DE102019108128A1

DE102019108128A1 - Filterelement und Filtersystem mit einem Filterelement

Info

Publication number: DE102019108128A1
Application number: DE102019108128.9A
Authority: DE
Inventors: Klaus-Dieter Ruhland; Michael Kaufmann
Original assignee: Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 2019-03-28
Filing date: 2019-03-28
Publication date: 2020-10-01
Also published as: WO2020193145A1; DE112020001562A5

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Filterelement (10), umfassend einen Filterkörper (12) mit einer Längsachse (L), dessen innere und äußere Mantelfläche (22) für ein zu filterndes Medium, insbesondere Luft, durchlässig ist, eine erste an einer Stirnseite (15) angeordnete offene oder geschlossene Endscheibe (16) und eine zweite an der gegenüberliegenden Stirnseite (17) angeordnete Endscheibe (18). Dabei weist die äußere Mantelfläche (22) des Filterkörpers (12) zumindest einen durchströmungshemmenden Bereich (60) auf, der für das zu filternde Medium teilweise durchlässig ist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Filtersystem (100) zum auswechselbaren Einbau eines solchen Filterelements (10).

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Filterelement, insbesondere zur Verwendung als Luftfilter einer Brennkraftmaschine, sowie ein Filtersystem zum Einbau eines solchen Filterelements.
Stand der Technik
Ein Filtersystem zum Entfernen flüssiger und/oder fester Verunreinigungen aus einer gasförmigen oder flüssigen Fluidströmung weist üblicherweise ein Gehäuse auf, das einen Aufnahmeraum enthält und wenigstens einen Einlass sowie wenigstens einen Auslass aufweist. Im Aufnahmeraum ist zumindest ein Filterelement angeordnet, das eine mit dem wenigstens einen Einlass fluidisch verbundene Rohseite von einer mit dem wenigstens einen Auslass fluidisch verbundenen Reinseite trennt.
DE 10 2011 005 942 A1 beschreibt ein Filterelement zum Entfernen flüssiger und/oder fester Verunreinigungen aus einer gasförmigen oder flüssigen Fluidströmung, das sich dadurch auszeichnet, dass die Tendenz zu einer asymmetrischen Verunreinigung und/ oder Belastung des Filterkörpers durch die rohseitige Anströmung des Filterkörpers reduziert ist. Zumindest eine der Endscheiben ist dazu mit einem Anströmschutz ausgestattet. Der Anströmschutz erstreckt sich radial außen oder radial innen entlang des Filterkörpers axial und in Umfangsrichtung. Durch die Ausstattung des Filterelements mit einem derartigen Anströmschutz können Bereiche, die einer verstärkten Anströmung mit der rohseitigen Fluidströmung ausgesetzt sind, mehr oder weniger abgedeckt werden, um in diesen Bereichen eine direkte Beaufschlagung mit der schmutzbeladenen Strömung zu reduzieren. Hierdurch kann eine Vergleichmäßigung der Schmutzbeladung des Filterkörpers erreicht werden. Gleichzeitig kann dadurch auch eine Vergleichmäßigung der mechanischen Belastung des Filterelements erreicht werden. Die Anordnung des Anströmschutzes an einer der Endscheiben ist dabei von Vorteil, zumindest in den Fällen, in denen die Tendenz zur verfrühten Verschmutzung des Filterkörpers in einem axialen Endabschnitt des Filterkörpers ausgeprägt ist.
Der Anströmschutz kann vollflächig oder perforiert ausgestaltet sein. Ebenso kann der Anströmschutz zumindest einen vollflächigen Wandbereich und zumindest einen perforierten Wandbereich aufweisen. Durch die Verteilung perforierter und nicht perforierter Wandbereiche sowie durch die Dimensionierung der jeweiligen Perforation, insbesondere durch unterschiedliche Porengrößen und/oder Porendichten, kann für eine bestimmte Einbaudrehlage eine an die jeweilige Anströmsituation angepasste, möglichst symmetrische Beladung des Filtermaterials mit Verunreinigungen erzielt werden.
Offenbarung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Filterelement mit einem Anströmschutz gegen direkte Anströmung eines Filtermediums zu schaffen, der eine hohe Standzeit des Filterelements unterstützt und effizient und kostengünstig hergestellt werden kann.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Filtersystem zur Aufnahme eines solchen austauschbaren Filterelements mit einem Anströmschutz zu schaffen, der eine hohe Standzeit des Filterelements unterstützt und effizient und kostengünstig hergestellt werden kann.
Die vorgenannten Aufgaben werden gelöst von einem Filterelement sowie einem Filtersystem mit einem Filterelement, umfassend einen Filterkörper mit einer Längsachse, dessen innere und äußere Mantelfläche für ein zu filterndes Medium, insbesondere Luft, durchlässig ist, eine erste an einer Stirnseite angeordnete offene oder geschlossene Endscheibe und eine zweite an der gegenüberliegenden Stirnseite angeordnete Endscheibe, wobei die äußere Mantelfläche des Filterkörpers zumindest einen durchströmungshemmenden Bereich aufweist, der für das zu filternde Medium teilweise durchlässig ist.
