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F I L T E R E L E M E N T Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf
ein Filterelement, das insbesondere - wenn auch nicht ausschließlich - zum Betrieb
bei hohen Druckdifferenzen geeignet ist.
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Ein Filter, das beispielsweise das hydraulische Medium des hydraulischen
Steuersystems eines Geschosses oder eines Flugzeuges filtern soll, benötigt gewöhnlich
ein Filterelement, das auch bei einem Differenzdruck von 316 kg/cm2 nicht zusammenfällt.
Das Filterelement muß in der Lage sein, Verunreinigungen mit äußerst geringer Partikelgröße
- etwa in der GröRenordnung von 25 Mikron und gewöhnlich noch kleiner - auszufiltern.
In diesem Zusammenhang verwendet man die Blasprobe, um sicherzustellen, daß das
Filterelement eine absolute Porengröße ße hat. Darüber hinaus muß das Filterelement
in der Lage sein, eine angemessene Menge an Verunreinigungen auszufiltern, bevor
es gereinigt oder erneuert werden muß.
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Die lange Verwendung von faserigem Filtermaterial, insbesondere in
Form von Wellpapier-Filterelementen, beispielsweise in Motorölfiltern, hat bewiesen,
daß dieses Filtermaterial sowohl die oben erwähnte Filterfeinheit als auch die angemessene
Aufnahmefthigkeit für Verunreinigungen bis zu dem Zeitpunkt, wo das Filterelement
unbrauchbar wird, hat. Faseriges Filtermaterial, wie etwa Papier, war jedoch von
der Verwendung als Filterelement unter den oben angegebenen Bedingungen ausgeschlossen,
weil es den hohen Differenzdrücken nicht zu widerstehen vermag und nicht die mit
der Blasprobe bestimmte gleichmäßige Porengröße hat.
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Man hat daher Drahtmaschengewebe aus nichtrostendem Stahldraht mit
überaus feinem Durchmesser und sehr fester hebung verwendet. Die Tatsache, daß diese
Gewebe Partikel in der Größenordnung von beispielsweise 15 ikron ausfiltern können,
läßt erkennen, wie dicht dieses Gewebe gewebt sein muß und wie dünn die einzelnen
Drähte sein müssen. Ein solches Drahtgewebe ist überaus teuer. Um einem Filterelement
aus einem solchen Drahtmaschengewebe die nötige Aufnahmefähigkeit für Verunreinigungen
zu verleihen, bevor es unbrauchbar wird oder vereinigt werden muß, muß man es prellen
diese Wellung und die nach der Wellung erfolgende Formung in die übliche -zylindrische
Gestalt mit längsverlaufenden Wellen, sowie insbesondere die Befestigung der gewellten
Enden an den erforderlichen Endhauben bereitete Herstellungsschwierigkeiten; dies
führte zu äu#erst hohen Herstellungskosten. Derartige Drahtmaschiengewebe haben
Jedoch die erforderliche Widerstandsfähigkeit gegen das Zusammenfallen bei hohen
Differenzdrücken und die gleichförmige geometrische Gestalt ihrer Poren hat zur
Folge, daß die Blasprobe zeit, daß das Drahtmaschengewebe eine absolute Porengröße
hat.
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Ein solches Drahtmaschengewebe hat nach der Herstellung auf seiner
ganzen Fläche die erforderliche gleinchförmige Porengrö#e, jedoch besteht die Gefahr,
daß die einzelnen Drähte beim Wellen und bei den anderen Bearbeitungsschritten zur
Herstellung des Filterelementes verscnoben werden. In gewissen Grenzen ist es möglich,
derartige Verschiebungen wieaer zu beseitigen. Hierdurch werden die Herstellungskosten
Jedoch weiter erhöht.
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Alle diese Schwierigkeiten treten bei der Verwendung von Papier oder
anderem Fasermaterial nicht auf. Verfahren zum Wellen von Papier und zur Herstellung
der vertrauten Zylindergestalt, sowie zur Befestigung der Endhauben an diesem Zylinder
werden seit langem insbesondere auf dem Gebiet der ?4otorölfilter angewendet.
