DE102016122111A1

DE102016122111A1 - Kondensationspartikelzähler mit Sättigungsabschnitt

Info

Publication number: DE102016122111A1
Application number: DE102016122111.2A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Kopetz; Martin Cresnoverh; Berger Christos
Original assignee: AVL List GmbH
Current assignee: AVL List GmbH
Priority date: 2015-11-17
Filing date: 2016-11-17
Publication date: 2017-05-18

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kondensationspartikelzähler (1) mit einem Sättigungsabschnitt (S), dem zumindest ein Einlass (2) für einen mit Partikeln beladenes Aerosolstrom zugeordnet ist, wobei dem Sättigungsabschnitt (S) stromab ein Kondensationsabschnitt (K), ein Messabschnitt (M) für Kondensationspartikel sowie ein Auslass (4) nachgeordnet sind, wobei der Sättigungsabschnitt (S) zumindest einen Sättigungskörper (5, 6, 10, 19) mit zumindest einem Strömungsweg (9, 20) für den Durchfluss des partikelbeladenen Aerosols besitzt, wobei der zumindest eine Sättigungskörper (5, 6, 10, 19) zumindest einen ersten Abschnitt (5p, 6p, 19p) aus porösem Material und zumindest einen zweiten Abschnitt (5n; 5n1, 5n2, 5n3, 6n; 19n) aus nicht-porösem Material aufweist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kondensationspartikelzähler mit einem Sättigungsabschnitt, dem zumindest ein Einlass für einen mit Partikeln beladenen Strom eines Aerosols zugeordnet ist, wobei dem Sättigungsabschnitt stromab ein Kondensationsabschnitt, ein Messabschnitt für Kondensationspartikel sowie ein Auslass nachgeordnet sind, wobei der Sättigungsabschnitt zumindest einen Sättigungskörper mit zumindest einem Strömungsweg für den Durchfluss des partikelbeladenen Aerosols besitzt.
Kondensationspartikelzähler sind optische Messgeräte zur Erfassung kleiner Feststoffpartikel mit Abmessungen beispielsweise im nm-Bereich, mit welchen ein Trägergas, z.B. Luft, Motorabgase etc. beladen ist. Dieses Trägergas mit den Partikeln wird im Folgenden mit dem einschlägigen Fachbegriff Aerosol bezeichnet. Kondensationspartikelzähler werden beispielsweise in der Reinraumtechnik oder zur Messung von Abgasströmen verwendet.
Feststoffpartikel im nm-Bereich sind zu klein, um direkt auf optischem Weg detektiert werden zu können. Um solche Feststoffpartikel doch messbar zu machen, werden Kondensationskernzähler verwendet, bei welchen das Aerosol, z.B. ein Abgas, durch eine übersättigte Atmosphäre geschickt wird. Die übersättigte Atmosphäre wird z.B. erzeugt, in dem das Abgas mit Dämpfen eines Betriebsmittels gesättigt und anschließend abgekühlt wird. Die Feststoffpartikel dienen dann als Kondensationskerne und sie werden durch heterogene Kondensation soweit vergrößert, dass sie optisch detektiert werden können. Die Größe der Feststoffpartikel, ab der dieser Kondensationsprozess stattfindet, ist von der Übersättigung abhängig und wird als Kelvin-Durchmesser bezeichnet. Je kleiner der Kelvindurchmesser für eine bestimmte Übersättigung ist, desto kleiner können die Feststoffpartikel sein, die zur Kondensation von Betriebsmittel führen. Entsprechend von Vorgaben, z.B. gesetzlichen Anforderungen, ist beispielsweise für Abgase von Kraftfahrzeugen der Partikelgrößenbereich von größer 20 nm, typischerweise 23 nm, bis 2.5 μm zu detektieren und das Abgas auf eine Temperatur von < 35°C vor der eigentlichen Messung zu konditionieren. Durch die Kondensation steigt die Größe der Partikel an, beispielsweise auf ca. 5 μm. Partikel solcher Größe können einzeln optisch detektiert werden, z.B. mit optischen Partikelzählern auf Basis von Streulicht.
Ein Kondensationspartikelzähler besteht prinzipiell aus einer Sättigungseinheit, einer Kondensationseinheit und einer Messzelle, wie weiter unten im Detail beschrieben. Dabei sei zum relevanten Stand der Technik beispielsweise die EP 0 462 413 B genannt, welche eine Sättigungseinheit mit einem zylindrischen Körper aus porösem Material zeigt, an den in rechtem Winkel anschließend eine Kondensationseinheit und eine Messzelle folgen.
Die EP 2 194 370 A1 zeigt geometrisch eine ähnlich aufgebaute Vorrichtung, bei welcher die Sättigungseinheit eine besondere Absperreinrichtung besitzt, um das Eindringen von Betriebsmittel in die Messzelle zu verhindern.
