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VERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Die vorliegende Anmeldung beansprucht Priorität gegenüber der vorläufigen US-Patentanmeldung (Provisional Application) Nr. 61/861,797, eingereicht am 2. August 2013, deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme übernommen wird.
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HINTERGRUND
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Der offenbarte Gegenstand bezieht sich auf Verbundmaterial-Filtermedien. Insbesondere bezieht sich der offenbarte Gegenstand auf Verbundmaterial-Filtermedien, die mehrere Schichten laminierten Medienmaterials umfassen, einschließlich einer Nanofaser-Medienschicht.
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Anwendungen wie eingebaute Motorhochdruck-Common-Rail-Kraftstofffiltersysteme sind anspruchsvoll. Hohe Niveaus der Partikelentfernung für Feinpartikel sollten auch unter Bedingungen von Strömungsspitzen und Vibration beibehalten werden, die bei Motoren im Betrieb anzutreffen sind. Partikel mit 4 μm (c) oder sogar kleiner haben sich als schädlich für Brennstoffeinspritzventile erwiesen, und Beta-Verhältnisse über 64 und idealerweise höher werden empfohlen. Ferner sollten diese Entfernungswerte auch dann beibehalten werden, wenn sich die Durchflussraten schnell ändern, wie beim Motoranlauf oder wenn das Kraftstoffpedal schnell eingestellt wird oder wenn der Motor vibriert. Gleichzeitig bestehen Kunden und Endanwender darauf, dass die Lebensdauer des Filters nicht verkürzt wird, während Raumbeschränkungen das Verwenden größerer Filter verhindern.
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Diese Herausforderungen sind bei typischen Dieselkraftstoff-Anwendungen weiter verschärft, wobei mehrere Filter in Reihe eingesetzt werden. Mehrere Filter werden üblicherweise bei modernen Dieselkraftstoffsystemen verwendet. In vielen Fällen wird ein erster FWS-Filter (Kraftstoffwasserabscheider) oder Koaleszenzfilter verwendet, um sowohl Wasser zu entfernen als auch gröbere Partikel vorzufiltern. Dieser erste Filter oder Vorfilter führt zu einer signifikanten Verschiebung der Größenverteilung von Schadstoffpartikeln und kann das Entfernen von Schadstoffen von einem anschließenden Filter wegen dem Entfernen der gröberen Partikel nachteilig beeinflussen. Gröbere Partikel neigen dazu, die größeren Poren bei in diesen Systemen verwendeten üblichen Medien zu blockieren. Das Fehlen oder die verringerte Konzentration dieser gröberen Partikel ermöglicht es, dass größere Poren im nachgeordneten Filter oder in Filtermedien für den Durchfluss offen bleiben, wodurch Schadstoffe wiederum passieren können. Dies führt zu mäßigem Entfernen in diesem Größenbereich.
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In der Vergangenheit konnten die vorstehend erwähnten Aufgaben mittels Verbundmaterial-Medien mit Medienschichten mit relativ breiten Porengrößenverteilungen, die ein abgestuftes Erfassen von Partikeln bereitstellen, angegangen werden, d. h., dass nachfolgende Schichten nominell feinere Partikel erfassen. Jetzt sind jedoch viel höhere Niveaus der Partikelentfernung für viel feinere Partikel unter instationären Bedingungen erforderlich, und hochwirksame Nanofasern werden jetzt benötigt, um diese Entfernungsniveaus zu erzielen. Dies kann zu verkürzter Lebensdauer führen.
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KURZFASSUNG
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Verschiedene Ausführungsformen schließen die Verwendung eines Verbundmaterial-Filtermediums ein, das eine Nanofaserschicht mit einem Verbundmaterial-Filtermedium mit einer mittleren Durchfluss-Porengröße kleiner als etwa 10 μm und einer engen Porengrößenverteilung enthält. Die Nanofaserschicht weist eine abgestufte Gestaltung auf, so dass der geometrische mittlere Faserdurchmesser der vorgelagerten Seite größer ist als bei nachgeordneten Seite. Das Verbundmaterial-Filtermedium kann zusätzliche Schichten einschließen, z. B. eine der Nanofaserschicht vorgelagerte Mikrofaserschicht, so dass die nachgeordnete Seite dieser Mikrofaserschicht einen geometrischen mittlere Faserdurchmesser aufweist, der größer als die vorgelagerte Seite der Nanofaserschicht ist und innerhalb eines konfigurierten Bereichs liegt.
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Offenbart wird ein Verbundmaterial-Filtermedium. Das Verbundmaterial-Filtermedium ist aus mehreren Schichten von Medienmaterial, einschließlich einer Nanofaser-Medienschicht gebildet, wobei die Schichten laminiert, gebunden oder auf andere Weise miteinander verbunden sind.
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Das hierin offenbarte Verbundmaterial-Filtermedium schließt üblicherweise mindestens eine Schicht aus Nanofaser-Filtermedium mit einem geometrischen mittleren Durchmesser von kleiner als etwa 1 μm und üblicherweise zwischen etwa 0,1 μm und 1,0 μm ein. Optionale Schichten aus faserigen Medien können ebenfalls vorliegen, beispielsweise, um dem Verbundmaterial-Filtermedium Unterstützung und Festigkeit bereitzustellen. Die Nanofaserschicht kann ferner dadurch charakterisiert werden, dass sie eine abgestufte Struktur aufweist, so dass der geometrische mittlere Faserdurchmesser der Nanofasern auf der vorgelagerten Seite der Nanofaserschicht 1,1- bis 2,8-mal oder 1,2- bis 2,4-mal oder 1,2- bis 1,7-mal oder 1,2- bis 1,5-mal größer ist als der geometrische mittlere Faserdurchmesser der Nanofasern auf der nachgeordneten Seite der Nanofaserschicht. Üblicherweise ist die mittlere Durchfluss-Porengröße der Nanofaserschicht kleiner als etwa 10 μm und vorzugsweise kleiner als etwa 9 μm, kleiner als etwa 8 μm, kleiner als etwa 7 μm oder kleiner als etwa 6 μm. Bei einigen Ausführungsformen kann die mittlere Durchfluss-Porengröße der Nanofaserschicht etwa 5 μm, oder etwa 4 μm, oder etwa 3 μm, oder etwa 2 μm, oder etwa 1 μm sein.