Es wird ein Filterelement vorgeschlagen, umfassend einen Filterkörper mit einer Längsachse, dessen innere und äußere Mantelfläche für ein zu filterndes Medium, insbesondere Luft, durchlässig ist, eine erste an einer Stirnseite angeordnete offene oder geschlossene Endscheibe und eine zweite an der gegenüberliegenden Stirnseite angeordnete Endscheibe. Dabei weist die äußere Mantelfläche des Filterkörpers zumindest einen durchströmungshemmenden Bereich auf, der für das zu filternde Medium teilweise durchlässig ist.
Mit „teilweise durchlässig“ ist dabei gemeint, dass eine Gasdiffusion durch das Material hin zum Filtermedium des Filterkörpers möglich ist und dass kleine Staubteilchen durch das Material gelangen können, dass das Material jedoch im Wesentlichen als eine Sperre für wirkliche Luftströmung in einem Luftfilter sowie für große Fasern wirkt. Insbesondere kann im durchströmungshemmenden Bereich eine Ablenkung der Fluidströmung bewirkt werden.
Das Filterelement, dessen Filterkörper bestimmungsgemäß für das zu filternde Medium durchlässig gestaltet ist und der an beiden Enden durch Endscheiben abgeschlossen ist, von denen eine Endscheibe üblicherweise für das zu filternde Medium undurchlässig ist, wird vorteilhafterweise so in einem Filtersystem angeordnet, dass das zu filternde Medium, also beispielsweise staubbeladene Luft, über einen Einlass in das Gehäuse strömt und tangential am Filterelement vorbei geleitet werden kann. Durch die tangentiale Anströmung des Filterelements wird die Strömung in eine um das Filterelement rotierende Bewegung, eine sog. Zyklonbewegung, gebracht. In dieser Zyklonvorabscheidung wirken durch die Rotation der Strömung Fliehkräfte auf mögliche gröbere Staubpartikel in der Luft, die dadurch zum großen Teil vorabgeschieden werden können.
Die erfinderische Lösung sieht vor, dass ein teilweise strömungsdurchlässiger, jedoch durchströmungshemmender Bereich an der Anströmseite vorgesehen ist. Der Vorteil ist ein deutlich geringerer Anfangsdruckverlust des Filtersystems, da die Strömungsumlenkung gegenüber einem fluiddichten Anströmschutz deutlich geringer ausfällt. Der niedrigere Druckverlust wirkt sich positiv auf die Abgaszusammensetzung des danach befindlichen Verbrennungsmotors aus. Durch die Strömungsdurchlässigkeit ist zwar zunächst der Vorabscheidegrad auf Grund der Fliehkraftabscheidung über den Zykloneffekt geringer als bei geschlossenen Anströmschutzkonstruktionen, aber dies gilt nur für den Bestaubungsbeginn. Nach zunehmender Zusetzung des durchströmungshemmenden Bereichs, beispielsweise des Schaumes, mit Staub, nimmt die Durchströmung des Anströmschutzes ab und der Vorabscheidegrad nimmt in ausreichendem Maße zu.
Der durchströmungshemmende Bereich, in dem das zu filternde Medium auf den Filterkörper auftrifft, wird vorteilhafterweise teilweise durchlässig für das zu filternde Medium gestaltet, damit das auftreffende Medium nicht nur tangential abgelenkt, sondern zum Teil in den Filterkörper geleitet wird. Durch die erfindungsgemäße Anordnung des durchströmungshemmenden Bereichs wird weiterhin vermieden, dass das Filtermedium, also beispielsweise Papier, durch die auftreffenden Schwebstoff- oder Staubteilchen beschädigt wird. Da die auftreffende Strömung hohe Geschwindigkeiten aufweisen kann, könnten sonst erodierende Effekte an der Oberfläche des Filtermediums entstehen. Die axiale Ausdehnung des durchströmungshemmenden Bereichs kann dabei bei üblichen Abmessungen von Luftfiltern beispielsweise mindestens einige Millimeter über den Bereich hinausragen, in dem das einströmende Medium auf das Filterelement trifft. Bevorzugt kann die axiale Ausdehnung 5 mm bis 10 mm über den Bereich hinausragen. Damit kann das Medium auch wirksam in der ganzen Breite erfasst werden. Mindestens sollte die axiale Ausdehnung des durchströmungshemmenden Bereichs die Breite des Einlasses um einige Millimeter, bevorzugt 5 mm bis 10 mm überragen. Außerdem ist der durchströmungshemmende Bereich günstigerweise direkt gegenüber dem Einlass auf der äußeren Mantelfläche des Filterelements angeordnet, so dass er das einströmende Medium auch voll abdeckt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Filterelements kann der durchströmungshemmende Bereich eine axiale Länge aufweisen, welche kleiner als eine axiale Länge des Filterkörpers ist. Auf diese Weise bietet der Schaum, der sich als Anströmschutz nur über einen Teil der axialen Länge erstreckt, den Vorteil, dass der Druckverlust reduziert wird und trotzdem noch eine Unterstützung der ringförmigen Umströmung des Filterkörpers zur Verbesserung des Vorabscheidegrades und besseren Verteilung der Staubbeladung über das Filterelement erfolgt.
