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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Filterelement, insbesondere zum Einsatz als Dieselpartikelfilter zum Abscheiden und Verglühen von Partikeln aus Abgasen von Brennkraftmaschinen.
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Stand der Technik
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Abgase von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Dieselmotoren enthalten Partikel wie Rußpartikeln. Um gesetzlichen Anforderungen nachzukommen, muss daher meist entsprechendes Abgas gereinigt bzw. gefiltert werden. Da die gefilterten Rußpartikel das eingesetzte Filtermedium, wie z. B. Keramikmaterial belegt, erfolgt gesteuert regelmäßig ein Abbrennen der Rußpartikel bei Temperaturen von über 250°C.
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In der Vergangenheit sind Partikelfilter vorgeschlagen worden, die insbesondere Siliziumcarbid, das eine ausreichende Porösität mit Filterwirkung für Rußpartikel hat, aufweisen. Beispielsweise offenbart die
DE 100 23 787 A1 einen Partikelfilter für eine Abgasreinigungsanlage mit einem Filterelement aus Siliziumcarbid und einem elektrischen Heizelement. Eine Regeneration des Partikelfilters erfolgt durch Anlegen einer Spannung an das Heizelement, das direkt am Filterelement angeordnet ist.
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Ferner sind katalytische Filter für die Dieselabgasreinigung, wie beispielsweise in der
EP 0 035 053 A1 , vorgeschlagen worden. Dort ist ein gasdurchlässiger Wickelkörper aus einem metallischen Siebgewebe als Filter für Stäube und Aerosole offenbart. Das Siebgewebe ist dabei mit katalysefördernden Reagenzien belegt, um eine Filterwirkung zu erhöhen.
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Praktische und geometrische Anforderungen, welche sich insbesondere durch die jeweilige Einbausituation entsprechender Partikelfilter ergeben, erfordern eine stetige Weiterentwicklung der Filtereinrichtungen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Filterelement, insbesondere als Dieselpartikelfilter, zur Verfügung zu stellen.
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Demgemäß wird ein Filterelement zum Abscheiden von Partikeln aus einem Fluid vorgeschlagen. Das Filterelement umfasst ein flächiges im Wesentlichen Metall aufweisendes Filtermedium und ein stabförmiges Heizelement. Das Filtermedium ist dabei insbesondere spiralförmig um das stabförmige Heizelement gewickelt.
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Vorzugsweise ist das Filterelement als Dieselpartikelfilter zum Abscheiden und Oxidieren von Rußpartikeln aus Abgasen ausgeführt. Insofern dient das Dieselpartikelfilter der Abgasnachbehandlung bei Brennkraftmaschinen. Die Materialien sind insbesondere geeignet, einerseits Abgastemperaturen zu widerstehen und andererseits bei Betätigung des Heizelements in dem Filtermedium angelagerte Partikel wie Rußpartikel abzubrennen. Man spricht auch von einer Regenerierung des Dieselpartikelfilters bzw. des Filterelements. Bei dem vorgeschlagenen Filterelement erfolgt ein entsprechender Abbrand von Partikeln von innen nach außen, also von dem stabförmigen Heizelement aus im Wesentlichen radial. Das Filterelement kann dabei zylinderförmig ausgeführt sein, wobei das stabförmige Heizelement einer Längs- oder Symmetrieachse entspricht und das flächige Filtermedium darum herumgewickelt ist.
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Beim Abbrennen oder Oxidieren werden die angelagerten Rußpartikel insbesondere unter Luftzufuhr oxidiert. Dabei könne zusätzliche chemische Medien eingesetzt werden, die einen Abbrand vereinfachen, Wünschenswert ist zum Beispiel, dass beim Abbrennen die festen Partikel chemisch umgesetzt werden, Beispielsweise werden die im Filtermedium festgehaltenen Partikel in Anwesenheit von Sauerstoff zu einem gasförmigen Oxidationsprodukt umgesetzt, welches dann aus dem Filterelement abgeführt wird. Man kann auch davon sprechen, dass die Partikel „verglühen”.