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Ferner kann das Verbundmaterial-Filtermedium dadurch charakterisiert sein, dass es eine enge Porengrößenverteilung mit einem Verhältnis von P99 bis P50 von kleiner als etwa 2 und üblicherweise etwa 1,2 bis etwa 1,6 aufweist. Optionale Schichten von Mikrofaser-Filtermedium mit geometrischem mittleren Faserdurchmesser von größer als etwa 1 Mikrometer (d. h. eine Mikrofaserschicht) können der Nanofaserschicht vorgelagert vorliegen. Falls eine Mikrofaserschicht der Nanofaserschicht vorgelagert und an diese angrenzend vorliegt, ist der Faserdurchmesser der nachgeordneten Fasern der Mikrofaserschicht an der hinteren Seite typischerweise etwa 1,2- bis 2,8- oder etwa 1,2- bis 2,4-mal größer als der Faserdurchmesser der Fasern auf der vorgelagerten Seite der Nanofaserschicht. Mehrere Mikrofaserschichten können der Nanofaserschicht in abgestufter Weise vorgelagert angeordnet sein, so dass der Faserdurchmesser einer Mikrofaserschicht bei jeder nachfolgenden Schicht um das etwa 1,2- bis etwa 2,4-Fache abnimmt, wenn man sich von vorgelagerten zu nachgeordneten Bereichen zur Nanofaserschicht hin bewegt. Beispielsweise liegt das Verhältnis des Durchmessers der Fasern auf der nachgeordneten Seite einer vorgelagerten Schicht einer Mikrofaserschicht zum Durchmesser von Fasern auf der vorgelagerten Seite einer angrenzenden nachgeordneten Mikrofaserschicht üblicherweise zwischen etwa 1,2 und etwa 2,4 und vorzugsweise zwischen etwa 1,2 und etwa 1,6.
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Geeignetes Polymermaterial kann thermoplastische Materialien einschließen, ohne darauf beschränkt zu sein, wie Polyamid-Material, Polyester-Material, Polysulfon-Material, Polypropylen-Material, Fluorpolymer einschließlich Polytetrafluorethylen oder Ethylen-Chlortrifluorethylen-Copolymer oder anderes organisches Polymermaterial mit geeigneten geometrischen, strukturellen und chemischen Widerstandseigenschaften. Die Schichten des Verbundmaterials sind üblicherweise laminiert, verbunden oder auf andere Weise durch thermische, chemische oder nicht chemische Behandlung oder Ultraschallverbinden verbunden. Bei einigen Ausführungsformen sind zwei oder mehr der Schichten durch Ultraschallbehandlung verbunden. Bei anderen Ausführungsformen sind zwei oder mehr der Schichten durch Auftragen eines Haftmittels verbunden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
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1 zeigt den Einfluss der Partikelgrößenverteilung der Schadstoffe auf das Entfernen durch unterschiedliche Typen von Filtermedien.
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2 zeigt den Effekt des Nanofasergradienten auf die Leistung der Filtermedien.
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3 zeigt den Effekt der Mikrofaser auf die Leistung der Filtermedien.
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4 zeigt ein REM-Bild einer Ausführungsform der hierin beschriebenen Filtermedien.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die vorliegende Erfindung wird hierin unter Verwendung mehrerer Definitionen beschrieben, die im Folgenden und im Verlauf der Anmeldung erläutert werden.
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Solange nichts anderes angegeben ist oder der Kontext nicht etwas anderes angibt, bedeuten „ein, eine” und „der, die das” „ein(e) oder mehrere”. Zum Beispiel ist „eine Schicht” so zu interpretieren, dass damit „eine oder mehrere Schichten” gemeint ist.
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Wie hierin verwendet, werden „etwa”, „ungefähr”, „im Wesentlichen” und „erheblich” von einem Fachmann verstanden, und variieren in gewissem Maße je nach dem Kontext, in dem sie verwendet werden. Wenn Verwendungen dieser Begriffe vorliegen, die für Durchschnittsfachmänner angesichts des Kontextes, in dem sie verwendet werden, nicht klar sind, bedeuten „etwa” und „ungefähr” plus oder minus 10% des jeweiligen Begriffs, und „im Wesentlichen” und „erheblich” bedeuteten plus oder minus > 10% des jeweiligen Begriffs.
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Die hierin verwendeten Begriffe „einschließen” und „einschließlich” haben die gleiche Bedeutung wie die Begriffe „umfassen” und „umfassend”, so dass letztere Begriffe „offene” Übergangsbegriffe sind, die Ansprüche nicht ausschließlich auf die angeführten Elemente beschränken, die auf diese Übergangsbegriffe folgen. Der Begriff „bestehend aus” sollte, während er im Begriff „umfassend” beinhaltet ist, als „geschlossener” Übergangsbegriff ausgelegt werden, der Ansprüche ausschließlich auf die angeführten Elemente beschränkt, die auf diesen Übergangsbegriff folgen. Der Begriff „bestehend im Wesentlichen aus” sollte, während er im Begriff „umfassend” beinhaltet ist, als „teilweise geschlossener” Übergangsbegriff ausgelegt werden, der zusätzliche Elemente zulässt, die auf diesen Übergangsbegriff folgen, jedoch nur, falls diese zusätzlichen Elemente die grundlegenden und neuartigen Merkmale des Anspruchs nicht wesentlich beeinträchtigen.
