DE2922237A1 - Gasfilter - Google Patents

Description

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft ein Faltpapierelement, das in einem Luftfilter eines (Innen-)Verbrennungsmotors verwendet wird.

Das zur Herstellung von Gasfilterelementen verwendete Papier hat konträre Bedingungen zu erfüllen. Zum einen muß es leicht durchlässig sein, und zum anderen muß es als wirksames Filter für Teilchen ziemlich kleiner Abmessungen dienen. Im ebenen Zustand, wobei unbehandeltes Papier verwendet werden könnte, wurde gefunden, daß die Lebensdauer zu gering ist infolge eines Fehlens einer Dimensionsstabilität bzw. Steifigkeit sowie aufgrund eines Verschlusses der Poren des Papiers durch Feststoffteilchen, gelegentlich als "Schmutzkuchen oder -teppich" bezeichnet. Wesentlich bessere Leistung wird erzielt durch Verwendung eines "behandelten" Papiers, bei dem eine Wärmehärtungs-Kunststoff-Behandlung Anwendung findet, um Steifigkeit, d.h. Dimensionsstabilität, zu erhalten, wobei das Papier auch mit einer nichttrocknenden Flüssigkeit behandelt wird. Beispiele derartiger Behandlungsmethoden sind näher in den britischen Patentschriften 875 677 und 909 581 beschrieben. Die verwendete Behandlungsflüssigkeit wird im allgemeinen so gewählt, daß sie sowohl das Papier als auch die Feststoffteilchen zumindest befeuchtet.

Faltpapierelemente für Gasfiltrierung sind weit verbreitet, da der Faltenaufbau den GesamtOberflächenbereich des Papiers enorm vergrößert, das einer gegebenen Größe eines Filtergehäuses angepaßt werden kann» Die Verwendung von Faltpapier schafft jedoch Probleme. Liegen die Falten so nahe zusammen, daß Staubluft nicht zumindest den- größten Teil der Tiefe der Falten durchdringen kann, wird der verfügbare Papierbereich effektiv verringert· Auch können, da Papier begrenzte Festigkeit und Steifigkeit besitzt _y insbesondere im gefalteten Zustand, Verwendung und/oder relative Versetzung der Wände des Filterelementes unter den pulsierenden Strömungszuständen ein*- treten, die bei (Innen-)Verbrennungsmotoren auftreten« Dies hat gewöhnlich eine Verringerung des verfügbaren Papierbereichs

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durch Verringerung der Trennung zwischen wenigstens einigen der Palten zur Folge, so daß Staubluft zwischen diesen nicht vollständig durchtreten kann. Das Problem tritt, sofern irgendetwas verschlimmert wird, durch Verwendung von behandelt·« Papier ein, da die größeren Staubteilchen dazu neigen, an der Oberfläche des Papiers festzukleben anstatt in den Poren des Papiers eingebettet (und demzufolge in den Poren eingeschlossen) zu werden. Ist der Faltenabstand ungenügend, hat dies einen Verschluß der Falten selbst zur Folge, lange bevor deren maximale Staubaufnahmekapazität erreicht ist.

Nach dem Stand der Technik versucht man diese Schwierigkeiten dadurch zu überwinden, daß FaIt-Trenn-Vertiefungen in das Papier vor oder während des Faltungsvorgangs eingeprägt werden. Als Beispiel sei hierfür auf die britische Patentschrift 840 757 verwiesen. Alternativ kann das Papier einfach geringfügig über seine gesamte Länge vor dem Falten gewellt oder geriffelt vercfen. Über viele Jahre war dies übliche Praxis, wobei jedoch keine oder nur eine geringe tatsächliche Steuerung der Faltentrennung vorhanden war. Die Spalten zwischen den Falten sind allgemein gesagt für eine anzustrebende optimale Elementenlebensdauer zu klein. Alle diese Schwierigkeiten werden jedoch wesentlich verschlimmert, wenn ein "sich verjüngendes" Filterelement verwendet wird. Solche im allgemeinen konischen Elemente sind in der britischen Patentschrift 1 507 824 beschrieben, wonach ein Faltpapierelement vorgesehen ist, welches Kegelstumpfausbildung aufweist und Falten besitzt, die sich in Längsrichtung die geneigte Wand des Konus herab erstrecken. Ein Element dieser Bauart wird als ein "sich verjüngendes Filterelement" in der Beschreibung bezeichnet.

