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Technisches Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Filterelement, insbesondere zur Gasfiltration, mit einem Filtermediumkörper und einem vom Filtermediumkörper zumindest teilweise umschlossenen Strömungsraum sowie mit einem Verteilelement für Spülgas nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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Aus der
US 9,108,135 B2 ist ein Luftfilter bekannt, der in einem Filtergehäuse ein hohlzylindrisches Filterelement mit einem Filtermediumkörper aufweist, welcher radial von außen nach innen von der zu reinigenden Luft durchströmt wird, wobei die gereinigte Luft axial aus dem innen liegenden Strömungsraum abgeleitet wird. In die Abströmseite des Filterelementes ragt ein Strömungsrohr mit reduziertem Durchmesser hinein, über das Spülgas zum Abreinigen des Filtermediumkörpers entgegengesetzt zur Abströmrichtung der gereinigten Luft des Filterelementes eingeleitet wird. Das Spülgas durchströmt den Filtermediumkörper radial von innen nach außen, so dass sich Ablagerungen von der die Rohseite bildenden Außenseite des Filtermediumkörpers lösen.
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An dem Strömungsrohr, über das das Spülgas axial in den Strömungsraum des Filtermediumkörpers eingeleitet wird, befindet sich eine stirnseitig angeordnete Spülgasdüse, über die das unter Druck eingeleitete Spülgas im innen liegenden Strömungsraum des Filtermediumkörpers aufgefächert wird. Hiermit soll über die gesamte axiale Länge und den gesamten Umfang des Filtermediumkörpers eine hohe Abreinigungsleistung gewährleistet werden. Die Spülgasdüse weist über ihren Umfang verteilt mehrere Abströmöffnungen auf, die zusätzlich zu einer axialen Hauptabströmöffnung angeordnet und unter einem Winkel zur Längsachse des Filterelementes in Richtung auf die Innenwand des Filtermediumkörpers gerichtet sind.
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Aus der
EP 1 547 663 A2 ist ein Filterelement mit integrierter Spülgaseinrichtung bekannt, die einen in den innen liegenden Strömungsraum des Filtermediumkörpers des Filterelements einragenden Rohrabschnitt für die Einleitung von Spülluft aufweist, die auf ein axial beabstandetes Verteilelement trifft, welches über Haltebeine axial verstellbar im Strömungsraum gehalten ist. Auch der Rohrabschnitt, über den die Spülluft eingeleitet wird, kann axial im Strömungsraum verstellt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen konstruktiven Maßnahmen ein Filterelement in der Weise auszubilden, dass eine Reinigung des Filtermediumkörpers mit Spülgas in effizienter Weise durchgeführt werden kann.
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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 bevorzugt zur Gasfiltration eingesetzt, beispielsweise zur Filtration von Luft, insbesondere im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs. Das Filterelement weist einen Filtermediumkörper auf, der von dem zu reinigenden Fluid durchströmt wird und an dem die Reinigung des Fluids stattfindet. Der Filtermediumkörper umschließt zumindest teilweise einen Strömungsraum, der an der Reinseite des Filtermediumkörpers liegt und über den das gereinigte Fluid aus dem Filterelement abgeleitet wird.
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Um den Filtermediumkörper des Filterelementes von Ablagerungen an der Rohseite reinigen zu können, kann in den innen liegenden Strömungsraum, der von dem Filtermediumkörper umschlossen ist, ein Spülgas eingeleitet werden, welches den Filtermediumkörper entgegen der üblichen Reinigungsrichtung durchströmt. Das Spülgas wird zunächst in den Strömungsraum eingeleitet und vom Strömungsraum weiter von der Reinseite durch die Wandung des Filtermediumkörpers zur Rohseite geführt, so dass Ablagerungen auf der Rohseite des Filtermediumkörpers durch den Druckimpuls des Spülgases entfernt werden. Als Spülgas wird beispielsweise Luft verwendet.