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Offenbart wird ein Verbundmaterial-Filtermedium. Das Verbundmaterial-Filtermedium ist aus mehreren Schichten von Medienmaterial gebildet, die laminiert oder aneinander gebunden sind. Üblicherweise weist das Medium die folgenden Eigenschaften auf:
- • Eine Porengrößenverteilung für das Verbundmaterial-Filtermedium, so dass die 50%-Durchfluss-Porengröße oder P50 zwischen 0 und etwa 10 μm, vorzugsweise zwischen 0 und etwa 7 μm und mehr bevorzugt zwischen 0 und etwa 5 μm liegt. Ferner ist das Verhältnis der 99%-Durchfluss-Porengröße oder P99 zu P50 für das Verbundmaterial üblicherweise geringer als etwa 2 und vorzugsweise zwischen etwa 1,2 und etwa 1,6.
- • Mindestens eine Medienschicht, wobei ihr geometrischer mittlerer Faserdurchmesser DL kleiner als 1 μm ist, nämlich eine „Nanofaserschicht” oder „NL.” Ferner ist der geometrische mittlere Faserdurchmesser der Fasern auf der der Nanofaserschicht vorgelagerten Seite zwischen etwa 1,1- und etwa 2,8-mal, vorzugsweise zwischen etwa 1,2- und etwa 2,4-mal und mehr bevorzugt zwischen etwa 1,2 und etwa 1,7 oder zwischen etwa 1,2- und etwa 1,5-mal größer als der mittlere Faserdurchmesser der Fasern auf der der Nanofaserschicht nachgeordneten Seite. Bei einigen Ausführungsformen ist die Dicke der Nanofaserschichten vorzugsweise größer als 40 μm, oder größer als etwa 80 μm, oder größer als etwa 100 μm. Bei einigen Ausführungsformen umfasst die Nanofaserschicht eine erste Unterschicht, eine zweite, der ersten Unterschicht nachgeordnete, Unterschicht und optional weitere Unterschichten, wobei die Unterschichten in abgestufter Weise angeordnet sind, so dass die erste Unterschicht einen größeren geometrischen mittleren Faserdurchmesser als die zweite Unterschicht aufweist, vorzugsweise in einem Verhältnis von etwa 1,1–2,8 oder etwa 1,2–2,4. Bei einigen Ausführungsformen umfasst das Verbundmaterial-Filtermedium mindestens eine erste Nanofaserschicht, eine zweite, der ersten Nanofaserschicht nachgeordnete, Nanofaserschicht und optional weitere Nanofaserschichten; wobei die erste Nanofaserschicht einen größeren geometrischen mittleren Faserdurchmesser als die zweite Nanofaserschicht aufweist, vorzugsweise in einem Verhältnis von etwa 1,1–2,8 oder etwa 1,2–2,4; und wobei die erste Nanofaserschicht und die zweite Nanofaserschicht optional durch eine Zwischenschicht getrennt sind (z. B. eine grobe Nanofaserschicht oder eine Mikrofaserschicht).
- • Die eben beschriebenen Schichten sind polymerische, z. B. thermoplastische Materialien, einschließlich Polyamid, Polyester, Polysulfon, Polypropylen-Material, Fluorpolymer einschließlich Polytetrafluorethylen oder Ethylen-Chlortrifluorethylen-Copolymer oder andere organische Polymermaterialien mit geeigneten geometrischen, strukturellen und chemischen Widerstandseigenschaften, und sie sind laminiert, gebunden oder auf sonstige Weise miteinander durch thermische (z. B. durch Ultraschallbehandlung) oder andere chemische oder nicht chemische Behandlungen (z. B. durch Auftragen von Haftmittel) verbunden.
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Das Verbundmaterial-Filtermedium kann die folgenden zusätzlichen Merkmale aufweisen:
- • Eine den vorstehend beschriebenen Nanofaserschicht(en) vorgelagerte optionale Schicht, die einen geometrischen mittleren Faserdurchmesser größer als 1 μm aufweist, nämlich eine „Mikrofaserschicht” oder „ML.” Die Mikrofaserschicht umfasst üblicherweise Mikrofasern, so dass das Verhältnis des geometrischen mittleren Faserdurchmessers auf der der Mikrofaserschicht nachgeordneten Seite zum geometrischen mittleren Faserdurchmesser auf der der Nanofaserschicht vorgelagerten Seite zwischen etwa 1,2 und etwa 2,8, vorzugsweise zwischen etwa 1,2 und etwa 2,4 und mehr bevorzugt zwischen etwa 1,2 und etwa 1,7 oder etwa 1,2 und etwa 1,6 liegt.
- • Zusätzlich eine oder mehrere optionale Mikrofaserschichten aus faserigen Filtermedien, der weiter oben beschriebenen Mikrofaserschicht vorgelagert. Zum Zweck der Nomenklatur können die optionalen Mikrofaserschichten, von vorgelagert zu nachgeordnet, wie folgt bezeichnet werden: ML4 > ML3 > ML2 > ML1 > NL. Diese vorangehenden optionalen Mikrofaserschichten umfassen Fasern mit einem geometrischen mittleren Durchmesser, der um einen Faktor zwischen etwa 1,2 bis etwa 2,8 im Vergleich zum geometrischen mittleren Faserdurchmesser in einer folgenden nachgelagerten Mikrofaserschicht oder Nanofaserschicht zunimmt, vorzugsweise zwischen etwa 1,2 und etwa 2,4, oder zwischen etwa 1,2 und etwa 1,7, oder zwischen etwa 1,2 und etwa 1,6. Falls der geometrische mittlere Faserdurchmesser der Fasern auf der vorgelagerten Seite der Nanofaserschicht 0,7 μm beträgt, könnten die folgenden geometrischen mittleren Faserdurchmesser der Fasern in den entsprechenden Mikrofaserschichten bei Betrachtung in der vorgelagerten Richtung wie folgt sein: ML1 = 1,0 μm (1,0/0,7 = ~1,4); ML2 = 1,6 μm (1,6/1 = 1,6), ML3 = 2,4 μm (2,4/1,6 = 1,5); und ML4 = 3,5 μm (3,5/2,4 = ~1,5).
