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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen Filter zur Filterung eines Abgases eines Verbrennungsmotors mit einer Einströmseite und einer Ausströmseite, wobei der Filter aus einer Mehrzahl von Vlieslagen gebildet ist, die endseitig auf der Einströmseite und der Ausströmseite jeweils einen durch einen Glattbandstreifen gebildeten gasundurchlässigen Endbereich aufweisen, wobei die Vlieslagen zumindest einseitig einen Welllagenstreifen aufweisen, welcher entlang des Glattbandstreifens angeordnet ist und zwei zueinander benachbarte Vlieslagen an der Einströmseite oder der Ausströmseite zueinander beabstandet.
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Stand der Technik
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Zur Filterung des Abgases von Verbrennungsmotoren werden Filter eingesetzt. Durch die Gestaltung der Filter können verschiedene Partikel im Abgasstrom gezielt herausgefiltert werden. Hierzu kann beispielsweise die Porengröße der Filterelemente beeinflusst werden oder die Anzahl der Filterelemente an sich.
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Durch die erhöhten Drücke in den Brennräumen von Verbrennungsmotoren kommt es verstärkt zur Entstehung von kleinsten Partikeln. Neben Dieselmotoren sind hiervon auch Benzinmotoren immer mehr betroffen. Daher werden neue verbesserte Filter benötigt.
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Im Stand der Technik sind Filter bekannt, die keramische Filtersubstrate, beispielsweise aus Corderit oder Siliziumcarbid aufweisen. Nachteilig an diesen Filtersubstraten ist insbesondere, dass bei ihrer Verwendung ein hoher Gegendruck entsteht, außerdem besitzen sie ein schlechtes Thermoschockverhalten und sind anfällig gegenüber höheren mechanischen Belastungen.
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Darüber hinaus sind die nachfolgend aufgeführten Reinigungsvorrichtungen für Abgas bekannt.
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Die
DE 10 2016 220 707 A1 offenbart einen Filter zur Reinigung von Abgasen eines Verbrennungsmotors mit einem von Abgas in axialer Richtung durchströmbarem Gehäuse mit einer Einströmseite und mit einer Ausströmseite, wobei in dem Gehäuse aus einer Mehrzahl von Filterlagen ein Filterkörper gebildet ist, der von dem durch das Gehäuse strömbarem Abgas durchströmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterlagen (
2,
16) ringförmig ausgebildet sind und konzentrisch zueinander angeordnet sind, wobei alternierend zwei in radialer Richtung zueinander benachbarte Filterlagen (
2,
16) an der Einströmseite miteinander fluiddicht verbunden sind und zwei in radialer Richtung zueinander benachbarte Filterlagen (
2,
16) an der Ausströmseite miteinander verbunden sind.
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Die
DE 102 35 766 A1 offenbart einen Abgasfilter zur Reinigung eines Abgases eines Verbrennungsmotors, gebildet aus mindestens einer streifenförmigen Filterlage mit mindesten einem Filterbereich aus zumindest teilweise für ein Fluid durchströmbaren Material und gegebenenfalls einer Metallfolie, wobei die Filterlage zumindest einen Kontaktbereich mit einer katalytisch aktiven Beschichtung zur Umsetzung von gasförmigen Komponenten des Abgases und einen Filterbereich zum Ausfiltern von Partikeln aus dem Abgas aufweist.
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Die
DE 101 28 937 A1 offenbart einen Partikelfilter, wobei bei diesem ein Aufbau aus in Durchströmungsrichtung verlaufenden und bevorzugt koaxial angeordneten Ringkanälen vorgesehen ist, deren Wände Filterflächen bilden und die, bezogen auf radial aneinander anschließende und einander umschließende Ringkanäle, wechselseitig endgeschlossen ausgeführt sind.
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Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
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Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Filter zu schaffen, welches aus einem metallischen Werkstoff gebildet ist und einen einfachen und robusten Aufbau aufweist.