Der durchströmungshemmende Bereich ist günstigerweise direkt gegenüber dem Einlass des Filtersystems auf der äußeren Mantelfläche des Filterkörpers angeordnet. Dabei kann die axiale Ausdehnung des durchströmungshemmenden Bereichs vorteilhaft so gewählt werden, dass er die Breite des Einlasses um einige Millimeter, bevorzugt 5 mm bis 10 mm, überragt. Üblicherweise ergeben sich damit axiale Ausdehnungen des Anströmschutzes, die zwischen 20 und 40% der axialen Länge des Filterelements betragen. Bevorzugt beträgt die axiale Ausdehnungen des durchströmungshemmenden Bereichs für ein Filterelement, welches für den Einbau in ein erfindungsgemäßes Filtersystem geeignet ist, etwa (beispielsweise 30-35%) oder genau 1/3 der Gesamtlänge des Filterelements. Die Gesamtlänge der axialen Ausdehnung des Anströmschutzes kann vorteilhaft so gewählt werden, dass ein genügend langer Bereich für das zu filternde Medium durchlässig bleibt, damit auch eine genügend hohe Filterwirkung des Filtersystems gegeben ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Filterelements kann der durchströmungshemmende Bereich durch einen auf der äußeren Mantelfläche aufliegenden, insbesondere selbsttragenden Anströmschutz gebildet sein. Der Bereich, der für das zu filternde Medium nur teildurchlässig gestaltet ist, kann auf diese Weise einen Anströmschutz darstellen. Dadurch wird das Filterelement beim Anströmen durch das zu filternde Medium vor Beschädigung des Filtermediums durch Staubpartikel geschützt. Im Stand der Technik wird dieser häufig auch als Zarge oder Filterzarge bezeichnet und ist oft als zusätzliches Kunststoff- oder Blechteil in einigem Abstand um den Filterkörper am Gehäuse angespritzt oder angebracht.
Weiter bevorzugt kann der Anströmschutz selbsttragend ausgebildet sein. Selbsttragend heißt, dass Bedienkräfte beim Wechseln des Filterelements sicher vom Anströmschutz aufgenommen und gehalten werden können und weder zusätzliche stabilisierende, schützende oder tragende Hilfsstruktur den Anströmschutz außen umgibt noch der Anströmschutz an dieser Hilfsstruktur von außen anliegt.
Weiter bevorzugt ist es, wenn der Querschnitt des Anströmschutzes rein zylindrisch ist (kreiszylindrisch oder ovalzylindrisch, entsprechend der Form des Filterkörpers). Dies bedeutet, dass weder im Bereich der Endscheiben noch im von der jeweiligen Endscheibe abgewandten Ende radiale Fortsätze nach außen oder innen vorhanden sind. Ein Fortsatz am der Endscheibe abgewandten Ende könnte die umlaufende Strömung behindern, ein Fortsatz am endscheibenseitigen Ende würde zwar die Stabilität erhöhen, wäre jedoch aufwändiger herzustellen und würde, da an den Filterkörper axial angrenzend, die Gesamtlänge eines Filterelements ohne Vergrößerung der Filterfläche erhöhen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Filterelements kann der Anströmschutz aus einem Schaum, insbesondere einem offenporigen Schaum, gebildet sein. Dabei können vorteilhaft beispielsweise offenporige Polyurethanschaumstoffe auf Polyesterbasis eingesetzt werden. Die Porosität kann dabei beispielsweise im Bereich von 40 bis 90 ppi (Poren pro Inch) liegen. bei einem Raumgewicht (nach ISO 845) von ca. 30 kg/m³ liegen. Stauch Harte (nach ISO 3386) kann bei 3 kPa liegen. Eine Zugfestigkeit (nach ISO 1798) kann beispielsweise bei einem Schaum mit einer Porosität von 41 bis 49 ppi >180 kPa, und Bruchdehnung (nach ISO 1798) kann >200 % betragen. Bei einem Schaum mit einer Porosität von 57 bis 70 ppi, kann die Zugfestigkeit >100 kPa, die Bruchdehnung >150 %, bei einem Schaum mit einer Porosität von 75 bis 90 ppi kann die Zugfestigkeit >250 kPa, die Bruchdehnung >250 % betragen. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung des Filterelements kann der Anströmschutz statt aus offenporigem Schaum aus einem für den Bereich der Filtration vergleichsweise offenporigen Vlies gebildet sein. In jedem Fall ist es bevorzugt, wenn der Anströmschutz eine Luftdurchlässigkeit von mindestens 500 l/m²s aufweist (gemessen bei einem Differenzdruck von 200 Pa und einer Prüffläche von 20 cm²).
Im Gegensatz zu einem strömungsundurchlässigen Folienanströmschutz bietet ein günstigerweise aus Schaum oder Vlies gebildeter strömungshemmender Bereich, der sich vorzugsweise nur über einen Teil der axialen Länge des Filterkörpers erstreckt, den Vorteil, dass der Druckverlust reduziert wird und trotzdem noch eine Unterstützung der ringförmigen Umströmung des Filterkörpers zur Verbesserung des Vorabscheidegrades und besseren Verteilung der Staubbeladung über das Filterelement erfolgt. Ein weiter Vorteil ist, dass ganz grobe Partikel wie Strohteile oder ähnliches am Schaum abgefangen werden und nicht die Faltenzwischenräume verblocken.
