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Technisches Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Filterelement zur Gasfiltration, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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Bekannt sind Luftfilter mit einem Filterelement in einem Filtergehäuse, das eine in eine Gehäusewand integrierte Membrane aufweist, welche die Funktion hat, ein gewünschtes Klangbild im Fahrzeuginnenraum zu erzeugen. Hierbei werden Druckpulsationen über die Membrane verstärkt und beispielsweise über eine Schallleitung in den Fahrzeuginnenraum geleitet. Derartige Luftfilter sind beispielsweise aus der
EP 1 206 637 B1 ,
EP 2 172 640 A1 ,
EP 1 350 945 B1 ,
EP 1 111 228 A2 ,
JP 202266715 A2 und
DE 197 47 271 A1 bekannt. Aus der
DE 102 26 205 A1 ist eine Vorrichtung zur Beeinflussung des Schalls im Ansaugtrakt eines Verbrennungsmotors bekannt, bei der die einen Saugpuls verursachenden Betriebszustände im Ansaugtrakt und/oder am Verbrennungsmotor erfassbar und der Schall durch eine Beeinflussung der akustischen Verhältnisse im Ansaugtrakt verminderbar ist. Die Vorrichtung enthält eine steuerbare Schallquelle, wobei mechanische Bauteile eines Luftfilters im Ansaugtrakt derart als solche Schallquelle ausgebildet sind, dass der Luftstrom im Luftfilter zu akustischen Schwingungen anregbar ist. Die
DE 37 90 084 C2 zeigt eine Luftfiltervorrichtung, enthaltend ein erstes Filterelement mit einem ersten Filtermedium, ein zweites Filterelement mit einem zweiten Filtermedium, Mittel zum Halten des zweiten Filterelements an dem ersten Filterelement, wobei die einander gegenüberliegenden Oberflächen des zweiten und des ersten Filterelements eine Kammer mit einer Öffnung bilden, die in Luftstrom-Verbindung mit der Umgebung außerhalb der beiden Filterelemente steht, und eine Dichtungsplatte einer solchen Größe, dass sie die Öffnung abdeckt und an Oberflächen der Luftfilteranordnung abdichtend anliegt. Der
GB 2 480 274 A ist eine zusammengesetzte Luftfilter-und-Unterdruck/Druck-Ablassvorrichtung zu entnehmen, die eine Filterkartusche und eine Druck/Unterdruck-Ablasseinrichtung umfasst, wobei die Druck/Unterdruck-Ablasseinrichtung ein statisches Sitzelement sowie eine Membran umfasst, die sich zwischen einer ersten Form, einer zweiten Druckablass-Form und einer dritten Unterdruckablass-Form biegen kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Filterelement mit einfachen technischen Maßnahmen mit effizienter Schallverstärkung auszubilden.
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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 wird zur Gasfiltration für einen Luftfilter eingesetzt, beispielsweise für einen Luftfilter im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine. Das Filterelement weist einen Filtermediumkörper auf, der von dem zu filtrierenden Fluid zwischen einer Roh- und einer Reinseite durchströmt wird. Der Filtermediumkörper ist gekrümmt ausgeführt und schließt einen Strömungsraum zumindest teilweise, gegebenenfalls in Umfangsrichtung vollständig ein. Zusätzlich ist der Filtermediumkörper mit mindestens einer Endscheibe versehen, die einen Abschnitt des Filtermediumkörpers strömungsdicht abdeckt. Der Strömungsraum stellt vorzugsweise die Reinseite dar, wobei das gereinigte Fluid über den Strömungsraum abgeleitet wird. Es ist aber auch eine Durchströmung des Filtermediumkörpers in Gegenrichtung möglich, so dass der Strömungsraum die Rohseite bildet, von der aus der Filtermediumkörper in Richtung Reinseite durchströmt wird.
