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Die Erfindung betrifft eine Filtervorrichtung, insbesondere eine Filtervorrichtung zum Filtern eines Fluids, das dafür vorgesehen ist, zur Schadstoffreduktion in den Abgasstrang eines Verbrennungsmotors eingespritzt zu werden.
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Stand der Technik
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Bei Kraftwagen mit Verbrennungsmotor muss aufgrund der verschärften Abgasgesetzgebung unter anderem der Schadstoff NOx reduziert werden. Ein Verfahren, das insbesondere bei Dieselmotoren zur Anwendung kommt, ist das SCR-Verfahren („Selective Catalytic Reduction“), bei dem die in den Abgasen enthaltenen Stickoxide (NOx) unter zu Hilfenahme eines flüssigen Reduktionsmittels, insbesondere einer wässrigen Harnstofflösung, zu N2 und H2O reduziert werden.
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Dazu fördert eine Förderpumpe das flüssige Reduktionsmittel von einem Tank zu einem Dosiermodul, das an einem Abgasstrang des Verbrennungsmotors angeordnet ist.
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Das System wird mit konstantem Systemdruck betrieben. Ein Drucksensor erfasst den Druck zwischen der Förderpumpe und dem Dosiermodul. Zwischen der Förderpumpe und dem Dosiermodul zweigt eine mit einer Drossel versehene Rücklaufleitung ab. Diese Rücklaufleitung mündet unmittelbar vor der Förderpumpe in deren Zulaufleitung, so dass die einmal gefilterte Flüssigkeit nicht ein zweites Mal gefiltert wird. Durch Einstellen der Schaltfrequenz bzw. Drehzahl der Förderpumpe kann der Systemdruck eingestellt werden.
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Das Reduktionsmittel kann verschiedene Verunreinigungen beinhalten, z.B. metallische Partikel und/oder Korrosionsprodukte (z.B. Rost), Sandkörner, z.B. durch Schmutzeintrag bei Betankung, Kunststoffreste z.B. aus der Tankfertigung, Zellulose; z.B. aus Wischtüchern und andere Fasern.
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Besonders kritisch sind hierbei lange Fasern und Zellulose. Sie können aufgrund ihrer langgestreckten, gewundenen Form von bis zu 2 mm in den sehr empfindlichen Saug- und Druckventilen der Pumpe hängen bleiben und den Druckaufbau behindern und/oder die Drossel der Rücklaufleitung verstopfen.
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Um ein Verstopfen der Pumpe, der Drossel und/oder des Dosiermoduls zu verhindern, wird das Reduktionsmittel daher durch eine Filtervorrichtung gefiltert.
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Damit die Filtervorrichtung nicht verstopft, muss diese entsprechend groß ausgebildet sein und/oder in relativ kurzen Zeitabständen gereinigt oder ausgetauscht werden.
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DE 10 2010 029 334 A1 zeigt eine Fluidspeichereinrichtung, insbesondere zur Speicherung eines flüssigen Reduktionsmittels, mit einer integrierten Heizung.
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DE 10 2010 063 207 A1 offenbart eine Filteranordnung und ein Fluidfördermodul mit einer solchen Filteranordnung, wobei die Filteranordnung ein Mittel zum Entgasen aufweist.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Filtervorrichtung für ein Einspritzsystem zur Verfügung zu stellen, die insbesondere nur einen kleinen Bauraum benötigt und nur selten gewartet werden muss.
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Eine erfindungsgemäße Filtervorrichtung zum Filtern eines Fluids, insbesondere zum Filtern eines in einen Abgasstrang einzuspritzenden fluiden Reduktionsmittels, hat eine erste Filtereinheit und eine stromabwärts der ersten Filtereinheit angeordnete zweite Filtereinheit. Die erste Filtereinheit ist ausgebildet, um Elemente, die eine höhere oder geringere Dichte als das Fluid haben und die sich daher am Boden bzw. an der Oberfläche des Fluids absetzen, aus dem Fluid herauszufiltern. Die zweite Filtereinheit ist ausgebildet, um Elemente, die sich nicht am Boden bzw. an der Oberfläche des Fluids absetzen, sondern in dem Fluid schweben, aus dem Fluid herauszufiltern.
