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Filtermaterial Die Erfindung bezieht sich auf ein Filtermaterial,
das im wesentlichen aus wirr verteilten, langen relativ steifen Fasern in Vliesform,
zwischen denen Filterhilfsmaterial eingelagert ist, besteht. Das erfindungsgemäße
Filtermaterial ist zum Abscheiden von Schmutzteilchen aus flüssigen und gasförmigen
Medien bestimmt.
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Es ist bereits bekannt, Filtermedien aus einer Mischung aus groben
und feinen Fasern herzustellen, und es wurde versucht, eine homogene Mischung aus
solchen Fasern zu erhalten. Es wurde jedoch gefunden, daß bei vielen Filtervorgängen
eine heterogene Mischung aus solchen Fasern zu weit besseren Ergebnissen führt.
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Eine homogene Mischung aus groben und feinen Fasern ist sehr brauchbar,
um Schmutz aus einem Medium zu entfernen, dessen Strömungsgeschwindigkeit gering
ist; strömt jedoch das Medium und insbesondere eine Flüssigkeit mit verhältnismäßig
hoher Geschwindigkeit, so übt es an der Oberfläche der Fasern eine deutliche Massenwirkung
auf die an diesen Fasern abgesetzten Schmutzteilchen aus und entfernt diese.
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Es ist auch ein Filter bekannt, das aus grobporigen Filterplatten
besteht, in dessen Poren feinzerteilte Feststoffe eingelagert sind, z. B. pulverförmiges
Filtermaterial. Ein derartiges Filter ist zur Abscheidung von Mikroben und Kolloiden
aus Flüssigkeit bestimmt, eignet sich aber nicht für die Abscheidung grober Schmutzbestandteilchen
aus flüssigen oder gasförmigen Medien, z. B. aus Ö1 oder Ansaugluft einer Brennkraftmaschine.
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Schließlich ist es Gegenstand eines älteren Rechts, ein Filtermaterial
aus Faserstoffen, z. B. aus Cellulose- und Asbestfasern, mit einem Filterhilfsmaterial
zu mischen, das aus Diatomenerde besteht und gewichtsmäßig den größeren Teil des
Filtermaterials darstellt. Ein solches Filter ist insbesondere zum Filtern von Getränken
bestimmt.
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Gemäß der Erfindung soll das in dem Gerüst aus langen und steifen
Fasern eingelagerte sogenannte Filterhilfsmaterial aus mittels kürzeren Fasern vorgeformten
Kügelchen mit größerer Dichte als das Vlies bestehen und sollen diese Kügelchen
gleichmäßig im Vlies verteilt sein. Bei einem solchen erfindungsgemäßen heterogenen
Filtermaterial übernehmen die dichten Kügelchen durch Oberflächenwirkung und zufolge
Durchströmung als Teilfilterwirkung den größten Teil der Reinigungsaufgabe. Die
langen und steifen Fasern haben demgegenüber vorwiegend nur die Aufgabe, ein Stützgerüst
für die Kügelchen und ein System von Strömungskanälen zu
schaffen, das eine verhältnismäßig
schnelle Durchströmung des Filtermaterials erlaubt, ohne daß die Fasem zusammensacken
und sich verfilzen. Die allgemeine Strömungsgeschwindigkeit wird an der Oberfläche
der Kügelchen durch Umlenkung und bei Durchströmung der Kügelchen durch die Strömung
infolge des hier erhöhten Strömungswiderstandes herabgesetzt, so daß sich Schmutzteilchen
sowohl an der großen inneren Oberfläche der Kügelchen als auch in deren Innerem
absetzen; dennoch tritt wegen der in diesen Bereichen verminderten Strömungsgeschwindigkeiten
die bei homogenen Fasermaterialien unerwünschte Waschwirkung nicht ein, d. h., die
abgesetzten Schmutzteilchen werden auch bei hohen durchschnittlichen Strömungsgeschwindigkeiten
von den Kügelchen nicht wieder abgelöst.
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Das erfindungsgemäße Filtermaterial eignet sich als Tiefenfilter,
bei dem das zu füternde flüssige oder gasförmige Medium durch eine dicke Schicht
aus Fasermaterial, die beispielsweise eine Dicke von 2,5 cm oder mehr besitzen kann,
geleitet wird. Die groben Fasern sind vorzugsweise gekräuselt, um dadurch einem
Zusammensacken der Fasern während des Gebrauchs entgegenzuwirken, und die durch
die
gekräuselten Fasern gebildeten gewundenen Strömungskanäle sind
um vieles länger als der gerade Weg durch das Filtergewebe. Die groben Fasern reinigen
das Filtrat nur in unbedeutendem Maße, da das Medium schnell durch die Kanäle strömt,
und infolge dessen wäscht das strömende Filtrat kontinuierlich die Oberfläche dieser
groben Fasern ab.