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Das Metall aufweisende Filtermedium ist vorzugsweise flexibel und wickelbar ausgeführt. Insbesondere umfasst das Filtermedium ein Metallgewebe, Metallgelege, Metallvlies, ein poröses Metallmaterial und/oder eine mit Metallpulver gesinterte Metallstruktur zum Zurückhalten der Partikel. Beispielsweise können Metallfasern zu einem Gelege gesintert werden. Entsprechende Metallmatten haben den Vorteil, dass sie leicht geformt und insbesondere gewickelt werden können. Zudem kann das Metall mit Katalysatorpartikeln ummantelt werden. Beispielsweise kann das Metall Eisen, Chrom, Aluminium, Cer oder Yttrium aufweisen. Gegenüber keramischen Materialien lassen sich Metallfiltermedien leicht handhaben und erleichtern die Herstellung eines Filterelements. Das flächige Filtermedium kann dabei mehrlagig ausgeführt sein.
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In Ausführungsformen des Filterelements bzw. Dieselpartikelfilters ist das Heizelement als stabilisierendes Stützelement für das gewickelte Filtermedium ausgestaltet. Beispielsweise ist das Stützelement aus einem starren rotationssymmetrischen Körper gebildet. Denkbar ist dabei eine Ausführung mit einem elektrischen Heizdraht, der von einem elektrischen Isolator ummantelt ist, jedoch die durch den Heizdraht erzeugte Wärme als Strahlungs- oder Leitungswärme auf das Filtermedium überträgt.
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Alternativ ist auch eine nichtsymmetrische Querschnittsform des gewickelten Filtermediums denkbar. Es kommen zum Beispiel ovale oder elliptische Querschnittsflächen in Frage. Es ist auch möglich, eckige Anordnungen aus gewickelten Filtermedien einzusetzen.
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Vorzugsweise verläuft ein Stromfluss zum Erhitzen des Heizelements axial, also entlang oder koaxial zu den Längsachse, und der Wärmetransport radial von innen außen.
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Das Filtermedium kann gewellt oder gefaltet sein und zu einem Wickel um das Heizelement gewickelt sein. Das Filterelement kann auch einen Wickel von mehreren, jeweils um einen Zylindermantel bildende konzentrische Filtermediumslage, umfassen.
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Vorzugsweise sind durch die gewickelten Lagen oder Schichten Kanäle ausgebildet. Beispielsweise kann der Wickel an gegenüberliegenden Deckflächen anströmseitig und abströmseitig derart abgedichtet sein, dass ein verschlossener Deckflächenabschnitt jeweils einem offenen Deckflächenabschnitt gegenüberliegt. Dadurch wird erreicht, dass mit Partikeln beladenes Abgas beim Durchströmen durch das Filterelement im Wesentlichen radial das Filtermedium durchläuft.
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Ausführungsformen des Filterelements umfassen ferner mindestens einen an das Heizelement gekoppelten Wärmeleiter, welcher radial an mehreren Wickellagen anliegt oder durch mehrere Wickellagen reicht. Durch einen zusätzlichen oder mehrere zusätzliche Wärmeleiter kann die Hitzeverteilung verbessert werden. Über die Wärmeleitung des metallenen Filtermediums hinaus, dient der Wärmeleiter beispielsweise, in glühendem Zustand, schnellerem Regenerieren des Filtermediums bzw. Abbrennens von Rußpartikeln.
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Als Heizelement kann eine Glühkerze dienen, die Temperaturen von 400°C bis 800°C erreicht. Vorzugsweise ist das Heizelement elektrisch heizend ausgeführt.
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Es wird ferner eine Filteranordnung vorgeschlagen, welche ein Gehäuse, ein Dieselpartikelfilter oder Filterelement wie vorbeschrieben und eine Energiequelle zum Zünden des Heizelements umfasst. Die Filteranordnung ist beispielsweise als Abgasreinigungseinrichtung ausgestaltet und dient der Nachbehandlung von Dieselabgasen.
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Bei Ausführungsformen umfasst die Filteranordnung ferner anströmseitig eine Zündeinrichtung zum Erhitzen von einströmendem Abgas und zum Zünden des Heizelements. Durch die Vorerwärmung des zu reinigenden Abgases wird ein Abbrennen von Partikeln, insbesondere Rußpartikeln, in dem Filtermedium während der Regeneration erleichtert.
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Die vorgeschlagenen Filterelemente und Filteranordnungen ermöglichen einen effizienten Abbrand bzw. eine Regenerierung des Filtermediums durch das Erhitzen von innen nach außen. Es kann sich beispielsweise ein spiralförmiger Abbrand entlang der Wicklung durch die Wärmeleitfähigkeit des Metallfiltermediums ergeben. Insgesamt ist das Filterelement leicht herstellbar und kann in bestehende Abgasanlagen eingesetzt werden. Insofern ergibt sich eine leichte Nachrüstung mit Hilfe der Filteranordnung oder dem Filterelement bzw. Dieselpartikelfilter.
