DE112006001428T5

DE112006001428T5 - Gradientendichte-Tiefenfiltrationssystem

Info

Publication number: DE112006001428T5
Application number: DE112006001428T
Authority: DE
Inventors: David P. Livingston Dickerson; Michael J. Perrysburg Monnin; Gary L. Wharton Rickle; Mark A. Ottawa Borer; James O. Cookeville Stuart; Yogeshwar K. Cookeville Velu; William C. Cookeville Haberkamp; Julie Anne Fostoria Graber
Original assignee: Fleetguard Inc
Current assignee: Cummins Filtration Inc
Priority date: 2005-05-31
Filing date: 2006-05-30
Publication date: 2008-05-15
Also published as: BRPI0613379A2; JP2008545532A; WO2006130526A2; US20060266701A1; WO2006130526A3

Abstract

Vorrichtung zum Filtern eines Fluids, umfassend:
eine Schmelzblas-Filtrationsanordnung zum Bereitstellen von zunehmend feinerer Filtration eines Fluids, wobei die Schmelzblas-Filtrationsanordnung unterschiedliche Porositäten von schmelzgeblasenen Mikrofilamenten umfasst, welche einen im Wesentlichen konstanten Durchmesser aufweisen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Flüssigkeitsfiltrationssysteme und betrifft insbesondere ein Gradientendichte-Tiefenfiltrationssystem, das mit verschiedenen Kraftstoffen, Kühlmitteln und anderen flüssigen und gasförmigen Fluiden verträglich ist.
Beschreibung des Standes der Technik
Der stetig steigende Benzinpreis der letzten Jahre hat weltweit zu einer vermehrten Verwendung und Verfügbarkeit alternativer Kraftstoffe geführt. Tatsächlich werden alternative Kraftstoffe wie beispielsweise Methanol, Ethanol, Erdgas, Propan, Biodiesel, Elektrizität, Wasserstoff und Kraftstoffe der P-Serie in immer stärkerem Umfang als kostengünstige, umweltfreundliche Alternativen zu Benzin verwendet. Solche nicht aus Erdöl erzeugten Kraftstoffe werden allgemein aus im Inland erzeugten, erneuerbaren Ressourcen wie beispielsweise biologischen Materialien, Solarenergie und Kohle gewonnen. Auch Erdgas wird in großem Maßstab als grundlegende Energiequelle für alternative Kraftstoffe verwendet. Erdgas ist zwar nicht erneuerbar, doch gibt es sowohl in den USA als auch in ihren nordamerikanischen Nachbarländern reichliche Vorräte. Alternative Kraftstoffe bieten somit eine relativ sichere Energieform, die im Wesentlichen unbeeinflusst von den Schwankungen der Kosten und Verfügbarkeit von Benzin ist, welche von begrenzten Rohölvorräten und begrenzter Raffineriekapazität abhängen.
Im Gebrauch verbrennen alternative Kraftstoffe, verglichen mit Benzin, im Wesentlichen sauber und nützen der Umwelt durch Verringerung von Schadstoffen und Abgasen. Außerdem verbrauchen mit alternativen Kraftstoffen betriebene Fahrzeuge allgemein weniger Kraftstoff als die entsprechenden Standardfahrzeuge. Dies trägt ebenfalls dazu bei, Fahrzeugemissionen und die damit verbundene Umweltschädigung zu verringern.
Zwar sind mit alternativen Kraftstoffen betriebene Fahrzeuge entwickelt worden, um von der Umweltfreundlichkeit und wirtschaftlichen Sicherheit alternativer Kraftstoffe zu profitieren; aufgrund einer fundamentalen chemischen Unverträglichkeit zwischen den Kraftstoffen und den Filtern, durch die sie gepumpt werden, schöpfen solche Fahrzeuge jedoch im Allgemeinen nicht das volle Potenzial solcher Kraftstoffe aus. Tatsächlich sind die meisten handelsüblichen, im Tank verwendeten Kraftstofffilter zum Filtern von Benzin oder Dieselkraftstoffkonstruiert und enthalten daher Materialen, die für einen solchen Zweck geeignet sind, wobei die Verträglichkeit solcher Materialien mit alternativen Kraftstoffen außer Acht bleibt. Ein typischer Kraftstofffilter weist eine äußere Schicht auf, die ein inneres Filtrationsmedium mit einer oder mehreren Schichten umschließt. Ein solcher Kraftstofffilter, der als Tiefenfilter vom Medientyp bekannt ist, zeichnet sich im Allgemeinen durch hohe Effizienz und Kapazität aus und hält Kontaminationsstoffe wirksam im Filter fest. Zur weiteren Optimierung der wirksamen Filtration kleiner Partikel kann das innere Filtrationsmedium des Tiefenfilters vom Medientyp nichtgewebte, schmelzgeblasene Thermoplast-Filamente umfassen.
Ein Vlies aus schmelzgeblasenen Filamenten stellt Feinfiltration in einer Größenordnung bereit, die durch herkömmliche Webtechniken im Allgemeinen nicht erreichbar ist. Im Schmelzblasverfahren wird ein thermoplastischer Filamentstrang schell strömendem Gas ausgesetzt, welches das Filament verfeinert und es in Mikrofasern aufbricht. Während die Fasern sich zu einem Sammelsieb bewegen, kühlt und festigt die Umgebungsluft die Fasern zu einem selbstverbundenen, nichtgewebten Vlies, das für die Filtration kleiner Partikel hoch wirksam ist.
