DE102015013351A1 - Koaleszenzelement und Filterelement mit einem Koaleszenzelement - Google Patents

Koaleszenzelement und Filterelement mit einem Koaleszenzelement Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Koaleszenzelement (30) zum Filtern eines Fluids, mit einem Fluidpfad (40) zwischen einer Eintrittsseite (53) und einer Austrittsseite (51). Das Koaleszenzelement (30) umfasst wenigstens ein Koaleszenzmedium (32), welches zur Koaleszenz von in dem Fluid enthaltenem Wasser vorgesehen ist. Dabei ist das Koaleszenzelement (30) einlagig als zylindrischer Mantel ausgebildet und aus einem Material mit einer Packungsdichte von höchstens 10% gebildet.
Die Erfindung betrifft ferner ein Filterelement (10) mit einem solchen Koaleszenzelement (30), ein Filtersystem (100) mit einem solchen Filterelement (10) sowie die Verwendung des Filterelements zum Filtern von Kraftstoff, insbesondere Dieselkraftstoff.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft ein Koaleszenzelement, sowie ein Filterelement mit einem Koaleszenzelement zum Filtern eines Fluids sowie ein Filtersystem mit einem Filterelement, insbesondere ein Kraftstofffilter eines Kraftfahrzeugs.
  • Stand der Technik
  • Aus der DE 10 2011 120 638 A1 ist ein Filterelement zur Filtrierung eines Fluids, zum Beispiel Kraftstoff, bekannt, das sich zum Entfernen von Verunreinigungsstoffen wie Wasser aus Kraftstoff eignet. Das Filterelement ist in einer Art Sandwich-Bauweise realisiert. Dabei ist ein mehrlagiges Koaleszenzmedium zwischen dem Filtermedium und einem Stützrohr eingebettet, wobei das Koaleszenzmedium aus einem oder mehreren formlabilen Materialien besteht, das formstabil zwischen dem Filtermedium und dem Stützrohr eingebettet und an einer Stirnseite dicht mit dem Endkörper verbunden ist. Mit formlabilen Materialien können Koaleszenzmedien realisiert werden, die im Hinblick auf ihre Koaleszenzeffizienz und/oder ihre Durchströmbarkeit optimiert sind. Formlabile Materialien können einfach, auch noch bei der Endmontage, an unterschiedliche Einbauräume angepasst werden. Formlabil bedeutet dabei, dass die eigene Formstabilität und/oder Eigensteifigkeit des Koaleszenzmediums nicht ausreicht, um sicherzustellen, dass das Koaleszenzmedium sich beim alleinigen Verbinden, also ohne Zuhilfenahme der beschriebenen Sandwich-Bauweise, mit dem Endkörper insbesondere durch Eindrücken in ein entsprechendes weiches, später aushärtendes Verbindungsmedium, beispielsweise Klebstoff oder geschmolzenes Oberflächenmaterial des Endkörpers, verbiegt oder umknickt, wodurch die Stabilität und/oder die Dichtheit der Verbindung beeinträchtigt werden kann. Das Stützrohr und das Filtermedium gewährleisten die Formstabilität des gesamten Verbundes. Die Lagen des Koaleszenzmediums können aus einem einzigen oder aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Das Koaleszenzmedium und das Filtermedium können aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Eine Aufgabe der Erfindung ist, ein Koaleszenzelement für eine Abscheidung von Wasser aus einem Fluid so auszubilden, dass das Koaleszenzelement zuverlässig, effizient und robust ist, kompakt und einfach aufgebaut ist und möglichst einfach hergestellt werden kann.
  • Weitere Aufgaben der Erfindung sind es, ein Filterelement für eine Abscheidung von Wasser aus einem Fluid sowie ein Filtersystem zur Aufnahme eines solchen wechselbaren Filterelements zu schaffen, welches zuverlässig, effizient und robust ist, kompakt und einfach aufgebaut ist und möglichst einfach hergestellt werden kann.
  • Die vorgenannte Aufgabe wird nach einem Aspekt der Erfindung bei einem Koaleszenzelement mit einem Fluidpfad zwischen einer Eintrittsseite und einer Austrittsseite dadurch gelöst, dass wenigstens ein Koaleszenzmedium vorgesehen wird, welches zur Koaleszenz von in dem Fluid enthaltenen Wassers vorgesehen ist.
  • Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
  • Es wird ein Koaleszenzelement vorgeschlagen, das einen Fluidpfad für ein Fluid zwischen einer Eintrittsseite und einer Austrittsseite aufweist, und das wenigstens ein Koaleszenzmedium umfasst, welches zur Koaleszenz von in dem Fluid enthaltenem Wasser vorgesehen ist. Das Koaleszenzelement ist einlagig als zylindrischer Mantel ausgebildet, wobei das Koaleszenzmedium aus einem Material mit einer Packungsdichte von höchstens 10% gebildet ist.
  • Vorteilhaft kann das Koaleszenzelement eine Packungsdichte von höchstens 8%, insbesondere mindestens 2%, aufweisen, beispielsweise von 6%. Ferner kann das Koaleszenzmedium eine relativ hohe Dicke von mehreren Millimetern aufweisen.
  • Als Packungsdichte bezeichnet man eine Eigenschaft eines Materials wie z. B. einer Vliesbahn, die sich umgekehrt zu deren Dichte und der Charakteristik der Materialpermeabilität und Porosität verhält. Eine geringe Packungsdichte entspricht einer hohen Permeabilität und großer Porosität. Die Packungsdichte ist definiert als
    Figure DE102015013351A1_0002
  • Das Bahnflächengewicht (in
    Figure DE102015013351A1_0003
    ) wird aus dem Gewicht einer 10 cm × 10 cm Bahnprobe berechnet.