Erfindungsgemäß sind die Falten eines sich verjüngenden Faltpapier-Filterelements (wie vorstehend definiert) mit FaIt-Trenn-Vertiefungen versehen, deren Höhe relativ zur Papierebene in Längsrichtung des Elements abgestuft bzw· allmählich übergehend ist, so daß eine gesteuerte Faltentrennung über wenigstens den Großteil der Länge des Elements geschaffen ist.

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Vorteilhafterweise weisen die Falt-Trenn-Vertiefungen auf
derjenigen Seite des Faltpapiers, die im Betrieb die äußere Oberfläche des sich verjüngenden Elements sein soll, die
Form sich verjüngender Ein- bzw. Ausbuchtungen auf, wobei
eine sich verjüngende Einbuchtung zweckmäßigerweise als
kontinuierliche Deformation definiert wird, die sich über
wenigstens einen größeren Teil der Faltentiefe erstreckt,
um dadurch einen Rücken zu bilden, dessen Höhe relativ zur Plattenebene in progressiver Weise zum Boden der Falte abnimmt. Die Faltentiefe bezieht sich auf die Tiefe von einzelnen Falten, nicht auf die Breite des Papiers, aus dem
diese gefertigt sind. In ähnlicher Weise befindet sich der Boden einer Falte im Scheitel oder Ursprung des eingeschlossenen Winkels zwischen zwei benachbarten Faltenwand-Abschnitten.

Zwecks Schaffung einer Faltentrennung auf der Innenseite des sich verjüngenden Filterelements weisen die Vertiefungen
zweckmäßigerweise eine konstante Höhe über die gesamte
Tiefe der Falte auf, obgleich diese konstante Höhe natürlich in Längsrichtung der Falte abgestuft bzw. allmählich übergehend ist. Es wurde beobachtet, daß dies die Leistungsfähigkeit des Elements verbessert, insbesondere dann, wenn die Strömung durch das Element von außen nach innen bezüglich des Konus ist. Diese Strömungsrichtung ist diejenige, die normalerweise in der Vorrichtung gemäß vorgenannter
Beschreibung Nr. 1 507 824 vorhanden ist. Vorteilhafterweise sind die Vertiefungen der aufeinander zu weisenden Faltenabschnitte so ausgerichtet, daß eine kontinuierliche oder
diskontinuierliche Linie ausgebildet ist, die sich vom Mund oder dichc angrenzend an den Mund der Falte zu ihrem Boden erstreckt. Dies verringert die erforderliche Höhe der Vertiefungen in jedem einzelnen Wandabschnitt für eine gegebene Trennung zwischen den aufeinanderzu weisenden Wandabschnitten und erleichtert die Herstellung.

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Der Abstand der Falt-Trenn-Vertiefungen ist nicht kritisch, vorausgesetzt, daß genügend Vertiefungen vorhanden sind, um die gewünschte Faltentrennung aufrechtzuerhalten, und dass diese nicht so dicht beieinander gelegen sind, daß eine unzulässige Strömungseinschränkung hervorgerufen wird.

In der Praxis hat sich ein Abstand von bis zu ca. 1 cm zwischen benachbarten Vertiefungen als zufriedenstellend erwiesen, die in der gleichen Richtung vorstehen.

