AT523536B1

AT523536B1 - Partikelabscheider für Fluide mit einer innerhalb einer Einlasskammer angeordneten und mit dieser strömungsverbundenen Auslasskammer

Info

Publication number: AT523536B1
Application number: ATA50706/2020A
Authority: AT
Inventors: Eslamian Alireza; Schifko Martin
Original assignee: Ess Holding Gmbh
Priority date: 2020-08-21
Filing date: 2020-08-21
Publication date: 2021-09-15
Also published as: US20230321578A1; WO2022036383A1; EP4200052A1; AT523536A4; CN115884830A

Abstract

Es wird ein Partikelabscheider (1) für Fluide mit einer innerhalb einer Einlasskammer (2) angeordneten und mit dieser strömungsverbundenen Auslasskammer (3) beschrieben, wobei die Einlasskammer (2) eine um eine quer zur Hauptströmungsrichtung in der Einlasskammer (2) verlaufende Hauptachse (4) gekrümmte Führungsfläche (5) für das über einen Einlasskanal (6) in die Einlasskammer (2) einströmende Fluid aufweist. Um einen Partikelabscheider der eingangs geschilderten Art so auszugestalten, dass Partikel weitgehend unabhängig von der Ausrichtung des Partikelabscheiders relativ zum Gravitationsvektor aus dem Fluid gefiltert werden können und auch nach Abriss des Fluidstroms und eventueller Lageänderung nicht in den Auslasskanal gelangen, wird vorgeschlagen, dass die Auslasskammer (3) gegenüber der Einlasskammer (2) quer zur Richtung der Hauptachse (4) geschlossen und in Richtung der Hauptachse (4) offen ist und dass die Auslasskammer (3) einen durch die Einlasskammer (2) hindurch verlaufenden Auslasskanal (7) aufweist.

Description

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Partikelabscheider für Fluide mit einer innerhalb einer Einlasskammer angeordneten und mit dieser strömungsverbundenen Auslasskammer, wobei die Einlasskammer eine um eine quer zur Hauptströmungsrichtung in der Einlasskammer verlaufende Hauptachse gekrümmte Führungsfläche für das über einen Einlasskanal in die Einlasskammer einströmende Fluid aufweist.

[0002] Aus dem Stand der Technik sind Partikelabscheider für Fluide in mannigfaltigen Ausführungsformen bekannt. Beispielsweise zeigt die WO2018175753A1 einen zylindrischen Partikelabscheider mit einem achsparallelen Einlass und Auslass, bei dem das Fluid in einer Einlasskammer einer bogenförmigen Strömungsrichtung folgt. Dort werden abzuscheidende Partikel aufgrund der Zentripetalkraft an den äußeren Rand der Einlasskammer gedrückt und abgebremst, während das gereinigte Fluid über eine Auslasskammer entweicht. Die zylinderförmige Auslasskammer ist innerhalb der Einlasskammer konzentrisch zu dieser angeordnet und mit der Einlasskammer über einen Durchbruch im Mantel strömungsverbunden.

[0003] Nachteilig am Stand der Technik ist allerdings, dass Partikel nur dann effektiv abgeschieden werden, wenn der Partikelabscheider relativ zum Gravitationsvektor korrekt ausgerichtet ist. Ist der Durchbruch in der Mantelkammer nicht parallel zum Gravitationsvektor ausgerichtet, beispielsweise durch eine Verkippung des Partikelabscheiders, können bereits abgeschiedene Partikel von der Einlass- in die Auslasskammer, und damit in den gereinigten Fluidstrom, gelangen. Die Wahrscheinlichkeit einer solchen Kontamination erhöht sich insbesondere nach Abriss des Fluidstroms, wenn keine Zentripetalkräfte mehr wirken. Zwar weisen andere Partikelabscheider aus dem Stand der Technik Auffangbehälter für die abgeschiedenen Partikel auf, diese unterliegen bei ausreichender Verkippung allerdings denselben Problemen.

