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Die Erfindung betrifft einen Zyklonabscheider, insbesondere zum Abscheiden von Kondensat aus einem Gasstrom, insbesondere einem Druckluftstrom, insbesondere als Teil eines mehrstufigen Filters, umfassend eine Außenhülse, ein Innenrohr mit einem Anströmende und einem Umlenkende und zumindest zwei Luftleitelemente, wobei die Außenhülse das Innenrohr umgibt, im Wesentlichen koaxial zum Innenrohr angeordnet ist und den Zyklonabscheider zur Umgebung hin abgrenzt, wobei das Ende der Außenhülse, welches dem Anströmende des Innenrohrs gegenüberliegt, verschlossen ist, wobei die Luftleitelemente von der Mantelfläche des Innenrohrs vorstehen, wobei die Luftleitelemente am Anströmende des Innenrohrs im Wesentlichen parallel zur Mittelachse des Innenrohrs verlaufen und sich mit einer, über den Verlauf abnehmenden Steigung in Bezug auf die Mittelachse, in Richtung des Umlenkendes des Innenrohrs erstrecken, wobei die Luftleitelemente derart ausgebildet sind, dass ein zwischen der Mantelfläche des Innenrohrs und Außenhülse strömender Gasstrom in Rotation versetzt wird, wobei das Innenrohr derart in der einseitig verschlossenen Außenhülse angeordnet ist, dass der Gasstrom nach Durchströmen des Raums zwischen der Mantelfläche des Innenrohrs und der Außenhülse umgelenkt wird und darauf das Innere des Innenrohrs durchströmt.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Filter mit einem Zyklonabscheider.
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Zyklonabscheider werden im Bereich der Gasstromfiltration zum Abscheiden von unerwünschten Kondensaten und anderen Stoffen eingesetzt. Im Speziellen kommen Zyklonabscheider bei der Aufbereitung von Druckluft in Druckluftnetzen zum Einsatz. Derartige Druckluftnetze werden beispielsweise im Bereich der Lackiertechnik zur Druckluftversorgung von Lackierpistolen oder anderen Verbrauchern und mit vor- oder nachgeschalteten Filterstufen für die Versorgung von Atemschutzgeräten eingesetzt. Meist handelt es sich bei diesen zusätzlichen Filterstufen um Koaleszenzfilter oder Adsorptionsfilter. Sowohl für die weitere Verwendung der Druckluft, wie auch für nachgeschalteten Filterstufen ist es nachteilig, wenn das zu filternde Medium Restkondensate wie Wasser oder Öl enthält. Durch solche Restkondensate wird die Filtration der nachgeschalteten Filterstufen negativ beeinflusst und die Standzeit der Filtrationsmedien negativ beeinflusst.
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Ein gattungsgemäßer Zyklonabscheider in Form eines Kondensatabscheiders für Druckluft wird beispielsweise in der
EP 2 556 873 B1 oder
EP 2 557 348 B1 beschrieben. Die einströmende Druckluft wird in einem Bereich zwischen einem Innenrohr und einer Außenhülse durch als Leitschaufeln ausgebildete Luftleitelemente in Rotation versetzt. Die Leitschaufeln sind derart gestaltet, dass diese über das Innenrohr hinausstehen und durch deren Gestaltung zu einem hohen Wirkungsgrad führen sollen. Unterhalb der Leitschaufeln ist eine Kondensatauffangkammer mit einem Kondensatablassventil vorgesehen. In der Kondensatauffangkammer soll das abgeschiedene Kondensat aufgefangen werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Effektivität der Kondensatabscheidung zu erhöhen.
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Diese Aufgabe wird durch den Zyklonabscheider gemäß dem Anspruch 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Ein erfindungsgemäßer Zyklonabscheider dient insbesondere zum Abscheiden von Kondensat aus einem Gasstrom. Bei diesem Kondensat handelt es sich insbesondere einen Druckluftstrom. Vorzugsweise stellt der Zyklonabscheider einen Teil eines mehrstufigen Filters dar. Der Zyklonabscheider umfasst eine Außenhülse, ein Innenrohr mit einem Anströmende und einem Umlenkende und zumindest zwei Luftleitelemente. Die Außenhülse des Zyklonabscheiders umgibt das Innenrohr und ist im Wesentlichen koaxial zum Innenrohr angeordnet. Weiter grenzt die Außenhülse den Zyklonabscheider zur Umgebung hin ab. Zusätzlich ist das Ende der Außenhülse, welches dem Anströmende des Innenrohrs gegenüberliegt, verschlossen.
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Die Luftleitelemente stehen von der Mantelfläche des Innenrohrs vor, wobei die Luftleitelemente am Anströmende des Innenrohrs im Wesentlichen parallel zur Mittelachse des Innenrohrs verlaufen und sich mit einer, über den Verlauf abnehmenden Steigung in Richtung des Umlenkendes des Innenrohrs erstrecken. Die Steigung ist hierbei das Verhältnis zwischen der Höhe der Luftleitelemente (Δy), die in Axialrichtung entlang der Mantelfläche gemessen wird, zur Länge der Luftleitelemente (Δx), die entlang der Mantelfläche in Umfangsrichtung gemessen wird. Die Steigung nimmt über den Verlauf ab, wenn an einem Punkt m1 des Luftleitelementes eine größere Steigung als an einem Punkt m2 des Luftleitelementes vorliegt, wobei sich der Punkt m2 näher am Ende des Luftleitelements befindet.