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Die Aufgabe hinsichtlich des Filters wird durch einen Filter mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft einen Filter zur Filterung eines Abgases eines Verbrennungsmotors mit einer Einströmseite und einer Ausströmseite, wobei der Filter aus einer Mehrzahl von Vlieslagen gebildet ist, die endseitig auf der Einströmseite und der Ausströmseite jeweils einen durch einen Glattbandstreifen gebildeten gasundurchlässigen Endbereich aufweisen, wobei die Vlieslagen zumindest einseitig einen Welllagenstreifen aufweisen, welcher entlang des Glattbandstreifens angeordnet ist und zwei zueinander benachbarte Vlieslagen an der Einströmseite oder der Ausströmseite zueinander beabstandet, wobei der Filter aus aufeinandergestapelten Vlieslagen gebildet ist, wobei die Vlieslagen wechselseitig an der Einströmseite und der Ausströmseite einen Welllagenstreifen aufweisen.
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Das Filtermaterial für den Filter ist durch die verwendeten Vlieslagen gebildet. Das gewählte Vliesmaterial kann dem Verwendungszweck entsprechend angepasst werden, so dass die Porengröße zu den zu filternden Partikeln passt. Das Vliesmaterial ist bevorzugt metallisch.
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Die Vlieslagen bilden Strömungskanäle aus, welche von der Einströmseite hin zur Ausströmseite durchströmt werden können. Der Filter ist dabei derart aufgebaut, dass das einströmende Abgas zumindest einmal eine Vlieslage durchströmen muss bevor es an der Ausströmseite wieder aus dem Filter ausströmen kann. Die Strömungskanäle, in welche das Abgas an der Einströmseite einströmt müssen daher an dem der Einströmseite abgewandten Ende gasdicht verschlossen sein, oder dem Abgas zumindest einen höheren Strömungswiderstand entgegensetzen als die Vlieslage es tut. Der Verschluss kann wahlweise formschlüssig, stoffschlüssig, kraftschlüssig oder durch eine beliebige Kombination daraus erfolgen.
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Die Glattbandstreifen können wahlweise an der Oberseite oder der Unterseite der Vlieslagen angebunden sein. Dies kann an der Einströmseite und der Ausströmseite gleichsinnig oder gegensinnig vorgesehen sein.
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Die Welllagenstreifen sind einseitig auf einem Glattbandstreifen je Vlieslage angeordnet und dienen zur Stabilisierung der Vlieslage und außerdem vornehmlich zur Beabstandung von der jeweils nächsten Vlieslage. Ein aus mehreren Vlieslagen erzeugter Stapel weist vorteilhafterweise abwechselnd eine Vlieslage mit einem Welllagenstreifen an der Einströmseite auf und darauf folgend eine Vlieslage mit einem Welllagenstreifen an der Ausströmseite.
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Durch die wechselseitige Anordnung der Welllagenstreifen an der Einströmseite und der Ausströmseite, werden immer abwechselnd Strömungskanäle geschaffen, die zur Einströmseite geöffnet sind und zur Ausströmseite geschlossen sind und umgekehrt. Auf diese Weise wird ein Filteraufbau erzeugt, der das in die Einströmseite einströmende Abgas zwingt durch eine der Vlieslagen hindurchzuströmen.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn wechselseitig an der Einströmseite und der Ausströmseite zwei direkt zueinander benachbarte Glattbandstreifen miteinander gasdicht verbunden sind. Durch die gasdichte Verbindung zweier Glattbandstreifen von direkt zueinander benachbarten Vlieslagen kann ein Strömungskanal eingangsseitig oder ausgangsseitig verschlossen werden. Somit kann eine Gasströmung durch die Vlieslage erzwungen werden, da der direkte Strömungsweg durch die gasdichte Verbindung blockiert ist.
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Die Glattbandstreifen können an der Einströmseite und der Ausströmseite identisch ausgebildet sein oder voneinander abweichend. Dies betrifft insbesondere Eigenschaften wie das gewählte Material, die Breite, die Dicke, die Form an sich oder die Anordnung der Glattbandstreifen auf der Oberseite oder der Unterseite der Vlieslage.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass in den zwischen den Vlieslagen ausgebildeten Strömungskanälen beabstandet zueinander ein oder mehrere Welllagenstreifen angeordnet ist / sind, wobei die Vlieslagen an den Welllagenstreifen abgestützt sind. Solche zusätzlichen Welllagenstreifen in den Strömungskanälen sind vorteilhaft um die Stabilität des Filters zu erhöhen. Die zusätzlichen Welllagenstreifen sind dabei parallel zu den Welllagenstreifen an der Eingangsseite oder der Ausgangsseite angeordnet und sind mit weiteren Glattbandstreifen verbunden, die an den Vlieslagen angeordnet sind. Alternativ können die Welllagenstreifen auch direkt mit der jeweiligen Vlieslage beziehungsweise mit den beiden den jeweiligen Strömungskanal bildenden Vlieslagen verbunden sein.