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Das Spülgas ist über eine Spülgasdüse in den innen liegenden Strömungsraum in dem Filtermediumkörper einleitbar. Der Spülgasdüse ist ein Verteilelement zugeordnet, das jedoch mit Abstand zu der Spülgasdüse angeordnet ist und sich entweder innerhalb oder benachbart zum Strömungsraum befindet. Das Verteilelement ist fest an dem Filterelement angeordnet und kann somit keine Relativbewegung gegenüber dem Filterelement ausführen.
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Diese Ausführung zeichnet sich durch konstruktive Einfachheit aus. Das Filterelement umfasst vorteilhafterweise den Filtermediumkörper und das Verteilelement, das fest in dem Filterelement angeordnet ist. Die Spülgasdüse ist nicht zwingend Bestandteil des Filterelementes, sondern einer Spülgaseinrichtung, die am Filterelement bzw. einem Filtergehäuse, in das das Filterelement einsetzbar ist, angeordnet ist. Dementsprechend kann das Filterelement als eine konstruktiv einfach aufgebaute vorgefertigte Baueinheit, die das Verteilelement umfasst, in das Filtergehäuse eingesetzt werden und bei Bedarf ausgetauscht werden. Eine Relativbewegung des Verteilelements im Strömungsraum des Filtermediumkörpers ist nicht vorgesehen, so dass entsprechend auch eine aufwändige Kinematik nicht erforderlich ist.
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Das Verteilelement befindet sich, gemäß einer bevorzugten Ausführung, an einer Stirnseite des vorzugsweise hohlzylindrisch ausgebildeten Filtermediumkörpers. Es ist insbesondere zweckmäßig, das Verteilelement benachbart zu einer Stirnseite, jedoch innerhalb des Strömungsraums anzuordnen. In einer alternativen Ausführung ist es aber auch möglich, das Verteilelement an der Außenseite des Strömungsraums, jedoch benachbart zu einer Anström- oder Abströmseite anzuordnen. Das Verteilelement sorgt dafür, dass der auftreffende Spülgasstrom innerhalb des Strömungsraums so verteilt wird, dass eine zumindest annähernd gleichmäßige Durchströmung des Filtermediumkörpers in Achs- und Umfangsrichtung gewährleistet ist.
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Gemäß noch einer weiteren zweckmäßigen Ausführung befindet sich das Verteilelement benachbart zu der Abströmseite des Strömungsraums, über die im Filtrationsbetrieb das gereinigte Fluid abgeleitet wird. Im Spülbetrieb wird dagegen über die Abströmseite das Spülgas eingeleitet, das auf das Verteilelement auftrifft. Des Weiteren ist es auch möglich, das Verteilelement mit Abstand zur Abströmseite, beispielsweise benachbart zu der gegenüberliegenden, geschlossenen Wandseite des Strömungsraums anzuordnen, wobei vorteilhafterweise auch in dieser Ausführung die Zufuhr des Spülgases über die Abströmseite erfolgt, insbesondere über die Spülgasdüse, die das Spülgas in den Strömungsraum leitet.
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Gemäß noch einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist das Filterelement mit dem Filtermediumkörper hohlzylindrisch ausgebildet, wobei eine Stirnseite des Filtermediumkörpers vorzugsweise verschlossen und die zweite, gegenüberliegende Stirnseite des Filtermediumkörpers offen ausgebildet ist, die zugleich die Abströmseite für die Ableitung des gereinigten Fluids aus dem Strömungsraum bildet. Am Filtermediumkörper sind vorteilhafterweise an beiden Stirnseiten jeweils Endscheiben angeordnet, wobei eine Endscheibe durchgehend ausgebildet ist, um eine strömungsdichte, stirnseitige Wand zu bilden, und die zweite Endscheibe ringförmig ausgeführt ist, so dass eine offene Abströmseite gebildet ist. Die Endscheiben decken den Filtermediumkörper an seinen axialen Stirnseiten strömungsdicht ab.
