DE102014011443A1

DE102014011443A1 - Filtermedium zur Filterung von partikulären Verunreinigungen aus einer Flüssigkeit

Info

Publication number: DE102014011443A1
Application number: DE102014011443.0A
Authority: DE
Inventors: Lars Spelter
Original assignee: Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 2014-08-07
Filing date: 2014-08-07
Publication date: 2016-02-25
Anticipated expiration: 2034-08-08
Also published as: DE102014011443B4

Abstract

Filtermedium zur Filterung von partikulären Verunreinigungen aus einer Flüssigkeit, insbesondere aus einem flüssigen Kraftstoff, Wasser, Motoröl, insbesondere in einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtermedium zumindest eine Filterlage aus nicht-gewebtem Filtervlies aufweist, welches mit Partikeln zur Verbesserung der Schmutzaufnahmekapazität und/oder Verfestigung des Filtermediums versehen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Filtermedium nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Filterelement und einen Wechselfilter.
Die US 2007/012007 A offenbart eine Grobfilterlage bzw. Vorfilterlage, welche mit monodispersen Polystyrenepartikeln versehen ist. Darüber hinaus offenbart die US 2007/012007 A eine Feinfilterlage und beschreibt ein Filterverhalten von Partikeln, welche durch diese Feinfilterlage zurückgehalten werden.
Darüber hinaus sind eine Reihe von Luftfiltermedien bekannt, welche mit Adsorberpartikeln, wie z. B. Titandioxid oder Aktivkohle, oder mit Superabsorbern versehen sind. Diese liegen entweder frei in Filtervlieslagen vor oder sind z. B. an Polystyrenepartikel gebunden. Diese Absorber oder Superabsorber dienen vorrangig der Anlagerung und ggf. der katalytischen Oxidation von gasförmigen Schadstoffen oder dampfförmigen Schadstoffen, die Filterung von partikulären Verunreinigungen ist ein nachrangiger Effekt. Derartige Medien sind u. a. durch die Druckschriften DE 10 2009 010 935 A1 , US 2002/195393 AA , US 6,423,123 B , EP 0 669 993 B1 und US 6,197,709 B offenbart.
Die DE 42 41 514 A1 offenbart die Behandlung einer Filterlage mit einem Heißgaspartikelgemisch. Dabei werden Bariumtitanatpartikel in einem Heißgasstrom auf das Fasermaterial bei dessen Austritt aus einem Spinnrotor aufgeblasen. Die anorganischen Partikel bleiben an den noch plastischen Fasern hängen. Die Bariumtitanatpartikel werden sodann in einem Hochspannungsfeld aufgeladen, so dass die Partikel ein Dipolmoment aufweisen. Die in der DE 42 41 514 A1 beschriebene Technologie verfolgt das Ziel, das Filtermaterial statisch aufzuladen und durch dieses gezielte Erzeugen von Ladungsträgern eine längere Filterwirkung zu erreichen. Die wirksame Filterfläche wird jedoch durch die Bariumtitanatpartikel, gemäß der Lehre dieser Druckschrift, nicht beeinflusst.
Bei Feinfilterlagen von Flüssigfiltermedien tritt das Problem auf, dass Meltblown-Feinfilterlagen, auch Schmelzblas-Feinfilterlagen genannt, bei längerem Betrieb oder wiederholter Verwendung komprimiert werden und somit während der Lebensdauer eines Filtermediums einen erhöhten Differenzdruck oder eine verminderte Schmutzkapazität aufweisen können.
Die Meltblown-Feinfilterlagen könnten durch robustere Wet-laid-Feinfilterlagen, auch nassgelegte Feinfilterlagen genannt, ersetzt werden. Diese weisen herstellungsbedingt einen geringeren Faserabstand auf, wodurch eine Wet-laid Feinfilterlage nicht so viel Schmutzpartikel aufnehmen kann und somit eine geringere Schmutzaufnahmekapazität aufweist.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Standzeit und/oder die Schmutzaufnahmekapazität bei Filtermedien, welche bei der Filterung von partikulären Verunreinigungen aus Flüssigkeiten eingesetzt werden über deren Betriebsdauer zu verbessern.
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Filtermedium mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Ein erfindungsgemäßes Filtermedium zur Filterung von partikulären Verunreinigungen aus einer Flüssigkeit, insbesondere aus einem flüssigen Kraftstoff, Wasser, Motoröl, insbesondere in einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, weist zumindest eine Filterlage, insbesondere eine Feinfilterlage, aus nicht-gewebtem Filtervlies auf, welches mit Partikeln zur Verbesserung der Kompressibilität oder der Struktur des Filtermediums versehen ist, um die Schmutzaufnahmekapazität über die gesamte Nutzungsdauer zu gewährleisten.
