-
Die Erfindung betrifft einen Filter mit einem Stapel aus einer Mehrzahl von flächig ausgebildeten Filterelementen, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung eines solchen Filters.
-
Filter mit Filterelementen sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Es kann sich bei solchen Filtern beispielsweise um Kraftstofffilter handeln, welche entweder im Bereich von Betankungsanlagen, insbesondere jedoch im Bereich von Fahrzeugen, welche durch den Kraftstoff angetrieben werden, angeordnet sind. Herkömmliche Filter werden häufig mit einem Filtermaterial ausgeführt, welches aus einer Art Gewebe oder Vlies besteht. Insbesondere bei hohen Drücken bzw. Druckdifferenzen des zu filternden gasförmigen oder flüssigen Fluids können dabei mechanische Beschädigungen des Filters auftreten. Im schlimmsten Fall werden Teile des Filtermaterials mit dem zu filternden Fluid fortgetragen und können an anderer Stelle, beispielsweise in einer Einspritzanlage, in einer Turbine zur Entspannung eines gasförmigen Brennstoffs oder dergleichen, zu erheblichen Beeinträchtigungen und Beschädigungen führen.
-
Dies gilt insbesondere bei Filtern, welche für mit Wasserstoff betriebene Fahrzeuge eingesetzt werden. Ungeachtet davon, ob der Wasserstoff in dem Verbrennungsmotor verbrannt oder in einer Brennstoffzelle umgesetzt wird, ist es bei Wasserstoff üblich, diesen unter vergleichsweise hohem Druck, beispielsweise in einem Druckgasspeicher mit einem Nenndruck von 700 bar, zu bevorraten, um mit vertretbarem Volumen des Druckgasspeichers eine vergleichsweise hohe Energiemenge speichern zu können. Bei der Betankung des Wasserstoffs treten dabei Drücke in der Größenordnung von bis zu 875 bar und Temperaturen in der Größenordnung von –40° C auf. Insbesondere bei solchen extremen Umgebungstemperaturen sind die Filter thermisch und mechanisch hoch beansprucht. Herkömmliche Filter mit Maschen, Geweben oder dergleichen können dann leicht versagen und Teile des Filters können in das System eindringen. Dies kann zu erheblichen Problemen führen. Schlimmstenfalls kommt es zu irreparablen Schäden an dem System.
-
Ein weiteres Problem besteht darin, dass bei den herkömmlichen Filtersystemen fertigungsbedingt an der Konstruktion Grate auftreten. Diese Grate müssen sehr aufwändig entfernt werden. Dies ist prozesssicher nur bedingt darstellbar. Dadurch kann es immer wieder zu einem Eintrag von Partikeln in das System während des Betriebs kommen, welche von bei der Endreinigung übersehenen und im Betrieb abbröckelnden Graten herrühren. Auch dies kann das System nachhaltig schädigen.
-
Um dieser Problematik zu begegnen ist es aus dem Stand der Technik bekannt, Filter mit flächigen Filterelementen auszubilden, welche auf der Fläche geätzte Kanäle oder andersartige Strukturen aufweisen. Beim Stapeln der flächigen Elemente entsteht dann ein Filter, bei welchem ein Gas beispielsweise vom Äußeren der flächigen Elemente her zwischen die flächigen Elemente einströmt und dabei die Kanalstrukturen passiert und über eine im inneren der flächigen Elemente angeordnete Sammelöffnung wieder abgeführt wird. Die Kanalstrukturen mit ihrer charakteristischen Größenordnung stellen dann den eigentlichen Filter dar. Ein solcher Aufbau wird durch das
US-Patent 4,726,900 beschrieben. Auch die darin eingebundene
US 3,648,843 beschreibt einen solchen Filter. In der zweitgenannten Schrift sind dabei neben dem Ätzen auch andere Fertigungsmöglichkeiten genannt.
-
In den beiden genannten US-Schriften sind die Aufbauten entsprechend komplex, da käfigförmige Spannelemente beziehungsweise Gehäuse, zwischen welchen die einzelnen Filterplatten verspannt sind, notwendig sind. Dies ist sehr aufwändig und benötigt einen vergleichsweise großen Bauraum, welcher bei komplexen Systemen, insbesondere in Fahrzeugen, so häufig nicht zur Verfügung steht.
