WO2013092182A1 - Fliehkraftabscheider und filteranordnung mit solchen fliehkraftabscheider - Google Patents

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inflow
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Steffen Ackermann
Volker Greif
Ulrich Muschelknautz
Michael KRAXNER
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Mann and Hummel GmbH
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    • F02M35/022—Air cleaners acting by gravity, by centrifugal, or by other inertial forces, e.g. with moistened walls
    • F02M35/0223—Air cleaners acting by gravity, by centrifugal, or by other inertial forces, e.g. with moistened walls by centrifugal forces, e.g. cyclones
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    • B04C—APPARATUS USING FREE VORTEX FLOW, e.g. CYCLONES
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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D50/00—Combinations of methods or devices for separating particles from gases or vapours
    • B01D50/20—Combinations of devices covered by groups B01D45/00 and B01D46/00
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B04C3/00—Apparatus in which the axial direction of the vortex flow following a screw-thread type line remains unchanged ; Devices in which one of the two discharge ducts returns centrally through the vortex chamber, a reverse-flow vortex being prevented by bulkheads in the central discharge duct
    • B04C3/04—Multiple arrangement thereof
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04C—APPARATUS USING FREE VORTEX FLOW, e.g. CYCLONES
    • B04C3/00—Apparatus in which the axial direction of the vortex flow following a screw-thread type line remains unchanged ; Devices in which one of the two discharge ducts returns centrally through the vortex chamber, a reverse-flow vortex being prevented by bulkheads in the central discharge duct
    • B04C2003/006—Construction of elements by which the vortex flow is generated or degenerated

Definitions

  • the present invention relates to a centrifugal separator and a Filtera arrangement, such as for filtering combustion air for an internal combustion engine.
  • Centrifugal separators also called cyclone filters, cyclones or cyclone separators, serve to separate solid or liquid particles contained in fluids.
  • a fluid flowing into a centrifugal separator is directed so that centrifugal forces, which can be collected from the fluid to be separated from the fluid, are accelerated and collected within the separator.
  • One type of cyclone separator is a so-called axial or inline cyclone.
  • An inline cyclone usually comprises a substantially straight, tubular housing, called cyclone tube. Through this, the air to be purified flows through.
  • vanes are usually used at the upstream end of the cyclone tube, which produce an approximately helical eddy current within the separator housing.
  • Axial or Inlinezyklone can be used for example as an air filter for combustion air for internal combustion engines.
  • Cyclone filters or centrifugal separators have proven to be particularly suitable in dust-laden environments, in particular agricultural or construction machinery.
  • multi-stage filter arrangements have been proposed in the past. After cyclone prefiltration, for example, a further pure filtration can be carried out by conventional filter media. However, this is associated with increased production costs and additional restrictions on the installation situation of a corresponding filter arrangement. In this respect, it is desirable to improve the filter performance of centrifugal separators, especially when used as an air filter for internal combustion engines. Disclosure of the invention
  • the centrifugal separator for separating particles from a fluid.
  • the centrifugal separator comprises a housing which has an inflow opening and an outflow opening, and a plurality of guide vanes for generating an eddy current of fluid flowing through the inlet opening.
  • the leading edges of at least two vanes have a different spacing with respect to a cross-sectional area of the housing which is substantially perpendicular to an inflow direction of the fluid.
  • the cross-sectional area can be assumed as a reference plane, in principle, anywhere along the housing. It can also be said that at least two vanes have a different length in the direction of fluid flow.
  • centrifugal separators are also understood to mean cyclone, cyclone separator, cyclone filter or turbulizer.
  • the proposed centrifugal separator is designed in particular as an axial cyclone, wherein the housing is designed, for example, tubular or sleeve-shaped and flows to be filtered fluid substantially along a longitudinal or symmetry axis of the housing through the separator.
  • the particles to be deposited are accelerated radially by the generated eddy current in the direction of the outer housing wall and can be removed there.
  • Applicant's investigations have shown that, compared to conventional vane arrangements in which the vanes have the same length, a centrifugal separator gives better separation efficiencies when the resulting nozzle is provided with blades of different lengths or the leading edges are differently positioned
  • Inflowing fluid such as air contaminated with particles
  • Inflowing fluid when flowing through the centrifugal separator first encounters the leading edge (s) of one or more first guide vanes and then the leading edge (s) of one or more further vanes.
  • one of the plurality of guide vanes in the region of the inflow opening is shortened. That is, with blades of different lengths, inflowing fluid flows a different distance along the vane depending on the particular vane.
  • the flow shape and flow dynamics are positively influenced with regard to the degree of separation and pressure loss of the centrifugal separator. Overall, this results in a more efficient Stromabscheider and favorable flow conditions within the housing, which lead to the high separation efficiency of particles.
  • At least two guide vanes have a different distance from the inlet opening in the fluid flow direction on the inflow side.
  • the number of vanes may be even or odd.
  • the vanes extend between an axial core and a housing wall of the housing.
  • the core runs collinear with a longitudinal or symmetrical axis of the housing.
  • the housing may in particular be sleeve-shaped or tubular in sections.
  • the axial core then usually has a predetermined diameter. A width of the resulting vanes is then given by the diameter of the core and the housing inner diameter.
  • the guide vanes and the axial core form a cylindrical Leitschaufelapparat, which is inserted into the housing.
  • the guide vane apparatus can preferably be fitted or used with guide vanes of different lengths in different housings.
  • the vanes are usually arranged stationary. However, rotatable or movable guide vanes are also conceivable in order to generate an eddy current or an eddy current in a favorable manner.
  • a core diameter is preferably between 10 and 20 mm. Particularly preferred is a core diameter between 14 and 17 mm realized. Due to the size of the core diameter, the flow properties can be optimized within the housing of the centrifugal separator.
  • a thickness of at least one vane changes from the core to the housing wall.
  • the vanes which may for example be propeller, helical or helical wound around the core, can be modeled in terms of their thickness. For example, the thickness of a respective vane between the core and the housing wall initially increase, and then remove again to the housing wall. By a corresponding thickness profile, the vortex formation or flow property of the fluid can be improved.
  • a thickness of at least one vane changes along its length.
  • the term "length” essentially refers to the distance a particle travels along the guide blade when it flows through the centrifugal separator or is carried by the fluid flow.
  • the length of the guide vane is usually proportional to the height of the distributor. Also, by varying the vanes along their length, the flow characteristics can be conveniently adjusted.
  • a blade changes angle of at least one vane along its length.
  • a respective vane has an inflow side or inflow edge and an outflow side or outflow edge on the other hand, wherein the vane angle can be related in particular to a longitudinal axis of the centrifugal separator or the housing.
  • the blade angle at a location of the vane is the angle enclosed by a tangential surface with the longitudinal axis of the control or centrifugal separator.
  • the inflow angle is smaller than on the outflow side, ie in the direction of the outflow opening.
  • an angle of attack can also be determined with respect to a circumferential line or a cross section perpendicular to the symmetry or longitudinal axis of the centrifugal separator.
  • the sum of blade angle and angle of attack at one point of a vane is 90 degrees.
  • Embodiments of the centrifugal separator may further provide that an inflow profile of at least one vane is curved or curved.
  • the inflow profile which describes the shape of the leading edge, not be straight.
  • a different length of vanes can be approximated by the inflow profile.
  • centrifugal separators comprise exactly six guide vanes. However, fewer blades are also conceivable in order to produce a lower pressure loss during the passage of the fluid through the centrifugal separator. Investigations by the applicant have shown that the more blades are used, the shorter the nozzle can be made at given Abscheidegraden. Investigations by the applicant have also shown that an average angle of attack between 40 ° and 50 ° with respect to a cross-sectional area perpendicular to the longitudinal axis is particularly favorable. Furthermore, a spread between the angle of attack on the core and the housing wall can be between 25 ° and 35 °. For example, the blade angle of attack on the core is about 60 ° and 29 ° on the housing wall.
  • the guide vanes do not overlap one another on any cross-sectional area perpendicular to an inflow direction.
  • at least one small gap always remains between adjacent guide vanes. This facilitates manufacture, in particular in an injection molding process, since no complicated undercuts can occur.
  • the resulting centrifugal separator can be produced particularly cost-effectively.
  • Particularly suitable as materials are plastics, but in individual cases metal or other materials adapted to the installation situation and operating temperature.
  • the core is longer than the vanes.
  • the core may protrude, for example, in the direction of the inflow opening of the housing or also form a follower hub in the direction of the outflow opening.
  • the preferably rotationally symmetrical core can, for example, taper in the fluid flow direction and influence the flow properties.
  • a ratio between a core diameter and a distance between the housing wall and the core is between 2 and 4.
  • the distance between the core and the housing wall may also be referred to as the width of the guide vanes.
  • a cross-sectional area of the housing changes along the flow direction.
  • the cross-sectional area increases along the longitudinal axis from the inflow opening to the outflow opening.
  • a conical shape of the housing may result.
  • the housing may also be tapered in sections.
  • the distributor is arranged in a sleeve-shaped or cylindrical region of the housing and the outflow region, in which the fluid is acted upon by the eddy currents, has a conically widening shape in the direction of the outflow opening.
  • An opening angle of the cone is preferably between 2 ° and 6 °.
  • the centrifugal separator may comprise a dip tube provided in the housing, which extends from the outflow opening in the direction of the inflow opening.
  • the dip tube can be tubular or sleeve-shaped.
  • the dip tube with a transverse to the inflow opening transverse cut trained.
  • the immersion tube projecting into the housing preferably has a smaller diameter than the housing or cyclone tube.
  • a distance in the axial direction is further preferably provided. This has the advantage that there can form a helical flow and so the particles can be moved outward without a change in the entire flow direction is required. Thus, a low pressure loss can be achieved.
  • a combination of a conically tapering in the direction of the inlet opening immersion tube with a conically equipped housing portion in the region of the dip tube or the discharge leads to particularly favorable flow conditions and separation rates of the centrifugal separator.
  • the dip tube is attached to the outflow opening by means of a dip tube plate.
  • the dip tube plate closes, for example, the outflow opening of the housing together with the dip tube.
  • the dip tube plate is then designed, for example, as a circular ring with an outer diameter which corresponds to the outflow opening and with an inner diameter which corresponds to an edge of the dip tube.
  • the centrifugal separator is further equipped with a particulate discharge port in some embodiments.
  • the particle discharge opening preferably releases a predetermined angle section in the housing wall with respect to a longitudinal axis of the housing.
  • the particle discharge opening has a discharge opening or discharge window depth. The depth is measured, for example, along the longitudinal axis of the housing.
  • Preferred embodiments of the particle discharge window have a depth between 10 and 20 mm, and more preferably between 13 and 15 mm.
  • the opening angle of the particle discharge window is preferably between 60 ° and 90 °. Particularly preferably, the opening angle is between 75 ° and 85 °.
  • the filter device comprises a plurality of centrifugal separators with one or more features as described above. ben are.
  • the centrifugal separators are provided in a housing of the filter device, which comprises a plurality of openings as inlet openings for the centrifugal separators and a fluid-tight separated from the openings outflow section. At the outflow section, the outflow openings of the centrifugal separator are coupled. In that case several centrifugal separators can be filtered in parallel for cleaning, for example, combustion air for internal combustion engines. Due to the parallel arrangement of centrifugal separators, the degree of separation and pressure loss during the passage of fluid through the filter device can be adjusted.
