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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eins Filterkörpers gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie einen Filterkörper gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 11.
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Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von Filter zur Feinfiltration von Flüssigkeiten und Gasen sowie Verfahren zu deren Herstellung bekannt. Insbesondere sind auch mehrsichtige Filterkörper bekannt, deren unterschiedliche Schichten durch Schüttgut aus porösen oder nicht porösen Körnern mit unterschiedlicher Korngröße gebildet sind. Das Schüttgut ist beispielsweise ein kornartiges Material, vorzugsweise Aktivkohle.
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Bei der Herstellung derartiger mehrschichtiger Filterkörper wird das Schüttgut in eine Form gefüllt und anschließend einem Verdichtungsprozess unterzogen, um eine möglichst gleichmäßige Körnerstruktur im gesamten Filtervolumen zu erreichen. Ein derartiger mehrschichtiger Filterkörper weist beispielsweise eine erste und zweite Filterschicht auf, die unmittelbar aneinander anschließen, und zwar in Flussrichtung, in welcher die Flüssigkeit den Filterkörper durchläuft. Die erste Filterschicht bildet eine äußere Vorfilterschicht mit einer ersten Korngröße und die zweite Filterschicht eine Feinfilterschicht mit einer zweiten Korngröße aus, wobei die erste Korngröße größer als die zweite Korngröße ist.
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Nachteilig kommt es bei derartigen mehrschichtigen Filterkörpern zwischen der Vorfilterschicht und der Feinfilterschicht zu einem sprunghafter Übergang der Filterfeinheit, an dem die zu filternden Teilchen, die eine Größe derart aufweisen, dass sie zwar die Vorfilterschicht durchdringen können, aber von der Feinfilterschicht abgehalten werden, zu einer Ablagerung am Übergang zwischen der Vorfilterschicht und der Feinfilterschicht. Die Ablagerung nehmen innerhalb kürzester Zeit ein Ausmaß an, dass die Filtereigenschaften, insbesondere die Durchlässigkeit sich deutlich verschlechtern, und zwar bedingt durch die Nutzung der Manteloberfläche zwischen der Vorfilterschicht und der Feinfilterschicht.
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Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Filters sowie einen Filterkörper anzugeben, das eine einfache und kostengünstige Herstellung eines mehrschichtigen Filterkörpers ermöglicht, dessen Filterleistung im Vergleich zu anderen mehrschichtigen Filtern deutlich verbessert ist. Die Aufgabe wird ausgehend von den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 11 jeweils durch deren kennzeichnende Merkmale gelöst.
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Der wesentliche Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass zur Erzeugung zumindest einer ersten und zweiten Filterschicht mit unterschiedlicher Filtereigenschaften die Form mittels zumindest eines Wandungselementes in einen ersten und zweiten Formbereich getrennt wird, dass der erste Formbereich mit einem Schüttgut zumindest einer ersten Korngröße und der zweite Formbereich mit einem Schüttgut zumindest einer zweiten Korngröße zumindest teilweise verfüllt wird und dass vor oder während des Verdichtungsprozesses das Wandungselement aus der Form entfernt wird. Durch das Entfernen des Wandungselements, insbesondere durch das Herausziehen des Wandungselements, wird im Übergangsbereich bzw. dem durch das Herausziehen des Wandungselement freigegeben Volumen eine Vermischung von Körnern des ersten und zweiten Formbereichs erreicht. Hierdurch bildet sich eine Zwischenfilterschicht aus, die eine Tiefenfilterwirkung besitzt, d. h. es entsteht kein abrupter Übergang zwischen der Vorfilterschicht und der Feinfilterschicht, sondern ein stetiger Übergang zwischen genannten Filterschichten. Mittels der sich ausbildenden Zwischenfilterschicht können Schmutzpartikel unterschiedlichster Größe im Filtervolumen ausgefiltert werden, die sich ansonsten an dem abrupten Übergang bzw. der Manteloberfläche zwischen Vor- und Feinfilterschicht ablagern und damit die Poren verschließen würden.
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Abhängig von dem zu filternden Medium kann die Breite der Zwischenfilterschicht durch die Wandungsstärke des Wandungselements eingestellt werden. Dadurch kann die Tiefenfilterwirkung durch Erhöhung der Wandungsstärke verstärkt oder bei Verringerung der Wandungsstärke minimiert werden. Vorzugsweise wird der Betrag der Wandungsstärke derart gewählt, dass dieser um ein Vielfaches größer ist als die größte Korngröße der in der Vorfilterschicht verwendeten Körner.
