DE102023126910A1

DE102023126910A1 - Filteranordnung

Info

Publication number: DE102023126910A1
Application number: DE102023126910.0A
Authority: DE
Inventors: Stefan Robert
Original assignee: Hengst SE and Co KG
Current assignee: Hengst SE and Co KG
Priority date: 2023-10-04
Filing date: 2023-10-04
Publication date: 2025-04-10
Also published as: WO2025073569A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Filteranordnung (10), umfassend: I) ein Fahrzeugmodul (12) zur Aufnahme eines Filtermoduls (14) umfassend: einen Aufnahmeraum (16) zur Aufnahme eines Filtermoduls (14), eine Versorgungseinheit (18), und ein im Aufnahmeraum (16) des Fahrzeugmoduls (12) angeordnetes Filtermodul (14), umfassend: eine Ionisationsvorrichtung (20), einen Filtereinsatz (22), umfassend ein mehrlagiges Filtermedium (24), umfassend als erstes Polarisationselement (26) eine elektrisch leitfähige erste Leiterlage (28) und eine Filterlage (30), und ein elektrisches Kontaktierungssystem (32) zur Verbindung der Ionisationsvorrichtung (18) und/oder des Filtereinsatzes (22) mit der Versorgungseinheit (18), wobei die Filteranordnung (10) als Bestandteil des Fahrzeugmoduls (12) oder des Filtermoduls (14) ein zweites Polarisationselement (34) umfasst, wobei die elektrische Verbindung zwischen der Versorgungseinheit (18) und dem im Aufnahmeraum (16) angeordneten Filtermodul (14) zumindest teilweise über ein erstes Kontaktelement (36) und/oder ein zweites Kontaktelement (38) erfolgt, wobei das erste Kontaktelement (36) und/oder das zweite Kontaktelement (38) ein elektrisch leitfähiges elastomeres Kunststoffmaterial umfasst oder daraus besteht, wobei das elastomere Kunststoffmaterial bei 20 °C einen spezifischen elektrischen Widerstand von 10⁵ Ω*m oder weniger aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Filteranordnung, insbesondere für den Einsatz in Fahrzeugen, sowie ein Fahrzeugmodul und ein Filtermodul für eine entsprechende Filteranordnung.
Die moderne Filtrationstechnik kennt heutzutage zur Abtrennung von unerwünschten Komponenten aus Fluidströmen zahlreiche leistungsfähige Alternativen und Weiterentwicklungen zu den altbekannten Verfahren, welche zumeist auf einer im Wesentlichen mechanischen Abscheidung basieren, zumeist an einem lediglich teildurchlässigen Filterelement, welches beispielsweise aus einem porösen Material bestehen kann.
Eine dieser Weiterentwicklungen, die insbesondere zur Gasreinigung eingesetzt wird, ist die sogenannte elektrostatische Abscheidung, wobei die eingesetzten Vorrichtungen auch als Elektroabscheider bezeichnet werden. In diesen Elektroabscheidern werden die zu entfernenden Partikel in einem ersten Schritt durch eine Elektrode ionisiert und anschließend an einer entgegengesetzt geladenen Niederschlagselektrode abgeschieden. Entsprechende Elektroabscheider kommen insbesondere in Industrieanlagen zum Einsatz.
An die Leistungscharakteristika von Innenraumluftfiltern, insbesondere für den Einsatz in Fahrzeugen, werden jedoch andere Anforderungen gestellt, wobei beispielsweise auch die zuverlässige Abtrennung von Pollen und/oder Feinstaub und/oder Gerüchen und/oder Abgasen gewünscht ist.
Um diese Anforderungen an Innenraumluftfilter zu erfüllen, wurde das Konzept der elektrostatischen Abscheidung, bei der es sich in vielen Fällen strenggenommen nicht um eine Filtration handelt, zum Erhalt leistungsfähiger Filterelemente mit Verfahren der mechanischen Abscheidung kombiniert. Durch die Kombination von klassischen Filtermaterialien mit einer Ionisationsvorrichtung lässt sich die Abscheideleistung von Filtern in vielen Fällen bereits deutlich erhöhen, wobei die entsprechenden Filterelemente im Rahmen der vorliegenden Erfindung zum Zwecke einer klaren Identifikation als elektrostatische Abscheider mit Filterfunktionalität bezeichnet werden. Bei entsprechenden Filterelementen wird jedoch beobachtet, dass die Abscheideleistung über die Lebensdauer des Filterelements abnehmen kann, was häufig auf eine mit der Zeit verringerte elektrostatische Aufladung im Filtermaterial zurückgeführt wird.
Zur Lösung dieses Problems wurde vorgeschlagen, elektrostatische Abscheider mit Filterfunktionalität so auszulegen, dass im Filtereinsatz durch das Anlegen einer Spannung an zwei Polarisationselemente über den Aufbau eines elektrischen Feldes eine Polarisation des Filtermaterials bedingt werden kann. In Kombination mit einer Ionisationsvorrichtung kann diese Polarisation des Filtermaterials eine leistungsfähige Abscheidung ermöglichen, die vorteilhafterweise zumeist über die gesamte Lebensdauer des Filterelements konserviert werden kann. Hintergrundinformationen zur grundsätzlichen Technologie sind beispielsweise in der WO 2007/135232 A1 oder der EP 3 448 540 B1 offenbart.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen dieser elektrostatischen Abscheider mit Filterfunktionalität lassen sich erhalten, wenn die Polarisationselemente zumindest teilweise in das im Filtereinsatz verbaute Filtermedium integriert werden. Hierfür können einzelne Lagen eines mehrlagigen Filtermediums als elektrisch leitfähige Lagen ausgeführt werden. Eine solche elektrisch leitfähige Leiterlage des Filtermediums kann beispielsweise gemeinsam mit einem fahrzeugseitig angeordneten zweiten Polarisationselement oder mit einer zweiten elektrisch leitfähigen Leiterlage gemeinsam die Polarisation eines dielektrischen Filtermaterials bedingen. Durch die zumindest teilweise Integration der Polarisationselemente in das Filtermedium und damit den Filtereinsatz, werden leistungsfähige Filtereinsätze erhalten, die insbesondere über ein vorteilhaftes Gewicht verfügen und es ermöglichen, die Anforderungen an die fahrzeugseitig benötigten Einrichtungen zu verringern oder sogar gänzlich aufzuheben, wenn keine fahrzeugseitigen Polarisationselemente vorgesehen werden müssen, um die Polarisation der dielektrischen Lage zu realisieren.
Unabhängig von der Anordnung der Polarisationselemente ist es notwendig, dass eine zuverlässige und haltbare elektrische Kontaktierung zwischen der fahrzeugseitigen Spannungs- und/oder Stromquelle und den Teilen des Filtermoduls, insbesondere der Ionisationsvorrichtung und/oder dem Filtereinsatz, gewährleistet wird. Die Kontaktierung muss dabei geeignet sein, auch unter den im typischen Einsatz im Fahrzeug auftretenden Belastungen eine ausreichende elektrische Kontaktierung sicherzustellen, insbesondere auch für die regelmäßig anliegenden hohen Spannungen. Darüber hinaus ist es wünschenswert, dass die in solchen Filteranordnungen eingesetzten Filtermodule reversibel und zerstörungsfrei auswechselbar ausgeführt werden können. Entsprechend muss die notwendige elektrische Kontaktierung auch für diese auswechselbare Ausführungsform des Filtermoduls eine leichte und prozesssichere Anbindung an die Spannungs- und/oder Stromquelle des Fahrzeugs erlauben.
Die Erfinder haben im Zuge der Entwicklung entsprechender Filteranordnungen insoweit mit der Kontaktierung über metallische Federelemente experimentiert. In diesen Experimenten hat sich jedoch gezeigt, dass diese metallischen Federelemente nicht nur unter Kostengesichtspunkten zuweilen als nachteilig erweisen, sondern dass sich diese metallischen Federelemente in vielen Fällen auch nur schwer in zuverlässiger Weise im Fahrzeugmodul fixieren lassen. Besonders schwer wiegt als Nachteil jedoch, dass solche metallischen Federelemente beispielweise wegen der großen Unterschiede in den Materialeigenschaften, beispielweise der Härte, und den zumeist scharfen Kanten nicht optimal geeignet sind, die Kontaktierung der vorgesehenen Filtermodule in einer haltbaren Weise zu realisieren.
Besonders relevant sind die vorstehend beschriebenen Nachteile dabei deshalb, weil nach Einschätzung der Erfinder ein großes Bestreben danach besteht, den Anteil von metallischen Komponenten in den Filtermodulen, insbesondere den auswechselbaren Filtereinsätzen, zu reduzieren, um sowohl Rohstoffe zu sparen als auch das Gewicht der Filtereinsätze zu optimieren. Aus diesem Grund ist es wünschenswert, die elektrische Konnektivität im Filtermodul, zumindest im Filtereinsatz, möglichst weitgehend unter Einsatz von leitfähigen Kunststoffen zu realisieren, welche beispielsweise über Druckverfahren auf folienartige Substrate aufgebracht werden können. Dabei haben die Erfinder gefunden, dass die in den Versuchen eingesetzten metallischen Kontaktfedern wegen der unterschiedlichen Materialeigenschaften und der vergleichsweise scharfen Kanten nicht geeignet sind, die notwendige Kontaktierung im Übergang vom Fahrzeugmodul zum Filtermodul zu realisieren, wenn diese auf potentiell sehr dünne Kontaktflächen aus elektrisch leitfähigen Kunststoff einwirken, wobei es insbesondere bei mechanischen Belastungen im Fahrbetrieb oder beim Wechsel des Filtermoduls zu einer irreversiblen Beschädigung der Kontaktierung kommen kann, infolge der die Funktionalität der Filteranordnung nicht mehr gewährleistet ist.
Die primäre Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, die Nachteile des Standes der Technik auszuräumen oder zumindest abzuschwächen.
Insbesondere war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Filteranordnung anzugeben, bei der die elektrische Kontaktierung zwischen dem Fahrzeugmodul und dem Filtermodul besonders zuverlässig erfolgen kann, insbesondere auch dann, wenn das Filtermodul als reversibel und zerstörungsfrei auswechselbares Filtermodul ausgeführt wird.
Dabei war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, dass die anzugebende Filteranordnung eine besonders widerstandsfähige und haltbare elektrische Kontaktierung aufweisen sollte. Insoweit war es insbesondere wünschenswert, dass die zur Kontaktierung verwendeten Kontaktelemente in der Filteranordnung besonders zuverlässig und sicher befestigt werden können.
Zudem war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, dass die anzugebende Filteranordnung auch beim Einsatz von Filtermodulen, welche über eine elektrische Kontaktierung aus leitfähigem Kunststoff verfügen, eine langanhaltend sichere Anbindung an die fahrzeugseitige Spannungs- und/oder Stromquelle erlauben sollte, ohne die elektrische Kontaktierung aus leitfähigem Kunststoff zu beschädigen.
Darüber hinaus war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, dass die anzugebende Filteranordnung in möglichst zeit- und kosteneffizienter Art und Weise herstellbar sein sollte. Insoweit war es eine wünschenswerte Vorgabe, dass die anzugebende Filteranordnung bzw. die in ihr eingesetzten Filtermodule bzw. Filtereinsätze mit einem vorteilhaften niedrigen Gewicht ausführbar sein sollten.
Es war eine ergänzende Aufgabe der vorliegenden Erfindung auch ein vorteilhaftes Filtermodul beziehungsweise ein vorteilhaftes Fahrzeugmodul für den Einsatz in der anzugebenden Filteranordnung bereitzustellen.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben nunmehr gefunden, dass sich die vorstehend beschriebenen Aufgaben lösen lassen, wenn in einer Filteranordnung aus einem Fahrzeugmodul und einem darin angeordneten Filtermodul die elektrische Kontaktierung zwischen der elektrischen Versorgungseinheit und dem Filtermodul zumindest teilweise über Kontaktelemente erfolgt, die zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen elastomeren Kunststoffmaterial ausgebildet sind, wie es in den Ansprüchen definiert ist.
Durch den Einsatz eines solchen elektrisch leitfähigen elastomeren Kunststoffmaterials kann eine verschleißarme elektrische Kontaktierung erreicht werden, die insbesondere ohne scharfe Kanten auskommt und hinsichtlich der Materialeigenschaften besonders gut auf die Kombination mit elektrischen Kontaktierungssystemen aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoff abgestimmt ist. Das elastomere Material kann dabei insbesondere beim Einsetzen eines auswechselbaren Filtermoduls eine Federkraft aufbauen, welche eine sichere Kontaktierung ermöglicht, wobei die elastomere Natur der Kontaktelemente in synergistischer Weise dazu beiträgt, dass die im Fahrzeugbetrieb auftretenden mechanischen Belastungen zumindest teilweise kompensiert werden können. Die Erfinder haben gefunden, dass sich entsprechende elastomere Kontaktelemente in besonders zeit- und kosteneffizienter Art und Weise fertigen beziehungsweise einbauen lassen, wobei durch eine geeignete Geometrie der Kontaktelemente in vorteilhafter Weise dafür gesorgt werden kann, dass diese langfristig fest in der Filteranordnung fixiert werden könnte, beispielsweise durch eine Kombination aus Form- und Kraftschluss, wobei insbesondere letztere durch die elastomeren Eigenschaften des Materials begünstigt wird.
Die vorstehend genannten Aufgaben werden entsprechend durch den Gegenstand der Erfindung gelöst, wie er in den Ansprüchen definiert ist. Bevorzugte erfindungsgemäße Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und den nachfolgenden Ausführungen.
Solche Ausführungsformen, die nachfolgend als bevorzugt bezeichnet sind, werden in besonders bevorzugten Ausführungsformen mit Merkmalen anderer als bevorzugt bezeichneter Ausführungsformen kombiniert. Ganz besonders bevorzugt sind somit Kombinationen von zwei oder mehr der nachfolgend als besonders bevorzugt bezeichneten Ausführungsformen. Ebenfalls bevorzugt sind Ausführungsformen, in denen ein in irgendeinem Ausmaß als bevorzugt bezeichnetes Merkmal einer Ausführungsform mit einem oder mehreren weiteren Merkmalen anderer Ausführungsformen kombiniert wird, die in irgendeinem Ausmaß als bevorzugt bezeichnet werden. Merkmale bevorzugter Fahrzeugmodule und Filtermodule ergeben sich aus den Merkmalen bevorzugter Filteranordnungen.
Die Erfindung betrifft insbesondere eine Filteranordnung, umfassend:

