DE69723555T2

DE69723555T2 - In line filtereinrichtung

Info

Publication number: DE69723555T2
Application number: DE69723555T
Authority: DE
Inventors: R. Gary GILLINGHAM; M. Wayne WAGNER; C. Joseph TOKAR; T. Daniel RISCH; C. Jim ROTHMAN; H. Fred WAHLQUIST
Original assignee: Donaldson Co Inc
Current assignee: Donaldson Co Inc
Priority date: 1996-04-26
Filing date: 1997-04-24
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2017-04-25
Also published as: JP2000508974A; BR9709745A; PL329531A1; DE69723555D1; AU723870B2; WO1997040917A1; ZA973635B; AU2736897A; ATE245050T1; CN1079274C; US5820646A; CA2252712A1; KR20000065030A; EP0900118B1; CN1220616A; EP0900118A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Filtervorrichtung, und insbesondere eine Filtervorrichtung mit gewelltem Filtermedium, das in einem Rohr oder einem anderen Kanal angeordnet ist.
Filter, die zum Filtern von Gasen oder Flüssigkeiten in einer Leitung angeordnet sind, sind allgemein bekannt und werden gewöhnlich für viele verschiedene Filteranwendungen verwendet. Obwohl bekannte Filtervorrichtungen einen wesentlichen Anteil der Feststoffe oder anderen Materialien aus den Gasen und Flüssigkeiten zufriedenstellend herausfiltern können, sind immer noch Verbesserungen möglich. In vielen Filteranwendungen sind die Filterleistung, insbesondere für kleine Partikel und Ruß, und die Druckdifferenz über das Filter entscheidend.
Ein gemeinsames Problem bei Filterkonstruktionen ist ein unzureichender Filterflächenbereich. Frühere Versuche, den effektiven Filterflächenbereich für ein gegebenes Filtervolumen zu erhöhen, waren nicht ganz erfolgreich. Gewöhnlich werden Filter mit Falten verwendet, für die ein gefaltetes Filtermedium angewandt wird. Obwohl gefaltetes Material die Filterfläche erhöhen kann, da die Falten immer dichter aneinander angeordnet werden, und immer mehr Filtermedium in einem gegebenen Volumen angeordnet wird, werden die Falten immer dichter aneinander gedrückt, wodurch der Durchfluss begrenzt wird. Da sich die Strömungsgeschwindigkeit erhöhen muss, um das Filtermedium zu passieren, steigt die Druckdifferenz über das Filter an. Dieses kann zusätzliche Probleme erzeugen, insbesondere in bestimmten Motor- und Turbinenfilteranwendungen.
Wie die gefalteten Filter weisen die meisten durchlässigen Filtermedien keine bauliche Tragfähigkeit auf. Deshalb brauchen die Filter konstruktiv tragende Gehäuse für die Filtermaterialien. Die zusätzliche Masse des Gehäuses erhöht das Gewicht und die Kosten des Filters. Es kann Anwendungen geben, bei denen nur eine einfache Dichtung zwischen der Rohrleitung und der Außenmembran des Filterelementes gebraucht wird, um eine geschlossene Kammer für das gefilterte Fluid zu bewirken, es muss jedoch ein schwereres Gehäuse verwendet werden, um das Filtermedium zu tragen.
Zusätzlich zu den Problemen bekannter Filter in bezug auf die Druckdifferenz und die Mediumfläche sind bekannte Filterkonstruktionen nicht an viele verschiedenartige Formen und Querschnitte anpassungsfähig. Insbesondere kann es Anwendungen geben, bei denen eine vergrößerte Strömungsaufnahmefläche mit einer verbesserten Strömungsverteilung für ein Leitungsfilter erforderlich sein kann. Solch eine Konstruktion kann mit gefalteten Filtern oder anderen Standardfiltermediumkonfigurationen nicht möglich sein. Außerdem können spezielle Formen oder Filterprofile notwendig sein, die mit bekannten Filtern nicht ohne Schwierigkeit zu erreichen sind.
Viele Leitungsfilter haben eine radiale Strömung, wobei das Gas oder die Flüssigkeit in eine mittige Kammer eintritt und radial nach außen zu einem radial ausgerichteten Auslass strömt. Die Richtungsänderungen beeinflussen die Fluidströmung und führen zu einer größeren Druckdifferenz über das Filter. Der Einlass und Auslass lässt keinen geraden Leitungsdurchfluss zu, was oft zu zusätzlichem Rohrwerk und weiteren Stromauf- oder Stromabwärtsströmungsrichtungsänderungen führt.
Es ist erkennbar, dass sich die Kraftfahrzeugluftfilter erheblich entwickelt haben. Die ersten Filter hatten auf das Filtermedium aufgetragenes Öl zum Auffangen der Feststoffe. Die Filterform änderte sich zu einem gefalteten Filter in einer Ringform, der auf der Oberseite des Motors angeordnet war, als sich die Filtertechnologie verbesserte. Für Filter in heutigen Kraftfahrzeugen wird typischerweise ein plattenförmiges Filter verwendet, das so ausgebildet ist, dass es in die gedrängten Räume kleinerer Motorabteilungen passt. Es ist jedoch erkennbar, dass wirksamere und kleinere Filter für gegenwärtige und zukünftige Fahrzeugkonstruktionen benötigt werden.
