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1. WO2020120073 - FILTEREINRICHTUNG

Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

[ DE ]

Beschreibung

Titel

Filtereinrichtung

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Filtereinrichtung nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.

Aufgrund gesetzlicher Vorgaben muss das Abgas von Kraftfahrzeugen bestimmte Grenzwerte einhalten. Zur Erfüllung dieser Grenzwerte kommen stromabwärts des Verbrennungsmotors Abgasnachbehandlungssysteme zum Einsatz, deren Ziel es ist, die Partikel- und Stickoxidkonzentration im Abgas zu senken. Die hierfür verwendeten Filter und Katalysatoren erfordern, dass bestimmte Oxidations-/Reduktionsmittel in den Abgasstrang eingebracht werden. Solche Mittel sind typischerweise Kohlenwasserstoffe oder Harnstoff-Wasser-Lösungen zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden in einem SCR-Katalysator. Eine als Reduktionsmittel verwendete Harnstoff- Wasser- Lösung wird hierzu mit Hilfe eines Fördermoduls aus einem Tank zu einem Dosiermodul gefördert, welches den notwendigen Mengenstrom an Reduktionsmittel als Spray in den Abgasstrang abgibt.

Es ist hierbei beispielsweise schon aus der DE 10 2011 087 532 Al bekannt, einen Tank für ein solches Reduktionsmittel mit einer Filtereinrichtung zu versehen.

Filtereinrichtungen skalierbar auszugestalten ist aus der US 2009/0184064 Al bekannt.

Bei heutigen SCR-Systemen werden Filter verbaut, bei denen Papier,

Siebgewebe und/oder Vielschichtmaterialien als Filtermaterial zum Einsatz

kommt. Eine Erhöhung der Schmutzaufnahmekapazität bei gegebenem

Filtermaterial wird durch die Plissierung der eingesetzten Materialien erreicht. Plissierte Filtermaterialien sind bei Kraftstofffiltern bereits aus der DE 157 63 48 bekannt. Die Verwendung plissierter Filtermaterialen bei Filtereinrichtungen für wässrige Harnstofflösungen sind bereits in DE 10 2012 201 434 Al und in DE 10 2013 217 333 Al beschrieben. Konzepte mit plissiertem Filtermaterial haben den Nachteil, dass das hierbei zur Einbindung des Filtermaterials in die

Filteranordnung verwendete Kunststoffspritzgusswerkzeug genau auf die Anzahl der plissierten Falten abgestimmt sein muss und somit die Filterfläche nicht beliebig variiert und auf den jeweiligen Anwendungsfall kostengünstig

zugeschnitten werden kann.

Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Filtereinrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil einer Filterung eines Fluids mit nur geringen Druckschwankungen. Als weiterer Vorteil ist anzusehen, daß kein plissiertes Filtermaterial benötigt wird und somit in einfacher Weise eine skalierbare Filtereinrichtung bereitgestellt werden kann. Eine modulare Filtereinheit kann bereitgestellt werden, bei der die Filterfläche nahezu beliebig variiert werden kann, ohne hierfür verschiedene

Ausführungsvarianten z.B. in Spritzgussformen einsetzen und diese jeweils unter sich verändernden Bedingungen bezüglich Beladungsverhalten, Haltbarkeit usw. testen zu müssen. Dies ergibt eine kurze Anpassungszeit und somit eine

Kostenersparnis. Des Weiteren ist vorteilhaft, daß Filtermaterial verarbeitet werden kann, welches sich zwar umspritzen, nicht jedoch plissieren lässt.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen

Anspruch angegebenen Filtereinrichtung möglich.

