AT523254B1 - Kondensationspartikelzähler - Google Patents

Abstract

Um in einem Kondensationspartikelzähler zuverlässig eine Ansammlung von flüssigem Betriebsmittel im Gasweg zu reduzieren, ist im Kondensationspartikelzähler (1) eine Betriebsmittelzuführleitung (45) vorgesehen, um dem Sättigungskörper (10) aus einem Betriebsmittelbehälter (11) flüssiges Betriebsmittel (12) zuzuführen, und unterhalb der Sättigungseinheit (S) ein Sammelreservoir (40) vorgesehen, das durch einen Verschluss (41) vom Gasweg (G) getrennt ist. Im Kondensationspartikelzähler (1) ist zudem zumindest eine Sammelleitung (47) vorgesehen ist, die mit dem Sammelreservoir (40) verbunden ist.

Description

Beschreibung

KONDENSATIONSPARTIKELZÄHLER

[0001] Die Erfindung betrifft einen Kondensationspartikelzähler mit einem Einlass zur Zuführung eines Aerosols, einer Sättigungseinheit mit zumindest einem Sättigungskörper, einer Kondensationseinheit, einer Messzelle und einem Auslass zur Abführung des Aerosols, wobei der Einlass, die Sättigungseinheit, die Kondensationseinheit, die Messzelle und der Auslass in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind und vom Aerosol entlang eines Gasweges durchströmbar sind.

[0002] Kondensationspartikelzähler sind optische Messgeräte zur Erfassung kleiner Feststoffpartikel mit Abmessungen beispielsweise im nm-Bereich, mit welchen ein Trägergas, z.B. Luft, Motorabgase etc., beladen ist. Dieses Trägergas mit den Partikeln wird im Folgenden auch als Aerosol bezeichnet. Kondensationspartikelzähler werden beispielsweise in der Reinraumtechnik oder zur Messung von Feststoffpartikeln (z.B. Ruß, Feinstaub) in Abgasströmen, beispielsweise von Verbrennungskraftmaschinen, verwendet. Feststoffpartikel im nm-Bereich sind jedoch zu klein, um direkt auf optischem Weg detektiert werden zu können. Um solche Feststoffpartikel trotzdem messbar zu machen, werden Kondensationspartikelzähler verwendet, bei welchen das Aerosol, z.B. ein Abgas, zuerst in einer Sättigungseinheit eine übersättigte Atmosphäre durchströmt. Die übersättigte Atmosphäre wird erzeugt, indem das Aerosol mit Dämpfen eines Betriebsmittels gesättigt wird. Anschließend wird das gesättigte Aerosol abgekühlt. Die Feststoffpartikel dienen dann als Kondensationskerne und werden in einer Kondensationseinheit durch heterogene Kondensation des Betriebsmittels soweit vergrößert, dass sie in einer nachfolgenden Messzelle optisch detektiert werden können. Die Größe der Feststoffpartikel, ab der dieser Kondensationsprozess stattfindet, ist von der Übersättigung abhängig und wird als Kelvindurchmesser bezeichnet. Je kleiner der Kelvindurchmesser für eine bestimmte UÜbersättigung ist, desto kleiner können die Feststoffpartikel sein, die zur Kondensation von Betriebsmittel führen. Entsprechend von Vorgaben, z.B. gesetzlichen Anforderungen, ist beispielsweise für Abgase von Kraftfahrzeugen der Partikelgrößenbereich von größer 20 nm, typischerweise 23 nm, bis 2.5 um zu detektieren und das Abgas auf eine Temperatur von <35°C vor der eigentlichen Messung zu konditionieren. Durch die Kondensation im Kondensationskernzähler steigt die Größe der Partikel an, beispielsweise auf ca. 5 um.

[0003] Partikel solcher Größe können einzeln optisch detektiert werden, z.B. mit optischen Partikelzählern auf Basis von Streulicht. Solche Kondensationspartikelzähler sind hinlänglich bekannt, beispielsweise aus der EP 462 413 B1.

[0004] In der Sättigungseinheit eines Kondensationspartikelzählers ist ein poröser, saugfähiger Sättigungskörper, beispielsweise ein gesintertes Material oder ein Docht bzw. ein Wick, vorgesehen, der mit dem flüssigen Betriebsmittel gesättigt wird. Der Sättigungskörper wird beheizt, wodurch das Betriebsmittel verdampft. Das Aerosol strömt an dem Sättigungskörper vorbei bzw. durch diesen hindurch und wird dabei durch die Dämpfe des Betriebsmittels gesättigt. Hierbei kann der Sättigungskörper in einem Bad aus Betriebsmittel angeordnet sein, sodass der Sättigungskörper durch Kapillarkräfte mit dem Betriebsmittel befeuchtet wird, wie beispielsweise in der EP 462 413 B oder der US 5,118,959 A beschrieben ist. In einer anderen Ausgestaltung wird das flüssige Betriebsmittel dem Sättigungskörper aus einem externen Betriebsmitteltank zugeführt, wie beispielsweise in der WO 2017/085183 A1.

[0005] Im Betrieb eines Kondensationspartikelzählers ist flüssiges Betriebsmittel im Gasweg des Kondensationspartikelzählers, in der Sättigungseinheit, der Kondensationseinheit oder gar in der Messzelle, unerwünscht und kann zu Störungen oder sogar zum Ausfall des Kondensationspartikelzählers führen. Flüssiges Betriebsmittel kann in den Gasweg gelangen, wenn der Kondensationspartikelzähler zu stark geneigt wird, wodurch flüssigen Betriebsmittel durch den Sättigungskörper in den Gasweg tropfen kann. Das kann insbesondere bei mobilem Einsatz des Kondensationspartikelzählers an einem Fahrzeug passieren, beispielsweise durch die dabei einwirken-

den Beschleunigungskräften. Ebenso kann das verdampfte Betriebsmittel kondensieren und als Kondensat in den Gasweg gelangen.

