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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Filter zur Reinigung von Abgas mit Differenzdruckeigenschaften und insbesondere ein Filter zur Reinigung von Abgas mit besseren Differenzdruckeigenschaften, wobei das Filter ein schlitzartiges Umleitungsteil aufweist, das an einer Verbindung eines Filterelements ausgebildet ist, sowie die Verwendung eines derartigen Filters zur Reinigung von Abgas.
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BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
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Obwohl Dieselmotoren Vorteile dahingehend aufweisen, dass sie einen hohen Wärmewirkungsgrad und eine längere Lebensdauer aufweisen, emittieren sie eine große Menge an Feinstaub (PM) und Stickoxid (NOx). Derartiger PM und Stickoxid verschmutzen die Luft. Insbesondere ist Feinstaub sehr gefährlich für den menschlichen Körper, da die Adsorptionsrate in das Atmungssystem hoch ist. Da Feinstaub und Stickoxid in steigendem Maße aus Dieselfahrzeugen emittiert wurden, wird jüngst die Emission von Feinstaub und Stickoxid ein ernstes soziales Problem. Hierzu hat das Dieselfahrzeug-Umweltschutzkomitee des Ministeriums für Umweltschutz in Korea jüngst einen Plan erstellt, um die Zulässigkeitsstandards für die Emission von Abgas zu verschärfen und den Einbau einer Rauchnachbehandlungsvorrichtung (Diesel-PM-Filter (DPF), Dieseloxidationskatalysator (DOC) usw.) verpflichtend vorzuschreiben, wenn der Verkauf von Dieselfahrzeugen genehmigt wurde.
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Feinstaub in aus einem Dieselmotor emittiertem Abgas umfasst teilchenförmiges Material wie kohlenstoffhaltiges teilchenförmiges Material, schwefelhaltiges teilchenförmiges Material (beispielsweise Sulfat) und teilchenförmiges Material aus Kohlenwasserstoffen mit hohem Molekulargewicht. Da derartiger Feinstaub in Form von leichten Partikeln emittiert wird und in der Luft schwebt, verursacht das teilchenförmige Material eine Umweltverschmutzung, eingeschränkte Sichtverhältnisse, Lungenerkrankungen usw. Derartiger Feinstaub im Abgas wurde unter Verwendung herkömmlicher Dieselteilchenfilter (im folgenden als ”DPF” bezeichnet) entfernt.
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DPF funktionieren dahingehend, dass sie die Emission von Feinstaub durch Sammeln des Feinstaubs im Abgas verringern. 1 zeigt eine Seitenquerschnittsansicht eines DPF-Filters 10, der auf dem einschlägigen Fachgebiet allgemein verwendet wurde. Wie in 1 gezeigt, verbleiben beide Enden 11 und 11' des Filters in alternierender Weise verschlossen, so dass in dem Filter gesammelter Feinstaub im Inneren der beiden verschlossenen Enden 11 und 11' des Filters akkumuliert wird, was zu einem Verstopfen des Filters führt. Wenn das Filter mit dem Feinstaub verstopft wird, nimmt der Differenzdruck zu, was ein leichtes Abführen von Abgas unmöglich macht. Als Ergebnis wird die Leistungsfähigkeit des Motors erniedrigt.
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Um die Leistungsfähigkeit des Filters wiederherzustellen, sollte durch den Filter eingefangener Ruß verbrannt werden, um das Filter zu regenerieren. Im allgemeinen umfasst ein Filterregenerationsverfahren ein Verfahren unter Verwendung eines Katalysators und ein Verfahren zur Verbrennung von PM unter Verwendung externer Energie. Die Regeneration des Filters erfordert jedoch hohe Kosten und viel Zeit.
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Die
WO 2005/066 469 A1 offenbart ein Partikelfilter aus einem Mantel und wenigstens einem Körper, der mindestens eine metallische Faserlage umfasst, wobei diese so angeordnet ist, dass eine Vielzahl räumlich getrennter Strömungswege durch den Körper gebildet sind, die jeweils zumindest an einer Stelle einen Strömungsbehinderer aufweisen, wobei das Partikelfilter dadurch gekennzeichnet ist, dass die mindestens eine metallische Faserlage eine flächenbezogene Wärmekapazität im Bereich von 400–1200 Joule pro Kelvin und Quadratmeter [J/Km
2] hat.
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Die
EP 1 219 794 A1 offenbart ein Abgasreinigungsfilter zum Einfangen von in Abgas enthaltenem Feinstaub, wobei vor Erreichen eines vorgegebenen Werts der Menge an in dem Abgasreinigungsfilter abgeschiedenem Feinstaub der durch die Passage des Abgases verursachte Druckverlust mit der Zunahme der abgeschiedenen Menge an Feinstaub zunimmt und nach Überschreiten des vorgegebenen Werts der abgeschiedenen Menge an Feinstaub der Druckverlust nicht wesentlich zunimmt.
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Die
EP 1 038 566 A2 offenbart ein Herstellungsverfahren für ein Partikelfilter mit den Schritten:
Anordnen eines Paars Filtermediumblätter aufeinander, Dazwischenfügen eines Trennteils auf eine Weise, dass die Filtermediumblätter einander gegenüberliegen und um einen vorbestimmten Abstand voneinander getrennt sind; Ausbilden einer Filtereinheit mittels Anfügen der Kanten des Paars Filtermediumblätter aneinander an einer ihrer Seiten davon, so dass ein Abgasdurchtritt zwischen den Filtermediumblättern definiert ist, der an einer Seite davon ein geschlossenes Ende aufweist; Ausbilden einer laminierten Filtereinheit durch Laminieren einer Vielzahl von Filtereinheiten auf eine solche Weise, dass die aneinander angefügten Kanten der entsprechenden Filtereinheiten abwechselnd in gegenüberliegende Richtungen gerichtet sind; und Ausbilden eines Partikelfilters mittels Aufwickeln der laminierten Filtereinheiten auf eine Rolle um eine Achse parallel zu den Filtermediumblättern und rechtwinkelig zu deren Kanten davon, so dass ein Abgasdurchtritt, der ein geschlossenes Ende an einer Seite der Rolle aufweist, und ein Abgasdurchtritt der ein geschlossenes Ende an der anderen Seite der Rolle (
10) aufweist, abwechselnd in der radialen Richtung der Rolle angeordnet sind.
