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Technisches Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Filtereinrichtung, insbesondere zur Gasfiltration, die ein Filtergehäuse und ein Filterelement mit einem ringförmigen Filtermediumkörper aufweist, wobei das Filterelement in einem Aufnahmeraum im Filtergehäuse aufgenommen ist, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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In der
US 4,388,091 wird eine Filtereinrichtung beschrieben, die als Luftfilter ausgebildet ist und in einem Filtergehäuse ein hohlzylindrisches Filterelement aufweist. Das Filterelement weist zwei konzentrisch angeordnete, perforierte Zylinder auf, zwischen denen ein Filtermediumkörper liegt, welcher radial von außen nach innen von der zu filtrierenden Luft durchströmt wird. In einem Aufnahmeraum im Filtergehäuse, in welchem das Filterelement aufgenommen ist, befindet sich dem Filterelement axial vorgelagert eine Schmutzaustragsöffnung, über die abgeschiedene Schmutzpartikel aus dem Aufnahmeraum im Filtergehäuse abgeführt werden können. Die Schmutzaustragsöffnung mündet über einen Trichter in eine Schmutzsammelkammer, die von einem Ventil verschlossen ist. Sobald das Gewicht der gesammelten Schmutzpartikel ausreichend groß ist, öffnet das Ventil, so dass die Schmutzpartikel in die Umgebung entweichen können.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen konstruktiven Maßnahmen eine Filtereinrichtung so auszubilden, dass in effektiver Weise Schmutzpartikel aus dem zu filtrierenden Fluidstrom abgeschieden werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Die erfindungsgemäße Filtereinrichtung umfasst ein Filtergehäuse und ein in einem Aufnahmeraum des Filtergehäuses aufgenommenes Filterelement mit einem ringförmigen Filtermediumkörper, an dem die Filtration eines zu reinigenden Fluids stattfindet. Die Filtereinrichtung wird insbesondere zur Gasfiltration verwendet, beispielsweise zur Filtration der einer Brennkraftmaschine zuzuführenden Verbrennungsluft. Im Prinzip kommt aber auch eine Anwendung für flüssige Fluide in Betracht.
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Der ringförmige Filtermediumkörper des Filterelementes wird in Radialrichtung von dem zu reinigenden Fluid durchströmt, insbesondere radial von außen nach innen, so dass die Außenseite des Filtermediumkörpers die Anström- bzw. Rohseite und die innenliegende Seite die Reinseite bildet. Grundsätzlich kommt auch eine umgekehrte Durchströmung des Filtermediumkörpers radial von innen nach außen in Betracht. Der Filtermediumkörper ist insbesondere ringförmig geschlossen ausgebildet und weist einen innenliegenden Strömungsraum zur Aufnahme des Fluids auf. Bei einer Durchströmung des Filtermediumkörpers radial von außen nach innen wird das gereinigte Fluid aus dem innenliegenden Strömungsraum in Achsrichtung abgeleitet.
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Im Filtergehäuse befindet sich ein Schmutzsammelraum, der mit dem Aufnahmeraum zur Aufnahme des Filterelementes strömungsverbunden ist. Der Schmutzsammelbereich ist insbesondere in das Filtergehäuse integriert. Der Schmutzsammelbereich nimmt Schmutzpartikel auf, die vor der Durchströmung des Filtermediumkörpers aus dem Fluid abgeschieden werden. Über den Schmutzsammelbereich können die Schmutzpartikel vorteilhafterweise aus dem Filtergehäuse abgeleitet werden.
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Der Schmutzsammelbereich weist in Radialrichtung - bezogen auf die Längsachse des ringförmigen Filtermediumkörpers und des Filterelementes - eine größere Erstreckung auf als ein Anströmbereich innerhalb des Aufnahmeraums, der bis zur Anströmseite des Filtermediumkörpers reicht. Die radial größere Erstreckung des Schmutzsammelbereichs sorgt für eine Strömungsberuhigung, wodurch die Abscheidung der Schmutzpartikel aus dem Fluid unterstützt wird.
