DE102018002914A1

DE102018002914A1 - Filterelement, Verfahren zum Herstellen einer Endscheibe und Verfahren zum Filtern eines Fluids

Info

Publication number: DE102018002914A1
Application number: DE102018002914.0A
Authority: DE
Inventors: Manuel Bentlohner; Ann-Kathrin Kleeberger; Hemambar Chilukuru; Johannes Lampert
Original assignee: Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 2018-04-10
Filing date: 2018-04-10
Publication date: 2019-10-10

Abstract

Filterelement (1, 32) mit mindestens einer Endscheibe (2, 3, 33, 34) und einem mit der Endscheibe (2, 3, 33, 34) verbundenen Filtermedium (4, 35), wobei
die Endscheibe (2, 3, 33, 34) zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Endscheibenmaterial (11) gefertigt ist; und
die Endscheibe (2, 3, 33, 34) entlang einer ersten Richtung (R1) eine erste elektrische Leitfähigkeit aufweist, die höher als eine zweite elektrische Leitfähigkeit der Endscheibe (2, 3, 33, 34) entlang einer zweiten Richtung (R2) ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Filterelement für ein Kraftfahrzeug. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Endscheibe für ein solches Filterelement, ein Verfahren zum Filtern eines Fluids mit einem solchen Filterelement sowie eine Verwendung eines solchen Filterelements.
Zur Filterung von Fluiden für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs werden häufig gefaltete bzw. plissierte Filtermaterialien, wie etwa Filtervliese, die ein Faltenpack bilden, eingesetzt. Hierzu wird ein zunächst flächiger Filtermaterialbogen zickzackförmig gefaltet. Das Faltenpack wird von Endscheiben gehalten, welche an die Ober- und Unterseite des zylinderförmigen Faltenpacks, das das Filtermedium bildet, angebracht sind. Derartige Endscheiben können beispielsweise aus Kunststoff hergestellt sein.
DE 10 2014 016 167 A1 offenbart ein Filterelement für ein Kraftfahrzeug, in dem eine Endscheibe Kautschuk und einen Wärmeleitzusatzstoff aufweist. Mit Hilfe des Wärmeleitzusatzstoffs wird eine thermische Vulkanisation des Kautschukmaterials verbessert.
In der Vergangenheit hat sich der Umgang mit elektrischen Ladungen in oder an der Kunststoffendscheibe als schwierig erwiesen.
Offenbarung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Filterelement, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen einer Endscheibe, ein verbessertes Verfahren zum Filtern eines Fluids sowie eine verbesserte Verwendung eines Filterelements zu schaffen.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Filterelement mit mindestens einer Endscheibe und einem mit der Endscheibe verbundenen Filtermedium vorgeschlagen, wobei

die Endscheibe zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Endscheibenmaterial gefertigt ist; und
die Endscheibe entlang einer ersten Richtung eine erste elektrische Leitfähigkeit aufweist, die höher als eine zweite elektrische Leitfähigkeit der Endscheibe entlang einer zweiten Richtung ist.

Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zum Filtern eines Fluids mit einem Filterelement gemäß dem ersten Aspekt oder gemäß einer Ausführungsform des ersten Aspekts vorgeschlagen, in dem das Fluid das Filtermedium von einer Rohseite in Richtung zu einer Reinseite hin durchströmt. Die Rohseite und die Reinseite sind durch das Filtermedium und durch die Endscheibe voneinander getrennt. Das Verfahren umfasst:

Einrichten eines ersten Stromkreises, der die Endscheibe umfasst und in dem elektrische Ladungen entlang der ersten Richtung durch die Endscheibe geführt werden; und
Einrichten eines zweiten Stromkreises, der die Endscheibe umfasst und in dem elektrische Ladungen entlang der zweiten Richtung durch die Endscheibe geführt werden.

Gemäß einem dritten Aspekt wird eine Filtervorrichtung zum Filtern eines Fluids vorgeschlagen. Die Filtervorrichtung umfasst:

ein Filterelement mit mindestens einer Endscheibe und einem mit der Endscheibe verbundenen Filtermedium, wobei die Endscheibe zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Endscheibenmaterial gefertigt ist; und die Endscheibe entlang einer ersten Richtung eine erste elektrische Leitfähigkeit aufweist, die höher als eine zweite elektrische Leitfähigkeit der Endscheibe entlang einer zweiten Richtung ist;
einen ersten Stromkreis, der die Endscheibe umfasst und in dem elektrische Ladungen entlang der ersten Richtung durch die Endscheibe geführt werden;
einen zweiten Stromkreis, der die Endscheibe umfasst und in dem elektrische Ladungen entlang der zweiten Richtung durch die Endscheibe geführt werden.