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Die
US 2006/0 120 937 A1 offenbart eine Dieselpartikelfilteranordnung, die ein Gehäuse mit einem Einlassende und einem Auslassende, einen Partikelfilterbereich aus im wesentlichen Mullitfasern, der in dem Gehäuse angeordnet ist, Kanäle in dem Filter, eine poröse Wand zwischen benachbarten Kanälen und einen sich durch das Einlassende, durch den Partikelfilterbereich und durch das Auslassende erstreckenden Abgasweg umfasst.
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Die
EP 1 604 726 A1 offenbart eine verschlossene Wabenstruktur, die leicht mit geringeren Kosten und geringerem Energieverbrauch in kurzer Zeit ohne Verändern eines existierenden Regenerationssystems regeneriert werden kann. Die verschlossene Wabenstruktur umfasst eine Wabenstruktur mit aus porösen Materialien gebildeten Trennwänden und einer großen Zahl von durch die Trennwände unter Bildung von Kanälen für ein Fluidum definierten/gebildeten Zellen und einem Verschlussbereich, der jegliche Öffnungen der Zelle der Wabenstruktur verschliesst. Die Wabenstruktur umfasst ferner einen verengten Bereich, der in einer derartigen Weise gebildet wurde, dass er einen Teil einer Öffnung (nicht verschlossene Öffnung) überdeckt, die durch den Verschlussbereich der Zelle nicht verschlossen ist, so dass eine offene Fläche der nicht verschlossenen Öffnung so verringert ist, dass sie kleiner als die Kanalquerschnittsfläche der Zelle ist.
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Die
WO 2003/014 539 A1 offenbart eine Abgasreinigungsvorrichtung, die ein Substrat umfasst, das zur Reinigung von Komponenten verwendbar ist, die in einem aus einer Brennkraftmaschine abgegebenen Abgas enthalten sind, wobei das Substrat Trennwände aufweist, die Durchlässe festlegen und aus porösem Material gebildet sind, das feine Poren aufweist, die jeweils eine vorgegebene mittlere Größe aufweisen, wobei die Endabschnitte der benachbarten Trennwände, die jeweils einen Teil der Durchlässe des Substrats definieren, teilweise miteinander so verbunden sind, dass die Endabschnitte hin zur Außenseite des Substrats kegelförmig zulaufen, wobei die Abgasreinigungsvorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass die kegelförmig zulaufenden Endabschnitte teilweise eine Endöffnung des zugehörigen Durchlasses verschließen und ein kleines Loch bilden, und die Größe jedes kleinen Lochs kleiner als die Querschnittsfläche des zugehörigen Durchlasses und größer als die Größe der feinen Poren der Trennwände ist. [0007] Folglich ist ein Filter zur Reinigung von Feinstaub im Abgas notwendig, wobei das Filter in der Lage ist, über einen längeren Zeitraum hinweg ohne Erhöhung des Gegendrucks durch Verbesserung der Differenzdruckeigenschaften eines Filters verwendet zu werden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung liefert ein Filter mit verbesserten Differenzdruckeigenschaften.
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Die vorliegende Erfindung liefert ein Filter zur Reinigung von Abgas mit der Fähigkeit zur Verhinderung der Erhöhung des Differenzdrucks an den vorderen/hinteren Enden eines Filters, selbst wenn das Filter Rauch in einer Menge einfängt, die größer ist als die maximale Sammelkapazität.
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Die vorliegende Erfindung liefert ein Filter zur Reinigung von Abgas mit der Fähigkeit, die Abnahme der Fahrzeugleistung zu verhindern, die durch eine Erhöhung der Rauchsammelkapazität bedingt ist.
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Die vorliegende Erfindung liefert ein Filter zur Reinigung von Abgas mit der Fähigkeit zur Verhinderung, dass Feinstaub, der sich im Inneren des Filters angesammelt hat, auf einmal in der Gesamtheit aus dem Filter ausfließt.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Filter zur Reinigung von Abgas bereitgestellt, das eine Röhrenstruktur aufweist, in der mehrere Filterelemente teleskopisch angeordnet sind, wobei jedes der Filterelemente aus mehreren Metallfasern besteht, wobei die Enden von zwei benachbarten Filterelementen miteinander durch eine Verbindung verbunden sind und die Verbindung an einem Ende eines Filterelements abwechselnd auf einer weiteren Verbindung an einem Ende des anderen Filterelements angeordnet ist, wobei das Filter dadurch gekennzeichnet ist, dass mehrere Schlitze in mindestens einer Verbindung an zwei entgegengesetzten Enden eines jeden Filterelements ausgebildet sind, wobei die Schlitze an den an den Abgaseinlässen des Filters ausgebildeten Verbindungen ausgebildet sind, wobei die Schlitze als Umleitungen fungieren, um einen gewissen Teil des Rauchs auszutragen, obwohl der Rauch auf der Oberfläche des Filterelements eingefangen und angesammelt wird.
