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Diese
Erfindung betrifft allgemein Fluidfilter, die in Verbindung mit
Verbrennungsmotoren verwendet werden. Insbesondere betrifft die
Erfindung Brennstofffilter und Schmierölfilter, die eine auswechselbare
Patrone zum Entfernen von Fremdteilchen und/oder zum Trennen von
Wasser aus der Brennstoffzufuhr oder dem Ölsystem eines Verbrennungsmotors.
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Konventionell
verwenden Brennstofffilter eine Einwegfilterpatrone, die in vorbestimmten
Intervallen der Filterbenutzung ersetzt wird. Die Filterpatrone
ist entfernbar an einer Filterbasis oder einem Kopfstück installiert.
Obwohl eine Anzahl von verschiedenen Verfahren und Konstruktionen
verwendet werden kann, die Filterpatrone an der Basis anzubringen,
erfordern alle dieser Verfahren und Konstruktionen eine allgemeine
Ausrichtung einer Filterpatronenachse mit der Basisachse. Für einige
Filteranordnungen, auf die sich die Erfindung bezieht, wird ein
Haltekragen oder – ring
verwendet, um die Befestigungsfunktion zu erleichtern. Eine nachgiebige
Vorspannung zwischen der Basis, der Filterpatrone und/oder dem Haltekragen
ist erforderlich, um einerseits zu helfen, die Patrone an der Basis
zu sichern, und um auch das Entfernen der installierten Filterpatrone
von der Basis zu ermöglichen.
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Typischerweise
ist eine metallische Feder zwischen der Basis und der Filterpatrone
oder eingreifbar gegen den Haltekragen angeordnet, um die erforderliche
elastische Vorspannung zu schaffen. Die Feder kann verhältnismäßig kompli ziert
sein. Zum Beispiel offenbart US-Patent Nr. 5 203 994 eine dreidimensionale
sternförmige
Feder, die zwischen der Basis und der Filterpatrone angeordnet ist. US-Patent
5 302 284 offenbart eine Wellenfeder, die zwischen der Filterpatrone
und dem Haltekragen angeordnet ist. Die Verwendung einer getrennten
metallischen Feder stellt Kosten und Komplexität für die Filteranordnung dar,
sowohl für
die Herstellung der Feder als auch für ihre Installation auf der
Basis.
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Von
einem Gesichtspunkt aus gesehen schafft die vorliegende Erfindung
eine Filterpatrone zum Anbringen an einer Basis, wobei die Basis
eine im wesentlichen ebene Aufnahmeoberfläche definiert und eine Leitung
einschließt,
die sich orthogonal von der Aufnahmeoberfläche und koaxial mit der Achse der
Basis erstreckt, wobei die Patrone aufweist: einen Filter zum Filtern
der Strömung
von Flüssigkeit, welcher
Filter wenigstens ein Filterelement aufweist; ein Gehäuse zum
Unterbringen des Filters, welches Gehäuse gegenüberstehende axial beabstandete erste
und zweite Endflächen
aufweist und allgemein symmetrisch um die Patronenachse ist, wobei
eine Endoberfläche
eine Patronenöffnung
koaxial mit der Patronenachse begrenzt; eine Patronendichtung, die innerhalb
des Gehäuses
eingeschlossen ist, um fluidmäßig die
Leitung abzudichten, welche Dichtung eine Dichtungslippe einschließt, die
koaxial ist mit und orthogonal zu der Patronenachse; und
Patronenvorspannungsmittel,
die sich axial von der Patronendichtung erstrecken und zu einer
elastischen Verschiebung zwischen einer ausgedehnten Stellung und
einer zusammengedrückten
Stellung zwischen der Endoberfläche
und der Aufnahmeoberfläche
der Basis imstande ist, welche zusammen gedrückte Stellung eine elastische
Vorspannungskraft liefert, die die Patrone von der Aufnahmeoberfläche der
Basis wegdrückt,
wobei die Patronenvorspannungsmittel in einer axial vorstehenden
Kontaktoberfläche
enden, die durch eine Mehrzahl von winkelmäßig beabstandeten axialen Vorsprüngen gebildet
ist.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform schafft
die Erfindung eine Filterpatrone, die eine neuartige Multifunktionsdichtringfeder
einschließt,
