DE102017011435B4

DE102017011435B4 - Filterelement und Filtereinrichtung, insbesondere zur Gasfiltration

Info

Publication number: DE102017011435B4
Application number: DE102017011435.8A
Authority: DE
Inventors: Sascha Bauer; Robert Hasenfratz; Karlheinz Münkel; Holger Sradnick; Andreas Graefenstein; Christoph Wittmers; Torsten Fritzsching; Arndt-Udo Rolle; Andreas Franz; Markus Beylich
Original assignee: Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 2016-12-13
Filing date: 2017-12-12
Publication date: 2023-05-04
Anticipated expiration: 2037-12-13
Also published as: DE102017011435A1

Abstract

Filterelement, insbesondere zur Gasfiltration, beispielsweise für einen Luftfilter, mit einem Filtermediumkörper (2), an dem die Filtration stattfindet, und mit einer verformbaren Trägermembran (5), die die Reinseite von der Rohseite separiert, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägermembran (5) Träger eines Sensorteils (6) ist, das Bestandteil einer Druckdifferenzmessseinrichtung zur Ermittlung des Differenzdrucks zwischen Rein- und Rohseite ist, wobei die Druckdifferenzmessseinrichtung ein zweites Sensorteil (7) umfasst, das dazu ausgebildet ist, relativ zu dem Filterelement ortsfest angeordnet zu werden, wobei lediglich das erste Sensorteil Bestandteil des Filterelementes ist, wohingegen das zweite Sensorteil als Bestandteil der Druckdifferenzmesseinrichtung separat und außerhalb des Filterelementes angeordnet ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Filterelement, insbesondere zur Gasfiltration, beispielsweise für einen Luftfilter, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie auf eine Filtereinrichtung.
Stand der Technik
Bekannt sind Rundfilterelemente, die zur Flüssigkeits- oder Gasfiltration eingesetzt werden und einen hohlzylindrischen Filtermediumkörper aufweisen, der radial von au-ßen nach innen von dem zu reinigenden Fluid durchströmbar ist. Die Stirnseiten des Filtermediumkörpers sind von Endscheiben abgedeckt. An einer Stirnseite ist die Endscheibe durchgehend ausgebildet und verschließt den innen liegenden Reinraum. An der gegenüberliegenden Stirnseite weist die Endscheibe eine Öffnung auf, über die das gereinigte Fluid axial abgeleitet wird.
Aus der DE 10 2009 051 103 A1 ist ein Filterbeladungsmesselement für einen Innenraumfilter für ein Kraftfahrzeug bekannt. Das Filterbeladungsmesselement umfasst einen elektromechanischen Sensor zur Ermittlung des Differenzdrucks zwischen Rein- und Rohseite des Filters. Der Sensor ist an das Filtergehäuse angeflanscht und umfasst eine verformbare Membran, die mit dem Differenzdruck zwischen Roh- und Reinseite beaufschlagt ist. Über einen Abstandsmesser wird die Auslenkung der Membran ermittelt und aus der Änderung der Auslenkung auf eine Druckänderung geschlossen.
Ferner ist aus DE 10 2011 015 982 A1 eine Filtereinrichtung mit einer Druckdifferenzmessseinrichtung bekannt, die ein Gehäuse mit einem Differenzdrucksensor aufweist, wobei in dem Gehäuse ein Filterelement angeordnet ist. Der Differenzdrucksensor ist ein von dem Filterelement völlig separates Bauteil, welches neben dem Filterelement im Filtergehäuse verbaut ist. Der Differenzdrucksensor verfügt über eine Membran, die ein kapazitives Drucksensorelement als erstes Sensorelement trägt. Unter Differenzdruckbelastung wird die Membran in Richtung eines Dorns durchgebogen und kommt ab einem bestimmten Grenzdruck an diesem zur Anlage, sodass über den Dorn eine Kraft in das kapazitive Drucksensorelement eingeleitet wird, die messbar ist, sodass der Dorn als ein zweites Sensorelement des Differenzdrucksensors verstanden werden kann. Dort liegen beide „Sensorelemente“ des Differenzdrucksensors am Filtergehäuse vor.
Schließlich ist aus WO 2009/033 923 A2 eine Sensoranordnung einer Filteranordnung mit autarker Energieversorgung bekannt. Das darin beschriebene System verfügt über eine an einem Deckel angeordnete Sensoranordnung, die einen Energiewandler zur Energieversorgung sowie einen Energiemanagementbaustein zur Regelung der Energieversorgung aufweist. Ferner umfasst die Sensoranordnung ein Sensorelement zur Erfassung des Drucks. Der Energiewandler nutzt eine Druck- oder Temperaturdifferenz zwischen dem Innen- und Außenraum, um Energie für die Sensoranordnung zu erzeugen.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen konstruktiven Maßnahmen ein Filterelement in der Weise auszubilden, dass der Differenzdruck zwischen Rein- und Rohseite bestimmt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
Das erfindungsgemäße Filterelement kann zur Gasfiltration eingesetzt werden, beispielsweise für einen Luftfilter im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine oder zur Reinigung der dem Innenraum in einem Fahrzeug zuzuführenden Luft. Es sind aber auch Anwendungen zur Flüssigkeitsfiltration, beispielsweise als Kraftstofffilter, möglich.
Das Filterelement umfasst einen Filtermediumkörper, an dem die Filtration des zu reinigenden Fluids stattfindet. Das Filterelement ist außerdem mit einer Trägermembran versehen, die zwischen der Reinseite und der Rohseite im Filterelement angeordnet ist und somit die Reinseite von der Rohseite separiert. Die Trägermembran ist Träger eines Sensorteils, das Bestandteil einer Druckdifferenzmesseinrichtung zur Ermittlung des Differenzdrucks zwischen der Rein- und der Rohseite ist. Zu der Druckdifferenzmesseinrichtung gehört ein zweites Sensorteil, das mit dem ersten Sensorteil auf der Trägermembran zusammenwirkt. Das zweite Sensorteil ist dazu ausgebildet, relativ zu dem Filterelement ortsfest angeordnet zu sein. Dies ist notwendig, um eine durch den Differenzdruck hervorgerufene veränderliche Durchbiegung der Trägermembrane durch Auswertung eines Signals des ersten Sensorteils, beispielsweise dessen Position in Bezug zu dem zweiten Sensorteil, zuverlässig auswerten zu können.
