DE102010014060A1 - Winding filter element for removing impurity from fluid stream e.g. gas flow, of internal combustion engine, has material arrangement including planar filter material, and multilayer filter material comprising membrane and carrier layers - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wickelfilterelement zum Entfernen von Verunreinigungen aus einem Fluidstrom. Die Erfindung betrifft außerdem eine Verwendung eines mehrschichtigen Filtermaterials zum Herstellen eines derartigen Wickelfilterelements.The present invention relates to a wound filter element for removing contaminants from a fluid stream. The invention also relates to a use of a multilayer filter material for producing such a wound filter element.
Ein Wickelfilterelement charakterisiert sich durch einen Filterkörper, der durch Wickeln einer Filtermaterialanordnung hergestellt ist und der auslassseitig verschlossene Einlasskanäle sowie einlassseitig verschlossene Auslasskanäle aufweist, wobei die Filtermaterialanordnung zumindest ein ebenes Filtermaterial und ein wellenförmiges oder zick-zack-förmiges Filtermaterial aufweist, wobei diese Filtermaterialien aufeinanderliegen.A wound filter element is characterized by a filter body which is produced by winding a filter material arrangement and which has outlet channels closed on the outlet side and outlet channels closed on the inlet side, the filter material arrangement having at least one flat filter material and a wave-shaped or zigzag-shaped filter material, these filter materials resting on one another.
Aus der
Aus der
Weitere mehrschichtige Filtermaterialien mit einer Filtermembran sind beispielsweise aus der
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Wickelfilterelement eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine verbesserte Filterwirkung auszeichnet.The present invention addresses the problem of providing for a wound filter element an improved or at least another embodiment, which is characterized in particular by an improved filtering effect.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.According to the invention, this problem is solved by the subject matters of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, innerhalb der Filtermaterialanordnung, aus welcher der gewickelte Filterkörper des Wickelfilterelements hergestellt wird, zumindest ein Filtermaterial als mehrschichtig auszugestalten. Ein derartiges mehrschichtiges Filtermaterial kann zur Verbesserung der Filterwirkung genutzt werden, da es insbesondere möglich ist, eine steifere Trägerschicht, die eine vergleichsweise geringe Filtrationswirkung aufweist, mit einer weniger steifen Schicht zu kombinieren, welche die eigentliche Filtrationswirkung, insbesondere für kleinste Verunreinigungen realisiert.The invention is based on the general idea within the filter material arrangement from which the wound filter body of the wound filter element is produced to design at least one filter material as a multilayer. Such a multilayer filter material can be used to improve the filter effect, since it is possible in particular to combine a stiffer carrier layer, which has a comparatively low filtration effect, with a less rigid layer, which realizes the actual filtration effect, especially for the smallest impurities.
Besonders vorteilhaft ist hierbei die erfindungsgemäße Ausführungsform, bei welcher das mehrschichtige Filtermaterial zumindest eine Membranschicht und eine Trägerschicht aufweist. Die Membranschicht ist porös und enthält beispielsweise Mikroöffnungen bzw. Mikroporen, um die gewünschte Filtrationswirkung für kleine Verunreinigungen bzw. für Verunreinigungen mit kleiner Korngröße zu erzielen. Im Unterschied dazu muss die Trägerschicht grundsätzlich keine signifikante Filtrationswirkung zeigen. Zweckmäßig besitzt jedoch auch die Trägerschicht eine gewisse Filtrationswirkung, beispielsweise um größere Verunreinigungen, also Verunreinigungen mit größerer Korngröße aus dem jeweiligen Fluidstrom herauszufiltern, bevor sie auf die Membranschicht treffen.Particularly advantageous here is the embodiment according to the invention, in which the multilayer filter material has at least one membrane layer and a carrier layer. The membrane layer is porous and contains, for example, micropores or micropores in order to achieve the desired filtration effect for small impurities or impurities with small grain size. In contrast, the carrier layer in principle does not have to show a significant filtration effect. Advantageously, however, the carrier layer has a certain filtration effect, for example, to filter out larger impurities, so impurities with a larger grain size from the respective fluid stream, before they hit the membrane layer.
