DE112006003707T5

DE112006003707T5 - Raumoptimierter Abscheider

Info

Publication number: DE112006003707T5
Application number: DE112006003707T
Authority: DE
Inventors: Brian W. Fort Atkinson Schwandt; Barry M. Stoughton Verdegan; Roger L. McFarland Zoch; Jeffrey A. Madison Fedorowicz; Kurt M. A. Evansville Badeau; Robert E. Cookeville Muse; Peter K. Cookeville Herman
Original assignee: Fleetguard Inc
Current assignee: Cummins Filtration IP Inc
Priority date: 2006-02-03
Filing date: 2006-08-23
Publication date: 2008-12-11
Anticipated expiration: 2026-08-24
Also published as: DE112006003707B4; WO2007092049A2; US20070062887A1; US8114183B2; WO2007092049A3; CN101541391A; CN101541391B

Abstract

Abscheider zum Koaleszieren eines Mediums mit zwei nichtvermischbaren Phasen, nämlich einer kontinuierlichen Phase und einer dispergierten Phase, wobei die kontinuierliche Phase entlang einer Fließrichtung von stromaufwärts nach stromabwärts fließt, wobei der Abscheider ein Abscheiderelement umfaßt, das sich axial entlang einer Achse erstreckt und Abscheidermedien aufweist, die Tröpfchen der dispergierten Phase einfangen, wobei die Tröpfchen koaleszierend zu größeren Tropfen wachsen, die weiter koaleszieren und wachsen, um Pfützen zu bilden, die ablaufen, wobei das Element in einer Ebene quer zu der Achse eine geometrische Querschnittsgestalt mit geschlossener Schleife aufweist und eine innere Oberfläche, die einen inneren Hohlraum definiert, und eine äußere Oberfläche aufweist, die durch die Dicke des Elements zwischen der inneren und äußeren Oberfläche von der inneren Oberfläche nach außen beabstandet ist, wobei die Medien eine Tiefenabmessung entlang der Dicke aufweisen, wobei eine der inneren und äußeren Oberfläche eine stromaufwärtige Oberfläche ist, wobei die andere der inneren und äußeren Oberfläche eine...

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung ist eine Teilfortführung der am 14. November 2005 eingereichten US-Patentanmeldung Nr. 11/273,101 und eine Teilfortführung der am 20. September 2005 eingereichten US-Patentanmeldung Nr. 11/230,694.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK UND KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft Abscheider.
Abscheider sind im Stand der Technik zum Koaleszieren eines Mediums mit zwei nichtvermischbaren Phasen bekannt, nämlich einer kontinuierlichen Phase und einer dispergierten Phase. Als Beispiel: In Motorkurbelgehäusebelüftungssystemen und anderen Luft-Öl-Trennsystemen ist die kontinuierliche Phase Luft und die dispergierte Phase Öl; bei Treibstoff-Wasser-Trennsystemen wie etwa Treibstoffiltern ist Treibstoff die kontinuierliche Phase und Wasser die dispergierte Phase; in Wasser-Öl-Trennsystemen ist Wasser die kontinuierliche Phase und Öl die dispergierte Phase. Das Abscheideelement weist Abscheidermedien auf, die Tröpfchen der dispergierten Phase einfangen, wodurch die Tröpfchen koaleszierend zu größeren Tropfen anwachsen, die weiter koaleszieren und wachsen und Pfützen bilden, die ablaufen. Die Erfindung eignet sich besonders gut für Motorkurbelgehäusebelüftungsanwendungen, kann aber bei anderen Trennsystemen mit nichtvermischbaren Fluiden verwendet werden, zum Beispiel Luft-Öl, Treibstoff-Wasser, Wasser-Öl usw.
Bei Auslegen eines Abscheiders müssen oftmals Kompromisse getroffen werden. Beispielsweise können individuell a) eine hohe Reinigungsleistung oder b) ein niedriger Druckabfall oder c) eine lange Nutzungsdauer oder d) eine geringe Größe erzielt werden, aber nicht notwendigerweise zusammen. Die vorliegende Erfindung behandelt und reduziert diese Kompromisse in Kombination.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die 1–25 sind der oben erwähnten '694-Hauptanmeldung entnommen.
1 veranschaulicht schematisch die Koaleszenz.
2 ist ein Graph, der Beladung und Sättigung zeigt.
3 ist eine Perspektivansicht eines Abscheiders gemäß der '694-Anmeldung.
4 ist eine Vorderseitenansicht des Abscheiders von 3 und zeigt eine weitere Ausführungsform gemäß der '694-Anmeldung.
5 ist wie 4 und zeigt eine andere Ausführungsform.
6 ist wie 4 und zeigt eine andere Ausführungsform.
7 ist wie 4 und zeigt eine andere Ausführungsform.
8 ist wie 4 und zeigt eine andere Ausführungsform.
9 ist wie 4 und zeigt eine andere Ausführungsform.
10 ist wie 4 und zeigt eine weitere Ausführungsform.
11 ist eine schematische Darstellung, die einen Faserorientierungswinkel zeigt.
12 ist wie 11 und zeigt eine andere Ausführungsform.
13 ist wie 11 und zeigt eine andere Ausführungsform.
14 ist wie 11 und zeigt eine andere Ausführungsform.
15 ist wie 11 und zeigt eine andere Ausführungsform.
16 ist wie 11 und zeigt eine andere Ausführungsform.
17 ist wie 11 und zeigt eine andere Ausführungsform.
18 ist wie 11 und zeigt eine andere Ausführungsform.
19 ist wie 11 und zeigt eine andere Ausführungsform.
20 ist wie 11 und zeigt eine andere Ausführungsform.
21 ist wie 11 und zeigt eine andere Ausführungsform.
22 ist wie 11 und zeigt eine andere Ausführungsform.
23 ist eine Mikroaufnahme von faserartigen Medien mit einem Rasterelektronenmikroskop bei 43facher Vergrößerung.
24 ist eine Mikroaufnahme von faserartigen Medien mit einem Rasterelektronenmikroskop bei 35facher Ver größerung bei einer Orientierung von 90°C relativ zu 23.
25 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform, die eine Faserorientierung über eine lokalisierte Tasche hinweg zeigt.
26–28 sind der erwähnten '101-Hauptanmeldung entnommen.
26 ist eine schematische Perspektivansicht, die ein Verfahren zum Herstellen eines Abscheiders gemäß der '101-Anmeldung veranschaulicht.
27 ist wie 26 und zeigt eine weitere Ausführungsform.
28 ist ein Graph, der Abscheidercharakteristiken gemäß der '101-Anmeldung zeigt.
29 ist eine Schnittansicht, die einen Abscheider gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
30 ist wie 29 und zeigt eine andere Ausführungsform.
31 ist wie 29 und zeigt eine andere Ausführungsform.
32 ist wie 29 und zeigt eine andere Ausführungsform.
33 ist wie 29 und zeigt eine andere Ausführungsform.
34 ist wie 29 und zeigt eine andere Ausführungsform.
35 ist wie 29 und zeigt eine andere Ausführungsform.
36 ist wie 29 und zeigt eine andere Ausführungsform.
37 ist wie 29 und zeigt eine andere Ausführungsform.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
US-Patentanmeldung Nr. 11/230,694
Die folgende Beschreibung hinsichtlich der 1–25 ist der erwähnten '694-Anmeldung entnommen.
1 zeigt einen Abscheider 20 zum Koaleszieren eines Mediums 22 mit zwei nichtmischbaren Phasen, nämlich einer kontinuierlichen Phase 24 und einer dispergierten Phase 26. Beispielsweise ist in dem Fall eines Motorkurbelgehäuselüftungsabscheiders die kontinuierliche Phase 24 Luft und die dispergierte Phase Öl, zum Beispiel in Form eines feinen Nebels mit Tröpfchen 26 mit einem Durchmesser von etwa einem Mikrometer oder kleiner. Die kontinuierliche Phase 24 fließt von stromaufwärts nach stromabwärts, d. h. in 1 von links nach rechts. Der Abscheider enthält faserartige Medien 28, die Tröpfchen der dispergierten Phase einfangen, wodurch die Tröpfchen koaleszierend zu größeren Tropfen anwachsen, beispielsweise wie bei 30, 32 gezeigt, die weiter koaleszieren und anwachsen, um Pfützen wie etwa 34 zu bilden, die wie bei 36 gezeigt ablaufen. Innerhalb des Gas- oder Luftstroms 24 können Tröpfchen 26 kollidieren und durch eine Tropfen-an-Tropfen-Koaleszenz anwachsen. Beim Eintritt in den Abscheider 20 werden die Tröpfchen durch Aufprallen, Abfangen, Diffusion oder elektrostatische oder andere Filtermechanismen eingefangen. Tröpfchen nehmen von der Größe her zu, wenn sie eingefangen werden, und nicht eingefangene Tröpfchen koaleszieren und bilden größere Tropfen. Wenn die Tropfen groß genug werden und bei 34 so zusammenlaufen, daß Fließ- und/oder Gravitationskräfte Haftungskräfte übersteigen, fließen die vergrößerten/zusammengelaufenen Tropfen durch das Bett aus faserartigen Medien und werden wie bei 36 gezeigt freigelassen. Die Sättigung der dispergierten Phase variiert innerhalb des Abscheiders, in der Regel mit zunehmender Sättigung bei Annäherung an die stromabwärtige Fläche (rechte Fläche 1), und zwar aufgrund von Viskositätskräften, und mit zunehmender Sättigung am Boden des Abscheiders wegen der Schwerkraft. Die Sättigung ist wie die Porosität eine abmessungslose Zahl, die den Anteil oder Prozentsatz des Hohlraums von Filtermedien darstellt, der von der eingefangenen dispergierten Phase okupiert wird. Sättigung bedeutet nicht, daß das ganze Hohlraumvolumen mit der eingefangenen dispergierten Phase wie etwa Öl gefüllt ist, sondern daß vielmehr das Element soviel Öl hält, wie es kann. Bei Sättigung wird am Boden und rechts mehr Öl gehalten als an der Oberseite und links in 1.
Bei Abwesenheit von festen Schadstoffen nimmt der Druckabfall an einem Abscheider während des Beladens des Abscheiders zu, linke Seite von 2, und stabilisiert sich dann, wenn der Abscheider gesättigt wird, rechte Seite von 2. 2 ist eine graphische Darstellung des Druckabfalls 2 in Millimetern Wassersäule gegenüber der Zeit in Minuten. Während des Beladens ist die Einfangrate größer als die Ablaufrate. Während der Sättigung ist die Einfangrate gleich der Ablaufrate. In der Praxis kommt es dadurch, daß feste Schadstoffe von dem Abscheider eingefangen und gehalten werden und/oder daß die Einfangrate die Ablaufrate von dem Abscheider übersteigt, zu einem Verstopfen oder zu einem übermäßig hohen Druck. In zwei der gewünschten Aspekte der vorliegenden Offenbarung nehmen die Feststoffhaltekapazität des Abscheiders und die Ablaufrate des Abscheiders zu. Das erwähnte Sättigungsprofil ist beim Design von Abscheidern wichtig, weil zunehmende Sättigung einer abnehmenden effektiven Porösität inner halb des Bettes aus faserartigen Medien und zunehmender Einschränkung entspricht.
Die Offenbarung der '694-Anmeldung stellt einen Abscheider mit faserartigen Medien bereit, die dafür ausgelegt sind, den Druckabfall daran zu reduzieren durch Erhöhen des Ablaufs davon. Dies wird auf verschiedene zu beschreibende Weisen bewerkstelligt.
3 zeigt einen Fasermedienabscheider 40, der ein hohles Inneres 42 aufweist und einen Fluß von innen nach außen bereitstellt, nämlich einen ankommenden Fluß wie bei 44 gezeigt in das hohle Innere 42 und dann einen Fluß von dem hohlen Inneren 42 nach außen durch faserartige Medien 46, wie bei Pfeilen 48 gezeigt. Der Abscheider 40 weist eine erste Querschnittsfläche A₁ entlang einer ersten horizontalen Ebene 50 und eine zweite Querschnittsfläche A₂ entlang einer zweiten horizontalen Ebene 52 auf. Die horizontale Ebene 52, 3, 4, ist vertikal unter der horizontalen Ebene 50. Die Querschnittsfläche A₂ ist kleiner als die Querschnittsfläche A₁. Der Abscheider 40 weist einen Umfang 54 mit mehreren Sehnen dort hinüber auf, einschließlich vertikaler Sehnen wie etwa 56 und horizontaler Sehnen wie etwa 58. Die längste der Sehnen, zum Beispiel 56, verläuft vertikal. Die horizontalen Sehnen enthalten eine erste horizontale Sehne, zum Beispiel 58, entlang der horizontalen Ebene 50 und eine zweite horizontale Sehne 60 entlang der horizontalen Ebene 52. Die horizontale Sehne 60 ist kürzer als die horizontale Sehne 58. Der Ablaufdruck auf die dispergierte Phase koaleszierte Tropfen am Boden des Abscheiders, und somit ist die Ablaufrate an einem derartigen Punkt eine Funktion der Höhe der Säule der dispergierten Phase, die proportional zu der Elementhöhe und zur Querschnittsfläche ist. Durch Bereitstellen der langen Abmessung der Gestalt entlang einer vertikalen Orientierung wird der Ablaufdruck auf ein Maximum erhöht. Indem die Querschnittsfläche zum Boden des Abscheiders ab nimmt, werden zwei Vorzüge erhalten. Zuerst wird das Volumen desjenigen Elements, in dem die dispergierte Phase gesättigt ist, minimiert, wo die Einschränkung am größten ist und die Flußrate und das Entfernen von kontaminiertem Fluid am kleinsten sind. Umgekehrt ist das Volumen des Elements maximiert, wo die Einschränkung am kleinsten ist und die Flußrate und das Entfernen des kontaminierten Fluids am größten ist. Zweitens steht ein größerer Anteil an Elementvolumen zur Verfügung, um etwaige Feststoffe einzufangen und zu halten, die den Abscheider verstopfen könnten oder anderweitig einen übermäßigen Druckabfall verursachen könnten. Die untere Sektion ist restriktiver und weist wegen der erhöhten lokalen Sättigung relativ zu der oberen Sektion eine niedrigere Flußrate als die obere Sektion auf. Man würde erwarten, daß das Entfernen auch in der unteren Sektion höher ist, doch ist dies nicht der Fall weil: (a) weil weniger Fluß durch die untere Sektion geht, ist ihr Beitrag zum gesamten Entfernen durch das Element geringer; und (b) die lokale Geschwindigkeit in der unteren Sektion ist relativ hoch, was zusammen mit der erhöhten Sättigung das erneute Mitführen von Tropfen erhöht, was das Entfernen beeinträchtigt.
Die 3, 4 zeigen die erwähnte gegebene Gestalt in der vertikalen Ebene als eine hohle Rennbahngestalt. Andere gegebene Gestalten in der vertikalen Ebene sind möglich, beispielsweise eine hohle ovale Gestalt 62, 5, eine hohle Dreiecksgestalt 64, 6, eine hohle quadratische Gestalt 66, 7, eine hohle Trapezgestalt 68, 8 und eine hohle Kreisgestalt 70, 9. Der Fluß von innen nach außen wird bevorzugt, weil die Fließgeschwindigkeit mit dem Abstand in den Medien abnimmt, was das mögliche Wiedermitführen und Mitreißen koaleszierter Tropfen in die saubere Seite minimiert und die Geschwindigkeit im Abschnitt des Abscheiders, wo die Sättigung hoch ist reduziert. Dies ist ein besonderer Vorteil für die Rennbahn- und ovalen Gestalten wegen ihrer besseren Raumausnutzung aufgrund des kleineren stromaufwärtigen offenen Hohlraums im Inneren von Elementen dieser Gestalten. Es ist auch ein Fluß von außen nach innen möglich.
