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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich allgemein auf Filtrations-Systeme und -Verfahren
und insbesondere auf eine Filter-Anordnung, die dazu bestimmt ist,
Verunreinigungen aus einer Flüssigkeit,
wie z.B. einem Schmiermittel, zu entfernen, und noch spezieller
auf eine aufschraubbare Hybridölfilter-Anordnung
zur Verwendung mit einem Verbrennungsmotor, wobei die aufschraubbare
Hybridölfilter-Anordnung
form- und passkompatibel mit einer herkömmlichen Ölfilter-Anordnung ist, die
jedoch eine zweistufige Filterwirkung erzeugt, die einen herkömmlichen Ölfilter
in Kombination oder parallel mit einem Umgehungs-Ölfilter
enthält,
der in der Lage ist, Partikel der Größe eines Mikrometers oder größer zu filtern
und zurückzuhalten.
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Hintergrund der Erfindung
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Herkömmliche
Verbrennungsmotoren, die in Automobilen und ähnlichen Fahrzeugen verwendet werden,
enthalten eine aufschraubbare Ölfilter-Anordnung
zum Reinigen des Motorenöls.
Aufgrund der Tatsachen, dass eine herkömmliche Ölfilter-Anordnung nur Partikel der Größe 10 μm oder größer wirkungsvoll
entfernt, sammeln sich jedoch nach einiger Zeit kleinere Partikel
in dem Motorenöl
an und machen es erforderlich, dass das Motorenöl ersetzt wird. Typische Intervalle
für den
Motorenöl-
und Ölfilter-Wechsel
betragen 3.000 Meilen oder 3 Monate je nachdem, was zuerst eintritt.
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Es
ist bekannt, in gewissen Arten von Fahrzeugen, wie z.B. großen Lastwägen, einen
unterstützenden
Umgehungsfilter für
eine zusätzliche
Filterung zu verwenden. Ein typischer Umgehungsfilter kann an dem
Lastwagen-Motor nachgerüstet
werden, wo er Öl
durch ein feineres Hilfs-Filterelement mit einer langsameren Strömungsgeschwindigkeit als
bei dem normalen Ölfilter
ablenkt (z.B. 2,5 Gallonen pro Minute oder weniger anstatt etwa
20 bis 40 Gallonen pro Minute). Das Hindurchleiten des Motorenöls durch
das Hilfs-Filterelement hilft beim Herausfiltern von Partikeln mit
einer Größe von etwa
40 Mikrometer, wodurch die Motorenöl-Lebensdauer sowie die Lebensdauer
des Motors verbessert werden. Diesbezüglich kann z.B. auf das
US-Patent Nr. 5,552,065 von
Meddock et al. Bezug genommen werden.
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Diese
Art von Filter-Anordnung ist jedoch nicht typischerweise geeignet
zur Verwendung mit Automobilen und ähnlichen Arten von Fahrzeugen. Ein
erstes Thema bezieht sich dabei auf die Schwierigkeit des Nachrüstens einer
Umgehungs-Ölfilter-Anordnung an dem
Motor. In vielen Fällen
kommt es vor, dass es einfach nicht genug Platz gibt, um die Umgehungs-Ölfilter-Anordnung zu montieren.
Ein zweites Thema diesbezüglich
betrifft die Kosten, da die Verwendung der Umgehungs-Ölfilter-Anordnung von Natur
aus kostspieliger ist als die ledigliche Verwendung der Ölfilter-Anordnung
herkömmlicher
Bauart.
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Wie
man erkennt, gibt es in Bezug auf Ölfilter und verwandte Verfahren
für Verbrennungsmotoren eine
beachtliche Menge an Stand der Technik, der sich über Jahrzehnte
hinweg angesam melt hat. Für diesen
Stand der Technik sind die folgenden US-Patente repräsentativ.
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In
dem
US-Patent Nr. 3,986,960 beschreiben Wire
et al. ein Fluidfilter, das einen röhrenförmigen Kanister mit einem Einlass
für kontaminiertes
Fluid und einen Auslass für
gefiltertes Fluid enthält.
Das Filter enthält
ein stabiles Rohr, das eine vertikale mittige Leitung innerhalb
des Kanisters bildet, sowie eine Vielzahl axial beabstandeter Behälter, die
entlang des Rohres seriell montiert sind. Das Filtermaterial befindet
sich in den Kanistern. Öffnungen
bzw. Anschlüsse
in dem Rohr kommunizieren mit Kammern, die zwischen dem Filterelement
und dem Boden des Behälters
gebildet sind. Eine Dichtung wird zwischen dem Auslass des Kanisters
und dem Rohr gebildet, während
eine Fluidverbindung zwischen dem Einlass und den offenen Oberteilen
der Behälter erzeugt
wird, so dass eine zwischen dem Einlass und dem Auslass auftretende
Fluidströmung
durch die Filterelemente hindurch erfolgt.
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In
dem
US-Patent Nr. 4,048,071 beschreiben Yamada
et al. eine Flüssigkeits-Filterungsvorrichtung,
bei der die periphere Fläche
einer Wicklung einer Filterbahn, die um eine Hohlwelle gewickelt
ist, durch eine flüssigkeits-undurchlässige flexible
Beschichtung bedeckt ist, und der äußere Randbereich eines ersten
Endes der Wicklung an einer Haltescheibe befestigt ist, so dass
beim Hindurchleiten von zu filternder Flüssigkeit durch die Wicklung
in der axialen Richtung der Wicklung die Faltungen der Wicklung
bei einem zweiten Ende sich radial nach außen aufweiten, um Verunreinigungen
in dem Spiral-Spalt einzufangen. An dem ersten Ende der Wicklung
gesammelte gereinigte Flüssigkeit
wird durch die Hohlwelle ausgestoßen. Die Filtereinheit ist
so aufgebaut, dass eine Anzahl von Einheiten in Serie geschaltet
werden können.
