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Die Erfindung betrifft Filtermedien
in der Form von Speicherfiltermedien zur Filtration von Feststoffen aus
Flüssigkeiten
sowie Filterelemente unter Verwendung dieser Filtermedien.
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Zur Reinigung sowohl von Schmierflüssigkeiten
und Kraftstoffen für
Verbrennungskraftmaschinen wie z.B. Diesel- oder Benzinmotoren für Kraftfahrzeuge
aller Art als auch zur Reinigung von Hydraulikölen werden üblicherweise Öl-, Kraftstoff-
und Hydraulikfiltermedien und daraus hergestellte Filterelemente
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.
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In der Regel ist bei derartigen Anwendungen
das notwendige Niveau des Abscheidegrades bekannt oder wird vom
Anwender je nach Anforderung festgelegt. Die Prüfung erfolgt entsprechend der
Testmethode mit einem Teststaub, z. B. SAE fine oder SAE medium
unter genau festgelegten, teilweise genormten Bedingungen wie Anströmgeschwindigkeit,
Staubkonzentration, Zeitpunkt und Dauer der Messung, Abbruchkriterium
für das
Ende der Messung etc. Ziel dieser Prüfungen sind die Bestimmung
der Staubspeicherkapazität
und des Abscheidegrades (meist Anfangsfraktionsabscheidegrad z.B.
ISO/TR13353 für
Kraftstofffilter oder mittlere Fraktionsabscheidegrade z.B. ISO4548-12
für Ölfilter)
des Filtermediums.
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Das Bestreben dabei ist, 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 und vice versa, 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 Sternfilter die Anzahl der Falten
nicht im erforderlichen Maße
erhöht
werden kann.
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Mehrlagige Filtermedien werden in
der Patentliteratur vielfach beschrieben. Dabei handelt es sich meist
um Medien, bei denen mindestens eine Lage aus schmelzgeblasenen
Vliesen besteht. Der mittlere Faserdurchmesser der schmelzgeblasenen
Vliese ist dabei deutlich größer als
1 μm.
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Aus
US-PS
5,427,597 und
DE
44 43 158 A1 sind Filtermedien bekannt, bei denen das schmelzgeblasene
Vlies alleine die filtertechnische Funktion erfüllt und die zweite Lage nur
eine stützende
Funktion hat.
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Des weiteren werden in
US-PS 5,427,597 Filtermedien
beschrieben, bei denen die erste Lage einen signifikant niedrigeren
Druckverlust aufweist als die zweite Lage. Die zweite Lage hat eine
hohe Filtereffizienz. Durch solch einen Gradientenaufbau wird erreicht,
dass sich in der ersten Lage ein relativ lockerer Staubkuchen aufbaut
und man trotz hohem Abscheidegrad, der durch die zweite Schicht
erreicht wird, eine hohe Standzeit erhält. In der
DE 199 20 983 C2 ist ein solcher
Aufbau eines Luftfiltermediums beschrieben. Aus WO 99/26710 ist
ein solcher Aufbau für
ein Flüssigkeitsfiltermedium
bekannt. In beiden Fällen
wird als gröbere Schicht
an der Anströmseite
ein schmelzgeblasenes Vlies verwendet.
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Bei all diesen mehrlagigen Aufbauten
ist anschaulich klar, dass jede Schicht für sich eine messbare Dicke
(ISO 534) hat 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.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher,
ein Flüssigkeitsfiltermedium
und ein Filterelement zu schaffen, das bei möglichst geringer Dicke und
ohne Verschlechterung des Abscheidegrads eine größere Standzeit aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 9 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
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Beim erfindungsgemäßen Filtermedium
trägt die
Feinstfaserschicht nicht messbar zur Dicke des Filtermediums bei.
Weiterhin hat die Feinstfaserschicht eine Flächenmasse von weniger als 3
g/m2, wobei der mittlere Durchmesser der
Fasern der Feinstfaserschicht weniger als 1 μm beträgt.
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Das Merkmal, dass die Feinstfaserschicht
nicht messbar zur Dicke des Filtermediums beiträgt, bedeutet, dass die Dickenzunahme
des Filtermediums aufgrund der Feinstfaserschicht nach dem auf dem
betreffenden Gebiet üblichen
Messverfahren nach ISO 534 nicht messbar ist, da die Dicke der Feinstfaserschicht
weniger als 0,01 mm beträgt
und somit weit geringer ist als die üblichen Dickenschwankungen
des Trägers.
