DE102017109104A1

DE102017109104A1 - Rotierend angetriebenes Filterelement mit berührungsloser Dichtung

Info

Publication number: DE102017109104A1
Application number: DE102017109104.1A
Authority: DE
Inventors: Normann Willimek; Klaus Mecking; Andreas Porsche; Helmut Brinker; Klaus Schute
Original assignee: Friedrich Graepel AG; GRAEPEL FA FRIEDR
Current assignee: Friedrich Graepel AG; GRAEPEL FA FRIEDR
Priority date: 2017-04-27
Filing date: 2017-04-27
Publication date: 2018-10-31
Also published as: US20190118127A1; RU2018115538A

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein rotierend angetriebenes Filterelement (1) sowie auf eine selbstfahrende Arbeitsmaschine mit einem rotierend angetriebenen Filterelement (1) zur Filterung anströmender Luftmengen, das einem Ansaugraum (22) eines Kühlsystems (20) oder einer Verbrennungsluftverteilvorrichtung eines Verbrennungsmotors einer selbstfahrenden Arbeitsmaschine vorgeordnet ist, mit einem Randbereich, in dem es zu benachbarten starren Maschinenteilen (7) nur einen geringen Abstand aufweist, wobei zwischen dem Randbereich des Filterelements (1) und den benachbarten starren Maschinenteilen (7) ein Luftspalt (S1, S2) ausgebildet ist, der eine Abdichtung gegen eine ungehinderte Einströmung von Umgebungsluft aufweist.Um eine Abdichtungsvorrichtung im Anstoßbereich eines rotierend angetriebenen Filterelements zu angrenzenden starren Maschinenteilen zu schaffen, die gut abdichtet, verschleiß- und wartungsfrei betreibbar, kostengünstig herstellbar ist und keine Verletzungsgefahren schafft, wird vorgeschlagen, dass das Filterelement (1) in seinem Randbereich einen umlaufenden Abschnitt (4) aufweist, in dem in den Ansaugraum (22) gerichtete Luftleitelemente (6) angeordnet sind, die zur Abdichtung gereinigte Zuluft aus dem Ansaugraum (22) in den Bereich des Luftspaltes (S1, S2) leiten.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein rotierend angetriebenes Filterelement sowie auf eine selbstfahrende Arbeitsmaschine mit einem rotierend angetriebenen Filterelement zur Filterung anströmender Luftmengen, das einem Ansaugraum eines Kühlsystems oder einer Verbrennungsluftverteilvorrichtung eines Verbrennungsmotors einer selbstfahrenden Arbeitsmaschine vorgeordnet ist, mit einem Randbereich, in dem es zu benachbarten starren Maschinenteilen nur einen geringen Abstand aufweist, wobei zwischen dem Randbereich des Filterelements und den benachbarten starren Maschinenteilen ein Luftspalt ausgebildet ist, der eine Abdichtung gegen eine ungehinderte Einströmung von Umgebungsluft aufweist, sowie auf eine selbstfahrende Arbeitsmaschine mit einem entsprechenden rotierend angetriebenen Filterelement.
In selbstfahrenden Arbeitsmaschinen, die in schmutzbelasteten Arbeitsumgebungen eingesetzt werden, wie beispielsweise Land- und Baumaschinen, Traktoren, Minenfahrzeugen und dergleichen, sind Kühlsysteme zur Abkühlung des Kühlwassers der Brennkraftmaschine, der Ladeluft und/oder des Kühlmittels der Klimaanlage eingesetzt, bei denen die angesaugte Kühlluft als Zuluft gefiltert wird, bevor sie in einen dem oder den Wärmetauschern des Kühlsystems vorgeordneten Ansaugraum gelangt. Das Kühlsystem besteht also aus einem Filterelement, einem dem Filterelement nachgeordneten Ansaugraum, dem oder den Wärmetauschern und einem Lüfterrad, das als Sauglüfter oder Drucklüfter hinter oder vor dem oder den Wärmetauschern angeordnet ist. Vom Filterelement bis zur Ausströmungsöffnung des oder der Wärmetauscher oder der Ausströmungsöffnung des Sauglüfters bildet das Kühlsystem einen zumindest im Wesentlichen nach außen hin geschlossenen Luftströmungskanal, durch den die Kühlluft als Zuluft angesaugt, dem oder den Wärmetauschern zugeführt und danach in die Umgebungsluft ausgeblasen wird. Auch die Verbrennungsluft eines Verbrennungsmotors in einer selbstfahrenden Arbeitsmaschine muss als Zuluft vor ihrer Verteilung und Einleitung in die Brennräume gefiltert werden, um einen Schmutzeintrag in die Brennräume des Verbrennungsmotors zu vermeiden.
Ohne eine effektive Schmutzabscheidung würden sich die Wärmetauscher schnell mit Schmutz zusetzen, die Kühlung fiele dann aus. Auch Luftfilter zur Filterung der Verbrennungsluft in Arbeitsmaschinen setzten sich je nach anfallender Schmutzfracht in der angesaugten Luft schnell zu. Als Filterelemente werden beispielsweise Lochsiebe eingesetzt, die als flache perforierte Blechscheibe, als Kegel oder als Korb mit einem zylindrischen Mantelblech und flacher Deckscheibe ausgestaltet sein können. Lochsiebe weisen Sieblöcher auf, durch die die angesaugte Zuluft hindurch strömen kann. Als Filterelemente können aber auch andere bekannte geeignete Abscheidemittel mit oder ohne eine zugehörige Stützstruktur verwendet sein, wie beispielsweise Drahtgewebe, Vliese, perforierte Kunststoffmatten oder -folien und dergleichen. Diese Filter weisen ebenfalls Kanäle auf, durch die angesaugte Zuluft hindurch strömen kann, Fremdpartikel aber zurückgehalten werden. Die Sieblöcher oder Kanäle bilden Sieböffnungen, die der Durchströmung der angesaugten Zuluft dienen. Allerdings setzen sich auch diese Filterelemente schnell mit Schmutz zu.