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Auch ist es zu bevorzugen, wenn an der Einströmseite und/oder der Ausströmseite ein Verschlusselement angeordnet ist, welches den jeweiligen Strömungskanal, in welchem das Verschlusselement angeordnet ist, gasdicht verschließt.
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Durch ein zusätzliches Verschlusselement können die Strömungskanäle gasdicht verschlossen werden, wodurch ein Überströmen durch die Vlieslage in benachbarte Strömungskanäle erzwungen wird. Dadurch kann die Filterwirkung erhöht werden, wobei dadurch ebenfalls der durch den Filter verursachte Gegendruck erhöht wird.
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Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn an der Einströmseite und/oder der Ausströmseite ein poröses, gasdurchlässiges Verschlusselement in zumindest einem der Strömungskanäle angeordnet ist. Durch ein poröses und zumindest teilweise gasdurchlässiges Verschlusselement kann der Strömungswiderstand in einzelnen der Strömungskanäle erhöht werden, wodurch die Durchströmung der jeweiligen Vlieslagen ebenfalls verbessert wird. Gleichzeitig können diese porösen Verschlusselemente zusätzlich als Filterelemente eingesetzt werden. An der Einströmseite könnte ein solches poröses Verschlusselement beispielsweise dazu eingesetzt werden besonders große Partikel, die die Vlieslagen verstopfen würden aus dem Filter herauszuhalten.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Vlieslagen im Grundzustand eine bogenförmige Form aufweisen, wobei der Bogen einen gleichbleibenden Radius aufweist oder einen sich entlang einer Richtung quer zur Durchströmungsrichtung des Filters veränderlichen Radius aufweist.
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Eine solche bogenförmige Gestaltung der Vlieslage ist vorteilhaft, um beispielswese durch das spiralförmige Aufwickeln der Vlieslage einen v-förmigen Strömungskanal zu erzeugen, der eine bestimmte Öffnungsgröße an der Einströmseite oder der Ausströmseite aufweist.
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Auch ist es zweckmäßig, wenn der den Filter bildende Stapel aus Vlieslagen sowohl Vlieslagen mit bogenförmiger Grundform als auch Vlieslagen mit gerader Grundform aufweist. Dies ist vorteilhaft, um wahlweise einseitig sich konisch verjüngende oder sich konisch erweiternde Strömungskanäle zu erzeugen, oder beidseitig konisch verjüngende oder erweiternde Strömungskanäle. Der Filter kann durch die Wahl entsprechend vorgeformter Vlieslagen auf den jeweiligen Anwendungszweck angepasst werden.
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Beim spiralförmigen Aufwickeln bogenförmiger Vlieslagen ergibt sich bereits aufgrund der bogenförmigen Grundform ein Strömungskanal, der einen v-förmigen Querschnitt aufweist. Über die Wahl der Biegeradien der Vlieslage kann der Anstellwinkel der die Strömungskanäle begrenzenden Kanalwandungen beeinflusst werden.
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Auch ist es zu bevorzugen, wenn der den Filter bildende Stapel zu einem Wabenkörper aufgewickelt ist. Aufgewickelt kann insbesondere heißen, dass der Stapel spiralförmig aufgewickelt ist. Darüber hinaus kann der Stapel auch s-förmig aufgewickelt sein, indem die Lagen beispielsweise um zwei Dorne aufgewickelt werden.
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Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn der Stapel um ein zentral angeordnetes Rohr aufgewickelt ist, wobei das Rohr in axialer Richtung des Wabenkörpers verläuft. Durch das Aufwickeln des Stapels um ein zentrales Rohr, wird der erste innere Biegeradius für die Lagen des Stapels vorgegebenen. Ohne ein solches Innenrohr kann es zum Abknicken der Lagen kommen, wenn diese zu eng aufgewickelt werden würden.
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Es wird durch das Rohr somit ein Ansatzpunkt gebildet von welchem aus die Lagen spiralförmig aufgewickelt werden können. Es kann hierbei beispielsweise vorgesehen werden, dass die einzelnen Lagen am Außenradius des Rohres angeschweißt werden und somit gegenüber dem Rohr fixiert werden. Anschließend werden die Lagen um das Rohr gewickelt und so der spiralförmige Wabenkörper erzeugt.
