DE2902347C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Filterelements, bei dem eine Faserdispersion in einer Flüssigkeit gebildet wird, die Dispersion in einen Behälter eingeleitet wird, während sich die Fasern im Behälter sammeln und die Flüssigkeit über ein Filtersieb entfernt wird, welches wenigstens eine Seitenwand des Behälters bildet.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus der DE-OS 27 13 033 bekannt. Hierbei wird eine Fasermenge auf einer Öffnungen enthaltenden Stützschicht aufgebaut, wobei die Fasermenge die Stützschicht durchzieht.

Die US-PS 27 00 326 beschreibt die Herstellung eines rohrförmigen Filters mit homogenem Aufbau. Das rohrförmige Filter wird dabei von oben nach unten aufgebaut. Hierbei wird das Filter innerhalb einer Flüssigkeit stufenweise aufgebaut.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß insbesondere Filterelemente relativ große Länge mit homogenem Aufbau herstellbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Weitere Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Mit diesem Verfahren zur Herstellung eines Filterelements läßt sich ein Filterelement herstellen, das keine inhomogenen Nahtstellen besitzt. Dies wird im wesentlichen dadurch erreicht, daß durch kontinuierliches Anheben der undurchlässigen Hülse vom Boden die Wandung des Filters kontinuierlich durch Faserverdichtung aufgebaut wird. Die Dichte der das Filterelement bildenden Fasern ist über die Länge und Dicke der rohrförmigen Wand im wesentlichen konstant.

Im folgenden wird das Verfahren anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Anordnung, mit der das Verfahren durchführbar ist,

Fig. 2 eine Schnittansicht eines Teils der Anordnung nach Fig. 1, und

Fig. 3 eine Fig. 2 entsprechende Ansicht in einem fortgeschrittenen Verfahrensstadium.

Im folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung eines Filterelements beschrieben, bei dem eine Faserdispersion in einer Flüssigkeit gebildet wird, die Dispersion anschließend in einen Behälter eingeleitet wird, während sich die Fasern im Behälter sammeln und dann die Flüssigkeit über ein Filtersieb entfernt wird, welches wenigstens eine Seitenwand des Behälters bildet.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Anordnung zur Herstellung eines derartigen rohrförmigen Filterelements. Im Betrieb dieser Vorrichtung werden Wasser und Borsilikat-Mikrofasern in einen Mischbehälter 31 gegeben. Chlorwasserstoffsäure oder Schwefelsäure wird hinzugegeben, bis der pH-Wert 2,8 bis 3,5 erreicht. Es wurde festgestellt, daß Borsilikat-Mikrofasern sich bei diesem Wert leichter verteilen. Ferner hat sich gezeigt, daß sich die Fasern leichter verteilen, wenn die Lösungstemperatur auf etwa 35°C erhöht wird. Die Qualität der Fasern, die verwendet werden, hängt davon ab, für welchen Filtergrad das Filterelement verwendet werden soll. Das Faser-Wasser-Verhältnis (pro Gewicht) beträgt etwa 0,05% kann jedoch zwischen 0,01% und 0,5% variieren. Ein Bindemittel, beispielsweise ein kolloidales Siliziumoxid, kann bei dieser Verfahrensstufe in die Aufschlämmung eingeführt werden. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, diese Art von Bindemittel zu benützen, um vor der Harzimprägnierung eine zusätzliche Festigkeit zu verleihen. Die endgültige Verteilung wird durch eine mechanische Rührmaschine 32 bewirkt und dauert etwa 15 Minuten.

Wenn Ventile 33 und 34 geschlossen und ein Ventil 35 geöffnet ist, überträgt eine Pumpe 36 die Dispersion in einen Druckbehälter 37. Die präzise, übertragene Menge hängt von dem Faser/Wasserverhältnis und der Größe des herzustellenden Filterelements ab.

Im folgenden wird das Ventil 35 geschlossen und das Ventil 33 geöffnet, so daß Druckluft in den Druckbehälter 37 geführt wird.

Der im allgemeinen verwendete Druck beträgt 3,5 bar. Dieser obere Druck ist der Formdruck und kann entsprechend der erforderlichen Leistungsfähigkeit variiert werden. Der Leistungsgrad kann innerhalb eines Bereichs von z. B. 99,9% bis 99,999% geändert werden, wobei die gleiche Fasermischung verwendet wird. Der Formdruck kann einen unteren Wert bis zu 0,3 bar haben, jedoch hat sich ein Druckwert von 3,5 bar als äußerst zufriedenstellend bei einer Fasermischung herausgestellt, deren Mischungswert auf den geforderten Leistungsgrad abgestimmt ist.

