DE102007032060B4 - Wärmebeständiges Filterelement mit Beschichtung und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Wärmebeständiges Filterelement mit Beschichtung und Verfahren zu dessen Herstellung Download PDF

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Abstract

Wärmebeständiges, durchströmungsporöses, eigenstabiles Filterelement, aufweisend:
(a) einen eigenstabilen Grundkörper (4), der mit hohlen Glaskügelchen und/oder hohlen Keramikkügelchen (10), die durch duroplastischen Kunststoff (12) zusammengehalten sind, aufgebaut ist;
(b) und eine Beschichtung (6) mit kleinerer Porengröße als der Grundkörper (4) auf der Zuströmoberfläche des Grundkörpers (4), welche Beschichtung (6) mit Glaskügelchen (14), die durch duroplastischen Kunststoff zusammengehalten sind, aufgebaut ist.

Description

  • Gegenstand der Erfindung ist ein wärmebeständiges, durchströmungsporöses eigenstabiles Filterelement, aufweisend:
    1. (a) einen eigenstabilen Grundkörper, der mit hohlen Glaskügelchen und/oder hohlen Keramikkügelchen, die durch duroplastischen Kunststoff zusammengehalten sind, aufgebaut ist;
    2. (b) und eine Beschichtung mit kleinerer Porengröße als der Grundkörper auf der Zuströmoberfläche des Grundkörpers, welche Beschichtung mit Glaskügelchen, die durch duroplastischen Kunststoff zusammengehalten sind, aufgebaut ist.
  • Durchströmungsporöse, eigenstabile Filterelemente mit einem Grundkörper, der aus miteinander verbundenen Teilchen aufgebaut ist, sind in einer Vielzahl von Ausführungen Stand der Technik, wie es sich insbesondere aus veröffentlichten Patentanmeldungen der Anmelderin ergibt. Bei einem Großteil dieser Filterelemente ist der Grundkörper aus miteinander versinterten Polyethylenteilchen aufgebaut. Die Dauereinsatztemperatur derartiger Filterelemente liegt unter 80°C.
  • Es ist auch ein Filterelement bekannt, bei dem der Grundkörper mit hohlen Glaskügelchen und/oder hohlen Keramikkügelchen, die durch duroplastischen Kunststoff zusammengehalten sind, aufgebaut ist ( WO 2005/053818 A1 bzw. DE 10357197 A1 ). Dieses bekannte Filterelement ist bei Dauereinsatztemperaturen einsetzbar, die deutlich oberhalb normaler Umgebungstemperaturen liegen (50 bis 200°C).
  • Die in der vorliegenden Anmeldung benannten Erfinder haben herausgefunden, dass das Filterelement gemäß WO 2005/053818 A1 relativ Beschädigungs-empfindlich ist, wenn im zu filternden Rohgas abrasive Teilchen oder gar gröbere, womöglich scharfkantige oder spitze Teile enthalten sind. Die hohlen Glaskügelchen oder Keramikkügelchen sind der lokalen Beanspruchung durch - zuweilen mit erheblicher Geschwindigkeit - heranfliegende Teilchen oder Teile nicht gewachsen und kollabieren. Das gilt auch, wenn auf der Zuströmoberfläche eine Beschichtung der in WO 2005/053818 A1 beschriebenen Art vorhanden ist, weil die Teilchen bzw. Teile entweder die Beschichtung durchschlagen oder durch die Beschichtung hindurch zu hohe, lokale Aufprallkräfte auf den Grundkörper ausüben. Wenn der Grundkörper erst einmal lokal beschädigt ist, schreitet seine Zerstörung bei dem fortgesetzten Einsatz des Filterelements weiter voran. Weiterer Stand der Technik ist der WO 98/ 07 495 A1 entnehmbar.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Filterelement verfügbar zu machen, welches trotz des Aufbaus mit relativ Aufprall-empfindlichen Hohlkügelchen nicht in der Gefahr ist, durch auf der Zuströmseite anfliegende Teilchen oder Teile beschädigt zu werden und eine gute Kombination von Auftreff-Unempflindlichkeit und Oberflächenfiltration (d.h. ausgefilterte Teilchen werden von der Beschichtung abgefangen und dringen praktisch nicht zu dem Grundkörper vor) besitzt.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe weist das erfindungsgemäße Filterelement auf der Zuströmoberfläche des Grundkörpers eine Beschichtung auf, die mit Glaskügelchen, die durch duroplastischen Kunststoff zusammengehalten sind, aufgebaut ist.