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Insbesondere sind die Luftleitelemente nicht linear ausgestaltet, sondern sind zumindest abschnittsweise gekrümmt.
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Die Luftleitelemente sind derart gestaltet, dass ein zwischen der Mantelfläche des Innenrohrs und Außenhülse strömender Gasstrom in Rotation versetzt wird. Das Innenrohr ist so in der einseitig verschlossenen Außenhülse angeordnet, dass der Gasstrom nach Durchströmen des Raums zwischen der Mantelfläche des Innenrohrs und der Außenhülse umgelenkt wird und darauf das Innere des Innenrohrs durchströmt.
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Vorzugsweise überschneiden sich einzelne Luftleitelemente nicht in Umfangsrichtung, was für die Entformung bei Spritzgießverfahren von besonderem Vorteil ist. So kann ein solches Innenrohr eines Zyklonabscheiders einteilig und somit besonders einfach und kostengünstig gefertigt werden.
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Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass zusätzlich zu den Luftleitelementen das Innenrohr zum Umlenkende hin einen Zusatzabschnitt, insbesondere einen Beruhigungsabschnitt, aufweist, wobei der Zusatzabschnitt in axialer Richtung länger als der die Luftleitelemente aufweisende Abschnitt des Innenrohrs ist.
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Der Vorteil des erfindungsgemäßen Zyklonabscheiders zeigt sich in einem besonders hohen Abscheidungsgrad. Dies begründet sich darin, dass sich Verwirbelungen, die der Rotation des eingeleiteten Gasstroms entgegenwirken, im Bereich des Zusatzabschnitts beruhigen können und so eine Homogenisierung der Rotation des Gasstroms in Bereich des Zusatzabschnitts erfolgt. Hierdurch wird eine verbesserte Rotation des Gasstroms um das Innenrohr beziehungsweise den Zusatzabschnitt erzielt. Vorzugsweise rotiert der Gasstrom im Bereich des Zusatzabschnitts mehrfach um das Innenrohr, wodurch eine besonders hohe Fliehkraftwirkung erzielt werden kann. Insgesamt resultiert ein erhöhter Abscheidungsgrad von Kondensat und anderen unerwünschten Stoffen.
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Im Fall eines besonders bevorzugten Ausführungsbeispiels weist der Zyklonabscheider vier Luftleitelemente auf, wobei diese Luftleitelemente vorzugsweise gleichartig ausgestaltet sind. Dadurch sind mehrere Strömungswege vorhanden, die parallel genutzt werden können. Entsteht in einem der Strömungswege zwischen den Luftleitelementen ein zu hoher Staudruck, werden die übrigen Strömungswege verstärkt genutzt um einen höheren Volumenstrom zu erreichen. Somit wird eine hohe Durchflussmenge auch bei Erreichen eines Volumenstrommaximum in einem hauptsächlich genutzten Strömungsweg erzielt. Weiter ist eine unterschiedliche Positionierung des Zyklonabscheiders relativ zur Anströmstelle möglich.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist der Zusatzabschnitt beziehungsweise der Beruhigungsabschnitt, zusätzlich zu ein oder mehrere der genannten Merkmale, die doppelte, bevorzugt mehr als die dreifache Länge des Abschnitts des Innenrohrs mit vorstehenden Luftleitelementen auf. Besonders vorteilhaft kann es sein, wenn der Beruhigungsabschnitt mehr als die vierfache Länge des Abschnitts des Innenrohrs mit vorstehenden Luftleitelementen hat. Durch einen derart verlängerten Beruhigungsabschnitt können die Verwirbelungen, die der Rotation des Gasstroms entgegenwirken, besonders effizient beruhigt werden, wodurch die Rotation um das Innenrohr homogenisiert wird und dadurch der Abscheidungsgrad gesteigert wird.