[0006] Es ist des Weiteren bekannt, dass es bei Kondensationspartikelzählern mit externen Betriebsmittelbehältern aufgrund von Druckschwankungen zwischen dem Druck im Aerosol-Einlass zum Kondensationspartikelzähler und dem Innendruck im Betriebsmittelbehälter zu Problemen bei der Betriebsmittelzufuhr kommen kann. Solche Druckschwankungen können beispielsweise dann auftreten, wenn der Aerosoleinlass verstopft ist. Dadurch kann es zu unerwünschten Störungen des Messbetriebs wie beispielsweise zu einem Fluten des Strömungswegs des Aerosols bis hin zum Fluten der Messzelle mit Betriebsmittel kommen.

[0007] Um eine Ansammlung von flüssigem Betriebsmittel im Gasweg eines Kondensationspartikelzählers zu vermeiden ist in der WO 2017/085183 A1 vorgesehen, im unteren Bereich des Kondensationspartikelzählers in der Sättigungseinheit einen Füllstandsensor vorzusehen. Damit kann eine gewisse Ansammlung von flüssigem Betriebsmittel, beispielsweise durch eine Fehlfunktion oder eine zu große Neigung, erkannt und beispielsweise die weitere Zuführung von Betriebsmittel unterbunden werden. Ein solcher Füllstandsensor wird jedoch erst dann wirksam, wenn bereits ein Fehler aufgetreten ist, wenn sich also bereits Betriebsmittel angesammelt hat, und verhindert im Idealfall eine Verschlimmerung des Zustands, sie verhindert das Auftreten des Fehlers aber nicht von vorneherein. Abgesehen davon, kann die Anordnung eines Füllstandsensors im Gasweg dazu führen, dass der Füllstandsensor durch die Partikel im Aerosol verschmutzt wird, womit dessen Funktion beeinträchtigt werden kann.

[0008] In der US 5,188,959 A ist in der Sättigungseinheit unterhalb des Gaswegs ein Sammelreservoir angeordnet, in dem sich kondensiertes Betriebsmittel sammeln kann. Aus dem Sammelreservoir wird das angesammelte Kondensat von Zeit zu Zeit mittels einer Absaugung abgesaugt und aus dem Gasweg entfernt. Das Problem dabei ist, dass eine zu große Ansammlung von flüssigem Betriebsmittel möglicherweise nicht durch das zeitweise Absaugen aus dem Gasweg entfernt werden kann. Gelangt beispielsweise aufgrund einer zu großen Neigung des Kondensationspartikelzählers viel flüssiges Betriebsmittel in den Gasweg, könnte der Gasweg mit Betriebsmittel geflutet werden, bevor die Absaugung das Betriebsmittel entfernen kann. Das kann aufwendige Wartungsarbeiten oder eine Reinigung des Kondensationskernzählers notwendig machen oder gewisse Bauteile des Kondensationspartikelzählers (z.B. Laser, Drucksensoren, usw.) dauerhaft beschädigen.

[0009] US 2003/202169 A1 offenbart eine Kondensationseinheit, wobei in der Kammer der Kondensationseinheit eine Ableitöffnung vorgesehen ist, durch welche das Betriebsmittel sich in einem separaten Reservoir sammeln kann. Ein Fluten wird durch die Ableitöffnung zwar erschwert, aber es ist noch immer möglich. Weiters wird das Betriebsmittel nicht aus dem Reservoir abgeleitet und die Reservoire sind örtlich getrennt.

[0010] KR 2017/0023367 A offenbart eine Kondensationseinheit, wobei zwischen der Kammer der Kondensationseinheit und der Messzelle ein feuchtigkeitsabsorbierendes Material vorhanden ist, welches störendes Betriebsmittel auffängt. Das Betriebsmittel wird über die Wand der Kammer und über einen feuchtigkeitsabsorbierenden Verschluss in ein Reservoir geleitet. Das Betriebsmittel wird aus dem Reservoir nicht zurückgeführt und die Reservoirs sind getrennt ausgestaltet.

[0011] Es ist dabei eine Aufgabe der gegenständlichen Erfindung, in einem Kondensationspartikelzähler zuverlässig eine Ansammlung von flüssigem Betriebsmittel im Gasweg zumindest zu reduzieren, idealerweise zu verhindern.

[0012] Diese Aufgabe wird durch einen eingangs erwähnten Kondensationspartikelzähler erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Betriebsmittelzuführleitung vorgesehen ist, um dem Sättigungskörper aus einem Betriebsmittelbehälter flüssiges Betriebsmittel zuzuführen, dass auf einer der Kondensationseinheit gegenüberliegenden Seite der Sättigungseinheit ein Sammelreservoir vorgesehen ist, das durch einen Verschluss vom Gasweg getrennt ist und dass zumindest eine, die Sättigungseinheit mit dem Sammelreservoir verbindende Sammelleitung vorgesehen

ist. Vorzugsweise ist die Sammelleitung mit dem Sammelreservoir verbunden, um im Betrieb des Kondensationspartikelzählers überschüssiges flüssiges Betriebsmittel aus der Sättigungseinheit, beispielsweise vom Sättigungskörper, in das Sammelreservoir zu leiten. Durch den Verschluss wird der Gasweg vom Sammelreservoir und vom Betriebsmittel im Sammelreservoir getrennt, sodass das Betriebsmittel nicht - oder zumindest nicht direkt - in den Gasweg gelangen kann. Durch die Sammelleitung kann überschüssiges Betriebsmittel vom Sättigungskörper und aus dem Bereich des Sättigungskörpers abgeführt werden und auf diese Weise vermieden werden, dass überschüssiges Betriebsmittel aus dem Sättigungskörper in den Gasweg gelangt. Die Gefahr der Ansammlung von Betriebsmittel im Gasweg kann damit reduziert werden.

[0013] Wenn die Betriebsmittelzuführleitung im oberen, der Kondensationseinheit zugewandten Bereich, vorzugsweise im oberen Drittel, des Sättigungskörpers angeordnet ist, kann der Sättigungskörper bei bestimmungsgemäßer Verwendung bzw. Anordnung des Kondensationspartikelzählers durch die Schwerkraft mit Betriebsmittel gesättigt werden. Die axiale Länge des Sättigungskörper spielt dabei keine Rolle. Ist der Sättigungskörper auch porös kann die Sättigung durch die wirkende Kapillarwirkung unterstützt werden, wodurch der Sättigungskörper besonders schnell mit Betriebsmittel gesättigt werden kann.