  • Die in der vorliegenden Anmeldung benannten Erfinder haben herausgefunden, dass diese Beschichtung einerseits eine sehr wirksame „Panzerung“ der äußeren Oberfläche des Grundkörpers darstellt, wobei auch eine Rolle spielt, dass der Verbund aus Glaskügelchen der Beschichtung und duroplastischem Kunststoff eine gewisse Dämpfungswirkung bei auftreffenden Teilchen bzw. Teilen hat. Schäden durch auftreffende Teilchen bzw. Teile, wie sie vorstehend geschildert worden sind, werden mit der erfindungsgemäßen Beschichtung nicht mehr beobachtet. Andererseits führt die erfindungsgemäße Beschichtung dazu, dass das Filterelement sehr gut nach dem Prinzip der Oberflächenfiltration arbeitet. Ausgefilterte Teilchen bleiben an der Außenseite der Beschichtung haften und dringen höchstens ein sehr kurzes Stück in die Beschichtung ein, ohne bis zu dem Grundkörper vorzudringen. Die Beschichtung lässt sich sehr gut nach dem Gegenstrom-Jetimpuls-Verfahren abreinigen. Bei den Glaskügelchen der Beschichtung handelt es sich vorzugsweise um massive, nicht-hohle Glaskügelchen.
  • Sowohl bei dem Grundkörper als auch bei der Beschichtung ist die Ausdrucksweise „mit Kügelchen aufgebaut“ gewählt worden, um zum Ausdruck zu bringen, dass die jeweiligen Kügelchen (und der Kunststoff) nicht die ausschließlichen Bestandteile des Grundkörpers bzw. der Beschichtung sein müssen. Es gibt Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Filterelements, bei denen noch weitere Bestandteile vorhanden sind, z.B. Rußteilchen als Antistatikzusatz oder Fasern zur Verstärkung. In den meisten Fällen sind jedoch die Kügelchen und der Kunststoff die bei weitem hauptsächlichen Bestandteile des Grundkörpers bzw. der Beschichtung, in aller Regel zu mehr als 95 Gew-%.
  • Bei darauf abgestimmter Wahl des Kunststoffs bzw. der Kunststoffe für den Grundkörper und für die Beschichtung lässt sich erreichen, dass das Filterelement eine Dauereinsatztemperatur hat, die eine Temperatur im Bereich von 50 bis 200°C ist oder im Bereich von 50 bis 150°C ist oder im Bereich von 80 bis 150°C ist, oder im Bereich von 100 bis 150°C ist. Mit der Ausdrucksweise z.B. „Dauereinsatztemperatur, die eine Temperatur im Bereich von 50 bis 200°C ist“ soll gerade nicht zum Ausdruck gebracht werden, dass das Filterelement bis zur Maximaltemperatur von 200°C dieses Bereichs dauereinsetzbar ist. Es soll vielmehr ausgesagt werden, dass es Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Filterelements gibt, die eine Dauereinsatztemperatur von z.B. 80°C (aber nicht darüber) haben, also irgendwo im Inneren des genannten Bereichs sind.
