[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abscheiden von Staub aus staubbeladener
Luft, insbesondere zur Verwendung in einem Staubsauger, in Form eines Zyklon-Abscheiders,
bei dem die Luft einem wenigstens annähernd rotationssymmetrischen Behälter über einen
tangential angeordneten Einlass zugeführt wird und nach dem Durchströmen einer Staubsammelkammer
über einen axial angeordneten Auslass abgeführt wird.
[0002] Bei Staubsaugern, insbesondere bei Bodenstaubsaugern, kommen Staubrückhaltesysteme
zum Einsatz, die in der Regel zwischen dem Lufteinlass eines Staubsammelraums und
der Saugseite eines Gebläses angeordnet sind und den aufgenommenen Staub vor dem Eintritt
in das Gebläse zurückhalten. Die bekannteste Variante ist ein als Beutel geformter
Filter, welches innenbeaufschlagt ist, d. h., der Staub lagert sich im Inneren des
Beutels ab. Dem Beutel ist in der Regel noch ein Feinstaubfilter nachgeschaltet, welcher
Staubpartikel in der Größenordnung von weniger als 2 µm aufnimmt, die den Beutel passieren.
Die Entfernung dieses Staubanteils aus der Raumluft gewinnt mit der ansteigenden Zahl
von Allergikern an Bedeutung, da diese Partikel wegen ihrer geringen Größe lungengängig
sind und deshalb zu einer gesundheitlichen Belastung führen. Bei Erreichen der maximalen
Aufnahmekapazität, die bei ca. 400 Gramm liegt, muss der Beutel ausgetauscht werden,
dies kann insbesondere bei verschließbaren Beuteln hygienisch erfolgen, da der Staub
im Beutel bleibt und mit diesem entsorgt wird. Ein solcher Austausch ist je nach Gebrauchsgewohnheit
mehrmals im Jahr erforderlich und verursacht Kosten. Auch der Feinstaubfilter muss
nach einer gewissen Nutzungszeit ausgetauscht werden, hier sind jedoch die Intervalle
wegen der geringen Menge des Feinstaubs größer, von den Herstellern wird ein Austausch
nach ca. einem Jahr empfohlen. Wegen der geringen Partikelgrößen entsteht ein kleiner
Masseanteil an Feinstaub, deshalb besitzen handelsübliche Feinstaubfilter ein Fassungsvermögen
von etwa 10 Gramm.
[0003] In manchen Kleinstsaugern, Mehrzwecksaugern oder Gewerbegeräten gibt es außenbeaufschlagte
Filter, die das Gebläse umgeben. Der Vorteil ist die größere Aufnahmekapazität, der
Nachteil besteht darin, dass die Filter dieser Staubsauger nur für Grobstaub ausgelegt
sind, der Feinstaub, welcher allergieauslösende Pollen und Mikroorganismen beinhaltet,
passiert den Filter und wird vom Gebläse in den Raum zurückgeblasen und dabei sogar
aufgewirbelt.
[0004] Es besteht der Wunsch nach einem wiederverwendbaren Filtersystem für Grobstaub, welches
folgende Eigenschaften besitzt:
- kompakter Aufbau;
- hygienische Entnahmemöglichkeit des gesammelten Staubs;
- geringe Saugleistungsverluste;
- geringe Geräuschentwicklung.
[0005] Hier sind im Wesentlichen folgende Systeme bekannt:
- 1. auswaschbare und wiederverwendbare Textilfilterbeutel (DE 199 11 331 C1); hier bestehen in erster Linie Bedenken hinsichtlich der Hygiene, da die stark verunreinigten
Beutel zunächst manuell geleert und anschließend in der Waschmaschine gewaschen werden
müssen;
- 2. Staubkassetten aus porösem Sintermaterial (EP 1 179 312 A2);
- 3. Fliehkraft-Abscheider, auch Zyklon-Abscheider genannt (EP 0 647 114 B1).
