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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Flüssigkeitsfilter mit einem Verdrängungskörper und eine Filterkartusche mit einem Verdrängungskörper.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind Flüssigkeitsfilter zum Filtrieren einer Flüssigkeit, beispielsweise von Kraftstoffen oder Harnstofflösung für Brennkraftmaschinen, bekannt.
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Dabei wird dem Flüssigkeitsfilter beispielsweise eine Flüssigkeit, welche mit Partikeln verunreinigt sein kann, durch einen Zulauf in einem Gehäuse eines Flüssigkeitsfilters zugeführt. Im Gehäuse des Flüssigkeitsfilters kann eine Filterkartusche mit einem Filtermedium angeordnet sein. Die zu reinigende Flüssigkeit gelangt dann auf eine Rohseite des Flüssigkeitsfilters, passiert das Filtermedium, welches die Verunreinigungen aus der zu reinigenden Flüssigkeit abscheidet und gelangt dann in gereinigter Form auf eine Reinseite des Flüssigkeitsfilters. Von der Reinseite strömt die gereinigte Flüssigkeit schließlich einem Ablauf des Flüssigkeitsfilters zu und kann in gereinigter Form zu weiteren Komponenten geleitet werden.
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Beim Einsatz derartiger Filter im Außenbereich, beispielsweise bei der Verwendung derartiger Filter in einem Kraftfahrzeug, kann es bei geringen Außentemperaturen zu einem Einfrieren der zu filtrierenden Flüssigkeit kommen. Mit diesem Phasenübergang von der flüssigen Phase zur festen Phase kann eine Änderung des Volumens einhergehen. Insbesondere bei wässrigen Lösungen, beispielsweise Harnstofflösung, kann das Volumen der festen Phase deutlich größer sein als das Volumen der flüssigen Phase. Bei Harnstofflösung können beispielsweise Volumenänderungen im Bereich zwischen 7% und 12% auftreten.
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Um die mechanische Belastung des Flüssigkeitsfilters durch derartige Volumenänderungen möglichst gering zu halten, kann der Flüssigkeitsfilter mit einem sogenannten Rücklaufbypass ausgebildet werden. In einem derartigen Flüssigkeitsfilter strömt wie oben beschrieben in einem ersten Betriebszustand die zu reinigende Flüssigkeit in einer ersten Flussrichtung von der Rohseite zur Reinseite des Filtermediums. Um nun das Einfrieren zu verhindern, wenn das Kraftfahrzeug im ausgeschalteten Zustand bei niedrigen Außentemperaturen abgestellt wird, kann in derartigen Flüssigkeitsfiltern ein zweiter Betriebszustand vorgesehen werden. Dieser zweite Betriebszustand wird z.B. beim Abschalten des Motors des Kraftfahrzeuges aktiviert. Im zweiten Betriebszustand kann eine zweite Flussrichtung vorgesehen sein, die der ersten Flussrichtung entgegengesetzt ist. Dadurch wird der Flüssigkeitsfilter leer gepumpt, so dass selbst bei sehr niedrigen Außentemperaturen eine Volumenänderung der Flüssigkeit im Flüssigkeitsfilter keine Beschädigung des Flüssigkeitsfilters mehr bewirkt Denn durch den zweiten Betriebszustand ist nach kurzer Zeit keine oder nur noch eine sehr geringe Menge an Flüssigkeit im Flüssigkeitsfilter vorhanden.
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Um bei derartigen Flüssigkeitsfiltern zu verhindern, dass durch das Umdrehen der Flussrichtung bereits im Filtermedium abgeschiedene Partikel gelöst werden, kann ein sich an die Reinseite des Filtermediums anschließender erster Raum der Filterkartusche mit einem ersten Rückschlagelement vorgesehen sein, wobei das erste Rückschlagelement nur im zweiten Betriebszustand den ersten Raum mit der Rohseite verbindet. Durch dieses erste Rückschlagelement ist ein Rücklaufbypass realisiert.
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Dabei wird in der
DE 10 2014 013 852 A1 erkannt, dass ein in der
DE 10 2012 017 140 A1 vorgesehenes Kompensationselement zur Verhinderung von Druckspannungen infolge eines Vereisens der im Filterelement befindlichen Flüssigkeit verhältnismäßig viel Bauraum beansprucht und es daher vorteilhaft ist, auf ein solches Kompensationselement zu verzichten. Um die Gefahr einer Beschädigung des Filterelements durch Eisdruck dennoch zu vermeiden ist in der
DE 10 2014 013 852 A1 vorgesehen, die im Filterelement befindliche Flüssigkeit nach Beendigung des Filtrierens aus dem Filterelement abzupumpen Um zu verhindern, dass dabei im Filtermedium bzw. Filtermaterial gespeicherte Partikel in die Pumpe gelangen ist an einer unteren Endscheibe des Filterelements ein Rückschlagelement vorgesehen, welches sich beim Abpumpen der Flüssigkeit öffnet und dadurch ermöglicht, dass die auf der Reinseite des Filterelements befindliche Flüssigkeit abgepumpt werden kann, ohne das Filtermedium bzw. Filtermaterial zu passieren.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, dass das erste Rückschlagelement, welches in dem ersten Raum vorgesehen ist, bei wechselnden Gefrier- und Auftauvorgängen in seiner Funktion beschädigt werden kann. In diesem Fall ist eine zuverlässige Abdichtung der gereinigten Flüssigkeit im ersten Raum der Filterkartusche von der Rohseite des Flüssigkeitsfilters nicht mehr gewährleistet.
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Es kann daher ein Bedarf bestehen, einen Flüssigkeitsfilter bzw. eine Filterkartusche mit Rücklaufbypass bereitzustellen, bei welchem bzw. bei welcher das erste Rückschlagelement auch bei wechselnden Gefrier- und Auftauvorgängen nicht beschädigt wird und somit zuverlässig ein Rücklaufbypass zur Verfügung steht, der im ersten Betriebszustand zuverlässig und sicher die Rohseite von dem ersten Raum abdichtet.
