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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Filtereinrichtung für Fluide, insbesondere für Ansaugluft, Kraftstoff, Harnstoff-Wasser-Lösungen oder Schmieröl für Brennkraftmaschinen in Straßenkraftfahrzeugen.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind ein spiralförmig gewickeltes Filtermaterial aufweisende Filter bekannt. Bei der Filtrierung von Luft finden verbreitet so genannte Kompaktfilter Einsatz, die insbesondere aus geschichtetem Filterpapier gebildet sind. Eine gewellte Filterpapierbahn ist auf eine glatte Filterpapierbahn aufgebracht. Dieses so gebildete Halbzeug wird zu einem Filterkörper gewickelt oder gestapelt, in dessen Folge eine Vielzahl von parallel zueinander verlaufenden Gaskanälen entsteht. Diese Gaskanäle sind wechselseitig durch Stopfen verschlossen. Einströmende Luft gelangt axial, parallel zur Wickelachse, von der Rohseite aus in die eingangsseitig offenen Gaskanäle und wird durch die ausgangsseitigen Stopfen gezwungen, durch die Filterwände in die benachbarten Gaskanäle hindurch zu treten. Von dort gelangt die filtrierte Luft durch die ausgangsseitig offenen Gaskanäle zur Reinseite des Filters. Aus der
WO 2007/035802 A1 ist ein Filter und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen bekannt. Der Filter entsteht durch aufwickeln eines bahnförmigen Filtermediums. Das Filtermedium ist aus einer glatten Filtermediumbahn und einer gewellten Filtermediumbahn gebildet. Solche Filter können insbesondere bei starker Beladung mit einem hohen Druckverlust behaftet sein. Ferner sind Filter mit sternförmig angeordneten Falten eines Filtermediums, z. B. aus der
EP 1 191 994 B1 bekannt. Solche Filter weisen jedoch einen relativ großen Bedarf an Bauraum auf.
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Die Erfindung hat die Aufgabe eine Filtereinrichtung bereitzustellen, die eine möglichst hohe Filterwirkung und einen möglichst geringen Druckverlust auf kleinem Raum ermöglicht.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe mit einer Filtereinrichtung zur Ansaugung von Luft mit einem ein spiralförmig gewickeltes Filtermaterial aufweisenden Kompaktfilter und einem diesen umgebenden mit sternförmig angeordneten Falten ausgebildeten Sternfilter. Der ein spiralförmig gewickeltes Filtermaterial aufweisende Kompaktfilter weist vorzugsweise eine Glattlage und eine auf der Glattlage aufliegende Welllage aus einem Filtermedium auf, wobei zwischen der Glatt- und Welllage einzelne Strömungskanäle entstehen, die Wechselseitig verschlossen werden. Als Filtermaterial kommen vorzugsweise ein Filterpapier und/oder ein Vlies infrage, ggf. mit einer Beschichtung aus dünnen Fasern, z. B. Meltblownfasern mit einem mittleren Durchmesser von 2 μm oder Nanofasern mit kleinerem mittlerem Durchmesser, z. B. im Bereich von 50–500 nm. Die Filtereinrichtung weist insbesondere eine hohe Filterwirkung auf, wobei der Kompaktfilter die größere Filterwirkung, z. B. in Bezug auf Abscheidegrad und/oder Staubkapazität, aufweisen kann als der Sternfilter. Wenn auch die Filterwirkung des Kompaktfilters in der Regel größer ist als die des Sternfilters, so weist doch der Sternfilter im Vergleich zum Kompaktfilter üblicherweise den geringeren Druckverlust auf. Somit weist die Filtereinrichtung insgesamt eine vergleichsweise hohe Filterwirkung bei gleichzeitig geringem Druckverlust bei optimaler Bauraumausnutzung auf. Die Filtereinrichtung kann zur Filterung von aus der Außenumgebung angesaugter Luft, die einer Brennkraftmaschine zugeführt werden kann, verwendet werden. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Anwendungsfälle denkbar, wie z. B. die Filterung von Luft im Innenraum eines Kraftfahrzeugs oder die Filterung von Kraftstoff, Harnstoff-Wasser-Lösungen oder Schmieröl für Brennkraftmaschinen insbesondere in Straßenkraftfahrzeugen.