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In der folgenden Beschreibung und den Tabellen wird auf verschiedene Messtechniken und Testverfahren Bezug genommen. Der geometrische mittlere Faserdurchmesser der Schichten, aus denen das Verbundmaterial-Filtermedium besteht, wurden durch Rasterelektronenmikroskopie bestimmt. Für die abgestufte Nanofaserschicht wurde der geometrische mittlere Faserdurchmesser der Fasern auf der vorgelagerten Seite und auf der nachgeordneten Seite separat bestimmt und sind wiedergegeben.
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Das „Nanofaserschicht-Durchmesserverhältnis” ist das Verhältnis des vorgelagerten geometrischen mittleren Faserdurchmessers (z. B. auf der vorgelagerten Seite der Nanofaserschicht) zum nachgeordneten geometrischen mittleren Faserdurchmesser (z. B. auf der nachgeordneten Seite der Nanofaserschicht). „P50” und „P99” beziehen sich auf die Verbundmaterial-Medienporengröße, so dass der angegebene Prozentsatz des Gesamtdurchflusses, jeweils 50% oder 99%, Poren durchströmt, deren Größe kleiner als die oder gleich der angegebene(n) Größe ist, entsprechend der Bestimmung unter Verwendung von Porous Materials Inc. Porometer und Porewick® oder eines anderen geeigneten Fluids. Beispielsweise gibt ein P50 von 5 μm an, dass 50% der Strömung durch das Medium durch Poren strömt, die einen effektiven Durchmesser ≤ 5 μm aufweisen. Das P99-zu-P50-Verhältnis oder P99/P50 ist das Verhältnis von P99 zu P50 für das Verbundmaterial-Filtermedium, und es ist ein Maß des Umfangs der mittleren Porengrößenverteilung. Die Luftdurchlässigkeit wurde anhand von ASTM D737 gemessen. Die Dicke wurde anhand von ASTM D5729 gemessen. Das Flächengewicht wurde anhand von ASTM D1777 gemessen.
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Die Kapazität der Schadstoffentfernung und Staubaufnahme wurde unter Verwendung des Multipass-Filter-Testverfahrens nach ISO 19438 bestimmt, das wie folgt abgeändert wurde. Die Testfilter wurden entweder dem ISO Feinem Teststaub (ISO FTD) oder Powder Technology Inc. 0–5 Mikrometer Teststaub (PTI) ausgesetzt. ISO FTD ist der im Standardtest geforderte Schadstoff. PTI wurde verwendet, um die Größenverteilung der Schadstoffpartikel in Anwendungen zu simulieren, bei denen Schadstoffe eine Feinpartikel-Größenverteilung wie bei Sekundärfiltern für Kraftstoffsysteme oder Hydraulikanwendungen aufweisen. In den Daten sind die Ergebnisse der Schadstoffentfernung ausgedrückt als einzelne Zahl, die der Partikelgröße entspricht, die das Filtrations- oder Beta-Verhältnis von 75 ergibt. Das Filtrations- oder Beta-Verhältnis ist definiert als das Verhältnis der zeitgewichteten durchschnittlichen zahlenmäßigen Konzentration von Partikeln, die größer sind als die dem Filter vorgelagerte zu der dem Filter nachgeordneten angegebenen Größe. Somit gibt ein Filtrations- oder Beta-Verhältnis von 75 eine Konzentration von einem Filter vorgelagerten Partikeln an, die größer sind als eine angegebene Größe die 75-mal höher ist als die Konzentration von dem Filter nachgeordneten Partikeln, die größer sind als die angegebene Größe. Filtrations- oder Beta-Verhältnisse werden üblicherweise in der Form βx = Y ausgedrückt, wobei sich X auf die Partikelgröße in μm(c) bezieht und wobei sich Y auf den tatsächlichen Wert des Filtrations- oder Beta-Verhältnisses wie beschrieben bezieht. Die Entfernungseffizienz kann als Prozentangabe berechnet werden (z. B. größer als etwa 95%, 96%, 97%, 98% oder 99%). Die einem Filtrationsverhältnis entsprechende Größe wird durch Interpolation des Filtrationsverhältnisses gegen die Daten der Partikelgröße für das Filtermedium bestimmt.
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Die Partikelgrößenverteilung wurde zuvor bewertet, wie auch die Notwendigkeit der Entwicklung von Filtern, die Partikelgrößenverteilungen bewältigen müssen, die mit Feinpartikeln angereichert sind, die kleiner sind als 4 μm(c). (Siehe z. B. die US-Anmeldungen mit folgenden Veröffentlichungsnummern: 2011/0233152; 2010/0050871; 2011/0168647; 2011/0168621; 2012/0292252; wobei deren Inhalt in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme hierin übernommen wird). Auf der Basis des Stands der Technik würde jedoch bei Betrachtung des Falls eines Primärfilters mit einer mittleren Durchfluss-Porengröße von etwa 10 μm und eines sekundären Filters mit einer mittleren Durchfluss-Porengröße von etwa 5 μm mittlerer Porengröße erwartet, dass die Filtration in jeder Phase und die anschließende Partikelentfernung kumulativ sind. Die im Folgenden erörterten Resultate geben jedoch an, dass dies nicht unbedingt der Fall ist.