die sowohl eine Vorspannungsfunktion für Befestigungszwecke als auch
eine Dichtfunktion liefert, um fluidmäßig die Filterpatrone gegen
eine Basis abzudichten. Die Basis ist von einem Typ, der einen Einlass und
einen Auslass aufweist, die fluidmäßig mit dem Motorbrennstoffsystem
verbunden sind. Die auswechselbare Filterpatrone ist an der Basis
anbringbar. Die auswechselbare Patrone schließt ein allgemein zylindrisches
Gehäuse
ein, in dem die Brennstofffilterelemente untergebracht sind. Die
obere Oberfläche
der Patrone begrenzt eine kreisförmige Öffnung zum
Aufnehmen von Fluidströmung
von der Basis und zum Abgeben einer gefilterten Fluidströmung zur
Basis. Die Dichtringfeder ist an der oberen Oberfläche koaxial
um die Öffnung
angebracht. Ein Ende der Dichtringfeder steht vorzugsweise im Wesentlichen
orthogonal von der oberen Oberfläche
der Patrone vor, um eine elastische Kontaktoberfläche zu bilden.
Das gegenüberliegende
Ende der Dichtringfeder ist innerhalb der Filterpatrone eingeschlossen und
bildet einen kreisförmigen
Dichtteil mit einer radial nach innen gerichteten Dichtlippe.
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Wenn
die Filterpatrone an der Filterbasis angebracht ist, berührt die
Dichtlippe umfangsmäßig eine
Fluidleitung, die von der Basis vorsteht, um die Fluidverbindung
zwischen der Filterpatrone und der Filterbasis zu schaffen. Zusätzlich wird
die vorstehende Kontaktoberfläche
zwischen der Filterbasis und der oberen Oberfläche der Patrone zusammengedrückt, wodurch
sie die Filterpatrone von der Filterbasis weg elastisch vorspannt.
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung soll nun beispielsweise und unter Bezugnahme auf die
beigefügten
Zeichnungen beschrieben werden. Es zeigen:
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1 eine
Querschnittdraufsicht einer Brennstofffilteranordnung in Übereinstimmung
mit der Erfindung;
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2 eine
vergrößerte Querschnittsansicht eines
Teils einer Ausführungsform
einer Dichtringfeder der Filterpatrone von 1 vor Kontakt
mit einer Filterbasis;
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3 eine ähnliche
Ansicht wie 2, wobei gezeigt ist, dass die
Filterpatrone an der Filterbasis befestigt ist und die Dichtringfeder
dazwischen zusammengedrückt
ist;
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4a und 4b perspektivische
Ansichten eines Teils, teilweise im Querschnitt, von Dichtringfeder-Ausführungsformen,
die Abwandlungen der Vorspannungsstruktur darstellen; und
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5 eine
Querschnittsansicht, teilweise weggebrochen, einer Brennstofffilteranordnung,
die einen Patronenbefestigungsmechanismus darstellt.
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Unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugsziffern gleiche
Teile in den mehreren Figuren darstellen, ist eine erfindungsgemäße bevorzugte
Filteranordnung allgemein durch die Bezugsziffer 10 bezeichnet.
Wie dies in 1 gezeigt ist, weist die Filteranordnung 10 eine
Basis 12 und eine Einwegfilterpatrone 14 auf.
Die Basis 12 ist allgemein oberhalb der Einwegfilterpatrone 14 angeordnet.
Alternativ können
die Basis 12 und die Filterpatrone 14 umgedreht
sein, wobei die Filterpatrone 14 oberhalb der Basis 12 angeordnet
ist. Bei beiden Alternativen muss die Filterpatrone 14 physisch
mit der Basis 12 verbunden werden und in Fluidverbindung
sein, um die Filteranordnung 10 zu bilden. Die Filteranordnung 10 ist
besonders zum Einbau in das Brennstoffzufuhrsystem eines Verbrennungsmotors (nicht
dargestellt) ausgebildet, wie zum Beispiel eines Dieselmotors, um
teilchenförmiges
Material aus dem Brennstoff zu entfernen und Wasser vom Brennstoff
abzutrennen. Filteranordnungen dieses Typs können auch verwendet werden,
um Verunreinigungen von Öl
im Schmierungssystem eines Verbrennungsmotors zu filtern.
