DE112019005781B4

DE112019005781B4 - Filterkörper, Filterelement und Filteranordnung

Info

Publication number: DE112019005781B4
Application number: DE112019005781.2T
Authority: DE
Inventors: Stefan Diersch
Original assignee: Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 2018-11-19
Filing date: 2019-10-11
Publication date: 2023-02-09
Anticipated expiration: 2039-10-12
Also published as: JP2022513603A; US20210268427A1; CN113015571A; DE112019005781A5; KR20210090626A; WO2020104106A1; JP7459090B2; DE102018128963A1

Abstract

Filterkörper (6) für ein Filterelement (2), mit einem Filtermedium (8), das mehrere übereinander angeordnete Filterlagen (9 - 13) umfasst, wobei die Filterlagen (9 - 13) jeweils zumindest ein Aktivmaterial umfassen, wobei das zumindest eine Aktivmaterial in allen Filterlagen (9-13) das Gleiche ist, und wobei die Filterlagen (9-13) seriell durchströmbar sind, wobei der Filterkörper (6) mehrere Sensoreinrichtungen (15 - 18) aufweist, wobei zwischen zumindest zwei benachbarten Filterlagen (9 - 13) jeweils eine Sensoreinrichtung (15 - 18) angeordnet ist, so dass die Sensoreinrichtungen (15 - 18) in einer Durchströmungsrichtung (DR) des Filterkörpers (6) nacheinander angeordnet sind, um ein Sorptionsvermögen des Aktivmaterials der einzelnen Filterlagen (9 -13) über eine Lebensdauer des Filterkörpers (6) zu erfassen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Filterkörper für ein Filterelement, ein Filterelement mit einem derartigen Filterkörper und eine Filteranordnung mit einem derartigen Filterelement.
Stand der Technik
Brennstoffzellenfilter oder Pestizidfilter erfordern oftmals eine genaue Vorhersage ihrer Lebensdauer. Diese kann aber aufgrund der sich von Anwender zu Anwender stark unterscheidenden Umgebungsbedingungen nur mit einem für die meisten Anwendungsfälle zu hohen Maß an Sicherheit angegeben werden. Da jedoch derartige Brennstoffzellenfilter oder Pestizidfilter oftmals hochpreisig sind, ist es erstrebenswert, ein möglichst großes Wartungsintervall zu verwirklichen.
KR 10 2012 0 016 525 A betrifft einen Filteraufbau für einen Luftreiniger. Dieser verfügt über diverse seriell durchströmbare Filterstufen, nämlich eine Aktivkohlefilterstufe, eine Geruchsfilterstufe, eine Partikelfilterstufe, eine antibakterielle Filterstufe und eine HEPA-Stufe. Dem Geruchsfilter und dem antibakteriellen Filter sind jeweils Sensoren zugeordnet, die einen Austausch der jeweiligen Filterschicht signalisieren sollen.
Ferner ist aus DE 10 2013 008 389 A1 ein Filterelement bekannt, das eine hohlzylindrische Form aufweist und einen Filtermediumkörper aus einem gewickelten Filtermedium aufweist. Das gewickelte Filtermedium umfasst zumindest ein Adsorbens, beispielsweise eine Aktivkohle. In Ausführungsformen ist dem gewickelten Filtermedium ein Partikelfiltermedium fluidisch vor- oder nachgeschaltet, das insbesondere gefaltet sein kann. Der Filtermediumkörper ist an einem Ende von einer geschlossenen Endscheibe abgedeckt und an einem anderen Ende von einer offenen Endscheibe.
Die den Filterlagen zugeordneten Sensoren sind somit in Durchströmungsrichtung nacheinander angeordnet, jedoch kann, da die jeweiligen Filterstufen typverschieden sind, kein graduelles „Verbrauchen“ einer Sorptionskapazität bestimmt werden, vielmehr wird dort lediglich ein binärer Wert für einen Durchbruch der jeweiligen Filterstufe bestimmt.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Filterkörper für ein Filterelement anzugeben.
Demgemäß wird ein Filterkörper für ein Filterelement vorgeschlagen. Der Filterkörper weist ein Filtermedium, das mehrere übereinander angeordnete Filterlagen umfasst, und mehrere Sensoreinrichtungen auf, wobei zwischen zwei benachbarten Filterlagen jeweils eine Sensoreinrichtung angeordnet ist, so dass die Sensoreinrichtungen in einer Durchströmungsrichtung des Filterkörpers nacheinander angeordnet sind, um ein Sorptionsvermögen des Aktivmaterials der einzelnen Filterlagen über eine Lebensdauer des Filterkörpers zu erfassen. Die Filterlagen umfassen jeweils zumindest ein Aktivmaterial, wobei das zumindest eine Aktivmaterial in allen Filterlagen das Gleiche ist. Die Filterlagen, in denen die Sensoreinrichtungen vorgesehen sind, sind seriell durchströmbar. Bevorzugt umfasst das Aktivmaterial zumindest ein Sorbens bzw. Sorptionsmaterial, das in allen Filterlagen das Gleiche ist.