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Vorteilhafte Wirkungen
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Das Filter mit mehreren Schlitzen, die an den an den Abgaseinlässen des Filters ausgebildeten Verbindungen gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet sind, kann sich dazu eignen, eine Erhöhung der Druckdifferenz (Differenzdruck, Gegendruck) an den vorderen/hinteren Enden des Filters zu verhindern, da ein Teil des Rauchs herausgeblasen wird, da der Rauch durch Schlitze umgeleitet wird, obwohl der Rauch eingefangen wird und an der Oberfläche des Filterelements angesammelt wird. Folglich kann sich das Filter gemäß der vorliegenden Erfindung dazu eignen, die Verringerung der Fahrzeugleistung zu verhindern, selbst wenn das Filter Rauch in einer Menge einfängt, die größer ist als die maximale Sammelkapazität, da der überschüssige Rauch kaum das Ausblasen des Feinstaubs und den Druck an den vorderen/hinteren Enden des Filters beeinflusst. Folglich kann sich das Filter gemäß der vorliegenden Erfindung dazu eignen, dass das Herausfließen eines im Inneren des Filters angesammelten Feinstaubs auf einmal in seiner Gesamtheit aus dem Filter verhindert wird, da die Schlitze an den Einlässen des Filters ausgebildet sind.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die obigen und weitere Aspekte, Merkmale und andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen klarer verständlich. Es zeigen:
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1 eine Seitenquerschnittsansicht, die ein herkömmliches Filter zur Reinigung von Abgas veranschaulicht;
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2A eine perspektivische Ansicht, die ein Filter mit besseren Differenzdruckeigenschaften gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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2B eine Seitenquerschnittsansicht entlang einer Linie A-A des Filters mit verbesserten Differenzdruckeigenschaften gemäß der vorliegenden Erfindung;
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2C eine bildliche Darstellung, die den Einlass des Filters mit verbesserten Differenzdruckeigenschaften gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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2D eine bildliche Darstellung, die den Auslass des Filters mit verbesserten Differenzdruckeigenschaften gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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3 eine konzeptionelle Darstellung, die das Filter mit verbesserten Differenzdruckeigenschaften gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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4 eine schematische Ansicht, die die Komponenten eines Metallfasermediums und ein Verfahren zur Herstellung des als Filterelement gemäß der vorliegenden Erfindung verwendeten Metallfasermediums veranschaulicht;
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5A ein Diagramm, das eine Metallfasermatte, die aus in einer Richtung orientierten Metallfasern hergestellt wurde, gemäß einer Beispielausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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5B ein Diagramm, das eine Metallfasermatte, die durch gleichmäßiges Anordnen von in einer Richtung orientierten Metallfasergarnen in Längsrichtung hergestellt wurde, gemäß einer Beispielausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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5C ein Diagramm, das eine Metallfasermatte, die aus zwei Schichten von in einer Richtung orientierten Metallfasergarnen hergestellt wurde, gemäß einer Beispielausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, wobei die Metallfasergarne gleichmäßig in Längsrichtung angeordnet sind;
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6A eine Photographie, die willkürlich orientierte Metallfasern, die gemäß einem Schmelzextraktionsverfahren hergestellt wurden, veranschaulicht;
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6B eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme (× 200), die den Querschnitt von gemäß dem Schmelzextraktionsverfahren hergestellten Metallfasern veranschaulicht;
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6C eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme (× 600), die eine Seitenfläche der gemäß dem Schmelzextraktionsverfahren hergestellten Metallfasern veranschaulicht;
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7A ein Diagramm, das ein Verfahren zur Herstellung eines gewellten Metallfasermediums (Filterelement) gemäß einer Beispielausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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7B ein Diagramm, das ein gewelltes Metallfasermedium (Filterelement), das nach einer Beispielausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, veranschaulicht;
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8 ein Diagramm, das eine zur Schmelzextraktion der Metallfasern gemäß einer Beispielausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendete Vorrichtung veranschaulicht, und
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9 einen Graphen, der die Veränderung des Differenzdrucks (DP) in Abhängigkeit von der Veränderung der Raucheinfangkapazität, die in Beispiel 1 gemessen wurde, veranschaulicht.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Beispielausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun detailliert unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben.
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Das Filter mit verbesserten Differenzdruckeigenschaften gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt eine Röhrenstruktur, worin mehrere Filterelemente teleskopisch angeordnet sind, wobei jedes der Filterelemente aus mehreren Metallfasern besteht, wobei die Enden von zwei benachbarten Filterelementen miteinander über eine Verbindung verbunden sind und die Verbindung an einem Ende eines Filterelements abwechselnd auf einer weiteren Verbindung an einem Ende des weiteren Filterelements angeordnet ist, wobei das Filter dadurch gekennzeichnet ist, dass mehrere Schlitze in mindestens einer Verbindung an zwei entgegengesetzten Enden eines jeden Filterelements ausgebildet sind, wobei die Schlitze an den an den Abgaseinlässen des Filters ausgebildeten Verbindungen ausgebildet sind, wobei die Schlitze als Umleitungen fungieren, um einen gewissen Teil des Rauchs auszutragen, obwohl der Rauch auf der Oberfläche des Filterelements eingefangen und angesammelt wird.
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2A zeigt ein Filter 20 gemäß der vorliegenden Erfindung, das mehrere fünflagige gewellte Filterelemente umfasst, deren Verbindungen Schlitze aufweisen, die in einem Ende hiervon ausgebildet sind, und die koaxial teleskopisch um eine Achse, die sich in Fließrichtung des Abgases erstreckt, angeordnet sind. Wie in 2B gezeigt, die eine Seitenquerschnittsansicht entlang einer Linie A-A des Filters gemäß Darstellung in 2A zeigt, sind die an beiden Enden des Filterelements ausgebildeten Verbindungen a, b, c und d abwechselnd miteinander angeordnet, wobei ein Filter in einstückiger Form gebildet wird, und mehrere Schlitze sind an derartigen Verbindungen ausgebildet. Die Schlitze können in mindestens einer Verbindung an zwei entgegengesetzten Enden eines jeden Filterelements ausgebildet sein. Wenn die Schlitze an den an einem Ende des Filterelements ausgebildeten Verbindungen ausgebildet sind, könnten die Schlitze an einem Ende eines Abgaseinlasses oder -auslasses ausgebildet sein. Da im Inneren des Filters angesammelter Feinstaub aller auf einmal herausfließt, wenn die Schlitze in den Verbindungen, die in dem Abgasauslass des Filterelements ausgebildet sind, ausgebildet sind, werden die Schlitze in den in dem Abgaseinlass des Filters ausgebildeten Verbindungen ausgebildet. Die Schlitze können vorzugsweise in gleichem Abstand ausgebildet sein. Die 2C und 2D zeigen eine Photographie, die einen Einlass eines Filters mit an Verbindungen ausgebildeten Schlitzen veranschaulicht, bzw. eine Photographie, die einen Auslass des Filters veranschaulicht. Bei dem erfindungsgemäßen Filter sind die Schlitze so ausgebildet, dass sie eine Fläche aufweisen, die kleiner oder gleich 50% der Querschnittsfläche eines Abgasrohrs ist, so dass ein Fließen von Abgas in den Filter erlaubt wird. Da die Schlitze notwendigerweise an den Verbindungen ausgebildet sein sollten, gibt es keine spezielle Einschränkung bei dem niedrigsten Wert der Fläche der Schlitze, ausgenommen einer Fläche Null der Schlitze. Und die Schlitze sind vorzugsweise so ausgebildet, dass sie eine Fläche aufweisen, die kleiner oder gleich 50% der Querschnittsfläche eines Abgasrohrs ist, so dass lediglich das Hindurchführen einer sehr kleinen Menge an Abgas, das durch das Filter geführt wurde, durch die Schlitze erlaubt wird und eine Abnahme des Rauchreduktionsverhältnisses verhindert wird.
