DE102010023520B4

DE102010023520B4 - Heizvorrichtung zum Erwärmen von Filtereinrichtungen und Verwendung der Heizvorrichtung

Info

Publication number: DE102010023520B4
Application number: DE102010023520.2A
Authority: DE
Inventors: Jörg Steffensky; Andreas Schmitz; Edwin Koch; Markus Dewes; Michael Scheidt
Original assignee: Hydac Filtertechnik GmbH
Current assignee: Hydac Filtertechnik GmbH
Priority date: 2010-06-11
Filing date: 2010-06-11
Publication date: 2016-12-29
Anticipated expiration: 2030-06-12
Also published as: DE102010023520A1

Abstract

Heizvorrichtung zum Erwärmen von Filtereinrichtungen, insbesondere in Form von Filtergehäusen, Filterelementen (8) oder von Teilen derselben, wobei mittels einer Induktionseinrichtung (4, 22), die mindestens eine mit einer Wechsel-Spannungsquelle (22) verbindbare Stromspuleneinrichtung (4) aufweist, magnetische Wechselfelder erzeugt sind, die unter Bildung von Wirbelströmen metallische Bestandteile (6, 10, 14) der Filtereinrichtung erwärmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromspuleneinrichtung (4) Leiterwindungen an der Innenwand eines das Filterelement (8) aufnehmenden Filtertopfes (2) aufweist und/oder eine innerhalb des Stützrohres (6) des Filterelementes (8) befindliche Spule (4) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung zum Erwärmen von Filtereinrichtungen, insbesondere in Form von Filtergehäusen, Filterelementen oder von Teilen derselben, gemäß der Merkmalsausgestaltung des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
Filtereinrichtungen zur Filtration von Fluiden wie Hydrauliköl, Schmierstoffen oder Kraftstoffen kommen vielfach an Standorten zum Einsatz, an denen durch Klimaeinflüsse starke Schwankungen der Umgebungstemperatur auftreten. Dabei ergeben sich vor allem an frostgefährdeten Standorten Schwierigkeiten, wenn Fluide mit temperaturabhängiger Viskosität oder anderen temperaturabhängigen physikalischen Eigenschaften benutzt werden. In starkem Maße treten Probleme bei an frostgefährdeten Standorten zu betreibenden Windkraftanlagen oder Kraftfahrzeugen auf, bei denen beim Anfahren unter Kaltstartbedingungen die Gefahr besteht, dass Hydrauliköl aufgrund extrem hoher Ölviskosität betreffende Filtereinrichtungen beschädigt.
Bei Kraftfahrzeugen besteht die Gefahr, dass sich in Dieselöl bei niedrigen Temperaturen Paraffine bilden, die die entsprechende Filtereinrichtung nicht durchströmen. Neben der Gefahr der Beschädigung von Filtereinrichtungen kommt es zu unerwünschtem Ansprechen entsprechender Bypassventile. Probleme ergeben sich auch bei der in der Fahrzeugtechnik angewandten Harnstoffeinspritzung, bei der eine Harnstoff-Wasser-Lösung in den Abgasstrom von Kolbenmotoren eingespritzt wird, um durch eine selektive katalytische Reduktion den Ausstoß von Stickoxyden (NO_x) zu verringern. Hierbei kommt es zu Schwierigkeiten durch Gefrieren der Harnstoff-Wasser-Lösung in den diese bevorrateten Behältnissen, wobei sich dieses Medium bei Gefrieren beträchtlich ausdehnt.
Um diese Schwierigkeiten aus der Welt zu schaffen, ist es gemäß DE 10 2008 029 443 A1 bereits Stand der Technik, für Filtereinrichtungen zur Filtration von Fluiden, wie Hydrauliköl, eine Filterbahn vorzusehen, die Leiterelemente enthält, die Heizleiter für eine elektrische Widerstandsbeheizung bilden. Zwar bietet diese Lösung die Möglichkeit der unmittelbaren Erwärmung am Filtermedium der Filtereinrichtung, jedoch gestaltet sich die zuverlässige Kontaktierung der innerhalb der Filterbahn befindlichen Heizleiter konstruktiv verhältnismäßig aufwändig. Auch besteht die Gefahr einer Beeinträchtigung der Kontaktierung aufgrund von Korrosion, wenn es sich um chemisch aggressive Medien handelt, wie dies beispielsweise bei Harnstoff-Wasser-Lösungen der Fall ist.
