DE102006046328A1

DE102006046328A1 - Vorrichtung zum Abscheiden von Staub aus staubbeladener Luft, insbesondere zur Verwendung in einem Staubsauger

Info

Publication number: DE102006046328A1
Application number: DE102006046328A
Authority: DE
Inventors: Andre Bertram; Joerg Dr. Kinnius; Stefan Tiekötter; Cornelius Wolf
Original assignee: Miele und Cie KG
Current assignee: Miele und Cie KG
Priority date: 2006-09-28
Filing date: 2006-09-28
Publication date: 2008-04-03
Anticipated expiration: 2026-09-29
Also published as: DE102006046328B4; US20090217635A1; WO2008037342A2; EP2068691A2; WO2008037342A3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum Abscheiden von Staub aus staubbeladener Luft, insbesondere zur Verwendung in einem Staubsauger, mit einem ersten tangential angeströmten Zyklon-Abscheider und einem strömungsmäßig dahinter angeordneten axial angeströmten Zyklon-Abscheider, von dem wenigstens der Lufteinlass innerhalb des Tangential-Abscheiders angeordnet ist. Die Vorrichtung soll einfach aufgebaut und trotzdem wirkungsvoll sein. Um diese Erfordernisse zu erfüllen, wird vorgeschlagen, dass der Lufteinlass als trichterartig erweiterter, in den Anströmbereich des Tangential-Abscheiders ragender Stutzen (14) ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abscheiden von Staub aus staubbeladener Luft, insbesondere zur Verwendung in einem Staubsauger, mit einem ersten, tangential angeströmten Zyklon-Abscheider und einem strömungsmäßig dahinter angeordneten axial angeströmten Zyklon-Abscheider, von dem wenigstens der Lufteinlass innerhalb des Tangential-Abscheiders angeordnet ist.
Bei Staubsaugern, insbesondere bei Bodenstaubsaugern, kommen Staubrückhaltesysteme zum Einsatz, die in der Regel zwischen dem Lufteinlass eines Staubsammelraums und der Saugseite eines Gebläses angeordnet sind und den aufgenommenen Staub vor dem Eintritt in das Gebläse zurückhalten. Die bekannteste Variante ist ein als Beutel geformter Filter, welches innenbeaufschlagt ist, d. h., der Staub lagert sich im Inneren des Beutels ab. Dem Beutel ist in der Regel noch ein Feinstaubfilter nachgeschaltet, welcher Staubpartikel in der Größenordnung von weniger als 2 μm aufnimmt, die den Beutel passieren. Die Entfernung dieses Staubanteils aus der Raumluft gewinnt mit der ansteigenden Zahl von Allergikern an Bedeutung, da diese Partikel wegen ihrer geringen Größe lungengängig sind und deshalb zu einer gesundheitlichen Belastung führen. Bei Erreichen der maximalen Aufnahmekapazität, die bei ca. 400 Gramm liegt, muss der Beutel ausgetauscht werden, dies kann insbesondere bei verschließbaren Beuteln hygienisch erfolgen, da der Staub im Beutel bleibt und mit diesem entsorgt wird. Ein solcher Austausch ist je nach Gebrauchsgewohnheit mehrmals im Jahr erforderlich und verursacht Kosten. Auch der Feinstaubfilter muss nach einer gewissen Nutzungszeit ausgetauscht werden, hier sind jedoch die Intervalle wegen der geringen Menge des Feinstaubs größer, von den Herstellern wird ein Austausch nach ca. einem Jahr empfohlen. Wegen der geringen Partikelgrößen entsteht ein kleiner Masseanteil an Feinstaub, deshalb besitzen handelsübliche Feinstaubfilter ein Fassungsvermögen von etwa 10 Gramm.
