DE19931307A1 - Vorrichtung zum Filtern eines mit Partikeln behafteten Fluids - Google Patents

Abstract

Eine Vorrichtung dient zum Filtern eines mit Partikeln behafteten Fluids, insbesondere eines Rußpartikel transportierenden Abgases einer Maschine. Die Vorrichtung ist mit einem Außenbehälter und wenigstens einer Filtereinrichtung aus einem porösen Material versehen. Das poröse Material jeder der wenigstens einen Filtereinrichtung weist mehrere in Strömungsrichtung verlaufende Faltungen auf. Außerdem weist das poröse Material in seinem Querschnitt eine geschlossene geometrische Form mit wenigstens einer inneren Öffnung auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Filtern eines mit Partikeln behafteten Fluids, insbesondere eines Rußpartikel transportierenden Abgases einer Ma­ schine, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.

Allgemein bekannt sind Filtereinrichtungen aus porösen Materialien, wobei diese Filtereinrichtungen üblicher­ weise in einem Außenbehälter angeordnet sind. Als Ma­ terial für die Filtereinrichtungen dient dabei im all­ gemeinen ein poröses Material, welches z. B. ein Sin­ termaterial aus metallischen Werkstoffen oder auch aus Glas oder Kunststoffen sein kann.

Üblicherweise sind die Filtereinrichtungen, insbeson­ dere wenn sie als Rußfilter für Abgasanlagen von Ma­ schinen gedacht sind, aus hintereinanderliegenden Fil­ terplatten aus dem oben genannten porösen Material in einem Außenbehälter aufgebaut.

Beim Einsatz der Filtereinrichtungen als Rußfilter für die Abgase einer Maschine werden dabei häufig Fil­ tereinrichtung und Schalldämpfer im Abgasstrang der Maschine zu einer Einheit zusammengefaßt.

Das zu filternde Fluid muß bei diesem üblichen Aufbau der Filteranlagen eine oder mehrere Schichten aus dem porösen Material durchdringen, um eine ausreichende Reinigungswirkung zu erzielen. Dabei entstehen, durch die erforderlichen großen Oberflächen an porösem Mate­ rial, vielschichtige Filter, welche dem strömenden Fluid einen sehr hohen Strömungswiderstand entgegen­ stellen.

Alternativen hierzu liegen darin, die Partikelfilter aus Metallgestricken oder aufgerauhtem Aluminiumoxyd- Garn herzustellen.

Aus der US 2,926,743 ist ein Freifluß-Schalldämpfer für eine Abgasanlage bekannt, welcher aus zwei inein­ anderliegenden Rohrelementen besteht, wobei das Innere der Rohrelemente eine in seinem Querschnitt sternför­ mige Form aufweist, welche mit einem Abschlußelement in der Art einer Venturi-Düse in das Außenrohr mündet. Dieser Freifluß-Schalldämpfer ist dabei in der Lage die Abgase zu kühlen, ihre Strömungsgeschwindigkeit zu reduzieren und ihre Druckschwankungen effektiv zu ver­ meiden. Dadurch wird eine sehr effiziente Kühlung und Schalldämpfung der Abgase in der Abgasanlage erreicht.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Filtern eines mit Partikeln behafteten Fluids, insbe­ sondere eines Rußpartikel transportierenden Abgases einer Maschine zu schaffen, welches bei idealer Raum­ ausnutzung in einem vorgegebenen Außenbehälter eine große Oberfläche an porösem Filtermaterial aufweist und das außerdem Schallwellen und Druckschwankungen in dem Fluid zu vermindern hilft.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn­ zeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Die eigentliche Filtereinheit in dem Außenbehälter wird erfindungsgemäß dadurch gebildet, daß ein sich in Strömungsrichtung erstreckendes poröses Material ent­ lang dieser Strömungsrichtung mehrfach gefaltet und mit den freien Enden zusammengefügt wird, so daß eine im Querschnitt geschlossene geometrische Form ent­ steht, welche wenigstens eine innere Öffnung aufweist. Das Material kann also z. B. in der Art eines vielzac­ kigen Sterns gefaltet werden, so daß eine Art Rohr mit sternförmigen Querschnitt aus dem porösen Material entsteht.