  • a discharge section which is separated from the inlet openings and the outflow section in a fluid-tight manner is provided.
  • the discharge section is communicatively connected to particle discharge windows of the centrifugal separators.
  • a fluid-tight and dust-tight sealed area is provided, which serves for discharging the deposited particles.
  • Fig. 1 a schematic longitudinal sectional view of an embodiment of a centrifugal separator
  • FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of the embodiment of a centrifugal separator
  • 3 shows a perspective schematic view of the embodiment of a centrifugal separator
  • 4 shows a schematic representation of an embodiment of a guide blade
  • Fig. 5 - 9 schematic length profiles of vanes
  • FIG. 10 shows a perspective view of an embodiment of a filter device with centrifugal separators
  • Fig. 1 1 is a detail view of a detail of the embodiment of a filter device with centrifugal separators
  • Fig. 12 is a sectional view of the embodiment of a filter device with centrifugal separators
  • Fig. 13 is a longitudinal sectional view of a second embodiment of a centrifugal separator with exemplary dimensions
  • 16-18 are perspective views of a third embodiment of a centrifugal separator and sectional views of an embodiment of a nozzle;
  • 19, 20 are side views of further embodiments of nozzles
  • FIG. 21 is a perspective view and a sectional view of a diffuser for explaining angular spreads
  • FIG. 22 shows a degree of separation and pressure loss as a function of an angular spread in embodiments of the centrifugal separator
  • FIG. and FIG. 23 shows a degree of separation as a function of a number of blades in a further embodiment of the centrifugal separator.
  • Fig. 1 shows a schematic longitudinal sectional view of an embodiment of a centrifugal separator.
  • Figs. 2 and 3 show cross-sectional and perspective views of the embodiment.
  • a particle-laden fluid is cleaned of the particles.
  • this is indicated by a flow of raw fluid 9 in an arrow shape.
  • the raw fluid 9, such as air for an internal combustion engine may have dust or other particles 1 1.
  • a corresponding centrifugal separator 1 which is designed for example as an axial cyclone, purified air or fluid 10 flows out.
  • the centrifugal separator 1 has a substantially cylindrical housing 2.
  • the housing 2 or the centrifugal separator 1 has a longitudinal axis 15, which in the embodiment of FIGS. 1 to 3 also corresponds to an axis of symmetry.
  • a vortex is generated in the housing 2 by a suitable flow guidance, whereby the particles 11 are exposed to centrifugal forces in the air. That is to say, the particles 11 are driven radially outward in the direction of the housing wall 23, which is of cylindrical design (compare Fig. 2). There they can, as indicated in Fig. 1, accumulate and be removed.
  • a diffuser with suitable guide vanes 3, 4 is provided.
  • the guide vanes 3, 4 may, for example, be wound around the axis 15 of the centrifugal separator 1 in a spiral or propeller manner. It is also called an axial cyclone.
  • a core 16 is provided along the longitudinal axis 15 at least in a portion in the vicinity of the inflow opening 13.
  • the core 16 is through the In FIGS. 1 and 2 shown guide vanes 3, 4 held.
  • the guide vanes 3, 4 lead to the vortex flow, which are indicated by the arrows 12. Particles or fluid, which is passed from the inflow opening 13 to the outflow opening 14, flows along the guide vanes 3, 4.
  • the sleeve-shaped or cylindrical housing 2 with the inflow opening 13 and the outflow opening 14 can be seen in the perspective view of FIG. 3.
  • the nozzle 21 can be approximated with a cylindrical shape, which is shown dotted in FIG.
  • FIG. 2 which shows a cross-sectional view of the centrifugal separator
  • the core 16 can be seen centrally and the circular housing wall 23.
  • the cross-sectional view of FIG. 2 one recognizes three guide vanes 3, 4, 5, each having a leading edge or have an inflow 20 and a trailing edge or a discharge profile 19.
  • the guide blade 3 is provided with reference numerals with respect to its leading edge 20 and trailing edge 19.
  • the guide vanes or the guide vane apparatus 21 are designed such that in a cross-section, that is to say a view of the housing axis 15, no vane laps over one another.
  • a gap 22 results between a leading edge 20 and outflow edge 19 of adjacent guide vanes, for example between 3 and 4, 4 and 5 and 5 and 3.
  • the entire centrifugal separator 1 can be realized in one piece of material.
  • an injection molding process can be used. In principle, however, undercuts, ie rotating guide vanes are conceivable.
  • FIG. 4 a schematic representation of a guide vane is indicated.
  • the arrow 9 indicates the direction of flow of crude fluid.
  • the vane 3 has a leading edge 20 and a trailing edge 19.
  • the strip-shaped vane 3 is screw or spiral around a respective core 16, as indicated in Figs. 1 to 3, arranged.
  • the length L of a guide vane 3, 4 may be the distance which a particle covers on a surface of a vane from the inflow to the outflow side.
  • the Embodiment in Fig. 1 is equipped with guide vanes 3, 4 of different lengths. That is, the vane 3 starts at a distance d1 from the inflow port 13 and extends toward the discharge port 14.
  • the second vane 4 shown in FIG. 1 extends from a distance d2 larger than d1 from the inflow port 13 in the direction of the outflow opening 14.
  • the dotted line 17 and the dashed line 18 show in cross-section of Fig. 1, the respective leading edge position of the guide vane 3 and 4 with respect to the inflow opening thirteenth
  • a cross-sectional area 1 12 is indicated by broken lines, wherein the cross-sectional area 1 12 is perpendicular to the longitudinal axis 15 of the housing 2 and thus also substantially perpendicular to an inflow direction R of the unfiltered air 9, which is indicated by the arrow R.
  • a corresponding cross-sectional area can be assumed at any location along the housing axis 15 and serves, for example, as a reference plane for the leading edges of the guide vanes 3, 4. It can be seen, for example, that the leading edge 20 of the guide blade 3 a distance a1 from the cross-sectional plane or cross-sectional area 1 12 and the leading edge 20 of the vane 4 a distance a2 ⁇ a1.
  • centrifugal separators 1 can be achieved by differently arranged leading edges 20 or differently long guide vanes 3, 4, for example with respect to a distance from the inflow opening 13.
  • FIGS. 5 to 8 show schematic length profiles of guide vanes.
  • the dashed line 17 indicates the position of the inflow opening to the next starting vane.
  • the bold (oblique or curved) denote Lines vanes along the circumference and their length or the height of the vane apparatus.
  • the plane 1 12 is shown in broken lines, and the distances a1 and a2 in this regard.
  • Fig. 1 shows four equally long vanes for generating vortices in the fluid flow. An improved separation of particles in centrifugal separators can be achieved if the guide vanes have different lengths or the leading edges are differently spaced towards the inflow opening 13 or with respect to a drawn plane 12.
  • Fig. 6 shows a possibility in which four vanes 3, 4, 5, 6 each have alternately a different length.
  • the dashed line 17 and a dashed line 18 is shown as a cross-sectional line perpendicular to the longitudinal axis in the direction of the longitudinal axis 15 offset in the flow direction and a dash-dotted area 1 12.
  • the vanes have alternately a different length.
  • the vanes 3 and 5 begin with respect to the inlet flow opening 13 at the same cross-sectional area 17.
  • the intermediate vanes 4 and 6 have a shorter length and begin in the direction of the longitudinal axis 15 in the fluid flow direction offset from the cross-sectional area 18. Thus, they are alternately a long (3, 5) and a short (4, 6) guide vane provided.
  • the vanes shown in FIGS. 5 and 6 are substantially straight.
  • FIG. 7 One can achieve additional improvement in flow characteristics when the vanes are swung. This is shown in FIG. 7.
  • the vanes 3 and 5, which are longer than the vanes 4, 6, have a curved contour along the length L. It can qualitatively be seen that the blade angle is flatter towards the leading edge with respect to a fluid flow direction or the longitudinal axis 15 of the vanes 3 and 5 as the trailing edge.
  • FIG. 8 shows a further possibility of configuring guide vanes differently with respect to their length.
  • an example with four vanes 3, 4, 5, 6 is indicated.
  • the leading edges of the vanes 3 and 5 begin at the same cross-sectional area 17.
  • the leading edges in between of the vanes 4, 6 are offset by a distance d3 in the direction of the flow.
  • the outflow edges of the guide vanes 3 and 5 or 4 and 6 are offset by a distance d4.
  • two small vanes 4, 6 between long vanes 3, 5 are arranged in each case.
  • a total together one can speak of a height H1 of the resulting vane apparatus together with the core.
  • Fig. 8 it can be seen further that the vanes 3 and 5 are curved, while the vanes 4 and 6 are configured substantially straight.
  • the different configuration of the guide vanes with one another leads to a particularly good particle separation or flow guidance within the housing of a centrifugal separator.
  • a centrifugal separator version is shown in which the guide vanes 3, 4, 5, 6 have the same length, but the leading edges with respect to the cross-sectional area 1 12 alternately different distances a1, a2 have.
  • the inflow direction R extends, for example, in the orientation of FIG. 9 from top to bottom.
  • FIGS. 10 to 12 show embodiments of a filter device with centrifugal separators.
  • 10 shows a perspective view of an embodiment
  • FIG. 11 shows a detailed view of a centrifugal separator inserted therein
  • FIG. 12 shows a cross-sectional view of an embodiment of a filter device.
  • a filter device 100 has a housing 102, in which a plurality of centrifugal separators 1, 101 are integrated. In the orientation of FIGS. 10 and 12, an inflow of raw fluid 9, which is particle-laden, takes place from the left. Right flows out of pure fluid 10.
  • centrifugal separators 1 used comprise a central core 16 and are designed with six guide vanes 3, 4, 5, 6, 7, 8. It can be seen in the detail view of FIG. 1 1 that the guide vanes 5, 7 and 3 are shorter than the guide vanes 4, 6 and 8.
  • a centrifugal separator 1 (dotted rectangular area) is indicated in section.
  • Fig. 13 is a more detailed explanation of the corresponding sectional view of an embodiment of a centrifugal raftabscheiders.
  • the filter device 100 essentially has three areas.
  • a holding portion 1 12 carries or holds the portions of the vane apparatus of the centrifugal 1, 101.
  • the outflow openings 14 of the centrifugal force separators 1, 101 lead into a common outflow section 14.
  • the outflow section 14 is separated from a discharge section 126.
  • the centrifugal separators 1, 101 are provided with particle discharge windows 26 which are communicatively connected to the discharge section 126.
  • the cleaned air 10 can now be supplied to an internal combustion engine, for example.
  • the orientation of the discharge windows 26 is equal to the gravitational acceleration, which points downward in the orientation of FIG.
  • the parallel arrangement of centrifugal separators allows adaptation of the resulting pressure losses and separation efficiency.
  • a corresponding filter device 100 achieves an even better filtering effect if a pressure which is lower than the pressure at the inlet openings 13 is present at the discharge section 126.
  • the discharge section designed as a suction nozzle to a suction device which collects and discharges the dust.
  • FIGS. 13, 14 and 15 show a second embodiment of a centrifugal separator in longitudinal and cross-section.
  • the longitudinal section of FIG. 13 shows the centrifugal separator 1 with a housing made of a housing wall 23, which is cylindrical in sections and conically shaped in sections.
  • Outflow (right) is an outlet opening diameter c4 indicated.
  • a cross-sectional area increases from inflow to outflow opening.
  • a distributor 21 is provided in the region of the inlet or inflow opening 13.