  • Die Bahndicke (in Milli-Zoll) wird auf einer 10 cm × 10 cm Bahnprobe mit einer Dickentestschablone mit einem Prüf-Fuß mit Abmessungen von 5 cm × 12,5 cm bei einem angelegten Druck von 150 Pa gemessen.
  • Die Schüttdichte (in
    Figure DE102015013351A1_0004
    ) ist die Schüttdichte des Polymers oder der Polymermischung, aus dem die Bahn gebildet ist, aus der einschlägigen Literatur entnommen.
  • Die Packungsdichte kann allgemein auch als Maß für den Anteil der Filterfasern pro Tiefe eines Filterlagenabschnittes, in diesem Fall des Koaleszenzelements, angesehen werden, d. h. dass die Packungsdichte als Packungsdichte von Fasern bzw. Filterfasern pro Flächen- oder Volumeneinheit zu verstehen ist. Die Packungsdichte kann für jede Filterlage und für jeden Filterlagenabschnitt bestimmt werden, beispielsweise über in Kunstharz eingebettete Schliffbilder bzw. Schnittbilder des Filtermediums, in diesem Fall des Koaleszenzmediums. Ein solches Schliffbild wird einer Bildaufnahme zugeführt und die Fläche des Schliffbildes wird dahingehend ausgewertet, dass der von Fasern bedeckte Anteil der Fläche des Schliffbildes und die Gesamtfläche eines Filterlagenabschnittes oder der nicht von Fasern bedeckte Anteil der Fläche des Schliffbildes und die Gesamtfläche eines Filterlagenabschnittes zueinander in Verhältnis gesetzt werden.
  • Die Bestimmung der Packungsdichte kann auf der Bildaufnahme durch Auswertung der Bildpunkte erfolgen, auf denen eine Faser zu sehen ist und derjenigen Bildpunkte, die einen Zwischenraum anzeigen. Bei feststehender bzw. bekannter Gesamtanzahl der Bildpunkte in dem Filterlagenabschnitt kann damit die Packungsdichte bestimmt werden, indem die Anzahl der Bildpunkte, die eine Filterfaser zeigen, ins Verhältnis zu der Gesamtanzahl der Bildpunkte in dem Filterlagenabschnitt gesetzt wird. Alternativ kann die Anzahl der Bildpunkte, die einen Zwischenraum zeigen, von der Gesamtanzahl der Bildpunkte abgezogen werden, um so beispielsweise einen Kontrollwert zu haben. In Abhängigkeit davon, ob die Zwischenräume oder die Fasern auf dem Schnittbild besser erkennbar und auswertbar sind, können die entsprechenden Bildpunkte ausgezählt werden.
  • Die so ermittelte Packungsdichte ist eine mittlere Packungsdichte des ausgewerteten Filterlagenabschnittes. Je kleiner ein solcher Filterlagenabschnitt festgelegt wird, d. h. je kleiner die Tiefe eines Filterlagenabschnittes in Richtung der Durchströmungsrichtung ist, desto geringer sind die Abweichungen der Packungsdichte an den Rändern des Filterlagenabschnittes von dem ermittelten Mittelwert.
  • Die Packungsdichte kann auch über eine dreidimensionale Computertomographieaufnahme bestimmt werden. Analog zu den Bildpunkten einer Bildaufnahme gibt es bei einer dreidimensionalen Aufnahme Raumpunkte, deren Anzahl und Größe von den technischen Rahmendaten des aufnehmenden Gerätes abhängen. Die Bestimmung der Packungsdichte einer dreidimensionalen Aufnahme mittels Raumpunkten erfolgt dabei analog zu dem Verfahren mit Bildpunkten. Die Raumpunkte beinhaltend einen Zwischenraum und die Raumpunkte beinhaltend eine Filterfaser können jeweils in Verhältnis gesetzt werden zu der Gesamtanzahl von Raumpunkten, um so die Packungsdichte zu bestimmen.
  • Packungsdichtesprung bezeichnet eine sprunghafte Veränderung der Packungsdichte über die Materialtiefe des Filtermediums, d. h. dass zwei aneinander angrenzende Filterlagenabschnitte an dem Übergang zwischen den aneinander angrenzenden Filterlagenabschnitten eine unterschiedliche Packungsdichte aufweisen. Ein solcher Packungsdichtesprung kann insbesondere als zumeist unerwünschte Schmutzbarriere wirken und zu einer Verstopfung eines Filtermediums führen, bevor dieses die maximale Schmutzpartikelspeicherkapazität erreicht hat, indem die Schmutzpartikel einen Tiefenabschnitt des Filtermediums um den Packungsdichtesprung herum belegen und verstopfen.
  • Hierbei kann insbesondere eine prozentuale Änderung der Packungsdichte zwischen der Abströmfläche einer Filterlage und der Anströmfläche einer in Durchströmungsrichtung angrenzenden Filterlage ausschlaggebend für das Verhindern von Schmutzbarrieren sein. Der Packungsdichtegradient kann als Maß für die Änderung der Packungsdichte über die Materialdicke einer Filterlage in Durchströmungsrichtung dienen. Die Packungsdichte erhöht sich entweder durch eine abnehmende Anzahl von Faserzwischenräumen oder durch eine abnehmende Größe von Faserzwischenräumen auf einem Tiefenabschnitt einer Filterlage, d. h. in einem Filterlagenabschnitt.