Das Schmelzblasverfahren erfordert im Allgemeinen ein thermoplastisches Polymer, das flüssig genug ist, um feine Mikrofasern zu erzeugen, dabei aber viskos genug, um hohe Faserfestigkeit bereitzustellen und übermäßiges Verbinden oder Brechen von Fasern zu verhindern. Ebenso ist es wichtig, dass bei der Verfestigung eine ausreichende Verbindung der Polymer- mit anderen Fasern erfolgt, dabei aber unerwünschte Koaleszenz durch übermäßiges Verschmelzen vermieden wird. Tatsächlich entstehen durch unerwünschte Koaleszenz Bereiche, in denen die Fasern ihre Faseridentität verlieren und daher nicht mehr als Filter funktionieren. Aus diesem Grund gilt: Je schneller die Kristallisation und je höher der Schmelzpunkt des Polymers, desto besser. Das Polymer, das allgemein als für dieses anspruchsvolle Verfahren am besten geeignet gilt und in der Kraftstofffilterindustrie heute vor allem verwendet wird, ist Nylon.
Schmelzgeblasene Filamente aus Nylon erbringen zwar in herkömmlichen Benzin-Kraftstofffiltersystemen gute Leistung, jedoch bewirken alternative Kraftstoffe, insbesondere alkoholhaltige Kraftstoffe wie beispielsweise Ethanol und Methanol, leicht ein Aufquellen solcher Filamente, wodurch die Strömungsbegrenzung zu der Kraftstoffpumpe hin erhöht wird und der Kraftstoffstrom zu einem Motor reduziert wird. Außerdem sind solche Filamente anfällig für Beschädigung und Abbau, wenn sie verschiedenen chemischen Komponenten alternativer Kraftstoffe ausgesetzt sind. Infolgedessen können Kraftstoffwirkungsgrad und -zuverlässigkeit von mit alternativem Kraftstoff betriebenen Fahrzeugen beeinträchtigt werden.
Dementsprechend besteht ein Bedarf an einem Gradientendichte-Tiefenfiltrationssystem vom Medientyp, das mit alternativen Kraftstoffen verträglich ist. Vorteilhafterweise würde ein solches Gradientendichte-Tiefenfiltrationssystem wirksame Filtration von kleinen Partikeln aufrechterhalten, chemisch hervorgerufenem Aufquellen und anderen chemisch hervorgerufenen Schäden und Wirkungen widerstehen sowie Kraftstoffwirkungsgrad und -zuverlässigkeit in mit alternativen Kraftstoffen betriebenen Fahrzeugen optimieren. Ein solches Gradientendichte-Tiefenfiltrationssystem wird vorliegend offenbart und beansprucht.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist in Reaktion auf den gegenwärtigen Stand der Technik und insbesondere auf die Probleme und Bedürfnisse auf diesem Gebiet entwickelt worden, die durch gegenwärtig verfügbare Gradientendichte-Tiefenfiltrationssysteme vom Medientyp noch nicht vollständig gelöst sind. Dementsprechend ist die vorliegende Erfindung dazu entwickelt worden, ein Gradientendichte-Tiefenfiltrationssystem vom Medientyp bereitzustellen, das viele oder alle der oben erläuterten Unzulänglichkeiten auf diesem Gebiet überwindet.
Eine Vorrichtung zum Filtern eines Fluids gemäß bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst eine Schmelzblas-Filtrationsanordnung zum Bereitstellen zunehmend feinerer Filtration eines Fluids wie beispielsweise eines Kühlmittels oder Kraftstoffes. Die Schmelzblas-Filtrationsanordnung kann unterschiedliche Dichten von schmelzgeblasenen Mikrofilamenten mit im Wesentlichen konstantem Durchmesser umfassen. In einer Ausführungsform kann ein Durchmesser der schmelzgeblasenen Mikrofilamente im Bereich zwischen ca. 2 und 5 μm liegen. In einigen Ausführungsformen können die schmelzgeblasenen Mikrofilamente aus einem im Wesentlichen maßbeständigen Thermoplast gebildet sein, der chemisch hervorgerufenen Wirkungen widerstehen kann. Beispiele für einen im Wesentlichen maßbeständigen Thermoplast sind unter anderem Acetal, Polyethylen, Polyphenylensulfid, Hochtemperatur-Nylon oder eine Kombination daraus.
In bestimmten Ausführungsformen kann die Schmelzblas-Filtrationsanordnung eine einzelne Schicht oder mehrere schmelzgeblasene Schichten umfassen, wobei jede schmelzgeblasene Schicht eine einzigartige und im Wesentlichen konstante Porosität der schmelzgeblasenen Mikrofilamente aufweist. Die schmelzgeblasenen Schichten können in der Weise angeordnet sein, dass eine der jeweiligen Schicht entsprechende Porosität mit einem Abstand zwischen der schmelzgeblasenen Schicht und einer Zieleinrichtung abnimmt.
Des Weiteren kann die Vorrichtung ein allgemeines Filtrationselement umfassen, das mit der Schmelzblas-Filtrationsanordnung verbunden ist, um Grobfiltration bereitzustellen, wobei das allgemeine Filtrationselement beispielsweise Spunbond-Filtrationsmedien umfasst. In bestimmten Ausführungsformen kann die Vorrichtung ein im Wesentlichen an das allgemeine Filtrationselement angrenzendes äußeres Filtrationselement umfassen, um die allgemeine Filtration- und die Schmelzblas-Filtrationsanordnung vor mechanischen Belastungen zu schützen.