Luftfilter für Motoren von Kraftfahrzeugen weisen spezielle Filterprobleme auf. Mit der Veränderung der Kraftfahrzeugtechnologie wird einem vergrößerten Fahrgastinnenraum größere Aufmerksamkeit geschenkt, während dem Motor und zugehörigen Komponenten weniger Raum gegeben wird. Zum Beispiel verschieben kürzliche Kabinenweiterkonstruktionen den Fahrgastraum nach vorne und erfordern die Querbefestigung des Motors mit begrenztem Raum für Elemente, wie Filter und zugehöriges Rohrwerk. Es werden immer kleinere Filter benötigt, die die gleiche oder verbesserte Leistung haben, um zusätzlichen Raum für andere Komponenten oder für die Fahrgäste zur Verfügung zu stellen. Außerdem werden für Sattelschlepper und Schwerlastanlagen oft Luftfilter an der Außenseite des Motorraumes und der Fahrerkabine verwendet. Aus Gründen der Aerodynamik und des Aussehens als auch zur Verbesserung der Sicht für die Fahrer und Bedienpersonen verschieben die Hersteller die Außenfilter in den Motorraum oder unter die Haube, wodurch der Raumbedarf erhöht wird.
Autohersteller versuchen, größere Wartungszwischenräume zu erreichen. Mit vielen neuen Modellen hoffen sie, die Wartung bis auf 100.000 Meilen (160.900 km) der Anwendung hinauszuschieben. Es wird bevorzugt, dass die verwendeten Luftfilter auch höhere Befrachtung aufnehmen und die längeren Wartungsintervalle vor dem Austausch erfüllen können.
Zusätzlich zu den schwierigeren Raum- und den Lebensdauererfordernissen der Filter wird von den Luftfiltern auch eine höhere Leistungsfähigkeit gefordert. Leistungsfähigere Motoren, die sich um eine verbesserte Kraftstoffausbeute bemühen, erfordern oft viel größere Luftströmungsgeschwindigkeiten. Solche Durchflüsse werden erreicht, während versucht wird, den Widerstand am Filter zu minimieren. Außerdem erfordert die Popularität von Geländewagen mit einer unter extrem harten Betriebsbedingungen erforderlichen Leistungsfähigkeit verbesserte Filterleistungen, während außerdem größere Befrachtungskapazität gefordert wird, so dass die Filter nicht in verkürzten Zeiträumen ausgewechselt werden müssen. Die Motorkonstruktionen erfordern außerdem Flexibilität in den Filterformen, so dass die Filter an das produzierte, spezielle Motor- und Fahrzeugmodell angepasst werden kann.
Ein bekanntes Filter, mit dem versucht wird, diese Probleme zu überwinden, ist im US- Patent 2,019,186 für Kaiser gezeigt. Obwohl das Kaiser-Patent gewelltes Filtermedium zeigt, muss es in Öl oder in eine andere Substanz eingetaucht werden, die das Anhaften der Schwebstoffteilchen am Filtermaterial bewirkt. Das US-Patent 4,310,419 für Nara u. a. stellt eine größere Filterdichte zur Verfügung, erfordert jedoch Radialströmung. Das US-Patent 4,289,513 zeigt gewellte oder gefaltete Filter, sieht jedoch nur offene Rillen vor, so dass es möglich ist, dass das Fluid nicht wirklich das Filtermedium passiert. Das US-Patent 4,065,341 zeigt ein Verfahren zum Herstellen eines spiralförmigen gewellten Filters, jedoch erfordert das Filter Radialströmung durch das Filtermedium. Die WO 83/01582 offenbart ein Filter, das Längsrillen umfasst und JP 60-155921 offenbart eine Leitungsfiltervorrichtung, deren Filterelement zwischen zwei Rohrelementen angeordnet ist.
Es ist somit ersichtlich, dass eine neue und verbesserte Filtervorrichtung gebraucht wird. Insbesondere sollte solch eine Filtervorrichtung konstruktiv selbsttragend sein, um die durch das Filtergehäuse erforderliche Abstützung zu reduzieren. Außerdem sollte solch eine Vorrichtung eine größere Filtermediumfläche für ein gegebenes Volumen zur Verfügung stellen, wodurch der Druckabfall über das Filter und das für das Filter erforderliche Gesamtvolumen verringert wird. Das Filter sollte statt einer Radialströmung einen geraden Durchfluss vorsehen. Solch ein Filter sollte sich außerdem an vielfältige Formen und Konfigurationen anpassen und ohne weiteres in den Strom eingesetzt oder aus diesem entfernt werden. Die vorliegende Erfindung spricht diese als auch andere Probleme in Verbindung mit Filtervorrichtungen an.
Die vorliegende Erfindung ist auf eine Filtervorrichtung gerichtet, und insbesondere auf eine gewellte Filtervorrichtung, die in eine Rohrleitung eingesetzt ist und im wesentlichen geraden Durchfluss besitzt. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein durchlässiges gewelltes Filtermedium verwendet, um ein konstruktiv selbsttragendes Filterelement zu bilden. Das gewellte Filterelement umfasst ebene Schichten oder spiralförmig gewickelte Schichten des gewellten Filtermateriales, das eine gewellte Schicht und eine Decklage umfasst, die mit einer Wulst an einem ersten Ende auf einer Seite aufgebracht ist. Die Wulst wird dann hinüber auf die andere Seite der gewellten Schicht aufgebracht und die Schicht wird an eine angrenzende Lage gedrückt, um eine gewellte Filterschicht zu bilden, die eine Reihe benachbarter Wellenkammern mit abwechselnden geschlossenen Enden besitzt. Deshalb tritt der Strom durch das stromaufwärts liegende Ende in die offenen Wellenkammern ein und strömt durch das Filtermedium zu den Wellenkammern, deren stromabwärts liegende Ende offen sind, wodurch das Fluid gefiltert wird.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Filterelement in einem Gehäuse angeordnet, das einen Durchmesser besitzt, der in bezug auf die stromaufwärts und stromabwärts liegende Rohrleitung vergrößert ist. Auf diese Weise wird mit einem wesentlich kleineren Volumen eine größere Filtermediumfläche vorgesehen. Darüber hinaus werden die Strömungswiderstände und der Druckabfall über das Filter vermindert.