  • the nozzle 21 has a height h1.
  • the height h1 of the distributor 21 is understood to mean a section into which the guide vanes extend around the core 16.
  • the core 16 has a core diameter c1.
  • a conical dip tube 24 From the discharge opening 14 from a conical dip tube 24 extends into the interior of the housing 23.
  • the dip tube 24 is fixed by means of a dip tube plate 25 which is coupled to the outflow opening 14 of the housing 23.
  • the dip tube 24 extends from the outflow opening 14 or the dip tube plate 25 with an immersion depth h3 in the direction of the distributor 21.
  • the dip tube 24 has a conical shape. Furthermore, this region of the housing or the housing wall 23 has a conical geometry. In FIG. 13, angles ⁇ and ⁇ are indicated.
  • the angle ⁇ indicates the angle of the housing wall 23 with respect to the longitudinal axis 15.
  • the angle ⁇ indicates the angle which the dip tube 24 encloses with the longitudinal axis. As low angle between 2 ° and 6 ° for ⁇ or ⁇ have proven.
  • FIG. 14 shows a cross-sectional view through the distributor 21. Similar to FIG. 2, there are six vanes 3-8, with one gap 22 in the cross-sectional view of FIG. 14 between the vanes. The vanes thus do not overlap.
  • a gap width b ie a distance between the dip tube 24 and the housing wall 23 at a predetermined cross section perpendicular to the longitudinal axis 15.
  • the smallest diameter of the dip tube is designated c5.
  • the dip tube 24 shifts the outlet opening by the immersion depth h3 in the direction of the interior of the housing 23. It has been found that a discharge window depth between 10 and 20 mm and an opening angle between 70 ° and 90 ° is favorable.
  • An immersion depth h3 of the dip tube 24 is favorably between 30 and 50 mm.
  • a dip tube diameter c5 can be selected between 16 and 20 mm.
  • a distance between the dip tube plate 25 and the nozzle 21 is designated h2 and is preferably between 60 and 80 mm.
  • a core diameter c1 is preferably chosen between 12 and 18 mm.
  • the angle ⁇ of the conical portion of the housing wall 23 is preferably less than 4 ° to avoid flow separation. Separation levels and pressure losses can be conveniently set, also by the geometry and shape of the vanes.
  • FIGS. 1 to 18 perspective views of centrifugal separators and sectional views of the distributor are shown. In each case, a perspective view of an embodiment of a centrifugal separator 1 is shown on the left.
  • the centrifugal separator has a housing wall 23, which is designed in sections conical or sleeve-shaped. For example, the centrifugal separator can be designed as in the cross-sectional illustration of FIG. 13.
  • a particle discharge window 26 is shown in each case and, by way of example, a guide blade 3 is provided with the reference symbol. In addition, one recognizes the core 16.
  • the perspective views in FIGS. 16 to 17 show a view from above onto the distributor or into the inlet opening of the centrifugal separator 1.
  • FIG. 17 the opening angle ⁇ for the particle discharge opening 26 is indicated by dots.
  • the cut surfaces 28 indicated on the left side are indicated with the guide blade geometries.
  • Fig. 16 indicates a cut in the manner of a cylinder jacket 28 on the core 16 around the core.
  • a section 28 is made approximately in the middle between the housing wall 23 and the core 16 and in FIG. 18 a section 28 on the inside of the housing wall 23, where the guide vanes are.
  • the vanes 3, 4, 5, 6, 7 and 8. Thus, exactly six vanes are provided. In this case, the guide vanes 4, 6 and 8 are longer than the guide vanes 3, 5 and 7.
  • the vanes 3, 5 and 7 are shorter by the distance d3.
  • angle of attack ⁇ 1, ⁇ 2 are indicated in particular in FIG.
  • an angle of incidence ⁇ is relative to a cross-sectional area perpendicular to the axis of symmetry of the centrifugal separator 1.
  • the sum of an angle of attack ⁇ with respect to a cross section and the ⁇ blade angle relative to the longitudinal axis is 90 degrees.
  • the angle of attack ⁇ 1 in the embodiment as shown in Fig. 17, for example, is greater than the angle of attack ⁇ 2.
  • a thickness t of the guide vanes is indicated in each case.
  • FIG. 18 also shows the nozzle height h1.
  • An optimization with regard to the separation properties of the centrifugal separator 1 can be achieved by spreading the blade angle.
  • the respective angle of incidence ⁇ on the core may be greater than the angle of attack in the region of the housing wall (compare Fig. 18).
  • There may be a spread of the angle of attack for example, 30 °.
  • an average angle of attack of about 45 ° is indicated.
  • the angle of attack or even the blade angle from the core to the housing wall of a respective vane changes.
  • As favorable blade angles or angles of attack mean angles have proved by 45 °.
  • Fig. 19 is a side view of another embodiment of a nozzle is shown.
  • the core 16 on the upstream side has a roughly round dome and on the downstream side a run-on hub 29 extending beyond the distributor.
  • the profile of the core 16 can also be further adapted.
  • Nachlaufnabe 29 turbulence or flow separation is favorably influenced.
  • a guide blade 3 can also be seen by way of example.
  • the blade angle of the guide blade 3 changes along the fluid flow.
  • the angle cd here the angle of the vane with the longitudinal or symmetry axis of the centrifugal separator is called.
  • the angle cd for example, about 10 ° and increases in the direction of the downstream side to a blade angle of a2 by about 50 °.
  • FIG. 20 shows another example of an embodiment of a nozzle 21.
  • the upstream side is at the top and the downstream side at the bottom.
  • the angle of attack ⁇ 16 on the core 16 is greater than the angle of attack ⁇ 23 on the housing wall.
  • the guide vanes 3 have an oblique trailing edge 19.
  • FIG. 21 shows the longitudinal axis 15 of the distributor.
  • the angle of attack is ⁇ 16
  • on the housing 23 is the angle of attack ⁇ 23.
  • the blades are designed, in particular, in a spiral staircase shape in which different pitch and / or blade angles are present on the core and on the shell or the housing wall.
  • the difference between ⁇ 16 and ⁇ 23 is also called angular spread ⁇ .
  • ⁇ ( ⁇ 23 + ⁇ 16) / 2.
  • Possible angles of attack are between ⁇ 16 ⁇ 80 ° and ⁇ 23 ⁇ 20 °.
  • the angular spread ⁇ which results from the inner and outer angles of attack, has a particular influence on the performance data of a corresponding diffuser.
  • FIG. 22 shows the degree of separation AG and the pressure loss dp in arbitrary units as a function of the angular spread ⁇ . It can be seen that an increase in the separation efficiency AG occurs due to the realization of the angular spread ⁇ , but at the same time the jerk loss increases. Investigations by the Applicant have revealed that an angular spread between 15 ° and 35 ° acceptable pressure losses and bring a good filtering effect. Particularly good filter results are obtained with an angular spread between 20 ° and 30 °. The Applicant has also made investigations on the dependence of the efficiency of centrifugal separators on the number of blades used in the distributor. FIG.
  • the degree of separation AG is given in arbitrary units.
  • centrifugal separators Although the present invention has been described in terms of various examples and aspects of centrifugal separators, it is not limited thereto, but variously modifiable. In particular, the various aspects addressed in the figures and exemplary embodiments can be combined with one another. It is not absolutely necessary to provide vanes of different lengths. Alone the adjustment of the angle of attack, blade angles, lengths, widths or ratios between core diameter and housing diameter can lead to the improvement of cyclone separators. Furthermore, the numbers mentioned, numbers of Leitschau- fine only by way of example. For example, values between 2 and 10 vanes can be used. The materials of centrifugal separators can be adapted to the respective fields of application. In particular conceivable are injection-moldable plastics.

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Abstract

Ein Fliehkraftabscheider (1) zum Abscheiden von Partikeln (11) aus einem Fluid (9) umfasst ein Gehäuse (2), welches eine Einströmöffnung (13) und eine Ausströmöffnung (14) aufweist, und mehrere Leitschaufel (3-8) zum Erzeugen eines Wirbelstroms (12) von durch die Eintrittsöffnung (13) einströmendem Fluid (9). Beispielsweise haben die Anströmkanten (17, 18) von mindestens zwei Leitschaufeln (3, 4) in Bezug auf eine Querschnittsfläche (112) des Gehäuses (2), welche im Wesentlichen senkrecht zu einer Einströmrichtung (R) des Fluids (9) steht, einen unterschiedlichen Abstand (a1, a2) haben.

Description

Beschreibung
FLIEHKRAFTABSCHEIDER UND FILTERANORDNUNG MIT SOLCHEN FLIEHKRAFTABSCHEIDER
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Fliehkraftabscheider und eine Filtera- nordnung, wie zum Beispiel zum Filtern von Verbrennungsluft für eine Brennkraftmaschine.
Stand der Technik
Fliehkraftabscheider, die auch Zyklonfilter, Zyklon oder Zyklonabscheider genannt wer- den, dienen der Abscheidung von in Fluiden enthaltenen festen oder flüssigen Partikeln. Ein in einen Fliehkraftabscheider einströmendes Fluid wird derart geleitet, dass Zentrifugalkräfte, die vom Fluid abzusondernden Partikel nach beschleunigen und innerhalb des Abscheiders gesammelt werden können. Eine Bauform eines Zyklonabscheiders ist ein so genannter Axial- oder Inlinezyklon. Ein Inlinezyklon umfasst üblicherweise ein im Wesentlichen gerade verlaufendes, rohrförmiges Gehäuse, Zyklonrohr genannt. Durch dieses strömt die zu reinigende Luft hindurch. Zum Erzeugen der Zentrifugalkräfte werden meist am anströmseitigen Ende des Zyklonrohrs Leitschaufeln eingesetzt, die einen etwa schraubenförmigen Wirbelstrom innerhalb des Abscheidergehäuses erzeugen. Durch diese Wirbel werden im Fluid enthaltene Partikel aufgrund der Zentripetalkraft nach radial außen in Richtung des Zyklonrohrs bewegt, so dass die Strömung radial außen einen höheren Staubanteil hat als die Strömung radial innen. Stromab des Leitwerks ragt üblicherweise ein Tauchrohr in das Zyklonrohr hinein, welches einen kleineren Durchmesser aufweist als das Zyklonrohr. Zwischen Leitwerk und Tauchrohr ist üblicherweise ein Abstand vorgesehen, in welchem sich eine schraubenförmige Strömung ausbilden kann und so die Partikel nach außen bewegt werden können. Der Teil der Strömung radial außen mit höherem Partikelanteil wird außerhalb des Tauchrohrs abgeführt, die auf diese Weise gereinigte Luft strömt durch das Tauchrohr axial und ohne Änderung der Strömungsrichtung ab. Axial- oder Inlinezyklone können beispielsweise als Luftfilter für Verbrennungsluft für Brennkraftmaschinen eingesetzt werden. Insbesondere bei staubbeladenen Umgebungen, in denen insbesondere Land- oder Baumaschinen eingesetzt werden, haben sich Zyklonfilter oder Fliehkraftabscheider als geeignet erwiesen. Um den Abscheidegrad von Schmutzpartikeln aus Luft oder Fluid zu erhöhen, sind in der Vergangenheit auch mehrstufige Filteranordnungen vorgeschlagen worden. Nach einer Zyklonvorfilterung kann beispielsweise eine weitere Reinfilterung durch konventionelle Filtermedien erfolgen. Allerdings ist dies mit einem erhöhten Herstellungsauf- wand und zusätzlichen Einschränkungen an die Einbausituation einer entsprechenden Filteranordnung verbunden. Insofern ist es wünschenswert, die Filterleistung von Fliehkraftabscheidern, insbesondere bei der Verwendung als Luftfilter für Brennkraftmaschinen, zu verbessern. Offenbarung der Erfindung
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verbesserten Fliehkraftabscheider zur Verfügung zu stellen.