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Der Schmutzsammelbereich ist ringförmig umlaufend ausgebildet. Dies ermöglicht eine ringförmige Durchströmung und Ablage der Schmutzpartikel in dem Schmutzsammelbereich. Axial in Richtung des Schmutzsammelbereichs geleitete Partikel gelangen unabhängig von ihrer Umfangsposition in den radial erweiterten Abschnitt des Schmutzsammelbereichs und erfahren dort eine Strömungsberuhigung und Anlagerung an die Wandung des Schmutzsammelbereichs.
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Der Schmutzsammelbereich grenzt an ein strömungsdichtes Separierungselement an, das sich entweder unmittelbar am Filtermediumkörper oder zumindest benachbart zum Filtermediumkörper befindet. Das strömungsdichte Separierungselement verhindert oder reduziert zumindest eine Anströmung des Filtermediumkörpers im Bereich des Separierungselementes, wodurch die Strömungsberuhigung in diesem Abschnitt unterstützt wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführung ist im oder am Schmutzsammelbereich ein Austragventil angeordnet, das zwischen einer geschlossenen und einer geöffneten Position verstellbar ist, bevorzugt ein Schnabelventil, welches beim Anliegen eines Unterdrucks gegenüber der Umgebung schließt. Zum Ableiten der im Schmutzsammelbereich gesammelten Partikel wird das Austragventil von der geschlossenen in die geöffnete Position verstellt, beispielsweise durch manuelle Betätigung, durch Vibration oder durch einen Übergang des Systems in drucklosem Zustand (bei Stillstand). Die aktive Verstellung des Austragventils kann entweder auf manuell gesteuerte Weise oder mithilfe eines Aktuators erfolgen. Möglich ist wie beschrieben auch eine passive Ausführung des Austragventils, insbesondere derart, dass durch äußere Einwirkung das Austragventil von der geschlossenen in die geöffnete Position überführt wird, z. B. durch das Eigengewicht der gesammelten Schmutzpartikel oder durch den Unterdruck eines an das Austragventil angeschlossenen Bauteils, beispielsweise eine Leitung, die mit der Unterdruckseite einer Einrichtung verbunden ist, z. B. mit einem Kühlergebläse.
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Der Schmutzsammelbereich ist in das Filtergehäuse integriert und bildet einen Abschnitt des Filtergehäuses. Vorteilhafterweise befindet sich der Schmutzsammelbereich in dem Filtergehäuse axial benachbart zur Abströmseite des Filterelements und/oder axial beabstandet von der Einlassöffnung, bevorzugt am in Bezug auf die Einlassöffnung entgegengesetzten Ende des Filtergehäuses, was es erlaubt, eine Abscheidung der Schmutzpartikel aus dem Fluid über die gesamte Innenseite der Gehäusewand des Filtergehäuses durchzuführen, bevor die Schmutzpartikel den Schmutzsammelbereich erreichen. Durch die Zentrifugalkräfte werden die Schmutzpartikel radial nach außen getragen, dieser Effekt verstärkt sich durch zunehmende Anzahl von Umrundungen der Strömung um das Filterelement. Die Steigung der Leitschaufeln ist somit bevorzugt so eingestellt, dass die Strömung nach dem Eintreten durch die Einlassöffnung mehrfach um das Filterelement umläuft, so dass möglichst viele Partikel bis an die Innenseite der Gehäusewand getragen werden, bevor die Partikel über die axiale Länge in Richtung des umlaufenden Schmutzsammelraums getragen werden.
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Der Schmutzsammelbereich ist vorzugsweise einteilig mit dem Filtergehäuse ausgebildet. Beispielsweise erstreckt sich eine Wand des Schmutzsammelbereichs als Teil der Gehäusewand weiter radial nach außen als ein unmittelbar axial benachbarter Bereich der Gehäusewand des Filtergehäuses. Der Schmutzsammelbereich ist in dieser Ausführung als eine umlaufende, radial sich nach außen erstreckende Erweiterung der Gehäusewand des Filtergehäuses ausgebildet.