Ein System der vorliegenden Erfindung wird ebenfalls zur Bereitstellung von Gradientendichte-Tiefenfiltration eines Fluids vorgestellt. Das System kann durch einen zum Speichern eines Fluids geeigneten Tank, eine Pumpe zum Pumpen des Fluids zu einer Zieleinrichtung und einen Filter zum Filtern des Fluids vor dem Erreichen der Zieleinrichtung ausgestaltet sein. Der Filter kann eine Schmelzblas-Filtrationsanordnung zum Bereitstellen zunehmend feinerer Filtration des Fluids aufweisen, wobei die Schmelzblas-Filtrationsanordnung wechselnde Porositäten von schmelzgeblasenen Mikrofilamenten mit im Wesentlichen konstantem Durchmesser umfasst. Wie bei der Vorrichtung können die schmelzgeblasenen Mikrofilamente einen im Wesentlichen maßbeständigen Thermoplast wie beispielsweise Acetal, Polyethylen, Polyphenylensulfid, Hochtemperatur-Nylon oder eine Kombination daraus umfassen. Die Gradienten-Filtrationsanordnung kann eine Anordnung von schmelzgeblasenen Schichten nach Porosität umfassen, wobei jede Schicht eine im Wesentlichen konstante Porosität von schmelzgeblasenen Mikrofilamenten aufweist, die nur in dieser Schicht vorliegt, so dass die Porosität mit dem Abstand zwischen der Schicht und einer Zieleinrichtung abnimmt. Schließlich kann der Filter des Weiteren ein allgemeines Filtrationselement für die Grobfiltration und ein äußeres Filtrationselement zu Schutzzwecken aufweisen.
Es wird ebenfalls ein Verfahren der vorliegenden Erfindung zum Bereitstellen von Gradientendichte-Tiefenfiltration eines Fluids vorgestellt. In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren das Schmelzblasen eines im Wesentlichen maßbeständigen Thermoplasts zur Ausbildung von schmelzgeblasenen Mikrofilamenten mit im Wesentlichen konstantem Durchmesser, das Ausbilden der schmelzgeblasenen Mikrofilamente zu einer schmelzgeblasenen Schicht mit einer einzigartigen und im Wesentlichen konstanten Porosität, das Anordnen einer Vielzahl der schmelzgeblasenen Schichten entsprechend ihren relativen Porositäten, um eine Schmelzblas-Filtrationsanordnung herzustellen, und das Filtern eines Fluids durch die Schmelzblas-Filtrationsanordnung, um zunehmend feinere Filtration des Fluids bereitzustellen. In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren weiterhin umfassen, den im Wesentlichen maßbeständigen Thermoplast in der Weise zu wählen, dass er wenigstens einen der Bestandteile Acetal, Poyethylen, Polyphenylensulfid, Hochtemperatur-Nylon und im Wesentlichen maßbeständiger Thermoplast umfasst. Außerdem kann das Filtern des Fluids das Filtern eines Fluids umfassen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Kühlmittel und einem Kraftstoff besteht.
In der gesamten vorliegenden Beschreibung ist durch die Bezugnahme auf Merkmale, Vorteile oder ähnliche Formulierungen nicht impliziert, dass alle mit der vorliegenden Erfindung realisierbaren Merkmale und Vorteile in jedweder einzelnen Ausführungsform der Erfindung vorliegen sollen oder vorliegen. Vielmehr verstehen sich auf die Merkmale und Vorteile bezogene Formulierungen so, dass ein bestimmtes Merkmal, ein bestimmter Vorteil oder ein bestimmtes Kennzeichen, das in Verbindung mit einer Ausführungsform beschrieben wird, in wenigstens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten ist. Somit können sich in der gesamten vorliegenden Beschreibung die Erläuterung der Merkmale und Vorteile sowie ähnliche Formulierungen auf dieselbe Ausführungsform beziehen; dies ist aber nicht zwangsläufig der Fall.
Außerdem können die beschriebenen Merkmale, Vorteile und Kennzeichen der Erfindung in jeder geeigneten Weise in einer oder mehreren Ausführungsformen kombiniert werden. Der Fachmann wird erkennen, dass die Erfindung ohne eines oder mehrere der spezifischen Merkmale oder Vorteile einer bestimmten Ausführungsform ausgeführt werden kann. In anderen Fällen können zusätzliche Merkmale und Vorteile in bestimmten Ausführungsformen erkannt werden, die nicht in allen Ausführungsformen der Erfindung vorliegen.
Diese Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen vollständiger deutlich oder können aus der nachfolgend dargelegten Ausführung der Erfindung entnommen werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Zum leichteren Verständnis der Vorteile der Erfindung erfolgt eine eingehendere Beschreibung der oben kurz beschriebenen Erfindung unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. In dem Verständnis, dass diese Zeichnungen lediglich typische Ausführungsformen der Erfindung abbilden und daher nicht so aufzufassen sind, dass sie deren Umfang einschränken, wird die Erfindung spezifischer und detaillierter durch Verwendung der beigefügten Zeichnungen beschrieben und erläutert, für die gilt:
1 ist eine Querschnittsansicht eines Kraftstofftanks mit einem Gradientendichte-Tiefenfiltrationssystem gemäß bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Gradientendichte-Tiefenfiltrationssystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform eines Gradientendichte-Tiefenfiltrationssystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
4 ist eine perspektivische Ansicht einer Schmelzblasanlage, die zur Herstellung von schmelzgeblasenen Schichten des Gradientendichte-Tiefenfiltrationssystems gemäß bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
5 ist eine vergrößerte Draufsicht auf schmelzgeblasene Acetal-Mikrofilamente, die eine erste Schicht einer Schmelzblas-Filtrationsanordnung gemäß bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bilden;
6 ist eine vergrößerte Draufsicht auf schmelzgeblasene Acetal-Mikrofilamente, die eine zweite Schicht der Schmelzblas-Filtrationsanordnung gemäß bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bilden; und
7 ist eine vergrößerte Draufsicht auf schmelzgeblasene Acetal-Mikrofilamente, die eine dritte Schicht der Schmelzblas-Filtrationsanordnung gemäß bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In der gesamten vorliegenden Beschreibung bedeuten die Bezugnahme auf "eine einzelne Ausführungsform", "eine Ausführungsform" oder ähnliche Formulierungen, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder ein bestimmtes Kennzeichen, die im Zusammenhang mit der Ausführungsform beschrieben werden, in wenigstens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten ist. Somit können sich die in der gesamten vorliegenden Beschreibung auftretenden Ausdrücke "in einer einzelnen Ausführungsform", "in einer Ausführungsform" und ähnliche Formulierungen alle auf dieselbe Ausführungsform beziehen; dies ist jedoch nicht zwangsläufig der Fall.