Alternative Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sehen eine Vielzahl von Formen vor und können außerdem stromaufwärts oder um das Filterelement herum ein Vorfiltermaterial umfassen. Filterelementformen umfassen Zylinder, Blöcke, V-förmige Elemente und ovalflächige Filterelemente. Gehäuse können eine einfache Dichtung stromabwärts des Filterelementes oder ein Gehäuse sein, das einen Einlass und einen Auslass umfasst. Die verschiedenen Ausführungsformen sehen einen im wesentlichen geraden Durchfluss vor, bei dem die Stromaufwärts- und Stromabwärtsströmungsrichtungen im wesentlichen unverändert sind. Es ist erkennbar, dass die vorliegende Erfindung die Anpassung an viele verschiedene Filterformen und Kanäle bereitstellt.
Diese und verschiedene andere Vorteile und die Erfindung kennzeichnende Neuheitsmerkmale werden insbesondere in den anhängenden Ansprüche dargelegt, die einen Teil hiervon bilden. Für ein besseres Verständnis der Erfindung, ihrer Vorteile und der durch ihre Anwendung erreichten Ziele sollte auf die Zeichnungen verwiesen werden, die einen weiteren Teil hiervon bilden, und auf die zugehörige Beschreibung, in der eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht und beschrieben wird.
In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugsbuchstaben und -zahlen entsprechende Elemente in den gesamten Ansichten:
1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines doppelseitigen gewellten Filtermediums für die erfindungsgemäße Filtervorrichtung;
2A–2B zeigen schematische Ansichten des Herstellungsverfahrens für das in 1 gezeigte Filtermedium;
3 zeigt eine perspektivische Ansicht des gewellten Filtermediums, das erfindungsgemäß in einer Blockform aufgeschichtet ist;
4 zeigt eine detaillierte perspektivische Ansicht einer Schicht eines einseitigen Filtermediums für das in 3 gezeigte Filterelement;
5 zeigt eine perspektivische Ansicht des gewellten Filtermediums, das erfindungsgemäß in einer zylindrischen Form aufgewickelt ist;
6 zeigt eine detaillierte perspektivische Ansicht eines Teiles des spiralförmigen, gewellten Filtermediums für das in 5 gezeigte Filterelement;
7 zeigt eine Seitenansicht, teilweise weggebrochen, einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Filtervorrichtung, das ein zylindrisches gewelltes Filterelement mit vergrößertem Durchmesser und ein in einer Rohrleitung angeordnetes Schnappverschlussgehäuse besitzt;
8 zeigt eine Seitenansicht, teilweise weggebrochen, einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Filtervorrichtung, die ein zylindrisches gewelltes Filterelement mit einem vergrößerten Durchmesser und ein in einer Rohrleitung angeordnetes, mit Schnallen befestigtes Gehäuse besitzt;
9A, 9B und 9C zeigen eine Vorderansicht, eine Draufsicht und eine partielle rechte Seitenansicht eines bekannten Filtergehäuses, das zur Aufnahme eines Plattenfilterelementes ausgebildet ist;
10A, 10B und 10C zeigen perspektivische Ansichten eines erfindungsgemäßen ovalen Filters und Gehäuses;
11 zeigt ein Diagramm, dass den Druckabfall mit der Staubbefrachtung für das in den 9 und 10 gezeigte gewellte Filtermedium und Standardfiltermedium vergleicht;
12 zeigt eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform des gewellten Filtermediums mit einer Filtereinlassveränderung;
13 zeigt eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines Filtergehäuses, eines Plattenfilterelementes und einer Vorfilterschicht;
14 zeigt eine Unteransicht des in 13 gezeigten Filterelementes;
15 zeigt eine perspektivische Ansicht des in 13 gezeigten Filterelementes mit einem befestigten Vorfilterelement;
16 zeigt eine seitliche Schnittansicht des in 15 gezeigten Filterelementes;
17 zeigt eine Draufsicht des in 15 gezeigten Filterelementes;
18 zeigt ein Diagramm mit dem Widerstand über das Filter als Funktion der Staubbefrachtung für ein Standardfilterelement für das in 13 gezeigte Filtergehäuse, das in 13 gezeigte Filterelement und das in 14 gezeigte gewellte Filterelement mit der Vorfilterschicht;
19 zeigt eine Schnittansicht eines mehrschichtigen gewellten Filtermediums quer zur Längsrichtung der Wellen gesehen;
20 zeigt eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform eines gewellten Filterelementes für das in 13 gezeigte Filtergehäuse;
21 zeigt eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform eines gewellten Filterelementes für das in 13 gezeigte Filtergehäuse; und
22 zeigt eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform eines gewellten Filterelements für das in 13 gezeigte Filtergehäuse.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und insbesondere auf 1, ist dort ein Teil einer Schicht aus doppelseitigem, durchlässigen, gewellten Filterme dium gezeigt, das allgemein mit 22 bezeichnet ist. Das gewellte Filtermedium 22 umfasst eine Vielzahl von Wellen 24, die ein modifiziertes Wellmaterial bilden. Die Wellenkammern 24 werden durch eine mittige gewellte Lage 30 gebildet, die abwechselnde Wellenberge 26 und Wellentäler 28 bildet, die zwischen Decklagen 32 befestigt sind, die eine erste Decklage 32A und eine zweite Decklage 32B umfassen. Die Wellentäler 28 und Wellenberge 26 teilen die Wellen in eine obere Reihe und eine untere Reihe. In der in 1 gezeigten Konfiguration bilden die oberen Wellen Wellenkammern 36, die am stromabwärts liegenden Ende geschlossen sind, während die Wellen 34 mit stromaufwärts geschlossenen Enden die untere Reihe der Wellenkammern sind. Die Wellenkammern 34 werden durch eine erste Endwulst 38 verschlossen, die einen Teil des stromaufwärts liegenden Endes der Welle zwischen der gewellten Lage 30 und der zweiten Decklage 32B füllt. Gleichermaßen schließt eine zweite Endwulst 40 das stromabwärts liegende Ende der abwechselnden Wellen 36. Klebverbindungen 42 verbinden die Wellenberge 26 und Wellentäler 28 der Wellen 24 mit den Decklagen 32A und 32B. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Kleber der Verbindungen 42 nur auf den Spitzen der Wellenberge 26 und Wellentäler 28 statt einer kontinuierlichen Raupe angeordnet, wie es in 19 gezeigt ist. Die minimale Klebermenge hält die Kammern 24 der Wellen offen, um einen erhöhten Fluiddurchfluss aufzunehmen. Die Wellen 24 und Endwülste 38 und 40 stellen ein Filterelement zur Verfügung, das ohne ein Gehäuse konstruktiv selbsttragend ist.