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Der Filtermediumkörper ist mit mindestens einer, gegebenenfalls mit zwei Endscheiben versehen, wobei mindestens eine Endscheibe eine Membrane aufweist, die unmittelbar an den Strömungsraum angrenzt. Die Membrane steht mit dem Fluid im Strömungsraum in Kontakt, so dass Druckschwankungen im Fluid, welches sich im Strömungsraum befindet, auf die Membrane übertragen und von dieser verstärkt werden. Die Membrane gerät hierdurch in Schwingungen, die sich ausbreiten und akustisch wahr-genommen werden können. Dies ermöglicht es beispielsweise, ein sportliches Fahr-geräusch in einem Fahrzeug zu simulieren, das sich in die Umgebung und/oder in den Fahrzeuginnenraum ausbreitet. Da die Membrane unmittelbar mit dem Fluid, welches sich im Strömungsraum befindet, in Kontakt steht und sich außerdem Druckschwankungen des Fluids im Strömungsraum aufgrund der teilweise von dem Filtermediumkörper umschlossenen Ausführung in verstärkter Weise auf die Membrane auswirken, wird eine gute Verstärkung über die Membrane und damit eine Intensivierung der Schallausbreitung erreicht.
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Vorteilhafterweise befindet sich die Membrane an einer Stirnseite des Strömungsraums und liegt in einer Ebene, die orthogonal zur Längsachse des Strömungsraums verläuft. Die Längsachse des Strömungsraums verläuft hierbei parallel zu der Krümmung des Filtermediumkörpers auf der dem Strömungsraum zugewandten Seite. Bei dieser Anordnung breiten sich die Druckpulsationen in Richtung der Längsachse des Strömungsraums aus und treffen auf die stirnseitig angeordnete Membrane. Die Krümmung des Filtermediumkörpers, wodurch eine Innenwand des Strömungsraums gebildet wird und die Ausbreitung in Achsrichtung verstärken den Effekt der Schallausbreitung.
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Es kommen verschiedene Geometrien bzw. Querschnittsformen des Filterelementes und des Filtermediumkörpers in Betracht. Gemäß einer vorteilhaften Ausführung ist der Filtermediumkörper hohlzylindrisch ausgebildet und wird radial von dem zu reinigenden Fluid durchströmt, beispielsweise von außen nach innen. Der innen liegende Strömungsraum ist in der hohlzylindrischen Ausführung in Umfangsrichtung vollständig von dem Filtermediumkörper umschlossen, die Strömungsführung im Strömungsraum, der vorzugsweise zylindrisch ausgebildet ist, erfolgt in Achsrichtung. Die Endscheibe befindet sich an einer axialen Stirnseite des Strömungsraums und des Filtermediumkörpers, wobei von der Endscheibe vorteilhafterweise sowohl die Stirnseite des Filtermediumkörpers als auch des Strömungsraums überdeckt wird und die Membrane sich an der Stirnseite des Strömungsraums befindet.
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Bei einer Durchströmung des Filtermediumkörpers radial von außen nach innen bildet der innen liegende Strömungsraum die Reinseite, aus der das gereinigte Fluid axial abgeleitet wird. Bei hohlzylindrischer Ausführung des Filterelementes und des Filtermediumkörpers ist es zweckmäßig, an beiden gegenüberliegenden Stirnseiten des Fitlermediumkörpers jeweils eine Endscheibe vorzusehen, wobei vorteilhafterweise nur in eine Endscheibe eine Membrane integriert ist und in die gegenüberliegende Endscheibe mit einer Strömungsöffnung für die Strömungsführung des Fluids eingebracht ist.
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In einer weiteren Ausführung sind das Filterelement und der Filtermediumkörper U-förmig ausgebildet, wobei der Strömungsraum innerhalb der seitlichen U-Schenkel und des gekrümmten, die seitlichen U-Schenkel verbindenden Bodenabschnitts des Filtermediumkörpers liegt. Die Endscheibe deckt den U-förmigen Filtermediumkörper an einer Seitenfläche ab, ebenso den zwischen den U-Schenkeln liegenden Bereich, wobei in die Endscheibe die Membrane eingebracht ist, die zwischen den U-Schenkeln angeordnet ist. Bei dieser Ausführung können zwei Endscheiben an gegenüberliegenden Stirnseiten des Filtermediumkörpers sowie des Strömungsraums angeordnet sein, wobei auch Ausführungen möglich sind, in denen nur in eine Endscheibe eine Membran integriert ist.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist genau eine Membrane in die Endscheibe integriert. Möglich sind aber auch Ausführungen mit mehr als einer Membrane pro Endscheibe, beispielsweise zwei oder drei Membranen.
