Flachfilter-Filterelement mit wenigstens zwei Filtermediumkörpern, Filtersystem und Verwendung eines Flachfilter-Filterelements
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Flachfilter-Filterelement zum Filtern eines Fluids, insbesondere zum Filtern von Luft, für ein Filtersystem, insbesondere für ein Luftfiltersystem eines Brennstoffzellensystems, sowie ein Filtersystem zum Filtern eines Fluids, insbesondere zum Filtern von Luft, insbesondere eines Brennstoffzellensystems, mit einem solchen Flachfilter-Filterelement und eine Verwendung eines Flach- Filterelements in einem Filtersystem.
Stand der Technik
Brennstoffzellensysteme benötigen häufig einen Partikelfilter und einen Adsorptionsfilter, um sowohl Partikel als auch Schadgase aus der Ansaugluft zu filtern. Die Filterelemente sind beispielsweise häufig als Flachfilter ausgebildet, jedoch kommen auch andere Filterelementformen vor.
Die DE 102009 016 739 A1 offenbart ein Gehäuse zur Filterung der Zuluft einer Brennstoffzelle, umfassend ein Gehäuseunterteil und ein Gehäuseoberteil, welche gemeinsam einen Raum begrenzen. Der Raum ist durch mindestens ein Filterelement in einen Rohluftraum und einen Reinluftraum unterteilt. Sowohl dem Gehäuseunterteil als auch dem Gehäuseoberteil ist jeweils ein Luftdurchlassstutzen zur Führung von Zuluft in den Raum oder aus dem Raum zugeordnet. Dabei ist das Filterelement zumindest teilweise in eine Dichtmasse eingebettet.
Die EP 3 520 878 B1 offenbart ein Filterelement zum Filtern von Innenraumluft mit mindestens drei Filterlagen, wobei die Filterlagen in einem Rahmen angeordnet sind, und der Rahmen aus extrudierten Profilleisten zusammengesetzt ist. Dabei ist die erste Filterlage als Vorfilter, die zweite Filterlage als Feinfilter und die dritte Filterlage als Adsorptionsfilter ausgebildet. Für jede Filterlage ist in dem Rahmen ein Bereich vorgesehen. Weiter weist jede Profilleiste zwischen zweiter Filterlage und dritter Filterlage einen hervorstehenden Absatz auf, der zur Trennung der zweiten Filterlage von der dritten Filterlage im Bereich des Rahmens dient.
Die US 2015273985 A1 offenbart ein Innenraumluftfilterelement, welches als austauschbares Filterelement für einen Innenraumluftfilter für eine Fahrerkabine von Land- und Arbeitsmaschinen, insbesondere mit Spritz- oder Sprühvorrichtungen für Pflanzenschutz oder Düngemittel in ein fahrzeugfestes Filtergehäuse einbaubar ist. Das Innenraumluftfilterelement umfasst eine Vorfilterlage, eine Adsorptionsfilterlage, eine Feinfilterlage insbesondere zur Abscheidung von Aerosolen sowie einen Filterelementrahmen. Der Filterelementrahmen legt durch seine Geometrie eine Strömungsrichtung fest, entlang derer die angesaugte Luft die genannten Filterlagen durchströmt. Der Filterelementrahmen weist zwei Bereiche auf. In dem ersten Bereich des Filterelementrahmens ist eine erste effektive Querschnittsfläche hinsichtlich der Durchströmung der angesaugten Luft durch die Filterlagen vorgesehen. In dem zweiten Bereich ist eine entsprechende zweite effektive Querschnittsfläche vorgesehen. Der erste Bereich und der zweite Bereich
sind durch eine umlaufende Dichtung separiert. Die umlaufende Dichtung dient zur Trennung der Rohseite des Innenraumluftfilterelements von der Reinseite, wenn das Innenraumluftfilterelement im Filtergehäuse des Innenraumluftfilters eingebaut ist. Der erste Bereich ist bezüglich der Dichtung stromaufwärts angeordnet, der zweite Bereich ist hinsichtlich der Dichtung stromabwärts angeordnet. Die zweite effektive Querschnittsfläche beträgt dabei lediglich einen Bruchteil der ersten effektiven Querschnittsfläche. Die Filterlagen sind mittels Klebestellen in dem Filterelementrahmen befestigt.
Die US 2021276401 A1 offenbart ein Fahrzeuginnenraum-Filtersystem, welches ein Filtermodul umfasst und ein weiteres Filtermodul, das stromabwärts des Filtermoduls angeordnet ist. Jedes Filtermodul umfasst ein oder mehrere Filterelemente. Die Filterelemente des Filtermoduls sind mit einem ersten Faltenabstand gefaltet und umfassen ein Gasfilterelement. Die Filterelemente des weiteren Filtermoduls sind mit einem zweiten Faltenabstand gefaltet und umfassen ein Partikelfilterelement. Der zweite Faltenabstand ist dabei kleiner als der erste Faltenabstand. Die Filterelemente eines Filtermoduls sind jeweils in einem Rahmen angeordnet. Der Rahmen ist mit einer Dichtung gegen ein Modulgehäuse, in welchem das Filtermodul angeordnet ist, gedichtet. Das Modulgehäuse ist bei Einbau in ein Filtergehäuse mit einer stirnseitigen Dichtung gegen das Filtergehäuse gedichtet.