Dadurch kann die Porosität und/oder die Kompressibilität der Filterlage verbessert werden, was zu einer verbesserten Schmutzabscheidungsrate insbesondere bei längerem und/oder wiederholtem Einsatz des Filtermediums in seiner bestimmungsgemäßen Anwendung führt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Filtermediums sind Gegenstand der Unteransprüche.
Es ist von Vorteil, wenn das Filtermedium faltbar ist. Durch die Faltung kann die Oberfläche zur Filterung auf einfache Weise erhöht werden.
Die Partikel können vorteilhaft im Durchschnitt einen Durchmesser von zumindest 2 um aufweisen, wodurch eine gute Durchströmung der Filterlage gewährleistet wird und eine Blockade durch Zusetzen von breitflächigen Verschmutzungen wie z. B. Ruß oder Ölbestandteilen verhindert wird.
Das nicht-gewebte Filtervlies kann insbesondere ein Meltblown-Filtervlies oder ein Wet-laid Filtervlies sein. Beim Schmelzblasverfahren werden Vliese aus Fasern durch unmittelbares Ablegen gebildet, wobei die Fasern direkt aus durch Düsen hindurchtretenden Polymerschmelzen ersponnen und mittels heißer Luftströme verstreckt werden. Es entstehen so genannte Schmelzblas-Vliese bzw. Meltblown-Vliese. Durch das Schmelzblasverfahren (Meltblown) entstehen Filtervliese mit sehr feinen Fasern, die der fertig verarbeiteten Filterlage, insbesondere Feinfilterlagen, ein sehr großes Porenvolumen verleihen. Ein Meltblown-Filtervlies zeichnet sich durch seine besonders guten Filtereigenschaften und zugleich eine gute Durchströmbarkeit des Filtervlieses aus. Dadurch setzt das Meltblown-Filtervlies nicht so schnell zu, wie z. B. reine Zellulosemedien.
Das Wet-laid Filtervlies ist demgegenüber robuster und weist eine höhere mechanische Festigkeit auf. Nassgelegte Filtervliese werden solche bezeichnet, bei denen die Fasern in Flüssigkeit aufgeschwemmt werden und auf einer für die Flüssigkeit durchlässigen Unterlage abgelegt werden.
Der Faserdurchmesser des Meltblown-Filtervlieses kann besonders bevorzugt im Durchschnitt zwischen 0,5–10 μm betragen, während der Faserdurchmesser des Wet-laid Filtervlieses im Durchschnitt zwischen 50 nm bis 30 μm beträgt und somit feiner sein kann als der eines Meltblown-Filtervlieses.
Die Filterlage kann vorteilhaft mit einer Dicke von mehr als 0,5 mm realisiert werden, insbesondere mit einer Dicke im Bereich von 0,5 mm bis 1,5 mm, vorzugsweise von 0,6 mm bis 1,0 mm. Derartige Dicken sind, insbesondere bei den vorgenannten Faserdurchmesserwerten, eher als dicke Filtervliese einzustufen. Diese dicken Filtervliese weisen eine hohe Schmutzaufnahmekapazität auf, die jedoch durch eine Verpressung der Vliesstruktur verringert werden kann. Dies wird jedoch durch die beigefügten Partikel vorteilhaft verhindert.
Die Filterlage weist insbesondere eine Schmutzaufnahmekapazität von mehr als 160 g/m² auf, so dass auch stark verschmutzte Flüssigkeiten über einen langen Zeitraum zuverlässig gereinigt werden können.
Die Partikel können auf einem thermoplastischen Kunststoff, insbesondere auf einem Polyvinylidenfluorid, Polybutylenterephthalat, Polyamid und/oder Polyethylenterephthalat, basieren. Dies bedeutet, dass diese Materialkomponenten die Hauptbestandteile der Partikel sind. Weitere Inhaltsstoffe, wie z. B. Quervernetzer können dem Kunststoff ebenfalls beigefügt sein.
