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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Beladungsmesselement für ein Filterelement
oder eine Filterelementaufnahme, insbesondere bei Innenraumfiltern
zum Filtern von Luft für
den Innenraum eines Kraftfahrzeugs. Ferner betrifft die Erfindung
einen Innenraumfilter und eine Filteraufnahme.
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Filterelemente
dienen der Filterung von Fluidströmungen oder gasförmigen Medien,
beispielsweise zur Filterung einer Luftströmung, die dem Fahrzeuginnenraum
eines Kraftfahrzeugs zugeführt wird.
Die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende Problematik
werden nachfolgend im Wesentlichen für ein Filterelement zur Filterung
von Luft für
den Innenraum eines Kraftfahrzeugs beschrieben. Solche Filter werden
nachfolgend auch kurz als KFZ-Innenraumluftfilter oder auch Innenraumfilter bzw.
Kabinenluftfilter bezeichnet.
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Die
zunehmende Luftverunreinigung, insbesondere in Großstädten, in
Verbindung mit dem Einsatz von Klimaanlagen im Fahrzeug erfordert,
dass die von außen
in den Innenraum eines Kraftfahrzeuges geleitete und aufbereitete
Luft mittels geeigneter Filter gereinigt wird. Hierfür kommen
beispielsweise Partikelfilter, Geruchsfilter oder Kombinationen
derselben miteinander in Betracht, die in der Luft enthaltene Schwebstoffe,
Partikel und Gerüche
aus der angesaugten Rohluft möglichst
gut herausfiltern bzw. absorbieren sollen. Um einen regelmäßig notwendigen
Austausch zu ermöglichen
müssen
Wartungsintervalle festgelegt werden, die von der Menge der im jeweiligen
Filter im Filtermaterial festgehaltenen Partikeln abhängen.
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Stand der Technik
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Um
die Beladung eines Filters festzustellen, also die Menge an im Filtermaterial
vorliegenden gefilterten Partikeln, welche die Filterwirkung beeinflussen,
wurden in der Vergangenheit rein mechanische Anzeigen vorgesehen.
Beispielsweise werden bei Staubsaugerbeuteln, die als Filter agieren,
einfache Filterbeladungsanzeigen vorgesehen. Hierbei wird ein zu
detektierender Differenzdruck, welcher von der Beladung oder Füllung der
Staubsaugertüte
abhängt, zwischen
Innen- und Außenraum
registriert.
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Die üblichen
Mittel, um an Filtern deren Beladung festzustellen, gewährleisten
jedoch nur bei großen
Drücken
und Durchflüssen
eine einigermaßen zuverlässige Aussage über die
Beladung zu treffen. Insbesondere bei Innenraumfiltern für Kraftfahrzeuge,
die für
klimatechnische Anlagen Verwendung finden, sind nur geringe Lüfterleistungen
vorhanden. Daher müssen,
um eine Beladung quantitativ feststellen zu können, Drücke von nur wenigen mbar erfasst
werden können.
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Vor
diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe
zugrunde, ein verbessertes Mittel zum Erfassen einer Beladung eines
Filters bereit zu stellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird durch ein Filterbeladungsmesselement mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
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Demgemäß ist ein
Filterbeladungsmesselement, insbesondere für einen Innenraumfilter für ein Kraftfahrzeug
vorgesehen. Dabei ist ein elektromechanischer Sensor zum Erfassen
eines Differenzdruckes zwischen einer Reinfluidseite und einer Rohfluidseite
des Filters vorgesehen.
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Ein
elektromechanischer Sensor hat den Vorteil, dass insbesondere niedrige
Druckdifferenzen detektiert werden können, welche durch eine steigende
Beladung des Innenraumfilters bedingt sein können.
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Zum
Beispiel kann ein elektronischer Abstandssensor zum Erfassen eines
Abstandes zwischen einer Membran und dem elektronischen Abstandssensor
vorgesehen werden. Dabei ist die Membran dann derart angeordnet,
dass sie die Reinfluidseite von der Rohfluidseite trennt. Dadurch
ergibt sich in Abhängigkeit
von einer Druckdifferenz zwischen der Reinfluidseite und der Rohfluidseite,
dass die Membran verformt werden kann und sich insofern der Abstand
zwischen einem angebrachten Abstandssensor und der Membran verändert. Der
Abstand ist daher ein Maß für die Druckdifferenz,
die sich wiederum in Abhängigkeit
von einer Beladung des Filters mit Schmutzpartikeln ergibt.
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Der
Abstandssensor kann beispielsweise ein kapazitiver Sensor sein.
In einer entsprechenden Ausführungsform
weist dann die Membran ein dielektrisches Material auf, und der
Abstandssensor erfasst eine Änderung
des elektrischen Feldes in Abhängigkeit
von einer Lageänderung
der (dielektrischen) Membran. Die Lageänderung der Membran ergibt sich
im Wesentlichen aus einer Druckdifferenz, welche wiederum die Beladung
des Filters anzeigt.
