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Die Erfindung betrifft Impaktor-Abscheideelement zum Abscheiden von Fluidtröpfchen aus einem Gasstrom nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus der
WO 2018036939 A1 ist ein Abscheidesystem zum Reinigen eines Rohgasstroms in einem Seitenkanalverdichter bekannt. Das Abscheidesystem umfasst ein Abscheideelement, welches innerhalb des Strömungskanals angeordnet und zur Abscheidung von Verunreinigungen von einem Gasstrom durchströmbar ist.
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Das aus der
WO 2018036939 A1 bekannte Abscheideelement ist in einem Strömungskanal angeordnet und eine unmittelbar an das Abscheideelement anschließenden Seitenwand des Strömungskanals bildet an der Reinseite des Abscheideelements einen spitzen Winkel mit letzterem. Das Gas kann daher zumindest in diesem Teilbereich nicht frei abströmen, was die Effizienz des Abscheidesystems beeinträchtigt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Effizienz eines gattungsgemäßen Abscheidesystems weiter zu steigern.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Impaktor-Abscheideelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung betrifft ein Impaktor-Abscheideelement zum Abscheiden von Fluidtröpfchen aus einem Gasstrom mit wenigstens einem in einer Halterung befestigten, als Netz- Gewebe- oder Gitterelement ausgestalteten Abscheidemittel, wobei die Halterung dazu ausgelegt ist, das Abscheidemittel mit einem flachen Anströmwinkel im Gasstrom zu positionieren.
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Es wird vorgeschlagen, dass die Halterung dazu ausgelegt ist, das Abscheidemittel derart im Gasstrom zu positionieren, dass das Gas auf der Reinseite des Abscheidemittels frei abströmen kann.
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Ein gattungsgemäßes, als Netz- Gewebe- oder Gitterelement ausgestaltetes Abscheidemittel mit flacher Anströmrichtung hat sich als sehr effizient erwiesen. Seine Wirkung beruht im Wesentlichen darauf, dass der Gasstrom beim Durchströmen der üblicherweise sehr kleinen Durchtrittsöffnungen auf einer kurzen Strecke von der Größenordnung des Durchmessers der Durchtrittsöffnung stark umgelenkt wird, um innerhalb der Dicke des Abscheideelements im Wesentlichen transversal zur Hauptebene des Abscheideelements zu verlaufen. Bei flachem Anströmwinkel beträgt der Winkel dieser Umlenkung annähernd 90°. Der Gasstrom wird daher sehr stark transversal beschleunigt, so dass sich Fluidtröpfchen oder Aerosole an den Wänden bzw. Rändern der Durchtrittsöffnungen abscheiden, sich zu größeren Tropfen verbinden und ggf. in dieser Form vom Gasstrom mitgeführt werden, um an einer anderen Stelle abgeschieden zu werden.
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Diese Wirkung hängt insbesondere vom Aspektverhältnis der Durchtrittsöffnungen ab, d.h. von einem Verhältnis eines Durchmessers bzw. einer Breite der Durchtrittsöffnungen in der Anströmrichtung zu einer Tiefe der Durchtrittsöffnungen bzw. einer Dicke des Abscheideelements, wobei im Fall von Netzen oder Geweben die Dicke der Fäden ins Verhältnis zur Maschenweite gesetzt werden kann. Ein flacher Anströmwinkel im Sinne der Erfindung bedeutet, dass die Breite der Durchtrittsöffnungen multipliziert mit dem Sinus des Anströmwinkels kleiner als die Tiefe der Durchtrittsöffnungen bzw. die Dicke der Fäden sein sollte, vorzugsweise um einem Faktor 1,5 - 10 kleiner, besonders bevorzugt um einen Faktor 2 - 8 kleiner. Insbesondere beträgt ein flacher Anströmwinkel weniger als 20°. Eine Ebene, in der sich das mindestens eine Abscheidemittel erstreckt, schließt vorzugsweise mit einer Hauptrichtung des Gasstroms Strömungskanals im Bereich des Abscheidemittels einen Winkel von höchstens 40°, insbesondere höchstens 20°, vorzugsweise höchstens 10°, und/oder mindestens 3°, insbesondere mindestens 5°, vorzugsweise ungefähr 8°, ein.