Beim Filtern tritt ungefiltertes Fluid in die Wellenkammern 36 ein, deren stromaufwärts liegende Enden offen sind, wie es durch den schattierten Pfeil angegeben ist. Beim Eintritt in die Wellenkammern 36 wird der Strom des ungefilterten Fluides durch die zweite Endwulst 40 unterbrochen. Deshalb wird das Fluid gezwungen, durch die gewellte Lage 30 oder die Decklagen 32 weiter zu strömen. Wenn das ungefilterte Fluid durch die gewellte Lage 30 oder die Decklagen 32 hindurch strömt, wird das Fluid durch die Filtermediumlagen gefiltert, wie es durch den nicht schattierten Pfeil angegeben wird. Das Fluid kann dann frei durch die Wellenkammern 34 strömen, deren stromaufwärts liegende Enden geschlossen sind und am stromabwärts liegenden Ende aus dem Filtermedium 22 herausströmen. Mit der gezeigten Konfiguration kann das ungefilterte Fluid durch die gewellte Lage 30, die obere Decklage 32A oder die untere Decklage 32B und in eine Wellenkammer 34 strömen, die auf ihrer stromaufwärts liegenden Seite geschlossen ist.
Bezugnehmend auf 12 ist nun eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit gewelltem Filtermedium 222 gezeigt. Das gewellte Filtermedium 222 ist ähnlich dem in 1 gezeigten gewellten Filtermedium 22, hat jedoch eine modifizierte Wulstform, wie es nachfolgend ausgeführt wird. Wie in 12 gezeigt ist, umfasst das gewellte Filtermediums 222 Wellen 224, die Wellenberge und Wellentäler besitzen, wobei die Wellen 234 stromaufwärts geschlossen sind und die Wellen 236 stromabwärts geschlossen sind. Anders als andere gewellte Filter umfassen die Wellen 234 jedoch eine die Wellenkammer abdichtetende Wulst 238, die vom stromaufwärts liegenden Rand des Filtermediums 222 vertieft angeordnet ist. Die Wellen 236 haben Wülste 240, die sich am stromabwärts liegenden Ende befinden und vom stromabwärts liegenden Rand weg vertieft angeordnet sein können oder nicht.
Das Filtermedium 222 stellt, wie es erkennbar ist, Gebrauchsvorteile zur Verfügung, indem sich große Partikel an der stromaufwärts liegenden Fläche des Filtermediums sammeln können. Wie in 12 gezeigt ist, können, wenn die Partikel 1000 groß genug sind, einige der Wellen 224 vollständig abgesperrt werden. Für bekannte Filtermedien hat die Absperrung 1000, wenn mehrere Wellen abgesperrt werden, größeren Einfluss, als wenn abwechselnde, umliegende Wellen an ihrer stromaufwärts liegenden Seite abgesperrt werden, was eine erhöhte Strömungsrückführung um die abgesperrten Wellen herum erzeugt. Wenn jedoch die Rillen 234, wie in 12 gezeigt, an ihrer stromaufwärts liegenden Seite bei 238 verschlossen und vom stromaufwärts liegenden Rand vertieft angeordnet sind, erlaubt die Konfiguration, wenn ein Partikel 1000 eine benachbarte, stromabwärts geschlossene Rille 236 blockiert, dass der Strom in das stromaufwärts liegende Ende der Rille 234 strömt und durch die gewellte Lage 230 oder anderes Filtermaterial stromaufwärts der Dichtung 238 strömt. Auf diese Weise strömt das Fluid in die Welle 236, wo es durch das Filtermaterial zurück in die Wellen 234 gezwungen wird, die auf der stromabwärts liegenden Seite des Filters offen sind. Dieses verringert das Zusetzen und sorgt für eine bessere Strömung ohne Druckaufbau oder ein anderes nachteiliges Beeinflussen des Filterverhaltens. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die stromaufwärts liegenden Dichtungswülste 238 vom stromaufwärts liegenden Rand ungefähr 0,65–2,5 cm (1/4'' bis 1'') vertieft angeordnet. Auf diese Weise ist das gewellte Material noch selbsttragend, während die Auswirkungen des Zusetzens an der stromaufwärts liegenden Fläche des Filtermediums 222 verringert werden.
Bezugnehmend auf die 2A–2B wird der Herstellungsprozess für das gewellte Filtermedium gezeigt, das, wie es nachfolgend beschrieben wird, zum Bilden von Filterelementen aufeinander gestapelt oder gerollt werden kann. Es ist erkennbar, dass, wenn das Filtermedium geschichtet oder spiralförmig gewickelt wird, wobei benachbarte Schichten einander berühren, nur eine Decklage 32 erforderlich ist, weil sie als Oberseite für eine gewellte Schicht und als untere Lage für eine andere gewellte Schicht dienen kann. Deshalb ist erkennbar, dass die gewellte Lage 30 nur auf eine Decklage 32 aufgebracht werden muss.
