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Die Erfindung betrifft eine Filtervorrichtung, insbesondere für mit Wasserbeimengungen belastete Fluide wie Dieselöl, mit zumindest einem Filterelement, das in einem Filtergehäuse von Rohseite zu Reinseite hin vom betreffenden Fluid durchströmbar ist und für eine mehrstufig erfolgende Filtration und Wasserabscheidung mindestens je ein vorrangig wasserabscheidend wirksames Filtermaterial und ein vorrangig partikuläre Verschmutzungen rückhaltendes Filtermaterial aufweist, wobei vorzugsweise eine abgeschiedenes Wasser aufnehmende Wassersammeleinrichtung vorgesehen ist.
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Filtervorrichtungen der oben genannten Art sind Stand der Technik. Sie werden beispielsweise bei Kraftstoffsystemen für Verbrennungsmotoren eingesetzt, um empfindliche Komponenten, insbesondere Einspritzsysteme, gegen Beeinträchtigungen durch im Kraftstoff mitgeführte Wasseranteile zu schützen. In dem Bestreben, bei Dieselmotoren Energieeffizienz und gute Abgaswerte zu erzielen, wurden die Einspritzsysteme in neuerer Zeit technisch weiterentwickelt. Anstelle einfacher mechanischer Einspritzsysteme kommen Common-Rail-Einspritzsysteme zum Einsatz, die als Hochdrucksysteme mit Drücken von 2500 bar und mehr arbeiten. Bei derartigen Hochdrucksystemen wirken sich freie Wasseranteile neben anderen Verschmutzungen auf die Betriebssicherheit des Einspritzsystems besonders nachteilig aus. Gleichzeitig führt die in jüngster Zeit veränderte Zusammensetzung von Dieselkraftstoffen zu einer Erschwerung der Wasserabscheidung. Hauptsächliche Ursache hierfür ist der steigende Anteil an sog. Biodiesel und die Absenkung des Schwefelgehalts. Die so bewirkten Änderungen der chemischen Eigenschaften des Kraftstoffes haben dazu geführt, dass besonders fein disperse Wasser-Diesel-Emulsionen aufgrund des Energieeintrages gebildet werden, der im Kraftstoffsystem durch Kraftstoffpumpen und andere mechanische Einwirkungen erfolgt, wodurch sehr stabile Emulsionen mit feinen Tröpfchen erzeugt werden. Die dem Stand der Technik entsprechenden Filtervorrichtungen werden den hieraus resultierenden, steigenden Anforderungen nicht in ausreichendem Maße gerecht.
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Im Hinblick hierauf liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Filtervorrichtung der betrachteten Art zur Verfügung zu stellen, die sich durch eine verbesserte Abscheidewirkung auszeichnet.
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Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch eine Filtervorrichtung gelöst, die die Merkmale des Patentanspruchs 1 in seiner Gesamtheit aufweist.
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Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 besteht eine wesentliche Besonderheit der Erfindung darin, dass ein Koaleszer-Filtermedium als vorrangig wasserabscheidend wirksames Filtermaterial vorgesehen ist und dass dieses am Filterelement stromab des vorrangig partikuläre Verschmutzungen rückhaltenden Filtermaterials angeordnet ist, so dass letzteres bei der Filtration vom Fluid durchströmt wird, bevor dieses den Koaleszer erreicht. Im Vergleich zum Stand der Technik verbessert sich dadurch das Betriebsverhalten in zweierlei Hinsicht. Dadurch, dass sich das Filtermaterial, das vorrangig für die Abreinigung der partikulären Verschmutzungen wirksam ist, auf der Rohseite des Filtersystems befindet, ist die Gefahr vermieden, dass sich die Abscheidewirkung des nachgeordneten, zur vorrangigen Wasserabscheidung dienenden Materials durch eine im Betrieb zunehmende Blockade durch angelagerte Solidpartikel verschlechtert. Zum anderen ist die Effizienz dadurch verbessert, dass als vorrangig wasserabscheidendes Element ein Koaleszer-Filtermedium vorgesehen ist. Durch ein feines Koaleszer-Medium lassen sich auch sehr feine Tröpfchen zu größeren Tropfen koagulieren, die zur Wassersammeleinrichtung abfließen können. Anstelle der bevorzugten Wassersammeleinrichtung kann das Wasser aber auch unmittelbar aus der Vorrichtung mittels einer geeigneten Fluidführung abgeführt werden.
