DE102012005733B3

DE102012005733B3 - Filterelement und Filtereinrichtung

Info

Publication number: DE102012005733B3
Application number: DE102012005733A
Authority: DE
Inventors: Christian KOCKSCH
Original assignee: Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 2012-03-23
Filing date: 2012-03-23
Publication date: 2013-04-11
Anticipated expiration: 2032-03-24
Also published as: US20150008172A1; KR20140136435A; CN104254380B; WO2013139523A1; DE112013001655A5; EP2827963A1; CN104254380A

Abstract

Ein Filterelement (1) zum Filtern eines Fluids (36), insbesondere einer Harnstoff-Wasser-Lösung, mit einem Filtermedium (5), welches einen Innenraum (6) aufweist, und einem Stützkörper (7), welcher einen in den Innenraum (6) hineinragenden Hohlraum (13) aufweist, der zu einer Reinseite (14) des Filterelements (1) hin geschlossen und einer Rohseite (15) des Filterelements (1) hin offen ausgebildet ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Filterelement zum Filtern einer Harnstoff-Wasser-Lösung. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Filtereinrichtung.
Stand der Technik
Beispielsweise finden bei der Abgasbehandlung in Kraftfahrzeugen zur Reduzierung von Stickoxidemissionen Harnstoff-Wasser-Lösungen Verwendung. Harnstoff-Wasser-Lösung wird dabei über Düsen im Abgasstrang eingespritzt. Insbesondere um ein Verstopfen der Düsen zu vermeiden, muss die Harnstoff-Wasser-Lösung gefiltert werden.
Beispielsweise beschreibt die WO 2010/139706 A1 ein Filterelement zum Filtern von Harnstoff-Wasser-Lösungen. Da solche Harnstoff-Wasser-Lösungen bei ca. –11°C gefrieren, sieht das bekannte Filterelement ein Kompensationselement aus elastisch deformierbarem Material vor. Das Kompensationselement nimmt ein sich beim Gefrieren der Harnstoff-Wasser-Lösung vergrößerndes Flüssigkeitsvolumen auf.
Aus der DE 10 2004 025 811 A1 ist ferner ein Filterelement bekannt, welches ein Stützelement mit einer Trennwand aufweist, die ein Totvolumen begrenzt.
Offenbarung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Filterelement und eine verbesserte Filtereinrichtung bereitzustellen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Filterelement zum Filtern einer Harnstoff-Wasser-Lösung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen.
Dadurch, dass der Hohlraum in den Innenraum hineinragt, wird das Fluidvolumen auf der Reinseite reduziert. Infolgedessen kann ein Kompensationselement, welches ein sich beim Gefrieren des Fluids, beispielsweise der einleitend beschriebenen Harnstoff-Wasser-Lösung, vergrößerndes Flüssigkeitsvolumen aufnimmt, kleiner ausgebildet werden. Damit reduzieren sich auch die Abmaße einer Filtereinrichtung, welche ein solches Filterelement umfasst. Darüber hinaus kann der gebildete Hohlraum genutzt werden, um andere Elemente des Filterelements aufzunehmen, beispielsweise ein Kompensationselement. Dadurch reduzieren sich die Abmaße des Filterelements bzw. einer entsprechenden Filtereinrichtung mit dem Filterelement noch weiter. Dadurch, dass bei der vorliegenden Lösung die gefrorene Fluidmenge auf der Reinseite reduziert wird, lässt sich diese auch schneller auftauen bzw. die Heizleistung eines für den Schmelzvorgang vorgesehenen Heizelements kann reduziert werden. Außerdem kann aufgrund der reduzierten Fluidmenge auf der Reinseite auf ein Kompensationselement auf der Reinseite verzichtet werden. Hierin liegt ein Vorteil gegenüber der aus der WO 2010/139706 A1 bekannten Lösung, denn solche insbesondere auf der Reinseite angeordnete Kompensationselemente obliegen höheren Bauteilsauberkeits- und Stabilitätsanforderungen, was sich auf die Herstellungskosten auswirken kann. Dies liegt daran, dass sich am Kompensationselement anhaftende Partikel von dem Kompensationselement im Betrieb des Filterelements ablösen und hiernach beispielsweise Ventile schädigen können. Nichtsdestotrotz wäre es auch bei der vorliegend beschriebenen Lösung denkbar, auf der Reinseite ein beispielsweise kleines Kompensationselement vorzusehen.
Das Fluid ist typischerweise eine Flüssigkeit, insbesondere eine Harnstoff-Wasser-Lösung.
