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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Mikrofiltervorrichtung nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 5 und auf ein Verfahren zur Auslegung derselben
nach Anspruch 1.
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Solche
Mikrofiltervorrichtungen sind allgemein bekannt, zum Beispiel aus
der PCT-Patentoffenlegung
WO-0107142 im Namen des
Anmelders, und aus der
SAE
Veröffentlichung
2001-01-0867 „Automatic
transmission hydraulic system cleanliness – the effects of operating
conditions, measurement techniques and high efficiency filters", welches als hierin
umfasst betrachtet wird.
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Im
Gegensatz zu den herkömmlichen,
so genannten Vollstromfiltem, die tatsächlich darauf beruhen, Partikel
durch die Bereitstellung genügend
kleiner Öffnungen
abzublocken und die daher Oberflächen
basiert sind und oft aus einem teuren, synthetischen Material bestehen,
basiert der vorliegende Mikrofilter auf Zellulosefaser. Diese auf
Zellulosefasern basierenden Mikrofilter beruhen auf elektrostatischen Kräften, um
Partikel, während
sie sich auf dem Weg durch das Filtermaterial befinden, zu binden.
Aus diesem Grund beruhen Mikrofilter auf einem relativ dicken Filtermaterielkörper, durch
den Öl
geführt
werden muss und innerhalb dessen ein Hauptteil der „Filter"-Wirkung stattfindet,
zumindest für
die kleinsten Partikel. Bei herkömmlichen
Filtern andererseits findet das Filtern einzig auf der Materialoberfläche statt, weshalb
letztere maximiert wird, indem gefalzter oder gefalteter Karton
oder anderes Papiermaterial verwendet wird. In Folge dessen weisen
herkömmliche Filter
eine relativ geringere Widerstandsfähigkeit auf, erlauben einen
relativ großen
Durchfluss und können im
Prinzip gereinigt werden, indem ein Strom eines Mediums umgekehrt
durch den Filter gelassen wird. Mikrofilter können sehr kleine Partikel innerhalb
ihrer Filterkörper
binden – und
werden daher hier als Tiefen- oder Innenfilter bezeichnet, sie weisen
jedoch einen relativ hohen Strömungswiderstand
auf und sind nicht durch Umkehren der Strömung eines Mediums wieder verwendbar.
Bekannte Mikrofilter werden daher meistens, wenn nicht gar immer,
in Bypass-Konfiguration eher als in einer In-Line-Konfiguration
eingesetzt, wie die herkömmlichen
Vollstromfilter. Dennoch ist es, um eine überlegenen Filterklasse zu
erreichen, eine technische Aufgabe, herkömmliche Filter gänzlich durch
Mikrofilter in einer In-Line-Konfiguration
zu ersetzen, das heißt,
vorzugsweise in einer bestehenden Struktur für einen hydraulischen Strömungsweg
einer mechanischen Vorrichtung, die geölt werden soll. Im Prinzip
könnte
dies einfach auf der Basis einer ultrahochwirksamen Eigenschaft
des Mikrofilters bewerkstelligt werden, welche ein Reinigen des Öls in einem
Durchlauf bewirkt, was lediglich ein Bruchteil von dem bei herkömmlichen
Filtern ist.
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Beim
Austausch von Vollstromfiltern in bestehenden Anordnungen jedoch,
dass heißt
in einer In-Line-Konfiguration anstelle eines zugeordneten Bypasskreislaufs,
tritt ein Problem auf, dass Anforderungen über zulässige Druckdifferenzen in vielen Fahrzeug-In-Line-Filteranwendungen
in Widerspruch mit den gewünschten
Druckdifferenzen bei Verwendung von Mikrofiltern stehen. In dieser
Beziehung sind die bekannten Mikrofilterelemente bei niedrigen Öltemperaturen
weniger durchlässig
aufgrund einer erhöhten
Viskosität
des Öls.
Dieser Umstand fordert hohe Druckdifferenzen über eine Mikrofiltervorrichtung,
um das Öl
durchzulassen. Zur gleichen Zeit erheben die meisten Systeme, in
denen eine Filtervorrichtung eingearbeitet ist, einen Anspruch auf äußerst mäßige Druckdifferenzen,
das heißt,
niedriger als bei normalen Betriebstemperaturen erforderlich ist.
