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Die
Erfindung betrifft elektrostatische Abscheider, insbesondere elektrostatische
Kurbelgehäuseentlüftungen
für Blow-by-Gas
für Dieselmotoren,
zum Entfernen von Schwebstoffen einschließlich Öltröpfchen aus dem Blow-by-Gas.
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Elektrostatische
Abscheider einschließlich elektrostatischer
Kurbelgehäuseentlüftungen
für Dieselmotoren
sind aus dem Stand der Technik bekannt. In der einfachsten Ausgestaltung
ist eine Hochspannungselektrode für eine Coronaentladung in der
Mitte einer geerdeten Röhre
oder eines Behälters
angeordnet. Die geerdete Röhre
oder der Behälter
stellen eine ringförmige
Masseplatte um die Elektrode herum bereit. Eine als Gleichspannung
ausgeführte Hochspannung
im Bereich einiger 1000 Volt, beispielsweise 15 kV, an der mittigen
Entladungselektrode bewirkt, daß sich
eine Coronaentladung zwischen der Entladungselektrode und der inneren
Oberfläche der
Röhre,
die eine Kollektorelektrode bildet, ausbildet. Wenn Gas, welches
Schwebstoffe enthält,
zwischen die Entladungselektrode und die Kollektorelektrode, die
durch die Wand der Röhre
bereitgestellt wird, strömt,
werden die Schwebstoffe durch Coronaionen elektrisch geladen. Die
geladenen Schwebstoffe werden dann durch das elektrische Feld elektrostatisch
an der inneren Oberfläche
der Kollektorröhre abgeschieden.
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Elektrostatische
Abscheider werden in Kurbelgehäuseentlüftungen
für Dieselmotoren
verwendet zum Entfernen von Schwebstoffen einschließlich Öltröpfchen aus
dem Blow-by-Gas, beispielsweise so, daß das Blow-by-Gas zu dem Frischlufteinlaß des Dieselmotors
zur weiteren Verbrennung zurückgeleitet
werden kann und so eine Blow-by-Gaszirkulation bereitgestellt wird.
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Bei
bekannten elektrostatischen Abscheidern ist das Hochspannungsnetzgerät außerhalb
der Kollektoranordnung angeordnet und entweder entfernt von oder
unmittelbar an dem Kollektor in geeigneter Weise angebracht. In
beiden dieser Konfigurationen muß ein Hochspannungselektrodenstab
oder eine Hochspannungsdurchführung
durch einen Isolator geführt
sein, um die Hochspannung zu der Elektrodenanordnung zu führen, die
die Coronaentladung erzeugt. Der Isolator kann dabei beheizbar sein,
um Feuchtigkeit und eine Anreicherung von Fremdkörpern an der isolierenden Oberfläche zu verhindern, jedoch
werden dabei die isolierenden Eigenschaften des Isolators vermindert.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen, die entstanden während kontinuierlicher
Entwicklungsarbeiten bezogen auf den Gegenstand der Patentanmeldung
EP 1 131 162 A2 dessen
Offenbarungsgehalt auch zum Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung
gemacht wird. Die Zeichnung und Beschreibung der Patentanmeldung
EP 1 131 162 A2 sind
im Folgenden auch erläutert.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, eines elektrostatischen
Abscheider mit möglichst
kompakter Anordnung anzugeben.
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Das
obige Problem wird bei einem elektrostatischen Abscheider mit den
Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 durch die Merkmale des kennzeichnenden
Teils von Anspruchs 1 gelöst
sowie bei einer elektrostatischen Kurbelgehäuseentlüftung mit den Merkmalen des
Oberbegriffs von Anspruch 13 durch die Merkmale des kennzeichnenden
Teils von Anspruch 13 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Bei
der vorliegenden Erfindung ist das Hochspannungsnetzgerät innerhalb
des hohlen Inneren der Elektrodenanordnung für die Coronaentladung angeordnet.
Dies ermöglicht
einen äußerst kompakten
Aufbau. Bei entsprechender Ausgestaltung lassen sich jegliche externe
Hochspannungskabel oder -verbindungen sowie eine Hochspannungsdurchführung durch
den Isolator vermeiden.
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Weitere
Einzelheiten, Merkmale, Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden nachfolgend anhand der Zeichnung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
näher erläutert. In
der Zeichnung zeigt
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1 eine
schematische Querschnittsansicht eines kompakten elektrostatischen
Abscheiders entsprechend der Patentanmeldung
EP 1 131 162 A2 ,
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2 eine
Schnittansicht entlang der horizontalen Linie 2-2 in 1,
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3A eine
schematische Schnittansicht einer modifizierten Ausgestaltung der
Elektrodenhalterung und der Hochspannungsabschirmung des Abscheiders
aus 1,
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3B eine
weitere modifizierte Ausgestaltung der Elektrodenhalterung und der
Hochspannungsabschirmung des Abscheiders aus 1,
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4 eine
Queransicht eines Abscheiders entsprechend der Patentanmeldung
EP 1 131 162 A2 mit
einer rechteckigen Anordnung,
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5 eine
schematische Darstellung eines Ultraschallerzeugers, der zum Einführen von
Aerosolen in den elektrostatischen Abscheider in der Erfindung der
Patentanmeldung
EP
1 131 162 A2 verwendet wird,
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6 eine
Querschnittsansicht eine modifizierten kompakten Abscheiders, der
eine zu 1 unterschiedliche Elektrodenanordnung
verwendet,
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7 eine
Schnittansicht entlang der Linie 7-7 in 6,
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8 eine
Schnittansicht eines weiteren modifizierten elektrostatischen Abscheiders
nach der Erfindung der Patentanmeldung
EP 1 131 162 A2 ,
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9 eine
Schnittansicht entlang der Linie 9-9 in 8,
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10 ein
schematisches Blockdiagramm eines Blow-by-Gaszirkulationssystems
in einem Dieselmotor,
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10A ein modifiziertes Zirkulationssystem ähnlich dem
in 10 gezeigten,
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11 ein
weiteres modifiziertes Blockdiagramm eines Blow-by-Gaszirkulationssystems
für einen
Dieselmotor,
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12 ein
Blockdiagramm ähnlich
zu 11 mit einer gesteuerten Strömungsdrossel an dem Auslaß des Zwischenkühlers,
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13 eine
Querschnittsansicht einer modifizierten Halterung für die Elektrodendrähte,
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14 eine
vertikale Schnittansicht eines weiteren modifizierten kompakten
elektrostatischen Abscheiders,
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15 eine
Schnittansicht entlang der Linie 15-15 in 14,
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16 eine
Querschnittsansicht einer modifizierten Halterung für die Elektrodendrähte wie
sie entlang der Linie 15-15 in 14 aussehen
würde,
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17 eine
Querschnittsansicht einer modifizierten Halterung für die Elektrodendrähte wie
sie entlang der Linie 17-17 in 14 aussehen
würde,
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18 eine
flache Anordnung einer zylindrischen Elektrodenhalterung ausgebreitet
auf einer flachen Oberfläche,
um eine modifizierte Struktur des Elektrodendrahts, der an der Elektrodenoberfläche angedeutet
ist, deutlich zu machen,
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19 eine
Schnittansicht eines elektrostatischen Abscheiders entsprechend
der vorliegenden Erfindung.
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1 ist
eine schematische Querschnittsansicht eines elektrostatischen Abscheiders
10 entsprechend
der Erfindung der Patentanmeldung
EP 1 131 162 A2 . Ein Gehäuse
12 weist eine
Elektrodenanordnung
14 auf, um eine Coronaentladung zu
erzeugen. Ein Hochspannungsnetzgerät
16 stellt eine als
Gleichspannung ausgeführte
Hochspannung (einige 1000 Volt) für die Elektrodenanordnung
14 an
einem Draht bereit, der umgeben ist von einer Isolatordurchführung
18.
Die Isolatordurchführung
18 ist
umgeben von einer Hochspannungsabschirmung
20, die aus
geeignetem leitenden Material besteht.
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Ein
elektrischer Heizer 22 steht in Kontakt mit der Isolatordurchführung 18,
um die Isolatordurchführung 18 auf
einer hinreichend hohen Temperatur zu halten, um die Kondensation
von Dampf und Partikelablagerungen an der Isolatordurchführung 18 zu
verhindern.
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Gas,
das Schwebstoffe, beispielsweise verunreinigte Tröpfchen und
andere Partikel, enthalten kann, strömt von einer Quelle 23 durch
eine Einlaßöffnung 24 des
Gehäuses 12 und
wird durch ein poröses
Material 26 in dem Einlaß geleitet. Das poröse Material 26 ist
ein relativ ineffizienter Tröpfchenkollektor,
der dazu dient, größere Verunreinigungen
zurückzuhalten.
Die meisten Tröpfchen
in dem Aerosol werden aber von dem Gas in die Region der elektrostatischen
Elektrode oder in eine Kammer 28 darüber getragen.
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Das
Gas umströmt
dann die Elektrodenanordnung 14, um die Schwebstoffe in
dem Gas dem hohen elektrischen Feld um die Elektrodenanordnung 14 herum
auszusetzen. Die Elektrodenanordnung 14 weist eine zentrale
starre Halterung 30 für zwei
Tragscheiben 32 und 34 an gegenüberliegenden
Enden der zentralen Halterung 30 auf. Die obere Scheibe 32 kann
an die Isolatordurchführung 18 angefügt sein,
so daß die
Scheiben 32 und 34 von dem Gehäuse 12 beabstandet
angeordnet sind. Jede Scheibe 32, 34 weist eine
Mehrzahl von Löchern 35 (2)
auf und ein dünner
Metalldraht 36 ist zwischen die Scheiben 32, 34 gespannt.
