DE19945768A1

DE19945768A1 - Filtermedium mit Beladungsstoffen

Info

Publication number: DE19945768A1
Application number: DE1999145768
Authority: DE
Inventors: Guenter Goerg
Original assignee: Filterwerk Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 1999-09-24
Filing date: 1999-09-24
Publication date: 2001-03-29

Abstract

Faserförmiges Filtermedium, insbesondere für die Filterung gasförmiger Stoffe, welches durch Aufbringen eines Beladungsstoffs vorbehandelt ist. Um eine Verringerung der Filterstandzeit durch Verwendung der Vorbeladungsstoffe zu verhindern, sind diese mit Eigenschaften ausgestattet, die die Aufnahmekapazität des Filtermediums zu steigern vermögen. Diese wird erreicht durch Partikel 16 oder Fasern 17a, 17b, die auf das Filtermedium 18 aufgebracht werden. Ihre Wirkung besteht darin, daß sie die effektive Größe der Poren 20 z. B. durch ein elektrisches Feld 19 oder durch Teilung der Porenquerschnitte verringern. Zusätzlich können die Beladungsstoffe zu einer Vorabscheidung von Schmutzpartikeln führen. Dabei wird der am Filterelement anliegende Druckunterschied nur unwesentlich erhöht. Die genannten Effekte führen zu einer Erhöhung der Standzeit des Filters, während gleichzeitig durch Anbringen der Beladungsstoffe der Abscheidegrad am Anfang des Filtergebrauchs erhöht wird. Das Filtermedium läßt sich z. B. in Form eines gefalteten Flachfilterelementes zur Luftfilterung im Kraftfahrzeugbereich verwenden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Filtermedium, auf das zumindest einseitig ein Beladungs stoff aufgebracht ist, nach der Gattung des Patentanspruches 1.

Es ist bekannt, daß Filtermedien vor ihrer Ingebrauchnahme einen geringeren Ab scheidegrad aufweisen als im weiteren Verlauf ihrer Lebensdauer. Dies ist darauf zurückzuführen, daß das Filtermedium noch in keiner Weise durch Schmutzpartikel belegt ist. Die Anlagerung der Schmutzpartikel durch den Filterprozess führt dann zu einer Steigerung des Abscheidegrades, d. h. daß der Grenzdurchmesser der abzu scheidenden Partikel herabgesetzt wird. Die Erklärung für dieses Phänomen liegt darin, daß die Poren des Filters durch die Schmutzpartikel teilweise zugesetzt wer den, wodurch die effektive Filterfeinheit steigt.

In Fig. 4 sind die elementaren Zusammenhänge zwischen Abscheidegrad und Druckverlust am Filterelement schematisch dargestellt. Für jedes Filterelement wird ein minimaler Abscheidegrad η_min gefordert. Diesem Wert entspricht die maximale Teilchengröße, die das Filtermedium durchtreten kann, ohne schädlich für den jewei ligen Anwendungsfall zu sein. Wird das Filtermedium jedoch so dimensioniert, daß der geforderte Abscheidegrad dem Anfangsabscheidegrad des Filtermediums ent spricht, so steigt im weiteren Gebrauch des Filtermediums dieser Abscheidegrad in unerwünschter Weise an (Kurve b in Fig. 4). Als Folge hiervon werden Partikel aus dem zu filternden Medium abgeschieden, die für den jeweiligen Anwendungsfall un schädlich sind. Dies führt zu einem beschleunigten Ansteigen des Druckverlustes am Filtermedium Δp, wodurch der geforderte Maximalwert des Druckunterschiedes schneller erreicht wird. Dies führt letztendlich zu verkürzten Filterstandzeiten und ver ringert dadurch die Wirtschaftlichkeit der Filtermedien.

Um dem beschriebenen Effekt entgegenzuwirken, ist es bekannt, die Filtermedien mit Partikeln vorzubeladen, bevor sie für den Filterprozess zum Einsatz kommen. Dadurch wird ein Ansteigen des Abscheidegrades auf den geforderten Minimalwert erreicht (Kurve a in Fig. 4). Im weiteren Verlauf des Gebrauches des Filtermediums steigt der Abscheidegrad dann wesentlich schwächer an als im Anwendungsfall nach Kurve b. Dadurch wird der maximal mögliche Druckunterschied am Filtermedium später erreicht, was zu einer Erhöhung der Aufnahmekapazität g führt. Dies wird durch Vergleich der schraffierten Bereiche a, b auf der Achse g deutlich.