  • Bevorzugte Kunststoffe für den Grundkörper und/oder die Beschichtung sind Epoxidharz, Phenolharz, Polyesterharz, Melaminharz, Siliconharz, Urethanharz. Vorzugsweise wird der gleiche Kunststoff für den Grundkörper und für die Beschichtung eingesetzt, aber dies ist keineswegs zwingend. Bevorzugte Bereiche oder Grenzen für die Größe (in der Praxis vereinfachend häufig „Durchmesser“ genannt) der Kügelchen des Grundkörpers und der Kügelchen der Beschichtung sind in den Ansprüchen 5, 6, 7 angegeben. Bei der Größe der Kügelchen des Grundkörpers strebt man einen guten Kompromiss zwischen guter Festigkeit des Grundkörpers (was bei kleinen Kügelchen leichter als bei großen ist) und geringem Durchströmungs-Druckverlust (der bei großen Kügelchen kleiner ist) an. Bei der Beschichtung strebt man einen guten Kompromiss zwischen guter Panzerungswirkung und guter Oberflächenfiltrationswirkung (was in Richtung zu kleineren Kügelchen weist) und geringem Druckverlust (was in Richtung zu größeren Kügelchen weist) an. Bevorzugte Bereiche für das Gewichtsverhältnis zwischen den betreffenden Kügelchen und dem Kunststoff sind in Anspruch 8 angegeben. Man sieht, dass das Gewicht der Kügelchen ein Mehrfaches des Gewichts des Kunststoffs ist.
  • Bei aus vereinigten Teilchen aufgebauten Filterelement-Grundkörpern hat man bisher bei der Beschichtung darauf geachtet, lediglich die an der Zuströmoberfläche offenen Poren des Grundkörpers mit der Beschichtung zu schließen. Wenn dabei immer wieder Teilbereiche der Teilchen an der Zuströmoberfläche des Grundkörpers ohne Beschichtung frei lagen, war dies für die Funktion des Filterelements nicht störend. Bei der Erfindung wird jedoch vorzugsweise die Beschichtung so ausgeführt, dass sie an der Zuströmoberfläche die Kügelchen des Grundkörpers vollständig überdeckt. Dabei ist eine im wesentlichen nirgends unterschrittene Dicke von mindestens 0,06 mm, besser 0,12 mm günstig. Die bevorzugte Obergrenze der Dicke der Beschichtung ist 0,3 mm, stärker bevorzugt 0,2 mm. Die in diesem Absatz angesprochenen Vorzugsmerkmale machen die „Panzerung“ der Zuströmoberfläche durch die erfindungsgemäße Beschichtung besonders perfekt.
  • Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Filterelements, dadurch gekennzeichnet,
    1. (a) dass genannte Kügelchen des Grundkörpers gemischt mit körnigem Kunststoff-Ausgangsmaterial in einen Formhohlraum eingebracht werden und dort unter Wärmeeinwirkung der Kunststoff geschmolzen und ausgehärtet wird und so der Grundkörper erzeugt wird;
    2. (b) dass genannte Kügelchen der Beschichtung mit körnigem Kunststoff-Ausgangsmaterial gemischt werden und aus dieser Mischung zusammen mit einer Flüssigkeit eine pastöse Beschichtungsmasse erzeugt wird;
    3. (c) dass die Beschichtungsmasse auf die Zuströmoberfläche des Grundkörpers aufgetragen wird;
    4. (d) und dass das körnige Kunststoff-Ausgangsmaterial der Beschichtung unter Wärmeeinwirkung geschmolzen und ausgehärtet wird und so die Beschichtung erzeugt wird.
  • Man sieht, dass bei diesem Verfahren zunächst der Grundkörper in den eigenstabilen Zustand gebracht wird, ehe eine Beschichtungsmasse aufgebracht und die Beschichtung in den Fertigzustand gebracht wird. Das Aufbringen der Beschichtungsmasse erfolgt vorzugsweise mittels einer Rakel. Die Erzeugung der Wärmeeinwirkung geschieht vorzugsweise in einem Ofen, wo die Wärme normalerweise in einer Kombination von Strahlungswärme und Konvektionswärme eingebracht wird. Andere Arten der Erzeugung der Wärmeeinwirkung sind möglich, z.B. mittels Mikrowelle.