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Zwischen dem Kompaktfilter und dem Sternfilter kann ein Durchbrüche aufweisendes Rohr (Mittelrohr) koaxial zum Kompaktfilter und zum Sternfilter angeordnet sein. An dem Rohr kann der Sternfilter anliegen, so dass es den Sternfilter stützt und ihm somit eine gewünschte Formstabilität gibt. Das kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn der Sternfilter Fänger ist als der Kompaktfilter und diesen somit bereichsweise überragt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Kompaktfilter mit dem Sternfilter dicht verbunden, derart, dass eine gemeinsame Rohseite und eine gemeinsame Reinseite gebildet werden. Die Verbindung kann lösbar oder unläsbar sein. Dabei ist bevorzugt die radiale Außenfläche des Kompaktfiters mit einer ersten stirnseitigen Dichtfläche (Endscheibe) des Sternfilters dichtend verbunden. Die dichtende Verbindung kann z. B. auch dadurch erreicht werden, dass der Kompaktfilter in eine elastische Dichtfläche eingepresst wird. Ferner ist es möglich, die Dichtfläche durch eine Vergussmasse aus Polyurethan zu erzeugen, wobei das stirnseitige Ende des Sternfilters und der Rand des Kompaktfilters ggf. zusammen mit einem Mittelrohr von der Vergussmasse umschlossen werden. Der Kompaktfilter kann auch mit dem Sternfilter verklebt werden, wobei insbesondere eine Verbindung mit dem Mittelrohr zweckmäßig ist Auch eine Steckverbindung ist möglich.
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Der Kompaktfilter kann in axialer Richtung von der Luft durchströmt werden, wohingegen der Sternfilter in radialer Richtung von der Luft durchströmt werden kann. Somit kann die Filtereinrichtung in axialer und radialer Richtung von der Luft durchströmt werden. Dadurch kann in der Filtereinrichtung eine durchströmte Filterfläche maximiert werden.
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Vorzugsweise können der Kompaktfilter und der Sternfilter koaxial zueinander angeordnet sein. Die Filtereinrichtung kann eine zylindrische Form aufweisen, die rotationssymmetrisch oder oval sein kann.
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Die radiale Außenfläche des Kompaktfilters ist in einer Ausführungsform von der radialen Innenfläche des Sternfilters beabstandet, derart, dass ein ungehinderter Strömungsdurchtritt durch den Sternfilter ermöglicht wird. Für Flüssigkeitsfilter können hier je nach Viskosität einige Millimeter (z. B. >2 mm) ausreichend sein, für Gasfilter beträgt der Abstand bevorzugt mindestens einen Zentimeter, besonders bevorzugt mindestens 2 cm.
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Zweckmäßigerweise können der Kompaktfilter und der Sternfilter unterschiedlich lang sein. Wenn der Sternfilter länger ist als der Kompaktfilter, wirkt sich dies günstig auf einen geringeren Druckverlust aus.
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In einer besonderen Ausführungsform kann sich der Sternfilter konisch verjüngen, wodurch er an bestimmte Einbaubedingungen angepasst werden kann.
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Ein Sekundärfilter kann in Durchflussrichtung hinter dem Kompaktfilter angeordnet sein. Der Sekundärfilter kann die Filterwirkung der Filtereinrichtung zusätzlich verbessern. Er kann außerdem die Filterwirkung aufrechterhalten, wenn der Kompaktfilter und/oder der Sternfilter ausgewechselt werden. Der Sekundärfilter kann vorzugsweise ein Sternfilter sein.
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Die Filtereinrichtung kann in ein sie aufnehmendes Gehäuse montiert werden. Damit zwischen dem Gehäuse und der Filtereinrichtung keine zu filternde oder bereits gefilterte Luft entweichen kann, kann die Filtereinrichtung an ihren Stirnseiten eine Dichtfläche aufweisen, mit der die Filtereinrichtung an das Gehäuse angelegt wird.