  • Kraftstoff kann einen gewissen Anteil an Wasser enthalten, der eine Beschädigung der Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine hervorrufen kann. Um dies zu verhindern, kann das enthaltene Wasser auf der Reinseite eines Filtersystems, beispielsweise über eine Drallvorrichtung, wobei das erste Fluid dabei in Rotation versetzt wird, und damit über die unterschiedliche spezifische Dichte des Wassers vom Kraftstoff getrennt werden und separat abfließen. Alternativ dazu dient das Koaleszenzelement der Agglomeration von kleinen Wassertröpfchen zu größeren Wassertropfen, die dann an einem Endabscheider auf Grund der Gravitation in einen Sammelraum geleitet werden können. Bei der Wasserabscheidung wirken das Koaleszenzelement, die Geometrie des Sedimentationsraums der Wassertröpfchen und der Endabscheider zusammen, die gemeinsam die Wasserabscheidevorrichtung bilden.
  • Das Koaleszenzelement ist dafür ausgelegt, die Mehrheit von emulgiertem Wasser in dem Fluid zu koaleszieren, also die Tropfengröße des emulgierten Wassers zu vergrößern, und das so koaleszierte Wasser vom Kraftstoff abzuscheiden. Das Wasser, das schwerer als Kraftstoff ist, kann sich am Boden absetzen und durch geeignete Durchgänge ablaufen. Auch kann es in nachfolgenden Pumpen zerkleinert werden.
  • Erfindungsgemäß ist das eingesetzte Koaleszenzmedium an eine saugseitige Positionierung in einem Kraftstoffversorgungssystem einer Brennkraftmaschine dadurch angepasst, dass das Koaleszenzmedium eine relativ geringe Packungsdichte aufweist, sodass es sich nicht durch kleinere Partikel zusetzen kann. Gerade bei dem Einsatz im Vorfilter, wo gröbere und offenporigere Filtermedien zum Einsatz kommen als in einem Hauptfilter, ist das Risiko gegeben, dass das Koaleszenzmedium sich durch Partikel zusetzen kann. Standzeitrelevant ist dabei, dass auf Grund der Materialeigenschaften verhindert wird, dass die Maschen sich zusetzen. Wassertröpfchen, die sich durch das Koaleszenzelement bilden, werden durch den saugseitigen Einsatz in der nachfolgenden Pumpe zerkleinert, sodass sie in einem darauf folgenden Hauptfilter abgeschieden werden können. Durch die erfindungsgemäße Packungsdichte von höchstens 10% kann dies vorteilhaft erreicht werden. Durch die geringe Packungsdichte des Koaleszenzmediums ist es so möglich, eine Koaleszenz von Wassertropfen beispielsweise im Dieselkraftstoff von ursprünglich 40 μm bis 150 μm auf bis zu mehreren Millimetern Durchmesser zu erreichen.
  • Als Koaleszenzmedium kommt zweckmäßigerweise nadelverfestigtes Material aus Stapelfasern zum Einsatz. Offenporigkeit und Dicke des Materials korrelieren dabei vorteilhaft. Bei einem relativ offenporigen Koaleszenzmedium wird vorteilhaft eine größere Dicke des Mediums gewählt.
  • Das Koaleszenzmedium kann alternativ oder zusätzlich vorteilhaft aus einem Material mit einer relativ großen Porengröße, insbesondere mit einer durchschnittlichen Porengröße von mindestens 100 μm, gebildet sein. Ferner kann das Koaleszenzmedium eine relativ hohe Dicke von mehreren Millimetern aufweisen. Durch die Offenporigkeit und/oder die Dicke des Koaleszenzmediums ist es so möglich, eine Koaleszenz von Wassertropfen beispielsweise im Dieselkraftstoff von ursprünglich 40 μm bis 150 μm auf bis zu mehreren Millimetern Durchmesser weiter zu verbessern. Bevorzugt wird dazu hydrophobes Material eingesetzt oder ein Material mit einer hydrophoben Oberfläche.
  • Die Porosität einer Filterlage ist ein Maß für die Anzahl und die Größe der Zwischenräume zwischen den Filterfasern der Filterlage. Die Porosität kann beispielsweise angeben, welcher Widerstand einem Fluidstrom wie beispielsweise einem Luftstrom, der eine Filterlage durchdringt, entgegen gesetzt wird. Eine Filterlage ist dabei an der Anströmfläche und an der Abströmfläche offen, so dass ein Fluidstrom an der Anströmfläche in das Material eindringen kann und an der Abströmfläche aus dem Material herausdringen kann. Die Porosität kann als das Verhältnis von Hohlraumvolumen zu Gesamtvolumen angesehen werden. Mit zunehmendem Wert der Porosität ist der Anteil des Hohlraumvolumens an dem Gesamtvolumen größer.
  • Die Porosität eines Luftfiltermediums, einer Filterlage oder eines Filterlagenabschnittes kann insbesondere einzeln über die Angabe des Porenvolumens definiert werden.
  • Vorteilhaft kann unterschiedliches Koaleszenzmaterial in Zusammensetzung, Struktur und Aufbau des Materials eingesetzt werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Koaleszenzmedium aus Polyester gebildet sein, wobei das Koaleszenzmedium eine Dicke zwischen 2 mm und 5 mm, bevorzugt zwischen 2,8 mm und 4 mm, und/oder eine Luftdurchlässigkeit von mindestens 1000 l/cm2h, bevorzugt von mindestens 1500 l/cm2h, besonders bevorzugt bis zu 4500 l/cm2h, aufweist. Dabei kann das Koaleszenzmedium günstigerweise zu 100% aus Polyester bestehen, um so die angestrebte Koaleszenz der Wassertropfen zu erreichen.
  • Die Bestimmung der Dicke für Vliese bzw. Vliesbahnen erfolgt nach DIN EN ISO 9073-2 (1997-02). Es werden Proben an zehn verschiedenen Stellen eines Musters entnommen und geprüft. Die Proben können eine Größe von DIN A5 haben und werden an zwei Stellen in der Flächenmitte gemessen. Falls keine Proben dieser Größe verfügbar sind, können abweichend auch kleinere Proben gemessen werden. Als Ergebnis werden die Einzelwerte der Proben sowie ein Mittelwert samt Streuung in der Einheit mm (Millimeter) angegeben.