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In
dem
US-Patent Nr. 4,738,776 beschreibt Brown
eine Schmiermittel-Filteranordnung für einen Verbrennungsmotor,
der ein Kopfglied enthält,
das auf einem Basisglied abnehmbar montiert ist. Das Kopfglied enthält ein hülsenartiges
Gehäuse,
das an einem Ende offen ist und eine erste und zweite Filtereinheit
hat, die darin feststehend montiert sind. Die äußeren Randbereiche der Filtereinheiten
wirken mit der inneren Oberfläche
des Gehäuses
zusammen, um einen gemeinsamen Einlass-Durchtritt zu bilden. Eine der Filtereinheiten
ist mit einem inneren ersten Ausgangs-Durchtritt ausgestattet, der
mit einer in dem Basisglied gebildeten ersten Durchtritts-Formation
kommuniziert. Die erste Durchtritts-Formation kommuniziert mit einem
Schmiermittel-Kreislauf des Motors. Die zweite Filtereinheit ist
mit einem inneren zweiten Auslass-Durchtritt ausgestattet, der mit
einer in dem Basisglied gebildeten zweiten Durchtritts-Formation
kommuniziert. Die zweite Durchtritts-Formation kommuniziert mit
einem zweiten Schmiermittel-Kreislauf des Motors. Dichtungsabschnitte
werden durch das Kopfglied getragen. Ein erster Dichtungsabschnitt
bewirkt einen abdichtenden Eingriff zwischen dem Basisglied und
einem das offene Ende bestimmenden Abschnitt des Gehäuses. Ein
zweiter Dichtungsabschnitt ist innerhalb des Gehäuses angeordnet und verhindert
eine direkte Verbindung zwischen dem Einlass-Durchtritt und dem
ersten Auslass-Durchtritt. Ein dritter Dichtungsabschnitt ist innerhalb
des Gehäuses
angeordnet und verhindert die Verbindung zwischen dem ersten und
dem zweiten Auslass-Durchtritt. Der durch den dritten Dichtungsabschnitt
bewirkte abdichtende Eingriff wird verstärkt, wenn der Strömungsdruck
innerhalb des inneren ersten Auslass-Durchtritts erhöht wird.
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In
dem
US-Patent 5,178,753 beschreibt
Trabold einen Ölfilter
für einen
Verbrennungsmotor, der in einem sekundären Ölkreis lauf zusätzlich zu
einem herkömmlichen Ölfilter
verwendet wird. Der Ölfilter enthält ein Filtergehäuse, in
welchem ein Filterelement aus einer Rolle aus absorbierendem Papier
besteht, das um eine Stange gewickelt ist. Der Ölfilter ist als Gruppe aus
Elementen aufgebaut, die Körperabschnitte
und Kappen sowie eine Stange mit dem gerollten Filterelement aufweist.
Das Volumen des Filters kann für
eine spezielle Anwendung abgestimmt werden, indem man eine Vielzahl
von Körperabschnitten
mit einer passenden Anzahl Stangen verbindet.
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In
dem
US-Patent Nr. 5,556,543 beschreibt Trabold
einen Ölfilter
für Verbrennungsmotoren.
Der Ölfilter
enthält
ein Filtergehäuse
und eine Filterpackung aus einem porösen verformbaren Material,
wie z.B. eine Rolle aus absorbierendem Papier. Um eine Verformung
der Filterpackung zu verhindern, wodurch eine gleichmäßige Strömung durch
die Filterpackung verhindert wird, sind stabilisierende Elemente,
wie z.B. stabilisierende Stangen vorgesehen, um die Form und Position
der Filterpackung innerhalb des Filtergehäuses zu befestigen.
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Die
US 3,021,955 offenbart ein
Filterelement mit groben und feinen Filtrations-Elementen mit Einengungsmitteln,
welche die geteilte Strömung
durch die beiden Elemente regulieren.
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Die
GB 1,133,860 offenbart einen Ölfilter
zur Verwendung in dem Schmiersystem eines Verbrennungsmotors und
umfasst ein Gehäuse,
das einen ringförmigen
groben Filterabschnitt enthält,
der innerhalb eines ringförmigen
feinen Filterabschnitts angeordnet ist, so dass die Filterabschnitte
zumindest entlang eines Teils der axialen Länge überlappen.
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Die
US 4,557,829 offenbart eine
mehrstufige Filtereinheit, die einen primären Feinfilter und einen sekundären Grobfilter
aufweist, wobei der sekundäre Grobfilter
sich verformen kann, um einen Teil des differenziellen Drucks aufgrund
einer Verstopfung des Primärfilters
abzubauen, ohne einen ungefilterten Weg für die Rückkehr des Öls zu dem Schmiermittel-Kreislaufsystem
zu öffnen.
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Die
US 3,975,273 offenbart einen
aufschraubbaren Filter für
ein Öl-Schmiersystem
eines Automobil-Motors. Der Filter weist eine zweistufige Filterpatrone
auf. Die erste Stufe umfasst ein ringförmiges Tiefen-Filtermedium,
und die zweite Stufe umfasst ein Filtermedium mit spiralförmig gewickelter Oberfläche.
