DE1816118A1

DE1816118A1 - Verfahren zur Herstellung von Tiefenfiltermitteln

Info

Publication number: DE1816118A1
Application number: DE19681816118
Authority: DE
Inventors: Thalman George Richard
Original assignee: Bell Aerospace Corp
Current assignee: Bell Aerospace Corp
Priority date: 1968-01-19
Filing date: 1968-12-20
Publication date: 1969-07-31
Also published as: FR1601364A; US3504422A; DE1816118B2; GB1219776A; DE1816118C3

Description

"Verfahren zur Herstellung von Tiefenfiltermitteln."

Bekanntlich werden seit langem in der Technik Oberflächen- und Tiefenfilter verwendet und benötigt. Die Erfindung befasst sieh nun insbesondere mit Tiefenfiltermitteln, die sich in verschiedenartigen Filterelementen benutzen lassen, zu denen auch Oberflächenfilterelemente gehören können. Die Verwendung von Draht in feinverwebter Form als Filtermittel für Filtervorrichtungen ©der -Elemente ist bereits bekannt. Ein solches Filtermittel v/eist jedoch ein geringes Sehrautzhalteveraögen auf und verstopft deshalb ziemlich schnell, so daß es entweder entfernt oder gereinigt werden muß. Das Reinigen oder Entfernen macht jedoch die Verwendung der bekannten Drahtfilter verhältnismässig teuer.

*& Desweiteren wurde auch bereits versucht« in dem Bestreben

Ott '

c*> Metall für Filtermittel zu verwenflen_s entweder ©in gewebtes ^ Drahtmaschenmaterial oder sehr f eine, staiibähnliche Teilchen ^ der gewünschten Metallverbindung zu benutzen. Im letzteren **> Fall wurden diese staubartigen oder pulverartigen Teilehen zusamsseng©sintert, um auf diese Weise das Filtermedium zu schaffen. Obgleich derartige gesinterte, pulverartige Teilchen-

Patentanwälte Dipl.-Ing. Martin Licht, Dipl.-Wii1sch.-lng. Axe! Hansmann, Dipl.-Phys. Sebasfian Herrmann

filtermittel für die beabsichtigten Zwecke ziemlich gut zu gebrauchen sind, sind sie in mechanischer Hinsicht doch verhältnismässig schwach und lassen sich nicht so einfach zu geometrischen Gebilden verschiedenartigster Gestalt verformen, beispielsweise gewellten Körpern, so daß sie in die gewöhnlicherweise verlangten Filter als Elemente hineinpassen. Außerdem bildet die mechanische Schwäche, die derartigen Filtermitteln anhaftet, die Ursache dafür, daß sie gewöhnlich nicht in Filterelemente eingebaut werden können, die ziemlich hohen Strömungsmitteldrücken ausgesetzt sind.

Desweiteren erfordert das übliche Verfahren zur Herstellung derartiger aus gesinterten Metallpulverteilchen bestehender Filtermittel ziemlich teuere Formen, die mit den Teilchen gefüllt und dann durch den Sinterungsofen geschickt werden. Derartige Formen sind normalerweise ziemlich aufwendig und müssen als Folge der durch das wiederholte Aufheizen in dem Sinterungsofen verursachten Schäden verhältnismässig oft ausgetauscht werden. Somit sind die bekannten, auf diese V/eise hergestellten Filtermittel notwendigerweise ziemlich teuer.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein Tiefenfiltermittel sowie ein Verfahren zur Herstellung dieses Filtermittels zu schaffen, das verlässlicher ist als die bekannten aus Metall gefertigten Filtermittel, das dazu weniger kostspielig ist als die bekannten Filtermittel aus Metall, eine höhere Leistungsfähigkeit aufweist, einen größeren Wirkungsgrad besitzt und zu einer Verringerung der Größe und des Gewichtes eines Filterelementes mit demselben Wirkungsgrad, den ein bekanntes Filterelement besitzt, beiträgt oder von Anfang an einen höheren Wirkungsgrad aufweist als ein Filterelement der gleichen Größe und des gleichen Gewichtes bekannter Art. Desweiteren soll das erfindungsgemäße Filtermittel ein viel grösseres Schmutzhaltevermögen als die bekannten Filter gleiche Größe und Form haben, eine größere Anzahl Poren pro Flächeneinheit besitzen, als bisher bei der Verwendung von metallischen Filtermitteln für möglich gehalten wurde, femer kein 909831/1194

Abwandern des Filtermittels unabhängig von der Einwirkung hoher Drücke und Kräfte zeigen und schliesslich sich schnell und leicht in jede gewünschte geometrische Gestalt formen lassen, ohne daß eine Zerstörung erfolgt.

