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BEREICH DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Filtern von Verunreinigungen
und zum Neutralisieren von Säuren,
wie sie in Fluiden in Fluidzirkulationssystemen gefunden werden.
Im Besonderen zielt die Erfindung auf ein Verfahren und eine Hauptstrom-Vorrichtung
zum Entfernen von Partikeln und Säuren aus dem Öl in einem Ölzirkulationssystem,
beispielsweise dem mit einem Dieselmotor verbundenen Ölsystem.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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In verschiedenen Arten von Einrichtungen,
welche mit Fluiden (zum Beispiel Schmieröl) arbeiten, können feinpartikuläre Verunreinigungen
in das Fluid gelangen. Wenn derartige Verunreinigungen nicht entfernt werden,
kann die Einrichtung, bei der es sich zum Beispiel um einen Motor
handeln kann, beschädigt
werden. Um solche katastrophalen Ausfälle zu vermeiden, sind bereits
verschiedene Arten von Filtersystemen vorgeschlagen worden. In den
meisten üblichen
Filtersystemen wird ein Filter im Allgemeinen im Hauptzirkulationssystem
angeordnet. Hauptzirkulationssystemfilter haben im Allgemeinen eine
niedrige Dichte.
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Die Lebensdauer oder die Zeit bis
zum Austausch von hochbelasteten Dieselmotoren ist historisch direkt
mit der Lebensdauer der Kolbenringe, Zylinderlaufbuchsen oder Kurbelwellenlager
verknüpft.
Die Parameter des Motorbaus verlangen, dass diese Motorkomponenten
hydrodynamisch geschmiert werden, d.h. mit einer Schmiermittelschicht
oder einem Schmierfilm arbeiten, der diese Motorkomponenten von
den mit ihnen assoziierten Metalloberflächen trennt. Der Hauptmechanismus,
der mit dem Verschleiß von
Kolbenringen, Zylinderlaufbuchsen und Kurbelwellenlagern in Zusammenhang
steht, ist also nicht der Verschleiß durch Metall-Metall-Kontakt
oder Reibverschleiß.
Der wichtigste die Motorlebensdauer beeinflussende Dieselmotor-Verschleißmodus ist
der korrosive Verschleiß,
verursacht durch schwefel- und stickstoffhaltige Säuren, die
während
des Verbrennungsprozesses des Dieselkraftstoffs entstehen. Nach
einer Schätzung
haben mehr als 70% des in hochbelasteten Dieselmotoren auftretenden
Verschleißes
ihre Ursache in der Metallkorrosion durch saure Verbrennungsprodukte.
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Die Kontrolle des korrosiven Verschleißes von
Dieselmotoren wird historisch dadurch vorgenommen, dass dem Motorenöl, welches
zur Bildung des hydrodynamischen Schmierfilms verwendet wird, basische
oder alkalische Chemikalien zugesetzt werden. Diese alkalischen
Komponenten bewirken eine rasche Neutralisation oder Solubilisation
der sauren Verbrennungsprodukte bei Kontakt mit den Säuremolekülen. Die
Effektivität der
Kontrolle des korrosiven Verschleißes ist gänzlich abhängig von der Wahrscheinlichkeit,
dass die Säure durch
alkalische Ölkomponenten
neutralisiert wird, bevor die Säure
mit metallischen Oberflächen
des Motors in Kontakt kommen und somit korrosiven Verschleiß hervorrufen
kann. Das Ausmaß des
korrosiven Verschleißes
des Motors kann typisch durch die Anwendung einer Ölanalyse überwacht
werden, wobei der Verschleiß der
Zylinderlaufbuchsen mit dem Gehalt an Eisen im Mikro-Konzentrationsbereich
(ppm-Bereich) im Motorenöl in
Zusammenhang gebracht wird. Der Kolbenringverschleiß wird über die
Chromgehalte im Öl überwacht,
und der Kurbelwellenlagerverschleiß spiegelt sich im Bleigehalt
des Öls
wieder.
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Der korrosive Verschleißprozess
beginnt im Brennraum des Dieselmotors, wo der Schwefelverbindungen
enthaltende Kohlenwasserstoff-Dieselkraftstoff in Gegenwart von
Sauerstoff und Stickstoff verbrannt wird. Der Kohlenwasserstoff-Kraftstoff
wird in der Hauptsache zu Kohlendioxid und Wasser umgesetzt, wobei
außerordentlich
hohe Gasdrücke
entstehen, die am Kolbenkopf abwärts
drücken,
um Motorenleistung zu erzeugen. Ferner werden SOx-
und NOx-Verbindungen gebildet, die rasch
mit dem während
der Kraftstoffverbrennung freigesetzten Wasser reagieren, wobei
in der Hauptsache Schwefelsäure
und Salpetersäure
gebildet werden. Diese Säuren
erreichen die Metalloberflächen
des Motors durch direkten Kontakt in der Zylinderbohrung oder als
sog. Blowbygase als normaler Bestandteil des Motorbetriebs. Ferner
wird während
der konstanten Schmiermittelzirkulation der in der Kolbenringgürtelzone
vorhandene hydrodynamische Schmierfilm Säuremoleküle durch den ganzen Motor transportieren.
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Die Neutralisation der sauren Verbrennungsprodukte
erfolgt durch eine einfache Säure-Base-Reaktion,
wobei als alkalische Komponenten in dem Schmiermittel getragene
Metallcarbonate direkt mit der Schwefel- und Salpetersäure reagieren.