In manchen Kleinstsaugern, Mehrzwecksaugern oder Gewerbegeräten gibt es außenbeaufschlagte Filter, die das Gebläse umgeben. Der Vorteil ist die größere Aufnahmekapazität, der Nachteil besteht darin, dass die Filter dieser Staubsauger nur für Grobstaub ausgelegt sind, der Feinstaub, welcher allergieauslösende Pollen und Mikroorganismen beinhaltet, passiert den Filter und wird vom Gebläse in den Raum zurückgeblasen und dabei sogar aufgewirbelt.
Es besteht der Wunsch nach einem wiederverwendbaren Filtersystem für Grobstaub, welches folgende Eigenschaften besitzt:

– kompakter Aufbau;
– hygienische Entnahmemöglichkeit des gesammelten Staubs;
– geringe Saugleistungsverluste.

Hier sind im Wesentlichen folgende Systeme bekannt:

1. auswaschbare und wiederverwendbare Textilfilterbeutel ( DE 199 11 331 C1 ); hier bestehen in erster Linie Bedenken hinsichtlich der Hygiene, da die stark verunreinigten Beutel zunächst manuell geleert und anschließend in der Waschmaschine gewaschen werden müssen;
2. Staubkassetten aus porösem Sintermaterial ( EP 1 179 312 A2 );
3. Fliehkraft-Abscheider, auch Zyklon-Abscheider genannt ( EP 0 647 114 B1 );
4. Massenträgheits-Abscheider (nachveröffentlichte PCT/EP2006/008252 )

Die drei letztgenannten Systeme bieten die Möglichkeit, den Staubsammelbehälter einfach zu entnehmen, zu entleeren und bei Verschmutzung zu reinigen. Bei handelsüblichen Systemen, insbesondere bei den Zyklon-Abscheidern, wird bisher versucht, die von den Staubbeuteln bekannte Staubabscheidung nachzubilden. Aus diesem Grund ist die Trenngrenze der Abscheider sehr klein, deshalb befinden sich große Mengen von lungengängigem Feinstaub in den Staubsammelbehältern. Das Entleeren dieser Behälter führt dann dazu, dass die leichteren Bestandteile des ausgeschütteten Staubs auffliegen und sich in der Luft verteilen. Hierdurch werden insbesondere Allergiker belastet.
Um dies zu vermeiden, wird in der PCT/EP2006/008252 vorgeschlagen, ein Staubabscheide-System zu verwenden, mit welchem der Staub in drei Fraktionen getrennt werden kann, wobei die Trenngrenzen bei Staubpartikelgrößen von 200 μm (1. Stufe) und bei 30 μm (2. Stufe) liegen. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird der zweiten Fraktion, bei der die Staubpartikel mehrheitlich eine Größe zwischen 30 μm und 200 μm besitzen, ein Staubbindemittel zugegeben. Es kann dann vorteilhaft sein, wenn in dem Sammelbehälter, der diese zweite Fraktion aufnimmt, eine gerichtete Luftverwirbelung stattfindet, um Staubpartikel und Staubbindemittel zu vermischen. Eine solche Luftverwirbelung findet in dem Staubsammelbehälter des vorbeschriebenen Massenträgheits-Abscheiders nicht statt.
Zyklon-Abscheider, bei denen mehrere tangential angeströmte Abscheider hintereinander geschaltet sind, sind bekannt, wobei der erste Zyklon die Funktion hat, größere Partikel abzuscheiden, und die nachgeschalteten Zyklone die weitere Filterung durchführen. Beispiele hierfür sind in der EP 0 018 197 A1 , in der EP 0 042 723 A1 und in der EP 0 489 565 A1 zu finden. Aufgrund der hohen Abscheideleistung, von Tangential-Abscheidern gelangt in die zweite Fraktion ein hoher Staubanteil mit Partikelgrößen, die im Bereich von 1 μm liegen. Solche kleinen Partikel sind lungengängig und belasten beim Entleeren den Benutzer, insbesondere dann, wenn er Allergiker ist.