Der nächste Schritt besteht im Öffnen des Ventils 34, so daß die Dispersion in einen Formring 38 fließt, von dem Einzelheiten in Fig. 2 und 3 gezeigt sind. Der Formring 38 enthält innere und äußere vertikale Zylinder 39, 40, welche einen Zwischenraum 41 festlegen, durch den die Dispersion in einen zylindrischen Formraum 42 fließen kann, der zwischen einem feinmaschigen Sieb 44, das durch einen maschinell hergestellten, perforierten Zylinder 45 getragen wird, und einem Kern 43 festgelegt ist, wenn der Kern 43 die in Fig. 2 gezeigte Lage einnimmt. Die Fig. 1 und 2 zeigen, daß das Filterelement als eine Einheit mit einer äußeren, steifen und zylindrischen Stützschicht 2 geformt wird, es ist jedoch ersichtlich, daß diese Stützschicht 2 zur Herstellung eines einfachen Filterrohres aus Borsilikat-Mikrofaser weggelassen werden kann. Gemäß einer Abwandlung kann auch eine innere Stützschicht in die inseitige Oberfläche des Rohres geformt werden, entweder anstelle von oder zusätzlich zu der äußeren Stützschicht 2. Der Boden des Formraumes ist mit einem feinmaschigen Sieb 46 bedeckt. Eine hin- und herbewegbare Hülse 47 ist derart angeordnet, daß sie außerhalb des Zylinders 40 und des perforierten Zylinders 45 gleiten kann.

Wenn der Kern 43 und die Hülse 47 die in Fig. 2 gezeigte Lage einnehmen, fließt das Wasser durch das Sieb 46 und das untere Ende des Siebs 44 weg in einen Behälter 48 (Fig. 1), während die Fasermasse mit dem Aufbau in dem Formraum 42 beginnt. Nachdem alle Fasern sich in dem Formraum 42 angesammelt haben, wird der Luftdruck beibehalten, so daß das übrige Wasser aus den Fasern entfernt wird und das geformte Filter trocknet. Das Ventil 34 wird dann geschlossen. Während des Formprozesses pumpt eine Pumpe 49 kontinuierlich das Wasser vom Behälter 48 in einen Vorrats- oder Speicherbehälter 50, von dem das Wasser zurückgeführt wird.

Schließlich wird der Kern 43 entfernt, damit das geformte Filterelement vom Ring 38 entfernt werden kann. Der Prozeß kann dann nochmals eingeleitet werden. Als Beispiel sei angegeben, daß die Zeit zur Formung eines rohrförmigen Filterelements mit einer Länge von 250 mm, einem Außendurchmesser von 65 mm bei einer Wanddicke von 10 mm etwa eine Minute beträgt. Das geformte Filterelement wird zu einem Heißlufttrockner entfernt, um eine Letzttrocknung auszuführen und wird dann mit Harz imprägniert und in einem Ofen wärmeerhärtet, um das Harz zu härten.

Insbesondere im Fall von langen Filterelementen, die beispielsweise über 50 mm lang sind, hat es sich als wünschenswert herausgestellt, die Hülse 47 progressiv anzuheben, um wesentlichen mit der gleichen Geschwindigkeit, so daß sich die Höhe der Fasermasse erhöht, um einen ununterbrochenen Fluß der Dispersion zu dem Punkt beizubehalten, an welchem die Masse aus den Fasern sich aufbaut. Die Bewegung der Hülse 47 endet dann, wie in Fig. 3 gezeigt ist.

Der Kern 43 ist mit einem oberen Abschnitt 51 mit reduziertem Durchmesser ausgebildet. Dies dient dazu, eine zusätzliche innere Lage aus faserartigem Filtermaterial zu dem Filtermaterial hinzuzugeben, welches in dem Formraum 42 geformt wurde, indem eine weitere Dispersion durch den Zylinder 39 in einen Formraum 52 zwischen dem Formraum 42 und dem Kernabschnitt 51 hinzugeführt wird, wenn der Kern 43 abgesenkt ist. Das Wasser von der neuen Schicht tritt durch die Fasern in dem Raum 42 aus. Die neue Schicht kann von größerem oder geringerem Wirkungsgrad bzw. Leistungsgrad als das rohrförmige Element sein, das in dem Raum 42 geformt wurde. Diese Anordnung ermöglicht die Herstellung eines Filterelements mit abgestufter Dichte als Teil eines integralen Prozesses.

