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Technisches Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Filterelement für eine Filtereinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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In der
WO 2010/129234 A2 wird ein elektrisches Heizelement beschrieben, das auf einer Trägermatrix eine Vielzahl von Fasern aufweist, welche mit Carbon Nanotubes (CNT) beschichtet sind. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung erwärmt sich die CNT-Schicht, wodurch der Heizeffekt erzielt wird. Das Grundmaterial der Fasern besteht aus Polyamid, Graphit, Glas, Metall oder Keramik. Die Trägermatrix ist aus einem Harz gefertigt oder besteht aus Polyester oder Keramik.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Maßnahmen ein elektrisch beheizbares Filterelement für eine Filtereinrichtung zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Das erfindungsgemäße Filterelement für eine Filtereinrichtung ist elektrisch beheizbar ausgebildet. Zu diesem Zweck weist das Filterelement eine Vielzahl von Fasern auf, die mit einem elektrisch beheizbaren Material versehen sind. Bei der erfindungsgemäßen Ausführung sind die Fasern aus einer Kernfaser und einer Mantelfaser aufgebaut, wobei die Mantelfaser das elektrisch beheizbare Material aufweist.
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Diese Ausführung ermöglicht vielfältige Anwendungen. Die Materialien der Kernfaser und der Mantelfaser können sich voneinander unterscheiden, um die Eigenschaften bzw. das Verhalten des Filterelementes in einer gewünschten Weise zu beeinflussen. Vorteilhaft ist des Weiteren, dass verhältnismäßig wenig elektrisch beheizbares Material benötigt wird und dennoch eine ausreichende Heizleistung durch Anlegen einer elektrischen Spannung an das Filterelement erzeugt werden kann. Gemäß bevorzugter Ausführung ist ausschließlich die Mantelfaser, welche die Kernfaser umschließt, mit dem elektrisch heizfähigen Material versehen, nicht jedoch die Kernfaser. Gleichwohl ist es in einer alternativen Ausführung auch möglich, dass sowohl die Kernfaser als auch die Mantelfaser mit elektrisch heizfähigem Material versehen sind, wobei sich gegebenenfalls die Konzentration des elektrisch beheizbaren Materials in Kern- und Mantelfaser voneinander unterscheiden kann.
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Die unterschiedlichen Materialien von Kern- und Mantelfaser beziehen sich auf das jeweilige Grundmaterial, aus dem die Kern- bzw. die Mantelfaser besteht, also ungeachtet einer Beimischung von elektrisch beheizbarem Material. Der Unterschied betrifft zumindest einen Materialparameter, vorzugsweise den Schmelz- bzw. Zersetzungspunkt. Die Fasern bestehen vorteilhafterweise jeweils aus einem Kunststoffmaterial, insbesondere einem Polymer, wobei über die unterschiedlichen Schmelz- bzw. Zersetzungspunkte eine thermische Sicherung erreicht werden kann. Vorteilhafterweise besitzt die Kernfaser einen höheren, gegebenenfalls einen signifikant höheren Schmelz- bzw. Zersetzungspunkt als die umgebende Mantelfaser, wodurch ein Überheizen verhindert werden kann, ohne die gesamte Struktur des Filterelementes zu zerstören. Im Falle einer Fehlfunktion, die zum Überschreiten der gewünschten Heiztemperatur führt, schmilzt zunächst die Mantelfaser mit niedrigerem Schmelz- bzw. Zersetzungspunkt, wohingegen die Kernfaser aufgrund ihres höheren Schmelz- bzw. Zersetzungspunktes intakt bleibt. Durch das Schmelzen der Mantelfaser wird der Stromfluss durch das elektrisch beheizbare Material, mit dem die Mantelfaser versehen ist, unterbrochen, wodurch ein weiteres Aufheizen ausgeschlossen ist.
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Grundsätzlich möglich ist auch eine Unterscheidung der Materialien von Kernfaser und Mantelfaser in einem anderen Parameter, beispielsweise der Festigkeit. Gegebenenfalls werden Materialien verwendet, die sich in einer Mehrzahl von Parametern unterscheiden, beispielsweise sowohl im Schmelz- bzw. Zersetzungspunkt als auch in der Festigkeit.