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Zweckmäßigerweise können der Kompaktfilter und der Sternfilter aus einem Vlies gefertigt sein. Das Vlies kann beispielsweise aus Nanofasern aus Zellulose hergestellt werden.
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Der Kompaktfilter und der Sternfilter können unlösbar miteinander verbunden sein. Dies kann insbesondere durch eine Verbindung zwischen einem Rohr und einer ringförmigen Dichtfläche realisiert werden, wobei das Rohr zwischen dem Sternfilter und dem Kompaktfilter angeordnet ist und die Dichtfläche an den Stirnseiten der Filtereinrichtung.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Filtersystem, umfassend eine Filtereinrichtung mit einem ein spiralförmig gewickeltes Filtermaterial aufweisenden Kompaktfilter und einem diesen umgebenden mit sternförmig angeordneten Falten ausgebildeten Sternfilter, wobei die Filtereinrichtung als austauschbares Filterelement in ein Filtergehäuse eingebaut ist. Dabei ist die Filtereinrichtung derart dichtend in das Filtergehäuse eingebaut, dass die Rohseite von der Reinseite getrennt ist. Das zu filternde Fluid tritt durch einen Einlass in das Gehäuse ein und beaufschlagt jeweils den Kompaktfilter und den Sternfilter auf der gemeinsamen Rohseite, tritt durch die beiden Filter hindurch auf die gemeinsame Reinseite und wird durch eine Auslassöffnung aus dem Gehäuse geführt. Die Filtereinrichtung ist dabei bevorzugt derart dichtend in das Gehäuse eingebaut, dass die zweite stirnseitige Dichtfläche des Sternfilters, welche der ersten stirnseitigen Dichtfläche, welche eine dichte Verbindung zum Kompaktfilter aufweist, gegenüberliegt, dichtend mit der Auslassöffnung verbunden ist. Dabei kann die zweite stirnseitige Endfläche mittels einer inneren oder äußeren Radialdichtung oder mittels einer Axialdichtung mit dem Filtergehäuse in Eingriff stehen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Im Einzelnen zeigen:
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1 Draufsicht auf eine erste Ausführungsform der Filtereinrichtung;
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2 Längsschnitt durch die Filtereinrichtung aus 1;
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3 Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform der Filtereinrichtung;
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4 Längsschnitt durch die Filtereinrichtung aus 3;
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5 Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform der Filtereinrichtung;
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6 Längsschnitt durch die Filtereinrichtung aus 5;
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7 Längsschnitt durch die Filtereinrichtung aus 5 eingebaut in ein Filtergehäuse.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die 1 und 2 zeigen eine Filtereinrichtung 10 mit einem ein spiralförmig gewickeltes Filtermaterial aufweisenden Kompaktfilter 11 und einen mit sternförmig angeordneten Falten ausgebildeten Sternfilter 12. Die Filtereinrichtung 10 weist eine rotationssymmetrische zylindrische Form auf. Der Sternfilter 12 ist koaxial zum Kompaktfilter 11 angeordnet, wobei der Sternfilter 12 länger ist als der Kompaktfilter 11, so dass der Sternfilter 12 den Kompaktfilter 11 im oberen Bereich überragt.
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Zu filternde Luft kann sowohl von unten kommend radial in den Sternfilter 12 eintreten als auch axial von unten kommend in den Kompaktfilter 11 eintreten. Die gefilterte Luft verlässt den Sternfilter 12 in radialer Richtung zur Mittelachse der Filtereinrichtung 10 hin und wird anschließend nach oben aus der Filtereinrichtung 10 ausgeleitet. Die durch den Kompaktfilter 11 strömende Luft verlässt diesen in axialer Richtung nach oben. Aufgrund des spiralförmig dicht gewickelten Filtermaterials weist der Kompaktfilter 11 eine hohe Filterwirkung auf, wohingegen der Sternfilter 12 einen verhältnismäßig geringen Druckverlust aufweist. Somit vereinigt die Filtereinrichtung 10 die Vorteile des Kompaktfilters 11 und des Sternfilters 12. Die Tatsache, dass der Sternfilter 12 den Kompaktfilter 11 im oberen Bereich überragt, wirkt sich zusätzlich positiv auf den geringen Druckverlust der Filtereinrichtung 10 aus.