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Das Filter mit einer Vielzahl von Verbindungen eines erfindungsgemäßen Filterelements ausgebildeten Schlitzen verhindert eine Erhöhung des Drucks an den vorderen/hinteren Enden des Filters, da die Schlitze als Umleitungen fungieren, um einen gewissen Teil des Rauchs auszutragen, obwohl der Rauch auf der Oberfläche des Filterelements eingefangen und angesammelt wird. 3 zeigt ein Konzept eines Verhinderns der Erhöhung des Differenzdrucks im Filter mit einer Vielzahl von Schlitzen, die an Verbindungen eines erfindungsgemäßen Filterelements ausgebildet sind. Wie in 3 gezeigt, wird eine Erhöhung des Differenzdrucks verhindert, da das Abgas durch die Schlitze hineinfließt, obwohl der Rauch an der Oberfläche des Filterelements angesammelt wird.
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Das Filter mit einer Vielzahl von Schlitzen, die an Verbindungen eines erfindungsgemäßen Filterelements ausgebildet sind, umfasst beliebige von Filtern mit Röhrenstruktur, worin mehrere Filterelemente teleskopisch angeordnet sind, wobei Enden von zwei benachbarten Filterelementen miteinander über eine Verbindung verbunden sind und die Verbindung an einem Ende eines Filterelements abwechselnd auf einer weiteren Verbindung an einem Ende des anderen Filterelements angeordnet ist und mehrere Schlitze in mindestens einer Verbindung an zwei entgegengesetzten Enden eines jeden Filterelements ausgebildet sind.
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Das Filterelement kann ein Metallfasermedium einschließlich einer Metallfasermatte aus mehreren in einer Richtung orientierten Metallfasern und mit einer Porosität von 30 bis 95% sein, wobei Träger jeweils mit den Oberseiten und Unterseiten der Metallfasermatte verbunden sind und eine Porosität von 5 bis 95% aufweisen.
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Ferner kann das Filterelement ein Metallfasermedium sein, das eine Metallfasermatte aus in Längsrichtung ausgerichteten Metallfasergarnen umfasst, wobei jedes der Metallfasergarne 20 bis 500 Bündel von in einer Richtung orientierten Metallfasern umfasst und eine Länge von 0,45 bis 0,6 m pro 1 g und eine Verwindung von 1 bis 9 Drehungen/m aufweist, und die Metallfasermatte eine Porosität von 30 bis 95% aufweist, und Träger jeweils an die Oberseiten und Unterseiten der Metallfasermatte gebunden sind und eine Porosität von 5 bis 95% aufweisen.
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Spezieller können die Metallfasermedien 30 als das Filterelement eine Metallfasermatte 1' und Träger 2 und 2', die an der Oberseite bzw. Unterseite der Metallfasermatte 1' befestigt sind, umfassen, wie in 4 dargestellt ist. Die Metallfasermedien 30 können durch Befestigen von Drahtnetzen 2 und 2' als Träger für die Oberseite bzw. Unterseite der Metallfasermatte 1 aus in Längsrichtung ausgerichteten Metallfasern (5A) oder der Metallfasermatte 1' oder 1'' aus Metallfasergarnen (5B und 5C) hergestellt werden, wie in 4 gezeigt ist. Die Drahtnetze 2 und 2' werden verwendet, um die Form der Metallfasermatte 1, 1' oder 1'' beizubehalten und die Festigkeit der Metallfasermedien 30 zu erhöhen. Da die Metallfasermatte 1, 1' oder 1'' durch die Träger 2 und 2', die an der Oberseite und Unterseite der Metallfasermatte 1, 1' oder 1'' befestigt sind, verstärkt wird, wird die Matte, in der die Metallfasern oder Metallfasergarne längs ausgerichtet sind, fixiert. Folglich ist es möglich, die Bewegung der ausgerichteten Metallfasern oder Metallfasergarne während eines nachfolgenden Verfahrens zur Ausformung der Matte zu einem Filter mit einer bestimmten Form und zur Erhöhung der Festigkeit der Metallfasernmedien 30 zu verhindern. Die Metallfasermatte 1, 1' oder 1'' kann mit Metallfasern oder Garnen aus den Metallfasern hergestellt werden. Verschiedene Typen von Metallfasermatten, die für die Metallfasermedien 30 verwendet werden können, sind in den 5A bis 5C veranschaulicht.
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Es gibt keine spezielle Einschränkung bezüglich der Dichte der Metallfasern, die Metallfasern weisen jedoch vorzugsweise eine Dichte von 100 bis 4000 g/m2 auf. Eine Dichte von weniger als 100 g/m2 ist unerwünscht, da der äquivalente Durchmesser der in diesem Fall gebildeten Poren etwa 250 μm übersteigt. Eine Dichte von mehr als 4000 g/m2 ist auch unerwünscht, da es schwierig ist, aufgrund der schweren und dicken Struktur des Filters in diesem Fall ein Filter herzustellen.
