CN102575624A - 微粒捕集器和包括微粒捕集器的过滤器装置 - Google Patents

微粒捕集器和包括微粒捕集器的过滤器装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于从流体(90)中去除微粒的微粒捕集器(100)，该微粒捕集器包括导管(10)，该导管(10)包括：(i)壁(16)；(ii)具有至少一个弯曲部(200)的弯曲区域(20)，该弯曲区域(20)具有基于流体(90)沿着导管(10)流动的纵向流动方向(70)而言的上游侧(20a)和下游侧(20b)；(iii)入口(12)，该入口(12)位于所述弯曲区域(20)的上游侧(20a)；(iv)至少一个第一出口(40)，该至少一个第一出口(40)位于所述弯曲区域(20)的下游侧(20b)；(v)至少一个第二出口(50)，该至少一个第二出口(50)位于所述弯曲区域(20)的下游侧(20b)或下游；(vi)其中，该至少一个第一出口(40)布置在第一区域(26)内并与所述壁(16)相隔一定距离，在该至少一个第一出口(40)处，在所述导管(10)的运行期间，流体(90)中的微粒浓度在运行期间低于所述壁(16)附近的微粒浓度；(vii)其中，该至少一个第二出口(50)布置在所述壁(16)附近，在该至少一个第二出口(50)处，在所述导管(10)的运行期间，微粒浓度高于布置有所述至少一个第一出口(40)的位置处的微粒浓度；(viii)其中，该至少一个第一出口(40)布置在所述导管(10)的如下区域(300)内：在该区域(300)处，在所述导管(10)的运行期间，具有高微粒浓度的流体(90)与具有低微粒浓度的流体(90)之间的分离是通过所述流体(90)在所述导管(10)中围绕纵向流动方向(70)的涡旋运动来控制的；并且(ix)其中，该至少一个第一出口(40)布置于：在所述导管(10)的运行期间在流体(90)中产生的涡旋(80、80a、80b)的大致中心区域(82、82a、82b)内。

Description

微粒捕集器和包括微粒捕集器的过滤器装置
技术领域
本发明涉及从流体中去除微粒的领域。更具体地，本发明涉及一种微粒捕集器和包括微粒捕集器的过滤器装置。
背景技术
在本领域中，已知许多类型的流体被微粒污染，且必须在使用该流体之前将其净化。例如，在燃烧发动机中使用的空气是从周围环境中吸入的，从而，在新鲜空气被输送到燃烧发动机中之前，必须滤除该空气中携带的微粒，例如灰尘或小水滴。
US-A-5,034,036公开了一种水分离装置，该水分离装置安装到内燃机的进气系统中的空气滤清器的壳体。该壳体具有空气入口和空气出口，该空气出口具有内部喇叭口部分，该喇叭口部分向空气滤清器的进气口供给并限定了迂回的空气流动路径，其包括带有180度转弯的部分。该迂回的空气流动路径导致流过该流动路径的空气产生多种方向改变。结果，在方向改变的过程中，空气中的水微粒由于离心力而被甩出。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种经济而紧凑的、具有高效率且减少了燃料消耗的微粒捕集器。
另一个目的是提供一种包括微粒捕集器的过滤器装置。
上述目的通过独立权利要求的特征来实现。其他权利要求、附图和说明书公开了本发明的有利实施例。
提出了一种用于从流体中去除微粒的微粒捕集器，该微粒捕集器包括导管，该导管包括：
壁；
具有至少一个弯曲部的弯曲区域，该弯曲区域具有基于所述流体沿着所述导管流动的纵向流动方向而言的上游侧和下游侧；
入口，该入口位于所述弯曲区域的上游侧；
至少一个第一出口，该至少一个第一出口位于所述弯曲区域的下游侧；
至少一个第二出口，该至少一个第二出口位于所述弯曲区域的下游侧或下游；
其中，所述至少一个第一出口布置在第一区域内并与所述壁相隔一定距离，在所述至少一个第一出口处，在所述导管的运行期间，流体中的微粒浓度在运行期间低于所述壁附近的微粒浓度；
其中，所述至少一个第二出口布置在所述壁附近，在所述至少一个第二出口处，在所述导管的运行期间，微粒浓度高于布置有所述至少一个第一出口的位置处的微粒浓度；
其中，所述至少一个第一出口布置在所述导管的如下区域内：在该区域处，在所述导管的运行期间，具有高微粒浓度的流体与具有低微粒浓度的流体之间的分离是通过由所述弯曲区域造成的、流体在所述导管中围绕纵向流动方向的涡旋运动来控制的；并且
其中，所述至少一个第一出口布置于：在所述导管的运行期间、在所述流体中产生的涡旋的大致中心区域内。
有利地，能够实现微粒与流体的有效分离。所述第一区域内的微粒含量可高达90％或者比弯曲部上游的流体中的微粒含量更高。有利地，该过滤器元件能够在其发生堵塞并需要更换之前使用更长的时间。有利地，可不必提供用于将微粒从流体中滤出的过滤器材料。因此，可以省下该过滤器元件的成本以及更换或清洁发生堵塞的过滤器元件的成本，并节约了所述导管中的用于这种过滤器元件的空间。导管的入口可延伸到所述第一区域内以将净化后的流体引开，另外或替代地，第二区域可通过壁或导管而与所述第一区域分开，以引导微粒离开。在所述导管的至少一个弯曲部内可布置有微粒捕集器。本发明能够利用流体流过弯曲部时在该弯曲部内形成的涡旋，此涡旋将微粒与流体分开。这些微粒积聚在所述导管的壁附近的狭窄区域内，且能够容易地从该壁附近的区域中去除。通过增加一个辅助抽吸器，能够促进微粒的去除。