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Die
Basis 12 und die Einwegpatrone 14 können eine
große
Vielfalt von Konfigurationen annehmen. Für eine offenbarte Ausführungsform
ist die Basis 12 ein umgekehrtes tassenförmiges Aufnahmeelement,
das einen Rand oder eine Schürze 18 bildet, der
bzw. die einen unteren Aufnahmeelementhohlraum 20 begrenzt,
um den oberen Teil der Einwegfilterpatrone 14 aufzunehmen.
Eine innere längliche hülsenförmige erste
Leitung 24 und eine äußere konzentrische
hülsenförmige zweite
Leitung 26 schaffen allgemein koaxiale Fluidverbindung
zwischen der Basis 12 und der Einwegfilterpatrone 14.
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Ein
Einlassverbinder 28 der Basis 12 ist mit der Motorbrennstoffleitung
(nicht dargestellt) verbunden, um letztendlich Fluidverbindung durch
den inneren Durchlass zu schaffen, der durch die erste Leitung 24 gebildet
wird. Ein Auslassverbinder 30 der Basis 12 ist
mit der Brennstoffleitung verbunden, um externe Fluidverbindung
von dem axialen Fluiddurchlass, der zwischen den ersten und zweiten
Leitungen 24, 26 gebildet ist, zu schaffen. Ein
Paar von Öffnungen 34 zum
Verankern der Filterbasis 12 am Motor erstreckt sich quer
von der Basis 12.
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Unter
Bezugnahme auf 1 ist eine ebene Oberfläche 46 der
Basis innerhalb des unteren Aufnahmeelementhohlraums 20 positioniert
und erstreckt sich radial von den Leitungen 24, 26.
Vorzugsweise erstreckt sich die ebene Basisoberfläche 46 von
den Leitungen 24, 26 zur Schürze 18, obwohl die ebene
Oberfläche
auch an einer Stelle zwischen den Leitungen und der Schürze enden
kann. Eine elastische Vorspannungskraft wird lösbar durch eine Dichtringfeder 70 ausgeübt, die
gegen die ebene Oberfläche 46 gedrückt wird.
Die elastische Vorspannungsfeder in Zusammenarbeit mit dem Befestigungsmechanismus
sichert die Patrone 14 und die Basis 12 lösbar aneinander,
um die Filteranordnung 10 zu bilden.
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Die
Einwegfilterpatrone 14 weist ein dosenförmiges Gehäuse 60 auf, das durch
ein Paar von gegenüberstehenden
unteren und oberen schalenförmigen
Abschnitten 64, 62 gebildet ist. Die Abschnitte 62, 64 sind
entlang eines Umfangsrollfalzes 42 verbunden. Ein Sumpf 66 ist
am Boden des unteren Abschnitts 64 gebildet, um irgendwelches
Wasser zu sammeln, das sich aus dem Brennstoff zusammenballt. Der
untere Abschnitt 64 kann ein selektiv betätigtbares
Ventil oder ei nen Ablasshahn (nicht gezeigt) einschließen, um
das Ablassen des gesammelten Wasser zu ermöglichen.
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Der
obere Abschnitt 62 hat einen kleineren Durchmesser als
der untere Abschnitt 64 und ist so bemessen, dass er eng
innerhalb des Basishohlraums 20 aufgenommen wird. Vorzugsweise
hat der obere Teil 72 des oberen Abschnitts 62 des
Filterpatronengehäuses
eine in Längsrichtung
nach oben gekrümmte
Konfiguration, die einen ringförmigen
Rücken 56 bildet.
Der Rücken 56 ist
vorzugsweise entlang des Umfangs des oberen Teils 72 angeordnet. Der
ringförmige
Rücken 56 verstärkt die
Filterpatrone und kann auch als ein axialer Anschlag dienen. Eine zentrale
axiale Öffnung 68 im
oberen Teil 72 des oberen Abschnitts 62 ist so
bemessen, dass sie die Leitungen 24, 26 aufnimmt.