Die Partikel und Fasern der Filterlage können, insbesondere bei einem thermoplastischen Kunststoff, mittels Schmelzverbindung miteinander verbunden sein. Dies ist besonders von Vorteil, da dadurch Filterlagen, wie z. B. Glasfasern, welche nicht durch typische Verarbeitungsprozesse, wie z. B. thermisches Kalandrieren oder Ultraschallschmelzen, mit anderen Schichten verbunden werden können, sich trotzdem durch die zwischen den Fasern vorliegenden Polymerpartikel miteinander verbinden lassen. Dies kann in einem dem Nasslegeverfahren nachgeschalteten Schritt geschehen, z. B. in einem Ofen oder durch beheizte Walzen. Dabei können die Partikel während des Wet-Laid Herstellungsverfahrens dem Fasermaterial zugegeben werden.
Das Filtermedium kann vorteilhaft mehrlagig aufgebaut sein. Je nach Anwendungsfall kann dem Filtermedium anströmseitig ein Gitter, Netz, Spunbond-Vlies oder eine gelochte Folie als oberste Lage zum Abfangen von besonders groben Schmutzpartikeln wie Steinen von mehr als 2 mm Durchmesser vorgesehen sein. Dieses Gitter bzw. Spunbond-Vlies verhindert den Durchschlag durch das Filtermedium. Selbstverständlich kann die Maschenweite des Gitters, Netzes oder der gelochten Folie variabel gestaltet werden. Alternativ oder zusätzlich kann anströmseitig zur Feinfilterlage eine Vorfilterlage vorgesehen sein, welche eine Grobfilterung von Partikel deren Größenordnung vorzugsweise zwischen 5 μm und 2 mm Durchmesser beträgt, vornimmt. Anschließend folgt abströmseitig die Feinfilterlage, welche Fein- und Feinstpartikel zuverlässig aus der zu reinigenden Flüssigkeit filtert.
Es ist von Vorteil, wenn das Filtermedium zumindest eine Stützlage aufweist, welche strömungsabseitig zur Feinfilterlage, also auf der Reinseite der Feinfilterlage, angeordnet ist und welche beim Herstellungsprozess den Teil der zugefügten Partikel zurückhalten kann, welche nicht durch die Fasern in der Feinfilterlage eingebunden sind.
Weiterhin erfindungsgemäß ist ein Filterelement zur Reinigung partikulärer Verunreinigungen aus Flüssigkeiten, insbesondere aus flüssigem Kraftstoff, Wasser oder Motoröl, insbesondere in einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, wobei das Filterelement aus einem Filtermedium gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche gebildet ist und eine Sternfaltung zur Erhöhung der Oberfläche aufweist.
Ebenfalls erfindungsgemäß ist ein Wechselfilter zur Reinigung von Verunreinigungen aus Flüssigkeiten in einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, insbesondere von Kraftstoff oder Motoröl, umfassend ein druckfestes Gehäuse und ein darin angeordnetes Filterelement gemäß Anspruch 10.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und mehrerer Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Filtermediums;
2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Filtermediums;
3 eine schematische Darstellung eines Filterelements mit dem erfindungsgemäßen Filtermedium;
4 eine schematische Darstellung eines Inlinefilters zur Filterung von Flüssigkeiten, insbesondere für Kraftstoff.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Filtermediums. Dieses Filtermedium 1 ist im dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel mehrlagig aufgebaut. Es weist eine Feinfilterlage 2 auf und eine Stützlage 3. Es ist jedoch je nach Anwendungsbereich auch möglich, das Filtermedium 1 einlagig auszuführen und dabei lediglich eine Feinfilterlage vorzusehen.
Die Feinfilterlage 2 kann besonders bevorzugt als Partikelfilter eingesetzt werden, also zur Filterung von Partikeln aus einem flüssigen Fluid. Darüber hinaus kann die Feinfilterlage 2 je nach Anwendungsbereich des Filtermediums weitere Funktionalitäten aufweisen.
Die Feinfilterlage 2 des Filtermediums besteht aus einem Gemisch aus Fasern 4 und Partikel 5, wobei die Partikel 5 im Ausführungsbeispiel der 1 einen annähernd gleichen Durchmesser aufweisen.
Der Äquivalenzdurchmesser der Partikel 5 variiert bei diesem Ausführungsbeispiel um ±40% vom Mittelwert. Besonders bevorzugt variiert der Äquivalenzdurchmesser der Partikel 5 um ±20%.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Filtermediums 11. Das Filtermedium 11 ist im zweiten Ausführungsbeispiel zweilagig oder optional dreilagig aufgebaut, mit einer Feinfilterlage 12, einer Stützlage 13 und optional einer Vorfilterlage 16.
Die Stützlage 13 ist an der Abströmseite der Feinfilterlage 12, also der Reinseite, angeordnet. Diese dient der Aufnahme von Längs- und Querkräften und stabilisiert in Durchströmungsrichtung.