Das Filterelement kann in Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, Baumaschinen, Wasserfahrzeugen, Schienenfahrzeugen, Luftfahrzeugen sowie allgemein in der Klimatechnik, insbesondere in Heiz-Klimageräten, hydraulischen Systemen, Haushaltsgeräten oder in der Gebäudetechnik Anwendung finden. Die Kraftwagen oder Fahrzeuge können elektrisch und/oder mittels Kraftstoff (insbesondere Benzin, Diesel oder Erdgas) betrieben werden.
Das Filterelement ist in Ausführungsformen als ein Filterelement für ein Betriebsmittel eines Kraftfahrzeugs, insbesondere als Ölfilter, Hydraulikflüssigkeitsfilter, und/oder Kraftstofffilter, ausgebildet und umfasst geeignete Filtermedien. Mit dem Filterelement filterbare Medien sind beispielsweise Betriebsflüssigkeiten, wie Kraftstoffe, Schmiermittel, Harnstofflösungen und dergleichen, die zu reinigen sind.
Das Filtermedium kann gefaltet oder wellenförmig ausgebildet sein. Als Faltungen sind beispielsweise Zickzack- oder W-Faltungen bekannt. Das Filterelement kann geprägt und anschließend an Prägekanten unter Ausbildung von Faltkanten scharfkantig gefaltet sein. Als Ausgangsmaterial kann ein flächiger Filtermaterialbogen dienen, welcher entsprechend umgeformt wird.
Das Filtermedium ist beispielsweise ein Filtergewebe, Filtergelege oder ein Filtervlies. Insbesondere kann das Filterelement in einem Spinnvlies- oder Meltblown-Verfahren hergestellt sein. Weiter kann das Filterelement verfilzt oder genadelt sein. Das Filterelement kann Naturfasern, wie Baumwolle, oder Kunstfasern, beispielsweise aus Polyester, Polyvinylsulfit oder Polytetrafluorethylen, aufweisen. Die Fasern können bei der Verarbeitung in, schräg und/oder quer zur Maschinenrichtung orientiert sein. Das Filterelement kann ein- oder mehrlagig sein.
Die mindestens eine Endscheibe ist beispielsweise ein Spritzgießteil. Sie kann auch aus einem vulkanisierbaren Material gefertigt sein und als Folienendscheibe bezeichnet werden. In letzterem Fall wird zunächst ein flächiges Material als Halbfertigteil verwendet und anschließend vulkanisiert, wobei das Endscheibenmaterial aufschäumt und ein festes Reaktionsprodukt entsteht, an dem das Filtermedium hält. Die Endscheibe kann mit dem Filtermedium insbesondere materialschlüssig verbunden sein. Die Endscheibe kann auch fluiddicht mit dem Filtermedium verklebt sein. Hierzu kann die Endscheibe aus einem schäumbaren Material gebildet sein. Insbesondere ist die Verbindung mit dem Filtermedium, die durch die Endscheibe erstellt wird, fluiddicht. Die Endscheibe und das Filtermedium sind insbesondere ohne einen zusätzlichen Hilfsstoff, z.B. ohne Klebstoff, Lötmaterial und/oder dergleichen, materialschlüssig miteinander verbunden.
Alternativ können die Endscheibe und das Filtermedium mit einem zusätzlichen Material bzw. Element verbunden sein, beispielsweise mittels einer Klebeschicht, insbesondere mittels einer elektrisch leitfähigen Klebeschicht.
Die Endscheibe kann eine abgerundete, beispielsweise eine kreisrunde Geometrie aufweisen. Alternativ kann die Endscheibe eine rechteckige bzw. quadratische Geometrie aufweisen. Denkbar ist auch eine ovale Ausgestaltung der Endscheiben- und Faltengeometrie.
Die Endscheibe ist zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Endscheibenmaterial gebildet, und ist somit insbesondere elektrisch leitfähig. Unter elektrisch leitfähig kann insbesondere elektrisch leitend verstanden werden. Dass die Endscheibe elektrisch leitfähig ist bedeutet insbesondere, dass das ausgehärtete Endscheibenmaterial bei 25°C einen spezifischen elektrischen Durchgangswiderstand p von weniger als 600 Ωcm, insbesondere weniger als 500 Ωcm, aufweist. Wenn der spezifische elektrische Durchgangswiderstand der Endscheibe klein genug ist, kann die Endscheibe bereits bei einem niedrigen anliegenden elektrischen Potential größere elektrische Ströme leiten.
Die Endscheibe weist entlang einer ersten Richtung eine erste elektrische Leitfähigkeit auf, die höher als eine zweite elektrische Leitfähigkeit der Endscheibe entlang einer zweiten Richtung ist. Die erste elektrische Leitfähigkeit entspricht insbesondere einer elektrischen Leitfähigkeit der Endscheibe entlang der ersten Richtung und die zweite elektrische Leitfähigkeit entspricht insbesondere einer elektrischen Leitfähigkeit der Endscheibe entlang der zweiten Richtung. Die erste und die zweite Richtung sind dabei unterschiedlich voneinander. In Ausführungsformen erstrecken sich die erste und die zweite Richtung senkrecht zueinander. Hierbei kann sich die erste Richtung entlang einer Oberfläche (bzw. Längsrichtung oder Längsachse) der Endscheibe erstrecken. Die zweite Richtung kann sich senkrecht zur Oberfläche der Endscheibe erstrecken.
Die elektrische Leitfähigkeit der Endscheibe kann auch als anisotrop betrachtet werden. Das heißt insbesondere, dass die elektrische Leitfähigkeit der Endscheibe richtungsabhängig ist. Je nach Orientierung der Endscheibe innerhalb des Filterelements, können unterschiedliche elektrische Leitfähigkeiten beobachtet werden.
Dadurch, dass die Endscheibe entlang der ersten und zweiten Richtung unterschiedliche elektrische Leitfähigkeiten hat, können zwei voneinander getrennte Stromkreise, die die Endscheibe umfassen, errichtet werden. In dem ersten Stromkreis können z.B. elektrische Ladungen entlang der ersten Richtung geführt werden. In dem zweiten Stromkreis können z.B. elektrische Ladungen entlang der zweiten Richtung geführt werden. Dadurch, dass in der Endscheibe zwei voneinander getrennte Stromkreise errichtet werden können, sind die Endscheibe und das die Endscheibe umfassende Filterelement vielseitig einsetzbar. Einsatzmöglichkeiten der Endscheibe und des Filterelements werden im Folgenden noch näher beschrieben.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Endscheibe als eine Platte ausgebildet und ein Unterschied zwischen der ersten und der zweiten elektrischen Leitfähigkeit ist maximal, wenn die erste Richtung eine Richtung ist, die sich parallel zu einer Deckfläche der Endscheibe erstreckt, und die zweite Richtung senkrecht zur ersten Richtung verläuft.
Die plattenförmige Endscheibe umfasst insbesondere eine flächige Deckfläche, die sich senkrecht zu einer Axialrichtung des Filterelements erstreckt. Insofern kann die Endscheibe als ein flacher Zylinder verstanden werden, bei dem zwei große Deckflächen von einer umlaufenden kleinen Mantelfläche verbunden sind. Die Mantelfläche hat eine Höhe, oder sie gibt die Dicke der Endscheibe an. Wenn die erste Richtung parallel zur Deckfläche und die zweite Richtung senkrecht zur ersten Richtung, also senkreckt zur Deckfläche verläuft, ist der Unterschied zwischen der ersten und zweiten elektrischen Leitfähigkeit, insbesondere im Vergleich zu einem Unterschied zwischen elektrischen Leitfähigkeiten der Endscheibe entlang zwei anderen Richtungen, maximal. Die erste Richtung kann die Richtung sein, entlang der die elektrische Leitfähigkeit der Endscheibe maximal ist, und die zweite Richtung kann die Richtung sein, entlang der die elektrische Leitfähigkeit der Endscheibe minimal ist. Bei zylindrischen Filterelementen ist die erste Richtung insbesondere eine Radialrichtung des Filterelements und die zweite Richtung ist eine Axialrichtung des Filterelements.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Endscheibenmaterial Kautschuk und elektrisch leitfähige Zusatzpartikel, insbesondere Kohlenstoffpartikel und/oder Metallpartikel, auf.
Zur Herstellung der Kautschukmaterialien eignen sich insbesondere Synthesekautschuk wie Nitrilbutadienkautschuk (NBR) oder kurz Nitrilkautschuk, Styrol-Butadienkautschuk (SBR) oder Mischungen daraus. Die hohe Viskoelastizität des Kautschuks ermöglicht die Herstellung einer zuverlässigen Verbindung mit dem Filtermedium.
Durch Zugabe einer vorgegebenen Mindestmenge an elektrisch leitfähigen Zusatzpartikein (bzw. an einem elektrisch leitfähigen Zusatzstoff), die als Kugeln, Plättchen, Nadeln, Fasern oder dergleichen in das Kautschukmaterial eingearbeitet werden, wird dem Endscheibenmaterial seine elektrische Eigenschaft verliehen. Der elektrisch leitfähige Zusatzstoff wird dem Kautschuk vorzugsweise in einem nicht oder nicht vollständig vulkanisierten bzw. flüssigen oder nicht ausgehärteten Zustand hinzugegeben. Die Mindestmenge ist insbesondere so bemessen, dass der spezifische elektrische Widerstand p des Endscheibenmaterials im ausgehärteten Zustand niedriger als 500 Ωcm ist.
Die elektrisch leitfähigen Zusatzpartikel können innerhalb der gesamten Endscheibe homogen verteilt sein, so dass der Massenanteil der elektrisch leitfähigen Zusatzpartikel in der gesamten Endscheibe identisch ist. Grundsätzlich kommen als elektrisch leitfähige Zusatzpartikel Metallpartikel, beispielsweise aus Eisen, Silber, Kupfer oder Gold, sowie Kohlenstoffpartikel, insbesondere Graphit, Ruß, Carbon-Nanotubes, Fullerene, und Kohlenstofffasern oder dergleichen in Frage.
Zum Erhalten der anisotropen elektrischen Leitfähigkeit der Endscheibe können die elektrisch leitfähigen Zusatzpartikel innerhalb der Endscheibe orientiert werden. Die orientierten Zusatzpartikel sind insbesondere alle in die gleiche Richtung ausgerichtet. Die Orientierung der elektrisch leitfähigen Zusatzpartikel kann während eines Herstellungsverfahrens der Endscheibe erfolgen. Die Orientierung der elektrisch leitfähigen Zusatzpartikel wird im Folgenden noch näher beschrieben.
Optional kann das Endscheibenmaterial zusätzlich noch weitere Zugaben aufweisen, beispielsweise Phenolharz, Hexamethylentetramin, Wärmeleitzusatzstoffe, Schwefel und Vulkanisationsbeschleuniger bzw. ein Vulkanisationsbeschleunigergemisch.
Das Filterelement kann als Halbfertigteil betrachtet werden, falls der Kautschuk nicht oder nicht vollständig vulkanisiert bzw. ausgehärtet ist. Die Vulkanisierung erfolgt insbesondere unter Temperaturerhöhung des Endscheibenmaterials.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform haben die elektrisch leitfähigen Zusatzpartikel eine längliche Form. Die elektrisch leitfähigen Zusatzpartikel sind beispielsweise als Stäbchen, Plättchen und/oder Fasern ausgebildet. Insbesondere ist eine Länge der elektrisch leitfähigen Zusatzpartikel größer als deren Breite und/oder Höhe. Die elektrisch leitfähigen Zusatzpartikel haben insbesondere keine sphärische Morphologie. Man kann sagen, dass die Zusatzpartikel eine geometrische Vorzugsrichtung haben.
Die Verwendung von elektrisch leitfähigen Zusatzpartikeln mit einer länglichen Form vereinfacht die Orientierung der elektrisch leitfähigen Zusatzpartikel zum Erhalten der anisotropen elektrischen Leitfähigkeit der Endscheibe. Insbesondere sind elektrisch leitfähige Zusatzpartikel mit einer länglichen Form günstiger zu orientieren, als welche mit einer sphärischen Morphologie. Die elektrisch leitfähigen Zusatzpartikel können ferner eine intrinsisch anisotrope Leitfähigkeit aufweisen, die beispielsweise so ausgebildet sein kann, dass parallel zu einer Längenrichtung eine größere Leitfähigkeit vorliegt als in einer Querrichtung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die elektrisch leitfähigen Zusatzpartikel in der Endscheibe im Wesentlichen einheitlich entlang der ersten Richtung ausgerichtet. Die erste Richtung ist insbesondere die Richtung, entlang der die elektrische Leitfähigkeit der Endscheibe maximal ist. Eine Vorzugsrichtung der jeweiligen elektrisch leitfähigen Zusatzpartikel kann sich entlang der ersten Richtung erstrecken.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform erstreckt sich die erste Richtung parallel zur Deckfläche des Filterelements, und die zweite Richtung erstreckt sich senkrecht zur Deckfläche.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Endscheibenmaterial ein vulkanisierbares Material und ein Massenanteil der elektrisch leitfähigen Zusatzpartikel in einem nicht oder nicht vollständig vulkanisierten Zustand beträgt zwischen 50 und 400 PHR (parts per hundred rubber).
Mit PHR werden die Massenanteile der einzelnen Mischungsbestandteile einer Elastomermischung bezeichnet („An introduction to rubber technology“, Seite 32, R. Ciesielski, Rapra Technology LTD, IBSN: 1-85957-150-6, 1999). Dabei werden diese Angaben jeweils auf 100 (Massen-)Teile des Grundpolymers bezogen. Der Massenanteil des Kautschuks, der das Grundpolymer sein kann, beträgt in Ausführungsformen 100 PHR, und der Massenanteil des elektrisch leitfähigen Zusatzstoffs beträgt in Ausführungsformen zwischen 50 und 400 PHR, in einem Zustand des Endscheibenmaterials, in dem das Endscheibenmaterial nicht oder nicht vollständig vulkanisiert ist. Um eine hohe elektrische Leitfähigkeit der Endscheibe zu erreichen, werden insbesondere Graphit- oder Metallzugabemengen von mindestens 50 bis 100 PHR verwendet.
Für den Fall, dass das Endscheibenmaterial noch weitere Zugaben umfasst, kann das Endscheibenmaterial in dem nicht oder nicht vollständig vulkanisierten Zustand beispielsweise neben Kautschuk, Hexamethylentetramin, optional Phenolharz, Schwefel, einen Vulkanisationsbeschleuniger bzw. ein Vulkanisationsbeschleunigergemisch und die elektrisch leitfähigen Zusatzpartikeln aufweisen.
Gemäß einer vierten Ausführungsform wird ein Verfahren zum Herstellen einer Endscheibe für ein Filterelement vorgeschlagen, umfassend:

Vermischen von Kautschuk und elektrisch leitfähigen Zusatzpartikeln zum Bilden eines nicht oder nicht vollständig vulkanisierten Endscheibenmaterials;
Orientieren der elektrisch leitfähigen Zusatzpartikel entlang einer bevorzugten Richtung, insbesondere durch Bearbeiten des nicht oder nicht vollständig vulkanisierten Endscheibenmaterials mit zumindest einer Walze derart, dass durch das Walzen eine Kraft auf das nicht oder nicht vollständig vulkanisierte Endscheibenmaterial aufgebracht wird, die dazu führt, dass sich die Partikel mit ihrer längeren Seite in Walzrichtung (bevorzugte Richtung) orientieren.

Die bevorzugte Richtung entspricht insbesondere der ersten Richtung. Das Verfahren kann ferner ein Erhärten des nicht oder nicht vollständig vulkanisierten Endscheibenmaterials umfassen, wodurch die Endscheibe fertiggestellt werden kann. Das nicht oder nicht vollständig vulkanisierte Endscheibenmaterial kann durch eine einzige Walze oder durch zwei sich gegenüberliegende Walzen bearbeitet werden. Das Endscheibenmaterial wird dabei insbesondere entlang einer Oberfläche, die der Deckfläche der fertigen Endscheibe entsprechen kann, durch ein die zumindest eine Walze umfassendes Walzensystem geführt. Insbesondere wird das Endscheibenmaterial wiederholt durch das Walzensystem geführt, z.B. 2, 20, 50, 200 oder 500 Mal.
Falls zwei sich gegenüberliegende Walzen eingesetzt werden, wird ein Abstand bzw. Walzenspalt zwischen diesen insbesondere derart gewählt, dass der Abstand etwas kleiner als eine Breite des nicht oder nicht vollständig vulkanisierten Endscheibenmaterials vor dem Walzen ist. Dadurch kann das nicht vollständig vulkanisierte Endscheibenmaterial im Wesentlichen parallel zu einer Deckfläche des Endscheibenmaterials durch die Walzen zusammengedrückt bzw. gepresst werden, und die elektrisch leitfähigen Zusatzpartikel können orientiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren zum Herstellen der Endscheibe ferner:

Führen des nicht oder nicht vollständig vulkanisierten Endscheibenmaterials durch einen Walzenspalt, der zwischen zwei sich gegenüberliegenden Walzen liegt;
Falten des durch den Walzenspalt durchgeführten Endscheibenmaterials; und
erneutes Führen des Endscheibenmaterials durch den Walzenspalt.

Das Endscheibenmaterial wird insbesondere entlang einer Faltachse gefaltet, die sich entlang einer Deckfläche des Endscheibenmaterials erstreckt. Das Endscheibenmaterial kann z.B. mittig gefaltet werden. Durch das Falten kann eine Höhe des Endscheibenmaterials verdoppelt werden. Insbesondere wird das gefaltete Endscheibenmaterial, welches z.B. nicht oder nicht vollständig vulkanisiert ist, immer entlang der gleichen Richtung erneut/wiederholt durch den Walzenspalt geführt. Die Schritte des Faltens und des erneuten Durchführens können beliebig oft durchgeführt werden. Durch das wiederholte Falten und Durchführen des Endscheibenmaterials durch den Walzenspalt, wird die Orientierung der elektrisch leitfähigen Zusatzpartikel erhöht. Die Höhe des Endscheibenmaterials kann durch das Falten immer größer als der Abstand zwischen den sich gegenüberliegenden Walzen gehalten werden. Insbesondere sind nach jedem Führen des Endscheibenmaterials durch den Walzenspalt mehr elektrisch leitfähige Zusatzpartikel als zuvor entlang der bevorzugten Richtung orientiert.
Gemäß einer Ausführungsform des zweiten Aspekts umfasst das Verfahren zum Filtern eines Fluids ferner:

Messen eines elektrischen Widerstands des Fluids oder des Filtermediums, insbesondere eines Adsorbermaterials, über den ersten Stromkreis; und
Einkoppeln eines elektrischen Stroms in die Endscheibe über den zweiten Stromkreis derart, dass die Endscheibe sich erwärmt.

