DE102010025217A1

DE102010025217A1 - Filterwerkstoff für ein Filterelement und Filterelement

Info

Publication number: DE102010025217A1
Application number: DE201010025217
Authority: DE
Inventors: Matthias Schwender; Andreas Schmitz; Edwin Koch
Original assignee: Hydac Filtertechnik GmbH
Current assignee: Hydac Filtertechnik GmbH
Priority date: 2010-06-23
Filing date: 2010-06-23
Publication date: 2011-12-29
Also published as: WO2011160808A1; EP2585190A1; EP2585190B1

Abstract

Ein Filterwerkstoff (1) für ein Filterelement für Fluide, insbesondere für Hydraulikflüssigkeiten, mit einer den Filterwerkstoff (1) abstützenden, gitterförmigen Stützschicht (2), die zumindest teilweise aus Kunststoff gebildet ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Stützschicht (2) mit Hilfe einer Klebeverbindung über zumindest einen Teil der Fläche, vorzugsweise über die gesamte Fläche des Filterwerkstoffes (1), mit dieser verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Filterwerkstoff für ein Filterelement für Fluide, insbesondere für Hydraulikflüssigkeiten, mit einer den Filterwerkstoff abstützenden gitterförmigen Stützschicht, die zumindest teilweise aus Kunststoff gebildet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Filterelement.
Filterwerkstoffe zur Herstellung von austauschbaren Filterelementen in hydraulischen Anlagen sind in mannigfacher Ausgestaltung bekannt und bestehen beispielsweise aus einem Faservlies mit einer Stützstruktur auf ein oder beiden Seiten (Anström- oder Abströmseite). Solche Filterelemente werden beispielsweise von einer zu filtrierenden Hydraulikflüssigkeit durchströmt, wobei sich von der Schmutzseite zu der Reinseite eine zum Teil beträchtliche Druckdifferenz ergibt. Um dieser Druckdifferenz und auch dynamischen Strömungskräften in dem Unfiltrat standhalten zu können, weisen die Filterwerkstoffe, aus denen entsprechende Filterelemente gefertigt sind, sog. Stützstrukturen auf. Solche Stützstrukturen unterliegen einer starken Druckwechselbelastung im Betrieb eines Filterelementes. Bekannte Stützstrukturen sind aus Metallgittern oder Lochblechen gebildet. Solche Filterelemente mit einer Stützstruktur aus einem Metallgitter sind nicht ohne weiteres kostengünstig herstellbar und montierbar. Zudem können unter Umständen Brüche an der Stützstruktur auftreten.
Die Veröffentlichung DE 200 13 839 U1 beschreibt einen Filterwerkstoff, der eine Stützschicht aufweist, auf die ein Faservlies mittels eines Nadelungsprozesses aufgebracht ist. Die Stützschicht ist als Gewebe oder Gelege ausgebildet, wobei ein Teil der Fäden des Gewebes aus einem elektrisch leitfähigen Material, vorzugsweise aus Metall gebildet ist. Die übrigen Fäden sind aus einem Kunststoffmaterial gebildet, ebenso wie das Faservlies selbst. Es handelt sich bei dem gattungsgemäßen Filterwerkstoff somit um einen textilen, teilweise gewobenen Verbundwerkstoff, der aufgrund der Art der Verbindung von Stützschicht und Faservlies grundsätzlich zum Delaminieren neigt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen einfach und kostengünstig herzustellenden Filterwerkstoff anzugeben, der bei hoher mechanischer Stabilität, vorzugsweise auch elektrostatische Aufladungen des Filterwerkstoffes vermeiden hilft.
Die dahingehende Aufgabe wird von einem Filterwerkstoff mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 in seiner Gesamtheit und mit einem Filterelement nach dem Anspruch 17 gelöst.
Dadurch, dass die Stützschicht mit Hilfe einer flächigen, über zumindest einen Teil der Fläche, vorzugsweise über die gesamte Fläche des Filterwerkstoffes reichenden Klebeverbindung mit dem Filtervlies oder einer anderen gewählten Filterschicht verbunden ist, ist eine dauerhafte feste Verbindung der genannten Strukturen geschaffen, die eine höhere Festigkeit bei geringerer Materialstärke der Stützschicht erlaubt. Der so gebildete Filterwerkstoff aus ein- oder beidseitig auf ein Filtervlies oder dergleichen aufgebauten Stützschicht ist zu Filterelementen weiterverarbeitbar, die eine sehr gute Formstabilität auch bei wechselnden Druckbelastungen in einem zu reinigenden Fluid aufweisen.
