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Die
nachfolgende Erfindung bezieht sich auf ein Be- und Entlüftungsfiltersystem
für Getriebe
und ein Verfahren zum Betreiben desselben.
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STAND DER TECHNIK
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Aus
dem Stand der Technik sind zahlreiche Möglichkeiten bekannt, Getriebe
zu entlüften.
Grundsätzlich
ist es erforderlich, für
den reibungslosen Betrieb eines Getriebes und zur Gewährleistung
der Langlebigkeit desselben die beim Betrieb entstehende Hitze und
die damit verbundenen Dämpfe,
die durch Betriebsmaterialien wie Öl angereichert sind, abzuführen.
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Ein
solches Getriebe, das als Funktionsteil eine Getriebeentlüftung integriert
umfasst, wird in der
DE 10
2005 010 001 A1 beschrieben. Dieses Getriebe mit samt Entlüftung ist
unter dem besonderem Gesichtspunkt der Reduktion der Teilezahl geschaffen
worden, sodass der Zusammenbau des Getriebes rasch und ökonomisch
erreicht werden kann.
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Ein
weiteres Getriebe, das eine Belüftungskammer
erhält,
ist aus dem
US Patent 4,446,755 bekannt: Die
Belüftungskammer
ist durch eine mit der Innenwandfläche eines Getriebegehäuses verbundene
Rippe und eine mit der Innenwandfläche eines Kupplungsgehäuses verbundene
Rippe gebildet, sodass sie die Verbindungsfläche zwischen den beiden Gehäusen überbrückt und über eine
in der Rippe ausgebildete Kerbe mit dem Innenraum des Getriebegehäuses verbunden
ist.
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Eine
weitere Getriebebelüftung
ist aus der
DE 600
24 751 T2 bekannt; sie offenbart eine Belüftungskammer,
deren Wartung einfach ist, wobei darauf geachtet wurde, dass das
Getriebegehäuse
trotz der Belüftungskammer
nicht vergrößert wird.
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Ferner
beschreibt die
US 5
205 848 A eine Vorrichtung, um Filtration und Austausch
zwischen der Atmosphäre
und einem Motorgehäuse
sicher zu stellen. Das Motorgehäuse
wird durch Bereitstellung einer Filterkartusche im Inneren in zwei
Abschnitte unterteilt, die verhindern sollen, dass auf Grund erhöhter Temperaturen
im Motor entstehende Öldämpfe ungehindert
in die Atmosphäre übertreten.
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Im
Wesentlichen verlässt
bei den Entlüftungssystemen
des Standes der Technik heiße,
an Öl angereicherte
Luft das Getriebe, so dass selbiges nachteilig Öl verliert. Dies führt zu dem
weiteren Misstand, dass die das Getriebe umgebende Luft mit Öl angereichert
wird, was insbesondere aus Aspekten, die die Gesundheit von Menschen
betreffen, die um oder an derartigen Getrieben arbeiten, und auch
aus Gesichtspunkten, die die Umwelt betreffen, nachteilig ist.
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OFFENBARUNG
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die
Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Be- und Entlüftungsfiltersystem für Getriebe
und ein Verfahren zum Betreiben desselben zu schaffen. Diese Aufgabe
wird durch ein Be- und Entlüftungsfiltersystem
mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs
1 gelöst
und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs
14 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen
werden durch die Unteransprüche
beschrieben.