Durch die DE 42 06 562 A1 ist ein Filtergehäuse mit einem eine Öffnung aufweisenden Gehäusekörper und mit einem Deckel bekannt, der zum Verschließen der Öffnung des Gehäusekörpers auf dem Gehäusekörper lösbar montiert ist. Der dahingehende Deckel ist mit einem Mantel versehen, in dem ein Dampf-Flüssigkeits-Heizmedium gegenüber der Umgebung abgedichtet untergebracht ist. Eine elektromagnetische Induktionsheizvorrichtung, die eine Induktionsspule aufweist, die den Deckel zur Umgebung hin außenumfangsseitig umfasst, ist dazu vorgesehen, das Heizmedium aufzuheizen und zu verdampfen, um dabei gleichzeitig den Deckel mit dem verdampften Heizmedium zu beheizen. Die Heizvorrichtung ist bei der bekannten Lösung vorzugsweise an dem Filtergehäusekörper fest montiert, so dass nur der Deckel von dem Gehäusekörper gelöst zu werden braucht, um die Induktionsheizvorrichtung mit der Induktionsspule vom sonstigen Gehäusekörper des Filtergehäuses zu trennen.
Die DE 31 18 251 A1 beschreibt ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung von Produkten in Filtertrocknern, Drucknutschen und dergleichen mehr, in denen Feststoffe mit Wärme behandelt, insbesondere nach einer Abtrennung von Flüssigkeit vor ihrem Austragen getrocknet werden. Die Wärmebehandlung erfolgt dabei durch Infrarotlicht, durch Mikrowellen, durch eine Induktionsheizung oder durch Heizspiralen sowie Heizstäbe.
Sofern bei der bekannten Lösung eine induktive Beheizung der Feststoffe angedacht ist, hat dies den Vorteil, dass auf diese Weise die empfindlichen Heizelemente, die insbesondere bei einer im Inneren des Behälters herrschenden korrosiven Atmosphäre Probleme verursachen können, vollständig entfallen. Zur Vermeidung des dahingehend korrosiven Einflusses wird die Induktionsspule, durch die ein Wechselstrom geleitet wird, um das Behältergehäuse herumgelegt (vgl. 4). Eine vergleichbare Beheizungsvorrichtung ist durch die DE 11 55 093 A aufgezeigt, die dem Verflüssigen eines Materials eines Filterbettes dient, und zwar nach Aufnahme von ausgefilterten Verunreinigungen mit einer unterhalb des Filterbettes in dem Kessel angeordneten Auslassöffnung für das verflüssigte Material des Filterbettes. Als Beheizungsvorrichtung dient wiederum bei dieser bekannten Lösung eine den Kessel mit dem Filterbett von außen her umfassende Induktionsspule.
Die JP 61-171514 A betrifft eine gattungsgemäße Heizvorrichtung zum Erwärmen von Filtereinrichtungen, insbesondere in Form von Filtergehäusen, Filterelementen oder von Teilen derselben, wobei mittels einer Induktionseinrichtung magnetische Wechselfelder erzeugt werden, die unter Bildung von Wirbelströmen metallische Bestandteile der Filtereinrichtung erwärmen. Als Induktionseinrichtung weist die bekannte Lösung eine mit einer Wechselspannungsquelle verbindbare Stromspuleneinrichtung auf, die einen als Isolationskörper ausgebildeten zylindrischen Glasmantel als Filtergehäuse außenumfangsseitig umfasst, in dem ein Filterkörper aufgenommen ist, der insbesondere zum Abtöten von Keimen und Mikroorganismen in Luft oder Prozesswasserströmen aus gesinterter Keramik mit eingelagerten Metall-Partikeln in den Hohlräumen der Keramik aufweist, die entsprechend von den Wirbelströmen einer Induktionsspule angeregt den Filter auf eine keim- und organismenabtötende Temperatur erhitzen.
