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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Filter mit einem zylindrischen Gehäuse, einem Stutzen zur Einleitung einer zu reinigenden Flüssigkeit und einem Stutzen zur Ableitung des Filtrats, einem Filterelement, das im Gehäuse koaxial und mit einem Spalt zwischen dessen Innenwandung und seiner Filterfläche angeordnet ist, stirnseitigen Abschlüssen des Gehäuses, und einer in Axialrichtung an das Filterelement angrenzenden und stromabwärts des Spaltes zwischen Gehäuseinnenwand und Filterfläche angeordneten Ausfällkammer, deren Querschnitt den Querschnitt des Spaltes wesentlich übersteigt. Ein solches Filter ist aus der DE-AS 17 61 106 bekannt. Insbesondere in Hydraulikantrieben, die mit Hochdruck arbeiten, sind wegen der geringen Spalte in den Plunger-, Verteilungs- und Steuerelementen die Anforderungen an die Reinheit der Druckmittel sehr hoch. Allein durch eine hochwirksame Reinigung des Druckmittels kann die Langlebigkeit von Hydrauliksystemen um das 2- bis 4fache erhöht werden. Auch kann durch eine wirksame Reinigung der Druckmittel die Lebensdauer des Druckmittels selbst wesentlich erhöht werden.
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Bei der bekannten Ausbildung gemäß der DE-AS 17 61 106 ist das Filterelement von einer mit Eintrittsöffnungen versehenen Trennwand umgeben, die mit schraubenlinienförmig verlaufenden Stegen bis an das Filterelement heranragt und Kanäle bildet, in denen die zu reinigende Flüssigkeit vor ihrem Durchtritt durch das Filterelement dessen Oberfläche in schraubenlinienförmige Bewegung bespült. Dadurch soll das Abtasten grober Teilchen verhindert werden, wobei zusätzlich die Poren des Filterelements sich nach innen erweitern sollen, damit es nicht zu einem Verkeilen der Teilchen in den Poren kommt. Schließlich ist eine periodische, von einem Druckdifferentialschalter fremdgesteuerte Rückspülungsreinigung vorgesehen.
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Wegen des großen Strömungswiderstands in den Schraubenlinienkanälen sind drei Einleitstellen und drei Rückflußöffnungen in der Trennwand vorgesehen. Zur Erzielung der notwendigen Geschwindigkeit der zu reinigenden Flüssigkeit längs der Oberfläche des Filterelements ist eine besondere Pumpe vorgesehen, die die Flüssigkeit aus einem Vorratsbehälter ständig neu dem Filter zuführt und zurückpumpt, wobei im wesentlichen ein Kreislauf aufrechterhalten wird, aus dem beim Durchgang durch das Filter nur ein Bruchteil als Filtrat entzogen wird.
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Die bekannte Ausbildung ist mithin konstruktiv recht aufwendig und im Betrieb kompliziert. Trotz verhältnismäßig großen Druckabfalls im Filter ist der erzielte Reinigungsgrad begrenzt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Filters, bei dem die kontinuierliche Regeneration der Filterfläche bei erhöhtem Reinigungsgrad und kleinerem Druckabfall verbessert ist.
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Ausgehend von der eingangs genannten bekannten Ausbildung wird zur Lösung der gestellten Aufgabe erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Spalt, durch den die zu reinigende Flüssigkeit entlang der Oberfläche des Filterelements strömt, achsparallel zum zylindrischen Filterelement begrenzt von der Gehäuseinnenwand verläuft und in wenigstens einem der stirnseitigen Abschlüsse eine Drosselöffnung ausgeführt ist, die zur Einstellung der Geschwindigkeit des Stroms der zu reinigenden Flüssigkeit entlang der Oberfläche des Filterelements mit der Ausfällkammer in Verbindung steht.
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Bei einer solchen Ausbildung entfällt eine zusätzliche Trennwand und der mit ihr verbundenene konstruktive Aufwand sowie Strömungswiderstand. Dennoch erlaubt die wenigstens eine Drosselöffnung eine optimale Einstellung der Mindestaxialkomponente der Spaltströmung im Sinne des Freihaltens der Filterelementoberfläche von Ablagerungen. Es wird längs der Oberfläche des Filterelements ein laminarer Strömungszustand erreicht, der zur Folge hat, daß sogar Teilchen abgefiltert werden, die kleiner sind als die Abmessungen des Durchtrittsquerschnitts der Filterporen. Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Eine besondere Bedeutung hat dabei der Vorschlag des Patentanspruchs 6, wonach koaxial im Spalt ein elastischer Zylinder angeordnet ist, dessen zur Ausfällkammer weisendes Ende dicht mit dem Gehäuse verbunden ist, wobei der zwischen der Oberfläche des Filterelements und dem elastischen Zylinder verbleibende Ringraum beschleunigter Bewegung mit der Drosselöffnung in Verbindung steht. Bei dieser erfindungsgemäßen Weiterbildung kommt es zusätzlich noch zu einer automatischen Anpassung der Geschwindigkeit der die Filterelementoberfläche bespülenden Füssigkeit an den tatsächlich vorhandenen Verschmutzungsgrad.