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Es gibt keine spezielle Einschränkung bezüglich der Komponenten der Metallfasern, jedoch können Metallfasern einer FeCr-Legierung, die aus einer Legierung auf Eisen-Chrom-Aluminium-Basis hergestellt wurden, als Metallfasern verwendet werden. Vorzugsweise kann eine verbesserte FeCr-Legierung verwendet werden, die 0,05 bis 0,5 Gew.-% und stärker bevorzugt 0,1 bis 0,3 Gew.-% Zr enthält. Wenn eine Matte, die aus FeCr-Legierungsmetallfasern, die Zr in dem oben genannten Gehaltsbereich enthalten, hergestellt wurde, für Filtermedien verwendet wird, besitzt die Matte eine ausgezeichnete Oxidationslebensdauer. Im allgemeinen ist eine FeCr-Legierung bekannt. Beispielsweise kann eine FeCr-Legierung verwendet werden, die 13 bis 30 Gew.-% Chrom (Cr), 3 bis 7 Gew.-% Aluminium (Al) und zum Rest Eisen (Fe) umfasst. Eine FeCr-Legierung umfasst vorzugsweise ferner 0,05 bis 0,5 Gew.-% Zirconium (Zr) und stärker bevorzugt 0,1 bis 0,3 Gew.-% Zirconium (Zr).
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Es gibt keine spezielle Einschränkung hinsichtlich der Metallfasern, durch ein Schmelzextraktionsverfahren hergestellte, willkürlich orientierte Metallfasern können jedoch bei der Herstellung der Metallfasern oder der Garne aus den Metallfasern verwendet werden. Das Schmelzextraktionsverfahren ist ein Verfahren zur augenblicklichen Extraktion einer Metallfaser mit einem Durchmesser von 20 bis 70 μm, wobei das Verfahren die folgenden Stufen umfasst: Anordnen eines kreisrunden Stabs mit einem Durchmesser von 12 mm nahe einer Induktionsspule eines Schmelzmittels; und Schmelzen eines Endes des Stabs, um den geschmolzenen Bereich des Stabs mit einer Scheibe in Berührung zu bringen, die sich mit hoher Geschwindigkeit von 1 bis 100 m/s dreht, wie in dem den vorliegenden Anmeldern erteilten
US-Patent 6 604 570 offenbart ist. Durch das Schmelzextraktionsverfahren hergestellte, feine Metallfasern sind willkürlich angeordnet ohne irgendeine Orientierung, d. h. willkürlich orientiert, wie in
6A gezeigt ist. Die Metallfasern besitzen einen halbmondförmigen Querschnitt, wie in
6B gezeigt ist. Jede der Metallfasern besitzt mehrere Ausbuchtungen, die in einer Seitenfläche hiervon ausgebildet sind, wobei die Ausbuchtungen eine Höhe von 1 bis 5 μm aufweisen, wie in
6C gezeigt ist. Die Metallfasern, die nach dem Schmelzextraktionsverfahren hergestellt sind, sind willkürlich orientierte Metallfasern, so dass es notwendig ist, den Metallfasern eine bestimmte Ausrichtung zu geben, um eine Metallfasermatte unter Verwendung der willkürlich orientierten Metallfasern herzustellen. Die Ausrichtung kann den Metallfasern durch kontinuierliches mehrmaliges Kämmen der willkürlich orientierten Metallfasern gegeben werden, um die feinen Metallfasern parallel zueinander in einer Richtung anzuordnen. Somit kann eine in
5A dargestellte Metallfasermatte
1 durch Kämmen der willkürlich orientierten Metallfasern, die gemäß dem Schmelzextraktionsverfahren hergestellt wurden, um sie in einer Richtung zu orientieren, erhalten werden.
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Die Metallfasermatte kann auch aus Metallfasergarnen hergestellt werden. Das Metallfasergarn kann durch wiederholtes Durchführen des Verfahrens zur Herbeiführung einer Orientierung in einer Richtung, bis etwa 20 bis 500 Metallfasern zu einem Garn gebündelt sind, hergestellt werden. Wenn ein Garn aus weniger als 20 Metallfasern hergestellt wird, sind die Metallfasern aufgrund der geringen Zahl der Metallfasern nicht ausreichend verwickelt, was es schwierig macht, ein Garn herzustellen. Wenn andererseits ein Garn aus mehr als 500 Metallfasern hergestellt wird, kann in dem letztendlich hergestellten Filter aufgrund der übermäßigen Zahl an Metallfasern zunehmend ein Differenzdruck erzeugt werden. In diesem Fall gibt es das weitere Problem einer Erhöhung der Dicke und des Gewichts des Filters. Es gibt keine spezielle Einschränkung bezüglich der zur Herstellung der Garne verwendeten Metallfasern, beliebige der Metallfasern können jedoch hier verwendet werden. Wie oben beschrieben, können die nach dem Schmelzextraktionsverfahren erhaltenen Metallfasern ohne Schwierigkeiten zu Garnen ausgebildet werden, verglichen mit unter Verwendung eines herkömmlichen Bearbeitungsverfahrens hergestellten Metallfasern, da es möglich ist, die Freisetzung der Metallfasern während der Herstellung der Garne aufgrund der auf den Oberflächen der Metallfasern ausgebildeten Ausbuchtungen, wobei die Ausbuchtungen eine Höhe im μm-Bereich aufweisen, zu vermeiden. Bezüglich einer detaillierten Beschreibung sei auf die Offenbarung der
koreanischen Patentanmeldung 2005-4249 verwiesen. Beispielsweise kann ein Metallfasergarn aus 20 bis 500 Bündeln von in einer Richtung orientierten Metallfasern durch mehrmaliges Kämmen der willkürlich orientierten Metallfasern, wobei die willkürlich orientierten Metallfasern nach dem Schmelzextraktionsverfahren hergestellt wurden, ausgebildet werden.