Weiterhin hat das mehrlagige Filtermedium in jedem Fall eine größere Standzeit
als ein einlagiges Medium gleichen Abscheidegrades. Darüber hinaus
hat bei hoch abscheidenden Medien das mehrlagige Medium eine größere Standzeit
und einen größeren Abscheidegrad
als die Trägerschicht
allein. Der größere Abscheidegrad ergibt sich
daraus, da in der Feinstfaserschicht feine Schmutzpartikel festgehalten
werden.
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Wird bei hochabscheidenden Medien
(Luftdurchlässigkeit
nach ISO 9237 kleiner als 100 l/m2s) die Feinstfaserschicht
auf der Anströmseite
angebracht, erhöht
sich zudem die Standzeit des Mehrlagenmediums im Vergleich zum selben
Filtermaterial ohne Beschichtung. In diesem Fall führt also
die durch die Feinstfaserschicht verursachte Oberflächenfiltration
zu einem langsameren Druckanstieg als die Tiefenfiltration des Trägermediums
(siehe Beispiel 1).
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Bei Medien mit hoher Luftdurchlässigkeit
(Luftdurchlässigkeit
nach ISO 9237 größer als
150 l/m2s) ist es dagegen vorteilhafter,
die Feinstfaserschicht auf der Abströmseite des Mediums anzubringen.
Das sehr viel offenere Trägermedium
dient in diesem Fall als Vorfilter für die Feinstfaserschicht. Die
Standzeit des Mehrlagenmediums ist zwar reduziert im Vergleich zum
Trägermaterial
alleine, aber im Vergleich zu einem Einlagenmedium gleichen Abscheidegrades
erhält
man immer noch einen deutlichen Standzeitgewinn (siehe Beispiel 2
und 3).
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Das Elektrospinning-Verfahren zur
Erzeugung von Feinstfasern ist schon mehrfach in der Patentliteratur
beschrieben, z. B. im Gebrauchsmuster Nr. 29907699.7. Der verwendete
Begriff „Feinstfasern" bedeutet, dass die
Fasern einen Durchmesser im Nanometerbereich, speziell von 10 bis
1000 nm, vorzugsweise 50 bis 500 nm haben. Die Fasern werden aus
der flüssigen
Phase heraus gesponnen. Dadurch gelangen sie in einem solchen Zustand
auf die Oberfläche
der ersten Filterlage, dass sie dort automatisch haften. Eine spezielle
Verbindungstechnologie ist nicht nötig. Die Flächenmasse (ISO 536) der Feinstfaserschicht
beträgt
weniger als 3 g/m2. Wesentliche Bedeutung
für den
Abscheidegrad und die Standzeit des Mediums hat die Belegungsstärke der
Feinstfasern (siehe Beispiel 2).
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Die Filtermedien, die mit Feinstfasern
belegt werden, sind mit den gängigen
Faserstoffen der Vlies- und Papierindustrie wie z. B. Zellstoff,
Kunstfasern aus Polyester, Regeneratcellulose, Glasfasern, Polyamid etc.
in den entsprechenden Prozessen der Vliesstoff- und Papierherstellung
darstellbar. Die Filtermedien können
in sich einen Gradienten aufweisen oder sogar zwei- oder mehrlagig
aufgebaut sein.
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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 bleiben identisch.
Deshalb sind auch die hier aufgeführten, an planaren Material
gewonnenen Messdaten, auf Filterelemente übertragbar.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand
von Beispielen näher
erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:
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1 ein
Diagramm zur Verdeutlichung des kumulativen Anfangsabscheidegrades
des Mediums K11il5SG mit und ohne Feinstfaserbelegung in Abhängigkeit
des Partikeldurchmessers und
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2 den
Druckanstieg des Filtermediums K11il5SG mit und ohne Feinstfaserbelegung
in Abhängigkeit
der Beladungsmenge.