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Nachfolgend wird die Erfindung durch die Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigt
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Fig. 1 ein Filter in einer ersten Ausführungsform im Längsschnitt;
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Fig. 2 ein Filter in einer zweiten Ausführungsform im Längsschnitt;
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Fig. 3 ein Filter in einer dritten Ausführungsform im Längsschnitt;
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Fig. 4 ein Filter in einer vierten Ausführungsform im Längsschnitt.
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Das in Fig. 1 abgebildete Filter hat ein zylindrisches Gehäuse 1, einen Stutzen 2 zur Einleitung der zu reinigenden Flüssigkeit, ein Filterelement 3, welches innerhalb des Gehäuses 1 koaxial zu diesem und mit einem Spalt 4 zwischen der Innenwandung des Gehäuses 1 und seiner Filterfläche angeordnet ist, einen Stutzen 5 zur Ableitung des Filtrats aus dem Innenbereich des Filterelements, einen Deckel 6 als Abschluß der Stirnfläche des Gehäuses 1 an der Seite des Stutzens 2 sowie einen Deckel 7 als Abschluß der Stirnfläche des Gehäuses 1 gegenüber dem Stutzen 2. Im Deckel 7 ist eine Kammer 8 zur Ausfällung von Teilchen aus der zu reinigenden Flüssigkeit ausgebildet, die mit einer Drosselöffnung 9 in Verbindung steht, von der die Strömungsgeschwindigkeit der zu reinigenden Flüssigkeit längs der Oberfläche des Filterelements 3 abhängt.
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Durch die Drosselöffnung 9 wird das Verhältnis zwischen dem die Oberfläche des Filterelements 3 bespülenden Strom und dem durch das Filterelement hindurchtretenden Strom eingestellt. Die Bespülung der Filterelementoberfläche bewirkt eine Selbstregeneration des Filterelements und eine Erhöhung der Filtrierfeinheit.
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Die Ausfällkammer 8 befindet sich an der Seite der Stirnfläche des Gehäuses 1, welche dem Einleitstutzen 2 gegenüberliegt. Der Querschnitt der Kammer 8 übertrifft wesentlich den des Spalts 4, so daß in der Kammer 8 eine schroffe Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit der zu reinigenden Flüssigkeit stattfindet. Dies schafft günstige Voraussetzungen zur Ausfällung gröbster Teilchen.
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Der Spalt 4 zwischen der Innenwandung des Gehäuses und der Oberfläche des Filterelements 3 kann in seinem Querschnitt konstant oder auch veränderlich sein. Im Ausschnitt A der Fig. 1 ist eine Ausführungsform des Spalts 4 mit einem in Richtung der Strombewegung der zu reinigenden Flüssigkeit abnehmenden Querschnitt gezeigt. Das gewährleistet eine gleichbleibende Strömungsgeschwindigkeit der zu reinigenden Flüssigkeit längs der Filterelementoberflläche.
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In der Kammer 8 ist eine Umlenkbuchse 10 zur Verhinderung der Verschmutzung der Drosselöffnung 9 vorgesehen. Diese ist mit ihrem Boden an der Stirnfläche des Filterelements 3 befestigt und in ihren Innenraum ragt ein Rohr 11, das an dem Deckel 7 befestigt ist und von der Drosselöffnung 9 beherrscht ist.
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Im Deckel 7 ist ein Ventil 12 zum periodischen Ablaß des Schlamms eingebaut. Wenn die Befestigungen 13 Schnellverschlüsse sind, können die Rückstände auch unmittelbar aus der Kammer 8 entfernt werden und das Schlammablaßventil 12 wird entbehrlich.
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Das betreffende Filter ist geeignet für Hydrauliksysteme mit einem Teilablaß der Flüssigkeit, einem geschlossenen Flüssigkeitsumlauf und mit einer Zuspeisung durch Pumpen mit konstanter Fördermenge.