Alle vorstehend genannten Lösungen, sofern sie zum Erwärmen der genannten Filtereinrichtungen auf Induktionseinrichtungen zurückgreifen, die magnetische Wechselfelder erzeugen können, verwenden Stromspuleneinrichtungen, die außerhalb des Filtergehäuses angeordnet sind. Zwar erlaubt dies grundsätzlich eine einfache Anbringung der Induktionseinrichtung von außen her an einem Gehäuse, so dass wenig baulicher oder konstruktiver Aufwand zu betreiben ist; allein ist dann die dahingehende Induktionseinrichtung mit ihrer Induktionsspule nicht vor Beschädigungen geschützt und des Weiteren geht in hohem Maße Eintragsenergie verloren, da immer erst das jeweilige Filtergehäuse zumindest partiell, beispielsweise in Form des genannten Deckels, zu erwärmen ist, bevor die Wärmemenge an die sonstigen Komponenten der Filtereinrichtung gelangt, wie beispielsweise die aufgezeigten fluidführenden Filterelemente nebst deren Bestandteile.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt daher der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Heizvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die sich nicht nur durch eine hohe Betriebssicherheit auszeichnet, selbst in Verbindung mit chemisch aggressiven Medien, sondern auch einen energetisch günstigen Betrieb für die Gesamt-Filtereinrichtung mit ihren fluidführenden Komponenten ermöglicht.
Eine dahingehende Aufgabe löst eine Heizvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 in seiner Gesamtheit.
Dadurch dass gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 die Stromspuleneinrichtung Leiterwindungen an der Innenwand eines ein Filterelement aufnehmenden Filtertopfes aufweist und/oder eine innerhalb des Stützrohres des Filterelementes befindliche Spule aufweist, ist die Induktionseinrichtung mit ihrer jeweiligen Stromspuleneinrichtung sicher in das Filtergehäuse integriert und vor Beschädigungen von außen geschützt. Zwar gibt die Induktionseinrichtung über ihre jeweilige Induktions- oder Stromspule auch Wärmeenergie an das die jeweilige Spule umfassende Filtergehäuse nach außen hin ab; dennoch gelangt ohne größere Wärmeverluste der überwiegende Anteil der Wärme oder Heizenergie direkt an die sonstigen Komponenten der Filtereinrichtung wie die Filterelemente oder Teile derselben, die regelmäßig zwecks Koalisieren von Wasser-Flüssigkeitstropfen aus dem Fluid und/oder für eine Partikelabreinigung von dem jeweiligen Fluid durchströmt werden. Insoweit ist sichergestellt, dass das Fluid bereits nach einer sehr kurzen Anheiz- oder Anwärmphase innerhalb des Filtergehäuses auf eine Temperatur gebracht ist, die eine niedrige Viskosität des Fluidmediums mit der Folge bedingt, dass sich bei der Fluidbehandlung durch das jeweilige Filterelement geringe Differenzdrücke ergeben und ein schädigender Einfluss auf das Filterelement mit Sicherheit vermieden ist. Dies hat so keine Entsprechung im Stand der Technik.
Dadurch dass bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung die Stromspuleneinrichtung nicht unmittelbar an der Innenseite der Gehäusewandung des Gehäuses, also mithin an der Innenwand des Gehäuses anzuliegen braucht, sondern von der dahingehenden Innenwand entsprechend beabstandet angeordnet werden kann, lässt sich je nach Fluidbehandlungsaufgabe dezidiert der Abstand zwischen den zu beheizenden oder zu erwärmenden Filtereinrichtungsbestandteilen und der Stromspuleneinrichtung einstellen, so dass in jedem Fall auch ein Überhitzen der gesamten Anordnung im Betrieb mit Sicherheit vermieden ist. Ferner entfällt bei der erfindungsgemäßen Lösung die Notwendigkeit, das Filterelement, wie gleichfalls im eingangs erwähnten Stand der Technik aufgezeigt, elektrisch kontaktieren zu müssen. Da die jeweilige Stromspuleneinrichtung vom Materialaufbau her wesentlich robuster gegenüber chemisch aggressiven Medien als die üblichen Heizstäbe auslegbar ist, ist insoweit auch einer Korrosionsgefahr begegnet, obwohl die jeweilige Stromspuleneinrichtung, sofern sie nicht geschützt, beispielsweise in einen korrosionsbeständigen Kunststoff eingegossen ist, im Inneren des Filtergehäuses unmittelbar dem chemisch aggressiven Medium während des Betriebes der Heizvorrichtung ausgesetzt ist.
Als Induktionseinrichtung kann eine baulich einfach realisierbare Stromspuleneinrichtung in Verbindung mit einer Wechselspannungsquelle vorgesehen sein. Als durch Wirbelstromverluste erwärmbare, metallische Bestandteile am Filterelement können das Stützrohr und/oder metallische Bestandteile des Filtermediums und/oder eine metallische Ummantelung des Filterelementes vorgesehen sein. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Metallmantel (Streckmetall), der außen um das Element angebracht ist, oder um metallische Beimengungen innerhalb des Filtermediums oder eine metallische Stützstruktur, die das Filtermedium einfasst, handeln, etwa um ein metallisches Stützgewebe, das an einer plisseeartig gefalteten Filterbahn anliegt.