I) ein Fahrzeugmodul zur Aufnahme eines Filtermoduls, insbesondere eines elektrostatischen Abscheiders mit Filterfunktionalität, umfassend:
- I.i) einen Aufnahmeraum zur Aufnahme eines Filtermoduls, wobei der Aufnahmeraum abschnittsweise von einer Wandung umgeben ist und eine Einführöffnung zur Einführung des Filtermoduls in den Aufnahmeraum aufweist,
- I.ii) eine Versorgungseinheit, wobei die Versorgungseinheit dazu eingerichtet ist, eine elektrische Spannung an ein im Aufnahmeraum angeordnetes Filtermodul bereitzustellen, und
II) ein im Aufnahmeraum des Fahrzeugmoduls angeordnetes Filtermodul, umfassend:
- II.i) eine Ionisationsvorrichtung zur Ionisation von Bestandteilen eines zu filternden Fluids,
- II.ii) einen Filtereinsatz, umfassend ein mehrlagiges Filtermedium, umfassend als erstes Polarisationselement eine elektrisch leitfähige erste Leiterlage und eine Filterlage, wobei die Filterlage zumindest eine dielektrische Lage umfasst, und
- II.iii) ein elektrisches Kontaktierungssystem zur Verbindung der Ionisationsvorrichtung und/oder des Filtereinsatzes mit der Versorgungseinheit,

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Die erfindungsgemäße Filteranordnung dient der Filtration von Fluiden und ist insoweit insbesondere auf die Filterung von Luft ausgelegt. Insoweit ist die erfindungsgemäße Filteranordnung insbesondere für den Einsatz in Fahrzeugen geeignet. Besonders relevant ist somit eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei die Filteranordnung ein Luftfiltersystem, bevorzugt ein Innenraumluftfiltersystem ist, besonders bevorzugt ein Innenraumluftfiltersystem für Fahrzeuge, insbesondere für Landfahrzeuge. Besonders relevant ist somit zusätzlich oder alternativ auch eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei das zu filternden Fluid ein Luftgemisch ist, bevorzugt ein durch ein Fahrzeugbelüftungssystem von außen in das Innere eines Fahrzeugs geführtes Luftgemisch.
Für im Wesentlichen sämtliche Ausführungsformen relevant ist dabei eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei das Fahrzeugmodul in einem Fahrzeug verbaut ist, bevorzugt in einem PKW oder einem LKW, besonders bevorzugt einem PKW.
Die fahrzeugseitige Komponente, d.h. das Fahrzeugmodul, umfasst einen von einer Wandung begrenzten Aufnahmeraum, in dem das Filtermodul angeordnet ist und aus dem das Filtermodul als Ganzes oder lediglich der Filtereinsatz durch die Einführöffnung bevorzugt reversibel und zerstörungsfrei entnommen werden kann.
Bevorzugt ist für eine sichere Anordnung des Filtermoduls und zum Zwecke einer vorteilhaften Abschirmung des Filtermoduls vor äußeren Einflüssen eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei der Aufnahmeraum abgesehen von der Einführöffnung sowie Fluideinlässen und Fluidauslässen für das zu filternde Fluid im Wesentlichen vollständig von der Wandung umgeben ist. Bevorzugt ist zusätzlich oder alternativ eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei das Fahrzeugmodul zusätzlich umfasst:

iv) ein Gehäuse, wobei der Aufnahmeraum im Gehäuse angeordnet ist, wobei das Gehäuse bevorzugt zumindest teilweise von der Wandung gebildet wird.

Um die reversible und zerstörungsfrei Austauschbarkeit des Filtermoduls beziehungsweise des Filtereinsatzes zu befördern und die Fehleranfälligkeit des Auswechselvorgangs zu reduzieren, schlagen die Erfinder vor, dass der Aufnahmeraum mit Führungsschienen oder einer vergleichbaren Führungsstruktur ausgeführt werden kann, um das Filtermodul im Inneren des Aufnahmeraums zuverlässig in einer gewünschten Position zu fixieren, in der insbesondere die angestrebte elektrische Kontaktierung erfolgen kann. Bevorzugt ist entsprechend eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei das Fahrzeugmodul ein oder mehrere Führungsstrukturen, insbesondere Führungsschienen, zur Führung und/oder Stabilisierung des elektrostatischen Abscheiders im Aufnahmeraum umfasst.
Um insbesondere im Fahrbetrieb einen zuverlässigen Sitz und eine gute Kontaktierung zu gewährleisten, schlagen die Erfinder vor, dass Mittel vorgesehen werden können, mit denen das Filtermodul im Aufnahmeraum fixiert werden kann, beispielsweise unter Einsatz mechanischer Blockierelemente. Zudem kann der Aufnahmeraum auch mit einem Entnahmemechanismus versehen werden, welcher beim Wechsel des Filtermoduls dessen Entnahme aus dem Aufnahmeraum befördert, um den Wechselvorgang schneller und weniger fehleranfällig gestalten zu können, wobei durch eine unterstützte Entnahmefunktion insbesondere auch eine ungewollte Beschädigung der Kontaktelemente zuverlässig unterbunden werden kann. Bevorzugt ist somit eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei das Fahrzeugmodul einen Fixierungsmechanismus umfasst, wobei der Fixierungsmechanismus dazu eingerichtet ist, das im Aufnahmeraum angeordnete Filtermodul zu fixieren. Bevorzugt ist zusätzlich oder alternativ auch eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei das Fahrzeugmodul einen Entnahmemechanismus umfasst, wobei der Entnahmemechanismus dazu eingerichtet ist, die Entnahme des im Aufnahmeraum angeordneten Filtermoduls aus dem Fahrzeugmodul zu bewirken oder zu befördern.
Zur noch besseren Fixierung des Filtermoduls und zum optimierten Schutz vor Umwelteinflüssen schlagen die Erfinder vor, dass der Aufnahmeraum mit einem Deckel versehen werden kann. Ein solcher Deckel schützt dabei insbesondere auch die Fahrzeuginsassen vor einem ungewollten Kontakt mit unter Hochspannung stehenden Komponenten. In synergistischer Weise erlaubt es der Einsatz eines Deckelelements in Kombination mit den elastomeren Kontaktelementen auch, die elastomeren Kontaktelemente gegen die komplementären Kontaktflächen der elektrischen Kontaktierung vorzuspannen und dadurch eine besonders zuverlässige Kontaktierung zu erhalten, welche auch bei stärkeren mechanischen Belastungen nicht versagt. Bevorzugt ist entsprechend eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei das Fahrzeugmodul zusätzlich umfasst:

iii) ein Deckelelement zum Verschließen der Einführöffnung,

Das Fahrzeugmodul umfasst eine Versorgungseinheit, welche dafür vorgesehen ist, das Fahrzeugmodul und insbesondere das darin angeordnete Filtermodul mit der für den Betrieb notwendigen elektrischen Energie zu versorgen. Hierbei kann die Versorgungseinheit prinzipiell entweder eine dezidierte Spannungs- und/oder Stromquelle umfassen als auch eine Verbindung zu einer im Fahrzeug vorliegenden zentralen Spannungs- und/oder Stromquelle umfassen. Beispielhaft ist entsprechend eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei die Versorgungseinheit eine Spannungsquelle, bevorzugt eine Hochspannungsquelle, umfasst, oder wobei die Versorgungseinheit dazu eingerichtet ist, mit einer externen Spannungsquelle, bevorzugt einer Hochspannungsquelle, verbunden zu werden, bevorzugt mit einer im Fahrzeug angeordneten Spannungs- und/oder Stromquelle.
Die erfindungsgemäß vorzusehende Ionisationsvorrichtung und das komplementäre Polarisationssystem der Polarisationselemente werden in der Praxis häufig unterschiedliche Spannungen oder Ströme benötigen, insbesondere wenn die Polarisationselemente vollständig in das mehrlagige Filtermedium integriert werden. Hierfür kann die Versorgungseinheit prinzipiell so ausgelegt werden, dass sie den unterschiedlichen Bestanteilen des Filtermoduls jeweils optimierte Spannungen oder Ströme bereitstellt. Mit Blick auf eine möglichst einfache Konzeption des Fahrzeugmoduls kann die Versorgungseinheit jedoch auch so ausgeführt werden, dass sie nur eine Spannung und/oder einen Strom bereitstellt, beispielsweise an die Ionisationsvorrichtung. In diesem Fall kann das Filtermodul insbesondere über den Einsatz eines integrierten Spannungsteilers im elektrischen Kontaktierungssystem dahingehend optimiert werden, dass die auf die Polarisationselemente entfallende Spannung im Filtermodul angepasst wird. Bevorzugt ist für manche Ausgestaltungen somit eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei die Versorgungseinheit dazu eingerichtet ist, zwei oder mehr verschiedene, bevorzugt genau zwei verschiedene, elektrische Spannungen und/oder elektrische Ströme an einen im Aufnahmeraum angeordnetes Filtermodul bereitzustellen, wobei die Versorgungseinheit für die elektrische Kontaktierung des im Aufnahmeraum angeordneten Filtermoduls zusätzliche zumindest ein weiteres Kontaktelement umfasst. Besonders bevorzugt ist insbesondere beim Einsatz eines Spannungsteilers im Filtermodul jedoch alternativ eine erfindungsgemäße Filteranordnung wobei die Versorgungseinheit dazu eingerichtet ist, genau eine elektrische Spannung und/oder einen elektrischen Strom an einen im Aufnahmeraum angeordnetes Filtermodul bereitzustellen.
Wesentlich für die Erfindung ist nunmehr, dass die elektrische Kontaktierung zwischen dem Fahrzeugmodul, beziehungsweise dessen Versorgungseinheit, und dem Filtermodul, insbesondere dessen Ionisationsvorrichtung und zumindest dem ersten Polarisationselement, über Kontaktelemente erfolgt, von denen zumindest eines, bevorzugt jedoch beide, aus einem elektrisch leitfähigen elastomeren Kunststoff ausgeführt sind, wobei es auch möglich ist, dass mehr als zwei Kontaktelemente vorliegen. Bevorzugt ist entsprechend eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei das erste Kontaktelement und das zweite Kontaktelement, bevorzugt das erste Kontaktelement, das zweite Kontaktelement und sämtliche weiteren Kontaktelemente, das elektrisch leitfähige elastomere Kunststoffmaterial umfassen oder daraus bestehen.
Zumindest prinzipiell ist es denkbar, dass die Kontaktelemente neben dem elektrisch leitfähigen elastomeren Kunststoffmaterial auch noch andere Materialien umfassen, beispielsweise makroskopische Füllstoffe, Glasfasern oder ähnliche Verstärkungen. Auch kann das elastomere Kunststoffmaterial ein nichtelastomeres Material umgeben. Der Fachmann versteht jedoch, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung die vorteilhaften Leitfähigkeitseigenschaften und die vorteilhafte Elastizität gewünscht sind und dass es vor diesem Hintergrund zweckmäßig ist, die Kontaktelemente möglichst weitgehend aus dem entsprechenden Kunststoffmaterial auszuführen. Bevorzugt ist entsprechend eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei das erste Kontaktelement und/oder das zweite Kontaktelement, bevorzugt das erste Kontaktelement, das zweite Kontaktelement und sämtliche weiteren Kontaktelemente, zu einem Massenanteil von 80 % oder mehr, bevorzugt von 90 % oder mehr, besonders bevorzugt von 95 % oder, insbesondere bevorzugt im Wesentlichen vollständig, aus dem elektrisch leitfähigen elastomeren Kunststoffmaterial bestehen.
Elastomere sind dem Fachmann ausgehend von seinem Fachwissen bekannt und kommerziell von zahlreichen Anbietern verfügbar. Entsprechende elastomere Kunststoffe werden in vielen Fällen auch als Gummi bezeichnet und können beispielsweise mittels Vulkanisation von vulkanisierbaren Kautschukmischungen erhalten werden. Bevorzugt ist somit eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei das elastomere Kunststoffmaterial ein Gummiwerkstoff ist.
Die elektrischen Leitfähigkeitseigenschaften solcher elastomeren Kunststoffmaterialien lassen sich in Übereinstimmung mit dem fachmännischen Verständnis über die Additive einstellen, welche den vulkanisierbaren Kautschukmischungen zugesetzt werden, wobei insbesondere hohe Gehalte an Leitruß in vorteilhaften elektrischen Leitfähigkeiten resultieren. Insoweit schlagen die Erfinder vor, dass für das elektrisch leitfähige elastomere Kunststoffmaterial zur Ausbildung einer möglichst widerstandsarmen Kontaktierung ein möglichst leitfähiger Kunststoff gewählt werden sollte, welcher beispielsweise einen hohen Anteil an Leitruß als Füllstoff umfasst. Bevorzugt ist nämlich eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei das elastomere Kunststoffmaterial bei 20 °C einen spezifischen elektrischen Widerstand von 10⁵ Ω*m oder weniger, bevorzugt 10⁵ Ω*m oder weniger, besonders bevorzugt 10² Ω*m oder weniger, aufweist.
Unter fertigungstechnischen und handhabungstechnischen Gesichtspunkten ist es bevorzugt, die Kontaktelemente gleichartig auszuführen. Bevorzugt ist entsprechend eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei das erste Kontaktelement und das zweite Kontaktelement, bevorzugt das erste Kontaktelement, das zweite Kontaktelement und sämtliche weiteren Kontaktelemente, das gleiche elastomere Kunststoffmaterial umfassen.
Die Erfinder schlagen vor, dass sich unter den elastomeren Kunststoffmaterialien insbesondere die Unterklasse der thermoplastischen elastomeren Kunststoffmaterialien für die Zwecke der Erfindung besonders eignet, da sich diese Materialien in Folge ihrer thermoplastischen Eigenschaften besonders gut verarbeiten lassen. Bevorzugt ist entsprechend eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei das elastomere Kunststoffmaterial ein thermoplastisches elastomeres Kunststoffmaterial ist.
Thermoplastisches elastomeres Kunststoffmaterial, welches auch als TPE bezeichnet wird, ist dem Fachmann bekannt und von verschiedenen Herstellern kommerziell erhältlich. Die makroskopische Thermoplastizität des Kunststoffmaterials kann dabei sowohl durch die Mischung von Thermoplasten mit Elastomeren erfolgen, als auch durch den Einsatz entsprechender Blockcopolymere, deren Blöcke teilweise Elastomeren beziehungsweise Thermoplasten entsprechen, bedingt sein. Beispielhaft ist somit eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei das elastomere Kunststoffmaterial einen Gummiwerkstoff umfasst, wobei bevorzugt in Mischung mit einem thermoplastischen Kunststoff. Beispielhaft ist alternativ eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei das elastomere Kunststoffmaterial ein oder mehrere Blockcopolymeren aus einem thermoplastischen Polymer und einem Elastomer umfasst.
Bevorzugt ist hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften des elastomeren Kunststoffmaterials eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei das elastomere Kunststoffmaterial eine Zugfestigkeit gemäß DIN 53504:2009 im Bereich von 5 bis 15 MPa, bevorzugt im Bereich von 7 bis 12 MPA aufweist.
Die grundsätzliche Position der Kontaktelemente in der Filteranordnung wird nach Einschätzung der Erfinder insbesondere aus der Positionierung der Versorgungseinheit resultieren. Dies kann beispielsweise im hinteren Teil des Aufnahmeraums oder im Deckelelement vorgesehen werden, wobei Letzteres den Vorteil hat, dass ein Zugriff in den Aufnahmeraum durch das Öffnen des Deckelelements zumeist die Stromversorgung des Filtermoduls unterbrochen wird, wodurch ein potentielles Gesundheitsrisiko durch die anliegende Hochspannung reduziert werden kann. Beispielhaft ist somit eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei die Versorgungseinheit auf der von der Einführöffnung abgewandten Seite des Fahrzeugmoduls angeordnet ist, oder wobei die Versorgungseinheit im Deckelelement angeordnet ist.
Es kann als Vorteil der vorliegenden Erfindung gesehen werden, dass diese nicht dahingehend festgelegt, ob die spezifischen Kontaktelemente strukturell mit dem Fahrzeugmodul oder dem Filtermodul verbunden werden.
Die Integration der elastischen Kontaktelemente in das Filtermodul hat den Vorteil, dass die Kontaktelemente besonders leicht zusammen mit dem Filtermodul ausgewechselt werden können. Insbesondere bei hohen anliegenden Spannungen und ausgeprägten mechanischen Belastungen im Betrieb birgt dies den Vorteil, dass ein auftretender Verschleiß an den elastischen Kontaktelementen weniger ins Gewicht fällt, da diese in zumeist regelmäßigen Wartungsabständen leicht ausgetauscht werden können. Bevorzugt ist in diesem Fall eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei das erste Kontaktelement und/oder das zweite Kontaktelement, bevorzugt das erste Kontaktelement und das zweite Kontaktelement, Bestandteil des Filtermoduls sind.
Die Anordnung der Kontaktelemente als Teil des Fahrzeugmoduls bietet den Vorteil, dass die auswechselbaren Filtermodule konstruktiv einfacher ausgestaltet werden können, wobei insbesondere auch der beim Wechsel anfallende Abfall reduziert werden kann. Bevorzugt ist alternativ somit eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei das erste Kontaktelement und/oder das zweite Kontaktelement, bevorzugt das erste Kontaktelement und das zweite Kontaktelement, Bestandteil des Fahrzeugmoduls sind.
Bei der Ausführung der Kontaktelemente als Teil des Fahrzeugmoduls ergibt sich die genaue Position analog zu den vorstehenden Ausführungen zweckmäßigerweise aus der Position der Versorgungseinheit. Bevorzugt ist somit eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei das erste Kontaktelement und/oder das zweite Kontaktelement, bevorzugt das erste Kontaktelement, das zweite Kontaktelement und sämtliche weiteren Kontaktelemente, in der von der Einführöffnung abgewandten Seite der Wandung angeordnet sind. Bevorzugt ist alternativ eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei das erste Kontaktelement und/oder das zweite Kontaktelement, bevorzugt das erste Kontaktelement, das zweite Kontaktelement und sämtliche weiteren Kontaktelemente, im Deckelelement angeordnet sind.
Durch die elastomere Natur der spezifisch ausgeführten Kontaktelemente ist es in vorteilhafter Weise möglich, diese mit einem kraftschlüssigen Anteil zu fixieren, wobei es insbesondere beim Einsatz thermoplastischer Elastomere in vorteilhafter Weise auch möglich ist, eine formschlüssige oder sogar stoffschlüssige Verbindung durch ein zwischenzeitliches Erwärmen des Kunststoffmaterials zu befördern. Bevorzugt ist eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei das erste Kontaktelement und/oder das zweite Kontaktelement, bevorzugt das erste Kontaktelement, das zweite Kontaktelement und sämtliche weiteren Kontaktelemente, formschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig, bevorzugt formschlüssig und zusätzlich kraftschlüssig sowie zusätzlich oder alternativ formschlüssig, im Fahrzeugmodul oder Filtermodul fixiert sind.
Die erfindungsgemäße Filteranordnung umfasst ein im Aufnahmeraum des Fahrzeugmoduls angeordnetes Filtermodul, wobei das Filtermodul bevorzugt reversibel und zerstörungsfrei auswechselbar im Fahrzeugmodul angeordnet ist.
Die erfindungsgemäße Filteranordnung umfasst als Teil des Filtermoduls eine Ionisationsvorrichtung. In Übereinstimmung mit dem fachmännischen Verständnis ist diese Ionisationsvorrichtung dabei Bestandteil eines elektrostatischen Abscheiders mit Filterfunktion, wobei die zwischen dem ersten und zweiten Polarisierungselement polarisierten dielektrischen Lagen des mehrlagigen Filtermediums mit der Ionisationsvorrichtung zusammenwirken, und insbesondere als Niederschlagselektrode fungieren können. Es handelt sich somit in anderen Worten um eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei die Ionisationsvorrichtung, der Filtereinsatz und das zweite Polarisationselement einen elektrostatischen Abscheider mit Filterfunktionalität bilden.