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Zusätzlich oder alternativ ist es auch möglich, dass auf eine derartige radiale Erweiterung des Filtergehäuses verzichtet wird und stattdessen der Schmutzsammelbereich sich axial bis in denjenigen Bereich hinein erstreckt, der benachbart zu einer Stirnseite des Filterelementes liegt. Gegebenenfalls befindet sich der Schmutzsammelbereich vollständig axial außerhalb des Filtermediumkörpers und liegt benachbart zu einer Stirnseite des Filtermediumkörpers. In diesem Fall bildet eine Endscheibe, die am Filtermediumkörper angeordnet ist, ein Separierungselement, das den Schmutzsammelbereich von dem Filtermediumkörper separiert. Des Weiteren kann es zweckmäßig sein, dass der Schmutzsammelbereich radial an einen Auslassstutzen angrenzt, der sich an eine Stirnseite des Filtermediumkörpers anschließt und über den das gereinigte Fluid aus dem innenliegenden Strömungsraum im Filtermediumkörper axial abgeleitet wird.
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Gegebenenfalls kann der axial an der Stirnseite des Filterelementes und des Filtermediumkörpers angeordnete Schmutzsammelbereich mit einer radial erweiterten Gehäusewand kombiniert werden. Des Weiteren ist es möglich, dass sich der Schmutzsammelbereich in Achsrichtung teilweise entlang des Filtermediumkörpers und teilweise außerhalb des Filtermediumkörpers erstreckt und benachbart zur Stirnseite des Filterelements angeordnet ist.
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Bei der Endscheibe, benachbart zu der vorteilhafterweise der Schmutzsammelbereich angeordnet ist, handelt es sich insbesondere um eine offen ausgebildete Endscheibe, die lediglich den Filtermediumkörper strömungsdicht abdeckt. Über eine zentrische Ausnehmung in der Endscheibe kann, bei radialer Durchströmung des Filtermediumkörpers von außen nach innen, Reinfluid im innenliegenden Strömungsraum axial aus dem Filtermediumkörper abgeleitet werden.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung weist der Filtermediumkörper eine langgestreckte Querschnittsform auf, beispielsweise eine ovale oder ovalisierte Querschnittsform. Es kommen auch nicht-ovale, längsgestreckte Querschnittsformen in Betracht, beispielsweise konkav gekrümmte Längsseiten oder geradflächige, ebene Längsseiten oder nicht-oval gekrümmte, konvexe Längsseiten. Die Erstreckung der Längsseiten ist größer als die Erstreckung der Schmalseiten, es kann beispielsweise zweckmäßig sein, dass die Erstreckung der Längsseiten mindestens doppelt so groß ist wie die Erstreckung der Schmalseiten. Die Schmalseiten sind beispielsweise mit einer halbkreisförmigen Querschnittsform versehen. Die langgestreckte Querschnittsform des Filtermediumkörpers bzw. des Filterelementes hat den Vorteil, dass verhältnismäßig niedrig bauende Einbauräume für die Filtereinrichtung genutzt werden können. Außerdem ist eine große Anströmfläche an den Längsseiten des Filtermediumkörpers gegeben.
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Alternativ zu einer langgestreckten Querschnittsform kommt auch eine kreisrunde Querschnittsform des Filtermediumkörpers in Betracht.
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Das Filterelement oder der Filtermediumkörper können über die axiale Länge - bezogen auf die Längsachse des Filterelements - eine nicht-konstante Querschnittsfläche aufweisen, die sich von einer Stirnseite zur gegenüberliegenden Stirnseite ändert. Beispielsweise wächst die Querschnittsfläche von der geschlossenen Endscheibe zur gegenüberliegenden, offenen Endscheibe an.
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Alternativ zu einer nicht-konstanten Querschnittsfläche sind auch Filterelemente bzw. Filtermediumkörper mit über die Länge konstanter Querschnittsfläche möglich.
