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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Filterelement zum Filtern von Luft in einem Kraftfahrzeug und/oder Betriebsmitteln eines Kraftfahrzeugs, insbesondere einen Luftfilter für Verbrennungsluft einer Brennkraftmaschine.
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Obwohl auf beliebige Filterelemente anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende Problematik nachfolgend für einen Luftfilter eines Kraftfahrzeugs beschrieben.
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Stand der Technik
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Luftfilterelemente sind in der Vergangenheit meist zylinderförmig gefertigt worden und mit einem zickzackförmig gefalteten Filtermedium als Endlosfaltenbalg versehen. Ein Hochgeschwindigkeitsluftfilter ist beispielsweise aus der
DE 4414960 A1 bekannt, bei dem ein zylindrisches Filterelement aus einem Filtermaterial gebildet ist, das unterschiedliche Faltenhöhen aufweist. Von einer äußeren Umfangsfläche gesehen reichen alternierende Falten stärker in den Innenraum als dazwischenliegende kürzere Falten.
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Eine ähnliche Faltgeometrie ist in einem Filterzylinder gemäß der
DE 10250969 A1 realisiert, bei der ein Filterzylinder für Hydrauliköl aus zickzackförmig gefaltetem Filtermaterial gebildet ist, wobei von außen gesehen tiefe und flache Falten aneinander liegen.
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Die Einschränkung auf zylinderförmige und kreisförmige Faltenbalge wird teilweise als unvorteilhaft empfunden, da nicht immer der beispielsweise im Motorraum oder am Fahrzeug vorliegende Bauraum effizient genutzt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Filterelement zu schaffen.
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Demgemäß wird ein Filterelement zum Filtern von Luft in einem Kraftfahrzeug oder zum Filtern von Betriebsmitteln eines Kraftfahrzeugs vorgeschlagen. Das Filterelement weist einen Falten aufweisenden, zickzackförmig gefalteten Faltenbalg auf, der in einem ersten Abschnitt eine erste Krümmung aufweist und in einem zweiten Abschnitt eine zweite Krümmung aufweist. Die erste Krümmung ist dabei größer als die zweite Krümmung, und die Falten des ersten Abschnitts haben eine variierende Faltenhöhe. Vorzugsweise haben die Falten des zweiten Abschnitts eine konstante Faltenhöhe.
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Durch die Ausgestaltung des Faltenbalgs, der Abschnitte mit verschiedenen Krümmungen umfasst, lassen sich vorgegebene Anforderungen an das Bauvolumen günstig erfüllen. Die variierende Faltenhöhe ermöglicht gleichzeitig eine gute Ausnutzung der Filterfläche. Das den Faltenbalg bildende, insbesondere flächige Filtermaterial kann durch die variierende Faltenhöhe einerseits eine günstig hohe Filterfläche an die jeweilige Krümmung angepasst werden, und andererseits kann ein Verblocken von aneinander liegenden Falten verhindert werden.
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Insgesamt erhält man eine verbesserte Filterfläche und eine günstigere Faltenverteilung als bei konventionellen Filterelementen, die Faltenbalge mit unterschiedlich gekrümmten Abschnitten haben.
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In Ausführungsformen weist der erste Abschnitt erste Falten mit einer ersten Faltenhöhe und zweite Falten mit einer zweiten Faltenhöhe auf. Die erste Faltenhöhe ist dabei höher oder größer als die zweite Faltenhöhe. Beispielsweise alternierende Faltenhöhen ermöglichen eine Anpassung der Krümmung an die gewünschten Einbaugegebenheiten. Beispielsweise können in stärker gekrümmten Abschnitten die verschiedenen Faltenhöhen zum Beispiel abwechselnd derart angepasst werden, dass sich eine bestimmte Krümmung für den jeweiligen Abschnitt ergibt.
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Denkbar ist, dass die ersten Falten und die zweiten Falten eine M-Faltung bilden. Bei einer M-Faltung ist zwischen zwei hohen oder tiefen Faltungen eine dazwischen liegende Faltung vorgesehen, die eine geringere Falttiefe oder -höhe hat.