Schäume und/oder Vliese mit einem unterschiedlichen Grad an Offenporigkeit können vorteilhaft kombiniert werden, um die Durchlässigkeit zu variieren.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist, den Schaum als wechselbare Abscheidestufe auf dem Element zu nutzen, insbesondere in Anwendungen mit organischem Staub, beispielsweise im Bereich Bau-/Landmaschinen, Kompressoren, oder sonstige Geräte mit Verbrennungsmotoren.
Der Schaum filtert die leichten, großen organischen Fasern ab und nur die schweren, kleinen Staubteilchen gelangen auf den Filterkörper, sodass große organische Fasern nicht mehr den Filterkörper im Außenbereich und in den Falten verblocken können.
Wenn der Schaum nicht fest mit dem Element verbunden ist, kann dieser abgereinigt und wieder eingebaut werden oder durch einen neuen Schaum ersetzt werden. Durch das Abreinigen des Schaumes kann die Standzeit des Filterelements vorteilhaft verlängert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Filterelements kann der Anströmschutz vom Filterkörper abnehmbar ausgebildet sein. Wenn der Anströmschutz nicht fest mit dem Element verbunden ist, kann dieser abgereinigt und wieder eingebaut werden oder durch einen neuen Schaum ersetzt werden. Durch das Abreinigen des Schaumes kann die Standzeit des Filterelements vorteilhaft verlängert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Filterelements kann der Filterkörper sternförmig gefaltet, ringförmig geschlossen ausgeführt sein und vorzugsweise aus Papier oder aus Zellulose oder aus einer Mischfaser aus Kunststoff und Zellulose bestehen. Die Faltung kann beispielsweise durch Messerfaltung, für längere Filterkörper, oder Rotationsfaltung hergestellt werden. Der Filterkörper selbst kann beispielsweise aus Papier oder aus Zellulose oder aus einer Mischfaser aus Kunststoff und Zellulose bestehen. Der Filterkörper kann mit glatter Oberfläche, rolliert und/oder in verschiedenen Prägeformen gestalteter Oberfläche zur Versteifung und/oder Schaffung von Hohlräumen zur Staubablagerung ausgeführt sein. Der Filterkörper kann eine Beschichtung und/oder Imprägnierung aufweisen, um Feuchtigkeit abzuweisen. Er kann alternativ auch mit Nanofasern beschichtet sein. Der Einsatz dieser Werkstoffe als Filtermedium stellt eine sehr wirtschaftliche Möglichkeit dar, ein solches Filterelement zu realisieren. Gleichzeitig bietet die beschriebene Formgestaltung eine stabile Anordnung, so dass eine selbsttragende Bauweise des Filterkörpers und damit eine günstige Montageeigenschaft gegeben sind.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Filterelements können Falten des Filterkörpers mittels eines Stabilisierungsmittels, insbesondere mittels eines Fadenwickels und/oder mittels radial eingedrückter Kantenbereiche der äußeren Faltkanten, die in Umfangsrichtung aneinander anliegen, stabilisiert sein. Der Filterkörper kann weiterhin mit einem Fadenwickel strukturell versteift sein. Alternativ oder zusätzlich können die Falten des Filterkörpers auch mit einem Klebemittel in ihrer Position fixiert werden, sodass der Filterkörper auch unter einem gewissen Strömungsdruck im Betrieb des Filtersystems seine Form behält. Damit bietet die beschriebene Formgestaltung eine stabile Anordnung, so dass eine selbsttragende Bauweise des Filterkörpers und damit eine günstige Montageeigenschaft gegeben sind.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Verwendung eines Filterelements als Luftfilter vorgeschlagen, insbesondere als Luftfilter einer Brennkraftmaschine. Der sichere Betrieb von Brennkraftmaschinen beruht auch auf einer sicheren und günstigen Filterung der Ansaugluft für den Verbrennungsbetrieb. Das beschriebene Filterelement stellt dafür eine wirtschaftliche Möglichkeit dar. Auch hier sind die sichere Montage, große Standzeit des beschriebenen Filterelements und wirtschaftliche Austauschbarkeit des Filterelements von entscheidender Bedeutung.
Vorteilhaft kann ebenso die Verwendung des Filterelements als Partikelfilter sein, insbesondere als Partikelfilter einer Brennkraftmaschine. Auch hier sind die sichere Montage und wirtschaftliche Austauschbarkeit des beschriebenen Filterelements von entscheidender Bedeutung.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Filtersystem mit einem wie vorstehend beschriebenen, insbesondere austauschbaren, Filterelement vorgeschlagen, umfassend ein Gehäuse, welches im Wesentlichen konzentrisch um eine Längsachse aufgebaut ist, einen das Gehäuse verschließenden Deckel, der ebenfalls konzentrisch um die Längsachse aufgebaut ist, einen am Gehäuse und/oder Deckel angeordneten Einlass zum Zuführen des zu filternden Mediums, insbesondere Luft. Dabei ist am Gehäuse konzentrisch zur Längsachse ein Auslass zur Ableitung des gefilterten Mediums vorgesehen. Weiter ist am Gehäuse im Bereich des Auslasses eine Dichtungskontur vorgesehen, die mit einer radialen Dichtung der ersten Endscheibe des Filterelements korrespondiert. Das Filterelement ist auswechselbar in dem Gehäuse des Filtersystems angeordnet.
