Vorrichtung zur Ausscheidung von Partikeln aus einem Gas- oder Flüssigkeitsstrom

Stand der Technik Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ausscheidung von Partikeln aus einem

Gas- oder Flüssigkeitsstrom nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE 198 46 115 A1 bekannt. Bei der bekannten Vorrichtung ist an einer Stirnseite eines rohrförmigen Strömungsele- ments eine Schallquelle angeordnet, die in Längsrichtung des Strömungselements eine stehende Schallwelle erzeugt. Ein Gaspartikelstrom wird auf der einen Stirnseite des Strömungselements eingeleitet und aus der anderen Stirnseite über einen Auslass aus dem Strömungselement ausgeleitet. Die bekannte Vorrichtung macht sich den physikalischen Effekt zunutze, dass beim Erzeugen von stehenden Schallwellen unterschiedliche Druck- und Geschwindigkeitsverteilungen längs der Schallwelle vorhanden sind, die dazu führen, dass sich die in einem Gasstrom befindlichen Partikel in den Maxima und Minima der Druckwelle anhäufen, da an diesen Stellen die Geschwindigkeit der von der Druckwelle bewegten Gasteilchen am geringsten ist. Die bekannte Vorrichtung ist primär dazu geeignet, Partikel aus einem Gasstrom herauszufiltern bzw. zu separieren. Dies rührt daher, dass die Schallgeschwindigkeit in dem Gaspartikelstrom abhängig ist von dem Material des Strömungselements, durch das der Gaspartikelstrom geführt ist. Insbesondere bei Materialien, die einen relativ hohen Elastizitätsmodul aufweisen, das heißt starr sind, wie dies üblicherweise bei Metallen oder harten Kunststoffen der Fall ist, wird die Schallgeschwindigkeit des Mediums durch das

Strömungselement nahezu nicht beeinflusst. Da bei Gaspartikelströmen die Schallgeschwindigkeit der Druckwelle relativ gering ist, können selbst bei einer relativ kurzen Länge des Strömungselements genügend Maxima und Minima in der stehenden Welle erzeugt werden, an denen sich die Partikel anhäufen kön- nen. Die bekannte Vorrichtung ist jedoch nicht dazu geeignet, Partikel aus einem

Flüssigkeitsstrom in effizienter Art und Weise herauszufiltern, da Druckwellen in Flüssigkeiten eine bedeutend höhere Ausbreitungsgeschwindigkeit aufweisen als in Gasen. So beträgt beispielsweise die Schallgeschwindigkeit in einem Gas (insbesondere abhängig vom Luftdruck) etwa 330m/s, während sich eine Schallwelle in einem Dieselkraftstoff bei Umgebungsdruck und Umgebungstemperatur mit etwa 1250m/s ausbreitet. Somit beträgt die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Schallwelle in einer Flüssigkeit typischerweise etwa das Vierfache der Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Schallwelle in einem Gas. Dies würde bei der aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung dazu führen, dass die Baulänge des Strömungselementes etwa das Vierfache der ursprünglichen Baulänge betragen müsste, wenn man dieselbe Zahl von Maxima und Minima in der stehenden Druckwelle erzeugen will, um vergleichbare Reinigungswirkungen zu erzielen. Eine derartige Baulänge eines Strömungselements ist jedoch bei den üblicherweise beispielsweise in Kraftfahrzeugen vorhandenen Bauräumen in einem Motorraum nicht akzeptabel.