Lediglich das erste Sensorteil ist Bestandteil des Filterelementes, wohingegen das zweite Sensorteil als Bestandteil der Druckdifferenzmesseinrichtung separat außerhalb des Filterelementes angeordnet ist, beispielsweise an einem Filtergehäuse einer Filtereinrichtung, wobei das Filterelement im Filtergehäuse aufgenommen ist. Ein einsatzbereites Druckdifferenzmesssystem (bzw. Druckdifferenzsensor) ergibt sich daher erst in Zusammenwirkung des an dem Filterelement angeordneten ersten Sensorteils mit dem beispielsweise an dem Filtergehäuse angeordneten zweiten Sensorteil. Insofern besteht eine klare Abgrenzung von bekannten Beladungserkennungssystemen aus dem Stand der Technik, bei denen vollständige filterelementintegrierte Drucksensoren vorgesehen sind, die lediglich Messdaten an ein weiteres Bauteil des Beladungserkennungssystems übertragen, beispielsweise per Nahfeldfunk oder vergleichbarer Technologien.
Selbstverständlich kann das zweite Sensorteil an einem beliebigen Gehäuseteil angeordnet sein, beispielsweise in einem Gehäuseunterteil, -oberteil, -deckel, -klappe und dergleichen. Funktionell kann man die ersten und zweiten Sensorteile auch als Signalgeber und Signalempfänger verstehen.
Aufgrund ihrer Verformbarkeit kann die Trägermembran auf Druckänderungen zwischen Rein- und Rohseite reagieren und nimmt in Abhängigkeit von der Druckdifferenz eine entsprechende Position ein, die auch von dem Sensorteil, das auf der Trägermembran angeordnet ist, eingenommen wird. Dementsprechend ändert sich die Position des Sensorteils auf der Trägermembran in Abhängigkeit eines geänderten Differenzdrucks zwischen Rein- und Rohseite. Aus der absoluten Position der Trägermembran bzw. des Sensorteils auf der Trägermembran kann auf den aktuellen Differenzdruck zwischen Rein- und Rohseite geschlossen werden. Der aktuelle Differenzdruck bzw. die Änderung des Differenzdrucks wird über das Zusammenwirken des ersten Sensorteils auf der Trägermembran mit dem zweiten Sensorteil ermittelt, das unabhängig vom Filterelement ausgeführt und Bestandteil der Druckdifferenzmesseinrichtung ist. Das Sensorteil kann zusätzlich als Transponder ausgebildet sein, der zur Sendung eines filterelementspezifischen Codes vorgesehen ist, um in Zusammenwirkung mit einem gehäusefesten Empfänger und einer Auswerteeinheit sicherstellen zu können, dass nur Filterelemente, die den Code senden, eine uneingeschränkte Systemfunktion ermöglichen.
Es kommen im Prinzip verschiedene Filterelemente in Betracht, die mit einer verformbaren Trägermembran versehen sind, welche Träger eines Sensorteils ist. Das Filterelement ist beispielsweise als Rundfilterelement mit einem hohlzylindrischen Filtermediumkörper ausgebildet. In dieser Ausführung ist die Trägermembran vorteilhafterweise an einer Stirnseite des Filterelementes angeordnet und kann von der Endscheibe gebildet sein, die an der Stirnseite des Filtermediumkörpers angeordnet ist, wobei das Sensorteil vorzugsweise mit Abstand zum Filtermediumkörper, insbesondere in dem den Innenraum im hohlzylindrischen Filtermediumkörper abdeckenden Abschnitt, angeordnet ist. Die Trägermembran kann auch separat von der Endscheibe ausgebildet, jedoch mit dieser verbunden sein.
Alternativ zu einer hohlzylindrischen Ausführung des Rundfilterelementes kommen auch nicht-runde Querschnittsgeometrien in Betracht, beispielsweise ovale oder lang gestreckte Querschnittsgeometrien des Filtermediumkörpers.
Des Weiteren ist es möglich, dass das Filterelement zumindest zwei block- bzw. quaderförmige Filtermediumkörper umfasst, die zwischen sich einen Reinraum für das gereinigte Fluid einschließen. Die verformbare Trägermembran begrenzt hierbei den Reinraum zwischen den Filtermediumkörpern. Die Trägermembran kann alternativ oder zusätzlich entweder von dem Filtermaterial eines Filtermediumkörpers zumindest mit gebildet werden oder separat von den Filtermediumkörpern ausgeführt sein und beispielsweise eine Wandseite des Reinraums zwischen zwei Filtermediumkörpern bilden. Ein Filterelement gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung kann vorteilhaft ferner einen Rahmen für die zwei oder mehr Filterelemente aufweisen, der zusammen mit den Filterelementen den Reinraum begrenzen kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung bildet das Sensorteil an oder in der Trägermembran den Signalgeber, so dass das zweite Sensorteil, das unabhängig vom Filterelement ausgebildet ist, den Signalempfänger bildet. Es kommen aber auch umgekehrte Ausführungen in Betracht, bei denen das Sensorteil in oder an der Trägermembran den Signalempfänger bildet und das zweite Sensorteil, das unabhängig von dem Filterelement ausgebildet ist, den Signalgeber.
Als Signalgeber der Druckdifferenzmesseinrichtung kommt beispielsweise ein Magnet oder ein Magnetmaterial in Betracht. Dementsprechend ist der Signalempfänger als Magnetsensor ausgeführt, der in der Lage ist, magnetische Feldlinien des Magneten bzw. Magnetmaterials zu detektieren. Als Magnetsensor wird beispielsweise ein Hallsensor verwendet.