Offenbarung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein servicefreundliches und kostengünstiges Flachfilter-Filterelement mit wenigstens zwei Filtermediumkörpern zum Filtern eines Fluids, insbesondere zum Filtern von Luft, für ein Filtersystem, insbesondere für ein Luftfiltersystem eines Brennstoffzellensystems, zu schaffen.
Eine weitere Aufgabe ist es, ein Filtersystem zum Filtern eines Fluids, insbesondere zum Filtern von Luft, insbesondere eines Brennstoffzellensystems, mit einem solchen servicefreundlichen und kostengünstigen Filterelement zu schaffen.
Eine weitere Aufgabe ist es, eine Verwendung eines Flachfilter-Filterelements in einem Filtersystem anzugeben.
Die vorgenannte Aufgabe wird nach einem Aspekt der Erfindung gelöst von einem Flachfilter-Filterelement zum Filtern eines Fluids, insbesondere zum Filtern von Luft, für ein Filtersystem, insbesondere für ein Luftfiltersystem eines Brennstoffzellensystems, mit einer Anordnung von wenigstens zwei flächigen, in einer axialen Richtung benachbart zueinander angeordneten Filtermediumkörpern, die in der axialen Richtung von dem Fluid nacheinander durchströmbar angeordnet sind, wobei wenigstens der äußerste stromabwärtig angeordnete der Filtermediumkörper und wenigstens der äußerste stromaufwärtig angeordnete der Filtermediumkörper wenigstens bereichsweise in axialer Richtung radial innerhalb eines umlaufenden Rahmenelements angeordnet sind, wobei der äußerste stromabwärtige Filtermediumkörper mit einem stromabwärtigen umlaufenden Gusselement und der äußerste stromaufwärtige Filtermediumkörper mit einem umlaufenden stromaufwärtigen Gusselement mit dem Rahmenelement verbunden ist, wobei das stromaufwärtige Gusselement mit einem stromaufwärtigen Ende des
Rahmenelements verbunden ist und das stromabwärtige Gusselement mit einem stromabwärtigen Ende des Rahmenelements verbunden ist.
Die weitere Aufgabe wird gelöst von einem Filtersystem zum Filtern eines Fluids, insbesondere zum Filtern von Luft, insbesondere eines Brennstoffzellensystems, mit einem Filtergehäuse mit einem Fluideinlass und einem Fluidauslass, und mit wenigstens einem Flachfilter-Filterelement, welches zwischen dem Fluideinlass und dem Fluidauslass angeordnet ist, wobei eine Dichtfläche eines ersten Gehäuseteils des Filtergehäuses an dem Gusselement des Flachfilter-Filterelements anliegt und wobei eine Gehäusewand eines zweiten Gehäuseteils des Filtergehäuses an einer gegenüberliegenden Seite der Dichtfläche dichtend gegen das Gusselement gepresst ist.
Die weitere Aufgabe wird gelöst von einer Verwendung eines Flachfilter-Filterelements in einem Filtersystem, zum Filtern eines Fluids, insbesondere zum Filtern von Luft, insbesondere für ein Luftfiltersystem eines Brennstoffzellensystems.
Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
Es wird nach einem Aspekt der Erfindung ein Flachfilter-Filterelement zum Filtern eines Fluids, insbesondere zum Filtern von Luft, für ein Filtersystem, insbesondere für ein Luftfiltersystem eines Brennstoffzellensystems, vorgeschlagen, mit einer Anordnung von wenigstens zwei flächigen, in einer axialen Richtung benachbart zueinander angeordneten Filtermediumkörpern, die in der axialen Richtung von dem Fluid nacheinander durchströmbar angeordnet sind. Wenigstens der äußerste stromabwärtig angeordnete der Filtermediumkörper und wenigstens der äußerste stromaufwärtig angeordnete der Filtermediumkörper sind wenigstens bereichsweise in axialer Richtung radial innerhalb eines umlaufenden Rahmenelements angeordnet. Dabei ist der äußerste stromabwärtige Filtermediumkörper mit einem stromabwärtigen umlaufenden Gusselement und der äußerste stromaufwärtige Filtermediumkörper mit einem umlaufenden stromaufwärtigen Gusselement mit dem Rahmenelement verbunden. Das stromaufwärtige Gusselement ist mit einem stromaufwärtigen Ende des Rahmenelements verbunden und das stromabwärtige Gusselement ist mit einem stromabwärtigen Ende des Rahmenelements verbunden.
Das vorgeschlagene Filterelement kann vorteilhaft für die Ansaugluft von Brennstoffzellen eingesetzt werden. Eine Adsorption von Schadstoffen und eine Partikelfiltration kann günstigerweise jeweils in unterschiedlichen Filtermediumkörpern erfolgen. Die beiden Filtermediumkörper wiederum können bei der Herstellung des Filterelements von gegenüberliegenden Seiten in das Rahmenelement, beispielsweise ein Kunststoff-Rahmenelement, eingebracht werden. Hierdurch kann jeweils eine feste Verbindung des jeweiligen Filtermediumkörpers mit dem Rahmenelement leicht hergestellt werden. Die Abdichtung zu den Gehäuseteilen des Filtergehäuses erfolgt über eine Dichtung, die fest an dem separaten Rahmenelement angebracht ist. Das Dichtelement wird dabei zweckmäßigerweise über das stromabwärtige Gusselement
gebildet, welches zugleich die feste Verbindung zwischen dem stromabwärtigen Filtermediumkörper und dem Rahmenelement darstellt.