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Eine
Ausführungsform
bezieht sich auf ein Be- und Entlüftungsfiltersystem, das geeignet
ist, Getriebe zu entlüften
und gleichzeitig Frischluft zuzuführen. Dabei folgt der in ein
Gehäuse
des Be- und Entlüftungsfiltersystem
eintretende, aus dem Getriebe kommende und mit Öl verunreinigter Gasstrom einem
ersten Fluidpfad, auf dem zunächst
das Gemisch und zuletzt die einzelnen Komponenten eine Anordnung
dreier Flüssigkeit
von Gas trennender Filterelemente passiert bzw. passieren, wobei
vorteilhaft erreicht wird, dass das Öl-Luftgemisch in Öl und Luft
aufgetrennt wird. Vorteilhaft weist das Gehäuse des Systems zumindest einen Durchlass
auf, der als Rückführvorrichtung
für das
abgetrennte Öl
dient, das dieses in das Getriebe zurückführt, so dass kein Ölverlust
entsteht. Außerdem
weist das Gehäuse
eine geschützt
angeordnete Entlüftungsöffnung auf,
durch die das in mehreren Stufen gereinigte Gas bzw. die Luft aus
dem Gehäuse
abgeführt
wird, ohne die Umwelt mit Ölnebel
zu belasten.
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Eine
weitere Ausführungsform
bezieht sich darauf, dass die Filterelemente ein Koaleszensfilterelement,
ein Tropfenabscheider und eine Membran sind, wobei deren Anordnung
zueinander so gewählt
ist, dass die Membran am weitesten stromabwärts positioniert ist und damit
vorteilhaft nicht mit Öl
belegt wird, was sich vorteilhaft auf den Erhalt der Luftdurchflussrate
nach außen
und umgekehrt nach innen auswirkt, da eine ölbelegte Membran Luft nur noch
begrenzt permeieren lässt.
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Eine
weitere Ausführungsform
nennt als Koaleszensfilterelement ein Mikroglasfaserfilterelement
und als Tropfenabscheider einen Ringdemister.
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Ferner
beziehen sich Ausführungsformen
auf ein Verfahren zur Be- und Entlüftung von Getrieben unter Verwendung
des erfindungsgemäßen Be-
und Entlüftungsfiltersystems.
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Die
vorgenannten und weitere Vorteile werden aus der nachfolgenden Beschreibung
und den begleitenden Figuren ersichtlich.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Der
Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung des
Verständnisses
der Beschreibung. Gegenstände
oder Teile von Gegenständen,
die im Wesentlichen gleich oder ähnlich
sind, können mit
denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren sind lediglich
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt
eine schematische Längsschnittsansicht
des Be- und Entlüftungsfiltersystems.
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2 zeigt
schematisch den ersten Fluidpfad des Öl-Luftgemisches durch das Be-
und Entlüftungsfiltersystem
aus 1.
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3 zeigt
schematisch den zweiten Fluidpfad der frischen Luft durch das Be-
und Entlüftungsfiltersystem
aus 1.
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BESCHREIBUNG
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Grundsätzlich soll
das erfindungsgemäße Be- und
Entlüftungsfiltersystem
für Getriebe
so gestaltet sein, dass keine Ölaerosole
in die Umwelt gelangen. Umgekehrt sollen, um das Getriebe zu schützen, auch keine
Wasseraerosole in das Getriebe kommen. Sobald ein Getriebe betrieben
wird, beginnt seine Temperatur zu steigen. Mit den steigenden Temperaturen
des Getriebes steigt die Öltemperatur
des Getriebes und damit der Luftdruck im Getriebe an. Bereits aufgrund
des steigenden Luftdrucks im Getriebe muss ein Be- und Entlüftungssystem
für Druckausgleich
sorgen.
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Vielfach
wurden daher Filtersysteme verwendet, bei denen die Getriebeumgebung
durch Membranen vom Getriebe getrennt ist. Solche hydrophoben Membranen
lassen jedoch nachteilig nur sehr wenig Luft durch, sobald sie auf
ihrer Innenseite mit den emporsteigenden Ölaerosolen belegt sind. Dann
ist es nicht mehr möglich,
die volle Be- und Entlüftungsfunktion
der Membran zu erhalten; die erforderliche Durchflussrate durch die
Membran ist bei der ölbelegten
Membran nicht mehr gewährleistet.