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In einer alternativen Ausführung ist das Filterelement beispielsweise quaderförmig oder mit einem annähernd dreieckförmigen Querschnitt ausgebildet, indem beispielsweise zwei einzelne Filtermediumkörper einen zwischenliegenden Strömungsraum einschließen, der sich an der Reinseite der Filtermediumkörper befindet. Die Ableitung des gereinigten Fluids erfolgt über die Abströmseite, die sich zwischen den Filtermediumkörpern befindet, wobei über die Abströmseite bevorzugt zugleich die Einleitung des Spülgases erfolgt.
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Das Verteilelement ist fest am Filterelement angeordnet. Die Befestigung erfolgt beispielsweise an einer Endscheibe, insbesondere in der hohlzylindrischen Ausführung des Filterelementes, oder an einem Mittelrohr, das an der Reinseite des Filtermediumkörpers angeordnet ist und den Strömungsraum auskleidet, wobei auch in dieser Ausführung das Filterelement bevorzugt hohlzylindrisch ausgebildet ist. Aber auch bei einer nicht-hohlzylindrischen Ausbildung des Filterelementes kann das Verteilelement fest mit dem Filterelement verbunden sein, beispielsweise mit einem aufgespritzten oder in sonstiger Weise mit dem Filtermediumkörper verbundenen Abdeckelement.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung weist das Verteilelement Haltefüße auf, über die das Verteilelement am Filterelement befestigt ist. Die Haltefüße beeinflussen nicht oder nur geringfügig die Strömungsverhältnisse im Strömungsraum, sie ermöglichen zugleich die feste Verbindung des Verteilelements mit dem Filterelement, beispielsweise einer Endscheibe oder einem Mittelrohr. Über den Umfang verteilt können mehrere Haltefüße an dem Verteilelement angeordnet sein, um eine gleichmäßige Abstützung und Befestigung des Verteilelementes zu erreichen.
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Gemäß noch einer weiteren zweckmäßigen Ausführung weist das Verteilelement eine sich in Strömungsrichtung des eingeleiteten Spülgases radial aufweitende Außenkontur auf. Hierdurch ist sichergestellt, dass der Spülgasstrom sich mit dem Auftreffen auf die Außenkontur des Verteilelements auffächert und an der Innenwand des Filtermediumkörpers, die den Strömungsraum begrenzt, gleichmäßig auftrifft, so dass der Filtermediumkörper gleichmäßig an seiner Reinseite von dem Spülgas in Richtung Rohseite durchströmt wird.
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Gemäß noch einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist das Verteilelement kegelförmig ausgebildet. Hierdurch ist eine gewünschte Auffächerung des auftreffenden Spülluftstroms gewährleistet, wobei zugleich eine Verteilung des Spülluftstroms über die axiale Länge des Strömungsraums gegeben ist. Der Kegelwinkel (halber Öffnungswinkel) des kegelförmigen Verteilelements beträgt vorzugsweise mindestens 30°, beispielsweise 30° bis 45°.
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Gemäß noch einer weiteren zweckmäßigen Ausführung besitzt das Verteilelement eine geradflächige Mantelfläche. In der Ausführung des Verteilelementes mit Kegelform ist entsprechend die kegelförmige Mantelfläche geradflächig ausgebildet. In einer alternativen Ausführung ist dagegen eine nicht-geradflächige Mantelfläche des Verteilelementes vorgesehen, beispielsweise eine konvex oder konkav gekrümmte Mantelfläche, wobei auch in diesem Fall eine kegelförmige Grundform des Verteilelementes in Betracht kommt.
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Des Weiteren sind auch nicht-kegelförmige Ausführungen des Verteilelementes möglich, beispielsweise Verteilelemente mit einer geradflächigen oder konvex bzw. konkav gekrümmten Prallfläche, auf die der eingeleitete Spülgasstrom auftrifft.