Das erfindungsgemäße Tiefenfiltermittel kennzeichnet sieb, nun dadurch, daß es eine Schicht aus metallischen Draht fas err. endlicher Länge enthält, die in der ganzen Schicht ungeordnet verteilt sind und an Stellen gegenseitiger Berührung zusammengesintert sind. Die aus metallischen Drahtfasern bestehende Schicht weist überall eine übereinstimmende Permeabilität auf. {

Das Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Filtermittels setzt sich aus folgenden Verfahrensschritten zusammen: Schaffung einer Schicht aus willkürlich verteilt angeordneten Metalldrahtfasern, Erwärmung dieser Metallfaserschicht auf eine Temperatur, die ausreicht, um die Fasern an den gegeü-» seitigen Berührungspunkten zusammenzusintern, Abkühlung der auf diese Weise gesinterten Metallfaserschieht und Pressung der Schicht über ihre ganze Fläche auf eine einheitliche iPorosität.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes ist

in der Zeichnung, auf die sich die folgende Beschreibung bezieht, schematisch dargestellt. In der Zeichnung zeigen:

Figuren 1 — h Verfahrensechritte zur Herstellung des erfindungsgemäßen Filtermittels und

Figur 5 ein Schaubild, aus dem die Betriebskapazität des erfindungsgemäß gebauten Filtermittels im Vergleich zu den in der Industrie gestellten Anforderungen zu entnehmen ist.

In Figur 1 ist schematisch ein Ofen 10 dargestellt, in dem eine Schicht Ii aus verfilztem Drahttuchmaterial angeordnet ist. Das neuartige verfilzte Drahttuchmaterial besteht aus einer Materialschicht, in der viele Drahtfasern

.909831/1 194

- I₁ -

willkürlich über die ganze Schicht verteilt angeordnet sind, von denen jede Drahtfaser eine bestimmte jedoch willkürliche Länge besitzt. Die Drahtfasern werden sowohl durch die Oberflächenrauhigkeit als auch dadurch gehalten, daß sie miteinander verschlungen sind.

Mit Hilfe einer Leitung Ik ist die Quelle 13 eines nichtoxidierenden Gases angeschlossen, so daß das Gas in den Ofen 10 eintritt, wie es durch den Pfeil 15 angedeutet ist. Eine Abzugsleitung 16 steht ebenfalls mit dem Ofen 10 in Verbin-

^ dung, so daß das nichtoxiderende Gas aus dem Ofen wieder austreten kann, wie dies durch den Pfeil 17 angedeutet ist. Eine Wärmequelle, beispielsweise elektrische Spulen 18, ist so angeordnet, daß Wärme in Richtung der Pfeile 19 erzeugt wird, die mit dem verfilzten Drahttuchmaterial il in Berührung kommt. . Unter dem Einfluß der Wärme 19 steigt die Temperatur der einzelnen Fasern 12 des metallischen Materials auf einen Wert an, der so gewählt ist, daß die einzelnen Fasern an den Stellen ihrer gegenseitigen Berührung zusammensintern, d.h. an den Stellen, wo einer der Drähte einen anderen berührt, schmelzen die sich berührenden Drähte zusammen. Damit dies erreicht wird, werden die Drähte auf eine Temperatur erwärmt, die über ihrem Glühpunkt liegt,

ψ jedoch unter dem Schmelzpunkt der Drahtfasern. Es lassen sich verschiedene Arten von Drahtfasern hierfür verwenden. Die jeweilige Sinterungstemperatur hängt offensichtlich von der verwendeten Drahtfaser ab. Wenn beispielsweise die Drahtfaser aus rostfreiem Stahl besteht, dann sollte das Tuch 11 auf eine Temperatur von annähernd iO93°C erhitzt und efae Zeitspanne von drei Minuten auf dieser Temperatur gehalten werden. Dadurch wird eine vollständige Sinterung jeder Drahtfaser an ihrer Berührungsstelle mit einer beliebig anderen Drahtfaser sichergestellt. Auch andere Drahtfasern können verwendet werden, beispielsweise Fasern aus Stahl, Molybdän, Titan, verschiedenen Metallegierungen, beispielsweise Bronze, Nickel u. dgl. In jedem Fall hängt die spezielle Sintertemperatur von dem für die Drahtfasern benutzten Metall ab. Nachdem die Drahtfasern gesintert sind, wird die Wärme-