Außerdem können die beschriebenen Merkmale, Strukturen oder Kennzeichen der Erfindung in jeder geeigneten Weise in einer oder mehreren Ausführungsformen kombiniert werden. In der folgenden Beschreibung werden zahlreiche spezifische Details offenbart, um ein gründliches Verständnis von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu bieten. Der einschlägige Fachmann wird jedoch erkennen, dass die Erfindung auch ohne eines oder mehrere der spezifischen Details oder mit anderen Verfahren, Komponenten, Materialien usw. ausgeführt werden kann. In anderen Fällen sind bekannte Strukturen, Materialien oder Vorgänge nicht im Detail gezeigt oder beschrieben, damit nicht Aspekte der Erfindung unklar werden.
Der Ausdruck "Tiefenmedien" bzw. "-medium" oder "Tiefenfilter", wie er in dieser Beschreibung verwendet wird, bezieht sich auf eine stufenweise oder graduierte Anordnung von Fasermaterial, welche die Wirkung hat, die Oberfläche des Filters zu erhöhen. Der Ausdruck "Dichtegradient" bezieht sich auf einen prozentualen Feststoffgehalt eines bestimmten Tiefenmediums. Der Ausdruck "Gradientendichte-Tiefenfiltration" bezieht sich auf ein Filtrationsverfahren, bei dem Tiefenmedien verwendet werden, um einen zunehmenden Dichtegradienten (bzw. abnehmenden Porositätsgradienten) zum Filtern und Einfangen von Partikeln bereitzustellen.
Ein Gradientendichte-Tiefenfiltrationssystem gemäß der vorliegenden Erfindung kann implementiert werden, um einen Kraftstoff, ein Kühlmittel, Wasser und/oder jedes andere dem Fachmann bekannte Fluid zu filtern. 1 stellt ein herkömmliches Kraftstoffsystem dar, das in der Lage ist, das Gradientendichte-Tiefenfiltrationssystem der vorliegenden Erfindung zu implementieren. Das Kraftstoffsystem kann einen Kraftstofftank 100 mit einem Einlass 102, einem Tankgeber 108 und einer Zufuhrleitung 110 umfassen. Der Kraftstofftank 100 kann Metall, Kunststoff oder anderes dem Fachmann bekanntes, im Wesentlichen starres Material aufweisen, das in der Lage ist, die chemischen Wirkungen von Kraftstoffen wie beispielsweise Benzin, Dieselkraftstoff, alternativen Kraftstoffen wie beispielsweise Methanol und Ethanol und/oder jedem anderen dem Fachmann bekannten Kraftstoff aufzunehmen und ihnen standzuhalten.
Der Einlass 102 kann dazu ausgebildet sein, den Kraftstoff aus einer externen Kraftstoffquelle wie beispielsweise einer Zapfsäule zu dem Kraftstofftank 100 zu leiten. Aus dem Kraftstofftank 100 kann Kraftstoff mit Unterdruck, der elektrisch durch die Kraftstoffpumpe 106 oder durch jedes andere dem Fachmann bekannte Mittel erzeugt wird, zu einer Kraftstoffpumpe 106 geleitet werden, die einzeln oder innerhalb des Tankgebers 108 untergebracht ist. Der Tankgeber 108 kann innerhalb des Kraftstofftanks 100 angebracht und abgedichtet sein, um empfindliche Komponenten der Kraftstoffpumpe 106 zu schützen, und kann mit einer Zufuhrleitung 110 kommunizieren, die dazu geeignet ist, den Krafstoff zu Kraftstoffeinspritzvorrichtungen (nicht dargestellt) oder anderen dem Fachmann bekannten Zieleinrichtungen zu transportieren. Alternativ kann die Kraftstoffpumpe 106 eine mechanisch betriebene Kraftstoffpumpe 106 umfassen, die sich außerhalb des Kraftstofftanks 100 befindet, wobei die Zufuhrleitung 110 mit einem Vergaser (nicht dargestellt) oder einer anderen Zieleinrichtung kommuniziert. In jedem Fall kann ein Gradientendichte-Tiefenfiltrationssystem gemäß der vorliegenden Erfindung die Bewegungsrichtung 114 von dem Kraftstofftank 100 zu der Kraftstoffpumpe 106 unterbrechen, um Feststoffpartikel aus dem Kraftstoff vor dessen Verwendung wirksam herauszufiltern, wie unten detaillierter unter Bezugnahme auf 2 und 3 erläutert.
In ähnlicher Weise kann das Gradientendichte-Tiefenfiltrationssystem der vorliegenden Erfindung in einem herkömmlichen Kühlsystem (nicht dargestellt) zum wirksamen Filtern von Feststoffpartikeln aus einem flüssigen Medium eingesetzt werden, das zum Abführen von Wärme aus einer Zieleinrichtung wie beispielsweise einem KFZ-Motor verwendet wird. Ein typisches KFZ-Kühlsystem umfasst einen Motor, eine Pumpe, einen Kühler und eine Reihe von Riemen, Klemmen und Schläuchen, um sie miteinander zu verbinden. Im Betrieb treibt die Pumpe ein flüssiges Medium durch Schläuche in der Nähe des Motors, um durch diesen erzeugte Wärme zu aufzunehmen. Ein flüssiges Medium kann beispielsweise Wasser, ein Kühlmittel wie beispielsweise Ethylenglykol, eine Kombination daraus oder jedes andere dem Fachmann bekannte flüssige Medium umfassen. Durch Verbindungsschläuche kann das flüssige Medium dann zu dem Kühler geleitet werden, wo aus dem Motor aufgenommene Wärme in die Atmosphäre abgeführt werden kann. Ein Gradientendichte-Tiefenfiltrationssystem gemäß der vorliegenden Erfindung kann zwischen der Pumpe und einem ersten Schlauch implementiert sein, um das flüssige Medium vor der Verteilung über den Motor zu filtern, wodurch die Kühlfähigkeit der Flüssigkeit optimiert wird.
