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Diese Erfindung betrifft eine Reinigungsvorrichtung
des Typs zum Abscheiden teilchenförmiger Stoffe aus einem Fluidstrom,
wie einem Luftstrom, wie es zum Beispiel in sogenannten Staubsaugern ohne
Staubbeutel erforderlich ist.
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WO 96/11047 beschreibt eine Vorrichtung zum
Entfernen teilchenförmigen
Materials, das in einem Gasstrom suspendiert ist, in welcher die
Rotationsbewegung in dem Strom erzeugt wird, welcher anschließend in
eine Ausdehnungskammer geleitet wird, wo die Gase gebremst werden,
um zu ermöglichen,
daß die
Feststoffteilchen aus der Suspension ausfallen und in einer Sammelkammer
abgeschieden werden können.
Man hat herausgefunden, daß,
wo eine derartige Vorrichtung effektiv große und mittelgroße Teilchen
abscheidet, kleine Teilchen dazu neigen, weiter in dem Gasstrom
mitgerissen zu werden und in die Atmosphäre abgesaugt werden. Es ist
offensichtlich, daß,
wo die Vorrichtung in einem Saugreiniger für die Verwendung in Innenräumen eingebaut
wird, das Ergebnis ist, daß die
kleinen teilchenförmigen
Stoffe dazu neigen, daß sie
in den Raum, der gesaugt wird, zurückgeführt werden, und sich nach dem
Austreten aus der Vorrichtung in dem Austrittsstrom möglicherweise
als Staub auf den Ausrüstungen
bzw. dem Fußboden
absetzen.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, welche effektiv kleinere
sowie große
teilchenförmige
Stoffe aus einem Luftstrom abscheidet.
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Nach einem Gesichtspunkt der Erfindung wird
eine Vorrichtung zum Abscheiden der teilchenförmigen Stoffe aus einem Fluidstrom
bereitgestellt, wobei die Vorrichtung ein Gehäuse umfaßt, das Mittel zum Eintritt
des teilchenhaltigen Fluids und Mittel zum Austritt des gereinigten
Fluids umfaßt,
wobei die Vorrichtung Mittel zum Erzeugen eines primären Wirbels
in dem Eintrittsfluid enthält
und das Gehäuse eine
Abscheidezone umfaßt,
welche eine primäre und
eine sekundäre
Abscheidekammer umfaßt,
wobei jede mit jeweiligen Teilchensammelmitteln verbunden wird und
Verbindungsmittel enthält,
die geeignet sind, um einen sekundären Wirbel in der sekundären Abscheidekammer
zu erzeugen.
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Das Fluid ist vorzugsweise Luft,
obgleich ein Flüssigkeitsstrom
von Feststoffteilchen in der erfindungsgemäßen Vorrichtung gereinigt werden
könnte. Der
Einfachheit halber wird der Begriff "Luftstrom" in der restlichen
Beschreibung verwendet, der andere Fluids, einschließlich Flüssigkeiten,
einschließt.
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Im Betrieb gehen die schwereren Feststoffteilchen
durch die Verbindungsmittel von der primären in die sekundäre Kammer
und werden darin aus dem Luftstrom abgeschieden, wohingegen die
leichteren Teilchen innerhalb der Primärkammer zurückgehalten werden. Die Primärkammer
und die Sekundärkammer
werden vorzugsweise peripher miteinander verbunden und die Primärkammer
enthält
vorzugsweise einen parallelseitigen oder zylindrischen Abschnitt
und einen Zyklonabschnitt. Der zylindrische Abschnitt nimmt die
Verbindungsmittel auf und kann relativ stromaufwärts von und koaxial mit dem Zyklonabschnitt
angeordnet werden, welcher sich vorzugsweise nach innen in der Abstromrichtung
verjüngt.
