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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betriff ein Filterelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Stand der Technik
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Fluidfilterelemente, werden vielseitig verwendet, z. B. als Filter für Flüssigkeiten und Gase. Eine Ausgestaltung eines Fluidfilterelementes ist ein Filter mit axialem Durchfluss bzw. ein Axialfilter. Das Axialfilterelement ist typischerweise ausgebildet durch Wickeln oder Aufrollen eines plissierten Bogens eines Filtermediums, um einen mehrlagigen Filterkörper zu formen. In Axialfiltern tritt der Fluidstrom in das Filterelement an einer Stirnseite des Filters ein, wird von den Filtermedien behandelt und verlässt das Filterelement an einer axial entgegengesetzten Stirnseite des Filters.
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Als ein Beispiel eines Axialfilters offenbart die US-Anmeldung
US 2007/02 71 886 A1 (Rieger et al) ein Axialfilterelement, das mindestens ein flaches Filterelement umfasst, das zu einen kompakten Körper aufgerollt oder aufgewickelt ist, der dazu ausgelegt ist, das Fluidmedium zu filtern, das im wesentlichen axial zwischen den zwei Stirnseiten des Filterelements strömt. Das Filterelement ist ausgebildet aus zumindest einer Lage von gewelltem, gefaltetem oder plissiertem Filterpapier und einer Lage aus glattem ungewelltem Filterpapier. Die Lagen sind miteinander verbunden und anschließend fest zusammen aufgewickelt, um ein Axialfilterelement von gewünschter Form und Größe auszubilden. Aus der
DE 10 2004 059 279 A1 , der
DE 200 23 795 U1 , der
DE 203 20 728 U1 und der
US 2007/0169449 A1 sind weitere gattungsgemäße Filterelemente bekannt.
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Filter unterliegen während des Betriebs einer durch den Fluidfluss erzeugten Beanspruchung auf die Filtermedienlagen. Die strömungsinduzierte Spannung kann in bestimmten Fällen stark sein, z. B. wenn die Flussrate sehr hoch ist und wenn der Filter möglicherweise stark mit Schmutz verunreinigt ist. Auch wenn ein Axialfilter während besonderer Betriebsbedingungen betrieben wird und das Filterelement durch Wasser feucht wird, kann die durch die Strömung erzeugte Spannung stark werden. Die Ausbildung von erhöhten axialen Spannungen in Filterelementen aufgrund von abnormalen Betriebsbedingungen kann als Ergebnis Gefährdungen der strukturellen oder Klebeverbindungen zwischen den aufgewickelten Lagen des Filterelements zur Folge haben. In seltenen Fällen, in denen die Klebeverbindungen stark gefährdet werden, kann dies zu einer teleskopischen Verformung des Filtermediums oder anderer Verformungen des Filterelements führen.
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Zeitraubende und kostspielige Herstellungsverfahren und technologische Lösungen sind entwickelt worden, um dieses Problem zu lösen, einschließlich der Hinzufügung einer Stützstruktur aus einem Plastikgitter auf der Reinseite des Filterelements, und auch durch verschiedene Zusammensetzungen von Klebstoffen zwischen den Filterelementlagen, Filtergehäuse mit eingearbeiteten Stützstrukturen für das Filterelement und ähnlichen Maßnahmen. Obwohl derartige Maßnahmen zur Überwindung des Problems nützlich sind, sind sie im Hinblick auf Filterkosten und Filterkomponentenkomplexität nicht optimal und daher besteht die Notwendigkeit für eine kosteneffiziente Lösung.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Filterelement der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, das mit technisch einfachen Mitteln einen Schutz gegen Verformungen zur Verfügung stellt und gleichzeitig kostengünstig herstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird bei dem Filterelement der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung stellt ein verbessertes Filterelement zur Verfügung, mit einem oder mehreren Verstärkungselementen, die so konfiguriert sind, dass sie mit den Klebstoffverbindungen zwischen den Filtermedienlagen zusammenwirken, um den Filter zu verstärken und um axialen und/oder radialen Verformungskräften zu widerstehen, wie z. B. solchen, die bei einer Fluidströmung durch den Filter erzeugt werden, wobei sie derart wirken, dass sie die strukturelle Form und Integrität des Filterelements bewahren. Die offenbarte Erfindung kann vorteilhafterweise bei vielen unterschiedlichen Ausführungsarten von Filterelementen verwendet werden. Ein nicht einschränkendes Anwendungsbeispiel ist darin zu sehen, Verstärkungselemente an Axialfilterelementen vorzusehen, die als Luftfilter für Brennkraftmaschinen dienen, z. B. bei bestimmten Lastkraftwagen und Schwermaschinen, z. B. Bau- oder Landmaschinen, und für Anwendungen im Automobilbereich. Die Axialfilterelemente sind typischerweise hergestellt durch Wickeln oder Aufrollen eines flachen Filterelements um eine Achse, um damit einen kompakten Filterkörper auszubilden. An Abschnitten des Flachfilterelements wird ein Klebstoff aufgebracht, um so die Lagen miteinander zu verkleben und einen strukturellen stabilen Filterkörper auszubilden. In derartigen Axialfilterelementen fließt der Fluidstrom zwischen zwei gegenüberliegenden Filterstirnseiten durch den Filterkörper.