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Grundsätzlich bedient
sich daher das erfindungsgemäße Be- und
Entlüftungssystem
für Getriebe
der Kombination verschiedener Filtersysteme, die in der erfindungsgemäßen Anordnungsweise
kombiniert sind und die überraschend
zu der gewünschten Ölabscheidung
im Getriebe bei optimaler Abgabe der Luft an die Außenseite
führt,
unter gleichzeitigem Verhindern des Eindringens von Wasser beziehungsweise
Feuchtigkeit in den Getriebeinnenraum.
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Die
generelle Funktionsweise des erfindungsgemäßen Filtersystems wird nachfolgend
beispielhaft dargelegt.
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Die
mit Ölaerosolen
geschwängerte
Luft, die das Getriebe verlässt, gelangt
in ein mit einer Öffnung des
Getriebes in Verbindung stehendes erfindungsgemäßes Be- und Entlüftungsfiltersystem,
wie es in 1 dargestellt ist. Sie nimmt
bei der durch steigende Temperatur und somit steigenden Druck erfolgenden
Ausdehnung während
des Betriebs des Getriebes den geringsten Widerstand durch das Be-
und Entlüftungsfiltersystem
und gelangt daher von dem nach oben durch ein Abdeckelement 12 geschlossenen
Innenraum 5 durch eine erste innere Seitenwand, die für das Ölaerosol
durchlässig
ist, da sie aus einem Mikroglasfaserfilterelement 1 besteht,
in den zwischen der inneren Seitenwand und einer Gehäusewand 4' vorliegenden
Ringspalt 7.
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In
der Matrix des Mikroglasfaserfilterelements 1 werden die
feinen Ölaerosole
aufgenommen und durch Kohäsions-
und Adhäsionskräfte an den
Mikroglasfasern festgehalten. Koaleszens der Öltröpfchen erfolgt an der hocheffizienten
Koaleszensschicht, dann kommt es zur Abscheidung der Tröpfchen aus
dem Gasstrom in den Ringspalt 7. Vorteilhaft werden die Öltröpfchen durch
Schwerkraft im Ringspalt 7 nach unten getrieben und durch
eine entsprechende fluidische Verbindung, die durch den Durchlass 6 in
dem teilmassiven Gewindeabschnitt 15 gebildet ist, in das
Getriebe zurückgeführt. Ölverlust
wird somit vorteilhaft unterbunden.
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Die
von Ölaerosolen
gereinigte Luft strömt
entsprechend im Ringspalt 7 nach oben, wo sie durch ein weiteres
als Tropfenabscheider ausgebildetes Element, das hier ein Ringdemister 2 ist,
aber auch ein anderer geeigneter Tropfenabscheider sein kann, in
einen Kopfraum 13 des Gehäuses 4 ein, das die
zum Be- und Entlüftungsfiltersystem
kombinierten Filtervorrichtungen umhüllt.
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Grundsätzlich verhindert
ein weiterer Tropfenabscheider stromabwärts des ersten Tropfenabscheiders,
dass eventuell ein mitgerissenes größeres Ölaerosol-Partikel zur hydrophoben
Membran 3, die stromabwärts
dieses Tropfenabscheiders angeordnet ist, durchdringen kann und
damit den notwendigen Luftdurchsatz behindert.
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Von
dem Kopfraum 13, der sich vorteilhaft nach oben verjüngt, einen Hals 14 bildet
und der nach oben in die weitere, vorteilhaft hydrophobe Membran 3 mündet, die
das Eintreten von Feuchtigkeit in das Innere des Systems verhindert,
gelangt die gereinigte Luft durch geschützte Entlüftungsöffnungen 9 nach außen.
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Zur
Belüftung
des Systems, die nach dem Abkühlen
des Getriebes, verbunden mit Druckabfall im Gehäuse 4 und damit mit
einem Absaugeffekt erfolgt, folgt die in das System eintretende
Luft einem zweiten Fluidpfad.
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Beim
Abkühlungsprozess
des Getriebes kann die Luft ungehindert von außen durch die Entlüftungsöffnungen 9 über die
hydrophobe und gleichzeitig oleophobe Membran 3 in das
Gehäuse 4 eindringen.