Die Effektivität
der Kontrolle des korrosiven Verschleißes ist gänzlich abhängig von der Wahrscheinlichkeit,
dass diese Metallcarbonate mit den Säuremolekülen in Kontakt kommen, bevor
diese Moleküle
mit metallischen Oberflächen
des Motors in Kontakt kommen. Ein weiterer Faktor, der die Rate
und Effektivität
der Säureneutralisation
beeinflusst, ist die Säuresolubilisation
im Schmiermittel durch ein weiteres Öladditiv, welches als aschefreies
Dispersant klassifiziert ist. Dispersantadditive sind langkettige
Kohlenwasserstoffpolymere, welche durch Terminieren der Polymerkette
mit einer funktionellen Gruppe, welche im Allgemeinen basischen
Stickstoff enthält,
funktionalisiert werden. Die Dispersantadditive komplexieren rasch
mit den sauren Verbrennungsprodukten, wobei diese in dem Schmiermittel
dispergiert oder solubilisiert werden zwecks Transport zu einem
Metallcarbonat, wo die Säure
in ein neutrales Metallsalz konvertiert wird. Die kombinierte Effektivität von Dispersant-Säure-Komplexierung
und Metallcarbonat-Säureneutralisation kontrolliert
die Rate des Motorverschleißes.
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Überalkalisierte
oder alkalische Metalldetergentadditive werden bereits in breitem
Umfang als Metallcarbonatträger
in Dieselmotorenölzusammensetzungen
verwendet. Die zur Formulierung von Dieselmotorölen verwendeten Detergentadditive
sind in der Hauptsache Calcium- und Magnesiumsulfonate und -phenolate. Überalkalisierte
Detergentadditive werden durch Inkorporation von Extracalcium oder
-magnesium in eine physikalische Struktur, die als Detergent-Micelle
bezeichnet wird, hergestellt. So führt zum Beispiel Alkylbenzolsulfonsäure bei
Reaktion mit Calciumhydroxid und beim Durchblasen mit Kohlendioxid
während
des Reaktionsprozesses zur Bildung eines überalkalisierten Calciumsulfonats.
Das in der Detergent-Micellenstruktur vorhandene Extrametall oder
-calcium ist Calciumcarbonat, umgeben von ölsolubilisierenden Calciumsulfonat-Detergentien.
Diese im Öl
zirkulierende physikalische Struktur liefert den Säuremolekülen der
sauren Verbrennungsprodukte das Calciumcarbonat zur Säureneutralisation.
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Im Idealfall gäbe es keine Grenze hinsichtlich
der Menge an alkalischen Detergentadditiven, die in eine Dieselmotorölformulierung
aufgenommen werden kann; in Wirklichkeit können moderne Dieselmotoren
aber nur einen begrenzten Gehalt an Metalldetergentadditiven tolerieren,
bevor metallische Ascheablagerungen die Kolbenringe blockieren und
die Auslassventile verschmutzen.
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Diese Ascheablagerungen werden durch
Pyrolyse von metallorganischen Verbindungen im Öl, in der Hauptsache Calcium-
und Magnesium-Detergentadditive, verursacht.
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In Anerkennung, dass (1) der größte Dieselmotorverschleiß durch
Säurekorrosion
verursacht wird, dass (2) dem Schmiermittelaschegehalt Grenzen gesetzt
sind und dass (3) neuere Dieselmotorkonstruktionen eine Abgasrückführung beinhalten,
wobei saure Verbrennungsprodukte konzentriert und erneut in den
Motor eingeführt
werden, würde
ein System, welches saure Verbrennungsprodukte zu neutralisieren
vermag, ohne die Dieselmotorölzusammensetzungen
wesentlich zu verändern,
und zugleich feste Verunreinigungen aus dem Ölzirkulationssystem herauszufiltern
vermag, den Motorverschleiß,
einschließlich
des korrosiven Verschleißes,
wesentlich vermindern. Dies gilt insbesondere im späteren Teil
eines Ölwechselintervalls,
wenn die Säureneutralisationsfähigkeit
des Schmiermittels erschöpft
ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung zielt auf
ein System zum Verlängern
der normalen Betriebsdauer eines Fluidzirkulationssystems, beispielsweise
eines mit einem Dieselmotor verbundenen Ölzirkulationssystems. Das System
umfasst eine Vorrichtung zur Unterstützung des Entfernens von Säuren, welche
sich in dem durch das Zirkulationssystem gepumpten Fluid, z.B. Öl, ansammeln.
Durch das Entfernen derartiger Säuren
können
die Nutzlebensdauer des zirkulierenden Fluids verlängert und
damit die Betriebskosten gesenkt werden. Bevorzugt weist das erfindungsgemäße System
einen Behälter
auf, welcher von einem Teil oder dem gesamten zirkulierenden Fluid
durchströmt
wird. In dem Behälter
befindet sich eine Säureneutralisationsverbindung,
die mit den Säuren
in dem zirkulierenden Fluid reagiert, um die Säuren zu neutralisieren, und
ein Partikelfilter zum Entfernen von Partikeln aus dem zirkulierenden
Fluid.