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Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen des Filterelements oder der Filtereinanordnung. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen oder abändern.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung. Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigt dabei:
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1: eine schematische Längsschnittsansicht einer ersten Ausführungsform einer Filteranordnung;
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2: eine schematische Teilschnittansicht einer ersten Ausführungsform eines Dieselpartikelfilters;
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3: eine schematische Längsschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform einer Filteranordnung;
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4: eine schematische Teilschnittansicht einer zweiten Ausführungsform eines Dieselpartikelfilters; und
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5 und 6: schematische Teilschnittansichten einer dritten Ausführungsform eines Dieselpartikelfilters.
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In den Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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Die 1 zeigt eine schematische Längsschnittansicht einer ersten Ausführungsform einer Filteranordnung. Die Filteranordnung 10 ist beispielsweise als Abgasreinigungsanlage für Brennkraftmaschinenabgase ausgestaltet. Die Filteranordnung 10 ist zum Beispiel in den Abgasstrang in einem Kraftfahrzeug oder einer Baumaschine oder anderen Maschinen angeordnet. In der 1 verläuft die Durchströmrichtung von links nach rechts.
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Es ist ein Gehäuse 5 vorgesehen, das ein Filterelement oder Dieselpartikelfilter 1 aufnimmt. Die Filteranordnung ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch um eine Längsachse 3 ausgebildet. Dabei hat das Gehäuse 5 eine Anströmseite 19 und eine Abströmseite 20 mit jeweils einem Einströmbereich 11 und einem Ausströmbereich 12. Zwischen den beiden Bereichen 11, 12 ist ein Filterelement 1 vorgesehen, durch den mit Partikeln 8 beladenes Abgas 6 geströmt wird und als gereinigtes Reinfluid 7 aus der Filteranordnung 10 austritt.
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Als Filtermedium 2 für das Filterelement 1 ist ein im Wesentlichen aus Metall gefertigtes gewickeltes Filterelement 1 vorgesehen. Das Filtermedium 2 ist beispielsweise eine Metallmatte, welche um eine Achse 3 gewickelt ist, die von einem Heizelement 4 gebildet ist. Das Heizelement 4 ist dabei stab- oder zylinderförmig ausgebildet. Beispielsweise kann es sich um eine elektrische Glühkerze handeln, die von einer Energieversorgungseinrichtung 13, beispielsweise einer Batterie, über Leitungen 14, 15 mit Strom versorgt wird. Im Falle eines Dieselpartikelfilters lagern sich Rußpartikel 8 in dem Filtermedium 2 im Laufe des Betriebs an. Um das Filterelement 1 zu regenerieren, wird das Filtermedium 2 soweit erhitzt, dass die sich angelagerten Rußpartikel verbrennen. Bei der vorgeschlagenen Ausführungsform 10 wird insofern die zentrale Achse 3 mit Hilfe des Heizelements 4 soweit, beispielsweise auf Temperaturen zwischen 350°C und 700°C, in weiteren Fällen bis zu 1000°C, erhitzt, dass die Rußpartikel von innen nach außen abbrennen. In der 1 ist eine Wärmeleitung 9 angedeutet, welche im Wesentlichen radial von dem Heizelement 4 ausgeht. Gegenüber konventionellen Regenerierungsmechanismen, bei denen die Heizung von außen nach innen erfolgt, ergibt sich durch den zentral beheizbaren Kern eine verbesserte Temperatur- und Abbrennverteilung.
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Darüber hinaus kann der Kern als Heizelement 4 das gewickelte Filtermedium 2 stabilisieren oder tragen. Das Metallfiltermedium 2 leitet auf Grund seiner guten Wärmeleitfähigkeit die Hitze effizient vom Heizelement 4 von innen nach außen, so dass ein zuverlässiger Abbrand und damit Regeneration des Wickelfilters erfolgen kann. Die zentrale Anordnung des Heizelements 8 lässt auch kaum Energieverluste zu, da die Wärme von innen nach außen tritt und praktisch vollständig von den zu verbrennenden Rußpartikeln im Filtermedium 2 umgeben ist. Das Filterelement oder der Dieselpartikelfilter 1 ist beispielsweise ein zweilagiges Metallfiltermedium, welches flächig ist und als Doppellage um den Kern bzw. das Heizelement 4 gewickelt ist. Dabei ergibt sich eine im Wesentlichen zylindrische Filterelementstruktur.