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Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel weisen Luftleitelemente des erfindungsgemäßen Zyklonabscheiders eine anströmseitige Fläche und eine abströmseitige Fläche auf, die von der Mantelfläche des Innenrohrs, vorzugsweise in einem Winkel zwischen 70° und 110° zur Mantelfläche des Innenrohrs, radial nach außen vorstehen. Die anströmseitige Fläche und die abströmseitige Fläche sind voneinander beabstandet, wobei der Abstand, über den Verlauf der Luftleitelemente in Richtung des Umlenkendes, vorzugsweise abnimmt. Weiter kann der Raum zwischen anströmseitiger Fläche und abströmseitiger Fläche zumindest bereichsweise hohl gestaltet sein. Durch eine Neigung der anströmseitigen beziehungsweise der abströmseitigen Fläche erleichtert sich die Fertigung. So ist das Entformen aus einer Spritzgussform hierdurch wesentlich erleichtert. Da vier Luftleitelemente vorgesehen sind, besteht am Anfang der Luftleitelemente, also am Anströmende, ein relativ großer Abstand zwischen den benachbarten Luftleitelementen. Dieser Abstand beträgt ein Viertel des Umfangs des Innenrohrs, gemessen von der Mitte eines Luftleitelementes zur Mitte eines benachbarten Luftleitelementes. Die Biegung der Luftleitelemente ist so gestaltet, dass der Anstand zwischen dem Ende eines Luftleitelementes und dem in Verlaufsrichtung folgenden Luftleitelement kleiner ist als der Abstand beider Luftleitelemente am Anströmende. Der Abstand beider benachbarter Luftleitelemente beträgt zwischen dem Ende des einen Luftleitelements und dem danebenliegenden Luftleitelement weniger als ein Sechstel des Umfangs, vorzugsweise weniger als ein Achtel des Umfangs des Innenohrs. Die in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden Luftleitelementen definieren einen Strömungskanal zwischen diesen Luftleitelementen der eine Reduktion des Durchströmquerschnitts in Strömungsrichtung von mindestens 50%, vorzugsweise mindestens 70% aufweist. Durch die Reduktion des Durchströmquerschnitts wird die Strömungsgeschwindigkeit des Gasstroms am Ausgang des Strömungskanals im Gegensatz zur Strömungsgeschwindigkeit am Eingang des Strömungskanals mindestens verdoppelt, vorzugsweise mindestens vervierfacht insbesondere zumindest versechsfacht. Somit weist der Raum zwischen beiden benachbarten Luftleitelementen am Ende der Luftleitelemente ein Engstelle auf. Durch die Engstelle wird eine erhöhte Geschwindigkeit des Gasstroms am Ende der Luftleitelemente und dementsprechend am Ende des Strömungskanals erzielt. Hierbei handelt es sich um Strömungsgeschwindigkeiten, die im idealen Betriebsbereich nahe der Schallgeschwindigkeit liegen. Vorzugsweise in einem Bereich größer 300 m/s, insbesondere größer 320 m/s, liegen. Besonders bevorzugt erreicht die Strömungsgeschwindigkeit, zumindest in einem beschränkten räumlichen Bereich, die Schallgeschwindigkeit. Dies führt zusätzlich zu einem erhöhten Abscheidungsgrad durch die Erhöhung der Geschwindigkeit des Gasstroms am Ende der Luftleitelemente. Die Erhöhung der Geschwindigkeit führt auch zu einer Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit um das Innenrohr, beziehungsweise den Zusatzabschnitt. Die maximale Strömungsgeschwindigkeit tritt hierbei nach dem Austritt aus dem Strömungskanal und damit nach dem passieren der Engstelle auf.
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Da der Zyklonabscheider aufgrund der Geometrie des Kopfteils ungleichmäßig angeströmt wird, erfolgt eine ungleichmäßige Nutzung der Räume zwischen den Luftleitelementen. So wird einer der Räume zwischen den Luftleitelementen direkt angeströmt. Dies führt dazu, dass dieser Raum verstärkt genutzt wird. Erreicht die Strömungsgeschwindigkeit im Bereich nach der Engstelle die Schallgeschwindigkeit, ist ein maximaler Durchfluss erreicht. Ab diesem Punkt werden auch verstärkt die nebenliegenden, nicht direkt angeströmten Räume zwischen den Luftleitelementen genutzt.
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Der Raum zwischen beiden Flächen ist teilweise hohl gestaltet, wodurch Materialanhäufungen an dieser Stelle vermieden werden. Des Weiteren wird Material eingespart. Dies ist für die Fertigung im Spritzgießverfahren ebenfalls von Vorteil.
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Die Luftleitelemente eines erfindungsgemäßen Zyklonabscheiders können so gestaltet sein, dass der Krümmungsradius der anströmseitigen Fläche über den Verlauf der anströmseitigen Fläche in Richtung des Umlenkendes abnimmt und im Anschluss wieder zunimmt. Durch diese Gestaltung der anströmseitigen Fläche beziehungsweise der Luftleitelemente wird die Richtung des, im Wesentlichen parallel zur Mittelachse einströmende, Gasstrom nicht abrupt, sondern stetig in Umfangsrichtung verändert, wodurch eine verbesserte Rotation mit weniger Verwirbelungen und damit eine bessere Abscheidungswirkung entsteht.