Die Trägerschicht selbst kann ihrerseits mehrlagig ausgestaltet sein und beispielsweise eine spezielle Filterschicht aufweisen.The support layer itself may in turn be designed in multiple layers and, for example, have a special filter layer.
Die Trägerschicht besteht aus einem Fasern enthaltenden Material. Vorzugsweise kann die Trägerschicht aus einem Faservlies, insbesondere einem Metall- oder Kunststofffaservlies, oder aus einem Zellulosepapier hergestellt sein. Weiterhin kann die Trägerschicht Binder, wie z. B. Harze enthalten. Das Faservlies kann bei vorteilhaften Ausgestaltungen zumindest teilweise aus schweißbaren Kunststofffasern hergestellt sein. Im Unterschied dazu kann das Zellulosepapier einen Anteil an Kunststofffasern enthalten. Insbesondere können hier schweißbare Kunststofffasern in das Zellulosepapier integriert sein. Zweckmäßig ist dann der Anteil an schweißbaren Kunststofffasern so hoch gewählt, dass das Zellulosepapier schweißbar ist. Beispielsweise kann der Anteil an Kunststofffasern in einem Bereich von etwa 20% bis etwa 40% liegen, wobei hier Vol.-% oder Gew.-% gemeint sein können.The carrier layer consists of a fiber-containing material. Preferably, the carrier layer may be made of a non-woven fabric, in particular a metal or synthetic fiber non-woven fabric, or of a cellulose paper. Furthermore, the carrier layer binder such. As resins. The nonwoven fabric can be made at least partially made of weldable plastic fibers in advantageous embodiments. In contrast, the cellulose paper may contain a proportion of plastic fibers. In particular, here weldable plastic fibers can be integrated into the cellulose paper. Appropriately, the proportion of weldable plastic fibers is then selected so high that the cellulose paper is weldable. For example, the proportion of plastic fibers may be in a range of about 20% to about 40%, which may mean vol .-% or wt .-%.
Zweckmäßig besitzt die Trägerschicht eine Schichtdicke im Bereich von etwa 0,1 mm bis etwa 2,0 mm, bevorzugt liegt die Schichtdicke jedoch in einem Bereich von 0,15 mm bis etwa 0,8 mm, insbesondere kann die Schichtdicke im Bereich von 0,15 mm bis 0,35 mm liegen. Die Dicke der Trägerschicht liegt jedoch bevorzugt bei etwa 0,25 mm. Bei dickeren Trägerschichten lassen sich größere Wellen oder Falten zuverlässig abstützen, jedoch sind keine engen Wellen oder Falten herstellbar. Bei dünneren Trägerschichten, insbesondere kleiner 0,35 mm können kleinere Wellen oder Falten mit ausreichender Abstützung dargestellt werden. Die Fasern des Faservlieses oder des Zellulosepapiers weisen zweckmäßig einen mittleren Durchmesser auf, der größer als 10 μm, insbesondere größer 25 μm ist. Zweckmäßig können die Fasern der Trägerschicht, also die Fasern des Faservlieses bzw. des Zellulosepapiers schweißbare Fasern, wie z. B. Metallfasern oder Kunststofffasern aus z. B. aus Polyethylen (PE) oder aus Polyester oder aus Polypropylen (PP) oder aus Polyamid (PA) oder Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Polyfluorethylenpropylen (PFEP) aufweisen. Weiterhin kann die Trägerschicht auch andere Fasern wie z. B. Kohlefasern oder Glasfasern enthalten. Ebenso können auch zumindest zwei verschiedene Fasern miteinander vermischt sein, um das Faservlies zu bilden oder um das Zellulosepapier zu verstärken, bzw. die Materialeigenschaften, wie z. B. die Verschweißbarkeit oder die Medienbeständigkeit, zu beeinflussen.Suitably, the carrier layer has a layer thickness in the range of about 0.1 mm to about 2.0 mm, but preferably the layer thickness is in a range of 0.15 mm to about 0.8 mm, in particular, the layer thickness in the range of 0, 15 mm to 0.35 mm. However, the thickness of the carrier layer is preferably about 0.25 mm. With thicker backing layers, larger waves or wrinkles can be reliably supported, but no narrow waves or wrinkles can be produced. With thinner carrier layers, in particular smaller than 0.35 mm smaller waves or wrinkles can be represented with sufficient support. The fibers of the Nonwoven fabric or cellulose paper expediently have an average diameter which is greater than 10 .mu.m, in particular greater than 25 microns. Appropriately, the fibers of the carrier layer, so the fibers of the nonwoven fabric or the cellulose paper weldable fibers such. As metal fibers or plastic fibers from z. Example of polyethylene (PE) or polyester or polypropylene (PP) or polyamide (PA) or polytetrafluoroethylene (PTFE) or Polyfluorethylenpropylen (PFEP). Furthermore, the carrier layer and other fibers such. As carbon fibers or glass fibers. Likewise, at least two different fibers may be mixed together to form the nonwoven fabric or to reinforce the cellulose paper, or the material properties such. As the weldability or the media resistance to influence.
Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform besteht die Membranschicht aus einer perforierten oder porösen Folie, welche z. B. aus Metall oder Kunststoff gebildet sein kann. Derartige Folien lassen sich vergleichsweise einfach in unterschiedlichen Foliendicken bzw. Folienstärken und unterschiedlichen Porositäten, also mit unterschiedlichen Porengrößen und/oder Porendichte (Porenanzahl pro Flächeneinheit) realisieren.According to an advantageous embodiment, the membrane layer consists of a perforated or porous film, which z. B. may be formed of metal or plastic. Such films can be comparatively easily realized in different film thicknesses or film thicknesses and different porosities, ie with different pore sizes and / or pore density (number of pores per unit area).
Beispielsweise kann eine derartige Membranschicht aus Polyfluorethylenpropylen (PFEP) oder aus Polytetrafluorethylen (PTFE) oder aus Polyethylen (PE) oder aus Polypropylen (PP) oder aus Polyethylen hoher Dichte (PE-HD) oder Polyester oder Polyamid (PA) hergestellt werden. Eine geeignete Schichtdicke für die Membranschicht kann in einem Bereich von 10 μm bis 300 μm liegen. Bevorzugt liegt die Schichtdicke in einem Bereich von 25 μm bis 80 μm. Beispielsweise kann die Membranschicht eine Dicke von etwa 50 μm aufweisen, welche ausreichend flexibel ist, um auf der Trägerschicht gewellt oder gefaltet zu werden. Außerdem bietet diese Schichtstärke den im Fluidstrom enthaltenen Partikeln einen ausreichenden Widerstand.For example, such a membrane layer may be made of polyfluoroethylene propylene (PFEP) or polytetrafluoroethylene (PTFE) or polyethylene (PE) or polypropylene (PP) or high density polyethylene (PE-HD) or polyester or polyamide (PA). A suitable layer thickness for the membrane layer may be in a range of 10 μm to 300 μm. Preferably, the layer thickness is in a range of 25 microns to 80 microns. For example, the membrane layer may have a thickness of about 50 microns, which is sufficiently flexible to be corrugated or folded on the carrier layer. In addition, this layer thickness provides the particles contained in the fluid flow sufficient resistance.