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Das erfindungsgemäße Abscheideelement ist vorzugsweise ein Gewebe mit einer Maschenweite im Bereich von 20 - 300 µm, weiter bevorzugt im Bereich von 30 - 80 µm, je nach abzuscheidendem Aerosolspektrum und maximal akzeptablem Druckverlust. Es hat sich gezeigt, dass für solche Abscheidemittel ein hoher Abscheidegrad auch für sehr kleine Aerosole bei vergleichsweise geringem Druckverlust erreichbar ist. Die Fadenstärke des Gewebes beträgt vorzugsweise 20 - 100 µm, insbesondere 30 - 80 um
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Ein Gasstrom kann im Sinne der Erfindung frei abströmen, wenn sich über die Fläche des Abscheidemittels auf der Reinseite jedenfalls aufgrund der Nähe zu Wänden oder anderen Hindernissen keine nennenswerten Druckgradienten einstellen und das Abscheidemittel im Wesentlichen homogen durchströmt wird. Je nach Ausgestaltung der Erfindung kann die Halterung ein Rahmen, ein Sockel oder ein Teil eines Gehäuses sein.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die Halterung dazu ausgelegt ist, das Abscheidemittel in einem Gehäuse zu montieren und dass die Halterung eine Abstandhalterstruktur umfasst, die einen Mindestabstand von wenigstens 2 mm zur Gehäusewand gewährleistet. Dadurch kann in den meisten Fällen ein freies Abströmen gewährleistet werden.
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Der Mindestabstand kann baulich besonders einfach gewährleistet werden, wenn die Abstandhalterstruktur einen Sockel zum Einsetzen in eine Gehäuseöffnung umfasst, wobei der Gaseinlass in den Sockel integriert ist.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Impaktor-Abscheideelement wenigstens zwei symmetrisch zu einer Hauptstromachse des Gasstroms angeordnete Abscheidemittel, die beispielsweise die Seitenflächen eines Dreiecksprismas oder einer zeltartigen Struktur bilden können.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem Gehäuse und einem an einem Gaseinlass des Gehäuses angeordneten Impaktor-Abscheideelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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Insbesondere wird vorgeschlagen, dass ein Abstand einer inneren Gehäusewand von der Reinseite des Abscheidemittels derart ist, dass ein freies Abströmen des aus dem Abscheidemittel austretenden Gasstroms gewährleistet ist. Zur Charakterisierung des freien Abströmens wird der vorgenannte Abstand vorzugsweise in der Abströmrichtung des Gasstroms, d.h. senkrecht zur Hauptebene des Abscheidemittels gemessen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung beträgt ein Winkel zwischen einem an den Fußbereich des Abscheidemittels, d.h. dem der Reinseite der dem Gasstrom zugewandten Endkante des Abscheidemittels anschließenden Wandbereich des Gehäuses oder der Halterung wenigstens 60°, weiter bevorzugt wenigstens 80°, insbesondere mehr als 90°.
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Insbesondere wird vorgeschlagen, dass ein Abstand zwischen der Innenwand des Gehäuses und der Reinseite des Abscheidemittels in einer Senkrecht zu einer Hauptebene des Abscheidemittels verlaufenden Richtung in im Wesentlichen jedem Punkt des Abscheidemittels wenigstens 2 mm, vorzugsweise wenigstens 5 mm beträgt.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Gehäuse so gestaltet ist, dass der Gasstrom nach dem Durchlaufen des Impaktor-Abscheideelements umgelenkt wird, um vom Abscheideelement abgeschiedene Fluidtropfen an einer Gehäusewand abzuscheiden. Dadurch können vom Impaktor-Abscheideelement abgeschiedene, im Vergleich zu den Fluidtröpfchen des einströmenden Gasstroms sehr viel größere Fluidtropfen effizient abgeschieden werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung als Abscheideelement in einem Verbrennungsmotor, z.B. in Kombination mit einem Seitenkanal-Verdichter für einen Verbrennungsmotor ausgestaltet sein, oder alternativ in Kombination mit einem Ejektor oder einem Diffusor oder einem Gebläse zur Kompensation des Druckverlustes des Impaktor-Abscheideelements.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Erfindung zum Abscheiden von Kühl-Schmiermitteltröpchen in einer Absaugevorrichtung einer Werkzeugmaschine ausgestaltet sein, wobei in diesem Fall mehrere erfindungsgemäße Impaktor-Abscheideelemente parallel arbeiten, können, beispielsweis in einer Matrix-Anordnung, um die in diesem Zusammenhang auftretenden, großen Volumenströme verarbeiten zu können.
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Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der folgenden Figurenbeschreibung. Die gesamte Beschreibung, die Ansprüche und die Figuren offenbaren Merkmale der Erfindung in speziellen Ausführungsbeispielen und Kombinationen. Der Fachmann wird die Merkmale auch einzeln betrachten und zu weiteren Kombinationen oder Unterkombinationen zusammenfassen, um die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen definiert ist, an seine Bedürfnisse oder an spezielle Anwendungsbereiche anzupassen.
