DE102011009741B4

DE102011009741B4 - Zentrifugalabscheider mit Partikelleitrinne

Info

Publication number: DE102011009741B4
Application number: DE102011009741.4A
Authority: DE
Inventors: Dirk Hornung
Original assignee: Hengst SE and Co KG
Current assignee: Hengst SE and Co KG
Priority date: 2010-07-30
Filing date: 2011-01-28
Publication date: 2021-06-02
Anticipated expiration: 2031-01-29
Also published as: DE102011009741A1; US9821322B2; CN103097033A; WO2012013550A1; CN103097033B; US20130123090A1

Abstract

Zentrifugalabscheider (1) zum Abscheiden von flüssigen und/oder festen Partikeln aus einem Gasstrom, mit einem Abscheidergehäuse (10) und mit einem darin angeordneten, in Drehung versetzbaren Rotor (3), wobei das Abscheidergehäuse (10) einen Rohgaseinlass, einen Reingasauslass (14') und einen Partikelauslass sowie eine den Rotor (3) radial außen mit Abstand umgebende Umfangswand (2) aufweist, wobei ein Rohgasstrom (13) axial in den Rotor (3) einleitbar und in diesem in Drehung versetzbar ist, wobei ein Reingasstrom (14) radial nach außen aus dem Rotor (3) heraus und dann zwischen dem Außenumfang (30) des Rotors (3) und dem Innenumfang (20) der Umfangswand (2) zum Reingasauslass (14') abführbar ist, wobei der Rotor (3) Partikelabscheideelemente aufweist, von denen aus dem Gasstrom abgeschiedene Partikel durch Zentrifugalkraft auf den Innenumfang (20) der Umfangswand (2) abschleuderbar sind, wobei die Partikel auf der Umfangswand (2) dem Partikelauslass zuführbar sind und wobei auf dem Innenumfang (20) der Umfangswand (2) mindestens eine zur Achsrichtung (31) des Rotors (3) schräg verlaufende Partikelleitrinne (21) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die/jede Partikelleitrinne (21) als Abschnitt einer kegelförmigen Raumspirale ausgeführt ist, wobei der Verlauf der/jeder Partikelleitrinne (21) einen in Richtung des Reingasstroms (14) zum Reingasauslass (14') abnehmenden Radius (r) aufweist, und dass der Abstand (a) zwischen dem Außenumfang (30) des Rotors (3) und dem Innenumfang (20) der Umfangswand (2) in Richtung des Reingasstroms (14) zum Reingasauslass (14') kleiner wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zentrifugalabscheider zum Abscheiden von flüssigen und/oder festen Partikeln aus einem Gasstrom, mit einem Abscheidergehäuse und mit einem darin angeordneten, in Drehung versetzbaren Rotor, wobei das Abscheidergehäuse einen Rohgaseinlass, einen Reingasauslass und einen Partikelauslass sowie eine den Rotor radial außen mit Abstand umgebende Umfangswand aufweist, wobei ein Rohgasstrom axial in den Rotor einleitbar und in diesem in Drehung versetzbar ist, wobei ein Reingasstrom radial nach außen aus dem Rotor heraus und dann zwischen dem Außenumfang des Rotors und dem Innenumfang der Umfangswand zum Reingasauslass abführbar ist, wobei der Rotor Partikelabscheideelemente aufweist, von denen aus dem Gasstrom abgeschiedene Partikel durch Zentrifugalkraft auf den Innenumfang der Umfangswand abschleuderbar sind, wobei die Partikel auf der Umfangswand dem Partikelauslass zuführbar sind und wobei auf dem Innenumfang der Umfangswand mindestens eine zur Achsrichtung des Rotors schräg verlaufende Partikelleitrinne angeordnet ist.
Ein Zentrifugalabscheider der vorstehend genannten Art ist aus der Druckschrift WO 2010 / 051 994 A1 bekannt. Dieser Abscheider hat sich in der Praxis bewährt, jedoch wird bei ihm der relativ hohe Herstellungsaufwand als nachteilig angesehen. Der hohe Herstellungsaufwand ergibt sich insbesondere daraus, dass die Umfangswand mit der Partikelleitrinne nur mithilfe einer aufwändigen, mit einem Spindelkern ausgebildeten Spritzform als Spritzgussteil oder Druckgussteil einstückig hergestellt werden kann. Außerdem wird ein Nachteil darin gesehen, dass die Umfangswand mit der Partikelleitrinne als separate Hülse in das Abscheidergehäuse eingesetzt ist, was einen erhöhten Montageaufwand verursacht. Weiterhin hat sich in Versuchen mit diesem Zentrifugalabscheider herausgestellt, dass besonders feine Partikel aus dem Gasstrom noch nicht in dem gewünschten Umfang und mit dem gewünschten Wirkungsgrad abgeschieden werden.
Ein weiterer Zentrifugalabscheider ist aus der Druckschrift WO 2005 / 032 723 A1 bekannt. Bei diesem Abscheider sind mehrere, bevorzugt zwischen 5 und 40 Partikelleitrinnen auf der Umfangswand vorgesehen, die sich über mindestens die obere Hälfte des Rotors erstrecken, was zu einem hohen Herstellungsaufwand führt. Bevorzugt ist hier außerdem vorgesehen, dass sich die Umfangswand in Strömungsrichtung des Reingasstroms konisch erweitert, so dass der Abstand zwischen dem Außenumfang des Partikel abschleudernden Teils des Rotors und dem Innenumfang der Umfangswand in Strömungsrichtungen des Reingasstroms zum Reingasauslass größer wird. Wie aus Versuchen mit derartigen Zentrifugalabscheidern bekannt ist, werden im unteren Teil des Rotors überwiegend größere Partikel abgeschleudert, während im oberen Bereich des Rotors die abgeschleuderten Partikel kleiner sind. Wie ebenfalls bekannt ist, haben kleinere Partikel eine geringere Trägheit als größere Partikel, was bei diesem bekannten Zentrifugalabscheider dazu führt, dass die im oberen Bereich des Rotors abgeschleuderten kleinen Partikel aufgrund des hier relativ großen Abstandes nicht auf die Umfangswand gelangen, sondern in unerwünschter Weise mit dem Reingasstrom zum Reingasauslass mitgenommen werden. Damit erreicht dieser Zentrifugalabscheider im Hinblick auf feine Partikel keinen optimalen Wirkungsgrad.