Die Sekundärkammer
ist vorzugsweise zylindrisch und peripher mit der Primärkammer
in dem parallelseitigen Abschnitt verbunden, wodurch die jeweiligen
Achsen der Primärkammer
und der Sekundärkammer
parallel verlaufen. Die schmutzbeladene Luft, die in die Abscheidezone
der Primärkammer eintritt,
wird geleitet, um einer Spiralbahn um eine Achse herum und fortschreitend
davon zu folgen, wahlweise unter dem Einfluß von Leitblechen oder anderen
Ablenkmitteln, die innerhalb der Primärkammer auf dem Dach oder Wand
davon angeordnet werden. Das darin eingetragene Teilchenmaterial wird
unter dem Einfluß der
Zentripetalkraft in Richtung der Kammerwand geschleudert, wobei
die größeren und
schwereren Teilchen, die von der Zentripetalkraft stärker als
die kleineren und leichteren Teilchen beeinflußt werden, gezwungen werden,
der Wand dichter zu folgen. Da das schwerere Material um die Peripherie
der Primärkammer
herum bewegt wird, erreicht es den Verbindungsabschnitt mit der Sekundärkammer
und wird durch die Zentripetalkraft gezwungen, darin einzutreten.
Der darin erzeugte sekundäre
Wirbel, vorzugsweise in der entgegengesetzten Drehrichtung zu dem
primären
Wirbel, hält die
Teilchen in Suspension und transportiert sie zu einer Sammelkammer,
aus der sie von Zeit zu Zeit entfernt werden können. Ein nach innen, verlaufender ringförmiger Flansch
kann zwischen dem zylindrischen Abschnitt und dem Zyklonabschnitt
bereitgestellt werden, um die Abscheidung zwischen den schwereren
und den leichteren Feststoffteilchen zu verbessern. Wahlweise wird
eine dritte oder eine weitere Abscheidekammer mit der Sekundärkammer verbunden
und stellt einen entsprechenden Wirbel darin bereit.
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Das leichtere Material, das in Suspension
in der Primärkammer
zurückbleibt,
bewegt sich spiralförmig
zu deren verjüngtem
Zyklonabschnitt, wo es zunehmend beschleunigt wird, da sich der
Durchmesser verringert. Beim Erreichen des schmalsten Abschnittes
wird es aus dem Luftstrom ausgeworfen, welcher anschließend, im
Wesentlichen sauber von Feststoffteilchen, zu den Austrittsmitteln
strömt.
Der Umstand, daß die
Luft in dem Zyklonabschnitt der Vorrichtung bereits die schwereren
Teilchen daraus entfernt hat, führt
zu einer geringeren Gewichtsbelastung des Luftstroms, welche dem
Luftstrom erlaubt, größere Geschwindigkeiten
zu erreichen, was zu einem effektiveren Entfernen kleinerer Teilchen
führt, als
es mit einem Zyklon allein ohne die Sekundärkammer zu erwarten wäre, und
die Vorrichtung als ein Ganzes weist eine verbesserte Fähigkeit
auf, um einen größeren Bereich
von Material mit größerem Wirkungsgrad
und bei höheren
Beladungsgeschwindigkeiten handzuhaben.
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Die Verbindungsmittel können angepaßt werden,
um einen zweiten Wirbel in der Sekundärkammer durch Stromumlenkelemente
in dem Bereich der Verbindung zwischen den Kammern zu erzeugen.
Vorzugsweise bauen die Stromumlenkelemente eine Zone der räumlichen
Trennung zwischen den jeweiligen Wirbeln auf, wodurch die Wirbel
keine Turbulenz erzeugen oder mindestens die Turbulenz zwischen
ihnen minimieren, wohingegen die Feststoffteilchen in der Nähe der Wand
der Primärkammer
weiter ungehindert in die Sekundärkammer
strömen
können.
Die Stromumlenkelemente können
einen Kammerwandabschnitt auf mindestens einer Seite der Verbindungsöffnung umfassen,
welcher verformt wird, um seinen Krümmungsradius in Richtung auf
eine tangentiale Position zu vergrößern, insbesondere die Primärkammerwand
auf der Abstromseite der Öffnung,
aber vorzugsweise sowohl die Primärkammerwand, als auch die Sekundärkammerwand
auf jeder Seite der Öffnung,
um einen Verbindungshals bereitzustellen, welcher im Allgemeinen über die
Sehne zu beiden Kammern verläuft,
wobei die verformte Wand der Primärkammer ermöglicht, daß sich die schwereren Teilchen
nach außen
vom Krümmungsradius
der Primärkammer
bewegen können
und die verformte Wand der Sekundärkammer funktioniert, um den
primären Luftstrom
zu trennen, um einen zweiten Wirbel in der Sekundärkammer und
vorzugsweise in der entgegengesetzten Richtung zu der des primären Wirbels
zu erzeugen.