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Die Metallfasergarne können auch in einer Weise hergestellt werden, dass sie eine Länge von 0,45 bis 0,6 m pro 1 g (0,45 bis 0,6 Nm) und eine Verwindung von 1 bis 9 Drehungen/m aufweisen. Eine Garnlänge von weniger als 0,45 m pro 1 g ist unerwünscht, da eine Verringerung der Porosität infolge einer erhöhten Länge der Garne auftritt. Wenn andererseits die Länge der Garne 0,6 m pro 1 g übersteigt, gibt es ein Problem dahingehend, dass die Garne zu dünn sind, um fortlaufend eine gleichmäßige Dicke beizubehalten. Ferner ist eine Garnverwindung von weniger als einer Drehung/m auch unerwünscht, da die Metallfasern aufgrund einer unzureichenden Verwindung der Garne entwirrt sein können. Wenn andererseits die Verwindung der Garne 9 Drehungen/m übersteigt, kann es infolge eines nicht ausreichenden Vorhandenseins von Poren in dem Filterelement zu einer Erhöhung des Differenzdrucks kommen. Die Metallfasermatte aus den Metallfasergarnen ist in den 5B und 5C gezeigt.
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Vorzugsweise besitzt die Metallfasermatte eine Porosität von 30 bis 95%. Wenn die Porosität weniger als 30% beträgt, kommt es zu einer abrupten Zunahme des Differenzdrucks, wenn Feinstaub und Stäube im Abgas herausgefiltert werden. Wenn andererseits die Porosität 95% übersteigt, sind die Poren zu groß, um Feinstaub und Stäube wirksam herauszufiltern.
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Vorzugsweise besitzen die Metallfaserträger eine Porosität von 5 bis 95%. Wenn die Porosität der Metallfaserträger weniger als 5% beträgt, ist die Festigkeit der Metallfaserträger hoch, jedoch der Differenzdruck im Filter übermäßig hoch. Wenn andererseits die Porosität der Metallfaserträger 95% übersteigt, ist der Differenzdruck im Filter niedrig, jedoch kann es zu einer Verringerung der Festigkeit kommen. Die oberen und unteren Träger der Metallfasermatte können gleiche oder unterschiedliche Porositäten aufweisen. Die Träger können auch aus dem gleichen Material wie die Metallfasern, nämlich der oben beschriebenen FeCr-Legierung, hergestellt sein. Die Metallfasern und die Träger besitzen eine Hitzebeständigkeit.
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Vorzugsweise besitzen die Metallfasermedien eine Dicke von 0,5 bis 3 mm. Wenn die Metallfasermedien eine Dicke von weniger als 0,5 mm aufweisen, wird die Porosität der Metallfasermedien aufgrund der hohen Faserdichte in unerwünschter Weise verringert, was zu einem erhöhten Differenzdruck führt. Wenn andererseits die Metallfasermedien eine Dicke von mehr als 3 mm aufweisen, ist die Porosität der Metallfasermedien zu hoch, um Stäube herauszufiltern.
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Wenn die aus mehreren in einer Richtung orientierten Metallfasern hergestellte Metallfasermatte oder die aus in Längsrichtung ausgerichteten Metallfasergarnen hergestellte Metallfasermatte zur Herstellung eines Filters verwendet wird, kann die Metallfasermatte eine Einzelschicht- oder Mehrschichtstruktur, die zwei oder mehr in Längsrichtung laminierte Schichten umfasst, aufweisen. Beispielsweise kann die Metallfasermatte eine Einzelschichtstruktur aufweisen, wenn die Dicke der Garne groß ist, und sie kann eine Mehrschichtstruktur aufweisen, wenn die Dicke der Garne gering ist. Ferner kann die Metallfasermatte eine Mehrschichtstruktur, die zwei oder mehr laminierte Schichten umfasst, aufweisen, wenn die gemäß der Verwendung der Metallfasermatte geforderten physikalischen Eigenschaften dies bedingen.
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Das Filterelement des Filters kann ein gewelltes Filterelement sein. Das gewellte Filterelement kann eine ausgezeichnetere Rauchsammeleffizienz und Fähigkeit zur Verbesserung des Differenzdrucks aufweisen, da es eine höhere Kontaktfläche mit dem Abgas aufweist. Beispielsweise kann ein durch Falten eines Metallfasermediums hergestelltes gewelltes Metallfasermedium als Filterelement verwendet werden.
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Das gewellte Metallfasermedium kann durch Falten des Metallfasermediums in einer Richtung senkrecht zur Längsrichtung der Metallfasern oder Garne zur Herstellung von Wellen und Verpressen des gefalteten Metallfasermediums in Richtung der Wellen zur Fixierung der Wellen hergestellt werden. Es gibt keine spezielle Einschränkung bezüglich der gefalteten Metallfasermedien. Beliebige Typen der oben genannten Metallfasermedien können gefaltet werden, um das gewellte Metallfasermedium herzustellen. Genau gesagt ist es möglich, ein gewelltes Metallfasermedium durch Falten des unter Verwendung einer der in den 5A bis 5C gezeigten Metallfasermatten hergestellten Metallfasermediums herzustellen.
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Beispielsweise werden Kräfte an gegenüberliegende Längsenden der Metallfasern oder Metallfasergarne in dem zu faltenden Metallfasermedium 30 gemäß Darstellung in 7A angelegt, um das Metallfasermedium 30 in einer Richtung senkrecht zur Längsrichtung der Metallfasern oder Garne zu falten, worauf das gefaltete Metallfasermedium verpresst wird, um die Wellen zu fixieren. So kann ein Metallfasermedium 30 mit einer Dicke, die etwa der Tiefe der Wellen entspricht, erhalten werden. Vorzugsweise kann die Wellentiefe in einem Bereich von 3 bis 30 mm liegen. Wenn die Wellentiefe weniger als 3 mm beträgt, wird keine wirksame Wellung ausgebildet. In diesem Fall gibt es keine oder eine geringe Erhöhung der Oberfläche durch die Wellen. Wenn andererseits die Wellentiefe 30 mm übersteigt, kann das Metallfasermedium durch die während eines Regenerationsverfahrens erzeugte Wärme oder durch den hohen Druck deformiert werden. Wenn die Wellentiefe 3 mm beträgt, nimmt die Oberfläche des Metallfasermediums um das 1,5-fache der Oberfläche des vor Ausbildung der Wellen erhaltenen Metallfasermediums zu. Wenn die Wellentiefe 30 mm beträgt, nimmt die Oberfläche des Metallfasermediums um das 15-fache zu.
