AT517950A4

AT517950A4 - Kondensationspartikelzähler mit Füllstandssensorelement

Info

Publication number: AT517950A4
Application number: ATA738/2015A
Authority: AT
Inventors: Ing Christos Berger Dipl; Ing Martin Augustin Dipl; Ing Martin Cresnoverh Dipl; Hütter Christian
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2015-11-17
Filing date: 2015-11-17
Publication date: 2017-06-15
Also published as: DE112016005272A5; WO2017085183A1; AT517950B1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kondensationspartikelzähler (1) mit einem Sättigungsabschnitt (S), dem zumindest ein in einem Einlassabschnitt (E) angeordneter Einlass (2) für einen mit Partikeln beladenen Strom eines Aerosols zugeordnet ist, wobei dem Sättigungsabschnitt (S) stromab (110) ein Kondensationsabschnitt (K), ein Messabschnitt (M) für Kondensationspartikel sowie ein Auslassabschnitt (A) nachgeordnet sind und im Auslassabschnitt eine kritische Düse (30) liegt, von welcher eine Auslassleitung (4) zu einer Pumpe (3) zum Absaugen des Aerosols führt, wobei der Sättigungsabschnitt (S) zumindest einen Sättigungskörper (10) mit zumindest einem Strömungsweg (9, 20) für den Durchfluss des partikelbeladenen Aerosols besitzt. Dabei ist in einem dem Einlassabschnitt (E) zugewandten Bereich des Sättigungsabschnitts (S) zumindest ein Füllstandssensorelement (81, 82) angeordnet.

Description

Kondensationspartikelzähler mit Füllstandssensorelement

Die Erfindung betrifft einen Kondensationspartikelzähler mit einem Sättigungsabschnitt, dem zumindest ein in einem Einlassabschnitt angeordneter Einlass für einen mit Partikeln beladenen Strom eines Aerosols zugeordnet ist, wobei dem Sättigungsabschnitt stromab ein Kondensationsabschnitt, ein Messabschnitt für Kondensationspartikel sowie ein Auslassabschnitt nachgeordnet sind und im Auslassabschnitt eine kritische Düse liegt, von welcher eine Auslassleitung zu einer Pumpe zum Absaugen des Aerosols führt, wobei der Sättigungsabschnitt zumindest einen Sättigungskörper mit zumindest einem Strömungsweg für den Durchfluss des partikelbeladenen Aerosols besitzt.

Kondensationspartikelzähler sind optische Messgeräte zur Erfassung kleiner Feststoffpartikel mit Abmessungen beispielsweise im nm-Bereich, mit welchen ein Trägergas, z.B. Luft, Motorabgase etc. beladen ist. Dieses Trägergas mit den Partikeln wird im Folgenden mit dem einschlägigen Fachbegriff Aerosol bezeichnet. Kondensationspartikelzähler werden beispielsweise in der Reinraumtechnik oder zur Messung von Abgasströmen verwendet.

Feststoffpartikel im nm-Bereich sind zu klein, um direkt auf optischem Weg detektiert werden zu können. Um solche Feststoffpartikel doch messbar zu machen, werden Kondensationskernzähler verwendet, bei welchen das Aerosol, z.B. ein Abgas, durch eine übersättigte Atmosphäre geschickt wird. Die übersättigte Atmosphäre wird z.B. erzeugt, in dem das Abgas mit Dämpfen eines Betriebsmittels gesättigt und anschließend abgekühlt wird. Die Feststoffpartikel dienen dann als Kondensationskerne und sie werden durch heterogene Kondensation soweit vergrößert, dass sie optisch detektiert werden können. Die Größe der Feststoffpartikel, ab der dieser Kondensationsprozess stattfindet, ist von der Übersättigung abhängig und wird als Kelvin-Durchmesser bezeichnet. Je kleiner der Kelvindurchmesser für eine bestimmte Übersättigung ist, desto kleiner können die Feststoffpartikel sein, die zur Kondensation von Betriebsmittel führen. Entsprechend von Vorgaben, z.B. gesetzlichen Anforderungen, ist beispielsweise für Abgase von Kraftfahrzeugen der Partikelgrößenbereich von größer 20 nm, typischerweise 23 nm, bis 2.5 pm zu detektieren und das Abgas auf eine Temperatur von <35°C vor der eigentlichen Messung zu konditionieren. Durch die Kondensation steigt die Größe der Partikel an, beispielsweise auf ca. 5 pm. Partikel solcher Größe können einzeln optisch detektiert werden, z.B. mit optischen Partikelzählern auf Basis von Streulicht.