Hinsichtlich der Anordnung der Stromspuleneinrichtung kann die Anordnung so getroffen sein, dass Leiterwindungen an der Wand eines ein Filterelement aufnehmenden Filtertopfes angeordnet sind. Alternativ kann die Stromspuleneinrichtung eine innerhalb des Stützrohres des Filterelementes befindliche Spule aufweisen.
Gemäß dem Patentanspruch 7 ist Gegenstand der Erfindung auch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung in einem Behälter, in dem insbesondere Fluide wie Harnstoff-Wasser-Lösung oder Dieselöl bevorratet sind und der eine mittels einer Induktionseinrichtung zu beheizende, vom Fluid durchströmbare Filtereinrichtung enthält.
Hierbei kann die Anordnung so getroffen sein, dass die Induktionseinrichtung eine in korrosionsbeständigen Kunststoffeingegossene, die Filtereinrichtung umgebende Stromspuleneinrichtung aufweist.
Nachstehend ist die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
1 eine teilweise aufgeschnitten und schematisch vereinfacht gezeichnete perspektivische Darstellung eines Filtertopfes als Bestandteil eines Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung;
2 einen schematisch vereinfacht gezeichneten Längsschnitt eines Filterelementes als Bestandteil eines weiteren Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung; und
3 eine stark schematisch vereinfacht gezeichnete Prinzipdarstellung zur Verdeutlichung der Verwendung der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung in einem eine Harnstoff-Wasser-Lösung enthaltenden tankartigen Behälter.
Ein in 1 dargestellter Filtertopf 2 bildet Teil des Filtergehäuses für ein im Filtertopf 2 aufnehmbares, nicht dargestelltes Filterelement, das induktiv erwärmbar ist. Hierfür ist als Induktionseinrichtung an der Innenwand des Filtertopfes 2 eine Stromspule 4 angebracht, um mit einer nicht dargestellten Wechselspannungsquelle innerhalb des Filtertopfes 2 ein magnetisches Wechselfeld zu generieren. Das Wechselfeld induziert in metallischem Material Wirbelströme oder in ferromagnetischen Stoffen auch Ummagnetisierungsverluste, so dass unmittelbar im Filterelement Wärme entsteht. Die induktiv generierte Wärme entsteht sofort, mit hoher Leistung und ist gut steuerbar. Nicht leitende Materialien und die Umgebung werden nur indirekt erwärmt. Der Wirkungsgrad ist hoch, sofern nicht sehr gut leitende Materialien, wie Aluminium und Kupfer, erwärmt werden sollen. Für höchsten Wirkungsgrad kann die Frequenz an die Größe und Leitfähigkeit der Metallteile des Filterelementes angepasst werden. Hohe Frequenzen erlauben oberflächennahes Erwärmen.
Anhand der 2, die ein Filterelement 8 in gesonderter Darstellung zeigt, sind mehrere Möglichkeiten der induktiven Erwärmung verdeutlicht. So ist als metallischer Bestandteil, der durch Wirbelstromverluste induktiv erwärmbar ist, beispielweise ein metallisches Stützrohr 6 vorhanden. Die als Induktionseinrichtung dienende Spule 4 kann innerhalb des Stützrohres 6 angeordnet sein, wie es in 2 gezeigt ist, oder, wie in 1 dargestellt, im Inneren des das Filterelement 8 aufnehmenden Filtertopfes 2. Als weitere metallische Bestandteile, die durch Wirbelstromverluste erwärmbar sind, sind in 2 ein unterbrochener Metallmantel 10 (Streckmetall), der außen um das Filtermedium 12 angebracht ist, oder metallische Bestandteile des Filtermediums selbst, beispielsweise eine metallische Stützstruktur 14 gezeigt.
Die 3 zeigt die Verwendung der Heizvorrichtung in einem Tank 16, der einen Vorrat an einer Harnstoff-Wasser-Lösung 18 aufnimmt. Im Tank 16 befindet sich ein induktiv beheizbares Filterelement 8, aus dem über einen Anschluss 20 die Lösung 18 ausgebbar ist, um dosiert in einen Abgasstrom eingespritzt zu werden. Für die induktive Beheizung des Filterelementes 8 befindet sich im Tank 16 eine das Filterelement 8 umgebende, in Kunststoff eingegossene Spule 4, die von der Außenseite des Tanks 16 her durch eine Wechselspannungsquelle 22 versorgbar ist. Da somit keine offene Kontaktierung am Filterelement 8 vorhanden ist, wie dies bei Widerstandsbeheizung des Filterelementes 8 erforderlich wäre, und weil die Spule 4 in Kunststoff eingegossen ist, sind keine korrosionsbedingten Beeinträchtigungen der Heizvorrichtung, trotz der chemischen Aggressivität der Harnstoff-Wasser-Lösung, zu erwarten.
