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Technisches Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Filterelement für eine Filtereinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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Aus der
WO 2010/129234 A2 ist ein elektrisches Heizelement bekannt, das auf einer Trägermatrix eine Vielzahl von Fasern aufweist, welche mit Carbon Nanotubes (CNT) beschichtet sind. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung erwärmt sich die CNT-Schicht, wodurch der Heizeffekt erzielt wird. Das Grundmaterial der Fasern besteht aus Polyamid, Graphit, Glas, Metall oder Keramik. Die Trägermatrix ist aus einem Harz gefertigt oder besteht aus Polyester oder Keramik.
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Bekannt sind darüber hinaus Filterelemente, die aus verschiedenen Filterlagen bzw. -schichten aufgebaut sind, welche sich in mindestens einem Parameter voneinander unterscheiden. So zeigt beispielsweise die
DE 10 2009 010 935 A1 einen Verbundvliesstoff, auf den eine Schicht aus Mikrofasern aufgebracht ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Maßnahmen ein elektrisch beheizbares Filterelement für eine Filtereinrichtung zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Das erfindungsgemäße Filterelement für eine Filtereinrichtung weist zumindest zwei, gegebenenfalls mehr als zwei Filterlagen bzw. -schichten auf, wobei zumindest eine der Schichten mit einem elektrisch beheizbaren Material versehen ist. Das elektrisch beheizbare Material ist in das Grundmaterial der betreffenden Filterschicht eingebracht, aus der die Filterschicht zumindest im Wesentlichen besteht, eine Beschichtung an der Faseroberfläche der Filterschicht ist nicht erforderlich.
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Durch Anlegen einer elektrischen Spannung fließt ein Strom durch das elektrisch be- bzw. aufheizbare Material, wodurch die gewünschte Heizwirkung im Material dieser Filterschicht erzielt wird. Das elektrisch beheizbare Material ist dem Grundmaterial der beheizbaren Filterschicht beigemengt und somit in das Grundmaterial vollständig integriert. Die Oberfläche der Filterschicht bzw. der Fasern, aus der die Filterschicht besteht, ist zweckmäßigerweise ohne Beschichtung des beheizbaren Materials ausgeführt, auch wenn gegebenenfalls zusätzlich eine Beschichtung aus beheizbarem Material vorgesehen sein kann. Mit dem Anlegen der elektrischen Spannung wird diejenige Filterschicht erwärmt, deren Grundmaterial mit dem elektrisch beheizbaren Material versehen ist, wodurch insgesamt eine Erwärmung des Filterelementes erreicht wird.
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Das Filterelement wird beispielhaft für einen Kraftstofffilter, insbesondere einen Dieselfilter für ein Kraftfahrzeug eingesetzt. Allgemein kommt eine Anwendung sowohl als Flüssigkeitsfilter als auch als Gasfilter in Betracht, beispielsweise für die Ansaugluft von Brennkraftmaschinen oder die Kabinenluft für Fahrzeuge. Bei der Beheizung von Kabinenluft über das erfindungsgemäße Filterelement kann zudem eine Aktivkohleschicht, welche zur Reinigung der der Kabinenluft zuzuführenden Frischluft dient, regeneriert werden. Als weiteres Anwendungsgebiet kommen Harnstofffilter in Betracht, die zum Vermeiden des Gefrierens des in der Harnstofflösung enthaltenen Wassers beheizbar sind.
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Grundsätzlich genügt es, dass nur eine der Filterschichten mit dem elektrisch beheizbaren Material versehen ist, wohingegen die übrigen Filterschichten kein derartiges, elektrisch beheizbares Material aufweisen.
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Als elektrisch be- bzw. aufheizbares Material kommt zum Beispiel Carbon Nanotubes (CNT) in Betracht.
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Die Grundmaterialien von der Schicht, die elektrisch beheizbares Material aufweist, und der oder den weiteren Filterschichten können sich in mindestens einem Materialparameter voneinander unterscheiden, beispielsweise aus unterschiedlichen Polymeren bestehen, wobei eine nicht-beheizbare Filterschicht ggf. auch aus einem sonstigen Material, bspw. Zellulose bestehen kann. Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist vorgesehen, dass die Grundmaterialien von erster und zweiter Filterschicht unterschiedliche Schmelz- bzw. Zersetzungspunkte aufweisen, wobei die Filterschicht bzw. Filterschichten, welche kein elektrisch beheizbares Material besitzen, vorteilhafterweise einen höheren Schmelz- bzw. Zersetzungspunkt aufweisen als das mit dem elektrisch beheizbaren Material versehene Grundmaterial der weiteren Filterschicht. Dies ermöglicht es, eine thermische Überlastsicherung vorzusehen, bei der im Falle einer Fehlfunktion, die zum Überschreiten der gewünschten Heiztemperatur führt, das Grundmaterial der Filterschicht, welche das elektrisch beheizbare Material aufweist, schmilzt, wodurch der Stromfluss unterbrochen wird und ein weiteres Aufheizen ausgeschlossen ist. Aufgrund des höheren Schmelz- bzw. Zersetzungspunktes bleibt dagegen die weitere Filterschicht intakt und kann ihre Filtrationsfunktionen weiterhin ausüben.