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Da in einer erfindungsgemäßen Filtervorrichtung viele Schmutzpartikel bereits von der ersten Filtereinheit entfernt werden, wird die Gefahr des Verstopfens der zweiten Filtereinheit erheblich verringert. Für die zweite Filtereinheit, die sich auf das Herausfiltern von Schwebeteilchen aus dem Fluid beschränken kann, ist daher ein kleines Filterelement ausreichend, so dass der Bauraum der Filtervorrichtung reduziert werden kann. Es kann daher eine platzsparende und kostengünstig zu realisierende Filtervorrichtung zur Verfügung gestellt werden, die bei geringem Wartungsaufwand eine hohe Lebensdauer hat.
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In einer Ausführungsform weist die erste Filtereinheit wenigstens eine so genannte beruhigte Zone auf, die so ausgebildet ist, dass sie das Fluid beruhigt und insbesondere ein Schwappen des Fluids verhindert. Ein derartiges Beruhigen des Fluids ermöglicht es, dass sich Elemente, die entweder eine kleinere oder eine größere Dichte als das Fluid aufweisen, im oberen bzw. unteren Bereich des Fluids absetzen und auf diese Weise einfach von dem Fluid getrennt werden können.
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In einer Ausführungsform weist die erste Filtereinheit wenigstens einen Absetzraum auf, der so ausgebildet ist, dass er es ermöglicht, dass sich Elemente, die eine kleinere oder eine größere Dichte als das Fluid aufweisen, am Boden oder an der Oberfläche des Fluids absetzen. Auf diese Weise können Elemente, die eine kleinere oder eine größere Dichte als das Fluid aufweisen, einfach und effektiv von dem Fluid getrennt werden.
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In einer Ausführungsform weist die erste Filtereinheit mehrere Absetzräume aufweist, die durch Fluidverbindungen in Reihe miteinander verbunden sind, so dass das Fluid nacheinander durch die Absetzräume strömt. Durch eine derartige serielle Anordnung mehrerer Absetzräume können Elemente mit hoher und geringer Dichte besonders effektiv und gründlich von dem Fluid getrennt werden.
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In einer Ausführungsform sind die Absetzräume als konzentrische, ineinander angeordnete Ringe ausgebildet. Dies ermöglicht eine besonders platzsparende Anordnung und effektive Verbindung der Absetzräume.
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In einer Ausführungsform ist die zweite Filtereinheit im Zentrum des innersten, ringförmig ausgebildeten Absetzraumes ausgebildet. Auf diese Weise ist die zweite Filtereinheit besonders platzsparend angeordnet, was eine besonders kompakte Bauform der Filtervorrichtung ermöglicht.
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In einer Ausführungsform sind die erste und die zweite Filtereinheit durch eine wenigstens teilweise gekrümmt ausgebildete Fluidverbindung miteinander verbunden, um Fluid von der ersten Filtereinheit in die zweite Filtereinheit zu führen. In einer gekrümmten Fluidverbindung werden faserartige Elemente, die zusammen mit dem Fluid durch die gekrümmte Fluidverbindung aus der ersten in die zweite Filtereinheit gelangen, im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung des Fluids ausgerichtet. Parallel zur Strömungsrichtung des Fluids ausgerichtete faserartige Elemente können von der zweiten Filtereinheit besonders effektiv zurückgehalten und aus dem Fluid entfernt werden.
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In einer Ausführungsform umfasst die zweite Filtereinheit einen 2D-Filter und/oder einen 3D-Filter. Ein 3D-Filter ist besonders gut geeignet, um faserartige Elemente sehr effektiv aus dem Fluid herauszufiltern. Da in einer erfindungsgemäßen Filtervorrichtung viele Schmutzpartikel bereits von der ersten Filtereinheit zurück gehalten worden sind, bevor das Fluid in die zweite Filtereinheit gelangt, ist die Gefahr des Verstopfens eines in der zweiten Filtereinheit eingesetzten 3D-Filters gegenüber einer Filtervorrichtung, wie sie im Stand der Technik bekannt ist, erheblich reduziert. Der 3D-Filter kann daher deutlich kleiner als in einer herkömmlichen Filtervorrichtung ausgebildet sein.
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Da die Anforderungen an die zweite Filtereinheit aufgrund der vorgeschalteten ersten Filtereinheit gegenüber einer herkömmlichen Filtervorrichtung reduziert sind und die faserartigen Elemente aufgrund des gekrümmten Zulaufs geeignet ausgerichtet sind, wenn sie in die zweite Filtereinheit gelangen, kann die zweite Filtereinheit auch als kostengünstiger 2D-Filter ausgebildet sein.