Im erfindungsgemäßen Filtersystem kommt der Ionisationsvorrichtung die Aufgabe zu, beispielsweise Schmutzpartikel im zu filternden Fluid zu ionisieren und damit die Abscheidung der Schmutzpartikel an den polarisierten Filterlagen des mehrlagigen Filtermediums zu befördern. Geeignete Ionisationsvorrichtungen sind dem Fachmann im Bereich der Technik bekannt und beispielsweise in der WO 2023/012166 A1 offenbart. Für im Wesentlichen alle Ausführungsformen sind dabei elektrische Ionisationsvorrichtungen relevant, welche auch aus anderen Technologiebereichen bekannt sind und die Ionisation insbesondere durch eine Corona-Entladung bewirken können. Solche elektrischen Ionisationsvorrichtungen sind unter sicherheitstechnischen Aspekten sowie hinsichtlich ihrer Handhabung und Leistungsfähigkeit dabei anderen Methoden der Ionisation, insbesondere unter Einsatz von ionisierender Strahlung, weit überlegen. Bevorzugt ist eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei die Ionisationsvorrichtung eine elektrische Ionisationsvorrichtung ist, wobei die Ionisationsvorrichtung bevorzugt dazu eingerichtet ist, die Ionisation von Bestandteilen des zu filternden Fluids zumindest teilweise, bevorzugt im Wesentlichen vollständig, mittels Corona-Entladung zu bewirken. Bevorzugt ist zusätzlich oder alternativ eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei die Ionisationsvorrichtung keine Strahlungsquelle für ionisierende Strahlung umfasst.
Der Fachmann versteht, dass das angestrebte Zusammenspiel zwischen der Ionisationsvorrichtung und dem mehrlagigen Filtermedium im Filtereinsatz bedingt, dass der Filtereinsatz mit dem als Niederschlagselektrode fungierenden mehrlagigen Filtermedium sinnvollerweise in Strömungsrichtung hinter der Ionisationsvorrichtung platziert werden sollte. Bevorzugt ist entsprechend eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei die Ionisationsvorrichtung so in der Filteranordnung, angeordnet ist, dass sie von dem zu filternden Fluid vor dem Filtereinsatz durchströmt wird, bevorzugt unmittelbar vor dem Filtereinsatz.
Der erfindungsgemäß einzusetzende Filtereinsatz umfasst ein mehrlagiges Filtermedium, welches zumindest eine elektrisch leitfähige erste Leiterlage und bevorzugt zwei elektrisch leitfähige Leiterlagen umfasst. Diese erste Leiterlage ist dafür vorgesehen, als erstes Polarisationselement bei der Polarisation der im mehrlagigen Filtermedium vorgesehenen Filterlage mitzuwirken. Das zweite Polarisationselement kann in konstruktiv besonders einfachen Ausführungsformen beispielsweise als metallische Platte oder Gitter ausgeführt werde. Bevorzugt ist entsprechend hinsichtlich des konstruktiven Aufwands eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei das zweite Polarisationselement eine Metallplatte oder ein Metallgitter ist.
In einer Ausführungsform kann das zweite Polarisationselement durch ein vom Filtereinsatz separates Element gebildet werden, welches beispielsweise fahrzeugseitig, d.h. als Teil des Fahrzeugmoduls, angeordnet werden kann. Der Vorteil dieser Ausgestaltung kann darin gesehen werden, dass das zweite Polarisationselement aus dem Filtereinsatz bzw. dem Filtermodul heraus verlagert wird. Hierdurch lässt sich nicht nur das Gewicht der erfindungsgemäß einzusetzenden Filtereinsätze bzw. Filtermodule reduzieren, sondern auch deren Aufbau vereinfachen, wodurch die Ausführung als austauschbarer Filtereinsatz erleichtert wird. Zudem reduziert sich die beim Austausch eines Filtereinsatzes anfallende Menge an Abfall. Bevorzugt ist eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei das zweite Polarisationselement nicht Teil des Filtereinsatzes bzw. ein vom Filtereinsatz separates Element ist.
Auch wenn es für bestimmte Anwendungen vorteilhaft sein kann, das zweite Polarisationselement außerhalb des erfindungsgemäß einzusetzenden Filtermoduls vorzulegen, erachten es die Erfinder für die Praxis als besonders vorteilhaft, das zweite Polarisationselement in das bevorzugt auswechselbare Filtermodul und insoweit besonders bevorzugt in den Filtereinsatz zu integrieren. Zwar wäre es hierbei theoretisch denkbar, das zweite Polarisationselement als von dem mehrlagigen Filtermedium separates Element vorzusehen, beispielsweise wiederum als metallische Platte, jedoch ist dies mit Blick auf das Gesamtgewicht weniger bevorzugt. Insoweit erachten es die Erfinder für im Wesentlichen alle Ausführungsformen als besonders vorteilhaft, wenn das zweite Polarisationselement für die Polarisation ebenfalls in das mehrlagige Filtermedium integriert wird, sodass das mehrlagige Filtermedium neben einer ersten Leiterlage auch eine zweite Leiterlage umfasst und die Filterlage zwischen dieser ersten Leiterlage und der zweiten Leiterlage angeordnet werden kann. Eine entsprechende Ausgestaltung des mehrlagigen Filtermediums ist nur mit einer geringfügigen Gewichtsteigerung verbunden und führt zu einer vorteilhaften Polarisationswirkung auf die unmittelbar zwischen den Leiterlagen angeordnete Filterlage. Zudem ist es hierdurch möglich, ohne hohe zusätzliche Kosten und Bedarf an Bauraum sämtliche für die Polarisationswirkung notwendige Teile in den austauschbaren Filtereinsatz zu integrieren, wodurch in vorteilhafter Weise beim Austausch des Filtereinsatzes sämtliche für die ordnungsgemäße Funktionsweise der Polarisation benötigten Bestandteile ausgewechselt werden, sodass in vorteilhafter Weise eine einfache Wartung des Gesamtsystems möglich ist. Bevorzugt ist entsprechend eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei das mehrlagige Filtermedium zusätzlich eine elektrisch leitfähige zweite Leiterlage umfasst, wobei die Filterlage zwischen der ersten Leiterlage und der zweiten Leiterlage angeordnet ist und wobei das zweite Polarisationselement durch die zweite Leiterlage gebildet wird.
Die elektrische Kontaktierung der zweiten Leiterlage kann in diesem Fall zweckmäßigerweise ebenfalls über das das elektrische Kontaktierungssystem erfolgen, wie es für die erste Leiterlage erfolgt, sodass die Notwendigkeit weiterer Kontaktierungssysteme zur elektrischen Anbindung der zweiten Leiterlage vorteilhafterweise entfällt. Es handelt sich in diesem Fall um eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei das elektrische Kontaktierungssystem dazu eingerichtet ist, dass zwischen der ersten Leiterlage und der zweiten Leiterlage eine Spannungsdifferenz angelegt werden kann.
Die weiteren Bestandteile der erfindungsgemäßen Filteranordnung, die dem Filtermodul beziehungsweise dem elektrostatischen Abscheider mit Filterfunktionalität neben der Ionisationsvorrichtung zugeordnet werden können, sind der Filtereinsatz, welcher die als erstes Polarisationselemente fungierende erste Leiterlage sowie zumindest eine zu polarisierende dielektrische Lage umfasst, sowie das zweite Polarisationselement, welches zur Polarisation der dielektrischen Lage mit der ersten Leiterlage zusammenwirkt. Die Filteranordnung ist dabei so ausgelegt, dass zwischen der als erstes Polarisationselement fungierenden ersten Leiterlage und dem zweiten Polarisationselement eine Spannungsdifferenz angelegt werden kann, aus der ein elektrisches Feld resultiert, welches die dielektrische Lage polarisieren kann. Neben der ersten Leiterlage umfasst das mehrlagige Filtermedium noch zumindest eine dielektrische Lage sowie optional weitere Lagen. Weitere Informationen zu den Lagen des mehrlagigen Filtermediums sowie zu dem elektrischen Kontaktierungssystem sind nachfolgend offenbart.
Es kann als Vorteil der erfindungsgemäßen Filteranordnung gesehen werden, dass die einzusetzenden mehrlagigen Filtermedien im Filtereinsatz in üblicher Weise und mit üblichen Vorrichtungen verarbeitet werden können, insbesondere mittels Plissierung und Kaschierung. Bevorzugt ist für die meisten Anwendungen eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei der Filtereinsatz das mehrlagige Filtermedium als plissiertes Filtermedium umfasst. Bevorzugt ist dabei eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei zumindest eine der Seiten des plissierten mehrlagigen Filtermediums, bevorzugt zumindest zwei Seiten, besonders bevorzugt zumindest die Längsseiten, ganz besonders bevorzugt sämtliche Seiten, mit einem Kaschierungsmaterial kaschiert sind, wobei das Kaschierungsmaterial bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus textilen Flächengebilden, insbesondere Vliesen und Filzen.
Zur Optimierung der Wartbarkeit und Steigerung der Lebensdauer der Filteranordnung schlagen die Erfinder vor, dass bevorzugt zumindest der Filtereinsatz als austauschbarer Filtereinsatz ausgeführt werden sollte, wobei es günstig ist, zusätzlich oder alternativ auch die Ionisationsvorrichtung und damit das gesamte Filtermodul austauschbar zu gestalten. Insoweit können die Ionisationsvorrichtung und der Filtereinsatz auch in einem gemeinsamen Bauteil integriert werden, welches in seiner Gesamtheit austauschbar ist. Bevorzugt ist eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei die Ionisationsvorrichtung reversibel und zerstörungsfrei austauschbar im Fahrzeugmodul angeordnet ist, bevorzugt unabhängig vom Filtereinsatz und/oder wobei der Filtereinsatz reversibel und zerstörungsfrei austauschbar im Fahrzeugmodul angeordnet ist, bevorzugt unabhängig von der Ionisationsvorrichtung.
Wenn die Ionisationsvorrichtung zur Ionisation von Bestandteilen des zu filternden Fluids nicht reversibel und zerstörungsfrei austauschbar im Fahrzeugmodul angeordnet, sondern vielmehr fest mit diesem verbunden ist, so dass der Filtereinsatz separat von der Ionisationsvorrichtung entnommen werden kann, kann ein Teil der Versorgungsleitung der Ionisationsvorrichtung vorteilhafterweise so ausgestaltet werden, dass diese ebenfalls über eine elektrische Kontaktierung des Filtermoduls geschlossen wird, sodass bei fehlendem Filtereinsatz auch die Ionisationsvorrichtung nicht mit der Versorgungseinheit verbunden ist.
Den Erfindern ist es gelungen, für das erfindungsgemäß einzusetzende mehrlagige Filtermedium und dessen einzelne Lagen, insbesondere die Leiterlagen, bevorzugte Ausgestaltungen zu identifizieren.
Bevorzugt ist zunächst eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei die erste Leiterlage ein erstes textiles Flächengebilde, bevorzugt ein zumindest abschnittsweise mit einem elektrisch leitfähigen ersten Material beschichtetes oder imprägniertes erstes textiles Flächengebilde, umfasst, und/oder wobei die zweite Leiterlage ein zweites textiles Flächengebilde, bevorzugt zumindest abschnittsweise mit einem elektrisch leitfähigen zweiten Material beschichtetes oder imprägniertes zweites textiles Flächengebilde, umfasst.
Der Begriff „textiles Flächengebilde“ ist für den Fachmann klar und bezeichnet zweidimensionale Textilerzeugnisse, welche beispielsweise gewebt, gewirkt, vernadelt oder gestrickt sein können. In Übereinstimmung mit dem fachmännischen Verständnis zählen nicht-textile, faserhaltige Flächengebilde, beispielsweise Papier und Pappe, in denen die Fasern bspw. primär durch Bindemittel zusammengehalten werden, nicht zu den textilen Flächengebilden. Auch wenn für die textilen Flächengebilde der Leiterlagen prinzipiell eine große Bandbreite an textilen Flächengebilden in Frage käme, haben die Erfinder insbesondere mit sogenannten „non-woven“ und dabei insbesondere mit Spinnvliesen die besten Leistungscharakteristika erzielen können. Ein entsprechendes textiles Flächengebilde aus einem nicht leitfähigen Material kann dabei in vorteilhafter Weise durch Ausrüstung des textilen Flächengebildes mit einem leitfähigen Material erreicht werden, wobei nach Einschätzung der Erfinder prinzipiell eine Vielzahl an möglichen Verfahren geeignet sind. Bevorzugt ist somit eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei das erste textile Flächengebilde und/oder das zweite textile Flächengebilde, bevorzugt das erste textile Flächengebilde und das zweite textile Flächengebilde, ein Vliesstoff ist, bevorzugt ein Spinnvlies.
Die Unterscheidung zwischen einem elektrisch leitfähigen Material in Abgrenzung zu einem elektrisch isolierenden Material trifft der Fachmann in der Praxis zwanglos und auf Grundlage seines fachmännischen und klaren technischen Verständnisses dieser Begriffe. Insoweit gilt ein Material im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere dann als elektrisch leitfähiges Material, wenn dessen spezifischer elektrischer Widerstand bei 20 °C bei 10⁶ Ω*m oder weniger, bevorzugt bei 10⁵ Ω*m oder weniger, besonders bevorzugt bei 10⁴ Ω*m oder weniger, liegt. Umgekehrt gilt ein Material im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere dann als elektrisch isolierendes Material, wenn dessen spezifischer elektrischer Widerstand bei 20 °C bei 10⁷ Ω*m oder mehr, bevorzugt bei 10⁹ Ω*m oder mehr, besonders bevorzugt bei 10¹¹ Ω*m oder mehr, liegt. Entsprechend sind Metalle und Legierungen aber auch Ruße, wie insbesondere Leitruß, und durch Additive leitfähig gemachte Kunststoffe, elektrisch leitfähige Materialien, wohingegen typische, unmodifizierte Kunststoffe wie PET oder PE ebenso zu den elektrisch isolierenden Materialien zählen wie beispielsweise die meisten Gläser und Keramiken. Der spezifische elektrische Widerstand von Materialien ist eine dem Fachmann gut geläufige Größe, die er für die meisten Materialien einschlägigen Tabellenwerken entnehmen kann. Die Messung des spezifischen elektrischen Widerstands bei anderen Komponenten erfolgt in Übereinstimmung mit der üblichen Praxis entweder gemäß der DIN EN ISO 3915 aus 1999, die insbesondere für besonders leitfähige Materialien zum Einsatz kommt, bzw. gemäß der IEC 60093 aus 1993, die bei hohen spezifischen elektrischen Widerständen eingesetzt wird. Die Frage, welche der beiden Normen einzusetzen ist, richtet sich nach den Vorgaben der beiden Vorschriften sowie den Eigenschaften des jeweiligen untersuchten Materials.