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Erfindungsgemäß ist die Membrane im Bereich des Strömungsraumes frei schwingend angeordnet, sie befindet sich zum Beispiel ausschließlich im Bereich des Strömungsraums und grenzt unmittelbar an den Strömungsraum an, ohne über den Strömungsraum in Richtung des Filtermediumkörpers hinauszuragen. Vorteilhafterweise ist die Endscheibe im stirnseitigen Bereich am Filtermediumkörper fest und strömungsdicht mit diesem verbunden, um Fehlströme zwischen Roh- und Reinseite des Filtermediumkörpers zu verhindern. Im Bereich der Stirnseite des Strömungsraums kann dagegen die Membrane frei schwingen und Druckpulsationen im Fluid im Strömungsraum in bestmöglicher Weise aufnehmen und verstärken.
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Gemäß noch einer weiteren Ausführung besteht die Membrane aus einem anderen Material als die Endscheibe. Bevorzugt ist die Endscheibe als ein Kunststoff-Bauteil gefertigt, insbesondere im Spritzgussverfahren, wohingegen die Membrane aus einem Elastomer besteht und eine signifikant höhere Elastizität als die Endscheibe aufweist. Die Membrane ist jedoch fest mit der Endscheibe verbunden, um auch im Übergang zwischen Membrane und Endscheibe Fehlströme zu vermeiden. Die Verbindung zwischen Membrane und Endscheibe kann auf verschiedene Weisen erfolgen, insbesondere auf mechanische Weise wie zum Beispiel Verklemmen oder durch Kleben, Verschweißen oder dergleichen. Des Weiteren ist es auch möglich, die Endscheibe einschließlich der Membrane im Zwei-Komponenten-Spritzgießverfahren herzustellen.
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Gemäß noch einer weiteren Ausführung bestehen Endscheibe und Membrane aus dem gleichen Material und sind entweder in einem gemeinsamen Herstellungsschritt produziert oder sie werden in separaten Schritten hergestellt, jedoch miteinander verbunden. Beispielsweise ist es möglich, die Membrane mit einer geringeren Wandstärke als die Endscheibe auszuführen, um die Elastizität bzw. Schwingungsfähigkeit der Membrane sicherzustellen.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist am Filterelement, insbesondere an der Endscheibe, eine die Membrane umgreifende Anschlusseinrichtung angeordnet, an die eine Schallleitung für die Schallübertragung anschließbar ist. Die Anschlusseinrichtung ist beispielsweise nach Art eines Trichters ausgeführt und weist auf ihrer sich verjüngenden Seite eine Anschlussöffnung für die Schallleitung auf. Aufgrund der trichterähnlichen Form wird der von der Membrane ausgehende Schall zu der an der sich verjüngenden Seite angeordneten Anschlussöffnung geführt. Die Anschlusseinrichtung ist vorteilhafterweise als ein separat von der Endscheibe ausgeführtes Bauteil ausgebildet, das mit der Endscheibe verbunden werden kann, beispielsweise durch Verclipsen.
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Es ist auch möglich, auf eine Schallleitung zu verzichten, so dass sich der Schall von der Membrane ausgehend im Einbauort des Filterelementes ausbreitet.
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Das Filterelement kann als Bestandteil einer Filtereinrichtung in ein Filtergehäuse eingesetzt werden. Das Filtergehäuse kann ohne Membrane ausgeführt sein, der Schall breitet sich von der in die Endscheibe des Filterelementes integrierten Membrane aus, wobei gegebenenfalls über die Anschlusseinrichtung, welche die Membrane übergreift und die an der Endscheibe angeordnet ist, der Schall in Richtung einer Schallleitung geführt wird. Die Schallleitung kann aus dem Filtergehäuse herausgeführt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführung befindet sich die Membrane im eingebauten Zustand des Filterelements im Außen- bzw. Randbereich des Filtergehäuses, so dass die Schallabstrahlung nicht von dem Filtergehäuse behindert wird. In eine Wandung des Filtergehäuses kann eine Öffnung eingebracht sein, in der oder benachbart zu der die Membrane des Filterelements angeordnet ist.