Um dies zu verhindern, werden Filtersysteme eingesetzt, bei denen die auf der Oberfläche des Filterelements angesammelten Schmutzpartikel bereichsweise abgesaugt und/oder abgeblasen werden. Dabei ist bevorzugt das Filterelement rotierend angetrieben und die Absaugtechnik ist stationär. Beispiele hierfür finden sich in den Schriften EP 2 865 863 A2 , EP 2 147 712 A1 und DE 10 2009 056 432 A1 .
Bei den rotierenden Filtersystemen stellt sich das Abdichtungsproblem im Anstoßbereich des rotierend angetriebenen Filterelements zu den starren angrenzenden Maschinenteilen. Da ein Filterelement in Durchströmungsrichtung einen Druckverlust verursacht und sich in Strömungsrichtung gesehen hinter dem Filterelement im Ansaugraum ein Unterdruck einstellt, neigt die verschmutzte Luft aus der Umgebung dazu, ungereinigt durch den Luftspalt zwischen dem Filterelement und den angrenzenden starren Teilen der Maschine in den Ansaugraum des Kühlsystems bzw. der Luftzuführung zu den Zylindern zu strömen und dabei das Filterelement zu umgehen. Die auf diese Weise in den Ansaugraum gelangte verschmutzte Luft strömt dann durch den oder die Wärmetauscher und setzt diese mit den mitgeführten Schmutzpartikeln zu.
Sehr häufig werden Bürstendichtungen eingesetzt, um dies zu verhindern. Eine Bürstendichtung wird beispielsweise in der Schrift EP 2 865 863 A2 ausdrücklich angesprochen. Die Bürstendichtungen unterliegen allerdings einem Verschleiß, sie sind störungsanfällig und sind nicht völlig dicht.
Es gibt auch Filtersysteme mit Labyrinthdichtungen, die aber ebenfalls nicht völlig dicht sind. Ihre Abdichtfunktion ist stark abhängig davon, inwieweit es gelingt, die jeweiligen Toleranzen in den Bauteilen bei der Montage und über die Nutzungsdauer des Produktes einzuhalten. In den Labyrinthdichtungen kann sich Schmutz ansammeln und zu Paketen aufbauen, die wiederum zu Verschleiß an den kontaktierenden Teilen führen.
In der Schrift WO 2009/150507 ist ein rotierendes Filterelement offenbart, bei dem außen auf dem Filterelement Flügel aufgesetzt sind, die bei der Rotation des Filterelements einen Luftstrom erzeugen, der der anströmenden verschmutzten Außenluft entgegengerichtet ist. Der von den Flügeln erzeugte Gegenluftstrom soll ein Einströmen der verschmutzten Außenluft in den Innenraum des Kühlsystems verhindern. Die mit dem Filterelement rotierenden Flügel verursachen allerdings eine erhebliche Verletzungsgefahr, die Flügel können leicht beschädigt werden, und die Flügel sind aufwendig und teuer in der Herstellung.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Abdichtungsvorrichtung im Anstoßbereich eines rotierend angetriebenen Filterelements zu angrenzenden starren Maschinenteilen zu schaffen, die gut abdichtet, verschleiß- und wartungsfrei zu betreiben, kostengünstig herstellbar ist und keine Verletzungsgefahren schafft.
Die Aufgabe wird für ein gattungsgemäßes Filterelement sowie für eine gattungsgemäße selbstfahrende Arbeitsmaschine gelöst, indem das Filterelement in seinem Randbereich einen umlaufenden Abschnitt aufweist, in dem in den Ansaugraum gerichtete Luftleitelemente angeordnet sind, die zur Abdichtung gereinigte Zuluft aus dem Ansaugraum in den Bereich des Luftspaltes leiten.
Der Randbereich des Filterelements ist der Bereich, in dem das Filterelement zu benachbarten starren Maschinenteilen nur einen geringen Abstand aufweist. Wo der Randbereich bei einem konkreten Filterelement liegt, hängt von der jeweiligen Geometrie des Filterelements und der räumlichen Lage der benachbarten starren Maschinenteile ab. Bei einer flachen Scheibe als Filterelement, die an ihrem Außenumfang den geringsten Abstand zu benachbarten starren Maschinenteilen aufweist, ist der Außenumfang der Randbereich. Bei einem annähernd oder genau zylindrischen Raumkörper in Gestalt eines Korbes als Filterelement, bei dem der Deckel und/oder die zylindrische Wand zur Luftansaugung genutzt werden und das freie Ende der zylindrischen Wand gegen starre Maschinenteile abgedichtet ist, ist der Randbereich das freie Ende der zylindrischen Wand. Bei einer Pilzform des Filterelements ist das freie Ende des Stiels der Randbereich, wenn dieses gegen starre Maschinenteile abgedichtet ist. Wenn das Filterelement an anderer Stelle als vorstehend beschrieben seinen geringsten Abstand zu starren Maschinenteilen hat und dieser Bereich abgedichtet ist, so ist dieser Bereich der Randbereich im Sinne dieser Erfindung.