Gemäß noch einer weiteren zweckmäßigen Ausführung, die sich auf einen Magneten als Signalgeber bezieht, ist der Magnet als ein separates Bauteil ausgebildet, das mit der Trägermembran verbunden ist. Der Magnet kann beispielsweise von dem Material der Trägermembran umspritzt oder mit der Trägermembran verbunden sein, beispielsweise durch Verkleben oder durch mechanische Maßnahmen wie beispielsweise Einknöpfen. Gemäß einer weiteren Ausführung ist Magnetmaterial des Magneten in die Trägermembran eingebettet, beispielsweise indem Magnetpartikel beim Herstellungsprozess der Trägermembran in das Material der Trägermembran eingegeben oder auf die Trägermembran aufgespritzt werden. Das Magnetmaterial beschränkt sich hierbei vorzugsweise auf einen definierten Bereich in der Trägermembran, so dass nur dieser Bereich der Trägermembran magnetisch wirkt.
Vorteilhafterweise ist das Sensorteil auf die Trägermembran aufgedruckt. Als Druckverfahren kommt beispielsweise ein Siebdruckverfahren, ein Tampondruckverfahren oder ein Tintenstrahlverfahren in Betracht. Bei dem Druckverfahren wird das Material des Sensorteils auf die Trägermembran aufgebracht und mit der Trägermembran verbunden, beispielsweise, indem das Material des Sensorteils in einem flüssigen oder weichen Zustand auf die Trägermembran aufgebracht wird, teilweise oder vollständig in die Trägermembran eindringt und schließlich aushärtet. Es kommt auch ein 3D-Druckverfahren zum Aufbringen des Sensorteils auf die Trägermembran in Betracht. Vorteilhafterweise wird kein zusätzlicher Klebstoff oder sonstige Verbindungsmaßnahmen für die Verbindung zwischen dem Material des Sensorteils und der Trägermembran benötigt.
Es kann beispielsweise Magnetmaterial im Wege des Aufdruckens auf die Trägermembran aufgebracht werden. Hierbei können die vorgenannten Druckverfahren genutzt werden.
Das Druckverfahren erlaubt es, eine verhältnismäßig dünne Schicht des Sensorteils auf die Trägermembran aufzubringen, wobei gegebenenfalls das Sensormaterial des Sensorteils vollständig in die Trägermembran eindringt und somit nicht oder gegebenenfalls nur geringfügig über die Außenseite der Trägermembran übersteht. Alternativ ist es auch möglich, dass das Sensormaterial ein dreidimensionales, über eine Seite der Trägermembran überstehendes Sensorteil bildet.
Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist der Signalgeber der Druckdifferenzmesseinrichtung als ein elektrisches Kontaktelement ausgebildet, mit dem ein Stromkreis geöffnet und geschlossen werden kann. Das Öffnen bzw. Schließen des Stromkreises kann von einem Signalempfänger detektiert werden. Das elektrische Kontaktelement als Signalgeber befindet sich vorzugsweise an der Trägermembran und wirkt als Schalter, der durch die Bewegung der Trägermembran zwischen Öffnungs- und Schließstellung zum Öffnen und Schließen des Stromkreises geschaltet wird. Der Stromkreis kann entweder fest mit dem Filterelement verbunden oder separat und unabhängig vom Filterelement ausgebildet sein, beispielsweise an einem Steuergerät oder dem Filtergehäuse bzw. einem zum Filtergehäuse gehörenden Gehäusedeckel angeordnet sein.
Es kommen verschiedene Ausführungen der Trägermembran als Bestandteil des Filterelementes in Betracht. Gemäß einer vorteilhaften Ausführung ist die Trägermembran als separates Bauteil ausgebildet und am Filtermediumkörper angeordnet. Insbesondere in der Ausführung des Filterelementes als Rundfilterelement ist es zweckmäßig, dass die Trägermembran sich an der Stirnseite befindet und beispielsweise die Endscheibe bildet oder mit dieser verbunden ist.
Gemäß einer alternativen Ausführung ist die Trägermembran direkt von dem Filtermaterial des Filtermediumkörpers zumindest mit gebildet. Der Filtermediumkörper reagiert auf die Druckdifferenz zwischen Roh- und Reinseite und verändert druckabhängig lokal seine Position, so dass ein Signalgeber, der an oder im Filtermediumkörper angeordnet ist, ebenfalls eine Positionsänderung durchführt, aus der die aktuelle Druckdifferenz zwischen Roh- und Reinseite ermittelt werden kann. Eine Ausbildung der Trägermembran zumindest teilweise aus dem Filtermedium hat den Vorteil, dass eine solche, durch die Trägermembran bereitgestellte Sensorfläche quasi an jedem Ort des Filterelements vorgesehen werden kann und eine Integration unter einem Herstellbarkeitsaspekt sehr einfach möglich ist, da kein separater Membranabschnitt in das Filtermedium eingesetzt und abgedichtet werden muss.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist die Trägermembran über einen Faltenabschnitt mit dem Filtermediumkörper verbunden. Der Faltenabschnitt erhöht die Beweglichkeit der Trägermembran einschließlich des daran angeordneten Sensorteils, so dass Trägermembran und Sensorteil auch bei einer verhältnismäßig geringen Druckdifferenz größere Auslenkungen ausführen, wodurch eine höhere Genauigkeit bei der Druckdifferenzmessung erreicht werden kann. Die größere Beweglichkeit führt zu grö-ßeren Auslenkungen von Trägermembran und Sensorteil bereits bei verhältnismäßig geringen Druckdifferenzen, wodurch die Empfindlichkeit der Druckdifferenzmessung gesteigert wird. Der Faltenabschnitt, der die Trägermembran mit dem umgebenden Filtermediumkörper verbindet, kann einteilig mit dem Filtermediumkörper und der Trägermembran ausgebildet sein und eine oder mehrere Falten zwischen Filtermediumkörper und Trägermembran aufweisen.