-
Ein weiterer Nachteil besteht in der vergleichsweise eingeschränkten Möglichkeit, die Geometrie der Kanalstrukturen zu beeinflussen. Dadurch ist die maximale erzielbare Filterwirkung immer durch die gewählte Fertigungsmethode zum Erzeugen der Kanalstrukturen begrenzt. Dabei weisen die unterschiedlichen Fertigungsmethoden außerdem unterschiedliche Nachteile auf. Sie sind entweder sehr langsam, wie beispielsweise das Ätzen, oder hinterlassen unerwünschte Grate, wie beispielsweise ein Fräsen oder Schneiden, welche zu der oben bereits beschriebenen Problematik führen können. Geprägte Strukturen sind typischerweise in ihrer Maßhaltigkeit nicht sehr exakt und können nicht ausreichend fein dargestellt werden, um beispielsweise Filteröffnungen in der Größenordnung von 10 μm oder weniger zu realisieren.
-
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Filterelement beziehungsweise einen Filter mit einem solchen Filterelement anzugeben, welcher die oben genannten Nachteile vermeidet und schnell, einfach und hinsichtlich Größe und Struktur der Filterkanäle sehr flexibel in der Herstellung ist.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Filter mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen hiervon sind in den davon abhängigen Unteransprüchen angegeben. Eine besonders bevorzugte Verwendung für einen solchen Filter ist im Anspruch 13 angegeben. Eine vorteilhafte Weiterbildung hiervon beschreibt der abhängige Unteranspruch.
-
Die erfindungsgemäße Lösung sieht es also vor, dass der Stapel auf der dem Grundkörper abgewandten Seite eine Deckplatte aufweist, welche den Stapel dicht abschließt. Die erfindungsgemäße Deckplatte, welche den Stapel dicht abschließt, also nicht von Fluid durchströmt werden kann, ist besonders einfach und effizient im Aufbau. Außerdem ist sie sehr stabil und ermöglicht ein Verspannen des Stapels zwischen dieser sehr stabilen Deckplatte und dem Grundkörper. Auf aufwändige Bohrungen und Öffnungen im Bereich der Deckplatte kann verzichtet werden. Es reicht aus, wenn der Stapel beispielsweise um die Deckplatte herum von außen durch einen Medienstrom angeströmt wird. Im Inneren des Stapels kann der Medienstrom dann durch Strömungsöffnungen wieder abgeführt werden. Dadurch entsteht ein sehr einfacher und effizienter Aufbau, welcher platzsparend ausgeführt werden kann und darüber hinaus sehr stabil zu realisieren ist. Der erfindungsgemäße Filter kann so mechanischen und/oder thermischen Belastungen, wie sie beispielsweise bei der Betankung mit Wasserstoff unter hohem Druck bzw. hoher Druckdifferenz über dem Filter und bei niedrigen Temperaturen auftreten, sehr gut standhalten.
-
Durch eine einfache Variation der Stapelhöhe lässt sich der erfindungsgemäße Filter sehr leicht hinsichtlich seiner Filterwirkung und der von ihm erzeugten Druckdifferenz an die jeweiligen Bedingungen, welche benötigt werden, anpassen. Er ist also sehr leicht und einfach skalierbar, ohne dass dadurch der konstruktive Aufbau verändert wird.
-
Außerdem erlaubt der Filter eine sehr einfache Reinigung durch Rückspülen, also eine Umkehr der Strömungsrichtung, da dann in den Filterkanälen festgehaltene Stoffe und Partikel wieder aus dem Aufbau des Filters herausgespült werden.
-
Gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Filters ist es dabei vorgesehen, dass die Deckplatte über wenigstens eine Schraube mit dem Grundkörper verspannt ist, wobei die Schraube durch eine Öffnung in dem Stapel der Filterelemente verläuft. Diese Öffnung kann vorzugsweise nur für die Schraube vorgesehen sein und nicht von Medium durchströmt werden. Die Öffnung kann dann so ausgebildet sein, dass die Filterelemente passgenau von der Schraube gehalten werden, und zusammen mit der Deckplatte und dem Grundkörper durch die Schraube zu einer fasten Einheit verspannt werden. Durch den Einsatz der Schraube ist die Einheit jederzeit auch wieder demontierbar, sodass beispielsweise zu Reinigungszwecken und/oder zum Austausch von Filterelementen eine Demontage und danach eine erneute Remontage erfolgen kann.
-
In einer sehr günstigen und vorteilhaften Weiterbildung ist es ferner vorgesehen, dass die Deckplatte und/oder die Schraube eine strömungsoptimierte Form in der dem Grundkörper abgewandten Richtung aufweisen. Die Deckplatte alleine oder, entsprechend der oben beschriebenen Ausgestaltung, die Schraube und die Deckplatte zusammen oder jede für sich können eine strömungstechnisch optimierte Form aufweisen. Typischerweise wird der Filter nicht seitlich angeströmt, sondern aus Richtung der Deckplatte, wonach das Medium um die Deckplatte herum zu den Filterelementen strömt und seitlich durch diese in wenigstens eine Strömungsöffnung im Inneren der Filterelemente einströmt, um dann durch den Grundkörper abzuströmen. Die strömungsoptimierte Form der Deckplatte ermöglicht so einen Filter mit minimalem Druckverlust und ermöglicht einen sehr stabilen Aufbau, welcher in der Strömung sehr ruhig verharrt und nicht durch Strömungseffekte beispielsweise aufgeschaukelt und/oder in Vibrationen versetzt werden kann.