90983171194

quelle 18 entfernt, und das Drahttuch 11 kann sich in einer nichtoxidierenden Atmosphäre auf annähernd Raumtemperatur abkühlen. Die nichtoxidierende Atmosphäre kann beispielsweise ein reduzierendes, trockenes Wasserstoffgas sein_o

Die willkürliche Ausrichtung und Länge der Drahtfasern wird durch die Darstellung in Figur 2 schematisch angedeutet, aus der das Fehlen jeglicher Orientierung der Drahtfasern 12 klar ersichtlich ist. Darüberhinaus ist beispielsweise bei 20 die Sinterung, d.h. das Zusammenschmelzen der Drähte an den Stellen gegenseitiger Berührung, gezeigt.

Die einzelnen Drahtfasern können einen beliebigen, für den speziellen Anwendungsfall erwünschten Durchmesser aufweisen. Die Wahl des Durchmessers jeder einzelnen Faser legt die endgültige Porenzahl pro Flächeneinheit des Materials fest, wenn das Material in das Filter eingebaut wird und ist ferner bestimmend für den absoluten Durchmesser des Teilchens, der aus dem zu filternden Ströniungsmittelstrom entfernt wird. Es wurde deshalb festgelegt, daß die maximale Diarehmesse rgröße, die für ein srfindungsgemäßes Filter verwendbar ist, bei 12 Mikrometer liegt. Falls eine Drafetfasergröße benutzt wird, deren Durchmesser jenseits dieses Wertes liegt, dann vermindert sich, wie festgestellt wurde, die Lebensdauer des Filtermittels gegenüber derjenigen erheblich, die für den Einsatz des Mittels als ein typisches Filterelement brauchbar ist.

Damit das Bralattuch, nachdem ss gesintert worden ist, wie ein wirkliches Filtermittel arMtet, muß das gwinterte, verfilzte Drahttucfej wie sich herausgestellt hat, über seine ganze Fläche zusammengepresst werden, so daß es eine einheitliche Permeaülität erhält land dadurch das Material eine bestimmte Porosität erlangt₀ Zu diesem Zw3ck wird das gesinterte, 'verfilzt© Drahttuch₉ wie es in Figur 3 föoi 21 dargestellt ist₉ durch ®im© Preßvorrichtung geschicktj beispielsweise zwischen zwei WalEQm 22 unä 23 hindurch, so daß dass Material so zusammen-

9831/1 194

gepresst wird, wie dies bei 2k gezeigt ist. Die Drehrichtung der Walzen 22 und 23 wird durch die Pfeile 25 und 26 gekennzeichnet und ist so gewählt, daß das Material 21 - 2h zwischen den Walzen in Richtung des Pfeiles 27 hindurchläuft. Bevor es zusammengepresst wird, kann das verfilzte Drahttuch 11 über seinen ganzen Flächenbereich in seiner Dicke variieren. Es wurde gefunden, daß die Durchlässigkeit oder Permeabilität des Materials nach der Pressung gleichfalls variiert, wenn der Abstand der Walzen 22 und 23 auf einen festen Wert eingestellt wird. In den Bereichen nämlich, in denen die Dicke schwankt, schwankt auch die Dichte des gepressten Materials, d.h. die Materialdichte weicht an den Punkten von dem Norm- oder Durchschnittswert nach oben oder nach unten ab, und zwar in Abhängigkeit von der Dicke des Materials an solchen Punkten. Es wurde deshalb gefunden, daß dann, wenn die Lage der einen Walze, beispielsweise in Figur 3 der Walze 23, fixiert wird, und die andere Walze unter einer federnden jedoch gesteuerten Belastung steht, wie sie beispielsweise durch die Kombination des Pfeiles 3i und der Feder 32 kenntlich gemacht ist (die Feder 32 ist an Ort und Stelle fest angeordnet, wie durch das Bodensymbol 34 gezeigt ist), eine konstante Permeabilität des Materials 24 bei seinem Durchgang durch die Walzen erreicht werden kann. D.h., wenn die Dicke des Materials 21 über der Materialfläche variiert, dann schwimmt die Walze 22, bewegt sich also in Abhängigkeit von der augenblicklichen Materialdicke aufwärts und abwärts, so daß eine gleichförmige Permeabilität über dem Materialquerschnitt aufrechterhalten bleibt, nachdem das Material zusammengepresst ist, wie bei 2h gezeigt.