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Das elektrisch beheizbare Material ist entweder in das Grundmaterial der Mantelfaser eingebracht, beispielsweise in Form einzelner Partikel oder Fasern bzw. Teilchen mit faserähnlicher Struktur. Möglich ist auch eine Beschichtung der Mantelfaser mit dem elektrisch beheizbaren Material, also ein Aufbringen des elektrisch beheizbaren Materials auf die Oberfläche der Mantelfaser.
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Als Material für das elektrisch beheizbare Material kommt beispielsweise Carbon Nanotubes (CNT) in Betracht.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung sind die Mantelfasern benachbarter Fasern miteinander verbunden, wodurch die Stabilität des Filterelements verbessert wird. In Betracht kommt beispielsweise ein Verbinden mittels Thermobonding, bei dem die Mantelfasern unmittelbar benachbarter Fasern durch Anschmelzen teilweise verschmolzen werden. Diese Ausführung lässt sich vorteilhafterweise mit Fasern kombinieren, deren Kernfaser eine höhere Schmelztemperatur als die Mantelfaser aufweist. Zum Verbinden mittels Thermobonding werden die Mantelfasern lediglich geringfügig angeschmolzen, so dass die elektrische Leitfähigkeit nicht beeinträchtigt wird. Das Anschmelzen hat zudem keine negativen Auswirkungen auf die Kernfaser, welche eine höhere Schmelztemperatur besitzt.
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In Betracht kommt als Verbindung benachbarter Fasern auch beispielsweise ein Verkleben.
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Die Fasern können in einem einzigen Prozessschritt als Bikomponentenfasern hergestellt werden. Das elektrisch beheizbare Material wird entweder bereits vor der Herstellung der Faser in das Grundmaterial der Mantelfaser eingebracht oder nach dem Erzeugen der Faser als Beschichtung auf die Oberfläche der Mantelfaser aufgebracht.
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Im Filterelement können die einzelnen Fasern entweder regelmäßig oder unregelmäßig geordnet sein und ein zusammenhängendes Gewebe bilden, welches insbesondere mehrlagig bzw. mit mehreren Schichten von Fasern ausgebildet ist, die jeweils aus einer Kernfaser und einer Mantelfaser bestehen, wobei die Mantelfaser ein elektrisch beheizbares Material aufweist. Auch bei einem Durchschmelzen der Mantelfaser und einem damit einhergehenden Außerfunktionssetzen der elektrischen Beheizung bleibt die Kernfaser erhalten, so dass das Filterelement seine Filtrationswirkung weitgehend entfalten kann.
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Das Filterelement wird vorteilhafterweise in einem Kraftstofffilter wie zum Beispiel einem Dieselfilter für ein Kraftfahrzeug eingesetzt. Grundsätzlich kommen aber auch Anwendungen allgemein für Flüssigkeitsfilter und für Gasfilter in Betracht, beispielsweise für die Ansaugluft von Brennkraftmaschinen oder die Kabinenluft für Fahrzeuge. Bei der Beheizung von Kabinenluft über ein erfindungsgemäßes Filterelement kann zudem eine Aktivkohleschicht, welche zur Reinigung der der Kabinenluft zuzuführenden Frischluft dient, regeneriert werden. Ein weiteres Anwendungsgebiet sind Harnstofffilter, die zum Vermeiden des Gefrierens des in der Harnstofffilterlösung enthaltenen Wassers beheizbar sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 einen Schnitt durch eine Faser für ein Filterelement, bestehend aus einer inneren Kernfaser und einer äußeren Mantelfaser, wobei in die Mantelfaser ein elektrisch beheizbares CNT-Material eingebracht ist,
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2 zwei unmittelbar nebeneinanderliegende Fasern mit dem Aufbau gemäß 1, wobei die Fasern über ihre angeschmolzene Mantelfaser miteinander verbunden sind,
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3 in schematischer Darstellung eine Faser, deren Mantelfaser aufgrund Überhitzung abgeschmolzen ist,
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4 einen Schnitt durch ein Filterelement mit verschiedenen Lagen von Fasern, die gemäß 1 bzw. 2 aufgebaut sind.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In 1 ist ein Schnitt durch eine Faser 1 für ein Filterelement dargestellt, das in eine Filtereinrichtung einsetzbar ist, beispielsweise in einen Kraftstofffilter. Die Faser 1 besteht aus einer innen liegenden Kernfaser 2 und einer die Kernfaser 2 umhüllenden Mantelfaser 3, deren radiale Dicke kleiner ist als der Durchmesser der Kernfaser 2. Sowohl die Kernfaser 2 als auch die Mantelfaser 3 bestehen bevorzugt aus jeweils einem Polymer, das sich jedoch zumindest im Schmelz- bzw. Zersetzungspunkt voneinander unterscheidet. Das Polymer der Kernfaser 2 weist einen höheren Schmelz- bzw. Zersetzungspunkt als das Polymer der Mantelfaser 3 auf.
