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Patronenfilterelement und Verfahren zur Herstellung desselben Die
Erfindung betrifft ein Patronenfilterelement und ein Verfahren zur Herstellung desselben.
Insbesondere betrifft die Erfindung den Bereich des Filtrierens, bei dem mit wegwerfbaren
Filterpatronen gearbeitet wird, um die verschiedensten Flüssigkeiten oder Gase zu
klären, wobei der Mediumstrom üblicherweise die Außenfläche der Patrone durchdringt
und dann aus der Innenfläche austritt, um längs des Inneren eines röhrenförmigen
Kerns weggeführt zu werden. Die Erfindung ist mit einer verbesserten Filterpatrone
befaßt, die maßlich und strukturell stabil und einfach zu bauen ist und die eine/er-
/unwartete gute Leistung in bezug auf den Filtrierwirkungsgrad und die Lebensdauer
erbringt.
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rilterpatronen lassen sich zweckmäßig in zwei Grundtypen einstufen,
nämlich in die Faltenlagen- oder Flächenfiltrationstype und in die Nassiv- oder
Tiefenfiltrationstype. Die Erfindung ist mit der zweiten Kategorie befaßt.
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Eine Art Filterpatrone, die allgemein bekannt ist und weitgehend An
wendung gefunden hat, ist aus der US-Patentschrift 1 950 288 bekannt, wobei die
Patrone aus der Anfwicklung eines kontinuierlichen Strangs oder Gespinstes aus Fnsermsterial
um einen mittleren perforierten Kern in Zickzwackform in einer ausreichenden Anzahl
von Lagen hergestellt ist, um eine Filterpatrone im gewünschten Duerchmesser entstehen
zu lassen. Die entstehende Konstruktion ist mit einer Vielzahl von schraubenlinienförmig
angeordneten, karoförmigen Öffnungen versehen, die sich von der äußeren peripheren
Fläche des Piltermittels zum Kern radial nach innen erstrecken. Mit dem Wichin des
Strangs
oder Gespinstes aus Fasermaterial auf den Kern erfolgt eine
Aufrauhung, um einen bestimmten Teil der Fasern aus dem Strang oder Gespinst herausziuziehen,
damit ein Netzwerk feines Fasermaterial über den karoförmigen Öffnungen gebildet
wird. Im wesentlichen dieses auf gerauhte Fasermaterial, das von dem Strängen oder
vom Gespinst gezogen worden ist, führt die Filterfunktion aus, und die übereinandergelegten
Lagen des Strangmaterials haben die Aufgabe, das aufgerauhte Material in der vorgesehenen
Lage zu halten, damit es effektiv funktioniert. Diese Technik des Aufrauhens und
Sicherns des aufgerauhten Naterials läßt sich schwer in dem erforderlichen Maße
kontrollieren, um sich darauf vollkommen verlassen zu können und um eine gleichförmige
Filterfähigkeit wim gesamten Filtermaterial zu schaffen, und außerdem entsteht dabei
eine offensichtliche Schwächung der Stränge bzw. des Gespinstes.
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Vor kurzem ist eine Variante des gleichen Typs einer Filterpatrone
aus der US-Patentschrift 3 065 856 bekanntgeworden, bei der Anstrengungen unternommen
worden sind, die Nachteile und Schwierigkeiten des Anfrauhens zu vermeiden. Dort
ist eine Filterpatrone beschrieben, die dadurch hergestellt wird, daß ein Strangmaterial
oder Gespinst verlegt wird, während gleichzeitig eine dünne fasrige Nembrane zwischen
jeder Lage des Gespinsts vom Kern zur äußeren Peripherie abgelagert wird, um eine
Filterscheidewand anstelle der aufgerauhten Partie der Fasern zu schaffen. Das Vorsehen
dieser zusätzlichen Komponente im Aufbau des Fasermaterials führt jedoch zu weiteren
unerwünschten Kosten und zu komplizierten Herstellungsverfahren. Eine andere Patronenfilterkonstruktion
ist aus der US-Patentschrift 2 742 160 bekannt, bei der eine Matte aus Filtermaterial
um einen Kern gewickelt wird. Während des Wickelns wird die Matte auf einem stützenden
gewebeartigen Material getragen, das eine Fläche und beide Seiten der Matte bedeckt.
Wie im zuvor genannten Falle führt das Vorsehen des Stützmaterials zu höheren Kosten
und zu einer komplizierteren Herstellung der entstehenden Filterpatrone.