“导管的运行”是指所述导管的正常运行条件，例如空气道，它被设计用于规定的运行条件，例如流体的质量流量和流体速度。具有高微粒浓度的流体与具有低微粒浓度的流体之间的分离通过由所述弯曲区域造成的、所述流体的涡旋运动来控制的区域例如能够通过与所述导管的具体设计参数和运行条件相关的流体力学计算来得出。对于流体导管的设计领域的普通技术人员来说，这种计算是众所周知的。
所述弯曲区域可包括单弯曲部，或包括具有两个或更多个弯曲部的多弯曲部结构。当然，所述导管也可包括单弯曲部和多弯曲部结构。单弯曲部(即，其偏转角度在一个平面内的弯曲部)能够产生一对并排排列的反向旋转的涡旋，而具有两个或更多个随后的弯曲部(其偏转角度在多个不同的平面内)的弯曲区域能够在该弯曲区域的下游产生单个涡旋。涡旋的中心区域的微粒数量被减少，而涡旋的外部区域则富含微粒。可以认为，流体在该弯曲部内的流动被分解为两种运动：纵向方向上的主运动，以及在围绕该纵向方向的旋转方向上的次运动。该主运动大致对应于将流体从入口携载到出口时的导管纵向定向。由于所述导管的弯曲，该主运动也是弯曲的，因此该主运动对应于微粒在流体中朝着所述弯曲部的外侧的离心移动，而上述次运动产生了微粒围绕涡旋中心的离心移动。这两个效应可以结合，以从流体中去除微粒。例如，管或管道可以使其开口延伸到该涡旋的中心区域内。
根据本发明的一有利实施例，可设置有收集器隔室，以收集所述流体的富含微粒的部分中的微粒。有益地，该收集器隔室可布置在第二区域内，在该第二区域处，微粒浓度高并且由所述弯曲区域产生的一个或多个涡旋的外部区域具有高的微粒浓度。该收集器隔室能够有效支持微粒与流体的分离，这通过迫使第二区域内的微粒进入如下区域来实现：在该区域中，这些微粒不能与所述一个或多个涡旋的中心处的净化后的流体重新混合。有利地，在弯曲区域具有单弯曲部的情况下，该收集器隔室具有在沿着所述弯曲部的纵向方向上延伸的一个或多个狭槽状开口，该狭槽状开口具有在所述导管的周向方向上的宽度。在弯曲区域具有两个或更多个相继的弯曲部的情况下，该收集器隔室可以是位于所述导管与同轴布置的管之间的袋状部或者是布置在所述壁的内侧处的、具有狭槽状开口的收集器隔室，净化后的流体移动经过该同轴布置的管，该狭槽状开口具有沿径向或切向方向的宽度或空隙，从而该收集器隔室的上侧与所述壁相隔一定距离。
该收集器隔室可布置在所述导管的内侧。替代地，该收集器隔室也可布置在所述导管的外侧。在此情形中，在所述导管壁内布置有一个或多个开口。进入该收集器隔室内的微粒被安全地保持在该隔室内，并且能够经由所述第二出口排出。
该收集器隔室能够基本上与所述导管壁的邻接壁部平行地延伸，该收集器隔室具有与下游端接近的闭合端并且其前边缘靠近所述导管中的弯曲部的上游侧。该前边缘可以是闭合的。替代地，该前边缘也可以是敞口的。流体中的、由于所述一个或多个涡旋而甩出的微粒能够从上方、即在与所述纵向流动方向交叉的方向上容易地进入所述收集器隔室内。进入所述收集器隔室内的微粒被安全地保持在该隔室内，并能够经由所述第二出口排出。
所述一个或多个狭槽状开口可有益地布置成与弯曲部的尺寸、弯曲部的曲率、弯曲部的横截面等具有合适的几何关系，以最大程度地使微粒从净化后的流体的主流体流(即在纵向方向上的主运动)分离。所述狭槽状开口可彼此并排和/或串联布置。如果几何约束使得产生了多于一对的涡旋，则这种狭槽状开口的合适位置可例如通过模型仿真来估算。在此情况中，也可以存在能够适当布置的、一个以上的第二开口。然而，如果适当地选择这些几何约束使得单弯曲部仅产生一对涡旋，则能够容易地确定微粒所积聚处的合适位置，因为该位置通常位于这一对涡旋之间的对称平面上或附近。在几何约束使得仅产生单个涡旋的情况下，所述收集器隔室可布置在所述导管的与弯曲区域相邻的大致笔直部分中。
有益地，所述收集器隔室与该邻接壁部之间的空隙至多为所述液压直径的20％，优选至多为所述液压直径的15％，更优选至多为所述液压直径的10％。对于可实际上不受扰动地通过所述弯曲部的流体，该弯曲部的尺寸实际上维持不变。在弯曲区域具有两个或更多个弯曲部的情况下，有利的是，用于引导净化后的流体并与所述壁同轴地布置的管的直径为所述导管的壁的液压直径的大约97％，优选在所述壁的液压直径的95％至20％之间，优选在75％至85％之间，更优选在70％至80％之间。
特别地，可利用在弯曲导管内已存在的一个或多个弯曲部，而实际上不改变该导管的总体布局。有益的是在该弯曲部的上游设置有长的导管，因为这将增强从流体中分离出微粒的效果。
有益地，所述导管的入口的横截面具有如下的纵横比，该纵横比被定义为：主方向上的最大延伸长度除以在与该主方向垂直的方向上的延伸长度，该纵横比不超过4、优选不超过3，并且不小于1/5、优选不小于1/2。有益地，可以使用其横截面不是圆形横截面的导管，例如，其长轴的延伸长度和短轴的延伸长度不同的矩形横截面或椭圆形横截面。