Sofern der Filtermediumkörper mit Falten versehen ist, sind die Falten innerhalb des Faltenabschnittes bevorzugt kleiner ausgebildet als die Falten im Filtermediumkörper, wodurch die Steifigkeit des Faltenabschnittes herabgesetzt und die Beweglichkeit erhöht ist.
Alternativ zu einer einteiligen Ausführung des Faltenabschnittes mit Trägermembran und Filtermediumkörper ist es auch möglich, insbesondere bei separater Ausbildung der Trägermembran, den Faltenabschnitt ebenfalls separat vom Filtermediumkörper auszubilden. Hierbei kommt gegebenenfalls eine einteilige Ausführung von Faltenabschnitt und Trägermembran, jedoch eine separate Ausführung vom Filtermediumkörper in Betracht.
Die Falten im Faltenabschnitt können entweder nach Art einer Lautsprechermembran als ringförmige Falten ausgebildet sein, wobei die ringförmigen Falten des Faltenabschnittes die Trägermembran umschließen. Alternativ ist es auch möglich, dass die Falten des Faltenabschnittes als Längsfalten ausgebildet sind, die sich an einer oder an zwei oder an mehreren Seiten der Trägermembran erstrecken und die Trägermembran mit dem umgebenden Filtermediumkörper verbinden.
Die Falten des Faltenabschnittes sind beispielsweise durch Prägen hergestellt. Hierbei wird das Material im Faltenabschnitt geprägt, entweder ringförmig oder längsförmig, um die gewünschten Falten des Faltenabschnittes herzustellen. Das Prägen erfolgt entweder, bei einteiliger Ausführung, in die Filterbahn des Filtermediumkörpers oder, in alternativer Ausführung, in das Material, das auch die Trägermembran enthält, jedoch mit Abstand zur Trägermembran.
Gemäß noch einer weiteren zweckmäßigen Ausführung weisen die Falten im Faltenabschnitt eine signifikant geringere Faltenhöhe auf als Falten im angrenzenden Filtermediumkörper. Die Faltenhöhe der Falten im Faltenabschnitt beträgt insbesondere maximal 50 %, ggf. maximal 40 % oder maximal 30 % oder maximal 20 % oder maximal 10 % der Faltenhöhe der Falten im Filtermediumkörper.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist am Filterelement ein separates Sensorgehäuse angeordnet, das die Trägermembran aufnimmt und zwischen der Roh- und der Reinseite des Filterelementes platziert ist. Der Trägermembran im Sensorgehäuse ist sowohl der Druck der Reinseite als auch auf der gegenüberliegenden Trägermembran-Seitenfläche der Druck der Rohseite zuführbar, so dass die Trägermembran innerhalb des Sensorgehäuses auf Druckdifferenzen reagiert und eine entsprechende Verformung im Sensorgehäuse einnimmt. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass das Sensorgehäuse mit der darin angeordneten Trägermembran eine gekapselte, in sich geschlossene Einheit bildet, die als vorgefertigte Baueinheit am Filterelement angeordnet werden kann, beispielsweise im Fall eines Rundfilterelementes an der Endscheibe. Es kann auch vorteilhaft sein, dass unmittelbar am Filtermediumkörper des Filterelementes keine Trägermembran angeordnet zu werden braucht und dass außerdem auch das Sensorgehäuse, in welchem die Trägermembran aufgenommen ist, fest und ohne Relativbewegungsmöglichkeit mit dem Filterelement verbunden werden kann. Druckschwankungen zwischen Roh- und Reinseite wirken sich nicht auf die Position des Sensorgehäuses aus, sondern lediglich auf die Lage der Trägermembran innerhalb des Sensorgehäuses. Vorteilhafterweise nimmt die Trägermembran nur ein Sensorteil auf, wohingegen das zweite Sensorteil außerhalb des Sensorgehäuses und unabhängig von diesem angeordnet ist.
Eine Filtereinrichtung mit dem vorbeschriebenen Filterelement umfasst ein Filtergehäuse, das zur Aufnahme des Filterelementes einschließlich der Trägermembran und dem Sensorteil auf oder in der Trägermembran dient. Das zweite Sensorteil befindet sich entweder an dem Filtergehäuse oder an einem gehäuseseitigen Steuergerät.
Vorteilhaft kann über die erfindungsgemäße Filtereinrichtung auch erkannt werden, ob ein Filterelement mit einem Sensorteil auf der Trägermembran in das Filtergehäuse eingesetzt ist, um hierüber z. B. bei Einsatz eines Filterelements ohne Sensorteil eine entsprechende Meldung zu generieren.
Bei dem Filtergehäuse kann es sich in einer besonderen Ausführungsform um ein Filtergehäuse eines so genannten Inline-Filters handeln, das zwei Fluidanschlussstutzen, beispielsweise Schlauchanschlussstutzen oder Schnellkupplungen aufweist. Solche Inline-Filter sind beispielsweise Flüssigkeitsfilter, die platzsparend in einem Unterbodenbereich eines Kraftfahrzeugs angeordnet werden können.
Es kann hierbei besonders vorteilhaft vorgesehen sein, dass das gehäuseseitige Sensorteil an einem der Fluidstutzen vorliegt, der von dem Filtergehäuse trennbar ausgebildet ist und gegenüber diesem fluiddicht abgedichtet ist. Insbesondere wenn es sich bei dem zweiten Sensorteil um einen Empfänger, insbesondere Hallsensor, handelt, ist eine solche Konfiguration vorteilhaft, da der trennbare Fluidstutzen wieder verwendbar ist und dadurch das typischerweise teurere Sensorteil nicht bei einem Austausch des Filterelements mit entsorgt wird. Eine Abdichtung des Stutzens gegenüber dem Filtergehäuse, beispielsweise einem Gehäusedeckel, kann durch ein radial wirkendes Dichtelement, etwa einen O-Ring, erfolgen. Das Filtergehäuse kann in einigen Ausführungsformen als Kunststoffhohlkörper mit verschweißtem Deckel, alternativ als Blechteil mit fluiddicht aufgebördeltem Deckel ausgeführt sein.