Gemäß einer Ausführungsform des dritten Aspekts umfasst der erste Stromkreis eine Widerstandsmesseinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, einen elektrischen Widerstand der Endscheibe entlang der ersten Richtung zu messen und/oder in Abhängigkeit des gemessenen Widerstands eine elektrische Leitfähigkeit des zu filternden Fluids und/oder des Filtermediums zu bestimmen. In Ausführungsformen umfasst der zweite Stromkreis ein Heizsystem, welches dazu eingerichtet ist, entlang der zweiten Richtung in die Endscheibe elektrischen Strom einzukoppeln und die Endscheibe zu erwärmen.
Über den ersten Stromkreis kann ein elektrischer Widerstand des gefilterten Fluids gemessen werden. Hierzu kann der erste Stromkreis eine Widerstandsmesseinrichtung umfassen, welche über Elektroden mit der Endscheibe gekoppelt ist. Die Widerstandsmesseinrichtung kann einen elektrischen Widerstand des gefilterten Fluids messen, aus dem die elektrische Leitfähigkeit des Fluids bestimmt werden kann. Der erste Stromkreis kann somit als ein Messkreis ausgebildet sein.
Die elektrische Leitfähigkeit von einigen Fluiden, insbesondere von Elektrolytlösungen, kann konzentrationsabhängig sein. Beim Filtern solcher Fluide kann anhand des ersten Stromkreises die Konzentration des Fluids bestimmt werden. In einem Fahrzeug kann die Konzentration eines Fluids, das im Laufe der Zeit verbraucht bzw. erzeugt wird, gemessen werden. Wenn die Konzentration unter bzw. über einen bestimmten Schwellenwert fällt/steigt, kann bestimmt werden, dass das Fluid und/oder das Filterelement ausgetauscht werden muss, und eine Meldung kann demensprechend ausgegeben werden.
Alternativ kann über den ersten Stromkreis mit dem Widerstandsmessgerät auch der Widerstand eines leitfähigen Adsorbermaterials gemessen werden, welches als ein Filtermedium zum Filtern von Gasen eingesetzt wird. Insbesondere ist das Filtermedium des Filterelements hierbei aus einem Adsorbermaterial (z.B. aus Aktivkohle) ausgebildet. Der elektrische Widerstand des Adsorberelements hängt insbesondere von der Beladung bzw. von der Verschmutzung des Adsorberelements ab. Wenn der gemessene Widerstand einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, wird z.B. bestimmt, dass das Adsorberelement zu verschmutzt ist und ausgetauscht oder gereinigt werden muss.
Der zweite Stromkreis kann eingesetzt werden, um elektrischen Strom in die Endscheibe einzukoppeln, so dass diese sich erwärmt. Insbesondere wird zum Einkoppeln des elektrischen Stroms in die Endscheibe eine Stromversorgung, zum Beispiel eine Batterie, verwendet, welche Teil des zweiten Stromkreises ist.
Der elektrische Strom, der in einigen Ausführungsformen in die Endscheibe eingekoppelt wird, hat beispielsweise eine Stromstärke I und eine Stromdichte j. Der in die Endscheibe eingekoppelte elektrische Strom kann ein Wechselstrom oder ein Gleichstrom sein. Das elektrisch leitfähige Endscheibenmaterial hat entlang der zweiten Richtung insbesondere einen spezifischen Durchgangswiderstand, der signifikant höher ist als entlang der zweiten Richtung und der beispielsweise weniger als 500 Ωcm beträgt. Ein elektrischer Strom, der durch ein elektrisch leitfähiges Material fließt, erzeugt durch die Reibungskraft, die die Elektronen in dem elektrisch leitfähigen Material erfahren, innerhalb des Materials Joulesche Wärme. Diese Eigenschaft der elektrischen Ströme in elektrisch leitfähigen Materialen ist als das Stromwärmegesetz bekannt. Aufgrund des Stromwärmegesetzes erwärmt sich also das elektrisch leitfähige Endscheibenmaterial, wenn es von elektrischem Strom durchflossen wird. Hierbei dient das Endscheibenmaterial als Heizwiderstand, in dem elektrische Energie in thermische Energie umgewandelt wird. Durch Verbreitung der Jouleschen Wärme, die in dem Endscheibenmaterial erzeugt wird, erwärmt sich die gesamte Endscheibe.
Die in der Endscheibe erzeugte Wärme kann beispielsweise zum Erwärmen bzw. Aufheizen von mit Hilfe des Filterelements zu filternden Fluiden, insbesondere von Betriebsflüssigkeiten, genutzt werden. Der zweite Stromkreis kann somit ein Heizkreis sein Die erzeugte Wärme bzw. Wärmeleistung ist insbesondere von dem elektrischen Stromdurchfluss bzw. einer an die Endscheibe angelegten Spannung und somit dem Widerstand abhängig.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner ein Einkoppeln des elektrischen Stroms in die Endscheibe über den zweiten Stromkreis in Abhängigkeit des über den ersten Stromkreis gemessenen elektrischen Widerstands.
Der zweite Stromkreis kann in Abhängigkeit des gemessenen elektrischen Widerstands gesteuert werden. Beispielsweise kann die Heizfunktion des zweiten Stromkreises aktiviert werden, wenn der über den ersten Stromkreis gemessene elektrische Widerstand einen vorbestimmten Wert über- bzw. unterschreitet. Falls zum Beispiel der Widerstand des Adsorberelements den vorbestimmten Schwellenwert über- bzw. unterschreitet, der einen notwendige Reinigung des Adsorberelements angibt, kann die Endscheibe mit Hilfe des Heizkreises erwärmt werden und somit das Adsorberelement reinigen.
Gemäß einem vierten Aspekt wird eine Verwendung eines Filterelements mit mindestens einer Endscheibe und einem mit der Endscheibe verbundenen Filtermedium vorgeschlagen, wobei:

ein elektrischer Widerstand eines Fluids oder eines Filtermediums, insbesondere eines Adsorberelements, über einem die Endscheibe umfassenden ersten Stromkreis gemessen wird; und/oder
die Endscheibe durch Einkoppeln eines elektrischen Stroms in einem die Endscheibe umfassenden zweiten Stromkreis erwärmt wird.

Die für das vorgeschlagene Filterelement beschriebenen Ausführungsformen und Merkmale gelten für das vorgeschlagene Verfahren zum Herstellen der Endscheibe, für das vorgeschlagene Verfahren zum Filtern eines Fluids, und für die vorgeschlagene Verwendung entsprechend.
Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale, Verfahrensschritte oder Verwendungen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform des Filterelements, der jeweiligen Verfahrenen und der Verwendung hinzufügen.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele. Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren näher erläutert.
Figurenliste
Es zeigen dabei:

1 eine schematische perspektivische Teilschnittdarstellung einer ersten Ausführungsform eines Filterelements für ein Kraftfahrzeug;
2 eine Schnittdarstellung einer Endscheibe;
3 eine Tabelle zur Beschreibung mehrerer Walzmethoden;
4 eine schematische Ansicht eines Walzsystems zum Walzen eines Filterelementmaterials;
5 eine Draufsicht auf ein Endscheibenmaterialstück;
6A, 6B schematische Darstellungen eines Aufbaus zur Widerstandsmessung;
7 spezifische Widerstandswerte für unterschiedliche Endscheibenproben;
8 einen Unterschied zwischen Widerstandswerten parallel zu einer Walzrichtung und senkrecht zu der Walzrichtung für unterschiedliche Endscheibenproben;
9A, 9B, 9C Qualitative Schnittskizzen von Endscheibenproben, die mit Walzmethoden A, B und C hergestellt wurden;
10 eine schematische Darstellung einer Filtervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform; und
11 eine schematische Darstellung einer Filtervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform.