Die Feinfilterlage 12 weist ein Gemisch aus Fasern 14 und Partikel 15, wobei die Partikel 15 im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 1 einen unterschiedlichen Durchmesser aufweisen. Die Durchmesser der Partikel 15 variieren, ausgehend von einem mittleren Äquivalenzdurchmesser, um den Faktor 2–4. Optional dazu variieren die Faserdurchmesser der Fasern 14 um den Faktor 2–10.
Zusätzlich zur Feinfilterlage kann das Filtermedium zudem eine optionale Vorfilterlage 16 aufweisen, welche vorzugsweise an der Anströmseite der Feinfilterlage 12 angeordnet ist. Diese ist in 2 dargestellt und dient der Filterung gröberer Partikel aus der zu filternden Flüssigkeit.
Das Filtermedium kann zur Filtrierung von Partikeln aus einem flüssigen Kraftstoff, Wasser oder Motoröl, insbesondere in einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, eingesetzt werden.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Filterelements 21 zur Entfernung von Partikeln aus einem Fluidstrom. Dieses Filterelement umfasst das erfindungsgemäße Filtermedium.
Das Filterelement der 3 wird insbesondere zur Filterung von Partikeln einer Fluidströmung einer Brennkraftmaschine verwendet.
Das Filterelement kann vorzugsweise in einem Inlinefilter oder Wechselfilter zur Filterung von Flüssigkeiten einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden. Dies betrifft insbesondere die Filtrierung von Kraftstoff (z. B. Dieselkraftstoff). Der Einsatz des erfindungsgemäßen Filterelements ist allerdings nicht auf dieses Einsatzgebiet begrenzt.
Das erfindungsgemäße Filtermedium 1, 11 ist vorzugsweise faltbar und kann daher als Faltenfilter, wie dem in 3 dargestellten Filterelement 21 ausgebildet werden.
Die Ausgestaltung von Wechselfiltern z. B. als Kraftstofffilter ist an sich bekannt. Ein entsprechender Wechselfilter wird in seinen konstruktiven Details beispielsweise in der EP 2 239 034 A2 beschrieben. 4 zeigt einen entsprechenden Inlinefilter 31.
Dieser besteht aus einem zylindrischen, topfförmigen Filtergehäuse 32 mit einem Gehäusedeckel 33 und dem in 3 abgebildeten in das Filtergehäuse 32 einsetzbaren, ringförmigen bzw. hohlzylindrischen Filterelement 21, das mit einem innen liegenden, gerüstartigen Kunststoff-Mittelrohr versehen ist. Am Gehäusedeckel 33 ist ein Einlassstutzen 35 für die Einleitung des zu reinigenden Fluids angeordnet. Das in das Gehäuseinnere geleitete Fluid wird in einer Heizeinrichtung 36 erwärmt und anschließend, wie mit den Pfeilen dargestellt, zur Außenseite des ringförmigen Filterelementes 21 geführt, die zugleich die Rohseite darstellt. Das erwärmte, ungereinigte Fluid wird anschließend in Radialrichtung von außen nach innen durch das Material des Filterelementes 21 geleitet und axial über einen Auslassstutzen 37 abgeleitet, der ebenfalls im Bereich des Deckels 33 angeordnet ist. Aus- und Einlassstutzen für den Kraftstoff sind mit dem Deckel dicht verbunden, beispielsweise verlötet.
Wie aus 3 ersichtlich, ist das Filterelement in diesem Ausführungsbeispiel gefaltet und weist eine zylindrische Form mit einer Längsachse A auf, wobei die Falten 22 parallel zu dieser Längsachse verlaufen. Das Filtermedium der 3 weist dabei eine sternförmige Faltstruktur auf.
Das Filterelement 21 sollte dabei zur optimalen Partikelfilterung eine stabile Faltengeometrie und eine hohe Reißstabilität aufweisen. Es umfasst zudem eine erste Endscheibe 23 mit einer Zu- oder Abflussöffnung 24 und eine zweite Endscheibe 25, wobei das Filtermedium zwischen den Endscheiben angeordnet ist.
Die Endscheiben können aus einem Kunststoff, vorzugsweise einem spritzgegossenen thermoplastischen Kunststoff bestehen und das Filtermedium kann thermisch, insbesondere mittels Infrarotschweißen mit den Endscheiben verbunden sein. Alternativ oder zusätzlich kann in einer weiteren Ausführungsvariante das Filtermedium auch mit den Endscheiben verklebt sein.