  • Die Bestimmung der Dicke für voluminöse Vliese bzw. Vliesbahnen erfolgt nach DIN EN ISO 9073-2 (1997-02). Voluminöse Vliese sind Vliesstoffe, die bei einer Änderung eines aufgebrachten Drucks von 0,1 kPa auf 0,5 kPa um mindestens 20% zusammendrückbar sind, d. h. auf 80% der Ausgangsdicke vor Änderung des aufgebrachten Drucks. Es werden Proben an zehn verschiedenen Stellen eines Musters entnommen und geprüft. Die Proben können eine Größe von 130 mm × 80 mm haben. Falls keine Proben dieser Größe verfügbar sind, können abweichend auch kleinere Proben gemessen werden. Als Ergebnis werden die Einzelwerte der Proben sowie ein Mittelwert samt Streuung in der Einheit mm angegeben.
  • Die Bestimmung der Luftdurchlässigkeit eines Luftfiltermediums kann gemäß DIN EN ISO 9237 (1995-12) erfolgen, welche eine Prüffläche von 20 cm2 und einen Differenzdruck von 200 Pa vorsieht. Dabei sind Proben an zehn verschiedenen Stellen des zu prüfenden Luftfiltermediums zu entnehmen und zu prüfen. Die Proben haben im Regelfall einen Durchmesser von 56 mm und sind kreisrund. Sollte das Filtermedium zu schmal sein, um diese Probengröße zu liefern, kann der Durchmesser einer Probe 42 mm oder sogar 25 mm betragen. Das Ergebnis wird mit der Einheit l/m2s oder auch l/cm2h als Mittelwert und als Streuung angegeben.
  • Alternativ oder zusätzlich kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung das Koaleszenzmedium aus Viskose gebildet sein, wobei das Koaleszenzmedium eine Dicke zwischen 0,5 mm und 4 mm, bevorzugt von 1 mm und 3 mm und/oder eine Luftdurchlässigkeit von mindestens 1000 l/cm2h, bevorzugt bis zu 3000 l/cm2h, aufweist. Bei der Verwendung von Viskose kann demzufolge mit einer etwas geringeren Dicke und einer geringeren Luftdurchlässigkeit des Koaleszenzmediums gearbeitet werden, um dieselben Koaleszenzwerte für die Abscheidung von Wasser zu erreichen.
  • Alternativ oder zusätzlich kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung das Koaleszenzmedium aus einer Mischung von Viskose und PET gebildet sein.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Koaleszenzelement zur Abscheidung von Wassertropfen mit einem auf der Austrittsseite des Koaleszenzelements angeordneten Endabscheider zusammenwirken, der aus einem hydrophoben Material, insbesondere aus PET gebildet ist, und vorzugsweise eine Maschenweite von 40 μm aufweist. Alternativ kann auch ein Material mit hydrophober Oberfläche eingesetzt werden, beispielsweise Polyamid (PA) mit hydrophober Oberfläche.
  • Ein hydrophobes Material weist den Vorteil auf, dass das Wasser besonders leicht sich zu Tropfen agglomerieren kann und an der Oberfläche ablaufen kann.
  • Im Koaleszenzmedium werden die kleinen Wassertropfen während des Durchtritts durch das Koaleszenzelement vergrößert. In dem Spalt zwischen dem Koaleszenzelement und dem Endabscheider fallen große Tropfen schwerkraftunterstützt nach unten in einen Sammelraum eines Filtersystems, von wo das gesammelte Wasser beispielsweise über eine Schraube beim Service nach außen abgelassen werden kann.
  • Kleinere Tropfen, die zunächst nicht auf Grund der Schwerkraft nach unten fallen, werden an der hydrophoben Oberfläche des Endabscheiders am Durchtritt auf die Reinseite gehindert und fallen ebenfalls nach unten in den Sammelraum. Wassertropfen mit einer Tropfengröße, die kleiner als die Maschenweite des Endabscheiders ist, die beispielsweise bei 40 μm liegen kann, treten durch den Endabscheider auf die Reinseite durch und werden von einer nachfolgenden Niederdruckpumpe zerkleinert, sodass sie in einem nachfolgenden Hauptfilter abgeschieden werden können.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Koaleszenzelement an seinen sich gegenüber liegenden Stirnseiten jeweils mit einer Endscheibe fluiddicht verbunden sein. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass das Fluid, also beispielsweise Dieselkraftstoff, möglichst vollständig einer Wasserabscheidung unterzogen wird. Beide Endscheiben können auch mit den Endscheiben eines Filterelements, in dem das Koaleszenzelement eingesetzt ist, identisch sein.
  • Die Erfindung betrifft nach einem weiteren Aspekt ein Filterelement zum Filtern eines Fluids, mit einem Fluidpfad zwischen einer Rohseite und einer Reinseite, das wenigstens einen Filterbalg umfasst, der an seinen sich gegenüberliegenden Stirnseiten jeweils mit einer Endscheibe fluiddicht verbunden ist. Weiter umfasst das Filterelement wenigstens ein koaxial innerhalb des Filterbalgs angeordnetes Stützrohr, welches mit den beiden Endscheiben verbunden ist und welches Durchlässe zum Durchströmen des Fluids aufweist, sowie wenigstens ein Koaleszenzelement, welches in Strömungsrichtung zwischen dem Filterbalg und dem Stützrohr angeordnet ist und welches zur Koaleszenz von in dem Fluid enthaltenem Wasser vorgesehen ist. Dabei umgibt das Koaleszenzelement das Stützrohr als zylindrischer Mantel auf einer radialen Außenseite.