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Die Vorrichtung zum Entfernen von
Säuren
kann in den Hauptstromteil des Fluidzirkulationssystems eingefügt werden
oder in ein Nebenstromsystem. In jedem Fall kann die Säureneutralisationsvorrichtung
von dem zirkulierenden Fluid in einer Menge durchströmt werden,
die – je
nach gewünschter
Säureneutralisationsrate – von einem
kleinen Teil bis hin zum gesamten Fluid reichen kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Fluidzirkulationssystem ein Ölzirkulationssystem und das
zu filternde Fluid Öl.
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Erfindungsgemäß wird ein Hauptstromfilterbehälter zur
Verwendung für
die Entfernung von in einem Fluid enthaltenen Verunreinigungen sowie
für die
Neutralisation von in dem Fluid gefundenen Säuren bereitgestellt, umfassend
ein Gehäuse,
eine Partikelfilter-Komponente und ein Säureneutralisationsfilter-Komponente.
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In einer Ausführungsform wird eine Filtervorrichtung
zur Verwendung für
die Entfernung von in einem Fluid enthaltenden Verunreinigungen
bereitgestellt. Die Vorrichtung beinhaltet ein Gehäuse mit
einem geschlossenen Ende und einem offenen Ende. In dem Gehäuse ist
eine innere Umhüllung
mit einem offenen Ende und einem teilweise geschlossenen Ende aufgenommen.
Ein perforierter Kanal ist in der inneren Umhüllung aufgenommen, und ein
Partikelfilter ist in der inneren Umhüllung positioniert und konzentrisch
um den perforierten Kanal angeordnet. Eine Säureneutralisationsverbindung,
welche in der inneren Umhüllung
aufgenommen ist, ist konzentrisch um das Partikelfilter angeordnet.
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Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
kann die Vorrichtung einen Deckel aufweisen, welcher mit dem offenen
Ende der inneren Umhüllung
verbunden ist. Bevorzugt wird der Deckel durch eine Schnappverbindung
mit der Umhüllung
verbunden; noch bevorzugter weist der Deckel eine äußere Dichtung für ein dichtes
Abschließen
mit dem Inneren der inneren Umhüllung
auf. Die Dichtung kann eine O-Ring-Dichtung sein.
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Bevorzugt schließen das Partikelfilter und
der perforierte Kanal mit einer ersten und zweiten Endkappe dicht
ab. Weiter bevorzugt ist die Säureneutralisationsverbindung
ausgewählt
aus der aus zerkleinertem Kalkstein, Calciumcarbonat und Magnesiumcarbonat
bestehenden Gruppe.
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Weiter bevorzugt umfasst die Filtervorrichtung
eine Feder, welche zwischen der inneren Umhüllung und dem geschlossenen
Ende des Gehäuses
angeordnet ist.
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Ferner wird eine Filtervorrichtung
zur Verwendung für
die Entfernung von in einem Fluid enthaltenen Säuren und Verunreinigungen und
Säuren
durch Filtration bereitgestellt, umfassend ein Gehäuse, eine
innere Umhüllung,
ein in der inneren Umhüllung
aufgenommenes Partikelfilter, wobei das Partikelfilter ein Filtermedium
aufweist, ein das Filtermedium umgebendes Vorfilter, eine Säureneutralisationsverbindung
in der inneren Umhüllung,
welche das Partikelfilter und Vorfilter umgibt, und eine Basisplatte.
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Bevorzugt ist die Basisplatte eine
Kombination aus Basisplatte und Bördeldeckel. Weiter bevorzugt
ist die Säureneutralisationsverbindung
ausgewählt
aus der aus zerkleinertem Kalkstein, Calciumcarbonat und Magnesiumcarbonat
bestehenden Gruppe.
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In einer Ausführungsform weist die Basisplatte
eine zentrale Nabe, einen äußeren peripheren
Rand, welcher die Nabe umgibt, und eine Mehrzahl von sich radial
erstreckenden Rippen, welche die Nabe und den Rand verbinden, auf.
Bevorzugt definiert die zentrale Nabe eine mit Gewinde versehene
zentrale Öffnung
zur an- oder aufschraubbaren Verbindung mit dem Ölsystem. Bevorzugt stellt die
mit Gewinde versehene zentrale Öffnung
der Basisplatte eine zentrale Öffnung
für zu
dem Ölzirkulationssystem
zurückkehrendes
Fluid bereit. Ferner sind eine Mehrzahl von peripheren Öffnungen
zwischen Nabe, Rippen und peripherem Rand definiert, um Fluid aus
dem Ölzirkulationssystem
in das Filter eintreten zu lassen.
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Ferner wird ein Verfahren zum Entfernen
von in einem in einem Ölzirkulationssystem
zirkulierenden Öl
enthaltenen Verunreinigungen bereitgestellt. Das Verfahren umfasst:
- (a) Einführen
des Öls
in eine Filtervorrichtung, umfassend ein Gehäuse und eine innere Umhüllung; wobei die
innere Umhüllung
ein Partikelfilter und eine Säureneutralisationsverbindung
aufweist;
- (b) Einleiten des Öls
zuerst in das Gehäuse
und dann in die innere Umhüllung;
- (c) anschließendes
Durchleiten des Öls
durch eine Säureneutralisationsverbindung;
- (c) als nächstes,
Durchleiten des Öls
durch ein Partikelfilter; und
- (d) Ausleiten des Öls
aus der inneren Umhüllung
und dann aus der Vorrichtung, um das Öl zu dem Ölzirkulationssystem zurückzuführen.