Wie in 2A gezeigt ist, wird eine erste Filtermediumlage 30 von einem Satz Rollen zu gegenüber liegenden Riffelwalzen 44 ausgegeben, die einen Spalt bilden. Die Walzen 44 haben ineinander greifende wellige Flächen, um die erste Lage 30 in Wellenform zu bringen, wenn sie zwischen den Walzen 44 und 45 zusammengedrückt wird. Wie in 2B gezeigt ist, wird die erste, nun gewellte Lage 30 und eine zweite flache Lage des Filtermediums 32 zusammen zu einem zweiten, zwischen der ersten der Riffelwalzen 44 und einer gegenüber liegenden Walze 45 gebildeten Spalt geführt. Eine Dichtungsmittelauftragsvorrichtung 47 trägt vor dem Eingriff zwischen der Riffelwalze 44 und der gegenüberliegenden Walze 45 ein Dichtungsmittel 46 entlang der oberen Fläche der zweiten Lage 32 auf. Zu Beginn eines Fertigungsdurchlaufes fallen die Lagen auseinander, wenn die erste Lage 30 und die zweite Lage 32 die Walzen 44 und 45 passieren. Wenn jedoch Dichtungsmittel 46 aufgetragen wird, bildet das Dichtungsmittel 46 zwischen der gewellten Lage 30 und der Decklage 32 eine erste Endwulst 38. Die Wellentäler 28 haben Verbindungswülste 42, die in beabstandeten Intervallen auf ihre Spitze aufgebracht oder auf andere Weise an der Decklage 32 befestigt werden, um die Wellenkammern 34 zu bilden. Die sich daraus ergebende Struktur der an einem Rand mit der gewellten Lage 30 abgedichteten Decklage 32 ist ein einseitiges, schichtbares Filtermedium 48, das in 4 gezeigt ist.
Bezugnehmend auf 3 ist nun erkennbar, dass die einseitige Filtermediumschicht 48, die eine einzige rückseitige Lage 32 und eine einzige Endwulst 38 besitzt, geschichtet werden kann, um ein blockförmiges Filterelement zu bilden, das allgemein mit 50 bezeichnet ist. Es ist erkennbar, dass eine zweite Wulst 40 auf einem gegenüber liegenden Rand außen von den Wellen aufgetragen ist, so dass benachbarte Schichten 48 zum Block 50 hinzugefügt werden können. Auf diese Art und Weise werden die ersten Endwülste 38 zwischen der Oberseite der Decklage und dem Boden der gewellten Lage 30 abgelegt, wie es in 4 gezeigt ist, während der Zwischenraum zwischen der Oberseite der gewellten Lage 30 und dem Boden der Decklage 32 eine zweite Wulst 40 erhält. Außerdem werden die Wellenberge 26 am Boden der Decklage 32 befestigt, um Wellen 36 zu bilden. Auf diese Art und Weise wird unter Anwendung der in 4 gezeigten gewellten Schichten 48 ein Block aus gewelltem Filtermedium 50 erhalten. Das Filterelement 50 umfasst benachbarte Wellen, die abwechselnd erste geschlossene Enden und zweite geschlossene Enden besitzen, um einen im wesentlichen geraden Durchfluss des Fluids zwischen Stromaufwärtsdurchfluss und Stromabwärtsdurchfluss vorzusehen.
Wendet man sich nun den 5 und 6 zu, ist erkennbar, dass das in 4 gezeigte einseitige Filtermedium 48 spiralförmig gedreht werden kann, um ein zylindrisches Filterelement 52 zu bilden. Das zylindrische Filterelement 52 wird um einen mittigen Dorn 54 oder ein anderes Element gewickelt, um ein Befestigungselement zum Wickeln vorzusehen, das entfernbar sein kann oder darin gelassen werden kann, um die Mitte zu verschließen. Es ist erkennbar, dass nichtrunde, mittige Wickelelemente zum Herstellen anderer Filterelementformen verwendet werden können, wie zum Beispiel Filterelemente, die ein längliches oder ovales Profil haben. Außerdem können die Filterelemente vor dem Aushärten zur Formgebung der Elemente selektiv zusammengedrückt werden. Da eine erste Wulst 38, wie es in 4 gezeigt ist, bereits auf die Filtermediumschicht 48 aufgebracht wurde, ist es notwendig, mit der in 5 gezeigten Dichtungsmitteleinrichtung 47 auf ein zweites Ende auf der Oberseite der gewellten Schicht 30 eine zweite Wulst 40 aufzubringen. Deshalb wirkt die Decklage 32 sowohl als eine innere Decklage als auch eine äußere Decklage, wie es im einzelnen in 6 gezeigt ist. Auf diese Art und Weise ist eine einzige Decklage 32, die in Schichten gewickelt ist, alles, was gebraucht wird, um ein zylindrisches, gewelltes Filterelement 52 zu bilden. Es ist erkennbar, dass der Außenrand des Filterelementes 52 geschlossen werden muss, um das Abwickeln der Spirale zu verhindern und ein Element vorzusehen, dass gegenüber einem Gehäuse oder einem Rohr abdichtbar ist. Obwohl in der gezeigten Ausführungsform die einseitigen Filtermediumschichten 48 mit der flachen Lage 32 auf der Außenseite gewickelt sind, kann es Anwendungen geben, bei denen die flache Lage 32 auf der Innenseite der gewellten Lage 30 gewickelt ist.