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Es kann zweckmäßig sein, dass zwei Gehäuseteile des Filtergehäuses im Schmutzsammelbereich aneinanderstoßen. Möglich ist aber auch eine einteilige Ausführung des Filtergehäuses im Schmutzsammelbereich.
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Figurenliste
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.
Es zeigen:
- 1 einen Längsschnitt durch eine Filtereinrichtung, die als Luftfilter für eine Brennkraftmaschine ausgebildet ist, mit einem Filterelement mit ringförmigem Filtermediumkörper und mit einem ringförmig umlaufenden, radial erweiterten Schmutzsammelbereich im Filtergehäuse,
- 2 eine zur Filtereinrichtung aus 1 ähnliche Filtereinrichtung in einem weiteren, um 90° gedrehten Längsschnitt, die sich durch die Mittel zur Drallerzeugung von der Filtereinrichtung aus 1 unterscheidet,
- 3 einen Teilschnitt durch eine Filtereinrichtung in einer Ausführungsvariante.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Im Ausführungsbeispiel gemäß den 1 und 2 sind zwei Varianten einer Filtereinrichtung 1 dargestellt, die als Luftfilter im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine zur Filtration der den Zylindern der Brennkraftmaschine zuzuführenden Verbrennungsluft ausgebildet sind. In der Variante nach 1 wird die Strömung durch die Form und die Kanalführung des Einlassgehäuses 5 in eine um das Filterelement 2 umlaufende Strömung überführt, in der Variante nach 2 durch ein Flügelleitwerk. Die Filtereinrichtung 1 umfasst ein Filterelement 2, das hohlzylindrisch oder mit langgestreckter Querschnittsform ausgebildet und in einem Filtergehäuse 3 angeordnet ist, welches ein Filtergrundgehäuse 4 und ein vorgelagertes Einlassgehäuse 5 umfasst. Das Filtergrundgehäuse 4 und das Einlassgehäuse 5, an dem sich eine Einströmöffnung 6 befindet, sind einteilig ausgebildet. Das Filtergrundgehäuse 4 nimmt in seinem Aufnahmeraum 26 das Filterelement 2 auf. Die zu filtrierende Verbrennungsluft wird über die seitlich angeordnete Einströmöffnung 6 in das Filtergehäuse 3 eingeführt und in Richtung des Filterelementes 2 geleitet. Bezogen auf die Mittellängsachse 15 des Filterelementes 2 liegt die Einströmöffnung 6 seitlich bzw. radial verschoben, wobei die Einströmachse der Einströmöffnung 6 unter einem Winkel von annähernd 90° zur Mittellängsachse 15 des Filterelementes 2 steht.
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Das Filterelement 2 weist einen Filtermediumkörper 7 auf, der ringförmig geschlossen ausgebildet und mit einer langgestreckten Querschnittsform versehen ist. Der Filtermediumkörper 7 wird bezogen auf seine Mittellängsachse 15 radial von außen nach innen von dem zu filtrierenden Fluid - der Verbrennungsluft - durchströmt, so dass die Außenseite des Filtermediumkörpers 7 die Roh- oder Anströmseite und die Innenseite die Reinseite bildet. Der Filtermediumkörper 7 ist an seiner Innen- bzw. Reinseite von einem Stützgerüst 8, welches aus Kunststoff besteht, ausgekleidet. Der innenliegende Strömungsraum im Filtermediumkörper 7 bildet den Reinraum, in welchem sich das gereinigte Fluid sammelt und aus dem das gereinigte Fluid axial abgeleitet wird.