Der wesentliche Vorteil eines solchen auswechselbaren Filtersystems liegt dabei in der sicheren und stabilen Montage des Filterelements sowie einer sehr wirtschaftlichen Austauschbarkeit des Filterelements im Servicefall. Gerade bei niedrigen Standzeiten, wie sie im Land- und Baumaschineneinsatz auftreten können, ist die schnelle Austauschbarkeit von großer Bedeutung.
Die erfinderische Lösung sieht vor, dass ein teilweise strömungsdurchlässiger Anströmschutz als durchströmungshemmender Bereich an der Anströmseite des Filterelements vorgesehen wird. Der Vorteil ist ein deutlich geringerer Anfangsdruckverlust des Filtersystems, da die Strömungsumlenkung gegenüber einem fluiddichten Anströmschutz deutlich geringer ausfällt. Der niedrigere Druckverlust wirkt sich positiv auf die Abgaszusammensetzung des danach befindlichen Verbrennungsmotors aus. Durch den niedrigeren Druckverlust sinkt zwar auch der Vorabscheidegrad auf Grund der Fliehkraftabscheidung über den Zykloneffekt, aber dies gilt nur für den Bestaubungsbeginn. Nach zunehmender Zusetzung des Schaumes mit Staub, nimmt die Durchströmung des Anströmschutzes ab und der Vorabscheidegrad nimmt zu.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Filtersystems kann ein Anströmschutz an einer äußeren Mantelfläche des Filterelements angeordnet sein. Der Bereich, der für das zu filternde Medium nur teildurchlässig gestaltet ist, kann auf diese Weise einen Anströmschutz darstellen. Dadurch wird das Filterelement beim Anströmen durch das zu filternde Medium vor Beschädigung des Filtermediums durch Staubpartikel geschützt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Filtersystems kann der Anströmschutz aus einem Schaum, insbesondere offenporigen Schaum, gebildet sein. Dabei können vorteilhaft beispielsweise offenporige Polyurethanschaumstoffe auf Polyesterbasis eingesetzt werden. Die Porosität kann dabei beispielsweise im Bereich von 40 bis 90 ppi (Poren pro Inch) liegen. bei einem Raumgewicht (nach ISO 845) von ca. 30 kg/m³ liegen. Stauchhärte (nach ISO 3386) kann bei 3 kPa liegen. Eine Zugfestigkeit (nach ISO 1798) kann beispielsweise bei einem Schaum mit einer Porosität von 41 bis 49 ppi >180 kPa, und Bruchdehnung (nach ISO 1798) kann >200 % betragen. Bei einem Schaum mit einer Porosität von 57 bis 70 ppi, kann die Zugfestigkeit >100 kPa, die Bruchdehnung >150 %, bei einem Schaum mit einer Porosität von 75 bis 90 ppi kann die Zugfestigkeit >250 kPa, die Bruchdehnung >250 % betragen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Filtersystems kann der Anströmschutz vom Filterkörper abnehmbar ausgebildet sein. Wenn der Anströmschutz nicht fest mit dem Element verbunden ist, kann dieser abgereinigt und wieder eingebaut werden oder durch einen neuen Schaum ersetzt werden. Durch das Abreinigen des Schaumes kann die Standzeit des Filterelements vorteilhaft verlängert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Filtersystems kann im Filtergehäuse ein Zyklonabscheider vorgesehen sein und/oder am Gehäuse oder am Deckel ein Schmutzauslass vorgesehen sein. Dieser Zyklonabscheider besteht aus einer Leitgeometrie, die das zu filternde Medium in eine Rotation versetzt. Durch diese Rotation wird der Schmutz im Bereich der Gehäusewand aufkonzentriert und an einer geeigneten Stelle über einen Schmutzauslass ausgetragen. Durch die Vorabscheidung des größten Teils an Schmutz aus der zu filternden Luft kann die Standzeit des eigentlichen Filterelements entscheidend verlängert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Filtersystems kann ein Sekundärelement im Inneren des Filterelements angeordnet sein. Das Sekundärelement, das aus einer tragenden Struktur in zylinderförmiger Ausgestaltung bestehen kann, die mit einem durchlässigen Filtermedium, beispielsweise einem Vlies, verkleidet ist, hat die Aufgabe, bei einem Austausch des Filterelements den Auslass des Filtersystems weiterhin verschlossen zu halten, so dass kein Schmutz in diesen Bereich eindringen kann, während das Filterelement gereinigt oder erneuert wird. Das Sekundärelement, das konzentrisch zur Längsachse des Filtersystems im Inneren des Filterelements angeordnet sein kann, ist beispielsweise über eine Schraubverbindung mit dem Gehäuse verbunden und zum Gehäuse mit einer Dichtung versehen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Filtersystems kann das Sekundärelement, mit dem Gehäuse verbunden, beim Wechsel des Filterelements im Gehäuse verbleiben. Auf diese Weise kann zweckmäßigerweise verhindert werden, dass Schmutzpartikel beim Wechsel eines beladenen Filterelements in den Reinbereich des Filtersystems gelangen können.