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Erfindungsgemäß weist der Filter mindestens ein flaches Filtermedium auf, das bezüglich einer Achse aufgewickelt worden ist, um einen mehrlagigen Filterkörper auszubilden. Der Filter hat eine erste Stirnseite und eine gegenüberliegende zweite Stirnseite, die an einander gegenüberliegenden Rändern des Filterkörpers ausgebildet sind. Es ist mindestens ein Verstärkungselement vorgesehen und an zumindest einem Abschnitt der Filterschichtlagen befestigt, der sich über mindestens einen Abschnitt einer Stirnseite erstreckt. Das Verstärkungselement ergibt eine zugfeste Verstärkung, um ein relative Positionierung zwischen zumindest einem Teil der Lagen des mehrschichtigen Filterelementes zu erhalten. Um das Verständnis der Lehre dieser Offenbarung zu erleichtern, wird „zugfest“ in diesem Zusammenhang dahingehend definiert, dass sich das Verstärkungselement nicht signifikant verlängert oder dehnt, wenn es Zugkräften innerhalb der zu erwartenden Bereiche während des Betriebs des Filters unterworfen wird.
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Erfindungsgemäß umfasst das flache Medienmaterial mindestens eine Trägerlage aus Filtermaterial und mindestens eine Lage aus gewelltem Filtermaterial. Die Wellenstruktur bildet Kanäle in dem Filtermaterial. Die Lagen sind klebend miteinander verbunden, um das flache Medienelement zu bilden.
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Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung kann das Filtermaterial folgende Materialien umfassen: Filterpapier, Spinnvlieskunststoffe oder meltblown Kunststoffe.
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Erfindungsgemäß enthält das Verstärkungselement einen faserförmigen Kern mit einer thermoplastischen vorbeschichteten Schmelzkleberumhüllung. Die Schmelzkleberumhüllung dient dazu, das Verstärkungselement klebend an dem Filterelement zu befestigen.
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Gemäß einer weiteren Ausbildungsform der Erfindung enthält der faserförmige Kern metallischen Draht oder mehradrigen metallischen Draht.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält der faserförmige Kern einen Strang mit einer oder mehreren Fasern.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält das Verstärkungselement einen Kern mit einem abgeflachten Querschnitt, wobei der Kern des Weiteren eine thermoplastische vorbeschichtete Schmelzkleberumhüllung aufweist und die Schmelzkleberumhüllung dazu dient, um das Verstärkungselement klebend an dem Filterelement zu befestigen. Bei bestimmten Aspekten der Erfindung kann der Kern folgende Materialien enthalten: einen metallischen Streifen, einen gewebten Drahtstreifen, einen gewebten Gewebestreifen und/oder einen gewebten Glasfaserstreifen.
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Erfindungsgemäß ist mindestens ein Verstärkungselement um die erste Stirnseite, die zweite Stirnseite und die Außenfläche des Filterkörpers gewickelt und klebend daran befestigt.
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Erfindungsgemäß enthält das Filterelement mindestens einen Filterkantenschutz, der klebend an der Außenseitenoberfläche und auf Abschnitten des zumindest einen umgewickelten Verstärkungselements befestigt ist. Mindestens ein Kantenschutz ist an einem Abschnitt der äußeren Oberfläche des Filterkörpers klebend angebracht.
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Ebenfalls offenbart ist ein Verfahren zur Verstärkung eines Axialfilterkörpers mit einer Vielzahl von Filterlagen sowie zwei einander gegenüberliegenden Stirnseiten gegen ein axiales Versetzen der Lagen.
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Die oben angegebenen Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich in einfacher Weise aus der folgenden detaillierten Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung in Zusammenschau mit den beigefügten Figuren.