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Für
die Umsetzung des Verfahrens ist die Säureneutralisationsverbindung
bevorzugt ausgewählt
aus der aus zerkleinertem Kalkstein, Calciumcarbonat und Magnesiumcarbonat
bestehenden Gruppe.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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1 ist
eine querschnittliche Darstellung einer ersten Ausführungsform
der Filtervorrichtung in Einklang mit der beanspruchten Erfindung;
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2 ist
eine perspektivische Explosionszeichnung von erfindungsgemäßen Komponenten;
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3a ist
eine vergrößerte Darstellung
des oberen Teils der in 1 dargestellten
Vorrichtung;
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3b ist
eine vergrößerte Darstellung
des unteren Teils der in 1 dargestellten
Vorrichtung.
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Zum besseren Verständnis der
Erfindung wird nun auf die in der zeichnerischen Darstellung gezeigte Vorrichtung
Bezug genommen und spezifisch beschrieben. Es versteht sich jedoch,
dass dies den Bereich der Erfindung nicht begrenzen soll und dass
die hierin gezeigte Vorrichtung lediglich einen Teil der Merkmale
der beanspruchten Erfindung repräsentiert.
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DETAILBESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung zielt auf
ein System zum Verlängern
der normalen Betriebsdauer eines Fluidzirkulationssystems, beispielsweise
eines mit einem Dieselmotor verbundenen Ölzirkulationssystems. Das System
umfasst eine Vorrichtung zur Unterstützung des Entfernens von Säuren, welche
sich in dem durch das Zirkulationssystem gepumpten Fluid, z.B. Öl, ansammeln.
Durch das Entfernen derartiger Säuren
können
die Nutzlebensdauer des zirkulierenden Fluids verlängert und
damit die Betriebskosten gesenkt werden. So kann zum Beispiel mit
einer erfindungsgemäßen Säureneutralisation
die Kilometerleistung eines Dieselmotors, wie er zum Antrieb eines
typischen Diesellastkraftwagens verwendet wird, auf bis zu insgesamt
100.000 Meilen oder mehr zwischen Ölwechseln verlängert werden.
Dieses Intervall ist besonders wichtig in solchen Systemen, wo das
Fluidzirkulationssystem so viel wie 50 Gallonen Öl enthalten kann.
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Bevorzugt weist das erfindungsgemäße System
einen Behälter
auf, welcher von einem Teil oder dem gesamten zirkulierenden Fluid
durchströmt
wird. In dem Behälter
befindet sich eine innere Umhüllung,
welche eine Säureneutralisationsverbindung
enthält,
die mit den Säuren
in dem zirkulierenden Fluid reagiert, um die Säuren zu neutralisieren. Sobald
das Fluid durch die Säureneutralisationsverbindung
zirkuliert, strömt
das Öl durch
ein ebenfalls in der inneren Umhüllung
aufgenommenes Partikelfilter, bevor es zum Ölzirkulationssystem zurückgelangt.
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Die Vorrichtung zum Entfernen von
Säuren
kann in den Hauptstromteil des Fluidzirkulationssystems eingefügt werden
oder in ein Nebenstromsystem. In jedem Fall kann die Säureneutralisationsvorrichtung
von dem zirkulierenden Fluid in einer Menge durchströmt werden,
die – je
nach gewünschter
Säureneutralisationsrate – von einem
kleinen Teil bis hin zum gesamten Fluid reichen kann.
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1 zeigt
eine querschnittliche Darstellung einer ersten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Hauptstromfilter-
und -säureneutralisationsvorrichtung
zur Verwendung in einem Fluidzirkulationssystem, z.B. in einem Ölzirkulationssystem
für einen
Dieselmotor. Für
die Filtration von Schmieröl
kann die Vorrichtung mit einem Block eines Motors mit innerer Verbrennung
lösbar
verbunden sein. Bevorzugt ist die erfindungsgemäße Vorrichtung mittels Gewinde
an- oder aufschraubbar, obgleich auch andere Mittel zum Befestigen
verwendet werden können,
zum Beispiel eine Anordnung zum Befestigen mittels Bolzen oder Schrauben.
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Die Filtervorrichtung umfasst ein
Gehäuse 1,
bevorzugt in Zylinderform, mit einem offenen Ende 2 und einem
geschlossenen Ende 3, einer Seitenwand 4. Das
Gehäuse 1 kann
aus einem beliebigen geeigneten Material hergestellt sein, in Abhängigkeit
von dem der Vorrichtung zugedachten Verwendungszweck. Beispiele
für geeignete
Materialien umfassen Stahl, Aluminium oder Kunststoff. Bevorzugt
ist das Gehäuse
aus einem relativ dicken Stahl gezogen, so dass es das geschlossene
Ende 3, das offene Ende 2 und die Seitenwand 4, welche
bevorzugt im Wesentlichen zylinderförmig ist, aufweist.
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In dem Gehäuse 1 ist eine innere
Umhüllung 9 untergebracht,
welche ein Partikelfilterelement 11 und die Säureneutralisationsverbindung 13 enthält. Die
innere Umhüllung 9 weist
ein offenes Ende 15 und ein teilweise geschlossenes Ende 17 und
Seitenwände 19 auf.
Die Seitenwände 19 weisen
durch sie hin durchgehende Einlassöffnungen 21 auf. Die
Umhüllung 9 ist
bevorzugt zylinderförmig
gestaltet, mit einem um ca. 0,4 bis ca. 1,0 Inch kleineren Außendurchmesser
als der Innendurchmesser des Gehäuses 1.