Die Druckschrift US 2007 / 0 295 364 A1 zeigt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Reinigen eines Zentrifugalabscheiders. Der Zentrifugalabscheider besitzt ein Gehäuse und einen darin angeordneten, drehantreibbaren Rotor in Form eines Tellerstapels. Das Gehäuse ist konisch, wobei ein Rohgaseinlass am engeren, oberen Ende und ein Reingasauslass am unteren, weiteren Ende des Gehäuses liegt. Der Abstand zwischen dem Außenumfang des Rotors und dem Innenumfang der Umfangswand des Gehäuses wird in Richtung des Reingasstroms zum Reingasauslass größer. Die innere Oberfläche des Gehäuses ist glattflächig ausgebildet und besitzt an ihrem unteren Ende eine Sammelrinne für aus einem zu reinigenden Gasstrom abgeschiedene Partikel. Die 2 dieser Druckschrift zeigt Strömungspfade einer durch ein zentrales Düsenrohr eingespritzten Waschflüssigkeit, wobei die Strömungspfade schraubenlinienförmig von oben nach unten entlang der Innenumfangsfläche des Gehäuses verlaufen. Dieser Verlauf der Strömungspfade ergibt sich allein durch die Rotation des in 2 nicht dargestellten Rotors und durch die Schwerkraft, die beide auf die Waschflüssigkeit einwirken.
Die Druckschrift WO 2008 / 111 909 A1 zeigt einen Partikelabscheider zur Abscheidung von Partikeln aus einem Gas. Dieser Partikelabscheider ist eine Reihenschaltung aus einem Zyklonabscheider und einem Zentrifugalabscheider mit einem gemeinsamen Gehäuse. Der untere Teil des Gehäuses bildet den Zyklon mit einem tangentialen Rohgaseinlass. In diesem den Zyklon darstellenden Bereich des Gehäuses kann auf dessen Innenumfang ein schraubenlinienförmiger Führungssteg („guide rail“) angebracht sein, der dazu dient, ein Zusammentreffen von bereits eingeleitetem, mit Partikeln beladenem Gas mit neu eingeleitetem Gas und den darin mitgeführten Partikeln zu vermeiden. Der Führungssteg ist damit Teil des Zyklons. In einem oberen Teil des Gehäuses oberhalb des Führungssteges ist ein drehantreibbarer Rotor in Form eines Tellerstapels angeordnet, der zur Abscheidung von noch im Gas verbliebenen feinen Partikeln dient. Die hier noch vorhandenen Partikel werden durch Fliehkraft mittels des rotierenden Rotors aus dem Gas abgeschieden und in Richtung zur Innenumfangsfläche des Gehäuses abgeschleudert. Entlang der Innenumfangsfläche des Gehäuses sollen die feinen abgeschiedene Partikel nach unten und dann zusammen mit dem zuvor im Zyklon abgeschiedenen groberen Partikeln weiter nach unten in einen Sammelbehälter fallen. Im Bereich des Zentrifugalabscheiders ist die Innenumfangsfläche des Gehäuses glattflächig ausgebildet.
Die Druckschrift WO 2009 / 010 248 A2 zeigt einen Abscheider zum Abscheiden von Ölnebel aus dem Kurbelgehäuseentlüftungsgas einer Brennkraftmaschine, mit einem Gasreinigungsraum, in dem ein drehbar gelagerter Zentrifugalrotor angeordnet ist. Der Gasreinigungsraum weist einen Rohgaseinlass, einen Reingasauslass und einen Ölauslass auf. Durch den Rohgaseinlass ist das Kurbelgehäuseentlüftungsgas in einen radial inneren Bereich des Zentrifugalrotors einleitbar. Durch den Reingasauslass ist von Ölnebel befreites Reingas aus dem Gasreinigungsraum abführbar. Durch den Ölauslass ist aus dem Gas abgeschiedenes Öl aus dem Gasreinigungsraum abführbar. Weiter weist der Abscheider einen Drehantrieb für den Zentrifugalrotor auf, wobei der Drehantrieb in einem von dem Gasreinigungsraum getrennten Antriebsraum des Abscheiders angeordnet und mit unter Druck stehendem Schmieröl der Brennkraftmaschine betreibbar ist. Über eine vom Antriebsraum in den Gasreinigungsraum verlaufende Welle ist der Drehantrieb mit dem Zentrifugalrotor verbunden. Der Drehantrieb ist durch mindestens eine mit der Welle verbundene, mit dem unter Druck stehenden Schmieröl der Brennkraftmaschine beschickbare Rückstoßdüse gebildet. Ein Grundkörper, der die Trennung zwischen dem Gasreinigungsraum und dem Antriebsraum bildet, erstreckt sich zumindest mit einem eine Lageraufnahme für ein von dem Zentrifugalrotor entfernt liegendes Lager der Welle aufweisenden Körperteil in den Antriebsraum hinein. In der 14 dieser Druckschrift sind am Innenumfang des den Zentrifugalrotor umgebenden Gehäuses schraubenlinienförmige Leitrinnen dargestellt, ohne dass deren Funktion in der Druckschrift erwähnt und beschrieben wird.