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In der Abscheidezone kann die primäre Abscheidekammer
den Zyklonabscheider enthalten, wodurch die Außenwand der Primärkammer
und die Wand des Zyklonabscheiders eine ringförmige Kammer in peripherer
Verbindung mit der Sekundärkammer
definieren. Der Zyklonabscheider kann entweder für die Aufwärtsverwirbelung oder die Abwärtsverwirbelung
oder die schraubenförmige
Bewegung des Luftstroms angeordnet werden, mit der Teilchenlast darin,
die entweder aufwärts
ausgetragen wird, so daß sie
infolge der Schwerkraft in einer Sammelkammer abgesetzt wird, die über dem
oberen Abschnitt des Zyklonabscheiders gebildet wird, oder abwärts in einen
Sammelbehälter
ausgetragen wird, der unter dem Zyklonabscheider angeordnet wird.
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Die Mittel zum Erzeugen eines primären Wirbels
in dem teilchenhaltigen Luftstrom, der in das Gehäuse eintritt,
können
eine Anordnung von Leitblechen stromaufwärts des Gehäuses, wobei die einzelnen Leitbleche
für sich
wahlweise mit Abstand angeordnet werden können, um das Verstopfen durch
große
Feststoffteilchen oder fadenförmiges
Material zu verhindern, oder ein außermittiges, zum Beispiel tangentiales
Eintrittsrohr, umfassen. Ein Hilfslufteintritt kann einen laminaren
Film oder Schicht schmutzfreier Luft an der Peripherie der Primärkammer
durch oder mindestens in die Verbindungsmittel hinein bereitstellen,
um das Zurückhalten
leichterer Teilchen in der Primärkammer
zu verbessern, während
die Weitergabe von schwereren Teilchen an die Sekundärkammer
nicht wesentlich behindert wird. Der Hilfslufteintritt kann eine
Eintrittsöffnung
in der Primärkammer
aufweisen, die direkt angrenzt an oder mit Abstand von den Eintrittsmitteln
für die
teilchenhaltige Luft angeordnet wird, und der Hilfsluftstrom kann durch
das Strömen
der teilchenhaltigen Luft durch die Eintrittsöffnung hervorgerufen werden
oder kann unter positivem äußerem Druck,
zum Beispiel durch eine Hilfspumpe, zugeführt werden.
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Die primäre Abscheidekammer kann zwei oder
mehr zylindrische Abschnitte umfassen, jeder mit einer zugeordneten
sekundären
Abscheidekammer, wobei die benachbarten zylindrischen Abschnitte
axial miteinander durch Zyklonabschnitte mit fortschreitend kleinerem
Durchmesser in der Abstromrichtung verbunden werden.
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Die Ausführungsformen der Erfindung
werden nun beispielhaft mit Bezug auf die beiliegenden schematischen
Zeichnungen beschrieben, von denen:
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1 eine
Seitenansicht einer Ausführungsform
einer Abscheidevorrichtung ist;
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2 eine
Draufsicht ist, welche die inneren Teile der Vorrichtung von 1 darstellt;
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3 eine
Seitenansicht einer anderen Ausführungsform
der Abscheidevorrichtung ist;
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4 eine
Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform zu der in 3 gezeigten ist;
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5 eine
Seitenansicht einer weiteren alternativen Ausführungsform ist, in welcher
die Primärkammer
innerhalb einer größeren Kammer
enthalten ist;
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6 eine
Draufsicht einer Ausführungsform
von 5 zeigt, wo eine
größere Kammer
die Sekundärkammer
bildet.