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Vorteilhaft wird das Wandungselement während des Verdichtungsprozesses, der insbesondere ein Vibrations- oder Rüttlungsprozess sein kann, langsam bzw. schrittweise herausgezogen, sodass bedingt durch die Schwerkraft und das Einrütteln von beiden Seiten Körner der unterschiedlichen Korngrößen in den vom Wandungselement freigegebenen Übergangsbereich eindringen können. Hierbei ergibt sich vorzugsweise eine näherungsweise stetige Verteilung, und zwar derart, dass die Dichte der Körner mit der ersten Korngröße in Richtung zur Feinfilterschicht abnimmt und in umgekehrter Richtung die Dichte der Körner mit zweiter Korngröße in Richtung der Feinfilterschicht zunimmt. Dieser Dichteverlauf begünstigt die Tiefenfilterwirkung innerhalb der Zwischenfilterschicht, zumal die Porengröße aufgrund der stetigen Körnerverteilung von der Vorfilterschicht in Richtung der Feinfilterschicht abnimmt und damit die auszufilternden Partikel abhängig von ihrer Größe in der Zwischenfilterschicht verteilt aufgefangen werden.
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Dem Schüttgut kann als Bindemittel ein Kunststoff, vorzugsweise ein Polymer in poröser Granulatform beigemischt sein, sodass die einzelnen Körner untereinander in einem anschließenden Temperaturprozess, der insbesondere ein Sinterprozess ist, durch das Bindemittel verbunden werden. Vorzugsweise wird jedoch kein Bindemittel in Granulatform dem Schüttgut beigemischt, sondern die Körner werden vor dem Einbringen in die Form mittels eines Mischprozesses mit einem Bindemittel beschichtet. Dieses Bindemittel kann beispielsweise ein Polymer, insbesondere Polyethylen, vorzugsweise ein molekulares Niederdruckpolyethylen sein. Eine derartige Beschichtung bietet zum einen den Vorteil, dass die Körner während des Verdichtungsprozesses wesentlich besser verdichtet werden können, da die Oberflächen der Körner gute Gleiteigenschaften nach dem Beschichten aufweisen. Dadurch kann eine äußerst gleichmäßige Körnerverteilung im gesamten Volumen des Filterkörpers erreicht werden. Darüber hinaus wird durch das Beschichten erreicht, dass das Bindemittel gleichmäßig im Volumen des Filterkörpers verteilt ist und damit eine unstetige Verteilung des Bindemittels im Filterkörper, welche zu einer Klumpenbildung im Filterkörper führen würde, vermieden wird. Durch die Beschichtung der Körner mit dem Bindemittel kann der Volumenanteil des Bindemittels, der bei aus dem Stand der Technik bekannten Filtern etwa näherungsweise 20% beträgt, im erfindungsgemäßen Verfahren auf einen Anteil kleiner als 10% gesenkt werden, sodass die Adsorptionseigenschaften des Filterkörpers durch diesen verringerten Volumenanteil des Bindemittels erhöht ist.
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Bevorzugt schließt sich an den Verdichtungsprozess bzw. das Herausziehen des Wandungselements ein Sinterprozess an, bei dem die Beschichtung der Körner, d. h. das Bindemittel angeschmolzen wird und dadurch eine nur an den unmittelbar aneinandergrenzenden Punkten bzw. Flächen der Körner eine elastische Verbindung zwischen diesen Körnern hergestellt wird. Dadurch wird eine hohe mechanische Stabilität des Filterkörpers bei gleichzeitig äußerst gleichmäßiger Raumgitterstruktur im gesamten Volumen des Filters erreicht.
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Die Erfindung betrifft auch einen gemäß dem Verfahren hergestellten Filterkörper zur Feinfiltration von Fluiden oder Gasen mit zumindest zwei Filterschichten, bei dem im Übergangsbereich zwischen der ersten und zweiten Filterschicht zumindest eine vorzugsweise als Tiefenfilter wirkende Zwischenfilterschicht vorgesehen ist, die durch Mischung des Schüttgutes der ersten und zweiten Filterschicht erzeugt wird.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert werden. Zudem ergeben sich Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung auch aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und aus den Figuren. Dabei sind alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination grundsätzlich Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Auch wird der Inhalt der Ansprüche zu einem Bestandteil der Beschreibung gemacht.
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Es wird aber ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Erfindung keinesfalls auf die angegebenen Beispiele beschränkt sein soll. Es zeigen
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1 beispielhaft eine Form zur Herstellung eines mehrschichtigen Filterkörpers in einer seitlichen Schnittdarstellung;
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2 beispielhaft eine Form zur Herstellung eines mehrschichtigen Filterkörpers mit teilweise herausgezogenem Wandungselement in einer seitlichen Schnittdarstellung;
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3 beispielhaft ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellter Filterkörper in einer seitlichen Schnittdarstellung.