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Vorteile der Erfindung
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Dieser Bedarf kann durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gedeckt werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Flüssigkeitsfilter mit einem Gehäuse und mit einer im Gehäuse angeordneten Filterkartusche vorgeschlagen. Dabei weist die Filterkartusche ein Filtermedium auf. Der Flüssigkeitsfilter eignet sich beispielsweise für die Filtrierung von Harnstofflösung, welche in DENOX-Anwendungen bzw. SCR-Anwendungen für PKW und Lkw zur Anwendung kommt. Das Filtermedium ist in einem ersten Betriebszustand des Flüssigkeitsfilters in einer ersten Flussrichtung von einer Rohseite zu einer Reinseite von der zu filtrierenden Flüssigkeit durchströmt. Die Filterkartusche weist einen vom Filtermedium abgetrennten ersten Raum auf. Der erste Raum schließt sich stromabwärts in der ersten Flussrichtung betrachtet an die Reinseite des Filtermediums an. Der erste Raum ist mittels eines ersten Rückschlagelements mit der Rohseite des Filtermediums fluidleitend verbunden. Das erste Rückschlagelement ist dabei derart ausgebildet, dass es im ersten Betriebszustand einen Durchfluss der Flüssigkeit von der Rohseite zur Reinseite verhindert und in einem zweiten Betriebszustand mit einer zur ersten Flussrichtung entgegengesetzten zweiten Flussrichtung den Durchfluss von gereinigter Flüssigkeit von der Reinseite zur Rohseite ermöglicht. Um eine Beschädigung des ersten Rückschlagelements bei wechselnden Gefriervorgängen und Auftauvorgängen zuverlässig zu verhindern ist im ersten Raum ein Verdrängungskörper vorgesehen, der wenigstens 25% des Volumens des ersten Raums einnimmt. Bevorzugt nimmt der Verdrängungskörper wenigstens 30% oder sogar wenigstens 45% des ersten Raums ein. Ganz besonders bevorzugt nimmt der Verdrängungskörper wenigstens 60% des ersten Raums ein.
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Das Filtermedium kann beispielsweise als ein Wickelfilter oder als ein Sternfilterelement ausgebildet sein. Das Filtermedium kann an seinen distalen Enden jeweils mit einer Endkappe fluiddicht verbunden sein, wobei zwischen dem ersten Raum und dessen benachbarter Endkappe eine fluidleitende Verbindung vorgesehen sein kann. Das Filtermedium kann in einer radialen Richtung durchströmt werden. Die radiale Richtung kann dabei beispielsweise von außen nach innen gerichtet sein. Von der radialen Richtung zu unterscheiden ist eine axiale Richtung des Filtermediums, welche sich entlang einer Längsachse des Filtermediums erstreckt. Beispielsweise kann das Filtermedium rotationssymmetrisch um die Längsachse ausgebildet sein.
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Der Verdrängungskörper kann als ein separates Bauteil ausgeführt sein. Das bedeutet, dass der Verdrängungskörper im nicht montierten Zustand ein vom Filtergehäuse und vom ersten Raum separates Element ist. Der Verdrängungskörper kann dann bei der Montage der Filterkartusche in den ersten Raum eingebracht werden und mit einer den ersten Raum begrenzenden Wandung verbunden werden und/oder mit dem Gehäuse des Flüssigkeitsfilters verbunden werden.
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Dadurch, dass der Verdrängungskörper wenigstens 25% des Volumens des ersten Raums einnimmt, bevorzugt wenigstens 30%, besonders bevorzugt wenigstens 45% des Volumens und ganz besonders bevorzugt wenigstens 60% des Volumens des ersten Raums, wird vorteilhaft bewirkt, dass nach Abschluss der Entleerung des Flüssigkeitsfilters im zweiten Betriebszustand nur eine geringe Menge an Flüssigkeit im ersten Raum der Filterkartusche übrig bleibt. Auf diese Weise wird die Menge an Flüssigkeit reduziert, welche sich an dem ersten Rückschlagelement beim Einfrieren anlagern kann. Bei wiederholten Gefrier- und Auftauzyklen kann dadurch vermieden werden, dass eine Art Kristallisationskeim am ersten Rückschlagelement übrig bleibt und mit jedem erneuten Gefriervorgang immer weiter anwächst und auf diese Weise das erste Rückschlagelement beschädigt oder aus seiner Halterung herauslöst. Besonders vorteilhaft wird eine Beschädigung des ersten Rückschlagelements durch den Verdrängungskörper dann vermieden, wenn im Auftauvorgang lediglich ein Teil der im Flüssigkeitsfilter bzw. in der Filterkartusche verbliebenen Flüssigkeit auftaut, d.h., wenn die Auftautemperatur nur wenig, beispielsweise ca. 5 °, über dem Gefrierpunkt der zu filtrierenden Flüssigkeit liegt und wenn gleichzeitig die Dauer des Auftauzyklus gering ist, beispielsweise nur wenige Minuten oder 3 bis 12 Stunden (z.B. bei Erwärmung tagsüber in der Sonne).
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Mittels des Verdrängungskörpers kann vorteilhafterweise auch ein modularer Aufbau des Flüssigkeitsfilters bzw. der Filterkartusche bewirkt werden. Auf diese Weise können unterschiedliche Volumina bzw. Geometrien des ersten Raums realisiert werden, so dass der erste Raum z.B. bei einem Spritzgussvorgang leichter hergestellt werden kann. Eine erwünschte Volumenreduktion kann dann durch den Verdrängungskörper ermöglicht werden. Durch den als separates Teil hergestellten Verdrängungskörper kann gezielt das Volumen und die Lage des für die Flüssigkeit zur Verfügung stehenden freien Volumens im ersten Raum eingestellt werden. Auch können vorteilhaft je nach Anwendung verschiedene Verdrängungskörper verbaut werden, ohne dass das Design des Flüssigkeitsfilters bzw. der Filterkartusche und damit dessen bzw. ihre Herstellwerkzeuge verändert werden müssten.