Das Rahmenelement kann vorteilhaft mittels eines üblichen Kunststoff-Spritzgussprozesses hergestellt werden, bei dem verflüssigtes Kunststoffmaterial unter Druck in eine Werkzeugform gespritzt und ausgehärtet wird.
Der stromaufwärtige Filtermediumkörper ist näher an der Anströmseite des Filterelements als der stromabwärtige Filtermediumkörper, der näher an der Abströmseite des Filterelements angeordnet ist.
Das Gusselement kann mittels eines Kunststoff-Gießprozesses oder Kunststoff-Schäumprozesses, beispielsweise aus dem Gießmaterial Polyurethan (PUR), in einer geeigneten Gießform hergestellt werden. Das Gießmaterial kann als Hartschaum oder Weichschaum ausgebildet sein.
Die Dichtung kann so gestaltet werden, dass eine Gegenkraft der Gehäuseteile für die Abdichtung sorgt. Die Dichtung kann dann zwischen Rahmenelement und den Gehäuseteilen verpresst werden.
Das Filterelement weist so ein Rahmenelement als Träger für die beiden Filtermediumkörper mit einem Gusselement auf. Die beiden Filtermediumkörper sind über zwei separate Gusselemente mit dem Rahmenelement fest verbunden.
Bei dem vorgeschlagenen Flachfilter-Filterelement sind beide Filtermediumkörper für die zwei Filtrationsstufen in Form von flachen Filtermediumkörpern in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet.
Die beiden Filtermediumkörper können als gefalteter Balg, Wickelkörper, Schüttung (vor allem zur Adsorption von Schadgasen), beschichteter Wabenkörper (vor allem zur Adsorption von Schadgasen) oder aus Kombinationen daraus ausgebildet sein. Die Höhe der Filtermediumkörper in axialer Richtung kann unterschiedlich ausgeführt sein. Die Durchströmung des Filterelements ist derart, dass der als Partikelfilter ausgebildete Filtermediumkörper immer zuerst durchströmt wird. Eine Abdichtung des Filterelements zum Filtergehäuse kann vorteilhaft in axialer Richtung erfolgen.
Vorteilhaft können so beispielsweise in Brennstoffzellensystemen Partikel als auch Schadgase aus der Ansaugluft gefiltert werden.
Der zur Verfügung stehende Bauraum kann so besser ausgenutzt werden. Daraus ergeben sich Vorteile in Bezug auf Adsorptionsvermögen, Staubkapazität, Abscheidegrad, und Druckverlust des Filterelements.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung des Filterelements kann der äußerste stromabwärtige Filtermediumkörper an einer seiner Außenkanten, insbesondere seiner stromabwärtigen Außenkante,
mittels des stromabwärtigen umlaufenden Gusselements mit dem Rahmenelement verbunden sein. Dadurch kann eine feste Verbindung mit dem Rahmenelement erfolgen, die zugleich als Dichtelement zur Abdichtung in dem Filtergehäuse ausgebildet sein kann.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung des Filterelements kann das stromabwärtige axiale Ende des Rahmenelements, insbesondere dessen Stirnseite, zumindest teilweise von dem stromabwärtigen Gusselement umschlossen sein. Alternativ oder zusätzlich kann das stromaufwärtige axiale Ende des Rahmenelements, insbesondere dessen Stirnseite, zumindest teilweise von dem stromaufwärtigen Gusselement umschlossen sein. Dadurch kann eine feste Verbindung der Gusselemente mit dem Rahmenelement erreicht werden, die zugleich als Dichtelement zur Abdichtung in dem Filtergehäuse ausgebildet sein kann.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung des Filterelements kann das Rahmenelement an seinem stromabwärtigen Ende einen nach außen umgelegten Kragen aufweisen. Insbesondere kann dabei der Kragen in das stromabwärtige Gusselement eingebettet sein. Dadurch ergibt sich eine feste Verzahnung des Gusselements mit dem Rahmenelement. Auch Filtermediumkörper mit höherem Gewicht und größerer Ausdehnung erhalten so genügend Stabilität zur Montage im Filtergehäuse.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung des Filterelements kann das Rahmenelement an seinem stromaufwärtigen Ende einen umlaufenden Rand aufweisen. Insbesondere kann dabei der umlaufende Rand eine in axialer Richtung von dem stromabwärtigen Gusselement weg gerichtete Nut aufweisen. Über die Nut zur Aufnahme des Gießmaterials kann der stromaufwärtige Filtermediumkörper über das stromaufwärtige Gusselement auf zuverlässige Weise mit dem Rahmenelement verbunden sein.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung des Filterelements kann die Nut als integrierte Gießschale für das stromaufwärtige Gusselement ausgebildet sein. Insbesondere kann die Nut ins Innere des Rahmenelements ragen. Dadurch kann der Gießprozess beim Herstellen des stromaufwärtigen Gusselements auf sehr zweckmäßige Weise erfolgen. Werkzeugkosten für eine zusätzliche Gießschale können gespart werden. Das Gusselement nimmt auf einer Außenseite des Rahmenelements keinen Raum ein, sodass das Filterelement vorteilhaft in das Filtergehäuse eingesetzt werden kann.