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In den 1 und 2 ist mit dem Bezugszeichen 2 eine Form zur Herstellung eines vorzugsweise mehrschichtigen Filterkörpers 1 gezeigt, der zur Feinfilterung von Fluiden oder Gasen vorgesehen ist.
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Die Form 2 ist beispielsweise im Querschnitt U-förmig ausgebildet und besteht aus einer umlaufenden, insbesondere kreisringförmig ausgebildeten Seitenwand 2.3, einem Boden 2.4 und einem vorzugsweise konzentrisch zum Boden 2.4 angeordneten, parallel zur Seitenwand 2.3 verlaufenden, vorzugsweise bolzenförmigen Mittelelement 2.5, das freiendseitig im Boden 2.4 gehalten ist. Die Form 2 weist oberseitig eine vorzugsweise kreisringförmige Öffnung 2.6 auf, über die die Form 2 mit Schüttgut aus porösen oder nichtporösen Körnern 3, 4 zumindest eines adsorbierenden Materials, insbesondere Aktivkohle befüllbar ist.
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Im Forminnenraum ist ein Wandungselement 5 eingeschoben, das vorzugsweise einen kreisringförmigen Querschnitt aufweist. Das Wandungselement 5 ist hierbei beispielsweise konzentrisch zur Seitenwand 2.3 der Form 2 ausgerichtet. Durch das Wandungselement 5 werden im Innenraum der Form 2 zumindest ein erster Formbereich 2.1 von einem zweiten Formbereich 2.2 abgetrennt, wobei diese Formbereiche 2.1, 2.2 bei kreisringförmiger Ausbildung der Seitenwand 2.3 und des Wandungselements 5 ebenfalls einen kreisringförmigen Querschnitt aufweisen.
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Zur Herstellung des Filterkörpers 1 wird in den ersten Formbereich 2.1 ein Schüttgut mit Körnern 3 einer ersten Korngröße d1 und in den zweiten Formbereich 2.2 ein Schüttgut mit Körnern 4 einer zweiten Korngröße d2 über die Öffnung 2.6 eingefüllt. Die erste Korngröße d1 ist größer als die zweite Korngröße d2, so dass die im ersten Formbereich 2.1 eingefüllten Körner 3 eine Vorfilterschicht 1.1 und die im zweiten Formbereich 2.2 eingefüllten Körner 4 eine Feinfilterschicht 1.2 ausbilden. Durch das Wandungselement 5 sind somit die Körner 3 der ersten Korngröße d1 von den Körnern 4 der zweiten Korngröße d2 voneinander getrennt und zueinander beabstandet vorgesehen. Hierbei weist das Wandungselement 5 eine Breite b auf, die vorzugsweise größer, insbesondere ein Vielfaches größer ist als die größte Korngröße d1.
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Wird nun das Wandungselement 5 aus der Form 2 in axialer Richtung, d. h. parallel zum Mittelelement 2.5 bzw. zur Seitenwand 2.3 herausgezogen, wird ein Übergangsbereich 6 freigegeben, der durch ein vorzugsweise seitliches Hineinfallen oder Hineinrutschen der Körner 3, 4 aus dem ersten und zweiten Formbereich 2.1, 2.2 aufgefüllt wird.
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Vorzugsweise erfolgt das Herausziehen des Wandungselements 5 langsam und/oder schrittweise, sodass eine sehr regelmäßige Struktur aus Körnern 3 der ersten Korngröße d1 und Körnern 4 der zweiten Korngröße d2 besteht. Vorzugsweise wird während des Herausziehens des Wandungselements 5 die Form 2 einem Verdichtungs- bzw. Rüttlungsprozess unterzogen, bei dem die Körner 3, 4 verdichtet und bedingt durch die Rüttlung gleichmäßig in den Übergangsbereich 6 eingerüttelt werden.
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Nach dem Herausziehen des Wandungselements 5 aus der Form 2 entsteht ein beispielsweise im Querschnitt kreisringförmiger Filterkörper 1, der beispielsweise drei Filterschichten umfasst, und zwar eine äußere Vorfilterschicht 1.1, eine innenliegende Feinfilterschicht 1.2, und eine zwischen der Vorfilterschicht 1.1 und der Feinfilterschicht 1.2 sich ausbildende Zwischenfilterschicht 1.3. Diese Zwischenfilterschicht 1.3 wird durch eine Mischung von Körnern 3, 4 der ersten und zweiten Korngröße d1, d2 gebildet und weist eine Breite B auf, die näherungsweise gleich der Wandstärke b des Wandungselements 5 ist.