Unter „benachbart“ werden im Sinne der Erfindung nicht lediglich unmittelbar aneinander angrenzende Filterlagen bezeichnet, sondern auch mittelbar aneinander angrenzende Filterlagen, d.h. solche Filterlagen, zwischen denen sich eine oder mehrere weitere, insbesondere sensorfreie Filterlagen befinden. Der Kerngedanke der Erfindung besteht darin, einen Verbrauch der Sorptionskapazität der Filterlagen nicht lediglich „binär“ für den gesamten Filterkörper erfassen zu können, sondern mit einer vorbestimmten Anzahl Zwischenwerten, welche durch Anordnung von Sensoreinrichtungen in mehreren der Filterlagen ermöglicht wird.
Um eine möglichst gute Messgenauigkeit zu erhalten ist es bevorzugt, dass zwischen jeder der benachbarten Filterlagen eine Sensoreinrichtung vorliegt.
Das Filterelement ist vorzugsweise ein Luftfilterelement. Insbesondere ist das Filterelement ein Brennstoffzellenfilter oder ein Pestizidfilter. Vorzugsweise findet das Filterelement in Kraftfahrzeugen, Lastkraftwagen, Baufahrzeugen, Wasserfahrzeugen, Schienenfahrzeugen, landwirtschaftlichen Maschinen bzw. Fahrzeugen oder Luftfahrzeugen Anwendung. Das Filterelement kann auch bei immobilen Anwendungen, beispielsweise in der Gebäudetechnik, Anwendung finden.
Das Filtermedium ist insbesondere ein Filterpapier, ein Filtergewebe, ein Filtergelege oder ein Filtervlies. Insbesondere kann das Filtermedium in einem Spinnvlies- oder Meltblown-Verfahren hergestellt sein oder eine derartige, auf einem Vlies- oder Celluloseträger aufgebrachte Faserlage umfassen. Weiter kann das Filtermedium verfilzt oder vernadelt sein. Das Filtermedium kann Naturfasern, wie Cellulose oder Baumwolle, oder Kunstfasern, beispielsweise aus Polyester, Polyvinylsulfid oder Polytetrafluorethylen, aufweisen. Das Filtermedium ist bevorzugt nicht gefaltet, sondern glatt.
Das Filtermedium beziehungsweise die einzelnen Filterlagen umfassen bevorzugt ein Sorptionsmittel oder mehrere unterschiedliche Sorptionsmittel. Unter „Sorption“ sind vorliegend Vorgänge zu verstehen, die zur Anreicherung eines Stoffes innerhalb einer Phase oder auf einer Grenzfläche zwischen zwei Phasen führen. Die Anreicherung innerhalb einer Phase wird genauer als Absorption bezeichnet, die Anreicherung an der Grenzfläche wird als Adsorption bezeichnet. Das Sorptionsmittel kann auch als Sorbens oder Sorbent bezeichnet werden. Ein System aus einem angelagerten beziehungsweise eingelagerten, das heißt sorbierten Stoff mit dem Sorptionsmittel kann als Sorbat bezeichnet werden.
Die Anzahl der Filterlagen und die Anzahl der Sensoreinrichtungen ist jeweils beliebig. Beispielsweise sind eine erste Filterlage, eine zweite Filterlage, eine dritte Filterlage, eine vierte Filterlage und eine fünfte Filterlage vorgesehen. Dabei ist jeweils zwischen der ersten Filterlage und der zweiten Filterlage eine Sensoreinrichtung, zwischen der zweiten Filterlage und der dritten Filterlage eine Sensoreinrichtung, zwischen der dritten Filterlage und der vierten Filterlage eine Sensoreinrichtung und zwischen der vierten Filterlage und der fünften Filterlage eine Sensoreinrichtung positioniert. Die „Durchströmungsrichtung“ ist definiert als eine Strömungsrichtung eines durch den Filterkörper strömenden Fluids, insbesondere Luft. Die Durchströmungsrichtung ist von einer Rohseite des Filterkörpers zu einer Reinseite desselben gerichtet.