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Figurenliste
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- 1 illustriert eine schematische Seitenansicht eines Axialfilters zur Darstellung eines Klebefehlers zwischen den Lagen, der aus einem erhöhten axialen Spannungszustand resultieren kann;
- 2A zeigt eine seitliche Perspektivansicht eines flachen Filtermedienelements, das eine gewellte Lage aufweist, die auf eine Trägerschicht aufgeklebt ist;
- 2B zeigt eine schematische Stirnseitenansicht eines Axialfilterelementes, das mittels Aufrollen oder Aufwickeln des flachen Medienelementes von 2A ausgebildet ist, um so Mehrfachfiltermedienlagen auszubilden;
- 2C zeigt eine schematische Draufsicht auf das flache Medienelement der 2A zur Darstellung der Fluidströmung durch die wechselseitig abgedichteten Kanäle in den Filtermedien, die durch die Wellenstruktur der gewellten Schicht des Filtermedienelementes erzeugt werden;
- 3A zeigt eine schematische Stirnseitenansicht eines Strömungsfilterelementes mit Verstärkungselementen gemäß der vorliegenden Erfindung;
- 3B zeigt Querschnittsansichten von zwei Verstärkungselementen;
- 3C zeigt eine Stirnseite eines Axialfilters mit einer anderen Anordnung von Verstärkungselementen gemäß der vorliegenden Erfindung;
- 3D zeigt eine Stirnseite eines Axialfilters mit einem anderen Beispiel einer Anordnung des Verstärkungselements gemäß der vorliegenden Erfindung, in welchem die Verstärkungselemente beide Stirnseiten und die Filteraußenseite umschlingen;
- 4 illustriert eine Perspektivansicht eines Axialfilterelementes mit Kantenschutzringen zusammen mit Verstärkungselementen gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die beiden Stirnseiten und die Filteraußenseite umschlungen sind;
- 5 zeigt ein Flussdiagramm zur Beschreibung eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung zum Verstärken eines Filterkörpers mit einer Vielzahl von Lagen und zwei einander gegenüberliegenden Stirnseiten.
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Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen
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Verschiedene Typen von Fluidfiltern sind weithin bekannt. Die Filter verwenden üblicherweise ein Filtrationsmedium mit einer Filterfeinheit, die ausreicht, um unerwünschtes Material zurückzuhalten oder zu beseitigen, wie z. B. partikuläre Festkörper und/oder Tröpfchen aus dem Fluidstrom. Die technische Lehre dieser erfinderischen Offenbarung kann angewendet werden, um eine große Vielzahl von Fluidfiltertypen zu verstärken, und zwar gegen Filtermediumverformungen aufgrund von, unter anderem, erhöhten Spannungen, die durch bestimmte Fluidströmungsbedingungen verursacht werden. Ein Ausführungsbeispiel, das hierin beschrieben und dargestellt wird, betrifft die Verstärkung von Axialfiltern, die in der Verbrennungsluftfiltration für Brennkraftmaschinen angewandt werden.
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Axialfilterelemente weisen typischerweise Wellenstrukturen oder Plissierungen auf, die eine Vielzahl von axial ausgerichteten versehenen Kanälen mit verschlossenen Enden ausbilden, wobei jeder Kanal ein verschlossenes oder versiegeltes Ende und ein gegenüberliegendes offenes Ende durch eine der Stirnseiten des Filterelements hat. Das offene Ende des Kanals ist in Kommunikation mit der Fluidströmung. Ein erster Teil der Kanäle ist offen an einer ersten Stirnseite des Filters und die übrigen Kanäle sind dann an der gegenüberliegenden Stirnseite des Filters offen. Die geschlossenen Enden der Kanäle verhindern eine direkte Strömung des Fluidstroms zwischen den Stirnseiten des Filterelementes und zwingen daher den Fluidstrom, durch die Wandungen der Kanäle in die Filtermedien der angrenzenden Kanäle zu fließen. Die Kanäle sind so angeordnet, dass die aneinander angrenzenden Kanäle jeweils in Richtung der gegenüberliegenden Flächen des Filterelements offen sind.
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Ein Fluidstrom, erfindungsgemäß ein gasförmiger Strom wie ein fließender Luftstrom, tritt in das Filterelement an der ersten Stirnseite ein und damit in einen oder mehrere der am Ende verschlossenen Kanälen, migriert dann durch die Wandungen, die aneinander angrenzende Kanäle in der Filtermedienlage voneinander trennen (Beispiel: Filterpapier), und verlässt dann das Filterelement durch einen angrenzenden Kanal mit geschlossenem Ende, der auf der gegenüberliegenden Stirnseite des Filterelements offen ist. Ein Vorteil von Axialfiltern liegt darin, dass sie eine größere Filteroberfläche für eine vorgegebene Größe des Filterelementes darbieten im Vergleich zu konventionellen plissierten Filtern, was zu einem kompakteren Filter für eine vorbestimmte benötigte Filteroberfläche führt.