-
In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung kann es ferner alternativ oder ergänzend hierzu vorgesehen sein, dass der Stapel der Filterelemente sich in Richtung der dem Grundkörper abgewandten Seite hin verjüngt. Auch dieser Aufbau kann als Strömungsoptimierung gesehen werden. Die einzelnen Filterelemente werden in Stapelrichtung ausgehend vom Grundkörper dabei immer kleiner, sodass der Gesamtstapel sich entsprechend verjüngt und im Querschnitt typischerweise eine trapezförmige Gestalt annimmt. Auch dies kann die Anströmung der einzelnen Filterelemente, bei einer Strömung in Stapelrichtung auf den Grundkörper zu, deutlich verbessern.
-
In einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Filters kann es außerdem vorgesehen sein, dass die Filterkanäle in Strömungsrichtung gebogen und/oder S-förmig verlaufen. Ein solcher in Strömungsrichtung gebogener oder S-förmiger Verlauf der Filterkanäle ist ideal geeignet, um beispielsweise faserartige oder stabförmige Partikel aus dem Fluid auszufiltern. Dieser Aufbau ist daher hinsichtlich der Filterwirkung besonders günstig und kann sehr vorteilhaft bei dem erfindungsgemäßen Filter genutzt werden.
-
In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung ist es ferner vorgesehen, dass die Filterelemente sich in Strömungsrichtung in ihrem Querschnitt kontinuierlich und/oder in einer oder mehreren Stufen hinsichtlich Abmessung und/oder Querschnittsform ändern. Eine solche Änderung der Querschnittsabmessung und/oder der Querschnittsform beispielsweise in Stufen oder kontinuierlich in Strömungsrichtung jedes einzelnen Filterkanals kann ebenfalls zur Verbesserung der Filterwirkung beitragen. Unterschiedliche Schmutzpartikel reagieren auf unterschiedliche Querschnittsabmessungen und Querschnittsformen unterschiedlich. Durch eine Verwendung mehrerer Querschnittsformen im Bereich jedes einzelnen Filterkanals kann so eine verbesserte Filterwirkung erreicht werden.
-
In einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Filters ist es vorgesehen, dass die Filterkanäle durch wenigstens einen quer zur Strömungsrichtung des Fluids in den Filterkanälen verlaufenden Sammelkanal durchbrochen und zumindest teilweise miteinander verbunden sind.
-
Die Verwendung eines solchen Sammelkanals, welcher quer zur Strömungsrichtung des Fluids in den Filterkanälen verläuft, kann insbesondere bei verstopften Filterkanälen für einen Druckausgleich und eine Ausgleichsströmung über andere Filterkanäle sorgen.
-
Außerdem können fasrige und stabförmige Partikel über einen solchen Sammelkanal sehr leicht abgefangen werden.
-
Die besonders bevorzugte Verwendung eines Filters gemäß der Erfindung liegt dabei in der Filterung von Kraftstoffen in einem Fahrzeug. Insbesondere hier, wo teilweise mit sehr hohen Drücken und gegebenenfalls einer Belastung des Filters in thermischer und mechanischer Art ebenso wie durch Vibrationen, welche in dem Fahrzeug unvermeidlich sind, gerechnet werden muss, spielt der erfindungsgemäße Aufbau des Filters eine entscheidende Rolle. Die Filterelemente können hinsichtlich der Filterwirkung sehr variabel realisiert werden. Die Herstellung ist sehr prozesssicher und mit kurzen Fertigungszeiten und damit verbundenen geringen Herstellungskosten möglich. Damit kann sehr einfach und effizient ein sehr zuverlässiger Aufbau realisiert werden, welcher den oben genannten Belastungen problemlos standhält.