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Das Rohr kann bevorzugt einen Durchmesser von bis zu 20 mm aufweisen. Es kann in axialer Richtung durchströmbar sein oder ganz oder auch nur teilweise verschlossen sein. Alternativ zu einem Rohr kann auch ein zylinderförmiges Vollmaterial genutzt werden.
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Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn zumindest einzelne Vlieslagen zusätzlich zu den endseitigen Glattbandstreifen weitere Glattbandstreifen aufweisen, welche parallel zu den endseitigen Glattbandstreifen ausgerichtet sind. Dies ist vorteilhaft, um eine Basis für zusätzliche Welllagenstreifen oder andere Abstandshalter zu bilden, die innerhalb der Strömungskanäle angeordnet sein können, um den Filter zu stabilisieren.
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Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn der Filter sich v-förmig in Strömungsrichtung erweiternde Strömungskanäle aufweist und/oder sich in Strömungsrichtung v-förmig verjüngende Strömungskanäle aufweist und/oder in Strömungsrichtung einen konstanten Querschnitt aufweisende Strömungskanäle aufweist. Durch die Wahl der Strömungskanäle beziehungsweise deren Formgebung kann die Durchströmungsrichtung im Filter beeinflusst werden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschrieben.
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Figurenliste
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
- 1 eine Ansicht einer Vlieslage mit einem Glattbandstreifen und einem Welllagenstreifen,
- 2 eine Schnittansicht durch einen Lagenstapel aus mehreren Vlieslagen,
- 3 eine Ansicht einer Stoßstelle zwischen zwei Glattbandstreifen an der Einströmseite oder der Ausströmseite des Filters,
- 4 eine Schnittansicht durch einen Filter mit gasdichten und porösen Verschlusselementen in den Strömungskanälen,
- 5 eine Aufsicht auf eine bogenförmige Vlieslage, und
- 6 zwei Ansichten eines Filters, wobei unterschiedliche Kanalgeometrien gezeigt sind.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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Die 1 zeigt eine Ansicht einer Vlieslage 1, an welche endseitig ein Glattbandstreifen 2 angefügt wurde. Auf dem Glattbandstreifen 2 ist ein Welllagenstreifen 3 angeordnet. Ein Glattbandstreifen 2 ist ebenfalls auch am anderen Ende der Vlieslage 1 angeordnet, hier jedoch nicht abgebildet.
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Die 2 zeigt einen Stapel aus mehreren Vlieslagen, wie sie in 1 gezeigt sind. Zwischen den Vlieslagen 4 sind mehrere Welllagenstreifen 5 zur Beabstandung der Vlieslagen 4 voneinander angeordnet. Der linke Bereich des Lagenstapels bildet für den Filter später die Einströmseite 7 und der rechte Bereich bildet die Ausströmseite 8 des Filters. Entlang der Erstreckung der Vlieslagen 4 von der Einströmseite 7 zur Ausströmseite 8 sind weitere Welllagenstreifen 5 angeordnet, die zur Beabstandung der Vlieslagen 4 zueinander dienen.
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3 zeigt die Stoßstelle zweier Glattbandstreifen 2 einer Vlieslage 1. Die obere Vlieslage 1 weist einen Welllagenstreifen 3 auf, während die untere Vlieslage 1 mit dem Glattbandstreifen 2, der keinen Welllagenstreifen 3 aufweist, an dem Glattbandstreifen 2 der oberen Vlieslage 1 anliegt.
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Die Stoßstelle 9 zwischen den beiden Glattbandstreifen 2 ist gasdicht verschlossen, um ein Strömen des Abgases zwischen die Glattbandstreifen 2 zu verhindern.
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Das Abgas wird so gezwungen entlang des Welllagenstreifens 3 in den Strömungskanal einzuströmen und anschließend durch eine der Vlieslagen 1 zu strömen, bevor das Abgas auf der nicht gezeigten Ausströmseite wieder aus dem Filter ausströmt.
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Der Welllagenstreifen 3 weist idealerweise eine Höhe zwischen 1mm und 10mm auf, wobei die Höhe bevorzugt 5mm beträgt. Die Breite der Wellung beträgt bevorzugt zwischen 2mm und 15mm und beträgt besonders bevorzugt 5mm. Die Wellform kann unterschiedlich ausgestaltet sein und beispielsweise sinusartig, rechteckig, dreieckig oder in einer anderen Form ausgebildet sein.