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Teilweise aufgrund des feinen Gewebes des Filterelements bilden die Filterelemente einen Widerstand für die Fluidströmung durch den Filter, was zu einem Druckabfall im Filter führt. Für ein gegebenes Filterelement wird der Druckabfall im Filter verursacht durch die Eigenschaften des zu filternden Fluids und auch durch die Flussrate des Fluidstroms durch den Filter. Der Grad der Verschmutzung des Filterelements ist ein weiterer Faktor, der den Druckabfall im Filter beeinflusst (z. B. führt akkumulierte Verschmutzung oder Schmutz im Filter dazu, dass ein Teil der Poren in dem Gewebe des Filtermediums verschlossen ist bzw. zur Ausbildung eines Filterkuchens). Eine Erhöhung der Flussrate und/oder ein Anstieg der Verschmutzung in dem Filterelement führt dazu, dass der Druckabfall im Filter größer wird. Der Filter-Druckabfall bewirkt eine im Wesentlichen axial ausgerichtete Spannung auf die gerollten oder aufgewickelten Lagen des Filtermediums. Da Axialfilter im allgemeinen in Filtergehäusen an der Außenoberfläche gestützt werden, führt die durch die Erhöhung des Druckabfalls bewirkte axiale Spannung dazu, dass die inneren gewickelten Lagen des Filterelements versuchen, sich relativ zu den äußeren Lagen des Filterelements zu dehnen oder teleskopartig hervorzutreten. Die teleskopische Verlängerung wird typischerweise verhindert durch Klebstoffe, die zwischen den Lagen des Filters vorgesehen sind und dazu dienen, diese Lagen strukturell zusammenzuhalten. Falls die Klebefestigkeit oder die Verklebungsfestigkeit nicht ausreichend ist, um dieser Kraft entgegen zu wirken, kann das Resultat eine unerwünschte Verformung des Filterelementes sein und kann eventuell zu einem strukturellen Ausfall dieses Elementes beitragen.
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Filterelemente sind so ausgelegt, dass sie strukturelle Eigenschaften haben, die adäquat sind, um gegen die Effekte der Filterdruckabfälle in einem normalen Betriebsleben des Filters resistent zu sein. Es ist jedoch möglich, dass ein jeweiliges spezielles Filterelement in bestimmten unerwarteten und abnormalen Betriebsbedingungen unerwarteten extremen axialen Spannungen ausgesetzt wird, was zu einer teleskopartigen Verlängerung der inneren gewickelten Lagen des Filters führen kann. Ein illustratives Beispiel einer derartigen abnormalen Filterbetriebsbedingung ist ein mit Wasser beaufschlagter Luftfilter in einem Automobilmotor. Das Luftansaugsystem in einem Automobil ist üblicherweise so ausgelegt, das unerwünschte Eintreten von Wasser in das Motorluftansaugsystem zu verhindern. Wasser ist nicht komprimierbar und das Eintreten von jeder noch so kleinen Menge an Wasser in den Motor ist hochgradig unerwünscht. Ein Versagen des Luftansaugsystems eines Automobils oder der Fahrzeugfunktion in unerwarteten ungünstigen Bedingungen kann zu einem Wasser-getränkten Luftfilterelement führen, wenn Wassertropfen das Filterelement erreichen und sich das Filterelement möglicherweise mit Wasser vollsaugt. Eine Wasseransammlung innerhalb des Luftfilterelements resultiert in einer weiteren Blockierung des Luftstroms durch das Filterelement, was zu wesentlichen Anstiegen der Druckabfälle und zu einer erhöhten daraus resultierenden axialen Kraft (Spannung) innerhalb des Filterelements führt. Derartige hohe Axialspannungen können zu einer Verformung oder zu einem Versagen des Filters führen, wie oben schon beschrieben.
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Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung bezieht sich nun die Diskussion auf eine Beschreibung der Illustrationen in den vorliegenden Figuren.
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1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Axialfilterelementes 10 zur Darstellung eines Klebefehlerzustandes zwischen den Lagen, der von erhöhten axialen Spannungen herrühren kann. Der Filterkörper 23 ist aus einer flachen Filtermediumlage, die um eine Achse 22 gerollt oder gewickelt worden ist, gebildet und weist eine äußere Umfangsfilterfläche 24 auf. Das Filterelement 10 umfasst einen Filterkörper 23, und in einigen Ausführungsbeispielen noch zusätzliche Komponenten, wie z. B. einen Kantenschutz, der in 1 nicht gezeigt ist, aber weiter unten in Zusammenhang mit 4 besprochen wird.
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In der vorliegenden Beschreibung ist der Begriff Filterelement so zu verstehen, dass der Begriff den Filterkörper plus irgendwelche zusätzliche Komponenten, falls vorhanden, einschließt, die mit dem Filterkörper verbunden sein können, um so ein komplettes Filterelement auszubilden.