-
Die endungsgemäßen Filter erlauben so trotz dieser schwierigen Bedingungen die ideale Filterung des Kraftstoffs. Dies gilt insbesondere dann, wenn es sich bei dem Kraftstoff um einen gasförmigen Kraftstoff handelt, insbesondere um Wasserstoff, welcher bei Drücken von mehr als 300 bar gespeichert wird. Insbesondere beim Speichern von Kraftstoff in Druckgastanks, unter hohem Druck und typischerweise bei extrem niedrigen Temperaturen während der Betankung, spielt die Qualität und Stabilität des Filterelements beziehungsweise des Filters eine entscheidende Rolle. Insbesondere für diese Anwendung sind die Filter beziehungsweise Filterelemente gemäß der Erfindung besonders gut geeignet, da sie eine extrem feine Kanalstruktur der Filterkanäle mit einer hohen mechanischen und thermischen Belastbarkeit vereinen. Außerdem lassen sie sich sehr schnell, kostengünstig und hinsichtlich des Bauraums sehr klein realisieren, da aufgrund der sehr kleinen Kanalstrukturen sehr dünne flächig ausgebildete Bauteile, beispielsweise Folien mit einer Dicke von lediglich 50 μm, ausreichen. Um eine ausreichende Filterfläche zur Verfügung zu stellen, reichen dann einige derartige Folien beziehungsweise Scheiben als flächige Bauteile aus, sodass mit minimalem Bauraum eine maximale Filterwirkung erzielt werden kann.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Filterelements beziehungsweise Filters ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben wird.
-
Dabei zeigen:
-
1 eine Schnittdarstellung durch eine erste Ausführungsform eines Filters;
-
2 eine mögliche Ausführungsform des Filterelements;
-
3 eine Detaildarstellung des Ausschnitts III aus 2;
-
4 eine Schnittdarstellung durch eine zweite Ausführungsform eines Filters;
-
5 eine Schnittdarstellung durch eine dritte Ausführungsform eines Filters;
-
6 eine Schnittdarstellung durch eine vierte Ausführungsform eines Filters;
-
7 eine Prinzipdarstellung eines Filterelements;
-
8 drei mögliche Ausführungsformen des Filterelements gemäß VIII in 7 im Detail;
-
9 eine dreidimensionale Darstellung eines Filterelements in einer möglichen Ausführungsform;
-
10 eine prinzipmäßige Schnittdarstellung durch einen Filterkanal des Filterelements gemäß 9;
-
11 einen möglichen Strömungsquerschnitt von Filterkanälen zur optimierten Schmutzaufnahme;
-
12 einen möglichen Strömungsquerschnitt von Filterkanälen zur optimierten Rückspülung;
-
13 Filterkanäle in einer weiteren alternativen Ausführungsform;
-
14 eine Prinzipdarstellung von Filterkanälen mit einem Sammelkanal;
-
15 eine Schnittdarstellung gemäß der Linie XV-XV in 14;
-
16 ein beidseitig des Filterelements angeordneter Kanal in einer Prinzipdarstellung;
-
17 ein beidseitig des Filterelements angeordneter Kanal in einer alternativen Ausführungsform; und
-
18 eine alternative Geometrie eines Filterelements;
In der Darstellung der 1 ist ein Filter 1 zu erkennen, welcher insbesondere zur Filterung von Kraftstoffen in einem Fahrzeug eingesetzt werden kann. Der Filter 1 soll vorzugsweise zur Filterung von Wasserstoff für ein Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug genutzt werden. Der Wasserstoff für ein solches Brennstoffzellensystem wird typischerweise in einem Druckgasspeicher gespeichert. Beim Betanken des Wasserstoffs kommt es daher zu sehr hohen Drücken, beispielsweise Drücken in der Größenordnung von 875 bar bei einem Druckgasspeicher mit 700 bar Nenndruck. Außerdem treten sehr niedrige Temperaturen in der Größenordnung von –40° C auf. Der Filter 1 ist also sehr hoch belastet. Außerdem ist ein Brennstoffzellensystem vergleichsweise empfindlich, sodass eine sehr gute Filterwirkung benötigt wird. Der Filter 1 ist nun so aufgebaut, dass er der hohen mechanischen und thermischen Belastung standhält und außerdem, wie es später noch näher erläutert werden wird, eine sehr gute Filterwirkung gewährleistet. Der Filter 1 besteht dazu im Wesentlichen aus einem Stapel 2 von einzelnen Filterscheiben 3.
-
In der Darstellung der 2 ist ein solches Filterelement 3 in einer Draufsicht dargestellt. Es besteht im Wesentlichen aus einem scheibenförmigen Grundkörper, welcher eine zentrale Durchgangsöffnung 4 aufweist. Außerdem weist das Filterelement 3 mehrere Strömungsöffnungen 5 auf. Die Strömungsöffnungen 5 korrespondieren mit Durchgangsöffnungen 6 in einem Grundkörper 7 des Filters 1, welcher in der Darstellung der 1 zu erkennen ist. Die Strömungsöffnungen 5 sind, wie es in der Darstellung der 2, und insbesondere in der vergrößerten Darstellung der 3 besser zu erkennen ist, mittels Filterkanälen 8 mit einem äußeren Umfang 9 des Filterelements 3 verbunden. Zur verbesserten Anströmung aller Filterkanäle 8, von welchen hier nur einige mit einem Bezugszeichen versehen sind, sind ferner auf jedem der Filterelemente 3 Verbindungskanäle 10 zwischen den einzelnen Strömungsöffnungen 5 vorgesehen, um so einen Ausgleich der Strömung zwischen den einzelnen Strömungsöffnungen 5 bewerkstelligen zu können. Im Bereich des äußeren Umfangs 9 des Filterelements 3 finden sich außerdem Vorsprünge 100, welche als Stapelhilfe dienen, sodass die Filterelemente 3 beim Aufeinanderstapeln immer so liegen, dass die Durchgangsöffnungen 5 fluchtend zueinander angeordnet sind.
