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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Filtereinrichtung zur Reinigung
eines Fluids, insbesondere eines Kraftstoffs einer Brennkraftmaschine,
mit einer insbesondere im wesentlichen zylindrischen Filterpatrone
und mit einem an einem oberen Stirnende der Filterpatrone befindlichen
rohrförmigen
Hals, der einen Anschluss zum Ausleiten des gereinigten Fluids ausbildet,
wobei der Hals eine Trennung zwischen der Schmutzseite und der Reinseite
der Filtereinrichtung darstellt und im Hals eine Durchgangsöffnung zum
Abführen
von Luft von der Schmutzseite zur Reinseite vorgesehen ist. Darüber hinaus
bezieht sich die Erfindung auf eine Filtereinrichtung zur Reinigung
eines Fluids mit einer Zulaufleitung des ungereinigten Fluids, einem
Anschluss zum Ausleiten des gereinigten Fluids und mit einer Durchgangsöffnung zum
Abführen
von Luft von der Zulaufleitung des ungereinigten Fluids zum Ausleitungsanschluss
des gereinigten Fluids.
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Kraftstoff
für Verbrennungsmaschinen
ist gewöhnlich
nicht völlig
rein, sondern mit Schmutz und Luft durchmischt. Schmutz im Kraftstoff
würde bei
der Verbrennung zu einem erhöhten
Verschleiß der Brennkraftmaschine
führen.
Deshalb soll der Schmutz aus dem Kraftstoff mittels eines Kraftstofffilters
entfernt werden. Luft, die sich im Kraftstoff befindet ist möglichst
noch vor der Filtrierung abzuscheiden, denn sonst bilden sich an
der Filteroberfläche Luftblasen,
die in einem oberen Raum des Kraftstofffilters gespeichert werden.
Die Luft verringert die wirksame Filterfläche, vermindert die Filterfunktion und damit
auch die Lebensdauer der Filterpatrone. Ferner sammelt sich die
Luft im oberen Bereich der Filterpatrone und reduziert dadurch deren
wirksame Fläche
auf den unteren Abschnitt der Filterpatrone. Deshalb sind insbesondere
bei Kraftstoffiltern Entlüftungseinrichtungen
vorgesehen.
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Aus
dem Stand der Technik sind verschiedene Lösungen für Entlüftungseinrichtungen an Flüssigkeitsfiltern
bekannt. Solche Entlüftungseinrichtungen
sind beispielsweise in einem Gehäuse
untergebracht, in dem der Zulauf- und Ablaufanschluss des Kraftstoffes
angeordnet sind. Die Entlüftungseinrichtungen
sind mittels eines Bypasskanals zwischen der Strömungsseite des ungereinigten
Kraftstoffs und der Strömungsseite
des gereinigten Kraftstoffs angeordnet und z.B. mit einem kugeligen
Schwimmkörper ausgebildet,
der den Bypasskanal als Rückschlagventil
versperren kann. Das Rückschlagventil
sorgt so dafür,
das nur die Luft und kein Kraftstoff durch den Bypasskanal entweicht.
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Aufgabe und
Lösung
gemäß der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Filtereinrichtung der
eingangs genannten Art bereitzustellen, die eine preiswert herzustellende,
einfach zu wartende und hoch wirksame Entlüftungseinrichtung aufweist.
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Die
Aufgabe ist erfindungsgemäß durch
eine Filtereinrichtung der eingangs genannten Art gelöst, bei
der an der genannten Durchgangsöffnung
zum Abführen
von Luft ein Filterelement vorgesehen ist, das das durch die Durchgangsöffnung strömende Medium
filtriert. Ein Kerngedanke der Erfindung ist es, einen zusätzlichen
Filter beispielsweise als Sieb insbesondere an der Schmutzseite
der Filtereinrichtung zu positionieren, dort wo sich die abzuscheidende
Luft ansammelt. Dieser Filter bzw. dieses Filterelement soll, dann
wenn Kraftstoff durch die Durchgangsöffnung tritt, diesen filtrieren
und dann, wenn Luft zur Reinseite hin abzuscheiden ist, die Schmutzpartikel
aus der Luft zurückhalten.