Die Stützschicht kann in einem Arbeitsgang ausgebildet und mit dem Filtervlies verbunden werden, indem ein flüssiges Kunststoffmaterial in Faden- oder Faserform auf das Filtervlies aufgebracht wird und dabei durch Klebung anhaftet und anschließend dort aushärtet. So lassen sich durch die Art der Ausrichtung der Kunststoff-Fäden variable Filterstrukturen bilden.
Das Kunststoffmaterial für die Stützschicht läßt sich auch mit Hilfe einer Extrudiervorrichtung als Heißschmelze bereitstellen und über eine mit Spinndüsen oder ähnlichen Düsen versehene Verteileinrichtung als Gewebe- oder Fadenstruktur auf das Filtervlies oder den Filterwerkstoff auftragen. In Abhängigkeit von der Kinetik der unter den Düsen bewegten Filtervliesbahnen oder dem Filterwerkstoff oder in Abhängigkeit von der Düsenbewegung lassen sich verschiedenartige Filterstrukturen darstellen. Insoweit läßt sich die gleichmäßig über die Fläche des Filterwerkstoffes bestehende Klebeverbindung zu der Stützschicht auch als Heißklebeverbindung ausführen.
Die Dicke der Kunststoff-Fäden, die die Stützschicht bilden, läßt sich insbesondere mit einer Extrudiereinrichtung mit Düsen örtlich über die Fläche des Filterwerkstoffes variieren. Dabei kann es vorteilhaft sein, den Volumenstrom an Heißschmelze durch die Verteileinrichtung zu variieren und/oder die Relativgeschwindigkeit zwischen der mit einer Stützschicht zu versehenden Lage Filtervlies und der Verteileinrichtung zu variieren, um dergestalt eine unterschiedliche Fadendicke zu erhalten.
Zur Darstellung der Stützschicht eignen sich beispielsweise Polyalkylenterephtalat-Kunststoffe (PET, PBT) sowie deren Co-Polykondensate, die zwar nur eine mittlere Festigkeit, aber hohe Steifigkeit und Härte besitzen. Teilkristallines Polyethylenterephtalat weist thermische Einsatzgrenzen bei – 20°C bis etwa 100°C kurzzeitig bis 200°C auf. Sie sind beständig gegen verdünnte Sauren, aliphatische und aromatische Kohlenwasserstoffe, Öle, Fette, Ester und Alkohole. Polybutylenterephtalat (PBT) besitzt im Vergleich zu PET etwas geringere Festigkeit; seine Einsatzgrenzen liegen bei etwa –40°C bis +125°C.
Es eignen sich weiter zur Stützschicht-Herstellung auch isotaktische Polypropylen-Kunststoffe, wobei isotaktisches Polypropylen bis etwa 150°C einsetzbar ist und chemisch sich als sehr beständig erweist.
In die Stützschicht lassen sich zusätzlich oder als Ersatz für Kunststoff-Fadensysteme Fäden aus elektrisch leitfähigem Material einweben oder einbringen. Es sind jedoch vorzugsweise lang ausgebildete Fäden und nicht Kurzfasern od. dgl. im Einsatz, die insoweit einen einwandfreien Ladungstransport von dem Filterwerkstoff zu einem Massekontakt in der Umgebung des mit dem Filterwerkstoff gebildeten Filterelements ermöglichen. Die Abstände der elektrisch leitenden Fasern voneinander können vorzugsweise gleich sein, z. B. einen Abstand von etwa 2 cm zueinander einnehmen. Geeignet sind insbesondere Kohlefasern als auch Metallfasern, die inert gegenüber den zu filternden Fluiden sind.
Die Stützschicht kann mithin als eigenständig handhabbares Gewebe aus Kunststoffasern gebildet sein, das auch selbstklebende Eigenschaften aufweist, und zur Verbindung mit dem Filtervlies oder übrigen Filterwerkstoff lediglich verpreßt werden muß. Die Stützschicht kann in Leinwandbindung mit einer Maschenweite von etwa 850 μm oder 1200 μm Maschenweite und mit einer Fadendicke von 250 μm gebildet sein. Die Fadendicke in Kett- und Schußrichtung kann unterschiedlich sein. So kann beispielsweise in Schußrichtung ein Faden von 250 μm Dicke und in Kettrichtung ein Faden von 200 μm Dicke gewählt sein. Die Stützschicht kann auch in Atlas- oder Köperstruktur oder in Rautenform angeordnete Fäden aufweisen. Dabei kann die Maschenweite bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel in einer Richtung etwa 1600 μm und in der anderen Richtung etwa 4300 μm betragen. Besonders die rautenförmige Anordnung der Fäden zueinander ergibt eine gute Durchströmbarkeit bei gleichzeitig guter Abstützung, was zu einer erhöhten Druckstabilität für das gesamte Filterelement führt. Bei plissierten Filterelementen kann beispielsweise die Stützschicht auf dem Filtervlies derart ausgerichtet sein, dass der dickere Faden die Falten des Filterelementes quer überspannt und insoweit einen guten Beitrag zur Abstandhaltung der Falten bildet.