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Ausgehend von diesen Überlegungen besteht die vorliegende Erfindung
im wesentlichen darin, daß man das beschriebene Drahtmaschengewebe nur insofern
benutzt, als man es zu einer einfachen, wellenfreien Gestalt, etwa zu einem Zylinder,
formt. Ohne die Wellen ist die Menge des benötigten Drahtmaschengewebes im Vergleich
zu der bekannten gewelltem Ausföhrungsform sehr gering;
außerdem
ist die Befestigung der Enden eines glatten Maschendrahtzylinders an den erforderlichen
Endhauben sehr leicht im Vergleich zu den Schwierigkeiten, die bei der Befestigung
der Enden eines gewellten Drahtgewebezylinders an den Endhauben auftreten. Auch
die Eerstellunr der erforderlichen Längsnaht+ ist einfacher. Da der Formungsvorgang
einfacher ist, kann man eine Verschiebung der Drähte des Drahtgewebes ohne weiteres
vermeiden. Es ergibt sich dann ein Filterelement, das den Druckdifferenzen zu widerstehen
vermag und bei der blsprobe eine absolute Porengröße ergibt, wobei dies alles mit
verhältnismä#ig geringen Kosten erreicht wird.
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Da ein solcher glatter Zylinder ohne Wellen jedoch eine verhältnismä#ig
kleine Gesamtoberfläche hat, ist die Aufnahmefähigkeit des Filterelementes bis zur
Erschöpfung für die praktische Anwendung nicht ausreichend. Die Flächenausdehnung
des Drahtgewebes ist kleiner als diejenige Flache, die erforderlich ist, um Verunreinigungen
auszufiltern, ohne da# das Filter vorzeitig durch die ausgefilterten Verunreinigungen
verstopft und folglich ein zu gro#es Druckgefälle zwischen der stromaufwärts und
der stromabwärts liegenden Seite des Drahtgewebes erzeugt wird. Es liegt auf der
Fand, daß man nur durch Wellung die zur Filterun verfügbare Fläche vergrößern kann,
um die Aufnahmefähigkeit des Filterelementes zu vergrö#ern, das hei#t den Zeitpunkt
hinauszuschieben, zu Ce die Druckdifferenz von der einen zur anderen Filterseite
durch Anlagerung von ausceflterten Partlkeln zu gro# wird. Diese auf der Hand liegende
tatsache hat die Filterfachleute von der Verwendung eines Zylinders oder einer anderen
einfachen Form aus dem Drahtgewebe geradezu weggeführt.
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Gemä# der voriiegenden Erfindung verwendet man nun einen gewelltee
mantel aus Filterpapier oder aus irgendeinem anderen faserigen Filtermaterial, das
den gegebenen Betriebsbedingungen gerecht wird, und erdnet diesen antel auf der
strömungsaufwärts liegenden Seite (das heißt normalerweise auf der Au#enseite) des
nicht gewellten, das heißt eisptelsweise des zylindrischen lementes aus dem Drahtgewebe
an. Der gewellte antel aus faserigem Filtermaterial sun mindestens die gleiche filterleistung
wie das Drahtgewebe haben. Wenn beispielsweise das Drahtgewebe alle Partikel mit
einer @rö#e von 15 @ikron unä mehrausfiltert, mu# der +zwischen den aneinandergrenzenden
@ängskanten des Drahtgewebes
gewellte Mantel aus faserigem Material
entsprechend mindestens all das ausfiltern, was die gleiche oder eine größere Partikelgrö#e
hat. In diesem Sinne ist die Filterleistung des gewellten Mantels aus Fasermaterial
vorzugsweise größer als die des Drahtgewebes. Hierdurch soll erreicht werden, daß
die Verunreinigungen nach Möglichkeit das Drahtgewebe nicht erreichen, so da# die
unzulängliche Aufnahmefähigkeit für Verunreinigungspartikel des Drahtgewebes unwichtiz
wird.
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Überraschenderweise zeigt der gewellte Fasermaterialmantel, der normalerweise
bei einer Druckdifferenz in der Grö#enordnung von 316 kg/cm2 zusammenfällt, keine
Beeinträchtigung, wenn er auf der strömungs aufwärts liegenden Seite des Drahtgewebes
angeordnet wird. Der gewellte Faserfiltermantel liefert die große Oberfläche, die
erforderlich ist, um eine ausreichend große Menge n Verunreinigungen aufnehmen zu
können, bevor der Strömungswiderstand zu groß wird. Das Drahtgewebe liefert die
Gleinchförmige Porengrö#e und macht es möglich, die Blasprobe zum Hachweis einer
absoluten Porengröße durchzuführen.