Offenbarung der Erfindung

Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Auf- gäbe zugrunde, eine Vorrichtung zur Ausscheidung von Partikeln aus einem

Gas- oder Flüssigkeitsstrom nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass diese neben der Verwendung zur Ausscheidung von Partikeln aus Gasströmen auch zur Ausscheidung von Partikeln aus Flüssigkeitsströmen geeignet ist, wobei eine möglichst kompakte Baugröße bzw. Länge des Strö- mungselements bei hoher Reinigungswirkung erzielt werden soll. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die in Wirkverbindung mit der Schallwelle stehende Wand des Strömungselements zumindest bereichsweise Mittel zur Reduzierung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen in dem Gas- oder Flüssig- keitsstom aufweist, deren Überlagerung die stehende Schallwelle erzeugt, und dass die Mittel in der Verwendung eines Materials mit einem gegenüber einem starren Material geringeren Elastizitätsmoduls, vorzugsweise einem Elastizitätsmodul geringer als 20kN/mm ² für die Wand des Strömungselements bestehen. Durch eine derartige Ausbildung der in Wirkverbindung mit den Schallwellen ste- henden Wand des Strömungselements zum Beispiel in Form eines Gummi- schlauchs wird der Effekt erzielt, dass die Schallgeschwindigkeit von sich in dem Medium ausbreitenden Schallwellen reduziert wird, so dass auch bei in Längsrichtung relativ kurzen Strömungselementen genügend Maxima und Minima in der stehenden Schallwelle erzeugt werden, an denen sich die Partikel anreichern können.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ausscheidung von Partikeln aus einem Gas- oder Flüssigkeitsstrom sind in den Unteransprüchen aufgeführt. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in den Ansprüchen, der Beschreibung und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.

In einer besonders einfach umsetzbaren Ausgestaltung des Strömungselements wird zur Erzielung eines relativ geringen Elastizitätsmoduls vorgeschlagen, dass die Wand des Strömungselements zumindest auf der der Schallwelle zugewand- ten Seite aus einem elastischen Material, wie Gummi, besteht.

Eine besonders einfache wirkungsvolle Einleitung der Schallwelle in das Strömungselement lässt sich darüber hinaus erzielen, wenn die Einrichtung zur Erzeugung einer stehenden Schallwelle einen in das Strömungselement hineinra- genden, kolbenartigen Abschnitt umfasst, der in Längsrichtung des Strömungselements verschiebbar ist, und der in Wrkverbindung mit einer Schallquelle angeordnet ist.

Bei dieser Ausgestaltung ist es darüber hinaus zur Vermeidung von Leckagever- lusten vorteilhaft, wenn der Kolben bzw. der kolbenartige Abschnitt zum Strömungselement hin abgedichtet ist.

Zur Fixierung der stehenden Welle ungestört von Ein- und Auslass kann es darüber hinaus vorgesehen sein, dass in dem Strömungselement auf der dem Ein- lass zugewandten Seite ein Sieb- oder Membranelement im Strömungsquerschnitt angeordnet ist.

Um ein derartiges Strömungselement möglichst einfach reinigen zu können, wird darüber hinaus vorgeschlagen, dass zur Reinigung bzw. Ausleitung von Partikeln aus dem Strömungselement ein zusätzlicher Auslass am Strömungselement vor- gesehen ist, der auf der Seite des Einlasses für den Gas- oder Flüssigkeitsstrom angeordnet ist.

Es kann auch vorgesehen sein, den Gas- oder Flüssigkeitsstrom zweistufig zu reinigen. Hierzu weist die Vorrichtung zwei separate Strömungselemente auf, die von dem Gas- oder Flüssigkeitsstrom nacheinander durchströmt werden, wobei die beiden Strömungselemente in Wirkverbindung mit einer einzigen Einrichtung zur Erzeugung der stehenden Schallwelle in dem jeweiligen Strömungselement angeordnet sind. Dadurch wird es ermöglicht, den vorrichtungstechnischen Aufwand durch die Verwendung lediglich einer einzigen Einrichtung zur Erzeugung der stehenden Schallwelle zu reduzieren.

Besonders bevorzugt ist die Verwendung eines Piezoaktors zur Erzeugung einer stehenden Schallquelle, da diese insbesondere im Resonanzbetrieb einen hohen Wrkungsgrad aufweisen.