Die Umhüllung 9 ist bevorzugt
aus Stahl, Aluminium oder einem formbaren Kunststoffmaterial wie
Nylon hergestellt. Das teilweise geschlossene Ende 17 weist
eine zentrale Öffnung 25 auf,
durch die das behandelte und gefilterte Fluid die Anordnung verlässt. Eine
Lippe 26 erstreckt sich in die Umhüllung hinein und umgibt die
zentrale Öffnung 25. Die
Lippe erstreckt sich bevorzugt um ca. 0,5 Inch in die innere Umhüllung hinein.
Bevorzugt weisen die Innenwände 27 der
inneren Umhüllung 9 eine
oder mehrere Rippen 29 auf, noch bevorzugter acht Rippen.
Die Rippen helfen, die innere Umhüllung zu verstärken und
das Partikelfilterelement 11 zu zentrieren.
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Bevorzugt sind die Einlassöffnungen 21 in
den Seitenwänden
der inneren Umhüllung
entweder auf der Innenseite oder auf der Außenseite der Umhüllung mit
einem Medium bedeckt, welches die Säureneutralisationsverbindung
daran hindern soll, durch die Öffnungen
hindurch und aus der inneren Umhüllung 9 heraus
zu treten. Das Medium umfasst bevorzugt ein synthetisches poröses Material
aus Polyester oder Nylon oder ein Drahtgewebematerial aus Edelstahl,
bevorzugt mit Öffnungen
im Bereich von ca. 0,0005" bis
ca. 0,001".
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Das offene Ende 15 der inneren
Umhüllung 9 ist
durch einen Deckel 28 verschlossen. Der Deckel 28 ist
mit einem O-Ring 30 versehen, der in einem U-förmigen Kanal 32 angeordnet
ist, welcher sich um die Peripherie des Deckels erstreckt. Der Deckel 28 wird
dicht mit der inneren Umhüllung 9 verbunden,
indem der O-Ring 30 über
eine Hinterschneidung 34 in der Innenwand der inneren Umhüllung 9 geschnappt
wird.
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Das Partikelfilterelement 11 weist
eine obere Endkappe 31, eine untere Endkappe 33,
ein Filtermedium 37 und ein perforiertes inneres Stützrohr 38 auf.
Die obere Endkappe 31 ist ohne Öffnung und weist einen U-förmigen Kanal 32 zur
Bildung eines dichten Abschlusses mit dem ersten Ende des Filtermediums 37 und eines
perforierten inneren Stützrohrs 38 auf.
Die untere Endkappe 33 weist ebenfalls einen U-förmigen Kanal 35 zur
Bildung eines dichten Abschlusses mit dem zweiten Ende des Filtermediums 37 und
perforierten inneren Stützrohrs 38 auf.
Das Zentrum der unteren Endkappe 33 ist offen, um gefiltertes
und behandeltes Fluid aus der inneren Umhüllung 9 ausfließen zu lassen.
Die untere Endkappe 33 weist ferner bevorzugt einen nach innen
gerichteten U-förmigen
Kanal 41 auf, welcher einen O-Ring 43 trägt, der
mit dem Partikelfilter in Kontakt kommen und gegen den Außenumfang
der Kanallippe 26, welche sich von der durch das teilweise
geschlossene Ende 17 hindurchgehenden zentralen Öffnung 25 einwärts erstreckt,
abdichten kann.
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Der nach innen gerichtete U-förmige Kanal 41 der
unteren Kappe ist bevorzugt von einer ersten nach innen gerichteten
Schulter 43 gebildet, welche integral mit der inneren U-Kanalwand 45 geformt
ist und sich von dieser weg erstreckt. Die Außenseite der inneren U-Kanalwand 45 bildet
bevorzugt einen großen
Teil des Bodens des nach innen gerichteten U-förmigen Kanals 41.
Ein z-förmiger
Formbereich ist bevorzugt vorgesehen, um die zweite Wand und einen
Teil des Bodens des nach innen gerichteten U-förmigen Kanals zu bilden. Der
z-förmige
Bereich weist eine nach innen gerichtete horizontale Schulter auf,
welche die zweite Wand 49 der nach innen gerichteten U-förmigen Kanäle bildet,
eine vertikale Wand 51, welche einen Teil des Bodens der
nach innen gerichteten U-förmigen
Kanäle
bildet, und eine weitere horizontale, sich nach außen erstreckende
Wand 53. Die sich nach außen erstreckende Wand 53 wird verwendet,
um den z-förmigen
Bereich mit dem Äußeren der
unteren Endkappe 33 mittels Klebstoff, Warmschweißen oder
Punktschweißen
zu verbinden.
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Das perforierte innere Stützrohr 38 bildet
das Zentrum des Partikelfilterelementes 11. Das Partikelfiltermedium 37 ist
um das perforierte innere Stützrohr 38 angeordnet.
Das Partikelfiltermedium 37 dient dazu, in dem zu filternden
Fluid mitgerissene Partikel, einschließlich Säureneutralisationsverbindungspartikel,
daran zu hindern, in das Fluidzirkulationssystem überzutreten.
Das Partikelfiltermedium 37 ist bevorzugt eine gefältelte kreisförmige Anordnung
um das zentrale perforierte Stützrohr 38.