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1 stellt Ergebnisse bereit, wobei die Partikelentfernung für zwei Typen von Sekundärfiltermedien (d. h. Medium A und Medium B) unter Verwendung des Multipass-Filter-Testverfahrens nach ISO 19438 verglichen wurde:
Wie in 1 gezeigt, ist das Medium A ein typisches nassgelegtes Mikrofaser-Filtermedium mit einem P99-zu-P50-Verhältnis größer als 3. Medium B ist ein Nanofaser-Filtermedium mit einem P99-zu-P50-Verhältnis von etwa 2. Die Reaktionen dieser beiden Medientypen auf Aussetzung auf eine feinere Partikelgrößenverteilung sind sehr unterschiedlich. Die Partikelentfernung ist im Vergleich zum ISO-Feinstaubtest verringert, wenn Medium A der feineren Staubgrößenverteilung ausgesetzt wird, die durch einen Primärfilter erzeugt wird. Andererseits ist die Partikelentfernung durch Medium B durch die Staubgrößenverteilung relativ unbeeinflusst. Dieses unerwartete Resultat kann den Differenzen sowohl beim Faserdurchmesser (d. h. Mikrofaser mit Medium A im Vergleich zu Nanofaser mit Medium B) als auch bei der Porengrößenverteilung (d. h. breiter für Medium A als für Medium B) zugeschrieben werden. Nach dem Stand der Technik wurde die Auswirkung von Faserdurchmesser und/oder Porengrößenverteilung auf die Staubaufnahmekapazität und die Lebensdauer des Filters als Funktion der Partikelgrößenverteilung nicht berücksichtigt. Obwohl bei Medium B in diesem Test eine bessere Leistung beobachtet wurde, kann die Anwendung der für Medium B verwendeten Medien-Designstrategie die Lebensdauer in der Praxis verkürzen. Ein neuer Ansatz beim Filtermedien-Design ist zum Erreichen von Folgendem erforderlich: sowohl (1) hohe Schadstoffentfernung bei feinen Partikeln gerade bei Aussetzung an eine feinere Partikelgrößenverteilung; als auch (2) verbesserte Lebensdauer.
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2 zeigt die Unzulänglichkeiten bestehender Ansätze bei dieser Aufgabe und den Nutzen des hier offenbarten Verbundmaterial-Filtermediums unter Verwendung von Filtermedien, die ähnliche Merkmale der mittleren Durchfluss-Porengröße (P50) und des 4 μm(c) Filtrationsverhältnisses aufweisen.
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Wie in 2 gezeigt, sind die Medien C und D konventionelle Mikrofasermedien, denen faseriges Material im Nanofaser-Maßstab fehlt und die ein P99-zu-P50-Verhältnis größer als 2 aufweisen, während die Medien E, F, G und H faseriges Material im Nanofaser-Maßstab umfassen und ein P99-zu-P50-Verhältnis kleiner als 2 aufweisen. Aus den Ergebnissen ist zu erkennen, dass Medien C und D bei Aussetzung an den ISO FTD generell Filtrationsverhältnisse βx von 75 bei Partikelgrößen X aufweisen, die signifikant größer sind als die mit Medien E, F, G und H erhaltenen, auch wenn die 4 μm(c) Filtrationsverhältnisse ähnlich sind. Somit sind diese konventionellen Mikrofasermedien beim Entfernen von Schadstoffen weniger effektiv als die Nanofasermedien, insbesondere bei größeren Partikelgrößen. Dieses Ergebnis, welches für anspruchsvolle Anwendungen wie Kraftstoff- und Hydraulikfiltration ungünstig ist, kann auf die breitere Porengrößenverteilung zurückgeführt werden, welche es größeren Partikeln ermöglicht, das Medium zu penetrieren. Medium C hat bei Aussetzung an den ISO-FTD-Test eine Staubaufnahmekapazität im gleichen Bereich wie die Nanofasermedien E bis J. Bei Aussetzung an einen feineren Staub (d. h. PTI 0–5 μm Staub) sinkt das Entfernen jedoch auf ungünstige Niveaus deutlich unter denen der Nanofasermedien, wie durch die Resultate mit βx = 75 angegeben. Zusätzlich weist Medium C, welches das beste Entfernen bei den konventionellen Medien vorwies, eine geringere Kapazität auf als ein beliebiges der Nanofasermedien. Diese Ergebnisse belegen, dass das erfindungsgemäße Verbundmaterial-Filtermedium, das eine abgestufte Nanofaser-Medienschicht umfasst, sowohl besseres Entfernen und gleichzeitig bessere Kapazität oder Lebensdauer bereitstellt als bereits bekannte Filtermedien bei Aussetzung an einen Schadstoff, der eine feinere Partikelgrößenverteilung aufweist. Insbesondere wurden diese Ergebnisse erzielt unter Verwendung von Medien, die Nanofasermedien mit einer mittleren Durchfluss-Porengröße von kleiner als etwa 7 bis 10 μm und eine enge Porengrößenverteilung enthalten (d. h. P99-zu-P50-Verhältnis kleiner als 2).