Bei einer Ausführungsform werden die faserartigen Medien durch mehrere Fasern mit einer nicht-zufälligen, dominanten vertikalen Orientierung bereitgestellt, 4. Diese Fasern sind bevorzugt polymer und bevorzugt um den Umfang der gegebenen Gestalt herum orientiert und verlaufen, wo möglich, parallel zur Richtung der Erdanziehung. Die Fasern verlaufen bevorzugt übermäßig über den Umfang tangential entlang des Umfangs 54. Die sich bevorzugt übermäßig über den Umfang tangential entlang des Umfangs 54 erstreckenden Fasern sind übermäßig vertikal und liefern einen zunehmenden Ablaufdruck in unteren Gebieten des Abscheiders. Die Elemente werden bevorzugt durch Elektrospinnen oder Schmelzblasen der Fasern oder durch Wickeln von Lagen aus faserartigen Medien um den Elementumfang herum hergestellt, wodurch die Fasern die erwähnte bevorzugte Orientierung erhalten. Die bevorzugte Orientierung und Ausrichtung der Fasern reduziert den Widerstand von eingefangenen Tropfen gegenüber dem Fließen und verbessert den Ablauf durch Ausbilden von Fließwegen und -kanälen parallel zur Erdanziehung. Zur leichteren Herstellbarkeit werden durch Schmelzblasen oder Elektrospinnen ausgebildete Polymerfasern bevorzugt, doch können auch andere Materialien verwendet werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform, 4, sind Schwingungen oder Oszillationen des Abscheiders in einer vertikalen Richtung, insbesondere in Kombination mit der oben erwähnten Faserorientierung, ein weiterer Weg zum Verbessern des Ablaufs, zum Minimieren der Einschränkung und Verlängern der Lebensdauer des Abscheiders. Eine Schütteleinrichtung 72, wie in gestrichelten Linien gezeigt, die bei einer Ausführungsform ein Verbrennungsmotor oder eine andere mechanische Komponente sein kann, versetzt den Abscheider in einer ver tikalen Richtung in Schwingungen. Diese Bewegung oder diese Schwingungen in der vertikalen Richtung beschleunigen die eingefangenen Tropfen, und die plötzliche Richtungsumkehr bewirkt, daß sie von den Fasern abscheren und mit kleinstem Widerstand ablaufen. Bei der erwähnten Implementierung erleichtert die normale Schwingung eines Motors oder eines anderen Geräts solche Schwingungen, doch kann es wünschenswert sein, eine gezielte Positionierung und Montierung des Abscheiders bereitzustellen oder durch Hinzufügen eines mechanischen Vibrators, um den Abscheider in Schwingungen zu versetzen.
Der Abscheider weist zum Beispiel bei der Ebene 52, 4, ein unteres Gebiet mit einer größeren Sättigung der dispergierten Phase und einem kleineren Volumen als ein oberes Gebiet, zum Beispiel bei Ebene 50 auf, um das Volumen an faserartigen Medien zu minimieren, das mit der dispergierten Phase gesättigt wird, wo die Einschränkung am größten ist und die Fließrate der kontinuierlichen Phase und das Entfernen von Schadstoffen am kleinsten ist, und um das Volumen der faserartigen Medien zu maximieren, wo die Einschränkung am kleinsten ist und die Fließrate der kontinuierlichen Phase und das Entfernen von Schadstoffen am größten ist. Bei einer weiteren Ausführungsform, 10, ist ein unteres Medienelement 74 bereitgestellt, das eine größere Benetzbarkeit der dispergierten Phase als die faserartigen Medien 46 aufweist und mit dem unteren Gebiet des Abscheiders 40 in Kontakt steht und koaleszierte Tropfen von faserartigen Medien 46 am unteren Gebiet aufsaugt. Bei einer Ausführungsform sind die faserartigen Medien 46 bezüglich der dispergierten Phase nicht benetzend, und das untere Medienelement 74 ist bezüglich der dispergierten Phase benetzend. Bei einer bevorzugten Form ist der Kosinus des Kontaktwinkels der dispergierten Phase des unteren Medienelements 74 größer als der Kosinus des Kontaktwinkels der dispergierten Phase von faserartigen Medien 46. Bei der oben erwähnten Verbrennungsmotoranwendung besteht der Zweck der Aufsaugschicht 74 darin, Öl von dem Abscheider zu saugen und es zu einem Sammelgefäß wie etwa dem Motor oder einem Sumpf zu lenken. Bei der bevorzugten Form einer derartigen Ausführungsform ist die Aufsaugschicht 74 ein Filtervliesmedium, wenngleich es alternativ die Wände des Sumpfes selbst oder eines anderen Materials mit geeigneten Benetzbarkeitscharakteristiken sein könnte.
Die obige Offenbarung stellt verschiedene Mittel zum Reduzieren des Druckabfalls am Abscheider bereit, einschließlich verbesserten Ablaufs der koaleszierten dispergierten Phase von dem Abscheider. Wie in 2 gezeigt, nimmt der Druckabfall am Abscheider mit der Zeit zu, bis die Ablaufrate der koaleszierten dispergierten Phase (zum Beispiel Öl im Fall von Kurbelgehäusebelüftungsfiltern) gleich der Rate des Einfangens der dispergierten Phase ist. Der Gleichgewichtsdruckabfall kann reduziert werden, indem die Ablaufrate heraufgesetzt wird, was wiederum die Sättigung der dispergierten Phase des Abscheiders reduziert und die effektive Porosität des Abscheiders erhöht. Durch Erhöhen der Porosität werden die Ladekapazität des Abscheiders und seine Lebensdauer erhöht.
Zusätzlich zu der oben offenbarten Weise zum Erhöhen der Ablaufrate stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung, um die Faserorientierung weiter auszunutzen. Vorteilhafterweise können Fasern bezüglich der Erdanziehung und bezüglich zueinander orientiert sein, wie oben angemerkt. Für die vorliegenden Zwecke ist ein erster dominanter Faserorientierungswinkel a als der Winkel der Fasererstreckung 76, 11–22, relativ zur Horizontalen definiert, d. h. relativ zu einer Richtung, die senkrecht zur Erdanziehung verläuft. In den 11, 18, 20 beträgt a 0°. In den 12, 15, 21 beträgta minus 45°. In 13, 16, 22 beträgt a minus 90°. In 14, 17, 19 beträgt a 45°. Die Fa sern können vorteilhafterweise auch bezüglich der Fließrichtung orientiert sein. Für die vorliegenden Zwecke ist ein zweiter dominanter Faserorientierungswinkel β als der Winkel der Fasererstreckung 76 relativ zur Fließrichtung 24 definiert. In 11, 15, 19 beträgt β 0°. In 12, 16, 20 beträgt β minus 45°. In den 13, 17, 21 beträgt β minus 90°. In den 14, 18, 22 beträgt β 45°. 11–22 zeigen verschiedene beispielhafte Fließrichtungen unter den mehreren Fließrichtungen aus dem hohlen Inneren 42 nach außen durch faserartige Medien 46. Die 11–14 zeigen eine Fließrichtung 24 parallel zur Horizontalen. Die 15–18 zeigen eine Fließrichtung 24 bei minus 45° relativ zur Horizontalen. Die 19–22 zeigen eine Fließrichtung 24 unter 45° relativ zur Horizontalen.
Drei Kräfte wirken auf eingefangene und koaleszierte Tropfen, nämlich: hydrodynamischer Widerstand aufgrund des Fluidflusses, Erdanziehung und Adhäsions- oder Anbringungskräfte aufgrund von Kapillardruck. Die dritte Kraft wird durch die Benetzungscharakteristiken der Medien gesteuert und ist oben erwähnt. Auch von Signifikanz ist das Zwischenspiel zwischen hydrodynamischem Widerstand und Erdanziehungskraft. Da Tropfen nach unten ablaufen sollen, wird erwünscht, daß der Faserorientierungswinkel a der Bedingung genügt, daß Sinus a kleiner als Null ist, so daß die Erdanziehung den Ablauf unterstützt, beispielsweise 12, 13. Wenn Sinus a größer als Null ist, behindert die Erdanziehung den Ablauf, wodurch der Gleichgewichtsdruckabfall steigt und die Lebensdauer reduziert wird. Dementsprechend sind die Faserorientierungswinkel a in 11 und 14 weniger wünschenswert. Es wird bevorzugt, daß a kleiner als 0° und gleich oder größer als minus 90° ist. Hinsichtlich des Faserorientierungswinkels β relativ zur Fließrichtung 24 nehmen hydrodynamische Widerstände aufgrund des Fluidflusses mit zunehmendem Kosinus β ab. Es wird bevorzugt, daß Kosinus β größer als 0,5 ist, d. h., daß β kleiner als 60° und größer als minus 60° ist.
Um die Gesamtsättigung des Abscheiders herabzusetzen, den Druckabfall zu reduzieren und die Lebensdauer heraufzusetzen, ist es nicht erforderlich, daß alle Fasern die bevorzugte Orientierung aufweisen. Vielmehr sollten die meisten der Fasern die gewünschte Orientierung aufweisen, d. h. eine dominante Faserorientierung oder einen dominanten Faserwinkel aufweisen. 23 ist eine Mikroaufnahme, die eine dominante Faserorientierung im allgemeinen parallel zur Schwerkraft und senkrecht zur Fließrichtung zeigt, wie durch die angegebenen Pfeile gezeigt. 24 ist eine Mikroaufnahme, die eine Faserorientierung relativ zur Schwerkraft zeigt, wobei die Fließrichtung in die Seite hinein verläuft. Bei weiteren Ausführungsformen können ausreichende Anzahlen von Fasern mit der gewünschten Orientierung bereitgestellt werden, um den Abfluß lokal zu verbessern. Weil die koaleszierte dispergierte Phase aus solchen Bereichen leichter abläuft, werden die niedrige lokale Sättigung und der niedrige lokale Druckabfall der dispergierten Phase aufrechterhalten und die effektive Nettosättigung des Abscheiders reduziert. Wenngleich es wünschenswert ist, daß alle Fasern a weniger als 0° und größer oder gleich minus 90° und β kleiner als 60° und größer als minus 60° aufweisen, ist dies möglicherweise nicht durchführbar. Es könnten auch verschiedene Kombinationen verwendet werden. Wenn beispielsweise in 25 lokalisierte Gebiete unterschiedlicher Faserorientierung außer senkrecht gewünscht sind, können auch lokalisierte Taschen wie etwa bei 78 gezeigt in den faserartigen Medien ausgebildet sein, wobei solche Taschen mehrere Fasern entlang anderer Faserorientierungswinkel a und β ablenken. Diese lokalisierten Taschen können wie in US-Patent 6,387,144 gezeigt bereitgestellt werden, durch Bezugnahme hier aufgenommen, und zwar durch Nadeln zum Herstellen solcher lokalisierter Taschen, Vertiefungen oder Einprägungen mit Faserorien tierungswinkeln a und β verschieden von 0° und verschieden von 90° oder minus 90°. Zum Ausbilden der lokalisierten Taschen können auch andere Mittel verwendet werden, beispielsweise können die Medien mit größeren Fasern, Drähten, Nägeln, Stiften oder ähnlichen Strukturen mit einem großen Länge-zu-Breite-Seitenverhältnis versetzt sein, die so orientiert sind, daß a und/oder β gegebenenfalls einen anderen Wert als 90° oder minus 90° aufweist. Bei einer anderen Alternative kann ein fadenartiges Material unter Verwendung einer Nähmaschine oder dergleichen in die Abscheidermedien genäht werden, wobei die Fäden entlang einem Winkel von 0° (parallel zur Fließrichtung) orientiert sind und die durchstechende Nadel und der Faden bewirken würden, daß sich die umgebenden Medienfasern unter anderen Winkeln als 90° oder minus 90° orientieren. Bei einer anderen Alternative könnten die lokalisierten Taschen anstatt durch Nadeln unter Verwendung einer erhitzten Nadel oder eines Ultraschallschweißprozesses hergestellt werden. Dies erzeugt einen Sättigungsgradienten, der bewirkt, daß die koaleszierte dispergierte Phase von dem Abscheider abläuft. Auch wenn nicht alle Fasern einen anderen gewünschten Orientierungswinkel a als 0° aufweisen, wird der Abfluß dennoch im Vergleich dazu, daß alle Fasern mit a gleich 0° orientiert sind, verbessert. Diese Verfeinerungen führen Fasern oder Strukturen ein, die bezüglich eines Flusses auf eine Weise orientiert sind, die den Abfluß unterstützt und den Druckabfall reduziert. Da es oftmals unpraktisch ist, daß alle Fasern so orientiert sind, können lokalisierte Taschen mit der bevorzugten Orientierung in geschichteten Medien hergestellt werden, um den Druckabfall zu reduzieren und die Lebensdauer des Abscheiders zu verbessern.
Das System der '694-Anmeldung stellt ein Verfahren zum Verlängern der Lebensdauer eines Abscheiders bereit. Der Abscheider weist einen Druckabfall daran auf, der mit der Zeit zunimmt, bis die Ablaufrate der koales zierten dispergierten Phase gleich der Einfangrate ist, wodurch ein Gleichgewichtsdruckabfall bereitgestellt wird. Das Verfahren verlängert die Lebensdauer des Abscheiders durch Reduzieren der Sättigung der dispergierten Phase und Erhöhen der Porosität und der Feststoffbeladekapazität durch Herabsetzen des Gleichgewichtsdruckabfalls durch Erhöhen der Ablaufrate. Dieses Verfahren beinhaltet das Bereitstellen faserartiger Medien als mehrere Fasern und überwiegendes Orientieren der Fasern bevorzugt entlang einem ersten dominanten Faserorientierungswinkel a kleiner als 0° und gleich oder größer minus 90° und bevorzugt entlang einem zweiten dominanten Faserorientierungswinkel β kleiner als 60° und größer als minus –60°. Bei einer Ausführungsform wird der Abscheider vertikal in Schwingungen versetzt. Das Verfahren beinhaltet das Minimieren des Volumens von faserartigen Medien, das mit der dispergierten Phase gesättigt ist, wo die Einschränkung am größten ist und die Fließrate und das Entfernen am kleinsten sind, und das Maximieren des Volumens der faserartigen Medien, wo die Einschränkung am kleinsten ist und die Fließrate und das Entfernen am größten ist, indem der Abscheider ein unteres Gebiet mit einer größeren Sättigung der dispergierten Phase und einem kleineren Volumen als ein oberes Gebiet erhält. Bei einer Ausführungsform werden die koaleszierten Tropfen von den faserartigen Medien im unteren Gebiet erhöhter Sättigung der dispergierten Phase weggesaugt.
US-Patentanmeldung Nr. 11/273,101
Die folgende Offenbarung hinsichtlich der 26–28 ist der erwähnten '101-Anmeldung entnommen.