Wie sich aus der Beschreibung ergibt, wird das Filtermedium bevorzugt als Partikelfilter eingesetzt. Dabei weist das Filtermedium allerdings in zumindest einer Feinfilterlage bereits vor seiner bestimmungsgemäßen Inbetriebnahme Partikel auf, wie man z. B. aus 1 und 2 erkennen kann.
Nachfolgend sollen die u. a. in 1 und 2 gezeigten Feinfilterlagen näher beschrieben werden.
Grundsätzlich können die im Filtermedium eingelagerten Partikel aus mineralischen oder organischen Verbindungen bestehen.
Als Partikel, welche zwischen den Fasern eingelagert vorliegen, sind jedoch Polymerpartikel bevorzugt, da mineralische Fasern oftmals eine höhere mechanische Abrasion am Fasermaterial bei der Herstellung des Filtermediums sowie bei der unerwünschten Migration auf die Reinseite des Filtermediums Abrasionen am Einspritzsystem der Brennkraftmaschine verursachen.
Vorzugsweise können die Polymerpartikel auf Basis eines oder mehrerer thermoplastischer Polymere eingesetzt werden. Dies hat den Vorteil, dass durch ein Anschmelzen der thermoplastischen Polymerpartikel eine zusätzliche mechanische Verbindung zwischen den Fasern geschaffen werden kann. Dabei erfolgt eine bevorzugte Schmelzverbindung, jedoch keine adhäsive Bindung wie dies bei geklebten Verbindungen oder bei Schmelzklebern der Fall ist. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Polymerpartikel nur kurzzeitig Temperaturen ausgesetzt sind, die höher als der Schmelzpunkt des Polymermaterials sind. Das Zeitintervall ist entsprechend so zu wählen, dass die Oberfläche des Polymerpartikels zwar schmilzt, allerdings der Kern des Polymerpartikels als feste Masse intakt bleibt.
Besonders bevorzugt können Polymerpartikel auf Basis von Polyvinylidenfluorid, Polyamid, Polybutylenterephthalat und/oder Polyethylenterephthalat eingesetzt werden. Diese Polymere sind chemisch weitgehend resistent, insbesondere bei der Anwendung in Motoröl- oder Kraftstofffiltern, und können je nach Herstellungsverfahren mit den Fasern der jeweiligen Feinfilterlage verklebt werden.
Die Partikelgröße bzw. der Äquivalenzdurchmesser der Partikel beträgt im Durchschnitt vorzugsweise mehr als 2 μm. Bevorzugt entsprechen die Partikel der gleichen Größenordnung wie der mittlere Faserdurchmesser. Der Partikeldurchmesser sowie der Faserdurchmesser können mittels REM-Bildern und/oder automatisierter Bildanalyse bestimmt werden.
Der Volumenanteil der Partikel im Filtermedium beträgt vorzugsweise 3–50%, besonders bevorzugt 5–20%.
Die Feinfilterlage ist bevorzugt eine nicht-gewebte Filterlage, ein so genanntes Non-woven. Sie besteht, wie in 1 und 2 beschrieben, aus Fasern und dazwischen eingelagerten Partikeln.
Als Fasermaterial für das Filtervlies der Feinfilterlage kommt eine Vielzahl von Materialien in Frage. So kann das Fasermaterial z. B. aus Glasfasern, Cellulosefasern, Polyamidfasern, Polybutylenterephthalatfasern, Polyethylenterephthalatfasern, Polyvinylidenfluoridfasern oder Gemischen davon bestehen.
Die Feinfilterlage kann vorzugsweise als eine so genannte Meltblown oder Wet-laid Filtervlieslage ausgebildet sein.
Bevorzugte Meltblown-Materialien sind vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polybutylenterephthal(PBT)-Meltblown, Polyamid(PA)-Meltblown und/oder Polyethersulfon(PES)-Meltblown.
Während des Schmelzblasverfahrens können die in das Filtermaterial einzubringenden Partikel dem Luftstrom vorteilhaft zudosiert werden. In einem besonders materialsparenden Herstellungsverfahren ist es zudem möglich, die Partikel, welche nicht eingebunden wurden, mittels Filter, beispielsweise Siebfilter, zurückzugewinnen.
