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Technisches Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Filtermodul mit Hohlfasern, die zwischen zwei Pottungen eingespannt sind, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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Ein derartiges Filtermodul ist aus der
WO 2013/100677 A1 bekannt. Das Filtermodul wird als Befeuchtungseinrichtung zur Feuchtigkeitsanreicherung eines trockenen Luftstromes eingesetzt, indem wasserdampfdurchlässige Hohlfasern des Filtermoduls, durch die der trockene Luftstrom geleitet wird, in Radialrichtung von einem mit Feuchtigkeit angereichertem Luftstrom angeströmt werden. Das Filtermodul weist eine Filtereinheit auf, die in ein aufnehmendes Filtergehäuse eingesetzt ist und zahlreiche Hohlfasern umfasst, die zwischen zwei stirnseitigen Pottungen eingespannt sind. Die Pottungen sind über Dichtringe, die sich am Außenumfang der Pottung erstrecken, gegenüber der Gehäuseinnenwand des Filtergehäuses abgedichtet.
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Das Dichtungselement kann eine Ausgleichs- bzw. Kompensationsfunktion übernehmen, um thermische Längenänderungen des Filtergehäuses bzw. der Pottungen zu kompensieren. Gemäß einer ersten Ausführungsvariante der
WO 2013/100677 A1 liegt die Außenwand der ringförmigen Pottung an der Gehäuseinnenwand an und befindet sich das umlaufende Dichtungselement nur im Bereich einer axialen Stirnseite der Pottung; falls versehentlich ein Reibschluss zwischen der Pottung und der Gehäuseinnenwand auftritt, ist kein Längenausgleich möglich.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante erstreckt sich das Dichtungselement über die gesamte radiale Außenseite der Pottung. Der Dichtkörper des Dichtungselementes zwischen der Pottung und der Gehäuseinnenwand ist dünnwandig ausgebildet, so dass axiale Längenänderungen nur in einem sehr geringen Umfang von dem Dichtungselement ausgeführt werden können und die Gefahr besteht, dass axiale Kräfte zu einer Zerstörung der Hohlfasern führen.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen konstruktiven Maßnahmen ein Filtermodul mit Hohlfasern so auszubilden, dass eine Kompensation von Längenänderungen möglich ist und eine Funktionsbeeinträchtigung des Filtermoduls vermieden wird.
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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 Filtermodul kann als Befeuchtungseinrichtung eingesetzt werden, um einen Gasstrom mit Feuchtigkeit anzureichern. Das Filtermodul wird zum Beispiel als Befeuchtungseinrichtung für die einer Brennstoffzelle zuzuführenden Luft eingesetzt.
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Das Filtermodul umfasst ein Filtergehäuse und eine in das Filtergehäuse einsetzbare Filtereinheit, welche eine Vielzahl von Hohlfasern umfasst, deren Wandungen wasserdampfdurchlässig ausgebildet und die axial zwischen zwei Pottungen eingespannt sind. Die Hohlfasern können gegebenenfalls zu Bündeln zusammengefasst sein, wobei jedem Bündel zwei stirnseitige, axial gegenüberliegende Pottungen zugeordnet sind und die Pottungen der Faserbündel jeweils in einem gehäuseseitigen Bauteil, beispielsweise einem Rahmen mit Raster, aufgenommen sind. Im Falle einer einzelnen Pottung pro Seite stützt sich diese vorzugsweise ohne zusätzliches Gehäusebauteil an der Gehäuseinnenwand ab.
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Um eine Längenänderung zwischen Filtereinheit und Filtergehäuse bzw. dem aufnehmenden Gehäusebauteil kompensieren zu können, insbesondere aufgrund thermisch bedingter Dehnungen bzw. Kontraktionen in Achslängsrichtung, befindet sich zwischen einer Pottung und dem Filtergehäuse bzw. dem aufnehmenden Gehäusebauteil ein Kompensationselement, das einen Längenausgleichsabschnitt aufweist. Das Kompensationselement ist einerseits fest mit dem Filtergehäuse bzw. dem aufnehmenden Gehäusebauteil und andererseits fest mit der Pottung verbunden. Das Kompensationselement ist vorzugsweise ringförmig ausgebildet und schließt den zwischen den beiden Pottungen liegenden Raum strömungsdicht von dem axial außerhalb des Kompensationselementes liegenden Raum ab. Das Kompensationselement übernimmt somit zusätzlich zum Längenausgleich auch eine Dichtfunktion, so dass auf ein zusätzliches Dichtungselement verzichtet werden kann. Außerdem hat das Kompensationselement die Aufgabe, die Pottung einzufassen und einzurahmen und die Pottung gegenüber dem aufnehmenden Gehäusebauteil bzw. der Gehäuseinnenwand abzustützen.