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Ein Vergleich von Medien E bis H belegt ferner den Nutzen einer abgestuften Nanostruktur, um sowohl hohes Entfernen und als auch große Kapazität für Schadstoff mit feinerer Partikelgrößenverteilung, wie in 2 gezeigt, zu erzielen. Das Nanofaser-Durchmesserverhältnis (d. h. das Verhältnis des geometrischen mittleren Faserdurchmessers auf der der Nanofaserschicht vorgelagerten Seite zum auf der der Nanofaserschicht nachgeordneten Seite) kann zum Quantifizieren der abgestuften Struktur verwendet werden. Somit bezieht sich ein Faserdurchmesser-Verhältnis von 1 auf ein Medium ohne abgestufte Struktur. Ein Verhältnis geringer als 1 gibt an, dass die vorgelagerten Fasern feiner sind als die nachgeordneten Fasern, während ein Verhältnis größer als 1 angibt, dass die vorgelagerten Fasern gröber sind als die nachgeordneten Fasern. Dieses Verhältnis lässt sich leicht unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops bestimmen, um den jeweiligen geometrischen mittleren Faserdurchmesser auf jeder Seite der Nanofasermedien oder der Schicht zu bestimmen. Medium E, welches ein Faserdurchmesser-Verhältnis von 1 aufweist, weist eine relativ hohe ISO-FTD-Kapazität auf, aber eine der niedrigsten PTI-Kapazitäten. Medium F, welches ein Nanofaser-Durchmesserverhältnis von etwa 0,7 aufweist, weist die niedrigste ISO-FTD- und PTI-Kapazität auf. Andererseits weist Medium G, welches ein Faserdurchmesser-Verhältnis von 1,5 aufweist, fast die gleiche ISO-FTD-Kapazität wie Medium E auf, aber eine fast 30% höhere PTI-Kapazität. Die Verbesserung ist noch deutlicher bei Medium H, welches ein Nanofaser-Durchmesserverhältnis von 2,2 aufweist. Die Medien F, G und H weisen alle bessere Entfernungseigenschaften mit PTI-Staub vor als Medium E. Zusammen belegen die Resultate, dass eine Nanofaserabstufung mit einem Nanofaser-Durchmesserverhältnis zwischen etwa 1,1 und 2,8, und vorzugsweise zwischen etwa 1,2 und 2,4, die Kapazität und Lebensdauer bei Anwendungen verbessert, die feine Schadstoffpartikel-Größenverteilungen umfassen. Diese Vorteile könnten abnehmen, wenn die mittlere Durchfluss-Porengröße P50 der Nanofaser etwa 7 bis 10 μm überschreitet oder wenn das P99-zu-P50-Verhältnis etwa 2 bis 3 überschreitet. Dieses unerwartete Resultat wurde zuvor nicht beobachtet.
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Um die Leistung und insbesondere die Kapazität mit einem Schadstoff, der eine feine Partikelgrößenverteilung aufweist, weiter zu verbessern, wurde die Interaktion zwischen vorgelagerten Mikrofaser-Medienschichten und der Nanofaserschicht bewertet. 3 fasst die Ergebnisse einer Versuchsreihe zusammen, die zur Optimierung der PTI-Staubkapazität und -entfernung durch die Veränderung des Faserdurchmessers der Mikrofaserschichten, die der Nanofaser vorgelagert sind, konzipiert wurde.
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In diesen Resultaten ist ein Konzeptparameter das Durchmesserverhältnis von Mikrofaser zu Nanofaser, das hier definiert ist als das Verhältnis des geometrischen mittleren Faserdurchmessers der nachgeordneten Seite der Mikrofaserschicht (> 1 μm) oder -schichten gegenüber dem Faserdurchmesser auf der vorgelagerten Seite der Nanofaserschicht oder -schichten. Wie in 3 gezeigt untersuchen die Medien I, J und K für diesen Parameter Nanofasern mit 0,7 μm Durchmesser. Medium J mit einem Verhältnis von 5,3 wies eine gewisse Verbesserung gegenüber Medium I vor, bei dem jegliche vorgelagerte Mikrofaserschicht fehlte. Medium K mit einem Verhältnis von 1,9 wies jedoch einen Kapazitätszuwachs um fast 70% vor, sowie eine Zunahme der Schadstoffentfernung bei allen Partikelgrößen. Dieses unerwartete Niveau der Verbesserung für eine feine Partikelgrößenverteilung kann dem schrittweisen Übergang von den Mikrofasermedien mit breiter Porengrößenverteilung zu den Nanofasermedien mit enger Porengrößenverteilung zugeschrieben werden.
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Die zweite in 3 gezeigte Datengruppe mit Bezug auf die Medien L, M, N und O zeigt den Effekt des Mikrofaser-zu-Nanofaser-Verhältnisses für ein abgestuftes Nanofaser-Verbundmaterialmedium. Diese Medien weisen die gleiche Nanofasergradienten-Struktur mit 0,57-μm-Fasern auf der vorgelagerten Seite und 0,43-μm-Fasern auf der nachgeordneten Seite auf, aber unterscheiden sich beim Verhältnis des Mikrofaser-Durchmessers zum Nanofaser-Durchmesser. Bei Fehlen einer vorgelagerten Mikrofaserschicht wie bei Medium L weist die abgestufte Nanofaser eine PTI-Kapazität von 21,50 Gramm pro Quadratmeter (g/m2) auf. Entgegen den Lehren des Stands der Technik verringert das Hinzufügen einer feinen vorgelagerten Mikrofaserschicht mit einem Verhältnis des Mikrofaser-Durchmessers zum Nanofaser-Durchmesser von 3,2 wie bei Medium M tatsächlich die PTI-Kapazität auf 20,5 g/m2. Statt Kapazität und Entfernen zu erhöhen, werden beide verringert, was zu reduziertem Schutz der Ausrüstung und kürzerer Lebensdauer im praktischen Betrieb führt. Andererseits wiesen die Medien N und O mit Mikrofaser-Nanofaser-Verhältnissen von jeweils 2,6 und 2,4 (welche sich an die Mikrofaser-Nanofaser-Verhältnisse von Medium K, wie weiter oben erörtert, annähern) eine erhöhte PTI-Kapazität verglichen mit Medium L auf. Dies zeigt, dass die Kapazität, wenn das Verhältnis des Mikrofaser-Durchmessers zum Nanofaser-Durchmesser kleiner als etwa 2,8 und idealerweise kleiner als etwa 2,4 ist, im Vergleich zum Ergebnis unter Verwendung von abgestufte Mikrofasermedien allein weiter verbessert werden kann. Diese Leistungsverbesserung für abgestuftes Nanofasermedium beim Entfernen eines Schadstoffs mit feiner Schadstoffpartikel-Größenverteilung lässt sich erzielen, wenn das Verhältnis des Mikrofaser-Durchmessers zum Nanofaser-Durchmesser zwischen 1,2 und 2,8 liegt.