Zur Erkennung des Anreicherungsgrades der Partikel in dem Strömungselement ist weiterhin eine Ausgestaltung der Erfindung vorteilhaft, bei der im Bereich des Strömungselements wenigstens eine Sensoreinrichtung zur Erfassung der Partikeldichte in dem Strömungselement vorgesehen ist, vorzugsweise in Form eines optisch arbeitenden Sensors.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung

Diese zeigt in:

Fig. 1 und 2 unterschiedliche Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Verwendung eines einzelnen Strömungselements jeweils in vereinfachtem Längsschnitt und

Fig. 3 und 4 Ausgestaltungen der Erfindung bei der Verwendung zweiter

Strömungselemente, ebenfalls jeweils in vereinfachtem Längsschnitt. Gleiche Bauteile bzw. Bauteile mit gleicher Funktion sind mit den gleichen Bezugsziffern versehen.

In der Fig. 1 ist eine erste Vorrichtung 10 zur Ausscheidung von Partikeln 1 aus einem Gas- oder Flüssigkeitsstrom dargestellt. Im Falle eines Gasstroms kann es sich beispielsweise um das Abgas eines Kraftfahrzeugs, insbesondere das Abgas einer selbstzündenden Brennkraftmaschine handeln, bei der die Partikel 1 in Form von Russpartikeln vorhanden sind. Im Falle eines Flüssigkeitsstroms kann es sich beispielsweise um einen Benzin- oder Dieselkraftstoffstrom handeln, in dem Verunreinigungen bzw. Fremdpartikel vorhanden sind, die, bevor das Benzin bzw. der Dieselkraftstoff zum Betrieb der Brennkraftmaschine verwendet wird, gereinigt werden soll.

Die Vorrichtung 10 umfasst ein Strömungselement 11 in Form eines beispielhaft zylindrisch ausgebildeten Rohres 12, dessen beide Stirnseiten 13, 14 offen ausgebildet sind. Das Rohr 12 weist eine Längsachse 15 auf. Im Bereich der einen Stirnseite 13 weist das Rohr 12 einen Einlass 16 mit einem Einlassstutzen 17 auf, der senkrecht zur Längsachse 15 angeordnet ist. Im Bereich der anderen Stirnseite 14 weist das Rohr 12 einen Auslass 18 mit einem Auslassstutzen 19 auf, der ebenfalls senkrecht zur Längsachse 15 ausgerichtet ist. Im dargestellten

Ausführungsbeispiel befinden sich der Einlassstutzen 17 sowie der Auslassstutzen 19 auf derselben Seite des Rohrs 12. Selbstverständlich ist es auch denkbar, den Einlassstutzen 17 und den Auslassstutzen 19 auf einander gegenüberliegenden Seiten des Rohrs 12 anzuordnen.

In die eine Stirnseite 14, die sich auf der Seite des Auslasses 18 befindet, ragt ein im Querschnitt hutförmig ausgebildeter Kolben 20 hinein. Der Kolben 20 ist im Bereich seines zylindrisch ausgebildeten Außenumfangs in einer Führung 21 des Rohrs 12 geführt, derart, dass der Kolben 20 in Richtung des Doppelpfeils 23 in Richtung der Längsachse 15 auf- und abbeweglich angeordnet ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist die in das Rohr 12 hineinragende Kolbenfläche 24 des Kolbens 20 denselben Querschnitt auf wie das Rohr 12. Ein radial umlaufender Rand 26 des Kolbens 20 ist mittels einer Dichtmanschette 27 zum Rohr 12 hin abgedichtet, wobei die Dichtmanschette 27 beispielhaft an der Au- ßenseite der Führung 21 befestigt ist. Darüber hinaus ist eine Rückstellfeder 28 vorgesehen, die sich zwischen dem Rand 26 und der dem Rand 26 gegenüber- liegenden Stirnfläche der Führung 21 abstützt, und die den Kolben 20 mit einer Federkraft beaufschlagt, die diesen aus dem Rohr 12 herausdrückt.