Das zu filternde oder zu reinigende Fluid ist vorzugsweise Luft. Das zu filternde Fluid umfasst aus dem Fluid zu entfernende Substanzen. Diese Substanzen können beispielsweise Gas- und/oder Geruchsstoffe sein. Beispielsweise können die Substanzen n-Butan, flüchtige organische Verbindungen (Engl.: volatile organic compounds, VOC), Stickoxide (NOx), Schwefeldioxid (SO2), Schwefelwasserstoff (H2S), Ammoniak (NH3) und/oder Formaldehyd (CH2O) umfassen. Das Sorptionsmittel oder die Sorptionsmittel in den unterschiedlichen Filterlagen sind nun geeignet, diese zu entfernenden Substanzen aus dem zu filternden Fluid zu entfernen.
In der Durchströmungsrichtung betrachtet sind die Filterlagen übereinander angeordnet. Die Sensoreinrichtungen sind in der Durchströmungsrichtung betrachtet insbesondere in Serie oder in Reihe angeordnet. Insbesondere können die Sensoreinrichtungen auch jeweils unmittelbar in der ihnen zugeordneten Filterlage angeordnet sein. Unter einem „Sorptionsvermögen“ der jeweiligen Filterlage ist vorliegend die Eignung der jeweiligen Filterlage zu verstehen, die in dem Fluid enthaltenen und aus diesem zu entfernenden Substanzen durch Sorption aus dem Fluid zu entfernen. Mit Hilfe der Sensoreinrichtungen ist ermittelbar, ob die jeweilige Filterlage noch dazu in der Lage ist, die zu entfernenden Substanzen aus dem Fluid zu entfernen, oder ob die zu entfernenden Substanzen durch die jeweilige Filterlage hindurchbrechen. Es kann mit Hilfe der Sensoreinrichtungen also für jede Filterlage bestimmt werden, ob diese die zu entfernenden Substanzen noch aus dem Fluid entfernt oder nicht. Insbesondere weisen die Filterlagen vor der Inbetriebnahme des Filterkörpers ein Sorptionsvermögen von 100% auf. Sobald die zu entfernenden Substanzen durch die jeweilige Filterlage hindurchbrechen, weist diese ein Sorptionsvermögen von 0% auf.
Dadurch, dass mehrere Sensoreinrichtungen vorgesehen sind, und dadurch, dass diese zwischen den Filterlagen angeordnet sind, ist es möglich, eine Restlebensdauer des Filterkörpers mit einer hohen Genauigkeit anzuzeigen. Ein Austausch des Filterkörpers ist erst dann erforderlich, wenn eine der Reinseite des Filterkörpers am nächsten liegende Sensoreinrichtung ein Signal ausgibt, dass die ihr zugeordnete Filterlage die aus dem Fluid zu entfernenden Substanzen nicht mehr aufnehmen beziehungsweise sorbieren kann.
In Ausführungsformen ist das Filtermedium in mehrere einzelne Filterlagen unterteilt, die übereinandergestapelt sind, oder das Filtermedium ist aufgewickelt. In dem ersten genannten Fall ist der Filterkörper ein Stapelkörper. In dem zweiten erwähnten Fall ist der Filterkörper ein Wickelkörper. Für den Fall, dass das Filtermedium in mehrere einzelne Filterlagen unterteilt ist, ist das Filtermedium mehrteilig ausgebildet. Die einzelnen Filterlagen sind übereinandergestapelt. Für den Fall, dass das Filtermedium aufgewickelt ist, kann dieses beispielsweise auf ein Stützrohr oder Mittelrohr des Filtermediums spiralförmig aufgewickelt sein.
In Ausführungsformen umfasst das Aktivmaterial der Filterlagen Aktivkohle, insbesondere unbehandelte Aktivkohle, katalytische Aktivkohle oder imprägnierte Aktivkohle, einen lonentauscher, Adsorbentien, insbesondere Kaliumpermanganat, Chemiesorbentien, ein Trockenmittel und/oder Oxidationsmittel. Die einzelnen Filterlagen sind dabei alle identisch mit zumindest einer der vorgenannten Substanzen belegt oder einzelne Filterlagen sind mit unterschiedlichen Substanzen belegt. Die Substanzen können beispielsweise mit dem Filtermedium verklebt sein.
In Ausführungsformen umfassen die Sensoreinrichtungen optoelektronische Sensoren, elektrochemische Sensoren und/oder Gassensoren. Mit Hilfe eines optoelektronischen Sensors, beispielsweise mit Hilfe einer Fotodiode oder Fotozelle, können Farbumschläge der Filterlagen erfasst werden. Ein Farbumschlag kann dann erfolgen, wenn die zu entfernenden Substanzen durch die jeweilige Filterlage hindurchtreten. Zum Erzeugen eines Farbumschlags kann ein Farbstoff vorgesehen sein. Mit Hilfe eines elektrochemischen Sensors oder eines Gassensors können die aus dem Fluid zu entfernenden Substanzen bei einem Durchbruch durch die jeweilige Filterlage direkt ermittelt werden. Die Sensoreinrichtungen bilden zusammen eine Sensoreinheit des Filterkörpers.