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Die 2 zeigt eine schematische Teilschnittansicht einer Ausführungsform eines Dieselpartikelfilters. In der 2 ist die Durchströmrichtung von rechts nach links orientiert, sodass Rohfluid 6, das potenziell mit Rußpartikeln beladen ist, von rechts durch das Filterelement 1 einströmt und links als Reinfluid 7 abströmt. Im Einsatz kommt anströmseitig 20 Verbrennungsabgas von einer Brennkraftmaschine wie einem Dieselmotor zu dem Filterelement 1, wird von den Partikeln, welche sich im Filtermedium 2 festsetzen, gereinigt, sodass gereinigtes Abgas 7 abströmseitig in die Atmosphäre gelassen werden kann.
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Es ist ein zylindrisches Heizelement 4 vorgesehen, das beispielsweise als elektrische Glühkerze ausgebildet ist. Um das Heizelement 4 sind mehrere Wicklungen eines zweilagigen Filtermediums aus Metall gewickelt. Man spricht auch von einem Wickel 25. Insgesamt ergibt sich ein zylinderförmiges Filterelement 1 mit zwei Deckflächen 26, 27. Durch die zweilagige Ausführung ist es beispielsweise möglich, Fluidfilterkanäle auszubilden. Dabei sind wechselseitig, die durch die beiden Lagen 16, 17 gebildeten Deckflächenabschnitte verschlossen. An der abströmseitigen Deckfläche 27 sind beispielhaft zwei Lagen 16, 17 angedeutet, die gegenüber der Deckfläche fluiddicht 18 abgedichtet sind. Die Abdichtung 18 erfolgt beispielsweise durch ein geeignetes temperaturbeständiges Material. Anströmseitiges Fluid bzw. Abgas 6 tritt in den entsprechenden Kanal zwischen den Lagen 16, 17 ein und wird durch die Kanalabdichtung 18 am Austritt der Deckfläche 27, welche abströmseitig ist, gehindert. Das Fluid durchströmt insofern radial die flächigen Filtermedien 16, 17, wobei die Rußpartikel zurückgehalten werden.
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Wird beispielsweise das Heizelement 4 während der Regenerationsphase aktiviert, können sich die agglomerierten Rußpartikel in den Lagen 16, 17 entzünden und abbrennen. Durch die Anordnung der spiralförmigen Wicklung um das Heizelement 4 als Kern, ergibt sich im Wesentlichen ein spiralförmiger Abbrand.
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In der 3 ist eine schematische Längsschnittansicht einer zweiten Ausführungsform einer Filteranordnung bzw. einer Abgasreinigungsanlage 10 dargestellt. Es ist wiederum ein Gehäuse 5 vorgesehen, in dem ein Dieselpartikelfilter 1 angeordnet ist. Die Durchströmrichtung in der 3 verläuft von rechts nach linkss. Mit Rußpartikeln beladenes Abgas 6 strömt von rechts in das Gehäuse 5 ein und kann als gereinigtes Abgas 7 auf der linken Seite, der Abströmseite 19, entnommen werden. Im Wesentlichen entspricht die Struktur des Filterelements des Dieselpartikelfilters wie er in der 2 dargestellt ist. Das Heizelement ist dabei durch einen Isolatorkern 23, beispielsweise aus einer Keramik gefertigt, in den ein Heizdraht 22 eingebettet ist, gebildet. Der Heizdraht 22 kann sich aufgrund seines elektrischen Widerstands unter Zuführung von Strom erhitzten und erwärmt so in der Regenerationsphase das gewickelte Metallfiltermedium.
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Zusätzlich ist eine Zündeinrichtung 21 anströmseitig 20 vorgesehen. Die Zündeinrichtung 21 kann einerseits der Energiezuführung bzw. Zündung des Heizelements 22, 23 dienen und andererseits eine zusätzliche Erwärmung der Abgase 6 herbeiführen. Die an der Zündeinrichtung 21 vorbeiströmenden Abgase, welche durch die schwarzen geschwungenen Pfeile angedeutet sind, werden erhitzt und beschleunigen damit den Abbrand von Rußpartikeln während der Regenerationsphase.
