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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Filterelement zum Entfernen von Schmutzpartikeln aus einem gasförmigen Fluidstrom, wie z. B. einem Luftstrom. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Filterelement mit einem Vorabscheider, der dauerhaft an einem Hauptfilter befestigt ist, um ein einstückiges Filterelement zu bilden.
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Stand der Technik
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Filterelemente werden in einer großen Anzahl von Anwendungen benutzt, bei denen Schmutzpartikel, vor allem Staubpartikel, aus einem Fluidstrom, wie z. B. einem Gas- oder Luftstrom, entfernt werden müssen. Typische Anwendungen beinhalten die Luftfilterung von Verbrennungsluft-Ansaugsystemen in Motoren von Kraftfahrzeugen, Nutzfahrzeugen, Bau- und landwirtschaftlichen Maschinen. Luftfilter in derartigen Systemen schützen die Motorbauteile, indem sie Staubpartikel aus dem Luftstrom entfernen. Wird der Luftstrom schlecht oder ungenügend gefiltert, dann können in der Außenluft vorhandener Staub und Partikel in den Motor und teilweise in das Motorschmieröl eindringen. In dieser Ausführung können sich Staubpartikel in kritischen Bereichen mit engen Toleranzen ansammeln, wie z. B. in den Spalten zwischen den Zylinderbüchsen und den Kolbenringen, wo diese Schmutzpartikel Verschleiß und frühzeitigen Ausfall der Bauteile hervorrufen können.
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Axialströmungsfilterelemente als Hauptfilter wurden entwickelt, um ein sehr kompaktes Filterdesign mit einer großen Filterfläche in einem kleinen Bauteilvolumen bereitzustellen. Axialströmungsfilter werden in Filteranwendungen benutzt, bei denen ihre relativ hohe Durchflussleistung in einer kleinen Einbaugröße und effizientem Design von Nutzen ist. In Anwendungen, bei denen die Partikelbelastung in dem gefilterten gasförmigen Fluidstrom relativ hoch ist oder in Anwendungen, bei denen der gefilterte gasförmige Strom größere Schmutzpartikel enthält, kann die nutzbare Betriebslebensdauer des Filterelementes verkürzt werden. Schmutzpartikel werden in oder in der Nähe des Filtermediums eingeschlossen und sammeln sich dort mit der Zeit an. Wenn der Luftstrom eine nennenswerte Belastung mit Schmutzpartikeln aufweist, dann können sich diese Partikel in dem Filterelement schnell ansammeln, was zu einer Verstopfung des Filterelementes und einer Erhöhung des Druckverlustes zwischen der Rohuftseite und der Reinluftseite führt.
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Das
US 6 221 122 A offenbart ein Filterelement, das für die Verwendung als Sekundärfilterelement ausgebildet wurde, um separat einem Hauptfilterelement nachgelagert eingebaut zu werden. Das Sekundärfilterelement dient als Sicherheitsfilterelement, um zumindest einige Partikel davon abzuhalten, in das Luftansaugsystem eines Motors einzudringen, wenn das Hauptfilterelement herausgenommen wird, z. B. wenn der Hauptfilter ausgetauscht werden muss. Weil das Sekundärluftfilterelement nach dem Hauptfilter eingebaut ist, ist der Sekundärluftfilter nicht so effizient bei der Verringerung der Verschmutzung des Hauptfilters durch Schmutzpartikel.
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Das
US 7 115 156 A zeigt ein Filtersystem zum Filtern von Ansaugluft eines Verbrennungsmotors. Dieses Patent offenbart ein Gehäuse mit einer Anordnung von Filtern zum Filtern von Luft in serieller Weise, beinhaltend mindestens einen Vorfilter, einen Hauptfilter und einen Sekundärfilter.
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Die Veröffentlichung der
US 2007/02 71 886 A1 zeigt ein Filterelement, das insbesondere aus einem flachen Element umwickelt von einem kompakten Körper besteht und das entlang seines äußeren Umfangs mindestens einen Abdichtring hat, der an die Einlassfläche angrenzt.
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Die Veröffentlichung der
US 2002/01 5 0805 A1 zeigt eine mehrstufige Filteranordnung zum Entfernen von Schmutzpartikeln aus einem einströmenden Luftstrom.
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Die
US 6 994 744 B2 beschreibt eine Filterkonstruktion mit einem gewickelten Hauptfilterelement und einem Vorfilterelement, die mittels einer zylindrischen Hülse zueinander und innerhalb eines Filtergehäuses gehalten werden.