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In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind der Filterkörper 23 und das Filterelement 10 ein und derselbe Gegenstand. Die Lage 14 ist die äußere Lage des Filterkörpers 23. Die Lagen 12 sind die inneren Lagen (bezogen auf die äußere Lage 14). Die einzelnen Lagen (äußere Lage 14 und die inneren Lagen 12) werden während der Herstellung des Filterkörpers 23 miteinander klebend verbunden, um einen funktionsfähigen Axialfilter 10 auszubilden. Aus Darstellungs- und Beschreibungsgründen illustriert die 1 ein mögliches Ergebnis eines Fehlermodus, der in dem dargestellten Beispiel eine teleskopartige Ausbuchtung T von mindestens einigen inneren Filterlagen 12 relativ zu der äußeren Lage 14 aufgrund der erhöhten Spannung produziert, die durch den durch den Filter 10 fließenden Fluidstrom 16 verursacht wird. Während des Betriebs strömt der Fluidstrom 16 in den Filter 10 an einer ersten Stirnseite 18 ein (auch als Schmutzseite des Filters bekannt) und verlässt den Filter 10 an der gegenüberliegenden zweiten Stirnseite 20 (auch als Reinseite des Filters bekannt). In einem Filter des Axialflusstyps ist der Fluidstrom 16 im Wesentlichen in Richtung der Achse 22 des Filters ausgerichtet. Die Strömung des Fluidstroms 16 durch den Filter 10 produziert eine Reaktionsspannung oder Kraft F, die auf die Vielzahl der Filtermedienlagen des Filterelements 10 einwirkt. Falls die Größe der Reaktionsspannungskraft F ausreichend ist, dann wird ein Teil der Klebeverbindungen (nicht dargestellt), die die Lagen 12, 14 miteinander verbinden, um ein strukturell stabiles Filterelement 10 auszubilden, möglicherweise gefährdet, was zu einem Klebstoff- oder Verklebungsfehler zwischen zwei oder mehr aneinander angrenzenden Lagen führt. Ein Klebstoff- oder Verklebungsversagen kann dazu führen, dass der Filter 10 sich axial teleskopartig (wie dargestellt durch die teleskopische Länge T) oder in anderen Formen verformt. Die teleskopartige Verformung T des Filterelements 10 kann zu einem funktionellen Versagen des Filters 10 führen, so dass ein Teil des Fluidstromes 16 zwischen einigen Filtrationslagen (12, 14) des Filters (10) hindurchtreten kann und dann an der Stirnseite 20 des Filters 10 austreten kann, ohne die gewünschte Filtrationswirkung durch die Filtrationslagen (12,14) zu erfahren. Mit anderen Worten, der Fluidstrom, der das Filterelement 10 verlässt, kann Verunreinigungen enthalten, die eigentlich von dem Filter 10 entfernt werden sollten.
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Es ist daher wünschenswert, innovative Maßnahmen für das Filterelement 10 zur Verfügung zu stellen, um das Filterelement 10 zu verstärken und dadurch die teleskopische Verformung T bei Zuständen erhöhter Axialspannung zu verhindern.
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Die 2A zeigt eine Perspektivansicht von Filtermedienrändern, die einem Stirnseitenabschnitt eines flachen Mediumelementes 26 entspricht, das aus einer gewellten oder plissierten Lage 28 aus Filtermaterial besteht, das auf einer Trägerlage 30 aufgeklebt ist. Einige Ausführungsbeispiele des Filtermaterials der Lagen 28 und/oder 30 können Kunststoffe und mehrlagige Filtermedien enthalten. Diese Kunststoffe können Vliesmaterialen sein und können Spinnvliesstrukturen oder Meltblown-Strukturen sein, sind aber nicht darauf beschränkt. Mehrlagige Filtermedien können eine synthetische Lage mit einer Celluloseschicht enthalten.
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2B illustriert eine schematische Stirnseitenansicht des Axialfilterelements 10, das ausgebildet ist mittels Aufrollen oder Aufwickeln des flachen Mediumelements 26 von 2A, um mehrere Filtermediumlagen 42 in dem Filterelement 10 auszubilden.
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Die 2C stellt eine schematische Darstellung eines flachen Mediumelementes 26 der 2A dar, um die Fluidströmung durch die wechselseitig versiegelten Kanäle (32, 34), die durch die Wellenstruktur (auch Plissierungen genannt) der gewellten Lage 28 (siehe 2A) ausgebildet worden sind, darzustellen. Die Wellenstruktur, wenn sie so aufgewickelt worden ist wie in der 2B gezeigt, formt eine Reihe von Kanälen (32, 34) durch das Axialfilterelement 10. Die Kanäle (32,34) sind im Wesentlichen ausgerichtet mit der Achse 22; Achse 22 korrespondiert mit der Achse, um welche die flachen Filtermedien 26 (siehe 2A und 2B) gewickelt worden sind, um das Filterelement 10 auszubilden. Die Kanäle 32 sind so genannte endversiegelte Kanäle, die lediglich an den Rändern offen sind, die der ersten Stirnseite 18 (siehe 1) entsprechen, und sie stehen in Fluidkommunikation mit der Schmutzseite des Filters. Die Kanäle 34 sind endversiegelte Kanäle, die nur an den Rändern offen sind, die der zweiten Stirnseite 20 (siehe 1) entsprechen, und sie sind in Fluidkommunikation mit der Reinseite des Filters. Der Fluidstrom 16 strömt in das Filterelement 10 durch die Kanäle 32 an der ersten Stirnseite 18 (siehe 1) ein, durchdringt dann die Wandungen, die durch die gewellte Lage 28 und/oder die Trägerschicht 30 (siehe 2A) ausgebildet worden sind, und fließt weiter in einen angrenzenden Kanal 34, der an der zweiten Stirnseite 20 offen ist, und verlässt dementsprechend den Filter 10 als Fluidstrom 44.