Ausführungsform(en) der Erfindung
1 zeigt eine schematische perspektivische Teilschnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Filterelements 1 für ein Kraftfahrzeug. Das Filterelement 1 kann beispielsweise ein Flüssigkeitsfilterelement, insbesondere ein Kraftstofffilter, sein.
Das Filterelement 1 umfasst ein Filtermedium 4, das als Faltenpack aus plissiertem Filtermaterial ausgebildet ist. Häufig werden Kunststoffvliesmaterialien zickzackförmig gefaltet und als Filtermaterialien verwendet. Auf Faltenprofilen 9 des Filtermediums 4, welches einen Endlosfaltenbalg bildet, ist in der Orientierung der 1 an jeweils einer Endseite des Filtermediums 4 oberseitig und unterseitig eine Endscheibe 2, 3 vorgesehen. Das Filterelement 1 weist mindestens eine kreisförmige Endscheibe 2, 3, bevorzugt jedoch zwei Endscheiben 2, 3 auf. Insbesondere sind die Endscheiben 2, 3 fluiddicht mit dem Filtermedium 4 verbunden. Durch die Endscheiben 2, 3 erfährt das Filterelement 1 eine gewisse Stabilität und kann in einen entsprechenden Fluidkreislauf eingesetzt werden. Das Filtermedium 4 kann in teilweise aufgeschäumtes Material der Endscheiben 2, 3 eingedrückt sein. Ein Anschlussstutzen 6 ist zum Beispiel Teil der oberen Endscheibe 2. Analog kann die untere Endscheibe 3 eine Öffnung 7 haben, die als Anschluss dienen kann.
In der Orientierung der 1 sind oberseitig Faltkanten 9 des Filtermediums 4 gezeigt, die das Faltprofil bilden. Im Betrieb, beispielsweise als Flüssigkeitsfilter, durchströmt die zu filternde Flüssigkeit, wie Kraftstoff, die durch das plissierte Filtermaterial 4 vergrößerte Filteroberfläche. In der Regel werden die Filtermaterialien und Geometrien des Filtermediums 4 oder des Filterelements 1 auf eine vorgegebene Durchströmrichtung angepasst. Beispielsweise ist in 1 von seitlich die Rohflüssigkeit RO und nach oben und unten die filtrierte Reinflüssigkeit RL gezeigt. Insofern ist in der Orientierung der 1 die dem Innenraum 8 zugewandte Fläche die Abströmseite und die äußere Mantelfläche des zylinderförmigen Filtermediums 4 die Anströmseite des Filterelements 1. Innerhalb des Faltenbalgs 4 ist ein optionales Stützelement 5 vorgesehen, welches zwischen den Endscheiben 2, 3 vorliegt. Das Stützelement 5 kann auch als Mittelrohr bezeichnet werden. Es handelt sich dabei um ein elektrisch leitfähiges Stützelement 5, das derart an den Endscheiben 2, 3 anliegt bzw. die Endscheiben 2, 3 kontaktiert, dass elektrische Ladungen der Endscheiben 2, 3 durch das Stützelement 5 nach außerhalb des Filterelements 1 abgeleitet werden können. Das Stützelement 5 ist aus Metall, beispielsweise aus Aluminium oder Eisen gefertigt.
Mindestens eine der Endscheiben 2, 3, insbesondere beide Endscheiben 2, 3, sind als kreisförmige Platte mit der mittigen Öffnung 7 für den Anschlussstutzen 6 ausgebildet. Jede Endscheibe 2, 3 umfasst eine Deckfläche 38, die sich senkrecht zu einer Axialrichtung A des Filterelements 1 erstreckt. In der Darstellung der 1 entsprechen die Deckflächen 38 der oberen und der unteren Fläche des Filterelements 1. Die Endscheiben 2, 3 weisen zu dem Mantelflächen 39 auf, die eine Höhe h haben und sich parallel zur Axialrichtung A entlang des Umfangs erstrecken.
Mindestens eine der Endscheiben 2, 3, insbesondere beide Endscheiben 2, 3, sind zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Endscheibenmaterial 11 gefertigt. Das Endscheibenmaterial 11 weist Kautschuk 13 und elektrisch leitfähige Zusatzpartikel 12, insbesondere Zusatzpartikel, die hauptsächlich aus reinem Kohlenstoff bestehen, etwa Graphit, und/oder Metall, auf. In 1 ist das elektrisch leitfähige Endscheibenmaterial 11 faserförmig in den Kautschuk 13 eingearbeitet. In einem nicht, oder nicht vollständig vulkanisierten Zustand des Kautschuks 13 beträgt ein Massenanteil der elektrisch leitfähigen Zusatzpartikel 12 zwischen 50 und 400 PHR.
Die elektrisch leitfähigen Zusatzpartikel 12 haben einen längliche, stäbchenförmige bzw. plättchenförmige Form und erstrecken sich entlang einer ersten Richtung R1, die parallel zu der Deckfläche 38 der Endscheibe 2, 3 verläuft. Die erste Richtung R1 entspricht somit einer Radialrichtung des Filterelements 1. Eine elektrische Leitfähigkeit der Endscheibe 2, 3 ist entlang der ersten Richtung R1 größer als entlang einer zweiten Richtung R2, welche sich senkrecht zur ersten Richtung R1 erstreckt. Die zweite Richtung R2 entspricht der Axialrichtung A des Filterelements 1. Die Ausrichtung der elektrisch leitfähigen Zusatzpartikel 12 ist in 2, welche eine Schnittansicht der Endscheibe 2, 3 entlang der Schnittkurve S - S der 1 zeigt, besonders gut zu sehen.
Wie in 2 dargestellt, sind die elektrisch leitfähigen Zusatzpartikel 12 im Wesentlichen entlang der ersten Richtung R1 orientiert. Die Endscheibe 2, 3 ist über ihre gesamte Höhe h im Wesentlichen konstant mit den elektrisch leitfähigen Zusatzpartikeln 12 versehen.
Entlang der ersten Richtung R1 ist eine elektrische Leitfähigkeit der Endscheibe 2, 3 höher als entlang der zweiten Richtung R2. Anders ausgedrückt, ist ein Widerstand der Endscheibe 2, 3 entlang der ersten Richtung R1 niedriger als entlang der zweiten Richtung R2.
Die Endscheibe 2, 3 kann gemäß einem Verfahren zum Herstellen einer Endscheibe 2, 3 hergestellt werden. Dabei werden zunächst die Rohstoffe in einer Walze vermischt. Die vermischten Rohstoffe sind dabei Kautschuk, Phenolharz, Hexamethylentetramin, Schwefel, ein Vulkanisationsbeschleuniger bzw. Vulkanisationsbeschleunigergemisch und die elektrisch leitfähigen Zusatzpartikel.
Es werden drei verschiedene Walzmethoden im Rahmen einer Optimierung der Herstellung der Endscheibe 2, 3 verglichen. Diese sind in 3 ausgeführt. In einer Walzmethode A werden die Rohstoffe standardmäßig vermischt, bis eine homogene Mischung erhalten wird. Diese homogene Mischung, welche ein nicht vollständig vulkanisiertes Endscheibenmaterial 11 bildet, wird einmalig durch die Walzen geführt.
4 zeigt ein Durchführen eines nicht vollständig vulkanisierten Endscheibenmaterials 11 durch ein Walzensystem 18, welches zwei parallel zueinander verlaufende Walzen 16 umfasst. Jede Walze 16 ist als ein zylinderförmiger Körper ausgebildet, der sich entlang einer Drehrichtung R drehen kann. Zwischen den Walzen 16 liegt ein vorbestimmter Walzenabstand 19, der einen Walzenspalt bildet. Beim Durchführen des nicht vollständig vulkanisierten Endscheibenmaterials 11 üben die Walzen 16 senkrecht zu einer Walzrichtung WR einen Druck F auf dieses Endscheibenmaterial 11 aus, wodurch die sich darin befindenden elektrisch leitfähigen Partikel 12 entlang der Walzrichtung WR ausgerichtet werden, welche in dem Ausführungseispiel der 1 der ersten Richtung R1 entspricht. Durch den Druck F wird eine ursprüngliche Höhe h1 des Endscheibenmaterials 11 auf eine weitere Höhe h2 reduziert, wobei das Endscheibenmaterial 11 nicht lediglich unter Dichteerhöhung zusammengepresst wird, sondern eine Strömung des viskosen Endscheibenmaterials 11 durch den Walzenspalt in Walzrichtung stattfindet, wobei das Endscheibenmaterial 11 entsprechend in Walzrichtung gestreckt wird.
In einer weiteren Walzmethode B (3) wird das nicht vollständig vulkanisierte Endscheibenmaterial 11 nach der Walzmethode A hergestellt und zusätzlich eine Stunde lang (circa 100 Mal) wiederholt durch das Walzensystem 18 geführt. Hierbei wird das Endscheibenmaterial 11 immer entlang der gleichen Richtung durch das Walzensystem 18 geführt.
In einer weiteren in 3 aufgeführten Walzmethode C wird das nicht vollständig vulkanisierte Endscheibenmaterial 11 nach der Walzmethode A hergestellt und zusätzlich eine Stunde lang (circa 100 Mal) wiederholt durch das Walzensystem 18 geführt, wobei es zwischen jedem Walzendurchgang gefaltet wird.
5 zeigt eine Faltachse 20, entlang der das Endscheibenmaterial 11 vor jedem Walzendurchgang gefaltet wird. 5 zeigt dabei eine Draufsicht auf das Endscheibenmaterial 11. Die Faltachse verläuft senkrecht zur Walzrichtung WR. Bei jedem Falten des Endscheibenmaterials 11 wird die Höhe des durch das Walzsystem 18 zu schiebende Elements verdoppelt. Dadurch bleibt eine Höhe des durch das Walzsystem 18 geführten Endscheibenmaterials 11 immer größer als der Walzenabstand 19, wodurch die Walzen 16 bei jedem Walzendurchgang einen Druck bzw. eine orientierende Kraft F auf das durchgeführte Endscheibenmaterial 11 ausüben, und die elektrisch leitfähigen Partikel 12 bei jedem Walzdurchgang etwas mehr orientiert werden.
Zum Vergleichen der drei Walzmethoden A, B und C werden mit jeder dieser Walzmethoden A, B und C quaderförmige Endscheibenproben 21 gefertigt. Diese sind in 6A und 6B dargestellt. 6A und 6B zeigen, wie an den Endscheibenproben Widerstandsmessungen parallel zur Walzrichtung WR (6A) und senkrecht zur Walzrichtung WR (6B) durchgeführt werden, um die Leitfähigkeit der Endscheibenproben 21 entlang dieser beiden Richtungen zu bestimmen.
Wie in 6A dargestellt, werden die Flächen der Endscheibenprobe 21, die sich senkrecht zur Walzrichtung WR erstrecken, mit Silberleitlack 22 bestrichen, um daran Elektroden 23 zu befestigen. An die Elektroden 23 wird über Kabel 24 eine Batterie 25 angebracht. Zur Durchführung der Widerstandsmessung entlang der Walzrichtung WR wird parallel zur Batterie 25 eine Widerstandsmesseinrichtung 26 geschaltet. In 6A misst die Widerstandsmesseinrichtung 26 den spezifischen Widerstand der Endscheibenprobe 21 parallel zur Walzrichtung WR (paralleler Widerstand).
Wie in 6B dargestellt, werden die oberen und unteren Flächen der Endscheibenprobe 21 mit Silberleitlack 22 bestrichen, um daran die Elektroden 23 zu befestigen. An die Elektroden 23 wird die Batterie 25 über Kabel 24 angebracht. Zur Durchführung der Widerstandsmessung senkrecht der Walzrichtung WR wird parallel zur Batterie 25 die Widerstandsmesseinrichtung 26 geschaltet. In 6B misst die Widerstandsmesseinrichtung 26 den spezifischen Widerstand der Endscheibenprobe 21 senkrecht zur Walzrichtung WR (senkrechter Widerstand).