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Der
US 5 820 646 A ist ebenfalls ein Filter mit einem gewickelten Hauptfilterelement und einem Vorfilterelement zu entnehmen. Im Falle eines ersten Ausführungsbeispiels ist das Vorfilterelement scheibenförmig an der Einlassseite des Hauptfilterelements angeordnet. Im Falle eines anderen Ausführungsbeispiels ist ein Vorfilterelement über die Einlassfläche eines gewickelten Hauptfilterelementes übergestülpt.
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Aufgabe der Erfindung
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In Filteranwendungen, bei denen die Partikelbelastung in dem gefilterten gasförmigen Fluidstrom relativ hoch ist oder in Anwendungen, bei denen der gefilterte gasförmige Strom größere Schmutzpartikel enthält, kann die nutzbare Betriebslebensdauer des Filterelementes verkürzt werden. Die Schmutzbelastung in dem Filterelement erhöht sich schnell, was zu einer Verstopfung des Filterelementes und einer Erhöhung des Druckverlustes zwischen der Rohluftseite und der Reinluftseite führt. Der erhöhte Druckverlust macht den Austausch des Filters schnell notwendig. Axialströmungsfilter sind üblicherweise teurer als gefaltete Rahmenfilter, und deshalb sind Verbesserungen, die die Lebenszeit derartiger Filterelemente verlängern, neu und nützlich.
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Lösung
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Die vorliegende Erfindung stellt ein Filterelement zum Filtern eines Fluidstrom eines gasförmigen Stroms oder Luftstroms dar. Das Filterelement beinhaltet einen Axialströmungshauptfilter und einen Vorabscheider. Die Teile des Filterelementes sind dauerhaft integriert und zwar derart, dass die Teile das einstückige Filterelement bilden. Der Hauptfilter hat eine Einlassfläche und eine Auslassfläche und ein Filtermedium, das so konfiguriert und ausgelegt ist, dass es Schmutzpartikel aus dem Fluidstrom herausfiltert. Das Filtermedium beinhaltet eine Vielzahl von geschlossenen Endkanälen, wobei die erste Gruppe der geschlossenen Endkanäle sich zur Einlassstirnfläche hin öffnet und eine zweite Gruppe der Kanäle sich zur Auslassfläche hin öffnet. Der Vorabscheider ist dauerhaft befestigt und peripher um seine Außenteile umlaufend zum Hauptfilter abgedichtet und zwar derart, dass ein durch die Einlassfläche einströmender gasförmiger Strom zuerst durch den Vorabscheider des Filterelementes strömen muss. Der Vorabscheider beinhaltet ein Vorabscheidemedium mit größeren Filterporen als das Filtermedium im Hauptfilter; dadurch ist der Vorabscheider so konfiguriert und ausgelegt, um größere Partikel aus dem Fluidstrom herauszufiltern, bevor sie in den Hauptfilter gelangen. Der Vorabscheider schützt den Hauptfilter davor, sich mit Wasser voll zu saugen, was den Fluidstrom wegen des Vorhandenseins von Wassertropfen oder Schnee im Fluidstrom behindern würde.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet das Filtermedium des Vorabscheiders einen wasserabstoßenden Kunststoff zum Abscheiden des Wassers vom gasförmigen Strom, bevor es den Hauptfilter erreichen kann.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Einlassfläche des Vorabscheiders schräg gebildet, so dass ein oberer Teil der Einlassfläche des Vorabscheiders geneigt ist, so dass er sich weiter nach oben erstreckt als ein unterer Teil der Einlassfläche des Vorabscheiders und zwar derart, dass die Schwerkraft zusammen mit der Bewegungsenergie des Fluidstroms das Wasser vom Vorabscheider trennt.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das wasserabstoßende Material aus der Gruppe Polyester, Polyamid oder Polypropylen selektiert.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet das wasserabstoßende Material einen Vliesstoff.
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Erfindungsgemäß beinhaltet der Hauptfilter weiterhin einen Dichtkragen, der dicht bei der Einlassfläche des Hauptfilters liegt und sich um sie herum erstreckt. Der Vorabscheider ist größenmäßig so ausgelegt und konfiguriert, um innerhalb des Dichtkragens aufgenommen zu werden und die Einlassfläche des Hauptfilters vollständig zu bedecken. Auch ist der Vorabscheider haftend befestigt und vollständig an seinen Peripherieabschnitten zur Einlassfläche des Hauptfilters und zum Dichtkragen abgedichtet.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Kleber ein Heißkleber.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet das Filterelement einen Nachabscheider, der dauerhaft an der Auslassfläche des Hauptfilters befestigt ist. Der Nachabscheider beinhaltet einen wasserabstoßenden Kunststoff.