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Vorteilhaft ist der erste Raum mittels eines zweiten Rückschlagelements mit der Reinseite fluidleitend verbunden. Das zweite Rückschlagelement ist dabei derart ausgebildet, dass es im ersten Betriebszustand einen Durchfluss von gereinigter Flüssigkeit von der Reinseite in den ersten Raum ermöglicht und im zweiten Betriebszustand in der zweiten Flussrichtung den Durchfluss von gereinigter Flüssigkeit vom ersten Raum zur Reinseite verhindert. Durch das Vorsehen eines zweiten Rückschlagelements wird vorteilhaft bewirkt, dass im zweiten Betriebszustand, d.h. wenn die Flüssigkeit in der zweiten Flussrichtung strömt, sichergestellt ist, dass aus dem ersten Raum keine gereinigte Flüssigkeit zur Reinseite des Filtermediums strömt. Dadurch wird vorteilhaft verhindert, dass von der Reinseite des Filtermediums ein Druck zur Rohseite des Filtermediums ausgeübt wird und die dem Druckgefälle nachströmende Flüssigkeit Partikel, die im Filtermedium gefangen sind, aus dem Filtermedium gelöst werden.
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Das zweite Rückschlagelement kann beispielsweise in einer Wand zwischen dem Filtermedium und dem ersten Raum angeordnet sein. Beispielsweise kann diese Wand durch eine der Endkappen des Filtermediums bereitgestellt werden. Es versteht sich, dass diese Wand wenigstens eine Durchgangsöffnung zwischen dem ersten Raum und der Reinseite des Filtermediums aufweist, die eine fluidleitende Verbindung von der Reinseite des Filtermediums zum ersten Raum bewirkt. Diese wenigstens eine Durchgangsöffnung kann durch das zweite Rückschlagelement geöffnet oder verschlossen werden.
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Besonders vorteilhaft ist das erste Rückschlagelement als Schirmventil oder als Schnabelventil („Duck Valve“) oder als Membranventil oder als Kugelventil ausgebildet. Durch diese Ausgestaltung des ersten Rückschlagventils ist eine besonders einfache Herstellung ermöglicht. Die Ausbildung als Schirmventil oder als Membranventil ermöglicht eine besonders kompakte Bauform. Außerdem kann dadurch ein relativ großer Durchflussquerschnitt zwischen dem ersten Raum der Filterkartusche und der Rohseite des Flüssigkeitsfilters bzw. der Filterkartusche bereitgestellt werden, welcher durch das Schirmventil oder das Membranventil abgedeckt ist. Das Schirmventil oder das Membranventil oder das Schnabelventil können elastische Dichtlippen, beispielsweise aus einem Elastomer oder aus Gummi aufweisen.
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In gleicher Weise kann das zweite Rückschlagelement als Schirmventil oder als Schnabelventil oder als Membranventil oder als Kugelventil ausgebildet sein. Bevorzugt handelt es sich bei den beiden Rückschlagelementen um Gleichteile, so dass vorteilhaft eine Verwechslung bei der Montage ausgeschlossen ist und durch Skaleneffekte die Herstellkosten verringert werden können.
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Besonders vorteilhaft weist das erste Rückschlagelement an einem freien Ende einen Fuß mit einer Verdickung auf, wobei das erste Rückschlagelement mittels der Verdickung an einem Hinterschnitt der Wandung des ersten Raums befestigt ist. Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass das erste Rückschlagelement besonders einfach in der Wandung des ersten Raums befestigt werden kann. Beispielsweise befindet sich in der Wandung des ersten Raums eine zentrale Öffnung, neben der eine oder mehrere Durchtrittsöffnungen für die Flüssigkeit vorgesehen sind. Durch die zentrale Öffnung kann der Fuß des ersten Rückschlagelements eingesteckt werden, wobei sich die Verdickung beim Einsteckvorgang zunächst etwas zusammen drückt. Nach dem Durchtritt durch die zentrale Öffnung relaxiert die Verdickung und verrastet an dem Hinterschnitt der zentralen Öffnung. Auf diese Weise ist das erste Rückschlagelement sicher und zuverlässig in der zentralen Öffnung befestigt. Das erste Rückschlagelement kann dann die wenigstens eine Durchtrittsöffnung, welche benachbart zur zentralen Öffnung angeordnet ist, öffnen und schließen, je nach Betriebszustand.
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In gleicher Weise kann das zweite Rückschlagelement an einem freien Ende einen Fuß mit einer Verdickung aufweisen, wobei das zweite Rückschlagelement mittels der Verdickung an einem Hinterschnitt einer weiteren Wandung des ersten Raums befestigt ist. In diesem Fall ist die weitere Wandung diejenige Wandung, welche die Reinseite des Filtermediums von dem ersten Raum abtrennt.
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Besonders vorteilhaft besteht der erste Raum aus einem ersten Abschnitt und aus einem zweiten Abschnitt. Dabei ist der erste Abschnitt durch eine Projektion des ersten Rückschlagelements in einer Richtung senkrecht zu einer Ebene eines Ventilsitzes des ersten Rückschlagelements in den ersten Raum hinein gegeben. Dabei nimmt der Verdrängungskörper wenigstens 50% des Volumens des ersten Abschnitts ein, bevorzugt wenigstens 65%, ganz besonders bevorzugt wenigstens 80%.
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Das Volumen, welches dem ersten Abschnitt zugerechnet wird kann z.B. auch dasjenige Volumen umfassen, welches sich in normaler Einbaulage in Bereichen unterhalb des ersten Rückschlagelements befindet. Dieses auch als Restvolumen oder Totvolumen bezeichenbare Volumen lässt sich beim Abpumpen des Flüssigkeitsfilters im zweiten Betriebszustand nur schwer entleeren. Der erste Abschnitt kann also dieses Restvolumen bzw. Totvolumen mit einschließen.