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In Ausführungsformen des Filterelementes umfasst der erste Abschnitt erste Falten mit einer ersten Filterhöhe zwischen einem inneren Radius und einem äußeren Radius. Zweite Falten mit einer zweiten Faltenhöhe reichen von dem äußeren Radius in Richtung zu dem inneren Radius. Die zweiten Falten sind zwischen den ersten Falten angeordnet. Man kann beispielsweise abschnittsweise innere und äußere Radien annehmen, zwischen denen die zickzackförmigen Falten des Faltenbalges verlaufen. Ferner sind Faltungen vorgesehen, die zwischen dem äußeren Radius und einem Zwischenradius, der größer ist als der innere Radius, verlaufen. Dadurch kann eine gleichmäßige Faltenverteilung erzielt werden.
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Zum Beispiel ist der erste Abschnitt ein erster Kreisabschnitt und der zweite Abschnitt ein gerader Abschnitt. Dadurch lassen sich beispielsweise je nach Größe der Kreisbogensegmente beliebige Formen des Faltenbalges erzielen. Denkbar ist beispielsweise eine Stadionform oder eine ovale Form.
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In Ausführungsformen hat der Faltenbalg einen dritten gefalteten Abschnitt mit einer dritten Krümmung. Dabei ist die dritte Krümmung größer als die zweite Krümmung, und die Falten des dritten Abschnitts weisen eine variierende Faltenhöhe auf. Beispielsweise können die Krümmungen entlang eines Umfangs des Filterelementes Vorzeichenwechsel vollziehen. Das bedeutet, man hat von einem inneren Bereich des Faltenbalgs aus gesehen sowohl Ausbuchtungen als auch Einschnürungen. Zum Beispiel können die mehreren Abschnitte einen hantelförmigen Querschnitt, d. h. in der Projektion auf die Faltprofile, entlang der Falten, ausbilden. In Ausführungsformen ist auch der dritte Abschnitt ein zweiter Kreisabschnitt.
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Vorzugsweise ist der Faltenbalg aus einer einzigen Medienbahn, beispielsweise einem flachen Filtermaterial, gebildet, wobei eine Verbindung zum Endlosfaltenbalg in einem Bereich konstanter Faltenhöhe erfolgt. Dadurch lässt sich eine stabile fluiddichte Verbindung zwischen Faltabschnitten erzielen.
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In einem Abschnitt stärkerer Krümmung können zur Beabstandung aneinander liegender Faltungen Prägungen im Filtermaterial vorgesehen sein, die eine gewisse Beabstandung insbesondere im äußeren Bereich der Faltungen hervorruft.
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In Ausführungsformen ist in den Abschnitten variierender Faltenhöhe jede zweite Falte um 20 bis 60% kürzer als die benachbarten Falten. In Ausführungsformen schwankt die Faltenhöhe zwischen benachbarten Falten um 40 bis 60%. Denkbar sind beispielsweise Faltenhöhen zwischen 15 mm und 40 mm. Vorzugsweise wird eine Faltenhöhe der Abschnitte mit konstanten Falten von 20 mm bis 30 mm erreicht.
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In Ausführungsformen hat der Faltenbalg eine sich ändernde radiale Ausdehnung in Axialrichtung. Zum Beispiel kann ein konisches Filterelement vorgesehen sein, bei dem die jeweilige Grundfläche ein Oval oder ein stadionförmiger Querschnitt ist. Dadurch lassen sich besonders gute und an die jeweilige Anwendung angepasste Einbaumaße erzielen.
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In Ausführungsformen ist der Faltenbalg mit einer oberen oder unteren Endscheibe versehen, welche jeweils auf die Faltprofile fluiddicht angebracht sind. Dadurch wird eine Stabilisierung der Zylinder- oder Kegelform mit Grundflächen erreicht, die eine Kontur mit verschiedenen Krümmungen hat. Die jeweilige Endscheibe bildet zum Beispiel eine Fläche in der Art eines stadionförmigen oder ovalen Querschnitts. Als Endscheibenmaterial kommt insbesondere ein geschäumtes PUR-Material in Frage.
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Das Filterelement ist insbesondere zum Filtern von Luft in einem Kraftfahrzeug geeignet. Ferner kann das Filterelement ein Luftfilter, ein Innenraumfilter oder dergleichen sein. Weiterhin kann das Filterelement dazu eingerichtet sein, Betriebsmittelflüssigkeiten, wie Wasser, Öl, Harnstofflösung oder Kraftstoff, insbesondere Dieselkraftstoff, Kerosin oder Benzin, zu filtern. Das Filterelement kann in Kraftfahrzeugen, Lastkraftwägen, Baumaschinen, Wasserfahrzeugen, Schienenfahrzeugen, in der Gebäudetechnik oder in Luftfahrzeugen Anwendung finden.