Unter Bezugnahme auf 2 kann ein Gradientendichte-Tiefenfiltrationssystem gemäß der vorliegenden Erfindung allgemein eine Schmelzblas-Filtrationsanordnung 202 mit mehreren schmelzgeblasenen Schichten 204, 206 und 208 von unterschiedlicher Porosität aufweisen. Tatsächlich entsteht durch unterschiedliche Porosität entsprechend unterschiedliche Interstitial- bzw. Porengröße, wodurch unterschiedliche Filtrationsfähigkeiten der Schichten bereitgestellt werden. Dieses Verfahren, unterschiedliche Filtrationsfähigkeit der Schichten durch Porositäts- bzw. Dichtegradientenunterschiede zu erzeugen, ermöglicht einen wirksamen Tiefenfilter vom Medientyp, der aus Acetal und/oder einem anderen im Wesentlichen maßbeständigen Thermoplast besteht, welcher mit verschiedenen Kraftstoffen, Kühlmitteln und anderen Fluiden verträglich ist, wie unten unter Bezugnahme auf 4-7 detaillierter beschrieben.
In einigen Ausführungsformen kann beispielsweise eine erste Schicht 204 der Schmelzblas-Filtrationsanordnung 202 eine Porosität zwischen ca. 90 und 98% aufweisen, um eine Anfangsfiltration kleiner Partikel bereitzustellen. Die erste Schicht 204 kann mit einer zweiten Schicht 206 verbunden sein, die dazu geeignet ist, Filtration von kleinen Partikeln einer verringerten Größenordnung bereitzustellen. Eine der zweiten Schicht 206 entsprechende Porosität kann beispielsweise im Bereich zwischen ca. 85 und 97% liegen. Schließlich kann die zweite Schicht 206 der Schmelzblas-Filtrationsanordnung 202 mit einer dritten Schicht 208 verbunden sein, die zur Filtration von Feinpartikeln geeignet ist. Eine der dritten Schicht 208 entsprechende Porosität kann beispielsweise im Bereich zwischen ca. 80 und 96% liegen. Auf diese Weise stellt die Schmelzblas-Filtrationsanordnung 202 der vorliegenden Erfindung zunehmend feine Filtration eines Fluids bereit, dessen Bewegungsrichtung 114 von der ersten Schicht 204 zu der dritten Schicht 208 verläuft. Natürlich ist für den Fachmann erkennbar, dass die erste, zweite und dritte Schicht 204, 206 und 208 der oben offenbarten Schmelzblas-Filtrationsanordnung 202 lediglich zur Veranschaulichung dienen und dass eine Schmelzblas-Filtrationsanordnung 202 gemäß der vorliegenden Erfindung Schichten zum Bereitstellen zunehmend feinerer Filtration in beliebiger Zahl umfassen kann. Außerdem kann die Schmelzblas-Filtrationsanordnung 202 in einigen Ausführungsformen eine graduierte Anordnung von schmelzgeblasenen Mikrofilamenten enthalten, die zu einem einheitlichen Ganzen integriert sind, so dass die Schmelzblas-Filtrationsanordnung 202 im Wesentlichen keine einzeln unterscheidbaren Schichten aufweist.
In einigen Ausführungsformen kann die Schmelzblas-Filtrationsanordnung 202 mit wenigstens einem allgemeinen Filtrationselement 200 verbunden sein, das für relativ grobe Filtration geeignet ist, wodurch weiter zu einer graduierten Filterwirkung beigetragen wird. In bestimmten Ausführungsformen kann die Schmelzblas-Filtrationsanordnung 202 sandwichartig zwischen zwei allgemeinen Filtrationselementen 200a und 200b angeordnet sein, um die empfindlicheren schmelzgeblasenen Schichten der Schmelzblas-Filtrationsanordnung 202 im Wesentlichen zu umschließen, wodurch sowohl die Schmelzblas-Filtrationsanordnung 202 geschützt als auch zur Filtration insgesamt beigetragen wird.
Das allgemeine Filtrationselement 200 kann ein Spunbond-Filtrationsmedium umfassen, womit die Klasse von nichtgewebten Materialien gemeint ist, bei denen neu gebildete Filamente unmittelbar Kaltluft ausgesetzt werden, um ihre Verfeinerung anzuhalten. Das allgemeine Filtrationselement 200 kann eine Porosität aufweisen, die höher ist als eine der ersten Schicht 204 der Schmelzblas-Filtrationsanordnung 202 entsprechende Porosität, so dass das allgemeine Filtrationselement 200 Vorfiltration von relativ großen Feststoffpartikeln aus einem Fluid bereitstellt. Das allgemeine Filtrationselement 200 kann beispielsweise im Spunbond-Verfahren verarbeitetes Nylon, Polyester, Acetal, Teflon^® oder anderes dem Fachmann bekanntes Spunbond-Filtrationsmedium aufweisen. Der durchschnittliche Filamentdurchmesser eines solchen Mediums kann beispielsweise ca. 100 μm betragen.