Demgemäß wird ein Fliehkraftabscheider zum Abscheiden von Partikeln aus einem Fluid vorgeschlagen. Der Fliehkraftabscheider umfasst ein Gehäuse, welches eine Einströmöffnung und eine Ausströmöffnung aufweist, sowie mehrere Leitschaufeln zum Erzeugen eines Wirbelstroms von durch die Eintrittsöffnung einströmendem Fluid.
Bei Ausführungsformen des Fliehkraftabscheiders haben die Anströmkanten von min- destens zwei Leitschaufeln in Bezug auf eine Querschnittsfläche des Gehäuses, welche im Wesentlichen senkrecht zu einer Einströmrichtung des Fluids steht, einen unterschiedlichen Abstand. Die Querschnittsfläche kann als eine Bezugsebene prinzipiell an einer beliebigen Stelle entlang dem Gehäuse angenommen werden. Man kann auch davon sprechen, dass mindestens zwei Leitschaufeln eine unterschiedliche Länge in Fluidströmungsrichtung haben.
Unter Fliehkraftabscheider werden im Folgenden auch Zyklon, Zyklonabscheider, Zyklonfilter oder Wirbier verstanden. Der vorgeschlagene Fliehkraftabscheider ist insbe- sondere als Axial-Zyklon ausgebildet, wobei das Gehäuse beispielsweise rohr- oder hülsenförmig ausgeführt ist und zu filterndes Fluid im Wesentlichen entlang einer Längs- oder Symmetrieachse des Gehäuses durch den Abscheider strömt. Die abzuscheidenden Partikel werden radial durch den erzeugten Wirbelstrom in Richtung zur äußeren Gehäusewand beschleunigt und können dort entfernt werden. Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, dass im Vergleich zu konventionellen Leitschaufelanordnungen, bei denen die Leitschaufeln dieselbe Länge haben, ein Fliehkraftabscheider bessere Abscheidegrade ergibt, wenn der sich ergebende Leitapparat mit unterschiedlich langen Schaufeln versehen ist oder die Anströmkanten verschieden positioniert sind
Einströmendes Fluid, wie mit Partikeln belegte Luft, trifft beim Strömen durch den Fliehkraftabscheider zunächst auf die Anströmkante(n) einer oder mehrerer erster Leitschau- fein und dann auf die Anströmkante(n) einer oder mehrerer weiterer Leitschaufeln.
Beispielsweise ist eine der mehreren Leitschaufeln im Bereich der Einströmöffnung verkürzt. Das bedeutet, dass bei unterschiedlich langen Schaufeln, einströmendes Fluid in Abhängigkeit von der jeweiligen Leitschaufel eine unterschiedliche Strecke entlang der Leitschaufel strömt. Dadurch wird die Strömungsform und Strömungsdynamik im Hinblick auf den Abscheidegrad und Druckverlust des Fliehkraftabscheiders positiv beein- flusst. Insgesamt ergibt sich dadurch ein effizienterer Stromabscheider und günstige Strömungsverhältnisse innerhalb des Gehäuses, die zu dem hohen Abscheidegrad von Partikeln führen.
Beispielsweise haben mindestens zwei Leitschaufeln anströmseitig in Fluidströ- mungsrichtung einen unterschiedlichen Abstand von der Einströmöffnung. Die Anzahl der Leitschaufeln kann gerade oder ungerade sein. Bei einem Fliehkraftabscheider, der mit drei Leitschaufeln ausgestattet ist, genügt es, eine Leitschaufel beispielsweise ent- lang der Achse des Fliehkraftabscheiders kürzer zu gestalten, um einen verbesserten Abscheidegrad zu erzielen.
Bei Ausführungsformen des Fliehkraftabscheiders verlaufen die Leitschaufeln zwischen einem axialen Kern und einer Gehäusewand des Gehäuses. Der Kern verläuft bei- spielsweise kollinear mit einer Längs- oder Symmetrieachse des Gehäuses. Das Gehäuse kann insbesondere abschnittsweise hülsen- oder rohrförmig ausgebildet sein. Der axiale Kern hat dann in der Regel einen vorgegebenen Durchmesser. Eine Breite der sich ergebenden Leitschaufeln ist dann durch den Durchmesser des Kerns sowie des Gehäuseinnendurchmessers gegeben. Bei Ausführungsformen des Fliehkraftabscheiders mit einem hülsen- oder rohrförmigen Gehäuse, bilden die Leitschaufeln sowie der axiale Kern einen zylinderförmigen Leitschaufelapparat aus, der in das Gehäuse eingesetzt ist. Insofern kann der Leitschaufel- apparat vorzugsweise mit Leitschaufeln unterschiedlicher Länge in verschiedene Gehäuse eingepasst oder eingesetzt werden.
Die Leitschaufeln sind in der Regel ortsfest angeordnet. Denkbar sind jedoch auch drehbare oder bewegliche Leitschaufeln, um einen Wirbelstrom bzw. eine Wirbelströ- mung günstig zu erzeugen.
Ein Kerndurchmesser liegt vorzugsweise zwischen 10 und 20 mm. Besonders bevorzugt wird ein Kerndurchmesser zwischen 14 und 17 mm realisiert. Durch die Größe des Kerndurchmessers können die Strömungseigenschaften innerhalb des Gehäuses des Fliehkraftabscheiders optimiert werden.
Bei Ausführungsformen des Fliehkraftabscheiders ändert sich eine Dicke mindestens einer Leitschaufel von dem Kern zu der Gehäusewand hin. Die Leitschaufeln, welche zum Beispiel propeller-, Schnecken- oder schraubenartig um den Kern gewickelt sein können, lassen sich hinsichtlich ihrer Dicke modellieren. Beispielsweise kann die Dicke einer jeweiligen Leitschaufel zwischen dem Kern und der Gehäusewand zunächst ansteigen, um dann wieder zur Gehäusewand abzunehmen. Durch ein entsprechendes Dickenprofil kann die Wirbelbildung oder Strömungseigenschaft des Fluids verbessert werden.
Alternativ oder zusätzlich ändert sich bei weiteren Ausführungsformen des Fliehkraftabscheiders eine Dicke mindestens einer Leitschaufel entlang ihrer Länge. Unter Länge wird dabei im Wesentlichen die Strecke verstanden, die ein Partikel entlang der Leitschaufel zurücklegt, wenn er durch den Fliehkraftabscheider strömt bzw. durch die Fluidströmung getragen wird. Die Länge der Leitschaufel ist in der Regel proportional zur Höhe des Leitapparates. Auch durch eine Variierung der Leitschaufeldicken entlang ihrer Länge, können die Strömungseigenschaften günstig angepasst werden.
Bei weiteren Ausführungsformen des Fliehkraftabscheiders ändert sich ein Schaufel- winkel mindestens einer Leitschaufel entlang ihrer Länge. Eine jeweilige Leitschaufel hat eine Anströmseite oder Anströmkante und eine Abströmseite oder Abströmkante andererseits, wobei der Schaufelwinkel insbesondere auf eine Längsachse des Fliehkraftabscheiders oder des Gehäuses bezogen sein kann. Der Schaufelwinkel an einer Stelle der Leitschaufel ist der Winkel, den eine tangentiale Fläche mit der Längsachse des Leitapprates oder Fliehkraftabscheiders einschließt. Zum Beispiel ist anströmseitig, also in Richtung zur Einströmöffnung des Fliehkraftabscheiders der Anströmwinkel kleiner als abströmseitig, also in Richtung zur Ausströmöffnung. Als weitere Winkelgröße kann ein Anstellwinkel auch in Bezug auf eine Umfangslinie bzw. einen Querschnitt senkrecht zur Symmetrie- oder Längsachse des Fliehkraftabscheiders bestimmt sein. Die Summe aus Schaufelwinkel und Anstellwinkel an einer Stelle einer Leitschaufel beträgt 90 Grad.
Durch eine Änderung des Anstellwinkels können die Strömungseigenschaften im Flieh- kraftabscheider verbessert werden.
Ausführungsformen des Fliehkraftabscheiders können ferner vorsehen, dass ein Anströmprofil mindestens einer Leitschaufel geschwungen oder gekurvt ist. Beispielsweise kann das Anströmprofil, welches die Form der Anströmkante beschreibt, nicht gerade ausgeführt sein. Insbesondere bei unterschiedlich langen Leitschaufeln des Leitschaufelapparates, lässt sich durch das Anströmprofil eine unterschiedliche Länge von Leitschaufeln annähern.
Bevorzugte Ausführungsformen von Fliehkraftabscheidern umfassen genau sechs Leit- schaufeln. Denkbar sind jedoch auch weniger Schaufeln, um einen geringeren Druckverlust beim Durchtritt des Fluids durch den Fliehkraftabscheider zu erzeugen. Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, dass, je mehr Schaufeln verwendet werden, desto kürzer der Leitapparat bei vorgegebenen Abscheidegraden gefertigt sein kann. Untersuchungen der Anmelderin haben ferner gezeigt, dass ein mittlerer Anstellwinkel zwischen 40° und 50° gegenüber einer Querschnittsfläche senkrecht zur Längsachse besonders günstig ist. Ferner kann eine Spreizung zwischen dem Anstellwinkel am Kern und der Gehäusewand zwischen 25° und 35° betragen. Beispielsweise ist der Schaufelanstellwinkel am Kern etwa 60° und 29° an der Gehäusewand. Vorzugsweise überlappen sich die Leitschaufeln auf keiner Querschnittsfläche senkrecht zu einer Einströmrichtung miteinander. Insofern verbleibt immer zumindest ein kleiner Spalt zwischen benachbarten Leitschaufeln. Dadurch wird eine Herstellung, ins- besondere in einem Spritzgussverfahren erleichtert, da keine komplizierten Hinterschnitte auftreten können. Insofern kann der sich ergebende Fliehkraftabscheider besonders aufwandsgünstig produziert werden. Als Materialien eignen sich insbesondere Kunststoffe, aber in Einzelfällen Metall oder andere an die Einbausituation und Betriebstemperatur angepasste Materialien.
Bei Ausführungsformen des Fliehkraftabscheiders ist der Kern länger ist als die Leitschaufeln. Der Kern kann beispielsweise in Richtung zur Einströmöffnung des Gehäuses ragen oder auch in Richtung zur Ausströmöffnung eine Nachlaufnabe bilden. Der vorzugsweise rotationssymmetrisch ausgebildete Kern kann sich beispielsweise in Fluidströmungsrichtung verjüngen und die Durchströmeigenschaften beeinflussen. Beispielsweise ist ein Verhältnis zwischen einem Kerndurchmesser und einem Abstand zwischen der Gehäusewand und dem Kern zwischen 2 und 4. Der Abstand zwischen dem Kern sowie der Gehäusewand kann auch als Breite der Leitschaufeln bezeichnet werden.