Die WO 2012/142297 A1 zeigt ein Beispiel einer Sättigungseinheit für einen Kondensationspartikelzähler, bei welcher ein poröser Körper von mehreren Kanälen durchsetzt ist, durch welche das Aerosol strömen kann.
Schließlich ist der US 2013/0180321 A1 ein Kondensationspartikelzähler der gegenständlichen Art zu entnehmen, wobei ein poröser Körper an seinem Umfang eine Anzahl von Ausnehmungen aufweist, um einer unerwünschten Kapillarwirkung zwischen der äußeren Wandung und dem porösen Körper entgegenzuwirken.
Ein häufig auftretendes Problem liegt in dem weiter unten näher erläuterten steilen Anstieg der Zähleffizienzkurve in einem meist interessierenden Bereich von Partikelgrößen, sodass bereits geringe Abweichungen der Sättigungsbedingungen zu erheblichen Messfehlern bzw. einer Unverträglichkeit mit gesetzlichen Vorgaben betreffend die Erfassung bestimmter Partikelgrößen führen.
Eine Aufgabe der Erfindung liegt darin, hier Abhilfe zu schaffen, insbesondere den Anstieg der Zähleffizienzkurve über einen größeren Bereich von Partikelgrößen auszudehnen bzw. zu vergleichmäßigen. Diese Aufgabe wird mit einem Kondensationspartikelzähler der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der zumindest eine Sättigungskörper zumindest einen ersten Abschnitt aus porösem Material und zumindest einen zweiten Abschnitt aus nicht-porösem Material aufweist.
Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung lässt sich die Zähleffizienz den jeweiligen Anforderungen entsprechend günstig beeinflussen.
Vorteilhafterweise sind die ersten und die zweiten Abschnitte in dem zumindest einen Strömungsweg zugewandten Bereichen des Sättigungskörpers angeordnet. Damit kann auf besonders einfache Weise die Aerosolströmung beeinflusst werden.
In einer Variante der Erfindung erstrecken sich die ersten Abschnitte und die zweiten Abschnitte jeweils zumindest entlang einer axialen Teillänge in Längsrichtung des Sättigungskörpers und zumindest über eine Teilfläche einer Querschnittsfläche normal zur Längsrichtung des Sättigungskörpers aus. Die Abschnitte bilden damit Teilkörper, die jeweils mit den gewünschten Materialeigenschaften (porös oder nicht-porös) versehen werden, um die gewünschten Eigenschaften des Partikelzählers erzielen zu können.
In einer weiteren Variante der Erfindung ist der Sättigungskörper ausschließlich aus ersten Abschnitten aus porösem Material und zweiten Abschnitten aus nicht-porösem Material aufgebaut.
Hierbei kann es besonders vorteilhaft sein, nicht zuletzt in Hinblick auf eine leicht herstellbare, praxistaugliche Ausführung, falls der Sättigungskörper ein Hohlzylinder mit einem zu diesem konzentrisch angeordneten Innenzylinder ist und zwischen beiden Zylindern ein Spalt für den Durchfluss des partikelbeladenen Aerosols belassen ist.
Bei einer mechanisch und konstruktiv einfachen Variante ist vorgesehen, dass der Sättigungskörper ein Hohlzylinder ist, dessen zylindrischer Innenraum den Strömungsweg für den Durchfluss des partikelbeladenen Aerosols bildet.
Eine andere, gleichfalls sehr praxistaugliche Variante sieht vor, dass der Sättigungsabschnitt zumindest einen Sättigungskörper mit zumindest zwei diesen durchsetzenden Bohrungen für den Durchfluss des partikelbeladenen Aerosols aufweist.
Wenn man vorsieht, dass der zumindest eine Sättigungskörper zylindrisch/hohlzylindrisch ausgebildet ist und die ersten Abschnitte aus porösem Material und die zweiten Abschnitte aus nicht-porösem Material sektor- und/oder segmentartig ausgeführt sind und sich jeweils entlang zumindest einer axialen Teillänge, zumindest eines Teilumfangs und zumindest einer radialen Teillänge des zumindest einen Sättigungskörpers erstrecken, kann man eine sehr feine Einstellung der Zähleffizienzkurve erzielen. Es kann aber auch zweckdienlich sein, wenn sich dabei zumindest einige der ersten und/oder zweiten Abschnitte über die gesamte Länge des Sättigungskörpers erstrecken.
Dabei sieht eine einfach realisierbare Ausführungsform vor, dass der Strömungsweg zumindest einer der Bohrungen zumindest teilweise von einem nicht-porösen Material begrenzt ist.