Mit dem umlaufenden Abschnitt ist der Bereich des Filterelements gemeint, in dem die Luftleitelemente angeordnet sind. Die Luftleitelemente sind in Rotationsrichtung des Filterelements ebenfalls über den Umlauf verteilt angeordnet, so dass sich bei einer Umdrehung des Filterelements eine annähernd gleichmäßig über den Umlauf verteilte Luftströmung auf den Luftspalt zu ergibt. Der umlaufende Abschnitt läuft um den Umfang des Filterelements herum. Er befindet sich bevorzugt unmittelbar benachbart zum Randbereich oder ist ein Bestandteil des Randbereichs. In bevorzugter Weise weist der umlaufende Abschnitt nicht die Sieböffnungen auf, die sich in den übrigen Bereichen des Filterelements befinden, um gefilterte Außenluft in den Ansaugraum einströmen zu lassen. Derartige Sieböffnungen im Bereich des umlaufenden Abschnitts würden die Anströmung der Luftleitelemente mit Zuluft und deren Umlenkung in den Bereich des Luftspaltes stören.
Der umlaufende Abschnitt kann einstückig mit dem Filterelement verbunden sein, oder der umlaufende Abschnitt ist ein Anbauteil, das an das Luftleitelement angesetzt und mit diesem fest verbunden ist. Der umlaufende Abschnitt kann auch ein vom Filterelement separates Bauteil sein, das beispielsweise nur auf der Welle des Filterelements abgestützt ist und mit dieser rotiert oder auf dieser rotiert und separat angetrieben ist, oder das auf dem benachbarten starren Maschinenteil abgestützt ist und unabhängig vom Filterelement angetrieben ist. Das separate Bauteil ist dann zwar aufwendiger herzustellen, es ist aber in gleicher Weise wie ein fest mit dem Filterelement verbundenes Bauteil dazu geeignet, aus dem Ansaugraum heraus mit Luftleitelementen einen Luftstrom mit der gereinigten Zuluft zu erzeugen, der auf den abzudichtenden Luftspalt gerichtet ist.
Bei einer Rotation des Filterelements wird der umlaufende Abschnitt mit den darauf positionierten Luftleitelementen mit bewegt. Durch ihre Bewegungsgeschwindigkeit drücken die auf dem umlaufenden Abschnitt angeordneten Luftleitelemente die Zuluft, die sich in ihrer Bewegungsbahn befindet, in die Richtung, in die ihre Oberfläche die Zuluft aufgrund ihrer Form ableitet. Dabei sind die Luftleitelemente so geformt, dass sie die auf ihre Oberfläche auftreffende Zuluft in Richtung des Luftspaltes ableiten. Je größer die Bewegungsgeschwindigkeit ist, umso größer ist auch das von den Luftleitelementen bewegte Luftvolumen und der damit im Bereich des Luftspaltes aufgebaute Luftdruck. Die bewegte Luftmenge hängt natürlich auch von der Größe, Zahl und Form der Luftleitelemente ab. Um einen ausreichend abdichtenden Luftdruck im Bereich des Luftspaltes aufbauen zu können, müssen die Drehzahl, Form, Anzahl und Größe der Luftleitelemente aufeinander so angepasst werden, dass sich bei der Normalbetriebsdrehzahl der Filterelements der gewünschte Druck im Bereich des Luftspaltes aufbaut. Auch der Anstellwinkel der Luftleitflächen der Luftleitelemente wird so gewählt, dass sich ein günstiges Strömungs- und Abdichtverhalten einstellt. Die Luftleitflächen können gekrümmte Oberflächen aufweisen, um eine laminare Strömung in diesem Bereich zu unterstützen.
Die in den Bereich des Luftspaltes geleitete Zuluft dient nun zunächst nicht mehr primär der Kühlung, sondern sie verringert im Bereich des Luftspaltes zwischen dem Filterelement und den benachbarten starren Maschinenteilen die Druckdifferenz zwischen dem Unterdruck im Ansaugraum und dem atmosphärischen Druck außerhalb des Kühlsystems. Bevorzugt ist der von den Luftleitelementen erzeugte Luftstrom so stark, dass er zumindest bei normaler Arbeitsdrehzahl im Bereich des Luftspaltes einen Druckausgleich oder einen leichten Überdruck schafft. Auf Bürstendichtungen herkömmlicher Art oder Labyrinthdichtungen kann dann vollständig verzichtet werden. Entsprechendes gilt für die Ansaugluft eines Verbrennungsmotors.
Das Filterelement und dessen Lagerung können so genau gefertigt sein, dass der Luftspalt unter Einhaltung der üblichen Fertigungstoleranzen nur wenige mm Breite aufweist. Um einen solchen Luftspalt durch einen Luftstrom abzudichten, sind keine großen Luftmengen und auch keine hohen Strömungsgeschwindigkeiten erforderlich. Es genügt ein passender Druckaufbau im Bereich des Luftspaltes. Die Luftströmungsverhältnisse innerhalb des Kühlsystems werden dadurch kaum nachteilig beeinflusst. Durch den Luftstrom der Zuluft aus dem Ansaugraum auf den Luftspalt zu wird von außen auf den Luftspalt zuströmende verschmutzte Außenluft zumindest abgebremst oder vollständig daran gehindert, durch den Luftspalt hindurch in den Ansaugraum zu strömen. Die von den Luftleitelementen in Richtung des Luftspaltes geleitete Zuluft wird nicht vollständig aus dem Ansaugraum herausgeblasen, sondern kann zumindest teilweise vom Luftspalt aus zurück in das Innere des Ansaugraums strömen, dort vom durchströmenden Zuluftstrom mitgenommen und auf diese Weise noch für Kühl- beziehungsweise Verbrennungszwecke genutzt werden.