Aus der DE 697 12 046 T2 ist ein Haushaltsstaubsauger bekannt, bei dem einem Tangential-Abscheider ein Axial-Abscheider nachgeschaltet ist. Der Axialabscheider besitzt einen Lufteintritt, in dem auf eine labyrinthartige Struktur eine Verwirbelungsvorrichtung folgt. In den Leitschaufeln dieser Verwirbelungseinrichtung können sich Fasern und Haare verfangen, die die Luftzuführung behindern. Außerdem ist ein solcher Abscheider schwer zu fertigen.
Der Erfindung stellt sich somit das Problem, eine Vorrichtung zum Abscheiden von Staub aus staubbeladener Luft, insbesondere zur Verwendung in einem Staubsauger zu offenbaren, welche einfach aufgebaut und trotzdem wirkungsvoll ist.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Unteransprüchen.
Durch den Tangential-Abscheider werden die größeren Teile in einem ersten Behälter gesammelt, der ohne Aufstauben entleert werden kann. Der im Strömungsweg nachgeschaltete Axial-Abscheider kommt ohne die sonst üblichen drallerzeugenden Schaufeln aus, da der Drall bereits vom Tangential-Abscheider erzeugt wurde. Dabei ist es zweckmäßig, wenn der Tangential-Abscheider derart dimensioniert ist, dass sich für Staubpartikel eine Trenngrenze von ca. 200 μm ergibt. Der Axial-Abscheider sollte so dimensioniert sein, dass sich für Staubpartikel eine Trenngrenze von ca. 20 μm ergibt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Axial-Abscheider wenigstens im Bereich des Lufteinlasses frei von Verwirbelungs-Einrichtungen gehalten. Hierdurch wird einerseits eine leicht zu fertigende Bauform erreicht, andererseits wird das Festsetzen von Haaren und Textilfasern im Lufteinlass vermieden. Es ist sogar zweckmäßig, wenn der Axial-Abscheider im gesamten Wirkbereich frei von Verwirbelungs-Einrichtungen gehalten ist.
Tangential-Abscheider und der Axial-Abscheider sollten jeweils in einen Staubsammelbehälter übergehen, aus dem der Staub dann auf einfache Weise geleert werden kann. Zur Erleichterung der Handhabung sollte der Staubsammelbehälter des Axial-Abscheiders im Staubsammelbehälter des Tangential-Abscheiders angeordnet sein und beide Behälter sollten über einen gemeinsamen Boden verschließbar sein.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ragt der Axial-Abscheider derart in den darunter angeordneten Staubsammelbehälter, dass im Staubsammelbehälter eine Verwirbelung der Staubpartikel stattfindet. Hierdurch wird eine gerichtete wirbelförmige Luftbewegung erzeugt, die einerseits das Anhaften von Staub- und Schmutzpartikeln an den Behälterwänden verhindert und andererseits eine Vermischung mit einem Staubbindemittel ermöglicht. Die Ausbildung dieses Wirbels wird durch eine zumindest nahezu runde Ausbildung des zweiten Sammelbehälters unterstützt. Zur Vereinfachung der Bindemittel-Zugabe sollte der Sammelbehälter eine Einrichtung zur Zuführung des Mittels besitzen.
Der Luftauslass des Axial-Abscheiders kann zweckmäßig als Tauchrohr innerhalb des Stutzens angeordnet sein. Ein Sieb oder Gitter auf der Lufteinlassseite verhindert das Eindringen von Staub der mittleren Fraktion in den Feinstaubfilter und sorgt für eine gleichmäßige Strömung.
Dadurch, dass das Tauchrohr an die obere Deckfläche des Tangential-Abscheiders angeformt ist, wird die Fertigung vereinfacht.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen rein schematisch dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt
1 die Prinzipskizze eines Tangential- und eines Axial-Abscheiders;
2 eine Kombination aus Tangential- und Axial-Abscheider;
3 die erfindungsgemäße Ausführung einer Staubabscheide-Vorrichtung im Längsschnitt;
4 einen Querschnitt durch die Vorrichtung gemäß 3 entlang der Schnittlinie IV-IV;
5 den Axial-Abscheider der Vorrichtung nach 3 als Einzelheit.