Die Höhe der bevorzugten sich verjüngenden Einbuchtungen kann bis zu ca. 1 mm relativ zur Papierebene betragen, wofeegenüberliegende Einbuchtungen so ausgerichtet sind, daß sie in einer bevorzugten Rücken-an-Eücken-Anordnung liegen. Die anstoßenden Rückenabschnitte von diesen können eine Breite im Bereich von 1 bis 3 mm besitzen. Eine typische Breite an der Basis einer Einbuchtung beträgt ca. 5 mm. Unter diesen bevorzugten Bedingungen ermöglicht die Kombination eines behandeltem Papiers mit einer sich verjüngenden Elementausbildung die Erzielung einer optimalen Papierlebensdauer hinsichtlich (a) Staubaufnahmekapazität und (b) Druckabfall längs des Filters. Letzterer ist sehr wesentlich, da dieser das Durchsatzvoluaen des Filters beeinträchtigt und - in einem kraftfahrzeugtechnischen Zusammenhang - die Leistungsfähigkeit des Vergasersysteiis.

Die Verwendung von in der Höhe alluählich zunehmenden Falt-Trenn-Vertiefungen gemäß der Erfindung hat ein sich rerjüngendes Element zur Folge, bei den die Faltentrennung genau über den größten Teil der Faltenlänge und Tiefe gesteuert wird. Auch hat es ein Element mit außergewöhnlicher Steifigkeit unter Pulsierungsströmungsbedingungen zur Folge. Trotz des augenscheinlich in signifikanter Weise erhöhten Umfangs einer Berührung zwischen den Falten vurde jedoch gefunden, daß ein sich verjüngendes Element mit in der Höhe allmählich übergehenden Falt-Trenn-Vertiefungen gemäß der Erfindung eine wesentlich größere Kapazität für eine Staubabsorption aufweist, bevor ein übermäßiger Druckabfall das Ende der Lebensdauer des Elements ankündigt.

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Im vorliegenden Zusanmenhang ist es nicht erforderlich, daß das sich verjüngende Element einen hohen Grad einer Verjüngung für eine Faltentrennung aufweist, um ein Punkt in der Bestimmung der Staubrückhaltekapazität des Elements und/ oder des Druckabfalls längs de· Filters zu werden. Selbst ein "optimierte·" «ich verjüngende» Element nit den FaIt-Trenn-Vertiefungen gemäß der Erfindung kann zuviel Papier (zuviele Falten) an seinem relativ schmalen Ende und zu wenig Papier (zu wenig Falten) an »einem relativ breiten Ende scheinbar haben. Der Grad der Verjüngung wird durch den Unter«chied des Durchmessers der zwei in Frage stehenden Elementenenden festgelegt, und es wurde gefunden, daß ein so kleiner Unterschied von ca. 1 bis 1,5 cm bei einer Elementenlänge von ca. 25 cm und bei einem durchschnittlichen Durchmesser von 18 oder 20 cm Faltentrennungsprobleme entstehen lassen kann, wenn nicht die erfindungsgemäße Technik angewendet wird.

Es ist notwendig, die Faltentrennungstechnik nunmehr zu erörtern. Es ist nicht ausreichend, die gleichförmigen bzw. gleichmäßigen Einbuchtungen nach dem Stand der Technik zu verwenden, da diese eine unzureichende Steuerung einer Faltentrennung bei dem relativ breiten Durchmesserende des Elementes hervorrufen, selbst bei einem derartigen kleinen Grad einer Elementenverjüngung. Dies führt zu einer "Zusammenballung" der Falten und einer zwangsläufigen Verringerung der Staubaufnahnekapazität.

Beispielsweise wird bei einem Großvoluaen-Luftreiniger für einen Hochleistungs-(Innen-)Verbrennungsmotor die Aufnahme-Lebensdauer (d.h. die, Grenze des zulässigen Druckabfalls) dann erreicht, wenn ca. 4000g Staub auf dem bekannten röhrenförmigen Faltenpapierelement absorbiert worden sind. "SAE feiner" Staub wurde verwendet.