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Die oben aufgeführten Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind gut ersichtlich aus der folgenden detaillierten Beschreibung der besten Verfahren, um die Erfindung im Zusammenhang mit den dazugehörigen Zeichnungen zu realisieren.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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zeigt eine perspektivische Ansicht eines bestimmten Beispiels von einem Filterelement nach dem Stand der Technik,
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zeigt eine schematische Ansicht von einem Filterelement nach dem Stand der Technik von ,
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zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines verbesserten Filterelementes, welches Merkmale der vorliegenden Erfindung enthält; und
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zeigt eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform eines verbesserten Filterelementes, welches im Einklang mit der vorliegenden Erfindung steht.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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ist eine perspektivische Ansicht eines bestimmten Beispiels von einem Axialströmungsluftfilterelement 10 nach dem Stand der Technik. Das Filterelement 10 ist aus einem gewickelten Filtermedium gebildet. Die gewellte oder gefaltete Lage und die weiche Lage, die miteinander verbunden sind, sind deutlich erkennbar in dem Filterelement 10 nach dem Stand der Technik, wie in dargestellt. Ein umwickelter Kern (nicht gezeigt) ist in der Mitte des Filterelementes 10 vorgesehen, so dass kein ungefilterter Strom direkt von der Einlassstirnfläche 12 zu der Auslassstirnfläche 14 strömen kann. Das Filterelement 10 ist ein Beispiel eines axial strömenden Typs des Filterelementes, in dem zu filterndes Gas oder Fluidmedium im Wesentlichen zu der Filterachse an der Einlassstirnfläche 12 und der Auslassstirnfläche 14 ausgerichtet ist. Die Strömung zwischen der Einlassstirnfläche 12 und der Auslassstirnfläche 14 geschieht nur durch den gefilterten Fluidstrom, der durch die gewellten Filterlagen 16 strömt. Die gewellten Filterlagen bilden eine Vielzahl von geschlossenen Endkanälen mit einem geschlossenen Ende, wobei die erste Gruppe der geschlossenen Endkanäle sich zur Einlassstirnfläche 12 hin öffnet und eine zweite Gruppe der Kanäle sich zur Auslassstirnfläche 14 hin öffnet. Der Fluidstrom zwischen der ersten Gruppe und der zweiten Gruppe von Kanälen wird gezwungen, durch das Filtermedium der gewellten Filterlagen 16 zu strömen, welche die geforderte Filtrierfunktion erfüllen, z. B. das Entfernen von Schmutzpartikeln aus einem Fluidstrom wie z. B. einem Luftstrom. In dem abgebildeten Filterelement 10 ist ein elastomerer oder elastischer Dichtkragen 18 an dem Filterelement 10 in einer der Einlassstirnfläche 12 nahen Position vorgesehen. Ein Notdichtkragen 20 kann an einer anderen Position am Filterelement 10 vorgesehen sein, axial beabstandet vom Dichtkragen 18. Der Dichtkragen 18 ist so ausgelegt, dass er eine elastische Dichtung zwischen dem Filterelement 10 und einem Filtergehäuse (nicht gezeigt) vorsieht. Der Notdichtkragen 20 und der Dichtkragen 18 geben dem Filterelement 10 eine zusätzliche strukturelle Stabilität, um einer Verformung der gewellten Filterlagen 16 während des Betriebs entgegenzuwirken.
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Wie bereits bekannt und oben im Abschnitt über den Hintergrund diskutiert, sammeln sich gefilterte Partikel im Filtermedium während des Betriebs an. Diese Anhäufung verringert nach und nach die Leistung des Filterelementes, z. B. des Filterelementes 10. Ein weiteres Problem ist, dass der Ansaugluftstrom in das Filtermedium mit Wassertropfen oder auch manchmal mit Schneepartikeln verunreinigt sein kann. Dies kann passieren, wenn Außenluft bei Schlechtwetter gefiltert wird. Das Vorhandensein von Wassertropfen oder Schnee im Ansaugluftstrom des Filters kann die Ursache für eine Wasseransammlung im Filterelement sein. Dies ist ein besonders unerwünschtes Vorkommnis, da Wassertropfen dazu tendieren, das Filtermedium zu befeuchten und zu sättigen, was zu einer beträchtlichen Verstopfung der Poren des Filtermediums führen kann, was wiederum zu einem erhöhten Druckverlust und einem verringerten Luftstrom durch das Filterelement, z. B. das Filterelement 10, führt.