Als Zyklonabscheider bezeichnet man Vorrichtungen, in denen aus einem Gemisch mindestens ein Teil durch Ausnutzung der Fliehkraft abgetrennt wird. Hierzu wird das Gemisch durch einen Einlass zugeführt, in Rotation versetzt, anschließend wird der von dem abgeschiedenen Teil befreite Rest über einen Auslass entfernt. Bei Staubsaugern werden solche Abscheider benutzt, um Staub und andere Verunreinigungen aus der von einem Gebläse beschleunigten Saugluft zu trennen.
In der Verfahrenstechnik werden neben Tangential-Abscheidern (1, Detail a) häufig auch sogenannte Axial-Abscheider (1, Detail b) eingesetzt. Beim Tangential-Abscheider wird der notwendige Drall durch eine außermittige, radiale Anordnung des Lufteinlasses (i) erzeugt. Beim Axial-Abscheider erfolgt der Lufteinlass (ii) definitionsgemäß in axialer Richtung, zur Drallerzeugung sind im allgemeinen Leitschaufeln (iii) notwendig. Wegen des größeren Einlassquerschnittes können Axial-Abscheider trotz kompakter Bauform hohe Volumenströme verarbeiten. Dies macht sie für Staubsaugeranwendungen besonders interessant. Dabei ergibt sich allerdings das Problem, dass sich in den Leitschaufeln (iii) größere Teile, Haare und Fasern verfangen können. Es kann deshalb zweckmäßig sein die groben Teile mit einem Tangential-Abscheider abzuscheiden und nur Partikel, die kleiner als etwa 200 μm sind, einem Axialzyklon zuzuführen. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer solchen strömungsmäßig hintereinandergeschalteten Abscheiderkombination. Obwohl dadurch größere Teile von den Leitschaufeln (iii) ferngehalten werden, können Fasern und Haare immer noch eindringen. Dies würde den Benutzer zu regelmäßiger mühsamer Reinigung der Leitschaufeln (iii) zwingen.
Simulationen und Untersuchungen haben überraschend gezeigt, dass bei einer Anordnung nach 2 Leitschaufeln (iii) dann nicht mehr nötig sind, wenn die dem Axial-Abscheider zufließende Luft durch den vorgeschalteten Tangentialabscheider bereits eine starke Drallkomponente hat.
Dies führt zu einer besonders bevorzugten Ausgestaltung nach 3. Bei der dort dargestellten Vorrichtung 1 zum Abscheiden von Staub aus staubbeladener Luft ist ein äußerer Behälter 2 mit einem außermittigen Lufteinlass 3 versehen. Der Lufteinlass 3 ist zu einem Stutzen 4 an der zylindrischen Behälterwand 5 erweitert. Ein Luftauslass 6 ist als Tauchrohr 7 an eine zentrale Öffnung 8 im Behälterdeckel 9 angeformt und im Behälterinneren mit einem gitterförmigen Strömungsgleichrichter 10 umgeben. Im äußeren Behälter 2 ist exzentrisch ein innerer Behälter 11 angeordnet, der in seiner Oberseite 12 ebenfalls exzentrisch eine Öffnung 13 besitzt. An diese Öffnung 13 ist oberhalb des inneren Behälters ein Stutzen 14 angeformt, der zu einem trichterförmigen Kragen 15 erweitert wird. Durch die exzentrische Anordnung des inneren Behälters 11 und der Öffnung 13 wird erreicht, dass Stutzen 14 und Kragen 15 sich koaxial zur Wand 5 des äußeren Behälters 2 erstrecken, siehe auch 4.