Das Material und die Ausgestaltung des Partikel-Mediums 37 sind
so gewählt,
dass sie das Herausfiltern von Partikeln aus dem in das Filter eintretenden
Fluid erlauben. Das Medium 37 kann aus einem beliebigen
geeigneten Filtermedium gebildet sein. Beispiele für geeignete
Filtermedien für
das Medium 37 umfassen Cellulose, Synthesefasern oder Mikroglas.
Bevorzugt ist das Partikel-Medium 37 aus Mikroglas, Synthesefasern
oder anderen synthetischen Medien gebildet. Weiter bevorzugt ist
das Partikel-Medium 37 mit einem Vorfilter umhüllt, welches
ein synthetisches poröses
Material aus Polyester oder Nylon oder ein Drahtgewebematerial aus
Edelstahl mit Öffnungen
von 0,0005" bis
0,001" umfasst,
um zu verhindern, dass die Säureneutralisationsverbindung
in die Zwischenräume
zwischen den Falten des Filtermediums eindringt. Alternativ kann
das Partikel-Medium 37 mit
einer perforierten Stütze
umhüllt
sein, deren Festigkeit größer ist
als die des Vorfiltermaterials.
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Die obere und die untere Endkappe 31 und 33 werden
durch Vergießen
oder sonstwie mit dem Filtermedium und dem perforierten inneren
Stützrohr,
gegebenenfalls mit Vorfilter oder äußerer perforierter Stütze, in
dichten Abschluss gebracht, wobei als Vergießmaterial z.B. Plastisol oder
ein Epoxid verwendet wird. Wenn Filtermedium und inneres Stützrohr zwischen
den Endkappen dicht eingeschlossen sind, strömt zu filterndes Fluid durch
das Filtermedium 37, durch das perforierte innere Stützrohr 38 und
in den zwischen den Innenwänden
des perforierten inneren Stützrohrs 38 definierten
Innenraum hinein.
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Zum Zusammenbau der inneren Umhüllung 9 wird
das untere Ende des Filterelementes, einschließlich der O-Ringdichtung 43,
zunächst
in das offene Ende 15 der inneren Umhüllung eingeführt. Sodann
wird der Rest des Filterelementes in die innere Umhüllung eingefügt und die
O-Ring-Dichtung 43 um die innere Lippe 26 angeordnet,
die sich von dem teilweise geschlossenen Ende 17 der inneren
Umhüllung
einwärts
in die innere Umhüllung 9 hinein
erstreckt. Auf diese Art ist das untere Ende der inneren Umhüllung dicht
abgeschlossen.
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Sobald das Filterelement 11 in
der inneren Umhüllung 9 sitzt,
kann die Säureneutralisationsverbindung der
inneren Umhüllung
in den Ringraum 55 zwischen den Innenwänden der Umhüllung und
der äußeren Oberfläche des
Filterelementes 11 zugeführt werden. Bevorzugt ist die
Säureneutralisationsverbindung
ein Carbonat, noch bevorzugter Calciumcarbonat. Bevorzugt liegt
die Säureneutralisationsverbindung
in Form von zerkleinertem Kalkstein vorliegt, da dies ein billiger,
hoch effektiver Säureneutralisator
ist. Neben zerkleinertem Kalkstein können auch Säureneutralisationsverbindungen
wie amorphes Magnesiumcarbonat und amorphes Calciumcarbonat verwendet
werden.
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Zerkleinerter Kalkstein, welcher
zur Verwendung für
das erfindungsgemäße Säureneutralisationsfilter geeignet
ist, ist von der Firma Iowa Limestone unter den Marken Unical S
und Unical F, von Franklin Industrial Mining unter den Bezeichnungen
C6×16
und C8×12
und von Great Lakes Mining unter den Bezeichnungen 20×200 und
12×40
erhältlich.
Die nachfolgende Tabelle A zeigt die Standardsiebeigenschaften dieser
Produkte. Allgemein gilt, dass, je kleiner die Partikel der säureneutralisierenden
Verbindung, umso größer die
Oberfläche
der Verbindung, die dem zu behandelnden Fluid ausgesetzt ist. Die
Verwendung von kleineren Partikeln erhöht also die Effektivität der Behandlung.
Die Verwendung kleinerer Partikel erhöht auch den Druckabfall über das
Säureneutralisationsverbindungs-Behältnis. Aus
diesem Grund sollte bei der Wahl die Größe der Partikel gegen die Größe des Druckabfalls über das
Behältnis,
die toleriert werden kann, abgewogen werden. Ferner beeinflusst
der Packungsgrad in Kombination mit der Partikelgröße sowohl
die Ölmenge,
welche durch den Säureneutralisations-Behälter bewegt
werden kann, als auch die zur Herstellung des Behälters und
seiner verschiedenen Komponenten verwendeten Materialien.
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Eine typische Analyse eines allgemein
erhältlichen
zerkleinerten Kalksteinproduktes ist in Tabelle B angegeben:
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Sobald der Ringraum 55 mit
der Säureneutralisationsverbindung
gefüllt
ist, wird der Deckel 28 mit der inneren Umhüllung 9 dicht
verbunden, indem der O-Ring 30 über die Hinterschneidung 34 in
der Innenwand der inneren Umhüllung 9 geschnappt
und so die innere Umhüllungsanordnung
komplettiert wird.