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung des Filterelements kann der stromaufwärtige Filtermediumkörper in axialer Richtung weitgehend aus dem Rahmenelement herausragen und mit seiner stromabwärtigen Außenkante in das stromaufwärtige Gusselement eingebettet sein. Dadurch kann das Rahmenelement in axialer Richtung relativ kurz gehalten werden, da es im Wesentlichen nur die Höhe des stromabwärtigen Filtermediumkörpers aufweisen muss. Auf diese Weise kann Kunststoffmaterial für das Rahmenelement gespart werden.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung des Filterelements kann der stromaufwärtige Filtermediumkörper in axialer Richtung weitgehend in das Rahmenelement hineinragen und mit seiner stromaufwärtigen
Außenkante in das stromaufwärtige Gusselement eingebettet sein. In diesem Ausführungsbeispiel ist der stromaufwärtige Filtermediumkörper durch das Rahmenelement in lateraler Richtung abgedeckt und geschützt. Das Filterelement stellt so eine kompakte Einheit dar, welche vorteilhaft zu handhaben ist.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung des Filterelements kann das Rahmenelement auf seinem Umfang im Bereich des stromaufwärtigen und/oder stromabwärtigen Gusselements Unterbrechungen zur Verzahnung aufweisen. Durch die Unterbrechungen zur Verzahnung mit dem Gießmaterial des Gusselements kann eine zuverlässige und dauerhafte Verbindung zwischen den Gusselementen und dem Rahmenelement eingegangen werden.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung des Filterelements kann zwischen dem äußersten stromaufwärtigen und dem äußersten stromabwärtigen Filtermediumkörper flächig wenigstens ein Versteifungselement angeordnet sein. Insbesondere können zwischen dem äußersten stromaufwärtigen und dem äußersten stromabwärtigen Filtermediumkörper ein ausgedehntes Versteifungsgitter und/oder ein oder mehrere Leimraupen angeordnet sein. Das Versteifungelement kann gerade bei sehr großen flächig ausgedehnten Filterelementen zur Versteifung des gesamten Filterelements beitragen. Außerdem kann so der stromaufwärtige Filtermediumkörper gegen den Strömungsdruck des zu filternden Fluids abgestützt werden.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung des Filterelements kann das wenigstens eine Versteifungselement als Versteifungsgitter ausgebildet sein, das an dem Rahmenelement abgestützt ist. Insbesondere kann dabei das Versteifungsgitter mit dem Rahmenelement verbunden sein. Insbesondere kann das Versteifungsgitter einteilig mit dem Rahmenelement ausgebildet sein. Auf diese Weise kann das Versteifungselement vorteilhaft zur Stabilität des gesamten Filterelements, gerade bei großflächigen Filterelementen, beitragen.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung des Filterelements kann wenigstens einer der Filtermediumkörper ein an seinem Außenumfang umlaufendes Seitenband aufweisen, welches in das zugehörige Gusselement zumindest teilweise eingebettet ist. Das Seitenband dichtet den Filtermediumkörper an den Seitenwänden ab, was gerade bei in Form von gefalteten Filterbälgen oder als Schüttungen ausgebildeten Filtermediumkörpern günstig ist. Durch die Integration in das Gusselement kann eine zuverlässige Abdichtung des Filtermediumkörpers entlang des Strömungspfads erfolgen. Das Seitenband kann z. B. aus einem Vliesmaterial, insbesondere einem Filtervlies, Filtergewebe oder Filtergelege gebildet sein. Das Vliesmaterial des Seitenbands kann insbesondere eine geringere Luftdurchlässigkeit als ein Filtermedium des Filtermediumkörpers aufweisen und/oder eine höhere Biegesteifigkeit als ein Filtermedium des Filtermediumkörpers aufweisen.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung des Filterelements kann der äußerste stromabwärtige Filtermediumkörper auf seiner Abströmseite eine zusätzliche Filterlage aufweisen, wobei die zusätzliche Filterlage in das stromabwärtige Gusselement zumindest teilweise eingebettet sein kann. Dadurch kann
insbesondere ein Austrag von Adsorptionspartikeln aus dem stromabwärtigen Filtermediumkörper durch den Fluidstrom verhindert werden. Als bevorzugte Ausführungen für die zusätzliche Filterlage ergeben sich Filtermedien auf Basis von Zellulose- und/oder Synthetikfasern, insbesondere Vliesmaterialien, und/oder Filtermembranen.