Im Folgenden wird der erfindungsgemäße Filterwerkstoff anhand eines Ausführungsbeispiels nach der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
1 eine perspektivische, schematische Ansicht eines in einem Extrusionsverfahren gebildeten Filterwerkstoffes;
2 eine schematische Draufsicht auf eine Stützschicht, wie sie mit der Vorrichtung in 1 auf ein Filtervlies aufgebracht ist;
3 einen im Mikroskop vergrößert dargestellten Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Filterwerkstoffes;
4 einen im Mikroskop vergrößert dargestellten Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Filterwerkstoffes mit einem elektrisch leitfähigen Faden aus Kohlefaser;
5 eine im Mikroskop vergrößerte Draufsicht auf eine Stützschicht mit rautenförmiger Maschenanordnung; und
6 eine schematische Draufsicht auf ein in Atlas-Bindung erstelltes Drahtgewebe für eine elektrisch leitfähige Stützschicht des Filterwerkstoffes.
In der 1 ist in einer schematisch dargestellten perspektivischen Ansicht ein Filterwerkstoff 1 als endlose Wickelware gezeigt, der mit Hilfe von durch ein Extrudierverfahren hergestellten Kunststoff-Fäden 9 belegt wird, wobei hierdurch eine Stützschicht 2 auf dem Filterwerkstoff 1 aufgebracht wird. Die Stützschicht 2 dient unter anderem zur Aussteifung des im wesentlichen als Kunststoff-Filtervlies 12 gebildeten Filterwerkstoffes 1 und wird in dem gezeigten Ausführungsbeispiel durch Heißklebung aufgebracht, wobei ein Düsenbalken 8 mit Spinn- und Verteildüsen 7 ein gleichmäßiges Fadenmuster oder Fadenstruktur 6 in der Kettrichtung und ein weiterer Düsenbalken 8' in Schußrichtung aufbringen, so dass beispielsweise ein in 3 gezeigtes Rechteckmuster von übereinandergelegten Kunststoff-Fäden 9 gebildet wird. Die Kunststoff-Fäden 9 sind dann im fertigen, abgelegten Zustand an den Knotenpunkten durch Verschmelzen fest miteinander verbunden. Das Filtervlies 12 wird dabei als Endlosware von einer Walze 13 an einem jeweiligen Ende einer Wickelvorrichtung 14 zu einer gegenüberliegenden Walze 15 umgespult und derart transportiert.
Die Kinetik der Düsenbalken 8, 8', die zusammen die Verteileinrichtung 5 für die Kunststoff-Heißschmelze bilden, ist bevorzugt frei um alle drei Achsen veränderbar und wird von einer nicht dargestellten Rechnereinheit angesteuert. So läßt sich beispielsweise eine wellenförmige Anordnung der Fäden 9, wie in 2 gezeigt, realisieren. Dies stellt eine konstruktive Maßnahme dar, die Steifigkeit des Filterwerkstoffes 1 in bestimmten Richtungen zu erhöhen und die Biegsamkeit wiederum in anderer Richtung zu verbessern. Dadurch läßt sich ein Filterwerkstoff 1 schaffen, der in Bezug auf seine Steifigkeit an den Einsatzorten und an die Einsatzweise betreffend die Gestalt eines Filterelementes optimal angepaßt werden kann. Der konstruktive Aufwand zur diesbezüglichen Optimierung eines Filterwerkstoffes ist aus prozeßtechnischer Sicht heraus minimiert.
Die Aufbringung der Stützschicht in dem in 1 aufgezeigten Verfahren kann einseitig oder beidseitig auf das Filtervlies 12 erfolgen und die Fadendicke kann beispielsweise durch die Vorschubgeschwindigkeit der sich unter der Verteileinrichtung 5 wegbewegenden Filtervliesbahn innerhalb vorgebbarer Bereichswerte eingestellt werden. In der 3 ist eine Fadenstruktur 6 in der Art einer Leinwandbindung gezeigt, wobei die Einzelfäden 9 aus geschmolzenem und wieder erstarrtem Kunststoff nicht verwoben, sondern an den Berührpunkten wiederum unter Bildung von Knotenpunkten 16 oder Knotenstellen miteinander verschmolzen sind. Es ergibt sich hier eine Rechteck-Filtermusterstruktur mit einer ersten Maschenweite von etwa 1200 μm und einer zweiten, quer dazu orientierten Maschenweite von etwa 880 μm.