Eine Variante, bei welcher der zumindest eine Sättigungskörper zylindrisch/hohlzylindrisch ausgebildet ist und die ersten Abschnitte aus porösem Material und die zweiten Abschnitte aus nicht-porösem Material als Scheiben/Scheibensektoren ausgeführt sind, ermöglicht gleichfalls eine bequeme Einstellung der Zähleffizienzkurve.
Bei praktisch bewährten Ausführungsformen hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn der Sättigungskörper zu 5 bis 50 Vol.% aus nicht-porösem Material besteht.
Die Erfindung samt weiteren Vorteilen ist im Folgenden an Hand beispielsweiser Ausführungsformen näher erläutert, die in den Zeichnungen veranschaulicht sind. In diesen zeigen
1 einen schematischen vereinfachten Schnitt durch einen gemäß der Erfindung ausgebildeten Kondensationspartikelzähler,
2 bis 4 in schaubildlicher Darstellung Varianten poröser Körper,
5 einen Schnitt durch eine weitere Variante eines porösen Körpers,
6 einen Schnitt nach der Ebene VI-VI der 1,
7 einen Schnitt nach der Ebene VII-VII der 1,
8 einen Schnitt nach der Ebene VIII-VIII der 1,
9 in einer schaubildlichen Darstellung einen Überführabschnitt für den Übergang von einem Ringspalt auf Einzelkanäle,
10 den Überführabschnitt der 9, jedoch aufgeschnitten,
11 schematisch die Verwirbelung im Partikelfang der 1 und
12 schematisch eine Variante des Partikelfangs.
Unter Bezugnahme auf 1 wird an Hand einer vereinfachten schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines nach der Erfindung ausgebildeten Kondensationspartikelzählers 1 beschrieben. Ein partikelbeladenes Aerosol, das beispielsweise aus den Abgasen eines Verbrennungsmotors stammt, gelangt über einen Einlass 2, nämlich eine Leitung, in einen Einlassabschnitt E des Zählers 1 aus dem es, hier an seinem oberen Ende, mittels einer Pumpe 3 über einen Auslass 4, nämlich eine Leitung, aus einem Auslassabschnitt A abgesaugt wird. Zwischen dem Einlassabschnitt E und dem Auslassabschnitt A liegen ein Sättigungsabschnitt S, gegebenenfalls ein Überführabschnitt U, ein Isolierabschnitt I, ein Kondensationsabschnitt K und ein Messabschnitt M. Alle diese Abschnitte mit möglichen Varianten sowie deren Funktion werden nachstehend detailliert beschrieben.
Dem Einlassabschnitt E kommt die Funktion zu, ein gewünschtes Strömungsverhalten, im Allgemeinen ein laminares, in den in Strömungsrichtung 110 des Aerosols weiter stromabwärts folgenden Sättigungsabschnitt S und Kondensationsabschnitt K sicher zu stellen. Die nähere Ausbildung des hier nur schematisch skizzierten Einlassabschnittes E ist jedoch nicht Gegenstand der Erfindung.
Wie auch aus 2 ersichtlich, ist in dem Sättigungsabschnitt S ein zweiteiliger Sättigungskörper 10 angeordnet, nämlich ein Hohlzylinder 5, mit einem zu diesem bezüglich einer Längsachse 100 des Sättigungskörpers 10 konzentrisch angeordneten Innenzylinder 6, wobei letzterer hier gleichfalls als Hohlzylinder mit einer Innenbohrung 7 ausgebildet ist. Letztere kann beispielsweise einen mechanisch stabilisierenden und/oder wärmeleitenden Dorn 8 (siehe 2) zur Temperatureinstellung aufnehmen. Zwischen beiden Zylindern 5 und 6 ist ein Spalt 9 mit ringförmigem Querschnitt für den Durchfluss des partikelbeladenen Aerosols in Strömungsrichtung 110, die in 1 durch Pfeile angedeutet ist, belassen.
Die beiden Zylinder 5, 6, welche hier einen zweiteiligen Sättigungskörper 10 bilden, bestehen nach dem Stand der Technik aus saugfähigem, porösen Material, beispielsweise aus gesintertem Kunststoff, einem Dochtmaterial od. dgl. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist jedoch gemäß der Erfindung zumindest ein Abschnitt 5n (siehe 2), hier ein Sektor des Hohlzylinders 5, aus nicht porösem Material, wie z.B. aus Aluminium oder aus einem Kunststoff gefertigt, wobei der restliche Abschnitt 5p aus porösem Material besteht. Falls das poröse Material nicht selbsttragend ist, können nicht gezeigte, z.B. netzartige Haltestrukturen verwendet werden. Der in 2 gezeigte Abschnitt 5n weist eine Teilquerschnittsfläche 51 sowie eine Materialstärke mit einer radialen Teillänge 131 auf. Der Abschnitt 5p weist eine Teilquerschnittsfläche 52 sowie ebenfalls eine Materialstärke mit einer radialen Teillänge 131 auf. Der Innenzylinder 6 weist eine Materialstärke mit einer radialen Teillänge 132 auf.
