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Die
Erfindung betrifft ein Bauteil mit einer großen volumenspezifischen Oberfläche mit
ausgeprägter
Kühl- und
Filterleistung für
die Durchströmung
mit gasförmigen,
dampfförmigen
oder flüssigen Medien
(nachfolgend auch als „fluide
Medien" bezeichnet)
sowie Mehrphasensystemen in Form eines Filter- und Kühlelements
für fluide
Medien und insbesondere für
Gasgeneratoren in Airbagsystemen nach dem Anspruch 1.
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Das
der Erfindung zugrunde liegende Bauteil mit einer großen volumenspezifischen
Oberfläche wird
hauptsächlich
verwendet als
- • Filterelement für Gasgeneratoren
von Airbagsystemen;
- • Filterelement
für Gasgeneratoren
von Raketen-Brennstoff-Pumpen (Starter für Turbopumpen in Flüssig-Treibstoff-Raketen);
- • Füllkörper für Stoff-
und Wärmetauscher
(verfahrenstechnische Apparate wie Füllkörper- bzw. -bauteil-Kolonnen
und dergleichen;
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Wird
das der Erfindung zugrunde liegende Bauteil beispielsweise mit gasförmigen Medien durchströmt, wirkt
dieses als Filter für
eventuell im gasförmigen
Medium enthaltene Feststoffbestandteile sowie als kapazitive Wärmesenke
zur Kühlung
heißer
durchströmender
Medien. Insbesondere beim Einsatz des Bauteils in Gasgeneratoren
für Airbagsysteme
und dergleichen wird hierdurch erreicht, dass das durchströmende Medium
durch das Bauteil (Filter) einerseits gekühlt, andererseits von Feststoffbestandteilen
(Schlacke) befreit wird.
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Der
Einsatz von metallischen und keramischen Filtern in Airbagsystemen
ist in zahlreichen Ausführungsformen
bereits vorbekannt. Insbesondere für metallische Filter in Gasgeneratoren
existieren im Wesentlichen zwei Ausführungs formen. Bekannt sind
hier Metallgewebe beispielsweise Panzertressen und Lochbleche, die
in Matten häufig
auch mehrlagig für
die Gaskühlung
und -reinigung eingesetzt werden. Zum anderen sind Filter bekannt,
die aus einem in Form gepressten Drahtgestrick bestehen. Hierfür wird ein
Metalldraht zunächst
mit Strickmaschinen zu Gestricken oder Strümpfen verarbeitet, die dann
anschließend
im Pressverfahren in die jeweils gewünschte Geometrie (beispielsweise
Hohlzylinder) gebracht werden. Nachteilig an diesem Filterprodukt
ist die nicht existente Formstabilität. So kann ein solcher Filter
durch Axial-/Radialkräfte
aus seiner ursprünglichen
Form gebracht werden, was einen sehr hohen Einfluss und negativen
Effekt auf die Filter- und Kühlleistung
eines solchen Filters hat. Zudem besitzt ein solcher Filter eine über die
Filterlänge bestehende
Inhomogenität,
da durch das Verpressen des Metallgestricks keine homogene Porosität (Lückenvolumen
zu Metallvolumen) über
der Filterlänge erreicht
wird.