7 zeigt den mit der Widerstandsmesseinrichtung 26 gemessenen spezifischen Widerstand für mehrere Endscheibenproben 21. In 7 sind spezifische Widerstandswerte, die parallel zur Walzrichtung WR (gemäß 6A) und an nicht vollständig vulkanisierten Endscheibenproben 21 durchgeführt wurden, als „Roh parallel“ bezeichnet. Ferner werden spezifische Widerstandswerte, die senkrecht zur Walzrichtung WR (gemäß 6B) und an nicht vollständig vulkanisierten Endscheibenproben 21 durchgeführt wurden, als „Roh senkrecht“ bezeichnet; spezifische Widerstandswerte, die parallel zur Walzrichtung WR (gemäß 6A) und an vollständig vulkanisierten Endscheibenproben 21 durchgeführt wurden, als „Ausgehärtet parallel“ bezeichnet; und werden spezifische Widerstandswerte, die senkrecht zur Walzrichtung WR (gemäß 6B) und an vollständig vulkanisierten Endscheibenproben 21 durchgeführt wurden, als „Ausgehärtet senkrecht“ bezeichnet.
Aus 7 geht hervor, dass der Widerstand parallel zur Walzrichtung WR für die drei Walzmethoden A, B und C niedriger als der Widerstand senkrecht zur Walzrichtung WR ist.
8 zeigt eine Differenz zwischen den Widerständen parallel und senkrecht zur Walzrichtung WR für die jeweiligen Endscheibenproben 21 aus 7. Aus 8 geht hervor, dass der Unterschied zwischen dem Widerstand parallel zur Walzrichtung WR und dem Widerstand senkrecht zur Walzrichtung WR für Endscheibenproben 21, die gemäß der Walzmethode C hergestellt wurden, maximal ist. Zwischen den dargestellten Unterschiedswerten für die Endscheibenproben 21, die gemäß den Walzmethoden A oder B hergestellt wurden, besteht kaum ein Unterschied.
Die qualitative Skizze der 9A zeigt, wie die elektrisch leitfähigen Partikel 12 in einer Endscheibenprobe 21, die mit der Walzmethode A hergestellt wurde, ausgerichtet sind. 9B zeigt, wie die elektrisch leitfähigen Partikel 12 in der Endscheibenprobe 21, die mit der Walzmethode B hergestellt wurde, ausgerichtet sind. 9C zeigt, wie die elektrisch leitfähigen Partikel 12 in der Endscheibenprobe 21, die mit der Walzmethode C hergestellt wurde, ausgerichtet sind. 9A und 9B zeigen keinen Unterschied zwischen der Ausrichtung der Partikel 12 in der Endscheibenprobe 21, die mit den Walzmethoden A und B hergestellt wurden. 9C zeigt jedoch, dass die Partikel 12 der Endscheibenprobe 21, die mit der Walzmethode C hergestellt wurde, deutlich besser als die aus 9A und 9B entlang der Walzrichtung WR ausgerichtet sind.
Mit der Walzmethode C, in der das nicht vollständig vulkanisierte Endscheibenmaterial 11 zwischen jedem Durchgang durch das Walzensystem 18 gefaltet wird, wird der größte Unterschied zwischen Widerständen, und somit auch zwischen elektrischen Leitfähigkeiten des Endscheibenmaterials entlang zweier Richtungen erzielt. Zur Herstellung der Endscheibe 2, 3, die anhand der 1 und 2 beschrieben wurde, wird bevorzugt die Walzmethode C verwendet. Dabei entspricht die erste Richtung R1 der Richtung, die parallel zur Walzrichtung WR verläuft, und die zweite Richtung R2 entspricht der Richtung, die senkrecht zur Walzrichtung WR verläuft.
Das in Bezug auf 1 beschriebene Filterelement 1 kann zum Filtern einer Elektrolytlösung in einer in 10 dargestellten Filtervorrichtung 27 einer ersten Ausführungsform eingesetzt werden. Die Filtervorrichtung 27 findet in der Fahrzeugtechnik Anwendung. Die Filtervorrichtung 27 kann z.B. in ein Fahrzeug eingesetzt werden, um Stickoxide aus Abgasen zu entfernen. Die Elektrolytlösung kann z.B. eine Harnstofflösung sein. Es kann sich bei der Elektrolytlösung auch um eine Flüssigkeit für eine Batterie handeln.
Eine solche Elektrolytlösung weist eine konzentrationsabhängige elektrische Leitfähigkeit auf.
In der Filtervorrichtung 27 ist die Endscheibe 2 sowohl Teil eines ersten als auch eines zweiten Stromkreises. Dabei werden in dem ersten Stromkreis elektrische Ladungen entlang der ersten Richtung R1 geführt. In dem zweiten Stromkreis werden elektrische Ladungen entlang der zweiten Richtung R2 geführt. Die Endscheibe 3 ist nur Teil des zweiten Stromkreises.
Zusätzlich zu dem Filterelement 1 umfasst die Filtereinrichtung 27 ein Gehäuse 10 zur Aufnahme des Filterelements 1. Das Filterelement 1 ist fest am Boden des Gehäuses 10 angeordnet. Zum Filtern des Fluids strömt dieses durch einen Einlass 15 in das Gehäuse 10 hinein, durchströmt das Filterelement 1 axial von außen nach innen entlang der in 10 dargestellten Pfeile p und tritt durch einen rohrförmigen Auslass 28 aus dem Gehäuse 10 hinaus.
Zusätzlich zur Endscheibe 2 umfasst der erste Stromkreis eine Widerstandsmesseinrichtung 14 zum Messen eines Widerstands sowie einen Metallkontakt 29, der an einer Innenwand 30 des Gehäuses 10 vorgesehen ist. Der Metallkontakt 29 ist derart positioniert, dass der erste Stromkreis geschlossen wird, wenn die Elektrolytlösung zwischen dem Metallkontakt 29 und der Endscheibe 2 entlangströmt. Anhand eines durch die Widerstandsmesseinrichtung 14 gemessenen Widerstands kann die Konzentration der Elektrolytlösung bestimmt werden. Falls die Konzentration der Elektrolytlösung unter einen vorbestimmten Schwellenwert fällt, kann eine Meldung zum Wechseln der Elektrolytlösung ausgegeben werden. Die Meldung wird z.B. durch eine nicht dargestellte Meldeeinheit, die mit der Widerstandsmesseinrichtung14 zusammenwirkt, ausgegeben.
Der zweite Stromkreis umfasst die Endscheiben 2, 3, das Stützrohr 5, und ein Heizsystem 17. Das Heizsystem 17 koppelt Strom in die Endscheiben 2, 3 ein, welche sich aufgrund des hohen Widerstands entlang der zweiten Richtung R2 erwärmen. Der zweite Stromkreis ist somit als Heizkreis ausgebildet.
Die beiden Stromkreise können derart miteinander gekoppelt sein, dass das Heizsystem 17 erst dann die Endscheiben 2, 3 erwärmt, wenn der Widerstandswert einen vorbestimmten Wert überschreitet. Dies ergibt insbesondere Sinn, wenn die elektrische Leitfähigkeit der Elektrolytlösung temperaturabhängig ist.
11 zeigt eine Filtereinrichtung 31 gemäß einer zweiten Ausführungsform zum Filtern von Fluiden mit einem weiteren Filterelement 32. Bei dem Filterelement 32 handelt es sich um einen Innenraumluftfilter. Das Filterelement 32 umfasst zwei Endscheiben 33, 34, die im Wesentlichen analog zu den Endscheiben 2, 3 aus 1 ausgebildet sind. Entlang einer ersten Richtung R1' weisen die Endscheiben 33, 34 eine deutlich höhere elektrische Leitfähigkeit als entlang der zweiten Richtung R2' auf, weil die elektrisch leitfähigen Partikel 12 entlang der ersten Richtung R1' orientiert sind.
Zwischen den Endscheiben 33, 34 ist in dem Filterelement 32 ein Filtermedium 35 vorgesehen. Bei dem Filtermedium 35 handelt es sich um ein elektrisch leitfähiges Gasadsorberelement. Dieses umfasst ein rohrförmig ausgebildetes Gitter, das Aktivkohle enthält. Eine wichtige Eigenschaft von Aktivkohle ist, dass sie thermisch reaktivierbar oder regenerierbar ist.
Die Aktivkohle des Gasadsorberelements 35 dient dazu, Schadstoffe aus der Luft zu adsorbieren. Die gefilterte Luft wird anschließend in einen Innenraum eines Fahrzeugs ausgestoßen.
Die Orientierung der Endscheiben 33, 34 in dem Filterelement 32 unterscheidet sich von der Orientierung der Endscheiben 2, 3, die in Bezug auf 1 beschrieben wurden, dadurch, dass die erste Richtung R1' sich entlang einer Axialrichtung des Filterelements 32 erstreckt, während die zweite Richtung R2' sich entlang einer Radialrichtung des Filterelements 32 erstreckt.
Beide Elektroden 33, 34 sind sowohl Teil eines ersten Stromkreises als auch eines zweiten Stromkreises. Dabei werden elektrische Ladungen in den ersten Stromkreis entlang der ersten Richtung R1' geführt. In dem zweiten Stromkreis werden elektrische Ladungen entlang der zweiten Richtung R2' geführt.
Der erste Stromkreis dient zur Messung des Widerstands des Gasadsorberelements 35. Hierzu umfasst der erste Stromkreis eine Widerstandsmesseinrichtung 14, welche über Kabel 24 an Kontakten 36 an den beiden Endscheiben 33, 34 anliegt.
Der zweite Stromkreis ist ein Heizstromkreis, in welchem ein Heizsystem 17 einen elektrischen Strom über Kontakte 37 in die jeweiligen Endscheiben 33, 34 einkoppelt. Aufgrund des Widerstands entlang der zweiten Richtung R2', die in dem zweiten Stromkreis durchströmt wird, erwärmen sich die Endscheiben 33, 34. Die Wärme der Endscheiben 33, 34 erstreckt sich auf das Gasadsorberelement 35. Die Aktivkohle des Gasadsorberelements 35 kann durch diese Wärme regeneriert bzw. reaktiviert werden. Die reaktivierte Aktivkohle kann anschließend erneut Luft filtern, ohne dass ein Austausch des Filterelements 32 erforderlich wäre.
Es ist möglich, den ersten und zweiten Stromkreis derart zu koppeln, dass das Gasadsorberelement 35 erwärmt wird, wenn der Widerstandswert des Gasadsorbermaterials 35 einen bestimmten Schwellenwert über- bzw. unterschreitet. Dies ist möglich, weil der Widerstandswert des Gasadsorberelements 35 von dessen Beladungszustand abhängt.
Das Heizsystem 17 kann beim Über- bzw. Unterschreiten des Schwellenwerts dazu gesteuert werden, die Endscheiben 33, 34 und somit das Gasadsorberelement 35 zu erwärmen, wodurch die Aktivkohle regeneriert wird. Die Filtereinrichtung 31 ermöglicht somit eine integrierte, eigenständige Regenerierfunktion des Filterelements 32.
Alternativ kann auch ein Signal zum Austausch des Gasadsorberelements 35 an einen Benutzer ausgeben werden, falls der Widerstandswert einen bestimmten Schwellenwert über- bzw. unterschreitet. Der Benutzer kann dann manuell das Erwärmen des Gasadsorberelements 35 einschalten.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, ist sie vielfältig modifizierbar. Als elektrisch leitfähige Partikel 12 können beliebige Materialien, z.B. Graphit, eingesetzt werden. Es ist auch möglich, ein Filterelement mit nur einer Endscheibe 2, 3 oder mit zwei geschlossenen Endscheiben 2, 3 vorzusehen. Es ist auch denkbar, dass nur eine der Endscheiben 2, 3 des Filterelements 1 elektrisch leitfähig ausgebildet ist.
Bezugszeichenliste