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Die
US 5,888,383 offenbart eine
Fluidfilter-Anordnung mit einem großporigen Sieb, das mit einem
relativ kleinporigen Sieb in Serie geschaltet ist, zusammen mit
einer Vorrichtung, die auf eine Blockierung des kleinerporigen Siebs
reagiert, um zu bewirken, dass im Wesentlichen die gesamte Fluidströmung nur
durch das großporige
Sieb hindurchtritt.
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Es
liegt daher ein lange bestehendes und nicht erfülltes Bedürfnis vor, eine Ölfilter-Anordnung für einen
Verbrennungsmotor bereitzustellen, die innerhalb eines Ölfilter-Behälters herkömmlicher
Abmessung einen herkömmlichen Ölfilter
und einen Umgehungs-Ölfilter
bereitstellt, der in der Lage ist, aus dem Öl kleinere Partikel als das
herkömmliche Ölfilter
einzufangen und somit zu entfernen.
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Vor
dieser Erfindung wurde dieses Bedürfnis durch die dem Erfinder
bekannten Filteranordnungen und Verfahren des Stands der Technik
nicht richtig befriedigt.
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Aufgaben und Vorteile der
Erfindung
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Eine
erste Aufgabe und ein Vorteil dieser Erfindung bestehen darin, eine
verbesserte Ölfilter-Anordnung
bereitzustellen.
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Eine
weitere Aufgabe und ein Vorteil der Erfindung bestehen darin, eine
verbesserte Ölfilter-Anordnung
bereitzustellen, die einen ersten Ölfilter sowie einen Umgehungs-Ölfilter
enthält,
der in der Lage ist, kleinere Partikel aus der Ölströmung herauszufiltern als der
erste Ölfilter,
wobei die Ölfilter-Anordnung
form- und pass-kompatibel mit einer herkömmlichen Ölfilter-Anordnung ist.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
genannten sowie weitere Probleme werden überwunden, und die genannten
Ziele und Vorteile werden realisiert mittels einer Vorrichtung und eines
Verfahrens in Übereinstimmung
mit den Ausführungsbeispielen
dieser Erfindung.
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Eine Ölfilter-Anordnung
zur Verwendung mit einem Verbrennungsmotor bildet innerhalb eines
herkömmlich
bemessenen Filterbehälters
einen ersten oder primären Ölfilter
und einen Umgehungs-Ölfilter, der
in der Lage ist, kleinere Partikel aus dem Öl (z.B. 1 Mikrometer oder größer) einzufangen
und somit zu entfernen als der primäre Ölfilter. Die erhaltene Anordnung
aus primärem Ölfilter
und Umgehungs-Ölfilter,
die hier auch als Hybridölfilter-Anordnung
bezeichnet wird, ist vorzugsweise form- und pass-kompatibel mit
einer herkömmlichen Ölfilter-Anordnung. Das
heißt,
die Hybridölfilter-Anordnung
kann verwendet werden, um eine herkömmliche Ölfilter-Anordnung zu ersetzen, ohne irgendwelche
Abwandlungen an dem Motor oder dem Filtergehäuse durchzuführen oder
zu erfordern. Darüber
hinaus ist die Hybridölfilter-Anordnung
gemäß der Lehre
dieser Erfindung so ausgelegt, dass sie mit der herkömmlichen Ölfilter-Anordnung
den Kostenwettbewerb aufnehmen kann, wenn man insbesondere die erzielten
verlängerten
Lebensdauern des Öls,
des Ölfilters
und des Motors betrachtet. Die Hybridölfilter-Anordnung eignet sich
auch für
die Massenproduktion und erfordert nicht die Verwendung irgendwelcher
nicht-standardmäßiger Materialien
oder Komponenten während seiner
Herstellung.
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Gemäß der Lehre
dieser Erfindung enthält eine Ölfilter-Anordnung
ein Gehäuse
und ein erstes (z.B. ein primäres
oder herkömmliches) Ölfilter-Element,
das in der Nähe
eines Bodenabschnitts des Gehäuses
angeordnet ist. Das erste Ölfilter-Element enthält ein offenes
inneres Volumen, das hier auch als Hohlraum bezeichnet wird. Ein
zweites Ölfilter-Element
mit einer im Wesentlichen kreiszylindrischen Plattform ist in Umfangsrichtung über eine Länge des
ersten Ölfilter-Elements
angeordnet. Das zweite Ölfilter-Element
kann aus gerollter Cellulose, wie z.B. Papier bestehen und filtert
Partikel mit einer kleineren Abmessung als das erste Ölfilter-Element. In
weiteren Ausführungsbeispielen
dieser Erfindung kann das zweite Ölfilter-Element aus anderen
Filtermedien wie z.B. Glaswolle, Kunststoff, Baumwolle sowie aus
Kombinationen von zweien oder mehreren davon sowie aus anderen Filtermedien
bestehen, die zum Einfangen von Partikeln aus dem Öl geeignet sind,
die kleiner als die durch das primäre Ölfilter-Element eingefangenen
Partikel sind.
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Ein
erster Öleinlass
ist an dem Bodenabschnitt des Gehäuses angeordnet, um zu filterndes Öl an Seitenflächen des
ersten Ölfilter-Elements
heranzuführen,
wobei gefiltertes Öl
durch eine gewisse Dicke des ersten Ölfilter-Elements zu dem mittig
angeordneten offenen inneren Volumen und von dem mittig ange ordneten
offenen inneren Volumen durch einen Auslass des Filtergehäuses strömt.