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Die wirksame Entfernung des Schmutzes geschieht bei dem erfindungsgemäßen
Filtermaterial durch die genannten Kügelchen oder Fasernester, die zwischen den
groben Fasern verstreut sind. Diese Kügelchen sind so ausgebildet und in der Fasermasse
angeordnet, daß das durch das Filter strömende Medium schließlich mit ihnen in Berührung
kommt oder durch ein oder mehrere Kügelchen hindurchströmt.
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Diese ausgewogene Kombination zwischen einer hohen Strömungsgeschwindigkeit
des durch die Kanäle strömenden Mediums, die durch grobeFasern gebildet werden,
und einer niedrigen Strömungsgeschwindigkeit, mit der das Medium durch die Kügelchen
strömt, gestattet es, daß sich der in dem Medium enthaltene Schmutz auf den Fasern
der Kügelchen absetzt und von diesen zurückgehalten wird.
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Die Kügelchen können verschieden aufgebaut sein und haben vorzugsweise
eine mehr oder weniger runde Form und einen Durchmesser von etwa 0,3 cm oder mehr.
Sie sollten in der Fasermasse verhältnismäßig dicht nebeneinander angeordnet sein,
damit das gesamte verschmutzte Medium, das durch die Filtermasse strömt, mit mehreren
dieser Kügelchen in Berührung kommt und filtriert wird, indem es gegen oder durch
die Kügelchen strömt.
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Ausgezeichnete Ergebnisse wurden dadurch erzielt, daß das obengenannte
Gerüst aus verhältnismäßig langen, groben, willkürlich wirr verteilten, gekräuselten
Acetatfasern von 35 Denier gebildet wurde, während die Kügelchen oder Nester aus
gereinigtem Holzzellstoff bestanden. Die Kügelchen können jedoch aus den verschiedensten
kurzen feinen Fasern bestehen, jedoch auch aus verhältnismäßig langen groben Fasern
gebildet sein, wenn diese Fasern zusammengerollt oder auf andere Weise zu kompakten
Kugeln oder Nestern verarbeitet sind.
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Gereinigte Holzzellstoffasern sind in vielen Fällen wegen ihrer von
Natur aus besonders großen Oberfläche pro Faser gut geeignet. Nach dem Schnitzeln
bzw. nachdem das ursprüngliche Holz in eine Pulpe verwandelt und gebleicht wurde,
bleibt ein Cellulosegerüstaufbau übrig, der zum Aufnehmen und Zurückhalten des in
den meisten Filtraten enthaltenen Schmutzes gut brauchbar ist.
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Ein erfindungsgemäßes, aus einer heterogenen Fasermischung bestehendes
Filtermaterial kann zum Filtrieren verschiedener Flüssigkeiten und Gase verwendet
werden, vorzugsweise jedoch zum Filtern flüssiger Medien, da die Waschwirkung eines
flüssigen Mediums auf der Oberfläche der Fasern stärker ist als die Waschwirkung
eines gasförmigen Mediums.
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Flüssige Medien besitzen eine höhere Viskosität als Gase, und es ist
bekannt, daß die Waschwirkung direkt mit der Viskosität eines strömenden Mediums
in Beziehung steht. Da jede Filterwirkung von gewissen vorbestimmten Arbeitsbedingungen
abhängt, können die Ausbildung des erfindungsgemäßen Filters, die Art der groben
offenen Filterstruktur und die Menge und Verteilung der aus feinen Fasern bestehenden
Nester entsprechend unterschiedlich gestaltet werden.
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Das Filtermaterial kann in verschiedenen Ausführungsformen verwendet
werden. Es kann die Form einer dicken Fasermatte oder eines Flors, eines Zylinders
oder eines Kugelstumpfes haben, besitzt jedoch vorzugsweise die Form eines Zylinders
mit einem mittleren, sich längs erstreckenden Kanals für das Medium.
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In vielen Fällen ist es günstig, wenn die groben Fasern an ihren
Kreuzungspunkten in an sich bekannter Weise miteinander verbunden sind, damit sie
beim Gebrauch nicht zusammensacken. Auch kann, wenn ein Bindemittel verwendet wird,
die Masse aus groben Fasern und Kügelchen in jede Gestalt eines Filterkörpers geformt
werden.
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Die feinen Fasern können aus Holzzellstoff bestehen, der im allgemeinen
in dichten Blättern oder Folien erhältlich ist. Diese Blätter werden durch eine
Reißmaschine oder durch eine Schlagmühle geschickt, in der die Pulpe aufgeschlagen
und zu Faserknoten verarbeitet werden. Manche Zellstoff- oder Baumwollabfälle sowie
Linters werden nach der Verarbeitung durch Besprühen oder an der Luft getrocknet,
und man erhält sie auf diese Weise als Faserklumpen oder -kügelchen. Die feinen
Fasern können auch zu Kügelchen einheitlicher Größe und Dichte stranggepreßt werden.