1: Filterelement
2: Endscheibe
3: Endscheibe
4: Filtermedium
5: Stützelement
6: Anschlussstutzen
7: Öffnung
8: Innenraum
9: Faltenprofil
10: Gehäuse
11: Endscheibenmaterial
12: elektrisch leitfähige Partikel
13: Kautschuk
14: Widerstandsmesseinrichtung
15: Einlass
16: Walze
17: Heizsystem
18: Walzensystem
19: Walzenabstand
20: Faltachse
21: Endscheibenprobe
22: Silberleitlack
23: Elektrode
24: Kabel
25: Batterie
26: Widerstandsmesseinrichtung
27: Filtervorrichtung
28: Auslass
29: Metallkontakt
30: Innenwand
31: Filtervorrichtung
32: Filterelement
33, 34: Endscheibe
35: Gasadsorberelement
36: Kontakt
37: Kontakt
38: Deckfläche
39: Mantelfläche
A: Axialrichtung
B: Bereich
D: Drehrichtung
DR: Durchlaufrichtung
F: Druck
h: Höhe
h₁: Höhe
h₂: Höhe
p: Pfeil
R: Drehrichtung
R1, R1': erste Richtung
R2, R2': zweite Richtung
RL: Reinfluid
RO: Rohfluid
WR: Walzrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014016167 A1 [0003]