Es kann also sowohl Kraftstoff als auch Luft die erfindungsgemäße Durchgangsöffnung passieren,
ohne dass es zu einer Übertragung
von Schmutz hinüber
zur Reinseite kommt. Die Entlüftungseinrich tung
ist insbesondere in der Luftabscheidung hoch wirksam, ohne eine Schmutz-
bzw. Partikelabtrennung zu reduzieren. Dadurch kann erfindungsgemäß in kostengünstiger Weise
die Spezifikation insbesondere für
Kraftstofffilter eingehalten werden.
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Ein
Durchgangsloch alleine würde
entweder, wenn es groß ist,
die Schmutzpartikel auf die Reinseite des Kraftstoffflußes durchlassen
oder, wenn es sehr klein ist, sehr schnell verstopfen und somit
seine Funktion verlieren. Deshalb soll erfindungsgemäß ein Filterelement
in Form eines Siebs oder einer für Luft
durchlässigen
Membran vor der Durchgangsöffnung
angeordnet sein. Unter Membran wird hierbei eine dünne, poröse Wand
zur Trennung von Flüssigkeiten
und Gasen verstanden. Ein Vorteil einer erfindungsgemäßen Entlüftungseinrichtung
ist, dass die Durchgangsöffnung
oder -bohrung nicht so schnell verstopft, sondern nur das (feinmaschige)
Sieb nach einer bestimmten Gebrauchszeit verschmutzt ist. Ein solches
Sieb bzw. Filterelement lässt
sich im Gegensatz zu einer schwer zugänglichen Entlüftungseinrichtung
in einem Gehäuse
bei einer zu starken Verunreinigung oder Verstopfung leicht reinigen
oder austauschen, da das erfindungsgemäße Filterelement am Hals der
Filterpatrone bei der Wartung leicht zu greifen und abzuheben ist.
Das Filterelement kann ferner getrennt oder zusammen mit der Filterpatrone ausgetauscht
werden. Auch die Filterpatrone ist ein Austausch- bzw. Verschleißteil, das
regelmäßig ersetzt
werden muß.
Somit werden erfindungsgemäß zwei Austauschteile
einer Filtervorrichtung gebündelt angeordnet.
Die erfindungsgemäße Entlüftungseinrichtung
ist dabei auf viele Arten von Filtern für andere Anwendungen, wie beispielsweise Ölfilter übertragbar.
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Darüber hinaus
ist die Aufgabe auch durch eine Filtereinrichtung der eingangs genannten
Art gelöst,
bei der ein Filterelement im Luftstrom vor der Durchgangsöffnung angeordnet
und bei dem die durchströmbare
Fläche
des Filterelements größer als die
durchströmbare
Fläche
der engsten Stelle der Durchgangsöffnung ist. Diese Lösung kann
auf zweierlei Arten ausgebildet sein. Zum einen kann das Filterelement
von der Durchgangsöffnung
beabstandet angeordnet und ein Zwischenraum zwischen Filterelement
und Durchgangsöffnung
gebildet sein, wobei das Filterelement eine größere durchströmbare Fläche besitzt
als die Durchgangsöffnung.
Zum anderen kann die Durchgangsöffnung
eine größere Ein gangs- als
Ausgangsfläche
aufweisen. Bevorzugt ist hierbei zumindest ein Anfangsabschnitt
der Durchgangsöffnung
in Form einer Düse
ausgebildet. Als Düse
wird dabei ein Strömungskanal
mit einem sich verändernden
Querschnitt verstanden, wobei die Querschnittsänderung stetig oder gestuft
sein kann, derart dass sich die Geschwindigkeit des hindurchströmenden Fluids
erhöht.