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Dabei zeigen:
- 1 ein Impaktor-Abscheideelement nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung zur Wirkweise des Impaktor-Abscheideelements auf einer mikroskopischen Skala;
- 3 eine weitere Darstellung zur Wirkweise des Impaktor-Abscheideelements;
- 4 eine erste Vorrichtung mit einem Gehäuse und einem Impaktor-Abscheideelement gemäß den 1 - 3;
- 5 eine Vorrichtung zum Abscheiden von Öltröpfchen zur Verwendung mit einem Seitenkanal-Verdichter;
- 6 ein Impaktor-Abscheideelement nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 7 ein Impaktor-Abscheideelement nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 8 ein Impaktor-Abscheideelement nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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1 zeigt ein Impaktor-Abscheideelement 10 zum Abscheiden von Fluidtröpfchen 12 aus einem Gasstrom nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Das Impaktor-Abscheideelement 10 umfasst zwei in einer Halterung 16 befestigte, als Netz- Gewebe- oder Gitterelement ausgestaltete Abscheidemittel 14a, 14b mit jeweils einer Rohseite und einer Reinseite, wobei die Halterung 16 die beiden Abscheidemittel 14a, 14b jeweils mit einem flachen Anströmwinkel von ca. 8° im Gasstrom positioniert. Die beiden Abscheidemittel 14a, 14b sind symmetrisch zu einer Hauptstromachse 18 des Gasstroms angeordnet, wobei sie die Seitenflächen eines Dreiecksprismas bzw. einer zeltartigen Struktur bilden.
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Erfindungsgemäß ist die Halterung 16 dazu ausgelegt, die beiden Abscheidemittel 14a, 14b derart im Gasstrom zu positionieren, dass das Gas auf der Reinseite der beiden Abscheidemittel 14a, 14b frei abströmen kann.
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In der in 1 dargestellten Ausführungsform ist die Halterung 16 als Sockel ausgestaltet, auf der ein zeltartiges Traggerüst 20 zum Tragen der Abscheidemittel 14a, 14b angeordnet ist. Die Abscheidemittel 14a, 14b sind feine Netzgewebe aus Polyester mit einer Fadenstärke von 30 - 80 µm und einer Maschenweite ebenfalls in einem Bereich von 30 - 80 µm, die auf die Außenflächen von Tragrahmen des Traggerüsts 20 geklebt sind oder mit diesen Verschweißt sind. Insbesondere am stromabwärtigen Ende der Abscheidemittel 14a, 14b bilden die Tragrahmen keinen über die stromabwärtige Seite bzw. Reinseite des Abscheidemittels 14a, 14b hinaus ragenden Rahmenstrukturen, so dass Fluidtropen sich dort nicht stauen können und ungehindert am hinteren hinteren Ende des Traggerüsts 20 abtropfen können. In diesem Zusammenhang bedeutet „hinteres Ende“ das bezogen auf den Gasstrom stromabwärtige Ende, „vorderes Ende“ das dem Gasstrom zugewandte Ende.
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2 ist eine schematische Darstellung zur Wirkweise des Impaktor-Abscheideelements 10 auf einer mikroskopischen Skala. Das im flachen Winkel einströmende, mit Fluidtröpchen 12 beladene Gas wird durch die Maschen des Abscheidemittels 14a gelenkt. Die Maschen wirken wie eine enge Schikane. Dabei wird der Gasstrom lokal stark in die transversale Richtung beschleunigt. Die Tröpfchen oder anderen Verunreinigungen, die aufgrund ihrer Masse eine höhere Trägheit als die Gasmoleküle haben, schlagen sich auf den Fäden oder Drähten 22 des das Abscheidemittel 14a bildenden Gewebes ab und sammeln sich zu größeren Tropfen 24 oder einem Fluidfilm. Die Tropfen 24 können auf der Reinseite des Abscheidemittels 14a, 14b vom Gasstrom mitgerissen werden oder über die Kettfäden des Gewebes (d.h. die im Wesentlichen parallel zur Richtung des einströmenden Gases verlaufenden Fäden), zum stromabwärtigen Ende des Abscheidemittels 14a, 14b abfließen und dort abtropfen oder auf andere Weise abgeleitet werden.
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3 zeigt eine weitere Darstellung zur Wirkweise des Impaktor-Abscheideelements 10 aus 1. Der Sockel 16 umfasst eine Eintrittsöffnung 26 für den Gasstrom, der sich symmetrisch teilt und die beiden Abscheidemittel 14a, 14b durchströmt. Die Breite d des Sockels gewährleistet einen entsprechenden Mindestabstand zu einer Gehäusewand in der Einbausituation und damit ein freies Abströmen. Die Breite d des Sockels am Fuß der Abscheidemittels 14a, 14b beträgt wenigstens 2 mm, weiter bevorzugt wenigstens 5 mm, noch weiter bevorzugt wenigstens 10 mm und zwar vorzugsweise über die gesamte Breite der Abscheidemittels 14a, 14b, wobei im Fall eines runden Sockels und einer geradlinigen Fußkante der Abstand im mittleren Bereich größer ist. Auf der Reinseite der Abscheidemittel 14a, 14b können größere Tropfen 24 vom Gasstrom mitgerissen werden und stromabwärts abgeschieden werden.