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Das Metallfasermedium und das gewellte Metallfasermedium weisen vorzugsweise eine mittlere Porengröße auf, die einem Äquivalentdurchmesser von 10 bis 250 μm entspricht. Wenn der Äquivalentdurchmesser der mittleren Porengröße weniger als 10 μm beträgt, können Mikrostäube in wirksamer Weise herausgefiltert werden, die Poren können jedoch infolge des Sammelns von Mikrostäuben auf der Oberfläche des Filters blockiert werden, was zu einer abrupten Erhöhung des Drucks führt. Wenn andererseits der Äquivalentdurchmesser der mittleren Porengröße 250 μ m übersteigt, können die geeigneten Filtereigenschaften nicht erreicht werden. Wenn das unter Verwendung des Metallfasermediums oder gewellten Metallfasermediums hergestellte Filter als das Filterelement verwendet wird, besitzt das Filter eine Porosität von 85 bis 97%.
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Es gibt keine spezielle Einschränkung bezüglich des Querschnitts des röhrenförmigen Filters, der Querschnitt des röhrenförmigen Filters kann jedoch beispielsweise kreisförmig, oval oder polygonal, beispielsweise quadratisch oder pentagonal, sein. Vorzugsweise weist das röhrenförmige Filter eine zylindrische Form auf, deren Querschnitt kugelförmig ist. Das Mehrröhrenfilter kann zwei oder mehr teleskopische Filterelemente umfassen. Es gibt keine spezielle Einschränkung bezüglich der Zahl der teleskopischen Filterelemente, die Zahl der teleskopischen Filterelemente kann jedoch in geeigneter Weise unter Berücksichtigung der Wirksamkeit und der Kapazität des Filters gewählt werden. Wenn das Filterelement in dem röhrenförmigen Filter oder dem Mehrröhrenfilter aus den oben beschriebenen gewellten Metallmedien besteht, kann das Filterelement eine gewellte röhrenförmige (zylindrische) Struktur aufweisen.
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Im Falle eines Filters mit einer röhrenförmigen Struktur liegt das Verhältnis des Äquivalentdurchmessers zur Länge vorzugsweise in einem Bereich von 1:1,5 bis 15. Im Falle eines Filters mit einem Mehrröhrenfilter liegt das Verhältnis von Äquivalentdurchmesser zur Länge des innersten röhrenförmigen Filterelements vorzugsweise in einem Bereich von 1:1,5 bis 15. Wenn die Länge weniger als das 1,5-fache des Äquivalentdurchmessers beträgt, ist die Filterfläche verringert, verglichen mit dem Volumen des Filters. Wenn andererseits die Länge mehr als das 15-fache des Äquivalentdurchmessers beträgt, ist das Filter zu lang, um in Fahrzeugen installiert zu werden. Vorzugsweise ist die Zahl der Wellen in einem röhrenförmigen Filterelement des röhrenförmigen Filters oder des Mehrröhrenfilters kleiner oder gleich dem 15-fachen des Äquivalentdurchmessers des Filters, wenn der Äquivalentdurchmesser in Zentimeter ausgedrückt ist. Wenn die Zahl der Wellen größer als das 15-fache des Äquivalentdurchmessers ist, ist der Abstand zwischen benachbarten Wellen zu gering, um eine weite Filteroberfläche aufgrund einer übermäßig großen Zahl von Wellen bereitzustellen.
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Zwischenzeitlich wurden die herkömmlichen keramischen Filter für einen keramischen Filterkörper mit Aluminiumoxid und zum Tragen eines Katalysators auf dem Aluminiumoxid verwendet. Im Falle eines Filters aus dem Metallfasermedium ist es jedoch möglich, auf dem Filter einen Metallkatalysator zu tragen, ohne dass ein getrenntes Aluminiumoxidbeschichtungsverfahren verwendet wird, da die Metallfasern des Metallfasermediums aus einer FeCr-Legierung bestehen, die als eine Komponente Aluminium enthält und das Aluminium bei hoher Temperatur zu Aluminiumoxid oxidiert. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Metallkatalysator mindestens einer sein, der aus Pt, Pd, Rh und Ru ausgewählt ist. Folglich kann die Beschichtung des Katalysators auf dem Filter in einfacherer Weise gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht werden. Das heißt, nach Herstellen des Filters aus dem Filterelement des Metallfasermediums kann das Filter auf 500 bis 1200°C, vorzugsweise in einer Sauerstoffatmosphäre, wenn nötig während 1 bis 24 h erwärmt werden, um das Aluminium in der Metallfaserzusammensetzung zu Aluminiumoxid zu oxidieren, und um so den Katalysator auf dem Aluminiumoxid zu tragen. Wenn das Erwärmen bei einer Temperatur von 500°C oder darunter während einer Stunde oder weniger durchgeführt wird, wird das Aluminium in nicht ausreichender Weise zu Aluminiumoxid oxidiert. Wenn andererseits das Erwärmen bei einer Temperatur von 1200°C oder darüber während 24 h oder mehr durchgeführt wird, können die Kosten übermäßig hoch sein.
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Das Filter kann als Abgasreiniger, insbesondere als Filter zur Reinigung von Feinstaub im Abgas verwendet werden. Im Detail kann das Filter als Filter zur Reinigung von in Dieselmotoren und Dieselgeneratoren erzeugtem Abgas verwendet werden.
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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung detailliert anhand von Beispielen beschrieben. Diese Beispiele sollen lediglich veranschaulichen und die Erfindung in keiner Weise auf diese Beispiele einschränken.