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Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass im Bereich des ersten Rückschlagelements nach Abschluss des zweiten Betriebsvorgangs besonders wenig Flüssigkeit im Bereich des ersten Abschnitts, d.h. in unmittelbarer Umgebung des ersten Rückschlagelements, übrig bleibt. Bei einem Einfriervorgang kann somit nur eine geringe Menge von Flüssigkeit einfrieren und sich gegebenenfalls am ersten Rückschlagelement festsetzen. Bei wechselnden Einfrier- und Auftauvorgängen kann somit die Größe von Eiskristallen verringert werden, die sich dann mit jedem Einfrier- und Auftauvorgang immer weiter vergrößern und auf diese Weise das erste Rückschlagelement beschädigen oder in seiner Position verändern, z.B. indem sie sich an Membranflächen anlagern und das erste Rückschlagelement Schritt für Schritt aus seinem Sitz in der Wandung heraushebeln.
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Besonders bevorzugt ist der Verdrängungskörper derart ausgebildet, dass ein Rest-Volumen des ersten Raumes, welches in einer normalen Einbaulage des Flüssigkeitsfilters bzw. der Filterkartusche betrachtet unterhalb des ersten Rückschlagelements angeordnet ist, zu wenigstens 75%, bevorzugt zu wenigstens 90% ausfüllt. Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass beim zweiten Betriebszustand die Menge an Flüssigkeit, welche im ersten Raum, zurückbleiben kann minimiert wird. Denn im zweiten Betriebszustand ist es nur schwer möglich, Flüssigkeit aus dem Rest-Volumen abzusaugen, welches sich unterhalb des ersten Rückschlagelements befindet bzw. unterhalb der vom ersten Rückschlagelement abzudichtenden Durchtrittsöffnung(en) wenn man den Flüssigkeitsfilter bzw. die Filterkartusche in einer normalen Einbaulage betrachtet.
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Vorteilhaft ist der Verdrängungskörper lösbar an dem Gehäuse des Flüssigkeitsfilters und/oder an einer Wandung des ersten Raums der Filterkartusche befestigt. Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass der Verdrängungskörper bei einem Wechsel des Filtermediums wiederverwendet werden kann. Außerdem wird so die Montage des Verdrängungskörpers besonders einfach. Schließlich kann auf diese Weise die Art und Form des Verdrängungskörpers je nach Wunsch eines Kunden geändert werden, ohne dass das Design des Flüssigkeitsfilters bzw. der Filterkartusche verändert werden müsste.
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Vorteilhaft weist der Verdrängungskörper wenigstens eine Verrastöffnung auf, wobei das Gehäuse des Flüssigkeitsfilters und/oder die Wandung des ersten Raumes der Filterkartusche wenigstens einen Zapfen aufweist, wobei der Zapfen in die wenigstens eine Verrastöffnung des Verdrängungskörpers eingreift. Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass der Verdrängungskörper bei der Montage zuverlässig in der richtigen Position montiert wird. Weiterhin wird dadurch vorteilhaft bewirkt, dass selbst bei Vibrationen oder thermischen Wechselbelastungen der Verdrängungskörper stets positionsgetreu am bzw. im ersten Raum angeordnet ist.
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Vorteilhaft ist das Material des Verdrängungskörpers zumindest teilweise aus einem Elastomer gebildet. Besonders bevorzugt ist das Material des Verdrängungskörpers zu wenigstens 50% aus einem Elastomer gebildet. Beispielsweise kann das Material Gummi oder einen Kautschuk oder ein anderes Elastomer aufweisen bzw. umfassen. Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass bei einer Volumenvergrößerung der Flüssigkeit bei einem Phasenübergang von einer Flüssigkeit zu einem Festkörper z.B. infolge eines Einfrierens die mechanische Belastung auf die Wandung des ersten Raums der Filterkartusche bzw. auf das Gehäuse des Flüssigkeitsfilters minimiert wird. Denn der Verdrängungskörper kann auf diese Weise die Volumenänderung durch seine elastische Eigenschaft leichter auffangen als ein starres Material einer Wandung bzw. eines Gehäuses.
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Vorteilhaft weist der Verdrängungskörper in seinem Inneren wenigstens einen geschlossenen Hohlraum auf. Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass bei einer Volumenänderung der Flüssigkeit in Folge eines Phasenübergangs von einer Flüssigkeit zu einem Festkörper der Verdrängungskörper diese Volumenänderung auffangen kann.
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Dazu wird das sich ausdehnende Volumen durch ein Verkleinern des Hohlraums im Innern des Verdrängungskörpers kompensiert.
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Vorteilhaft ist der Verdrängungskörper gebildet durch einen Ring, eine vom Ring im Wesentlichen senkrecht abragende Schürze und durch ein Kopfelement, welches sich in einer zur Ebene des Rings parallelen Ebene erstreckt. Dabei kann lediglich beispielhaft das Kopfelement das Innere des Rings überbrücken. Es kann z.B. sowohl mit dem Ring als auch mit der Schürze verbunden sein. Das Kopfteil kann beispielsweise auf der von der Schürze abgewandten Seite des Rings angeordnet sein. Das Kopfteil kann Verrastöffnungen aufweisen, mit denen der Verdrängungskörper an der Filterkartusche lösbar befestigbar ist.