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Gemäß noch einer weiteren zweckmäßigen Ausführung, die sich auf eine Filtereinrichtung mit dem Filterelement bezieht, welches ein Verteilelement mit Abstand zur Spülgasdüse im oder am Strömungsraum aufweist, ist dem Filtermediumkörper des Filterelements ein Tangentialvorabscheider vorgelagert. Das zu reinigende Medium wird mit dem Einführen in das Gehäuse der Filtereinrichtung zunächst in den Tangentialvorabscheider eingeleitet, an dem die Vorabscheidung durchgeführt wird, bevor das Fluid zur Rohseite des Filtermediumkörpers des Filterelements gelangt.
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Die Spülgaseinrichtung kann Bestandteil der Filtereinrichtung sein und einen Drucktank zur Aufnahme des Spülgases, eine Druckleitung für die Zufuhr des Spülgases aus dem Drucktank zum Strömungsraum, ein Ventil zur Regulierung des Spülgasstroms sowie die Spülgasdüse umfassen, über die der Spülgasstrom in den Strömungsraum eingeleitet wird.
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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 längs durch eine Filtereinrichtung zur Luftfiltration, mit einem hohlzylindrischen Filterelement, in das ein kegelförmiges Verteilelement integriert ist, sowie mit einer Spülgaseinrichtung zum Einleiten von Spülgas in einen Strömungsraum im Filterelement,
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2 eine ähnliche Filtereinrichtung wie in 1, jedoch mit einer unterschiedlich ausgeführten Spülgaseinrichtung,
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3 in perspektivischer Ansicht eine Filtereinrichtung mit integrierter Spülgaseinrichtung,
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4 einen Schnitt längs durch ein hohlzylindrisches Filterelement mit einem Verteilelement in einer weiteren Ausführung.
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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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Die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine Filtereinrichtung bzw. ein Filterelement zur Gasfiltration, insbesondere zur Filtration von Verbrennungsluft für Brennkraftmaschinen.
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Die in 1 dargestellte Filtereinrichtung 1 weist ein Filterelement 2 in einem Filtergehäuse 3 auf. Dem Filterelement 2 ist ein Tangentialvorabscheider 4 vorgeschaltet, in welchem die zu reinigende Luft nach dem Einführen in das Filtergehäuse 3 eine Vorabscheidung erfährt, bei der größere Schmutzpartikel noch vor dem Auftreffen auf das Filterelement 2 abgeschieden werden. Das Filterelement 2 ist hohlzylindrisch ausgebildet und weist einen entsprechend hohlzylindrischen Filtermediumkörper 5 auf, der an seinen axialen Stirnseiten von jeweils einer Endscheibe 6, 7 verschlossen ist. Der Filtermediumkörper 5 wird radial von außen nach innen von der zu reinigenden Luft durchströmt, so dass die außen liegende Mantelfläche die Rohseite und die innen liegende Mantelfläche des Filtermediumkörpers 5 die Reinseite bildet.
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Der Filtermediumkörper 5 schließt einen innen liegenden Strömungsraum 8 ein, in welchem sich die gereinigte Luft sammelt, die axial über eine Stirnseite 9 abgeleitet wird, welche die Abströmseite bildet. Die Endscheibe 6 verschließt den Strömungsraum 8 an dieser Stirnseite des Filtermediumkörpers, wohingegen die gegenüberliegende Endscheibe 7 ringförmig ausgebildet ist und nur den Filtermediumkörper 5 stirnseitig abdichtet, jedoch die Abströmseite 9 offen lässt. Im Filtrationsbetrieb wird die zu reinigende Luft wie mit Pfeil 10 dargestellt zunächst in Radialrichtung in den Vorabscheider 4 im Gehäuse 3 eingeleitet, anschließend erfolgt die Filtration am Filtermediumkörper 5. Die gereinigte Luft wird aus dem Strömungsraum 8 im Filtermediumkörper 5 axial gemäß Pfeil 11 abgeleitet. An der Abströmseite 9 befindet sich ein gehäuseseitiger Strömungsstutzen 12, mit dem die Filtereinrichtung 1 beispielsweise an den Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine angeschlossen werden kann.