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Aus
der
AT 63229 E ist
eine Filtervorrichtung bekannt, die aus einem Stapel von Filterelementen zum
Filtern eines Fluids gebildet ist. Die Scheiben weisen Vorsprünge in Form
von Rippen auf, welche bei Durchströmung des Filters Fluiddurchgänge zwischen
den benachbarten Scheiben offen halten. Die Scheiben sind jeweils
aus einer nicht gewebten Matte mit einer thermoplastischen Komponente
gebildet, welche die Fasern der Matte zum Erreichen einer selbsttragenden
Gestalt teilweise verschmilzt.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil zur
Verfügung
zu stellen, das die geschilderten Nachteile des Standes der Technik vermeidet
und demgemäß bei einfacher
und kostengünstiger
Herstellbarkeit verbesserte Eigenschaften hinsichtlich der angestrebten
Filterwirkung, Verwirbelung, Vermischung und/oder Wärmetauscher-(insbesondere
Kühl-)leistung
aufweist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Filter- und Kühlelement
für fluide
Medien und insbesondere für
Gasgeneratoren in Airbagsystemen, wobei das Filter- und Kühlelement
mehrlagig mit einer Vielzahl von metallischen Einzelelementen oder
mit mehreren Lagen eines gewickelten und/oder gefalteten metallischen
Einzelelements ausgebildet ist und eine Vielzahl von in oder zwischen
den Einzelelementen vorgesehenen Durchtrittsöffnungen für das fluide Medium aufweist,
wobei die Einzelelemente aus scheiben- oder plattenförmigem Blechmaterial bestehen,
in welches die Durchtrittsöffnungen
in den Einzelelementen durch Stanzen eingebracht sind, und wobei
die Einzelelemente stapelförmig
zu dem Filter- und Kühlelement
zusammengefügt
und mit einer Vielzahl von über
ihre Oberfläche
verteilt angeordneten Vorsprüngen
versehen sind, die zur Beabstandung des jeweils benachbart angeordneten
Einzelelements und als Prallfläche
dienen, wobei die Vorsprünge
durch Umbiegen der zur Bildung der Durchtrittsöffnungen gestanzten Blechbereiche
gebildet sind.
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Die
vorliegende Erfindung vereint die wesentlichen Vorteile der hier
nun erreichten Formstabilität
sowie der Homogenität
der existenten und durch das Design des Filters vorgegebenen Porosität für die Durchströmung mit
einem heißen
gasförmigen Medium.
Dieser Zustand wird erreicht, indem Metallplatten mit rechteckigen,
runden, ovalen, sichelförmigen
oder sonstig geometrisch gestalteten Öffnungen oder Halböffnungen
gestapelt werden und – nachdem
die gewünschte
geometrische Form durch Stapeln erreicht ist – beispielsweise durch einen Schweißprozess
fest miteinander verbunden werden.
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Ein
so hergestelltes Bauteil besitzt eine sehr große volumenspezifische Oberfläche, wodurch
eine hohe Kühlleistung
erreicht wird, sowie große
volumenspezifische Prallflächen,
wodurch das durchströmende
Medium von Fest- und/oder
Flüssigbestandteilen
per Prallabscheidung gereinigt wird. Hierbei sind die dreidimensionalen
Strömungswege
durch das Design der jeweiligen Metallplatten kammerweise definierbar
sowie über
die Filterlänge
variabel einstellbar. Ein so gestalteter Filter besitzt im Gegensatz zum
Stand der Technik ganz wesentliche Vorteile:
- a)
Durch einen einstellbaren Druckverlust über die Filterlänge wird
die Reinigungs- und Kühlwirkung erhöht, da der
Filter über
die gesamte Länge gleichmäßig durchströmt wird.
- b) Durch die Formstabilität
des vorgegebenen Filters kann auf außen liegende und abstützende Filterrohre
verzichtet werden, wodurch deutliche Kosteneinsparungen des Gasgenerators
erreicht werden.
- c) Die jeweiligen Filtereinzelelemente können im Gegensatz zu einem
verpressten Drahtgestrick beispielsweise beschichtet werden, um
so besondere katalytisch wirkende oder anti-korrosiv wirkende Schichten
aufzubringen, die die Güte
des Gesamtprodukts des Gasgenerators erhöhen (beispielsweise Reduzierung
von Schadgasen bei Einsatz katalytisch wirkender Beschichtungen oder
anti-korrosiv wirkender Beschichtungen für den Einsatz minderwertiger
metallischer Werkstoffe).
- d) Durch die Homogenität
des neuartigen Filterpakets kann eine weit bessere Reproduzierbarkeit der
Gasgeneratorleistung herbeigeführt
werden, die das Produkt in seiner Qualität erhöht. Die Streuung der Gasgeneratorleistung
wird so weiter eingeschränkt,
was zu gezielteren Airbag-Aufblasvorgängen führt.