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Mindestens eine der Filterschichten, vorteilhafterweise zumindest diejenige, deren Grundmaterial mit dem elektrisch beheizbaren Material versehen ist, ist aus Fasern aufgebaut, welche vorteilhafterweise im Meltblown-Verfahren hergestellt werden. Hierbei wird in einem Extruder aufgeschmolzenes Granulat über eine Spinnpumpe zu einem Düsenblock gefördert, wobei das Meltblown-Material nach dem Austritt aus der Düse durch komprimierte Heißluft gestreckt wird. Bei diesem Verfahren entsteht ein Mikrofaservlies. Das elektrisch beheizbare Material kann während des Meltblown-Prozesses zudosiert werden. Möglich ist es auch, bereits im Granulat elektrisch beheizbares Material vorzusehen.
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In Betracht kommen aber auch sonstige Verfahren zur Herstellung von Fasern, beispielsweise Spunbond-Verfahren, wobei auch in diesem Fall das elektrisch leitfähige Material entweder bereits dem Ausgangsmaterial beigemengt ist oder während des Spunbond-Verfahrens zudosiert wird.
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Es können gegebenenfalls sämtliche Filterschichten aus Fasern aufgebaut sein, die vorteilhafterweise im Meltblown- oder Spunbond-Verfahren hergestellt werden, also auch diejenigen Filterschichten, die kein elektrisch beheizbares Material aufweisen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 einen Schnitt durch ein Filterelement mit zwei Filterschichten, von denen die obere Filterschicht eine Vielzahl von Fasern aufweist, deren Grundmaterial mit elektrisch beheizbarem Material durchsetzt ist,
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2 einen Schnitt durch eine Faser, bestehend aus einer inneren Kernfaser und einer äußeren Mantelfaser, wobei in die Mantelfaser elektrisch beheizbares Material eingebracht ist,
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3 zwei unmittelbar nebeneinander liegende Fasern mit dem Aufbau gemäß 2, wobei die Fasern über ihre angeschmolzene Mantelfaser miteinander verbunden sind,
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4 in schematischer Darstellung eine Faser, deren Mantelfaser aufgrund Überhitzung abgeschmolzen ist.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In 1 ist schematisch ein Filterelement 5 für eine Filtereinrichtung dargestellt, bei der es sich insbesondere um eine Filtereinrichtung zur Kraftstofffiltration handelt, vorzugsweise zur Dieselfiltration. Das Filterelement 5 weist zwei Filterlagen bzw. -schichten 10, 11 auf, die sich in zumindest einem Parameter voneinander unterscheiden. Die Filterschicht 11 weist elektrisch beheizbares Material 4 auf, das in das Grundmaterial eingebracht ist, aus dem die Filterschicht 11 aufgebaut ist. Die weitere Filterschicht 10 weist dagegen kein elektrisch beheizbares Material auf.
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Die Filterschicht 11 ist aus einer Vielzahl einzelner Fasern 1 aufgebaut, die jeweils aus einem Grundmaterial gefertigt sind, in das das elektrisch beheizbare Material 4 eingebracht ist. Bei dem elektrisch beheizbaren Material handelt es sich insbesondere um Carbon Nanotubes (CNT). Mit dem Anlegen einer elektrischen Spannung fließt ein Strom durch das elektrisch beheizbare Material 4, wodurch sich die Fasern 1 der Filterschicht 11 und damit das gesamte Filterelement 5 erwärmen. Die Fasern 1 können dicht gepackt und gleich ausgerichtet sein, wobei ggf. auch eine Ausführung mit Fasern 1 in einem geregelten Netzwerk in Betracht kommt.
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Die Fasern 4 sind beispielsweise im Meltblown-Verfahren hergestellt und bestehen aus einem Polymer als Grundmaterial. Das elektrisch beheizbare Material 4 wird dem Grundmaterial während des Meltblown-Prozesses zudosiert.