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In einer Ausführungsform sind in einer Wandung der zweiten Filtereinheit Filteraustrittsöffnungen ausgebildet, die so angeordnet sind, dass sie einer Gehäusewand unmittelbar gegenüberliegen. Durch die den Filteraustrittsöffnungen gegenüberliegende Gehäusewand wird ein Austreten von faserartigen Elementen durch die Filteraustrittsöffnungen erheblich erschwert, da sich die faserartigen Elemente stark krümmen müssen, um in den schmalen Raum zwischen der Wandung der zweiten Filtereinheit und der umgebenden Gehäusewand austreten zu können, wodurch die Filterwirkung noch weiter erhöht wird.
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In einer Ausführungsform ist das Filtergewebe der zweiten Filtereinheit in eine vorgegebene Steg-Struktur eingepasst, um den gewünschten geringen Abstand zwischen den Filteraustrittsöffnungen und der Gehäusewand zu realisieren.
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Alternativ kann die zweite Filtereinheit einen inneren Filtersack umfassen, der in einen äußeren Filtersack eingelegt ist. Auch in diesem Fall wird das Austreten von faserartigen Elementen erheblich erschwert, da die faserartigen Elemente sich stark krümmen müssten, um durch die versetzt zueinander angeordneten Öffnungen, die im inneren und im äußeren Filtersack ausgebildet sind, austreten zu können.
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Eine Filtervorrichtung, die wie zuvor beschrieben, eine erste und eine zweite Filtereinheit aufweist, kann bei Bedarf um einen zusätzlichen, druckseitigen Feinfilter ergänzt werden, um auch feinste Elemente, welche die erste und die zweite Filtereinheit passiert haben, herauszufiltern.
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Da die größeren und faserartigen Elemente in diesem Fall bereits von der ersten bzw. der zweiten Filtereinheit entfernt worden sind, bevor das Fluid in das Feinfilter gelangt, ist die Gefahr des Verstopfens des Feinfilters erheblich reduziert. Der Feinfilter kann daher mit einer gegenüber dem Stand der Technik reduzierten Größe ausgebildet sein und weist dennoch erheblich längere Wartungsintervalle auf.
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Figurenbeschreibung
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand des in den beigefügten Figuren gezeigten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 eine schematische Ansicht eines Einspritz- und Dosiersystems;
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2 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Filtervorrichtung;
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3 eine schematische Querschnittansicht einer zweiten Filtereinheit; und
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4 eine schematische Längsschnittansicht einer zweiten Filtereinheit.
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1 zeigt eine schematische Ansicht eines Einspritz- und Dosiersystems mit einer erfindungsgemäßen Filtervorrichtung 34.
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Ein flüssiges Reduktionsmittel 32 wird über eine Saugleitung 31 aus einem Tank 30 entnommen und durch eine erfindungsgemäße Filtervorrichtung 34, die ein erstes Filterelement 36 und ein zweites Filterelement 38 aufweist, die in Reihe miteinander verbunden sind, einer Förderpumpe 40 zugeführt.
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Die Förderpumpe 40 ist ausgangsseitig über eine Druckleitung 41 mit einer Einspritz-/und Dosiervorrichtung 48 verbunden, die an einem in der 1 nicht gezeigten Abgasstrang angebracht und ausgebildet ist, um das ihr von der Förderpumpe 40 zugeführte Reduktionsmittel 32 in den Abgasstrang einzuspritzen, wo es mit den durch den Abgasstrang strömenden Abgasen reagiert, um die in den Abgasen enthaltenen Schadstoffe zu reduzieren.
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Ein Drucksensor 46 misst den Druck des Reduktionsmittels 32 in der Druckleitung 41 zwischen der Förderpumpe 40 und Dosierventil 48.
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Von der Druckleitung 41 zweigt eine mit einer Drossel 44 versehene Rücklaufleitung 42 ab. Die Rücklaufleitung 42 mündet unmittelbar vor dem Eingang der Förderpumpe 40 in deren Zulaufleitung 37, so dass das bereits gefilterte Fluid nicht ein zweites Mal durch die Filtervorrichtung 34 geführt wird.
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Das System wird in der Regel mit einem konstanten Systemdruck betrieben, der durch die Wahl der Schaltfrequenz bzw. der Drehzahl der Pumpe 40 einstellbar ist.
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2 zeigt eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Filtervorrichtung 34.
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Die Filtervorrichtung 34 weist zwei Filtereinheiten 36, 38 auf, die, wie in der 1 schematisch gezeigt, funktionell in Reihe miteinander verbunden sind.