Erfindungsgemäß ist ein Kompensationselement in dem Hohlraum angeordnet. Das Kompensationselement weist bevorzugt ein Elastomer auf. Das Kompensationselement kann weiterhin geschlossenporig und/oder geschäumt ausgebildet sein. Die Poren können mit Luft gefüllt sein. Bevorzugt weist das Kompensationselement einen Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (auch als „EPDM” bezeichnet) auf. Das Kompensationselement kann den Hohlraum teilweise oder vollständig ausfüllen. Dadurch, dass das Kompensationselement in dem Hohlraum angeordnet ist, ergeben sich kleinere Abmaße des Filterelements bzw. der Filtereinrichtung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Kompensationselement pilzförmig mit einem Stengelabschnitt, welcher innerhalb des Hohlraums angeordnet ist, und einem Kopfabschnitt ausgebildet, welcher gegen eine Endscheibe des Filterelements anliegt. Dadurch wird ein großes Volumen des Kompensationselements erzielt, welches sich gleichzeitig platzsparend unterbringen lässt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform bildet der Abschnitt des Stützkörpers, welcher den Hohlraum umfasst, mit der Endscheibe eine napfförmige Geometrie aus. Eine solche Geometrie lässt sich einfach, beispielsweise im Spritzgussverfahren, herstellen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Filterelement eine Endscheibe auf, welche einstückig mit dem Stützkörper gebildet ist. Auch durch diese Maßnahme wird eine einfache Herstellbarkeit des Stützkörpers samt der Endscheibe, beispielsweise im Spritzgussverfahren, gewährleistet. Die Ausführung des Stützrohrs einstückig mit der Endscheibe führt zur Reduktion der Bauteilanzahl, was wiederum die Herstellbarkeit des Filterelements verbessert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zwischen dem Kompensationselement und dem Stützkörper und/oder zwischen dem Kompensationselement und einer Endscheibe des Filterelements ein Kanal ausgebildet, welcher mit der Rohseite in fluidischer Verbindung steht. Der Kanal weist den Vorteil auf, dass Druckspitzen vermieden werden und eine gleichmäßige Kompression des Kompensationselements gewährleistet wird. Der Kanal kann beispielsweise durch einen oder mehrere Nuten in dem Kompensationselement, in dem Stützkörper und/oder in der Endscheibe ausgebildet werden. Weiterhin kann der Kanal beispielsweise durch eine Abflachung des beispielsweise im Querschnitt kreisförmigen Kompensationselements geschaffen werden, wenn dieses in den beispielsweise mit einem kreisförmigen Querschnitt gebildeten Hohlraum eingreift. Genauso kann der Kanal durch Erhebungen auf der Oberfläche des Kompensationselements geschaffen werden, welche eine den Hohlraum des Stützkörpers begrenzende Wandung beabstandet von der Oberfläche des Kompensationselements halten. Noch weiterhin ist denkbar, das Kompensationselement mit kleineren Abmaßen, insbesondere mit einem kleineren Durchmesser, vorzusehen als den Hohlraum, so dass zwischen dem Kompensationselement und der den Hohlraum begrenzenden Wandung ein Kanal entsteht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Stützkörper einen ersten Abschnitt, welcher den Hohlraum umfasst, und einen zweiten Abschnitt auf, welcher Öffnungen für ein Ablaufen von gefiltertem Fluid aus einem zwischen dem Stützrohr und dem Filtermedium gebildeten Zwischenraum hin zu einer Anschlussöffnung des Filterelements umfasst. Obgleich das gefilterte Fluid in dem Zwischenraum im Bereich des ersten Abschnitts des Stützkörpers eine geschlossene Fläche „sieht”, kann das gefilterte Fluid im Bereich des zweiten Abschnitts durch die Öffnungen in dem Stützkörper hindurch zur Anschlussöffnung des Filterelements und damit aus diesem herausgeführt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind an dem Stützkörper im Bereich des ersten und/oder zweiten Abschnitts desselben Rippen außenseitig angeformt, welche insbesondere als Abstandshalter zwischen Filtermedium und Stützkörper dienen. Die Rippen erstrecken sich vorzugsweise hin zu dem Filtermedium. Um dennoch ein Fließen des gefilterten Fluids in einer Richtung senkrecht zur Erstreckungsebene der Rippen zu gewährleisten, können zwischen den Rippen Durchbrüche vorgesehen sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Stützkörper als ein Mittelrohr ausgebildet, welches den ersten und zweiten Abschnitt umfasst, wobei die Öffnungen eine axiale Öffnung und eine radiale Öffnung in dem zweiten Abschnitt des Mittelrohrs umfassen. Das zu filternde Fluid fließt somit zunächst aus dem Zwischenraum radial nach innen in das Mittelrohr hinein und wird dann axial an dessen Stirnseite aus diesem heraus und hin zur Anschlussöffnung des Filterelements gefördert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Filterelement eine erste und zweite Endscheibe auf, zwischen welchen sich der Stützkörper erstreckt, wobei dessen erster Abschnitt mit der ersten Endscheibe verbunden ist und dessen zweiter Abschnitt an die zweite Endscheibe angrenzt. Dadurch wird ein langer Stützkörper geschaffen, welcher dem Filterelement eine große Stabilität verleiht. Gemäß einer Ausführungsform kann sich der Stützkörper mit seinem zweiten Abschnitt auch an der zweiten Endscheibe abstützen, das heißt sich mit dieser in Anlage befinden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Filterelement ein Stabheizelement auf, welches sich in den zweiten Abschnitt des Filterelements erstreckt. Das Stabheizelement ist vorteilhafter Weise in einer Filtereinrichtung an einem Gehäuse fest oder lösbar angeordnet oder befestigt. Dadurch kann eingefrorenes Fluid schnell aufgetaut werden. Außerdem reduziert das Stabheizelement das auf der Reinseite vorhandene Fluidvolumen weiter. Dies bewirkt wiederum, dass das Kompensationselement mit noch kleineren Abmaßen vorgesehen werden kann.