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Durch das seitliche Hineinrutschen oder Hineinfallen von Körnern 3 der ersten Korngröße d1, die vorzugsweise größer ist als die zweite Korngröße d2 der Körner 4 in den Übergangsbereich 6 sowie in umgekehrter Richtung das Hineinfallen der Körner 4 der zweiten Korngröße d2 in den Übergangsbereich 6 ergibt sich eine Mischung des jeweils im ersten und zweiten Formbereich 2.1, 2.2 befindlichen Schüttgutes. Dadurch entsteht eine Dichteverteilung von Körnern 3, 4 derart, dass die Dichte der Körner 3 mit erster Korngröße d1 in Richtung der Feinfilterschicht 1.2 abnimmt, und die Dichte der Körner 4 mit zweiter Korngröße d2 zunimmt. Dadurch entsteht kein abrupter Übergang zwischen der Vorfilterschicht 1.1. und der Feinfilterschicht 1.2, sondern ein näherungsweise stetiger, durch die Zwischenfilterschicht 1.3 gebildeter Übergang.
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Der wesentliche Vorteil einer derartigen Zwischenfilterschicht 1.3 besteht darin, dass die innere Oberfläche des Volumens der Zwischenfilterschicht 1.3 zum Auffangen der auszufilternden Teilchen aus dem Fluid oder dem Gas genutzt werden kann. Durch die Dichteverteilung der Körner 3, 4 in der Zwischenfilterschicht 1.3 wird somit eine Tiefenfilterwirkung erzielt, wohingegen bei einem Filterkörper, bei dem ein abrupter Übergang zwischen der Vorfilterschicht 1.1 und der Feinfilterschicht 1.2 gegeben ist, an diesem Übergang zu filternde Teilchen, die durch die Vorfilterschicht 1.1 nicht ausgefiltert werden, jedoch die Feinfilterschicht 1.2 nicht durchdringen können, angelagert werden und die Poren zwischen den Körnern 4 verschließen. Aufgrund der verteilten Filterwirkung im gesamten Volumen der Zwischenfilterschicht 1.3 wird eine um ein Vielfaches erhöhte Filterleistung des Filterkörpers 1 erzielt.
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Die Breite B der Zwischenfilterschicht 1.3 kann durch die Wandstärke b des Wandungselements 5 eingestellt werden. So ist es beispielsweise möglich, durch Vergrößern der Wandstärke b das Volumen der Zwischenfilterschicht 1.3 und damit die Filterleistung innerhalb dieser Zwischenfilterschicht 1.3 zu erhöhen. Des Weiteren ist es auch möglich, innerhalb der Form 2 mehrere Formbereiche vorzusehen, die jeweils durch Wandungselemente 5 voneinander getrennt sind. Diese Formbereiche werden jeweils mit Körnern unterschiedlicher Korngröße befüllt, und zwar insbesondere derart, dass im äußeren Formbereich die größte Korngröße und im inneren Formbereiche die kleinste Korngröße eingefüllt wird und in den dazwischenliegenden Formbereichen abnehmend vom äußeren Formbereich zum inneren Formbereich die Korngröße jeweils abnimmt. Durch Herausziehen der Wandungselemente 5 aus der Form 2 ergibt sich somit ein vielschichtiger Filterkörper 1, dessen Korngröße nahezu stetig von außen nach innen abnimmt.
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Das Wandungselement 5 kann auch aus zwei zueinander beabstandet verlaufenden Trennwänden bestehen, zwischen denen ein Zwischenraum ausgebildet ist. Dieser Zwischenraum kann durch ein Gemisch von Körnern 3, 4 unterschiedlicher Korngröße befüllt sein, sodass die Zwischenfilterschicht 1.3 nicht erst beim Herausziehen des Wandungselements 5 sondern durch Einfüllen eines Schüttguts mit Körnern 3, 4 unterschiedlicher Korngröße gebildet wird.
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Vorzugsweise werden als Schüttgut Körner 3, 4 verwendet, die vor ihrem Einfüllen mit Bindemittel zumindest teilweise beschichtet wurden. Als Bindemittel kann hierbei ein Polymer, insbesondere ein hochmolekulares Niederdruckpolyethylen verwendet werden. Diese Beschichtung des Schüttguts erfolgt in einem Mischprozess, bei dem poröse Polymerpartikel zusammen mit Körnern einer Korngröße in einer Mischvorrichtung derart vermischt werden, dass durch die beim Mischprozess erzeugte mechanische Reibwärme eine Beschichtung der Körner mit dem Bindemittel erfolgt. Durch die Beschichtung der Körner wird erreicht, dass die scharfkantigen Oberflächen der Körner zumindest teilweise mit Bindemittel versehen werden. Dadurch können die Körner besser aneinander gleiten, sodass beim Verdichtungsprozess eine sehr effektive Verdichtung der Körner ermöglicht wird.