Eine solche Düse
bringt strömungsmechanische
Vorteile. Es entsteht eine verbesserte Luftansaugung an der Eingangsfläche der
Durchgangsöffnung
und beim Austritt aus der Durchgangsöffnung wird eine entsprechend
verbesserte Zerstäuberwirkung,
d.h. eine feinere Luftverteilung im gereinigten Fluid erzielt. Dadurch
ist erfindungsgemäß beispielsweise
der Kraftstoff an der Reinseite gleichmäßiger mit Luft durchmischt,
als bei einer Durchgangsöffnung
die als Bohrung mit über
ihre Länge gleichem
Durchmesser ausgebildet ist.
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Zweckmäßigerweise
ist die durchströmbare Fläche des
Filterelements im Verhältnis
zur kleinsten durchströmbaren
Fläche
der Durchgangsöffnung
um ungefähr
bis zu 500.000 mal größer, bevorzugt
bis zu 200.000 mal großer.
Wenn die Ansaugfläche
derart größer ist,
wird die Durchgangsöffnung
nicht so schnell verstopft. Dieser maximale Verhältnisfaktor der Flächengrößen ist
bei einer Ausgestaltung möglich,
bei der der Filter ringförmig
und von der Durchgangsöffnung
beabstandet ausgebildet ist, wobei die Durchgangsöffnung innerhalb
des Rings angeordnet ist. Bei einem direkt an der Durchgangsöffnung mit einer
Düse befestigten
Filterelement liegt der Verhältnisfaktor
der Flächengrößen vorteilhaft
im Bereich zwischen ca. 50 und 5000, bevorzugt im Bereich zwischen
ca. 200 und 2000.
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Damit
keine Schmutzpartikel, sondern ausschließlich Luft die Durchgangsöffnung passiert,
ist die Durchgangsöffnung
an der kleinsten Stelle auf einen Lochdurchmesser im Bereich zwischen
ca. 0,05–0,7
mm, insbesondere zwischen ca. 0,1–0,6 mm, bevorzugt ca. 0,35
mm kalibriert. Bevorzugt ist die engste Stelle in der Durchgangsöffnung in
Strömungsrichtung
der Luft am Ausgang der Durchgangsöffnung zum gereinigten Fluid
hin angeordnet, denn dann wird eine maximale, erwünschte Zerstäubungsfunktion
erreicht, die zu einer guten Durchmischung der Luft mit der zu reinigenden
Flüssigkeit führt.
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Um
ausschließlich
Luft durch die Entlüftungsöffnung durchtreten
zu lassen, ist das Filterelement mit Poren unterschiedlicher Größe ausgebildet, wobei
der maximale Porendurchmesser im Bereich zwischen ca. 1–40 μm, insbesondere
zwischen ca. 5–30 μm, bevorzugt
um ca. 20 μm
liegt. Schmutzpartikel, welche in der Regel etwa eine Größe von 100 μm aufweisen,
hindert das Sieb bzw. das Filterelement somit am Durchtritt. Ferner
werden erfindungsgemäß zur Standzeiterhöhung mehrschichtige
Filterelemente mit verschieden großen Poren in den einzelnen
Schichten bevorzugt. Bei solchen Filterelementen können auch
Schichten mit Poren zum Einsatz kommen, deren Porendurchmesser größer als 40 μm ist.
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Um
das Filterelement für
die Verwendung in einem Kraftstofffilter preiswert und mit einer
hohen Fertigungsgenauigkeit und -zuverlässigkeit herstellen zu können, ist
das Filterelement bevorzugt aus einem kraftstoffbeständigen Polymerwerkstoff
beispielsweise PTFE, hergestellt. Alternativ kann das Filterelement
bzw. Sieb aus einem kraftstoffbeständigen, insbesondere porösen Metall-
oder Keramikwerkstoff gefertigt sein. Diese beiden bevorzugten Werkstoffe
für das
Filterelement, sind gegenüber
beispielsweise Biodiesel, FAME, Harnstoff oder Biobenzin ausreichend
beständig.