Für die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, einen Zentrifugalabscheider der eingangs genannten Art zu schaffen, der die dargelegten Nachteile vermeidet und der einen hohen Abscheidewirkungsgrad, insbesondere auch hinsichtlich feinerer Partikel, erzielt, wobei der Zentrifugalabscheider einfach und kostengünstig herstellbar sein soll.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß mit einem Zentrifugalabscheider der eingangs genannten Art, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die/jede Partikelleitrinne als Abschnitt einer kegelförmigen Raumspirale ausgeführt ist, wobei der Verlauf der/jeder Partikelleitrinne einen in Richtung des Reingasstroms zum Reingasauslass abnehmenden Radius aufweist, und dass der Abstand zwischen dem Außenumfang des Rotors und dem Innenumfang der Umfangswand in Richtung des Reingasstroms zum Reingasauslass kleiner wird.
Mit der Erfindung wird vorteilhaft erreicht, dass in dem Bereich des Zentrifugalabscheiders, in welchem feine Partikel von den Rotor abgeschleudert werden, der Abstand zwischen dem Außenumfang des Partikel abschleudernden Teils des Rotors und dem Innenumfang der Umfangswand am kleinsten ist. Somit müssen die feinen Partikel vom Außenumfang des Rotors bis zum Innenumfang der Umfangswand nur eine relativ kleine Strecke zurücklegen. Dies hat zur Folge, dass die feinen Partikel trotz ihrer im Verhältnis zu größeren Partikeln geringen Trägheit doch zuverlässig auf die Umfangswand auftreffen und auf dieser aufgefangen und dann über deren Oberfläche und durch die Partikelleitrinne oder -rinnen abgeführt werden. Die größeren Partikel mit ihrer größeren Trägheit treffen auch über einen größeren Abstand zwischen dem Außenumfang des Rotors und dem Innenumfang der Umfangswand zuverlässig auf dieser auf, um dann in gleicher Weise wie die feinen Partikel abgeführt zu werden. Durch die erfindungsgemäße Geometrie der Partikelleitrinne oder -rinnen wird zum einen die gewünschte Abstandsvariation zwischen dem Außenumfang des Rotors und dem Innenumfang der Umfangswand in Kombination mit einem einfach als Zylinder geformten Rotor erreicht und zum anderen die Abfuhr der auf der Umfangswand niedergeschlagenen flüssigen und/oder festen Partikel begünstigt und gefördert. Wenn der Durchmesser des Rotors in seinem Partikel abschleudernden Teil konstant ist, wird die Fertigung des Rotors besonders einfach gehalten. Der über die Höhe des Rotors variierende Abstand zwischen dessen Außenumfang und dem Innenumfang der Umfangswand kann zusätzlich durch Variation des Außendurchmessers des Rotors beeinflusst werden.
Erfindungsgemäß wird weiter vorgeschlagen, dass ein Maß der Abnahme des Radius abhängig von der Breite der/jeder Partikelleitrinne und von der Anzahl der Partikelleitrinnen so bemessen ist, dass das die Umfangswand mit der mindestens einen Partikelleitrinne aufweisende Abscheidergehäuse bei einer Herstellung als Spritz- oder Druckgussteil hinterschnittfrei axial entformbar ist. Die Geometrie der/jeder Leitrinne, deren Anzahl und die in Radialrichtung gemessene Breite der/jeder Partikelleitrinne sind dabei also mit anderen Worten so aufeinander abgestimmt, dass in Axialrichtung gesehen keine radiale Überlappung zwischen Partikelleitrinnen besteht. Hiermit wird eine formtechnische einfache und damit kostengünstige Fertigung des die Partikelleitrinne oder -rinnen aufweisenden Teils des Zentrifugalabscheiders ermöglicht, weil ein einfaches, in Axialrichtung erfolgendes, rotationsfreies Entformen der Umfangswand bei einer Herstellung als Spritzguss- oder Druckgussteil ermöglicht wird. Eine komplizierte Gießform mit einem Spindelkern wird nun nicht mehr benötigt.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Zentrifugalabscheiders sieht vor, dass die/jede Partikelleitrinne sich über weniger als die gesamte Höhe des Partikel abschleudernden Teils des Rotors erstreckt. Praktische Versuche mit dem erfindungsgemäßen Zentrifugalabscheider haben gezeigt, dass auch eine Anordnung einer oder mehrerer Partikelleitrinnen über nur einen Teil der Höhe des Partikel abschleudernden Teils des Rotors für die gewünschte Funktion vollkommen ausreichend ist. Damit kann die Geometrie der Umfangswand weiter vereinfacht werden, was auch deren Herstellung entsprechend einfacher macht.
Um im Betrieb des Zentrifugalabscheiders die natürliche Schwerkraft ausnutzen zu können, ist zweckmäßig vorgesehen, dass der Reingasauslass oberhalb des Rotors im Abscheidergehäuse angeordnet ist, dass der Reingasstrom zwischen dem Außenumfang des Rotors und dem Innenumfang der Umfangswand nach oben hin zum Reingasauslass abführbar ist und dass die/jede Partikelleitrinne höhengleich mit oder über dem oberen Ende des Partikel abschleudernden Teils des Rotors beginnt und sich von dort nach unten erstreckt. Das Abführen der Partikel wird hier durch eine Kombination der natürlichen Schwerkraft und der vom Rotor erzeugten und von den Partikelleitrinnen geführten Gasströmung bewirkt, was insgesamt für eine zuverlässige Abführung der auf dem Innenumfang der Umfangswand niedergeschlagenen Partikel sorgt, ohne dass diese wieder in den Gasstrom hinein gelangen können.