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Unabhängig von der Art der Herstellung der Kügelchen und der Art
des Mischverfahrens soll das Gewichtsverhältnis von Kügelchen an groben Fasern vorzugsweise
etwa 50:50 betragen, wobei vorzugsweise auf das Gewicht der wie oben schon mit Bindemittel
besprühten Fasern, insbesondere Acetatfasern, zu beziehen ist.
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Das erfindungsgemäße Filtermaterial kann, wenn es aus billigen Acetatfasern
und billigem Zellstoff besteht, mit einem außerordentlich niedrigen Kostenaufwand
hergestellt werden. Seine Lebensdauer ist, verglichen mit der eines zur Zeit allgemein
verwendeten, aus gefaltetem Papier bestehenden Filters, unter den gleichen Strömungsbedingungen
mindestens zweimal so groß als die des gefalteten Papiers, und seine schmutzentfernende
Wirkung hat sich als viel größer als die der jetzt allgemein verwendeten Filter
aus gefaltetem Papier erwiesen.
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Die Erfindung ist an Hand der Zeichnungen näher erläutert, und zwar
zeigt F i g. 1 eine Draufsicht auf ein geformtes Filter, F i g. 2 eine schaubildliche
Seitenansicht des in F i g. 1 dargestellten Filters, F i g. 3 einen senkrechten
Schnitt durch ein Filter mit einem mittleren Versteifungsrohr, F i g. 4 eine Seitenansicht
eines Filters nach F 1 g. 3 mit Endscheiben, Fig 5 eine schaubildliche Ansicht eines
Filters in Form einer Platte oder eines Blockes, Fig. 6 eine abgewandelte Ausführungsform
des Filters als Kegelstumpf und Fig. 7 eine schaubildliche Ansicht eines Filters
mit nach außen ragenden Rippen.
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In den F i g. 1 und 2 bezeichnet das Bezugszeichen 10 allgemein ein
Tiefenfilter aus dem Material nach der Erfindung. Dieses Filter hat Zylinderform
und besitzt eine mittlere Bohrung 11. Bei diesem Filter kann das Medium von außen
nach innen oder von innen nach außen fließen. Es besteht aus einem Filterteil mit
radialer Tiefenerstreckung, aus mitein--ander in Verbindung stehenden, wahllos verteilt
angeordneten langen groben Fasern 15, die innerhalb
der geformten
Masse poröse Kügelchen 16 aus feinen Fasern aufweisen.
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Wenn das in den F i g. 1 und 2 gezeigte Filter eine Länge von mehr
als einigen Zoll besitzen soll, erweist es sich als günstig, es bis zu einem gewissen
Grad dadurch zu verstärken, daß ein gelochtes Mittelrohr 12 (F i g. 3 und 4) vorgesehen
wird. In einigen Fällen kann es vorteilhaft sein, das in den F i g 1, 2 und 3 gezeigte
Filter mit Endkappen 13 und 14 (F i g. 4) zu versehen. Diese Endkappen können aus
Papierscheiben bestehen und in an sich bekannter Weise mit Plastisol od. dgl. mit
der das Filterelement bildenden Fasermasse derart verklebt sein, daß sie an die
Enden des Mittelrohres 12 anliegen.
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Die in F i g. 5 dargestellte, allgemein mit 17 bezeichnete Ausführungsform
ist als eine dicke Fasermatte ausgebildet. Diese Matte kann zum Filtern zerschnitten
werden, deren Form einem Filtergehäuse angepaßt ist. Beispielsweise kann das Filter
17 zu einer dicken ringförmigen Scheibe zugeschnitten werden, die in ein Rohr od.
dgl. eingeklemmt wird, um das durch das Rohr strömende Medium zu filtrieren.
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In manchen Fällen - ist es günstig, ein Filter zu schaffen, das mit
äußeren Wänden versehen ist. Die Dicke des Filters kann sich von dem einen Ende
aus nach dem anderen hin verringern. Um dies zu erreichen, kann das Filter die mit
18 bezeichnete, in F i g. 6 dargestellte Kegelstumpfform besitzen. Dieser Gedanke,
die Stärke der Wände des geformten Filters zu variieren, kann auf unterschiedliche
Weise verwirklicht werden, beispielsweise dadurch, daß das geformte Filter, wie
bei 19 in F i g. 7 gezeigt, zylinderförmig mit sich längs erstreckenden Rippen20
ausgebildet ist, die die Dicke der Wand, durch die das Medium filtriert werden soll,
erhöhen.
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Beim Filtermaterial nach der Erfindung ist es nicht entscheidend,
daß die groben Fasern miteinander verbunden sind. Es ist jedoch wünschenswert, daß
die aus langen groben Fasern und Kügelchen aus feinen Fasern bestehende Masse in
der für den Filter erwünschten Form gehalten wird und daß die Kügelchen einigermaßen
gleichmäßig bzw. gleichförmig in der Filtermasse verteilt sind.