Der Kolben 20 ist mit einer Einrichtung 30 zur Erzeugung einer stehenden Schallwelle 5 in der Vorrichtung 10 bzw. in dem Rohr 12 verbunden. Die Einrichtung 30 umfasst beispielsweise einen Wirbelstromaktor 31 oder einen Piezoaktor 32 oder einen anders gearteten Aktor, der dazu geeignet ist, durch Anregen des Kolbens 20 bzw. der Kolbenfläche 24 in Längsrichtung des Rohrs 12 in dem das Rohr 12 durchströmenden Gas- oder Flüssigkeitsstrom eine stehende Schallwel- le 5 zu erzeugen. Eine derartige stehende Schallwelle 5 entsteht in bekannter Art und Weise durch Überlagerung zweier gegenläufig fortschreitender Schallwellen gleicher Frequenz und gleicher Amplitude, wobei die beiden Schallwellen ggf. aus zwei verschiedenen Erregern stammen können oder durch Reflexion einer Welle an einem Hindernis entsteht.

Bei der in der Fig. 1 dargestellten Anordnung der Einrichtung 30 bzw. des Kolbens 20 auf der dem Auslassstutzen 19 zugewandten Stirnseite 14 des Rohrs 12 wird davon ausgegangen, dass das Rohr 12 von einem Flüssigkeitsstrom durchströmt wird. Soll das Rohr 12 hingegen von einem Gasstrom durchströmt wer- den, so wird der Gasstrom im Bereich des Auslassstutzens 19 in das Rohr 12 eingeführt und im Bereich des Einlassstutzens 17 aus dem Rohr 12 ausgeführt. Einlassstutzen 17 und Auslasstutzen 19 sind somit vertauscht.

Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die Vorrichtung 10, insbesondere das Strömungselement 1 1 , Mittel zum Herabsetzen der Schallgeschwindigkeit der

Schallwelle 5 in dem Rohr 12 aufweist. Hierzu ist die Wand 35 auf der dem Gasbzw. Flüssigkeitsstrom zugewandten Seite auf seiner gesamten Länge (mit Ausnahme des Bereichs des Einlassstutzens 17 und des Auslassstutzens 19) mit einem relativ geringem Elastizitätsmodul, vorzugsweise einem Elastizitätsmodul kleiner als als 20kN/mm ² ausgestattet. Eine derartige Ausgestaltung kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Wand 35 auf der dem Gas- bzw. Flüssigkeitsstrom zugewandten Seite mit einem elastischen Material, beispielsweise mit Gummi beschichtet bzw. versehen ist. Alternativ hierzu kann jedoch auch die gesamte Wand 35 aus einem Material mit dem angesprochenen geringen Elastizi- tätsmodul bestehen. Eine Herabsetzung des Elastizitätsmoduls kann in gewis- sem Maße auch dadurch erzielt werden, dass die Wandstärke der Wand 35 relativ gering gewählt wird.

Zuletzt ist auf der dem Einlassstutzen 17 gegenüberliegenden Seite der Stirnsei- 5 te 13 ein Ablaufstutzen 36 vorgesehen, über den im Bereich des Rohrs 12 angereicherte Partikel 1 , beispielsweise durch Ausspülen mit einer Flüssigkeit oder mit Luft, aus dem Bereich des Rohrs 12 entfernt werden können.

Die soweit beschriebene Vorrichtung 10 arbeitet wie folgt: Mittels der Einrichtung 10 30 wird über den Kolben 20 in dem Rohr 12 die stehende Schallwelle 5 erzeugt.

Diese weist in Längsrichtung, d.h. in Richtung der Längsachse 15 des Rohrs 12 unterschiedliche Druck- und Geschwindigkeitsverteilungen auf, derart, dass sich lokale Minima 6 und lokale Maxima 7 in der Schallwelle 5 ausbilden. Im Bereich der Minima 6 bzw. Maxima 7 der Schallwelle 5 weist diese ihre minimale Gei s schwindigkeit auf. Dies führt dazu, dass im Bereich der Minima 6 und der Maxima 7 sich die in dem Gas- oder Flüssigkeitsstrom befindlichen Partikel 1 anreichern und somit nicht über den Auslass 18 weitertransportiert werden. Das Ausscheiden der Partikel 1 kann beispielsweise über die offene Stirnseite 14 des Rohrs 12, oder wie beschrieben, durch einen Spülvorgang über den Ablaufstut- 20 zen 36 erfolgen.