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Zusätzlich oder alternativ zu den beschriebenen Merkmalen, kann das Innenrohr an dessen Umlenkende einen umfänglich umlaufenden Vorsprung, vorzugsweise in Form einer Aufweitung, aufweisen, wobei der umfänglich umlaufende Vorsprung auf den Beruhigungsabschnitt in axialer Richtung folgt. Der Beruhigungsabschnitt hat vorzugsweise mehr als die zehnfache Länge der Länge des Vorsprungs. Besonders bevorzugt kann der Beruhigungsabschnitt auch so gestaltet sein, dass dieser die zwanzigfache Länge der Länge des Vorsprungs aufweist. Außerdem kann sich der Vorsprung zum Umlenkende hin kontinuierlich erweitern. Durch ein derartig gestaltetes Ende des Zusatzabschnitts bzw. des Beruhigungsabschnitts in Form eines umlaufenden Vorsprungs, wird der Luftstrom am Vorsprung, durch die Verengung des Einströmraums, vom Weiterströmen in den offenen Raum abgehalten, wodurch sich die Rotation des Gasstroms im Bereich vor dem Vorsprung verbessert, da ein Teil des Luftstroms nicht direkt nach unten abströmt, sondern durch den Vorsprung gewissermaßen reflektiert und somit im Rotationsbereich gehalten wird. Durch die Gestaltung in Form einer Aufweitung wird außerdem die Beeinflussung der Rotation des Gasstroms durch zurückströmendes Gas verhindert, das durch die Aufweitung verstärkt in das Innere des Innenrohrs geleitet wird. Somit wird der Abscheidungsgrad weiter verbessert.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Luftleitelemente des Zyklonabscheiders, in Kombination mit vorgenannten Merkmalen, derart ausgestaltet, dass die Luftleitelemente gegenüber dem Anströmende des Innenrohrs axial überstehen. Die Überstände können jeweils ein Verbindungsteil bilden, dessen Zentralachse vorzugsweise parallel zur Mittelachse des Innenrohrs angeordnet ist, wobei sich die Verbindungsteile am, vom Anströmende weg weisenden Ende, von der Mittelachse des Innenrohrs gesehen, unter Ausbildung von Halteelementen radial nach aussen erstrecken. Durch derartig gestaltete Überstände der Luftleitelemente kann in Verbindung mit den beschriebenen Halteelementen eine Verbindung mit der Außenhülse geschaffen werden, die keiner zusätzlichen Teile bedarf und einstückig mit dem Zyklonabscheider gefertigt werden kann.
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In einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass das nicht verschlossene Ende der Außenhülse eines entsprechenden Zyklonabscheiders, in Kombination mit zumindest einem anderen beschriebenen Merkmal, Aufnahmeeinrichtungen aufweist, in welche die Halteelemente einschiebbar sind. Zumindest zwei der Aufnahmeeinrichtungen können vorzugsweise als radiale Kerben ausgestaltet sein und/oder zumindest zwei der Aufnahmeeinrichtungen vorzugsweise für die Aufnahme der Halteelemente und die gleichzeitige Aufnahme eines radial ausgerichteten Bolzens ausgestaltet sein. Die Bolzen sind vorzugsweise an einem Kopfteil angebracht. Vorzugsweise sind zumindest zwei der Aufnahmeeinrichtungen derart ausgestaltet, dass die Bolzen in der Art eines Bajonettverschlusses mit diesen Aufnahmeeinrichtungen zusammenwirken. Durch die derartig gestalteten Aufnahmeeinrichtungen wird eine feste Positionierung des Zyklonabscheiders in der Außenhülse erzielt, wobei keine weiteren Teile benötigt werden. Weiter wird die Fertigung erheblich vereinfacht, da gleichzeitig mit den Aufnahmeeinrichtungen, die über Bolzen realisierte Befestigung der Außenhülse am Kopfteil mitgefertigt werden kann.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist der Zyklonabscheider derart ausgestaltet, dass der Abstand zwischen den Luftleitelementen und der Außenhülse weniger als ein Zwanzigstel des Durchmessers des Innenrohrs, vorzugsweise weniger als einen Millimeter, beträgt. Durch diesen geringen Abstand, beziehungsweise das Größenverhältnis, wird gewährleistet, dass der Teil des Gasstroms, der zwischen den Luftleitelementen und der Außenhülse hindurchströmt möglichst gering gehalten wird, da dieser Teil des Gasstroms nicht direkt in Rotation versetzt wird und die Rotation des übrigen Gasstroms, der um den Zusatzabschnitt rotiert, stört.
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Vorzugsweise kann der Zyklonabscheider derart gestaltet sein, dass sich die einzelnen Luftleitelemente zumindest über ein Achtel des Umfangs, aber um weniger als die Hälfte des Umfangs des Innenrohrs erstrecken. Durch diese Ausgestaltung wird gewährleistet, dass möglichst wenige Luftleitelemente vorgesehen sind, die sich nur um einen gewissen Teil des Zyklonabscheiders erstrecken, was die Fertigungskosten vermindert beziehungsweise die Fertigung erleichtert.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Kopfteil vorgesehen sein, wobei vorzugsweise das Innenrohr am Anströmende eine, von der Innenfläche des Innenrohrs, radial in Richtung der Mittelachse ragende, vorzugsweise zum Anströmende axial rückversetzte, Dichtfläche aufweist. Vorzugsweise ist eine Dichtung am Kopfteil vorgesehen, die in Zusammenwirkung mit der Dichtfläche einen Einströmraum von einem Abströmraum abtrennt. Durch eine derartig gestaltete Dichtfläche wird eine Dichtung geschaffen, die am Außenumfang durch das Innenrohr fixiert sein kann, was die Dichtungswirkung steigert.