Die Vorbeladung des Filtermediums mit Partikeln führt im Vergleich zum unbelade nen Filtermedium jedoch zu einer Verringerung der Aufnahmekapazität. Diese Maß nahme ist also als Zugeständnis an den geforderten minimalen Abscheidegrad zu verstehen. In Bezug auf die Filterstandzeit wirkt sich diese Maßnahme jedoch eben falls negativ aus.

Das Verhalten des Filtermediums hinsichtlich Aufnahmekapazität und Abscheidegrad kann verbessert werden, wenn dieses mehrlagig ausgeführt ist, wie dies z. B. aus der US 5 427 597 bekannt ist. Diese Maßnahme verteuert jedoch die Herstellung. Au ßerdem sind mehrlagige Filtermedien schwerer handzuhaben und schränken die Ge staltungsfreiheit bei der Herstellung von Filtereinsätzen ein.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein faserhaltiges Filtermedium mit Vorbela dung derart fortzubilden, daß die Schmutzaufnahmekapazität im Vergleich zum un beladenen Filtermedium nicht verringert wird und das Ansteigen des Abscheidegra des im Vergleich zum unbeladenen Filtermedium verringert wird.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Vorteile der Erfindung

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die zur Vorbeladung ver wendeten Stoffe die Aufnahmekapazität für das auszufilternde Medium vergrößern. Dies wird dadurch erreicht, daß die Beladungsstoffe unter Beachtung des auszufil ternden Mediums ausgewählt werden, so daß Wechselwirkungen zwischen den Be ladungsstoffen und dem auszufilternden Medium zustande kommen. Weiterhin kön nen Wechselwirkungen genutzt werden, die die Beladungsstoffe aufeinander aus üben. Hierbei können auch Kombinationen unterschiedlicher Stoffe zum Einsatz kommen. Bei dem Aufbringen der Stoffe werden zur Fixierung derselben auf dem Filtermedium die zwischenmolekularen Kräfte, z. B. Van-der-Waalsche-Kräfte ge nutzt, die zu einer Adhäsion der Beladungsstoffe führen. Dabei ergibt sich ein weite rer Parameter zur Beeinflussung der Abscheideeigenschaften des Filtermediums, nämlich die Dichte der aufgebrachten Beladungsstoffe. Diese liegen nach dem Auf bringen in einer statistischen Verteilung auf dem Filtermedium vor. Dabei können die Beladungsstoffe Eigenschaften entwickeln, die vergleichbar mit einer eigenen Filter lage sind, d. h. daß sie an einer Vorabscheidung von Partikeln beteiligt sind. Es ist aber auch möglich, daß diese nur mit dem Filtermedium in Wechselwirkung treten. In diesem Fall besteht ihre Funktion lediglich in einer Verkleinerung der Porengröße im Filtermedium.

Die Beladungsstoffe können sowohl auf der Anström- wie auch auf der Abströmseite des Filtermediums aufgebracht werden. Besonders sinnvoll ist jedoch eine Aufbrin gung auf der Anströmseite, da in diesem Fall der Vorabscheideeffekt genutzt werden kann. Außerdem werden die Beladungsstoffe bei einem evtl. Lösen vom Filtermedi um durch dieses zurückgehalten und gelangen so nicht auf die Reinseite des Filters. Eine mögliche Anwendung des Filtermediums besteht im Kfz- Bereich. Hier werden Luftfilter zur Filterung der Ansaugluft der Brennkraftmaschine bzw. für die Innen raumbelüftung des Fahrzeugs benötigt.