-
Die Vorsprünge 100 können außer als Stapelhilfe auch zum Verschweißen des Stapels 2 eingesetzt werden. Eine Schweißnaht im Bereich der Vorsprünge 100 ermöglicht so elf Verscheißen des Stapels 2, ohne dass Filterkanäle 8 durch eine Schweißnaht verstopft werden können. Dadurch ist eine einfache und sehr effiziente Montage des Stapels 2 der Filterelemente 3 möglich.
-
In der Darstellung der 1 lässt sich die prinzipielle Funktion des Filters 1 nun besser erkennen. Der Stapel 2 der Filterelemente 3 wird über eine Deckplatte 11, und in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über eine Schraube 12 mit dem Grundkörper 7 des Filters 1 verbunden. Die einzelnen Filterelemente 3 werden so gegeneinander gespannt und liegen fest aneinander an. Über die mit M bezeichneten Pfeile findet nun ein Medienstrom zu dem Filter 1 statt. Dieser kann beispielsweise quer zur Stapelrichtung des Stapels 2 erfolgen, oder auch in Stapelrichtung, wobei der Medienstrom M dann den Bereich der Deckplatte 11 entsprechend umströmt, um ebenfalls quer zur Stapelrichtung durch die Filterkanäle 8 zwischen die einzelnen Filterelemente 3 einzuströmen. Der durch die Filterkanäle 8 geströmte und von Schmutzpartikeln, welche im Bereich der Filterkanäle 8 hängen geblieben sind, befreite Medienstrom strömt dann durch die in 2 und 3 erkennbaren Strömungsöffnungen 5 und die damit korrespondierenden Durchgangsöffnungen 6 im Grundkörper 7 des Filters 1 wieder ab. Der abströmende Medienstrom ist in der Darstellung der 1 mit N bezeichnet.
-
Der Filter 1 kann nun als Ganzes beispielsweise in das Ende eines Leitungselements eingebracht werden, welches dann typischerweise im Bereich des Grundkörpers 7 dichtend mit dem Filter 1 abschließt. Durch das Leitungselement anströmendes Medium M strömt durch den Filter 1 und kann durch den Grundkörper 7 beziehungsweise die in dem Grundkörper 7 befindlichen Durchgangsöffnungen 7 dann wieder abströmen. Insbesondere für einen solchen Aufbau, bei welchem der Medienstrom senkrecht zur Stapelrichtung von oben anströmt, also zuerst auf die Deckplatte 11 trifft, kann es sinnvoll und vorteilhaft sein, die Deckplatte 11 und/oder die Schraube 12 strömungstechnisch entsprechend zu optimieren. Ein solcher Aufbau ist beispielsweise in der Darstellung des Filters 1 in 4 zu erkennen. Der Filter unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten Filter nur dadurch, dass die Deckplatte 11 und die Schraube 12 strömungsoptimiert im Vergleich zu der Deckplatte 11 und der Schraube 12 in der Darstellung der 1 ausgeführt sind. Eine weitere Möglichkeit, den gesamten Filter 1 hinsichtlich der Anströmung zu optimieren, ist in der Darstellung der 5 zu erkennen. Diese ist wiederum vergleichbar zu den Darstellungen in den 1 und 4 zu verstehen. Die einzelnen Filterelemente 3 des Stapels 2 verringern dabei jedoch ihren Durchmesser, sodass auf der dem Grundkörper 7 abgewandten Seite ein geringerer Durchmesser des Stapels 2 vorliegt, als auf der dem Grundkörper 7 zugewandten Seite. Auch dadurch lässt sich eine Strömungsoptimierung erzielen.