Auf der Innenseite des inneren Behälters 11 ist in die Öffnung ein Zylinderabschnitt 16 eingesetzt, an den ein kreisförmiger Boden 17 angeformt ist. Der Boden 17 besitzt den gleichen Radius wie die Öffnung 13, folglich berührt er auf einer Seite die Wand 18 des inneren Behälters 11. Der Zylinderabschnitt 16 ist im Querschnitt halbkreisförmig ausgebildet und erstreckt sich gegenüber der Seite, an der der Boden 17 die Wand 18 berührt. Auf diese Weise werden, wie in den 4 und 5 erkennbar ist, zwei Öffnungen 19 und 20 gebildet, die das Gebilde aus Kragen 15, Stutzen 14 und Zylinderabschnitt 16, also den eigentlichen Axial-Abscheider, strömungsmäßig mit dem inneren Behälter 11 verbinden.
Beide Behälter 2 und 11 sind über eine gemeinsame Bodenklappe 21 entleerbar.
Im Folgenden ist die Funktionsweise der Vorrichtung beschrieben:
Die staubbeladene Luft gelangt durch den Lufteinlass 3 in den äußeren Behälter 2. Dieser fungiert aufgrund der außermittigen Anordnung als Tangential-Abscheider mit darunter angeordnetem Staubsammelbehälter. Gröbere und schwerere Staubteilchen werden bereits hier an der Außenwand 5 abgeschieden und fallen durch Schwerkraftwirkung schließlich auf die Bodenklappe 21. Die mittlerweile nur noch mit einer mittleren und feinen Staubfraktion beladene Luft gelangt dann über den trichterförmigen Kragen 15 in den eigentlichen Axial-Abscheider, der durch den Kragen 15 und den angeformten Stutzen 14 gebildet wird. Der obere Durchmesser des Kragens 15 ist sehr groß gewählt, um die Zentrifugalbeschleunigung niedrig zu halten.
Dadurch werden im Tangential-Abscheider nur Staubpartikel separiert, die größer als 200 μm sind. Da der Kragen 15 in den Anströmbereich des Tangential-Abscheider ragt, besitzt die Luft beim Eintritt in den Axial-Abscheider den notwendigen Drall. Die in 2 noch eingezeichneten Leitschaufeln (iii) können deshalb entfallen. Das vereinfacht und verbilligt einerseits den Gesamtaufbau und macht ihn andererseits weit weniger verschmutzungsanfällig. Der trichterförmige Kragen 15 führt alle kleineren Teilchen durch die kontinuierliche Verjüngung dem Stutzen 14 zu. Von dort gelangt die Luft über den gitterförmigen Strömungsgleichrichter 10 in das Tauchrohr 7 und dann weiter zu einem nichtdargestellten Feinstaubfilter. Das Tauchrohr 7 legt durch seinen Durchmesser die ausgangsseitige Trenngrenze des Axial-Abscheiders fest; es ist so dimensioniert, dass Teilchen bis zu einer Größe von ca. 20 μm aus dem Luftstrom abgesondert werden und in den inneren Behälter 11 fallen, der als Sammelbehälter für die mittlere Staubfraktion fungiert. Dieser Behälter 11 besitzt eine nicht dargestellte, aus der PCT/EP2006/008252 bekannte Einrichtung zur Zuführung eines Staubbindemittels.
Der gitterförmige Strömungsgleichrichter 10 erfüllt zwei Funktionen: Er vergleichmäßigt die Strömung die in das Tauchrohr 7 eintritt und verbessert so die Trennschärfe des Axialzyklons und er wirkt als Schutz für den nachgeschalteten Feinfilter. Bei Betriebsstörungen, z.B. verstopften Abscheidern oder nicht ordnungsgemäß geschlossener Bodenklappe 21, könnten größere Mengen gröberen Schmutzes in den Feinfilter gelangen und ihn verstopfen. Beide Funktionen können auch mit einer Siebstruktur oder einem Lochblech verwirklicht werden. Die hier vorgeschlagene Gitteranordnung hat aber den Vorteil, dass sie sich leichter reinigen lässt. Denn nicht nur bei Betriebsstörungen, sondern auch im Normalbetrieb können sich gelegentlich Fasern im Strömungsgleichrichter 10 verfangen. Die Gitteranordnung kann vorteilhafterweise entnehmbar ausgeführt sein, um eine noch leichtere Reinigung zu ermöglich.
