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.

Bei Staubsaugern, insbesondere bei Bodenstaubsaugem, 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.

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.

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.

Hier sind im Wesentlichen folgende Systeme bekannt:

1. 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. 2. Staubkassetten aus porösem Sintermaterial (EP 1 179 312 A2);
3. 3. Fliehkraft-Abscheider, auch Zyklon-Abscheider genannt (EP 0 647 114 B1).

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 Staubsammelbehältem. 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.

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.

Aus der DE 10 2006 046 328 B4 ist ein Zyklon-Abscheider bekannt, welcher aus einer Kombination eines Tangential-Abscheiders und eines Axial-Abscheiders besteht. Dem Axial-Abscheider ist ein trichterförmiger Kragen vorangestellt.

Die EP 1 985 217 A2 und die EP 1 602 308 A1 zeigen Zyklon-Abscheider, bei denen dem Auslass ein trichterförmiger Bereich vorgeschaltet ist. Dieser trägt jedoch nicht zur Änderung der Strömungsgeschwindigkeit bei, da Teile des Auslasses hinter dem Trichter perforiert sind.

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.

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.

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, indem der mittlere Abstand des Einlasses von der Symmetrieachse geringer ist als der Radius des Auslasses. Hierdurch wird erreicht, dass nur große Partikel in der Staubsammelkammer verbleiben.

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.

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.

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: $$\mathrm{L}={\mathrm{v}}_{\mathrm{E}}{\mathrm{x\; r}}_{\mathrm{E}}$$

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
L = konstant
gilt, ergibt sich für die Tangentialgeschwindigkeit v_T am Tauchrohr 3: $${\mathrm{v}}_{\mathrm{T}}={\mathrm{v}}_{\mathrm{E}}{\mathrm{x\; r}}_{\mathrm{E}}/{\mathrm{r}}_{\mathrm{T}}$$

Bei herkömmlichen Zyklon-Abscheidern ist r_E immer deutlich größer als r_T; üblicherweise zweibis viermal. Das bedeutet aber, dass die Tangentialgeschwindigkeit v_T am Tauchrohr 3 auch 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 $${\mathrm{a}}_{\mathrm{T}}\approx {{\mathrm{v}}_{\mathrm{T}}}^{\mathrm{2}}$$

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.

Herkömmliche Zyklon-Abscheider haben in Staubsaugern daher folgende Nachteile:

1. 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. 2. Durch die hohen Geschwindigkeiten werden auch die Druckverluste durch den Zyklon sehr hoch.
3. 3. Außerdem führen die hohen Geschwindigkeiten noch zu einer erheblichen Geräuschentwicklung.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Ring 20 und Prallplatte 21 sind hier im Zusammenspiel dargestellt, sie reduzieren aber auch einzeln bereits die Vertikalkomponente der Sekundärströmung 19.