- e) Durch die Stanztechnologie sowie den in den Stanzprozess
integrierten Schweißvorgang
der Filtereinzelelemente zum Filterpaket entstehen keine losen Metallstücke, die
sich im Filterpaket befinden. Lose Metallstücke sowie freie, in der Gasgeneratorströmung hineinragende
Drahtenden können
bei den herkömmlichen
Fertigungsprozessen, insbesondere bei einem Filter aus verpresstem
Drahtgestrick vorliegen. Werden solche Drahtenden oder Metallstücke vom
Heißgas
des Gasgenerators angeströmt,
besteht Gefahr, dass diese komplett abbrennen oder das Metall verdampft
wird, was zu drastischen Leistungssteigerungen von Gasgeneratoren
führt,
die den Luftsack beim Aufblasvorgang sogar zum Bersten bringen können. Diese
Gefahr ist bei der vorliegenden Erfindung nicht gegeben, da der
Filter während
des Fertigungsprozesses der Filtereinzelelemente qualitätstechnisch
kontrolliert und auf Fehler überprüft werden
kann. Diese Möglichkeit
ist bei Drahtgestrickfiltern während
des Herstellprozesses nicht gegeben.
- f) Die Aneinanderreihung der Filtereinzelelemente und der konstruktive
und prozesstechnische Einfluss der Gestaltung des Filterpakets lässt eine große Spanne
der erreichten Porosität,
d. h. der Dichte und volumenspezifischen Oberfläche zu. Die Spanne ist hier
größer als
bei Produkten des Stands der Technik. Durch diese Variabilität der Porosität ist das
der Erfindung zugrunde liegende Produkt ebenfalls ein ideales Füllkörper in
verfahrenstechnischen Füllkörperkolonnen.
Füllkörpere in
Füllkörperkolonnen
ermöglichen
einen sehr hohen Stoff- und Wärmeübergang
zweier oder mehrerer Stoffsysteme in verfahrenstechnischen Apparaten
beispielsweise in Extraktionskolonnen oder Rektifikationskolonnen
und sorgen für
ein ideales Vermischen eingegebener Medien, indem im Füllkörper große volumenspezifische
Kontaktflächen
zwischen den Medien hergestellt werden.
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Das
der Erfindung zugrunde liegende Bauteil (also im erwähnten Ausführungsbeispiel
der Filter) besteht aus vielen Filtereinzelelementen (im Folgenden
mit FEE abgekürzt),
die aufeinander gestapelt und anschließend miteinander durch Kraft-,
Form- oder Stoffschluss verbunden werden (beispielsweise durch Laserschweißen, Verkrimpen,
kraftschlüssiges Verschnappen
etc.) und so ein homogenes und formstabiles Bauteil bilden. Die
FEEs können
durch einen kombinierten Stanz-Biegeprozess hergestellt werden und
im Stanz-Biegewerkzeug
gestapelt und verbunden werden. Auf diese Weise sind Geometrieänderungen
durch die Anzahl der verwendeten FEEs sowie die Geometrie eines
einzelnen FEE einfach durchführbar.
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Die
gewünschte
Porosität
(entspricht der Dichte des fertigen formstabilen Bauteils) kann
dadurch variiert werden, dass der Abstand der FEEs zueinander verändert wird.
Wird der Abstand der FEEs zueinander verkleinert, erhöht sich
die Dichte des formstabilen Bauteils, die Porosität sinkt.
Wird der Abstand der FEEs zueinander vergrößert, vermindert sich die Dichte
des formstabilen Bauteils, die Porosität steigt. Die für den Stanzprozess
verwendete Materialdicke des Ausgangsbleches hat einen starken Einfluss
auf die erreichbare volumenspezifische Oberfläche und die hiermit erreichbare
Kühlleistung des
Bauteils (Filters). Je dünner
das verwendete Blech als Ausgangsmaterial für den Stanz-Biegeprozess ist, desto höher ist
die erreichbare volumenspezifische Oberfläche und hiermit die Kühlleistung.