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Die erste Filtereinheit 36 ist ausgebildet, um im Wesentlichen kugelförmige Schmutzpartikel 5, 7, die sich aufgrund der Schwerkraft am Boden oder im oberen Bereich des Fluids absetzen, zu entfernen.
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Die zweite Filtereinheit 38 ist ausgebildet, um faserartige Elemente, wir z.B. Zellulose, vom dem Fluid zu separieren. Da die im Wesentlichen kugelförmigen Schmutzpartikel 5, 7 bereits in der ersten Filtereinheit 36 entfernt worden sind und daher die zweite Filtereinheit 38 nicht verstopfen können, kann die zweite Filtereinheit 38 entsprechend kleiner und einfacher aufgebaut sein.
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Die Wirkungsweise einer erfindungsgemäßen Filtervorrichtung 34 gemäß dem in der 2 gezeigten Ausführungsbeispiel wird im Folgenden beschrieben.
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Aufgrund intensiver Schwappbewegungen des Reduktionsmittels 32 im Tank 30, die durch die Bewegung des Fahrzeugs im Fahrbetrieb verursacht werden, sind die im Reduktionsmittel 32 enthaltenen Verunreinigungselemente 5, 7, 9 in der Regel in einem Schwebezustand, wenn das Reduktionsmittel 32 aus dem Tank 30 entnommen wird. Dieser Schwebezustand wird in der ersten Filtereinheit 36 zunächst unterbunden.
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Dazu wird das flüssige Reduktionsmittel 32 zunächst über einen in die Decke 13 der ersten Filtereinheit 36 mündenden Zulauf 2 in einen Beruhigungsraum 4 gepumpt. Der Zulauf 2 hat in seinem unteren Bereich mehrere Querbohrungen 3, durch die das flüssige Reduktionsmittel 32 in den Beruhigungsraum 4 strömt. Im Beruhigungsraum 4 wird das Schwappen des flüssigen Reduktionsmittels 32 unterbunden, so dass sich die Verunreinigungselemente 5, 7, die eine geringere bzw. höhere Dichte als das Fluid haben, durch die Schwerkraft von dem Fluid separieren.
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Erste Verunreinigungselemente 5, die eine geringere Dichte als das Reduktionsmittel 32 haben, schweben dabei nach oben und sammeln sich unter der Decke 1a des Beruhigungsraumes 4. Das Fluid mit den darin noch verbliebenen Verunreinigungselementen 7, 9 tritt in ein Labyrinth 6 ein. Der Eintritt 6a zum Labyrinth 6 hat einen gewissen Abstand von der Decke 1a, so dass die ersten Verunreinigungselemente 5, die sich an der Decke 1a sammeln, nicht zusammen mit dem Fluid in das Labyrinth 6 eintreten.
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Das Labyrinth 6 weist mehrere, im Wesentlichen kreisrunde Schmutzkammern 6b auf, die konzentrisch um eine Achse A ausgebildet sind. Ringförmige Schmutzkammern 6b sind besonders einfach herstellbar; eine kreisförmige Ausbildung der Schmutzkammern 6b ist jedoch nicht notwendig für die Funktion der Erfindung. Die Schmutzkammern 6b können daher auch mehreckig (polygonal), im Wesentlichen ellipsenförmig oder ähnlich ausgebildet sein.
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Das Labyrinth 6 hat Verbindungsöffnungen bzw. Verbindungskanäle 8, die im Wesentlichen in radialer Richtung verlaufen und die Schmutzkammern 6b miteinander verbinden, um eine Fluidströmung zwischen den Schmutzkammern 6b zu ermöglichen. Die Verbindungsöffnungen bzw. Verbindungskanäle 8 sind im oberen Bereich der Schmutzkammern 6b ausgebildet, so dass sich „schwere“ Schmutzpartikel 7, die eine höhere Dichte als das Reduktionsmittel 32 haben, in den Schmutzkammern 6b ablagern, sedimentieren und nicht zusammen mit dem Fluid durch die Verbindungsöffnungen bzw. Verbindungskanäle 8 in die nächstinnere Schmutzkammer 6b gelangen.
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Die erste Filtereinheit 36 hat ein einfaches Kunststoffgehäuse 1, das ggf. Bestandteil der Heizung oder der Pumpe 40 sein kann und somit keine zusätzlichen Kosten verursacht. Die erste Filtereinheit 36 kann auch als Schmutzfalle bezeichnet werden.
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Zellulose und andere Fasern 9 schweben nach wie vor im flüssigen Reduktionsmittel 32 wenn es von der ersten Filtereinheit 36 in die zweite Filtereinheit 38 gelangt.