Ein in einem Behälter 11 gespeichertes Betriebsmittel 12, beispielsweise Wasser, ein Alkan oder ein Alkohol, wird über eine Leitungsanordnung 13 zu dem Sättigungskörper 10 geführt, wobei kondensiertes Betriebsmittel beispielsweise über eine Leitung 14, eine Pumpe 15 und ein Filter 16 wieder in den Behälter 11 rückgeführt oder einfach abgeführt werden kann. Allenfalls zur Dosierung bzw. zur Durchflusssteuerung des Betriebsmittels 12 erforderliche Dosiereinrichtungen oder Ventile in den Leitungen 13, 14 sind der besseren Übersicht wegen nicht eingezeichnet.
Nur angedeutet, da dem Fachmann bekannt, sind eine Heizeinheit 17 für den Sättigungsabschnitt S, beispielsweise ein Heizmantel, und eine Temperier-/Kühleinheit 18 für den Kondensationsabschnitt K. Die Heizeinheit 17 kann dabei aus einem Aluminiummantel bestehen, der an zumindest einer oder mehreren Stellen mit einem Heizelement, beispielsweise einem Peltier-Element, versehen ist. In einer nicht dargestellten Variante der Erfindung kann der Heizmantel bis über den Ringeinsatz 21 hochgezogen werden, um diesen zu erwärmen.
Es ist weiters bekannt, dass es bei Kondensationspartikelzählern mit externen Betriebsmittelbehältern aufgrund von Druckschwankungen zwischen dem Druck im Aerosol-Einlass bzw. in der Abgaszuleitung zum Kondensationspartikelzähler und dem Innendruck im Betriebsmittelbehälter zu Problemen bei der Betriebsmittelzufuhr kommen kann. Solche Druckschwankungen können beispielsweise dann auftreten, wenn der Aerosoleinlass verstopft ist. Wodurch es zu unerwünschten Störungen des Messbetriebs wie beispielsweise einem Fluten des Strömungswegs des Aerosols bis hin zum Fluten des Messabschnitts M mit Betriebsmittel kommen kann. Ebenso kann es aufgrund von Störungen in der Betriebsmittelzufuhr zu einem unerwünschten Austrocknen des Sättigungskörpers kommen.
Um die vorgenannten Betriebsstörungen verhindern zu können und einen ständigen Druckausgleich zwischen dem Aerosol-Einlass 2 und dem Betriebsmittelbehälter 11 zu gewährleisten, ist in der in 1 veranschaulichten Ausführung des Kondensations-partikelzählers 1 eine Druckausgleichleitung 150 zwischen dem rohrförmigen Einlass 2 und dem Behälter 11 skizziert. Vorteilhaft dient die Druckausgleichleitung 150 dazu, Druckunterschiede zwischen dem Aerosoleinlass 2 und dem Betriebsmittelbehälter 11 auszugleichen. Alternativ oder in Ergänzung dazu ist in 1 eine weitere Druckausgleichleitung 151 strichliert eingezeichnet, die vom Behälter 11 direkt in den Sättigungskörper 10 reicht und zum Druckausgleich zwischen dem Betriebsmittelbehälter 11 und dem Sättigungsabschnitt S dient. Ebenso können eine oder mehrere weitere Druckausgleichleitungen, die hier nicht eingezeichnet sind, erforderlichenfalls zwischen dem Behälter 11 und dem Kondensationsabschnitt K angeordnet sein.
Das im Sättigungsabschnitt S, der auf eine vorgegebene Temperatur aufgeheizt wird, vorhandene gesättigte Aerosol durchströmt den auf eine gleichfalls vorgegebene Temperatur abgekühlten Kondensationsabschnitt K, wobei beim Abkühlen im Kondensationsabschnitt eine Übersättigung aufgrund der temperaturbedingt reduzierten Aufnahmefähigkeit des Aerosols eintritt und das Betriebsmittel auf die im Aerosol vorhandenen Partikel aufkondensiert und somit zu der erwünschten Partikelvergrößerung führt. Die Zähleffizienz, d.h. die Anzahl der erfassten Partikel einer bestimmten Größe ist bei sehr kleinen Partikeln gering, steigt dann beispielsweise im Bereich einer Partikelgröße von 15 bis 35 nm sehr rasch an, wobei sie z.B. bei 23 nm 50% beträgt, und liegt bei größeren Partikel, typisch ab 40 nm, bei Werten von über 90%. Zu beachten ist auch, dass die Temperaturdifferenz zwischen Sättigungsabschnitt und Kondensationsabschnitt die Partikelgröße bzw. das Aufwachsen beeinflusst, wobei umso kleinere Partikel erfasst werden, je größer diese Temperaturdifferenz ist.