Gemäß einer sinnvollen Ausgestaltung des Erfindungsgedankens besteht der Bela dungsstoff aus Partikeln, die auf das Filtermedium aufgebracht werden. Diese müs sen im Vergleich zu den auszufilternden Partikeln die Eigenschaften aufweisen, daß sie nicht zu einer Zusetzung der Filterporen führen. Dies kann z. B. erreicht werden, wenn die Partikel des Beladungsstoffes elektrostatische Eigenschaften aufweisen, die im Zusammenwirken mit dem auszufilternden Medium zu einer effektiven Poren verkleinerung führen, indem ihr elektrisches Feld den Durchtritt des auszufilternden Mediums durch die Filterporen verhindert. Unter diesen Voraussetzungen läßt sich mit vergleichsweise wenig Partikeln des Beladungsstoffes auskommen, so daß die Schmutzaufnahmekapazität des Filtermediums durch den Beladungsstoff nicht be einträchtigt wird. Auch der am Filtermedium anliegende Druckunterschied verändert sich nicht, da die Strömung durch den Beladungsstoff nicht beeinflußt wird.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Beladungsstoff aus einzelnen Fasern zu bilden. Im Vergleich zu Partikeln können Fasern im Verhältnis zu ihrer abdeckenden Gesamtfläche die effektive Porengröße des Filtermediums in einem günstigen Ver hältnis verringern. Kommen die Fasern auf dem Filtermedium zu liegen, können sie z. B. eine Pore dabei halbieren. Dabei verringert sich der effektive Porenquerschnitt, den das Filtermedium zur Verfügung stellt, nur unwesentlich. Die Filterfläche steht also noch vollständig für das abzuscheidende Medium zur Verfügung. Auch der am Filterelement anliegende Druckunterschied wird durch die Fasern nur unwesentlich beeinträchtigt.

Natürlich ist zur Vorbeladung auch eine Kombination aus Fasern und Partikeln denk bar. Durch die unterschiedlichen Eigenschaften der Beladungsstoffe können optimale Abscheideergebnise auch bei heterogener Zusammensetzung des auszufilternden Mediums erzielt werden.

Für den Fall, daß das Filtermedium in gefalteter Form vorliegt, kann der Beladungs stoff vor oder nach dem Faltprozess aufgebracht werden. In beiden Fällen werden die Fasern in den Zwischenräumen zwischen den Filterfalten Brücken zwischen je weils zwei benachbarten Falten bilden, die die Aufnahmekapazität des Filtermediums insgesamt erhöhen. Durch diese Brücken entstehen zusätzliche Zwischenräume, die mit Filterporen vergleichbar sind. In diesen Bereichen entsteht eine Art Vorabschei delage auf dem Filtermedium. Diese läßt sich durch die Vorbeladung des Filtermediums auf einfachste Weise erzielen. Im Vergleich zu Vorabscheidelagen, die zu einer Erhöhung des Druckverlustes am Filtermedium führen und einen zusätzlichen Ferti gungsaufwand hervorrufen, besticht diese Ausgestaltung in erster Linie durch eine höhere Wirtschaftlichkeit.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können die Beladungsstoffe zu sätzlich durch Klebstoff fixiert werden. Hierdurch läßt sich die Haftung der Bela dungsstoffe auf dem Filtermedium verbessern. Die Verklebung muß nicht durch ei nen gesondert aufzubringenden Klebstoff erzeugt werden. Es ist genauso möglich, die Beladungsstoffe über ihren Schmelzpunkt hinaus zu erhitzen, so daß diese an Berührungsstellen verklebt werden. Dies läßt sich insbesondere mit Kernmantelfa sern erreichen, die mit einem Material umhüllt sind, das einen geringeren Schmelz punkt aufweist als deren Kernfaser. Wird der Mantel dieser Fasern aufgeschmolzen, behält die Kernmantelfaser ihre Gestalt und Stabilität bei, so daß der Verbund an faserförmigen Beladungsstoffen in seiner Gesamtstruktur nicht beeinflußt wird.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Fasern in situ auf der Oberfläche des Fil termediums zu bilden. Auch bei diesem Verfahren läßt sich die Haftung der in situ erzeugten Fasern auf der Oberfläche des Filtermediums wesentlich erhöhen.

Durch die beschriebenen zusätzlichen Fixierungsmöglichkeiten lassen sich die Fa sern außerdem auf dem Filtermedium zu einer netzartigen Struktur verbinden. Damit wird die Vorbeladung als solche stabiler und kann zusätzliche Funktionen der Vorab scheidung übernehmen, was zu einer Steigerung der Filterkapazität führt. Hierbei ist es auch möglich, Fasern mit unterschiedlichen Eigenschaften miteinander zu vermi schen. Es kann z. B. eine Faserart vorgesehen werden, die aufgrund eines geringe ren Schmelzpunktes zu einer Fixierung von anderen Fasern führt, die während des Schmelzprozesses aufgrund ihrer Eigenstabilität die Struktur der Vorbeladung erhal ten.