In Ausführungsformen ist jede Sensoreinrichtung dazu eingerichtet, eine binäre Information auszugeben, ob die der jeweiligen Sensoreinrichtung zugeordnete Filterlage ein zu reinigendes Fluid von zu entfernenden Substanzen reinigt oder ob diese Substanzen durch die Filterlage durchbrechen. Die binäre Information besteht darin, eine Aussage zu treffen, ob die jeweilige Filterlage die zu entfernenden Substanzen noch aus dem Fluid entfernt oder nicht mehr.
In Ausführungsformen umfasst der Filterkörper ferner ein an dem Filterkörper angebrachtes Kontaktelement, das mit den Sensoreinrichtungen in Wirkverbindung ist. Das Kontaktelement kann beispielsweise ein Stecker oder eine Buchse sein. Das Kontaktelement kann beispielsweise mit Hilfe von elektrischen Leitungen mit den Sensoreinrichtungen in Wirkverbindung sein. Die Wirkverbindung kann jedoch auch eine drahtlose Verbindung zwischen den Sensoreinrichtungen und dem Kontaktelement sein. Das Kontaktelement ist insbesondere geeignet, in eine korrespondierende Schnittstelle einer Filteraufnahme des Filterelements einzugreifen. Die Schnittstelle kann beispielsweise ebenfalls ein Stecker oder eine Buchse sein.
Ferner wird ein Filterelement, insbesondere ein Brennstoffzellenfilter oder ein Pestizidfilter, mit einem derartigen Filterkörper vorgeschlagen. Das Filterelement kann neben dem Filterkörper beispielsweise zwei Endscheiben aufweisen, zwischen denen der Filterkörper angeordnet ist. Ferner kann das Filterelement ein Mittelrohr oder Stützrohr aufweisen, auf das das Filtermedium zum Bilden des Filterkörpers aufgewickelt ist. Für den Fall, dass das Filterelement ein Stapelfilter ist, kann das Filterelement neben dem plattenförmigen Filterkörper Kopfbänder und Seitenbänder aufweisen, die den Filterkörper rahmenförmig umgeben.
Ferner wird eine Filteranordnung mit einer Filteraufnahme und einem derartigen in der Filteraufnahme aufgenommenen Filterelement vorgeschlagen. Die Filteraufnahme ist vorzugsweise mehrteilig und umfasst zumindest einen Deckel, der abnehmbar ist, um das Filterelement auszutauschen. Die Filteraufnahme kann beispielsweise auch als Gehäuse oder Filtergehäuse bezeichnet werden.
In Ausführungsformen weist die Filteraufnahme eine Schnittstelle auf, mit deren Hilfe Sensorsignale der Sensoreinrichtungen auslesbar sind. Die Schnittstelle kann, wie zuvor erwähnt, ein Stecker oder eine Buchse sein, in die das Kontaktelement des Filterkörpers einsteckbar ist. Die Schnittstelle kann jedoch auch direkt mit den Sensoreinrichtungen in Wirkverbindung sein. Beispielsweise ist die Schnittstelle mit den Sensoreinrichtungen verkabelt. Alternativ kann auch eine drahtlose Verbindung zwischen der Schnittstelle und den Sensoreinrichtungen zum Auslesen der Sensorsignale vorgesehen sein.
In Ausführungsformen sind die Sensoreinrichtungen an der Filteraufnahme angebracht, so dass die Sensoreinrichtungen bei einem Einführen des Filterelements in die Filteraufnahme in den Filterkörper eindringen und bei einem Entnehmen des Filterelements aus der Filteraufnahme aus dem Filterkörper herausziehbar sind. In diesem Fall sind die Sensoreinrichtungen nicht dem Filterkörper, sondern der Filteraufnahme zugeordnet. Die Sensoreinrichtungen können an stabförmigen oder lanzenförmigen Elementen angebracht werden, die bei einem Einführen des Filterelements in die Filteraufnahme in den Filterkörper eindringen. Alternativ können die Sensoreinrichtungen, wie zuvor erwähnt, auch dem Filterkörper zugeordnet sein und beispielsweise mit diesem verklebt sein. In diesem Fall sind die Sensoreinrichtungen nicht fest mit der Filteraufnahme verbunden.
Figurenliste
Es zeigt dabei:

1: eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform einer Filteranordnung;
2: eine weitere schematische Schnittansicht der Filteranordnung gemäß der Schnittlinie II-II der 1;
3: eine schematische perspektivische Teilschnittansicht einer Ausführungsform eines Filterelements für die Filteranordnung gemäß 1;
4: eine weitere schematische perspektivische Teilschnittansicht des Filterelements gemäß 3;
5: eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer Filteranordnung; und
6: eine weitere schematische Schnittansicht der Filteranordnung gemäß der Schnittlinie VI-VI der 5.