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Andere preiswertere Typen von Faser- oder Granulatfilterpatronen haben
sich
für viele Filteraufgaben aus dem einen oder anderen Grunde als unbefriedigend erwiesen,
beispielsweise mangelnde Gleichförmigkeit und damit einhergehende Unzuverlässigkeit,
kurze Lebenserwartung oder Unfähigkeit zum Sorgen für eine dauernde Zusammenhaltung
und Gefügefestigkeit und bleibende Maß- und Gefüge stabilität, wie man das bei der
vorstehend beschriebenen Strang- oder Gespinstkonstruktion findet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Faserfilterpatrone
zu schaffen, die leicht und preisgünstig herzustellen ist und die gleichzeitig in
ihrem Gefüge die erwünschte Zuverlässigkeit in der Gleichförmigkeit deer Filterleistung
bietet, während eine Maßstabilität und ein Zusammenhalt beibehalten wird, die man
bisher nur bei komplizierteren Filtern findet.
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Weiter bezweckt die Erfindung die Schaffung eines einfachen Faserfilterelements
bzw. einer Patrone dieser Art, bei dem bzw. der eine hohe Filterfähigkeit sowohl
in hinsicht auf das Mediumvolumen als auch auf die effektive Filterlebensdauer kombiniert
wird.
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Weiter bezweckt die Erfindung die Schaffung eines Filters, das besonders
für die effektive Filtrierung von Farben und dergleichen eingerichtet ist, um Partikel
aus einem ausgewählten Bereich Partikelgrößen auszuscheiden.
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Die Erfindung sieht ein Filterelement vor, das gekennzeichnet ist
durch ein röhrenförmiges perforiertes Metall oder Kunststoffkernelement oder ein
offenmaschiges Darahtsiebkernelement und eine Lage nicht verwebten fasrigen Filtermaterials,
das um den Kern gewickelt ist, gefolgt von einem fasrigen oder fadenförmigen Strang
oder Gespinst, der bzw. das um die äußere Peripherie des Elements in einem Zickzack-Offenw-iuster
gewickelt ist, derart, daß das Filtermaterial in der vorgesehenen Lage gehalten
wird und daß dem Filterelement dauerhafte Naß stabilität und dauerhafter Zusammenhalt
verliehen wird
Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnung
naher erla"utert. In der Zeichnung sind: Fig. 1 eine Seitenansicht dee Filterelements,
teilweise geschnitten, und Fig. 2 eine Endansicht des Filterelements.
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Bei dem in Fig. 1 gezeigten Patronenfilterlelement kbezeichnet 10
einen röhrenförmigen Kern aus einem Material wie Metall, Kunststoff oder dergleichen,
durch das Perforationen 12 gehen. Die Patrone wird hergestellt, indem der Kern auf
einen geeigneten Halter oder Kerndorn gesetzt wird und der Kern und der Dorn gedreht
werden, während das Filtermaterial 14 gewickelt wird, um ein Filterelement der gewtinschten
Durchmesser- und l.ängenabmessungen zu schaffen. während ein üblicherweise verwendeter
Durchmesser #a dna 57,5 bis 60 mm beträgt, sind die Patronen nicht auf diesen Bereich
beschränkt, vielmehr können sie nach Bedarf einen größeren oder kleineren Durchmesser
haben.
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Zwar werden ferner Patronen in einer Länge von etwa 250 mm üblicherweise
hergestellt, es können aber auch Patronen viel geringerer oder größerer Länge in
entsprechender a"Feise hergestellt werden. Das Filtermaterial ist eine Behn oder
Lage aus genadelten oder gebundenen Fasern voller Breite im wesentlichen gleich
der der Länge des Kerns.
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Bei Methoden zur Herstellung der Bahn oder Lage vor dem Wickeln kann
es sich um bekannte Textilvorgänge handeln, beispielsweise ein Trennen der Fasern,
ein Legen der Fasern in eine willkürliche Orientierung zur Bildung einer Bahn eder
Lage und gegebenenfalls ein Hadelstempeln der Bahn oder Lage zum Bewirken einer
zusätzlichen Kohärent und Festigkeit. Die Bahnen oder Lagen aus dem Fasermaterial,
wie es auf den Kern gelegt werden kann, können eine Dicke im Bereich von etwa 3,5
bis etwa 12,7 mm haben, wobei eine Dicke von etwa 6,5- mm bevorzugt wird.