Ein Kondensationspartikelzähler besteht prinzipiell aus einer Sättigungseinheit, einer Kondensationseinheit und einer Messzelle, wie weiter unten im Detail beschrieben. Dabei sei zum relevanten Stand der Technik beispielsweise die EP 0 462 413 B genannt, welche eine Sättigungseinheit mit einem zylindrischen Körper aus porösem Material zeigt, an den in rechtem Winkel anschließend eine Kondensationseinheit und eine Messzelle folgen. Dabei wird die Betriebsflüssigkeit in einem Hohlraum der Sättigungseinheit bereitgestellt. Verluste der Betriebsflüssigkeit während des Messbetriebs werden permanent durch Zufuhr von außen ausgeglichen.

Die EP 2 194 370 A1 zeigt geometrisch eine ähnlich aufgebaute Vorrichtung, bei welcher die Sättigungseinheit eine besondere Absperreinrichtung besitzt, um das Eindringen von Betriebsmittel in die Messzelle zu verhindern.

Die WO 2012/142297 A1 zeigt ein Beispiel einer Sättigungseinheit für einen Kondensationspartikelzähler, bei welcher ein poröser Körper von mehreren Kanälen durchsetzt ist, durch welche das Aerosol strömen kann.

Schließlich ist der US 2013/0180321 A1 ein Kondensationspartikelzähler der gegenständlichen Art zu entnehmen, wobei ein poröser Körper an seinem Umfang eine Anzahl von Ausnehmungen aufweist, um einer unerwünschten Kapillarwirkung zwischen der äußeren Wandung und dem porösen Körper entgegenzuwirken.

Der eigentlichen Messzelle ist stromab eine Pumpe zum Absaugen des Aerosols nachgeordnet, wobei häufig zwischen der Messzelle und der Pumpe eine kritische Düse im Strömungsweg liegt, wie dies beispielsweise die bereits genannte EP 2 194 370 A1 zeigt.

Herkömmliche Kondensationspartikelzähler werden dabei aus außenliegenden Reservoirs mit Betriebsmittel befüllt. Dabei befindet sich üblicherweise in der Betriebsmittelzuleitung oder im Reservoir ein Füllstandssensor, der je nach Messergebnis Betriebsmittel zuführt oder die Zuleitung unterbindet, um ein Fluten des Kondensationspartikelzählers bzw. von Gasweg und Optik zu verhindern.

Nachteilig daran ist insbesondere, dass es aufgrund der Anordnung des Füllstandssensors zu Fehlfunktionen kommt, wenn der Kondensationspartikelzähler geneigt wird - je nach Neigungsrichtung kann es zu einer Überversorgung (wenn der Füllstandssensor aus dem Betriebsmittel herausragt) oder einem Austrocknen der Sättigungseinheit kommen (wenn der Füllstandssensor aufgrund der Neigung aus dem Betriebsmittel herausragt). Daher können Kondensationspartikelzähler gemäß dem Stand der Technik nur bei sehr geringen Neigungen - z.B. 2° -betrieben werden, was insbesondere mobile Anwendungen verunmöglicht.

Eine Aufgabe der Erfindung liegt darin, auf möglichst einfache und zuverlässige Weise diesem Problem entgegen zu wirken.

Diese Aufgabe wird mit einem Kondensationspartikelzähler der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, in einem dem Einlassabschnitt zugewandten Bereich des Sättigungsabschnitts zumindest ein Füllstandssensorelement angeordnet ist.

Dank der Erfindung ist es möglich, den Kondensationspartikelzähler bei sehr viel größeren Neigungen und damit auch im mobilen Bereich zu verwenden, da das Füllstandssensorelement innerhalb des Kondensationspartikelzählers angeordnet ist und damit größere Kippwinkel verträgt. Die Gefahr, dass zum Fluten des Gaswegs oder der Optik oder zu einem Austrocknen des Sättigungsabschnitts kommt, wird erheblich vermindert. Dadurch kommt es nicht zu Beschädigungen oder womöglich einem Ausfall des Zählers, Wartungsaufwand kann reduziert werden. Als Füllstandssensorelement kann ein beliebiger Sensor zum Einsatz kommen - auch ein Sensorelement, das nur das Überschreiten einer gewissen Füllhöhe detektiert, ohne Aussagen über die absolute Flöhe treffen zu können, ist ausreichend.

In einer Variante der Erfindung ist das Füllstandssensorelement innerhalb des Außendurchmessers des zumindest einen Sättigungskörpers, vorzugsweise im Flächenschwerpunkt von dessen Grundfläche, angeordnet. Damit wird eine besonders verlässliche Funktion erzielt. Günstigerweise ist das Füllstandssensorelement in der Längsachse des Sättigungskörpers angeordnet.