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Mithilfe des Kompensationselementes ist es möglich, thermisch bedingte Längenänderungen auszugleichen. Insbesondere die Hohlfasern, aber auch das aufnehmende Filtergehäuse und die Pottungen dehnen sich bzw. kontraktieren bei thermischen Änderungen, wobei relative, axiale Längenänderungen zwischen der im Filtergehäuse aufgenommenen Filtereinheit und dem Filtergehäuse über das Kompensationselement ausgeglichen werden. Die Hohlfasern werden hierdurch von axialen Kräften entlastet, so dass die Gefahr einer Zerstörung der Hohlfasern signifikant reduziert ist.
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Das Kompensationselement weist einen Längenausgleichsabschnitt auf, der sich zwischen der Verbindungsstelle von Filtergehäuse oder aufnehmendem Gehäusebauteil zum Kompensationselement einerseits und der Verbindungsstelle von Kompensationselement zur Pottung andererseits befindet. Der Längenausgleichsabschnitt liegt somit zwischen den Verbindungsstellen und überbrückt die Verbindungsstellen. Die Längenänderung wird von dem Längenausgleichsabschnitt durchgeführt, so dass die Verbindungsstellen des Kompensationselementes zum Filtergehäuse und zur Pottung keine Relativbewegung durchführen müssen; die Relativbewegung wird in erster Linie, vorzugsweise ausschließlich von dem Längenausgleichsabschnitt des Kompensationselementes durchgeführt. Dieser ist insbesondere einteilig mit den Verbindungsstellen des Kompensationselementes ausgebildet.
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Der Längenausgleichsabschnitt des Kompensationselementes weist, gemäß vorteilhafter Ausführung, eine verformbare Wandung auf, die durch ihre konstruktive Ausführung in der Lage ist, die gewünschte Längenkompensation durchzuführen. Der Längenausgleichsabschnitt ist beispielsweise als eine verformbare Wandung mit reduzierter Stärke nach Art eines Filmscharniers ausgeführt.
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Es kann vorteilhaft sein, an der Gehäuseinnenwand einen radial nach innen vorstehenden Anschlag anzuordnen, der die axiale Stellbewegung des Kompensationselementes begrenzt. Der nach innen vorstehende Anschlag ist beispielsweise als Umlaufringschulter ausgeführt, die in die Gehäuseinnenwand eingebracht ist. Das Kompensationselement stößt vorzugsweise mit einem Anschlagsblock gegen den Anschlag an der Gehäuseinnenwandseite, wobei der Anschlagsblock einteilig mit dem Kompensationselement ausgebildet und insbesondere als fest an der Pottung angeordnete Verbindungsstellen ausgeführt ist.
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Das ringförmige Kompensationselement befindet sich vorteilhafterweise an der Außenseite der Pottung und umgreift diese. Dies hat den Vorteil, dass das Kompensationselement zugleich eine radiale Abstützung und Führung gegenüber der Gehäuseinnenwand bildet und ein unmittelbarer Kontakt zwischen der Pottung und der Gehäuseinnenwand vermieden wird. Das Kompensationselement kann hierbei so dimensioniert sein, dass ein Ringspalt zwischen der Außenseite des Kompensationselementes und der Gehäuseinnenwand verbleibt, der eine zumindest weitgehende kräftefreie axiale Längenausgleichsbewegung ermöglicht. In Betracht kommt aber auch eine Ausführung, bei der das Kompensationselement an der Gehäuseinnenwand anliegt, so dass in Radialrichtung eine spielfreie Abstützung gegeben ist.