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In besonders vorteilhafter Weise kann das Koaleszer-Filtermedium durch ein Spun-Spray-Fasermaterial gebildet sein. Ein derartiges Fasermaterial, wie es in
DE 10 2009 041 401 A1 offenbart ist, ist als Koaleszenser wirksamer als übliche hydrophobe Polyesterlagen. Nach dem in dem vorstehend genannten Dokument aufgezeigten Spun-Spray-Verfahren lässt sich die Geometrie der Lage außerdem so gestalten, dass verbliebener partikulärer Schmutz passiert und bestmögliche koagulierende Wirkung erreicht wird. Das Spun-Spray-Fasermaterial kann als vollflächiger Auftrag unmittelbar auf das stromaufwärts befindliche Filtermaterial aufgetragen werden.
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Bei besonders vorteilhaften Ausführungsbeispielen weist auch das vorrangig partikuläre Verschmutzungen rückhaltende Filtermaterial eine koaleszierende Wirkung auf, so dass eine Vorkoagulation der zunächst sehr kleinen Tröpfchen stattfindet, die im nachgeordneten Koaleszer-Filtermedium zu den größeren, abfließenden Topfen koagulieren.
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Mit besonderem Vorteil kann das vorrangig partikuläre Verschmutzungen rückhaltende Filtermaterial aus einer mehrlagigen, sternartig oder plisseeartig gefalteten Filtermatte gebildet sein. Wie üblich, kann es sich dabei um eine Aufeinanderschichtung von mehreren Lagen, beispielsweise gebildet aus Vlies- und Faser-Materialien sowie Einzelgeweben, handeln.
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Bei vorteilhaften Ausführungsbeispielen ist die gefaltete Filtermatte zu einem Hohlzylinder geformt, dessen jeweilige Abströmseite von dem das Koaleszer-Filtermedium bildenden Spun-Spray-Fasermaterial umgeben ist.
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Bei einer Durchströmung beim Filtervorgang von außen nach innen kann das Spun-Spray-Fasermaterial eine als Stützrohr dienende, an der Innenseite des Hohlzylinders anliegende Lage bilden.
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In besonders vorteilhafter Weise kann an der Abströmseite des jeweiligen, vorrangig wasserabscheidenden Filtermaterials eine Abscheidezone gebildet sein, aus der abgeschiedenes Wasser zur Wassersammeleinrichtung abfließt.
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Diesbezüglich kann die Anordnung mit Vorteil so getroffen sein, dass die Abscheidezone durch eine die Abströmseite des vorrangig wasserabscheidend wirksamen Filtermaterials umgebende, Wasser zurückhaltende Barriere begrenzt ist, die beispielsweise durch ein hydrophobiertes Gewebe gebildet ist.
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Gemäß dem Patentanspruch 10 ist Gegenstand der Erfindung auch ein Fitterelement, das zur Benutzung bei einer Filtervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 vorgesehen ist.
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Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
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1 einen leicht schematisch vereinfacht gezeichneten Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Filtervorrichtung, wobei im Betrieb das im Filtergehäuse befindliche Filterelement von außen nach innen durchströmt ist;
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2 einen der 1 entsprechenden Längsschnitt, wobei jedoch entsprechend einem abgewandelten Ausführungsbeispiel das Filterelement im Betrieb von innen nach außen durchströmt ist;
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3 einen stark schematisch vereinfacht gezeichneten Längsschnitt eines gesondert dargestellten Filterelements für Ausführungsbeispiele der Filtervorrichtung mit Durchströmung des Filterelements von innen nach außen, und
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4 einen schematisch vereinfachten Längsschnitt eines gesondert dargestellten Filterelements für Ausführungsbeispiele mit Durchströmung des Filterelements von außen nach innen.
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Das in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Filtervorrichtung weist ein Filtergehäuse 1 auf, das einen im Großen Ganzen kreiszylindrischen Innenraum 3 begrenzt und eine Längsachse 5 definiert. Im Betrieb ist das Filtergehäuse 1 mit vertikaler Achse 5 mit oben liegendem Schraubdeckel 7 eingebaut, an dessen oberem Ende sich eine Entlüftungsschraube 9 befindet. Am unteren Ende des Innenraums 3 befindet sich eine Elementaufnahme 11, die eine Halterung für ein im Innenraum 3 aufzunehmendes Filterelement 13 und eine Fluidverbindung zwischen diesem und einer Wassersammeleinrichtung bildet. Letztere weist ein den unteren Abschluss des Filtergehäuses 1 bildendes Bodenteil 15 auf, das einen Wassersammelraum 17 mit zugehörigem Wasserstandssensor 19 und bodenseitiger Wasserablassschraube 20 aufweist.