  • Insgesamt gesehen ist das vorstehend angesprochene, erfindungsgemäße Herstellungsverfahren nicht das einzige, mit dem ein erfindungsgemäßes Filterelement hergestellt werden kann. Man muss z.B. nicht zwingend bei dem Grundkörper mit Formgebung in einem Formhohlraum arbeiten.
  • Die genannte Wärmeeinwirkung ist vorzugsweise derart bemessen, dass der zu erzeugende Grundkörper bzw. die zu erzeugende Beschichtung auf mehr als 100°C, vorzugsweise mehr als 120°C, stärker bevorzugt 160 bis 180°C im Fall von Epoxidharz, erwärmt wird. Im Detail hängt die praktischste Temperatur von dem eingesetzten Kunststoff ab.
  • Vorzugsweise ist die in Schritt (b) genannte Flüssigkeit eine wässrige Flüssigkeit. Bevor man dann an das Schmelzen und Aushärten des Kunststoffs der Beschichtung geht, lässt man günstigerweise die aufgetragene Beschichtungsmasse antrocknen; beim Einbringen z.B. in einen Ofen verdampft dann die Restflüssigkeit der Beschichtungsmasse sehr rasch und z.B. ein Stück oberhalb von 100°C beginnt das Schmelzen des Kunststoffs.
  • Es wird betont, dass einzeln oder zu mehreren in Kombination die in dem bereits zitierten Dokument WO 2005/053818 A1 offenbarten Merkmale vorzugsweise auch bei der vorliegenden Erfindung verwirklicht werden können. Der Gesamtinhalt dieses Dokuments wird durch ausdrückliche Bezugnahme hiermit zum Teil der Offenbarung der vorliegenden Anmeldung gemacht.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines schematisiert zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • 1 zeigt einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Filterelements im Schnitt; der Ausschnitt ist so gelegt, dass ein Teilbereich der Zuströmoberfläche des Filterelements zu sehen ist.
  • In 1 sieht man, dass das Filterelement 2 einen Grundkörper 4 und an der Zuströmoberfläche des Filterelements 2 (siehe Zuströmpfeil 8 für zu filterndes Rohgas) eine Beschichtung 6 aufweist.
  • Der Grundkörper 4 ist mit hohlen Keramikkügelchen oder hohlen Glaskügelchen 10 aufgebaut, die durch duroplastischen Kunststoff, z.B. Epoxidharz, an Verbindungsstellen 12 zusammengehalten sind. Die Kügelchen 10 haben bei diesem Ausführungsbeispiel eine mittlere Größe von etwas über 100 µm. Die Tatsache, dass die Kügelchen 10 hohl sind, ist zeichnerisch nicht dargestellt. Man sieht, dass die Kügelchen keineswegs die Form einer exakten geometrischen Kugel haben, aber dennoch beschreibt das Wort „Kügelchen“ im Sinne von „grob gesprochen kugelig“ noch am ehesten die Form der Bestandteile 10.
  • Außerdem sei erwähnt, dass die Schnittdarstellung der Figur etwas darüber hinwegtäuscht, dass die Kügelchen 10 in Wahrheit praktisch in Form einer dichten Kugelpackung vorliegen. Da jedoch der Schnitt der 1 in einer Ebene erfolgt, liegen vielfach die Berührungsstellen bzw. Verbindungsstellen zwischen benachbarten Kügelchen 10 vor oder hinter der Zeichnungsebene.
  • Die Beschichtung 6 ist mit massiven Glaskügelchen 14 aufgebaut, die durch duroplastischen Kunststoff, z.B. wiederum das gleiche Epoxidharz, zusammengehalten sind. Die Vereinigungsstellen benachbarter Glaskügelchen 14 sind hier nicht besonders als „Verklebungsknoten“ gezeichnet, weil sie sehr viel kleiner sind als die Vereinigungsstellen 12 bei dem Grundkörper 4. Die Glaskügelchen 14 haben bei dem Ausführungsbeispiel eine mittlere Größe von etwa 30 µm. Es versteht sich, dass zwischen dem entsprechenden Teil der Glaskügelchen 14 und anschließenden Kügelchen 10 des Grundkörpers 4 an dessen zuströmseitiger Oberfläche ebenfalls Kunststoff-Vereinigungsstellen vorhanden sind.
