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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung, insbesondere Veredelung, eines Filtermediums zum zumindest teilweisen Abreinigen von Fluiden, wobei das aus mindestens einem Filtermaterial bestehende Filtermedium in zumindest einem Oberflächenbereich behandelt wird.
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Filtermedien zur Herstellung von austauschbaren Filterelementen für hydraulische Anlagen sind in mannigfacher Ausgestaltung bekannt und weisen als Filtermaterial beispielsweise ein Filtervlies, insbesondere ein Kunststoffvlies, auf. Ein aus dem Filtermedium hergestelltes Filterelement wird von einem abzureinigenden Fluid, wie einer zu filtrierenden Hydraulikflüssigkeit, durchströmt, wobei sich von der Rohseite zu der Reinseite eine zum Teil beträchtliche Druckdifferenz ergeben kann. Um dieser Druckdifferenz standhalten zu können, weisen die Filtermedien auf der rohseitigen Anströmseite und/oder der reinseitigen Abströmseite eine Stützstruktur auf. Die Stützstrukturen sind aus Metallgeweben oder aus Kunststoff gebildet.
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Für die jeweilige Filteraufgabe gewünschte Eigenschaften des Filtermediums können dadurch eingestellt werden, dass zusätzliche Materialien in dieses integriert werden. Bei einem aus
US 4,433,024 bekannten Filtermedium werden Dampf absorbierende Teilchen in ein Filtervlies aus Melt-Blown-Fasern eingebunden. Hierfür werden bei der Herstellung des Filtervlieses die Dampf absorbierenden Teilchen mit den Melt-Blown-Fasern vermischt und auf diese Weise ein Dampf absorbierendes Filtervlies bereitgestellt.
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Die
EP 0 324 601 A2 offenbart ein Verfahren zur Bereitstellung eines Filterelements, dessen Filtermedium als Filtermaterial elektrisch aufgeladene bzw. aufladbare Kunststofffasern umfasst. Die elektrisch aufgeladenen bzw. aufladbaren Fasern werden als Filterlage bzw. Filtervlies mit einer weiteren Filterlage verpresst und über eine Schmelzverbindung mit dieser verbunden. Zur Ausbildung der Schmelzverbindung wird zumindest eine der beiden Filterlagen im entsprechenden Oberflächenbereich aufgeschmolzen, um dort die jeweils andere Filterlage festzulegen.
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Die
DE 10 2010 025 219 A1 betrifft ein Filtermedium mit einer auf zumindest einer Seite des Filtermediums in Flächenbereichen anliegenden, zumindest teilweise aus Kunststoffmaterial gebildeten Stützstruktur. Das Filtermedium und die Stützstruktur werden mittels Laminieren, Kaschieren und/oder mittels eines Aufschmelzverfahrens miteinander verbunden. Beispielsweise wird auf das Filtermedium in einem Sprühauftrag Klebstoff aufgetragen und anschließend die zunächst als separate Materiallage ausgebildete Stützstruktur auf das Filtermedium aufgelegt und mit diesem verklebt. Auch hier findet eine Oberflächenbehandlung des Filtermediums in zumindest einem Oberflächenbereich statt.
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Je nach Filteraufgabe kann es erforderlich und wünschenswert sein, bestimmte Eigenschaften des Filtermediums bedarfsgerecht vorzugeben. Hierbei ist es besonders wünschenswert, das Filtermedium als eine Art Basismaterial vorzuhalten und je nach Filteraufgabe die jeweiligen Eigenschaften vorzugeben und das entsprechende Filterelement fertigzustellen. Das zur Anwendung kommende Verfahren sollte in einfacher Weise und wenn möglich unabhängig von der Herstellung des Basis-Filtermediums durchgeführt werden können.
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Die Erfindung stellt sich mithin die Aufgabe, bestimmte Eigenschaften eines Filtermediums in einfacher Weise bedarfsgerecht für die jeweilige Filteraufgabe vorgeben zu können.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 in seiner Gesamtheit. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass im jeweiligen Oberflächenbereich auf mindestens einem Filtermaterial mittels eines Gasphasenabscheideverfahrens zumindest eine Art von Teilchen abgeschieden wird, und dass durch die abgeschiedenen Teilchen zumindest eine Eigenschaft des Filtermediums zumindest im jeweiligen Oberflächenbereich vorgebbar ist.