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An beiden gegenüberliegenden Stirnseiten des Filtermediumkörpers 7 ist jeweils eine Endscheibe 9, 10 angeordnet, wobei die der Einströmöffnung 6 benachbarte erste Endscheibe 9 geschlossen ausgebildet und die zweite, gegenüberliegende, der Einströmöffnung 6 abgewandte Endscheibe 10 offen ausgebildet ist, so dass das Fluid aus dem innenliegenden Reinraum axial über die offene Endscheibe 10 abströmen kann. An das Filtergrundgehäuse 4 schließt sich benachbart zur offenen Endscheibe 10 des Filterelementes 2 ein gehäuseseitiger Auslassabschnitt 11 mit einer Abströmöffnung 12 an, über die das gereinigte Fluid aus der Filtereinrichtung 1 abgeleitet wird. Der Auslassabschnitt 11 ist separat von dem Filtergrundgehäuse 4 ausgebildet, jedoch mit dem Filtergrundgehäuse 4 verbunden.
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Die Querschnittsform des Filterelementes 2 bzw. des Filtermediumkörpers 7 kann langgestreckt ausgeführt sein, wobei die Längsseiten beispielhaft eben und parallel zueinander verlaufen und über gekrümmte Schmalseiten verbunden sind. Es ist aber auch eine kreisrunde Querschnittsform des Filterelementes 2 und des Filtermediumkörpers 7 möglich.
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Das Filterelement 2 und der Filtermediumkörper 7 weisen über die axiale Länge - bezogen auf die Mittellängsachse 15 - eine nicht-konstante Querschnittsfläche auf, die im Bereich der geschlossenen Endscheibe 9 kleiner ist als im gegenüberliegenden Bereich mit der offenen Endscheibe 10 und von der kleineren zur größeren Querschnittsfläche kontinuierlich und gleichmäßig anwächst.
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Benachbart zu dem gehäuseseitigen Auslassabschnitt 11 befindet sich im Filtergrundgehäuse 4 ein radial erweiterter Ringraum 14, der einen Schmutzsammelbereich bildet und an dem ein Austragventil 13 angeordnet ist. In dem radial erweiterten Schmutzsammelbereich 14, der ringförmig ausgebildet ist, können sich abgesonderte Schmutzpartikel sammeln, die über das Austragventil 13 aus dem Filtergehäuse 3 abgeleitet werden können.
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Das Austragventil 13 ist vorzugsweise als passives Ventil ausgebildet, das durch äußere Einflüsse von der üblicherweise geschlossenen Position in eine geöffnete Position verstellt werden kann, in der die Schmutzpartikel abgeleitet werden können. Es ist beispielsweise möglich, das Austragventil 13 an eine Unterdruckquelle anzuschließen, z. B. mit der Saugseite eines Kühlergebläses in einem Fahrzeug zu verbinden, so dass das Austragventil 13 bei ausreichend hohem Unterdruck geöffnet wird.
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Der Schmutzsammelbereich 14 kommuniziert mit dem Aufnahmeraum 26 an der Roh- bzw. Anströmseite des Filtermediumkörpers 7. Axial befindet sich der Schmutzsammelbereich 14 benachbart zu der offen ausgebildeten Endscheibe 10 an der Abströmseite des Filterelements 2. Bezogen auf die axiale Gesamtlänge des Filterelementes 2 erstreckt sich der Schmutzsammelbereich 14 über eine axiale Teillänge, die nicht mehr als 20 % der Gesamtlänge des Filterelementes 2 beträgt. Der Schmutzsammelbereich 14 ist radial gegenüber der unmittelbar angrenzenden Gehäusewand des Filtergrundgehäuses 4 erweitert. In der axialen Mitte des Schmutzsammelbereichs 14 stoßen das Filtergrundgehäuse 4 und der Auslassabschnitt 11 des Gehäuses aneinander.