  • Das erfindungsgemäße Filterelement umfasst eine äußere Medienschicht, den Filterbalg, sowie eine innere Medienschicht, das Koaleszenzelement, zur Filtrierung eines Fluids, zum Beispiel Kraftstoff, und eignet sich besonders zum Entfernen von Verunreinigungsstoffen wie Wasser aus dem Kraftstoff. Der Filterbalg ist so gestaltet, dass freies und gelöstes Wasser durch den Filterbalg durchtritt und günstigerweise dort vorkoalesziert wird. Das Koaleszenzelement ist dafür ausgelegt, die Mehrheit des emulgierten Wassers in dem Fluid zu koaleszieren, also die Tropfengröße des emulgierten Wassers zu vergrößern, und das so koaleszierte Wasser vom Kraftstoff abzuscheiden. Das Wasser, das schwerer als Kraftstoff ist, kann sich am Boden des Filterelements absetzen und kann dort in einem Behälter eines Filtersystems gesammelt werden, von wo es anschließend entsorgt werden kann.
  • Mit besonderem Vorteil ist das erfindungsgemäße Filterelement zur Anwendung für saugseitig an einer Brennkraftmaschine eingesetzte Filterelemente einsetzbar. Es kann als Komplettfilter wie auch als Kraftstoffvorfilter für Anwendungen im schweren Nutzfahrzeugbereich eingesetzt werden. Vorfilter werden beispielsweise bei Nutzfahrzeugen eingesetzt, um groben Schmutz und Wasser aus dem Dieselkraftstoff abzuscheiden. Sie werden häufig chassisseitig vor einer Niederdruckpumpe eingesetzt. Diese Kraftstoffvorfilter sind derart ausgelegt, dass nur sehr geringe Differenzdrücke an dem Filterelement entstehen dürfen, da diese maximal den Umgebungsdruck (1 bar) als Betriebsdruck zur Verfügung haben. Üblicherweise sind für die Beladung/Fahrzeugeinsatz Differenzdruckanstiege von maximal 500 mbar vorhanden. Erfindungsgemäß ist das eingesetzte Koaleszenzmedium an die saugseitige Positionierung des Filterelements dadurch angepasst, dass das Koaleszenzmedium eine relativ große Porengröße aufweist, sodass es sich nicht durch kleinere Partikel zusetzen kann. Gerade bei dem Einsatz im Vorfilter, wo gröbere und offenporigere Filtermedien zum Einsatz kommen als in einem Hauptfilter, ist das Risiko gegeben, dass das Koaleszenzmedium sich durch Partikel zusetzen kann. Standzeitrelevant ist dabei, dass auf Grund der Materialeigenschaften verhindert wird, dass die Poren sich zusetzen. Wassertröpfchen, die nicht in einem Vorfilter abgeschieden werden, werden in einer nachfolgenden Pumpe weiter zerkleinert und können in einem nachfolgenden Hauptfilter abgeschieden werden. Dies wird vorteilhaft durch die geringe Packungsdichte des Koaleszenzmaterials von höchstens 10% erreicht.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Koaleszenzelement zwischen dem Filterbalg und dem Stützrohr formstabilisierend abgestützt sein. Gerade beim Einsatz eines formlabilen Koaleszenzmediums ist es günstig, wenn das Gewebe oder Vlies zwischen zwei relativ formstabile Elemente, wie sie der Filterbalg und das Stützrohr darstellen, eingebettet ist.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Filterbalg hohlzylinderförmig ausgeführt sein, wobei der Fluidpfad radial durch den Filterbalg und das Koaleszenzelement führt, insbesondere von einem Außenbereich in einen Innenbereich der hohlzylindrischen Form führt. Eine solche Hohlzylinderform ist günstig, um das Filterelement in einem Rundfiltersystem einzusetzen, wie sie im Kraftfahrzeugbereich, gerade bei Nutzfahrzeugen, häufig eingesetzt werden. Vorteilhaft kann der erste Fluidpfad radial von einem Außenbereich in einen Innenbereich in das Filterelement führen. Diese Anordnung lässt einen Zufluss beispielsweise von Kraftstoff von außen über den Umfang des Filterelements durch das beispielsweise sterngefaltete Filtermedium des Filterkörpers zu. Der Kraftstoff kann dann das Filterelement nach innen durchströmen und über den Innenbereich des Filterelements in die Kraftstoffzuführung einer Brennkraftmaschine abgeführt werden.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Koaleszenzelement auf der Reinseite des Filterbalgs angeordnet sein. Der Filterbalg ist so gestaltet, dass freies und gelöstes Wasser durch den Filterbalg durchtritt und günstigerweise dort vorkoalesziert wird. Das Koaleszenzelement ist dafür ausgelegt, die Mehrheit des emulgierten Wassers in dem Fluid zu koaleszieren, also die Tropfengröße des emulgierten Wassers zu vergrößern, und das so koaleszierte Wasser vom Kraftstoff abzuscheiden.
