DE10245123A1 - Langzeitluftfiltermedium und daraus hergestellte Filterelemente - Google Patents

Abstract

Im Gegensatz zu üblichen zweilagigen Filtermedien, bei denen jede einzelne Schicht eine messbare Dicke aufweist, wird bei der vorliegenden Erfindung eine Feinstfaserschicht als erste Filterschicht verwendet, die anströmseitig mit einer derart geringen Dicke auf einem Träger angeordnet ist, dass sie nicht messbar zur Dicke beiträgt. Die Feinstfaserschicht ist hierbei für den Abscheidegrad und die Staubspeicherfähigkeit des Filtermaterials verantwortlich.

Description

• Die Erfindung betrifft Filtermedien, die als Langzeitfiltermedien zur Filtration von Feststoffen aus Gasen geeignet sind, sowie Filterelemente unter Verwendung dieser Filtermedien, zum Beispiel sterngefaltete Patronen, plissierte Panelfilter, Cassetten, Mini-Pleat-Cassetten, Flachfilter etc.
• Zur Luftreinigung für Verbrennungskraftmaschinen, wie z. B. Gasturbinen oder Diesel- und Benzinmotoren für Kraftfahrzeuge aller Art, werden üblicherweise Luftfiltermedien und daraus hergestellte Luftfilter eingesetzt, die ein gewisses, limitiertes Staubspeichervermögen aufweisen und bei Erreichen einer bestimmten Grenze, die z. B. nach Gebrauchsstunden, Differenzdruck oder Kilometerleistung bemessen sein kann, ausgetauscht werden.
• In der Regel ist bei derartigen Anwendungen das notwendige Niveau des Abscheidegrades bekannt oder festgelegt, z. B. durch eine vorgegebene Prozentzahl der abzuscheidenden Partikel je nach Anforderung und Testmethode für die jeweilige Verbrennungskraftmaschine (z. B. Fraktionsabscheidegrade oder gravimetrischer Abscheidegrad). Die Prüfung erfolgt entsprechend der Testmethode mit einem Testaerosol (meist Teststaub, z. B. SAE fein oder SAE grob) unter genau festgelegten Bedingungen wie Anströmgeschwindigkeit, Rohgaskonzentration, Zeitpunkt und Dauer der Messung, Abbruchkriterium für das Ende der Messung etc.
• Das Bestreben dabei ist, unter diesen Bedingungen eine möglichst hohe Staubspeicherkapazität und damit Standzeit zu erreichen. Da aber der Abscheidegrad einerseits und die Standzeit andererseits negativ zueinander korrelieren, kann mit homogenen, einlagigen Medien ein Standzeitgewinn nur auf Kosten des Abscheidegrades erreicht werden, sofern nicht einfach die eingebaute Filterfläche vergrößert wird. Dies ist nicht allein durch erhöhte Kosten limitiert, sondern vielmehr durch den beschränkten Einbauraum, so daß z. B. bei einem plissierten Panelfilter die Anzahl der Falten nicht im erforderlichen Maße erhöht werden kann.
• Als Notbehelf werden heute die plissierten Falten aus imprägniertem Papier in Panelfiltern anströmseitig mit einer Schaumstofflage abgedeckt, die einen Teil des Staubes zurückhalten oder zumindest die kinetische Energie der Partikel reduzieren soll, so daß eine Standzeitverlängerung erfolgt. Diese Methode weist jedoch große produktionstechnische Nachteile auf, da die Schaumstofflage nach Erzeugen des Panels als weiterer Verarbeitungsschritt z. B. mit Hotmeltraupen auf das Plissee geklebt werden muß.
• Für Verbrennungsmotoren sind ferner Gradientenfilter bekannt, die aus Synthesefasern hergestellt werden und in Durchströmungsrichtung zunehmend dichter werden. Hier werden an der Oberfläche die gröberen Partikel abgeschieden und in der Tiefe die feineren. Nachteilig ist hier, daß diese Materialien so dick sind, daß bei gleichem Bauraum erheblich weniger Falten eingebaut werden können. Dies erhöht allerdings die Anströmgeschwindigkeit mit all den damit verbundenen Nachteilen: Höherer Druckverlust des Filters an sich durch die höhere Strömungsgeschwindigkeit und Abscheidung der geforderten Staubmenge auf weniger Filterfläche, so daß die spezifische Staubspeicherkapazi tät hier um ein Vielfaches höher sein muß. Zusätzlich verlangen diese Filtermedien die komplette Änderung der heute gängigen Produktionsausstattung, weil das Abdichten der Stirnseiten der Falten mit der üblichen Hotmelttechnologie nicht mehr möglich ist. Vielmehr werden die Faltenbälge aus diesen Medien direkt im Spritzgußverfahren in einen Kunststoffrahmen eingespritzt, was entsprechend aufwendig ist.
• Weitere heute bekannte technische Lösungen zur Standzeiterhöhung sind z. B. für Klima- und Lüftungstechnik-Anwendungen im DE-GM 92 18 021.3 oder auch EP 0 687 195 beschrieben. Dort wird eine Feinfilterschicht aus schmelzgeblasenem Mikrofaservlies, die den Abscheidegrad bestimmt, anströmseitig mit einer Grobfilterschicht belegt, die die Staubkapazität erhöht. Der Nachteil ist hier, daß für eine plissierfähige Ausführung in der Regel eine dritte Schicht nötig ist, die die mechanische Festigkeit (insbesondere Steifigkeit) liefert, damit das Plissee selbsttragend ist.
• In der DE 199 20 983 C2 wird erstmals ein Aufbau beschrieben, bei dem die Schichtenfolge umgekehrt wird und das schmelzgeblasene Vlies in sehr grobporöser Ausführung auf der Anströmseite verwendet wird.
• Bei all diesen mehrlagigen Aufbauten ist anschaulich klar, dass jede Schicht für sich eine messbare Dicke hat (> 0,01 mm) und somit die Kombination der mindestens zwei Schichten zu einer größeren Dicke führt als die Dicke der dicksten Einzellage. Damit verbunden ist der Nachteil, dass bei geometrischer Formgebung des Mediums in einem Filterelement zur Gewährleistung der Durchströmung der gesamten Filterfläche im Element der Platzbedarf steigt oder bei gegebenem Volumen weniger Fläche eingebaut werden kann.
• Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Filtermedium und Filterelement zu schaffen, das durch einen zweilagigen Aufbau geeignet ist, die Standzeit zu verlängern, andererseits aber keine messbar größere Dicke aufweist als die dickere der beiden Einzellagen.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 bzw. 11 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
• Das erfindungsgemäße Filtermedium besteht aus einem Träger mit mindestens 500 l/m²s Luftdurchlässigkeit und einer Feinstfaserschicht, bestehend aus Polymerfasern mit einem mittleren Durchmesser von maximal 1μm, einer Flächenmasse von weniger als 3 g/m² und einer Dicke von weniger als 0,01 mm, wobei die Feinstfaserschicht auf der angeströmten Seite liegt.
• Bei Experimenten mit Beschichtungen von Papierträgern mit Fasern mit einem Durchmesser < 1 μm wurde zur Überraschung herausgefunden, dass mit einem entsprechenden Trägermaterial, z.B. Filterpapier (in Durchströmungsrichtung gesehen: zweite Filterschicht), und mit einer auf der Rohgasseite des Papieres abgelegten Feinstfaserschicht (in Durchströmungsrichtung gesehen: erste Filterschicht) die Aufgabe der Erfindung gelöst werden kann: Durch die Verwendung eines Papieres (zweite Filterschicht) mit deutlich größerer Porenstruktur als bisher, um die Luftdurchlässigkeit gegenüber herkömmlichen Filtermaterialien zu erhöhen, und einer Feinstfaserschicht (erste Filterschicht) auf der Anströmseite des Papieres, um den bisher notwendigen Abscheidegrad wiederum sicherzustellen, kann die Standzeit bei gleichzeitigem Beibehalt des Abscheidegrades im Vergleich zu herkömmlichem Filterpapier erhöht werden, ohne dass die Dicke meßbar zunimmt. Die Dicke der Feinstfaserschicht ist deshalb nicht messbar, weil sie weniger als 0,01 mm beträgt und somit weit geringer ist als die üblichen Dickenschwankungen des Trägers. Dieses Ergebnis, das durch Bestauben von plissierten Luftfilterelementen mit Anströmung von unten erhalten wurde, ist deshalb überraschend, weil nach bisherigem Filtrationsverständnis die Feinstfaserschicht auf der angeströmten Seite eine Oberflächenfiltration ausbildet, die zwar durch den Filterkuchenaufbau einen verbesserten Abscheidegrad bewirkt, die aber auch aus dem selben Grund eine deutlich niedrigere Standzeit haben müsste als das Trägerpapier alleine.
• Das Elektrospinning-Verfahren ist hierbei schon mehrfach in der Patentliteratur beschrieben, z. B. in DE 20 32 072 C3. Durch das Spinnen aus der flüssigen Phase gelangen die Fasern in einem solchen Zustand auf die Oberfläche der ersten Filterlage, dass sie dort automatisch haften. Eine spezielle Verbindungstechnologie ist nicht nötig.
• Die erfindungsgemäßen groben Strukturen sind mit den gängigen Faserstoffen der Vlies- und Papierindustrie, wie z. B. Zellstoff, Kunstfasern aus Polyester, Regeneratcellulo se, Polyamid etc. in den entsprechenden Prozessen der Vliesstoff- und Papierherstellung darstellbar.
• Für die Erzeugung der Feinstfasern kommen im Prinzip alle in einem geeigneten Lösemittel gelösten Polymere in Frage, wie z.B. Polyvinylalkohol, Polyvinylpyrrolidon, Polyethylenoxid, Polyamid, Polyacrylnitril, Polyethylen, Polypropylen, Polyester, Polyurethan.
• Als zweite Filterlage, die dann der zweiten Filterstufe entspricht, wird in bekanntem Verfahren eine Feinstfaserschicht von weniger als 3 g/m², insbesondere von weniger als 1 g/m², aufgetragen, die keinen messbaren Einfluß auf die Dicke aufweist. Wesentliche Bedeutung hat diese Schicht jedoch für den Abscheidegrad, der je nach Belegungsstärke auf die jeweiligen Anforderungen eingestellt werden kann. Darüberhinaus bewirkt diese Feinstfaserschicht auf der angeströmten Seite des Filtermaterials einen sehr lockeren Filterkuchenaufbau. Daraus resultiert ein geringerer Druckanstieg als bei einem Filterpapier mit vergleichbarem Abscheidegrad jedoch ohne Feinstfaserschicht.
• Bei der Verarbeitung des erfindungsgemäßen Mediums zum Filterelement kommen die gleichen Prozesse wie bei Standardmedien zur Anwendung, da sich die Verarbeitungsparameter durch das Aufbringen der Feinstfaserschicht nicht ändern; insbesondere die Einbaugeometrie und Auslegung des Elementes bleibt identisch.
• Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispiels näher erläutert:
• Für die Filtration von Zuluft für Verbrennungsmotoren (PKW-Diesel- und Benzinmotoren und LKW-Dieselmotoren) sind je nach Anforderungen verschiedene Filterpapiere mit einer Luftdurchlässigkeit (gemessen bei 200 Pa) von etwa 100 bis knapp über 1000 l/m²s im Einsatz, wobei die Porengrößen (viele Poren nach Dr. Kufferath („Bubble-Test") mit Ethanol) von etwa 35 bis ca. 100 μm reichen.
• Als Teststaub ist SAE grob allgemein üblich, die Teststäube SAE fein und andere jedoch nicht ausgeschlossen. Die Anströmgeschwindigkeit wurde mit LKW-typischen 6,5 cm/s festgelegt. Das Ende der Bestaubung wird hier durch einen Enddruckverlust von 3500 Pa definiert. Andere Methoden schreiben z. B. einen Druckverlustanstieg während der Bestaubung von 3000 Pa vor. Die Standzeit korreliert mit derjenigen Menge Staub, die unter diesen Labortestbedingungen pro m² Filterfläche auf das Filtermedium aufgebracht werden kann.
• Der paarweise Vergleich von Papier einerseits (Referenz L4-6) mit andererseits modifiziertem Papier mit Feinstfasern gibt Aufschluß über den Standzeitgewinn. Abscheidegrade werden hier nicht ausgewiesen, weil die Belegungsstärke der Feinstfasern so gewählt wurde, dass die Abscheidegrade jeweils identisch sind. Typische Anfangsabscheidegrade nach DIN 44956, Teil 2, gemessen mit Teststaub SAE fein, liegen dabei immer über 95%, häufig sogar über 98% oder gar über 99%.
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Claims (15)