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7 eine
Draufsicht einer anderen Ausführungsform
von 5 zeigt, wo die
größere Kammer die
Sekundärkammer
enthält.
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8 in
der Draufsicht die Verwendung eines Sekundärlufteintritts zeigt, um die
Abscheidung größerer Feststoffteilchen
aus dem Luftstrom zu verbessern; und
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9 in
der Seitenansicht eine Ausführungsform
zeigt, in welcher die Primärkammer
mehrere zylindrische Abschnitte und Zyklonabschnitte aufweist.
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Bezug nehmend auf 1 und 2 besteht
die Vorrichtung aus einer Primärkammer 11 und
einer Sekundärkammer 12,
die durch einen im Allgemeinen über
die Sehne verlaufenden Verbindungshals 13 verbunden werden,
dessen Wände
durch die jeweiligen Wandabschnitte der Primärkammer und der Sekundärkammer
gebildet werden, die tangential verformt und mit der anderen Kammer
verbunden werden. Die Primärkammer 11 weist
einen oberen zylindrischen Abschnitt 14 und einen unteren
koaxialen Zyklonabscheider 15 auf. Ein innerer Flansch 16 wird
zwischen dem oberen und dem unteren Abschnitt angeordnet; der Flansch
weist eine nach oben gerichtete innere periphere Kante 17 auf.
Der Flansch 16 ist nicht von Bedeutung.
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Ein tangentialer Eintritt 18 wird
am oberen Ende bereitgestellt und ebenfalls ein axialer Austritt 19 für die Abluft,
ein Elektromotor (nicht dargestellt) fördert Luft durch die Vorrichtung
oder kann alternativ Luft unter positivem Druck durchblasen.
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Abnehmbare Sammelbehälter 20, 21 werden entsprechend
für den
Zyklonabscheider und die sekundäre
Abscheidekammer bereitgestellt. Wie durch Pfeile dargestellt, wird
die Eintrittsluft von einem Austritt 19 zwangsgeführt, um
gegen den Uhrzeigersinn einer schraubenförmigen Bahn um die innere Wand des
zylindrischen Abschnittes der Primärkammer herum zu folgen, wobei
die schwereren Teilchen durch den punktierten Pfeil dargestellt
sind, die durch den Hals 13 in die Sekundärkammer
transportiert werden, wo sie im Uhrzeigersinn einer schraubenförmigen Bahn
folgen. Die schwereren Teilchen fallen schließlich durch Schwerkraft in
den Sammelbehälter 21;
die leichteren Teilchen bleiben in der Primärkammer eingetragen und werden
aus dem Luftstrom in dem Zyklonabscheider abgeschieden, indem sie
in dem Sammelbehälter 20 aufgefangen
werden. Der Hals 13 stellt nicht nur einen Zugangsweg für schwerere
Teilchen bereit, sondern stellt auch einen Abgrenzungsbereich zwischen
den jeweiligen Wirbeln dar, um die Erzeugung von Turbulenz zu minimieren. Der
Flansch 16 hilft sicherzustellen, daß schwerere Teilchen in die
Sekundärkammer
eintreten.
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Die in 3 und 4 dargestellten Anordnungen
weisen den Zyklonabscheider 35/45 auf, der innerhalb des
zylindrischen Abschnittes 34/44 montiert wird; in 3 befindet sich der Eintritt 38 an
dem oberen Ende der Vorrichtung, der Zyklonabscheider 35 ist
für den
Aufwärtsstrom
angeordnet und der schraubenförmige
Strom in den zylindrischen Abschnitt 34 ist nach unten
gerichtet, die Abluft strömt durch
den Austritt 37, wohingegen in 4 der Eintritt 48 am unteren
Ende der Vorrichtung ist, der schraubenförmige Strom in dem zylindrischen
Abschnitt 44 nach oben gerichtet ist, der Zyklonabscheider 45 für den Abwärtsstrom
angeordnet ist und die Abluft durch den Austritt 47 strömt. Die
Sammelbehälter für leichtere
Teilchen sind als 30/40 und für schwerere Teilchen als 31/41 gezeigt;
die Sekundärkammern
sind als 32/42 gezeigt.