  • Die Erfindung betrifft nach einem weiteren Aspekt ein Filtersystem mit einem in einem Filtergehäuse angeordneten Filterelement zum Filtern eines Fluids, wobei das Filterelement auf seiner Reinseite ein Koaleszenzelement zur Koaleszenz von in dem Fluid enthaltenem Wasser vorsieht. Das Filterelement umfasst eine äußere Medienschicht, den Filterbalg sowie eine innere Medienschicht, das Koaleszenzelement, zur Filtrierung des Fluids, zum Beispiel Kraftstoff, und eignet sich besonders zum Entfernen von Verunreinigungsstoffen wie Wasser aus Kraftstoff. Der Filterbalg ist so gestaltet, dass freies Wasser anfänglich gefiltert wird, wenn Fluid von außen in das Filterelement eintritt. Das freie Wasser dringt nicht durch den Filterbalg und bleibt im Wesentlichen außerhalb des Filterelements. Das Koaleszenzelement ist dafür ausgelegt, die Mehrheit des emulgierten Wassers in dem Fluid zu koaleszieren, also die Wassertropfen zu vergrößern, und das so koaleszierte Wasser vom Kraftstoff abzuscheiden. Das Wasser, das schwerer als Kraftstoff ist, kann sich am Boden des Filterelements absetzen und durch geeignete Durchgänge auf einer unteren Endscheibe ablaufen. Auch kann es in nachfolgenden Pumpen zerkleinert werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Filtersystems kann das Filterelement einen hohlzylinderförmigen Filterbalg mit einem innerhalb des Filterbalgs angeordneten Stützrohr aufweisen, wobei das Koaleszenzelement in Strömungsrichtung zwischen dem Filterbalg und dem Stützrohr angeordnet ist, und wobei das Koaleszenzelement einlagig ausgebildet ist und das Stützrohr als zylindrischer Mantel auf einer radialen Außenseite umgibt.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Filtersystems kann innerhalb des Filterelements auf einer Reinseite ein Endabscheider angeordnet sein. Ein solcher Endabscheider kann auf Grund seiner Siebwirkung dazu dienen, Fasern, welche aus dem Koaleszenzmedium sich gelöst hätten, zusätzlich aus dem Fluid zurückzuhalten, damit diese Fasern nicht im weiteren Fluidpfad in eine Brennkraftmaschine gelangen können. Weiter wird freies Wasser in dem Fluid größtenteils durch den Filterbalg geleitet. Im Koaleszenzmedium werden die kleinen Wassertropfen während des Durchtritts durch das Koaleszenzelement vergrößert. In dem Spalt zwischen dem Koaleszenzelement und dem Endabscheider fallen große Tropfen schwerkraftunterstützt nach unten in einen Sammelraum des Filtersystems, von wo das gesammelte Wasser beispielsweise über eine Schraube beim Service nach außen abgelassen werden kann.
  • Kleinere Tropfen, die zunächst nicht auf Grund der Schwerkraft nach unten fallen, werden an der hydrophoben Oberfläche des Endabscheiders am Durchtritt auf die Reinseite gehindert und fallen ebenfalls nach unten in den Sammelraum. Wassertropfen mit einer Tropfengröße, die kleiner als die Maschenweite des Endabscheiders ist, die beispielsweise bei 40 μm liegen kann, treten durch den Endabscheider auf die Reinseite durch und werden von einer nachfolgenden Niederdruckpumpe zerkleinert, sodass sie in einem nachfolgenden Hauptfilter abgeschieden werden können.
  • Vorteilhaft ist eine Verwendung des Filtersystems, zum Filtern von Kraftstoff, insbesondere Dieselkraftstoff. Alternativ ist der Einsatz einer solchen Konfiguration für andere flüssige Fluide, die gefiltert werden müssen und Wasser enthalten, denkbar. Natürlich werden auch solche Filtersysteme für andere flüssige Fluide üblicherweise Koaleszenzelemente vorsehen, so dass der Einsatz des vorgeschlagenen Koaleszenzelements auch beim Filtern anderer Fluide denkbar ist.
  • Weiter vorteilhaft ist eine Verwendung des Filtersystems als Prefilter (Vorfilter) eines Kraftstoffzuführungssystems einer Brennkraftmaschine. Ein solcher Prefilter ist als Vorstufe der Filterung eines Kraftstoffzuführungssystems einer Brennkraftmaschine vor einem Hauptfiltersystem günstig einsetzbar, sodass gröbere Partikel in dem Kraftstoff bereits herausgefiltert werden können und nicht mehr zum Hauptfilter gelangen können.
  • Auch ist eine Verwendung des Filtersystems auf der Saugseite eines Kraftstoffzuführungssystems einer Brennkraftmaschine vorteilhaft. Dadurch wird verhindert, dass größere Partikel in eine nachfolgende Kraftstoffpumpe gelangen können, da die Partikel bereits vor der Pumpe herausgefiltert werden. Außerdem können kleinere Wassertropfen, welche durch das Koaleszenzelement und den nachfolgenden Endabscheider nicht abgeschieden werden, in der nachfolgenden Pumpe zerkleinert werden, sodass sie dann in einem folgenden Hauptfilter weiter abgeschieden werden können.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
  • Es zeigt beispielhaft:
  • 1 einen Längsschnitt durch ein Filtersystem nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung für die Kraftstofffilterung in einem Kraftfahrzeug mit einem einlagigen Koaleszenzelement.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
  • Die Erfindung ist anhand eines Kraftstofffilters zum Filtern von Kraftstoff, insbesondere Dieselkraftstoff, dargestellt, kann jedoch auch für andere Filtersysteme mit entsprechender Anpassung der Konstruktion vorgesehen sein.