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Durch die Ausbildung des Verdrängungskörpers durch Ring, Schürze und Kopfteil wird einerseits eine positionsgenaue Montage des Verdrängungskörpers ermöglicht. Durch das Kopfteil wird vorteilhaft bewirkt, dass sich nach Beendigung des zweiten Betriebszustandes nur wenig oder gar keine Flüssigkeit in einem Volumen entlang der axialen Richtung, d.h. oberhalb der Filterkartusche, zwischen dem Gehäuse des Flüssigkeitsfilters und der Filterkartusche ansammeln kann. Der Verdrängungskörper füllt also nahezu den gesamten Bereich oberhalb der Filterkartusche aus. Somit wird bei Entstehung von Eis verhindert, dass sich die Filterkartusche im Gehäuse in axialer Richtung verschiebt oder dass durch Eisdruck Beschädigungen am Gehäuse bzw. an der Filterkartusche entstehen.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Filterkartusche für einen Flüssigkeitsfilter vorgeschlagen. Die Filterkartusche weist ein Filtermedium auf, wobei das Filtermedium in einem ersten Betriebszustand in einer ersten Flussrichtung von einer Rohseite zu einer Reinseite von der zu filtrierenden Flüssigkeit durchströmt ist. Die Filterkartusche weist einen vom Filtermedium abgetrennten ersten Raum auf, der sich stromabwärts in der ersten Flussrichtung an die Reinseite des Filtermediums anschließt. Der erste Raum ist mittels eines ersten Rückschlagelements mit der Rohseite des Filtermediums fluidleitend verbunden. Das erste Rückschlagelement ist derart ausgebildet, dass es im ersten Betriebszustand einen Durchfluss der Flüssigkeit von der Rohseite zur Reinseite verhindert und in einem zweiten Betriebszustand mit einer zur ersten Flussrichtung entgegengesetzten zweiten Flussrichtung den Durchfluss von gereinigter Flüssigkeit von der Reinseite zur Rohseite ermöglicht. Dabei ist im ersten Raum ein Verdrängungskörper vorgesehen, wobei der Verdrängungskörper wenigstens 25% des Volumens, bevorzugt wenigstens 30% des Volumens und besonders bevorzugt wenigstens 45% des ersten Raums einnimmt.
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Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass nach Abschluss der Entleerung des Flüssigkeitsfilters im zweiten Betriebszustand nur eine geringe Menge an Flüssigkeit im ersten Raum der Filterkartusche übrig bleibt. Auf diese Weise wird die Menge an Flüssigkeit reduziert, welche sich an dem ersten Rückschlagelement beim Einfrieren anlagern kann.
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Mittels des Verdrängungskörpers kann vorteilhafterweise auch ein modularer Aufbau der Filterkartusche bewirkt werden. Auf diese Weise können unterschiedliche Volumina bzw. Geometrien des ersten Raums realisiert werden, so dass der erste Raum z.B. bei einem Spritzgussvorgang leichter hergestellt werden kann. Eine erwünschte Volumenreduktion kann dann durch den Verdrängungskörper ermöglicht werden. Durch den als separates Teil hergestellten Verdrängungskörper kann gezielt das Volumen und die Lage des für die Flüssigkeit zur Verfügung stehenden freien Volumens im ersten Raum eingestellt werden. Auch können vorteilhaft je nach Anwendung verschiedene Verdrängungskörper verbaut werden, ohne dass das Design der Filterkartusche und damit ihre Herstellwerkzeuge verändert werden müssten.
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Figurenliste
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen ersichtlich.
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Es zeigen:
- 1: einen schematischen Querschnitt eines Flüssigkeitsfilters aus dem Stand der Technik;
- 2a: einen Querschnitt eines mit Flüssigkeit gefüllten ersten Raums einer Filterkartusche aus dem Stand der Technik;
- 2b: einen Querschnitt eines mit Flüssigkeit gefüllten ersten Raums einer Filterkartusche mit einem Verdrängungskörper;
- 3a: eine schematische perspektivische Aufsicht auf eine Filterkartusche aus Richtung des ersten Raums und auf den im ersten Raum angeordneten Verdrängungskörper aus 2b;
- 3b, 3c: schematische Querschnitte durch den ersten Raum aus 3a in verschiedenen Schnittebenen;
- 4: eine perspektivische Ansicht eines Verdrängungskörpers.
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1 zeigt schematisch einen Ausschnitt eines Flüssigkeitsfilters 50 zum Filtrieren bzw. Reinigen einer Flüssigkeit 9 aus dem Stand der Technik. Der Flüssigkeitsfilter 50 weist ein Gehäuse 56 mit einer kanalartigen Öffnung 60 auf, durch die Flüssigkeit 9 dem Innern des Gehäuses zugeführt werden kann oder aber auch entnommen werden kann. Im Innern des Gehäuses 56 ist eine Filterkartusche 55 angeordnet. Die Filterkartusche 55 weist ein Filtermedium 54 bzw. Filterelement 54 auf, welches beispielsweise als Sternfiltereinsatz oder als Wickelfilter ausgebildet ist. Das Filtermedium 54 ist zwischen einer unteren Endkappe 54a und einer oberen Endkappe 54b fluiddicht an seinen Stirnseiten eingefasst, wobei die Endkappen 54a, 54b auch zur Filterkartusche gehören. Das Filtermedium 54 erstreckt sich entlang einer Längsachse 51 und wird in einer radialen Richtung 52, im Bild von links außen nach rechts ins Zentrum des Filterelements 54 bzw. des Filtermediums 54 durchströmt.
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In einer normalen Einbaulage ist der Flüssigkeitsfilter 50 bzw. ist die Filterkartusche 55 so ausgerichtet, dass die untere Endkappe 54a nach unten weist. Die Richtung der Schwerkraft ist durch den Pfeil mit dem Buchstaben „G“ angezeigt. Die obere Endkappe 54b trennt das Filtermedium von einem ersten Raum 1, von dem aus die gereinigte Flüssigkeit die Filterkartusche 55 und dann den Flüssigkeitsfilter 50 durch einen hier nicht dargestellten Flüssigkeitsablauf verlassen kann. Der erste Raum 1 ist dabei mit der Reinseite 20 des Filtermediums 54 fluidleitend verbindbar bzw. verbunden.