根据本发明的一有利实施例，所述弯曲部可以是U形或L形形状的单弯曲部，其中，优选所述弯曲部可以使所述流体的流体流偏转一定角度，该角度大于0度但小于等于180度，尤其至少为60度，更尤其至少为90度。优选地，在具有单弯曲部的弯曲区域内，在该弯曲部的、位于该弯曲部的中点下游的部分中或在该弯曲部的后半部分(second half)内可布置有至少一个第二出口。例如，该至少一个第二出口可布置在所述弯曲部最后的第三部分中。有利地，该至少一个第二出口可布置在微粒发生积聚且微粒浓度高的区域中。例如，该第二出口可以是与所述导管附接的所述壁中的开口。
这样的偏转能够提供一个或多个涡旋的有效产生，结果，能够提供微粒与流体的有效分离。180度的角度对应于U形弯曲部，而0度的角度对应于无弯曲部(无偏转)，即笔直的移动。应当理解，具体的角度值也包括镜像对称的角度，即360度减去该具体角度所得到的角度。例如，30度的角度等同于330度的角度，如此等等。特别地，在具有两个或更多个弯曲部的弯曲区域内，一个或多个弯曲部使流体的流动方向偏转20度至160度(或340度至200度)之间的角度。有利地，可利用在导管的弯曲区域内产生的涡旋。根据一种有利的改进，所述至少一个第二出口可布置在所述导管的、相对于该弯曲部的曲率中心而言的外壁部处。在该外壁部处，在中间(即，如果形状是对称的，则在对称平面附近)，微粒浓度可高于内壁部处的微粒浓度。
有利地，所述至少一个第二出口的横截面积可至少为该导管的、在所述至少一个第二出口的位置处的横截面积的1‰，但至多为该导管的、在所述至少一个第二出口的位置处的横截面积的25％，优选至多为20％。有益地，能够限制流体流的损失，以使损失不超过该流体流的大约15％，优选不超过大约10％，更优选不超过大约5％。
根据本发明的一有利实施例，在弯曲区域具有单弯曲部的情况中，第一出口可包括两个并排布置的管，每个管均分配给在流体中产生的涡旋的中心区域。因为通过该单弯曲部产生了两个涡旋，所以能够实现净化后流体的高输出。
流动方向的转向或偏转也可例如通过将两个或更多个弯曲部串联布置来实现。在该弯曲部中，作用在流体上且因此作用在流体中的微粒上的离心力与相反的压力处于平衡。然而，在所述壁附近的、摩擦占主导的层内，即称为“边界层”的层内，由于速度较低，所以离心力变得较弱，因此其相反的压力引起旋转式的次运动。此运动在流体力学领域中被称为二次涡流。二次涡流的特征和强度可取决于某些参数，例如入口长度、弯曲部的曲率、以及横截面的纵横比等。在具有单弯曲部的优选设计中，二次涡流可包括一对逐渐增加的反向旋转涡旋。有利地，如果边界层厚，则涡旋增长得更快、更强。如果弯曲部的横截面不合适，则在第一对涡旋之间或在该第一对涡旋外侧将存在与第一对涡旋相协调的、至少一个第二对反向旋转的涡旋(但更小)。在此情况中，在所述壁附近可存在微粒发生积聚的更多个位置。另一方面，在具有两个或更多个串联的弯曲部的有利设计中，次运动在弯曲区域的下游产生单个涡旋。
根据本发明的一有利实施例，当串联地使用了两个或更多个弯曲部时，两个相继的弯曲部之间的距离至少为所述导管的液压直径的25％，但至多为该液压直径的大约四倍。该液压直径被定义为：主流动导管的横截面积的四倍除以其横截面的周长(4*面积/周长)。该液压直径用作非圆形横截面形状的参考长度。该液压直径等价于圆形形状的直径。上述实施例中的这种弯曲部中的每一个均可具有在20度至160度之间、优选在30度至120度之间的偏转角度。净化后的流体(例如空气)在经过最后一个弯曲部之后被从所述主导管中抽出，该最后一个弯曲部具有横截面比所述主导管的横截面小的至少一个第一出口导管。该第一出口导管的液压直径通常在所述主导管的液压直径的30％至95％之间。该第一出口导管在所述主导管内延伸，以在所述主导管和该第一出口导管之间产生间隙。所述主导管内的该第一出口导管的延伸部的长度应至少为上述液压直径的1％，但至多为该液压直径的八倍长。这两个导管之间的所述间隙用作袋状部(pocket)或收集器隔室，在该袋状部或收集器隔室中，微粒在所述涡旋的影响下被甩到外壁上，并保持被捕集在所述主导管的壁与第一出口的壁之间。为了去除或消除位于上述两个导管之间的间隙内的富含微粒的流体流，需要至少一个第二出口。该至少一个第二出口的横截面积至少为所述主导管的横截面积的1‰。有益地，能够限制流体流的损失，以使损失不超过该流体流的大约15％，优选不超过大约10％，更优选不超过大约5％。
优选地，在具有至少两个弯曲部的弯曲区域内，在前的弯曲部的上游侧布置在与其后的弯曲部的下游侧不同的平面内。
根据本发明的一有利实施例，在弯曲区域具有至少两个弯曲部的情况下，所述至少一个第一出口可布置在所述导管的位于弯曲区域下游的大致笔直部分中。可通过其内具有两个或更多个弯曲部的弯曲区域来产生单个涡旋。有利地，位于在前的弯曲部之后的每个弯曲部均可使流体流在离开所述在前的弯曲部的平面的方向上偏转。因此，所述导管的笔直部分中的单个涡旋得到了加强。
根据本发明的另一方面，提出了一种空气过滤器装置，该空气过滤器装置装置包括根据上述特征中的任一项所述的微粒捕集器。有利地，该空气过滤装置可用于清洁车辆用的空气，例如燃烧发动机用的空气，或者用于清洁建筑物、隧道等内的通风装置用的空气。有利地，由于微粒捕集器与空气过滤器的导管的弯曲部结合，所以该导管的布局能够容易地适合于该空气过滤器的应用领域的要求。