Wet-laid Verfahren nutzen Bindemittel zur Verbindung von Fasern zur Herstellung eines Filtervlieses. Diese Technik kann bei nicht-schmelzenden Fasern wie z. B. bei Glasfasern angewandt werden. Durch das Bindemittel wird eine chemische Verbindung der Fasern untereinander erzeugt. Das Bindemittel kann im vorliegenden Ausführungsbeispiel faserartig ausgebildet sein. Alternativ und besonders vorteilhaft können die im Herstellungsprozess einzubringenden Partikel der Feinfilterlage selbst aus einem thermoplastischen Material bestehen, welches unter Wärme anschmilzt und die nicht schmelzenden Fasern bindet. Dies ist jedoch keine durch Bindemittel hervorgerufene adhäsive Bindung, sondern eine Schmelzverbindung durch punktuelles Anschmelzen. Dabei schmelzen die Partikel nicht vollständig und bleiben somit in ihrer ursprünglichen Form in der Wet-Laid Filterlage erhalten.
Die Partikel 5, 15 und Fasern 4, 14 der Filterlage 2, 12 sind somit an Verbindungsstellen miteinander verbunden. Diese Verbindungsstellen bilden sich durch das Anschmelzen der Partikel aus. Sie tragen zu einer höheren Verfestigung des Filtermediums bei, so dass das Filtermedium eine höhere mechanische Festigkeit aufweist. Somit binden die Partikel die Fasern der Filterlage.
Die Dicke der Feinfilterlage 2 und 12 liegt vorzugsweise im Bereich von 0,2 mm bis 1,5 mm, vorzugsweise zwischen 0,6 mm und 1,0 mm, und das Flächengewicht, gemäß DIN EN 29073-1, beträgt zwischen 40 g/m²–200 g/m², vorzugsweise zwischen 60 g/m² und 120 g/m².
Der bevorzugte Faserdurchmesser liegt für Meltblown-Material im Durchschnitt im Bereich von 0,1 bis 10 μm, besonders bevorzugt zwischen 0,8 bis 5 μm. Der bevorzugte Faserdurchmesser liegt für wet-laid Material, insbesondere für Glasfasern, im Bereich von 50 nm bis 30 μm.
Die Schmutzaufnahmekapazität beträgt vorzugsweise mehr als 160 g/m², insbesondere gemäß ISO 4020, besonders bevorzugt mehr als 200 g/m², insbesondere gemäß ISO 4020.
Die Filterlage 2, 12 ist als Feinfilterlage ausgebildet. Diese Feinfilterlage kann insbesondere Partikel im Größenbereich von 3–5 μm aus dem Fluid herausfiltern.
Der Abscheidegrad der Feinfilterlage für Partikel größer als 4 μm (c), gemäß ISO 19438/2003, liegt bevorzugt bei mehr als 99,7%. Für eine Zwischenschicht und/oder ein Vorfiltersystem, umfassend die Filterlage, kann ein Abscheidegrad von mehr als 20% bis 80% gemäß ISO 19438/2003 für Partikel als 4 μm (c) vorteilhaft erreicht werden.
Zusätzlich zur Feinfilterlage kann das Filtermedium eine Vorfilterlage aufweisen, welche an der Anströmseite der Feinfilterlage angeordnet ist.
Weiterhin optional kann die Vorfilterlage eine Lage aufweisen, welche die Vorfilterlage vor mechanischer Belastung schützt. Diese kann ebenfalls mit den bereits erwähnten Partikeln versetzt sein.
Die Vorfilterlage kann bevorzugt aus den vorgenannten Materialien bestehen, welche auch bei der Filterlage zum Einsatz kommen. Diese Vorfilterlage filtert insbesondere Partikel im Größenbereich von 5 bis 30 μm aus dem Fluid. Die Dicke der Vorfilterlage liegt im Bereich von 0,1 mm bis 1 mm, vorzugsweise zwischen 0,3 mm und 0,6 mm, und das Flächengewicht beträgt zwischen 40 g/m²–200 g/m², vorzugsweise zwischen 90 g/m² und 110 g/m². Der Faserdurchmesser liegt vorzugsweise im Durchschnitt im Bereich von 0,1 bis 10 μm, besonders bevorzugt zwischen 0,2 bis 10 μm.
Bei der Stützlage handelt es sich bevorzugt um ein Spunbond-Material oder um ein Gittermaterial. Diese Materiallage dient der mechanischen Festigkeit des Filtermediums und verbessert die Faltbarkeit des Filtermediums. Spunbondlagen bzw. Spunbondvliese werden aus Fasern gebildet, die aus durch Düsen hindurchtretende Polymerschmelzen ersponnen und mittels kalter Luft und/oder mechanisch verstreckt werden. Dies erfolgt durch unmittelbares Ablegen der gebildeten Fasern. Die Vliese bauen sich dabei ausschließlich aus Filamenten bzw. Endlosfasern auf. Innerhalb des Filtermediums können auch mehrere Stützlagen, beispielsweise in Form von Gittern aus Metalldraht oder Polymermaterial und/oder Spunbondlagen, vorhanden sein.