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Das Filtergehäuse 1 weist zwei Fluidanschlüsse auf, von denen in der Zeichnung ein in die Elementaufnahme 11 einmündender Fluidanschluss 23 sichtbar ist, während bei der in der Zeichnung dargestellten Drehposition des Filtergehäuses 1 der andere Fluidanschluss nicht sichtbar ist, der weiter oben in den Innenraum 3 einmündet. Bei dem Ausführungsbeispiel von 1, bei dem bei der Filtration das Filterelement 13, wie es durch Strömungspfeile 25 angedeutet ist, von außen nach innen hin durchströmt ist, bildet der Fluidanschluss 23 den Fluidauslass für das abgereinigte Fluid, während der nicht sichtbare Anschluss als Fluideinlass dient, über den das Dieselöl in den Innenraum 3 einströmt, der bei dem Beispiel von 1 die das Filterelement 13 umgebende Rohseite 27 bildet.
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Das Filterelement 13 weist, wie üblich, obere und untere Endkappen 29 bzw. 31 auf, von denen die untere Endkappe 31 einen nach unten vorspringenden Anschlussstutzen 33 aufweist, der in einem Aufnahmestutzen 35 der Elementaufnahme 11 aufnehmbar ist. Der Anschlussstutzen 33 bildet bei dem Beispiel von 1 einen Fluidweg zwischen dem inneren Filterhohlraum 37 des Filterelements 13 und dem Wassersammelraum 17. Das Filterelement 13 weist mehrere, den inneren Filterhohlraum 37 konzentrisch umgebende Komponenten auf, nämlich, von außen nach innen, ein vorrangig Solidpartikel rückhaltendes Filtermaterial 39, ein Koaleszer-Filtermedium 41 als vorrangig wasserabscheidendes Filtermaterial sowie eine wasserundurchlässige Barriere in Form eines hydrophobierten Gewebes 43.
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Das Koaleszer-Filtermedium 41 ist durch ein Spun-Spray-Fasermaterial gebildet, das unmittelbar auf die Innenseite des Hohlzylinders aufgetragen ist, der von dem vorwiegend partikuläre Verschmutzungen rückhaltenden Filtermaterial 39 gebildet ist. Bei letzterem handelt es sich um eine sterngefaltete oder plissierte Filtermatte, die in der bei derartigen Filtermaterialien üblichen Weise mehrlagig aufgebaut ist. Das Koateszer-Filtermediurn 41, das an der Innenseite des Hohlzylinders des Filtermaterials 39 anliegt, bildet bei der beim vorliegenden Ausführungsbeispiel von außen nach innen erfolgender Durchströmung ein Stützelement für das Filtermaterial 39 in der Art eines Stützrohres. Bei diesem Durchstrom des Fluids kann das zunächst durchströmte Filtermaterial 39 zusätzlich zur Funktion des Partikelfilters auch koaleszierend wirksam sein, um eine Vorkoagulation der Wasserbestandteile vorzunehmen. Das Spun-Spray-Fasermaterial des Koaleszer-Filtermediums 41 wirkt als Fein-Koaleszer zur Bildung größerer Wassertropfen, die in einer zwischen dem Koaleszer-Filtermedium 41 und der vom hydrophobierten Gewebe 43 gebildeten Abscheidezone 45 über den Anschlussstutzen 33 der Endkappe 31 zum Wassersammelraum 17 abfließen. Bei dieser reinseitig erfolgenden Wasserabscheidung stellt sich in dem mit der Reinseite verbundenen Wassersammelraum 17 eine Medientrennung ein, bei der das abgeschiedene, spezifisch schwerere Wasser am Boden des Sammelraums 17 verbleibt, und sich oberhalb des Wasserpegels das wasserfreie Dieselöl befindet, das, wie mit den Strömungspfeilen 25 angedeutet ist, über die Mündung 47 eines Kanals, der vom Gehäuseanschluss 23 in einen Fluidraum 49 der Elementaufnahme 11 führt, aus der Vorrichtung ausströmt. Es versteht sich, dass in Abhängigkeit von einem durch den Wasserstandssensor 19 erzeugten Signal Wasser mittels der Ablassschraube 21 bei Erreichen eines gewähltes Wasserpegelstandes abgelassen wird.