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Das Filterelement kann aus einem einzigen flächigen Filtermaterialbogen gefaltet sein. Als Faltungen sind beispielsweise M-, Zickzack- oder W-Faltungen bekannt. Das Filtermedium kann bei der Herstellung des Filterelements geprägt und anschließend an den Prägekanten unter Ausbildung von Faltenkanten scharfkantig gefaltet sein. Die Verbindung eines gefalteten Materialfilterbogens zu dem gefalteten Faltenbalg erfolgt bevorzugt in dem Abschnitt mit der geringeren Krümmung. Ferner kann die Verbindung eines gefalteten Materialbogens zu dem gefalteten Faltenbalg im Bereich einer konstanten Faltung und/oder im Bereich einer variierenden Faltung erfolgen.
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Als Ausgangsmaterial kann ein flächiger Materialfilterbogen dienen, welcher entsprechend umgeformt wird. Der Faltenbalg ist beispielsweise ein Filtergewebe, ein Filtergelege oder ein Filtervlies. Insbesondere kann der Faltenbalg in einem Spinnvlies oder Meltblown-Verfahren hergestellt sein. Weiter kann der Faltenbalg verfilzt oder genadelt sein. Der Faltenbalg kann Naturfasern, wie Baumwolle, oder Kunstfasern, beispielsweise aus Polyester, Polyphenylsulfid, oder Polytetrafluorethylen, aufweisen. Die Fasern können bei der Verarbeitung in, schräg und/oder quer zur Maschinenrichtung orientiert sein.
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Der Faltenbalg kann ein- oder mehrlagig sein. Das Medium kann ferner ein Adsorptionsmittel, wie beispielsweise Aktivkohle, aufweisen. Weiterhin kann der Faltenbalg eine antimikrobielle und/oder antiallergene Wirkung aufweisen. Als antimikrobieller Stoff kommen beispielsweise Zinkpyrithion oder Nanosilber, als antiallergener Stoff beispielsweise Polyphenol in Betracht.
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Das Filterelement umfasst insbesondere eine Rohseite und eine Reinseite, wobei im Betrieb des Filterelements das zu reinigende Fluid durch den Faltenbalg hindurch von der Rohseite auf die Reinseite strömt.
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Weitere mögliche Implementierungen des Filterelements umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen. Darüber hinaus wird der Fachmann noch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform des Filterelements und/oder der Filteranordnung hinzufügen.
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Weitere Ausgestaltungen des Filterelements sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele des Filterelements. Im Weiteren wird das Filterelement anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen dabei:
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1 eine schematische Darstellung eines Filterelementes gemäß einer ersten Ausführungsform;
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2 eine schematische Detailansicht eines ersten Abschnitts des Faltenbalgs aus 1;
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3 eine schematische Darstellung einer Filteranordnung mit einem Filterelement; und
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4 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Filterelementes.
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In den Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche Funktionen oder gleiche Elemente sofern nichts Gegenteiliges angegeben ist.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Filterelementes in der Draufsicht. Das Filterelement hat einen Endlosfaltenbalg 1, der aus einem zickzackförmigen Filtermedium gebildet ist. In der Querschnittsansicht der 1 erkennt man eine Stadionform des Faltenbalgs 1 mit zwei gekrümmten runden Abschnitten, 2, 2' und zwei geraden Abschnitten 3, 3'. Man erkennt insbesondere an den geraden Abschnitten 3, 3' die zickzackförmigen Falten mit äußeren Faltkanten 6 und inneren Faltkanten 7, zwischen denen Faltabschnitte 8 vorliegen. In dieser und in folgenden Figuren sind lediglich beispielhaft einige Faltkanten und Faltabschnitte mit Bezugszeichen versehen.
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Die geraden Faltabschnitte 3, 3' haben keine Krümmung sondern verlaufen gerade. Dies ist über die gestrichpunktete Linie 5 angedeutet. Um die ovale Form oder Stadionform zu verwirklichen, schließen sich weitere gekrümmte Abschnitte 2, 2' mit Faltungen an. Die sich ergebende Krümmung ist durch die gestrichpunktete Kurve 4 angegeben und folgt in dem dargestellten Beispiel einem Kreisabschnitt. Die Abschnitte 2, 2' mit einer kreisförmigen Krümmung 4 haben somit eine stärkere Krümmung als die geraden Abschnitte 3, 3', die keine Krümmung 5 haben. In der 1 ist ein Radius R1 für den rechten kreisförmigen Abschnitt 2 angedeutet, um die Krümmung 4 zu verdeutlichen.