Für die Vorbeladung kommen die unterschiedlichsten Materialien in Frage. Es kön nen Natur- und Kunstfasern eingesetzt werden. Beispiele hierfür sind Zellulose, Baumwolle oder Polyesterfasern. Es können auch z. B. Fasern mit knochenförmigem Querschnitt oder Triobale mit einem im wesentlichen dreieckigen Querschnitt ver wendet werden. Aufgrund ihrer Formen besitzen diese Fasern eine größerer Oberflä che, um adhäsiv an die Oberfläche des Filtermediums angebunden zu werden. Auch die Faserstärke, Faserlänge bzw. der Durchmesser von verwendeten Partikeln kann unterschiedlich gewählt werden, so daß die Eigenschaften des Filtermediums auf unterschiedliche auszufilternde Medien optimal eingestellt werden können. Insbe sondere in situ aufgebrachte Fasern erreichen ein optimales Verhältnis zwischen Vergrößerung des Abscheidegrades und Beibehaltung des am Filtermedium anlie genden Druckunterschiedes.

Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen her vor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.

Zeichnung

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in den Zeichnungen anhand von sche matischen Ausführungsbeispielen beschrieben. Hierbei zeigen

Fig. 1 ein vorbeladenes Flachfilterelement mit gefaltetem Filtermedium im Längsschnitt,

Fig. 2 die schematische mikroskopische Darstellung des Filtermediums in der Aufsicht,

Fig. 3 eine schematische räumliche Darstellung des Filtermediums und Vor beladungsfasern,

Fig. 4 den Zusammenhang zwischen Abscheidegrad η bzw. Druckunterschied Δp in Abhängigkeit von der Beladung des Filtermediums g bei konven tionellen Filtermedien und

Fig. 5 den Zusammenhang gemäß Fig. 4 bei dem erfindungsgemäßen Fil termedium.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist ein Flachfilterelement 10 mit Filterfalten 11 dargestellt. Das Filterele ment weist eine umlaufende Dichtlippe 12 aus PUR-Schaum auf. Die Filterfalten 11 bilden Zwischenräume 13, wobei diese sich zu einer Abströmseite 14 bzw. zu einer Anströmseite 15 hin öffnen. In den anströmseitigen Zwischenräumen können als Vor beladungsstoffe Partikel 16 bzw. Fasern 17 auf das Filtermedium 18 aufgebracht werden. Die Fasern 17 bilden dabei eine netzartige Struktur, die in den Zwischen räumen der Filterfalten eine Art Vorfilter mit zusätzlicher Aufnahmekapazität für Schmutzpartikel bildet. Das dargestellte Filterelement kann in bekannter Weise in hierfür vorgesehene Gehäuse eingebaut werden.

Fig. 2 zeigt einen stark vergrößerten Ausschnitt des faserförmigen Filtermediums 18. Auf dessen Oberfläche sind die Partikel 16 des Beladungsstoffes zu erkennen. Diese sind adhäsiv auf dem Filtermedium angelagert. Für eines der Partikel 16 ist schematisch ein elektrisches Feld 19 dargestellt. Dies kann z. B. durch einen Di polcharakter der Partikel oder durch deren elektrostatische Eigenschaften gebildet sein. Das elektrische Feld kann einerseits die Adhäsion der Teilchen am Filtermedi um unterstützen, zum anderen führt es für Schmutzartikel, die ebenfalls elektrostati sche Eigenschaften aufweisen, zu einer effektiven Verkleinerung von Poren 20 im Filtermedium.

Weiterhin sind auf der Oberfläche des Filtermediums 18 in situ erzeugte, sehr dünne Fasern 17a zu erkennen. Diese verringern die effektiven Porenquerschnitte nur un wesentlich. Die effektive Größe der Poren 20 wird jedoch verkleinert, in dem die quer über sie hinweglaufenden in situ erzeugten Fasern sie überspannen und auf diese Weise eine Barriere für die auszufilternden Schmutzpartikel darstellen. Alternativ können hierzu auch kurze Faserhäcksel 17b verwendet werden.

Fig. 3 zeigt die räumliche Darstellung von weiteren Fasertypen, die auf das Filter medium 18 aufgebracht sind. Hier ist eine Faser 17c zu nennen, die einen knochen förmigen Querschnitt aufweist. Diese Querschnittsform verbessert die Eigenschaften der Fasern hinsichtlich ihrer adhäsiven Haftung am Filtermedium 18. Eine weitere Faserform ist eine Kernmantelfaser 17d. Diese besteht aus einer Kernfaser 24 und einer Ummantelung 25. Die Ummantelung hat einen geringeren Schmelzpunkt als die Kernfaser, so daß eine Fixierung der Kernmantelfaser 17d durch Aufschmelzen des Mantels erfolgen kann.