Dieselbe Anforderung besteht oft für eine gemäßigte Druckdifferenz über eine
Filtereinheit bei relativ gemäßigten Ölflüssen durch
das System. Um dieses Problem mit einem Mikrofilterelement zu bewältigen,
müsste
dieses mit einem kleinen Durchflusswiderstand gegenüber Öldurchdringung ausgewählt werden,
das heißt,
mit einer relativ geringen Dichte und/oder Dicke des Filtermaterials.
Bei einem solchen Vorgehen besteht das Problem, dass die Hochleistungseigenschaft
des Mikrofilters stark verringert wird, möglicherweise bis zu einem Ausmaß, dass
der funktionelle und damit sein ökonomischer
Vorteil verloren geht, zumindest bis zu dem Ausmaß, dass
die In-Line-Anwendung des Mikrofilters stark behindert ist.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Filtervorrichtung
und ein Verfahren zu deren Auslegung bereit zu stellen, die die
bekannten Probleme vermeidet, während
zumindest in großem
Ausmaß die
hochwirksame Beschaffenheit der Mikrofilter beibehalten bleibt,
so dass sie ökonomisch und
mit zumindest großer
Aufrechterhaltung der Funktionalität in einer In-Line-Konfiguration
eingesetzt werden können.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird dies mit den Verfahrensschritten von Anspruch 1 und durch
eine Filtervorrichtung mit den Merkmalen wie in dem kennzeichnenden
Abschnitt des ersten Vorrichtungsanspruchs definiert realisiert.
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Mit
einer solchen Vorrichtung wird in Übereinstimmung mit dem Verfahren,
das durch die Erfindung festgelegt ist, sichergestellt, dass eine
maximal zulässige
Druckdifferenz über
die Filtervorrichtung geschaffen wird, und somit ein maximaler Öldurchfluss
durch das Mikrofilterelement, sowohl durch die Anwendung eines Bypassflusses über das
Filterelement durch eine Drosselstelle als auch durch die Verwendung
eines Ventils. Die Drosselstelle ist durch Abweichen von der zulässigen Druckdifferenz
bei dem niedrigsten vorgegebenen Ölfluss durch das System definiert,
während
das Ventilsystem die Druckdifferenz bei größeren Strömen durch Öffnen bei der zulässigen Druckdifferenz
bei einem vorgegebenen größten Ölfluss beschränkt. Auf
diese Weise wird überraschender
Weise durch die Schaffung eines ersten und eines zusätzlichen
Bypassflusses über
das Filterelement die Effizienz des letzteren beträchtlich
verbessert. Diese Wirkung wird durch eine überraschend einfache Gestaltung
der Grundlage durch elegante Nutzung einer per se abstrakten Einrichtung
einer Drosselblende umgesetzt, die dafür sorgt, dass die Druckdifferenz
darüber
das Ergebnis einer Konstante mal der Öldichte mal dem Quadrat der
Flussgeschwindigkeit durch die Drosselblende ist. Es wurde ferner
umgesetzt, dass während
das Kennzeichen einer Drosselblende, das heißt die Öldichte, stark unabhängig von
der Öltemperatur
ist, das Filterelement dies nicht ist. Die Kombination dieser Erkenntnisse
ergab letztendlich die Filtervorrichtung gemäß der Erfindung.
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Wo
die erwähnten
Bypassströme
auch in beispielsweise dem Gehäuse
der Filtervorrichtung bereitgestellt sein können, werden sie vorzugsweise gemäß der Erfindung
als Teil des Filterelements oder zumindest direkt dazu gehörig bereitgestellt.
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
sind die Drosselblende und Ventilmittel vorzugsweise in einer einzelnen
Einheit integriert. Eine günstige
Verwendung wird ferner für
das Druckmittel gefunden, das per se bekannt ist, um ein Endverschlussmittel für eine axiale
Endseite des Elements unter Druck zu setzen, indem dieses verwendet
wird, um zumindest einen Teil des Ventilsystems zusammen zu halten. Auf
diese Weise kann das Ventilsystem zumindest teilweise bevorzugt
in losen Teilen hergestellt und bereitgestellt sein.
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Die
Erklärung
wird nun beispielhaft ferner zusammen mit einer Zeichnung erklärt, in der:
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1 ein
Querschnitt einer Ausfürungsform gemäß der Erfindung
ist
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2 ein
Schaubild ist, das die Wirkung und das Verfahren darstellt, die
der vorliegenden Erfindung zugrunde liegen.
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In
den Figuren beziehen sich identische Bezugszeichen auf identische
oder zumindest vergleichbare technische Merkmale.