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Durch die im jeweiligen Oberflächenbereich abgeschiedenen Teilchen wird die jeweils gewünschte Eigenschaft vorgegeben bzw. eingestellt und das Filtermedium insoweit funktionalisiert bzw. veredelt.
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Der Begriff „Gasphasenabscheideverfahren” umfasst sämtliche Verfahren zur Oberflächenbehandlung mittels chemischer Gasphasenabscheidung, in Englisch „chemical vapour deposition” (CVD), Gas-Plasmabehandlung, in Englisch „gas plasma treatment” (GPT), sowie Chemical-graft-Verfahren, sowie PVD, thermisches Verdampfen, Elektronenstrahlverdampfen, Laserstrahlverdampfen, Lichtbogenverdampfen, Molekularstrahlepitaxie, Sputtern, ionenstrahlgestützte Deposition, ICBD und Ionenplattieren.
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Neben einer flächenmäßigen Ausdehnung an der vom Filtermedium vorgegebenen Oberfläche schließt der Begriff „Oberflächenbereich” eine bestimmte Eindringtiefe der abgeschiedenen Teilchen in das Filtermedium mit ein. Weiter können als eine Art „Coating” dünne Schichten mit einer Schichtdicke kleiner als 1 μm im jeweiligen Oberflächenbereich abgeschieden werden.
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Die jeweiligen Teilchen weisen typischerweise zumindest eine bestimmte chemische, wie hydrophobe oder hydrophile, oder physikalische, wie magnetische oder elektrische, Eigenschaft auf und/oder geben die jeweilige Eigenschaft nach Abscheiden aus dem Filtermedium vor. Besonders bevorzugt weisen die Teilchen eine bestimmte elektrische Leitfähigkeit auf bzw. geben diese nach Abscheiden aus dem Filtermedium vor. Beispielsweise kann eine bestimmte Temperatur- und/oder Druckstabilität, elektrische Leitfähigkeit, Abrasionsverhalten, Oberflächenabreinigung, Hydrophobie, Hydrophilie, Oleophobie, Oleophilie und/oder Medienbeständigkeit, optimiert für die jeweilige Anwendung des Filtermediums, durch die abgeschiedenen Teilchen eingestellt werden.
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Je nach vorgebbarer Eigenschaft können eine oder mehrere Arten von Teilchen im jeweiligen Oberflächenbereich auf dem Filtermedium, parallel zueinander oder nacheinander, abgeschieden werden. Hierbei kann sowohl für das Vorgeben einer bestimmten Eigenschaft das Abscheiden mehrerer Arten von Teilchen erforderlich sein als auch eine Art von Teilchen mehrere Eigenschaften am Filtermedium vorgeben. Zweckmäßigerweise wird die Art der Teilchen derart gewählt, dass eine möglichst homogene Abscheidung von Teilchen im jeweiligen Oberflächenbereich erreicht wird, so dass das entsprechende Gasphasenabscheideverfahren vergleichsweise einfach und in vergleichsweise kurzer Zeit durchgeführt werden kann.
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Als Teilchen werden vorzugsweise einzelne Atome, Atomgruppen, Radikale, Moleküle und/oder Molekülketten auf dem jeweiligen Filtermaterial abgeschieden. Die einzelnen Teilchen, insbesondere Radikale, können nach dem Abscheiden nicht nur am jeweiligen Filtermaterial anhaften, sondern auch mit diesem chemisch reagieren. Die jeweils vorzugebende Eigenschaft kann auch erst durch eine Reaktion des jeweiligen Filtermaterials mit den abgeschiedenen Teilchen ausgebildet bzw. eingestellt werden.
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In einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens umfassen die jeweiligen Teilchen Atome der Elemente Chlor, Kalzium, Kalium, Kohlenstoff, Sauerstoff, Eisen, Natrium, Magnesium, Aluminium, Silizium, Schwefel. Die Elemente werden entsprechend ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften gewählt und bedarfsgerecht einzeln oder im Verbund auf dem Filtermaterial abgeschieden. Alle Metalle können als Teilchen abgeschieden werden. Durch Zuführen von Prozessgasen, wie Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenwasserstoff, lassen sich auch Oxide, Nitride und Carbide abscheiden. Weiter ist eine Dotierung der Moleküle mit Gegenionen, beispielsweise PEDOT, durchführbar.