Unter Bezugnahme auf 3 kann in einigen Ausführungsformen ein Gradientendichte-Tiefenfiltrationssystem des Weiteren ein äußeres Filtrationselement 300 umfassen, das mit dem allgemeinen Filtrationselement 200 und/oder der Schmelzblas-Filtrationsanordnung 202 verbunden ist, um als weiterer Schutz gegen Belastungen aus der Umgebung zu dienen, beispielsweise mechanische Belastungen infolge von Kontakt mit dem Tank 100 oder anderen Systemkomponenten und/oder chemische Belastungen, die durch die Aussetzung gegenüber dem Fluid entstehen. Ein äußeres Filtrationselement 300 kann ein grobes extrudiertes Material wie beispielsweise Nylon, Polyester, Acetal, Teflon^® oder anderes dem Fachmann bekanntes Material enthalten. Das Material kann verwoben sein, um ein im Wesentlichen strukturbeständiges Sieb zu erzeugen. Da der Hauptzweck des äußeren Filtrationselementes 300 der Schutz der damit verbundenen empfindlicheren Komponenten ist, kann eine dem äußeren Filtrationselement 300 entsprechende Porosität tatsächlich wesentlich höher sein als selbst diejenige des allgemeinen Filtrationselementes 200. In einigen Ausführungsformen kann beispielsweise eine Interstitialbreite des Siebs im Bereich zwischen ca. 100 und 1.000 μm liegen. Die Interstitialbreite des äußeren Filtrationselementes 300 ist jedoch unkritisch, sofern sie die strukturelle Unversehrtheit und Beständigkeit des äußeren Filtrationselementes 300 nicht beeinträchtigt.
In weiteren Ausführungsformen kann ein Gradientendichte-Tiefenfiltrationssystem zwei oder mehr Platten 306 enthalten, wobei jede Platte 306 eine Schmelzblas-Filtrationsanordnung 202 umfasst, die im Wesentlichen sandwichartig zwischen zwei allgemeinen Filtrationselementen 200 angeordnet ist. Ein äußeres Filtrationselement 300 kann mit den äußersten allgemeinen Filtrationselementen 200 verbunden sein, so dass das äußere Filtrationselement 300 jede zweite Komponente des Gradientendichte-Tiefenfiltrationssystems im Wesentlichen umschließt. In einigen Ausführungsformen kann jede Platte 306 mit Ultraschall punktverschweißt sein, um distinkte Filtrationsbereiche 306 zu erzeugen, die erhöhte Strukturbeständigkeit aufweisen. Alternativ können Punktverbindungen 308 das Gradientendichte-Tiefenfiltrationssystem über seine gesamte Tiefe verstärken.
Unter Bezugnahme auf 4 können schmelzgeblasene Mikrofilamente der Schmelzblas-Filtrationsanordnung 202 in folgendem Verfahren hergestellt werden. Ein Polymer kann zu Pellets ausgebildet werden, um die Verarbeitung in einer Schmelzblasanlage 400 zu ermöglichen. Die Schmelzblasanlage 400 kann eine Zuführvorrichtung 404 enthalten, um die Pellets einem Extruder 406 zuzuleiten, der mit einem Extruderkopf 408 verbunden ist. An dem Extruderkopf 408 kann eine Verfeinerungskraft angewandt werden, um das geschmolzene Polymer durch Öffnungen 414 in dem Extruderkopf 408 zu ziehen. Sobald das Polymer durch den Extruderkopf 408 extrudiert ist, kann schnellströmendes Gas durch Gasverteilerrohre 416 strömen, um das Polymer zu Mikrofilamenten zu verfeinern. Während der die Mikrofilamente enthaltende Gasstrom sich zu einem Sammelsieb 412 weiterbewegt, kann Umgebungsluft die Mikrofilamente abkühlen und verfestigen, die sich dann regellos auf dem Sammelsieb 412 ansammeln können, um ein selbstverbundenes, nichtgewebtes Vlies 418 auszubilden. In manchen Fällen kann auf einer inneren Fläche des Sammelsiebs 412 ein Vakuum angewandt werden, um die Aufbringung der Mikrofilamente an der Oberfläche des Sammelsiebs 412 zu steigern.
Das Schmelzblasverfahren erfordert allgemein ein Polymer, das flüssig genug ist, um feine Mikrofasern zu erzeugen, dabei aber viskos genug, um hohe Faserfestigkeit bereitzustellen und übermäßige Faserbindung zu verhindern. Ebenso ist es wichtig, dass das Polymer sich bei der Verfestigung angemessen mit anderen Fasern verbindet, dabei aber eine Koaleszenz durch übermäßiges Verschmelzen vermieden wird. Somit gilt: Je schneller die Kristallisation und je höher der Schmelzpunkt des Polymers, desto besser. Zwar wird Nylon allgemein als das am besten geeignete Polymer für dieses anspruchsvolle Verfahren angesehen, jedoch ist Nylon auf einzigartige Weise anfällig für die Absorption von Wasser, wodurch es für Anwendungen zum Filtern von Wasser und/oder anderen flüssigen Medien ungeeignet wird, die Wasser enthalten oder bilden. Dementsprechend wird, da für eine wirksame Filtration von kleinen Partikeln allgemein schmelzgeblasene Mikrofilamente erforderlich sind, ein alternatives Polymer benötigt, aus dem ein schmelzgeblasenes Material hergestellt werden kann.
Insbesondere kann ein im Wesentlichen maßbeständiger Thermoplast wie beispielsweise Acetal, Poyethylen, Polyphenylensulfid, Hochtemperatur-Nylon oder andere dem Fachmann bekannte, im Wesentlichen maßbeständige Thermoplaste verwendet werden, um schmelzgeblasene Mikrofilamente herzustellen, die zur Verwendung in dem Gradientendichte-Tiefenfiltrationssystem der vorliegenden Erfindung geeignet sind. In einigen Ausführungsformen kann der im Wesentlichen maßbeständige Thermoplast außerdem chemisch hervorgerufenen Wirkungen widerstehen, die durch chemische Reagenzien wie beispielsweise neutrale Öle, Fett, Kraftstoffe auf Erdölbasis, Alkohole und andere organische Lösungsmittel bewirkt werden, zu denen Ester, Ketone sowie aliphatische und aromatische Kohlenwasserstoffe gehören.