Claims

Filterelement (1, 32) mit mindestens einer Endscheibe (2, 3, 33, 34) und einem mit der Endscheibe (2, 3, 33, 34) verbundenen Filtermedium (4, 35), wobei die Endscheibe (2, 3, 33, 34) zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Endscheibenmaterial (11) gefertigt ist; und die Endscheibe (2, 3, 33, 34) entlang einer ersten Richtung (R1) eine erste elektrische Leitfähigkeit aufweist, die höher als eine zweite elektrische Leitfähigkeit der Endscheibe (2, 3, 33, 34) entlang einer zweiten Richtung (R2) ist.
Filterelement nach Anspruch 1, wobei die Endscheibe (2, 3, 33, 34) als eine Platte ausgebildet ist und wobei ein Unterschied zwischen der ersten und der zweiten elektrischen Leitfähigkeit maximal ist, wenn die erste Richtung (R1) eine Richtung ist, die sich parallel zu einer Deckfläche (38) der Endscheibe (2, 3, 33, 34) erstreckt, und die zweite Richtung (S2) senkrecht zur ersten Richtung (S1) verläuft.
Filterelement nach Anspruch 2, wobei das Endscheibenmaterial (11) Kautschuk (13) und elektrisch leitfähige Zusatzpartikel (12), insbesondere Kohlenstoffpartikel und/ oder Metallpartikel, aufweist.
Filterelement nach Anspruch 3, wobei die elektrisch leitfähigen Zusatzpartikel (12) eine längliche Form haben.
Filterelement nach Anspruch 3 oder 4, wobei die elektrisch leitfähigen Zusatzpartikel (12) in der Endscheibe (2, 3, 33, 34) im Wesentlichen einheitlich entlang der ersten Richtung (R1) ausgerichtet sind.
Filterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die erste Richtung (R1) sich parallel zur Deckfläche (38) des Filterelements (1, 32) erstreckt und die zweite Richtung (R2) sich senkrecht zur Deckfläche (38) erstreckt.
Filterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Endscheibenmaterial (11) ein vulkanisierbares Material ist, und ein Massenanteil der elektrisch leitfähigen Zusatzpartikel (12) in einem nicht oder nicht vollständig vulkanisierten Zustand zwischen 50 und 400 PHR beträgt.
Filtervorrichtung zum Filtern eines Fluids mit: einem Filterelement (1, 32) mit mindestens einer Endscheibe (2, 3, 33, 34) und einem mit der Endscheibe (2, 3, 33, 34) verbundenen Filtermedium (4, 35), wobei die Endscheibe (2, 3, 33, 34) zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Endscheibenmaterial (11) gefertigt ist; und die Endscheibe (2, 3, 33, 34) entlang einer ersten Richtung (R1) eine erste elektrische Leitfähigkeit aufweist, die höher als eine zweite elektrische Leitfähigkeit der Endscheibe (2, 3, 33, 34) entlang einer zweiten Richtung (R2) ist; einen ersten Stromkreis, der die Endscheibe (2, 3, 33, 34) umfasst und in dem elektrische Ladungen entlang der ersten Richtung (R1) durch die Endscheibe (2, 3, 33, 34) geführt werden; einen zweiten Stromkreis, der die Endscheibe (2, 3, 33, 34) umfasst und in dem elektrische Ladungen entlang der zweiten Richtung (R2) durch die Endscheibe (2, 3, 33, 34) geführt werden.
Filtervorrichtung nach Anspruch 7, wobei der erste Stromkreis eine Widerstandsmesseinrichtung umfasst, welche dazu eingerichtet ist, einen elektrischen Widerstand innerhalb des ersten Stromkreises zu messen, insbesondere in Abhängigkeit des gemessenen Widerstands eine elektrische Leitfähigkeit des zu filternden Fluids und/oder des Filtermediums zu bestimmen, und/oder einen elektrischen Widerstand der Endscheibe entlang der ersten Richtung zu messen..
Filtervorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei der zweite Stromkreis ein Heizsystem umfasst, welches dazu eingerichtet ist, entlang der zweiten Richtung in die Endscheibe elektrischen Strom einzukoppeln und die Endscheibe zu erwärmen.
Verfahren zum Herstellen einer Endscheibe (2, 3, 33, 34) für ein Filterelement (1, 32), umfassend: Vermischen von Kautschuk und elektrisch leitfähigen Zusatzpartikeln (12) zum Bilden eines nicht oder nicht vollständig vulkanisierten Endscheibenmaterials (11); Orientieren der elektrisch leitfähigen Zusatzpartikel (12) entlang einer bevorzugten Richtung (WR), insbesondere durch Bearbeiten des nicht oder nicht vollständig vulkanisierten Endscheibenmaterials (11) mit zumindest einer Walze (16) derart, dass die Walze (16) eine Kraft (F) auf das nicht oder nicht vollständig vulkanisierte Endscheibenmaterial (11) aufbringt, die senkrecht zur bevorzugten Richtung (WR) ist.
Verfahren zum Herstellen einer Endscheibe nach Anspruch 10, ferner umfassend: Führen des nicht oder nicht vollständig vulkanisierten Endscheibenmaterials (11) durch einen Walzenspalt (19), der zwischen zwei sich gegenüberliegenden Walzen (16) liegt; Falten des durch den Walzenspalt (19) durchgeführten Endscheibenmaterials (11); und erneutes Führen des Endscheibenmaterials (11) durch den Walzenspalt (19).
Verfahren zum Filtern eines Fluids mit einem Filterelement (1, 32) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, in dem das Fluid das Filtermedium (4, 35) von einer Rohseite (RO) in Richtung zu einer Reinseite (RL) hin durchströmt, wobei die Rohseite (RO) und die Reinseite (RL) durch das Filtermedium (4, 35) und durch die Endscheibe (2, 3, 33, 34) voneinander getrennt sind, umfassend: Einrichten eines ersten Stromkreises, der die Endscheibe (2, 3, 33, 34) umfasst und in dem elektrische Ladungen entlang der ersten Richtung (R1) durch die Endscheibe (2, 3, 33, 34) geführt werden; und Einrichten eines zweiten Stromkreises, der die Endscheibe (2, 3, 33, 34) umfasst und in dem elektrische Ladungen entlang der zweiten Richtung (R2) durch die Endscheibe (2, 3, 33, 34) geführt werden.
Verfahren zum Filtern eines Fluids nach Anspruch 12, welches ferner umfasst: Messen eines elektrischen Widerstands des Fluids oder eines Filtermediums (4, 35) über den ersten Stromkreis; und/oder Einkoppeln eines elektrischen Stroms in die Endscheibe (2, 3, 33, 34) über den zweiten Stromkreis derart, dass die Endscheibe (2, 3, 33, 34) sich erwärmt.
Verfahren zum Filtern eines Fluids nach Anspruch 12 oder 13, welches ferner umfasst: Einkoppeln des elektrischen Stroms in die Endscheibe (2, 3, 33, 34) über den zweiten Stromkreis in Abhängigkeit des über den ersten Stromkreis gemessenen elektrischen Widerstands.
Verwendung eines Filterelements mit mindestens einer Endscheibe (2, 3, 33, 34) und einem mit der Endscheibe (2, 3, 33, 34) verbundenen Filtermedium (4, 35) zum Filtern eines Fluids, wobei: ein elektrischer Widerstand eines Fluids oder eines Filtermediums (4, 35) über einen die Endscheibe (2, 3, 33, 34) umfassenden ersten Stromkreis gemessen wird; und/oder die Endscheibe (2, 3, 33, 34) durch Einkoppeln eines elektrischen Stroms in einen die Endscheibe (2, 3, 33, 34) umfassenden zweiten Stromkreis erwärmt wird.