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Es
ist auch möglich,
dass die Membran ein magnetisierbares Material aufweist und der
elektronische Abstandssensor eine Änderung eines Magnetfeldes
in Abhängigkeit
von einer Lageänderung
der Membran erfasst. Die veränderte
Membranlage führt dann
zum Beispiel zu einer Störung
oder Änderung eines
vorhandenen Magnetfeldes, welches insbesondere mittels eines Hall-Sensors
als elektronischem Abstandssensor messbar ist.
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Bei
einer Ausführungsform
des Filterbeladungsmesselementes ist die Membran derart beweglich
angeordnet, dass zumindest ein Teil ihrer Oberfläche bei einer Druckdifferenzänderung
zwischen der Reinfluidseite und der Rohfluidseite einen Abstand
zu dem elektronischen Abstandssensor ändert. Zum Beispiel kann die
Membran selbst flexibel ausgeführt
werden und sich einem verändernden
Druck in ihrer Form und Lage ändern.
Es ist möglich,
an der Membran einen Permanentmagneten anzuordnen. Dann kann eine Änderung
des sich ergebenden Magnetfeldes bei einer Lageänderung der Membran bzw. des
Permanentmagneten detektiert werden.
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Eine
weitere Ausführungsform
des Filterbeladungsmesselementes umfasst einen ersten Gehäuseabschnitt
und einen zweiten durch die Membran getrennten Gehäuseabschnitt.
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Es
kann zusätzlich
ein Stützelement
vorgesehen werden, welche eine maximale Auslenkung der Membran begrenzt.
Dadurch wird gewährleistet, dass
die Membran bei einem zum Beispiel zu großen Druck nicht berstet oder
plastisch verformt wird. Vielmehr schmiegt sie sich dann an das
jeweilige Stützelement
an und wird sicher gelagert.
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Zusätzlich kann
das Filterbeladungsmesselement eine Auswerteeinrichtung umfassen,
welche an den Abstandssensor gekoppelt ist und elektronische Messsignale
von dem Abstandssensor empfängt.
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Aus
den Messsignalen kann die Auswerteeinrichtung dann den Beladungszustand
des Filters ableiten und zum Beispiel anzeigen.
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Ein
entsprechendes Filterbeladungsmesselement kann an einem Innenraumfilter
preisgünstig angebracht
werden oder auch zum Beispiel in einer Filteraufnahme oder einem
Filtergehäuse
für ein
Filterelement vorgesehen werden.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind
Gegenstand der Unteransprüche
sowie der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachfolgend ferner anhand mehrerer Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren näher erläutert. Es zeigt dabei:
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1:
eine Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Filterbeladungsmesselements
an einer Filteraufnahme;
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2:
eine Querschnittsansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Filterbeladungsmesselements;
und
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3:
eine Querschnittsansicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines Filterbeladungsmesselements.
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In
den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente, sofern
nichts Anderes angegeben ist, mit denselben Bezugszeichen versehen
worden.
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Ausführungsform(en)
der Erfindung
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In
der 1 ist eine Anordnung dargestellt, welche zur Filteraufnahme,
wie zum Beispiel ein Filtergehäuse
mit einem daran angeordneten Filterbeladungsmesselement im Querschnitt
zeigt. Es ist dabei ein Filtergehäuse 2A, 2B offenbart,
in das ein Filterelement, insbesondere ein Innenraumluftfilter für ein Kraftfahrzeug 3,
eingesetzt ist.
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Das
Filterelement 3 hat beispielsweise gefaltetes Filtermaterial 4,
das zieharmonikaförmig
zusammengestaucht ist. Durch die Faltung wird die Oberfläche des
Filters 3 bzw. des gefalteten Filtermaterials 4 beim
Durchfließen
eines Fluides, wie zum Beispiel Luft, vergrößert. In der 1 ist
ein Pfeil RO dargestellt, welcher eine einströmende Rohluft anzeigt, welche
nach dem Durchlaufen des Innenraumfilters 3 als Reinluft
RE, beispielsweise für
die Klimaanlage oder Innenraum eines Kraftfahrzeuges, bereitsteht.
Je nach Beladungszustand, also der Menge an Schmutzteilchen, die
sich in dem Filter verfangen haben, wird das Durchströmen durch
das Filtermedium, also das Filtermaterial 4, erschwert
bzw. verändert.
Insofern ergibt sich auch gegenüber
dem Reinluftbereich RE und dem Rohluftbereich RO ein unterschiedlicher
Druck trotz gleich bleibender Strömungsleistung, welche durch
beispielsweise einen hier nicht dargestellten Ventilator bereitgestellt
wird.