Die Membran 3 ist nicht nur Schutz vor eindringender Feuchte,
sie ist auch ein Druckausgleichselement.
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Die
Luft gelangt über
den Tröpfchenabscheider,
der hier ein Ringdemister 2 ist, in den Ringspalt 7 zwischen
dem Mikroglasfaserfilterelement 1 und der Gehäusewand 4'. Die fluidische
Verbindung, die durch einen Durchlass 6 gebildet ist, und
die das Be- und Entlüftungsfiltersystem
und das Getriebe fluidisch verbindet, ist inzwischen im Wesentlichen
von Öl
gereinigt, das bei dem vorherigen Schritt des Ölabscheidens durch den Durchlass 6 in
das Getriebe zurück
floss, da der Abkühlungsprozess
mit einem geringen Unterdruck verbunden ist, der ein Rücksaugen
des Öls
in das Getriebe bewirkt. Nun steht der Durchlass 6 im Wesentlichen
frei von Öl
für den
Durchtritt von frischer Luft zur Verfügung.
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2 demonstriert
mit Hilfe der Pfeile den Fluidpfad der zu filternden, ölhaltigen
Luft. Die in dem Getriebe – figurativ
nichtgezeigt – erhitzte
Luft, die bei steigender Temperatur abhängig von den Siedepunkten der
verwendeten Öle
mit steigendem Druck zunehmend mit Öl geschwängert wird, wird zunächst wie
durch Pfeil a angezeigt in das Belüftungsfiltersystem geführt, das
zum Zweck der gefilterten Be- und Entlüftung mittels eines Schraubgewindes 10,
das in 1 deutlich zu sehen ist, auf das Getriebe aufgeschraubt
wird.
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Selbstverständlich wird
der Fachmann andere Befestigungsmöglichkeiten wie etwa die festlegende Anordnung
des Systems mittels eines Flansches oder eines Spannringes als alternative
Befestigungsmöglichkeiten
des Systems auf dem Getriebe kennen.
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Das
Schraubgewinde, das als Außengewinde
ausgebildet ist, hat einen teilmassiven Gewindeabschnitt 15', der eine geeignete
Dicke aufweist, um Durchlässe 6 für Öl, Luft
und auch zumindest einen Durchlass 15 für das zu filternde Ölaerosol
aufzuweisen. Natürlich
können
statt eines einzigen großen,
zentral angeordneten Durchlasses 15 auch eine Vielzahl
kleinerer Durchlässe
die Überführung des Öl-Luft-Gemisches aus
dem Getriebe in das Innere des Gehäuses 4 erlauben. Auch
die Anzahl der Durchlässe 6 zur Überführung von
frischer Luft und von abgetrenntem Öl zurück in das Getriebe kann variieren.
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Das
Schraubgewinde 10 wird durch das Gehäuse 4 weitergebildet,
welches die Komponenten des Filtersystems für das Getriebe umgibt. Das
Gehäuse 4 ist
im Wesentlichen von zylindrischer Form und weist eine zentrale Drehachseachse
A-A auf. Das Schraubgewinde 10, mit welchem das Gehäuse auf
das Getriebe geschraubt wird, weist vorliegend nur einen einzigen
zentralen Durchlass 15 für das Ölaerosol auf, das entlang Pfeil
a in das System eintritt; es kann jedoch ebenfalls eine Vielzahl
von Durchlässen
mit geringerem Durchmesser haben. Schraubgewinde 10 und
Gehäuse 4 können einstückig oder
aus mehreren verbindbaren Stücken
ausgeführt
sein.
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Der
Durchlass 15 verläuft
entlang der Drehachse A-A des Zylinders und öffnet sich in den Innenraum 5 des
Gehäuses 4.
Der Innenraum 5 ist nach oben durch ein Abdeckelement 12 verschlossen
und seitlich mit einem für
das Ölaerosol
durchlässigen,
ebenfalls zylindrisch geformten Mikroglasfaserfilterelement 1 ausgekleidet.