[0006] Die beiden letztgenannten Systeme bieten die Möglichkeit, den Staubsammelbehälter
einfach zu entnehmen, zu entleeren und bei Verschmutzung zu reinigen. Bei handelsüblichen
Systemen, insbesondere bei den Zyklon-Abscheidern, wird bisher versucht, die von den
Staubbeuteln bekannte Staubabscheidung nachzubilden. Aus diesem Grund ist die Trenngrenze
der Abscheider bei Gebläseleistungen von 1500 bis 2200 Watt, die in gewöhnlichen Haushaltsstaubsaugern
üblich sind, sehr niedrig und es befinden sich große Mengen von lungengängigem Feinstaub
in den Staubsammelbehältern. Das Entleeren dieser Behälter führt dann dazu, dass die
leichteren Bestandteile des ausgeschütteten Staubs auffliegen und sich in der Luft
verteilen. Hierdurch werden insbesondere Allergiker belastet.
[0007] Um dies zu vermeiden, wird in der
WO 2007/022959 A2 vorgeschlagen, ein Staubabscheide-System auf Basis eines Massenträgheits-Abscheiders
zu verwenden, mit welchem der Staub in drei Fraktionen getrennt werden kann, wobei
die Trenngrenzen bei Staubpartikelgrößen von 200 µm (1. Stufe) und bei 30 µm (2. Stufe)
liegen. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird der zweiten Fraktion, bei der
die Staubpartikel mehrheitlich eine Größe zwischen 30 µm und 200 µm besitzen, ein
Staubbindemittel zugegeben. Es kann dann vorteilhaft sein, wenn in dem Sammelbehälter,
der diese zweite Fraktion aufnimmt, eine gerichtete Luftverwirbelung stattfindet,
um Staubpartikel und Staubbindemittel zu vermischen. Eine solche Luftverwirbelung
findet in dem Staubsammelbehälter des vorbeschriebenen Massenträgheits-Abscheiders
nicht statt.
[0008] Der Erfindung stellt sich somit das Problem, eine Vorrichtung zum Abscheiden von
Staub aus staubbeladener Luft zu offenbaren, welche einerseits auf dem Prinzip des
Zyklon-Abscheiders basiert und deshalb eine Verwirbelung der Staubpartikel im Staubsammelbehälter
verursacht und bei welcher andererseits die Trenngrenze weit über der Partikelgröße
von lungengängigem Feinstaub (weniger als 2 µm) liegt.
[0009] Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung
ergeben sich aus den nachfolgenden Unteransprüchen.
[0010] Die mit der Erfindung erreichbaren Vorteile ergeben sich dadurch, dass der Behälter
derart ausgebildet ist, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Luftstroms im Einströmbereich
des Auslasses geringer als im Bereich des Einlasses ist. Hierdurch wird erreicht,
dass nur große Partikel in der Staubsammelkammer verbleiben.
[0011] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen rein schematisch dargestellt
und wird nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt
- Figur 1
- einen Zyklon-Abscheider herkömmlicher Bauart,
- Figur 2
- eine Prinzipskizze eines verbesserten Zyklon-Abscheiders,
- Figur 3
- den Zyklon-Abscheider nach Figur 1 mit verbessertem Tauchrohr,
- Figur 4
- den Zyklon-Abscheider nach Figur 2 mit einer Prallplatte.
[0012] Figur 1 zeigt einen tangential angeströmten Zyklon-Abscheider herkömmlicher Bauart.
Dieser ist aus einem wenigstens annähernd rotationssymmetrischen, hier zylindrischen
Behälter 1 aufgebaut und besitzt einen tangential angeordneten Einlass 2, über den
die Luft zugeführt wird, und einen axial angeordneten Auslass in Form eines in den
Behälter 1 ragenden Tauchrohrs 2. Der untere Teil des Behälters, der von der staubbeladenen
Luft auf dem Weg vom Einlass 2 zum Auslass 3 durchströmt wird, fungiert als Staubsammelkammer
4.