Zur Ableitung von elektrostatischen Ladungen im Betrieb von Filterelementen mit einer derartigen erfindungsgemäßen Stützschicht 2 ist vorgesehen, einzelne Fäden 9, die zusätzlich oder als Ersatz (vgl. 6) für die Kunststoff-Fäden dienen, mit elektrostatischer Leitfähigkeit einzusetzen. In der 4 ist beispielhaft ein Kohlefaserfaden 10 gezeigt, der sich über die gesamte Länge/Breite des Filterwerkstoffes 1 erstreckt und der eine sichere Ableitung von Ladungen an ein Masseteil eines nicht näher dargestellten Filterelementes ermöglicht.
Die in den 3 und 4 gezeigten Ausführungsbeispiele zeigen unterschiedlich dicke Kett- und Schußfädenausführungen, wobei die Kettfäden etwa 200 μm Dicke und die Schußfäden etwa 250 μm Dicke aufweisen sollen. So können bei plissierten Filterwerkstoffen die Fäden 9, die durch die Faltentäler gehen, dünner ausgeführt sein, als die in Richtung der Falten ausgerichteten Fäden 9 der Stützschicht 2.
5 zeigt eine rautenförmige Maschenanordnung der Fäden 9 mit einer etwa doppelt bzw. halb so langen Maschendiagonale wie die jeweilige andere Maschendiagonale. Solche Webmuster oder Fadenmuster haben den Vorteil der verbesserten Durchströmbarkeit für Öl. Es ergibt sich eine Durchströmung mit geringer Verwirbelung und somit einem geringerem Druckabfall an einem Filterelement. Zur Herstellung des Rautenmusters nach der 5 dient vorzugsweise ein Herstellverfahren, wie es für die Fadenauftraglösung nach der 2 aufgezeigt ist.
Die Stützschicht 2 muß nicht zwingend als heißextrudierte Kunststoff-Fadenstruktur gebildet sein, wie die vorangegangenen Ausführungsbeispiele zeigen, sondern kann als separat gefertigtes Gewebe, das anschließend vollflächig auf dem jeweiligen Filtervlies 12 aufgeklebt wird, ausgebildet sein.
In der 6 ist in einem exemplarischen Ausführungsbeispiel ein Metall-Filtergewebe mit Metallfasern 11 beschrieben, die auch teilweise mit polymerem Kunststoff umgeben sein können. Die Metallfasern 11 sind bevorzugt in einer Atlas-Bindung miteinander verwoben, die eine gute Biegsamkeit der Gesamtstruktur ermöglicht. Dabei wird nicht jeder Kett- und Schußfaden miteinander verwoben, sondern es werden Lücken gelassen, so dass sich eine lockere, fluiddurchlässige Bindung ergibt. In vergleichbarer Weise läßt sich eine sog. Köper-Bindung biegsam und flexibel gestalten.
Mit den vorstehend genannten Maßnahmen verfügt die Filtermatte durch das aufgebrachte Laminat in Form einer Stützschicht 2 über eine verbesserte Durchflußwechselermüdungsstabilität. Ferner ist das Durchflußverhalten an Fluid bei hohen Viskositäten durch stabilere Strömungskanäle in der Stützschicht 2 gewährleistet. Durch eine Minimierung der Fadenvereinzelung bei der Fertigung sowie der Möglichkeit der Lagenreduzierung (aus zwei Lagen wird eine Lage) werden die Herstellkosten und der Aufwand entsprechend reduziert, wobei auch mit dazu beiträgt, dass sich höhere Faltgeschwindigkeiten in der Produktion durch die erreichte Längs- und Querstabilität bei der Herstellung des Filterelementes erreichen lassen. Wie dargelegt, kann für eine elektrische Ableitung das Laminat auch metallfrei sein; was aber nicht zwingend notwendig ist.