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Wie bereits weiter oben im Zusammenhang mit 1 dargestellt und beschrieben, bewirkt der Fluidstrom 16 eine Spannung F (siehe 1), welche dazu führen kann, dass die geklebten Verbindungen zwischen den Filtermedienlagen 42 (siehe 2B) aufbrechen, was zu einer teleskopartigen Ausbuchtung T (siehe 1) führt, wodurch möglicherweise ein Versagen der Filterintegrität des Axialfilterelements 10 (siehe 1) resultiert.
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Die 3A zeigt schematisch eine Stirnseite eines Filterelementes 50, das mit Verstärkungselementen 52 gemäß der vorliegenden Erfindung versehen ist. Das Filterelement 50 ist ein Axialfilter sein, wie er weiter oben dargestellt und beschrieben worden ist. In 3A sind zwei Verstärkungselemente 52 an der Stirnseite 54 des Filterelementes 50 befestigt, insbesondere an den Filterlagenrändern (36 oder 38, siehe 2C) und dienen dazu, die inneren Filterlagen 12 (siehe 1) gegen teleskopartige Verformungen bezüglich der äußeren Filterlage 14 (siehe 1) zu verstärken. Die Stirnseite 54 ist repräsentativ für die Stirnseite 18 (siehe 1) auf der Schmutzseite des Filters und/oder die zweite Stirnseite 20 (siehe 1) auf der Reinseite des Filters. Einzelne Verstärkungselemente 52 sind entweder an der ersten Stirnseite 18 (siehe 1), der zweiten Stirnseite 20 (siehe 1) oder an beiden Stirnseiten befestigt. Der Winkel θ (Theta) zwischen den Verstärkungselementen ist ein Winkel, der größer als 0° ist, aber weniger oder gleich 90° beträgt.
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Die Verstärkungselemente 52 dienen dazu, unterstützend die relative Positionierung zwischen den Lagen (12,14; siehe 1) dieses mehrlagigen Filterelements 10 zu erhalten, selbst wenn die Klebstoffverbindungen, die die aneinander angrenzenden Lagen strukturell miteinander verkleben, sich lösen würden. Die Verstärkungselemente 52 sind bevorzugterweise Längenstücke von klebend umhülltem Verstärkungsmaterial, wie z. B. ein klebend beschichteter Streifen oder ein klebend beschichteter Draht. Es ist wünschenswert, dass die Kerne der Verstärkungselemente 52 ein zugfestes Material sind. Der für die Umhüllung verwendete Klebstoff kann jedes härtbare Klebstoffmaterial sein, das dazu geeignet ist, klebend an Abschnitte des Filterelements anzuhaften, mit denen es in Kontakt kommt. Es sind verschiedene geeignete härtbare Klebstoffe für den Fachmann auf diesem Gebiet bekannt. Erfindungsgemäß ist das klebende Umhüllungsmaterial ein gehärteter thermoplastischer Klebstoff, der ebenfalls bekannt ist als so genannter Hotmelt-Klebstoff. Hotmelt-Klebstoffe sind anwendbar, indem sie zunächst erwärmt werden bis zu einem Klebstofffließpunkt, um so den Klebstoff zu erweichen. Das Verstärkungsmaterial mit dem erwärmten Klebstoff kann dann auf die gewünschte Position des Filterkörpers gepresst werden. Sobald der Hotmelt-Klebstoff an dem Filterkörper aufgebracht worden ist, kühlt er schnell unter den Fließpunkt ab mit dem Resultat, dass der Klebstoff aushärtet und klebend das Haltematerial mit dem Filterkörper verbindet, wodurch ein Haltelement ausgebildet wird, wie es bereits oben diskutiert wurde. Hotmelt-Klebstoffe sind dem Fachmann auf diesem Gebiet wohl bekannt.