Die erfinderische Lösung ist auf beliebige Ausführungen des Sättigungskörpers anwendbar. Gemäß einer ersten Variante ist der Sättigungskörper ein Hohlzylinder, dessen zylindrischer Innenraum den Strömungsweg für den Durchfluss des partikelbeladenen Aerosols bildet, wobei das Füllstandssensorelement innerhalb einer inneren Oberfläche des Hohlzylinders angeordnet ist.

In einer zweiten Variante ist der Sättigungskörper ein Hohlzylinder mit einem zu diesem konzentrisch angeordneten Innenzylinder, wobei der Innenzylinder entweder massiv oder mit einer Innenbohrung aufgeführt ist und zwischen beiden Zylindern ein Spalt für den Durchfluss des partikelbeladenen Aerosols belassen ist, wobei zumindest ein Füllstandssensorelement an zumindest einer der nachfolgenden Positionen angeordnet ist: Zwischen einer inneren Oberfläche des Hohlzylinders und einer äußeren Oberfläche des Innenzylinders oder innerhalb der Innenbohrung des Innenzylinders. Das bedeutet, dass hier also auch mehrere Füllstandssensorelemente an verschiedenen Positionen vorgesehen sein können. Dabei ist günstigerweise die axiale Erstreckung in Richtung der Längsachse des Innenzylinders größer als die axiale Erstreckung des Hohlzylinders, wobei sich der Innenzylinder vorzugsweise weiter in den Einlassabschnitt hinein erstreckt als der Hohlzylinder. Der Innenzylinder kann dabei bis zum Boden des Einlassabschnitts reichen, während der Hohlzylinder dazu etwas Abstand aufweist. Damit ist es möglich, die Gesamtbauhöhe des Kondensationspartikelzählers zu verringern, weil zwischen Hohlzylinder und Einlassabschnitt Platz für die Zuleitung und sonstige Baueinheiten ist.

In einer dritten Variante weist der Sättigungsabschnitt zumindest einen Sättigungskörper mit zumindest zwei diesen durchsetzenden Bohrungen für den Durchfluss des partikelbeladenen Aerosols auf.

In einer für alle oben beschriebenen Ausführungen geeigneten Variante ist im Einlassabschnitt eine Betriebsmittelwanne ausgebildet und das zumindest eine Füllstandssensorelement ist in der Betriebsmittelwanne, sich in Strömungsrichtung in Richtung des Messabschnitts, vorzugsweise parallel zur Längsachse des Sättigungskörpers, erstreckend, angeordnet. Damit lässt sich das Füllstandssensorelement einfach und im Nahbereich des Betriebsmittels positionieren.

Die Erfindung samt weiteren Vorteilen ist im Folgenden anhand eines nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels näher erläutert, das in den Zeichnungen veranschaulicht ist. In diesen zeigen

Fig. 1 einen schematischen vereinfachten Schnitt durch einen gemäß der Erfindung ausgebildeten Kondensationspartikelzähler,

Fig. 2 in schaubildlicher Darstellung eine erste Variante eines Sättigungskörpers,

Fig. 3 einen Schnitt durch eine weitere Variante eines Sättigungskörpers,

Fig. 4 einen Schnitt nach der Ebene Vl-Vl der Fig. 1,

Fig. 5 einen Schnitt nach der Ebene Vll-Vll der Fig. 1,

Fig. 6 einen Schnitt nach der Ebene Vlll-Vlll der Fig. 1,

Fig. 7 eine Schnittdarstellung eines Überführabschnitts für den Übergang von einem Ringspalt auf Einzelkanäle,

Fig. 8 einen Ausschnitt der Schnittdarstellung aus Fig. 1, und

Fig. 9 in schaubildlicher Darstellung eine zweite Variante eines Sättigungskörpers.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird an Hand einer vereinfachten schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines nach der Erfindung ausgebildeten Kondensationspartikelzählers 1 beschrieben. Ein partikelbeladenes Aerosol, das beispielsweise aus den Abgasen eines Verbrennungsmotors stammt, gelangt über einen Einlass 2, nämlich eine Leitung, in einen Einlassabschnitt E des Zählers 1, aus dem es, hier an seinem oberen Ende, mittels einer Pumpe 3 über einen Auslass 4, nämlich eine Leitung, aus einem Auslassabschnitt A abgesaugt wird. Zwischen dem Einlassabschnitt E und dem Auslassabschnitt A liegen ein Sättigungsabschnitt S, gegebenenfalls ein Überführabschnitt U, ein Isolierabschnitt I - Überführabschnitt U und Isolierabschnitt I können auch in ein Bauteil kombiniert sein -, ein Kondensationsabschnitt K und ein Messabschnitt M. Alle diese Abschnitte mit möglichen Varianten sowie deren Funktion werden nachstehend detailliert beschrieben.