Vorteilhaft können die Filtermediumkörper als gefalteter Filterbalg, und/oder als Wickelkörper und/oder als Schüttung, und/oder als beschichteter Wabenkörper ausgebildet sein.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung des Filterelements kann der äußerste stromaufwärtige Filtermediumkörper als Partikelfilter ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann der äußerste stromabwärtige Filtermediumkörper als Adsorptionsfilter ausgebildet sein. Der Partikelfilter kann dabei beispielsweise aus Zellulose ausgebildet sein. Der Adsorptionsfilter kann vorteilhaft als Aktivkohlefilter und/oder als lonentauscher ausgebildet sein.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung des Filterelements kann das stromabwärtige Gusselement als Dichtelement zur Abdichtung, insbesondere in axialer Richtung, zwischen einer Rohseite und einer Reinseite bei bestimmungsgemäßem Einbau des Filterelements in einem Filtergehäuse des Filtersystems ausgebildet sein. Insbesondere kann dabei das Gusselement radial außerhalb der wenigstens zwei Filtermediumkörper angeordnet sein und zur Abdichtung zwischen einem ersten Gehäuseteil und einem zweiten Gehäuseteil des Filtergehäuses des Filtersystems ausgebildet sein. Auf diese Weise kann das Gusselement mehrere Funktionen erfüllen und sowohl für die Anbindung des stromabwärtigen Filtermediumkörpers als auch für die Abdichtung des Filterelements zum Filtergehäuse ausgebildet sein. Durch die Anordnung außerhalb der beiden Filtermediumkörper kann das Gusselement wirksam zwischen den beiden Gehäuseteilen verpresst werden und so sowohl die Abdichtung zwischen Rohseite und Reinseite des Filtersystems als auch die Abdichtung zur Umgebung gewährleisten.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung des Filterelements kann wenigstens einer der beiden Filtermediumkörper als gefalteter Filterbalg ausgebildet sein, wobei Stirnkanten von Falten des wenigstens einen der beiden Filtermediumkörper mit einer Stirnkantenverleimung abgedichtet sind. Dabei kann die Stirnkantenverleimung in das stromabwärtige und/oder stromaufwärtige Gusselement zumindest teilweise eingebettet sein. Auf diese Weise ist eine sichere seitliche Abdichtung des Filtermediumkörpers über die Stirnkantenverleimung und Anbindung an das Gusselement gewährleistet.
Es wird nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ein Filtersystem zum Filtern eines Fluids, insbesondere zum Filtern von Luft, insbesondere eines Brennstoffzellensystems, vorgeschlagen, mit einem Filtergehäuse mit einem Fluideinlass und einem Fluidauslass, und mit wenigstens einem Flachfilter-Filterelement, welches zwischen dem Fluideinlass und dem Fluidauslass angeordnet ist. Dabei liegt eine Dichtfläche eines ersten Gehäuseteils des Filtergehäuses an dem Gusselement des Flachfilter-Filterelements an und eine Gehäusewand eines zweiten Gehäuseteils des Filtergehäuses ist an einer gegenüberliegenden Seite der Dichtfläche dichtend gegen das Gusselement gepresst.
Das vorgeschlagene Filtersystem mit einem Flachfilter-Filterelement kann vorteilhaft für die Ansaugluft von Brennstoffzellen eingesetzt werden. Die Adsorption und Partikelfiltration kann günstigerweise in unterschiedlichen Filtermediumkörpern erfolgen. Die beiden Filtermediumkörper des Filterelements wiederum werden von gegenüberliegenden Seiten in das Rahmenelement, beispielsweise ein Kunststoff- Rahmenelement, eingebracht. Eine feste Verbindung mit dem Rahmenelement kann so hergestellt werden. Die Abdichtung zu den Gehäuseteilen des Filtergehäuses erfolgt über eine Dichtung, die fest an dem separaten Rahmenelement angebracht ist. Das Dichtelement wird dabei zweckmäßigerweise über das stromabwärtige Gusselement gebildet, welches zugleich die feste Verbindung zwischen dem stromabwärtigen Filtermediumkörper und dem Rahmenelement darstellt.
Die Dichtung kann so gestaltet werden, dass eine Gegenkraft der Gehäuseteile für die Abdichtung sorgt. Die Dichtung kann dann zwischen Rahmenelement und den Gehäuseteilen verpresst werden.
Bei dem vorgeschlagenen Filtersystem mit einem Flachfilter-Filterelement sind beide Filtermediumkörper für die zwei Filtrationsstufen in Form von flachen Filtermediumkörpern in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet.
Die beiden Filtermediumkörper können als gefalteter Balg, Wickelkörper, Schüttung (vor allem zur Adsorption von Schadgasen), beschichteter Wabenkörper (vor allem zur Adsorption von Schadgasen) oder aus Kombinationen daraus ausgebildet sein. Die Höhe der Filtermediumkörper in axialer Richtung kann unterschiedlich ausgeführt sein. Die Durchströmung des Filterelements ist derart, dass der als Partikelfilter ausgebildete Filtermediumkörper immer zuerst durchströmt wird. Eine Abdichtung des Filterelements zum Filtergehäuse kann vorteilhaft in axialer Richtung erfolgen.
Der zur Verfügung stehende Bauraum kann so besser ausgenutzt werden. Daraus ergeben sich Vorteile in Bezug auf Adsorptionsvermögen, Staubkapazität, Abscheidegrad, und Druckverlust des Filtersystems.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung des Filtersystems kann das Rahmenelement einen in einer lateralen Richtung verlaufenden Kragen aufweisen, der in das Gusselement eingebettet ist. Dabei kann der Kragen mit dem Gusselement zwischen der Dichtfläche und dem Abschluss der Gehäusewand verpresst sein. Das Gusselement kann so gestaltet sein, dass eine Gegenkraft der Gehäuseteile für die Abdichtung sorgt. Die Dichtung kann dann zwischen Rahmenelement und den Gehäuseteilen verpresst werden. Durch die Einbettung des Kragens des Rahmenelements weist das Gusselement eine erhöhte Steifigkeit auf und das Filterelement wird aus stabile Weise in dem Filtergehäuse fixiert.
