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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Filtereinrichtung zum Filtern eines Fluids, insbesondere zum Filtern von Kraftstoff, mit einem Partikelfilter zum Abscheiden von Partikeln aus dem Fluid.
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Bei zu filtrierenden Medien sinkt deren Fluidität bzw. steigt deren Viskosität in der Regel mit sinkender Temperatur. Um auch bei niedrigen Betriebstemperaturen eine hinreichende Durchströmung der dabei verwendeten Filtereinrichtungen zu erzielen, muss die Fließfähigkeit der Medien gewährleistet bleiben. Dazu wird oftmals eine Heizung zum Erwärmen des durchströmenden Fluids in der Filtereinrichtung angeordnet. Mit einer solchen Heizung kann die Temperatur der darin zu filtrierenden Medien und damit deren Fluidität hoch gehalten werden. Damit wird der Durchgang des Mediums durch das zugehörige Filterelement ermöglicht.
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Zum Beispiel kann es bei Dieselkraftstofffiltern beim Kaltstart des zugehörigen Motors zu Problemen kommen, wenn die Außentemperatur unter dem so genannten CFPP (cold filter plugging point) des Kraftstoffs liegt. Auch bei Harnstofffiltern kann eine solche Heizung notwendig sein.
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Bei manchen Applikationen von Filtereinrichtungen ist deren Einbauraum streng begrenzt. Für solche Applikationen ist es bei Kraftstofffiltern, die ein Filtergehäuse mit einem Gehäusebecher und einem Gehäusedeckel aufweisen, bekannt, die Heizung im Gehäusedeckel auszubilden, oder als Heizstab, welcher in die Reinseite der Filtereinrichtung hineinragt. Beide Lösungen sind jedoch vergleichsweise aufwendig und machen zusätzliche Anpassungen an den Bauteilen erforderlich.
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Aus
DE 10 2007 005 771 A ist eine Filtereinrichtung mit einem Filterelement, welches in einem Filtergehäuse angeordnet ist, und mit einer Heizung zum Erwärmen von durch die Filtereinrichtung strömendem Medium bekannt. Die Heizung ist mit mindestens einer Heizbahn gestaltet, die von einem metallischen Stanzgitter gebildet ist, das in einem Heizbahngehäuse eingespritzt ist.
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Aus der
DE 3624276 A1 ist eine elektrisch heizbare Filtereinrichtung für eine Flüssigkeit, insbesondere Dieselkraftstoff, mit einer auf einen Träger aufgebrachten elektrisch leitfähigen Anordnung in Form einer Widerstandsschicht aus einem Material mit positivem Temperatur-Coeffizienten bekannt, bei der der Träger wenigstens bei der Montage sternförmig geknickt wird.
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Aus der
DE 10 2009 029 413 A1 ist eine Filtereinrichtung bekannt, insbesondere ein Flüssigkeitsfilter, die ein in einem Filtergehäuse angeordnetes Filterelement und eine Heizung zum Erwärmen des durch das Filterelement strömenden Mediums und einen Wassersensor zum Erkennen von im Filtergehäuse gesammelten Wassers umfasst.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist eine Filtereinrichtung zum Filtern eines Fluids, insbesondere zum Filtern von Kraftstoff, geschaffen, mit einem Partikelfilter zum Abscheiden von Partikeln aus dem Fluid. Bei der Filtereinrichtung ist stromauf des Partikelfilters bzw. in Strömungsrichtung des Fluids vor dem Partikelfilter ein Vorfilter vorgesehen. Dem Vorfilter ist eine Heizung zum Erwärmen von durch die Filtereinrichtung strömendem Medium zugeordnet. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass der Vorfilter hohlzylindrisch gestaltet ist und eine flächige Gestalt aufweist und dass die Heizung mit einer Heizbahn gestaltet ist, wobei die Heizbahn schleifenförmig in der flächigen Gestalt des Vorfilters angeordnet ist, wobei der Vorfilter mit mindestens zwei Vorfilterflächen gebildet ist, die über den Umfang des Vorfilters angeordnet sind und wobei sich die Heizbahn zwischen diesen Vorfilterflächen erstreckt.