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Es werden vorzugsweise kreisrunde Membrane verwendet. In Betracht kommen aber auch Membrane mit anderen Geometrien, beispielsweise ovale oder längliche, abgerundete Membrane oder eckige, beispielsweise viereckige Membrane.
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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 in Seitenansicht ein Luftfilter mit einem hohlzylindrischen Filterelement, welches an beiden gegenüberliegenden Stirnseiten jeweils eine Endscheibe aufweist, wobei in eine der Endscheiben eine Membrane integriert ist,
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2 eine stirnseitige Ansicht des Luftfilters mit dem Gehäuse und der Endscheibe des Filterelementes, in die die Membrane integriert ist,
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3 einen Schnitt längs durch das Filterelement mit einer Darstellung der Verbindung zwischen Endscheibe und Membrane,
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4 das hohlzylindrische Filterelement in perspektivischer Ansicht mit einer schematisch dargestellten, stirnseitigen Anschlusseinrichtung, die die Membrane übergreift und an die eine Schallleitung anschließbar ist,
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5 in einer Ausführungsvariante eine Filtereinrichtung zur Gasfiltration mit einem U-förmigen Filterelement, das zwei Endscheiben im Bereich der axialen Stirnseiten des Filterelementes aufweist, wobei in zumindest eine Endscheibe eine Membrane integriert ist, in Explosionsdarstellung,
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6 die Filtereinrichtung gemäß 5 im montierten Zustand.
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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 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Filtereinrichtung 1 zur Gasfiltration dargestellt, die beispielsweise als ein Luftfilter für den Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine verwendet werden kann. Die Filtereinrichtung 1 umfasst ein Filtergehäuse 2 und ein in das Filtergehäuse 2 einsetzbares, hohlzylindrisch ausgeführtes Filterelement 3, welches einen Filtermediumkörper 4 und stirnseitig angeordnete Endscheiben 5 und 6 umfasst. Der Filtermediumkörper 4 ist beispielsweise als Faltenfilter ausgebildet und wird radial von außen nach innen von dem zu reinigenden Gasfluid durchströmt. Der innen liegende Strömungsraum 8 (3) ist zylindrisch ausgebildet und in Umfangsrichtung vollständig von dem Filtermediumkörper 4 umschlossen, so dass die gekrümmte, kreisförmig umlaufende Innenseite des Filtermediumkörpers 4 den Strömungsraum 8 radial nach außen begrenzt. Das in den Strömungsraum 8 gelangende Fluid wird axial – parallel zur Längsachse 9 – aus dem Strömungsraum 8 abgeleitet.
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An beiden gegenüberliegenden Stirnseiten befindet sich jeweils eine Endscheibe 5, 6 am Filterelement 3, wobei die Endscheiben 5, 6, die vorzugsweise aus Kunststoff bestehen, an den Stirnseiten des Filtermediumkörpers 4 anliegen und die Stirnseite strömungsdicht abdichten, beispielsweise indem die Endscheiben 5, 6 an die Stirnseite des Filtermediumkörpers 4 angeklebt oder angeschweißt sind.
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In die Endscheibe 5 ist, wie 2 zu entnehmen, eine kreisförmige Membrane 7 eingebracht, die aus einem anderen Material als die Endscheibe 5 besteht, insbesondere aus einem Elastomer, und eine signifikant höhere Elastizität als die Endscheibe aufweist. Die Membrane 7 wird von Druckpulsationen des Fluids im Strömungsraum 8 zu Schwingungen angeregt, die sich axial nach außen ausbreiten und im akustisch hörbaren Bereich liegen. Auf diese Weise kann eine Sound-Verstärkung bzw. -Beeinflussung erreicht und beispielsweise im Fahrzeuginnenraum ein gewünschtes Klangbild erzeugt werden.