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Das im Filter verwendete Fasermaterial kann aus Fasern aus polymeren
Materialien bestehen, beispielsweise viskoses Rayon, Polyamide, Polyester, Polyurethane,
Polyäthylens, ilypropylene, Polytetrafluoräthylen, Polyvinyle und dergleichen. Naturfasern
wie jene von Cellulose,
llolle Seide und Beinen können verwendet
werden, ebenso anorganische Glas- und Keramikfasern und Fasern aus metallischen
Verbindungen, beispielsweise Edelstahl und ähnliche chemisch beständige Legierungen.
Die Fasern können in kontinuierlicher Fasdenförm oder in wahlloser Stapellänge vorliegen.
Die Faserlänge wird nach als so wichtig wie der Faserdurchmesser angesehen, da die
Länge nur von einer gewissen Bedeutung ist, wenn die Fasern eng gepackt sind. Kurze
Fasern packen sich enger zusammen und bilden eine dichtere Fasermasse.
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Die längeren Fasern mit Krausen (oder Kräuseln) packen sich nicht
so leicht, obgleich das ein Vorteil ist, wenn man eine im größeren Maße permeable
Masse haben will.
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Die Faserdurchmesser sind wichtig und können im Bereich von etwa 0,01
Mikron (Glasfasern) bis etwa 100 Mikron (Sisalfasern) liegen.
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Die kleineren Fasern werden im Bau von Filtern verwendet, die beispielsweise
zum Ausscheiden von Bakterien und Partikeln in Virusgröße aus Medien eingesetzt
werden. Die Fasern mit großen Durchmessern werden zum Bau von siebartigen Patronen
verwendet, die beispielsweise zum Ausscheiden von großen, störenden Partikeln aus
Farbe dienen, während sie den Durchgang feiner Farbstoffpartikel im Bereich von
1 bis 2 Mikron im Durchmesser und mitunter größer ermöglichen. Fasern in Zwischengrößen,
in der Größe, die am häufigsten in Textilarbeiten eingesetzt werden, werden zur
Herstellung von Filtern für den allgemeinen Bedarf verwendet, beispielsweise jene
zur Verwendung mit Hydraulik-Kühl- und Schmiermitteln, Brennstoffölen und Medien
allgemein wie verschiedene instruielle Flüssigkeiten und Gase.
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Die Gefügefestigkeit der Masse Fasern in einer Matte (oder in einer
Rolle der Matte) ist eine Funktion a) der Packdichte, b) der Festigkeit und Elastizität
der einzelnen Fasern zusammen mit ihrer "Kräuseligkeit", c) dem Maß der Verknäulung
der Fasern und d) der Tatsache, ob die Fasern chemisch behandelt sind oder nicht,
um sie miteinander zu binden, um die einzelnen Fasern starr zuimachen oder um die
Oberflächencharakteristiken der Fasern zu ändern. Bei der Herstellung einer Patrone
gemäß der Erfindung aus einer Hatte Fasern
kann die Matte stark
genug gemacht werden, um entweder durch Hadelstempeln oder durch eine chemische
hindungsbehandlung behandelt zu werden, beispielsweise für den Fall von Fasern sehr
kleinen DurchmesserRs wie Glasfasern. Die Packdichte bedeutet den quotienten Massendichten/L#nzelfaserdichte.
Der Bereich an Packdichten, die pratikabel sind, geht von etwa 0,03 bis etwa 0,30.
Eine Filterpatrone, die dadurch hergestellt wird, daß ein textiles Gespinst stramm
um einen Kern gewickelt wird, hat diese höhere Dichte. Patronen mit einer Packdichte
unter etwa 0,03 haben für paraktische Zwecke keine nahe genug beieinander liegenden
Fasern. Packdichten von etwa 0,06 bis etwa 0,2 werden bevorzugt.
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Eine Endansicht des Filterelements ist in Fig. 2 gezeigt. Dort ist
die Spiralform der Lagen nach dem Wickeln des Filtermaterials auf den Kern 14 zu
sehen. Während des Wickelns kann dieses Material durch eine Druckplatte oder Rolle
gegen den Kern gehalten werden, wobei der Wickeldorn mit Endplatten versehen ist
(nicht dargestellt) zwischen denen der Abstand gleich der Länge des Filterkerns
st. Ehe dasletzte Ende der Watte aufgewickelt wird, wird ein Strangmaterial, wie
ein Textilgespinst, auf die Wickelmasse gelegt Durch geeignete BLiickspannung und
Verwendung einer Traversenführunng wird a Strangmaterial zur Bildung eines zickzackförmigen
oflnenen Netzwerks des Strangmate rials ur die äußere Mattenlage heran gewickelt,
um diese in der vorgesehenen Lage zu halten und die Maßstabilität und den Zusammenhalt
des Filtermaterials beizubehalten. Das letzte lose sunde des strangs wird unter
eine oder mehrere der vorangegangenen windungen dieses Strangs geschoben, um die
Konstruktion zu vervollkommnen und das Gespinst in der vorgesehenen Lage zu halten.
