, am Gehäuse 23 ist der Anstellwinkel ε23. Die Schaufeln sind insbesondere in einer Wendeltreppenform konstruiert, bei der unterschiedliche Anstell- und/oder Schaufelwinkel am Kern und am Mantel bzw. der Gehäusewand vorliegen. Den Unterschied zwischen ε16 und ε23 bezeichnet man auch als Winkelspreizung Δε.
Man kann ferner einen mittleren Anstellwinkel εm definieren, der in etwa in der Mittel zwischen der Kernwand und der Innenwand des Gehäuses verläuft. Ein geeignete Definition für den mittleren Anstellwinkel lautet: εm = (ε23 + ε16)/2.
Mögliche Anstellwinkel liegen zwischen ε16 ≈ 80° und ε23 ≈ 20°. Besonderen Einfluss auf die Leistungsdaten eines entsprechenden Leitapparates hat insbesondere die Winkelspreizung Δε, welche sich aus den inneren und äußeren Anstellwinkeln ergibt. Die 22 zeigt den Abscheidegrad AG und den Druckverlust dp jeweils in willkürlichen Einheiten in Abhängigkeit von der Winkelspreizung Δε. Man erkennt, dass durch Realisierung der Winkelspreizung Δε eine Erhöhung des Abscheidegrads AG eintritt, jedoch gleichzeitig der Ruckverlust zunimmt. Untersuchungen der Anmelderin haben ergeben, dass eine Winkelspreizung zwischen 15° und 35° akzeptabel Druckverluste mit sich bringen und eine gute Filterwirkung ergeben. Besonders gute Filterergebnisse erhält man bei einer Winkelspreizung zwischen 20° und 30°.
Die Anmelderin hat ferner Untersuchungen zur Abhängigkeit der Effizienz von Fliehkraftabscheidern von der verwendeten Schaufelanzahl im Leitapparat vorgenommen. Die 23 zeigt einen Graph für den Abscheidegrad AG in Abhängigkeit von einer Schaufelanzahl N für eine weitere Ausführungsform des Fliehkraftabscheiders. Der Abscheidegrad AG ist dabei in willkürlichen Einheiten angegeben. Die Kurve entspricht einer Ausführungsform, bei der der Kerndurchmesser etwa 15,5 mm entspricht und der Schaufelwinkel ε ≈ 45° beträgt. Man erkennt, dass in dieser Konfiguration eine maximaler Abscheidegrad bei einer Schaufelanzahl zwischen N=6 und N=7 auftritt. Insofern sind insbesondere Fliehkraftabscheider mit sechs Leitschaufeln bevorzugt. Zusammen mit beispielsweise wechselseitig verkürzten Leitschaufeln und/oder einer Winkelspreizung der Anstellwinkel oder Schaufelwinkel der Schaufeln ergeben sich besonders effiziente Fliehkraftabscheider mit günstigen Abscheidegraden und Druckverlusten beim Durchströmen der zu reinigenden Fluide. Die angedeuteten Maßnahmen im Hinblick auf die Schaufelverkürzung, Winkelspreizung, Form des Austragsfensters und/oder Geometrie des Tauchrohrs greifen dabei potenziell synergetisch ineinander und führen zu einfach herstellbaren Filtereinrichtungen mit guter Filterwirkung.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand verschiedener Beispiele und Aspekte von Fliehkraftabscheidern beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern vielfältig modifizierbar. Insbesondere können die verschiedenen, in den Figuren und Ausführungsbeispielen angesprochenen Aspekte miteinander kombiniert werden. Es ist nicht zwingend notwendig, Leitschaufeln unterschiedlicher Länge vorzusehen. Alleine die Anpassung der Anstellwinkel, Schaufelwinkel, Längen, Breiten oder Verhältnisse zwischen Kerndurchmesser und Gehäusedurchmesser, können zur Verbesserung von Zyklonabscheidern führen. Ferner sind die genannten Zahlen, Anzahlen von Leitschaufeln nur beispielhaft zu verstehen. Es können beispielsweise Werte zwischen 2 und 10 Leitschaufeln eingesetzt werden. Die Materialien der Fliehkraftabscheider können an die jeweiligen Einsatzgebiete angepasst werden. Insbesondere denkbar sind spritzgussfähige Kunststoffe.

Claims

Fliehkraftabscheider (1) zum Abscheiden von Partikeln (11) aus einem Fluid (9), mit einem Gehäuse (2), welches eine Einströmöffnung (13) und eine Ausströmöffnung (14) aufweist, und mehreren Leitschaufel (3 - 8) zum Erzeugen eines Wirbelstroms (12) von durch die Eintrittsöffnung (13) einströmendem Fluid (9), wobei sich die Leitschaufeln (3 - 8) radial zwischen einer ersten Schraubenlinie (S1) an einem axialen Kern (16) und einer zweiten Schraubenlinie (S2) an einer Gehäusewand (23) des Gehäuses (2) erstrecken und die Ganghöhe (hi) der ersten Schraubenlinie (S1) mindestens 5% größer ist als die Ganghöhe (ha) der zweiten Schraubenlinie (S2).
Fliehkraftabscheider (1) nach Anspruch 1, wobei die Ganghöhe (hi) der ersten Schraubenlinie (S1) mindestens 10% größer ist als die Ganghöhe (ha) der zweiten Schraubenlinie (S2).