Die Dichtringfeder 70 ist an der Öffnung 68 angebracht.
Vorzugsweise ist die Dichtringfeder 70 am oberen Teil 72 des
oberen Abschnitts 64 angeklebt oder ähnlich befestigt.
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Die
Dichtringfeder 70 weist eine Kontaktoberfläche 74 auf,
die axial vom oberen Teil 72 weg vorsteht. Die Kontaktoberfläche 74 berührt die
ebene Oberfläche 46 der
Basis und wird zwischen der ebenen Oberfläche 46 und dem oberen
Teil 72 der Filterpatrone zusammengedrückt, wenn die Filterpatrone 14 an
der Filterbasis 12 befestigt wird. Die Kompression führt zu einer
radialen Ausdehnung der Kontaktoberfläche 74, wo sie die
ebene Oberfläche 46 der Basis
berührt.
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Während bei
der bevorzugten Ausführungsform
die Dichtringfeder 70 die Kontaktoberfläche 74 aufweist, ist
es natürlich
auch möglich,
die Filterpatrone 14 mit einem getrennten Vorspannungsglied (nicht
gezeigt), das am oberen Teil 72 angebracht ist, elastisch
vorzuspannen.
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Die
gewünschte
elastische Vorspannungskraft zwischen der Filterbasis 12 und
der Patrone 14 wird durch winkelmäßig beanstandete axiale Vorsprünge, wie
zum Beispiel konische Vorsprünge 86, prismatische
Vorsprünge 88 oder
Kombinationen derselben geschaffen. Siehe 4a und 4b.
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Die
Kontaktoberfläche 74 und
vorzugsweise die gesamte Dichtringfeder 70 ist aus einem
polymeren Material geformt. Das polymere Material muss eine gewünschte Kombination
von Formbarkeit, chemischer Widerstandsfähigkeit und ausreihender Elastizität liefern,
um lösbar
die Filteranordnung 10 in dem fluidmäßig verbundenen befestigten
Zustand in Verbindung mit einem Befestigungsmechanismus zu halten.
Vorzugsweise hat das Polymermaterial eine Shore „A" Härte
innerhalb des Bereiches von 55 bis 85. Das Polymermaterial ist auch
vorzugsweise ausreichend elastisch, um eine Verschiebung von bis
zu 0,190 cm (0,075 Zoll) und vorzugsweise ungefähr 0,063 cm (0,025 Zoll) zwischen
der axial ausgedehnten Stellung und der axial zusammengedrückten Stellung
zu erlauben. Die axiale Kompression des Materials kann bis zu 30
% für normale
Belastung zwischen der Patrone und der Basis betragen. Es wurde
herausgefunden, dass polymere Materialen wie zum Beispiel Buna-Kautschuk,
VITON® (erhältlich von
DuPont) und Fluorsilikon die gewünschten Eigenschaften
liefern, wenn sie in eine Dichtringfeder 70 geformt werden.
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Wie
dies am besten in 2 gezeigt ist, weist das gegenüberstehende
Ende der Dichtringfeder 70 einen kreisförmigen ersten Dichtteil 76 für die Filterpatrone 14 auf.
Der erste Dichtteil 76 schließt eine radial nach innen gerichtete
Dichtlippe 78 ein, die diametral fluidmäßig gegen die äuße re Leitung 26 abdichtet,
wenn die Filterpatrone 14 an der Filterbasis 12 angebracht
ist. Vorzugsweise schließt
die Dichtringfeder 70 weiter einen zweiten Dichtteil 80 ein,
der zwischen der Kontaktoberfläche 74 und
dem ersten Dichtteil 76 angeordnet ist. Der zweite Dichtteil 80 schließt eine
radial nach innen gerichtete zweite Dichtlippe 82 ein.