Um festzustellen, ob ein Entfernen der angereicherten Partikel 1 aus dem Rohr 12 erforderlich ist, kann es vorgesehen sein, dass im Bereich des Rohrs 12, beispielsweise in einer Aussparung des Rohrs 12 oder einem transparent ausgebil-

25 deten Bereich des Rohrs 12 eine Sensoreinrichtung 40 angeordnet ist, insbesondere im Bereich der angesprochenen Minima 6 bzw. Maxima 7. Zumindest muss die Sensoreinrichtung 40 dazu geeignet sein, den Bereich der Minima 6 und der Maxima 7 zu erfassen. Vorzugsweise umfasst die Sensoreinrichtung 40 einen optisch arbeitenden Sensor 41 , der auf das Vorhandensein der Partikel 1 an-

30 spricht.

In der Fig. 2 ist eine modifizierte Vorrichtung 10a dargestellt. Die Vorrichtung 10a unterscheidet sich von der Vorrichtung 10 gemäß der Fig. 1 dadurch, dass lediglich der Bereich der Wand 35a, der sich in Längsrichtung zwischen dem Einlass 35 16 und dem Auslass 17 des Rohrs 12a befindet, mit den angesprochenen Merkmalen des verringerten Elastizitätsmoduls ausgestattet ist. Demgegenüber ist die Wand 35a in Höhe des Einlasstutzens 17 und des Auslassstutzens 19 massiv ausgebildet, d.h., sie weist einen gegenüber dem angesprochenen Zwischenbereich höheren Elastizitätsmodul auf. Darüber hinaus ist die Stirnseite 13 des Rohrs 12a geschlossen ausgebildet, und in etwa in Höhe des Einlassstutzens 17 ist im Strömungsquerschnitt des Rohrs 12a ein Element 45, beispielsweise in

Form einer Membran oder eines Siebes angeordnet, die bzw. der dazu geeignet ist, die stehende Welle 5 ungestört vom Einlass 16 und vom Ablaufstutzen 36zu fixieren. In der Fig. 3 ist eine Vorrichtung 50 unter Verwendung zweier rohrförmiger Strömungselemente 51 , 52 dargestellt. Die beiden Strömungselemente 51 , 52 sind prinzipiell identisch zu den Rohren 12, 12a der Vorrichtungen 10, 10a ausgebildet und parallel zueinander angeordnet. In die beiden offenen Stirnseiten 53, 54 der Strömungselemente 51 , 52 ragt jeweils ein Kolben 20 einer Einrichtung 30 hinein, wobei die beiden Einrichtungen 30 der Vorrichtung 50 beispielhaft identisch zu der Einrichtung 30 bei der Vorrichtung 10, 10a ausgebildet sind. Die den Stirnseiten 53, 54 gegenüberliegenden Stirnseiten 56, 57 der Strömungselemente 51 , 52 sind über einen Verbindungskanal 58 miteinander verbunden. Mittig im Verbindungskanal 58 ist eine Strömungsklappe 59 angeordnet, die den über den Einlassstutzen 61 in die Vorrichtung 50 einströmenden Gas- oder Flüssigkeitsstrom in Richtung des einen Strömungselementes 51 oder des anderen Strömungselements 52 leitet.

Die beiden Strömungselemente 51 , 52 sind im Bereich der Stirnseiten 53, 54 mit- tels eines weiteren Verbindungskanals 62 miteinander verbunden, der mittig einen Auslassstutzen 63 aufweist. Mittels der Vorrichtung 50 ist es möglich, die beiden Strömungselemente 51 , 52 abwechselnd zu durchströmen, so dass ein kontinuierlicher Betrieb der Vorrichtung 50 erzielt werden kann. Dies ist dann erforderlich, wenn aus einem der Strömungselemente 51 , 52 die Partikel 1 entfernt werden sollen, und die Vorrichtung 50 nichtsdestotrotz den benötigten Gas- oder

Flüssigkeitsstrom bereitstellen bzw. reinigen soll.