Die minimale Dicke des Bleches muss jedoch so gewählt werden,
dass der Filter nicht aufgrund der physikalisch gegebenen Wärmekapazität des verwendeten Werkstoffes
sowie aufgrund der Abfuhrkühlleistung (in
der Regel die Wärmekapazität des Filterpakets, es
sei denn, es wird zusätzlich
Wärme von
außen
abgeleitet oder von außen
gekühlt)
durch ein den Filter durchströmendes
Medium zu hoher Energie zerstört (d.
h. verbrannt oder verflüssigt/verdampft
wird und somit die Filterstruktur zerstört) wird.
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Die
Einfachheit der Herstellung eines FEE durch einen Stanz-Biegeprozess
ermöglicht
zudem den Einsatz beschichteter Ausgangsbleche, welche beispielsweise
mit Katalytschichten oder Antikorrosionsschichten versehen sind,
um zusätzliche
positive Produkteigenschaften zu erreichen. Beispielsweise kann
es durchaus sinnvoll sein, aus Kostengründen bei korrosiv wirkenden Medien
anstelle eines Edelstahls ein beschichtetes Blech aus niedriglegiertem Stahl
zu verwenden. Zudem kann die Anforderung an den Filter bestehen,
durch aufgebrachte Katalytschichten eventuell Reaktionen im durchströmenden Medium
auszulösen.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der
Zeichnung:
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1 zeigt
in einem Diagramm die Gasdurchlässigkeit
eines Filters des Stands der Technik im Vergleich zu der Gasdurchlässigkeit
eines Filters der vorliegenden Erfindung;
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2 zeigt
einen Gasgenerator für
Airbagsysteme mit einem erfindungsgemäßen Filterbauteil;
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3 zeigt
eine 3D-Darstellung einer besonders bevorzugten Ausführungsform
1 der vorliegenden Erfindung;
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4a zeigt
eine 3D-Darstellung (Ansicht von unten) eines Filtereinzelelements
(FEE) der Ausführungsform
1 aus 3;
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4b zeigt
eine 3D-Darstellung (Ansicht von oben) eines Filtereinzelelements
(FEE) der Ausführungsform
1 aus 3;
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5 zeigt
eine 3D-Darstellung eines Filtereinzelelements (FEE) einer weiteren
(2.) Ausführungsform;
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6 zeigt
eine 3D-Darstellung eines Filtereinzelelements (FEE) einer weiteren
(3.) Ausführungsform
mit zusätzlichen
Axialbohrungen;
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7a zeigt
eine 3D-Darstellung mehrerer Filtereinzelelemente (FEEs) der 3.
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Ausführungsform
aus 6 im Winkel α zueinander
gedreht;
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7b zeigt
einen vergrößerten Ausschnitt in
3D-Darstellung der 7a;
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8 zeigt
eine 3D-Darstellung mehrerer Filtereinzelelemente (FEE) einer weiteren
(4.) Ausführungsform;
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9 zeigt
eine 3D-Darstellung mehrerer Filtereinzelelemente (FEE) der 2. Ausführungsform nicht
zueinander gedreht (Winkel α =
0);
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10 zeigt
eine 3D-Explosionsdarstellung des Aufbaus einer mehrteiligen Ausführungsform (Ausführungsform
2) mit Filtereinzelelement ohne Axialbohrung und Filtereinzelelement-Einlegern;
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11 zeigt
eine 3D-Darstellung des Komplett-Filters aus vielen Filtereinzelelementen
(FEEs) entsprechend den Ausführungsformen
2 bis 4.
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2 stellt
einen Gasgenerator für
Airbagsysteme dar, der im wesentlichen aus einem Brennkammer-Filterrohr 33,
einem elektrischen Zünder 30, einem
Treibsatz 31, Düsenbohrungen 32,
Abströmöffnungen 35 sowie
einem erfindungsgemäßen Bauteil
in Form eines Filters 1 besteht. Nach Aktivieren des Zünders 30 wird
der Treibsatz 31 entzündet.