[0014] Das Sammelreservoir ist vorzugsweise zur Abführung von Betriebsmittel aus dem Sammelreservoir mit einer Betriebsmittelrückführleitung verbunden, in der eine Förderpumpe angeordnet ist. In einer Variante ist die Betriebsmittelrückführleitung mit dem Betriebsmittelbehälter verbunden und Betriebsmittel ist aus dem Sammelreservoir in den Betriebsmittelbehälter abführbar. Mit anderen Worten wird das sich im Sammelreservoir sammelnde Betriebsmittel aus dem Sammelreservoir mit einer Betriebsmittelrückführleitung, in der eine Förderpumpe angeordnet ist, abgeführt, vorzugsweise in den Betriebsmittelbehälter.

[0015] Besonders vorteilhaft ist der Verschluss zumindest teilweise aus einem porösen, saugfähigen Material zur Aufnahme von Betriebsmittel gefertigt. Unter porös ist hier die Eigenschaft zu verstehen, dass der Werkstoff mit einer Vielzahl von in den Werkstoff hinein- bzw. durch diesen hindurchführenden Poren versehen ist, sodass ein Teil des Gesamtvolumens als Hohlvolumen ausgeführt ist. Ein Medium, insbesondere flüssiges Medium, kann also in das poröse Material eintreten bzw. verzögert durch dieses hindurchgeführt werden. Saugfähig bedeutet in diesem Zusammenhang, dass ein flüssiges Medium in das Material aufgenommen und in diesem gehalten werden kann. Durch die Fertigung aus einem porösen, saugfähigen Material kann Betriebsmittel, das sich möglicherweise trotz der beschriebenen Maßnahmen am Boden des Kondensationspartikelzählers bzw. dessen Gaswegs sammelt, durch den Verschluss in das Sammelreservoir geleitet und damit aus dem Gasweg entfernt werden. Damit kann eine Ansammlung von Betriebsmittel im Gasweg verhindert werden. Zusätzlich unterstützt ein derartiger Verschluss auch die Sättigungseinheit bzw. das Sättigen des Aerosols, da das Aerosol auch am mit Betriebsmittel getränkten Verschluss vorbeiströmt und so Betriebsmittel aufnimmt.

[0016] Eine poröser Verschluss kann auch vorteilhafterweise mit einem Sättigungskörper aus einem für das Betriebsmittel hydraulisch dichtem, aber diffusionsoffenen Material verwendet werden. Unter diffusionsoffen ist hier insbesondere eine Dampfdurchlässigkeit zu verstehen.

[0017] Wenn ein poröser Verschluss verwendet wird, dann ist es vorteilhaft, wenn mit der Förderpumpe der Druck im Sammelreservoir gegenüber dem Druck im Gasweg zur Ausbildung einer Druckdifferenz absenkbar ist. Auf diese Weise kann auch eine Unempfindlichkeit des Kondensationspartikelzählers gegenüber einer Neigung des Kondensationspartikelzählers im Betrieb erreicht werden, was insbesondere beim mobilen Einsatz an Bord eines Fahrzeugs vorkommen kann. Durch die Druckdifferenz wird verhindert, dass trotz der Neigung Betriebsmittel aus dem Sammelreservoir durch den porösen Verschluss in den Gasweg gelangt.

[0018] Konstruktiv einfach und vorteilhaft ist ein Bodenelement vorgesehen, in das der Einlass für Aerosol mündet und in dem der Gasweg zumindest teilweise verläuft, wobei das Bodenelement zwischen der Sättigungseinheit und dem Sammelreservoir angeordnet ist. Mit anderen Worten ist das Bodenelement unterhalb der Sättigungseinheit angeordnet und das Sammelreservoir ist unterhalb des Bodenelements angeordnet. Die Verwendung eines solchen Bodenelements

erleichtert den Zusammenbau und die Wartung des Kondensationspartikelzählers, da die einzelnen Teile einfach zugänglich und austauschbar sind. In diesem Fall ist es konstruktiv vorteilhaft, wenn die zumindest eine Sammelleitung im Bodenelement angeordnet ist. Mit anderen Worten ist die die Sättigungseinheit und das Sammelreservoir verbindende Sammelleitung im Bodenelement verlaufend ausgeführt. Die Sammelleitung ist in dem Bodenelement gasdicht von dem im Bodenelement verlaufenden Teil des Gaswegs ausgeführt.

[0019] Ebenso vereinfacht es die Konstruktion des Kondensationspartikelzählers, wenn im Bodenelement eine mit dem im Bodenelement verlaufenden Teil des Gaswegs in Verbindung stehende Öffnung zum Sammelreservoir vorgesehen ist, die mit dem Verschluss verschlossen ist.

[0020] Um die Ableitung von überschüssigem Betriebsmittel aus dem Sättigungskörper zu verbessern, kann im Bodenelement eine Vertiefung vorgesehen sein, in der der Sättigungskörper zumindest teilweise angeordnet ist, wobei die zumindest eine Sammelleitung als Verbindung zwischen der Vertiefung und dem Sammelreservoir ausgeführt ist.

[0021] Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 4 näher erläutert, die beispielhaft, schematisch und nicht einschränkend vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zeigen. Dabei zeigt

[0022] Fig. 1 einen Kondensationspartikelzähler nach dem Stand der Technik, [0023] Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Kondensationspartikelzähler mit Sammelreservoir,

[0024] Fig. 3 einen erfindungsgemäßen Kondensationspartikelzähler mit einem Verschluss zwischen dem Gasweg und dem Sammelreservoir und

[0025] Fig. 4 einen Kondensationspartikelzähler mit Druckdifferenz zwischen Gasweg und Sammelreservoir.

[0026] Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird an Hand einer vereinfachten schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines Kondensationspartikelzählers 1 nach dem Stand der Technik beschrieben. Ein partikelbeladenes Aerosol, das beispielsweise aus den Abgasen eines Verbrennungsmotors entnommen wird, gelangt an einem Ende über einen Einlass 2 in den Kondensationspartikelzähler 1. Am anderen Ende des Kondensationspartikelzählers 1 wird das Aerosol über einen Auslass 4 abgeführt. Am Auslass 4 kann eine kritische Düse 30 mit einem geringen Durchmesser, typischerweise 0,3 mm, angeordnet sein, die in bekannter Weise der Einstellung eines konstanten Volumenstroms dient.