Weiterhin wird eine Filtereinrichtung mit dem erfindungsgemäßen Filterelement vorgeschlagen.
Die Filtereinrichtung kann ein Gehäuse aufweisen, in welchem das Filterelement aufgenommen ist. Weiterhin kann die Filtereinrichtung Anschlüsse umfassen, mittels derer dem Filterelement zu filterndes Fluid zuführbar und gefiltertes Fluid von diesem abführbar ist.
Die Filtereinrichtung kann beispielsweise Bestandteil eines Kraftfahrzeugs sein.
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.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen dabei:
1: in einer Explosionsansicht ein Filterelement gemäß einer Ausführungsform;
2: in einer Schnittansicht das in einer Filtereinrichtung verbaute Filterelement aus 1; und
3: eine Variante gegenüber der Ausführungsform nach 2.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
Ausführungsform(en) der Erfindung
1 zeigt in einer Explosionsansicht ein Filterelement 1 gemäß einer Ausführungsform. 2 zeigt in einer Schnittansicht das Filterelement 1 aus 1 in einem in einer Filtereinrichtung 2 verbauten Zustand. Die Filtereinrichtung 2 kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug vorgesehen sein. Die Filtereinrichtung 2 kann dazu eingerichtet sein, eine Flüssigkeit, insbesondere eine Harnstoff-Wasser-Lösung, zu reinigen. Bei der Harnstoff-Wasser-Lösung handelt es sich beispielsweise um eine 25 bis 35%-ige Harnstoff-Wasser-Lösung. Gängig sind 30 bis 35%-ige, insbesondere 32,5%-ige Harnstoff-Wasser-Lösungen. Die Prozentangaben beziehen sich hier auf Volumenprozente.
Zurückkehrend zu 1 ist dort gezeigt, dass das Filterelement 1 eine erste Endscheibe 3 und eine zweite Endscheibe 4 umfasst. Zwischen den beiden Endscheiben 3, 4 ist ein Filtermedium in Form eines Balgs 5 angeordnet. Der Balg 5 weist einen kreisringförmigen Querschnitt auf und ist an seinen gegenüberliegenden Enden mit den Endscheiben 3, 4 flüssigkeitsdicht verschweißt. Wie in 2 dargestellt, ist in dem von dem Balg 5 umschlossenen Innenraum 6 ein Stützkörper in Form eines Mittelrohrs 7 angeordnet. Das Mittelrohr 7 umfasst einen ersten und zweiten Abschnitt 11, 12.
Der erste Abschnitt 11 weist einen Hohlraum 13 auf, welcher zu einer Reinseite 14 des Filterelements 1 hin geschlossen und zu einer Rohseite 15 des Filterelements 1 hin offen ausgebildet ist. Der Hohlraum 13 wird radial von einer Wandung 16 des Mittelrohrs 7 und axial an einer Seite durch einen den Innenquerschnitt des Mittelrohrs 7 verschließenden Steg 17 begrenzt. „Radial” und „axial” bezieht sich vorliegend auf eine Mittelachse 18 (siehe 2) des Filterelements 1. An seinem offenen Ende ist der erste Abschnitt 11 des Mittelrohrs 7 einstückig mit der ersten Endscheibe 3 verbunden. Zu diesem Zweck kann das Mittelrohr 7 samt der Endscheibe 3 im Spritzgussverfahren in einem Schritt hergestellt werden. Die Endscheibe 3 ist bevorzugt kreisringförmig ausgebildet und bildet zusammen mit der Wandung 16 und dem Steg 17 des ersten Abschnitts 11 eine napfförmige Geometrie aus.