Der erste Dichtteil 76 ist radial nach innen vorgespannt,
sodass, wenn die Filterpatrone 14 von der Filterbasis 12 getrennt
wird, die ersten und zweiten Dichtlippen 78, 82 unterschiedliche Durchmesser
haben. Wenn die Filterpatrone 14 an der Filterbasis 12 angebracht
ist, sodass die ersten und zweiten Dichtlippen 78, 82 dichtend
mit der äußeren Leitung 26 in
Eingriff sind, sind die Durchmesser der Dichtlippen 78, 82 im
Wesentlichen dieselben, wie dies in 1 gezeigt
ist.
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Die
Patrone 14 kann eine zweistufige Filteranordnung (nicht
gezeigt) oder eine einstufige Filteranordnung verwenden, wie dies
in 1 dargestellt ist. In der einstufigen Filteranordnung
ist ein Filterelement 92, das eine ununterbrochene fächerförmige gefaltete
oder plissierte Konfiguration haben kann, in der Umschließung 60 angebracht.
An dem unteren Ende des Elements 92 greift eine mittle
Platte 94 an, die eine mittige Öffnung 96 hat. Eine
röhrenförmige Leitung 98 erstreckt
sich von der mittleren Platte 94 nach oben. Das obere Ende
der röhrenförmigen Leitung 98 bildet
einen Flansch 100. Ein Dichtring 102, der an dem
Flansch 100 angebracht ist, nimmt das untere Ende der ersten
Leitung 24 der Basis auf und dichtet diametral gegen dasselbe
ab.
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Brennstoff
tritt in die Brennstofffilteranordnung 10 durch den Brennstoffeinlassdurchlass 28 ein und
verlässt
den Filter durch den Auslassdurchlass 30. Man wird verstehen,
dass der Brennstoffströmungsweg
anfänglich
axial durch das Innere der inneren Leitung 24 und der röhrenförmigen Leitung 98 hindurchgeht.
Der Zirkulationsweg krümmt
sich um die mittlere Platte 94 und erstreckt sich allgemein
axial nach oben und allgemein radial nach innen durch das Filterelement 92,
wobei der Rückführungsströmungsweg
zwischen der inneren Leitung 24 und der äußeren Leitung 26 in
den Auslassdurchlass 30 gelangt.
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Ein
Befestigungsmechanismus wirkt mit der Vorspannungskraft zusammen,
die durch die Kontaktoberfläche 74 gegen
die ebene Oberfläche 46 der Basis
ausgeübt
wird, um die Filterpatrone 14 an der Basis 12 zu
befestigen. Ein Befestigungsmechanismus ist in 5 gezeigt,
bei dem eine Basis 34 ein Paar von integral nach außen vorstehenden
diametral gegenüberstehenden
Rampen 36, 38 aufweist, die in spiralförmiger Weise
um die Basis 34 herum ansteigen. Die oberen Enden der Rampen 36, 38 sind
abgeschrägt.
Ein ringförmiger
Kragen 16 schließt
ein Paar von diametral angeordneten Spiralfolgern 48, 50 ein,
die sich integral nach innen vom Kragen 16 erstrecken.
Die Folger 48, 50 sind für Eingriff mit den Rampen 36, 38 bemessen
und positioniert, sodass die Folger 48, 50 gleitend
an den Rampen 36, 38 angreifen und an denselben
aufsteigen, wenn der Kragen 16 ausgerichtet und winkelmäßig gedreht
wird. Der Kragen 16 schließt eine nach innen vorstehende
ringförmige
Schulter 40 ein, die an dem Rollfalz 42 der Patrone 14 angreifen
kann, um die Patrone 14 an der Basis 34 in Zusammenwirkung
mit der Kontaktoberfläche 74 zu
befestigen.
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Obwohl
ein detaillierter Aufbau für
einen Mechanismus, die Filterpatrone 14 an der Basis 12 lösbar zu
befestigen, für
Illustrationszwecke beschrieben worden ist, sollte man ver stehen,
dass die Filterpatrone der Erfindung nicht auf diese beschriebene Struktur
eingeschränkt
ist und Anwendung bei Filteranordnungen finden kann, die unterschiedliche
Befestigungsmechanismen für
Filterpatronen verwenden.