[0004] Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Partikelabscheider so auszugestalten, dass Partikel weitgehend unabhängig von der Ausrichtung des Partikelabscheiders relativ zum Gravitationsvektor aus dem Fluid gefiltert werden können und auch nach Abriss des Fluidstroms und eventueller Lageänderung nicht in den Auslasskanal gelangen.

[0005] Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass die Auslasskammer gegenüber der Einlasskammer quer zur Richtung der Hauptachse geschlossen und in Richtung der Hauptachse offen ist und dass die Auslasskammer einen durch die Einlasskammer hindurch verlaufenden Auslasskanal aufweist. Der quer zur Richtung der Hauptachse geschlossene Teil der Auslasskammer begrenzt mit der Führungsfläche der Einlasskammer den Bereich, in dem mittels Fliehkraft die Partikel aus dem zu reinigenden Fluid abgeschieden werden und sich unter Einfluss der Gravitation absetzen. Dies geschieht unabhängig von der räumlichen Ausrichtung des Partikelabscheiders zum Gravitationsvektor. Da jedoch die Auslasskammer nur in Richtung der Hauptachse geöffnet, und somit mit der Einlasskammer strömungsverbunden ist, bildet sich keine durchgängige Führungsfläche aus, an denen die Partikel unter Einfluss der Gravitationskraft zum Auslasskanal bewegt werden können. Dieser Effekt kann dadurch verstärkt werden, dass die Öffnung der Auslasskammer von der Führungsfläche der Einlasskammer beabstandet ist. Dies senkt die Wahrscheinlichkeit des Eindringens abgeschiedener Partikel in den Auslasskanal drastisch ab und zwar selbst dann, wenn der Partikelabscheider nach Abriss des Fluidstroms gekippt wird. Der Einlasskanal kann dabei je nach Anwendungsgebiet und Anforderungen an den Partikelabscheider entweder tangential, bogenförmig oder radial in die Einlasskammer münden. Nachdem die Auslasskammer vorzugsweise zu allen Seiten hin von der Führungsfläche der Einlasskammer beabstandet ist, muss die Auslasskammer innerhalb der Einlasskammer entsprechend gelagert werden. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Auslasskammer über den durch die Einlasskammer hindurch verlaufenden Auslasskanal abgestützt ist. Die Auslasskammer kann in einer oder in beide Richtungen der Hauptachse zur Einlasskammer hin offen sein.

[0006] Um bei gleicher Eintrittsgeschwindigkeit des Fluids eine erhöhte Abscheideeffizienz zu erreichen, kann sich der von der Führungsfläche begrenzte freie Querschnitt der Einlasskammer in Richtung der Hauptachse verkleinern. Dies führt zu einer Erhöhung der Strömungsgeschwin-

digkeit und damit der wirkenden Fliehkraft proportional zur Verkleinerung des freien Querschnitts. Dadurch können leichtere Partikel abgeschieden werden, ohne die Eintrittsgeschwindigkeit des Fluids erhöhen zu müssen. Darüber hinaus können sich dadurch die abgeschiedenen Partikel in einem kleineren, definierten Bereich absetzen, sodass Kontaminationen weiter reduziert werden können. Wird der freie Querschnitt durch eine Neigung und/oder Krümmung der Führungsfläche quer zur Hauptachse verkleinert, so reduziert sich mit dem kleiner werdenden freien Querschnitt auch der maximale Radius der um die Hauptachse und damit um die Auslasskammer umlaufenden Fluidströmung, sodass nicht nur die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit, sondern auch der verringerte Radius zu einer Erhöhung der Zentripetalkraft und damit der Abscheidungsrate führt.