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Vorzugsweise wird die Form 2 samt der eingebrachten, mit einem Bindemittel versehenen Körner 3, 4 anschließend einem Sinterprozess unterzogen, bei dem die polymere Beschichtung der Körner 3, 4 angeschmolzen wird und dadurch die Körner 3, 4 untereinander verbunden werden. Durch das Verdichten der Körner 3, 4 und das anschließende Sintern liegen die Körner nahezu ganz beieinander und sind nur an ihren unmittelbar aneinandergrenzenden Punkten bzw. Flächen miteinander vorzugsweise leicht elastisch verbunden. Somit wird eine hohe mechanische Stabilität des Filterkörpers 1 bei einer äußerst regelmäßigen Struktur im gesamten Volumen des Filterkörpers 1 erreicht.
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3 zeigt einen mit dem zuvor beschriebenen Verfahren hergestellten mehrschichtigen Filterkörper 1. Dieser ist im Querschnitt kreisringförmig ausgebildet und weist eine äußere Vorfilterschicht 1.1, eine innere Feinfilterschicht 1.2 und eine zwischen der Vorfilterschicht 1.1 und der Feinfilterschicht 1.2 liegende Zwischenfilterschicht 1.3 auf. Im Inneren des Filterkörpers 1 ist ein von der Feinfilterschicht 1.2 umschlossener Hohlraum 1.4 ausgebildet. Ober- und unterseitig ist am Filterkörper 1 jeweils ein Abdeckelement 7, 8 gehalten, wobei das untere Abdeckelement 7 den Filterkörper 1 unterseitig vollkommen verschließt, das obere Abdeckelement 8 eine Austrittsöffnung 8.1 aufweist. Der Filterkörper 1 wird wie durch die Pfeile angedeutet, von dem zu filternden Medium durchflossen, und zwar über die Vorfilterschicht 1.1, die Zwischenfilterschicht 1.3 und die Feinfilterschicht 1.2 hindurch über den Hohlraum 1.4 zur Austrittsöffnung 8.1 hin. Die Vorfilterschicht 1.1 weist hierbei eine erste Korngröße d1 auf, die größer ist als die zweite Korngröße d2 der Feinfilterschicht 1.2. Die Zwischenfilterschicht 1.3 ist erfindungsgemäß aus einer Mischung aus Körnern 3, 4 der ersten und zweiten Korngröße d1, d2 gebildet, wobei die Dichte der Körner 3 der ersten Korngröße d1 von der Vorfilterschicht 1.1 zur Feinfilterschicht 1.2 vorzugsweise steig abnimmt und die Dichte der Körner 4 mit der zweiten Korngröße d2 in eben diese Richtung stetig zunimmt.
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Vorzugsweise sind die Körner 3, 4 des Filterkörpers 1 zumindest teilweise mit einem Bindemittel beschichtet, wobei das Bindemittel ein Polymer, vorzugsweise ein hochmolekulares Niederdruckpolyethylen ist. Durch die Beschichtung der Körner 3, 4 wird erreicht, dass der Volumenanteil des Bindemittels im Filterkörper 1 äußerst gering, vorzugsweise kleiner als zehn Volumenprozent ist und darüber hinaus über das gesamte Filterkörpervolumen gleich verteilt ist. Dadurch wird eine deutlich erhöhte Filterwirkung erreicht.
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Die Erfindung wurde voranstehend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Modifikationen und Änderungen der Erfindung möglich sind, ohne dass hierdurch der Erfindungsgedanke verlassen wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Filterkörper
- 1.1
- Vorfilterschicht
- 1.2
- Feinfilterschicht
- 1.3
- Zwischenfilterschicht
- 1.4
- Hohlraum
- 2
- Form
- 2.1
- erster Formbereich
- 2.2
- zweiter Formbereich
- 2.3
- Seitenwand
- 2.4
- Boden
- 2.5
- Mittelelement
- 2.6
- Öffnung
- 3
- Körner
- 4
- Körner
- 5
- Wandungselement
- 6
- Übergangsbereich
- 7
- Abdeckelement
- 8
- Abdeckelement
- 8.1
- Austrittsöffnung
- b
- Wandstärke
- B
- Breite
- d1
- erste Korngröße
- d2
- zweite Korngröße