-
Ein weiteres Beispiel für eine solche Strömungsoptimierung ist in der dreidimensionalen Schnittdarstellung der 6 zu erkennen. Auf dem Grundkörper 7, welcher hier einen größeren Durchmesser als der Stapel 2 der Filterelemente 3 aufweist, ist wiederum ein Stapel 2 von identischen Filterelementen 3 angebracht. Den Abschluss bildet eine Deckplatte 11, welche mit aerodynamisch optimierter Formgebung ausgebildet ist. Die Schraube 12, welche hier nicht dargestellt ist, wird nicht durch die Deckplatte hindurch in dem Grundkörper 7 verschraubt, sondern durch den Grundkörper 7 hindurch in ein mit 13 bezeichnetes Gewinde der Deckplatte 11 eingeschraubt. Das ungefilterte Medium M strömt, wie durch den Pfeil M bezeichnet, zentral auf die aerodynamisch optimierte Deckplatte 11 zu. Es umströmt diese und gelangt vergleichbar wie bei den oben beschriebenen Filter 1 auch durch den Außenumfang 9 der Filterelemente in den Stapel 2 der Filterelemente ein. Dort strömt es durch die Strömungsöffnungen 5 und die Durchgangsöffnungen 8 in dem Grundkörper 7 als gefiltertes N wieder ab. Ansonsten ist die Funktionalität im Wesentlichen dieselbe, wie die welche bei den Filtern in den 1, 4 und 5 bereits beschrieben worden ist. Zusätzlich ist hier zu erkennen, dass die in 2 dargestellten Vorsprünge 100 der einzelnen Filterelemente 3 jeweils aufeinander gestapelt ausgebildet sind. Sie dienen der exakten Positionierung der Filterelemente 3. Die Deckplatte 11 weist in dem Bereich, in dem sie auf diese Vorsprünge trifft, ebenfalls eine strömungsoptimierte Form auf, indem sie ihrerseits einen Vorsprung 101 ausbildet, welcher in Richtung der Anströmung als Rampe 102 ausgebildet ist. Neben dem Verschrauben der Deckplatte 11 mit dem Grundkörper und dem damit erfolgenden Einspannen der Filterelemente 3 kann außerdem im Bereich der Vorsprünge 100 ein Verschweißen der einzelnen Filterelemente 3 untereinander erfolgen, sodass die mechanische Belastbarkeit des Filters 1 noch weiter erhöht wird.
-
In der Darstellung der 2 und 3 wurde bereits auf die Filterkanäle 8 des Filterelements 3 eingegangen. Diese spielen für die Filterwirkung des Filterelements 3 die entscheidende Rolle. Sie sollen beim beschriebenen Anwendungsbeispiel vergleichsweise klein ausgebildet sein und durchströmbare Querschnitte aufweisen, welche in ihren Abmessungen typischerweise kleiner als 10 μm, insbesondere in der Größenordnung von etwa 3-5 μm liegen. Diese sehr kleinen Filterkanäle erlauben eine ideale Filterwirkung. In der Darstellung der 7 ist nochmals eine vereinfachte Draufsicht auf ein Filterelement 3 zu erkennen. Auch hier sind mehrere Strömungsöffnungen 5 dargestellt sowie eine Durchgangsöffnung 4 für eine zentral angeordnete Schraube 12 zum Verspannen der Filterelemente 3 zwischen dem Grundkörper 7 und der Deckplatte 11.
-
In 8 sind drei verschiedene Details mit jeweils einer der Strömungsöffnungen 5, den Filterkanäle 8 und dem Außenumfang 9 des Filterelements 3 dargestellt. In der ersten mit a) bezeichneten Detaildarstellung verlaufen die Filterkanäle 8 dabei gerade. In der mit b) bezeichneten Detaildarstellung verlaufen die Filterkanäle 8 gebogen. Dies kann insbesondere zum Zurückhalten von Fasern oder von stabförmigen Verunreinigungen von besonderem Vorteil sein, da diese sich dann im Bereich der Filterkanäle 8 entsprechend verhaken und nicht mit dem gefilterten Medium N fortgerissen werden. Eine weitere Verbesserung stellt dabei die in 8 c) gezeigte Variante dar, bei welcher die Filterkanäle jeweils S-förmig verlaufen. Der S-förmige Verlauf der Filterkanäle 8 kann dabei, so wie in 8 c) dargestellt, durch einen sehr starken Gegenschwung gekennzeichnet sein, oder auch durch zwei lediglich leicht gebogene Abschnitte, welche entlang einer Geraden ineinander übergehen.
-
In der Darstellung der 9 ist ein Filterelement 3 in einer dreidimensionalen Prinzipdarstellung zu erkennen, um die Möglichkeiten bei der Gestaltung der Filterkanäle 8 näher zu erläutern. Das Filterelement 3 in der Darstellung der 9 weist dabei lediglich eine zentrale Strömungsöffnung 5 auf. Die Darstellung verzichtet auf Durchgangsöffnungen 4 für die Schraube 12. Die Darstellung ist daher als Prinzipdarstellung zu verstehen. Das Funktionsprinzip kann selbstuerständlich in Filterelemente 3 in der oben beschriebenen Ausführungsform entsprechend integriert werden.