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Da der Fasermaterialmantel aus Fasern besteht und entweder ein Papier
ist oder ie Papier herrestellt werden kann, ist er im Vergleich zu Drahtgewebe äu#erst
billig. Die Herstellung der Wellung ebenso wie die Herstellung der Längsnaht oder
die Befestigung an den erforderlichen Endhauben nach der Wellung bereitet bei ihm
keinerlei ungewöhnliche Schwierigkeiten.
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Bei dem üblichen, von au#en nach innen durchströmten Filterlelement
aus gewelltem Drahtgewebe stützt man dieses auf der Innenseite durch ein dickwandiges,
perforiertes Stützrohr ab, wobei ein flacher Draht mit Vorsprüngen auf einer Seite
schraubenlinienförmig um das Rohr gewickelt wird, um eine Schicht zwischen dem Stützrohr
und den Drahtgewebe zu bilden, so da# die Filterflüssigkeit abfließen kann und das
Drahtgewebe nicht durch die Perforationen des Ctützrohres hindurch getrieben wird.
Die gleiche Anordnung kann man zur Abstützung der Innenseite des erfindungsgemä#en
Zylinders aus unrewelltem Drahtgewebe verwenden.
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Beim Filterelement gemä# der Erfindung tritt nicht die gewöhnlich
als
progressive Filterung bezeichnete Erscheinung auf. Diese besteht darin, daß man
auf der strömungsaufwärts liegenden Seite einer feinen Filterwand eine gröbere Filterwand
anordnet, die die größeren Partikel aus der zu filternden Strömung ausfiltert3 so
daß die in Strömungsrichtung liegende nächste, feinere Filterwand anschließend die
durch die erste Filterwand hindurchtretenden feinen Partikel ausfiltert. Bei der
vorliegenden Erfindung hingegen muß der Faserfiltermantel mindestens die gleiche
und vorzugsweise eine größere Filterqualität haben als das Drahtgewebe, so daß er
Partikel Jeglicher Größe ausfiltert. Der Erfindung liegt nämlich die Konzeption
zugrunde, daß verhindert werden soll, daß das Drahtgewebe die kleinsten Partikel
ausfiltern muß. Diese kleinsten Partikel sollen vielmehr vom Filterelement als ganzes
aus der Flüssigkeitsströmung ausgeWifiltert werden.
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Aufgabe oder Zweck der vorliegenden Erfindung ist es also, die Kosten-der
Filter der beschriebenen Art zu verringern, die ein Drahtgewebe haben müssen, um
Porenöffnungen solcher Gleichförmigkeit zu schaffen, wie sie erforderlich ist, um
bei der Elasprobe eine absolute Porengröße zu ergeben; gleichzeitig soll das Filterelement
gemäß der Erfindung mindestens die gleiche -wenn nicht gar eine größere - Kapazität
hinsichtlich der Abfangfähigkeit von Verunreinigungen haben wie die bekannten, viel
teureren Filterelemente aus gewelltem Drahtgewebe. Wegen der hohen Kosten der bekannten
Filterelemente aus gewelltem Drahtgewebe müssen diese zwangsläufig als mehrfach
verwendbare Filterelemente ausgebildet werden5 die man reinigen muß, wenn sich für
den weiteren Betrieb zu viel Verunreinigungen in ihnen abgelagert haben; hingegen
kann man wegen der viel geringeren Herstellungkosten ein Filterelement gemäß der
vorliegenden Erfindung teilweise oder ganz als Wegwerf-Filterelement ausbilden,
das nach einmaliger Benutzung weggeworfen und durch ein neues Teil ersetzt wird.
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In den beiliegenden Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung dargestellt, die zur Filterung der hydraulischen Steuerflüssigkeit in
Geschossen oder Flugzeugen geeignet sind. In den Zeichnungen zeigt:
Fig.