Dieser brennt sehr rasch und unter hohem Druck ab und bildet Heißgas, welches
durch die Düsenbohrungen 32 in
den Filterraum des Brennkammer-Filterrohrs 33 zentrisch
einströmt.
Anschließend
strömt
das Heißgas,
welches zu diesem Zeitpunkt in hohem Maße mit Feststoffpartikeln und
flüssiger
Schlacke beladen ist, radial durch den Filter 1, indem
eine Abkühlung des
Heißgases
durch die kapazitive Kühlwirkung
des Filters 1 stattfindet sowie das Heißgas von Feststoffpartikeln
und Schlackeanteilen durch die Prall- und Filterwirkung des Filters 1 gereinigt
wird. Nachdem die äußere Mantelfläche des
Filters 1 durchströmt wurde,
strömt
das gekühlte
und gereinigte Gas axial an der Innenseite des Brennkammer-Filterrohrs 33 zu
den Abströmöffnungen 35 des
Gasgenerators, durch die das Gas den Gasgenerator verlässt und
in den mit dem Gasgenerator verbundenen Luftsack (nicht dargestellt)
einströmt
und diesen aufbläst.
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1 beschreibt
hierbei die Gasdurchlässigkeit
eines Filters des Stands der Technik im Vergleich zu der funktional
besseren Gasdurchlässigkeit
eines Filters der vorliegenden Erfindung, die über der Länge des Filters veränderbar
ist. Ein optimal konstruierter Filter, wie hier durch die vorliegende
Erfindung be schrieben ist, wird mit Gas gleichförmig durchströmt, d. h.
der radiale Volumenstrom des Gases durch den Filter ist über die
Länge des
Filters nahezu konstant, wodurch erreicht wird, dass der Filter
eine optimale Kühlwirkung
erreicht und gleichmäßig mit
Feststoffpartikeln beladen wird. Hingegen wird bei einem Filter des
Stands der Technik beobachtet, dass insbesondere im Bereich der
Abströmöffnungen
des Gasgenerators der Filter mit Feststoffpartikeln höher beladen
wird und somit nicht die gesamte Innenmantelfläche des Filters zur Reinigung
(Filterung) und Kühlung beansprucht
und genutzt wird. So sind insbesondere die nahe der Düsenbohrungen
liegenden Filterbereiche nur teilweise zur Filterung und Kühlung genutzt.
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Durch
die nicht vorhandene Formfestigkeit eines Filters aus verpresstem
Drahtgestrick besteht zudem der Nachteil, dass der Filter durch
den bei bzw. nach dem Einströmen
des Heißgases
in den Filterraum auftretenden Druckschlag zusammen geschoben, d.
h. komprimiert wird, was zu unreproduzierbaren Ergebnissen führt, da
dieses Komprimieren von Filter zu Filter unterschiedlich sein kann.
So besitzt der Filter der vorliegenden Erfindung durch seine Formfestigkeit
den Vorteil, weit reproduzierbarere Ergebnisse zu liefern. Durch
diese Formfestigkeit ist es zudem möglich, auf ein druckstützendes Filterrohr
zu verzichten, d. h. ein Bauteil einzusparen, da der Filter direkt
mit der Brennkammer verbunden werden kann und auch während des
Durchströmens mit
Heißgas
nahezu formstabil bleibt.
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Eine
erste, besonders bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung (dargestellt in 3, 4a und 4b)
besteht aus mehreren Einzelelementen 2 (nachfolgend als
FEEs bezeichnet) mit dem Aufbau, wie in 4a und 4b dargestellt.