[0027] An den Einlass 2 kann eine Einlassleitung 5 zur Zuführung von Aerosol angeschlossen sein und an den Auslass 4 kann eine Auslassleitung 6 zur Abführung von Aerosol angeschlossen sein. Die Umwälzung des Aerosols durch den Kondensationspartikelzähler 1 kann auf beliebige Weise erfolgen, beispielsweise mittels einer Pumpe stromaufwärts des Einlasses 2, beispielsweise in der Einlassleitung 5, oder mittels einer Pumpe 3 stromabwärts des Auslasses 4, beispielsweise in der Auslassleitung 6 (wie in Fig. 1).

[0028] Im Kondensationspartikelzähler 1 sind in Strömungsrichtung 8 gesehen hintereinander eine Sättigungseinheit S, eine Kondensationseinheit K und eine Messzelle M angeordnet.

[0029] In der Sättigungseinheit S ist ein Sättigungskörper 10 und zumindest ein Strömungskanal 9 angeordnet. Das Aerosol durchströmt den Strömungskanal 9 in Strömungsrichtung 8. Der Sättigungskörper 10 kann aus einem saugfähigen, porösen Material, beispielsweise einem Sintermaterial, wie z.B. gesinterter Kunststoff, einem Dochtmaterial, oder ähnliches, gefertigt sein.

[0030] Der Einlass 2 kann in ein Bodenelement 19 des Kondensationspartikelzählers 1 münden, in dem die Strömung des zugeführten Aerosols in Richtung des zumindest einen Strömungskanals 9 im Sättigungskörper 10 umgelenkt werden kann. Damit soll eine möglichst laminare Strömung erreicht werden.

[0031] Der Sättigungskörper 10 kann aber auch bis zum Boden des Kondensationspartikelzählers 1 reichen, wobei der Einlass 2 durch den Sättigungskörper 10 durchgehen würde, oder der Einlass 2 unten angeordnet wäre und das Aerosol von unten durch den Boden zugeführt werden

würde.

[0032] Der zumindest eine Strömungskanal 9 kann durch einen hohlzylinderförmigen Sättigungskörper 10 ausgebildet werden. Es kann aber auch ein ringförmiger Strömungskanal 9 im Sättigungskörper 10 ausgebildet werden (wie z.B. in Fig.1). Dabei kann der zentrale Teil des Sättigungskörpers 10 ebenfalls aus saugfähigem, porösem Material bestehen. Gleichfalls kann im Sättigungskörper 10 zentral innen auch ein mechanisch stabilisierender und/oder wärmeleitender Dorn 7 (wie in Fig.1) zur Temperatureinstellung vorgesehen sein. Es können im Sättigungskörper 10 aber auch über den Querschnitt des Sättigungskörpers 10 verteilt eine Vielzahl von Strömungskanälen 9, beispielsweise in Form von axial durchgehenden Bohrungen vorgesehen sein.

[0033] Der Sättigungskörper 10 kann aber auch aus einem für das Betriebsmittel hydraulisch dichtem, aber für das Betriebsmittel diffusionsoffenen Material, beispielsweise einem Polymermaterial wie ein PVC-Material oder Silikonmaterial, gefertigt sein. Das bedeutet, dass das Betriebsmittel durch den Strömungskörper 10, beispielsweise ein Schlauch, strömt und dabei durch Diffusion aus dem Strömungskörper 10, beispielsweise durch die Schlauchwand, durchtreten kann. Hierfür kann eine Umwälzpumpe vorgesehen sein, um das Betriebsmittel durch den schlauchförmigen Sättigungskörper 10 umzuwälzen. Nachdem das Material hydraulisch dicht ist, kann kein Betriebsmittel aufgrund einer Schräglage des Kondensationspartikelzähler 1 oder aufgrund eines Druckunterschiedes im Kondensationspartikelzähler 1 aus dem Sättigungskörper 10 austreten. Ein derartiger schlauchförmiger Sättigungskörper 10 könnte beispielsweise spiralförmig in der Sättigungseinheit S angeordnet sein. Auch ineinander verschachtelte Spiralen wären denkbar. Uber die Anzahl der Windungen eines solchen spiralförmigen Sättigungskörpers 10 könnte beispielsweise auf einfache Weise die Sättigung des Aerosols mit dem Betriebsmittel eingestellt werden. Es könnten sich aber auch mehrere schlauchförmige Sättigungskörper 10 in axialer Richtung durch die Sättigungseinheit S erstrecken. Der Strömungskanal 9 würde dabei jeweils durch die Umgebung des Sättigungskörpers 10 oder den Sättigungskörper 10 ausgebildet werden.

[0034] An der Sättigungseinheit S ist auch zumindest eine Heizeinheit 17 zur Temperierung des Sättigungskörpers 10 vorgesehen, um das Verdampfen des Betriebsmittels zu unterstützen. Beispielsweise könnte die Heizeinheit 17 in Form eines um den Sättigungskörper 10 angeordneten Heizmantels oder in Form eines Dorns 7 im Sättigungskörper 10 ausgeführt sein. Auch verschiedene Heizeinheiten 17 können vorgesehen sein.

[0035] Ein in einem Betriebsmittelbehälter 11 gespeichertes Betriebsmittel 12, beispielsweise Wasser, ein Alkan oder ein Alkohol oder ein anderes geeignetes Medium, wird über eine Leitungsanordnung 13 zu dem Sättigungskörper 10 geführt, wobei innerhalb des Kondensationspartikelzählers 1 kondensiertes Betriebsmittel beispielsweise über eine Leitung 14, eine Betriebsmittelpumpe 15 und ein Filter 16 gesammelt und wieder in den Betriebsmittelbehälter 11 rückgeführt oder einfach abgeführt werden kann. Das Betriebsmittel 12 wird dem Sättigungskörper 10 am dem Einlass 2 zugewandten axialen Ende zugeführt. Das Betriebsmittel 12 steigt aufgrund der Kapillarkräfte nach oben und befeuchtet auf diese Weise den gesamten Sättigungskörper 10. Aus der Kondensationseinheit K entlang der Innenwand zurückströmendes kondensiertes Betriebsmittel kann vom Sättigungskörper 10 aufgenommen und/oder kann auch wie beschrieben abgeführt werden.