1 einen Längsschnitt durch ein Filterelement, das in ein typisches FiltergehEuse
eingebaut ist, von dem nur der untere Teil dargestellt ist.
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Fig. 2 ist ein Querschnitt nach der Linie 2 - 2 in Fig. 1.
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Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Filterelementes
zur Hälfte in Ansicht und zur Hälfte im LEngsschnitt, wobei hier das Filterelement
ohne Filtergehsiuse dargestellt ist.
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In den Fig. 1 und 2 weist das Filterelement ein inneres Stützrohr
1 auf, das eine dicke, feste Stand und auf seiner ganzen Länge und seinem ganzen
Umfang verteilt Löcher 2 aufweist. Auf die Außenseite dieser Wand ist eine Drainazeschicht
3 aufgewickelt, die so hergestellt werden kann, wie es im USA-Patent 2.622.738 beschrieben
ist. Diese Schicht 3 wirkt Jedoch nicht als Filter im Sinne einer Aus filterung
von Partikeln aus der gefilterten Flüssigkeit. Sie soll vielmehr verhindern, daß
das Drahtgewebe bei den extrem hohen Druckdifferenzen, unter denen das Filterelement
dieser Art arbeiten muß, durch die Löcher 2 hindurchgetrieben wird.
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Bei der beschriebenen Aus führungs form ist der Drahtgewebezylinder
4 ein einfacher Zylinder. Er weist keine Wellungen oder andere Verformungen auf,
sondern ist ein gerader Zylinder. Daher benötigt man zu seiner Herstellung nur äußerst
wenig von dem sehr teuren Drahtgewebe. Außerdem vermeidet man die Scharierigkeiten
im Zusammenhang mit der Ti-ellung eines solchen Drahtgewebes und im Zusammenhang
mit der Bewfestigung der gewellten Enden an den erforderlichen Endhauben. Die Herstellung
der seitlichen Verbindung zur Bildung des ungewellten Zylinders 3 ist ein verhältnismäßig
einfacher Vorgang. Beim Herstellen des Zylinders besteht kaum die Gefahr, daß sich
einzelne Drähte des Drahtgewebes verschieben, so daß eine Reparatur oder Wiederausrichtung
dieser Drähte praktisch nicht erforderlich ist; würde eine solche Verschiebung einzelner
Drähte nämlich eintreten, so müßte man sie wieder ausrichten, damit sich bei der
Blasprobe eine absolute Porengröße ergibt, bei der natürlich eine gleichmäßige Porengröße
auf dem ganzen Element vorhanden sein muß.
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Schließlich ist der Mantel 5 aus gewelltem Papier rund um die Außenseite
des Drahtgewebezylinders 3 angeordnet, der diesen Drahtgewebezylinder davor bewahrt,
daß er von den aus der Flüssigkeitsströmung auszufilternden Verunreinigungen verstopft
wird. enn dieser Mantel 5 aus normalen, harzgebundenem Filterpapier hergestellt
ist, wie es bei Motor-ölfiltern allgemein verwendet wird, kann man das dart-estellte
Filterelement bei Temperaturen von 530 bis +135° C einsetzen, um die normalen hydraulischen
Medien zu filtern, die gewöhnlich in den hydraulischen Steuersystem von Geschossen
und Flugzeugen verwendet werden.
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Das Element als Ganzes fällt bei Druckunterschieden bis zu 316 kg/cm2
nicht zusammen, weil die Teile 1, 3 und 4 im wesentlichen die gleichen sind, wie
sie gewöhnlich bei den herkömmlichen Filterelementen aus gewelltem Drahtgewebe verwndet
werden, und weil das gewellte Papierelement die oben erwähnte Erscheinung zeigt.
Obwohl das Papierelement die gleiche oder eine bessere Filterleistung hat, befreit
es sich selbst offenbar so oder so von dem hohen Druckunterschied zwischen seiner
stromaufwärts und seiner stromabwärts liesenden Seite.
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Die in den Figuren 1 und 2 dangestellte untere Endhaube besteht aus
einen einfachen Metallteil in Gestalt einer Scheibe 6, die eine umlaufende inne
7- aufweist, in der alle Teile sitzen. die Metallteile Können mit dieser @ndhaube
verlötet, verschwei#t oder verklebt sein und das Papierteil kann auf irgendeine
übliche Weise, etwa mit Leim, an der Endhaube dicht befestigt sein.