Da jedoch ein solcher im Wesentlichen maßbeständiger Thermoplast für das Schmelzblasverfahren geeignete Eigenschaften möglicherweise nicht inhärent aufweist, können Schmelzblas-Betriebsparameter angepasst werden, um das Verfahren dem gewählten thermoplastischen Polymer anzupassen. In einer Ausführungsform können beispielsweise Acetalharze für die Bearbeitung durch eine Schmelzblasanlage 400 zu Pellets geformt sein. Da Acetal, anders als Nylon, sehr hohen Lok sowie hohe Viskosität aufweist, können die Verarbeitungsgeschwindigkeiten und -temperaturen so angepasst werden, dass eine korrekte Verarbeitung der Acetal-Pellets zu einem nichtgewebten Vlies aus schmelzgeblasenen Mikrofilamenten ermöglicht wird.
Wenn das dem Schmelzblasverfahren unterzogene thermoplastische Polymer Nylon ist, liegt eine Temperatur der gesamten Schmelzblasanlage 400 normalerweise tatsächlich zwischen ca. 215° und 340°C, während eine Temperatur des durch die Gasverteilerrohre 416 strömenden verfeinernden Gases typischerweise etwa 300°C erreicht. Bei der vorliegenden Erfindung dagegen wird erwogen, die Temperatur der Schmelzblasanlage 400 unter 230°C, in einem Bereich zwischen ca. 160° und 230°C, zu halten. Eine solche verringerte Temperatur erlaubt die korrekte Verarbeitung von Acetal oder einem ähnlichen dem Schmelzblasverfahren unterzogenen Thermoplast. Ebenso kann in bestimmten Ausführungsformen die Temperatur des verfeinernden Gases in einem Bereich zwischen ca. 190° und 290°C gehalten werden. Solche Anpassungen der Temperatur können zwar eine Verarbeitung von Acetal und anderen derartigen thermoplastischen Polymeren im Schmelzblasverfahren entsprechend herkömmlicher Schmelzblaspraxis erlauben, jedoch können auch Anpassungen der Sammelsieb-412-Geschwindigkeit, der Verfeinerungsgasgeschwindigkeit und des Polymerdurchsatzes erforderlich sein, um ein nichtgewebtes Vlies 418 zu erzeugen, das für die Filtration geeignet ist. In einer Ausführungsform kann beispielsweise die Sammelsieb-412-Geschwindigkeit in einem Bereich zwischen ca. 2 und 13 m/min gehalten werden, während der Verfeinerungsgasstrom im Bereich zwischen ca. 64 und 250 m/s und der Polymerdurchsatz im Bereich zwischen ca. 0,07 und 0,75 g/Loch/min liegen kann.
Diese Anpassungen sind zwar wirksam dabei, zu ermöglichen, dass schmelzgeblasenes Acetal trotz seines charakteristischen hohen Lofts eine ausreichende nichtgewebte Verbindung erzielt; dennoch kann die relative Viskosität von Acetal den Bereich erzielbarer Mikrofilamentgrößen einschränken. Infolgedessen beruht die Gradientenfiltrationsvorrichtung 202 der vorliegenden Erfindung hauptsächlich auf unterschiedlichen Dichten von schmelzgeblasenen Mikrofilamenten zur Erzeugung der oben erläuterten graduierten Filterwirkung und weniger auf unterschiedlichen Größen von Mikrofilamenten zur Erzeugung unterschiedlicher Filtrationsfähigkeiten.
Unter Bezugnahme auf 5–7 kann ein im Wesentlichen maßbeständiger Thermoplast wie beispielsweise Acetal schmelzgeblasen werden, um Mikrofilamente 410 mit einer im Wesentlichen konstanten Durchmessergröße 500 zu erzeugen. In einigen Ausführungsformen kann beispielsweise ein Durchmesser 500 jedes Mikrofilaments im Bereich zwischen ca. 2,5 und 30 μm liegen. Wie durch 5 veranschaulicht, kann die erste Schicht 204 der Schmelzblas-Filtrationsanordnung 202 der vorliegenden Erfindung eine Porosität 502 von ca. 96% aufweisen, um eine Filtration eines Fluids mit grober Porosität bereitzustellen. Die zweite Schicht 206, wie in 6 dargestellt, kann Mikrofilamente 410 umfassen, deren Durchmesser 500 im Wesentlichen denjenigen aus 5 gleich ist. Die Mikrofilamente 410 der zweiten Schicht 206 dagegen können eine Porosität 602 von ca. 94% aufweisen, um Filtration des Fluids mit mittlerer Porosität bereitzustellen. Die dritte Schicht 208 schließlich, die in 7 dargestellt ist, kann Mikrofilamente 410 aufweisen, die im Durchmesser 500 mit der in 5 und 6 abgebildeten ersten und zweiten Schicht 204 und 206 vergleichbar sind, wobei allerdings die dritte Schicht 208 eine Porosität 702 von ca. 92 aufweisen kann, um Tiefenfiltration mit feiner Porosität bereitzustellen.
Die vorliegende Erfindung kann in anderen spezifischen Formen ausgestaltet sein, ohne dass dadurch von ihrem Grundgedanken oder ihren wesentlichen Kennzeichen abgewichen würde.
Die beschriebenen Ausführungsformen sind in allen Aspekten lediglich als illustrativ und nicht als einschränkend aufzufassen. Der Umfang der Erfindung wird daher eher durch die beigefügten Ansprüche als durch die vorangegangene Beschreibung angegeben. Alle Änderungen, die innerhalb der Bedeutung und des Äquivalenzbereiches der Ansprüche liegen, sind in deren Umfang mit einzubeziehen.
Zusammenfassung
Vorrichtung, System und Verfahren zur Bereitstellung zunehmend feinerer Gradientendichte-Tiefenfiltration eines Fluids. Die Vorrichtung kann eine Schmelzblas-Filtrationsanordnung umfassen, die unterschiedliche Dichten von schmelzgeblasenen Mikrofilamenten aufweist, welche aus Acetal oder anderem im Wesentlichen maßbeständigem Thermoplast hergestellt sind. Die Vorrichtung ermöglicht somit wirksame Filtration durch Bereitstellung eines Gradientendichte-Tiefenfiltrationssystems, das mit verschiedenen Kraftstoffen, Kühlmitteln und anderen Formen eines Fluids verträglich ist.