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Ein
zweiter Öleinlass
ist ebenfalls an dem Bodenabschnitt des Gehäuses angeordnet und umgibt
den ersten Öleinlass.
Der zweite Öleinlass
führt zu
filterndes Öl
an eine Bodenfläche
des zweiten Ölfilter-Elements
heran.
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Ein
Fluidverbindungsweg ist von einer oberen Fläche des zweiten Ölfilter-Elements
in das offene innere Volumen des ersten Ölfilter-Elements derart vorgesehen,
dass über
eine Länge
des zweiten Ölfilter-Elements
hinweg gefiltertes Öl
mit dem durch das erste Ölfilter-Element
gefilterten Öl
vermischt wird.
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Der
Fluidverbindungsweg enthält
vorzugsweise eine Öffnung,
die einen Durchtritt für
gefiltertes Öl
in das offene innere Volumen des ersten Ölfilter-Elements ermöglicht,
wobei die Öffnung
eine Fläche
hat, die beachtlich kleiner als die Fläche des zweiten Öleinlasses
ist. So ist z.B. das Verhältnis
der Fläche
des zweiten Öleinlasses
zur Fläche
der Öffnung
etwa 1:400 oder größer (z.B.
in einem Bereich von etwa 1:400 bis 1:2000, und zwar proportional
zur Größe und Kapazität des Filters).
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel enthält der Fluidverbindungsweg
außerdem
ein drittes Ölfilter-Element,
das zwischen der oberen Fläche des
zweiten Ölfilterelements
und der Öffnung
angeordnet ist, wobei das dritte Ölfilter-Element auch Partikel
kleinerer Abmessung als das erste Ölfilter-Element filtert. Das
dritte Ölfilter-Element
ist oberhalb des ersten Ölfilter-Elements
gestapelt angeordnet, und das zweite Ölfilter-Element ist über die
Länge des
ersten Ölfilter-Elements
und die Länge
des dritten Ölfilter-Elements
in Umfangsrichtung angeordnet.
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Bei
dem gegenwärtig
bevorzugten Ausführungsbeispiel
beträgt
der Druck des Öls
am zweiten Einlass x psi, wobei der Druck des Öls am Auslass des Filtergehäuses etwa
x psi minus etwa 2% bis etwa 6% beträgt und der Druck des Öls an der Öffnung etwa
x psi minus etwa 0,2% bis etwa 0,8% beträgt.
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Vorzugsweise
ist das Gehäuse
form- und pass-kompatibel mit einem herkömmlichen aufschraubbaren Ölfilter.
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Die
Lehre dieser Erfindung stellt somit eine Hybridölfilter-Anordnung bereit, die form- und pass-kompatibel
mit einer herkömmlichen
aufschraubbaren Ölfilter-Anordnung
ist. Die Hybridölfilter-Anordndung
enthält
ein Gehäuse
und innerhalb des Gehäuses
einen ersten Ölströmungsweg,
der ein erstes Ölfilter-Element
enthält
zum Filtern von Partikeln mit einer ersten minimalen Größe, sowie
einen zweiten Ölströmungsweg,
der ein zweites Ölfilter-Element
enthält,
welches das erste Ölfilter-Element
entlang seiner Länge
umgibt. Das zweite Ölfilter-Element
filtert Partikel mit einer zweiten minimalen Partikelgröße, die
kleiner als die erste minimale Partikelgröße ist. Öl in dem ersten Ölströmungsweg, das
durch das erste Ölfilter-Element
gefiltert wurde, sowie Öl
in dem zweiten Ölströmungsweg,
das durch das zweite Ölfilter-Element
gefiltert (mikro-gefiltert) wurde, werden innerhalb eines innerhalb
des ersten Ölfilter-Elements
enthaltenen Hohlraums miteinander vermischt, bevor sie aus der Hybridölfilter-Anordnung
ausgestoßen
werden.
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Dabei
umfasst die Filteranordnung eine einzige Fluidströmungsweg-Verengungsöffnung nahe bei
dem Auslass des zweiten Ölströmungswegs,
so dass der Öldruck
an der Öffnung
nahe bei dem Auslass des zweiten Ölströmungswegs relativ zu dem Öldruck an
einem Auslass des ersten Ölströmungswegs
in dem Mischbereich größer ist.
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In
dem Hybridölfilter
beträgt
der Druck des Öls
am Einlass sowohl des ersten als auch des zweiten Ölströmungswegs
x psi, wobei der Druck des Öls am
Auslass des ersten Ölströmungswegs
x psi minus etwa 2% bis etwa 6% beträgt und der Druck des Öls an einem
Auslass des zweiten Ölströmungswegs
x psi minus etwa 0,2% bis etwa 0,8% beträgt.