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In der 4 ist eine schematische Teilschnittansicht einer zweiten Ausführungsform eines Dieselpartikelfilters dargestellt. Der Dieselpartikelfilter 1 ist wiederum aus einem flächigen Filtermedium aus Metallmaterial gebildet, welches um einen stabförmigen Heizkern 4 gewickelt ist. Der Dieselpartikelfilter 1 wird elektrisch regeneriert, wobei eine Stromquelle 13 an das als elektrische Zünd- oder Glühkerze ausgebildete Heizelement 4 gekoppelt ist. Um eine Temperaturverteilung während des Regenerierens, also des Abbrennens von angelagerten Rußpartikeln im Filterwickel 25 zu verbessern, sind Wärmeleiter 24 mit einem hohen Wärmeleitungskoeffizienten radial vorgesehen. Am Beispiel der 4 ist deckflächenseitig ein Wärmeleiter 24 vorgesehen, der an das Heizelement 4 gekoppelt ist und die Wärme radial in Richtung des sich ergebenden Zylindermantels des Wickels 25 leitet. Dadurch wird die Wärmeableitung und -Verteilung vom inneren zentralen Heizelement 4 in Richtung zu den äußeren Flächen des Filterwickels 25 verbessert. Als Wärmeleiter können beispielsweise Metallstifte in verschiedenen Abständen und Winkeln zueinander, ausgehend von dem stabförmigen Heizelement 4, vorgesehen werden. Dabei können die Wärmeleiter 24, wie in der 4 dargestellt ist, an- oder abströmseitig an einer Deckfläche vorgesehen sein oder auch die Wicklungen im Zylinderkörper durchstoßen.
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Schließlich zeigen die 5 und 6 noch eine dritte Ausführungsform eines Dieselpartikelfilters. Dabei ist die 5 eine Detailansicht einer Deckfläche des zylinderförmigen Dieselpartikelfilters 1. Die 6 zeigt eine Teilschnittansicht, bei der längs der Symmetrieachse ein Schnitt angedeutet ist. Man erkennt, dass die Deckfläche durch das wechselseitige Verschließen des zweilagigen, um den Kern gewickelten Filtermediums, Kanäle 29 ausbildet. Das Heizelement 4 ist aus einem Isolatorkern 23 gebildet, in das Heizdrähte 22, 28 eingebettet sind. Der Heizdraht 22 ist in der Art eines doppelt gelegten Drahtes 22, 28 um den zylinderförmigen Isolatorkern 23 gelegt und in einem inneren Kanal längs der Achse des Kerns 23 vorgesehen. Man erkennt ferner, dass die beiden Teile des Heizdrahtes 22, 28 (vgl. 5) auf der Deckfläche des Isolatorkerns 23 bzw. des Wickels 25 verlaufen. Insofern wird auch radial die Temperaturverteilung bzw. das Aufheizen des Filtermediums zum Regenerieren verbessert. Bei der Ausführungsform der 5 und 6 kann der elektrische Anschluss der Heizdrähte bzw. des Heizelements 4 an einer einzigen Deckfläche erfolgen. Der zum Aufheizen eingespeiste Strom verläuft axial, also entlang einer Längs- oder Symmetrieachse des Filterelements 1. Die Wärmeleitung erfolgt hingegen radial von der Längsachse zu den äußeren Mantelflächen des zylinderförmigen Wickels.
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Die vorgeschlagenen Filterelemente und Dieselpartikelfilter sowie Abgasreinigungsanlagen mit einem zentralen Heizelement, das als beispielsweise Glühkerze ausgebildet werden kann, wird eine gleichmäßige und effiziente Wärmeverteilung während der Regenerationsphase zum Abbrennen von Partikeln erzielt. Es erfolgt ein gleichmäßiger Abbrand, der entlang der Metallwicklungen von innen nach außen erfolgen kann. Gegenüber konventionellen Beheizungen von zylindrischen Filterelementen, die meist von außen nach innen erfolgen, ergibt sich kaum ein Verlust. Das aus einem Metall vorgesehene Filtermedium verbessert die Wärmeverteilung zusätzlich,
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand verschiedener Beispiele und Aspekte von Dieselpartikelfiltern beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern vielfältig modifizierbar. Insbesondere können die verschiedenen, in den Figuren und Ausführungsbeispielen angesprochenen Aspekte miteinander kombiniert werden. Eine Einschränkung der Anwendung zum Filtern von Rußpartikeln aus Abgasen von Brennkraftmaschinen ist nicht notwendig. Andere Einsatzgebiete als Filter oder Filterelement sind ebenso denkbar. Ebenso kann eine Regenrationstemperatur an die jeweiligen Betriebsbedingungen angepasst werden. Durch Zusatz von Additiven in Verbrennungskraftstoffe kann ein Abbrand von Ruß zum Beispiel bei niedrigeren Temperaturen als 500°C erfolgen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10023787 A1 [0003]
- EP 0035053 A1 [0004]