Zur Aufrechterhaltung der gewünschte». Permeabilität und zur Sicherstellung, daß eine solche Permeabilität vorhanden ist, lässt sich die Permeabilität fies rr:.terials, wie in Hgur h gezeigt, testen . Wie dieser Flgar-zu entnehmen ist_;, ist eine Druckmittelquelle 35 utter eine Leitung 36 ^n einen Druckregier 37 angeschlossen. Dar Ausgang das Druckreglers

_BAD0RIG(NAL

steht mit der Leitung 38 In Verbindung_f die zu dem Strömungsmesser 39 führt, dessen Ausgang über eine Leitung 41 mit einer Strömungslenkvorrichtung 42 in Verbindung steht. Die Strömungslenkvorrxciitimg 42 weist ein offenes Ende 43 auf, das glatt ist und einem umschlossenen Hohlraum 44 schafft, wenn es an einem gewünseilten Gegenstand angeordnet wird, beispielsweise einem verfliztem gesinterten und zusammengepressten Drahttuch 24,

Wenn die Permeabilität des auf die hier beschriebene Weise hergestellten Filtermittels 24 überprüft werden soll, wird die Oberfläche oder die Kants 43 der S tröOnmgs lenkschale 42 auf der Oberfläche des Filtermittels 24 angeordnet «nd ein gesteuertes Strömungsmittel unter Druek, beispielsweise Druckluft oder Druckgas, in einer abgemessenen Menge durch den Strömungsmesser 39 und die Leitung 41 zu der Öffnung geschickt, die in den Hohlraum 44 führt. Dies geschieht so«, daß die Luft durch das Filtermittel 24 strömt, wie dies durch die Pfeile 46 angedeutet ist. Da das Filtermittel 24 der Strömung des unter Druck Iiindurchs cremenden Strömungsmittels offensichtlich einen Widerstand entgegensetzt, tritt über dem Filtermittel ein Druckverlust auf. Dieser Druckverlust bewirkt, daß der Druck in dem Hohlraum 44 größer als der atmosphärische Druck ist. Dieser Druckaufbau pflanzt sich durch die Öffnung 47 und öle Leitung 48 an ein Meßgerät 49 fort, das diesen Drue&aufijau anzeigt. Auf diese Weiso wird die tatsächliche Permeabilität des Filtermaterials durch diesen MeBvorgang ermittelt. Für den Fall, daß irgendwelche wesentlichen Abweichungen von der gewünschten Materialzusammensetzung auftreten, . werden diese festgestellt und das Material dann noclieiissal stach die Walzen 22 und 23. geschickt, nachdem die Federvorrichtung 32 erforflerlicheafalls verstellt wordlsm Ist, bis die gewünschte Permeabilität erreicht wird» Dazu kosast, c&aS dar Ausgang des Meßgerätes durch eine Verbindung 40 mit der Preßvorrichtung 50 gekoppelt werden kann^ um die Stärke der EwsaüKaeiipressung dos Materials proportional zu der gewünseirfceja Permeabilität zu ändern.