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In Radialrichtung ist der Schmutzsammelbereich 14 über eine umlaufende, konisch ausgebildete Beruhigungswand 27 von dem Filtermediumkörper 7 separiert. Die Beruhigungswand 27 bildet die radial innenliegende Begrenzungswand des Schmutzsammelbereichs 14. Die Beruhigungswand 27 läuft ringsum und liegt mit geringem Abstand zur Anström- bzw. Rohseite des Filtermediumkörpers 7. In Achsrichtung erstreckt sich die Beruhigungswand 27 von einem stirnseitigen Abschnitt des Filtergehäuses 3, insbesondere des Auslassabschnittes 11, in Höhe der Endscheibe 10 bis über die axiale Erstreckung des Schmutzsammelbereichs 14 hinaus. Die axiale Länge der Beruhigungswand 27 beträgt beispielsweise mindestens ein Viertel der axialen Gesamtlänge des Filterelementes 2. Die Beruhigungswand 27 sorgt für eine Strömungsberuhigung in diesem axialen Abschnitt im Aufnahmeraum 26 und reduziert in diesem Abschnitt die Anströmung des Filtermediumkörpers 7. Der Schmutzsammelbereich 14 ist mit dem Aufnahmeraum 26 strömungsverbunden.
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Aufgrund der Strömungsberuhigung und der größeren radialen Erstreckung des Schmutzsammelbereichs 14 im Vergleich zu der unmittelbar benachbarten Gehäusewand des Filtergrundgehäuses 4 können sich Schmutzpartikel im Schmutzsammelbereich 14 ablagern, die anschließend über das Austragventil 13 abgeführt werden.
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In 3 ist eine Ausführungsvariante einer Filtereinrichtung 1 dargestellt, in der das Filterelement 2 grundsätzlich den gleichen Aufbau wie im ersten Ausführungsbeispiel aufweist und einen ringförmig geschlossenen Filtermediumkörper 7 umfasst, der an seiner Abströmseite von einer offenen Endscheibe 10 verschlossen ist, wobei über die Öffnung in der Endscheibe 10 das gereinigte Fluid axial über den Auslassabschnitt 11 abgeleitet wird. Der Schmutzsammelbereich 14 schließt sich axial an die Endscheibe 10 an und liegt somit axial außerhalb des Filtermediumkörpers 7. Der Schmutzsammelbereich 14 wird axial von der Endscheibe 10 begrenzt, die ein strömungsdichtes Separierungselement zwischen dem Filtermediumkörper 7 und dem Schmutzsammelbereich 14 bildet.
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An der Endscheibe 10 ist ein sich axial erstreckender Stutzen 10a angeformt, der einen Dichtstutzen bildet und an der Außenseite eines Abströmkanals in dem Auslassabschnitt 11 dichtend anliegt. Der Abströmkanal 11a ist einteilig mit dem Auslassabschnitt 11 des Gehäuses ausgebildet. Der Schmutzsammelbereich 14 wird radial nach innen teilweise von dem axialen Dichtstutzen 10a der Endscheibe 10 und teilweise von dem Abströmkanal 11a des Auslassabschnittes 11 begrenzt.
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In der Gehäusewand des Filtergrundgehäuses 4 ist im Schmutzsammelbereich 14 eine Austragöffnung 28 eingebracht, an die sich das Austragventil 13 anschließt. Die Austragöffnung 28 und das Austragventil 13 befinden sich axial vollständig im Schmutzsammelbereich 14 und somit axial außerhalb des Filtermediumkörpers 7.
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Die radiale Erstreckung des ringförmigen Schmutzsammelbereichs 14 ist größer als die radiale Erstreckung des Aufnahmeraums 26 im Bereich des Filtermediumkörpers 7 und damit des Anströmbereichs des Filtermediumkörpers 7. Der Abströmkanal 11a und der Dichtstutzen 10a weisen einen kleineren Radius auf als die Außenseite des Filtermediumkörpers 7, wodurch entsprechend der Schmutzsammelbereich 14 mit der größeren radialen Erstreckung versehen ist. Die radiale Außenseite des Schmutzsammelbereichs 14 wird von der Außenwand des Filtergrundgehäuses 4 ohne zusätzliche radiale Auswölbung gebildet. Die axiale Begrenzung auf der dem Filtermediumkörper 7 abgewandten Seite des Schmutzsammelbereichs 14 wird von einem Wandabschnitt des gehäuseseitigen Auslassabschnittes 11 gebildet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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