Bezugnehmend auf 7 ist dort eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spiralfiltervorrichtung gezeigt und allgemein mit 60 bezeichnet. Die Filtervorrichtung 60 ist in einer Rohrleitung 64 eingesetzt, die an ein Gehäuse 62 anschließt. Das Filtergehäuse 62 hat in Bezug auf die Rohrleitung einen wesentlich verbreiterten Durchmesser zum Aufnehmen eines zylindrischen Filterelementes 52, das eine größere Strömungsaufnahmefläche als die Querschnittfläche der Rohrleitung 64 hat. Das Filtergehäuse 62 umfasst eine Haut oder äußere Schutzschicht oder einen Gehäuseabschnitt 66 und Übergangsabschnitte 68, die sich vom Rohrdurchmesser auf den vergrößerten Durchmesser der Gehäuseaußenschicht 66 aufweiten. Das Gehäuse 62 ist durch klammerartige Verbindungsteile 70 mit der Rohrleitung verbunden, die die Übergangsabschnitte 68 des Filtergehäuses 62 an die Rohrleitung 64 klemmen. Außerdem stellen Dichtungmanschetten 71 eine Dichtung zwischen dem Gehäuse 62 und der Rohrleitung 64 zur Verfügung, während Klammern 72 die Übergangselemente 68 an der äußeren Schutzschicht 66 des Filters 60 festhalten. Dieses sorgt für eine schnelle und mühelose Verbindung, so dass die Übergangselemente 68 eingesetzt und mit der Rohrleitung 64 und dem Filtergehäuse 62 verbunden werden können. Dichtungsmanschetten 73 sorgen für eine luft- und/oder flüssigkeitsundurchlässige Dichtung zwischen dem Außenabschnitt 66 des Filtergehäuses 62 und den Übergangselementen des Gehäuses 68. Somit dient das Gehäuse 62 als ein Teil der Rohrleitung 64.
Es ist erkennbar, dass, obwohl der äußere Gehäuseabschnitt 66 ein konstruktiv tragendes Element sein kann, wie zum Beispiel Kunststoff oder andere gewöhnlich verwendete Materialien, er auch nur die abgedichtete, undurchlässige Außenschicht des Filterelementes 52 sein kann. Der äußere Gehäuseabschnitt 66 kann getrennt vom Filterelement 52 oder einstückig mit diesem sein. Es ist erkennbar, dass die Außenschicht 66 das Filterelement 52 abdichten muss, so dass gefiltertes Fluid nicht zur Außenseite des durch die Rohrleitung 64 und das Filter 60 gebildeten geschlossenen Kanals austreten kann. Das gewellte Filtermedium ist jedoch konstruktiv selbsttragend, so dass für einige Filteranwendungen keine zusätzliche Konstruktion an der Außenseite des Filterelementes 52 erforderlich wäre. Es ist außerdem erkennbar, dass die Klammer- und Dichtungsanordnungen der gezeigten Ausführungsform für einen schnellen und mühelosen Ersatz und Austausch der Filterelemente 52 in der Rohrleitung sorgen. Das in dieser Lage angeordnete Filter 60 sieht im wesentlichen einen geraden Durchfluss mit relativ geringem Druckabfall über das Filter 60 und eine vergrößerte Filtermediumfläche für das Filtervolumen vor.
Bezugnehmend auf 8 ist eine zweite Ausführungsform einer Leitungsfiltervorrichtung gezeigt, die ein allgemein mit 74 bezeichnetes Gehäuse besitzt. Die zweite Ausführungsform umfasst wiederum ein zylindrisches Filterelement 52, das in eine Rohrleitung 64 eingesetzt ist. Das Filter 74 hat Übergangselemente 68 und einen äußeren Filtergehäuseabschnitt 66. Klammern 70 befestigen das Gehäuse 66 an der Rohrleitung 64 und es werden Dichtungsmanschetten 71 verwendet, um zwischen dem Gehäuse 66 und der Rohrleitung 64 eine Dichtung zu bilden. Für die Befestigung zwischen dem Filterelement 52 und dem Übergangselement 68 des Gehäuses wird jedoch ein Band 76 verwendet, das sich um das Filter 74 herum erstreckt, und eine Vielzahl von Laschen besitzt, die an den Übergangselementen 68 und dem äußeren Gehäuseabschnitt 66 geklammert sind. Jedes der Bänder 76 hat eine Schnalle 78, die festgezogen werden kann, um eine Dichtung um die Dichtungsmanschette 73 herum vorzusehen. Die in 8 gezeigte Ausführungsform sorgt für einen schnellen und leichten Ausbau und Austauschbarkeit des Filterelementes 52. Außerdem sieht das Filter einen im wesentlichen geraden Durchfluss von der stromaufwärts liegenden Seite zur stromabwärts liegenden Seite der Rohrleitung 64 vor.
Bezugnehmend auf die 9A–9C ist dort ein bekanntes Filter und Gehäuse gezeigt, das allgemein mit 120 bezeichnet ist und in einem Kraftfahrzeugmotor verwendet wird. Das Filtergehäuse umfasst einen Einlass 122 und einen Auslass 124. Gehäuseabschnitte 126 und 128 passen zusammen, so dass sie eine geschlossene Filterkammer bilden. Das Gehäuse 120 ist so ausgebildet, dass es eine im wesentlichen rechteckige Innenkammer zum Aufnehmen eines Plattenfilterelementes 125 bildet, wie es am deutlichsten in 9B gezeigt ist.
In den 10A–10C ist ein allgemein mit 130 bezeichnetes ovales Filter gezeigt, das zum Ersatz des in den 9A–C gezeigten, bekannten Filters geeignet ist. Das ovale Filter 130 umfasst ein Gehäuse 132, das ein ovalförmiges gewelltes Filterelement 134 umgibt. Wie oben beschrieben wurde, kann das Gehäuse 132 auch nur ein abgedichtetes, undurchlässiges Äußeres des ovalen Elementes 134 oder ein separates Außengehäuseelement sein. Außerdem umfasst das Filter 130 ein Einlasselement 136 und ein Auslasselement 138. Diese Elemente werden durch Verbindungsbänder 140 festgehalten. Somit kann das Filterelement 134 durch Lösen und Entfernen der Bänder und Wiedereinsetzen eines neuen Filterelementes 134 leicht ausgebaut und ausgetauscht werden. Es ist erkennbar, dass, obwohl ein ovales Element gezeigt ist, andere Filterelemente mit unterschiedlichen Querschnitten ebenfalls verwendet werden könnten.