Eln solches äußeres Gespinst kann natürlich gegebenenfalls ersetzt werden, indem
das nicht verwebte Filtermaterial durch eine stramm sitzende äußere Hülse aus offenmaschigem
Material eingefaßt wird, obgleich die Vorteile der einfacheren Anwendung und der
geringeren Kosten des Einfassens dieses Filtermaterials durch die Verwendung einer
zickzackförmigen äußeren Windung aus einem Strang oder Gespinstmaterial verlorengehen.
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Die fertige Filterpatrone ist in Fig. t gezeigt, in der der Gespinststrang
bei
16 und die Löcher zwischen den Strängen bei 18 gezeigt sind. Dieses Muster sorgt
für einen erheblichen Anteil offener Bereiche für die Löcher 18, da der Hauptzweck
der windung darin besteht, das Filtermaterial mechanisch einzufassen und dem Filtermaterial
dauerhaften Gefügeausammenhalt zu verleihen. Das Filterelement kann gegebenenfalls
anschließend imprägniert werden, und zwar unter Anwendung einer entsprechenden chemischen
Behandlung, die besonders erwünschte Charakteristiken der Fasermasse als solcher
verleiehen kann, beispielsweise die Verwendung entsprechender wärmehärtender oder
thermoplastischer Harze zum Erreichen einer höheren Steifheit der einzelnen Fasern
oder zum Erreichen einer besseren Haftung aneinander. Die chemsiche Behandlung kann
ferner eine solche sein, die die Oberflächeneigenschaften der Fasern ändert, indem
die Faseroberflächen beispielsweise hydrophob oder hydrophil gemacht werden.
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Die Konstruktion und das Testen eines typischen Patrinenfilterelements
gemäß der Erfindung ist in den nachsehenden Beispielen beschrieben.
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Beispiel 1 Ein perforierter Stahlblechzylinder (der Filterkern) mit
einem Durchmesser von 25,4 mm und einer Länge von 254 mm wurde auf einen Dorn gesetzt,
der mit Platten mit einem Durchmesser von 76 mm bestückt war, welche die Enden des
Kerns berührten. Eine Matte aus textiler Faser wurde dann in der folgenden Weise
um den Kern gewickelt. Die Matte hatte eine Breite von 254 mm, eine Dicke von etwa
6,3 mm, eine Länge von etwa 2,1 m, und sie wog etwa 100 g. Sie wurde zuvor aus einem
3-Denier-Rayonstapel durch einen 3-Schritt-vextilvorgang hergestellt, bei dem einmal
die Fasern getrennt wurden, zum anderen die Fasern wahllos in eine Matte gelegt
wurden und drittens die Matte nadelgestempelt wurde, um ihr Zusammenhalt zu verleiehen.
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Mit dem Drehen des Dorns zum Ziehen der Matte um den Kern wurde eine
Druckplatte gegen die Masse mit größer werdendem Durchmesser gehalten, um für die
erforderliche Kraft zu sorgen, damit sichergestellt
wird, daß der
Endpatronendurchmesser etwa 2,35 Zoll groß war. Ehe das Ende der Matte an der Wickelmasse
ankam, wurde das vordere Ende eines Strangs aus Rayongespinst in das Mattenende
gelegt. Da das Gespinst dieser umlaufenden Masse über eine Spannplatte und ein querlaufendes
Auge zugeleitet wurde, war das Endergebnis, daß die Matte mit einem sauberen zickzwackförmigen
Muster an Strängen umwickelt wurde. Das Ende des Gespinstes wurde unter eine der
zuvor hergestellten Windungen geschoben.
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Die Enden der Patrnne waren glatt und relativ fest, und obgleich man
absichtlich einzelne Fasern oder Gruppen von Fasern herausziehen konnte, zeigt Beispiel
2 nachstehend, daß beim Testen dieser Patrone in einem Gehäuse, wobei mit einem
Messerkantenring gearbeitet wurde, der gegen die Patronenenden gedrückt wurde, weder
ein Vorbeiwandrn von Filterfestkörpern erfolgte, noch Fälle auftraten, bei denen
Yasern gelöst wurden und in das Filtrat gelangten.