Bei einem leichten Überdruck durch den von innen her auf den Bereich des Luftspaltes zuströmenden Luftstrom gelangt nur ein kleinerer Teil der Zuluft nach außen. Die bereits gereinigte und in den Ansaugraum gelangte Zuluft steht dadurch trotz der kurzfristigen Umlenkung der Strömungsrichtung auf den Luftspalt zu danach wieder überwiegend für die Kühlung oder als Frischluft für die Verbrennung in den Zylindern des Antriebsmotors zur Verfügung. Die Effektivität der Ansaugung und Reinigung der Zuluft wird also durch die Zwischennutzung der Zuluft deshalb kaum beeinträchtigt.
Mit dem Ansaugraum, aus dem die Zuluft in den Bereich des Luftspaltes geleitet wird, ist der Raum gemeint, der sich ab der dem Ansaugraum zugewandten innenseitigen Oberfläche des Filterelements bis zu dem oder den Wärmetauschern des Kühlsystems beziehungsweise den Ansaugkanälen des Verbrennungsmotors erstreckt. Da der Ansaugraum auf der Innenseite des Filterelements ausgebildet ist, sind auch die Luftleitelemente in den Innenraum des Filterelements gerichtet. Dort können sie bei einer Rotation des Filterelements keine Person gefährden, die sich in der Umgebung des rotierenden Filterelements befindet, beispielsweise auf der selbstfahrenden Arbeitsmaschine während eines Einsatzes oder bei Wartungsarbeiten.
Die in den Bereich des Luftspaltes geleitete Zuluft bildet auf die beschriebene Weise eine Abdichtung des Luftspaltes. Das rotierend angetriebene Filterelement kann sich berührungsfrei zu benachbarten starren Maschinenteilen drehen, ohne dass dadurch Außenluft unkontrolliert durch den Luftspalt in den Ansaugraum strömen kann. Durch die berührungsfreie Rotation entsteht in diesem Bereich kein Verschleiß mehr. Wegen der Luftströmung im Bereich des Luftspaltes kann sich dort auch kein Material mehr zu Paketen aufbauen, so dass auch kein reibungsbedingter Verschleiß mehr auftritt. Der Luftspalt ist wartungsfrei und muss nicht mehr laufend gewartet und gereinigt werden.
Die Abdichtungswirkung kann unabhängig von der Raumform des Filterelements erzielt werden. So ist es bei einem rotierend angetriebenen Flachsieb genauso wie bei einem zylindrisch oder konisch geformten Kühlerkorb möglich, daran Luftleitelemente im Randbereich auszubilden, die in den Ansaugraum gerichtet sind.
Die Luftleitelemente können kostengünstig hergestellt und mit dem Filterelement verbunden werden. Die Luftleitelemente können beim Gebrauch kaum verschleißen oder beschädigt werden, da sie sich innerhalb des Ansaugraums befinden, in den keine gröberen Fremdkörper hineingelangen können.
Bevorzugt weist der umlaufende Abschnitt auf seiner nach außen und/oder auf seiner in axialer Richtung der Rotationsachse weisenden Seite sowie in den dazwischen liegenden Bereichen eine rotationssymmetrische Form auf. Die rotationssymmetrische Form kann leichter abgedichtet werden. Auch die an den umlaufenden Abschnitt angrenzenden starren Maschinenteile sollten bevorzugt eine rotationssymmetrische Form aufweisen, die an die Form des umlaufenden Abschnitts angepasst ist.
Die Vorteile der Erfindung sind vorstehend für ein Ausführungsbeispiel mit Kühlluft erläutert worden, die jeweiligen Argumente und erfindungsgemäßen Vorteile gelten aber entsprechend auch für ein Filterelement, das zur Filterung der Verbrennungsluft eines Verbrennungsmotors vorgesehen ist. Das Filterelement muss für einen solchen Anwendungsfall nur geringfügig an die jeweiligen baulichen Verhältnisse einer Verbrennungsluftverteilvorrichtung, der das Filterelement vorgeordnet ist, angepasst werden.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung sind die in den Ansaugraum gerichteten Luftleitelemente mit ihren Außenkanten der Rotationsrichtung des Filterelements voreilend ausgerichtet. Über die voreilende Ausrichtung kann im Ansaugraum befindliche Zuluft besonders effektiv erfasst und in Richtung des Luftspaltes umgeleitet werden.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Luftleitelemente einteilig mit dem umlaufenden Abschnitt des Filterelements verbunden. Wenn der umlaufende Abschnitt aus einem metallischen Blech gebildet ist, können die Luftleitelemente durch teilweises Stanzen oder Lasern der Umfangskonturen und ein anschließendes Aufbiegen und Formen der ausgestanzten Flächen hergestellt werden. Das Stanzen und Umformen der Luftleitelemente kann durch ein entsprechendes Werkzeug in einem Arbeitshub oder in mehreren aufeinander folgenden Bearbeitungsschritten erledigt werden. Wenn das Filterelement und/oder der umlaufende Abschnitt aus einem Kunststoff hergestellt sind, können die Luftleitelemente direkt in der Spritzgussform gespritzt werden. Auf diese Arten werden die Luftleitelemente schnell, einfach und kostengünstig hergestellt.