Demgegenüber absorbiert ein sich verjüngendes Element mit den in der Höhe abgestuften bzw. allmählich übergehenden Falt-Trenn-Vertiefungen gemäß der Erfindung nahezu 6000 g

an Staub, bevor die gleiche Aufnahme-Lebensdauer erreicht worden ist.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt in der außergewöhnlichen Steifigkeit, die bereits angesprochen worden ist. Bisher wurden sich verjüngende Elemente dadurch stabilisiert, daß Klebstoffe verwendet wurden, um die in Radialrichtung an innerster und/oder an äußerster Stelle gelegenen Abschnitte der Falten mit den inneren und äußeren perforierten Blattmetallabstützungen, die gewöhnlich verwendet werden, festzukleben. Spiralbänder an Klebstoffen wurden hierfür verwendet, und während diese Technik nur begrenzt erfolgreich ist, neigt dies zum Verdunkeln bzw. Abdecken von wenigstens einigen der Papierbereiche, und dadurch wird die Staubabsorptionskapazität des Papiers verringert. Es kann auch Palten geben, die zu dicht zusammengeballt sind, wenn die Elementenanordnung nicht mit sehr großer Sorgfalt ausgeführt ist.

Die Erfindung enthält einen Luftfilter, der mit einem Filterelement nach der Erfindung zusammengepaßt ist.

Im vorerwähnten Ausführungsbeispiel wurde ein sich verjüngendes erfindungsgemäß aufgebautes Element axt einem bekannten röhrenförmigen Element verglichen, das aus dem gleichen Papier gefertigt ist. Beide wurden bei einer Strömung von 11,3 m pro Minute untersucht, und beide wiesen einen Anfangsdruckabfall von 21,5 cm an Wasser auf. Üblicher Staubbzw. Normstaub wurde in die Einlaßluftströmungen mit konstanter Rate eingeleitet, und es wurde der Druckabfall quer über die Elemente beobachtet. Wurden 55»8 cm Wasser erreicht (entsprechend der normalen Laboratoriumsversuchs-Lebensdauer des bekannten Elements mit einer derartigen Strömungsgeschwindigkeit), wurden die Versuche abgebrochen. Dieser normale Versuchs-Lebensdauer-Druckabfall wurde nach 6 1/2 Stunden im Falle eines bekannten Filterelements und nach 10 Stunden im Falle des sich

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verjüngenden Elements mit den. in der Höhe abgestuften bzw. allmählich übergehenden Falt-Trenn-Vertiefungen gemäß der Erfindung erreichte Beide Elemente wurden nach den Versuchen gewogen, und es wurde gefunden, daß das bekannte Element ca» 4000 g Staub absorbiert hatte. Demgegenüber hatte das Element mit den in der Höhe abgestuften Vertiefungen ca. 6000 g Staub absorbiert«, Da beide Elemente die gleiche Gesamtfläche an Papier enthielten, war die Verbesserung in der Staubrückhaltekapazität, die bei Verwendung eines sich verjüngenden Elements mit in der Höhe abgestuften Vertiefungen erzielt worden ist, sehr signifikant, wobei aufgezeigt wurde, daß entweder eine größere Strömungsrate bei gleicher Lebensdauer verwendet werden könnte, oder alternativ eine wesentlich größere Lebensdauer erzielt werden könnte ohne Vergrößerung des Papierbereichs und/oder der . Elementengröße«

Die Erfindung wird weiter durch nachfolgende vergleichende Beispiele erläutert:

Ein bekanntes röhrenförmiges Filterelement mit parallelen Seiten wurde aus einem standardisierten behandelten Filterpapier gefertigt. Das Papier wurde in Längsrichtung vor einem Falten in 2,5 cm tiefe Falten geringfügig gewellt oder geriffelt und in einer Röhre mit einem Außendurchmesser von 19 cm und einer Länge von 25 cm angeordnet. Diese Anordnung wurde in ein Filtergehäuse installiert, und es betrug die