Der zweite Abschnitt 12 des Mittelrohrs 7 ist mit radialen Öffnungen 21 und stirnseitig mit einer axialen Öffnung 22 gebildet. Das die axiale Öffnung 22 aufweisende Ende 23 des zweiten Abschnitts 12 grenzt an die zweite Endscheibe 4 an. Dabei kann das Ende 23 gegen die Endscheibe 4 direkt anliegen oder einen geringfügigen Spalt in Bezug auf die Endscheibe 4 aufweisen. Letzteres ist in 2 dargestellt. An dem zweiten Abschnitt 12 des Mittelrohrs 7 sind sich nach radial außen in einen ringförmigen Zwischenraum 19 zwischen dem Mittelrohr 7 und dem Filtermedium 5 erstreckende Rippen 20 ausgebildet. Die Rippen 20 versteifen das Mittelrohr 7.
Das Filterelement 1 weist weiterhin ein pilzförmiges Kompensationselement 24 aus EPDM auf, welches einen Kopfabschnitt 25 und einen Stengelabschnitt 26 umfasst. Wie in 1 zu erkennen, ist in dem Kopfabschnitt 25 und dem Stengelabschnitt 26 eine Nut 27 gebildet. Die Nut 27 erstreckt sich, wie in 2 zu erkennen, an der der ersten Endscheibe 3 zugewandten Seite des Kopfabschnitts 25 in radialer Richtung nach innen und verläuft von da weiter in axialer Richtung entlang der Außenseite des Stengelabschnitts 26. Die Nut 27 bildet somit im Zusammenspiel mit der Endscheibe 3 und dem Mittelrohr 7 einen Kanal 31 aus. Der Kanal 31 steht mit der Rohseite 15 in flüssigkeitsleitender Verbindung.
Von der zweiten Endscheibe 4 erstreckt sich ein axialer Kragen 32 in eine Anschlussöffnung 33 eines Gehäuses 34 der Filtereinrichtung 2 hinein und dichtet gegen diese, beispielsweise mittels eines O-Rings 39, außenseitig ab. Das Filterelement 1 ist lösbar in der Anschlussöffnung 33 befestigt und kann bei Bedarf ausgetauscht werden. Der Kragen 32 weist eine Anschlussöffnung 35 des Filterelements 1 auf, welche mit der Anschlussöffnung 33 der Filtereinrichtung 2 und mit der Öffnung 22 des Mittelrohrs 7 flüssigkeitsleitend in Verbindung steht.
Auf der Rohseite 15 des Filterelements 1 befindet sich im Betrieb der Filtereinrichtung 2 zu reinigende Flüssigkeit 36, welche durch das Filtermedium 5 strömt und dabei gefiltert wird. Die Bewegung der Flüssigkeit 36 durch die Filtereinrichtung 2 ist in 2 durch einen entsprechenden Pfad angedeutet. Die Flüssigkeit 36 gelangt somit in den Zwischenraum 19 und fließt von dort in axialer Richtung zwischen Durchbrüchen 37 (siehe 1) zwischen den Rippen 20 hindurch. Schließlich gelangt die Flüssigkeit 36 durch die radialen Öffnungen 21 in dem zweiten Abschnitt 12 des Mittelrohrs 7 und anschließend durch dessen axiale Öffnung 22 zur Anschlussöffnung 35 und wird von dort aus der Filtereinrichtung 2 herausgeführt.
Ist die Filtereinrichtung 2 nun beispielsweise im Winter sehr kalten Bedingungen ausgesetzt, so kann es zu einem Gefrieren der Flüssigkeit 36, insbesondere in dem Zwischenraum 19, kommen. Da der Zwischenraum 19 jedoch nur klein ist, ist das Flüssigkeitsvolumen, welches potentiell gefrieren kann, ebenfalls nur gering. Die mit dem Gefrieren einhergehende Volumenänderung kann dann durch das Kompensationselement 24 aufgenommen werden. Zusätzlich kann das Filterelement 1 ein weiteres Kompensationselement 38 aufweisen, welches zwischen der zweiten Endscheibe 4 und dem Gehäuse 34 angeordnet ist. Das Kompensationselement 38 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel ringförmig ausgebildet und umschließt den Kragen 32. Das Kompensationselement 38 kann in 1 gezeigte Ausnehmungen 41 aufweisen, in welche jeweils ein an der zweiten Endscheibe 4 ausgebildeter Zapfen 42 eingreift, um das Kompensationselement 38 gegenüber der zweiten Endscheibe 4 zu fixieren.