[0036] Ebenso kann ein ständiger Druckausgleich zwischen dem Einlass 2 und dem Betriebsmittelbehälter 11 vorgesehen sein, um Druckunterschiede zwischen dem Einlass 2 und dem Betriebsmittelbehälter 11 auszugleichen. Dazu kann eine Druckausgleichleitung 20 zwischen dem Einlass 2, bzw. der Einlassleitung 5, und dem Behälter 11 vorgesehen sein, wie in Fig.1 dargestellt. Alternativ oder in Ergänzung dazu ist in Fig. 1 eine weitere Druckausgleichleitung 23 strichliert eingezeichnet, die vom Betriebsmittelbehälter 11 direkt in den Strömungskanal 9 bzw. den Sättigungskörper 10 reicht und dem Druckausgleich zwischen dem Betriebsmittelbehälter 11 und der Sättigungseinheit S dient. Ebenso können eine oder mehrere weitere Druckausgleichleitungen, die hier nicht eingezeichnet sind, erforderlichenfalls zwischen dem Betriebsmittelbehälter 11 und der Kondensationseinheit K angeordnet sein.

[0037] Das in der Sättigungseinheit S auf eine vorgegebene Temperatur aufgeheizte mit Betriebsmittel übersättigte Aerosol durchströmt die auf eine vorgegebene Temperatur abgekühlte Kondensationseinheit K, wo das Betriebsmittel auf die im Aerosol vorhandenen Partikel aufkondensiert und somit zu der erwünschten Partikelvergrößerung (angedeutete vergrößerte Partikel 26 in Fig.1) führt. Ahnlich zur Sättigungseinheit S besteht auch die Kondensationseinheit K aus einem Kondensationskörper 25 mit zumindest einem Kondensationskanal 24, durch den das Aerosol durch die Kondensationseinheit K durchströmt. Der zumindest eine Kondensationskanal 24 ist mit dem zumindest einen Strömungskanal 9 in der Sättigungseinheit S verbunden. Beispielsweise sind am dem Sättigungskörper 10 zugewandten Ende der Kondensationseinheit K über den Umfang verteilt eine Mehrzahl von Kondensationskanälen 24 angeordnet, die im Bereich des anderen Endes der Kondensationseinheit K zu einem gemeinsamen Kondensationskanal 24 zusammengeführt werden. Ebenso könnte am dem Sättigungskörper 10 zugewandten Ende der Kondensationseinheit K ein ringförmiger Kondensationskanal 24 vorgesehen sei, der am anderen Ende in einen zentralen Kondensationskanal 24 übergeht. An der Kondensationseinheit K ist zumindest eine Kühleinheit 18 vorgesehen, um die Kondensationseinheit K auf die vorgegebene Temperatur zu konditionieren.

[0038] Zwischen der Sättigungseinheit S und der Kondensationseinheit K kann auch ein Übergangsteil 21 angeordnet sein. Der Übergangsteil 21 kann zur Führung der Strömung zwischen dem zumindest einen Strömungskanal 9 in der Sättigungseinheit S und dem damit verbundenen zumindest einen Kondensationskanal 24 in der Kondensationseinheit K dienen. Dazu kann im UÜbergangsteil 21 zumindest ein Ubergangskanal 22 vorgesehen sein, der den zumindest einen Strömungskanal 9 mit dem zumindest einen Kondensationskanal 24 verbindet. Der Übergangsteil 21 kann auch zur thermischen Trennung zwischen der Sättigungseinheit S und der Kondensationseinheit K dienen, beispielsweise durch eine geeignete Materialwahl.

[0039] In der auf die Kondensationseinheit K folgende Messzelle M erfolgt die eigentliche Zählung der durch Kondensation vergrößerten Partikel 26, die mit dem Aerosolstrom aus einer Vereinzelungsdüse 27 austreten. In bekannter Weise ist in der Messzelle M eine Lichteinheit 28 vorgesehen, z.B. eine fokussierte Laserlichtquelle, deren Lichtstrahl auf aus der Vereinzelungsdüse 27 austretende Partikel 26 trifft und an den Partikeln 26 gestreut wird.

[0040] Das entstehende Streulicht wird von einem Photodetektor 29 erfasst und die entstehenden Signale werden an eine nicht dargestellte Auswerteeinheit weitergeleitet. Auch andere Messmethoden können hier zur Anwendung kommen.

[0041] Um ein Verstopfen der kritischen Düse 30 zu verhindern, kann stromaufwärts der kritischen Düse 30 eine Verwirbelungseinheit 36 angeordnet sein. In der Verwirbelungseinheit 36 ist beispielsweise anschließend an einen Strömungsabschnitt 31 ein verengter Bereich 32 vorgesehen, der mit einer scharfen Verwirbelungskante 33 in eine gegenüber dem verengten Bereich 32 aufgeweitete Partikel-Fangkammer 34 mündet. Der verengte Bereich 32 und zusätzlich die Verwirbelungskante 33 führen zu einer Verwirbelung des Aerosolstroms, welche eine Ablagerung von Partikeln 26 vor allem im unteren Randbereich 35 der Partikel-Fangkammer 34 begünstigt (Fig. 1).

[0042] Der zumindest eine Strömungskanal 9, der zumindest eine Übergangskanal 22, der zumindest eine Kondensationskanal 24 und die Vereinzelungsdüse 27, und gegebenenfalls ein Bodenelement 19 und eine Verwirbelungseinheit 36, bilden somit im Kondensationspartikelzähler 1 einen Gasweg G aus, der im Betrieb des Kondensationspartikelzählers 1 vom Aerosol in Strömungsrichtung 8 durchströmt wird.

[0043] Trotz sorgfältiger Auslegung und Konstruktion der Teile des Kondensationspartikelzählers 1 kann es passieren, dass sich flüssiges Betriebsmittel im Gasweg G ansammelt, insbesondere in einem unteren Bereich des Kondensationspartikelzählers 1, beispielsweise im Bodenelement 19, oder den Gasweg G oder sogar die Messzelle M vom Betriebsmittel geflutet wird.