Ein FEE besteht aus einer geometrischen Grundform (hier eine runde
Metallplatte), in der eine FEE-Zentralborung 6, viele Durchtrittsöffnungen 4 (nachfolgend
als FEE-Öffnungen
bezeichnet), mindestens zwei FEE-Laschen 3, viele entsprechend
der Anzahl an FEE-Öffnungen 4 vorhandene
Vorsprünge 5 (nachfolgend
als FEE-Prallelemente bezeichnet), mindestens zwei FEE-Richtungsgeber links 7a und mindestens
zwei FEE-Richtungsgeber 7b rechts, die jeweils auch aus
Vorsprüngen
bestehen, vorhanden sind. Viele solcher FEEs sind zu einem Bauteil 1 (d. h.
Filterpaket) (3) gestapelt und über die FEE-Laschen 3 miteinander
zu einem formfesten Bauteil verbunden. Die FEE- Laschen 3 zweier aufeinander
folgender FEEs werden hierbei kraftschlüssig, formschlüssig oder
stoffschlüssig
miteinander verbunden.
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Es
besteht die Möglichkeit,
zwei aufeinander folgende FEEs hierbei um einen Winkel α (nicht dargestellt)
zu drehen, um die FEE-Öffnungen
der einzelnen FEEs gegeneinander zu versetzen, d. h. nicht exakt
fluchtend zueinander anzuordnen, und um so den Strömungsweg
durch diese Öffnungen über die Gesamtanzahl
der FEEs zu erhöhen.
Eine günstige Anordnung
der FEE-Öffnungen 4,
FEE-Prallelemente 5, FEE-Richtungsgeber 7a und 7b ist
konzentrisch um die FEE-Zentralbohrung 6, wobei möglichst
viele FEE-Öffnungen 4 angestrebt
sind, um eine optimale Kühlleistung
des Filterpakets zur erreichen.
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Das
Medium strömt
im Bauteil bzw. Filter 1 hierbei zunächst in den inneren Zylinder,
den die FEE-Zentralbohrungen 6 schichtweise bilden, ein und
strömt
dann anschließend
radial zwischen zwei FEEs in Richtung Filteraußenmantel. Dabei werden die
einzelnen Ringströmungen
durch die FEE-Richtungsgeber zunächst
verwirbelt, um die Ringströmungen
möglichst
homogen zwischen den einzelnen FEEs zu verteilen. Ein FEE-Richtungsgeber
links und ein FEE-Richtungsgeber
rechts im Wechsel verhindern, dass in den Ringströmungen ein
Drall erzeugt wird, der insbesondere ohne Verwendung eines den Filter
umgebenden Filterrohres eine Gasgeneratorschubrichtung vorgibt,
die nicht zulässig
ist (Schubneutralität
ist eines der obersten Gebote bei der Konstruktion von Gasgeneratoren).
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Durch
die vielen FEE-Öffnungen 4 sowie
die FEE-Prallelemente 5 und die FEE-Richtungsgeber 7a und 7b wird
eine große
volumenspezifische Oberfläche
generiert, die insbesondere durch die Verwendung von Metallen hoher
Wärmekapazitäten eine sehr
hohe Kühlleistung
darstellt. Gleichzeitig werden Feststoff- und Schlackepartikel, die sich im Strömungsmedium
befinden bzw. mit denen das Strömungsmedium
beladen ist, durch die Prallelemente 5 an diesen abgeschieden,
was zur Reinigung des Strömungsmediums
führt.
Der Winkel der Ausklinkung der Prallelemente 5 ist hierbei
für die
Aufenthaltsdauer des Strömungsmediums
sowie für
die Reinigungswirkung des Strömungsmediums
verantwortlich. Sinnvoll sind Winkel von 10°–90°. In der beschriebenen Ausfüh rungsform
1 ist nur eine der zahlreichen konstruktiven Möglichkeit der geometrischen Gestaltung
der FEE-Öffnungen 4 und
FEE-Prallelemente 5 dargestellt.