Die Membranschicht zeichnet sich durch eine besonders effektive Filtrationswirkung im Hinblick auf besonders kleine oder feine Verunreinigungen mit kleiner Korngröße aus. Dies ist insbesondere im Hinblick auf die sogenannte „Feinstaubproblematik” von besonderem Interesse. Insbesondere lassen sich mit Hilfe einer derartigen Membranschicht sogenannte HEPA-Filter realisieren, wobei HEPA für High Efficiency Particulate Absorbing or Arrestance steht. Insbesondere kann somit das hier vorgestellte Wickelfilterelement als HEPA-Wickelfilterelement ausgestaltet werden. Zu diesem Zweck kann die Membranschicht eine Porengröße von 1 bis 80 μm aufweisen. Vorzugsweise liegt die Porengröße zwischen 3 μm und 50 μm. Bevorzugt sind Porengrößen von etwa 4 bis 40 μm, insbesondere etwa 10 μm oder etwa 20 μm, vorgesehen. Hierbei kann die Porengröße, insbesondere die „mean flow Pore size” (MFP), mit einem Porometer z. B. der Marken „Coulter” oder „PMI” ermittelt werden. Die größten Poren definieren die maximale Durchlässigkeit der Membran für die Partikelgröße. Durch entsprechend kleine Poren können auch feinste Verunreinigungen aus z. B. dem Ansaugluftstrom einer Brennkraftmaschine entfernt und so der Motor geschützt werden.The membrane layer is characterized by a particularly effective filtration effect with regard to particularly small or fine impurities with small grain size. This is of particular interest in view of the so-called "particulate matter problem". In particular, so-called HEPA filters can be realized with the aid of such a membrane layer, with HEPA standing for High Efficiency Particulate Absorbing or Arrestance. In particular, the winding filter element presented here can thus be configured as a HEPA winding filter element. For this purpose, the membrane layer may have a pore size of 1 to 80 microns. Preferably, the pore size is between 3 microns and 50 microns. Preferably, pore sizes of about 4 to 40 microns, in particular about 10 microns or about 20 microns, provided. Here, the pore size, in particular the "mean flow pore size" (MFP), with a porometer z. B. the brands "Coulter" or "PMI" are determined. The largest pores define the maximum permeability of the membrane for particle size. By correspondingly small pores even the finest impurities of z. B. the intake air flow of an internal combustion engine and so the engine are protected.
Die Membranschicht ist zweckmäßig auf die Trägerschicht auflaminiert. Zusätzlich oder alternativ kann die Membranschicht mit der Trägerschicht verklebt oder verschweißt sein. Hierbei verbindet sich der Kunststoff der Membranschicht mit den Fasern der Trägerschicht. Alternativ können auch die schweißbaren Fasern, insbesondere Kunststofffasern, der Trägerschicht angeschmolzen werden und sich mit der Membranschicht verbinden. Weiterhin können sowohl die Fasern der Trägerschicht, als auch die Membranschicht angeschmolzen und mit dem jeweils anderen Fügepartner verbunden werden.The membrane layer is expediently laminated to the carrier layer. Additionally or alternatively, the membrane layer can be glued or welded to the carrier layer. Here, the plastic of the membrane layer connects to the fibers of the carrier layer. Alternatively, the weldable fibers, in particular plastic fibers, of the carrier layer can be melted and bonded to the membrane layer. Furthermore, both the fibers of the carrier layer, as well as the membrane layer can be melted and connected to the other joining partner.
Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Trägerschicht als Filterschicht ausgestaltet sein. Bevorzugt ist die Trägerschicht hierbei dann als Tiefenfilter ausgestaltet. Hierdurch kann der Trägerschicht eine Filtrationswirkung, im Sinne einer Vorfiltration zugeordnet werden, um eine Belastung der Membranschicht mit größeren bzw. gröberen Verunreinigungen zu reduzieren. Zweckmäßig ist hierzu die Membranschicht bezüglich der Fluidströmung stromab der Trägerschicht angeordnet.According to an advantageous embodiment, the carrier layer may be configured as a filter layer. In this case, the carrier layer is preferably configured as a depth filter. In this way, the carrier layer can be assigned a filtration effect, in the sense of a prefiltration, in order to reduce a load of the membrane layer with larger or coarser impurities. For this purpose, the membrane layer is expediently arranged with respect to the fluid flow downstream of the carrier layer.