Figurenliste
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:

1 einen Schnitt durch ein Rundfilterelement mit einem hohlzylindrischen Filtermediumkörper, mit einer verformbaren Trägermembran an der Stirnseite, die Träger eines Magneten ist;
2 eine 1 entsprechende Darstellung eines Filterelementes, jedoch mit zusätzlichen Verformungsabschnitten in der Trägermembran, die Träger eines Magneten ist;
3 eine Ausführungsvariante, bei der in die stirnseitige Trägermembran Magnetmaterial eingebracht ist;
4 eine weitere Ausführungsvariante, bei der in die stirnseitige Trägermembran ein Magnet eingesetzt ist;
5 eine Prinzipdarstellung einer Ausführungsvariante, bei der die Trägermembran ein elektrisches Kontaktelement zum Öffnen und Schließen eines Stromkreises aufweist;
6 eine Ausführungsvariante, bei der die Trägermembran, die einen Magneten aufnimmt, in einem separaten Sensorgehäuse angeordnet ist;
7 eine Ausführungsvariante, bei der ein Magnet an einer Trägermembran angeordnet ist, die in einen Filtermediumkörper integriert ist;
8 eine Ausführungsvariante, bei der ein Abschnitt des Filtermediumkörpers die Trägermembran bildet und einen Magneten trägt;
9 eine Ausführungsvariante mit einem Filterelement, das zwei V-förmig platzierte Filtermediumkörper umfasst, wobei ein Filtermediumkörper Träger eines Magneten ist;
10 eine Ausführungsvariante, bei der analog zu 8 ein Abschnitt des Filtermediumkörpers die Trägermembran bildet, wobei das Sensorteil im Druckverfahren auf die Trägermembran aufgebracht ist;
11 eine Ausführungsvariante mit dem Filtermediumkörper in alternativer Ausführung, wobei die Trägermembran einteilig mit dem Filtermediumkörper ausgebildet ist und das Sensorteil im Druckverfahren auf die Trägermembran aufgedruckt ist;
12 eine Ausführungsvariante, bei der die Trägermembran mit dem Sensorteil über einen Faltenabschnitt mit dem Filtermediumkörper verbunden ist;
13 eine weitere Ausführungsvariante, mit einem Faltenabschnitt zwischen der Trägermembran und dem Filtermediumkörper, wobei der Faltenabschnitt nur eine einzige, ringförmige Falte aufweist;
14 eine ähnliche Ausführung wie 13, jedoch mit zwei ringförmigen Falten zwischen der Trägermembran und dem Filtermediumkörper;
15 eine Ausführungsvariante der Filtereinrichtung als Inline-Filter;
16 eine weitere Ausführungsvariante der Filtereinrichtung als Inline-Filter; und
17 Detailansicht der 16.

In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist ein Rundfilterelement 1 dargestellt, das beispielsweise als Luftfilterelement im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine eingesetzt wird. Das Filterelement 1 umfasst einen hohlzylindrischen Filtermediumkörper 2, der von dem zu filtrierenden Fluid radial von außen nach innen durchströmt wird. An der Stirnseite ist der Filtermediumkörper 2 von einer Endscheibe 3 abgedeckt. Der zylindrische Innenraum 4 bildet den Reinraum, aus dem das gereinigte Fluid axial abgeleitet wird.
Einteilig mit der Endscheibe 3 ist eine Trägermembran 5 ausgebildet, die an der Stirnseite angeordnet ist und den Innenraum 4 axial verschließt. Die Trägermembran 5 ist verformbar ausgebildet, so dass sich die aktuelle Position der Trägermembran 5 in Abhängigkeit der Druckdifferenz zwischen dem Druck auf der Rohseite - außerhalb des Innenraums 4 - und der Reinseite - im Innenraum 4 - einstellt.
Die Trägermembran 5 ist Träger eines Signalgebers 6, der Teil einer Druckdifferenzmesseinrichtung ist, zu der auch ein Signalempfänger 7 außerhalb des Filterelementes 1 gehört. Der Signalgeber 6 auf der Trägermembran 5 ist beispielsweise als ein Magnet ausgebildet, der Signalempfänger 7 als ein Hallsensor. Der Signalempfänger 7 befindet sich axial beabstandet, jedoch benachbart zu dem Magneten 6 außerhalb des Filterelementes 1 und ist in einem Filtergehäuse 8 bzw. einem Gehäusedeckel aufgenommen. Alternativ zu einem Gehäuseteil kann der Signalempfänger 7 auch in einem gehäusefest angeordneten Steuergerät 9 aufgenommen sein.
Die von dem Magneten 6 ausgehenden Magnetfeldlinien werden im Hallsensor 7 sensiert. Bei einer Änderung der Druckdifferenz zwischen Roh- und Reinseite des Filterelementes 1 ändert sich auch die Relativposition der Trägermembran 5 einschließlich des Magneten 6 in Bezug auf den Signalempfänger 7, was von diesem anhand des geänderten Verlaufs der Magnetfeldlinien detektiert wird. Aus der Änderung der Relativposition kann auf die geänderte Druckdifferenz geschlossen werden.
Der Magnet 6 bildet ein separates Bauteil, das mit der Trägermembran 5 verbunden ist, beispielsweise aufgeklebt oder mechanisch verbunden ist, z. B. durch Einknöpfen in die Trägermembran.