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Im Fall einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Erfindung ebenfalls einen Filter mit einem Zyklonabscheider, wobei besagter Filter in Kombination mit einem oder mehreren der vorgenannten Merkmale des Zyklonabscheiders kombinierbar ist. Durch den Einsatz eines entsprechenden Zyklonabscheiders in einem Filter kann eine Abscheidung von Verunreinigungen aus dem Gasstrom ohne zu erneuernde Teile wie Filterelementen erfolgen, wobei sich die Standzeit der folgenden Filterelemente durch den erhöhten Abscheidungsgrad des Zyklonabscheiders erhöhen lässt.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung eines Filters mit Zyklonabscheider, oder eines Zyklonabscheiders mit zumindest einem der vorgenannten Merkmale, ist sowohl der Einlass des Filters, wie auch der Auslass des Filters auf der Seite des Anströmendes des Innenrohrs angeordnet. Durch diese Gestaltung wird eine unkomplizierte Demontage der Außenhülse und damit der Wartung des Zyklonabscheiders gewährleistet.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel eines Filters mit Zyklonabscheider oder in Kombination mit einem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel eines Filters oder Zyklonabscheiders, ist innerhalb des Innenrohrs ein Filterelement, vorzugsweise ein Sinterfilter, angeordnet, wobei das Filterelement vorzugsweise derart angeordnet ist, dass der am Einlass des Filters eingeleitete Gasstrom das Filterelement nach dem Durchströmen des Zyklonabscheiders durchströmt. Durch den Einsatz eines zusätzlichen Filterelements wird der Abscheidungsgrad des Filters, in Kombination mit dem Zyklonabscheider, weiter erhöht, wobei mit einem Sinterfilter ein Filterelement vorgesehen ist, das gereinigt werden kann und somit kostengünstig im Unterhalt ist.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Filters in Kombination mit einem Zyklonabscheider oder einem Zyklonabscheider gemäß einer Kombination der vorgenannten Merkmale ist, dem Zyklonabscheider eine, vorzugsweise mehrere, weitere Filterstufen vor- und/oder nachgeschaltet. Der Zyklonabscheider kann beispielsweise eine erste Filterstufe bilden, und/oder zumindest eine Filterstufe mit einem Koaleszenzfilter und/oder zumindest eine Filterstufe mit einem Adsorbtionsfilter vorgesehen sein. Wird ein entsprechender Filter mit Zyklonabscheider vorgeschaltet, kann die Standzeit der folgenden Filterstufen beziehungsweise der regelmäßig zu erneuernden Teile, wie beispielsweise der Filterelemente, verbessert werden. Durch den Einsatz der genannten weiteren Filterstufen in Kombination oder einzeln wird eine tiefgehende Reinigung des Gasstroms erreicht, wobei durch eine Kombination eines Koaleszenzfilters und eines Adsorbtionsfilters, wie beispielsweise eines Aktivkohlefilters, Atemluftqualität erreicht werden kann.
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Die Erfindung wird nachfolgenden anhand der folgend beschriebenen Figuren erläutert. Die Figuren zeigen:
- 1 einen Teilschnitt eines mehrstufigen Filters mit einem Zyklonabscheider,
- 2 eine Seitenansicht eines Innenrohrs eines Zyklonabscheiders,
- 3 eine perspektivische Ansicht eines Zyklonabscheiders mit Aufnahmeeinrichtung des Innenrohrs,
- 4 eine Schnittzeichnung eines Filters mit Zyklonabscheider und Filterelement.
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In 1 ist ein mehrstufiger Filter 100 mit einem Zyklonabscheider 1 zum Abscheiden von Kondensat aus einem Gasstrom beziehungsweise einem Druckluftstrom gezeigt. Der gezeigte Zyklonabscheider 1 kann auch als separate Einheit ausgestaltet sein.
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Der Zyklonabscheider 1 umfassend eine Außenhülse 2, ein Innenrohr 3 mit einem Anströmende 4 und einem Umlenkende 5 und zumindest zwei Luftleitelemente 6. Die Außenhülse 2 umgibt das Innenrohr 3 und ist im Wesentlichen koaxial zum Innenrohr 3 angeordnet. Die Außenhülse 2 grenzt den Zyklonabscheider 1 zur Umgebung hin ab. Das Ende der Außenhülse 2, welches dem Anströmende 4 des Innenrohrs 3 gegenüberliegt, ist verschlossen.
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Der Gasstrom wird im Wesentlichen in Richtung der Mittelachse 21 zwischen dem Innenrohr 3 und der Außenhülse 2 eingeleitet. Nach der Einleitung wird der Gasstrom durch die Form und den Verlauf der Luftleitelemente 6 in eine Rotation um die Mittelachse 21 und in Richtung des Umlenkendes 5 gezwungen. Um diese Rotation zu erzielen, beträgt der Abstand zwischen den Luftleitelementen 6 und der Außenhülse 2 weniger als ein Zwanzigstel des Durchmessers des Innenrohrs 3, im gezeigten Beispiel weniger als einen Millimeter.
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Beim dargestellten Zyklonabscheider 1 wird im Wesentlichen nur der Raum zwischen zwei Luftleitelementen 6 zum Einströmen des Gasstroms genutzt. Die anderen Räume zwischen den Luftleitelementen 6 bleiben im Wesentlichen ungenutzt. Durch die Rotation des Gasstroms um das Innenrohr 3 entsteht in den nicht zur Einleitung genutzten Räumen zwischen den Luftleitelementen 6 eine Sogwirkung, durch die der Gasstrom mitgerissen wird, der nicht direkt zwischen die beiden vorgenannten Luftleitelementen 6 strömt. Es können aber auch mehr als einer der Räume, beispielsweise alle Räume, zwischen den Luftleitelementen 6 zum Einströmen des Gases genutzt werden.