Es ist erkennbar, dass die erfindungsgemäßen Filterelemente in einem viel kleineren Gehäusevolumen eine größere Filtermediumfläche vorsehen als beim Stand der Technik. Für das in 9 gezeigte Plattenfilter beträgt das Gehäusevolumen nur 7,64 dm³ (0,27 ft³) und die Filtermediumfläche beträgt nur 61,3 dm² (6,6 ft²). Für das in 10 gezeigte gewellte Filter, das ein 23 cm (9 inch) langes Filter und ein gleiches Filtergehäusevolumen von 7,64 dm³ (0,27 ft³) besitzt, besitzt das Filter 325 dm² (35 ft²) Filtermediumfläche. Ein ähnliches, 12,7 cm (5'') langes, gewelltes Filter hat ein Filtergehäusevolumen von 5,66 dm³ (0,20 ft³), hat jedoch immer noch eine Filtermediumfläche von 195 dm² (21 ft²). Es ist auch erkennbar, dass die vorliegende Erfindung die Anordnung eines Filterelementes in einer Rohrleitung vorsieht, die typischer weise am Filter nur etwas erweitert ist, wobei ein Teil der Rohrleitung als Filtergehäuse dient.
Bezugnehmend auf 11 ist dort ein Diagramm gezeigt, das den Widerstand über das Filter mit der Menge des auf dem Filter abgesetzten Materiales für die in den 9 und 10 gezeigten Filter vergleicht. Es ist erkennbar, dass, wenn sich das Filter zusetzt, der Widerstand über das Filter ansteigt. Es ist jedoch erkennbar, dass, obwohl es für die erfindungsgemäßen, gewellten Filter einen allmählichen Anstieg gibt, der Widerstand für das in 9 gezeigte Plattenfilterelement exponentiell ansteigt. Deshalb müssen Standardfilter nach einem viel kürzeren Zeitraum ausgetauscht werden und der Systemaufbau kann eingestellt werden müssen, um den erhöhten Widerstand auszugleichen. Alternativ kann der erhöhte Widerstand zusätzlichen Schaden verursachen oder andere Konstruktionsänderungen erfordern, um den erhöhten Widerstand auszugleichen. Es wird generell empfohlen, dass für Autos verwendete Luftfilter ausgetauscht werden, wenn der Widerstand über 35,6 cm (14'') Wassersäule steigt. Es ist erkennbar, dass das in 9 gezeigte Plattenfilter einen Austausch erfordert, bevor es mit 200 g befrachtet wurde, während das in 10 gezeigte, erfindungsgemäße gewellte Filter keinen Austausch erfordert, bis es mit über 800 g befrachtet wurde.
Bezugnehmend auf die 13–17 ist eine alternative Ausführungsform des Filterelementes gezeigt, das allgemein mit 150 bezeichnet ist. Das Filterelement 150 ist in einem Gehäuse aufgenommen, das zwei Abschnitte besitzt, die einen Fluideinlass und einen Auslass umfassen. Das Gehäuse umfasst außerdem eine Mittelsäule, die zum Positionieren bekannter plattenförmiger Faltenfilter verwendet wird. Das Filterelement 150 umfasst gewelltes Filtermedium 152, das mit einem Positionierträgerabschnitt 154 verbunden ist. Außerdem nimmt ein mittiges, schalenartig ausgespartes, ausgerichtetes Element 156 die Säule vom Gehäuse auf, um das Filter 150 in der richtigen Position zu halten. Obwohl ein ovales Filtermediumelement gezeigt ist, ist erkennbar, dass andere übliche Formen, wie sie nachfolgend beschrieben werden, ebenfalls verwendet werden könnten. Der Träger 154 sitzt auf einer Leiste im Gehäuse und hält das Filterelement 150 in der richtigen Position. Außerdem sitzt eine Dichtungsmanschette 158 am Gehäuse, um eine Dichtung zu bilden, um zu verhindern, dass das Fluid das zu verhindern, dass das Fluid das Filterelement 150 umströmt. Das Filtermedium 152 ist das oben beschriebene gewellte Filtermedium und ist typischerweise um das mittige, ausgesparte Element 156 herum gewickelt. Es kann jedoch ebenfalls ein quadratisches oder rechteckiges Blockelement verwndet und die Mitte ausgeschnitten werden, um die Säule aufzunehmen.
Wie in den 15–17 gezeigt ist, ist zusätzlich zum gewellten Filterelement 152 ein Vorfilter 160 über dem stromaufwärts liegenden Teil des Filtermediums 152 angeordnet. Das Vorfilterelement 160 umfasst einen oberen Abschnitt 162 und Seitenabschnitte 164, die im wesentlichen das Filtermedium 152 stromaufwärts vom Träger 154 abdecken. Die Seiten des Filterelementes 152 stellen zusätzliche Filterkapazität zur Verfügung. Das Vorfilterelement 160 umfasst Seiten 164 zum weiteren Erhöhen der Kapazität. Ein Band 170 sitzt um die Außenseite des Vortilterelementes 160 herum und hält es fest. Das Band 170 umfasst einen nach außen gerollten Rand nahe dem Träger 154, um den Zusammenbau und den Ausbau zu erleichtern und um eine bessere Dichtung um die Außenseite des Vorfilterelementes 160 vorzusehen. Das Band 170 kann in einigen Anwendungen geklebt oder auf andere Art und Weise befestigt sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Vorfiltermaterial ein offenes Material. Es können jedoch andere Arten von offenen Materialien, wie retikulierter Schaum, verwendet werden, die ein wenig Vorfilter und Zwischenraum vorsehen, um die Enden der Wellen von möglichen großen Abriebpartikeln, die die Wellen zusetzen könnten, zu trennen. Diese offenen Materialien können auch verwendet werden, wo Schnee vorhanden ist. Die offene poröse Struktur dieser Materialien absorbiert den Schnee und ist wirksam, um das Zusetzen der Wellen des Filterelementes 162 zu verhindern. Es ist erkennbar, dass das Filterelement 150 und Vorfilter 160 in Abhängigkeit vom erforderlichen Wartungsintervall jedes Elementes unabhängig ausgewechselt und ersetzt werden können.