Die Fig. 4 zeigt den Zusammenhang zwischen Abscheidegrad und anliegendem Druckunterschied von bekannten Filtermedien. Die Kurven a und a' zeigen die Mög lichkeit einer Vorbeladung in bekannter Weise auf, die zur Erreichung des geforder ten Abscheidegrades η_min, jedoch auch zu einer Verminderung der Staubaufnahme kapazität führen, wie durch den schraffierten Bereich a auf der Beladungsachse g zu erkennen ist. Die Verwendung eines Filtermediums, welches entsprechend der Kur ven b, b' von Anfang an den geforderten Abscheidegrad η_min erreicht, führt ebenfalls zu einer geringen Staubaufnahmekapazität, gekennzeichnet durch den straffierten Bereich b auf der Achse g.

Im Vergleich hierzu werden die Vorteile des erfindungsgemäßen Filtermediums aus Fig. 5 deutlich. Die Vorbeladung des Filtermediums mit den erfindungsgemäßen Beladungsstoffen führt zu einem Verhalten des Abscheidegrades, welcher durch die Kurve c dargestellt ist. Der anfängliche Abscheidegrad wird durch die Vorbeladung von dem ursprünglichen Wert, dargestellt durch die gestrichelte Kurve c", auf den geforderten Wert η_min angehoben. Durch diese Maßnahme geht jedoch keine Kapa zität für die Beladung g des Filtermediums mit Schmutzpartikeln verloren, wie dies durch den kreuzschraffierten Bereich 26 angedeutet ist. Auch der anfänglich am Fil terelement anliegende Druckunterschied Δp_start wird nur unwesentlich oder gar nicht erhöht.

Die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Beladungsstoffe, die zu einer Vorab scheidung von Schmutzpartikeln führen, bewirken gleichzeitig eine Verlängerung der Standzeit des Filtermediums. Da die Poren des Filtermediums nicht so schnell zuge setzt werden, steigt der Druckunterschied langsamer an, so daß der maximal mögli che Druckunterschied Δp_max bei einer höheren abgeschiedenen Menge g erreicht wird als bei den bekannten Filtermedien (vergleiche Fig. 4). Der Gewinn an Filter kapazität, der durch diesen Effekt erzielt wird, ist durch den kreuzschraffierten Be reich 27 dargestellt.

Bezugszeichenliste

10

Flachfilterelement

11

Filterfalte

12

Dichtlippe

13

Zwischenraum.

14

Abströmseite

15

Anströmseite

16

Partikel

17

,

17

a Fasern

17

b Faserhäcksel

17

c Faser

17

d Kernmantelfaser

18

Filtermedium

19

Elektrisches Feld

20

Pore

24

Kernfaser

25

Ummantelung

26

,

27

Bereich

Claims

1. Filtermedium, bestehend aus mindestens einer faserhaltigen Lage, insbesondere für die Filterung gasförmiger Stoffe, mit einer Abströmseite (14) und einer An strömseite (15),

- wobei das Filtermedium von dem zu filternden Fluid durchströmbar ist
- wobei zumindest auf einer der Seiten des Filtermediums ein Beladungsstoff (16, 17) in statistischer Verteilung aufgebracht und dort unter Ausnutzung zwi schenmolekularer Kräfte fixiert ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die aufgebrachten Beladungsstoffe die Aufnah mekapazität für das auszufilternde Medium erhöhen.

2. Filtermedium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Beladungs stoff aus Partikeln (16) besteht.

3. Filtermedium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Beladungs stoff aus einzelnen Fasern (17) besteht.

4. Filtermedium nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dieses gefaltet ist und die Fasern (17) zumindest teilweise die durch die Filterfalten gebildeten Zwi schenräume (13) überbrücken.

5. Filtermedium nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beladungsstoffe zusätzlich durch Klebstoff fixiert sind.

6. Filtermedium nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Beladungs stoffe zumindest teilweise durch Erwärmung über ihren Schmelzpunkt hinaus ver klebt sind.

7. Filtermedium nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern in situ auf der Oberfläche des Filtermediums gebildet sind.

8. Filtermedium nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Beladungsstoff (16, 17) elektrostatische Eigenschaften aufweist.