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Bei den geraden Abschnitten 3, 3' sind die Abstände der inneren Faltkanten 7 und der äußeren Faltkanten 6 konstant. Man spricht dabei auch von einer konstanten Faltenhöhe H1 oder konstanten Faltentiefe. In dem stärker gekrümmten kreisförmigen Abschnitt 2 bzw. 2' sind Faltungen mit unterschiedlicher Faltenhöhe vorgesehen. Am Beispiel des Abschnittes 2 ist verdeutlicht, dass Faltungen der Höhe H1, die identisch mit der Faltenhöhe der geraden Abschnitte 3, 3' ist, vorliegen. Ferner sind weniger tiefe Falten vorgesehen, die eine Höhe H2 < H1 haben. Man kann sagen, dass zwischen Faltungen der Tiefe H1 von außen Faltungen mit geringerer Falttiefe H2 vorgesehen sind. Die Falten geringerer Tiefe, also mit weniger breiten Faltabschnitten, können auch als Zwischenfalten bezeichnet werden.
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Dadurch wird es erleichtert, die Krümmung 4 in dem stärker gekrümmten Abschnitt 2 zu behalten und dennoch eine ausreichende bzw. hohe Filterfläche zu gewährleisten. In der 2 ist eine Detaildarstellung eines Abschnittes 2 dargestellt, um die Faltengeometrie zu erläutern.
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In der 2 sind drei Kreisbogenabschnitte mit jeweils einem Radius R1, R2 und R3 angedeutet. Der Radius R1 entspricht dem inneren Radius R1, wie es in der 1 für den Abschnitt 2 angedeutet ist. Der Radius R3 entspricht dem äußeren Radius des Abschnitts 2. Zwischen dem inneren und dem äußeren Radius R1, R3 verlaufen Faltabschnitte 8. Diese Falten haben eine Faltenhöhe H1 = R3 – R1. Die sich ergebenden äußeren Faltkanten sind mit 6 bezeichnet und die inneren Faltkanten mit 7. Darüber hinaus sind in regelmäßigen Abständen Faltungen mit geringerer Falttiefe H2 vorgesehen. Zwischen zwei Faltabschnitten 8 mit großer Falttiefe H1 ist eine Faltung 12 mit kürzeren Faltabschnitten 13 vorgesehen, die an eine Faltkante 9 angrenzen. Die Faltkante 9 verläuft auf dem Kreisabschnitt gemäß dem Radius R2, der auch als Zwischenradius bezeichnet werden kann.
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Man kann von aneinander liegenden M-förmigen Faltungen oder M-Faltungen sprechen. Dies ist durch das Bezugszeichen 12 angedeutet. Die Faltungen mit geringerer Höhe H2 reichen von außen in Richtung zu dem Innenraum RI des sich ergebenden Endlosfaltenbalges (vgl. 1). In der Orientierung der 2 verläuft links der Innenraum des Faltenbalgs und rechts der Außenraum.
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Durch die M-Faltung bzw. durch die variierende Faltenhöhe in Abhängigkeit von dem Krümmungsradius des Abschnittes im Faltenbalg wird einerseits verhindert, dass sich die Faltabschnitte aneinander schmiegen, insbesondere im Bereich des inneren Radius R1, und außerdem wird die Faltstabilität erhöht. Die Falten mit geringerer Höhe H2 beabstanden einerseits die Faltabschnitte 8 mit hoher Tiefe und liefern einen zusätzlichen Beitrag zur Filterfläche. Insgesamt ergibt sich dadurch eine verbesserte Faltenverteilung gegenüber Abschnitten mit konstanter Faltenhöhe.
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Der Faltenbalg eignet sich insbesondere zum Einsatz als Luftfilter für Ansaugluft eines Motors in einem Kraftfahrzeug. In der 3 ist beispielhaft eine Ausführungsform für eine Filteranordnung 20 angedeutet. Die Filteranordnung 20 umfasst ein Filtergehäuse 10, in das ein Filterelement 1 in der Art eines Endlosfaltenbalges, wie es beispielsweise in der 1 dargestellt ist, eingesetzt ist. Dem Filtergehäuse 10 wird Rohluft RO zugeführt, durch das Filtermedium mit seinen Falten geleitet und als Reinluft RE einer Brennkraftmaschine 11 eines Kraftfahrzeuges bereitgestellt. Dadurch wird erreicht, dass die Verbrennungsluft RO von Schadstoffen oder Partikeln gereinigt wird.