Wie oben schon beschrieben, ist der Abstand zwischen dem Außenumfang des Rotors und dem Innenumfang der Umfangswand in dem vom Reingasauslass entfernten Bereich des Rotors größer. Hierdurch wird in diesem Bereich ein relativ großer Strömungsquerschnitt zur Verfügung gestellt und dadurch für relativ geringe Gasgeschwindigkeiten gesorgt. Ein Mitreißen von auf der Umfangswand niedergeschlagenen Partikeln ist hier in diesem Bereich also relativ unwahrscheinlich oder sogar ausgeschlossen. Aus diesem Grunde schlägt eine Ausführung der Erfindung vor, dass die/jede Partikelleitrinne sich nach unten hin in eine axial weiter nach unten verlaufende Partikelablaufrinne fortsetzt. Der axiale Verlauf der Partikelablaufrinne sorgt für einen möglichst kurzen Weg für das Abführen der abgeschiedenen Partikel und erleichtert das Herstellen der Umfangswand.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass über den von der axial verlaufenden Partikelablaufrinne eingenommenen Höhenbereich der Umfangswand der Abstand zwischen dem Außenumfang des Rotors und dem Innenumfang der Umfangswand konstant ist. Diese Ausgestaltung ist insbesondere ein Beitrag zu einer kompakten Gestaltung des Abscheidergehäuses, weil die mit dem zunehmenden Abstand zwischen dem Rotor und der Umfangswand verbundene Vergrößerung des Außendurchmessers des Abscheidergehäuses sich in dessen unterem Bereich nicht mehr fortsetzt.
Um die vom Rotor abgeschleuderten und auf der Umfangswand niedergeschlagenen Partikel sicher und ohne die Gefahr eines Wiedereintritts in den Gasstrom abzuführen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die/jede Partikelleitrinne und/oder Partikelablaufrinne im Querschnitt gesehen hinterschnitten und gegen die Rotordrehrichtung offen ist und in Rotordrehrichtung stufenlos stetig mit dem Innenumfang der Umfangswand ausgebildet ist. In dem Hinterschnitt fangen sich die Partikel und sind dann von dem in Richtung zum Reingasauslass strömenden Reingasstrom ausreichend abgeschirmt. Die mit dem Innenumfang der Umfangswand stufenlos stetige Ausbildung der Partikelleitrinne(n) in Rotordrehrichtung vermeidet störende Gasströmungswirbel, die ein Lösen von Partikeln von der Umfangswand und einen Wiedereintritt der Partikel in den Reingasstrom bewirken könnten.
Eine weitere Maßnahme zur Erzielung einer einfachen Fertigung des erfindungsgemäßen Zentrifugalabscheiders besteht darin, dass bevorzugt die Umfangswand mit der mindestens einen Partikelleitrinne ein einstückiger Teil des Abscheidergehäuses ist.
In einer Weiterbildung ist dabei vorgesehen, dass der die mindestens eine Partikelleitrinne aufweisende Teil des Abscheidergehäuses ein vom übrigen Abscheidergehäuse abnehmbarer Gehäusedeckel ist. Der Zentrifugalabscheider ist dann so ausgeführt, dass bei mit dem übrigen Abscheidergehäuse verbundenem Deckel dieser den Rotor oder zumindest den Partikel abschleudernden Teil des Rotors umgibt. Vorteilhaft besteht so auch die Möglichkeit, Zentrifugalabscheider mit Partikelleitrinnen und ohne Partikelleitrinnen einfach dadurch zur Verfügung zu stellen, dass zwei verschiedene Deckel gefertigt werden, wobei alle übrigen Teile des Zentrifugalabscheiders unverändert bleiben können.
In einer alternativen Ausgestaltung schlägt die Erfindung vor, dass die Umfangswand mit der mindestens einen Partikelleitrinne eine in das Abscheidergehäuse eingesteckte Hülse ist. In dieser Ausgestaltung können unterschiedlich ausgestattete Hülsen in ansonsten identische Abscheidergehäuse eingebaut werden, um möglichst einfach zum Beispiel hinsichtlich der Anordnung und/oder Ausrichtung und/ oder Anzahl der Partikelleitrinnen unterschiedliche Ausführungen zu realisieren.
In einer bevorzugten Ausführung ist vorgesehen, dass auf dem Innenumfang der Umfangswand eine einzige, sich in Umfangsrichtung vorzugsweise über 360° erstreckende, Partikelleitrinne angeordnet ist. Die Geometrie der Umfangswand wird hierdurch vorteilhaft einfach und dass Maß der Konizität kann in engen Grenzen gehalten werden, was einer kompakten Bauweise zugute kommt.
Alternativ besteht die Möglichkeit, dass auf dem Innenumfang der Umfangswand n, sich in Umfangsrichtung vorzugsweise über jeweils 360°/n erstreckende, einander nicht überlappende Partikelleitrinnen angeordnet sind, wobei n ≥ 2 ist. Infolge der einander nicht überlappenden Leitrinnen ist eine besonders kompakte Bauweise möglich. In der praktischen Ausführung liegt die Zahl n bevorzugt zwischen 2 und 8.
Zum Erzielen eines guten Wirkungsgrades ist vorzugsweise der Rotor ein Tellerstapelseparator, der sich in konventionellen, bekannten Zentrifugalabscheidern bereits bewährt hat.
Damit die abgeschiedenen Partikel geordnet und konzentriert abgeführt werden können, ist bevorzugt vorgesehen, dass unterhalb eines axial unteren Endes der/ jeder Partikelleitrinne oder Partikelablaufrinne im Abscheidergehäuse eine umlaufende, mit dem Partikelauslass verbundene Partikelsammelrinne angeordnet ist.
Der vorstehend beschriebene Zentrifugalabscheider kann für unterschiedliche Anwendungen eingesetzt werden. Besonders gut kommen seine Vorzüge zur Geltung, wenn der Zentrifugalabscheider ein Ölnebelabscheider für das Kurbelgehäuseentlüftungsgas einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, ist.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen:

1 einen Zentrifugalabscheider im Längsschnitt,
2 einen Gehäusedeckel des Abscheiders aus 1, im Längsschnitt,
3 den Gehäusedeckel aus 2 in Ansicht schräg von unten,
4 den Gehäusedeckel aus 3 in Unteransicht,
5 den Gehäusedeckel in einer geänderten Ausführung, in Ansicht schräg von unten,
6 den Gehäusedeckel aus 5 in Unteransicht,
7 eine Hülse als Teil eines Zentrifugalabscheiders, in Stirnansicht,
8 die Hülse aus 7 in Ansicht schräg von unten,
9 den geometrischen Verlauf einer Leitrinne als kegelförmige Raumspirale, in Zylinderkoordinaten,
10 eine geometrische Abwicklung einer Leitrinne,
11 eine schematische Stirnansicht des Abscheidergehäuses mit vier in Umfangsrichtung aneinander anschließenden Leitrinnen,
12 das Abscheidergehäuse aus 11 im Längsschnitt, und
13 eine schematische Stirnansicht des Abscheidergehäuses mit vier in Umfangsrichtung einander überlappenden Leitrinnen.

1 der Zeichnung zeigt einen Zentrifugalabscheider 1 in einer schematischen Darstellung in einem Längsschnitt. Der Zentrifugalabscheider 1 besitzt ein Abscheidergehäuse 10, das hier nur zum Teil dargestellt ist. Ein oberer Teil des Abscheidergehäuses 10 ist durch einen Gehäusedeckel 11 gebildet, der mit dem übrigen Abscheidergehäuse 10 unter Zwischenlage eines Dichtringes 11' lösbar verbunden ist. Im Inneren des Abscheidergehäuses 10, hier innerhalb des Gehäusedeckels 11, ist ein Rotor 3 angeordnet, der beispielsweise durch einen Tellerstapel gebildet ist, wie dies an sich bekannt ist. Mittels eines unterhalb des Rotors 3 im Abscheidergehäuse 10 angeordneten Antriebs 33 ist der Rotor 3 um eine Drehachse 31 mit der Drehrichtung 32 in Drehung versetzbar.
Ein mit abzuscheidenden Partikeln befrachteter Rohgasstrom 13, zum Beispiel das Ölnebel enthaltende Kurbelgehäuseentlüftungsgas einer Brennkraftmaschine, wird axial von unten her in den Rotor 3 eingeleitet. Innerhalb des Rotors 3 wird der Gasstrom in Radialrichtung nach außen umgelenkt und verlässt dann den Rotor 3 an dessen Außenumfang 30 in dem Höhenbereich A. Im Rohgasstrom 13 zugeführte Partikel werden zunächst mittels Strömungsumlenkung an innerhalb des Rotors 3 vorhandenen Flächen aus dem Gasstrom abgeschieden und dann durch Zentrifugalkraft nach außen hin abgeschleudert, wodurch die Partikel sich auf dem Innenumfang 20 der Umfangswand 2 des Gehäusedeckels 11 niederschlagen. Das von den Partikeln befreite Gas strömt als Reingasstrom 14 durch den Ringspalt zwischen dem Außenumfang 30 des Rotors 3 und dem Innenumfang 20 der Umfangswand 2 nach oben zu einem hier im Zentrum des Deckels 11 angeordneten Reingasauslass 14'.
Auf dem Innenumfang 20 der Umfangswand 2 sind ein oder mehrere, in Beispiel nach 1 vier, Partikelleitrinnen 21 vorgesehen, hier einstückig angeformt. Die Partikelleitrinnen 21 laufen jeweils in Drehrichtung 32 des Rotors 3 gesehen schraubenlinienförmig von oben nach unten, wobei sich zugleich der Durchmesser der Umfangswand 2 und damit auch der Radius der daran angeordneten Partikelleitrinnen 21 von oben nach unten vergrößert. Die durch den rotierenden Rotor 3 in Rotation versetzte Gasströmung im Ringspalt zwischen Umfangswand 2 und Rotor 3 sorgt dafür, dass die auf dem Innenumfang 20 der Umfangswand 2 niedergeschlagenen Partikel entlang des Innenumfangs 20 den Partikelleitrinnen 21 zugeführt und dann an den Partikelleitrinnen 21 schräg nach unten geführt werden. Nach unten hin geht dann jede Partikelleitrinne 21 in eine axial verlaufenden Partikelablaufrinne 22 über, die schließlich jeweils in eine im Abscheidergehäuse 10 in Umfangsrichtung umlaufenden Partikelsammelrinne 15 mündet.
Der Abstand a zwischen dem Innenumfang 20 der Umfangswand 2 und dem Außenumfang 30 des Rotors 3 ist über die Höhe A des die Partikel abschleudernden Außenumfangs 30 des Rotors 3 gesehen nicht konstant, sondern wird in Strömungsrichtung des Reingasstroms 14, hiervon unten nach oben gesehen, kleiner. So ist in einem unteren Bereich des Außenumfangs 30 des Rotors 3 der erwähnte Abstand mit dem Maß a₂ größer als in einem oberen Bereich des Außenumfangs 30 des Rotors 3, wo der Abstand das kleinere Maß a₁ hat. Hierdurch wird im unteren Bereich des Außenumfangs 30 des Rotors 3 ein größerer Strömungsquerschnitt für das aus dem Rotor 3 austretende Reingas zur Verfügung gestellt, was in diesem Bereich für eine geringere Gasströmungsgeschwindigkeit sorgt. Dies wiederum erleichtert das Abführen der abgeschiedenen Partikel nach unten, ohne dass dabei die Gefahr besteht, dass einmal auf dem Innenumfang 20 der Umfangswand 2 niedergeschlagene Partikel unerwünscht wieder in den Reingasstrom 14 gelangen. Der relativ große Abstand a₂ ist hier nicht problematisch, weil in diesem unteren Bereich des Rotors 3 überwiegend große Partikel abgeschleudert werden, die eine große Trägheit haben, mit der sie auch den relativ größeren Abstand a₂ überwinden können, ohne vom hier relativ langsamen Reingasstrom 14 mitgenommen zu werden.
In oberen Bereich des Außenumfangs 30 des Rotors 3 werden überwiegend kleinere und leichtere Partikel abgeschleudert, für die es von Vorteil ist, dass hier der Abstand vom Außenumfang 30 des Rotors 3 zum Innenumfang 20 der Umfangswand 2 mit dem Maß a₁ kleiner ist. Durch diesen kleinen Abstand a₁ erreichen auch die kleineren und leichteren Partikel trotz ihrer geringeren Trägheit sicher den Innenumfang 20 der Umfangswand 2 und werden so ebenfalls sicher aus dem Gasstrom abgeschieden.
2 der Zeichnung zeigt den Gehäusedeckel 11 des Zentrifugalabscheiders 1 aus 1 als Einzelteil im Längsschnitt. Hierdurch werden nun die auf dem Innenumfang 20 der Umfangswand 2 angeordneten Partikelleitrinnen 21 und die diese nach unten hin weiterführenden Partikelablaufrinnen 22 sichtbar. Jede Partikelleitrinne 21 hat oben einen Anfang 21.1 und nach einer Höhe A₁ nach unten hin ein Ende 21.2. Jede Partikelablaufrinne 22 erstreckt sich über eine Höhe A₂ . Das Verhältnis der Höhen A₁ und A₂ zueinander kann je nach Bedarf verändert und durch Versuche optimiert werden.
Wie die 2 weiter zeigt, erstreckt sich jede Partikelleitrinne 21 in Umfangsrichtung gesehen über etwas weniger als 90°, so dass sich jeweils zwei in Umfangsrichtung benachbarte Partikelleitrinnen 21 nicht gegenseitig überlappen, wodurch eine besonders kompakte Bauweise ermöglicht wird.
Weiterhin verdeutlicht die 2, dass jede Partikelleitrinne 21 an ihrer schräg nach oben weisenden Seite und jede Partikelablaufrinne 22 an ihrer in Drehrichtung des Rotors weisenden Seite stetig und stufenlos mit dem Innenumfang 20 der Umfangswand 2 ausgebildet ist, wodurch störende Gaswirbel vermieden oder wenigstens reduziert werden.
Der untere Durchmesser des Innenumfangs 20 der Umfangswand 2 ist größer als der Durchmesser im oberen Bereich der Umfangswand 2. Zweckmäßig ist dabei der untere Durchmesser soviel größer als der obere Durchmesser, dass die Partikelleitrinnen 21 bei einer Herstellung des Gehäusedeckels 11 als Spritzgussteil axial und ohne Hinterschnitt nach unten entformbar sind.
Der untere Durchmesser ist der Durchmesser, bis zu dem die Partikelleitrinnen 21 nach unten hin vorhanden sind. In dem darunter liegenden Bereich, wo nicht mehr die spiralförmigen Partikelleitrinnen 21, sondern nur noch die diese axial gerade weiterführenden Partikelablaufrinnen 22 vorhanden sind, ist keine weitere Konizität erforderlich.
Die 3 der Zeichnung zeigt den Gehäusedeckel 11 aus den 1 und 2 in einer Ansicht schräg von unten. Hierbei sind zwei der vier Partikelleitrinnen 21 mit ihren jeweils nach unten anschließenden axialen Partikelablaufrinnen 22 auf dem Innenumfang 20 der Umfangswand 2 sichtbar. Auch hier ist erkennbar, dass jede Partikelleitrinne 21 oben einen Anfang 21.1 und unten ein Ende 21.2 hat. Dabei überlappen sich die Partikelleitrinnen 21 in Umfangsrichtung gesehen nicht gegenseitig, weil sich jede der vier Partikelleitrinnen 21 in Umfangsrichtung gesehen über jeweils etwas weniger als 90° erstreckt. Ebenfalls wird in 3 anschaulich sichtbar, dass jede Partikelleitrinne 21 und Partikelablaufrinne 22 in Drehrichtung des Rotors gesehen stetig und stufenlos mit dem Innenumfang 20 der Umfangswand 2 ausgebildet ist.
4 der Zeichnung zeigt den Gehäusedeckel 11 aus 3 in einer Unteransicht. Radial außen verläuft die Umfangswand 2 mit ihrem nach innen weisenden Innenumfang 20. Auf dem Innenumfang 20 verlaufen die vier Partikelleitrinnen 21, die sich in Umfangsrichtung gesehen jeweils über etwas weniger als 90° erstrecken. Die Zahl der Partikelleitrinnen 21 kann selbst verständlich auch kleiner als vier oder größer als vier sein.
In den 5 und 6 ist ein Beispiel für eine Ausführung des Zentrifugalabscheiders beziehungsweise seines Gehäusedeckels 11 mit einer einzigen Partikelleitrinne 21 auf dem Innenumfang 20 der Umfangswand 2 gezeigt. Die Partikelleitrinne 21 erhält so eine relativ geringe Steigung, was zwar den Weg für die abgeschiedenen Partikel entlang der Partikelleitrinne 21 verlängert, jedoch insgesamt für eine glattere Oberfläche des Innenumfang 20 der Umfangswand 2 sorgt und so störende Gaswirbel auf ein Minimum reduziert.
Die Unteransicht des Gehäusedeckels 11 in 6 verdeutlicht, dass auch bei der Ausführung mit nur einer einzigen Partikelleitrinne 21 deren Anfang 21.1 und deren Ende 21.2 in Umfangsrichtung voneinander geringfügig beabstandet sind, um bei der Fertigung des Gehäusedeckels 11 dessen einfaches axiales Entformen zu gewährleisten. Auch hier wird der Innendurchmesser des Innenumfangs 20 der Umfangswand 2 mit der Partikelleitrinne 21 von unten nach oben, also in Gasströmungsrichtung zum Reingasauslass hin, kleiner, um bei zusammengebautem Zentrifugalabscheider den Ringspalt zwischen dem Innenumfang 20 der Umfangswand 2 und dem Außenumfang des Rotors zum Reingasauslass hin enger werden zu lassen.
In den 7 und 8 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, für welches charakteristisch ist, dass die Umfangswand 2 mit Partikelleitrinnen 21 die Form einer separaten Hülse 12 hat, die als Einzelteil gefertigt und dann in ein Abscheidergehäuse eingesetzt wird.
Die Stirnansicht in 7 zeigt radial außen die Umfangswand 2 mit ihrem nach radial innen weisenden Innenumfang 20, auf dem auch hier vier in Umfangsrichtung verteilte Partikelleitrinnen 21 einstückig angeformt sind.
Die Ansicht in 8 zeigt den Verlauf der Partikelleitrinnen 21 auf dem Innenumfang 20 der Umfangswand 2, wobei hier wieder jede Partikelleitrinne 21 einen oben liegenden Anfang 21.1 und ein tiefer liegendes Ende 21.2 aufweist. Von dem unteren Ende 21.2 jeder Partikelleitrinne 21 führt eine axial verlaufenden Partikelablaufrinne 22 weiter nach unten bis zu einem unteren Stirnende der Hülse 12. Der Innendurchmesser der Hülse 12 ist dabei oberhalb der Partikelleitrinnen 21 jeweils kleiner als unterhalb der Partikelleitrinnen 21. Damit wird auch bei der Hülse 12 erreicht, dass im zusammengebauten Zustand eines Zentrifugalabscheiders mit der Hülse 12 der Abstand zwischen dem Innenumfang 20 der Umfangswand 2 und dem Außenumfang des Rotors in Gasströmungsrichtung zum Reingasauslass hin kleiner wird.
Die Hülse 12 ist ebenfalls als Spritzgussteil einstückig herstellbar und das Entformen kann dabei ebenfalls einfach in axialer Richtung erfolgen, da sich auch bei der Hülse 12 die Partikelleitrinnen 21 in Umfangsrichtung nicht gegenseitig überlappen.
Der Übergang jeder Partikelleitrinne 21 und jeder Partikelablaufrinne 22 in Drehrichtung des Rotors ist auch hier stufenlos und stetig ausgeführt, um störende Gaswirbel zu vermeiden.
Wenn die Hülse 12 in ein Abscheidergehäuse eingesetzt ist, liegt unterhalb des unteren Stirnendes der Hülse 12 zweckmäßig eine Partikelsammelrinne 15, wie sie beispielhaft in 1 gezeigt ist.

9 der Zeichnung stellt geometrisch den Verlauf einer Leitrinne als kegelförmige Raumspirale in Zylinderkoordinaten dar und 10 zeigt geometrisch eine Abwicklung einer Leitrinne. Dabei ist:

R = Startradius (= Maximalradius)	D = Änderung des Radius
H = Gesamthöhe der Leitrinne	Ω = Gesamtwinkel der Leitrinne [rad]
S = Steigung der Leitrinne und	α = Steigungswinkel der Leitrinne.

Unter der Voraussetzung R >> D gilt näherungsweise: $S = \frac{H}{Ω * R}$
In der Praxis liegen dabei vorzugsweise der Wert für die Steigung S zwischen 0,5 und 1 und der Wert für den Steigungswinkel α zwischen 30° und 45°.
Außerdem ist in 9:

h =: Höhe eines Punktes der Leitrinne
r =: Radius eines Punktes der Leitrinne und
ω =: Winkel eines Punktes der Leitrinne [rad].

Der Winkel ω und der Radius r lassen sich dann als Funktion von h wie folgt ausdrücken: $ω (h) = \frac{h}{H} * Ω$
und $r (h) = R - \frac{h}{H} * D$
Die fertigungsbedingten Entformungsschrägen sind gering und werden bei den nachfolgenden Betrachtungen vernachlässigt; übliche Werte sind für Kunststoff 0,5° - 1 ° und für Aluminium-Druckguss 1 ° - 3°.
Der in 9 dargestellte und vorstehend beschriebene Verlauf der Leitrinne(n) weist einen in Reingasströmungsrichtung abnehmenden Radius R (= Abstand zur Mittelachse) auf. Diese Änderung D des Radius kann vorteilhaft so gewählt werden, dass das die Leitrinne oder -rinnen aufweisende Bauteil des Abscheiders, d.h. dessen Gehäuse oder Deckel oder auch die Hülse, entgegen der Reingasströmungsrichtung ohne Hinterschnitt entformbar ist.
Hierfür werden anhand der entsprechende Beispiele rein geometrisch darstellenden 11 bis 13 zusätzlich die Größen B (= Breite der Leitrinnen) und n (= Anzahl der Leitrinnen) betrachtet, wobei in den 11 bis 13 die Breite B zur besseren Darstellung stark vergrößert dargestellt ist.
11 zeigt schematisch ein Beispiel mit vier einander nicht überlappenden Leitrinnen 21 in einer Stirnansicht; 12 zeigt das gleiche Beispiel im Längsschnitt.
13 zeigt eine Ausführung, die sich im Gegensatz zu den in den übrigen Figuren dargestellten Ausführungen durch sich in Umfangsrichtung überlappende Leitrinnen 21 unterscheidet. Eine solche Ausführung ist ebenfalls möglich und ohne erhöhten Aufwand im Spritz- oder Druckgussverfahren herstellbar, hat jedoch den Nachteil eines erhöhten Raumbedarfes.
Für eine Gewährleistung der Funktion ist jedoch lediglich erforderlich, dass auf dem wesentlichen Teil des Umfangs stets eine Leitrinne vorhanden ist; daher sind die Ausführungen mit nicht überlappenden Leitrinnen als besonders vorteilhaft anzusehen.
Um ein einfaches Entformen des die Leitrinne oder -rinnen aufweisenden Bauteils des Abscheiders ohne Hinterschnitte zu gewährleisten, muss für die maximale Breite Bmax der Leitrinne folgendes gelten: $B_{max} = D * \frac{2 * π}{n * Ω}$
für die Entformbarkeit; es gilt immer auch B ≤ D, und gleichzeitig $n \geq \frac{Ω}{2 * π},$
was bedeutet, dass auf dem kompletten Umfang immer wenigstens eine Leitrinne vorhanden ist. Für einige praktische Beispiele ergeben sich dann folgende Zusammenhänge für die maximal zulässige, ein axiales Entformen ermöglichende Breite Bmax der Leitrinne in Abhängigkeit von der Radiusänderung D:
Beispiel 1:
Für Ω = 2*π (= 360°) und n = 1 (ohne Überlappung) gilt: $B_{max} = D$
Beispiel 2:
Für Ω = π/2 (= 90°) und n = 4 (ohne Überlappung) gilt: $B_{max} = D$
Beispiel 3:
Für Ω = π (= 180°) und n = 4 (mit Überlappung) gilt: $B_{max} = D / 2$
Beispiel 4:
Für Ω = 2*π (= 360°) und n = 2 (mit Überlappung) gilt: $B_{max} = D / 2$
Hieraus ergibt sich anschaulich, dass bei einander in Umfangsrichtung nicht überlappenden Partikelleitrinnen diese eine größere Breite haben können als bei einander in Umfangsrichtung überlappenden Partikelleitrinnen. Andere Ausführungen als die in den Beispielen genannten sind selbstverständlich möglich.
Bezugszeichenliste

1: Zentrifugalabscheider
10: Abscheidergehäuse
11: Gehäusedeckel
11': Dichtring
12: Hülse
13: Rohgasstrom
14: Reingasstrom
14': Reingasauslass
15: Partikelsammelrinne
2: Umfangswand
20: Innenumfang
21: Partikelleitrinne
21.1: Anfang von 21 (oben)
21.2: Ende von 21 (unten)
22: axiale Partikelablaufrinne
3: Rotor
30: Außenumfang
31: Drehachse
32: Drehrichtung
33: Antrieb
a, a1, a2: Abstände zwischen 20 und 30
A: Höhe des Partikel abschleudernden Teils von 3
A1: Erstreckungshöhe von 21
A2: Erstreckungshöhe von 22

Claims

Zentrifugalabscheider (1) zum Abscheiden von flüssigen und/oder festen Partikeln aus einem Gasstrom, mit einem Abscheidergehäuse (10) und mit einem darin angeordneten, in Drehung versetzbaren Rotor (3), wobei das Abscheidergehäuse (10) einen Rohgaseinlass, einen Reingasauslass (14') und einen Partikelauslass sowie eine den Rotor (3) radial außen mit Abstand umgebende Umfangswand (2) aufweist, wobei ein Rohgasstrom (13) axial in den Rotor (3) einleitbar und in diesem in Drehung versetzbar ist, wobei ein Reingasstrom (14) radial nach außen aus dem Rotor (3) heraus und dann zwischen dem Außenumfang (30) des Rotors (3) und dem Innenumfang (20) der Umfangswand (2) zum Reingasauslass (14') abführbar ist, wobei der Rotor (3) Partikelabscheideelemente aufweist, von denen aus dem Gasstrom abgeschiedene Partikel durch Zentrifugalkraft auf den Innenumfang (20) der Umfangswand (2) abschleuderbar sind, wobei die Partikel auf der Umfangswand (2) dem Partikelauslass zuführbar sind und wobei auf dem Innenumfang (20) der Umfangswand (2) mindestens eine zur Achsrichtung (31) des Rotors (3) schräg verlaufende Partikelleitrinne (21) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die/jede Partikelleitrinne (21) als Abschnitt einer kegelförmigen Raumspirale ausgeführt ist, wobei der Verlauf der/jeder Partikelleitrinne (21) einen in Richtung des Reingasstroms (14) zum Reingasauslass (14') abnehmenden Radius (r) aufweist, und dass der Abstand (a) zwischen dem Außenumfang (30) des Rotors (3) und dem Innenumfang (20) der Umfangswand (2) in Richtung des Reingasstroms (14) zum Reingasauslass (14') kleiner wird.
Zentrifugalabscheider nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Maß (D) der Abnahme des Radius (r) abhängig von der Breite (B) der/jeder Partikelleitrinne (21) und von der Anzahl (n) der Partikelleitrinnen (21) so bemessen ist, dass das die Umfangswand (2) mit der mindestens einen Partikelleitrinne (21) aufweisende Abscheidergehäuse (10) bei einer Herstellung als Spritz- oder Druckgussteil hinterschnittfrei axial entformbar ist.
Zentrifugalabscheider nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die/jede Partikelleitrinne (21) sich über weniger als die gesamte Höhe (A) des Partikel abschleudernden Teils des Rotors (3) erstreckt.
Zentrifugalabscheider nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Reingasauslass (14') oberhalb des Rotors (3) im Abscheidergehäuse (10) angeordnet ist, dass der Reingasstrom (14) zwischen dem Außenumfang (30) des Rotors (3) und dem Innenumfang (20) der Umfangswand (2) nach oben hin zum Reingasauslass (14') abführbar ist und dass die/jede Partikelleitrinne (21) höhengleich mit oder über dem oberen Ende des Partikel abschleudernden Teils des Rotors (3) beginnt und sich von dort nach unten erstreckt.
Zentrifugalabscheider nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die/ jede Partikelleitrinne (21) sich nach unten hin in eine axial weiter nach unten verlaufende Partikelablaufrinne (22) fortsetzt.
Zentrifugalabscheider nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass über den von der axial verlaufenden Partikelablaufrinne (22) eingenommenen Höhenbereich (h₂) der Umfangswand (2) der Abstand (a₂) zwischen dem Außenumfang (30) des Rotors (3) und dem Innenumfang (20) der Umfangswand (2) konstant ist.
Zentrifugalabscheider nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die/jede Partikelleitrinne (21) und/oder Partikelablaufrinne (22) im Querschnitt gesehen hinterschnitten und gegen die Rotordrehrichtung (32) offen ist und in Rotordrehrichtung (32) stufenlos stetig mit dem Innenumfang (20) der Umfangswand (2) ausgebildet ist.
Zentrifugalabscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangswand (2) mit der mindestens einen Partikelleitrinne (21) ein einstückiger Teil des Abscheidergehäuses (10) ist.
Zentrifugalabscheider nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der die mindestens eine Partikelleitrinne (21) aufweisende Teil des Abscheidergehäuses (10) ein vom übrigen Abscheidergehäuse (10) abnehmbarer Gehäusedeckel (11) ist.
Zentrifugalabscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangswand (2) mit der mindestens einen Partikelleitrinne (21) eine in das Abscheidergehäuse (10) eingesteckte Hülse (12) ist.
Zentrifugalabscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Innenumfang (20) der Umfangswand (2) eine einzige, sich in Umfangsrichtung vorzugsweise über 360° erstreckende, Partikelleitrinne (21) angeordnet ist.
Zentrifugalabscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Innenumfang (20) der Umfangswand (2) n, sich in Umfangsrichtung vorzugsweise über jeweils 360°/n erstreckende, einander nicht überlappende Partikelleitrinnen (21) angeordnet sind, wobei n ≥ 2 ist.
Zentrifugalabscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (3) ein Tellerstapelseparator ist.
Zentrifugalabscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb eines axial unteren Endes der/jeder Partikelleitrinne (21) oder Partikelablaufrinne (22) im Abscheidergehäuse (10) eine umlaufende, mit dem Partikelauslass verbundene Partikelsammelrinne (15) angeordnet ist.
Zentrifugalabscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Ölnebelabscheider für das Kurbelgehäuseentlüftungsgas einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, ist.