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung weist der umlaufende Abschnitt im Fußbereich der Luftleitelemente Ausströmungsöffnungen auf, durch die die Zuluft hindurchströmen und von dort aus in den Bereich des Luftspaltes einströmen kann. Durch die Ausströmungsöffnungen kann die Zuluft aus dem Ansaugraum ausgefördert und von diesem getrennt befördert werden, um besser einen Überdruck und eine gezielte Luftströmung aufbauen zu können. Bevorzugt sind die Ausströmungsöffnungen den Luftleitelementen jeweils zugeordnet, so dass sich eine optimale, von den Luftleitelementen beförderte Einströmung der Zuluft in die Ausströmungsöffnungen ergibt. Die Luftleitelemente können beispielsweise eine aufgewölbte Taschen- oder Schuppenform aufweisen, die eine in Rotationsrichtung weisende Einströmungsöffnung umgrenzen und die sich jeweils bis in den Bereich der ihnen zugeordneten Ausströmungsöffnungen im umlaufenden Abschnitt erstrecken, so dass sie die von ihnen erfasste Zuluft direkt durch diese Öffnung hindurch ableiten.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist im Randbereich des Filterelements zu den benachbarten starren Maschinenteilen maschinenseitig ein feststehendes Deckblech angeordnet, das der Außenkontur des umlaufenden Abschnitts entsprechend geformt ist, das den umlaufenden Abschnitt von außen in einem geringen Abstand berührungslos umgrenzt und das dadurch zwischen der Außenkontur des umlaufenden Abschnitts und der dem umlaufenden Abschnitt zugewandten Oberfläche des Deckbleches einen Ringraum als Luftspalt zwischen dem Randbereich des Filterelements und den benachbarten starren Maschinenteilen ausbildet. Die Außenkontur des umlaufenden Abschnitts und das Deckblech bilden zusammen den Luftspalt als Ringraum, in dem leicht ein zumindest annähernd konstanter Druck aufgebaut und die Einströmung von Außenluft mit geringem Aufwand begrenzt werden kann. Der Ringraum kann sich über eine gewisse Strecke entlang der Außenkontur des umlaufenden Abschnitts erstrecken, um die Strömungs- und Druckverhältnisse innerhalb des Ringraums zu vergleichmäßigen.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung weist der Ringraum in seinem Verlauf eine Richtungsumlenkung durch eine entsprechende Form der Außenkontur des umlaufenden Abschnitts und des Deckblechs auf. Durch eine Richtungsumlenkung kann die Strömungsgeschwindigkeit abgebremst, der Druck im Ringraum allerdings erhöht werden, was die Abdichtungswirkung unterstützt. Die Richtung kann beispielsweise um einen 90°-Winkel umgelenkt werden, wenn der Ringraum um eine äußere Ecke des umlaufenden Abschnitts herumgeführt ist. So können das Deckblech als auch der umlaufende Abschnitt jeweils um 90° umgebördelt sein. Es können aber je nach Form des umlaufenden Abschnitts und des Deckblechs auch andere Winkelgrade realisiert werden.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung deckt das Deckblech zumindest den Bereich des umlaufenden Abschnitts ab, in dem sich die Ausströmungsöffnungen im umlaufenden Abschnitt befinden. Dadurch wird die Zuluft, die durch die Ausströmungsöffnungen nach außen tritt, voll dazu genutzt, einen ausreichenden Druck im Luftspalt aufzubauen.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung begrenzen die Luftleitelemente eine Einströmungsöffnung, die nicht in der rotationssymmetrischen Oberfläche des umlaufenden Abschnitts gelegen ist und die in die Rotationrichtung der Luftleitelemente weist. Durch diese Gestaltung ergibt sich eine gute Einströmungswirkung auf die im Ansaugraum befindliche Zuluft. Die Einströmungsöffnung kann insbesondere zumindest annähernd radial nach innen gerichtet sein. Vorteilhaft ist es auch, wenn die Luftleitelemente die jeweilige Einströmungsöffnung mit der zugehörigen Ausströmungsöffnung mit einer geschlossenen Leitfläche verbinden.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Spaltweite des Luftspalts in einem Abschnitt des Ringraums kleiner eingestellt als die Spaltweite des Luftspalts in einem anderen Teil des Ringraums. Die unterschiedliche Spaltweite kann dazu genutzt werden, den Luftwiderstand im engeren Luftspalt größer sein zu lassen als im weiteren Luftspalt. Wegen der möglichen Unwuchten im Filterelement und der besseren Abschottung des Ansaugraums ist es vorteilhaft, den Luftspalt in axialer Richtung des Filterelements kleiner einzustellen als den Luftspalt in radialer Richtung.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung generieren die Luftleitelemente im Luftspalt zum Innenraum des Filterelements hin einen ersten statischen Luftdruck p_S2A ≥ p_I und im Luftspalt nach außen hin einen statischen Luftdruck p_S2 > p_S2A, aus denen sich ein Verhältnis Q_Δp der Druckdifferenzen Q_Δp = (p_S1A - p_U) / (p_S2A - p_I) ergibt. Aus diesen Druckverhältnissen ergibt sich ein leichter Überdruck im Luftspalt nach außen hin, der aber den überwiegenden Teil der in den Luftspalt strömenden Zuluft wieder in den Ansaugraum zurück strömen lässt.
Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass jede der vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen der Erfindung jeweils für sich, aber auch in einer beliebigen Kombination untereinander mit dem Gegenstand des Hauptanspruches kombinierbar ist, soweit dem keine technisch zwingenden Hindernisse entgegenstehen.