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Sobald das Säureneutralisationsfilter zusammengebaut
ist, ist die Filtervorrichtung bereit, komplettiert zu werden. Eine
gewundene Feder 111 wird in eine Vertiefung 120 auf
der Außenseite
des Deckels 28 gesetzt. Die Feder 111 ist bevorzugt
eine gewundene Feder aus Stahl mit einer Federkraft von ca. 35 bis
ca. 50 psi. Das Gehäuse 1 wird
dann über
die Kombination aus Feder und innerer Umhüllung geschoben, so dass die Feder
zwischen der Innenwand des geschlossenen Endes des Gehäuses und
der Vertiefung 120 sitzt.
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Sodann wird eine Basisplatten-Anpassdichtung 143 bereitgestellt,
um eine Abdichtung zwischen der inneren Umhüllung 9 und der Anordnung
aus Basisplatte und Bördeldeckel
zu bewirken. Die Basisplatten-Anpassdichtung 143 ist bevorzugt
aus Nitril oder einer anderen geeigneten Kautschukverbindung gebildet.
Die Dichtung 143 weist eine erste Lippe 144, einen
Körperbereich 145 und
eine zweite Lippe 146 auf. Der Körperbereich steht mit dem flachen
Teil des teilweise geschlossenen Endes 17 der inneren Umhüllung und
einem Teil der Basisplatte 151 in Kontakt, während die
erste Lippe mit der inneren Wand der zentralen Öffnung 25 der inneren
Umhüllung
in Kontakt steht.
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Zur Komplettierung der Anordnung
wird nun eine Anordnung 113 aus Basisplatte und Bördeldeckel
benötigt.
Die Basisplatte 151 weist bevorzugt einen konventionellen
mit Gewinde versehenen Durchlass auf zur Verbindung mit dem Gewinde
an der Anschlussstelle der Einrichtung (nicht gezeigt). Alternativ
kann die Vorrichtung mittels Bolzen oder Schrauben oder auf andere
Art mit dem Fluidzirkulationssystem verbunden werden. Die Basisplatte 151 umfasst
ferner ein geneigtes erstes Wandsegment 159 mit Einlassöffnungen 161, durch
welche das zu filternde Fluid hindurchtritt, und ein nach oben gerichtetes
Segment 155 mit Innengewinde, welches mit einer Öleintrittsstelle
(nicht gezeigt) in Eingriff bringbar ist. Bevorzugt sind die Einlassöffnungen 161 in
einem Winkel in kreisförmiger
Anordnung um den Umfang des mit Gewinde versehenen Durchlasses 155 angeordnet
und liegen innerhalb des geneigten ersten Wandsegmentes 159 der
Basisplatte.
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Das Eintrittsfluid tritt durch die
Eintrittsöffnungen 161 ein,
und die Basisplatten-Anpassdichtung 443 verhindert, dass
dieses Eintrittsfluid die Filter umgeht und direkt, ohne Filtration
zum Motor zurückgelangt.
Die Basisplatte 151 weist ferner einen Übergangsabschnitt 165 auf,
der sich von dem geneigten ersten Wandsegment 159 nach
außen,
oberhalb der Einlassöffnungen 161 erstreckt.
Die Basisplatte 151 umfasst ferner einen äußeren Rand 167,
welcher mit dem äußersten
Teil des Übergangsabschnitts 165 verbunden
ist und benachbart zu dem äußeren offenen
Ende des Gehäuses 1 angeordnet
ist.
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Sodann wird ein Bördeldeckel 175 mit
der Basisplatte 151 und dem offenen Ende des Gehäuses 1 verbunden,
wie in 3a gezeigt. Der
Bördeldeckel 175 umfasst
bevorzugt einen kreisförmigen
Ring mit einer inneren kreisförmigen
Nut 177, welche aus einem U-förmigen Kanal besteht, dessen
offenes Ende zu dem offenen Ende des Gehäuses 1 hin gerichtet
ist, und einen nach unten umgelegten äußeren Rand 179, der
das Äußere des
Bördeldeckels
umschließt
und sich über
die Peripherie der Basisplatte 151 sowie des Gehäuses 1 hinaus
erstreckt. Bevorzugt wird der Bördeldeckel 175 aufgebracht
durch Platzieren der Unterseite des Teils des Bördeldeckels, der die kreisförmige Nut 177 bildet,
innerhalb des äußeren Randes 167 der
Basisplatte und Verschweißen
der Unterseite des Bördeldeckels
an der kreisförmigen
Nut 177 mit dem Übergangsabschnitt 165 der
Basisplatte. Bevorzugt wird dieses Schweißen von Basisplatte 151 und
Bördeldeckel 175 vor
dem Dichten des Filters durchgeführt.
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Eine runde Dichtung 182 wird
in die kreisförmige
Nut 181 platziert. Die runde Dichtung 182 kommt
mit der Einrichtung, z.B. dem Motor, in Kontakt, um eine Abdichtung
zu bewirken, so dass eine Leckage des Austrittsfluids, welches von
der Einrichtung zum Filter strömt,
verhindert wird. Die runde Dichtung 182 kann in Form einer
beliebigen hinreichend bekannten Dichtung (z.B. in Form eines Dichtungsrings)
vorliegen und weist bevorzugt eine glatte Außenfläche auf. Bevorzugt liegt die
runde Dichtung 182 als Flachdichtung vor, welche einen
Hinterschneidungsbereich aufweist, der in die kreisförmige Nut 181 passt,
was hilft, die runde Dichtung 182 an Ort und Stelle zu
halten.