  • Man sieht, dass die Beschichtung 6 alle an der zuströmseitigen Oberfläche des Grundkörpers 4 befindlichen Kügelchen 10 vollständig überdeckt und außerdem in die außenliegenden Poren 16 des Grundkörpers 4 hineinreicht.
  • Zunächst ist der Grundkörper 4 für sich hergestellt worden. Man hat die Kügelchen 10 mit körnigem Kunststoff-Ausgangsmaterial (Epoxidharz Kresol Basis, Epoxidharz Bisphenol Basis, Härter; mittlere Teilchengröße etwas kleiner als bei den Glaskügelchen 14) miteinander vermischt und in einem Formhohlraum eingebracht. Die gefüllte Form ist in einen Ofen eingeschoben worden, und man hat den Inhalt des Formhohlraums auf etwa 160 bis 180°C erwärmt. Beim Aufheizen des Forminhalts schmilzt zunächst das Kunststoff-Ausgangsmaterial, umhüllt die Kügelchen 10 mehr oder weniger vollständig, und sammelt sich in stärkerem Maße an den Kontaktstellen oder Quasi-Kontaktstellen zwischen den Kügelchen 10. Bei weiter zunehmender Temperatur und im Verlauf der Verweilzeit im Ofen härtet der Kunststoff aus.
  • Separat ist eine pastöse Beschichtungsmasse vorbereitet worden, die aus einem Trockenbestandteil und einem Flüssigkeitsbestandteil im Gewichtsverhältnis von etwa 3:2 besteht. Der Trockenbestandteil besteht im wesentlichen aus den nichthohlen Glaskügelchen 14 und körnigem Kunststoff-Ausgangsmaterial (z.B. dem gleichen wie oben für den Grundkörper 4 beschrieben), beim vorliegenden Ausführungsbeispiel im Verhältnis etwa 8:1. Außerdem enthält der Trockenbestandteil extrem kleinteilige Kieselsäure als Verdickungsmittel. Der Flüssigkeitsbestandteil besteht im wesentlichen aus Wasser mit Entschäumer-Zusatz. Die pastöse Beschichtungsmasse wird mittelts einer Rakel auf die Zuströmseite des Grundkörpers 4 in der gewünschten Dicke (siehe 1) aufgetragen. Dann lässt man den mit aufgetragener Beschichtungsmasse versehenen Grundkörper 4 kurze Zeit antrocknen. Beim anschließenden (zweiten) Einbringen in einen Ofen verdampft zunächst der Restwassergehalt der Beschichtungsmasse sehr rasch. Anschließend erfolgen das Schmelzen und danach das Aushärten des Kunststoffs. Für die Temperaturen hierbei, das Umschließen der Glaskügelchen 14 mit geschmolzenem Kunststoff und das Miteinander Vereinigen der Glaskügelchen 14 an den Kontaktstellen und auch an den Kontaktstellen zu Kügelchen 10 gilt das weiter oben im Zusammenhang mit dem Grundkörper 4 Geschilderte.
  • Vorzugsweise werden die Filterelemente in der Gestalt eines Hohlzylinders hergestellt, der an beiden Stirnenden oder nur an einem Stirnende offen sein kann. In einem Blechgehäuse, das durch eine Zwischenwand in einen Rohgasraum für zu filternde Abluft und einen Reingasraum für gefilterte Luft unterteilt ist, wird eine Vielzahl von Filterelementen, typischerweise in mehreren parallelen Reihen, so angeordnet, dass das Rohgas von der Außenseite des jeweiligen Hohlzylinders her in das Innere des Hohlzylinders strömen muss und dabei gefiltert wird.