Bei weiteren Ausführungsformen ändert sich eine Querschnittsfläche des Gehäuses entlang der Durchströmrichtung. Beispielsweise vergrößert sich die Querschnittsfläche entlang der Längsachse von der Einströmöffnung zur Ausströmöffnung hin. Insofern kann sich eine konische Form des Gehäuses ergeben. Das Gehäuse kann auch ab- schnittsweise konisch sein. Beispielsweise ist der Leitapparat in einem hülsen- oder zylinderförmigen Bereich des Gehäuses angeordnet und der Abströmbereich, in dem das Fluid mit den Wirbelströmen beaufschlagt ist, hat eine sich konisch erweiternde Form in Richtung zur Abströmöffnung. Ein Öffnungswinkel des Konus liegt vorzugsweise zwischen 2 ° und 6 °.
Optional kann der Fliehkraftabscheider ein in dem Gehäuse vorgesehenes Tauchrohr umfassen, welches sich von der Ausströmöffnung in Richtung zu der Einströmöffnung erstreckt. Das Tauchrohr kann dabei rohr- oder hülsenförmig ausgebildet sein. Vorzugsweise ist das Tauchrohr mit einem sich zur Einströmöffnung hin verjüngende Quer- schnitt ausgebildet. Das in das Gehäuse hineinragende Tauchrohr weist bevorzugt einen kleineren Durchmesser auf als das Gehäuse bzw. Zyklonrohr. Zwischen Leitschaufeln und Tauchrohr ist weiter bevorzugt ein Abstand in axialer Richtung vorgesehen. Dies hat den Vorteil, dass sich dort eine schraubenförmige Strömung ausbilden kann und so die Partikel nach außen bewegt werden können, ohne dass eine Änderung der gesamten Strömungsrichtung erforderlich ist. Damit kann ein geringer Druckverlust erreicht werden.
Insbesondere eine Kombination eines sich konisch in Richtung zur Einströmöffnung verjüngenden Tauchrohrs mit einem konisch ausgestatteten Gehäuseabschnitt im Bereich des Tauchrohres oder der Ausströmöffnung, führt zu besonders günstigen Strömungsverhältnissen und Abscheidegraden des Fliehkraftabscheiders.
In bevorzugten Ausführungsformen des Fliehkraftabscheiders ist das Tauchrohr mit Hil- fe einer Tauchrohrplatte an der Ausströmöffnung angebracht. Die Tauchrohrplatte verschließt zum Beispiel die Ausströmöffnung des Gehäuses zusammen mit dem Tauchrohr. Die Tauchrohrplatte ist dann beispielsweise als ein Kreisring mit einem äußeren Durchmesser, der der Ausströmöffnung entspricht, und mit einem inneren Durchmesser, der einer Kante des Tauchrohrs entspricht, ausgeführt.
Der Fliehkraftabscheider ist ferner bei einigen Ausführungsformen mit einer Partike- laustragsöffnung ausgestattet. Die Partikelaustragsöffnung gibt vorzugsweise in Bezug auf eine Längsachse des Gehäuses einen vorgegebenen Winkelabschnitt in der Gehäusewand frei. Ferner hat die Partikelaustragsöffnung eine Austragsöffnung oder Aus- tragsfenstertiefe. Die Tiefe wird beispielsweise entlang der Längsachse des Gehäuses gemessen.
Bevorzugte Ausführungsformen des Partikelaustragsfensters haben eine Tiefe zwischen 10 und 20 mm, und besonders bevorzugt zwischen 13 und 15 mm. Der Öff- nungswinkel des Partikelaustragsfensters liegt vorzugsweise zwischen 60° und 90°. Besonders bevorzugt liegt der Öffnungswinkel zwischen 75° und 85°.
Es wird ferner eine Filtereinrichtung vorgeschlagen. Die Filtereinrichtung umfasst mehrere Fliehkraftabscheider mit einem oder mehreren Merkmalen, wie sie zuvor beschrie- ben sind. Die Fliehkraftabscheider sind in einem Gehäuse der Filtereinrichtung vorgesehen, welches mehrere Öffnungen als Einströmöffnungen für die Fliehkraftabscheider und einen fluiddicht von den Öffnungen getrennten Ausströmabschnitt umfasst. An den Ausströmabschnitt sind die Ausströmöffnungen der Fliehkraftabscheider gekoppelt. In- sofern können parallel mehrere Fliehkraftabscheider zum Reinigen beispielsweise von Verbrennungsluft für Brennkraftmaschinen gefiltert werden. Durch das parallele Anordnen der Fliehkraftabscheider kann der Abscheidegrad sowie Druckverlust beim Durchtritt von Fluid durch die Filtereinrichtung angepasst werden. Bei Ausführungsformen der Filtereinrichtung ist ein von den Einströmöffnungen und dem Ausströmabschnitt fluiddicht getrennter Austragsabschnitt vorgesehen. Der Aus- tragsabschnitt ist kommunikativ mit Partikelaustragsfenstern der Fliehkraftabscheider verbunden. Insofern ist ein fluid- und staubdicht abgeschlossener Bereich vorgesehen, der zum Abführen der abgeschiedenen Partikel dient.
Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen des Fliehkraftabscheiders oder der Filtereinrichtung. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen oder abändern.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung. Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigt dabei:
Fig. 1 : eine schematische Längsschnittansicht einer Ausführungsform eines Fliehkraftabscheiders;
Fig. 2: eine schematische Querschnittsansicht der Ausführungsform eines Fliehkraftabscheiders; Fig. 3: eine perspektivische schematische Ansicht der Ausführungsform eines Fliehkraftabscheiders; Fig. 4: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Leitschaufel; Fig. 5 - 9: schematische Längenprofile von Leitschaufeln;
Fig. 10: eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Filtereinrichtung mit Fliehkraftabscheidern;
Fig. 1 1 : eine Detailansicht eines Ausschnitts der Ausführungsform einer Filtereinrichtung mit Fliehkraftabscheidern; Fig. 12: eine Schnittansicht der Ausführungsform einer Filtereinrichtung mit Fliehkraftabscheidern;
Fig. 13: eine Längsschnittansicht einer zweiten Ausführungsform eines Fliehkraftabscheiders mit beispielhaften Bemaßungen;
Fig. 14, 15: Querschnittsansichten der zweiten Ausführungsform eines Fliehkraftabscheiders mit beispielhaften Bemaßungen;
Fig. 16 - 18: perspektivische Darstellungen einer dritten Ausführungsform eines Flieh- kraftabscheiders und Schnittansichten einer Ausführungsform eines Leitapparates;
Fig. 19, 20: Seitenansichten von weiteren Ausführungsformen von Leitapparaten;
Fig. 21 : eine perspektivische und eine Schnittansicht eines Leitapparates zur Erläute- rung von Winkelspreizungen;
Fig. 22: einen Abscheidegrad und Druckverlust in Abhängigkeit von einer Winkelsprei- zung bei Ausführungsformen des Fliehkraftabscheiders; und Fig. 23: einen Abscheidegrad in Abhängigkeit von einer Schaufelanzahl in einer weiteren Ausführungsform des Fliehkraftabscheiders.
In den Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Ele- mente, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
Ausführungsform(en) der Erfindung
Fig. 1 zeigt eine schematische Längsschnittansicht einer Ausführungsform eines Fliehkraftabscheiders. Die Fig. 2 und 3 zeigen Querschnitts- und perspektivische Ansichten der Ausführungsform.
Bei einem Fliehkraft- oder Zyklonabscheider wird ein mit Partikeln beladenes Fluid von den Partikeln gereinigt. In der Fig. 1 ist dies durch einen Rohfluidstrom 9 pfeilförmig angedeutet. Das Rohfluid 9, wie beispielsweise Luft für eine Brennkraftmaschine kann Staub oder andere Partikel 1 1 aufweisen. Nach Durchlauf eines entsprechenden Fliehkraftabscheiders 1 , der beispielsweise als Axialzyklon ausgestaltet ist, strömt gereinigte Luft oder Fluid 10 aus.
Der Fliehkraftabscheider 1 hat ein im Wesentlichen zylinderförmiges Gehäuse 2. Das Gehäuse 2 bzw. der Fliehkraftabscheider 1 hat eine Längsachse 15, die in der Ausführungsform der Fig. 1 bis 3 auch einer Symmetrieachse entspricht. Anströmseitig ist eine Einströmöffnung 13 vorgesehen und abströmseitig eine Ausströmöffnung 14. Bei dem Fliehkraftabscheider 1 wird im Gehäuse 2 durch eine geeignete Strömungsführung ein Wirbel erzeugt, wodurch die Partikel 1 1 in der Luft Zentrifugalkräften ausgesetzt wer- den. D.h., die Partikel 1 1 werden radial nach außen in Richtung zu der Gehäusewand 23, welche zylinderförmig ausgestaltet ist, getrieben (vgl. Fig. 2). Dort können sie, wie in der Fig. 1 angedeutet ist, akkumulieren und entfernt werden.
Zum Erzeugen der wirbeiförmigen Strömung und damit radialer Kräfte auf die Partikel 1 1 , ist ein Leitapparat mit geeigneten Leitschaufeln 3, 4 vorgesehen. Die Leitschaufeln 3, 4 können beispielsweise schraubenwirbel- oder propellerförmig um die Achse 15 des Fliehkraftabscheiders 1 gewunden sein. Man spricht auch von einem Axialzyklon. In der Darstellung der Fig. 1 ist ein Kern 16 entlang der Längsachse 15 zumindest in einem Abschnitt in der Nähe der Einströmöffnung 13 vorgesehen. Der Kern 16 wird durch die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Leitschaufeln 3, 4 gehalten. Die Leitschaufeln 3, 4 führen zu der Wirbelströmung, welche mittels der Pfeile 12 angedeutet sind. Partikel bzw. Fluid, die bzw. das von der Einströmöffnung 13 zur Ausströmöffnung 14 geleitet ist, strömt entlang der Leitschaufeln 3, 4.
In der perspektivischen Darstellung der Fig. 3 erkennt man das hülsen- oder zylinderförmige Gehäuse 2 mit der Einströmöffnung 13 und der Ausströmöffnung 14. Der auch in Fig. 1 dargestellte Kern 16 und die Leitschaufeln 3, 4 bilden insbesondere einen Leitapparat 21 aus. Der Leitapparat 21 kann mit einer zylindrischen Form angenähert wer- den, welche in der Fig. 3 gepunktet dargestellt ist.
In Fig. 2, welche eine Querschnittsansicht des Fliehkraftabscheiders darstellt, ist zentral der Kern 16 zu sehen und die kreisförmig ausgebildete Gehäusewand 23. In der Querschnittsansicht der Fig. 2 erkennt man drei Leitschaufeln 3, 4, 5, die jeweils eine An- strömkante oder ein Anströmprofil 20 und eine Abströmkante oder ein Abströmprofil 19 aufweisen. In der Fig. 2 ist lediglich die Leitschaufel 3 hinsichtlich ihrer Anströmkante 20 und Abströmkante 19 mit Bezugszeichen versehen. In Ausführungsformen sind die Leitschaufeln bzw. der Leitschaufelapparat 21 derart ausgestaltet, dass in einem Querschnitt, also einer Sicht auf die Gehäuseachse 15, keine Leitschaufel miteinander über- läppt. D.h., zwischen einer Anströmkante 20 und Abströmkante 19 benachbarter Leitschaufeln, beispielsweise zwischen 3 und 4, 4 und 5 und 5 und 3, ergibt sich ein Spalt 22. Insofern ist der gesamte Fliehkraftabscheider 1 einfach materialeinstückig realisierbar. Insbesondere kann ein Spritzgussverfahren zur Anwendung kommen. Prinzipiell sind jedoch auch Hinterschneidungen, also umlaufende Leitschaufeln denkbar.