Bei der bevorzugten Ausführungsform verwendet das System der '101-Anmeldung Schmelzblastechniken zum Herstellen eines Abscheiders. Schmelzblastechniken für Teilchenfilter sind im Stand der Technik bekannt, beispielsweise US-Patente 6,860,917 , 3,755,527 , durch Be zugnahme hierin aufgenommen. Unter Bezugnahme auf 26 und auch unter Erwähnung der Beschreibung in dem eingefügten US-Patent 6,860,917 , Spalte 3, Zeilen 25+, werden in einen Pellettrichter 101 eines Extruders 102 Pellets aus thermoplastischem Polymer eingegeben, beispielsweise Polyester, Polypropylen, Polyetherester, Polyamid, Polyurethan, Polyphenylensulfid, Nylon, Ethylenacrylcopolymer, Polystyrol, Polymethylmethacrylat, Polycarbonat, Silikone, Polyethylenterephthalat oder Mischungen oder Gemische aus diesen. Das thermoplastische Polymer wird von einer Antriebs- oder Schmelzenpumpe 104 durch den Extruder 102 in einen Spritzkopf 103 gedrückt. Der Spritzkopf 103 kann Heizmittel 105 enthalten, die die Temperatur in dem Spritzkopf 103 steuern können. Das thermoplastische Polymer wird dann aus einer Reihe von auch als Spinndüsen bezeichneten Düsenöffnungen 106 in dem Spritzkopf 103 in einen Gasstrom gedrückt, der das thermoplastische Polymer zu Fasern 107 verdünnt, die auf einer sich bewegenden Sammeleinrichtung 8 wie etwa einem sich drehenden Dorn oder einer sich drehenden Trommel 109 zur Ausbildung einer kontinuierlichen Bahn 110 gesammelt werden. Der Gasstrom, der das thermoplastische Polymer verdünnt, wird durch Gasdüsen 111 und 112 zugeführt, wofür auf 2 des oben erwähnten eingefügten US-Patents 3,755,527 Bezug genommen werden kann. Die Gasschlitze 111 und 112 werden mit einem heißen Gas, bevorzugt Luft, durch Gasleitungen 113 und 114 versorgt. Es wird auch auf das durch Bezugnahme hier aufgenommene US-Patent 3,978,185 Bezug genommen, um einen Schmelzblasprozeß zu zeigen. Das Schmelzblasen beinhaltet Prozesse, die manchmal als Schmelzspinnen oder Spun-Bonding bezeichnet werden. In der Regel werden schmelzgeblasene Filterpatronen hergestellt, indem ein Polymer durch mit einer Schmelzblasdüse assoziierte Öffnungen extrudiert wird, um Fasern auszubilden, die zu einem Sammler gelenkt werden. Während des Schmelzblasens wirkt ein Strom aus inertem Gas (z. B. Luft) auf die geschmolzenen Fasern, um die Fasern auf einen relativ feinen Durchmesser zu verdünnen und die verdünnten Fasern zufällig auf dem Sammler zu verteilen. Auf dem Sammler baut sich eine Masse aus zufällig vermischten erstarrten ungewebten Fasern auf. Der von einem sich drehenden Dorn 109 bereitgestellte Sammler 108 sammelt die Fasern und rollt sie zu einer ringförmigen Filterrolle 115.
Bei einem Aspekt liefert die '101-Anmeldung ein Verfahren zum Herstellen von im wesentlichen kontinuierlichen langen Fasern aus Polymer mit variierendem Durchmesser durch einen Schmelzblasprozeß. Die Fasern werden auf eine Form von definierter Gestalt aufgewickelt, um das Abscheiderelement mit abgestufter Faserdurchmesser- und Porositätscharakteristik herzustellen. Der Abscheider koalesziert ein Medium mit zwei nicht vermischbaren Phasen, nämlich einer kontinuierlichen Phase und einer dispergierten Phase. Die kontinuierliche Phase fließt von stromauf nach stromab. Das Abscheiderelement wird durch faserartige Medien bereitgestellt, die Tröpfchen der dispergierten Phase einfangen, wodurch die Tröpfchen koaleszierend zu größeren Tropfen anwachsen, die weiter koaleszieren und wachsen, um Pfützen zu bilden, die ablaufen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist es wünschenswert, daß die Eigenschaften der Abscheidermedien als Funktion der Tiefe variieren. Bei Abscheideranwendungen wie etwa Kurbelgehäuseentlüftungsabscheidern, Nebelentfernungsfiltern, Kraftstoff-Wasser-Abscheidern und Öl-Wasser-Separatoren ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform wünschenswert, wenn die Porosität und/oder der Faserdurchmesser mit zunehmender Entfernung in die Medien abnehmen, wobei bei mittlerer Tiefe ein Minimum erreicht wird, d. h. irgendwo zwischen dem stromaufwärtigen und dem stromabwärtigen Ende, und wenn dann die Porosität und/oder der Faserdurchmesser zunehmen und mit weiter zunehmender Entfernung in die Medien von mittlerer Tiefe zu stromabwärts, der stromabwärtigen Fläche sich annähernd, offener werden. Dieses U-förmige Profil wird im folgenden näher beschrie ben, zum Beispiel 28, wo ein abnehmender Faserdurchmesser und/oder eine abnehmende Porosität von stromaufwärts zu mittlerer Tiefe und dann ein zunehmender Faserdurchmesser und/oder eine zunehmende Porosität von mittlerer Tiefe zu stromabwärts bereitgestellt werden. Die abnehmende Porosität und der abnehmende Faserdurchmesser führen zu einer geringeren Einschränkung in den stromaufwärtigen Abschnitten des Abscheiders. Das Minimum an Faserdurchmesser und/oder Porosität liegt dort vor, wo eine maximale Beseitigungseffizienz erreicht wird. Die folgende Zunahme bei Porosität und Faserdurchmesser, ausgehend von mittlerer Tiefe zu stromabwärts, erleichtert das Ablaufen und das Austreten von eingefangenen Tröpfchen aus dem Abscheider.
Um die Eigenschaften von Abscheidermedien als Funktion der Tiefe zu variieren, wird eine Vielzahl von Verfahren verwendet. Um einen derartigen Effekt zu erhalten, können beispielsweise verschiedene Medienschichten gestapelt werden. Koaleszierende Filter sind beispielsweise aus einer inneren hocheffizienten koaleszierenden Schicht und einer äußeren, gröberen Ablaufschicht aufgebaut. Bei einigen Anwendungen werden mehrere Schichten, zum Beispiel möglicherweise bis zu sieben unterschiedliche Schichten, verwendet, um die erwähnten Vorzüge zu erreichen. In der Regel kann dies dadurch erfolgen, daß verschiedene Medienfolien zu Schichten gerollt oder gefalzt werden, oder durch Schmelzblasen, einschließlich Schmelzspinnen, verschiedener Schichten aufeinander. Jede Schicht kann aus einem anderen Material bestehen, das in der Produktion erhalten und verarbeitet werden soll. Jede Schicht kann einen anderen Schritt und/oder ein anderes Gerät zum Verarbeiten und zur Produktion erfordern. Übergänge zwischen Schichten sind im allgemeinen abrupt oder weisen eine Stufenfunktionsänderung auf, was zu entsprechenden Diskontinuitäten beim Fluidfluß und zu einer vergrößerten Einschränkung und reduzierter Lebensdauer und Kapazität führen kann.
Bei einem Aspekt der '101-Anmeldung wird ein Verfahren bereitgestellt zum Herstellen von Abscheiderelementen, einschließlich für Kurbelgehäusebelüftungs- und Nebelentfernungsabscheider, und für andere Arten von Abscheidern unter Verwendung von faserartigen Abscheidermedien, bei denen es wünschenswert sein kann, den Faserdurchmesser und/oder die Porosität als Funktion der Tiefe in den Abscheider zu variieren. Fasern von im wesentlichen kontinuierlicher Länge werden durch Schmelzblasen aus einem geeigneten thermoplastischen Polymer hergestellt, beispielsweise jenen oben erwähnten. Die Fasern werden auf einem sich drehenden Dorn oder einem anderen geeigneten Sammler von geeigneter Querschnittsgestalt, zum Beispiel kreisförmig, oval, elliptisch, Rennbahn, dreieckig, rechteckig, Diamant, trapezförmig, sternförmig usw. gesammelt. Bei einem Aspekt wird der Durchmesser der individuellen Fasern während ihrer Herstellung variiert, um lange Fasern zu erzeugen, die an verschiedenen Punkten entlang ihrer Länge verschiedene Durchmesser aufweisen. Bei einem weiteren Aspekt wird der Durchmesser der Fasern während ihrer Produktion relativ zu der Dicke der auf dem Dorn ausgebildeten Abscheidermedien gesteuert, um ein Abscheiderelement mit Abscheidermedieneigenschaften herzustellen, zum Beispiel Faserdurchmesser und/oder Porosität, die als Funktion der Tiefe variieren. Bei einem anderen Aspekt werden der Sammler oder der Dorn und die Schmelzblasdüse relativ zueinander auf ein-, zwei- oder dreidimensionale Weise bewegt.
26 zeigt schematisch das erwähnte Verfahren. Sie zeigt einen Schmelzblasprozeß, einschließlich des erwähnten Trichters 101, der die Polymerpellets enthält, der Schmelzepumpe 104, den Luftleitungen 113, 114, der Düse 103, dem Dorn 109, den Fasern 107 und dem ausgebildeten Abscheiderelement 115. Außerdem ist ein dreidimensionales Koordinatensystem mit zueinander orthogonalen X-, Y- und Z-Achsen dargestellt, wobei der Samm ler 108 durch einen sich drehenden Dorn 109 bereitgestellt wird, der sich um die Z-Achse dreht und entlang der X-Achse von der Düse 103 beabstandet ist. Die Länge der Düse 103 entlang der Z-Achse ist in der Regel kleiner als die des Elements 115, um eine Relativbewegung der Düse 103 und des Sammlerdorns 109 während der Produktion des Elements 115 ohne signifikantes Übersprühen der Faser 107 zu gestatten. Der Faserdurchmesser entlang der Länge der Faser wird während der Produktion der Faser variiert durch: Variieren des Abstands zwischen der Düse und dem Sammler/Dorn durch Bewegen der Düse und des Sammler/Dorns relativ zueinander in der X- und/oder Y-Richtung; und/oder Steuern der Relativposition der Düse und des Sammlers/Dorns zueinander in der X-, Y- und Z-Richtung und/oder durch Steuern des Polymerdurchsatzes und/oder durch Steuern des Luftdrucks und/oder der Fließrate und/oder durch Steuern der Dorngeschwindigkeit, zum Beispiel durch Bewegen der Düse und des Sammlerdorns relativ zueinander in der X-, Y- und/oder Z-Richtung und/oder Steuern der Dorndrehzahl um die Z-Achse und/oder der Temperatur des Polymers. Diese Faktoren beeinflussen auch die Porosität und Faserorientierung der Abscheidermedien. Beispielsweise wird bei Bewegen der Relativpositionen der Düse und des Sammlers in der Z-Richtung hin und zurück die Orientierung von Fasern bei einer derartigen Richtungsänderung des Sammlers oder der Düse umgekehrt. Dies erzeugt ein überkreuztes Muster aus ineinander greifenden Fasern, das die strukturelle Integrität des resultierenden Elements erhöht und das Ablaufen von koaleszierter Flüssigkeit erleichtert, wie beispielsweise in der oben erwähnten '694-Anmeldung dargelegt.
Porosität kann auch durch Anlegen eines Drucks an die Medien gesteuert werden. 27 ist wie 26 und verwendet gleiche Bezugszahlen von oben, wo angemessen, um das Verständnis zu erleichtern. Ein Verfahren zum Steuern der Porosität wird durch die Verwendung einer Kompressionswalze 116 bereitgestellt. Durch die gesteu erte Verwendung der Kompressionswalze 116 zum Ausüben von Druck auf das Abscheiderelement 115 und durch Steuern des Drucks/der Kraft, mit der die Kompressionswalze 116 an dem Element 115 rollt, kann die Porosität während der Elementproduktion gesteuert werden. Der Faserdurchmesser und/oder die Porosität werden als Funktion der Tiefe gesteuert, ohne daß verschiedene Schichten aus verschiedenen Medien verwendet werden, die Verbund- oder Laminatstrukturen bereitstellen.
Der Faserdurchmesser ist auch eine Funktion der in den Trichter eingegebenen Arten von thermoplastischem Polymer. Dies kann vorteilhafterweise dazu eingesetzt werden, um leistungsfähigere Abscheiderelemente herzustellen. Beispielsweise können durch Mischen von Pellets von zwei oder mehr verschiedenen Arten von kompatiblen Polymeren, beispielsweise zwei Polyestern mit verschiedenen Schmelzpunkten, in dem Trichter und Schmelzblasen der resultierenden Mischung Fasern von zwei oder mehr verschiedenen Durchmessern, mit chemischen und physikalischen Charakteristiken gleichzeitig schmelzgeblasen und an dem gleichen Ort bezüglich der Tiefe in dem Element abgelegt werden. Wenn beispielsweise die beiden Polymere verschiedene Schmelzpunkte aufweisen, wird sich eines schneller abkühlen als das andere und das eine mit dem niedrigsten Schmelzpunkt wird sich stärker mit der anderen Art verbinden und die Gesamtfestigkeit und strukturelle Integrität der Medien erhöhen, während eine bimodale Faserdurchmesserverteilung erzeugt wird, wobei der Faserdurchmesser jedes Modus während der Faserproduktion variiert wird. Analog können die Einschränkung und das Entfernen beispielsweise dadurch optimiert werden, daß ein kleiner Prozentsatz eines Polymers, das Fasern mit einem großen Durchmesser ergibt, mit einem höheren Prozentsatz eines Polymers vermischt wird, das feinere Fasern liefert. Alternativ kann die strukturelle Integrität des Elements beispielsweise dadurch erhöht werden, daß ein kleiner Prozentsatz eines Polymers, das starke Fasern mit einem großen Durchmes ser liefert, mit einem höheren Prozentsatz eines Polymers gemischt wird, das feinere Fasern liefert, die besser dafür geeignet sind, feine Schadstoffe einzufangen, denen es aber an struktureller Integrität fehlt. Das Ablaufen von koaleszierter Flüssigkeit aus einem Abscheider und die reduzierte Einschränkung können erhalten werden durch Mischen eines relativ stark benetzenden Polymers mit einem relativ nicht-benetzenden Polymer. Um die Abscheidermedienstruktur weiter zu optimieren, könnten die relativen Mengen der verschiedenen Arten von Fasern als Funktion der Tiefe variiert werden, indem die relativen Mengen der verschiedenen Polymere in dem Trichter oder die zur Düse gepumpt werden gesteuert werden. Die Kombinationen erzeugen Elemente, die sich für Abscheideranwendungen besonders gut eignen, einschließlich Kurbelgehäusebelüftungsfilter, Nebelentfernungsfilter, Kraftstoff-Wasser-Abscheider und Öl-Wasser-Separatoren. Solche Elemente koaleszieren Schadstofftröpfchen und beseitigen sie aus dem Fluidstrom. Sie erreichen eine hohe Beseitigungseffizienz, um das Ablaufen eines koaleszierten flüssigen Schadstoffs zu erleichtern, um eine hohe Schadstoffhaltekapazität und lange Standzeit zu haben.