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Durchsatzgeschwindigkeit 7,9 m pro Minute bei einem Anfangsdruckabf&ll von 100 mm an Wassermaß. Im Versuch beim bemessenen Durchsatz hielt das Element 355 g Standardstaub ("SAE feiner Staub") zurück, bevor der Versuch nach Erreichen eines Druckabfalls von 505 mm Wassermaß abgebrochen wurde, wobei letzterer das Ende der zweckmäßigen Lebensdauer des Elements ankündigte.

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Die gleiche Bauart eines Filterpapiers wurde anschließend in einem sich verjüngenden Filterelement aufgebaut, um die gleiche Gesamtdimensionierung des Filtergehäuses zu erhalten. Das Papier wurde jedoch erfindungsgemäß mit Einbuchtungen versehen und nicht vor einem Falten gewellt bzw. geriffelt. Die Tiefe der Falten wurde auf 3,8 cm erhöht, um den Vorteil eines vergrößerten Durchmessers des relativ breiten Endes zu erhalten, ermöglicht durch Verwendung eines sich verjüngenden Elements.

Trotz der vergrößerten Faltentiefe mußte der Gesamtbereich des Papiers im Filterelement reduziert werden, größtenteils deshalb, weil eine wesentlich bessere (größere und mehr gleichmäßige) Faltenabtrennung erzielt wurde. Der Anfangsdruckabfall war der gleiche, jedoch hatte im Versuch mit dem gleichen Staub und bei der gleichen Durchsatzmenge von 7,9 m pro Minute bis zum gleichen Enddruckabfall von 505 mm Wasser das Element nicht weniger als 1275 g Staub zurückgehalten, eine Verbesserung um mehr als das Dreieinhalbfache des bekannten Elements.

Zn einem weiteren Versuch zwecks Veranschaulichung der Wirkung der Erfindung wurde ein sich verjüngendes Element aus bekanntem, geringfügig gewelltem Papier wie zuvor gefertigt. Das Element war 45,6 cm lang, und sein durchschnittlicher Durchmeseer betrug 21,5 cm.

Dieses Element wurde in ein Metallgehäuse eingebaut und bei einem Durchsatz von 16,8 nr pro Minute untersucht, wobei mit einem Anfangsdruckabfall von 100 mm Wasser begonnen wurde. Als der Druckabfall 500 mm Wasser erreichte, wurde gefunden, daß das Element 14-'K) g Standardstaub enthielt.

Vorgenannter Versuch wurde unter Verwendung von Papier wiederholt, das gemäß der Erfindung Einbuchtungen aufwies. Der tatsächliche Gesamtbereich des Papiers (Anzahl der Falten) mußte

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um ca. 10 % infolge der erzielten vergrößerten und gleichmäßigeren bzw. gleichförmigeren Faltenabtrennung reduziert werden. Trotz der größeren Reduzierung des Gesamtpapierbereichs stieg die Staubrückhaltekapazität auf 1980 g an, eine Verbesserung von ca. 35 %» Diese Verbesserung wurde ausschließlich aufgrund der Verwendung sich verjüngender Einbuchtungen gemäß der Erfindung erzielt, da die anderen Versucheparameter (ausgenommen der Papierbereieh) unverändert blieben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert ι es zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch zwei gegea-" seitig aufeinanderzu weisende Faltwände, gesehen im allgemeinen radial bezüglich eines sich verjüngenden Elements, und

Fig. 2 eine teilweise geschnittene perspektivische Ansiäit eines Teils eines anderen sich verjüngenden Elements.