In Fig. 4 ist eine schematische Darstellung einer Leitschaufel angedeutet. Der Pfeil 9 zeigt die Anströmrichtung von Rohfluid an. Die Leitschaufel 3 hat dabei eine Anströmkante 20 und eine Abströmkante 19. Die streifenförmige Leitschaufel 3 ist dabei schrauben- oder spiralförmig um einen jeweiligen Kern 16, wie in den Fig. 1 bis 3 angedeutet, angeordnet.
Ein Maß für die Länge L der Leitschaufeln 3, 4 ist in Fig. 1 angedeutet. Als Länge L einer Leitschaufel 3, 4 kann beispielsweise die Strecke gelten, welche ein Partikel auf einer Oberfläche einer Leitschaufel von der Anström- zur Abströmseite zurücklegt. Die Ausführungsform in Fig. 1 ist mit Leitschaufeln 3, 4 unterschiedlicher Länge ausgestattet. D.h., die Leitschaufel 3 beginnt in einem Abstand d1 von der Einströmöffnung 13 und erstreckt sich in Richtung zur Ausströmöffnung 14. Die zweite in Fig. 1 dargestellte Leitschaufel 4 erstreckt sich von einem Abstand d2 der größer ist als d1 ist von der Ein- Strömöffnung 13 in Richtung zur Ausströmöffnung 14. Die gepunktete Linie 17 bzw. die gestrichelte Linie 18 zeigen im Querschnitt der Fig. 1 die jeweilige Anströmkantenposition der Leitschaufel 3 bzw. 4 in Bezug auf die Einströmöffnung 13.
In den Figuren 1 und 3 ist eine Querschnittsfläche 1 12 gestrichpunktet angegeben, wobei die Querschnittsfläche 1 12 senkrecht zu der Längsachse 15 des Gehäuses 2 verläuft und damit auch im Wesentlichen senkrecht zu einer Einströmrichtung R der Rohluft 9 steht, die durch den Pfeil R angedeutet ist. Eine entsprechende Querschnittsfläche kann an beliebiger Stelle entlang der Gehäuseachse 15 angenommen werden und dient zum Beispiel als Bezugsebene für die Anströmkanten der 20 der Leitschaufeln 3, 4. Man erkennt zum Beispiel, dass die Anströmkante 20 der Leitschaufel 3 einen Abstand a1 von der Querschnittsebene oder Querschnittsfläche 1 12 hat und die Anströmkante 20 der Leitschaufel 4 einen Abstand a2<a1 . Man kann auch sagen, bei der dargestellten Ausführungsform des Fliehkraftabscheiders 1 haben die Anströmkanten 20 von mindestens zwei Leitschaufeln 3, 4 in Bezug auf eine Querschnittsfläche 1 12 des Gehäuses 2, welche im Wesentlichen senkrecht zu einer Einströmrichtung R der Rohluft 9 steht, einen unterschiedlichen Abstand a1 bzw. a2.
Untersuchungen der Anmelderin haben ergeben, dass durch unterschiedlich angeordnete Anströmkanten 20 oder unterschiedlich lange Leitschaufeln 3, 4 beispielsweise im Bezug auf einen Abstand von der Einströmöffnung 13, verbesserte Abscheideeigenschaften in Fliehkraftabscheidern 1 erzielt werden können.
Um die Geometrie und Ausgestaltung der Leitschaufeln 3, 4 näher zu erläutern, kann das jeweilige Profil entlang dem Umfang U in Bezug auf die Länge L, also die Ausdeh- nung der Leitschaufeln in Durchströmrichtung, illustriert werden.
Die Fig. 5 bis 8 zeigen schematische Längenprofile von Leitschaufeln. Die gestrichelte Linie 17 zeigt die Position der der Einströmöffnung am nächsten beginnenden Leitschaufel an. In den Fig. 5-8 bezeichnen die fetten (schrägen oder geschwungenen) Linien Leitschaufeln entlang des Umfangs und ihrer Länge oder der Höhe des Leitschaufelapparats. Ferner ist die Ebene 1 12 gestrichpunktet dargestellt, und die Abstände a1 und a2 diesbezüglich. Die Fig. 1 zeigt vier gleich lange Leitschaufeln zum Erzeugen von Wirbeln in der Fluidströmung. Es kann eine verbesserte Abscheidung von Par- tikeln in Fliehkraftabscheidern erzielt werden, wenn die Leitschaufeln unterschiedliche Länge haben oder die Anströmkanten zur Einströmöffnung 13 hin oder in Bezug auf eine eingezeichnete Ebene 1 12 verschieden beabstandet sind.
Beispielsweise ist in der Fig. 6 eine Möglichkeit dargestellt, bei der vier Leitschaufeln 3, 4, 5, 6 jeweils abwechselnd eine unterschiedliche Länge haben. Wiederum ist die gestrichelte Linie 17 und eine gestrichelte Linie 18 als Querschnittslinie senkrecht zur Längsachse jeweils in Richtung der Längsachse 15 in Strömungsrichtung versetzt dargestellt sowie eine gestrichpunktete Fläche 1 12. Die Leitschaufeln haben abwechselnd eine unterschiedliche Länge. Die Leitschaufeln 3 und 5 beginnen in Bezug auf die Ein- Strömöffnung 13 an derselben Querschnittsfläche 17. Die dazwischen liegenden Leitschaufeln 4 und 6 haben eine geringere Länge und beginnen in Richtung der Längsachse 15 in Fluidströmrichtung versetzt an der Querschnittsfläche 18. Es sind somit abwechselnd jeweils eine lange (3, 5) und eine kurze (4, 6) Leitschaufel vorgesehen. Die in den Fig. 5 und 6 dargestellten Leitschaufeln sind im Wesentlichen gerade.
Man kann eine zusätzliche Verbesserung der Strömungseigenschaften erzielen, wenn die Leitschaufeln geschwungen sind. Dies ist in Fig. 7 dargestellt. Die Leitschaufeln 3 und 5, welche länger sind als die Leitschaufeln 4, 6 haben eine geschwungene Kontur entlang der Länge L. Man erkennt qualitativ, dass der Schaufelwinkel im Bezug auf eine Fluidströmrichtung oder der Längsachse 15 der Leitschaufeln 3 und 5 zur Anströmkante hin flacher ist als zur Abströmkante hin.
Fig. 8 zeigt eine weitere Möglichkeit, Leitschaufeln hinsichtlich ihrer Länge verschieden auszugestalten. Wiederum ist ein Beispiel mit vier Leitschaufeln 3, 4, 5, 6 angedeutet. Die Anströmkanten der Leitschaufeln 3 und 5 beginnen an derselben Querschnittsfläche 17. Die dazwischen liegenden Anströmkanten der Leitschaufeln 4, 6 sind um einen Abstand d3 in Richtung der Strömung versetzt. Ferner sind die Abströmkanten der Leitschaufeln 3 und 5 bzw. 4 und 6 um einen Abstand d4 versetzt. Insofern sind jeweils zwei kleine Leitschaufeln 4, 6 zwischen langen Leitschaufeln 3, 5 angeordnet. Insge- samt kann man von einer Höhe H1 des sich ergebenden Leitschaufelapparates zusammen mit dem Kern sprechen. In Fig. 8 erkennt man ferner, dass die Leitschaufeln 3 und 5 geschwungen sind, während die Leitschaufeln 4 und 6 im Wesentlichen gerade ausgestaltet sind. Insbesondere die unterschiedliche Ausgestaltung der Leitschaufeln untereinander führt zu einer besonders guten Partikelabscheidung bzw. Strömungsführung innerhalb des Gehäuses eines Fliehkraftabscheiders.
In Fig. 9 ist eine Fliehkraftabscheiderversion dargestellt, bei der die Leitschaufeln 3, 4, 5, 6 dieselbe Länge haben, aber die Anströmkanten bezüglich der Querschnittsfläche 1 12 abwechselnd verschiedene Abstände a1 , a2 haben. Die Einströmrichtung R verläuft beispielsweise in der Orientierung der Fig. 9 von oben nach unten.
Mehrere Fliehkraftabscheider gemäß den vorbeschriebenen Ausführungsformen lassen sich in einem gemeinsamen Gehäuse zu einer Filtereinrichtung verbinden. In den Fig. 10 bis 12 sind Ausführungsformen einer Filtereinrichtung mit Fliehkraftabscheidern dargestellt. Fig. 10 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform, Fig. 1 1 eine Detailansicht eines darin eingesetzten Fliehkraftabscheiders und Fig. 12 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer Filtereinrichtung. Eine Filtereinrichtung 100 hat dabei ein Gehäuse 102, in dem mehrere Fliehkraftabscheider 1 , 101 integriert sind. In der Orientierung der Fig. 10 und 12 erfolgt von links ein Einströmen von Rohfluid 9, welches partikelbeladen ist. Rechts strömt Reinfluid 10 aus. Nach unten, durch den schwarzen Pfeil 1 1 gekennzeichnet, können abgeschiedene Partikel entfernt werden. In dem Gehäuse 102 sind mehrere Öffnungen 1 13 vorge- sehen, in die Einströmöffnungen 13 der Fliehkraftabscheider 1 , 101 eingepasst sind. Eine Partikelaustragsöffnung 126 führt nach unten von dem Gehäuse 102 ab. In der Detailansicht der Fig. 1 1 erkennt man, dass die eingesetzten Fliehkraftabscheider 1 einen zentralen Kern 16 umfassen und mit sechs Leitschaufeln 3, 4, 5, 6, 7, 8 ausgeführt sind. Man erkennt in der Detailansicht der Fig. 1 1 , dass die Leitschaufeln 5, 7 und 3 kürzer sind als die Leitschaufeln 4, 6 und 8.
In der Querschnittsansicht der Fig. 12 ist ein Fliehkraftabscheider 1 (gepunkteter rechteckiger Bereich) im Schnitt angedeutet. In der folgenden Fig. 13 erfolgt eine detailliertere Erläuterung der entsprechenden Schnittansicht einer Ausführungsform eines Fliehk- raftabscheiders. Die Filtereinrichtung 100 hat im Wesentlichen drei Bereiche. Ein Halteabschnitt 1 12 trägt oder hält die Bereiche der Leitschaufelapparate der Fliehkraftabscheider 1 , 101 . Die Ausströmöffnungen 14 der Fliehkraftabscheider 1 , 101 führen in einen gemeinsamen Abströmabschnitt 1 14. Der Abströmabschnitt 1 14 ist von einem Austragsabschnitt 126 getrennt. Die Fliehkraftabscheider 1 , 101 sind mit Partikelaustragsfenstern 26 versehen, die kommunikativ mit dem Austragsabschnitt 126 verbunden sind. Anströmseitig tritt verunreinigte, beispielsweise Verbrennungsluft, durch die Öffnungen 1 13 in die Fliehkraftabscheider 1 , 101 ein, durchströmen die Fliehkraftabscheider, welche die Partikel an den Partikelaustragsfenstern 26 abgeben, und gereinigte Luft tritt in den Abströmabschnitt 1 14 durch die Abströmöffnungen 14 aus. Die gereinigte Luft 10 kann nun beispielsweise einer Brennkraftmaschine zugeleitet werden. Die Orientierung der Austragsfenster 26 ist in Bezug auf die Erdbeschleunigung, welche in der Orientierung der Fig. 12 nach unten weist, gleich. Somit fallen die Partikel auf Grund der Schwerkraft nach unten durch den Austragsabschnitt 126 und können abgeleitet werden. Die parallele Anordnung von Fliehkraftabscheidern ermöglicht eine Anpassung der sich ergebenden Druckverluste sowie Abscheidegrade.