Neben dem Tauchrohr 7 als Auslass 8 für die Luft ist in dem Axial-Abscheider noch die Öffnung 19 vorhanden, durch die die mittlere Staubfraktion in den inneren Behälter 11 gelangt. Dieser Auswurföffnung 19 liegt die zweite Öffnung 20 gegenüber, die als Luftrückfluss wirkt. Über diese beiden Öffnungen 19 und 20 wird vom Luftwirbel des Axial-Abscheiders ein deutlich schwächerer Sekundärwirbel in dem Behälter 11 angeregt. Dieser Sekundärwirbel sorgt für eine gute Vermischung des Staubs mit dem Staubbindemittel. Eine runde oder zumindest nahezu runde Form des inneren Behälters 11 erleichtert und vergleichmäßigt die Ausbildung des Sekundärwirbels und verbessert daher die Vermischung. Eine definierte, gleichmäßige, weitgehend horizontale Sekundärströmung ist die Grundvoraussetzung für eine einwandfreie Funktion. Eine zu schwache oder ungleichmäßige Luftströmung würde zu einer unzureichenden Durchmischung führen, während eine zu starke oder vertikale Strömung ein Zurücksaugen der bereits abgeschiedenen Teilchen bewirkt.
Die zweite Öffnung 20 kann verschließbar ausgeführt werden. Dann bildet sich der beschriebene Sekundärwirbel nicht oder zumindest in sehr viel schwächerer Form aus. Dies ist dann sinnvoll, wenn der Kunde das Gerät ohne Staubbindemittel betreiben will.

Claims

Vorrichtung (1) zum Abscheiden von Staub aus staubbeladener Luft, insbesondere zur Verwendung in einem Staubsauger, mit einem ersten, tangential angeströmten Zyklon-Abscheider und einem strömungsmäßig dahinter angeordneten axial angeströmten Zyklon-Abscheider, von dem wenigstens der Lufteinlass innerhalb des Tangential-Abscheiders angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Lufteinlass als trichterartig erweiterter, in den Anströmbereich des Tangential-Abscheiders ragender Stutzen (14) ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Tangential-Abscheider derart dimensioniert ist, dass sich für Staubpartikel eine Trenngrenze von ca. 200 μm ergibt.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Axial-Abscheider derart dimensioniert ist, dass sich für Staubpartikel eine Trenngrenze von ca. 20 μm ergibt.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Axial-Abscheider wenigstens im Bereich des Lufteinlasses frei von Verwirbelungs-Einrichtungen (iii) gehalten ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Axial-Abscheider im gesamten Wirkbereich frei von Verwirbelungs-Einrichtungen (iii) gehalten ist.
Vorrichtung (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Tangential-Abscheider und der Axial-Abscheider jeweils in einen Staubsammelbehälter (2, 11) übergehen.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Staubsammelbehälter (11) des Axial-Abscheiders im Staubsammelbehälter (2) des Tangential-Abscheiders angeordnet ist und dass beide Behälter über einen gemeinsamen Boden (21) verschließbar sind.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Axial-Abscheider derart in den darunter angeordneten Staubsammelbehälter (11) ragt, dass im Staubsammelbehälter eine definierte Verwirbelung der Staubpartikel stattfindet.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Staubsammelbehälter (11) des Axial-Abscheiders eine Einrichtung zur Zuführung eines Staubbindemittels besitzt.
Vorrichtung (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftauslass (8) des Axial-Abscheiders als Tauchrohr (7) innerhalb des Stutzens (14) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Tauchrohr (7) auf der Lufteinlassseite von einem Sieb oder Gitter umgeben ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Tauchrohr (7) an die obere Deckfläche (9) des Tangential-Abscheiders angeformt ist.