Die Schnittansicht aus 2 durch die Elektrode 14 des
kompakten elektrostatischen Abscheiders zeigt, daß acht Löcher 35 in
jeder der Tragscheiben 32, 34 angeordnet sind.
Der dünne
Metalldraht 36 ist durch die Löcher 35 gefädelt und
bildet acht gerade, parallele Entladungselektroden 36.
Wenn der Abstand zwischen den zwei Tragscheiben 32, 34 beispielsweise
20 cm beträgt,
beträgt
die Länge
der dünnen
Drahtelektrode 36, die sich zwischen diesen erstreckt jeweils
20 cm, so daß die
Gesamtlänge
der Entladungselektrode 160 cm beträgt. Es können jedoch auch mehr Löcher 35 in
den Tragscheiben 32 und 34 angeordnet sein, um
die Gesamtlänge
der Entladungselektrode 36 zu erhöhen, oder es können weniger
Löcher 35 angeordnet
sein, wenn eine geringere Gesamtlänge der Entladungselektrode 36 benötigt wird.
Bei dem oben gezeigten Abstand von 20 cm zwischen den Tragscheiben 32, 34 beträgt der Durchmesser
der Elektrodenanordnung ca. 8 cm, der Durchmesser des Gehäuses 12 ca.
13 cm und die Länge
des Gehäuses 12 ca.
26 cm. Bei Verwendung eines konventionellen Designs mit einer einzelnen
Entladungselektrode in der Mitte der Röhre beträgt die Gesamtlänge des elektrostatischen
Abscheiders mehr als 160 cm. Der Vorteil des vorliegenden Elektrodendesigns
besteht darin, die Größe des Abscheiders
zu reduzieren und ihn gegenüber
dem konventionellen Design kompakt zu gestalten.
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Das
Gas (Aerosol) strömt
um die Drähte 36 und
Ionen werden in der Coronaentladung erzeugt. Die Ionen kollidieren
mit den Schwebstoffen in dem Gas und verursachen so eine elektrische
Ladung der Schwebstoffe. Die geladenen Schwebstoffe werden dann
von dem Gasstrom durch ein elektrisch leitendes, geerdetes poröses Material 40 getragen,
wenn das Gas zu einem Auslaß 42 strömt. Die
Schwebstoffe werden durch den elektrostatischen Abscheider an den
geerdeten Kollektorelementen in dem porösen Material 40 gesammelt.
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Das
saubere Gas strömt
aus dem ringförmigen
Raum 41 zwischen dem porösen Material 40 und dem äußeren Gehäuse 12 heraus
zu dem Auslaß 42. Gesammelte Öltropfen
fließen
an der inneren Oberfläche
des porösen
Materials 40 als ein dünner
Film aufgrund der Schwerkraft herunter in ein Ölreservoir oder eine Ölwanne 44.
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Wie
in 1 gezeigt sind alle Teile des Systems bis auf
die Hochspannungselektrodenanordnung und die Hochspannungsabschirmung 20 geerdet.
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Bei
Verwendung eines dünnen
Drahts mit einem einheitlichen Durchmesser in der oben beschriebenen
Elektrodenanordnung und in weiteren nachfolgend beschriebenen Ausführungen
ist es wichtig, den Abstand zwischen jedem Drahtsegment und der
benachbarten Kollektorelektrode für alle Drahtsegmente in der
Halterung konstant zu halten. Durch Einhaltung eines einheitlichen
Abstands und Verwendung des gleichen Hochspannungspotentials an
allen Drahtsegmenten kann eine gleichmäßige Coronaentladung erzielt
werden. Hierdurch wird sichergestellt, daß alle Schwebstoffe, die durch
die Anordnung strömen,
gleichmäßig und
bis zu dem gleichen maximal möglichen
Ausmaß geladen
werden, um so eine hohe Sammeleffizienz für die Anordnung sicherzustellen.
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Beim
Design eines elektrostatischen Abscheiders der die oben beschriebene
Elektrodenanordnung aufweist, sollte der Abstand S zwischen den Drahtsegmenten
ein angemessenes Verhältnis
zu dem Abstand D zwischen den Drahtsegmenten und der benachbarten
Kollektorelektrodenoberfläche (2)
aufweisen. Ein zu schmaler Abstand S bewirkt, daß sich die nah beieinander
angeordneten Drahtsegmente gegenseitig beeinträchtigen, was zu einer Reduktion
des maximalen Stroms führt,
der von jedem Draht erzielt werden kann. Ein zu großer Abstand
S bewirkt, daß einige
leere Stellen an der Kollektorelektrodenoberfläche erscheinen. Innerhalb dieser
leeren Stellen findet kein Coronastromfluß statt. Partikel, die durch
den Bereich dieser leeren Stellen strömen, treffen nicht auf Coronaionen
und verbleiben daher ungeladen. Es wurde herausgefunden, daß das Verhältnis S/D
innerhalb der Grenzen von 0,1 und 10, vorzugsweise zwischen 0,3
und 3 gehalten werden sollte, damit die Elektrodenanordnung optimal
funktioniert und eine Herabsetzung der Leistung vermieden wird.
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Für die Verwendung
in einem Blow-by-Gaszirkulationssystem für Dieselmotoren ist die Einlaßöffnung 24 des
Gehäuses 12 verbunden
mit einer Öffnung
in einem Kurbelgehäuse,
welches bei 23 dargestellt ist. Das gesammelte Öl wird unmittelbar
in das Kurbelgehäuse
zurückgeführt. Der
Auslaß 42 kann
zur Atmosphäre
hin offen sein, um das gereinigte Blow-by-Gas in die Atmosphäre abzuführen, oder der
Auslaß 42 kann
mit einem Einlaß des
Dieselmotors verbunden sein für
eine Abgasrückführung.
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Die
Gesamtlänge
der Entladungselektrode ist gegenüber einem konventionellen Abscheider
mit einer einzelnen Entladungselektrode in der Mitte der Röhre wesentlich
vergrößert. Der
Coronastrom, der zwischen der Entladungselektrode und der Kollektorröhre erhalten
werden kann, ist im allgemeinen proportional zu der Gesamtlänge der
Elektrode. Die hier beschriebene Anordnung ermöglicht es, die Elektrodenlänge wesentlich
zu vergrößern und
infolgedessen auch den gesamten Coronastrom, wodurch die Effizienz
sowohl bei der Ladung der Tröpfchen
und Partikel als auch bei der Abscheidung der geladenen Tröpfchen oder
Partikel erhöht
wird. An einem Laborprototyp wurde die Anwendbarkeit dieser Anordnung gezeigt.
Bis zu 16 Entladungselektroden wurden verwendet, die zu einem Faktor
von ungefähr
16 für
die Vergrößerung des
Coronagesamtstroms in dem Laborprototyp führten.
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Ein
weiterer Zweck des gezeigten Elektrodendesigns besteht darin, die
Entladungselektrode umlaufend in einem Kreis abzustützen. Ein
großer Kreisdurchmesser
der Elektrodenbefestigung ordnet die Entladungselektroden (die Drähte) näher an der Kollektoroberfläche des
porösen
Materials 40 an, wodurch die zur Erhaltung der Coronaentladung
benötigte
Spannung zwischen der Elektrode und der geerdeten porösen Kollektoroberfläche reduziert
wird. Eine gegenüber
bekannten Abscheidern geringere Betriebsspannung ist für die oben
beschriebene Anwendung wünschenswert,
um die für
sehr hohe Spannungen notwendige Iso lierung zu vereinfachen. Bei
Verwendung einer geringeren Spannung kann der Leckstrom durch die
Isolatordurchführung 18 vermindert
werden. Die Verwendung einer geringeren Spannung reduziert auch
die Kosten und die Komplexität
des Netzgeräts 16,
was die Produktion der Vorrichtung verbilligt. In den vorliegenden
Vorrichtungen sind Spannungen zwischen 5.000 und 10.000 Volt bevorzugt,
aber auch Gleichspannungen bis zu 20.000 Volt können verwendet werden.
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Die
Verwendung eines kreisförmigen
Elektrodenumfangs beabstandet von dem mittigen Stab zwingt das Gas
radial nach außen
in Richtung der porösen
Kollektoroberfläche
zu strömen
und so dem sehr hohen elektrischen Feld, das jede Entladungselektrode
umgibt, ausgesetzt zu sein. Im allgemeinen nimmt die Stärke des
elektrischen Feldes nach dem Gauss'schen Gesetz mit wachsendem Abstand
von der Entladungselektrode ab. Die nah beieinander angeordneten
Drähte,
die die Entladungselektroden bilden, zwingen das Gas dazu, durch
den Bereich des hohen Feldes zwischen den Elektroden zu strömen und
so dem hohen elektrischen Feld rundum der Drähte ausgesetzt zu sein. Jedes
Tröpfchen
oder Partikel kann so stärker
geladen werden, als es mit einer konventionellen Elektrodenanordnung
mit einer einzelnen Elektrode möglich
wäre, wodurch
eine höhere
elektrische Ladung gewonnen wird und die Entfernung der Schwebstoffe
durch den elektrostatischen Abscheider vereinfacht wird.