Es wird nach einem weiteren Aspekt der Erfindung eine Verwendung eines Flachfilter-Filterelements in einem Filtersystem, zum Filtern eines Fluids, insbesondere zum Filtern von Luft, insbesondere für ein Luftfiltersystem eines Brennstoffzellensystems, vorgeschlagen.
Günstigerweise kann das Filterelement als Partikelfilter und/oder als Adsorptionsfilter, insbesondere als Aktivkohlefilter und/oder als lonentauscher, ausgebildet sein. Vorteilhaft können so beispielsweise in Brennstoffzellensystemen Partikel als auch Schadgase aus der Ansaugluft gefiltert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen beispielhaft:
Fig. 1 eine isometrische Ansicht eines Filtersystems zum Filtern eines Fluids, insbesondere zum
Filtern von Luft, insbesondere eines Brennstoffzellensystems, nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 eine isometrische Explosionsdarstellung des Filtersystems nach Figur 1 ;
Fig. 3 eine Schnittansicht des Filtersystems nach Figur 1 mit dem Filterelement und markiertem
Ausschnitt IV;
Fig. 4 den vergrößerten Ausschnitt IV nach Figur 3 mit dem Filterelement;
Fig. 5 einen vergrößerten Ausschnitt aus einer Schnittansicht eines Filtersystems nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 6 einen Längsschnitt eines Filterelements nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der
Erfindung mit einem markierten Ausschnitt VII; und
Fig. 7 den vergrößerten Ausschnitt VII aus dem Längsschnitt des Filterelements nach Figur 6.
Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
Im Folgenden verwendete Richtungsterminologie mit Begriffen wie „links“, „rechts“, „oben“, „unten“, „davor“ „dahinter“, „danach“ und dergleichen dient lediglich dem besseren Verständnis der Figuren und soll in keinem Fall eine Beschränkung der Allgemeinheit darstellen. Die dargestellten Komponenten und Elemente, deren Auslegung und Verwendung können im Sinne der Überlegungen eines Fachmanns variieren und an die jeweiligen Anwendungen angepasst werden.
Figur 1 zeigt eine isometrische Ansicht eines Filtersystems 100 zum Filtern eines Fluids, insbesondere zum Filtern von Luft, insbesondere eines Brennstoffzellensystems, nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Figur 2 zeigt eine isometrische Explosionsdarstellung des Filtersystems 100.
Das Filtersystem 100 weist ein Filtergehäuse 1 10 mit einem Fluideinlass 102 und einem Fluidauslass 104, und mit wenigstens einem Flachfilter-Filterelement 10 auf, welches zwischen dem Fluideinlass 102 und
dem Fluidauslass 104 angeordnet ist. Der Fluideinlass 102 ist in einem zweiten Gehäuseteil 1 14 angeordnet und der Fluidauslass 104 in einem ersten Gehäuseteil 1 12.
Das Filterelement 10 weist ein umlaufendes Rahmenelement 50 (Figur 2) mit einem als axiales Dichtelement ausgebildeten umlaufenden Gusselement 40 auf. Das Gusselement 40 dichtet bei bestimmungsgemäßer Anordnung des Filterelements 10 in dem zweiten Gehäuseteil 1 14 und über das erste Gehäuseteil 1 12 geschlossenem Filtergehäuse 1 10 das Innere des Filtergehäuses 1 10 gegen die Umgebung ab. Zugleich dichtet das Gusselement 40 eine Rohseite 60 im Inneren des Filtergehäuses 1 10 gegen eine Reinseite 62 ab (Figur 3).
Die Abströmseite 44 des Filterelements 10 ist in Richtung des Fluidauslasses 104 zum ersten Gehäuseteil 1 12 hin gerichtet.
Bei eingesetztem Filterelement 10 sind Verschraubungslaschen 58 des Rahmenelements 50 des Filterelements 10 zwischen Schraubdomen 124 und gehäuseseitigen Verschraubungslaschen 120 angeordnet und mittels Schrauben 122 (Figur 4) verschraubt.
In Figur 3 ist eine Schnittansicht des Filtersystems 100 mit dem Filterelement 10 und markiertem Ausschnitt IV dargestellt. Figur 4 zeigt den vergrößerten Ausschnitt IV mit dem Filterelement 10.
Das Flachfilter-Filterelement 10 weist eine Anordnung von zwei flächigen, in einer axialen Richtung 80 benachbart zueinander, hintereinander angeordneten Filtermediumkörpern 12, 32 auf. Die beiden Filtermediumkörper 12, 32 sind in der axialen Richtung 80 von dem Fluid nacheinander durchströmbar angeordnet. Die Strömungsrichtung 90 ist in Figur 3 mit einem Pfeil markiert. Das Fluid tritt von der Anströmseite 29 her in das Filterelement 10 ein und an der Abströmseite 44 aus dem Filterelement 10 aus.