[0013] Die Luft gelangt mit einer Einlaufgeschwindigkeit v
E durch den Einlass 2 in den Behälter 1 auf einer Kreisbahn mit dem Radius r
E, der dem mittleren Abstand des Einlasses 2 von der Symmetrieachse 5 des Behälters
1 entspricht. Dabei wird ein Luftwirbel mit dem Drehimpuls L erzeugt, der dem Produkt
aus Einlaufradius und -geschwindigkeit proportional ist:
[0014] Die Luft verlässt den Behälter 1 durch den Auslass 3, wobei sich der Luftwirbel auf
den Radius r
T des Tauchrohrs 3 zusammenzieht. Da hier der Drehimpulserhaltungssatz
gilt, ergibt sich für die Tangentialgeschwindigkeit v
T am Tauchrohr 3:
[0015] Bei herkömmlichen Zyklon-Abscheidern ist r
E immer deutlich größer als r
T; üblicherweise zwei- bis viermal. Das bedeutet aber, dass die Tangentialgeschwindigkeit
v
T am Tauchrohr 3 auch zwei- bis viermal höher ist als die Einlaufgeschwindigkeit v
E am Einlass 2. Für die Abscheidung der mitgeführten Staubteilchen ist die Zentrifugalbeschleunigung
a
T am Tauchrohr ausschlaggebend, für die gilt
[0016] Bei gegebenem v
E wird die Zentrifugalbeschleunigung also um einen Faktor 4 - 16 erhöht. Dadurch werden
auch kleinste Teilchen abgeschieden. Die Trenngrenze dieser Zyklon-Abscheider liegt
bei den in Haushalts-Staubsaugern vorhandenen Gebläseleistungen im Bereich von 1500
bis 2200 Watt in der Größenordnung von 1 µm.
[0017] Herkömmliche Zyklon-Abscheider haben in Staubsaugern daher folgende Nachteile:
- 1. Durch die niedrige Trenngrenze von ca. 1 µm können sie zwar einen Staubbeutel nahezu
ersetzen, belasten beim Entleeren die Atemluft aber mit sehr viel lungengängigem Feinstaub.
- 2. Durch die hohen Geschwindigkeiten werden auch die Druckverluste durch den Zyklon
sehr hoch.
- 3. Außerdem führen die hohen Geschwindigkeiten noch zu einer erheblichen Geräuschentwicklung.
[0018] Der in Figur 2 dargestellte Abscheider vermeidet diese Nachteile, indem er die in
die Staubsammelkammer 14 im unteren Teil des Behälters 11 einströmende Luft nicht
beschleunigt, sondern abbremst. Erreicht wird dies dadurch, dass erfindungsgemäß der
Radius r
T2 des Tauchrohrs 13 größer als der mittlere Abstand r
E2 des Einlasses 12 von der Symmetrieachse 15 ist. Die Luft gelangt mit der Einlaufgeschwindigkeit
v
E mit einem sehr kleinen Radius r
E2 in den Behälter. Nach unten weiten sich der Behälter 11 und das Tauchrohr 13 trichterförmig
auf. So wird der Radius des im Einlassbereich erzeugten Wirbels zum Einströmbereich
des Tauchrohrs 13 hin vergrößert und deshalb die Strömungsgeschwindigkeit des Luftstroms
wegen des Drehimpulserhaltungssatzes und der Wandreibung abgebremst. Die Tangentialgeschwindigkeit
v
T2 ist dann im Vergleich zu herkömmlichen Zyklon-Abscheidern mit tangentialer Anströmung
mindestens um den Faktor 10 reduziert. Dadurch werden nicht nur der Druckverlust und
die Geräuschentwicklung minimiert, sondern es wird auch noch die Trenngrenze in den
Bereich von 20-30 µm verschoben. Im Staubsammelbehälter 14 verbleibt deshalb kein
Feinstaub und er kann ohne Staubentwicklung geleert werden.
[0019] Figur 3 zeigt im Längsschnitt einen Abscheider, bei dem durch eine vorteilhafte Ausgestaltung
des Tauchrohres 13 die Abscheidung von Feinstaub noch weiter verbessert wird. Hierzu
ist der Einströmbereich des Tauchrohrs 13 von einem Gitter 16 umgeben, welches einen
geschlossenen Boden 17 besitzt. Die gitterförmige Struktur erfüllt zwei Funktionen:
Sie vergleichmäßigt die Strömung, die in das Tauchrohr 13 eintritt und verbessert
so die Trennschärfe des Zyklon-Abscheiders. Außerdem wirkt sie als Schutz für ein
nachgeschaltetes Feinfilter (nicht dargestellt). Bei Betriebsstörungen (z.B. Zyklon
verstopft oder nicht ordnungsgemäß geschlossene Bodenklappe 18) könnten sonst größere
Mengen gröberer Schmutz in das Feinfilter gelangen und es verstopfen. Beide Funktionen
könnten durch das gezeigte Gitter 16, aber auch durch eine Siebstruktur oder ein Lochblech
verwirklicht werden. Die Gitteranordnung hat den Vorteil, dass sie sich leichter reinigen
lässt. Denn nicht nur bei Betriebsstörungen, sondern auch im Normalbetrieb können
sich gelegentlich Fasern im Strömungsgleichrichter verfangen.