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Der Bördeldeckel 175, bevorzugt
mit der Basisplatte 151 verschweißt, wie im Vorstehenden beschrieben,
wird auf das erfindungsgemäße Filter
aufgebracht, wobei die Feder 111 zusammengedrückt wird.
Wie in 3a zu sehen,
bildet der äußere Rand
des Bördeldeckels,
der oberhalb der kreisförmigen
Nut 181 liegt und sich über
die Peripherie der Basisplatte 151 und des Gehäuses 1 hinaus
erstreckt, einen Kanal, in dem die Peripherie des offenen Endes
des Gehäuses 1 passend
angeordnet werden kann. Bevorzugt umfasst das Gehäuse 1 ferner
eine leicht umgelegte äußere Lippe,
welche sich über
die Peripherie des Gehäuses 1 hinaus erstreckt.
Wenn die Elemente der Filtervorrichtung wie oben beschrieben zusammengebaut
worden sind, werden der äußere Rand 190 des
Bördeldeckels
und die äußere Lippe
des Gehäuses
umgelegt (gebördelt)
und damit der Inhalt des Filters in der Umhüllung 1 dicht in dem
Gehäuse 1 eingeschlossen.
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Beim Befestigen der Anordnung aus
Basisplatte und Bördeldeckel
wird die Feder 111 zwischen der Innenseite des geschlossenen
Endes des Gehäuses 1 und
der Vertiefung 120 auf der Außenseite des Deckels 28 der
inneren Umhüllung 9 zusammengedrückt. Die
Kompression der Feder gewährleistet,
dass sich der Deckel 28 nicht von der inneren Umhüllung löst, und
gewährleistet
ferner, dass Nachdem die Filteranordnung vorbereitet ist, tritt
das Fluid, z.B. Öl,
durch die Eintrittsöffnungen
der Basisplatte hindurch, um dann durch die Einlassöffnungen 330 in
die Säureneutralisations-Umhüllung 305 einzutreten.
Das Fluid strömt
durch die Säureneutralisationsverbindung,
wo die Säuren
in dem Fluid neutralisiert werden. Sodann strömt das Öl durch ein etwa vorhandenes
Vorfilter, das Partikelfiltermedium, das perforierte Stützsieb und
die Kanaleinlassöffnungen. Nach
Eintritt in den Kanal durchströmt
das behandelte und gefilterte Fluid den Kanal, um dann durch die
zentrale Öffnung
der Säureneutralisations-Umhüllung 305 und
den zentralen Auslass der Basisplatte auszufließen. Auf diese Weise werden
in dem Fluid getragene Partikel, z.B. Partikel der Säureneutralisationsverbindung,
aus dem Fluid entfernt, bevor das Fluid in das Fluidzirkulationssystem
zurückgelangt.
Wenn derartige Partikel in ein Fluidzirkulationssystem, z.B. in
das Ölsystem
eines Dieselmotors, gelangen, kann der Motor durch diese Partikel
beschädigt
werden.
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In der im Vorstehenden beschriebenen
Weise bewirkt das Säureneutralisationsfilter
eine wirksame Neutralisation der Säuren in dem gefilterten Fluid
für eine
bestimmte Fluidmenge. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht
auf die im Vorstehenden erläuterten
Merkmale begrenzt; vielmehr sind für den Fachmann zahlreiche Modifikationen
und Änderungen
möglich,
ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. So können zum Beispiel
der Partikel- und der Säureneutralisationsfilter
in unterschiedlicher Form und aus unterschiedlichen Materialien
hergestellt sein, wie im Vorstehenden erwähnt.
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Alle hierin in Bezug genommene Schriften,
einschließlich
Patente, Patentanmeldungen und Veröffentlichungen, werden hiermit
durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit in den vorliegenden Text aufgenommen.
Die Verwendung des unbestimmten und des bestimmten Artikels und
Ableitungen davon (z.B. "eine
Basisplatte" oder "der Nebenstromkanal") in Zusammenhang
mit der Beschreibung der vorliegenden Erfindung (insbesondere in
Zusammenhang mit den nachfolgenden Ansprüchen) ist so zu verstehen,
dass sie sowohl den Singular wie auch den Plural umfasst, sofern
nichts anderes angegeben oder eindeutig unvereinbar mit dem Kontext.
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Die Erfindung wurde mit Betonung
auf bevorzugte Ausführungsformen
beschrieben; für
den Fachmann wird jedoch ohne weiteres erkennbar sein, dass Änderungen
der bevorzugten Ausführungsformen
möglich
sind und dass die Erfindung auch in anderer als der hierin spezifisch
beschriebenen Form realisiert werden kann. Demnach erstreckt sich
die Erfindung auf alle Modifikationen, welche in den Bereich der
Erfindung fallen, wie er in den Ansprüchen dargelegt ist.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die vorliegende Erfindung stellt
eine Filtervorrichtung (1) zur Verwendung für die Entfernung
von in einem Fluid enthaltenen Säuren
und Verunreinigungen in Form von Teilchen zur Verfügung, wie
z. B. in dem Öl, das
in dem Ölzirkulationssystem
eines Dieselmotors enthalten ist. In einer Ausführungsform umfaßt die Filtervorrichtung
einen äußeren Behälter (4),
eine innere Umhüllung
(9) und ein Partikelfilter (11) und eine Säureneutralisationsverbindung
(13), die in der inneren Umhüllung (9) enthalten
ist.