Der stromaufwärtige Filtermediumkörper 12 ist als Partikelfilter ausgebildet, während der stromabwärtige Filtermediumkörper 32 als Adsorptionsfilter ausgebildet ist.
Die Filtermediumkörper 12, 32 können beispielsweise als gefalteter Filterbalg, und/oder als Wickelkörper und/oder als Schüttung, und/oder als beschichteter Wabenkörper ausgebildet sein. Der Partikelfilter kann dabei beispielsweise aus Zellulose ausgebildet sein, der Adsorptionsfilter beispielsweise als Aktivkohlefilter und/oder als lonentauscher. Bei dem in den Figuren 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel sind beide Filtermediumkörper 12, 32 als gefaltete Filterbälge ausgebildet.
Der stromabwärtig angeordnete Filtermediumkörper 32 und der äußerste stromaufwärtig Filtermediumkörper 12 sind wenigstens bereichsweise in axialer Richtung 80 radial innerhalb des umlaufenden Rahmenelements 50 angeordnet.
Dabei sind der stromabwärtige Filtermediumkörper 32 mit einem stromabwärtigen umlaufenden Gusselement 40 und der stromaufwärtige Filtermediumkörper 12 mit einem umlaufenden stromaufwärtigen Gusselement 20 mit dem Rahmenelement 50 verbunden.
Das stromaufwärtige Gusselement 20 ist mit einem stromaufwärtigen Ende des Rahmenelements 50 verbunden und das stromabwärtige Gusselement 40 ist mit einem stromabwärtigen Ende des Rahmenelements 50 verbunden.
Dabei können das stromaufwärtige und/oder stromabwärtige axiale Ende des Rahmenelements 50, insbesondere dessen Stirnseite, wie in Figur 4 erkennbar, zumindest teilweise von dem stromaufwärtigen bzw. dem stromabwärtigen Gusselement 20, 40 umschlossen sein.
Der stromabwärtige Filtermediumkörper 32 ist an einer seiner Außenkanten 38, 39, hier an seiner stromabwärtigen Außenkante 38, mittels des stromabwärtigen umlaufenden Gusselements 40 mit dem Rahmenelement 50 verbunden.
Wie insbesondere in Figur 4 erkennbar, weist das Rahmenelement 50 an seinem stromabwärtigen Ende einen in lateraler Richtung 82 nach außen umgelegten Kragen 51 auf, der in das stromabwärtige Gusselement 40 eingebettet ist. Dabei ist der Kragen 51 bei bestimmungsgemäß in das Filtergehäuse 1 10 eingesetzte Filterelement 10 mit dem Gusselement 40 zwischen der Dichtfläche 126 und dem Abschluss 128 der Gehäusewand 1 18 verpresst.
Das Rahmenelement 50 weist außerdem an seinem stromaufwärtigen Ende einen umlaufenden Rand 24 auf, welcher eine in axialer Richtung 80 von dem stromabwärtigen Gusselement 40 weg gerichtete Nut 25 aufweist. Die Nut 25 ragt dabei ins Innere des Rahmenelements 50. Die Nut 25 ist als integrierte Gießschale für das stromaufwärtige Gusselement 20 ausgebildet.
Wird als Gießmaterial für das Gusselement 20 beispielsweise Polyurethan (PUR) verwendet, so kann als Kunststoffmaterial für das Rahmenelement 50 vorteilhaft Polyamid (PA) verwendet werden, um eine gute Anbindung des Gusselements 20 an die Nut 25 zu gewährleisten.
Wie in Figur 4 zu sehen ist, füllt das Gusselement 20 die Nut 25 aus. Ein Teil der äußersten Falten 22 des stromaufwärtigen Filtermediumkörpers 12 ist hierdurch an das Gusselement 20 angebunden.
Der stromaufwärtige Filtermediumkörper 12 ragt dabei in axialer Richtung 80 weitgehend aus dem Rahmenelement 50 heraus und ist mit seiner stromabwärtigen Außenkante 18 in das stromaufwärtige Gusselement 20 eingebettet.
Das stromabwärtige Gusselement 40 ist als axiales Dichtelement zur Abdichtung zwischen der Rohseite 60 und der Reinseite 62 ausgebildet. Das Gusselement 40 ist dabei radial außerhalb der
Filtermediumkörper 12, 32 angeordnet und dichtet zugleich zwischen dem ersten Gehäuseteil 1 12 und dem zweiten Gehäuseteil 1 14 ab. Eine Dichtfläche 126 des ersten Gehäuseteils 1 12 liegt an dem Gusselement 40 an und die Gehäusewand 1 18 des zweiten Gehäuseteils 1 14 ist an der gegenüberliegenden Seite der Dichtfläche 126 dichtend gegen das Gusselement 40 gepresst.
Vorteilhaft kann das Rahmenelement 50 auf seinem Umfang im Bereich des stromaufwärtigen und/oder stromabwärtigen Gusselements 20,40, nicht dargestellte, Unterbrechungen zur Verzahnung mit dem Gießmaterial aufweisen.
Zwischen dem äußersten stromaufwärtigen und dem äußersten stromabwärtigen Filtermediumkörper 12, 32 ist flächig ein Versteifungselement 30 angeordnet. Das Versteifungselement 30 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als ein ausgedehntes Versteifungsgitter ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich können die Filtermediumkörper 12, 32 auch durch ein oder mehrere Leimraupen versteift sein.