根据本发明的另一方面，用于发动机的空气供给装置包括上述这种微粒捕集器。该发动机可以是具有固定动力源的发动机或车辆发动机，尤其是卡车发动机。
根据本发明的另一方面，一种空气调节装置包括这种微粒捕集器。有益地，空气导管内的弯曲部可用于提供上述微粒捕集器。
根据本发明的另一方面，提出了包括这种微粒捕集器的车辆。优选，该车辆可以是卡车。
附图说明
从以下对实施例的详细描述中，可以最好地理解本发明以及上述及其他目的和优点，但本发明不限于这些实施例，其中：
图1以包括微粒捕集器的导管的顶部透视图、示意性地示出了根据本发明的微粒捕集器的示例性实施例；
图2a示意性地示出了弯曲部的透视图，图示了该微粒捕集器的第一出口(图2a)，而图2b示意性地示出了该弯曲部的截面图，图示了第一出口和第二出口(图2b)；
图3a示意性地示出了微粒捕集器的示例性实施例的、从上方观察到的斜视图(图3a)，而图3b以侧视图示意性地示出了该微粒捕集器的示例性实施例(图3b)；
图4a、4b示意性地示出了微粒捕集器的示例性实施例的侧视剖面图，该微粒捕集器具有附接到所述导管的收集器隔室；
图5示意性地示出了微粒捕集器的顶视图，该微粒捕集器具有位于导管内的收集器隔室；
图6a至图6d示意性地示出了微粒捕集器的示例性实施例的、从上方观察到的斜视图，分别图示了具有两个偏转角度(图6a)和五个偏转角度(图6b)的双弯曲部导管之后的涡旋流动，以及多弯曲部结构的下游部分的替代实施例(图6c、图6d)；并且
图7示意性地示出了一车辆的示例性实施例，该车辆包括根据本发明的、位于空气供给装置内的微粒捕集器。
具体实施方式
在附图中，相同或相似的元件由相同的附图标记表示。这些附图仅是示意性表示，并非旨在展示本发明的具体参数。此外，这些附图仅旨在描绘本发明的典型实施例，因此不应视为限制本发明的范围。
图1以包括用于对流体90进行净化的微粒捕集器100的导管10的顶部透视图、示意性地描绘了根据本发明的微粒捕集器100的简化的示例性实施例。
导管10包括壁16、入口12和主出口14。在该入口12和主出口14之间，布置有包括单弯曲部200的弯曲区域20，该弯曲区域20具有基于流体90的流动方向70而言的上游侧20a和下游侧20b。弯曲区域20和弯曲部200分别布置在笔直的上游导管18和笔直的下游导管22之间。微粒捕集器100用于从进入导管10的入口12的流体90中去除微粒，例如从空气流中去除微粒。净化后的流体90穿过导管10、在主出口14处离开弯曲部200。
入口12例如可具有椭圆形横截面12a，该椭圆形横截面12a具有较长的长轴46和较短的短轴48，从而提供了椭圆形的横截面，并且，出口14可具有另一种形状的横截面14a，例如其长轴和短轴的尺寸相当的椭圆形。
导管10的入口12的横截面12a可具有如下的纵横比，该纵横比被定义为：长轴46的最大延伸长度除以短轴48的在与所述主方向垂直的方向上的最大延伸长度，该纵横比不超过4、优选不超过3，并且不小于1/5、优选不小于1/2。此范围内的纵横比有利地增强了该弯曲部200内产生的涡旋在使微粒与流体分离方面的效果。特别地，该纵横比会影响涡旋强度，而涡旋强度又会影响分离效率。能够以相对于曲率中心20c而言的相同半径产生成对的涡旋，其中特别地，这些涡旋是逐渐产生的，而非产生在给定位置。
在本示例性实施例中，弯曲部200使流体流偏转至少90度，在此偏转180度。上述角度值表示该流体流所经历的偏转角度。角度为0度表明是笔直的导管，角度为180度表明是U形弯曲部，而角度为90度则表明是L形弯曲部。
弯曲部200具有离所述曲率中心20c较近的内侧16a以及离所述曲率中心20c较远的外侧16b。第一出口40(图2a、图2b中更详细地示出了其示例)布置在第一区域26中并与壁16相隔一定距离，在该第一出口40处，流体90中的微粒浓度在运行期间低于壁16附近的微粒浓度。
第二出口50布置在壁16附近，在该第二出口50处，微粒浓度高于弯曲部200的下游侧20b的第一出口40处的微粒浓度。在第二出口50处布置有导管54。微粒能够经由第二出口50而从导管10中去除。为了有效去除这些微粒，在弯曲部200的位于该弯曲部200的中点30下游的部分30a中、例如在弯曲部200最后的第三部分中布置有至少一个第二出口50。第二出口50的横截面积52至少为导管10的、在所述至少一个第二出口50的位置32处的横截面积34的1‰，但至多为导管10的、在所述至少一个第二出口50的位置32处的横截面积34的25％，优选至多为20％。
图2a和图2b更详细地示出了图1的微粒捕集器100的作用方式，其中，图2a以简化的方式示出了弯曲部200的透视图，其中，微粒捕集器100的第一出口40由两个管40a、40b组成，而图2b示出了弯曲部200的截面图，图示了第二出口50以及作为管40a、40b的入口的第一出口40。