In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente, sofern nichts anderes angegeben ist, mit denselben Bezugszeichen versehen worden.
Ausführungsform(en) der Erfindung
1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform einer Filteranordnung 1. 2 zeigt eine weitere Schnittansicht der Filteranordnung 1 gemäß der Schnittlinie II-II der 1. 3 zeigt eine schematische perspektivische Teilschnittansicht einer Ausführungsform eines Filterelements 2 für die Filteranordnung 1 gemäß 1. 4 zeigt eine weitere schematische perspektivische Teilschnittansicht des Filterelements 2. Nachfolgend wird auf 1 bis 4 gleichzeitig Bezug genommen.
Die Filteranordnung 1 kann auch als Filtersystem bezeichnet werden. Die Filteranordnung 1 umfasst eine Filteraufnahme 3 und das in der Filteraufnahme 3 angeordnete Filterelement 2. Die Filteraufnahme 3 kann auch als Gehäuse oder Filtergehäuse bezeichnet werden. Die Filteraufnahme 3 ist vorzugsweise mehrteilig und umfasst zumindest einen abnehmbaren Deckel, so dass das Filterelement 2 ausgetauscht werden kann.
Die Filteranordnung 1 findet vorzugsweise als Brennstoffzellenfilteranordnung oder als Pestizidfilteranordnung Anwendung. Beispielsweise kann die Filteranordnung 1 in Kraftfahrzeugen, Lastkraftwagen, Baufahrzeugen, Wasserfahrzeugen, Schienenfahrzeugen, landwirtschaftlichen Maschinen beziehungsweise Fahrzeugen oder Luftfahrzeugen Anwendung finden. Die Filteranordnung 1 kann auch bei immobilen Anwendungen, beispielsweise in der Gebäudetechnik, Anwendung finden. Das Filterelement 2 ist insbesondere dazu geeignet, Luft zu filtern. Insbesondere kann das Filterelement 2 ein Brennstoffzellenfilter oder ein Pestizidfilter sein.
Innerhalb der Filteraufnahme 3, das heißt in einem Innenraum 4 der Filteraufnahme 3, ist das Filterelement 2 angeordnet. Ebenfalls in dem Innenraum 4 ist eine Schnittstelle 5 vorgesehen, deren Funktionsweise nachfolgend noch erläutert wird. Das Filterelement 2 umfasst einen Filterkörper 6. Der Filterkörper 6 ist zylinderförmig, insbesondere kreiszylinderförmig, und kann rotationssymmetrisch zu einer Mittel- oder Symmetrieachse 7 aufgebaut sein.
Neben dem Filterkörper 6 kann das Filterelement 2 zwei endseitig an dem Filterkörper 6 angeordnete Endscheiben umfassen, die jedoch in 1 bis 4 nicht gezeigt sind. Die Endscheiben sind vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial gefertigt. Beispielsweise können die Endscheiben als kostengünstige Kunststoffspritzgussbauteile ausgebildet sein. Die Endscheiben können auch aus einem insbesondere in Gießschalen gegossenen, bevorzugt geschäumten, Polyurethanmaterial gefertigt sein. Die Endscheiben können an den Filterkörper 6 angegossen sein. Der Filterkörper 6 ist zwischen den Endscheiben angeordnet und kann mit diesen verschmolzen, verklebt oder verschweißt sein. Innenseitig in dem Filterkörper 6 kann ein Stützrohr oder Mittelrohr aufgenommen sein. Auf dieses Stützrohr oder Mittelrohr kann der Filterkörper 6 aufgewickelt sein.
Der Filterkörper 6 umfasst ein Filtermedium 8. Das Filtermedium 8 ist als Wickel auf das zuvor erwähnte Mittelrohr aufgewickelt und bildet so mehrere übereinander angeordnete Filterlagen 9 bis 13. Das Filtermedium 8 ist beispielsweise ein Filterpapier, ein Filtergewebe, ein Filtergelege oder ein Filtervlies. Insbesondere kann das Filtermedium 8 in einem Spinnvlies- oder Meltblown-Verfahren hergestellt sein oder eine derartige, auf einem Vlies- oder Celluloseträger aufgebrachte Faserlage umfassen. Weiter kann das Filtermedium 8 verfilzt oder vernadelt sein. Das Filtermedium 8 kann Naturfasern, wie Cellulose, oder Baumwolle oder Kunstfasern, beispielsweise aus Polyester, Polyvinylsulfid oder Polytetrafluorethylen, aufweisen. Fasern des Filtermediums 8 können bei der Verarbeitung in, schräg und/oder quer oder ungeordnet zu einer Maschinenrichtung orientiert sein.