Da das angesprochene Laminat gebildet aus der Stützschicht 2 und dem Filterwerkstoff 1 dünner ausgebildet ist, als wenn zwei Einzellagen mit entsprechenden Eigenschaften in konventioneller Weise verwendet werden, lassen sich insgesamt aus dem Laminat unter Bildung des Filtermaterials mehr Falten pro Flächeneinheit in das Filterelement einbringen. Damit steht nicht nur eine höhere Filterfläche zur Verfügung und das Laminat hat zusätzlich eine verbesserte Drainagefunktion gegenüber den ansonsten zu betrachteten beiden Einzellagen, was sich zusätzlich in einem niedrigeren Differenzdruck widerspiegelt, so dass das zu filternde Fluid mit geringerem Widerstand das Laminat durchströmen kann.
Die angesprochene Laminierung kann nicht nur über einen Sprühauftrag im Sinne eines Heißklebeauftrags erfolgen. Möglich wäre auch, eine eigenständige, gegebenenfalls perforierte Klebelage zwischen die aufzulaminierende Stützschicht 2 und den Grund-Filterwerkstoff 1 einzubringen, die dann entweder selbstklebend oder wiederum durch Hitze das Gewebe 2 mit dem Vlies 12 als Filterwerkstoff 1 verbindet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 20013839 U1 [0003]

Claims

Filterwerkstoff für ein Filterelement für Fluide, insbesondere für Hydraulikflüssigkeiten, mit einer den Filterwerkstoff (1) abstützenden, gitterförmigen Stützschicht (2), die zumindest teilweise aus Kunststoff gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützschicht (2) mit Hilfe einer Klebeverbindung über zumindest einen Teil der Fläche, vorzugsweise über die gesamte Fläche des Filterwerkstoffes (1), mit dieser verbunden ist.
Filterwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützschicht (2) durch Aufbringen eines flüssigen, aushärtenden Kunststoffmaterials (3) mit einer variablen Gitterstruktur auf den Filterwerkstoff (1) gebildet ist.
Filterwerkstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffmaterial (3) für die Stützschicht (2) mit Hilfe eines Extruders (4) als Heißschmelze einer Verteileinrichtung (5) zugeführt und mit der Verteileinrichtung (5) als Gewebe- oder Fadenstruktur (6) auf dem Filterwerkstoff (1) aufgetragen ist.
Filterwerkstoff nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteileinrichtung (5) aus einer oder mehreren, mit einer vorgebbaren Kinetik bewegten Düsen (7) oder Düsenbalken (8, 8') zum Aufbringen der Heißschmelze auf dem Filterwerkstoff (1) gebildet ist.
Filterwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebeverbindung eine Heißklebeverbindung ist, oder über ein Ultraschallverbindungsverfahren erzeugt ist.
Filterwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der die Stützschicht (2) bildenden Fäden (9) über die Fläche des Filterwerkstoffes (1) variiert.
Filterwerkstoff nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der die Stützschicht (2) bildenden Fäden (9) durch die Variation der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Filterwerkstoff (1) und der Verteileinrichtung (5) und/oder durch die Variation des Volumenstromes der Heißschmelze variierbar ist.
Filterwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützschicht (2) zumindest teilweise aus einem Polyalkylenterephtalat-Kunststoff oder einem Polypropylen- oder Polyethylen-Kunststoff gebildet ist.
Filterwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in die Stützschicht (2) Fäden (9) aus einem elektrisch leitfähigen Material eingebracht sind.
Filterwerkstoff nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähigen Fäden (9) aus Kohlefaser (10) oder einer Metallfaser (11) gebildet sind.
Filterwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützschicht (2) durch ein Gewebe, das zumindest teilweise aus Kunststoff gebildet ist, vollflächig auf dem Filterwerkstoff (1) aufgebracht ist.
Filterwerkstoff nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützschicht (2) selbstklebende Eigenschaften aufweist.
Filterwerkstoff nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützschicht (2) durch eine Klebeschicht, die auf dem Filterwerkstoff (1) aufgetragen ist, mit dem Filterwerkstoff (1) verbunden ist.
Filterwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützschicht (2) aus einem Gewebe mit einer Maschenweite von etwa 850 μm bis 1200 μm gebildet ist.
Filterwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Fadendicke der Stützschicht (2) zwischen 200 μm und 250 μm beträgt.
Filterwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützschicht (2) eine Atlas- oder Köperstruktur oder Rautenform mit einer Maschenweite in einer Richtung von etwa 1600 μm und in der anderen Richtung von etwa 4300 μm aufweist.
Filterelement, insbesondere zylindrisches Filterelement, mit einer Vielzahl von einzelnen Filterfalten, bestehend aus einem Filterwerkstoff (1), der auf einer oder beiden Seiten des Filterelementes mit einer Stützschicht (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 16 versehen ist.