Die Lösung mit Abschnitten des Sättigungskörpers 10 auch aus nicht-porösem Material bewirkt eine Inhomogenität der Gassättigung und erlaubt eine Beeinflussung der gemessenen Partikelgrößen in Richtung größerer Partikel. Durch diese Lösung wird die Aufwachscharakteristik bzw. die Zähleffizienzkurve des Gesamtsystems verflacht und ermöglicht besser den Ausgleich von Fertigungstoleranzen bzw. die Erfüllung gesetzlicher Vorgaben, welche festlegen, welcher Kelvindurchmesser zu wieviel Prozent gemessen werden soll.
In der Folge werden einige, nicht einschränkende Beispiele für die abschnittsweise Gestaltung poröser bzw. nicht-poröser Abschnitte des Sättigungskörpers gezeigt, wobei es klar sein soll, dass der Begriff „porös“ bedeutet, dass das entsprechende Material für das verwendete Betriebsmittel gut saugfähig sein soll, wogegen ein „nicht-poröses“ Material das verwendete Betriebsmittel eben nicht aufnimmt oder abgibt.
So zeigt 3 eine in Umfangs- und Höhenrichtung versetzte Anordnung von aus nicht-porösem Material bestehenden Sektorscheiben 5n ₁, 5n ₂, 5n ₃ des äußeren Hohlzylinders 5, dessen Rest aus porösem Material besteht. Die einzelnen Sektorscheiben 5n ₁, 5n ₂ bzw. 5n ₃ aus nicht-porösem Material erstrecken sich entlang von Teilumfängen 121, 122 bzw. 123 in Umfangsrichtung des Hohlzylinders 5 sowie entlang von axialen Teillängen 101, 102 bzw. 103 jeweils in Längsachsenrichtung 100 des Hohlzylinders 5.
Die Darstellung nach 4 zeigt einen zylindrischen Sättigungskörper 19, der diesen durchsetzende Bohrungen 20 für den Durchfluss des partikelbeladenen Aerosols besitzt, somit anders ausgebildet ist, als der in 1 gezeigte Sättigungskörper und in seiner Geometrie beispielsweise der Ausbildung nach der eingangs genannten WO 2012/142297 A1 entspricht. Ein segmentförmiger Abschnitt 19n mit einer Teilquerschnittsfläche 191, der beispielsweise zwei Bohrungen 20 enthält, besteht hier aus nicht-porösem Material, z.B. aus Aluminium, wogegen der Rest des Sättigungskörpers 19 ein Abschnitt 19p aus porösem Material mit einer Teilquerschnittsfläche 192 ist. Möglich sind auch Ausführungen, bei welchen der Sättigungskörper zur Gänze aus einem porösen Material besteht, wobei jedoch der Strömungsweg zumindest einer der Bohrungen zumindest über einen Teil ihrer Länge von einem nicht-porösen Material, beispielsweise von einer Metallhülse, begrenzt ist.
5 zeigt, dass ein sektorförmiger Abschnitt 6n des Innenzylinders 6 mit einer Teilquerschnittsfläche 61 aus nicht-porösem Material bestehen kann, wobei der Rest des Innenzylinders ein Abschnitt 6p aus porösem Material mit einer Teilquerschnittsfläche 62 ist. An dieser Stelle sei angemerkt, dass der Innenzylinder 6, der sich hier in radialer Richtung 130 mit einer Teillänge 132 erstreckt, nicht notwendigerweise eine Innenbohrung 7 besitzen muss, sondern auch als voller Zylinder ausgebildet sein kann.
Es versteht sich, dass verschiedene Kombinationen der Ausgestaltungen poröser und nicht-poröser Abschnitte ein- oder mehrteiliger Sättigungskörper gewählt werden können, die zu dem angestrebten und oben dargelegten Ziel führen, wobei es sich bei praktischen Ausführungsformen bewährt hat, 5 bis 50 Vol.% des Sättigungskörpers aus nicht-porösem Material zu gestalten.