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ist eine schematische Ansicht des Filterelementes 10 von . Strömungspfeile 22 zeigen die Richtung des Fluids durch das Filterelement 10 an. Bei einem Luftfilter tritt die Luft durch die Einlassstirnfläche 12 des Filterelementes 10, der Luftstrom tritt dann durch die Wände des gewellten Filtermediums 24 (wie durch die Strömungspfeile 44 angedeutet) und verlässt das Filterelement 10 an der Auslassfläche 14. Das Filtermedium 24 beinhaltet eine erste Gruppe von geschlossenen Endkanälen 26 und eine zweite Gruppe von geschlossenen Endkanälen 28 (wie unter diskutiert), wobei jede Gruppe sich jeweils zu den einander gegenüberliegenden Stirnflächen des Filtermediums 10 hin öffnet. Wie weiter oben besprochen, sind die Kanäle 26, 28 funktionsbereit, um das Fluid oder den Luftstrom zu filtern, indem die Schmutzpartikel in mindestens einer Gruppe der Kanäle, insbesondere der ersten Gruppe 26, eingeschlossen werden und sich ansammeln. Diese Partikelansammlung im Filter mindert nach und nach die Leistung (erhöhter Druckverlust wegen Verstopfung der Filterporen im Filtermedium), was zu einem Austausch des Filters führen kann. Eine noch schlimmere Filterverstopfung und Leistungsminderung können auftreten, wenn Wassertropfen oder Schnee das Filtermedium verunreinigen, wie unter diskutiert. Die Verunreinigung eines Luftfilters durch Wasser kann den Filter zumindest vorübergehend unbrauchbar machen.
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Es versteht sich von selbst, dass die Probleme mit Partikelverunreinigungen in Filtern sowie andere weit ernsthaftere Probleme bei einer Ansammlung von Wassertropfen oder Schnee im Filterelement sich nicht nur auf Axialfilter wie in dargestellt beschränken; dies ist auch ein Thema bei vielen Arten von Filterelementen inklusive der bekannten gefalteten Filterelemente. Die vorliegende Erfindung ist vorteilhafterweise anwendbar, um die Lebensdauer dieser Filterelemente zu verlängern.
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zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines verbesserten Filterelementes 134, das Merkmale der vorliegenden Erfindung beinhaltet. Das Filterelement 134 beinhaltet einen Hauptfilter 110 (der Merkmale ähnlich denen in Filterelement 10 wie oben unter diskutiert enthalten kann) und einen Vorabscheider 130. Strömungspfeile 122 und 144 zeigen die Richtung des Fluidstroms durch das Hauptfilterelement 134. Der Vorabscheider 130 ist dauerhaft an der oder bei der Einlassfläche 112 des Hauptfilters 110 befestigt und dauerhaft derart integriert, dass das verbesserte Filterelement 134 mit den Abschnitten 110 und 130 als einstückiges Filterelement gehandhabt und ausgetauscht werden kann. Der Vorabscheider 130 ist dauerhaft befestigt und peripher um seine Außenteile 136 umlaufend an der oder bei der Einlassfläche 112 des Hauptfilters 110 komplett abgedichtet und zwar derart, dass ein durch die erste Gruppe von geschlossenen Endkanälen 126 eintretendes Fluid oder Luft durch die Dichtung gezwungen wird, zuerst von dem Vorabscheider 130 gefiltert zu werden. Eine bevorzugte Methode zum Befestigen des Vorabscheiders 130 an dem Hauptfilter 110 ist die Verwendung von Kleber wie z. B. Heißkleber, allerdings ist es nicht darauf beschränkt. Weitere alternative und brauchbare Methoden zum Befestigen des Vorabscheiders 130 am Hauptfilter 110 beinhalten die Verwendung von Reibschweißen oder Ultraschallschweißen. Vorzugsweise beinhaltet der Vorabscheider 130 Vlies in dem Vorabscheidemedium 138. Die gradierte Porenstruktur des Vliesmediums 138 ist dazu geeignet, die Vorabscheidung zu verbessern und weiterhin vorteilhaft beim Abfangen von Wassertropfen und Schnee, bevor sie in den Hauptfilter 110 eindringen und ihn verstopfen können. In anderen Ausführungsformen kann die Vorabscheider-Einlassfläche 132 in einer geneigten Konfiguration (Winkel θ) positioniert werden, um den Ablauf der Wassertropfen vom Vorabscheidefilter 130 zu verbessern. Der geneigte Winkel