Figurenliste
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Es zeigen beispielhaft:

1 eine isometrische Ansicht eines Filterelements nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem durchströmungshemmenden Bereich als Anström schutz;
2 ein Längsschnitt durch das Filterelement nach 1;
3 eine teilgeschnittene Draufsicht eines Filtersystems nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit tangentialem Einlass, zentrischem Auslass und bodenseitigem Schmutzauslass; und
4 eine isometrische teilgeschnittene Ansicht des Filtersystems nach 3.

Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
1 zeigt eine isometrische Ansicht eines Filterelements 10 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem durchströmungshemmenden Bereich 60 als Anströmschutz 66, während 2 einen Längsschnitt durch das Filterelement 10 nach 1 darstellt. Das Filterelement 10 kann beispielsweise als Luftfilter, insbesondere als Luftfilter einer Brennkraftmaschine verwendet werden.
Das Filterelement 10 umfasst einen Filterkörper 12 mit einer Längsachse L, dessen innere und äußere Mantelfläche 22 für ein zu filterndes Medium, insbesondere Luft, durchlässig ist. Weiter umfasst das Filterelement 10 eine erste an einer Stirnseite 15 angeordnete offene oder geschlossene Endscheibe 16 und eine zweite an der gegenüberliegenden Stirnseite 17 angeordnete Endscheibe 18, wobei die äußere Mantelfläche 22 des Filterkörpers 12 einen durchströmungshemmenden Bereich 60 aufweist, der für das zu filternde Medium, insbesondere Luft, teilweise durchlässig ist.
Der Bereich 60 weist eine axiale Länge 62 auf, welche kleiner als eine axiale Länge 64 des Filterkörpers 12 ist. Der Bereich 60 ist durch einen auf der äußeren Mantelfläche 22 aufliegenden, insbesondere selbsttragenden Anströmschutz 66 gebildet. Dieser Anströmschutz 66 ist aus einem Schaum, insbesondere einem offenporigen Schaum, gebildet und kann vom Filterkörper 12 abnehmbar ausgebildet sein. Auf diese Weise kann der Anströmschutz 66 vom Filterkörper 12 abgenommen und separat abgereinigt werden. Danach kann der Anströmschutz 66 wieder auf den Filterkörper 12 aufgesteckt werden.
Der Filterkörper 12 ist sternförmig gefaltet, ringförmig geschlossen ausgeführt und kann vorzugsweise aus Papier oder aus Zellulose oder aus einer Mischfaser aus Kunststoff und Zellulose bestehen. Falten des Filterkörpers 12 können mittels eines Stabilisierungsmittels, insbesondere mittels eines Fadenwickels 30, wie in 1 dargestellt, und/oder radial eingedrückter Kantenbereiche der äußeren Faltkanten, die in Umfangsrichtung aneinander anliegen, stabilisiert sein.
Der Filterkörper 12 ist auf zur Versteifung auf ein innen liegendes Stützrohr 14 aufgebracht. Die offene Endscheibe 16 weist außerhalb einer axial gerichteten Radialdichtung 26 an ihrem Außenrand Zentriernoppen 24 auf, mit welcher das Filterelement 10 in einem Filtergehäuse 108 (siehe 3) zentriert montiert eingebaut werden kann. Das Filterelement 10 dichtet über die Radialdichtung 26 eine Rohseite gegen eine Reinseite des Filtersystems 100 ab. Wie insbesondere in 2 im Längsschnitt zu erkennen ist, weist die geschlossene Endscheibe 18 in axialer Richtung Abstütznoppen 20 auf, mittels derer das Filterelement nach Einbau in ein Filtergehäuse 108 (siehe 3) verspannt werden kann.
3 zeigt eine teilgeschnittene Draufsicht eines Filtersystems 100 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit tangentialem Einlass 102, zentrischem Auslass 104 und bodenseitigem Schmutzauslass 106, während 4 eine isometrische teilgeschnittene Ansicht des Filtersystems 100 nach 3 darstellt.
Das Filtersystem 100 mit einem austauschbaren Filterelement 10 umfasst ein Gehäuse 108, welches im Wesentlichen konzentrisch um eine Längsachse L aufgebaut ist, einen das Gehäuse 108 verschließenden Deckel 110, der ebenfalls konzentrisch um die Längsachse L aufgebaut ist, und einen am Gehäuse 108 angeordneten Einlass 102 zum Zuführen des zu filternden Mediums, insbesondere Luft. Am Gehäuse 108 ist konzentrisch zur Längsachse L ein Auslass 104 zur Ableitung des gefiltertem Mediums vorgesehen. Weiter ist am Gehäuse 108 im Bereich des Auslasses 104 eine Dichtungskontur 116 vorgesehen ist, die mit einer radialen Dichtung 26 der ersten Endscheibe 16 des Filterelements 10 korrespondiert. Das Filterelement 10 ist auswechselbar in dem Gehäuse 108 des Filtersystems 100 angeordnet. Im Filtergehäuse 108 ist ein (nicht sichtbarer) Zyklonabscheider 36 vorgesehen und am Deckel 110 ist dafür ein Schmutzauslass 106 zum Austrag des vorabgeschiedenen Schmutzes vorgesehen.