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Um
Materialressourcen zu schonen, beträgt die Fläche des siebartigen Filterelements
bevorzugt ca. 25–100
cm2, insbesondere ca. 50–75 cm2,
bevorzugt ca.60 cm2. Die Flächenformen
des Filterelements können
ein Kreis oder ein Rechteck sein, die insbesondere direkt vor der
Durchgangsöffnung
angeordnet sind. Alternativ kann die Flächenform ein kurzer hohler
Zylinder in Gestalt eines Ringes sein, welcher insbesondere von
der Durchgangsöffnung beabstandet
angeordnet ist.
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Vorteilhafterweise
ist das Filterelement am Hals der Filterpatrone ortsfest angebracht.
Somit wird ein einstückiges
Montagebauteil geschaffen, dass einen geringen Bauraum benötigt, Gewicht
und Material einspart und mit wenigen Fertigungsschritten herstellbar
ist. Zudem wird das Filterelement beim Ersetzen der Filterpatrone
gleichzeitig und ohne Mehraufwand ebenfalls getauscht. Das spart Wartungsarbeitsschritte
und Wartungszeit.
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Um
das Filterelement einzeln, austauschen zu können, kann das Filterelement
als separates Bauteil ausgebildet sein insbesondere so, dass es auf
den Hals der Filterpatrone gesteckt ist. Das Filterelement bzw.
das Sieb kann beispielsweise in einen austauschbaren Kranz oder
Ring eingearbeitet sein und von dem Hals beabstandet angeordnet
sein, so dass es einen Winkel von 360° umschließt bzw. eine Zylindermantelfläche zum
Durchströmen
der Luft ausbildet. Auf diese Weise wird die Entlüftungswirkung
deutlich verbessert. Eine solche Entlüftungseinrichtung minimiert
ferner den Zugang von Schmutzpartikeln zur Durchgangsöffnung und
begünstigt
den Luftdurchtritt von allen Seiten.
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Schließlich können vorteilhaft
auch mehrere Durchgangslöcher
mit einem in Strömungsrichtung davor
angeordneten Filterelement zum Ablassen der Luft vorgesehen sein.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele einer
erfindungsgemäßen Filtereinrichtung
anhand der beigefügten
schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigt:
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1 einen
Längsschnitt
eines Kraftstofffilters mit einer erfindungsgemäßen Filtereinrichtung gemäß einer
ersten Ausführungsform,
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2 einen
Längsschnitt
der Filtereinrichtung gemäß der ersten
Ausführungsform,
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3 eine
vergrößerte Ansicht
eines Halsbereichs der Filtereinrichtung gemäß 2,
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4 eine
perspektivische Ansicht der Filtereinrichtung gemäß 2 vor
dem Zusammenbau,
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5 eine
perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Filtereinrichtung gemäß einer zweiten
Ausführungsform,
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6 eine
perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Filtereinrichtung gemäß einer
dritten Ausführungsform
und
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7 eine
Ansicht von oben der Filtereinrichtung gemäß 6.
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Detaillierte
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Die 1 zeigt
einen Längsschnitt
eines Kraftstofffilters 10 zum Reinigen von Kraftstoff
für eine
nicht dargestellte Brennkraftmaschine mit einer im Wesentlichen
zylindrischen Filterpatrone 12. Die Filterpatrone 12 weist
an ihrem oberen Stirnende einen rohrförmigen Hals 14 auf,
der einen Anschluss 16 zum Ausleiten des gereinigten Fluids
ausbildet. Der Hals 14 stellt eine Trennwand zwischen einer Schmutzseite 18 und
einer Reinseite 20 des Kraftstofffilters 10 dar.
Im Hals 14 befindet sich eine, in der 1 nicht
sichtbare Durchgangsöffnung 22 zum Abführen von
Luft von der Schmutzseite 18 zur Reinseite 20.
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Die
Filterpatrone 12 ist in einem Filtergehäuse 24 eingesetzt,
das mit einem Gehäusedeckel 26 verschlossen
ist. In dem Gehäusedeckel 26 ist
ein Zulaufanschluss 28 und der Anschluss 16 zum
Ausleiten des Fluids untergebracht. Zur Ausbildung einer verbesserten
Entlüftungseinrichtung 34 ist
am Hals 14 ein ringförmiges
Filterelement 32 aufgesetzt.