[0044] Um die Gefahr des Flutens des Gasweges G oder des Ansammelns von Betriebsmittel im Gasweg G wirksamer zu unterbinden, ist erfindungsgemäß unterhalb der Sättigungseinheit S,

vorzugsweise zwischen dem Einlass 2 und der Sättigungseinheit S, ein Sammelreservoir 40 angeordnet (Fig.2). Mit anderen Worten ist das Sammelreservoir 40 auf der der Kondensationseinheit K gegenüberliegenden Seite der Sättigungseinheit S vorgesehen. Das Sammelreservoir 40 ist in Fig.2 unterhalb des normalen Gasweges G (durch die Strömungsrichtung 8 angedeutet) angeordnet und stellt damit in normaler Betriebsposition des Kondensationspartikelzählers 1 den tiefsten Punkt für Betriebsmittel im Kondensationspartikelzähler 1 dar. Das Sammelreservoir 40 ist beispielsweise unterhalb des Bodenelements 19 angeordnet oder kann auch als unterer Teil des Bodenelements 19 ausgebildet sein. Das Sammelreservoir 40 ist vom Gasweg G innerhalb des Kondensationspartikelzählers 1 - insbesondere vom im Bodenelement 19 verlaufenden Teil des Gaswegs G - durch einen Verschluss 41 getrennt, sodass das Aerosol nicht in das Sammelreservoir 40 strömen kann. Dieser Verschluss 41 kann durch eine Wand des Bodenelements 19, des Sammelreservoirs 40 oder eine sonstige Gehäusewand des Kondensationspartikelzählers 1 ausgebildet sein. Es kann aber auch eine Öffnung 37 im Bodenelement 19, oder einem anderen Gehäuseteil, vorgesehen sein, die den Gasweg G im Kondensationspartikelzähler 1 mit den Sammelreservoir 40 verbindet, wobei diese Öffnung 37 aber durch den Verschluss 41 verschlossen ist. Ein derartiger separater Verschluss 41 erleichtert den Zugang zum Sammelreservoir 40. Dieser Verschluss 41 kann auch - vergleichbar dem Sättigungskörper 10 - aus einem saugfähigen, porösen Material gefertigt sein. Das Sammelreservoir 40 kann in einem Reservoirkörper 42 angeordnet sein, der am Kondensationspartikelzähler 1 angeordnet wird, beispielsweise am Bodenelement 19.

[0045] Orientierungen wie „unterhalb“, „oberhalb“, „oben“ oder „unten“ sind mit Bezug auf die wirkende Schwerkraft zu verstehen, wonach Flüssigkeiten durch die Schwerkraft von oben nach unten fließen.

[0046] Vom Sammelreservoir 40 führt eine Betriebsmittelrückführleitung 43 zurück in den Betriebsmittelbehälter 11. Hierzu kann auch eine Förderpumpe 44 in der Betriebsmittelrückführleitung 43 vorgesehen sein. Bedarfsweise kann in der Betriebsmittelrückführleitung 43 auch ein Filter 16 (stromaufwärts oder stromabwärts der Pumpe 44) vorgesehen sein, um Verschmutzungen des Betriebsmittels vor dem Betriebsmittelbehälter 11 auszufiltern.

[0047] Das Sammelreservoir 40 dient damit lediglich der Rückführung von Betriebsmittel 12 aus dem Kondensationspartikelzähler 1 in den Betriebsmittelbehälter 11 und nicht der Bevorratung von Betriebsmittel für den ordnungsgemäßen Betrieb des Kondensationspartikelzählers 1. Es gibt daher keine direkte Verbindung zwischen dem Sammelreservoir 40 und dem Sättigungskörper 10, über die Betriebsmittel 12 von dem Sammelreservoir 40 an den Sättigungskörper 10 gelangen kann. Das Sammelvolumen im Sammelreservoir 40 kann daher im Vergleich zum Betriebsmittelbehälter 11 deutlich kleiner sein, insbesondere kleiner als das Volumen an Betriebsmittel 12, das für den ordnungsgemäßen Betrieb des Kondensationspartikelzählers 1 benötigt wird.

[0048] Mittels einer Betriebsmittelzuführleitung 45 wird dem Sättigungskörper 10 Betriebsmittel 12 aus dem Betriebsmittelbehälter 11 zugeführt. Auch hierfür kann in der Betriebsmittelzuführleitung 45 eine Förderpumpe 46 angeordnet sein. An sich ist es für die gegenständliche Erfindung unerheblich, an welcher axialen Position des Sättigungskörpers 10 das Betriebsmittel 12 zugeführt wird.

[0049] Das Betriebsmittel 12 kann so wie bei herkömmlichen Kondensationspartikelzählern 1 im unteren Bereich des Sättigungskörpers 10 zugeführt werden, so dass das Betriebsmittel 12 durch die Kapillarwirkung im Sättigungskörper 10 nach oben steigt. Die axiale Länge des Sättigungskörpers 10 ist aber durch die Kapillarwirkung, die auch gegen die Schwerkraft wirkt, begrenzt. Falls die Länge zu groß gewählt wird, ist möglicherweise keine vollständige Benetzung des Sättigungskörpers 10 sichergestellt.

[0050] Das Betriebsmittel 12 kann aber in vorteilhafter Weise auch im oberen Bereich des Sättigungskörpers 10 zugeführt werden, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Die Zufuhr von Betriebsmittel 12 im oberen, der Kondensationseinheit K zugewandten Bereich des Sättigungskörpers 10 ermöglicht die Verwendung von Sättigungskörpern 10 ohne Kapillarwirkung, da das Betriebsmittel 12 durch die Schwerkraft nach unten fließt. Abgesehen davon spielt in diesem Fall die axiale Länge

des Sättigungskörpers 10 keine Rolle. Die Sättigung des Sättigungskörpers 10 mit Betriebsmittel 12 wird am schnellsten erfolgen, wenn ein Sättigungskörper 10 mit Kapillarwirkung verwendet wird und das Betriebsmittel 12 im oberen Bereich zugeführt wird. In diesem Fall wirken die Kapillarkräfte mit der Schwerkraft, was die Sättigung unterstützt. Vorteilhafterweise wird daher eine Zuführung des Betriebsmittels 12 im oberen Drittel (also im Bereich des dem Einlass 2 abgewandten axialen Endes) des Sättigungskörpers 10 vorgesehen. Damit befeuchtet das Betriebsmittel 12 den Sättigungskörper 10 nicht alleine durch die Kapillarwirkung, sondern das Betriebsmittel 12 fließt durch die Schwerkraft und unterstützt von der Kapillarwirkung nach unten, um den Bereich unterhalb der Zuführung von Betriebsmittel 12 zu befeuchten. Oberhalb der Zuführung erfolgt die Befeuchtung mit Betriebsmittel 12 nach wie vor durch die Kapillarwirkung.