Das Versteifungselement 30 kann vorteilhaft an dem Rahmenelement 50 abgestützt sein. Optional kann das Versteifungselement 30 auch mit dem Rahmenelement 50 verbunden sein, insbesondere einteilig mit dem Rahmenelement 50 ausgebildet sein.
Wie weiter in Figur 4 erkennbar, weist der eine Filtermediumkörper 32 ein an seinem Außenumfang 46 umlaufendes Seitenband 48 zur seitlichen Abdichtung des Filtermediumkörpers 32 auf, welches in das zugehörige Gusselement 40 zumindest teilweise eingebettet ist.
Das Seitenband 48 kann z. B. aus einem Vliesmaterial, insbesondere einem Filtervlies, Filtergewebe oder Filtergelege gebildet sein. Das Vliesmaterial des Seitenbands 48 kann insbesondere eine geringere Luftdurchlässigkeit als ein Filtermedium des Filtermediumkörpers 32 aufweisen und/oder eine höhere Biegesteifigkeit als ein Filtermedium des Filtermediumkörpers 32 aufweisen.
Auf seiner Abströmseite 44 weist der stromabwärtige Filtermediumkörper 32 eine zusätzliche Filterlage 56 auf. Die zusätzliche Filterlage 56 ist dabei in das stromabwärtige Gusselement 40 zumindest teilweise eingebettet. Als bevorzugte Ausführungen für die zusätzliche Filterlage 56 ergeben sich Filtermedien auf Basis von Zellulose- und/oder Synthetikfasern, insbesondere Vliesmaterialien, und/oder Filtermembranen.
In der Schnittansicht in Figur 4 ist auch erkennbar, wie die Verschraubungslasche 58 des Rahmenelements 50 zwischen dem Schraubdom 124 der Gehäusewand 1 18 des zweiten Gehäuseteils 1 14 und der gehäuseseitigen Verschraubungslasche 120 der Gehäusewand 1 16 des ersten Gehäuseteils 1 12 angeordnet ist und mittels der Schraube 122 verschraubt sind. Dadurch ist das Filterelement 10 in dem Filtergehäuse 1 10 fest fixiert und die beiden Gehäuseteile 1 12, 1 14 des Filtergehäuses 1 10 sind fest verschlossen und über das stromabwärtige Gusselement 40 abgedichtet.
Figur 5 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus einer Schnittansicht eines Filtersystems 100 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind Stirnkanten 23 von Falten 22 des stromaufwärtigen Filtermediumkörpers 12 mit einer Stirnkantenverleimung 28 abgedichtet. Die einzelnen Falten 22 sind in dieser Darstellung nicht zu erkennen, da sie senkrecht zur Bildebene verlaufen. Die Stirnkantenverleimung 28 an der Außenkante 18 des Filtermediumkörpers 12 ist in das stromaufwärtige Gusselement 20 zumindest teilweise eingebettet.
Der stromabwärtige Filtermediumkörper 32 ist wie bei dem in den Figuren 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ausgebildet.
Figur 6 zeigt einen Längsschnitt eines Filterelements 10 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung mit dem markierten Ausschnitt VII. Details sind in dem vergrößerten Ausschnitt VII in Figur 7 dargestellt.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich im Wesentlichen in der Anbindung des stromaufwärtigen Filtermediumkörpers 12 von den Ausführungsbeispielen in den Figuren 3 bis 5. Die Wandung 52 des Rahmenelements 50 ist dabei verlängert, sodass der stromaufwärtige Filtermediumkörper 12 in axialer Richtung 80 weitgehend in das Rahmenelement 50 hineinragt. Am axialen Ende 54 der Wandung 52 ist das stromaufwärtige Gusselement 20 angeordnet. Der Filtermediumkörper 12 ist dabei mit seiner stromaufwärtigen Außenkante 19 in das stromaufwärtige Gusselement 20 eingebettet.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel kann, wie dargestellt, zwischen den beiden Filtermediumkörpern 12, 32 ein optionales Versteifungselement 30 angeordnet sein.
Bezugszeichen
10 Filterelement
12 Filtermediumkörper
18 Außenkante
19 Außenkante
20 stromaufwärtiges Gusselement
22 Falte
23 Stirnkante
24 Rand
25 Nut
28 Stirnkantenverleimung
29 Anströmseite
30 Versteifungsgitter
32 Filtermediumkörper
38 Außenkante
39 Außenkante
40 stromabwärtiges Gusselement
44 Abströmseite
46 Außenumfang
48 Seitenband
50 Rahmenelement
51 Kragen
52 Wandung
54 axiales Ende
56 Filterlage
58 Verschraubungslasche
60 Rohseite
62 Reinseite
80 axiale Richtung
82 laterale Richtung
90 Strömungsrichtung
100 Filtersystem
102 Fluideinlass
104 Fluidauslass
1 10 Filtergehäuse
1 12 erstes Gehäuseteil
114 zweites Gehäuseteil
1 16 Gehäusewand
1 18 Gehäusewand
120 Verschraubungslasche
122 Schraube
124 Schraubdom
126 Dichtfläche 128 Abschluss