Entsprechend strömt
das Ölaerosol,
wie in 2 gezeigt, weiter, wie es Pfeil b angibt, gelangt
in das Mikroglasfaserfilterelement, das die Tröpfchen aus dem Gasstrom abscheidet,
und kommt dann in einen zwischen der Gehäusewand 4' und dem Mikroglasfaserfilterelement 1 befindlichen
Ringspalt 7. Das nunmehr vom Gas abgeschiedene Öl fällt im Ringspalt 7,
wie angezeigt durch Pfeil c, nach unten und fließt vorteilhaft durch den Durchlass 6 zurück in das
Getriebe. Der gereinigte Gasstrom strömt entlang Pfeil d im Ringspalt 7 nach oben.
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An
seinem von dem Schraubgewinde abgewandten Ende ist das zylindrische
Gehäuse 4 verjüngt und nach
oben hin mit einer Schutzkappe 11 abgeschlossen. Das zylindrische
Mikroglasfaserfilterelement 1 ist an seinem zu der Schutzkappe 11 hinweisenden
Ende mit einem Abdeckelement 12 abgeschlossen, das einen im
Wesentlichen kreisförmigen
Querschnitt aufweist, der kleiner ist als der Kreisquerschnitt des
zylindrischen Gehäuses 4,
sodass zwischen einem Rand des Abdeckelements 12 und der
Gehäusewand 4' der besagte Ringspalt 7 verbleibt,
der nach oben durch den Ringdemister 2 abgedeckt ist, durch
den das gereinigte Gas, respektive die Luft nun tritt (Pfeil d).
Der Ringdemister 2 stellt sicher, dass nicht abgeschiedenes Öl spätestens hier
abgeschieden wird. Er bietet quasi eine zweite Reinigungsstufe.
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Der
Ringspalt 7 grenzt mit seinem zur Schutzkappe 11 hinweisenden
Ende mittelbar an den Ringdemister 2 an. Das Mikroglasfaserfilterelement 1 wird
zu der Schutzkappe 11 hin durch das Abdeckelement 12 und
den Ringdemister 2 abgeschlossen. An die obere Seite des
Abdeckelements 12 und ebenfalls die obere Seite des Ringdemisters 2,
die beide in Richtung der Schutzkappe 11 hinweisen, befindet
sich ein Kopfraum 13 in dem sich verjüngenden Zylinder. In diesen
strömt
das Gas vom Ringdemister 2 kommend entsprechend Pfeil e.
Die Zylinderform ist derart ausgebildet, dass sie einen Gehäusehals 14 bildet.
Zwischen dem Kopfraum 13 und der Schutzkappe 11 ist
eine hydrophobe Membran 3 in den Hals eingelegt und mittels
O-Ring 8 abgedichtet. Eine solche Membran kann vorteilhaft
aus Polyethylsulfon PES oder Polytrifluorethylen PTFE oder weiteren
hydrophoben und oleophoben Materialien beschaffen sein.
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Der
Gehäusehals 14 des
Gehäuses 4 ist
durch die Schutzkappe 11 abgedeckt, sodass kein Wasser in
den Zylinder dringen kann, obwohl die Schutzkappe 11 Entlüftungsöffnungen 9 aufweist,
durch die die vom Öl
befreite Luft, wie angezeigt durch Pfeil f in 2,
aus dem System aus- oder frische Luft eintritt.
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Bei
Betreiben des Getriebes entstehende ölgeschwängerte Luft wird also durch
einen Durchlass 15 in das Schraubgewinde 10 getrieben
und öffnet
sich in den Innenraum 5 des Gehäuses 4. Die ölgeschwängerte Luft
gelangt dort in Kontakt mit dem Mikroglasfaserfilterelement und
wird durch dieses gefiltert, da der Innenraum nach oben abgeschlossen
ist und somit nur an seinen Seiten permeabel ist, ehe sie in den
Ringspalt 7 gelangt.