Weitere Abwandlungen und Ausgestaltungen der Erfindung lassen sich der nachfolgenden gegenständlichen Beschreibung und den Zeichnungen entnehmen.
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

1: eine Ansicht von schräg oben auf ein Kühlsystem,
2: eine vergrößerte Ansicht des in 1 gezeigten Anstoßbereichs des Filterelements zum starren Maschinenteil,
3: eine vergrößerte Ansicht des in 2 gezeigten Ausschnitts X,
4: eine vergrößerte Ansicht des in 3 gezeigten Ausschnitts Y, und
5: ein abgewandeltes, vereinfachtes Ausführungsbeispiel.

Das in 1 dargestellte rotierende Filterelement 1 eines Kühlsystems 20 ist im Ausführungsbeispiel als ein aus einem perforierten Lochblech hergestellter Korb ausgebildet und besteht aus einem rotationssymmetrischen, zumindest annähernd zylindrischen Mantelblech 2 und einer flachen Deckscheibe 3 als äußerer Abschluss des Mantelbleches 2. Das Mantelblech 2 und/oder die flache Deckscheibe 3 sind für die Funktion der Luftreinigung perforiert ausgeführt. Während die angesaugte Umgebungsluft durch die Sieblöcher im Lochblech in den Ansaugraum 22 des Kühlsystems 20 einströmt, werden die Schmutzpartikel, die größer sind als die Lochweite der Sieblöcher im Lochblech, auf der Außenfläche des Mantelbleches 2 und der Deckscheibe 3 zurückgehalten.
Das Mantelblech 2 besitzt in der Nähe des benachbarten starren Maschinenteils 7 einen nichtperforierten umlaufenden Abschnitt 4. Der nichtperforierte umlaufende Abschnitt 4 und damit das Mantelblech 2 enden an der dem Maschinenteil 7 zugewandten Seite mit einer formstabilisierenden Bördelung 5, er kann aber auch als einfache Kante ausgeführt sein. Dieser umlaufende Abschnitt 4 besitzt nach innen gerichtete Luftleitelemente 6, die auf dem Umfang des umlaufenden Abschnittes 4 in regelmäßig wiederkehrender Reihenfolge angeordnet sind.
Das Kühlsystem 20 besteht im Ausführungsbeispiel im Wesentlichen aus dem Filterelement 1, dem Ansaugraum 22, dem Wärmetauscher 24 und dem Sauglüfter 26, die gemeinsam einen umfangsseitig nahezu geschlossenen Durchströmungskanal für die hindurchströmende Kühlluft als Zuluft bilden.
Die Luftleitelemente 6 werden in der beispielhaften Ausführung direkt aus dem zylindrischen Mantelblech 2 ausgeformt und bleiben somit untrennbar mit dem zylindrischen Mantelblech 2 verbunden. Die Einströmungsöffnung 30 der Luftleitelemente 6 ist im Ausführungsbeispiel zumindest annähernd radial zum Mantelblech 2 ausgerichtet und die Blechstruktur der Luftleitelemente 6 geht von dieser Einströmungsöffnung 30 aus kontinuierlich in das Mantelblech 2 über. Die Einströmungsöffnung 30 ist in Rotationsrichtung R des Filterelements 1 ausgerichtet, so dass bei einer Rotation des Filterelements 1 im Ansaugraum 22 befindliche Zuluft gut in die Einströmungsöffnungen 30 einströmen kann. Die Ausformung eines solchen Luftleitelementes 6 aus dem zylindrischen Mantelblech 2 kann durch Stanzen oder Lasern mit nachfolgendem Biegen oder Tiefziehen zu einer nach innen gerichteten Blechlasche oder Blechlinse oder Blechnase erfolgen.
Der umlaufende Abschnitt 4 weist im Bereich der Luftleitelemente 6 Ausströmungsöffnungen 32 auf, durch die die Zuluft auf die vom Ansaugraum 22 abgewandte Seite des umlaufenden Abschnitts 4 austreten kann. Ausströmungsöffnungen 32 sind in den 3 - 5 gezeigt.
Das Filterelement 1 ist auf einer Welle 10 drehbeweglich gelagert. Das Filterelement 1 kann von außen oder vom einem mit der Welle 10 verbundenen Motor angetrieben sein. Es ist auch möglich, das Filterelement 1 durch Lüfterräder im Ansaugstrom anzutreiben, die mit der Welle 10 antriebsverbunden sind.
Korrespondierend und gleichachsig zu dem umlaufenden Abschnitt 4 mit den darin angeordneten Luftleitelementen 6 des rotierenden Filterelements 1 ist dem Maschinenteil 7 ein rotationssymmetrisches, in den 2 - 4 erkennbares zumindest annähernd zylinderförmiges Deckblech 8 fest zugeordnet. Das besonders in den 3 und 4 gut erkennbare Deckblech 8 besitzt an seiner dem Maschinenteil 7 zugewandten Seite eine radial nach innen ausgerichtete Bördelung 9. Das Deckblech 8 erstreckt sich axial zumindest annähernd über die gesamte axiale Ausdehnungszone des umlaufenden Abschnittes 4 am rotationssymmetrischen Mantelblech 2. Das Deckblech 8 mit seiner Bördelung 9 kann in seiner geometrischen Form und entsprechend seiner Funktion auch vollständig in das Maschinenteil 7 integriert werden und z.B. als Spritzgussteil mit integrierter Lagerung für das rotierende Filterelement 1 ausgebildet sein. Der Innendurchmesser des rotationssymmetrischen Deckbleches 8 ist geringfügig größer als der Außendurchmesser des umlaufenden Abschnittes 4 am rotationssymmetrischen Mantelblech 2, wodurch ein Luftspalt S1 mit einer Spaltweite W1 gebildet wird. Der Luftspalt S1 bildet um den umlaufenden Abschnitt 4 herum einen Ringraum, der nach außen durch das Deckblech 8 begrenzt ist.