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Das Innenrohr 3 ist derart in der einseitig verschlossenen Außenhülse 2 angeordnet, dass der Gasstrom nach Durchströmen des Raums zwischen der Mantelfläche des Innenrohrs 3 und der Außenhülse 2 umgelenkt wird und darauf in das Innere des Innenrohrs 3 strömt. Im Inneren des Innenrohrs 3 ist ein in 4 gezeigtes, rohrförmiges Filterelement 19 vorgesehen. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Sinterfilter aus Metall oder einem anderen sinterfähigen Material handeln. Das Filterelement 19 ist im Wesentlichen koaxial im Innenrohr 3 angeordnet und an der Unterseite verschlossen. Somit strömt das Gas nach der Umlenkung in den Raum zwischen der Innenwand des Innenrohrs 3 und der Außenseite des Filterelements 19, das vom Gasstrom von der Außenseite zur Innenseite hin durchströmt gefiltert wird. Nachdem der Gasstrom das Filterelement 19 durchquert hat, strömt dieser im Inneren des Filterelements 19 in Richtung des Anströmendes 4 des Innenrohrs 3 und tritt dort in das in 4 gezeigte Kopfteil 14 ein. Somit befinden sich sowohl der Einlass, wie auch der Auslass des mit dem Sinterfilter versehenen Zyklonabscheiders 1, auf der Seite des Anströmendes 4 des Innenrohrs 3. Nachdem der Gasstrom in das Kopfteil 14 eingetreten ist, kann dieser zu einer weiteren Filterstufe oder zu einem Verbraucher geleitet werden.
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Diese weiteren Filterstufen sind ebenfalls in 1 gezeigt und können dem Zyklonabscheider 1 vor- und/oder nachgeschaltet sein. Es ist von Vorteil, wenn der Zyklonabscheider 1 eine erste Filterstufe bildet, da die Kondensate, die durch den Zyklonabscheider 1 ausgeschieden werden die Standzeit der übrigen Filterstufen verringern. Beispielsweise können als zusätzliche Filterstufen eine Filterstufe mit einem Koaleszenzfilter und/oder eine Filterstufe mit einem Adsorbtionsfilter vorgesehen sein.
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In 2 ist das Innenrohr 3 des Zyklonabscheiders 1 gezeigt, wobei das Innenrohr 3 insgesamt vier Luftleitelemente 6 aufweist, wobei sämtliche Luftleitelemente 6 gleichartig ausgestaltet sind. Die einzelnen Luftleitelemente 6 erstrecken sich zumindest über ein Achtel des Umfangs, aber um weniger als die Hälfte des Umfangs des Innenrohrs 3. Die Luftleitelemente 6 stehen von der Mantelfläche des Innenrohrs 3 vor, wobei die Luftleitelemente 6 am Anströmende 4 des Innenrohrs 3 im Wesentlichen parallel zur Mittelachse 21 des Innenrohrs 3 verlaufen und sich mit einer, über den Verlauf abnehmenden Steigung, in Bezug auf die Mittelachse 21, in Richtung des Umlenkendes 5 des Innenrohrs 3 erstrecken. Unter Steigung in Verbindung mit den Luftleitelementen 6 ist in der gesamten Schrift das Verhältnis der absoluten Länge in Umfangsrichtung zur absoluten Länge in Mittelachsrichtung zu verstehen. Wie beschrieben sind die Luftleitelemente 6 derart ausgebildet, dass ein zwischen der Mantelfläche des Innenrohrs 3 und Außenhülse strömender Gasstrom in Rotation versetzt wird.
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Aus 2 ist ersichtlich, dass die Luftleitelemente 6 eine anströmseitige Fläche 8 und eine abströmseitige Fläche 9 aufweisen, die von der Mantelfläche des Innenrohrs 3, in einem Winkel zwischen 70° und 110° zur Mantelfläche des Innenrohrs 3, radial nach außen vorstehen. Diese Winkel können aber auch in einem Bereich 60° bis 120° oder 80° bis 100° liegen. Die anströmseitige Fläche 8 und die abströmseitige Fläche 9 sind voneinander beabstandet, wobei der Abstand im Verlauf der Luftleitelemente 6 in Richtung des Umlenkendes 5 beziehungsweise entlang des Umfangs abnimmt. Am Ende der Luftleitelemente 6 verjüngen sich die Luftleitelemente 6 so weit, dass die beiden Flächen 8, 9 zusammenfallen. Der Raum zwischen anströmseitiger Fläche 8 und abströmseitiger Fläche 9 ist bereichsweise hohl gestaltet.