Wieder auf 1 zurückkommend und unter Beiziehung der 6, 7 und 8 sowie der 9 und 10 erkennt man die Ausbildung des Überführabschnittes U, welchem die Aufgabe zukommt, die Strömung aus dem ringförmigen Spalt 9 möglichst laminar in eine Anzahl von stromab gelegenen Einzelkanälen überzuführen. Dazu ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein Ringeinsatz 21 vorgesehen, der an seiner Unterseite, die in Einbaulage die Einlassseite 200 des Überführabschnitts U bzw. des Ringeinsatzes 21 bildet, in Fortsetzung des Ringspaltes 9 eine Öffnung 22 wiederum in Form eines Ringspaltes aufweist, wobei von der Oberseite des Ringeinsatzes, der beispielsweise aus Aluminium besteht, eine Anzahl von Einzelkanälen 23, hier neun Einzelkanäle 23, in die Ringspalt-förmige Öffnung 22 münden. Die hier in 9 gezeigte Oberseite des Ringeinsatzes 21 bildet in Einbaulage die Auslassseite 210 des Überführabschnitts U. Der Überführabschnitt U bzw. sein Ringeinsatz 21 steht in zweckmäßiger Weise mit dem Sättigungsabschnitt S in thermisch leitender Verbindung, um eine unerwünschte vorzeitige Kondensation in diesem Bereich zu verhindern.
Wesentlich ist dabei ein Übergang von der Ringspalt-förmigen Öffnung 22 in die Einzelkanäle 23, der so stetig wie möglich erfolgt, um die Strömung des Aerosols ohne Verwirbelungen laminar weiter in Einzelkanäle 24 _I des Isolierabschnittes I bzw. deren Fortsetzung, nämlich Einzelkanäle 24 _K des Kondensationsabschnittes K, zu führen. In diesem Abschnitt sind die Einzelkanäle 24 _K in einem Kondensationseinsatz 25 ausgebildet, in dessen oberen Bereich sie wieder zu einem Einzelkanal 26 zusammengeführt sind, welcher dann in eine Vereinzelungsdüse 27 mündet, die vor oder in dem Messabschnitt M gelegen ist. Aus den Schnitten der 6, 7 und 8 erkennt man, dass der Ringspalt 9 des Sättigungsabschnitts S (6) weiter oben im Isolierabschnitt I (7) in Einzelkanäle 23 übergegangen ist. Noch weiter oben, im Bereich des Kondensationsabschnittes K, liegen diese Einzelkanäle bereits enger beisammen (8), um dann in den einzigen Einzelkanal 26 kurz vor der Düse 27 überzugehen.
Diese Ausgestaltung, die dann sinnvoll ist, wenn im Kondensationsabschnitt ein Ringspalt 9 oder ein zylindrischer Spalt – falls der Innenzylinder 6 weggelassen ist – vorliegt, verhindert Turbulenzen und sich daraus ergebende, in hohem Maß unerwünschte, da das Messergebnis verfälschende Partikelverluste. Ebenso werden dadurch lange Verweil- und Ausräumzeiten vermieden. Weiters wird die Dynamik des Zählers erhöht. Da auch durch diese Ausgestaltung die Aufwachscharakteristik verflacht wird, können Fertigungstoleranzen besser ausgeglichen werden. Gesetzliche Vorgaben, die festlegen, welcher Anteil an Partikeln mit einem bestimmten Kelvindurchmesser erfasst werden muss, können gleichfalls besser erfüllt werden.
Dazu ist anzumerken, dass nach dem Stand der Technik oft auch im Isolierabschnitt I und im Kondensationsabschnitt K die Strömung in einem Ringspalt geführt wird. Das Ersetzen dieses Ringspaltes im Isolierabschnitt und im Kondensationsabschnitt unter Beibehalten des Ringspaltes im Sättigungsabschnitt führt zu einem günstigeren Aufwachsen, wobei sich dadurch auch die entsprechende Kennlinie verflachen lässt, um Fertigungs- und Regelungstoleranzen auszugleichen. So ist etwa gesetzlich vorgesehen, dass bei einer Partikelgröße von 23 nm +/–1 nm 50% +/–12% der Partikel und bei größeren Partikel entsprechend mehr nachgewiesen werden müssen.
Der bei diesem Ausführungsbeispiel vorgesehene, jedoch nicht unbedingt erforderliche Isolierabschnitt I mit den Einzelkanälen 24 _I sorgt für eine thermische Trennung des Sättigungsabschnittes S von dem Kondensationsabschnitt K.
Es ist andererseits auch möglich, die Funktion des Überführabschnittes U mit jener des Isolierabschnittes I zu kombinieren. In diesem Fall kann der in 1 gezeigte Isolierabschnitt I entfallen und der Überführabschnitt U dient auch zur thermischen Trennung von Sättigungsabschnitt S und Kondensationsabschnitt K. Dementsprechend ist dann der Überführabschnitt U aus einem thermisch isolierenden Material gefertigt, beispielsweise aus einem schlecht wärmeleitenden Kunststoff.