Die jeweiligen Filterlagen 9 bis 13 umfassen ein Aktivmaterial, insbesondere Sorptionsmaterial. Unter „Sorption“ ist vorliegend eine Sammelbezeichnung für Vorgänge, die zu einer Anreicherung eines Stoffes innerhalb einer Phase oder auf einer Grenzfläche zwischen zwei Phasen führen. Die Anreicherung innerhalb einer Phase wird genauer Absorption genannt, und die Anreicherung an der Grenzfläche Adsorption. Insbesondere umfassen die Filterlagen 9 bis 13 jeweils Aktivkohle, insbesondere unbehandelte Aktivkohle, katalytische Aktivkohle oder imprägnierte Aktivkohle, einen lonentauscher, Trockenmittel, Adsorbentien, insbesondere Kaliumpermanganat, Chemiesorbentien und/oder Oxidationsmittel.
Insbesondere können die Filterlagen 9 bis 13 auch jeweils einen Farbstoff umfassen, der geeignet ist, einen Farbumschlag zu erzeugen, wenn das Sorptionsvermögen der jeweiligen Filterlage 9 bis 13 erschöpft ist. Unter „Sorptionsvermögen“ ist vorliegend die Eigenschaft der jeweiligen Filterlage 9 bis 13 zu verstehen, zu entfernende Substanzen, wie beispielsweise Gas- und/oder Geruchsstoffe, insbesondere n-Butan, flüchtige organische Verbindungen (Engl.: volatile organic compounds, VOC), Stickoxide (NOx), Schwefeldioxid (SO2), Schwefelwasserstoff (H2S), Ammoniak (NH3) oder Formaldehyd (CH2O) aus einem zu reinigenden Fluid L, insbesondere Luft, herauszufiltern. Die jeweilige Filterlage 9 bis 13 weist vor Gebrauch ein Sorptionsvermögen von 100% auf. Sobald die aus dem Fluid L zu entfernenden Substanzen durch die jeweilige Filterlage 9 bis 13 hindurchbrechen, weist diese ein Sorptionsvermögen von 0% auf.
Das zu reinigende Fluid L tritt im Betrieb der Filteranordnung 1 von einer Rohseite RO des Filterelements 2 durch das gewickelte Filtermedium 8 hindurch zu einer Reinseite RL des Filterelements 2. Der Filterkörper 6 umfasst dabei eine Durchströmungsrichtung DR, die von der Rohseite RO hin zu der Reinseite RL orientiert ist. In der Durchströmungsrichtung DR betrachtet sind die Filterlagen 9 bis 13 übereinander positioniert.
Der Filterkörper 6 umfasst weiterhin eine Sensoreinheit 14, die geeignet ist, das Sorptionsvermögen der Filterlagen 9 bis 13 zu erfassen. Die Sensoreinheit 14 umfasst eine Vielzahl an Sensoreinrichtungen 15 bis 18, die jeweils zwischen zwei benachbarten Filterlagen 9 bis 13 angeordnet sind. Zwischen den Filterlagen 9, 10 ist eine erste Sensoreinrichtung 15, zwischen den Filterlagen 10, 11 ist eine zweite Sensoreinrichtung 16, zwischen den Filterlagen 12, 13 ist eine dritte Sensoreinrichtung 17 und zwischen den Filterlagen 12, 13 ist eine vierte Sensoreinrichtung 18 angeordnet. Die Sensoreinrichtungen 15 bis 18 können fest mit dem Filterkörper 6 verbunden sein. Beispielsweise sind die Sensoreinrichtungen 15 bis 18 mit dem Filterkörper 6 verklebt. Beispielsweise können die Sensoreinrichtungen 15 bis 18 bei einem Aufwickeln des Filtermediums 8 zwischen die Filterlagen 9 bis 13 verbracht werden.
Alternativ kann die Sensoreinheit 14 auch der Filteraufnahme 3 zugeordnet sein, so dass die Sensoreinrichtungen 15 bis 18 an der Filteraufnahme 3 montiert sind. In diesem Fall dringen die Sensoreinrichtungen 15 bis 18 bei einem Einführen des Filterelements 2 in die Filteraufnahme 3 in den Filterkörper 6 ein. Dementsprechend werden die Sensoreinrichtungen 15 bis 18 bei einem Entnehmen des Filterelements 2 aus der Filteraufnahme 3 wieder aus dem Filterkörper 6 herausgezogen. Hierdurch kann die Sensoreinheit 14 bei einem Wechsel des Filterelements 2 beliebig oft wiederverwendet werden. Die Sensoreinrichtungen 15 bis 18 umfassen beispielsweise optoelektronische Sensoren, elektrochemische Sensoren und/oder Gassensoren. Beispielsweise kann ein optoelektronischer Sensor in Form einer Fotozelle einen Farbumschlag der jeweiligen Filterlage 9 bis 13 erfassen.