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Die
Lehre dieser Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Filtern von
Motorenöl
während
des Betriebs eines Verbrennungsmotors bereit. Das Verfahren enthält die folgenden
Schritte: (a) Pumpen von Motorenöl
in einen Einlass der Ölfilter-Anordnung; (b) Filtern
eines ersten Teils des Motorenöls
durch Hindurchleiten des Motorenöls
durch einen ersten Ölströmungsweg,
der ein erstes Ölfilterelement
enthält, um
Partikel mit einer ersten minimalen Größe zurückzuhalten; (c) Mikro-Filtern
eines zweiten Teils des Motorenöls
durch Hindurchleiten des Motorenöls durch
einen zweiten Ölströmungsweg,
der ein zweites Ölfilter-Element
enthält,
welches das erste Ölfilter-Element
umgibt, wobei das zweite Ölfilter-Element Partikel
mit einer zweiten minimalen Partikelgröße zurückhält, die kleiner als die erste
minimale Partikelgröße ist;
(d) innerhalb einer Mischzone, die innerhalb des Ölfilter-Elements
enthalten ist, miteinander Vermischen des Motorenöls von dem
ersten Ölströmungsweg,
das durch das erste Ölfilter-Element
gefiltert wurde, und des Motorenöls
von dem zweiten Ölströmungsweg,
das durch das zweite Ölfilter-Element
mikro-gefiltert wurde; und (e) Ausstoßen des vermischten gefilterten
und mikro-gefilterten Motorenöls
von einem Auslass der Ölfilter-Anordnung
in den Motor.
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Während der
Durchführung
des Verfahrens beträgt
der Druck des Motorenöls
am Einlass der Ölfilter-Anordnung
und am Einlass sowohl des ersten als auch des zweiten Ölströmungswegs
x psi, wobei der Druck des Motorenöls am Auslass der Ölfilter-An ordnung
x psi minus etwa 2% bis etwa 6% beträgt und wobei der Druck des
Motorenöls
an einem Auslass des zweiten Ölströmungswegs
x psi minus etwa 0,2% bis etwa 0,8% beträgt.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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Die
oben dargelegten sowie weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich
noch klarer aus der nun folgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung
in Verbindung mit der beigefügten
Zeichnung, wobei:
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1 ein
Diagramm ist, das die Ölströmungswege
sowie die Zwischendrücke
der erfindungsgemäßen Hybridölfilter-Anordnung
beschreibt;
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2 eine
Querschnittsansicht eines gegenwärtig
bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Hybridölfilter-Anordnung
ist;
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2A eine
vereinfachte Querschnittsansicht des Ausführungsbeispiels von 2 ist,
wobei das innere Filtermaterial entfernt wurde, um die verschiedenen
inneren Volumina der Hybridölfilter-Anordnung
deutlicher zu zeigen;
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2B eine
Querschnittsansicht eines weiteren gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Hybridölfilter-Anordnung
ist;
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3 eine
Schrägansicht
eines ersten Mikrofilterelement-Einsatzes
von oben ist;
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4 eine
Bodenansicht (vom Motor aus betrachtet) des normalen Filterelements
und der Haupteinlass-Platte ist;
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5 eine
Bodenansicht ist, die ein positioniertes Umgehungsventil zeigt;
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6 eine
Bodenansicht ist, die den Öleinlass
zu dem normalen und den Öleinlass
zu dem Mikrofilter ausführlicher
zeigt und das Umgehungs-Ventil enthält;
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7 eine
Draufsicht auf ein Öl-Halteventil und
auf die umgebende Einlassplatte zu dem Mikrofilter-Einsatz ist;
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8 eine
Draufsicht auf das Öl-Halteventil und
die umgebende Einlassplatte zu dem Mikrofilter-Einsatz ist, sowie
das über
dem Öl-Halteventil
positionierte Umgehungsventil zeigt;
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9 eine
Draufsicht ist, die das normale Ölfilter-Element
zeigt, das eine Öffnung
enthält,
die eine Fluidverbindung zwischen dem Hochdruck-Mikrofilter-Abschnitt
und dem Niederdruck-Normalfilter-Abschnitt erzeugt;
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10 ein
Rückschlag-Ventil
und eine Abdichtung zwischen dem Normalfilter, dem Innern eines
Mikrofilter-Rohrs und einer oberen Auslass/Einlass-Platte zeigt;
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11 eine
Draufsicht des äußeren Mikrofilter-Elements
ist; und
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12 eine
Draufsicht des äußeren Mikrofilter-Elements
ist, bei dem die obere Auslass/Einlass-Platte positioniert ist.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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Zur
Einleitung sei bemerkt, dass eine Hybridölfilter-Anordnung (HOFA) zwei
Filtersysteme in ein einziges aufschraubbares Filtergehäuse integriert und
verwendet werden kann, um eine herkömmliche aufschraubbare Filteranordnung
für Verbrennungsmotoren
zu ersetzen, die man bei Automobilen, Kleinbussen, LKWs, schwerem
Gerät,
anderen Verbrennungsmotor-Anwendungen sowie bei hydraulischen Systemen
findet.
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Die
HOFA kann auf genau gleiche Weise montiert werden, wie ein normaler,
herkömmlicher aufschraubbarer Ölfilter.
Die HOFA kann unter Verwendung derselben Formfaktoren, Abmessungen und
Gewinde wie jeder andere zurzeit verfügbare aufschraubbare Ölfilter
hergestellt werden.
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Ein
beachtlicher Unterschied zwischen der HOFA-Bauart und dem herkömmlichen
aufschraubbaren Motor-Ölfilter
ist die Fähigkeit,
das Motorenöl mikrofein-sauber
zu filtern. In der Praxis kann das gefilterte Motorenöl genauso
sauber oder sauberer als neues, unbenutztes Motorenöl werden.
Der Reinigungsvorgang ermöglicht
die Fähigkeit,
Partikel mit Abmessungen von 1 μm
oder größer zu entfernen. Das
mikro-gereinigte Motorenöl
schützt
die beweglichen Motorenteile und verlängert somit die aktive Motor-Lebensdauer.
Außerdem
kann das normale Ölwechsel-Intervall
auf z.B. 15.000 Meilen oder mehr verlängert werden.
