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Dokumentenidentifikation DE102004038243B4 19.04.2007
Titel Aerosolklassierer-Vorrichtung zum Erfassen von gesundheitsrelevanten Staubpartikeln, inklusive des Ultrafeinstaubes
Anmelder Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 80686 München, DE
Erfinder Lödding, Hubert, 31275 Lehrte, DE
Vertreter Baumbach, F., Dipl.-Chem. Dr.rer.nat., Pat.-Anw., 13125 Berlin
DE-Anmeldedatum 05.08.2004
DE-Aktenzeichen 102004038243
Offenlegungstag 25.08.2005
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 19.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.04.2007
IPC-Hauptklasse G01N 15/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE

Beschreibung[de]

Staub gehört zu den klassischen Luftschadstoffen, für die im Rahmen gesetzlicher Bestimmungen sowohl immissions- als auch emissionsseitige Begrenzungen existieren (z.B. Bundes-Immissionsschutzgesetz BIMSchG).

Nachdem beim Menschen eine Abscheidung der Partikel in den einzelnen Bereichen des Atemtraktes in Abhängigkeit der Partikelgröße erfolgt, unterscheidet man bei dem Schwebstaub folgende Anteile:

  • – Einatembarer Anteil: Anteil an allen in der Luft vorhandenen Partikeln, die durch den Mund oder die Nase eingeatmet werden können,
  • – Thorakaler Anteil: Anteil aller eingeatmeter Partikel, die über den Kehlkopf hinaus in den Atemtrakt gelangen,
  • – Alveolargängiger Anteil: Anteil der Partikel, die bis in den innersten Bereich des Atemtraktes, den Alveolarraum, vordringen.

Als Thorakalstaub wird der Anteil der Staubes mit Partikelgrößen < 10 &mgr;m verstanden. Der alveolargängige Anteil des Staubes läßt sich wiederum in Feinstaub (Partikelgröße < 2,5 &mgr;m) und Ultrafeinstaub (Partikelgröße < 0,2 &mgr;m) unterteilen.

Die Partikelgrößen werden über den sog. aerodynamischen Durchmesser beschrieben. Darunter versteht man den Durchmesser einer Kugel mit einer Dichte 1 (1 g/cm3), welche in ruhender oder laminar strömenden Luft die gleiche Sinkgeschwindigkeit wie das betrachtete Partikel besitzt. In Abhängigkeit von ihrem aerodynamischen Durchmesser können die Partikel unterschiedlich weit in den Atemtrakt gelangen und sich dort ablagern. Je kleiner sie sind, desto tiefer können sie über Mund oder Nase bis zu den Lungenbläschen vordringen und um so länger ist ihre Verweilzeit.

Unter PM10 (PM = Particulate Matter) werden messtechnisch die Partikel verstanden, die einen größenselektierten Lufteinlass passieren, der für einen aerodynamischen Durchmesser von 10 &mgr;m eine Abscheidewirksamkeit von 50% aufweist.

PM10 beschreibt die Fraktion, die mit mittlerer Wahrscheinlichkeit in den thorakalen Bereich des Atemtraktes eindringt.

Bei PM2,5 und PM0,1 handelt es sich entsprechend um Partikel, die einen größenselektierten Lufteinlaß passieren, der für einen aerodynamischen Durchmesser von 2,5 &mgr;m bzw. 0,1 &mgr;m eine Abscheidewirksamkeit von 50% aufweist.

PM2,5 beschreibt die Fraktion des Feinstaubes und PM0,1 die Fraktion des ultrafeinen Staubes (Nanopartikel), wobei beide Fraktionen mit mittlerer Wahrscheinlichkeit in den Alveolarbereich des Atemtraktes gelangen.

Neuere Untersuchungen haben gezeigt, dass insbesondere von Feinstaub eine bislang unterschätzte Gefahr für die menschliche Gesundheit ausgeht. Der in der Atemluft verteilte Feinstaub schädigt die menschliche Gesundheit. Zu seinen wichtigsten Quellen gehören industrielle Produktionsprozesse, gefolgt vom Verkehr, insbesondere Dieselmotoren, den Kraftwerken sowie Feuerungsanlagen. Neuere Erkenntnisse deuten darauf hin, dass diese, für das Auge kaum sichtbaren Partikel schon in kleinsten Mengen gefährlich sind. Für Feinstaub kann deshalb keine Wirkungsschwelle angegeben werden. Auch bei geringen Feinstaubkonzentrationen muss noch mit Wirkungen gerechnet werden. Nimmt die Feinstaubkonzentration in der Atemluft zu, steigt die Zahl der Menschen, die wegen Erkrankungen der Atemwege und des Herz-Kreislauf-Systems in Krankenhäuser eingewiesen werden. Der Arzneimittelverbrauch und die Häufigkeit der Asthmaanfälle nehmen zu, vorzeitige Todesfälle treten gehäuft auf.

Für eine Reihe von Stäuben (Industrie- und Dieselruß, Quarzstaub, Titandioxid) mit Partikeln im Nanometerbereich konnte eine krebserzeugende Wirkung in der Rattenlunge nachgewiesen werden.

Das erhebliche gesundheitliche Risiko, das von Feinstaub ausgeht, erfordert die Festlegung und Einhaltung von Höchstgrenzen, wofür wiederum Messungen zur Quantifizierung des Emissionsanteils von feinen und sehr feinen Partikeln aus Industrie, Gewerbe und Hausbrand notwendig sind.

Die Bestimmung der Korngrößenverteilung von emittiertem Staub muss stets im Zusammenhang mit der Gesamtstaubkonzentration gesehen werden.

Die Gesamtstaubkonzentration kann nach verschiedenen Methoden, u.a. mit einem Planfilterkopfgerät bestimmt werden.

Zur Ermittlung der Massengrößenverteilungen dieser Partikelemissionen werden Messungen mit Kaskadenimpaktoren oder Kaskadenzyklonen durchgeführt.

Kaskadenimpaktoren bestehen aus hintereinander geschalteten Impaktorstufen, die so ausgelegt sind, dass in den nachfolgenden Stufen Partikel geringerer Trägheit abgeschieden werden und somit Fraktionen unterschiedlicher Partikelgröße erhalten werden. Durch eine Verringerung der Düsenweite von Stufe zu Stufe erhöht sich die Geschwindigkeit des durchgeführten Gas-/Partikelstromes. Somit werden immer kleinere Partikel abgeschieden. Die nicht abgeschiedenen Partikel werden auf einem hinter der letzten Impaktorstufe angeordneten Endfilter gesammelt. Eine Impaktorstufe besteht prinzipiell aus den Elementen Düse und Prallplatte.

Bei der Impaktion wird die unterschiedliche Trägheit von Partikeln ausgenutzt. Die Partikel besitzen eine größere Trägheit als das Gas und können daher der umgelenkten Gasstromlinie nicht in gleichem Maße folgen. Partikel mit ausreichender Trägheit des in der Düse beschleunigten Partikelkollektivs treffen auf die Prallplatte oder ein sonstiges Strömungshindernis und werden dort auf einem Sammelfilter gesammelt.

Prinzipiell lassen sich Düsenimpaktoren und freie Impaktoren unterscheiden. Bei Düsenimpaktoren differenziert man zwischen Prallplattenimpaktoren und virtuellen Impaktoren, bei denen die Prallplatte durch eine Konvergenzfläche im Strömungsfeld ersetzt wird. Erzeugt wird diese "virtuelle Prallplatte" am Eingang einer Rohrmündung dadurch, daß die Anströmgeschwindigkeit größer als die Absauggeschwindigkeit gewählt wird.

Freie Impaktoren werden durch Hindernisflächen gebildet, die entweder durch das Aerosol bewegt werden (mit bekannter Geschwindigkeit) oder in einer Strömung stehen.

Die zur Zeit bekannten Impaktoren beruhen auf dem Prinzip der plötzlichen Ablenkung eines mit Staub beladenen Luftstrahls. Die staubbeladene Luft wird infolge eines Drucks oder Unterdrucks durch Düsen geführt. Hinter den Düsen sind Prallflächen vorgesehen, an welchen der Luftstrahl zwangsläufig abgelenkt wird. Die im Luftstrahl vorhandenen Staubpartikel werden aufgrund ihrer Masse und Geschwindigkeit auf der Prallfläche niedergeschlagen bzw. wenn die Masse zu klein ist, verbleiben sie im Luftstrahl und werden der nachgeschalteten Impaktorstufe zugeführt (DE 31 10871 A1, DD 301 907 A9, DE 28 32 238 A1).

Die Autoren von DE 31 10 871 A1 offenbaren ein Staubmessgerät zur Untersuchung von Staubfraktionen im Korngrößenbereich unterhalb von 100 Mikrometern. Der Kern dieser Offenbarung ist ein realer Prallplattenimpaktor, der mehrere nacheinander geschaltete Impaktorstufen enthält. Im wesentlichen umfasst die beschriebene Vorrichtung einen Behälter, der von einem Staubstrom durchströmt wird und der hintereinander angeordnete Düsenkränze sowie diesen nachgeschaltete Abscheideflächen enthält.

Die Autoren von US 61 20 573 A offenbaren einen Partikelklassierer für Aerosole und partikelbeladene Flüssigkeiten. Das Kernstück der Offenbarung betrifft einen mikromechanisch hergestellten virtuellen Impaktor. Dieser besteht aus einer Anordnung von tränenförmigen virtuellen Impaktorstrukturen, die sich beispielsweise auf einer Trennplatte befinden können. Die Autoren von US 61 20 573 A offenbaren ferner einen Aerosolklassierer, der einen derartigen virtuellen Impaktor aus tränenförmigen Strukturen und einen nachgeschalteten realen Impaktor enthält. Dadurch wird eine Kombination von virtueller und realer Trägheitsimpaktion ermöglicht.

Die Autoren von US 43 01 002 A offenbaren einen einstufigen virtuellen Weichenimpaktor, der beispielsweise bei der Untersuchung von Umgebungsluft auf Umweltschadstoffe verwendet werden kann. Der beschriebene virtuelle Weichenimpaktor besteht aus einer einzigen Weiche zwischen zwei Strömungswegen für Partikel unterschiedlicher Größe. Die besondere Bedeutung dieser Druckschrift ergibt sich aus der Tatsache, dass die beschriebene Probensammelvorrichtung besonders geringe Partikelverluste und auf diesem Wege hochempfindliche Messungen ermöglichen sollte. Die Autoren geben an, dass sich bei der Trennung von Partikeln im Größenbereich unterhalb von 20 Mikrometern Verluste unter 1 realisieren lassen.

Die Autoren von US 41 33 202 A offenbaren eine Aufteilscheibe zur Verwendung als einstufiger Impaktor in Impaktionsklassierern. Die Aufteilscheibe enthält Einlassbohrungen unterschiedlicher Anzahl und Größe, durch die ein partikelhaltiger Strom geführt wird. Die Separation der Partikel erfolgt hier durch einen Größenausschluss der Partikel. Dabei wird die Partikelausschlussgröße jeder Einlassbohrung durch ihren Durchmesser bestimmt. Die größeren Partikel sind jeweils am Durchtritt durch die kleineren Öffnungen in der Scheibe gehindert. Die Bedeutung dieser Druckschrift ergibt sich aus der Tatsache, dass in einem einzigen Trennschritt zahlreiche Partikelfraktionen voneinander separiert werden.

Die bisher bekannten Impaktoren und sonstige Staubsammelsysteme weisen jedoch besonders in der Bewertung der ultrafeinen Staubfraktion den Nachteil auf, dass z.B. für mikroskopische Betrachtungen die Belegung (besonders bei Impaktoren) mit Ultrafeinstaub häufig um den Faktor 100 und mehr zu hoch ist, um z.B. noch einzelne Partikel zu bewerten (Form) oder zu zählen. Um diesen Nachteil zu kompensieren, dürften herkömmliche Sammelsysteme nur einige Sekunden oder höchstens Minuten sammeln. Dies ist aber für die Beurteilung der gesamten Staubsituation völlig unzureichend und bezüglich der gröberen Fraktionen auch nicht auswertbar. Bei herkömmlichen Impaktormessungen liegt die Ultrafeinfraktion – wenn überhaupt – nur häufchenweise vor, die für viele weitergehende Analysen sehr aufwendig aufbereitet werden müssen.

Für eine gesundheitsrelevante mikroskopische Betrachtung der Struktur des Ultafeinstaubes (Form, Anzahl etc.) ist daher bei bisherigen Sammelmethoden eine zusätzliche aufwendige Präparation mit dem Ziel der Verdünnung notwendig. Zudem besteht die Gefahr der Verfälschung der ursprünglichen Staubstruktur.

Die Aufgabe der Erfindung war es demnach, ein Gerät zum Klassieren und Messen von Staubpartikeln zu entwickeln, das ein vollständiges Erfassen der in das Meßgerät gelangten Partikel gewährleistet und eine Trennung aller relevanten Partikelfraktionen, inklusive der ultrafeinen Fraktion, ermöglicht. Weiterhin sollte das Gerät die ultrafeine Fraktion in einer Form bereitstellen, die eine nachfolgende Untersuchung, z.B. eine mikroskopische Betrachtung der Struktur des Ultafeinstaubes ohne weitere Zwischenschritte ermöglicht. Darüber hinaus sollte das Gerät universell einsetzbar sein, das heißt im Innen- und Außenbereich, sowie stationär oder personenbezogen verwendbar sein.

Die Erfindung wird gemäß den Ansprüchen realisiert.

Gegenstand der Erfindung ist ein Aerosolklassierer, der neben der bisher relevanten Klassierung in „atembaren Staub", dem „Thorakalstaub" (< 10 &mgr;m) und dem alveolengängigen „Feinstaub" (< 2,5 &mgr;m) gleichzeitig auch den „ultrafeinen Staub" (Nanopartikel < 50, 100 oder 200 nm) sammelt.

Der erfindungsgemäße Aerosolklassierer besteht aus

  • – einem Ansaugkopf für atembaren Staub mit optionaler Impaktorabscheidung für Staub > 10 &mgr;m,
  • – mindestens einer virtuellen Impaktorstufe,
  • – mindestens einer nachgeschalteten realen Impaktorstufe, wobei mindestens in einer realen Impaktorstufe eine Mikrodüsenimpaktorplatte verwendet wird,
  • – mindestens einer segmentalen Aufteil- und Verdünnungsscheibe (, , , , ).

Ein wesentlicher Bestandteil der Erfindung ist die segmentale Aufteil- und Verdünnungsscheibe (), für welche im Rahmen der Patentanmeldung gesondert Schutz beantragt wird.

Über die erfindungsgemäße segmentale Aufteil- und Verdünnungsscheibe wird der ultrafeine Staub in Segmente (z.B. 6 Stück) aufgeteilt und der Endfilter wird mit segmental aufgeteilten Nanopartikeln beaufschlagt. Der mit Ultrafeinstaub beaufschlagte Endfilter kann anschließend für optische, chemische oder physikalische Auswertungen mit an sich bekannte Methoden verwendet werden und ermöglicht die Untersuchung der Utrafeinstaubfraktion ohne weitere Aufbereitung.

Über die Größe der Einlassbohrungen können verschiedene Belegungsdichten erreicht werden. Auf diese Weise sind Belegungsdichten möglich, die einer Verdünnung der Staubpartikel im Vergleich zur Ausgangskonzentration von z.B. 10, 100 oder 1000 entsprechen. Durch diesen „Verdünnungseffekt" liegen die ultrafeinen Partikel in unterschiedlichen Belegungsdichten auf den Segmenten des Endfilter vor.

Die saubere Sammlung (keine Durchblaseffekte) der Nanofraktion wird erfindungsgemäß durch vorgeschaltete Kombination von virtueller Impaktion und realer Trägheitsimpaktion in dieser kompakten Bauform erst möglich.

Die gröbere Staubfraktion wird durch die virtuelle Impaktion sofort auf einen Endfilter abgeschieden und belastet somit die weitere Feinstaubfraktionierung nicht.

Der geringe Gesamtdruckabfall des Aerosolklassierers wird durch die letzte Mikrodüsenimpaktorplatte dominiert, wobei viele kleine Impaktordüsen für eine Abtrennung der Ultrafeinfraktion (bei geringem Druckabfall) sorgen. Somit ist es möglich, die bekannten und weit verbreiteten Personalsamplerpumpen in Kombination mit dem erfindungsgemäßen Aerosolklassierer einzusetzen.

Der technische Fortschritt der Erfindung ist im wesentlichen darin begründet, dass ein Aerosolklassierer zur Verfügung gestellt wird, der Aerosolmessungen mit Erfassung der gesundheitsrelevanten Staubfraktionen inkl. der Ultrafeinstaubfraktion (und deren direkten Analyse) ermöglicht.

Die Kombination von virtueller und realer Trägheitsimpaktion ermöglicht die Abzweigung eines kleinen Teils des Volumenstroms für die Feinststaubanalyse (reale Impaktion) durch Parallelbetrieb zur virtuellen Impaktion. Durch diese multifunktionale Weichenimpaktionsstufe wird die Klassierung der gesamten relevanten Staubfraktionen in einer Messung ermöglicht, d.h. es können atembarer Staub und/oder PM 10 (Thorakalstaub < 10 &mgr;m) sowie Feinstaub (PM 2.5) und der ultrafeinen Fraktion (z.B. PM 0.1, d.h. < 100 nm) mit einer Messung bestimmt werden.

Die integrierte Mikrodüsenimpaktorplatte mit sehr kleinen Düsenlöchern erlaubt eine Abtrennung der Ultrafeinstaubfraktion in Größenordnungen von < 200 nm, < 100 nm oder z.B. < 50 nm. (andere Trenndurchmesser sind möglich)

Mit Hilfe der segmentalen Aufteilungs- und Verdünnungsscheibe wird die Ultrafeinfraktion mit unterschiedlichen Belegungsdichten, die einer Verdünnung von z.B. V = 10, V = 100 oder V = 1000, sowie jeder weiteren Verdünnung und V = 1 (unverdünnt) entsprechen, auf den Endfilter verbracht. Für die weitere optische Analyse kann somit zwischen mehreren Segmenten mit unterschiedlichen Belegungsdichten gewählt werden, wobei das Segment näher untersucht wird, das eine für die Analyse optimale Belegung aufweist.

Somit sind beste Voraussetzungen für weitergehende Analysen gegeben, (z.B. Optische Bildanalyseverfahren, Mikroskopie, Partikelanzahlbestimmungen usw.), was eine sehr hohe Meßgenauigkeit und gute Reproduzierbarkeit der Meßergebnisse sicherstellt.

Ein weiterer Vorteil des Systems ist die sofortige Abtrennung der gröberen Staubfraktionen zum Vorteil der folgenden sauberen Fein- bzw. Feinststaubanalyse. Die eingesetzte Kombination aus Virtueller Impaktion (schnelle Abtrennung des gröberen Staubes) gefolgt von nur wenigen Stufen Realer Impaktion bis hin zum Ultafeinstaub benötigen nur geringe Pumpensaugleistung und erlauben so den Einsatz leichter Personalsamplerpumpen.

Das kompakte modulare Gerät verfügt über eine kleine leichte Bauweise (ca. 40 g) und durch den geringen Druckabfall kann das Gerät nicht nur stationär sondern auch als Personensampler unter Verwendung herkömmlicher Personalsamplerpumpen im Innen- und Außenbereich betrieben werden.

Weiterer Bestandteil der Erfindung ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen von Mikrodüsenimpaktorplatten, das eine wirtschaftliche Produktion von Mikrodüsenplatten mit vielen kleinsten Kapillarlöchern erlaubt (). Hierbei werden zwischen einem Deckel und Boden (und Distanzmantel) mit einem Bohrbild, das der späteren Lage der Bohrungen (Kapillaren) in der Mikrodüsenplatte entspricht, Kapillarröhrchen durchgeführt und fixiert. Durch die deckungsgleichen Bohrungen werden z.B. 40 oder 100 Kapillarröhrchen mit einem Innendurchmesser von z.B. 0.05 mm oder 0,09 mm (oder andere Durchmesser) eingespannt und die Zwischenräume mit Vergussmasse, z.B. mit einem 2-Komponenten-System oder Acrylgussmasse vergossen. Nach Aushärten der Masse können Scheiben, z.B. mit einer Scheibenstärke von ca. 0,5 mm, abgeschnitten werden, wobei jede Scheibe als Rohling für eine Mikrodüsenimpaktorplatte dient.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert.

Der in den bis näher beschriebene Aerosolklassierer arbeitet in kompakter Version mit 2 Litern/Minute Ansaugleistung (Q1).

Über den Ansaugkopf mit z.B. 8 Außenlamellen (Pos. 1) wird die atembare Staubfraktion über 8 Einlaßbohrungen (Pos. 2) angesaugt. Die Außenlamellen dienen zum „Festhalten" des Staubes bei höheren Anströmgeschwindigkeiten. Dadurch findet keine Entmischung des Staubgrößenspektrums statt. Nachdem der Staub die Einlaßbohrungen (Pos. 2) passiert hat, gibt es 2 Betriebsmodalitäten

Modus 1

Vor dem Eintritt in das Beruhigungsvolumen (Pos. 3) passiert das Aerosol einen optionalen PM 10 – Radialimpaktionsdüsenring ( oben), der die Fraktion > 10 &mgr;m auf dem Radialimpaktionsabscheidering ( oben) deponiert.

Modus 2

Ohne PM –10 Radialimpaktionsmodul gelangt die gesamte Atembare Fraktion in das Beruhigungsvolumen (Pos. 3).

Von dort gelangt das Aerosol (Modus 1: < 10 &mgr;m) in ein Ansaugringspalt (Pos. 4), der mit seiner engsten Stelle einen deutlichen Strömungswiderstand darstellt, was zu einer symmetrischen Ansaugung führt. Unterstützt wird diese symmetrische Ansaugung durch z.B. 6 Innenlamellen (Pos. 5).

Durch weitere Querschnittseinengung gelangt das Aerosol in die Auslassdüse (Pos. 10) des Ansaugkopfes. Die Strömungsgeschwindigkeit in der Auslassdüse (Pos. 10) und deren Durchmesser bestimmen im Wesentlichen die Trennfunktion der nun folgenden Virtuellen Impaktionstrennstufe (Pos. 6).

In der Virtuellen Trennstufe (PM 2.5) teilt sich der Volumenstrom Q1 in die Teilströme Q2 und Q3. Der Teilstrom Q2 enthält die Staubfraktion 2.5–10 &mgr;m, sowie die Fraktion < 2.5 &mgr;m proportional Q2/Q1 und wird auf Filter (Pos. 11) abgeschieden.

Der Teilstrom Q enthält nur die Fraktion < 2.5 &mgr;m. Nur die letztgenannte Staubfraktion gelangt über die Weichenplatte (Pos. 15) mit Teilvolumenstrom Q in die erste reale Impaktorabscheidestufe (1–2.5 &mgr;m). Diese Fraktion wird auf dem ersten Abscheidering (Pos. 17) mit aufliegender Abscheidefolie (gravimetrische Auswertung!) abgeschieden.

Das Strömungsverhältnis in der Weichenplatte Q2/Q3 kann je nach Bedarf groß oder klein sein. Das Verhältnis des Strömungswiderstandes der Bohrungen (Pos. 36) unterhalb des Endfilters (Pos. 11) zum Strömungswiderstand der Impaktionslöcher (Pos. 13) in der Impaktionsweichenstufe (Pos. 15) bestimmt das Strömungsverhältnis Q2/Q3. Nach dieser ersten realen Impaktionsabscheidung vereinigen sich der nun partikelfreie Teilvolumenstrom Q2 (nach Endfilter) und der mit Partikeln < 1 &mgr;m beladene Teilvolumenstrom Q3 wieder zu Volumenstrom Q1 (2 l/min). Nun wird die zweite reale Impaktorstufe (Pos. 18 und 17) passiert, wobei Partikel zwischen 0.3 und 1 &mgr;m auf dem Abscheidering mit Abscheidefolie (Pos. 17) abgeschieden werden.

In der letzten realen Impaktorstufe (Pos. 19) mit der Mikrodüsenplatte (Pos. 20) werden die Partikel 0.1–0.3 &mgr;m auf einer Abscheidefolie (aufliegend auf Pos. 21) abgeschieden.

Diese letzte Impaktorstufe passieren nur die ultrafeinen Partikel (Nanopartikel < 100 nm). Diese Ultrafeine Fraktion gelangt nun in die „Segmentale Aufteil- und Verdünnungsscheibe" (Pos. 21 und ). Diese Platte bzw. Scheibe bewirkt, dass der nachfolgende Endfilter (Pos. 24) auf z.B. 6 gleichgroßen Segmenten mit z.T. unterschiedlichen Mengen Ultrafeinstaub beaufschlagt wird ().

Die Einlassöffnungen zu diesen Segmenten legen den Volumenstrom durch diese Segmente fest. So ist die Eintrittsöffnung von 7 Einlassbohrungen mit D = 0.5 mm genau 100mal größer als die Eintrittsöffnung nur einer Einlassbohrung (Kapillare) mit D = 0.13 mm. Damit ergibt sich eine um den Faktor 100 geringere Flächenbelegung auf dem Filtersegment unter der kleinen Bohrung. Bei Bedarf kann dieser Faktor auch z.B. auf 1000 erhöht werden, wobei auch andere Abstufungen der segmentalen Belegungsdichten möglich sind.

Abbildung 1: Funktionsprinzip des Aerosolklassierers
Q1:
angesaugter Volumenstrom
Q2:
Teilvolumenstrom
Q3:
Teilvolumenstrom
Abbildung 2: Aerosolklassierer
1
Außenlamellen
2
Einlaßbohrungen
3
Beruhigungsvolumen
4
Ansaugringspalt
5
Innenlamellen
6
Virtuelle Impaktionstrennstufe
7
Fixierschraube für Kopfober- und Kopfunterteil
8
Verschraubungsgewinde für Kopfober- und Kopfunterteil
10
Auslassdüse
27
Kopfoberteil des Ansaugkopfes
28
Kopfunterteil des Ansaugkopfes
29
Verschraubungsgewinde für Ansaugkopf mit Basisteil
30
O-Ring-Dichtung für Ansaugkopf mit Basisteil
31
Basisteil (mit Ansaugboden)
32
Pumpenanschlussfitting für Ansaugschlauch
33
Ansaugkanalbohrungen
34
Dichtstopfen für Ansaugkanal
35
Vergussabdichtung für Ansaugkanal
Abbildung 3: Impaktionspackung für Aerosolklassierer
9
Virtuelle Trennstufe (Zentrum)
10
Auslassdüse
11
Filter für virtuelle Abscheidung der gröberen Fraktion.
12
Filterabdeckung mit Empfängerdüse für virtuelle Impaktion
13
Impaktionsdüsenlöcher (I.Reale Impaktorstufe nach Virt.Stufe legt auch Volumenstrom Q3 fest)
14
Verschraubring für Impaktionspackung
15
Impaktionsweichenstufe
16
Verschraubungsgewinde der Impaktionspackung
17
Abscheidering
18
Reale Impaktorstufe
19
Reale Impaktorstufe mit Mikrodüsenplatte
20
Mikrodüsenplatte
21
Segmentale Aufteil- und Verdünnungsscheibe
22
Unterteil für Impaktionspackung
23
Fritte als Unterlage für Endfilter des Ultrafeinstaubes
24
Endfilter des Ultrafeinstaubes
25
Einlassbohrung eines Segments der Aufteil- und Verdünnungsplatte
26
Segmentraum eines Segments der Aufteil- und Verdünnungsplatte
36
Bohrungen (legen Volumenstrom Q2 fest)
37
Fritte für Filter (Abscheidung der gröberen Fraktion)
Abbildung 4: Aerosolklassierer mit Hauptfunktionsteilen Abbildung 5: Segmentale Aufteil- und Verdünnungsscheibe Abbildung 6: Gussform für Gussblock mit z.B. 40 achsial verlaufenden Kapillaradern zum Abschneiden von Rohlingscheiben für Mikrodüsenimpaktorplatten


Anspruch[de]
Aerosolklassierer zur Erfassung aller gesundheitsrelevanten Staubfraktionen inklusive der Ultrafeinstaubfraktion, bestehend aus mindestens

– einer Weichenimpaktorstufe (15), die eine Kombination von virtueller und realer Trägheitsimpaktion ermöglicht, bestehend aus mindestens einem virtuellen Impaktor (6) und mindestens einem realen Impaktor,

– mindestens einer nachgeschalteten realen Impaktorstufe (18) nach an sich bekannter Bauweise,

– mindestens einer nachgeschalteten realen Impaktorstufe (19) unter Verwendung einer Mikrodüsenimpaktorplatte (20),

– mindestens einer nachgeschalteten segmentalen Aufteil- und Verdünnungsscheibe (21) und einem Endfilter (24).
Aerosolklassierer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die segmentale Aufteil- und Verdünnungsscheibe (21) Einlassbohrungen aufweist, die in ihrer Anzahl und Größe verschieden sein können, und durch die die Staubpartikel in voneinander getrennte Segmente strömen, wodurch eine segmentale Belegung des Endfilters mit Staubpartikeln erreicht wird. Aerosolklassierer gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassbohrungen in der segmentalen Aufteil- und Verdünnungsscheibe (21) in ihrer Anzahl und Größe so angeordnet sind, dass über einen Verdünnungseffekt eine segmental unterschiedliche Belegungsdichte des Endfilters mit Staubpartikeln erreicht wird. Verwendung des Aerosolklassierers gemäß den Ansprüchen 1–3 für Emissions-, Imissions- und Arbeitsplatzmessungen, wobei die Messung stationär und/oder personenbezogen erfolgen kann. Segmentale Aufteil- und Verdünnungsscheibe (21) zur Verwendung in Impaktionsklassierern, dadurch gekennzeichnet, dass sie Einlaßbohrungen aufweist, durch die die Staubpartikel in voneinander getrennte Kammern mit einem Endfilter (24) strömen, wobei die Einlaßbohrungen in ihrer Anzahl und Größe verschieden sein können. Segmentale Aufteil- und Verdünnungsscheibe gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassbohrungen in ihrer Anzahl und Größe so angeordnet sind, dass über einen „Verdünnungseffekt" eine segmental unterschiedliche Belegungsdichte des Endfilters mit Staubpartikeln erreicht wird. Segmentale Aufteil- und Verdünnungsscheibe gemäß den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie 6 voneinander getrennte Kammern aufweist, von denen 4 Kammern je 7 Bohrungen mit einem Durchmesser von je 0,5 mm aufweisen, 1 Kammer 1 Bohrung von 0,4 mm aufweist und 1 Kammer 1 Bohrung von 0,13 mm aufweist. Vorrichtung zur Herstellung von Mikrodüsenimpaktorplatten für Aerosolklassierer, gekennzeichnet durch einen Deckel, einen Boden und einen Mantel, wobei sich im Deckel und im Boden Bohrungen befinden, durch die Kapillarröhrchen durchgeführt werden können. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bohrbild im Deckel und im Boden bezogen auf die Anzahl, die Lage und die Durchmesser der Bohrungen dem Bohrbild der Mikrodüsenplatte entspricht. Verfahren zur Herstellung von Mikrodüsenplatten für Aerosolklassierer unter Verwendung der Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Bohrungen in Deckel und Boden Kapillarröhrchen durchgeführt und eingespannt werden, der Zwischenraum mit Vergussmasse vergossen wird und nach Aushärten der Masse davon Scheiben abgetrennt werden, die als Rohling für Mikrodüsenimpaktorplatten dienen.






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