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Ferner
können
eine nicht dargestellte Heizeinrichtung oder eine ebenfalls nicht
veranschaulichte Entwässerungsvorrichtung
im Kraftstofffilter 10 vorgesehen sein.
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Der
Kraftstofffilter 10 funktioniert wie folgt: Ungereinigter
Kraftstoff wird durch den Zulaufanschluss 28 in den Kraftstofffilter 10 eingeführt. Von der
oberen Stirnseite der Filterpatrone 12 fließt der zu reinigende
Kraftstoff um die Mantelfläche
der Filterpatrone 12 und umspült diese. Luft sammelt sich
bevorzugt an der oberen Stirnseite der Filterpatrone 12 an.
Die Luft stammt aus dem Kraftstoff, der geringfügig mit Luft durchmischt ist.
Da die Luft die Funktionalität
und die Lebensdauer der Filterpatrone 12 herabsetzen würde, wenn
sich die Luft auf der Filterfläche
der Filterpatrone 12 absetzen könnte, ist die Entlüftungseinrichtung 34 notwendig.
Die Entlüftungseinrichtung 34 führt die
angesammelte Luft von der Schmutzseite 18 des Fluids zur
Reinseite 20 des Fluids. Die Luft, die sich auf der Schmutzseite 18 gesammelt
hat, durchdringt das als ringförmiges
Sieb gestaltete Filterelement 32 von allen Seiten um den Hals 14 und
durchströmt
die Durchgangsöffnung 22. Auf der
Reinseite 20 des Kraftstoffs vermischt sich die Luft wieder
mit dem Kraftstoff und wird über
den Anschluss 16 zum nicht dargestellten Verbrennungsmotor
geführt.
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Die 2 zeigt
die Filterpatrone 12 mit dem Hals 14 und einem
ringförmigen
Filterelement 32 im vergrößerten Längsschnitt ohne Filtergehäuse 24.
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Die 3 zeigt
eine vergrößerte Ansicht
des Bereichs um den Hals 14 der in der 2 gezeigten Filterpatrone 12.
Die Ansicht veranschaulicht, dass die Entlüftungseinrichtung 34 mit
dem hohlzylindrischen Filterelement 32 und der Durchgangsöffnung 22 ungefähr in axialer
Richtung in der Mitte des Halses 14 angeordnet ist. Die
Durchgangsöffnung 22 ist bei
dieser bevorzugten Ausführungsform
in Strömungsrichtung
eingangsseitig mit einer trichterförmigen Düse 36 und nachfolgend
einem zylindrischen Lochabschnitt 38 ausgestaltet, welcher
einen Durchmesser d aufweist. Diese Formgebung hat die oben bereits
beschriebenen strömungsmechanischen
Vorteile, dass der Luftstrom in der Düse 36 beschleunigt wird,
sich auf der Reinseite 20 entspannt und sich mit dem Kraftstoff
besser vermischt, da eine zerstäubende
Wirkung auftritt.
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Die
Durchgangsöffnung 22 ist
an der kleinsten Stelle (bevorzugt am Ausgang der Durchgangsöffnung 22)
auf einen Lochdurchmesser d von ca. 0,35 mm kalibriert.
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Das
Filterelement 32 ist ein großflächiges, feinmaschiges Sieb
mit einer Porengröße bzw.
Maschenweite unterschiedlicher Größe, wobei der maximale Porendurchmesser
ca. 20 μm
beträgt.
Das Filterelement 32 hält
insbesondere Schmutzpartikel in der Größe von durchschnittlich 100 μm ab, läßt jedoch
Luft hindurch passieren.
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Die
Fläche
des Filterelements 32 ist um ein Vielfaches größer als
die Eingangsquerschnittsfläche und
insbesondere auch als die Ausgangsquerschnittfläche der Durchgangsöffnung 22.