Das zu filternde Fluid durchdringt diese sternartige Struktur dann von innen nach außen oder von außen nach innen, dadurch daß das Fluid entweder in das poröse Material eingeleitet wird und von dort in den Bereich des Außenbehälters einströmt oder daß das Fluid in den Außenbehälter eingelassen wird und aus der wenigstens einen inneren Öffnung des Querschnitts des porösen Materials abgezogen wird.

Durch die Faltungen ist man dabei in der Lage je nach Anzahl eine an die Erfordernisse bestmöglichst ange­ paßte bzw. größtmögliche Oberflächenquantität in dem üblicherweise in seinen geometrischen Abmessungen vor­ gegebenen Außenbehälter unterzubringen.

Dadurch, daß lediglich die Anzahl und die Form der Faltungen verändert werden muß, kann aus einem endlo­ sen Band des porösen Materials die jeweils erforderli­ che Filtereinrichtung hergestellt werden. Da diese üblicherweise mit numerisch gesteuerten Maschinen pro­ duziert wird, reicht es hier aus, für die jeweils er­ forderliche Filtereinrichtung ein leicht geändertes Steuerungsprogramm zu bevorraten, welches aus dem je­ weils selben Material, ohne ein großes Umrüsten an der Maschine erforderlich zu machen, die an die jeweiligen Erfordernisse angepaßte Filtereinrichtung herstellen kann.

In einer besonders günstigen Ausführungsform der Er­ findung dient der Außenbehälter mit der Filtereinrich­ tung neben der Filterung eines mit Partikeln behafte­ ten Abgases gleichzeitig als Schalldämpfer. Dies be­ deutet, daß durch die Einheit aus Außenbehälter und Filtereinrichtung gegebenenfalls vorliegende Druckwel­ len in den Abgasen vermindert werden, so daß keine störenden Geräusche an die Umgebung der Anlage gelan­ gen können. Auch hierfür ist die große poröse Oberflä­ che annähernd ideal, da sie entsprechende akustische Effekte ermöglicht, welche es den Schallwellen in dem Abgas erlaubt sich "totzulaufen".

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen und den anhand der Zeichnungen nachfolgend dargestellten Aus­ führungsbeispielen.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Querschnitts durch die erfindungsgemäße Vorrichtung;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch die erfindungsgemä­ ße Vorrichtung gemäß der Linie I-I in Fig. 1;

Fig. 3 eine Prinzipdarstellung eines Querschnitts durch eine weitere Ausführungsform der er­ findungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 4 einen Längsschnitt gemäß der Linie IV-IV in Fig. 3;

Fig. 5 eine Prinzipdarstellung eines Querschnitts durch eine weitere mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Kombination mehrerer Filtereinrichtungen; und

Fig. 6 eine weitere alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Kom­ bination mehrerer Filtereinrichtungen.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Ausführungs­ form einer Vorrichtung 1 zum Filtern eines mit Parti­ keln beladenen Fluids bzw. eines Partikelfilters 1. Dabei ist die Filtereinrichtung 2 in einem Außenbehäl­ ter 3 angeordnet und weist in einer inneren Öffnung 4 ein Innenrohr 5 als Stützkonstruktion 5 auf.

Das Innenrohr 5 bzw. Stützkonstruktion 5 dient zur Stabilisierung der Filtereinrichtung 2, welche aus einem porösen Material 6 bzw. Sintermaterial 6 besteht und durch zahlreiche Faltungen in eine Vielzahl von zackenartigen Teilbereichen 7 aufgeteilt ist.

Das Innenrohr 5 ist in dem im Inneren der Filterein­ richtung 2 verlaufenden Bereich aus einem gelochten Material oder gitterartigen Material ausgebildet (in der Darstellung nicht erkennbar) oder weist zumindest Öffnungen auf, welche die innere Öffnung 4 mit den Innenräumen 8 der zackenartigen Teilbereiche 7 verbin­ den.

In Fig. 2 ist ein Querschnitt gemäß der Linie II-II in Fig. 1 dargestellt. Der Außenbehälter 3 umschließt dabei die Filtereinrichtung 3 mit ihren zackenartigen Teilbereichen 7. An dem dargestellten Endbereich des Außenbehälters 3 ist ein den Außenbehälter abdichten­ des Abschlußblech 9 angebracht, durch welches ein End­ bereich 5a des Innenrohrs 5 läuft. Dieser Endbereich 5a des Innenrohrs 5 weist dabei im Gegensatz zu dem Innenrohr 5 im Bereich innerhalb der Filtereinrichtung 2 keine radialen Öffnungen auf.