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Auch die weitere Filterschicht 10 kann aus einem Polymer bestehen und gegebenenfalls aus einzelnen Fasern aufgebaut sein. Zweckmäßigerweise unterscheidet sich das Grundmaterial in den beiden Filterschichten 10 und 11 voneinander, insbesondere im Hinblick auf den Schmelz- bzw. Zersetzungspunkt, wobei das Material der Filterschicht 10, die kein elektrisch beheizbares Material aufweist, vorteilhafterweise höher ist als der Schmelz- bzw. Zersetzungspunkt des Grundmaterials, aus dem die einzelnen Fasern 1 der Filterschicht 11 mit dem elektrisch beheizbaren Material aufgebaut sind. Auf diese Weise ist ein Schutz gegen Überheizung gegeben, da im Falle einer Überheizung zunächst das Grundmaterial der Fasern 1 der Filterschicht 11 schmilzt, ohne dass dies ein Schmelzen des Grundmaterials der Filterschicht 10 zur Folge hat. Mit dem Schmelzen der Fasern 1 wird der Stromfluss durch das elektrisch beheizbare Material 4 unterbrochen. Da die Filterschicht 10 intakt bleibt, kann eine Mindest-Filtrationswirkung auch im Falle eines Schmelzens der Fasern 1 in der weiteren Filterschicht 11 aufrechterhalten werden.
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In 2 ist ein Schnitt durch eine Faser 1 dargestellt, die aus einer innen liegenden Kernfaser 2 und einer die Kernfaser 2 umhüllenden Mantelfaser 3 besteht, deren radiale Dicke kleiner ist als der Durchmesser der Kernfaser 2. Sowohl die Kernfaser 2 als auch die Mantelfaser 3 bestehen bevorzugt aus jeweils einem Polymer, das sich jedoch zumindest im Schmelz- bzw. Zersetzungspunkt voneinander unterscheidet. Das Polymer der Kernfaser 2 weist einen höheren Schmelz- bzw. Zersetzungspunkt als das Polymer der Mantelfaser 3 auf. Derartige Fasern können gegebenenfalls zur Herstellung der Filterschicht 11 in 1 eingesetzt werden.
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In das Polymermaterial der Mantelfaser 3 ist elektrisch beheizbares Material 4 in Form eines CNT-Materials eingebracht. Das elektrisch beheizbare Material sorgt, wie auch im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, für eine Erwärmung der Mantelfaser, wenn eine elektrische Spannung angelegt wird. Das elektrisch beheizbare Material liegt insbesondere in Form von dünnen Fasern bzw. einem Fasernetzwerk vor, das in die Wandung der Mantelfaser 3 eingebracht ist und sich in Längsrichtung der Faser 1 erstreckt. Das elektrisch beheizbare Material 4 befindet sich in Umfangsrichtung gesehen gleichmäßig verteilt in der Mantelfaser 3, so dass mit dem Anlegen einer elektrischen Spannung eine gleichmäßige Erwärmung stattfindet. Das Material der Kernfaser 2 enthält dagegen kein elektrisch beheizbares Material.
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Aufgrund des höheren Schmelz- bzw. Zersetzungspunktes des Materials der Kernfaser 2 gegenüber dem Material der Mantelfaser 3 ist in der Faser 1 eine Überheizsicherung gegeben. Sollte die Schmelztemperatur in der Mantelfaser 3 durch Beheizen des elektrisch beheizbaren Materials 4 erreicht werden, beginnt das Material der Mantelfaser zu schmelzen, wodurch auch die durchgehende elektrisch leitfähige Verbindung über das beheizbare Material 4 unterbrochen und damit auch der Stromfluss durch die Faser 1 beendet wird. Dadurch kann zwar die in 4 dargestellte Situation auftreten, dass das Material der Mantelfaser 3 schmilzt; zugleich bleibt jedoch aufgrund des höheren Schmelz- bzw. Zersetzungspunktes die Kernfaser 2 erhalten, so dass die Filtrationseigenschaft des aus den Fasern 1 bestehenden Filterelementes erhalten bleibt.
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In 3 sind zwei unmittelbar nebeneinanderliegende Fasern 1 durch Anschmelzen der jeweiligen Mantelfaser 3 miteinander verbunden. Die Verschmelzung der Mantelfasern 3 betrifft jeweils nur ein kleines Winkelsegment von jeweils maximal 30°, vorzugsweise kleiner als 10°. Die elektrische Leitfähigkeit des beheizbaren Materials 4 wird durch die Schmelzverbindung nicht beeinträchtigt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2010/129234 A2 [0002]
- DE 102009010935 A1 [0003]