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1 stellt
eine Filtervorrichtung 1 dar, umfassend ein Gehäuse 2,
welches ein oberes Deckelteil 3, ein unteres Deckelteil 4 und
einen Zentralkörper 5 zeigt,
der eine Kammer 6 umfasst, innerhalb der ein Filterelement 7 angeordnet
ist. Die Vorrichtung zeigt Verbindungsanschlüsse 9 und 10,
wobei Anschluss 9 einen Einlass bildet und Anschluss 10 einen
Auslassanschluss bildet, wobei die Anschlüsse mit den Leitungen eines
hydraulischen Systems verbunden sein können, zum Beispiel um eine
mechanische Vorrichtung zu ölen,
in die die Filtervorrichtung eingebaut sein kann.
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Das
Filterelement 7 passt zu dem vorliegenden Beispiel, das
vorzugsweise zylindrisch geformt ist und Filtermaterial 8 umfasst,
das von einem zentralen, perforierten Kern 12 getragen
wird. Der Kern 12 in dem vorliegenden Beispiel umfasst
axial ausgerichtete, längliche
Perforationen 13, deren Länge praktisch der des Filterelements 7 entspricht.
Alternative Perforationen wie Bohrlöcher oder quadratische Löcher können auch
verwendet werden. Der Kern 12 begrenzt einen inneren Raum 14,
um das Öl, das
von dem Element 7 gefiltert wurde und durch die Perforationen 13 durchgetreten
ist, aufzunehmen. Der Innenraum 14 ist mit dem Auslassanschluss 10 der
Filtervorrichtung 1 verbunden.
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Die
axialen Endseiten des Elements 7 sind flach geformt und
senkrecht zu der Achse des Filterelements ausgerichtet. Sie sind
für den
Durchtritt von Öl
durch so genannte Verschlusselemente geschlossen, die von entsprechender
abgeflachter Form sind. Solche Verschlusselemente gehen grundsätzlich auf und
werden gegen die entsprechende Endseite des Elements gedrückt, wie
das in dem Beispiel dargestellte Verschlusselement 15.
Zumindest eines dieser Elemente kann aber auch in das Filtergehäuse integriert
sein, zum Beispiel durch den Teil, der durch die aufnehmende Kanten 16 in
dem Bodendeckelteil 3 verschlossen ist. Diese Verschlusselemente und/oder
-teile sind vorzugsweise mit ringformigen und konzentrisch angeordneten
Kanten versehen, die für
die axiale Durchdringung in das Filtermaterial 8 ausgelegt
sind, womit eine zusätzliche
Filtersicherheit für
unerwartete Fälle
bereitgestellt wird, wenn beispielsweise durch Druckstöße in dem
hydraulischen System der Filter ein bisschen verschoben werden kann.
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In
dem vorliegenden und bevorzugten Beispiel wird das Filterelement 7 zwischen
den Verschlusselementen 15 und 5 über ein
elastisch verformbares Mittel 17, wie beispielsweise einem
Federelement, gedrückt,
hierin durch eine schraubenförmige
Druckfeder verkörpert.
Um letzteres zu positionieren, ruht das Federelement 17 auf
dem oberen Deckelteil 3 in Gegenwart eines Einbaumittels,
wie der dargestellten Vertiefung 18 oder wie einem Vorsprung,
wobei das Mittel vorzugsweise im Durchmesser mit dem äußeren beziehungsweise
inneren Durchmesser des elastischen Mittels 17 korrespondiert.
Letzteres ruht in einer entsprechenden Weise auf dem Verschlusselement 15,
im Falle über
ein lose angeordnetes Zentralteil 19, welches mit einer
Zentralbohrung 20 versehen ist, die von dem Hauptteil des
Verschlusselements 15 in einer Positionierungs- und Aufnahmekante 21 aufgenommen
wird. Grundsätzlich
jedoch können
die Teile 19 und 15 auch als ein Ganzes gebildet
sein.