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Die andere Endhaube besteht aus einem ringförnigen Element und weist
eine nach oben ragende Manschette 8 auf, mit dermandas Blement in Teile des Kopfes
irgendeines Gehäuses einpassen kann, das man für hydraulische Kechdruck-Steuersysteme
in Geschossen und Flugzeugen verwendet. An der @anschette 8 ist ein Kragen 9 befestigt,
der mit der Zanschette 8 eine Rinne 10 bildet, in der die anderen Enden der Feile
des beschriebenen Filterelementes in der oben beschriebenen Weise befestigt sind.
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Vom Filtergehäuse sind nur die unteren Teile dargestellt, und zwar
die nach unten ragende und mit einem Innengewinde versehene
Muffe
11, in die die Gehäuseschale lla eingeschraubt ist, so daß man sie'zur Entfernung
des Filterelementes wieder ausschrauben kann. Alle diese Teile haben selbstverständlich
dicke Wände, so daß sie den hohen Drücken im Betrieb zu widerstehen vermögen.
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Diese bei Filtern dieser Art üblichen Einzelheiten brauchen hier nicht
beschrieben zu erden, da sie für das Verständnis der Lehre gemäß der vorliegenden
Erfindung nicht erforderlich sind. Der Strömungsweg der gefilterten Flüssigkeit
ist mit Pfei len dargestellt.
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Das in den Figuren 1 und 2 dargestellte Filterelement ist ein sogenanntes
Wegwerf-Filterelement. Wenn sich an und in dem Papiermantel 5 übermäßig viel Verunreinigungen
angelagert haben, kann man die Gehäuseschale 11a abschrauben und das aus den Teilen
1 bis 10 bestehende Filterelement herausnehmen und durch ein neues wilterelement
gleicher Art ersetzen. Dies ist möglich, weil der teure Drahtgewebezylinder nur
einen sehr kleinen Teil der Kosten des Filterelementes ausmacht. Die übrigen Teile
des Filterelementes sind nicht ungewöhnlich teuer.
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Das in Pig. 3 dargestellte Filterelement weist im wesentlichen die
gleiche Bauweise auf, mit der Ausnahme, daß die metalliseilen Teile des Filterelementes,
nämlich das perforierte Stützrohr 12, die Drainagewicklung 13 und der Drahtgewebezylinder
14 dauernd und fest mit einer Endhaube 15 an einem Ende und mit einer ringförmigen
Endhaube 15a am anderen Ende verbunden sind.
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Das element 16 aus gewellte Papier ist mit einer Endhaube 17 an der
Seite der Endhaube 1= und mit einen Kragen 17a am anderen Ende verbunden, wobei
die beiden Endhauben 17 und 17a von der ganz aus metall bestehenden Teil des Elementes
entfernbar sind. In der Endhaube 17a ist eine nach innen gerichtete iiute 17b ausgebildet,
in der ein O-Ring 18 angeordnet ist; dieser O-Fang 18 stellt eine Dichtung zwischen
der Endhaube 17a und einem Schaft 15b dar, der auf der Endhaube 15a ausgebildet
ist. Wenn in diesem alle der Papiermantel unbrauchbar wird, weil er mit Verunreinigungen
zugesetzt ist, kann man ihn von den ganz aus metall bestehenden Teilen in Längsrichtung
abziehen; man kann dann die aus Metall bestehenden Teile reinigen und einen neuen,
aus gewelltem Papier bestehenden Mantel aufschieben.
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In der vorliegenden Beschreibung wurde das Material des gewellten
Papiermantels als "Papier" bezeichnet. Dieser Mantel kann Jedoch aus irgendeiner
geeigneten Faserschicht bestehen, die gewellt werden oder auf.andere Weise geformt
werden kann, um ihre Oberfläche bei kompakter Struktur zu vergrößern, und die leicht
zu handhaben ist. Beis-pielsweise kann gewöhnliches Motorölfilterpapier unter gewissen
Betriebsbedingungen nicht brauchbar seine so daß man andere Fasermaterialien -verwenden
muß. Es kann erforderlich sein, daß man die übliche Harzbindung durch ein anderes
Material ersetzt. Allgemein gesagt kann man feststellen, daß der Filterfachmann
verschiedene faserige Materialien kennt, die im allgemeinen wie Papier hergestellt
und gehandhabt werden, obwohl sie sowohl in chemischer als auch in physikalischer
Hinsicht andere Eigenschaften besitzen.