In der Ausführungsvariante gemäß 2 ist die Trägermembran 5 separat von der Endscheibe 3 ausgebildet, jedoch mit der Endscheibe 3 verbunden. Zudem weist die Trägermembran 5 eine kreisförmig umlaufende Vertiefung 5a auf, wodurch die Fläche der Trägermembran 5 vergrößert und eine bessere Verformbarkeit der Trägermembran 5 gegeben ist. Der Magnet 6 befindet sich zentrisch auf der Außenseite der Trägermembran 5.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist der Magnet 6 von einem Magnetmaterial gebildet, das durch Auf- oder Einspritzen an der Trägermembran 5 mit dieser verbunden ist. Auf der dem Innenraum 4 zugewandten Innenseite der Trägermembran 5 befindet sich ein Stabilisierungsteil 10 aus einem Kunststoffmaterial, wobei das Magnetmaterial 6 zwischen der Trägermembran 5 und dem Stabilisierungsteil 10 eingeschlossen ist. Die Magnetfeldlinien, die von dem Magnetmaterial 6 ausgehen, werden von dem Signalempfänger 7 außerhalb des Filterelementes 1 detektiert, wobei das detektierte Signal vom Signalempfänger 7, wie mit dem Pfeil dargestellt, zur Weiterverarbeitung weitergeleitet wird.
Auch im Ausführungsbeispiel gemäß 4 befindet sich an der Innenseite der Trägermembran 5 ein Stabilisierungsteil 10, das zur Stabilisierung der Trägermembran 5 dient. Der Magnet 6 ist als vorgefertigter Magnet ausgebildet und kann beispielsweise im Wege der Einschnappmontage mit dem Stabilisierungsteil 10 verbunden werden, das seinerseits mit der Trägermembran 5 verbunden wird, so dass bei einer Änderung der Druckdifferenz zwischen Roh- und Reinseite die Trägermembran 5, das Stabilisierungsteil 10 sowie der Magnet 6 ihre Position ändern, was von dem zugeordneten Signalempfänger detektiert werden kann.
Wie der schematischen Darstellung gemäß 5 zu entnehmen, kommen auch nichtmagnetische Ausführungen des Signalgebers 6 in Betracht. Bei 5 ist der Signalgeber 6 als ein elektrisches Kontaktelement ausgeführt, mit dem ein Stromkreis geöffnet und geschlossen werden kann. Dem Kontaktelement 6 ist ein weiteres elektrisches Kontaktteil 11 zugeordnet, das gehäusefest positioniert ist. Je nach Auslenkung der Trägermembran 5 gelangt das elektrische Kontaktelement 6 in Kontakt mit dem Kontaktteil 11 und schließt den Stromkreis oder steht in einer Außerkontaktposition mit dem Kontaktteil 11, so dass der Stromkreis geöffnet ist. Der fließende bzw. unterbrochene Stromkreislauf kann von einem zugeordneten Signalempfänger detektiert werden.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 6 befinden sich Trägermembran 5 und Signalgeber 6, beispielsweise ein Magnet, in einem separat ausgebildeten Sensorgehäuse 12, das an der Endscheibe 3 des Filterelementes 1 angeordnet ist. Das Sensorgehäuse 12 weist Öffnungen sowohl zur Reinseite, die von dem Innenraum 4 gebildet wird, als auch zur außen liegenden Rohseite auf. Dementsprechend wird die Trägermembran 5 innerhalb des Sensorgehäuses 12 auf ihren gegenüberliegenden Seitenflächen mit dem Druck der Rohseite und dem Druck der Reinseite beaufschlagt und nimmt innerhalb des Sensorgehäuses 12 eine entsprechende Relativposition ein, die auch von dem Magneten 6 mit ausgeführt wird. Das Sensorgehäuse 12 ist vorteilhafterweise fest mit dem Filterelement 1 verbunden und bleibt daher bei wechselnden Druckverhältnissen ortsfest bezüglich des Filterelements 1.
Der Signalempfänger befindet sich in einem Steuergerät 9, das am Gehäusedeckel 8a des Filtergehäuses 8 angeordnet ist. Das Filtergehäuse 8 einschließlich Gehäusedeckel 8a und dem darin aufgenommenen Filterelement 1 bildet die Filtereinrichtung 13.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 7 ist schematisch die Integration der Trägermembran 5 und des Magneten 6 in den Filtermediumkörper 2 dargestellt. Der Filtermediumkörper 2 ist balgförmig ausgebildet und weist eine Vielzahl von Filterfalten auf. Ein Abschnitt des Filtermediumkörpers 2 ist unterbrochen und von der eingesetzten Trägermembran 5 gebildet, die mit dem Filtermediumkörper 2 verbunden ist. Bei Änderungen der Druckdifferenz zwischen Roh- und Reinseite am Filtermediumkörper 2 verändert sich die Lage des Filtermediumkörpers, ebenso der Trägermembran 5 und damit auch des Magneten 6 als Signalgeber, was von dem zugeordneten Signalempfänger 7 detektiert wird.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 8 ist der Filtermediumkörper 2 ebenfalls balgförmig ausgebildet. Der Signalgeber, beispielsweise ein Magnet 6, ist unmittelbar mit dem Filtermaterial des Filtermediumkörpers 2 verbunden, so dass der Filtermediumkörper 2 zugleich die Trägermembran zur Aufnahme des Signalgebers 6 bildet.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 9 ist das Filterelement 1 mit zwei block- bzw. quaderförmigen Filtermediumkörpern 2 versehen, die winklig zueinander angeordnet sind und einen zwischenliegenden Innenraum 4 einschließen, welcher den Reinraum bildet. In ein Filtermediumkörper 2 ist ein Signalgeber 6, beispielsweise ein Magnet, integriert, dem ein Signalempfänger 7 zugeordnet ist, der an einem Gehäusebauteil und/oder an einem gehäuseseitigen Steuergerät 9 angeordnet ist.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 10 ist analog zu 8 der Filtermediumkörper 2 als Filterbalg ausgebildet, wobei ein Abschnitt des Filtermediumkörpers die Trägermembran 5 bildet, welche somit einteilig mit dem Filtermediumkörper 2 ausgebildet ist. Auf eine Seite der Trägermembran 5 ist als Signalgeber 6 Magnetmaterial im Wege des Druckverfahrens aufgebracht. Als Druckverfahren kommt beispielsweise ein Siebdruckverfahren, ein Tampondruckverfahren oder ein Tintenstrahlverfahren in Betracht. Ggf. ist es auch möglich, das Material des Signalgebers 6 im Wege des 3D-Druckverfahrens auf die Trägermembran 5 aufzubringen. Das Material des Signalgebers 6 wird insbesondere in einem flüssigen oder zumindest weichen Zustand auf die Trägermembran 5 aufgebracht und kann in das Material der Trägermembran 5 zumindest teilweise eindringen, so dass nach dem Aushärten des Materials des Signalgebers 6 eine feste, unlösbare Verbindung mit der Trägermembran 5 gegeben ist.