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Mit der erfindungsgemäßen Heizung kann, wie oben erläutert, die Fluidität des zu filtrierenden Mediums bei niedrigen Betriebstemperaturen gezielt erhöht werden. Durch die erfindungsgemäße Ausführung wird vorteilhaft bewirkt, dass die mit der Heizbahn in die Filtereinrichtung eingebrachte Wärmeenergie auf kostengünstige Weise gleichmäßig am Vorfilter, insbesondere in dessen flächiger Erstreckung, verteilt wird. Insbesondere kann Heizwärme großflächig über die Filterfläche des erfindungsgemäßen Vorfilters weiträumig und auch gleichmäßig verteilt werden. Dabei sind die Flächen des Vorfilters und der Heizung funktional klar getrennt in einer Gesamtfläche angeordnet. Diese funktionale Trennung ermöglicht es, die einzelnen Funktionsbereiche besonders gut auf die jeweilige Anforderung anzupassen. Damit wird insgesamt eine individuell besonders gut anpassbare Anordnung geschaffen.
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Die Lösung gemäß der Erfindung basiert dabei auf der Erkenntnis, dass die ansonsten stattfindende Verringerung der Fluidität bzw. Versulzung des zu filtrierenden Fluids auf einer Bildung von kleinen „Sulzkernen” beruht. Diese Sulzkerne können kleine Bereiche im Fluid sein, die besonders kalt und daher besonders steif sind. Ferner ergeben sich solche Kerne durch Wasser, welches als feine Wassertröpfchen in einem als Dispersion vorliegenden Kraftstoff-Wasser-Gemisch gebunden und dabei gefroren ist. Mit dem erfindungsgemäß vorgesehenen Vorfilter werden solche „Sulzkerne” bzw. „Flocken” gezielt vor dem eigentlichen Partikelfilter der Filtereinrichtung zurückgehalten. Dort wo sie zurückgehalten werden, setzt zugleich die gemäß der Erfindung vorgesehene Heizung an. Die Heizung befindet sich nämlich unmittelbar an dem Vorfilter und erwärmt gezielt die zurückgehaltenen Sulzkerne in dem Fluid. Diese Kerne lösen sich dadurch auf und strömen durch den Vorfilter hindurch ab. Damit entsteht Platz für das Rückhalten weiterer Sulzkerne, so dass insgesamt stets gezielt die versulzten bzw. geflockten Partien im Fluid erwärmt werden. Nicht geflockte Bereiche im Fluid können den Vorfilter hingegen ungehindert passieren und werden entsprechend nicht oder weniger erwärmt. Die erfindungsgemäße Erwärmung zur Verbesserung des Durchsatzes durch die Filtereinrichtung bei niedrigen Temperaturen arbeitet daher besonders effizient und energiesparend.
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Darüber hinaus wirkt die erfindungsgemäße Heizung bei tiefen Temperaturen einer Versulzung des Kraftstoffs und insbesondere einem Gefrieren des Wasseranteils vorteilhaft im Zuströmbereich des Partikelfilters vorbeugend entgegen.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung weist der Vorfilter mindestens eine Vorfilterfläche mit einer Porengröße auf, die größer ist als eine Porengröße mindestens einer Partikelfilterfläche des Partikelfilters. Besonders bevorzugt weist die Vorfilterfläche eine Porengröße von 15 μm bis 100 μm, besonders bevorzugt von 30 μm bis 80 μm, insbesondere 50 μm bis 60 μm, auf. Die Vorfilterfläche ist dazu vorteilhaft aus einem Polyamid, vorzugsweise PA66 hergestellt. Dieses Material kann als Kunststoffträger für ein darauf angeordnetes Filtermedium dienen. Vorzugsweise wird als Filtermedium ein Mulitlayer-Medium mit Schichten aus Cellulose und Meltblown verwendet. Auf diese Weise ist eine so genannte Multilayer-Vorfilterfläche geschaffen. Die erfindungsgemäß vorgesehene Vorfilterfläche weist ferner bevorzugt eine hohe Aufnahmekapazität für Schmutz auf. So beträgt die Aufnahmekapazität bei einer Vorfilterfläche von 130 cm2 z. B. vorteilhaft wenigstens 20 g (gemessen nach ISO 19438). Die Standzeit des Partikelfilters an der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung erhöht sich entsprechend.