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Beispiel 2 Die Leistung der Filterpatrone gemäß Beispiel 1 wurde
gemessen, indem eine Eichflüssigkeit und ein fein zerteilter Fest stoff verwendet
wurden, die beide üblicherweise für Filtrationstedsts verwendet werden. Die Flüssigkeit
war eine Normaleichflüssigkeit MIL-F27351, und bei den Fest stoffen handelte e sisch
um AO-Feint#eststaub. Das Gehäuse, in das die Testpatrone gesetzt wurde, schloß
die Ende der Patrone durch einen Messerkantenring, der einen Durchmesser von 1,7
Zoll hatte.
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Wenn Testflüssigkeit mit 100off durch die iPatrone mit einem Durchfluß
von 200 Gallonnen/h durchgeleitet wurde, betrug der Druckabfall an der Patrone 0,75
psi (ca. 0,053 kp/cm² ). Wenn sich Testataub im Mediumstrom befand, schied die Filterpatrone
99,50via des Gewichts des Teststaubs aus. Mit der weiteren Zuleitung des Gemisches
aus Testflüssigkeit und Staub zur Patrone nahm der Druckabfall an der Patrone zu,
während die folgende kumulative Menge an Test staub zugeleitet wurdes
Gramm
Test staub Druckabfall psi 1 0,75 10 0,80 20 0,95 30 1,4 35 2,0 40 3,0 45 20.0 50
48,0 Während der Zeit, während der der Druckabfall an der Patrone auf 50psi anstieg,
gab die Patrone keinen aufgefangenen Teststabu ab, und sie funktionierte weiter
als ein effektives Filter. Wenn man willkürlich sagt, daß das Leben der Patrone
zuende ist, wenn der Druckabfall 20 psi erreicht, kamm man auch sagen, daß die Staubhaltefähigkeit
der Patrone 45 Gramm x 99,a5%0 = 44,8 Gramm betrug.
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Diese Leistung zeigt an, daß diese Patrone tatsächlich genauso gut
wie andere Patronen eines teueren und komplizierten Aufbaus arbeitet, wie jene,
die im Beispiel 3 beschrieben worden ist.
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Beispiel 3 Die Patrone in diesem Beispiel zum Vergleich war eine
der Art, wie sie in der US-Patentschrift 3 065 856 beschrieben worden ist, und sie
war in Länge und Durchmesser mit der Filterpatrone gemäß Beispiel 1 vergleichbar.
Ihre Konstruktion bestand aus dem Wickeln eines Strangs Rayongespinst um einen Kern,
während gleichzeitig eine relativ lose Membrane aus Baumwollfaser aufgelegt wurde,
die im Effekt die Löcher füllt, welche durch das Wickelmuster des Rayongespinstes
gebildet werden. Die entstehende Patrone war sehr fest und sah robust aus. Zum Vergleich
mit der erfindungsgemäßen Patrone wurde eine Patrone mit dem gleichen Druckabfall
wie die erfindungsgemäße Patrone aus Beispiel 1 und 2 gewählt. Der Filirationswirkungsgrad
dieser Bezugspatrone betrug nur 95,7%. Der Druckabfall an dieser Patrone (während
des Durchgangs von 200 Galonnen/h Testflüssigkeit stieg von einem Anfgangswert von
0,75 psi auf 20 psi nach der Zuleitung
von 53 Gramm Teststaub.
Die Staubhaltefähigkeit betrug also 55 g x 95,7% = 50,6 g.
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Wie in den beiden vorstehenden Beispielen gezeigt, arbeitete die erfindungsgemäße
Patrone nicht nur im wesentlichen genauso gut wie die komplizierter hergestellte
Patrone des Standes der Technik, sondern sie stellte auch eine überlegeneres Filter
für den Druckabfall in der Ausscheidungseffektivität dar. Es ist bekannt, daß die
Schmutzhaltefähigkeit mit einer Abnahme im Filtrationswirkungsgrad zunimmt. Durch
die richtige Wahl der Faserdurchmesser und der Packdichte des Filtermaterials können
Filterpatronen mit verschiedenen Porositäten hergestellt werden, die effektiv in
vielen Arten von Filtrationsaufgaben arbeiten können. Diese können von der ultrafeinen
Filtration von Bakterien und Partikeln in Virengrößen bis zu siebartigen Filtern
gehen, die Partikel kleiner Durchmeseer durchgehen lassen, während unerwünschte
Reste und Partikel großer Durchmesser aus fluidischen Suspensionen ausgeschieden
werden, beispielsweise beim Filtrieren von Farben.
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Ansprüche