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Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform des Filters für Systeme mit periodischer Flüssigkeitseinführung in das Filter bzw. für Flüssigkeiten, die keine Entleerung des Innenraums des Filters zulassen, z. B. Lacke. Im Gegensatz zu dem in Fig. 1 abgebildeten Filter hat dieses Filter im Deckel 6 einen zusätzlichen Hohlraum 14 zur Ausfällung von Teilchen aus der zu reinigenden Flüssigkeit. Dieser steht mit einer Drosselöffnung 15 in Verbindung und ist durch ein Rohr 16, das innerhalb des Filterelements 3 koaxial zu diesem verläuft, mit der Ausfällkammer 8 des Deckels 7 verbunden, in dem das Schlammablaßventil 12 vorgesehen ist.
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Der Querschnitt des Rohrs 16 übertrifft flächenmäßig die Querschnittsfläche des Spalts 4. Das gewährleistet eine niedrigere Geschwindigkeit des im Rohr 16 aufsteigenden Flüssigkeitsstroms, so daß die abgesetzten Teilchen aus dem zusätzlichen Hohlraum 14 dem Strom der zu reinigenden Flüssigkeit im Rohr 16 entgegen absinken können und sich in der Ausfällkammer 8 absetzen. Der Querschnitt des Hohlraums 14 übertrifft wesentlich den des Spalts 4, was eine bessere Ausfällung der Teilchen aus der zu reinigenden Flüssigkeit zur Folge hat. Der Boden des Hohlraums 14 ist kegelstumpfförmig gestaltet, um die Bildung von toten Zonen zu verhindern. Diese Drosselöffnung 15 ist durch ein Rohr 17 mit dem Ableitstutzen 5 für das Filtrat verbunden. Werden erhöhte Forderungen an die Reinheit des Filtrats gestellt, so wird die in das Rohr 17eintretende Flüssigkeit abgelassen oder rückgeführt. Die Drosselöffnung 15 wird so gewählt, daß die erforderliche Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit längs der Oberfläche des Filterelements sich einstellt.
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Der in Fig. 3 abgebildete Filter hat in beiden Deckeln 6 und 7 an den gegenüberliegenden Stirnflächen des Gehäuses 1 Kammern 8, 14 zur Ausfällung von Teilchen aus der zu reinigenden Flüssigkeit. Die Kammern 8, 14 stehen entsprechend mit Drosselöffnungen 9, 15 in Verbindung. Filter dieser Bauart sind günstig falls es notwendig ist, die Bespülung der Oberfläche des Filterelements zu erhöhen, ohne den Durchsatz an abzulassender Flüssigkeit zu vergrößern.
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Fig. 4 zeigt ein Filter, in dem zwischen der Innenwand des Gehäuses 1 und dem Filterelement 3 koaxial zu diesen ein Zylinder 18 aus einem elastischen Stoff, z. B. aus Gummi, vorgesehen ist. Das untere Ende des elastischen Zylinders 18 ist längs seines Umfangs an das Gehäuse 1 angeschlossen. Am unteren Ende des Zylinders 18 ist ein Ring 19 befestigt, der zwischen dieser Stirnfläche des Zylinders 18 und der Oberfläche des Filterelements 3 einen Ringspalt 20 aufrechterhält.
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Der elastische Zylinder 18 bildet zwischen sich und der Innenwandung des Gehäuses 1 einen Totwasserringraum 21. Ein verbleibender Ringraum 22 beschleunigter Bewegung der zu reinigenden Flüssigkeit ist zwischen der Innenfläche des elastischen Zylinders 18 und der Filterfläche des Filterelements 3 gebildet. Diese Filterbauart ist besonders vorteilhaft für Flüssigkeiten, welche durch Teilchen mit erhöhter Adhäsionsfähigkeit gegenüber dem Material des Filterelements verunreinigt sind.
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Die Arbeitsweise der beschriebenen Filter ist wie folgt:
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Die zu reinigende Flüssigkeit tritt durch den Einleitstutzen 2 in den Spalt 4 zwischen dem Gehäuse 1 und dem Filterelement 3 ein. Ein Teil des Flüssigkeitsstroms durchströmt unter der Einwirkung des Druckgefälles in den Stutzen 2 und 5 das Filterelement und wird gereinigt; der andere Teil bespült in Längsrichtung die Oberfläche des Filterelements 3 unter der Einwirkung des Druckgefälles zwischen dem Druck im Stutzen 2 und am Austritt aus der Drosselöffnung 9 und/oder 15. Ohne den Unterschied zu berücksichtigen, der durch die Höhe des Filters selbst hervorgerufen ist, kann man annehmen, daß die genannten Druckgefälle gleich sind. Der Durchsatz durch die Drosselöffnungen wird jedoch durch entsprechende Wahl des Querschnitts derselben eingestellt, so daß das Verhältnis zwischen dem Durchsatz von Filtrat und dem der Flüssigkeit, die durch die Drosselöffnungen ausströmt, sich ändern läßt.