Es empfiehlt sich, abströmseitig zur Feinfilterlage, also auf der Reinseite, eine Stützlage anzuordnen, welche zugleich einen Materialaustrag von Partikeln oder Fasern aus dem Filtermaterial verhindert. Dabei handelt es sich um Partikel oder Fasern, welche bei der Herstellung nicht ausreichend in die Feinfilterlage eingebunden wurden. Dies betrifft besonders bevorzugt ein Meltblown-Faservlies. Ein wet-laid Faservlies hingegen hat bessere Anbindung von Fasern und Partikel und zudem eine bessere Eigenfestigkeit.
Die jeweiligen Filterlagen (Feinfilter und Vorfilterlagen) und Stützlagen des erfindungsgemäßen Filtermediums können mittels Thermokalander, Ultraschall, Pulver- bzw. Sprühkleber miteinander verbunden werden. Bevorzugt werden die einzelnen Lagen lose zu einem Filterelement vereint.
Nachfolgend soll ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren eines Filtermediums näher beschrieben werden.
Werden Vliese aus Fasern, die direkt aus durch Düsen hindurchtretenden Polymerschmelzen ersponnen und mittels heißer Luftströme verstreckt werden, durch unmittelbares Ablegen gebildet, entstehen so genannte Schmelz-Blas-Vliese bzw. Meltblown-Vliese. Sie bestehen meist aus längeren spinnfaserähnlichen Endlosfaserabschnitten, aber auch aus einer Mischung mit Endlosfasern oder vollständig aus Endlosfasern. Die darauf aufbauenden verfestigten Vliese werden meist als Meltblown-Vliesstoffe bezeichnet.
Insgesamt ist die Ausbildung von dem Filtermedium mit der nicht-gewebten Faservlieslage und den darin eingelagerten Partikeln besonders bevorzugt für Faservlieslagen, welche eine Dicke von mehr als 0,5 mm aufweisen und eine hohe Schmutzaufnahmekapazität von mehr als 160 g/m², gemäß ISO 4020.
Durch das Einbringen der Partikel zwischen die Fasern wird punktuell ein Faserabstand vorgegeben. Somit fungieren die Partikel als Abstandhalter zwischen den Fasern, wodurch die Feinfilterlage weniger komprimierbar ist.
Bei Filtermedien für Flüssigkeiten ist auf eine maximale Quellgrenze des Filtermediums zu achten. In Kontakt mit der zu filtrierenden Flüssigkeit darf die Durchlässigkeit nicht erheblich verändert werden. Dies kann über die Messung der Luftdurchlässigkeit, gemäß DIN ISO 9237, festgestellt werden, indem die Durchlässigkeit vor und nach dem Medienkontakt miteinander verglichen wird. Eine Abnahme der Durchlässigkeit von 25% oder mehr ist als kritisch einzustufen, wobei eine Einschränkung des Fluidflusses bereits bei einer geringen Reduzierung der Luftdurchlässigkeit gegeben sein kann.
Die Kompressibilität zwischen einer Feinfilterlage aus analogem Fasermaterial mit und ohne eingelagerte Partikel kann durch die Partikel verringert werden. Dadurch ist es möglich, ein Filtermedium mit dicken und schmutzaufnehmenden Feinfilterlagen bereitzustellen, welche zugleich kompressionsstabiler sind als herkömmliche non-woven Feinfilterlagen.
Üblicherweise nimmt die Druckdifferenz während der Filtration auf das Filtermedium zu. Dies liegt an der zunehmenden Beladung des Filtermediums, so dass das zu filternde Fluid zunehmend schwerer das Filtermedium passiert. Dadurch kommt es zu einer Kompression des Filtermediums im Verlauf der Filtration bzw. im Verlauf vieler aufeinanderfolgender Filtrationen. Dieser an sich unerwünschte Anstieg der Druckdifferenz zwischen Anström- und Abströmseite des Mediums wird bei dem erfindungsgemäßen Filtermedium verringert, so dass das Filtermedium über längere Zeit eingesetzt werden kann, ohne übermäßig komprimiert zu werden. Dieser Effekt wirkt sich insbesondere bei Meltblown-Vlieslagen positiv aus, welche herstellungsbedingt komprimierbar sind. Hierdurch steigt die nutzbare Schmutzaufnahmekapazität an.