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Die Heizbahn kann mit einem kostengünstigen Heizdraht gebildet sein, der dabei vorteilhaft mit einer Isolierung überzogen sein kann. Besonders vorteilhaft ist die Heizbahn durch ein metallisches Stanzgitter bzw. von einem metallischen Stanzgitter gebildet. Das Stanzgitter kann verschieden große Querschnitte aufweisen, so dass gezielt innerhalb der Heizbahn sich mehr oder weniger stark erwärmende Bereiche ausgebildet werden können. Ferner kann mit einem Stanzgitter eine gewisse Steifigkeit der Heizbahn geschaffen werden, was deren Anordnung in der Filtereinrichtung und an dem Vorfilter vereinfacht.
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Der Vorfilter weist eine flächige Gestalt auf. Der derartige Vorfilter ist also mit einer vergleichsweise dünnen Filterfläche bzw. Filtermembran gebildet, die insbesondere vom zu filternden Fluid quer durchströmt wird. Ein solcher Vorfilter steht im Gegensatz zu einem Filter mit körperlicher Gestalt, bei der das Filtermedium einen ganzen Filterkörper ausfüllt und eine vergleichsweise dicke Filterschicht bildet.
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Die Heizbahn weist vorzugsweise gerade Schleifenabschnitte auf, die sich in Längsrichtung des Vorfilters erstrecken. Diese Gestaltung ermöglicht es insbesondere, dass die Heizbahn zunächst in einer Ebene aus einem Stanzblech ausgestanzt wird. Nachfolgend kann diese Heizbahn zu einem Hohlzylinder gerollt werden, um insgesamt auf kostengünstige Weise eine hohlzylindrische Heizbahnstruktur zu schaffen.
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Bei der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung ist ferner der Vorfilter vorzugsweise mit einem spritzgegossenen Stützelement gestaltet, wobei insbesondere die Heizbahn und/oder die mindestens eine Vorfilterfläche in dem Stützelement eingespritzt ist. Das derart spritzgegossen Basisteil des Vorfilters kann die daran angeordneten Funktionsteile sowohl abstützen als auch gegeneinander abdichten. Ein an der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung vorgesehenes Stützelement ist ferner in vorteilhafter Weise einteilig mit der zugehörigen Vorfilterfläche ausgebildet. Bei dieser Weiterbildung sind besonders vorteilhaft sowohl das Stützelement als auch die Vorfilterfläche ebenfalls spritzgegossen. Die Vorfilterfläche weist dabei bevorzugt eine Porengröße von 50 μm bis 150 μm, vorzugsweise von 80 μm bis 120 μm auf. Diese Porengröße hält Paraffine am Vorfilter zurück, während andere Partikel vergleichsweise ungehindert durchtreten können. Der derartige Vorfilter weist daher eine besonders lange Standzeit auf, ohne sich zuzusetzen.
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Der Partikelfilter ist vorzugsweise zylindrisch gestaltet, wobei der Vorfilter mit der zugeordneten Heizung hohlzylindrisch gestaltet ist und den Partikelfilter umgibt. Die derartige Bauweise ist sehr kompakt und weist dennoch vergleichsweise große Filterflächen auf. Sie kann in Form einer Filterpatrone in einem becherförmigen Filtergehäuse vorteilhaft angeordnet und hinsichtlich ihrer Schmutzseite sowie Sauberseite abgedichtet sein. Die Vorfilterflächen sind vorzugsweise konvex entgegen der Strömungsrichtung des zu filternden Fluids ausgewölbt. Diese konvexe Form der Vorfilterflächen führt dazu, dass das anströmende Fluid auch eine zumindest leichte seitliche Strömung erfährt, wenn es durch die Vorfilterfläche hindurchtritt. Mit der seitlichen Strömung werden Sulzkerne, Flocken und Parafine zu den Seiten der Vorfilterfläche hin befördert, wo sich, wie oben erläutert vorteilhaft die Heizung befindet. Mit dem Ansammeln dieser Bestandteile nahe der Heizung werden diese vorteilhaft erwärmt und damit aufgelöst. Zugleich wird die Vorfilterfläche selbst frei und durchströmbar gehalten.