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Auf ein Feststoffteilchen in der Flüssigkeit in jedem Punkt des Raums wirken somit Kräfte seitens der umgebenden Flüssigkeit, die sowohl senkrecht, als auch parallel zu der Achse des Filterelements 3 gerichtet sind.
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Die Größe und das Verhältnis dieser Kräfte hängen ab von den Geschwindigkeiten der Strömungen, die durch das Filterelement 3 und längs dessen Oberfläche gehen, sowie von der Lage des Teilchens im Raum. Die kleineren Teilchen, die eine geringe Trägheit aufweisen, gelangen dabei in die Filterporen, die großen Teilchen aber, auch wenn sie sich unmittelbar an der Oberfläche des Filterelements 3 bewegen, werden nicht in die Filterporen eintreten, sondern längs des Filterelements 3 in die Ausfällkammer 8 des Deckels 7 gelangen.
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Der genannte Effekt schützt die Filterfläche nicht nur vor der Beaufschlagung mit solchen Teilchen, deren Abmessungen größer als die Poren in der Filterfläche sind, sondern ermöglicht auch das Zurückhalten von Teilchen, deren Abmessungen kleiner als die der Poren sind. Somit kommt es zu einer Selbstregeneration der Oberfläche des Filterelements und seine Lebensdauer wird auf das mehrfache vergrößert (theoretisch unbegrenzt). Das ermöglicht den Betrieb in Hydrauliksystemen, ohne diese zur Regeneration des Filterelements bzw. zu seiner Auswechslung stillzusetzen. Darüber hinaus wird der Betrieb mit Filterflächen zulässig, deren Poren größere Abmessungen haben, als der erforderliche Reinigungsgrad. Da das Verhältnis der Summenfläche der Poren der Gesamtoberfläche des Filterelements 3 (bei der gleichen Abmessung der Stege) dem Quadrat des Durchmessers der Poren umgekehrt proportional ist, verringert sich wesentlich das Druckgefälle am Filterelement bzw. vergrößert sich rapide die Durchflußkapazität des Filterelements bei gleichem Druckgefälle.
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Es versteht sich, daß die betrachteten Eigenschaften mit der Erhöhung der Längsgeschwindigkeit der die Filteroberfläche bespülenden Flüssigkeit deutlicher auftreten.
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Da sich bei konstantem Ringquerschnitt des Spaltes 4 der Durchsatz an der zu reinigenden Flüssigkeit längs des Filterelements 3 verringert, kann eine Stabilisierung der Längsgeschwindigkeit durch Verringerung der Querschnittsfläche des Spalts zweckmäßig sein. Dies ist in Fig. 1 gezeigt.
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Der durch grobe Verschmutzungsteilchen angereicherte Längsstrom der zu reinigenden Flüssigkeit gelangt aus dem Spalt 4 in die Ausfällkammer 8 des Deckels 7, wo seine Geschwindigkeit rapide sinkt. Die Flüssigkeit umströmt den unteren Rand der Buchse 10 und gelangt in das Rohr 11. Da die Strömungsgeschwindigkeit dabei sehr gering ist, folgen die groben Teilchen der Umlenkung nicht und fallen auf den Boden der Kammer 8 aus. Deshalb werden die gröbsten Teilchen die Drosselöffnung 9 nicht erreichen, was diese vor Verstopfung schützt.
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Die betrachtete Arbeitsweise gemäß Fig. 1 ist geeignet, wenn ein Teil der Flüssigkeit abgelassen werden kann. Gewöhnlich liegt der Anteil der das System durch die Drosselöffnung 9 verlassenden Flüssigkeit unter 10% des Gesamtstroms.
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In den meisten industriellen Hydraulikantrieben ist der Ablaß eines Teils der Flüssigkeit aus dem System während der Arbeit im Schema selbst vorgesehen, z. B. bei der Drosselregelung von Hydrauliksystemen, bei Zuspeisung in Hydrauliksysteme, die im geschlossenen Kreislauf arbeiten, usw.