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Der Krümmungsradius der anströmseitigen Fläche 8 nimmt über den Verlauf der anströmseitigen Fläche 8 in Richtung des Umlenkendes 5 zunächst ab und dann wieder zu. So erstrecken sich die Luftleitelemente 6, beziehungsweise die anströmseitige Fläche 8 wie auch die abströmseitige Fläche 9, in einem Parallelabschnitt zunächst im Wesentlichen parallel zur Mittelachse 21 des Innenrohrs 3 an der Mantelfläche des Innenrohrs 3 vom Anströmende 4 weg in Richtung des Umlenkendes 5. Nach einer gewissen Strecke, die im gezeigten Beispiel weniger als einen Zentimeter vom Anströmende 4 in Richtung Umlenkende 5 beträgt, neigen sich die Luftleitelemente 6 in Umfangsrichtung, in der Art, dass der Krümmungsradius der anströmseitigen Fläche 8 und der abströmseitigen Fläche 9 innerhalb eines auf den Parallelabschnitt folgenden Krümmungsabschnitts stetig abnimmt. Die Strecke des Krümmungsabschnitts der anströmseitigen Fläche 8 beträgt vorzugsweise weniger als ein Viertel der Strecke der anströmseitigen Fläche 8, wobei die Strecke des Krümmungsabschnitts der abströmseitigen Fläche 9 vorzugsweise weniger als ein Drittel der Strecke der abströmseitigen Fläche 9 beträgt. Im gezeigten Beispiel erfolgt die Änderung des Krümmungsradius der anströmseitigen Fläche 8 und der abströmseitigen Fläche 9 über weniger als die Hälfte der angegebenen Teilstrecken. Die Änderung des Krümmungsradius ist stetig. Mit Hinsicht auf die gesamte Länge der anströmseitigen Fläche 8 und der abströmseitigen Fläche 9 beziehungsweise der Luftleitelemente 6 ändert sich der Krümmungsradius in der zweiten Hälfte der Luftleitelemente 6 um weniger als 10%, wobei auch eine Änderung von weniger als 5% möglich ist. Wenn die anströmseitige wie auch die abströmseitige Fläche 8, 9 eine Neigung von ca. 45° zur Mittelachse 21 erreicht haben, folgt auf den Krümmungsabschnitt ein Auslaufabschnitt. Im Auslaufabschnitt erhöht sich der Krümmungsradius erneut in der Art, dass sich die anströmseitige Fläche 8 wie die abströmseitige Fläche 9 weiter in Umfangsrichtung erstrecken, wobei die Änderung des Winkels zur Mittelachse 21 und damit der Steigung wesentlich langsamer erfolgt als im Krümmungsabschnitt, aber weiter stetig abnimmt. An den Enden der Luftleitelemente 6 beziehungsweise der anströmseige Fläche 8 und deren abströmseitige Fläche 9 weisen diese Flächen einen Winkel von 70° bis 85° zwischen der Längsrichtung, entlang der Flächen der Luftleitelemente 6 und der Mittelachse 21 auf. Anders als in der 2 gezeigt, können sich die Luftleitelemente 6 auch nach links entlang des Umfangs erstrecken.
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Das Innenrohr 3 weist zum Umlenkende 5 hin einen Zusatzabschnitt auf, welcher in axialer Richtung länger als der die Luftleitelemente 6 aufweisende Abschnitt des Innenrohrs 3 ist. Der Zusatzabschnitt kann als Beruhigungsabschnitt 7 bezeichnet werde, da sich der in Rotation versetzte Gasstrom hier beruhigt und eine homogenisierte Rotation erzielt wird. Der Zusatzabschnitt hat mehr als die vierfache Länge, in Richtung der Mittelachse 21, als die Länge des Abschnitts des Innenrohrs 3 mit vorstehenden Luftleitelementen 6. Der Zusatzabschnitt 7 kann allerdings auch kürzer ausgestaltet sein, um beispielsweise die Abmaße zu verkleinern.
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Das Innenrohr 3 weist an dessen Umlenkende 5 einen umfänglich umlaufenden Vorsprung 13, vorzugsweise in Form einer Aufweitung, auf, der auf den Beruhigungsabschnitt 7 in axialer Richtung folgt. Der Beruhigungsabschnitt 7 hat im gezeigten Beispiel mehr als die zwanzigfache Länge des Vorsprungs 13, kann aber auch nur die zehnfache Länge des Vorsprungs 13 in Mittelachsrichtung haben. Um die Umlenkung des Gasstroms am Umlenkende 5 beziehungsweise am verschlossenen Ende der Außenhülse 2 zu unterstützen, erweitert sich der Vorsprung 13 zum Umlenkende 5 hin kontinuierlich. Diese Erweiterung stellt auch eine Tropfkante dar, an der abgeschiedenes Kondensat, zum verschlossenen Ende des Außenrohrs hin, abtropfen kann.
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2 zeigt, dass die Luftleitelemente 6 gegenüber dem Anströmende 4 des Innenrohrs 3 überstehen, wobei die Überstände jeweils ein Verbindungsteil 10 bilden, dessen Zentralachse im Wesentlichen parallel zur Mittelachse 21 des Innenrohrs 3 angeordnet ist und vom Anströmende 4 weg weist. Am Ende der Verbindungsteile 10, das vom Anströmende 4 weg weist, erstrecken sich die Verbindungsteile 10 radial nach aussen und bilden Halteelemente 11, die der Fixierung des Innenrohrs 3 in der Außenhülse 2 dienen. Die Verbindung zwischen Innenrohr 3 und Außenhülse 2 wird unter 3 näher erläutert.