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5 veranschaulicht
eine alternative Anordnung, in welcher die primäre Abscheidekammer 51 und
der zugeordnete Zyklon 52 innerhalb einer größeren Kammer 53 angeordnet
werden; jede der jeweiligen Kammern weist zugeordnete Sammelbehälter 54, 55 für leichtere
(54) und schwerere (55) Teilchen auf.
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In 6 bildet
die größere Kammer
die Sekundärkammer
und der Wirbel darin ist in der gleichen Richtung wie der primäre Wirbel,
wie durch den gestrichelten Pfeil dargestellt ist. Die Wand der
Primärkammer
direkt stromaufwärts
von der Verbindungsöffnung
ist bei 61 tangential in die Sekundärkammer verformt, um zu ermöglichen,
daß darin
der Wirbel mit minimaler Turbulenz erzeugt wird. In 7 wird die Sekundärkammer 71 vollständig innerhalb
der größeren Kammer
gebildet und der Wirbel darin ist in der entgegengesetzten Drehrichtung zu
dem primären
Wirbel.
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8 veranschaulicht
einen Sekundärlufteintritt
durch das Rohr oder den Kanal 81, um einen laminaren Film
sauberer Luft an der Wand der Primärkammer 82 bereitzustellen
und setzt sich bis zum Verbindungshals 83 fort, der die
Primärkammer
mit der Sekundärkammer 84 verbindet,
um die leichteren Teilchen in der Primärkammer zu halten, während der Durchgang
von schwereren Teilchen durch den Hals verhindert wird. Der sekundäre Luftstrom
kann von einer Pumpe zugeführt
werden oder kann durch einen schmutzbeladenen Luftstrom in den Kanal 85 hineingezogen
werden, indem er durch die Öffnung 86 und
durch die Öffnung 87 des
Rohres 81 strömt.
Die Öffnungen 86 und 87 können wahlweise,
als eine Alternative zu der veranschaulichten Anordnung, über dem
Umfang mit Abstand angeordnet werden.
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9 zeigt
mehrere Primärkammern 91, 92, 93,
die axial mit Abstand angeordnet und durch jeweilige Zyklone 94, 95, 96 verbunden
werden, wobei jede Kammer eine zugeordnete jeweilige Sekundärkammer 97, 98, 99 und
einen Zyklon 96 aufweist, der in einer Sammelkammer 100 endet.
Die Eintritte 101 für
schmutzbeladene Luft und 102 für sekundäre saubere Luft werden in der
Primärkammer 91 bereitgestellt
und die Abluft strömt
durch den Kanal 103 heraus. Ferner können die Eintritte für sekundäre saubere
Luft wahlweise für
jede der Primärkammern 92 und/oder 93 bereitgestellt
werden. Innere ringförmige,
nach oben gerichtete Flansche 104, 105, 106 werden
bereitgestellt, um den Durchgang von schwereren Teilchen in die
jeweilige Sekundärkammer
zu verbessern. Im Betrieb werden die größeren oder schwereren Teilchen
aus der Primärkammer 91 abgeschieden
und von der Sekundärkammer 97 aufgefangen
und nicht abgeschiedenes Material wird im Zyklon 94 konzentriert,
bevor es in die Primärkammer 92 mit
kleinerem Durchmesser als die Primärkammer 91, aber ansonsten
gleich, eintritt. Die Zentripetalkräfte sind in der Kammer 92 größer, wodurch
die größeren Teilchen
darin von der Sekundärkammer 98 abgeschieden
werden und das nicht abgeschiedene Material zu der Primärkammer 93 durch
den Zyklon 95 strömt,
bis schließlich
die leichtesten Teilchen in dem Zyklon 96 abgeschieden
und in der Sammelkammer 100 aufgefangen werden.
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In allen veranschaulichten Ausführungsformen
strömt
die saubere Abluft im Gegenstrom durch die Mitte der Vorrichtung
und es ist keine Restströmung
des Fluids durch die Sekundärkammer
oder die Kammern vorhanden.