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Beispiel 1
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Für
die Filtration von Kraftstoffen für Verbrennungsmotoren (PKW
-Diesel- und Benzinmotoren und LKW – Dieselmotoren) sind je nach
Anforderung verschiedene Filterpapiere mit einer Luftdurchlässigkeit
(ISO 9237) von 8 l/m2s bis
200 l/m2s im Einsatz, wobei die Porengrößen (viele
Poren nach Dr. Kufferath („bubble test") mit Ethanol) von
etwa 12 bis ca. 50 μm
reichen. Hochdruckeinspritzsysteme („common rail"; „Pumpe
Düse") für Dieselmotoren
setzten sich in den letzten Jahren immer mehr durch. Diese erfordern
mit zunehmenden Einspritzdruck immer besser abscheidende Filtermedien.
Besonders deutlich wird der Vorteil der Erfindung bei diesen Filtermedien.
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Als Referenzmedium soll das Filtermedium
K11il5SG dienen, das bei Diesel-Hochdruckeinspritzsystemen verwendet
wird. Die Luftdurchlässigkeit
(ISO 9237) dieses Mediums beträgt
8 l/m2s, der „viele Poren" – Wert bei 12 μm und die
Dicke (ISO 534) von 0,45 mm. Entsprechend der Erfindung wird die
Anströmseite
des Mediums mit Feinstfasern beschichtet. Der Anfangsabscheidegrad
und die Standzeit wurden in Anlehnung an ISO/TR 13353 bestimmt,
wobei abweichend von der Prüfnorm
mit Wasser an Stelle von Hydrauliköl gemessen wurde und das sogenannte „single
Pass" – an Stelle
des „Multipass"-Verfahrens verwendet
wurde. Der Volumenstrom betrug 0,5 l/m2s
und die Probenfläche
50 cm2. Der kumulative Anfangsabscheidegrad
wurde mit einer Staubkonzentration (Messstaub: SAE medium) von 5
mg/l bestimmt, die Standzeit mit einer Staubkonzentration von 20
mg/l.
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Die fraktionellen Anfangsabscheidegrade
des Referenzmediums und des mit Feinstfasern beschichteten Mediums
sind in 1 dargestellt.
Die Feinstfaserschicht bewirkt einen dramatischen Anstieg des Anfangsabscheidegrades
z.B. für
Partikel größer als
4 μm von
82% auf 98%. Gleichzeitig zeigt das feinstfaserbeschichtete Medium
einen langsameren Differenzdruckanstieg (2). Ist das Ende der Bestaubung durch die
Druckdifferenz von 0,5 bar bestimmt, so beträgt die Staubaufnahme des feinstfaserbeschichteten
Mediums 71 g/m2 und die des unbeschichteten
Mediums 14 g/m2. Dies entspricht einem Standzeitgewinn
von fast 500 %.
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Bringt man bei dieser Sorte dagegen
die Feinstfasern auf der Abströmseite
an, so erhält
man zwar den gleichen Abscheidegradanstieg, gewinnt aber keine Standzeit.
Einen Standzeitgewinn erreicht man bei hochabscheidenden Medien also
nur, wenn die Feinstfasern anströmseitig
aufgebracht sind. Die Ursache hierfür kann nur sein, dass die Staubeinlagerung
ins Trägermedium
zu einem schnelleren Druckanstieg führt als die Anlagerung in den
Feinstfasern.
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Beispiel 2
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Als Referenzmaterial soll in diesem
Beispiel die Sorte KN5iNHD dienen. Dieses Filtermedium wird als Kraftstofffilter
für Benzinmotoren
und für
Dieselmotoren ohne Hochdruckdirekteinspritzung eingesetzt. Die Luftdurchlässigkeit
dieses Referenzmaterials beträgt
117 l/m2s bei einem „vielen Poren Wert" von 33 μm. Durch
die Feinstfaserbeschichtung verringert sich die Luftdurchlässigkeit
auf bis zu 60 l/m2s, die „vielen
Poren" auf bis zu
15 μm. Die
Dicke des Mediums bleibt aber mit 0,43 mm unverändert.
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Der Anfangsabscheidegrad wurde mit
einer Staubkonzentration von 10 mg/l und die Standzeit mit einer
Staubkonzentration von 50 mg/l bestimmt. Die übrigen Messbedingungen sind
mit den in Beispiel 1 beschriebenen Bedingungen identisch. Die Ergebnisse
sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Dabei ist als „Standzeit" die Menge SAE medium
Staub pro Quadratmeter Filterfläche
bezeichnet, mit der das Filter medium beaufschlagt wurde, bis eine
Druckdifferenz von 0,5 bar entstand.