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In 1 ist
die Kollektorelektrode als poröse Kollektorelektrode 40 gezeigt.
Die grundlegende Anordnung der Elektrodenanordnung 14 funktioniert aber
auch dann gut, wenn die Kollektorelektrode aus einem massiven, leitenden
Material besteht, wobei in diesem Fall das Gehäuse 12 selbst der
Kollektor sein kann. Die Öltröpfchen werden
dann an der inneren Oberfläche
der Gehäusewand
gesammelt. Die gesammelten Öltröpfchen fließen die
Wand hinunter und werden in die Ölwanne
oder das Kurbelgehäuse des
Dieselmotors zurückgeführt. Das
Entfernen der porösen
Kollektorelektrode 40 macht die Vorrichtung weniger effizient,
verringert aber die Gesamtgröße, die
Komplexität
und die Kosten der Vorrichtung.
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Die
Hochspannungsisolatordurchführung 18 ist,
wenn sie ungeschützt
ist, den Schwebstoffen in dem Gas ebenso wie ggf. vorhandenem kondensierbarem
Dampf ausgesetzt. Über
die Zeit macht die Akkumulation von abgelagertem und kondensiertem Material
den Isolator unwirksam. Der Isolator wird durch Kontakt mit dem
elektrischen Heizelement 22 auf eine Temperatur geheizt,
die hoch genug ist, um die Dampfkondensation an der Isolatordurchführung 18 zu
verhindern.
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Um
die Ablagerung von Tröpfchen
oder Partikeln an der Oberfläche
der Isolatordurchfürung 18 zu
verhindern, umgibt ein leitfähiges
Schirmblech 20 oder eine Abschirmung den Isolator. Dieses
leitfähige Schirmblech 20 ist
mit der gleichen Hochspannungsquelle wie die Entladungselektroden 36 verbunden, so
daß ein
hohes elektrisches Feld in dem Bereich zwischen dem Schirmblech 20 und
der nahe gelegenen geerdeten Oberfläche des porösen Materials 40 oder
des Gehäuses 12 erzeugt
wird. Die geladenen Tröpfchen
oder Partikel, die in dem Gas sind, werden so an der geerdeten Oberfläche abgeschieden
und nicht an der Hochspannungsisolatordurchführung 18.
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Variationen
in der Anordnung des leitfähigen Schirmblechs 20 sind
in 3A und 3B gezeigt. Durch
einen schmalen Abstand zwischen der Bodenplatte der Abschirmung
oder des Schirmblechs und der nahegelegenen geerdeten Oberfläche kann
ein hohes elektrisches Feld in diesem Abstand erzeugt werden, um
ebenfalls die Tröpfchen
oder Partikel aus dem Gas abzuscheiden.
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Eine
in 3A gezeigte modifizierte Hochspannungsabschirmung 50 weist
eine Grundplatte 50A auf und eine Umgebungswand 50B,
die die Isolatordurchführung 18 umgibt.
Das geerdete Gehäuse 12 weist
einen Kappenabschnitt 52 auf, der sich von einer oberen
Wand 54 nach oben erstreckt und eine Öffnung in der Nähe des oberen
Endes für
die Isolatordurchführung 18,
wie gezeigt, definiert. Die Umgebungswand 50B ist von der
Wand durch die Kappe 52 beabstandet und schließt kurz
vor der oberen Endwand der Kappe ab. Folglich ist ein Abstand, gezeigt
bei 56, zwischen der Umgebungswand 50B der Abschirmung
und der Gehäusewand 52 um
den Isolator vorgesehen. Eine Abstützung gezeigt bei 56A stützt die
Tragscheibe 32 der Elektrodenanordnung. Die zentrale Halterung 30 und
die untere Tragscheibe 34 für die Elektroden können wie
zuvor angeordnet sein.
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In 3B weist
die Hochspannungsabschirmung eine flache Scheibe 60 auf,
die an dem unterem Ende der Isolatordurchführung 18 angebracht ist.
Die Isolator durchführung 18 ist
in diesem Fall von einer Schutzhülse
oder einer Kappe 62 des Gehäuses umgeben, welches geerdet
ist.
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Eine
obere Wand 64 des Gehäuses
ist beabstandet von der Scheibe 60 angeordnet, um einen Abstand 66 zwischen
der Gehäusewand 64,
welche eine obere Wand ist, und der Scheibe 60, welche eine
Scheibe zur Abschirmung ist, zu bilden. Eine Halterung 68 kann
als Halterung der oberen Scheibe 32 der Elektrodenanordnung
wie zuvor verwendet werden.
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Jede
dieser Ausführungen
einer leitfähigen Abschirmung
zeigt einen Abstand zwischen der Hochspannungsabschirmung oder dem
Schirmblech und einem Teil des geerdeten Gehäuses. Der Abstand ist relativ
klein und ist vorgesehen zur Abscheidung von geladenen Partikeln,
die in die Nähe
der Hochspannungsabschirmung gelangen, an den Wänden des geerdeten Gehäuses.
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Durch
die Schaffung eines langen Strömungsweges
in dem Abstand, wie gezeigt in 3A und 3B,
können
die geladenen Tröpfchen
oder Partikel in dem Gas effizient in dem Bereich, der die Isolatordurchführung 18 umgibt,
abgeschieden werden, um einen verbesserten Schutz des Hochspannungsisolators
vor Verunreinigungen bereitzustellen.
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Trotz
der effizienten Hochspannungsabschirmung des Isolators durch diese
Anordnung gibt es eine Wahrscheinlichkeit, daß einige Tröpfchen oder Partikel in dem
Gas ungeladen verbleiben. Diese ungeladenen Partikel sind im Stande,
den Abstand 56 oder 66 zwischen dem Schirmblech
und der nahegelegenen geerdeten Oberfläche zu durchdringen, um sich
an dem Isolator anzulagern. Die Abscheidung dieser ungeladenen Partikel
an dem Isolator kann durch die Nutzung des Effekts der Thermophorese verhindert
werden. Die Thermophorese bezieht sich auf die Bewegung von aerosolen
Partikeln in die Richtung eines abnehmenden Temperaturgradienten aufgrund
einer radiometrischen Kraft, die auf die Partikel einwirkt. Für eine effektive
thermophoretische Bewegung der Partikel zur Verhinderung der Ablagerung
an dem Isolator muß der
Isolator auf einer ausreichend hohen Temperatur gehalten werden.
Die Isolatortemperatur sollte 10°C
oder mehr als die Temperatur des umgebenden Gases betragen. Im Gegensatz
dazu, muß die
Isolatortemperatur nur oberhalb des Taupunkts der kondensierbaren
Spezie in dem Gas gehalten werden, um die Gaskondensation zu verhindern.
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Üblicherweise
würden
einige Grad Celsius oberhalb der Gastemperatur ausreichen.
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Für eine hohe
Effektivität
sollte das poröse Material 40 aus
einem leitfähigen
Material, üblicherweise
Metall, bestehen. Es kann aus einem Lochblech, einem porösen, gesinterten
Material, einer oder mehreren Lagen von Maschendraht gerollt in der
gewünschten
zylindrischen Form, einem Ballen Metallfasern oder Drähten geformt
als Zylinder und ähnlichen
Konfigurationen bestehen. Wenn das Gas in das poröse Medium 40 strömt, werden
die Partikel in die größtmögliche Nähe der Oberfläche der
leitenden Elemente in dem Material gebracht, wodurch die geladenen
Partikel effektiv an der Oberfläche
der leitenden Elemente des porösen
Materials abgeschieden werden können.
In einem konventionellen elektrostatischen Abscheider, der eine
massive Kollektorelektrode verwendet, beispielsweise eine massive Röhre, die
die mittige Elektrode umgibt, müssen
die geladenen Partikel im Vergleich dazu durch eine elektrische
Kraft durch eine Fluidgrenzschicht auf der inneren Oberfläche der
umgebenden Röhre
hindurch abgeschieden werden.
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Abhängig von
der Strömungsgeschwindigkeit
des Gases kann die relativ statische Grenzschicht an der massiven
Kollektoroberfläche
eine Dicke von 1 cm oder mehr aufweisen. Die Partikel müssen durch
diese cm dicke stationäre
Grenzschicht abgeschieden werden, um an der Oberfläche angelagert
zu werden. Im Vergleich dazu wird das Gas bei Verwendung einer porösen Kollektorelektrode,
wie hier gezeigt, gezwungen, zwischen die eng beabstandeten leitenden
Elemente in dem porösen
Material zu strömen,
wobei der Abstand, den die Schwebstoffe zurücklegen müssen, um die Kollektoroberfläche zu erreichen,
wesentlich verringert ist. Dies führt zu einem Anstieg der Effizienz
des Abscheidens und verringert die physikalische Gesamtgröße der Vorrichtung.