Als ein Beispiel werden in einer ersten Abscheiderausführungsform Fasern mit mindestens einer bimodalen Faserdurchmesserverteilung als eine einzelne Folie zu einer Rolle gewickelt, wodurch aber effektiv mehrere Schichten in einer Elementrolle 115 bereitgestellt werden, wodurch man eine Porosität erzielt, die als Funktion der Tiefe variiert. Der mittlere Durchmesser für die kleineren Fasern in der Faserverteilung liegt im Bereich von 0,05 bis 10 m je nach den Effizienzanforderungen. Die Funktion dieser Fasern besteht in dem Beseitigen von feinen Schadstoffen mit hoher Effizienz. Die gröberen Fasern besitzen Durchmesser von 20 bis 100 m, um das Ablaufen zu erleichtern. Diese Elemente sind als Elemente vom Tiefentyp mit einer Mindestdicke von 10 mm hergestellt. Damit die Elemente physisch ro bust werden und um gleichzeitig Fasern mit zwei verschiedenen Durchmessern herzustellen, werden zwei verschiedene Arten von Polymeren verwendet, zum Beispiel 95% PBT-Polymer (Polybutylenterephthalat) und 5% PET-Polymer (Polyethylenterephthalat) werden verwendet. Die mittlere Faserdichte beträgt 1,38 Gramm pro Kubikmeter, und die mittlere Elementporosität liegt über 80%. Die gemeinsame Verwendung von feinen und groben Fasern, d. h. eine individuelle Faser mit differierenden Durchmessern an verschiedenen Punkten entlang ihrer Länge, führt zu hoher Effizienz, guten Ablaufeigenschaften und geringer Tröpfchenwiedermitführung. Die Beseitigungseffizienz für ein neues Element beträgt größer als 90% für ultrafeinen Ölnebel und Ruß beim Testen an einem Dieselmotor bei einer Anwendung auf Kurbelwellenbelüftung. Die Tröpfchengröße von Ölnebel liegt im Bereich von weniger als 0,03 m bis 10 m, während ein mittlerer Durchmesser im Bereich von 0,4 bis 1,0 m liegt. Eine Effizienz von über 80% wird sogar für das ölgesättigte Stadium des Koaleszierungsprozesses erreicht.
Bei einem zweiten Abscheiderausführungsbeispiel wird die gleiche Polymermischung verwendet, um eine bimodale Verteilung zu erzielen, doch wird der Abstand zwischen der Düse und dem Sammlerdorn zu Beginn der Abscheiderelementproduktion herabgesetzt (zum Beispiel nahe der Mitte 115a eines ringförmigen Elements 115 neben dem Dorn), dann in der Nähe der Mitte der Elementproduktion allmählich heraufgesetzt, zum Beispiel mittlere Tiefe 115b für die Medien, und dann nahe dem Ende der Elementproduktion wieder herabgesetzt, zum Beispiel am äußeren Abschnitt 115c des ringförmigen Elements. Dies wird dadurch erreicht, daß die Düse 103 und der Dorn 109 relativ zueinander in der X-Richtung bewegt werden. Simultan können die Düse 103 und der Dorn 109 relativ zueinander in der Z-Richtung bewegt werden, um eine gewünschte Faserorientierung zu erzielen. Dies führt zu einer Elementstruktur mit gröberen Fasern von beiden Arten nahe der Filterfläche 115a, um das Besei tigen von gröberen Schadstoffen, aber nicht feineren Schadstoffen, an der stromaufwärtigen Seite des Elements bei Verwendung bei einer Fließgeometrie von innen nach außen zu erleichtern. Der Faserdurchmesser ist in den Gebieten 115a und 115c am größten und im Gebiet 115b am kleinsten. Der Faserdurchmesser nimmt von Gebiet 115a zu 115b ab und dann wieder von Gebiet 115b zu Gebiet 115c zu. Die Porosität ist in den Gebieten 115a und 115c am größten und ist im Gebiet 115b am kleinsten. Die Porosität nimmt von Gebiet 115a zu Gebiet 115b ab und nimmt dann von Gebiet 115b zu Gebeit 115c zu. Der Faserdurchmesser und die Porosität variieren als Funktion der Entfernung vom Dorn 109 nach außen, d.h. sie variieren als Funktion der Filtertiefe von Gebiet 115a zu Gebiet 115b und von Gebiet 115b zu Gebiet 115c. Dies ist in 28 veranschaulicht, die den Abstand von der Mitte des Dorns entlang der Abszisse oder horizontalen Achse zeigt, die die radiale Tiefe des Elements 115 ist, und die entlang der Ordinate oder vertikalen Achse den relativen Faserdurchmesser und die relative Porosität zeigt. Die erwähnte Varianz von Faserdurchmesser und Porosität, die von Gebiet 115a zu 115b abnehmen, ist als Abwärtsneigungen 117, 118 gezeigt, und der Faserdurchmesser und die Porosität im Mitteltiefengebiet 115b ist bei 119, 120 gezeigt, und die Zunahme bei Faserdurchmesser und Porosität von dem Mitteltiefengebiet 115b zum stromabwärtigen Gebiet 115c ist bei 121, 122 gezeigt, was zu einem U-förmigen Profil 123 führt.
Das erwähnte U-förmige Profil 123, 28, führt netto zu einer Absenkung der Gesamteinschränkung über das Abscheiderelement hinweg. Der erwähnte variierende Faserdurchmesser besitzt ein U-förmiges Profil 123 in einem Graphen, 28, der Elementtiefe entlang der Abszisse über den Faserdurchmesser entlang der Ordinate, mit einem kleinsten Fasertiefendurchmesser an der Bucht 119 des U an der erwähnten mittleren Tiefe 115b. Gleichermaßen besitzt die erwähnte variierende Porosität ein U-förmiges Profil in einem Graphen der Elementtiefe entlang einer Abszisse über der Porosität entlang einer Ordinate und einer kleinsten Porosität an der Bucht des U an der erwähnten mittleren Tiefe 115b. Der Faserdurchmesser und die Porosität nehmen von Gebiet 115a zu Gebiet 115b ab, wo für beide Parameter ein Minimum erreicht wird, wo das Entfernen und die Einschränkung am höchsten sind. Von diesem Minimum ab nehmen der Faserdurchmesser und die Porosität von Gebiet 115b zu Gebiet 115c wieder zu, um die Einschränkung zu reduzieren und ein Ablaufen von eingefangener koaleszierter Flüssigkeit von dem Abscheider zu erleichtern. Durch die allmähliche Änderung sowohl beim Faserdurchmesser als auch bei der Porosität werden die Fließdiskontinuitäten und die Diskontinuitäten beim Ansammeln von Schadstoffen vermieden, die Mehrfachmedienelementen mit verschiedenen Schichten oder Lagen aus unterschiedlichem Medienmaterial und/oder verschiedenen Schichten oder Lagen mit unterschiedlichem Faserdurchmesser und/oder verschiedenen Schichten oder Lagen aus unterschiedlicher Porosität zu eigen sind. Statt dessen werden durch die allmähliche Änderung sowohl beim Faserdurchmesser als auch der Porosität in dem vorliegenden System, zum Beispiel entlang der erwähnten individuellen kontinuierlichen Faser, sich stufenförmig ändernde Diskontinuitäten eliminiert und die Einschränkung reduziert und die Lebensdauer des Abscheiders verlängert. Bei einem Abscheider hält Kapillardruck die Tröpfchen fest. Wenn eine stufenartige Änderung angetroffen wird, zum Beispiel eine große Pore hinunter zu einer kleinen Pore, dann arbeitet die Bewegung des Tröpfchens gegen Kapillardruck, um zu erreichen, daß sich das Tröpfchen in die kleinere Pore bewegt, was die Einschränkung signifikant heraufsetzt. Diese unerwünschte Charakteristik wird in dem vorliegenden System durch Bereitstellen einer allmählichen Änderung vermieden, zum Beispiel durch Vermeiden der Ausbildung verschiedener Schichten und das Versuchen, Tröpfchen dort hindurch zu drücken. Für benetzte Medien der dispergierten Phase ist dies in den ansteigenden Abschnitten 121, 122 des erwähnten U-förmigen Profils 123 besonders signifikant. Für nichtbenetzte Medien der dispergierten Phase ist dies in den absteigenden Abschnitten 117, 118 des erwähnten U-förmigen Profils 123 besonders signifikant. Das vorliegende System variiert allmählich den Faserdurchmesser der gleichen derartigen gegebenen individuellen Faser von einem ersten Durchmesser in einem ersten Ringgebiet zu einem zweiten Durchmesser in einem zweiten Ringgebiet (zum Beispiel von 115a zu 115b und/oder von 115b zu 115c), um einen allmählichen Übergang dazwischen bereitzustellen, wodurch abrupte Stufenfunktionsänderungen und entsprechende Diskontinuitäten eliminiert werden, enthalten in den Charakteristiken Fluidfließgeschwindigkeit und Druckabfall, die ansonsten die Einschränkung erhöhen und die Lebensdauer und Kapazität reduzieren.
Die obigen Beispiele erwähnen ringförmigen Elementrollen mit der Gestalt einer geschlossenen Schleife, zum Beispiel kreisförmig, oval, elliptische Rennbahn, dreieckig, rechteckig, Diamant, trapezoidförmig, sternförmig und so weiter. Bei einigen Anwendungen können die Verpackung oder andere Gründe andere Gestalten oder offene Gestalten diktieren, wie etwa flache Plattenkonfigurationen. Diese können durch Schneiden oder Splitten des resultierenden Elements axial entlang einer Ebene parallel zu der Achse des Ringes aus der erwähnten ringförmigen Gestalt mit geschlossener Schleife hergestellt werden, um ein Plattenelement oder dergleichen bereitzustellen oder anderweitig einen gewünschten Querschnitt zu erhalten.
Bei dem System der '101-Anmeldung wird der Durchmesser individueller Fasern des Abscheiders entlang der Länge der Faser gesteuert und variiert. Durchmesser, Porengröße und/oder Porosität der Faser werden als Funktion der Tiefe in dem Abscheiderelement variiert und unter Verwendung der gleichen Medien und der gleichen Medien lage bewerkstelligt, d. h., die gleichen Medien und die gleiche Medienlage wird verwendet, um ein großes Spektrum von Eigenschaften zu erhalten. Der Durchmesser, die Porengröße und/oder die Porosität der Faser können kontinuierlich und graduell variiert werden, wodurch die erwähnten stufenförmigen Änderungen bei Medieneigenschaften als Funktion der Tiefe vermieden werden und die entsprechenden Diskontinuitäten bei den Eigenschaften der Fluidfließgeschwindigkeit und des Druckabfalls innerhalb des Elements vermieden werden, was zu länger haltenden Elementen führt. Die erwähnten graduellen kontinuierlichen Änderungen können erreicht werden, indem die Schmelzblasproduktionsparameter variiert und gesteuert werden, einschließlich beispielsweise der Abstand zwischen der Düse und dem Dorn/Sammler, die relative Position der Düse und des Dorns zueinander, Polymerdurchsatz, Luftdruck, Fließrate, Dorn/Sammler-Geschwindigkeit und Temperatur. Medieneigenschaften als Funktion der Tiefe können variiert und gesteuert werden, indem die Düse und der Sammler relativ zueinander in der X-, Y- und/oder Z-Richtung bewegt werden. Das System kombiniert Konzepte zum Produzieren von Abscheidern, bei denen Faserdurchmesser, Porengröße und/oder Porosität als Funktion der Tiefe variieren, wodurch man Leistungsvorteile erhält. Es besteht keine Notwendigkeit, seriell separate mehrere Schichten zu produzieren, wobei jede Schicht unabhängig durch verschiedene Schmelzblasmaschinen produziert wird und das unfertige Element von Maschine zu Maschine transferiert wird, oder ob die Schichtbildung erreicht wird durch Ausrichten mehrerer Düsen auf serielle Art entlang der Z-Richtung und kontinuierliches Produzieren von rohrförmigen Elementen, die in der gleichen Z-Richtung wachsen oder fortschreiten, wobei das fertiggestellte Element nach der letzten Düse zurechtgeschnitten wird, wobei jede Düse in der Serie eine andere Schicht mit ihren eigenen Eigenschaften produziert.
Das System der '101-Anmeldung stellt ein Verfahren zum Herstellen eines Abscheiderelements 115 bereit, indem mehrere Polymerfasern 107 auf einen Sammler 108 schmelzgeblasen werden und während des Schmelzblasens der Durchmesser von individuellen Fasern entlang ihrer Länge derart variiert wird, daß eine individuelle Faser an verschiedenen Punkten entlang ihrer Länge differierende Durchmesser aufweist. Fasern 107 werden aus der Düse 103 schmelzgeblasen, die Polymer durch Spinndüsen 106 ausstößt, um die Fasern herzustellen. Der Faserdurchmesser wird während der Faserproduktion entlang der Länge der Faser variiert. Der Sammler 108 ist von der Düse 103 beabstandet, und bei einer Ausführungsform wird der Faserdurchmesser entlang der Länge der Faser während der Faserproduktion variiert, indem der Abstand zwischen Sammler 108 und Düse 103 variiert wird. Wenn der Sammler 108 in einer derartigen Ausführungsform ein sich drehender Dorn 109 ist, wird der Faserdurchmesser entlang der Länge der Faser während der Faserproduktion dadurch variiert, daß die relative Position der Düse 103 und des Dorns 109 relativ zueinander entlang mindestens einer der X- und Y-Achse variiert wird. Bei einer weiteren Ausführungsform wird der Faserdurchmesser entlang der Länge der Faser während der Faserproduktion durch Variieren des Polymerdurchsatzes durch Spinndüsen 106 variiert. Polymer wird aus Spinndüsen 106 in einen unter Druck stehenden Gasstrom wie oben erwähnt zum Produzieren von Fasern 107 ausgestoßen. Bei einer anderen Ausführungsform wird der Faserdurchmesser entlang der Länge der Faser während der Faserproduktion variiert, indem mindestens der Gasdruck oder die Gasfließrate variiert werden. Wenn bei einer anderen Ausführungsform der Sammler 108 ein sich drehender Dorn 109 ist, wird der Faserdurchmesser entlang der Länge der Faser während der Faserproduktion variiert, indem die Drehzahl des Dorns 109 variiert wird. Bei einer anderen Ausführungsform wird der Faserdurchmesser entlang der Länge der Faser während der Faserproduktion variiert, indem die Temperatur des geschmol zenen Polymers variiert wird. Bei einer anderen Ausführungsform werden zwei Polymere gleichzeitig in der Düse verwendet, um eine bimodale Faserverteilung zu erzeugen, wobei der Faserdurchmesser jedes Modus wie oben beschrieben variiert wird. Bei einer Ausführungsform besitzen die beiden Polymere verschiedene Schmelzpunkte. Bei der bevorzugten Ausführungsform der erwähnten Verfahren wird der Faserdurchmesser entlang der Länge der Faser während der Faserproduktion variiert, während die Fasern aus der Düse 103 schmelzgeblasen werden.