当流体90进入具有U形弯曲部200的所述弯曲区域时，该流体的主流体流通过弯曲部200，从而进行沿纵向方向的主运动。由于壁摩擦、作用压力和流体90中的离心力之间的相互作用，产生了围绕该纵向方向的旋转方向上的次运动，这种次运动的特征因情形而异。对于适当的几何条件，例如弯曲部200的合理横截面、该弯曲部的上游导管18的合理长度、弯曲部200的曲率，这种次流动包括两个反向旋转的涡旋80a、80b或涡流。
该反向旋转的涡旋80a、80b并排布置在流体90中。在每个涡旋80a、80b的中心区域82a、82b内，流体90被除去了微粒，因此得到净化而不含微粒。这些微粒在涡旋80a、80b的外部区域处积聚在外壁部16b内侧的狭窄区域内。
现在仍然参考图1，第二出口50在导管10的外壁部16b中布置在弯曲部200的下游侧20b。
富含微粒的流体经由第二出口50离开该导管10，并且，净化后的流体90经由第一出口40、例如经由并排布置的两个管40a、40b的入口离开弯曲部200。然而，也可以省去管40a、40b，而使用下游导管22(图1)把来自所述反向旋转的涡旋80a、80b的中心的、净化后的流体90从导管10的第一出口40输送到主出口14(图1)。区域300可认为是富含微粒的流体通过第二出口50而与除去了微粒的流体分离的区域。
图3a和图3b示出了涡旋80a、80b的效果。U形弯曲部200产生的涡旋80a、80b迫使微粒向外壁部16b移动。富含微粒的流体流可以由收集器隔室60保持在其内并经由第二出口50排出。通常，在这些微粒进入出口50之前，它们在收集器隔室60内多次反射。该收集器隔室60防止微粒再次进入净化后的流体流中。收集器隔室60附接到导管10的外侧。富含微粒的流体能够经由布置在弯曲部200的壁16中的狭槽状开口66进入收集器隔室60内。在本实施例中，例如，该开口66的前边缘68a是闭合的。
图4a、图4b展示了微粒捕集器的示例性实施例的侧视剖面图，显示了布置在导管10内的、不同的反射器元件60。图4a示出了形成在该导管内的收集器隔室60，所述收集器60基本上与导管壁16的外壁部16b处的邻接壁部16c平行地、在与导管10中的流动方向70相反的方向上从第一端68a延伸到第二端68b。收集器隔室60的上侧与该邻接壁部16c的内侧之间产生了空隙64，该邻接壁部16c的内侧形成了收集器隔室60的底部。
富含微粒的流体90能够经由收集器隔室60的上侧中的开口66进入该空隙内。优选地，例如是狭槽的开口66沿着弯曲部200在纵向方向上延伸。
图4a示出了具有敞口的前边缘68a的收集器隔室60。在本实施例中，主流体流中携带的微粒也可与在旋转的二次涡流中移动的微粒一起被收集。图4b示出了具有闭合的前边缘68a的收集器隔室60。有利地，如果该前边缘68a是敞口的，则微粒也能通过前边缘68a处的间隙进入所述空隙内。
作为从上游导管18和下游导管22截断的弯曲部200的顶视图，图5示出了具有根据图4a的收集器隔室60的弯曲部200的示例性实施例。该图揭示了位于弯曲部200的外壁部16b上方的狭槽状开口66。狭槽状开口66在敞口端部68a和闭合端部68b之间、在沿着导管10中的流动方向70的方向上与导管壁16的外壁部16b处的邻接壁部16c平行地延伸。
收集器隔室60的上侧与邻接壁部16c之间的空隙64至多可以是该邻接壁部16c与内壁部16a的壁部16d之间的距离10a的20％，优选至多为15％，更优选至多为10％，该壁部16d与弯曲部200中的邻接壁部16c相对。
富含微粒的流体能够主要从上方进入狭槽状开口66中，从而这些微粒保持在收集器隔室60的空隙64内。所述第二开口布置在收集器隔室60中的狭槽状开口66的末端和该收集器隔室60的闭合端部68b之间，从而，富含微粒的流体能够经由该第二开口(未示出)排出。狭槽状开口66布置在所产生的成对涡旋的对称平面内或附近。在几何约束使得产生多于一对涡旋的情况下，可设置有一个以上的狭槽状开口66。
如上文所述，如果上游导管18比弯曲部200长，有益于增强产生涡旋的效果。下游导管22可以比上游导管18短。
图6a和图6b描绘了微粒捕集器的示例性实施例的、从上方观察到的斜视图，分别图示了具有两个偏转角度(图6a)和两个以上的偏转角度(图6b)的双弯曲部导管之后的涡旋流动。在前的弯曲部(例如200a)的上游侧与在后的弯曲部(例如200b)的下游侧布置于不同的平面内。图6c和图6d示出了多弯曲部结构的下游侧的替代实施例。
根据本发明的一有利实施例，当串联地使用了两个弯曲部200a、200b或更多个弯曲部时，其中，两个相继的弯曲部之间的距离至多为液压直径的大约四倍，但至少为该液压直径的25％。
该液压直径被定义为：主流动导管的横截面积的4倍除以其横截面的周长(4*面积/周长)。该液压直径用作非圆形横截面形状的参考长度。该液压直径等价于圆形形状的直径。
在图6a中，弯曲区域20的第一弯曲部200a使流体90的流体流偏转例如90度的角度A而从z方向偏转到x方向，并且，其后的弯曲部200b使流体90的流体流偏转例如90度的角度B而从x方向偏转到y方向。优选地，每个弯曲部200a、200b均具有在20度至160度之间、优选在30度至120度之间的偏转角度。净化后的流体90(例如空气)在经过最后一个弯曲部200b(图6a)或200e(图6b)之后被从主导管10中抽出，该最后一个弯曲部具有横截面比主导管10的横截面小的至少一个主出口导管。