  • 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein Filtersystem 100 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung für die Kraftstofffilterung in einem Kraftfahrzeug mit einem einlagigen Koaleszenzelement 30. Das Filtersystem 100 weist ein in einem Filtergehäuse 108 angeordnetes Filterelement 10 zum Filtern eines Fluids auf, wobei das Filterelement 10 auf seiner Reinseite 50 ein Koaleszenzelement 30 zur Koaleszenz von in dem Fluid enthaltenem Wasser vorsieht. Das Filterelement 10 ist als Rundfilterelement in einem runden Filtergehäuse 108, welches aus einem Gehäuseoberteil 112 und einem Gehäuseunterteil 114 besteht, eingesetzt. Das Filterelement 10 sitzt zentrisch in dem Gehäuse 108 und wird mit beiden Endscheiben 16, 18 in dem Filtergehäuse 108 verspannt. Innerhalb des Filterelements 10 ist auf einer Reinseite 50 ein Endabscheider 106 angeordnet, welcher den gesamten Fluidpfad 40 abdeckt, da der Endabscheider 106 an beiden Stirnseiten 15, 17 über das Filterelement 10 hinausragt und mit dem Gehäuseoberteil 112 und dem Gehäuseunterteil 114 fluiddicht verbunden ist. In das Filtergehäuse 108 wird von außen über einen nicht dargestellten Einlass Fluid zugeführt, das von einer radialen Außenseite das Filterelement 10 durchdringt und über den Filterbalg 12, das Koaleszenzelement 30 sowie den Endabscheider 106 in einen Innenbereich des Filtergehäuses 108 gelangen kann. Durch diesen Innenbereich wird das gefilterte Fluid über einen Auslass 104, in der 1 nach oben dargestellt, wieder abgeführt. Das abgeschiedene Wasser wird in einem Wassersammelraum 116 gesammelt, von wo es nach außen abgeführt werden kann. Das Filtersystem 100 kann dazu mit diesem Wassersammelraum 116 über ein Schraubgewinde 110 auf einen (nicht dargestellten) Anschlussstutzen geschraubt werden.
  • Das Filterelement 10 zum Filtern eines Fluids, mit einem Fluidpfad 40 zwischen einer Rohseite 52 und einer Reinseite 50, umfasst einen Filterbalg 12, der an seinen sich gegenüberliegenden Stirnseiten 15, 17 jeweils mit einer Endscheibe 16, 18 fluiddicht verbunden ist. Das Filterelement 10 umfasst weiter ein koaxial innerhalb des Filterbalgs 12 angeordnetes Stützrohr 14, welches mit den beiden Endscheiben 16, 18 verbunden ist und welches Durchlässe 20 zum Durchströmen des Fluids aufweist. Weiter umfasst das Filterelement 10 ein Koaleszenzelement 30 mit einem Koaleszenzmedium 32, welches in Strömungsrichtung zwischen dem Filterbalg 12 und dem Stützrohr 14 angeordnet ist und welches zur Koaleszenz von in dem Fluid enthaltenem Wasser vorgesehen ist. Das Koaleszenzelement 30 ist einlagig ausgebildet und umgibt das Stützrohr 14 als zylindrischer Mantel auf einer radialen Außenseite 22. Das Fluid durchströmt das Koaleszenzelement 30 von einer Eintrittsseite 53 zu einer Austrittsseite 51.
  • Das Koaleszenzmedium 32 ist bevorzugt aus einem Material mit einer Packungsdichte von höchstens 10%, insbesondere mindestens 2%, beispielsweise von 6%, gebildet. Das Koaleszenzmedium 32 kann eine durchschnittliche Porengröße von mindestens 100 μm aufweisen. Das Koaleszenzmedium 32 ist zweckmäßigerweise aus Polyester gebildet, wobei das Koaleszenzmedium 32 eine Dicke zwischen 2 mm und 5 mm, bevorzugt zwischen 2,8 mm und 4 mm, und/oder eine Luftdurchlässigkeit von mindestens 1000 l/cm2h, bevorzugt von mindestens 1500 l/cm2h, besonders bevorzugt bis zu 4500 l/cm2h, aufweist. Alternativ ist auch denkbar, dass das Koaleszenzmedium 32 aus Viskose gebildet ist, wobei das Koaleszenzmedium 32 dann eine Dicke zwischen 0,5 mm und 4 mm, bevorzugt von 1 mm und 3 mm und/oder eine Luftdurchlässigkeit von mindestens 1000 l/cm2h, bevorzugt bis zu 3000 l/cm2h, aufweist.
  • Das Koaleszenzelement 30 ist mit den beiden Endscheiben 16, 18 fluiddicht verbunden und ist formstabilisierend zwischen dem Filterbalg 12 und dem Stützrohr 14 abgestützt. Der Filterbalg 12 ist hohlzylinderförmig ausgeführt, wobei der Fluidpfad 40 radial durch den Filterbalg 12 und das Koaleszenzelement 30 führt, insbesondere von einem Außenbereich 42 in einen Innenbereich 44 der hohlzylindrischen Form führt. Das Koaleszenzelement 30 ist so auf der Reinseite 50 des Filterbalgs 12 angeordnet.
  • Freies Wasser in dem Fluid wird größtenteils durch den Filterbalg 12 geleitet. Im Koaleszenzmedium 32 werden die kleinen Wassertropfen während des Durchtritts durch das Koaleszenzelement 30 vergrößert. In dem Spalt zwischen dem Koaleszenzelement 30 und dem Endabscheider 106 fallen große Tropfen schwerkraftunterstützt nach unten in einen Sammelraum 116 des Filtersystems 100, von wo das gesammelte Wasser beispielsweise über eine Schraube beim Service nach außen abgelassen werden kann.
  • Kleinere Tropfen, die zunächst nicht auf Grund der Schwerkraft nach unten fallen, werden an der hydrophoben Oberfläche des Endabscheiders 106 am Durchtritt auf die Reinseite 50 gehindert und fallen ebenfalls nach unten in den Sammelraum. Der Endabscheider 106 ist aus einem hydrophoben Material, insbesondere aus PET gebildet, und weist vorzugsweise eine Maschenweite von 40 μm auf. Wassertropfen mit einer Tropfengröße, die kleiner als die Maschenweite des Endabscheiders ist, die beispielsweise bei 40 μm liegen kann, treten durch den Endabscheider 106 auf die Reinseite 50 durch und werden von einer nachfolgenden Niederdruckpumpe zerkleinert, sodass sie in einem nachfolgenden Hauptfilter abgeschieden werden können.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (17)

  1. Koaleszenzelement (30), mit einem Fluidpfad (40) für ein Fluid zwischen einer Eintrittsseite (53) und einer Austrittsseite (51), umfassend – wenigstens ein Koaleszenzmedium (32), welches zur Koaleszenz von in dem Fluid enthaltenen Wassers vorgesehen ist, wobei das Koaleszenzelement (30) einlagig als zylindrischer Mantel ausgebildet ist, und wobei das Koaleszenzmedium (32) aus einem Material mit einer Packungsdichte von höchstens 10% gebildet ist.