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Lange, stark gekräuselte Acetatfasern bewähren sich als Filtermaterial
sehr gut. Es können jedoch zur Herstellung des Gerüstes aus groben Fasern andere
lange, grobe, synthetische und natürliche lange Fasern, wie z. B. Holzwolle, Wolle,
Haar, Borsten usw., verwendet werden.
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Die groben Fasern sollen zur Erzielung guter Ergebnisse etwa 5 bis
10 cm lang sein und einen Durchmesser von 28 bis 70 Mikron besitzen. Die Länge der
die Kügelchen bildenden feinen Fasern sollen, falls sie nicht aus Zellstoff bestehen,
eine Länge von etwa 0,3 bis 2,5 cm besitzen, während ihr Durchmesser von einem Mikron
oder weniger bis zu 26 Mikron betragen kann. Soll das Filter zum Filtrieren eines
viskosen Mediums, wie viskoses Öl bzw.
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Schweröl, verwendet werden, dann muß das Gerüst aus gröberen Fasern
bestehen als beispielsweise beim Filtrieren leichten Öls. Auch die Art der in den
Kügelchen verwendeten Fasern hängt weitgehend von dem von den Kügelchen zu bewirkenden
Filtervorgang ab.
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Neben den obengenannten groben Fasern können zur Herstellung des
aus groben Fasern bestehenden Gerüstes auch Metallfasern verwendet werden, wobei
ihre
Sinter- und Versteifungseigenschaften dazu dienen können, die Metallfasern miteinander
zu verbinden. Werden die groben Fasern durch Sintern miteinander verbunden, dann
empfiehlt es sich, wegen der zum Binden der groben Fasern erforderlichen hohen Temperatur
Kügelchen aus feiner Glaswolle, keramischen Fasern oder anderen wärmebeständigen
Fasern zu verwenden. Diese Kombination von Metallfasern und Kügelchen aus anorganischen
Substanzen kann zum Filtrieren bei hohen Temperaturen verwendet werden.
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Bei dem Filtermaterial nach der Erfindung ist es wichtig, daß die
feinen Fasern praktisch ausschließlich auf die Kügelchen beschränkt bleiben, so
daß die von den groben Fasern gebildeten gewundenen Strömungskanäle praktisch frei
sind von einzelnen feinen Fasern, die die Strömung des Mediums in diesen Kanälen
verlangsamen könnten.
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An Stelle der aus Zellstoff bestehenden Kügelchen können in manchen
Fällen auch Kügelchen aus Baumwollinters, Baumwollflocken, kurzen feinen synthetischen
Stapelfasern, Glaswolle usw. verwendet werden. In anderen Fällen ist es von Vorteil,
feine kurze Acetatfasern mit dem Zellstoff zu vermischen, damit der Schmutz tiefer
in das Innere der Kügelchen aus feinen Fasern eindringen kann.
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Entscheidend ist es, daß die feinen Fasern in Form von Kügelchen
oder Nestern vorliegen und nicht als einzelne Fasern in dem Filtergewebe verstreut
sind, wo sie die Strömung des Mediums durch die Kanäle hemmen würden.
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Geformte Filtereinsätze der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Art, deren
Gerüst aus groben Acetatfasern und deren Kügelchen, wie oben beschrieben, aus Zellstoff
bestehen, wurden untersucht, um ihre Filterleistung gegenüber Öl mit der handelsüblicher
Filtereinsätze aus gefaltetem Papier und Filtereinsätzen aus Faserabfällen entsprechender
Größe zu vergleichen. Um zu bestimmen, wieviel Schmutz während der Versuchszeit
durch das Filter strömte, wurde der am Ende des Versuchs im ölsumpf gefundene Schmutz
extrahiert und gewogen.
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Die folgegde Tabelle gibt die Ergebnisse dieser Versuche wieder.
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Der nach dem Versuch im Ölsumpf bestimmte Schmutzgehalt in O/o
| Versuchszeit Gefaltetes Filter aus Erfindungs- |
| gemes gemäßes |
| Versuchszeit Gefaltetes Filter aus |
| gemäßes |
| in Minuten Papier Fasserabfällen |
| Filtermatieral |
| 60 0,05 0,05 0,02 |
| 120 0,09 0,06 u,03 |
| 180 0,11 0,08 0,05 |
| 240 0,13 0,12 0,06 |
Aus der obigen Tabelle ist ersichtlich, daß die Trennwirkung des Filtermaterials
nach der Erfindung für Feststoffe mehr als doppelt so groß ist wie die des gefalteten
Papiers und teilweise doppelt so groß wie die des Filters aus Faserabfällen.