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Gemäß weiterer vorteilhafter Ausführung ist lediglich eine Pottung über ein Kompensationselement mit dem aufnehmenden Gehäusebauteil bzw. dem Filtergehäuse verbunden, nicht jedoch die zweite, axial gegenüberliegende Pottung, welche bevorzugt fest und ohne axialen Längenausgleich mit dem Filtergehäuse verbunden ist. Hierbei kommen sowohl Ausführungen in Betracht, bei denen die zweite Pottung in beide Achsrichtungen fest am Filtergehäuse gehalten ist als auch Ausführungen, bei denen lediglich in eine Achsrichtung eine feste Verbindung zum Filtergehäuse gegeben ist, nicht jedoch in die entgegengesetzte Achsrichtung. Dies erlaubt es beispielsweise, die Filtereinheit mit Hohlfasern und Pottungen über eine offene Stirnseite in das aufnehmende Filtergehäuse einzuführen und die dem Boden des Filtergehäuses benachbarte Pottung an einem radial nach innen vorstehenden Absatz an der Gehäuseinnenwand abzustützen. Des Weiteren ist es auch möglich, eine Pottung an der axial außenliegenden Stirnseite des aufnehmenden Gehäuses abzustützen.
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Das Kompensationselement ist beispielsweise als ein Kunststoffbauteil ausgeführt, zum Beispiel als Thermoplast wie Polypropylen.
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Die feste Verbindung zwischen dem Kompensationselement und dem Filtergehäuse bzw. dem aufnehmenden Gehäusebauteil erfolgt vorzugsweise mittels Schweißen, beispielsweise durch Ultraschallschweißen. Die feste Verbindung mit dem Kompensationselement und der Pottung kann mittels Verkleben hergestellt werden.
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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 ein Filtermodul im Längsschnitt, mit einer Filtereinheit, welche Hohlfasern zwischen stirnseitigen Pottungen umfasst, wobei die Filtereinheit in ein Filtergehäuse eingesetzt ist, mit einem Kompensationselement im Bereich einer Pottung,
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2 ein Filtermodul in einer weiteren Ausführung im Längsschnitt,
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3 ein weiteres Filtermodul im Längsschnitt.
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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 den 1 bis 3 ist jeweils ein Filtermodul 1 gezeigt, das beispielsweise als Befeuchtungseinrichtung zur Anfeuchtung der einer Brennstoffzelle zuzuführenden Luft eingesetzt werden kann. Das Filtermodul 1 besteht aus einem Filtergehäuse 2 und einer in das Filtergehäuse 2 einsetzbaren Filtereinheit 3, die eine Vielzahl von Hohlfasern 4 sowie stirnseitige Pottungen 5 und 6 umfasst, in denen die Hohlfasern 4 fest aufgenommen sind. Die Hohlfasern 4 bestehen vorzugsweise aus Polymer, wobei auch eine Ausführung aus einem anderen Material wie zum Beispiel Keramik in Betracht kommt. Das Material der Hohlfasern ist wasserdampfdurchlässig ausgeführt.
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In die sich parallel zur Längsachse 7 des Filtermoduls 1 erstreckenden Hohlfasern 4 wird gemäß Pfeil 8 ein trockener Luftstrom eingeleitet. Zugleich wird durch Ausnehmungen 10, die in die Wandung des Filtergehäuses 2 eingebracht sind, in Radialrichtung ein feuchter Luftstrom gemäß den Pfeilen 9 in das Innere des Filtergehäuses 2 eingeleitet. Die Feuchtigkeit aus dem feuchten Luftstrom 9 kann durch die wasserdampfdurchlässigen Wandungen in die Hohlfasern 4 eintreten, so dass die Feuchtigkeit von dem axialen Luftstrom in den Hohlfasern 4 aufgenommen wird.
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Die erste Pottung 5 ist über ein Kompensationselement 11 mit der Wandung des Filtergehäuses 2 verbunden. Das Kompensationselement 11 besteht aus einem Kunststoff wie zum Beispiel einem Thermoplast und hat die Aufgabe, eine Längenkompensation zwischen dem aufnehmenden Filtergehäuse 2 und der eingesetzten Filtereinheit 3 durchzuführen. Zusätzlich kommt dem Kompensationselement 11 die Aufgabe zu, die Pottung 5 gegenüber dem Filtergehäuse 2 abzudichten. Schließlich dient das Kompensationselement 11 auch zur Führung und Abstützung der Pottung 5 in Radialrichtung gegenüber dem Filtergehäuse 2.