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Bei
dem Mikroglasfaserfilterelement 1 handelt es sich um ein
Koaleszenselement, welches die Abscheidung von Flüssigkeitsaerosol
und Tropfen aus einem Gasstrom bewirkt. Beim Einsatz des Koaleszensfilterelement
in dem Filtergehäuse
wird das ölhaltige
Gas von innen nach außen
durch das Filterelement geleitet, sodass die feine Filterschicht
als hocheffiziente Koaleszensschicht für Tröpfchenbildung sorgt. Die koaleszierten Öltröpfchen werden
im Ringspalt 7 abgeschieden und fallen im Ringspalt 7 nach
unten.
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An
der unteren Seite des Gewindes 10 befinden sich im massiven
Gewindeabschnitt Aufbohrungen als Durchlässe 6, die es erlauben,
dass das Öl
zurück
ins Getriebe fließt.
Diese können
als Ein-Weg-Durchlässe
ausgestaltet sein, so dass das aus dem Getriebe in das Be- und Entlüftungsfiltersystem
austretende Luft-Öl-Gemisch
tatsächlich
nur in den Durchlass 15 eintreten kann und nicht die erste
Reinigungsstufe verloren geht.
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Durch
das Rückführen des Öls wird
vorteilhaft ein Recycling des Öls
bewirkt, und der Ölverlust
im Getriebe wird verhindert. Gleichzeitig wird durch das erfindungsgemäße System
vorteilhaft eine Luftreinhaltung ermöglicht.
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Die
vom Öl
befreite Luft wird bei Beibehaltung des Luftdrucks im Ringspalt
nach oben gedrückt
und durch den Ringdemister 2 geleitet. Hierbei kann es
sich vorteilhaft um ein gesintertes Polyethylmaterial handeln. Die
Porengrößen des
Ringdemisters liegen im Bereich von 5–300 μm, vorzugsweise im Bereich von
5–50 μm. Bei einem
Feinheitsgrad von 50 μm
liegt die Abschei deleistung des Ringdemisters vorteilhaft bei 99,998%, bezogen
auf eine Partikelgröße von 0,1 μm. Die Ölabscheiderate
des Ringdemisters 2 beträgt 0,3 mg/m3 bei einer
Partikelgröße von 0,1 μm.
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Wie
sich aus
3 ergibt, die den Fluidpfad
der frischen Luft von außen
nach innen in das Be- und Entlüftungsfiltersystem
angibt, kann die Entlüftungsöffnung
9 auch
der Luftzufuhr dienen. Sobald das Getriebe abkühlt und sich damit im System
die Druckverhältnisse
umkehren, dringt Luft durch die Entlüftungsöffnungen
9 gemäß Pfeil
g in das Gehäuse
4 ein
und gelangt durch die Membran
3 über den Kopfraum zum Ringdemister
2,
passiert diesen gemäß Pfeil
h und wird auf kürzestem
Weg durch den Ringspalt
7 über die Durchlässe
6, die
zuvor Öl
in das Getriebe zurückbefördert haben
und die nun wegen der Druckumkehr und dem entstehenden Unterdruck
von Öl
freigesaugt sind, gemäß Pfeil
i in das Getriebe zurück
befördert. BEZUGSZEICHENLISTE
| 1 | Mikroglasfaserfilterelement |
| 2 | Ringdemister |
| 3 | Membran |
| 4 | Gehäuse |
| 4' | Gehäuseinnenwand |
| 5 | Innenraum |
| 6 | Durchlass |
| 7 | Ringspalt |
| 8 | O-Ring |
| 9 | Entlüftungsöffnung |
| 10 | Außengewinde |
| 11 | Schutzkappe |
| 12 | Abdeckelement |
| 13 | Kopfraum |
| 14 | Gehäusehals |
| 15 | Durchlass |
| 15' | Massiver
Gewindeabschnitt |