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Nicht
alle elektrisch leitenden porösen
Materialien können
in einem kompakten elektrostatischen Abscheider, wie hier beschrieben,
verwendet werden. Um die hohe Rate des Gasstroms pro Einheit der
Kollektoroberfläche
zu bewältigen,
darf das poröse
Material keinen übermäßigen Druckabfall
bei dem erforderlichen hohen Gasstrom bewirken. Zusätzlich müssen die
gesammelten Öltröpfchen leicht
durch die Schwerkraft abfließen
und sollten nicht in dem porösen
Material gesammelt werden, was zu einer Verstopfung des Materials
oder einem übermäßig hohen Druckabfall
führen
kann. In Abhängigkeit
von der Struktur des porösen
Materials und der Oberflächenspannung
und Viskosität
der gesammelten flüssigen Tröpfchen,
muß der
Abstand zwischen den leitenden Elementen des porösen Materials oberhalb eines
kritischen Limits gehalten werden. Ein zu geringer Abstand erlaubt
es den gesammelten Tröpfchen
einen Oberflächenfilm
zu bilden, der benachbarte Elemente überbrückt und somit den Strom behindert.
Für die üblichen
Flüssigkeiten,
wie z. B. Schmieröl
sollte der mittlere Abstand zwischen den leitenden Elementen in
dem Material größer als
5 μm, vorzugsweise
größer als
10 μm sein.
Der mittlere Abstand zwischen den Elementen in einem porösem Material
wird auch als mittlerer Porendurchmesser bezeichnet, welcher durch
ein kommerzielles Porenmeßgerät bestimmt werden
kann. Ein mittlerer Porendurchmesser größer als 5 μm, vorzugsweise größer als
10 μm, ist
im allgemeinen notwendig für
das Material, damit es erfolgreich als poröse Kollektorelektrode zur Tröpfchensammlung
des hier beschriebenen Abscheiders dient.
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Es
gibt mehrere Vorrichtungen, die ein poröses Material geladener Partikel
verwenden. Eine dieser Vorrichtungen ist ein elektrisch vergrößerter Schlauchfilter,
beschrieben von Penney in dem
US-Patent
3,910,779 . In dieser Vorrichtung werden die Partikel in
einer Coronaaufladung geladen. Die geladenen Partikel werden anschließend durch
den Gasstrom durch ein Fasermaterial bewegt und an der Oberfläche der
Fasern angelagert. Die anzulagernden Partikel müssen aus trockenem, festem
Material sein, so daß die
angelagerten Partikel an den Fasern eine poröse Masse bilden. Da die Masse
an den Fasern auch in Abwesenheit einer elektrischen Ladung gebildet
wird, wird die elektrostatische Ladung dort verwendet, um die Eigenschaften
dieser Masse zu modifizieren, und zwar um die Porengröße der Masse
zu erhöhen
und den Druckabfall zu verringern. Die textilen Fasern, die in einem
Faserfilter verwendet werden, sind üblicherweise nicht elektrisch
leitend, so daß es
nicht möglich
ist, eine Coronaentladung direkt zwischen der Coronaelektrode und
den Fasern zu erhalten. Eine separate Coronaaufladung stromaufwärts des
Faserfilters wird verwendet, um die Partikel für die nachfolgende Filtrierung
durch die Fasern zu laden.
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Eine
andere Vorrichtung verwendet ein poröses Filtermaterial, das üblicherweise
als elektrostatischer erweiterter Faserfilter bezeichnet wird, wie
z. B. beschrieben von Carr in dem
US-Patent
3,999,964 . Ein konventionelles Gewebefiltermaterial hergestellt aus
Glas, polymerischen und anderen nichtleitenden Fasern ist zwi schen
zwei Gruppen von Zündelektroden
angeordnet. Ein Potentialunterschied ist zwischen den Zündelektroden
vorgesehen, um ein elektrisches Feld in dem Material zu erzeugen,
um die Effizienz des Materials zur Sammlung von Partikeln durch
elektrostatische Anziehung zu vergrößern. Die Vorrichtung ist am
effektivsten, wenn die Partikel elektrisch geladen sind. Wenn die
Partikel nicht geladen sind, kann ein Coronaionisator stromaufwärts des
Filters verwendet werden, um die Partikel zu laden, um die Effizienz
des Filters zur Partikelsammlung zu erhöhen.
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Eine
weitere Version eines elektrostatisch vergrößerten fasrigen Filters ist
die von Argo et al. beschrieben in der Patentanmeldung
DE 29 14 340 A1 . In dieser
Vorrichtung ist eine stromaufwärtige
Coronaentladung verwendet, um die Partikel zu laden. Wenn die geladenen
Partikel in dem Faserbett, welches aus einem nicht leitenden Material
hergestellt ist, gesammelt sind, bildet sich eine Ladung in dem Faserbett
und erhöht
das elektrische Potential. Um die kontinuierliche Bildung der Ladung
in dem Faserbett zu verhindern, wird das Faserbett kontinuierlich mit
Wasser bewässert,
um das Faserbett leitend zu machen. In dem Faserbett gesammelte
Partikel werden durch den Wasserfluß weggespült.
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Der
elektrostatische Abscheider der Patentanmeldung
EP 1 131 162 A2 ist sehr
effizient und kann in einer kleinen kompakten Größe hergestellt werden. Für viele
Anwendungen, wie z. B. die Blow-by-Gasfiltration eines Dieselmotors,
ist die zylindrische Geometrie mit einem kreisförmigen Querschnitt am geeignesten.
Jedoch ist sie nicht notwendig, um den Vorteil vieler Merkmale dieser
Erfindung wahrzunehmen. Rechteckige, elliptische und anders geformte
Querschnittsflächen
können
leicht an die Ausgestaltung des beschriebenen elektrostatischen Abscheiders
entsprechend des hier beschriebenen Verfahrens angepaßt werden.
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4 stellt
eine Querschnittsansicht durch einen rechteckigen Abscheider dar.
Eine Elektrodenanordnung 72 mit einem paar beabstandeter
Coronadrahthalterungen 74 (nur eine ist gezeigt) wird wie zuvor
hergestellt, mit den zwei Halterungen 74 entlang eines
Trägerstabs 76 angeordnet,
mit Drähten 77,
die die Elektroden bilden und sich zwischen den Halterungen erstrecken.
Die Drähte 77 sind
in den überkreuzenden
Abschnitten, eingefädelt
in die Löcher,
gezeigt. Ein leitfähiges
poröses
Material als Kollektorelektrode 78 umgibt die Hochspan nungselektrodenanordnung 72.
Das poröse
Material und das geerdete äußere Gehäuse 79 weisen
einen im allgemeinen rechteckigen Querschnitt auf.
-
Für das Design
eines solchen rechteckigen Abscheiders ist es wichtig, den Coronadraht 77 zwischen
den Halterungen 74 über
seine Länge
in ungefähr
dem gleichen Abstand von der porösen
Kollektorelektrode 78 zu halten. Dies stellt sicher, daß die Coronaentladung
zwischen dem Hochspannungscoronadraht 77 und der Kollektorelektrode 78 einheitlich
ist bei gleicher an die Drähte 77 angelegter
Spannung. Wie zuvor kann der laterale Abstand zwischen den Drähten 77 und
der porösen
Kollektorelektrode 78 verringert sein, um die erforderliche
Betriebsspannung des Abscheiders zu reduzieren.
-
Obwohl
der in der Patentanmeldung
EP
1 131 162 A2 beschriebene Abscheider zur Sammlung von Aerosoltröpfchen vorgesehen
ist, kann er auch verwendet werden zur Sammlung von Aerosolen, die nur
trockene, feste Partikel enthalten. Um eine Ansammlung von trockenen
Partikeln in der porösen Kollektorelektrode,
was ein Verstopfen der Poren verursacht, zu verhindern, können flüssige Tröpfchen, üblicherweise
Wasser, dem Aerosol zugefügt werden,
bevor es in den Abscheider eingeleitet wird.
5 zeigt
einen Ultraschalltröpfchenerzeuger
80, der
in Verbindung mit einem elektrostatischen Abscheider
82 zum
Hinzufügen
von Tröpfchen
verwendet wird. Wenn Aerosole von einer Quelle
84 durch den
Ultraschallerzeuger
80 strömen, nehmen diese Tröpfchen in
einem Raum
86 oberhalb einer bewegten Flüssigkeit
88 auf,
die durch Ultraschallbewegung durch Verwendung eines Ultraschallgebers
89 erzeugt
ist. Das trockene, aus Partikeln bestehende Material wird zusammen
mit den hinzugefügten
flüssigen
Tröpfchen
in dem Abscheider
82 abgeschieden und von dem aus den gesammelten
Tröpfchen
resultierenden flüssigen
Strom
82' weggetragen,
wobei die Ansammlung von trockenen festem Material an der Kollektorelektrode
in dem Abscheider verhindert wird. Die gereinigte Luft strömt bei
82'' durch einen Auslaß aus dem
Abscheider
82 heraus. Es können auch andere Tröpfchen erzeugende
Vorrichtungen, wie z. B. ein Druckluftzerstäuber, eine Sprudelvorrichtung
u. ä. verwendet
werden. Der elektrostatische Abscheider kann, wie gezeigt, in jeder
der offenbarten Ausgestaltungen hergestellt sein.