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Das Filtermedium 54 trennt eine Rohseite 22 an seiner Außenseite von einer in seinem Inneren befindlichen Reinseite 20. In einem ersten Betriebszustand, der auch als Normalbetriebszustand bezeichnet werden kann, strömt die ungefilterte Flüssigkeit 9 entlang einer ersten Flussrichtung 80, welche durch schraffierte Pfeile gezeichnet ist, durch den Flüssigkeitsfilter 50. Dabei tritt die ungereinigte Flüssigkeit 9 durch die Öffnung 60 ins Innere des Flüssigkeitsfilters 50 ein und tritt sodann von der Rohseite 22 durch das Filtermedium 54 hindurch (dabei tritt die Flüssigkeit 9 in die Filterkartusche 55 ein). Dabei werden in der Flüssigkeit 9 enthaltene Partikel oder Verschmutzungen am Filtermedium 54 der Filterkartusche 55 abgeschieden. Die im Inneren des Filtermediums 54 befindliche, gereinigte Flüssigkeit 9 strömt von der Reinseite 20 des Filtermediums 54 durch einen Durchlass in der oberen Endkappe 54b in den ersten Raum 1 der Filterkartusche 55. Von dort strömt die Flüssigkeit 9 weiter entlang der ersten Flussrichtung 80 zu einer weiteren Öffnung des Flüssigkeitsfilters 50, durch die die gereinigte Flüssigkeit 9 aus dem Flüssigkeitsfilter 50 ausgebbar ist. Der erste Raum 1 der Filterkartusche 55 kann zum Gehäuse 56 des Flüssigkeitsfilters 50 hin offen sein.
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Beispielsweise kann ein derartiger Filter für DENOX-Systeme bzw. SCR-Systeme in Kraftfahrzeugen verwendet werden. Dazu ist die zu filternde Flüssigkeit 9 z.B. eine Harnstofflösung. Um ein Einfrieren der Flüssigkeit 9 nach einem Abschalten einer Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs bei niedrigen Außentemperaturen zuverlässig zu verhindern kann beispielsweise nach dem Abschalten des Kraftfahrzeugs ein zweiter Betriebszustand vorgesehen werden, in welchem die Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsfilter 50 und damit auch aus der Filterkartusche 55 wieder hinaus befördert wird. Dazu wird im zweiten Betriebszustand eine zweite Flussrichtung 90 verwendet, die zur ersten Flussrichtung 80 entgegengesetzt ist. Die zweite Flussrichtung 90 ist durch gepunktete Pfeile mit dem Bezugszeichen bezeichnet. Dadurch wird die Flüssigkeit 9 aus der Öffnung 60 hinaus befördert.
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Um zu verhindern, dass die gereinigte Flüssigkeit 9 von der Reinseite 20 durch das Filtermedium 54 auf die Rohseite 22 tritt und dabei im Filtermedium 54 gefangene Partikel mitreißt, ist ein erstes Rückschlagelement 2, 2a vorgesehen, welches in einer Wandung 62 des ersten Raumes 1 angeordnet ist. Das erste Rückschlagelement 2, 2a ist in der 1 als Membranventil 2a bzw. Schirmventil 2a ausgebildet. Das erste Rückschlagelement 2 ist dabei derart ausgebildet, dass es im ersten Betriebszustand einen Durchfluss der Flüssigkeit 9 von der Rohseite 22 zur Reinseite 20 verhindert. Dies geschieht dadurch, dass der Partialdruck der Flüssigkeit 9 auf der Rohseite 22 höher ist als auf der Reinseite 20 - aufgrund des Flüssigkeitswiderstands des Filtermediums 54. Dadurch schließen sich die Dichtlippen des Membranventils 2a über einem Ventilsitz 68 des ersten Rückschlagelements 2, 2a und blockieren den Durchfluss von der Rohseite 22 zum ersten Raum 1.
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Im zweiten Betriebszustand mit der zur ersten Flussrichtung 80 entgegengesetzten zweiten Flussrichtung 90 (z.B. durch das Anlegen eines Saugdrucks an die Öffnung 60) wird dagegen durch das erste Rückschlagelement 2, 2a der Durchfluss von gereinigter Flüssigkeit 9 von der Reinseite 20 zur Rohseite 22 ermöglicht.
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Das erste Rückschlagelement 2, 2a kann beispielsweise einen Fuß 3 an seinem freien Ende aufweisen, welcher durch eine zentrale Öffnung in der Wandung 62, die den ersten Raum 1 begrenzt, geführt ist. Am Fuß 3 des ersten Rückschlagelements 2, 2a kann eine Verdickung 3a angeordnet sein, welche einen Hinterschnitt der Wandung 62 hintergreifen kann. Auf diese Weise kann das erste Rückschlagelement 2, 2a in die Wandung 62 des ersten Raums 1 eingeclipst sein.
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Um sicherzustellen, dass im zweiten Betriebszustand möglichst keine Flüssigkeit 9 von der Reinseite 20 des Filtermediums 54 auf die Rohseite 22 gelangt kann beispielsweise weiterhin ein zweites Rückschlagelement 53 vorgesehen sein, welches derart ausgebildet ist, dass es im ersten Betriebszustand einen Durchfluss von gereinigter Flüssigkeit 9 von der Reinseite 20 in den ersten Raum 1 ermöglicht und im zweiten Betriebszustand in der zweiten Flussrichtung 90 den Durchfluss von gereinigter Flüssigkeit 9 vom ersten Raum 1 zur Reinseite 20 verhindert. Auch das zweite Rückschlagelement kann als Schirmventil 2a bzw. Membranventil 2a ausgebildet sein.
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Es versteht sich, dass auch im ersten Raum 1 im Prinzip eine Reinseite vorliegt in dem Sinne, dass dort nur gereinigte Flüssigkeit 9 anzutreffen ist. Im Kontext dieser Anmeldung soll mit dem Begriff „Reinseite 20“ in der Regel der zwischen den beiden Endkappen 54a, 54b befindliche Raum im Innern des Filtermediums 54 bezeichnet werden oder der Bereich stromabwärts des Filtermediums (im der ersten Flussrichtung 80), der noch nicht zum ersten Raum 1 gehört.
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Das Filtermedium 54 mit seinen beiden Endkappen 54a, 54b sowie der erste Raum 1 mit der ihn begrenzenden Wandung 62 bildet so die einteilig oder mehrteilig ausgebildete Filterkartusche 55, die in das Gehäuse 56 des Flüssigkeitsfilters 50 eingesetzt ist. Die Filterkartusche 55 kann beispielsweise über Dichtmittel 58, welche als O-Ringe ausgebildet sein können, gegen das Gehäuse 56 fluiddicht abgedichtet werden.