Beim Gefrieren kann darüber hinaus mittels des Kanals 31 ein Druckausgleich zwischen dem Hohlraum 13 und dem Zwischenraum 19 stattfinden, so dass auf die Wandung 16 wirkende Druckspitzen vermieden und eine Vergleichmäßigung der Kompression des Kompensationselements 24 erzielt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind keine Rippen 20 vorgesehen. Stattdessen ist das Mittelrohr 7 mit einem im Vergleich zu 2 größeren Durchmesser gebildet, so dass der Zwischenraum 19 klein ist, um das Flüssigkeitsvolumen auf der Reinseite 14 innerhalb des Balgs 5 weiter zu reduzieren.
3 zeigt im Unterschied zu 2 ein Filterelement 1, bei welchem der erste und zweite Abschnitt 11, 12 des Mittelrohrs 7 in etwa gleich lang ausgebildet sind. Ein Stabheizelement 43 (gestrichelt angedeutet) ist in einem Hohlraum 44 des zweiten Abschnitts 12 des Mittelrohrs 7 angeordnet. Der Hohlraum 44 wird von einer Wandung 45 des Mittelrohrs 7 sowie dem Steg 17 begrenzt. Der Hohlraum 44 steht mittels der radialen Öffnungen 21 mit dem Zwischenraum 19 in flüssigkeitsleitender Verbindung. Mittels des Stabheizelements 43 lässt sich die Flüssigkeit 36 bzw. entsprechendes Eis schnell erwärmen bzw. auftauen.

Claims

Filterelement (1) zum Filtern einer Harnstoff-Wasser-Lösung mit einem Filtermedium (5), welches einen Innenraum (6) aufweist, und einem Stützkörper (7), welcher einen in den Innenraum (6) hineinragenden Hohlraum (13) aufweist, der zu einer Reinseite (14) des Filterelements (1) hin geschlossen und einer Rohseite (15) des Filterelements (1) hin offen ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kompensationselement (24) in dem Hohlraum (13) angeordnet ist.
Filterelement nach Anspruch 1, wobei das Kompensationselement (24) pilzförmig mit einem Stengelabschnitt (26), welcher innerhalb des Hohlraums (13) angeordnet ist, und einem Kopfabschnitt (25) ausgebildet ist, welcher gegen eine Endscheibe (3) des Filterelements (1) anliegt.
Filterelement nach einem der Ansprüche 1–2, aufweisend eine Endscheibe (3), welche einstückig mit dem Stützkörper (7) gebildet ist.
Filterelement nach einem der Ansprüche 1–3, wobei zwischen dem Kompensationselement (24) und dem Stützkörper (7) und zwischen dem Kompensationselement (24) und einer Endscheibe (3) des Filterelements (1) ein Kanal (31) ausgebildet ist, welcher mit der Rohseite (15) in fluidischer Verbindung steht.
Filterelement nach einem der Ansprüche 1–4, wobei der Stützkörper (7) einen ersten Abschnitt (11), welcher den Hohlraum (13) umfasst, und einen zweiten Abschnitt (12) aufweist, welcher Öffnungen (21, 22) für ein Ablaufen von gefiltertem Fluid (36) aus einem zwischen dem Stützkörper (7) und dem Filtermedium (5) gebildeten Zwischenraum (19) hin zu einer Anschlussöffnung (35) des Filterelements (1) umfasst.
Filterelement nach Anspruch 5, wobei der Stützkörper (7) als ein Mittelrohr ausgebildet ist, welches den ersten und zweiten Abschnitt (11, 12) umfasst, wobei die Öffnungen (21, 22) eine axiale Öffnung (22) und eine radiale Öffnung (21) in dem zweiten Abschnitt (12) des Mittelrohrs (7) umfassen.
Filterelement nach Anspruch 5 oder 6, aufweisend eine erste und zweite Endscheibe (3, 4), zwischen welchen sich der Stützkörper (7) erstreckt, wobei dessen erster Abschnitt (11) mit der ersten Endscheibe (3) verbunden ist und dessen zweiter Abschnitt (12) an die zweite Endscheibe (4) angrenzt.
Filterelement nach einem der Ansprüche 5–7, aufweisend ein Stabheizelement (43), welches sich in den zweiten Abschnitt (12) erstreckt.
Filtereinrichtung (2) umfassend ein Gehäuse, mit einem Filterelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.