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Feinstfasern auf einem Träger mit
120 l/m2s Luftdurchlässigkeit. Die Feinstfasern
erhöhen
den Abschei degrad. Die Standzeit wird zwar im Vergleich zum Träger reduziert,
ist aber um den Faktor 500 größer als die
Standzeit eines Einlagenmaterials gleichen Abscheidegrades.
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Die Abscheidegrade werden je nach
Belegungsstärke
durch die Feinstfaserschicht vergrößert. Durch die aufgetragene
Feinstfasermenge kann also der Abscheidegrad eingestellt werden.
Auf welcher Seite die Feinstfaserschicht aufgebracht ist, ist für diese
Sorte weder für
den Abscheidegrad noch für
die Standzeit von Bedeutung. Im Unterschied zu Beispiel 1 ist die
Standzeit des feinstfaserbeschichteten Materials im Vergleich zum
Träger
alleine reduziert. Vergleicht man aber die beschichteten Medien
mit einem Einlagenmedium gleichen Abscheidegrades, so beträgt der Standzeitgewinn
mehr als 500%.
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Beispiel 3
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In diesem Beispiel soll in die Sorte
H3-9iSG2 herangezogen werden. Dieses Medium wird als Ölhauptstromfiltermedium
für Verbrennungsmotoren
eingesetzt. Die Luftdurchlässigkeit
des Mediums beträgt
480 l/m2s, der „viel Poren Wert" 58 μm. Auch bei
diesem Medium kommt es durch die Feinst faserschicht zu keiner Dickenzunahme.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengestellt.
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Feinstfasern auf einem Träger mit
480 l/m2s Luftdurchlässigkeit. Die Feinstfasern
erhöhen
den Abscheidegrad. Die Standzeit wird zwar im Vergleich zum Träger reduziert.
Es ergibt sich noch ein leichter Standzeitvorteil gegenüber einem
Einlagenmaterial gleichen Abschei degrades, allerdings muss in diesem
Fall die Trägerseite
angeströmt
werden.
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Die Feinstfasern erhöhen auch
bei diesem offenen Träger
den Abscheidgrad. Die Standzeit wird durch Aufbringen der Nanofaserschicht
reduziert. Es ist allerdings von entscheidender Bedeutung, ob die
Feinstfaserschicht angeströmt
wird oder die Trägerschicht.
Im Vergleich zu einem Einlagenmaterial gleichen Abscheidegrades
ist noch ein geringer Standzeitvorteil vorhanden.
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In diesem Beispiel ist es für die Standzeit
vorteilhaft, die Trägerschicht
anzuströmen.
Wird die Feinstfaserschicht angeströmt, reduziert sich die Standzeit
dramatisch. Im zweiten Beispiel (LD 117 l/m2s)
hatte es keinen Einfluss auf die Standzeit, auf welcher Seite die
Feinstfaserschicht aufgebracht wurde. Anders im ersten Beispiel
(Luftdurchlässigkeit
8 l/m2s): In diesem Fall erhält man sogar
einen deutlichen Standzeitgewinn, wenn die Feinstfaserschicht angeströmt wird.
Auf welcher Seite sinnvoller weise die Feinstfaserschicht aufgebracht
werden sollte, hängt
also vom Träger
ab. Sehr dichte Träger
verstopfen schon durch geringe Mengen von Staub. In diesem Fall
ist es vorteilhaft, das Eindringen des Staubes in das Träger medium
durch eine Feinstfaserschicht anströmseitig zu reduzieren (Beispiel
1). Bei sehr offenen Medien verhält
es sich genau umgekehrt. Die Feinstfaserschicht blockiert schneller
als der Träger.
In diesem Fall ist es vorteilhaft, die Feinstfaserschicht durch
den Träger
als Vorfilter zu schützen
(Beispiel 3). Es gibt einen Bereich dazwischen, in dem die beiden
Schichten gleich schnell blockieren. In diesem Bereich ist es unerheblich,
welche der beiden Lagen angeströmt
wird (Beispiel 2).