Zwischen der Filtereinrichtung 2 und dem Endbereich 5a des Innenrohrs 5 liegt in dem hier dargestellten Aus­ führungsbeispiel eine Sammelscheibe 10, welche für einen gasdichten Übergang des strömenden Fluids zwi­ schen der Filtereinrichtung und dem Endbereich des Innenrohrs 5 sorgt.

In Fig. 3 ist eine alternative Ausführungsform des Partikelfilters 1 dargestellt. Er arbeitet nach dem­ selben Funktionsprinzip und weist auch einen ver­ gleichbaren Aufbau wie die unter Fig. 1 dargestellte Ausführungsform auf. Lediglich die Form des Außenbe­ hälters 3 zeigt hier im Vergleich zu Fig. 1 keine run­ de sondern eine ovale geometrische Form. Vergleichba­ res gilt in dem dargestellten Ausführungsbeispiel für das Innenrohr 5. Es wäre jedoch auch durchaus denkbar ein kreisrundes Innenrohr 5 einzusetzen, selbst wenn der Außenbehälter 3 einen ovalen Querschnitt aufweist.

Die zackenartigen Teilbereiche 7 sind hier durch die Faltungen in der Art angeordnet, daß sie von dem In­ nenrohr 5 zu dem Außenbehälter 3 eine jeweils andere radiale Ausdehnung aufweisen. Somit kann das poröse Material 6 durch eine einfache Veränderung der Abstän­ de zwischen den einzelnen Faltungen so angepaßt wer­ den, daß die Filtereinrichtung 2 den zur Verfügung stehenden Raum zwischen dem Innenrohr 5 und dem Außen­ behälter 3 möglichst ideal auszunutzen vermag.

In Fig. 4 ist eine weitere Möglichkeit dargestellt, die Filtereinrichtung 2 mit dem Endbereich 5a des In­ nenrohrs 5 zu verbinden. Dazu wird das poröse Material 6 der Filtereinrichtung 2 um den Endbereich 5a des Innenrohrs 5 zusammengedrückt und durch Verkleben, Verlöten oder Verschweißen mit dem Endbereich 5a des Innenrohrs 5 verbunden.

Prinzipiell sind die in den Fig. 2 und 4 darge­ stellten Möglichkeiten bei jeder denkbaren Form und Anordnung der zackenartigen Teilbereiche 7 bzw. des Außenbehälters 3 einzusetzen. Eine alternative Mög­ lichkeit, welche in den Ausführungsbeispielen nicht dargestellt ist, kann dabei auch auf die Verwendung eines Innenrohrs verzichten, wobei dann die zusammen­ gedrückten Enden der Filtereinrichtung 2 auch von in­ nen in ein mit dem Endbereich 5a des Innenrohrs 5 ver­ gleichbares Anschlußrohrstück gedrückt und verschweißt bzw. verlötet oder verklebt werden können.

Die prinzipielle Funktionsweise der Filtereinrichtung 2 ist dabei in beide Strömungseinrichtungen annähernd gleich, so daß das mit Partikeln behaftete Fluid ei­ nerseits in den Außenbehälter 3 eingeleitet und aus der inneren Öffnung 4 der Filtereinrichtung 2 abgelei­ tet oder andererseits über die innere Öffnung 4 einge­ leitet und über den Außenbehälter 3 abgezogen werden kann. Prinzipiell ändert sich durch die eine oder an­ dere Strömungsrichtung nichts an der Funktionsweise und dem Aufbau des Partikelfilters 1.