Claims

Vorrichtung zum Filtern eines Fluids, umfassend: eine Schmelzblas-Filtrationsanordnung zum Bereitstellen von zunehmend feinerer Filtration eines Fluids, wobei die Schmelzblas-Filtrationsanordnung unterschiedliche Porositäten von schmelzgeblasenen Mikrofilamenten umfasst, welche einen im Wesentlichen konstanten Durchmesser aufweisen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die schmelzgeblasenen Mikrofilamente einen im Wesentlichen maßbeständigen Thermoplast umfassen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei der im Wesentlichen maßbeständige Thermoplast chemisch hervorgerufenen Wirkungen widersteht.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei der im Wesentlichen maßbeständige Thermoplast wenigstens einen der Bestandteile Acetal, Polyethylen, Polyphenylensulfid und Hochtemperatur-Nylon umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Schmelzblas-Filtrationsanordnung des Weiteren eine Vielzahl von schmelzgeblasenen Schichten umfasst, wobei jede der Vielzahl von schmelzgeblasenen Schichten eine einzigartige und im Wesentlichen konstante Porosität der schmelzgeblasenen Mikrofilamente umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei die jeder der Vielzahl von schmelzgeblasenen Schichten entsprechende Porosität abnimmt, während ein Abstand zwischen der schmelzgeblasenen Schicht und einer Zieleinrichtung abnimmt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, des Weiteren ein allgemeines Filtrationselement umfassend, welches mit der Schmelzblas-Filtrationsanordnung verbunden ist, um Grobfiltration bereitzustellen, wobei das allgemeine Filtrationselement ein Spunbond-Filtrationsmedium umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 7, welche des Weiteren ein im Wesentlichen an das allgemeine Filtrationselement angrenzendes äußeres Filtrationselement umfasst, um das allgemeine Filtrationselement und die Schmelzblas-Filtrationsanordnung vor mechanischen Beanspruchungen zu schützen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der im Wesentlichen konstante Durchmesser der schmelzgeblasenen Mikrofilamente einen Bereich zwischen ca. 2 und 5 μm umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Fluid aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus einem Kühlmittel und einem Kraftstoff besteht.
System zum Filtern eines Fluids, umfassend: einen zum Speichern eines Fluids geeigneten Tank; eine mit dem Tank verbundene Pumpe, um das Fluid zu einer Zieleinrichtung zu pumpen; und einen im Wesentlichen an die Pumpe angrenzenden Filter zum Filtern des Fluids vor dem Erreichen der Zieleinrichtung, wobei der Filter umfasst: eine Schmelzblas-Filtrationsanordnung zum Bereitstellen von zunehmend feinerer Filtration des Fluids, wobei die Schmelzblas-Filtrationsanordnung unterschiedliche Porositäten von schmelzgeblasenen Mikrofilamenten umfasst, welche einen im Wesentlichen konstanten Durchmesser aufweisen.
System gemäß Anspruch 11, wobei die schmelzgeblasenen Mikrofilamente einen im Wesentlichen maßbeständigen Thermoplast umfassen.
System gemäß Anspruch 12, wobei der im Wesentlichen maßbeständige Thermoplast wenigstens einen der Bestandteile Acetal, Polyethylen, Polyphenylensulfid und Hochtemperatur-Nylon umfasst.
System gemäß Anspruch 11, wobei die Schmelzblas-Filtrationsanordnung des Weiteren eine Vielzahl von schmelzgeblasenen Schichten umfasst, wobei jede der Vielzahl von schmelzgeblasenen Schichten eine einzigartige und im Wesentlichen konstante Porosität der schmelzgeblasenen Mikrofilamente umfasst.
System gemäß Anspruch 14, wobei die jeder der Vielzahl von schmelzgeblasenen Schichten entsprechende Porosität abnimmt, während ein Abstand zwischen der schmelzgeblasenen Schicht und der Zieleinrichtung abnimmt.
System gemäß Anspruch 11, wobei der Filter des Weiteren ein mit der Schmelzblas-Filtrationsanordnung verbundenes allgemeines Filtrationselement umfasst, wobei das allgemeine Filtrationselement ein Spunbond-Filtrationsmedium umfasst.
System gemäß Anspruch 16, wobei der Filter des Weiteren ein im Wesentlichen an das allgemeine Filtrationselement angrenzendes äußeres Filtrationselement umfasst, um das allgemeine Filtrationselement und die Schmelzblas-Filtrationsanordnung vor mechanischen Beanspruchungen zu schützen.
Verfahren zum Filtern eines Fluids, Folgendes umfassend: Schmelzblasen eines im Wesentlichen maßbeständigen Thermoplasts, um schmelzgeblasene Mikrofilamente auszubilden, welche einen im Wesentlichen konstanten Durchmesser aufweisen; Ausbilden der schmelzgeblasenen Mikrofilamente zu einer schmelzgeblasenen Schicht mit einer einzigartigen und im Wesentlichen konstanten Porosität; Anordnen einer Vielzahl der schmelzgeblasenen Schichten entsprechend ihrer relativen Dichten, um eine Schmelzblas-Filtrationsanordnung zu erzeugen; und Filtern eines Fluids durch die Schmelzblas-Filtrationsanordnung, um zunehmend feinere Filtration des Fluids bereitzustellen.
Verfahren gemäß Anspruch 18, des Weiteren umfassend, den im Wesentlichen maßbeständigen Thermoplast so auszuwählen, dass er wenigstens einen der Bestandteile Acetal, Polyethylen, Polyphenylensulfid und Hochtemperatur-Nylon aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei das Filtern des Fluids ein Filtern eines Fluids umfasst, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Kühlmittel und einem Kraftstoff besteht.