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4 zeigt eine Vorrichtung mit einem Gehäuse 28 und einem an einem Gaseinlass 30 des Gehäuses 28 angeordneten Impaktor-Abscheideelement 10 der vorgenannten Art. Die Halterung 16 ist in einer Öffnung am Gasleinlass 30 montiert und positioniert die beiden Abscheidemittel 14a, 14b des Impaktor-Abscheideelements 10 mit dem gewünschten flachen Anströmwinkel im Gehäuse 28. Der Sockel der Halterung 16 bildet eine Abstandhalterstruktur, die einen Mindestabstand von wenigstens 2 mm zwischen Abscheidemittel 14a, 14b und Gehäusewand gewährleistet. In dem in 5 dargestellten Beispiel setzt die innere Gehäusewand die den Abscheidemittel 14a, 14bn zugewandte Seite des Sockels stetig fort und wirkt als zusätzlicher Abstandhalter, so dass ein in einer senkrecht zur Hauptebene des Abscheidemittels 14a, 14b gemessener Abstand D zwischen den Abscheidemitteln 14a, 14b und den in 4 vertikal verlaufenden Seitenwänden noch deutlich größer ist. Dadurch wird ein freies Abströmen des aus dem Abscheidemittel 14a, 14b austretenden Gasstroms gewährleistet.
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Ein an den Fußbereich des Abscheidemittels 14a, 14b anschließender Wandbereich des des Sockels bildet mit der Hauptebene des Abscheidemittels 14a, 14b einen Stumpfen Winkel β, im Ausführungbeispiel einen Winkel von 98°.
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5 zeigt schematisch eine für einen Verbrennungsmotor ausgestaltete erfindungsgemäße Vorrichtung. Der bei der Durch-strömung entstehende Druckverlust kann durch ein Gebläse, insbesondere durch einen Seitenkanalverdichter oder durch einen Ejektor oder einen Diffusor kompensiert werden. Am Gaseinlass 30 strömt mit Öltropfchen beladene Luft aus einem Kurbelgehäuse des Verbrennungsmotors (nicht dargestellt) ein, die beispielswiese nach einem Luftfilter und vor einem Turbolader in den Ansaugtrakt (nicht dargestellt) der Brennkraftmaschine zurückgeführt werden soll, nachdem die Öltropfchen abgeschieden wurden. In dieser Ausführungsform der Erfindung ist das Gehäuse 28 so gestaltet, dass der Gasstrom nach dem Durchlaufen des Impaktor-Abscheideelements 10 umgelenkt im Gehäuse 28 wird, um vom Abscheideelement 10 abgeschiedene Fluidtropfen 24 an einer Gehäusewand abzuscheiden. Im Boden des Gehäuses 28 ist ein Ventil 32 angeordnet, über welches das Öl, ggf. über einen Syphon, in den Ölsumpf des Motors zurückgeführt werden kann.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Erfindung zum Abscheiden von Kühl-Schmiermitteltröpfchen in einer Absaugvorrichtung einer Werkzeugmaschine ausgestaltet sein, wobei in diesem Fall mehrere erfindungsgemäße Impaktor-Abscheideelemente parallel arbeiten, können, beispielsweis in einer Matrix-Anordnung, um die großen Volumenströme verarbeiten zu können.
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Die 6 bis 8 zeigen weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung. Um Wiederholungen zu vermeiden, beschränkt sich die nachfolgende Beschreibung dieser weiteren Ausführungsbeispiele im Wesentlichen auf Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wegen der unveränderten Merkmale wird der Fachmann auf die Beschreibung zum ersten Ausführungsbeispiel verwiesen. Für gleich oder ähnlich wirkende Merkmale der weiteren Ausführungsbeispeile werden gleiche Bezugszeichen verwendet, um die Ähnlichkeiten zu betonen.
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6 zeigt ein Impaktor-Abscheideelement 10 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem einzigen, kegelmantelförmig positionierten Abscheidemittel 14a.
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7 zeigt ein Impaktor-Abscheideelement 10 nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit vier dreieckigen Abscheidemitteln 14a, 14b, die die Seitenflächen einer Pyramide mit quadratischer Grundfläche bilden. Andere Polygonformen wie z.b. Sechseckpyramiden sind denkbar.
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8 zeigt ein Impaktor-Abscheideelement 10 nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Impaktor-Abscheideelement 10 umfasst ein einziges Abscheidemittel 14a, das in einer Rohrleitung 34 angeordnet werden kann. Eine Halterung 16 gewährleistet zumindest in einem Mittelbereich des Abscheidemittels 14a, 14b einen Abstand zur Innenwand der Rohrleitung 34 und damit ein im Wesentlichen freies Abströmen auf der Reinseite.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2018036939 A1 [0002, 0003]