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In den nachfolgend beschriebenen Figuren stellen gleiche Bezugszeichen gleiche funktionale Elemente dar wie in 1.
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2a zeigt einen Querschnitt eines mit Flüssigkeit 9 gefüllten ersten Raums 1 einer Filterkartusche 55 aus dem Stand der Technik.
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Im Unterschied zur Filterkartusche 55 aus 1 ist in 2a das hier nicht dargestellte zweite Rückschlagelement 53 bezüglich der Schwerkraftrichtung G oberhalb vom ersten Rückschlagelement 2, 2a angeordnet.
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In der dargestellten 2a ist der ersten Raum 1 mit gereinigter Flüssigkeit 9 gefüllt. Der dargestellte Ausschnitt aus dem ersten Raum 1 zeigt das Volumen, in welchem das erste Rückschlagelement 2 zwei als Durchtrittsöffnungen ausgebildete Durchbrüche 66 in der Wandung 62 mit Dichtlippen 8 verschließt. Grundsätzlich können auch lediglich ein einziger Durchbruch 66 oder mehr als zwei Durchbrüche 66 vorgesehen sein. Die Dichtlippen 8 des Rückschlagelements 2 dichten den ersten Raum 1 durch Anlage auf einem Ventilsitz 68 des ersten Rückschlagelements 2 ab. Das erste Rückschlagelement kann hierbei z.B. als Membranventil 2a bzw. Schirmventil 2a ausgebildet sein. Die Wandung des ersten Raums 1 grenzt und trennt den ersten Raum von der Rohseite 22 und von der Reinseite 20 des Filtermediums 54 ab, die sich in diesem Fall auch über die Ebene des Filtermediums 54 als solches erstreckt.
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Das als Membranventil 2 ausgebildete erste Rückschlagelement 2 weist eine Pilzform auf. Das von den Dichtlippen 8 abgewandelte freie Ende des Membranventils 2a bzw. des Schirmventils 2a ist als ein Fuß 3 ausgebildet, welcher eine Verdickung 3a aufweist. Der Fuß 3 mitsamt seiner Verdickung 3a ist durch eine zentrale Öffnung in der Wandung 62 des ersten Raums 1 hindurchgesteckt, wobei die Verdickung 3a hinter einem Hinterschnitt 62a der Wandung 62 der zentralen Öffnung verrastet ist. Das Gesamtvolumen des ersten Raums kann in einen ersten Abschnitt 4 und einen zweiten Abschnitt 5 unterteilt werden. Der ersten Abschnitt 4 ergibt sich hierbei als dasjenige Volumen, welches sich durch eine Projektion des ersten Rückschlagelements 2 senkrecht zu einer Ebene des Ventilsitzes 68 ins Innere des ersten Raums 1 ergibt. Zusätzlich wird dem ersten Volumen hier noch das Volumen all derjenigen Bereiche des ersten Raums 1 hinzugerechnet, welches sich bei einer normalen Einbaulage der Filterkartusche unterhalb des Ventils befindet. Das Volumen des ersten Abschnitts 4 ist in der 2a schraffiert gezeichnet.
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Beim Einfrieren von Restflüssigkeit, welche sich nach dem Abpumpen der Flüssigkeit 9 im zweiten Betriebszustand durch die Durchbrüche 66 hindurch noch im ersten Raum 1 befindet, kann es zu einer Volumenausdehnung der gefrorenen Flüssigkeit kommen. Dabei kann sich insbesondere einfrierende Flüssigkeit an der Oberfläche der Dichtlippen 8 anlagern. Bei wechselnden Auftau- und Einfrier-Vorgängen können an den Dichtlippen 8 anhaftende Eiskristalle sich stetig vergrößern und zwischen das in der 2a untere Ende der unteren Dichtlippe 8 und den unteren Ventilsitzes 68 geraten. Wächst der so gebildete Eiskristall immer weiter an, so können Kräfte auftreten, welche das hier als Schirmventil 2a ausgebildete erste Rückschlagelement 2 aus seinem Sitz in der zentralen Öffnung regelrecht heraushebeln.
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In der 2b ist derselbe Ausschnitt des Flüssigkeitsfilters 50 bzw. der Filterkartusche 55 wie in 2a gezeigt. Jedoch ist in den ersten Raum 1 in 2b nun ein Verdrängungskörper 6 eingesetzt, welcher das frei für Flüssigkeit 9 verfügbare Volumen erheblich reduziert. Insgesamt nimmt der Verdrängungskörper 6 wenigstens 25% des Volumens, bevorzugt wenigstens 30% oder wenigstens 45% des Volumens und ganz besonders bevorzugt wenigstens 60% des Volumens des ersten Raums 1 ein. Beispielsweise nimmt der Verdrängungskörper 50% des Volumens des ersten Raums 1 ein.
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Dadurch ist bei einem Einfrieren einerseits das Gesamtdifferenzvolumen einer Volumenvergrößerung von der Flüssigkeitsphase zur festen Phase erheblich reduziert. Gleichzeitig ist auch das gesamte Flüssigkeitsvolumen im ersten Raum verringert. Dadurch ist im Vergleich zum Zustand in 2a erheblich weniger Flüssigkeit für die Ausbildung von Eiskristallen verfügbar, welche sich an Dichtflächen des ersten Rückschlagelements 2, z.B. an einer der Dichtlippen 8 eines Membranventils 2a, ausbilden könnten. Dadurch ist eine erheblich höhere Anzahl von Gefrier- und Auftauvorgängen nötig, um derart große Eiskristalle auszubilden, dass das erste Rückschlagelement 2 aus seiner Halterung befördert wird oder dass die Dichtlippen 8 beschädigt werden, sofern nach dem Abpumpen im zweiten Betriebszustand überhaupt noch Flüssigkeit 9 im ersten Raum 1 verbleibt.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Verdrängungskörper 6 derart ausgebildet ist, dass im ersten Abschnitt 4 das Volumen um wenigstens 50%, bevorzugt um wenigstens 65% reduziert wird.