[0007] Nach Abriss des Fluidstromes wirkt nur die Gravitationskraft auf die abgeschiedenen Partikel. Da die Auslasskammer in Richtung der Hauptachse offen ist, können bei entsprechender Verkippung des Partikelabscheiders bereits abgeschiedene Partikel in die Auslasskammer gelangen. Um unter diesen Umständen zu vermeiden, dass abgeschiedene Partikel in den Auslasskanal gelangen, wird vorgeschlagen, dass der Auslasskanal quer zur Hauptachse verläuft. Durch diese Anordnung können keine abgeschiedenen Partikel auf direktem Weg von der Auslasskammer in den Auslasskanal gelangen. Da sich keine durchgängige Führungsfläche ausbildet, an denen die Partikel unter Einfluss der Gravitationskraft zur Auslasskammer bewegt werden können, können Partikel nur durch freien Fall, also einer geradlinigen Bewegung, in die Auslasskammer gelangen. Verläuft der Auslasskanal allerdings quer zur Hauptachse, wird das Erreichen des Auslasskanals und damit eine Kontamination durch diese geradlinige Bewegung massiv erschwert. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform mündet der Auslasskanal tangential zur Hauptachse in die Auslasskammer.

[0008] Die Größe der abzuscheidenden Partikel kann neben der Fluidgeschwindigkeit mit der Krümmung der Führungsfläche in einer Ebene quer zur Hauptachse ausgewählt werden. Um die Partikel möglichst effizient abzuscheiden, kann die Einlasskammer quer zur Hauptachse einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Dadurch weist die Führungsfläche der Einlasskammer in einer Ebene quer zur Hauptachse an jeder Stelle dieselbe Krümmung auf, wodurch die auf die abzuscheidenden Partikel wirkende Fliehkraft konstant gehalten wird. Dies ermöglicht ein gleichmäßiges Abscheiden von Partikeln definierter Größe und erhöht somit die Abscheideeffizienz.

[0009] Partikel können noch effizienter aus dem Fluid abgeschieden werden, wenn das Fluid länger im Partikelabscheider verbleibt. Um die Verweildauer mit einfachen baulichen Maßnahmen zu steuern, kann daher der Querschnitt des Einlasskanals den des Auslasskanals übersteigen. Dies resultiert in einem erhöhten Strömungswiderstand beziehungsweise einem Druckaufbau innerhalb des Partikelabscheiders, welcher in einer längeren Verweildauer des Fluids im Partikelabscheider resultiert.

[0010] Um zu verhindern, dass Partikel aus dem Einlasskanal direkt in den Auslasskanal befördert werden, wird vorgeschlagen, dass der Einlass- und der Auslasskanal in einer quer zur Hauptachse verlaufenden Zentralebene verlaufen. Da die Auslasskammer quer zur Richtung der Hauptachse geschlossen ist, bildet sie eine physische Barriere für abzuscheidende Partikel im Fluidstrom und verhindert dadurch, dass diese direkt oder über mögliche Verwirbelungen in den Auslasskanal eintreten.

[0011] Der Einlass- und der Auslasskanal können wenigstens abschnittsweise bogenförmig um die Einlasskammer verlaufen.

[0012] Die Auslasskammer kann über den Auslasskanal in der Einlasskammer abgestützt werden. Ist allerdings beispielsweise der Auslasskanal verhältnismäßig klein im Vergleich zur Auslasskammer, oder sind die verwendeten Materialien nicht ausreichend belastbar, können weitere Verankerungen der Auslasskammer vonnöten sein. Um die Stabilität und Langlebigkeit des Partikelabscheiders zu erhöhen, ohne dabei seine Funktionsweise zu beeinträchtigen, wird vorgeschlagen, dass die Einlasskammer im Bereich ihres größten freien Querschnitts über eine quer zur Hauptachse verlaufende Trennwand in zwei Halbkammern getrennt ist. Diese Trennwand kann einerseits den gesamten Partikelabscheider durch auftretende externe und interne Kräfte aussteifen und andererseits eine belastbare Verbindung zwischen Einlass- und Auslasskammer

bilden. Um bei dieser Ausführungsform eine Kontamination des gereinigten Fluidstroms im Auslasskanal durch bereits abgeschiedene Partikel zu vermeiden, wird vorgeschlagen, dass die Trennwand von der Auslasskammer durchbrochen wird und diese somit nicht durchsetzt. Dadurch können schwerkraftbedingt in die Auslasskammer eingetragene Partikel durch die Auslasskammer hindurch wieder in die Einlasskammer gelangen, ohne dass die Gefahr besteht, dass die Partikel bei einer Verkippung des Partikelabscheiders in den Auslasskanal gelangen. Der Einlass- und der Auslasskanal können hierbei ebenfalls von der Trennwand in zwei Halbkanäle getrennt werden, ohne die Funktionsweise des Partikelabscheiders zu beeinträchtigen. Die Trennwand kann besonders bevorzugt auf Höhe der Zentralebene verlaufen.