Auch im Ausführungsbeispiel gemäß 11 kann gegebenenfalls das Sensorteil 6 im Wege des Druckverfahrens auf die Trägermembran 5 aufgebracht werden. Wie 11 außerdem zu entnehmen, ist die Trägermembran 5 über einen Faltenabschnitt 14 mit dem umgebenden Filtermediumkörper 2 verbunden. Trägermembran 5, Faltenabschnitt 14 und Filtermediumkörper 2 sind einteilig ausgebildet. Der Faltenabschnitt 14 umfasst beispielsweise ringförmige Falten, die die Trägermembran umschließen. Mithilfe des Faltenabschnittes 14 wird eine höhere Beweglichkeit der Trägermembran 5 einschließlich des Sensorteils 6 in die Auslenkungsrichtung entlang des Doppelpfeils 15 im Falle einer Druckänderung erreicht. Dies erhöht die Messgenauigkeit der Sensoreinrichtung, da Druckdifferenzen zu einer entsprechend größeren Auslenkung von Trägermembran 5 einschließlich Sensorteil 6 führen. Auch im Falle einer Verschmutzung der Trägermembran 5 bleibt die höhere Beweglichkeit erhalten.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 12 ist die Trägermembran 5 ebenfalls über einen Faltenabschnitt 14 mit dem Filtermediumkörper 2 verbunden. Der Filtermediumkörper 2 ist als Faltenfilter ausgebildet, wobei die Faltenhöhe im Faltenabschnitt 14 signifikant kleiner ist als die Faltenhöhe im Bereich des Filtermediumkörpers 2. Die Faltenhöhe im Faltenabschnitt 14 ist insbesondere nicht größer als ein Viertel der Faltenhöhe im Filtermediumkörper 2. Die geringere Faltenhöhe im Bereich des Faltenabschnittes im Vergleich zur Faltenhöhe im Bereich des Filtermediumkörpers 2 verbessert die Beweglichkeit und erhöht die Auslenkung der Trägermembran 5 einschließlich des Signalgebers 6 im Falle einer anliegenden Druckdifferenz, da die kleineren Falten im Faltenabschnitt 14 eine geringere Steifigkeit aufweisen als die Falten im Filtermediumkörper 2. Im Ausführungsbeispiel gemäß 12 sind zu beiden Seiten der Trägermembran 5 jeweils mehrere Falten im Faltenabschnitt 14 angeordnet, beispielsweise jeweils drei Falten. Die Falten im Faltenabschnitt 14 sind beispielhaft als Längsfalten ausgebildet.
In den Ausführungsbeispielen gemäß 13 und 14 ist jeweils die Trägermembran 5 einschließlich Sensorteil 6 von einem ringförmigen Faltenabschnitt 14 eingefasst, über den die Trägermembran 5 mit dem Filtermediumkörper 2 verbunden ist. Bei 13 weist der Faltenabschnitt 14 nur eine einzige, ringförmige Falte auf, im Ausführungsbeispiel gemäß 14 weist der Faltenabschnitt 14 zwei konzentrische, ringförmige Falten auf.
In den vorgenannten Ausführungsbeispielen können die Falten im Faltenabschnitt 14 durch Prägen des Materials im Übergang von Filtermediumkörper 2 zur Trägermembran 5 hergestellt werden.
Die 15 zeigt eine Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung 13 als Inline-Filter. Ein Inline-Filter ist eine Filterbauform, die sich dadurch auszeichnet, beispielsweise platzsparend an einen Unterboden/Innenboden eines Kraftfahrzeugs, aber auch an beliebigen anderen Fahrzeugen und sonstigen Maschinen angeordnet werden zu können. Der Inline-Filter verfügt über ein Filtergehäuse 8, das mit einem Gehäusedeckel 8a verschlossen ist. Im Innenraum befindet sich ein Filterelement 1, das ein Filtermedium 2 aufweist, das so gefaltet ist, dass es einen Innenraum 4 umschließt. Das Filtergehäuse 8 hat zwei Fluidstutzen 16, 17, von denen einer ein Eintrittsstutzen und einer ein Austrittsstutzen ist. Die Endscheibe 3 des Filterelements 1 weist in ihrem Zentrumsbereich eine Trägermembran 5 auf, auf der ein Signalgeber 6, etwa ein magnetisches Element, vorliegt. Gehäuseseitig ist am Gehäusedeckel 8a ein Sensorteil 7 angebracht, etwa ein Empfängerbauteil wie ein Hallsensor. In Zusammenwirkung des Signalgebers 6 auf der Trägermembran 5 und dem Sensorteil 7 kann eine durch einen Differenzdruck bewirkte Verformung der Trägermembran 5 detektiert werden. Vorteilhafterweise wird die Filtereinrichtung so betrieben, dass unter Differenzdruckeinwirkung die Verformung der Trägermembran 5 in Richtung zum Innenraum 4 hin erfolgt, d. h. geeigneter Weise handelt es sich bei dem Fluidstutzen 16 um den Einlassstutzen. 16 und 17 zeigen nun eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung 13 als Inline-Filter. Funktionell unterscheidet sich dieser nicht von der Variante der 15. Es besteht jedoch der wesentliche Unterschied, dass das gehäuseseitige Sensorteil 7 nicht an dem Gehäusedeckel 8a vorliegt, sondern an dem Fluidstutzen 16. Der Fluidstutzen 16 ist zu diesem Zweck von dem Gehäusedeckel 8a trennbar und fluiddicht mit diesem verbunden; Dichtmittel ist ein radial wirkender O-Ring 161. Vorteilhaft hieran ist, dass das gehäuseseitige Sensorteil 7 (z. B. Hallsensor), das typischerweise das teurere Sensorteil ist, wiederverwendet werden kann.