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Bei den vorstehenden Beispielen wurde die Nanofaserschicht durch eine nachgeordnete Gittergewebeschicht gestützt. Die Gittergewebeschicht kann ein beliebiges geeignetes Polymer- oder Cellulosemedium mit einer größeren mittleren Durchfluss-Porengröße als das Verbundmaterial insgesamt sein, das die Nanofaserschicht vorzugsweise während der Medienproduktion und im Betrieb strukturell stützt. Bei einigen Ausführungsformen umfasst die Gittergewebe- oder Trägerschicht eine Mischung aus Cellulosematerial und Polymermaterial, wie eine Cellulose-basierte Schicht, die etwa 10 Gew.-% bis 30 Gew.-% Polymerfasern umfasst, was für das Ultraschallverbinden der gesamten Struktur vorteilhaft sein kann. Zusätzliche Medienschichten mit geometrischem mittleren Faserdurchmesser größer als 1 μm, wie bei Medium J und K, können auch in das der Nanofaserschicht vorgelagerte Verbundmaterial eingefügt werden, wie in die gerade erörterte Kapazitätsverbesserungsschicht und/oder in andere Schichten, um Unterstützung oder anderen funktionellen Nutzen bereitzustellen. Verfahren zum Herstellen von Polymer-Mikrofasern und -Nanofasern sind dem Stand der Technik bekannt. Allgemein kann die Abstufung durch das Erstellen individueller Schichten mit den beschriebenen Merkmalen und den verschiedenen Schichten zusammen mit eventuellen Mikrofaser- und Trägerschichten, die laminiert, verbunden oder auf andere Weise durch thermische, chemische oder nicht chemische Behandlung zusammengefügt werden, hergestellt werden.
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4 zeigt eine Ausführungsform des hierin beschriebenen Verbundmaterial-Filtermediums (Medium P), welches, von vorgelagert zu nachgeordnet, eine Mikrofaserschicht (3) mit einem geometrischen mittleren Faserdurchmesser von etwa 4,0 μm, eine Mikrofaserschicht (2) mit einem geometrischen mittleren Faserdurchmesser von etwa 1,7 μm, eine Mikrofaserschicht (1) mit einem geometrischen mittleren Faserdurchmesser von etwa 1,4 μm, eine Nanofaserschicht mit einem geometrischen mittleren Faserdurchmesser von etwa 580 nm auf der vorgelagerten Seite und einem geometrischen mittleren Faserdurchmesser von etwa 360 nm auf der nachgelagerten Seite der Nanofaserschicht, und eine Trägerschicht mit einem geometrischen mittleren Faserdurchmesser von etwa 17,5 μm umfasst.
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Zusätzliche Ausführungsformen von Verbundmaterial-Filtermedien
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Ausführungsform 1 – Ein Verbundmaterial-Filtermedium, umfassend eine erste, einer Nanofaserschicht vorgelagerte Mikrofaserschicht, wobei die Nanofaserschicht Polymer-Medienmaterial mit einem geometrischen mittleren Faserdurchmesser von etwa 100 nm bis 1 μm umfasst, wobei die Nanofaserschicht eine vorgelagerte Seite und eine nachgeordnete Seite und ein abgestuftes Design aufweist, wobei die vorgelagerte Seite der Nanofaserschicht einen größeren geometrischen mittleren Faserdurchmesser hat als die nachgeordnete Seite der Nanofaserschicht.
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Ausführungsform 2 – Das Verbundmaterial-Filtermedium nach Ausführungsform 1, wobei das Verhältnis des geometrischen mittleren Faserdurchmessers auf der vorgelagerten Seite der Nanofaserschicht zum geometrischen mittleren Faserdurchmesser auf der nachgeordneten Seite der Nanofaserschicht bei etwa 1,1 bis 2,8 liegt.
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Ausführungsform 3 – Das Verbundmaterial-Filtermedium nach Ausführungsformen 1 bis 2, wobei das Verhältnis des geometrischen mittleren Faserdurchmessers auf der vorgelagerten Seite der Nanofaserschicht zum geometrischen mittleren Faserdurchmesser auf der nachgeordneten Seite der Nanofaserschicht bei etwa 1,2 bis 2,4 liegt.
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Ausführungsform 4 – Das Verbundmaterial-Filtermedium nach einer der Ausführungsformen 1 bis 3, wobei das Verhältnis des geometrischen mittleren Faserdurchmessers auf der vorgelagerten Seite der Nanofaserschicht zum geometrischen mittleren Faserdurchmesser auf der nachgeordneten Seite der Nanofaserschicht bei etwa 1,2 bis 1,5 liegt.
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Ausführungsform 5 – Das Verbundmaterial-Filtermedium nach einer der Ausführungsformen 1 bis 4, wobei das Verbundmaterial-Filtermedium eine mittlere Durchfluss-Porengröße P50 von etwa 0 bis 10 μm aufweist.
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Ausführungsform 6 – Das Verbundmaterial-Filtermedium nach einer der Ausführungsformen 1 bis 5, wobei das Verbundmaterial-Filtermedium eine mittlere Durchfluss-Porengröße P50 von etwa 0 bis 7 μm, oder von etwa 0 bis 5 μm aufweist.