Eine entsprechende Filtereinrichtung 100 erzielt eine noch bessere Filterwirkung, wenn an dem Austragsabschnitt 126 ein gegenüber dem Druck an den Einströmöffnungen 1 13 geringerer Druck vorliegt. Man kann zum Beispiel den als Absaugstutzen ausgestalteten Austragsabschnitt an eine Absaugeinrichtung anschließen, die den Staub auffängt und ableitet.
Die Figuren 13, 14 und 15 zeigen eine zweite Ausführungsform eines Fliehkraftab- scheiders im Längs- und Querschnitt. In den Fig. sind ferner beispielhafte Bemaßungen angegeben. Der Längsschnitt der Fig. 13 zeigt den Fliehkraftabscheider 1 mit einem Gehäuse aus einer Gehäusewand 23, welche abschnittsweise zylindrisch und abschnittsweise konisch geformt ist. Anströmseitig (links) ist ein Einströmöffnungsdurch- messer c3 angedeutet. Abströmseitig (rechts) ist ein Ausströmöffnungsdurchmesser c4 angegeben. Entlang der Durchströmrichtung, welche in Fig. 13 von links nach rechts weist, nimmt der Durchmesser des Gehäuses zu. Insofern steigt eine Querschnittsfläche von Einström- zur Abströmöffnung zu.
In Fig. 13 ist zusätzlich ein Abströmöffnungsradius r4 angegeben, wobei gilt. r4 = 0.5 c4. Im Bereich der Ein- oder Anströmöffnung 13 ist ein Leitapparat 21 vorgesehen. Der Leitapparat 21 hat eine Höhe h1 . Als Höhe h1 des Leitapparates 21 wird in Bezug auf die Längsachse 15 ein Abschnitt verstanden, in den die Leitschaufeln um den Kern 16 verlaufen. Der Kern 16 hat einen Kerndurchmesser c1 . Als Breite der Leitschaufeln c2 wird der Abstand zwischen dem Kern 16 und der Gehäusewand 23 verstanden. Insofern ergibt sich eine Leitschaufelbreite c2 = 0.5 c3 - d .
Von der Abströmöffnung 14 aus reicht ein konisches Tauchrohr 24 in den Innenraum des Gehäuses 23. Das Tauchrohr 24 ist mit Hilfe eine Tauchrohrplatte 25, die an der Ausströmöffnung 14 des Gehäuses 23 gekoppelt ist, befestigt. Das Tauchrohr 24 reicht von der Ausströmöffnung 14 bzw. der Tauchrohrplatte 25 mit einer Eintauchtiefe h3 in Richtung zu dem Leitapparat 21 . Das Tauchrohr 24 hat eine konische Form. Ferner hat dieser Bereich des Gehäuses bzw. der Gehäusewand 23 eine konische Geometrie. In der Fig. 13 sind Winkel γ und δ angegeben. Der Winkel γ zeigt den Winkel der Gehäu- sewand 23 in Bezug auf die Längsachse 15 an. Der Winkel δ zeigt den Winkel, den das Tauchrohr 24 mit der Längsachse einschließt an. Als günstig haben sich Winkel zwischen 2° und 6° für γ oder δ erwiesen. Durch die konische Anordnung des Gehäuseabschnitts sowie auch der Tauchrohrplatte ist eine günstige Strömungsführung möglich. Ferner hat die Gehäusewand 23 ein Partikelaustragsfenster 26 in ihrem Endbereich. Entlang der Längsachse 15 erstreckt sich das Partikelaustragsfenster 26 mit einer Aus- tragsfenstertiefe h4. In der Fig. 15 ist ein Schnitt entlang der Linie AA angedeutet. Das Partikelaustragsfenster 26 schließt einen Winkelbereich ß in Bezug auf die Längsachse 16 ein. Somit gibt das Partikelaustragsfenster einen Winkelabschnitt ß in der Gehäuse- wand 23 frei. Die Fig. 14 zeigt eine Querschnittsansicht durch den Leitapparat 21 . Ähnlich der Fig. 2 erkennt man sechs Leitschaufeln 3-8, wobei jeweils ein Spalt 22 in der Querschnittsansicht der Fig. 14 zwischen den Leitschaufeln vorliegt. Die Leitschaufeln überlappen somit nicht. Die Fig. 13 zeigt ferner eine Spaltbreite b, also einen Abstand zwischen dem Tauchrohr 24 und der Gehäusewand 23 an einem vorgegebenen Querschnitt senkrecht zur Längsachse 15. Der kleinste Durchmesser des Tauchrohrs ist mit c5 bezeichnet. Insofern verschiebt das Tauchrohr 24 die Austrittsöffnung um die Eintauchtiefe h3 in Richtung zu dem Innenraum des Gehäuses 23. Es hat sich ergeben, dass eine Austragsfenstertiefe zwischen 10 und 20 mm und einem Öffnungswinkel zwischen 70° und 90° günstig ist. Eine Eintauchtiefe h3 des Tauchrohrs 24 liegt günstiger Weise zwischen 30 und 50 mm. Dabei kann ein Tauchrohrdurchmesser c5 zwischen 16 und 20 mm gewählt sein. Ein Abstand zwischen der Tauchrohrplatte 25 und dem Leitapparat 21 ist mit h2 bezeichnet und liegt vorzugsweise zwischen 60 und 80 mm. Ein Kerndurchmesser c1 ist vorzugsweise zwischen 12 und 18 mm gewählt. Der Winkel γ des konischen Abschnitts der Gehäusewand 23 ist vorzugsweise kleiner als 4° um eine Strömungsablösung zu vermeiden. Abscheidegrade und Druckverluste können günstig eingerichtet werden, auch durch die Geometrie und Form der Leitschaufeln. In den Fig. 1 6 bis 18 sind perspektivische Darstellungen von Fliehkraftabscheidern sowie Schnittansichten des Leitapparates dargestellt. Dabei ist jeweils links eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Fliehkraftabscheiders 1 dargestellt. Der Fliehkraftabscheider hat eine Gehäusewand 23, welche abschnittsweise konisch oder hülsenförmig ausgeführt ist. Beispielsweise kann der Fliehkraftabscheider wie in der Querschnittsdarstellung der Fig. 13 ausgeführt sein. Es ist jeweils ein Partikelaustragsfenster 26 dargestellt und beispielhaft eine Leitschaufel 3 mit dem Bezugszeichen versehen. Man erkennt darüber hinaus den Kern 16. Die perspektivischen Darstellungen in den Fig. 16 bis 17 zeigen eine Ansicht von oben auf den Leitapparat bzw. in die Anströmöffnung des Fliehkraftabscheiders 1 hinein.
In Fig. 17 ist der Öffnungswinkel ß für die Partikelaustragsöffnung 26 gepunktet angedeutet. Auf der jeweils rechten Seite der Fig. 16 bis 18 sind die auf der linken Seite angedeuteten Schnittflächen 28 mit den Leitschaufelgeometrien angedeutet. Fig. 16 zeigt einen Schnitt in der Art eines Zylindermantels 28 am Kern 16 um den Kern herum an. In der Fig. 17 ist ein Schnitt 28 in etwa der Mitte zwischen der Gehäusewand 23 und dem Kern 16 vorgenommen und in der Fig. 18 ein Schnitt 28 an der Innenseite der Gehäusewand 23, wo die Leitschaufeln sind. Man erkennt auf den rechten Seiten der Figuren 16-17 die Leitschaufeln 3, 4, 5, 6, 7 und 8. Es sind somit genau sechs Leitschaufeln vorgesehen. Dabei sind die Leitschaufeln 4, 6 und 8 länger als die Leitschaufeln 3, 5 und 7. Die Leitschaufeln 3, 5 und 7 sind um den Abstand d3 kürzer. Darüber hinaus sind insbesondere in Fig. 17 Anstellwinkel ε1 , ε2 angedeutet. In der Notation der Fig. 16 bis 18 ist ein Anstellwinkel ε bezogen auf eine Querschnittsfläche senkrecht zu der Symmetrieachse des Fliehkraftabscheiders 1 . Die Summe aus einem Anstellwinkel ε bezogen auf eine Querschnitt und dem α Schaufelwinkel bezogen auf die Längsachse ergibt 90 Grad. Der Anstellwinkel ε1 in der Ausführungsform wie sie in Fig. 17 dargestellt ist, ist beispielsweise größer als der Anstellwinkel ε2. In der Orientierung der Fig. ist der Winkel ε1 anstromseitig und der Winkel ε2 abstromseitig. Ferner ist eine Dicke t der Leitschaufeln jeweils angedeutet. In Fig. 18 ist darüber hinaus die Leitapparathöhe h1 dargestellt.
Eine Optimierung hinsichtlich der Abscheideeigenschaften des Fliehkraftabscheiders 1 kann durch eine Spreizung der Schaufelwinkel erfolgen. Beispielsweise kann der jeweilige Anstellwinkel ε am Kern (vgl. Fig. 16) größer sein als der Anstellwinkel im Bereich der Gehäusewand (vgl. Fig. 18). Es kann sich eine Spreizung des Anstellwinkels von beispielsweise 30° ergeben. In Fig. 17 ist ein mittlerer Anstellwinkel von etwa 45° angegeben. Insofern verändert sich der Anstellwinkel oder auch der Schaufelwinkel vom Kern zur Gehäusewand einer jeweiligen Leitschaufel. Als günstige Schaufelwinkel oder Anstellwinkel haben sich mittlere Winkel um 45° erwiesen. In Fig. 19 ist eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform eines Leitapparates dargestellt. Dabei hat der Kern 16 anstromseitig eine in etwa runde Kuppel und abstromseitig eine über den Leitapparat hinausreichende Nachlaufnabe 29. Das Profil des Kerns 16 kann auch weiter angepasst werden. Durch die Nachlaufnabe 29 wird eine Verwirbelung oder Strömungsablösung günstig beeinflusst. Man erkennt in Fig. 19 fer- ner beispielhaft eine Leitschaufel 3. Der Schaufelwinkel der Leitschaufel 3 ändert sich dabei entlang der Fluidströmung. Als Schaufelwinkel cd ist hier der Winkel der Leitschaufel mit der Längs- oder Symmetrieachse des Fliehkraftabscheiders bezeichnet. Anstromseitig ist der Winkel cd beispielsweise etwa 10° und steigt in Richtung zur Abströmseite auf einen Schaufelwinkel von a2 durch etwa 50° an. Ein ansteigender Schaufelwinkel führt zu einer besseren Verwirbelung und dadurch stärkeren Zentrifugalkräften, die auf die Partikel wirken. Insofern wird der Abscheidegrad günstig beeinflusst. Das Profil der Leitschaufel 3 hinsichtlich ihrer Dicke kann ferner angepasst werden. Schließlich zeigt Fig. 20 noch ein Beispiel einer Ausführungsform eines Leitapparates 21 . In der Orientierung der Fig. 20 ist die Anströmseite oben und die Abströmseite unten. Man sieht am Beispiel der mittleren Leitschaufel 3, dass der Anstellwinkel ε16 am Kern 16 größer ist als der Anstellwinkel ε23 an der Gehäusewand. Man erkennt ferner, dass die Leitschaufeln 3 eine schräge Abströmkante 19 haben. Im eingesetzten Zustand in ein Gehäuse hat die jeweilige Leitschaufel 3 gehäuseseitig eine größere Länge als kernseitig. Man spricht auch von einem progressiven Schaufelende, welches zu einer weiteren Verbesserung der Abscheideeigenschaften eines Fliehkraftabscheiders führen kann.