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Wie
man in 1 sieht, kommt Motorenöl (MO) von der Motor-Ölpumpe des Motors an und tritt durch
Löcher
im Boden des Filtergehäuses
in die HOFA (Punkt A). Der Großteil
des Öls
tritt in einen ersten Ölströmungsweg
ein, der eine erste Filterkammer (FFC) enthält, während ein beachtlich kleinerer Teil
des Öls
in einen Ölströmungsweg
eintritt, der eine zwei te Filterkammer (SFC) enthält. Die
erste Ölfilterkammer
ist im Wesentlichen mit einem ersten (herkömmlichen) Filtermedium gefüllt, wie
z.B. gefaltetem Papier, und wird auf herkömmliche Weise gefiltert. Z.B.
entfernt die erste Filterkammer Partikel bis hinab zu einer Größe von etwa
10 Mikrometer. Die zweite Filterkammer ist im Wesentlichen mit einem zweiten
Filtermedium gefüllt,
wie z.B. gewickelter Cellulose oder Papier oder Glaswolle oder Kunststoff oder
Baumwolle oder Mischungen aus diesen oder anderen Filtermaterialien,
und wird gefiltert (mikrogefiltert), um Partikel zu entfernen, deren
Abmessung kleiner als die in der ersten Filterkammer entfernten Partikel
sind. Z.B. können
die in der zweiten Filterkammer entfernten Partikel bis etwa 1 Mikrometer klein
sein. Der Öldruck
am Auslass der zweiten Filterkammer (mit C bezeichnet) ist etwa
0,2% bis etwa 0,8% kleiner als der Einlassdruck von x psi an dem Punkt
A. Der Öldruck
am Auslass der ersten Filterkammer (mit B bezeichnet) ist etwa 2%
bis etwa 6% kleiner als der Einlassdruck x psi bei Punkt A. Da das gefilterte Öl an der
zweiten Filterkammer unter beachtlichem Druck in die erste Filterkammer
eingespritzt wird, dient das Innenvolumen der ersten Filterkammer
auch als Mischzone, in welcher ein turbulentes Vermischen zwischen
dem gefilterten Öl
in der ersten Filterkammer (FFC) und dem aus der zweiten Filterkammer
(SFC) eingespritzten mikro-gefilterten Öl erfolgt. Mikrogefiltertes Öl im Zusammenhang
mit dieser Erfindung beinhaltet Öl,
das einem Filterungs- oder Reinigungsvorgang ausgesetzt wurde, bei
dem Partikel kleinerer Abmessung (z.B. bis hinab zu etwa 1 μm) zurückgehalten
werden als wie in dem primären
oder herkömmlichen Ölfilter-Element
(z.B. etwa 10 Mikrometer) zurückgehalten
werden.
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1 zeigt
auch die Beziehungen zwischen den Einlass- und Auslass-Flächen sowie
die Beziehungen zwischen den Einlass- und Auslass-Drücken.
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Wie
man in 2 und 2A sieht, tritt mit hohem Druck
von der Ölpumpe
des Motors ankommendes Motorenöl 2 durch
Löcher 32 im
Boden des Filtergehäuses
hindurch. Das Öl
füllt alle
Räume 31 unterhalb
und oberhalb der Löcher 32 aus,
bevor es in das Filtergehäuse 11 eintritt
und auf die beiden Arten des Filtermediums auftrifft.
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Das
eine Filtermedium ist ein Filterelement 30, das einen Teil
des normalen oder herkömmlichen Filters
bildet. Das Filterelement 30 kann ein herkömmliches
Filtermaterial aus gefaltetem Papier sein. Das Filterelement 30 sitzt
in einem Kragen 33, der durch eine Anordnung 14 abgestützt wird,
die einen Gewindeeinsatz 13 enthält, um auf herkömmliche
Weise mit einem Gewinde in Eingriff zu gelangen, das aus dem Motorgehäuse herausragt.
Es kann ein Öl-Halteventil 7 vorgesehen
werden, um das Verschütten
von Öl
während
des Abschraubens des Filters zu begrenzen.
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Ein
zweites Filtermedium enthält
eine erste Filterpackung, die in einem bevorzugten, jedoch nicht einschränkend aufzufassenden
Ausführungsbeispiel als
erstes Mikrofilter-Papierelement oder -Einsatz 21 ausgelegt
ist, das bzw. der in Umfangsrichtung über etwa das erste Filterelement 30 positioniert
ist und durch ein Rohr 12 davon getrennt ist. Das zweite
Filtermedium kann außerdem
auch eine zweite Filterpackung enthalten, die in einem bevorzugten,
jedoch nicht einschränkend
aufzufassenden Ausführungsbeispiel
als ein zweites Mikrofilter-Papierelement oder -Einsatz 22 ausgeführt ist,
das bzw. der über dem
Oberteil des normalen Filterelements 30 positioniert ist.
In diesem Fall ist das Rohr 12 länger als das Filterelement 30 und
trennt die beiden Mikrofilter-Elemente oder -Einsätze 21, 22.
Eine Fluidverbindung zwischen den Einsätzen 21 und 22 wird
durch einen offenen Raum 25 am Oberteil des Filtergehäuses 11 und
durch eine obere Auslass/Einlass-Platte 23 gebildet, die
eine Vielzahl von Löchern 24 hat.
Ein Abstandselement 26 ist zwischen der oberen Fläche des
Endes des Filtergehäuses 11 und
der oberen Platte 23 angebracht, um die Platte 23 gegen
die oberen Flächen
der Filtereinsätze 21 und 22 zu
drücken.