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Wie in 2b auch zu erkennen ist wird insbesondere das Restvolumen durch den Verdrängungskörper 6 verringert, welches bei einem normalen Absaugvorgang bzw. Abpumpvorgang im zweiten Betriebszustand nur schwer oder gar nicht leer gepumpt werden kann, da es unterhalb von Hinterschnitten bzw. unterhalb des Ventilsitzes 68 liegt. Dadurch, dass dieses Totvolumen bzw. Restvolumen durch den Verdrängungskörper 6 ausgefüllt wird, kann im zweiten Betriebszustand der ersten Raum 1 nahezu vollständig entleert werden. Auf diese Weise bleibt fast keine Flüssigkeit 9 mehr im ersten Raum 1 übrig, welche zu einer Eisbildung und damit zu einer Beschädigung oder Positionsänderung des ersten Rückschlagelements 2 führen könnte.
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Bevorzugt ist der Verdrängungskörper 6 zumindest teilweise aus einem elastischen Material gebildet, beispielsweise aus einem Elastomer, aus Gummi, Kautschuk oder einem ähnlichen elastischen Material. Dies hat den Vorteil, dass in dem Fall, dass der Abpumpvorgang, d.h. der zweite Betriebszustand, nur fehlerhaft oder gar nicht ausgeführt wird, eine Volumenänderung der Flüssigkeit 9 im ersten Raum 1 nicht zu einem Sprengen der Wandung 62 führt. Vielmehr kann das vergrößerte Volumen durch eine elastische Deformation des Verdrängungskörpers 6 aufgenommen werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann der Verdrängungskörper 6 in seinem Innern wenigstens einen Hohlraum aufweisen. Dadurch kann ebenfalls eine Volumenänderung der Flüssigkeit 9 beim Übergang zur festen Phase aufgefangen werden.
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3a zeigt eine perspektivische Aufsicht auf das obere Ende der Kartusche, bestehend aus Filtermedium 54 und erstem Raum 1, sowie des in den ersten Raums 1 eingesetzten bzw. darin angeordneten Verdrängungskörpers 6.
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In dieser Darstellung ist besonders gut das zweite Rückschlagelement 53 zu erkennen. Weiterhin sind zwei Zapfen 64 zu erkennen, welche mit der Wandung 62 des ersten Raums 1 verbunden sind. Im weiteren Sinne können diese Zapfen 64 zur Wand des Gehäuses 56 gehörig gerechnet werden. Der Verdrängungskörper 6 weist 2 korrespondierende Verrastöffnungen 7 auf, welche von den Zapfen 64 durchgegriffen werden. Auf diese Weise ist eine eindeutige Lage des Verdrängungskörpers 6 im ersten Raum 1 sichergestellt. Gleichzeitig können die Zapfen 64 mit Hinterschnitten versehen sein. Dadurch kann der Verdrängungskörper 6 mit den Zapfen 64 verrasten und ist so selbst bei Vibrationen oder thermischen Wechselbelastungen positionstreu im ersten Raum 1 gehalten.
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Die Schnittlinien IIIb und Illc zeigen Querschnitte, welche in den 3b und 3c dargestellt sind.
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3b zeigt einen Querschnitt entlang der gestrichelten Linie Illb aus 3a. Die dargestellte Schnittansicht ähnelt der 2b, jedoch ist in 3b hier die Flüssigkeit nicht dargestellt. In 3b ist besonders gut der Raum oberhalb des Filtermediums 54 zu erkennen, welcher die Reinseite 20 darstellt. Das zweite Rückschlagelement 53 liegt oberhalb der Durchbrüche 66 in der Wandung 62, die vom ersten Rückschlagelement 2, 2a abgedichtet werden.
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3c zeigt einen weiteren Schnitt entlang der gestrichelten Linie mit der Bezeichnung IIIc aus 3a. Es ist deutlich zu erkennen, dass der Verdrängungskörper 6 einen großen Teil des freien Volumens des ersten Raums 1 einnimmt und so den für Flüssigkeit 9 verfügbaren freien Raum erheblich reduziert.
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Weiterhin ist gut zu erkennen, dass die Zapfen 64, welche die Verrastöffnungen 7 im Verdrängungskörper 6 durchgreifen, eine pilzförmig ausgebildete Hinterschnittgeometrie aufweisen. Dadurch kann der Verdrängungskörper 6 mit den Zapfen 64 verrasten.
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4 stellt eine perspektivische Ansicht des Verdrängungskörpers 6 dar.
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Der Verdrängungskörper ist gebildet durch einen Ring 6b, die vom Ring 6a im Wesentlichen senkrecht nach unten abragende Schürze 6a und durch ein Kopfelement 6c, welches sich in einer zur Ebene des Rings 6b parallelen Ebene oberhalb des Rings 6b erstreckt. Das Kopfelement 6c ist brückenartig ausgebildet und mit dem Ring 6b und der Schürze 6a verbunden. Die beiden Verrastöffnungen 7 sind gut zu erkennen. Sie sind im Kopfteil 6c angeordnet. Die nach unten ragende Schürze 6b nimmt im in die Filterkartusche 55 montierten Zustand einen großen Teil des Volumens des ersten Abschnitts 4 des ersten Raums 1 ein. Der zentrale Durchbruch in der Schürze 6b erlaubt, dass die Flüssigkeit 9 den Fuß 3 und die Verdickung 3a des z.B. als Schirmventil 2 ausgebildeten ersten Rückschlagelements 2 umfließen kann.
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Der Verdrängungskörper 6 kann auf einfache Weise mit einem Spritzgussprozesses hergestellt werden. In gleicher Weise kann der ersten Raum 1 der Filterkartusche 55 mit einem einfachen Spritzgussprozess hergestellt werden.