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Wegen
der kleinen Tröpfchengröße und der großen Oberfläche der
Tröpfchen,
die durch Ultraschallanregung oder einen Druckluftzerstäuber erzeugt
sind, weist der kombinierte oben beschriebene elektrostatische Feuchtabscheider
und Tröpfchenerzeuger
sehr gute Gasabsorptionseigenschaften auf und kann als kombinierter
Gas- und Partikelreiniger verwendet werden. Der kombinierte Gas-
und Partikelreiniger weist eine Vielzahl von Anwendungen in Einrichtungen
zur Überwachung
der Luftverschmutzung auf. Beispielsweise enthält das Abgas einer Vakuumpumpe
stromabwärts
einer Anlage für
einen Halbleiterprozeß in
der Halbleiterindustrie oftmals sowohl giftige Gase als auch feine
Partikel. Ein solches Gas ist Fluor, welches am Ende eines Prozeßzyklus verwendet
wird, um die Prozeßkammer
zu reinigen. Fluor ist sehr reaktiv gegenüber Wasser und wird daher durch
Wassertröpfchen
in dem kombinierten Tröpfchenerzeuger
und elektrostatischen Naßabscheider
gefiltert. Ähnlich
können
verschiedene ätzende
Dämpfe,
wie z. B. Fluorwasserstoffe (HF) und Chlorwasserstoffe (HCl) durch
Wassertröpfchen
oder eine wäßrige Kaliumhydroxid-Lösung (KOH)
oder andere basische Lösungen
absorbiert werden. Durch die Kombination eines Tröpfchengenerators
mit geeigneten chemischen Reinigungslösungen und mit dem elektrostatischen
Naßabscheider
kann eine hocheffiziente kombinierte Gas- und Partikelreinigung
erzielt werden.
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6 und 7 zeigen
einen kompakten zweistufigen elektrostatischen Abscheider 98 mit
einer Elektrodenanordnung 100, die eine kurze Elektrode 102 für eine Coronaentladung
enthält,
die an eine zylindrische Abscheidungselektrode 104 angefügt ist.
Beide Elektroden 102, 104 werden auf der gleichen
Hochspannung von einer Spannungs- oder Stromquelle 106 gehalten.
Die kurze Elektrode 102 für die Coronaentladung weist
ein paar beabstandeter Tragscheiben 108 und 110 auf,
die durch eine zentrale Halterung 112 zusammengehalten
werden. Die Tragscheiben 108, 110 halten einen
dünnen Draht 113,
der die Hochspannung zur Erzeugung der Coronaentladung führen kann.
Die zylindrische Elektrode 104 besteht aus einem röhrenförmigen Zylinder mit
einer leitenden Oberfläche.
Die zylindrische Elektrode 104 bildet zusammen mit einem
umliegenden Kollektor 114 aus porösem Material einen Abscheidungsbereich,
in dem die geladenen Partikel abgeschieden werden.
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In
dieser zweistufigen Ausführung
bildet die relativ kurze Coronadrahtlänge 113A Elektroden,
die die Coronaentladung erzeugen, um die Tröpfchen oder Partikel die sich
an der Coronaentladungselektrode 102 vorbeibewegen, zu
laden. Die kurze Länge der
Elektrode 102 reduziert die Coronaleistung der Drähte, wodurch
die von der Stromquelle 106 benötigte Leistung reduziert ist,
was wiederum zu einer Reduktion der Abmessung und der Kosten führt. Diese
Ausgestaltung macht es auch möglich,
den Radius des Kreisumfangs der Coronadrähte 113A unabhängig von
dem Radius der röhrenförmigen Zylinderelektrode 104 zu
variieren. Durch Änderung
der zwei Radien können
beide, die Coronaentladungselektrode 102, welche einen
Ionisierer bildet, und die zylindrische Abscheidungselektrode 104 unabhängig voneinander
optimiert werden, was zu einem verbesserten Gesamtbetrieb der Vorrichtung
führt.
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Die
Tragscheiben 108 und 110 werden durch die zentrale
Halterung 112 gehalten. Der dünne Draht 113 ist
zwischen den Tragscheiben 108 und 110 eingefädelt und
führt die
Hochspannung der Quelle 106. Die Hochspannung wird mittels
eines Drahts durch eine Isolatordurchführung 118 geführt, welche
umgeben ist von einer Hochspannungsabschirmung 120. Ein
Endblech 104A an der Röhre 104 führt die
Spannung zu der Röhre 104.
Die Röhre 104 ist
wiederum mit der Tragscheibe 108 zur Spannungsversorgung der
Coronaentladungselektrode 102 verbunden. Das Gas strömt von einem
Einlaß 116 des
Gehäuses 12 zu
einem Auslaß 117,
welcher das gereinigte Gas abführt.
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8 und 9 zeigen
eine modifizierte Elektrodenausführung,
die zusammen mit den einstufigen und zweistufigen Abscheidern, gezeigt
in 1 und 6, verwendet werden kann. Hier
ist eine Mehrzahl von Haltestangen 120 an Tragscheiben 122 und 124 angefügt, um eine
gemeinsame Anordnung zu bilden. Ein einzelner dünner Coronadraht ist spiralförmig um
die Haltestäbe 120 gewickelt,
um sich von der einen Tragscheibe 122 zu der anderen Tragscheibe 124 zu
erstrecken und dadurch eine Mehrzahl leitfähiger Drahtsegmente zu bilden,
die einen Strom führen
zum Aufbau der Coronaentladung zur Ladung der Partikel in dem durch
einen Einlaß 128 eingeführten Tröpfchenaerosol.
Ein Kollektor 129 aus porösem Material ist in 1 gezeigt
mit einem groben Filter, der an einem unteren Blech 130 gebildet
ist und mit ausgewählter
Porosität
eines zylindrischen elektrisch leitenden, porösen Materials einer Seitenwand 132.
Die zylindrische Seitenwand 132 dient, wie zuvor gezeigt,
dazu, geladene Tröpfchen
und Partikel abzuscheiden. Die zylindrische Seitenwand 132 ist
wie das Gehäuse 12 auch
geerdet. Ein Auslaß 134 des
Gehäuses 12 Führt das
gereinigte Gas ab. Die Isolatordurchführung 18, der elektrische
Heizer 22 und die Spannungsquelle sind die gleichen wie
zuvor gezeigt.
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Der
kompakte elektrostatische Abscheider, der hier beschrieben ist,
kann verwendet werden, um Schwebstoffe aus dem Blow-by-Gas eines
Dieselmotors oder anderer interner Verbrennungsmotoren zu entfernen.
Das von den Schwebstoffen gereinigte Blow-by-Gas kann unmittelbar
in die Atmosphäre
abgeführt
werden oder kann in den Motor zurückgeführt werden. Die in 10 und 11 dargestellten,
weiter unten beschriebenen Anordnungen sind beide geeignet zur Verwendung
mit einem elektrostatischen Abscheider einschließlich eines elektrostatischen Abscheiders
mit konventionellem Aufbau.
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10 zeigt
eine Anordnung für
ein Blow-by-Gaszirkulationssystem, das einen elektrostatischen Abscheider,
vorzugsweise einen entsprechend der Patentanmeldung
EP 1 131 162 A2 verwendet.
Ein Dieselmotor
135 weist ein Kurbelgehäuse
136 auf. Das Blow-by-Gas
strömt
von dem Kurbelgehäuse
136 zuerst
entlang eines Durchlasses durch einen elektrostatischen Abscheider
137,
der wie zuvor aufgebaut ist, um Schwebstoffe zu entfernen. Das gereinigte
Gas strömt
dann in einen Einlaßabschnitt
einer T-Verbindung
138, welche in einem Auslaßabschnitt
eine Blende
138A aufweist. Das Gas strömt durch eine Drossel
140 in
der Blende
138A und anschließend durch einen Ansaugstutzen
in einen Turbolader
142. Ein Seiteneinlaßabschnitt
136B der
T-Verbindung
138 ist zur Atmosphäre hin offen.
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Die
T-Verbindung 138 bildet eine Vorrichtung zur Kurbelgehäusedruckregelung
bei Verwendung eines elektrostatischen Abscheiders zur Entfernung der
Partikel aus dem Blow-by-Gas zur Zurückführung in den Motoreinlaß. Diese
funktioniert wie folgt: Der Einlaß 138B der T-Verbindung 138 ist
zur Atmosphäre
hin offen und folglich befindet sich der Auslaß des elektrostatischen Abscheiders 137 ebenfalls
auf atmosphärischem
Druck. Der Kurbelgehäusedruck
Pc relativ zu dem atmosphärischem
Druck Pa ist demnach Pc – Pa
= ΔP, wobei ΔP der Druckabfall
des Blow-by-Gases durch den Abscheider 137 ist. Dieser Druckabfall
ist üblicherweise
relativ niedrig, in der Größenordnung
einiger mbar. Der Kurbelgehäusedruck
ist daher begrenzt auf einen Druck einiger mbar über atmosphärischem Druck. Bei einem internen
Verbrennungsmotor darf der Kurbelgehäusedruck um nicht mehr als
einige mbar über
oder unter atmosphärischen
Druck Variieren, um ein Durchsickern von Kurbelgehäuseöl an die
Außenseite
und andere betriebliche Schwierigkeiten zu vermeiden. Diese Ausgestaltung
macht es mög lich,
eine Regulierung des Kurbelgehäusedrucks
mit einer einfachen Verbindung und geringen Kosten zu realisieren.
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Bei
einem Dieselmotor, der einen Turbolader oder einen Turbokompressor
verwendet, um den Wirkungsgrad des Motors zu erhöhen, wie in 10 gezeigt,
wird ein Filter 144 an dem Ansaugstutzen des Turboladers 142 verwendet,
um Schwebstoffe aus der umgebenden Luft zu entfernen. Der Druckabfall
durch den Filter 144 verursacht, daß der Druck Pt an dem Turboladeransaugstutzen
geringer ist als der atmosphärische
Druck Pa. Der Durchmesser der Drossel 140 in dem Auslaßabschnitt
der T-Verbindung 138 ist so gewählt, daß der Druckabfall über der Drossel 140 (ΔP = Pa – Pt) gerade
so groß ist,
daß der
Gasstrom durch die Drossel 140 der gleiche ist, wie der
Blow-by-Gasstrom Q1 während
normalen Motorbetriebs und bei neuem Luftfilter 144 des
Ansaugstutzens. Wenn der Filter 144 des Ansaugstopfens
teilweise verstopft ist, steigt der Druckabfall an. Dies verursacht
einen höheren
Gasstrom Q2 durch die Drossel 140. Der Unterschied, Q3
= Q2 – Q1,
wird durch einen Luftstrom aus der Umgebung durch den Seiteneinlaßabschnitt 138B der
T-Verbindung 138 aufgebracht.
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Alternativ
hierzu, gezeigt in 10A, kann ein modifiziertes
Drosselgehäuse 139 als
gerade Durchstromröhre
ohne Seiteneinlaß für atmosphärische Luft
ausgeführt
sein. Ein atmosphärischer
Einlaß 139A kann
mit einer Öffnung
des Kurbelgehäuses 136 des
Dieselmotors verbunden sein.
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In
beiden Anordnungen, gezeigt in 10 und 10A, weist das Blow-by-Gas, das durch den elektrostatischen
Abscheider 137 strömt,
eine relativ hohe Temperatur auf. Es enthält auch Öldampf, der durch die elektrostatische
Abscheidung nicht entfernt wird. Dieser Öldampf kondensiert an einer
Wärmeübertragungsfläche eines
Zwischenkühlers 146,
der an dem Auslaß des
Turboladers 142 verwendet wird. Mit der Zeit wird das kondensierte Öl den Zwischenkühler 146 fluten
und so einen Abfall in der Effizienz des Zwischenkühlers 146 und
im Wirkungsgrad des Dieselmotors verursachen, wenn dieses Problem nicht
beseitigt wird.
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Zur
automatischen Entfernung des angesammelten Öls aus dem Zwischenkühler 146 ist
eine Ölwanne 148 in
dem Zwischenkühler 146 vorgesehen,
um dem kondensierten Öl
zu ermöglichen,
aufgrund der Schwerkraft in die Wanne zu fließen. Der Luftstrom wird von
dem Zwischenkühler 146 durch eine
Strömungsbe grenzung 150,
wie z. B. eine Düse oder
eine Drossel geleitet, um einen Druckabfall zu erzeugen, um das Öl aus dem
Zwischenkühler 146 zu
entfernen und durch den Luftstrom getragen in den Motoreinlaß zu leiten.
Das in der Ölwanne 148 gesammelte Öl kann auch
durch den Gegendruck, erzeugt durch die Strömungsbegrenzung 150,
in die Einlaßleitung 131 des
Motors 135 geleitet werden.
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11 zeigt
eine zweite Anordnung zur Rückführung des
Blow-by-Gases in den Dieselmotor 135. Das Kurbelgehäuse 136 ist
wie zuvor mit dem elektrostatischen Abscheider 137 verbunden,
aber die T-Verbindung 138 ist entfernt und der Strom von dem
Abscheider 137 wird direkt in eine Filtereinlaßkammer 154 geleitet
und gemeinsam mit dem Einlaßluftstrom
bei 144' durch
den Filter 144 geführt.
In dieser Anordnung ist keine Begrenzung des Kurbelgehäusedrucks
erforderlich. Da der Auslaß des
Abscheiders immer auf atmosphärischem
Druck ist, ist der Kurbelgehäusedruck
automatisch auf einen Druck begrenzt, der notwendig ist, um den Blow-by-Gasstrom
durch den Abscheider 137 aufrechtzuerhalten.
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Wenn
das heiße
Blow-by-Gas über
diesen Weg in den Filtereinlaß 154 geführt wird,
wird der Öldampf
schnell abgekühlt,
sobald er in Kontakt mit den kalten Sammelfilterelementen des Filters 144 kommt. Der
Dampf kondensiert dadurch und wird in dem Filtergehäuse gesammelt.
Gleichzeitig werden alle Partikel mit einer Größe im Submikrometerbereich,
die durch den elektrostatischen Abscheider nicht vollständig entfernt
worden sind, einer starken thermophoretischen Kraft, erzeugt durch
den Temperaturgradienten in der Grenzschicht des Gasstroms um die
Sammelelemente des Filters 144 herum, ausgesetzt. Diese
thermophoretische Kraft kann effektiv dafür genutzt werden, um die Submikrometerpartikel zu
entfernen. Übliche
Luftfilter für
einen Motoreinlaß sind
nur dafür
ausgelegt, Partikel mit einem Durchmesser größer als einige μm zu sammeln.
Durch die Verwendung der thermophoretischen Kraft können die
kleinen Partikel aus dem Verbrennungsgas ebenfalls gesammelt werden,
wodurch die in den Turbolader geleitete Luft sauberer ist. Durch
einen geeigneten Aufbau kann die Ansammlung von Öl und kleinen Partikeln in
dem Zwischenkühler
auf ein sehr niedriges Niveau reduziert sein.
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12 ist ähnlich zu 11 und
gleiche Teile sind identisch numeriert. In 12 ist
ein steuerbarer Strömungsbegrenzer 158 mit
dem Auslaß des Zwischenkühlers 146 verbunden.
Der Strömungsbegrenzer 158 weist
einen einziehbaren Flügel
oder eine einziehbare Schaufel 158A auf, der in den inneren
Durchlaß des
Begrenzers eingefügt
werden kann und der von einem Solenoid 159 gesteuert wird.
Das Solenoid 159 ist mit dem Flügel oder der Schaufel 158A verbunden
und bewegt die Schaufel 158A in den Strömungsdurchlaß, wenn
von dem Solenoid 159 ein entsprechendes Signal empfangen
wird. Ein Ölstandssensor 160 ist
an der Ölwanne 148 vorgesehen.
Wenn der Ölstand
in der Wanne ein vorgegebenes Niveau erreicht, wird ein Signal abgegeben,
um den Solenoid 159 anzusteuern. Der Flügel oder die Schaufel 158A wird
in den Strömungsdurchlaß des Strömungsbegrenzers 158 bewegt,
um die Strömung durch
den Auslaß zu
begrenzen.
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Dieser
Prozeß vergrößert den
Gegendruck in der Ölwanne
und treibt dadurch das gesammelte Öl durch eine Leitung 161 in
die Einlaßleitung 131 des
Dieselmotors. Der durch den Solenoid gesteuerte Begrenzer kann jede
gewünschte
Gestalt aufweisen, beispielsweise ein Ventil, das teilweise geschlossen
ist oder eine Drossel, die in den Strömungsdurchlaß eingefügt ist.
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13 zeigt
eine Schnittansicht einer modifizierten Ausführung einer typischen Elektrodenhalterung 170.
Sie kann aus Plastik gegossen sein und weist eine äußere Wand 172 mit
einer Mehrzahl von Vorsprüngen 174 auf,
die die äußere Oberfläche ähnlich einer
gezackten Oberfläche
machen. Ein Draht 176 geeigneten Durchmessers ist um die
Halterung 170 spiralenförmig
gewickelt, ähnlich
zu dem in 8 gezeigten, wobei die Spitzen
der Zacken oder Vorsprünge
den Draht 176 in eng beabstandeten Intervallen abstützen, abhängig von
der Anordnung der Zacken, um sicherzustellen, daß der Draht 176 in
einer passenden Position relativ zu der Kollektorelektrode gehalten
wird.
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14 zeigt
eine vertikale Querschnittsansicht einer modifizierten Ausgestaltung
eines kompakten elektrostatischen Abscheiders 199. In dieser Ausgestaltung
der Erfindung bildet ein leitfähiges Rohr 200 einen
Fluiddurchlaß mit
einer Einlaßverbindung 202 zum
Einleiten eines Aerosols und einer Auslaßverbindung 203. Ein
Strömungskanal
ist definiert durch eine Mehrzahl von Öffnungen 204 in einem
Gehäuseblech 206,
das von einem Rohr 206A gehalten wird, welches an dem oberen
Ende des leitfähigen
Rohrs 200 angeordnet ist und an einer Abdeckplatte 208 an
einem Flansch 210, gebildet an dem Ende des äußeren Rohrs 200,
gehalten wird.
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Das
Stützrohr 206A weist
eine offene Mitte auf, und ein isolierender Endabschnitt 215 einer Haupthalterung 212 der
Elektrode ist daran befestigt. Der obere isolierende Endabschnitt 215 der
Halterung 212 ist in geeigneter Weise an der Abdeckung 208 abgestützt. Der
obere isolierende Endabschnitt 215 weist eine Aufnahme
für eine
Heizeranordnung 216 auf, welche Heizer 218 befestigt
in einer äußeren Hülle 219 aufweist,
die wärmeleitend
und in Kontakt mit dem isolierenden Abschnitt 215 sind.
Die äußere Hülle 219 kann
aus Kupfer bestehen, das ein sehr guter Wärmeleiter ist, um die Wärme gleichmäßig an der äußeren Oberfläche zu verteilen
und die Isolatoroberfläche 213 warm
und frei von Verunreinigungen durch Gaskondensation und Partikelablagerungen zu
halten. Ein Abdeckblech 220 ist als Wärmeisolator vorgesehen, um
die erforderliche Heizleistung zum Betrieb der Heizer 218 zu
reduzieren. Der elektrische Strom zum Betrieb der Heizer 218, üblicherweise
12 oder 14 Volt, wird durch elektrische Durchführungen 221, die durch
das Abdeckblech 220 verlaufen, geleitet.
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Eine
Stromleitung 224 kann durch eine zentrale Öffnung in
einer Kappe 222 geführt
sein. Wie gezeigt kann ein Netzgerät 226 zur Versorgung
der Entladungselektrode mit der Hochspannung in die Kappe 222 integriert
sein und die Verbindungsleitung oder der Stab 225 kann
in dem Abscheider vorgesehen sein und muß sich nicht durch die Kappe 222 erstrecken.
Die Leitung 224 kann eine Niederspannungsleitung sein,
beispielsweise kann eine 24-Volt-Versorgung vorgesehen sein. Die
Heizer 218 sind im allgemeinen auch mit einer 24-Volt-Versorgung verbunden.
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Die
Haupthalterung 212 weist eine hohle mittige Halterung 214 für die Elektrode
auf, die beispielsweise zusammen mit der Haupthalterung 212 als
ein Teil spritzgegossen sein kann. Die Elektrodenhalterung 214 weist
einen inneren Durchgang auf, in dem sich der Verbindungsstab oder
die Leitung 225 für
die Hochspannung der Elektrode erstreckt und ein dünner Elektrodendraht 227 kann
sich von der Verbindung direkt zu dem Elektrodendraht 228 erstrecken, der
spiralförmig
um die isolierende Halterung 214 gewickelt ist, wie dies
gezeigt ist. Der Elektrodendraht 228 ist größer gezeigt
als er wirklich ist. Er ist ein dünner Draht, wie zuvor erläutert. Die
Halterung 214 aus isolierendem Material kann an die Haupthalterung 212 mittels
geeigneter Schrauben angefügt
sein, die in die Halterung 212 eingeschraubt sind. Der
obere Teil der isolierenden Halterung weist ein leitfähiges Rohr 217 auf,
welches aus Metall bestehen kann und mit dem gleichen Hochspannungsdraht 226 wie
die Elektrode verbunden ist. Die isolierende Halterung 214 kann
einen zylindrischen Querschnitt aufweisen, wenn dies gewünscht ist
oder, wie in 15 gezeigt, kann dieser rechteckig
sein, wobei die äußere Kollektorelektrode 200 ebenfalls
rechteckig ist und wobei beachtet werden muß, daß an den Ecken ein einheitlicher
Abstand zwischen dem Draht 228 und der Kollektorelektrode
vorhanden ist.
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Der
Querschnitt kann auch jede andere gewünschte Gestaltung annehmen,
so lange der Abstand für
die Coronaentladung beibehalten wird.
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Der
Aerosolstrom strömt
wie bei Pfeil 234 gezeigt ein und strömt weiter entlang des Durchlasses 235 zwischen
dem Hochspannungselektrodendraht 228 und der Kollektorelektrode 200.
In dieser Ausführung
besteht die Kollektorelektrode 200 nicht aus einem porösem Material
sondern aus einem massivem Material, das beispielsweise entweder
Stahl oder ein leitfähiges
Plastik sein kann. Wenn der Strom durch den Raum zwischen dem Elektrodendraht 228 und dem
Kollektor 200 gelangt, werden die Partikel durch die Coronaionen,
die durch den Elektrodendraht 228 erzeugt werden, geladen.
Einige dieser Partikel werden an dem Kollektor 200 in diesem
Bereich abgeschieden. Die verbleibenden Partikel werden von dem
Gas in den oberen Bereich der Anordnung zwischen der Abscheidungselektrode 217 und
der Kollektorelektrode 220 getragen, wo sie an dem Kollektor 220 durch
die Hochspannung an der Elektrode 217 abgeschieden werden.
Der Strom verläuft
dann weiter durch die Öffnungen 204 und
nach außen durch
die Öffnung 203,
wie gezeigt. Die Haupthalterung 212 und die Elektrodenhalterung 214 können als
ein Teil spritzgegossen sein, wenn dies gewünscht ist, aus Leitern als
aufschiebbaren Hüllen oder
aus gewickelten Drähten
gebildet sein. Die Heizer 218 sind leicht einbaubar, um
die Temperatur des Isolators auf einem gewünschten Niveau zu halten.
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Die
hohe Temperatur an den Heizern 218 verhindert, daß Dampf,
der in den Raum zwischen dem Rohr 206A und dem oberen isolierenden
Endabschnitt 215 eintritt, an der Oberfläche 213 des
isolierenden Hochspannungsabschnitts 215 in dem Bereich
um den mittleren Abschnitt 215 kondensiert. Die Heizer 218 produzieren
auch genug Hitze, um die Schmutzpartikel aufgrund des thermophoretischen Effekts
abzustoßen
und um die Anlagerung dieser an der Oberfläche 213 des isolierenden
Hochspannungsabschnitts 215 zu verhindern. Die Heizer 218 sind
in wärmeübertragender
Kontaktverbindung mit dem isolierenden Abschnitt 215 und
halten die Temperatur der Oberfläche 213 ausreichend
hoch, um die Anlagerung von Schmutzpartikeln an der Oberfläche des
Isolatorabschnitts zu verhindern. Die Temperatur der Oberfläche 213 des
Isolatorabschnitts 215 beträgt vorzugsweise 10°C mehr als
die Temperatur des Gases in der Umgebung der isolierenden Oberfläche 213 innerhalb
des Gehäuses
des Abscheiders.
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16 zeigt
eine Querschnittsansicht einer modifizierten Elektrodenhalterung 250 entlang
der gleichen Linie wie 15. 17 zeigt
eine vertikale Querschnittsansicht der modifizierten Elektrodenhalterung 250.
Ein Draht 252, der an ein Netzgerät 252' angeschlossen ist und die Elektrode
bildet, steht im wesentlichen in Kontakt mit der Oberfläche 254 der Elektrodenhalterung 250.
Der Draht 252 kann um die Halterung 250, wie gezeigt,
gewickelt sein und an der Oberfläche 254 durch
Verwendung eines geeigneten Klebemittels haften. Wenn Klebemittel
verwendet sind, kann der Draht 252 verschiedene Muster
aufweisen.
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Ein
solches Muster für
den Draht 252 ist in 18 bei 258 gezeigt.
In 18 ist eine Oberfläche 263 einer Halterung 260 ausgerollt
zu einer flachen Oberfläche,
um das Drahtmuster an der Oberfläche 262 zu überblicken.
Der elektrisch leitfähige
Entladungsdraht 264 ist an ein Netzgerät 264' angeschlossen und steht mit der
Oberfläche 262 der
Halterung in Kontakt, welche aus einem elektrisch isolierenden Material,
wie z. B. Plastik oder Keramik gefertigt ist. Der Elektrodendraht 264 weist
im wesentlichen einen einheitlichen Durchmesser auf und der Abstand
zwischen den Drahtsegmenten und der benachbarten Kollektorelektrode
ist im wesentlichen einheitlich entlang der Länge des Drahtes. Durch einen
einheitlichen Abstand zwischen dem Draht 264 und der Kollektorelektrode
kann eine im wesentlichen einheitliche Coronaentladung erzielt werden.
Alle Teile des Drahts 264 können so effektiv genutzt werden,
um eine hohe Ladungseffizienz in einer kleinen kompakten Gesamtgröße des elektrostatischen
Tröpfchensammlers
zu erzielen.
-
Eine
andere Möglichkeit,
einen dünnen
Elektrodenentladungsdraht herzustellen, ist es, ein flaches dünnes dielektrisches
Material, im allgemeinen Plastik, mit einem dünnen Metallfilm an der äußeren Oberfläche zu verwenden.
Das dünne
flache Dielektrikum mit dem dünnen
Film an der äußeren Oberfläche kann ähnlich dem
zur Herstellung flexibler elektrischer Schaltkreise verwendeten
sein. Das Elektrodendrahtmuster an der Oberfläche kann durch Photolithographie
geätzt
sein. Der dünne
Film, der das Muster bildet, kann anschließend an die Oberfläche der
Halterung mittels eines Klebematerials angefügt sein. In diesem Fall hat
der Draht keinen kreisförmigen
Querschnitt. Die lateralen Ausdehnungen der geätzten Elektrode müssen dennoch
hinreichend klein sein, um eine Coronaentladung an dem verwendeten
Hochspannungsmaterial zu erzielen.
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Die
gezeigten kompakten elektrostatischen Abscheider sind in erster
Linie für
die Sammlung von Aerosoltröpfchen
gedacht. Die hohe Sammeleffizienz bei dieser kompakten Größe macht
die Abscheider ebenfalls geeignet zur Sammlung von trockenen Aerosolpartikeln.
Die gesammelten trockenen Partikel reichern sich in dem Gerät an und
der Abscheider muß periodisch
zur Reinigung und Instandhaltung abgeschaltet werden. Dies ist üblicherweise
für die meisten
Anwendungen akzeptabel.
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Der
hier beschriebene kompakte elektrostatische Abscheider, der für bestimmte
Anwendungen nicht notwendig ist, ist dennoch interessant wegen seiner
kompakten Größe und der
großen
Sammeleffizienz.
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19 zeigt
einen elektrostatischen Abscheider 300 in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung. Der Abscheider weist einen Behälter 302 mit
einer Elektrodenanordnung 304 für eine Coronaentladung auf,
die ein hohles Inneres 306 aufweist. Ein Netzgerät 308 ist
innerhalb des hohlen Inneren 306 vorgesehen und stellt
eine Hochspannung für
den Leitungsdraht 305 vergleichbar dem Leitungsdraht 36 für die Elektrodenanordnung 304 für die Coronaentladung
bereit. Der Behälter 302 erstreckt
sich axial entlang einer Achse 310 und weist ein offenes
axiales Ende 312 geschlossen durch einen Deckel 314 auf.
Die Elektrodenanordnung 304 für die Coronaentladung ist an
dem Deckel 314 angebracht und erstreckt sich axial in dem
Behälter 302.
-
Der
Deckel 314 weist eine erste und eine zweite distal gegenüberliegende
Seite 316 und 318 auf. Die Seite 316 ist
axial nach außen
weg vom Behälter 302 gewandt.
Die Seite 318 ist axial nach innen in den Behälter 302 gewandt.
Die Elektrodenanordnung 304 für die Coronaentladung ist an
dem Deckel 314 mittels eines Isolators 320 angebracht,
der sich entlang der Seite 318 erstreckt. Der Isolator 320 ist axial
zwischen der Seite 318 und dem Netzgerät 308 angeordnet.
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Der
Isolator 320 weist eine erste und eine zweite distal gegenüberliegende
Seite 322 und 324 auf. Die erste Seite 322 des
Isolators 320 ist axial in Richtung der zweiten Seite 318 des
Deckels 314 gewandt und liegt an dieser an. Die zweite
Seite 324 des Isolators 320 ist axial nach innen
in den Behälter 302 gewandt.
Das hohle Innere 306 der Elektrodenanordnung 304 für die Coronaentladung
erstreckt sich von der zweiten Seite 324 des Isolators 320 axial nach
innen in den Behälter 302.
Das Netzgerät 308 ist
der zweiten Seite 324 des Isolators 320 zugewandt
und erstreckt sich axial nach innen in das hohle Innere 306.
Das Netzgerät 308 und
das hohle Innere 306 sind an der zweiten Seite 324 des
Isolators 320 gegenüber
der ersten Seite 322 des Isolators 320 angeordnet.
Das Netzgerät 308 ist
konventionell und weist einen konventionellen Transformatorschaltkreis
zur Erhöhung
der Spannung beispielsweise von einem 12- oder 24-Volt-Gleichstromeingang bei 326 zu
einem Hochspannungsausgang bei 328 mit einigen tausend
Volt, beispielsweise 15 kV, auf, der mit dem Coronadraht 305 verbunden
ist. Vorzugsweise weist das Netzgerät 308 eine Niederspannungsplatine
für einen
12- oder 24 Volt-Gleichstromeingang auf, die auch eine Überwachungsplatine
vorsieht, die durch eine Leitung 332 mit einer Hochspannungsplatine 334 verbunden
ist, wie dies Standard ist. Es ist weiter bevorzugt, daß die Platinen in
das hohle Innere 306 der Elektrodenanordnung 304 für die Coronaentladung
eingegossen sind mit elektrischen Gußverbindungen 336.
Eine Niederspannungsdurchführung 326 erstreckt
sich axial durch den Deckel 314 und axial durch den Isolator 320.
Die Niederspannungsdurchführung 326 beinhaltet
vorzugsweise eine Mehrzahl von Leitern und entsprechenden Verbindungsstiften
dafür,
beispielsweise einen ersten Verbindungsstift 338 zur Einspeisung von
12 oder 24 Volt-Gleichstrom von einer Spannungsquelle wie einer
Batterie oder einem elektrischen System eines Fahrzeugs, einen zweiten
Stift 340 zur Bereitstellung der Niederspannungserde und einen
dritten Stift 342 zur Bereitstellung einer Netzgerätdiagnose.
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In
einer Ausführungsform
weist die Elektrodenanordnung 304 für die Coronaentladung eine
isolierende Plastiktrommel 344 auf, die sich axial zwischen
einem ersten axialen und einem zweiten axialen Ende 346 und 348 erstreckt.
Die Trommel 344 weist eine innere Oberfläche 350 auf,
die das hohle Innere 306 definiert und eine äußere Oberfläche 352, die
dem Behälter 302 zugewandt
und von diesem beabstandet ist. Der Coronadraht 305 erstreckt
sich entlang der äußeren Oberfläche 352 und
ist von ihr radial nach außen
wie oben beabstandet. Der Behälter 302 ist
geerdet, wie es bekannt ist, und stellt eine ringförmige geerdete
Fläche
bereit, die wie zuvor die Kollektorelektrode bereitstellt. Das erste
axiale Ende 346 der Trommel 344 ist an der zweiten
Seite 318 des Deckels 314 in irgendeiner geeigneten
Weise, wie z. B. durch Ultraschallschweißen, eine klebende Verbindung,
etc. angebracht und stellt den Isolator bereit.
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Der
Abscheider 300 wird vorzugsweise in einer elektrostatischen
Kurbelgehäuseentlüftung eines Dieselmotors
wie zuvor beschrieben für
Blow-by-Gas verwendet. Ein Gehäuse 354 weist
einen Einlaß 356 wie
zuvor auf zum Einleiten des Blow-by-Gases von dem Dieselmotor und
einen Auslaß 358 wie
zuvor zum Ableiten des Blow-by-Gases nach der Entfernung von Schwebstoffen
einschließlich Öltröpfchen aus
dem Blow-by-Gas und zur Rückführung des Blow-by-Gases zu dem Frischlufteinlaß des Dieselmotors,
beispielsweise zu einem Turbolader oder Kompressor, so daß eine Blow-by-Gaszirkulation
bereitgestellt wird. Abgeschiedene Öltröpfchen fließen von dem Gehäuse an einem
Ablauf 357 ab zurück
in eine Ölwanne
des Motors. Das Gehäuse 354 enthält den sich
axial erstreckenden Behälter 302 mit
einem offenen axialen Ende 312, geschlossen durch den Deckel 314.
Der Deckel 314 kann einen Scheiben- oder einen Plattenabschnitt 360 mit
einer Mehrzahl von Öffnungen 362 aufweisen,
die eine Verteilung des Stroms durch diese in den oberen Raum des
Behälters 302 vor
dem Ablassen des Gases am Auslaß 358 bereitstellen,
vergleichbar zu der oben beschriebenen Scheibe oder Platte 206 und
den Öffnungen 204.
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Der
Isolator 320 ist axial mit dem hohlen Inneren 306 ausgerichtet
und ordnet das Netzgerät 308 axial
beabstandet von dem Deckel 314 an. Der Isolator 320 ist
axial innerhalb des offenen axialen Endes 312 des Behälters 302 angeordnet.
Die Niederspannungsleitung 326 erstreckt sich axial durch
die erste und die zweite Seite 316 und 318 des
Deckels 314 und axial durch die erste und zweite Seite 322 und 324 des
Isolators 320.
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Die
Erfindung stellt einen elektrostatischen Abscheider 300 mit
einem Gehäuse 354,
einer Elektrodenanordnung 304 für eine Coronaentladung in dem
Gehäuse 354,
einen Isolator 320, der sich entlang einer inneren Oberfläche 318 einer
Gehäusewand 314 erstreckt,
ein Netzgerät 308 in
dem Gehäuse 354 an
der gegenüberliegenden
Seite 324 des Isolators 320 von der Gehäusewand 314,
so daß der Isolator 320 zwischen
der Gehäusewand 314 und dem
Netzgerät 308 angeordnet ist
und eine Niederspannungsdurchführung 326,
die sich durch die Gehäusewand 314 und
durch den Isolator 320 zu dem Netzgerät 308 erstreckt, bereit,
wobei das Netzgerät 308 die
Hochspannung für
die Elektrodenanordnung 304 für die Coronaentladung bereitstellt.
Das Gehäuse 354 ist
vorzugsweise vorgesehen durch einen Behälter 302 der mit einem
Deckel 314 geschlossen ist, wobei der Deckel 314 die
Gehäusewand 314 bereitstellt,
die die innere Oberfläche 318 aufweist,
entlang der sich der Isolator 320 erstreckt und mit der
Niederspannungsdurchführung 326,
die sich durch den Deckel 314 und den Isolator 320 erstreckt.
Der Behälter 302 weist
das offene Ende 312, geschlossen durch den Deckel 314,
auf. Das Netzgerät 308 ist
vertieft in dem Gehäuse
innerhalb des offenen Endes 312 angeordnet. Das Netzgerät 308 ist
von dem Deckel 314 durch den dazwischenliegenden Isolator 320 beabstandet.