Das rotierende Filterelement 1 ist axial so zum Maschinenteil 7 und somit zum rotationssymmetrischen Deckblech 8 zugeordnet, so dass zwischen der dem Maschinenteil zugewandten Bördelung 5 oder einer einfachen Kante des umlaufenden Abschnittes 4 am rotationssymmetrischen Mantelblech 2 und der radialen Bördelung 9 am Deckblech 8 ein Luftspalt S2 mit einer Spaltweite W2 gebildet wird. Der Luftspalt S2 setzt den Ringraum fort, der im Bereich des Luftspalts S1 gebildet ist. Die Spaltweite W2 wird im Ausführungsbeispiel kleiner eingestellt als die vorhandene Spaltweite W1, wodurch der Luftwiderstand am Luftspalt S2 größer ist als am Luftspalt S1. Die eingestellten Spaltweiten W1 und W2 stellen bei stillstehenden Filterelement 1 und eingeschalteten Sauggebläse 26 keine Barriere für kleine Schmutzpartikel dar, die in Folge des im Inneren des Filterelements 1 gegenüber dem Umgebungsdruck pu herrschenden Unterdruck pi < pu in den Maschineninnenraum gelangen werden. Die luftabschottende Wirkung der Einrichtung kommt erst mit dem rotierenden Betrieb des Filterelements 1 zum Tragen.
Zwischen dem Luftspalt S1 und dem Luftspalt S2 erfährt der Ringraum in seinem Verlauf eine Richtungsumlenkung im Bereich der Bördelung, und zwar um 90°.
Die Umfangsgeschwindigkeit der Luftleitelemente 6 muss einen Mindestwert aufweisen, der abhängig ist von den realisierbaren Spaltweiten W1 und W2. Durch eine entsprechend hohe Umfangsgeschwindigkeit der Luftleitelemente 6 in vorgegebener Richtung wird durch die nach innen ragenden Luftleitelemente 6 ein Teil der im Inneren des Filterelements 1 befindlichen Luft eingefangen und nach außen in Richtung des zylinderförmigen Deckbleches 8 gedrückt, wobei im Ausgang S1A des Luftspaltes S1 zur Umgebung hin partiell ein statischer Luftdruck p_S1A ≥ p_U und im Luftspalt S1 allgemein ein statischer Luftdruck p_S1 > p_S1A eingestellt wird, um ein Einströmen von Luft aus der Umgebung zu verhindern. Gleichzeitig wird dadurch im Ausgang S2A des Luftspaltes S2 zum Innenraum des Filterelements hin ein statischer Luftdruck p_S2A ≥ p_I und im Luftspalt S2 allgemein ein statischer Luftdruck p_S2 > p_S2A generiert. Somit ergibt sich ein Verhältnis Q_Δp der Druckdifferenzen: $Q_{Δ p} = (p_{S1A} - p_{U}) / (p_{S2A} - p_{I}) .$
Das Verhältnis Q_Δp der Druckdifferenzen wird durch die Spaltweiten W1 > W2 und die Umfangsgeschwindigkeit der Luftleitelemente 6 beeinflusst, ist aber durch technisch bedingte Fertigungstoleranzen schwierig einstellbar. Auf Grund der beschriebenen Luftdruckverhältnisse in den Luftspalten S1 und S2 wird der von den umlaufenden Luftleitelementen 6 erzeugte Luftstrom in zwei Teilluftströme aufgeteilt, wobei der durch den Luftspalt S1 nach außen in die Umgebung gerichtete Luftdurchsatz je nach Verhältnis Q_Δp der Druckdifferenzen größer oder kleiner als der durch den engeren Luftspalt S2 zurückströmende Luftdurchsatz ist.
Im theoretisch optimalen Zustand p_S1A = p_U wird kein Luftverlust nach außen auftreten und kein Schmutzpartikel in den Maschineninnenraum der Kühlung gelangen. Auf Grund von Schwankungen des im Maschineninnenraum der Kühlung vorherrschenden Unterdruckes pi < pu muss im praktischen Betrieb im Ausgang S1A des Luftspaltes S1 zur Umgebung hin partiell ein Luftdruck p_S1A > p_U eingestellt werden, wodurch ein geringer Teil der durch das Filterelement gelangten Zuluft wieder durch den Luftspalt S1 in die Umgebung zurückgelangt und nicht zur Kühlung bereitsteht.
In 5 ist ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die Luftleitelemente 6 einfacher ausgeführt sind. Es ist auch auf eine Bördelung des umlaufenden Abschnitts 4 verzichtet worden.
Mit dieser Einrichtung kann mit einfach herzustellenden technischen Mitteln bei geringen Fertigungstoleranzen eine berührungslose Luftabschottung an rotierenden Filterelementen generiert werden, die Schmutzpartikel sicher am Eintritt in den Maschineninnenraum der Kühlung hindert, ohne verschleißende Bürsten- oder Gummidichtungen einzusetzen, wobei die Verletzungsgefahr gegenüber dem Stand der Technik ausgeschlossen ist.
Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel dient nur der Erläuterung der Erfindung. Die Erfindung ist nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt. Dem Fachmann bereitet es keine Schwierigkeiten, das Ausführungsbeispiel auf eine ihm als geeignet erscheinende Weise abzuändern, um es an einen konkreten Anwendungsfall anzupassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2865863 A2 [0004, 0006]
EP 2147712 A1 [0004]
DE 102009056432 A1 [0004]
WO 2009/150507 [0008]

Claims

Rotierend angetriebenes Filterelement (1) zur Filterung anströmender Luftmengen, das einem Ansaugraum (22) eines Kühlsystems (20) oder einer Verbrennungsluftverteilvorrichtung eines Verbrennungsmotors einer selbstfahrenden Arbeitsmaschine vorgeordnet ist, mit einem Randbereich, in dem es zu benachbarten starren Maschinenteilen (7) nur einen geringen Abstand aufweist, wobei zwischen dem Randbereich des Filterelements (1) und den benachbarten starren Maschinenteilen (7) ein Luftspalt (S1, S2) ausgebildet ist, der eine Abdichtung gegen eine ungehinderte Einströmung von Umgebungsluft aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (1) in seinem Randbereich einen umlaufenden Abschnitt (4) aufweist, in dem in den Ansaugraum (22) gerichtete Luftleitelemente (6) angeordnet sind, die zur Abdichtung gereinigte Zuluft aus dem Ansaugraum (22) in den Bereich des Luftspaltes (S1, S2) leiten.
Filterelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Ansaugraum (22) gerichteten Luftleitelemente (6) mit ihren Außenkanten der Rotationsrichtung des Filterelements (1) voreilend ausgerichtet sind.
Filterelement (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftleitelemente (6) einteilig mit dem umlaufenden Abschnitt (4) des Filterelements (1) verbunden sind.
Filterelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der umlaufende Abschnitt (4) im Fußbereich der Luftleitelemente (6) Ausströmungsöffnungen (32) aufweist, durch die die Zuluft hindurchströmen und von dort aus in den Bereich des Luftspaltes (S1, S2) einströmen kann.
Filterelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Randbereich des Filterelements (1) zu den benachbarten starren Maschinenteilen (7) maschinenseitig ein feststehendes Deckblech (8) angeordnet ist, das der Außenkontur des umlaufenden Abschnitts (4) entsprechend geformt ist, das den umlaufenden Abschnitt (4) von außen in einem geringen Abstand berührungslos umgrenzt und das dadurch zwischen der Außenkontur des umlaufenden Abschnitts (4) und der dem umlaufenden Abschnitt (4) zugewandten Oberfläche des Deckbleches (8) einen Ringraum als Luftspalt (S1, S2) zwischen dem Randbereich des Filterelements (1) und den benachbarten starren Maschinenteilen (7) ausbildet.
Filterelement (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringraum in seinem Verlauf eine Richtungsumlenkung durch eine entsprechende Form der Außenkontur des umlaufenden Abschnitts (4) und des Deckblechs (8) aufweist.
Filterelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 und 5 oder 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Deckblech (8) zumindest den Bereich des umlaufenden Abschnitts (4) abdeckt, in dem sich die Ausströmungsöffnungen (32) im umlaufenden Abschnitt (4) befinden.
Filterelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftleitelemente (6) eine Einströmungsöffnung (30) begrenzen, die nicht in der rotationssymmetrischen Oberfläche des umlaufenden Abschnitts (4) gelegen ist und die in die Rotationrichtung der Luftleitelemente (6) weist.
Filterelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltweite (W2) des Luftspalts (S1, S2) in einem Abschnitt des Ringraums kleiner eingestellt als die Spaltweite (W1) des Luftspalts (S1, S2) in einem anderen Teil des Ringraums.
Filterelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftleitelemente (6) im Luftspalt (S2) zum Innenraum des Filterelements (1) hin einen ersten statischen Luftdruck p_S2A ≥ p_I und im Luftspalt (S2) einen statischen Luftdruck p_S2 > p_S2A generieren, aus denen sich ein Verhältnis Q_Δp der Druckdifferenzen Q_Δp = (p_S1A - p_U) / (p_S2A - p_I) ergibt.
Selbstfahrende Arbeitsmaschine mit einem rotierend angetriebenes Filterelement (1) zur Filterung anströmender Zuluft, das einem Ansaugraum (22) eines Kühlsystems (20) oder einer Verbrennungsluftverteilvorrichtung eines Verbrennungsmotors einer selbstfahrenden Arbeitsmaschine vorgeordnet ist, mit einem Randbereich, in dem es zu benachbarten starren Maschinenteilen nur einen geringen Abstand aufweist, wobei zwischen dem Randbereich des Filterelements (1) und den benachbarten starren Maschinenteilen (7) ein Luftspalt (S1, S2) ausgebildet ist, der eine Abdichtung gegen eine ungehinderte Einströmung von Umgebungsluft aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (1) in seinem Randbereich einen umlaufenden Abschnitt (4) aufweist, in dem in den Ansaugraum (22) gerichtete Luftleitelemente (6) angeordnet sind, die zur Abdichtung gereinigte Zuluft aus dem Ansaugraum (22) in den Bereich des Luftspaltes (S1, S2) leiten.
Selbstfahrende Arbeitsmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (1) nach den kennzeichnenden Merkmalen eines der Ansprüche 2 bis 10 gestaltet ist.