[0051] Am unteren Ende des Sättigungskörpers 10 wird das überschüssige Betriebsmittel 12 gesammelt und mittels zumindest einer Sammelleitung 47 in das Sammelreservoir 40 geleitet. Vorzugsweise sind über den Umfang des Kondensationspartikelzählers 1 verteilt mehrere Sammelleitungen 47 vorgesehen. Wenn mehrere Sammelleitungen 47 über den Umfang verteilt angeordnet sind, dann kann eine Abführung des Betriebsmittels 12 in verschiedenen Neigungslagen des Kondensationspartikelzählers 1 sichergestellt werden. Die Sammelleitung 47 kann, wie in Fig. 2 dargestellt, im bzw. durch das Bodenelement 19 hindurchführend oder in einem anderen Gehäuseteil des Kondensationspartikelzählers 1 angeordnet sein. Es kann aber auch eine separate Sammelleitung 47, beispielsweise ein Schlauch, mit außerhalb des Kondensationspartikelzähler 1 liegendem Verlauf vorgesehen sein.

[0052] Durch die Sammelleitung 47 und die Rückführung des Betriebsmittels 12 in den Betriebsmittelbehälter 11 über das Sammelreservoir 40 wird verhindert, dass überschüssiges, flüssiges Betriebsmittel 12 aus dem Sättigungskörper 10 austritt und in den Gasweg G tropft und sich dort ansammelt. Nachdem das Sammelreservoir 40 vom Gasweg G getrennt ist, kann auch bei einer Neigung a des Kondensationspartikelzählers 1 kein Betriebsmittel 12 aus dem Sammelreservoir 40 in den Gasweg G gelangen (wie in Fig. 3 dargestellt), was die Betriebssicherheit, insbesondere bei möglichen Neigungen, erhöht.

[0053] In der Fig. 3 ist eine Längsachse 100 des Kondensationspartikelzählers 1 gegenüber der normalen senkrechten Betriebsposition (Längsachse senkrecht) bzw. einer Vertikalen 101 um einen Winkel a geneigt, beispielsweise bei mobiler Verwendung des Kondensationspartikelzählers 1 an einem bewegten Fahrzeug. In der Ausgestaltung des Kondensationspartikelzählers 1 nach Fig. 3 wird das Aerosol schräg von oben nach unten zugeführt und der Einlass 2 ist entsprechend vorgesehen. Im Sättigungskörper 10 sind mehrere Strömungskanäle 9 vorgesehen. Im Sammelreservoir 40 bildet sich aufgrund der Neigung ein waagrechtes Betriebsmittelniveau aus. Durch die Trennung des Gasweges G vom Sammelreservoir 40, hier durch einen nichtporösen Verschluss 41, kann aber kein Betriebsmittel 12 aus dem Sammelreservoir 40 in den Gasweg G gelangen. Das Betriebsmittel 12 bleibt getrennt vom Gasweg G und kann über die Betriebsmittelrückführleitung 43 abgeführt werden.

[0054] In Fig. 3 ist auch eine vorteilhafte Ausgestaltung der Sammlung des überschüssigen Betriebsmittels des Sättigungskörper 10 gezeigt. Im Bodenelement 19, oder einem anderen Gehäuseteils des Kondensationspartikelzählers 1, ist eine Vertiefung 48, vorzugsweise eine über den Umfang geschlossene Vertiefung 48, vorgesehen, in der zumindest ein Teil des unteren Endes des Sättigungskörpers 10 angeordnet ist. In dieser Vertiefung 48 kann sich das flüssige Betriebsmittel 12 sammeln. Die Vertiefung 48 ist über die zumindest eine Sammelleitung 47 mit dem Sammelreservoir 40 verbunden.

[0055] Bei sehr großen Neigungen des Kondensationspartikelzählers 1 könnte aber flüssiges Betriebsmittel 12 an einer den zumindest einen Strömungskanal 9 begrenzende Umfangsfläche des Sättigungskörper 10 austreten und in den Gasweg G tropfen. Ebenso ist es möglich, dass kondensiertes Betriebsmittel aus der Kondensationseinheit K nach unten in den Sättigungskörper 10 oder allgemeiner in die Sättigungseinheit S fließt. In beiden Fällen würde sich das Betriebsmittel 12 im Gasweg G im Bereich des Bodens des Kondensationspartikelzählers 1 sammeln. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, wenn der Verschluss 41 zwischen Gasweg G und dem Sam-

melreservoir 40 zumindest teilweise aus einem saugfähigen, porösen Material - ähnlich wie das Material des Sättigungskörpers 10 - gefertigt ist. Beispielsweise könnte der Verschluss 41 aus diesem Material gefertigt sein. Auf diese Weise würde das sich am Boden ansammelnde Betriebsmittel 12 aufgrund der wirkenden Kapillarkräfte und aufgrund der Schwerkraft durch das poröse Material hindurchtreten und in das Sammelreservoir 40 gelangen. Gleichzeitig würde die Trennung auch die Sättigung des Aerosols mit Betriebsmittel 12 unterstützen, da das Aerosol an der Trennung vorbeiströmt.

[0056] Die Verwendung eines Verschlusses 41 aus einem saugfähigen, porösen Material ist auch bei Verwendung eines Sättigungskörpers 10 aus einem für das Betriebsmittel hydraulisch dichtem, aber für das Betriebsmittel diffusionsoffenen Material, vorteilhaft. Aus der Kondensationseinheit K rückströmendes Betriebsmittelkondensat kann in diesem Fall nicht vom Sättigungskörper 10 aufgenommen werden und würde sich im Bodenbereich sammeln. Durch den porösen Verschluss 41 im Bodenbereich kann das Betriebsmittel 12 in das Sammelreservoir geleitet und somit aus dem Gasweg G abgeführt werden.