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Zusammen
mit dem Zentralteil 19 des Verschlusselements 15 ist
ein Druckventilsystem 22, das im Innenraum 14 des
Filterelements 7 angeordnet ist, bereitgestellt. Es wird
in dem vorliegenden Beispiel von einer Kante 23 gestützt, die
wiederum durch das Verschlusselement 15 über kleine
Stützen
getragen wird. Das Ventilsystem 22 umfasst ferner ein Ventil 25,
welches von dem Verschlusselement getragen wird, alternativ angegeben
dagegen gedrängt
wird, durch ein elastisch verformbares Element 24, hier
in Übereinstimmung
mit der Präferenz,
die durch eine helikale Druckfeder verkörpert wird. Im Fall einer helikalen
Feder ist das Ventil 25 vorzugsweise mit einem Vorsprung
oder einer Vertiefung versehen, die dem inneren oder äußeren Durchmesser
der Druckfeder entspricht, um die Stabilität des Ventils 25 zu fördern. Das
letztere entspricht mittels einer flachen Seite der der gegenüberliegenden
Seite des Zentralteils 19, um den Öldurchtritt von großen Mengen mit
geringem Öldruck
in die Kammer 6 durch Kontakt mit dem Zentralteil 19 zu
schließen.
In der vorliegenden Ausführungsform
aber ist ein kleiner Durchtritt aus der Kammer 6 zum Innenraum 14 mittels
eines Bohrlochs 26 bereitgestellt, das vorzugsweise mittig in
dem Ventil 25 lokalisiert ist, wobei das Bohrloch für einen
minimalen Ölfluss
jederzeit sorgt, indem das Filterelement mittels Bypass umgangen
wird. Das Bohrloch 26, alternativ als Drosselblende 26 bezeichnet,
stellt einen konstanten Druckabfall(-differenz) über der Filtervorrichtung sicher.
Insbesondere erfüllt sie
dies unabhängig
von der Temperatur.
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2 stellt
ein Auslegungsproblem dar, welches bei der Anwendung von Mikrofiltern
in einer In-Line-Konfiguration besteht und der vorliegenden Erfindung
zugrunde liegt. Sie stellt ferner ein Auslegungsverfahren dar, um
eine Filtervorrichtung gemäß dem Beispiel
aus 1 auszulegen. In vielen Systemen ist eine maximal
zulässige
Druckdifferenz P1 über
einer Filtervorrichtung erlaubt. Diese maximale Differenz wird für große Ölflüsse durch
das System eingestellt und infolgedessen durch die Filtervorrichtung.
Das so eingestellte Maximum kann jedoch ungünstig für den Betrieb einer Mikrofiltervorrichtung sein.
Diese Anforderung, welche häufig
kein Problem für
Vollstromfilter ist, kann sogar noch mehr Nachteile aufweisen durch
die Tatsache, dass häufig
bei gemäßigten Flüssen eine
weitere, sogar geringere zulässige
Druckdifferenz P2 häufig
eingestellt ist. In diesem Beispiel stimmt P2 mit typischen Fahrzeugwerten überein,
die bei 100 mbar bei geringen Öldurchflussmengen
eingestellt sind. Diese Anforderungen an die Filtervorrichtung und
insbesondere die letztere, werden umso problematischer für Mikrofilter
bei relativ geringen Öltemperaturen,
das heißt,
solange eine Betriebstemperatur, die üblicherweise bei etwa 90°C liegt,
nicht erreicht wurde. Die geringe Viskosität von Öl bei niedrigen Temperaturen
zusammen mit der relativ dichten und dicken Schicht des Filtermaterials beruht
auf diesem Umstand. Um extrem kalte Bedingungen zu typisieren, könnte die Überhöhung eines total
blockierten Filterelements herangezogen werden. Um dieses Problem
zu überwinden,
wurde gemäß der Erfindung
ein Bypassmittel in Form eines Bohrlochs 26 in einem axialen
Verschlussmittel 15 zur Bereitstellung für das Filterelement
konzipiert. Auf diese Weise kann jederzeit eine minimale Menge mittels
Bypass an dem Filterelement vorbeiströmen. Ein Vorteil dieser Lösung liegt
darin, dass der Ölfluss durch
eine Drosselstelle nahezu temperaturunabhängig ist. Daher bleibt eine
kleine Strömungsmenge bei
relativ hohen Betriebstemperaturen klein. Sollten jedoch die Strömungsmengen
durch die Filtervorrichtung zunehmen, wird die Druckdifferenz über das Bohrloch 26 quadratisch
mit der Strömungsgeschwindigkeit
ansteigen. Somit sollte darauf geachtet werden, dass das Bohrloch 26 mit