Wenn der Sammler 108 ein sich drehender Dorn 109 ist, sammelt und rollt der sich drehende Dorn Fasern 107 zu einer ringförmigen Elementrolle 115 mit einem inneren Gebiet 115a am Dorn und mit einem radial nach außen vom inneren Gebiet 115a durch die radiale Dicke der Elementrolle beabstandeten äußeren Gebiet 115c. Die Elemetrolle 115 besitzt eine Tiefenabmessung entlang einer derartigen radialen Dicke. Der Faserdurchmesser wird entlang der Länge der Faser während der Faserproduktion derart variiert, daß der Faserdurchmesser als Funktion der Elementtiefe variiert. Bei einer Ausführungsform wird wie erwähnt der Faserdurchmesser entlang der Länge der Faser während der Faserproduktion variiert, um ein erstes ringförmiges Gebiet wie etwa 115a eines ersten Faserdurchmessers und ein zweites ringförmiges Gebiet wie etwa 115b und/oder 115c eines zweiten Faserdurchmessers, anders als der erste Faserdurchmesser und aus der gleichen individuellen schmelzgeblasenen Faser, bereitzustellen. Eine individuelle Faser wird aus der Düse 103 schmelzgeblasen. Eine derartige individuelle Faser wird auf den Dorn 109 aufgerollt, um das erwähnte erste ringförmige Gebiet auszubilden. Die gleiche derartige gegebene individuelle Faser wird auf das erste ringförmige Gebiet gerollt, um ein zweites ringförmiges Gebiet wie etwa 115b auszubilden, und die gleiche derartige gegebene individuelle Faser wird weiterhin auf ein zweites ringförmiges Gebiet 115b gerollt, um ein drittes ringförmiges Gebiet wie etwa 115c auszubilden, und so weiter wie gewünscht. Die gegebene individuelle Faser wird mit dem erwähnten ersten Durchmesser im ersten ringförmigen Gebiet 115a gerollt, dann wird der Faserdurchmesser der gleichen derartigen gegebenen individuellen Faser allmählich zu einem zweiten Durchmesser variiert, und dann wird die gleiche derartige gegebene individuelle Faser mit diesem zweiten Faserdurchmesser im zweiten ringförmigen Gebiet 115b gerollt, und so weiter. Die gegebene individuelle Faser kann in sequentiellen Schritten in anderen ringförmigen Gebieten gerollt werden, wobei aber weiterhin die gleiche derartige gegebene individuelle Faser gerollt wird, wodurch die erwähnte Kontinuität und allmählichen Änderungen bereitgestellt werden und die oben erwähnten stufenförmigen Diskontinuitäten vermieden werden. Die Änderung beim Durchmesser der gegebenen individuellen Faser tritt während des Schmelzblasens allmählich ein, und die Änderung von Gebiet zu Gebiet über die radiale Dicke und Tiefe des Elements hinweg ist graduell.
Eines des inneren und äußeren Gebiets 115a und 115c befindet sich an einer stromaufwärtigen Oberfläche, und das andere des inneren und äußeren Gebiets 115a und 115c befindet sich an einer stromabwärtigen Oberfläche. Die Fließrichtung ist von stromaufwärts zu stromabwärts. Beispielsweise ist bei einer Fließgeometrie von innen nach außen das Gebiet 115a an der stromaufwärtigen Oberfläche und das Gebiet 115c an der stromabwärtigen Oberfläche. Bei einer Fließgeometrie von außen nach innen ist das äußere Gebiet 115c an der stromaufwärtigen Oberfläche und das innere Gebiet 115a an der stromabwärtigen Oberfläche. Bei einer Ausführungsform wird wie oben erwähnt der Faserdurchmesser entlang der Länge der Faser während der Faserproduktion variiert, um den Faserdurchmesser als Funktion der Elementtiefe derart zu variieren, daß der Faserdurchmesser mit zunehmender Tiefe in das Element entlang der Fließrichtung abnimmt. Weiterhin werden bei einer derartigen Ausführungsform die Fasern derart gerollt, daß die Porosität auch mit zunehmender Tiefe in das Element entlang der Fließrichtung abnimmt. Bei einer anderen Ausführungsform wird der Faserdurchmesser entlang der Länge der Faser während der Faserproduktion variiert, um den Faserdurchmesser als Funktion der Elementtiefe derart zu variieren, daß der Faserdurchmesser mit der Tiefe in das Element entlang der Fließrichtung zunimmt. Weiterhin werden bei einer derartigen Ausführungsform die Fasern derart gerollt, daß die Porosität ebenfalls mit zunehmender Tiefe in das Element entlang der Fließrichtung zunimmt. Bei einer anderen Ausführungsform wird der Faserdurchmesser entlang der Länge der Faser während der Faserproduktion variiert, um den Faserdurchmesser als Funktion der Elementtiefe derart zu variieren, daß der Faserdurchmesser mit zunehmender Tiefe in das Element entlang der Fließrichtung von stromaufwärts zu mittlerer Tiefe 115b abnimmt und dann mit zunehmender Tiefe in das Element entlang der Fließrichtung von der mittleren Tiefe 115b zu stromabwärts zunimmt. Diese Charakteristiken sind in 28 beim U-förmigen Profil 123 gezeigt. Weiterhin werden bei einer derartigen Ausführungsform die Fasern so gerollt, daß die Porosität mit zunehmender Tiefe in das Element entlang der Fließrichtung von stromaufwärts zu der mittleren Tiefe 115b abnimmt und dann mit zunehmender Tiefe in das Element entlang der Fließrichtung von der mittleren Tiefe 115b zu stromabwärts zunimmt. In der Regel folgen der Faserdurchmesser und die Porosität dem gleichen zunehmenden oder abnehmenden Trend bezüglich der Elementtiefe, jedoch nicht notwendigerweise. Beispielsweise kann ein Element einen abnehmenden Faserdurchmesser bei zunehmender Porosität und umgekehrt aufweisen.
Das System der '101-Anmeldung stellt weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines Abscheiders bereit durch Schmelzblasen mehrerer Polymerfasern auf einen Sammler und gesteuertes Variieren der Porosität des durch die Fasern ausgebildeten Abscheiders während des Schmelzblasens, zum Beispiel durch Variieren des Faserdurch messers wie oben beschrieben und/oder durch das erwähnte Rollen. Bei einer Ausführungsform nimmt die Porosität mit zunehmender Tiefe in den Abscheider ab. Bei einer anderen Ausführungsform nimmt die Porosität mit der Tiefe in den Abscheider zu. Bei einer anderen Ausführungsform nimmt die Porosität mit zunehmender Tiefe in den Abscheider von stromaufwärts zur mittleren Tiefe 115b ab und nimmt dann mit der Tiefe in den Abscheider von der mittleren Tiefe 115b zu stromabwärts zu, 28. Bei einer weiteren Ausführungsform wird die Porosität steuerbar variiert durch Bereitstellen einer Kompressionswalze 116, die die Abscheiderelementrolle 115 an der oberen Oberfläche am Gebiet 115c während der Ausbildung davon in Eingriff nimmt und dagegen Druck ausübt. Bei einer weiteren Ausführungsform wird die Porosität variiert, um ein erstes ringförmiges Gebiet wie etwa 115a einer ersten Porosität, ein zweites ringförmiges Gebiet wie etwa 115b einer von der ersten Porosität verschiedenen zweiten Porosität und aus der gleichen individuellen schmelzgeblasenen Faser und ein drittes ringförmiges Gebiet wie etwa 115c einer von der ersten und/oder zweiten Porosität verschiedenen dritten Porosität und aus der gleichen individuellen schmelzgeblasenen Faser bereitzustellen, und so weiter. Eine gegebene individuelle Faser wird aus der Düse 103 schmelzgeblasen. Eine derartige gegebene individuelle Faser wird auf den Dorn 109 aufgerollt, um das erste ringförmige Gebiet 115a auszubilden, und die gleiche derartige gegebene individuelle Faser wird auf das erste ringförmige Gebiet 115a aufgerollt, um das zweite ringförmige Gebiet 115b auszubilden, und so weiter.
Das System und das Verfahren der '101-Anmeldung stellt einen Abscheider mit mehreren schmelzgeblasenen Fasern bereit, wobei der Durchmesser einer individuellen Faser entlang der Länge der Faser derart variiert, daß eine individuelle Faser an verschiedenen Punkten entlang ihrer Länge differierende Durchmesser aufweist. Der Faserdurchmesser wird entlang der Länge der Faser vari iert, um eine individuelle Faser mit differierenden Durchmessern an verschiedenen Punkten entlang ihrer Länge derart bereitzustellen, daß der Faserdurchmesser einer derartigen individuellen Faser als Funktion der Abscheidertiefe variiert. Der Abscheider weist ein erstes Gebiet wie etwa 115a mit einem ersten Faserdurchmesser, ein zweites Gebiet wie etwa 115b eines von dem ersten Faserdurchmesser verschiedenen zweiten Faserdurchmessers und aus der gleichen individuellen schmelzgeblasenen Faser auf, und so weiter. Wie oben erwähnt ist die Änderung beim Faserdurchmesser allmählich, um die erwähnten Diskontinuitäten und stufenförmigen Änderungen und die darin inhärenten erwähnten Nachteile zu vermeiden. Bei einer Ausführungsform variiert der Faserdurchmesser entlang der Länge der individuellen Faser, um den Faserdurchmesser als Funktion der Elementtiefe derart zu variieren, daß der Faserdurchmesser entlang der individuellen Faser mit zunehmender Tiefe in das Element abnimmt. Weiterhin nimmt bei einer derartigen Ausführungsform auch die Porosität bevorzugt mit zunehmender Tiefe in das Element ab. Bei einer anderen Ausführungsform variiert der Faserdurchmesser entlang der Länge der individuellen Faser, um den Faserdurchmesser als Funktion der Elementtiefe derart zu variieren, daß der Faserdurchmesser entlang der individuellen Faser mit zunehmender Tiefe in das Element zunimmt. Bei einer derartigen Ausführungsform nimmt auch die Porosität bevorzugt mit zunehmender Tiefe in das Element zu. Bei einer anderen Ausführungsform variiert der Faserdurchmesser entlang der Länge der individuellen Faser, um den Faserdurchmesser als Funktion der Elementtiefe derart zu variieren, daß der Faserdurchmesser entlang der individuellen Faser mit zunehmender Tiefe in das Element von stromaufwärts zur mittleren Tiefe 115b abnimmt und dann mit zunehmender Tiefe in das Element von der mittleren Tiefe 115b zu stromabwärts zunimmt, 28. Bei einer derartigen Ausführungsform nimmt die Porosität bevorzugt mit zunehmender Tiefe in das Element von stromaufwärts zur mittleren Tiefe 115b ab und nimmt dann mit zunehmender Tiefe in das Element von der mittleren Tiefe 115b zu stromabwärts zu. Das System stellt einen durch das erwähnte Verfahren zum Herstellen eines Abscheiders hergestellten Abscheider bereit, einschließlich Schmelzblasen mehrerer Polymerfasern auf einen Sammler und Variieren des Durchmessers der individuellen Fasern entlang ihrer Länge während des Schmelzblasens derart, daß eine individuelle Faser differierende Durchmesser an verschiedenen Punkten entlang ihrer Länge aufweist.
Das System und das Verfahren stellt auch einen Abscheider mit mehreren schmelzgeblasenen Fasern bereit, wobei der Abscheider eine um eine Tiefendimension dazwischen von einer stromabwärtigen Oberfläche beabstandete stromaufwärtige Oberfläche aufweist, wobei der Abscheider ein erstes Tiefengebiet mit einer ersten Porosität und ein zweites Tiefengebiet stromabwärts von dem ersten Tiefengebiet und mit einer von der ersten Porosität verschiedenen zweiten Porosität und aus der gleichen individuellen schmelzgeblasenen Faser des ersten Gebiets aufweist. Wie oben erwähnt ist die Änderung allmählich, um die erwähnten Nachteile von Diskontinuitäten oder stufenförmigen Änderungen zu vermeiden. Bei einer Ausführungsform nimmt die Porosität mit zunehmender Tiefe in das Abscheiderelement ab. Bei einer anderen Ausführungsform nimmt die Porosität mit zunehmender Tiefe in das Element zu. Bei einer anderen Ausführungsform nimmt die Porosität mit zunehmender Tiefe in das Element von stromaufwärts zur mittleren Tiefe 115b ab und nimmt dann mit zunehmender Tiefe in das Element von der mittleren Tiefe 115b zu stromabwärts zu, 28. Das System stellt einen Abscheider bereit, produziert durch das erwähnte Verfahren zum Herstellen eines Abscheiders durch Schmelzblasen mehrerer Polymerfasern auf einen Sammler und steuerbares Variieren der Porosität des durch die Fasern gebildeten Abscheiders während des Schmelzblasens.
Es wird erwartet, daß zahlreiche der obigen Techniken auch auf Partikelfilter angewendet werden können. Beispielsweise kann bei einer Feststoffilterausführungsform die gleiche Polymermischung verwendet werden, um eine bimodale Verteilung zu erzielen, und der Abstand zwischen der Düse 103 und dem Dorn 109 wird zu Beginn der Elementproduktion bei Gebiet 115a erhöht, dann allmählich reduziert, während sich der Durchmesser des Elements und die Dicke der Medien von Gebiet 115a zu Gebiet 115b und 115c erhöht. Dies wird wie bei dem obigen Beispiel dadurch bewerkstelligt, daß die Düse 103 und der Dorn 109 relativ zueinander in der X- und Z-Richtung bewegt werden. Dies führt zu einer Elementstruktur mit feineren Fasern beider Arten im Gebiet 115a, um das Beseitigen von feinen Partikeln an der stromabwärtigen Seite des Elements für eine Fließgeometrie von außen nach innen zu erleichtern, und das Beseitigen von groben Teilchen und Schlamm durch grobe Fasern auf der stromaufwärtigen Seite 115c in einer derartigen Fließgeometrie von außen nach innen. Der Faserdurchmesser ist am kleinsten am Gebiet 115a und nimmt allmählich zu einem vergrößerten Faserdurchmesser am Gebiet 115b zu und nimmt weiter zu einem größten Faserdurchmesser am Gebiet 115c zu. Die Porosität ist am kleinsten am Gebiet 115a und nimmt zu höherer Porosität am Gebiet 115b zu und nimmt weiterhin zu einer größten Porosität beim Gebiet 115c zu. Der Faserdurchmesser und die Porosität ändert sich somit als Funktion des Abstands vom Dorn 109, d. h. als Funktion der radialen Dicke und der Filtertiefenabmessung. Dies führt insgesamt zu einer Absenkung der Gesamteinschränkung über das Filterelement hinweg, weil Einschränkung und Effizienz allmählich zunehmen, wenn das Fluid weiter in das Element eindringt. Durch die allmähliche Änderung sowohl beim Faserdurchmesser als auch bei der Porosität werden Diskontinuitäten bei Fluß- und Schadstoffansammlungen vermieden, die Filtern aus mehreren Medien aus mehreren Schichten oder Lagen aus verschiedenen Filtermedien mit verschiedenem Faserdurchmesser und/oder ver schiedener Porosität zu eigen sind. Durch die erwähnte allmähliche Änderung werden Diskontinuitäten in Form einer stufenartigen Änderung eliminiert und eine Einschränkung reduziert und die Lebensdauer verlängert.
Vorliegende Anmeldung
Die vorliegende Anmeldung stellt einen Abscheider bereit, bei dem man in einer kleineren Packungsgröße (Volumen) ein verbessertes Beseitigen von Schadstoffen, eine verbesserte Lebensdauer und einen verbesserten Druckabfall erhält, einschließlich Kurbelgehäuseentlüftungs-, Ölnebel- und andere Abscheideranwendungen.
Allgemeiner Stand der Technik
Unter einem Filterungsgesichtspunkt sind Dieselmotor-Kurbelgehäusebelüftungsanwendungen eine extreme Herausforderung. Hohe Konzentrationen an Ölnebel mit mittlerer Tröpfchengröße zwischen 0,6 und 1,7 m müssen mit einer Effizienz von über 90% beseitigt werden, um die Emissionsanforderungen zu erfüllen und den Motorturbolader vor Verunreinigung zu schützen. Eine geringe Einschränkung und lange Lebensdauer sind erforderlich. Für mobile Anwendungen wie etwa Langstreckenlastkraftwagen muß die Gesamtpaketgröße des Systems ebenfalls sehr klein sein. Die Koaleszenz ist eine vielversprechende Technologie, um diese konkurrierenden Ziele zu erzielen. Aktuelle Abscheiderdesignpraktiken und -Produkte verfehlen jedoch diese Anforderungen, weil eine hohe Beseitigungseffizienz oder eine lange Lebensdauer oder eine geringe Größe erzielt werden können, die gegenwärtige Praxis jedoch nicht in der Lage war, alle drei gleichzeitig auf annehmbare Weise zu erzielen.