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In einer weiteren bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden einem Kunststoffmaterial zugeordnete Monomere oder Polymere auf dem Filtermedium abgeschieden. Besonders bevorzugt sind den Monomeren oder Polymeren Polytetrafluorethylen und/oder Polysiloxan zugeordnet. Besonders bevorzugt ist das jeweilige Kunststoffmaterial elektrisch leitfähig und/oder hydrophob oder hydrophil ausgebildet.
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Durch hydrophobe oder hydrophile Kunststoffmaterialien können entsprechende wässrige Fluidanteile, vorteilhafterweise auf der Rohseite, zurückgehalten oder vom Fluid abgetrennt werden. Durch entsprechende elektrische Eigenschaften, insbesondere eine elektrische Leitfähigkeit, des jeweiligen Filtermediums kann insbesondere dessen statische Aufladung während des Filtrationsvorganges minimiert, optimalerweise gänzlich unterbunden, werden.
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Typischerweise werden die jeweiligen Teilchen an einer dem abzureinigenden Fluid und/oder dem abgereinigten Fluid zugeordneten Oberfläche des Filtermediums, vorzugsweise vollflächig, abgeschieden. Bei einer vollflächigen Ausbildung über die gesamte jeweilige Oberfläche werden die gewünschten Eigenschaften des Filtermediums auf der größtmöglichen Fläche vorgegeben und entsprechend das bestmögliche Filtrationsergebnis erreicht. Eine einzelne Filterlage stellt insoweit ein Filtermedium dar, so dass bei einem mehrlagigen Aufbau eines Filtermediums der jeweilige Oberflächenbereich nicht zwingend an der Außenoberfläche des zusammengesetzten Filtermediums angeordnet ist.
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Vorteilhafterweise werden die Teilchen in einer Art Sprühauftrag auf dem jeweiligen Filtermaterial abgeschieden. Die Vorbehandlung des Substrats beispielsweise in einem Plasmaverfahren oder in einer Gasphasenfluorierung bietet sich zum Erhalt eines bestmöglichen Veredelungsergebnisses an.
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In einer besonders einfachen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das zu behandelnde Filtermedium in einer bevorzugt evakuierbaren Gaskammer angeordnet und das Gasphasenabscheideverfahren mittels Elektroden, einem Elektronenstrahl, einem Ionenstrahl und/oder mittels mindestens einer Temperiereinrichtung durchgeführt.
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Die Erfindung betrifft weiter ein Filtermedium zum zumindest teilweisen Abreinigen von Fluiden, bestehend aus mindestens einem Filtermaterial, mit zumindest einem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelten Oberflächenbereich. Das jeweilige Filtermaterial ist typischerweise vliesartig aus einzelnen Fasern, vorzugsweise aus Glasfasern und/oder Melt-Blown-Fasern, einem Non-woven Vlies, Metallgewebe, Kunststoffgewebe und/oder Kunststoffnetz aufgebaut.
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Bei besonders dünnen Filterlagen bzw. Filtermedien ist es durchaus vorstellbar, dass die jeweils abgeschiedenen Teilchen bzw. die jeweilige Funktionalisierung, insbesondere bei beidseitiger Abscheidung bzw. beidseitiger Oberflächenbehandlung, die jeweilige Filterlage nahezu vollständig durchdringt.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Figuren und der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnung. Die vorstehend genannten und die weiter angeführten Merkmale können jeweils einzeln oder in beliebigen Kombinationen an einem erfindungsgemäßen Filtermedium oder in einem erfindungsgemäßen Verfahren realisiert sein. Die in den Figuren gezeigten Merkmale sind rein schematisch und nicht maßstäblich zu verstehen. Es zeigt:
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1 den oberen Teil eines Filterelements mit einem erfindungsgemäßen bzw. erfindungsgemäß behandelten Filtermedium;
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2 eine Draufsicht auf einen Oberflächenbereich des Filtermediums aus 1; und
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3 eine beispielhafte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt in einer teilweise aufgeschnittenen und „auseinandergezogenen” Darstellung den oberen Teil eines Filterelements 10, welches beispielsweise in hydraulischen Anlagen mobiler Arbeitsmaschinen oder in stationären hydraulischen Anlagen zum Abreinigen strömungsfähiger Fluide, wie Hydrauliköle, von Schmutzpartikeln eingesetzt ist. Das Filterelement 10 ist im einbaufertigen Zustand zylindrisch und rotationssymmetrisch zur Rotationsachse R ausgebildet. Im Inneren des Filterelements 10 ist ein fluiddurchlässiges, zylindrisches Stützrohr 12 angeordnet, welches vorzugsweise aus einem thermoplastischen Kunststoff besteht. Am Stützrohr 12 stützt sich umfangsseitig ein Filtermedium 14 in der Art einer plissierten Filtermatte ab. An einer dem Stützrohr 12 entgegengesetzten Außenseite ist das Filtermedium 14 von einem Filtermantel 16 in Form einer fluiddurchlässigen Hülle umgeben. Der Filtermantel 16 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel mehrlagig aus drei einzelnen Kunststofflagen aufgebaut, kann jedoch auch einlagig ausgebildet sein. Der Filtermantel 16 ist fluiddurchlässig beispielsweise mit einer Perforation oder mit Poren vorgebbarer Größe (nicht gezeigt) ausgebildet und stellt eine Art Vorfilterlage dar.