Der Fachmann versteht, dass sich die elektrische Leitfähigkeit von Leiterlagen, beispielsweise der ersten Leiterlage, in vielen Fällen, beispielsweise beim Einsatz von Verbundmaterialien, aus dem Vorliegen von leitfähigen Materialpfaden ergeben kann, die in einem ansonsten weitgehend isolierenden Material verlaufen. So kann es sich beispielsweise bei einem dielektrischen Vlies, dessen Fasern mit einer dünnen Schicht aus Leitruß versehen sind, um eine elektrisch leitfähige Lage handeln, obwohl der makroskopische spezifische Widerstand des Verbundmaterials in Folge des dielektrischen Trägermaterials relativ hoch ist.
Bevorzugt ist überdies zusätzlich oder alternativ eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei das erste textile Flächengebilde und/oder das zweite textile Flächengebilde, bevorzugt das erste textile Flächengebilde und das zweite textile Flächengebilde, zu einem Massenanteil von 80 % oder mehr, bevorzugt zu 90 % oder mehr, besonders bevorzugt zu 95 % oder mehr, ganz besonders bevorzugt im Wesentlichen zu 100 %, aus einem Kunststoff bestehen, bezogen auf die Masse des textilen Flächengebildes, wobei der Kunststoff bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyacrylnitrilen, Polyolefinen, Polyestern und Mischungen dieser Kunststoffe, besonders bevorzugt Polyacrylnitrilen, Polypropylen, Polyethylenterephthalat und Mischungen dieser Kunststoffe, insbesondere bevorzugt Polyethylenterephthalat.
Bevorzugt ist zusätzlich oder alternativ ebenso eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei die erste Leiterlage und/oder die zweite Leiterlage, bevorzugt die erste Leiterlage und die zweite Leiterlage, hergestellt oder herstellbar sind durch Ausrüstung des jeweiligen textilen Flächengebildes, insbesondere des Vliesstoffs, mit dem jeweiligen elektrisch leitfähigen Material mit einem Verfahren, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Imprägnierung, Tauchbeschichtung, insbesondere mit einem Foulardsystem, Sprühbeschichtung, Auftragsbeschichtung, insbesondere mittels einer Dispersion im Kiss-Coat-Verfahren, und Druckbeschichtung.
Bevorzugt ist zusätzlich oder alternativ außerdem eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei das elektrisch leitfähige erste Material und/oder das elektrisch leitfähige zweite Material, bevorzugt das elektrisch leitfähige erste Material und das elektrisch leitfähige zweite Material, ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Metallen, leitfähigen Kunststoffen und Kohlenstoff, bevorzugt Kohlenstoff, insbesondere Ruß oder Graphen, wobei das elektrisch leitfähige Material besonders bevorzugt für die erste Leiterlage und die zweite Leiterlage identisch ist.
Bevorzugt ist zusätzlich oder alternativ zudem eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei die erste Leiterlage und/oder die zweite Leiterlage, bevorzugt die erste Leiterlage und die zweite Leiterlage, in Folge der Beschichtung des jeweiligen textilen Flächengebildes zumindest über 80 % oder mehr der Fläche, bevorzugt über 90 % oder mehr, besonders bevorzugt über 95 % oder mehr, ganz besonders bevorzugt über 98 % oder mehr, insbesondere bevorzugt im Wesentlichen vollflächig, elektrisch leitfähig sind.
Auch wenn die Leiterlagen einen Beitrag zu der Filtrationsleistung der Filtermedien leisten können, insbesondere wenn diese als textile Flächengebilde ausgeführt sind, erachten es die Erfinder als vorteilhaft, wenn die Leiterlagen hinreichend offenporig ausgeführt werden, damit sie in erster Linie den Luftdurchlass durch das Filtermedium möglichst wenig beschränken. Hinsichtlich des Gewichts der Leiterlagen besteht, zumindest beim Einsatz von textilen Flächengebilden, insoweit ein Zielkonflikt zwischen dem Einfluss auf das Gesamtgewicht des Filtermediums sowie einer vorteilhaften stabilisierenden Wirkung der Leiterlagen auf das Filtermedium und damit einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften. Insoweit ist es den Erfindern gelungen, geeignete Flächengewichte für die textilen Flächengebilde zu identifizieren, mit denen sich dieser Zielkonflikt in vorteilhafter Weise lösen lässt. Bevorzugt ist vor diesem Hintergrund eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei die erste Leiterlage und/oder die zweite Leiterlage, bevorzugt die erste Leiterlage und die zweite Leiterlage, bei 200 Pa einen Luftdurchlass im Bereich von 500 bis 30000 L/(m² s), bevorzugt im Bereich von 2000 bis 20000 L/(m² s), aufweisen. Bevorzugt ist zusätzlich oder alternativ auch eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei das erste textile Flächengebilde und/oder das zweite textile Flächengebilde, bevorzugt das erste textile Flächengebilde und das zweite textile Flächengebilde, ein Flächengewicht im Bereich von 5 bis 200 g/m², bevorzugt im Bereich von 10 bis 150 g/m², besonders bevorzugt im Bereich von 15 bis 50 g/m², aufweisen.
Bevorzugt ist bezüglich des allgemeinen Aufbaus des mehrlagigen Filtermedium eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei die Filterlage eine oder mehrere weitere Lagen, bevorzugt zwischen der ersten Leiterlage und der zweiten Leiterlage angeordnete weitere Lagen, umfasst, wobei die Filterlage bevorzugt zwei oder mehr dielektrische Lagen, besonders bevorzugt drei oder mehr dielektrische Lagen, umfasst.
Bevorzugt ist zusätzlich oder alternativ auch eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei zumindest eine der dielektrischen Lagen, bevorzugt sämtliche der dielektrischen Lagen, zu einem Massenanteil von 80 % oder mehr, bevorzugt zu 90 % oder mehr, besonders bevorzugt zu 95 % oder mehr, ganz besonders bevorzugt im Wesentlichen zu 100 %, aus einem dielektrischen Kunststoffmaterial besteht, bezogen auf die Masse der dielektrischen Lage. Besonders bevorzugt ist dabei eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei das dielektrische Kunststoffmaterial ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyolefinen, insbesondere Polytetrafluorethylen, Polytetrafluorethylenpropylen, Polypropylen, und Polyethylen, Polyestern, insbesondere Polyethylenterephthalat, Polycarbonaten, Polyamiden, Polyvinylidenfluorid, Polyacrylnitil, und Polylactiden. Besonders bevorzugt ist zusätzlich oder alternativ eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei das dielektrische Kunststoffmaterial einen spezifischen elektrischen Widerstands bei 20 °C von 10⁷ Ω*m oder mehr, bevorzugt bei 10⁹ Ω*m oder mehr, besonders bevorzugt bei 10¹¹ Ω*m oder mehr, aufweist.
Bevorzugt ist für die überwiegende Zahl der Ausführungsformen eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei zumindest eine der dielektrischen Lagen eine Partikelfilterlage ist, welche ein drittes textiles Flächengebilde umfasst. Besonders bevorzugt ist dabei eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei das dritte textile Flächengebilde ein Vliesstoff ist, wobei das dritte textile Flächengebilde bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Nadelvliesen und Meltblow-Vliesen. Besonders bevorzugt ist zusätzlich oder alternativ eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei die Partikelfilterlage ein Flächengewicht im Bereich von 10 bis 200 g/m², bevorzugt im Bereich von 15 bis 150 g/m², besonders bevorzugt im Bereich von 20 bis 110 g/m², aufweist.
Bevorzugt ist mit Blick auf die mechanische Stabilität eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei zumindest eine der dielektrischen Lagen eine Schutzlage ist, welche ein viertes textiles Flächengebilde umfasst. besonders bevorzugt ist dabei ein erfindungsgemäßes mehrlagiges Filtermedium, wobei das vierte textile Flächengebilde ein Vliesstoff ist, bevorzugt ein Spinnvlies.
Bevorzugt ist zusätzlich oder alternativ eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei die Schutzlage bei 200 Pa einen Luftdurchlass im Bereich von 500 bis 30000 L/(m² s), bevorzugt im Bereich von 2000 bis 20000 L/(m² s), aufweist. Bevorzugt ist zusätzlich oder alternativ auch eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei die Schutzlage ein Flächengewicht im Bereich von 15 bis 400 g/m², bevorzugt im Bereich von 50 bis 200 g/m², aufweist. Bevorzugt ist wiederum zusätzlich oder alternativ eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei die Schutzlage einen oder mehrere Wirkstoffe umfasst, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus antiallergenen Wirkstoffen und bioziden Wirkstoffen.
Besonders bevorzugt ist zusätzlich oder alternativ auch eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei die Schutzlage eine Biegesteifigkeit nach Gurley, bestimmt gemäß ASTM D6125-97 im Bereich von 0,4 bis 40 mN, bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 20 mN, besonders bevorzugt im Bereich von 0,6 bis 10 mN, aufweist.
Bevorzugt ist für die überwiegende Zahl der Ausführungsformen nach Einschätzung der Erfinder zusätzlich oder alternativ auch eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei die Filterlage eine Aktivkohlelage umfasst, wobei die Aktivkohlelage Aktivkohle in einem Massenanteil von 70 % oder mehr umfasst, bezogen auf die Masse der Aktivkohlelage.
Aktivkohle ist dem Fachmann im Bereich der Filtrationstechnik als wichtiger Werkstoff bekannt und von zahlreichen Herstellern kommerziell erhältlich. Bevorzugt ist es, dass die Aktivkohlelage zu einem hohen Massenanteil aus Aktivkohle ausgebildet wird, sodass beispielsweise der Anteil von Fasern oder anderen Trägermaterialien in der Aktivkohlelage möglichst gering gehalten werden sollte. Hierdurch wird ausgehend von den Experimenten der Erfinder eine besonders gute Abscheidewirkung bzw. Reinigungsleistung bei gleichzeitiger Minimierung der Dicke bzw. des Gewichtes erreicht.
Die Erfinder haben insoweit gefunden, dass sich mit möglichst reinen Aktivkohlelagen, welche bevorzugt abgesehen vom Bindemittel im Wesentlichen ausschließlich aus Aktivkohle bestehen, besonders leistungsfähige Filtereinsätze erhalten lassen. Bevorzugt ist entsprechend eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei die Aktivkohlelage Aktivkohle in einem Massenanteil von 80 % oder mehr, bevorzugt 90 % oder mehr, besonders bevorzugt 95 % oder mehr, umfasst, bezogen auf die Masse der Aktivkohlelage. Bevorzugt ist zusätzlich oder alternativ eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei die Aktivkohle in der Aktivkohlelage durch ein Bindemittel fixiert ist. Den Erfindern ist es insoweit gelungen, für die Auswahl der Aktivkohle sowie für die Dimensionierung der Aktivkohlelage besonders bevorzugte Bereiche zu identifizieren, mit denen sich in eigenen Experimenten ausgezeichnete Filterleistungen ergeben haben. Bevorzugt ist nämlich eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei die Aktivkohle partikuläre Aktivkohle ist, wobei die Aktivkohle bevorzugt einen mittleren Durchmesser d50 im Bereich von 0,1 bis 4 mm, bevorzugt im Bereich von 0,2 bis 2 mm, aufweist. Bevorzugt ist zusätzlich oder alternativ auch eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei die Aktivkohle eine spezifische Oberfläche von 500 m²/g oder mehr, bevorzugt von 1000 m²/g oder mehr, besonders bevorzugt von 2000 m²/g oder mehr, aufweist. Bevorzugt ist wiederum zusätzlich oder alternativ eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei die Aktivkohlelage ein Flächengewicht im Bereich von 50 bis 1000 g/m², bevorzugt im Bereich von 100 bis 600 g/m², aufweist.
Unabhängig davon, ob lediglich eine Leiterlage als Teil des Polarisationssystems im Filtereinsatz integriert wird, oder ob beide Polarisationselemente in den Filtereinsatz integriert werden, insbesondere in der Form von zwei Leiterlagen, wird eine Struktur benötigt, welche die für die Polarisation notwendige Spannung, welche von außen an den Filtereinsatz angelegt wird, auf das oder die Polarisationselemente im Filtereinsatz verteilt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird die entsprechende Struktur als elektrisches Kontaktierungssystem bezeichnet, welches dazu eingerichtet ist, die im erfindungsgemäßen Filtereinsatz vorgesehenen Teile des Polarisationssystems, d. h. insbesondere die erste Leiterlage und ggf. die zweite Leiterlage, elektrisch leitend mit einer externen Spannungsquelle zu verbinden, welche beispielsweise Bestandteil eines Fahrzeugmoduls sein kann. Bevorzugt ist dabei eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei die Spannungsquelle eine Hochspannungsquelle ist. Bevorzugt ist zusätzlich oder alternativ hinsichtlich der Positionierung eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei das elektrische Kontaktierungssystem mit der Kaschierung des plissierten Filtermediums verbunden ist, bevorzugt stoffschlüssig.
Das erfindungsgemäß vorzusehende elektrische Kontaktierungssystem kann vom Fachmann gemäß den jeweiligen Anwendungserfordernissen sowie den konstruktiven Vorgaben der Filteranordnung ausgelegt werden. Unabhängig von der spezifischen Ausgestaltung des elektrischen Kontaktierungssystems wird dieses zumeist ein erstes Kontaktierungselement umfassen, welches dafür vorgesehen ist, zu der ersten Leiterlage des mehrlagigen Filtermediums eine elektrisch leitfähige Kontaktierung herzustellen. Für im Wesentlichen alle Ausführungsformen bevorzugt ist dabei ein Filtereinsatz, wobei das elektrische Kontaktierungssystem eine erste Kontaktstelle und eine zweite Kontaktstelle zur Kontaktierung der Spannungsquelle umfasst.