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Die
Ringspaltströmungsgeschwindigkeit bzw.
der Druck im Ringspalt zwischen zwei FEEs kann zusätzlich durch
die Anzahl der konzentrisch am Außenumfang eines FEEs angebrachten FEE-Laschen
beeinflusst werden. Durch die FEE-Öffnungen 4 ist ebenfalls
gewährleistet,
dass ein Verblocken eines Ringströmungssegments, beispielsweise
hervorgerufen durch eine Verblockung mit Feststoffpartikel oder
Schlacke, nicht zum Bersten des Segments führt, da der Druck bzw. die
Strömung
auf weitere FEE-Ebenen verteilt wird, d. h. eine Axialströmung im
Filterpaket stattfindet. Zur Vermeidung von evtl. unerwünschten
Axialströmungen
am ersten und letzen FEE können
diese mit jeweils einem FEE-Abschluss gleicher Geometrie wie die
verwendeten FEEs, jedoch ohne FEE-Öffungen versehen werden (nicht
dargestellt). Der Filter lenkt dann eine Axialströmung, die
vor dem Einströmen
in den Filter vorherrscht, in eine reine Radialströmung um.
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Durch
den Abstand zweier FEEs zueinander kann zudem über der Filterhöhe, die
viele FEEs gestapelt aufeinander generieren, ein Druckgradient,
d. h. eine veränderlich
zunehmende oder veränderlich abnehmende
Gasdurchlässigkeit
erzeugt werden, die die Maximalbeladung des Filters mit Feststoffpartikeln
oder Schlacke erhöht
sowie den Kühlleistungs-Wirkungsgrad
des Filters ebenfalls erhöht.
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Nachfolgend
werden weitere drei Ausführungsformen
des der Erfindung zugrunde liegenden Filters erläutert, die im Wesentlichen
die in Ausführungsform
1 genannten Vorteile des dort beschriebenen Filters widerspiegeln,
sich jedoch konstruktiv und fertigungstechnisch von diesem unterscheiden.
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Ausführungsform
2 (5, 9, 11) beschreibt
einen Filter 1, der ebenfalls aus zahlreichen FEEs 2 besteht.
Jeder dieser FEEs weist auf dem FEE erhabene Vorsprünge in Form
von FEE-Prall-und-Kühlbauteilen 8a auf,
die ebenfalls in einer radial von innen nach außen gerichteten Ringströmung eines
durch den Filter strömenden
Mediums stehen. Hierbei sind alle erhabenen geometrischen Bauteil
als FEE-Prall-und-Kühlbauteil
denkbar, d. h. die in 5 gezeigte py ramidenstumpfförmige Geometrie
der FEE-Prall-und-Kühlbauteile 8a ist
nur eine von vielen denkbaren und realisierbaren Geometrien. Am äußeren Umfang
eines FEEs befinden sich FEE-Verbindungsflächen 14, über die
einzelne FEEs kraftschlüssig,
formschlüssig
oder stoffschlüssig
fest miteinander verbunden werden können, wodurch dann der gewünschte Filter 1 entsteht.
Die einzelnen FEEs zentrieren sich hierbei zueinander über die
FEE-Zentrierungen (Bunde) 12. Zwischen den FEE-Verbindungsflächen 14 sind
radiale FEE-Abströmöffnungen 9 vorgesehen,
durch die das im Filter strömende
Medium den Filter verlässt.
Sollten Axialströmungen
im Filter über
die FEEs erwünscht
sein, so können
zusätzlich
Axialbohrungen in die FEEs eingebracht werden (nicht dargestellt,
aber ähnlich wie
Axialbohrungen in 6).
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Ausführungsform
3 der vorliegenden Erfindung ist in 6, 7a, 7b sowie 10 dargestellt.
Diese Ausführungsform
führt ebenfalls
zu dem in 11 dargestellten Filterpaket.
Die Ausführungsform
3 unterscheidet sich zur Ausführungsform 2
insbesondere darin, dass zwischen den FEEs 2 Kühl- und
Prallelement-Einleger 13 eingelegt sind, die die Filterwirkung
sowie große
Teile der Kühlwirkung
herbeiführen.
Das FEE 2 selbst ist hier nur ein Radialströmungsverteiler
und generiert zwischen beispielsweise zwei über die FEE-Verbindungsflächen 14 verbundene
FEEs 2 abgegrenzte Strömungsräume, in
die spezielle Kühl-
und Prallelement-Einleger 13 eingelegt werden, die die
gewünschte
Kühl- und
Filterwirkung erzeugen.