Dem Einlassabschnitt E kommt die Funktion zu, ein gewünschtes Strömungsverhalten, im Allgemeinen ein laminares, in dem in Strömungsrichtung 110 des Aerosols stromabwärts folgenden Sättigungsabschnitt S sowie dem nachfolgenden Kondensationsabschnitt K sicher zu stellen. Die nähere Ausbildung des hier nur schematisch skizzierten Einlassabschnittes E ist jedoch nicht Gegenstand der Erfindung.

Wie auch aus Fig.2 ersichtlich, ist in dem Sättigungsabschnitt S z.B. ein zweiteiliger Sättigungskörper 10 angeordnet, gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Hohlzylinder 5 mit einem zu diesem bezüglich einer Längsachse 100 des Sättigungskörpers 10 konzentrisch angeordneten Innenzylinder 6, wobei letzterer hier gleichfalls als Hohlzylinder mit einer Innenbohrung 7 ausgebildet ist. Letztere kann beispielsweise einen mechanisch stabilisierenden und/oder wärmeleitenden Dorn 8 (siehe Fig. 2) zur Temperatureinstellung aufnehmen. Zwischen beiden Zylindern 5 und 6 ist ein Spalt 9 mit ringförmigem Querschnitt für den Durchfluss des partikelbeladenen Aerosols in Strömungsrichtung 110, die in Fig. 1 durch Pfeile angedeutet ist, belassen.

Als Material wird für die beiden Zylinder 5, 6, welche hier einen zweiteiligen Sättigungskörper 10 bilden, ein saugfähiges, poröses Material, beispielsweise ein gesinterter Kunststoff, ein Dochtmaterial od. dgl. verwendet; bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist jedoch zumindest ein Abschnitt 5n (siehe Fig. 2), hier ein Sektor des Hohlzylinders 5, aus nicht porösem Material, wie z.B. aus Aluminium oder aus einem Kunststoff gefertigt, wobei der restliche Abschnitt 5p aus porösem Material besteht. Falls das poröse Material nicht selbsttragend ist, können nicht gezeigte, z.B. netzartige Haltestrukturen verwendet werden. Der in Fig. 2 gezeigte Abschnitt 5n weist eine Teilquerschnittsfläche 51 sowie eine Materialstärke mit einer radialen Teillänge 131 auf. Der Abschnitt 5p weist eine Teilquerschnittsfläche 52 sowie ebenfalls eine Materialstärke mit einer radialen Teillänge 131 auf. Der Innenzylinder 6 weist eine Materialstärke mit einer radialen Teillänge 132 auf.

Ein in einem Behälter 11 gespeichertes Betriebsmittel 12, beispielsweise Wasser, ein Alkan oder ein Alkohol oder ein anderes geeignetes Medium, wird über eine Leitungsanordnung 13 zu dem Sättigungskörper 10 geführt, wobei innerhalb des Partikelzählers 1 kondensiertes Betriebsmittel beispielsweise übereine Leitung 14, eine Betriebsmittelpumpe 15 und ein Filter 16 wieder in den Behälter 11 rückgeführt oder einfach abgeführt (nicht gezeigt) werden kann. Allenfalls zur Dosierung bzw. zur Durchflusssteuerung des Betriebsmittels 12 erforderliche Dosiereinrichtungen oder Ventile in den Leitungen 13, 14 sind der besseren Übersicht wegen nicht eingezeichnet.

Nur angedeutet, da dem Fachmann bekannt, sind eine Heizeinheit 17 für den Sättigungsabschnitt S, beispielsweise ein Heizmantel, und eine Temperier-/Kühleinheit 18 für den Kondensationsabschnitt K.

Es ist des Weiteren bekannt, dass es bei Kondensationspartikelzählern mit externen Betriebsmittelbehältern aufgrund von Druckschwankungen zwischen dem Druck im Aerosol-Einlass bzw. in der Abgaszuleitung zum Kondensationspartikelzähler und dem Innendruck im Betriebsmittelbehälter zu Problemen bei der Betriebsmittelzufuhr kommen kann. Solche Druckschwankungen können beispielsweise dann auftreten, wenn der Aerosoleinlass verstopft ist. Dadurch kann es zu unerwünschten Störungen des Messbetriebs wie beispielsweise zu einem Fluten des Strömungswegs des Aerosols bis hin zum Fluten des Messabschnitts M mit Betriebsmittel kommen. Ebenso kann es aufgrund von Störungen in der Betriebsmittelzufuhr zu einem unerwünschten Austrocknen des Sättigungskörpers kommen.

Um die vorgenannten Betriebsstörungen verhindern zu können und einen ständigen Druckausgleich zwischen dem Aerosol-Einlass 2 und dem Betriebsmittelbehälter 11 zu gewährleisten, ist in der in Fig. 1 veranschaulichten Ausführung des Kondensationspartikelzählers 1 eine Druckausgleichleitung 150 zwischen dem rohrförmigen Einlass 2 und dem Behälter 11 skizziert. Vorteilhaft dient die Druckausgleichleitung 150 dazu, Druckunterschiede zwischen dem Aerosoleinlass 2 und dem Betriebsmittelbehälter 11 auszugleichen. Alternativ oder in Ergänzung dazu ist in Fig. 1 eine weitere Druckausgleichleitung 151 strichliert eingezeichnet, die vom Behälter 11 direkt in den Sättigungskörper 10 reicht und zum Druckausgleich zwischen dem Betriebsmittelbehälter 11 und dem Sättigungsabschnitt S dient.

Ebenso können eine oder mehrere weitere Druckausgleichleitungen, die hier nicht eingezeichnet sind, erforderlichenfalls zwischen dem Behälter 11 und dem Kondensationsabschnitt K angeordnet sein.

Das im auf eine vorgegebene Temperatur aufgeheizten Sättigungsabschnitt S vorhandene übersättigte Aerosol durchströmt den auf eine gleichfalls vorgegebene Temperatur abgekühlten Kondensationsabschnitt K, wo das Betriebsmittel auf die im Aerosol vorhandenen Partikel aufkondensiert und somit zu der erwünschten Partikelvergrößerung führt. Die Zähleffizienz, d.h. die Anzahl der erfassten Partikel einer bestimmten Größe ist bei sehr kleinen Partikeln gering, steigt dann beispielsweise im Bereich einer Partikelgröße von 15 bis 35 nm sehr rasch an, wobei sie z.B. bei 23 nm 50% beträgt, und liegt bei größeren Partikel, typisch ab 40 nm, bei Werten von über 90%. Zu beachten ist auch, dass dieTemperaturdifferenz zwischen Sättigungsabschnitt und Kondensationsabschnitt die Partikelgröße bzw. das Aufwachsen beeinflusst, wobei umso kleinere Partikel erfasst werden, je größer diese Temperaturdifferenz ist.

Die Lösung mit Abschnitten des Sättigungskörpers 10 auch aus nicht-porösem Material bewirkt eine Inhomogenität der Gassättigung und erlaubt eine Beeinflussung der gemessenen Partikelgrößen in Richtung größerer Partikel. Durch diese Lösung wird die Aufwachscharakteristik bzw. die Zähleffizienzkurve des Gesamtsystems verflacht und ermöglicht besser den Ausgleich von Fertigungstoleranzen bzw. die Erfüllung gesetzlicher Vorgaben, welche festlegen, welcher Kelvindurchmesser gemessen werden soll.

In der Folge werden einige, nicht einschränkende Beispiele für die Gestaltung poröser bzw. nicht-poröser Abschnitte eines Sättigungskörpers gezeigt, wobei es klar sein soll, dass der Begriff „porös“ bedeutet, dass das entsprechende Material für das verwendete Betriebsmittel gut saugfähig sein soll, wogegen ein „nicht-poröses“ Material das verwendete Betriebsmittel eben nicht aufnimmt oder abgibt.

Fig. 3 zeigt, dass ein sektorförmiger Abschnitt 6n des Innenzylinders 6 mit einer Teilquerschnittsfläche 61 aus nicht-porösem Material bestehen kann, wobei der Rest des Innenzylinders ein Abschnitt 6p aus porösem Material mit einer Teilquerschnittsfläche 62 ist. An dieser Stelle sei angemerkt, dass der Innenzylinder 6, der sich hier in radialer Richtung 130 mit einer Teillänge 132 erstreckt, nicht notwendigerweise eine Innenbohrung 7 besitzen muss, sondern auch als voller Zylinder ausgebildet sein kann.

Die Darstellung nach Fig. 9 zeigt einen zylindrischen Sättigungskörper 19, der diesen durchsetzende Bohrungen 20 für den Durchfluss des partikelbeladenen Aerosols besitzt, somit anders ausgebildet ist, als der in Fig. 1 gezeigte Sättigungskörper und in seiner Geometrie beispielsweise der Ausbildung nach der eingangs genannten WO 2012/142297 A1 entspricht. Ein segmentförmiger Abschnitt 19n mit einer Teilquerschnittsfläche 191, der beispielsweise zwei Bohrungen 20 enthält, besteht hier aus nicht-porösem Material, z.B. aus Aluminium, wogegen der Rest des Sättigungskörpers 19 ein Abschnitt 19p aus porösem Material mit einer Teilquerschnittsfläche 192 ist. Möglich sind auch Ausführungen, bei welchen der Sättigungskörper zur Gänze aus einem porösen Material besteht, wobei jedoch der Strömungsweg zumindest einer der Bohrungen zumindest über einen Teil ihrer Länge von einem nicht-porösen Material, beispielsweise von einer Metallhülse, begrenzt ist.

Es versteht sich, dass verschiedene Kombinationen der Ausgestaltungen poröser und nicht-poröser Abschnitte ein- oder mehrteiliger Sättigungskörper gewählt werden können, die zu dem angestrebten und oben dargelegten Ziel führen, wobei es sich bei praktischen Ausführungsformen bewährt hat, 5 bis 50 Vol.% des Sättigungskörpers aus nicht-porösem Material zu gestalten.

Wieder auf Fig. 1 zurückkommend und unter Beiziehung der Fig. 4, 5 und 6 sowie der Fig. 7 erkennt man die Ausbildung des Überführabschnittes U, welchem die Aufgabe zukommt, die Strömung aus dem ringförmigen Spalt 9 möglichst laminar in eine Anzahl von stromab gelegenen Einzelkanälen überzuführen. Dazu ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein Ringeinsatz 21 vorgesehen, der an seiner Unterseite, die in Einbaulage die Einlassseite 200 des Überführabschnitts U bzw. des Ringeinsatzes 21 bildet, in Fortsetzung des Ringspaltes 9 eine Öffnung 22 wiederum in Form eines Ringspaltes aufweist, wobei von der Oberseite des Ringeinsatzes, der beispielsweise aus Aluminium besteht, eine Anzahl von Einzelkanälen 23, hier neun Einzelkanäle 23 (in Fig. 10 sind davon fünf zu sehen) , in die Ringspalt-förmige Öffnung 22 münden. Die hier in Fig. 10 gezeigte Oberseite des Ringeinsatzes 21 bildet in Einbaulage die Auslassseite 210 des Überführabschnitts U. Der Überführabschnitt U bzw. sein Ringeinsatz 21 stehen bei einer bevorzugten Ausführungsform in zweckmäßigerWeise mit dem Sättigungsabschnitt S in thermisch leitender Verbindung, um eine unerwünschte vorzeitige Kondensation in diesem Bereich zu verhindern.

Wesentlich ist dabei ein Übergang von der Ringspalt-förmigen Öffnung 22 in die Einzelkanäle 23 der so stetig wie möglich erfolgt, um die Strömung des Aerosols ohne Verwirbelungen laminar weiter in Einzelkanäle 24i des Isolierabschnittes I bzw. deren Fortsetzung, nämlich Einzelkanäle 24k des Kondensationsabschnittes K, zu führen. In diesem Abschnitt sind die Einzelkanäle 24k in einem Kondensationseinsatz 25 ausgebildet, in dessen oberen Bereich sie wieder zu einem Einzelkanal 26 zusammengeführt sind, welcher dann in eine Vereinzelungsdüse 27 mündet, die vor oder in dem Messabschnitt M gelegen ist. Aus den Schnitten der Fig. 6, 7 und 8 erkennt man, dass der Ringspalt 9 des Sättigungsabschnitts S (Fig. 4) weiter oben im Isolierabschnitt I (Fig. 5) in Einzelkanäle 23 übergegangen ist. Noch weiter oben, im Bereich des Kondensationsabschnittes K, liegen diese Einzelkanäle bereits enger beisammen (Fig. 6), um dann in den einzigen Einzelkanal 26 kurz vor der Düse 27 überzugehen.

Der bei diesem Ausführungsbeispiel vorgesehene, jedoch nicht unbedingt erforderliche Isolierabschnitt I mit den Einzelkanälen 24i sorgt für eine thermische Trennung des Sättigungsabschnittes S von dem Kondensationsabschnitt K.

In dem Messabschnitt M erfolgt die eigentliche Zählung der durch Kondensation vergrößerten Partikel, die mit dem Aerosolstrom aus der Vereinzelungsdüse 27 austreten. In bekannterWeise ist hierzu eine Lichteinheit 28 vorgesehen, z.B. eine fokussierte Laserlichtquelle, deren Lichtstrahl auf aus der Düse 27 austretende Partikel trifft. Das entstehende Streulicht wird von einem Photodetektor 29 erfasst und die entstehenden Signale werden an eine nicht dargestellte Auswerteeinheit weitergeleitet. Auch andere Messmethoden können hier zur Anwendung kommen.

Das Aerosol mit den Partikeln gelangt nach dem Messabschnitt in den Auslassabschnitt A, der gemäß der Erfindung eine besondere Gestaltung aufweist, welche ein Verstopfen einer am Auslass des Zählers 1 angeordneten kritischen Düse 30 verhindern soll. Diese kritische Düse 30 dient in bekannterWeise der Einstellung eines konstanten Volumenstroms und weist einen geringen Durchmesser, typischerweise 0,3 mm, auf, wobei die Gefahr besteht, dass im Laufe des Betriebs die ausströmenden Partikel diese kleine Öffnung verlegen und somit die Messgenauigkeit beeinträchtigen oder die Messung unmöglich machen.

Um diesem Nachteil zu begegnen, endet im Auslassabschnitt A eine Austrittsleitung 31 aus dem Messabschnitt M in einem verengten Bereich 32, der mit einer scharfen Verwirbelungskante 33 in eine Partikel-Fangkammer 34 mündet. Der verengte Bereich 32 und zusätzlich die Verwirbelungskante 33 führen zu einer Verwirbelung des Aerosolstroms, welche eine Ablagerung von Partikeln vor allem im unteren Randbereich 35 der Partikel-Fangkammer begünstigt, wo (Fig. 1) abgelagerte Partikel angedeutet sind.

Um weiter oben beschriebene unerwünschte Störungen des Messbetriebs wie beispielsweise das Fluten des Strömungswegs des Aerosols bis hin zum Fluten des Messabschnitts M mit Betriebsmittel wirkungsvoll zu verhindern, was bei Druckschwankungen aufgrund z.B. Verstopfens des Aerosoleinlasses 2 auftreten kann, ist folgende Lösung vorgesehen: Zwischen der kritischen Düse 30 - streng genommen zwischen dem vom Messabschnitt M abgewandten Ausgang der Düse 30 - und der Pumpe 3 ist zumindest eine einstellbare Ventilvorrichtung 70 vorgesehen. Die Ventilvorrichtung 70 kann in Abhängigkeit von einem Vorgabewert insbesondere bei Unterdrück innerhalb des Gaswegs zwischen Einlass 2 und kritischer Düse 30 so verstellt werden, dass die Auslassleitung im Bereich zwischen kritischer Düse 30 und Pumpe 3 teilweise oder ganz verschlossen wird, wodurch ein Fluten verhindert werden kann.

Entgegen dem Stand der Technik ist beim erfindungsgemäßen Kondensationspartikelzähler 1 auch ein Betrieb bei hohen Kippwinkeln möglich — während herkömmliche Zähler nur bis Neigungen von 2° oder maximal 10° betrieben werden können, ist bei der nachfolgend beschriebenen Lösung ein Neigung bis zu 38° möglich.

Dazu ist in einem dem Einlassabschnitt E zugewandten Bereich des Sättigungsabschnitts S ein Füllstandssensorelement 81, 82 angeordnet. Die Positionierung kann in einer Betriebsmittelwanne 80 des Einlassabschnitts E, von der das Betriebsmittel weiter in den Sättigungsabschnitt aufsteigt, erfolgen. Das Füllstandssensorelement 81, 82 erstreckt sich dann in Strömungsrichtung 110 in

Richtung des Messabschnitts M, bzw. parallel zur Längsachse 100 des Sättigungskörpers. Dieses Element detektiert das Überschreiten eines gewissen Füllstands und unterbindet dann das Zuführen von weiterem Betriebsmittel, um ein Fluten von Gasweg oder Optik zu verhindern.

Das Füllstandssensorelement 81, 82 ist dabei innerhalb des Außendurchmessers des Sättigungskörpers, vorzugsweise im Flächenschwerpunkt von dessen Grundfläche, angeordnet und damit verträglich für hohe Kippwinkel. Der Sättigungskörper kann dabei zylindrisch mit ringförmigem Strömungsweg 9 (siehe Fig. 1, 2 und 8) als auch als massiver Sättigungskörper 19 mit duchsetzenden Bohrungen 20 (siehe Fig. 9) ausgeführt sein. Auch eine Ausführung des Sättigungskörpers als Hohlylinder 5, dessen zylindrischer Innenraum den Strömungsweg 9 für den Durchfluss des Aerosols bildet, ist möglich - das Füllstandssensorelement 81, 82 ist dann innerhalb der inneren Oberfläche des Flohlzylinders 5 angeordnet.

Fig. 1 und Fig. 8 zeigen einen ersten Füllstandssensor 81, der in der Längsachse 100 des Sättigungskörpers 5, 6, 10 positioniert ist. Diese Anordnung in der Symmetrieachse ermöglicht ein besonders weites Kippen, weil immer ein Benetzen des Sättigungskörpers sichergestellt ist. Der Sättigungskörper 10 ist dabei wie oben beschrieben ein Flohlzylinder 5 mit einem zu diesem konzentrisch angeordneten Innenzylinder 6, zwischen denen ein Spalt 9 für den Durchfluss des partikelbeladenen Aerosols belassen ist. Der Innenzylinder 6 kann dabei entweder massiv oder mit einer Innenbohrung 7 ausgeführt sein. Neben der am Beginn des Absatzes beschriebenen Position eines ersten Füllstandssensors 81, der innerhalb der Innenbohrung 7 des Innenzylinders 6 angeordnet ist, kann zusätzlich oder stattdessen ein zweiter Füllstandssensor 82 im Bereich zwischen einer inneren Oberfläche des Hohlzylinders 5 und einer äußeren Oberfläche des Innenzylinders 6 positioniert sein.

In Fig. 8 ist auch dargestellt, dass sich dabei eine Bauraumoptimierung des Kondensationspartikelzählers 1 erzielen lässt: Die axiale Erstreckung des Innenzylinders 6 kann größer ausgeführt sein als die axiale Erstreckung des Hohlzylinders 5, wobei sich der Innenzylinder 6 vorteilhafterweise weiter in den Einlassabschnitt E hinein erstreckt als der Hohlzylinder 5. Im Bereich, der durch die unterschiedlichen axialen Längen frei wird, kann der Einlass 2 bzw. andere Bauelemente untergebracht werden, die Baulänge des Kondensationspartikelzählers 1 wird reduziert. Unter axialer Erstreckung wird hier die Erstreckung in Richtung zu bzw. parallel zur Längsachse 100 des Innenzylinders 6 verstanden.

Claims

Ansprüche

1. Kondensationspartikelzähler (1) mit einem Sättigungsabschnitt (S), dem zumindest ein in einem Einlassabschnitt (E) angeordneter Einlass (2) für einen mit Partikeln beladenen Strom eines Aerosols zugeordnet ist, wobei dem Sättigungsabschnitt (S) stromab (110) ein Kondensationsabschnitt (K), ein Messabschnitt (M) für Kondensationspartikel sowie ein Auslassabschnitt (A) nachgeordnet sind und im Auslassabschnitt eine kritische Düse (30) liegt, von welcher eine Auslassleitung (4) zu einer Pumpe (3) zum Absaugen des Aerosols führt, wobei der Sättigungsabschnitt (S) zumindest einen Sättigungskörper (5, 6, 10) mit zumindest einem Strömungsweg (9, 20) für den Durchfluss des partikelbeladenen Aerosols besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass in einem dem Einlassabschnitt (E) zugewandten Bereich des Sättigungsabschnitts (S) zumindest ein Füllstandssensorelement (81, 82) angeordnet ist.
2. Kondensationspartikelzähler (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllstandssensorelement (81, 82) innerhalb des Außendurchmessers des zumindest einen Sättigungskörpers (5, 6, 10), vorzugsweise im Flächenschwerpunkt von dessen Grundfläche, angeordnet ist.
3. Kondensationspartikelzähler (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllstandssensorelement (81,82) in der Längsachse (100) des Sättigungskörpers (5, 6, 10) angeordnet ist.
4. Kondensationspartikelzähler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sättigungskörper (5, 6, 10) ein Flohlzylinder (5) ist, dessen zylindrischer Innenraum den Strömungsweg (9) für den Durchfluss des partikelbeladenen Aerosols bildet und das Füllstandssensorelement (81, 81) innerhalb einer inneren Oberfläche des Flohlzylinders (5) angeordnet ist.
5. Kondensationspartikelzähler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sättigungskörper (10) ein Hohlzylinder (5) mit einem zu diesem konzentrisch angeordneten Innenzylinder (6) ist, wobei der Innenzylinder (6) entweder massiv oder mit einer Innenbohrung (7) aufgeführt ist und zwischen beiden Zylindern ein Spalt (9) für den Durchfluss des partikelbeladenen Aerosols belassen ist, wobei zumindest ein Füllstandssensorelement (81, 82) an zumindest einer der nachfolgenden Positionen angeordnet ist: Zwischen einer inneren Oberfläche des Hohlzylinders (5) und einer äußeren Oberfläche des Innenzylinders (6) oder innerhalb der Innenbohrung (7) des Innenzylinders (6).
6. Kondensationspartikelzähler (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Erstreckung in Richtung der Längsachse (100) des Innenzylinders (6) größer ist als die axiale Erstreckung des Hohlzylinders (5), wobei sich der Innenzylinder (6) vorzugsweise weiter in den Einlassabschnitt (E) hinein erstreckt als der Hohlzylinder (5).
7. Kondensationspartikelzähler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sättigungsabschnitt (S) zumindest einen Sättigungskörper (19) mit zumindest zwei diesen durchsetzenden Bohrungen (20) für den Durchfluss des partikelbeladenen Aerosols aufweist.
8. Kondensationspartikelzähler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Einlassabschnitt (E) eine Betriebsmittelwanne (80) ausgebildet ist und das zumindest eine Füllstandssensorelement (81, 82) in der Betriebsmittelwanne (80), sich in Strömungsrichtung (110) in Richtung des Messabschnitts (M), vorzugsweise parallel zur Längsachse (100) des Sättigungskörpers (5, 6, 10), erstreckend, angeordnet ist.