1. Filtermedium zur Filtration von Feststoffen aus Gasen, bestehend aus: a) einem Träger mit mindestens 500 l/m²s Luftdurchlässigkeit, b) einer Feinstfaserschicht, bestehend aus Polymerfasern mit einem mittleren Durchmesser von max. 1 μm, einer Flächenmasse von weniger als 3 g/m² und einer Dicke von weniger als 0,01 mm, wobei die Feinstfaserschicht auf der angeströmten Seite des Filtermediums liegt.
2. Filtermedium gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftdurchlässigkeit des Trägers mindestens 1000 l/m², vorzugsweise mindestens 1500 l/m²s beträgt.
3. Filtermedium nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Durchmesser der Polymerfasern maximal 0,8 μm, vorzugsweise maximal 0,5 μm beträgt.
4. Filtermedium nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger aus einer oder mehreren Lagen eines Zellulosematerials oder eines kunst faserhaltigen Zellulosematerials besteht.
5. Filtermedium nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger aus einer oder mehr Lagen Synthesematerial oder einer Kombination aus Synthesematerial und Zellulosematerial besteht.
6. Filtermedium nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerfasern der Feinstfaserschicht nach dem Elektrospinnverfahren hergestellt sind.
7. Filtermedium nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtenaufbau insgesamt plissierfähig ist.
8. Filtermedium nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung von Steifigkeit mindestens eine Schicht ein Papier ist.
9. Filtermedium nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung von Steifigkeit mindestens eine Schicht ein Spinnvlies, Krempelvlies oder naßgelegtes Synthesevlies ist.
10. Filtermedium nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Papier imprägniert ist.
11. Filterelement zur Luftfiltration, mit einem Filtermedium nach einem der vorgenannten Ansprüche.
12. Filterelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtermedium plissiert ist.
13. Filterelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das plissierte Filtermedium als ebenes Panelfilter angeordnet ist.
14. Filterelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das plissierte Filtermedium kreisförmig als sterngefalteter Patronenfilter angeordnet ist.
15. Filterelement nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass es durch Falten, Plissieren oder Noppen so hergestellt ist, dass die Feinstfaserschicht angeströmt wird.