Unter einem Filterungsgesichtspunkt sind Dieselmotor-Kurbelgehäusebelüftungsanwendungen eine extreme Herausforderung. Hohe Konzentrationen an Ölnebel mit mittlerer Tröpfchengröße zwischen 0,6 und 1,7 m müssen mit einer Effizienz von über 90% beseitigt werden, um die Emissionsanforderungen zu erfüllen und den Motorturbolader vor Verunreinigung zu schützen. Eine geringe Einschränkung und lange Lebensdauer sind erforderlich. Für mobile Anwendungen wie etwa Langstreckenlastkraftwagen muß die Gesamtpaketgröße des Systems ebenfalls sehr klein sein. Die Koaleszenz ist eine vielversprechende Technologie, um diese konkurrierenden Ziele zu erzielen. Aktuelle Abscheiderdesignpraktiken und -Produkte verfehlen jedoch diese Anforderungen, weil eine hohe Beseitigungseffizienz oder eine lange Lebensdauer oder eine geringe Größe erzielt werden können, die gegenwärtige Praxis jedoch nicht in der Lage war, alle drei gleichzeitig auf annehmbare Weise zu erzielen.
Die Designherausforderung für Kurbelgehäusebelüftungsabscheider, in der Tat für alle Arten von Abscheidern, besteht darin, die Schadstoffmenge zu maximieren, die beseitigt und innerhalb eines gegebenen Volumens gehalten werden kann. Das Beseitigen hängt von der Wahrscheinlichkeit ab, daß Schadstoffe von Medienfasern eingefangen werden. Das Beseitigen nimmt mit zunehmender Menge an Filtermedien zu. Filter und Abscheider, die dafür ausgelegt sind, Schadstoffe größer als etwa 0,2 m zu beseitigen, sind in der Regel gefaltete oder gerillte flache Folienmedien. Gefaltete Abscheider verwenden einen großen Medienflächeninhalt, um die Flächengeschwindigkeit zu reduzieren, die Kapazität und die Lebensdauer heraufzusetzen. Um diesen dünnen, relativ engen Filter zu bewerkstelligen (d. h. geringe Porengröße, feine Fasern, geringe Porosität), werden Medien verwendet, die für das Verstopfen anfällig sind, wenn sie für Systeme verwendet werden, die sowohl flüssige Tröpfchen als auch feste Schadstoffe enthalten. In diesem Fall besteht die Designstrategie in dem Maximieren des Medienflächeninhalts. Dies maximiert die Filtermedien pro Volumeneinheit, minimiert die Fluidgeschwindigkeit durch die Medien und vergrößert den Oberflächeninhalt, auf dem sich Schadstoffe, insbeson dere größere Schadstoffe, ansammeln können. Mit diesem Ansatz sind die Medien so ausgelegt, daß sie so dünn wie möglich sind und gleichzeitig Effizienz und Festigkeit aufrechterhalten, um die Faltdichte und den Gesamtmedienflächeninhalt zu vergrößern. Die Faltdichte ist definiert als die Anzahl der Falten pro Längeneinheit und ist gleich dem Kehrwert des Abstands zwischen Faltenspitzen. Mit gefalteten Medien gibt es viel vergeudeten Raum zwischen den Falten. Bei zylindrischen gefalteten Elementen beträgt die optimale Falthöhe 25% des Außendurchmessers des Elements (Tadeusz Jaroszczyk et al., „Chapter 10 Cartridge Filtration", in Filtration Principles and Practices, Second Edition, Revised and Expanded, Michael Matteson and Clyde Orr, Hrsg. Marcel Dekker, Inc. New York, 1987, S. 547). Für Falthöhen, die größer oder kleiner als dies sind, wird der entsprechende Filtermedienflächeninhalt des Elements reduziert. Somit wird 25% des Elementvolumens durch den inneren Hohlraum belegt und trägt nicht direkt zu dem Beseitigen von Schadstoffen bei. Somit ist das Volumenverhältnis Medien zu Element für gefaltete Elemente auf ein Maximum von 75% begrenzt. Tatsächlich wird dieses Verhältnis weiter reduziert, weil Falten durch einen Mindestabstand getrennt sein müssen, damit sich das Fließprofil entwickeln kann und der verfügbare Faltenflächeninhalt für das Beseitigen voll genutzt werden kann. Ohne den Abstand werden nur die Abschnitte des Elements nahe den Faltspitzen genutzt. Dies führt zu einem vergrößerten Druckabfall, ineffizienter Nutzung des Medienoberflächeninhalts und verringerter Lebensdauer. Dieser ungenutzte Raum zwischen Falten sowohl auf der stromaufwärtigen als auch der stromabwärtigen Seite der Medien könnte ansonsten durch Filtermedien belegt sein. Folglich beträgt das Verhältnis Medienvolumen zu Elementvolumen für kreisförmige, im Querschnitt gefaltete Elemente tatsächlich weniger als 55% und in der Regel im Bereich von 25 bis 50%.
Eine alternative Designstrategie zum Falten basiert auf in Elementen mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildeten Tiefenfiltermedien. Kreisförmige Tiefenabscheider nutzen die ganze Tiefenstruktur der Filtermedien, um das Beseitigen zu bewirken, und versuchen den Durchmesser des inneren Hohlraums zu maximieren, um die Kapazität und die Lebensdauer zu vergrößern. Im Gegensatz zu gefalteten Medien werden dicke, relativ offene Filtermedien verwendet (d. h. größere Porengröße, gröbere Fasern, höhere Porosität). Wenngleich sie gegenüber dem Verstopfen weniger anfällig sind als gefaltete Medien, wenn Abscheider von äquivalentem stromaufwärtigem Medienflächeninhalt verglichen werden, sind kreisförmige Tiefenabscheider im allgemeinen gegenüber einem Verstopfen anfälliger als Abscheider der gleichen Größe mit gefalteten Medien, weil weniger Flächeninhalt in das gleiche Volumen gepackt werden kann. Im Fall von kreisförmigen Tiefenabscheidern sieht sich der Designer konkurrierenden Anforderungen gegenüber:

1. die Medien müssen dick genug sein, um das gewünschte Beseitigen zu erzielen;
2. die Medien müssen dünn genug sein, um einen akzeptablen (ausreichend niedrigen) Druckabfall zu liefern; und
3. der Durchmesser des inneren Hohlraums muß maximiert werden.

Die ersten beiden stehen in direkter Konkurrenz, da Beseitigen und Druckabfall beide mit zunehmender Dicke, abnehmendem Faserdurchmesser und abnehmender Porosität zunehmen. Die Erfahrung hat gezeigt, daß die optimale Abscheiderdicke in der Größenordnung von 3 bis 7 mm beträgt. Dies kann anhand der Koaleszenzmodelle von L. Spielman et al., „Progress in Induced Coalescence and a New Theoretical Framework for Coalescence by Porous Media", Flow through Porous Media, R. Nunge, Chairman, ACS Publications, Washington, D.C., USA, 1970; L. Spielman et al., „Theory of Coalescence by Flow through Porous Media", Ind. Eng. Chem. Fundamentals, 11:66–72, 1972; L. Spielman et al., „Experiments in Coalescence by Flow through Fibrous Mats", Ind. Eng. Chem. Fundamentals, 11:73–83, 1972; L. Spielman et al., „Coalescence in Oil-in-Water Suspensions by Flow Through Porous Media", Ind. Eng. Chem. Fundamentals, 16:272-282, 1977 erläutert werden. Sie modellierten Abscheider hinsichtlich dreier Gebiete. Gebiet 1, auf der stromaufwärtigen Seite des Abscheiders gelegen, ist die Stelle, wo es zum Einfangen von Tröpfchen und zum Wachstum kommt. Gebiet 2, in der Mitte liegend, ist die Stelle, wo es zu der Kapillarleitung koaleszierter Tropfen durch den Abscheider kommt. Region 3, auf der stromabwärtigen Seite liegend, ist die Stelle, wo koaleszierte Tropfen weiteres Wachstum erfahren und freigelassen werden. Gebiet 1 wird benötigt, um Tröpfchen einzufangen und zu koaleszieren. Gebiet 3 wird benötigt, um sicherzustellen, daß koaleszierte Tropfen ohne aufzubrechen freigegeben werden. Gebiet 2 ist nicht erforderlich, weil seine Funktion, die Kapillarleitung, in die Gebiete 1 und 3 integriert werden kann. Für Abscheidermedien, die dicker sind als 3 bis 7 mm, trägt die zusätzliche Dicke über das Optimum hinaus zu Gebiet 2 bei und verbessert das Beseitigen nicht signifikant, während der Druckabfall erhöht wird.
Für kreisförmige Tiefenabscheider ist es wünschenswert, den Durchmesser des inneren Hohlraums zu maximieren, um das Verstopfen durch Feststoffe zu reduzieren, die Lebensdauer zu verlängern und den Druckabfall zu minimieren. Für niedrige Reynolds'sche Zahlen ist der Druckabfall proportional zur Fluidgeschwindigkeit. Für Fließelemente von innen nach außen ist bei Abwesenheit von eingefangenen Schadstoffen die lokale Einschränkung invers proportional zum radialen Abstand von der Mitte des Elements. Somit ist die lokale Einschränkung an der stromaufwärtigen Fläche des Elements am größten und nimmt mit der Entfernung in die Medien ab. Wenn die Mediendicke 25% des Außendurchmessers des Elements über steigt, beginnt der Druckabfall fast exponential anzusteigen. Der Innendurchmesser (D_I) ist durch die Gleichung DI = Do – 2tgegeben, wobei D_o der Außendurchmesser des Elements und t die Mediendicke ist. Dies ist einer der Gründe für das Entwerfen von kreisförmigen Tiefenabscheidern, um den Durchmesser des inneren Hohlraums zu maximieren, und für das Aufrechterhalten von D_I größer als 50% von D_o. Bei Anwesenheit von Schadstoffen, ob Feststoffe oder Tröpfchen, kommt es weiterhin zur größten Ansammlung von Schadstoffen auf den Medien auf der stromaufwärtigen Seite, was die lokale Einschränkung weiter erhöht. Die Abscheiderlebensdauer ist direkt proportional zu dem Medienflächeninhalt auf der stromaufwärtigen Seite. Den Durchmesser des inneren Hohlraums oder die Höhe des Elements zu vergrößern, vergrößert die Lebensdauer des Abscheiders proportional. Um minimale Anforderungen an die Lebensdauer zu erfüllen, sind Tiefenabscheiderelemente mit einem kreisförmigen Querschnitt so ausgelegt, daß sie den größtmöglichen Elementaußendurchmesser aufweisen. Wenn zusätzliche Lebensdauer erforderlich ist, dann muß die Elementhöhe (h) entsprechend vergrößert werden. Für Feststoffilter mit kreisförmigen Tiefenmedien unter Verwendung eines Flußes von außen nach innen werden Verhältnisse Medienvolumen zu Elementvolumen in der Größenordnung von 80% verwendet, da der Außenumfang die Kapazität und Lebensdauer für diese Elemente steuert. Für kreisförmige Tiefenmedienabscheider mit einem Fluß von innen nach außen jedoch beträgt das Verhältnis Medienvolumen zu Elementvolumen weniger als 75% und in der Regel weniger als 30%.
Vorliegendes System
Die vorliegende Anmeldung liefert einen Abscheider, der den verfügbaren Raum besser nutzt, um das Beseitigen und die Abscheiderlebensdauer zu verbessern und/oder die Paketgröße zu reduzieren. Sie tut dies, indem sie die Designstrategien und resultierenden Merkmale, die in gefalteten Abscheidern und kreisförmigen Tiefenabscheidern verwendet werden, zu einem neuen Design kombiniert. Es eignet sich besonders gut für das Beseitigen von Öltröpfchen aus Kurbelgehäuseentlüftungsgasen, eignet sich aber auch für das Beseitigen von in der Luft schwebendem Öl- und Wassernebel, Wassertröpfchen aus Dieselkraftstoff, Öltröpfchen aus Abwasser und andere Abscheideranwendungen. Das System kombiniert fünf Merkmale oder Charakteristiken und stellt einen Abscheider mit einzigartigen Leistungsvorteilen hinsichtlich Beseitigen, Lebensdauer und Größe her. Zu diesen Charakteristiken zählen:

A. die Verwendung von faserartigen Tiefenfiltermedien;
B. ein Faserdurchmesser- und Porositätsgradientenprofil über die Medien hinweg derart, daß der Faserdurchmesser und/oder die Porosität Maxima an den stromaufwärtigen und den stromabwärtigen Flächen aufweisen und dazwischen ein Minimum durchlaufen;
C. ein Flächeninhaltsverhältnis von größer oder gleich 1,5 durch Ausbilden der Medien zu verschiedenen geometrischen Gestalten mit einem nicht-kreisförmigen Querschnitt und geschlossener Schleife;
D. die Abmessungen und die Querschnittsfläche des inneren Hohlraums müssen derart sein, daß der maximale dynamische Druck innerhalb des inneren Hohlraums weniger als 10% des Gesamtdruckabfalls über das Element hinweg beträgt; und
E. ein Verhältnis Medienvolumen zu Elementvolumen größer oder gleich 50% und bevorzugt größer oder gleich 75%, erhalten durch – Verwenden ungefalteter Tiefenfiltermedien, – Verwenden von geometrischen Querschnittsgestalten mit geschlossener Schleife zum Mini mieren der Querschnittsfläche des inneren Hohlraums, – Minimieren offener Räume in dem Element, die nicht für das Beseitigen von Schadstoffen verwendet werden, einschließlich dem Raum zwischen Falten oder Rillen, Raum zwischen Schichten von Medien oder zwischen den verschiedenen Abscheider-, Filter- und/oder Separatorstadien.

Einige Ausführungsformen sind in 29–36 in Querschnittsansicht dargestellt. Die bevorzugte Ausführungsform ist der Stern-Kreis-Querschnitt. Zu anderen bevorzugten Ausführungsformen zählen die Geometrien der Rennbahn, des Hundeknochens, der Dreifachkeule und Mehrfachkeule, die auch hohe Flächeninhaltsverhältnisse ergeben, zu beschreiben.
Der Abscheider wird idealerweise für Geometrien mit geschlossener Schleife in einer Fließkonfiguration von innen nach außen verwendet, doch ist auch ein Fluß von außen nach innen möglich. Der Fluß von innen nach außen wird für die Koaleszenz bevorzugt, da er sicherstellt, daß die lokale Fluidgeschwindigkeit an der stromabwärtigen Fläche am niedrigsten ist, wo es zur Freigabe von koaleszierten Tropfen kommt. Dies minimiert das Aufbrechen von koaleszierten Tropfen zu kleineren Tropfen bei Freigabe. Der Nachteil ist die verringerte Lebensdauer, da sich weniger Medienflächeninhalt auf der stromaufwärtigen Seite befindet, um Feststoffe zu halten, die den Abscheider verstopfen können. Das vorliegende System minimiert diesen abträglichen Effekt. Das System kann mit einem Fluß von außen nach innen verwendet werden, wenn die Anwendungsanforderungen dies diktieren. In diesem Fall kann die Lebensdauer verlängert werden, doch sinkt das Beseitigen von Tröpfchen und der Druckabfall wird zu einem gewissen Ausmaß erhöht.