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Es
ist eine Öffnung 5 an
einer der Filtergehäusewandungen 2B vorgesehen,
die einen Druckausgleich zu dem Filterbeladungsmesselement 1 gewährleistet.
Das Filterbeladungsmesselement 1, im Folgenden als Beladungsmesser
bezeichnet, beschreibt einen Innenraum 6, 7, der
durch eine Membran 11 getrennt ist. Insofern ergibt sich
eine Rohluftseite 6 und eine Reinluftseite 7.
Unter der Reinluftseite wird hier auch ein von dem Filterinnenraum
togologisch getrennter Bereich verstanden. Zum Beispiel ergibt sich
je nach Anordnung des Beladungsmessers 1 im Fahrzeug oder
an dem Filtergehäuse
durch die Öffnung 10 in
dem Beladungsmesser 1 eine Verbindung zu der Reinluft oder
zu der Rohluft.
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Prinzipiell
kann auch das Gehäuse
des Beladungsmessers 1 verschlossen sein, so dass sich
die Luft oder das Fluid in dem Bereich 7, welcher von der Membran 11 abgeschlossen
ist, in Abhängigkeit
von dem sich ergebenen Druck zwischen den Membranseiten, komprimiert
wird. Es ist somit ein erster Abschnitt 8 des Beladungsmessers
vorgesehen, welcher einen ersten Innenraum 6 mit der Membran
bildet und ein zweiter Abschnitt 9, der einen zweiten Innenraum 7 bildet,
dargestellt.
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Die
Membran ist prinzipiell beweglich, wie es durch den Pfeil B dargestellt
ist. Je nach Durchströmgeschwindigkeit
des Fluides, die wiederum vom Beladungszustand des Filters durch
den Filter abhängt, ergibt
sich eine Druckdifferenz zwischen dem rohluftseitigen Bereich 6 und
dem reinluftseitigen Bereich 7 bzw. zwischen den beiden
Seiten der Membran 11. Je nach Druck und damit Beladung
verändert
sich die Lage der Membran 11.
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Es
ist ein elektronischer Abstandsmesser 13 vorgesehen, der
auf einer Halterung 12 angeordnet ist. Der elektronische
Abstandsmesser 13 ermittelt den Abstand d zwischen dem
Abstandsmesser 13 und der Membran 11. Insofern
kann, mittelbar durch die Bestimmung des Abstandes d oder einer
Abstandsänderung,
auch eine Druckänderung
bestimmt werden, die wiederum von der Beladung des Filters abhängt.
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Das
Gehäuse
des Beladungsmessers 1 kann zum Beispiel aus Kunststoff
ausgeführt
werden. Insbesondere kann ein Beladungsmesser über eine Reibverschweißung mit
dem Gehäuse
der Filteraufnahme 2A, 2B verbunden werden. Die
Verbindung sollte fluiddicht erfolgen. Es sind verschiedene Materialien
als Membran 11 geeignet. Insbesondere lässt sich die Membran 11 in
Kombination mit einem Hall-Sensor 13A der Abstandsmessvorrichtung 13 ausführen. Dabei
ergibt sich eine mechanische Komponente, nämlich durch die Bewegung B
der Membran, und weiterhin eine elektronische Komponente bei der
Messung des Abstandes durch den Hall-Sensor. Insbesondere Metalle
wie Kupferberrylium, Nickelberrylium, Duratherm oder dergleichen,
eignen sich in Kombination mit einem Hall-Sensor. Die Membran sollte
dabei vorzugsweise magnetisch oder magnetisierbar sein, kann jedoch
auch einen Dauermagneten tragen, dessen Magnetfeldänderung
bei einer Abstandsänderung
d im Hall-Sensor erfassbar ist.
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In
der 2 ist eine Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform
eines Beladungsmessers 100 dargestellt. In 2 ist
ein Teil eines Filtergehäuses 2B dargestellt,
der mit einer Öffnung 5 versehen
ist, an das der Beladungsmesser 100 gekoppelt wird. Der
Beladungsmesser 100 hat einen ersten Gehäuseabschnitt 8,
welcher direkt an die Gehäusewandung 2B angebracht
ist. Der zweite Gehäuseabschnitt 9 ist
daran angesetzt. Die beiden Gehäuseabschnitte
sind durch eine Membran 11, wie beispielsweise auch in
der 1 schon dargestellt ist, abgetrennt. Es ergeben
sich somit 2 Innenräume 6, 7 zwischen
denen eine Druckdifferenz in Abhängigkeit
von einer Beladung des jeweiligen angesetzten Filters vorliegt.
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Um
die Druckdifferenz zu erfassen, ist ein elektromechanischer Abstandssensor
aus der Membran 11 und einem elektronischen Abstandssensor 13A, 13B geschaffen.