Zusätzlich zu dem in 13 gezeigten ovalen Filterelement 150 können ebenfalls Filterelemente mit unterschiedlich geformten Profilen verwendet werden. Wie in 20 gezeigt ist, umfasst das Filterelement 180 ovalförmiges Filtermedium 182, das um ein ovales Mittelteil 184 gewickelt ist. Wie in 21 gezeigt ist, umfasst das Filterelement 186 rundes Filtermedium 188. Wie in 22 gezeigt ist, umfasst das Filterelement 190 ein blockartiges Filtermedium 192. Es ist erkennbar, dass auch andere Formen verwendet werden könnten und dass Vorfilterelemente zum Aufnehmen des Filtermediums ausgebildet sein könnten.
Bezugnehmend auf 18 ist ein Diagramm des Widerstandes über das Filterelement gezeigt, wenn das Filterelement mit Staub und Feststoffteilchen befrachtet wird. Das Diagramm ist für einen 5,9 -Liter Diesel mit dem gezeigten fächerartigen Standardfaltenfilter als auch für den Widerstand und die Staubbefrachtung des Filterelementes 150 und des Filterelementes 150 mit einem daran befestigten Vorfilter 160. Es ist erkennbar, dass ein Widerstand von 35,6 cm (14 inches) die empfohlene Auswechslung ist, so dass das gefaltete Filter normalerweise ausgewechselt wird, bevor das Filter mit 200 g Staub befrachtet ist. Für das gewellte Filterelement 150 ist ein Auswechseln allgemein nicht erforderlich, bis das Filter mit fast 400 g Staub befrachtet ist oder der fast zweifachen Kapazität eines Standardfaltenfilters. Eine noch weitere Verbesserung ist gezeigt, wenn das Vorfiltermaterial 160 am Filterelement 150 verwendet wird. Nahezu 750 g Staub werden befrachtet, bevor ein Widerstand von 35,6 cm (14 inches) über das Filterelement ermittelt wird. Deshalb wird fast die vierfache Kapazität des Faltenfilters erreicht, wenn das gewellte Filterelement 150 mit einem Vorfilterelement 160 verwendet wird.
Es sollte jedoch verständlich sein, dass, obwohl zahlreiche Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung in der vorhergehenden Beschreibung zusammen mit Einzelheiten des Aufbaus und der Funktion der Erfindung dargelegt wurden, die Offenbarung nur illustrativ ist und im Rahmen der Erkenntnisse der Erfindung Veränderungen in Einzelheiten, insbesondere bezüglich der Form, Größe und Anordnung von Teilen, bis zum vollen, durch die breite allgemeine, in den beigefügten Ansprüchen ausgedrückte Bedeutung der Begriffe angegebenen Ausmaß vorgenommen werden können.

Claims

Filtervorrichtung, umfassend: ein Filtermedium (152), das ein Filterelement (150) bildet, das eine Außenfläche, eine stromaufwärtsliegende Seite und eine stromabwärtsliegende Seite besitzt; wobei das Filtermedium eine gewellte Lage (30) und mindestens eine Decklage (32) umfasst, die miteinander verbunden sind, um Wellenkammerwände zu bilden; die Wellenkammerwände eine Vielzahl von Wellenkammern (24) begrenzen, die sich in Richtung von der stromaufwärtsliegenden Seite zur stromabwärtsliegenden Seite erstrecken; benachbarte Wellenkammern versetzte gegenüberliegende offene und geschlossene Enden besitzen; ein Fluidstrom durch die Wellenkammerwände und aus den offenen stromabwärtsliegenden Enden strömt; wobei die Filtervorrichtung gekennzeichnet ist durch: (a) eine undurchlässige Schicht (66), die die Außenfläche des gewellten Filtermediums umgibt; (b) ein Befestigungsteil (154), das sich radial vom Filterelement erstreckt und das Filterelement umgibt; und (c) ein erstes Dichtungselement (158), das am Befestigungsteil befestigt ist und das Filtermedium umgibt; wobei das Befestigungsteil und das erste Dichtungselement jeweils von der stromaufwärtsliegenden und stromabwärtsliegenden Seite ausgespart sind.
Filtervorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der: die undurchlässige Schicht integral als ein Teil des Filterelementes ausgebildet ist.
Filtervorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der: das Befestigungsteil eine rechteckige Form besitzt.
Filtervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1–3, bei der: das Filterelement eine runde Form besitzt.
Filtervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1–4, bei der: das erste Dichtungselement am Befestigungsteil an einer Stelle befestigt ist, die von der undurchlässigen Schicht radial beabstandet ist.
Filtervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1–5, bei der: die undurchlässige Schicht aus einer auf der Außenfläche des Filtermediums aufgebrachten Kunststoff- oder Urethanhaut besteht.
Filtervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1–6, bei der: sich alle Wellenkammerwände vollständig von der stromaufwärtsliegenden Seite zur stromabwärtsliegenden Seite erstrecken.
Filtervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1–7, die außerdem umfasst: ein Vorfilterelement (160), das die stromaufwärtsliegende Seite des Filtermediums bedeckt.
Filtervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1–8 und bei der: das Filterelement in einem Gehäuse eingebaut ist und bei der das erste Dichtungselement im Gehäuse eingepasst ist, um zwischen dem Befestigungsteil und dem Gehäuse eine Dichtung zu bilden.
Filterverfahren gemäß Anspruch 9, umfassend: Leiten des Fluides durch das Filterelement von der stromaufwärtsliegenden Seite zur stromabwärtsliegenden Seite; und Verhindern des Vorbeiströmens des Fluides zwischen dem Befestigungsteil und dem Gehäuse mittels des Dichtungselementes.