Bei der dargestellten Ausführungsform
ist die Fläche
des Filterelements 32 ungefähr um den Verhältnisfaktor
100.000 mal größer als
die engste Stelle der Durchgangsöffnung 22.
Dabei beträgt
die Fläche
des Filterelements 32 ca. 100 cm2.
Abhängig
von der Menge des zu filternden Kraftstoffs und der für die bestimmte
Anwendung bevorzugten Ausführungsform
beträgt
die Fläche
des Filterelements 32 ungefähr ca. 25–100 cm2, insbesondere
ca. 50–75
cm2, bevorzugt ca.60 cm2. Dies
schafft eine lang andauernde Entlüftungsfunktion der Entlüftungseinrichtung 34.
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Der
Werkstoff aus dem das siebartige Filterelement 32 hergestellt
ist, ist vorzugsweise ein kraftstoffbeständiger Kunststoff, d.h. ein
Polymer, oder auch bevorzugt ein Metall nach definierten Spezifikationen,
nicht jedoch Gummi oder Sintermetall, da diese gegenüber neuen
Kraftstoffen, insbesondere Biodiesel, FAME, Harnstoff oder Biobenzin,
nicht ausreichend beständig
sind. Diese neuen, bevorzugten Werkstoffe können aufgrund eines Fertigungsverfahrens
mit einer hohen Qualität
und der erforderlichen Toleranz der Siebporosität hergestellt werden, um den
notwendigen Partikelabscheidungsgrad zu erreichen.
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Wie
in 4 gut zu sehen ist, wird das Filterelement 32,
das in einen ringförmigen
Halter 40 eingearbeitet oder eingespritzt ist, bei der
Montage oder beim Austauschen während
der Wartung mittels des Halters 40 auf den rohrförmigen Hals 14 gesteckt. Der
Halter 40 ist mit zwei übereinander
liegenden Ringen gestaltet, die mit sechs axialen Stegen verbunden
sind.
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Der
Austausch des Halters 40 mit dem Filterelement 32 kann
so einfach und unabhängig
vom Austausch des Kraftstofffilters 10 erfolgen. Außerdem sorgt
der Halter 40 für
einen radialen Abstand des Filterelements 32 um den ganzen
Hals 14 herum, insbesondere in dem mittleren Bereich des
Haltes 14 in Höhe
der Durchgangsöffnung 22,
während
die zwei Stützringe
des Halters 40 direkt als Passung am Hals 14 eng
anliegen. Der Hals 14 ist dadurch gegenüber dem Fluid abgedichtet und
es ist ein abgedichteter Zwischenraum zwischen dem Filterelement 32 und
der Durchgangsöffnung 22 gebildet.
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Die 5 zeigt
als zweite bevorzugte Ausführungsform
ein kreisflächenförmiges Filterelement 32,
das die Durchgangsöffnung 22 am
Hals 14 der Filterpatrone 12 abdeckt. Diese Ausführungsform
erfordert nur sehr wenig Material für das Filterelement 32.
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Die 6 und 7 zeigen
in perspektivischer Ansicht und Draufsicht eine weitere bevorzugte Ausführungsform
des Filterelements 32. Das Filterelement 32 ist
bei dieser Ausführungsform
ein rechteckiger Streifen, der seitlich an dem Hals 14 befestigt ist
und teilweise die Durchgangsöffnung 22 bedeckt, teilweise
seitlich über
diese hinausragt. Die 6 zeigt den Streifen in der
Form einer Membran in seiner Lage am Hals 14. 7 verdeutlicht
die Anordnung des Filterelements 32 mit der Durchgangsöffnung 22 am
Hals 14 im einbaufertigen Zustand. Eine solche Ausführungsform
spart Gewicht, Bauraum und Material am Filterelement 32.
Die Entlüftungseinrichtung 30 mit
dem Filterelement 32 wird ferner bei der Wartung beim Ersetzen
der Filterpatrone 12 selbsttätig miterneuert.