einer solchen Größe hergestellt
wird, dass ein gegebener Wert eines großen Ölflusses, die Druckdifferenz
Pd, nicht größer als
der durch P1 zulässige
sein wird. Eine solche Sicherheitsmaßnahme würde typischerweise bei einem
Fluss Fr durch das Bohrloch – alternativ
bezeichnet als Drosselstelle – einen
Fluss Ff durch den Mikrofilter 7 wie angezeigt durch Kurve
Ff1 ergeben. Wie zuvor erwähnt,
steigt die Druckdifferenz Pd mit zunehmenden Geschwindigkeiten mit
dem Quadrat der Geschwindigkeit durch das Bohrloch. In Folge dessen
nimmt der Ölfluss
Ff durch das Filterelement mit dieser Geschwindigkeit zu, was durch
Kurve Ff1 wiedergegeben wird. In dem durch das Schaubild vorgelegten
Beispiel würde
dies bei der Durchflussmenge, für
die die Druckdifferenz P1 eingestellt ist, 400 mbar, einen tatsächlichen
Fluss von etwa 11,5 1/min durch die Drosselstelle 26 und
0,8 l/min durch den Mikrofilter oder einen Fluss Ff = 0,7 l/min
bei einem Ölfluss
Fr = 8 l/min durch das Bohrloch 26 ergeben. Die Lösung scheint
dabei ideal zu sein, da sowohl das zweite Erfordernis der maximalen
Druckdifferenz Pd = P2 dfür
eine vorgegebene geringere Menge an Öldurchfluss erfüllt. Bei
dieser vorgegeben geringeren Durchflussmenge würde die tatsächliche Druckdifferenz
Pd, wenn das Bohrloch oder die Drosselstelle Größe Fb1 entspricht, lediglich
50 mbar betragen. So besteht eine Marge von 100% für diese
Situation.
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Sollte
andererseits der Fluss durch das Filterelement 7 für die vorgegebene
geringere Durchflussmenge optimiert werden, d. h. bei P2, in der
Weise, dass eine Drosselstelle mit kleinerem Durchmesser bereitgestellt
sein würde,
würde die
Druckdifferenz Pd über
die Filtervorrichtung 1 gemäß Flusskurve Fb2 doppelt so
groß wie
zulässig
bei dem vorgegebenen großen
Fluss P2 werden. Daher wird, um den Ölfluss durch den Mikrofilter 7 in
Bezug auf den Ölfluss
durch das konzipierte Bypassmittel zu optimieren, diese in Übereinstimmung
mit der Erfindung ferner so konzipiert, dass es in dem Bypassmittel
ein Druckventilsystem 22 umfasst, welches bei 400 mbar öffnet.
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Diese
Bereitstellung stellt sicher, dass die Anforderung, die durch P1
gesetzt wird, zu allen Zeiten erfüllt wird, d. h. bei allen Flüssen, wie
durch die gepunktete Flusslinie Fv2 angezeigt ist, die bei kleineren
Druckdifferenzen der Kurve Fb2 folgt. In Übereinstimmung mit der somit
angewachsenen Druckdifferenz Pd nimmt der Ölfluss durch den Bypassfilter auf
1,4 l/min als Maximum zu, wie durch Kurve Ff2 dargestellt ist. In
Verbindung mit der erhöhten,
im Falle der weitgehend verdoppelten (bis zu Fr = 8 l/min) Druckdifferenz über die
Drosselstelle 26, steigt der maximale Ölfluss durch die Filterelemente
an, gegebenenfalls wird er verdoppelt. Es sollte auch bemerkt werden,
dass der maximale Ölfluss
Ff durch das Filterelement 7 bei viel geringeren Gesamtölflüssen durch
die Vorrichtung verwirklicht wird als in dem Fall von nur einer
Drosselstelle. Im Fall, dass die maximale Strömungsmenge von 1,4 l/min durch
den Mikrofilter in diesem Fall schon bei etwa 8 l/min anstelle von 11,5
l/min erreicht ist, wie es der Fall gewesen wäre, in der Situation, in der
die Mikrofiltervorrichtung einzig durch die Verwendung einer Drosselstelle
an die Anforderungen angepasst worden wäre.
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Die
Erfindung bezieht sich somit auf ein Auslegungsverfahren zum Optimieren
der Verwendung eines Mikrofilters für die Situation, in der bei
verschiedenen Flüssen
durch die Vorrichtung verschiedene Druckdifferenzen über die
Filtervorrichtung zulässig sind.
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Neben
den folgenden Ansprüchen
bezieht sich die Erfindung auch auf die voranstehende Beschreibung
und alle Details und Gesichtspunkte in der Zeichnung, die direkt
und eindeutig davon ableitbar sind, zumindest für einen Fachmann.