Untersuchungen haben gezeigt, daß die Fasern in einem fertiggestellten Filterelement, das durch das vorstehend unter Bezugnahme auf Fig. 1 bis 3 beschriebene Verfahren hergestellt wurde, hauptsächlich in Ebenen geschichtet sind, die senkrecht zu der Richtung liegen, in welcher die Dispersion in den Formraum strömt. Es hat sich gezeigt, daß das gleiche Packmuster durch den gesamten Bereich von Form-Druckwerten entsteht, die in der Praxis effektiv benützt werden können. Die Vorteile dieses Packmusters ergeben sich aus den nachstehend in Tabellenform angegebenen Ergebnissen.

Werden als Fasermasse Zellstoffasern oder Kombinationen von Zellstoffasern mit Borsilikatfasern benützt, kann ein Melamin- oder Phenol-Harzbinder vorteilhaft als Bindematerial benützt werden. Ein mit Melamin-Harz verbundener Zellstoff ist geeignet für Trinkwasser- und Sanitärbedingungen. Phenolharz wird für Arbeiten bei höheren Temperaturen bevorzugt. Die Kombination von Zellstoffasern mit anderen Fasern ist sowohl hinsichtlich der Kosten als auch hinsichtlich der Produktionszeit wirtschaftlich, liefert gute Strömungscharakteristiken und einen guten chemischen Widerstand sowie eine gesteuerte Wahl der Porengröße, indem verschiedene Fasermaterialien mit Zellstoff gemischt werden. Es hat sich gezeigt, daß durch Mischen von 20% Borsilikat-Mikrofaser mit 80% Zellstoff die Herstellungszeit für das Filter um 30% reduziert werden kann. Wenn in diesem Fall das Fluid Wasser ist, beträgt der Druckabfall Δp am Filter 0,15 bar bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 16 Liter je Minute. Bei einem Gewichtsverhältnis von 50% beträgt der Druckabfall 0,15 bar bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 22 Liter je Minute. Die Glasfasergröße (Durchmesser) betrug dabei 3,8 bis 5,1 Mikrometer; die Zellulose war dabei ein gebleichter Nadelholz-Zellstoff (soft wood craft). Das Bindematerial, beispielsweise Melamin-Harz, Phenolharz oder ein anderes synthetisches Harz, kann auf eine von drei verschiedenen Weisen aufgebracht werden. Zum einen kann das Bindemittel dadurch aufgebracht werden, daß eine Menge von Fasern in einer Formanordnung geformt wird, wie sie beispielsweise in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist, wonach dann die Menge nach Trocknen durch Eintauchen in eine Harzlösung imprägniert und das Harz im Ofen ausgehärtet wird. Zum anderen kann eine Zellstoffaser vorbereitet werden und die Borsilikat-Faser getrennt mit einer zweiten Harzlösung gemischt werden, wonach die beiden Mischungen zusammengebracht werden und die Masse unter Druck in der Formausrüstung geformt und anschließend die Masse ausgehärtet wird. Zum dritten können alle Fasern und die Harzlösung in einem einzigen Behälter gemischt werden, wonach diese Mischung in die Formausrüstung verbracht wird und anschließend die Masse ausgehärtet wird.

Ein zylindrisches Filterelement zur Flüssigkeitsfiltrierung, welches eine Faserkombination gemäß vorstehender Beschreibung enthält, kann einen Außendurchmessser von 64 mm, eine Wanddicke von 18 mm und verschiedene Längen, beispielsweise 250 mm haben. Es ist keine Stützschicht für viele Anwendungszwecke erforderlich, jedoch kann eine Stützschicht erforderlichenfalls hinzugefügt werden. Das Filter ist vorzugsweise für eine Strömung von der Außenseite in die Innenseite des Zylinders angeordnet, damit eine größere Oberfläche zur Schmutzsammlung geschaffen wird. Diese Fläche kann dadurch erhöht werden, daß in Längsrichtung oder in Umfangsrichtung an der Außenfläche des Zylinders Rillen ausgeformt werden.

Anstelle der Verwendung eines komprimierten Gases zur Erzeugung eines Drucks auf die Aufschlämmung in der Formausrüstung kann eine hydraulische Pumpe verwendet werden, wobei diese Pumpe derart angeordnet ist, daß sie die Aufschlämmung aus dem Mischtank mitzieht und zwangsweise in die Formanlage verbringt.