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An den Stirnseiten der Filtereinrichtung 10 sind umlaufende Dichtflächen 13 angeordnet. Mit den Dichtflächen 13 kann die Filtereinrichtung 10 an ein hier nicht näher dargestelltes Gehäuse angelegt werden. Somit stellen die Dichtflächen 13 sicher, dass die Luft nicht in unerwünschter Weise zwischen der Filtereinrichtung 10 und dem Gehäuse entweicht.
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Die 3 und 4 zeigen eine Filtereinrichtung 30, bei der zwischen dem Sternfilter 12 und dem Kompaktfilter 11 ein Durchbrüche 31 aufweisendes Rohr 32 angeordnet ist. Durch die Durchbrüche 31 weist das Rohr 32 eine gitterartige Struktur auf. Das Rohr 32 stützt den Sternfilter 12, der im Betrieb durch die durch den Sternfilter 12 strömende Luft radial nach innen gedrückt werden kann. Insbesondere im oberen Bereich der Filtereinrichtung 30, wo der Sternfilter 12 den Kompaktfilter 11 überragt, verleiht das Rohr 32 dem Sternfilter 12 eine gewünschte Formstabilität. Die Durchbrüche 31 sind möglichst groß gehalten, so dass der Druckverlust trotz des Rohrs 32 nahezu unverändert bleibt.
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In einer Filtereinrichtung 50 (siehe 5 und 6) ist im oberen Bereich, in dem der Sternfilter 12 den Kompaktfilter 11 überragt, ein Sekundärfilter 51 eingesetzt. Der Sekundärfilter 51 kann die Filterwirkung der Filtereinrichtung 50 zusätzlich verbessern. Ferner kann er auch die Filterwirkung aufrechterhalten, wenn der Kompaktfilter 11 und/oder der Sternfilter 12 ausgewechselt werden.
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Der Einbau der Filtereinrichtung aus 5, 6 wird in 7 verdeutlicht, wobei zwei Varianten der Verbindung zwischen Filtergehäuse 60, 61, 600, 610 und Filtereinrichtung gezeigt sind. Auf der linken Seite sind die trennbaren Gehäusehälften 60 und 61 gezeigt, wobei in der oberen Gehäusehälfte 61 der Sternfilter 12 im Bereich der Auslassöffnung 64 radial innen dichtend mit dem Gehäuse verbunden ist, wobei die Rohseite 70 von der Reinseite 71 getrennt wird. Auf der rechten Seite ist eine Ausführungsform dargestellt, bei welcher die Abdichtung zwischen der radial äußeren Seite der stirnseitigen Dichtfläche 13 und der Gehäusehälfte 610 erfolgt. In beiden Varianten ist der Sekundärfilter 51 auf der Reinseite 71 angeordnet und dichtend mit der Auslassöffnung 64 des Gehäuses 61, 610 verbunden. Die Filtereinrichtung 50 ist im Bereich der unteren Gehäusehälfte 60, 600 von einer Haltevorrichtung, welche eine Anströmung von Kompaktfilter 11 und Sternfilter 12 ermöglicht, gehalten. Dies kann z. B. durch die in 7 gezeigten, axial vom Gehäuseboden abstehenden Haltestegen 62 erfolgen, welche von dem entlang der Pfeile 80, 81 einströmenden Fluid umströmt werden können. Das zu filternde Fluid tritt durch die Einlassöffnung 63 in das Filtergehäuse ein und umströmt die Filtereinrichtung 50 auf der Reisseite 70, wobei das zu reinigende Fluid schematisch gezeigt) entlang des Pfeils 80 durch den Sternfilter 12 und entlang des Pfeils 81 durch die Kanäle des Kompaktfilters 11 auf die Reinseite 71 strömt. Auf der Reinseite 71 werden die Strömungen wieder vereinigt, treten durch den Sekundärfilter 51 und werden durch die Auslassöffnung 64 ausgeleitet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2007/035802 A1 [0002]
- EP 1191994 B1 [0002]