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Das
Medium strömt
hier ebenfalls zentrisch axial in den Filter ein und verlässt diesen über die FEE-Abströmöffnungen 9.
Auch für
diese Ausführungsform
ist vorgesehen, dass einzelne FEEs in einem Winkel a zueinander
verdreht werden, um die Abströmfläche 9 des
Filters nach Wunsch zu ändern. Zusätzlich helfen
hier ebenfalls die im Folgenden unter Ausführungsform 4 beschriebenen
FEE-Abströmblenden 11,
die je nach Wahl des Winkels α die FEE-Abströmöffnungen 9 mehr
oder weniger verdecken und somit teilweise oder ganz verschließen (7b).
Diese FEE-Abströmblenden 11 stellen
unter der Verwendung der FEE-Geometrie nach Ausführungsform 2, 3 und 4 eine
Alternative zu einer nichtäquidistanten
Anordnung der FEEs 2 zueinander aus Ausführungsform
1 dar. Somit kann auch hiermit erreicht werden, dass eine über die
Filterhöhe variable
Gasdurchlässigkeit
erzeugt wird.
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Das
exakte Aufeinanderstapeln einzelner FEEs 2 wird über die
FEE-Zentrierung 12 erreicht. Die
kraft-, form- oder stoffschlüssige
Verbindung der einzelnen FEEs zu einem formfesten homogenen Filterbauteil 1 wird
ebenfalls durch die bereits bekannten FEE-Verbindungsflächen 14 bewirkt.
Sind Axialströmungen
im Filter zwischen den einzelnen FEEs 2 erwünscht, können wie
in 6 dargestellt, axiale Öffnungen in die FEEs 2 eingebracht
werden.
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Ausführungsform
4 der vorliegenden Erfindung ist in 8 dargestellt.
Diese unterscheidet sich von Ausführungsform 2 nur in der Gestaltung
der erhabenen Bauteile auf dem FEE 2. In 8 sind hier
die in Ausführungsform
2 beschriebenen pyramidenstumpfförmigen
Kühl- und
Prallelemente 8a durch sichelförmige Kühl- und Prallelemente 8b ersetzt,
die zudem ganz wesentliche Verbesserungen hervorrufen, jedoch prozesstechnisch
schwieriger zu fertigen sind. Der Vorteil der sichelförmigen Kühl- und Prallelemente
besteht darin, dass sie für
Feststoffpartikel sowie Schlacke eine optimale Strömungsfalle darstellen
(sog. Schlackefalle), d. h. der Reinigungswirkungsgrad dieses in
Ausführungsform
4 beschriebenen Filters ist außerordentlich
hoch. Die Sichelform der Prall- und
Kühlbauteile 8b besitzt
zudem einen geringeren Strömungsverlustbeiwert,
so dass ein höherer
Wärmeübergang
ebenfalls zu erwarten ist.
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Grundsätzlich ist
es möglich,
dass die hier beschriebenen Ausführungsformen
in ihren Merkmalen auch vermischt werden können, um einzelne positive
Merkmale herbeizuführen.
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- 1
- Filterpaket
- 2
- Filtereinzelelement
(FEE)
- 3
- FEE-Laschen
- 4
- FEE-Öffnung
- 5
- FEE-Prallelement
- 6
- FEE-Zentralbohrung
- 7a
- FEE-Richtungsgeber
links
- 7b
- FEE-Richtungsgeber
rechts
- 8a
- FEE-Prall-und-KühlBauteil
erhaben
- 8b
- FEE-Prall-und-KühlBauteil
sichelförmig
- 9
- FEE-Abströmöffnungen
radial
- 10
- FEE-Axialbohrungen
- 11
- FEE-Abströmblenden
- 12
- FEE-Zentrierung
- 13
- Kühl-und-Prallelement
Einleger
- 14
- FEE-Verbindungsflächen