Wenngleich ein Überführabschnitt U bzw. ein Ringeinsatz 21, wie in den 9 und 10 dargestellt und weiter oben beschrieben, eine besonders bevorzugte Variante der Erfindung darstellt, bei welcher der Überführabschnitt U für einen Übergang von einem Ringspalt zu Einzelkanälen bei Aufrechterhaltung einer laminaren Aerosolströmung sorgt, ist ein Überführabschnitt mit dieser Eigenschaft auch bei anderen Varianten zweckdienlich und kann auch eingesetzt werden, wenn ein Übergang von einem oder mehreren Strömungskanälen 9 am Ausgang des Sättigungsabschnittes S mit anderer Geometrie als jener eines Ringspaltes in die Einzelkanäle 24 _I bzw. 24 _K erfolgen soll. So kann der Strömungskanal 9 zylindrisch sein, wenn z.B. bei der Ausführung nach 1 der Innenzylinder 6 entfällt. Auch bei Vorhandensein mehrerer Bohrungen 20 im Sättigungsabschnitt, siehe 4, könnte ein Übergangsabschnitt vorgesehen sein, der den Übergang zu einer anderen Anzahl von Einzelkanälen 24 _I bzw. 24 _K oder zu Einzelkanälen anderen Durchmessers bei Sicherung einer laminaren Aerosolströmung ermöglicht.
In dem Messabschnitt M erfolgt die eigentliche Zählung der durch Kondensation vergrößerten Partikel, die mit dem Aerosolstrom aus der Vereinzelungsdüse 27 austreten. In bekannter Weise ist hierzu eine Lichteinheit 28 vorgesehen, z.B. eine fokussierte Laserlichtquelle, deren Lichtstrahl auf aus der Düse 27 austretende Partikel trifft. Das entstehende Streulicht wird von einem Photodetektor 29 erfasst und die entstehenden Signale werden an eine nicht dargestellte Auswerteeinheit weitergeleitet.
Das Aerosol mit den Partikeln gelangt nach dem Messabschnitt in den Auslassabschnitt A, der eine besondere Gestaltung aufweist, welche ein Verstopfen einer am Auslass des Zählers 1 angeordneten kritischen Düse 30 verhindern soll. Diese kritische Düse 30 dient in bekannter Weise der Einstellung eines konstanten Volumenstroms und weist einen geringen Durchmesser, typischerweise 0,3 mm, auf, wobei die Gefahr besteht, dass im Laufe des Betriebs die ausströmenden Partikel diese kleine Öffnung verlegen und somit die Messgenauigkeit beeinträchtigen oder die Messung unmöglich machen.
Um diesem Nachteil zu begegnen, endet im Auslassabschnitt A eine Austrittsleitung 31 aus dem Messabschnitt M in einem verengten Bereich 32, der mit einer scharfen Verwirbelungskante 33 in eine Partikel-Fangkammer 34 mündet. Der verengte Bereich 32 und zusätzlich die Verwirbelungskante 33 führen zu einer Verwirbelung des Aerosolstroms, welche eine Ablagerung von Partikeln vor allem im unteren Randbereich 35 der Partikel-Fangkammer begünstigt, wo (1) abgelagerte Partikel angedeutet sind. Im Detail jedoch nur schematisch ist dies in 11 dargestellt. Ein großer Teil der in Strömungsrichtung 110 bewegten Partikel kann somit von der kritischen Düse 30 ferngehalten werden und muss nur gelegentlich aus der Partikel-Fangkammer 34 ausgewaschen werden.
An Hand der gleichfalls nur schematisch gezeichneten 12 erkennt man eine Variante, bei welcher der durch Pfeile skizzierte Strömungsweg 110 für das Aerosol im Austrittsbereich mit der kritischen Düse 30 und einer Fangkammer 36 um annähernd 90° bezüglich der Austrittsleitung 31 abgewinkelt ist. Durch die Umlenkung des Aerosolstroms um 90° und eine auch hier vorgesehene Verwirbelungskante 37 erfolgt wiederum eine Verwirbelung des Aerosolstroms, die zu einer Ablagerung im Boden- oder Randbereich der Fangkammer 36 führt. Auch bei dieser Ausführung kann zusätzlich eine Verengung im Strömungsweg zur Verstärkung der Verwirbelung vorgesehen sein, wozu auf den verengten Bereich 32 vor der Verwirbelungskante 37 hingewiesen wird. Es soll klar sein, dass eine 90°-Abwinklung nur eine bevorzugte Ausführung darstellt und Abwinklungen um weniger oder mehr als 90° möglich sind.