Gemäß Fig. 1 enthalten angrenzende Faltwände 2 und 3 Reihen von Falt-Trenn-Vertiefungen 4 bzw. 5» die sich längs der Falte erstrecken. Gemäß Zeichnung ist die Höhe bzw. Tiefe der einzelnen Vertiefungen von der Basis des Elements 6 zur Spitze 7 abgestuft. In ähnlicher Weise sind Reihen von Vertiefungen 8, 9 vorgesehen, die in entgegengesetzter Richtung bezüglich der Vertiefungen 4 und 5 vorstehen, um die Faltwände 2 und 3 von den (nicht gezeigten) angrenzenden Wänden zu beabstanden. Diese sind ebenfalls in ihrer Höhe genau in der gleichen Weise wie die Vertiefungen 4 und 5 abgestuft.

In Fig. 2 ist ein Teil eines sich verjüngenden Elements 19 in größerer Einzelheit dargestellt. In diesem Falle sind benachbarte Falten 10, 11 durch sich verjüngende Einbuchtungen 14 getrennt, die in das Filterpapier eingeprägt sind.

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Die Basis des Elements bildet eine metallene Endabdeckung 15, an der die Enden der Falten dadurch abdichtend befestigt sind, daß diese in einer Klebstoffschicht 16 eingebettet bzw. -gelassen sind. Innere und äußere perforierte Metallwände 17 bzw. 18 stützen das Element 19 ab, das sich zu einer kleineren, sonst jedoch ähnlichen Endabdeckung (nicht dargestellt) an der Spitze des Elements verjüngt. Die Höhe der Ein- bzw. Ausbuchtungen ist längs der Falten abgestuft bzw. allmählich übergehend und ebenfalls über deren Tiefe radial bezüglich des Elements. Dieses Element ist dasjenige, welches wie vorstehend beschrieben in einen Vergleich zu einem konventionellen röhrenförmigen Element gesetzt worden ist.

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Claims (6)

1. Patentansprüche:

   Faltpapier-Filterelement in Kegelstumpfausbildung mit in Längsrichtung zur geneigten Wand des Konus sich erstreckenden Falten, dadurch gekennzeichnet , daß Falt-Trenn-Vertiefungen in das Papier, aus dem das Element gefertigt ist, eingeprägt sind, deren Höhe längs des Elements abgestuft bzw. allmählich übergehend ist, so daß eine gesteuerte Faltentrennung über zumindest den Großteil der Länge des Elements geschaffen ist.
2. 2. Faltpapiex'-Filterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß jede Falt-Trenn-Vertiefung die Form einer sich verjüngenden Einbuchtung aufweist, die eine kontinuierliche Verformung umfaßt, die sich über wenigstens einen größeren Teil der Faltentiefe erstreckt, um einen Rücken zu bilden, dessen Höhe relativ zur Papierebene in progressiver Weise zum Boden der Falte abnimmt«

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3. 3. Faltpapier-Filterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die FaIt-Trenn-Vertiefungen, die aus der Papierebene im Betrieb in einer Richtung zu der äußeren Oberfläche des sich verjüngenden Elements vorstehen, die sich verjüngenden Einbuchtungen nach Anspruch 2 sind, und daß diejenigen Falt-Trenn-Vertiefungen, die sich aus der Papierebene in die andere Richtung erstrecken, im wesentlichen konstante Höhe über die gesamte Tiefe einer jeden Falte aufweisen.
4. 4-, Faltpapier-Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Falt-Trenn-Vertiefungen so ausgebildet sind, daß deren Rücken in einer angrenzenden Beziehung zueinander liegen, wenn das Papier in einem Filterelement angeordnet ist.
5. 5. Faltpapier-Filterelement nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet , daß die Falt-Trenn-Vertiefungen eine Höhe von ca. 1 mm relativ zur Papierebene aufweisen und deren anstoßenden Bereiche eine Breite von 1 bis 3 mm besitzen.
6. 6. Faltpapier-Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß es in einem Luftfilter für einen Innenverbrennungsmotor verwendet ist.

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