Zugleich erhöhen die zugesetzten Partikel die Porosität des Filtermediums. Diese eher offenere Porenstruktur ist insbesondere bei wet-laid Filtervliesen von Vorteil, welche aufgrund des zugefügten Bindemittels teilweise sehr eng aneinanderhaftende Fasern aufweisen. Durch die zugegebenen Partikel wird bei diesen Filtervliesen eine Beabstandung der Fasern erreicht, wodurch die Schmutzaufnahmekapazität steigt und die Feinfilterlage nicht so schnell zugesetzt wird.
Durch eine Kombination aus Fasern mit einem besonders feinen Faserdurchmesser und dazu vergleichsweise großen Partikeln mit einem Äquivalenzdurchmesser von vorzugsweise mehr als 2 μm kann in besonders vorteilhafter Weise – verglichen mit handelsüblichen Non-woven-Vliesfilterlagen – ein hoher Abscheidegrad und eine hohe Standzeit erreicht werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2007/012007 A [0002, 0002]
DE 102009010935 A1 [0003]
US 2002/195393 AA [0003]
US 6423123 B [0003]
EP 0669993 B1 [0003]
US 6197709 B [0003]
DE 4241514 A1 [0004, 0004]
EP 2239034 A2 [0043]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN 29073-1 [0063]
ISO 4020 [0065]
ISO 4020 [0065]
ISO 19438/2003 [0067]
ISO 19438/2003 [0067]
ISO 4020 [0076]
DIN ISO 9237 [0078]

Claims

Filtermedium zur Filterung von partikulären Verunreinigungen aus einer Flüssigkeit, insbesondere aus einem flüssigen Kraftstoff, Wasser, Motoröl, insbesondere in einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, wobei das Filtermedium (1, 11) zumindest eine Filterlage (2, 12), insbesondere eine Feinfilterlage, aus nicht-gewebtem Filtervlies aus Fasern (4, 14) aufweist, welches mit Partikeln (5, 15) zur Verbesserung der Schmutzaufnahmekapazität und/oder zur Verfestigung des Filtermediums (1, 11) versehen ist.
Filtermedium nach einem der Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (5, 15) im Durchschnitt einen Durchmesser von zumindest 2 μm aufweisen.
Filtermedium nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das nicht-gewebte Filtervlies ein Meltblown-Filtervlies oder ein Wet-laid Filtervlies ist.
Filtermedium nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserdurchmesser des Meltblown-Filtervlieses im Durchschnitt zwischen 0,5–10 μm oder dass der Faserdurchmesser des Wet-laid Filtervlieses im Durchschnitt zwischen 50 nm bis 30 μm beträgt.
Filtermedium nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterlage (2, 12) eine Dicke von mehr als 0,5 mm aufweist, insbesondere eine Dicke im Bereich von 0,5 mm bis 1,5 mm, vorzugsweise von 0,6 mm bis 1,0 mm.
Filtermedium nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterlage (2, 12) eine Schmutzaufnahmekapazität von mehr als 160 g/m² aufweist.
Filtermedium nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (5, 15) auf einem Polymer, vorzugsweise auf einem thermoplastischen Polymer, insbesondere auf Polyvinylidenfluorid, Polyamid, Polybutylenterephthalat und/oder Polyethylenterephthalat, basieren.
Filtermedium nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (5, 15) und Fasern (4, 14) der Filterlage (2, 12) mittels Schmelzverbindung miteinander verbunden sind.
Filtermedium nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (5, 15) und die Fasern (4, 14) der Filterlage (2, 12) an Verbindungsstellen miteinander verbunden sind, welche durch Anschmelzen der Partikel ausgebildet sind.
Filterelement zur Reinigung von partikulären Verunreinigungen aus Flüssigkeiten, insbesondere aus flüssigem Kraftstoff, Wasser oder Motoröl, insbesondere in einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, wobei das Filterelement (21) aus einem Filtermedium (1, 11) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche gebildet ist, wobei das Filtermedium (1, 11) eine Sternfaltung zur Erhöhung der Oberfläche aufweist.
Wechselfilter oder Inlinefilter zur Reinigung von Verunreinigungen aus Flüssigkeiten in einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, insbesondere von Kraftstoff, umfassend ein Filtergehäuse (32) und ein darin angeordnetes Filterelement (21) gemäß Anspruch 10.