In der Fig. 4 ist eine weitere Vorrichtung 70 dargestellt. Auch die Vorrichtung 70 umfasst zwei rohrförmige Strömungselemente 71 , 72, wobei die Strömungsele- mente 71 , 72 entlang einer gemeinsamen Längsachse 73 angeordnet sind. Die beiden offenen Stirnseiten 74, 75 der beiden Strömungselemente 71 , 72 liegen direkt gegenüber. Im Zwischenraum zwischen den beiden Strömungselementen 71 , 72 ist eine Einrichtung 76 zur Erzeugung von stehenden Schallwellen 5 im Bereich der beiden Strömungselemente 71 , 72 angeordnet. Wesentlich ist, dass die Einrichtung 76 gleichzeitig in Wirkverbindung mit zwei Kolben 20 angeordnet ist, die jeweils in die offene Stirnseite 74, 75 der Strömungselemente 71 , 72 hineinragen. Somit wird es mittels einer einzigen Einrichtung 76 ermöglicht, in beiden Strömungselementen 71 , 72 gleichzeitig eine stehende Schallwelle 5 zu erzeugen, wobei es bevorzugt vorgesehen ist, dass die Einrichtung 76 bzw. deren vorzugsweise als Piezoaktor ausgebildeter Aktor im Resonanzbetrieb arbeitet. Auf der der Stirnseite 74 des Strömungselements 71 abgewandten Seite ist dieses mit einem Einlasskanal 78 ausgestattet, dessen offenes Ende 79 einen Ablauf bzw. Spülkanal ausbildet. In den Einlasskanal 78 mündet ein Einlassstutzen 80 für den Gas- oder Flüssigkeitsstrom, wobei der Einlassstutzen 80 ein erstes Rückschlagventil 81 aufweist.

Die beiden Strömungselemente 71 , 72 sind im Bereich ihrer beiden gegenüberliegenden Stirnseiten 74, 75 mittels eines Verbindungskanals 83 miteinander verbunden, wobei in dem Verbindungskanal 83 ein zweites Rückschlagventil 84 sowie ein Ablauf- bzw. Spülkanal 85 angeordnet sind. Zuletzt weist das Strö- mungselement 72 auf der der Stirnseite 75 gegenüberliegenen Seite einen Auslassstutzen 86 auf. Mittels der Vorrichtung 70 ist es möglich, den Gas- oder Flüssigkeitsstrom im Bereich des einen, ersten Strömungselements 71 vorzureinigen und im Bereich des zweiten Strömungselements 72 endzureinigen, wobei die beiden Strömungselemente 71 , 72 getrennt voneinander gereinigt bzw. gespült werden können. Eine Beeinflussung der Reinigungswirkung in den beiden Strömungselementen 71 , 72 ist beispielsweise über unterschiedliche Masseverhältnisse der zwei Kolben 20 und/oder unterschiedliche Längen oder Durchmesser der Strömungselemente 71 , 72 möglich. Die soweit beschriebenen Vorrichtungen 10, 10a, 50 und 70 können in vielfältiger

Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Dieser besteht darin, die jeweiligen Strömungselemente 1 1 , 51 , 52 bzw. 71 , 72 zumindest bereichsweise derart auszubilden, dass die Schallgeschwindigkeit innerhalb des Strömungselements 11 , 51 , 52 bzw. 71 , 72 herabgesetzt wird, um die Anzahl der Minima 6 bzw. Maxima 7 der stehenden Schallwellen 5 innerhalb der Strömungselemente 11, 51, 52 bzw.71, 72 höhung der Reinigungswirkung zu vergrößern.