主出口导管40c的液压直径通常在主导管10的液压直径的30％至95％之间。布置在第一出口40处的导管40c在导管10的主部分内延伸，以在导管10的主部分与第一出口导管40c之间产生间隙60a。两个相继的弯曲部200a、200b之间的(大致笔直的)延伸部的长度应至少为导管10的各个延伸部处的液压直径的1％，但至多为该液压直径的八倍长。
导管10的主部分与第一出口导管40c之间的所述间隙60a用作袋状部，在该袋状部中，微粒在所述涡旋的影响下被甩到外壁16上，并保持被捕集在主导管的壁16与第一出口40c的壁之间。
为了去除或清除位于该导管10的主部分与第一出口导管40c之间的间隙60a内的、富含微粒的流体流，还设置有至少一个第二出口50。该至少一个第二出口50的横截面积至少为主导管10的横截面积的1‰。有益地，能够限制流体流的损失，以使损失不超过该流体流的大约15％，优选不超过大约10％，更优选不超过大约5％。
图6b示出了五个相继的弯曲部200a、200b、200c、200d和200e。这些弯曲部200a至200e中的每一个均具有在20度至160度之间、优选在30度至120度之间的偏转角度。
相继的弯曲部200b、200c、200d、200e以如下方式布置：使得来自在前的弯曲部200a、200b、200c、200d的流体流偏转而离开该在前的弯曲部200a、200b、200c、200d中的流动方向，即，弯曲区域20沿着一般的主轴线G盘绕并延伸。
在图6b中，弯曲区域20的第一弯曲部200a使流体90的流体流偏转例如90度的角度A而从z方向偏转到x方向，并且，其后的弯曲部200b使流体90的流体流偏转例如90度的角度B而从x方向偏转到y方向。之后的弯曲部200c使流体90的流体流偏转例如90度的角度C而从y方向偏转到z方向，之后的弯曲部200d使流体90的流体流偏转例如90度的角度D而从z方向偏转到x方向，并且，之后的弯曲部200e使流体90的流体流偏转例如90度的角度E而从x方向偏转到y方向。该流体流不被引回到所述在前的弯曲部200a、200b、200c、200d中的任一个。这导致在最后一个弯曲部200e的下游、在主导管10的大致笔直部分中产生单个涡旋。
主出口导管40c的液压直径通常在主导管10的液压直径的30％至95％之间。布置在第一出口40处的导管40c在导管10的主部分内延伸，以在导管10的主部分与第一出口导管40c之间产生间隙60a。两个相邻的弯曲部200a-200b、200b-200c、200c-200d、200d-200e之间的(大致笔直的)延伸部的长度应至少为导管10的各个延伸部处的液压直径的1％，但至多为该液压直径的八倍长。导管10的主部分与第一出口导管40c之间的所述间隙60a用作袋状部，在该袋状部中，微粒在所述涡旋的影响下被甩到外壁16上，并保持被捕集在导管壁16与第一出口40c的壁之间。
为了去除或清除位于该导管10的主部分与第一出口导管40c之间的间隙60a内的富含微粒的流体流，还设置有至少一个第二出口50。该至少一个第二出口50的横截面积至少为主导管10的横截面积的1‰。有益地，能够限制流体流的损失，以使损失不超过该流体流的大约15％，优选不超过大约10％，更优选不超过大约5％。
在图6c和图6d中，微粒不是被收集在同轴的管与导管壁16之间，而是被收集在收集器隔室60内，该收集器隔室60在两个或更多个弯曲部的下游布置在导管10的壁的内侧。作为经由同轴布置的(或甚至偏心布置的)管40c离开(图6a、6b)的替代方式，净化后的流体90流经导管10的中心，而流体90的富含微粒的部分进入布置在导管10的壁16的内侧处的收集器隔室60。该收集器隔室60沿纵向方向在前边缘68a和下游边缘68b之间延伸，并具有狭槽状开口66，以接收流体90的、通过形成涡旋而与流体90的净化部分分离的富含微粒的部分。与图3a、图3b、图4a、图4b和图5所示的、其中收集器隔室60的纵向布置的开口66具有在导管10的周向方向上的宽度的示例性实施例不同的是，本实施例中的每个纵向布置的开口66均具有例如沿径向或切向方向的、与壁16相隔一定距离的空隙64r，该距离等于开口66的宽度。流体90的富含微粒的部分经由狭槽状开口66的空隙64r进入收集器隔室60内。该空隙64r形成在收集器隔室60的上侧与邻接壁部16c的内侧之间。收集器隔室60的上侧与该邻接壁部16c之间的空隙64r至多可以为导管10的、在此布置有收集器隔室60的区域中的液压直径的20％，优选至多为15％，更优选至多为10％。
收集器隔室60的前边缘68a可以是敞口或闭合的。微粒能够经由布置在收集器隔室60内的、位于导管10的壁16中的第二出口50排出。
在图6c中，收集器隔室60和该收集器隔室60的纵向布置的开口66分别平行于此区域300内的导管10的纵向轴线，而在图6d中，收集器隔室60是锥形的，从而它在前边缘68a处覆盖的壁16的周向的面积小于它在下游边缘68b处所覆盖的面积，其中，锥度角H在0度至90度之间。
可选地，开口66的、与下游边缘68b邻近的下游部66a可以被覆盖(未示出)，以加强对收集器隔室60内的微粒的限制。