Charakteristik A
Das System nutzt faserartige Tiefenfiltermedien. Faserartige Tiefenfiltermedien beziehen sich (1) auf aus Vliesfasern gebildete Medien, (2) nicht als flache Lagen in gefalteter oder geriffelter Form verwendete Medien und (3) Medien, bei denen Schadstoffe in erster Linie innerhalb der Tiefe der Filtermedien beseitigt werden. Die Poren der Tiefenmedien sind im allgemeinen größer als die beseitigten Schadstoffe. Die Tiefenfiltermedien sind in der Regel mehr als 10 mm dick, und die Medien sind geschichtet oder abgestuft, wobei die Eigenschaften der Medien als Funktion der Tiefe variieren. Im Gegensatz dazu beseitigen Oberflächenfiltermedien in erster Linie Schadstoffe an der Oberfläche unter Ausbildung eines Kuchens, der tatsächlich den größten Teil des Beseitigens bewerkstelligt, wobei Flachlagenmedien, zum Beispiel Zellulose, im allgemeinen dünner sind und in gefalteter oder geriffelter Form verwendet werden. Die bevorzugten faserartigen Tiefenfiltermedien sind schmelzgeblasene Filtermedien, wie in der oben erwähnten '101-Anmeldung beschrieben. Alternativ können andere faserartige Vliesfiltermedien, einschließlich schmelzgeblasene, luftgelegte, naßgelegte und vertikal gelappte Filtermedien verwendet werden, vorausgesetzt, sie können zu der erforderlichen Elementgestalt ausgebildet werden. In der Regel sind die Medien von Natur polymerisch, doch können Mikroglas-, Zellulose-, Keramik- oder sogar metallische Fasern verwendet werden. Elemente können durch Schmelzblasen oder Luftlegen der Medien auf einen sich drehenden Dorn oder durch Rollen flacher Lagen aus Medien zu der gewünschten Gestalt ausgebildet werden.
Charakteristik B
Die Filtermedien weisen einen „U-förmigen" Faserdurchmesser und/oder eine Porositätsverteilung als Funktion der Tiefe in den Abscheider auf. Der lokale mittlere Faserdurchmesser und/oder die lokale mittlere Porosität sollten Maxima in der Nähe der stromaufwärtigen und stromabwärtigen Flächen aufweisen und dazwischen ein Minimum durchlaufen. Die anfängliche Abnahme bei Faserdurchmesser und Porosität auf dem Weg von der stromaufwärtigen Fläche zur Mitte reduziert die lokale Einschränkung an der stromaufwärtigen Fläche trotz der höheren Fluidgeschwindigkeit. Weiterhin liefert sie ein abgestuftes Einfangen von Schadstoffen als Funktion der Teilchengröße. Große Schadstoffe, die ein Verstopfen verursachen, werden in den anfänglichen offeneren, weniger einschränkenden Schichten eingefangen, während kleinere Schadstoffe nahe dem Minimum beseitigt werden. Dies erhöht die Feststoffhaltekapazität und die Lebensdauer des Abscheiders. Innerhalb dieser stromaufwärtigen Sektion werden Tröpfchen eingefangen und wachsen. Zur maximalen Beseitigungseffizienz und maximalen Einschränkung kommt es bei dem Minimum von Faserdurchmesser/Porosität. Hinter dem Minimum nehmen Faserdurchmesser und Porosität mit zunehmender Tiefe zu, um das Ablaufen von eingefangenen und koaleszierten Tröpfchen zu erleichtern. Abscheider sind im Gegensatz zu Filtern für feste Schadstoffe dafür ausgelegt, eingefangene und koaleszierte Tropfen abzuführen und freizulassen, nicht diese zurückzuhalten. Durch Vergrößern des Faserdurchmessers und der Porosität bei Annäherung an die stromabwärtige Fläche werden die auf die koaleszierten Tropfen wirkenden Kapillarkräfte verringert, wodurch das Ablaufen und die Freigabe der Tropfen von den Medien erleichtert wird. Das Maximum an der stromabwärtigen Fläche stellt sicher, daß freigelassene Tropfen groß sind, was das Beseitigen aus dem Fließstrom durch Absetzen erleichtert.
Charakteristik C
Ein Flächeninhaltsverhältnis von größer oder gleich 1,5 ergibt sich, wenn die Medien zu verschiedenen geometrischen Gestalten mit einem nicht-kreisförmigen Querschnitt und geschlossener Schleife ausgebildet werden.
Abscheider neigen zu einem Verstopfen durch Feststoffe und einer verkürzten Lebensdauer bei Anwendungen mit signifikanten Konzentrationen an Feststoffen. Das Verstopfen wird durch das schnelle Ansammeln von Feststoffen auf der Oberfläche der Medien und in ihren Oberflächenschichten verursacht. Aus diesem Grund ist es wünschenswert, den stromaufwärtigen Medienflächeninhalt zu maximieren. Gefaltete Elemente eignen sich in dieser Hinsicht besonders gut, während kreisförmige Tiefenmedienelemente aufgrund eines relativ kleinen Medienflächeninhalts in dem stromaufwärtigen inneren Hohlraum leiden. Unabhängig von den spezifischen Elementabmessungen ist das Verhältnis des Umfangs (L_I) des inneren Hohlraums zu seinem Querschnittsflächeninhalt (R_I) für Elemente mit einem kreisförmigen Querschnitteeben durch:
wobei D₁ der Durchmesser des inneren Hohlraums ist. In dem gegenwärtigen System werden anstelle eines kreisförmigen Querschnitts Elemente mit geschlossener Schleife mit Querschnittsgeometrien des inneren Hohlraums derart verwendet, daß das Verhältnis des Umfangs des inneren Hohlraums zu seiner Fläche das eines Krei ses übersteigt, bzw.:
wobei D_A der flächenäquivalente Durchmesser des inneren Hohlraums nach Definition in der vorausgehenden Gleichung ist. Mit dieser Beziehung kann ein Flächeninhaltsverhältnis (F) definiert werden als:
Die Zunahme bei der Abscheiderlebensdauer relativ zu der eines kreisförmigen Tiefenfilters der gleichen Höhe ist durch den Wert von F gegeben. Für gefaltete Abscheiderelemente liegt F in der Größenordnung von 10 bis 25 und ist durch die physikalischen Begrenzungen der Filtermedienqdicke und den erforderlichen Abstand zwischen Falten begrenzt. Bei dem gegenwärtigen System liegt F in der Regel zwischen 1,5 und 15. Diese hohen Werte für F werden unter Verwendung von ungefalteten Medien in nicht-kreisförmigen Elementgeometrien mit geschlossener Schleife wie etwa dem Oval 124, 29, der Rennbahn 125, 30, dem Dreieck 126, 31, dem Hundeknochen 172, 32, der Mehrfachkeule wie etwa einer Dreifachkeule 128, 33, einem Rechteck einschließlich Quadrat 129, 34, einem Trapez 130, 35, einem Stern-Kreis 131, 36 oder anderen Geometrien erreicht. Mehrere von diesen sind besonders zu beachten. Die Geometrien Oval, Rennbahn, Hundeknochen, Mehrfachkeule und Polygon können alle ohne weiteres aus anfänglich zylindrischen Elementen gebildet werden. Zylindrische Elemente können durch Kompression ohne weiteres in diese anderen Formen transformiert werden, indem sie auf entsprechend gestalteten Dornen oder anderen Mitteln geformt werden. Dies erleichtert die Herstellung und Produktion dieser Geometrien. Durch Vergrößern der Länge von Rennbahn- oder Ovalelementen oder von Schenkeln der Dreikeulen- und Mehrfachkeulenelemente können hohe Werte für F erzielt werden. Die Hundeknochengeometrie ist von besonderem Wert, da sie leicht aus einem zylindrischen Rohr geformt werden kann und leicht mit gleichen Formen verschachtelt werden kann, oder sogar zylindrischen Elementen für Mehrfachelementanwendungen. Bei der Stern-Kreis-Geometrie können hohe F-Werte erhalten werden, indem die Anzahl und Länge der Punkte auf dem Stern erhöht werden. Es ist auch signifikant, daß die Geometrie des inneren Hohlraums und der Außenseite des Elements nicht gleich zu sein brauchen, wie in der Stern-Kreis-Geometrie zu sehen ist. Ein derartiges Element könnte durch Schmelz blasen oder Rollen von Medien auf ein gefaltetes Element oder ein sternförmiges Element produziert werden.
Ein zusätzlicher Vorzug, den Wert von F zu erhöhen, liegt darin, daß Abscheider mit einer langen Lebensdauer mit einer kurzen Elementhöhe hergestellt werden können, d. h. weniger als die längste Sehne des Elementquerschnitts, weil die Höhe von Elementen nicht länger groß zu sein braucht, damit man die erforderliche Lebensdauer erhält. Statt dessen liefert der unter Verwendung von nicht-kreisförmigen Geometrien erhaltene Umfang des inneren Hohlraums einen vergrößerten Medienflächeninhalt, vergrößerte Staubhaltekapazität, reduzierte Flächengeschwindigkeit und längere Lebensdauer. Bei vielen Anwendungen, bei denen ein Kurbelgehäusebelüftungsfilter direkt auf einem Motor montiert ist, liefert dies einen signifikanten Verpackungsvorteil.
Charakteristik D
Die Abmessungen und die Querschnittsgestalt des inneren Hohlraums müssen derart sein, daß der maximale dynamische Druck innerhalb des inneren Hohlraums kleiner ist als 10% des Gesamtdruckabfalls über das Element. Die Querschnittsfläche des inneren Hohlraums wird in der Regel durch die Einschränkung begrenzt, da das Fluid in den inneren Hohlraum eintritt, anstatt durch die auf die Medien zurückzuführende Einschränkung. Die Eingangseinschränkung wird durch einen Fluß erzeugt, der in den inneren Hohlraum durch eine Öffnung eintritt. Beim dem gegenwärtigen System wird die Einschränkung durch die Wahl der Gestalt und Abmessungen des inneren Hohlraums derart minimiert, daß der maximale dynamische Druck innerhalb des inneren Hohlraums kleiner als 10% des Gesamtdruckabfalls über dem Element ist. Der dynamische Druck (P_{D) ist
definiert als:}
wobei p die Fluiddichte und V die Fluidgeschwindigkeit ist. Die numerische Strömungsmechanik kann zum Modellieren der Einschränkung und des dynamischen Drucks für spezifische Geometrien verwendet werden, um den maximalen dynamischen Druck in dem inneren Hohlraum zu bestimmen. Dies bestimmt den Mindestquerschnitt des inneren Hohlraums.
Charakteristik E
Der Abscheider hat ein Differentialvolumenverhältnis größer oder gleich 50% und bevorzugt größer oder gleich 75%. Das Differentialvolumenverhältnis ist das Verhältnis von Medienvolumen zu Elementvolumen. Beispielsweise zeigt 36 einen Abscheider 131 mit einem Abscheiderelement 132, das axial entlang einer Achse 134 (die in die Seite verläuft) erstreckt und Abscheidermedien 136 aufweist. Das Element besitzt eine geometrische Querschnittsgestalt mit geschlossener Schleife, nämlich eine Stern-Kreis-Gestalt in 36, in einer Ebene (der Ebene der Seite von 36) quer zur Achse 134 und mit einer inneren Oberfläche 138, die einen inneren Hohlraum 140 definiert, und mit einer äußeren Oberfläche 142, die durch die Dicke des Elements 132 zwischen der inneren und äußeren Oberfläche 138 und 142 von der inneren Oberfläche 138 nach außen beabstandet ist. Das Medienvolumen ist das Volumen der Medien 136 zwischen der inneren und äußeren Oberfläche 138 und 142. Das Elementvolumen ist das durch die äußere Oberfläche 142 begrenzte Volumen einschließlich des Volumens des inneren Hohlraums 140. Im Fall eines gefalteten Elements 144, 37, mit Abscheidermedien 146 mit einer inneren Oberfläche 148, die einen inneren Hohlraum 150 definiert, und mit einer äußeren Oberfläche 152, die durch die Dicke des Elements 144 zwischen der inneren und äußeren Oberfläche 148 und 152 von der inneren Oberfläche 148 aus nach außen beabstandet ist, ist das Elementvolumen dasjenige Volumen, das durch das Profil der äußeren Faltspitzen 154 begrenzt ist, wie durch ei ne äußere Projektionslinie verbunden, die sich dazwischen erstreckt, die bei 156 in einer gestrichelten Linie gezeigt ist, wodurch das Elementvolumen dasjenige Volumen ist, das durch die Projektionslinienoberfläche 156 begrenzt ist, einschließlich dem Volumen 158 zwischen den äußeren Falten, dem Medienvolumen und dem Volumen des inneren Hohlraums 150. Bei einem ungefalteten Element wie etwa in 36 fällt die erwähnte Projektionsliniengrenze mit der erwähnten äußeren Oberfläche zusammen, zum Beispiel 142.
Die Designherausforderung für Abscheider besteht darin, die Menge an Schadstoffen, die innerhalb eines gegebenen Volumens beseitigt werden können, zu maximieren. Das Beseitigen hängt von der Wahrscheinlichkeit ab, daß Schadstoffe durch Medienfasern eingefangen werden. Das Beseitigen nimmt mit der zunehmenden Menge an Filtermedien zu. Somit ist eine Eliminierung von Elementvolumen wünschenswert, das bezüglich des Beseitigens nicht ausreichend genutzt wird. Wie schon erwähnt stehen mehr als 25% des Gesamtelementvolumens für das Beseitigen mit gefalteten und kreisförmigen Tiefenabscheidern nicht zur Verfügung. Bei dem vorliegenden System ist der nicht ausreichend genutzte Raum zwischen Falten mit Tiefenfiltermedien gefüllt. Weiterhin kann durch sorgfältige Auswahl von lokalisierten Medienfaserdurchmesser- und -porositätseigenschaften, des U-förmigen Filtermedienprofils und minimiertem Querschnitt des inneren Hohlraums die Menge an nicht zur Verfügung stehendem Filtervolumen auf 5–25% reduziert werden. Das Verhältnis von Medienvolumen zu Elementvolumen kann 75% übersteigen. In der Regel wird ein Verhältnis größer als 85% verwendet.
Das vorliegende System stellt einen Abscheider zum Koaleszieren eines Mediums mit zwei nichtvermischbaren Phasen bereit, nämlich einer kontinuierlichen Phase und einer dispergierten Phase. Die kontinuierliche Phase fließt entlang einer Fließrichtung von stromaufwärts nach stromabwärts. Der Abscheider enthält ein Abschei derelement, das sich axial entlang einer Achse erstreckt und Abscheidermedien aufweist, die Tröpfchen der dispergierten Phase einfangen, die Tröpfchen koaleszierend zu größeren Tropfen wachsen lassen, die weiter koaleszieren und wachsen, um Pfützen zu bilden, die ablaufen. Das Element weist in einer Ebene (zum Beispiel der Ebene der Seite in 29–36) quer zu der erwähnten Achse (die sich in die Seite von 29–36 erstreckt) eine geometrische Querschnittsgestalt mit geschlossener Schleife auf und mit einer inneren Oberfläche wie etwa 138, die einen inneren Hohlraum wie etwa 140 definiert, und mit einer äußeren Oberfläche wie etwa 142, die durch die Dicke des Elements 132 zwischen der inneren und äußeren Oberfläche 138 und 142 von der inneren Oberfläche aus nach außen beabstandet ist. Die Medien 136 besitzen eine Tiefenabmessung entlang dieser Dicke. Eine der inneren und äußeren Oberflächen 138 und 142 ist eine stromaufwärtige Oberfläche, und die andere der inneren und äußeren Oberflächen 138 und 142 ist eine stromabwärtige Oberfläche. Beispielsweise ist bei einem Abscheider mit Fluß von innen nach außen die innere Oberfläche 138 die stromaufwärtige Oberfläche und die äußere Oberfläche 142 die stromabwärtige Oberfläche. Bei einem Abscheider mit einem Fluß von außen nach innen ist die äußere Oberfläche 142 die stromaufwärtige Oberfläche und die innere Oberfläche 138 die stromabwärtige Oberfläche.