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Das Ausführungsbeispiel von 2 unterscheidet sich vom zuvor beschriebenen Beispiel dadurch, dass im Betrieb das Filterelement 13 vom inneren Filterhohlraum 37 her nach außen durchströmt ist. Demgemäß bildet der Fluidanschluss 23 den Fluideinlass, über den das Dieselöl über die Kanalmündung 47 in den Anschlussstutzen 33 der unteren Endkappe 31 gelangt. Entsprechend dieser Strömungsrichtung ist das Filterelement 13 hinsichtlich der Aufeinanderfolge der den inneren Filterhohlraum 37 umgebenden Komponenten unterschiedlich. Dabei handelt es sich von innen nach außer um ein fluiddurchlässiges Stützrohr 51, das den inneren Filterhohlraum 37 umgibt, der in diesem Fall die Rohseite 27 bildet, gefolgt von dem vorrangig partikuläre Verschmutzungen abscheidenden Filtermaterial 39, auf dessen Außenseite das Koaleszer-Filtermedium 41 in Form des Spun-Spray-Fasermaterials als unmittelbar auf dem Filtermaterial 39 aufgetragene Lage angeordnet ist. Die Wasser rückhaltende Barriere ist wiederum durch ein hydrophobiertes Gewebe 43 gebildet, das zwischen sich und dem Koaleszer-Filtermedium 41 eine Abscheidezone 45 begrenzt, aus der abgeschiedene Tropfen absinken und über Wasserdurchlässe 53 in der Elementaufnahme 11 zum Sammelraum 17 abfließen. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die untere Endkappe 31 des Filterelements 13 einen geschlossenen Anschlussstutzen 33 auf, so dass der die Rohseite 27 bildende innere Filterhohlraum 37 fluiddicht gegenüber dem reinseitigen Wassersammelraum 17 getrennt ist.
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Die 3 zeigt in stark schematisch vereinfachter Form in gesonderter Darstellung ein Filterelement 13 zur Benutzung bei der erfindungsgemäßen Filtervorrichtung bei von innen nach außen erfolgender Durchströmung. Wie ersichtlich, ist das einen Hohlzylinder bildende, vorrangig partikuläre Verschmutzungen rückhaltende, jedoch auch für eine Vorkoagulation koaleszierend wirkende Filtermedium 39 auf einem Stützrohr 51 angeordnet, wobei, in Entsprechung zu 2, an der Außenseite des Filtermaterials 39 eine Koaleszerlage in Form eines Spun-Spray-Fasermaterials 41 unmittelbar auf die Außenseite des Hohlzylinders des Filtermaterials 39 aufgetragen ist.
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Die 4 verdeutlicht demgegenüber ein Filterelement für die von außen nach innen erfolgende Strömungsrichtung, wobei, entsprechend der 1, das vorrangig partikuläre Verschmutzungen rückhaltende Filtermaterial 39 radial außenliegend ist und das Koaleszer-Filtermedium 41 in Form des Spun-Spray-Fasermaterials an der Innenseite des Hohlzylinders aufgebracht ist, wobei das Koaleszer-Filtermedium 41 eine Stützrohrfunktion ausübt. Wiederum, in Entsprechung zu 1, ist zwischen Koaleszer-Filtermedium 41 und Innerem Filterhohlraum 37 eine Abscheidezone 45 gebildet, die durch ein hydrophobiertes Gewebe 43 begrenzt ist.
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Gegenüber einer Durchströmung von außen nach innen ist eine Durchströmung von innen nach außen, wie sie in den 1 und 3 vorgesehen ist, in mancher Hinsicht vorteilhafter. Ein Vorteil besteht in der vereinfachten Herstellung, indem die Spun-Spray-Lage wahlweise auf einen bereits fertig verklebten Hohlzylinder des Filtermaterials 39 aufgebracht werden kann und sich so mit einem bereits gefertigten Filtergrundkörper einmal ein Filterelement ohne Wasserabscheidung und einmal mit aufgebrachtem Spun-Spray-Fasermaterial ein Filterelement mit Wasserabscheidung herstellen lässt. Ein weiterer Vorteil dieser Durchströmungsrichtung besteht darin, dass die Strömungsgeschwindigkeit auf der Außenseite des Filterelements durch die wesentlich größere Fläche bedeutend kleiner ist als bei einer Durchströmung von außen nach innen. Das wiederum bedeutet, dass sich die gebildeten Tropfen aufgrund ihrer nunmehr geringeren kinetischen Energie besser abscheiden lassen. Zudem lässt sich eine zusätzliche Barriere, wie das hydrophobierte Gewebe 43, auf der Außenseite des Filters hinsichtlich der Fläche wesentlich größer gestalten, als dies bei einer Durchströmung von außen nach innen der Fall sein kann. Es wird somit eine sehr niedrige hydraulische Last erzeugt, wodurch Tropfen verbessert abgeschieden werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009041401 A1 [0006]