[0057] Um bei einer porösen Trennung durch einen zumindest teilweise porösen Verschluss 41 ein Rückströmen des Betriebsmittels 12 in den Gasweg G bei einer Neigung a des Kondensationspartikelzählers 1 wirksam zu unterbinden, könnte zwischen dem Gasweg G und dem Sammelreservoir 40 eine Druckdifferenz Ap erzeugt werden, wie anhand der Fig. 4 erläutert wird. Eine solche Druckdifferenz Ap könnte mittels der Förderpumpe 44 auf einfache Weise eingestellt werden. Im Gasweg G herrscht in etwa der Umgebungsdruck aus der Umgebung des Kondensationspartikelzählers 1. Damit könnte man den Druck ps im Sammelreservoir 40 mit der Förderpumpe 44 in der Betriebsmittelrückführleitung 43 gegenüber dem Druck pa im Gasweg G absenken, um eine Druckdifferenz Ap zu erzeugen. Aufgrund der Druckdifferenz Ap = pa - ps kann auch bei einer Neigung a und dem sich einstellenden waagrechten Betriebsmittelniveau im Sammelreservoir 40 kein Betriebsmittel 12 aus dem Sammelreservoir 40 durch den porösen Verschluss 41 hindurch in den Gasweg G gelangen.

[0058] Die Druckdifferenz Ap = pc - ps könnte dabei auch in Abhängigkeit von der Neigung a eingestellt werden. Die Druckdifferenz Ap = pse - ps sollte größer sein, als der wirkende hydrostatische Druck des Betriebsmittels 12 im Sammelreservoir 40.

[0059] In Fig. 4 ist auch eine vorteilhafte Ausführung eines porösen Verschlusses 41 dargestellt. In dieser Ausgestaltung hat der Verschluss 41 einen zentralen nicht-porösen Teil 49, der von einem porösen Teil umgeben ist. Es könnte aber auch die Öffnung 37 im Bodenelement 19, oder in einem anderen Gehäuseteil des Kondensationspartikelzählers 1 im zentralen Bereich unterbrochen sein, um diesen zentralen nicht-porösen Teil 49 auszubilden. Ebenso könnten im Verschluss 41, der aus einem nicht-porösen Material gefertigt ist, über den Umfang verteilt mehrere Ausnehmungen angeordnet sein, die mit einem porösen Material verschlossen sind.

Claims (10)

Patentansprüche

1. Kondensationspartikelzähler mit einem Einlass (2) zur Zuführung eines Aerosols, einer Sättigungseinheit (S) mit zumindest einem Sättigungskörper (10), einer Kondensationseinheit (K), einer Messzelle (M) und einem Auslass (4) zur Abführung des Aerosols, wobei der Einlass (2), die Sättigungseinheit (S), die Kondensationseinheit (K), die Messzelle (M) und der Auslass (4) in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind und vom Aerosol entlang eines Gasweges (G) durchströmbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine Betriebsmittelzuführleitung (45) vorgesehen ist, um dem Sättigungskörper (10) aus einem Betriebsmittelbehälter (11) flüssiges Betriebsmittel (12) zuzuführen, dass auf einer der Kondensationseinheit (K) gegenüberliegenden Seite der Sättigungseinheit (S) ein Sammelreservoir (40) vorgesehen ist, das durch einen Verschluss (41) vom Gasweg (G) getrennt ist und dass zumindest eine, die Sättigungseinheit (S) mit dem Sammelreservoir (40) verbindende Sammelleitung (47) vorgesehen ist.

2. Kondensationspartikelzähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsmittelzuführleitung (45) im oberen, der Kondensationseinheit (K) zugewandten Bereich, vorzugsweise im oberen Drittel, des Sättigungskörpers (10) angeordnet ist.

3. Kondensationspartikelzähler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sammelreservoir (40) zur Abführung von Betriebsmittel (12) aus dem Sammelreservoir (40) mit einer Betriebsmittelrückführleitung (43) verbunden ist, in der eine Förderpumpe (44) angeordnet ist, wobei vorzugsweise die Betriebsmittelrückführleitung (43) mit dem Betriebsmittelbehälter (11) verbunden ist und Betriebsmittel (12) aus dem Sammelreservoir (40) in den Betriebsmittelbehälter (11) abführbar ist.

4. Kondensationspartikelzähler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschluss (41) zumindest teilweise aus einem porösen, saugfähigen Material gefertigt ist.

5. Kondensationspartikelzähler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sättigungskörper (10) aus einem für das Betriebsmittel (12) hydraulisch dichtem, aber diffusionsoffenen Material gefertigt ist.

6. Kondensationspartikelzähler nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Förderpumpe (44) der Druck (ps) im Sammelreservoir (40) gegenüber dem Druck (pa) im Gasweg (G) zur Ausbildung einer Druckdifferenz (Ap) absenkbar ist.

7. Kondensationspartikelzähler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bodenelement (19) vorgesehen ist, in das der Einlass (2) für Aerosol mündet und in dem der Gasweg (G) zumindest teilweise verläuft, wobei das Bodenelement (19) zwischen der Sättigungseinheit (S) und dem Sammelreservoir (40) angeordnet ist.

8. Kondensationspartikelzähler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Sammelleitung (47) im Bodenelement (19) angeordnet ist.

9. Kondensationspartikelzähler nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Bodenelement (19) eine mit dem im Bodenelement (19) verlaufenden Teil des Gaswegs (G) in Verbindung stehende Öffnung (37) zum Sammelreservoir (40) vorgesehen ist, die mit dem Verschluss (41) verschlossen ist.

10. Kondensationspartikelzähler nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Bodenelement (19) eine Vertiefung (48) vorgesehen ist, in der der Sättigungskörper (10) zumindest teilweise angeordnet ist und die zumindest eine Sammelleitung (47) als Verbindung zwischen der Vertiefung (48) und dem Sammelreservoir (40) ausgeführt ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen