DE102013015052A1

DE102013015052A1 - Zyklon-Filtereinrichtung

Info

Publication number: DE102013015052A1
Application number: DE102013015052.3A
Authority: DE
Inventors: Franziska Schulz; Manfred Winter
Original assignee: Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 2013-09-12
Filing date: 2013-09-12
Publication date: 2015-03-12
Anticipated expiration: 2033-09-13
Also published as: CN104436944A; DE102013015052B4; US9539533B2; US20150068169A1; CN104436944B

Abstract

Eine Filtereinrichtung zur Reinigung eines Gasstroms weist einen hohlzylindrischen Vorabscheider auf, an dessen Außenseite Leitschaufeln angeordnet sind. Zumindest ein Teil der Leitschaufeln ist mit einer Rippe versehen, die über die Leitschaufeloberfläche übersteht.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Zyklon-Filtereinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Stand der Technik
In der EP 1 364 696 A1 wird eine Zyklon-Filtereinrichtung zur Reinigung eines Gasstromes wie z. B. die Ansaugluft einer Brennkraftmaschine beschrieben. Die Filtereinrichtung weist in einem als Zyklon ausgebildeten Gehäuse einen hohlzylindrischen Vorabscheider auf, der ein ebenfalls hohlzylindrisch ausgebildetes Filterelement umgreift. An der Mantelfläche des Vorabscheiders sind über den Umfang verteilt Leitschaufeln angeordnet, die jeweils aus zwei winklig zueinander angeordneten Leitschaufelbereichen bestehen und eine Vorabscheidung grober Verunreinigungen im Gasstrom unterstützen. Die Leitschaufeln bewirken eine Umlenkung und Beschleunigung des herangeführten Gasstroms einschließlich der darin enthaltenen Verunreinigungen. Die abgeschiedenen Verunreinigungen werden über eine Austragsöffnung im Gehäuse ausgeschieden, der Gasstrom wird nach dem Passieren des Vorabscheiders radial von außen nach innen durch das Filterelement geleitet, aus dem das gereinigte Gas axial abgeführt wird.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, mit einfachen konstruktiven Maßnahmen eine Zyklon-Filtereinrichtung zur Reinigung eines Gasstroms flexibel einsetzbar und mit guter Reinigungswirkung auszubilden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Zyklon-Filtereinrichtung für die Reinigung eines Gasstroms, die als Drallabscheider fungiert und in einem Gehäuse einen hohlzylindrischen Vorabscheider aufweist, an dessen Außenseite über den Umfang verteilt Leitschaufeln angeordnet sind, die insbesondere ausgelegt sind, um einen Gasstrom in eine schrauben- oder spiralförmige Strömungsbewegung zu versetzen oder eine schrauben- oder spiralförmige Gasströmung zu leiten oder eine schrauben- oder spiralförmige Strömungsbewegung zu verstärken. Der Gasstrom wird bevorzugt radial oder tangential an den Vorabscheider herangeführt und trifft auf die am Außenumfang des Vorabscheiders angeordneten Leitschaufeln, wodurch der Gasstrom bevorzugt eine Umlenkung und Beschleunigung erfährt, was zur Abscheidung von groben Verunreinigungen wie Schmutz- und Staubpartikeln sowie Wassertröpfchen führt. Die Verunreinigungen werden hierbei insbesondere tangential nach außen geschleudert und können ggf. über eine Austragsöffnung aus dem Gehäuse einer Filtereinrichtung ausgetragen werden. Der Gasstrom wird im weiteren Verlauf nach dem Passieren des Vorabscheiders zweckmäßigerweise einem Filterelement zugeführt, das ebenfalls im Gehäuse der Filtereinrichtung, bevorzugt innerhalb des zylindrischen Vorabscheiders, angeordnet ist. Nach der Filtration des Gasstroms im Filterelement wird das gereinigte Gas abgeleitet. Das Filterelement kann ggf. ebenso wie der Vorabscheider hohlzylindrisch ausgebildet sein und vom Vorabscheider umgriffen sein. In dieser Ausführung wird das Filterelement radial von außen nach innen durchströmt, wobei die Ableitung des gereinigten Gasstroms axial aus dem Innenraum des Filterelementes erfolgt.
Der hohlzylindrische Vorabscheider kann aus Metall oder Blech gefertigt sein, ggf. kommt auch ein Kunststoffmaterial, insbesondere im Spritzgussverfahren verwendetes, thermoplastisches Material in Betracht. Das herangeführte Gas gelangt an die radial außen liegende Mantelfläche des Vorabscheiders und kann, nach dem Abscheiden der groben Verunreinigungen, über eine oder beide Stirnseiten des Vorabscheiders zur Rohseite des Filterelementes strömen. Zweckmäßigerweise befindet sich zwischen dem Vorabscheider und der Rohseite des Filterelements ein Ringraum, in den das Gas einströmt und von dem aus das Gas das Filterelement durchströmt.
Gegebenenfalls weist der Vorabscheider eine unterschiedliche axiale Länge als das Filterelement auf, insbesondere eine geringere Länge. Die Rohseite des Filterelementes wird somit nur teilweise von dem Vorabscheider umgriffen, so dass die Anströmung der Rohseite des Filterelementes erleichtert ist.
Zumindest ein Teil der Leitschaufeln ist mit einer Rippe versehen, die über die Leitschaufeloberfläche übersteht. Die Rippe erstreckt sich zumindest annähernd in Tangentialrichtung und hat eine strömungsbegünstigende und die Vorabscheidung verbessernde Funktion. Diese kann je nach Ausgestaltung des Einlasses beispielsweise darin liegen, dass der auftreffende Gasstrom stärker beschleunigt bzw. in Rotation versetzt wird, so dass auch die Abscheidung der groben Verunreinigungen im Gasstrom verbessert wird. Die strömungsbegünstigende Funktion kann auch in einer Vergleichmäßigung der Strömung bzw. Minderung der Turbulenz liegen.
Optional kommt der Rippe auf der Leitschaufel die Aufgabe zu, einen Stopfen aufzunehmen bzw. zu halten, der zwischen benachbarte Leitschaufeln eingesetzt ist, um den Gesamtströmungsquerschnitt zwischen den Leitschaufeln zu reduzieren. Das Einbringen eines oder mehrerer Stopfen kann bei niedrigeren Druckdifferenzen unter Beibehaltung des Gesamtvolumenstroms zwischen Anström- und Abströmseite der Filtereinrichtung vorteilhaft sein, da über die Querschnittsreduzierung höhere Strömungsgeschwindigkeiten in den verbleibenden freien Querschnitten zwischen benachbarten Leitschaufeln erreicht werden. Diese Ausführung ermöglicht es somit, einen gemeinsamen Vorabscheider für unterschiedlich dimensionierte Zyklon-Filtereinrichtungen zu verwenden und die Anpassung an die jeweiligen Strömungsverhältnisse über das optionale Einbringen der Stopfen zwischen einem Teil der freien Querschnitte zwischen benachbarten Leitschaufeln vorzunehmen, wobei ein weiterer Teil der freien Querschnitte zwischen benachbarten Leitschaufeln frei bleibt. Weitere Änderungen am Vorabscheider sind dagegen nicht erforderlich. Die Stopfen werden hierbei über die Rippen an den Leitschaufeln mit ausreichender Sicherheit gehalten.
Der Stopfen besteht beispielsweise aus Polyurethan und kann in den Zwischenraum zwischen benachbarten Leitschaufeln eingegossen werden. Über die Rippe auf der Leitschaufel, welche sich in Tangentialrichtung erstreckt, wird insbesondere ein versehentliches Lösen des Stopfens radial nach außen erschwert.
Grundsätzlich genügt es, genau eine Rippe auf einer Leitschaufel vorzusehen, die sich über die Leitschaufeloberfläche erhebt. Es ist aber auch möglich, mehrere Rippen auf einer Leitschaufel anzuordnen, die sich entweder auf gegenüberliegenden Seiten der Leitschaufel oder auf der gleichen Seite befinden können.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist die Rippe auf der Leitschaufel geradlinig ausgebildet. Sie erstreckt sich, bezogen auf die zylindrische Mantelfläche des Vorabscheiders, zumindest annähernd in Tangentialrichtung. Grundsätzlich kommen auch Winkelabweichungen von der Tangentialrichtung in Betracht, beispielsweise eine Winkelabweichung bis zu 20°.
Gemäß noch einer weiteren Ausführung ist die Rippe gebogen bzw. gekrümmt ausgeführt. Die Rippe kann sich beispielsweise konzentrisch zum Außenmantel des Vorabscheiders erstrecken. Auch in dieser Ausführung erstreckt sich die Rippe – zumindest abschnittsweise bzw. mit einer Tangente, die an die Rippe angelegt wird – in Tangentialrichtung.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist jede Leitschaufel am Außenmantel des Vorabscheiders mit jeweils mindestens einer Rippe versehen. Alternativ ist es aber auch möglich, dass nur ein Teil der Leitschaufeln eine Rippe aufweist, beispielsweise nur jede zweite Leitschaufel.
Die Rippen befinden sich, gemäß weiterer vorteilhafter Ausführung, zweckmäßigerweise alle auf der gleichen Leitschaufelseite. Diese sind bevorzugt benachbart zu einer Stirnseite des Vorabscheiders angeordnet, wobei die Rippen sich vorteilhafterweise auf derjenigen Leitschaufelseite befinden, welche der benachbarten Stirnseite des Vorabscheiders abgewandt ist. Der herangeführte Gasstrom trifft auf die Leitschaufeln auf, wird beschleunigt durch die Zwischenräume zwischen den benachbarten Leitschaufeln gelenkt und kann anschließend nach dem Abscheiden grober Verunreinigungen über die Stirnseite des Vorabscheiders zur Rohseite des Filterelementes strömen.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung verteilen sich die Leitschaufeln über den gesamten Umfang des Vorabscheiders. Alternativ ist es auch möglich, dass sich die Leitschaufeln nur über einen Teil des Umfangs des Vorabscheiders erstrecken.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung liegt die Rippe mit Abstand zur radial außen liegenden Seite der Leitschaufeln. Hierbei kann es zweckmäßig sein, die Rippe mittig in der Leitschaufel anzuordnen, so dass in Radialrichtung der Abstand zur radial innen liegenden Mantelfläche des Vorabscheiders einerseits und zur radial außen liegenden Außenkante der Leitschaufel andererseits zumindest annähernd gleich groß ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
1 einen Schnitt längs durch eine Zyklon-Filtereinrichtung mit einem hohlzylindrischen Vorabscheider, an dessen Außenseite Leitschaufeln angeordnet sind, und mit einem ebenfalls hohlzylindrischen Filterelement, welches von dem Vorabscheider umgriffen ist,
2 der Vorabscheider in einer perspektivischen Ansicht, wobei jede Leitschaufel des Vorabscheiders mit einer Rippe versehen ist,
3 ein Vorabscheider in einer Ausführungsvariante, bei der nur jede zweite Leitschaufel mit einer Rippe versehen ist,
4 in vergrößerter Darstellung zwei Leitschaufeln des Vorabscheiders gemäß 3.
In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Ausführungsformen der Erfindung
In 1 ist ein Zyklon-Filtereinrichtung 1 zur Reinigung eines Gasstromes dargestellt, insbesondere zur Reinigung der Verbrennungsluft, welche den Zylindern einer Brennkraftmaschine zugeführt wird. Die Filtereinrichtung 1 weist ein als Zyklon ausgebildetes Gehäuse 2 auf, das hohlzylindrisch ausgebildet ist und einen seitlichen Zulaufstutzen 3 aufweist, über den der ungereinigte Gasstrom radial oder tangential in das Gehäuse 2 einströmt. Im Gehäuse 2 ist ein hohlzylindrischer Vorabscheider 4 angeordnet, an dessen Außenumfang benachbart zu einer Stirnseite des Vorabscheiders über den Umfang verteilt mehrere Leitschaufeln 5 angeordnet sind. Des Weiteren ist im Gehäuse 2 ein ebenfalls hohlzylindrisches Filterelement 6 aufgenommen, das innerhalb des Vorabscheiders 4 angeordnet ist und von diesem umgriffen wird. Das Filterelement 6 wird radial von außen nach innen von dem zu reinigenden Gas durchströmt. Nach der Filtration wird das gereinigte Gas aus dem Innenraum des Filterelements 6 axial abgeleitet.
Der Vorabscheider 4 weist einen kleineren Außendurchmesser auf als der Innendurchmesser des Filtergehäuses 2, so dass ein Ringraum zwischen der Wandung des Gehäuses 2 und dem Vorabscheider 4 gebildet ist, in welchem sich das einströmende, ungereinigte Gas verteilen kann. Der Vorabscheider 4 besteht vorzugsweise aus Kunststoff, insbesondere spritzgegossenem, themoplastischem Kunststoff, Blech oder Metall. Die Leitschaufeln 5 befinden sich benachbart zur unten liegenden Stirnkante des Vorabscheiders 4 und begrenzen axial den Ringraum 7, in den über den Zulaufstutzen 3 das ungereinigte Gas einströmt. Das Gas im Ringraum 4 erfährt einen Drall und strömt durch die Zwischenräume zwischen benachbarten Leitschaufeln 5, die sich ringförmig benachbart zu der unteren Stirnseite des Vorabscheiders 4 erstrecken. Beim Durchströmen der Zwischenräume zwischen den Leitschaufeln 5 erfährt das Gas eine Umlenkung und Beschleunigung, wodurch grobe Verunreinigungen, die im Gasstrom mitgeführt werden, beispielsweise Schmutzpartikel oder Wassertröpfchen, tangential nach außen geschleudert und somit aus dem Gasstrom abgeschieden werden.
Im weiteren Strömungsverlauf kann das Gas in einen inneren Ringraum 8 einströmen, der zwischen der Innenseite des Vorabscheiders 4 und der äußeren Mantelfläche des Filterelementes 6 gebildet ist, welche die Rohseite des Filterelementes bildet. Aus dem inneren Ringraum 8 kann das Gas radial von außen nach innen das Filterelement 6 durchströmen und wird anschließend axial aus dem Innenraum des Filterelements 6 abgeleitet.
In 2 ist der Vorabscheider aus dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 in perspektivischer Darstellung gezeigt. Jede Leitschaufel 5 trägt eine Rippe 9, die in Radialrichtung gesehen sich etwa in der Mitte der Leitschaufel 5 befindet und sich zumindest annähernd in Tangentialrichtung erstreckt. Die Rippe 9 ist geradlinig ausgeführt und befindet sich auf der der unteren Stirnseite des Vorabscheiders, zu der die Leitschaufeln 5 benachbart angeordnet sind, abgewandten Seite. Die Rippen 9 sind somit dem äußeren Ringraum 7 zwischen der Gehäusewandung des Gehäuses 2 und dem Außenmantel des Vorabscheiders 4 zugewandt. Die Rippen 9 erheben sich über die Leitschaufeloberfläche der Leitschaufeln 5 und bewirken eine verbesserte Strömung, insbesondere eine vergleichmäßigte und/oder weniger turbulente Strömung des mit Partikeln beladenen Gases, welches die Zwischenräume zwischen benachbarten Leitschaufeln 5 durchströmt.
Die Leitschaufeln 5 können ggf. auch Träger eines Stopfens sein, welcher den Zwischenraum zwischen benachbarten Leitschaufeln verschließt. Der Stopfen besteht beispielsweise aus Polyurethan und wird in den Zwischenraum zwischen benachbarten Leitschaufeln 5 eingegossen. Dies kann in Fällen zweckmäßig sein, bei denen nur eine verhältnismäßig geringe Druckdifferenz zwischen Roh- und Reinseite der Filtereinrichtung besteht. Hierbei werden jedoch nicht sämtliche Zwischenräume verschlossen, sondern nur ein Teil der Zwischenräume, was zu einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit durch die verbleibenden, offengebliebenen Zwischenräume führt. Die Rippen 9 auf denjenigen Leitschaufeln, welche einen Stopfen aufnehmen, sorgen für einen verbesserten Sitz und eine stärkere Haftung des Stopfens auf der betreffenden Leitschaufel 5. Die Rippen 9 auf den Leitschaufeln 5 ohne Stopfen sorgen wie vorbeschrieben für eine Strömungsoptimierung.
Die Rippen 9 sind geradlinig ausgeführt und erstrecken sich über die gesamte Länge – in Umfangsrichtung gesehen – der Leitschaufeln 5.
In 3 ist eine Ausführungsvariante eines Vorabscheiders 4 mit einem Ring mit Leitschaufeln 5 dargestellt, die im Unterschied zum vorangegangenen Ausführungsbeispiel nur teilweise mit einer Rippe 9 versehen sind. Nur jede zweite Leitschaufel 5 ist Träger einer Rippe 9, wohingegen die übrigen Leitschaufeln keine Rippe aufweisen. Dies kann ggf. ausreichend sein, um eine gewünschte Strömungsbegünstigung und einen verbesserten Abscheidegrad zu erzielen.
Wie 4 zu entnehmen, ist die Rippe 9 auf der Leitschaufel 5 als eine mittig angeordnete Trennwand ausgeführt, die sich über die gesamte Länge der Leitschaufel 5 erstreckt. Die Leitschaufel 5 ist abschnittsweise geradlinig ausgebildet und besitzt zusätzlich einen gekrümmt ausgeführten Abschnitt, in welchem die Rippe 9 endet. Der gekrümmt ausgeführte Abschnitt der Leitschaufel 5 ist höher als die Rippe 9.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1364696 A1 [0002]

Claims

Zyklon-Filtereinrichtung zur Reinigung eines Gasstroms, mit einem hohlzylindrischen Vorabscheider (4), an dessen Außenseite über den Umfang verteilt Leitschaufeln (5) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Leitschaufeln (5) mit einer sich zumindest annähernd in Tangentialrichtung erstreckenden Rippe (9) versehen ist, die über die Leitschaufeloberfläche übersteht.
Filtereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippe (9) geradlinig ausgebildet ist.
Filtereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (5) benachbart zu einer Stirnseite des Vorabscheiders (4) angeordnet sind.
Filtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (9) alle auf der gleichen Seite der Leitschaufeln (5) angeordnet sind.
Filtereinrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (9) auf der der benachbarten Stirnseite abgewandten Seite der Leitschaufeln (5) angeordnet sind.
Filtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jede Leitschaufel (5) mit einer Rippe (9) versehen ist.
Filtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Teil der Leitschaufeln (5) mit einer Rippe (9) versehen ist.
Filtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (9) mit Abstand zur radial außen liegenden Seite in die Leitschaufeln (5) eingebracht sind.
Filtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (9) sich zumindest annähernd über die gesamte Länge der Leitschaufeln (5) erstrecken.
Filtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorabscheider (4) ein Filterelement (6) umgreift, das gemeinsam mit dem Vorabscheider (4) in einem Gehäuse (2) der Filtereinrichtung (1) aufgenommen ist.