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Aus 2 ist ersichtlich, dass der Raum zwischen den in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden Luftleitelementen 6 einen Strömungskanal bilden, der eine Reduktion des Durchströmquerschnitts in Strömungsrichtung von mindestens 50%, vorzugsweise mindestens 70% aufweist. Durch die Reduktion des Durchströmquerschnitts wird die Strömungsgeschwindigkeit des Gasstroms am Ausgang des Strömungskanals im Gegensatz zur Strömungsgeschwindigkeit am Eingang des Strömungskanals mindestens verdoppelt, vorzugsweise vervierfacht, insbesondere versechsfacht. Insbesondre erreicht die Strömungsgeschwindigkeit an dieser Engstelle 22 einen Wert nahe der Schallgeschwindigkeit beziehungsweise die Schallgeschwindigkeit selbst. Die Geschwindigkeit an dieser Stelle ist bereichsweise zumindest größer als 300 m/s, insbesondere größer 320 m/s. Hierbei bildet die Schallgeschwindigkeit die Grenze, bei deren erreichen ein maximaler Gasvolumenstrom an der Engstelle 22 fließt und stellt damit den Idealen Betriebsbereich dar. Vorzugsweise ist der Anteil des Volumenstroms, der eine Geschwindigkeit größer 300 m/s erreicht, größer als 50%.
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Aus 3 ist ersichtlich, dass das nicht verschlossene Ende der Außenhülse 2 Aufnahmeeinrichtungen 12 aufweist, in die die Halteelemente 11 eingeschoben werden, wobei zwei der Aufnahmeeinrichtungen 12 als radiale Kerben beziehungsweise als Einschnitt ausgestaltet sind. Zwei weitere Aufnahmeeinrichtungen 12 sind derart gestaltet, dass diese zusätzlich zu den, als radiale Kerben ausgestalteten Aufnahmeeinrichtungen 12 für die Halteelemente 11, in der Art in Umfangsrichtung erweitert sind, dass zusätzlich radial ausgerichtete Bolzens 20 aufgenommen werden können. Diese Bolzen 20 sind an einem nicht gezeigten Kopfteil 14 angebracht. Das Kopfteil 14 ist im Schnitt in 4 gezeigt. Die Aufnahme der Bolzen 20 durch die Aufnahmeeinrichtungen 12 erfolgt in Form eines Bajonettverschlusses, wobei die radiale Kerbe bei diesen beiden Aufnahmeeinrichtungen 12 einen zusätzlichen Einschnitt in Umfangsrichtung aufweisen, der sich zwischen dem Grund der radialen Kerbe und dem nicht verschlossenen Ende der Außenhülse 2 befindet und vom nicht verschlossenen Ende der Außenhülse 2 beanstandet ist. Somit kann die Außenhülse 2 über eine Steckbewegung entlang der Mittelachse 21 zum Kopfteil 14 hinbewegt werden, wobei die Bolzen 20 in die radialen Kerben eintauchen. Im Anschluss kann die Außenhülse 2 durch eine Drehbewegung in Umfangsrichtung am Kopfteil 14 fixiert werde, wobei die Bolzen 20 durch die Drehbewegung in die Kerben in Umfangsrichtung eintauchen. Am Ende dieser Kerben sind Einbuchtungen vorgesehen, die der Fixierung des Bolzens 20 in der Kerbe dienen. Diese Kerben sind auf der Seite der Kerbe in Umfangsrichtung vorgesehen, die am nicht verschlossenen Ende der Außenhülse 2 liegt, um ein selbstständiges öffnen der Außenhülse 2 zu verhindern.
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In 4 ist eine Außenhülse 2, das Innenrohr 3 mit Luftleitelementen 6 und Zusatzabschnitt 7, das Kopfteil 14, eine Dichtfläche 15, eine Dichtung 16, ein Einströmraum 17, ein Abströmraum 18, das Filterelement 19 und die Bolzen 20 gezeigt.
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Die Dichtfläche 15 ist als Teil des Innenrohrs 3 ausgebildet, wobei sich das Innenrohr 3 am Anströmende 4 einen radial in Richtung der Mittelachse 21 ragenden Vorsprung 13 aufweist, der zum Anströmende 4 rückversetzt ist. Die Dichtfläche 15 wird durch die dem Anströmende 4 zugewandten Ende des Vorsprungs 13 gebildet. Die zugehörige Dichtung 16 ist am Kopfteil 14 vorgesehen und dort über eine Schwalbenschwanzartige Verbindung befestigt. Die an der Dichtfläche 15 dichtende Dichtung 16 trennt den Einströmraum 17 von einem Abströmraum 18 ab, wobei der Gasstrom zunächst in den Einströmraum 17 eingeleitet wird, danach den Zyklonabscheider 1 und das Filterelement 19 durchquert und dann aus dem Abströmraum 18 in das Kopfteil 14 und von dort aus der Filterstufe ausgeleitet wird.
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Zwischen dem Einströmraum 17 und dem Abströmraum 18 ist das beschriebene Filterelement 19 vorgesehen, welches sich innerhalb des Innenrohrs 3 befindet und als Sinterfilter ausgestaltet ist. Das Filterelement 19 ist derart angeordnet, dass der am Einlass des Filters 100 eingeleitete Gasstrom das Filterelement 19 nach dem Zyklonabscheider 1 durchströmt. Der genaue Strömungsweg wurde bereits unter 1 näher erläutert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2556873 B1 [0004]
- EP 2557348 B1 [0004]