图7展示了例如为卡车的车辆120的示例性实施例，该车辆具有用于燃烧发动机114的空气供给装置112，该空气供给装置112包括位于导管10内的微粒捕集器100。空气供给装置112连接到车辆120的燃烧发动机114。微粒捕集器100布置在导管10的弯曲区域20内，该弯曲区域20必须布置成以节约空间的方式将导管10联接到燃烧发动机114。在该导管的入口12b处放置有过滤器116，该过滤器116能够防止诸如树叶等的较大污染物进入空气供给装置112中。该入口12b是进气室，该进气室也可包括上述微粒捕集器。
当然，空气供给装置112也可布置在车辆120的其他位置。例如，可根据空气供给装置112或车辆120的实际设计、外部要求等来选择该位置。

Claims (32)

1.一种用于从流体(90)中去除微粒的微粒捕集器(100)，所述微粒捕集器(100)包括导管(10)，所述导管(10)包括：
壁(16)；
具有至少一个弯曲部(200、200a、200b、200c、200d、200e)的弯曲区域(20)，所述弯曲区域(20)具有基于所述流体(90)沿着所述导管(10)流动的纵向流动方向(70)而言的上游侧(20a)和下游侧(20b)；
入口(12)，所述入口(12)位于所述弯曲区域(20)的上游侧(20a)；
至少一个第一出口(40)，所述至少一个第一出口(40)位于所述弯曲区域(20)的下游侧(20b)；
至少一个第二出口(50)，所述至少一个第二出口(50)位于所述弯曲区域(20)的下游侧(20b)或下游；
其中，所述至少一个第一出口(40)布置在第一区域(26)内并与所述壁(16)相隔一定距离，在所述至少一个第一出口(40)处，在所述导管(10)的运行期间，所述流体(90)中的微粒浓度在运行期间低于所述壁(16)附近的微粒浓度；
其中，所述至少一个第二出口(50)布置在所述壁(16)附近，在所述至少一个第二出口(50)处，在所述导管(10)的运行期间，微粒浓度高于布置有所述至少一个第一出口(40)的位置处的微粒浓度；
其中，所述至少一个第一出口(40)布置在所述导管(10)的如下区域(300)内：在该区域(300)处，在所述导管(10)的运行期间，具有高微粒浓度的流体(90)与具有低微粒浓度的流体(90)之间的分离是通过所述流体(90)在所述导管(10)中围绕所述纵向流动方向(70)的涡旋运动来控制的；并且
其中，所述至少一个第一出口(40)布置于：在所述导管(10)的运行期间在所述流体(90)中产生的涡旋(80、80a、80b)的大致中心区域(82、82a、82b)内。
2.根据权利要求1所述的微粒捕集器，其中，还设置有收集器隔室(60)，以收集富含微粒的区域中的微粒。
3.根据权利要求2所述的微粒捕集器，其中，所述收集器隔室(60)基本上与所述壁(16)的邻接壁部(16c)平行地延伸，其中，为具有高微粒浓度的流体(90)设置有一个或多个开口(66)，其中，优选所述一个或多个开口(66)被设计为：使所述流体(90)主要从与所述纵向流动方向(70)交叉的方向进入所述收集器隔室(60)内。
4.根据权利要求3所述的微粒捕集器，其中，所述至少一个开口(66)是沿着所述壁(16)、在所述纵向流动方向(70)上延伸的狭槽。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的微粒捕集器，其中，所述弯曲部(200)是具有U形或L形形状的单弯曲部，其中，优选所述弯曲部(200)使所述流体(90)的流体流偏转一定角度，所述角度大于0度但小于等于180度，尤其至少为60度，更尤其至少为90度。
6.根据权利要求5所述的微粒捕集器，其中，在具有单弯曲部(200)的弯曲区域(20)中，所述至少一个第二出口(50)布置在所述弯曲部(200)的、位于所述弯曲部的中点(30)下游的部分(30a)中或布置在所述弯曲部(200)的后半部分中，优选地，其中所述至少一个第二出口(50)布置在所述导管(10)的、相对于所述弯曲部(200)的曲率中心(20c)而言的外壁部(16b)处。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的微粒捕集器，其中，所述第一出口(40)包括两个并排布置的管(40a、40b)，每个管(40a、40b)均分配给在所述流体(90)中产生的涡旋(80a、80b)的中心区域(82a、82b)。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的微粒捕集器，其中，一系列弯曲部(200a、200b、200c、200d、200e)中的弯曲部(200a、200b、200c、200d、200e)使所述流体(90)的流体流偏转至少20度，尤其偏转至少60度，更尤其偏转至少90度，其中，优选所述至少一个第一出口(40)布置在所述导管(10)的、与所述弯曲区域(20)相邻的大致笔直部分中。