[0020] Neben dem oben beschriebenen Wirbel existiert noch eine überwiegend vertikale Sekundärströmung
(angedeutet durch die Pfeile 19), die Schmutzteilchen, die sich durch Flieh- und Schwerkraft
am Behälterboden angesammelt haben, wieder aufwirbeln kann. Das Tauchrohr 13 ist daher
nach unten durch den Gitterboden 17 strömungstechnisch abgeschlossen, damit die abgeschiedenen
Teilchen nicht doch noch aufgewirbelt werden und weiter transportiert werden.
[0021] Eine weitere Verbesserung besteht darin, einen beruhigten Sammelbereich zu schaffen,
in dem die Sekundärströmung so stark abgeschwächt wird, dass sie die abgeschiedenen
Teilchen nicht mehr aufwirbeln kann. Bild 4 zeigt die Einbaumaßnahmen, mit denen ein
solcher beruhigter Sammelbereich erreicht werden kann. Es sind dies
- ein konischer Ring 20, der die Sekundärströmung nach innen lenkt,
- und eine runde Prallplatte 21, deren Durchmesser in etwa dem kleinsten Durchmesser
des konischen Ringes entspricht und die die noch vorhandene Vertikalkomponente der
Sekundärströmung blockiert.
[0022] Größere Teilchen (> 30µm), die im Bereich des Tauchrohrgitters 16 abgeschieden werden,
gelangen durch die Sekundärströmung und die Schwerkraft in den Spalt 22 zwischen konischem
Ring 20 und Prallplatte 21. Hier werden sie durch die Fliehkraft nach außen und durch
die Gravitation nach unten gedrückt und gelangen so in den unteren Teil des Staubsammelbehälters
14 zwischen Bodenklappe 18 und Prallplatte 21.
[0023] Der ursprüngliche Zyklonwirbel wird durch die Einbauten 20 und 21 nur wenig behindert,
da sie rotationssymmetrisch sind. Daher ist er sogar im Sammelbereich noch in abgeschwächter
Form vorhanden und kann benutzt werden, um den abgeschiedenen Staub mit einem Bindemittel
zu vermischen.
[0024] Ring 20 und Prallplatte 21 sind hier im Zusammenspiel dargestellt, sie reduzieren
aber auch einzeln bereits die Vertikalkomponente der Sekundärströmung 19.
1. Vorrichtung zum Abscheiden von Staub aus staubbeladener Luft, insbesondere zur Verwendung
in einem Staubsauger, in Form eines Zyklon-Abscheiders, bei dem die Luft einem wenigstens
annähernd rotationssymmetrischen Behälter (11) über einen tangential angeordneten
Einlass (12) zugeführt wird und nach dem Durchströmen einer Staubsammelkammer (14)
über einen axial angeordneten Auslass abgeführt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Behälter (11) derart ausgebildet ist, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Luftstroms
im Einströmbereich des Auslasses (3) geringer als im Bereich des Einlasses (12) ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der mittlere Abstand (rE2) des Einlasses (12) von der Symmetrieachse (15) geringer ist als der Radius (rT2) des Auslasses.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Behälter (11) vom Einlass (12) zur Staubsammelkammer (14) erweitert ist, wobei
die Erweiterung vorzugsweise trichterförmig ausgebildet ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Auslass (3) als in die Staubsammelkammer (14) ragendes Tauchrohr (13) ausgebildet
ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Tauchrohr (13) sich ausgehend von seinem Einströmbereich trichterförmig verjüngt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Einströmbereich des Tauchrohrs (13) von einem Sieb oder Gitter (16) umgeben ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Sieb oder Gitter (16) einen geschlossenen Boden (17) besitzt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Gitter (16) insbesondere im Bereich des Bodens (17) von einem konischen Ring
(20) umgeben ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass unterhalb des Rings (20) eine Prallplatte (21) angeordnet ist.