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Am in 1 gezeigten oberen Ende des Filterelements 10 sind das Stützrohr 12, das Filtermedium 14 und der Filtermantel 16 in einer Endkappe 18 aufgenommen und auf diese Weise lagefixiert. In die Endkappe 18 und das Stützrohr 12 ist ein Bypassventil 20 mit einem federbelasteten Ventilelement integriert, welches bei „verblocktem” Filtermedium 14 öffnet und einen Fluiddurchlass von der Außenseite des Filterelements 10 unter Umgehung des Filtermediums 14 ins Innere des Stützrohres 12 freigibt.
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Das plissierte Filtermedium 14 weist einen Lagenaufbau aus zwei, einer inneren und einer äußeren, Stützlagen 22a, 22b und zwei, einer ersten bzw. äußeren und einer zweiten bzw. inneren, Filterlage 24a, 24b auf. Die Stützlagen 22a, 22b können beispielsweise durch ein Draht- oder Kunststoffgewebe ausgebildet sein. In Abhängigkeit vom Einsatzzweck des Filtermediums 14 besteht die erste Filterlage 24a aus einem Schutzvlies, vorzugsweise aus einem Kunststoffvlies, und die zweite Filterlage 24b aus einem Filtermaterial wie Glasfasern, Papier, Cellulosepapier, synthetischen Filtermaterialien oder Melt-Blown-Fasern. Die Filterlagen 24a, 24b können auch aus sog. Composite-Materialien mit mehreren Filtermaterialien aufgebaut sein. Das Filtermedium 14 als Teil des Filterelements 10 weist in Abhängigkeit seines Aufbaus und der jeweils eingesetzten Filtermaterialien vorgebbare Filtereigenschaften auf.
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Das Filtermedium 14, genauer die Stützlagen 22a, 22b und die Filterlagen 24a, 24b sowie der Filtermantel 16, welcher als Vorfilterlage dem Filtermedium 14 zugeordnet werden kann, können in Oberflächenbereichen, die radial außenliegend hier der Rohseite des Filterelements 10 oder radial innenliegend hier der Reinseite des Filterelements 10 zugeordnet sind, mit abgeschiedenen Teilchen versehen und auf diese Weise funktionalisiert sein, so dass im jeweiligen Oberflächenbereich bestimmte chemische und physikalische Eigenschaften des Filtermediums 14 vorgegeben sind.
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2 zeigt einen rechteckförmigen Oberflächenbereich des Filtermediums 14 mit der Filterlage 24 und der Stützlage 22, welche radial innen- oder außenliegend im Filterelement 10 angeordnet sein können. Die Stützstruktur bzw. Stützlage 22 umfasst in einer Kettrichtung K verlaufende erste Fadenelemente 26 (nicht sämtliche bezeichnet) und in einer Schussrichtung S verlaufende zweite Fadenelemente 28. Die ersten und zweiten Fadenelemente 26, 28 bilden ein regelmäßiges Gewebe in der Art einer sog. Leinwandbindung aus. Das Material der Stützlage 22 ist beispielsweise PBT-Kunststoff, welcher in einem Kaschiervorgang auf die Filterlage 24 aufgetragen werden kann.