Bei dem vorliegenden System sind mindestens zwei und bevorzugt drei und weiter bevorzugt vier und weiter bevorzugt alle fünf der folgenden Kriterien erfüllt:

A) Medien 136 sind faserartige Tiefenmedien, bevorzugt ungefaltet;
B) die Medien weisen ein Gradientenprofil mit mindestens einem Parameter auf, der als Funktion der Tiefe in die Medien entlang der erwähnten Fließrichtung variiert, und bevorzugt weisen die Medien ein Gradientenprofil auf, das als Funktion der Tiefe in die Medien entlang der Fließrichtung derart variiert, daß mindestens eines von Faserdurchmesser und Porosität mit zunehmender Tiefe in die Medien entlang der Fließrichtung von stromaufwärts zu mittlerer Tiefe abnimmt und dann mit zunehmender Tiefe in die Medien entlang der Fließrichtung von mittlerer Tiefe zu stromabwärts zunimmt;
C) das Element weist einen stromaufwärtigen Flächeninhalt auf, der durch die stromaufwärtige Oberfläche mit einer nicht-kreisförmigen geometrischen Gestalt in der erwähnten Querebene bereitgestellt wird, und bevorzugt besitzt das Element ein Flächeninhaltsverhältnis F größer oder gleich 1,5, wobei
wobei L_I die Länge des Umfangs des inneren Hohlraums, DA der flächenäquivalente Durchmesser des inneren Hohlraums ist, nämlich
wobei A_I der Flächeninhalt des inneren Hohlraums ist;
D) der innere Hohlraum 140 weist eine kleinste Querschnittsfläche auf ausgewählt gemäß einem Druckabfall an dem Element, und bevorzugt ist das Element ein Element mit einem Fluß von innen nach außen und die kleinste Querschnittsfläche des inneren Hohlraums ist derart ausgewählt, daß der maximale dynamische Druck innerhalb des inneren Hohlraums kleiner ist als 10% des Gesamtdruckabfalls an dem Element;
E) der Abscheider besitzt ein Differentialvolumenverhältnis ausgewählt für Raumeffizienz, wobei wie oben erwähnt das Differentialvolumenverhältnis das Verhältnis von Medienvolumen zu Elementvolumen ist, wobei das Medienvolumen das Volumen der Medien zwischen der erwähnten inneren und äußeren Oberfläche ist und das Elementvolumen das durch die erwähnte äußere Oberfläche begrenzte Volumen ist einschließlich des Volumens des erwähnten inneren Hohlraums, und bevorzugt besitzt der Abscheider ein Differentialvolumenverhältnis größer oder gleich 50%, und bevorzugt sind die Medien ungefaltete Tiefenmedien und das Differentialvolumenverhältnis ist größer oder gleich 75%.

In der vorausgegangenen Beschreibung sind der Kürze, Klarheit und dem Verständnis halber bestimmte Ausdrücke verwendet worden. Daraus sind keine unnötigen Begrenzungen zu implizieren über die Anforderung des Stands der Technik hinaus, weil solche Ausdrücke zu beschreibenden Zwecken verwendet werden und allgemein ausgelegt werden sollen. Die hierin beschriebenen verschiedenen Konfigurationen können alleine oder in Kombination mit anderen Konfigurationen verwendet werden. Es wird erwartet, daß verschiedene Äquivalente, Alternativen und Modifikationen innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche möglich sind.
ZUSAMMENFASSUNG
Es wird ein Abscheider bereitgestellt, der Kompromisse zwischen hoher Beseitigungseffizienz, geringem Druckabfall, langer Lebensdauer und geringer Größe minimiert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 6387144 [0056]
- US 6860917 [0059, 0059]
- US 3755527 [0059, 0059]
- US 3978185 [0059]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Tadeusz Jaroszczyk et al., „Chapter 10 Cartridge Filtration", in Filtration Principles and Practices, Second Edition, Revised and Expanded, Michael Matteson and Clyde Orr, Hrsg. Marcel Dekker, Inc. New York, 1987, S. 547 [0081]
- L. Spielman et al., „Progress in Induced Coalescence and a New Theoretical Framework for Coalescence by Porous Media", Flow through Porous Media, R. Nunge, Chairman, ACS Publications, Washington, D.C., USA, 1970 [0083]
- L. Spielman et al., „Theory of Coalescence by Flow through Porous Media", Ind. Eng. Chem. Fundamentals, 11:66–72, 1972 [0083]
- L. Spielman et al., „Experiments in Coalescence by Flow through Fibrous Mats", Ind. Eng. Chem. Fundamentals, 11:73–83, 1972 [0083]
- L. Spielman et al., „Coalescence in Oil-in-Water Suspensions by Flow Through Porous Media", Ind. Eng. Chem. Fundamentals, 16:272-282, 1977 [0083]

Claims

Abscheider zum Koaleszieren eines Mediums mit zwei nichtvermischbaren Phasen, nämlich einer kontinuierlichen Phase und einer dispergierten Phase, wobei die kontinuierliche Phase entlang einer Fließrichtung von stromaufwärts nach stromabwärts fließt, wobei der Abscheider ein Abscheiderelement umfaßt, das sich axial entlang einer Achse erstreckt und Abscheidermedien aufweist, die Tröpfchen der dispergierten Phase einfangen, wobei die Tröpfchen koaleszierend zu größeren Tropfen wachsen, die weiter koaleszieren und wachsen, um Pfützen zu bilden, die ablaufen, wobei das Element in einer Ebene quer zu der Achse eine geometrische Querschnittsgestalt mit geschlossener Schleife aufweist und eine innere Oberfläche, die einen inneren Hohlraum definiert, und eine äußere Oberfläche aufweist, die durch die Dicke des Elements zwischen der inneren und äußeren Oberfläche von der inneren Oberfläche nach außen beabstandet ist, wobei die Medien eine Tiefenabmessung entlang der Dicke aufweisen, wobei eine der inneren und äußeren Oberfläche eine stromaufwärtige Oberfläche ist, wobei die andere der inneren und äußeren Oberfläche eine stromabwärtige Oberfläche ist, wobei in Kombination mindestens zwei der folgenden fünf Kriterien erfüllt sind: A) die Medien sind faserartige Tiefenmedien; B) die Medien weisen ein Gradientenprofil mit mindestens einem Parameter auf, der als Funktion der Tiefe in die Medien entlang der Fließrichtung variiert; C) das Element weist einen stromaufwärtigen Flächeninhalt auf, der durch die stromaufwärtige Oberfläche bereitgestellt wird mit einer in der Querebene nicht-kreisförmigen geometrischen Gestalt; D) der innere Hohlraum weist eine kleinste Querschnittsfläche auf ausgewählt gemäß einem Druckabfall an dem Element; E) der Abscheider weist ein Differentialvolumenverhältnis auf ausgewählt für Raumeffizienz, wobei das Differentialvolumenverhältnis das Verhältnis von Medienvolumen zu Elementvolumen ist, wobei Medienvolumen und Elementvolumen wie in der Spezifikation definiert sind; und wobei eines der beiden Kriterien eines der Kriterien C bis E ist.
Abscheider nach Anspruch 1, wobei: Kriterium C weiterhin erfordert, daß das Element ein Flächeninhaltsverhältnis F größer oder gleich 1,5 aufweist, wobei
wobei L_I die Länge des Umfangs des inneren Hohlraums, DA der flächenäquivalente Durchmesser des inneren Hohlraums ist, nämlich
wobei A_I der Flächeninhalt des inneren Hohlraums ist; Kriterium D weiterhin erfordert, daß die kleinste Querschnittsfläche des inneren Hohlraums derart ausgewählt ist, daß der maximale dynamische Druck innerhalb des inneren Hohlraums kleiner als 10% des Gesamtdruckabfalls an dem Element ist; Kriterium E weiterhin erfordert, daß der Abscheider ein Differentialvolumenverhältnis größer oder gleich 50% aufweist.
Abscheider nach Anspruch 2, wobei mindestens zwei der Kriterien C bis E erfüllt sind.
Abscheider nach Anspruch 3, wobei alle drei der Kriterien C bis E erfüllt sind.
Abscheider nach Anspruch 1, wobei in Kombination mindestens drei der Kriterien erfüllt sind.
Abscheider nach Anspruch 5, wobei mindestens vier der Kriterien erfüllt sind.
Abscheider nach Anspruch 6, wobei alle fünf der Kriterien erfüllt sind.
Abscheider nach Anspruch 2, wobei Kriterium B erfüllt ist und wobei Kriterium B weiterhin erfordert, daß die Medien ein Gradientenprofil aufweisen, das als Funktion der Tiefe in die Medien entlang der Fließrichtung derart variiert, daß mindestens der Faserdurchmesser oder die Porosität als Funktion der Tiefe variiert.
Abscheider nach Anspruch 8, wobei mindestens der Faserdurchmesser oder die Porosität mit zunehmender Tiefe in die Medien entlang der Fließrichtung von stromaufwärts zur mittleren Tiefe abnimmt und dann mit zunehmender Tiefe in die Medien entlang der Fließrichtung von mittlerer Tiefe zu stromabwärts zunimmt.
Abscheider nach Anspruch 1, wobei Kriterium C erfüllt ist und wobei Kriterium C weiterhin erfordert, daß das Element ein Flächeninhaltsverhältnis F größer oder gleich 1,5 aufweist, wobei
wobei L_I die Länge des Umfangs des inneren Hohlraums, DA der flächenäquivalente Durchmesser des inneren Hohlraums ist, nämlich
wobei A_I der Flächeninhalt des inneren Hohlraums ist.
Abscheider nach Anspruch 10, wobei die geometrische Gestalt eine ovale Gestalt ist.
Abscheider nach Anspruch 10, wobei die geometrische Gestalt eine Rennbahngestalt ist.
Abscheider nach Anspruch 10, wobei die geometrische Gestalt eine dreieckige Gestalt ist.
Abscheider nach Anspruch 10, wobei die geometrische Gestalt eine Hundeknochengestalt ist.
Abscheider nach Anspruch 10, wobei die geometrische Gestalt eine Dreikeulengestalt ist.
Abscheider nach Anspruch 10, wobei die geometrische Gestalt eine rechteckige Gestalt ist.
Abscheider nach Anspruch 16, wobei die rechteckige Gestalt eine quadratische Gestalt ist.
Abscheider nach Anspruch 10, wobei die geometrische Gestalt eine trapezförmige Gestalt ist.
Abscheider nach Anspruch 10, wobei die geometrische Gestalt eine Stern-Kreis-Gestalt ist, nämlich die innere Oberfläche eine Sterngestalt aufweist und die äußere Oberfläche eine Kreisgestalt aufweist.
Abscheider nach Anspruch 10, wobei die innere und äußere Oberfläche verschiedene geometrische Gestalten aufweisen.
Abscheider nach Anspruch 1, wobei Kriterium D erfüllt ist und wobei Kriterium D weiterhin erfordert, daß die kleinste Querschnittsfläche des inneren Hohlraums derart ausgewählt ist, daß der maximale dynamische Druck innerhalb des inneren Hohlraums kleiner als 10% des Gesamtdruckabfalls an dem Element ist.
Abscheider nach Anspruch 21, wobei die innere Oberfläche die stromaufwärtige Oberfläche ist und die äußere Oberfläche die stromabwärtige Oberfläche ist, so daß das Element ein Element mit Fluß von innen nach außen ist.
Abscheider nach Anspruch 1, wobei Kriterium E erfüllt ist und wobei Kriterium E weiterhin erfordert, daß der Abscheider ein Differentialvolumenverhältnis größer oder gleich 50% aufweist.
Abscheider nach Anspruch 23, wobei die Medien ungefaltete Tiefenmedien sind und wobei Kriterium E weiterhin erfordert, daß das Differentialvolumenverhältnis größer oder gleich 75% ist.
Abscheider zum Koaleszieren eines Mediums mit zwei nichtvermischbaren Phasen, nämlich einer kontinuierlichen Phase und einer dispergierten Phase, wobei die kontinuierliche Phase entlang einer Fließrichtung von stromaufwärts nach stromabwärts fließt, wobei der Abscheider ein Abscheiderelement umfaßt, das sich axial entlang einer Achse erstreckt und Abscheidermedien aufweist, die Tröpfchen der dispergierten Phase einfangen, wobei die Tröpfchen koaleszierend zu größeren Tropfen wachsen, die weiter koaleszieren und wachsen, um Pfüt zen zu bilden, die ablaufen, wobei das Element in einer Ebene quer zu der Achse eine geometrische Querschnittsgestalt mit geschlossener Schleife aufweist und eine innere Oberfläche, die einen inneren Hohlraum definiert, und eine äußere Oberfläche aufweist, die durch die Dicke des Elements zwischen der inneren und äußeren Oberfläche von der inneren Oberfläche nach außen beabstandet ist, wobei die Medien eine Tiefenabmessung entlang der Dicke aufweisen, wobei eine der inneren und äußeren Oberfläche eine stromaufwärtige Oberfläche ist, wobei die andere der inneren und äußeren Oberfläche eine stromabwärtige Oberfläche ist, wobei in Kombination alle fünf der folgenden Kriterien erfüllt sind: A) die Medien sind faserartige Tiefenmedien; B) die Medien weisen ein Gradientenprofil auf, das als Funktion der Tiefe in die Medien entlang der Fließrichtung variiert, so daß mindestens einer des Faserdurchmessers und der Porosität mit zunehmender Tiefe in die Medien entlang der Fließrichtung von stromaufwärts zur mittleren Tiefe abnimmt und dann mit zunehmender Tiefe in die Medien entlang der Fließrichtung von der mittleren Tiefe zu stromabwärts zunimmt; C) das Element weist ein Flächeninhaltsverhältnis F größer oder gleich 1,5 auf, wobei
wobei L_I die Länge des Umfangs des inneren Hohlraums ist, DA der flächenäquivalente Durchmesser des inneren Hohlraums ist, nämlich
wobei A_I der Flächeninhalt des inneren Hohlraums ist; D) die innere Oberfläche die stromaufwärtige Oberfläche ist und die äußere Oberfläche die stromabwärtige Oberfläche ist, so daß das Element ein Element mit einem Fluß von innen nach außen ist, und die kleinste Querschnittsfläche des inneren Hohlraums derart ausgewählt ist, daß der größte dynamische Druck innerhalb des inneren Hohlraums kleiner als 10% des Gesamtdruckabfalls an dem Element ist; E) der Abscheider ein Differentialvolumenverhältnis größer oder gleich 50% aufweist, wobei das Differentialvolumenverhältnis das Verhältnis von Medienvolumen zu Elementvolumen ist, wobei Medienvolumen und Elementvolumen wie in der Spezifikation definiert sind.