Fliehkraftabscheider (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Anströmkanten (17, 18) und/oder die Abströmkanten (19) der Leitschaufeln (3, 4) in einer Querschnittsfläche (112) des Gehäuses (2) liegen, welche im Wesentlichen senkrecht zu einer Einströmrichtung (R) des Fluids (9) steht.
Fliehkraftabscheider (1) nach einem der Ansprüche 1-3, wobei die Ganghöhen (hi, ha) in einem Abströmabschnitt (127) der Leitschaufeln (3, 4) gleich sind.
Fliehkraftabscheider (1) nach einem der Ansprüche 1-4, wobei die Anströmkanten (17, 18) von mindestens zwei Leitschaufeln (3, 4) in Bezug auf eine Querschnittsfläche (112) des Gehäuses (2), welche im Wesentlichen senkrecht zu einer Einströmrichtung (R) des Fluids (9) steht, einen unterschiedlichen Abstand (a1, a2) haben.
Fliehkraftabscheider (1) nach einem der Ansprüche 1-5, wobei mindestens zwei Leitschaufeln (3, 4) eine unterschiedliche Länge (L) haben.
Fliehkraftabscheider (1) nach einem der Ansprüche 1-6, wobei die mindestens zwei Leitschaufeln (3, 4) anströmseitig in Fluidströmungsrichtung einen unterschiedlichen Abstand (d1, d2) von der Einströmöffnung (13) haben.
Fliehkraftabscheider (1) nach einem der Ansprüche 1-7, wobei das Gehäuse (2) zumindest abschnittsweise hülsen- oder rohrförmig ausgebildet ist und die Leitschaufeln (3 - 8) und der axiale Kern (16) einen zylinderförmigen Leitschaufelapparat (21) bilden, welcher in dem Gehäuse (2) eingesetzt ist.
Fliehkraftabscheider (1) nach einem der Ansprüche 1-8, wobei die Leitschaufeln (3 - 8) ortsfest angeordnet sind.
Fliehkraftabscheider (1) nach einem der Ansprüche 1-9, wobei sich eine Dicke (t) mindestens einer Leitschaufel (3 - 8) von dem Kern (16) zu der Gehäusewand (23) ändert.
Fliehkraftabscheider (1) nach einem der Ansprüche 1-10 wobei sich eine Dicke (t) mindestens einer Leitschaufel (3 - 8) entlang ihrer Länge ändert.
Fliehkraftabscheider (1) nach einem der Ansprüche 1-11, wobei ein Anströmprofil (20) mindestens einer Leitschaufel (3 - 8) geschwungen ist.
Fliehkraftabscheider (1) nach einem der Ansprüche 1-12, umfassend genau sechs Leitschaufeln (3 - 8).
Fliehkraftabscheider (1) nach einem der Ansprüche 1-13, wobei die Leitschaufeln (3 - 8) auf keiner Querschnittsfläche senkrecht zu einer Einströmrichtung miteinander überlappen.
Fliehkraftabscheider (1) nach einem der Ansprüche 1-14, wobei der Kern (16) Länger ist als die Leitschaufeln (3 - 8).
Fliehkraftabscheider (1) nach einem der Ansprüche 1-15, wobei ein Verhältnis zwischen einem Kerndurchmesser (c1) und einem Abstand (c2) zwischen der Gehäusewand (23) und dem Kern zwischen 2 und 4 ist.
Fliehkraftabscheider (1) nach einem der Ansprüche 1-16, wobei sich eine Querschnittsfläche des Gehäuses (2) in Durchströmrichtung vergrößert.
Fliehkraftabscheider (1) nach einem der Ansprüche 1-17, wobei in dem Gehäuse (2) ein von der Ausströmöffnung (14) in Richtung zu der Einströmöffnung (13) sich im Querschnitt verjüngendes Tauchrohr (24) angeordnet ist.
Fliehkraftabscheider (1) nach Anspruch 18, wobei das Tauchrohr (24) mit Hilfe einer Tauchrohrplatte (25) an der Ausströmöffnung (14) angebracht ist.
Fliehkraftabscheider (1) nach einem der Ansprüche 1-19, ferner mit einer Partikelaustragsöffnung (26), welche in Bezug auf eine Längsachse (15) des Gehäuses (2) einen vorgegebenen Winkelabschnitt () in einer Gehäusewand (23) freigibt.
Filtereinrichtung (100) mit mehreren Fliehkraftabscheidern (1, 101) nach einem der Ansprüche 1-20, und einem Gehäuse (102), welches mehrere Öffnungen (113) als Einströmöffnungen (13) für die Fliehkraftabscheider (1, 101) und einen fluiddicht von den Öffnungen (113) getrennten Ausströmabschnitt (114) umfasst, an den die Ausströmöffnungen (14) der Fliehkraftabscheider (1, 101) gekoppelt sind.
Filtereinrichtung (100) nach Anspruch 21, wobei umfasst, einen von dem Einströmöffnungen (113) und dem Ausströmabschnitt (114) fluiddicht getrennten Austragsabschitt (126) umfasst, der kommunikativ mit Partikelaustragsfenstem (26) verbunden ist.