Darüber
hinaus ist ein Stützelement 14 an
dem ersten Gehäuseabschnitt 8 angebracht,
das verhindert, dass sich die Membran 11 bei einem besonders
starken Druckgradienten zwischen den beiden Seiten 6, 7 zu
stark verformt. Ist beispielsweise im Abschnitt 6 ein sehr
großer
Unterdruck im Vergleich zum Innenraum 7, schmiegt sich
die Membran an das Stützelement 14 an
und kann nicht zerreißen.
Das Stützelement 14 hat
zum Druckausgleich eine Öffnung 10.
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Der
Abstandssensor 13A, 13B ist über eine Messleitung MS mit
einer Auswerteeinrichtung 16 verbunden. Die Messsignale
MS können
somit durch die Auswerteeinrichtung 16 ausgewertet werden. Zum
Druckausgleich nach Außen
sind an dem zweiten Gehäuseabschnitt 9 Öffnungen 10A, 10B vorgesehen.
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Bei
einer Ausführung
des Abstandssensors, insbesondere des Sensors 13A als Hall-Sensor, kann
an der Membran 11 ein Permanentmagnet 13B vorgesehen
werden, dessen Magnetfeld präzise durch
den Hall-Sensor 13A gemessen werden kann. Durch eine Auswertung
der sich ergebenden Messsignale MS wird dann auf die Beladung des
in dem Filtergehäuse 2B eingesetzten
Filters geschlossen. Dabei kann der Hall-Sensor 13A, insbesondere
ein dreiachsiger Hall-Sensor sein, der die Position des Magneten 13B im
Raum bzw. an der Membran 11 exakt bestimmt.
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Störende elektrische
oder elektromagnetische Felder können
mittels der Auswerteeinrichtung 16 ferner rechnerisch kompensiert
werden.
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Neben
einer Implementierung der Abstandsmessung durch einen Hallsensor,
kann zum Beispiel auch eine kapazitive Messung durchgeführt werden. Es
ist zum Beispiel denkbar, dass der Sensor 13A als kapazitiver
elektronischer Sensor ausgeführt
wird. Eine Änderung
beispielsweise der Membranlage, wobei die Membran zum Beispiel ein
dielektrisches Material umfasst, verändert sich die Kapazität, welche
gemessen werden kann. Auch aus dieser Messgröße kann eine Druckdifferenz
bzw. Beladung eines Filters bestimmt werden.
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In
der 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel für einen
Beladungsmesser im Querschnitt dargestellt. Der Beladungsmesser 200 umfasst
ein fluiddichtes Gehäuse 8 mit
einer Öffnung 5.
Die Öffnung 5 kann
dann beispielsweise an ein Filterelement oder eine Aufnahme für ein Filterelement
angebracht werden. Es ergibt sich durch eine beweglich gelagerte Membran 11,
die beispielsweise in einer Fassung 18 entlang der Gehäuseinnenwandung 8 des
Beladungsmessers 200 beweglich ist. Dies kann beispielsweise
in der Art eines Stempels für
die Halterung 18 realisiert werden.
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Damit
ergeben sich im Innenraum des Beladungsmessers 200 wiederum
zwei Bereiche 6 und 7, zwischen denen eine Druckdifferenz
aufgebaut werden kann. Die Druckdifferenz wird als Maß für eine Beladung
eines Filters aufgefasst. Entlang des Pfeils B kann sich die Position
der Membran 11 innerhalb des Beladungsmessers verschieben.
Es können
zusätzlich,
beispielsweise Federn 17, vorgesehen werden, die die Fassung
oder Halterung 18 der Membran 11 flexibel fixiert.
Eine Druckdifferenz erfordert dann unterschiedliche Rückstellkräfte der
Federn 17.
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Zur
Auswertung bzw. Bestimmung der Beladung eines Filters wird wiederum
der Abstand der Membran 11 von einem Abstandsmesser 13A verwendet.
Der Abstandsmesser kann zum Beispiel zweiteilig 13A, 13B,
ausgeführt
werden und, wie hinsichtlich der 1 und 2 erläutert wurde,
und beispielsweise kapazitive, induktive oder andere Messgrößen erfassen,
die über
eine Messleitung MS einer Auswerteeinrichtung 16 zugeleitet
wird.
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Es
ergibt sich somit eine einfach montierbare Einheit als Beladungsmesser
mit einer Membran, deren Auslenkung oder Lageänderung von einem elektronischen
Sensor überwacht
wird. Der Beladungsmesser kann sehr feinfühlig ausgelegt werden, so dass
auch nur geringe Druckdifferenzen erfasst werden können. Insbesondere
ein Hallsensor ist besonders robust gegenüber äußeren Einwirkungen, die chemischer,
mechanischer oder elektrischer Art sein können. Insofern bietet sich
ein besonders günstiger Einsatz
des Beladungsmessers im Kfz-Bereich
an.