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Die Membrane 7 deckt die gesamte Stirnseite des Strömungsraumes 8 ab und ist vorteilhafterweise im Bereich der Stirnseite des Strömungsraumes frei schwingend ausgeführt. Die Befestigung mit der Endscheibe 5 erfolgt, wie 3 zu entnehmen, radial außerhalb des Strömungsraumes 8 im Bereich benachbart zur Stirnseite des Filtermediumkörpers 4. Zur Befestigung der Membrane 7 mit der Endscheibe 5 werden Haltepins 10 eingesetzt, die von einer Spannvorrichtung 11 gehalten werden, welche sowohl die Endscheibe 5 als auch die Haltepins 10 übergreift.
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Die zweite Endscheibe 6, welche der ersten Endscheibe 5 mit der integrierten Membrane 7 axial gegenüberliegt, ist vorteilhafterweise ohne Membrane ausgeführt. In die zweite Endscheibe 5 ist vorzugsweise eine Strömungsöffnung eingebracht, über die das gereinigte Fluid axial aus dem Strömungsraum 8 abgeleitet werden kann.
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In 4 ist ebenfalls ein hohlzylindrisches Filterelement 3 mit stirnseitigen Endscheiben 5 und 6 am Filtermediumkörper 4 dargestellt, wobei in die Endscheibe 5 eine Membrane 7 integriert ist. Auf die Stirnseite 5 ist eine Anschlusseinrichtung 12 aufgesetzt, die separat von der Endscheibe 5 ausgebildet, jedoch mit der Endscheibe 5 verbunden ist, beispielsweise mittels Anclipsen. Die Anschlusseinrichtung 5 dient als Schallsammler und zum Anschluss einer Schallleitung 13, die beispielsweise in den Fahrzeuginnenraum führt, um den Schall bis in den Fahrzeuginnenraum zu leiten. Die Anschlusseinrichtung 12 ist trichterähnlich ausgebildet und verjüngt sich in Richtung einer Anschlussöffnung 14, an die die Schallleitung 13 angeschlossen ist.
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In den 5 und 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Filtereinrichtung 1 zur Gasfiltration, insbesondere ein Luftfilter dargestellt. Das Filterelement 3 der Filtereinrichtung 1 ist U-förmig ausgeführt, der Filtermediumkörper 4 sowie ein Grundgehäuse 2a des Filtergehäuses weisen jeweils U-Form auf. Das Filterelement 3 ist an beiden gegenüberliegenden Seitenflächen jeweils von einer Endscheibe 5 bzw. 6 abgedeckt, die mit dem zwischenliegenden, U-förmigen Filtermediumkörper 4 verbunden sind, insbesondere verschweißt oder verklebt sind. In zumindest eine Endscheibe 5, gegebenenfalls in beide Endscheiben 5 und 6 ist eine Membrane 7 integriert, die schwingungsfähig ausgeführt ist und von Druckpulsationen des Fluids im Strömungsraum 8, der von den Schenkeln des U-förmigen Filtermediumkörpers 4 begrenzt ist, zu Schwingungen angeregt wird. Die Membrane 7 liegt zwischen den Schenkeln des Filtermediumkörpers 4 und kann frei schwingen.
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In das U-förmige Grundgehäuse 2a ist im Bereich des teilkreisförmigen Bodenabschnitts ein Anschlussstutzen 15 für die Zufuhr von Rohfluid eingebracht. Zum Filtergehäuse gehört des Weiteren ein eben ausgebildeter Gehäusedeckel 2b, der an den freien Enden der Schenkel des U-förmigen Filtermediumkörpers 4 aufgesetzt ist. In den Gehäusedeckel 2b ist ein Anschlussstutzen 16 eingebracht, über den das gereinigte Fluid abgeleitet wird. Der Strömungsraum 8 stellt die Reinseite dar, das Filterelement 3 wird von außen nach innen von dem zu reinigenden Fluid durchströmt.