Eine Boden-Filterplatte 19 mit Löchern 20 ist unterhalb
des zweiten Mikrofilter-Elements 22 oberhalb eines Rückschlag-Ventils 18 angeordnet,
das vorzugsweise aus Silikon besteht, das über dem Gehäuse von dem Filter 30 angeordnet
ist, um eine Abdichtung zwischen allen anderen Filtermedien und Ölkammern
zu erzeugen. Das Rückschlagventil/Dichtung
hat eine mittig angeordnete Öffnung 16. Mikrogefiltertes Öl strömt durch
die Öffnung 16 in
das Volumen in der Filtermitte 6A, wo es sich mit dem Öl vermischt,
das durch das erste Filtermedium-Element 30 gefiltert wird.
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Im
Betrieb tritt das größte Volumen
des hereinkommenden Öls
durch die Löcher 32 zu
den Seitenflächen
des ersten Filtermedium-Elements hindurch, und das gereinigte Öl tritt
in den Raum bzw. Hohlraum 6A in der Mitte des normalen
Filterelements 30 ein. Von hier aus strömt das gereinigt Öl zu den
Lagern und anderen Teilen des Motors.
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Ein
kleineres Volumen des Öls
tritt durch Löcher 10 einer
Haupteinlassplatte 9 hindurch (siehe 4, 6, 7 und 8),
und zwar mit demselben Druck wie das Öl, das in das Filterelement 30 hineintritt
und durch die Filterelemente 21 und 22 hindurch.
Das Öl
gelangt zu der Bodenfläche
des Mikrofilter-Elements 21 durch
Löcher 24 der
oberen Auslass/Einlass-Platte 23 hindurch, durch die Länge des zweiten
Filterelements 21 und gelangt zu dem Raum 25 am
oberen Teil des Filtergehäu ses 11.
Das mikro-feingefilterte Öl
tritt aus dem Raum 25 aus, tritt durch zusätzliche
Löcher 24 an
der oberen Platte 23 hindurch, tritt durch das zweite Mikrofilter-Papierelement
oder den Einsatz 22 hindurch, tritt durch Löcher 19 in
der Platte 20 zu dem Rückschlagventil 18 hindurch
und strömt
durch die Öffnung 15 des
oberen Kragens 31 des Filters heraus in das Volumen des Filter-Mittelbereichs 6A.
Sobald das mikro-gefilterte Öl
in dem Mittelbereich 6A des normalen Filterabschnitts ankommt,
wird das mikrofein gefilterte Öl
mit dem normal gefilterten Öl
vermischt. Das vermischte saubere Öl fließt dann durch den Kanal oder
Auslass 6 zu dem Motor.
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Die
HOFA-Bauart verwendet ein Verteilungsverhältnis des Öls und seines Drucks. Genauer
gesagt, funktioniert die HOFA auf der Grundlage der jeweiligen Verhältnisse
der unterschiedlichen Drücke in
unterschiedlichen Teilen des Filters, die aus unterschiedlichen Ölströmungs-Volumina
resultieren.
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Das
hereinkommende Öl 2 von
der Ölpumpe strömt unter
Druck in das Filtergehäuse 11 und
tritt durch die beiden unterschiedlichen Filtermedien 21/22 und 30 hindurch.
Der Druck auf alle Oberflächen
ist gleich, das heißt
auf die Oberfläche
des normalen Filterelements 30, auf die Oberfläche der
Mikrofilter-Elemente 21, 22 und
auf die Oberfläche
der Haupteinlass-Platte 9.
Das Öl
tritt relativ rasch durch die Falten des normalen Filterelements 30 hindurch, benötigt jedoch
beachtlich mehr Zeit, um durch die feinere Textur der Mikrofilter-Elemente 21/22 hindurch
zu treten. In einem gegenwärtig
bevorzugten Ausführungsbeispiel
sind die Mikrofilter-Elemente 21 und 22 eng gerolltes
Papier. Das Papier kann ähnlich sein
wie das von Badezimmer-Papiertüchern,
kann jedoch (speziell) für
die Verwendung in der HOFA hergestellt werden. Folglich tritt ungefähr 95% des hereinkommenden Öls 2 durch das
normale Filterelement 30 hindurch, und das gereinigte Öl strömt aus der
Leitung 6 bei niedrigem Druck heraus in Richtung Motor.
Ebenso drückt
derselbe hereinkommende Druck etwa 5% des hereinkommenden Öls 2 durch das
Mikrofilter-Element 21, durch den Raum 25 oberhalb
des Mikrofilter-Elements 21, durch die obere Auslass/Einlass-Platte 23,
durch das Mikrofilter-Element 22, durch das Rückschlagventil 18 und
dann durch die Auslassöffnung 15 hindurch.
Dieses mikrogefilterte Öl
vermischt sich bei 35 mit dem normal gefilterten Öl, das durch
das normale Filterelement 30 hindurchtritt, und gesellt
sich somit zu dem durch die Leitung 6 in den Motor strömenden gefilterten Öl. Mit der
Zeit tritt das gesamte Motorenöl
durch die Mikrofilter-Elemente 21 und 22, und
Partikel, die kleiner als die in dem normalen Filterelement 30 eingefangenen sind,
werden zurückgehalten
und aus dem Ölfluss herausgefiltert,
was das gewünschte
Ergebnis ist.