... .. 909831/1194

Das neuartige Filtermittel besitzt, wenn es als Teil des Filterelementes innerhalb des typischen Filters verwendet wird, wie es beispielsweise in einem hydraulischen System benutzt wird, eine Kapazität, die die von gewebten Drahtmaschen, gesinterten Teilchen oder faserförmigen Filtern des vorhandenen Types bei weitem übersteigt. Diese Kapazität ist vergleichsweise in Figur 5 dargestellt, wo in Form eines Diagramms die Kapazität in Gianm Schmutz auf der Abszisse und der Druckverlust des Filters in 0,07 kp/em auf der Ordinate dargestellt sind. Vie aus Figur 5 hervorgeht, zeigen die Kurven 51 bzw. 52 ein Filtermittel aus gesinterten Teilchen oder gewebten Drahtmaschen und ein faserförmiges Filtermittel, das bei einem Druckverlust von 0,07 x 90 kp/cm den Schmutzkapazitätserfordernissen entspricht, die die militärische Norm MIL-F-8815 verlangt. Wie aus diesem Diagramm ersichtlich ist, würde das Filterelement des Drahtmaschentypes (Kurve 5l) bei 0,07 x 90 kp/cm Druckverlust eine Schmutzkapazität von annähernd 0,7 g haben, während bei diesem Druckverlust die Schmutzkapazität des faserförmigen Filters (Kurve 52) annähernd 0,75 g beträgt. Andererseits weist das neuartige Filtermittel (Kurve 53)» das aus einem gesinterten, zusammengepressten, verfilzten Drahttuch besteht, bei im Vergleich zu dem Drahtmaschenoder dem faserförmigen Filter der bekannten Art vergleichbarer Fläche und Porengröße eine Kapazität von annähernd 2,4 g Schmutz bei einem Druckverlust von 0,07 x 90 kp/cm über dem Filter auf. Wie aus der Darstellung von Figur 5 klar hervorgeht, ist die Schmutzkapazität eines unter Verwendung des hier beschriebenen, neuartigen Filtermittels hergestellten Filterelementes mehr als viermal so groß wie die eines typischen bekannten Filters, das entweder aus Maschendrahtmaterial oder faserförmigem Material besteht.

Im obigen wurde ein Tiefenfiltermittel beschrieben, das sich einfach herstellen lässt, preiswert ist und doch einen höheren Wirkungsgrad und eine größere Schmutzzurückhaltekapazität aufweist als die bekannten Vorrichtungen. Desweite-

909831/1194

ren wurde ein einfaches und fortschrittliches Verfahren zur Herstellung eines solchen Filtermittels beschrieben.

8 3 1 / 1 1

Claims

Patentanmeldung; "Verfahren zur Herstellung von Tiefen- filtermitteln.11 PATENTANS PRÜCHE

1. Verfahren zur Herstellung eines Tiefen-Filtermittels, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: Schaffung eines verfilzten Drahttuehaiaterials, Erwärmung des Tuches in einer niehtoxidierenden Umgebung auf eine Temperatur unterhalb seines Schmelzpunktes jedoch über seinem Glühpunkt eine Zeitspanne, die ausreicht, um eine Sinterung des Materials zu ermöglichen, Abkühlung des Tuches in einer nichtoxidierenden Umgebung und Zusammen™ pressung des gesinterten, Tuches über seine ganze Fläche zur Erreichung einer einheitlichen Permeabilität.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bein Zusammenpressen das gesinterte Material zwischen zwei Walzen hindurchgeschickt wirdj, die auf das Material einen gesteuerten, federnden Druck ausüben^ wobei die eine der Walzen freischwebenö gelagert ist, um sich der schwankenden Dicke des Materials anzupassen, um dadurch die Permeabilität des Materials gleichmässig zu halten.

909831/1194

Patentanwälte Dipl.-lng. Martin Licht, Dipl.-Wirtsch.-Ing. Axel Hansmann, Dipi.-Phys. Sebastian Herrmann

1316118

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckmittel durch das zusammengepresste Material geschickt wird, um dadurch die Permeabilität des Filtermittels zu bestimmen.

k. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material dann zusätzlich zusammengedrückt wird, um eine gewünschte einheitliche Permeabilität zu erreichen.

5. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß äas Zusammendrücken des Materials dadurch geschieht, daß das gesinterte Material durch eine Pressvorrichtung geschickt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß ein unter Druck stehendes Strömungsmittel durch das zusammengepresste Material hindurchgeschickt wird, daß der Druckverlust über dem zusammengepressten Material bestimmt wird, and daß die Belastung, die durch die Pressvorrichtung auf das Material ausgeübt wird, variiert wird₉ um dadurch eine bestimmte gleichmässige Permeabilität zu erzeugen.

7. Tiefenfiltermittel, gekennzeichnet durch eine Schicht metallischer Drahtfasern, die eine unregelmässige endliche Länge und eine endliche Querschnittsabmessung aufweisen, willkürlich in der ganzen Schicht verteilt angeordnet sind und an ihren gegenseitigen Berührungspunkten in der ganzen Schicht zusammengesintert sind, wobei die Schicht über ihre gesamte Fläche eine bestimmte, im wesentlichen einheitliche Permeabilität aufweist.

8. Filtermittel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die endliche Querschnittsfläche der Fasern 12 Mikrometer nicht übersteigt.

909831/1194