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An der Filtereinrichtung gemäß der Erfindung ist ferner in vorteilhafter Weise ein Coalescerfilter in Strömungsrichtung hinter dem Partikelfilter vorgesehen. In dem Coalescerfilter werden die feinen und feinsten Wassertröpfchen, die in dem als Dispersion vorliegenden Fluid, insbesondere dem Kraftstoff-Wasser-Gemisch, enthalten sind, zu größeren Tröpfchen zusammengeführt. Die Tröpfchen werden an der Wandung des Coalescerelements abgeschieden und strömen insbesondere aufgrund ihrer eigenen Gewichtskraft nach unten hin ab. Mit der erfindungsgemäßen Heizung ist dabei zugleich eine hinreichende Fließfähigkeit sowohl des durch den Partikelfilter als auch das Coalescerelement strömenden Fluids gewährleistet.
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Der Partikelfilter ist vorzugweise hohlzylindrisch gestaltet und der Coalescerfilter ist dabei auf platzsparende Weise im Inneren des Partikelfilters angeordnet.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
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1 einen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Filtereinrichtung mit einem darin vorgesehenen Vorfilter,
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2 eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Vorfilters gemäß 1 und
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3 eine perspektivische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Vorfilters gemäß 1.
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In 1 ist eine Filtereinrichtung 10 zum Filtrieren von Fluid in Form von flüssigem Kraftstoff oder Harnstoff veranschaulicht. Die Filtereinrichtung 10 ist mit einem kreiszylindrischen Gehäusebecher 12 gestaltet, der bezogen auf die 1 untenseitig mit einem Gehäuseboden 14 verschlossen ist. An dem Gehäusebecher 12 befindet sich an dessen Oberseite radial außen ein Einlass 16 zum Zuführen eines zu filternden Fluids 18 und in der Mitte ein Auslass 20 zum Abführen eines gefilterten Fluids 22.
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Im Innern des Gehäusebechers 12 befindet sich eine Partikelfilter 24, mit dem aus dem Fluid Partikel abschieden werden sollen, um zu verhindern, dass diese beispielsweise nachfolgend an einer Einspritzanlage eines Verbrennungsmotors zu Beeinträchtigungen führen. Der Partikelfilter 24 ist in Richtung seiner Längsachse betrachtet aufeinander folgend mit einem Partikelfilterdeckel 26, einer hohlzylindrischen Partikelfilterpatrone 28 und einem Partikelfilterboden 30 gestaltet. Die Partikelfilterpatrone 28 bildet eine Partikelfilterfläche mit einer Porengröße von kleiner 10 μm. Zur Abdichtung der Partikelfilterpatrone 28 innerhalb der Filtereinrichtung 10 nach radial innen und außen befinden sich am Partikelfilterdeckel 26 eine obere äußere Dichtung 32 und eine innere obere Dichtung 34 sowie am Partikelfilterboden 30 eine untere äußere Dichtung 36.
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An der oberen äußeren Dichtung 32 und der unteren äußeren Dichtung 36 liegt ein die Partikelfilterpatrone 28 umgebender Vorfilter 40 an. Der Vorfilter 40 ist hohlzylindrisch mit einem Stützelement 42 ausgebildet, welches für den Vorfilter 40 eine Mantelfläche 44 bildet. Im bezogen auf 1 unteren Bereich der Mantelfläche 44 schließt sich ein nach radial außen ragender Sockelabschnitt 46 an, der mittels einer Dichtung 48 innenseitig am Gehäusebecher 12 abdichtet. Bei einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel wird auf die Dichtungen 32 und 48 verzichtet. Dabei kann vorteilhaft mit der unteren äußeren Dichtung 36 bis an den Gehäusebecher 12 abgedichtet werden. Ferner kann in einer vereinfachten Ausführungsform nur der Hauptteil des zu filternden Fluids 18 von dem Einlass 16 zum Vorfilter 40 gelenkt werden, während ein anderer Teilstrom direkt zum Partikelfilter 24 strömt.