Die Membranschicht kann bei einer speziellen Ausführungsform zwischen zwei Trägerschichten angeordnet sein. Hierbei dient die anströmseitige Trägerschicht als Vorfilter oder als Schutz für die Membranschicht und die abströmseitige Trägerschicht bildet eine zusätzliche Abstützung bzw. Schutzschicht. Die Trägerschichten können bei dieser Ausführung unterschiedlich ausgestaltet sein. Gemäß einer anderen Ausgestaltung ist das Filtermedium symmetrisch ausgebildet. Hierbei ist die Membranschicht von identischen Trägerschichten umgeben. Durch diese Ausgestaltung kann das gebildete Filterelement in beliebiger Richtung eingebaut werden. Die Trägerschichten können bezüglich der Membranschicht unterschiedliche Funktionen erfüllen, insbesondere Vorabscheidung, Schutz oder Abstützung. Alternativ ist es ebenso möglich, die Trägerschicht zwischen zwei Membranschichten anzuordnen. Die beiden Varianten lassen sich auch kumulativ realisieren, wenn das mehrschichtige Filtermaterial vier oder mehr Schichten aufweist. Bei mehr als einer Membranschicht, können die Membranschichten unterschiedliche Filtrationswirkungen aufweisen, also unterschiedliche Porengrößen und/oder Porendichten besitzen, beispielsweise um eine feine Hauptfiltrierung und stromauf davon eine weniger feine Vorfiltrierung zu realisieren.The membrane layer may be arranged between two carrier layers in a specific embodiment. Here, the upstream-side carrier layer serves as a pre-filter or as protection for the membrane layer and the downstream-side carrier layer forms an additional support or protective layer. The carrier layers can be designed differently in this embodiment. According to another embodiment, the filter medium is formed symmetrically. Here, the membrane layer is surrounded by identical carrier layers. By this configuration, the filter element formed can be installed in any direction. The carrier layers can fulfill different functions with respect to the membrane layer, in particular pre-separation, protection or support. Alternatively, it is also possible to arrange the carrier layer between two membrane layers. The two variants can also be realized cumulatively if the multilayer filter material has four or more layers. With more than one membrane layer, the membrane layers can have different filtration effects, ie have different pore sizes and / or pore densities, for example, to realize a fine main filtration and upstream thereof a less fine prefiltration.
Wie eingangs erläutert, ist der Filterkörper des Wickelfilterelements durch Wickeln einer Filtermaterialanordnung hergestellt, die ein ebenes Filtermaterial und ein wellenförmiges oder zick-zack-förmiges Filtermaterial aufweist. Mit Hilfe des mehrschichtigen Filtermaterials, das insbesondere die Membranschicht enthält, kann nun vorzugsweise das wellenförmige oder zick-zack-förmige Filtermaterial gebildet sein. Ebenso ist es möglich, das ebene Filtermaterial durch das mehrschichtige Filtermaterial zu bilden. Ferner ist eine Ausführungsform möglich, bei der sowohl das wellenförmige oder zick-zack-förmige Filtermaterial als auch das ebene Filtermaterial durch das mehrschichtige Filtermaterial gebildet sind.As explained above, the filter body of the wound filter element is produced by winding a filter material arrangement which has a flat filter material and a wave-shaped or zig-zag-shaped filter material. With the aid of the multi-layered filter material, which in particular contains the membrane layer, the wave-shaped or zig-zag-shaped filter material can now preferably be formed. It is also possible to form the flat filter material through the multilayer filter material. Furthermore, an embodiment is possible in which both the wave-shaped or zig-zag-shaped filter material and the flat filter material are formed by the multilayer filter material.
Die hier vorgestellte Erfindung charakterisiert sich auch durch eine Verwendung eines mehrschichtigen Filtermaterials, das zumindest eine Membranschicht und eine Trägerschicht aufweist, zum Herstellen eines derartigen Wickelfilterelements.The invention presented here is also characterized by the use of a multilayer filter material comprising at least one membrane layer and a carrier layer for producing such a wound filter element.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Other important features and advantages of the invention will become apparent from the dependent claims, from the drawings and from the associated figure description with reference to the drawings.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.Preferred embodiments of the invention are illustrated in the drawings and will be described in more detail in the following description, wherein like reference numerals refer to the same or similar or functionally identical components.
Es zeigen, jeweils schematischIt show, each schematically
Entsprechend den
Der Filterkörper
Gemäß
Entsprechend den
Entsprechend den
Im Unterschied dazu zeigen die
Schließlich zeigt
Des Weiteren ist es ebenso möglich, innerhalb des mehrschichtigen Filtermaterials
Die Membranschicht
Die Trägerschicht
Bei der in
Bei der in
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass sich das hier vorgestellte Wickelfilterelement
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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