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Aus Gründen des besseren Verständnisses der technischen Lehre dieser Offenbarung definieren wir „zugfest“ dahingehend, dass das Verstärkungselement sich nicht signifikant verlängert oder dehnt, wenn es Zugkräften ausgesetzt ist, die innerhalb der Bereiche liegen, die während des Betriebs des Filters erwartet werden. Beispiele für derartige Materialien schließen Fasermaterialien, wie z. B. einen metallischen Draht-Kern, Glasfaser-Kern und verschiedene Arten von Fasersträngen u.a. ein. Der Querschnitt des Verstärkungselements kann jegliche Variation von Formen aufweisen. Die 3B zeigt eine Querschnittsansicht eines Beispiels eines Verstärkungselementes 56 mit einer kreisförmigen Querschnittsform, in welcher ein im Wesentlichen rundes und zugfestes Verstärkungselement 62 mit der Klebelage 60 ummantelt ist.
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Die 3B zeigt eine Querschnittsansicht eines Verstärkungselements 56, das einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Das Verstärkungselement 56 hat einen Kern 62 aus zugfestem Verstärkungsmaterial, das mit einer Klebstoffumhüllung durch Verwendung eines Hotmelt oder andere Klebstoffmaterialien, wie weiter oben schon beschrieben, ummantelt ist. Obwohl der Kern 62 koaxial mit der Umhüllung 62 dargestellt ist, dient dies nur zur Vereinfachung der Darstellung und ist nicht als eine Einschränkung zu interpretieren. Der Mittelpunkt des Kerns 62 kann auch außerhalb versetzt des Mittelpunktes der Umhüllung 60 sein, solange der Kern 62 innerhalb des kreisförmigen Querschnitts der Umhüllung 60 verbleibt.
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Die 3B stellt auch eine Querschnittsansicht eines Verstärkungselementes 58 dar, das einen abgeflachten Querschnitt aufweist. Das Verstärkungselement 58 enthält einen abgeflachten Kern 64 aus einem zugfestem Verstärkungsmaterial, das mit einem Klebstoffmantel 66 unter Verwendung von Hotmelt oder andere Klebstoffmaterialien, die weiter oben beschrieben worden sind, umhüllt ist. Der Verstärkungskern 64 kann ausgewählt sein aus: einen metallischen Streifen, einen gewebten Drahtstreifen, einen gewebten Gewebestreifen, wie z. B. gewebte Glasfasern oder gewebtes Polyester, aber auch ein Streifen, der aus bestimmten Kunststoffen mit geeigneten Charakteristika ausgebildet worden ist, so dass die Kunststoffe zugfest innerhalb der erwarteten Betriebszugspannungen und -temperaturen des Filterelements sind. Wenn ein Verstärkungselement mit einem abgeflachten Querschnitt, wie das Verstärkungselement 58, verwendet wird, ist es bevorzugt, wenn die Weite W des Verstärkungselements 58, minimiert ist. Ein unnötig breites Verstärkungselement kann einen Abschnitt des Fluidkanals in dem Filterelement verdecken oder blockieren, wodurch der Filterbereich reduziert und der Filterdruckabfall erhöht wird. Wie bereits oben bezüglich des Verstärkungselements 56 beschrieben, ist der Kern 64 als ein koaxialer Kern mit der Umhüllung 66 dargestellt, aber dies ist nur zum Zweck der Vereinfachung der Darstellung und ist nicht als Einschränkung zu sehen. Der Mittelpunkt des Kerns 64 kann außerhalb des Mittelpunkts der Umhüllung 66 liegen, solange der Kern 64 innerhalb der Peripheriegrenzen der Umhüllung 66 verbleibt.
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3C zeigt eine schematische Ansicht einer Stirnseite 72 eines Axialfilters 70, in dem eine alternative Anordnung von Verstärkungselementen (74,76) gemäß der vorliegenden Erfindung verwirklicht worden ist. Wie bereits zuvor beschrieben, kann das Filterelement 70 ein Axialfilter sein, wie dargestellt, oder alternativ jede andere dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannte Variation von Filterelementen. In 3C sind zwei Verstärkungselemente 74 mit einer ähnlichen Länge dargestellt und so positioniert, dass sie beidseits des längeren Verstärkungselements 76 angeordnet sind. Die Verstärkungselemente 74 und 76 sind beabstandet und parallelen zueinander positioniert, und zwar auf einer oder beiden Stirnseiten des Filterelements. Dargestellt ist die Stirnseite 72, die entweder die erste Stirnseite 18 (siehe 1) oder die zweite Stirnseite 20 (siehe 1) des Filterelements 70 darstellt. Die Verstärkungselemente (74,76) sind klebend an einer oder mehreren Filterlagenrändern (36,38, siehe 2C) befestigt und dienen dazu, die inneren Filterlagen (12 siehe 1) gegen teleskopisches Verformen (siehe 1) zu sichern.