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Grundsätzlich ist die Funktion des in Fig. 2 abgebildeten Filters analog. Der Strom der zu reinigenden Flüssigkeit steigt aus der Ausfällkammer 8 des Deckels 7 durch das Rohr 16 in den zusätzlichen Hohlraum 14. Die gröbsten Teilchen in der Flüssigkeit, die am Filterelement 3 vorbeigegangen sind, fallen in der Ausfällkammer 8 des Dekkels 7 aus. Deshalb setzt sich die Ausfällung im zusätzlichen Hohlraum 14 sogar bei Flüssigkeitsabführung durch die Drosselöffnung 15 fort.
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Die Bedingungen zur Ausfällung werden dadurch erleichtert, daß das Filter gemäß Fig. 2 für Flüssigkeiten bestimmt ist, die periodisch zur Reinigung zugeführt werden, d. h. der technologische Prozeß selbst sieht das Anhalten des Stroms vor und verbessert die Ausfällung.
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Das Vorhandensein einer Drosselöffnung im Deckel 7 würde zur Entleerung des Filters führen, was bei der Arbeit mit schellhärtenden Flüssigkeiten besonders unzulässig ist. Die auf den kegelförmigen Boden des zusätzlichen Hohlraums 14 abgesetzten Teilchen rutschen bei der Koagulation zum Rohr 16, durch das sie dem Strom entgegen in die Ausfällkammer 8 des Deckels 7 fallen. Mittels des Schlammablaßventils 12 wird der feste Rückstand aus dem Filter periodisch entfernt. Da der Durchsatz an der zu reinigenden Flüssigkeit durch die Drosselöffnung 25 bedeutend geringer als der Durchsatz an Filtrat durch den Stutzen 5 ist, kann der Ausfällungseffekt dermaßen wirksam sein, daß die Reinheit der Flüssigkeit im Rohr 17 nur wesentlich unter der Reinheit der Flüssigkeit im Stutzen 5 liegen wird.
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Bei der Ausbildung gemäß Fig. 3 sind in beiden Deckeln 6 und 7 Kammern 8, 14 vorgesehen, welche mit Drosselöffnung 9 und 15 in Verbindung stehen. Auch hier fallen aus der zu reinigenden Flüssigkeit, die den Rand der Buchse 10 umströmt, die gröbsten Teilchen aus, die feineren fallen im Rohr 16, im zusätzlichen Hohlraum 14 und an der Innenfläche der Kammer 8 aus. Die für eine qualitätsgerechte Reinigung erforderliche Strömungsgeschwindigkeit wird durch Abfluß eines Teils der Flüssigkeit durch die Drosselöffnung 9 gewährleistet. Das Verhältnis zwischen dem Durchsatz durch das Filterelement 3, durch das Rohr 11 und das Rohr 17 wird durch die Durchflußcharakteristik der Porenwand des Filterelements 3 und durch die Drosselöffnung 9 und die Drosselöffnung 15 bzw. die Parameter (Länge und Querschnittsfläche) des Rohrs 17 bestimmt.
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Bei der Ausbildung gemäß Fig. 4 ist zwischen der Innenwandung des Gehäuses 1 und dem Filterelement 3 koaxial zu diesen der elastische Zylinder 18 angeordnet und der Strom der zu reinigenden Flüssigkeit durchströmt den verbleibenden Ringraum 22 mit einer bestimmten Geschwindigkeit. Im Totwassergebiet 21 findet keine Strömung statt und es herrscht der zulaufseitige Druck.
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Wenn es zu einer Verstopfung der Oberfläche des Filterelements 3 kommt, wird der Durchsatz an Filtratstrom und der durch die Drosselöffnung 9 abgelassene Flüssigkeitsstrom neuverteilt.
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Die Geschwindigkeit längs der Oberfläche des Filterelements 3 steigt und dadurch verringert sich der statische Druck im Ringraum 22. Da der statische Druck im Totwassergebiet 21 dabei den statischen Druck im Ringraum 22 übertrifft, biegt sich der elastische Zylinder 18 in Richtung des Filterelements 3, verringert dadurch den Spalt und erhöht noch mehr die Geschwindigkeit des Längsstroms. Mit der Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit werden die abgesetzten Teilchen verstärkt von der Oberfläche des Filterelements abgespült, die Oberfläche des Filterelements wird gereinigt, die Längsgeschwindigkeit sinkt und der Zylinder 18 nimmt seine ursprüngliche Form wieder an.