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Das Kompensationselement 11 ist ringförmig ausgeführt und befindet sich an der radial außen liegenden Seite der Pottung 5. Das Kompensationselement 11 weist einen ersten Verbindungsabschnitt 11a auf, der fest an der radial außen liegenden Seite der Pottung 5 liegt, einen zweiten Verbindungsabschnitt 11c, der fest mit der Stirnseite des Filtergehäuses 2 verbunden ist sowie einen zwischenliegenden, die Verbindungsabschnitte 11a und 11c verbindenden, einteilig mit dem Verbindungsabschnitt ausgeführten Längenausgleichsabschnitt 11b. Der Längenausgleichabschnitt 11b besitzt eine dünnere Wandung, die eine Verformung des Längenausgleichabschnitt 11b und eine Relativbewegung zwischen den Verbindungsabschnitten 11a und 11c ermöglicht. Der erste Verbindungsabschnitt 11a ist beispielsweise durch Kleben mit der radial außen liegenden Seite der Pottung 5 verbunden, der zweite Verbindungsabschnitt 11c ist beispielsweise durch Verschweißen wie zum Beispiel Reibschweißen mit der Stirnseite des Filtergehäuses 2 verbunden.
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Der dünnwandige Längenausgleichsabschnitt 11b des Kompensationselementes 11 ist aufgrund seiner Beweglichkeit in der Lage, eine axiale Relativbewegung zwischen Filtergehäuse 2 und Filtereinheit 3 und damit auch zwischen den Verbindungsabschnitten 11a und 11c auszugleichen. Auf diese Weise werden beispielsweise thermisch bedingte Dehnungen und Kontraktionen zwischen dem Filtergehäuse 2 und der Filtereinheit 3 über den Längenausgleichsabschnitt 11b kompensiert, so dass die empfindlichen Hohlfasern 4 von Längskräften entlastet sind, welche auf die thermisch bedingten Kontraktionen und Dehnungen zurückgehen, und die Gefahr einer Beschädigung der Hohlfasern 4 signifikant reduziert ist. Zugleich ist der Innenraum im Filtergehäuse 2, in den gemäß den Pfeilen 9 der feuchte Luftstrom eingeleitet wird, über das Kompensationselement 11 strömungsdicht von der Umgebung abgedichtet.
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Der Verbindungsabschnitt 11a des Kompensationselementes 11, der sich an der radial außen liegenden Seite der Pottung 5 befindet, bildet außerdem einen Führungs- und Abstützblock zur radialen Führung der Pottung 5 an der Gehäuseinnenwand und zur axialen Abstützung und Längenbegrenzung an einem Absatz 12, der als umlaufende Ringschulter an der Gehäuseinnenwand ausgebildet ist und die axiale Kontraktionsbewegung der Filtereinheit 3 begrenzt. Die Pottung 5 kann axial nur soweit in Richtung auf die gegenüberliegende Pottung 6 bewegt werden, bis der blockförmige Verbindungsabschnitt 11a in Anlage mit dem Absatz 12 an der Gehäuseinnenwand gelangt.
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Die drei Ausführungsbeispiele gemäß den 1 bis 3 weisen jeweils ein identisch aufgebautes Kompensationselement 11 an der ersten Pottung 5 auf. Unterschiedlich ist jedoch die Halterung und Aufnahme der zweiten, axial gegenüberliegenden Pottung 6 im Filtergehäuse 2 ausgeführt.
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Gemäß 1 ist die Pottung 6 unmittelbar in das Filtergehäuse 2 eingepottet und somit fest mit dem Filtergehäuse 2 verbunden. Die Pottung 6 kann an ihrer radial außen liegenden Seite einen radial überstehenden, ringförmig umlaufenden Vorsprung 13 aufweisen, der in eine entsprechende Nut an der Gehäuseinnenwand einragt.
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Gemäß 2 befindet sich an der radial außen liegenden Seite der Pottung 6 ein Rahmenteil 14, welches beispielsweise als Kunststoffbauteil ausgeführt und vorzugsweise fest mit der Pottung 6 verbunden ist. Das ringförmig umlaufende Rahmenteil 14 weist einen winkelförmigen Querschnitt auf und umgreift mit einem Schenkel die axiale Stirnseite des Filtergehäuses 2. Das Rahmenteil 14 ist ebenfalls fest mit dem Filtergehäuse 2 verbunden, beispielsweise durch Schweißen.
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Auch im Ausführungsbeispiel gemäß 3 befindet sich an der zweiten Pottung 6 ein umlaufendes, ringförmiges Rahmenteil 14, das fest mit der Pottung 6 verbunden ist. Die Filtereinheit 3 ist als Einsteckeinheit ausgeführt und wird axial in das Filtergehäuse 2 eingeführt. Am Filtergehäuse 2 befindet sich ein weiterer, radial nach innen einragender Absatz 15, der einen Anschlag für das Rahmenteil an der Pottung 6 bildet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2013/100677 A1 [0002, 0003]