Vorzugsweise wird das geformte rohrförmige Filterelement in eine Lösung aus Harz in ein Lösungsmittel getaucht, so daß das faserartige Material imprägniert wird, wonach es dann durch Wärme ausgehärtet wird.

Durch Verwendung eines Verfahrens, wie es nachfolgend beschrieben wird, läßt sich ein Filterelement ohne jegliche Stützschicht mit sehr vorteilhaften Eigenschaften herstellen. Derartige Filterelemente sind beispielsweise 54 mm lang, haben einen Außendurchmesser von 44 mm und einen Innendurchmesser von 34 mm; durch Versuche wurden folgende Eigenschaften ermittelt:

In vorstehender Tabelle bezeichnet p den Arbeitstestdruck, Δp den Druckverlust am Filter, und O.D.T. bedeutet das Verhältnis des ofengetrockneten Gesamtgewichts des Harzes gegenüber dem Fasergehalt des Filterelements. Das bei allen Filterelementen verwendete Bindemittel, die in vorstehender Tabelle angegeben sind, war Silikonharz, das bevorzugt wird; es können jedoch auch viele andere Bindemittel verwendet werden, um vergleichbare Testergebnisse zu liefern. Der höchste Harzgehalt, der bei dem in vorstehender Tabelle am Schluß angegebenen Beispiel vorhanden ist, beträgt 35%, jedoch kann der Harzgehalt auch auf 100% erhöht werden, wobei auch dann noch zufriedenstellende Eigenschaften vorliegen. Ein Harzgehalt von 25% hat sich jedoch für die meisten Anwendungszwecke als sehr zufriedenstellend herausgestellt.

Die Wirkung auf die Leistung eines ungestützten rohrförmigen Filterelements bei Änderung seiner Wanddicke ist in der folgenden Tabelle veranschaulicht, bei der das Beispiel (a) ein größeres Element mit 200 mm Länge, 66 mm Außendurchmesser und 54 mm Innendurchmesser ist, während das Beispiel (b) einen Innendurchmesser von 46 mm hat.

In der vorstehenden Tabelle ist p ein Überdruck bzw. Meßdruck über Atmosphärendruck, während Δp die Druckdifferenz darstellt.

Vorstehende Tabelle zeigt, daß tatsächlich nur die Strömungskapazität und der Wirkungsgrad durch die Vergrößerung der Wanddicke beeinflußt wird. In der Praxis wurde angenommen, daß etwa 3 mm die untere Grenze für die Wanddicke darstellen.

Es wurde angenommen, daß sich die guten Ergebnisse gemäß den vorstehenden Tabellen aus dem Packungsmuster der Fasern ergeben, das wiederum ein Ergebnis des Herstellungsverfahrens ist, wie es nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 erläutert ist. Dieses Pack- oder Anordnungsmuster ergibt sich aus den Fasern, die gewissermaßen gleichmäßiger in Umfangsrichtung rund um das Filterelement liegen, als es mit den bekannten Vakuumverfahren möglich ist, die ein vollständig zufälliges Pack- und Anordnungsmuster der Fasern ergeben. Die regelmäßigere Packung bzw. Anordnung der Fasern in den Filterelementen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren beeinträchtigt den Wirkungsgrad dieser Filterelemente nicht.

Obgleich das vorstehend beschriebene Filterelement keine steife Stützschicht aufweist, können derartige Filterelemente mit einer inneren, äußeren oder sowohl mit einer äußeren und inneren Schicht aus gewobenem oder nicht gewobenem flexiblen Material versehen sein, um die Eigenschaften bei deren Handhabung zu verbessern. Solche eine Schicht kann während der Herstellung des Filterelements durch ein Verfahren eingebracht werden, wie dies im folgenden erläutert wird. Die Fasern würden generell durch die Öffnungen oder Poren aufweisende Struktur des flexiblen Materials durchdringen. Im Falle eines Filterelements mit einer einzigen steifen Stützschicht kann darüber hinaus die gegenüberliegende Fläche der faserartigen Struktur mit einer Schicht aus flexiblem Material versehen sein.

Einfache, ungestützte rohrförmige Filterelemente, wie sie vorstehend beschrieben sind, können mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Oberflächenmustern, beispielsweise mit umfangsmäßig oder in Längsrichtung verlaufenden Rillen versehen werden, um die Größe der Oberfläche zu erhöhen.