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[Beispiele]
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Beispiel 1
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Ein Filter wurde in diesem Beispiel wie folgt hergestellt. Ein Rundstab mit einem Durchmesser von 12 mm wurde nahe einer Induktionsspule einer Schmelzvorrichtung gemäß Darstellung in
8 angeordnet und auf 1600°C erwärmt, um ein Ende des Stabs gemäß dem in der
US 6 604 570 offenbarten Verfahren zu schmelzen. Das geschmolzene Ende des Stabs wurde mit einer Scheibe in Berührung gebracht, die bei einer hohen Geschwindigkeit von 20 m/s umläuft, um augenblicklich Metallfasern mit einem Äquivalentdurchmesser von 50 μm herzustellen. Die hergestellten Metallfasern sind willkürlich angeordnet, ohne dass es Orientierungen gibt. Hier besitzen Metallfasern einen halbmondförmigen Querschnitt und eine Länge von etwa 10 bis 18 cm. Die Metallfasern besaßen eine Zusammensetzung, die 22 Gew.-% Chrom, 5,5 Gew.-% Aluminium, 0,3 Gew.-% Zirconium und zum Rest Eisen (Fe) umfasst.
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Bis 80 Stränge von in einer Richtung orientierten Metallfasern hergestellt sind, wurden die willkürlich orientierten Metallfasern kontinuierlich gekämmt, um ein Metallfasergarn herzustellen. Die hergestellten Metallfasergarne wiesen eine Länge von 0,55 m pro 1 g und eine Verwindung von 8 Drehungen/m auf. Anschließend wurden die Metallfasergarne in Längsrichtung in zwei Schichten ausgerichtet, um eine Metallfasermatte herzustellen. Die Metallfasermatte des erfindungsgemäßen Beispiels 1 besaß eine Dichte von 1,5 kg/m2 und eine Porosität von 85%.
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Ein Metallfasermedium wurde anschließend durch Befestigen von wärmebeständigen Drahtnetzen (als Träger) mit Porositäten von 45 und 72% auf die Ober- bzw. Unterseite der Metallfasermatte hergestellt. Die Drahtnetze besaßen eine Zusammensetzung, die 18 Gew.-% Chrom, 3,0 Gew.-% Aluminium und zum Rest Eisen (Fe) umfasst. Die hergestellten Metallfasermedien besaßen eine Dicke von 1,0 mm und eine mittlere Porengröße, die einem Äquivalentdurchmesser von 40 μm entspricht.
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Die hergestellten Metallfasermedien wurden bis zu einer Tiefe von 8 mm gefaltet und anschließend bei 1 kg/cm2 verpresst, um ein zylindrisches Filterelement mit einem Durchmesser von 70 mm, einer Länge von 300 mm und 52 Wellen herzustellen. Anschließend wurden beide gegenüberliegenden Enden des Filterelements so geschweißt, dass die entgegengesetzten Enden des Filterelements abwechselnd gemäß Darstellung in 2A angeordnet sind. Schlitze wurden an den Verbindungen des Filterelements derart ausgebildet, dass sie an einem Ende eines Abgaseinlasses ausgebildet wurden, und ein Befestigungselement wurde an beiden Enden des Filters montiert, um ein Filter mit einem Volumen von 6,4 l zu erhalten. Die Schlitze wurden in einem gleichen Abstand in den Verbindungen des Filterelements innerhalb eines Flächenbereichs, der 35% der Querschnittsfläche des Abgasrohrs mit einem Durchmesser von 50 mm entspricht, ausgebildet.
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Rauch wurde in den hergestellten Filtern in Mengen von 0 g/l, 3 g/l, 5 g/l, 7 g/l bzw. 8,25 g/l gesammelt. Anschließend wurde die Veränderung des Differenzdrucks gemäß der Rauchsammelkapazität durch Führen der Luft durch die Filter mit einer Strömungsrate von 2 bis 12 m2/min gemessen. Die gemessene Veränderung des Differenzdrucks ist in 9 dargestellt. Wie in 9 gezeigt, weist das Filter einen Differenzdruck von weniger als 100 mbar auf, wenn 8,25 g/l des Rauchs in dem Filter gesammelt wurden.
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Ferner wurde das Rauchverringerungsverhältnis durch den Filter durch Sammeln von 0 g/l bzw. 9 g/l Rauch in den hergestellten Filtern und Messen des Rauchanteils vor/nach Installieren des Filters unter Verwendung eines Lug-Down-Tests, bei dem die Last um 10% bei der maximalen Drehzahl zunimmt, bestimmt. Das heißt, der Rauchanteil wurde anhand eines Belastungstests zum Messen des aus Kraftfahrzeugen ausgestoßenen Anteils an Rauch, wenn die Drehzahl zweimal um 10% von der maximalen Drehzahl (3400 Umdrehungen pro Minute) verringert wurde, gemessen. Der Anteil an Rauch wurde dreimal unter den gleichen Bedingungen (Betrieb 1 bis 3) gemessen und die Ergebnisse eines Rauchverringerungsanteils sind in der folgenden Tabelle 1 angegeben. Tabelle 1
| | Filter 1 (gesammelter Rauch: 0 g/l) | Filter 2 (gesammelter Rauch: 9 g/l) |
| Betrieb 1 | Betrieb 2 | Betrieb 3 | Betrieb 1 | Betrieb 2 | Betrieb 3 |
| Anteil an Rauch vor Installation des Filters | 63% | 60% | 58% | 63% | 60% | 58% |
| Anteil an Rauch nach Installation des Filters | 28% | 24% | 22% | 41% | 36% | 35% |
| Verringerungsverhältnis | 56% | 60% | 62% | 35% | 40% | 40% |
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Wie in Tabelle 1 angegeben, zeigte sich, dass das erfindungsgemäße Filter mit Schlitzen, die an den Verbindungen des Filterelements ausgebildet waren, ein ausgezeichnetes Rauchverringerungsverhältnis von 35% oder mehr aufweist, wenn 9 g/l des Rauchs in dem Filterelement eingefangen werden.