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In der flächigen Gestalt der Mantelfläche 44 befindet sich als Heizung eine Heizbahn 50 (siehe 2). Die Heizbahn 50 ist mittels eines schleifenförmigen Stanzgitters gebildet, das in dem Stützelement 42 eingespritzt ist. Dabei ragen zwei Heizbahnkontakte 52 am oberen Ende des Vorfilters 40 heraus. Die Heizbahnkontakte 52 sind durch den Gehäusebecher 12 hinausgeführt und können dort an Kontaktfahnen 54 von außen elektrisch kontaktiert werden, um der Heizbahn 50 elektrischen Strom zuzuführen und diese dadurch aufzuheizen. Im Bereich der Heizbahnen 50 können optional Fenster 55 vorgesehen sein (siehe 2), so dass an diesen Fenstern 55 die Heizbahn 50 unmittelbar von zu filterndem Fluid 18 umspült werden kann. Ferner kann bei einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel das hohlzylindrische Stützelement 42 zur Versteifung mit einem in axialer Richtung mittigen, dort an dessen Umfang umlaufenden Steg versehen sein.
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Zwischen derartig im Stützelement 42 verlegten, in Längsrichtung des Vorfilters 40 ausgerichteten Schleifenabschnitten der Heizbahn 50 befinden sich in der Mantelfläche 44 des Vorfilters 40 längliche, ebenfalls in dessen Längsrichtung ausgerichtete Vorfilterflächen 56. Die Vorfilterflächen 56 sind dazu vorgesehen, Sulzkerne, Flocken und Parafine zurückzuhalten, die bei tiefen Temperaturen im Kraftstoff vorzufinden sind. Diese Stoffe werden dabei dort zurückgehalten, wo sich auch die Heizbahn 50 befindet. Die Heizbahn 50 erwärmt gezielt die derart zurückgehaltenen Kerne im zu filternden Fluid 18. Diese Kerne lösen sich dadurch auf und strömen durch den Vorfilter 40 hindurch zum Partikelfilter 24.
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Die Vorfilterflächen 56 sind bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 als separates Bauteil gestaltet, welches an seinem Rand in das Stützelement 42 eingespritzt und auf diese Weise darin ortsfest gehalten ist. Die einzelne Vorfilterfläche 56 ist dabei aus PA66 hergestellt, auf dem Schichten aus Cellulose und Meltblown mit einer mittleren Porengröße von 65 μm aufgebracht sind.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 sind die Vorfilterflächen 56 einteilig mit dem Stützelement 42 ausgebildet, also zusammen mit diesem spritzgegossen worden. Die einzelne Vorfilterfläche 56 ist dabei porös ausgebildet mit einer mittleren Porengröße von 100 μm. Mit dieser Porengröße werden gezielt Paraffine am Vorfilter 40 zurückgehalten, während andere Partikel vergleichsweise ungehindert durchtreten können. Dabei weist die einzelne Vorfilterfläche 56 ferner eine nach radial außen gerichtete konvexe Form auf, so dass an ihr zurückgehaltene Kerne in Umfangsrichtung, seitlich entlang der Vorfilterfläche 56 bewegt werden und sich dort nahe der Heizbahn 50 sammeln.
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Im Zentrum der Partikelfilterpatrone 28 befindet sich innerhalb der oberen inneren Dichtung 34 und der unteren inneren Dichtung 38 ein patronenförmiger Coalescerfilter 58 (siehe 1). An dem Coalescerfilter 58 werden feine und feinste Wassertröpfchen, die in dem gefilterten Fluid 22 enthalten sind, zu größeren Tröpfchen zusammengeführt. Die Tröpfchen werden an der Wandung des Coalescerfilters 58 abgeschieden und strömen insbesondere durch ihre eigene Gewichtskraft nach unten in einen Wassersammelraum 60 ab. Von dort aus können sie im Bedarfsfall über eine am unteren Ende des Gehäusebodens 14 angeordnete Wasserabführung 62 aus der Filtereinrichtung 10 nach außen abgeführt werden.