In vorteilhafter Weise ist vorgesehen, daß die Filtereinreichtung einzelne

Filterelemente mit jeweils mindestens einer Filterscheibe aufweist, wobei die Filterelemente modular miteinander, insbesondere direkt miteinander verbindbar, aufgebaut sind, so daß die Filtereinrichtung nahezu beliebig an unterschiedliche Anwendungen angepasst werden kann. Es genügt also eine einzige

Spritzgussform für eine vordefinierte Geometrie eines Filterelements, um verschieden große Gesamtfilterflächen der jeweils benötigten Filtereinrichtung bereitzustellen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen

Figur 1 eine Filtereinrichtung,

Figur 2 ein Filterelement mit einer Filterscheibe,

Figur 3 eine weitere Filtereinrichtung,

Figur 4 eine Detailansicht eines Filterelements,

Figur 5 eine weitere Detailansicht eines Filterelements,

Figur 6 eine weitere Detailansicht eines Filterelements,

Figur 7 eine weitere Detailansicht eines Filterelements,

Figur 8 einen Vorratsbehälter für ein Fluid und

Figur 9 einen weiteren Vorratsbehälter für ein Fluid.

Ausführungsformen der Erfindung

In Figur 1 ist eine in einen hier nicht näher dargestellten Vorratsbehälter zur Aufbewahrung eines Fluids eintauchbare Filtereinrichtung 1 zur Filterung des Fluids beim Absaugen aus dem Tank in Form einer modularen Filtereinheit 2 dargestellt. Sie weist mehrere Filterelemente 7 mit jeweils einer Filterscheibe 17 auf, die jeweils um 180 Grad zum nächsten Filterelement gedreht und mit diesem verbunden sind. Jeweils ein Paar solcher relativ zueinander um 180 Grad gedrehter Filterelemente bildet ein Filterraummodul 23, welches oben und unten jeweils eine Öffnung aufweist. Eine solche Öffnung bildet entweder einen Verbindungskanal 9 zu einem benachbarten Filterraummodul, oder sie ist mit

einem Verschluss 11 verschlossen, oder sie bildet eine Ansaugstelle 13. Im Falle des Vorsehens mehrerer miteinander direkt verbundener Filterraummoduln 23, wie in Figur 1 dargestellt, wird hierbei die unterste Öffnung mit dem Verschluß 11 zum Beispiel in Form eines Deckels verschlossen und die oberste Öffnung als Ansaugstelle 13 durch Anbringen einer Ansaugleitung 15 ausgebildet. Die übrigen Öffnungen werden miteinander verbunden und bilden so

Verbindungskanäle 9 zur Kopplung der einzelnen Filterraummoduln, die gemeinsam über die Ansaugleitung 15 mit einer Saugkraft einer

angeschlossenen Fördereinrichtung beaufschlagt werden können. Wenn alternativ nur ein Filterraummodul vorgesehen ist, dann dient die obere Öffnung als Ansaugstelle und die untere Öffnung wird verschlossen. Alternativ, aber weniger bevorzugt, kann sowohl bei einer Filtereinrichtung mit nur einem

Filterraummodul als auch bei einer Filtereinrichtung mit mehreren

Filteraummoduln auch eine umgekehrte Vorgehensweise vorgesehen sein, also ein Anbringen des Verschlusses 11 am oberen Ende und ein Anbringen einer Ansaugleitung am unteren Ende des einzigen Filterraummoduls bzw. der Filtersäule 25 bestehend aus mindestens zwei Filterraummoduln.

Durch den Verschluss 11 wird die Reinseite der Filtereinrichtung, also der Innenraum 21 der Filtereinrichtung, von der Rohseite der Filtereinrichtung getrennt, und über die Ansaugleitung 15 kann das gefilterte Fluid bzw. die gereinigte Flüssigkeit beispielsweise über eine nicht näher dargestellte

Fördereinrichtung bzw. Pumpe abgesaugt werden.

Es können beliebig viele Filterelemente 7 miteinander verbunden werden, um die Größe der insgesamt zur Verfügung stehenden Filterfläche der Filtereinrichtung bzw. der Filtersäule auf das gewünschte Maß zu vergrößern.

Die Filtereinrichtung weist also einen Körper 19 auf, dessen Innenraum 21 einen Filterraum 5 bildet. Zu filterndes Fluid kann nur über die Filterelemente 7 bzw. Filterscheiben 17 und über die Ansaugstelle 13 in den Innenraum 21 eindringen bzw. den Innenraum verlassen. Die Ansaugstelle und die Filterelemente sind hierbei Bestandteile des Körpers 19.