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Die zweite Filtereinheit 38 kann als 3D-Filter ausgebildet sein. Da viele Schmutzpartikel 5, 7 bereits von der ersten Filtereinheit 36 entfernt worden sind, ist für die zweite Filtereinheit 36 ein kleiner 3D-Filter ausreichend, da Fasern 9 allein nicht zum Verstopfen eines 3D-Filters führen. Das Verstopfen erfolgt immer in Verbindung mit im Wesentlichen kugelförmigen Partikeln 5, 7, die in das 3D-Gewebe eindringen und seine Zwischenräume verstopfen. Faserartige Elemente 9 dagegen lagern sich lediglich auf der Oberfläche des 3D-Filters ab und bilden dort einen Filz, der ein zusätzliches Filtergewebe darstellt. Da die im Wesentlichen kugelförmigen Partikel 5, 7 bereits durch die erste Filtereinheit 36 herausgefiltert worden sind, kann die zweite Filtereinheit 38 als relativ kleiner 3D-Filter ausgebildet werden.
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Die zweite Filtereinheit 38 kann alternativ auch aus einem kostengünstigen 2D-Filter, d.h. als Sieb, ausgebildet werden. In diesem Fall muss dafür gesorgt werden, dass die Fasern 9 nicht senkrecht auf das Filtergewebe auftreffen und so in die Öffnungen der zweiten Filtereinheit 38 einfädeln. Bei einem senkrechten Auftreffen könnten sich die Fasern sonst infolge der Strömung allmählich durch die siebförmige Struktur zwängen.
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In dem in der 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die zweite Filtereinheit 38 als sogenanntes Hutfilter ausgebildet.
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Die zweite Filtereinheit 38 hat einen gekrümmten Einlauf 10, der den Ausgang der ersten Filtereinheit 36, d.h. den Ausgang der innersten und letzten Schmutzkammer 6b, mit dem Eingang der zweiten Filtereinheit 38 verbindet.
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Sind faserartige Elemente 9 zu Beginn des Einlaufes 10 noch parallel zur Strömungsrichtung ausgerichtet, so werden sie im Folgenden durch die Strömung und die Wandung 11 des Einlauf 10 längs zur Strömungsrichtung ausgerichtet.
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Beim Eintritt in die zweite Filtereinheit 38 sind die faserartigen Elemente 9 somit im Wesentlichen parallel zu den Filteröffnungen der zweiten Filtereinheit 38 ausgerichtet, so dass sie nicht in die Filteröffnungen einfädeln und aus der zweiten Filtereinheit 38 austreten können. Sie wandern daher weiter bis zum geschlossenen Boden 39 am unteren Ende der zweiten Filtereinheit 38. Hier sammeln sich die faserartigen Elemente 9 und bilden einen Faserfilz 12, der nicht filtergängig ist. Aufgrund dieser Filzbildung hat die zweite Filtereinheit 38 eine sehr lange Lebensdauer.
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Zur Verbesserung der Effizienz der zweiten Filtereinheit 38 ist es vorteilhaft, wenn die zylinderförmig ausgebildete Filterwandung 16 in einem geringen Abstand zu der umlaufenden Gehäusewand 15 verläuft. Dann müssen sich faserartige Elemente 9, die eventuell doch in die Filteröffnungen eingefädelt sind, entgegen der Strömungsrichtung sehr stark krümmen, um die Filterwandung 16 passieren zu können. Dies ist sehr unwahrscheinlich, so dass die Filterwirkung der zweiten Filtereinheit 38 noch weiter erhöht wird.
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Um den gewünschten geringen Abstand zwischen der Filterwandung 16 und der Gehäusewand 15 zu realisieren, kann das Filtergewebe 14 zwischen Kunststoffstege 13 gespritzt werden, wie es in der 3 gezeigt ist. Die Kunststoffstege 13 sorgen hierbei für einen definierten, vorzugsweise geringen, Abstand zwischen der Filterwandung 16 und der Gehäusewand 15.
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Alternativ kann, wie in der 4 gezeigt, ein erster, innerer Filtersack 14 in einen zweiten, äußeren Filtersack 14 eingelegt werden, der direkt an der inneren Filterwandung 16 anliegt und die langen Fasern 9 zwingt, sich entgegen der Strömungsrichtung sehr scharf zu krümmen, um die Kombination der beiden Filtersäcke 14, 16 zu passieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010029334 A1 [0009]
- DE 102010063207 A1 [0010]