wird so gewählt, dass der Ablauf des Wassers durch die Schwerkraft und durch die Bewegungsenergie des auf die Einlassfläche 132 des Vorabscheiders auftreffenden Luftstroms unterstützt wird. Vorzugsweise ist die Einlassfläche 132 so geneigt, dass der obere Teil 140 der Einlassfläche 132 weiter vorgelagert ist (relativ zu der Richtung der Strömungspfeile 122) als der untere Teil 142 der Einlassfläche 132, wodurch Unterstützung durch die Schwerkraft im Zusammenspiel mit der Bewegungsenergie des durch die Einlassfläche 132 eintretenden Luftstroms gewonnen wird, um beim Trennen der Wassertropfen vom Vorabscheider 130 zu helfen.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform des Vorabscheide-Filtermediums 138 beinhaltet einen Kunststoff, insbesondere ein Polymermaterial wie Polyester, Polyamid (Nylon) oder Polypropylen. Derartige Kunststoffe sind gut dafür geeignet, Wasser eher abzustoßen als zu absorbieren und können vorteilhafterweise verwendet werden. Durch die Verwendung des verbesserten Filterelementes 134 mit dem Vorabscheider 130, der dauerhaft an der oder bei der Einlassstirnfläche 112 des Hauptfilters 110 im Einklang mit der vorliegenden Erfindung befestigt ist, wird die Lebensdauer des Filterelementes 134 verlängert und das Filterelement ist weiterhin gegen Durchnässung durch das Vorhandensein von Wassertropfen oder Schnee im gefilterten Luftstrom geschützt.
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zeigt eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein einstückiges Filterelement 200 wird in einer Explosionszeichnung dargestellt und zeigt Hauptfilter 202, Vorabscheider 204 und optional einen Nachabscheider 206. In der gezeigten beispielhaften Ausführungsform ist der Vorabscheider 204 größenmäßig so ausgelegt und konfiguriert, dass er passend in das Innere des Dichtkragens 208 eingesetzt werden kann. Der Vorabscheider 204 bedeckt oder verschließt die Einlassfläche 210 des Hauptfilters 202 des Filterelementes 200 vollständig. Vorzugsweise beinhaltet der Vorabscheider ein Vliesfiltermedium (wie bereits unter diskutiert). Der Vorabscheider ist dauerhaft an seinen Außenkanten befestigt, insbesondere an den Kantenabschnitten 212 des Vorabscheiders 204, oder an den Umfangskanten der Auslassfläche 214 des Vorabscheiders 204 zu der Einlassfläche 210 des Hauptfilters und/oder zum Inneren des Dichtkragens 208 und zwar derart, dass ein in die Einlassfläche 210 des Hauptfilters 202 eintretender Fluid- oder Luftstrom zuerst durch den Vorabscheider 204 gefiltert werden muss.
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Wie in gezeigt, können andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weiterhin einen Nachabscheider 206 beinhalten, der dauerhaft an der Auslassstirnfläche des Hauptfilters 202 befestigt ist. Der Nachabscheider 206 ist dauerhaft an seinen Außenkanten 218 an der oder bei der Auslassstirnfläche 216 des Hauptfilters befestigt, wobei Befestigungsmethoden verwendet werden, die in Bezug auf das Vorabscheidefilterelement 132 von und das Vorabscheidefilterelement 204 von weiter oben diskutiert wurden. Der Nachabscheider 206 sorgt für einen zusätzlichen Schutz des Hauptfilters 202 gegen Wassertropfen oder Schmutzpartikel, die sich im Filtergehäuse (nicht gezeigt) oder im Ansaugluftweg (nicht gezeigt) befinden sowie für einen zusätzlichen Schutz für das Filterelement 200 vor und während des Einbaus in das Filtergehäuse (nicht gezeigt). Vorzugsweise beinhaltet der Nachabscheider ein wasserabstoßendes synthetisches Vlies. Vorzugsweise ist das wasserabstoßende synthetische Vlies ein Polymermaterial wie Polyester, Polyamid (Nylon) oder Polypropylen.
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Während die besten Verfahren für die Realisierung der Erfindung detailliert beschrieben worden sind, wird ein Fachmann, der die Technik kennt, welche diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Bauformen und Ausführungsformen erkennen, um die Erfindung im Rahmen der beigefügten Ansprüche zu realisieren.