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Des Weiteren ist in das Polymermaterial der Mantelfaser 3 ein elektrisch beheizbares Material 4 in Form eines CNT-Materials (Carbon Nanotubes) eingebracht. Das elektrisch beheizbare Material sorgt für eine Erwärmung der Mantelfaser, wenn eine elektrische Spannung angelegt wird. Das elektrisch beheizbare Material liegt insbesondere in Form von dünnen Fasern bzw. einem Fasergeknäuel vor, das in die Wandung der Mantelfaser 3 eingebracht ist und sich in Längsrichtung der Faser 1 erstreckt. Das elektrisch beheizbare Material 4 befindet sich in Umfangsrichtung gesehen gleichmäßig verteilt in der Mantelfaser 3, so dass mit dem Anlegen einer elektrischen Spannung eine gleichmäßige Erwärmung stattfindet. Das Material der Kernfaser 2 enthält kein elektrisch beheizbares Material.
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Durch Anlegen einer elektrischen Spannung fließt ein Strom durch das elektrisch beheizbare Material, was zu einer Erwärmung in der Mantelfaser 3 führt. Soweit die Erwärmung unterhalb der Schmelztemperatur des Grundmaterials der Mantelfaser 3 liegt, kann ein Filterelement, welches aus Fasern 1 aufgebaut ist, zur Beheizung des zu filtrierenden Fluids eingesetzt werden.
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Aufgrund des höheren Schmelz- bzw. Zersetzungspunktes des Materials der Kernfaser 2 gegenüber dem Material der Mantelfaser 3 ist zugleich eine Überheizsicherung gegeben. Sollte die Schmelztemperatur in der Mantelfaser 3 durch Beheizen des elektrisch beheizbaren Materials 4 erreicht werden, beginnt das Material der Mantelfaser zu schmelzen, wodurch auch die durchgehende elektrisch leitfähige Verbindung über das beheizbare Material 4 unterbrochen und damit auch der Stromfluss durch die Faser 1 beendet wird. Dadurch kann zwar die in 3 dargestellte Situation auftreten, dass das Material der Mantelfaser 3 schmilzt; zugleich bleibt jedoch aufgrund des höheren Schmelz- bzw. Zersetzungspunktes die Kernfaser 2 erhalten, so dass die Filtrationseigenschaft des aus den Fasern 1 bestehenden Filterelementes erhalten bleibt.
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In 2 sind zwei unmittelbar nebeneinanderliegende Fasern 1 durch Anschmelzen der jeweiligen Mantelfaser 3 miteinander verbunden. Die Verschmelzung der Mantelfasern 3 betrifft jeweils nur ein kleines Winkelsegment von jeweils maximal 30°, vorzugsweise kleiner als 10°. Die elektrische Leitfähigkeit des beheizbaren Materials 4 wird durch die Schmelzverbindung nicht beeinträchtigt.
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In 4 ist ein Filterelement 5 dargestellt, das aus mehreren übereinanderliegenden Filterlagen 6 mit jeweils einer Mehrzahl parallel angeordneter und miteinander verbundener Fasern 1 besteht. Zur Verbesserung der Stabilität sind im Ausführungsbeispiel die Fasern 1 übereinanderliegender Filterlagen 6 jeweils um 90° zueinander gedreht. Die aufeinanderliegenden Filterlagen können jeweils miteinander verbunden sein, beispielsweise ebenfalls durch Anschmelzen der Mantelfasern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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