  • Das erfindungsgemäße Filterelement ist für Gasfiltration und für Flüssigkeitsfiltration geeignet.

Claims (12)

  1. Wärmebeständiges, durchströmungsporöses, eigenstabiles Filterelement, aufweisend: (a) einen eigenstabilen Grundkörper (4), der mit hohlen Glaskügelchen und/oder hohlen Keramikkügelchen (10), die durch duroplastischen Kunststoff (12) zusammengehalten sind, aufgebaut ist; (b) und eine Beschichtung (6) mit kleinerer Porengröße als der Grundkörper (4) auf der Zuströmoberfläche des Grundkörpers (4), welche Beschichtung (6) mit Glaskügelchen (14), die durch duroplastischen Kunststoff zusammengehalten sind, aufgebaut ist.
  2. Filterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es wärmebeständig ist bei einer Dauereinsatztemperatur, die eine Temperatur im Bereich von 50 bis 200 °C ist, vorzugsweise im Bereich 50 bis 150°C, stärker bevorzugt im Bereich 80 bis 150°C, noch stärker bevorzugt im Bereich 100 bis 150°C.
  3. Filterelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff (12) des Grundkörpers (4) und/oder der Kunststoff der Beschichtung (6) Epoxidharz oder Phenolharz oder Polyesterharz oder Melaminharz oder Siliconharz oder Urethanharz ist.
  4. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff (12) des Grundkörpers (4) und/oder der Kunststoff der Beschichtung (6) im wesentlichen der gleiche ist.
  5. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Kügelchen (10) des Grundkörpers (4) eine mittlere Größe von 50 bis 500 µm, vorzugsweise 50 bis 300 µm, stärker bevorzugt 60 bis 250 µm, haben.
  6. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Kügelchen (14) der Beschichtung (6) eine mittlere Größe von 10 bis 50 µm, vorzugsweise 20 bis 40 µm, haben.
  7. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 90% der genannten Kügelchen (14) der Beschichtung (6) eine Größe von höchstens 80 µm haben.
  8. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Beschichtung (6) das Gewichtsverhältnis zwischen den genannten Kügelchen (14) und dem Kunststoff 4:1 bis 12:1, vorzugsweise 6:1 bis 10:1, ist.
  9. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (6) an der Zuströmoberfläche die genannten Kügelchen (10) des Grundkörpers (4) vollständig überdeckt, vorzugsweise in einer Dicke, die nirgends 0,06 mm, bevorzugt nirgends 0,12 mm, unterschreitet.
  10. Verfahren zum Herstellen eines Filterelements nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, (a) dass genannte Kügelchen (10) des Grundkörpers gemischt mit körnigem Kunststoff-Ausgangsmaterial in einen Formhohlraum eingebracht werden und dort unter Wärmeeinwirkung der Kunststoff geschmolzen und ausgehärtet wird und so der Grundkörper (4) erzeugt wird; (b) dass genannte Kügelchen (14) der Beschichtung (6) mit körnigem Kunststoff-Ausgangsmaterial gemischt werden und aus dieser Mischung zusammen mit einer Flüssigkeit eine pastöse Beschichtungsmasse erzeugt wird; (c) dass die Beschichtungsmasse auf die Zuströmoberfläche des Grundkörpers (4) aufgetragen wird; (d) und dass das körnige Kunststoff-Ausgangsmaterial der Beschichtung unter Wärmeeinwirkung geschmolzen und ausgehärtet wird und so die Beschichtung (6) erzeugt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (a) und in Schritt (d) die Wärmeeinwirkung derart ist, dass der zu erzeugende Grundkörper (4) bzw. die zu erzeugende Beschichtung (6) auf mehr als 100°C, vorzugsweise mehr als 120°C, kommt.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit im Schritt (b) eine wässrige Flüssigkeit ist.
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