Figur 2 zeigt in isolierter Darstellung ein einzelnes Filterelement 7, wie es in der Filtereinrichtung gemäß Figur 1 verbaut ist. Im Teilbild a) ist eine

Querschnittsseitenansicht gezeigt, im Teilbild b) eine Draufsicht. Das

Filterelement enthält als wesentliches, filterwirksames Bauteil eine Filterscheibe 17 aus filterwirksamem Material, welche an ihrem Innenrand im Bereich der Öffnung 13, 9, welche je nach Verbauort des Filterelements in der

Filtereinrichtung als Ansaugstelle 13 oder als Verbindungskanal 9 dient, und an ihrem Außenrand jeweils durch einen Berandungssteg 4 mechanisch versteift ist. Quer über die Filterscheibe 17 erstrecken sich vier Streben 6, welche die beiden Berandungsstege miteinander verbinden und zur mechanischen Stabilität des Filterelements beitragen. Die Streben können dabei mit der Filterscheibe mechanisch fest verbunden sein. Wahlweise kann die Filterscheibe auch nur auf den Streben aufliegen oder an den Streben anliegen. Berandungsstege und Streben sind vorzugsweise als Kunststoffrahmen ausgebildet. Die Öffnung 13, 9 ist zentrisch angeordnet.

In Figur 2 ist das Filterelement mit einer rotationssymmetrischen, konisch zulaufenden Filterscheibe 17 dargestellt,. Die Konizität dient einerseits dazu, ein besseres Entlüftungsverhalten und andererseits einen Raum für die abgesaugte Flüssigkeit zu schaffen. Ein Konus, wie insbesondere in Figur 1 und 2 dargestellt, ist fertigungstechnisch die bevorzugte Lösung, aber allgemein geht es um geneigte Flächen, die bei größeren Radien flacher, bei kleineren Radien steiler ausgerichet sind. Das Konzept würde auch mit konvexer/konkaver Aus-/Einbeulung funktionieren, solange es für im Rahmen eines Pumpvorgangs bzw. Saugvorgangs bzw. Filtervorgangs für im Fluid enthaltende bzw. im Fluid hierbei entstehende Gasblasen nur aufwärts geht. Die Filterscheibe ist vorzugsweise nicht plissiert ausgestaltet, um eine einfache Skalierbarkeit der Filtereinrichtung zu gewährleisten. Die Verbindung der Filterelemente, des Deckels und der Ansaugleitung kann zum Beispiel durch Verschweißen, Verrasten, Kleben und/oder Verschrauben erfolgen. Die Bauform der Filterelemente bzw.

Filterscheiben kann je nach vorhandenem Bauraum flexibel gestaltet werden. Neben einer runden Ausgestaltung, wie in Figur 2 beschrieben, kann also auch eine vieleckige oder Freiformausgestaltung vorgesehen sein. Das Material der Filterscheiben 17 kann aus Siebgewebe, Tiefenfiltrationsmaterial, Cellulose,

Drahtgewebe, beschichtetem Filtermaterial oder anderen als Filtermaterial geeigneten Stoffen bestehen.

Um im Rahmen des Einsatzes bei gefriergefährdeten Flüssigkeiten ein sehr gutes Auftauverhalten zu gewährleisten, können der Kunststoffrahmen des Filterelements bzw. die Berandungen bzw. die Stege aus elektrisch leitendem Material, insbesondere aus elektrisch leitendem Kunststoff gefertigt sein. Dabei kann die durch die Berandungen bzw. die Stege erzielte mechanische

Verstärkung durch ein Umspritzungsverfahren hergestellt werden, insbesondere durch strukturiertes Umspritzen mit insbesondere elektrisch leitfähigem

Kunststoff. In Ergänzung oder alternativ hierzu kann auch die Filterscheibe, das heißt das Filtermaterial selbst, aus elektrisch leitfähigem Material hergestellt sein, so daß ein elektrischer Heizstrom direkt durch das Filtermaterial fließen kann.