-
Die Filterkanäle 8, von welchen hier nur einer mit einem Bezugszeichen versehen ist, verlaufen hier radial nach außen, ohne dass diese gebogen, S-förmig oder mit einer andersartigen Richtungsänderung ausgebildet sind. Zwei Sammelkanäle 14 verlaufen ringförmig in dem Filterelement 3 und durchbrechen die einzelnen Filterkanäle 8 jeweils quer zur Strömungsrichtung. Außerdem schaffen sie durch diese Querverbindung eine Verbindung der einzelnen Filterkanäle 8 untereinander, in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel zweimal während der Lauflänge jedes der Filterkanäle 8. So können über die Sammelkanäle 14 Ausgleichsströmungen zwischen den einzelnen Filterkanälen 8 stattfinden, wodurch, auch bei verstopften Filterkanälen 8 beziehungsweise verstopften Abschnitten von Filterkanälen 8, der Druckverlust in dem Filterelement 3 insgesamt minimiert werden kann. Zusätzlich verändern die Filterkanäle 8 des Filterelements 3 in 9 ihren Kanalquerschnitt. Dies ist in einer prinzipmäßigen Schnittdarstellung der 10 nochmals verdeutlicht. Die Änderung des Kanalquerschnitts erfolgt dabei jeweils so, dass die einzelnen Querschnitte durch die Sammelkanäle 14 voneinander getrennt sind. Dies ist prinzipiell nicht notwendig, die Veränderung des Kanalquerschnitts könnte auch kontinuierlich oder in Stufen, ohne dass die Sammelkanäle 14 vorhanden sind, erfolgen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der vom Außenumfang 9 aus zuerst durchströmte Abschnitt der Filterkanäle 8 jeweils halbkreisförmig ausgebildet. Er ist an einem beispielhaften Filterkanal 8 mit dem Bezugszeichen 8.1 versehen. Der nächste Abschnitt ist im Querschnitt dreieckig ausgebildet und mit dem Bezugszeichen 8.2 versehen. Der am weitesten innen liegende Abschnitt ist mit dem Bezugszeichen 8.3 versehen, er ist im Wesentlichen rechteckig. Die Form als exakter Halbkreis, insbesondere jedoch als exaktes Rechteck beziehungsweise exaktes Dreieck, ist dabei rein beispielhaft zu verstehen. Je nach Fertigungstechnologie für die Filterkanäle 8 können die Ecken auch entsprechend gerundet sein, sodass beispielsweise anstelle des rechteckigen Querschnitts 8.3 des Filterkanals 8 ein Querschnitt in der Art einer halben Linse vorliegt.
-
In der Darstellung der 11 ist auf eine Draufsicht auf zwei Filterkanäle 8 und die Darstellung der Strömungsrichtung durch den eingezeichneten Zustrom des Mediums M ein sich kontinuierlich verjüngender Kanalquerschnitt dargestellt. Dies kann insbesondere zur Ausfilterung von Partekeln von besonderem Vorteil sein. Da die Filter zur Reinigung regelmäßig auch rückgespült werden, um eventuelle Verunreinigungen aus dem Filter wieder herauszuspülen, kann es gegebenenfalls auch sinnvoll sein, die Filterkanäle 8 genau andersherum, nämlich sich erweiternd auszubilden, wie es in der Darstellung der 12 zu erkennen ist. Auch eine Kombination aus sich zuerst verjüngendem und dann wieder erweiterndem Querschnitt, wie es beispielsweise in der 13 dargestellt ist, kann sinnvoll und nützlich sein.
-
In der Darstellung der 14 ist eine weitere Alternative zur Integration eines Sammelkanals 14 dargestellt. In dem hier dargestellten Ausschnitt verlaufen dabei 5 einzelne Filterkanäle 8 in Strömungsrichtung des Mediums M bis zu dem Sammelkanal 14, welcher quer zur Strömungsrichtung angeordnet ist und die Filterkanäle 8 miteinander verbindet. Der Sammelkanal 14 hat dabei typischerweise einen sehr viel größeren Strömungsquerschnitt, wie es in der Schnittdarstellung gemäß der Linie XV-XV in 15 zu erkennen ist. Die einzelnen Filterkanäle 8 in Strömungsrichtung bis zu dem Sammelkanal 14 verlaufen dabei so, dass sie auf der anderen Seite des Sammelkanals 14 nicht fortgesetzt werden. Das Medium muss damit in jedem Fall ein Stück weit durch den Sammelkanal 14 strömen. Dadurch können faserförmige und stabförmige Verunreinigungen sehr gut zurückgehalten werden. Im weiteren Verlauf der Filterkanäle 8 sind dann nur noch zwei sich kontinuierlich erweiternde Filterkanale 8 vorgesehen, welche den aus den fünf bis zum Sammelkanal 14 verlaufenden Filterkanälen 8 stammenden Volumenstrom aufnehmen und entsprechend weiterleiten.