Vorteilhaft für die erfindungsgemäße Lösung ist, wenn die angesprochene Spule 4 der Induktionseinrichtung möglichst dicht an dem jeweils zu erhitzenden oder zu erwärmenden Bauteil benachbart angeordnet ist. So braucht entgegen der Darstellung nach der 1 die Spule 4 nicht unmittelbar an der Innenseite der Gehäusewandung des Gehäuses anzuliegen, sondern kann von der dahingehenden Innenwand entsprechend beabstandet sein.
Anstelle einer einzigen Spule 4 können bei einer nicht näher dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung auch weitere Spulen (nicht dargestellt) mit entsprechenden Spulenwicklungen vorhanden sein. So ist es denkbar, innerhalb einer Filtergehäuseanordnung zwei gegenüberliegende Spulen anzuordnen, die sich dann betreffend ihrer Wechselfelder entsprechend überlagern können. So ist es auch denkbar, immer eine Spule mit einer entsprechenden Wicklungsanzahl gerade dort einzusetzen, wo ein Erwärmen von Bauteilkomponenten von besonderem Interesse ist. Die einzelnen Spulen können in Hintereinanderfolge angeordnet sein; es besteht aber auch die Möglichkeit der Übereinanderanordnung vorzugsweise entlang von konzentrischen Bahnverläufen. Auch besteht die Möglichkeit, an bestimmten Stellen die Wicklungszahl einer Spule zu erhöhen oder zu erniedrigen. Die jeweilige Spule mit ihrer Wicklung braucht kein zylindrischer Körper zu sein; vielmehr sind hier auch konisch zulaufende Bahnverläufe möglich oder Sonderformen, wie Rotationsparaboloide od. dgl. Des Weiteren kann sich auch der Drahtdurchmesser innerhalb einer Wicklung für eine Spule ändern; immer in Abhängigkeit von Praktikabilitätsbedingungen, d. h. in Abhängigkeit von gewünschten zu erzielenden Wärmestromverläufen im zu erwärmenden Bauteil.

Claims

Heizvorrichtung zum Erwärmen von Filtereinrichtungen, insbesondere in Form von Filtergehäusen, Filterelementen (8) oder von Teilen derselben, wobei mittels einer Induktionseinrichtung (4, 22), die mindestens eine mit einer Wechsel-Spannungsquelle (22) verbindbare Stromspuleneinrichtung (4) aufweist, magnetische Wechselfelder erzeugt sind, die unter Bildung von Wirbelströmen metallische Bestandteile (6, 10, 14) der Filtereinrichtung erwärmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromspuleneinrichtung (4) Leiterwindungen an der Innenwand eines das Filterelement (8) aufnehmenden Filtertopfes (2) aufweist und/oder eine innerhalb des Stützrohres (6) des Filterelementes (8) befindliche Spule (4) aufweist.
Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromspuleneinrichtung (4) an der Innenseite der Gehäusewandung des Filtergehäuses anliegt oder von der dahingehenden Innenwand beabstandet ist.
Heizvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als durch Wirbelstromverluste erwärmbare Bestandteile Metallteile (6, 10, 14) an einem Filterelement (8) vorgesehen sind.
Heizvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als erwärmbare Metallteile das Stützrohr (6) und/oder metallische Bestandteile (14) des Filtermediums (12) und/oder eine metallische Ummantelung (10) des Filterelementes (8) vorgesehen ist bzw. sind.
Verwendung einer Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 in einem Behälter (16), in dem insbesondere Fluide wie Harnstoff-Wasser-Lösung (18) oder Dieselöl bevorratet sind und der eine mittels einer Induktionseinrichtung (4, 22) zu beheizende, vom Fluid durchströmbare Filtereinrichtung (8) enthält.
Verwendung einer Heizvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionseinrichtung eine in korrosionsbeständigen Kunststoff eingegossene, die Filtereinrichtung (8) umgebende Stromspuleneinrichtung (4) aufweist.