Um die jeweils gewünschte Betriebsweise zu realisie­ ren, kann z. B. auf einer Seite eine Verbindung zwi­ schen einem Rohrende gemäß der in Fig. 4 erläuterten Ausführungsform vorgesehen sein, während an dem ande­ ren Ende über eine Sammelscheibe 10 das Fluid so ein­ geleitet oder abgezogen wird, daß das dortige An­ schlußrohr eine Verbindung zu dem Raum zwischen Außen­ behälter 3 und Filtereinrichtung 2 aufweist.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Parti­ kelfilter 1, wobei hier acht Filtereinrichtungen 2 zu einer Einheit kombiniert wurden. In dem in Fig. 5 dar­ gestellten Ausführungsbeispiel wurde dabei auf die Verwendung von Innenrohren 5 verzichtet. Dies ist mög­ lich, wenn das Sintermaterial 6 eine ausreichende Wandstärke und Festigkeit aufweist um die Filterein­ richtung 2 als selbsttragendes Teil konzipieren zu können. Die annähernd quadratische Ausführungsform der jeweiligen Filtervorrichtung 2 zeigt, daß auch die innere Öffnung 4 jeweils eine beliebige, hier eben­ falls quadratische Form aufweisen kann.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit ei­ ner Kombination von drei Filtereinrichtungen 2, welche einen jeweils rechteckigen Raum zu seinem größten Teil ausfüllen, und zu einer Gesamteinheit zusammengefaßt sind. Im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 ist erkennbar, daß nicht jede der Filterein­ richtungen 2 einen eigenen Außenbehälter 3 aufweisen muß, sondern daß mehrere Filtereinrichtungen in einem einzigen Außenbehälter 3 zusammengefaßt werden können. Die Verarbeitung, insbesondere das Biegen von Sinter­ materialien, stellt zwar eine produktionstechnische Herausforderung dar, aber mit entsprechenden Materia­ lien und Techniken, wie z. B. dem Vorwärmen der zu bie­ genden Stellen mittels Lasertechnologie, ist dies prinzipiell keine unlösbare Schwierigkeit.

Claims (13)

1. Vorrichtung zum Filtern eines mit Partikeln behaf­ teten Fluids, insbesondere eines Rußpartikel transportierenden Abgases einer Maschine, mit ei­ nem Außenbehälter und wenigstens einer Filterein­ richtung aus einem porösen Material, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Material (6) von jeder der wenigstens einen Filtereinrichtungen (2) mehrere in Strö­ mungsrichtung verlaufende Faltungen aufweist, wo­ bei das poröse Material (6) in seinem Querschnitt eine geschlossene geometrische Form mit wenigstens einer inneren Öffnung (4) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Material (6) von jeder der wenigstens einen Filtereinrichtungen (2) sich im Querschnitt zu der jeweils im Bereich einer in Strömungsrich­ tung verlaufenden Längsachse befindlichen inneren Öffnung (4) hin, öffnende zackenartige Teilberei­ che (7) aufweist, wobei die zackenartigen Teilbe­ reiche (7) durch jeweils eine der Faltungen von­ einander getrennt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der zackenartigen Teilbereiche (7) eine ra­ diale Ausdehnung zu der jeweiligen Längsachse auf­ weist, welche den wenigstens annähernd größten Teil eines Raums zwischen der im Bereich der Längsachse befindlichen inneren Öffnung (4) und dem Außenbehälter (3) oder der jeweils nächsten Filtereinrichtung (2) einnimmt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Außenbehälter (3) mehrere Filtereinrichtun­ gen (2) mit ihren jeweiligen Längsachsen wenig­ stens annähernd parallel zueinander so angeordnet sind, daß der Innenraum des Außenbehälters (3) zu wenigstens zu seinem überwiegend größten Teil von den Filtereinrichtungen (2) ausgefüllt wird.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß der Außenbehälter (3) mit der wenigstens einen Filtereinheit (2) einen Schalldämpfer in dem Ab­ gassystem einer Maschine bildet.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Material (6) aus einem Sinterwerkstoff besteht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterwerkstoff zu seinem wenigstens annähernd größten Teil aus metallischen Materialien besteht.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede der innerer Öffnungen (4) eine Stützkonstruk­ tion (5) aus einer für das Fluid und die Partikel durchlässigen Struktur aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützkonstruktion (5) einen runden oder ovalen Querschnitt aufweist.

10. Vorrichtung Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützkonstruktion (5) aus einem rohrartig ge­ formten Lochblech besteht.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Filtereinrichtungen (2) an wenigstens einem ihrer längsseitigen Endbereiche ein Ab­ schlußelement (10) aufweist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Filtereinrichtungen (2) an wenigstens ei­ nem der längsseitigen Endbereiche zusammengeführt und jeweils mit einer Austritts- oder Eintritts­ öffnung des Außenbehälters (3) verbunden ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Filtereinrichtungen (2) an wenigstens ei­ nem der längsseitigen Endbereiche in der Art zu­ sammengeführt ist, daß der Endbereich mit der Stützkonstruktion (5, 5a) verbindbar ist.