Auch wenn theoretisch sehr einfache Ausgestaltungen des elektrischen Kontaktierungssystems denkbar sind, welche beispielsweise auf den Einsatz von Kabeln zurückgreifen, haben die Erfinder mit Blick auf eine zeit- und kosteneffiziente Fertigung ein besonders vorteilhaftes elektrisches Kontaktierungssystem konzipiert, welches insbesondere durch Verklebung mittels eines elektrisch leitfähigen Kunststoffmaterials besonders effizient mit der oder den Leiterlagen kombiniert werden kann. Nach Einschätzung der Erfinder ist es nämlich besonders vorteilhaft, wenn nicht oder nur im geringen Maße auf klassische elektrische Verkabelung zurückgegriffen wird, sondern das Kontaktierungssystem vielmehr möglichst weitgehend aus solchen Komponenten konzipiert wird, welche aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoff bestehen. Bevorzugt ist entsprechend eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei die elektrisch leitfähigen Komponenten des elektrischen Kontaktierungssystems zumindest teilweise, bevorzugt überwiegend, besonders bevorzugt im Wesentlichen vollständig, durch einen elektrisch leitfähigen Kunststoff gebildet werden. Besonders bevorzugt ist dabei eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei der elektrisch leitfähige Kunststoff des elektrischen Kontaktierungssystems bei 20 °C einen spezifischen elektrischen Widerstand von 10⁴ Ω*m oder weniger, bevorzugt 10⁵ Ω*m oder weniger, besonders bevorzugt 10² Ω*m oder weniger, aufweist.
Nach Einschätzung der Erfinder sollten diese elektrisch leitfähigen Komponenten, welche bevorzugt aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoff bestehen, auf einem bevorzugt dünnen Substrat angeordnet werden, welches als Träger fungiert und es in vorteilhafter Weise ermöglicht, die elektrisch leitfähigen Komponenten des elektrischen Kontaktierungssystems vor der Anbringung an dem erfindungsgemäß einzusetzenden Filtereinsatz zusammenzustellen und während des Herstellungsverfahrens in lediglich einem einzelnen Schritt zu applizieren, beispielsweise auf die seitliche Kaschierung des Filtereinsatzes. Bevorzugt ist demnach eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei die elektrisch leitfähigen Komponenten des elektrischen Kontaktierungssystems, auf einem Substrat und/oder in einem Substrat angeordnete leitfähige Komponenten sind. Bevorzugt ist zusätzlich oder alternativ eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei das Substrat ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus elektrisch isolierenden Folien, bevorzugt Kunststofffolien, wobei die mittlere Dicke des Substrates bevorzugt im Bereich von 20 bis 500 µm, besonders bevorzugt im Bereich von 80 bis 150 µm, liegt.
Die Verwendung eines dünnen Substrates, insbesondere einer Folie, in Kombination mit aus Kunststoff ausgebildeten leitfähigen Komponenten, erlaubt es in vorteilhafter Weise, das elektrische Kontaktierungssystem nicht nur besonders platzsparend und gewichtsarm auszuführen, sondern resultiert in einem elektrischen Kontaktierungssystem mit einer hohen Flexibilität, bei dem das Substrat und die darauf liegenden leitfähigen Komponenten besonders leicht an die strukturellen Erfordernisse des erfindungsgemäß einzusetzenden Filtereinsatzes angepasst werden können.
In den Experimenten der Erfinder hat sich insbesondere gezeigt, dass ein entsprechendes elektrisches Kontaktierungssystem in vorteilhafter Weise auf das Substrat gedruckt werden kann, wobei zumindest theoretisch auch andere additive Fertigungsverfahren in Frage kämen. Bevorzugt ist somit eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei das elektrische Kontaktierungssystem herstellbar ist durch Bedrucken des Substrates mit einem elektrisch leitfähigen Material, bevorzugt einem elektrisch leitfähigen Kunststoff, wobei das Bedrucken bevorzugt ein Siebdruckverfahren ist.
Insbesondere mit additiven Fertigungsverfahren lässt sich in vorteilhafter Weise ein elektrisches Kontaktierungssystem erhalten, welches lediglich einseitig mit den elektrisch leitfähigen Komponenten versehen ist und infolgedessen eine Unterseite aufweist, deren Eigenschaften weitgehend von dem des Substrates beeinflusst werden, welches vorteilhafter Weise als elektrisch isolierendes Substrat ausgeführt werden kann. Bevorzugt ist hinsichtlich der Anbringung somit eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei das elektrische Kontaktierungssystem die elektrisch leitfähigen Komponenten des elektrischen Kontaktierungssystems zumindest teilweise, bevorzugt überwiegend, besonders bevorzugt im Wesentlichen vollständig, bevorzugt zumindest die Kontaktstellen und die Kontaktierungselemente, auf der gleichen Seite des Substrates umfasst.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird das Substrat als vergleichsweise dünne Folie ausgeführt, in deren Zentralbereich wesentliche Elemente des elektrischen Kontaktierungssystems angeordnet werden, beispielsweise die Kontaktstellen für die externe Spannungsquelle oder auch ein etwaiger Spannungsteiler. Die Erfinder schlagen vor, dass seitlich flügelartige bzw. laschenartige Vorsprünge ausgebildet werden können, auf denen die Kontaktierungselemente aufgebracht werden, welche für das Kontaktieren der Leiterlagen vorgesehen sind. Bei Anbringung eines solchen Kontaktierungssystems auf die seitliche Kaschierung eines erfindungsgemäßen Filtereinsatzes lassen sich die flügelartigen Laschen besonders leicht umschlagen, sodass diese jeweils die Leiterlage kontaktieren und anschließend beispielsweise mit einem elektrisch leitfähigen Klebstoff derart verklebt werden können, dass eine stoffschlüssige Verbindung durch das Kunststoffmaterial hergestellt wird, ohne dass diese Verbindung durch zu starke mechanische Spannungen erschwert wird. Bevorzugt ist entsprechend eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei das erste Kontaktierungselement und/oder das zweite Kontaktierungselement, bevorzugt das erste Kontaktierungselement und das zweite Kontaktierungselement auf seitlich abstehenden Vorsprüngen des Substrats angeordnet sind, wobei die seitlich abstehenden Vorsprünge bevorzugt einen Deformationsbereich und einen Kontaktbereich aufweisen, wobei der Kontaktbereich quer zur Längsrichtung des Filtereinsatzes bevorzugt breiter ist als der Deformationsbereich. Besonders bevorzugt ist dabei eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei die seitlich abstehenden Vorsprünge L-förmig ausgebildet sind. Besonders bevorzugt ist dabei zusätzlich oder alternativ ein erfindungsgemäßer Filtereinsatz, wobei die seitlich abstehenden Vorsprünge im Deformationsbereich reversibel und zerstörungsfrei deformierbar, insbesondere biegbar, ausgeführt sind.
Die erfindungsgemäß einzusetzenden Filtereinsätze sind dafür vorgesehen, in der erfindungsgemäßen Filteranordnung mit der Ionisationsvorrichtung kombiniert zu werden. Die für die Ionisation benötigte Spannung wird dabei regelmäßig deutlich höher liegen als die für die Polarisation notwendige bzw. maximal anlegbare Polarisationsspannung, welche insbesondere bei der Integration beider Polarisationselemente in das mehrlagige Filtermedium durch die Spannung limitiert wird, bei der es zu einem unerwünschten Durchschlagen kommt. Eine denkbare Lösung wäre es, für die Ionisationsvorrichtung und den Filtereinsatz verschiedenen Spannungsquellen vorzusehen. Die Erfinder haben jedoch erkannt, dass eine solche Bereitstellung separater Hochspannungsquellen in vielen Fällen nicht möglich bzw. mit einem hohen apparativen Aufwand verbunden ist, sodass eine entsprechende Ausgestaltung weniger bevorzugt ist. Hierfür wird vorgeschlagen, das elektrische Kontaktierungssystem als Spannungsteiler auszuführen, mit dem eine von der Ionisationsvorrichtung übernommene Spannung an die Anforderungen des Filtereinsatzes abgestimmt werden kann. Bevorzugt ist somit eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei das elektrische Kontaktierungssystem ein Spannungsteiler ist. Hierfür kann das elektrische Kontaktierungssystem Kontaktstellen aufweisen, die dafür vorgesehen sind, unmittelbar oder indirekt über die Ionisationsvorrichtung mit einer elektrischen Potentialdifferenz kontaktiert zu werden, die auf die Ionisationsvorrichtung ausgelegt ist. Zwischen diesen Kontaktstellen wird eine Widerstandsstrecke vorgesehen, welche bevorzugt eine mäandernde-Kontur aufweist. Die auf das erste Kontaktierungselement bzw. gegebenenfalls das zweite Kontaktierungselement entfallende Spannung kann in vorteilhafter Weise über die Positionierung des Kontaktierungselementes entlang dieser Widerstandsstrecke eingestellt werden, sodass beispielsweise zwischen den zwei kontaktierten Leiterlagen nur eine im Vergleich mit der Ionisationsvorrichtung verringerte Spannung anliegt. Bevorzugt ist vor diesem Hintergrund eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei in dem elektrischem Kontaktierungssystem die erste Kontaktstelle elektrisch leitend über eine Widerstandsstrecke mit der zweiten Kontaktstelle verbunden ist, wobei das erste Kontaktierungselement zwischen der ersten Kontaktstelle und der zweiten Kontaktstelle elektrisch leitend mit der Widerstandsstrecke verbunden ist und wobei das zweite Kontaktierungselement elektrisch leitend mit der zweiten Kontaktstelle verbunden ist. Bevorzugt ist zusätzlich oder alternativ ebenfalls eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei die Widerstandsstrecke mäanderförmig ausgebildet ist. Bevorzugt ist zusätzlich oder alternativ überdies eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei das erste Kontaktierungselement und/oder das zweite Kontaktierungselement, bevorzugt das erste Kontaktierungselement und das zweite Kontaktierungselement, so mit der Widerstandsstrecke verbunden sind, dass die Kontaktfläche zwischen der Widerstandsstrecke und dem Kontaktierungselement größer ist als der Querschnitt der Widerstandsstrecke orthogonal zur Längsrichtung der Widerstandsstrecke. Bevorzugt ist zusätzlich oder alternativ zudem eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei das zweite Kontaktierungselement nicht zwischen der ersten Kontaktstelle und der zweiten Kontaktstelle elektrisch leitend mit der Widerstandsstrecke verbunden ist.
In besonders bevorzugten Ausgestaltungen kann neben den elektrisch leitfähigen Komponenten des Kontaktierungssystems auf dem Substrat auch noch eine maschinenlesbare Information, beispielsweise in der Form eines QR-Codes vorgesehen werden. Insbesondere wenn das elektrische Kontaktierungssystem auf der seitlichen Kaschierung des Filtereinsatzes angebracht wird, ist dieses von außen besonders leicht zu lesen. Hierdurch ist es möglich, dem Kunden oder dem Werkstattbetrieb wichtige Informationen über die Handhabung und/oder den Einbau entsprechender Filtereinsätze bereitzustellen. Darüber hinaus ist es möglich, auf die maschinenlesbare Informationsmarkierung bereits im Zuge der Fertigung der Filtereinsätze zurückzugreifen, beispielsweise wenn die darin hinterlegte Information Anweisungen über die Steuerung der Vorrichtungen und/oder die Materialauswahl umfasst. Bevorzugt ist eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei das elektrische Kontaktierungssystem eine maschinenlesbare Informationsmarkierung umfasst, bevorzugt einen Matrix-Code oder einen QR-Code, wobei die maschinenlesbare Informationsmarkierung Informationen und/oder Arbeitsanweisungen über die Applikationsposition des elektrischen Kontaktierungssystems im Filtereinsatz und/oder die Verfahrensparameter zur Verbindung der Kontaktelemente mit den entsprechenden Leiterlagen mittels eines entsprechenden Klebstoffs umfasst.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen ist das Filtermodul aus Ionisationsvorrichtung und Filtereinsatz darauf ausgelegt, über nur eine spannungsquelle versorgt zu werden, bevorzugt durch einen wie vorstehend beschriebenen Spannungsteiler im elektrischen Kontaktierungssystem. Der zur Versorgung der Ionisationsvorrichtung benötigte Strom kann in dieser Ausgestaltung des Filtermoduls im Filtermodul über einen Spannungsteiler abgegriffen und auf die Anforderungen der Polarisation abgestimmt werden. In diesem Fall handelt es sich um eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei die Filteranordnung zur Versorgung der Ionisationsvorrichtung einen ersten Teilstromkreis umfasst, wobei die Filteranordnung für die Polarisation des Filtereinsatzes über das erste Polarisationselement und das zweite Polarisationselement einen zweiten Teilstromkreis umfasst,
wobei der erste Teilstromkreis und der zweite Teilstromkreis über ein erstes Kontaktierungsbauteil und ein zweites Kontaktierungsbauteil des elektrischen Kontaktierungssystems miteinander elektrisch leitend verbunden sind, wobei das elektrische Kontaktierungssystem einen Spannungsteiler umfasst, wobei der Spannungsteiler dazu eingerichtet ist, dass eine am ersten Teilstromkreis anliegenden Spannung U1 im zweiten Teilstromkreis eine anliegende Spannung U2 verursacht, wobei U1 größer ist als U2.
Insbesondere wenn die Ionisationsvorrichtung und der Filtereinsatz als separierbare Elemente eines mehrteiligen Filtermoduls ausgeführt werden erfordert die vorstehende Ausführung mit Teilstromkreisen eine interne Kontaktierung im Filtermodul, beispielsweise indem die Kontaktierungsbauteile von der Ionisationsvorrichtung zum Filtereinsatz geführt werden, um dort das elektrische Kontaktierungssystem zu kontaktieren. Für diesen Fall schlagen die Erfinder vor, dass sich die interne Kontaktierung in vorteilhafter Art und Weise ebenfalls durch einen elektrisch leitfähigen elastomeren Kunststoff realisieren lässt, wobei dieser bevorzugt wie vorstehend als bevorzugt bezeichnet ausgeführt wird. Bevorzugt ist entsprechend eine erfindungsgemäße Filteranordnung, wobei das erste Kontaktierungsbauteil und/oder das zweite Kontaktierungsbauteil einen elektrisch leitfähigen elastomeren Kunststoff umfasst oder daraus besteht, wobei der elastomere Kunststoff bei 20 °C einen spezifischen elektrischen Widerstand von 10⁵ Ω*m oder weniger aufweist.
Die Erfindung betrifft auch ein Fahrzeugmodul für den Einsatz in einer erfindungsgemäßen Filteranordnung, umfassend:

i) einen Aufnahmeraum zur Aufnahme eines Filtermoduls, wobei der Aufnahmeraum abschnittsweise von einer Wandung umgeben ist und eine Einführöffnung zur Einführung des Filtermoduls in den Aufnahmeraum aufweist,
ii) eine Versorgungseinheit, wobei die Versorgungseinheit dazu eingerichtet ist, eine elektrische Spannung an einen im Aufnahmeraum angeordnetes Filtermodul bereitzustellen,

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Die Erfindung betrifft auch ein Filtermodul, insbesondere einen elektrostatischen Abscheider mit Filterfunktionalität, für den Einsatz in einer erfindungsgemäßen Filteranordnung umfassend:

II.i) eine Ionisationsvorrichtung zur Ionisation von Bestandteilen des zu filternden Fluids,
II.ii) einen Filtereinsatz, umfassend ein mehrlagiges Filtermedium, umfassend als erstes Polarisationselement eine elektrisch leitfähige erste Leiterlage und eine Filterlage, wobei die Filterlage zumindest eine dielektrische Lage umfasst, und
II.iii) ein elektrisches Kontaktierungssystem zur Verbindung der Ionisationsvorrichtung und/oder des Filtereinsatzes mit einer Versorgungseinheit eines Fahrzeugmoduls,

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Nachfolgend werden die Erfindung und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren näher erläutert und beschrieben. In den Figuren zeigen dabei:

1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Filteranordnung in einer bevorzugten Ausführungsform;
2 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäß einsetzbaren Filtermoduls in einer bevorzugten Ausführungsform; und
3 eine schematische Darstellung eines Deckelelements einer bevorzugten erfindungsgemäßen Filteranordnung in einer bevorzugten Ausführungsform.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Filteranordnung 10 in einer vereinfachten Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform.
Die dargestellte Filteranordnung 10 ist ein Fahrzeugluftfilter und umfasst ein Fahrzeugmodul 12, welches einen von einer Wandung begrenzten Aufnahmeraum 16 und eine Versorgungseinheit 18 mit einer Hochspannungsquelle umfasst. Der Aufnahmeraum 16 ist mit einem Deckelelement 40 verschließbar und im geschossenen Zustand nur über die Fluideinlässe zugänglich, über die das zu filternde Fluid in den Aufnahmeraum 16 gelangen kann, was durch die breiten Pfeile angedeutet wird.
Im Aufnahmeraum 16 ist ein Filtermodul 14 zur Filterung des zu filternden Fluids angeordnet, welches als einstückiges Filtermodul 14 ausgeführt ist und welches nach Öffnen des Deckelelements 40 reversibel und zerstörungsfrei aus dem Aufnahmeraum 16 entnommen werden kann.
Das Filtermodul 14 umfasst auf der Anströmseite eine Ionisationsvorrichtung 20 zur Ionisation von Bestandteilen des zu filternden Fluids mittels Corona-Entladung. In Strömungsrichtung hinter der Ionisationsvorrichtung 20 ist ein Filtereinsatz 22 angeordnet, welcher ein plissiertes und kaschiertes mehrlagiges Filtermedium 24 umfasst.
In dem gezeigten Beispiel der 1 durchströmt das zu filternde Fluid dabei zunächst die erste Leiterlage 28, welche als erstes Polarisationselement 26 fungiert und zusammen mit der zweiten Leiterlage 42, welche das zweite Polarisationselement 34 bildet, dazu dient, die zwischen der ersten Leiterlage 28 und der zweiten Leiterlage 42 angeordnete Filterlage 30 zu polarisieren. Im bevorzugten Beispiel der 1 ist die Filterlage 30 dabei wiederum als mehrlagige Filterlage 30 ausgeführt, welche neben einer dielektrischen Partikelfilterlage auch eine Aktivkohle-reiche Aktivkohlelage sowie eine zwischen der Partikelfilterlage und der Aktivkohlelage angeordnete zusätzliche dielektrische Schutzlage umfasst. Sowohl die erste Leiterlage 28 als auch die zweite Leiterlage 42 und die Filterlage 30 sind im gezeigten Beispiel als textile Flächen gebildet, nämlich Vliesstoffe ausgeführt, wobei die elektrische Leitfähigkeit der ersten Leiterlage 28 und der zweiten Leiterlage 42 jeweils durch eine Leitruß-haltige Beschichtung realisiert wird.
Die erste Leiterlage 28 und die zweite Leiterlage 42 sind über ein elektrisches Kontaktierungssystem 32 elektrisch kontaktiert, so dass zwischen diesen eine elektrische Spannung angelegt werden kann, in deren Folge ein elektrisches Feld ausgebildet wird, welches die dielektrischen Lagen der Filterlage 30 polarisieren kann.
Sowohl der Filtereinsatz 22 als auch die Ionisationsvorrichtung 20 werden über die fahrzeugseitige Versorgungseinheit 18 mit elektrischer Energie versorgt, wobei die dafür notwendige Kontaktierung in einem Kontaktbereich 44 erfolgt, welcher in 2 deutlicher gezeigt ist. Die elektrische Kontaktierung erfolgt über ein erstes Kontaktelement 36 und ein zweites Kontaktelement 38, welche jeweils mittels einer form- und kraftschlüssigen Verbindung in der Wandung des Aufnahmeraums 16 befestigt und entsprechend fahrzeugseitig fixiert sind. Das erste Kontaktelement 36 und das zweite Kontaktelement 38 sind gleichartig ausgebildet und bestehen jeweils im Wesentlichen vollständig aus einem elektrisch leitfähigen thermoplastischen Elastomer (TPE), welches bei 20 °C einen spezifischen elektrischen Widerstand von etwa 10 Ω*m aufweist. In Folge des elastomeren Charakters der Kontaktelemente kann das Filtermodul 14 im Aufnahmeraum 16 effizient vorgespannt und dadurch zusätzlich fixiert werden.
2 zeigt ein bevorzugtes Filtermodul 14 mit einer bevorzugten Ionisationsvorrichtung 20 und einem Filtereinsatz 22, welcher ein plissiertes mehrlagiges Filtermedium 24 umfasst, welches mit einer Kaschierung 46 versehen ist. Auf der seitlichen Kaschierung 46 ist ein elektrisches Kontaktierungssystem 32 angebracht, welches einen aus leitfähigen Kunststoff auf ein isolierendes Foliensubstrat gedruckten Spannungsteiler umfasst, dessen umgeschlagene Laschen die erste Leiterlage 28 und die zweite Leiterlage 42 elektrisch kontaktieren.
Die Ionisationsvorrichtung 20 kann auf den Filtereinsatz 22 aufgesetzt werden, so dass die dargestellten Kontaktierungsbauteile im vorderen Teil der Ionisationsvorrichtung 20 auf die entsprechenden Kontaktstellen des elektrischen Kontaktierungssystems 32 kontaktiert, wobei die Kontaktierungsbauteile bevorzugt ebenfalls aus dem elektrisch leitfähigen thermoplastischen Elastomer ausgebildet sind. In dieser Anordnung ist es möglich, dass Filtermodul 14 über die Versorgungseinheit 18 mit lediglich einer auf die Ionisationsvorrichtung 20 abgestimmten Hochspannung zu versorgen, während die für die Polarisation benötigte Spannung über den Spannungsteiler eingestellt werden kann.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Deckelelements 40 einer bevorzugten erfindungsgemäßen Filteranordnung 10 in einer bevorzugten Ausführungsform, in der nämlich die Versorgungseinheit 18 deckelseitig angeordnet ist (nicht gezeigt). Entsprechend umfasst das Deckelelement 40 auch das erste Kontaktelement 36 und das zweite Kontaktelement 38, wobei die beispielhafte Ausführungsform der 3 dazu ausgelegt ist, unmittelbar das elektrische Kontaktierungssystem 32 des Filtereinsatzes 22 zu kontaktieren (was durch gestrichelte Pfeile angedeutet ist). Hieraus folgt, dass die Versorgung der Ionisationsvorrichtung 20 durch eine separate Stromversorgung erfolgt, die beispielsweise wiederum im hinteren Teil des Aufnahmeraums 16 angeordnet werden kann.
Bezugszeichen

10: Filteranordnung
12: Fahrzeugmodul
14: Filtermodul
16: Aufnahmeraum
18: Versorgungseinheit
20: Ionisationsvorrichtung
22: Filtereinsatz
24: mehrlagiges Filtermedium
26: erstes Polarisationselement
28: erste Leiterlage
30: Filterlage
32: elektrisches Kontaktierungssystem
34: zweites Polarisationselement
36: erstes Kontaktelement
38: zweites Kontaktelement
40: Deckelelement
42: zweite Leiterlage
44: Kontaktbereich
46: Kaschierung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2007/135232 A1 [0006]
EP 3 448 540 B1 [0006]
WO 2023/012166 A1 [0047]

Claims

Filteranordnung (10), umfassend: I) ein Fahrzeugmodul (12) zur Aufnahme eines Filtermoduls (14) umfassend: I.i) einen Aufnahmeraum (16) zur Aufnahme eines Filtermoduls (14), wobei der Aufnahmeraum (16) abschnittsweise von einer Wandung umgeben ist und eine Einführöffnung zur Einführung des Filtermoduls (14) in den Aufnahmeraum (16) aufweist, I.ii) eine Versorgungseinheit (18), wobei die Versorgungseinheit dazu eingerichtet ist, eine elektrische Spannung an ein im Aufnahmeraum (16) angeordnetes Filtermodul (14) bereitzustellen, und II) ein im Aufnahmeraum (16) des Fahrzeugmoduls (12) angeordnetes Filtermodul (14), umfassend: II.i) eine Ionisationsvorrichtung (20) zur Ionisation von Bestandteilen eines zu filternden Fluids, II.ii) einen Filtereinsatz (22), umfassend ein mehrlagiges Filtermedium (24), umfassend als erstes Polarisationselement (26) eine elektrisch leitfähige erste Leiterlage (28) und eine Filterlage (30), wobei die Filterlage (28) zumindest eine dielektrische Lage umfasst, und II.iii) ein elektrisches Kontaktierungssystem (32) zur Verbindung der Ionisationsvorrichtung (18) und/oder des Filtereinsatzes (22) mit der Versorgungseinheit (18), wobei die Filteranordnung (10) als Bestandteil des Fahrzeugmoduls (12) oder des Filtermoduls (14) ein zweites Polarisationselement (34) umfasst, wobei die Filteranordnung (10) dazu eingerichtet ist, dass mittels der von der Versorgungseinheit (18) bereitgestellten elektrischen Spannung zwischen dem ersten Polarisationselement (26) und dem zweiten Polarisationselement (34) ein auf die dielektrische Lage wirkendes elektrisches Feld erzeugt werden kann, wobei die elektrische Verbindung zwischen der Versorgungseinheit (18) und dem im Aufnahmeraum (16) angeordneten Filtermodul (14) zumindest teilweise über ein erstes Kontaktelement (36) und/oder ein zweites Kontaktelement (38) erfolgt, wobei das erste Kontaktelement (36) und/oder das zweite Kontaktelement (38) ein elektrisch leitfähiges elastomeres Kunststoffmaterial umfasst oder daraus besteht, wobei das elastomere Kunststoffmaterial bei 20 °C einen spezifischen elektrischen Widerstand von 10⁵ Ω*m oder weniger aufweist.
Filteranordnung (10) nach Anspruch 1, wobei das erste Kontaktelement (36) und das zweite Kontaktelement (38) Bestandteil des Filtermoduls (14) sind.
Filteranordnung (10) nach Anspruch 1, wobei das erste Kontaktelement (36) und das zweite Kontaktelement (38) Bestandteil des Fahrzeugmoduls (12) sind.
Filteranordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Fahrzeugmodul (12) zusätzlich umfasst: iii) ein Deckelelement (40) zum Verschließen der Einführöffnung.
Filteranordnung (10) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei das erste Kontaktelement (36) und/oder das zweite Kontaktelement (38) in der von der Einführöffnung abgewandten Seite der Wandung angeordnet sind.
Filteranordnung (10) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei das erste Kontaktelement (36) und/oder das zweite Kontaktelement (38) im Deckelelement (40) angeordnet sind.
Filteranordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das erste Kontaktelement (36) und/oder das zweite Kontaktelement (38) formschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig im Fahrzeugmodul (12) oder Filtermodul (14) fixiert sind.
Filteranordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das elastomere Kunststoffmaterial bei 20 °C einen spezifischen elektrischen Widerstand von 10⁵ Ω*m oder weniger aufweist.
Fahrzeugmodul (12) für den Einsatz in einer Filteranordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend: i) einen Aufnahmeraum (16) zur Aufnahme eines Filtermoduls (14), wobei der Aufnahmeraum (16) abschnittsweise von einer Wandung umgeben ist und eine Einführöffnung zur Einführung des Filtermoduls (14) in den Aufnahmeraum (16) aufweist, ii) eine Versorgungseinheit (18), wobei die Versorgungseinheit (18) dazu eingerichtet ist, eine elektrische Spannung an einen im Aufnahmeraum (16) angeordnetes Filtermodul (14) bereitzustellen, wobei die Versorgungseinheit (18) für die elektrische Kontaktierung des im Aufnahmeraum (16) angeordneten Filtermoduls (14) zumindest ein erstes Kontaktelement (36) und ein zweites Kontaktelement (38) umfasst, wobei das erste Kontaktelement (36) und/oder das zweite Kontaktelement (38) ein elektrisch leitfähiges elastomeres Kunststoffmaterial umfasst oder daraus besteht, wobei das elastomere Kunststoffmaterial bei 20 °C einen spezifischen elektrischen Widerstand von 10⁵ Ω*m oder weniger aufweist.
Filtermodul (14) für den Einsatz in einer Filteranordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 umfassend: II.i) eine Ionisationsvorrichtung (18) zur Ionisation von Bestandteilen eines zu filternden Fluids, II.ii) einen Filtereinsatz (22), umfassend ein mehrlagiges Filtermedium (24), umfassend als erstes Polarisationselement (26) eine elektrisch leitfähige erste Leiterlage (28) und eine Filterlage (30), wobei die Filterlage (30) zumindest eine dielektrische Lage umfasst, und II.iii) ein elektrisches Kontaktierungssystem (32) zur Verbindung der Ionisationsvorrichtung (20) und/oder des Filtereinsatzes (22) mit einer Versorgungseinheit (18) eines Fahrzeugmoduls (12), wobei das elektrische Kontaktierungssystem (32) für die elektrische Kontaktierung einer in einem Fahrzeugmodul (12) eingesetzten Versorgungseinheit (18) zumindest ein erstes Kontaktelement (36) und ein zweites Kontaktelement (38) umfasst, wobei das erste Kontaktelement (36) und/oder das zweite Kontaktelement (38) ein elektrisch leitfähiges elastomeres Kunststoffmaterial umfasst oder daraus besteht, wobei das elastomere Kunststoffmaterial bei 20 °C einen spezifischen elektrischen Widerstand von 10⁵ Ω*m oder weniger aufweist.