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Der von den Welllagenstreifen des Filters erzeugte Zellenzahl sollte idealerweise zwischen 25 und 440 Zellen per square inch (cpsi) liegen.
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Die 4 zeigt im linken Teil eine alternative Ausgestaltung, bei welcher an der Einströmseite und der Ausströmseite wechselseitig die ausgebildeten Strömungskanäle 10 durch Verschlusselemente 11 verschlossen sind. Abgas kann so entlang eines der Welllagenstreifen 12 in einen der Strömungskanäle 10 einströmen und wird dort aufgrund des am Ende der Strömungskanals 10 angeordneten Verschlusselementes 11 gezwungen durch die Vlieslage 13 zu strömen.
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Im rechten Teil der 4 ist ein ähnlicher Aufbau gezeigt, wobei das Verschlusselement 14 hier porös ist und eine gewisse Durchströmung mit Abgas zulässt. Je nach Wahl der Porosität des Verschlusselementes 14 kann mehr oder weniger Abgas durch es hindurch strömen, beziehungsweise wird der Zwang des Abgases die Vlieslage 13 zu durchströmen größer oder kleiner. Das poröse Verschlusselement 14 kann beispielsweise auch als zusätzliches Filterelement dienen, um grobe Partikel im Abgas aus dem Filter zu halten, um beispielsweise ein Verstopfen des Filters zu verhindern.
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Bevorzugt weist das poröse Verschlusselement 14 ein Dicke zwischen 2mm und 10mm auf, besonders bevorzugt 5mm. Die Höhe des Verschlusselements 14 ist bevorzugt zwischen 2mm und 10mm, besonders bevorzugt 3mm. Die Porosität ist bevorzugt zwischen 10% und 80%, besonders bevorzugt zwischen 40% und 70%. Die Porengröße ist idealerweise zwischen 1µm und 20 µm. besonders bevorzugt 5 µm.
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Die 5 zeigt eine bogenförmige Vlieslage 15. Mit dem Bezugszeichen 16 ist die mögliche Durchströmungsrichtung der Vlieslage 15 dargestellt, wenn die Vlieslage 15 zu einem Filter aufgewickelt ist.
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Die Vlieslage 15 weist in ihrer Erstreckungsrichtung quer zur Durchströmungsrichtung 16 einen gekrümmten bogenförmigen Verlauf auf und kann entweder einem gleichbleibenden Radius folgen oder einem sich verändernden Radius (Radius 1 bis 6).
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Ziel der gebogenen Vlieslage 15 ist es v-förmige Strömungskanäle durch das spiralförmige Aufwickeln zu erzeugen. Der sich zwischen den einzelnen Wicklungen ergebende Abstand ist dabei idealerweise so groß, wie die Höhe der als Abstandshalter verwendeten Welllagenstreifen.
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6 zeigt im linken Bereich eine Schnittansicht eines Filters, wobei beide gezeigte Vlieslagen 15 bogenförmige Vlieslagen, wie in 5 gezeigt, sind. Durch das Aufwickeln der Vlieslagen 15 ergibt sich eine v-förmige Kanalgeometrie. Ansonsten ist wechselseitig an der Einströmseite und der Ausströmseite jeweils ein Welllagenstreifen 17 zwischen den Vlieslagen 15 angeordnet.
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Im rechten Teil der 6 ist im Filter eine Kombination einer bogenförmigen Vlieslage 15 und einer geraden nicht bogenförmigen Vlieslage 18 gezeigt. Die durch eine Kombination der Vlieslagen 15, 18 erzeugte Kanalgeometrie ist ebenfalls konisch sich verjüngend beziehungsweise sich konisch erweiternd, jedoch ist die durch die gerade Vlieslage 18 gebildete den Strömungskanal begrenzende Wandung nicht schräg angestellt, sondern verläuft gerade und parallel zur Durchströmungsrichtung.
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Die unterschiedlichen Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele können auch untereinander kombiniert werden. Die Ausführungsbeispiele der 1 bis 6 weisen insbesondere keinen beschränkenden Charakter auf und dienen der Verdeutlichung des Erfindungsgedankens.