-
Die bisherige Ausgestaltung der Filterkanäle 8 war dabei jeweils einseitig auf dem Filterelement 3. Dies kann hinsichtlich der Bearbeitung und der Ausgestaltung der Filterelemente sehr günstig und einfach und effizient herstellbar sein. Es ist aber selbstverständlich auch möglich, die Filterkanäle auf beiden Seiten entsprechend anzubringen und diese insbesondere durch das Filterelement 3 hindurch miteinander zu verbinden. Ein solches Beispiel ist in der Darstellung der 16 zu erkennen. Oben ist die Draufsicht auf eine Oberseite 15 des Filterelements 3 zu erkennen, in der Mitte die Ansicht von unten. In der unteren Darstellung ist dann in einem Querschnitt zu erkennen, dass der Filterkanal 8 auf der Oberseite 15 bis zu einer Durchbrechung 16 des Filterelements 3 verläuft, Nach der Durchbrechung 16 läuft der Filterkanal 8 dann auf einer Unterseite 17 des Filterelements 3 weiter. Eine Alternative dazu ist in der Darstellung der 17 zu erkennen. Im Prinzip entspricht die Darstellung der in 16 beschriebenen Darstellung. Anstelle einer einzelnen Durchbrechung 16 ist zumindest auf einer Seite, hier insbesondere der Oberseite 15, ein Sammelkanal 14 angeordnet, welcher über die Durchbrechung 16 mit der Unterseite 17 verbunden ist. Dies ist einerseits hinsichtlich der oben beschriebenen Filtereigenschaften des Sammelkanals 14 von Vorteil und andererseits hinsichtlich der Herstellung, da die Filterkanäle 8 auf der Oberseite 15 und auf der Unterseite 17 nicht exakt übereinander verlaufen müssen, um durch die Durchbrechung 16 sicher und zuverlässig miteinander verbunden zu werden, sondern dass auch ein leichter Versatz aufgrund des auf der Oberseite 15 angeordneten Sammelkanals 14 unkritisch ist. Dadurch kann das Filterelement 3 mit geringeren Fertigungstoleranzen hergestellt werden, was insgesamt eine einfachere und kastengünstigere Fertigung gewährleistet.
-
Der Aufbau der Filterelemente 3 ist dabei selbstverständlich nicht nur in runder Form, sondern auch in beliebigen anderen Formen denkbar und möglich, beispielhaft wird hierzu auf 18 verwiesen, in welcher ein Filterelement 3 dargestellt ist, welches eine dreieckige Querschnittsform aufweist, und analog der Darstellung in 9 wiederum lediglich eine Strömungsöffnung 5 aufweist. Ebenso wären viereckige, achteckige, orale oder andere Formen möglich.
-
Die einzelnen beschriebenen Varianten lassen sich dabei beliebig untereinander kombinieren.
-
Die Filterkanäle 8 können dabei prinzipiell in jeder beliebigen Fertigungstechnologie ausgebildet werden. Um die eingangs angesprochenen Größenordnungen von weniger als 10 μm zu erreichen müssen vergleichsweise hochwertige Fertigungstechnologien, wie beispielsweise Feinprägen, Feinstanzen oder insbesondere Ätzen eingesetzt werden. All dies ist vergleichsweise aufwändig und teuer. Bei einer spanabhebenden Bearbeitung, beispielsweise durch das Fräsen der Filterkanäle 8, entstehen außerdem unangenehme Grate, welche sich mit der Zeit lösen und von dem Fluid mit fortgerissen werden können. Prozesssicher ist ein Entfernen dieser Grate auch bei großem Aufwand nicht zu 100 Prozent möglich, sodass hierdurch immer die Gefahr einer Verurireinigung des gefilterten Mediums N entsteht.
-
Die bevorzugte Ausführungsform zur Herstellung der Filterkanäle 8 ist daher eine Laserbearbeitung. Eine solche Laserbearbeitung, insbesondere eine Laserbearbeitung mit einem gepulsten Laser, welcher Lichtpulse im Bereich von Pikosekunden oder vorzugsweise Femtosekunden auslöst, kann sehr fein und sehr exakt erfolgen. Außerdem erfolgt eine solche Laserbearbeitung ohne Verschmutzung der nicht bearbeiteten Oberfläche, sodass eine Nachbearbeitung nicht mehr notwendig ist. Durch eine einfache Variation der Verfahrensparameter kann Tiefe, Form und Abmessung der Filterkanäle in Stufen oder kontinuierlich beliebig geändert werden. Dabei ist die Technik vergleichsweise schnell, sodass ein einzelnes Filterelement 3, in wenigen Sekunden herstellbar ist.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 4726900 [0005]
- US 3648843 [0005]