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Die Filtereinrichtung 1 ist mit einer Spüleinrichtung 13 ausgestattet, die einen Drucklufttank 14, eine Druckleitung 15, ein Ventil 16 sowie einen Rohrabschnitt 17 umfasst, um Spülgas, insbesondere Luft, aus dem Drucktank 14 in den Strömungsraum 8 im Inneren des Filtermediumkörpers 5 einzuleiten. Das Spülgas wird unter erhöhtem Druck in den Strömungsraum 8 eingeführt und durchströmt den Filtermediumkörper radial von innen nach außen, so dass auf der Außenseite abgelagerte Verunreinigungen gelöst werden. Die gelösten Verunreinigungen können über einen Austragstutzen 18 aus der Filtereinrichtung 1 abgeleitet werden.
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Der Rohrabschnitt 17 ist in den Strömungsstutzen 12 integriert und radial – bezogen auf die Längsachse 19 der Filtereinrichtung 1 – durch die Wandung des Strömungsstutzens 12 geführt, wobei ein vorderer Abschnitt 17a um 90° in Längsrichtung der Längsachse 19 abgewinkelt ist. Der vordere Abschnitt 17a bildet eine Spülgasdüse, die unmittelbar der Abströmseite 9 des Strömungsraums 8 vorgelagert ist und über die das Spülgas in den Strömungsraum 8 gelangt.
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In dem Strömungsraum 8 befindet sich ein Verteilelement 20, das der Spüleinrichtung 13 zugeordnet ist und auf das der Spülgasstrom nach dem Austreten über die Spülgasdüse 17a auftrifft. Das Verteilelement 20 hat die Aufgabe, den auftreffenden Spülgasstrom innerhalb des Strömungsraums 8 aufzufächern und zu verteilen, so dass der Spülgasstrom gleichmäßig an der Innenwand des Filtermediumkörpers 5 auftrifft und die Wandung des Filtermediumkörpers 5 durchströmt. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass eine Abreinigung von Ablagerungen an der gesamten Außenseite des Filtermediumkörpers 5 erfolgt.
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Das Verteilelement 20 ist über mehrere Haltefüße 21, die über den Umfang verteilt an dem Verteilelement 20 angeordnet sind, fest innerhalb des Strömungsraums 8 verankert. Die Haltefüße 21 verbinden das Verteilelement 20 mit einem Mittelrohr 22 an der Innenseite des Filtermediumkörpers 5. Es ist auch möglich, dass über die Haltefüße 21 das Verteilelement 20 an der Endscheibe 7 an der Stirnseite des Filtermediumkörpers 5 gehalten ist.
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Das Verteilelement 20 weist Kegelform auf, wobei die Kegellängsachse mit der Längsachse 19 der Filtereinrichtung 1 zusammenfällt und die Kegelspitze der Spülgasdüse 17a zugewandt ist. Der Kegelwinkel liegt in einem Winkelbereich zwischen 30° und 45°. Mit dem Auftreffen auf die außen liegende Mantelfläche des kegelförmigen Verteilelementes 20 kann der Spülgasstrom mit einer radialen und einer axialen Komponente auffächern, so dass die gesamte Innenseite des Filtermediumkörpers 5 von dem Spülgasstrom getroffen wird. Die Kegelmantelfläche des Verteilelementes 20 ist geradflächig ausgeführt.