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In der 4 ist eine weitere Ausführungsform eines Filterelementes als Luftfilter dargestellt. Das Filterelement umfasst wiederum einen Endlosfaltenbalg 19, der mehrere im Querschnitt dargestellte Abschnitte unterschiedlicher Krümmung umfasst. Es ist ein erster Abschnitt 2 dargestellt mit einer M-Faltung und variierenden Faltenhöhen, wie es zum Abschnitt 2 der 1 erläutert ist. An den Abschnitt 2 schließen sich im Uhrzeigersinn ein gerader Abschnitt 14, ein gekrümmter Abschnitt 15 und ein weiterer gekrümmter Abschnitt 16 an. Um den Umfang zu dem geraden Abschnitt 3 zu schließen, sind weitere nicht weiter bezeichnete gekrümmte Abschnitte aus zickzackförmig gefaltetem Filtermaterial vorhanden.
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Entlang des Umfangs des Faltenbalgs 19 verändert die Krümmung ihr Vorzeichen. Der Abschnitt 2 ist mit einem inneren Krümmungsradius R1 und der gestrichpunkteten Krümmung 4 bezeichnet. Der daran anschließende gerade Abschnitt 14 hat eine verschwindende Krümmung 5, der Folgeabschnitt 15 eine Krümmung 17 und der Abschnitt 16 hat eine Krümmung 18, die durch einen Kreis mit dem Kreisradius R4 bezeichnet werden kann. Man erkennt, dass die Krümmung gesehen vom Innenraum RI des Faltenbalges ihr Vorzeichen wechselt. Beim Übergang des Abschnittes 15 zum Abschnitt 16 ist der Kreismittelpunkt für die Radien R5 und R4 von der Innenseite RI auf die Außenseite verlagert. Es ist z. B. möglich, dass es die Einbausituation bedingt, Faltenbalge mit sich verändernder Krümmung und insbesondere einem Vorzeichenwechsel von konkav auf konvex vorzuhalten. Dabei ist es günstig, die Falten mit variierender Höhe zu realisieren. Auch in dem Beispiel der 4 ergeben sich M-förmige Faltungen, wobei zur Erhöhung der Filterfläche Falten mit geringerer Tiefe bzw. Höhe in Richtung zu dem jeweiligen Radius der Krümmung vorgesehen sind.
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Obwohl die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert wurde, ist sie vielfältig modifizierbar. Beispielsweise können neben den dargestellten Radien und Formen für die gekrümmten Abschnitte auch andere ovale Formen von Endlosfaltenbalgen vorgesehen sein. Es ist möglich, im Innenraum des Faltenbalges ein Stützrohr vorzusehen, um das Filtermedium beim Durchtreten von zu filterndem Fluid zu stabilisieren. Neben der vorgeschlagenen M-Faltung sind auch unregelmäßige Abstände der Zwischenfalten und das Vorsehen von Falten geringerer Tiefe zwischen Falten mit hoher Tiefe denkbar. Es ist möglich auf die Faltprofile Endscheiben aufzubringen, um ein geschlossenes Filterelement zu realisieren. In den Endscheiben können Anschlussstutzen oder andere Durchtrittsöffnungen zum Ein- oder Auslass von Roh- bzw. Reinfluid vorgesehen sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 19
- Faltenbalg
- 2, 3
- Abschnitt
- 4, 5
- Krümmung
- 6
- äußere Faltkante
- 7
- innere Faltkante
- 8
- Faltabschnitt
- 9
- Faltkante
- 10
- Luftfiltergehäuse
- 11
- Motor
- 12
- M-Faltung
- 13
- kurzer Faltabschnitt
- 14, 15, 16
- Abschnitt
- 17, 18
- Krümmung
- 20
- Filteranordnung
- RO
- Rohluft
- RE
- Reinluft
- RI
- Innenraum
- R1, R2, R3
- Radius
- H1, H2, H3
- Faltenhöhe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4414960 A1 [0003]
- DE 10250969 A1 [0004]