Anhand der Fig. 21 sind an einer kombinierten Schnittansicht und perspektivischen Ansicht noch eines Leitapparates mögliche Winkelverhältnisse erläutert, Die Darstellung ähnelt den in den Figuren 16-18 gezeigten Leitapparaten. Es ist eine Leitapparat 21 mit einem Kern 16 und einer Gehäusewand 23 dargestellt mit dazwischen vorgesehenen Leitschaufeln, wovon eine Leitschaufel 3 und Ihr Profil näher betrachtet wird. Die Figur 21 zeigt auch die Längsachse 15 des Leitapparates.
Am Kern 16 beträgt der Anstellwinkel ε16, am Gehäuse 23 ist der Anstellwinkel ε23. Die Schaufeln sind insbesondere in einer Wendeltreppenform konstruiert, bei der unterschiedliche Anstell- und/oder Schaufelwinkel am Kern und am Mantel bzw. der Gehäu- sewand vorliegen. Den Unterschied zwischen ε16 und ε23 bezeichnet man auch als Winkelspreizung Δε.
Man kann ferner einen mittleren Anstellwinkel ειτι definieren, der in etwa in der Mittel zwischen der Kernwand und der Innenwand des Gehäuses verläuft. Ein geeignete De- finition für den mittleren Anstellwinkel lautet: ειτι = (ε23 + ε16)/2.
Mögliche Anstellwinkel liegen zwischen ε16 ~ 80° und ε23 ~ 20°. Besonderen Einfluss auf die Leistungsdaten eines entsprechenden Leitapparates hat insbesondere die Winkelspreizung Δε, welche sich aus den inneren und äußeren Anstellwinkeln ergibt.
Fig. 22 zeigt den Abscheidegrad AG und den Druckverlust dp jeweils in willkürlichen Einheiten in Abhängigkeit von der Winkelspreizung Δε. Man erkennt, dass durch Realisierung der Winkelspreizung Δε eine Erhöhung des Abscheidegrads AG eintritt, jedoch gleichzeitig der Ruckverlust zunimmt. Untersuchungen der Anmelderin haben ergeben, dass eine Winkelspreizung zwischen 15° und 35° akzeptabel Druckverluste mit sich bringen und eine gute Filterwirkung ergeben. Besonders gute Filterergebnisse erhält man bei einer Winkelspreizung zwischen 20° und 30°. Die Anmelderin hat ferner Untersuchungen zur Abhängigkeit der Effizienz von Fliehkraftabscheidern von der verwendeten Schaufelanzahl im Leitapparat vorgenommen. Fig. 23 zeigt einen Graph für den Abscheidegrad AG in Abhängigkeit von einer Schaufelanzahl N für eine weitere Ausführungsform des Fliehkraftabscheiders. Der Abscheidegrad AG ist dabei in willkürlichen Einheiten angegeben. Die Kurve entspricht einer Ausführungsform, bei der der Kerndurchmesser etwa 15,5 mm entspricht und der Schaufelwinkel ε ~ 45° beträgt. Man erkennt, dass in dieser Konfiguration eine maximaler Abscheidegrad bei einer Schaufelanzahl zwischen N=6 und N=7 auftritt. Insofern sind insbesondere Fliehkraftabscheider mit sechs Leitschaufeln bevorzugt. Zusammen mit beispielsweise wechselseitig verkürzten Leitschaufeln und/oder einer Winkelsprei- zung der Anstellwinkel oder Schaufelwinkel der Schaufeln ergeben sich besonders effiziente Fliehkraftabscheider mit günstigen Abscheidegraden und Druckverlusten beim Durchströmen der zu reinigenden Fluide. Die angedeuteten Maßnahmen im Hinblick auf die Schaufelverkürzung, Winkelspreizung, Form des Austragsfensters und/oder Geometrie des Tauchrohrs greifen dabei potenziell synergetisch ineinander und führen zu einfach herstellbaren Filtereinrichtungen mit guter Filterwirkung.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand verschiedener Beispiele und Aspekte von Fliehkraftabscheidern beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern vielfältig modifizierbar. Insbesondere können die verschiedenen, in den Figuren und Aus- führungsbeispielen angesprochenen Aspekte miteinander kombiniert werden. Es ist nicht zwingend notwendig, Leitschaufeln unterschiedlicher Länge vorzusehen. Alleine die Anpassung der Anstellwinkel, Schaufelwinkel, Längen, Breiten oder Verhältnisse zwischen Kerndurchmesser und Gehäusedurchmesser können zur Verbesserung von Zyklonabscheidern führen. Ferner sind die genannten Zahlen, Anzahlen von Leitschau- fein nur beispielhaft zu verstehen. Es können beispielsweise Werte zwischen 2 und 10 Leitschaufeln eingesetzt werden. Die Materialien der Fliehkraftabscheider können an die jeweiligen Einsatzgebiete angepasst werden. Insbesondere denkbar sind spritzgussfähige Kunststoffe.

Claims

Ansprüche
1 . Fliehkraftabscheider (1 ) zum Abscheiden von Partikeln (1 1 ) aus einem Fluid (9), mit einem Gehäuse (2), welches eine Einströmöffnung (13) und eine Ausströmöffnung (14) aufweist, und mehreren Leitschaufel (3 -8) zum Erzeugen eines Wirbelstroms (12) von durch die Eintrittsöffnung (13) einströmendem Fluid (9), wobei die Anströmkanten (17, 18) von mindestens zwei Leitschaufeln (3, 4) in Bezug auf eine Querschnittsfläche (1 12) des Gehäuses (2), welche im Wesentlichen senkrecht zu einer Einströmrichtung (R) des Fluids (9) steht, einen unterschiedlichen Abstand (a1 , a2) haben.
2. Fliehkraftabscheider (1 ) nach Anspruch 1 , wobei mindestens zwei Leitschaufeln (3, 4) eine unterschiedliche Länge (L) haben.
3. Fliehkraftabscheider (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mindestens zwei Leitschaufeln (3, 4) anströmseitig in Fluidströmungsrichtung einen unterschiedlichen Abstand (d1 , d2) von der Einströmöffnung (13) haben.
4. Fliehkraftabscheider (1 ) nach einem der Ansprüche 1 -3, wobei die Leitschaufeln (3-8) zwischen einem axialen Kern (16) und einer Gehäusewand (23) des Gehäuses (2) verlaufen.
5. Fliehkraftabscheider (1 ) nach Anspruch 4, wobei das Gehäuse (2) zumindest abschnittsweise hülsen- oder rohrförmig ausgebildet ist und die Leitschaufeln (3-8) und der axiale Kern (16) einen zylinderförmigen Leitschaufelapparat (21 ) bilden, welcher in dem Gehäuse (2) eingesetzt ist.
6. Fliehkraftabscheider (1 ) nach einem der Ansprüche 1 -5, wobei die Leitschaufeln (3-8) ortsfest angeordnet sind.
7. Fliehkraftabscheider (1 ) nach einem der Ansprüche 1 -6, wobei sich eine Dicke (t) mindestens einer Leitschaufel (3-8) von dem Kern (16) zu der Gehäusewand (23) ändert.
8. Fliehkraftabscheider (1 ) nach einem der Ansprüche 1 -7 wobei sich eine Dicke (t) mindestens einer Leitschaufel (3 -8) entlang ihrer Länge ändert.
9. Fliehkraftabscheider (1 ) nach einem der Ansprüche 1 -8, wobei sich ein Anstellwin- kel (ε) mindestens einer Leitschaufel (3-8) entlang ihrer Länge ändert.
10. Fliehkraftabscheider (1 ) nach einem der Ansprüche 1 -9, wobei sich ein Anstellwin- kel (ε) mindestens einer Leitschaufel (3-8) von dem Kern (16) zu der Gehäusewand (23) ändert.
1 1 . Fliehkraftabscheider (1 ) nach einem der Ansprüche 1-10, wobei ein Anströmprofil (20) mindestens einer Leitschaufel (3-8) geschwungen ist.
12. Fliehkraftabscheider (1 ) nach einem der Ansprüche 1-1 1 , umfassend genau sechs Leitschaufeln (3 -8).
13. Fliehkraftabscheider (1 ) nach einem der Ansprüche 1-12, wobei die Leitschaufeln (3 -8) auf keiner Querschnittsfläche senkrecht zu einer Einströmrichtung miteinander überlappen.
14. Fliehkraftabscheider (1 ) nach einem der Ansprüche 1 -13, wobei der Kern (16) Länger ist als die Leitschaufeln (3 -8).
15. Fliehkraftabscheider (1 ) nach einem der Ansprüche 1 -14, wobei ein Verhältnis zwischen einem Kerndurchmesser (c1 ) und einem Abstand (c2) zwischen der Gehäusewand (23) und dem Kern zwischen 2 und 4 ist.
16. Fliehkraftabscheider (1 ) nach einem der Ansprüche 1 -15, wobei sich eine Querschnittsfläche des Gehäuses (2) in Durchströmrichtung vergrößert.
17. Fliehkraftabscheider (1 ) nach einem der Ansprüche 1 -16, wobei in dem Gehäuse (2) ein von der Ausströmöffnung (14) in Richtung zu der Einströmöffnung (13) sich bevorzugt im Querschnitt verjüngendes Tauchrohr (24) angeordnet ist.
18. Fliehkraftabscheider (1 ) nach Anspruch 17, wobei das Tauchrohr (24) mit Hilfe einer Tauchrohrplatte (25) an der Ausströmöffnung (14) angebracht ist.
19. Fliehkraftabscheider (1 ) nach einem der Ansprüche 1 -18, ferner mit einer Partike- laustragsöffnung (26), welche in Bezug auf eine Längsachse (15) des Gehäuses (2) einen vorgegebenen Winkelabschnitt () in einer Gehäusewand (23) freigibt.
20. Fliehkraftabscheider nach einem der Ansprüche 1 -19, wobei das Tauchrohr in axialer Richtung von den Leitschaufeln beabstandet ist.
21 . Filtereinrichtung (100) mit mehreren Fliehkraftabscheidern (1 , 101 ) nach einem der Ansprüche 1 -19, und einem Gehäuse (102), welches mehrere Öffnungen (1 13) als Einströmöffnungen (13) für die Fliehkraftabscheider (1 , 101 ) und einen fluiddicht von den Öffnungen (1 13) getrennten Ausströmabschnitt (1 14) umfasst, an den die Ausströmöffnungen (14) der Fliehkraftabscheider (1 , 101 ) gekoppelt sind.
22. Filtereinrichtung (100) nach Anspruch 20, wobei umfasst, einen von dem Einströmöffnungen (1 13) und dem Ausströmabschnitt (1 14) fluiddicht getrennten Austrags- abschnitt (126) umfasst, der kommunikativ mit Partikelaustragsfenstern (26) verbunden ist.
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