Dargestellt ist eine Rundfilterbauform, die aus dem Gehäuse 108 besteht, das mit einem Deckel 110, beispielsweise mit Schraub- oder Bajonettverschluss, verschlossen wird. Bei einer Verwendung als Luftfiltersystem strömt staubbeladene Luft in den Einlass 102, der tangential zum innen eingebauten Luftfilterelement angeordnet ist, so dass die Luft im Innern des Gehäuses 108 durch einen Anströmschutz 66 am Filterelement 10 in eine Rotationsbewegung versetzt wird. Durch den über die Rotationsbewegung der Luft bewirkten Zykloneffekt wirken Fliehkräfte auf die Staubpartikel der strömenden Luft, so dass diese sich teilweise an der Gehäusewand abscheiden und über den Schmutzauslass 106 aus dem Filtersystem 100 abströmen können. Dadurch wird das Filterelement weniger belastet, die Standzeit des Filterelements 10 wird erhöht. Die gereinigte Luft kann über den zentrischen Auslass 104 aus dem Gehäuse 108 abgeführt werden.
Ein Sekundärelement 28 ist im Inneren 50 des Filterelements 10 angeordnet, wie insbesondere in 4 zu erkennen ist. Das Sekundärelement 28 kann mit dem Gehäuse 108 verbunden sein und beim Wechsel des Filterelements 10 im Gehäuse 108 verbleiben.
Das Filterelement 10 weist, wie bei dem in 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel, auf der äußeren Mantelfläche 22 des Filterkörpers 12 einen durchströmungshemmenden Bereich 60 auf, der für das zu filternde Medium, insbesondere Luft, nur teilweise durchlässig ist. Der Bereich 60 weist eine axiale Länge 62 auf, welche kleiner als eine axiale Länge 64 des Filterkörpers 12 ist. Der Bereich 60 ist durch einen auf der äußeren Mantelfläche 22 aufliegenden, insbesondere selbsttragenden Anströmschutz 66 gebildet. Dieser Anströmschutz 66 ist aus einem Schaum, insbesondere einem offenporigen Schaum, gebildet und kann vom Filterkörper 12 abnehmbar ausgebildet sein. Auf diese Weise kann der Anströmschutz 66 vom Filterkörper 12 abgenommen und separat abgereinigt werden. Danach kann der Anströmschutz 66 wieder auf den Filterkörper 12 aufgesteckt werden.
Die axiale Ausdehnung des durchströmungshemmenden Bereichs 60 ragt dabei zweckmäßigerweise mindestens einige Millimeter, bevorzugt 5 mm bis 10 mm über den Bereich hinaus, in dem das einströmende Medium auf das Filterelement 10 trifft, damit das Medium auch wirksam in der ganzen Breite erfasst wird. Mindestens sollte die axiale Ausdehnung des durchströmungshemmenden Bereichs die Breite des Einlasses 102 um einige Millimeter, bevorzugt 5 mm bis 10 mm überragen. Außerdem ist der durchströmungshemmende Bereich günstigerweise direkt gegenüber dem Einlass 102 auf der äu-ßeren Mantelfläche 22 des Filterelements 10 angeordnet, so dass er das einströmende Medium auch voll abdeckt.
Zusätzlich weist das Filtersystem 100 einen mit dem Gehäuse 108 verbundenen, auf der äußeren Mantelfläche 22 des Filterkörpers 12 angeordneten Anströmschutz 112 auf, der in einem geringen Abstand zur Mantelfläche 22 angeordnet ist.
Der Filterkörper 12 ist auf zur Versteifung auf ein innen liegendes Stützrohr 14 aufgebracht. Die offene Endscheibe 16 weist außerhalb einer axial gerichteten Radialdichtung 26 an ihrem Außenrand Zentriernoppen 24 auf, mit welcher das Filterelement 10 in einem Filtergehäuse 108 (siehe 3) zentriert montiert eingebaut werden kann. Das Filterelement 10 dichtet über die Radialdichtung 26, welche in eine dazu korrespondierende Dichtungskontur 116 des Filtergehäuses 108 eingreift, eine Rohseite gegen eine Reinseite des Filtersystems 100 ab. Wie insbesondere in 2 im Längsschnitt zu erkennen ist, weist die geschlossene Endscheibe 18 in axialer Richtung Abstütznoppen 20 auf, mittels derer das Filterelement nach Einbau in ein Filtergehäuse 108 (siehe 3) verspannt werden kann.
Mit Pfeilen ist in 3 und 4 eine Fluidströmung angezeigt. Eine Rohluftströmung tritt durch den Einlass 102 in das Filtergehäuse 108 ein und trifft zunächst auf den Anströmschutz 66 des Filterelements 10. Eine Teilströmung 84 wird von dem Anströmschutz 66 in eine tangentiale Zyklonströmung 82 (siehe 4) um den zylinderförmigen Filterkörper 12 umgelenkt. Die Zyklonströmung 82 dient zum Vorabscheiden von gröberen Partikeln auf Grund der Zentrifugalkraft. Diese Partikel können sich im Bodenraum im Deckelbereich 110 sammeln und durch den Schmutzauslass 106 von Zeit zu Zeit abgeführt werden.