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In allen Fällen bewirkt das Element aus gewelltem Papier oder anderem
Fasermaterial im wesentlichen die gesamte Filterung. Es läßt die Flüssigkeit so
leicht hindurchtreten, daß die auf den Fasermaterialmantel wirkende Druckdifferenz
bei weitem nicht ausreicht, um diesen zusammenzudrücken; die Kräfte aus dieser Druckdifferenz
werden vielmehr vom Filterelement als Ganzes aufgenommen. Die saubere Flüssiglceit
tritt dann durch den glatten Drahtgewebezylinder hindurch. Dieser hat die vorgeschriebene,
erforderliche Porengrö-ße, so daß das Filterelement bei der Blasprobe eine-absolute
Porengröße zeigt und absolut sichergestellt wird, daß keine Verunreinigung, die
größer als diese Porengröße ist, durch das Filterelement hindurchtreten kann. Der
hohe Druckunterschied ist zwischen den beiden Seiten der drei Metallteile vorhanden,
die diesen Druckunterschied ertragen können, ohne zusammenzufallen.
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Als Beispiel für die Ersparnis an Drahtgewebe sei erwähnt, daß man
für eine typische Filterelementgrö#e mit 13,2 1 Dauerdurchflußmenge bei einem Filterelement
gemäß der v-orliegenden Erfindung nur 38, 7~ cm2 Drahtgewebe benötigt, während man'für
das bleiche Filterelement mit gewelltem Drahtgewebe 484 cm2 Drahtgewebe benötigt.
Gleichzeitig ist wegen des Tel1papierfilter teS1 des Filters gemäß der vorliegenden
Erfindung im Vergleich zu einem herkömmlichen Filterelement aus gewelltem Drahtgewebe
für die gleiche Durchflußmenge beim Filterelement gemäß der Erfindung
die
Filteraufnahmefähigkeit wesentlich grö#er, der zur Bildung der Blase beim Blastest
erforderliche Gasdruck höher, die Filterleistun in gewissem Umfang besser und außerdem
sind weitere Eigenschaften verbessert.
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In der obigen Beschreibung wurde besonders betont daß faseriges Material,
wie z. B. Papier, für den gewellten Mantel verwndet wird, weil dieses Material für
die Herstellung eines Filterelementes am billigsten ist. t4an kann jedoch stattdessen
auch andere laterialien verwenden, die die die gleiche rilterlelstung und Aufnahemefähigkeit
für die auszufilternden Verunreinigung haben, sofern sie billig genug sind, um bei
einem Wegwerf-Zylinder verwendet zu werden. Beispielsweise kann man auf der strömungsaufwärts
lieten-len Seite des Drahtgewebes, das die für die Blasprobe erforderliche absolute
Porengrö#e liefert, ein Sintermetall anordnen, sofern dieses billir genug hergestellt
werden kann. Andere technische Entwicklungen und Forschungen auf dem Gebiet der
Filtertechnick mögen weitere Ersatzstoffe für das nichtmetallIsche Fasermaterial
erbringen.
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Es wurde oben erwähnt, daß das Stützrohr 1 dickwandig ist. Dieser
Begriff ist selbstverständlich relativ, da man bei Verwendung von hochfestem Metall
die Rohrwand dünner als bei Verwendung eines Metalls geringerer festigkeit ausfahren
kann. Das Stützrohr muß Jedoch Jedenfalls widerstandsfähig genug sein, um den durch
den Druckunterschied erzeugten Kräften ohne Verformung zu widerstehen.
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Die Drainageschicht 3 kann auch auf andere Weise als gemäß dem USA-Patent
2.622.738 hergestellt werden. Beispielsweise kann man stattdessen ein grobes Gewebe
verwenden. wesentlich ist nur, daß diese Schicht die beschriebene Funktion ausübt.
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P a t e n t a n s p r ü c h e :