[0013] Damit gewährleistet werden kann, dass sich bei einer Verkippung des Partikelabscheiders die Effizienz des Abscheidevorgangs nicht ändert, bzw. dass durch eine Lageänderung plötzlich Partikel anderer Größe abgeschieden werden, wird vorgeschlagen, dass die zwei Halbkammern symmetrisch zur Trennwand ausgebildet sind. Dadurch werden die wirkenden Fliehkräfte in beiden Halbkammern gleich hochgehalten, was in den gleichen Abscheideeigenschaften resultiert. Bevorzugter Weise kann auch die Auslasskammer symmetrisch in Bezug auf die Zentralebene beziehungsweise in Bezug auf die Trennwand ausgebildet sein.

[0014] Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf einen Filter mit Partikelabscheidern bei dem mehrere Partikelabscheider in einer Matrix nebeneinander angeordnet sind, wobei die Einlasskanäle in eine gemeinsame Einlassseite und die Auslasskanäle in eine gemeinsame Auslassseite des Filters münden. Durch diese Anordnung kann eine hohe Anzahl an Partikelabscheidern in der Matrix des Filters dicht gepackt und parallelgeschaltet werden. Grenzen die Einlasskammern unmittelbar aneinander an und sind sowohl die Einlass- als auch die Auslasskanäle parallel zueinander angeordnet, kann die Packungsdichte zusätzlich erhöht werden. Ein solcher Filter kann beispielsweise in eine Atemmaske oder in die Belüftung eines Gebäudes eingesetzt werden. Durch die Verwendung kostengünstiger Materialien und Produktionsverfahren, wie beispielsweise Spritzguss, können die Filter entsorgt werden, sobald die Filterleistung aufgrund der angesammelten, abgeschiedenen Partikel innerhalb der Partikelabscheider nachlässt.

[0015] In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen [0016] Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Partikelabscheiders,

[0017] Fig. 2 eine entlang der Linie IV - IV der Fig.1 aufgerissene perspektivische Ansicht des Partikelabscheiders in gleichem Maßstab,

[0018] Fig. 3 einen Schnitt durch einen Filter mit matrixförmig nebeneinander angeordneten Partikelabscheidern in einem kleineren Maßstab und

[0019] Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer Schutzmaske mit mehreren Filtern der Fig. 1 in einem noch kleineren Maßstab.

[0020] Ein erfindungsgemäßer Partikelabscheider 1 weist eine Einlasskammer 2 und eine innerhalb der Einlasskammer 2 angeordnete Auslasskammer 3 auf, die miteinander strömungsverbunden sind. Die Einlasskammer 2 umfasst eine um eine quer zur Hauptströmungsrichtung in der Einlasskammer 2 verlaufende Hauptachse 4 gekrümmte Führungsfläche 5 für ein über einen Einlasskanal 6 in die Einlasskammer 2 einströmendes Fluid. Der Einlasskanal 6 mündet tangential zur Hauptachse 4 in die Einlasskammer 2. Die Auslasskammer 3 ist gegenüber der Einlasskammer 2 quer zur Richtung der Hauptachse 4 geschlossen und in Richtung der Hauptachse 4 offen und verfügt über einen durch die Einlasskammer 2 hindurch verlaufenden Auslasskanal 7, der bevorzugt quer zur Hauptachse 4 verläuft. Auch kann der Durchmesser des Einlasskanals 6 den des Auslasskanals 7 übersteigen, um die Verweildauer des Fluids im Partikelabscheider 1 zu erhöhen. Liegen sowohl Einlasskanal 6 als auch Auslasskanal 7 in einer quer zur Hauptachse 4 verlaufenden Zentralebene, kann vermieden werden, dass Partikel aus dem Einlasskanal 6 direkt in den Auslasskanal 7 befördert werden. Wie insbesondere den Figuren 3 und 4 zu entnehmen ist, kann die Einlasskammer 2 quer zur Hauptachse 4 einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, um eine höhere Abscheideeffizienz zu erreichen. Insgesamt kann das Gehäuse des Partikelabscheiders 1 im Wesentlichen die Grundform einer Kugel besitzen. Zur Aussteifung des Partikel-