Die Sensoreinrichtungen 15 bis 18 sind in der Durchströmungsrichtung DR betrachtet nacheinander oder in Serie angeordnet. Somit kann das Sorptionsvermögen der Filterlagen 9 bis 13 über eine Lebensdauer des Filterkörpers 6 stufenweise erfasst werden. Im Betrieb der Filteranordnung 1 durchströmt das zu reinigende Fluid L den Filterkörper 6 in der Durchströmungsrichtung DR. Dementsprechend wird zunächst die äußerste Filterlage 13 ihr Sorptionsvermögen verlieren. Dementsprechend gibt die Sensoreinrichtung 18, sobald die aus dem Fluid L zu entfernenden Substanzen die Filterlage 13 durchbrechen, ein entsprechendes Signal aus. Das Filterelement 2 kann jedoch so lange genutzt werden, bis die am nächsten an der Reinseite RL liegende Sensoreinrichtung 15 ein entsprechendes Signal ausgibt. Sobald die Sensoreinrichtung 15 das Signal ausgibt, dass die Filterlage 10 kein ausreichendes Sorptionsvermögen mehr aufweist, ist das Filterelement 2 zu wechseln. Insbesondere ist jede Sensoreinrichtung 15 bis 18 geeignet, eine binäre Information auszugeben, ob die der jeweiligen Sensoreinrichtung 15 bis 18 zugeordnete Filterlage 9 bis 13 das zu filternde Fluid L von den zu entfernenden Substanzen reinigt oder ob diese Substanzen durch die jeweilige Filterlage 9 bis 13 durchbrechen.
Die Sensoreinrichtungen 15 bis 18 können entlang der Symmetrieachse 7 betrachtet, wie in 1 gezeigt, zueinander versetzt angeordnet sein. Alternativ können die Sensoreinrichtungen 15 bis 18 in der Durchströmungsrichtung DR betrachtet auch unmittelbar hintereinander positioniert sein.
Wie 4 zeigt, kann der Filterkörper 6 ferner ein Kontaktelement 19 umfassen, das mit den Sensoreinrichtungen 15 bis 18 in Wirkverbindung ist. Das Kontaktelement 19 kann beispielsweise mit Hilfe zwischen den Filterlagen 9 bis 13 angeordneter Kabel oder Leiterbahnen mit den Sensoreinrichtungen 15 bis 18 in Verbindung sein. Alternativ kann die Signalübertragung von den Sensoreinrichtungen 15 bis 18 zu dem Kontaktelement 19 auch drahtlos erfolgen. Das Kontaktelement 19 ist geeignet, mit der Schnittstelle 5 der Filteraufnahme 3 wechselzuwirken. Beispielsweise kann das Kontaktelement 19 ein Stecker sein, der geeignet ist, in die als Gegenstecker oder Buchse ausgebildete Schnittstelle 5 einzugreifen.
5 zeigt eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines Filterelements 2. 6 zeigt eine weitere schematische Schnittansicht des Filterelements 2 gemäß der Schnittlinie VI-VI gemäß 5. Das Filterelement 2 gemäß 5 und 6 unterscheidet sich von dem Filterelement 2 gemäß 1 bis 4 im Wesentlichen dadurch, dass das Filtermedium 8 nicht aufgewickelt, sondern in mehrere voneinander getrennte einzelne Filterlagen 9 bis 13 unterteilt sind, die übereinandergestapelt angeordnet sind.
Die Funktionsweise des Filterelements 2 gemäß 5 und 6 entspricht dabei der Funktionsweise des Filterelements 2 gemäß 1 bis 4. Wie 5 und 6 zeigen, umfasst das Filterelement 2 neben dem Filterkörper 6 Seitenbänder 20, 21 sowie Kopfbänder 22, 23, die den Filterkörper 6 rahmenförmig umlaufen. Auf den außen liegenden Filterlagen 9, 13 kann jeweils auch noch eine abschließende Lage 24, 25 aufgelegt sein. Die abschließende Lage 24, 25 kann beispielsweise eine Filtervlieslage sein.
Insbesondere bei Brennstoffzellenfiltern oder Pestizidfiltern ist eine genaue Vorhersage der Lebensdauer erforderlich. Diese kann aber aufgrund der sich von Anwender zu Anwender stark unterscheidenden Umgebungsbedingungen nur mit einem für die meisten Anwendungsfälle zu hohen Maß an Sicherheit angegeben werden. Da derartige Brennstoffzellenfilter oder Pestizidfilter oft hochpreisig sind, sind möglichst hohe Wartungsintervalle anzustreben. Mit Hilfe der in dem Filterkörper 6 aufgenommenen Sensoreinheiten 15 bis 18 ist nun eine genaue Vorhersage der Lebensdauer des Filterelements 2 möglich. Ein Austausch des Filterelements 2 ist erst dann erforderlich, wenn das Sorptionsvermögen des Filterkörpers 6 nahezu erschöpft ist.