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Basierend
auf den bestimmten Verhältnissen zwischen Öldruck,
Einströmungs-Volumen,
Ausströmungs-Volumen,
Einlass-Fläche
und Auslass-Fläche in
dem Mikrofilter-Abschnitt der HOFA strömt das mikrogefilterte Öl durch
die Auslassöffnung 15 mit
einem höheren
Druck als der Druck des Öls
innerhalb des normalen Filterabschnitts. Da das hereinkommende Ölvolumen
nicht gleichzeitig durch die Öffnung 15 am
oberen Teil des normalen Filterabschnitts herausströmen kann,
bildet es daher einen hohen Öldruck
innerhalb und um die Mikrofilterelement-Einsätze 21 und 22 herum,
was typischerweise denselben Öldruck
wie der Druck in der von der Ölpumpe
kommenden Leitung ist. Hieraus ergibt sich, dass die Mikrofilter-Element-Einsätze 21 und 22 dauerhaft
in dem Öl
eingetaucht sind, und die mikroskopischen Poren offen bleiben und
nicht komprimiert werden. Die Ölströmung ist
daher in allen Richtungen innerhalb der Cellulose-Packung normal
(Mikrofilterelement-Einsätze 21 und 22),
und Partikel mit einer Größe von etwa
1 μm und
größer werden
eingefangen und in den Filterelement-Einsätzen 21 und 22 zurückgehalten.
In dem gegenwärtig
bevorzugten, jedoch nicht einschränkenden Ausführungsbeispiel
beträgt
das Verhältnis
zwischen dem Einlass-Bereich und dem Auslass-Bereich etwa 400:1
bei einem Druckverhältnis
von etwa 1:0,996.
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Im
Gegensatz zu dem Mikrofilter-Abschnitt ist die Differenz zwischen
dem Einlass und dem Auslass-Druck des normalen Vollströmungs-Filters 30 größer als
die Differenz zwischen dem Einlass-Druck und dem Auslass-Druck der
Mikro-Feinfilter-Elemente 21 und 22.
Dies stimmt deshalb, weil der Widerstand in dem Motor kleiner als
an der Auslass-Öffnung
in dem Mikrofilter-Abschnitt ist. Ein Grund für dieses Verhalten bezieht
sich auf den Widerstand des Motorenöls, das bei der Öffnung 15 aus
dem Mikrofilter-Abschnitt austritt. Das Verhältnis zwischen dem Einlass-
und Auslass-Druck des Vollströmungs-Filters 30 beträgt etwa
1:0,96.
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Die
obige Erklärung
der unterschiedlichen Verhaltenweisen der beiden Filterzonen innerhalb des
Filters ist eine wichtige Betrachtung für das Erklären der Funktionsweise des
Filters. Die Druckdifferenz bewirkt, dass das unter Hochdruck mikrofein
gereinigte Öl
aus dem Raum 25 am oberen Teil des Filtergehäuses 11 austritt,
um durch das Mikrofilter-Medium 22 und durch die Öffnung 15 hindurch
gedrückt zu
werden, um mit dem gereinigten Öl
innerhalb des Mischvolumens 6A des normalen Filters 30 vermischt
zu werden.
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3 bis 12 veranschaulichen
verschiedene Komponenten, die weiter oben beschrieben wurden, und
liefern weitere Einzelheiten zur Anbringung der Komponenten, ihrer
Formen und des Aufbaus der HOFA.
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In
dem dargestellten Ausführungsbeispiel hat
das Filtergehäuse 11 eine
Gesamtlänge
von etwa 130 mm und einen Durchmesser von etwa 93 mm. Die Dicke
des Mikrofilter-Einsatzes 21 beträgt etwa 13,5 mm, der Durchmesser
des Mikrofilter-Elements 22 beträgt etwa 62 mm, der Durchmesser
des normalen Filterelements 30 beträgt etwa 55 mm, und der Durchmesser
des Mittelvolumens 6A beträgt etwa 35 mm. Der Durchmesser
der Öffnung 15 beträgt etwa 3,0
mm, und das Verhältnis
des gesamten Einlass-Bereichs bzw. der gesamten Einlass-Fläche (die Löcher 10 in
der Einlass-Platte 9) zu der Öffnung 15 beträgt 1:400.
Die Länge
des ersten Mikrofilter-Elements 21 beträgt etwa 110 mm, die Länge des
zweiten Mikrofilter-Elements 22 beträgt etwa 45 mm, und die Länge des
herkömmlichen Ölfilter-Elements 30 beträgt ebenfalls
etwa 45 mm.
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Das
Vorgenannte sowie weitere Abmessungen, Materialien, Drücke und
dergleichen sind nur beispielhaft und sind für die Durchführung dieser
Erfindung nicht einschränkend
aufzufassen.
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In
weiteren Ausführungsbeispielen
der Erfindung erkennt man, dass die Gesamtlänge des Filtergehäuses 11 um
einen Faktor von etwa 2 verringert werden könnte, indem man das zweite
mikrofeine Filterelement 22 entfernt und indem man die
Länge des ersten
mikrofeinen Filterelements 21 und des Rohrs 10 etwa
gleich zur Länge
des normalen Filterelements 30 macht. Dieses Ausführungsbeispiel
der HOFA ist in 2B in vereinfachter Form dargestellt.
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Die
Erfindung wurde zwar anhand ihrer bevorzugten Ausführungsbeispiele
speziell gezeigt und beschrieben, doch ist dem Fachmann bewusst,
dass Änderungen
ihrer Form und Einzelheiten durchgeführt werden können, ohne
dass man den Umfang und den Grundgedanken der Erfindung verlässt.