abscheiders 1 und als belastbare Verbindung zwischen Einlasskammer 2 und Auslasskammer 3 kann eine quer zur Hauptachse 4 verlaufende Trennwand 8 vorgesehen sein, die die Einlasskammer 2 im Bereich ihres größten Querschnitts in zwei Halbkammern 9, 10 trennt. In diesem Fall können diese beiden Halbkammern 9, 10 vorzugsweise symmetrisch zur Trennwand 8 ausgebildet sein.

[0021] Die Fig. 3 zeigt eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Anordnung der Partikelabscheider 1 in einem Filter, bei der die Einlasskammern 2 der Partikelabscheider 1 dicht gepackt in einer Matrix nebeneinanderliegen und alle Einlasskanäle 6, sowie alle Auslasskanäle 7 parallel angeordnet sind.

[0022] Wie der Fig. 4 zu entnehmen ist, können die Partikelabscheider 1 in einem Filter 11 einer Maske 12 in einer Matrix nebeneinander angeordnet sein, wobei die Einlasskanäle 6 in eine gemeinsame Einlassseite 13 und die Auslasskanäle 7 in eine gemeinsame Auslassseite 14 des Filters 11 münden.

Claims

Patentansprüche

1. Partikelabscheider (1) für Fluide mit einer innerhalb einer Einlasskammer (2) angeordneten und mit dieser strömungsverbundenen Auslasskammer (3), wobei die Einlasskammer (2) eine um eine quer zur Hauptströmungsrichtung in der Einlasskammer (2) verlaufende Hauptachse (4) gekrümmte Führungsfläche (5) für das über einen Einlasskanal (6) in die Einlasskammer (2) einströmende Fluid aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslasskammer (3) gegenüber der Einlasskammer (2) quer zur Richtung der Hauptachse (4) geschlossen und in Richtung der Hauptachse (4) offen ist und dass die Auslasskammer (3) einen durch die Einlasskammer (2) hindurch verlaufenden Auslasskanal (7) aufweist.

2. Partikelabscheider (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der von der Führungsfläche (5) begrenzte freie Querschnitt der Einlasskammer (2) in Richtung der Hauptachse (4) verkleinert.

3. Partikelabscheider (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslasskanal (7) quer zur Hauptachse (4) verläuft.

4. Partikelabscheider (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlasskammer (2) quer zur Hauptachse (4) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.

5. Partikelabscheider (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Einlasskanals (6) den des Auslasskanals (7) übersteigt.

6. Partikelabscheider (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass- (6) und der Auslasskanal (7) in einer quer zur Hauptachse (4) verlaufenden Zentralebene verlaufen.

7. Partikelabscheider (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dass die Einlasskammer (2) im Bereich ihres größten freien Querschnitts über eine quer zur Hauptachse (4) verlaufende Trennwand (8) in zwei Halbkammern (9, 10) getrennt ist.

8. Partikelabscheider (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Halbkammern (9, 10) symmetrisch zur Trennwand (8) ausgebildet sind.

9. Filter (11) mit Partikelabscheidern (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Partikelabscheider (1) in einer Matrix nebeneinander angeordnet sind, wobei die Einlasskanäle (6) in eine gemeinsame Einlassseite (13) und die Auslasskanäle (7) in eine gemeinsame Auslassseite (14) des Filters (11) münden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen