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Die
Erfindung betrifft einen Partikelfilter, insbesondere Rußfilter
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Stand der Technik:
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Ein
Partikelfilter der einleitend bezeichneten Art ist bereits aus der
deutschen Offenlegungsschrift DT-A-25 57 444 bekannt geworden. In
dieser Schrift ist ein Faltenabstandshalter zum Einsetzten in jeweils
eine Windung eines in Falten gelegten Filters offenbart, der aus
einer Vielzahl von annähernd
parallelen, doppelseitigen Wellungen besteht und zumindest entlang
des Randbereiches, der bei eingesetztem Abstandshalter dem Faltenbug
des gefalteten Filters benachbart ist, eine nachgiebige Oberfläche aufweist.
Hierdurch sollen sich längere
Filterstandzeiten erzielen lassen, in dem die gefährdeten Zonen
der Faltenbuge von Zerreißbelastungen
durch Nachgeben des Materials weitgehend entlastet werden.
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Aufgabe und Vorteile der
Erfindung:
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Partikelfilter der einleitend
bezeichneten Art bereitzustellen, der vergleichsweise robuster ist.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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In
den Unteransprüchen
sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen
der Erfindung angegeben.
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Die
Erfindung geht von einem Partikelfilter, insbesondere Rußfilter
für Abgase
für Dieselverbrennungsmotoren
aus, der eine zick-zack, bzw. mäanderartige
Faltenstruktur eines Filterelements besitzt, wobei die zick-zack
bzw. mäanderartige
Faltenstruktur sich quer zur Durchströmrichtung erstreckt und der
zwischen den Falten der Faltenstruktur angeordnete Drainageelemente
aufweist.
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Der
Kern der Erfindung liegt nun darin, dass Stabilisierungsmittel derart
vorgesehen sind, dass das Filtermedium insbesondere durch Druckschwankungen
im zu filternden Fluidstrom, z.B. Gasstrom sich nicht bzw. nicht
nennenswert verformen bzw. bewegen kann. Dieser Vorgehensweise liegt
die Erkenntnis zugrunde, dass im Gegensatz zu der Ausführungsform
gemäß der deutschen
Offenlegungsschrift DT-A-25 57 444 eine Beanspruchung des Filtermediums
auf Biegung so weit wie möglich
reduziert werden sollte, um die mechanische Haltbarkeit zu erhöhen. Vorzugsweise
sind die Stabilisierungsmittel so ausgelegt, dass sich das Filtermedium
auch in Bezug auf die Drainagelage im Wesentlichen nicht verformen
kann, d.h. das Filtermedium mit Drainageelemente liegt in einer
weitgehend starren Einheit vor. Dies lässt sich z.B. dadurch erreichen,
dass das Filtermedium mit Drainageelementen durch mechanisches Verspannen
unter Druck gehalten wird, damit dieses auch bei vergleichsweise
hohen Druckschwankungen im Filter keine Relativbewegungen ausführt.
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In
einer überdies
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Filtermedium mit
dem Drainageelement zumindest teilweise durch Sintern, Löten, Schweißen, Kleben
oder einer vergleichbaren Verbindungsart verbunden. Es sollten so
viele punkt- und/oder linienförmige
bzw. flächenförmig ausgedehnte
Verbindungsstellen vorgesehen werden, dass eine starre Einheit entsteht,
d.h. ein Filterblock aus Filtermedium und Drainageelementen, der
auch bei vergleichsweise hohen mechanischen Beanspruchungen keine
Eigenbewegung ausführt.
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Ein
Verbindungsvorgang, z.B. das Versintern von Filtermedium und Drainageelementen
wird vorzugsweise unter Druck ausgeführt, so dass das Filtermedium
und die Drainageelemente in dichtem Kontakt zueinander stehen.
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Die
Drainageelemente sollten auf das Filtermedium so abgestimmt werden,
dass durch die Drainageelemente das Filtermedium in ausreichendem Maße durch
einen Aussteifungseffekt in Lage fixiert ist.
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Eine
solche Anordnung lässt
sich in ihrer Dimension, d.h. in der Länge, Breite oder Höhe in weitem
Maße frei
variieren, wodurch ein so aufgebauter Filter in einem großen Einsatzbereich
benutzt werden kann.
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Vorzugsweise
ist das Filtermedium mit seiner Zick-Zack- bzw. Mäanderstruktur
so angeordnet, dass die Längserstreckung
einer Biegung oder Kante der Struktur (Faltenbug), die eine Richtungsänderung
des Filtermediums herbeiführt,
quer zur Gasstromrichtung verläuft.
Vorzugsweise besteht die Eingangsseite für den Gasstrom abwechselnd
aus Biegungen bzw. Kanten der Mäander-
bzw. Zick-zack-Struktur sowie geöffneten
Bereichen der Mäander-
bzw. Zick-zack-Struktur mit einer vorgegebenen Faltentiefe. Mit
einer Erhöhung
der Faltentiefe kommt es in einem stärkeren Ausmaß zu Querströmungen,
was die Filtereigenschaften verbessert. Insbesondere die Abscheiderate
von vergleichsweise kleinen Partikeln erhöht sich bei gleichbleibender Größe der Porenöffnungen.
Durch den innigen Kontakt des Filtermediums zu den Drainageelementen wird
eine gleichmäßige Wärmeableitung
im Partikelfilter begünstigt,
wodurch bei der Reinigung durch z.B. Erhitzen, wenn der Partikelfilter
als Rußfilter
verwendet wird, die dabei entstehende Verbrennungswärme sich
in ausreichendem Maße
gleichmäßig abführen lässt, was
die Entstehung von Hotspots verhindert.
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Die
durch die Drainageelemente entstehenden Freiräume können für die Einlagerung von nicht brennbaren
Ascherückständen genutzt
werden, ohne dass es zu übermäßigen Druckverlusten
im Betrieb eines solchen Filters kommt. Dies erhöht die Lebensdauer eines so
ausgestalteten Partikelfilters erheblich.
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In
einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung
werden die Querschnitte von Zu- und/oder Abströmräumen in einem Gehäuse vor
bzw. nach einer Filtereinheit aus Filtermedium und Drainageelementen
zunehmend kleiner bzw. zunehmend größer. Hierdurch kann verhindert werden,
dass die Strömungsgeschwindigkeiten
in Zu- und Abströmräumen zunehmend
kleiner wird, was sich negativ auf das Filtrationsverhalten der
Filtereinheit auswirken kann. Die Zu- und/oder Abströmräume können so
ausgestaltet werden, dass eine gleichmäßige Belastung der Filterfläche gewährleistet
ist. In diesem Fall wird der Raumquerschnitt derart gewählt, dass
die Strömungsgeschwindigkeit
an jeder Stelle gleich ist, obwohl ein Teil des Stromes bereits
in die Filtereinheit eingeströmt
ist.
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In
entsprechender Weise können
auch die Drainageelemente ausgeformt sein. Dies kann dadurch erreicht
werden, dass die Durchlassquerschnitte von Drainageelementen in
Strömungsrichtung,
d.h. in Faltentiefe sich verkleinern. Das lässt sich z.B. dadurch erreichen,
dass die Höhe
der Drainageelemente in Strömungsrichtung
abnimmt, wodurch im Querschnitt betrachtet eine keilförmige Struktur
des Filtermediums entsteht. Bei einer Mäander- oder Zick-zack-Struktur wird hierdurch
unter der Voraussetzung eines gleichbleibenden Volumens eine entsprechende
Gegenstruktur auf der Auslassseite erzeugt, was insgesamt eine zusätzliche
Vergleichmäßigung der
Durchströmung
des Filtermediums bewirkt.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
besteht das Filtermedium und/oder die Drainageelemente aus Metall.
Vorzugsweise werden Materialien eingesetzt, z.B. Metall und Keramik
oder Metall/Metall, die sich versintern lassen. Solche Materialien
haben den Vorteil, dass sie sich zur Reinigung des Filters beheizen
lassen. Wenn sowohl Drainageelemente als auch Filtermedium aus einem
Material mit vergleichbarer Wärmeleitfähigkeit
bestehen wird zudem eine gleichmäßige Wärmeableitung,
ohne die Entstehung von Hotspots, ermöglicht.
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Als
Drainageelemente können
z.B. Lagen aus wellblechartigen Gebilden mit Queröffnungen
in den Wellen zur Anwendung kommen, die bei einer konstanten Höhe einen
konstanten Strömungsquerschnitt
haben.
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Die
Drainageelemente können
jedoch auch eine Gewebestruktur umfassen, gegebenenfalls vollständig aus
Gewebe bestehen. Gewebe hat den Vorteil, dass die Kontaktflächen zum
Filtermedium größer werden.
Das schont das Filtermedium sowohl in der Herstellung als auch in
Betriebsphase. Dieser Vorteil kommt insbesondere bei stark pulsierenden Fluidströmen zur
Geltung, vor allem auch wenn gleichzeitig hohe Temperaturen herrschen,
bei denen die Festigkeit der üblicherweise
verwendeten Materialien z.B. Metall oder Kunststoff reduziert ist.
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Die
Verwendung von Geweben anstatt wellenförmigen Elementen hat den Vorteil,
dass der Filter steifer wird und sich weniger unter den pulsierenden
Betriebsdrücken
verformen kann. Mit kleiner werdenden noch möglichen Verformungen werden auch
die Biegewechselbeanspruchungen reduziert, was sich günstig in
längerer
Haltbarkeit einer Filtereinheit auswirkt.
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Zur
weiteren Vergrößerung der
Kontaktfläche
kann ein Gewebe auch kalandert werden. Bei diesem Vorgang bilden
sich an Kröpfungen
kleine ebene Flächen.
Durch das Kalandern wird auch die Dicke eines Drainageelements konstanter,
was zu einer präziseren
Fertigung von Filterblöcken
führt.
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Im
Weiteren kann durch Walzen oder ein anderes formgebendes Verfahren
die Dicke eines Drainageelements in Form eines Gewebes derart eingestellt
werden, dass im eingebauten Zustand in einem Filterblock in Strömungsrichtung
gleichbleibende Strömungsgeschwindigkeiten
begünstigt
werden.
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Die
Elemente einer Filtereinheit können
aus Kunststoff, Keramik, Glas, aber auch aus Metall, insbesondere
aus hitze- und korrosionsbeständigem Stahl
bestehen. In allen Fällen
kann eine Versinterung zur Erhöhung
der Stabilität
herbeigeführt
werden.
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Die
Filtereigenschaften lassen sich durch die Auswahl des Filtermediums
wesentlich beeinflussen. Falls es sich um ein Gewebe handelt, kann
es durch Kalandern in der Feinheit stark verbessert werden. Neben
Gewebe können
auch weitere bekannte Filtermedien, wie Fließe, Pulverschichten, Lochbleche, Streckmetall
und andere poröse
Membranen oder Kombinationen aus den genannten Filtermedien zur Anwendung
kommen.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Filtermedium
und/oder das Drainageelement mit einer Beschichtung versehen. Hierdurch kann
die Abscheidewirkung eines Filters verbessert werden. Als Beschichtung
eignet sich insbesondere Pulver aus Metall, Keramik oder Glas in
reiner Form oder als Mischung. Pulvrige Beschichtungen können in
kugeliger Form als auch abgeflacht, spratzig aufgetragen werden.
Spratzig bedeutet eine plättchenförmige Struktur
der Pulverpartikel. Insbesondere durch ein spratziges Auftragen
können
sich Kanalformen, z.B. spaltförmige
Kanäle
bilden, in denen Partikel vergleichsweise effektiver abgeschieden
werden. Die Beschichtung kann z.B. durch Einstreuen von Material
mit anschließendem
Versintern oder durch Aufspritzen erfolgen. Eine Beschichtung lässt sich sowohl
einseitig als beidseitig aufbringen. Sie kann homogen sein, aber
auch einen unterschiedlichen Aufbau besitzen, so dass sich Kanalverengungen
in der Tiefe ergeben oder umgekehrt.
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Bei
manchen Anwendungsfällen,
z.B. bei der Verwendung in einem Katalysator, ist es von Vorteil, wenn
das Filtermedium und die Drainageelemente beschichtet sind. Vorteilhafterweise
wird eine solche Beschichtung vor dem Falten und Verpressen der
Filterelemente eines Filterblocks am jeweiligen Rohmaterial durchgeführt. Es
ist auch eine selektive Beschichtung, d.h nur in bestimmten Flächenbereichen denkbar.
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Falls
die Filtereinheit, die Drainageelemente und Filtermedium umfasst,
aus Metall oder einem anderen leitfähigen Material besteht, kann
dieser Filterblock durch Anlegen elektrischer Spannung beheizt werden.
Insbesondere bei der Verwendung als Rußfilter hat das den Vorteil,
dass ein Reinigen von zurückgehaltenen
Rußpartikeln
durch Abbrennen unabhängig
von den Betriebszuständen
des Motors erfolgen kann.
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Durch
den beschriebenen kompakten Aufbau des Partikelfilters über Stabilisierungsmittel,
die eine starre oder fast starre Struktur herbeiführen kann
bei der Verwendung als Rußfilter z.B.
für die
Abgase einer Dieselverbrennungsmaschine zudem eine deutliche Geräuschminimierung
der austretenden Gase erreicht werden. Damit besteht die Möglichkeit
auf einen separaten Schalldämpfer
im Abgasstrang zu verzichten. Die Filtereinheit hat neben der Filterationswirkung
somit auch einen Geräuschdämpfungseffekt
und kann die Aufgaben eines Schalldämpfers übernehmen.
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Außerdem vorteilhaft
ist es, wenn die umgebogenen Bereiche bzw. Kantenbereiche der Faltenstruktur
(der Faltenbug) mit Verstärkungsmitteln
versehen sind. Hierdurch lässt
sich die Steifigkeit der Filtereinheit noch weiter verbessern. Als
Verstärkungsmittel
eignet sich z.B. eine Beschichtung des Faltenbugs mit Lot und/oder
Pulver. Alternativ oder zusätzlich
kann der Faltenbug auch durch Einlegen von Aussteifungsmitteln,
z.B. eines Runddrahtes verstärkt
werden.
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Durch
den einfachen Aufbau des erfindungsgemäßen Partikelfilters mit seiner
hohen Stabilität und
der Möglichkeit
den Filter weitgehend automatisiert und damit preisgünstig herzustellen,
ist dieser Filter prädestiniert
für die
Automobilindustrie, insbesondere als Rußfilter.
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Zeichnungen:
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Mehrere
Zeichnungen der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und unter
Angabe weiterer Vorteile und Einzelheiten nachstehend näher erläutert. Es
zeigen
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1 einen
Partikelfilter in einer stark schematisierten Draufsicht,
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2 einen
Schnitt entlang der Schnittlinie A-A durch den Partikelfilter gemäß 1,
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3a in
einer schematisierten Draufsicht einen weiteren Partikelfilter,
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3b einen
Schnitt entlang der Schnittlinie B-B durch den Partikelfilter gemäß 3a,
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4 den
prinzipiellen Aufbau eines Filtermediums mit Drainageelementen in
Schnittdarstellung,
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5 eine
weitere Ausführungsform
eines Filtermediums mit Drainageelementen in einer Ansicht gemäß 4 und
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6a einen
Ausschnitt eines und 6b Filtermediumverlaufes in
einer geschnittenen Seitenansicht (6a) mit
stark vergrößerten Geometrien des
Drainageelements in zwei Bereichen B1 und B2, die in 6b übereinandergelegt
sind.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele:
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In 1 und 2 ist
ein Partikelfilter 1, z.B. ein Rußfilter mit schematisch eingezeichneten
Strömungspfeilen 2, 3 zur
Symbolisierung eines Gasstromes dargestellt, der einen Filterblock 4 mit
einem Zuströmraum 5 und
einem Abströmraum 6 in
einem Gehäuse 7 umfasst.
Der Filterblock 4 besteht aus einem im Querschnitt gemäß 2 mäanderförmig verlaufendem
Filtermedium 8 das zusammen mit symbolisch dargestellten
Drainagelagen 9, z.B. in Form eines Gewebes, zu einer im
Wesentlichen starren Einheit verbunden ist. In 2 ist
durch die Wellenlinien z.B. ein Längsdraht 10 und mit
den Punkten ein Querdraht 11 im Querschnitt der jeweiligen
Drainagelage 9 symbolisiert.
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Die
Pfeile 2 veranschaulichen das Einströmen von Gas in den Zuströmraum 5 und
die Pfeile 3 das Ausströmen
des gefilterten Gases nach Durchströmen des Filterblocks 4 im
Abströmraum 6.
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Bei
konstantem Querschnitt der Zu- und Abströmräume 5, 6 wird
die Strömungsgeschwindigkeit zunehmend
kleiner, was zu einem veränderten
Filtrationsverhalten entlang des Filterblocks 4 führen kann.
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In 3a ist
ein Partikelfilter 12 dargestellt, der bei sonst gleichem
Aufbau wie der Partikelfilter 1 einen Zuströmraum 13 besitzt,
der sich im Querschnitt in Strömungsrichtung
verkleinert und eine Abströmraum 14 aufweist,
der von einem kleinen Strömungsquerschnitt
beginnend sich in Strömungsrichtung
aufweitet.
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Durch
diese Maßnahme
kann die Strömungsgeschwindigkeit
an jeder Stelle durch den Filterblock gleich eingestellt werden,
obwohl ein Teil des Stromes bereits in den Filterblock eingeströmt ist.
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In
gleicher Weise kann eine Verjüngung
des Querschnitts des Filtermediums 8 in Strömungsrichtung
in Faltentiefe des Filtermediums 8 betrachtet eine gleichmäßige Durchströmung des
Filtermediums 8 bewirken (siehe 6a). Um
eine solche Geometrie des Filtermediums 8 im Querschnitt,
d.h. entsprechend der Darstellung wie in 2, zu erreichen,
verkleinert sich in zunehmendem Maße die Höhe des Drainagegewebes von
h1 auf h2, wie in 6b durch
die übereinandergelegten
Ausschnitte des Drainagegewebes 15 in den Bereichen B1
bzw. B2 von 6a verdeutlicht ist. Bei sonst
unveränderten
Volumen des entsprechenden Filterblocks 4 entsteht auf
der Auslassseite 16 des Filtermediums 8 eine entsprechende
Gegenstruktur, die sich in Strömungsrichtung 17 zunehmend
aufweitet. Dies begünstigt
zudem ein homogenes Durchströmen
des Filtermediums 8.
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In 3b ist
der Schnitt entlang der Schnittlinie B-B durch den Partikelfilter 12 dargestellt.
In dieser Schnittansicht wird deutlich, dass im Zuströmraum 13 einströmendes zu
reinigendes beispielsweise Abgas einer Dieselmaschine, die offenen
Bereiche 18 des mäanderförmig gelegten
Filtermediums 8 sieht bzw. in dieses einströmt, wobei
diese Bereiche durch Drainagegewebe 20 ausgesteift sind.
Dabei hat das Drainagegewebe 20 nicht nur Aussteifungszwecke
sondern hilft ebenfalls der Ablagerung bzw. beim Herausfiltern von
Partikeln. Alternierend zu den offenen Bereichen 18 sind
die Faltenbüge 19 angeordnet
(siehe hierzu auch 4 und 5), die
verschlossen sein können,
z.B. durch Lot, um deren Stabilität zu erhöhen, oder auch zur Filterung
beitragen.
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In 4 ist
in einer vergrößerten Schnittansicht
quer zum Schnitt entlang der Schnittlinie B-B das Filtermedium 8 mit
Drainagelage 9 in Form eines Metallgewebes dargestellt.
Das Metallgewebe besteht aus Längs-
und Querdrähten 10, 11.
Durch eine alternierende Verwebung mit unten und oben liegendem
Querdraht liegt die Drainagelage 9 punktuell am Filtermedium 8 an.
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In 5 sind
in einer vergleichbaren Darstellung Drainagelagen 20 abgebildet,
bei welchem das Gewebe z.B. in einer Richtung eine Köperbindung von
2:2 aufweist, d.h. zwei Drähte 21 auf
einer Seite und zwei Drähte 22 auf
der gegenüberliegenden
Seite getrennt durch einen Längsdraht 23.
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Dabei
ist in 5 nur beispielhaft eine Köperbindung von 2:2 dargestellt.
Es sind andere Köperbildungen
möglich,
z.B. 3:3, 4:1 usw..
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Eine
weitere Variante für
ein Drainagegewebe ist ein Gewebe mit einer Atlasbindung, z.B. von 4:1.
Dieses Gewebe hat den Vorteil einer großen Dicke im Verhältnis zum
Drahtdurchmesser, z.B. Dicke = 3 × Drahtdurchmesser. Hierdurch
wird der Raum zwischen den Filtermediumebenen vergrößert, was eine
verbesserte Durchströmung
ermöglicht.
Zudem lässt
sich hierdurch eine weitgehend glatte Oberfläche erzeugen, wodurch die Anlage
von einem Filtermedium verbessert werden kann.
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- 1
- Partikelfilter
- 2
- Strömungspfeil
- 3
- Strömungspfeil
- 4
- Filterblock
- 5
- Zuströmraum
- 6
- Abströmraum
- 7
- Gehäuse
- 8
- Filtermedium
- 9
- Drainagelage
- 10
- Längsdraht
- 11
- Querdraht
- 12
- Partikelfilter
- 13
- Zuströmraum
- 14
- Auströmraum
- 15
- Drainagegewebe
- 16
- Auslassseite
- 17
- Strömungsrichtung
- 18
- offener
Bereich
- 19
- Faltenbug
- 20
- Drainagelage
- 21
- Draht
- 22
- Draht
- 23
- Draht