DE10245125A1 - Filtermedium und Filterelement zur Filtration von Feststoffen aus Gasen mit erhöhter Standzeit - Google Patents

Abstract

Im Gegensatz zu üblichen zwei- oder mehrlagigen Filtermedien, bei denen jede einzelne Schicht eine messbare Dicke aufweist, wird bei der vorliegenden Erfindung eine Feinstfaserschicht als zweite Filterschicht nach einer Vorfilterlage verwendet. Während die Vorfilterschicht für die Standzeit verantwortlich ist, stellt die Feinstfaserschicht den Abscheidegrad sicher, ohne messbar zur Dicke beizutragen. Die Vorfilterschicht besteht vorzugsweise aus Papier, die Feinstfaserschicht wird im Elektrospinningverfahren aufgebracht. DOLLAR A Solche erfindungsgemäßen Filtermedien bzw. die daraus hergestellten Filterelemente weisen durch die ausgeprägte Gradientenstruktur eine deutlich höhere Standzeit auf als ein einlagiges Filtermedium mit gleichem Abscheidegrad bzw. ein daraus hergestelltes Filterelement.

Description

• Die Erfindung betrifft Filtermedien zur Filtration von Feststoffen aus Gasen sowie Filterelemente unter Verwendung dieser Filtermedien, zum Beispiel sterngefaltete Patronen, plissierte Panelfilter, Cassetten, Mini-Pleat-Cassetten, Flachfilter etc.
• Zur Luftreinigung sowohl für Klima- und Lüftungszwecke (z. B. in Gebäuden oder auch Fahrzeugen), als auch für Verbrennungskraftmaschinen wie z. B. Gasturbinen oder Dieselund 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, Diffe renzdruck 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 die Filterklasse in der Klima- und Lüftuungstechnik oder 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 Testaersol (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 Plisseé 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 a11 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 Staubspeicherkapazität 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 Hotmeluttechnologie nicht mehr möglich ist. Vielmehr werden die Falten-Bälge aus diesen Medien direkt im Spritzgußverfahren in einen Kunststoffrahmen eingespritzt, was entsprechend aufwendig ist.
• Weitere heute bekannte technische Lösungen zur Standzeiterhöhung z. B. für Klima- und Lüftungstechnik-Anwendungen sind 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.
• Speziell für die Kabinenfiltration im KFZ-Bereich werden ebenfalls schmelzgeblasene Vliese als Feinfilter verwendet, während auf der Anströumseite gröbere Strukturen, z. B. Papier oder Spinnvlies, als Staubspeicher dienen. Nach dem gleichen Prinzip sind die in EP 0 687 195 , DE-GM 92 18 021 oder DE 196 18 758 beschriebenen mehrlagigen Filtermedien aufgebaut.
• 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 zur Filtration von Feststoffen aus Gasen zu schaffen, das bei möglichst geringer Dicke eine größere Standzeit aufweist.
• 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, sowie einer Feinstfaserschicht aus Polymerfasern. Die Polymerfasern haben einen mittleren Durchmesser von maximal 1 μm. Die Flächenmasse der Feinstfaserschicht ist kleiner als 3 g/m² und hat eine Dicke von weniger als 0,01 mm. Weiterhin ist die Feinstfaserschicht auf der Reinseite des Filtermediums angeordnet.
• Das erfindungsgemäße Filtermedium weist somit durch mindestens zwei filteraktive Schichten eine ausgeprägte Gradientenstruktur auf, wodurch die Standzeit verlängert wird, andererseits aber keine nach ISO 534 messbare größere Dicke aufweist als die dickere der beiden Einzellagen. Die Dicke der Feinstfaserschicht ist deshalb nicht mess bar, weil sie weniger als 0,01 mm beträgt und somit weit geringer ist als die üblichen Dickenscuhwankungen des Trägers.
• Bei Experimenten mit Beschichtungen von Papierträgern mit Fasern mit einem Durchmesser < 1 μm wurde zur Überraschung herausgefunden, dass mit einem entsprechenden Vorfiltermaterial, z.B. Filterpapier (in Durchströmungsrichtung gesehen: erste Filterschicht), und mit einer auf der Reinseite des Papieres abgelegten Feinstfaserschicht (in Durchströmungsrichtung gesehen: zweite Filterschicht) die Aufgabe der Erfindung gelöst werden kann: Durch die Verwendung eines Papieres (erste Filterschicht) mit deutlich größerer Porenstruktur als bisher, um die Staubspeicherfähigkeit zu erhöhen, und einer Feinstfaserschicht (zweite Filterschicht) auf der Abströmseite 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.
• Das Elektrospinning-Verfahren ist hierbei schon mehrfach in der Patentliteratur beschrieben, z. B. in DE 2032072 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, Regeneratcellulose, 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 Polymer in Frage, wie z.B. Polyvinylalkohol, Polyvinylpyrrolidon, Polyethy-1enoxid, Polyamid, Polyacrylnitril, Polyethylen, Polypropylen, Polyester, Polyurethan.
• Um den gewünschten Effekt hinsichtlich Standzeit zu erzie-len, sollte die Luftdurchlässigkeit 500 l/m²s bei 20 mbar übersteigen, Idealerweise sogar den Wert von 1000 l/m²s. Verglichen z.B. mit Standardpapieren, die im Bereich 150 bis 400 l/m²s liegen, ist so ein Standzeitgewinn von 50 bis 100 möglich, je nach Testbedingungen.
• Als zweite Filterlage, die dann der zweiten Filterstufe entspricht, wird mit einem bekannten Verfahren eine Feinstfaserschicht von weniger als 3 g/m², insbesondere von weniger als 1 g/m², aufgetragen, deren Dicke unter 0,01 mm liegt. Wesentliche Bedeutung hat diese Schicht jedoch für den Abscheidegrad, der je nach Belegungsstärke auf die jeweiligen Anforderungen eingestellt werden kann.
• Zur Erzielung weiterer Tiefenfiltration kann auch die erste Filterschicht wiederum in sich einen Gradienten aufweisen oder sogar zwei- oder mehrlagig ausgebildet sein, so dass das erfindungsgemäße Filtermedium insgesamt nicht nur zwei-, sondern drei- oder mehrlagig sein kann. Wesentlich ist, dass auf der Reinseite des Vorfiltermaterials (erste Filterschicht) eine Feinstfaserschicht zur Anwendung kommt, die ganz erheblich zum Abscheidegrad beiträgt und keine erkennbare Dickenzunahme verursacht.
• 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 Ethano1) 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) 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 grob liegen dabei immer über 95%, häufig sogar über 98% oder gar über 99%.
  

  

Claims (14)

1. Filtermedium zur Filtration von Feststoffen aus Gasen, bestehend aus a) einem Träger mit mindestens 500 1/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 Reinseite des Filtermediums liegt.
2. Filtermedium gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftdurchlässigkeit des Trägers mindestens 1000 l/m², vorzugsweise mindestens 1500 1/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 kunstfaserhaltigen 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.