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Die 3D stellt eine schematische Ansicht einer Stirnseite eines Axialfilters 80 dar, die eine andere Anordnung der Verstärkungselemente 82 im Einklang mit der vorliegenden Erfindung vorsieht. Obwohl Ähnlichkeiten vorhanden sind, wenn die 3A und 3D miteinander verglichen werden, zeigt die 3D, dass jegliche Anzahl und Anordnung von Verstärkungselementen 82 vorgesehen werden kann, um den Filter 80 gegen eine teleskopartige Verformung zu sichern. In 3D sind die Verstärkungselemente 82 um beide Stirnseiten 84 gewickelt und damit verklebt und zwar durch Aufbringen und Verkleben der Verstärkungselemente 82 an der Außenfläche 86 des Filters und auch an den Stirnseiten 84 im Einklang mit der vorliegenden Erfindung. Lediglich eine Stirnseite 84 ist in dieser Ansicht sichtbar, wobei die gegenüberliegende Stirnseite eine ähnliche Anordnung aufweist. Das Umwickeln der Verstärkungselemente 82 um den Filter 80, wie in 3D dargestellt, erhöht die gesamte Oberfläche der Klebeverbindung zwischen dem Filter 80 und den Verstärkungselementen 82, wodurch eine robustere Verbindung hergestellt ist, die besser dazu geeignet ist, den Fluidströmungsspannungen zu widerstehen, die zu einer teleskopartigen Verformung der Filterlagen 12 (siehe 1) führen können.
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Die 4 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Axialfilterelements 102, bei dem die Verstärkungselemente 104 des Weiteren an der Außenoberfläche 108 eines Filterelementes 102 mittels Kunststoffringen 110 angebracht sind, welche über und auf Abschnitten des Verstärkungselementes 104 und auf einen Abschnitt der Außenoberfläche 108 des Filterelementes 102 klebend angebracht sind. Vorteilhafterweise können die Kunststoffringe 110 ebenfalls als Kantensicherung dienen, welche bei einigen Filterelementen die Filterstirnseiten 106 (und 18,20, siehe 1) gegen unbeabsichtigte Beschädigung zu schützen, die auftreten kann während der Lagerung, der Versendung, der Handhabung und auch der Installation des Filterelementes 102. In 4 sind die Halteelemente 104 ebenfalls klebend sowohl mit den Stirnseiten (106, lediglich eine von zwei Stirnseiten ist in dieser Darstellung sichtbar) als auch mit der Außenoberfläche 108 des Filterelements verbunden.
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Des Weiteren ist ein Verfahren 500 offenbart zur Verstärkung eines Axialfilterkörpers, der eine Vielzahl von Filterlagen und zwei einander gegenüberliegende Stirnseiten aufweist, gegen axiale Verschiebungen der Filterlagen. Das Verfahren ist in dem Flussdiagramm von 5 dargestellt. Das Verfahren beginnt mit dem Schritt 502 durch Zurverfügungstellung eines zugfesten Verstärkungsmaterials mit einem langgestreckten Faserkern und einer klebenden äußeren Umhüllung (hier auch als klebende Ummantelung bezeichnet). Erfindungsgemäß ist die klebende Umhüllung ein gehärteter thermoplastischer Klebstoff (auch bekannt als Hotmelt). Das Verfahren wird fortgeführt mit dem Schritt 504 durch Erhitzen der klebenden Umhüllung über eine Fließpunkttemperatur, bei der der Klebstoff weich und „klebrig“ wird. Dann wird im Schritt 506 das Verstärkungsmaterial in eine gewünschte Position auf den Filterkörper gedrückt. Wenn das Klebstoffmaterial auf die gewünschte Position aufgedrückt worden ist, kontaktiert und verbindet sich die klebende Umhüllung des Verstärkungsmaterials mit mindestens einem Abschnitt mindestens einer der Stirnseiten. Das Verstärkungsmaterial kontaktiert auch Abschnitte der Außenoberfläche des Filters und läuft des Weiteren in einer im Wesentlichen axialen Richtung über die Außenoberfläche des Filters fort, um Abschnitte von einander gegenüberliegenden Stirnseiten des Filterkörpers zu kontaktieren und daran klebend angebracht zu werden. Die Herstellung fährt fort mit Schritt 508 durch Aushärtung des Klebstoffes, um eine permanente klebende Verbindung zwischen dem Verstärkungsmaterial und Abschnitten des Filterkörpers, der von dem Verstärkungsmaterial überspannt wird, auszubilden. Wenn der Klebstoff ein Hotmelt-Klebstoff ist, besteht der Härteschritt darin, den Klebstoff unterhalb der Fließpunkttemperatur des Hotmelt-Klebstoffs abkühlen zu lassen. Das „ausgehärtete“ Verstärkungsmaterial ist nunmehr strukturell und stützend an den Filterkörper angeklebt und bildet das Verstärkungselement, wie oben anhand verschiedener Figuren beschrieben worden ist.