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Ausführungsform 7 – Das Verbundmaterial-Filtermedium nach einer der Ausführungsformen 1 bis 6, wobei das Verbundmaterial-Filtermedium eine Porengrößenverteilung aufweist, so dass P99/P50 kleiner als etwa 2 ist.
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Ausführungsform 8 – Das Verbundmaterial-Filtermedium nach einer der Ausführungsformen 1 bis 7, wobei das Verbundmaterial-Filtermedium eine Porengrößenverteilung hat, so dass P99/P50 bei etwa 1,2 bis 1,6 liegt.
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Ausführungsform 9 – Das Verbundmaterial-Filtermedium nach einer der Ausführungsformen 1 bis 8, wobei die Nanofaserschicht Polyamid, Polyester, Polysulfon, Polypropylen, Polytetrafluorethylen und/oder Ethylen-Chlortrifluorethylen-Copolymer umfasst.
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Ausführungsform 10 – Das Verbundmaterial-Filtermedium nach einer der Ausführungsformen 1 bis 9, wobei das Verhältnis des geometrischen mittleren Faserdurchmessers auf der nachgeordneten Seite der ersten Mikrofaserschicht zum geometrischen mittleren Faserdurchmesser auf der vorgelagerten Seite der Nanofaserschicht bei etwa 1,2 bis 2,8 liegt.
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Ausführungsform 11 – Das Verbundmaterial-Filtermedium nach einer der Ausführungsformen 1 bis 10, wobei das Verhältnis des geometrischen mittleren Faserdurchmessers auf der nachgeordneten Seite der ersten Mikrofaserschicht zum geometrischen mittleren Faserdurchmesser auf der vorgelagerten Seite der Nanofaserschicht bei etwa 1,2 bis 2,4 liegt.
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Ausführungsform 12 – Das Verbundmaterial-Filtermedium nach einer der Ausführungsformen 1 bis 11, wobei der geometrische mittlere Faserdurchmesser der ersten Mikrofaserschicht bei etwa 1 bis 1,8 μm liegt.
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Ausführungsform 13 – Das Verbundmaterial-Filtermedium nach einer der Ausführungsformen 1 bis 12, ferner umfassend eine zweite Mikrofaserschicht, wobei das Verhältnis des geometrischen mittleren Faserdurchmessers auf der nachgeordneten Seite der zweiten Mikrofaserschicht zum geometrischen mittleren Faserdurchmesser auf der vorgelagerten Seite der ersten Mikrofaserschicht bei etwa 1,2 bis 2,8 liegt.
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Ausführungsform 14 – Das Verbundmaterial-Filtermedium nach einer der Ausführungsformen 1 bis 13, ferner umfassend eine der Nanofaserschicht nachgeordnete Trägerschicht, wobei die Trägerschicht Polymermaterial, Cellulosematerial oder eine Kombination davon umfasst.
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Ausführungsform 15 – Das Verbundmaterial-Filtermedium nach einer der Ausführungsformen 1 bis 14, wobei das Verbundmaterial-Filtermedium eine mittlere Durchfluss-Porengröße P50 von etwa 0 bis 10 μm und eine Porengrößenverteilung aufweist, so dass P99/P50 kleiner als etwa 2 ist.
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Ausführungsform 16 – Das Verbundmaterial-Filtermedium nach einer der Ausführungsformen 1 bis 15, wobei das Verbundmaterial-Filtermedium eine mittlere Durchfluss-Porengröße P50 von etwa 0 bis 5 μm und eine Porengrößenverteilung aufweist, so dass P99/P50 etwa 1,2 bis 1,6 ist.
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Ausführungsform 17 – Das Verbundmaterial-Filtermedium nach einer der Ausführungsformen 1 bis 16, wobei die Nanofaserschicht eine Dicke von mindestens etwa 40 μm aufweist.
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Ausführungsform 18 – Das Verbundmaterial-Filtermedium nach einer der Ausführungsformen 1 bis 17, wobei die Nanofaserschicht eine Dicke von mindestens etwa 80 μm aufweist.
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Ausführungsform 19 – Das Verbundmaterial-Filtermedium nach einer der Ausführungsformen 1 bis 18, wobei die Nanofaserschicht eine erste, einer zweiten Unterschicht vorgelagerte, Unterschicht umfasst, wobei die erste Unterschicht einen größeren geometrischen mittleren Faserdurchmesser aufweist als die zweite Unterschicht, vorzugsweise in einem Verhältnis von etwa 1,1 bis 2,8 oder etwa 1,2 bis 2,4.
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Aus der vorangehenden Beschreibung wird der Fachmann ohne Weiteres erkennen, dass verschiedene Ersetzungen und Modifikationen an der hierin offenbarten Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang und Gedanken der Erfindung abzuweichen. Die hierin erläuternd beschriebene Erfindung kann auf geeignete Weise in Abwesenheit jeden Elements oder Elemente, Beschränkung oder Beschränkungen, die hierin nicht ausdrücklich offenbart ist bzw. sind, ausgeführt werden. Die verwendeten Begriffe und Ausdrücke werden als beschreibende Begriffe, aber nicht als Beschränkung verwendet, und die Verwendung dieser Begriffe und Ausdrücke soll keine Äquivalente der dargestellten oder beschriebenen Merkmale oder von Teilen davon ausschließen, sondern es sei klargestellt, dass verschiedene Modifikationen innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung möglich sind. So sei klargestellt, dass die vorliegende Erfindung zwar durch konkrete Ausführungsformen und wahlfreie Merkmale veranschaulicht worden ist, dass aber Modifikationen und/oder Variationen der hierin offenbarten Konzepte für den Fachmann naheliegen können, und dass solche Modifikationen und Variationen als vom Schutzumfang der Erfindung umfasst betrachtet werden.