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Die Filterlage 24 ist aus einem Kunststoffvlies, insbesondere einem Polyestervlies, mit einzelnen Fasern 32 (nicht sämtliche bezeichnet) ausgebildet. Die einzelnen Fasern 32 können in einem Gasphasenabscheideverfahren funktionalisiert werden, um beispielsweise die Oberflächenenergie auf einen bestimmten Wert einzustellen. Die auf den Fasern 32 abgeschiedenen Teilchen können aus einem polymeren Kunststoffmaterial, besonders bevorzugt aus Polytetrafluorethylen oder Polysiloxan, jeweils vorzugsweise elektrisch leitfähig und/oder hydrophil, bestehen. Zusätzlich kann eine in 2 nur in einem Teilausschnitt gezeigte Beschichtung 34 auf die Filterlage 24 des Filtermediums 14 aufgebracht sein und die von den Fasern 32 vorgegebenen Zwischenräume zumindest teilweise verschließen.
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Im Ausführungsbeispiel der 2 haften weiter abgeschiedene Teilchen in Form von Materialpunkten 30, bevorzugt ebenfalls aus einem polymeren Kunststoffmaterial, an den einzelnen Fasern 32 der Filterlage 24 an. Im in 2 gezeigten Beispiel sind die Teilchen vor Auflage der Stützlage 22 auf die Filterlage 24 aufgebracht bzw. abgeschieden worden, es ist jedoch auch denkbar, zunächst die Stützlage 22 auf die Filterlage 24 aufzukaschieren und anschließend die Teilchen aufzubringen.
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In 3 ist eine beispielhafte Vorrichtung gezeigt, mittels der das Filtermedium 14 bzw. dessen einzelne Lagen mittels eines Gasphasenabscheideverfahrens funktionalisiert werden können. Das zu behandelnde Filtermedium 14 ist in einer Gaskammer 36 angeordnet und liegt exponiert auf einer tischartigen Auflageeinrichtung 50 auf. Durch eine Vakuumpumpe 40 ist die Gaskammer 36 vor Durchführung des Gasphasenabscheideverfahrens evakuierbar. Der der Vakuumpumpe 40 zugeordnete Auslass der Gaskammer 36 ist über ein Ventil 38 gesichert. Eine Druckmesseinrichtung 42 zur Überwachung des Gasdruckes in der Gaskammer 36 steht in Verbindung mit einer Steuerung 44, welche das Ventil 38 und die Vakuumpumpe 40 in Abhängigkeit des Gasdruckes ansteuert.
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Innerhalb der Gaskammer 36 ist eine Plattenanordnung von zwei Elektroden 46a, 46b vorgesehen, wobei die untere Elektrode 46b Teil der Auflageeinrichtung 50 mit dem darauf angeordneten Filtermedium 14 ist. Die obere Elektrode 46b ist Teil einer Zuführeinrichtung 48, über welche ein entsprechendes Gas, beispielsweise mit Partikeln oder Monomeren, zur Abscheidung am Filtermedium 14 der Gaskammer 36 zugeführt werden kann. Die untere und die obere Elektrode 46a, 46b sind jeweils an eine Spannungsquelle 52a, 52b angeschlossen und können von dieser entsprechend dem jeweils durchgeführten Gasphasenabscheideverfahren mit Spannung beaufschlagt werden. Es versteht sich, dass eine der beiden Elektroden 46a, 46b geerdet sein kann.
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Die Auflageeinrichtung 50 kann über eine nicht dargestellte Temperiereinrichtung, insbesondere eine Kühlvorrichtung, temperierbar sein. Eine weitere, ebenfalls nicht dargestellte Temperiereinrichtung, insbesondere eine Heizeinrichtung, kann im Inneren der Gaskammer 36 angeordnet sein und beispielsweise eine Heizwendel im Bereich des zugeführten Gases, d. h. zwischen den beiden Elektroden 46a, 46b, aufweisen. Über die Temperiereinrichtungen können sowohl die Temperatur des zugeführten Gases als auch die Temperatur des Filtermediums 14 als Ort der Abscheidung bedarfsgerecht eingestellt werden. Die Zuführeinrichtung 48 weist einen duschkopfartigen Auslasskopf 54 auf, an welchem das zugeführte Gas- bzw. Stoffgemisch in einem vorgebbaren Flächenbereich in die Gaskammer 36 eintritt bzw. einströmt. Auf diese Weise wird eine gleichmäßige Abscheidung von Teilchen an der Oberfläche des Filtermediums 14 erreicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4433024 [0003]
- EP 0324601 A2 [0004]
- DE 102010025219 A1 [0005]