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Der Durchmesser der Spülgasdüse 17a ist kleiner als der maximale Durchmesser des Verteilelements 20. Damit ist der maximale Durchmesser des Verteilelements 20 bevorzugt mindestens gleich oder bevorzugt größer als der Durchmesser der Spülgasdüse 17a. Besonders bevorzugt ist der maximale Durchmesser des Verteilelements 20 mindestens 50%, weiter bevorzugt mindestens 100% größer als der Durchmesser der Spülgasdüse 17a. Der maximale Außendurchmesser des Verteilelementes 20 ist signifikant geringer als der Innendurchmesser des Strömungsraums 8. Der Außendurchmesser des Verteilelementes 20 beträgt maximal 50% des Innendurchmessers des Strömungsraums 8, insbesondere nicht mehr als ein Drittel des Innendurchmessers des Strömungsraums.
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Auch der Außendurchmesser des Rohrabschnittes 17 einschließlich der stirnseitigen Spülgasdüse 17a ist signifikant geringer als der Durchmesser des Strömungsstutzens 12. Insbesondere beträgt der Außendurchmesser des Rohrabschnittes 17 und der Spülgasdüse 17a nicht mehr als 50%, insbesondere maximal 25% des Innendurchmessers des Strömungsstutzens 12. Der Außendurchmesser des Strömungsstutzens 12 entspricht zumindest annähernd dem Innendurchmesser des Strömungsraums 8.
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In 2 ist eine Ausführungsvariante der Spüleinrichtung 13, die der Filtereinrichtung 1 zugeordnet ist, dargestellt. Bei 2 befindet sich das Ventil 16, über das der Spülgasstrom vom Drucktank 14 zur Spülgasdüse 17a und in den Strömungsraum 8 reguliert wird, unmittelbar an dem Drucktank 14. Bei 1 sind dagegen Drucktank 14 und Ventil 16 separat ausgeführt.
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Auch im Ausführungsbeispiel gemäß 3 handelt es sich um eine Filtereinrichtung 1 zur Gasfiltration mit vorgeschaltetem Tangentialvorabscheider 4 im Gehäuse 3 und einer zugeordneten Spüleinrichtung 13. Der Drucktank 14 ist an dem Filtergehäuse 3 der Filtereinrichtung 1 angeordnet, Drucktank 14 und Filtergehäuse 3 können einteilig ausgebildet sein. Die Druckleitung 15 führt vom Drucktank 14 zu dem Ventil 16, an das der Rohrabschnitt 17 mit der stirnseitigen Spülgasdüse 17a angeschlossen ist, wobei der Rohrabschnitt 17 an dem gehäuseseitigen Strömungsstutzen 12 befestigt ist und die Spülgasdüse 17a in Achsrichtung in den Strömungsraum 8 weist. Die Richtung der Einleitung des Spülgases in den Strömungsraum 8 und die Ableitung der gereinigten Luft aus dem Strömungsraum 8 gemäß Pfeil 11 verlaufen entgegengesetzt.
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In 4 ist ein hohlzylindrisches Filterelement 2 in Einzeldarstellung im Längsschnitt gezeigt, wobei das in den Strömungsraum 8 integrierte Verteilelement 20 in einer Ausführungsvariante dargestellt ist. Das Verteilelement 20 weist Kegelform auf, jedoch ist die außen liegende Mantelfläche nicht geradflächig, sondern konvex nach außen gewölbt ausgebildet. Über die Form der äußeren Mantelfläche wird auf die Auffächerung und Aufweitung des auftreffenden Spülgasstroms Einfluss genommen. Es ist beispielsweise möglich, bestimmte axiale Abschnitte des Filtermediumkörpers 5 mit einem größeren Anteil des Spülgasstromes zu beaufschlagen, um größere Ablagerungen, die sich an der gleichen axialen Position an der Außenseite des Filtermediumkörpers befinden, abzureinigen. Es ist aber auch möglich, eine möglichst gleichmäßige Beaufschlagung der Innenseite des Filtermediumkörpers über die Form des Verteilelementes 20 zu erreichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 9108135 B2 [0002]
- EP 1547663 A2 [0004]