Eine alternative Filtereinrichtung ist in Figur 3 gezeigt. Hierbei wird davon ausgegangen, daß die modulare Filtereinheit vertikal in einen die zu reinigende Flüssigkeit bevorratenden Tank eingebaut ist und damit der untere Bereich der Filtereinrichtung, stärker mit Schmutz beladen wird. In diesem Fall wird unten eine größere Fläche über die Lebensdauer benötigt wird, um einen

gleichmäßigen Druckverlust über die gesamte Filtereinheit sicherzustellen. Um diese größere Filterfläche im unteren Bereich zu bilden, werden unten größere Filterraummoduln 230 und oben kleinere Filterraummoduln 23 verwendet.

In Figur 4 ist ausschnittsweise in Querschnittsseitenansicht ein Filterelement 7 mit einer Öffnung 13, 9, speziell hier einer Ansaugstelle 13, und einer

Filterscheibe 17 aus Filtermaterial 170 dargestellt. Dargestellt ist ferner im Innenraum der Filtereinrichtung befindliches Fluid 3. Das außerhalb der

Filtereinrichtung im nicht dargestellten Tank befindliche Fluid ist der Einfachheit halber nicht abgebildet. Während des Betriebs der Filtereinrichtung, das heißt bei angeschlossener und in Betrieb befindlicher Fördereinrichtung, können Gas-bzw. Luftblasen 30 im Innenraum der Filtereinrichtung entstehen. Die Gasblasen steigen in der Flüssigkeit auf und werden von der Filterscheibe bzw. dem

Filtermaterial 170, ohne anzuhaften, direkt zur Ansaugstelle 13 weitergeleitet. Dies ist bei einem streng monoton nach oben gerichteten Weg 32 der Gasblasen

entlang des Filtermaterials gewährleistet, der einen Anstellwinkel a zur

Horizontalen von größer oder gleich 7 Grad aufweist.

In Figur 5 ist gezeigt, wie im Falle eines Anstellwinkels ß von kleiner als 7° die Luftblasen nicht mehr direkt zur Ansaugstelle 13 geleitet werden, sondern am Filtermaterial anhaften. Dadurch werden sie angesammelt, bis sie eine kritische Größe erreichen und dann als größere Blasen zur Ansaugstelle gelangen und zu ungewollten Druckeinbrüchen in der zum Bestimmungsort des Fluids führenden Förderleitung führen.

In Figur 6 ist eine Detailansicht eines weiteren Filterelements gezeigt, bei dem in verschiedenen Bereichen unterschiedliche Filtermaterialien verwendet werden.

Im dargestellten Beispiel ist in den zwei übereinanderliegenden, ebenfalls von einem Kunststoffrahmen getragenen, kreisringförmigen Bereichen A und B Filtermaterial mit unterschiedlicher Maschenweite und/oder unterschiedlicher Beschichtung vorgesehen. Die Luftblasen vergrößern sich auf ihrem Weg nach oben bzw. schließen sich zu größeren Luftblasen zusammen, so daß sich ihre Neigung, am Filtermaterial anzuhaften, verringert. Somit ist es möglich, im Bereich B, also oben, im Vergleich zu unten, dem Bereich A, eine Filterscheibe aus einem gröberen Gewebe, also einem Gewebe mit größerer Maschenweite bzw. größeren Poren, vorzusehen. Alternativ oder in Kombination kann ein geeignet beschichtetes Gewebe bei der tief- und/oder bei der hochgelegenen Filterscheibe des Filterelements eingesetzt werden. Als Filtermaterialien können Faserverbünde aus Papier und/oder Kunststoff oder Gewebe aus Metall, Glasfasern und/oder Kunststoff, zum Beispiel Polyamid, zum Einsatz kommen. Durch eine Beschichtung des Gewebes zum Beispiel mit Polytetrafluorethylen soll die Benetzbarkeit des Filtermaterials soweit herab gesetzt werden, dass die aufsteigenden Luftblasen nicht daran haften bleiben und ein zügiges

„Hochperlen“ sichergestellt wird.