Filter der vorstehend beschriebenen Art können entweder zur Gas- oder Flüssigkeitsfiltrierung verwendet werden. Der Wirkungsgrad kann bis zu 99,99998% betragen, wenn der Test auf BS 4400 ausgeführt wird; diese Filter können mit Mikro-Werten in verschiedenen Stufen zwischen 1 und 50 Mikron hergestellt werden. Eine weitere Methode zur Erhöhung des Wirkungsgrades des geformten Filtermaterials besteht im Komprimieren des Materials während der Imprägnierung mit Harz und während der Aushärtung.

Ein weiteres Material, das als Stützschicht verwendet werden kann, ist ein steifer Metallschaum (metal foam). Die Fasern können direkt auf diesen Schaum geformt werden, so daß sie nur so weit in die Dicke der Schaumschicht bzw. Schaumlage eindringen, jedoch kann das feinmaschige Sieb 44 in diesem Verfahren beseitigt werden, da die Schaumschicht selbst die Filterfläche liefert, durch welche das Wasser abgezogen wird. Die gleiche Methode kann in dem Fall der vorstehend erwähnten gesinterten Stützschicht angewandt werden. Die gleiche Methode kann auch bei Schaum verwendet werden, der aus Kunststoffmaterialien besteht, welche flexibel bzw. nachgiebig oder halbsteif sein können. Besonders vorteilhaft kann jedoch ein steifer, mit Polyvenylchlorid beschichteter Kunststoffschaum angesetzt werden.

Unter die vielen möglichen Anwendungen der beschriebenen Filter fallen die Entfernung von Öl aus komprimierter Luft, eine Vorfilterung, eine Belüftung, eine Vakuumfiltrierung, eine Flüssigkeitsfiltrierung, eine Luftsterilisation und eine pneumatische Geräuschdämpfung bzw. Schalldämpfung.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung eines Filterelementes, bei dem eine Faserdispersion in einer Flüssigkeit gebildet wird, die Dispersion in einen Behälter eingeleitet wird, während sich die Fasern im Behälter sammeln und die Flüssigkeit über ein Filtersieb entfernt wird, welches wenigstens eine Seitenwand des Behälters bildet, dadurch gekennzeichnet,
daß die Bodenwand des Behälters aus einem Filtersieb besteht, von dem sich die Seitenwand nach oben erstreckt, daß die Dispersion von der Oberseite in den Behälter mit gleichförmigem Druck und frei von Schwankungen eingeführt wird, während die wirksame durchlässige Fläche des die Seitenwand bildenden Filtersiebes durch eine undurchlässige Hülse dadurch erhöht wird, daß die undurchlässige Hülse von dem Boden mit einer Geschwindigkeit wegbewegt wird, die im wesentlichen gleich der Geschwindigkeit ist, mit welcher sich die auf dem Boden ansammelnde Fasermasse von dem Boden nach oben aufbaut, wobei die Flüssigkeit durch die sich vergrößernde durchlässige Fläche der Seitenwand austritt, daß die Dispersion so lange in den Behälter eingeleitet wird, bis sich eine Fasermasse gleichförmiger Konsistenz in Längs- und Querrichtung bis zur gewünschten Höhe angesammelt hat
und daß dann die angesammelte Fasermasse entlang der Seitenwand oder mit der Seitenwand entfernt wird, die gegebenenfalls in die Oberfläche der Fasermasse hineingeformt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasermasse aus Bohrsilikat-Mikrofasern in Wasser besteht und durch die Zugabe einer Säure auf einen pH-Wert von 2,8 bis 3,5 gebracht wird, wobei das Gewichtsverhältnis der Fasern gegenüber Wasser zwischen 0,01% und 0,5% liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Dispersion aus Fasern in Wasser in einem Mischtank durch eine Schaufeleinrichtung geformt wird,
daß die Dispersion in einen Druckbehälter gepumpt wird,
daß unter Druck stehende Luft die Dispersion aus dem Druckbehälter drückt und die Dispersion auf die Filteroberfläche aufliegt,
daß die Zuführung von unter Druck stehender Luft aufrecht erhalten wird, um die Fasermasse nach dem Abfließen des Wassers aus der Masse zu trocknen, und
daß das abgezogene Wasser zur Rückführung in den Mischtank gesammelt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die der Dispersion zugegebenen Fasern mit im wesentlichen konstanter Dichte bzw. Konsistenz über die Länge und Stärke der rohrförmigen Wand verdichtet sind, wobei der größte Teil der Fasern nahezu parallel zueinander in Umfangsrichtung um die Achse der rohrförmigen Wand parallel zueinander ausgerichtet sind und daß die Fasern durch ein Kunstharz miteinander verbunden sind.