  2. Koaleszenzelement nach Anspruch 1, wobei die Packungsdichte höchstens 8%, insbesondere mindestens 2%, beträgt.
  3. Koaleszenzelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Koaleszenzelement (30) einlagig als zylindrischer Mantel ausgebildet ist, und wobei das Koaleszenzmedium (32) aus einem Material mit einer durchschnittlichen Porengröße von mindestens 100 μm gebildet ist.
  4. Koaleszenzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Koaleszenzmedium (32) aus Polyester gebildet ist, wobei vorzugsweise das Koaleszenzmedium (32) eine Dicke zwischen 2 mm und 5 mm, bevorzugt zwischen 2,8 mm und 4 mm, und/oder eine Luftdurchlässigkeit von mindestens 1000 l/cm2h, bevorzugt von mindestens 1500 l/cm2h, besonders bevorzugt bis zu 4500 l/cm2h, aufweist.
  5. Koaleszenzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Koaleszenzmedium (32) aus Viskose gebildet ist, wobei vorzugsweise das Koaleszenzmedium (32) eine Dicke zwischen 0,5 mm und 4 mm, bevorzugt von 1 mm und 3 mm und/oder eine Luftdurchlässigkeit von mindestens 1000 l/cm2h, bevorzugt bis zu 3000 l/cm2h, aufweist.
  6. Koaleszenzelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Koaleszenzelement (32) zur Abscheidung von Wassertropfen mit einem auf der Austrittsseite (51) des Koaleszenzelements (30) angeordneten Endabscheider (106) zusammenwirkt, der aus einem hydrophoben Material oder einem Material mit hydrophober Oberfläche gebildet ist, und vorzugsweise eine Maschenweite von 40 μm aufweist.
  7. Koaleszenzelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Koaleszenzelement (30) an seinen sich gegenüber liegenden Stirnseiten (15, 17) jeweils mit einer Endscheibe (16, 18) fluiddicht verbunden ist.
  8. Filterelement (10) zum Filtern eines Fluids, mit einem Fluidpfad (40) zwischen einer Rohseite (52) und einer Reinseite (50), umfassend – wenigstens einen Filterbalg (12), der an seinen sich gegenüberliegenden Stirnseiten (15, 17) jeweils mit einer Endscheibe (16, 18) fluiddicht verbunden ist, – wenigstens ein koaxial innerhalb des Filterbalgs (12) angeordnetes Stützrohr (14), welches mit den beiden Endscheiben (16, 18) verbunden ist und welches Durchlässe (20) zum Durchströmen des Fluids aufweist, – wenigstens ein Koaleszenzelement (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches in Strömungsrichtung zwischen dem Filterbalg (12) und dem Stützrohr (14) angeordnet ist und welches zur Koaleszenz von in dem Fluid enthaltenem Wasser vorgesehen ist, wobei das Koaleszenzelement (30) das Stützrohr (14) als zylindrischer Mantel auf einer radialen Außenseite (22) umgibt.
  9. Filterelement nach Anspruch 8, wobei das Koaleszenzelement (30) zwischen dem Filterbalg (12) und dem Stützrohr (14) formstabilisierend abgestützt ist.
  10. Filterelement nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Filterbalg (12) hohlzylinderförmig ausgeführt ist und wobei der Fluidpfad (40) radial durch den Filterbalg (12) und das Koaleszenzelement (30) führt, insbesondere von einem Außenbereich (42) in einen Innenbereich (44) der hohlzylindrischen Form führt.
  11. Filterelement nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das Koaleszenzelement (30) auf der Reinseite (50) des Filterbalgs (12) angeordnet ist.
  12. Filtersystem (100) mit einem in einem Filtergehäuse (108) angeordneten Filterelement (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 11 zum Filtern eines Fluids, wobei das Filterelement (10) auf seiner Reinseite (50) ein Koaleszenzelement (30) zur Koaleszenz von in dem Fluid enthaltenem Wasser vorsieht.
  13. Filtersystem nach Anspruch 12, wobei das Filterelement (10) einen hohlzylinderförmigen Filterbalg (12) mit einem innerhalb des Filterbalgs (12) angeordneten Stützrohr (14) aufweist, wobei das Koaleszenzelement (30) in Strömungsrichtung zwischen dem Filterbalg (12) und dem Stützrohr (14) angeordnet ist, und wobei das Koaleszenzelement (30) einlagig ausgebildet ist und das Stützrohr (14) als zylindrischer Mantel auf einer radialen Außenseite (22) umgibt, und wobei das Koaleszenzmedium (32) aus einem Material mit einer durchschnittlichen Porengröße von mindestens 100 μm gebildet ist.
  14. Filtersystem nach Anspruch 12 oder 13, wobei innerhalb des Filterelements (10) auf einer Reinseite (50) ein Endabscheider (106) angeordnet ist.
  15. Verwendung eines Filtersystems (100) nach einem der Ansprüche 12 bis 14 zum Filtern von Kraftstoff, insbesondere Dieselkraftstoff.
  16. Verwendung eines Filtersystems (100) nach einem der Ansprüche 12 bis 14 als Prefilter eines Kraftstoffzuführungssystems einer Brennkraftmaschine.
  17. Verwendung eines Filtersystems (100) nach einem der Ansprüche 12 bis 14 auf der Saugseite eines Kraftstoffzuführungssystems einer Brennkraftmaschine.
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