Bei den dargestellten bzw. beschriebenen Ausführungsformen sind, sieht man von 12 ab, sämtliche Abschnitte des Partikelzählers längs einer Achse 100 im Wesentlichen koaxial angeordnet, es soll jedoch betont werden, dass eine solche Ausrichtung nicht notwendigerweise die einzig mögliche ist. Vielmehr können Abschnitte des Partikelzählers auch zueinander abgewinkelt verlaufen, wie dies das Beispiel der eingangs genannten EP 2 194 370 A1 zeigt, bei welchem der Sättigungsabschnitt fast waagrecht – unter einem Winkel von 6° bis 7° gegen die Horizontale geneigt – verläuft, wobei daran ein vertikal ausgerichteter Kondensationsabschnitt anschließt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0462413 B [0004]
EP 2194370 A1 [0005, 0058]
WO 2012/142297 A1 [0006, 0044]
US 2013/0180321 A1 [0007]

Claims

Kondensationspartikelzähler (1) mit einem Sättigungsabschnitt (S), dem zumindest ein Einlass (2) für einen mit Partikeln beladenen Strom eines Aerosols zugeordnet ist, wobei dem Sättigungsabschnitt (S) stromab (110) ein Kondensationsabschnitt (K), ein Messabschnitt (M) für Kondensationspartikel sowie ein Auslass (4) nachgeordnet sind, wobei der Sättigungsabschnitt (S) zumindest einen Sättigungskörper (10, 19) mit zumindest einem Strömungsweg (9, 20) für den Durchfluss des partikelbeladenen Aerosols besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Sättigungskörper (10, 19) zumindest einen ersten Abschnitt (5p, 6p, 19p) aus porösem Material und zumindest einen zweiten Abschnitt (5n, 5n ₁, 5n ₂, 5n ₃, 6n, 19n) aus nicht-porösem Material aufweist.
Partikelzähler (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Abschnitte (5p, 6p, 19p) und die zweiten Abschnitte (5n, 5n ₁, 5n ₂, 5n ₃, 6n, 19n) in den zumindest einem Strömungsweg (9, 20) zugewandten Bereichen des Sättigungskörpers (10, 19) angeordnet sind.
Partikelzähler (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die ersten Abschnitte (5p, 6p, 19p) und die zweiten Abschnitte (5n, 5n ₁, 5n ₂, 5n ₃, 6n, 19n) jeweils zumindest entlang einer axialen Teillänge (101, 102, 103) in Längsrichtung (100) des Sättigungskörpers (10, 19) und zumindest über eine Teilfläche (51, 52, 61, 62, 191, 192) einer Querschnittsfläche normal zur Längsrichtung (100) des Sättigungskörpers (10, 19) erstrecken.
Partikelzähler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sättigungskörper (10, 19) ausschließlich aus ersten Abschnitten (5p, 6p, 19p) aus porösem Material und zweiten Abschnitten (5n, 5n ₁, 5n ₂, 5n ₃, 6n, 19n) aus nicht-porösem Material aufgebaut ist, wobei vorzugsweise der Sättigungskörper (10, 19) zu 5 bis 50 Vol.% aus nicht-porösem Material besteht.
Partikelzähler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sättigungskörper (10) ein Hohlzylinder (5) mit einem zu diesem konzentrisch angeordneten Innenzylinder (6) ist und zwischen beiden Zylindern ein Spalt (9) für den Durchfluss des partikelbeladenen Aerosols belassen ist.
Partikelzähler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sättigungskörper (10, 19) ein Hohlzylinder (5) ist, dessen zylindrischer Innenraum den Strömungsweg (9) für den Durchfluss des partikelbeladenen Aerosols bildet.
Partikelzähler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sättigungsabschnitt (S) zumindest einen Sättigungskörper (19) mit zumindest zwei diesen durchsetzenden Bohrungen (20) für den Durchfluss des partikelbeladenen Aerosols aufweist, wobei vorzugsweise der Strömungsweg zumindest einer der Bohrungen (20) zumindest teilweise von einem nicht-porösen Material begrenzt ist.
Partikelzähler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Sättigungskörper (10, 19) zylindrisch/hohlzylindrisch ausgebildet ist und die ersten Abschnitte (5p, 6p, 19p) aus porösem Material und die zweiten Abschnitte (5n, 5n ₁, 5n ₂, 5n ₃, 6n, 19n) aus nicht-porösem Material sektor- und/oder segmentartig ausgeführt sind und sich jeweils entlang zumindest einer axialen Teillänge (101, 102, 103), zumindest eines Teilumfangs (121, 122, 123) sowie zumindest einer radialen Teillänge (131, 132) des zumindest einen Sättigungskörpers (10, 19) erstrecken.
Partikelzähler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich zumindest einige der ersten Abschnitte (5p, 6p, 19p) und/oder zweiten Abschnitte (5n; 5n ₁, 5n ₂, 5n ₃, 6n, 19n) über die gesamte Länge des Sättigungskörpers (10, 19) erstrecken.
Partikelzähler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Sättigungskörper (10, 19) zylindrisch/hohlzylindrisch ausgebildet ist und die ersten Abschnitte aus porösem Material und die zweiten Abschnitte aus nicht-porösem Material als Scheiben/Scheibensektoren (5n ₁, 5n ₂, 5n ₃) ausgeführt sind.