Ein kleinerer Teil der Rohluftströmung 80 kann jedoch auch durch den teilweise durchlässigen Anströmschutz 66 in den Filterkörper 12 eintreten, wo das Fluid gereinigt wird und in den Innenbereich 50 als Reinluftbereich austritt. Eine weitere Teilströmung 86 der Rohluftströmung 80 verteilt sich im Filtergehäuse 108 außerhalb des Filterelements 10 und kann tangential durch den Filterkörper 12 hindurchtreten, wobei das Fluid gefiltert wird. Im Innenbereich 50 des Filterkörpers 12 kann die Reinluftströmung 88 axial durch den Auslass 104 aus dem Filtergehäuse 108 wieder austreten.
Derartige Filtersysteme 100 wie in 3 und 4 dargestellt, werden üblicherweise im Baumaschinen und Landmaschinenbereich eingesetzt. Sie zeichnen sich durch große Robustheit aus und weisen wegen der hohen Filterlast kurze Standzeiten auf. Ein Filtersystem 100 mit beladenem Filterelement 10 muss dabei einen Gewichtszuwachs von 10 kg oder mehr tolerieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011005942 A1 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO 845 [0018, 0033]
ISO 3386 [0018, 0033]
ISO 1798 [0018, 0033]

Claims

Filterelement (10), umfassend einen Filterkörper (12) mit einer Längsachse (L), dessen innere und äußere Mantelfläche (22) für ein zu filterndes Medium, insbesondere Luft, durchlässig ist, eine erste an einer Stirnseite (15) angeordnete offene oder geschlossene Endscheibe (16) und eine zweite an der gegenüberliegenden Stirnseite (17) angeordnete Endscheibe (18), wobei die äußere Mantelfläche (22) des Filterkörpers (12) zumindest einen durchströmungshemmenden Bereich (60) aufweist, der für das zu filternde Medium teilweise durchlässig ist.
Filterelement nach Anspruch 1, wobei der Bereich (60) eine axiale Länge (62) aufweist, welche kleiner als eine axiale Länge (64) des Filterkörpers (12) ist.
Filterelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Bereich (60) durch einen auf der äußeren Mantelfläche (22) aufliegenden, insbesondere selbsttragenden Anströmschutz (66) gebildet ist.
Filterelement nach Anspruch 3, wobei der Anströmschutz (66) aus einem Schaum, insbesondere einem offenporigen Schaum, und/oder einem Vlies gebildet ist.
Filterelement nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Anströmschutz (66) vom Filterkörper (12) abnehmbar ausgebildet ist.
Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Filterkörper (12) sternförmig gefaltet, ringförmig geschlossen ausgeführt ist und vorzugsweise aus Papier oder aus Zellulose oder aus einer Mischfaser aus Kunststoff und Zellulose besteht.
Filterelement nach Anspruch 6, wobei Falten des Filterkörpers (12) mittels eines Stabilisierungsmittels, insbesondere mittels eines Fadenwickels und/oder radial eingedrückter Kantenbereiche der äußeren Faltkanten, die in Umfangsrichtung aneinander anliegen, stabilisiert sind.
Verwendung eines Filterelements (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Luftfilter, insbesondere als Luftfilter einer Brennkraftmaschine.
Filtersystem (100) mit einem, insbesondere austauschbaren, Filterelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend - ein Gehäuse (108), welches im Wesentlichen konzentrisch um eine Längsachse (L) aufgebaut ist, - einen das Gehäuse (108) verschließenden Deckel (110), der ebenfalls konzentrisch um die Längsachse (L) aufgebaut ist, - einen am Gehäuse (108) und/oder Deckel (110) angeordneten Einlass (102) zum Zuführen des zu filternden Mediums, insbesondere Luft, wobei am Gehäuse (108) konzentrisch zur Längsachse (L) ein Auslass (104) zur Ableitung des gefilterten Mediums vorgesehen ist, wobei am Gehäuse (108) im Bereich des Auslasses (104) eine Dichtungskontur (116) vorgesehen ist, die mit einer radialen Dichtung (26) der ersten Endscheibe (16) des Filterelements (10) korrespondiert, wobei das Filterelement (10) auswechselbar in dem Gehäuse (108) des Filtersystems (100) angeordnet ist.
Filtersystem nach Anspruch 9, wobei ein Anströmschutz (66) an einer äußeren Mantelfläche (22) des Filterelements (10) angeordnet ist.
Filtersystem nach Anspruch 10, wobei der Anströmschutz (66) aus einem Schaum, insbesondere offenporigen Schaum, gebildet ist.
Filtersystem nach Anspruch 10 oder 11, wobei der Anströmschutz (66) vom Filterkörper (12) abnehmbar ausgebildet ist.
Filtersystem nach Anspruch 9 bis 12, wobei im Filtergehäuse (108) ein Zyklonabscheider (36) vorgesehen ist und/oder am Gehäuse (108) oder am Deckel (110) ein Schmutzauslass (106) vorgesehen ist.
Filtersystem nach Anspruch 9 bis 13, wobei ein Sekundärelement (28) im Inneren (50) des Filterelements (10) angeordnet ist.
Filtersystem nach Anspruch 14, wobei das Sekundärelement (28), mit dem Gehäuse (108) verbunden, beim Wechsel des Filterelements (10) im Gehäuse (108) verbleibt.