9.根据权利要求8所述的微粒捕集器，其中，在具有至少两个弯曲部(200a、200b、200c、200d、200e)的弯曲区域(20)中，位于在前的弯曲部(200b、200c、200d、200e)之后的每个弯曲部(200)均使所述流体(90)在离开所述在前的弯曲部(200b、200c、200d、200e)的方向(x、y、z)上偏转。
10.根据权利要求8或9所述的微粒捕集器，其中，所述收集器隔室(60)是在所述导管(10)的壁(16)与同轴布置的管(40c)之间的间隙(60a)，和/或其中，所述收集器隔室(60)是布置在所述导管(10)的壁(16)处的袋状部。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的微粒捕集器，其中，所述收集器隔室(60)布置在所述导管(10)的内侧。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的微粒捕集器，其中，所述收集器隔室(60)布置在所述导管(10)的外侧。
13.一种空气过滤器装置(110)，其包括根据前述权利要求中的任一项所述的微粒捕集器(100)。
14.一种用于发动机(114)的空气供给装置(112)，其包括根据权利要求1至12中的任一项所述的微粒捕集器(100)。
15.一种空气调节装置，其包括根据权利要求1至12中的任一项所述的微粒捕集器(100)。
16.一种车辆(120)，其包括权利要求1至12中的任一项所述的微粒捕集器(100)。
17.一种用于从流体中去除微粒的微粒捕集器，所述微粒捕集器包括导管，所述导管包括：
壁；
具有至少一个弯曲部的弯曲区域，所述弯曲区域具有基于所述流体沿着所述导管流动的纵向流动方向而言的上游侧和下游侧；
入口，所述入口位于所述弯曲区域的上游侧；
至少一个第一出口，所述至少一个第一出口位于所述弯曲区域的下游侧；
至少一个第二出口，所述至少一个第二出口位于所述弯曲区域的下游侧或下游；
其中，所述至少一个第一出口布置在第一区域内并与所述壁相隔一定距离，在所述至少一个第一出口处，在所述导管的运行期间，所述流体中的微粒浓度在运行期间低于所述壁附近的微粒浓度；
其中，所述至少一个第二出口布置在所述壁附近，在所述至少一个第二出口处，在所述导管的运行期间，微粒浓度高于布置有所述至少一个第一出口的位置处的微粒浓度；
其中，所述至少一个第一出口布置在所述导管的如下区域内：在该区域处，在所述导管的运行期间，具有高微粒浓度的流体与具有低微粒浓度的流体之间的分离是通过所述流体在所述导管中围绕所述纵向流动方向的涡旋运动来控制的；并且
其中，所述至少一个第一出口布置于：在所述导管的运行期间在所述流体中产生的涡旋的大致中心区域内。
18.根据权利要求17所述的微粒捕集器，其中，还设置有收集器隔室，以收集富含微粒的区域中的微粒。
19.根据权利要求18所述的微粒捕集器，其中，所述收集器隔室基本上与所述壁的邻接壁部平行地延伸，其中，为具有高微粒浓度的流体设置有一个或多个开口，其中，优选所述一个或多个开口被设计为：使所述流体主要从与所述纵向流动方向交叉的方向进入所述收集器隔室内。
20.根据权利要求19所述的微粒捕集器，其中，所述至少一个开口是沿着所述壁、在所述纵向流动方向上延伸的狭槽。
21.根据权利要求17所述的微粒捕集器，其中，所述弯曲部是具有U形或L形形状的单弯曲部，其中，优选所述弯曲部使所述流体的流体流偏转一定角度，所述角度大于0度但小于等于180度，尤其至少为60度，更尤其至少为90度。
22.根据权利要求21所述的微粒捕集器，其中，在具有单弯曲部的弯曲区域中，所述至少一个第二出口布置在所述弯曲部的、位于所述弯曲部的中点下游的部分中或布置在所述弯曲部的后半部分中，优选地，其中所述至少一个第二出口布置在所述导管的、相对于所述弯曲部的曲率中心而言的外壁部处。
23.根据权利要求17所述的微粒捕集器，其中，所述第一出口包括两个并排布置的管，每个管均分配给在所述流体中产生的涡旋的中心区域。
24.根据权利要求17所述的微粒捕集器，其中，一系列弯曲部中的弯曲部使所述流体的流体流偏转至少20度，尤其偏转至少60度，更尤其偏转至少90度，其中，优选所述至少一个第一出口布置在所述导管的、与所述弯曲区域相邻的大致笔直部分中。
25.根据权利要求24所述的微粒捕集器，其中，在具有至少两个弯曲部的弯曲区域中，位于在前的弯曲部之后的每个弯曲部均使所述流体在离开所述在前的弯曲部的方向上偏转。
26.根据权利要求24或25所述的微粒捕集器，其中，所述收集器隔室是在所述导管的壁与同轴布置的管之间的间隙，和/或其中，所述收集器隔室是布置在所述导管的壁处的袋状部。
27.根据权利要求17所述的微粒捕集器，其中，所述收集器隔室布置在所述导管的内侧。
28.根据权利要求17所述的微粒捕集器，其中，所述收集器隔室布置在所述导管的外侧。
29.一种空气过滤器装置，其包括根据权利要求17所述的微粒捕集器。
30.一种用于发动机的空气供给装置，其包括根据权利要求17所述的微粒捕集器。
31.一种空气调节装置，其包括根据权利要求17所述的微粒捕集器(100)。
32.一种车辆(120)，其包括权利要求17所述的微粒捕集器。
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