In Figur 7 ist eine Detailansicht eines weiteren Filterelements gezeigt, bei dem in verschiedenen Bereichen unterschiedliche Anstellwinkel y und d vorgesehen sind. Hierbei weist der niedriggelegene Bereich C einen Anstellwinkel y und die hochgelegene Filterscheibe im Bereich D einen Anstellwinkel d auf, wobei y größer als d ist. Die beiden Filterscheiben in C und D bestehen aus dem gleichen Filtergewebe. Alternativ ist es möglich, zusätzlich zur Anstellwinkelvariation die Maschenweite analog zur Ausführung gemäß Figur 6 zu variieren.

Der Anstellwinkel wird in Abhängigkeit von der Maschenweite des Filtermaterials oder/und einer eventuell vorhandenen, innenliegenden Stützstruktur so gewählt, dass der gewünschte Blasenaufstiegseffekt sicher erzielt wird. Beispiel: Bei ein und demselben Filtermaterial kann dies bedeuten, dass ein Stützgewebe mit 30 pm Maschenweite einen Anstellwinkel größer als 7 Grad, ein ähnliches

Stützgewebe mit 50 pm Maschenweite aber einen Anstellwinkel größer als 50 Grad erfordert.

Figur 8 zeigt eine Draufsicht auf einen Vorratsbehälter 154 für ein Fluid bzw. eine Flüssigkeit, welche mittels einer Fördereinrichtung 152 aus dem Vorratsbehälter herausgepumpt werden kann. Hierzu ist die Fördereinrichtung mit mehreren, lateral zueinander versetzten Filtersäulen 25 bzw. Filterraummoduln 23 über eine gemeinsame Ansaugleitung 150 verbunden, so daß das Fluid über die

Filtersäulen bzw. Filterraummoduln angesaugt und vor der Weiterleitung in Bereiche außerhalb des Vorratsbehälters gefiltert werden kann. Eine solche Anordnung kann insbesondere bei großflächigen Vorratsbehältern mit geringer Höhe zum Einsatz kommen, um eine möglichst große Filterfläche bereitzustellen.

Figur 9 zeigt eine ähnliche Anordnung wie Figur 8 in Querschnittsseitenansicht, bei der einzelne Filterraummoduln 23 lateral versetzt zueinander angeordnet und über die gemeinsame Ansaugleitung 150 mit der Fördereinrichtung 152 verbunden sind. Die Fördereinrichtung weist hierbei wie auch die

Fördereinrichtung in Figur 8 einen nicht näher dargestellten Pumpenausgang auf, der auf der äußeren Unterseite des Vorratsbehälters mit einer Druckleitung zur Weiterleitung des herausgeförderten Fluids verbunden werden kann.

Alternativ zu den Anordnungen gemäß Figur 8 oder 9 kann die Ansaugleitung bzw. die gemeinsame Ansaugleitung 150 auch mit einem Fördermodul bzw. einer Fördereinrichtung verbunden sein, welche oberhalb des Vorratsbehälters angeordnet bzw. auf dessen Tankdecke montiert ist.

Die Verwendung von wässriger Harnstofflösung als Fluid und der Einsatz der Erfindung im Rahmen einer selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden in Abgasen von Brennkraftmaschinen ist beispielhaft genannt. Alternative Anwendungen sind die Einspritzung von Wasser und/oder Kraftstoff in die Brennkammer und/oder in den Abgastrakt. Die Erfindung kann auch in

Filterkartuschen losgelöst von einer Tankanordnung zum Einsatz kommen. Allgemein lässt sich das beschriebene Filterkonzept überall dort einsetzen, wo Flüssigkeiten oder Gase gefiltert werden sollen. Dabei ist insbesondere bei flüssigen Fluiden von Vorteil, daß die Filterelemente bzw. die Filterscheiben derart geformt bzw.angeordnet sind, daß im Förderbetrieb der Fördereinrichtung aufscheinende Gasblasen 30 im Filterraum 5 entlang der Filterelemente 7 auf einem streng monoton nach oben gerichteten Weg 32 aufsteigen können, insbesondere bis zur Ansaugstelle aufsteigen und dort abgesaugt werden können.