Bezugszeichenliste

1: Filteranordnung
2: Filterelement
3: Filteraufnahme
4: Innenraum
5: Schnittstelle
6: Filterkörper
7: Symmetrieachse
8: Filtermedium
9: Filterlage
10: Filterlage
11: Filterlage
12: Filterlage
13: Filterlage
14: Sensoreinheit
15: Sensoreinrichtung
16: Sensoreinrichtung
17: Sensoreinrichtung
18: Sensoreinrichtung
19: Kontaktelement
20: Seitenband
21: Seitenband
22: Kopfband
23: Kopfband
24: Lage
25: Lage
DR: Durchströmungsrichtung
L: Fluid
RL: Reinseite
RO: Rohseite

Claims

Filterkörper (6) für ein Filterelement (2), mit einem Filtermedium (8), das mehrere übereinander angeordnete Filterlagen (9 - 13) umfasst, wobei die Filterlagen (9 - 13) jeweils zumindest ein Aktivmaterial umfassen, wobei das zumindest eine Aktivmaterial in allen Filterlagen (9-13) das Gleiche ist, und wobei die Filterlagen (9-13) seriell durchströmbar sind, wobei der Filterkörper (6) mehrere Sensoreinrichtungen (15 - 18) aufweist, wobei zwischen zumindest zwei benachbarten Filterlagen (9 - 13) jeweils eine Sensoreinrichtung (15 - 18) angeordnet ist, so dass die Sensoreinrichtungen (15 - 18) in einer Durchströmungsrichtung (DR) des Filterkörpers (6) nacheinander angeordnet sind, um ein Sorptionsvermögen des Aktivmaterials der einzelnen Filterlagen (9 -13) über eine Lebensdauer des Filterkörpers (6) zu erfassen.
Filterkörper nach Anspruch 1, wobei das Filtermedium (8) in mehrere einzelne Filterlagen (9 - 13) unterteilt ist, die übereinandergestapelt sind, oder wobei das Filtermedium (8) aufgewickelt ist.
Filterkörper nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Aktivmaterial der Filterlagen (9 - 13) Aktivkohle, insbesondere unbehandelte Aktivkohle, katalytische Aktivkohle oder imprägnierte Aktivkohle, einen lonentauscher, Adsorbentien, insbesondere Kaliumpermanganat, Chemiesorbentien, ein Trockenmittel und/oder Oxidationsmittel umfasst.
Filterkörper nach einem der Ansprüche 1-3, wobei die Sensoreinrichtungen (15 - 18) optoelektronische Sensoren, elektrochemische Sensoren und/oder Gassensoren umfassen.
Filterkörper nach einem der Ansprüche 1-4, wobei jede Sensoreinrichtung (15 - 18) dazu eingerichtet ist, eine binäre Information auszugeben, ob die der jeweiligen Sensoreinrichtung (15 - 18) zugeordnete Filterlage (9 - 13) ein zu reinigendes Fluid (L) von zu entfernenden Substanzen reinigt oder ob diese Substanzen durch die Filterlage (9 - 13) durchbrechen.
Filterkörper nach einem der Ansprüche 1-5, ferner umfassend ein an dem Filterkörper (6) angebrachtes Kontaktelement (19), das mit den Sensoreinrichtungen (15 - 18) in Wirkverbindung ist.
Filterelement (2), insbesondere Brennstoffzellenfilter oder Pestizidfilter, mit einem Filterkörper (6) nach einem der Ansprüche 1-6.
Filteranordnung (1) mit einer Filteraufnahme (3) und einem in der Filteraufnahme (3) aufgenommenen Filterelement (2) nach Anspruch 7.
Filteranordnung nach Anspruch 8, wobei die Filteraufnahme (3) eine Schnittstelle (5) aufweist, mit deren Hilfe Sensorsignale der Sensoreinrichtungen (15 - 18) auslesbar sind.
Filteranordnung nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Sensoreinrichtungen (15 - 18) an der Filteraufnahme (3) angebracht sind, so dass die Sensoreinrichtungen (15 - 18) bei einem Einführen des Filterelements (2) in die Filteraufnahme (3) in den Filterkörper (6) eindringen und bei einem Entnehmen des Filterelements (2) aus der Filteraufnahme (3) aus dem Filterkörper (6) herausziehbar sind.