In der Detailansicht der 17 ist der Bereich der Trägermembran 5 und des korrespondierenden gehäuseseitigen Sensorteils 7 genauer gezeigt. Es ist erkenntlich, dass auf der Trägermembran 5 ein sich in Axialrichtung erstreckender Fortsatz 51 vorliegt, der Träger des Signalgebers 6 (beispielsweise Magnet) ist. Der zur Trägermembran 5 weisende Endabschnitt des Fluidstutzens 16, an dem das gehäuseseitige Sensorteil 7 vorliegt, hat seinerseits eine mit dem Fortsatz 51 korrespondierende Ausnehmung 71 (z. B. Bohrung), in der der Fortsatz 51 in Radialrichtung und axial beweglich geführt ist.

Claims

Filterelement, insbesondere zur Gasfiltration, beispielsweise für einen Luftfilter, mit einem Filtermediumkörper (2), an dem die Filtration stattfindet, und mit einer verformbaren Trägermembran (5), die die Reinseite von der Rohseite separiert, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägermembran (5) Träger eines Sensorteils (6) ist, das Bestandteil einer Druckdifferenzmessseinrichtung zur Ermittlung des Differenzdrucks zwischen Rein- und Rohseite ist, wobei die Druckdifferenzmessseinrichtung ein zweites Sensorteil (7) umfasst, das dazu ausgebildet ist, relativ zu dem Filterelement ortsfest angeordnet zu werden, wobei lediglich das erste Sensorteil Bestandteil des Filterelementes ist, wohingegen das zweite Sensorteil als Bestandteil der Druckdifferenzmesseinrichtung separat und außerhalb des Filterelementes angeordnet ist.
Filterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (1) als Rundfilterelement mit einem hohlzylindrischen Filtermediumkörper (2) ausgebildet ist.
Filterelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägermembran (5) an einer Stirnseite des Filterelements (1) angeordnet ist.
Filterelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägermembran (5) eine Endscheibe (3) an der Stirnseite des Filtermediumkörpers (2) zumindest mit bildet.
Filterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (1) zumindest zwei Filtermediumkörper (2) umfasst, die zwischen sich einen Reinraum einschließen, wobei die verformbare Trägermembran (5) den Reinraum zumindest mit begrenzt.
Filterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorteil (6) an der Trägermembran (5) einen Signalgeber (6) bildet.
Filterelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgeber (6) der Druckdifferenzmesseinrichtung als Magnet ausgebildet ist und/oder das zweite Sensorteil (7) der Druckdifferenzmesseinrichtung als Signalempfänger (7) ausgebildet ist, bevorzugt als Magnetsensor, beispielsweise als Hallsensor.
Filterelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet als separates Bauteil ausgebildet ist, das mit der Trägermembran (5) verbunden ist.
Filterelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Magnetmaterial des Magneten in die Trägermembran (5) eingebettet ist.
Filterelement nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgeber (6) der Druckdifferenzmessseinrichtung als elektrisches Kontaktelement zum Öffnen und Schließen eines Stromkreises ausgebildet ist.
Filterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägermembran (5) als separates Bauteil ausgebildet und am Filtermediumkörper (2) angeordnet ist.
Filterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Filtermediumkörper (2) die Trägermembran (5) zumindest mit bildet.
Filterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägermembran (5) in einem separaten Sensorgehäuse (12) angeordnet ist, das zwischen Roh- und Reinseite des Filterelements (1) angeordnet ist, wobei der Druck der Reinseite und der Rohseite den verschiedenen Seitenflächen der Trägermembran (5) zuführbar ist.
Filterelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorgehäuse (12) an der Endscheibe des Filterelements (1) angeordnet ist.
Filterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorteil (6) auf die Trägermembran (5) aufgedruckt ist, beispielsweise durch Aufdrucken von Magnetmaterial auf die Trägermembran (5).
Filterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägermembran (5) über einen Faltenabschnitt (14) mit dem Filtermediumkörper (2) verbunden ist, wobei bevorzugt die Falten des Faltenabschnitts (14) durch Prägen erzeugt sind.
Filtereinrichtung mit einem Filterelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16 und mit einem Filtergehäuse (8) zur Aufnahme des Filterelements (1).
Filtereinrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensorteil am Filtergehäuse (8) angeordnet ist oder ein Sensorteil an einem gehäuseseitigen Steuergerät (9) angeordnet ist.
Filtereinrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtergehäuse (8) zumindest einen Fluidstutzen (16, 17) aufweist, bevorzugt zumindest zwei Fluidstutzen (16, 17), wobei besonders bevorzugt zumindest einer der Fluidstutzen (16, 17) trennbar und fluiddicht mit dem Filtergehäuse (8) verbunden ist, insbesondere mit einem Gehäusedeckel (8a), wobei insbesondere ein radial wirkender Dichtring (161) zwischen dem Filtergehäuse (8) und dem trennbaren Fluidstutzen (16, 17) vorgesehen ist.
Filtereinrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein zu einem Gehäuseinnenraum weisendes Ende des trennbaren Fluidstutzens (16, 17) das zweite Sensorteil (7) trägt.